JP2008128729A - 形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定物の広い面積（例えば全体またはほぼ全体）を測定するのに有利な形状測定装置を提供する。
【解決手段】形状測定装置は、被測定物８を載せる載置面２０をもちレーザ光を透過可能な透過部材２を保持する透過部材保持部３と、透過部材に載せられている被測定物８にレーザ光を投光する投光部４と、投光部４から投光されたレーザ光の照射部分の反射光を撮像する撮像部５と、撮像部５で撮像された撮像データを格納する撮像データ格納部６と、透過部材の載置面２０の仮想線の回りに沿って投光部４を回動させ、回動に伴い被測定物８に対して投光部４を相対移動させる第１駆動部７とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、被測定物の形状を測定する形状測定装置に関する。

従来、被測定物を粘土で固定する測定台と、レーザ光源から投光されたレーザ光を被測定物に導く出射光学系と、被測定物に照射されたレーザ光のスポット光を撮像する撮像部と、スポット光を被測定物の表面で走査する走査部と、撮像部で捉えたレーザ光のスポット光の像をもとに被測定物の表面のレーザ光のスポット光の位置を演算する制御系とを備える形状測定装置が知られている（特許文献１）。このものによれば、三角測量の原理により、被測定物の形状を測定することにしている。

更に、被測定物の長手方向の端部を掴んで保持する保持部と、保持部で保持されている被測定物にレーザスリット光を照射する投光部と、被測定物の形状を把握することが可能な撮像範囲を有する広域測定用撮像部と、被測定物を相対回動させる駆動部と、撮像部で撮像された撮像データから断面形状データを演算する演算部とを備えている断面形状測定装置が知られている（特許文献２）。このものにおいても、三角測量の原理により、被測定物の形状を測定することにしている。

ところで、考古学の現場において、発掘された石器等の遺物の形状の測定は、人の手作業によるスケッチにより行われている。この場合、できるだけ正確なスケッチとするため、多大な工数と時間がかけられている。更に、手作業故に、人によるバラツキがあり、スケッチの信頼性の向上には限界がある。例えば、定規、ノギスを用いて、石器等の遺物の表面、裏面、右側面、左側面、上面、下面の合計６面をスケッチして実測図とするが、人の手作業によるスケッチによると、多大な工数と時間がかけられており、更に、スケッチの信頼性の向上には限界がある。
特開２００４−３５４１３６号公報 特開２００１−３０４８２７号公報

上記した特許文献１，２に係る技術を石器等の被測定物の形状測定に適用しようとしても、石器等の被測定物の大きな面積（例えば全体またはほぼ全体）を測定するには限界がある。

本発明は上記した実状に鑑みなされてたものであり、被測定物の大きな面積（例えば全体またはほぼ全体）を測定するのに有利な形状測定装置を提供することを課題とする。

（１）様相１に係る形状測定装置は、被測定物を載せる載置面および載置面に背向する背向面をもちレーザ光を透過可能な透過部材を保持する透過部材保持部と、透過部材に載せられている被測定物にレーザ光を投光する投光部と、投光部から被測定物に投光されたレーザ光の照射部分の反射光を撮像する撮像部と、撮像部で撮像された撮像データを格納する撮像データ格納部と、撮像データ格納部の撮像データに基づいて被測定物の形状を求める演算部と、透過部材の載置面および背向面に投光部および撮像部が対向するように、透過部材の載置面上の仮想線の回りに沿って投光部と撮像部を回動させ、回動に伴い被測定物に対して投光部と撮像部を相対移動させる第１駆動部を具備することを特徴とする。

様相１によれば、透過部材保持部に保持されている透過部材の載置面に被測定物を載せる。この状態で、透過部材に載せられている被測定物に投光部はレーザ光を投光する。投光部から投光されたレーザ光の照射部分を撮像部は撮像する。撮像部で撮像された撮像データは撮像データ格納部に格納される。第１駆動部は、透過部材の載置面の仮想線の回りに沿って投光部と撮像部を回動させる。投光部と撮像部の回動に伴い、被測定物の回りで投光部と撮像部は相対移動する。このため投光部と撮像部を被測定物の全域またはほぼ全域で相対移動させれば、被測定物の大きな面積（例えば全域またはほぼ全域）での形状測定が可能となる。

透過部材保持部は、被測定物を載せる載置面をもつ透過部材を保持するものをいう。透過部材は無機ガラス、有機ガラスでも良く、要するにレーザ光が透過できれば良い。透過部材としては板状が好ましいが、これに限定されるものではない。被測定物としては、貝殻、石等の自然物、車両や産業機器に搭載される部品、石器等の遺物などが例示される。被測定物の材質としては特に限定されず、金属、セラミックス、樹脂、木材、天然鉱物が例示される。投光部は、透過部材に載せられている被測定物にレーザ光を投光する。投光部が被測定部に投光するレーザ光としては、測定時間の短縮等を考慮すると、ピンポイント光よりも、スリット状をなすレーザスリット光が好ましい。レーザ光としては、Ｐ偏光でも良いし、Ｓ偏光でも良い。Ｐ偏光は、光波の電場ベクトルが透過部材の入射面（載置面に垂直な面）に対して平行な光を意味する。Ｓ偏光は、光波の電場ベクトルが透過部材の入射面（載置面に垂直な面）に対して垂直な光を意味する。Ｐ偏光の反射率はＳ偏光の反射率よりも小さい特性を有するため、反射に起因するノイズを低減させるためには、Ｐ偏光が好ましい。撮像部は、投光部から投光されたレーザ光の照射部分を撮像する。撮像部としては、投光部を挟むように配置された２台の撮像素子を備えることが好ましい。撮像データ格納部は、撮像部で撮像された撮像データを格納するものである。演算部は、撮像データ格納部の撮像データに基づいて被測定物の形状を求めるものである。第１駆動部は、透過部材の載置面の仮想線の回りに沿って投光部と撮像部を回動させ、回動に伴い被測定物の回りで投光部と撮像部を相対移動させるものをいう。この場合、第１駆動部としては、透過部材の載置面の仮想線の回りに沿って投光部を３００度以上、殊に３６０度回動させることが好ましい。第１駆動部は、モータ装置、シリンダ装置等を用いて形成できる。

