３次元計測装置およびそれに用いられる照明装置
【課題】被計測物を精度よく計測することができる３次元計測装置およびそれに用いられる照明装置を提供する。
【解決手段】３次元計測装置１は、被計測物８に円偏光を照射する照明手段２と、照明手段２を移動させる移動手段３とを備える。また、３次元計測装置１は、被計測物８の被照射面からの反射光を受けて上記被照射面を撮像する撮像手段４と、撮像手段４で撮像された撮像画像を用いて反射光の偏光状態を検出し、被計測物８の被照射面の向きを求める演算手段５とをさらに備える。照明手段２は、円偏光を被計測物８の一部に照射する。移動手段３は、被計測物８において被照射面の位置が変わるように照明手段２を移動させる。
【解決手段】３次元計測装置１は、被計測物８に円偏光を照射する照明手段２と、照明手段２を移動させる移動手段３とを備える。また、３次元計測装置１は、被計測物８の被照射面からの反射光を受けて上記被照射面を撮像する撮像手段４と、撮像手段４で撮像された撮像画像を用いて反射光の偏光状態を検出し、被計測物８の被照射面の向きを求める演算手段５とをさらに備える。照明手段２は、円偏光を被計測物８の一部に照射する。移動手段３は、被計測物８において被照射面の位置が変わるように照明手段２を移動させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被計測物に円偏光を照射し、被計測物で反射した反射光または被計測物を透過した透過光の偏光状態を解析することにより、被計測物の形状を計測する３次元計測装置およびそれに用いられる照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、被計測物の形状を計測するために、被計測物に光を照射し、被計測物で反射された反射光または被計測物を透過した透過光の偏光状態を解析する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。この種の技術は、エリプソメトリーと呼ばれている。以下では、被計測物に照射された後の光に関して反射光についてのみ記載するが、この反射光の用語は特に断りがなければ、被計測物を透過した透過光と読み替え可能である。
【０００３】
被計測物で反射された反射光は、検光子を通して光センサで受光される。光センサは、受光強度に応じた出力が得られる構成であればよいが、被計測物を広範囲にわたって同時に計測する場合にはカメラのような撮像手段が用いられる。検光子は、光センサ（撮像手段）が被計測物を見込む光軸の回りに回転可能になっている。
【０００４】
被計測物での反射光は偏光であるから、楕円偏光により一般化して扱うことができる。楕円偏光のパラメータは、規定した基準の角度に対する楕円の傾きを表わす角度ψと、楕円の長径ａおよび短径ｂとの３個で表される。一方、検光子を通過した光の強度Ｉは、検光子の回転角度θの関数でもあるから、結局、強度Ｉは、４個のパラメータａ，ｂ，θ，ψを持つ関数ｆとして表わされる。すなわち、Ｉ＝ｆ（ａ，ｂ，θ，ψ）になる。ここに、直線偏光はｂ＝０の条件で表わされ、円偏光はａ＝ｂの条件で表わされる。また、関数ｆの形は既知である。なお、長径ａと短径ｂとの絶対値は、被計測物に照射された光の強度によって変化するが、偏光状態を知るには長径ａと短径ｂとの比（楕円率）がわかればよいから、長径ａと短径ｂとの絶対値は変化してもよい、つまり、被計測物に照射する光の強度は考慮しなくてもよい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【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】
【０００６】
このような３次元計測装置において、高精度な計測を実現するには、完全な円偏光を、被計測物の表面で正反射して撮像手段の方向へ反射するように照射する必要がある。このためには、被計測物へ円偏光を全方位から照射することが必要である。
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載された従来の計測装置では、照明手段の発光面が、円偏光を面発光する複数の平面を組み合わせた多面体となっている。このため、照明手段が被計測物にすべての角度から円偏光を照射することができず、計測誤差の原因となるという問題があった。
【０００８】
上記問題を解決する手法として、発光面が半球状に形成されて被計測物を覆うように配置された照明手段が考えられる。
【０００９】
しかしながら、発光面を半球状に精度よく形成することは難しく、かえって計測精度を下げることになる。
【００１０】
本発明は上記の点に鑑みて為された発明であり、本発明の目的は、被計測物を精度よく計測することができる３次元計測装置およびそれに用いられる照明装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の３次元計測装置は、被計測物に円偏光を照射する照明手段と、前記被計測物の被照射面からの反射光を受けて前記被照射面を撮像する撮像手段と、前記撮像手段で撮像された撮像画像を用いて前記反射光の偏光状態を検出し、前記被照射面の向きを求める演算手段と、前記照明手段を移動させる移動手段とを備え、前記照明手段は、前記円偏光を前記被計測物の一部に照射し、前記移動手段は、前記被計測物において前記被照射面の位置が変わるように前記照明手段を移動させることを特徴とする。
【００１２】
この３次元計測装置において、前記移動手段は、前記撮像手段の光軸の回りに軸対称に前記照明手段を移動させることが好ましい。
【００１３】
この３次元計測装置において、前記照明手段は、前記被計測物を包含する半球と前記光軸を含む平面との交線に沿った形状に形成された発光面を有することが好ましい。
【００１４】
この３次元計測装置において、前記撮像手段は、前記光軸の回りで前記照明手段が移動する全周を複数に分割した照明範囲ごとに前記被照射面を撮像し、前記演算手段は、前記照明範囲ごとに前記撮像手段で撮像された前記撮像画像を用いて前記反射光の偏光状態を検出し、前記照明範囲ごとの前記偏光状態と当該照明範囲の方位とを用いて、前記被照射面の法線方向が前記光軸に対してなす角度を表わす傾斜角と、前記被照射面の法線を前記光軸と直交する平面に投影した直線の方向を表わす方位角とを求めることが好ましい。
【００１５】
この３次元計測装置において、前記照明手段は、前記円偏光を平行光で前記被計測物に照射することが好ましい。
【００１６】
この３次元計測装置において、前記移動手段は、前記撮像手段の光軸の回りに軸対称に前記照明手段を移動させる第１の機構と、前記被計測物を包含する半球において前記光軸を直径とする円周方向に前記照明手段を移動させる第２の機構とを含むことが好ましい。
【００１７】
本発明の照明装置は、被計測物に円偏光を照射し、前記被計測物の被照射面で反射した反射光の偏光状態を検出して前記被照射面の向きを求める３次元計測装置に用いられる照明装置であって、前記円偏光を前記被計測物の一部に照射する照明手段と、前記被計測物において前記被照射面の位置が変わるように前記照明手段を移動させる移動手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、被計測物を精度よく計測することが可能になるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施形態１に係る３次元計測装置を示す概略構成図である。
【図２】同上に係る３次元計測装置の動作説明図である。
【図３】同上に係る３次元計測装置の原理説明図である。
【図４】実施形態２に係る３次元計測装置の動作説明図である。
