WO2014088089A1 - 三次元形状計測装置、ホログラム画像取得方法及び三次元形状計測方法 - Google Patents

三次元形状計測装置、ホログラム画像取得方法及び三次元形状計測方法 Download PDF

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堀米　秀嘉
梅崎　太造
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Definitions

  • the present invention relates to a technique for measuring a three-dimensional shape, and more particularly, to a three-dimensional shape measurement apparatus, a hologram image acquisition method, and a three-dimensional shape measurement method using phase shift digital holography.
  • Holography is a technique for recording and reproducing a three-dimensional shape of an object, and includes a step for recording the object and a step for reproducing the recorded object.
  • a medium or a reproduced image in which a three-dimensional shape of an object is recorded as interference fringes is called a hologram.
  • a highly coherent laser beam is used for hologram recording and reproduction.
  • digital holography In recent years, with the development of image sensors, digital holography technology for acquiring holograms as digital images has been developed. In digital holography, an image sensor is used instead of a recording medium, but the basic principle is the same as in conventional holography. Digital holography has many advantages over conventional holography. For example, development processing is unnecessary, and various image processing can be performed on the acquired hologram image. Further, the phase information of the object light can be calculated from the hologram image by a light wave reverse propagation simulation by a computer, and the three-dimensional shape of the object can be reproduced with high accuracy.
  • Patent Document 1 discloses a phase shift unit (piezo element) that shifts the phase of a reference wave, a hologram imaging unit that generates a hologram image by irradiating an imaging surface with an object wave and a reference wave, and a plurality of phase-shifted units.
  • An apparatus is described that includes a calculation unit that performs various processes on a plurality of hologram images generated by a reference wave and an object wave of each reference wave. According to the description in Patent Document 1, it is possible to provide an apparatus for phase shift digital holography that does not require off-axis (intersection angle between reference light and object light) and can prevent a ghost image from being accompanied by a reproduced image. It is said that.
  • Patent Document 1 uses a mirror including a piezo element as a phase shift unit, and shifts the optical path difference between the reference light and the object light by 1 ⁇ 4 wavelength of the laser wavelength, thereby Four hologram images are captured during the shift of one wavelength.
  • a mirror including a piezo element as a phase shift unit
  • an optical surface plate, a vibration isolator and the like are necessary, and the apparatus itself is complicated and large in size, and is also expensive.
  • the apparatus of Patent Document 1 since the object light is formed by illuminating the measurement target from an oblique direction, the optical system becomes large and the apparatus becomes large. From these points, it is difficult to use the apparatus of Patent Document 1 at an actual work site (a factory, a production line, etc.) where a vibration isolation environment is not established.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and is a low-cost and high-accuracy three-dimensional shape measuring apparatus using phase shift digital holography that can solve at least a part of the problems.
  • the purpose is to provide.
  • another object of the present invention is to provide a three-dimensional shape measuring apparatus using phase shift digital holography having a small and simple configuration.
  • a three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention includes a laser light source, an object light optical system, a reference light optical system, a relative phase difference detection polarizing element, and an imaging unit.
  • the object light optical system includes the object light generated by irradiating the measurement target with illumination light generated from a part of the light emitted from the laser light source in a state of the first circularly polarized light.
  • the reference light is incident on a relative phase difference detecting polarization element, the reference light optical system generates reference light from another part of the light emitted from the laser light source, and the reference light is converted into the first circularly polarized light.
  • the relative phase difference detecting polarizing element is the relative light of the first circularly polarized object light.
  • Component of the polarization direction of the polarizing element for detecting an optical phase difference and the second circle A component in the polarization direction of the relative phase difference detection polarizing element is transmitted among the reference light of the light, and the object light and the reference light that have passed through the relative phase difference detection polarizing element interfere with each other in the imaging unit.
  • the object light transmitted through the relative phase difference detecting polarizing element and the reference light are transmitted.
  • the relative phase difference is changed, and a plurality of hologram images having different relative phase differences are acquired.
  • the object light optical system and the reference light optical system preferably constitute an integrated optical unit.
  • the optical unit is preferably composed of a combination of a polarizing beam splitter, a quarter-wave plate, and a reflective element.
  • the polarization beam splitter includes a first surface on which light emitted from the laser light source is incident, a second surface facing the measurement target, and a first surface facing the relative phase difference detection polarizing element. 3 and a fourth surface facing the reflective element, and a quarter-wave plate is provided on each of the second surface, the third surface, and the fourth surface.
  • the polarization beam splitter preferably has an extension at one end thereof so that the optical path length of the reference light and the optical path length of the object light are substantially the same.
  • the reflective element may be provided with a surface substantially the same as the shape of the surface of the measurement target.
  • the optical unit may be constituted by a holographic optical element.
  • a telecentric optical system may be provided between the optical unit and the measurement target. It is preferable that the optical unit includes a diffusing unit that diffuses and irradiates the measurement target with annular illumination light. Furthermore, a telecentric optical system may be provided between the optical unit and the imaging means.
  • the image processing apparatus includes means capable of image processing, calculates a phase distribution of object light from the measurement target from a plurality of hologram images having different relative phase differences, and calculates the three-dimensional shape of the measurement target. It is preferable to regenerate the shape.
  • the hologram image acquisition method of the present invention converts object light generated by irradiating a measurement target with illumination light generated from a part of light irradiated from a laser light source into first circularly polarized light, and Reference light generated from another part of the light emitted from the light source is converted into second circularly polarized light in a direction opposite to the first circularly polarized light, and the first circularly polarized object light and the first Two circularly polarized reference beams are incident on a rotatable relative phase difference detecting polarizing element, and the polarization direction of the relative phase difference detecting polarizing element out of the first circularly polarized object light Component light and the second circularly polarized reference light are transmitted in the polarization direction component of the relative phase difference detection polarizing element, and the object light and the reference light transmitted through the relative phase difference detection polarizing element.
  • annular illumination light may be generated, and the annular illumination light may be diffusely irradiated onto the measurement target. Further, at least a telecentric optical system through which the object light passes may be provided to acquire the video information of the measurement target together with the hologram image. In addition, when acquiring the video information of the measurement target, it is preferable to reduce the amount of the reference light compared to when acquiring the hologram image.
  • the three-dimensional shape measurement method of the present invention calculates a phase distribution of object light from the measurement target from a plurality of hologram images having different relative phase differences acquired by the hologram image acquisition method. The original shape is reproduced.
  • the relative phase difference detecting polarization element that passes the first circularly polarized object light and the second circularly polarized reference light in the direction opposite to the first circularly polarized light is rotationally driven and controlled. This makes it possible to control the relative phase difference between the object beam and the reference beam, and to acquire a plurality of hologram images in different phase states.
  • a three-dimensional shape measuring apparatus using phase difference detection digital holography can be provided. Furthermore, by integrating the optical unit, it is possible to provide a three-dimensional shape measuring apparatus that is small and has a simple structure, is inexpensive and highly accurate, and is resistant to vibration. Other effects will be described in the mode for carrying out the invention.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a three-dimensional shape measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • Explanatory drawing showing the optical path during laser light irradiation Explanatory drawing showing the optical path when laser light is reflected
  • Explanatory drawing which shows the state of circular polarization of object light and reference light Explanatory drawing which shows operation
  • the present invention is a three-dimensional shape measuring apparatus that measures a three-dimensional shape to be measured using a phase shift digital holography technique.
  • the present inventors make the first circularly polarized object light and the second circularly polarized light (hereinafter the same) reference light in the direction opposite to the first circularly polarized light incident on the polarizing element.
  • the linearly polarized light of the polarization direction component of the polarization element of the circularly polarized object light and the linearly polarized light of the polarization direction component of the polarization element of the second circularly polarized reference light are passed, It has been found that a hologram can be imaged with reference light.
  • the present inventors have found that the relative phase difference between the object light and the reference light can be controlled according to the polarization direction of the polarizing element. Therefore, in the present invention, instead of the conventional method of physically shifting the optical path difference of the reference light by the mirror including the piezo element, the object light and the reference light have different rotation directions as a simpler and more vibration-resistant structure.
  • a method of controlling the polarization direction of the relative phase difference detecting polarizing element using a wave plate for converting to circularly polarized light and a relative phase difference detecting polarizing element was adopted.
  • the present invention is a technology of phase shift digital holography that can image a plurality of holograms with different relative phase differences between the object beam and the reference beam.
  • the present invention also includes a method of acquiring a measurement target hologram image using such a three-dimensional shape measuring apparatus and measuring the three-dimensional shape of the measurement target.
  • the three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention is more resistant to vibration than the prior art, which requires precise control in units of wavelengths, because it simply rotates and drives the relative phase difference detecting polarizing element. It is a low-cost, simple and compact structure, and the apparatus itself can be used while being moved as appropriate. For example, in a factory or the like, the measurement device can be mounted at the tip of a robot arm, and can be sequentially moved to a plurality of locations of relatively large industrial products for measurement at high speed.
  • a polarization direction in light (electromagnetic waves) traveling in one direction
  • a plane including the electric field vector and the traveling direction is referred to as a polarization plane.
  • P-polarized light refers to a component that vibrates in a direction parallel to the incident surface
  • S-polarized light refers to a component that vibrates in a direction perpendicular to the incident surface.
  • the measurement apparatus detects a relative phase difference using at least a laser light source (for example, reference numeral 1 in FIGS. 1 to 3) and object light generated by a measurement target (10) as a first circularly polarized light.
  • the object light optical system and the reference light optical system are realized by an optical unit (2) in which both are integrated.
  • Laser light source is a light source that can supply highly coherent laser light.
  • Semiconductor laser laser diode
  • solid state laser rubber laser, YAG laser, etc.
  • gas laser He-Ne laser, CO 2 laser, etc.
  • a fiber laser or the like can be used.
  • the intensity and wavelength of the laser beam may be appropriately selected according to the measurement object, the configuration of the measurement optical system, the entire optical path length, and the like.
  • the optical system for object light generates illumination light for illuminating the measurement target using a part of light supplied from a laser light source or the like, and first generates the object light generated by irradiating the measurement target with illumination light.
  • light supplied from a laser light source or the like may be divided using a polarization beam splitter, and one of the linearly polarized light may be used as illumination light, or a laser light source using a beam splitter may be used. A part of the light supplied from the above may be separated and used as illumination light. Further, a quarter-wave plate is appropriately disposed to convert the object light into the first circularly polarized light.
  • the reference light optical system generates reference light by using another part of light supplied from a laser light source or the like, converts it into second circularly polarized light, and makes it incident on a relative phase difference detecting polarizing element. It is a system.
  • the light supplied from a laser light source or the like may be divided using a polarizing beam splitter, and the other linearly polarized light may be used as the reference light, or the laser may be used using the beam splitter.
  • Another part obtained by separating light supplied from a light source or the like may be used as reference light.
  • a quarter-wave plate is appropriately disposed to convert the reference light into the first circularly polarized light.
  • the optical system for object light and the optical system for reference light be an integrated optical unit for miniaturization, simplification, and cost reduction.
  • the optical unit for example, a combination of a polarizing beam splitter and a wave plate can be used (for example, FIGS. 1 to 3 and FIGS. 8 to 11), and wavelength selectivity, angle selectivity, and diffraction efficiency are appropriately set.
  • a set holographic optical element (Holographic Optical Element: hereinafter may be simply referred to as “HOE”) can also be used (for example, FIG. 12).
  • HOE holographic Optical Element
  • FIG. 12 the configuration shown in each figure is merely an example, and the present invention is not limited to this.
  • the optical unit may be configured to be able to emit circularly polarized object light and reference light whose rotation directions are opposite to each other toward the relative phase difference detecting polarizing element.
  • Various types, arrangements, quantities, and the like of various optical elements can be variously modified according to the configuration of the apparatus and the purpose of use. For example, a configuration such as an interferometer described in JP2012-2616A may be applied.
  • the object light optical system and the reference light optical system cause the object light and the reference light to be incident substantially coaxially with respect to the relative phase difference detection polarizing element.
  • substantially coaxial means that the cross angle between the optical axis of the object light and the optical axis of the reference light is zero or sufficiently small (about 0 to ⁇ 7 °).
  • the crossing angle between the object light from the measurement target and the reference light should be as small as possible to reduce the interference fringe spacing. Is preferably increased.
  • the polarizing element for relative phase difference detection is arranged perpendicular to the optical axis of the object light or reference light, and is configured to be able to change the polarization direction.
  • the relative phase difference detection polarizing element can employ a configuration in which a linear polarizing element and a rotation driving unit are used, and the polarizing element can be rotated around the optical axis of the object light or the reference light.
  • the rotation driving means can image the hologram with the relative phase difference detected at high speed by rotating the polarizing element at a predetermined rotation speed in synchronization with the imaging timing by the imaging means (see FIG. 5). ).
  • the rotation drive means may be configured to change only a specific rotation angle in a stepwise manner.
  • the relative phase difference detecting polarizing element transmits at least a part (a linear component corresponding to the polarization axis) of the first circularly polarized light and the second circularly polarized light.
  • part of the transmissive object light and reference light (linear components) at a rotation angle ⁇ at a certain time have different phases.
  • the relative phase difference between part of the transmitted object light and part of the reference light changes according to the amount of change in the rotation angle ⁇ . Therefore, in the present invention, the relative phase difference between the object light and the reference light can be changed by simple rotation control of the polarizing element without changing the optical path of the reference light using a piezo element or the like. It is.
  • the imaging means is configured such that the object light (the portion that has passed through the relative phase difference detecting polarizing element) and the reference light (the portion that has passed through the relative phase difference detecting polarizing element) interfere with each other.
  • a hologram image (hereinafter sometimes referred to as an interference fringe pattern) generated on the imaging surface is imaged.
  • CMOS Complementary Metal-Oxide Semiconductor
  • CCD Charge Coupled Device
  • the present invention may include information processing means.
  • the information processing means can control the operation of the rotation driving means of the relative phase difference detecting polarizing element, the imaging timing of the imaging means, and the like.
  • various processes are performed on the hologram image acquired by the imaging unit. Specific processing of the three-dimensional shape measurement will be described later with reference to FIG.
  • a personal computer or a server can be used as the information processing means.
  • it may be configured by a processor and its peripheral circuits, and various processes may be realized by cooperating hardware and a program.
  • a dedicated circuit for image calculation may be used.
  • various processing software may be incorporated in an FPGA (Field-Programmable Gate Array) arranged in the imaging unit.
  • FPGA Field-Programmable Gate Array
  • the measuring apparatus of the present invention by rotating the relative phase difference detecting polarizing element, a part of the object light that is the first circularly polarized light and the reference light that is the second circularly polarized light A plurality of hologram images having different relative phase differences can be acquired by controlling the relative phase difference between the portions.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a three-dimensional shape measuring apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing an optical path at the time of laser light irradiation
  • FIG. 3 shows an optical path at the time of laser light reflection. It is explanatory drawing shown.
