(57)【要約】【課題】被測定物体の三次元形状を短時間で高精度に測定可能な形状測定装置を提供する。【解決手段】形状測定装置１を、被測定物体Ｓに照明光を照射してこの被測定物体Ｓを透過した光を検出し、被測定物体Ｓの透過画像を出力する透過画像検出部４と、被測定物体Ｓの表面のうち、少なくとも照明光が透過する領域を含む表面の形状を測定する表面形状測定部５と、透過画像検出部４から出力された被測定物体Ｓの透過画像から得られる形状データを、表面形状測定部５で測定された測定値で補正する制御部７と、から構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物体に照明光を照射して前記被測定物体を透過した光を検出し、前記被測定物体の透過画像を出力する透過画像検出部と、
前記被測定物体の表面のうち、少なくとも前記照明光が透過する領域を含む表面の形状を測定する表面形状測定部と、
前記透過画像検出部から出力された前記被測定物体の透過画像から得られた形状データを、前記表面形状測定部で測定された測定値で補正する制御部と、を有する形状測定装置。
【請求項２】
前記表面形状測定部は、前記被測定物体の前記照明光が照射される側の面の形状を測定するように配置された請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項３】
前記表面形状測定部は、前記被測定物体の輪郭形状に関する形状データを取得し、
前記制御部は、前記透過画像から得られた前記形状データのうち、前記被測定物体の断面形状を含む形状データを、前記表面形状測定部で得られた前記輪郭形状のに関する形状データにより補正することを特徴とする請求項１または２に記載の形状測定装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記被測定物体に対して異なる方向から前記照明光を照射して前記透過画像検出部から得られた前記透過画像から、前記被測定物体の三次元形状データを生成し、当該三次元形状データを前記表面形状測定部で測定された測定値で補正するように構成された請求項１〜３いずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項５】
前記表面形状測定部は、前記被測定物体の表面の三次元形状を測定するように構成された請求項４に記載の形状測定装置。
【請求項６】
被測定物体に照明光を照射して前記被測定物体を透過した光を検出し、前記被測定物体の透過画像を出力する透過画像検出部と、
前記被測定物体の表面の画像を取得する表面画像取得部と、
前記透過画像検出部から出力された前記被測定物体の透過画像のうち、前記表面画像取得部で画像が取得された部位の透過画像を、前記表面形状測定部で取得された画像に基づいて補正する制御部と、を有する形状測定装置。
【請求項７】
被測定物体に照明光を照射して前記被測定物体を透過した光を検出し、前記被測定物体の透過画像を出力する透過画像検出部と、
前記照明光を放射する光源から前記被測定物体の表面上の各位置までの距離を測定する距離測定部と、
出力された前記被測定物体の透過画像又は前記透過画像から得られた形状データを、前記距離測定部で測定された距離データに基づき補正する制御部と、を有する形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被測定物体の三次元形状を測定する装置として、コンピュータ断層撮影（Computed Tomography）を用いた装置が開発されている。具体的には、被測定物体に、この被測定物体を透過する照明光（例えば、放射線等）を照射し、その透過光を撮像素子で検出してコンピュータを用いて処理することにより、被測定物体の表面形状及び内部の画像を出力することができる（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１８８２７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような形状測定装置においては、光源から放射される照明光は、この光源を頂点に円錐状に広がるため、被測定物体の後側に配置された撮像素子で得られる画像は、被測定物体の光源に近い部位が高倍で投影された画像になり、光源に遠い部位が低倍で投影された画像になる。このような、光源からの距離の違いによる倍率の変化を補正して、正確な三次元形状を出力するために、タッチ式センサを用いて、同一部位の寸法を比較して、倍率の補正を行う方法があるが、タッチ式センサによる測定は時間を要し、そのため測定効率等を考慮すると、測定ポイントを限定して特徴部位に特化した補正とせざるを得ず、補正を行った後の画像精度が低くなるという課題があった。