【図５】被計測物の一例であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は側面図である。
【図６】実施形態３に係る３次元計測装置の動作説明図である。
【図７】実施形態４に係る３次元計測装置の動作説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（実施形態１）
本実施形態に係る３次元計測装置１は、図１に示すように、円偏光を用いて被計測物８の表面状態を計測する装置である。すなわち、本実施形態の３次元計測装置１は、被計測物８に円偏光を照射し、被計測物８の表面（被照射面）で反射した反射光の偏光状態を検出して上記被照射面（反射面）の向きを求める。この３次元計測装置１は、被計測物８に円偏光を照射する照明手段２と、照明手段２を移動させる移動手段３と、被計測物８を撮像する撮像手段４と、撮像手段４で撮像された撮像画像を用いて被計測物８の被照射面の向きを求める演算手段５とを備えている。照明手段２から発せられた光は被計測物８の被照射面で反射した際に円偏光状態から楕円偏光状態に変化する。すなわち、被計測物８の被照射面で反射した反射光は楕円偏光状態である。また、３次元計測装置１は、被計測物８と撮像手段４との間に配置された検光子６１と、検光子６１の回転角度に応じてトリガ信号を出力するトリガ手段７とを備えている。照明手段２と移動手段３とで照明装置を構成する。被計測物８は、図示しないテーブル上に配置されており、テーブルの上方に撮像手段４が配置されている。すなわち、撮像手段４は、テーブル上面の法線方向と光軸４１（図２参照）とが平行になるように配置されている。被計測物８は、撮像手段４が被計測物８を見込む光軸４１上に配置されている。
【００２１】
上記のような構成の３次元計測装置１は、被計測物８の微小領域に円偏光を照射する照明手段２を移動させることによって、被計測物８の全方位から完全な円偏光を照射することを実現する。以下、３次元計測装置１の各構成要素について説明する。
【００２２】
照明手段２は、被計測物８に円偏光を照射する。例えば、照明手段２は、重ねて配置された偏光板（図示せず）と四分の一波長板（図示せず）とを備えており、偏光板を通して直線偏光になった光を四分の一波長板に通すことによって円偏光を生成し、上記円偏光を被計測物８に照射する。すなわち、照明手段２は、光源（図示せず）からの光を偏光板と四分の一波長板とに通すことによって円偏光を被計測物８に照射する。
【００２３】
本実施形態の照明手段２は、図２に示すように、被計測物８を包含する半球と光軸４１を含む平面との交線に沿った形状に形成された発光面２１を有している。すなわち、照明手段２は、下面が半球の一部のように凹んだ発光面２１を有している。照明手段２は、発光面２１が撮像手段４の光軸４１を囲むように配置されている。
【００２４】
このような照明手段２は、円偏光を被計測物８の一部に照射し、移動手段３によって図２の矢印Ａ１のように撮像手段４の光軸４１の周囲の全周にわたって移動（走査）しながら、被計測物８に斜め上方および側方から円偏光を照射する。このとき、照明手段２は、撮像手段４の視野を遮らないように移動する。したがって、照明手段２は、撮像手段４の光軸４１の周囲の全周を移動することによって、リング照明のように、被計測物８を全周にわたって均等に照明する。すなわち、照明手段２は、撮像手段４の光軸４１の周囲を移動しながら、被計測物８に対して斜め上方および側方から円偏光を均等に照射する。
【００２５】
なお、照明手段２は、被計測物８に円偏光を照射することが可能であれば、どのような構成でもよい。照明手段２に用いられる光源は、撮像手段４が撮像している間に光出力が変動することがないよう、直流安定化電源を用いて点灯させるものが好ましい。
【００２６】
移動手段３は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit：中央処理装置）を主構成要素とし、図２の矢印Ａ１のように照明手段２を移動させる。すなわち、移動手段３は、被計測物８において被照射面の位置が変わるように照明手段２を移動させる。
【００２７】
本実施形態では、移動手段３は、撮像手段４の光軸４１の回りに軸対称に照明手段２を移動させる。すなわち、移動手段３は、検光子６１（図１参照）の所定の回転角度（後述）ごとに、照明手段２を被計測物８の周囲に１周ずつ回転させる。なお、移動手段３は、用途に応じて、照明手段２の移動量を１回転未満としてもよい。
【００２８】
図１に示す撮像手段４は、被計測物８の被照射面からの反射光を受けて上記被照射面を撮像する。撮像手段４は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサやＣＭＯＳ（ComplementaryMetal Oxide Semiconductor）イメージセンサのように２次元格子の格子点上に画素が配列された撮像素子を備えている。被計測物８の被照射面からの反射光は楕円偏光であり、撮像手段４は検光子６１を通して反射光を受ける。また、撮像手段４は受光光学系を備えており、被計測物８の被照射面からの反射光（楕円偏光）は受光光学系を通して撮像素子に入射される。本実施形態の撮像手段４は、検光子６１の所定の回転角度（後述）ごとに、照明手段２の移動開始（回転開始）から移動終了（回転終了）までの間、露光を継続して被計測物８を撮像する。
【００２９】
撮像手段４は、検光子６１の所定の回転角度ごとに、被計測物８を撮像した後、画素値を濃淡値とする撮像画像を生成する。例えば、撮像手段４は、検光子６１の回転角度が１０°変わるごとに被計測物８を撮像する場合、全部で１８枚の撮像画像を生成する。撮像手段４の各画素の画素値には、被計測物８の表面の場所ごとの反射光の強度が反映される。言い換えると、撮像手段４の画素ごとの画素値は、被計測物８の場所ごとの反射光の偏光状態を反映していることになる。撮像手段４から出力される画素ごとの画素値は演算手段５に入力される。
【００３０】
なお、撮像手段４は、検光子６１の所定の回転角度において、露光を継続して被計測物８を撮像するのではなく、照明手段２の位置ごとに被計測物８を撮像してもよい。この場合、撮像手段４は、照明手段２の位置ごとに撮像して生成した複数の撮像画像を用いて、画素ごとに画素値を積算した１枚の撮像画像（合成画像）を生成する。すなわち、撮像手段４は、照明手段２の位置ごとの撮像画像を合成して１枚の撮像画像を生成する。
【００３１】
演算手段５は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit：中央処理装置）を主構成要素とし、検光子６１の所定の回転角度ごとに撮像手段４で撮像された撮像画像を用いて反射光の偏光状態を検出する。すなわち、演算手段５は、撮像画像の画素ごとの画素値と検光子６１の所定の回転角度との関係を用いて、反射光の偏光状態、つまり、被計測物８の表面に関して画素に対応する部位の偏光状態を解析する（背景技術を参照）。要するに、偏光状態を決めるパラメータを、被計測物８の部位ごとに求める。
【００３２】
偏光状態を決めるパラメータを求めるには、後述するように、検光子６１が互いに独立した３つの回転角度であるときに、それぞれの回転角度において受光する光の強度を求める必要がある。このことから、撮像手段４による撮像のタイミングを検光子６１の回転角度と対応付けることが必要である。そのため、撮像手段４が被計測物８からの反射光を取り込むタイミングを指示するトリガ信号をトリガ手段７によって発生させている。
【００３３】
反射光の偏光状態を検出した演算手段５は、被計測物８の被照射面からの反射光の偏光状態から上記被照射面の向きを求める。被計測物８の被照射面の向きとは、被照射面の法線方向が撮像手段４の光軸４１に対してなす角度を表わす傾斜角、および、被照射面の法線を光軸４１と直交する平面に投影した直線の方向を表わす方位角である。