  • FIG. 1 in order to show the optical path at the time of laser light irradiation and at the time of reflection at once, the optical path at the time of reflection is described with an angle with respect to the time of irradiation.
  • the optical axes are the same, and the optical paths overlap if the minute irregularities on the surface of the reflecting means and the shape of the measurement target are ignored.
  • This measuring apparatus includes a laser light source 1, an optical unit 2, a relative phase difference detecting polarizing element 6 (including a rotation driving means (not shown)), and an imaging means 7. Further, the measurement apparatus may include information processing means 8, a beam expander 9, a half-wave plate 11 for incident light, and the like.
  • the optical unit 2 in FIG. 1 includes a polarizing beam splitter 20, a quarter wave plate 23 for illumination light, a quarter wave plate 24 for reference light, a reflection element 25, and a quarter wave plate 5 for circular polarization conversion. Is included. Further, in FIG. 1, a beam expander 9 and a half-wave plate 11 for incident light are provided between the laser light source 1 and the optical unit 2. The optical unit 2 generates the illumination light 31 and the reference light 33 from the light supplied from the laser light source 1, and finally the first circularly polarized object light 37 and the second circle whose rotation directions are opposite to each other. The polarized reference light 38 is emitted substantially coaxially toward the polarizing element 6 for detecting the relative phase difference. In the polarization beam splitter of FIG.
  • a laser light source 1 is disposed on the first surface A side, and a laser beam 30 irradiated from the laser light source 1 is incident thereon.
  • An object to be measured is arranged on the second surface B side, and an illumination light quarter-wave plate 23 is provided on the surface B or in the vicinity thereof.
  • a relative phase difference detecting polarizing element 6 and an imaging means 7 are arranged, and a circularly polarized light conversion quarter-wave plate 5 is provided on or near the surface C.
  • a quarter-wave plate for reference light 24 and a reflection element 25 are provided.
  • the laser light emitted from the laser light source 1 is expanded into parallel light having a predetermined beam diameter by the beam expander 9 and enters the polarizing beam splitter 20.
  • the beam expander 9 is an optical member that expands the beam diameter of laser light in parallel, and includes a collimator lens and the like.
  • the laser light emitted from the beam expander 9 is linearly polarized light.
  • this linearly polarized light is transmitted through the half-wave plate 11, a linearly polarized light 30 having a specific polarization direction is formed, and the polarizing beam splitter is formed.
  • the intensity ratio of the irradiation light and the reference light can be adjusted.
  • the optical axis of the half-wave plate 11 when the optical axis of the half-wave plate 11 is set so that the polarization direction of the linearly polarized light 30 is 45 ° with respect to the plane of incidence on the polarization beam splitter 20, the first beam divided by the polarization beam splitter 20 is the first.
  • the amplitude intensity of the linearly polarized light and the amplitude intensity of the second linearly polarized light are substantially the same.
  • the polarization beam splitter 20 divides the linearly polarized light 30 into two light beams of a first linearly polarized light (hereinafter referred to as S-polarized light) and a second linearly polarized light (hereinafter referred to as P-polarized light) due to its optical characteristics.
  • S-polarized light a first linearly polarized light
  • P-polarized light a second linearly polarized light
  • One for example, S-polarized light
  • the other for example, P-polarized light
  • the S-polarized light is used as the illumination light 31 and the P-polarized light is used as the reference light 33, but the reverse may be possible.
  • the arrangement of the quarter-wave plate 23 for illumination light, the quarter-wave plate 24 for reference light, the reflective element 25, and the measurement object 10 is appropriately set.
  • the illumination light 31 that is S-polarized light passes through the illumination-use quarter-wave plate 23, it is converted into circularly-polarized light (for example, left rotation) and is irradiated onto the measurement object 10.
  • the reference light 33 that is P-polarized light is transmitted through the quarter-wave plate 24 for reference light, it is converted into circularly polarized light (for example, clockwise rotation) whose rotation direction is opposite to that of the illumination light 31, and the reflection element 25. Is reflected by.
  • the reflection element 25 for example, a plane mirror, a reflection type HOE, or the like can be used.
  • the approximate shape of the measurement target is known in advance (for example, a spherical surface), a convex mirror, a concave mirror, a combination thereof, or a reflective HOE in which these shapes are recorded with phase information can be used.
  • a reflective surface having a shape substantially the same as the shape of the measurement target.
  • the present invention is preferably applied to inspection of optical components in which a plurality of lenses such as fly-eye lenses are combined.
  • the object light 32 (left-handed circularly polarized light) generated by reflecting the illumination light 31 by the measurement object 10 passes through the illumination light quarter-wave plate 23 again, thereby illuminating.
  • the light is converted to P-polarized light that is orthogonal to S-polarized light.
  • the P-polarized object light 35 passes through the polarization beam splitter 20 and is emitted toward the circularly polarized light conversion quarter-wave plate 5.
  • the reference light 34 right circularly polarized light
  • the S-polarized reference light 36 is reflected by the polarization beam splitter 20 and is emitted toward the circularly polarized light conversion quarter-wave plate 5.
  • the circularly polarized light conversion quarter-wave plate 5 is disposed on the output side of the optical unit 2 and converts one of linearly polarized object light and reference light orthogonal to each other into circularly polarized light in the first rotational direction (for example, left rotation. converted into the electric field reference vector E 1) in FIG. 4, the other is converted into a second rotational direction of the circularly polarized light (see, for example, clockwise. electric field vector of FIG. 4 E 2).
  • the P-polarized object light 35 passes through the quarter-wave plate 5, it is converted into circularly polarized light (for example, clockwise rotation) object light 37 in the first rotation direction.
  • the S-polarized reference light 36 is converted to circularly polarized reference light 38 (for example, counterclockwise rotation) in the second rotation direction after passing through the circular polarization conversion quarter-wave plate 5.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing the state of circular polarization of object light and reference light.
  • Circularly polarized light can be generally expressed as a locus of the tip of an electric field vector E that travels while rotating around an axis in the traveling direction (here, the Z axis).
  • the rotation direction of the electric field vector E is clockwise rotation with respect to the traveling direction (facing + Z-axis direction), and counterclockwise rotation is counterclockwise.
  • the angle between the XZ plane as the reference plane and the polarization plane (including the polarization direction) including the electric field vector E is defined as the polarization angle ⁇ of circularly polarized light.
  • the P-polarized light and the S-polarized light are circularly polarized light having different rotation directions after passing through the quarter-wave plate 5 for circularly polarized light conversion as shown in the figure.
  • the right circularly polarized object light 37 and the left circularly polarized reference light 38 emitted from the optical unit 2 are incident on the relative phase difference detection polarizing element 6, the right circularly polarized light 37 and the left circular light corresponding to the polarization axis thereof are input.
  • Some components of the circularly polarized light 38 are transmitted, and an interference fringe pattern is formed on the imaging surface 70 of the imaging means 7 by the object light having the same polarization axis and the reference light.
  • the object light 37 and the reference light 38 are illustrated separately, but it is preferable that both are emitted substantially coaxially.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing the operation of the relative phase difference detecting polarizing element.
  • the relative phase difference detection polarizing element 6 is an optical member having a polarization axis that transmits only light in a specific polarization direction, and is configured to be rotatable.
  • the relative phase difference detecting polarizing element 6 is disposed substantially perpendicular to the optical axes of the object beam 37 and the reference beam 38.
  • the rotation angle ⁇ is an angle between the reference axis (X axis) and the polarization axis when the relative phase difference detection polarizing element 6 is disposed.
  • the polarizing element 6 for detecting the relative phase difference is rotated by a half turn, the polarization axes coincide again.
  • the relative phase difference detecting polarizing element 6 preferably rotates continuously at a constant rotational speed.
  • the information processing unit 8 may control the imaging timing of the imaging unit 7 in synchronization with a signal indicating the rotation angle from the rotation driving unit, for example.
  • a signal indicating the rotation angle from the rotation driving unit for example.
  • the relative phase difference detecting polarizing element 6 is rotated by a half turn, a hologram image including four types of phase information can be acquired.
  • the present invention is not limited to this, and the relative phase difference detecting polarizing element 6 may be controlled to rotate stepwise by a predetermined angle at predetermined time intervals.
  • Rotational speed, imaging timing (rotational angle), etc. can be set as appropriate according to the configuration of the measuring device. For example, when the rotation speed of the relative phase difference detecting polarizing element 6 is set to 7.5 rps (7.5 rotations / second) and the imaging frame rate of the imaging means (CCD camera) is set to 60 fps (60 frames / second), 4 ⁇ 15 hologram images can be taken per second.
  • ⁇ 0 °
  • 45 ° 90 °
  • 135 ° 135 °
  • the initial phase difference ⁇ is assumed to be zero for simplicity.
  • the amount of information that can be used to calculate the (initial) phase difference ⁇ in equation (2) described later increases, so that the calculation accuracy of ⁇ increases and the measurement accuracy increases. Improvement can be realized. If continuous phase information can be obtained, the initial phase difference can be obtained directly from the sine wave included in the light / dark information of the interference fringes without using Equation (2).
  • FIG. 6 is a flowchart showing an overview of the processing of three-dimensional shape measurement.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating a coordinate system of the measurement target surface and the imaging surface.
  • the traveling direction of the reference light and the object light is z.
  • (X, y) are the coordinates of the imaging surface 70
  • ( ⁇ , ⁇ ) are the coordinates on the measurement target surface 100
  • ( ⁇ ′, ⁇ ′) are the coordinates of the image plane 150.
  • the distance between the imaging surface 70 and the measurement target surface 100 and the distance between the imaging surface 70 and the image plane 150 are d.
  • the information processing means 8 acquires the hologram image imaged by the imaging means 7 (S202).
  • B (x, y) is the offset of the DC component (average value) of the interference fringes (sine wave), and C (x, y) is the amplitude of the interference fringes.
  • ⁇ represents an initial phase difference between the reference light and the object light on the imaging surface (phase difference when the polarization angle ⁇ of each light is 0).
  • B (x, y) and C (x, y) are unknown. Therefore, it is impossible to calculate the initial phase difference ⁇ with only one interference fringe pattern.
  • the initial phase difference ⁇ is calculated as shown in Expression (2) using four types of interference fringe patterns having different relative phase differences. Can do.
  • the information processing means 8 calculates a complex amplitude E 0 (x, y) of the object light on the imaging surface 70 by a phase shift method (PSI: Phase Shift Interferometry) (S204).
  • PSD Phase Shift Interferometry
  • the complex amplitude E 0 (x, y) of the object light can be expressed as shown in Equation (3).
  • a (x, y) represents the intensity of the object light that has arrived at the imaging surface from the measurement target (superposition of interference fringe patterns I 1 to I 4 ), and ⁇ represents the object light on the imaging surface 70 and the reference light.
  • ⁇ represents the object light on the imaging surface 70 and the reference light.
  • ⁇ is the phase value (relative phase) of the object light on the imaging surface 70 based on the phase value of the reference light.
  • E 0 (x, y) shown in Expression (3) corresponds to object light on the imaging surface 70.
  • the phase value of the reference light is unknown. This uncertainty of the reference beam is considered to have an undesirable effect on the measurement result.
  • the information processing means 8 can calculate the object light ⁇ ( ⁇ , ⁇ ) on the measurement target surface 100 by Fresnel transformation based on the equations (4-1) and (4-2) (S206).
  • ⁇ is the wavelength of the laser beam.
  • the calculated reproduction light ⁇ ( ⁇ ( ⁇ ) is obtained by the fluctuation of the diffraction distance d of the reproduction light (the distance between the imaging surface 70 and the reproduction image plane 150 set at the time of calculation). ', ⁇ ') may fluctuate. For this reason, in the conventional method, in order to improve the measurement accuracy, it is necessary to examine the optimum value of d for measurement.
  • equation (5-1) is used and direct Fourier transform (FFT) is used.
  • FFT direct Fourier transform
  • the object light ⁇ ( ⁇ , ⁇ ) on the measurement target surface 100 is calculated (S206).
  • the function g ( ⁇ , ⁇ , x, y) in the equation (5-1) corresponds to the equation (5-3).
  • the present invention can reduce calculation errors and realize highly accurate measurement as compared with the conventional method.
  • the actual object light exists at a position farther than the distance d between the imaging surface 70 and the measurement target surface 100.
  • the phase of the reproduction light does not fluctuate. Therefore, the study on the diffraction distance d of the reproduction light can be easily realized by the conventional method.
  • FFT fast Fourier transform
  • the information processing means 8 calculates the phase distribution ⁇ ( ⁇ , ⁇ ) of the object light ⁇ ( ⁇ , ⁇ ) shown in Expression (5-2) (S208).
  • the phase distribution ⁇ is the phase of the object light ⁇ ( ⁇ , ⁇ ) on the measurement target surface 100, and is a phase value (absolute phase) that is not based on the phase value of the reference light.
  • the information processing means 8 performs a phase connection process, for example using Quality Map method etc. (S210).
  • the Quality Map method measures the phase difference between the reference light and the measurement light at each point on the imaging surface by measuring the intensity change of the interference fringes when a constant phase difference is given between the reference light and the object light. Is to be calculated.
  • the information processing means 8 calculates the shape of the measurement target (three-dimensional world coordinates (X, Y, Z)) using an interferometric survey method (S212).
  • Interferometry methods are described in “Isaevich Ostrovski, Interferometry by Holography (Springer series in optical sciences), July 1980, Springer-Verlag, New York”.
  • Interferometry is a technique that measures the three-dimensional shape of an object using the fact that the shape of the object to be measured changes by an equal multiple of the wavelength when the phase value of the light changes by an integral multiple of 2 ⁇ . is there.
  • the coordinate value of the Z-axis of the three-dimensional shape to be measured is calculated from the continuous phase value by using the above interferometry method using the equation (6-3).
  • the equations (6-1) and (6-2) To calculate the coordinate values of the three-dimensional X-axis and Y-axis.
  • ⁇ x and ⁇ y are horizontal and vertical distances between pixels of a camera sensor element such as a CCD or CMOS, and N is the number of samplings.
  • ⁇ represents the phase distribution of the object light after the connection processing.
  • the three-dimensional shape to be measured can be measured by the processing as described above.
  • FIG. 8 shows a first modification of the measurement apparatus.
  • the apparatus shown in the figure is different from the apparatus shown in FIG. 1 in that it includes a collimator lens 9, an anamorphic prism 12, and a light quantity adjusting polarization element 13.
  • FIG. 8 also shows a rotation driving means 61 for rotating the relative phase difference detecting polarizing element 6.
