JP4203389B2 - 光学的形状計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定物体にパターン光を照射し、その反射像の光量情報から、非接触で形状計測を行う光学的形状計測装置に関するものである。

従来、測定物体にパターン光を照射し、その反射光のパターンをカメラで撮像することでパターンの変形から光学的に形状測定を行うパターン投影法が知られている。２値パターンを照射する空間符号化法は、パターン投影法の中でもよく用いられている形状計測手法である（例えば、特許文献１および２参照）。
その原理は、まず測定領域全体を２つの領域に分割し、各々を０、１と符号化し、黒白の光量を対応させたパターン（空間符号パターン）を照射する（例えば、非特許文献１ないし３参照）。形状測定装置の構成は、測定物体にパターンを照射するプロジェクタ、反射パターンを撮像するカメラから構成されるのが一般的である。
また、縞走査法のかわりに繰り返しを持つ強度比法を用い、位相不定を繰り返しなし強度比法で除去し、さらに、多値化した空間符号化法と縞走査法や強度比法の組み合わせものも研究されている。
特許文献１の位置計測方法で開示された技術の原理は、非特許文献１に更に詳しく説明されている。まず測定領域全体を２つの領域に分割し、各々を０、１と符号化し、黒白の光量を対応させたパターン（空間符号パターン）を照射する。
撮像された反射パターンで黒く観察された部分は０、白く観察された部分は１に対応する。さらに２分割の領域の幅を各々半分にして、４つの領域を０、１、０、１と符号化し、対応する黒白パターンを照射する。
２分割したどちらの領域にあるかは分かっているので、各領域についてさらに２分割した４領域のうちどの領域にいるかは、反射光量から各点ごとに判断できる。
同様にして領域を１／２に縮小しながらｎ枚の白黒パターンを照射すると、プロジェクタの照射領域を２＾ｎ（２のｎ乗。＾はべき乗を意味する）に分割した領域番号を、撮像パターンの各点ごとに判断できる。
符号化には、上記の単純な２進符号化ではなく、符号化誤り耐性のあるグレーコードと呼ばれる２進符号が用いられる。例えば２領域ではそのまま０、１と符号化し、４領域に分けた場合は０、１、１、０、８領域では０１１００１１０と符号化する。
グレーコードを用いることで、空間符号パターンのずれやぼけなどで領域境界に符号化に誤りが発生しても、最悪でも隣接領域と判断されるだけで、大域的な符号化誤りを生じない。大域的に領域判定を誤ると、大幅に突出したり凹んだ形状として認識されるので、この性質は望ましい。

光量分布が正弦波状の縞パターンを走査する位相シフト法（縞走査法）も良く用いられる手法の一つで、その原理は、非特許文献２に詳しく説明されている。
この非特許文献２の８８ページにしたがうと、ｘ軸方向に
Ｉ（ｘ）＝Ａ（ｘ）＋Ｂ（ｘ）ｃｏｓ（φ（ｘ）＋φｏ）
の照射強度変化を持つパターンをφｏ＝０、π／２、π、３π／２と変化させた反射パターンの光量分布Ｉ０、Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３から、
φ（ｘ）＝ａｔａｎ（（Ｉ３（ｘ）−Ｉ１（ｘ））／（Ｉ０（ｘ）−Ｉ２（ｘ））
から位相（局所位相）φを得る。
ここで関数ａｔａｎは関数ｔａｎの逆関数である。この位相φは照射角度に対応するが、φは各領域ごとに０から２πの間の値をとるため、このままでは照射角度とは１対１に対応付けできないが、領域番号をＬｉｄ（１，２，…，ｍ−１）とすると、
φｇ＝φ＋２πＬｉｄ
とすれば、測定領域全体で大域位相φｇと照射角度を一意に対応付けできる。
結局φｇから撮像パターンの画素ごとにプロジェクタからの照射角度αが分かり、撮像に用いたカメラの各画素毎に入射光の入射角度βが分かり、予めカメラとプロジェクタの光学中心の距離である基線長Ｌが分かっているので、三角測量の原理から、
ｚ＝Ｌ／（ｔａｎα＋ｔａｎβ）
の式を用いて、撮像パターンの画素毎に距離ｚを測定できる。
縞走査法ではＬｉｄは撮像パターンから分からないので、位相不定のあるφからφｇを求めるため、通常は、特定の縞にマーカーを設けたり、縞の空間周波数に制限を付け、フーリエ変換を利用したり、隣接周期間で位相の連続性を仮定するなどの手法を用いて、大域位相φｇを求めるアンラッピングという操作を行う。
縞走査法の位相不定を解決するため、各縞の周期番号を空間符号化法で特定する手法が用いられている。レーザ走査でパターンを生成し、空間符号化法と位相シフト法の組み合わせた例は、特許文献２の形状計測装置に開示されている。

この特許文献２に図示されている技術では、光照射手段から被測定物体にレーザ光走査によりパターン光を照射し、撮像手段でその反射像を検知することで形状を計測する（特許文献２の図１参照）。
そのとき、照射手段で空間符号パターンを照射して粗形状（分割された個別領域の符号）を求め、縞走査パターンを照射して細部形状（位相不定を含む位相）を求め、これらを合成して最終形状を求める。
更に、特許文献２に示された構成図によれば、各々に空間符号化法の符号が与えられた個別領域（小空間、特許文献２の図１２参照）の空間コード番号が付与されている個々の領域）に対して縞走査法の縞周期Ｊ周期（０（Ｊ（＝１）からなる個別領域を対応させる方法をとっている。
Ｊ＝１の場合で説明すると、小空間は縞の１周期に相当し、縞走査法では、周期ごとの局所的な位相だけを検知し、空間符号化法で２πの位相不定性を特定することで、位相連続性などの推定を含まずに絶対位相が求められる。
また更に、この測定方法に関連する技術として、非特許文献３が挙げられる。
特開昭６０−１５２９０３号公報 特開平１１−１４８８１０号公報 井口征士,佐藤宏介：「三次元画像計測」, pp.80-91,昭晃堂,(1990) 吉澤徹編：「光三次元計測」第２版, pp.87-90, pp.114-116, 新技術コミュニケーションズ,(1998) ビー・キャリヒルおよびアール・ハンメル（B.CarrihillandR.Hummel）編：強度比深さセンサによる実験（"Experiments with the Intensity Ratio Depth Sensor"）,コンピュータビジョン,グラフィックス,および画像処理（Computer Vision, Graphics, and Image Processing）,vol.32, pp.337-358,1985年

