(57)【要約】  被検物（２０）にスリット光を投影するスリット状パターン投影部（１）と、そのスリット光が被検物（２０）で反射され、反射してきたパターン像をスリット基線方向と垂直方向に離して複数のスリット像を形成する撮像レンズ（３）と平行平面板（４）と、その複数のスリット像を撮像し、複数のスリット画像を生成する撮像装置（５）と、スリット光のスリット基線方向と異なる方向にスリット光と被検物（２０）とを相対移動させるＸＹＺステージ駆動部（１２）と、スリット基線方向の画素毎に各スリット画像の輝度を比較し、被検物（２０）の形状を求めるのに最適な輝度のスリット画像をスリット基線方向の画素毎に選択し、被検物（２０）の形状を求めるためのスリット画像データを取得するスリット画像選択部（８）と、被検物（２０）に対するスリット光の相対位置とスリット画像データとを用いて被検物（２０）の形状を演算する形状演算部（９）とを備える。
2008126647.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検物に一本のスリット光からなるスリット状投影パターンを投影する投影部と、
前記投影部から投影された前記スリット状投影パターンが前記被検物で反射され、
その反射してきたパターン像をスリット基線方向と垂直方向に離して複数のスリット像を形成するスリット像形成部と、
前記スリット像形成部で離れて結像された前記複数のスリット像を撮像し、複数のスリット画像を生成する撮像部と、
前記スリット状投影パターンのスリット基線方向と異なる方向に前記スリット状投影パターンと前記被検物とを相対移動させる位置調整部と、
前記撮像部により得られた前記複数のスリット画像の中から、スリット基線方向の画素毎に各スリット画像の輝度を比較し、前記被検物の形状を求めるのに最適な輝度のスリット画像をスリット基線方向の画素毎に選択し、前記被検物の形状を求めるためのスリット画像データを取得するスリット画像選択部と、
前記位置調整部により相対移動させられた、前記被検物に対する前記スリット状投影パターンの相対位置と、前記スリット画像選択部により得られた前記スリット画像データとを用いて前記被検物の形状を演算する形状演算部とを備えたことを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
前記撮像部において、前記複数のスリット画像は、第１スリット画像と、前記第１スリット画像の輝度分布を変化させた少なくとも第２スリット画像とをスリット基線方向と垂直方向に離れて結像することを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項３】
前記撮像部において、前記複数のスリット画像は、第１スリット画像と、前記第１スリット画像よりも投影光軸側に近い位置から撮像した第２スリット画像とをスリット基線方向と垂直方向に離れて結像することを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項４】
前記撮像部において、前記複数のスリット画像は、第１スリット画像と、前記第１スリット画像よりも投影光軸側に近い位置から撮像し、前記第１スリット画像よりも小さい開口数で結像させた第２スリット画像とをスリット基線方向と垂直方向に離れて結像することを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項５】
前記撮像部おいて、結像面を前記投影部から投影された前記スリット状投影パターンが前記被検物で反射された反射光の光軸に対して傾斜させることによって、前記被検物側の焦点面を前記スリット状投影パターンの光軸と一致させ、前記結像面において合焦位置での少なくとも前記第１スリット画像を結像することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の形状測定装置。
【請求項６】
前記投影部により前記被検物と同様にして校正用プレートに前記スリット状投影パターンを投影して前記撮像部により得られた複数の校正用スリット画像を用いて、前記複数のスリット画像毎の形状校正係数を取得することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の形状測定装置。
【請求項７】
被検物に一本のスリット光からなるスリット状投影パターンを投影する投影部と、前記投影部から投影された前記スリット状投影パターンが前記被検物で反射され、その反射してきたパターン像をスリット基線方向と垂直方向に離して複数のスリット画像を形成するスリット像形成部と、前記スリット像形成部で離れて結像された前記複数のスリット像を撮像し、複数のスリット画像を生成する撮像部と、前記スリット状投影パターンのスリット基線方向と異なる方向に前記スリット状投影パターンと前記被検物とを相対移動させる位置調整部とを備えた形状測定装置を用いて前記被検物の三次元形状を測定する方法であって、
前記投影部により前記被検物に前記スリット状投影パターンを投影するステップと、
前記撮像部により前記スリット像形成部で離れて結像された前記複数のスリット像を撮像し、複数のスリット画像を生成するステップと、
前記複数のスリット画像の中から、スリット基線方向の画素毎に各スリット画像の輝度を比較し、前記被検物の基準面からの高さを求めるのに最適な輝度のスリット画像をスリット基線方向の画素毎に選択し、前記被検物の基準面からの高さを求めるためのスリット画像データを取得するステップと、
前記位置調整部により相対移動させられた、前記被検物に対する前記スリット状投影パターンの相対位置と前記スリット画像データとを用いて前記被検物の形状測定を行うステップとを有し、前記被検物の三次元形状を求めることを特徴とする形状測定方法。
【請求項８】
前記撮像部において前記複数のスリット画像を生成するステップは、第１スリット画像と、前記第１スリット画像の輝度分布を変化させた少なくとも第２スリット画像とをスリット基線方向と垂直方向に離して生成することを特徴とする請求項７に記載の形状測定方法。