  • the light quantity adjusting polarizing element 13 and the incident light half-wave plate 11 are configured to be rotatable around the optical axis of the incident light.
  • the arrangement of the light quantity adjusting polarizing element 13 and the incident light half-wave plate 11 may be interchanged.
  • the measurement target is relatively small (same as the size of the imaging surface, 10 to 20 mm in diameter). Suitable for applications that measure
  • the optical path lengths of the reference light and the object light are set to be substantially equal, it is possible to use a semiconductor laser having a short coherent length as a laser light source. Since the semiconductor laser 1 has a shorter coherence length than a solid laser or the like, the optical path length difference between the reference light and the object light (including illumination light) is made as small as possible in order to obtain an appropriate interference fringe pattern. It is preferable.
  • an extension 29 corresponding to the distance L until the illumination light emitted from the polarization beam splitter reaches the measurement target surface is provided at one end of the polarization beam splitter corresponding to the optical path along which the reference light reciprocates.
  • an optical path length difference occurs between the object light and the reference light.
  • a semiconductor laser for example, a DFB (Distributed Feedback) laser
  • a narrow spectral line width is acceptable.
  • the laser light 30 emitted from the semiconductor laser 1 becomes parallel light through the collimator lens 9.
  • the cross-sectional intensity distribution of the beam is preferably made substantially circular by the anamorphic prism 12.
  • the laser beam formed in a circular shape has linearly polarized light in a specific direction.
  • the light quantity adjusting polarization element 13 is configured so that its transmission axis can be rotated around the optical axis of the incident light, whereby linearly polarized light in a specific direction can be transmitted, and the light quantity of the incident light can be adjusted. Can do. Moreover, the extinction ratio of the linearly polarized light of the laser light from the laser light source can be improved, and a higher quality linearly polarized light can be obtained.
  • the incident light half-wave plate 11 is configured such that its optical axis can be rotated around the optical axis of the incident light. According to the half-wave plate 11, the polarization direction of incident light can be changed by twice the angle with the optical axis.
  • the polarization direction of the incident light incident on the polarization beam splitter can be set appropriately, so that S-polarized light (illumination light) reflected at the boundary surface and the boundary surface are transmitted It is possible to arbitrarily change the ratio of the amount of P-polarized light (reference light). Therefore, according to the aspect (transmission, total reflection) of the measurement target, the ratio can be optimized and an appropriate interference fringe pattern can be acquired.
  • the quarter-wave plate 23, the quarter-wave plate 24, and the reflecting element 25 are preferably provided in close contact with the surfaces of the polarizing beam splitter 20.
  • the quarter-wave plate 5 is also preferably provided in close contact with the exit surface of the polarizing beam splitter 20.
  • FIG. 9 shows a second modification of the measurement apparatus.
  • the apparatus shown in the figure is different from the apparatus shown in FIG. 8 in that telecentric optical systems 15, 16, and 17 are arranged on the image pickup means 7 side.
  • this modification it is possible to acquire video information of a measurement target by using a telecentric optical system, and it is mounted on a use that requires not only a three-dimensional shape but also surface image information, such as a robot arm, to the position of the measurement target. Preferred for access.
  • a relay lens 15 and a relay lens 17 are disposed between the quarter-wave plate 5 on the imaging means side and the relative phase difference detection polarizing element 6.
  • the object light from the measurement target usually includes components in various directions. However, by setting the aperture diameter of the aperture 16 appropriately, only the components that are substantially the same as the reference light are included in the object light. Since extraction can be performed, it is possible to prevent unnecessary fine interference fringes that become noise on the imaging surface.
  • the telecentric optical system may select the magnification as appropriate. Further, a telecentric optical system having a variable zoom function may be arranged. Moreover, it is preferable that it is a both-side telecentric optical system.
  • the bilateral telecentric optical system is an optical system in which both the entrance pupil and the exit pupil are located at infinity.
  • the hologram image of the measurement target is acquired in the three-dimensional shape measurement, but also the normal image (video) is captured by the imaging means 7 because the measurement target is imaged on the imaging surface by the telecentric optical system. An image can be taken. If the illumination light that illuminates the measurement object is used as it is as a light source for normal image capturing, the effect of interference fringes is small when observing while moving the observation position, but observation is effected by interference fringes in a stationary state. It becomes difficult to do.
  • the half-wave plate 11 for incident light is rotated to reduce the amount of reference light compared to the case of acquiring a hologram image, and more preferably, the reference light is minimized and the measurement target It is preferable to obtain a video image from the irradiated light. Furthermore, the optical action of the telecentric optical system produces the effect of virtually moving a three-dimensional object to the vicinity of the imaging surface, so high-frequency components from fine irregularities can be measured with high-resolution digital holography. Is possible.
  • the video acquired by the imaging means can be used as supplementary information for controlling the robot arm equipped with this measuring device and measuring results. Furthermore, since it is not necessary to provide a separate CCD camera for operating the robot arm, a simple measurement system can be configured.
  • FIG. 10 shows a third modification of the measurement apparatus.
  • the apparatus shown in the figure is different from the apparatus shown in FIG. 8 in that a telecentric optical system is disposed on the object side.
  • This modification is preferable when measuring a relatively large measurement target (for example, about 10 to 30 cm).
  • a gas laser or a solid laser having a long coherence length as the laser light source and supply the laser light to the optical unit by an optical fiber.
  • a relay lens 45 As the telecentric optical system, a relay lens 45, an aperture 46, and a relay lens 47 are arranged between the measurement target 10 and the quarter-wave plate 23. As described above, the measurement accuracy can be improved by the aperture 46. Further, a double-sided telecentric optical system may be configured, but it is preferable to employ an image side telecentric optical system.
  • the image side telecentric optical system is an optical system in which the exit pupil is located at infinity. In the case of an image side telecentric optical system, a lens having a relatively small aperture can be used as a relay lens on the objective side even when the zoom magnification is set large.
  • the object light reaching the imaging surface from the optical unit is perpendicular to the optical axis in any of the imaging surfaces, so that a large crossing angle with the perpendicularly incident reference light does not occur. . For this reason, even when the measurement target is large, highly accurate three-dimensional shape measurement is possible.
  • the laser light supplied from the light source is applied to the optical unit 2 through an optical fiber and a collimator lens.
  • the illumination light is irradiated onto the measurement target via the telecentric optical system, and the object light reflected from the measurement target is incident on the optical unit 2 again via the telecentric optical system.
  • FIG. 10 it is possible to obtain an image to be measured by the imaging means 7 by the zoom function of the telecentric optical system.
  • FIG. 10 unlike the apparatus of FIG. 9, only the imaging target is reduced and projected onto the imaging means 7, and the reference light pattern is not reduced.
  • interference fringes between the object light reduced by the zoom function of the telecentric optical system and the reference light are recorded on the imaging surface.
  • FIG. 11 shows a fourth modification of the measurement apparatus.
  • the apparatus shown in FIG. 1 includes a polarizing beam splitter 20 that reflects S-polarized light as reference light to the imaging means 7 side, and P-polarized light that has passed through the polarizing beam splitter 20 has a reflecting element 25 having an annular reflecting surface.
  • 10 differs from the apparatus shown in FIG. 10 in that illumination light is diffused and illumination light diffusing means 18 is provided in the vicinity of the measurement target.
  • illumination light diffusing means 18 is provided in the vicinity of the measurement target.
  • the diffused illumination light from the oblique direction is used by the illumination light diffusing means 18, so this modified example has a relatively high measurement target (for example, mirror surface) and a relatively large tilt. This is preferable when measuring a measurement object including an inclination.
  • the laser beam 30 incident on the optical unit 2 is split into two beams of P-polarized light and S-polarized light by the polarization beam splitter 20.
  • S-polarized light is reflected toward the image pickup means 7 as reference light.
  • the P-polarized light passes through the boundary surface (reflection surface) of the polarization beam splitter 20 as illumination light, passes through the quarter-wave plate 24, and is again reflected by the reflection element 25 on the boundary surface (reflection surface) of the polarization beam splitter 20. ) Reflected toward).
  • the reflecting element 25 is a mirror having an annular reflecting surface, and its central portion is configured not to reflect light. As a result, the illumination light becomes annular light. Since the illumination light passes through the quarter-wave plate 24 twice, it becomes S-polarized light, is reflected toward the measurement object 10 at the boundary surface of the polarization beam splitter 20, and enters the telecentric optical system.
  • the annular illumination light transmitted through the relay lens 45 is diffused toward the center of the measurement object by the illumination light diffusion means 18 disposed at an appropriate position on the objective side of the relay lens 45.
  • the illumination light diffusing means 18 may be constituted by an HOE, a Fresnel lens, a diffusing plate, or the like. In this case, the illumination light becomes illumination light like so-called dark field illumination in a microscope.
  • the light in the optical axis direction enters the polarization beam splitter 20 through the telecentric optical system as object light.
  • the S-polarized object light passes through the boundary surface of the polarization beam splitter and is irradiated to the imaging means 7.
  • the illumination light is not irradiated to the measurement target substantially perpendicularly, but the illumination light diffused from the oblique direction is irradiated, at least one of the object lights reflected from the measurement target is irradiated. Parts can be imported.
  • the measurement target is an object having a high reflectance, unlike the conventional optical system, it is possible to measure a precise three-dimensional shape of the measurement target. Even when the measurement target has a large inclination, the inclination of the measurement target can be measured in a non-contact manner.
  • the measurement target has a surface that scatters light
  • the measurement target has a surface that scatters light
  • at least part of the object light that is scattered on the surface of the measurement target It has a component substantially coaxial with the reference beam. Therefore, it is possible to measure a three-dimensional shape even for a measurement object having a surface that scatters light, which has been difficult in the past.
  • FIG. 12 shows a fifth modification of the measurement apparatus.
  • the optical unit 2 is configured by a holographic optical element.
  • the optical unit 2 includes a beam splitting HOE 26, an illumination HOE 27, and an interference HOE 28.
  • the distance f1 between the measurement target surface 100 and the illumination HOE 27 and the interference HOE 28 and the distance f2 between the interference HOE 28 and the imaging surface 70 may be appropriately set according to the measurement device and the aspect of the measurement target.
  • Each HOE may also be set as appropriate according to the measurement device and the aspect of the measurement target.
  • the beam splitting HOE 26 splits the laser light 30 supplied from the laser light source 1 into P-polarized light and S-polarized light, and emits one (for example, S-polarized light) toward the illumination HOE 27 and the other (for example, P-polarized light). (Polarized light) is emitted toward the interference HOE 28.
  • the illumination HOE 27 is provided around the interference HOE 28, and diffuses S-polarized illumination light to generate diffuse illumination light 31 that irradiates the measurement target 10 from the periphery.
  • the interference HOE 28 transmits the S-polarized object light 32 and focuses it toward the imaging means 7, and reflects the P-polarized reference light 33 toward the imaging means 7.
  • the laser light supplied from the laser light source 1 is split into S-polarized light and P-polarized light by the beam splitting HOE 26, and the S-polarized light is emitted toward the illumination HOE 27, and the P-polarized light interferes. It is emitted toward the HOE 28 for use.
  • the S-polarized light incident on the illumination HOE 27 is irradiated obliquely toward the measurement object 10 as diffuse illumination light 31.
  • the S-polarized object light 32 reflected from the measurement target passes through the interference HOE 28 and is condensed on the imaging means 7.
  • the P-polarized light emitted toward the interference HOE 28 is reflected by the interference HOE 28 toward the imaging unit 7 as reference light 33.
  • the reference light may be appropriately focused by the interference HOE 28.
  • a hologram having a relative phase difference between the object light and the reference light is picked up by the circularly polarized light conversion quarter-wave plate 5 and the relative phase difference detecting polarizing element 6.
  • a telecentric optical system including a relay lens or a HOE and an aperture may be disposed between the optical unit and the measurement target and / or the imaging unit.
  • each device described above is one embodiment, and is not limited to each device, and can be applied to each other.
  • the measurement object is reduced and imaged by the telecentric optical system, the measurement object may be enlarged and a hologram may be imaged for a minute measurement object. It can be used for a microscope etc. as such a use.
  • FIG. 13 is a photograph of this measuring device.
  • This measuring apparatus includes a laser light source (not shown), a half-wave plate 11, a polarizing beam splitter 20, a quarter-wave plate 23, a quarter-wave plate 24, a mirror 25, and a circular polarization conversion quarter.
  • a single wavelength plate 5, a relative phase difference detecting polarizing element 6, a CCD camera 7, and a measurement object holder 110 are provided.
  • the size of the entire apparatus is about 250 ⁇ 250 [mm], and is small and compact.
  • the laser light source used in this example is model number LGK7654-8 (beam diameter ⁇ 1.9 mm, emission wavelength 532 nm) manufactured by LASOS, and the imaging means is model number DFK72BUC02 (CMOS type, imaged image size manufactured by IMAGEING SOURCE). : 2048 ⁇ 1536 pixels, element-to-element distance 4.4 ⁇ m).
  • FIG. 14A is a photograph of a transparent plano-convex lens to be measured, and also shows a measurement range of 5 ⁇ 4 [mm].
  • the information processing means performs various processes based on these interference fringe patterns and calculates the phase distribution of the object light (steps S204 to S208 in FIG. 6).
  • FIG. 16A shows the calculated phase distribution of the object light.
  • a connection process was executed (step S210 in FIG. 6), and the phase distribution of the object light after the connection process was acquired.
  • FIG. 16B shows the phase distribution of the object light after the connection processing, and the phase amount is shown by shading.
  • the three-dimensional shape to be measured was reproduced using the interferometric survey method (step S212 in FIG. 6).
  • FIG. 17 shows the three-dimensional shape of the reconstructed transparent plano-convex lens.
  • FIG. 14B shows a plane mirror that is a measurement target, and also shows a measurement range of 5 ⁇ 4 [mm] at the approximate center of the measurement target.
  • FIG. 19A shows the calculated phase distribution of the object light from the plane mirror.
  • FIG. 19B shows the phase distribution of the object light from the plane mirror after the connection process.
  • FIG. 20 shows the three-dimensional shape of the regenerated flat mirror.
  • FIG. 21A is a photograph of a step master to be measured.
  • This step master includes a step of 1 ⁇ m in the measurement range as shown in FIG.
  • the step master used in this example is 516 series model number “Ceramics 516-498” manufactured by Mitutoyo Corporation.
  • the step master was imaged, and the three-dimensional shape was measured based on the captured hologram image. Measurement was performed 10 times to confirm reproducibility.
  • FIG. 22 shows the measurement result of the step master, and the measurement values of the step are shown ten times. According to the measurement result, the average error was 0.187 ⁇ m with respect to the reference value of 1 ⁇ m of the step master.