（２）様相２に係る形状測定装置によれば、様相１において、透過部材に載せられている被測定物を投光部に対して相対移動させる第２駆動部が設けられていることを特徴とする。この場合、第２駆動部は、透過部材に載せられている被測定物を投光部に対して相対移動させる。このため、被測定物の全域またはほぼ全域を測定するのに有利となる。第２駆動部は、透過部材に載せられている被測定物を投光部に対して相対移動させるものであれば良く、モータ装置、シリンダ装置を用いたものが例示される。

（３）様相３に係る形状測定装置によれば、様相１または２において、Ｘ方向およびＹ方向を水平２次元方向とし、Ｚ方向を高さ方向とするとき、第２駆動部は、被測定物を透過部材に載せたままＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に移動させるＸＹＺ駆動部と、被測定物を透過部材に載せたまま、Ｘ方向およびＹ方向で規定される面に沿って、少なくとも１８０度回動させる回動駆動部とを備えていることを特徴とする。この場合、ＸＹＺ駆動部は、被測定物を透過部材に載せたままＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に移動させる。回動駆動部は、被測定物を透過部材に載せたまま少なくとも１８０度回動させる。このため、被測定物の大きな面積（例えば全域またはほぼ全域）を測定するのに有利となる。ＸＹＺ駆動部としては、被測定物を透過部材に載せたままＺ方向に移動させるＺ方向駆動部と、被測定物を透過部材に載せたままＹ方向に移動させるＹ方向駆動部と、被測定物を透過部材に載せたままＸ方向に移動させるＸ方向駆動部とをもつ形態が例示される。回動駆動部は、被測定物を透過部材に載せたまま少なくとも１８０度回動させるものであれば、何でも良い。

（４）様相４に係る形状測定装置によれば、様相１〜３において、投光部が被測定部に投光するレーザ光は、Ｐ偏光またはＳ偏光であることを特徴とする。

透過部材に対してレーザ光の入射角が増加するときには、Ｐ偏光の反射率がＳ偏光の反射率よりも小さい特性を有する。このためＰ偏光であれば、反射光ノイズの低減に有利である。またＳ偏光であれば、高い反射率を有するため、反射率の低い被測定物の反射像を撮像できるという利点が得られる。

（５）様相５に係る形状測定装置によれば、様相１〜４において、投光部から投光されるレーザ光が透過部材の載置面に斜め方向から入射する位置になるように、投光部は前記透過部材に対して回動することを特徴とする。Ｐ偏光の反射率はＳ偏光の反射率よりも小さい特性を有する。投光部から投光されるレーザ光が透過部材の載置面に斜め方向から入射するため、レーザ光がＰ偏光であれば、反射光ノイズの低減に有利である。

本発明によれば、透過部材の載置面に沿った仮想線の回りに沿って投光部と撮像部を回動させ、回動に伴い被測定物に対して投光部と撮像部を相対移動させる。このため被測定物の形状の大きな面積（例えば全体またはほぼ全体）を撮像して測定するのに有利となる。

本発明によれば、透過部材はレーザ光を透過可能である。このため透過部材のうち被測定物を載置している載置面の反対側である背向面に投光部および撮像部が対向するように投光部と撮像部を配置し、投光部から投光したレーザ光を透過部材に透過させることにより、被測定物の裏面をも撮像することができる。この意味においても、被測定物の大きな面積（例えば全体またはほぼ全体）を測定するのに有利となる。

（実施形態１）
本発明の実施形態１について図１〜図７を参照して説明する。図１は形状測定装置の概念を示す。図１に示すように、形状撮像装置として機能する形状測定装置は、脚１ｃを有する基台１と、被測定物８（被撮像物、ワーク）を載せる透過部材として機能する透過板２と、透過板２を保持する透過板保持部３と、透過板２に載せられている被測定物８にレーザ光を投光する投光部４と、投光部４から被測定物８に投光されたレーザ光の照射部分からの反射光を撮像する撮像部５と、撮像部５で撮像された撮像データを格納する撮像データ格納部として機能する画像メモリ６、透過板２の載置面２０上に仮想的に規定された仮想線Ｍの回りに沿って投光部４を縦方向に沿って回動させる第１駆動部７とを備えている。

