３次元計測装置、および３次元計測方法

【課題】偏光解析を用いながら、複数の傾斜面の各傾斜方向の違いを識別できる３次元計測装置、および３次元計測方法を提供する。
【解決手段】３次元演算部４の傾斜算出部４１は、ワーク台座６によってカメラ３の撮像方向とワークＷの表面との相対角度を第１の状態に設定してカメラ３が生成した撮像データに基づいて、透過光Ｌ３の偏光状態を検出し、この検出した偏光状態に基づいて、ワークＷの表面の第１の傾斜角および第１の方位角を求め、ワーク台座６によって相対角度を第１の状態から第２の状態に変化させた後にカメラ３が生成した撮像データに基づいて、透過光Ｌ３の偏光状態を検出し、この検出した偏光状態に基づいて、ワークＷの表面の第２の傾斜角および第２の方位角を求め、傾斜補正部４２は、第１の傾斜角と第２の傾斜角との差に基づいて、第１の傾斜角または第１の方位角を補正する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元計測装置、および３次元計測方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ワークの３次元形状を計測する３次元計測装置が提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
図１４は、従来の３次元計測装置Ｂ１の構成を示し、３次元計測装置Ｂ１は、照明部５０１と、直線偏光板５０２と、カメラ５０３と、３次元演算部５０４と、表示部５０５とで構成される。
【０００４】
照明部５０１は、半球の椀状の照射面５０１ａを有し、照射面５０１ａの開口の略中心に配置したワークＷに、円偏光した照射光Ｌ５０１を照射する。照射光Ｌ５０１がワークＷの表面で反射した反射光Ｌ５０２は楕円偏光に変化し、照射部５０１の底部中心に設けた孔５０１ｂを通って直線偏光板５０２を透過する。直線偏光板５０２を透過した透過光Ｌ５０３は、直線偏光に変化し、この透過光Ｌ５０３をカメラ５０３が撮像する。３次元演算部５０４は、カメラ５０３の撮像データを取得し、この撮像データに基づいてワークＷの３次元形状を計測し、この計測結果は、外観図、寸法等の形状データとして、液晶画面等の表示部５０５に表示される。
【０００５】
具体的には、カメラ５０３が透過光Ｌ５０３を撮像する度に、直線偏光板５０２は、板面の中心軸の周方向に所定角度だけ回転して偏光方向を段階的に変化させる。そして、このカメラ５０３の撮像動作と直線偏光板５０２の回転動作とは、直線偏光板５０２が半回転（１８０°回転）するまで繰り返し行われる。
【０００６】
３次元演算部５０４は、直線偏光板５０２の回転角度のそれぞれに対応した透過光Ｌ５０３の撮像データをカメラ５０３から取得し、直線偏光板５０２の回転角度（偏光板角度）とワークＷの表面の画素の輝度（画素輝度）との関係を導出する。偏光板角度と画素輝度との関係は、図１５に示すように、偏光板角度の１８０°周期で画素輝度が増減し、画素輝度は、偏光板角度０〜１８０°の間で最大値および最小値がそれぞれ１個づつ現れる。
【０００７】
そして、３次元演算部５０４は、偏光板角度と画素輝度との関係に基づいて、透過光Ｌ５０３の偏光解析を画素毎に行い、画素毎の偏光状態を検出する。そして、偏光解析を行った画素は、ワークＷの表面の微少な一部分Ｓｎ（表面片Ｓｎ）に相当しており、その偏光状態から、図１６に示す表面片Ｓｎの法線ベクトルＮの傾斜角θａと方位角θｂとを求める。傾斜角θａは、カメラ５０３の撮像中心軸Ｚに対する法線ベクトルＮの角度であり、方位角θｂは、撮像中心軸Ｚに直交するＸ−Ｙ平面上で、Ｘ軸に対する法線ベクトルＮの角度である。
【０００８】
３次元演算部５０４は、上述のように求めた法線ベクトルＮの傾斜角θａおよび方位角θｂに基づいて、表面片Ｓｎの傾斜を決定する。そして、画素毎に上記画像解析処理を行って表面片Ｓｎの傾斜を決定し、これらの表面片Ｓｎを連続させることによって、ワークＷの３次元形状を計測している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】国際公開第２０１０／０２１１４８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来の３次元計測装置Ｂ１は、図３、図４（ａ）（ｂ）に示す形状のワークＷ１を計測対象とした場合、以下のような問題があった。
【００１１】
まず、ワークＷ１は、Ｙ軸方向において互いに対向する端面Ｍ３，Ｍ４（図３、図４（ａ）（ｂ）では、一端方向の端面Ｍ３のみを示す）が、上底が下底より短い台形形状となる。また、Ｘ軸方向において互いに対向する側面は、一方向へ傾斜する傾斜面Ｍ１と他方向へ傾斜するＭ２とで構成され、傾斜面Ｍ１，Ｍ２が、Ｘ−Ｙ平面との間でなす内角は、「４５°」である。そして、カメラ５０３の撮像中心軸Ｚが、ワークＷ１の上面Ｍ５の法線方向に一致するものとする。
【００１２】
そして、３次元演算部５０４は、偏光解析によって、傾斜面Ｍ１の法線ベクトルＮ１の傾斜角θａ５０１および方位角θｂ５０１、傾斜面Ｍ２の法線ベクトルＮ２の傾斜角θａ５０２および方位角θｂ５０２を導出する。
