JP2012093235A - 三次元形状測定装置、三次元形状測定方法、構造物の製造方法および構造物製造システム - Google Patents

Abstract

【課題】光源の光量に変化があった場合であっても、三次元形状を精度良く算出することができる。
【解決手段】三次元形状測定装置１は、メイン光源２２が発光した光を縞パターンに変換して測定対象物１１上に投影する投影部１３と、測定対象物１１を撮像する撮像部１４と、投影部１３が投影する縞パターンの位相を変化させながら、撮像部１４に測定対象物１１の撮像を繰り返しさせるとともに、縞パターンの画像を複数順に取得する制御部と、メイン光源２２の光量の変化量を検出し、当該検出した変化量が所定の値以上である場合に、当該検出した変化量に基づいて前記縞パターンの画像を補正し、当該補正した縞パターンの画像に基づいて、測定対象物１１の三次元形状を算出する形状算出部と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、物体の三次元形状を測定するための三次元形状測定装置、三次元形状測定方法、構造物の製造方法および構造物製造システムに関する。

測定対象物の面形状（三次元形状）を非接触で測定する手法として、位相シフト法によるパターン投影型の三次元形状測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この三次元形状測定装置では、正弦波状の強度分布を持つ縞パターンを測定対象物上に投影し、その縞パターンの位相を一定ピッチで変化させながら測定対象物を繰り返し撮像し、それによって得られた複数枚の画像（輝度変化データ）を所定の演算式に当てはめることで、測定対象物の面形状に応じて変形した縞の位相分布（位相画像）を求め、その位相画像をアンラップ（位相接続）してから、測定対象物の高さ分布（高さ画像）に換算する。

特開２００５−２１４６５３号公報

しかしながら、縞パターンを投影するための光源に電力を供給した直後に測定対象物の撮影を開始すると、複数の画像夫々を取得した際の光源の光量が異なるため、三次元形状の測定精度が劣化する、という問題がある。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、光源の光量に変化があった場合であっても、三次元形状を精度良く測定することができる三次元形状測定装置、三次元形状測定方法、構造物の製造方法および構造物製造システムを提供することにある。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、本発明の一態様は、光源が発光した光を縞パターンに変換して測定対象物上に投影する投影部と、前記測定対象物を撮像する撮像部と、前記投影部が投影する縞パターンの位相を変化させながら、前記撮像部に前記測定対象物の撮像を繰り返しさせるとともに、縞パターンの画像を複数順に取得する制御部と、前記光源の光量の変化量を検出し、当該検出した変化量が所定の値以上である場合に、当該検出した変化量に基づいて前記縞パターンの画像を補正し、当該補正した縞パターンの画像に基づいて、前記測定対象物の三次元形状を算出する形状算出部と、を備えることを特徴とする三次元形状測定装置である。

本発明によれば、光源の光量に変化があった場合であっても、三次元形状を精度良く測定することができる。

第１の実施形態による三次元形状測定装置の外観構成を示す斜視図である。 第１の実施形態による三次元形状測定装置の機能構成を示すブロック図である。 第１の実施形態による三次元形状算出処理の手順を示すフローチャートである。 第１の実施形態による縞画像の一例を示すイメージ図である。 第２の実施形態による三次元形状測定装置の機能構成を示すブロック図である。 第２の実施形態による三次元形状算出処理の手順を示すフローチャートである。 第３の実施形態による三次元形状測定装置の機能構成を示すブロック図である。 第３の実施形態による三次元形状算出処理の手順を示すフローチャートである。 構造物製造システムのブロック構成図である。 構造物製造システムによる処理の流れを示したフローチャートである。

以下、図面を参照しながら本発明の一実施形態について詳しく説明する。
［第１の実施形態］
図１は、本実施形態による三次元形状測定装置１の外観構成を示す斜視図である。図１に示すとおり三次元形状測定装置１は、工業製品又は部品などの測定対象物１１を載置するステージ１２と、互いに固定された投影部１３及び撮像部１４とを備える。投影部１３の光軸と撮像部１４の光軸との間には角度がつけられており、両者の光軸は、ステージ１２の基準面上で交差している。このうち撮像部１４の光軸はステージ１２の基準面に対して垂直である。なお、撮像部１４の光軸を垂直にする代わりに投影部１３の光軸を垂直してもよい。

ステージ１２は、撮像部１４の光軸と平行な軸の周りに測定対象物１１を回転させるθステージ１２θと、撮像部１４の光軸と垂直な所定方向（Ｘ軸方向）に向けて測定対象物１１をシフトさせるＸステージ１２Ｘと、θステージ１２θの回転軸とＸ軸方向との双方に対して垂直な所定方向（Ｙ軸方向）に向けて測定対象物１１をシフトさせるＹステージ１２Ｙとを備える。

投影部１３は、測定対象物１１が配置されるステージ１２上の一部の領域（照射領域）に斜め方向から投影パターンを照射する光学系であって、メイン光源２２と、パターン形成部２３と、投影光学系２４とをこの順で配置している。なお、本実施形態による測定対象物１１のサイズは、投影部１３の照射領域内に測定対象物１１の全体が収まる程度に小さいものとして説明する。

投影部１３の光源であるメイン光源２２は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）により構成され、メイン光源２２と電気的に接続された電源からの電力の供給を受けて点灯し、パターン形成部２３を照射する。なお、メイン光源２２は、パターン投影型の面形状測定に使用されるものなので、例えば、ハロゲンランプ、メタルハライドランプなどの一般的な光源を適用してもよい。
また、メイン光源２２は、一つの素子として図示しているが複数の光学素子からなる照明光学系で構成されても構わない。その場合、例えば、均一照明を行うためのフライアイレンズやロッドインテグレータ等を用いた照明光学系を有する。