図２に示すように、投光部４は、半導体レーザ（波長：６６０ナノメートル）で構成された投光素子４０と、投光素子４０の先方（被測定物８側）に配置された透光レンズとして機能するシリンドリカルレンズ４１と、シリンドリカルレンズ４１の先方（被測定物８側）に設けられた１／２波長板４２（光学波長板）とを備えている。１／２波長板４２は、光の偏光面を回動させる機能をもつ電子工学的な複屈折板をいう。シリンドリカルレンズ４１は透過面４１ａおよび屈折面４１ｃをもつレンズであり、レーザ光のスポットの縦横のうち一方向を拡大でき、ポイント状のレーザ光からスリット状のレーザ光、つまり、レーザスリット光４７を形成できる。屈折面４１ｃは円筒形状の一部を形成する。レーザスリット光４７は、光が進行するにつれてスリット扇状に拡開するスリット縁４７ａ，４７ｃを有する。

半導体レーザで形成されている投光素子４０は楕円発光している。レーザスリット光４７を生成する場合には、通常、より広い範囲でスリット幅を細くするため、発光楕円の長軸方向を、投光部４に装備されているシリンドリカルレンズ４１で広げる。この状態ではレーザスリット光４７はＳ偏光（光波の電場ベクトルが透過板２の入射面に対して垂直な光を意味する）となる。しかしながらレーザスリット光４７は１／２波長板４２を透過するため、レーザスリット光４７はＰ偏光（光波の電場ベクトルが透過板２の入射面に対して平行な光を意味する）となる。

投光部４の投光素子４０の出力（強度）はレーザ出力制御部３３０により制御される。特にレーザ出力制御部３３０は、投光素子４０から投光されるレーザスリット光４７の投光強度を制御する。上記したレーザスリット光４７はＰ偏光とされている。

透過板２は透明板（厚み：５〜８ミリメートル、材質：フロートガラス）であり、外周２５をもつ円板形状とされている。透過板２は投光素子４０のレーザスリット光４７を透過させることができる。透過板２は、上面である載置面２０と、載置面２０の背向する背向面２２（図３参照）とを備えている。載置面２０および背向面２２は水平面に沿っており、平坦状をなしている。透過板２の載置面２０には被測定物８が着脱可能に載せられる。透過板２は被測定物８よりも投影面積が大きいことが好ましい。載置面２０は２次元的な水平面状であるため、粘土等で被測定物８を保持せずとも良く、透過板２の載置面２０の適宜の位置に被測定物８を載せれば良い。なお、場合によっては、被測定物８の姿勢の安定性が悪いときには、必要に応じて、粘土等で被測定物８を透過板２の載置面２０に保持しても良い。

図１において、撮像部５は、投光部４の投光素子４０から投光されたレーザスリット光４７の照射部分の反射光を撮像するものである。撮像部５は、被測定物８に凹凸があったとしても、被測定物８における測定死角を減らすように、投光素子４０を挟む位置に配置されたＣＣＤ素子で形成された２個の撮像素子、つまり第１撮像素子５１および第２撮像素子５２を備えている。第１撮像素子５１および第２撮像素子５２の撮像方向は、透過板２上の被測定物８に向けて指向している。第１撮像素子５１および第２撮像素子５２の撮像信号はそれぞれ、画像メモリ６の所定のエリアに格納される。前記した投光部４および撮像部５はセンサー９のケース９０に一体的に組み込まれており、一体的に同方向に同量移動することができる。センサー９のケース９０は投光部４および撮像部５に共用されており、共通ケースとして機能する。

図１には、本形状測定装置の座標系におけるＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向が示されている。Ｚ方向は重力方向とされている。Ｘ方向およびＹ方向は水平２次元方向を示す。第１駆動部７は、透過板２の載置面２０上に仮想的に規定される仮想線Ｍの回りに沿って、センサ−９を相対移動させることにより、センサー９（投光部４および撮像素子）を透過板２および基台１に対して回動させる。

図１に示すように、第１駆動部７は、センサー９を回動させるように基台１に保持された回動機構部７０と、回動機構部７０に設けられた水平軸芯をもつ横軸形の回動軸７１と、中央域である取付域７２ａが回動軸７１に固定された回動盤７２と、回動盤７２に設けられたセンサー取付部７３とを備えている。センサー取付部７３にはセンサー９が取り付けられている。これにより、投光部４および撮像部５を備えるセンサー９は、回動盤７２の外周側に取り付けられている。回動盤７２において、センサー取付部７３と反対側にはバランサ７４が設けられている。バランサ７４は、センサー取付部７３による重量のアンバランスを低減させて、回動盤７２の回動を円滑にさせるものである。これにより振動ノイズなどのノイズが低減される。

回動機構部７０はセンサー回動制御部３２０により制御される。ここで、回動機構部７０が駆動すると、回動軸７１がこれの軸芯ＰＢの回りで回動し、センサー９が軸芯ＰＢの回りで回動し、ひいては、センサー９に保持されている投光部４および撮像部５が軸芯ＰＢの回りで回動する。この結果、透過板２の載置面２０の仮想線Ｍ（横軸型）の回りに沿って投光部４および撮像部５が回動（相対移動）する。このように横軸形の軸芯ＰＢは、センサー９に保持されている投光部４および撮像部５の回動中心となる。軸芯ＰＢの高さ位置は、透過板２の載置面２０のやや上方に設定することが好ましい。なお軸芯ＰＢは仮想線Ｍと平行とされている。

更に、図１に示すように第２駆動部１００が設けられている。第２駆動部１００は、透過板２に載せられている被測定物８を投光部４に対して相対移動させ、被測定物８の全域にレーザスリット光４７を照射させるものである。第２駆動部１００は、被測定物８を透過板２に載せたままＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に移動させるＸＹＺ駆動部１２０と、被測定物８を透過板２に載せたまま、透過板２の載置面２０に対して直立する法線ＭＣの回りで少なくとも１８０度回動させる回動駆動部１５０とを備えている。