【請求項９】
前記撮像部において前記複数のスリット画像を生成するステップは、第１スリット画像と、前記第１スリット画像よりも投影光軸側に近い位置から撮像し、前記第１スリット画像よりも小さい開口数で結像させた第２スリット画像とをスリット基線方向と垂直方向に離して生成することを特徴とする請求項７に記載の形状測定方法。
【請求項１０】
前記撮像部において前記複数のスリット画像を生成するステップは、前記撮像部における結像面を前記投影部から投影された前記スリット状投影パターンが前記被検物で反射された反射光の光軸に対して傾斜させることによって、前記被検物側の焦点面を前記スリット状投影パターンの光軸と一致させ、前記結像面において合焦位置での少なくとも前記第１スリット画像を生成することを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載の形状測定方法。
【請求項１１】
前記被検物の形状測定を行うステップは、前記被検物と同様にして、前記投影部により校正用プレートに前記スリット状投影パターンを投影するステップと、前記撮像部により前記スリット像形成部で離れて結像された複数の校正用スリット像を撮像し、複数の校正用スリット画像を生成するステップと、前記複数の校正用スリット画像から前記校正用プレートの基準面からの高さを求めるステップと、前記撮像部により得られた前記複数のスリット画像毎の形状校正係数を取得するステップと、前記複数のスリット画像から求められた前記被検物の基準面からの高さを前記形状校正係数を用いて校正し、正確な前記被検物の形状測定結果を取得するステップとを有することを特徴とする請求項７〜１０のいずれかに記載の形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光切断法を用いて被検物の三次元形状を測定する測定装置及び測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
工業製品等の物体の表面形状を測定する技術は従来から種々提案されており、その一つに光学式の三次元形状測定装置がある。光学式の三次元形状測定装置も種々の方式、構成のものがあるが、被検物に所定の投影パターン（スリット光や、縞模様）を投影して被検物を撮像し、その撮像画像から各画像位置（各画素）の基準面からの高さを算出し、被検物の三次元表面形状を測定するものがある（特許文献１参照）。【０００３】
このような装置においては、例えば、被検物の表面に一本のスリット光からなるスリット状投影パターンを投影し、スリット状投影パターンを被検物表面の全域を走査させる毎に投影方向と異なる角度から被検物に投影されたスリット状投影パターンを撮像し、撮像された被検物表面の撮像画像よりスリット状投影パターンの長手方向の画素毎に三角測量の原理等を用いて被検物表面の基準平面からの高さを算出し、被検物表面の三次元形状を求めるように構成されている。【０００４】
その構成例を図９に示しており、スリット状パターン投影部５１からスリット光５２を投光し支持台５６上に載置された被検物５３の表面にスリット状投影パターンが投影される。被検物５３の表面に投影されたスリット状投影パターンは、被検物５３の表面三次元形状に応じて変形され、支持台５６を支持台移動装置（図示せず）によってスリット状投影パターンの長手方向と異なる方向（例えば、図中の矢印の方向）に移動させて被検物５３表面の全域にスリット状投影パターンを走査させる毎に、変形された被検物５３の表面のスリット状投影パターンを投影方向と異なる角度から撮像レンズ５４を介して撮像装置５５（例えば、ＣＣＤセンサ）により撮像されて、演算処理装置５７に送られ、ここで撮像画像データの演算処理が行われる。演算処理装置５７においては、このように撮像された被検物表面の撮像画像データよりスリット状投影パターンの長手方向の画素毎に三角測量の原理等を用いて被検物表面の基準平面からの高さを算出し、被検物表面の三次元形状を求める演算処理が行われる。【０００５】
【特許文献１】特開２０００−９４４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述のようなスリット光投影法を用いる三次元測定では、被検物表面に投影された一本のスリット光からなるスリット状投影パターンに対して、撮像されるスリット画像は当然一本のスリット画像が撮像されることになり、結像面におけるスリット画像が結像する画素のみが情報をもつために、多くの余剰画素を有するという問題がある。また、スリット状投影パターンは一定の輝度分布によって被検物表面に投影されるために、被検物表面の性質（表面の傾斜、材質等）によっては被検物の形状測定を行うために十分な輝度分布のスリット画像を取得できないという問題があり、さらに投影系と撮像系の成す角度を大きくとると測定精度は向上するが、オクルージョンが増大し測定できない部分が増えるという問題がある。【０００７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、結像面における余剰画素を有効に利用して、被検物表面の性質の影響を受けることがないようにスリット画像を取得し、もしくはオクルージョンが少ないようにスリット画像を取得し、正確な三次元形状測定を行うことができるような測定装置及び測定方法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】
【０００８】