【００１３】
ここで、Ｚ軸の一方向を傾斜角θａ＝０°とし、Ｘ軸の一方向を方位角θｂ＝０°とした場合、カメラ３からみたワークＷの傾斜面の傾斜方向は、傾斜角θａ「−９０°〜９０°」、方位角θｂ「０°〜３６０°」の範囲内を、任意にとり得る。しかしながら、３次元演算部５０４が回転検光子法等の偏光解析技術を用いて求めることができる傾斜角θａおよび方位角θｂの各範囲は、傾斜角θａ「０°〜９０°」、方位角θｂ「０°〜１８０°」である。
【００１４】
したがって、偏光解析によって得られる傾斜角θａ５０１および方位角θｂ５０１と、偏光解析によって得られる傾斜角θａ５０２および方位角θｂ５０２とが、互いに同一値になってしまうという問題がある。
【００１５】
例えば、図１７に示すように、３次元演算部５０４が導出した傾斜面Ｍ１の法線ベクトルＮ１の傾斜角θａ５０１は「４５°」、方位角θｂ５０１は「０°」となる。一方、３次元演算部５０４が導出した傾斜面Ｍ２の法線ベクトルＮ２の傾斜角θａ５０２も「４５°」、方位角θｂ５０２も「０°」となる。すなわち、傾斜面Ｍ１，Ｍ２の各法線ベクトルＮ１，Ｎ２は、実際は互いに異なる方向に形成されるにも関わらず、各法線ベクトルＮ１，Ｎ２が同一方向に形成されるかのような解析結果になる。
【００１６】
このように、偏光解析によって得られる傾斜角θａおよび方位角θｂでは、表面片Ｓｎの法線ベクトルＮ（図１６参照）を一意に決定することができない。したがって、従来の３次元計測装置Ｂ１では、傾斜面Ｍ１，Ｍ２の傾斜方向の違いを識別できず、傾斜面Ｍ１，Ｍ２を区別することができなかった。
【００１７】
本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、偏光解析を用いながら、複数の傾斜面の各傾斜方向の違いを識別できる３次元計測装置、および３次元計測方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の３次元計測装置は、既知の偏光状態の第１の光を被計測物の表面へ照射する照明装置と、前記被計測物の表面で第１の光が反射して形成される第２の光を撮像した撮像データを生成する撮像装置と、前記撮像装置の撮像方向と前記被計測物の表面との相対角度を変化させる姿勢変化手段と、前記姿勢変化手段によって前記相対角度を第１の状態に設定して前記撮像装置が生成した前記撮像データに基づいて、前記第２の光の偏光状態を検出し、この検出した偏光状態に基づいて、前記被計測物の表面の第１の傾斜角および第１の方位角を求め、前記姿勢変化手段によって前記相対角度を前記第１の状態から第２の状態に変化させた後に前記撮像装置が生成した前記撮像データに基づいて、前記第２の光の偏光状態を検出し、この検出した偏光状態に基づいて、前記被計測物の表面の第２の傾斜角および第２の方位角を求め、前記第１の傾斜角と前記第２の傾斜角との差に基づいて、前記第１の傾斜角または前記第１の方位角を補正する３次元演算部とを備えることを特徴とする。
【００１９】
この発明において、前記姿勢変化手段は、前記被計測物を回転させることによって、前記撮像装置の撮像方向と前記被計測物の表面との相対角度を変化させることが好ましい。
【００２０】
この発明において、前記姿勢変化手段は、前記撮像装置を回転させることによって、前記撮像装置の撮像方向と前記被計測物の表面との相対角度を変化させることが好ましい。
【００２１】
この発明において、前記３次元演算部は、前記３次元演算部は、前記第１の傾斜角と前記第２の傾斜角との差に応じて前記第１の傾斜角の正負の符号を決定することによって、前記第１の傾斜角を補正することが好ましい。
【００２２】
この発明において、前記３次元演算部は、前記第１の傾斜角と前記第２の傾斜角との差に応じて前記第１の方位角を１８０°ずらすことによって、前記第１の方位角を補正することが好ましい。
【００２３】
本発明の３次元計測方法は、既知の偏光状態の第１の光を被計測物の表面へ照射し、前記被計測物の表面で第１の光が反射して形成される第２の光を撮像した撮像データを生成し、前記撮像データに基づいて、前記第２の光の偏光状態を検出し、この検出した偏光状態に基づいて、前記被計測物の表面の傾斜角および方位角を求める３次元計測方法において、前記第２の光を撮像する撮像方向と前記被計測物の表面との相対角度を第１の状態に設定して生成した前記撮像データに基づいて、前記第２の光の偏光状態を検出し、この検出した偏光状態に基づいて、前記被計測物の表面の第１の傾斜角および第１の方位角を求めるステップと、前記相対角度を前記第１の状態から第２の状態に変化させた後に生成した前記撮像データに基づいて、前記第２の光の偏光状態を検出し、この検出した偏光状態に基づいて、前記被計測物の表面の第２の傾斜角および第２の方位角を求めるステップと、前記第１の傾斜角と前記第２の傾斜角との差に基づいて、前記第１の傾斜角または前記第１の方位角を補正するステップとを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように、本発明では、偏光解析を用いながら、複数の傾斜面の各傾斜方向の違いを識別できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施形態１の３次元計測装置を示す構成図である。