しかしながら、上記従来技術には、空間符号化法で絶対位相を特定する場合の問題は、異なる符合で符号化された領域（小空間）の境界で、照射パターンずれやパターンぼけにより符号誤りが生じることである。
符号化がバイナリコードであれグレーコードであれ、照射パターンずれやパターンぼけがあれば必ずこの符号誤りが生じる。符号誤りがあれば、２πの整数倍だけ絶対位相がずれ、誤り耐性があるグレーコードを用いても±２πの誤りを生じる。
結果的に、個別領域の境界に局在したトゲ状の形状誤りが生じる。フィルタを通すことによって統計的にトゲ状の形状誤りを除去を行うこともできるが、その場合は形状に推定が入るため、計測用途ではフィルタ処理による誤り除去は望ましくない。
縞走査法でなく、複数のスリット光を同時走査するマルチスリット法と、スリット毎に空間符号を付与することでスリット番号を判定するマルチスリット法と空間符号化法の組み合わせでも事情は同じである。
個別領域の境界で符号誤りがあると、スリット光が個別領域境界に近い場合、個別領域の符号が誤れば、複数のスリットの判定に誤りが生じ、そのスリットから得られた形状は誤りとなる。
以上の例から分かるように、一般に、空間符号化法で符号化された個別領域を判定し、個別領域ごとに局所的な詳細形状を求める場合は、詳細形状を求める手法によらず、領域境界での符号誤りが生じる問題がある。
そこで本発明の目的は、上記の問題点を解決するために、空間符号化法で符号化された個別領域を判定し、個別の領域ごとに周期パターンを照射することで領域ごとの局所的な詳細形状を求め、それらを統合して形状を測定し、照射パターンずれにより符号化された個別の領域の境界で生じる符号誤りの影響を無くす光学的形状測定装置を提供することにある。

前記の課題を解決するために、請求項１記載の発明では、測定物体に光パターンを照射する照射手段と、測定物体表面で反射された光パターンを得る撮像手段と、撮像パターンから測定物体の表面形状を計算する計算手段からなり、前記光パターンが空間符号化法の空間符号パターンと、符号化された領域ごとに繰り返す繰り返しパターンであり、前記空間符号パターンからは領域番号を求め、前記繰り返しパターンからは領域内の詳細形状を求め、両者を統合して測定物全体の形状を計算する光学的形状測定装置において、前記光パターンを用いて測定した形状（ずらし無し形状）と、前記光パターンを符号化された領域に対して、領域の半分の幅（半領域）だけ基線方向（前記撮像手段の光学中心から照射手段の光学中心を向く方向）にずらした前記空間符号パターンおよび繰り返しパターンを照射し、その撮像パターンから求めた形状（ずらし有り形状）とを重み付け加算して、最終形状を得る光学的形状測定装置を特徴とする。
また、請求項２記載の発明では、前記繰り返しパターンの光量分布Ｉが、ＡとＢとφｃを定数、φを領域内で０から２πまで変化する位相、φｏを初期位相として、Ｉ＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（φ＋φｏ）の形の正弦波であり、φｏ＝０、π／２、π、３π／２である４枚の繰り返しパターンから得られた撮像パターンの光量分布をＰｐｃ、Ｐｎｓ、Ｐｎｃ、Ｐｐｓとすると、測度関数φ＝ａｔａｎ（（Ｐｐｓ−Ｐｎｓ）／（Ｐｐｃ−Ｐｎｃ））＋φｃから求めた位相φから、領域内の詳細形状を求める請求項１記載の光学的形状測定装置を特徴とする。
また、請求項３記載の発明では、前記繰り返しパターンの光量分布Ｉが、ＡとＢとφｃを定数、φを領域内で０から２πまで変化する位相として、Ｉｃ＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（φ）、Ｉｓ＝Ａ＋Ｂｓｉｎ（φ）、Ｉｏ＝Ａの３パターンであり、これらから得られる撮像パターンの光量分布をＰｐｃ、Ｐｐｓ、Ｐｍとすると、測度関数φ＝ａｔａｎ（（Ｐｐｓ−Ｐｍ）／（Ｐｐｃ−Ｐｍ））＋φｃで求めた位相φから領域内の詳細形状を求める請求項１記載の光学的形状測定装置を特徴とする。
また、請求項４記載の発明では、前記繰り返しパターンの光量分布Ｉが、ＡとＢとＣとφｃを定数、φを領域内で０から２πまで変化する位相、ｆとｇを領域毎に０から１まで単調増加と単調減少を交互に繰り返すが同じ領域内では増加と減少が逆である２つの連続関数で、ｈを区間［（Ａ−Ｃ）／（Ａ−Ｃ＋Ｂ）、（Ａ−Ｃ＋Ｂ）／（Ａ−Ｃ）］を区間［−∞、∞］に写像する連続一価関数として、Ｉｐ＝Ａ＋Ｂｆ（φ）とＩｎ＝Ａ＋Ｂｇ（φ）とＩｃ＝Ｃの３パターンであり、これらから得られる撮像パターンの光量分布をＰｐ、Ｐｎ、Ｐｃとすると、測度関数φ＝２ａｔａｎ（ｈ（（Ｐｐ−Ｐｃ）／（Ｐｎ−Ｐｃ）））＋φｃで求めた位相φから、領域内の詳細形状を求める請求項１記載の光学的形状測定装置を特徴とする。

また、請求項５記載の発明では、ずらし無し形状に対して重み付け加算する重み関数ｗが、位相が０と２πで重みが０、πで重みが１となる連続関数であり、ずらし有り形状に対しては重み関数を（１−ｗ）とすることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１項記載の光学的形状測定装置を特徴とする。
また、請求項６記載の発明では、前記重み関数ｗが、位相が０と２πで位相に対する微分が０である請求項５記載の光学的形状測定装置を特徴とする。
また、請求項７記載の発明では、前記重み関数ｗが、位相φに対し、０＜＝φ＜π／２では２（φ／π）＾２、π／２＜＝φ＜３π／２では１−２（（φ−π）／π）＾２、３π／２＜＝φ＜２πでは２（（φ−２π）／π）＾２の区分２次式である請求項６記載の光学的形状測定装置を特徴とする。
また、請求項８記載の発明では、前記繰り返しパターンの光量分布が領域ごとに１本ずつスリットを設けたマルチスリットパターンであり、マルチスリットの位置を領域内で走査した複数のマルチスリットパターンから、領域内の詳細形状を求める請求項１記載の光学的形状測定装置を特徴とする。
また、請求項９記載の発明では、領域の幅で規格化した領域内のスリット位置ψ（０＜＝ψ＜１）に対し、前記重み関数ｗが、０＜＝ψ＜１／４で０、１／４＜＝ψ＜３／４で１、３／４＜＝ψ＜１で０である請求項８記載の光学的形状測定装置を特徴とする。
また、請求項１０記載の発明では、バイナリコードで表現された空間符号パターンの最下位ビットパターンＢ０を領域番号が増加する方向に半領域ずらしたパターンＢ０’を照射し、この撮像パターンの光量分布を２値化した符号分布Ｌｂ０’と、ずらし無しの条件から得られたバイナリコードで表現された空間符号分布の最下位ビットの符号分布Ｌｂ０、およびずらし無しの条件から得られた領域番号分布Ｌｉｄを用い、ずらし有りの条件の領域番号分布Ｌｉｄ’をＬｉｄ’＝Ｌｉｄ−｜Ｌｂ０−Ｌｂ０’｜から求める請求項１記載の光学的形状測定装置を特徴とする。
また、請求項１１記載の発明では、ずらし無し形状を求める場合と、ずらし有り形状を求める場合に、繰り返しパターンとして同じものを用いる請求項２または３記載の光学的形状測定装置を特徴とする。

