(57)【要約】【課題】簡素な構成で、短時間でキャリブレーションを実施可能なキャリブレーション方法、及び形状測定装置を提供する。【解決手段】キャリブレーション方法において、底面２０１からの高さが第一方向に沿って変化する参照面２０３を有し、その高さが既知である基準ゲージ２００を用い、参照面２０３に対して第一方向に沿って同位相で、第一方向と交差する第二方向に対して位相が変化するフリンジパターンを、周期を複数回変化させ、かつ各周期に対して位相を複数回ずらして投射し、各フリンジパターンの撮像画像を取得する撮像ステップと、各周期のフリンジパターンに対する撮像画像において、第一方向に沿った各画素の位相を算出する位相取得ステップと、各画素に対応した参照面２０３の高さと、当該画素に対して算出された位相と、当該位相を算出した際のフリンジパターンの周期とを関連付けた関係データを生成するデータ生成ステップとを含む。【選択図】図８
2015099050.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準平面からの高さが既知で第一方向に沿って当該高さが変化する参照面を有する基準ゲージを用い、前記参照面に対して前記第一方向に沿って同位相で、前記第一方向と交差する第二方向に対して正弦波状に位相が変化する格子縞を、前記正弦波の周期を複数回変化させ、かつ各周期に対して前記格子縞の位相を複数回ずらして投射し、それぞれの前記格子縞を撮像した撮像画像を取得する撮像ステップと、
前記各周期の前記格子縞に対してそれぞれ取得され、位相がそれぞれ異なる複数の格子縞の前記撮像画像において、前記第一方向に沿った各画素の位相を算出する位相取得ステップと、
前記各画素に対応した前記参照面の高さと、当該画素に対して算出された位相と、当該位相を算出した際の前記格子縞の周期とを関連付けた関係データを生成するデータ生成ステップとを含む
ことを特徴とするキャリブレーション方法。
【請求項２】
請求項１に記載のキャリブレーション方法において、
前記参照面は、前記基準平面からの高さが既知となる基準点を備え、
前記位相取得ステップは、前記基準点の位相を取得する
ことを特徴とするキャリブレーション方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のキャリブレーション方法において、
前記位相取得ステップは、前記参照面の高さが単調増加又は単調減少する際に取得された前記位相が単調増加又は単調減少から反転した場合、当該取得された前記位相に対して２πの整数倍を補う
ことを特徴とするキャリブレーション方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載のキャリブレーション方法により生成された関係データを記憶するデータ記憶手段と、
位相が異なる複数の格子縞から得られた測定点の位相を取得する位相取得手段と、
周期が異なる複数の前記格子縞に対して前記位相取得手段により取得された前記位相、及び前記関係データに基づき、前記各周期に対してそれぞれ複数の高さ候補を取得する候補取得手段と、
異なる周期に対して取得された２つの前記高さ候補の組み合わせのうち、差が最小となる組み合わせを抽出して、前記測定点の実際の高さを求める高さ決定手段と、
を備えたことを特徴とする形状測定装置。
【請求項５】
請求項４に記載の形状測定装置において、
測定対象に対して前記格子縞を投射し、かつ投射する前記格子縞の位相、及び周期を変更可能なパターン投射手段と、
投射された前記格子縞を撮像する撮像手段と、を備え、
前記位相取得手段は、前記撮像手段により撮像された撮像画像の前記測定点に対応する画素の輝度から前記位相を算出する
ことを特徴とする形状測定装置。
【請求項６】
請求項４又は請求項５に記載の形状測定装置において、
前記高さ決定手段は、抽出された前記高さ候補の組み合わせのうち、前記周期が短い格子縞に対して取得された高さ候補を、前記実際の高さとする