【００３４】
検光子６１は、例えば直線偏光板などであり、撮像手段４と被計測物８との間において、撮像手段４の光軸４１（図２参照）と平行な回転中心の回りで回転するように配置されており、回転手段６２により回転駆動される。回転手段６２は、モータを備えている。また、検光子６１は、規定した基準の角度に対する回転角度が角度センサ６３により計測される。角度センサ６３は、検光子６１の回転角度を検出するロータリエンコーダ、ポテンショメータなどが用いられる。角度センサ６３は、検光子６１から回転を直接に検出するように配置されるほか、回転手段６２における回転部分から検光子６１の回転を間接的に検出するように配置されていてもよい。
【００３５】
ところで、照明手段２から被計測物８へ円偏光が照射されると、撮像手段４に入射する反射光は被計測物８の表面の向きに応じたパラメータを持つ楕円偏光になる。楕円偏光のパラメータは、背景技術において説明したように、楕円の長径ａおよび短径ｂ（または、楕円率）、基準の角度に対する楕円の傾きを表わす角度ψである。したがって、検光子６１の回転角度θと撮像手段４の各画素の濃淡値との関係を用いると、撮像手段４の各画素に対応した被計測物８の表面の各部位の向きを定量的に計測することが可能になる。
【００３６】
検光子６１を互いに独立した少なくとも３つの回転角度θに設定した状態で、撮像素子の各画素で受光した強度Ｉを求めることにより、３個のパラメータψ，ａ，ｂが一意に定められる。回転角度θが独立しているとは、２つの回転角度θの差が１８０°の倍数ではないことを意味する。検光子６１を少なくとも３つの回転角度θに設定し、それぞれの回転角度θにおける強度Ｉを上式に当てはめると、３個のパラメータψ，ａ，ｂを含む３個の数式が得られるから、未知数であるパラメータψ，ａ，ｂを定めることができる。すなわち、反射光の偏光状態が求められ、反射光の偏光状態から被計測物８の形状を計測することが可能になる。
【００３７】
トリガ手段７は、角度センサ６３が検出した検光子６１の回転角度に基づいてトリガ信号を発生させる機能と、角度センサ６３の出力とは無関係に適宜の時刻にトリガ信号を発生させる機能とを有している。
【００３８】
角度センサ６３の出力を用いるトリガ手段７は、角度センサ６３から出力される検光子６１の回転角度を用い、互いに独立した３つの回転角度においてトリガ信号を発生させる。トリガ信号を発生させる回転角度は、３つの回転角度のうちの２つずつの回転角度の差が１８０°の倍数でなければ、適宜に設定することが可能である。一方、角度センサ６３の出力を用いないトリガ手段７は、適宜のタイミングでトリガ信号を発生させる。上述したトリガ信号は、撮像手段４に与えられる。
【００３９】
いま、図３に示すように、被計測物８の表面において撮像手段４の各画素に対応する範囲としての小領域９１を規定し、小領域９１の範囲では被計測物８の表面を平面とみなす。以下では、小領域９１の法線ベクトル９２が撮像手段４の光軸４１に対してなす角度を傾斜角φ１で表わし、小領域９１の法線ベクトル９２をテーブル（図示せず）の表面に平行な基準平面９３に投影した直線９２１が基準平面９３内の基準の角度に対してなす角度を方位角ω１で表わす。基準平面９３は、撮像手段４の撮像面に平行になる。傾斜角φ１は、撮像手段４に向かう向きを０°とし、被計測物８に向かう向きを１８０°とする。また、方位角ω１は、撮像手段４の画素配列における水平方向をｘ方向、垂直方向をｙ方向とするとき、ｘ軸の正の向きを０°とし、ｘ軸の負の向きを１８０°とする。なお、図３に示す座標系は、右手系であり、撮像手段４の光軸４１と基準平面９３との交点を原点とする。
【００４０】
上述のように、傾斜角φ１と方位角ω１とを規定した場合、被計測物８について計測可能な範囲は、傾斜角φ１については最大で０〜９０°であり、方位角ω１については最大で０〜１８０°になる。ここに、傾斜角φ１の制限は、傾斜角φ１が９０°以上の部位が撮像手段４からは死角であって視野外になることによって生じる。また、方位角ω１の制限は、検光子６１が２回回転対称であることによって生じる。つまり、検光子６１は、楕円偏光における楕円の角度を０〜１８０°の範囲でのみ区別できるからである。
【００４１】
これにより、被計測物８の表面の各部位を形成している小領域９１の向きが計測される。小領域９１の向きの計測により、被計測物８の表面粗さなどが計測される。また、小領域９１の連続性に着目すれば、被計測物８の表面の三次元形状を推定することも可能になる。
【００４２】
次に、本実施形態に係る３次元計測装置１の動作について図１を用いて説明する。まず、照明手段２が被計測物８の一部に円偏光を照射する。続いて、検光子６１の所定の回転角度ごとに、移動手段３が撮像手段４の光軸４１の回りに対称的に照明手段２を移動させる。撮像手段４は、照明手段２の移動開始から移動終了までの間、露光を継続して被計測物８を撮像する。その後、演算手段５は、検光子６１の所定の回転角度ごとに撮像手段４で撮像された複数の撮像画像を用いて、被計測物８からの反射光の偏光状態を検出し、被計測物８の表面（被照射面）の傾斜角と方位角とを求める。
【００４３】
以上説明した本実施形態の３次元計測装置１では、被計測物８の一部に円偏光を照射する照明手段２を被計測物８の被照射面が変わるように移動させることによって、照明手段２から被計測物８へ全方位から円偏光を照射することができる。その結果、被計測物８を精度よく計測することができる。
【００４４】
（実施形態２）
実施形態２に係る３次元計測装置１は、図４に示すように照明範囲２２１，２２２ごとに撮像された撮像画像を用いて被計測物８の被照射面の向き（傾斜角、方位角）を求める点で、実施形態１に係る３次元計測装置１と相違する。なお、実施形態１の３次元計測装置１と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００４５】
本実施形態の３次元計測装置１は、撮像手段４の光軸４１の回りで照明手段２が移動する全周を複数（図示例では２つ）の照明範囲２２１，２２２に分割する。
【００４６】
本実施形態の照明手段２は、照明位置（方位）に応じて、点灯・消灯を制御することが可能な装置であり、照明範囲２２１，２２２ごとに個別に点灯する。
【００４７】
本実施形態の撮像手段４は、照明範囲２２１，２２２を被計測物８の被照射面を撮像する。すなわち、撮像手段４は、照明手段２が照明範囲２２１を移動している間のみ被計測物８に円偏光を照射している場合と照明手段２が照明範囲２２２を移動している間のみ被計測物８に円偏光を照射している場合とのそれぞれにおいて被計測物８を撮像して撮像画像を生成する。なお、実施形態１の撮像手段４と同様の機能については説明を省略する。
【００４８】
本実施形態の演算手段５は、照明範囲２２１，２２２ごとに撮像画像を用いて反射光の偏光状態を検出する。各照明範囲２２１，２２２での反射光の偏光状態を検出した演算手段５は、照明範囲２２１，２２２ごとの反射光の偏光状態と照明範囲２２１，２２２の方位とを用いて、被計測物８の被照射面の傾斜角と方位角とを求める。なお、実施形態１の演算手段５と同様の機能については説明を省略する。
【００４９】
次に、本実施形態の３次元計測装置１の動作について図４を用いて説明する。まず、照明手段２は、移動手段３の制御によって移動を開始する。図４（ａ）に示すように、照明手段２は、照明範囲２２１を移動している間において点灯し、被計測物８に円偏光を照射する。その後、照明範囲２２１から照明範囲２２２へ移動すると、照明手段２は、照明範囲２２２を移動している間において消灯し、被計測物８への円偏光の照射を停止する。撮像手段４は、照明手段２が１回転する間、露光を継続して被計測物８を撮像する。