空間符号化により領域を判別し、別手法で個別領域内の詳細形状を計算するのに加え、領域分けを半領域だけずらした時の形状を計算し、両者に重みをつけて最終形状としているので、空間符号パターンのずれで領域境界に生じる大きな誤差を除外することができる。
領域ごとの詳細形状を縞走査法で求めるので、形状測定の精度を高めることができ、また、繰り返しパターンとしてパターンの１枚が平坦分布であるため、相互のパターンずれが生じにくく、さらに、繰り返しパターンとしてパターンの１枚が平坦分布であり、照射パターンの光量分布が正弦波である必要がないため、相互のパターンずれが生じにくく、パターンの設計及び製造が容易である利点がある。

以下、図面により本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明による光学的形状計測装置の第１の実施の形態を示すブロック部分を含む概略図である。本実施の形態では、バイナリコードを用いた空間符号化法で領域を判別し、４位相からなる縞走査法で各領域内の詳細形状を求める。
第１の実施の形態の光学的形状計測装置は、図１に示すように、光源１と液晶パネル２と結像レンズ３とからなるプロジェクタＡ、撮像手段である結像レンズ４とＣＣＤ５からなるカメラ６、測定物体の形状を計算する表面形状ずらし無し計算部７とずらし有り計算部８、２者の形状を統合する形状統合部９、形状データを出力する形状出力部１０、プロジェクタＡの制御を行うプロジェクタ制御部１１から構成されている。
プロジェクタＡが照明手段、カメラ６が撮像手段、ずらし無し計算部とずらし有り計算部と形状統合部が計算手段に相当する。プロジェクタＡは測定物体上に照射パターンを照射する。
照射パターンは液晶パネル２により動的に切り換えられる。測定物体で反射された光はカメラ６内のＣＣＤ５に結像する。カメラ６の結像レンズ４の光学中心に座標原点を置き、Ｘ軸上にプロジェクタＡの結像レンズ３の光学中心がある。
Ｙ軸は紙面手前側を向くが、ここでの議論には無関係なので省略する。カメラ６の結像レンズ４とプロジェクタＡの結像レンズ３の間隔（基線長）をＬとすると、測定物体の表面の距離ｚは、照射角度α、受光角度βから、三角測量の原理により、ｚ＝Ｌ／（ｔａｎα＋ｔａｎβ）から計算する。
受光角度βは、ピンホールカメラ近似が成り立つ条件でＣＣＤ５の画素ごとに画素の座標から決まる。同様に液晶パネル２の画素ごとに、照射角度αが対応している。
プロジェクタＡから光量変調をかけたパターンを照射し、カメラ６の画素毎に検知される光量から空間符号化法を用いて領域０から領域ｍ−１を判別し、縞走査法で各領域内の局所位相φを求めることで測定物体の距離が求められる。
本実施の形態では領域数ｍを１６としておくが、別な値でも構わない。領域番号Ｌｉｄ＝０...ｍ−１と局所位相φが分かれば、照射角度αと１対１に対応する大域位相φｇがφｇ＝φ＋２πＬｉｄから求められる。
大域位相φｇと照射角度αの関係α＝Ｋ（φ）をプロジェクタＡの配置と照射パターンからあらかじめ求めておけば、カメラ６の画素ごとに空間座標ｚが計算できることになる。

図１において、照射する正弦波パターンはＩ＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（φ＋φｏ）の形をしており、φｏ＝０、π／２、π、３π／２のパターンｐＣ、ｐＳ、ｎＣ、ｎＳを照射する。
空間符号パターンとしては、バイナリコードを用いた空間符号パターンをＢ０、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３を用いる。この４枚は領域毎に領域番号を２値に符号化した空間符号パターン名で、０、１、２、３は下位から数えたビット位置を意味する。
さらに、Ｂ０、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３を領域の領域番号の増加する方向に半領域だけずらした空間符号パターンであるＢ０’、Ｂ１’、Ｂ２’、Ｂ３’を照射する。以下では’が付いた記号は、ずらし有りの条件であることを意味する。
図２は照射パターンの照射光量分布をずらし無しとずらし有りに対応する領域番号ＬｉｄとＬｉｄ’とともに示す分布図である。さらに述べれば図２はｐＣ、ｐＳ、ｎＣ、ｎＳ、Ｂ０、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ０’、Ｂ１’、Ｂ２’、Ｂ３’に対応する照射パターンの照射光量分布をＩｐｃ、Ｉｐｓ、Ｉｎｃ、Ｉｎｓ、Ｉｂ０、Ｉｂ１、Ｉｂ２、Ｉｂ３’、Ｉｂ０’、Ｉｂ１’、Ｉｂ２’、Ｉｂ３’として、ずらし無しとずらし有りに対応する領域番号ＬｉｄとＬｉｄ’とともに示す分布図である。
図２において、繰り返しパターンｐＣ、ｐＳ、ｎＣ、ｎＳの撮像光量分布Ｐｐｃ、Ｐｐｓ、Ｐｎｃ、Ｐｎｓからφ＝ａｔａｎ（（Ｐｐｓ−Ｐｎｓ）／（Ｐｐｃ−Ｐｎｃ））により局所位相φを求める。ここではφｃ＝０とした。
空間符号パターンＢ０、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３の４枚を照射して得られた撮像パターンの光量分布Ｐｂ０、Ｐｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３を白黒の２値に読み換え、各パターンをビット位置０、１、２、３とみれば、ずらし無し条件での領域番分布Ｌｉｄが求まる。
同様にＢ０’、Ｂ１’、Ｂ２’、Ｂ３’の撮像パターンの光量分布Ｐｂ０’、Ｐｂ１’、Ｐｂ２’、Ｐｂ３’から、ずらし有り条件での領域番号Ｌｉｄ’が求まる。φ、Ｌｉｄ、Ｌｉｄ’から、ずらし無しの大域位相φｇとずらし有りの大域位相φｇ’が求まる。
さらに照射角度α、α’、距離情報ｚ、ｚ’が計算される。ここまでの計算は、ずらし無し条件に関してはずらし無し形状計算部７で、ずらし有り条件に関してはずらし有り形状計算部８で計算される。
もしプロジェクタＡやカメラ６の結像レンズ４のぼけや、パターンずれなどの影響が生じると、繰り返しパターンｐＣ、ｐＳ、ｎＣ、ｎＳと空間符号パターンＢ０、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３がずれることになる。

