JP6385279B2 - 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

Description

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、ＣＯ ₂ 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２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Ｅ_１参照）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Ｅ_２参照）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Ｉ_n（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。

ここで、Ｂ（ｘ,ｙ）は、干渉縞(正弦波)の直線成分(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。

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。

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。

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。

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。

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。

[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、
   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円環状の照明光を計測対象に拡散照射する拡散手段と、
   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る物体光用光学系と、
   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る参照光用光学系と、
   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る相対的位相差検出用偏光素子と、
   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する撮像手段と、
   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回転駆動手段と、
   を含む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２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２乃至８の何れか１項に記載の三次元形状計測装置。
10. 前記拡散手段は、円環状の照明光を前記計測対象に前記物体光の光軸に対して斜めに拡散照射す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. 前記物体光を透過させ、前記参照光を反射する干渉用ホログラフィック光学素子と、
    前記拡散手段として、前記干渉用ホログラフィック光学素子の周囲に設けられた照明用ホログラフィック光学素子とを含む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円環状の照明光を計測対象に拡散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. 前記円環状の照明光を前記計測対象に前記物体光の光軸に対して斜め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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