【００５０】
続いて、照明手段２は、点灯タイミングを変更する。図４（ｂ）に示すように、照明手段２は、照明範囲２２１を移動している間において消灯し、被計測物８への円偏光の照射を停止する。その後、照明範囲２２１から照明範囲２２２へ移動すると、照明手段２は、照明範囲２２２を移動している間において点灯し、被計測物８に円偏光を照射する。撮像手段４は、照明手段２が１回転する間、露光を継続して被計測物８を撮像する。
【００５１】
例えば被計測物８が図５のような形状である場合、図５（ａ）に示すように、第１の面８１の法線ベクトルは８１１、第２の面８２の法線ベクトルは８２１となる。また、第３の面８３の法線ベクトルは８３１、第４の面８４の法線ベクトルは８４１、第５の面８５の法線ベクトルは８５１となる。このような被計測物８では、図５（ｂ）（ｃ）に示すように、第１の面８１の法線ベクトル８１１と第２の面８２の法線ベクトル８２１とは、傾斜角φ１が同じで、ｘｙ平面に投影した直線の向きが正反対になる。本実施形態の３次元計測装置１は、図５のような形状の被計測物８においても、第１の面８１と第２の面８２とを区別することができ、それぞれの面の傾斜角φ１と方位角ω１とを一意に決めることができる。
【００５２】
以上説明した本実施形態の３次元計測装置１では、照明手段２が移動する全周を複数の照明範囲２２１，２２２に分割し、撮像手段４が照明範囲２２１，２２２ごとに被計測物８の被照射面を撮像する。これにより、被計測物８の被照射面の方位角を一意に決めることができ、方位角の不定性を解消することができる。
【００５３】
なお、本実施形態の変形例として、照明手段２が全周において常に円偏光を被計測物８に照射したまま、撮像手段４が照明手段２の位置（照明範囲２２１，２２２）ごとに露光を区切って撮像してもよい。これにより、撮像手段４は、照明範囲２２１，２２２ごとに撮像画像を生成することができる。撮像手段４が被計測物８を撮像するタイミングは、実施形態１と同様に、トリガ手段７から出力されるトリガ信号によって定められる。また、露光期間は撮像手段４を駆動するクロック信号によって定められる。
【００５４】
（実施形態３）
実施形態３に係る３次元計測装置１は、図６に示すように、照明手段２が円偏光を平行光で被計測物８に照射する点で、実施形態１に係る３次元計測装置１と相違する。なお、実施形態１の３次元計測装置１と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００５５】
本実施形態の照明手段２は、図６に示すように、円偏光を平行光で被計測物８に照射する。なお、実施形態１の照明手段２と同様の機能については説明を省略する。
【００５６】
本実施形態の移動手段３は、撮像手段４の光軸４１の回りに軸対称に照明手段２を移動させる第１の機構と、被計測物８を包含する半球において光軸４１を直径とする円周方向に照明手段２を移動させる第２の機構とを含んでいる。なお、実施形態１の移動手段３と同様の機能については説明を省略する。
【００５７】
照明手段２は、移動手段３の第１の機構によって、図６の矢印Ａ２１のように撮像手段４の光軸４１の回りに軸対称に移動（走査）しながら、円偏光を被計測物８に照射する。照明手段２は、上記動作を、移動手段３の第２の機構によって、被計測物８を包含する半球において光軸４１を直径とする円周上の位置を変えながら行う（図６の矢印Ａ２２，Ａ２３）。
【００５８】
以上説明した本実施形態の３次元計測装置１においても、照明手段２から被計測物８へ全方位から円偏光を照射することができるので、被計測物８の形状を精度よく計測することができる。
【００５９】
なお、本実施形態における円偏光を平行光で被計測物８に照射する機能を実施形態２の３次元計測装置１に適用してもよい。
【００６０】
（実施形態４）
実施形態４に係る３次元計測装置１は、図７に示すように、照明手段２が被計測物８の表面に正対するように移動する点で、実施形態１に係る３次元計測装置１と相違する。なお、実施形態１の３次元計測装置１と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００６１】
本実施形態の照明手段２は、図７に示すように、被計測物８の表面に正対するように設置されている。なお、実施形態１の照明手段２と同様の機能については説明を省略する。
【００６２】
本実施形態の移動手段３は、照明手段２が被計測物８の表面に正対する状態で、被計測物８の被照射面が変わるように照明手段２を図７の矢印Ａ３のように移動させる。なお、実施形態１の移動手段３と同様の機能については説明を省略する。
【００６３】
以上説明した本実施形態の３次元計測装置１では、照明手段２が被計測物８に対して計測に必要な方向からのみ円偏光を照射することができるので、照明手段２の移動時間を短縮することができ、その結果、計測時間を短くすることができる。
【００６４】
なお、各実施形態では、照明手段２から被計測物８に照射された光の反射光を撮像手段４に入射させる場合について説明したが、照明手段２から被計測物８に照射された光の透過光を撮像手段４に入射させてもよい。したがって、各実施形態の説明における反射光は、特に断りがなければ透過光と読み替えることが可能である。
【符号の説明】
【００６５】
１ ３次元計測装置
２ 照明手段
２１ 発光面
２２１，２２２ 照明範囲
３ 移動手段
４ 撮像手段
４１ 光軸
５ 演算手段
８ 被計測物
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被計測物に円偏光を照射し、被計測物で反射した反射光または被計測物を透過した透過光の偏光状態を解析することにより、被計測物の形状を計測する３次元計測装置およびそれに用いられる照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、被計測物の形状を計測するために、被計測物に光を照射し、被計測物で反射された反射光または被計測物を透過した透過光の偏光状態を解析する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。この種の技術は、エリプソメトリーと呼ばれている。以下では、被計測物に照射された後の光に関して反射光についてのみ記載するが、この反射光の用語は特に断りがなければ、被計測物を透過した透過光と読み替え可能である。
【０００３】
被計測物で反射された反射光は、検光子を通して光センサで受光される。光センサは、受光強度に応じた出力が得られる構成であればよいが、被計測物を広範囲にわたって同時に計測する場合にはカメラのような撮像手段が用いられる。検光子は、光センサ（撮像手段）が被計測物を見込む光軸の回りに回転可能になっている。
【０００４】
被計測物での反射光は偏光であるから、楕円偏光により一般化して扱うことができる。楕円偏光のパラメータは、規定した基準の角度に対する楕円の傾きを表わす角度ψと、楕円の長径ａおよび短径ｂとの３個で表される。一方、検光子を通過した光の強度Ｉは、検光子の回転角度θの関数でもあるから、結局、強度Ｉは、４個のパラメータａ，ｂ，θ，ψを持つ関数ｆとして表わされる。すなわち、Ｉ＝ｆ（ａ，ｂ，θ，ψ）になる。ここに、直線偏光はｂ＝０の条件で表わされ、円偏光はａ＝ｂの条件で表わされる。また、関数ｆの形は既知である。なお、長径ａと短径ｂとの絶対値は、被計測物に照射された光の強度によって変化するが、偏光状態を知るには長径ａと短径ｂとの比（楕円率）がわかればよいから、長径ａと短径ｂとの絶対値は変化してもよい、つまり、被計測物に照射する光の強度は考慮しなくてもよい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【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】