図３は照射パターンの照射光量分布を繰り返しパターンに対しＢ０がずれた場合を説明する分布図である。図４は照射パターンの照射光量分布を繰り返しパターンに対しＢ０がずれた場合を説明する分布図である。
ＣＣＤ５上の画素位置で得られた繰り返しパターンの撮像光量分布Ｐｐｃ、Ｐｐｓ、Ｐｎｃ、Ｐｎｓに対し、空間符号パターンの最下位ビットに対応するパターンＢ０が領域番号が増える方向にずれたとすると、光量分布分布Ｐｂ０は、ずれの無い条件である点線でなく、実線のＰｂ０のようになる（図３）。
その結果Ｐｂ０、Ｐｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３から得られた領域番号Ｌｉｄも点線から実線のように変化する。するとφとＬｉｄから得られる大域位相φｇに領域境界で２πの飛びが生じ、結局奥行き距離ｚにも飛びが生じる（図３）。領域境界で発生する形状誤差の原因がこれである。
ｚの誤差は領域境界に局在するので、領域境界が半領域だけずれたｚとｚ’を用い、求めた局所位相φから重み関数ｗ＝（１−ｃｏｓφ）／２で、重み付けした距離ｚｗ＝ｚｗ＋ｚ’（１−ｗ）を計算すれば、重み関数ｗ＝（１−ｃｏｓφ）／２は、領域境界（φ＝０、２π）で０、領域中央（φ＝π）で１であるため、領域境界で生じた位相飛びの効果が相互に抑制されて、飛びの無い奥行き距離ｚｗが得られる（図４）。
ｗはφ＝０、２πで微分が０であり、領域境界近傍ではほとんど０であり続けるため、パターンのずれが領域境界から広がってもｚのとびを抑制する効果が薄れない．奥行き距離ｚｗは形状統合部で計算され、形状データは形状出力部でファイルなどに出力される。

本実施例では、空間符号パターンはずらし無しとずらし有りの２条件に対してＢ０、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ０’、Ｂ１’、Ｂ２’、Ｂ３’の８枚を用意しているが、局所位相を計算するためには繰り返しパターンｐＣ、ｐＳ、ｎＣ、ｎＳの４枚をずらし無しとずらし有りの条件で共有しており、共有しない場合の枚数８枚に比べて、繰り返しパターンの枚数が半分になっている。
空間符号パターンＢ０’、Ｂ１’、Ｂ２’、Ｂ３’は、領域番号の増加する方向に半領域だけずらしてあるが、領域番号の減少する方向に半領域ずらしても効果は同じである。
図４では、奥行き距離ｚとｚ’の重なりが無い部分（図中では左端、一般に領域０の左端と領域ｍ−１の右端）では奥行き距離ｚｗを与えていないが、どちらかｚかｚ’の一方は常に求まっているので、それをｚｗとすればよい。

次に、第２の実施の形態について説明する。本実施の形態において、照射部と撮像部は第１の実施の形態と共通なので説明を省略し、繰り返しパターンによる位相計算も共通なので説明を省略し、空間符号パターンについてだけ説明する。
第２の実施の形態は、空間符号化を行うパターンとして、第１の実施の形態のバイナリコードではなくグレーコードで符号化された空間符号パターンＧ０、Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３を用いる。
また、第１の実施の形態のように半領域ずらした空間符号パターンをすべて用意するのではなく、バイナリコードで符号化した空間符号パターンのうち最下位ビットのパターンＢ０’だけを用いる。
図５は空間符号パターンの照射光量分布と対応する領域番号Ｌｉｄを示す分布図である。グレーコードを用いると、照射パターンの空間周波数が下がり、符号化誤りが減る点が利点となる。
空間符号パターンＧ０、Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｂ０’の照射光量分布Ｉｇ０、Ｉｇ１、Ｉｇ２、Ｉｇ３と、対応する領域番号Ｌｉｄを図５に示している。Ｌｉｄが求まれば、Ｂ０に相当する符号分布Ｌｂ０はＬｂ０＝ｍｏｄ２（Ｌｉｄ）から求められる。
Ｂ０’の撮像パターンを２値化することで符号分布Ｌｂ０’が得られる。ずらし有り条件の領域番号Ｌｉｄ’は、図５に示すように、Ｌｉｄ’＝Ｌｉｄ−｜Ｌｂ０−Ｌｂ０’｜から求められる。
第１の実施の形態に比べて空間符号パターンの枚数を１枚に減らせるので、照射時間を短くできる利点がある。Ｌｂ０とＬｉｄさえ求まればよいので、符号化がグレーコードでなくバイナリであっても問題ない。

次に、第３の実施の形態について説明する。照射部と撮像部と照射する空間符号パターンは第１の実施の形態と共通なので説明を省略し、繰り返しパターンについてだけ説明する。
図６は第１の繰り返しパターンの照射光量を示す分布図である。第３の実施の形態では、第１の繰り返しパターンのうちｐＣ、ｐＳを用い、さらにｐＣ、ｐＳの中間の光量を平坦に照射するパターンＭを用いる。図６には、ｐＣ、ｐＳ、Ｍの照射光量Ｉｐｃ、Ｉｐｓ、Ｉｍを示している。
図７は重みと局所位相の関係を示す分布図である。局所位相φは、ｐＣ、ｐＳ、Ｍから得られる撮像パターンの光量分布Ｐｐｃ、Ｐｐｓ、Ｐｍから、測度関数φ＝ａｔａｎ（（Ｐｐｓ−Ｐｍ）／（Ｐｐｃ−Ｐｍ））＋φｃで得られる。ここではφｃ＝０とした。
重み関数ｗとしては、位相φに対し、０＜＝φ＜π／２では２（φ／π）＾２、π／２＜＝φ＜３π／２では１−２（（φ−π）／π）＾２、３π／２＜＝φ＜２πでは２（（φ−２π）／π）＾２の形の２次の区分多項式を用いており（図７）、第１の実施の形態のｗ＝（１−ｃｏｓφ）／２を用いる場合に比べて重み付け加算の計算を高速に行える。
この第３の実施の形態では、位相を求めるためのパターン数を必要最小限の３枚まで減らし、また、パターンの１枚を平坦パターンＭとしたので、パターンＭの撮像光量分布を測定物体のテキスチャ画像として用いることができる。
次に、第４の実施の形態について説明する。撮像部と照射する空間符号パターンは第１の実施の形態と共通なので説明を省略する。照射部に関しては、第１の実施の形態のプロジェクタＡの液晶パネル２の代わりに、濃度を変調した透過マスクを配置し、この透過マスクを交換することでパターンを照射する。
透過マスクの交換機構は予め複数のパターンを円板に書き込んでおいて、この円板を回転させて切り換えるなどさまざまな方法があるが、本発明の本質とは関わらないので説明を省略する。
繰り返しパターンとしては、第４の実施の形態の領域ごとに交互に単調増加と減少を繰り返すパターンＰとＮ、および一定の光量を平坦に照射するパターンＣを用いる。