投影部１３のパターン形成部２３は、透過率分布が可変のパネル（液晶表示素子など）であり、そのパネルへ縞パターン（正弦格子パターン）を表示することにより、投影部１３から照射領域へ向かう照射光束の断面強度分布を正弦波状とする。パターン形成部２３に表示される縞パターンの縞（格子）方向は、投影部１３の光軸と撮像部１４の光軸との双方が存在している面に対して垂直である。また、パターン形成部２３の表示面上の中央近傍に位置する基準点は、ステージ１２の基準面上の基準点（撮像部１４の光軸と投影部１３の光軸との交差点）に対して光学的に共役であり、これによって縞パターンの投影先は、ステージ１２の照射領域内に配置された測定対象物１１の表面（以下、「被検面」と称す。）に設定されている。なお、被検面上に縞パターンを投影できるのであれば、パターン形成部２３の基準点とステージ１２の基準点とが完全な共役関係になっていなくとも構わない。投影部１３の投影光学系２４は、パターン形成部２３を通過した光を照射領域に集光させる。

撮像部１４は、ステージ１２上の照射領域の像（輝度分布）を検出する光学系であって、その照射領域で発生した反射光を結像する結像光学系２５と、結像光学系２５が結像した像を撮像して画像を取得する撮像素子２６とが順に配置される。撮像素子２６の撮像面上の中央近傍に位置する基準点は、ステージ１２の前述した基準点と光学的に共役であり、撮像素子２６は、ステージ１２の照射領域内に配置された測定対象物１１の画像（被検面の画像）を取得することができる。つまり、撮像部１４は、測定対象物１１を撮像する。なお、被検面の画像を十分なコントラストで取得することができるのであれば、撮像素子２６の基準点とステージ１２の基準点とが完全な共役関係になっていなくとも構わない。

ここで、投影部１３のメイン光源２２に電源から電力を供給（メイン光源２２をオンに）し、この状態で撮像素子２６を駆動すると、三次元形状測定装置１は、縞パターンの投影された被検面の画像（＝被検面の面形状情報を含んだ画像）を取得することができる。以下、この画像を「縞画像（縞パターンの画像）」と称す。さらに、縞パターンの位相をシフトさせながら縞画像の取得を繰り返せば、被検面の面形状データＤを既知とするための情報が揃う。また、ステージ１２と、投影部１３及び撮像部１４の高さとを調整することにより、三次元形状測定装置１は、様々な角度から測定対象物１１を撮像することができる。

図２は、本実施形態による三次元形状測定装置１の機能構成を示すブロック図である。
図２において図１に示した要素と同じものには同じ符号を付した。図２に示すとおり、投影部１３のメイン光源２２と、投影部１３のパターン形成部２３と、撮像部１４の撮像素子２６とは、それぞれコンピュータ１００の制御部１０１に接続されている。

コンピュータ１００は、制御部１０１の他に、ＣＰＵ（中央処理装置）１５と、記憶部１６と、三次元形状測定装置１が測定対象物１１を測定した結果等を表示するモニタ１７と、測定対象物１１の測定指示等を入力する入力部１８とを含んで構成される。ＣＰＵ（形状算出部）１５は、コンピュータ１００の全体を統括して制御し、記憶部１６に記憶された所定の動作プログラムに基づいて動作する。例えば、ＣＰＵ１５は、制御部１０１に対して各種の指示を与えることにより三次元形状測定装置１の各部を駆動制御する。記憶部１６は、上述したＣＰＵ１５の動作プログラムと、ＣＰＵ１５の動作に必要な各種の情報とを予め記憶している。

制御部１０１は、メイン光源２２をオン／オフするタイミング、メイン光源２２の発光強度、パターン形成部２３に表示される縞パターンの位相、撮像素子２６による画像の取得タイミング、撮像素子２６による画像取得時の電荷蓄積時間（シャッター速度）、ステージ１２の座標などを制御する。なお、制御部１０１は、パターン形成部２３に表示されるパターンを、一様なパターンに設定することもできる。

次に、図３を参照して、三次元形状測定装置１による三次元形状算出処理について説明する。図３は、本実施形態による三次元形状算出処理の手順を示すフローチャートである。
なお、この三次元形状算出処理の開始時点では、ステージ１２の座標は、適切な座標に調整済みである。
まず、ステップＳ１０１において、ＣＰＵ１５が、画像番号ｍを初期値１に設定する。
次に、ステップＳ１０２において、ＣＰＵ１５は、縞パターンの位相シフト量を、現在の画像番号ｍに対応したシフト量（ｍ−１）π／２に設定する。

次に、ステップＳ１０３において、制御部１０１が、パターン形成部２３を駆動することにより、位相シフト量が（ｍ−１）π／２である縞パターンを測定対象物１１へ投影する。そして、制御部１０１は、撮像素子２６を駆動して縞画像ＩＭ_ｍを取得する。制御部１０１は、取得した縞画像ＩＭ_ｍをＣＰＵ１５に出力する。ＣＰＵ１５は、入力された縞画像ＩＭ_ｍを記憶部１６へ書き込む。

次に、ステップＳ１０４において、ＣＰＵ１５は、現在の画像番号ｍが最終値ｍ_ｍａｘに達したか否かを判定する。そして、画像番号ｍが最終値ｍ_ｍａｘに達していなければステップＳ１０５へ移行し、画像番号ｍが最終値ｍ_ｍａｘに達していればステップＳ１０６へ移行する。なお、ｍ_ｍａｘは、５以上の整数であり、本実施形態では画像番号ｍの最終値ｍ_ｍａｘが「５」に設定された場合を説明する。

