特許 6019886 形状測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6019886

(24)【登録日】2016年10月14日

(45)【発行日】2016年11月2日

(54)【発明の名称】形状測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/25 20060101AFI20161020BHJP

   G06T 1/00 20060101ALI20161020BHJP

【ＦＩ】

   G01B11/25 H

   G06T1/00 315

【請求項の数】10

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2012-165607(P2012-165607)

(22)【出願日】2012年7月26日

(65)【公開番号】特開2014-25782(P2014-25782A)

(43)【公開日】2014年2月6日

【審査請求日】2015年4月14日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】特許業務法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】渡辺 恵一

(72)【発明者】

【氏名】廣瀬 知弘

(72)【発明者】

【氏名】北山 綱次

【審査官】 岸 智史

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０６−０６６５２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１２８０３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−００３２１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／１４５３１９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０００−２８３７５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 Xiang Zhou and Xian-Yu Su，Effect of the modulation transfer function of a digital image-acquisition device in phase-measuring profilometry，APPLIED OPTICS，１９９４年１２月１０日，Vol. 33, No. 35，pp. 8210 - 8215

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ １１／００−１１／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１空間周期及び第１投影輝度振幅を有する第１格子縞画像を、被測定面に投影する、第１投影手段と、
第２空間周期及び第２投影輝度振幅を有する第２格子縞画像を、被測定面に投影する、第２投影手段と、
被測定面に投影された格子縞画像の位相を変化させることが可能な、位相変位手段と、
被測定面に投影された格子縞画像を撮像することが可能な、撮像手段と、
前記位相の変化に対応する、前記撮像手段の受光輝度の変化に基づいて、被測定面の形状を算出する、演算部と、
を備え、
前記第１空間周期は、前記第２空間周期よりも短く、
前記第１投影輝度振幅は、前記第２投影輝度振幅より大きい、
形状測定装置。

【請求項2】

請求項１記載の形状測定装置であって、
被測定面に投影された前記第１格子縞画像を撮像するときの、前記撮像手段の撮像面上の受光輝度振幅が、被測定面に投影された前記第２格子縞画像を撮像するときの、前記撮像面上の受光輝度振幅と略等しくなるように、前記第１投影輝度振幅及び第２投影輝度振幅を制御することが可能な、形状測定装置。

【請求項3】

請求項１または２に記載の形状測定装置であって、
被測定面に投影された前記第１格子縞画像を撮像するときの、前記撮像手段の撮像面上の受光輝度振幅と、被測定面に投影された前記第２格子縞画像を撮像するときの、前記撮像面上の受光輝度振幅が、輝度飽和レベル未満となるように、前記第１投影輝度振幅と前記第２投影輝度振幅を制御することが可能な、形状測定装置。

【請求項4】

請求項２または３に記載の形状測定装置であって、
前記第１投影輝度振幅と前記第２投影輝度振幅の比を保ったまま、前記第１投影輝度振幅と前記第２投影輝度振幅を制御することが可能な、形状測定装置。

【請求項5】

請求項１から４のいずれかに記載の形状測定装置であって、
前記演算部は、前記撮像手段の撮像面のうち、受光輝度が所定範囲内に収まる領域に基づいて、被測定面の形状を算出し、
前記第１投影輝度振幅及び第２投影輝度振幅を変更させることで、前記受光輝度が前記所定範囲内に収まる領域を変更させる、形状測定装置。

【請求項6】

第１空間周期を有する第１格子縞画像を、被測定面に投影する、第１投影手段と、
第２空間周期を有する第２格子縞画像を、被測定面に投影する、第２投影手段と、
被測定面に投影された格子縞画像の位相を変化させることが可能な、位相変位手段と、
被測定面に投影された格子縞画像を撮像することが可能な、撮像手段と、
被測定面に投影された前記第１格子縞画像を前記撮像手段に撮像させる際に、露光時間を第１露光時間に制御する、第１露光調整手段と、
被測定面に投影された前記第２格子縞画像を前記撮像手段に撮像させる際に、露光時間を第２露光時間に制御する、第１露光調整手段と、
前記位相の変化に対応する、前記撮像手段の受光輝度の変化に基づいて、被測定面の形状を算出する、演算部と、
を備え、
前記第１空間周期は、前記第２空間周期よりも短く、
前記第１露光時間は、前記第２露光時間よりも長い、
形状測定装置。

【請求項7】

請求項６記載の形状測定装置であって、
被測定面に投影された前記第１格子縞画像を撮像するときの、前記撮像手段の撮像面上の第１受光輝度振幅が、被測定面に投影された前記第２格子縞画像を撮像するときの、前記撮像面上の第２受光輝度振幅と略等しくなるように、前記第１露光時間及び第２露光時間を制御することが可能な、形状測定装置。

【請求項8】

請求項６または７に記載の形状測定装置であって、
被測定面に投影された前記第１格子縞画像を撮像するときの、前記撮像手段の撮像面上の第１受光輝度振幅と、被測定面に投影された前記第２格子縞画像を撮像するときの、前記撮像面上の第２受光輝度振幅が、輝度飽和レベル未満となるように、前記第１露光時間及び第２露光時間を制御することが可能な、形状測定装置。

【請求項9】

請求項６から８のいずれかに記載の形状測定装置であって、
前記演算部は、前記撮像手段の撮像面のうち、受光輝度が所定範囲内に収まる領域に基づいて、被測定面の形状を算出し、
前記第１露光時間及び第２露光時間を変更させることで、前記受光輝度が前記所定範囲内に収まる領域を変更させる、形状測定装置。

【請求項10】

第１空間周期を有する第１格子縞画像を、被測定面に投影する、第１投影手段と、
第２空間周期を有する第２格子縞画像を、被測定面に投影する、第２投影手段と、
被測定面に投影された格子縞画像の位相を変化させることが可能な、位相変位手段と、
被測定面に投影された格子縞画像を撮像することが可能な、撮像手段と、
被測定面に投影された前記第１格子縞画像を前記撮像手段に撮像させる際に、前記撮像手段の撮像面上の受光輝度振幅を第１増幅率で増幅させる第１増幅手段と、
被測定面に投影された前記第２格子縞画像を前記撮像手段に撮像させる際に、前記撮像手段の撮像面上の受光輝度振幅を第２増幅率で増幅させる第２増幅手段と、
前記位相の変化に対応する、前記撮像手段の増幅後の受光輝度の変化に基づいて、被測定面の形状を算出する、演算部と、
を備え、
前記第１空間周期は、前記第２空間周期よりも短く、
前記第１増幅率は、前記第２増幅率よりも大きい、
形状測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、位相シフト法を用いた、形状測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、位相シフト法を利用して、被測定面の三次元形状を測定する、形状測定装置が知られている。位相シフト法では、直線状の格子縞のパターンを被測定面上に投影する。被測定面上には、その形状に応じた変形格子像が生じる。この変形格子像を、投影軸とは異なる方向から撮像する。撮像された変形格子像の変形具合を解析することで、被測定面の三次元形状を演算する。