上記課題を解決して目的を達成するため、本発明に係る形状測定装置は、被検物に一本のスリット光からなるスリット状投影パターンを投影する投影部と、前記投影部から投影された前記スリット状投影パターンが前記被検物で反射され、その反射してきたパターン像をスリット状投影パターンの長手方向と垂直方向に離して複数のスリット像を形成するスリット像形成部と、前記スリット像形成部で離れて結像された前記複数のスリット像を撮像し、複数のスリット画像を生成する撮像部と、前記スリット状投影パターンのスリット基線方向と異なる方向に前記スリット状投影パターンと前記被検物とを相対移動させる位置調整部と、前記撮像部により得られた前記複数のスリット画像の中から、スリット基線方向の画素毎に各スリット画像の輝度を比較し、前記被検物の形状を求めるのに最適な輝度のスリット画像をスリット基線方向の画素毎に選択し、前記被検物の形状を求めるためのスリット画像データを取得するスリット画像選択部と、前記位置調整部により相対移動させられた、前記被検物に対する前記スリット状投影パターンの相対位置と、前記スリット画像選択部により得られた前記スリット画像データとを用いて前記被検物の形状を演算する形状演算部とを備えて構成される。【０００９】
前記撮像部において、前記複数のスリット画像は、第１スリット画像と、前記第１スリット画像の輝度分布を変化させた少なくとも第２スリット画像とをスリット基線方向と垂直方向に離れて結像するように構成することが好ましい。【００１０】
前記撮像部において、前記複数のスリット画像は、第１スリット画像と、前記第１スリット画像よりも投影光軸側に近い位置から撮像した第２スリット画像とをスリット基線方向と垂直方向に離れて結像するように構成することが好ましい。【００１１】
前記撮像部において、前記複数のスリット画像は、第１スリット画像と、前記第１スリット画像よりも投影光軸側に近い位置から撮像し、前記第１スリット画像よりも小さい開口数で結像させた第２スリット画像とをスリット基線方向と垂直方向に離して結像するように構成することが好ましい。【００１２】
前記撮像部おいて、結像面を前記投影部から投影された前記スリット状投影パターンが前記被検物で反射された反射光の光軸に対して傾斜させることによって、前記被検物側の焦点面を前記スリット状投影パターンの光軸と一致させ、前記結像面において合焦位置での少なくとも前記第１スリット画像を結像するように構成することが好ましい。【００１３】
前記投影部により前記被検物と同様にして校正用プレートに前記スリット状投影パターンを投影して前記撮像部により得られた複数の校正用スリット画像を用いて、前記複数のスリット画像毎の形状校正係数を取得するように構成することが好ましい。【００１４】
また、本発明に係る形状測定方法は、被検物に一本のスリット光からなるスリット状投影パターンを投影する投影部と、前記投影部から投影された前記スリット状投影パターンが前記被検物で反射され、その反射してきたパターン像をスリット基線方向と垂直方向に離して複数のスリット画像を形成するスリット像形成部と、前記スリット像形成部で離れて結像された前記複数のスリット像を撮像し、複数のスリット画像を生成する撮像部と、前記スリット状投影パターンのスリット基線方向と異なる方向に前記スリット状投影パターンと前記被検物とを相対移動させる位置調整部とを備え、前記投影部により前記被検物に前記スリット状投影パターンを投影するステップと、前記撮像部により前記スリット像形成部で離れて結像された前記複数のスリット像を撮像し、複数のスリット画像を生成するステップと、前記複数のスリット画像の中から、スリット基線方向の画素毎に各スリット画像の輝度を比較し、前記被検物の基準面からの高さを求めるのに最適な輝度のスリット画像をスリット基線方向の画素毎に選択し、前記被検物の基準面からの高さを求めるためのスリット画像データを取得するステップと、前記位置調整部により相対移動させられた、前記被検物に対する前記スリット状投影パターンの相対位置と前記スリット画像データとを用いて前記被検物の形状測定を行うステップとを有し、前記被検物の三次元形状を求める。【００１５】
前記撮像部において前記複数のスリット画像を生成するステップは、第１スリット画像と、前記第１スリット画像の輝度分布を変化させた少なくとも第２スリット画像とをスリット基線方向と垂直方向に離して生成するように構成するのが好ましい。【００１６】
前記撮像部において前記複数のスリット画像を生成するステップは、第１スリット画像と、前記第１スリット画像よりも投影光軸側に近い位置から撮像し、前記第１スリット画像よりも小さい開口数で結像させた第２スリット画像とをスリット基線方向と垂直方向に離して生成するように構成するのが好ましい。【００１７】
前記撮像部において前記複数のスリット画像を生成するステップは、前記撮像部における結像面を前記投影部から投影された前記スリット状投影パターンが前記被検物で反射された反射光の光軸に対して傾斜させることによって、前記被検物側の焦点面を前記スリット状投影パターンの光軸と一致させ、前記結像面において合焦位置での少なくとも前記第１スリット画像を生成するように構成するのが好ましい。【００１８】
前記被検物の形状測定を行うステップは、前記被検物と同様にして、前記投影部により校正用プレートに前記スリット状投影パターンを投影するステップと、前記撮像部により前記スリット像形成部で離れて結像された複数の校正用スリット像を撮像し、複数の校正用スリット画像を生成するステップと、前記複数の校正用スリット画像から前記校正用プレートの基準面からの高さを求めるステップと、前記撮像部により得られた前記複数のスリット画像毎の形状校正係数を取得するステップと、前記複数のスリット画像から求められた前記被検物の基準面からの高さを前記形状校正係数を用いて校正し、正確な前記被検物の形状測定結果を取得するステップとを有して構成されるのが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように構成される本発明によれば、一本のスリット光からなるスリット状投影パターンが投影された被検物に対して、複数のスリット画像をスリット基線方向と垂直方向に離して結像し、結像面における余剰画素を有効に利用して、被検物表面の性質の影響を受けることがないようにスリット画像を取得し、もしくはオクルージョンが少ないようにスリット画像を取得し、三角測量の原理に基づいて被検物の三次元形状を求める構成であり、計測精度の高い三次元形状測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第一実施形態に係る形状測定装置の構成を示す概略構成説明図であって、図１（Ａ）は装置全体の説明図であり、図１（Ｂ）はスリット状パターン投影部の内部構成を示す説明図である。
