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(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】2024-12-06
(45)【発行日】2024-12-16
(54)【発明の名称】光学装置
(51)【国際特許分類】
G01B 11/24 20060101AFI20241209BHJP
【ＦＩ】
G01B11/24 K
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2024039954
(22)【出願日】2024-03-14
(62)【分割の表示】P 2020155066の分割
【原出願日】2020-09-16
(65)【公開番号】P2024060068
(43)【公開日】2024-05-01
【審査請求日】2024-03-14
(73)【特許権者】
【識別番号】000003078
【氏名又は名称】株式会社東芝
(74)【代理人】
【識別番号】110003708
【氏名又は名称】弁理士法人鈴榮特許綜合事務所
(72)【発明者】
【氏名】大野 博司
【審査官】仲野 一秀
(56)【参考文献】
【文献】特表２０１１－５０４２３０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６１－７５２１０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－２４１３４０（ＪＰ，Ａ）
(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の波長スペクトルを有する第１の光線を照射し、前記第１の波長スペクトルとは異なる第２の波長スペクトルを有する第２の光線を照射する光学素子を有し、前記第１の光線及び前記第２の光線を物体に照射可能な照明部と、前記物体への前記第１の光線の照射による光と、前記物体への前記第２の光線の照射による光とを受光可能な画素を備え、前記第１の波長スペクトル及び前記第２の波長スペクトルに基づいて前記第１の光線及び前記第２の光線を識別する撮像部と、
前記撮像部により撮像された撮像画像に基づいて、前記第１の光線の第１の光線方向及び前記第２の光線の第２の光線方向を推定する処理部と、
を備え、
前記撮像部、前記照明部及び前記物体の表面の三次元的な位置関係、前記照明部に設けられる前記光学素子の三次元的な位置、並びに、前記撮像部における前記画素の三次元的な位置が予め設定された既知の値であるとき、
前記処理部は、
前記照明部を制御し、前記第１の光線を第１の時刻に前記撮像部に入射させ、前記第２の光線を前記第１の時刻よりも後の第２の時刻に前記撮像部に入射させ、前記撮像部を制御し、前記第１の光線及び前記第２の光線を単一の撮像画像として得られるように前記撮像部で受光させ、
前記単一の撮像画像における前記第１の光線を受光した前記画素と前記第２の光線を受光した前記画素のそれぞれの画素値の組み合わせに基づいて、前記物体の表面形状を推定する、
光学装置。
【請求項2】
第１の波長スペクトルを有する第１の光線を照射し、前記第１の波長スペクトルとは異なる第２の波長スペクトルを有する第２の光線を照射する光学素子を有し、前記第１の光線及び前記第２の光線を物体に照射可能な照明部と、前記物体への前記第１の光線の照射による光と、前記物体への前記第２の光線の照射による光とを受光可能な画素を備え、前記第１の波長スペクトル及び前記第２の波長スペクトルに基づいて前記第１の光線及び前記第２の光線を識別する撮像部と、
前記撮像部により撮像された撮像画像に基づいて、前記第１の光線の第１の光線方向及び前記第２の光線の第２の光線方向を推定する処理部と、
を備え、
前記撮像部、前記照明部及び前記物体の表面の三次元的な位置関係、前記照明部に設けられる前記光学素子の三次元的な位置、並びに、前記撮像部における前記画素の三次元的な位置が予め設定された既知の値であるとき、
前記処理部は、
前記第１の光線が第１の時刻において前記画素で受光されたことに基づいて、前記撮像部に第１の撮像画像を撮像させ、
前記第２の光線が前記第１の時刻とは異なる第２の時刻において前記画素で受光されたことに基づいて、前記撮像部に第２の撮像画像を撮像させる、
光学装置。
【請求項3】
前記処理部は、前記撮像画像における前記第１の光線を受光した前記画素に対応する第１の領域に基づいて、前記第１の光線に関する離散色相画素値を含む第１の離散色相画素値の組を算出し、
前記撮像画像における前記第２の光線を受光した前記画素に対応する第２の領域に基づいて、前記第２の光線に関する離散色相画素値を含む第２の離散色相画素値の組を算出し、
前記第１の離散色相画素値の組及び前記第２の離散色相画素値の組の両方に基づいて、前記第１の光線方向及び前記第２の光線方向を算出する、
請求項１又は２に記載の光学装置。
【請求項4】
前記処理部は、前記離散色相画素値が前記離散色相画素値の閾値より小さい場合は、前記離散色相画素値を０に設定する、請求項３に記載の光学装置。
【請求項5】
前記処理部は、前記第１の離散色相画素値の組の中で最も大きい前記離散色相画素値に対応する離散色相値である第１の代表離散色相値を算出し、
前記第２の離散色相画素値の組の中で最も大きい前記離散色相画素値に対応する離散色相値である第２の代表離散色相値を算出し、
前記第１の代表離散色相値及び前記第２の代表離散色相値の両方に基づいて、前記第１の光線方向及び前記第２の光線方向を算出する、
請求項３又は４に記載の光学装置。
【請求項6】
前記照明部は、前記撮像部における前記第１の光線の受光及び前記第２の光線の受光がずれる状態で、前記物体に前記第１の光線及び前記第２の光線を照射可能である、請求項１～５のいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項7】
前記照明部は、前記第１の波長スペクトルとは異なる第３の波長スペクトルを有する第３の光線を、前記第１の光線と実質的に同時に前記第２の光線方向へ射出可能である、請求項１～６のいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項8】
前記照明部は、電気的な作用により選択波長を経時的に変更可能な波長可変フィルターと、前記照明部から射出された前記第１の光線及び前記第２の光線を回折可能で、波長が長いほど回折角を大きくする回折光学素子と、さらに備え、前記照明部は、
前記選択波長として設定された前記第１の波長スペクトルを有する前記第１の光線を、前記回折光学素子で回折することにより、前記第１の光線方向に射出し、
前記選択波長として設定された前記第２の波長スペクトルを有する前記第２の光線を、前記回折光学素子で回折することにより、前記第２の光線を前記第２の光線方向に射出する、
請求項１～７のいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項9】
前記照明部は、白色光線を発光する光源と、
前記光源から射出された前記白色光線を反射する反射面を備えるとともに、入射した前記白色光線を平行光として射出する導光体と、
を具備する、請求項１～８のいずれか１項に記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、光学装置に関する。
【背景技術】
【0002】
様々な産業において、非接触による物体の形状測定が用いられている。非接触による物体の形状測定では、例えば、光線が分光されて物体に照明され、撮像素子が分光された光線による画像のそれぞれを取得し、処理部等が光線のそれぞれの光線方向を推定する。このような測定方法では、複数の光線のそれぞれの光線方向を識別できることが求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】米国特許第５６７５４０７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明が解決しようとする課題は、複数の光線のそれぞれの光線方向を識別できる光学装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0005】
実施形態によれば、光学装置は、照明部と、撮像部と、処理部とを備える。照明部は、第１の波長スペクトルを有する第１の光線を照射し、第１の波長スペクトルとは異なる第２の波長スペクトルを有する第２の光線を照射する光学素子を有し、第１の光線及び第２の光線を物体に照射可能である。撮像部は、物体への第１の光線の照射による光と、物体への第２の光線の照射による光とを受光可能な画素を備え、第１の波長スペクトル及び第２の波長スペクトルに基づいて第１の光線及び第２の光線を識別する。処理部は、撮像部により撮像された撮像画像に基づいて、第１の光線の第１の光線方向及び第２の光線の第２の光線方向を推定する。撮像部、照明部及び物体の表面の三次元的な位置関係、照明部に設けられる光学素子の三次元的な位置、並びに、撮像部における画素の三次元的な位置が予め設定された既知の値であるとき、処理部は、照明部を制御し、第１の光線を第１の時刻に撮像部に入射させ、第２の光線を第１の時刻よりも後の第２の時刻に撮像部に入射させ、撮像部を制御し、第１の光線及び第２の光線を単一の撮像画像として得られるように撮像部で受光させる。処理部は、単一の撮像画像における第１の光線を受光した画素と第２の光線を受光した画素のそれぞれの画素値の組み合わせに基づいて、物体の表面形状を推定する。
【図面の簡単な説明】
【0006】
【発明を実施するための形態】
【0007】
以下に、実施の形態について図面を参照しつつ説明する。図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。既出の内容に関して、詳細な説明は適宜省略する。
【0008】
また、以下の実施形態等においては、照明部以外の環境光からの光線についてはオフセットする。つまり、環境光の光線強度が照明部の光線強度に比べて無視できない場合、撮像部２により、環境光による撮像画像を予め取得する。そして、当該環境光による撮像画像に対応する強度がオフセットされるように、光学装置１が設定される。あるいは、環境光を考慮して、離散色相画素値の閾値が設定される。また、以下の実施形態等においては、物体の表面５が光を反射することを前提として説明するが、これに限るものではない。例えば、物体が光線に対して透明である場合、物体の表面５は透過面となる。この場合、光線は、透過面を透過して、撮像部２に入射する。
【0009】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る光学装置の一例を示す概略図である。第１の実施形態に係る光学装置１は、撮像部２、照明部３及び処理部４を備える。本実施形態では、光は、電磁波として定義される。光は、例えば、可視光、Ｘ線、赤外線、近赤外線、遠赤外線、マイクロ波である。また、光は、コヒーレント光であってもよく、インコヒーレント光であってもよい。コヒーレント光としては、例えば、レーザー光源による光が挙げられる。コヒーレント光としては、例えば、ＬＥＤ（Light emitting device）光源による光が挙げられる。照明部３の光源は、可視光を発するものであればよい。可視光とは、光の波長が４００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の光である。照明部３の光源としては、例えば、ＬＥＤが挙げられる。