【0003】

具体的には、被測定面に格子縞像を投影させる際に、その格子縞像の位相を変化させる。さらに、被測定面上の、位相変化する格子縞像を撮像するとともに、撮像手段における、位相変化に対応した輝度の変化を測定する。測定された輝度変化に基づいて、撮像面上の所定位置に入射した反射光の輝度の位相成分φを求める。

【0004】

被測定面における反射光の反射点（測定点）の、所定の基準面からの距離ｙと、上記位相φとは、対応関係にあることが知られている。したがって、位相φを求めることで、測定点の距離ｙを求めることができる。

【0005】

また、撮像する格子縞の空間周期が短い（空間周波数が高い）ほど、距離ｙの算出の精度が高くなることが知られている。そこで、特許文献１〜４では、測定点の距離ｙを求める際に、空間周期の長い格子縞によって求めた測定点の距離ｙを、空間周期の短い格子縞を用いることで補正している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開平６−６６５２７号公報

【特許文献2】特開２００１−１５９５１０号公報

【特許文献3】特開２０１０−２０３８６７号公報

【特許文献4】特開２０１０−１５１８４２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ところで、格子縞を被測定面に投影させてこれを撮像する投受光光学系は、格子縞の空間周期に応じた光の透過特性を示す、周波数透過特性（ＭＴＦ、Modulation Transfer Function）を有している。周波数透過特性により、格子縞の空間周期が短くなるほど、その透過性は低下する。そうなると、図１９に例示するように、空間周期の異なる複数の格子縞を用いる場合、格子縞の空間周期が短くなるほど、撮像面上の受光輝度振幅が小さくなる。撮像面上の受光輝度振幅が小さくなると、受光輝度の変化を捉えにくくなり、位相φの算出が困難となる。そこで、本発明は、光学系の周波数透過特性による受光輝度振幅の低下を抑制することの可能な、形状測定装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明は、形状測定装置に関する。当該形状測定装置は、第１空間周期及び第１投影輝度振幅を有する第１格子縞画像を、被測定面に投影する、第１投影手段と、第２空間周期及び第２投影輝度振幅を有する第２格子縞画像を、被測定面に投影する、第２投影手段と、被測定面に投影された格子縞画像の位相を変化させることが可能な、位相変位手段と、被測定面に投影された格子縞画像を撮像することが可能な、撮像手段と、前記位相の変化に対応する、前記撮像手段の受光輝度の変化に基づいて、被測定面の形状を算出する、演算部と、を備える。前記第１空間周期は、前記第２空間周期よりも短く、前記第１投影輝度振幅は、前記第２投影輝度振幅より大きい。

【0009】

また、上記発明において、被測定面に投影された前記第１格子縞画像を撮像するときの、前記撮像手段の撮像面上の受光輝度振幅が、被測定面に投影された前記第２格子縞画像を撮像するときの、前記撮像面上の受光輝度振幅と略等しくなるように、前記第１投影輝度振幅及び第２投影輝度振幅を制御することが好適である。

【0010】

また、上記発明において、被測定面に投影された前記第１格子縞画像を撮像するときの、前記撮像手段の撮像面上の受光輝度振幅と、被測定面に投影された前記第２格子縞画像を撮像するときの、前記撮像面上の受光輝度振幅が、輝度飽和レベル未満となるように、前記第１投影輝度振幅と前記第２投影輝度振幅を制御することが好適である。

【0011】

また、上記発明において、前記第１投影輝度振幅と前記第２投影輝度振幅の比を保ったまま、前記第１投影輝度振幅と前記第２投影輝度振幅を制御することが好適である。

【0012】

また、上記発明において、前記演算部は、前記撮像手段の撮像面のうち、受光輝度が所定範囲内に収まる領域に基づいて、被測定面の形状を算出し、前記第１投影輝度振幅及び第２投影輝度振幅を変更させることで、前記受光輝度が前記所定範囲内に収まる領域を変更させることが好適である。

【0013】

また、本発明に係る形状測定装置は、第１空間周期を有する第１格子縞画像を、被測定面に投影する、第１投影手段と、第２空間周期を有する第２格子縞画像を、被測定面に投影する、第２投影手段と、被測定面に投影された格子縞画像の位相を変化させることが可能な、位相変位手段と、被測定面に投影された格子縞画像を撮像することが可能な、撮像手段と、被測定面に投影された前記第１格子縞画像を前記撮像手段に撮像させる際に、露光時間を第１露光時間に制御する、第１露光調整手段と、被測定面に投影された前記第２格子縞画像を前記撮像手段に撮像させる際に、露光時間を第２露光時間に制御する、第１露光調整手段と、前記位相の変化に対応する、前記撮像手段の受光輝度の変化に基づいて、被測定面の形状を算出する、演算部と、を備える。前記第１空間周期は、前記第２空間周期よりも短く、前記第１露光時間は、前記第２露光時間よりも長い。

【0014】

また、上記発明において、被測定面に投影された前記第１格子縞画像を撮像するときの、前記撮像手段の撮像面上の第１受光輝度振幅が、被測定面に投影された前記第２格子縞画像を撮像するときの、前記撮像面上の第２受光輝度振幅と略等しくなるように、前記第１露光時間及び第２露光時間を制御することが好適である。

【0015】

また、上記発明において、被測定面に投影された前記第１格子縞画像を撮像するときの、前記撮像手段の撮像面上の第１受光輝度振幅と、被測定面に投影された前記第２格子縞画像を撮像するときの、前記撮像面上の第２受光輝度振幅が、輝度飽和レベル未満となるように、前記第１露光時間及び第２露光時間を制御することが好適である。

【0016】

また、上記発明において、前記演算部は、前記撮像手段の撮像面のうち、受光輝度が所定範囲内に収まる領域に基づいて、被測定面の形状を算出し、前記第１露光時間及び第２露光時間を変更させることで、前記受光輝度が前記所定範囲内に収まる領域を変更させることが好適である。

【0017】

また、本発明に係る形状測定装置は、第１空間周期を有する第１格子縞画像を、被測定面に投影する、第１投影手段と、第２空間周期を有する第２格子縞画像を、被測定面に投影する、第２投影手段と、被測定面に投影された格子縞画像の位相を変化させることが可能な、位相変位手段と、被測定面に投影された格子縞画像を撮像することが可能な、撮像手段と、被測定面に投影された前記第１格子縞画像を前記撮像手段に撮像させる際に、前記撮像手段の撮像面上の受光輝度振幅を第１増幅率で増幅させる第１増幅手段と、被測定面に投影された前記第２格子縞画像を前記撮像手段に撮像させる際に、前記撮像手段の撮像面上の受光輝度振幅を第２増幅率で増幅させる第２増幅手段と、前記位相の変化に対応する、前記撮像手段の増幅後の受光輝度の変化に基づいて、被測定面の形状を算出する、演算部と、を備える。前記第１空間周期は、前記第２空間周期よりも短く、前記第１増幅率は、前記第２増幅率よりも大きい。