ステップＳ１０５において、ＣＰＵ１５は、画像番号ｍに１加算し、ステップＳ１０２へ戻る。よって、ステップＳ１０２〜Ｓ１０３のループは繰り返され、制御部１０１は、縞パターンの位相がπ／２（９０度）ずつ順に変化した合計５枚の縞画像ＩＭ_１〜ＩＭ_５を取得する。

一方、ステップＳ１０６において、ＣＰＵ１５は、縞画像ＩＭ_１の光量Ｌ_１と縞画像ＩＭ_５の光量Ｌ_５との光量差を算出し、算出した光量差が所定の閾値Ｌ_ｃ以上であるか否かを判定する。縞画像ＩＭ_１と縞画像ＩＭ_５とは、縞パターンの位相が等しい。ここで、本実施形態による光量Ｌ_ｍは、縞画像ＩＭ_ｍの全て又は一部の領域における画素の輝度値の平均値である。そして、算出した光量差が閾値Ｌ_ｃ以上である場合にはステップＳ１０７へ移行し、算出した光量差が閾値Ｌ_ｃより小さい場合にはステップＳ１０８へ移行する。

ステップＳ１０７において、ＣＰＵ１５は、縞画像ＩＭ_１〜ＩＭ_５夫々に対する補正係数を算出し、各縞画像ＩＭ_１〜ＩＭ_５に算出した補正係数を乗じて補正した縞画像データに基づいて、位相分布を算出する。具体的には、まず、ＣＰＵ１５は、次の式（１）により、補正係数の変化比率Ｃを算出する。式（１）に示すように、変化比率Ｃは、縞画像ＩＭ_ｍ間でメイン光源２２の光量が線形に変化しているものとして決定する。なお、本実施形態では、メイン光源２２の光量が線形的に変化している場合を説明したが、非線形であっても線形部分の補正が可能である。

そして、ＣＰＵ１５は、各縞画像ＩＭ_ｍに対する補正係数Ｃ_ｍを次の式（２）により算出する。式（２）に示すように、補正係数Ｃ_ｍは、画素番号ｍの値、つまり縞画像_ｍを撮像した順序（時間）に応じた値である。

次に、ＣＰＵ１５は、縞画像の全ての画素ｉについて、初期位相φ_ｉを５バケット法の次の式（３）により算出する。

ただし、Ｉ_ｍｉは、縞画像ＩＭ_ｍの画素ｉにおける輝度値である。
そして、ＣＰＵ１５は、算出した初期位相φ_ｉの値を、位相画像（位相分布）φにおける画素ｉの値として記憶部１６へ書き込む。

一方、ステップＳ１０８において、ＣＰＵ１５は、縞画像ＩＭ_１〜ＩＭ_５に基づいて位相分布を算出する。具体的には、ＣＰＵ１５は、各画素ｉについて、初期位相φ_ｉを５バケット法の次の式（４）により算出する。

そして、ＣＰＵ１５は、算出した初期位相φ_ｉの値を、位相画像（位相分布）φにおける画素ｉの値として記憶部１６へ書き込む。

ステップＳ１０７又はＳ１０８に続いて、ステップＳ１０９において、ＣＰＵ１５は、測定対象物１１の三次元形状を算出する。具体的には、ＣＰＵ１５は、位相画像φを記憶部１６から読み出し、読み出した位相画像φにオフセット分布Δを加算するアンラップ処理（位相接続）を行い、アンラップ後の位相画像ψを取得する。ここで、オフセット分布Δは、別途測定され記憶部１６へ予め格納されたもの（所謂空間コード化法、他）、或いは、位相飛び検出により自動で設定（位相つなぎ法、他）されたものである。そして、ＣＰＵ１５は、アンラップ後の位相画像ψを、被検面の高さ分布Ｚ（Ｘ，Ｙ）（三次元形状）に換算してからモニタ１７上に表示する。また、ＣＰＵ１５は、必要に応じて高さ分布Ｚ（Ｘ，Ｙ）を記憶部１６へ保存し、フローを終了する。

図４は、本実施形態による縞画像の一例を示すイメージ図である。
図４（ａ）は、縞パターンの位相シフト量が０である縞画像ＩＭ_１を示す。また、図４（ｂ）は、縞パターンの位相シフト量がπ／２である縞画像ＩＭ_２を示す。また、図４（ｃ）は、縞パターンの位相シフト量がπである縞画像ＩＭ_３を示す。また、図４（ｄ）は、縞パターンの位相シフト量が３π／２である縞画像ＩＭ_４を示す。また、図４（ｅ）は、縞パターンの位相シフト量が２π（＝０）である縞画像ＩＭ_５を示す。ここで、縞画像ＩＭ_１と縞画像ＩＭ_５とは縞パターンの位相シフト量が等しい。制御部１０１は、縞画像ＩＭ_１，ＩＭ_２，ＩＭ_３，ＩＭ_４，ＩＭ_５をこの順に取得する。時間に応じて光源の光量に変化が生じた場合、光量の変化に応じて縞画像ＩＭ_１〜ＩＭ_５の輝度値の平均値も変化する。このため、ＣＰＵ１５は、縞パターンの位相シフト量が等しい縞画像ＩＭ_１と縞画像ＩＭ_５との輝度値の平均値の差を算出し、算出した差が所定の閾値Ｌ_ｃ以上である場合に、各縞画像ＩＭ_１〜ＩＭ_５を補正し、補正した縞画像ＩＭ_１〜ＩＭ_５に基づいて、測定対象物１１の三次元形状を算出する。