【０００６】
このような３次元計測装置において、高精度な計測を実現するには、完全な円偏光を、被計測物の表面で正反射して撮像手段の方向へ反射するように照射する必要がある。このためには、被計測物へ円偏光を全方位から照射することが必要である。
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載された従来の計測装置では、照明手段の発光面が、円偏光を面発光する複数の平面を組み合わせた多面体となっている。このため、照明手段が被計測物にすべての角度から円偏光を照射することができず、計測誤差の原因となるという問題があった。
【０００８】
上記問題を解決する手法として、発光面が半球状に形成されて被計測物を覆うように配置された照明手段が考えられる。
【０００９】
しかしながら、発光面を半球状に精度よく形成することは難しく、かえって計測精度を下げることになる。
【００１０】
本発明は上記の点に鑑みて為された発明であり、本発明の目的は、被計測物を精度よく計測することができる３次元計測装置およびそれに用いられる照明装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の３次元計測装置は、被計測物に円偏光を照射する照明手段と、前記被計測物の被照射面からの反射光を受けて前記被照射面を撮像する撮像手段と、前記撮像手段で撮像された撮像画像を用いて前記反射光の偏光状態を検出し、前記被照射面の向きを求める演算手段と、前記照明手段を移動させる移動手段とを備え、前記照明手段は、前記円偏光を前記被計測物の一部に照射し、前記移動手段は、前記被計測物において前記被照射面の位置が変わるように前記照明手段を移動させることを特徴とする。
【００１２】
この３次元計測装置において、前記移動手段は、前記撮像手段の光軸の回りに軸対称に前記照明手段を移動させることが好ましい。
【００１３】
この３次元計測装置において、前記照明手段は、前記被計測物を包含する半球と前記光軸を含む平面との交線に沿った形状に形成された発光面を有することが好ましい。
【００１４】
この３次元計測装置において、前記撮像手段は、前記光軸の回りで前記照明手段が移動する全周を複数に分割した照明範囲ごとに前記被照射面を撮像し、前記演算手段は、前記照明範囲ごとに前記撮像手段で撮像された前記撮像画像を用いて前記反射光の偏光状態を検出し、前記照明範囲ごとの前記偏光状態と当該照明範囲の方位とを用いて、前記被照射面の法線方向が前記光軸に対してなす角度を表わす傾斜角と、前記被照射面の法線を前記光軸と直交する平面に投影した直線の方向を表わす方位角とを求めることが好ましい。
【００１５】
この３次元計測装置において、前記照明手段は、前記円偏光を平行光で前記被計測物に照射することが好ましい。
【００１６】
この３次元計測装置において、前記移動手段は、前記撮像手段の光軸の回りに軸対称に前記照明手段を移動させる第１の機構と、前記被計測物を包含する半球において前記光軸を直径とする円周方向に前記照明手段を移動させる第２の機構とを含むことが好ましい。
【００１７】
本発明の照明装置は、被計測物に円偏光を照射し、前記被計測物の被照射面で反射した反射光の偏光状態を検出して前記被照射面の向きを求める３次元計測装置に用いられる照明装置であって、前記円偏光を前記被計測物の一部に照射する照明手段と、前記被計測物において前記被照射面の位置が変わるように前記照明手段を移動させる移動手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、被計測物を精度よく計測することが可能になるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施形態１に係る３次元計測装置を示す概略構成図である。
【図２】同上に係る３次元計測装置の動作説明図である。
【図３】同上に係る３次元計測装置の原理説明図である。
【図４】実施形態２に係る３次元計測装置の動作説明図である。
【図５】被計測物の一例であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は側面図である。
【図６】実施形態３に係る３次元計測装置の動作説明図である。
【図７】実施形態４に係る３次元計測装置の動作説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（実施形態１）
本実施形態に係る３次元計測装置１は、図１に示すように、円偏光を用いて被計測物８の表面状態を計測する装置である。すなわち、本実施形態の３次元計測装置１は、被計測物８に円偏光を照射し、被計測物８の表面（被照射面）で反射した反射光の偏光状態を検出して上記被照射面（反射面）の向きを求める。この３次元計測装置１は、被計測物８に円偏光を照射する照明手段２と、照明手段２を移動させる移動手段３と、被計測物８を撮像する撮像手段４と、撮像手段４で撮像された撮像画像を用いて被計測物８の被照射面の向きを求める演算手段５とを備えている。照明手段２から発せられた光は被計測物８の被照射面で反射した際に円偏光状態から楕円偏光状態に変化する。すなわち、被計測物８の被照射面で反射した反射光は楕円偏光状態である。また、３次元計測装置１は、被計測物８と撮像手段４との間に配置された検光子６１と、検光子６１の回転角度に応じてトリガ信号を出力するトリガ手段７とを備えている。照明手段２と移動手段３とで照明装置を構成する。被計測物８は、図示しないテーブル上に配置されており、テーブルの上方に撮像手段４が配置されている。すなわち、撮像手段４は、テーブル上面の法線方向と光軸４１（図２参照）とが平行になるように配置されている。被計測物８は、撮像手段４が被計測物８を見込む光軸４１上に配置されている。
【００２１】
上記のような構成の３次元計測装置１は、被計測物８の微小領域に円偏光を照射する照明手段２を移動させることによって、被計測物８の全方位から完全な円偏光を照射することを実現する。以下、３次元計測装置１の各構成要素について説明する。
【００２２】
照明手段２は、被計測物８に円偏光を照射する。例えば、照明手段２は、重ねて配置された偏光板（図示せず）と四分の一波長板（図示せず）とを備えており、偏光板を通して直線偏光になった光を四分の一波長板に通すことによって円偏光を生成し、上記円偏光を被計測物８に照射する。すなわち、照明手段２は、光源（図示せず）からの光を偏光板と四分の一波長板とに通すことによって円偏光を被計測物８に照射する。
【００２３】
本実施形態の照明手段２は、図２に示すように、被計測物８を包含する半球と光軸４１を含む平面との交線に沿った形状に形成された発光面２１を有している。すなわち、照明手段２は、下面が半球の一部のように凹んだ発光面２１を有している。照明手段２は、発光面２１が撮像手段４の光軸４１を囲むように配置されている。
【００２４】
このような照明手段２は、円偏光を被計測物８の一部に照射し、移動手段３によって図２の矢印Ａ１のように撮像手段４の光軸４１の周囲の全周にわたって移動（走査）しながら、被計測物８に斜め上方および側方から円偏光を照射する。このとき、照明手段２は、撮像手段４の視野を遮らないように移動する。したがって、照明手段２は、撮像手段４の光軸４１の周囲の全周を移動することによって、リング照明のように、被計測物８を全周にわたって均等に照明する。すなわち、照明手段２は、撮像手段４の光軸４１の周囲を移動しながら、被計測物８に対して斜め上方および側方から円偏光を均等に照射する。
【００２５】