【0018】

また、本発明に係る形状測定装置は、第１空間周期を有する第１格子縞画像を、被測定面に投影する、第１投影手段と、第２空間周期を有する第２格子縞画像を、被測定面に投影する、第２投影手段と、被測定面に投影された格子縞画像の位相を変化させることが可能な、位相変位手段と、被測定面に投影された格子縞画像を撮像することが可能な、撮像手段と、前記位相の変化に対応する、前記撮像手段の受光輝度の変化に基づいて、被測定面の形状を算出する、演算部と、を備える。前記第１空間周期は、前記第２空間周期よりも短く、被測定面に投影された前記第１格子縞画像を撮像するときの、前記撮像手段の撮像面上の受光輝度振幅は、被測定面に投影された前記第２格子縞画像を撮像するときの、前記撮像面上の受光輝度振幅と略等しい。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、光学系の周波数透過特性による、受光輝度振幅の低下を抑制することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の実施の形態における形状測定装置の構成を示すブロック図である。

【図2】位相シフト法を用いた形状測定の原理を説明する斜視図である。

【図3】位相シフト法を用いた形状測定の原理を説明する図である。

【図4】絶対位相の求め方を説明する図である。

【図5】絶対位相の求め方を説明する図である。

【図6】投影輝度成分のキャリブレーションについて説明する図である。

【図7】投影輝度成分のキャリブレーションについて説明する図である。

【図8】関数ｙ（ｉ，ｊ）＝ｆ（φ（ｉ，ｊ））を求めるためのキャリブレーションについて説明する図である。

【図9】関数ｘ（ｉ，ｊ）＝ｆ（ｙ（ｉ，ｊ））及び関数ｚ（ｉ，ｊ）＝ｆ（ｙ（ｉ，ｊ））を求めるためのキャリブレーションについて説明する図である。

【図10】本発明の実施の形態における形状測定装置の別例の構成を示すブロック図である。

【図11】本発明の実施の形態における形状測定装置の別例の構成を示すブロック図である。

【図12】本発明の実施の形態における形状測定装置による計測例を説明する図である。

【図13】本発明の実施の形態における形状測定装置による計測例を説明する図である。

【図14】本発明の実施の形態における形状測定装置の別例による計測例を説明する図である。

【図15】本発明の実施の形態における形状測定装置の別例による計測例を説明する図である。

【図16】本発明の実施の形態における形状測定装置の別例による計測例を説明する図である。

【図17】本発明の実施の形態における形状測定装置の別例による計測例を説明する図である。

【図18】本発明の実施の形態における形状測定装置の別例による計測例を説明する図である。

【図19】投受光光学系の周波数透過特性を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

図１に、本実施の形態に係る形状測定装置１０を例示する。形状測定装置１０は、光源１２、入力信号調整手段１４、位相変位手段１６、撮像手段２６、及び演算部２０を含んで構成される。なお、以下の説明では、測定対象物５０の、奥行き方向（距離方向）をｙ軸、幅方向をｘ軸、高さ方向をｚ軸とする。また、光源１２側の格子縞における平面座標を、ｕ軸、ｖ軸で表す。また、撮像手段２６の撮像面１８の座標を、ｉ軸、ｊ軸で表す。

【0022】

光源１２は、測定対象物５０の被測定面２２に格子縞像を投影する。光源１２によって投影される格子縞は、それぞれの格子縞の有する空間的な周期（空間周期）が異なるものであってよく、光源１２は、これら空間周期の異なる複数の格子縞を交互に被測定面２２に投影するものであってよい。ここで、光源１２は、液晶素子やＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）を用いて格子縞の画像を投影するプロジェクタであってよい。また、光源１２は、ハロゲンランプ等の照明部材であってよく、当該照明部材と被測定面２２との間の光路上に、ガラス板等に格子パターンを描いた実格子を配置してもよい。

【0023】

光源１２としてプロジェクタを用いる場合、格子縞の画像を作成する格子縞作成手段２３を備えてよい。格子縞作成手段２３は、プロジェクタに入力信号を送信する、コンピュータ等の演算装置２４に組み込まれていてよい。

【0024】

また、格子縞の画像であっても、実格子であっても、被測定面２２に投影される格子縞は、いずれの空間周期であっても、正弦状の強度分布をもつパターンが被測定面２２に投影されるような格子パターンであることが好適である。例えば、ｃｏｓ波状の透過率分布を備えた格子縞であってよい。

【0025】

入力信号調整手段１４は、光源１２への入力信号を調整する調整手段である。入力信号調整手段１４は、演算装置２４に組み込まれていてよい。入力信号調整手段１４は、相対的に空間周期の短い格子縞を被測定面２２に投影するときの、光源１２への入力信号の輝度成分が、相対的に空間周期の長い格子縞を被測定面２２に投影するときの輝度成分よりも大きくなるように、前記入力信号を調整する。光源１２がプロジェクタである場合には、プロジェクタに送信される格子縞画像の空間周期に応じた輝度成分を含んだ入力信号を、格子縞画像データの送信と併せて光源１２に送信してもよい。ここで、入力信号の輝度成分とは、光源１２の投影輝度振幅であってよい。投影輝度振幅の調整は、光源１２の輝度を増減させることで行ってもよく、また、光源１２の単位時間当たりの照射時間を増減させることで行ってもよい。また、実格子を用いる場合には、入力信号調整手段１４は、実格子の交換時に、交換された実格子の空間周期に応じた輝度成分となる様に、光源１２への入力信号を調整するようにしてもよい。

【0026】

光源１２、入力信号調整手段１４と、格子縞作成手段２３または実格子を、まとめて、投影手段として捉えてもよい。この投影手段は、異なる空間周波数及び投影輝度振幅をそれぞれ有する、複数の格子縞画像を、選択的に被測定面２２に投影するものであってよい。また、格子縞画像別に、独立して投影手段を設けてもよい。また、後述するように、投影手段が、所定の空間周期を有する第１の格子縞像と、第１の格子縞像よりも空間周期の長い第２の格子縞像とを、選択的に被測定面２２に投影する場合は、第１の格子縞を被測定面２２に投影するときの輝度成分は、第２の格子縞を被測定面２２に投影するときの輝度成分より大きいものとすることができる。

【0027】

位相変位手段１６は、被測定面２２に投影された格子縞像の位相を変化させる。格子縞像をプロジェクタにより投影する場合、位相変位手段１６は、演算装置２４に組み込まれていてよく、位相を変化させた格子縞像をプロジェクタに送信するようにしてよい。また、格子縞が実格子である場合、位相変位手段１６は、実格子を移動させるステージ手段であってよい。

【0028】

撮像手段２６は、被測定面２２に投影された格子縞像を撮像する。撮像手段２６は、ＣＣＤカメラまたはＣＭＯＳカメラであってよい。また、撮像手段２６は、撮像面１８を備えていてよい。撮像面１８には、撮像素子が行方向及び列方向に（２次元的に）複数配列されていてよい。

【0029】

演算部２０は、撮像手段２６が受光した受光輝度に基づいて、被測定面２２の形状を算出する。具体的には、演算部２０は、空間周期の異なる格子縞の、それぞれの位相の変化に対応する、撮像手段２６の受光輝度のそれぞれの変化に基づいて、被測定面２２の形状を算出する。演算部２０は、演算装置２４に組み込まれていてよい。また、演算部２０は、相対位相算出手段２８、絶対位相算出手段３０、位相−ｙ座標算出手段３２、及びｙ座標−ｘｚ座標算出手段３４をサブシステムとして備えていてよい。これらの作用については後述する。