図１は、第１の実施形態に係る光学装置の一例を示す概略図である。第１の実施形態に係る光学装置１は、撮像部２、照明部３及び処理部４を備える。本実施形態では、光は、電磁波として定義される。光は、例えば、可視光、Ｘ線、赤外線、近赤外線、遠赤外線、マイクロ波である。また、光は、コヒーレント光であってもよく、インコヒーレント光であってもよい。コヒーレント光としては、例えば、レーザー光源による光が挙げられる。コヒーレント光としては、例えば、ＬＥＤ（Light emitting device）光源による光が挙げられる。照明部３の光源は、可視光を発するものであればよい。可視光とは、光の波長が４００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の光である。照明部３の光源としては、例えば、ＬＥＤが挙げられる。
【0010】
撮像部２は、センサー２１、レンズ２２及びシャッター２３を備える。センサー２１は、独立した複数の画素を備える。複数の画素のそれぞれでは、波長フィルターを用いることで、少なくとも第１の波長及び第２の波長が選択的に受光される。センサー２１は、例えば、ラインセンサー又はエリアセンサーである。撮像部２は、レンズ２２を介して物体の表面をセンサー２１に結像する。撮像部２は、シャッター２３を制御することで露光時間を調整できる。シャッター２３は、機械的なシャッターであってもよく、電気的なシャッターであってもよい。ある一例では、電気的なシャッターが、ラインセンサー又はエリアセンサーに備えられる。
【0011】
照明部３は、光を物体の表面５に向けて照射する。物体の表面５は、光を反射する。照明部３は、第１の光線Ｒ１及び第２の光線Ｒ２を照射する。第１の光線Ｒ１は、第１の波長を主成分とする第１の波長スペクトルを有する。第２の光線Ｒ２は、第２の波長を主成分とする第２の波長スペクトルを有する。第２の波長スペクトルは、第１の波長スペクトルと異なる。図１に示すように、第１の光線Ｒ１は、第１の光線経路ＲＰ１に沿って、照明部３から照射（射出）される。第２の光線Ｒ２は、第２の光線経路ＲＰ２に沿って、照明部３から照射（射出）される。ここで、光線経路は、照明部３の光源と、当該光線が反射される物体の位置とを結ぶ仮想的な線（仮想線）に沿う経路である。第１の光線Ｒ１が照明部３から射出される時刻（タイミング）は、第２の光線Ｒ２が照明部３から射出される時刻（タイミング）とずれている。また、第１の波長と第２の波長との差は比較的小さい。ある一例では、第１の波長は５００ｎｍ（青光）であり、第２の波長は５５０ｎｍ（緑光）である。すなわち、第１の波長と第２の波長との差は、５０ｎｍである。
【0012】
処理部４は、例えば、コンピュータである。処理部４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）又はＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等を含むプロセッサ又は集積回路（制御回路）、及び、メモリ等の記憶媒体を備える。処理部４に設けられるプロセッサ又は集積回路は、１つであってもよく、複数であってもよい。処理部４は、記憶媒体等に記憶されるプログラム等を実行することにより、処理を実行する。
【0013】
処理部４は、撮像部２及び照明部３を制御する。処理部４は、撮像部２及び照明部３を制御して、撮像部２及び照明部３を同期させる。ある一例では、処理部４は、照明部３から光線を射出させた直後に撮像部２と協働してシャッター２３を制御し、撮像部２に物体の撮像を開始させる。処理部４は、撮像部２に物体の表面５で反射された光線が入射した直後に、撮像部２と協働して撮像部２のシャッター２３を閉じる。これにより、撮像部２による物体の表面５の撮像が停止される。
【0014】
図１に示すように、本実施形態では、照明部３が第１の光線Ｒ１を射出する。処理部４は、第１の光線Ｒ１が射出された直後に撮像部２と協働してシャッター２３を開き、撮像部２に物体の表面５の撮像を開始させる。第１の光線Ｒ１は、物体の表面５の第１の反射領域Ｑ１に入射するとともに、物体の表面５によって反射される。これにより、第１の光線Ｒ１の反射光が、第１の時刻において撮像部２に入射する。
【0015】
次に、照明部３が、第２の光線Ｒ２を射出する。第２の光線Ｒ２は、物体の表面５の第２の反射領域Ｑ２に入射するとともに、物体の表面５によって反射される。第２の反射領域Ｑ２は、物体の表面５において第１の反射領域Ｑ１と異なる反射領域である。これにより、第２の光線Ｒ２の反射光が、第２の時刻において撮像部２に入射する。撮像部２は、第２の光線Ｒ２が撮像部２に入射するまで撮像を継続する。処理部４は、撮像部２に第２の光線Ｒ２が入射した後に、撮像部２と協働して撮像部２のシャッターを閉じる。すなわち、撮像部２は、第２の光線Ｒ２による物体の表面５の撮像を停止する。処理部４が、前述のように撮像部２及び照明部３を同期させることにより、撮像部２は物体の表面５を撮像する。これにより、撮像部２は、第１の光線Ｒ１による撮像及び第２の光線Ｒ２による撮像の両方を含む撮像画像を取得する。ある一例では、撮像画像は単一の撮像画像である。
【0016】
前述のような光学装置１では、照明部３が、第１の光線Ｒ１及び第２の光線Ｒ２を物体の表面５に順に射出する。撮像部２は、物体の表面５の第１の反射領域Ｑ１で反射された第１の光線Ｒ１の反射光、及び、物体の表面５の第２の反射領域Ｑ２で反射された第２の光線Ｒ２の反射光を、センサー２１に配置された複数の画素により受光する。ある一例では、光学装置１は、第１の光線Ｒ１の反射光を第１の画素ＰＸ１（図３参照）で受光し、第２の光線Ｒ２の反射光を第２の画素ＰＸ２（図３参照）で受光する。光学装置１による測定では、撮像部２、照明部３及び物体の表面５の三次元的な位置関係、照明部３に設けられる光学素子の三次元的な位置（光線経路の開始位置）、並びに、撮像部２のセンサー２１における画素の三次元的な位置（配置）は、予め設定された値（既知の値）である。
【0017】
この場合、第１の光線Ｒ１の光線方向（第１の光線方向）及び第２の光線Ｒ２の光線方向（第２の光線方向）は、第１の光線Ｒ１及び第２の光線Ｒ２を互いに対して区別する（識別する）ことにより算出できる。すなわち、第１の光線Ｒ１の光線方向及び第１の反射領域Ｑ１に基づいて、第１の反射領域Ｑ１から第１の画素ＰＸ１までの第１の光線Ｒ１の光線方向が算出される。また、第２の光線Ｒ２の光線方向及び第２の反射領域Ｑ２に基づいて、第２の反射領域Ｑ２から第２の画素ＰＸ２までの第２の光線Ｒ２の光線方向が算出される。さらに、前述した予め設定された値（撮像部２等の三次元的な位置関係、光学素子の三次元的な位置及び画素の三次元的な位置）、第１の光線Ｒ１の光線方向、第２の光線Ｒ２の光線方向から、三角測量の原理に基づいて、物体の表面５の反射領域の三次元の位置情報を算出できる。
【0018】
このため、光学装置１では、第１の光線Ｒ１の光線方向及び第２の光線Ｒ２の光線方向が区別されることが重要である。本実施形態では、照明部３から照射される複数の光線のそれぞれ、すなわち第１の光線Ｒ１及び第２の光線Ｒ２が、互いに対して異なる波長スペクトルを有する。そのため、後述するように、撮像部２及び処理部４が協働して、複数の光線のそれぞれの離散色相画素値の組を取得することにより、複数の光線のそれぞれの光線方向を識別できる。よって、本実施形態の光学装置１では、複数の光線の波長スペクトルが互いに対して近い場合でも、物体の表面５の形状を取得できる。
【0019】
図２は、第１の実施形態に係る光学装置において、物体の表面により反射された光の光スペクトルと離散色相値との関係の一例を示す概略図である。図２の左側は、物体の表面により反射された光スペクトル（線α）の波長及び強度の関係を概略的に示す。縦軸は波長を示し、横軸は強度を示す。また、図２の左側には、撮像部２のセンサーに設けられる波長フィルターの透過スペクトル（線β、線γ、線ε）を示す。本実施形態では、撮像部２のセンサー２１には、３つの波長フィルターが設けられる。第１の波長フィルターの透過スペクトルを線βで示す。第２の波長フィルターの透過スペクトルをγで示す。第３の波長フィルターの透過スペクトルを線εで示す。
【0020】
図２の右側は、物体の表面により反射された光が、撮像部の波長フィルターを通過した後に得られる離散色相値及び離散色相画素値の関係を概略的に示す。離散色相値とは、波長フィルターによって識別される波長のそれぞれに対して設定される離散的な値（番号）である。本実施形態では、第１の波長フィルターに対応する離散色相値は１であり、第２の波長フィルターに対応する離散色相値は２であり、第３の波長フィルターに対応する離散色相値は３である。離散色相値は、ＲＧＢ等の記号に対応させて設定してもよい。また、離散色相値の個数を離散色相数と称する。本実施形態では、離散色相数は３である。２以上の離散色相数を使用することで、色相の変化が判別しやすい。離散色相画素値は、離散色相値のそれぞれに対応する波長の光の強度を離散的な数値に変換した値である。そのため、撮像部２に入射する光の波長スペクトルによって、離散色相値のそれぞれに対応する離散色相画素値は異なる。離散色相値のうち、最大の離散色相画素値に対応する離散色相値を、代表離散色相値と称する。ある光線に対する離散色相画素値の組み合わせは、離散色相画素値の組として表される。本実施形態では、離散色相画素値の組は、ベクトル表記される。すなわち、離散色相画素値の組は、列番号が離散色相値に対応し、列のそれぞれの値が離散色相値に対応する離散色相画素値である。
【0021】
ある一例では、離散色相画素値は、８ビットの離散階調により表される。この場合、離散色相画素値の上限値は１０進数で２５５であり、離散色相画素値の下限値は１０進数で０である。図２の一例では、離散色相値１（第１の波長フィルター）に対応する離散色相画素値は２５５であり、離散色相値２（第２の波長フィルター）に対応する離散色相画素値は１０であり、離散色相値３（第３の波長フィルター）に対応する離散色相画素値は０である。この場合、離散色相画素値の組は（２５５，１０，０）と表記される。なお、離散色相画素値は、離散諧調により表されるものであれば、これに限られない。
【0022】
図２の一例に示すように、波長フィルターの透過スペクトル（波長分布）は、互いに重なりあっていてもよい。この場合、閾値が離散色相画素値に設定される。離散色相画素値が閾値以下である場合、離散色相画素値は０に設定される。離散色相画素値について閾値が設定されることで、透過スペクトルの重なり部分に対応する波長に対して２つの離散色相値が設定されることが防止される。よって、波長フィルターの波長領域と離散色相値とは、一対一に対応する。
【0023】
本実施形態では離散色相数が３であることから、図２の右側に示すように、３つの閾値Ｉｃ１～Ｉｃ３のそれぞれが、対応する離散色相画素値に設定される。すなわち、離散色相値１の離散色相画素値には閾値Ｉｃ１が設定される。離散色相値２の離散色相画素値には閾値Ｉｃ２が設定される。離散色相値３の離散色相画素値には閾値Ｉｃ３が設定される。離散色相値１の離散色相画素値が閾値Ｉｃ１以下である場合、離散色相値１の離散色相画素値は０に設定される。離散色相値２の離散色相画素値が閾値Ｉｃ２以下である場合、離散色相値２の離散色相画素値は０に設定される。離散色相値３の離散色相画素値が閾値Ｉｃ３以下である場合、離散色相値３の離散色相画素値は０に設定される。３つの閾値Ｉｃ１～Ｉｃ３は、離散色相値のそれぞれに対して適宜設定される。