図８はＰ、Ｎ、Ｃの照射光量分布Ｉｐ、Ｉｎ、Ｉｃを示す分布図である。半領域ずらした場合、繰り返しパターンとして、パターンＰとＮを半領域ずらしたパターンＰ’とＮ’を用いるが、平坦パターンＣは同じパターンを用いる。
ずらし無しの条件に対する局所位相φは、パターンＰ、Ｎ、Ｃから得られた撮像パターンの光量分布をＰｐ、Ｐｎ、Ｐｃとすると、φ＝２ａｔａｎ（ｈ（（Ｐｐ−Ｐｃ）／（Ｐｎ−Ｐｃ）））＋πから求める（φｃ＝π）。
Ｉｐ＝Ａ＋Ｂφ／π、Ｉｎ＝Ａ＋Ｂ（１−φ／π）、Ｉｃ＝Ａ−Ｄ、ｈ（ｘ）＝（ｘ−（Ｋ＋１／Ｋ）／２）／（ｘ−Ｋ）（１／Ｋ−ｘ）、Ｋ＝Ｄ／（Ｂ＋Ｄ）とする。ここでＡ、Ｂ、Ｄは正の定数で、Ａ＞Ｄとする。ずらし有りの条件でも同じ式を用いて計算する。
図９は重みと局所位相の関係を示す分布図である。重み関数としては、図９に示す区分１次式を用いる。区分１次式は、０＜＝φ＜π／４では０、π／４＜＝φ＜３π／４では２（φ−π／４）／π、３π／４＜＝φ＜５π／４では１、５π／４＜＝φ＜７π／４では２（７π／４−φ）／π、７π／４＜＝φ＜２πでは０の値をとる。
第４の実施の形態の照射パターンは直線状の光量が変化するので、パターンを照射する透過マスクの製造が簡単化される。重み関数が区分１次式なので、重み付け加算の計算が簡単化される。

次に、第５の実施の形態について説明する。照射部と撮像部と照射する空間符号パターンは第１の実施の形態と共通なので説明を省略する。この第５の実施の形態では、繰り返しパターンとして領域当たり４本のスリットを配したマルチスリットパターンＳ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を用いる。
図１０はマルチスリットパターンに対応する照射光量分布を示す分布図である。Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は、領域の幅で規格化した領域内のスリット位置ψ（０＜＝ψ＜１）に対し、各々ψ＝１／８、３／８、５／８、７／８の位置にスリットがある。
図１１は重みとスリット位置の関係を示す分布図である。図１１に示す重み関数ｗは、０＜＝ψ＜１／４で０、１／４＜＝ψ＜３／４で１、３／４＜＝ψ＜１で０である。スリットパターンではスリット位置でしか測定できないため、重み関数も図１１に示す単純な２値の階段分布で構わない。
繰り返しパターンとしてマルチスリットパターンを用いると、スリット位置でしか距離は求められないが、測定物体の反射率の変化により受光光量が変動してもスリット位置の検知が容易である利点がある。領域当たりのスリットの本数を増やせば、照射パターン数は増えるが形状の計測点数を増やせる。

本発明の光学的形状測定装置では、測定物体に光パターン（照射パターン）を照射する照射手段と、測定物体表面で反射された光パターン（撮像パターン）を得る撮像手段と、撮像パターンから測定物体の表面形状を計算する計算手段からなっている。
照射パターンは空間符号化法の光パターン（空間符号パターン）と、符号化された領域ごとに繰り返す光パターン（繰り返しパターン）であり、空間符号パターンからは領域番号を求め、繰り返しパターンからは領域内の詳細形状を求め、両者を統合して測定物全体の形状を計算する。
前記パターンを用いて測定した形状（ずらし無し形状）と、前記のパターンを符号化された領域に対して領域の半分の幅（半領域）だけ基線方向（撮像手段の光学中心から照射手段の光学中心を向く方向）にずらした空間符号パターンおよび繰り返しパターンを照射し、その撮像パターンから求めた形状（ずらし有り形状）とを重み付け加算して、最終形状を得ている。
空間符号パターンを照射して領域を分割すると、照射パターンずれやパターンぼけにより、境界位置がずれてしまいうことは従来技術の説明で既に述べた。空間符号パターンは、本来は領域境界が一致するように照射されるので、境界位置ずれは領域境界で一番生じやすく、領域中央ではほとんど起こらない。
つまり測定形状の信頼性が領域周期で増減を繰り返し、領域境界に局在して信頼性が下がる。この事実を利用して、照射パターンをずらさずに計測したずらし無し形状と、照射パターンを半領域ずらして計測したずらし有り形状は、信頼性の低い領域境界が相互に半領域だけずれる。

ずらし無しパターンで計測した距離ｚに対しては信頼性の高い領域の中央で大きく、信頼性の低い領域境界で小さくなる重みｗ（ただし、０＜＝ｗ＜＝１）を付け、ずらし有りパターンで計測した距離ｚ’に対しては、重み（１−ｗ）を付け、両者を合成した距離ｚｗ＝ｚｗ＋ｚ’（１−ｗ）を最終的に得られる距離とすれば、ｚ１、ｚ２の領域境界で生じる誤差が抑制された距離データ、つまり形状を測定することができる。
空間符号化法の照射パターンと詳細形状を求めるための繰り返しパターンがずらし無しとずらし有りの２組必要となるので、測定のため照射すべきパターン数が増えるが、領域境界での誤りをなくせる利点が生じる。また、撮像手段で得られた像の各点に独立に形状を計算できるので、最終形状を求めるアルゴリズムを並列化することで高速に計算できる。
重み付け加算のための重み関数ｗを与える場合、空間符号パターンや繰り返しパターンと別に情報を与えてもよいし、空間符号パターンや繰り返しパターンの中に重み関数の情報を含ませておいて、その反射パターンの光量から求めても良い。
前者の例をあげると、測定対象に強度変調したレーザ光を走査するレーザ走査型のパターン照射系をプロジェクタとして用いた場合、レーザの照射角度は予め分かっている。照射角度が領域境界か領域中央かに応じて、照射角度の関数として重み関数を構成する。
後者の例をあげると、繰り返しパターンには領域内の位置情報が含まれているので、その位置情報を因数とする、領域境界で重みが小さく、それ以外では重みが大きくなる適当な重み関数を用意する。