ことを特徴とする形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象の三次元形状を測定する形状測定装置におけるキャリブレーション方法、及び形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、三次元測定装置により測定対象の三次元的な測定値を取得する方法として、位相シフト法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この特許文献１に記載の装置では、投影部から測定対象に対して位相の異なる複数の格子縞を投影し、その格子縞の画像を撮像部で撮像する。そして、得られた格子縞の画像から位相シフト法を用いて、測定対象の三次元形状を測定する。
ここで、この装置では、実際の三次元測定に先立って、キャリブレーションを実施する。このキャリブレーションでは、まず、平板を精密ステージに設置し、ステージをｚ方向にΔｚずつ移動させることで格子縞の位相をずらす。
また、ｚ座標を高精度に算出するために、周期の異なる粗格子縞、細格子縞、微細格子縞を用い、各格子縞の撮像画像における各画素のｚ座標の候補を近似式により算出する。そして、細格子縞のｚ座標候補と、微細格子縞のｚ座標候補との差が最小となる組み合わせを抽出し、抽出された組み合わせの微細格子縞のｚ座標を算出値とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２０３８６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記特許文献１の測定装置では、ステージをＺ方向にΔｚずつ移動させることで、干渉縞の位相をずらしている。この場合、ステージを精密に移動させる複雑な構成が必要となり、キャリブレーションに係る時間も長くなる。この際、Δｚを位相変化が２πを超えない値に設定する必要がある等の制約も加わる。
さらに、ｚ座標をより正確に算出するために、周期の異なる格子縞（細格子縞、微細格子縞）を用いて、それぞれの格子縞の撮像画像に対して、各画素の位相を算出し、位相からその画素に対応したｚ座標を概算している。しかしながら、細格子縞及び微細格子縞として、ｚ方向の計測範囲（ステージ移動可能量）に対して、各格子縞で２π以上の位相差を設ける必要があり、設定する周期に制約が加わる等の課題もある。
【０００６】
本発明は、簡素な構成で、短時間でキャリブレーションを実施可能なキャリブレーション方法、及び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】
【０００７】
本発明のキャリブレーション方法は、基準平面からの高さが既知で第一方向に沿って当該高さが変化する参照面を有する基準ゲージを用い、前記参照面に対して前記第一方向に沿って同位相で、前記第一方向と交差する第二方向に対して正弦波状に位相が変化する格子縞を、前記正弦波の周期を複数回変化させ、かつ各周期に対して前記格子縞の位相を複数回ずらして投射し、それぞれの前記格子縞を撮像した撮像画像を取得する撮像ステップと、前記各周期の前記格子縞に対してそれぞれ取得され、位相がそれぞれ異なる複数の格子縞の前記撮像画像において、前記第一方向に沿った各画素の位相を算出する位相取得ステップと、前記各画素に対応した前記参照面の高さと、当該画素に対して算出された位相と、当該位相を算出した際の前記格子縞の周期とを関連付けた関係データを生成するデータ生成ステップとを含むことを特徴とする。
【０００８】
ここで、第一方向に沿って参照面の高さが変化するとは、例えば参照面が第一方向に沿って階段状となり、基準平面と平行で高さが異なる面が複数設けられる構成、参照面が第一方向に沿って基準平面に対して傾斜する構成などが挙げられる。
本発明では、このような参照面に対して、第一方向、つまり高さが変化する方向に同位相となる格子縞を投射して、その格子縞の位相を複数回ずらし、その撮像画像を取得する。そして、各周期の格子縞に対して、位相をずらした複数の格子縞パターンを撮像することで、これらの異なる位相の格子縞の撮像画像から、第一方向に沿う位置に対応する画素の位相をそれぞれ算出する。通常、高さが同一であれば、これらの画素の位相は同一であるが、高さが変化することで、位相も変化する。位相と高さとは、比例関係となるので、高さが既知の基準ゲージの高さ変化量と、位相の変化量とを比較することで、高さに対する位相を関連付けることができる。
以上のように、本発明では、従来のように、精密ステージを正確に移動させる駆動機構等を不要にできるため、構成の簡略化を図れ、かつ、ステージを移動させる必要もないため、高速なキャリブレーション処理を実施できる。