なお、照明手段２は、被計測物８に円偏光を照射することが可能であれば、どのような構成でもよい。照明手段２に用いられる光源は、撮像手段４が撮像している間に光出力が変動することがないよう、直流安定化電源を用いて点灯させるものが好ましい。
【００２６】
移動手段３は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit：中央処理装置）を主構成要素とし、図２の矢印Ａ１のように照明手段２を移動させる。すなわち、移動手段３は、被計測物８において被照射面の位置が変わるように照明手段２を移動させる。
【００２７】
本実施形態では、移動手段３は、撮像手段４の光軸４１の回りに軸対称に照明手段２を移動させる。すなわち、移動手段３は、検光子６１（図１参照）の所定の回転角度（後述）ごとに、照明手段２を被計測物８の周囲に１周ずつ回転させる。なお、移動手段３は、用途に応じて、照明手段２の移動量を１回転未満としてもよい。
【００２８】
図１に示す撮像手段４は、被計測物８の被照射面からの反射光を受けて上記被照射面を撮像する。撮像手段４は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサやＣＭＯＳ（ComplementaryMetal Oxide Semiconductor）イメージセンサのように２次元格子の格子点上に画素が配列された撮像素子を備えている。被計測物８の被照射面からの反射光は楕円偏光であり、撮像手段４は検光子６１を通して反射光を受ける。また、撮像手段４は受光光学系を備えており、被計測物８の被照射面からの反射光（楕円偏光）は受光光学系を通して撮像素子に入射される。本実施形態の撮像手段４は、検光子６１の所定の回転角度（後述）ごとに、照明手段２の移動開始（回転開始）から移動終了（回転終了）までの間、露光を継続して被計測物８を撮像する。
【００２９】
撮像手段４は、検光子６１の所定の回転角度ごとに、被計測物８を撮像した後、画素値を濃淡値とする撮像画像を生成する。例えば、撮像手段４は、検光子６１の回転角度が１０°変わるごとに被計測物８を撮像する場合、全部で１８枚の撮像画像を生成する。撮像手段４の各画素の画素値には、被計測物８の表面の場所ごとの反射光の強度が反映される。言い換えると、撮像手段４の画素ごとの画素値は、被計測物８の場所ごとの反射光の偏光状態を反映していることになる。撮像手段４から出力される画素ごとの画素値は演算手段５に入力される。
【００３０】
なお、撮像手段４は、検光子６１の所定の回転角度において、露光を継続して被計測物８を撮像するのではなく、照明手段２の位置ごとに被計測物８を撮像してもよい。この場合、撮像手段４は、照明手段２の位置ごとに撮像して生成した複数の撮像画像を用いて、画素ごとに画素値を積算した１枚の撮像画像（合成画像）を生成する。すなわち、撮像手段４は、照明手段２の位置ごとの撮像画像を合成して１枚の撮像画像を生成する。
【００３１】
演算手段５は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit：中央処理装置）を主構成要素とし、検光子６１の所定の回転角度ごとに撮像手段４で撮像された撮像画像を用いて反射光の偏光状態を検出する。すなわち、演算手段５は、撮像画像の画素ごとの画素値と検光子６１の所定の回転角度との関係を用いて、反射光の偏光状態、つまり、被計測物８の表面に関して画素に対応する部位の偏光状態を解析する（背景技術を参照）。要するに、偏光状態を決めるパラメータを、被計測物８の部位ごとに求める。
【００３２】
偏光状態を決めるパラメータを求めるには、後述するように、検光子６１が互いに独立した３つの回転角度であるときに、それぞれの回転角度において受光する光の強度を求める必要がある。このことから、撮像手段４による撮像のタイミングを検光子６１の回転角度と対応付けることが必要である。そのため、撮像手段４が被計測物８からの反射光を取り込むタイミングを指示するトリガ信号をトリガ手段７によって発生させている。
【００３３】
反射光の偏光状態を検出した演算手段５は、被計測物８の被照射面からの反射光の偏光状態から上記被照射面の向きを求める。被計測物８の被照射面の向きとは、被照射面の法線方向が撮像手段４の光軸４１に対してなす角度を表わす傾斜角、および、被照射面の法線を光軸４１と直交する平面に投影した直線の方向を表わす方位角である。
【００３４】
検光子６１は、例えば直線偏光板などであり、撮像手段４と被計測物８との間において、撮像手段４の光軸４１（図２参照）と平行な回転中心の回りで回転するように配置されており、回転手段６２により回転駆動される。回転手段６２は、モータを備えている。また、検光子６１は、規定した基準の角度に対する回転角度が角度センサ６３により計測される。角度センサ６３は、検光子６１の回転角度を検出するロータリエンコーダ、ポテンショメータなどが用いられる。角度センサ６３は、検光子６１から回転を直接に検出するように配置されるほか、回転手段６２における回転部分から検光子６１の回転を間接的に検出するように配置されていてもよい。
【００３５】
ところで、照明手段２から被計測物８へ円偏光が照射されると、撮像手段４に入射する反射光は被計測物８の表面の向きに応じたパラメータを持つ楕円偏光になる。楕円偏光のパラメータは、背景技術において説明したように、楕円の長径ａおよび短径ｂ（または、楕円率）、基準の角度に対する楕円の傾きを表わす角度ψである。したがって、検光子６１の回転角度θと撮像手段４の各画素の濃淡値との関係を用いると、撮像手段４の各画素に対応した被計測物８の表面の各部位の向きを定量的に計測することが可能になる。
【００３６】
検光子６１を互いに独立した少なくとも３つの回転角度θに設定した状態で、撮像素子の各画素で受光した強度Ｉを求めることにより、３個のパラメータψ，ａ，ｂが一意に定められる。回転角度θが独立しているとは、２つの回転角度θの差が１８０°の倍数ではないことを意味する。検光子６１を少なくとも３つの回転角度θに設定し、それぞれの回転角度θにおける強度Ｉを上式に当てはめると、３個のパラメータψ，ａ，ｂを含む３個の数式が得られるから、未知数であるパラメータψ，ａ，ｂを定めることができる。すなわち、反射光の偏光状態が求められ、反射光の偏光状態から被計測物８の形状を計測することが可能になる。
【００３７】
トリガ手段７は、角度センサ６３が検出した検光子６１の回転角度に基づいてトリガ信号を発生させる機能と、角度センサ６３の出力とは無関係に適宜の時刻にトリガ信号を発生させる機能とを有している。
【００３８】
角度センサ６３の出力を用いるトリガ手段７は、角度センサ６３から出力される検光子６１の回転角度を用い、互いに独立した３つの回転角度においてトリガ信号を発生させる。トリガ信号を発生させる回転角度は、３つの回転角度のうちの２つずつの回転角度の差が１８０°の倍数でなければ、適宜に設定することが可能である。一方、角度センサ６３の出力を用いないトリガ手段７は、適宜のタイミングでトリガ信号を発生させる。上述したトリガ信号は、撮像手段４に与えられる。
【００３９】
いま、図３に示すように、被計測物８の表面において撮像手段４の各画素に対応する範囲としての小領域９１を規定し、小領域９１の範囲では被計測物８の表面を平面とみなす。以下では、小領域９１の法線ベクトル９２が撮像手段４の光軸４１に対してなす角度を傾斜角φ１で表わし、小領域９１の法線ベクトル９２をテーブル（図示せず）の表面に平行な基準平面９３に投影した直線９２１が基準平面９３内の基準の角度に対してなす角度を方位角ω１で表わす。基準平面９３は、撮像手段４の撮像面に平行になる。傾斜角φ１は、撮像手段４に向かう向きを０°とし、被計測物８に向かう向きを１８０°とする。また、方位角ω１は、撮像手段４の画素配列における水平方向をｘ方向、垂直方向をｙ方向とするとき、ｘ軸の正の向きを０°とし、ｘ軸の負の向きを１８０°とする。なお、図３に示す座標系は、右手系であり、撮像手段４の光軸４１と基準平面９３との交点を原点とする。