【図２】同上の傾斜角および方位角を示す斜視図である。
【図３】同上のワークを示す斜視図である。
【図４】（ａ）（ｂ）同上のワークを示す平面図である。
【図５】（ａ）（ｂ）同上の第１の状態を示す平面図である。
【図６】（ａ）（ｂ）同上の第２の状態を示す平面図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）同上の傾斜角および方位角の計測値、補正値を示すテーブル図である。
【図８】（ａ）（ｂ）同上の他のワークを用いた第１の状態を示す平面図である。
【図９】（ａ）（ｂ）同上の第２の状態を示す平面図である。
【図１０】（ａ）〜（ｃ）同上の傾斜角および方位角の計測値、補正値を示すテーブル図である。
【図１１】（ａ）〜（ｃ）実施形態２の傾斜角および方位角の計測値、補正値を示すテーブル図である。
【図１２】（ａ）〜（ｃ）同上の他のワークを用いた傾斜角および方位角の計測値、補正値を示すテーブル図である。
【図１３】実施形態３の３次元計測装置を示す構成図である。
【図１４】従来の３次元計測装置を示す構成図である。
【図１５】偏光板角度と画素輝度との関係を示すグラフ図である。
【図１６】従来の傾斜角および方位角を示す斜視図である。
【図１７】従来の傾斜角および方位角の計測値を示すテーブル図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２７】
（実施形態１）
図１は、本実施形態の３次元計測装置Ａ１の構成を示し、３次元計測装置Ａ１は、照明部１と、直線偏光板２と、カメラ３（撮像装置）と、３次元演算部４と、表示部５と、ワーク台座６（姿勢変化手段）とで構成される。
【００２８】
照明部１は、半球の椀状の照射面１ａを有し、照射面１ａの開口の略中心に配置したワークＷ（被計測物）に、円偏光した照射光Ｌ１（第１の光）を照射する。照射光Ｌ１がワークＷの表面で反射した反射光Ｌ２は楕円偏光に変化し、照射部１の底部中心に設けた孔１ｂを通って直線偏光板２を透過する。直線偏光板２を透過した透過光Ｌ３（第２の光）は、直線偏光に変化し、この透過光Ｌ３をカメラ３が撮像する。３次元演算部４は、カメラ３の撮像データを取得し、この撮像データに基づいてワークＷの３次元形状を計測し、この計測結果は、外観図、寸法等の形状データとして、液晶画面等の表示部５に表示される。なお、３次元計測装置Ａ１は、反射光Ｌ２を孔１ｂに導く図示しない導光手段を備えるものとする。
【００２９】
３次元演算部４は、傾斜算出部４１と、傾斜補正部４２とを備える。
【００３０】
傾斜算出部４１は、直線偏光板２の回転制御、およびカメラ３の撮像制御を行い、直線偏光板２を、板面の中心軸の周方向に所定角度だけ回転させて偏光方向を段階的に変化させながら、直線偏光板２の各偏光方向における透過光Ｌ３をカメラ３が撮像する。すなわち、傾斜算出部４１は、直線偏光板２の回転角度のそれぞれに対応した透過光Ｌ３の撮像データをカメラ３から取得し、このカメラ３の撮像動作と直線偏光板２の回転動作とを、直線偏光板２が半回転（１８０°回転）するまで繰り返し行う。
【００３１】
そして、傾斜算出部４１は、直線偏光板２の回転角度（偏光板角度）とワークＷの表面の画素の輝度（画素輝度）との関係を導出する。傾斜算出部４１は、偏光板角度と画素輝度との関係に基づいて、透過光Ｌ３の偏光解析を画素毎に行い、画素毎の偏光状態を検出する。この偏光状態の検知方法には、偏光楕円の方位角および楕円角率を検知する「回転検光子法」を用いる。なお、回転検光子法は、周知の偏光解析技術であるため詳細な説明は省略する。
【００３２】
偏光解析を行った画素は、ワークＷの表面の微少な一部分Ｓｎ（表面片Ｓｎ）に相当しており、傾斜算出部４１は、その偏光状態から、図２に示す表面片Ｓｎの法線ベクトルＮの傾斜角θａと方位角θｂとを求める。傾斜角θａは、カメラ３の撮像中心軸Ｚ（以降、Ｚ軸と称す）に対する法線ベクトルＮの角度であり、方位角θｂは、撮像中心軸Ｚに直交するＸ−Ｙ平面上で、Ｘ軸に対する法線ベクトルＮの角度である。
【００３３】
ここで、Ｚ軸の一方向を傾斜角θａ＝０°とし、Ｘ軸の一方向を方位角θｂ＝０°とした場合、カメラ３からみたワークＷの傾斜面の傾斜方向は、傾斜角θａ「−９０°〜９０°」、方位角θｂ「０°〜３６０°」の範囲内を、任意にとり得る。しかしながら、傾斜算出部４１が回転検光子法を用いて求めることができる傾斜角θａおよび方位角θｂの各範囲は、傾斜角θａ「０°〜９０°」、方位角θｂ「０°〜１８０°」である。したがって、傾斜算出部４１の算出結果を用いて傾斜面の傾斜を決定した場合には、複数の傾斜面の各傾斜方向の違いを識別できない虞がある。
【００３４】