【０００５】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、被測定物体の三次元形状を短時間で高精度に測定可能な形状測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するために、第１の本発明に係る形状測定装置は、被測定物体に照明光を照射してこの被測定物体を透過した光を検出し、被測定物体の透過画像を出力する透過画像検出部と、被測定物体の表面のうち、少なくとも照明光が透過する領域を含む表面の形状を測定する表面形状測定部と、透過画像検出部から出力された被測定物体の透過画像から取得される形状データを、表面形状測定部で測定された測定値で補正する制御部と、を有する。
【０００７】
このような形状測定装置において、表面形状測定部は、被測定物体の照明光が照射される側の面の形状を測定するように配置されることが好ましい。
【０００８】
また、このような形状測定装置において、表面形状測定部は、被測定物体の輪郭形状に関する形状データを取得し、制御部は、透過画像から得られた形状データのうち、被測定物体の断面形状を含む形状データを、表面形状測定部で得られた輪郭形状のに関する形状データにより補正することが好ましい。
【０００９】
また、このような形状測定装置において、制御部は、被測定物体に対して異なる方向から照明光を照射して透過画像検出部から得られた透過画像から、被測定物体の三次元形状データを生成し、当該三次元形状データを表面形状測定部で測定された測定値で補正するように構成されることが好ましい。
【００１０】
このとき、表面形状測定部は、被測定物体の表面の三次元形状を測定するように構成されることが好ましい。
【００１１】
また、第２の本発明に係る形状測定装置は、被測定物体に照明光を照射してこの被測定物体を透過した光を検出し、被測定物体の透過画像を出力する透過画像検出部と、被測定物体の表面の画像を取得する表面画像取得部と、透過画像検出部から出力された被測定物体の透過画像のうち、表面画像取得部で画像が取得された部位の透過画像を、表面形状測定部で取得された画像に基づいて補正する制御部と、から構成される。
【００１２】
また、第３の本発明に係る形状測定装置は、被測定物体に照明光を照射してこの被測定物体を透過した光を検出し、被測定物体の透過画像を出力する透過画像検出部と、照明光を放射する光源から被測定物体の表面上の各位置までの距離を測定する距離測定部と、出力された被測定物体の透過画像又は透過画像から得られた形状データを、距離測定部で測定された距離データに基づき補正する制御部と、から構成される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る形状測定装置を以上のように構成すると、被測定物体の三次元形状を、短時間で高精度に取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態における形状測定装置の構成を示す説明図である。
【図２】第１の実施形態における透過画像の補正方法を示す説明図である。
【図３】第２の実施形態における形状測定装置の透過画像の補正方法を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態における形状測定装置について図面を参照して説明する。まず、図１を用いて、本実施の形態に係る形状測定装置１の構成について説明する。この形状測定装置１は、光源２及び撮像素子としての透過画像センサ３を有し、光源２と透過画像センサ３との間に載置された被測定物体Ｓの透過光を透過画像センサ３で検出して、この被測定物体Ｓの透過画像を出力する透過画像検出部４と、被測定物体Ｓの表面形状を非接触センサにより測定する表面形状測定部５と、被測定物体Ｓが載置されるステージ６と、透過画像検出部４及び表面形状測定部５の作動を制御する制御部７と、を有して構成される。