【0024】
図３は、第１の実施形態に係る光学装置において、撮像部２により取得される撮影画像の一例を示す概略図である。撮像画像Ｉｍｇは、撮像部２により撮像された画像である。ここで、撮像画像（受光画像）とは、撮像部２の全ての画素のそれぞれにおける離散色相画素値の組み合わせである。また、第１の領域Ｐ１は、撮像部２の第１の画素ＰＸ１に対応する撮像画像Ｉｍｇの領域である。第２の領域Ｐ２は、撮像部２の第２の画素ＰＸ２に対応する撮像画像Ｉｍｇの領域である。第１のスポットＳ１は、第１の光線が第１の画素ＰＸ１に入射した際に照らす範囲を、撮像画像Ｉｍｇにおいて示す範囲である。第２のスポットＳ２は、第２の光線が第２の画素ＰＸ２に入射した際に照らす範囲を、撮像画像Ｉｍｇにおいて示す範囲である。
【0025】
前述のように、第１の光線Ｒ１が、物体の表面５の第１の反射領域Ｑ１で反射されて撮像部２に入射した後、第２の光線Ｒ２が、物体の表面５の第２の反射領域Ｑ２で反射されて撮像部２に入射する。すなわち、撮像部２は、第１の光線Ｒ１の撮像及び第２の光線Ｒ２の撮像の両方を含む撮像画像を取得する。図３の一例では、第１の光線Ｒ１が撮像部２の第１の画素ＰＸ１により受光され、第２の光線Ｒ２が撮像部２の第２の画素ＰＸ２により受光される。撮像画像Ｉｍｇでは、第１の領域Ｐ１が第１の画素ＰＸ１に対応する領域であり、第２の領域Ｐ２が第２の画素ＰＸ２に対応する領域である。よって、第１の領域Ｐ１は第１の光線Ｒ１の撮像であり、第２の領域Ｐ２は第２の光線Ｒ２の撮像である。また、第１のスポットＳ１の大きさ及び第２のスポットＳ２の大きさには、光の回折限界が存在するため、下限値が存在する。そのため、図３の一例に示すように、第１のスポットＳ１の大きさは、第１の領域Ｐ１の大きさ（第１の画素ＰＸ１の大きさ）より大きい。第２のスポットＳ２の大きさは、第２の領域Ｐ２の大きさ（第２の画素ＰＸ２の大きさ）より大きい。この例の場合、例えば、撮像部２の画素の大きさは１０μｍ未満である。
【0026】
ある一例では、第１の離散色相画素値の組は（２５５，１０，０）であり、第２の離散色相画素値の組は（１０，２５５，０）である。すなわち、第１の光線Ｒ１では、離散色相値１の離散色相画素値が２５５であり、離散色相値２の離散色相画素値が１０であり、離散色相値３の離散色相画素値が０である。また、第２の光線Ｒ２では、離散色相値１の離散色相画素値が１０であり、離散色相値２の離散色相画素値が２５５であり、離散色相値３の離散色相画素値が０である。処理部４は、第１の離散色相画素値の組及び第２の離散色相画素値の組の差に基づいて、第１の光線の光線方向及び第２の光線の光線方向を識別する。
【0027】
図４は、光学装置１の処理部４により実行される処理の一例を示す。図４の処理は、光学装置１において測定作業がされるたびに、処理部４によって実行される。したがって、図４の処理は、光学装置１の１回の作業において少なくとも実行される処理を示す。
【0028】
光学装置１では、処理部４が、照明部３から第１の光線Ｒ１を射出させる（Ｓ１０１）。処理部４は、第１の光線Ｒ１が射出されて撮像部２に到達する間は、撮像部２のシャッターを開き、撮像部２に物体の表面の撮像を開始させる（Ｓ１０２）。ここでは、撮像部２のシャッターを開く動作は、第１の光線Ｒ１が射出された直後でもそれ以前でも構わない。光線が撮像部２の画素で受光されたときを撮像の開始とする。処理部４は、撮像部２が第１の光線Ｒ１の反射光を受光した後（Ｓ１０３）、照明部３から第２の光線Ｒ２を射出させる（Ｓ１０４）。処理部４は、撮像部２のシャッターを開いた状態で維持する（Ｓ１０５）。処理部４は、撮像部２が第２の光線Ｒ２の反射光の受光をした後（Ｓ１０６）、撮像部２のシャッターを閉じる。すなわち、処理部４は、撮像部２による撮像を終了する（Ｓ１０７）。これにより、第１の光線Ｒ１による撮像及び第２の光線Ｒ２による撮像を含む撮像画像が、撮像部２により取得される。
【0029】
処理部４は、撮像部２が撮像した単一の撮像画像を取得する（Ｓ１０８）。処理部４は、第１の光線Ｒ１の撮像に対応する撮像画像の部位に基づいて、前述のようにして第１の離散色相画素値の組を算出する。処理部４は、第２の光線Ｒ２の撮像に対応する撮像画像の部位に基づいて、前述のようにして第２の離散色相画素値の組を算出する（Ｓ１０９）。処理部４は、第１の離散色相画素値の組に基づいて第１の光線Ｒ１の光線方向を算出する。処理部４は、第２の離散色相画素値の組に基づいて第２の光線Ｒ２の光線方向を算出する（Ｓ１１０）。以上により、第１の光線Ｒ１の光線方向及び第２の光線Ｒ２の光線方向が算出されるため、光学装置１は、第１の光線Ｒ１の光線方向及び第２の光線Ｒ２の光線方向を識別できる。
【0030】
本実施形態の光学装置１では、照明部３から物体の表面５に照射された第１の光線Ｒ１及び第２の光線Ｒ２を、撮像部２の第１の画素ＰＸ１及び第２の画素ＰＸ２が受光する。撮像部２は当該受光に基づいて撮像画像を撮像し、処理部４は撮像部２の撮像画像に基づいて、第１の光線Ｒ１の第１の光線方向及び第２の光線Ｒ２の第２の光線方向を算出する。これにより、本実施形態の光学装置１は、第１の光線Ｒ１の第１の光線方向及び第２の光線Ｒ２の第２の光線方向を識別できる。このように光線方向を識別することにより、物体の表面の形状を算出できる。
【0031】
本実施形態の光学装置１では、処理部４は、第１の画素ＰＸ１に対応する撮像画像Ｉｍｇの第１の領域Ｐ１に基づいて、第１の光線Ｒ１に関する離散色相画素値を含む第１の離散色相画素値の組を算出する。処理部４は、第２の画素ＰＸ２に対応する撮像画像Ｉｍｇの第２の領域Ｐ２に基づいて、第２の光線Ｒ２に関する離散色相画素値を含む第２の離散色相画素値の組を算出する。処理部４は、第１の離散色相画素値の組及び第２の離散色相画素値の組の両方に基づいて、第１の光線方向及び第２の光線方向を算出する。これにより、離散色相画素値の大小そのものでは第１の光線Ｒ１及び第２の光線Ｒ２が識別できない場合であっても、第１の光線及び第２の光線を識別できる。すなわち、第１の光線Ｒ１及び第２の光線Ｒ２の識別性能が向上する。よって、物体の表面５の形状の算出がより実行しやすくなる。
【0032】
本実施形態の光学装置１では、処理部４は、離散色相画素値が閾値より小さい場合は、離散色相画素値を０に設定する。これにより、波長フィルターの透過スペクトルが重なり合っている場合であっても、適切に離散色相値を設定できる。そのため、光学装置１に用いる波長フィルターとして選択可能な波長フィルターの種類が増える。これにより、物体の表面５の形状の算出が一層実行しやすくなる。
【0033】
（第１の実施形態の変形例）
図５に示すように、第１の実施形態の変形例では、照明部３の光源は、二次光源であってもよい。二次光源は、発光素子３１を備える。発光素子３１は、二次光源において、最も小さい発光面積を有する制御可能なデバイスである。発光素子３１が十分に小さいことから、発光素子３１は、点光源とみなせる。二次光源は、例えば、ＬＥＤアレイ及びＬＥＤ等の光源によって照明された液晶パネル等である。液晶パネルは、例えば、複数の画素を備えるとともに、複数の画素のそれぞれの発光が制御される。なお、発光素子３１が前述したほど小さくない場合であっても、発光素子３１から射出される光線群が平行光であると実質的にみなせる場合には、発光素子３１は点光源とみなせる。
図５に示すように、第１の実施形態の変形例では、照明部３の光源は、二次光源であってもよい。二次光源は、発光素子３１を備える。発光素子３１は、二次光源において、最も小さい発光面積を有する制御可能なデバイスである。発光素子３１が十分に小さいことから、発光素子３１は、点光源とみなせる。二次光源は、例えば、ＬＥＤアレイ及びＬＥＤ等の光源によって照明された液晶パネル等である。液晶パネルは、例えば、複数の画素を備えるとともに、複数の画素のそれぞれの発光が制御される。なお、発光素子３１が前述したほど小さくない場合であっても、発光素子３１から射出される光線群が平行光であると実質的にみなせる場合には、発光素子３１は点光源とみなせる。
【0034】
照明部３は、結像光学素子３２を備えていてもよい。結像光学素子３２は、点光源から発せられた複数の光線（光線群）を、光学的に共役の関係にある位置（共役位置）に集光させる。結像光学素子３２は、例えば、レンズ及び凸面ミラー等である。ある一例では、発光素子３１が光線群を射出する。発光素子３１から射出された光線は、結像光学素子３２によって、発光素子３１の位置と光学的に共役の関係にある位置（発光素子３１の共役位置）において集光される。本変形例では、発光素子３１の共役位置が、物体の表面５における第１の反射領域Ｑ１である。すなわち、発光素子３１の位置と、物体の表面５の第１の反射領域Ｑ１とは、光学的に共役の関係である。第１の光線経路ＲＰ１は、発光素子３１と物体の表面５の第１の反射領域Ｑ１とを結ぶ線（仮想線）に沿う経路である。光線方向は、発光素子３１と物体の表面５の光線の第１の反射領域Ｑ１とを結ぶ線に沿う方向である。
【0035】
本変形例では、前述したように照明部３の構成が第１の実施形態と異なるが、照明部３は第１の実施形態と同様に、第１の光線Ｒ１及び第２の光線Ｒ２を物体の表面５に照射する。そのため、処理部４は、第１の実施形態と同様の処理を実行する。すなわち、処理部４は、図４に示す処理Ｓ１０１～Ｓ１１０を実行する。よって、光学装置１は、第１の実施形態と同様に、第１の光線Ｒ１の光線方向及び第２の光線Ｒ２の光線方向を識別できる。
【0036】
本変形例では、前述の実施形態等と同様の作用及び効果に加えて、以下の作用及び効果を奏する。すなわち、本変形例では、照明部３が前述のように発光素子３１及び結像光学素子３２を備える。そのため、照明部３は、第１の反射領域Ｑ１に向かって、様々な方向から光線を当てることができる。また、光線を照射する方向を変化させることで、第１の反射領域Ｑ１から様々な方向に光線が反射される。そのため、光線の反射光が撮像部２に到達しやすい。例えば、物体の表面５が金属等の光沢面の場合、すなわち物体の表面５における正反射が強い場合であっても、光線が撮像部２に到達しやすくなる。したがって、光学装置１は物体の表面５に拘わらず光線方向を識別できるため、物体の表面５の形状の算出がより一層実行しやすくなる。
【0037】
（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る光学装置１は、前述の実施形態に係る光学装置１と同様であり、撮像部２、照明部３、処理部４を備える。本実施形態の光学装置１では、照明部３から射出される第１の光線Ｒ１及び第２の光線Ｒ２について、第１の光線Ｒ１の波長スペクトル及び第２の光線Ｒ２の波長スペクトルが互いに対して異なり、かつ、第１の光線Ｒ１の主波長と第２の光線Ｒ２の主波長が近い。ここで、主波長とは、撮像部２が完全白色板により反射させた光線を撮像した場合に、最大の離散色相画素値を有する離散色相値に対応する波長フィルターの透過スペクトルの透過領域内において、当該光線の波長スペクトルが最大となる波長である。また、完全白色板とは、全ての波長に対して同じ反射率スペクトルを持つものである。以下では、第１の実施形態と同様に、第１の画素ＰＸ１に第１の光線Ｒ１が入射し、第２の画素ＰＸ２に第２の光線Ｒ２が入射する場合を説明する。