【０００９】
本発明のキャリブレーション方法において、前記参照面は、前記基準平面からの高さが既知となる基準点を備え、前記位相取得ステップは、前記基準点の位相を取得することが好ましい。
本発明では、基準ゲージにおいて、高さが既知である基準点が設けられている。したがって、この基準点の位置に対する位相を取得することで、高さと位相との関係を容易に関連付けることができる。
【００１０】
本発明のキャリブレーション方法において、前記位相取得ステップは、前記参照面の高さが単調増加又は単調減少する際に取得された前記位相が単調増加又は単調減少から反転した場合、当該取得された前記位相に対して２πの整数倍を補うことが好ましい。
第一方向に高さが単調に増加している参照面に対して、高さ変化方向に同位相となる格子縞を投射すると、通常、位相も比例的に増加する。しかし、位相は０〜２πの間で変化するため、算出された位相は、再び０に戻る。この場合、位相取得ステップでは、２πを補うことで、単調に高さが変化した際に、単調に位相が変化するように補正することができ、正確な高さに対する位相を関連付けることができる。
【００１１】
本発明の形状測定装置は、上述したようなキャリブレーション方法により生成された関係データを記憶するデータ記憶手段と、位相が異なる複数の格子縞から得られた測定点の位相を取得する位相取得手段と、周期が異なる複数の前記格子縞に対して前記位相取得手段により取得された前記位相、及び前記関係データに基づき、前記各周期に対してそれぞれ複数の高さ候補を取得する候補取得手段と、異なる周期に対して取得された２つの前記高さ候補の組み合わせのうち、差が最小となる組み合わせを抽出して、前記測定点の実際の高さを求める高さ決定手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
本発明では、複数の周期で、かつ位相を複数回ずらした格子縞から、位相取得手段により、複数の周期に対する位相を取得し、候補取得手段は、各周期の位相に対する高さの候補を関係データから取得する。そして、高さ決定手段は、これらの高さの候補から差が最小となる２つの組み合わせを抽出して、そのうちの一方を実際の高さとして決定する。
上記のような構成では、煩雑な処理を実施することなく、容易に測定対象の高さを測定することができる。また、関係データの取得時に、例えばステージを移動させる必要がなく、複雑な構成が不要にできる。
【００１３】
本発明の形状測定装置において、測定対象に対して前記格子縞を投射し、かつ投射する前記格子縞の位相、及び周期を変更可能なパターン投射手段と、投射された前記格子縞を撮像する撮像手段と、を備え、前記位相取得手段は、前記撮像手段により撮像された撮像画像の前記測定点に対応する画素の輝度から前記位相を算出することが好ましい。
本発明では、パターン投射手段により格子縞を投射して、これを撮像手段により撮像する。このような構成では、パターン投射手段から投射させるパターンを変更することで、容易に周期や位相を変化させた格子縞を取得できる。また、格子縞の方向（第一方向及び第二方向）を容易に変更でき、標準ゲージや測定対象に応じて、最適な格子縞を生成できる。
【００１４】
本発明の形状測定装置は、前記高さ決定手段は、抽出された前記高さ候補の組み合わせのうち、前記周期が短い格子縞に対して取得された高さ候補を、前記実際の高さとすることが好ましい。
本発明では、格子縞の周期が短い程、測定精度が高くなる。したがって、抽出された一対の候補の組み合わせの内、周期が短い一方に対応した高さの方を取得することで、形状測定における測定精度を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る一実施形態の形状測定装置の概略構成を示すブロック図。
【図２】ｘｙ平面に対して平行な測定対象面に投射されたフリンジパターンの撮像画像を示す図。
【図３】図２において、ｘ＝ｘ０となる線方向（ｙ軸と平行）に沿った輝度の変化を示す図。
【図４】図２において、ｘ＝ｘ０における位相変化を示す図。
【図５】図２において、ｙ＝ｙ０となる線方向（ｘ軸と平行）に沿った位相の変化を示す図。
【図６】本実施形態における関係データの一例を示す図。
【図７】本実施形態のキャリブレーション方法を示すフローチャート。
【図８】本実施形態のキャリブレーション処理に用いられる基準ゲージの概略を示す斜視図。
