特許 7300432 三次元計測装置

(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】

(24)【登録日】2023-06-21

(45)【発行日】2023-06-29

(54)【発明の名称】三次元計測装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/24 20060101AFI20230622BHJP

   G01B 9/02055 20220101ALI20230622BHJP

【ＦＩ】

G01B11/24 D

G01B9/02055

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020179484

(22)【出願日】2020-10-27

(65)【公開番号】P2022070426

(43)【公開日】2022-05-13

【審査請求日】2022-07-29

(73)【特許権者】

【識別番号】000106760

【氏名又は名称】ＣＫＤ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100111095

【弁理士】

【氏名又は名称】川口 光男

(72)【発明者】

【氏名】石垣 裕之

(72)【発明者】

【氏名】岡田 点

(72)【発明者】

【氏名】二村 伊久雄

【審査官】國田 正久

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１９／１９８２８７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１８／０３７６７８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１８－５４４０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第５２８９３８３（ＪＰ，Ｂ２）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｂ １１／００ － １１／３０

Ｇ０１Ｂ ９／０２ － ９／０４

Ｈ０４Ｎ ２３／６０

Ｇ０１Ｎ ２１／２１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

入射する所定の光を２つの光に分割し、一方の光を物体光として被計測物に照射しかつ他方の光を参照光として参照面に照射すると共に、これらを再び合成して出射可能な所定の光学系と、
前記所定の光学系に対し入射させる所定の光を出射可能な照射手段と、
複数の受光素子からなり、かつ、透過軸の設定角度が異なる複数種類の偏光子が所定の配列で前記各受光素子に対応して１つずつ配置された撮像素子を有し、前記所定の光学系から出射される光を撮像可能な撮像手段と、
前記撮像素子の各受光素子に係る前記偏光子の透過軸の絶対角度を事前に実測して得た透過軸絶対角度データを記憶する角度データ記憶手段と、
前記撮像手段により取得された輝度画像データの各画素の輝度データと、該画素に対応する前記撮像素子の受光素子に係る前記偏光子の透過軸絶対角度データを基に、位相シフト法により、前記被計測物の所定の計測位置に係る前記参照光及び前記物体光の位相差を算出し、該計測位置の高さ計測を実行可能な画像処理手段とを備えた三次元計測装置。

【請求項2】

入射する所定の光を偏光方向が互いに直交する２つの偏光に分割し、該分割した一方の偏光を物体光として被計測物に照射しかつ他方の偏光を参照光として参照面に照射すると共に、これらを再び合成して出射可能な偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタの第１面に対し入射させる所定の光を出射可能な照射手段と、
複数の受光素子からなり、かつ、透過軸の設定角度が異なる複数種類の偏光子が所定の配列で前記各受光素子に対応して１つずつ配置された撮像素子を有し、前記偏光ビームスプリッタの第２面から出射される光を撮像可能な撮像手段と、
前記参照光が出入射される前記偏光ビームスプリッタの第３面と前記参照面との間に配置された第１の１／４波長板と、
前記物体光が出入射される前記偏光ビームスプリッタの第４面と前記被計測物との間に配置される第２の１／４波長板と、
前記偏光ビームスプリッタの第２面と前記撮像手段との間に配置される第３の１／４波長板と、
前記撮像素子の各受光素子に係る前記偏光子の透過軸の絶対角度を事前に実測して得た透過軸絶対角度データを記憶する角度データ記憶手段と、
前記撮像手段により取得された輝度画像データの各画素の輝度データと、該画素に対応する前記撮像素子の受光素子に係る前記偏光子の透過軸絶対角度データを基に、位相シフト法により、前記被計測物の所定の計測位置に係る前記参照光及び前記物体光の位相差を算出し、該計測位置の高さ計測を実行可能な画像処理手段とを備えた三次元計測装置。

【請求項3】

前記画像処理手段は、
前記輝度画像データの複数の画素に係る所定位置を前記計測位置とする場合には、
前記複数の画素のうちの一部又は全部の画素の輝度データと、該一部又は全部の画素それぞれに対応する前記偏光子の透過軸絶対角度データを基に、前記計測位置の高さ計測を実行することを特徴とする請求項１又は２に記載の三次元計測装置。

【請求項4】

前記画像処理手段は、
前記輝度画像データの１つの画素に対応する所定位置を前記計測位置とする場合には、
前記計測位置の高さ計測に必要な複数の輝度データのうち、前記撮像手段により取得された前記１つの画素に係る輝度データを除く他の輝度データを補間する輝度データ補間処理と、
前記計測位置の高さ計測に必要な複数の透過軸絶対角度データのうち、前記角度データ記憶手段に記憶された前記１つの画素に係る透過軸絶対角度データを除く他の透過軸絶対角度データを補間する角度データ補間処理とを行い、
前記補間された輝度データ及び透過軸絶対角度データを含む前記計測位置に係る前記複数の輝度データ及び透過軸絶対角度データを基に、前記計測位置の高さ計測を実行することを特徴とする請求項１又は２に記載の三次元計測装置。

【請求項5】

前記計測位置の高さ計測に４つの前記輝度データ及びこれらにそれぞれ対応する４つの前記透過軸絶対角度データを用いる場合において、
前記４つの輝度データをそれぞれＩα，Ｉβ，Ｉγ，Ｉδとし、
前記４つの透過軸絶対角度データをそれぞれα，β，γ，δとしたとき、
前記計測位置に係る前記位相差は、下記式（Ｓ１）により算出されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の三次元計測装置。

【数8】

ここで、Ｉα：第１の輝度データ
Ｉβ：第２の輝度データ
Ｉγ：第３の輝度データ
Ｉδ：第４の輝度データ
α ：第１の透過軸絶対角度データ
β ：第２の透過軸絶対角度データ
γ ：第３の透過軸絶対角度データ
δ ：第４の透過軸絶対角度データ
φ ：参照光と物体光の位相差。

【請求項6】

前記計測位置の高さ計測に３つの前記輝度データ及びこれらにそれぞれ対応する３つの前記透過軸絶対角度データを用いる場合において、
前記３つの輝度データをそれぞれＩα，Ｉβ，Ｉγとし、
前記３つの透過軸絶対角度データをそれぞれα，β，γとしたとき、
前記計測位置に係る前記位相差は、下記式（Ｓ２）により算出されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の三次元計測装置。

【数9】

ここで、Ｉα：第１の輝度データ
Ｉβ：第２の輝度データ
Ｉγ：第３の輝度データ
α ：第１の透過軸絶対角度データ
β ：第２の透過軸絶対角度データ
γ ：第３の透過軸絶対角度データ
φ ：参照光と物体光の位相差。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、被計測物の形状を計測する三次元計測装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、干渉計を利用した三次元計測装置が知られている。その１つとして、位相シフト法を利用して被計測物の三次元形状を計測するものがある。

【0003】

一般に、干渉計を利用した三次元計測装置は、偏光ビームスプリッタ等からなる所定光学系と、該光学系に対し入射させるコヒーレント光を出射する光源と、所定光学系から出射される光を撮像する撮像装置とを備えている。

【0004】

かかる三次元計測装置において、所定光学系に入射されたコヒーレント光は、２方向に分岐され、一方が物体光として被計測物に照射されると共に、他方が参照光として参照面に照射された後、再び合成されて所定光学系から出射される。そして、所定光学系から出射された参照光及び物体光を干渉させ、それを撮像装置により撮像し、得られた輝度画像データを基に位相シフト法により被計測物の三次元計測を行う。

【0005】

ここで、参照光と物体光の位相差を変化させる位相シフトの方法として、従来では、所定光学系から出射された参照光及び物体光を干渉させる偏光板を回転させ、該偏光板の透過軸の角度を変化させる方法や、参照光が照射される参照面の位置を光軸方向へ変化させる方法などが用いられていた。

【0006】

そのため、従来では、位相シフト法を利用した三次元計測を行うに際し、参照光及び物体光の位相差を４段階（又は３段階）に変化させ、それらをそれぞれ異なるタイミングで撮像することが必要となり、４通り（又は３通り）の輝度画像データを取得するのに、計４回分（又は３回分）の撮像時間が必要となっていた。

【0007】

これに対し、近年では、データ取得時間の短縮を図るため、所定光学系から出射される光（参照光及び物体光）を４つに分岐させた後、該４つの分光に係る参照光及び物体光をそれぞれ干渉させ、それらを４台のカメラにより個別かつ同時に撮像する計測装置も見受けられる（例えば、特許文献１参照）。

【0008】

かかる計測装置では、４つの分光のうち、基準とする分光を除く、他の３つの分光の光路上にそれぞれ特性の異なる波長板を設置し、他の３つの分光に係る参照光をそれぞれ所定量ずつ位相シフトさせることで、４つの分光に係る参照光及び物体光に９０°ずつ異なる位相差を生じさせる構成なっている。

【0009】

尚、位相シフト法を利用した三次元計測をより正確に行うためには、より正確に位相シフトを行う必要があるが、特許文献１に係る構成においては、各波長板の製造誤差や設置誤差等に起因して位相シフト量にバラツキが生じるおそれがある。

【0010】

この点、特許文献１では、波長板が設置されない光路を通る分光を基準として、他の３つの分光の光路上に設置された各波長板による位相シフト誤差を事前に把握し、これを計測時に補正する構成となっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【文献】特許第５２８９３８３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

ところが、特許文献１のように、複数台のカメラにより複数の分光（参照光及び物体光の干渉光）を個別に撮像する構成とした場合には、各カメラ固有のレンズや撮像素子の特性の違い等に起因して計測誤差が生じるおそれがある。

【0013】

これに鑑み、例えばカメラの撮像素子として、所定方向に振動する所定の偏光のみを通過させる透過軸の設定角度が異なる複数種類の偏光子（例えば基準軸に対する透過軸の設定角度が「０°」，「４５°」，「９０°」，「１３５°」となる４種類の偏光子）が所定の配列で各画素（受光素子）に対応して１つずつ配置された偏光イメージセンサを用いることにより、１台のカメラによる１回の撮像で、位相シフト法の計算に必要な４通りの輝度データを同時に取得する構成とすることも考えられる。

【0014】

但し、かかる構成において、偏光イメージセンサの各偏光子における透過軸の実際の角度（絶対角度）が、製造誤差等により、当初の設定角度に対し少量でもずれている場合には、位相シフト誤差が生じ、正確な輝度データが取得できず、計測精度が低下するおそれがある。

【0015】

従って、偏光イメージセンサを用いる構成においても、特許文献１と同様に、位相シフト誤差を補正する必要があるが、偏光イメージセンサの各偏光子は相対変位不能に固定されており、偏光子毎に個別に透過軸の角度調整などを行うことはできない。

【0016】

また、偏光イメージセンサにおいては、当初の設定角度が同じ同種の偏光子（例えば設定角度が同じ「０°」の偏光子）であっても、製造誤差等により画素毎にバラツキが生じ、透過軸の絶対角度が異なる（例えば設定角度「０°」±誤差）。つまり、偏光イメージセンサにおいては絶対的な基準となる光路が存在しない。