本発明の光学的形状測定装置では、繰り返しパターンの光量分布Ｉが、ＡとＢとφｃを定数、φを領域内で０から２πまで変化する位相、φｏを初期位相として、Ｉ＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（φ＋φｏ）の形の正弦波である。
φｏ＝０、π／２、π、３π／２である４枚の繰り返しパターンから得られた撮像パターンの光量分布をＰｐｃ、Ｐｎｓ、Ｐｎｃ、Ｐｐｓとすると、測度関数φ＝ａｔａｎ（（Ｐｐｓ−Ｐｎｓ）／（Ｐｐｃ−Ｐｎｃ））＋φｃから求めた位相φから、領域内の詳細形状を求める。
まず空間符号化法で領域を判別し、個々の領域に対し互いにπ／２だけずれた４位相を用いる縞走査法を適用することで距離を測定する。縞走査法では領域内では０から２πまで一意の値をとる位相（局所位相）が求まる。局所位相が０または２πが領域境界、πが領域中央に対応するので、局所位相の関数として重み関数を構成する。
定数φｃを導入したのは、照射光学系などが原因で繰り返しパターンが正弦波からずれて照射されたときに生じる位相ずれや、ａｔａｎの値域の定義の違いを調整するためのもので、測定装置に固有の値をとる。
本発明の光学的形状測定装置では、繰り返しパターンの光量分布Ｉが、ＡとＢとφｃを定数、φを領域内で０から２πまで変化する位相として、Ｉｃ＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（φ）、Ｉｓ＝Ａ＋Ｂｓｉｎ（φ）、Ｉｏ＝Ａの３パターンである。
これらから得られる撮像パターンの光量分布をＰｐｃ、Ｐｐｓ、Ｐｍとすると、測度関数φ＝ａｔａｎ（（Ｐｐｓ−Ｐｍ）／（Ｐｐｃ−Ｐｍ））＋φｃで求めた位相φから、領域内の詳細形状を求めることができる。
上記との違いは詳細形状を求めるために必要な局所位相を、縞走査法の位相のずれた４つの正弦波パターンの代わりに、位相のずれた２つの正弦波パターンと平坦パターンを照射して求める点である。Ｉｏ＝Ａという光量が一定のパターンを照射するため、この照射条件で撮影された画像は形状画像の上にマッピングできるテキスチャ画像にそのまま使える。

本発明の光学的形状測定装置では、繰り返しパターンの光量分布Ｉが、ＡとＢとＣとφｃを定数、φを領域内で０から２πまで変化する位相、ｆとｇを領域毎に０から１まで単調増加と単調減少を交互に繰り返すが同じ領域内では増加と減少が逆である２つの連続関数で、ｈを区間［（Ａ−Ｃ）／（Ａ−Ｃ＋Ｂ）、（Ａ−Ｃ＋Ｂ）／（Ａ−Ｃ）］を区間［−∞、∞］に写像する連続一価関数として、Ｉｐ＝Ａ＋Ｂｆ（φ）とＩｎ＝Ａ＋Ｂｇ（φ）とＩｃ＝Ｃの３パターンである。
これらから得られる撮像パターンの光量分布をＰｐ、Ｐｎ、Ｐｃとすると、測度関数φ＝２ａｔａｎ（ｈ（（Ｐｐ−Ｐｃ）／（Ｐｎ−Ｐｃ）））＋φｃで求めた位相φから、領域内の詳細形状を求めることができる。
上記との違いは詳細形状を求めるために必要な局所位相を、縞走査法の代わりに、非特許文献３で報告された強度比法（Intensity Ratio method）を改良した手法から求める点である。
１つの個別領域に対して関数ｆ、ｇ、ｈの例をあげると、０から２πの範囲で変化する局所位相φに対し、ｆ（φ）＝φ／π、ｇ（φ）＝１−φ／π、ｘａ＝（Ａ−Ｃ）／（Ａ−Ｃ＋Ｂ）、ｘｂ＝（Ａ−Ｃ＋Ｂ）／（Ａ−Ｃ）として、ｘ＝（Ｐｐ−Ｐｃ）／（Ｐｎ−Ｐｃ）、ｈ（ｘ）＝（ｘ−（ｘａ＋ｘｂ）／２）／（（ｘ−ｘａ）（ｘｂ−ｘ））とすればよい。
ｈ（ｘ）＝ｔａｎ（π（ｘ−ｘａ）／（ｘｂ−ｘａ））、Ｐｃ＝０とすれば、強度比をｘ＝Ｉｐ／Ｉｎ、測度関数をφ＝２π（ｘ−ｘａ）／（ｘｂ−ｘａ）＋φｃとする単純な強度比法から局所位相を求めていることになる。
関数ｈを導入したのは強度比の変化範囲を無限区間に拡張するためである。強度比が有限の場合の問題は、Ｉｐ、Ｉｎの照射パターンぼけがあると強度比の変化範囲ｘａ、ｘｂが変動し、その結果、強度比がｘａまたはｘｂとなる領域境界で、位相の解が存在しなくなったり、実測のｘ＝（Ｐｐ−Ｐｃ）／（Ｐｎ−Ｐｃ）が、ｘａ＜＝ｘ＜＝ｘｂの条件を満たさなくなるため、位相の誤差が生じやすくなる問題が生じることである。
強度比を無限区間に拡張し、ａｔａｎを用いて０から２πの区間に規格化すれば領域境界での強度比の有限な誤差の影響が影響しにくくなり、結果的に位相の精度も改善される。本来は無限区間を有限区間に写像する関数であればａｔａｎでなくとも良いが、ａｔａｎが最も利用しやすいため本実施の形態ではａｔａｎを用いている。
また、照射パターンが正弦波に近くなくても構わないため、照射パターンに設計の自由度が生じる。

本発明の光学的形状測定装置では、ずらし無し形状に対して重み付け加算する重み関数ｗが、位相が０と２πで、重みが０、πで重みが１となる連続関数であり、ずらし有り形状に対しては重み関数を（１−ｗ）とすることを特徴とする。
前記では空間符号化法により符号化された個別領域に対して計算された、０から２πの範囲で変化する局所位相が計算される。位相が０または２πは信頼性の低い領域境界に、πは信頼性の高いほぼ領域の中央に相当する。
したがって、位相が０と２πで重みが０、πで重みが１となる重み関数を用いれば、誤差が生じやすく信頼性の低い距離データを棄て、信頼性の高いデータを最大限に活用することができる。重み関数は線形でも良いし、区分多項式のような非線形でも構わない。
本発明の光学的形状測定装置では、重み関数ｗが位相が０と２πで位相に対する微分が０であることを特徴とする。
位相が０または２π、つまり領域境界の所で重みがゼロかつ位相に対する微分がゼロであれば、領域境界付近では重みがほとんどゼロの分布となるため、照射パターンずれや照射パターンぼけにより生じる領域境界の位置ずれが大きくても領域境界周辺の重みづけを十分小さいことが保証される。重み関数の例としては、局所位相をφとすると、（１−ｃｏｓφ）／２などが考えられる。