このように、本実施形態によれば、制御部１０１が、縞パターンの位相の等しい縞画像を含む縞画像を複数順に取得し、ＣＰＵ１５が、縞パターンの位相の等しい縞画像の差に基づいて各縞画像を補正し、縞画像を補正した縞画像データに基づいて測定対象物１１の三次元形状を算出する。これにより、複数の縞画像を撮像している間にメイン光源２２の光量が変化した場合であっても、精度良く測定対象物１１の三次元形状を算出することができる。また、メイン光源２２の光量に変化がない場合には、補正係数を算出しないため、計算量を少なくすることができる。
ところで、三次元形状測定装置１全体或いは三次元形状測定装置１を構成する各部の温度変化等によって、パターン形成部２３のパネルの濃度の精度や撮像部１４の撮像素子２６の感度が時間とともに変化することがある。本実施形態による三次元形状測定装置１は、縞画像の差に基づいて各縞画像を補正するため、メイン光源２２の光量の変化だけではなく、パターン形成部２３のパネルの濃度の精度の変化や撮像部１４の撮像素子２６の感度の変化にも対応して補正を行うことができる。

５バケット法の説明を上記では行ったが、７バケット、９バケット等他のバケット法を用いた場合も同様に光量変動の補正を行うことが可能である。
例えば、７バケット法では、９０度毎に位相を変化させて７枚の縞画像を取得し、同位相の縞画像（１枚目と５枚目、２枚目と６枚目或いは３枚目と７枚目）を比較することによって光量変動を把握することが可能である。具体的には、ＣＰＵ１５は、１枚目の縞画像と５枚目の縞画像との差分から算出した変化比率Δ１と、２枚目の縞画像と６枚目の縞画像との差分から算出した変化比率Δ２と、３枚目の縞画像と７枚目の縞画像との差分から算出した変化比率Δ３とに基づいて全体の変化比率Ｃを算出する。例えば、ＣＰＵ１５は、全体の変化比率Ｃ＝（Δ１＋Δ２＋Δ３／３）とする。次に、ＣＰＵ１５は、全体の変化比率Ｃを用いて、各縞画像に対する補正係数Ｃ_ｍを夫々算出する。そして、ＣＰＵ１５は、各縞画像に補正係数を乗じて補正した縞画像データに基づいて位相分布を算出する。ここで、１枚目の縞画像と５枚目の縞画像は位相が等しい。また、２枚目の縞画像と６枚目の縞画像は位相が等しい。また、３枚目の縞画像と７枚目の縞画像は位相が等しい。勿論、上記の変化率Δ１、Δ２、Δ３のいずれか１つあるいは２つを用いて全体の変化率を算出してもよい。
一方、９バケット法でも同様に同位相の画像を使用可能である。例えば、制御部１０１は、９０度毎に位相を変化させて９枚の縞画像を取得する。そして、ＣＰＵ１５は、１枚目の縞画像と５枚目の縞画像と９枚目の縞画像との差分から算出した変化比率Δ１と、２枚目の縞画像と６枚目の縞画像との差分から算出した変化比率Δ２と、３枚目の縞画像と７枚目の縞画像との差分から算出した変化比率Δ３と、４枚目の縞画像と８枚目の縞画像との差分から算出した変化比率Δ４と、に基づいて全体の変化比率Ｃを算出する。例えば、ＣＰＵ１５は、全体の変化比率Ｃ＝（Δ１＋Δ２＋Δ３＋Δ４／４）とする。次に、ＣＰＵ１５は、全体の変化比率Ｃを用いて、各縞画像に対する補正係数Ｃ_ｍを夫々算出する。そして、ＣＰＵ１５は、各縞画像に補正係数を乗じて補正した縞画像データに基づいて位相分布を算出する。ここで、１枚目の縞画像と５枚目の縞画像と９枚目の縞画像とは位相が等しい。また、２枚目の縞画像と６枚目の縞画像は位相が等しい。また、３枚目の縞画像と７枚目の縞画像は位相が等しい。また、４枚目の縞画像と８枚目の縞画像は位相が等しい。この場合も、Δ１、Δ２、Δ３、Δ４の全てを用いる必要が無く、いずれか一つあるいは任意の複数の変化率を組み合わせて全体の変化率としてもよい。更に、上記の説明ではΔ１の算出に1枚目、5枚目、9枚目の3枚の縞画像を用いているが、例えば、一枚目と9枚目の2枚の縞画像からΔ１を求めても良い。

なお、本実施形態による三次元形状測定装置１は、縞画像の全部又は一部の領域における画素の輝度値の平均値を光量としているが、例えば、縞画像の全部又は一部の領域における画素の輝度値の合計値を光量としてもよい。
また、本実施形態による三次元形状測定装置１は、上述したステップＳ１０６において光量差が閾値Ｌ_ｃ以上であるか否かを判定し、ステップＳ１０７又はＳ１０８へ分岐しているが、ステップＳ１０６の判定を行わずにステップＳ１０４からステップＳ１０７の縞画像を補正した縞画像データに基づいて位相分布を算出する処理へ進んでもよい。

［第２の実施形態］
次に、この発明の第２の実施形態による三次元形状測定装置３について説明する。本実施形態による三次元形状測定装置３の外観構成は第１の実施形態と同様である。

図５は、本実施形態による三次元形状測定装置３の機能構成を示すブロック図である。
本実施形態による三次元形状測定装置３は、図２に示す三次元形状測定装置１の構成に加えて、光量検出部４７と、ハーフミラー等のビームスプリッター４８とを含んで構成される。
ビームスプリッター４８は、メイン光源４２から入射される光の一部を照射領域に透過し、メイン光源４２から入射される光の一部を光量検出部４７に反射する。光量検出部４７は、ビームスプリッター４８から反射された光の光量を検出し、検出した光量を制御部３０１に出力する。制御部３０１は、光量検出部４７から入力された光量をＣＰＵ３５に出力する。ＣＰＵ３５は、入力された光量の変化量に基づいて、測定対象物１１の三次元形状を算出する。他の構成は第１の実施形態による三次元形状測定装置１の構成と同様なので説明を省略する。