第２の実施形態に係る光学装置１は、前述の実施形態に係る光学装置１と同様であり、撮像部２、照明部３、処理部４を備える。本実施形態の光学装置１では、照明部３から射出される第１の光線Ｒ１及び第２の光線Ｒ２について、第１の光線Ｒ１の波長スペクトル及び第２の光線Ｒ２の波長スペクトルが互いに対して異なり、かつ、第１の光線Ｒ１の主波長と第２の光線Ｒ２の主波長が近い。ここで、主波長とは、撮像部２が完全白色板により反射させた光線を撮像した場合に、最大の離散色相画素値を有する離散色相値に対応する波長フィルターの透過スペクトルの透過領域内において、当該光線の波長スペクトルが最大となる波長である。また、完全白色板とは、全ての波長に対して同じ反射率スペクトルを持つものである。以下では、第１の実施形態と同様に、第１の画素ＰＸ１に第１の光線Ｒ１が入射し、第２の画素ＰＸ２に第２の光線Ｒ２が入射する場合を説明する。
【0038】
本実施形態では、照明部３が第１の光線Ｒ１を射出すると、処理部４は、第１の光線Ｒ１が射出された直後あるいはそれよりも以前にシャッター２３を開き、撮像部２に物体の表面５の撮像を開始させる。第１の光線Ｒ１は、物体の表面５の第１の反射領域Ｑ１に入射するとともに、物体の表面５によって反射される。これにより、第１の光線Ｒ１の反射光が、第１の時刻ｔ１において撮像部２の第１の画素ＰＸ１に入射する。次に、照明部３が、第２の光線Ｒ２を射出する。第２の光線Ｒ２は、物体の表面５の第２の反射領域Ｑ２に入射するとともに、物体の表面５によって反射される。第２の反射領域Ｑ２は、物体の表面５において第１の反射領域Ｑ１と異なる反射領域である。これにより、第２の光線Ｒ２の反射光が、第２の時刻ｔ２において撮像部２の第２の画素ＰＸ２に入射する。処理部４は、第２の光線Ｒ２が撮像部２の第２の画素ＰＸ２に入射したのとほとんど同時又は直後に、撮像部２と協働して撮像部２のシャッター２３を閉じる。すなわち、撮像部２は、第１の光線Ｒ１による物体の表面５の撮像を停止する。
【0039】
この場合、撮像部２の第２の画素ＰＸ２は、第２の光線Ｒ２の反射光をほとんど受光しない。つまり、撮像部２において、第２の光線Ｒ２の反射光による受光（露光）時間は、第１の光線Ｒ１の反射光による受光（露光）時間に比べて短い。このようにして、撮像部２は、主に第１の光線Ｒ１による第１の撮像画像Ｉｍｇ１を取得する。次に、処理部４は、撮像部２と協働して撮像部２のシャッター２３を開く。照明部３は、撮像部２のシャッター２３が閉じている間も第２の光線Ｒ２を射出し続ける。これにより、第２の光線Ｒ２の反射光が、第２の時刻ｔ２において撮像部２に入射する。処理部４は、第２の光線Ｒ２が撮像部２に入射した後に、撮像部２と協働して撮像部２のシャッターを閉じる。すなわち、撮像部２は、第２の光線による物体の表面５の撮像を停止する。このようにして、撮像部２は、第２の光線Ｒ２による第２の撮像画像Ｉｍｇ２を取得する。言い換えれば、本実施形態では、撮像部２は、第１の光線Ｒ１による第１の撮像画像Ｉｍｇ１及び第２の光線による第２の撮像画像Ｉｍｇ２を取得する。
【0040】
図６は、第２の実施形態に係る光学装置において、撮像部２により取得される撮像画像Ｉｍｇ１，Ｉｍｇ２の一例を時系列に沿って示す概略図である。縦軸は、光学装置１による測定の経過時間を示す。第１の撮像画像Ｉｍｇ１は、撮像部２による第１の光線Ｒ１に基づく撮像画像である。第２の撮像画像Ｉｍｇ２は、撮像部２による第２の光線Ｒ２に基づく撮像画像である。本実施形態では、前述のようにして第１の撮像画像Ｉｍｇ１及び第２の撮像画像Ｉｍｇ２が取得される。そのため、第１の画素ＰＸ１の撮像に対応する第１の領域Ｐ１は、第１の撮像画像Ｉｍｇ１に存在し、第２の画素ＰＸ２の撮像に対応する第２の領域Ｐ２は、第２の撮像画像Ｉｍｇ２に存在する。処理部４は、第１の撮像画像Ｉｍｇ１に基づいて、第１の領域Ｐ１の第１の離散色相画素値の組を算出する。処理部４は、第２の撮像画像Ｉｍｇ２に基づいて、第２の領域Ｐ２の第２の離散色相画素値の組を算出する。前述の実施形態と同様に、処理部４は、第１の離散色相画素値の組及び第２の離散色相画素値の組の差に基づいて、第１の光線の光線方向及び第２の光線の光線方向を識別する。
【0041】
図７は、光学装置１の処理部４により実行される処理の一例を示す。処理Ｓ２０１～Ｓ２０４は、図４に示す第１の実施形態の処理Ｓ１０１～Ｓ１０４と同様である。本実施形態では、処理部４は、処理Ｓ２０４を実行した後に、第２の光線Ｒ２が撮像部２の第２の画素ＰＸ２に入射したのとほとんど同時又は直後に、撮像部２のシャッターを閉じる。これにより、処理部４は、撮像部２による撮像を停止させる（Ｓ２０５）。これにより、主に第１の光線に基づく第１の撮像画像Ｉｍｇ１が取得される。処理部４は、撮像部２による撮像を再開させる（Ｓ２０６）。処理Ｓ２０８～Ｓ２１１は、図４に示す第１の実施形態の処理Ｓ１０７～Ｓ１１０と同様である。ただし、処理Ｓ２０９及びＳ２１０では、処理部４は、第１の撮像画像Ｉｍｇ１に基づいて第１の光線Ｒ１に関連する処理を実行し、第２の撮像画像Ｉｍｇ２に基づいて第２の光線Ｒ２に関連する処理を実行する。以上により、第１の光線Ｒ１の光線方向及び第２の光線Ｒ２の光線方向が算出されるため、光学装置１は、第１の光線Ｒ１の光線方向及び第２の光線Ｒ２の光線方向を識別できる。
【0042】
本実施形態では、前述の実施形態等と同様の作用及び効果に加えて、以下の作用及び効果を奏する。すなわち、本実施形態では、第１の撮像画像Ｉｍｇ１に基づいて第１の光線Ｒ１の光線方向が算出され、第２の撮像画像Ｉｍｇ２に基づいて第２の光線Ｒ２の光線方向が算出される。そのため、第１の波長スペクトルの主波長と第２の波長スペクトルの主波長が近い場合でも、光学装置１は、第１の光線Ｒ１の光線方向及び第２の光線Ｒ２の光線方向を識別できる。これにより、光線方向の識別の誤差が低減され、光線方向が高精度に識別される。そのため、物体の表面５の形状の算出精度がより一層向上する。
【0043】
また、本実施形態では、照明部３から射出される光線の主波長が、第１の光線Ｒ１と第２の光線Ｒ２とで、ずれている。そのため、光学装置１では、撮像部２と照明部３との同期の状態がモニタリング可能である。したがって、撮像部２と照明部３とが互いに対して同期しなくなった場合、撮像部２と照明部３との制御を調整することで、同期の補正が実行可能である。例えば、撮像部２と照明部３との同期のずれは、撮像部２においてシャッター２３の開閉を高速に実行する場合に発生する。本実施形態では、同期の補正を実行できるため、撮像部２のシャッター２３の開閉をより高速に実行できる。したがって、物体の表面の形状の算出速度が一層速くなる。
【0044】
また、光線方向が識別できる条件の範囲内において、第１の光線Ｒ１の射出タイミングと第２の光線Ｒ２の射出タイミングとを近づけることができる。これにより、光学装置１により物体の表面５が測定される場合に、当該測定におけるリードタイムが短縮される。さらに、第１の光線Ｒ１及び第２の光線Ｒ２が撮像部２に同時に露光する場合であっても、光学装置１は、第１の光線Ｒ１の光線方向及び第２の光線Ｒ２の光線方向を識別できる。よって、光線方向の識別性能がさらに向上するとともに、物体の表面の形状の算出速度がさらに一層速くなる。
【0045】
（第２の実施形態の変形例）
ある変形例では、照射部３は、撮像部２における第１の光線Ｒ１の受光及び第２の光線Ｒ２の受光がずれる状態で、物体に第１の光線Ｒ１及び第２の光線Ｒ２を照射可能である。ある一例では、第１の光線Ｒ１が照明部３から射出された後に、第２の光線Ｒ２が照明具３から射出された場合でも、撮像部２は、物体の表面５の形状により、第２の光線Ｒ２を受光した後に、第１の光線Ｒ１を受光する。すなわち、撮像部２における第１の光線Ｒ１の受光及び第２の光線Ｒ２の受光はずれているが、照明部３からの光線の照射順序と、撮像部２の光線の受光順序が一致しない。この場合、処理部４は、第１の光線Ｒ１及び第２の光線Ｒ２を、それぞれに対応する主波長により、識別できる。言い換えれば、処理部４は、第１の光線Ｒ１及び第２の光線Ｒ２を、それぞれの色相により識別できる。例えば、光線が物体により反射されて撮像部２に到達するまでの時間を用いて物体までの距離を測定するＴＯＦ（Time of Flight）の場合、光学装置１は、前述のようにして第１の光線Ｒ１及び第２の光線Ｒ２を識別できる。そのため、本変形例の光学装置１では、光線方向の識別性能が一層向上するとともに、物体の表面５の形状を高精度かつ高速に推定できる。また、本変形例においても、光学装置１では前述と同様の処理が実行されるため、前述の実施形態等と同様の作用及び効果を奏する。
ある変形例では、照射部３は、撮像部２における第１の光線Ｒ１の受光及び第２の光線Ｒ２の受光がずれる状態で、物体に第１の光線Ｒ１及び第２の光線Ｒ２を照射可能である。ある一例では、第１の光線Ｒ１が照明部３から射出された後に、第２の光線Ｒ２が照明具３から射出された場合でも、撮像部２は、物体の表面５の形状により、第２の光線Ｒ２を受光した後に、第１の光線Ｒ１を受光する。すなわち、撮像部２における第１の光線Ｒ１の受光及び第２の光線Ｒ２の受光はずれているが、照明部３からの光線の照射順序と、撮像部２の光線の受光順序が一致しない。この場合、処理部４は、第１の光線Ｒ１及び第２の光線Ｒ２を、それぞれに対応する主波長により、識別できる。言い換えれば、処理部４は、第１の光線Ｒ１及び第２の光線Ｒ２を、それぞれの色相により識別できる。例えば、光線が物体により反射されて撮像部２に到達するまでの時間を用いて物体までの距離を測定するＴＯＦ（Time of Flight）の場合、光学装置１は、前述のようにして第１の光線Ｒ１及び第２の光線Ｒ２を識別できる。そのため、本変形例の光学装置１では、光線方向の識別性能が一層向上するとともに、物体の表面５の形状を高精度かつ高速に推定できる。また、本変形例においても、光学装置１では前述と同様の処理が実行されるため、前述の実施形態等と同様の作用及び効果を奏する。
【0046】
ある変形例では、光学装置１は、複数の撮像部２を備えていてもよい。複数の撮像部２の構成は同一であっても異なっていてもよい。ただし、複数の撮像部２は、照明部３から射出された光線を受光できる構成を少なくとも備える。ある一例では、光学装置１は、２つの撮像部を備える。これにより、本変形例では、光学装置１が、物体の表面５の形状に関する情報をより多く取得できる。この場合、複数の撮像部２の互いに対する同期がずれていても、処理部４は、光線のそれぞれの色相を識別することにより、複数の撮像部２を同期させられる。また、本変形例においても、光学装置１では前述と同様の処理が実行されるため、前述の実施形態等と同様の作用及び効果を奏する。
【0047】
（第３の実施形態）
第３の実施形態に係る光学装置１は、前述の実施形態に係る光学装置１と同様である。また、第２の実施形態に係る光学装置１と同様に、本実施形態の光学装置１では、第１の光線Ｒ１の波長スペクトル及び第２の光線Ｒ２の波長スペクトルが互いに対して異なり、かつ、第１の光線Ｒ１の主波長と第２の光線Ｒ２の主波長が近い。以下では、前述の実施形態と同様に、第１の画素ＰＸ１に第１の光線Ｒ１が入射し、第２の画素ＰＸ２に第２の光線Ｒ２が入射する場合を説明する。