【0017】

このため、特許文献１のように、位相シフトされない光路（位相シフト量「０°」の光路）を基準として、他の光路における位相シフト誤差を把握し、それを補正する等といった方法を用いることができない。

【0018】

以下、偏光イメージセンサを用いた構成において、特許文献１に係る従来の補正方法を適用した場合の問題点について、図１０に示す具体例を参照して詳しく説明する。図１０は、透過軸の設定角度が異なる４種類（例えば設定角度α＝「０°」，β＝「４５°」，γ＝「９０°」，δ＝「１３５°」）の偏光子が所定の配列で配置された偏光イメージセンサ１００の一部を拡大して示した模式図である。

【0019】

ここで、例えば偏光イメージセンサ１００の「第２画素位置」、「第３画素位置」、「第６画素位置」及び「第７画素位置」の４つの画素（図１０の破線太枠エリア参照）から取得される輝度データを基に高さ計測を行う場合には、「第６画素位置」の偏光子の透過軸の絶対角度「α₆」、並びに、これを基準とした「第２画素位置」の偏光子の透過軸の相対角度「β₂´（＝β₂－α₆）」、「第３画素位置」の偏光子の透過軸の相対角度「γ₃´（＝γ₃－α₆）」、「第７画素位置」の偏光子の透過軸の相対角度「δ₇´（＝δ₇－α₆）」を用いることになる。

【0020】

尚、ここで「β₂」は「第２画素位置の偏光子の透過軸の絶対角度」であり、「γ₃」は「第３画素位置の偏光子の透過軸の絶対角度」であり、「δ₇」は「第７画素位置の偏光子の透過軸の絶対角度」である。

【0021】

一方、偏光イメージセンサ１００の「第３画素位置」、「第４画素位置」、「第７画素位置」及び「第８画素位置」の４つの画素（図１０の実線太枠エリア参照）から取得される輝度データを基に高さ計測を行う場合には、「第８画素位置」の偏光子の透過軸の絶対角度「α₈」、並びに、これを基準とした「第４画素位置」の偏光子の透過軸の相対角度「β₄´（＝β₄－α₈）」、「第３画素位置」の偏光子の透過軸の相対角度「γ₃´（＝γ₃－α₈）」、「第７画素位置」の偏光子の透過軸の相対角度「δ₇´（＝δ₇－α₈）」を用いることになる。

【0022】

尚、ここで「β₄」は「第４画素位置の偏光子の透過軸の絶対角度」であり、「γ₃」は「第３画素位置の偏光子の透過軸の絶対角度」であり、「δ₇」は「第７画素位置の偏光子の透過軸の絶対角度」である。

【0023】

上述した２つのケースを比較して分かるとおり、「第６画素位置」の偏光子の透過軸の絶対角度「α₆（設定角度α±誤差ａ₆）」と、「第８画素位置」の偏光子の透過軸の絶対角度「α₈（設定角度α±誤差ａ₈）」が異なれば、当然、「第３画素位置」の偏光子の透過軸の相対角度「γ₃´」も、「第７画素位置」の偏光子の透過軸の相対角度「δ₇´」も、それぞれ同一画素の同一偏光子であるにもかかわらず、透過軸の相対角度が異なる値となり、これらに係る補正値も異なるものとなる。

【0024】

つまり、計測位置（計算対象とする４つの輝度データ）が異なる毎に基準が異なってしまい、その都度、補正値を変更する必要がある。また、同一画素に対し複数の補正値を用意する必要がある。通常、三次元計測に用いられる撮像素子（偏光イメージセンサ）は画素数が非常に多い。そのため、上記のような方法では、計測処理が非常に複雑化すると共に、処理負荷が著しく増大するおそれがある。

【0025】

さらに、特許文献１に係る構成のように、撮像素子における複数の画素間の相対誤差を調整するキャリブレーションが行われていない場合には、例えば同一高さ平面を有した基準板を三次元計測したとしても、計測位置毎に異なる高さデータが算出されてしまい、高さがバラバラの凸凹した物体のように計測されてしまうおそれがある。

【0026】

本発明は、上記事情等に鑑みてなされたものであり、その目的は、計測精度の向上等を図ることのできる三次元計測装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0027】

以下、上記課題を解決するのに適した各手段につき項分けして説明する。なお、必要に応じて対応する手段に特有の作用効果を付記する。

【0028】

手段１．入射する所定の光を２つの光に分割し、一方の光を物体光として被計測物に照射しかつ他方の光を参照光として参照面に照射すると共に、これらを再び合成して出射可能な所定の光学系（特定光学系）と、
前記所定の光学系に対し入射させる所定の光を出射可能な照射手段と、
複数の受光素子からなり、かつ、透過軸の設定角度が異なる複数種類の偏光子（例えば透過軸の設定角度が「０°」，「４５°」，「９０°」，「１３５°」となる４種類の偏光子）が所定の配列で前記各受光素子に対応して１つずつ配置された撮像素子（偏光イメージセンサ）を有し、前記所定の光学系から出射される光を撮像可能な撮像手段と、
前記撮像素子の各受光素子に係る前記偏光子の透過軸の絶対角度を事前に実測して得た透過軸絶対角度データを記憶する角度データ記憶手段と、
前記撮像手段により取得された輝度画像データの各画素の輝度データと、該画素に対応する前記撮像素子の受光素子に係る前記偏光子の透過軸絶対角度データを基に、位相シフト法により、前記被計測物の所定の計測位置に係る前記参照光及び前記物体光の位相差を算出し、該計測位置の高さ計測を実行可能な画像処理手段とを備えた三次元計測装置。

【0029】

尚、上記「偏光子の透過軸の絶対角度」を「偏光子の透過軸の設定角度に対するズレ量（例えば設定角度「４５°」＋誤差「１°」など）」として把握してもよい。

【0030】

上記手段１によれば、撮像手段の撮像素子として、所定方向に振動する所定の偏光のみを通過させる透過軸の設定角度が異なる複数種類の偏光子が所定の配列で各受光素子に対応して１つずつ配置された偏光イメージセンサを用いることにより、１つの撮像手段による１回の撮像で、被計測物の所定の計測位置に係る位相シフト法による高さ計測に必要な複数通りの輝度データを同時に取得することができる。結果として、複数の撮像手段を使用する構成や複数回の撮像を行う構成に比べて、構成の簡素化やデータ取得時間の短縮等を図ることができる。

【0031】

尚、参照光及び物体光に複数通りの位相差を付与する位相シフト手段として、例えば特許文献１のように、複数の分光に対しそれぞれ特性の異なる波長板を利用する構成では、各波長板の製造誤差のみならず、温度変化に起因した各波長板の膨張や収縮によっても、位相シフト誤差が生じ得るため、その誤差を正確に補正することが非常に難しくなる。

【0032】

これに対し、本手段では、位相シフト手段として、透過軸の設定角度が異なる複数種類の偏光子を用いているため、波長板を利用して位相シフトを行う構成に比べて、位相シフトやその誤差補正等を行う上で温度変化の影響を受けにくく、上記不具合は発生しにくくなる。結果として、計測精度の向上等を図ることができる。

【0033】

また、本手段では、位相シフト法による参照光及び物体光の位相差の算出に用いられる偏光子の透過軸の角度データとして、透過軸の設定角度ではなく、事前に実測して得た実測値である透過軸絶対角度データを使用しているため、より正確な位相差を求めることができる。結果として、さらなる計測精度の向上等を図ることができる。

【0034】

さらに、本手段によれば、全ての計測位置に共通する基準を用いる必要もなく、位相シフトに関する複数の画素間の相対誤差を調整する必要もない。また、同一画素に対し複数の補正値を用意して、計測位置が異なる毎に補正値を変更する必要もない。

【0035】

加えて、特許文献１のように、所定の光学素子を動かし、所定の誤差調整等を行う構成では、その作業に伴う誤差等が加わるおそれがある。これに対し、本手段では、各種光学素子を動かすことなく、ソフト的な処理により誤差調整を行うことができる。結果として、さらなる計測精度の向上等を図ることができる。

【0036】

手段２．入射する所定の光を偏光方向が互いに直交する２つの偏光に分割し、該分割した一方の偏光を物体光として被計測物に照射しかつ他方の偏光を参照光として参照面に照射すると共に、これらを再び合成して出射可能な偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタの第１面に対し入射させる所定の光を出射可能な照射手段と、
複数の受光素子からなり、かつ、透過軸の設定角度が異なる複数種類の偏光子（例えば透過軸の設定角度が「０°」，「４５°」，「９０°」，「１３５°」となる４種類の偏光子）が所定の配列で前記各受光素子に対応して１つずつ配置された撮像素子（偏光イメージセンサ）を有し、前記偏光ビームスプリッタの第２面から出射される光を撮像可能な撮像手段と、
前記参照光が出入射される前記偏光ビームスプリッタの第３面と前記参照面との間に配置された第１の１／４波長板と、
前記物体光が出入射される前記偏光ビームスプリッタの第４面と前記被計測物との間に配置される第２の１／４波長板と、
前記偏光ビームスプリッタの第２面と前記撮像手段との間に配置される第３の１／４波長板と、
前記撮像素子の各受光素子に係る前記偏光子の透過軸の絶対角度を事前に実測して得た透過軸絶対角度データを記憶する角度データ記憶手段と、
前記撮像手段により取得された輝度画像データの各画素の輝度データと、該画素に対応する前記撮像素子の受光素子に係る前記偏光子の透過軸絶対角度データを基に、位相シフト法により、前記被計測物の所定の計測位置に係る前記参照光及び前記物体光の位相差を算出し、該計測位置の高さ計測を実行可能な画像処理手段とを備えた三次元計測装置。

【0037】

上記手段２によれば、上記手段１と同様の作用効果が奏される。

【0038】

ここで、「偏光ビームスプリッタ」は、その境界面において、第１の偏光方向を有する第１偏光（例えばＰ偏光）を透過させ、第２の偏光方向を有する第２偏光（例えばＳ偏光）を反射する機能を有する。

【0039】

従って、偏光ビームスプリッタの第１面から入射した所定の光は、例えば第１偏光よりなる参照光と、第２偏光よりなる物体光とに分割されることとなる。また、例えば偏光ビームスプリッタの第３面から入射した第２偏光よりなる参照光と、偏光ビームスプリッタの第４面から入射した第１偏光よりなる物体光とが合成されて、偏光ビームスプリッタの第２面から出射されることとなる。

【0040】

「第１の１／４波長板」は、直線偏光を円偏光に変換しかつ円偏光を直線偏光に変換する機能を有するものである。従って、偏光ビームスプリッタの第３面から出射される直線偏光（参照光）は「第１の１／４波長板」を介して円偏光に変換された上で参照面に対し照射される。また、参照面で反射した参照光は、再度、「第１の１／４波長板」を介して円偏光から直線偏光に変換された上で偏光ビームスプリッタの第３面に入射することとなる。