  • a general personal computer (processor: corei7 3.2 GHz, memory: 3 GB) is used as the information processing means.
  • the processing time for all steps of the three-dimensional shape measurement shown in FIG. 6 was about 1.5 seconds. If measurement processing is executed in the GPU, real-time three-dimensional shape measurement is also possible.
  • the relative phase difference between the object beam and the reference beam can be controlled by rotating the relative phase difference detecting polarizing element, a plurality of holograms in different phase states can be controlled. Images can be acquired. In particular, if the relative phase difference detecting polarizing element is rotated by 45 °, four types of hologram images can be captured. Moreover, since the measuring device of the present invention does not require the use of a piezo element, it is resistant to vibration and low in cost. Furthermore, if an integrated optical unit is used, the structure can be small, compact, and simple, and the apparatus itself can be used while being moved appropriately. Furthermore, according to one embodiment of the present invention, three-dimensional shape measurement can be performed on a transparent measurement target, a total reflection measurement target, a measurement target having a large inclination, and a measurement target having a surface that scatters light.

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Abstract

【課題】安価かつ高精度であって、振動に強い位相シフトデジタルホログラフィーによる三次元形状計測装置を提供する。 【解決手段】三次元形状計測装置であって、物体光用光学系は、物体光を第１の円偏光の状態で相対的位相差検出用偏光素子に入射させ、参照光用光学系は、参照光を第１の円偏光とは反対方向の第２の円偏光の状態で相対的位相差検出用偏光素子に入射させ、相対的位相差検出用偏光素子は、第１の円偏光の物体光のうち相対的位相差検出用偏光素子の偏光方向の成分及び第２の円偏光の参照光のうち相対的位相差検出用偏光素子の偏光方向の成分を透過させ、相対的位相差検出用偏光素子の偏光方向を回転させることによって、相対的位相差検出用偏光素子を透過した物体光と参照光との間の相対的位相差を変更し、相対的位相差の異なる複数のホログラム画像を取得する。

Description

三次元形状計測装置、ホログラム画像取得方法及び三次元形状計測方法
　本発明は、三次元形状を計測する技術に関し、特に、位相シフトデジタルホログラフィーによる三次元形状計測装置、ホログラム画像取得方法及び三次元形状計測方法に関する。
　ホログラフィーは、物体の三次元形状を記録し、再生する技術であり、物体を記録するステップと記録した物体を再生するステップを有する。物体の三次元形状を干渉縞として記録した媒体又は再生像はホログラムと呼ばれる。ホログラムの記録と再生には、可干渉性の強いレーザー光を用いる。
　近年、撮像素子の発展に伴って、ホログラムをデジタル画像として取得するデジタルホログラフィー（ｄｉｇｉｔａｌ　ｈｏｌｏｇｒａｐｈｙ）の技術が発展した。デジタルホログラフィーでは記録媒体の代わりに撮像素子を用いるが、基本的な原理は従来のホログラフィーと同様である。デジタルホログラフィーは、従来のホログラフィーに比べて多くの利点がある。例えば、現像処理が不要であり、取得したホログラム画像に対して各種の画像処理を施すことができる。また、コンピュータによる光波逆伝搬シミュレーションなどにより、ホログラム画像から、物体光の位相情報を演算し、物体の三次元形状を高精度に再生することもできる。
　しかしながら、撮像素子の分解能（画素ピッチ）及び画素数は、物理的に制限されており、通常、記録媒体に比べて大きく劣るため、計測対象の大きさ、レーザー光の波長、光学系全体の光路長によっては、実像に０次回折光及び虚像が重なることがあり、再生像が著しく劣化することがある。この問題を解決するために、参照光の位相を変化させて複数のホログラム画像を撮像する位相シフトデジタルホログラフィーの技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
　特許文献１には、参照波の位相をシフトする位相シフト手段（ピエゾ素子）、物体波と参照波とが撮像面に照射されることによってホログラム画像を生成するホログラム撮像手段、位相シフトした複数の参照波の各々の参照波と物体波とによって生成される複数のホログラム画像に対して各種の処理を実行する演算手段などを備える装置が記載されている。特許文献１の記載によれば、軸はずし（参照光と物体光との交叉角）を必要とせず、再生像にゴースト像が伴わないようにすることができる位相シフトデジタルホログラフィーの装置を提供できるとされている。
特開平１０－２６８７４０号公報
　特許文献１に記載された装置は、位相シフト手段としてピエゾ素子を含むミラーを使用して、参照光と物体光との間の光路差をレーザー波長の１／４波長分ずつシフトさせ、これによって１波長分のシフトの間に４枚のホログラム画像を撮像している。しかしながら、シフト量を精密に制御することは非常に難しく、振動にも脆弱である。このため、光学定盤、除振装置などが必要であり、装置自体が複雑で大型となり、高コストでもある。加えて、特許文献１の装置では、計測対象を斜めから照明して物体光を形成しているため、光学系が大きくなってしまい装置が大型化していた。これらの点から、特許文献１の装置は、防振環境が整わない実際の作業現場（工場、製造ラインなど）では使用することが難しい。
　本発明は、前述した問題に鑑みてなされたものであって、かかる問題の少なくとも一部を解決することができる安価かつ高精度であって、振動に強い位相シフトデジタルホログラフィーによる三次元形状計測装置を提供することを目的とする。さらに、他の目的として、本発明は、小型で簡易な構成の位相シフトデジタルホログラフィーによる三次元形状計測装置を提供することを目的とする。
　前述した課題を解決するため、本発明の三次元形状計測装置は、レーザー光源と、物体光用光学系と、参照光用光学系と、相対的位相差検出用偏光素子と、撮像手段とを備え、前記物体光用光学系は、前記レーザー光源から照射された光の一部から生成された照明光を計測対象に照射することによって生成された物体光を第１の円偏光の状態で前記相対的位相差検出用偏光素子に入射させ、前記参照光用光学系は、前記レーザー光源から照射された光の他の一部から参照光を生成し、前記参照光を前記第１の円偏光とは反対方向の第２の円偏光の状態で前記相対的位相差検出用偏光素子に入射させ、前記相対的位相差検出用偏光素子は、前記第１の円偏光の物体光のうち前記相対的位相差検出用偏光素子の偏光方向の成分及び前記第２の円偏光の参照光のうち前記相対的位相差検出用偏光素子の偏光方向の成分を透過させ、前記撮像手段において、前記相対的位相差検出用偏光素子を透過した物体光と参照光とが干渉することによって生成されるホログラム画像を撮像し、前記相対的位相差検出用偏光素子の偏光方向を回転させることによって、前記相対的位相差検出用偏光素子を透過した物体光と参照光との間の相対的位相差を変更し、前記相対的位相差の異なる複数のホログラム画像を取得することを特徴とする。また、前記物体光用光学系及び前記参照光用光学系は一体化された光学ユニットを構成することが好ましい。
　上記三次元形状計測装置において、前記光学ユニットは、偏光ビームスプリッタ、四分の一波長板、反射素子の組合せから構成されることが好ましい。さらに、前記偏光ビームスプリッタは、前記レーザー光源から照射された光が入射する第１の表面と、前記計測対象に対向する第２の表面と、前記相対的位相差検出用偏光素子に対向する第３の表面と、前記反射素子と対向する第４の表面とを有し、前記第２の表面、前記第３の表面及び前記第４の表面にはそれぞれ四分の一波長板が設けられてもよい。加えて、前記偏光ビームスプリッタは、前記参照光の光路長と前記物体光の光路長とが略同一となるように、その一端に延長部を有することが好ましい。また、前記反射素子は、前記計測対象の表面の形状と略同一の表面が設けられてもよい。そして、前記光学ユニットは、ホログラフィック光学素子によって構成されてもよい。
　上記三次元形状計測装置において、前記光学ユニットと前記計測対象との間に、テレセントリック光学系を備えてもよい。前記光学ユニットは、円環状の照明光を前記計測対象に拡散照射する拡散手段を有することが好ましい。さらに、前記光学ユニットと前記撮像手段との間に、テレセントリック光学系を備えてもよい。
　上記三次元形状計測装置において、画像処理が可能な手段を備え、前記相対的位相差の異なる複数のホログラム画像から、前記計測対象からの物体光の位相分布を算出し、前記計測対象の三次元形状を再生することが好ましい。
　本発明のホログラム画像取得方法は、レーザー光源から照射された光の一部から生成された照明光を計測対象に照射することによって生成された物体光を第１の円偏光に変換し、前記レーザー光源から照射された光の他の一部から生成された参照光を前記第１の円偏光とは反対方向の第２の円偏光に変換し、前記第１の円偏光の物体光及び前記第２の円偏光の参照光を、回転可能に構成された相対的位相差検出用偏光素子に入射させ、前記第１の円偏光の物体光のうち前記相対的位相差検出用偏光素子の偏光方向の成分及び前記第２の円偏光の参照光のうち前記相対的位相差検出用偏光素子の偏光方向の成分を透過させ、前記相対的位相差検出用偏光素子を透過した物体光と参照光とが干渉することによって生成されるホログラム画像を取得し、前記相対的位相差検出用偏光素子の偏光方向を回転させ、前記相対的位相差検出用偏光素子を透過した物体光と参照光との間の相対的位相差を変更し、前記相対的位相差検出用偏光素子を透過した物体光と参照光とが干渉することによって生成される、前記相対的位相差の異なるホログラム画像を取得することを特徴とする。
　上記ホログラム画像取得方法において、円環状の照明光を生成し、前記円環状の照明光を前記計測対象に拡散照射してもよい。また、少なくとも前記物体光が通過するテレセントリック光学系を配し、前記ホログラム画像とともに、前記計測対象の映像情報を取得してもよい。また、前記計測対象の映像情報を取得する際には、前記ホログラム画像を取得する際に比べて、前記参照光の光量を低下させることが好ましい。
　本発明の三次元形状計測方法は、上記ホログラム画像取得方法によって取得した前記相対的位相差の異なる複数のホログラム画像から、前記計測対象からの物体光の位相分布を算出し、前記計測対象の三次元形状を再生することを特徴とする。
　本発明によれば、第１の円偏光の物体光と、第１の円偏光とは反対方向の第２の円偏光の参照光とを通過させる相対的位相差検出用偏光素子を回転駆動制御することにより物体光と参照光との相対的位相差を制御することができ、複数の異なる位相状態のホログラム画像を取得することができるので、安価かつ高精度であって、振動に強い相対的位相差検出デジタルホログラフィーによる三次元形状計測装置を提供することができる。さらに、光学ユニットを一体化することにより、小型で簡易な構造であり、より安価かつ高精度であって、振動に強い三次元形状計測装置を提供することができる。その他の効果については、発明を実施するための形態において述べる。
本発明の実施形態の三次元形状計測装置の概略構成図 レーザー光照射時の光路を示す説明図 レーザー光反射時の光路を示す説明図 物体光及び参照光の円偏光の状態を示す説明図 相対的位相差検出用偏光素子の動作を示す説明図 三次元形状計測の処理の概要を示すフローチャート 計測対象面と撮像面の関係を示す説明図 本実施形態の三次元形状計測装置の第１の変形例 本実施形態の三次元形状計測装置の第２の変形例 本実施形態の三次元形状計測装置の第３の変形例 本実施形態の三次元形状計測装置の第４の変形例 本実施形態の三次元形状計測装置の第５の変形例 三次元形状計測装置の実施例 計測対象である平凸レンズ及び平面ミラーの写真 平凸レンズのホログラム画像の写真 平凸レンズの位相分布を示す説明図 平凸レンズの三次元形状を示す説明図 平面ミラーのホログラム画像の写真 平面ミラーの位相分布を示す説明図 平面ミラーの三次元形状を示す説明図 計測対象である段差マスタの写真 段差マスタの計測結果を示す説明図
　[本発明の概要]
　本発明は、位相シフトデジタルホログラフィーの技術を用いて、計測対象の三次元形状を計測する三次元形状計測装置である。本発明者らは、第１の円偏光の物体光と、第１の円偏光とは反対方向の第２の円偏光（以下同じ）の参照光とを偏光素子に入射させることによって、第１の円偏光の物体光のうちの偏光素子の偏光方向成分の直線偏光と、第２の円偏光の参照光のうちの偏光素子の偏光方向成分の直線偏光とを通過させ、通過した物体光及び参照光によってホログラムを撮像できることを見出した。さらに、本発明者らは、偏光素子の偏光方向に応じて、物体光と参照光との間の相対的位相差を制御できることを見出したのである。そこで、本発明では、従来のピエゾ素子を含むミラーによる参照光の光路差を物理的にシフトさせる手法に代えて、より簡易且つ振動に強い構造として、物体光と参照光とを回転方向の異なる円偏光に変換する波長板及び相対的位相差検出用偏光素子を用い、相対的位相差検出用偏光素子の偏光方向を制御する方法を採用した。本発明は、これによって物体光と参照光との間の相対的位相差が異なる複数のホログラムを撮像できる位相シフトデジタルホログラフィーの技術である。本発明は、かかる三次元形状計測装置を用いて計測対象のホログラム画像を取得し、計測対象の三次元形状を計測する方法も含む。
　本発明の三次元形状計測装置は、波長単位での精密な制御が必要であった従来技術に比べて、単に相対的位相差検出用偏光素子を回転駆動させるだけなので振動に強く、防振装置などを備えなくてもよく、低コスト、簡易且つコンパクトな構造であり、装置それ自体を適宜移動させながら使用することができる。例えば、工場などにおいて、本計測装置をロボットアーム先端に搭載して、比較的大きな工業製品の複数箇所に順次移動し、高速で計測することもできる。