本発明の光学的形状測定装置では、重み関数ｗが、位相φに対し、０＜＝φ＜π／２では２（φ／π）＾２、π／２＜＝φ＜３π／２では１−２（（φ−π）／π）＾２、３π／２＜＝φ＜２πでは２（（φ−２π）／π）＾２の区分２次式であることを特徴とする。重み関数が２次の区分多項式であるため、重み関数の計算が簡単で高速になる。
本発明の光学的形状測定装置では、繰り返しパターンの光量分布が領域ごとに１本ずつスリットを設けたマルチスリットパターンであり、マルチスリットの位置を領域内で走査した複数のマルチスリットパターンから、領域内の詳細形状を求めることを特徴とする。
このマルチスリットパターンのスリットは、個別領域内に必ず一本であって、各スリットが領域内のどの位置にあるか、つまり縞走査法で言い換えるとどの局所位相に対応しているかはあらかじめ分かっている。スリットを走査すればスリット位置が並進するだけである。
つまり、前述したように撮像パターンから位相を計算するのではなく、予めスリット位置を与えることができる。この領域内の位置に対応した重み関数を用意し、重み付けすればよい。
本発明の光学的形状測定装置では、領域の幅で規格化した領域内のスリット位置ψ（０＜＝ψ＜１）に対し、重み関数ｗが、０＜＝ψ＜１／４で０、１／４＜＝ψ＜３／４で１、３／４＜＝ψ＜１で０であることを特徴とする。
領域の幅で規格化した領域内のスリット位置は前述した局所位相を２πで割った値に相当する。ここでは、重みを２値化し、スリットの真中に近い半分（１／４＜＝ψ＜３／４）とそれ以外に分ける。
スリットが領域の中央に近い場合は重みが１、それ以外では重みが０となるので重み付けの計算が非常に簡単になる。つまり、スリットが領域中央にある場合はずらし無しの撮像パターンで得られたスリット位置を用い、それ以外はずらし有りの撮像パターンで得られたスリット位置を用いて距離を求める。

本発明の光学的形状測定装置では、バイナリコードで表現された空間符号パターンの最下位ビットパターンＢ０を領域番号が増加する方向に半領域ずらしたパターンＢ０’を照射する。
そしてこの撮像パターンの光量分布を２値化した符号分布Ｌｂ０’と、ずらし無しの条件から得られたバイナリコードで表現された空間符号分布の最下位ビットの符号分布Ｌｂ０、およびずらし無しの条件から得られた領域番号分布Ｌｉｄを用い、ずらし有りの条件の領域番号分布Ｌｉｄ’をＬｉｄ’＝Ｌｉｄ−｜Ｌｂ０−Ｌｂ０’｜から求めることを特徴とする。
空間符号化法の符号化としてバイナリコードを用いている場合、最下位ビットの照射パターンは、領域ごとに０１０１０１…と符号化されている。最下位ビットの照射パターンを半領域ずらしたパターンは、同じく０１０１０１…と符号化されているが、ちょうど半領域だけずれている。
２者の撮像パターンを２値化した符号分布Ｌｂ０’とＬｂ０の差の絶対値を取ると、領域の左右で各々０と１の値をとる符号パターンが得られる。左右のどちらが１になるかは、半領域だけずらした方向に依存する。
撮像した空間符号化法のパターンを復号することでずらし無しの空間符号分布Ｌｉｄが得られる。ずらし有りの条件の空間符号分布は、Ｌｉｄ’＝Ｌｉｄ−｜Ｌｂ０−Ｌｂ０’｜から求められる。
Ｂ０を領域番号が減少する方向に半領域ずらした場合も原理は同じで、ずらしたパターンをＢ０’’とすると、領域番号が減少する方向に半領域ずらした空間符号分布は、Ｌｉｄ’’＝Ｌｉｄ＋｜Ｌｂ０−Ｌｂ０’’｜から求められる。現実的には両者の方法に差がないので、ここでは領域番号が増加する方向に半領域ずらす場合を示した。
空間符号化法の符号化としてグレーコードを用いている場合、バイナリコードを用いた空間符号化法の最下位ビットのパターンＢ０は照射しないので、撮像パターンから符号分布Ｌｂ０を直接求めることはできないが、ずらし無しの空間符号分布Ｌｉｄは得られるので、Ｌｂ０はＬｂ０＝ｍｏｄ２（Ｌｉｄ）から計算する。ここで関数ｍｏｄ２（ｘ）は、ｘについて２の剰余を返す関数である。
２値の光量パターンを照射する空間符号化法では、領域の分割数をｍ、照射パターン数をＮｃ枚とすると、ｍ＝２＾Ｎｃが成り立つ。全体を２５６分割する場合は、Ｎｃ＝８、つまり８枚の空間符号パターンを照射する必要がある。詳細形状を求めるための繰り返しパターンの数をＮｓとすると、ずらし無しだけでＮｃ＋Ｎｓ枚のパターンが必要になる。
これを用いない場合は、さらにずらし有りに対して同じだけパターンが必要なので、全部で２（Ｎｃ＋Ｎｓ）枚のパターンを照射しなくてはならない。ここでは、ずらし有りの空間符号分布Ｓｚを求めるのに、バイナリコードを用いた空間符号化法の最下位ビットのパターンを半領域ずらししたパターンＢ０’を１枚照射するだけである。
そのため、空間符号化法に関する照射パターン数を全部で２ＮｃからＮｃ＋１に減らし、全体でも（Ｎｃ＋１＋２Ｎｓ）枚だけの照射パターンを用意すれば済む。

本発明の光学的形状測定装置では、ずらし無し形状を求める場合と、ずらし有り形状を求める場合に、繰り返しパターンとして同じものを用いることを特徴とする。
測定物体の形状は奥行き距離ｚとこれに直交する空間座標ｘとｙとからなる。本発明が関わるパターン投影法ではｚが決まれば、残りの空間座標ｘとｙも計算できるので、以下の説明を通じて、形状を求めることを距離ｚを求めることで代表させることにする。
前述したように、詳細形状を求めるため繰り返しパターンとして正弦波を照射している場合、領域を半領域ずらすことは位相がπだけ変わることと等価である。また平坦分布は半領域ずらしても分布に変化は生じない。
例えば、測度関数で説明すると、φ＝ａｔａｎ（（Ｐｐｓ−Ｐｎｓ）／（Ｐｐｃ−Ｐｎｃ））を計算する場合、撮像光量分布Ｐｐｃ、Ｐｎｃ、Ｐｐｓ、Ｐｎｓはずらし無しの条件ではずらし無しの撮像データを、ずらし有りの条件ではずらし有りの撮像データを意味するが、両条件でずらし無しのデータを共用しても測度関数としては全く問題を生じない。
ずらし無し条件とずらし有り条件で繰り返しパターンを共通化すれば、繰り返しパターンを２組用意する必要がなくなる。