【0041】

「第２の１／４波長板」は、直線偏光を円偏光に変換しかつ円偏光を直線偏光に変換する機能を有するものである。従って、偏光ビームスプリッタの第４面から出射される直線偏光（物体光）は「第２の１／４波長板」を介して円偏光に変換された上で被計測物に対し照射される。また、被計測物にて反射した物体光は、再度、「第２の１／４波長板」を介して円偏光から直線偏光に変換された上で偏光ビームスプリッタの第４面に入射することとなる。

【0042】

「第３の１／４波長板」は、偏光ビームスプリッタの第２面から出射される参照光成分の直線偏光、及び、物体光成分の直線偏光をそれぞれ円偏光に変換する機能を有するものである。

【0043】

手段３．前記画像処理手段は、
前記輝度画像データの複数の画素（例えば２行２列で隣接する４画素、又は、１列に並んだ３画素）に係る所定位置を前記計測位置とする場合には、
前記複数の画素のうちの一部又は全部（例えば４画素のうちの所定の３画素又は４画素全て）の画素の輝度データと、該一部又は全部の画素それぞれに対応する前記偏光子の透過軸絶対角度データを基に、前記計測位置の高さ計測を実行することを特徴とする手段１又は２に記載の三次元計測装置。

【0044】

上記手段３によれば、１つの計測位置について比較的簡単に高さ計測を行うことができる。結果として、処理負担の軽減や計測時間の短縮を図ることができる。

【0045】

手段４．前記画像処理手段は、
前記輝度画像データの１つの画素に対応する所定位置を前記計測位置とする場合には、
前記計測位置の高さ計測に必要な複数（例えば３つ又は４つ）の輝度データのうち、前記撮像手段により取得された前記１つの画素に係る輝度データを除く他の輝度データを補間する輝度データ補間処理と、
前記計測位置の高さ計測に必要な複数（例えば３つ又は４つ）の透過軸絶対角度データのうち、前記角度データ記憶手段に記憶された前記１つの画素に係る透過軸絶対角度データを除く他の透過軸絶対角度データを補間する角度データ補間処理とを行い、
前記補間された輝度データ及び透過軸絶対角度データを含む前記計測位置に係る前記複数（例えば３つ又は４つ）の輝度データ及び透過軸絶対角度データを基に、前記計測位置の高さ計測を実行することを特徴とする手段１又は２に記載の三次元計測装置。

【0046】

上記手段４によれば、輝度画像データの１つの画素に対応する所定位置を計測位置とするにあたり、データの欠落部分が生じるといった不具合の発生を抑制することができる。さらに、輝度データ及び透過軸絶対角度データの両者の補間を行うことにより、計測精度の向上を図ることができる。尚、各種データの補間処理の方法については、線形補間をはじめ、種々の補間方法を採用することができる。

【0047】

手段５．前記計測位置の高さ計測に４つの前記輝度データ及びこれらにそれぞれ対応する４つの前記透過軸絶対角度データを用いる場合において、
前記４つの輝度データをそれぞれＩα，Ｉβ，Ｉγ，Ｉδとし、
前記４つの透過軸絶対角度データをそれぞれα，β，γ，δとしたとき、
前記計測位置に係る前記位相差は、下記式（Ｓ１）により算出されることを特徴とする手段１乃至４のいずれかに記載の三次元計測装置。

【0048】

【数1】

【0049】

ここで、Ｉα：第１の輝度データ
Ｉβ：第２の輝度データ
Ｉγ：第３の輝度データ
Ｉδ：第４の輝度データ
α ：第１の透過軸絶対角度データ
β ：第２の透過軸絶対角度データ
γ ：第３の透過軸絶対角度データ
δ ：第４の透過軸絶対角度データ
φ ：参照光と物体光の位相差。

【0050】

上記手段５によれば、３通りの輝度データ及び偏光子の透過軸絶対角度データを基に位相シフト法により高さ計測を行う場合に比べて、より精度の高い計測を行うことができる。

【0051】

手段６．前記計測位置の高さ計測に３つの前記輝度データ及びこれらにそれぞれ対応する３つの前記透過軸絶対角度データを用いる場合において、
前記３つの輝度データをそれぞれＩα，Ｉβ，Ｉγとし、
前記３つの透過軸絶対角度データをそれぞれα，β，γとしたとき、
前記計測位置に係る前記位相差は、下記式（Ｓ２）により算出されることを特徴とする手段１乃至４のいずれかに記載の三次元計測装置。

【0052】

【数2】

【0053】

ここで、Ｉα：第１の輝度データ
Ｉβ：第２の輝度データ
Ｉγ：第３の輝度データ
α ：第１の透過軸絶対角度データ
β ：第２の透過軸絶対角度データ
γ ：第３の透過軸絶対角度データ
φ ：参照光と物体光の位相差。

【0054】

上記手段６によれば、４通りの輝度データ及び偏光子の透過軸絶対角度データを基に位相シフト法により高さ計測を行う場合に比べて、より計測に要する時間や手間を軽減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0055】

【図1】三次元計測装置の概略構成図である。

【図2】三次元計測装置の電気的構成を示すブロック図である。

【図3】第１光の光路を示す光路図である。

【図4】第２光の光路を示す光路図である。

【図5】偏光イメージセンサの概略構成図である。

【図6】偏光子アレイの構成を説明するための模式図である。

【図7】偏光子の透過軸の絶対角度を把握するキャリブレーションの方法を説明するための図である。

【図8】キャリブレーション時における基準偏光板の回転角度と、偏光子を透過した光の輝度との関係を示した図である。

【図9】第２実施形態に係るデータ補間処理の手順を説明するための図である。

【図10】透過軸の設定角度が異なる４種類の偏光子が所定の配列で配置された偏光イメージセンサの一部を拡大して示した模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0056】

〔第１実施形態〕
以下、三次元計測装置の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は本実施形態に係る三次元計測装置１の概略構成を示す模式図であり、図２は三次元計測装置１の電気的構成を示すブロック図である。以下、便宜上、図１の紙面前後方向を「Ｘ軸方向」とし、紙面上下方向を「Ｙ軸方向」とし、紙面左右方向を「Ｚ軸方向」として説明する。

【0057】

三次元計測装置１は、マイケルソン干渉計の原理に基づき構成されたものであり、特定波長の光を出力可能な２つの投光系２Ａ，２Ｂ（第１投光系２Ａ，第２投光系２Ｂ）と、該投光系２Ａ，２Ｂからそれぞれ出射される光が入射される干渉光学系３と、該干渉光学系３から出射される光を撮像可能な２つの撮像系４Ａ，４Ｂ（第１撮像系４Ａ，第２撮像系４Ｂ）と、投光系２Ａ，２Ｂや干渉光学系３、撮像系４Ａ，４Ｂなどに係る各種制御や画像処理、演算処理等を行う制御装置５とを備えている。

【0058】

ここで、「制御装置５」が本実施形態における「画像処理手段」を構成し、「干渉光学系３」が本実施形態における「所定の光学系（特定光学系）」を構成する。尚、本実施形態においては、光の干渉を生じさせること（干渉光を撮像すること）を目的として、入射する所定の光を２つの光（物体光及び参照光）に分割し、該２つの光に光路差を生じさせた上で、再度合成して出力する光学系を「干渉光学系」という。つまり、２つの光を内部で干渉させることなく、単に合成光として出力する光学系についても「干渉光学系」と称している。従って、本実施形態のように「干渉光学系」から２つの光（物体光及び参照光）が干渉することなく合成光として出力される場合には、後述するように、少なくとも撮像される前段階において、所定の干渉手段を介して干渉光に変換することとなる。

【0059】

まず、２つの投光系２Ａ，２Ｂ（第１投光系２Ａ，第２投光系２Ｂ）の構成について詳しく説明する。第１投光系２Ａは、第１発光部１１Ａ、第１光アイソレータ１２Ａ、第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａなどを備えている。

【0060】

図示は省略するが、照射手段を構成する第１発光部１１Ａは、特定波長λ₁の直線偏光を出力可能なレーザ光源や、該レーザ光源から出力される直線偏光を拡大し平行光として出射するビームエキスパンダ、強度調整を行うための偏光板、偏光方向を調整するための１／２波長板などを備えている。

【0061】

かかる構成の下、本実施形態では、第１発光部１１Ａから、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に対し４５°傾斜した方向を偏光方向とする波長λ₁（例えばλ₁＝１５００ｎｍ）の直線偏光がＺ軸方向左向きに出射される。以降、第１発光部１１Ａから出射される波長λ₁の光を「第１光」という。

【0062】

第１光アイソレータ１２Ａは、一方向（本実施形態ではＺ軸方向左向き）に進む光のみを透過し逆方向（本実施形態ではＺ軸方向右向き）の光を遮断する光学素子である。これにより、第１発光部１１Ａから出射された第１光のみを透過することとなり、戻り光による第１発光部１１Ａの損傷や不安定化などを防止することができる。

【0063】

第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａは、直角プリズム（直角二等辺三角形を底面とする三角柱状のプリズム。以下同様。）を貼り合せて一体としたキューブ型の公知の光学部材であって、その接合面１３Ａｈには例えば金属膜などのコーティングが施されている。

【0064】

以下同様であるが、無偏光ビームスプリッタは、偏光状態も含め、入射光を所定の比率で透過光と反射光とに分割するものである。本実施形態では、１：１の分割比を持った所謂ハーフミラーを採用している。つまり、透過光のＰ偏光成分及びＳ偏光成分、並びに、反射光のＰ偏光成分及びＳ偏光成分が全て同じ比率で分割されると共に、透過光と反射光の各偏光状態は入射光の偏光状態と同じとなる。

【0065】

尚、本実施形態では、図１の紙面に平行な方向（Ｙ軸方向又はＺ軸方向）を偏光方向とする直線偏光をＰ偏光（Ｐ偏光成分）といい、図１の紙面に垂直なＸ軸方向を偏光方向とする直線偏光をＳ偏光（Ｓ偏光成分）という。

【0066】

また、第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａは、その接合面１３Ａｈを挟んで隣り合う２面のうちの一方がＹ軸方向と直交しかつ他方がＺ軸方向と直交するように配置されている。つまり、第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａの接合面１３ＡｈがＹ軸方向及びＺ軸方向に対し４５°傾斜するように配置されている。より詳しくは、第１光アイソレータ１２Ａを介して、第１発光部１１ＡからＺ軸方向左向きに入射する第１光の一部（半分）をＺ軸方向左向きに透過させ、残り（半分）をＹ軸方向下向きに反射させるように配置されている。

【0067】

第２投光系２Ｂは、上記第１投光系２Ａと同様、第２発光部１１Ｂ、第２光アイソレータ１２Ｂ、第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂなどを備えている。

【0068】

照射手段を構成する第２発光部１１Ｂは、上記第１発光部１１Ａと同様、特定波長λ₂の直線偏光を出力可能なレーザ光源や、該レーザ光源から出力される直線偏光を拡大し平行光として出射するビームエキスパンダ、強度調整を行うための偏光板、偏光方向を調整するための１／２波長板などを備えている。