【図９】本実施形態において、基準ゲージに投射されたフリンジパターンを撮像した撮像画像を示す図。
【図１０】ｙ軸方向に沿って位相走査した際のｘ軸に対する算出された位相及び絶対位相の関係を示す図。
【図１１】ｙ＝ｙ０に沿う各画素の位相の算出結果を示す図。
【図１２】本実施形態の形状測定方法を示すフローチャート。
【図１３】本発明の他の実施形態における基準ゲージの一例を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に係る一実施形態について、図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態の形状測定装置の概略構成を示すブロック図である。
本実施形態の形状測定装置１は、図１に示すように、測定対象を載置可能なステージ１０と、格子縞（フリンジパターン）を照射するパターン投射部１１と、測定対象を撮像する撮像部１２と、測定制御部２０と、を備えている。
この形状測定装置１では、パターン投射部１１から、ステージ１０に載置された測定対象に対して、フリンジパターンを照射し、撮像部１２により測定対象上のフリンジパターンを撮像する。そして、測定制御部２０は、フリンジパターンの撮像画像に基づいて、位相シフト法により測定対象の形状を測定する。以下、各構成について、具体的に説明する。
【００１７】
パターン投射部１１は、本発明のパターン照明手段であり、例えば、プロジェクター等により構成される。このパターン投射部１１は、測定制御部２０の制御の下、ステージ１０上の測定対象にフリンジパターンを投射する。
ここで、パターン投射部１１から投射されるフリンジパターンは、図１に示すように、第一方向（例えば、図１ではｘ軸方向と平行な方向）に沿って同位相となり、ｘ軸方向に対して交差する第二方向（例えば、図１ではｙ軸方向と平行な方向）に沿って正弦波状の位相が変化するパターンである。
【００１８】
また、パターン投射部１１は、ステージ１０に対して、ｚ軸方向（高さ方向）からフリンジパターンを照射する事が好ましい。このように、ｚ軸方向からフリンジパターンを投射することで、例えば、測定対象の凹凸等による投射光の影の発生を抑制できる。また、パターン投射部１１の位置及び投射方向を変更可能な構成としてもよい。この場合、測定対象に応じて、適宜投射方向を変更することができ、測定を実施した面に対して適切にフリンジパターンを投射させることができる。
また、パターン投射部１１は、測定制御部２０の制御により、投射するフリンジパターンの方向（第一方向及び第二方向）を変更可能となる。
【００１９】
撮像部１２は、本発明の撮像手段であり、例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子により構成されている。撮像部１２は、パターン投射部１１によるパターン投射方向とは異なる方向から測定対象を撮像する。具体的には、図１に示すように、ｚ軸方向からｘ軸方向が第一方向となるフリンジパターンが投射される場合、ｘｚ平面に対して傾斜する撮像方向から測定対象を撮像することが好ましい。これにより、測定対象において、ｘ方向に沿ってｚ座標が連続的に変化する傾斜面がある場合に、フリンジパターンにおける位相変化を撮像することができる。
【００２０】
図２は、ｘｙ平面に対して平行な測定対象面に投射されたフリンジパターンの撮像画像を示す図である。図２には、第一方向がｘ軸方向であり、第二方向がｙ軸方向であるフリンジパターンを撮像した撮像画像を示す。
図３は、図２において、ｘ＝ｘ０となる線方向（ｙ軸と平行）に沿った輝度の変化を示す図、図４は、ｘ＝ｘ０における位相変化を示す図、図５は、ｙ＝ｙ０となる線方向（ｘ軸と平行）に沿った位相の変化を示す図である。
図３〜図４に示すように、上記のようなフリンジパターンを撮像すると、第一方向であるｘ軸方向に沿って同位相で同一輝度となり、第二方向であるｙ軸方向に沿って正弦波状に位相及び輝度が変化する撮像画像が得られる。
【００２１】
測定制御部２０は、コンピューターにより構成され、図１に示すように、記憶部２１と、制御部２２とを備えている。
記憶部２１は、本発明のデータ記憶手段であり、例えばハードディスクやメモリー等により構成されており、各種プログラムや各種データを記憶する。