【図２】上記の第一実施形態に係る形状測定方法を示すフローチャートである。
【図３】上記の第一実施形態に係る撮像スリット画像を示す説明図である。
【図４】上記の第一実施形態に係る校正用スリット画像を示す説明図である。
【図５】本発明の第二実施形態に係る形状測定装置の構成を示す概略構成説明図である。
【図６】上記の第二実施形態に係る形状測定方法を示すフローチャートである。
【図７】上記の第二実施形態に係る撮像スリット画像を示す説明図である。
【図８】上記の第一実施形態に係る平行平面板の調整機構を示す説明図である。
【図９】従来の形状測定装置の構成を示す概略構成説明図である。
【図１０】撮像素子の位置と受光光量との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明に係る形状測定装置及び形状測定方法の好ましい各実施形態について以下に説明する。【００２２】
本発明における実施の第一形態に係る形状測定装置の概略構成を図１に示しており、まず、この形状測定装置について、図１を参照して説明する。【００２３】
この形状測定装置は、図１（Ａ）に示すように、コンピュータで構成される中央制御部１１と、被検物２０や校正用プレート３０にスリット光２を投影するスリット状パターン投影部１と、被検物２０や校正用プレート３０を載置したＸＹＺステージ（支持台）６と、スリット状パターン投影部１からのスリット光２の反射パターン像を撮像する撮像部と、ＸＹＺステージ６（あるいは前記撮像部、あるいは両方）を駆動し、前記撮像部に対してＸＹＺ方向に相対移動させるＸＹＺステージ駆動部１２と、前記撮像部からの画像データを処理して被検物２０の形状を演算する演算処理装置７と、演算処理装置７により求められた被検物２０の形状や形状データ（値）を表示する表示部１３とを備え、中央制御部１１により制御されている。なお、ＸＹＺステージ６は、被検物２０をＸＹＺ方向に移動可能に構成されている。校正用プレート３０は、ＸＹＺステージ６のステージ表面からの高さＨが既知であり、形状測定結果の校正に使用される。【００２４】
スリット状パターン投影部１の内部構成は、図１（Ｂ）に示すように、光源１ａ（例えば、プロジェクタ）と、光源１ａの光軸上に配置され光源１ａの光によりスリット光２を形成するためのパターン形成手段１ｂと、スリット光２を被検物２０に対して集光するための投光レンズ１ｃとを備えている。スリット状投影パターン投影部１により投光されたスリット光２は、被検物２０、校正用プレート３０の表面にスリット状投影パターンを投影する。【００２５】
撮像部は、テレセントリック光学系からなる撮像レンズ（群）３と、撮像レンズ（群）３で結像される反射パターン像を複数に離して反射パターン像を生成するための平行平面板（平行平板ガラス）４と、撮像レンズ（群）３と平行平面板４で複数に離れて結像された反射パターン像を撮像する撮像装置５（例えば、２次元ＣＣＤ素子）とから構成される。撮像装置５により撮像された画像データは、演算処理装置７に送られ、ここで以下に説明する画像演算処理がなされ、被検物２０の形状測定が行われる。なお、撮像レンズ３は、被検物２０、校正用プレート３０から反射する主光線が光軸外においても光軸と平行である光学系（物体側テレセントリック光学系）を成している。【００２６】
また、この形状測定装置は、スリット状パターン投影部１によりスリット光２を投影された被検物２０、校正用プレート３０の表面のスリット状投影パターンを撮像する撮像装置５の撮像面と撮像レンズ３の主平面（撮像レンズ３の中心を通り光軸に垂直な平面）の交点が、スリット光２の光軸上に位置するように構成されている（シャインプルーフ光学系を成している）。したがって、撮像装置５においてスリット状パターン投影部１によりスリット光２を投影された被検物２０、校正用プレート３０の表面のスリット状投影パターンを常に合焦位置で撮像することができる。【００２７】
スリット状パターン投影部１、撮像部は一つのフレームにより一体に固定されて構成されており、被検物２０、校正用プレート３０はＸＹＺステージ６上に載置されて支持され、このＸＹＺステージ６をスリット状パターン投影部１、撮像部を一体に結合したフレームに対して光軸方向とは異なる方向に相対移動させるＸＹＺステージ駆動部１２が設けられている。このため、ＸＹＺステージ駆動部１２によりＸＹＺステージ６を移動させる毎にスリット状パターン投影部１により被検物２０、校正用プレート３０にスリット状投影パターンを投影し、結果として被検物２０、校正用プレート３０の表面全域において投影することができる。また、ＸＹＺステージ駆動部１２には、ＸＹＺステージ６及びＸＹＺステージ６上に載置された被検物２０のステージ移動方向、すなわちスリット状投影パターンの走査方向の位置を得るためのエンコーダが取り付けられている。【００２８】
演算処理装置７は、撮像装置５により得られた撮像画像の中から被検物２０の表面の基準平面（ＸＹＺステージ６のステージ表面）からの高さを演算するのに最適な輝度のスリット画像を画素毎に選択するスリット画像選択部８と、スリット画像選択部８により得られたスリット画像データとＸＹＺステージ駆動部１２に取り付けられたエンコーダからの信号（スリット状投影パターンの被検物２０の表面上における走査方向の位置を示す信号）を用いて被検物２０の形状測定を行う形状演算部９と、校正用プレート３０に被検物２０と同様のスリット状投影パターンを投影して撮像装置５により得られた撮像画像から校正用プレート３０の表面のステージ表面からの高さを演算して形状校正係数を取得し、被検物２０の正確な形状測定結果を得る形状校正部１０とを備える。【００２９】