　なお、本明細書では、簡単のため、一方向に進行する光（電磁波）において、その電場ベクトルが振動する方向を偏光方向といい、電場ベクトルと進行方向とを含む面を偏光面という。光学ユニットとして偏光ビームスプリッタを採用する場合、Ｐ偏光とは入射面に対して平行な方向に振動する成分をいい、Ｓ偏光とは、入射面に対して垂直な方向に振動する成分をいう。
　本発明の計測装置は、少なくとも、レーザー光源（例えば、図１乃至図３の符号１。以下同様）、計測対象（１０）によって生成された物体光を第１の円偏光として相対的位相差検出用偏光素子（６）に入射させる物体光用光学系（２０、２３、５）、参照光を第２の円偏光として相対的位相差検出用偏光素子（６）に入射させる参照光用光学系（２０、２４、２５、５）、相対的位相差検出用偏光素子（６）及び撮像手段（７）を備える。なお、図１乃至図３においては、物体光用光学系及び参照光用光学系は、両者を一体化させた光学ユニット（２）によって実現している。
　レーザー光源は、可干渉性の強いレーザー光を供給可能な光源であり、半導体レーザー（レーザーダイオード）、固体レーザー（ルビーレーザー、ＹＡＧレーザーなど）、気体レーザー（Ｈｅ－Ｎｅレーザー、ＣＯ2レーザー他）、ファイバレーザーなどを使用することができる。レーザー光の強度及び波長は、計測対象、計測光学系の構成及び全体の光路長などに応じて適宜選択してよい。
　物体光用光学系は、レーザー光源などから供給される光の一部を用いて計測対象に照明するための照明光を生成し、計測対象に照明光を照射して生成した物体光を第１の円偏光に変換し、相対的位相差検出用偏光素子に入射させる光学系である。照明光を生成するためには、偏光ビームスプリッタを用いてレーザー光源などから供給される光を分割し、その一方の直線偏光を照明光として使用してもよいし、ビームスプリッタを用いてレーザー光源などから供給される光の一部を分離して照明光として使用してもよい。また、物体光を第１の円偏光に変換するために、四分の一波長板が適宜配置される。
　参照光用光学系は、レーザー光源などから供給される光の他の一部を用いて参照光を生成し、第２の円偏光に変換し、相対的位相差検出用偏光素子に入射させる光学系である。参照光を生成するためには、偏光ビームスプリッタを用いてレーザー光源などから供給される光を分割し、他の一方の直線偏光を参照光として使用してもよいし、ビームスプリッタを用いてレーザー光源などから供給される光を分離した他の一部を参照光として使用してもよい。また、参照光を第１の円偏光に変換するために、四分の一波長板が適宜配置される。
　物体光用光学系及び参照光用光学系は、一体化させた光学ユニットとすることが小型化、簡易化、低コスト化に向けて好ましい。光学ユニットは、例えば、偏光ビームスプリッタ及び波長板などの組合せを使用することもできるし（例えば、図１乃至図３、図８乃至図１１）、波長選択性、角度選択性、回折効率を適宜設定されたホログラフィック光学素子（Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｅｌｅｍｅｎｔ：以下、単に「ＨＯＥ」と記載することもある）を使用することもできる（例えば、図１２）。ただし、各図に示した構成は単なる例であって、これに限定されない。光学ユニットは、回転方向が相互に反対の円偏光の物体光と参照光とを相対的位相差検出用偏光素子に向けて出射可能な構成であればよい。各種光学素子の種類、配置、数量などは、装置の構成、使用目的などに応じて、種々変形が可能である。例えば、特開２０１２－２６１６号公報に記載された干渉計などのような構成を適用してもよい。
　物体光用光学系及び参照光用光学系は、相対的位相差検出用偏光素子に対し、物体光及び参照光を略同軸で入射させることが好ましい。ここで、略同軸とは、物体光の光軸と参照光の光軸の交叉角がゼロであるか、十分に小さい（０～±７°程度）ことをいう。上述したように、デジタルホログラフィーによる三次元形状計測では、撮像素子の分解能及び画素数に制限があるため、計測対象からの物体光と参照光との交叉角はできるだけ小さくして、干渉縞の間隔を大きくすることが好ましい。
　相対的位相差検出用偏光素子は、物体光又は参照光の光軸に対して垂直に配置され、偏光方向を変更可能に構成されている。例えば、相対的位相差検出用偏光素子は、直線偏光素子及び回転駆動手段を使用し、物体光又は参照光の光軸を中心として偏光素子を回転可能な構成を採用することができる。さらに、回転駆動手段は、撮像手段による撮像タイミングと同期させて所定の回転速度で偏光素子を回転させることにより、高速で相対的位相差検出したホログラムを撮像することが可能である（図５参照）。ここで、相対的位相差検出用偏光素子が配置されたときの基準軸（例えば、Ｘ軸）と直線偏光素子の偏光軸（偏光方向）との間の角度を回転角度αという（図５参照）。ただし、回転駆動手段は、特定の回転角度のみを段階的に変更可能な構成であってもよい。
　相対的位相差検出用偏光素子は、第１の円偏光及び第２の円偏光の少なくとも一部（偏光軸に対応する直線成分）を透過させる。相互に反対方向に回転する円偏光の物体光及び参照光において、ある時刻での回転角度αにおける透過可能な物体光及び参照光の一部（直線成分）は、それぞれ異なった位相を有するものとなる。そして、偏光素子を回転させると、透過した物体光の一部と参照光の一部との間の相対的位相差は、回転角度αの変化量に応じて変化する。このため、本発明では、ピエゾ素子などを用いて参照光の光路を変化させなくても、簡易な偏光素子の回転制御によって、物体光と参照光との相対的位相差を変化させることができるのである。
　撮像手段は、相対的位相差が生じた物体光（相対的位相差検出用偏光素子を透過した部分）と参照光（相対的位相差検出用偏光素子を透過した部分）とが干渉することによって撮像面に生成されるホログラム画像（以下、干渉縞パターンということもある）を撮像する。撮像手段には、例えば、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ　Ｍｅｔａｌ－ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）センサ、ＣＣＤ（ＣＣＤ：Ｃｈａｒｇｅ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ）センサなどを使用することができる。
　また、本発明は、情報処理手段を含んでもよい。情報処理手段は、相対的位相差検出用偏光素子の回転駆動手段の動作、撮像手段の撮像タイミングなどを制御することができる。さらに、三次元形状計測において、撮像手段が取得したホログラム画像に対して各種の処理を実行するように構成される。三次元形状計測の具体的な処理については、図６を用いて後述する。情報処理手段には、例えば、パーソナルコンピュータ、サーバなどを使用することができる。また、プロセッサ及びその周辺回路によって構成し、ハードウェアとプログラムとを協働させ、各種処理を実現してもよい。また、画像演算のための専用回路を用いてもよい。例えば、撮像手段内部に配置されるＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ）に各種処理用のソフトウェアを組み込んでもよい。
　このように、本発明の計測装置によれば、相対的位相差検出用偏光素子を回転させることによって、第１の円偏光である物体光の一部と第２の円偏光である参照光と一部との間の相対的位相差を制御し、相対的位相差の異なる複数のホログラム画像を取得することができる。
　以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。ただし、本発明は、以下の例に限定されるものではない。
　［装置構成］
　図１は、本発明の実施形態の三次元形状計測装置の概略構成図であり、図２は、レーザー光照射時の光路を示す説明図であり、図３は、レーザー光反射時の光路を示す説明図である。なお、図１において、レーザー光照射時と反射時の光路を一度に示すため、反射時の光路を照射時に対して角度を付けて記載しているが、基本的には照射時と反射時の光軸は同じであり、反射手段の表面の微小な凹凸や計測対象の形状を無視すれば、光路は重なる。
　本計測装置は、レーザー光源１、光学ユニット２、相対的位相差検出用偏光素子６（回転駆動手段（図示せず）を含む）、撮像手段７を備える。さらに、本計測装置は、情報処理手段８、ビームエキスパンダ９、入射光用二分の一波長板１１などを備えてもよい。
　図１の光学ユニット２は、偏光ビームスプリッタ２０、照明光用四分の一波長板２３、参照光用四分の一波長板２４、反射素子２５及び円偏光変換用四分の一波長板５を含んでいる。さらに、図１では、レーザー光源１と光学ユニット２との間にビームエキスパンダ９及び入射光用二分の一波長板１１を設けている。光学ユニット２は、レーザー光源１から供給される光から照明光３１と参照光３３とを生成し、最終的には、回転方向が反対の第１の円偏光の物体光３７と第２の円偏光の参照光３８とを相対的位相差検出用偏光素子６に向けて略同軸で出射するものである。図１の偏光ビームスプリッタにおいて、第１の表面Ａの側にはレーザー光源１が配置され、レーザー光源１から照射されたレーザー光３０が入射する。第２の表面Ｂの側には計測対象が配置され、表面Ｂ又はその近傍には照明光用四分の一波長板２３が設けられる。第３の表面Ｃの側には、相対的位相差検出用偏光素子６及び撮像手段７が配置され、表面Ｃ又はその近傍には円偏光変換用四分の一波長板５が設けられる。第４の表面Ｄ又はその近傍には、参照光用四分の一波長板２４、及び反射素子２５が設けられる。
　図２を参照すると、まず、レーザー光源１から照射されたレーザー光は、ビームエキスパンダ９によって所定のビーム径の平行光に拡大され、偏光ビームスプリッタ２０に入射する。ビームエキスパンダ９は、レーザー光のビーム径を平行に拡げる光学部材であり、コリメータレンズなどを含む。この場合、ビームエキスパンダ９から出射されたレーザー光は直線偏光であるが、この直線偏光が二分の一波長板１１を透過すると、特定の偏光方向を有する直線偏光３０が形成され、偏光ビームスプリッタ２０と組み合わせることで照射光及び参照光の強度比を調整することができる。例えば、直線偏光３０の偏光方向が偏光ビームスプリッタ２０への入射面に対して４５°となるように、二分の一波長板１１の光学軸を設定すると、偏光ビームスプリッタ２０によって分割される第１の直線偏光の振幅強度と第２の直線偏光の振幅強度は略同一となる。
　偏光ビームスプリッタ２０は、その光学特性により、直線偏光３０を、第１の直線偏光（以下、Ｓ偏光とする）と、第２の直線偏光（以下、Ｐ偏光とする）との二光束に分割し、一方（例えばＳ偏光）を媒質の境界面で反射させ、他方（例えばＰ偏光）を透過させる。ここでは、Ｓ偏光を照明光３１として用い、Ｐ偏光を参照光３３として用いるが、その逆としてもよい。この場合には、照明光用四分の一波長板２３、参照光用四分の一波長板２４、反射素子２５及び計測対象１０の配置は適宜設定される。
　Ｓ偏光である照明光３１は、照明光用四分の一波長板２３を透過すると、円偏光（例えば、左回転）に変換され、計測対象１０に照射される。他方、Ｐ偏光である参照光３３は、参照光用四分の一波長板２４を透過すると、照明光３１とは回転方向が反対の円偏光（例えば、右回転）に変換され、反射素子２５によって反射される。反射素子２５は、例えば、平面ミラー、反射型ＨＯＥなどを使用することができる。また、計測対象のおおよその形状が予め分かっている場合（例えば、球面）、凸面鏡、凹面鏡、あるいはこれらの組み合わせ、またはこれらの形状が位相情報で記録された反射型ＨＯＥなどを用いることもできる。製品の製造ラインでの検査のように、計測対象の形状があらかじめ決まっている場合には、計測対象の形状と略同一の形状の反射面を設けることが好ましい。例えば、レンズの形状の検査では、極めて正確な非球面形状の計測が求められるため、予めそのレンズとほぼ同じ形状の反射素子を配置すれば、計測対象であるレンズと、それと略同一の形状を有する反射素子との位相差は全面にわたって小さく且つ均一な位相差分布が得られるので、非常に高い精度の計測が可能になる。特に、フライアイレンズのような複数のレンズが組み合わされた光学部品の検査に適用することが好ましい。
　図３を参照すると、照明光３１が計測対象１０によって反射されることで生成された物体光３２（左円偏光）は、照明光用四分の一波長板２３を再び透過することにより、照明光のＳ偏光とは直交するＰ偏光に変換される。Ｐ偏光の物体光３５は、偏光ビームスプリッタ２０を透過し、円偏光変換用四分の一波長板５に向けて出射される。他方、反射素子２５から反射された参照光３４（右円偏光）は、参照光用四分の一波長板２４を透過すると、照射時のＰ偏光とは直交するＳ偏光に変換される。Ｓ偏光の参照光３６は、偏光ビームスプリッタ２０で反射し、円偏光変換用四分の一波長板５に向けて出射される。
　次いで、偏光ビームスプリッタ２０から出射したＰ偏光の物体光３５及びＳ偏光の参照光３６は、円偏光変換用四分の一波長板５を透過する。円偏光変換用四分の一波長板５は、光学ユニット２の出射側に配置され、相互に直交する直線偏光の物体光及び参照光の一方を第１の回転方向の円偏光（例えば、左回転。図４の電場ベクトルＥ１参照）に変換し、他方を第２の回転方向の円偏光（例えば、右回転。図４の電場ベクトルＥ２参照）に変換する。このため、Ｐ偏光の物体光３５は、四分の一波長板５を透過すると、第１の回転方向の円偏光（例えば、右回転）の物体光３７に変換される。他方、Ｓ偏光の参照光３６は、円偏光変換用四分の一波長板５を透過すると、第２の回転方向の円偏光（例えば、左回転）の参照光３８に変換される。
　図４は、物体光及び参照光の円偏光の状態を示す説明図である。円偏光は、一般的に、進行方向の軸（ここではＺ軸）の周りを回転しながら進む電場ベクトルＥの先端の軌跡として表現できる。ここでは、電場ベクトルＥの回転方向は、進行方向（＋Ｚ軸方向を向く）に対して時計回りを右回転、反時計回りを左回転とした。また、基準面であるＸ－Ｚ平面と電場ベクトルＥを含む偏光面（偏光方向を含む）との間の角度を円偏光の偏光角度θとする。
　Ｐ偏光及びＳ偏光は、円偏光変換用四分の一波長板５を透過した後、図示のとおり、回転方向が相互に異なる円偏光になる。右円偏光（物体光３７）の電場ベクトルＥ1（Ｚ＝０の位置を基準として＋Ｘ軸方向を向く）は、右回りに二分の一周分だけ回転すると、位相が反転し（－Ｘ軸方向を向く）、さらに二分の一周分回転すると、同位相に戻る。同様に、左円偏光（参照光３８）の電場ベクトルＥ2（Ｚ＝０の位置を基準として＋Ｘ軸方向を向く）は、左回りに二分の一周分だけ回転すると、位相が反転し（－Ｘ軸方向を向く）、さらに二分の一周分回転すると、同位相に戻る。なお、同図では、簡単のため、基準（Ｚ＝０）における右円偏光３７と左円偏光３８との間の位相差はゼロとしているが、実際には初期位相差Δφを有する。
　その後、光学ユニット２から射出した右円偏光の物体光３７及び左円偏光の参照光３８は、相対的位相差検出用偏光素子６に入射すると、その偏光軸に対応する右円偏光３７及び左円偏光３８の一部の成分が透過し、撮像手段７の撮像面７０において、同一の偏光軸を有する物体光と参照光とによって干渉縞パターンが形成される。なお、説明のため、物体光３７及び参照光３８は、別々に図示されているが、両者は略同軸で出射されることが好ましい。
　図５は、相対的位相差検出用偏光素子の動作を示す説明図である。相対的位相差検出用偏光素子６は、特定の偏光方向の光のみを透過させる偏光軸を有する光学部材であり、回転可能に構成される。相対的位相差検出用偏光素子６は、物体光３７及び参照光３８の光軸に対して略垂直に配置される。回転角度αは、相対的位相差検出用偏光素子６が配置された際の基準軸（Ｘ軸）と偏光軸との間の角度である。相対的位相差検出用偏光素子６は、二分の一周分だけ回転すると、偏光軸が再び一致する。