【0069】

かかる構成の下、本実施形態では、第２発光部１１Ｂから、Ｘ軸方向及びＺ軸方向に対し４５°傾斜した方向を偏光方向とする波長λ₂（例えばλ₂＝１５０３ｎｍ）の直線偏光がＹ軸方向上向きに出射される。以降、第２発光部１１Ｂから出射される波長λ₂の光を「第２光」という。

【0070】

第２光アイソレータ１２Ｂは、第１光アイソレータ１２Ａと同様、一方向（本実施形態ではＹ軸方向上向き）に進む光のみを透過し逆方向（本実施形態ではＹ軸方向下向き）の光を遮断する光学素子である。これにより、第２発光部１１Ｂから出射された第２光のみを透過することとなり、戻り光による第２発光部１１Ｂの損傷や不安定化などを防止することができる。

【0071】

第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂは、第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａと同様、直角プリズムを貼り合せて一体としたキューブ型の公知の光学部材であって、その接合面１３Ｂｈには例えば金属膜などのコーティングが施されている。

【0072】

また、第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂは、その接合面１３Ｂｈを挟んで隣り合う２面のうちの一方がＹ軸方向と直交しかつ他方がＺ軸方向と直交するように配置されている。つまり、第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂの接合面１３ＢｈがＹ軸方向及びＺ軸方向に対し４５°傾斜するように配置されている。より詳しくは、第２光アイソレータ１２Ｂを介して、第２発光部１１ＢからＹ軸方向上向きに入射する第２光の一部（半分）をＹ軸方向上向きに透過させ、残り（半分）をＺ軸方向右向きに反射させるように配置されている。

【0073】

次に干渉光学系３の構成について詳しく説明する。干渉光学系３は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２０、１／４波長板２１，２２、参照面２３、設置部２４などを備えている。

【0074】

偏光ビームスプリッタ２０は、直角プリズムを貼り合せて一体としたキューブ型の公知の光学部材であって、その接合面（境界面）２０ｈには例えば誘電体多層膜などのコーティングが施されている。

【0075】

偏光ビームスプリッタ２０は、入射される直線偏光を偏光方向が互いに直交する２つの偏光成分（Ｐ偏光成分とＳ偏光成分）に分割するものである。本実施形態における偏光ビームスプリッタ２０は、Ｐ偏光成分を透過させ、Ｓ偏光成分を反射する構成となっている。

【0076】

偏光ビームスプリッタ２０は、その接合面２０ｈを挟んで隣り合う２面のうちの一方がＹ軸方向と直交しかつ他方がＺ軸方向と直交するように配置されている。つまり、偏光ビームスプリッタ２０の接合面２０ｈがＹ軸方向及びＺ軸方向に対し４５°傾斜するように配置されている。

【0077】

より詳しくは、上記第１無偏光ビームスプリッタ１３ＡからＹ軸方向下向きに反射した第１光が入射する偏光ビームスプリッタ２０の第１面（Ｙ軸方向上側面）２０ａ、並びに、該第１面２０ａと相対向する第３面（Ｙ軸方向下側面）２０ｃがＹ軸方向と直交するように配置されている。

【0078】

一方、第１面２０ａと接合面２０ｈを挟んで隣り合う面であって、上記第２無偏光ビームスプリッタ１３ＢからＺ軸方向右向きに反射した第２光が入射する偏光ビームスプリッタ２０の第２面（Ｚ軸方向左側面）２０ｂ、並びに、該第２面２０ｂと相対向する第４面（Ｚ軸方向右側面）２０ｄがＺ軸方向と直交するように配置されている。

【0079】

また、偏光ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃとＹ軸方向に相対向するように１／４波長板２１が配置され、該１／４波長板２１とＹ軸方向に相対向するように参照面２３が配置されている。

【0080】

１／４波長板２１は、直線偏光を円偏光に変換しかつ円偏光を直線偏光に変換する機能を有するものであり、本実施形態における「第１の１／４波長板」を構成する。つまり、偏光ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃから出射される直線偏光（参照光）は１／４波長板２１を介して円偏光に変換された上で参照面２３に対し照射される。また、参照面２３で反射した参照光は、再度、１／４波長板２１を介して円偏光から直線偏光に変換された上で偏光ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃに入射する。

【0081】

一方、偏光ビームスプリッタ２０の第４面２０ｄとＺ軸方向に相対向するように１／４波長板２２が配置され、該１／４波長板２２とＺ軸方向に相対向するように設置部２４が配置されている。

【0082】

１／４波長板２２は、直線偏光を円偏光に変換しかつ円偏光を直線偏光に変換する機能を有するものであり、本実施形態における「第２の１／４波長板」を構成する。つまり、偏光ビームスプリッタ２０の第４面２０ｄから出射される直線偏光（物体光）は１／４波長板２２を介して円偏光に変換された上で設置部２４に置かれた被計測物としてのワークＷに対し照射される。また、ワークＷにて反射した物体光は、再度、１／４波長板２２を介して円偏光から直線偏光に変換された上で偏光ビームスプリッタ２０の第４面２０ｄに入射する。

【0083】

次に２つの撮像系４Ａ，４Ｂ（第１撮像系４Ａ，第２撮像系４Ｂ）の構成について詳しく説明する。

【0084】

第１撮像系４Ａは、１／４波長板３１Ａ、撮像手段を構成する第１カメラ３３Ａなどを備えている。

【0085】

１／４波長板３１Ａは、第２無偏光ビームスプリッタ１３ＢをＺ軸方向左向きに透過してきた直線偏光（第１光の参照光成分及び物体光成分）をそれぞれ円偏光に変換するためのものであり、本実施形態における「第３の１／４波長板」を構成する。

【0086】

本実施形態に係る第１カメラ３３Ａは、撮像素子として偏光イメージセンサ７０Ａを備えた偏光カメラである。

【0087】

図５に示すように、偏光イメージセンサ７０Ａは、センサ本体部となる受光素子アレイ７１と、その受光面側となる前面側に設けられた偏光子アレイ７２と、その前面側に設けられたマイクロレンズアレイ７３とを備えている。

【0088】

受光素子アレイ７１は、複数の受光素子（画素）７４が行列状に二次元配列されてなる一般的なＣＣＤイメージセンサなどの半導体素子構造を有する。

【0089】

尚、実際の受光素子アレイ７１は、多数の画素（例えば１２８０×１０２４画素）が配列されたものであるが、図５，６等においては、説明の簡素化を図るため、その一部である４行４列のみ図示している（偏光子アレイ７２及びマイクロレンズアレイ７３についても同様）。

【0090】

偏光子アレイ７２は、複数の偏光子７５が行列状に二次元配列されたものである。各偏光子７５は、受光素子アレイ７１の各受光素子７４と１対１で対応するように設けられている。

【0091】

偏光子７５は、上記のように円偏光に変換された参照光成分及び物体光成分を選択的に透過させるものである。これにより、回転方向の異なる参照光成分と物体光成分とを干渉させることができる。また、参照光成分及び物体光成分に所定の位相差が付与される。従って、各偏光子７５が本実施形態における「位相シフト手段」及び「干渉手段」を構成することとなる。

【0092】

偏光子７５は、製造時における透過軸の設定角度α，β，γ，δが４５°ずつ異なる４種類の偏光子７５ａ，７５ｂ，７５ｃ，７５ｄからなる。より詳しくは、基準線（水平線）に対する透過軸の設定角度α＝「０°」となるように設定（製造）された第１偏光子７５ａと、透過軸の設定角度β＝「４５°」となるように設定された第２偏光子７５ｂと、透過軸の設定角度γ＝「９０°」となるように設定された第３偏光子７５ｃと、透過軸の設定角度δ＝「１３５°」となるように設定された第４偏光子７５ｄとを備えている。

【0093】

これにより、偏光子アレイ７２の各偏光子７５を透過する光の参照光成分及び物体光成分を４通りの位相差で干渉させることができる。つまり、参照光及び物体光の位相差が９０°ずつ異なる４通りの干渉光を生成することができる。

【0094】

具体的な設定としては、第１偏光子７５ａを透過する光の参照光成分の位相シフト量が「０°」となり、第２偏光子７５ｂを透過する光の参照光成分の位相シフト量が「９０°」となり、第３偏光子７５ｃを透過する光の参照光成分の位相シフト量が「１８０°」となり、第４偏光子７５ｄを透過する光の参照光成分の位相シフト量が「２７０°」となるように設計されている。

【0095】

そして、偏光子アレイ７２においては、これら透過軸角度が異なる４種類の偏光子７５ａ，７５ｂ，７５ｃ，７５ｄが所定順序で２行２列の行列状に並んだ特定の偏光子配列パターン（図５の太枠部分参照）が行列状に繰り返し配置された構成となっている。

【0096】

本実施形態における前記偏光子配列パターンは、偏光子アレイ７２の正面視で、右下に第１偏光子７５ａが配置され、右上に第２偏光子７５ｂが配置され、左上に第３偏光子７５ｃが配置され、左下に第４偏光子７５ｄが配置された構成となっている。

【0097】

これにより、偏光子アレイ７２のどの位置で、２行２列の行列状に並んだ４つの偏光子７５を抽出した場合であっても、透過軸角度が異なる４種類の偏光子７５ａ，７５ｂ，７５ｃ，７５ｄが必ず１ずつ含まれることとなる。

【0098】

但し、各偏光子７５の実際の透過軸角度（絶対角度）は、製造誤差により、厳密には上記設定角度α＝「０°」，β＝「４５°」，γ＝「９０°」，δ＝「１３５°」とはならず、微小な誤差を含んでいる。

【0099】

例えば図６に示す例のように、透過軸の設定角度が同じ「０°」である第６画素位置の第１偏光子７５ａの透過軸絶対角度α₆（０°±誤差ａ₆）、第８画素位置の第１偏光子７５ａの透過軸絶対角度α₈（０°±誤差ａ₈）、第１４画素位置の第１偏光子７５ａの透過軸絶対角度α₁₄（０°±誤差ａ₁₄）、第１６画素位置の第１偏光子７５ａの透過軸絶対角度α₁₆（０°±誤差ａ₁₆）は、厳密には、それぞれ値が異なることとなる。

【0100】

このため、本実施形態においては、三次元計測を行う前段階において事前に、これらの誤差を把握するキャリブレーションを行っている。かかるキャリブレーションの詳細については、後述する。

【0101】

マイクロレンズアレイ７３は、複数のマイクロレンズ７６が行列状に二次元配列されたものである。マイクロレンズ７６は、画素毎の集光効率を向上させるためのものであり、偏光子アレイ７２の各偏光子７５と１対１で対応するように設けられている。

【0102】

これにより、マイクロレンズアレイ７３の各マイクロレンズ７６によって集光された光は、それぞれ対応する偏光子アレイ７２の各偏光子７５を通過することで、その参照光成分及び物体光成分にそれぞれ所定の位相差が付与されると共に、干渉光となって、それぞれ対応する受光素子アレイ７１の各受光素子７４に受光されることとなる。

【0103】

第１カメラ３３Ａによって撮像され取得された輝度画像データは、第１カメラ３３Ａ内部においてデジタル信号に変換された上で、デジタル信号の形で制御装置５（画像データ記憶装置５４）に入力されるようになっている。