記憶部２１に記憶される各種データとしては、例えば、ｚ座標値と位相との関係を示す関係データ等が記憶されている。
【００２２】
図６は、記憶部２１に記憶される関係データの一例を示す図である。
図６は、第一方向がｙ軸方向であるフリンジパターンを照射した際の位相と高さ（ｚ座標値）との関係を示す関係データである。
図６に示す関係データは、第一方向がｘ軸方向であるフリンジパターンを投射した場合の関係データである。この場合、ｙの座標値によって位相が変化するため、図２に示すように、各ｙ座標値に対する関係データが記憶される。
また、周期（第二方向に現れる正弦波の周期）が異なる複数のフリンジパターンに対する関係データがそれぞれ記憶部２１に記憶されている。
なお、図２では、フリンジパターンの第一方向がｘ軸方向の場合の例であるが、その他、フリンジパターンの第一方向を変化させた複数のフリンジパターンに対して、同様に、関係データが記録されていてもよい。例えば、第一方向がｙ軸方向となるフリンジパターンに対する関係データが記録されていてもよい。
【００２３】
制御部２２は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等の制御回路により構成される。この制御部２２は、形状測定装置１の全体の動作を制御するＯＳ上で、記憶部２１から読み出した各種プログラムを展開して処理を実施することで、図１に示すように、フリンジパターン生成手段２２１、位相算出手段２２２（位相取得手段）、候補取得手段２２３、高さ決定手段２２４、及びキャリブレーション処理手段２２５として機能する。
【００２４】
フリンジパターン生成手段２２１は、パターン投射部１１から照射させるフリンジパターンの画像データを生成し、パターン投射部１１に出力する。これにより、パターン投射部１１から生成したフリンジパターンが測定対象に対して投射される。
【００２５】
位相算出手段２２２は、本発明の位相取得手段であり、撮像部１２により撮像された撮像画像の各画素の輝度値に基づいて、投射されたフリンジパターンの位相を算出する。より詳細には、位相を複数回（例えば２回）ずらしたフリンジパターンを撮像すると、各撮像画像における画素（ｘ，ｙ）の輝度値は、以下のように表すことができる。
【００２６】
【数１】
2015099050.tif 000003
【００２７】
上記式（１）において、ψ（ｘ，ｙ）は位相であり、Δθ１、Δθ２は、位相ずれ量である。また、Ｉｂは、バイアス成分であり、ＩＡＭＰ（ｘ，ｙ）は、フリンジパターンに伴う輝度の変化であり、正弦波コントラストの強度を示す。式（１）に示すように、初期位相ψ（ｘ，ｙ）、第一位相ψ（ｘ，ｙ）＋Δθ１、第二位相ψ（ｘ，ｙ）＋Δθ２の３つの位相で、パターン投射部１１からフリンジパターンを照射し、それぞれのフリンジパターンの撮像画像の画素（ｘ，ｙ）の輝度値を検出する。
ここで、Δθ１＝２π／３、Δθ２＝４π／３とすると、位相ψ（ｘ，ｙ）は、以下の式（２）により求めることできる。
なお、本実施形態では、複数の周期のフリンジパターンを用いて、形状測定やキャリブレーションを実施する。したがって、位相算出手段２２２は、これらのフリンジパターンの周期に対して、それぞれ上述のような初期位相ψ（ｘ，ｙ）を算出する。
【００２８】
【数２】
2015099050.tif 000004
【００２９】
候補取得手段２２３は、算出された位相ψ（ｘ，ｙ）と、記憶部２１に記憶されている関係データとに基づいて、算出された位相ψ（ｘ，ｙ）に対するｚ座標値の候補（高さ候補）を求める。
上述のように、本実施形態では、複数の周期のフリンジパターンを用いて、形状測定やキャリブレーションを実施する。候補取得手段２２３は、これらの複数の周期のフリンジパターンに対してそれぞれ高さ候補を取得する。
【００３０】
高さ決定手段２２４は、候補取得手段２２３により求められた高さ候補同士の差分値を算出し、その差分値が最小となる２つの高さ候補を抽出する。そして、これらの高さ候補のうち、フリンジパターンの周期が小さい方に対応した高さ候補を、実際の高さとして決定する。
【００３１】
キャリブレーション処理手段２２５は、形状が既知である基準ゲージを用いて、上述したような関係データを取得するキャリブレーション処理を実施する。
【００３２】
［形状測定装置の動作処理］
（キャリブレーション方法）