【0030】

次に、位相シフト法を用いた形状測定の原理について説明する。図２に示すように、光源１２は、被測定面２２に向かって、格子縞３６の像を投影する。このとき、光源１２側の格子縞３６について、格子縞３６上の任意の座標（ｕ，ｖ）の透過率Ｐ_k（ｕ，ｖ）は下記数式１のように表すことができる。

【0031】

【数1】

【0032】

ここで、Ａはオフセット、Ｂは格子縞３６の投影振幅である。また、λは格子縞３６の空間周期である。また、ｋは任意の実数であり、格子縞３６の変位を表す値である。例えば、初期位相（ｋ＝０）から格子縞３６の位相をπ／２ずらす時には、ｋ＝１である。

【0033】

数式１により、撮像面１８上の任意の座標（ｉ，ｊ）の撮像素子が受光する、被測定面２２からの反射光の輝度Ｉ_k（ｉ，ｊ）は、下記（数式２）のように表すことができる。

【0034】

【数2】

【0035】

ここで、Ａ（ｉ，ｊ）、Ｂ（ｉ，ｊ）は、外乱光や被測定物の反射率で決まる値である
。φ（ｉ，ｊ）は、座標（ｉ，ｊ）における反射光の位相を表している。

【0036】

数式１におけるｋを１、２及び３とすると、図３に示すように、格子縞３６の位相は、初期位相（ｋ＝０）から、順次、π／２、π、及び３／２πずつずれる。このとき、初期位相を含めた、座標（ｉ，ｊ）の撮像素子の輝度Ｉ₀（ｉ，ｊ）、Ｉ₁（ｉ，ｊ）、Ｉ₂（ｉ，ｊ）、Ｉ₃（ｉ，ｊ）を用いると、数式２から、下記数式３を導くことができる。

【0037】

【数3】

【0038】

数式３から位相φ（ｉ，ｊ）を求めることができる。ここで、座標（ｉ，ｊ）の撮像素子が受光した反射光の、被測定面２２における反射点（測定点）と、任意の基準面との距離ｙと、数式３で求めた位相φ（ｉ，ｊ）とは、一対一に対応することが知られている。つまり、ｙ（ｉ，ｊ）＝ｆ（φ（ｉ，ｊ））である。したがって、予め基準面ｙと位相φとの関係を、標準試料等によって求めておいて、関数ｙ（ｉ，ｊ）＝ｆ（φ（ｉ，ｊ））を取得するとともに、この関数と、数式３で求めた位相φ（ｉ，ｊ）に応じて、測定点の距離ｙ（ｉ，ｊ）を求めることができる。

【0039】

なお、図４に示すように、座標（ｉ，ｊ）の撮像素子からの視線上の位相φ（ｉ，ｊ）は、距離ｙが大きく変化すると、２πを超えて繰り返し変化する。例えば、ｙ方向の測定領域内で、位相が２ｎπ変化する場合、ｙ座標の候補はｎ個存在することになる。図４では、ｙ方向の測定領域内で、位相φを持つｙ座標の候補が５つ生じた様子が例示されている。

【0040】

ｙ座標の候補を絞り込むために、空間周期の異なる格子縞３６を用いてよい。まず、図５に示すように、相対的に空間周期の長い（空間周波数の低い）、格子縞３６Ａ（粗い格子縞）を用いて位相φ_a’（ｉ，ｊ）を求める。ここで、ｙ方向の測定領域内で、一つの位相のみが算出されるように、言い換えると、ｙ方向の測定領域内で、位相の取り得る範囲が０から２πとなるような空間周期の、格子縞３６Ａを用いることが好適である。このとき、ｙ方向の測定領域内で、一つの位相φ_a’（ｉ，ｊ）に対応する、一つのｙ座標ｙ_a’（ｉ，ｊ）を得ることができる。

【0041】

次に、粗い格子縞３６Ａより空間周期の短い細格子縞３６Ｂを用いて、位相φ_b’（ｉ，ｊ）を求める。このとき、ｙ方向の測定領域内で、位相φ_b’（ｉ，ｊ）に対応する、複数のｙ座標候補値ｙ_bk’（ｉ，ｊ）を得ることができる。さらに、複数の候補値ｙ_bk’（ｉ，ｊ）のうち、粗い格子縞３６Ａを用いて算出したｙ座標ｙ_a’（ｉ，ｊ）に最も近いｙ座標ｙ_b’（ｉ，ｊ）を抽出する。例えば、ｙ_a’（ｉ，ｊ）との差ε_bが最も小さいものを算出することで、ｙ座標ｙ_b’（ｉ，ｊ）を抽出してよい。

【0042】

次に、格子縞３６Ｂより空間周期の短い微細格子縞３６Ｃを用いて、位相φ_c’（ｉ，ｊ）を求める。このとき、ｙ方向の測定領域内で、位相φ_c’（ｉ，ｊ）に対応する、複数のｙ座標候補値ｙ_ck’（ｉ，ｊ）を得ることができる。さらに、複数の候補値ｙ_ck’（ｉ，ｊ）のうち、細格子縞３６Ｂを用いて算出したｙ座標ｙ_b’（ｉ，ｊ）に最も近いｙ座標ｙ_c’（ｉ，ｊ）を抽出する。抽出されたｙ_c’（ｉ，ｊ）を、測定点のｙ座標とする（ｙ_c’（ｉ，ｊ）＝ｙ（ｉ，ｊ））。例えば、ｙ_b’（ｉ，ｊ）との差ε_cが最も小さいものを算出することで、ｙ座標ｙ_c’（ｉ，ｊ）を抽出してよい。

【0043】

さらに、求めたｙ座標ｙ（ｉ，ｊ）から、ｘ座標ｘ（ｉ，ｊ）及びｚ座標ｚ（ｉ，ｊ）を求めてもよい。撮像手段２６の開口角が絞り込まれている等の理由により、撮像素子に入射する反射光の入射角は、予め決められている。したがって、撮像素子に入射する反射光の光路上のｙ座標を特定すれば、当該ｙ座標に対応するｘ座標及びｚ座標も求めることができる。例えば、予め、ｙ座標とこれに対応するｘ座標及びｚ座標を、標準試料等によって求めておいてよい。また、ｙ座標とｘ座標及びｚ座標との関係を表す関数ｘ（ｉ，ｊ）＝ｆ（ｙ（ｉ，ｊ））及びｚ（ｉ，ｊ）＝ｆ（ｙ（ｉ，ｊ））を求めてもよい。これらの関数と、上記にて抽出したｙ座標ｙ（ｉ，ｊ）から、測定点のｘ座標ｘ（ｉ，ｊ）及びｚ座標ｚ（ｉ，ｊ）を抽出することができる。