次に、図６を参照して、三次元形状測定装置３による三次元形状算出処理について説明する。図６は、本実施形態による三次元形状算出処理の手順を示すフローチャートである。
まず、ステップＳ２０１において、ＣＰＵ３５が、画像番号ｍを初期値１に設定する。
次に、ステップＳ２０２において、ＣＰＵ３５は、縞パターンの位相シフト量を、現在の画像番号ｍに対応したシフト量（ｍ−１）π／２に設定する。

次に、ステップＳ２０３において、制御部３０１が、パターン形成部４３を駆動することにより、位相シフト量が（ｍ−１）π／２である縞パターンを測定対象物１１へ投影し、撮像素子４６を駆動して縞画像Ｉ_ｍを取得する。制御部３０１は、取得した縞画像ＩＭ_ｍをＣＰＵ３５に出力する。ＣＰＵ３５は、入力された縞画像ＩＭ_ｍを記憶部３６へ書き込む。

次に、ステップ２０４において、制御部３０１は、メイン光源４２の光量Ｌ_ｍを光量検出部４７から取得し、取得した光量Ｌ_ｍをＣＰＵ３５に出力する。ＣＰＵ３５は、入力された光量Ｌ_ｍを縞画像ＩＭ_ｍに対応付けて記憶部３６に書き込む。

次に、ステップＳ２０５において、ＣＰＵ３５は、現在の画像番号ｍが最終値ｍ_ｍａｘに達したか否かを判定する。そして、画像番号ｍが最終値ｍ_ｍａｘに達していなければステップＳ２０６へ移行し、画像番号ｍが最終値ｍ_ｍａｘに達していればステップＳ２０７へ移行する。なお、本実施形態では画像番号ｍの最終値ｍ_ｍａｘが「５」に設定された場合を説明する。

次に、ステップＳ２０６において、ＣＰＵ３５は、画像番号ｍに１加算し、ステップＳ２０２へ戻る。よって、ステップＳ２０２〜Ｓ２０４のループは繰り返され、制御部３０１は、合計５枚の縞画像ＩＭ_１〜ＩＭ_５を順に取得する。

一方、ステップＳ２０７において、ＣＰＵ３５は、縞画像ＩＭ_１に対応するメイン光源４２の光量Ｌ_１と縞画像ＩＭ_５に対応するメイン光源４２の光量Ｌ_５とを記憶部３６から読み出し、読み出した光量Ｌ_１と光量Ｌ_５との差（光量差）を算出し、算出した光量差が所定の閾値Ｌ_ｃ１以上であるか否かを判定する。そして、算出した光量差が閾値Ｌ_ｃ１以上である場合にはステップＳ２０８へ移行し、算出した光量差が閾値Ｌ_ｃ１より小さい場合にはステップＳ２０９へ移行する。

ステップＳ２０８において、ＣＰＵ３５は、縞画像ＩＭ_１〜ＩＭ_５夫々に対する補正係数を算出し、各縞画像ＩＭ_１〜ＩＭ_５に算出した補正係数を乗じて補正した縞画像データ基づいて、位相分布を算出する。補正係数の算出方法及び位相分布の算出方法は第１の実施形態のステップＳ１０７と同様である。
一方、ステップＳ２０９において、ＣＰＵ３５は、縞画像ＩＭ_１〜ＩＭ_５に基づいて位相分布を算出する。位相分布の算出方法は第１の実施形態のステップＳ１０８と同様である。
ステップＳ２０８又はＳ２０９に続いて、ステップＳ２１０において、ＣＰＵ３５は、測定対象物１１の三次元形状を算出し、フローを終了する。三次元形状の算出方法は第１の実施形態のステップＳ１０９と同様である。

このように、本実施形態によれば、制御部３０１が、縞画像ＩＭ_１〜ＩＭ_５に対応する光量を光量検出部４７から取得し、ＣＰＵ３５が、位相シフト量の等しい縞画像の光量差に基づいて、各縞画像を補正し、縞画像を補正した縞画像データに基づいて測定対象物１１の三次元形状を算出する。これにより、複数の縞画像を撮像している間にメイン光源４２の光量が変化した場合であっても、精度良く測定対象物１１の三次元形状を算出することができる。また、ビームスプリッター４８は、パターン形成部４３を透過した光を光量検出部４７に反射するため、メイン光源４２の光量の変化だけではなく、パターン形成部４３のパネルの濃度の精度の変化にも応じた補正を行うことができる。

なお、ビームスプリッター４８は、図５の符号４８’に示した位置（メイン光源４２とパターン形成部４３との間）に配置してもよい。この場合、光量検出部４７は、パターン形成部４３を透過する前の光の光量を検出するため、位相シフト量の等しい縞画像の光量差に基づいて各縞画像の補正係数を算出する必要はない。このため、例えば、縞画像ＩＭ_１の光量Ｌ_１と縞画像ＩＭ_２の光量Ｌ_２との差から縞画像ＩＭ_２の補正係数を算出する等、取得した縞画像夫々に対応する光量に基づいて、各縞画像の補正係数を算出してもよい。
また、投影部３３のパターン形成部４３は、液晶表示素子等の透過型に限らず、反射型液晶素子、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ、デジタルミラーデバイス）等の反射型でもよい。パターン形成部４３が反射型である場合、光量検出部４７は、パターン形成部４３により反射された光の光量を検出してもよい。