【００４０】
上述のように、傾斜角φ１と方位角ω１とを規定した場合、被計測物８について計測可能な範囲は、傾斜角φ１については最大で０〜９０°であり、方位角ω１については最大で０〜１８０°になる。ここに、傾斜角φ１の制限は、傾斜角φ１が９０°以上の部位が撮像手段４からは死角であって視野外になることによって生じる。また、方位角ω１の制限は、検光子６１が２回回転対称であることによって生じる。つまり、検光子６１は、楕円偏光における楕円の角度を０〜１８０°の範囲でのみ区別できるからである。
【００４１】
これにより、被計測物８の表面の各部位を形成している小領域９１の向きが計測される。小領域９１の向きの計測により、被計測物８の表面粗さなどが計測される。また、小領域９１の連続性に着目すれば、被計測物８の表面の三次元形状を推定することも可能になる。
【００４２】
次に、本実施形態に係る３次元計測装置１の動作について図１を用いて説明する。まず、照明手段２が被計測物８の一部に円偏光を照射する。続いて、検光子６１の所定の回転角度ごとに、移動手段３が撮像手段４の光軸４１の回りに対称的に照明手段２を移動させる。撮像手段４は、照明手段２の移動開始から移動終了までの間、露光を継続して被計測物８を撮像する。その後、演算手段５は、検光子６１の所定の回転角度ごとに撮像手段４で撮像された複数の撮像画像を用いて、被計測物８からの反射光の偏光状態を検出し、被計測物８の表面（被照射面）の傾斜角と方位角とを求める。
【００４３】
以上説明した本実施形態の３次元計測装置１では、被計測物８の一部に円偏光を照射する照明手段２を被計測物８の被照射面が変わるように移動させることによって、照明手段２から被計測物８へ全方位から円偏光を照射することができる。その結果、被計測物８を精度よく計測することができる。
【００４４】
（実施形態２）
実施形態２に係る３次元計測装置１は、図４に示すように照明範囲２２１，２２２ごとに撮像された撮像画像を用いて被計測物８の被照射面の向き（傾斜角、方位角）を求める点で、実施形態１に係る３次元計測装置１と相違する。なお、実施形態１の３次元計測装置１と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００４５】
本実施形態の３次元計測装置１は、撮像手段４の光軸４１の回りで照明手段２が移動する全周を複数（図示例では２つ）の照明範囲２２１，２２２に分割する。
【００４６】
本実施形態の照明手段２は、照明位置（方位）に応じて、点灯・消灯を制御することが可能な装置であり、照明範囲２２１，２２２ごとに個別に点灯する。
【００４７】
本実施形態の撮像手段４は、照明範囲２２１，２２２を被計測物８の被照射面を撮像する。すなわち、撮像手段４は、照明手段２が照明範囲２２１を移動している間のみ被計測物８に円偏光を照射している場合と照明手段２が照明範囲２２２を移動している間のみ被計測物８に円偏光を照射している場合とのそれぞれにおいて被計測物８を撮像して撮像画像を生成する。なお、実施形態１の撮像手段４と同様の機能については説明を省略する。
【００４８】
本実施形態の演算手段５は、照明範囲２２１，２２２ごとに撮像画像を用いて反射光の偏光状態を検出する。各照明範囲２２１，２２２での反射光の偏光状態を検出した演算手段５は、照明範囲２２１，２２２ごとの反射光の偏光状態と照明範囲２２１，２２２の方位とを用いて、被計測物８の被照射面の傾斜角と方位角とを求める。なお、実施形態１の演算手段５と同様の機能については説明を省略する。
【００４９】
次に、本実施形態の３次元計測装置１の動作について図４を用いて説明する。まず、照明手段２は、移動手段３の制御によって移動を開始する。図４（ａ）に示すように、照明手段２は、照明範囲２２１を移動している間において点灯し、被計測物８に円偏光を照射する。その後、照明範囲２２１から照明範囲２２２へ移動すると、照明手段２は、照明範囲２２２を移動している間において消灯し、被計測物８への円偏光の照射を停止する。撮像手段４は、照明手段２が１回転する間、露光を継続して被計測物８を撮像する。
【００５０】
続いて、照明手段２は、点灯タイミングを変更する。図４（ｂ）に示すように、照明手段２は、照明範囲２２１を移動している間において消灯し、被計測物８への円偏光の照射を停止する。その後、照明範囲２２１から照明範囲２２２へ移動すると、照明手段２は、照明範囲２２２を移動している間において点灯し、被計測物８に円偏光を照射する。撮像手段４は、照明手段２が１回転する間、露光を継続して被計測物８を撮像する。
【００５１】
例えば被計測物８が図５のような形状である場合、図５（ａ）に示すように、第１の面８１の法線ベクトルは８１１、第２の面８２の法線ベクトルは８２１となる。また、第３の面８３の法線ベクトルは８３１、第４の面８４の法線ベクトルは８４１、第５の面８５の法線ベクトルは８５１となる。このような被計測物８では、図５（ｂ）（ｃ）に示すように、第１の面８１の法線ベクトル８１１と第２の面８２の法線ベクトル８２１とは、傾斜角φ１が同じで、ｘｙ平面に投影した直線の向きが正反対になる。本実施形態の３次元計測装置１は、図５のような形状の被計測物８においても、第１の面８１と第２の面８２とを区別することができ、それぞれの面の傾斜角φ１と方位角ω１とを一意に決めることができる。
【００５２】
以上説明した本実施形態の３次元計測装置１では、照明手段２が移動する全周を複数の照明範囲２２１，２２２に分割し、撮像手段４が照明範囲２２１，２２２ごとに被計測物８の被照射面を撮像する。これにより、被計測物８の被照射面の方位角を一意に決めることができ、方位角の不定性を解消することができる。
【００５３】
なお、本実施形態の変形例として、照明手段２が全周において常に円偏光を被計測物８に照射したまま、撮像手段４が照明手段２の位置（照明範囲２２１，２２２）ごとに露光を区切って撮像してもよい。これにより、撮像手段４は、照明範囲２２１，２２２ごとに撮像画像を生成することができる。撮像手段４が被計測物８を撮像するタイミングは、実施形態１と同様に、トリガ手段７から出力されるトリガ信号によって定められる。また、露光期間は撮像手段４を駆動するクロック信号によって定められる。
【００５４】
（実施形態３）
実施形態３に係る３次元計測装置１は、図６に示すように、照明手段２が円偏光を平行光で被計測物８に照射する点で、実施形態１に係る３次元計測装置１と相違する。なお、実施形態１の３次元計測装置１と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００５５】
本実施形態の照明手段２は、図６に示すように、円偏光を平行光で被計測物８に照射する。なお、実施形態１の照明手段２と同様の機能については説明を省略する。
【００５６】
本実施形態の移動手段３は、撮像手段４の光軸４１の回りに軸対称に照明手段２を移動させる第１の機構と、被計測物８を包含する半球において光軸４１を直径とする円周方向に照明手段２を移動させる第２の機構とを含んでいる。なお、実施形態１の移動手段３と同様の機能については説明を省略する。
【００５７】
照明手段２は、移動手段３の第１の機構によって、図６の矢印Ａ２１のように撮像手段４の光軸４１の回りに軸対称に移動（走査）しながら、円偏光を被計測物８に照射する。照明手段２は、上記動作を、移動手段３の第２の機構によって、被計測物８を包含する半球において光軸４１を直径とする円周上の位置を変えながら行う（図６の矢印Ａ２２，Ａ２３）。
【００５８】