【００１６】
この形状測定装置１において、透過画像検出部４、表面形状測定部５及びステージ６は、基台８上に配置されており、光源２は、この基台８上に取り付けられた光源支持部９に取り付けられ、透過画像センサ３は、基台８上に取り付けられた受光部支持部１０に取り付けられている。また、ステージ６は、光源２と透過画像センサ３とを結ぶ方向（以下、「Ｘ軸方向」と呼ぶ）に延び、基台８上に取り付けられた固定レール１１と、固定レール１１上をＸ軸方向に移動可能に取り付けられた可動レール１２と、この可動レール１２上を、基台８の上面に平行で、且つ、Ｘ軸方向と直交する方向（以下、「Ｙ軸方向」と呼ぶ）に移動可能に取り付けられた可動ステージ１３と、この可動ステージ１３に対して、基台８に垂直方向（以下、「Ｚ軸方向」と呼ぶ）に延びる回転軸を中心に回転可能に取り付けられ、上面に被測定物体Ｓが載置される回転ステージ１４と、を有して構成される。
【００１７】
また、この形状測定装置１は、可動レール１２を固定レール１１に沿って相対移動させるために第１のアクチュエータ１５を有し、可動ステージ１３を可動レール１２に沿って相対移動させるために第２のアクチュエータ１６を有し、回転ステージ１４を可動ステージ１３に対して相対回転させるために第３のアクチュエータ１７を有しており、これらの作動は制御部７により制御される。すなわち、固定レール１１に沿って可動レール１２を移動させることにより、基台８上の被測定物体ＳのＸ軸方向の位置を調整し、可動レール１２に沿って可動ステージ１３を移動させることにより、基台８上の被測定物体ＳのＹ軸方向の位置を調整し、回転ステージ１４を回転させることにより、光源２からの照明光が照射される被測定物体Ｓの面（向き）を調整することができる。なお、回転ステージ１４をＺ軸方向に移動させて基台８上での被測定物体ＳのＺ軸方向の位置を調整するように構成しても良いし、また、透過画像センサ３をＸ軸方向に移動可能に構成しても良い。
【００１８】
光源２は、回転ステージ１４上に載置された被測定物体Ｓを透過することができる照明光（例えば、Ｘ線）を放射するものであり、被測定物体Ｓを透過した透過光は、この被測定物体Ｓ中の伝搬距離と材質の透過率に応じて、その強さが変わってゆき、この被測定物体Ｓを挟んで光源２と対向するように配置された透過画像センサ３（透過光の強度を検出するセンサがエリア上に配置されたセンサ）によりその強度が二次元的に検出される。なお、光源２に対する被測定物体Ｓの位置は、制御部７により可動レール１２及び可動ステージ１３を移動させて調整し、また、制御部７により回転ステージ１４を所定の角度ずつ回転させてそれぞれの回転位置における透過光の強度を透過画像センサ３により検出する（少なくとも被測定物体Ｓを一周以上回転させてそれぞれの回転位置における透過光の強度を検出する）。この透過画像センサ３で検出された透過光の強度分布は、制御部７により回転位置毎に、透過画像としてメモリやハードディスクで構成される記憶部１８に記憶される。
【００１９】
制御部７は、記憶部１８に記憶されたそれぞれの回転位置における透過光の強度分布をフーリエ変換で再構成して被測定物体Ｓの表面や断面の二次元画像、若しくは、ボリュームレンダリングによる三次元画像を生成することができ、これらの画像は制御部７に接続された表示部１９に出力される。
【００２０】
このように、制御部７におけるコンピュータ処理により、各回転角度における透過光の二次元の強度分布（透過画像）から被測定物体Ｓの表面や断面の二次元形状データや三次元形状データを取得することができるが、光源２から放射される照明光は、円錐状に広がるため、被測定物体Ｓの光源２に近い部位と光源２から遠い部位では、透過画像センサ３の受光面に投影される像の倍率が異なり、出力される透過画像に歪みが生じてしまう。すなわち、測定された形状データの精度が悪くなってしまう。そのため、この形状測定装置１においては、被測定物体Ｓを透過した透過光を検出するのと同時に、表面形状測定部５を用いて被測定物体Ｓの表面形状を測定して、この測定値を用いて透過画像検出部４で取得された透過画像を基に算出された形状データを補正するように構成されている。この表面形状測定部５は、被測定物体Ｓの表面のうち、少なくとも光源２から放射された照明光が透過する領域を含む表面の形状を測定することができるように配置される。なお、本実施の形態では、被測定物体Ｓの光源２側の面の表面形状を測定可能なように、表面形状測定部５を、光源２の近傍に配置している。