そこで、３次元演算部４の傾斜補正部４２は、傾斜算出部４１の算出結果を補正して、傾斜面の正しい傾斜を決定しており、以下、この傾斜補正について説明する。
【００３５】
ワークＷとして、図３、図４（ａ）（ｂ）に示すワークＷ１を用いる。ワークＷ１は、Ｙ軸方向において互いに対向する端面Ｍ３，Ｍ４（図３、図４（ｂ）では、一端方向の端面Ｍ３のみを示す）が、上底が下底より短い台形形状となる。また、Ｘ軸方向において互いに対向する側面は、一方向へ傾斜する傾斜面Ｍ１と他方向へ傾斜するＭ２とで構成され、傾斜面Ｍ１，Ｍ２が、Ｘ−Ｙ平面との間でなす内角は、「４５°」である。
【００３６】
そして、３次元演算部４は、傾斜角θａ「−９０°〜９０°」、方位角θｂ「０°〜３６０°」の各範囲内で傾斜面がとり得る全ての傾斜方向を識別する必要がある。傾斜方向を識別する方法としては、「０°〜１８０°」の範囲にある方位角θｂに対して、正の傾斜角θａと負の傾斜角θａとの両方を設定可能にすることによって、上記全ての傾斜方向を識別可能になる。そこで、本実施形態の傾斜補正部４２は、傾斜角θａ：「−９０°〜９０°」、方位角θｂ：「０°〜１８０°」の各範囲内で傾斜角θａおよび方位角θｂを決定するものとする。
【００３７】
さらに、ワークＷ１は、ワーク台座６の台座本体６１上に固定されており、台座本体６１は、Ｙ軸方向に設けた回転軸６２の軸周りに回転自在に構成されており、傾斜算出部４１によって、台座本体６１の回転制御が行われる。すなわち、ワーク台座６は、ワークＷ１を回転させることによって、カメラ３の撮像方向（Ｚ軸）とワークＷ１の表面との相対角度を変化させる姿勢変化手段に相当する。
【００３８】
まず、傾斜算出部４１は、台座本体６１を回転制御して、図５（ａ）（ｂ）に示すようにワークＷ１の上面Ｍ５の法線方向をＺ軸方向に一致させ（第１の状態）、この状態で上記偏光解析を行う。すなわち、第１の状態におけるワークＷ１の傾斜面Ｍ１，Ｍ２、上面Ｍ５について、表面片Ｓｎの法線ベクトルＮの傾斜角θａおよび方位角θｂをそれぞれ求める。なお以降、表面片Ｓｎの法線ベクトルＮの傾斜角θａおよび方位角θｂを、単に傾斜角θａおよび方位角θｂと称す。
【００３９】
図７（ａ）は、第１の状態において、傾斜算出部４１が導出した傾斜面Ｍ１，Ｍ２における傾斜角θａ１１，θａ２１および方位角θｂ１１，θｂ２１を示す。傾斜面Ｍ１における傾斜角θａ１１（第１の傾斜角）は「４５°」、方位角θｂ１１（第１の方位角）は「０°」となり、傾斜面Ｍ２における傾斜角θａ２１（第１の傾斜角）も「４５°」、方位角θｂ２１（第１の方位角）も「０°」となる。すなわち、傾斜面Ｍ１，Ｍ２の各法線ベクトルＮ１，Ｎ２は、実際は互いに異なる方向に形成されるにも関わらず、図５（ａ）（ｂ）中の法線ベクトルＮ１，Ｎ２ａのように同一方向に形成されるかのような解析結果になる。
【００４０】
次に、傾斜算出部４１は、台座本体６１を回転制御して、図６（ａ）（ｂ）に示すようにワークＷ１をＹ軸周りに回転角度θｙ＝５°だけ回転（左回り）させ（第２の状態）、カメラ３の撮像方向（Ｚ軸）とワークＷ１の表面との相対角度を変化させる。そして、この状態で上記偏光解析を行う。なお、回転角度θｙは、傾斜角θａの計測精度より大きい値であって、且つできるだけ小さいほうが望ましい。
【００４１】
図７（ｂ）は、第２の状態において、傾斜算出部４１が導出した傾斜面Ｍ１，Ｍ２における傾斜角θａ１２，θａ２２および方位角θｂ１２，θｂ２２を示す。傾斜面Ｍ１における傾斜角θａ１２（第２の傾斜角）は「４０°」、方位角θｂ１２（第２の方位角）は「０°」となり、傾斜面Ｍ２における傾斜角θａ２２（第２の傾斜角）は「５０°」、方位角θｂ２２（第２の方位角）は「０°」となる。
【００４２】
そして、傾斜補正部４２は、ワークＷ１の回転前（第１の状態）の傾斜角θａとワークＷ１の回転後（第２の状態）の傾斜角θａとの差に基づいて、傾斜角θａを補正しており、その補正結果を図７（ｃ）に示す。
【００４３】
具体的に、傾斜面Ｍ１では、傾斜角θａ１２が傾斜角θａ１１より減少している（θａ１１−θａ１２＞０）。この場合、傾斜角θａ１１の符号を正に設定し、傾斜面Ｍ１における傾斜角θａ１０＝θａ１１＝４５°とする。一方、傾斜面Ｍ２では、傾斜角θａ２２が傾斜角θａ２１より増加している（θａ２１−θａ２２＜０）。この場合、傾斜角θａ２１の符号を負に設定し、傾斜面Ｍ２における傾斜角θａ２０＝−θａ２１＝−４５°とする。
【００４４】
また、傾斜補正部４２は、傾斜面Ｍ１における方位角θｂ１０＝θｂ１１＝０°とし、傾斜面Ｍ２における方位角θｂ２０＝θｂ２１＝０°とする。
【００４５】
而して、傾斜補正部４２は、傾斜面Ｍ１における傾斜データとして、傾斜角θａ１０および方位角θｂ１０を作成し、傾斜面Ｍ２における傾斜データとして、傾斜角θａ２０および方位角θｂ２０を作成する。
【００４６】