図７は、本実施形態における形状測定装置によるキャリブレーション方法（キャリブレーション処理）のフローチャートである。
図８は、キャリブレーションに用いられる基準ゲージの一例を示す図である。
図８に示すように、基準ゲージ２００は、ステージ１０に載置される底面２０１（基準平面）と、底面２０１から高さ（ｚ軸方向の寸法）が既知である複数の段差面２０２（２０２Ａ，２０２Ｂ，２０２Ｃ）を備えた参照面２０３を有している。ここで、段差面２０２Ａの高さをｚＡ、段差面２０２Ｂの高さをｚＢ、段差面２０２Ｃの高さをｚＣとする。すなわち、これらの段差面２０２は、基準平面である底面２０１からの高さが既知である基準点となる。
本実施形態では、３つの段差面２０２が設けられる例を示すが、測定対象とするｚ座標範囲や、測定精度等により、より多くの段差面を設ける構成、各段差面２０２の高さの差をより細かく設定する構成などとしてもよい。
【００３３】
キャリブレーション処理では、まず、上記のような基準ゲージ２００をステージ１０上に載置する。ここでは、基準ゲージ２００の参照面２０３の高さが変化する高さ変化方向（段差方向）がｘ軸方向であるとする。
そして、フリンジパターン生成手段２２１は、第一方向が参照面２０３の高さ変化方向となるフリンジパターンｎ（ｎは、設定変数であり、初期値を１とする）を生成し、生成したフリンジパターンｎをパターン投射部１１から基準ゲージ２００の参照面２０３に投射する（ステップＳ１）。
そして、撮像部１２により、基準ゲージ２００の参照面２０３に投射されたフリンジパターンｎを撮像する（ステップＳ２）。撮像された撮像画像は、適宜記憶部２１に記憶される。
【００３４】
図９は、基準ゲージ２００に対して投射されたフリンジパターンを撮像した撮像画像の一例である。
撮像部１２は、上述したように、フリンジパターンの第一方向及びｚ軸方向により形成される平面（上記例では、ｘｚ平面）に対して傾斜する撮像方向から測定対象（基準ゲージ）を撮像する。したがって、図９に示すように、撮像画像において、第一方向（ｘ軸方向）に沿う各画素に対して位相走査を行うと、参照面２０３の高さに応じて、位相が変化する。
【００３５】
この後、制御部２２は、位相の異なる複数のフリンジパターンの撮像画像が取得されたか否かを判定する（ステップＳ３）。
ステップＳ３において、Ｎｏと判定された場合、フリンジパターン生成手段２２１は、フリンジパターンの位相をずらし（ステップＳ４）、再びステップＳ１に戻って、位相の異なるフリンジパターンの撮像画像を取得する。
なお、本実施形態では、上記式（２）に基づいて、位相ψｎ（ｘ，ｙ）を算出する。したがって、ステップＳ１〜ステップＳ３において、フリンジパターン生成手段２２１は、初期位相ψｎ（ｘ，ｙ）と、初期位相からΔθ１＝２π／３だけずらした第一位相（ψｎ（ｘ，ｙ）＋Δθ１）、初期位相からΔθ２＝４π／３だけずらした第二位相（ψｎ（ｘ，ｙ）＋Δθ２）のフリンジパターンｎを順次生成すればよい。
【００３６】
ステップＳ３において、Ｙｅｓと判定された場合、位相算出手段２２２は、これらの複数の撮像画像に基づいて、位相ψｎ（ｘ，ｙ）を算出する（ステップＳ５）。
具体的には、位相算出手段２２２は、所定数（本実施形態では３つ）の異なる位相のフリンジパターンｎの撮像画像から、各画素（ｘ，ｙ）に対して位相ψｎ（ｘ，ｙ）を算出する。
この際、位相算出手段２２２は、第一方向に沿う各画素（ｘ、ｙｉ）を走査し、上述した式（２）を用いて、画素（ｘ、ｙｉ）の位相ψｎ（ｘ，ｙｉ）を算出する。
【００３７】
ところで、位相算出手段２２２により、式（２）に基づいて算出された位相は、２πの整数倍の不定性を有する。ここで、位相算出手段２２２は、フリンジパターンの第一方向に沿った位相走査を行った際に、位相の変化方向が変化した際に、算出された位相に対して２πの整数倍を補うことで、実際の位相（絶対位相）を求める。
図１０は、算出された位相と絶対位相との関係を示す図である。例えば、基準平面に対して、所定の傾斜角で傾斜した参照面に対して第一方向がｘ軸方向となるフリンジパターンを投射して撮像画像を得る。この場合、第一方向に沿って位相走査すると、図１０に示すように、高さによって位相が変化し、０から２πの位相が繰り返し現れる。したがって、位相算出手段２２２は、図１０に示すように、第一方向に位相走査し、算出される位相が単調増加する場合で、算出された位相が２πから０に変化した際に、算出された位相に対して２πを加算する。つまり、ｋ回目に２πから０に変化する場合では、算出された位相に対して２ｋπを加算する。これにより、高さに対する絶対位相を算出することが可能となる。