【0044】

次に、上記の原理に基づいた、形状測定の流れについて説明する。形状測定は、（１）キャリブレーション工程、及び（２）実測工程、の２種類の工程に分けることができる。

【0045】

まず、被測定面を測定する前段階の、（１）キャリブレーション工程について説明する。キャリブレーション工程は、（１−１）投影輝度成分のキャリブレーション、（１−２）関数ｙ（ｉ，ｊ）＝ｆ（φ（ｉ，ｊ））を求めるためのキャリブレーション、及び（１−３）関数ｘ（ｉ，ｊ）＝ｆ（ｙ（ｉ，ｊ））及びｚ（ｉ，ｊ）＝ｆ（ｙ（ｉ，ｊ））を求めるためのキャリブレーション、の３つを含んでよい。

【0046】

（１−１）投影輝度成分のキャリブレーション
空間周期の異なる格子縞３６Ａ〜３６Ｃを用いるに当たり、光源１２の輝度成分（投影輝度成分）を調整する。図６に示すように、光源１２、撮像手段２６、及び演算装置２４等からなる投受光光学系が有する、周波数透過特性（ＭＴＦ）により、格子縞３６の空間周期に応じて、撮像手段２６の撮像面１８上の輝度振幅（受光輝度振幅）が変化する。具体的には、図６上段に例示するように、格子縞３６の空間周期が短くなるほど、撮像面１８における受光輝度振幅は減少する。撮像面１８における受光輝度振幅の減少を抑制するために、被測定面２２の測定に先駆けて、光源１２の投影輝度成分を、格子縞の空間周期に応じて予め調整する。

【0047】

まず、光源１２から、空間周期の異なる格子縞を、交互に、セラミック板等の標準板に投影する。平板に投影され、位相を変化させた格子縞像を、撮像手段２６にて撮像する。撮像面１８上の受光輝度振幅と、撮像した格子縞の空間周期との関係を、実測により求める。

【0048】

粗い格子縞３６Ａの空間周期をλ_L、細格子縞３６Ｂの空間周期をλ_M、微細格子縞３６Ｃの空間周期をλ_Hとすると、実測により求めた関係から、格子縞３６の空間周期をλ_L、λ_M、及びλ_Hにそれぞれ対応する、受光輝度振幅Ｒ_L、Ｒ_M、及びＲ_Hがそれぞれ得られる。ここで、図６上段に示すように、受光輝度振幅Ｒ_L、Ｒ_M、Ｒ_Hはいずれも相対値であって、いずれも１以下の値とする。

【0049】

空間周期λ_L、λ_M、及びλ_Hと、受光輝度振幅Ｒ_L、Ｒ_M、及びＲ_Hの関係から、入力信号調整手段１４は、各格子縞３６Ａ〜３６Ｃに対応する光源１２の投影輝度成分を調整する。ここで、光源１２の投影輝度を調整する際に、光源の輝度を増幅させ過ぎて、撮像素子の輝度飽和レベルを超えないことが好適である。

【0050】

さらに、格子縞３６Ａ〜３６Ｃのそれぞれの像を撮像した際に、それぞれの受光輝度振幅が、輝度レベルを飽和しない範囲内で最大のものであれば、いずれの格子縞３６Ａ〜３６Ｃにおいても、感度の良好な測定を行うことができる。このことから、格子縞３６Ａ〜３６Ｃごとの受光輝度振幅が同一となるように、かつ、飽和レベルを越えない範囲での最大値となるように、光源１２の投影輝度成分を調整することが好適である。

【0051】

まず、受光輝度を輝度飽和レベル以下に抑えるために、撮像面１８上の受光輝度振幅が最大となる状態を設定して、光源１２の投影輝度を調整する。例えば、標準板を、ｙ方向の測定領域内で最も撮像手段２６側に近接して配置するとともに、標準板から鏡面反射した反射光を撮像面１８に受光させる。

【0052】

入力信号調整手段１４は、まず、空間周期λ_L、λ_M、及びλ_Hと、受光輝度振幅Ｒ_L、Ｒ_M、及びＲ_Hの関係から、格子縞像を投影する際の振幅設定値（投影輝度振幅）ＳＴを定める。具体的には、図６下段に示すように、空間周期λ_Lの投影輝度振幅ＳＴ_LをＲ_H、空間周期λ_Mの投影輝度振幅ＳＴ_MをＲ_H／Ｒ_M、空間周期λ_Hの投影輝度振幅ＳＴ_Hを１とする。このとき、各周期の格子縞像を被測定面に投影したときの、撮像面１８上の受光輝度振幅を、図７上段に例示する。いずれの空間周期についても、受光輝度振幅が等しくＲ_Hになっている。

【0053】

さらに入力信号調整手段１４は、受光輝度が、飽和レベルを超えない範囲での最大値となるように、投影輝度振幅を増幅させる。具体的には、図７下段に示すように、それぞれの投影輝度振幅ＳＴ_L、ＳＴ_M、ＳＴ_Hに、係数Ａ（＞１）を掛ける。係数Ａの設定に当たっては、撮像素子の輝度レベルが飽和しない様に、実測等で調整することが好適である。係数Ａを掛けた投影輝度振幅ＳＴ_L’＝Ａ・ＳＴ_L、ＳＴ_M’＝Ａ・ＳＴ_M、及びＳＴ_H’＝Ａ・ＳＴ_Hは、それぞれ演算装置２４の図示しない記憶部に記憶される。

【0054】

（１−２）関数ｙ（ｉ，ｊ）＝ｆ（φ（ｉ，ｊ））を求めるためのキャリブレーション
次に、ｙ座標ｙ（ｉ，ｊ）と、φ（ｉ，ｊ）の関係を求める。図８に示すように、セラミック平板等の標準板４０を、ｙステージ４２に配置する。ｙステージ４２は、標準板４０を、ｙ軸上に移動させることが可能となっている。ｙステージ４２により、標準板４０を、ｙ方向の測定領域の全域、または任意の範囲に亘って移動させる。ｙ座標が変更するごとに、光源１２から標準板４０に格子縞像を投影する。この投影の際に、格子縞の位相を変化させる。さらに、投影された格子縞像を撮像手段２６に撮像させる。格子縞像の位相の変化に伴う撮像面１８上の受光輝度の変化に基づいて、位相φを求める。このときの標準板のｙ座標は、ｙステージ４２の位置設定値等により既知であるので、位相φと座標ｙを関連づける。この関連付けを、撮像面１８の全座標（全撮像素子）または任意の座標に対して行う。さらに、この、位相φと座標ｙの関連付けを、ｙ方向の測定領域の全域、または任意の範囲に亘って行う。得られた位相φと座標ｙの対応関係を、関数ｙ（ｉ，ｊ）＝ｆ（φ（ｉ，ｊ））に近似して、演算装置２４の図示しない記憶部に記憶させてもよい。また、この関数ｙは、格子縞３６Ａ〜３６Ｃごとに算出してもよく、各格子縞に対応した、関数ｙ_a（ｉ，ｊ）＝ｆ_a（φ（ｉ，ｊ））、ｙ_b（ｉ，ｊ）＝ｆ_b（φ（ｉ，ｊ））、及びｙ_c（ｉ，ｊ）＝ｆ_c（φ（ｉ，ｊ））を算出して記憶部に記憶させてもよい。または、これらの関数における、位相φと座標ｙの関係を、ルックアップテーブル等の形式で記憶部に記憶させてもよい。