第３の実施形態に係る光学装置１は、前述の実施形態に係る光学装置１と同様である。また、第２の実施形態に係る光学装置１と同様に、本実施形態の光学装置１では、第１の光線Ｒ１の波長スペクトル及び第２の光線Ｒ２の波長スペクトルが互いに対して異なり、かつ、第１の光線Ｒ１の主波長と第２の光線Ｒ２の主波長が近い。以下では、前述の実施形態と同様に、第１の画素ＰＸ１に第１の光線Ｒ１が入射し、第２の画素ＰＸ２に第２の光線Ｒ２が入射する場合を説明する。
【0048】
本実施形態では、撮像部２において、第２の画素ＰＸ２は第１の画素ＰＸ１の近傍に位置する。ある一例では、第２の画素ＰＸ２は、第１の画素ＰＸ１に隣接する。また、処理部４は、第２の実施形態と同様にして、撮像部２及び照明部３を制御する。ただし、本実施形態では第２の実施形態とは異なり、処理部４は、第１の光線Ｒ１の反射光が撮像部２の第１の画素ＰＸ１に入射した直後に、撮像部２のシャッター２３を閉じる。言い換えれば、処理部４は、第２の光線Ｒ２の反射光が撮像部２に入射する直前に、撮像部２のシャッター２３を閉じる。このようにして、撮像部２は、第１の光線Ｒ１による第１の撮像画像Ｉｍｇ１を取得する。そのため、本実施形態では、第１の撮像画像Ｉｍｇ１には第２の光線Ｒ２の反射光が撮像されない。
【0049】
図８は、第３の実施形態に係る光学装置において、撮像部２により取得される撮像画像Ｉｍｇ１，Ｉｍｇ２の一例を時系列に沿って示す概略図である。縦軸は、光学装置１による測定の経過時間を示す。本実施形態では、撮像部２において、第２の画素ＰＸ２は第１の画素ＰＸ１の近傍に位置する。そのため、図８の一例に示すように、第１の撮像画像Ｉｍｇ１及び第２の撮像画像Ｉｍｇ２において、第２の領域Ｐ２は第１の領域Ｐ１の近傍に位置する。前述した光の回折限界により、第１のスポットＳ１の大きさ及び第２のスポットＳ２の大きさは、第１の領域Ｐ１及び第２の領域Ｐ２よりも大きい。そのため、第１のスポットＳ１の一部は第２の領域Ｐ２の一部と重なり、第２のスポットＳ２の一部は第１の領域Ｐ１の一部と重なる。すなわち、第１の光線Ｒ１は第２の画素ＰＸ２の一部で受光される可能性があり、第２の光線Ｒ２は第１の画素ＰＸ１の一部で受光される可能性がある。
【0050】
本実施形態では、前述のように、処理部４は、第２の光線Ｒ２の反射光が撮像部２に入射する直前に、撮像部２のシャッター２３を閉じる。そのため、前述のようにスポットＳ１，Ｓ２が画素ＰＸ１，ＰＸ２の両方に重なっている場合でも、第２の光線Ｒ２が、第１の画素ＰＸ１に照射されず、第１の光線Ｒ１が第２の画素ＰＸ２に照射されない。そして、第２の実施形態と同様に、処理部４は、第１の撮像画像Ｉｍｇ１及び第２の撮像画像Ｉｍｇ２に基づいて、第１の離散色相画素値の組及び第２の離散色相画素値の組を算出する。
【0051】
本実施形態では、処理部４は、図７に示す第２の実施形態の処理Ｓ２０１～Ｓ２１１と同様の処理を実行する。ただし、処理部４は、処理Ｓ２０４を実行した後に、第２の光線Ｒ２が撮像部２の第２の画素ＰＸ２に入射する直前に、撮像部２のシャッター２３を閉じる。これにより、撮像部２による撮像を停止させる（Ｓ２０５）。以上により、第１の光線方向及び第２の光線方向が算出されるため、光学装置１は、第１の光線方向及び第２の光線方向を識別できる。
【0052】
本実施形態では、前述の実施形態等と同様の作用及び効果に加えて、以下の作用及び効果を奏する。すなわち、本実施形態では、処理部４は、第２の光線Ｒ２が撮像部２の第２の画素ＰＸ２に入射する直前に、撮像部２のシャッター２３を閉じ、撮像部２が第１の撮像画像Ｉｍｇ１を取得する。そのため、第１の撮像画像Ｉｍｇ１は、第２の光線Ｒ２に露光していない状態で取得される。よって、光線方向の識別の誤差がさらに低減され、光線方向がより一層高精度に識別される。そのため、物体の表面の形状の算出精度がさらに一層向上する。
【0053】
（第３の実施形態の第１の変形例）
第３の実施形態の第１の変形例に係る光学装置１は、前述の実施形態に係る光学装置１と同様である。図９に示すように、本変形例では、照明部３は、第１の光線Ｒ１及び第２の光線Ｒ２に加えて、第３の光線Ｒ３及び第４の光線Ｒ４を照射することが、前述の実施形態等とは異なる。第３の光線Ｒ３及び第４の光線Ｒ４のそれぞれは、第３の波長を主成分とする第３の波長スペクトル及び第４の波長を主成分とする第４の波長スペクトルを有する。第１の波長スペクトル～第４の波長スペクトルは互いに対して異なる。また、第１の波長と第４の波長との差はほとんどない又は比較的小さく、第３の波長と第２の波長との差は比較的大きい。ある一例では、第１の波長は４５０ｎｍ（青光）であり、第２の波長は６５０ｎｍ（赤光）である。また、第３の波長は４５０ｎｍ（青光）であり、第４の波長は５５０ｎｍ（緑光）である。すなわち、第３の波長は第１の波長と同じである。なお、第１の波長～第４の波長は、これに限られるものではない。
第３の実施形態の第１の変形例に係る光学装置１は、前述の実施形態に係る光学装置１と同様である。図９に示すように、本変形例では、照明部３は、第１の光線Ｒ１及び第２の光線Ｒ２に加えて、第３の光線Ｒ３及び第４の光線Ｒ４を照射することが、前述の実施形態等とは異なる。第３の光線Ｒ３及び第４の光線Ｒ４のそれぞれは、第３の波長を主成分とする第３の波長スペクトル及び第４の波長を主成分とする第４の波長スペクトルを有する。第１の波長スペクトル～第４の波長スペクトルは互いに対して異なる。また、第１の波長と第４の波長との差はほとんどない又は比較的小さく、第３の波長と第２の波長との差は比較的大きい。ある一例では、第１の波長は４５０ｎｍ（青光）であり、第２の波長は６５０ｎｍ（赤光）である。また、第３の波長は４５０ｎｍ（青光）であり、第４の波長は５５０ｎｍ（緑光）である。すなわち、第３の波長は第１の波長と同じである。なお、第１の波長～第４の波長は、これに限られるものではない。
【0054】
図９に示すように、第１の光線Ｒ１及び第３の光線Ｒ３は、第１の光線経路ＲＰ１に沿って、照明部３から射出される。第４の光線Ｒ４及び第２の光線Ｒ２は、第２の光線経路ＲＰ２に沿って、照明部３から射出される。すなわち、第３の光線Ｒ３の光線方向は、第１の光線Ｒ１の光線方向（第１の光線方向）と一致又は略一致する。第４の光線Ｒ４の光線方向は、第２の光線Ｒ２の光線方向（第２の光線方向）と一致又は略一致する。第１の光線Ｒ１が照明部３から射出される時刻は、第４の光線Ｒ４が照明部３から射出される時刻とほとんど同じである。また、第３の光線Ｒ３が照明部３から射出される時刻は、第２の光線Ｒ２が照明部３から射出される時刻とほとんど同じである。すなわち、第１の光線Ｒ１は第４の光線Ｒ４と実質的に同じ時刻に照明部３から射出され、第３の光線Ｒ３は第２の光線Ｒ２と実質的に同じ時刻に照明部３から射出される。なお、照明部３から射出される時刻が実質的に同じ（実質的に同時）であるとは、処理部４（撮像部２）が、少なくとも２種の光線が撮像部２に同時に到達したと認識することを意味する。つまり、処理部４の時間分解能を基準にして同時か否かが定義される。
【0055】
本変形例では、照明部３が第１の光線Ｒ１及び第４の光線Ｒ４を射出すると、処理部４が、第１の光線Ｒ１及び第４の光線Ｒ４が射出された直後にシャッター２３を開き、撮像部２に物体の表面５の撮像を開始させる。第１の光線Ｒ１は第１の反射領域Ｑ１により反射され、第４の光線Ｒ４は第２の反射領域Ｑ２により反射される。これにより、第１の光線Ｒ１の反射光が撮像部２の第１の画素ＰＸ１に入射し、第４の光線Ｒ４の反射光が撮像部２の第２の画素ＰＸ２に入射する。処理部４は、第１の光線Ｒ１の反射光（第４の光線Ｒ４の反射光）が第１の画素ＰＸ１（第２の画素ＰＸ２）に入射した直後に、撮像部２のシャッター２３を閉じる。このようにして、撮像部２は、第１の光線Ｒ１及び第４の光線Ｒ４による第１の撮像画像Ｉｍｇ１を取得する。
【0056】
次に、照明部３が、第３の光線Ｒ３及び第２の光線Ｒ２を射出する。第３の光線Ｒ３は第１の反射領域Ｑ１により反射され、第２の光線Ｒ２は第２の反射領域Ｑ２により反射される。処理部４は、第３の光線Ｒ３の反射光及び第２の光線Ｒ２の反射光が撮像部２に入射する前に撮像部２のシャッター２３を開く。これにより、第１の光線Ｒ１の反射光が撮像部２の第１の画素ＰＸ１に入射し、第２の光線Ｒ２の反射光が撮像部２の第２の画素ＰＸ２に入射する。その後、処理部４は撮像部２のシャッター２３を閉じる。すなわち、撮像部２は、第３の光線Ｒ３及び第２の光線Ｒ２による物体の表面５の撮像を停止する。このようにして、撮像部２は、第３の光線Ｒ３及び第２の光線Ｒ２による第２の撮像画像Ｉｍｇ２を取得する。
【0057】
図１０は、本変形例の光学装置において、撮像部２により取得される撮像画像の一例を時系列に沿って示す概略図である。縦軸は、光学装置１による測定の経過時間を示す。本変形例でも、撮像部２において、第２の画素ＰＸ２は第１の画素ＰＸ１の近傍に位置する。そのため、図１０の一例に示すように、第１の光線Ｒ１及び第３の光線Ｒ３は第２の画素ＰＸ２の一部で受光される可能性があり、第４の光線Ｒ４及び第２の光線Ｒ２は第１の画素ＰＸ１の一部で受光される可能性がある。また、本変形例では、第１の光線Ｒ１と第４の光線Ｒ４とは実質的に同時に撮像部２に入射し、第３の光線Ｒ３と第２の光線Ｒ２とは実質的に同時に撮像部２に入射する。
【0058】
第１の撮像画像Ｉｍｇ１において、第１の画素ＰＸ１は、第１の光線Ｒ１を主に受光するとともに、第４の光線Ｒ４を第１の光線Ｒ１と実質的に同時に受光する。第２の画素ＰＸ２は、第４の光線Ｒ４を主に受光するとともに、第１の光線Ｒ１を第４の光線Ｒ４と実質的に同時に受光する。処理部４は、第１の撮像画像Ｉｍｇ１において、第１の画素ＰＸ１に対応する第１の離散色相画素値の組、及び、第２の画素ＰＸ２に対応する第２の離散色相画素値の組を算出する。具体的には、第１の画素ＰＸ１における離散色相画素値及び第２の画素ＰＸ２における離散色相画素値は、第１の光線Ｒ１に対応する離散色相画素値と、第４の光線Ｒ４に対応する離散色相画素値とを足し合わせた値となる。この場合、前述のように第１の波長と第４の波長との差が小さいことから、第１の光線Ｒ１と第４の光線Ｒ４との組み合わせ次第では、第１の離散色相画素値の組及び第２の離散色相画素値の組が、互いに対して同じ又はほとんど同じになることがある。すなわち、第１の離散色相画素値の組と第２の離散色相画素値の組との差がほとんどない。そのため、処理部４は、第１の撮像画像Ｉｍｇ１に基づいて、第１の光線方向及び第２の光線方向を識別することが難しい。
【0059】
第２の撮像画像Ｉｍｇ２において、第１の画素ＰＸ１は、第３の光線Ｒ３を主に受光するとともに、第２の光線Ｒ２を第３の光線Ｒ３と実質的に同時に受光する。第２の画素ＰＸ２は、第２の光線Ｒ２を主に受光するとともに、第３の光線Ｒ３を第２の光線Ｒ２と実質的に同時に受光する。処理部４は、第１の撮像画像Ｉｍｇ１の場合と同様にして、第２の撮像画像Ｉｍｇ２に基づいて、第１の離散色相画素値の組及び第２の離散色相画素値の組を算出する。この場合、前述のように第３の波長と第２の波長との差が比較的大きいことから、第１の離散色相画素値の組及び第２の離散色相画素値の組が比較的大きく異なる。そのため、処理部４は、第２の撮像画像Ｉｍｇ２に基づいて、第１の光線方向及び第２の光線方向を識別できる。