以上のように構成された形状測定装置を用いて被検物２０の形状測定を行う方法を、図２のフローチャートを参照して以下に説明する。【００３０】
この測定に際しては、スリット状パターン投影部１から投光されたスリット光２を被検物２０に照射させて被検物２０の表面にスリット状投影パターンを投影する（ステップＳ１）。このように投影されて被検物２０の表面から反射される反射光（散乱光も含む）は撮像レンズ３及び平行平面板４を介して集光され、撮像装置５により被検物２０の表面に投影されたスリット状投影パターンを撮像する（ステップＳ２）。【００３１】
平行平面板４は、上面、下面ともに反射率５０％のハーフミラーを成しており、光軸に対して傾斜角をもって撮像部内の撮像レンズ３と撮像装置５の間に位置する。このため、被検物２０の表面にスリット状投影パターンを投影し、被検物２０の表面から反射して撮像レンズ３により集光される光は平行平面板４を通過するが、その際、平行平面板４を直接通過する第一反射光と、上面及び下面において各一回反射して第一反射光に対して輝度が１／４に減光した第二反射光と、上面及び下面において各二回反射して第一反射光に対して輝度が１／１６に減光した第三反射光とにスリット状投影パターンの長手方向であるスリット基線方向と垂直方向に等間隔で分割される（図１及び図３参照）。実際には、第四、第五反射光も存在するが第一反射光に対して輝度が１／６４（第四反射光）以下に減光され被検物２０の形状測定を行うには適さないために、ここでは第三反射光まで記載した。なお、スリット基線方向は平面上にスリット状投影パターンを投影したときのスリット状投影パターンの長手方向である。【００３２】
図３に示すように、上記のように平行平面板４を通過して分割された光（第一反射光、第二反射光、第三反射光）は、撮像装置５によりスリット基線方向と垂直方向に等間隔で離れて撮像され、撮像装置５において第一スリット画像Ｓｌ１、第二スリット画像Ｓｌ２、第三スリット画像Ｓｌ３を取得することができる。【００３３】
平行平面板４の光軸に対する傾斜角は、第一，第二，第三スリット画像（Ｓｌ１，Ｓｌ２，Ｓｌ３）のスリット基線方向と垂直方向の各間隔距離を決定する。この間隔距離は、被検物２０の表面の傾斜による各スリット画像の広がりの影響で隣り合うスリット画像が重ならない程度に十分な間隔距離がとれるように前記傾斜角を決めなくてはならない。しかしながら、前記傾斜角を大きくすると各スリット画像の間隔距離は大きくなるが、光学的な収差の点から好ましくないという問題がある。例えば、前記傾斜角を可変できるように平行平面板４に回動機構を設け、被検物表面の性質（表面の傾斜等）によって前記傾斜角を必要最小限の傾斜角度にすることによりさらに好適な形状測定を行うことができる。また、２枚のハーフミラーを組み合わせるもしくは平行平面板４の内部を液体で充填することにより、平行平面板４の厚さを可変できるように構成し、表面の傾斜の小さい被検物の測定に対しては、第一，第二，第三スリット画像の焦点ボケを小さくするようにして測定することができる。【００３４】
撮像装置５により得られた撮像スリット画像は、演算処理装置７に送られる。演算処理装置７内のスリット画像選択部８において、図３に示すように、撮像装置５により撮像された第一，第二，第三スリット画像（Ｓｌ１，Ｓｌ２，Ｓｌ３）の中から被検物２０の表面の基準平面（ＸＹＺステージ６のステージ表面）からの高さを演算するのに最適な輝度のスリット画像をスリット基線方向の画素毎に選択する（ステップＳ３）。第一，第二，第三スリット画像（Ｓｌ１，Ｓｌ２，Ｓｌ３）は平行平面板４により減光された反射光で結像された像をそれぞれ撮像して得られているが、各スリット画像においても被検物２０の表面の性質（表面の傾斜、材質等）によりスリット基線方向の画素毎に輝度が異なる。これらのスリット画像のうち、基線方向とは交差する方向の数ピクセルの画素信号がいずれも飽和していない領域の画素を、スリット基線方向の画素毎に選択する必要がある。具体的には、図１０に示すような光量分布を持つ画像が得られる画素を選ぶ。図１０の横軸は、スリット画像が投影されている領域において、スリット基線方向とは交差する方向における画素の位置を示し、縦軸は受光光量を示している。そして、図中白丸は、各画素が実際受光した光量を示している。このように、スリット基線方向と交差する方向において、各画素の受光光量が飽和輝度値以下であるような画素を、スリット基線方向から探し出す。このようにしてスリット画像をスリット基線方向の画素毎に選択する必要がある（図３において丸印内Ａ１〜Ａ３のスリット画像が選択される）。【００３５】
スリット状パターン投影部１によりスリット状投影パターンを被検物２０の表面全域に投影されるようにＸＹＺステージ駆動部１２によりＸＹＺステージ６（ＸＹＺステージ６上の被検物２０）を移動させる毎に、上記のように最適な輝度のスリット画像をスリット基線方向の画素毎に選択し、被検物２０の表面全域において被検物２０の表面のステージ表面からの高さを演算するためのスリット画像データを取得する（ステップＳ４）。【００３６】
スリット画像選択部８において、選択された被検物２０の表面のステージ表面からの高さを演算するのに最適な輝度のスリット画像データとともに、ＸＹＺステージ駆動部１２に取り付けられたエンコーダからの信号（ＸＹＺステージ６上に載置された被検物２０のステージ移動方向、すなわちスリット状投影パターンの被検物２０上における走査方向の位置を示す信号）が演算処理装置７内の形状演算部９に送られ、三角測量の原理を用いて被検物２０の形状測定を行う（ステップＳ５）。この際、スリット画像の正確な中心位置をスリット基線方向毎に求めてから、三角測量の原理を用いて形状測定を行う。具体的には、図１０に示すように、各画素の実際得られた受光光量から正規分布の輝度分布を持つように、各白丸を結ぶような曲線を求める。そして、この曲線の極大値に該当する位置をスリット画像の中心位置として求める。このようにすることで、正確な三角測量の原理を用いた形状測定ができる。それゆえ、受光光量が飽和してしまったり、極端に受光光量が小さい場合では、このような曲線を求めるのが困難になるので、本実施の形態のように、受光光量が段階的に変わるスリット画像から、最適な光量が得られる部分を選択して、形状測定を行うことで、正確な形状測定が行える。【００３７】