以上説明した本実施形態の３次元計測装置１においても、照明手段２から被計測物８へ全方位から円偏光を照射することができるので、被計測物８の形状を精度よく計測することができる。
【００５９】
なお、本実施形態における円偏光を平行光で被計測物８に照射する機能を実施形態２の３次元計測装置１に適用してもよい。
【００６０】
（実施形態４）
実施形態４に係る３次元計測装置１は、図７に示すように、照明手段２が被計測物８の表面に正対するように移動する点で、実施形態１に係る３次元計測装置１と相違する。なお、実施形態１の３次元計測装置１と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００６１】
本実施形態の照明手段２は、図７に示すように、被計測物８の表面に正対するように設置されている。なお、実施形態１の照明手段２と同様の機能については説明を省略する。
【００６２】
本実施形態の移動手段３は、照明手段２が被計測物８の表面に正対する状態で、被計測物８の被照射面が変わるように照明手段２を図７の矢印Ａ３のように移動させる。なお、実施形態１の移動手段３と同様の機能については説明を省略する。
【００６３】
以上説明した本実施形態の３次元計測装置１では、照明手段２が被計測物８に対して計測に必要な方向からのみ円偏光を照射することができるので、照明手段２の移動時間を短縮することができ、その結果、計測時間を短くすることができる。
【００６４】
なお、各実施形態では、照明手段２から被計測物８に照射された光の反射光を撮像手段４に入射させる場合について説明したが、照明手段２から被計測物８に照射された光の透過光を撮像手段４に入射させてもよい。したがって、各実施形態の説明における反射光は、特に断りがなければ透過光と読み替えることが可能である。
【符号の説明】
【００６５】
１ ３次元計測装置
２ 照明手段
２１ 発光面
２２１，２２２ 照明範囲
３ 移動手段
４ 撮像手段
４１ 光軸
５ 演算手段
８ 被計測物
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被計測物に円偏光を照射する照明手段と、
前記被計測物の被照射面からの反射光を受けて前記被照射面を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段で撮像された撮像画像を用いて前記反射光の偏光状態を検出し、前記被照射面の向きを求める演算手段と、
前記照明手段を移動させる移動手段とを備え、
前記照明手段は、前記円偏光を前記被計測物の一部に照射し、
前記移動手段は、前記被計測物において前記被照射面の位置が変わるように前記照明手段を移動させる
ことを特徴とする３次元計測装置。
【請求項２】
前記移動手段は、前記撮像手段の光軸の回りに軸対称に前記照明手段を移動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】
前記照明手段は、前記被計測物を包含する半球と前記光軸を含む平面との交線に沿った形状に形成された発光面を有することを特徴とする請求項２記載の３次元計測装置。
【請求項４】
前記撮像手段は、前記光軸の回りで前記照明手段が移動する全周を複数に分割した照明範囲ごとに前記被照射面を撮像し、
前記演算手段は、前記照明範囲ごとに前記撮像手段で撮像された前記撮像画像を用いて前記反射光の偏光状態を検出し、前記照明範囲ごとの前記偏光状態と当該照明範囲の方位とを用いて、前記被照射面の法線方向が前記光軸に対してなす角度を表わす傾斜角と、前記被照射面の法線を前記光軸と直交する平面に投影した直線の方向を表わす方位角とを求める
ことを特徴とする請求項２または３記載の３次元計測装置。
【請求項５】
前記照明手段は、前記円偏光を平行光で前記被計測物に照射することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の３次元計測装置。
【請求項６】
前記移動手段は、前記撮像手段の光軸の回りに軸対称に前記照明手段を移動させる第１の機構と、前記被計測物を包含する半球において前記光軸を直径とする円周方向に前記照明手段を移動させる第２の機構とを含むことを特徴とする請求項５記載の３次元計測装置。
【請求項７】
被計測物に円偏光を照射し、前記被計測物の被照射面で反射した反射光の偏光状態を検出して前記被照射面の向きを求める３次元計測装置に用いられる照明装置であって、
前記円偏光を前記被計測物の一部に照射する照明手段と、
前記被計測物において前記被照射面の位置が変わるように前記照明手段を移動させる移動手段と
を備えることを特徴とする照明装置。
【請求項１】
被計測物に円偏光を照射する照明手段と、
前記被計測物の被照射面からの反射光を受けて前記被照射面を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段で撮像された撮像画像を用いて前記反射光の偏光状態を検出し、前記被照射面の向きを求める演算手段と、
前記照明手段を移動させる移動手段とを備え、
前記照明手段は、前記円偏光を前記被計測物の一部に照射し、
前記移動手段は、前記被計測物において前記被照射面の位置が変わるように前記照明手段を移動させる
ことを特徴とする３次元計測装置。
【請求項２】
前記移動手段は、前記撮像手段の光軸の回りに軸対称に前記照明手段を移動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】
前記照明手段は、前記被計測物を包含する半球と前記光軸を含む平面との交線に沿った形状に形成された発光面を有することを特徴とする請求項２記載の３次元計測装置。
【請求項４】
前記撮像手段は、前記光軸の回りで前記照明手段が移動する全周を複数に分割した照明範囲ごとに前記被照射面を撮像し、
前記演算手段は、前記照明範囲ごとに前記撮像手段で撮像された前記撮像画像を用いて前記反射光の偏光状態を検出し、前記照明範囲ごとの前記偏光状態と当該照明範囲の方位とを用いて、前記被照射面の法線方向が前記光軸に対してなす角度を表わす傾斜角と、前記被照射面の法線を前記光軸と直交する平面に投影した直線の方向を表わす方位角とを求める
ことを特徴とする請求項２または３記載の３次元計測装置。
【請求項５】
前記照明手段は、前記円偏光を平行光で前記被計測物に照射することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の３次元計測装置。
【請求項６】
前記移動手段は、前記撮像手段の光軸の回りに軸対称に前記照明手段を移動させる第１の機構と、前記被計測物を包含する半球において前記光軸を直径とする円周方向に前記照明手段を移動させる第２の機構とを含むことを特徴とする請求項５記載の３次元計測装置。
【請求項７】
被計測物に円偏光を照射し、前記被計測物の被照射面で反射した反射光の偏光状態を検出して前記被照射面の向きを求める３次元計測装置に用いられる照明装置であって、
前記円偏光を前記被計測物の一部に照射する照明手段と、
前記被計測物において前記被照射面の位置が変わるように前記照明手段を移動させる移動手段と
を備えることを特徴とする照明装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−１１３７９３（Ｐ２０１３−１１３７９３Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６２４４５（Ｐ２０１１−２６２４４５）
【出願日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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