［第３の実施形態］
次に、この発明の第３の実施形態による三次元形状測定装置５について説明する。本実施形態による三次元形状測定装置５の外観構成は第１の実施形態と同様である。
図７は、本実施形態による三次元形状測定装置５の機能構成を示すブロック図である。
本実施形態による三次元形状測定装置５は、図２に示す三次元形状測定装置１の構成に加えて、外気温検出部６７と、計時部５９とを含んで構成される。
外気温検出部６７は、外気温を検出し、検出した外気温を制御部５０１に出力する。制御部５０１は、外気温検出部６７から入力された外気温をＣＰＵ５５に出力する。コンピュータ５００が備える計時部５９は、時刻を計時する。また、記憶部５６は、メイン光源６２に電力が供給され始めて（メイン光源６２を点灯して）からの経過時間と外気温とに対応するメイン光源６２の光量を示すルックアップテーブル（ＬＵＴ）５６Ａを予め記憶している。ＣＰＵ５５は、計時部５９が計時する時刻と制御部５０１から入力された外気温とに基づいて、位相の等しい縞画像夫々に対応する光量をルックアップテーブル５６Ａから読み出し、読み出した光量の差に基づいて、測定対象物１１の三次元形状を算出する。他の構成は第１の実施形態による三次元形状測定装置１の構成と同様なので説明を省略する。

次に、図８を参照して、三次元形状測定装置５による三次元形状算出処理について説明する。図８は、本実施形態による三次元形状算出処理の手順を示すフローチャートである。
ここで、ＣＰＵ５５は、メイン光源６２に電力が供給され始めた時刻を予め記憶部５６に書き込んでいる。
まず、ステップＳ３０１において、ＣＰＵ５５が、画像番号ｍを初期値１に設定する。
次に、ステップＳ３０２において、ＣＰＵ５５は、縞パターンの位相シフト量を、現在の画像番号ｍに対応したシフト量（ｍ−１）π／２に設定する。

次に、ステップＳ３０３において、制御部５０１が、パターン形成部６３を駆動することにより、位相シフト量が（ｍ−１）π／２である縞パターンを測定対象物１１へ投影し、撮像素子６６を駆動して縞画像Ｉ_ｍを取得する。制御部５０１は、取得した縞画像ＩＭ_ｍをＣＰＵ５５に出力する。ＣＰＵ５５は、入力された縞画像ＩＭ_ｍを記憶部５６へ書き込む。

次に、ステップ３０４において、制御部５０１は、外気温を外気温検出部４７から取得し、取得した外気温をＣＰＵ５５に出力する。また、ＣＰＵ５５は、計時部５９から現在の時刻を取得する。
次に、ステップＳ３０５において、ＣＰＵ５５は、光量Ｌ_ｍを算出する。具体的には、ＣＰＵ５５は、まず、計時部５９から取得した時刻と記憶部５６に記憶されているメイン光源６２に電力が供給された時刻との差から、メイン光源６２に電力が供給されてからの経過時間を算出する。そして、ＣＰＵ５５は、算出した経過時間と入力された外気温とに対応する光量をルックアップテーブル５６Ａから読み出し、読み出した光量を縞画像ＩＭ_ｍに対応する光量Ｌ_ｍとする。ＣＰＵ５５は、算出した光量Ｌ_ｍを縞画像ＩＭ_ｍに対応付けて記憶部５６に書き込む。

次に、ステップＳ３０６において、ＣＰＵ５５は、現在の画像番号ｍが最終値ｍ_ｍａｘに達したか否かを判定する。そして、画像番号ｍが最終値ｍ_ｍａｘに達していなければステップＳ３０６へ移行し、画像番号ｍが最終値ｍ_ｍａｘに達していればステップＳ３０７へ移行する。なお、本実施形態では画像番号ｍの最終値ｍ_ｍａｘが「５」に設定された場合を説明する。

次に、ステップＳ３０７において、ＣＰＵ５５は、画像番号ｍに１加算し、ステップＳ２０２へ戻る。よって、ステップＳ３０２〜Ｓ３０４のループは繰り返され、制御部５０１は、合計５枚の縞画像ＩＭ_１〜ＩＭ_５を順に取得する。

一方、ステップＳ３０８において、ＣＰＵ５５は、縞画像ＩＭ_１に対応する光量Ｌ_１と縞画像ＩＭ_５に対応する光量Ｌ_５との差（光量差）が所定の閾値Ｌ_ｃ２以上であるか否かを判定する。そして、算出した光量差が閾値Ｌ_ｃ２以上である場合にはステップＳ３０９へ移行し、算出した光量差が閾値Ｌ_ｃ２より小さい場合にはステップＳ３１０へ移行する。

ステップＳ３０９において、ＣＰＵ５５は、縞画像ＩＭ_１〜ＩＭ_５夫々に対する補正係数を算出し、各縞画像ＩＭ_１〜ＩＭ_５に算出した補正係数を乗じて補正した縞画像データに基づいて、位相分布を算出する。補正係数の算出方法及び位相分布の算出方法は第１の実施形態のステップＳ１０７と同様である。
一方、ステップＳ３１０において、ＣＰＵ５５は、縞画像ＩＭ_１〜ＩＭ_５に基づいて位相分布を算出する。位相分布の算出方法は第１の実施形態のステップＳ１０８と同様である。
ステップＳ３０９又はＳ３１０に続いて、ステップＳ３１１において、ＣＰＵ５５は、測定対象物１１の三次元形状を算出し、フローを終了する。三次元形状の算出方法は第１の実施形態のステップＳ１０９と同様である。