ＸＹＺステージ６上には被検物２０とともに校正用プレート３０（ＸＹＺステージ６のステージ表面からの高さＨが既知である）が載置されており、ＸＹＺステージ駆動部１２により被検物２０の表面上をスリット状投影パターンが走査される際に、校正用プレート３０にも同様にスリット状投影パターンが投影される。スリット状パターン投影部１から投光されたスリット光２を校正用プレート３０に照射させて校正用プレート３０の表面にスリット投影パターンを投影し、校正用プレート３０表面からの反射光は撮像レンズ３及び平行平面板４を介して集光され、撮像装置５により校正用プレート３０の表面に投影されたスリット状投影パターンが撮像される。【００３８】
校正用プレート３０の表面（スリット状投影パターンが投影される面）は、図４に示すように、被検物２０の表面の性質（表面の傾斜、材質等）により各反射光における輝度が異なることに対応させるためにスリット基線方向と垂直方向にグラデーションが設けられており（グラデーションIが第一スリット画像の選択された部分Ａ１、グラデーションIIが第二スリット画像の選択された部分Ａ２、グラデーションIIIが第三スリット画像の選択された部分Ａ３にそれぞれ対応する撮像画像が得られるように校正用プレート３０の表面にグラデーションが設けられている）、グラデーションI，II，IIIにおいてそれぞれ第I，第II，第III校正用スリット画像が撮像装置５により撮像される。【００３９】
撮像装置５により各グラデーション位置において得られた第I，第II，第III校正用スリット画像は、演算処理装置７内の形状校正部１０に送られる。形状校正部１０は被検物２０と撮像装置５との間にある光学系（撮像レンズ３、平行平面板４）の歪みを校正するものである。形状校正部１０により、上記において被検物２０の形状測定を行うために選択された第一，第二，第三スリット画像（図３におけるＡ１〜Ａ３のスリット画像）の輝度に対応した各校正用スリット画像（図４において丸印内Ｂ１〜Ｂ３のスリット画像が選択される）を用いて、校正用プレート３０の表面の基準平面（ＸＹＺステージ６のステージ表面）からの高さを演算し、既知である校正用プレート３０の表面のステージ表面からの高さＨに対する割合を形状校正係数として、各スリット画像の選択部分に対して取得する（ステップＳ６）。【００４０】
すなわち、上記において被検物２０の形状測定を行うために選択された、第一スリット画像（図３におけるＡ１のスリット画像）に対する形状校正係数Ｃ１＝Ｈ／Ｌ１、第二スリット画像（図３におけるＡ２のスリット画像）に対する形状校正係数Ｃ２＝Ｈ／Ｌ２、第三スリット画像（図３におけるＡ３のスリット画像）に対する形状校正係数Ｃ３＝Ｈ／Ｌ３となる。ここでＬ１，Ｌ２，Ｌ３は第一，第二，第三スリット画像（図３におけるＡ１，Ａ２，Ａ３のスリット画像）の輝度に対応した各校正用スリット画像（図４におけるＢ１，Ｂ２，Ｂ３のスリット画像）を用いて演算した校正用プレート３０の表面のステージ表面からの高さである。【００４１】
上記のようにスリット画像選択部８によって選択されたスリット画像データを用いて、形状演算部９により演算された被検物２０の表面のステージ表面からの高さに対して各形状校正係数を用いて校正し、被検物２０の正確な形状測定結果を取得する（ステップＳ７）。【００４２】
以上のようにして、被検物２０の表面からの反射光は、撮像レンズ３によって集光させる光を平行平面板４を介してそれぞれ明るさの異なる光束に分割され、スリット基線方向と垂直方向に所定間隔をもって結像された各スリット画像を撮像装置５によって撮像する。このように撮像装置５により撮像された各スリット画像の中から被検物２０の表面のステージ表面からの高さを演算するために最適な輝度のスリット画像をスリット基線方向の画素毎に選択して得られたスリット画像データとともに、ＸＹＺステージ駆動部１２に取り付けられたエンコーダからのスリット状投影パターンの被検物２０の表面上における走査方向の位置信号を用いて、被検物２０の形状測定を行う。さらに、ＸＹＺステージ６のステージ表面からの高さＨが既知である校正用プレート３０を用いて、被検物２０の形状測定のために選択された各スリット画像の輝度に対応した形状校正係数を取得し、上記で求められた被検物２０の表面のステージ表面からの高さを形状校正係数を用いて校正し、被検物２０の正確な形状測定結果を取得することができる。【００４３】
したがって、スリット状パターン投影部１により一本のスリット光２からなるスリット状投影パターンが投影された被検物２０に対し、撮像部において、撮像レンズ３と平行平面板４を用いてスリット基線方向と垂直方向に離して複数のスリット画像を結像し、結像面における余剰画素を有効に利用して、被検物表面の性質の影響を受けることがないようにスリット画像を取得し、三角測量の原理に基づいて被検物２０の三次元形状を求めることができる。【００４４】
以下に、本発明における実施の第二形態に係る形状測定装置の概略構成を図５に示しており、まず、この形状測定装置について、図５を参照して説明する。なお、以下の本発明における実施の第二形態では、上記の実施の第一形態と同一の機能を有する各部材には同一の部材番号を付与してそれらの説明を省略することとする。【００４５】