【0104】

第２撮像系４Ｂは、第１撮像系４Ａと同様、１／４波長板３１Ｂ、撮像手段を構成する第２カメラ３３Ｂなどを備えている。

【0105】

１／４波長板３１Ｂは、第１無偏光ビームスプリッタ１３ＡをＹ軸方向上向きに透過してきた直線偏光（第２光の参照光成分及び物体光成分）をそれぞれ円偏光に変換するためのものであり、本実施形態における「第３の１／４波長板」を構成する。

【0106】

第２カメラ３３Ｂは、第１カメラ３３Ａと同様、撮像素子として偏光イメージセンサ７０Ｂを備えた偏光カメラである。偏光イメージセンサ７０Ｂは、第１カメラ３３Ａに係る上記偏光イメージセンサ７０Ａと同一構成であるため、その詳細な説明は省略する。

【0107】

第１カメラ３３Ａと同様、第２カメラ３３Ｂによって撮像され取得された輝度画像データは、第２カメラ３３Ｂ内部においてデジタル信号に変換された上で、デジタル信号の形で制御装置５（画像データ記憶装置５４）に入力されるようになっている。

【0108】

ここで制御装置５の電気的構成について説明する。図２に示すように、制御装置５は、三次元計測装置１全体の制御を司るマイクロコンピュータ５１、キーボードやマウス、あるいは、タッチパネルで構成される「入力手段」としての入力装置５２、液晶画面などの表示画面を有する「表示手段」としての表示装置５３、カメラ３３Ａ，３３Ｂにより撮像され取得された輝度画像データ等を順次記憶するための画像データ記憶装置５４、各種演算結果を記憶するための演算結果記憶装置５５、各種情報を予め記憶しておく設定データ記憶装置５６を備えている。

【0109】

尚、マイクロコンピュータ５１は、演算手段としてのＣＰＵ５１ａや、各種プログラムを記憶するＲＯＭ５１ｂ、演算データや入出力データなどの各種データを一時的に記憶するＲＡＭ５１ｃなどを備え、上記各種装置５２～５６と電気的に接続されている。

【0110】

ここで、三次元計測の開始前に行うカメラ３３Ａ，３３Ｂ（偏光イメージセンサ７０Ａ，７０Ｂ）のキャリブレーションについて説明する。本実施形態のキャリブレーションでは、各受光素子７４の特性に基づく感度（ゲイン）のばらつきを予め把握する処理や、偏光子７５の透過軸の絶対角度（透過軸絶対角度データ）を予め把握する処理などが行われる。

【0111】

まず、各受光素子７４の感度のばらつきを把握する処理について説明する。その手順としては、まずハロゲンランプ等の光源を用いて、カメラ３３Ａ，３３Ｂ（偏光イメージセンサ７０Ａ，７０Ｂ）に対し無偏光かつ均一な光を照射し、これを撮像する。次に、この撮像により得られた輝度画像データを基に、各画素の輝度データ（光強度データ）のばらつきを求め、これらを補正し、その内容を設定データ記憶装置５６に記憶する。

【0112】

次に、偏光子７５の透過軸の絶対角度（透過軸絶対角度データ）を予め把握する処理について図７，８を参照して説明する。

【0113】

その手順としては、まず回転可能な基準偏光板９１を第１カメラ３３Ａ（第２カメラ３３Ｂ）の前に配置し、その回転軸を第１カメラ３３Ａ（第２カメラ３３Ｂ）の光軸Ｊに合わせると共に、これらに対し無偏光かつ均一な光を照射可能なハロゲンランプ等の光源９２を配置する。

【0114】

続いて、光源９２から光を照射しつつ基準偏光板９１を連続回転させる。この状態で、例えば基準偏光板９１が１°回転する毎に、第１カメラ３３Ａ（第２カメラ３３Ｂ）による撮像を行い、取得された輝度画像データを順次記憶していく。

【0115】

これにより、例えば所定の画素位置に配置された第２偏光子７５ｂの透過軸絶対角度βが設定角度通り「４５°」で誤差がない場合、該画素位置に係る輝度データは、図８に示すように、基準偏光板９１の回転角度が４５°となった場合に計測される値が最大となるようなサインカーブ（図８の実線のサインカーブ参照）を描くこととなる。

【0116】

一方、所定の画素位置に配置された第２偏光子７５ｂの透過軸絶対角度βが設定角度「４５°」に対し少しずれている場合、該画素位置に係る輝度データは、図８に示すように、基準偏光板９１の回転角度が４５°とは少しずれた位置（例えば回転角度４５°＋３°）で計測される値が最大となるようなサインカーブ（図８の一点鎖線のサインカーブ参照）を描くこととなる。

【0117】

そして、所定の画素位置に係る輝度データが最大となる基準偏光板９１の回転角度位置に相当する角度を、該画素位置に係る偏光子７５の透過軸の絶対角度（透過軸絶対角度データ）として設定データ記憶装置５６に記憶する。つまり、設定データ記憶装置５６が本実施形態における角度データ記憶手段を構成する。

【0118】

このようにして、本処理では、偏光子アレイ７２における全ての偏光子７５それぞれの透過軸絶対角度データを事前に実測して記憶する。

【0119】

例えば図６に例示した偏光子アレイ７２では、第１画素位置の第３偏光子７５ｃの透過軸絶対角度データγ₁（設定角度９０°±誤差ｃ₁）、第２画素位置の第２偏光子７５ｂの透過軸絶対角度データβ₂（設定角度４５°±誤差ｂ₂）、第３画素位置の第３偏光子７５ｃの透過軸絶対角度データγ₃（設定角度９０°±誤差ｃ₃）、第４画素位置の第２偏光子７５ｂの透過軸絶対角度データβ₄（設定角度４５°±誤差ｂ₄）、第５画素位置の第４偏光子７５ｄの透過軸絶対角度データδ₅（設定角度１３５°±誤差ｄ₅）、第６画素位置の第１偏光子７５ａの透過軸絶対角度データα₆（設定角度０°±誤差ａ₆）、第７画素位置の第４偏光子７５ｄの透過軸絶対角度データδ₇（設定角度１３５°±誤差ｄ₇）、第８画素位置の第１偏光子７５ａの透過軸絶対角度データα₈（設定角度０°±誤差ａ₈）、第９画素位置の第３偏光子７５ｃの透過軸絶対角度データγ₉（設定角度９０°±誤差ｃ₉）、第１０画素位置の第２偏光子７５ｂの透過軸絶対角度データβ₁₀（設定角度４５°±誤差ｂ₁₀）、第１１画素位置の第３偏光子７５ｃの透過軸絶対角度データγ₁₁（設定角度９０°±誤差ｃ₁₁）、第１２画素位置の第２偏光子７５ｂの透過軸絶対角度データβ₁₂（設定角度４５°±誤差ｂ₁₂）、第１３画素位置の第４偏光子７５ｄの透過軸絶対角度データδ₁₃（設定角度１３５°±誤差ｄ₁₃）、第１４画素位置の第１偏光子７５ａの透過軸絶対角度データα₁₄（設定角度０°±誤差ａ₁₄）、第１５画素位置の第４偏光子７５ｄの透過軸絶対角度データδ₁₅（設定角度１３５°±誤差ｄ₁₅）、第１６画素位置の第１偏光子７５ａの透過軸絶対角度データα₁₆（設定角度０°±誤差ａ₁₆）となっており、各偏光子７５の絶対角度が設定角度α＝０°，β＝４５°，γ＝９０°，δ＝１３５°に対し、それぞれ所定の誤差を含んでいる。

【0120】

次に三次元計測装置１の作用について説明する。尚、後述するように、本実施形態における第１光及び第２光の照射は同時に行われるものであり、第１光の光路と第２光の光路が一部で重なることとなるが、ここでは、より分かりやすくするため、第１光及び第２光の光路ごとに異なる図面を用いて個別に説明する。

【0121】

まず第１光の光路について図３を参照して説明する。図３に示すように、波長λ₁の第１光（偏光方向がＸ軸方向及びＹ軸方向に対し４５°傾斜した直線偏光）が第１発光部１１ＡからＺ軸方向左向きに出射される。

【0122】

第１発光部１１Ａから出射された第１光は、第１光アイソレータ１２Ａを通過し、第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａに入射する。第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａに入射した第１光の一部はＺ軸方向左向きに透過し、残りはＹ軸方向下向きに反射する。

【0123】

このうち、Ｙ軸方向下向きに反射した第１光（偏光方向がＸ軸方向及びＺ軸方向に対し４５°傾斜した直線偏光）は、偏光ビームスプリッタ２０の第１面２０ａに入射する。一方、Ｚ軸方向左向きに透過した第１光は、何らかの光学系等に入射することなく、捨て光となる。

【0124】

偏光ビームスプリッタ２０の第１面２０ａからＹ軸方向下向きに入射した第１光は、そのＰ偏光成分がＹ軸方向下向きに透過して第３面２０ｃから参照光として出射される一方、そのＳ偏光成分がＺ軸方向右向きに反射して第４面２０ｄから物体光として出射される。

【0125】

偏光ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃから出射した第１光に係る参照光（Ｐ偏光）は、１／４波長板２１を通過することにより右回りの円偏光に変換された後、参照面２３で反射する。ここで、光の進行方向に対する回転方向は維持される。その後、第１光に係る参照光は、再度、１／４波長板２１を通過することで、右回りの円偏光からＳ偏光に変換された上で偏光ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃに再入射する。

【0126】

一方、偏光ビームスプリッタ２０の第４面２０ｄから出射した第１光に係る物体光（Ｓ偏光）は、１／４波長板２２を通過することにより左回りの円偏光に変換された後、ワークＷで反射する。ここで、光の進行方向に対する回転方向は維持される。その後、第１光に係る物体光は、再度、１／４波長板２２を通過することで、左回りの円偏光からＰ偏光に変換された上で偏光ビームスプリッタ２０の第４面２０ｄに再入射する。

【0127】

ここで、偏光ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃから再入射した第１光に係る参照光（Ｓ偏光）が接合面２０ｈにてＺ軸方向左向きに反射する一方、第４面２０ｄから再入射した第１光に係る物体光（Ｐ偏光）は接合面２０ｈをＺ軸方向左向きに透過する。そして、第１光に係る参照光及び物体光が合成された状態の合成光が出力光として偏光ビームスプリッタ２０の第２面２０ｂから出射される。

【0128】

偏光ビームスプリッタ２０の第２面２０ｂから出射された第１光に係る合成光（参照光及び物体光）は、第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂに入射する。第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂに対しＺ軸方向左向きに入射した第１光に係る合成光は、その一部がＺ軸方向左向きに透過し、残りがＹ軸方向下向きに反射する。このうち、Ｚ軸方向左向きに透過した合成光（参照光及び物体光）は第１撮像系４Ａに入射することとなる。一方、Ｙ軸方向下向きに反射した合成光は、第２光アイソレータ１２Ｂによりその進行を遮断され、捨て光となる。