　相対的位相差検出用偏光素子６は、一定の回転速度で連続的に回転することが好ましい。この場合、情報処理手段８は、例えば、回転駆動手段からの回転角度を示す信号に同期して、撮像手段７の撮像タイミングを制御してもよい。具体的には、回転角度が、４５°ずつシフトしたとき（すなわち、α＝０°、４５°、９０°、１３５°）に、その各撮像タイミングでホログラム画像を撮像することが好ましい。これによって、相対的位相差検出用偏光素子６が二分の一周分回転する間に、４種類の位相情報を含むホログラム画像を取得することができる。また、これに限定されず、相対的位相差検出用偏光素子６を所定の時間間隔毎に所定の角度ずつ段階的に回転させるように制御してもよい。
　回転速度、撮像タイミング（回転角度）などは計測装置の構成に応じて適宜設定することができる。例えば、相対的位相差検出用偏光素子６の回転速度を７．５ｒｐｓ（７．５回転／秒）、撮像手段（ＣＣＤカメラ）の撮像のフレームレートを６０ｆｐｓ（６０フレーム／秒）に設定すると、１秒当たり、４×１５枚のホログラム画像を撮像することができる。
　図５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）は、各々、回転角度がα＝０°、４５°、９０°、１３５°の場合の状態である。相対的位相差検出用偏光素子６が、さらに４５°回転すると（α＝１８０°）、同図（Ａ）の状態に戻る。
　以下でも、簡単のため初期位相差Δφはゼロとして説明する。相対的位相差検出用偏光素子６が図５（Ａ）の状態の場合（α＝０°）、図４の各円偏光において、円偏光のうちの偏光角度θ＝０°及び１８０°に対応する成分が透過する。この場合、右円偏光３７（物体光）のＥ1（θ＝０°）と左円偏光３８（参照光）のＥ2（θ＝０°）との間の相対的位相差は、Δθ＝０で揃っており、同位相である。すなわち、参照光と物体光とは、同一のタイミングで強め合うので、干渉縞パターンは強いものとなる。
　図５（Ｂ）の状態の場合（α＝４５°）、円偏光のうちの偏光角度θ＝４５°及び２２５°に対応する成分が透過する。ここで、図４の左円偏光３８（参照光）のＥ2（θ＝４５°）の位置（π／４）に比べて、右円偏光３７（物体光）のＥ1（θ＝４５°）の位置（－π／４）はπ／２だけ遅れている。つまり、参照光と物体光との相対的位相差はπ／２であり、入射光の四分の一波長分に相当する。
　図５（Ｃ）の状態の場合（α＝９０°）、円偏光のうちの偏光角度θ＝９０°及び２７０°に対応する成分が透過する。ここで、図４の左円偏光３８（参照光）のＥ2（θ＝９０°）の位置（π／２）に比べて、右円偏光３７（物体光）のＥ1（θ＝９０°）の位置（－π／２）はπだけ遅れている。つまり、参照光と物体光との相対的位相差はπであり、入射光の二分の一波長分に相当し、参照光と物体光とは、同一のタイミングでは弱め合うので、干渉縞パターンは弱いものとなる。
　図５（Ｄ）の状態の場合（α＝１３５°）、偏光角度θ＝１３５°及び３１５°に対応する成分が透過する。ここで、図４の左円偏光３８（参照光）のＥ2（θ＝１３５°）の位置（３π／４）に比べて、右円偏光３７（物体光）のＥ1（θ＝１３５°）の位置（－３π／４）は３π／２だけ遅れている。つまり、参照光と物体光との相対的位相差は３π／２であり、入射光の四分の三波長分に相当する。
　このように、本計測装置によれば、相対的位相差検出用偏光素子を４５°ずつ回転させることによって、参照光と物体光との間に４つの異なる相対的位相差を設けることができる。これによって、相対的位相差が異なる４つの状態のホログラム画像を撮像することができる。また、ピエゾ素子を使用しなくてもよいので、振動に影響されず、小型で簡単な構造の計測装置を構成することができる。なお、上記説明では、回転角度が、４５°ずつシフトしたときの４種類の位相情報を含むホログラム画像を取得したが、より細かい回転角度で多数の位相情報を含むホログラム画像を取得してもよく、連続的に位相情報が変化する多数のホログラム画像を取得することも可能である。多数のホログラム画像（干渉パターン）を利用することによって、後述する式（２）の（初期）位相差Δφの算出に使用できる情報量が多くなるため、Δφの計算精度が高くなり、計測精度の向上が実現できる。また、連続的な位相情報を得られれば、式（２）を用いなくても、干渉縞の明暗の情報に含まれるｓｉｎ波から直接的に初期位相差を求めることができる。
　[三次元形状計測の処理]
　以下、撮像した４種類のホログラム画像に基づく三次元形状計測の処理について説明する。
　図６は、三次元形状計測の処理の概要を示すフローチャートである。図７は、計測対象面及び撮像面の座標系を示す説明図である。参照光及び物体光の進行方向をｚとする。（ｘ,ｙ）は撮像面７０の座標であり、（ξ,η）は計測対象面１００における座標であり、（ξ’,η’）は像平面１５０の座標である。撮像面７０と計測対象面１００との距離及び撮像面７０と像平面１５０との距離はｄとする。
　まず、情報処理手段８は、撮像手段７が撮像したホログラム画像を取得する（Ｓ２０２）。撮像した４種類のホログラム画像の干渉縞パターンＩn（ｘ,ｙ）（ｎ＝１，２，３，４）は、干渉理論によって、正弦波のパターンとして、式（１－１）～式（１－４）のように表わすことができる。ｎ＝１，２，３，４は、順に、相対的位相差Δθ＝０,π／２,π,３π／２の場合に対応する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで，Ｂ（ｘ,ｙ）は、干渉縞(正弦波)の直流成分(平均値)のオフセット、Ｃ（ｘ,ｙ）は干渉縞の振幅である。Δφは、撮像面における参照光と物体光との初期位相差（各光の偏光角度θ＝０の時の位相差）を表わす。初期位相差Δφを正確に算出するために、Ｂ（ｘ,ｙ）及びＣ（ｘ,ｙ）を算出する必要があるが、Ｂ（ｘ,ｙ）及びＣ（ｘ,ｙ）は未知数であるため、１枚の干渉縞パターンのみでは、初期位相差Δφを算出することが不可能である。本発明では、少なくとも４種類の干渉縞パターンを取得可能であるので、初期位相差Δφは、４種類の相対的位相差が異なる干渉縞パターンを用いて、式（２）のとおり、算出することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　次いで、情報処理手段８は、位相シフト法（ＰＳＩ：　Ｐｈａｓｅ　Ｓｈｉｆｔ　Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）によって、撮像面７０上の物体光の複素振幅Ｅ0（ｘ,ｙ）を算出する（Ｓ２０４）。この物体光の複素振幅Ｅ0（ｘ,ｙ）は式（３）のように表わすことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　ここで、Ａ（ｘ，ｙ）は計測対象から撮像面に到着した物体光の強度(干渉縞パターンＩ1～Ｉ4の重ね合わせ)を表わし，Δφは撮像面７０上の物体光と参照光との位相差を表わす。そして、参照光の位相値を０と仮定すれば、Δφは、参照光の位相値を基準にした撮像面７０上の物体光の位相値（相対位相）となる。このため、式（３）に示すＥ0（ｘ,ｙ）は、撮像面７０上の物体光に相当する。しかしながら、実際には、参照光の位相値は未知である。この参照光の不確定性は、計測結果に好ましくない影響を与えると考えられる。このことにより、最も正確に物体光の位相値を算出するためには、フレネル変換を用いて、計測対象面上の物体光の位相値を算出する必要がある。
　情報処理手段８は、式（４－１）及び（４－２）に基づいて、フレネル変換によって、計測対象面１００上の物体光Γ（ξ,η）を算出することができる（Ｓ２０６）。λはレーザー光の波長である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　ここで、従来法では、まず、Ｅ0（ｘ,ｙ）を含む式（７－１）を用い，フレネル変換によって撮像面７０から像平面１５０へ回折する再生光Γ（ξ′,η′）を算出していた。また、従来法では、式（７―１）に示す再生光Γ（ξ′,η′）を算出する際に、フレネル変換のアルゴリズムを簡単にするために、式（７－２）に示すρ′をテイラー展開することによって、再生光を近似していた。しかしながら、このことにより、算出した再生光Γ（ξ′,η′）には、大きな計算誤差が含まれることがあり、計測精度に好ましくない影響を与えることがあった。加えて、式（７－２）に示すように、再生光の回折距離ｄ(計算時設定した撮像面７０と再生像平面１５０との間の距離)の変動により、算出した再生光Γ（ξ′,η′）の位相が変動することがあった。このため、従来法では、計測精度を向上させるために、計測に最適なｄの値を検討する必要があった。
　本発明では、これらの問題を改善するため、式（４－２）に示すρ′をテイラー展開するのではなく、まず、式（５－１）を用い、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）によって、直接的に計測対象面１００上の物体光Γ（ξ,η）を算出する（Ｓ２０６）。なお、式（５－１）における関数ｇ（ξ,η,ｘ,ｙ）は、式（５－３）に対応する。
　これによって、本発明は、従来法と比較して、計算誤差を低減することができ、高精度な計測を実現できる。また、直接的に計測対象面１００上の物体光の複素数振幅Γ（ξ,η）を算出するため、撮像面７０と計測対象面１００と間の距離ｄより遠い位置に実際の物体光が存在せず、再生光の位相が変動しない。このことから、従来法より、再生光の回折距離ｄに関する検討が容易に実現できる。
　なお、物体光Γ（ξ,η）を算出する際に、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を使用するが、高速計算を実現するためには、すべての情報（画素）を使用せず、適当にサンプリングをすることが好ましい。しかしながら、本発明では、分解能の高い三次元計測を実現するために、全ての情報（画素）を使用する。すなわち、ｘ軸上のサンプリング数はホログラム画像の幅方向の画素数と同一であり、ｙ軸上のサンプリング数は高さ方向の画素数と同一である。
　次いで、情報処理手段８は、式（５―２）に示す物体光Γ（ξ,η）の位相分布φ（ξ,η）を算出する（Ｓ２０８）。なお、位相分布φは計測対象面１００上における物体光Γ（ξ,η）の位相であり、参照光の位相値を基準としない位相値（絶対位相）である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　式（５－２）によって算出した位相分布φ（ξ,η）は、[－π,π]の区間で変化するため、位相連結処理を実施する必要がある。このため、情報処理手段８は、例えば、Ｑｕａｌｉｔｙ　Ｍａｐ法などを用いて、位相連結処理を実施する（Ｓ２１０）。
　Ｑｕａｌｉｔｙ　Ｍａｐ法については、「Yuri Barseghyan Hakob Sarukhanyan, Laplacian Based LF Quality Map for Phase Reconstruction. CSIT 2009」に記載されている。Ｑｕａｌｉｔｙ　Ｍａｐ法は、参照光と物体光との間に一定の位相差を与えたときの干渉縞の強度変化を計測することによって、撮像面の各点での参照光と測定光の位相差を算出するものである。
　最後に、情報処理手段８は、干渉測量法などを用いて、計測対象の形状（三次元ワールド座標（Ｘ,Ｙ,Ｚ））を算出する（Ｓ２１２）。干渉測量法については、「Isaevich Ostrovski, Interferometry by Holography (Springer series in optical sciences), July 1980, Springer-Verlag, New York」に記載されている。干渉測量法とは、光の位相値が２πの整数倍分だけ変化する場合、計測対象の形状が等倍の波長分だけ変化することを利用して、物体の三次元形状を測定する手法である。
　本発明では、上記干渉測量法により、式（６－３）を用いて、連続的な位相値から計測対象の三次元形状のＺ軸の座標値を算出する。次いで、式（５－３）に示される撮像面７０のｘ軸、ｙ軸の座標と計測対象面のξ軸、η軸の座標との対応関係から、式（６－１）（６－２）を用いて、三次元形状のＸ軸、Ｙ軸の座標値を算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　なお、Δｘ及びΔｙは、ＣＣＤやＣＭＯＳなどのカメラセンサ素子の画素間の横及び縦方向の距離であり、Ｎはサンプリング数である。φは連結処理後の物体光の位相分布を表わす。以上のような処理によって、計測対象の三次元形状を計測することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　[装置構成の変形例]
　図８は、本計測装置の第１の変形例である。同図に示す装置は、コリメータレンズ９、アナモルフィックプリズム１２及び光量調整用偏光素子１３を備える点で、図１に示した装置とは異なる。また、図８では、相対的位相差検出用偏光素子６を回転させる回転駆動手段６１も図示されている。図８において、光量調整用偏光素子１３及び入射光用二分の一波長板１１は、入射光の光軸の回りに回転可能に構成されることが好ましい。なお、光量調整用偏光素子１３及び入射光用二分の一波長板１１の配置は、相互に入れ替えてもよい。図１に示した構成と同一の構成には、同じ符号を付し、説明は省略する。本変形例は、計測対象との間にズーム光学系等を設けておらず、等倍での計測を前提としているため、比較的小さい計測対象（撮像面の大きさと同程度、直径１０～２０ｍｍ程度）を計測する用途に適する。
　本変形例では、参照光と物体光の光路長がほぼ等しくなるように設定したので、レーザー光源としてコヒーレント長の短い半導体レーザーを使用することも可能であった。半導体レーザー１は、固体レーザーなどに比べて、コヒーレント長が短いため、適当な干渉縞パターンを取得するためには、参照光と物体光（照明光を含む）との光路長差はできるだけ小さくすることが好ましい。本変形例では、参照光が往復する光路に対応する偏光ビームスプリッタの一端に、偏光ビームスプリッタから出射された照明光が計測対象面に到達するまでの距離Ｌに相当する延長部２９を設ける。計測対象の表面形状（凹凸）によっては、物体光と参照光のとの間に光路長差が生じる可能性があるが、半導体レーザーにおいて、通常のシングルモードを用いる場合、おおよそ１～１０ｍｍ程度の光路長差は許容できる。なお、比較的高価であるが、スペクトル線幅が狭い半導体レーザー（例えば、ＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｆｅｅｄｂａｃｋ）レーザー）を用いる場合、さらに大きな光路長まで許容できる。
　半導体レーザー１から照射されたレーザー光３０は、コリメータレンズ９を介して平行な光となる。アナモルフィックプリズム１２によって、ビームの断面強度分布をほぼ円形にすることが好ましい。円形に形成されたレーザー光は、特定の方向の直線偏光を有する。
　光量調整用偏光素子１３は、その透過軸を入射光の光軸の回りに回転できるように構成され、これによって、特定の方向の直線偏光を透過させることでき、入射光の光量を調整することができる。また、レーザー光源からのレーザー光の直線偏光の消光比を向上させ、より高品質の直線偏光にすることができる。入射光用二分の一波長板１１は、その光学軸を入射光の光軸の回りに回転できるように構成される。二分の一波長板１１によれば、入射光の偏光方向を光学軸との角度の２倍だけ変えることができる。このため、光学軸の方向を適宜設定すれば、偏光ビームスプリッタへ入射する入射光の偏光方向を適宜設定することができるので、境界面で反射されるＳ偏光（照明光）と境界面を透過するＰ偏光（参照光）の光量の比率を任意に変更することができる。したがって、計測対象の態様（透過、全反射）に応じて、かかる比率を最適化し、適当な干渉縞パターンを取得することができる。