この形状測定装置は、コンピュータで構成される中央制御部１１と、被検物２０や校正用プレート３０にスリット光２を投影するスリット状パターン投影部１と、被検物２０や校正用プレート３０を載置したＸＹＺステージ（支持台）６と、スリット状パターン投影部１からのスリット光２の反射パターン像を撮像する撮像部と、ＸＹＺステージ６（あるいは前記撮像部、あるいは両方）を駆動し、前記撮像部に対してＸＹＺ方向に相対移動させるＸＹＺステージ駆動部１２と、前記撮像部からの画像データを処理して被検物２０の形状を演算する演算処理装置７と、演算処理装置７により求められた被検物２０の形状や形状データ（値）を表示する表示部１３とを備え、中央制御部１１により制御される。【００４６】
撮像部は、テレセントリック光学系からなる第一撮像レンズ３ａと、第一撮像レンズ（群）３ａよりもスリット光２の光軸（投影光軸）に近い位置に設けられる第二撮像レンズ（群）３ｂと、第一撮像レンズ３ａ及び第二撮像レンズ３ｂを介してそれぞれ形成された反射パターン像を撮像する撮像装置５（例えば、２次元ＣＣＤ素子）とから構成される。撮像装置５により撮像された画像データは、演算処理装置７に送られ、ここで以下に説明する画像演算処理がなされ、被検物２０の形状測定が行われる。なお、第一撮像レンズ３ａ及び第二撮像レンズ３ｂは、被検物２０、校正用プレート３０から反射する主光線が光軸外においても光軸と平行である構造（物体側テレセントリック光学系）を成している。【００４７】
また、この形状測定装置は、スリット状パターン投影部１によりスリット光２を投影された被検物２０、校正用プレート３０の表面のスリット状投影パターンを撮像する撮像装置５の撮像面と第一撮像レンズ３ａの主平面の交点が、スリット光２の光軸上に位置するように構成されている（シャインプルーフ光学系を成している）。したがって、撮像装置５においてスリット状パターン投影部１によりスリット光２を投影された被検物２０、校正用プレート３０の表面のスリット投影パターンを常に合焦位置で撮像することができ、第一撮像レンズ３ａの開口数ＮＡ１（例えば、ＮＡ１＝０．０２〜０．０３）を大きくとることが可能である。【００４８】
第二撮像レンズ３ｂは、第一撮像レンズ３ａよりも小さい開口数ＮＡ２（例えば、ＮＡ２＝０．０１〜０．００５）を有しており、第一撮像レンズ３ａよりもスリット光２の光軸（投影光軸）に近い位置に位置する。第二撮像レンズ３ｂは、シャインプルーフ光学系を成していないが、第二撮像レンズ３ｂを含む撮像部は被検物２０側テレセントリック光学系を成して構成されているので、第二撮像レンズ３ｂは被写界深度を深くとることができる。【００４９】
以上のように構成された形状測定装置を用いて被検物２０の形状測定を行う方法を、図６のフローチャートを参照して以下に説明する。【００５０】
この測定に際しては、スリット状パターン投影部１から投光されたスリット光２を被検物２０に照射させて被検物２０の表面にスリット状投影パターンを投影する（ステップＳ１）。【００５１】
図７に示すように、このように投影されて被検物２０の表面から反射され、第一撮像レンズ３ａを介して集光された第一反射光と、第二撮像レンズ３ｂを介して集光させた第二反射光とは、撮像装置５において第一スリット画像Ｓｌ１（第一反射光による撮像画像）、第二スリット画像Ｓｌ２（第二反射光による撮像画像）として、スリット基線方向と所定方向（なお、本実施の形態では垂直方向）に所定間隔で離れてそれぞれ撮像される（ステップＳ２）。【００５２】
撮像装置５において撮像された第一スリット画像Ｓｌ１、第二スリット画像Ｓｌ２のスリット基線方向と所定方向の所定間隔は、第一撮像レンズ３ａ、第二撮像レンズ３ｂのそれぞれの開口数もしくは設置位置によって決定されるが、被検物２０の表面の傾斜による各スリット画像の広がりの影響で両スリット画像が重ならない程度に十分な間隔距離をとることができるように、前記開口数もしくは前記設置位置を決定されなくてはならない。【００５３】
撮像装置５により得られた撮像スリット画像は、演算処理装置７に送られる。演算処理装置７内のスリット画像選択部８において、撮像装置５により撮像された第一スリット画像Ｓｌ１、第二スリット画像Ｓｌ２のうちから被検物２０の表面の基準平面（ＸＹＺステージ６のステージ表面）からの高さを演算するのに最適な輝度のスリット画像をスリット基線方向の画素毎に選択する（ステップＳ３）。【００５４】
第二撮像レンズ３ｂの開口数ＮＡ２は、第一撮像レンズ３ａの開口数ＮＡ１よりも小さいので、第一反射光で結像された像の輝度よりも第二反射光で結像された像の輝度は小さい。したがって、第一スリット画像Ｓｌ１、第二スリット画像Ｓｌ２は、互いに異なる輝度の反射光によって撮像されているが、各スリット画像のスリット基線方向の画素毎にも、被検物２０の表面の性質（表面の傾斜、材質等）により輝度が異なっている。また、第二撮像レンズ３ｂは、第一撮像レンズ３ａよりもスリット光２の光軸（投影光軸）に近い位置に位置しているので、第一スリット画像Ｓｌ１よりも第二スリット画像Ｓｌ２は、撮像部の被検物２０に対する撮像角度の影響（オクルージョン）が小さく、安定した撮像スリット画像を取得できる。【００５５】
したがって、各スリット画像のうちからスリット基線方向毎に予め設定された所定値（被検物２０の表面のステージ表面からの高さを演算するのに最適な輝度の範囲）内の輝度のスリット画像を、スリット基線方向の画素毎に選択する。【００５６】
スリット状パターン投影部１によりスリット状投影パターンを被検物２０の表面全域に投影されるようにＸＹＺステージ駆動部１２によりＸＹＺステージ６上の被検物２０を移動させる毎に、上記のように最適な輝度のスリット画像をスリット基線方向の画素毎に選択し、被検物２０の表面全域において被検物２０の表面のステージ表面からの高さを演算するためのスリット画像データを取得する（ステップＳ４）。【００５７】