【００２１】
上述のように、この形状測定装置１においては、回転ステージ１４を所定の角度ずつ回転させながら透過画像を取得するが、このとき、被測定物体Ｓの光源２に対向している面の表面画像を表面形状測定部５で取得する。すなわち、透過画像検出部４で取得される被測定物体Ｓの光源２側の面と、表面形状測定部５で測定される被測定物体Ｓの面とは略一致するように構成されている。なお、この表面形状測定部５は、明視野画像を取得してコンピュータ解析により形状を測定する方法や、光切断・縞投影位相シフト・ステレオ画像等による三角測量方法、若しくは、干渉法等を用いることにより、表面画像を取得するものである。上述のように、回転ステージ１４の回転角度毎に、取得された透過画像（二次元画像）及び表面画像（二次元画像）は、いずれも記憶部１８に記憶される。
【００２２】
制御部７は、図２に示すように、ユーザから指定された回転角度の透過画像と表面画像の二次元画像を記憶部１８から読み出して、二次元形状データ比較部７ａによりそれぞれの二次元画像から二次元形状データを算出し、それぞれの二次元形状データの比較を行う。例えば、被測定物体Ｓのある予め決められた部位のエッジ間隔、被測定物体Ｓに形成された穴の直径、穴ピッチの寸法などの特徴点を透過画像と表面画像の両方から抽出して、同じ箇所の特徴点の像を抽出する。次に、抽出した同じ特徴点の形状データを比較して両者の特徴点の形状データの偏差を得る。透過画像から得られる二次元形状データをその偏差量に基づき補正する。表面画像は被測定物体Ｓの光源２側の面の形状であるため、距離による倍率の違いはほとんど無く、この表面画像から得られる形状データにより透過画像から得られる形状データを補正することにより、透過画像（二次元画像）に内在する歪みを補正して、正確な透過画像による形状データを取得することができる。
【００２３】
また、制御部７は、ユーザから被測定物体Ｓの三次元形状データの取得が指定されたときは、記憶部１８から透過画像のすべての回転角度における画像を読み出して、三次元形状データ形成部７ｂにより三次元形状データを生成する。また、制御部７は、記憶部１８から表面画像のすべての回転角度における画像を読み出して、三次元形状データ形成部７ｃにより被測定物体Ｓの表面の三次元形状データを生成する。そして、三次元形状データ比較部７ｄによりこれらの三次元形状データを比較し、透過画像から得られた三次元形状データを表面画像から得られた三次元形状データにより補正する。
【００２４】
また、透過画像の三次元形状データと表面画像から得られた三次元形状データの比較により得られた補正値は、透過画像に映し出された内部構造の形状データの補正にも利用される。例えば、被測定物体Ｓの表面の各位置で得られた補正量を内挿して、内部構造の形状データの補正値とする。これにより、透過画像（三次元画像）に内在する歪みを補正して、正確な三次元形状データを取得することができる。
【００２５】
形状測定装置１を以上のように構成すると、透過光から取得された二次元画像及び三次元画像に内在する歪みを補正して正確な値を取得できる。特に、透過光による画像は、被測定物体Ｓの内部構造（断面画像）も取得することができるが、表面画像によりこの透過画像による三次元画像を補正することにより、内部の構造の歪みも補正され、精度の高い形状（測定値）を容易に取得することができる。また、表面形状測定部５により、被測定物体Ｓの光源２に対向している面の表面形状を取得することにより、透過画像（所定の回転角度における二次元画像や三次元画像）全体の表面の形状を補正することができるため、測定値の精度を向上させることができる。さらに、表面形状測定部５は、非接触センサを用いて、透過画像と同時に取得されるため、表面画像の取得のための特別な工程が発生せず、被測定物体Ｓの透過画像を、短時間で高精度に取得することができる。
【００２６】
（第２の実施形態）