このように、本実施形態によれば、ＣＰＵ５５は、ルックアップテーブル５６Ａに基づいて縞画像の光量を求め、位相シフト量の等しい縞画像の光量差に基づいて、各縞画像を補正し、縞画像を補正した縞画像データに基づいて測定対象物１１の三次元形状を算出する。これにより、複数の縞画像を撮像している間にメイン光源６２の光量が変化した場合であっても、精度良く測定対象物１１の三次元形状を算出することができる。

なお、本実施形態では、ルックアップテーブル５６Ａに基づいて光量を算出しているが、例えば、メイン光源６２に電力を供給してからの経過時間と外気温とに対応する光量を算出する光量変動関数に基づいて光量を算出してもよい。
また、本実施形態では、メイン光源６２に電力を供給してからの経過時間と外気温とに基づいて光量を算出しているが、メイン光源６２の電流又は温度を検出し、検出した電流又は温度に基づいて光量を算出してもよい。

次に、第１の実施形態による三次元形状測定装置１、第２の実施形態による三次元形状測定装置３、又は、第３の実施形態による三次元形状測定装置５を備える構造物製造システムについて説明する。
図９は、構造物製造システム２００のブロック構成図である。構造物製造システム２００は、三次元形状測定装置１と、設計装置２１０と、成形装置２２０と、制御装置２３０と、リペア装置２４０と含んで構成される。なお、本実施形態では、第１の実施形態による三次元形状測定装置１を用いたが、第２の実施形態による三次元形状測定装置３又は第３の実施形態による三次元形状測定装置５を用いてもよい。

設計装置２１０は、構造物の形状に関する設計情報を作製し、作製した設計情報を成形装置２２０に送信する。また、設計装置２１０は、作成した設計情報を制御装置２３０の後述する座標記憶部２３１に記憶させる。ここで、設計情報とは例えば、構造物の各位置の座標を示す情報である。
成形装置２２０は、設計装置２１０から入力された設計情報に基づいて上記構造物を作製する。成形装置２２０の成形工程には、鋳造、鍛造、または切削等が含まれる。
三次元形状測定装置１は、第１の実施形態において説明したように、作製された前記構造物（測定対象物１１）の座標（三次元形状）を算出し、算出した座標を示す情報（形状情報）を制御装置２３０へ送信する。

制御装置２３０は、座標記憶部２３１と、検査部２３２とを備える。座標記憶部２３１には、前述の通り、設計装置２１０から受信した設計情報が記憶される。検査部２３２は、座標記憶部２３１から設計情報を読み出し、三次元形状測定装置１から受信した座標を示す情報（形状情報）と座標記憶部２３１から読み出した設計情報とを比較する。

そして、検査部２３２は、比較結果に基づき、構造物が設計情報通りに成形されたか否かを判定する。換言すれば、検査部２３２は、作成された構造物が良品であるか否かを判定する。また、検査部２３２は、構造物が設計情報通りに成形されていない場合、修復可能であるか否か判定する。修復できる場合、検査部２３２は、比較結果に基づき、不良部位と修復量を算出し、リペア装置２４０に不良部位を示す情報と修復量を示す情報とを送信する。

リペア装置２４０は、制御装置２３０から受信した不良部位を示す情報と修復量を示す情報とに基づき、構造物の不良部位を加工する。

図１０は、本実施形態における構造物製造システム２００による処理の流れを示したフローチャートである。
まず、ステップＳ４０１において、設計装置２１０が、構造物の形状に関する設計情報を作製する。次に、ステップＳ４０２において、成形装置２２０は、設計情報に基づいて上記構造物を作製する。次に、ステップＳ４０３において、三次元形状測定装置１は、作製された上記構造物の形状を算出する。次に、ステップＳ４０４において、制御装置２３０の検査部２３２は、三次元形状測定装置１で得られた形状情報と、上記設計情報とを比較することにより、構造物が設計情報通りに作成されたか否か検査する。

次に、ステップＳ４０５において、制御装置２３０の検査部２３２は、作成された構造物が良品であるか否かを判定する。そして、作成された構造物が良品である場合には、構造物製造システム２００はその処理を終了する。一方、作成された構造物が良品でない場合には、ステップＳ４０６へ移行する。

ステップＳ４０６において、制御装置２３０の検査部２３２は、作成された構造物が修復できるか否か判定する。作成された構造物が修復できる場合にはステップＳ４０７へ移行し、作成された構造物が修復できない場合には構造物製造システム２００はその処理を終了する。ステップＳ４０７において、リペア装置２４０は、構造物の再加工を実施し、ステップＳ４０３の処理に戻る。

以上により、第１の実施形態に示すように、三次元形状測定装置１は精度良く構造物の座標（三次元形状）を算出することができるため、構造物製造システム２００は作成された構造物が良品であるか否か判定することができる。また、構造物製造システム２００は、構造物が良品でない場合、構造物の再加工を実施し、修復することができる。

なお、本実施形態におけるリペア装置２４０が実行するリペア工程は、成形装置２２０が成形工程を再実行する工程に置き換えられてもよい。その際には、制御装置２３０の検査部２３２が修復できると判定した場合、成形装置２２０は、成形工程（鍛造、切削等）を再実行する。具体的には、例えば、成形装置２２０は、構造物において本来切削されるべき箇所であって切削されていない箇所を切削する。これにより、構造物製造システム２００は、構造物を正確に作成することができる。

また、図３，６又は８に示す各ステップを実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより、三次元形状算出処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものであってもよい。
また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、フラッシュメモリ等の書き込み可能な不揮発性メモリ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。

さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（例えばＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory））のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。
また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。
また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。

以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。

１，３，５…三次元形状測定装置 １３，３３，５３…投影部 １４，３４，５４…撮像部 １５，３５，５５…ＣＰＵ １６，３６，５６…記憶部 ２２，４２，６２…メイン光源 １０１，３０１，５０１…制御部