３次元演算部４は、傾斜面Ｍ１，Ｍ２だけでなく、上面Ｍ５についても画素毎に上記傾斜算出処理および傾斜補正処理を行って表面片Ｓｎの傾斜を決定する。したがって、これらの表面片Ｓｎを連続させることによって、計測されたワークＷ１の３次元形状は、正しい法線ベクトルＮが設定された傾斜面を有するものになる。なお、ワークＷ１の回転による傾斜角θａの増減と、傾斜角θａの符号（正または負）との関係は、実試験またはシミュレーション等によって予め導出しておく。
【００４７】
そして、傾斜補正部４２は、ワークＷ１の３次元形状の計測データを表示部５へ出力し、表示部５は、傾斜補正部４２から受け取った傾斜データに基づいて、ワークＷ１の外観図、寸法等の形状データとして表示する。
【００４８】
このように、カメラ３の撮像方向（Ｚ軸）とワークＷの表面との相対角度を変化させることによって、傾斜算出部４１が偏光解析によって算出した傾斜角は、傾斜補正部４２によって補正される。したがって、ワークＷ１の３次元形状の計測結果は、傾斜面Ｍ１，Ｍ２の傾斜方向の違いを識別でき、傾斜面Ｍ１，Ｍ２を区別することが可能となる。すなわち、３次元計測装置Ａ１は、偏光解析を用いながら、複数の傾斜面の各傾斜方向の違いを識別できる。
【００４９】
図８（ａ）（ｂ）に示すワークＷ２を用いた場合も、上記同様に、傾斜面の各傾斜方向の違いを認識できる。
【００５０】
ワークＷ２は、２つの三角柱を連続して設けたものであり、Ｙ軸方向において互いに対向する端面Ｍ１５，Ｍ１６（図８（ｂ）では、一端方向の端面Ｍ１５のみを示す）は、三角形を２つ並べた形状となる。そして、Ｙ軸方向に平行に形成された４つの傾斜面Ｍ１１〜Ｍ１４を有しており、傾斜面Ｍ１１，Ｍ１２が三角形の１つの頂点を構成し、傾斜面Ｍ１３，Ｍ１４が三角形の１つの頂点を構成している。さらに、傾斜面Ｍ１１，Ｍ１３は互いに同一方向に傾斜し、傾斜面Ｍ１２，Ｍ１４は互いに同一方向に傾斜し、傾斜面Ｍ１１，Ｍ１３と傾斜面Ｍ１２，Ｍ１４とは互いに異なる方向に傾斜しており、傾斜面Ｍ１１〜Ｍ１４がＸ−Ｙ平面との間でなす内角は、「３０°」である。
【００５１】
そして、傾斜算出部４１は、台座本体６１を回転制御して、図８（ａ）（ｂ）に示すようにワークＷ２の底面の法線方向をＺ軸方向に一致させ（第１の状態）、この状態で上記偏光解析を行う。すなわち、第１の状態におけるワークＷ２の傾斜面Ｍ１１〜Ｍ１４について、表面片Ｓｎの傾斜角θａおよび方位角θｂをそれぞれ求める。
【００５２】
図１０（ａ）は、第１の状態において、傾斜算出部４１が導出した傾斜面Ｍ１１〜Ｍ１４における傾斜角θａ１１１，θａ１２１，θａ１３１，θａ１４１、および方位角θｂ１１１，θｂ１２１，θｂ１３１，θｂ１４１を示す。傾斜面Ｍ１１〜Ｍ１４における各傾斜角θａ１１１〜θａ１４１（第１の傾斜角）は「３０°」、各方位角θｂ１１１〜θｂ１４１（第１の方位角）は「０°」となる。すなわち、傾斜面Ｍ１１，Ｍ１３の各法線ベクトルＮ１１，Ｎ１３と傾斜面Ｍ１２，Ｍ１４の各法線ベクトルＮ１２，Ｎ１４とは、実際は互いに異なる方向に形成されるにも関わらず、図８（ａ）（ｂ）中の法線ベクトルＮ１１ａ，Ｎ１２，Ｎ１３ａ，Ｎ１４のように同一方向に形成されるかのような解析結果になる。
【００５３】
次に、傾斜算出部４１は、台座本体６１を回転制御して、図９（ａ）（ｂ）に示すようにワークＷ２をＹ軸周りに回転角度θｙ＝５°だけ回転（左回り）させ（第２の状態）、カメラ３の撮像方向（Ｚ軸）とワークＷ２の表面との相対角度を変化させる。そして、この状態で上記偏光解析を行う。すなわち、第２の状態におけるワークＷ２の傾斜面Ｍ１１〜Ｍ１４について、表面片Ｓｎの傾斜角θａおよび方位角θｂをそれぞれ求める。
【００５４】
図１０（ｂ）は、第２の状態において、傾斜算出部４１が導出した傾斜面Ｍ１１〜Ｍ１４における傾斜角θａおよび方位角θｂを示す。傾斜面Ｍ１１，Ｍ１３における各傾斜角θａ１１２，θａ１３２（第２の傾斜角）は「３５°」、方位角θｂ１１２，θｂ１３２（第２の方位角）は「０°」となる。また、傾斜面Ｍ１２，Ｍ１４における各傾斜角θａ１２２，θａ１４２（第２の傾斜角）は「２５°」、方位角θｂ１２２，θｂ１４２（第２の方位角）は「０°」となる。
【００５５】
そして、傾斜補正部４２は、ワークＷ２の回転前（第１の状態）の傾斜角θａとワークＷ２の回転後（第２の状態）の傾斜角θａとの差に基づいて、傾斜角θａを補正しており、その補正結果を図１０（ｃ）に示す。
【００５６】
具体的に、傾斜面Ｍ１１では、傾斜角θａ１１２が傾斜角θａ１１１より増加している（θａ１１１−θａ１１２＜０）。この場合、傾斜角θａ１１１の符号を負に設定し、傾斜面Ｍ１１における傾斜角θａ１１０＝−θａ１１１＝−３０°とする。傾斜面Ｍ１３も同様に、傾斜角θａ１３２が傾斜角θａ１３１より増加しているので（θａ１３１−θａ１３２＜０）、傾斜角θａ１３１の符号を負に設定し、傾斜面Ｍ１３における傾斜角θａ１３０＝−θａ１３１＝−３０°とする。
【００５７】
傾斜面Ｍ１２では、傾斜角θａ１２２が傾斜角θａ１２１より減少している（θａ１２１−θａ１２２＞０）。この場合、傾斜角θａ１２１の符号を正に設定し、傾斜面Ｍ１２における傾斜角θａ１２０＝θａ１２１＝３０°とする。傾斜面Ｍ１４も同様に、傾斜角θａ１４２が傾斜角θａ１４１より減少しているので（θａ１４１−θａ１４２＞０）、傾斜角θａ１４１の符号を正に設定し、傾斜面Ｍ１４における傾斜角θａ１４０＝θａ１４１＝３０°とする。