次に図３を用いて、第２の実施の形態における形状測定装置について説明する。図３は、第２の実施の形態における形状測定装置の機能ブロック図である。この第２の実施の形態における形状測定装置は、先の図２で示した形状測定装置と比較して、透過画像センサ３から取得した透過画像を表面形状測定部５で取得した表面画像で補正する点のみが相違点である。他の点は先の形状測定装置と同じである。それゆえ、第２の実施の形態における形状測定装置の説明は、その相違点のみ説明するものとする。
【００２７】
透過画像センサ３で取得した透過画像は、被測定物体Ｓを図１に示すＸ軸方向に投影した状態の画像である。したがって、透過画像中に写っている形状の輪郭を示す線は、その部位毎にその補正量が異なる。そのため、本実施の形態における形状測定装置では、表面形状測定部５により被測定物体の各部位の表面画像を取得する。この取得した各部位の表面画像は、記憶部１８に保存してある。
【００２８】
制御部７は、透過画像を次のように補正する。記憶部１８に記憶された透過画像を２次元画像比較部７１ａに読み出し、２次元画像比較部７１ａに読み出された透過画像の任意の部位に対して、記憶部１８に記憶されている表面形状測定部５で得られた表面画像から、その部位が同じ姿勢で写っている表面画像を抽出する。次に、２次元画像比較部７１ａは、抽出された表面画像に写っている部位と透過画像に写っている同一箇所の部位の像をフィッティングして、偏差量を取得する。フィッティングする箇所としては、先の実施の形態における形状測定装置のように、所定の部位のエッジ間隔、被測定物体Ｓに形成された穴の直径、穴ピッチの寸法など特徴が掴みやすい箇所を選択する。そして、２次元画像比較部７１ａはこの偏差量を基に、透過画像の選択された任意の部位を伸縮して、透過画像を補正する。これを透過画像に写っている全ての部位に繰り返し行い、２次元補正画像を出力する。
【００２９】
なお、上述のように被測定物体Ｓを回転しながら各回転位置での透過画像を取得することで、３次元画像を形成することができる。一方、被測定物体Ｓの表面画像も幾つかの異なる姿勢で取得しておき、ＳＦＦを用いて３次元画像を形成することができる。そこで、３次元画像形成部７１ｂにより透過画像による３次元画像を形成し、３次元画像形成部７１ｃにより表面画像による３次元画像を形成する。次に、３次元画像比較部７１ｄでは、透過画像による３次元画像と表面画像による３次元画像を比較して、両者の３次元画像の偏差量を取得する。その偏差量に基づいて、透過画像による３次元画像を補正することも可能としている。このように、形状データの補正をするのではなく、画像データそのものを補正している。
【００３０】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態における形状測定装置について説明する。この形状測定装置は、透過画像に写っている各部位の輪郭の長さを補正するために、各部位と光源２までの距離を図示していない光源２近傍に配置されたレーザ測距装置により、計測する。そして、光源２から被測定物体Ｓまでの距離を基に、各部位の寸法を補正するものである。透過画像は被測定物体Ｓを図１のＸ軸方向に射影された像が写っている。したがって、光源２から被測定物体Ｓの各部位の距離に応じて、透過画像センサ３に投影される像はその投影倍率が変わっている。そこで、光源２から被測定物体Ｓの表面上の各位置までの距離をレーザ測距装置により測定し、その距離を基に、各部位の倍率を算出する。そして、透過画像の画像データや透過画像から得られた形状データを算出された倍率によって補正するものである。このようにして、透過画像に生じている像のゆがみによる形状データの誤差を低減することが可能となる。
【００３１】
なお、以上の説明では、表面形状測定部５により取得された測定値（二次元及び三次元の表面画像）は、透過画像の補整のために用いられていたが、この表面画像も、被測定物体Ｓの測定値として用いることができる。
【符号の説明】
【００３２】
１  形状測定装置    ４  透過画像検出部    ５  表面形状測定部
７  制御部    Ｓ  被測定物体
【図１】
2010169636.tif 000003
【図２】
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【図３】
2010169636.tif 000005