図１に示すように、回動駆動部１５０は、被測定物８を透過板２に載せたまま、透過板２の中心域の法線ＭＣ（透過板２の載置面２０に対して垂直な線）の回りで３６０度（少なくとも１８０度）回動させるものである。回動駆動部１５０は、透過板２を回動可能に保持する透過板保持部３と、透過板保持部３を保持する筐体１５２と、筐体１５２に内蔵された回動機構（図示せず）とを備えている。当該回動機構が駆動すると、透過板２が法線ＭＣの回りで回動する。回動駆動部１５０は被測定物回動制御部３００により制御される。以下、更に説明を加える。

図１に示すように、ＸＹＺ駆動部１２０は、被測定物８を透過板２に載せたままＺスライダ１２１をＺ方向（重力方向）に移動させるＺ方向ガイド部１２２をもつＺ方向駆動部１２３と、被測定物８を透過板２に載せたままＺ方向駆動部１２３をＹ方向（被測定物５の幅方向）に移動させるＹ方向ガイド部１２４をもつＹ方向駆動部１２５と、被測定物８を透過板２に載せたままＹ方向駆動部１２５をＸ方向（被測定物８の長さ方向）に移動させるＸ方向ガイド部１２７をもつＸ方向駆動部１２８とを備えている。ＸＹＺ駆動部１２０はＸＹＺ制御部３１０により制御される。ＸＹＺ駆動部１２０が駆動すると、透過板２上の被測定物８はＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に適宜移動できる。

上記したＸＹＺ制御部３１０、センサー回動制御部３００、画像メモリ６、レーザ出力制御部３３０、被測定物回動制御部３００により出力される信号は、演算部３６０（制御部）に入力される。センサー回動制御部３００および被測定物回動制御部３００から出力された信号により、演算部３６０は、被測定物８の位置を検知できる。この結果、演算部３６０は、撮像部５で撮像された撮像信号と、被測定物８の位置とを把握する。そして演算部３６０は、撮像部５で撮像された撮像信号と被測定物８の位置との関係に基づいて、被測定物８の形状データを演算で求める。また演算部３６０は、ＸＹＺ制御部３１０、センサー回動制御部３００、レーザ出力制御部３３０、被測定物回動制御部３００を制御する制御信号をそれぞれ出力する。

第１撮像素子５１または第２撮像素子５２により得られた撮像データに基づいて三角測量の原理により、演算部３６０により被測定物８の形状が測定される。ここで、三角測量法は、被測定物８と投光部４と第１撮像素子５１との三角形状を利用し、投光部４から投光した光を被測定物８に照射し、その照射部分の位置を別の方向から第１撮像素子５１により撮像して測定する測量法である。本実施形態では、被測定物８の面における凹凸が複雑であるため、第１撮像素子５１だけであると、被測定物８における撮像の死角が発生するおそれがあるため、第１撮像素子５１の他に第２撮像素子５２が設けられている。

三角測量法の基本原理を第１撮像素子５１を例にとって説明する。図４において、第１撮像部素子５１の観測面と投光部４とを直線的に結ぶ基線をＫとする。基線Ｋの長さＬは既知である。基線Ｋと投光部４のレーザ光とがなす角度をθａとする。被測定物８で反射したレーザ光が観測光学系である第１撮像素子５１へ入射する角度（第１撮像素子５１へ入射するレーザ光と基線Ｋとが交わる角度）をωとする。ここで、第１撮像素子５１の観測面における座標変化Δｘが測定できれば、第１撮像素子５１が照射した被測定物８におけるレーザ光の照射位置が決定できる。ここで、基線Ｋの長さＬとレーザ光とのなす角度θａ（投光部４から被測定物８への射出角）を固定すれば、被測定物８の面の形状に応じて変化する観測面上における座標変化Δｘから被測定物８の面の形状を決定することができる。

使用時には、図３に示すように、透過板２の載置面２０上に被測定物８を載せる。この状態で、図３に示すように、載置面２０上の被測定物８の真上の位置Ｕ１にセンサ−９を回動させ、被測定物８の表面８ａに投光部４からレーザスリット光４７を投光させ、その反射光を第１撮像素子５１および第２撮像素子５２で撮像する。また、載置面２０上の被測定物８の右横方の位置Ｕ２にセンサ−９を回動させ、被測定物８の右側面８ｂに投光部４からレーザスリット光４７を投光させ、その反射光を第１撮像素子５１および第２撮像素子５２で撮像する。更に、図３に示すように、載置面２０上の被測定物８の真下の位置Ｕ３にセンサ−９を回動させ、被測定物８の裏面８ｃを第１撮像素子５１および第２撮像素子５２で撮像する。このように被測定物８の裏面８ｃを撮像する場合には、被測定物８に投光されるレーザスリット光４７は透過板２の背向面２２から透過板２をこれの厚み方向に透過する。また、載置面２０上の被測定物８の左横方の位置Ｕ４にセンサ−９を回動させ、被測定物８の左側面８ｄを第１撮像素子５１および第２撮像素子５２で撮像する。