【0129】

第１撮像系４Ａに入射した第１光に係る合成光（参照光及び物体光）は、まず１／４波長板３１Ａにより、その参照光成分（Ｓ偏光成分）が左回りの円偏光に変換され、その物体光成分（Ｐ偏光成分）が右回りの円偏光に変換される。ここで、左回りの円偏光と右回りの円偏光は回転方向が異なるので干渉しない。

【0130】

第１光に係る合成光は、続いて第１カメラ３３Ａ（偏光イメージセンサ７０Ａ）に入射し、偏光子アレイ７２を通過することにより、その参照光成分と物体光成分とが各種偏光子７５ａ，７５ｂ，７５ｃ，７５ｄの透過軸角度に応じた位相で干渉する。そして、かかる第１光に係る干渉光が第１カメラ３３Ａ（受光素子アレイ７１）により撮像される。

【0131】

具体的に、第１偏光子７５ａに対応する受光素子７４では、該第１偏光子７５ａにおいて参照光成分及び物体光成分に約「０°」の位相差が付与された第１光に係る干渉光が受光される。

【0132】

同様に、第２偏光子７５ｂに対応する受光素子７４では、該第２偏光子７５ｂにおいて参照光成分及び物体光成分に約「９０°」の位相差が付与された第１光に係る干渉光が受光される。第３偏光子７５ｃに対応する受光素子７４では、該第３偏光子７５ｃにおいて参照光成分及び物体光成分に約「１８０°」の位相差が付与された第１光に係る干渉光が受光される。第４偏光子７５ｄに対応する受光素子７４では、該第４偏光子７５ｄにおいて参照光成分及び物体光成分に約「２７０°」の位相差が付与された第１光に係る干渉光が受光される。

【0133】

但し、厳密には、各偏光子７５を透過した干渉光（参照光成分及び物体光成分）には、該偏光子７５に係る上記絶対角度データに対応した位相差が付与される。

【0134】

次に第２光の光路について図４を参照して説明する。図４に示すように、波長λ₂の第２光（偏光方向がＸ軸方向及びＺ軸方向に対し４５°傾斜した直線偏光）が第２発光部１１ＢからＹ軸方向上向きに出射される。

【0135】

第２発光部１１Ｂから出射された第２光は、第２光アイソレータ１２Ｂを通過し、第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂに入射する。第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂに入射した第２光の一部はＹ軸方向上向きに透過し、残りはＺ軸方向右向きに反射する。

【0136】

このうち、Ｚ軸方向右向きに反射した第２光（偏光方向がＸ軸方向及びＹ軸方向に対し４５°傾斜した直線偏光）は、偏光ビームスプリッタ２０の第２面２０ｂに入射する。一方、Ｙ軸方向上向きに透過した第２光は、何らかの光学系等に入射することなく、捨て光となる。

【0137】

尚、第２光の光路においては、第２光が入射する「偏光ビームスプリッタ２０の第２面２０ｂ（Ｚ軸方向左側面）」が上記手段２の「第１面」に相当する。

【0138】

偏光ビームスプリッタ２０の第２面２０ｂからＺ軸方向右向きに入射した第２光は、そのＳ偏光成分がＹ軸方向下向きに反射して第３面２０ｃから参照光として出射される一方、そのＰ偏光成分がＺ軸方向右向きに透過して第４面２０ｄから物体光として出射される。

【0139】

偏光ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃから出射した第２光に係る参照光（Ｓ偏光）は、１／４波長板２１を通過することにより左回りの円偏光に変換された後、参照面２３で反射する。ここで、光の進行方向に対する回転方向は維持される。その後、第２光に係る参照光は、再度、１／４波長板２１を通過することで、左回りの円偏光からＰ偏光に変換された上で偏光ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃに再入射する。

【0140】

一方、偏光ビームスプリッタ２０の第４面２０ｄから出射した第２光に係る物体光（Ｐ偏光）は、１／４波長板２２を通過することにより右回りの円偏光に変換された後、ワークＷで反射する。ここで、光の進行方向に対する回転方向は維持される。その後、第２光に係る物体光は、再度、１／４波長板２２を通過することで、右回りの円偏光からＳ偏光に変換された上で偏光ビームスプリッタ２０の第４面２０ｄに再入射する。

【0141】

ここで、偏光ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃから再入射した第２光に係る参照光（Ｐ偏光）は接合面２０ｈをＹ軸方向上向きに透過する一方、第４面２０ｄから再入射した第２光に係る物体光（Ｓ偏光）は接合面２０ｈにてＹ軸方向上向きに反射する。そして、第２光に係る参照光及び物体光が合成された状態の合成光が出力光として偏光ビームスプリッタ２０の第１面２０ａから出射される。

【0142】

尚、第２光の光路においては、第２光に係る参照光及び物体光の合成光が出射する「偏光ビームスプリッタ２０の第１面２０ａ（Ｙ軸方向上側面）」が上記手段２の「第２面」に相当する。

【0143】

偏光ビームスプリッタ２０の第１面２０ａから出射された第２光に係る合成光（参照光及び物体光）は、第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａに入射する。第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａに対しＹ軸方向上向きに入射した第２光に係る合成光は、その一部がＹ軸方向上向きに透過し、残りがＺ軸方向右向きに反射する。このうち、Ｙ軸方向上向きに透過した合成光（参照光及び物体光）は第２撮像系４Ｂに入射することとなる。一方、Ｚ軸方向右向きに反射した合成光は、第１光アイソレータ１２Ａによりその進行を遮断され、捨て光となる。

【0144】

第２撮像系４Ｂに入射した第２光に係る合成光（参照光及び物体光）は、まず１／４波長板３１Ｂにより、その参照光成分（Ｐ偏光成分）が右回りの円偏光に変換され、その物体光成分（Ｓ偏光成分）が左回りの円偏光に変換される。ここで、左回りの円偏光と右回りの円偏光は回転方向が異なるので干渉しない。

【0145】

第２光に係る合成光は、続いて第２カメラ３３Ｂ（偏光イメージセンサ７０Ｂ）に入射し、偏光子アレイ７２を通過することにより、その参照光成分と物体光成分とが各種偏光子７５ａ，７５ｂ，７５ｃ，７５ｄの透過軸角度に応じた位相で干渉する。そして、かかる第２光に係る干渉光が第２カメラ３３Ｂ（受光素子アレイ７１）により撮像される。

【0146】

具体的に、第１偏光子７５ａに対応する受光素子７４では、該第１偏光子７５ａにおいて参照光成分及び物体光成分に約「０°」の位相差が付与された第２光に係る干渉光が受光される。

【0147】

同様に、第２偏光子７５ｂに対応する受光素子７４では、該第２偏光子７５ｂにおいて参照光成分及び物体光成分に約「９０°」の位相差が付与された第２光に係る干渉光が受光される。第３偏光子７５ｃに対応する受光素子７４では、該第３偏光子７５ｃにおいて参照光成分及び物体光成分に約「１８０°」の位相差が付与された第２光に係る干渉光が受光される。第４偏光子７５ｄに対応する受光素子７４では、該第４偏光子７５ｄにおいて参照光成分及び物体光成分に約「２７０°」の位相差が付与された第２光に係る干渉光が受光される。

【0148】

但し、厳密には、各偏光子７５を透過した干渉光（参照光成分及び物体光成分）には、該偏光子７５に係る上記絶対角度データに対応した位相差が付与される。

【0149】

次に、制御装置５によって実行される形状計測処理の手順について詳しく説明する。まずは、設置部２４へワークＷを設置した後、第１投光系２Ａから第１光を照射すると同時に、第２投光系２Ｂから第２光を照射する。その結果、干渉光学系３の偏光ビームスプリッタ２０の第２面２０ｂから第１光に係る合成光（参照光及び物体光）が出射されると同時に、偏光ビームスプリッタ２０の第１面２０ａから第２光に係る合成光（参照光及び物体光）が出射される。

【0150】

そして、偏光ビームスプリッタ２０の第２面２０ｂから出射された第１光に係る合成光を第１撮像系４Ａにより撮像すると同時に、偏光ビームスプリッタ２０の第１面２０ａから出射された第２光に係る合成光を第２撮像系４Ｂにより撮像する。

【0151】

そして、各カメラ３３Ａ，３３Ｂからそれぞれ取得された輝度画像データが制御装置５へ出力される。制御装置５は、入力した輝度画像データを画像データ記憶装置５４に記憶する。

【0152】

このように、それぞれ１回の撮像処理で取得された輝度画像データ（第１光に係る輝度画像データ、及び、第２光に係る輝度画像データ）には、三次元計測を行う上で必要な４通りの輝度データ（位相の異なる４通りの干渉光の強度データ）が含まれている。

【0153】

そして、制御装置５は、画像データ記憶装置５４に記憶された第１光に係る輝度画像データ、及び、第２光に係る輝度画像データを基に、位相シフト法によりワークＷの表面形状を計測する。つまり、ワークＷの表面上の各計測位置における高さ計測を行う。

【0154】

本実施形態では、２行２列で隣接する４つの画素の範囲の中央位置を１つの計測位置として、該４つの画素の輝度データから１つの高さデータ（位相差）を算出する。

【0155】

例えば図６に示す「第１画素位置」、「第２画素位置」、「第５画素位置」及び「第６画素位置」に係る輝度データから、これら４つの画素の範囲の中央位置を１つの計測位置として、１つの高さデータを算出する。続いて、「第２画素位置」、「第３画素位置」、「第６画素位置」及び「第７画素位置」に係る輝度データから、これら４つの画素の範囲の中央位置を１つの計測位置として、１つの高さデータを算出する。

【0156】

このように、順次、計測位置を縦方向や横方向へ１画素ずつずらしつつ、各計測位置の高さデータを取得していくことにより、ワークＷの表面全域について高さ計測することができる。

【0157】

ここで、位相シフト法を用いた高さ計測の方法について説明する。第１光又は第２光に係る輝度画像データの所定の画素位置（座標位置）における輝度は、下記式（Ｔ１）で表すことができる。

【0158】

【数3】

【0159】

ここで、Ｉ_A：輝度データ（干渉光の強度データ）
Ａ：偏光子の透過軸絶対角度データ
ａ：物体反射率（０＜ａ≦１）
φ：参照光と物体光の位相差。

【0160】

したがって、所定の計測位置に係る２行２列の４つの画素の輝度データは、それぞれ下記式（Ｔ２）、（Ｔ３）、（Ｔ４）、（Ｔ５）で表すことができる。

【0161】

【数4】

【0162】

ここで、Ｉα：第１画素の輝度データ
Ｉβ：第２画素の輝度データ
Ｉγ：第３画素の輝度データ
Ｉδ：第４画素の輝度データ
α ：第１画素に係る偏光子の透過軸絶対角度データ
β ：第２画素に係る偏光子の透過軸絶対角度データ
γ ：第３画素に係る偏光子の透過軸絶対角度データ
δ ：第４画素に係る偏光子の透過軸絶対角度データ
ａ ：物体反射率（０＜ａ≦１）
φ ：参照光と物体光の位相差。