スリット画像選択部８おいて、選択された被検物２０の表面のステージ表面からの高さを演算するためのスリット画像データとともに、ＸＹＺステージ駆動部１２に取り付けられたエンコーダからの信号（ＸＹＺステージ６上に載置された被検物２０のステージ移動方向、すなわちスリット状投影パターンの被検物２０の表面上における走査方向の位置を示す信号）が演算処理装置７内の形状演算部９に送られ、三角測量の原理を用いて被検物２０の形状測定を行う（ステップＳ５）。【００５８】
ＸＹＺステージ６上には被検物２０とともに校正用プレート３０（ＸＹＺステージ６のステージ表面からの高さＨが既知である）が載置されており、ＸＹＺステージ駆動部１２により被検物２０の表面上をスリット状投影パターンが走査される際に、校正用プレート３０にも同様にスリット状投影パターンが投影される。スリット状パターン投影部１から投光されたスリット光２を校正用プレート３０に照射させて校正用プレート３０の表面にスリット状投影パターンを投影し、校正用プレート３０表面から反射され、第一撮像レンズ３ａを介して集光された第一反射光と、第二撮像レンズ３ｂを介して集光させた第二反射光のそれぞれから生成される像は、撮像装置５によりそれぞれ撮像され、校正用プレート３０の表面に投影されたスリット状投影パターンが撮像される。【００５９】
以下では、上記の実施の第一形態と同様にして、形状校正部１０により被検物２０の形状測定を行うために選択された第一スリット画像Ｓｌ１、第二スリット画像Ｓｌ２の輝度に対応した各校正用スリット画像を得て、校正用プレート３０の表面のステージ表面からの高さを演算し、既知である校正用プレート３０の表面のステージ表面からの高さＨに対する割合を形状校正係数として、各スリット画像の選択部分に対して取得する（ステップＳ６）。【００６０】
上記のようにスリット画像選択部８によって選択されたスリット画像データを用いて、形状演算部９より演算された被検物２０の表面のステージ表面からの高さに対して各形状校正係数を用いて校正し、被検物２０の正確な形状測定結果を取得する（ステップＳ７）。【００６１】
以上のようにして、被検物２０の表面からの反射光は、第一撮像レンズ３ａを介して集光される第一反射光と、第一撮像レンズ３ａよりも開口数が小さくスリット光２の光軸（投影光軸）に近い位置に位置させた第二撮像レンズ３ｂを介して集光される第二反射光のそれぞれから生成される像は、撮像装置５によってスリット基線方向と所定方向に所定間隔をもって各スリット画像として撮像される。このように撮像装置５により撮像された各スリット画像の中から被検物２０の表面のステージ表面からの高さを演算するために最適な輝度のスリット画像を、スリット基線方向の画素毎に選択して得られたスリット画像データとともにＸＹＺステージ駆動部１２に取り付けられたエンコーダからのスリット状投影パターンの被検物２０の表面上の走査方向の位置信号を用いて、被検物２０の形状測定を行う。さらに、ＸＹＺステージ６のステージ表面からの高さＨが既知である校正用プレート３０を用いて、被検物２０の形状測定のために選択された各スリット画像の輝度に対応した形状校正係数を取得し、上記で求められた被検物２０の表面のステージ表面からの高さを形状校正係数を用いて校正し、被検物２０の正確な形状測定結果を取得することができる。【００６２】
したがって、スリット状パターン投影部１により一本のスリット光２からなるスリット状投影パターンが投影された被検物２０に対し、撮像部において、第一撮像レンズ３ａ、第二撮像レンズ３ｂを用いて複数のスリット画像をスリット基線方向と所定方向に離して結像し、結像面における余剰画素を有効に利用して、オクルージョンが少ないようにスリット画像を取得し、三角測量の原理に基づいて被検物２０の三次元形状を求めることができる。また、複数のスリット画像を離す方向はこれらの像が重なることを防ぐためにもスリット基線方向と垂直方向に離して結像されるようにすることが好ましい。【００６３】
なお、本発明は上記の各実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内において種々の変形が可能である。例えば、図８において、第一実施形態の平行平面板４をチルトすることでスリット像の間隔を調整できる調整機構付の形状測定装置の変形例を示す。平行平面板４は、図のように中心軸４ａを回動中心としてチルトするチルト機構を有している。このチルト機構は、不図示の電動モータ付回転軸あるいは外部操作可能な回転ノブによって調整できる。このチルト機構により撮像装置５（２次元ＣＣＤセンサ）の撮像面上のスリット像（Ｓｌ１，Ｓｌ２，Ｓｌ３）の間隔を変化させることができる（図８の点線で示す光線）。スリット像間隔はスリット像の幅より広ければ良いのだが、本発明によりダイナミックスレンジをより広げるためにはスリット像の数が多いほうが有利である。スリット像の幅は被検物表面の測定装置に対する傾斜角によって変わる。そこで、被検物２０の表面の傾斜が浅い場合にはスリット像が太くならないため平行平面板４の傾きを変えてスリット像間の距離を小さくすることができる。逆に被検物２０の表面の傾斜が深い場合にはスリット像が太くなるため平行平面板４の傾きを変えてスリット像間の距離を大きくすることができる。このように平行平面板４のチルト角を変更できるように装置を構成することもできる。
【図１】
2008126647.tif 000003
【図２】
2008126647.tif 000004
【図３】
2008126647.tif 000005
【図４】
2008126647.tif 000006
【図５】
2008126647.tif 000007
【図６】
2008126647.tif 000008
【図７】
2008126647.tif 000009
【図８】
2008126647.tif 000010
【図９】
2008126647.tif 000011
【図１０】
2008126647.tif 000012
【国際調査報告】
2008126647.tif 000013
2008126647.tif 000014
2008126647.tif 000015
2008126647.tif 000016