本実施形態によれば、上記したように透過板２の被測定物８を撮像部５で撮像するにあたり、レーザスリット光４７を透過板２に透過させずに被測定物８を撮像する場合（透過板２に載せられている被測定物８の表面８ａ、右側面８ｂ、左側面８ｄを撮像する場合）と、レーザスリット光４７を透過板２に透過させて被測定物８を撮像する場合（透過板２に載せられている被測定物８の裏面８ｃを撮像する場合）とがある。レーザスリット光４７が透過板２を透過しない場合と、レーザスリット光４７が透過板２をこれの厚み方向に透過する場合とでは、レーザスリット光４７の透過形態が一様ではない。このため、撮像部５で撮像した実測値から形状データを求めるにあたり、補正することが好ましい。

図５は画像メモリ６に格納されているマップを示す。図５（Ａ）は、レーザスリット光４７が透過板２を透過しない場合において、第１撮像素子５１が撮像した撮像データの実測値（α１１，α１２，α１３，α１４……α９８，α９９）から形状データ（Ａ１１，Ａ１２，Ａ１３，Ａ１４……）を抽出するマップを示す。更に図５（Ａ）は、第２撮像素子５２が撮像した撮像データの実測値（β１１，β１２，β１３，β１４……）から形状データ（Ｂ１１，Ｂ１２，Ｂ１３，Ｂ１４……Ｂ９８，Ｂ９９）を抽出するマップを示す。

また図５（Ｂ）は、レーザスリット光４７が透過板２を透過する場合において、第１撮像素子５１が撮像した撮像データの実測値（α１１，α１２，α１３，α１４……α９８，α９９）に、補正値（Δα１１，Δα１２，Δα１３を加算して形状データＡ１１，Ａ１２，Ａ１３，Ａ１４……）を抽出するマップを示す。また図５（Ｂ）は、第２撮像素子５２が撮像した撮像データの実測値（β１１，β１２，β１３，β１４……）に、補正値（Δβ１１，Δβ１２，Δβ１３…）を加算して形状データ（Ｂ１１，Ｂ１２，Ｂ１３，Ｂ１４……）を抽出するマップを示す。なお、上記した実測値と形状データとの関係は、形状および寸法が既知の試料にレーザスリット光を投光し、撮像することにより求められている。また、上記した実測値と補正値と形状データとの関係は、形状および寸法が既知の試料にレーザスリット光を投光し、撮像することにより求められている。

上記したマップが設けられているため、レーザスリット光４７を透過板２を透過させずに被測定物８を撮像する場合と、レーザスリット光４７を透過板２を透過させて被測定物８を撮像する場合とに良好に対応して形状データを求めることができる。

本実施形態によれば、被測定物８に投光されるレーザスリット光４７として、Ｓ偏光（光波の電場ベクトルが透過板２の入射面に対して垂直な光を意味する）を使用しても良いし、あるいは、Ｐ偏光（光波の電場ベクトルが透過板２の入射面に対して平行な光を意味する）を使用しても良い。但し、Ｐ偏光を用いるときには、次のような優れた作用効果が得られる。

図６はレーザ光を透過板２の載置面２０に入射させたときにおいて、入射角θ１と透過板２の載置面２０における反射率（Ｒ）と透過率（Ｔ）との関係をあらわすグラフを示す（ｎ１＝１．０、ｎ２＝１．５）。ｎ１は空気の屈折率、載置面２０を構成するガラスの屈折率を意味する。図７に示すように、入射角θ１は、透過板２の載置面２０の法線とレーザ光との角度として定義される。図６において横軸は入射角θ１を示し、縦軸は反射率（Ｒ）および透過率（Ｔ）を示す。図６に示すように、反射率については、入射角θ１が小さいときにはＰ偏光の反射率およびＳ偏光の反射率共に大差はないが、入射角θ１が増加するとき、Ｓ偏光の反射率よりもＰ偏光の反射率は低くなる。また図６に示すように、透過率については、入射角θ１が小さいときにはＰ偏光の透過率およびＳ偏光の透過率共に大差はないが、入射角θ１が増加するとき、Ｓ偏光の透過率よりもＰ偏光の透過率は高くなる。図６に示す特性を考慮すると、入射角θ１としては８１度以下、殊に６５度以下が好ましい。

図６に示す結果を考慮すると、レーザスリット光４７としてＳ偏光が用いられていると、透過板２の載置面２０に入射されるレーザスリット光４７の入射角θ１が増加する場合には、透過板２の載置面２０における反射率が高くなり、反射率に起因するノイズが増加されるおそれがある。ここで、透過板２の載置面２０上の被測定物８の表面、右側面、裏面、左側面を撮像するとき、投光部４の投光素子４０から透過板２の載置面２０に入射されるレーザスリット光４７の入射角θ１が増加する傾向にある。この場合、入射角θ１が増加する場合には、入射角θ１の増加に起因するノイズが発生しやすいおそれがある。

この点について本実施形態によれば、上記した図６に示す特性を考慮して、レーザスリット光４７としてＰ偏光を被測定物８に投光させることにしている。この結果、透過板２の載置面２０に入射されるレーザスリット光４７の入射角θ１が増加する場合であっても、即ち、透過板２の載置面２０上の被測定物８に対して、被測定物８の横方からレーザスリット光４７を入射させる場合であっても、反射率の増加が抑えられる。故に、反射率の増加に起因するノイズが低減され、被測定物８の形状を測定する測定精度を向上させることができる。なお本実施形態によれば、被測定物８に投光されるレーザスリット光４７をＰ偏光とするにあたり、図２に示すように、１／２波長板４２が投光部４に付加されている。