　また、四分の一波長板２３、四分の一波長板２４及び反射素子２５は、偏光ビームスプリッタ２０の各表面に密着させて設けることが好ましい。また、四分の一波長板５も偏光ビームスプリッタ２０の出射面に密着させて設けることが好ましい。これによって、光学ユニットを小型化することができる。また、光学素子の表面での反射、散乱などによる迷光を抑制でき、ノイズを低減できる。
　図９は、本計測装置の第２の変形例である。同図に示す装置は、撮像手段７側にテレセントリック光学系１５，１６，１７を配置した点で、図８に示した装置とは異なる。本変形例は、テレセントリック光学系によって計測対象の映像情報も取得することが可能であり、三次元形状だけではなく表面画像情報も必要な用途、例えばロボットアームなどに搭載し、計測対象の位置へアクセスする場合に好ましい。
　具体的なテレセントリック光学系の一例として、撮像手段側の四分の一波長板５と相対的位相差検出用偏光素子６との間に、中継レンズ１５、中継レンズ１７を配置する。測定精度を向上させるため、中継レンズ１５と中継レンズ１７との間に、アパーチャ１６を適宜設けることが好ましい。計測対象からの物体光は、通常、様々な方向の成分を含んでいるが、アパーチャー１６の開口径を適度に設定することによって、物体光において、参照光と略同一となるような成分のみを抽出することができるので、撮像面にノイズとなる不要な細かい干渉縞が生じるのを防ぐことができる。
　撮像手段７の大きさに応じて、テレセントリック光学系は、適宜、倍率を選択してよい。また、可変ズームの機能を有するテレセントリック光学系を配置してもよい。また、両側テレセントリック光学系であることが好ましい。両側テレセントリック光学系とは、入射瞳と射出瞳の両方が無限遠方に位置する光学系である。
　本変形例によれば、三次元形状計測において計測対象のホログラム画像を取得するだけでなく、テレセントリック光学系によって計測対象が撮像面に結像するため、撮像手段７で通常の画像（映像）も撮像することができる。通常の画像撮像用の光源としては、計測対象を照明する照明光をそのまま利用すると、観察位置を移動させながら観察する場合は干渉縞の影響は小さいが、静止した状態では干渉縞の影響によって観察し難くなる。このため、観察する際には、入射光用二分の一波長板１１を回転させて参照光の光量をホログラム画像を取得する場合に比べて少なくし、より好ましくは参照光を最小にし、計測対象への照射光から映像画像を得ることが好ましい。
さらに、テレセントリック光学系の光学的な作用によって、３次元物体を撮像面近傍へ仮想的に移動させたような効果が生じるため、微細な凸凹などからの高周波成分も分解能良くデジタルホログラフィーで計測することが可能となる。
　また、撮像手段が取得した映像は、本計測装置を搭載したロボットアームの制御、計測結果の補足情報として利用することができる。さらに、ロボットアームを操作するためのＣＣＤカメラを別途設けなくてもよいので、簡易な計測システムを構成することができる。
　図１０は、本計測装置の第３の変形例である。同図に示す装置は、物体側にテレセントリック光学系を配置した点で、図８に示した装置とは異なる。本変形例は、比較的大きな計測対象（例えば、１０～３０ｃｍ程度）を計測する場合に好ましい。本変形例では、物体光と参照光との光路差が大きくなるため、レーザー光源として、コヒーレント長の長い気体レーザー又はや固体レーザーを用い、光ファイバによりレーザー光を光学ユニットに供給することが好ましい。
　テレセントリック光学系として、具体的には、計測対象１０と四分の一波長板２３との間に、中継レンズ４５、アパーチャ４６、中継レンズ４７を配置する。前述のとおり、アパーチャ４６によって、測定精度を向上させることができる。また、両側テレセントリック光学系を構成してもよいが、像側テレセントリック光学系を採用することが好ましい。像側テレセントリック光学系とは、射出瞳が無限遠方に位置する光学系である。像側テレセントリック光学系であれば、ズームの倍率を大きく設定する場合でも、対物側の中継レンズには比較的小さな開口のレンズを用いることができる。また、像側テレセントリック光学系であれば、光学ユニットから撮像面に到達する物体光は、撮像面のいずれにおいても光軸に垂直になるため、垂直に入射する参照光と大きな交叉角が生じない。このため、計測対象が大きい場合であっても、高精度の三次元形状計測が可能である。
　光源から供給されるレーザー光は、光ファイバ、コリメータレンズを介して光学ユニット２に照射される。照明光は、テレセントリック光学系を介して計測対象へ照射され、計測対象から反射した物体光は、再びテレセントリック光学系を介して光学ユニット２に入射する。図１０においても、テレセントリック光学系のズーム機能によって、計測対象の映像を撮像手段７で得ることは可能である。図１０では図９の装置とは異なり撮像対象のみが撮像手段７に縮小投影され、参照光のパターンは縮小されない点に特徴がある。計測対象が大きな場合、撮像面上には、テレセントリック光学系のズーム機能によって縮小された物体光と、参照光との干渉縞が記録される。参照光は、テレセントリック光学系を介さず、縮小されていないので、干渉縞の間隔のオーダーは変わらない。このため、図１０のテレセントリック光学系を採用する場合でも、撮像素子の画素ピッチは変更しなくても大きな計測対象をサンプリングできる。
　図１１は、本計測装置の第４の変形例である。同図に示す装置は、Ｓ偏光を参照光として撮像手段７側に反射させるように偏光ビームスプリッタ２０を構成し、偏光ビームスプリッタ２０を透過したＰ偏光を円環状の反射面を有する反射素子２５によって照明光とし、照明光拡散手段１８を計測対象近傍に設けた点で、図１０に示した装置とは異なる。計測対象の表面の反射率が高い場合や、傾斜が大きい場合は、計測対象に対して垂直に照明光を照射すると、反射した物体光が光路から大きく外れてしまい計測できないことがある。この点、図１１の装置によれば、照明光拡散手段１８によって斜め方向からの拡散照明光を用いるので、本変形例は、反射率の高い計測対象（例えば、鏡面）、傾きが比較的大きい傾斜を含む計測対象を計測する場合に好ましい。
　光学ユニット２に入射したレーザー光３０は、偏光ビームスプリッタ２０によってＰ偏光とＳ偏光の二光束に分割される。Ｓ偏光は参照光として撮像手段７の方へ反射する。一方、Ｐ偏光は、照明光として偏光ビームスプリッタ２０の境界面（反射面）を透過し、四分の一波長板２４を通過し、反射素子２５によって再び偏光ビームスプリッタ２０の境界面（反射面）に向けて反射する。反射素子２５は、円環状の反射面を有するミラーであり、その中心部分は光を反射しないように構成される。これによって、照明光は円環状の光となる。照明光は、四分の一波長板２４を２回通過しているので、Ｓ偏光となり、偏光ビームスプリッタ２０の境界面で計測対象１０の方へ反射して、テレセントリック光学系に入射する。
　中継レンズ４５を透過した円環状の照明光は、中継レンズ４５の対物側の適宜の位置に配置された照明光拡散手段１８によって、計測対象の中心部へ向かって拡散する。照明光拡散手段１８は、ＨＯＥ、フレネルレンズ、拡散板などによって構成されてもよい。この場合、照明光は、顕微鏡におけるいわゆる暗視野照明のような照明光となる。計測対象の表面で乱反射した光のうち光軸方向の光は、物体光としてテレセントリック光学系を介して、偏光ビームスプリッタ２０に入射する。Ｓ偏光の物体光は、偏光ビームスプリッタの境界面を透過し、撮像手段７へ照射される。
　このように、本変形例では、計測対象に対して、略垂直に照明光を照射するのではなく、斜め方向から拡散した照明光を照射するので、計測対象で反射された物体光の少なくとも一部を取り込むことができる。このため、本変形例によれば、計測対象が反射率の高い物体である場合でも、従来の光学系とは異なり、計測対象の精密な三次元形状計測が可能である。また、計測対象が大きな傾きを有する場合でも、計測対象の傾きを非接触で計測することができる。さらに、計測対象が光を散乱させるような表面を有する場合でも、斜め方向から様々な入射角度のランダムな拡散照明で照らせば、計測対象の表面で散乱されて生じる物体光において、少なくとも一部は参照光と略同軸な成分を有する。このため従来は難しかった光を散乱させるような表面を有する計測対象についても三次元形状の計測も可能となる。
　図１２は、本計測装置の第５の変形例である。本変形例では、光学ユニット２は、ホログラフィック光学素子によって構成される。光学ユニット２は、光束分割用ＨＯＥ２６、照明用ＨＯＥ２７、及び干渉用ＨＯＥ２８を備える。計測対象面１００と照明用ＨＯＥ２７及び干渉用ＨＯＥ２８との間の距離ｆ１と、干渉用ＨＯＥ２８と撮像面７０との距離ｆ２とは、計測装置及び計測対象の態様に応じて、適宜設定してよい。各ＨＯＥも計測装置及び計測対象の態様に応じて適宜設定してよい。
　光束分割用ＨＯＥ２６は、レーザー光源１から供給されるレーザー光３０をＰ偏光とＳ偏光とに分割して、一方（例えば、Ｓ偏光）を照明用ＨＯＥ２７に向けて出射し、他方（例えば、Ｐ偏光）を干渉用ＨＯＥ２８に向けて出射する。
　照明用ＨＯＥ２７は、干渉用ＨＯＥ２８の周囲に設けられており、Ｓ偏光の照明光を拡散させて、計測対象１０を周辺から照射する拡散照明光３１を生成する。干渉用ＨＯＥ２８は、Ｓ偏光の物体光３２を透過させて撮像手段７に向けて集束させ、Ｐ偏光の参照光３３を撮像手段７に向けて反射する。
　図１２の装置によれば、レーザー光源１から供給されたレーザー光が、光束分割用ＨＯＥ２６によってＳ偏光とＰ偏光とに分割され、Ｓ偏光が照明用ＨＯＥ２７に向けて射出され、Ｐ偏光が干渉用ＨＯＥ２８に向けて出射される。照明用ＨＯＥ２７に入射したＳ偏光は、拡散照明光３１として計測対象１０に向けて斜めから照射される。計測対象から反射されたＳ偏光の物体光３２は、干渉用ＨＯＥ２８を透過して、撮像手段７に集光する。一方、干渉用ＨＯＥ２８に向けて出射されたＰ偏光は、干渉用ＨＯＥ２８によって参照光３３として撮像手段７に向かって反射する。参照光も干渉用ＨＯＥ２８によって適宜集束させてよい。その後、円偏光変換用四分の一波長板５及び相対的位相差検出用偏光素子６によって物体光と参照光の相対的位相差を持つホログラムが撮像される。また、図１２に例示した装置において、光学ユニットと、計測対象及び／又は撮像手段との間に、中継レンズ又はＨＯＥ及びアパーチャなどから構成されるテレセントリック光学系を配置してもよい。
　以上で説明した各装置の構成は一実施形態であり、各装置に限定されるものではなく、相互に適用可能である。また、テレセントリック光学系によって計測対象を縮小して撮像したが、微小な計測対象について、計測対象を拡大してホログラムを撮像してもよい。このような用途として顕微鏡などに使用することができる。
　［実施例］
　以下、本発明の三次元形状計測装置及び三次元形状計測方法の実施例について説明する。
　図１３は、本計測装置の写真である。本計測装置は、レーザー光源（図示省略）、二分の一波長板１１、偏光ビームスプリッタ２０、四分の一波長板２３、四分の一波長板２４、ミラー２５、円偏光変換用四分の一波長板５、相対的位相差検出用偏光素子６、ＣＣＤカメラ７、計測対象ホルダ１１０を備える。装置全体の大きさは、約２５０×２５０［ｍｍ］であり、小型コンパクトである。本実施例において使用したレーザー光源は、ＬＡＳＯＳ社製の型番ＬＧＫ７６５４－８（ビーム径φ１．９ｍｍ、発光波長５３２ｎｍ）であり、撮像手段は、ＩＭＡＧＩＮＧ　ＳＯＵＲＣＥ社製の型番ＤＦＫ７２ＢＵＣ０２（ＣＭＯＳタイプ、撮像画像サイズ：２０４８×１５３６ｐｉｘｅｌ、素子間距離４．４μｍ）であった。
　はじめに、平凸レンズを計測対象ホルダ１１０に載置し、４枚の干渉縞パターンを撮像し、情報処理手段が各干渉縞パターンを取り込む（図６のステップ２０２）。図１４（Ａ）は、計測対象である透明な平凸レンズの写真であり、５×４［ｍｍ］の計測範囲も示している。
　図１５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）は、各々、相対的位相差検出用偏光素子６の回転角度がα＝０°、４５°、９０°、１３５°の場合の干渉縞パターンである。情報処理手段は、これらの干渉縞パターンに基づいて、各種処理を実行し、物体光の位相分布を算出した（図６のステップＳ２０４からＳ２０８）。図１６（Ａ）は、算出した物体光の位相分布である。次いで、連結処理を実行し（図６のステップＳ２１０）、連結処理後の物体光の位相分布を取得した。図１６（Ｂ）は、連結処理後の物体光の位相分布であり、濃淡で位相量を示している。最後に、干渉測量法を用いて計測対象の三次元形状を再生した（図６のステップＳ２１２）。図１７は、再生された透明な平凸レンズの三次元形状である。
　平凸レンズの三次元形状計測と同様に、全反射の平面ミラーについても三次元形状計測を実施した。図１４（Ｂ）は、計測対象である平面ミラーであり、計測対象の概ね中央における５×４［ｍｍ］の計測範囲も示している。
　図１８（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）は、各々、相対的位相差検出用偏光素子６の回転角度がα＝０°、４５°、９０°、１３５°の場合の平面ミラーの干渉縞パターンである。図１９（Ａ）は、算出した平面ミラーからの物体光の位相分布である。図１９（Ｂ）は、連結処理後の平面ミラーからの物体光の位相分布である。図２０は、再生された平面ミラーの三次元形状である。
　さらに、実施例として、光学計測機の校正などに用いられる段差マスタを計測した。図２１（Ａ）は、計測対象の段差マスタの写真であり、この段差マスタは、図２１（Ｂ）に示すとおり、計測範囲において１μｍの段差を含む。本実施例において使用した段差マスタは、ミツトヨ社製の５１６シリーズの型番「セラミックス製５１６－４９８」である。この段差マスタを撮像し、撮像したホログラム画像に基づいて三次元形状を計測した。再現性の確認のため、計測は１０回行った。
　図２２は、段差マスタの計測結果であり、段差の計測値が１０回分示されている。計測結果によれば、段差マスタの基準値１μｍに対して、平均誤差は０．１８７μｍであった。本実施例では、情報処理手段として、一般的なパーソナルコンピュータ（プロセッサ：ｃｏｒｅｉ７　３．２ＧＨｚ，メモリ：３ＧＢ）を使用した。図６に示す三次元形状計測の全ステップの処理時間は、約１．５秒であった。計測処理をＧＰＵにおいて実行すれば、リアルタイムでの三次元形状計測も可能である。
　以上説明したとおり、本発明によれば、相対的位相差検出用偏光素子を回転させることによって物体光と参照光との相対的位相差を制御することができるので、複数の異なる位相状態のホログラム画像を取得することができる。特に、相対的位相差検出用偏光素子を４５°ずつ回転させれば、４種類のホログラム画像を撮像することができる。また、本発明の計測装置は、ピエゾ素子を使用しなくてもよいので、振動に強く、低コストである。さらに、一体化した光学ユニットとすれば、小型、コンパクト、簡易な構造とすることができ、装置それ自体を適宜移動させながら使用することができる。さらに、本発明の一態様によれば、透明な計測対象、全反射の計測対象、大きな傾斜を有する計測対象、及び光を散乱させる表面を有する計測対象についても三次元形状計測が可能である。
１　レーザー光源
２　光学ユニット
５　円偏光変換用四分の一波長板
６　相対的位相差検出用偏光素子
７　撮像手段
８　情報処理手段
１０　計測対象
１１　入射光用二分の一波長板
２０　偏光ビームスプリッタ
２３　照明光用四分の一波長板
２４　参照光用四分の一波長板
２５　反射素子
３０　入射光（レーザー光）
３１　照明光
３５　物体光
３６　参照光