【0055】

（１−３）関数ｘ（ｉ，ｊ）＝ｆ（ｙ（ｉ，ｊ））及びｚ（ｉ，ｊ）＝ｆ（ｙ（ｉ，ｊ））を求めるためのキャリブレーション
図９に示すように、ｙステージ４２にグリッド格子４４を配置する。グリッド格子４４は、各グリッドのｘ，ｚ座標が既知の実格子であってよい。グリッド格子４４を所定のｙ座標ｙ₀に位置させたときの、グリッド格子４４の像を撮像手段２６で撮像する。このとき、撮像面１８上の座標（ｉ，ｊ）に対応する、グリッド格子４４上の測定点のｘ，ｚ座標は、周辺のグリッドの既知のｘ，ｚ座標から線形補間等により求めることができる。したがって、撮像面１８上の座標（ｉ，ｊ）に対応する、被測定面の測定点のｙ座標がｙ₀であるときの、ｘ，ｚ座標が求められる。この演算を、撮像面１８上の全座標（全撮像素子）または任意の座標に対して行う。さらに、撮像面１８上の座標（ｉ，ｊ）及びｙ座標と、ｘ座標及びｚ座標との関連付けを、ｙ方向の測定領域の全域、または任意の範囲に亘って行う。得られた座標（ｉ，ｊ）及びｙ座標と、ｘ座標及びｚ座標との対応関係を、関数ｘ（ｉ，ｊ）＝ｆ（ｙ（ｉ，ｊ））及びｚ（ｉ，ｊ）＝ｆ（ｙ（ｉ，ｊ））に近似して、演算装置２４の図示しない記憶部に記憶させてもよい。または、関数ｘ（ｉ，ｊ）＝ｆ（ｙ（ｉ，ｊ））及びｚ（ｉ，ｊ）＝ｆ（ｙ（ｉ，ｊ））における、座標（ｉ，ｊ）及びｙ座標と、ｘ座標及びｚ座標との対応関係を、ルックアップテーブル等の形式で記憶させてもよい。

【0056】

（２）実測工程
図１に示すように、測定対象物５０を光源１２の光路上に配置する（Ｓ１０）。次に、格子縞作成手段２３が、粗い格子縞３６Ａの画像データを光源１２に送信する（Ｓ１２）。このとき、入力信号調整手段１４は、粗い格子縞３６Ａに対応した投影輝度振幅Ａ・ＳＴ_Lに適合した輝度成分の入力信号を、光源１２に送信する（Ｓ１４）。光源１２は、投影輝度振幅Ａ・ＳＴ_Lの粗い格子縞３６Ａの像を、測定対象物５０の被測定面２２に投影する（Ｓ１６）。

【0057】

位相変位手段１６は、被測定面２２に投影された粗い格子縞３６Ａの像の位相を変化させる（Ｓ１８）。例えば、π／２、π、３π／２の順に位相を変化させる。撮像手段２６は、被測定面２２に投影された、変位する粗い格子縞３６Ａの像を撮像する（Ｓ２０）。相対位相算出手段２８は、撮像手段２６が撮像した粗い格子縞３６Ａの画像に基づいて、位相φ_a’（ｉ，ｊ）を求める（Ｓ２２）。位相φ_a’（ｉ，ｊ）の算出は、撮像面１８の全座標（全撮像素子）、または任意の座標に対して行う。

【0058】

次に、格子縞作成手段２３は、細格子縞３６Ｂの画像データを光源１２に送信する（Ｓ２４）。このとき、入力信号調整手段１４は、細格子縞３６Ｂに対応した投影輝度振幅Ａ・ＳＴ_Mに適合した輝度成分の入力信号を、光源１２に送信する（Ｓ２６）。光源１２は、投影輝度振幅Ａ・ＳＴ_Mの細格子縞３６Ｂの像を、測定対象物５０の被測定面２２に投影する（Ｓ２８）。以降は、上記ステップ（Ｓ１８）、（Ｓ２０）及び（Ｓ２２）と同様の処理を行って、細格子縞３６Ｂの画像に基づいて、相対位相φ_bk’（ｉ，ｊ）を求める。

【0059】

次に、格子縞作成手段２３は、微細格子縞３６Ｃの画像データを光源１２に送信する（Ｓ３０）。このとき、入力信号調整手段１４は、微細格子縞３６Ｃに対応した投影輝度振幅Ａ・ＳＴ_Hに適合した輝度成分の入力信号を、光源１２に送信する（Ｓ３２）。光源１２は、投影輝度振幅Ａ・ＳＴ_Hの微細格子縞３６Ｃの像を、測定対象物５０の被測定面２２に投影する（Ｓ３４）。以降は、上記ステップ（Ｓ１８）、（Ｓ２０）及び（Ｓ２２）と同様の処理を行って、微細格子縞３６Ｃの画像に基づいて、相対位相φ_ck’（ｉ，ｊ）を求める。

【0060】

次に、絶対位相算出手段３０は、位相φ_a’（ｉ，ｊ）、相対位相φ_bk’（ｉ，ｊ）、及び相対位相φ_ck’（ｉ，ｊ）を用いて、絶対位相φ（ｉ，ｊ）の絞込みを行う（Ｓ３６）。また、これと並行して、位相−ｙ座標算出手段３２は、上記（１−２）にて求めた関係から、絶対位相φ（ｉ，ｊ）に対応するｙ座標を導き出す（Ｓ３８）。

【0061】

具体的には、位相φ_a’（ｉ，ｊ）と関数ｙ_a（ｉ，ｊ）＝ｆ_a（φ（ｉ，ｊ））から、ｙ座標ｙ_a’（ｉ，ｊ）を算出する。次に、相対位相φ_bk’（ｉ，ｊ）と関数ｙ_b（ｉ，ｊ）＝ｆ_b（φ（ｉ，ｊ））から、ｙ座標候補ｙ_bk’（ｉ，ｊ）を得る。さらに、ｙ_bk’（ｉ，ｊ）のうち、最もｙ_a’（ｉ，ｊ）に近いものをｙ_b’（ｉ，ｊ）として抽出する。次に、相対位相φ_ck’（ｉ，ｊ）と関数ｙ_c（ｉ，ｊ）＝ｆ_c（φ（ｉ，ｊ））から、ｙ座標候補ｙ_ck’（ｉ，ｊ）を得る。ｙ_ck’（ｉ，ｊ）のうち、最もｙ_b’（ｉ，ｊ）に近いものを、測定点のｙ座標とする（ｙ_c’（ｉ，ｊ）＝ｙ（ｉ，ｊ））。また、ｙ_c’（ｉ，ｊ）に対応する位相φ_c’（ｉ，ｊ）を絶対位相φ（ｉ，ｊ）とする。

【0062】

次に、ｙ座標−ｘｚ座標算出手段３４は、上記（１−３）にて求めた関係から、ｙ（ｉ，ｊ）に対応するｘ（ｉ，ｊ）及びｚ（ｉ，ｊ）を導き出す（Ｓ４０）。すべての、または任意の撮像面１８上の座標（撮像素子）について、対応する被測定面上の測定点のｘ，ｙ，ｚ座標が求められると、演算部２０は、これらの座標を繋げて被測定面の三次元形状を作成する（Ｓ４２）。