【0163】

続いて、上記式（Ｔ２）～（Ｔ５）を基に、干渉光（参照光成分及び物体光成分）の位相差φを下記式（Ｔ６）により求めることができる。

【0164】

【数5】

【0165】

その後、この位相差φを用いて、位相高さ変換処理等を行い、ワークＷの表面の凹凸形状を３次元的に示す高さデータを算出する。このように求められたワークＷの計測結果（高さデータ）は、制御装置５の演算結果記憶装置５５に格納される。

【0166】

次に２波長位相シフト法の原理について説明する。波長の異なる２種類の光（波長λ₁，λ₂）を用いて計測を行った場合には、その合成波長λ₀の光で計測を行ったことと同じこととなる。そして、その計測レンジはλ₀／２に拡大することとなる。合成波長λ₀は、下記式（Ｍ１）で表すことができる。

【0167】

λ₀＝（λ₁×λ₂）／（λ₂－λ₁） ・・・（Ｍ１）
但し、λ₂＞λ₁とする。

【0168】

ここで、例えばλ₁＝１５００ｎｍ、λ₂＝１５０３ｎｍとすると、上記式（Ｍ１）から、λ₀＝７５１．５００μｍとなり、計測レンジはλ₀／２＝３７５．７５０μｍとなる。

【0169】

２波長位相シフト法による計測手順は、公知技術（例えば特許第６２７１４９３号公報参照）であるため、その詳細な説明は省略する。上記のように波長の異なる２種類の光を用いることで計測レンジを広げることができる。

【0170】

以上詳述したように、本実施形態では、カメラ３３Ａ，３３Ｂの撮像素子として、透過軸の設定角度が４５°ずつ異なる４種類の偏光子７５ａ，７５ｂ，７５ｃ，７５ｄが所定の配列で各受光素子７４に対応して１つずつ配置された偏光イメージセンサ７０Ａ，７０Ｂを用いることにより、各カメラ３３Ａ，３３Ｂによる１回の撮像で、ワークＷの所定の計測位置に係る位相シフト法による高さ計測に必要な複数通りの輝度データを同時に取得することができる。結果として、構成の簡素化やデータ取得時間の短縮等を図ることができる。

【0171】

また、本実施形態では、位相シフト法による参照光及び物体光の位相差の算出に用いられる偏光子７５の透過軸の角度データとして、透過軸の設定角度ではなく、事前に実測して得た実測値である透過軸絶対角度データを使用しているため、より正確な位相差を求めることができる。結果として、さらなる計測精度の向上等を図ることができる。

【0172】

さらに、本実施形態によれば、全ての計測位置に共通する基準を用いる必要もなく、位相シフトに関する複数の画素間の相対誤差を調整する必要もない。また、同一画素に対し複数の補正値を用意して、計測位置が異なる毎に補正値を変更する必要もない。

【0173】

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態では、撮像処理により取得した輝度画像データを基に、所定の計測位置に係る干渉光の位相差φを算出する手順が第１実施形態と異なる。従って、本実施形態では、かかる特徴部分について詳しく説明し、その他、第１実施形態と同一構成部分については、同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。

【0174】

本実施形態では、撮像処理が終了し、各カメラ３３Ａ，３３Ｂによって輝度画像データ（第１光に係る輝度画像データ、及び、第２光に係る輝度画像データ）が取得されると、まず図９に示すように、これらをそれぞれ元画像データＧ０として、ここから４通りの中間画像データＧ１～Ｇ４をそれぞれ作成する。

【0175】

具体的には、元画像データＧ０から第１偏光子７５ａに対応する画素の輝度データを抜き出した第１中間画像データＧ１、元画像データＧ０から第２偏光子７５ｂに対応する画素の輝度データを抜き出した第２中間画像データＧ２、元画像データＧ０から第３偏光子７５ｃに対応する画素の輝度データを抜き出した第３中間画像データＧ３、及び、元画像データＧ０から第４偏光子７５ｄに対応する画素の輝度データを抜き出した第４中間画像データＧ４をそれぞれ作成する。

【0176】

続いて、各中間画像データＧ１～Ｇ４におけるデータ欠落部分（図９において散点模様が付されたデータ空欄部分）の輝度データを補間して、補間画像データＧ１´～Ｇ４´を作成する。かかる補間処理が本実施形態における輝度データ補間処理に相当する。以下、図６，図９等を参照して、輝度データ補間処理について具体的に説明する。

【0177】

尚、図６に示すように、例えば偏光子アレイ７２の「第６画素位置（図６，９にて破線で囲まれた画素位置）」については、第１偏光子７５ａが配置されていると共に、計測前のキャリブレーションにより、該第１偏光子７５ａの透過軸絶対角度データα₆が把握されている。

【0178】

また、図９に示すように、例えば元画像データＧ０の「第６画素位置」については、第１偏光子７５ａを透過した干渉光の輝度データＩα₆が取得されている。そのため、第１中間画像データＧ１の「第６画素位置」においては、輝度データが欠落していない。一方、他の中間画像データＧ２～Ｇ４の「第６画素位置」においては、輝度データが欠落している。

【0179】

そして、輝度データ補間処理では、「第６画素位置」のみならず、このように輝度データが欠落している中間画像データＧ１～Ｇ４のすべての画素位置（図９において散点模様が付されたデータ空欄部分）について、該データ欠落部分の周囲に隣接して存在する既知の輝度データを基に線形補間により補間データを算出し、補間画像データＧ１´～Ｇ４´を作成する。

【0180】

例えば第２補間画像データＧ２´における「第６画素位置」の輝度データＩβ₆は、元画像データＧ０（第２中間画像データＧ２）において既知の「第２画素位置」の輝度データＩβ₂と「第１０画素位置」の輝度データＩβ₁₀の２つの輝度データの平均値とする。

【0181】

第３補間画像データＧ３´における「第６画素位置」の輝度データＩγ₆は、元画像データＧ０（中間画像データＧ３）において既知の「第１画素位置」の輝度データＩγ₁、「第３画素位置」の輝度データＩγ₃、「第９画素位置」の輝度データＩγ₉及び「第１１画素位置」の輝度データＩγ₁₁の４つの輝度データの平均値とする。

【0182】

第４補間画像データＧ４´における「第６画素位置」の輝度データＩδ₆は、元画像データＧ０（中間画像データＧ４）において既知の「第５画素位置」の輝度データＩδ₅と「第７画素位置」の輝度データＩδ₇の２つの輝度データの平均値とする。

【0183】

次に、上述した輝度データ補間処理と同様の方法（図９で示した手順参照）で、上記補間画像データＧ１´～Ｇ４´の各画素位置に対応する透過軸絶対角度データを補間する角度データ補間処理を行う。

【0184】

角度データ補間処理では、まず事前に実測して設定データ記憶装置５６に記憶されている各カメラ３３Ａ，３３Ｂ（偏光イメージセンサ７０Ａ，７０Ｂ）の全画素に係る偏光子７５の透過軸絶対角度データの配列を元角度データアレイＦ０として、ここから４通りの中間角度データアレイＦ１～Ｆ４をそれぞれ作成する。

【0185】

具体的には、元角度データアレイＦ０から第１偏光子７５ａの透過軸絶対角度データを抜き出した第１中間角度データアレイＦ１、元角度データアレイＦ０から第２偏光子７５ｂの透過軸絶対角度データを抜き出した第２中間角度データアレイＦ２、元角度データアレイＦ０から第３偏光子７５ｃの透過軸絶対角度データを抜き出した第３中間角度データアレイＦ３、及び、元角度データアレイＦ０から第４偏光子７５ｄの透過軸絶対角度データを抜き出した第４中間角度データアレイＦ４をそれぞれ作成する。

【0186】

続いて、各中間角度データアレイＦ１～Ｆ４におけるデータ欠落部分の透過軸絶対角度データを補間して、補間角度データアレイＦ１´～Ｆ４´を作成する。以下、かかる角度データ補間処理について具体的に説明する。

【0187】

尚、図６に示すように、例えば偏光子アレイ７２の「第６画素位置」に配置された第１偏光子７５ａについては、計測前のキャリブレーションにより、透過軸絶対角度データα₆が把握されている。

【0188】

そのため、第１中間角度データアレイＦ１の「第６画素位置」においては、透過軸絶対角度データが欠落していない。一方、実際の偏光子アレイ７２の「第６画素位置」には、第２偏光子７５ｂ、第３偏光子７５ｃ及び第４偏光子７５ｄが存在しないため、他の中間角度データアレイＦ２～Ｆ４の「第６画素位置」においては、透過軸絶対角度データが欠落している。

【0189】

そして、角度データ補間処理では、「第６画素位置」のみならず、このように透過軸絶対角度データが欠落している中間角度データアレイＦ１～Ｆ４のすべての画素位置について、該データ欠落部分の周囲に隣接して存在する既知の透過軸絶対角度データを基に線形補間により補間データを算出し、補間角度データアレイＦ１´～Ｆ４´を作成する。

【0190】

例えば第２補間角度データアレイＦ２´における「第６画素位置」の透過軸絶対角度データβ₆は、元角度データアレイＦ０（第２中間角度データアレイＦ２）において既知の「第２画素位置」の透過軸絶対角度データβ₂と「第１０画素位置」の透過軸絶対角度データβ₁₀の２つの透過軸絶対角度データの平均値とする。

【0191】

第３補間角度データアレイＦ３´における「第６画素位置」の透過軸絶対角度データγ₆は、元角度データアレイＦ０（第３中間角度データアレイＦ３）において既知の「第１画素位置」の透過軸絶対角度データγ₁、「第３画素位置」の透過軸絶対角度データγ₃、「第９画素位置」の透過軸絶対角度データγ₉及び「第１１画素位置」の透過軸絶対角度データγ₁₁の４つの透過軸絶対角度データの平均値とする。

【0192】

第４補間角度データアレイＦ４´における「第６画素位置」の透過軸絶対角度データδ₆は、元角度データアレイＦ０（第４中間角度データアレイＦ４）において既知の「第５画素位置」の透過軸絶対角度データδ₅と「第７画素位置」の透過軸絶対角度データδ₇の２つの透過軸絶対角度データの平均値とする。

【0193】

次に、上記のように作成された４つの補間画像データＧ１´～Ｇ４´の各画素位置の輝度データ、及び、これに対応する上記４つの補間角度データアレイＦ１´～Ｆ４´の各画素位置に係る透過軸絶対角度データを用いて、撮像処理により取得した輝度画像データの各画素に対応する計測位置の干渉光（参照光成分及び物体光成分）の位相差φを上記式（Ｔ６）により求める。

【0194】

例えば「第６画素位置」については、既知の輝度データＩα₆及び透過軸絶対角度データα₆、並びに、上記各種データ補間処理により求めた輝度データＩβ₆, Ｉγ₆, Ｉδ₆及び透過軸絶対角度データβ₆,γ₆,δ₆を上記式（Ｔ６）へ代入することにより位相差φを算出することができる。