３７　第１の円偏光の物体光
３８　第２の円偏光の参照光

Claims (16)

  1. 　レーザー光源と、物体光用光学系と、参照光用光学系と、相対的位相差検出用偏光素子と、撮像手段とを含む三次元形状計測装置であって、
    　前記物体光用光学系は、前記レーザー光源から照射された光の一部から生成された照明光を計測対象に照射することによって生成された物体光を第１の円偏光の状態で前記相対的位相差検出用偏光素子に入射させ、
    　前記参照光用光学系は、前記レーザー光源から照射された光の他の一部から参照光を生成し、前記参照光を前記第１の円偏光とは反対方向の第２の円偏光の状態で前記相対的位相差検出用偏光素子に入射させ、
    　前記相対的位相差検出用偏光素子は、前記第１の円偏光の物体光のうち前記相対的位相差検出用偏光素子の偏光方向の成分及び前記第２の円偏光の参照光のうち前記相対的位相差検出用偏光素子の偏光方向の成分を透過させ、
    　前記撮像手段において、前記相対的位相差検出用偏光素子を透過した物体光と参照光とが干渉することによって生成されるホログラム画像を撮像し、
    　前記相対的位相差検出用偏光素子の偏光方向を回転させることによって、前記相対的位相差検出用偏光素子を透過した物体光と参照光との間の相対的位相差を変更し、前記相対的位相差の異なる複数のホログラム画像を取得することを特徴とする三次元形状計測装置。
  2. 　前記物体光用光学系及び前記参照光用光学系は一体化された光学ユニットを構成することを特徴とする請求項１に記載の三次元形状計測装置。
  3. 　前記光学ユニットは、偏光ビームスプリッタ、四分の一波長板、反射素子の組合せから構成されることを特徴とする請求項２に記載の三次元形状計測装置。
  4. 　前記偏光ビームスプリッタは、前記レーザー光源から照射された光が入射する第１の表面と、前記計測対象に対向する第２の表面と、前記相対的位相差検出用偏光素子に対向する第３の表面と、前記反射素子と対向する第４の表面とを有し、前記第２の表面、前記第３の表面及び前記第４の表面にはそれぞれ四分の一波長板が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の三次元形状計測装置。
  5. 　前記偏光ビームスプリッタは、前記参照光の光路長と前記物体光の光路長とが略同一となるように、その一端に延長部を有することを特徴とする請求項３又は４に記載の三次元形状計測装置。
  6. 　前記反射素子は、前記計測対象の表面の形状と略同一の形状の反射面が設けられることを特徴とする請求項３乃至５の何れか１項に記載の三次元形状計測装置。
  7. 　前記光学ユニットは、ホログラフィック光学素子によって構成されることを特徴とする請求項２に記載の三次元形状計測装置。
  8. 　前記光学ユニットと前記計測対象との間に、テレセントリック光学系を備えることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の三次元形状計測装置。
  9. 　前記光学ユニットは、円環状の照明光を前記計測対象に拡散照射する拡散手段を有することを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の三次元形状計測装置。
  10. 　前記光学ユニットと前記撮像手段との間に、テレセントリック光学系を備えることを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の三次元形状計測装置。
  11. 　画像処理が可能な手段を備え、
    　前記相対的位相差の異なる複数のホログラム画像から、前記計測対象からの物体光の位相分布を算出し、前記計測対象の三次元形状を再生することを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の三次元形状計測装置。
  12. 　レーザー光源から照射された光の一部から生成された照明光を計測対象に照射することによって生成された物体光を第１の円偏光に変換し、
    　前記レーザー光源から照射された光の他の一部から生成された参照光を前記第１の円偏光とは反対方向の第２の円偏光に変換し、
    　前記第１の円偏光の物体光及び前記第２の円偏光の参照光を、回転可能に構成された相対的位相差検出用偏光素子に入射させ、前記第１の円偏光の物体光のうち前記相対的位相差検出用偏光素子の偏光方向の成分及び前記第２の円偏光の参照光のうち前記相対的位相差検出用偏光素子の偏光方向の成分を透過させ、前記相対的位相差検出用偏光素子を透過した物体光と参照光とが干渉することによって生成されるホログラム画像を取得し、
    　前記相対的位相差検出用偏光素子の偏光方向を回転させ、前記相対的位相差検出用偏光素子を透過した物体光と参照光との間の相対的位相差を変更し、前記相対的位相差検出用偏光素子を透過した物体光と参照光とが干渉することによって生成される、前記相対的位相差の異なるホログラム画像を取得することを特徴とするホログラム画像取得方法。
  13. 　円環状の照明光を生成し、
    　前記円環状の照明光を前記計測対象に拡散照射することを特徴とする請求項１２に記載のホログラム画像取得方法。
  14. 　少なくとも前記物体光が通過するテレセントリック光学系を配し、前記ホログラム画像とともに、前記計測対象の映像情報を取得することを特徴とする請求項１２又は１３に記載のホログラム画像取得方法。
  15. 　前記計測対象の映像情報を取得する際には、前記ホログラム画像を取得する際に比べて、前記参照光の光量を低下させることを特徴とする請求項１４に記載のホログラム画像取得方法。
  16. 　請求項１２乃至１４の何れか１項に記載の方法によって取得した前記相対的位相差の異なる複数のホログラム画像から、前記計測対象からの物体光の位相分布を算出し、前記計測対象の三次元形状を再生することを特徴とする三次元形状計測方法。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017006370A1 (ja) * 2015-07-07 2017-01-12 オリンパス株式会社 デジタルホログラフィック撮影装置
WO2017006369A1 (ja) * 2015-07-07 2017-01-12 オリンパス株式会社 デジタルホログラフィック撮像装置及び照明装置
JP2017211317A (ja) * 2016-05-26 2017-11-30 国立大学法人岩手大学 分光立体形状測定装置及び分光立体形状測定方法
JP2018185251A (ja) * 2017-04-27 2018-11-22 セイコーエプソン株式会社 ロボットおよびプリンター

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI596685B (zh) * 2017-01-04 2017-08-21 Surface 3D testing equipment and testing methods
FR3064354B1 (fr) * 2017-03-24 2021-05-21 Univ Du Mans Systeme de projection pour la mesure de vibrations
JP6513846B2 (ja) * 2017-06-06 2019-05-15 株式会社日立製作所 距離測定装置、及び立体形状測定装置。
CZ2017570A3 (cs) * 2017-09-21 2018-11-07 Vysoké Učení Technické V Brně Zobrazovací modul pro mimoosový záznam polarizačně oddělených vln
JP7206736B2 (ja) * 2018-09-20 2023-01-18 富士フイルムビジネスイノベーション株式会社 計測装置および計測方法
WO2021038821A1 (ja) 2019-08-30 2021-03-04 株式会社ニコン 処理システム及びロボットシステム
CN114502912B (zh) * 2019-10-06 2024-03-08 奥宝科技有限公司 混合式3d检验***
CN113029960A (zh) * 2021-04-18 2021-06-25 中国人民解放军空军工程大学 一种测量航空部件表面微缺陷的高精度实时三维测量***及方法
CN114459620B (zh) * 2022-01-29 2023-10-20 华南师范大学 通过单一波片在双干涉通道间产生π相移的装置及方法

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0587541A (ja) * 1991-05-20 1993-04-06 Suezo Nakatate ２次元情報測定装置
JPH0712535A (ja) * 1993-06-21 1995-01-17 Nikon Corp 干渉計
JPH10268740A (ja) 1997-03-27 1998-10-09 Rikagaku Kenkyusho 位相シフトディジタルホログラフィ装置
JP2000009444A (ja) * 1998-06-23 2000-01-14 Takaoka Electric Mfg Co Ltd 表面形状計測装置
JP2000329535A (ja) * 1999-05-18 2000-11-30 Mitsutoyo Corp 位相シフト干渉縞の同時計測装置
JP2002090110A (ja) * 2000-09-12 2002-03-27 Shimadzu Corp ２光束偏光干渉計
JP2003302205A (ja) * 2002-02-07 2003-10-24 Nikon Corp シアリング干渉測定方法及びシアリング干渉計、投影光学系の製造方法、投影光学系、及び投影露光装置
JP2012002616A (ja) 2010-06-16 2012-01-05 Sigma Koki Co Ltd 光学素子、及び干渉計
WO2012114947A1 (ja) * 2011-02-25 2012-08-30 国立大学法人京都工芸繊維大学 デジタルホログラフィ装置、及びデジタルホログラフィによる画像生成方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62200209A (ja) * 1986-02-27 1987-09-03 Tokyo Seimitsu Co Ltd 形状測定装置
JPH08327453A (ja) * 1995-05-29 1996-12-13 Shimadzu Corp 偏光干渉計
JP4409384B2 (ja) * 2004-08-03 2010-02-03 株式会社トプコン 光画像計測装置及び光画像計測方法
JP2006279017A (ja) * 2005-03-02 2006-10-12 Canon Inc 露光装置及び方法、計測装置、並びに、デバイス製造方法
WO2006098455A1 (ja) * 2005-03-15 2006-09-21 Pioneer Corporation ホログラム記録再生方法及び装置
EP1912102B1 (en) * 2005-04-07 2012-01-04 Optware Corporation Hologram recording medium and method for manufacturing same
JP2008286518A (ja) * 2007-05-15 2008-11-27 Hitachi Ltd 変位計測方法とその装置
JP2011164090A (ja) * 2010-01-13 2011-08-25 Ricoh Co Ltd ヘテロダインレーザー干渉測長器

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0587541A (ja) * 1991-05-20 1993-04-06 Suezo Nakatate ２次元情報測定装置
JPH0712535A (ja) * 1993-06-21 1995-01-17 Nikon Corp 干渉計
JPH10268740A (ja) 1997-03-27 1998-10-09 Rikagaku Kenkyusho 位相シフトディジタルホログラフィ装置
JP2000009444A (ja) * 1998-06-23 2000-01-14 Takaoka Electric Mfg Co Ltd 表面形状計測装置
JP2000329535A (ja) * 1999-05-18 2000-11-30 Mitsutoyo Corp 位相シフト干渉縞の同時計測装置
JP2002090110A (ja) * 2000-09-12 2002-03-27 Shimadzu Corp ２光束偏光干渉計
JP2003302205A (ja) * 2002-02-07 2003-10-24 Nikon Corp シアリング干渉測定方法及びシアリング干渉計、投影光学系の製造方法、投影光学系、及び投影露光装置
JP2012002616A (ja) 2010-06-16 2012-01-05 Sigma Koki Co Ltd 光学素子、及び干渉計
WO2012114947A1 (ja) * 2011-02-25 2012-08-30 国立大学法人京都工芸繊維大学 デジタルホログラフィ装置、及びデジタルホログラフィによる画像生成方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A. S. PATRA: "An investigation of the two-beam polarization of a heterodyne interferometer", JOURNAL OF OPTICAL TECHNOLOGY, vol. 72, pages 905 - 908, XP055203272 *
See also references of EP2930461A4

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017006370A1 (ja) * 2015-07-07 2017-01-12 オリンパス株式会社 デジタルホログラフィック撮影装置
WO2017006369A1 (ja) * 2015-07-07 2017-01-12 オリンパス株式会社 デジタルホログラフィック撮像装置及び照明装置
JPWO2017006369A1 (ja) * 2015-07-07 2018-04-19 オリンパス株式会社 デジタルホログラフィック撮像装置及び照明装置
JPWO2017006370A1 (ja) * 2015-07-07 2018-04-19 オリンパス株式会社 デジタルホログラフィック撮影装置
US10488820B2 (en) 2015-07-07 2019-11-26 Olympus Corporation Digital holographic image-taking apparatus
US10649405B2 (en) 2015-07-07 2020-05-12 Olympus Corporation Digital holographic imaging apparatus and illumination apparatus
JP2017211317A (ja) * 2016-05-26 2017-11-30 国立大学法人岩手大学 分光立体形状測定装置及び分光立体形状測定方法
JP2018185251A (ja) * 2017-04-27 2018-11-22 セイコーエプソン株式会社 ロボットおよびプリンター

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