【0060】
ある一例では、第１の撮像画像Ｉｍｇ１において、第１の画素ＰＸ１が受光する第１の光線Ｒ１の離散色相画素値の組は（２４０，６０，０）であり、第１の画素ＰＸ１が受光する第４の光線Ｒ４の離散色相画素値の組は（５０，２００，５０）である。また、第２の画素ＰＸ２が受光する第１の光線Ｒ１の離散色相画素値の組は（２００，５０，０）であり、第２の画素ＰＸ２が受光する第４の光線Ｒ４の離散色相画素値の組は（６０，２４０，６０）である。第２の撮像画像Ｉｍｇ２において、第１の画素ＰＸ１が受光する第３の光線Ｒ３の離散色相画素値の組は（２４０，６０，０）であり、第１の画素ＰＸ１が受光する第２の光線Ｒ２の離散色相画素値の組は（０，５０，２００）である。また、第２の画素ＰＸ２が受光する第３の光線Ｒ３の離散色相画素値の組は（２００，５０，０）であり、第２の画素ＰＸ２が受光する第２の光線Ｒ２の離散色相画素値の組は（０，６０，２００）である。
【0061】
この例では、離散色相画素値の上限値は、１０進数において２５５である。そのため、前述のように離散色相画素値の組を算出すると、第１の撮像画像Ｉｍｇ１において、第１の画素ＰＸ１における第１の離散色相画素値の組は（２５５，２５５，５０）となり、第２の画素ＰＸ２における第２の離散色相画素値の組は（２５５，２５５，６０）となる。そのため、第１の離散色相画素値の組と第２の離散色相画素値の組の差が小さい。この場合、処理部４は、第１の撮像画像Ｉｍｇ１に基づいて、第１の光線Ｒ１の光線方向及び第４の光線Ｒ４の光線方向を識別することが難しい。一方、第２の撮像画像Ｉｍｇ２において、第１の画素ＰＸ１における第１の離散色相画素値の組は（２４０，１１０，２００）となり、第２の画素ＰＸ２における第２の離散色相画素値の組は（２００，１１０，２４０）となる。そのため、第１の離散色相画素値の組と第２の離散色相画素値の組の差が比較的大きい。よって、この場合、処理部４は、第２の撮像画像Ｉｍｇ２に基づいて、第３の光線Ｒ３の光線方向及び第２の光線Ｒ２の光線方向を識別できる。
【0062】
本変形例では、処理部４は、図７に示す第２の実施形態の処理Ｓ２０１～Ｓ２１１と同様の処理を実行する。ただし、Ｓ２０１において、処理部４は第１の光線Ｒ１に加えて第４の光線Ｒ４を射出する。撮像部２は、Ｓ２０３において、第１の光線Ｒ１及び第４の光線Ｒ４を受光する。Ｓ２０４において、処理部４は第２の光線Ｒ２に加えて第３の光線Ｒ３を射出する。また、処理部４は、処理Ｓ２０４を実行した後に、第２の光線Ｒ２及び第３の光線Ｒ３が撮像部２の第２の画素ＰＸ２に入射する直前に、撮像部２のシャッターを閉じる。これにより、撮像部２による撮像を停止させる（Ｓ２０５）。撮像部２は、Ｓ２０７において、第２の光線Ｒ２及び第３の光線Ｒ３を受光する。以上により、第３の光線Ｒ３の光線方向及び第２の光線Ｒ２の光線方向が算出されるため、光学装置１は、第３の光線Ｒ３の光線方向及び第２の光線Ｒ２光線方向を識別できる。
【0063】
本変形例では、前述の実施形態等と同様の作用及び効果に加えて、以下の作用及び効果を奏する。すなわち、本変形例では、照明部３は、第１の光線Ｒ１及び第２の光線Ｒ２に加えて、第３の光線Ｒ３及び第４の光線Ｒ４を物体の表面５に、前述のように照射する。物体の表面５の形状や色の分布が測定時に不明である場合、測定前に光線の波長における最適な組み合わせを設定することは難しい。このような場合であっても、本変形例の光学装置１では、第１の光線Ｒ１～第４の光線Ｒ４を前述のように設定し、かつ、第１の撮像画像Ｉｍｇ１及び第２の撮像画像Ｉｍｇ２を用いることで、光線の方向が識別される。したがって、物体の表面５の形状がより確実に算出される。
【0064】
（第３の実施形態の第２の変形例）
第３の実施形態の第２の変形例に係る光学装置１は、前述の実施形態に係る光学装置１と同様である。図１１に示すように、本変形例では、照明部３は、第１の光線Ｒ１～第４の光線Ｒ４に加えて、第５の光線Ｒ５及び第６の光線Ｒ６を照射することが、前述の実施形態等とは異なる。第１の光線Ｒ１～第６の光線Ｒ６のそれぞれは、第１の光線経路ＲＰ１～第６の光線経路ＲＰ６に沿って照明部３から射出される。第１の光線Ｒ１～第６の光線Ｒ６のそれぞれは、第１の反射領域Ｑ１～第６の反射領域Ｑ６により反射される。第５の光線Ｒ５及び第６の光線Ｒ６のそれぞれは、第５の波長を主成分とする第５の波長スペクトル及び第６の波長を主成分とする第６の波長スペクトルを有する。第１の波長スペクトル～第６の波長スペクトルは互いに対して異なる。ある一例では、第１の波長は４５０ｎｍ（青光）であり、第２の波長は６５０ｎｍ（赤光）である。また、第３の波長は４５０ｎｍ（青光）であり、第４の波長は５５０ｎｍ（緑光）である。第５の波長は６５０ｎｍ（赤光）であり、第６の波長は５５０ｎｍ（緑光）である。すなわち、第３の波長は第１の波長と同じであり、第５の波長は第２の波長と同じであり、第６の波長は第４の波長と同じである。なお、第１の波長～第６の波長は、これに限られるものではない。
第３の実施形態の第２の変形例に係る光学装置１は、前述の実施形態に係る光学装置１と同様である。図１１に示すように、本変形例では、照明部３は、第１の光線Ｒ１～第４の光線Ｒ４に加えて、第５の光線Ｒ５及び第６の光線Ｒ６を照射することが、前述の実施形態等とは異なる。第１の光線Ｒ１～第６の光線Ｒ６のそれぞれは、第１の光線経路ＲＰ１～第６の光線経路ＲＰ６に沿って照明部３から射出される。第１の光線Ｒ１～第６の光線Ｒ６のそれぞれは、第１の反射領域Ｑ１～第６の反射領域Ｑ６により反射される。第５の光線Ｒ５及び第６の光線Ｒ６のそれぞれは、第５の波長を主成分とする第５の波長スペクトル及び第６の波長を主成分とする第６の波長スペクトルを有する。第１の波長スペクトル～第６の波長スペクトルは互いに対して異なる。ある一例では、第１の波長は４５０ｎｍ（青光）であり、第２の波長は６５０ｎｍ（赤光）である。また、第３の波長は４５０ｎｍ（青光）であり、第４の波長は５５０ｎｍ（緑光）である。第５の波長は６５０ｎｍ（赤光）であり、第６の波長は５５０ｎｍ（緑光）である。すなわち、第３の波長は第１の波長と同じであり、第５の波長は第２の波長と同じであり、第６の波長は第４の波長と同じである。なお、第１の波長～第６の波長は、これに限られるものではない。
【0065】
図１１に示すように、第１の光線Ｒ１～第６の光線Ｒ６のそれぞれは、第１の光線経路ＲＰ１～第６の光線経路ＲＰ６に沿って、照明部３から照射される。第１の光線Ｒ１、第４の光線Ｒ４及び第５の光線Ｒ５が照明部３から射出される時刻は、互いに対してほとんど同じである。第２の光線Ｒ２、第３の光線Ｒ３及び第６の光線Ｒ６が照明部３から射出される時刻は、互いに対してほとんど同じである。すなわち、第５の光線Ｒ５は、第１の光線Ｒ１及び第４の光線Ｒ４と実質的に同じ時刻に、照明部３から射出される。第６の光線Ｒ６は、第２の光線Ｒ２及び第３の光線Ｒ３と実質的に同じ時刻に、照明部３から射出される。
【0066】
本変形例では、前述の第１の変形例と同様にして、撮像部２及び照明部３を制御する。ただし、本変形例では前述の第１の変形例とは異なり、第１の光線Ｒ１、第４の光線Ｒ４及び第５の光線Ｒ５のそれぞれが、照明部３から実質的に同じ時刻に射出され、第１の反射領域Ｑ１、第４の反射領域Ｑ４及び第５の反射領域Ｑ５により反射される。これにより第１の光線Ｒ１の反射光、第４の光線Ｒ４の反射光及び第５の光線Ｒ５の反射光のそれぞれが、第１の画素ＰＸ１、第２の画素ＰＸ２及び第３の画素ＰＸ３に入射する。撮像部２は、第１の光線Ｒ１、第４の光線Ｒ４及び第５の光線Ｒ５による第１の撮像画像Ｉｍｇ１を取得する。また、第２の光線Ｒ２、第３の光線Ｒ３及び第６の光線Ｒ６のそれぞれが、照明部３から実質的に同じ時刻に射出され、第２の反射領域Ｑ２、第３の反射領域Ｑ３及び第６の反射領域Ｑ６により反射される。これにより、第３の光線Ｒ３の反射光、第２の光線Ｒ２の反射光及び第６の光線Ｒ６の反射光のそれぞれが、第４の画素ＰＸ４、第５の画素ＰＸ５及び第６の画素ＰＸ６に入射する。撮像部２は、第２の光線Ｒ２、第３の光線Ｒ３及び第６の光線Ｒ６による第２の撮像画像Ｉｍｇ２を取得する。
【0067】
図１２は、本変形例の光学装置において、撮像部２により取得される撮像画像Ｉｍｇ１，Ｉｍｇ２の一例を時系列に沿って示す概略図である。縦軸は、光学装置１による測定の経過時間を示す。本変形例では、第１の光線Ｒ１、第４の光線Ｒ４及び第５の光線Ｒ５は実質的に同時に撮像部２に入射し、第３の光線Ｒ３、第２の光線Ｒ２及び第６の光線Ｒ６は実質的に同時に撮像部２に入射する。図１２の一例では、第１の光線Ｒ１、第４の光線Ｒ４及び第５の光線Ｒ５のそれぞれが、第１の画素ＰＸ１、第２の画素ＰＸ２及び第３の画素ＰＸ３により受光される。そして、第１の撮像画像Ｉｍｇ１では、第１の領域Ｐ１、第２の領域Ｐ２及び第３の領域Ｐ３のそれぞれが、第１の画素ＰＸ１、第２の画素ＰＸ２及び第３の画素ＰＸ３に対応する。また、第３の光線Ｒ３、第２の光線Ｒ２及び第６の光線Ｒ６のそれぞれが、第４の画素ＰＸ４、第５の画素ＰＸ５及び第６の画素ＰＸ６により受光される。そして、第２の撮像画像Ｉｍｇ２では、第４の領域Ｐ４、第５の領域Ｐ５及び第６の領域Ｐ６のそれぞれが、第４の画素ＰＸ４、第５の画素ＰＸ５及び第６の画素ＰＸ６に対応する。
【0068】
本変形例では、複数の画素のそれぞれにおいて、前述した代表離散色相値を用いる。代表離散色相値は、複数の画素のそれぞれにおける離散色相値のうち最も大きい離散色相画素値に対応する離散色相値である。第１の撮像画像Ｉｍｇ１において、処理部４は、第１の画素ＰＸ１～第３の画素ＰＸ３に対応する第１の離散色相画素値～第３の離散色相画素値を前述のようにして算出する。本変形例では、離散色相数は３であることから、第１の画素ＰＸ１～第３の画素ＰＸ３のそれぞれに対応する代表離散色相値は１，２，３のいずれかの値である。また、第２の撮像画像Ｉｍｇ２において、処理部４は、第４の画素ＰＸ４～第６の画素ＰＸ６に対応する第４の離散色相画素値～第６の離散色相画素値を前述のようにして算出する。第１の撮像画像Ｉｍｇ１と同様に、第４の画素ＰＸ４～第６の画素ＰＸ６のそれぞれに対応する代表離散色相値は１，２，３のいずれかの値である。
【0069】
ある一例では、第１の波長及び第３の波長は４５０ｎｍ（青光）であり、第２の波長及び第５の波長は６５０ｎｍ（赤光）であり、第４の波長及び第６の波長は５５０ｎｍ（緑光）である。また、ＲＧＢにおいて、離散色相値１を記号Ｂに対応させ、離散色相値２を記号Ｇに対応させ、離散色相値３を記号Ｒに対応させる。そして、第１の光線Ｒ１～第６の光線Ｒ６のそれぞれが、前述のように第１の画素ＰＸ１～第６の画素ＰＸ６により受光される。この場合、第１の画素は第１の光線Ｒ１を受光するため、第１の代表離散色相値は１である。第２の画素は第４の光線Ｒ４を受光するため、第２の代表離散色相値は２である。第３の画素は第５の光線Ｒ５を受光するため、第３の代表離散色相値は３である。第４の画素は第３の光線Ｒ３を受光するため、第４の代表離散色相値は１である。第５の画素は第２の光線Ｒ２を受光するため、第５の代表離散色相値は３である。第６の画素は第６の光線Ｒ６を受光するため、第６の代表離散色相値は２である。