【００５８】
また、傾斜補正部４２は、傾斜面Ｍ１１における方位角θｂ１１０＝θｂ１１１＝０°、傾斜面Ｍ１２における方位角θｂ１２０＝θｂ１２１＝０°、傾斜面Ｍ１３における方位角θｂ１３０＝θｂ１３１＝０°、傾斜面Ｍ１４における方位角θｂ１４０＝θｂ１４１＝０°とする。
【００５９】
而して、傾斜補正部４２は、傾斜面Ｍ１１における傾斜データとして、傾斜角θａ１１０および方位角θｂ１１０を作成し、傾斜面Ｍ１２における傾斜データとして、傾斜角θａ１２０および方位角θｂ１２０を作成する。さらに傾斜補正部４２は、傾斜面Ｍ１３における傾斜データとして、傾斜角θａ１３０および方位角θｂ１３０を作成し、傾斜面Ｍ１４における傾斜データとして、傾斜角θａ１４０および方位角θｂ１４０を作成する。
【００６０】
３次元演算部４は、画素毎に上記傾斜算出処理および傾斜補正処理を行って表面片Ｓｎの傾斜を決定する。したがって、これらの表面片Ｓｎを連続させることによって、計測されたワークＷ２の３次元形状は、正しい法線ベクトルＮが設定された傾斜面を有するものになる。なお、ワークＷ２の回転による傾斜角θａの増減と、傾斜角θａの符号（正または負）との関係は、実試験またはシミュレーション等によって予め導出しておく。
【００６１】
そして、傾斜補正部４２は、ワークＷ２の３次元形状の計測データを表示部５へ出力し、表示部５は、傾斜補正部４２から受け取った傾斜データに基づいて、ワークＷ２の外観図、寸法等の形状データとして表示する。
【００６２】
（実施形態２）
本実施形態の３次元計測装置Ａ１は、３次元演算部４の傾斜補正部４２による傾斜補正処理が実施形態１と異なるものであり、実施形態１と同様の構成には同一の符号を付して説明は省略する。
【００６３】
３次元演算部４は、傾斜角θａ「−９０°〜９０°」、方位角θｂ「０°〜３６０°」の各範囲内で傾斜面がとり得る全ての傾斜方向を識別する必要がある。傾斜方向を識別する方法としては、「０°〜９０°」の範囲にある傾斜角θａを、方位角θｂの全周（０°〜３６０°）に亘って設定可能にすることによって、上記全ての傾斜方向を識別可能になる。そこで、本実施形態の傾斜補正部４２は、傾斜角θａ：「０°〜９０°」、方位角θｂ：「０°〜３６０°」の各範囲内で傾斜角θａおよび方位角θｂを決定するものとする。
【００６４】
まず、傾斜算出部４１は、台座本体６１を回転制御して、図５（ａ）（ｂ）に示すようにワークＷ１の上面Ｍ５の法線方向をＺ軸方向に一致させ（第１の状態）、この状態で上記偏光解析を行う。すなわち、第１の状態におけるワークＷ１の傾斜面Ｍ１，Ｍ２、上面Ｍ５について、表面片Ｓｎの傾斜角θａおよび方位角θｂをそれぞれ求める。図１１（ａ）は、第１の状態において、傾斜算出部４１が導出した傾斜面Ｍ１，Ｍ２の各表面片Ｓｎの傾斜角θａ１１，θａ２１および方位角θｂ１１，θｂ２１を示す。なお、図１１（ａ）に示す導出結果は、図７（ａ）と同様であり、説明は省略する。
【００６５】
次に、傾斜算出部４１は、台座本体６１を回転制御して、図６（ａ）（ｂ）に示すようにワークＷ１をＹ軸周りに回転角度θｙ＝５°だけ回転（左回り）させ（第２の状態）、カメラ３の撮像方向（Ｚ軸）とワークＷ１の表面との相対角度を変化させる。そして、この状態で上記偏光解析を行う。図１１（ｂ）は、第２の状態において、傾斜算出部４１が導出した傾斜面Ｍ１，Ｍ２の各表面片Ｓｎの傾斜角θａ１２，θａ２２および方位角θｂ１２，θｂ２２を示す。なお、図１１（ｂ）に示す導出結果は、図７（ｂ）と同様であり、説明は省略する。
【００６６】
そして、傾斜補正部４２は、ワークＷ１の回転前（第１の状態）の傾斜角θａとワークＷ１の回転後（第２の状態）の傾斜角θａとの差に基づいて、方位角θｂを補正しており、その補正結果を図１１（ｃ）に示す。
【００６７】
具体的に、傾斜面Ｍ１では、傾斜角θａ１２が傾斜角θａ１１より減少している（θａ１１−θａ１２＞０）。この場合、方位角θｂ１１を補正せず、傾斜面Ｍ１における方位角θｂ１０＝θｂ１１＝０°とする。一方、傾斜面Ｍ２では、傾斜角θａ２２が傾斜角θａ２１より増加している（θａ２１−θａ２２＜０）。この場合、方位角θｂ２１に１８０°を加算し、傾斜面Ｍ２における方位角θｂ２０＝θｂ２１＋１８０°＝１８０°とする。
【００６８】
また、傾斜補正部４２は、傾斜面Ｍ１における傾斜角θａ１０＝θａ１１＝４５°とし、傾斜面Ｍ２における傾斜角θａ２０＝θａ２１＝４５°とする。
【００６９】
而して、傾斜補正部４２は、傾斜面Ｍ１における傾斜データとして、傾斜角θａ１０および方位角θｂ１０を作成し、傾斜面Ｍ２における傾斜データとして、傾斜角θａ２０および方位角θｂ２０を作成する。
【００７０】