【0195】

その後、この位相差φを用いて、位相高さ変換処理等を行い、ワークＷの表面の凹凸形状を３次元的に示す高さデータを算出する。

【0196】

以上詳述したように、本実施形態では、上記第１実施形態と同様の作用効果が奏されることとなる。

【0197】

また、本実施形態では、輝度画像データの１つの画素に対応する所定位置を計測位置とするにあたり、データの欠落部分が生じるといった不具合の発生を抑制することができる。さらに、輝度データ及び透過軸絶対角度データの両者の補間を行うことにより、計測精度の向上を図ることができる。

【0198】

尚、上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。勿論、以下において例示しない他の応用例、変更例も当然可能である。

【0199】

（ａ）上記各実施形態では、ワークＷの具体例について特に言及していないが、被計測物としては、例えばプリント基板に印刷されたクリーム半田や、ウエハ基板に形成された半田バンプなどが挙げられる。

【0200】

また、上記各実施形態においてワークＷを設置する設置部２４を、光軸と直交する方向へ変位可能に構成し、ワークＷの表面を複数の計測エリアに分割し、各計測エリアを順次移動しつつ各エリアの形状計測を行っていき、複数回に分けてワークＷ全体の形状計測を行う構成としてもよい。

【0201】

（ｂ）干渉光学系（所定の光学系）の構成は上記各実施形態に限定されるものではない。例えば上記各実施形態では、干渉光学系として、マイケルソン干渉計の光学構成を採用しているが、これに限らず、例えばマッハ・ツェンダー干渉計やフィゾー干渉計の光学構成など、入射光を参照光と物体光に分割してワークＷの計測を行う構成であれば、他の光学構成を採用してもよい。

【0202】

（ｃ）上記各実施形態では、波長の異なる２種類の光を利用してワークＷの計測を行う構成となっているが、これに限らず、１種類の光のみを利用してワークＷの計測を行う構成としてもよい。例えば第２投光系２Ｂ及び第２撮像系４Ｂを省略した構成としてもよい。

【0203】

また、第２投光系２Ｂ及び第２撮像系４Ｂを省略した構成において、波長の異なる２種類の光を利用する構成としてもよい。例えば第１波長光と第２波長光を合成した状態で干渉光学系へ入射させ、ここから出射される干渉光を所定の光学分離手段（ダイクロイックミラー等）により波長分離し、第１波長光に係る干渉光と、第２波長光に係る干渉光とを得て、各波長光に係る干渉光を個別に撮像した輝度画像データを基にワークＷの計測を行う構成としてもよい。

【0204】

（ｄ）照射手段に係る構成は上記投光系２Ａ，２Ｂの構成に限定されるものではない。例えば上記各実施形態に係る発光部１１Ａ，１１Ｂは、レーザ光源を採用し、レーザ光を出射する構成となっているが、これに限らず、他の構成を採用してもよい。少なくとも干渉を生じさせることができるコヒーレンスの高い光（コヒーレント光）を出射可能な構成となっていればよい。

【0205】

例えばＬＥＤ光源などのインコヒーレント光源と、特定の波長のみを透過させるバンドパスフィルタやスペイシャルフィルタなどを組み合わせてコヒーレンスを高め、コヒーレント光を出射可能な構成としてもよい。

【0206】

（ｅ）撮像手段及び撮像素子に係る構成は、上記各実施形態に限定されるものではない。

【0207】

（ｅ－１）例えば上記各実施形態では、受光素子アレイ７１の一例としてＣＣＤイメージセンサを挙げているが、受光素子アレイ７１は、これに限定されるものではなく、例えばＣＭＯＳイメージセンサなどの半導体素子構造を有するものであってもよい。

【0208】

（ｅ－２）上記各実施形態に係る偏光イメージセンサ７０Ａ，７０Ｂは、受光素子アレイ７１と、偏光子アレイ７２と、マイクロレンズアレイ７３とを備えた構成となっているが、これに限らず、例えばマイクロレンズアレイ７３を省略した構成としてもよい。

【0209】

（ｅ－３）偏光子アレイ７２における偏光子７５の配列は、上記各実施形態に限定されるものではない。

【0210】

例えば上記各実施形態では、透過軸の設定角度α，β，γ，δが４５°ずつ異なる４種類の偏光子７５ａ，７５ｂ，７５ｃ，７５ｄが所定順序で配置された構成となっているが、これとは異なる順序で配置された構成としてもよい。

【0211】

また、透過軸角度が異なる３種類の偏光子が所定順序で配置された構成としてもよい。例えば透過軸の設定角度α，β，γが６０°又は４５°ずつ異なる３種類の偏光子が所定順序で配置された構成としてもよい。

【0212】

（ｅ－４）上記各実施形態では、偏光子アレイ７２の各偏光子７５の具体例について特に言及していないが、各偏光子７５は、偏光子としての機能を有するものであれば、特に構造については限定されない。例えば自己クローニング技術により形成されたフォトニック結晶を用いた偏光子や、細いワイヤを周期的に配列することにより形成されたワイヤグリッド型の偏光子などが採用してもよい。

【0213】

（ｆ）上記各実施形態では、位相シフト法によりワークＷの表面上の各計測位置における高さ計測を行うにあたり、該計測位置に係る４つの輝度データ及びこれに対応する４つの透過軸絶対角度データを用いて、該計測位置に係る干渉光（参照光成分及び物体光成分）の位相差φを算出する構成となっている。

【0214】

これに限らず、所定の計測位置に係る３つの輝度データ及びこれに対応する３つの透過軸絶対角度データを用いて、該計測位置に係る位相差φを算出する構成としてもよい。

【0215】

例えば上記第１実施形態のように、撮像処理により取得した輝度画像データにおいて、２行２列の４つの画素の範囲の中央位置を計測位置として高さ計測を行う構成において、このうちの３つの画素の輝度データ及び該画素に対応する３つの透過軸絶対角度データを用いて位相差φを算出する構成としてもよい。

【0216】

ここで、第１偏光子７５ａ（透過軸の設定角度α）に対応する画素、第２偏光子７５ｂ（透過軸の設定角度β）に対応する画素、及び、第３偏光子７５ｃ（透過軸の設定角度γ）に対応する画素に係る輝度データ及び透過軸絶対角度データを用いて、位相差φを算出する場合には、上記式（Ｔ１）より、所定の計測位置に係る３つの画素の輝度データは、それぞれ下記式（Ｕ１）、（Ｕ２）、（Ｕ３）で表すことができる。

【0217】

【数6】

【0218】

ここで、Ｉα：第１画素の輝度データ
Ｉβ：第２画素の輝度データ
Ｉγ：第３画素の輝度データ
α ：第１画素に係る偏光子の透過軸絶対角度データ
β ：第２画素に係る偏光子の透過軸絶対角度データ
γ ：第３画素に係る偏光子の透過軸絶対角度データ
ａ ：物体反射率（０＜ａ≦１）
φ ：参照光と物体光の位相差。

【0219】

そして、上記式（Ｕ１）～（Ｕ３）を基に、干渉光（参照光成分及び物体光成分）の位相差φは下記式（Ｕ４）により求めることができる。

【0220】

【数7】

【0221】

勿論、所定の計測位置の計測に用いる３つの画素に係る輝度データ及び透過軸絶対角度データは、上述したものに限定されるものではない。

【0222】

例えば２行２列で隣接する４つの画素の範囲の中央位置を計測位置として高さ計測を行う場合において、例えば第２偏光子７５ｂ（透過軸の設定角度β）の画素に係る各種データ、第３偏光子７５ｃ（透過軸の設定角度γ）の画素に係る各種データ、第４偏光子７５ｄ（透過軸の設定角度δ）の画素に係る各種データを用いて位相差φを算出する構成としてもよい。

【0223】

同様に、第３偏光子７５ｃ（透過軸の設定角度γ）の画素に係る各種データ、第４偏光子７５ｄ（透過軸の設定角度δ）の画素に係る各種データ、第１偏光子７５ａ（透過軸の設定角度α）の画素に係る各種データを用いて位相差φを算出する構成としてもよい。

【0224】

また、第４偏光子７５ｄ（透過軸の設定角度δ）の画素に係る各種データ、第１偏光子７５ａ（透過軸の設定角度α）の画素に係る各種データ、第２偏光子７５ｂ（透過軸の設定角度β）の画素に係る各種データを用いて位相差φを算出する構成としてもよい。

【0225】

このような場合においても、上記式（Ｕ１）～（Ｕ４）において、代入する各種データを置き換えることにより、位相差φを算出することができる。

【0226】

尚、上記式（Ｕ４）は、上記第１実施形態に限らず、上記第２実施形態において、各種データ補間処理により求めた所定の画素位置（計測位置）に係る４つの輝度データ及び透過軸絶対角度データのうちの３つの輝度データ及び透過軸絶対角度データを用いて、該画素位置に係る位相差φを算出する場合においても用いることができる。

【0227】

勿論、透過軸角度が異なる３種類の偏光子しか設けられていない偏光イメージセンサを用いて三次元計測を行う構成においても、上記式（Ｕ４）等を用いることはできる。

【0228】

（ｇ）上記第２実施形態における各種データの補間処理の方法は、上記線形補間に限定されるものではなく、例えばBicubic法など他の補間方法を採用してもよい。また、線形補間を行う際に、平均値から最も離れたデータを排除する構成としてもよい。

【0229】

（ｈ）上記各実施形態では、偏光子７５の透過軸の絶対角度を実測した透過軸絶対角度データをそのまま（例えば絶対角度「４６°」など）記憶する構成となっているが、これに限らず、偏光子７５の透過軸の設定角度に対するズレ量（例えば設定角度「４５°」＋誤差「１°」など）として記憶してもよい。

【0230】

（ｉ）上記第１実施形態では、２行２列の４つの画素に係る輝度データ及び透過軸絶対角度データを基に、所定の計測位置に係る位相差φを算出する構成となっているが、これに限らず、１列に並んだ３つ又は４つの画素に係る輝度データ及び透過軸絶対角度データを基に、所定の計測位置に係る位相差φを算出する構成としてもよい。

【符号の説明】

【0231】

１…三次元計測装置、２Ａ…第１投光系、２Ｂ…第２投光系、３…干渉光学系、４Ａ…第１撮像系、４Ｂ…第２撮像系、５…制御装置、１１Ａ…第１発光部、１１Ｂ…第２発光部、２０…偏光ビームスプリッタ、２０ａ…第１面、２０ｂ…第２面、２０ｃ…第３面、２０ｄ…第４面、２１，２２…１／４波長板、２３…参照面、２４…設置部、３１Ａ…１／４波長板、３１Ｂ…１／４波長板、３３Ａ…第１カメラ、３３Ｂ…第２カメラ、７０Ａ…偏光イメージセンサ、７０Ｂ…偏光イメージセンサ、７１…受光素子アレイ、７２…偏光子アレイ、７３…マイクロレンズアレイ、７４…受光素子、７５（７５ａ，７５ｂ，７５ｃ，７５ｄ）…偏光子（第１偏光子、第２偏光子、第３偏光子、第４偏光子）、Ｗ…ワーク。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】