あるいは、レーザスリット光４７をＰ偏光とするにあたり、上記した１／２波長板４２に限らず、レーザスリット光４７の偏光方向をスリット長手方向としてシリンドリカルレンズ４１で広げてレーザスリット光４７を生成させることにより、レーザスリット光４７をＳ偏光からＰ偏光に変えることにしても良い。

以上説明したように本実施形態によれば、透過板２の載置面２０に被測定物８を載せて摩擦力で透過板２上に保持することにしている。更に、透過板２の載置面２０上に載置面２０に沿って規定される仮想的な仮想線Ｍの回りに投光部４および撮像部５を回動させることにしている。このため透過板２の載置面２０に載せられている被測定物８の表面８ａ（被測定物８のうち透過板２の載置面２０に背向している面）、被測定物８の右側面８ｂおよび左側面８ｄばかりか、被測定物８の裏面８ｃ（被測定物８のうち透過板２の載置面２０に直接対面している面）までも撮像することができる。その理由としては、第１に、透明な透過板２にレーザスリット光４７が透過できるため、第２に、投光部４および撮像部５を備えるセンサ−９が透過板２に対して相対移動可能であるためである。この結果、被測定物８の全域またはほぼ全域の形状を測定することができる。

更に本実施形態によれば、透過板２の載置面２０は２次元的に広がっている平坦状である。このため、粘土で被測定物８を透過板２の載置面２０に保持せずとも、被測定物８の姿勢を透過板２の載置面２０に安定的に保持することができる。但し、場合によっては、被測定物８の形状がかなり異形であり、被測定物８の姿勢維持が困難であるときには、少量の粘土であれば用いても良い。粘土は撮像されるおそれがあるが、粘土の有無を理解できれば、別段の支障がない。更に本実施形態によれば、被測定物８のサイズがセンサー９の測定範囲よりも大きい場合には、透過板２上の被測定物８をＸＹＺ駆動部１２０により適宜移動させれば、被測定物８の全域またはほぼ全域の形状を測定することができる。

（実施形態２）
次に、本発明の実施形態２について図８〜図１１を参照して説明する。図８〜図１０は本実施形態に係る形状測定装置の使用状態の概念を示す。本実施形態は実施形態１と基本的に同様の構成を有するため、構成説明は省略する。同一機能を有する部位には同一の符号を付する。但し、回動盤７２は腕状とされている。センサー９を取り付けるセンサー取付部７３はＬ字形状をなしている。センサー取付部７３は図８（Ａ）に示されているが、他の図では省略されている。

以下、本実施形態の形状測定装置の使用方法にについて説明を加える。

（１）被測定物８の表面８ａ（上面）の測定
図８（Ａ）に示すように、被測定物８を透過板２の載置面２０のほぼ中央付近に載せる。センサー９（投光部４および撮像部５）は、透過板２の載置面２０と平行になるように、透過板２の載置面２０上の被測定物８の真上に配置されている。本例では、センサー９が透過板２の真上にある状態を、センサー９の回動位相は０度とする。この状態では、図８（Ａ）に示すように、センサー９に保持されている投光部４、撮像部５は被測定物８の真上に配置されている。この場合、図８（Ａ）に示すように、上方から下方向に向かうにつれて、センサー９→被測定物８→透過板２の順に配置されている。

投光部４の投光素子４０からレーザスリット光４７を、透過板２上の被測定物８に向けて投光する。被測定物８の表面８ａから反射された反射光をセンサー９の第１撮像素子５１および第２撮像素子５２で撮像する。得られた撮像データから演算部３６０は形状データを求める。なおＸ方向駆動部１２８を駆動させることにより、透過板２上の被測定物８をＸ方向（被測定物８の長手方向）に沿って所定のピッチで移動させながら、被測定物８の形状を測定し、被測定物８の表面８ａの形状データとする。

（２）被測定物８の右側面８ｂの測定
次に図８（Ｂ）に示すように、矢印Ｓ方向（回動方向）にセンサー９を９０度回動させて被測定物８の横方に配置させ、センサー９の回動位相を９０度とする。この状態では、センサー９に保持されている投光部４、撮像部５は被測定物８の右側面８ｂ側（右横方）に配置されている。投光部４の投光素子４０からレーザスリット光４７を、透過板２上の被測定物８に向けて投光する。被測定物８の右側面８ｂから反射された反射光をセンサー９の第１撮像素子５１および第２撮像素子５２で撮像する。得られた撮像データから演算部３６０は形状データを求める。なおＸ方向駆動部１２８を駆動させることにより、被測定物８をＸ方向（被測定物８の長手方向）に所定のピッチで移動させながら、被測定物８の断面形状を測定し、被測定物８の右側面８ｂの形状データとする。

（３）被測定物８の裏面８ｃの測定
次に図９（Ａ）に示すように、矢印Ｓ方向（回動方向）にセンサー９を更に９０度回動させて被測定物８、透過板２の真下に配置させ、センサー９の回動位相を１８０度とする。この状態では、センサー９に保持されている投光部４、撮像部５は、透過板２を介して、被測定物８の真下に配置されている。この場合、図９（Ａ）に示すように、上方から下方向に向かうにつれて、被測定物８→透過板２→センサー９の順に配置されている。