３次元演算部４は、傾斜面Ｍ１，Ｍ２だけでなく、上面Ｍ５についても画素毎に上記傾斜算出処理および傾斜補正処理を行って表面片Ｓｎの傾斜を決定する。したがって、これらの表面片Ｓｎを連続させることによって、計測されたワークＷ１の３次元形状は、正しい法線ベクトルＮが設定された傾斜面を有するものになる。なお、ワークＷ１の回転による傾斜角θａの増減と、方位角θｂの補正量（０°または＋１８０°）との関係は、実試験またはシミュレーション等によって予め導出しておく。
【００７１】
そして、傾斜補正部４２は、ワークＷ１の３次元形状の計測データを表示部５へ出力し、表示部５は、傾斜補正部４２から受け取った傾斜データに基づいて、ワークＷ１の外観図、寸法等の形状データとして表示する。
【００７２】
このように、カメラ３の撮像方向（Ｚ軸）とワークＷの表面との相対角度を変化させることによって、傾斜算出部４１が偏光解析によって算出した方位角は、傾斜補正部４２によって補正される。したがって、ワークＷ１の３次元形状の計測結果は、傾斜面Ｍ１，Ｍ２の傾斜方向の違いを識別でき、傾斜面Ｍ１，Ｍ２を区別することが可能となる。すなわち、３次元計測装置Ａ１は、偏光解析を用いながら、複数の傾斜面の各傾斜方向の違いを識別できる。
【００７３】
図８（ａ）（ｂ）に示すワークＷ２を用いた場合も、上記同様に、傾斜面の各傾斜方向の違いを認識できる。
【００７４】
まず、傾斜算出部４１は、台座本体６１を回転制御して、図８（ａ）（ｂ）に示すようにワークＷ２の底面の法線方向をＺ軸方向に一致させ（第１の状態）、この状態で上記偏光解析を行う。すなわち、第１の状態におけるワークＷ２の傾斜面Ｍ１１〜Ｍ１４について、表面片Ｓｎの傾斜角θａおよび方位角θｂをそれぞれ求める。図１２（ａ）は、第１の状態において、傾斜算出部４１が導出した傾斜面Ｍ１１〜Ｍ１４の各表面片Ｓｎの傾斜角θａ１１１，θａ１２１，θａ１３１，θａ１４１、および方位角θｂ１１１，θｂ１２１，θｂ１３１，θｂ１４１を示す。なお、図１２（ａ）に示す導出結果は、図１０（ａ）と同様であり、説明は省略する。
【００７５】
次に、傾斜算出部４１は、台座本体６１を回転制御して、図９（ａ）（ｂ）に示すようにワークＷ２をＹ軸周りに回転角度θｙ＝５°だけ回転（左回り）させ（第２の状態）、カメラ３の撮像方向（Ｚ軸）とワークＷ２の表面との相対角度を変化させる。そして、この状態で上記偏光解析を行う。すなわち、第２の状態におけるワークＷ２の傾斜面Ｍ１１〜Ｍ１４について、表面片Ｓｎの傾斜角θａおよび方位角θｂをそれぞれ求める。図１２（ｂ）は、第２の状態において、傾斜算出部４１が導出した傾斜面Ｍ１１〜Ｍ１４の各表面片Ｓｎの傾斜角θａ１１２，θａ１２２，θａ１３２，θａ１４２、および方位角θｂ１１２，θｂ１２２，θｂ１３２，θｂ１４２を示す。なお、図１２（ｂ）に示す導出結果は、図１０（ｂ）と同様であり、説明は省略する。
【００７６】
そして、傾斜補正部４２は、ワークＷ２の回転前（第１の状態）の傾斜角θａとワークＷ２の回転後（第２の状態）の傾斜角θａとの差に基づいて、方位角θｂを補正しており、その補正結果を図１２（ｃ）に示す。
【００７７】
具体的に、傾斜面Ｍ１１では、傾斜角θａ１１２が傾斜角θａ１１１より増加している（θａ１１１−θａ１１２＜０）。この場合、方位角θｂ１１１に１８０°を加算し、傾斜面Ｍ１１における方位角θｂ１１０＝θｂ１１１＋１８０°＝１８０°とする。傾斜面Ｍ１３も同様に、傾斜角θａ１３２が傾斜角θａ１３１より増加しているので（θａ１３１−θａ１３２＜０）、方位角θｂ１３１に１８０°を加算し、傾斜面Ｍ１３における方位角θｂ１３０＝θｂ１３１＋１８０°＝１８０°とする。
【００７８】
傾斜面Ｍ１２では、傾斜角θａ１２２が傾斜角θａ１２１より減少している（θａ１２１−θａ１２２＞０）。この場合、方位角θｂ１２１を補正せず、傾斜面Ｍ１２における方位角θｂ１２０＝θｂ１２１＝０°とする。傾斜面Ｍ１４も同様に、傾斜角θａ１４２が傾斜角θａ１４１より減少しているので（θａ１４１−θａ１４２＞０）、方位角θｂ１４１を補正せず、傾斜面Ｍ１４における方位角θｂ１４０＝θｂ１４１＝０°とする。
【００７９】
また、傾斜補正部４２は、傾斜面Ｍ１１における傾斜角θａ１１０＝θａ１１１＝３０°、傾斜面Ｍ１２における傾斜角θａ１２０＝θａ１２１＝３０°、傾斜面Ｍ１３における傾斜角θａ１３０＝θａ１３１＝３０°、傾斜面Ｍ１４における傾斜角θａ１４０＝θａ１４１＝３０°とする。
【００８０】
而して、傾斜補正部４２は、傾斜面Ｍ１１における傾斜データとして、傾斜角θａ１１０および方位角θｂ１１０を作成し、傾斜面Ｍ１２における傾斜データとして、傾斜角θａ１２０および方位角θｂ１２０を作成する。さらに傾斜補正部４２は、傾斜面Ｍ１３における傾斜データとして、傾斜角θａ１３０および方位角θｂ１３０を作成し、傾斜面Ｍ１４における傾斜データとして、傾斜角θａ１４０および方位角θｂ１４０を作成する。
【００８１】
３次元演算部４は、画素毎に上記傾斜算出処理および傾斜補正処理を行って表面片Ｓｎの傾斜を決定する。したがって、これらの表面片Ｓｎを連続させることによって、計測されたワークＷ２の３次元形状は、正しい法線ベクトルＮが設定された傾斜面を有するものになる。なお、ワークＷ２の回転による傾斜角θａの増減と、方位角θｂの補正量（０°または＋１８０°）との関係は、実試験またはシミュレーション等によって予め導出しておく。