本発明による光学的形状計測装置の第１の実施の形態を示すブロック部分を含む概略図である。 照射パターンの照射光量分布をずらし無しとずらし有りに対応する領域番号ＬｉｄとＬｉｄ’とともに示す分布図である。 照射パターンの照射光量分布を繰り返しパターンに対しＢ０がずれた場合を説明する分布図である。 照射パターンの照射光量分布を繰り返しパターンに対しＢ０がずれた場合を説明する分布図である。 空間符号パターンの照射光量分布と対応する領域番号Ｌｉｄを示す分布図である。 第１の繰り返しパターンの照射光量を示す分布図である。 重みと局所位相の関係を示す分布図である。 Ｐ、Ｎ、Ｃの照射光量分布Ｉｐ、Ｉｎ、Ｉｃを示す分布図である。 重みと局所位相の関係を示す分布図である。 マルチスリットパターンに対応する照射光量分布を示す分布図である。 重みとスリット位置の関係を示す分布図である。

符号の説明

Ａ 照明手段（プロジェクタ）
１ 光源
２ 液晶パネル
３ 結像レンズ（照明手段の）
４ 結像レンズ（撮像手段の）
５ ＣＣＤ
６ 撮像手段（カメラ）
７ 計算手段（ずらし無し形状計算部）
８ 計算手段（ずらし有り形状計算部）
９ 計算手段（形状統合部）
１０ 形状出力部
１１ プロジェクタ制御部

Claims (11)

1. 測定物体に光パターンを照射する照射手段と、測定物体表面で反射された光パターンを得る撮像手段と、撮像パターンから測定物体の表面形状を計算する計算手段からなり、前記光パターンが空間符号化法の空間符号パターンと、符号化された領域ごとに繰り返す繰り返しパターンであり、前記空間符号パターンからは領域番号を求め、前記繰り返しパターンからは領域内の詳細形状を求め、両者を統合して測定物全体の形状を計算する光学的形状測定装置において、
   前記光パターンを用いて測定したずらし無し形状と、前記光パターンを符号化された領域に対して領域の半分の幅だけ前記撮像手段の光学中心から照射手段の光学中心を向く方向にずらした前記空間符号パターンおよび繰り返しパターンを照射し、その撮像パターンから求めたずらし有り形状とを重み付け加算して、最終形状を得ることを特徴とする光学的形状測定装置。
2. 前記繰り返しパターンの光量分布Ｉが、ＡとＢとφｃを定数、φを領域内で０から２πまで変化する位相、φｏを初期位相として、Ｉ＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（φ＋φｏ）の形の正弦波であり、
   φｏ＝０、π／２、π、３π／２である４枚の繰り返しパターンから得られた撮像パターンの光量分布をＰｐｃ、Ｐｎｓ、Ｐｎｃ、Ｐｐｓとすると、
   測度関数φ＝ａｔａｎ（（Ｐｐｓ−Ｐｎｓ）／（Ｐｐｃ−Ｐｎｃ））＋φｃから求めた位相φから、領域内の詳細形状を求めることを特徴とする請求項１記載の光学的形状測定装置。
3. 前記繰り返しパターンの光量分布Ｉが、ＡとＢとφｃを定数、φを領域内で０から２πまで変化する位相として、Ｉｃ＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（φ）、Ｉｓ＝Ａ＋Ｂｓｉｎ（φ）、Ｉｏ＝Ａの３パターンであり、これらから得られる撮像パターンの光量分布をＰｐｃ、Ｐｐｓ、Ｐｍとすると、測度関数φ＝ａｔａｎ（（Ｐｐｓ−Ｐｍ）／（Ｐｐｃ−Ｐｍ））＋φｃで求めた位相φから領域内の詳細形状を求めることを特徴とする請求項１記載の光学的形状測定装置。
4. 前記繰り返しパターンの光量分布Ｉが、ＡとＢとＣとφｃを定数、φを領域内で０から２πまで変化する位相、ｆとｇを領域毎に０から１まで単調増加と単調減少を交互に繰り返すが同じ領域内では増加と減少が逆である２つの連続関数で、ｈを区間［（Ａ−Ｃ）／（Ａ−Ｃ＋Ｂ）、（Ａ−Ｃ＋Ｂ）／（Ａ−Ｃ）］を区間［−∞、∞］に写像する連続一価関数として、Ｉｐ＝Ａ＋Ｂｆ（φ）とＩｎ＝Ａ＋Ｂｇ（φ）とＩｃ＝Ｃの３パターンであり、これらから得られる撮像パターンの光量分布をＰｐ、Ｐｎ、Ｐｃとすると、測度関数φ＝２ａｔａｎ（ｈ（（Ｐｐ−Ｐｃ）／（Ｐｎ−Ｐｃ）））＋φｃで求めた位相φから、領域内の詳細形状を求めることを特徴とする請求項１記載の光学的形状測定装置。
5. 前記ずらし無し形状に対して重み付け加算する重み関数ｗが、位相が０と２πで重みが０、πで重みが１となる連続関数であり、前記ずらし有り形状に対しては重み関数を（１−ｗ）とすることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１項記載の光学的形状測定装置。
6. 前記重み関数ｗが、位相が０と２πで位相に対する微分が０であることを特徴とする請求項５記載の光学的形状測定装置。
7. 前記重み関数ｗが、位相φに対し、０＜＝φ＜π／２では２（φ／π）＾２、π／２＜＝φ＜３π／２では１−２（（φ−π）／π）＾２、３π／２＜＝φ＜２πでは２（（φ−２π）／π）＾２の区分２次式であることを特徴とする請求項６記載の光学的形状測定装置。
8. 前記繰り返しパターンの光量分布が領域ごとに１本ずつスリットを設けたマルチスリットパターンであり、マルチスリットの位置を領域内で走査した複数のマルチスリットパターンから、領域内の詳細形状を求めることを特徴とする請求項１記載の光学的形状測定装置。
9. 領域の幅で規格化した領域内のスリット位置ψ（０＜＝ψ＜１）に対し、前記重み関数ｗが、０＜＝ψ＜１／４で０、１／４＜＝ψ＜３／４で１、３／４＜＝ψ＜１で０であることを特徴とする請求項８記載の光学的形状測定装置。
10. バイナリコードで表現された空間符号パターンの最下位ビットパターンＢ０を領域番号が増加する方向に半領域ずらしたパターンＢ０’を照射し、この撮像パターンの光量分布を２値化した符号分布Ｌｂ０’と、ずらし無しの条件から得られたバイナリコードで表現された空間符号分布の最下位ビットの符号分布Ｌｂ０、およびずらし無しの条件から得られた領域番号分布Ｌｉｄを用い、ずらし有りの条件の領域番号分布Ｌｉｄ’をＬｉｄ’＝Ｌｉｄ−｜Ｌｂ０Ｌｂ０’｜から求めることを特徴とする請求項１記載の光学的形状測定装置。
11. 前記ずらし無し形状を求める場合と、前記ずらし有り形状を求める場合に、繰り返しパターンとして同じものを用いることを特徴とする請求項２または３記載の光学的形状測定装置。

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