【0070】
この場合、第１の画素ＰＸ１～第３の画素ＰＸ３のそれぞれの代表離散色相値は、第１の画素ＰＸ１～第３の画素ＰＸ３のそれぞれの離散色相画素値よりも、明確かつロバストである。これは、離散色相画素値が物体の表面５によって大きく変化する可能性がある一方で、物体の表面５による光線の強度変化と比べて、光線の主波長の変化が小さいことに起因する。処理部４は、代表離散色相値を用いることで、第１の撮像画像Ｉｍｇ１に基づいて、第１の光線Ｒ１の光線方向、第４の光線Ｒ４の光線方向及び第５の光線Ｒ５の光線方向を識別可能である。また、処理部４は、第２の撮像画像Ｉｍｇ２に基づいて、第２の光線Ｒ２の光線方向、第３の光線Ｒ３の光線方向及び第６の光線Ｒ６の光線方向を識別可能である。
【0071】
本変形例では、処理部４は、図７に示す第２の実施形態の処理Ｓ２０１～Ｓ２１１と同様の処理を実行する。ただし、Ｓ２０１において、処理部４は第１の光線Ｒ１に加えて第４の光線Ｒ４及び第５の光線Ｒ５を射出する。撮像部２は、Ｓ２０３において、第１の光線Ｒ１、第４の光線Ｒ４及び第５の光線Ｒ５を受光する。Ｓ２０４において、処理部４は第２の光線Ｒ２に加えて第３の光線Ｒ３及び第６の光線Ｒ６を射出する。また、処理部４は、処理Ｓ２０４を実行した後に、第２の光線Ｒ２、第３の光線Ｒ３及び第６の光線Ｒ６が撮像部２の第２の画素ＰＸ２に入射する直前に、撮像部２のシャッターを閉じる。これにより、撮像部２による撮像を停止させる（Ｓ２０５）。撮像部２は、Ｓ２０７において、第２の光線Ｒ２、第３の光線Ｒ３及び第６の光線Ｒ６を受光する。また、処理部４は、Ｓ２１０において離散色相画素値の組に加えて、代表離散色相値を算出する。以上により、第１の光線Ｒ１の光線方向～第６の光線Ｒ６の光線方向が算出されるため、光学装置１は、第１の光線Ｒ１の光線方向～第６の光線Ｒ６の光線方向を識別できる。
【0072】
本変形例では、前述の実施形態等と同様の作用及び効果に加えて、以下の作用及び効果を奏する。すなわち、本変形例では、前述のように、第１の撮像画像Ｉｍｇ１及び第２の撮像画像Ｉｍｇ２に基づいて、第１の光線Ｒ１の光線方向～第６の光線Ｒ６の光線方向を識別できる。したがって、本変形例では、離散色相数より多い数の光線方向を識別できる。また、処理部４は、第１の光線Ｒ１の代表離散色相値～第６の光線Ｒ６の代表離散色相値に基づいて、第１の光線Ｒ１の光線方向～第６の光線Ｒ６の光線方向を識別する。そのため、光学装置１では、離散色相画素値の微小な測定誤差等に影響されることなく、光線方向を識別することができる。よって、物体の表面５の形状がさらに確実に算出される。
【0073】
（第４の実施形態）
図１３に示すように、第４の実施形態に係る光学装置１は、前述の実施形態等に係る光学装置１と同様である。本実施形態に係る光学装置１では、照明部３が、初期光源４１、初期レンズ４２、波長可変フィルター４３、回折光学素子４４及び結像レンズ４５を備える。初期光源４１は、少なくとも第１の波長及び第２の波長を含む白色光を射出可能である。初期光源４１は、例えば白色ＬＥＤである。ある一例では、第１の波長は４５０ｎｍであり、第２の波長は６５０ｎｍである。初期レンズ４２は、初期光源４１から射出された光線を平行光に変換する。波長可変フィルター４３は、波長可変フィルター４３に入射した光線から特定の波長スペクトルを選択する。
図１３に示すように、第４の実施形態に係る光学装置１は、前述の実施形態等に係る光学装置１と同様である。本実施形態に係る光学装置１では、照明部３が、初期光源４１、初期レンズ４２、波長可変フィルター４３、回折光学素子４４及び結像レンズ４５を備える。初期光源４１は、少なくとも第１の波長及び第２の波長を含む白色光を射出可能である。初期光源４１は、例えば白色ＬＥＤである。ある一例では、第１の波長は４５０ｎｍであり、第２の波長は６５０ｎｍである。初期レンズ４２は、初期光源４１から射出された光線を平行光に変換する。波長可変フィルター４３は、波長可変フィルター４３に入射した光線から特定の波長スペクトルを選択する。
【0074】
本実施形態では、波長可変フィルター４３は、初期光源４１から射出されるとともに初期レンズ４２により平行光に変換された光線から、特定の波長スペクトルを有する光線を選択する。波長可変フィルター４３は、選択する波長を電気的な作用により経時的に変化させることができる。すなわち、波長可変フィルター４３は、機械的な駆動により波長を経時的に変化させるもの（例えば、ガルバノミラー）ではない。ある一例では、波長可変フィルター４３は、液晶チューナブルフィルターである。液晶チューナブルフィルターとしては、例えば、Ｔｈｏｒｌａｂｓ社製Ｋｕｒｉｏｓ－ＶＢＩが挙げられる。なお、波長可変フィルター４３はこれに限るものではない。
【0075】
回折光学素子４４は、光線を回折させるとともに、光線の進行方向を変化させる。回折光学素子４４は、透過型であってもよく、反射型であってもよい。本実施形態では、回折光学素子４４は、透過型であるとともに、ピッチΛの周期的なグレーティング構造を備える。照明部３において、結像レンズ４５は、結像レンズ４５の光軸が回折光学素子４４の法線方向と一致又は略一致する状態で、配置される。なお、これに限られるものではない。
【0076】
本実施形態では、前述したように、初期光源４１から射出された光線群は初期レンズ４２によって平行光に変換され、波長可変フィルター４３により特定の波長を主成分とする平行光に変換される。ここでは、特定の波長をλとする。この平行光は、回折光学素子４４によって回折され、結像レンズ４５を通過して物体の表面５に到達する。回折光学素子４４における回折角θは、結像レンズ４５の光軸、すなわち回折光学素子４４の法線方向と光線方向のなす角である。このとき、回折角θ及び波長λは次の関係を満たす。
【0077】
ｓｉｎθ＝±ｍλ／Λ （１）
ここで、ｍは整数である。
ここで、ｍは整数である。
【0078】
ある一例において、Λが１０μｍであり、かつ、ｍが１である場合、式（１）に基づくと、１μｍ以下の波長範囲では、波長が長いほど回折角が大きくなる。本実施形態では、前述したように、第２の波長は第１の波長よりも波長が大きい。よって、第２の波長を有する第２の光線Ｒ２の回折角θ２は、第１の波長を有する第１の光線Ｒ１の回折角θ１よりも大きい。また、前述のように、波長可変フィルター４３の選択波長を経時的に切り替えることにより、波長可変フィルター４３を透過する光線が経時的に変化する。そのため、例えば、波長可変フィルター４３の選択波長を経時的に大きくしていくにつれて、波長可変フィルター４３を透過する光線の波長が経時的に大きくなる。これにより、回折角θが経時的に大きくなる。
【0079】
本実施形態の光学装置１では、処理部４は、波長可変フィルター４３の選択波長として第１の波長を設定する。初期光源４１から射出された白色光線は、波長可変フィルター４３により、第１の波長を主成分とする平行光である第１の光線Ｒ１に変換される。第１の光線Ｒ１は、回折光学素子４４により第１の光線経路ＲＰ１に沿って射出される。前述の実施形態等と同様に、第１の光線Ｒ１は、物体の表面５の第１の反射領域Ｑ１において反射される。処理部４は、前述の実施形態等と同様に、撮像部２のシャッター２３を開閉して撮像部２に第１の光線Ｒ１を受光させる。処理部４は、波長可変フィルター４３の選択波長を第２の波長に設定する。初期光源から射出された白色光線は、波長可変フィルター４３により第２の波長を主成分とする平行光である第２の光線Ｒ２に変換される。第２の光線Ｒ２は、回折光学素子４４により第２の光線経路ＲＰ２に沿って射出される。前述の実施形態等と同様に、第２の光線Ｒ２は、物体の表面５の第２の反射領域Ｑ２において反射される。処理部４は、前述の実施形態と同様に、撮像部２のシャッター２３を開閉して、撮像部２に第２の光線Ｒ２を受光させる。
【0080】
本実施形態では、処理部４による撮像部２のシャッターの制御は、前述の実施形態等に記載した制御のいずれであってもよい。すなわち、処理部４は、撮像部２に第１の光線Ｒ１が入射する前にシャッター２３を開き、かつ、撮像部２に第２の光線Ｒ２が入射した後にシャッター２３を閉じてもよい。また、処理部４は、撮像部２に第１の光線Ｒ１が入射する前にシャッター２３を開くとともに、撮像部２に第１の光線Ｒ１が入射した直後、かつ、撮像部２に第２の光線Ｒ２が入射した直後に撮像部２のシャッター２３を開閉し、撮像部２に第２の光線Ｒ２が入射した後にシャッター２３を閉じてもよい。また、処理部４は、撮像部２に第１の光線Ｒ１が入射する前にシャッターを開くとともに、撮像部２に第１の光線Ｒ１が入射した直後、かつ、撮像部２に第２の光線Ｒ２が入射する直前に撮像部２のシャッター２３を開閉し、撮像部２の第２の光線Ｒ２が入射した後にシャッター２３を閉じてもよい。処理部４による撮像部２の制御は、第１の光線Ｒ１及び第２の光線Ｒ２の組み合わせ等により、適宜設定される。
【0081】
以上のようにして、撮像部２は、第１の光線Ｒ１及び／又は第２の光線Ｒ２に基づく撮像画像を取得する。処理部４は、当該撮像画像に基づいて、第１の離散色相画素値の組及び第２の離散色相画素値の組を算出する。処理部４は、第１の離散色相画素値の組及び第２の離散色相画素値の組の差に基づいて、第１の光線Ｒ１の光線方向及び第２の光線Ｒ２の光線方向を識別する。また、処理部４は、第１の離散色相画素値の組から第１の代表離散色相値を算出し、第２の離散色相画素値の組から第２の代表離散色相値を算出してもよい。この場合、処理部４は、第１の代表離散色相値及び第２の代表離散色相値に基づいて、第１の光線Ｒ１の光線方向及び第２の光線Ｒ２の光線方向を識別する。
【0082】
本実施形態では、前述の実施形態等と同様の作用及び効果に加えて、以下の作用及び効果を奏する。すなわち、本実施形態では、照明部３が波長可変フィルター４３及び回折光学素子４４を備える。照明部３では、初期光源４１から射出された白色光が波長可変フィルター４３を透過することで、特定の波長スペクトルを有する光線が選択的に透過される。波長可変フィルター４３は、選択する波長を経時的に変化させることで、回折光学素子４４による光線の回折角θを変化させる。これにより、本実施形態の光学装置１は、物体の表面５の測定箇所に対して光線を照射できる。
【0083】
また、本実施形態では、波長可変フィルター４３が、選択する波長を電気的な作用により経時的に変化させる。そのため、光線方向の切り替えが高速に実行される。これにより、異なる波長スペクトルを有する光線が物体の表面５に素早く照射されるため、光学装置１による光線方向の識別がより速く実行される。したがって、物体の表面５の形状の算出がさらに速く実行しやすくなる。また、波長可変フィルター４３が電気的な作用により選択する波長を変化させるため、例えば光学装置１が振動しても、光学装置１は物体の表面５を安定して測定できる。なお、本実施形態では離散色相数が１であってもよい。この場合、撮像部２は、例えばモノクロカメラであってもよい。
【0084】
（第４の実施形態の変形例）