【００８２】
そして、傾斜補正部４２は、ワークＷ２の３次元形状の計測データを表示部５へ出力し、表示部５は、傾斜補正部４２から受け取った傾斜データに基づいて、ワークＷ２の外観図、寸法等の形状データとして表示する。
【００８３】
（実施形態３）
図１３は、本実施形態の３次元計測装置Ａ２の構成を示し、３次元計測装置Ａ２は、照明部１と、直線偏光板２と、カメラ３（撮像装置）と、３次元演算部４と、表示部５と、カメラ台座７（姿勢変化手段）とで構成される。なお、実施形態１，２と同様の構成には同一の符号を付して説明は省略する。
【００８４】
カメラ３は、カメラ台座７の台座本体７１上に固定されており、台座本体７１は、Ｙ軸方向に設けた回転軸７２の軸周りに回転自在に構成されており、傾斜算出部４１によって、台座本体７１の回転制御が行われる。すなわち、カメラ台座７は、カメラ３を回転させることによって、カメラ３の撮像方向（Ｚ軸）とワークＷの表面との相対角度を変化させる姿勢変化手段に相当する。
【００８５】
そして、カメラ台座７によって、カメラ３の撮像方向とワークＷの表面との相対角度を変化させることができるので、実施形態１，２と同様に、３次元演算部４の傾斜補正部４２による傾斜補正処理を行うことができる。
【００８６】
したがって、ワークＷの３次元形状の計測結果は、実施形態１，２と同様に傾斜面の傾斜方向の違いを識別でき、傾斜面を区別することが可能となる。すなわち、３次元計測装置Ａ２は、偏光解析を用いながら、複数の傾斜面の各傾斜方向の違いを識別できる。
【符号の説明】
【００８７】
Ａ１３次元計測装置
１照明部
２直線偏光板
３カメラ（撮像装置）
４３次元演算部
４１傾斜算出部
４２傾斜補正部
５表示部
６ワーク台座（姿勢変化手段）
Ｗワーク（被計測物）

【特許請求の範囲】
【請求項１】
既知の偏光状態の第１の光を被計測物の表面へ照射する照明装置と、
前記被計測物の表面で第１の光が反射して形成される第２の光を撮像した撮像データを生成する撮像装置と、
前記撮像装置の撮像方向と前記被計測物の表面との相対角度を変化させる姿勢変化手段と、
前記姿勢変化手段によって前記相対角度を第１の状態に設定して前記撮像装置が生成した前記撮像データに基づいて、前記第２の光の偏光状態を検出し、この検出した偏光状態に基づいて、前記被計測物の表面の第１の傾斜角および第１の方位角を求め、前記姿勢変化手段によって前記相対角度を前記第１の状態から第２の状態に変化させた後に前記撮像装置が生成した前記撮像データに基づいて、前記第２の光の偏光状態を検出し、この検出した偏光状態に基づいて、前記被計測物の表面の第２の傾斜角および第２の方位角を求め、前記第１の傾斜角と前記第２の傾斜角との差に基づいて、前記第１の傾斜角または前記第１の方位角を補正する３次元演算部と
を備えることを特徴とする３次元計測装置。
【請求項２】
前記姿勢変化手段は、前記被計測物を回転させることによって、前記撮像装置の撮像方向と前記被計測物の表面との相対角度を変化させることを特徴とする請求項１記載の３次元計測装置。
【請求項３】
前記姿勢変化手段は、前記撮像装置を回転させることによって、前記撮像装置の撮像方向と前記被計測物の表面との相対角度を変化させることを特徴とする請求項１記載の３次元計測装置。
【請求項４】
前記３次元演算部は、前記第１の傾斜角と前記第２の傾斜角との差に応じて前記第１の傾斜角の正負の符号を決定することによって、前記第１の傾斜角を補正することを特徴とする請求項１乃至３いずれか記載の３次元計測装置。
【請求項５】
前記３次元演算部は、前記第１の傾斜角と前記第２の傾斜角との差に応じて前記第１の方位角を１８０°ずらすことによって、前記第１の方位角を補正することを特徴とする請求項１乃至３いずれか記載の３次元計測装置。
【請求項６】
既知の偏光状態の第１の光を被計測物の表面へ照射し、前記被計測物の表面で第１の光が反射して形成される第２の光を撮像した撮像データを生成し、前記撮像データに基づいて、前記第２の光の偏光状態を検出し、この検出した偏光状態に基づいて、前記被計測物の表面の傾斜角および方位角を求める３次元計測方法において、
前記第２の光を撮像する撮像方向と前記被計測物の表面との相対角度を第１の状態に設定して生成した前記撮像データに基づいて、前記第２の光の偏光状態を検出し、この検出した偏光状態に基づいて、前記被計測物の表面の第１の傾斜角および第１の方位角を求めるステップと、
前記相対角度を前記第１の状態から第２の状態に変化させた後に生成した前記撮像データに基づいて、前記第２の光の偏光状態を検出し、この検出した偏光状態に基づいて、前記被計測物の表面の第２の傾斜角および第２の方位角を求めるステップと、
前記第１の傾斜角と前記第２の傾斜角との差に基づいて、前記第１の傾斜角または前記第１の方位角を補正するステップと
を有することを特徴とする３次元計測方法。

【図１】