Claims (16)

1. 光源が発光した光を縞パターンに変換して測定対象物上に投影する投影部と、
   前記測定対象物を撮像する撮像部と、
   前記投影部が投影する縞パターンの位相を変化させながら、前記撮像部に前記測定対象物の撮像を繰り返しさせるとともに、縞パターンの画像を複数順に取得する制御部と、
   前記光源の光量の変化量を検出し、当該検出した変化量が所定の値以上である場合に、当該検出した変化量に基づいて前記縞パターンの画像を補正し、当該補正した縞パターンの画像に基づいて、前記測定対象物の三次元形状を算出する形状算出部と、
   を備えることを特徴とする三次元形状測定装置。
2. 請求項１に記載の三次元形状測定装置において、
   前記制御部は、位相の等しい縞パターンの画像を含む縞パターンの画像を複数順に取得し、
   前記形状算出部は、前記制御部が取得した位相の等しい縞パターンの画像夫々に対応する前記光源の光量の差を前記変化量として検出する
   ことを特徴とする三次元形状測定装置。
3. 請求項２に記載の三次元形状測定装置において、
   前記形状算出部は、前記光量の差が所定の閾値以上である場合に、当該光量の差に基づいて補正係数を算出し、当該算出した補正係数を乗じて補正した縞パターンの画像に基づいて、前記測定対象物の三次元形状を算出する
   ことを特徴とする三次元形状測定装置。
4. 請求項２又は３に記載の三次元形状測定装置において、
   前記形状算出部は、前記光量の差に基づいて、前記制御部が順に取得した縞パターンの画像夫々に対する補正係数を算出する
   ことを特徴とする三次元形状測定装置。
5. 請求項４に記載の三次元形状測定装置において、
   前記形状算出部は、前記光量の差に基づいて、前記順に取得した画像夫々に対する補正係数の変化比率を算出し、当該変化比率に基づいて前記順に取得した画像夫々に対する補正係数を算出する
   ことを特徴とする三次元形状測定装置。
6. 請求項２から５いずれか１項に記載の三次元形状測定装置において、
   前記形状算出部は、前記制御部が取得した位相の等しい縞パターンの画像同士の差を前記光源の光量の差とする
   ことを特徴とする三次元形状測定装置。
7. 請求項６に記載の三次元形状測定装置において、
   前記制御部は、前記縞パターンの位相を９０度ずつ順に変化させながら、前記撮像部による撮像を繰り返して、縞パターンの画像を少なくとも５枚取得し、
   前記形状算出部は、前記制御部が取得した時間の異なる２枚の画像であって、位相の等しい縞パターンの画像の差を前記光源の光量の差とする
   ことを特徴とする三次元形状測定装置。
8. 請求項１から５いずれか１項に記載の三次元形状測定装置において、
   前記光源の光量を検出する光量検出部を備え、
   前記形状算出部は、前記制御部が縞パターンの画像夫々を取得した際に、前記光量検出部が検出した光量に基づき、前記光源の光量の変化量を検出する
   ことを特徴とする三次元形状測定装置。
9. 請求項２から５いずれか１項に記載の三次元形状測定装置において、
   前記光源に電力が供給され始めてからの経過時間に対応する前記光源の光量を記憶する記憶部を備え、
   前記形状算出部は、前記制御部が位相の等しい縞パターンの画像夫々を取得した時刻に基づいて、前記位相の等しい縞パターンの画像夫々に対応する前記光源の光量を前記記憶部から読み出す
   ことを特徴とする三次元形状測定装置。
10. 光源が発光した光を縞パターンに変換して測定対象物上に投影し、前記測定対象物を撮像する三次元形状測定装置における三次元形状測定方法であって、
    前記三次元形状測定装置の制御部が、投影する縞パターンの位相を変化させながら、前記測定対象物の撮像を繰り返すとともに、縞パターンの画像を複数順に取得するステップと、
    前記三次元形状測定装置の形状算出部が、前記光源の光量の変化量を検出し、当該検出した変化量が所定の値以上である場合に、当該検出した変化量に基づいて前記縞パターンの画像を補正し、当該補正した縞パターンの画像に基づいて、前記測定対象物の三次元形状を算出するステップと、
    を有することを特徴とする三次元形状測定方法。
11. 構造物の形状に関する設計情報を作製する設計工程と、
    前記設計情報に基づいて前記構造物を作製する成形工程と、
    作製された前記構造物の形状を請求項１０に記載の三次元形状測定方法を用いて算出する測定工程と、
    前記測定工程で得られた形状情報と、前記設計情報とを比較する検査工程と、
    を有することを特徴とする構造物の製造方法。
12. 前記検査工程の比較結果に基づいて実行され、前記構造物の再加工を実施するリペア工程を有することを特徴とする請求項１１に記載の構造物の製造方法。
13. 前記リペア工程は、前記成形工程を再実行する工程であることを特徴とする請求項１２に記載の構造物の製造方法。
14. 前記リペア工程は、前記検査工程の比較結果に基づいて、前記構造物の不良部位を加工する工程であることを特徴とする請求項１２に記載の構造物の製造方法。
15. 構造物の形状に関する設計情報を作製する設計装置と、
    前記設計情報に基づいて前記構造物を作製する成形装置と、
    請求項１から９いずれか１項に記載の三次元形状測定装置と、
    前記三次元形状測定装置が算出した前記構造物の形状情報と、前記設計情報とを比較する検査装置と、
    を有することを特徴とする構造物製造システム。
16. 前記検査装置における比較結果に基づいて、前記構造物の再加工を実施するリペア装置を有することを特徴とする請求項１５に記載の構造物製造システム。