【0063】

なお、被測定面が光沢面である場合などに、撮像面１８上の一部の受光輝度が飽和レベルを超過する場合がある。他方、撮像面１８上の一部の受光輝度が、位相φを求めるには過小である場合がある。この様な場合には、飽和レベルを超過した領域や受光輝度が過小な領域を除外して、位相φを求めるようにしてもよい。言い換えると、撮像面１８のうち、受光輝度が所定の許容範囲内に収まる領域に基づいて、被測定面２２の形状を算出するようにしてもよい。

【0064】

さらに、当該領域における被測定面２２の形状算出が完了した後に、撮像面１８の、受光輝度が許容範囲内に収まる領域を変更させてもよい。例えば、光源１２の投影輝度振幅を変更させることで、受光輝度が許容範囲内に収まる領域を変更させてもよい。

【0065】

また、投影輝度振幅を変更させる際には、空間周期の異なる格子縞画像のそれぞれの投影輝度振幅の比を保ったまま、それぞれの投影輝度振幅を変更させることが好適である。こうすることにより、受光輝度振幅を、それぞれの格子縞画像間で同一にすることが可能となる。例えば、（１−１）投影輝度成分のキャリブレーションにて設定した、投影輝度振幅ＳＴ_L’＝Ａ・ＳＴ_L、ＳＴ_M’＝Ａ・ＳＴ_M、及びＳＴ_H’＝Ａ・ＳＴ_Hの係数Ａを調整することで、それぞれの投影輝度振幅を変更させてもよい。

【0066】

なお、上記の実施形態においては、投受光光学系のＭＴＦによる受光輝度振幅の低下を、（１−１）投影輝度成分のキャリブレーションのように、入力信号調整手段１４によって補償していたが、この形態に限られない。例えば、図１０に例示するように、撮像手段２６または演算装置２４に、撮像面１８に対する露光時間を定める、露光調整手段５２を設けてもよい。露光調整手段５２は、撮像手段２６のシャッタースピードを調整する機能を備えていてよい。

【0067】

露光調整手段５２は、相対的に空間周期の短い格子縞３６を被測定面２２に投影したときの、撮像面１８に対する露光時間が、相対的に空間周期の長い格子縞３６を被測定面２２に投影したときの、撮像面１８に対する露光時間よりも長くなるように、撮像面１８への露光時間を定めることが好適である。言い換えると、所定の空間周期の第１の格子縞像と、第１の格子縞像よりも空間周期の長い第２の格子縞像とを、被測定面２２に選択的に投影する場合には、第１の格子縞像を被測定面２２に投影するときの露光時間を、第２の格子縞像を被測定面２２に投影するときの露光時間よりも長く設定してよい。このような構成を備えることで、投受光光学系のＭＴＦによる受光輝度振幅の低下を補償することができる。

【0068】

ここで、上述したように、撮像面１８上の一部の受光輝度が飽和レベルを超過する場合や、撮像面１８上の一部の受光輝度が、位相φを求めるには過小である場合がある。この様な場合には、撮像面１８のうち、受光輝度が所定の許容範囲内に収まる領域に基づいて、被測定面２２の形状を算出するようにしてもよい。さらに、撮像面１８に対する露光時間を変更させることで、撮像面１８の、受光輝度が許容範囲内に収まる領域を変更させてもよい。また、空間周期の異なる格子縞画像のそれぞれの投影輝度振幅の比を保ったまま、それぞれの投影輝度振幅を変更させる制御を行った上で、露光時間の変更を行ってもよい。このようにすることで、露光時間の変更のみ、または、投影輝度振幅の変更のみを行う場合に比べて、受光輝度の飽和レベルの超過をより効果的に防止することが可能となる。

【0069】

また、輝度成分のキャリブレーションや、露光時間の調整に代えて、図１１に例示するように、撮像面１８上の受光輝度振幅を増幅させる増幅手段５４を備えてよい。増幅手段５４は、相対的に空間周期の短い格子縞３６を被測定面２２に投影したときの、撮像面１８上の受光輝度振幅の増幅率が、相対的に空間周期の長い格子縞３６を被測定面２２に投影したときの、撮像面１８上の受光輝度振幅の増幅率よりも大きくなるように、増幅率を定めることが好適である。なお、入力信号調整手段１４、露光調整手段５２、増幅手段５４を適宜組み合わせて使用してもよい。言い換えると、所定の空間周期の第１の格子縞像と、第１の格子縞像よりも空間周期の長い第２の格子縞像とを、被測定面２２に選択的に投影する場合には、第１の格子縞像を被測定面２２に投影するときの増幅率を、第２の格子縞像を被測定面２２に投影するときの増幅率よりも大きくなるように設定してよい。

【0070】

＜具体例１＞
次に、上述のキャリブレーション及び測定原理を用いた三次元形状測定の具体例について説明する。なお、本具体例では、光源１２として、格子縞の画像を投影可能なプロジェクタを使用した。プロジェクタの設定可能な輝度範囲は８ｂｉｔ（０〜２５５）であった。

【0071】

まず、３つの異なる周期のｃｏｓ波形の格子縞３６Ａ〜３６Ｃを用いて、形状計測を行った。格子縞３６Ａ〜３６Ｃの周期はそれぞれ、λ_H＝１．１ｍｍ、λ_M＝５．５ｍｍ、λ_L＝４４ｍｍであった。

【0072】

上記格子縞３６Ａ〜３６Ｃに対して、上記（１−１）投影輝度成分のキャリブレーションを実施した。まず、形状既知のセラミック平板を光源１２の光路上に置く。格子縞作成手段２３は、光源１２からｃｏｓ波の濃淡を持つ格子縞３６Ａ〜３６Ｃを順に投影する。ここで、光源１２の投影輝度振幅について、オフセットを１２５、振幅を９５に設定した。

【0073】

次に、セラミック平板に順に投影された格子縞３６Ａ〜３６Ｃの画像を、撮像手段２６で撮像する。次に、格子縞３６Ａ〜３６Ｃの各周期で得られたｃｏｓ波画像から格子縞３６Ａ〜３６Ｃごとの受光輝度振幅を求めた。

【0074】

図１２に、格子縞３６Ａ〜３６Ｃの空間周期λと受光輝度振幅Ｒの関係を示す。この図から、Ｒ_L＝１、Ｒ_M＝０．８４、Ｒ_H＝０．３５が得られる。これらの値から、ＳＴ_L＝Ｒ_H＝０．３５、ＳＴ_M＝Ｒ_H／Ｒ_M＝０．４２、ＳＴ_H＝１が得られる。これらの値と、計測範囲の最近点で撮像素子の輝度レベルが飽和しないという二つの条件から、光源１２の投影輝度設定値を定めた。まず、全ての空間周期のオフセットについて、８ｂｉｔ（０〜２５５）の輝度のうち、１２５とした。さらに、λ_Hの振幅を１１５、λ_Mの振幅を４８、λ_Lの振幅を４０とした。上述したように、ＭＴＦ特性を考慮しない時の格子縞３６Ａ〜３６Ｃの振幅は全て９５であったので、λ_Hの振幅（１１５）を大きくできた。これらの値を基に、周期λ_H、λ_M、λ_Lの格子縞の位相が各々π／２異なる計１２種類（＝３周期×４位相）のｃｏｓ波形格子縞を作成して、これらの像を撮像した。