図１４に示すように、本変形例では、光軸Ｏに沿って、初期レンズ４２、回折光学素子４４、波長可変フィルター４３、結像レンズ４５が、この順に配置される。初期光源４１は、初期レンズ４２の焦点に配置される。そして、光軸Ｏは、複数の光学素子のそれぞれの中心を通る。図１４及び図１５に示すように、本変形例では、初期レンズ４２は導光体である。導光体は、例えば、アクリル、ポリカーボネート、ガラス、石英等から形成される。導光体としては、例えば、複合放物面型集光器（ＣＰＣ；Compound parabolic concentrator）である。初期レンズ４２は、回折光学素子４４が位置する側に、光線の射出面４２Ｔを備える。初期レンズ４２は、回折光学素子４４が位置する側とは反対側に、反射面４２Ｓを備える。本変形例では、反射面４２Ｓは放物面である。また、初期レンズ４２の光軸Ｏに沿って延設される一対の側面は、初期レンズ４２の内部を通過した光線が全反射する状態で形成される。すなわち、初期レンズ４２の一対の側面は、内部全反射する状態で形成される。ある一例では、初期レンズ４２の一対の側面は、鏡面研磨されている。
図１４に示すように、本変形例では、光軸Ｏに沿って、初期レンズ４２、回折光学素子４４、波長可変フィルター４３、結像レンズ４５が、この順に配置される。初期光源４１は、初期レンズ４２の焦点に配置される。そして、光軸Ｏは、複数の光学素子のそれぞれの中心を通る。図１４及び図１５に示すように、本変形例では、初期レンズ４２は導光体である。導光体は、例えば、アクリル、ポリカーボネート、ガラス、石英等から形成される。導光体としては、例えば、複合放物面型集光器（ＣＰＣ；Compound parabolic concentrator）である。初期レンズ４２は、回折光学素子４４が位置する側に、光線の射出面４２Ｔを備える。初期レンズ４２は、回折光学素子４４が位置する側とは反対側に、反射面４２Ｓを備える。本変形例では、反射面４２Ｓは放物面である。また、初期レンズ４２の光軸Ｏに沿って延設される一対の側面は、初期レンズ４２の内部を通過した光線が全反射する状態で形成される。すなわち、初期レンズ４２の一対の側面は、内部全反射する状態で形成される。ある一例では、初期レンズ４２の一対の側面は、鏡面研磨されている。
【0085】
本変形例では、初期光源４１から射出された光線群は、初期レンズ４２の反射面４２Ｓによって反射される。初期光源４１から射出された光線群が発散光である場合、反射面４２Ｓで反射された反射光は、光軸Ｏに沿う方向について平行光に変換される。ただし、反射光は、光軸Ｏに交差する方向について平行光に変換されない。反射光は前述の状態で、初期レンズ４２中を導光され、射出面４２Ｔに到達する。反射光は、射出面４２Ｔから射出されることで、光軸Ｏに交差する方向についても平行光に変換される。以上により、初期光源４１から射出された光線群は、平行光に変換される。
【0086】
本変形例では、前述の実施形態等と同様の作用及び効果に加えて、以下の作用及び効果を奏する。すなわち、本変形例では、前述のような構成であるため、初期光源４１からの光が、実質的にすべて初期レンズ４２に入射する。そして、初期レンズ４２により、初期光源４１からの光が平行光に変換される。そのため、初期光源４１からの光の平行光への変換効率が向上する。
【0087】
なお、上述の各実施形態及び変形例に係る技術は、適宜組み合わせられる。ある一例では、第４の実施形態に係る技術は、第１の実施形態～第３の実施形態等に係る技術と組み合わせられる。別のある一例では、第４の実施形態の変形例に係る技術は、第１の実施形態～第３の実施形態等に係る技術と組み合わせられる。
【0088】
これらの少なくとも一つの実施形態の光学装置１では、照明部から物体に照射された第１の光線及び第２の光線を、撮像部の第１の画素及び第２の画素が受光する。撮像部は当該受光に基づいて撮像画像を撮像し、処理部は撮像部の撮像画像に基づいて、第１の光線の第１の光線方向及び第２の光線の第２の光線方向を算出する。これにより、光学装置１では、複数の光線のそれぞれの光線方向を識別できる。
【0089】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
以下、原出願の特許出願時の特許請求の範囲を付記する。
［付記１］
第１の波長を有する第１の光線と、前記第１の波長とは異なる第２の波長を有する第２の光線とを物体に照射可能な照明部と、
前記物体への前記第１の光線の照射による光を受光可能な第１の画素と、前記物体への前記第２の光線の照射による光を受光可能な第２の画素とを備え、前記第１の画素による前記第１の光線の受光及び前記第２の画素による前記第２の光線の受光に基づいて、撮像画像を撮像可能な撮像部と、
前記撮像部により撮像された前記撮像画像に基づいて、前記第１の光線の第１の光線方向及び前記第２の光線の第２の光線方向を算出する処理部と、
を備える光学装置。
［付記２］
前記処理部は、
前記第１の光線が前記第１の画素で受光されたことに基づいて、前記撮像部に第１の撮像画像を撮像させ、
前記第２の光線が前記第２の画素で受光されたことに基づいて、前記撮像部に第２の撮像画像を撮像させる、
付記１に記載の光学装置。
［付記３］
前記処理部は、
前記撮像画像における前記第１の画素に対応する第１の領域に基づいて、前記第１の光線に関する離散色相画素値を含む第１の離散色相画素値の組を算出し、
前記撮像画像における前記第２の画素に対応する第２の領域に基づいて、前記第２の光線に関する離散色相画素値を含む第２の離散色相画素値の組を算出し、
前記第１の離散色相画素値の組及び前記第２の離散色相画素値の組の両方に基づいて、前記第１の光線方向及び前記第２の光線方向を算出する、
付記１又は２に記載の光学装置。
［付記４］
前記処理部は、前記離散色相画素値が前記離散色相画素値の閾値より小さい場合は、前記離散色相画素値を０に設定する、
付記３に記載の光学装置。
［付記５］
前記処理部は、
前記第１の離散色相画素値の組の中で最も大きい前記離散色相画素値に対応する離散色相値である第１の代表離散色相値を算出し、
前記第２の離散色相画素値の組の中で最も大きい前記離散色相画素値に対応する離散色相値である第２の代表離散色相値を算出し、
前記第１の代表離散色相値及び前記第２の代表離散色相値の両方に基づいて、前記第１の光線方向及び前記第２の光線方向を算出する、
付記３又は４に記載の光学装置。
［付記６］
前記照明部は、前記撮像部における前記第１の光線の受光及び前記第２の光線の受光がずれる状態で、前記物体に前記第１の光線及び前記第２の光線を照射可能である、
付記１～５のいずれか１に記載の光学装置。
［付記７］
前記照明部は、前記第１の波長とは異なる第３の波長を有する第３の光線を、前記第１の光線と実質的に同時に前記第２の光線方向へ射出可能である、
付記１～６のいずれか１に記載の光学装置。
［付記８］
前記照明部は、電気的な作用により選択波長を変更可能な波長可変フィルターと、前記照明部から射出された前記第１の光線及び前記第２の光線を回折可能な回折光学素子と、さらに備え、
前記照明部は、
前記選択波長として設定された前記第１の波長を有する前記第１の光線を、前記回折光学素子で回折することにより、前記第１の光線方向に射出し、
前記選択波長として設定された前記第２の波長を有する前記第２の光線を、前記回折光学素子で回折することにより、前記第２の光線を前記第２の光線方向に射出する、
付記１～７のいずれか１に記載の光学装置。
［付記９］
前記照明部は、
白色光線を発光する光源と、
前記光源から射出された前記白色光線を反射する反射面を備えるとともに、入射した前記白色光線を平行光として射出する導光体と、
を具備する、付記１～８のいずれか１に記載の光学装置。
以下、原出願の特許出願時の特許請求の範囲を付記する。
［付記１］
第１の波長を有する第１の光線と、前記第１の波長とは異なる第２の波長を有する第２の光線とを物体に照射可能な照明部と、
前記物体への前記第１の光線の照射による光を受光可能な第１の画素と、前記物体への前記第２の光線の照射による光を受光可能な第２の画素とを備え、前記第１の画素による前記第１の光線の受光及び前記第２の画素による前記第２の光線の受光に基づいて、撮像画像を撮像可能な撮像部と、
前記撮像部により撮像された前記撮像画像に基づいて、前記第１の光線の第１の光線方向及び前記第２の光線の第２の光線方向を算出する処理部と、
を備える光学装置。
［付記２］
前記処理部は、
前記第１の光線が前記第１の画素で受光されたことに基づいて、前記撮像部に第１の撮像画像を撮像させ、
前記第２の光線が前記第２の画素で受光されたことに基づいて、前記撮像部に第２の撮像画像を撮像させる、
付記１に記載の光学装置。
［付記３］
前記処理部は、
前記撮像画像における前記第１の画素に対応する第１の領域に基づいて、前記第１の光線に関する離散色相画素値を含む第１の離散色相画素値の組を算出し、
前記撮像画像における前記第２の画素に対応する第２の領域に基づいて、前記第２の光線に関する離散色相画素値を含む第２の離散色相画素値の組を算出し、
前記第１の離散色相画素値の組及び前記第２の離散色相画素値の組の両方に基づいて、前記第１の光線方向及び前記第２の光線方向を算出する、
付記１又は２に記載の光学装置。
［付記４］
前記処理部は、前記離散色相画素値が前記離散色相画素値の閾値より小さい場合は、前記離散色相画素値を０に設定する、
付記３に記載の光学装置。
［付記５］
前記処理部は、
前記第１の離散色相画素値の組の中で最も大きい前記離散色相画素値に対応する離散色相値である第１の代表離散色相値を算出し、
前記第２の離散色相画素値の組の中で最も大きい前記離散色相画素値に対応する離散色相値である第２の代表離散色相値を算出し、
前記第１の代表離散色相値及び前記第２の代表離散色相値の両方に基づいて、前記第１の光線方向及び前記第２の光線方向を算出する、
付記３又は４に記載の光学装置。
［付記６］
前記照明部は、前記撮像部における前記第１の光線の受光及び前記第２の光線の受光がずれる状態で、前記物体に前記第１の光線及び前記第２の光線を照射可能である、
付記１～５のいずれか１に記載の光学装置。
［付記７］
前記照明部は、前記第１の波長とは異なる第３の波長を有する第３の光線を、前記第１の光線と実質的に同時に前記第２の光線方向へ射出可能である、
付記１～６のいずれか１に記載の光学装置。
［付記８］
前記照明部は、電気的な作用により選択波長を変更可能な波長可変フィルターと、前記照明部から射出された前記第１の光線及び前記第２の光線を回折可能な回折光学素子と、さらに備え、
前記照明部は、
前記選択波長として設定された前記第１の波長を有する前記第１の光線を、前記回折光学素子で回折することにより、前記第１の光線方向に射出し、
前記選択波長として設定された前記第２の波長を有する前記第２の光線を、前記回折光学素子で回折することにより、前記第２の光線を前記第２の光線方向に射出する、
付記１～７のいずれか１に記載の光学装置。
［付記９］
前記照明部は、
白色光線を発光する光源と、
前記光源から射出された前記白色光線を反射する反射面を備えるとともに、入射した前記白色光線を平行光として射出する導光体と、
を具備する、付記１～８のいずれか１に記載の光学装置。
【符号の説明】
【0090】
１…光学装置、２…撮像部、３…照明部、４…処理部、４２…初期レンズ、４２Ｓ…反射面、４３…波長可変フィルター、４４…回折光学素子、Ｉｃ１～Ｉｃ３…閾値、Ｉｍｇ…撮像画像、ＰＸ１…第１の画素、ＰＸ２…第２の画素、Ｒ１…第１の光線、Ｒ２…第２の光線。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