図９（Ａ）に示すように、投光部４の投光素子４０からレーザスリット光４７を、透過板２上の被測定物８に向けて、つまり上方に向けて投光する。この場合、レーザスリット光４７は透過板２を透過して被測定物８に裏面８ｃに到達する。被測定物８の裏面８ｃで反射された反射光をセンサー９の撮像部５で撮像する。得られた撮像データから演算部３６０は形状データを求める。なおＸ方向駆動部１２８を駆動させることにより、被測定物８をＸ方向（被測定物８の長手方向）に所定のピッチで移動させながら、被測定物８の断面形状を測定し、被測定物８の裏面８ｃの形状データとする。

（４）被測定物８の左側面８ｄの測定
次に図９（Ｂ）に示すように、矢印Ｓ方向（回動方向）にセンサー９を更に９０度回動させて被測定物８の左側面８ｄ側（左側方）に配置させ、センサー９の回動位相を２７０度とする。この状態では、センサー９に保持されている投光部４、撮像素子５１，５２は被測定物８の左横方に配置されている。

投光部４の投光素子４０からレーザスリット光４７を、透過板２上の被測定物８に向けて投光する。被測定物８の左側面で反射された反射光をセンサー９の撮像部５で撮像する。得られた撮像データから演算部３６０は形状データを求める。なお、Ｘ方向駆動部１２８を駆動させることにより、被測定物８をＸ方向（被測定物８の長手方向）に所定のピッチで移動させながら、被測定物８の断面形状を測定し、被測定物８の左側面８ｄの形状データとする。

（５）被測定物８の上面８ｅ（被測定物８の長手方向の一端側）の測定
次に図１０（Ａ）に示すように、センサー９を一度、回転位相０度に戻し、矢印Ｓ方向（回動方向）にセンサー９を９０度回動させて被測定物８の右方に配置させ、センサー９の回動位相を９０度とする。更に、矢印Ｅ１方向に透過板２および被測定物８を９０度回動させて被測定物８の上面８ｅ（被測定物８の長手方向の一端側）をセンサー９に対面させる。そして、投光部４の投光素子４０からレーザスリット光４７を、透過板２上の被測定物８に向けて投光する。被測定物８の上面８ｅから反射された反射光をセンサー９の撮像素子５１，５２で撮像する。得られた撮像データから演算部３６０は形状データを求める。なお、Ｘ方向駆動部１２８を駆動させることにより、被測定物８をＸ方向（被測定物８の長手方向）に所定のピッチで移動させながら、被測定物８の断面形状を測定し、被測定物８の上面８ｅの形状データとすることができる。

（６）被測定物８の下面８ｆ（被測定物８の長手方向の他端側）の測定
次に図１０（Ｂ）に示すように、矢印Ｓ方向（回動方向）にセンサー９を更に１８０度回動させて被測定物８の右方に配置させ、センサー９の回動位相を２７０度とする。これにより被測定物８の長手方向の他端側、つまり、被測定物８の下面８ｆをセンサー９に対面させる。そして、投光部４の投光素子４０からレーザスリット光４７を、透過板２上の被測定物８の下面８ｆに向けて投光する。被測定物８の裏面から反射された反射光をセンサー９の第１撮像素子５１および第２撮像素子５２で撮像する。得られた撮像データから演算部３６０は形状データを測定する。なお、Ｘ方向駆動部１２８を駆動させることにより、被測定物８をＸ方向（被測定物８の長手方向）に所定のピッチで移動させながら、被測定物８の断面形状を測定し、被測定物８の下面８ｆの形状データとすることができる。

以上説明したように本実施形態においても、透過板２の載置面２０に被測定物８を載せて摩擦で透過板２上に保持することにしている。このため透過板２の載置面２０に載せられている被測定物８の全域またはほぼ全域の形状を測定することができる。透過板２の載置面２０は２次元的に広がっているため、粘土で被測定物８を透過板２の載置面２０に保持せずとも、被測定物８の姿勢を透過板２の載置面２０に安定的に保持することができる。但し、場合によっては、被測定物８の形状がかなり異形であり、被測定物８の姿勢維持が困難であるときには、少量の粘土であれば用いても良い。粘土は撮像されるおそれがあるが、粘土の有無を理解できれば、別段の支障がない。

更に本実施形態によれば、被測定物８のサイズがセンサー９の測定範囲よりも大きい場合には、透過板２上の被測定物８をＸＹＺ駆動部１２０により適宜移動させれば、被測定物８の全域またはほぼ全域の形状を測定することができる。

（実施形態３）
実施形態３は実施形態１，２と基本的には共通の構成および共通の作用効果を有する。従って、図１、図３〜図１０を準用できる。但し、レーザスリット光４７としてＳ偏光を被測定物８に投光させることにしている。

（その他）
上記した実施形態１，２では、投光部４は、１／２波長板４２を備えており、Ｐ偏光を形成しているが、１／４波長板を２枚直列に配置しても良い。上記した実施形態１，２では、被測定物８の上面８ｅおよび下面８ｆの形状を測定するにあたり、透過板２上の被測定物８を基台１に対して相対移動させることにしているが、これに限らず、透過板２上の被測定物８を固定したままとしておき、センサー９を被測定物８の回りで回動させることにより、被測定物８の上面８ｅおよび下面８ｆの形状を測定することにしても良い。被測定物８の表面８ａ、右側面８ｂ、裏面８ｃ、左側面８ｄ等についての撮像順序としては、特に限定されない。被測定物８としては、石器に限られるものではなく、石器以外の遺物でも良く、貝殻、石等の自然物、車両や産業機器に搭載される部品（例えばボルト、ナット、ワッシャを含む）、石器等の遺物などが例示される。被測定物８の材質としては特に限定されず、金属、セラミックス、樹脂、木材、天然鉱物が例示される。