【0075】

セラミック平板を精密ステージに載せてｙ方向に移動させ、その位置を計測した結果を図１３に示す。図１３では、位相φから求めたｙ座標と、実際の精密ステージ上のｙ座標との差が、ステージ位置ごとに示されている。白抜き丸プロット（○）は、格子縞ごとに投影輝度振幅を変更させたときの計測結果である。また、塗りつぶし丸プロット（●）は、すべての格子縞に対して一定の投影輝度振幅を設定したときの計測結果である。この図に示されているように、投影輝度振幅を格子縞ごとに調整することで、計算上のｙ座標と実際のｙ座標との誤差が小さくなった。

【0076】

＜具体例２＞
次に、光沢面からなる被測定面２２が鏡面反射している場合の計測例について説明する。本具体例も、光源１２として、輝度範囲が８ｂｉｔ（０〜２５５）のプロジェクタを使用した。また、本具体例では、撮像面１８への露光時間を調整する露光調整手段５２を備えている。具体的には、露光調整手段５２は、撮像手段２６のシャッタースピードを調整するシャッター速度変更手段である。

【0077】

図１０に示すように、光源１２の光路上に、光沢度標準板からなる測定対象物５０を置く。このとき、光源１２の光軸に対する被測定面２２の傾きθが１５°となるように、測定対象物５０を設置した。

【0078】

本具体例でも、３つの異なる周期λ_H＝１．１ｍｍ、λ_M＝５．５ｍｍ、λ_L＝４４ｍｍのｃｏｓ波形格子縞３６Ａ〜３６Ｃを用いた。測定対象物５０として用いた光沢度標準板は、６０°光沢度が１〜９３％で異なる９枚（Ｇ１〜Ｇ９）を用いた。この光沢度標準板は、例えば、アイキ社製のものであってよい。また、光沢度は、コニカミノルタ社製の光沢計ＧＭ−２６８Ｐｌｕｓで計測した。各標準板の光沢度を図１４に示す。

【0079】

まず、格子縞３６Ａ〜３６Ｃの振幅減衰量を計測した。光沢度標準板の傾きθについて、θ＝０°として、光源１２の光路上（正面）に置き、光源１２からｃｏｓ波の濃淡を持つ周期を変えた格子縞３６Ａ〜３６Ｃを順に光沢度標準板に投影し、この投映像を撮像手段２６で撮像した。格子縞３６Ａ〜３６Ｃの各周期で得られたｃｏｓ波画像から、格子縞３６Ａ〜３６Ｃの周期と振幅との関係を求めた。この測定は、９枚の光沢板（Ｇ１〜Ｇ９）に対して行った。この測定結果をもとに、図１５に示すような、周期と振幅の関係を得た。なお、振幅は、９枚の光沢板の測定から得られた振幅の平均値を用いている。図１５の結果は、具体例１における、図１２の結果と特性が異なっているが、表面反射特性の違いによるものと考えられる。なお、光沢度標準板が小さく、周期λ＝３０ｍｍまでの格子縞までしか投影できなかったため、λ_Lの振幅値は外挿した。

【0080】

図１５から、Ｒ_L＝１．０２、Ｒ_M＝０．７８、Ｒ_H＝０．７を得た。さらに、これらの値から、ＳＴ_L＝０．６９、ＳＴ_M＝０．８８、ＳＴ_H＝１が得られた。これらの値と計測範囲の最近点で撮像素子の輝度レベルが飽和しないという条件から、光源１２の輝度設定値を設定した。具体的には、全ての周期のオフセットを１２５とし、λ_Hの振幅を１１５、λ_Mの振幅を１００、λ_Lの振幅を７８とした。ＭＴＦ特性を考慮しない時の格子縞３６Ａ〜３６Ｃの振幅は９５であったので、λ_Hの振幅を大きくできた。

【0081】

格子縞作成手段２３は、これらの値を基に、周期λ_H、λ_M、λ_Lの格子縞の位相が各々π／２異なる計１２種類のｃｏｓ波形格子縞を作成する。ここで、光沢度標準板の格子縞画像を図１６及び図１７に示す。括弧内の秒数はシャッター速度を表している。図１６、１７に示されているように、光沢度が高いほど、格子縞画像がスポット状になる。このスポット部を計測領域として、その３次元座標を求めた。

【0082】

また、光沢度標準板の撮像時に、撮像素子の輝度飽和を抑制するために、露光調整手段５２で、シャッター速度を１／１５秒から１／８００００秒まで約１０倍ごとに変化させて格子縞を撮像した。

【0083】

まず、シャッター速度を１／１５秒に設定する。そして、粗い格子縞３６Ａ、細格子縞３６Ｂ、微細格子縞３６Ｃの順に投影して、具体例１と同様に光沢度標準板の３次元座標を求めた。このとき、計測領域内で輝度飽和した撮像素子がある場合には、シャッター速度を早くして再度撮像した。例えば、１／１５秒で飽和した場合は、シャッター速度を１／１２０秒にして再度撮像した。この速度でも飽和する撮像素子がある場合は、さらにシャッター速度を１／１０００秒に上げて撮像した。このように飽和する撮像素子が無くなるまで、シャッター速度を上げて計測を行った。

【0084】

このようにして得られた３次元座標計測値から、光沢度標準板の３次元平面を最小自乗法で求めた。さらに、実際の３次元平面の座標と計測した座標との差を位置ばらつきとして求めた。その結果を図１８に示す。白抜き菱形プロット（◇）は、格子縞ごとに投影輝度振幅及びシャッタースピードを変更させたときの計測結果である。また、塗りつぶし菱形プロット（◆）は、すべての格子縞に対して一定の投影輝度振幅を設定したときの計測結果である。投影輝度振幅値を変えて投影することにより、投影輝度振幅値を同一にして投影した場合より、標準板Ｇ１〜Ｇ８で位置ばらつきが０．３〜３．８μｍ小さくなった。また、投影輝度振幅値を同一にした場合に、光沢標準板Ｇ９は誤計測となったが、投影輝度振幅値及びシャッタースピードを変えて投影することにより、計測が可能となった。

【符号の説明】

【0085】

１０ 形状測定装置、１２ 光源、１４ 入力信号調整手段、１６ 位相変位手段、１８ 撮像面、２０ 演算部、２２ 被測定面、２３ 格子縞作成手段、２４ 演算装置、２６ 撮像手段、２８ 相対位相算出手段、３０ 絶対位相算出手段、３２ 位相−ｙ座標算出手段、３４ ｙ座標−ｘｚ座標算出手段、３６ 格子縞、４０ 標準板、４２ ｙステージ、４４ グリッド格子、５０ 測定対象物、５２ 露光調整手段、５４ 増幅手段。

【図1】

【図10】

【図11】

【図19】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】