上記した記載から次の技術的思想も把握できる。
［付記項１］被撮像物を載せる載置面および前記載置面に背向する背向面をもちレーザ光を透過可能な透過部材を保持する透過部材保持部と、前記透過部材に載せられている前記被撮像物にレーザ光を投光する投光部と、前記投光部から前記被撮像物に投光された前記レーザ光の照射部分の反射光を撮像する撮像部と、前記撮像部で撮像された撮像データを格納する撮像データ格納部と、前記透過部材の前記載置面および前記背向面に前記投光部および前記撮像部が対向するように、前記透過部材の前記載置面上の仮想線の回りに沿って前記投光部を回動させ、回動に伴い前記被撮像物に対して前記投光部と前記撮像部を相対移動させる第１駆動部を具備することを特徴とする形状撮像装置。透過部材の載置面に沿った仮想線の回りに沿って投光部と撮像部を回動させ、回動に伴い被測定物に対して投光部と撮像部を相対移動させる。このため被測定物の形状の大きな面積（例えば全体またたはほぼ全体）を撮像するのに有利となる。
［付記項２］付記項１において、前記透過部材に載せられている前記被撮像物を前記投光部に対して相対移動させる第２駆動部が設けられていることを特徴とする形状撮像装置。

本発明は石器、貝殻等の遺物（発掘品）、車両部品、産業部品等の被測定物（被撮像物）の形状を撮像する形状測定装置が挙げられる。

実施形態１に係り、形状測定装置の概念を模式的に示す構成図である。 実施形態１に係り、投光部を模式的に示す構成図である。 実施形態１に係り、使用形態を模式的に示す構成図である。 三角測量法の原理を示す図である。 実施形態１に係り、実測値と補正値とが画像メモリのエリアに格納されているマップを示す図である。 レーザ光を透過板の載置面に入射させたときにおいて、入射角θ１と透過板の載置面における反射率（Ｒ）と透過率（Ｔ）との関係をあらわすグラフである。 入射角θ１の定義を示す構成図である。 実施形態２に係り、（Ａ）は形状測定装置で被測定物の表面を測定している状態を模式的に示す構成図であり、（Ｂ）は形状測定装置で被測定物の右側面を測定している状態を模式的に示す構成図である。 実施形態２に係り、（Ａ）は形状測定装置で被測定物の裏面を測定している状態を模式的に示す構成図であり、（Ｂ）は形状測定装置で被測定物の左側面を測定している状態を模式的に示す構成図である。 実施形態２に係り、（Ａ）は形状測定装置で被測定物の上面を測定している状態を模式的に示す構成図であり、（Ｂ）は形状測定装置で被測定物の下面を測定している状態を模式的に示す構成図である。 実施形態２に係り、被測定物として石器の表面、右側面、左側面、裏面、上面および下面を撮像した図である。

符号の説明

１は基台、２は透過板（透過部材）、２０は載置面、２２は背向面、３は透過板保持部（透過部材保持部）、４は投光部、４０は投光素子、４１はシリンドリカルレンズ、４２は１／２波長板、５は撮像部、６は画像メモリ（撮像データ格納部）、７は第１駆動部、８は被測定物、９はセンサー、１００は第２駆動部、１２０はＸＹＺ駆動部、１５０は回動駆動部を示す。

Claims (5)

1. 被測定物を載せる載置面および前記載置面に背向する背向面をもちレーザ光を透過可能な透過部材を保持する透過部材保持部と、
   前記透過部材に載せられている前記被測定物にレーザ光を投光する投光部と、
   前記投光部から前記被測定物に投光された前記レーザ光の照射部分の反射光を撮像する撮像部と、
   前記撮像部で撮像された撮像データを格納する撮像データ格納部と、
   前記撮像データ格納部の前記撮像データに基づいて前記被測定物の形状を求める演算部と、
   前記透過部材の前記載置面および前記背向面に前記投光部および前記撮像部が対向するように、前記透過部材の前記載置面上の仮想線の回りに沿って前記投光部を回動させ、回動に伴い前記被測定物に対して前記投光部と前記撮像部を相対移動させる第１駆動部とを具備することを特徴とする形状測定装置。
2. 請求項１において、前記透過部材に載せられている前記被測定物を前記投光部に対して相対移動させる第２駆動部が設けられていることを特徴とする形状測定装置。
3. 請求項１または２において、Ｘ方向およびＹ方向を水平２次元方向とし、Ｚ方向を高さ方向とするとき、前記第２駆動部は、前記被測定物を前記透過部材の前記載置面に載せたままＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に移動させるＸＹＺ駆動部と、前記被測定物を前記透過部材に載せたまま、Ｘ方向およびＹ方向で規定される面に沿って少なくとも１８０度回動させる回動駆動部とを備えていることを特徴とする形状測定装置。
4. 請求項１〜３のうちの一項において、前記投光部が前記被測定部に投光する前記レーザ光は、Ｐ偏光またはＳ偏光であることを特徴とする形状測定装置。
5. 請求項１〜４のうちの一項において、前記投光部から投光される前記レーザ光が前記透過部材の前記載置面または前記背向面に斜め方向から入射する位置になるように、前記投光部は前記透過部材に対して回動することを特徴とする形状測定装置。

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