【００３８】
この後、制御部２２は、予め設定された全ての周期に対するフリンジパターンの位相が算出されたか否かを判定する。すなわち、本実施形態では、Ｎ個の異なる周期のフリンジパターンに対する位相を算出するものとし、ステップＳ６では、ｎ≧Ｎであるか否かを判定する（ステップＳ６）。
そして、ステップＳ６において、Ｎｏと判定された場合、フリンジパターン生成手段２２１は、設定変数ｎに１を加算し（ステップＳ７）、ステップＳ１に戻る。
ステップＳ１からステップＳ７の処理を繰り返し実施することで、異なる複数の周期のフリンジパターンに対して、それぞれ位相が算出される。
【００３９】
ステップＳ６において、Ｎｏと判定された場合、キャリブレーション処理手段２２５は、第一方向に沿う座標（ｘ，ｙｉ）に対して算出された位相ψｎ（ｘ，ｙｉ）と、ｚ座標とを関連付けることで、図６に示すようなｙ＝ｙｉ（ｉ＝０，１，２・・・）に対する関連データを生成する（ステップＳ８）。
図１１は、ｙ＝ｙ０に沿う各画素の位相ψｎ（ｘ，ｙ０）の算出結果を示す図である。
例えば、図１１に示すように、フリンジパターンの第一方向と平行な直線ｙ＝ｙ０に沿って各画素を走査すると、参照面２０３の段差部分において高さが変化するため、当該高さの変化分に応じて位相も変化する。図１１において、ｘ＝ｘ１及びｘ＝ｘ２となる直線部は、高さが変化する段差部分である。また、ｘ０＜ｘＡ＜ｘ１までの領域が段差面２０２Ａに対応する画素座標でｙ軸方向（第一方向）に沿って同位相となる。同様に、ｘ１＜ｘＢ＜ｘ２までの領域が段差面２０２Ｂに対応する画素座標で第一方向に沿って同位相となり、ｘ２＜ｘＣ＜ｘ３までの領域が段差面２０２Ｃに対応する画素座標で第一方向に沿って同位相となる。また、段差面２０２Ａ，２０２Ｂ，２０２Ｃの高さ（ｚ座標）は、それぞれ、既知の値ｚＡ，ｚＢ，ｚＣとなる。
この場合、キャリブレーション処理手段２２５は、位相ψｎ（ｘＡ，ｙ０）に対してｚ＝ｚＡ、位相ψｎ（ｘＢ，ｙ０）に対してｚ＝ｚＢ、位相ψｎ（ｘＣ，ｙ０）に対してｚ＝ｚＣを関連付けたｙ＝ｙ０に対する関連データ（図６参照）を生成する。
また、キャリブレーション処理手段２２５は、他のｙ座標に対しても同様に関係データを生成する。さらに、キャリブレーション処理手段２２５は、他の周期のフリンジパターンｎに対しても同様に関係データを生成する。
【００４０】
（形状測定方法）
次に、本実施形態の形状測定装置１による形状測定方法について説明する。
図１２は、本実施形態の形状測定処理を示すフローチャートである。
形状測定処理では、まず、キャリブレーション処理と同様に、ステップＳ１からステップＳ７の処理を実施する。つまり、ステップＳ１と同様に、パターン投射部１１からステージ１０に載置された測定対象に対して、フリンジパターンｎを投射し、ステップＳ２により測定対象に投射されたそのフリンジパターンｎを撮像する。この際、フリンジパターン生成手段２２１は、上述したキャリブレーション処理において関係データが生成された際のフリンジパターンｎと同じ方向、位相、周期のパターンを投射する。
この後、制御部２２は、ステップＳ３と同様に、位相の異なる複数のフリンジパターンの撮像画像が取得されたか否かを判定する。
ステップＳ３において、Ｎｏと判定された場合、フリンジパターン生成手段２２１は、ステップＳ４の処理により、フリンジパターンの位相をずらし、再びステップＳ１に戻って、位相の異なるフリンジパターンｎの撮像画像を取得する。
【００４１】
ステップＳ３において、Ｙｅｓと判定された場合、位相算出手段２２２は、ステップＳ５の処理を実施し、各画素（ｘ，ｙ）に対して位相を算出する。
この際、算出される位相は、２πの整数倍の不定性を持つため、算出される位相は、ψｎ（ｘ，ｙ）＋２ｋπとなる。
【００４２】
この後、制御部２２は、ステップＳ６の処理を実施し、全ての周期に対するフリンジパターンの位相が算出されたか否かを判定する。ステップＳ６において、Ｎｏと判定された場合、フリンジパターン生成手段２２１は、ステップＳ７の処理を実施し、設定変数ｎに１を加算して、ステップＳ１に戻る。
以上のステップＳ１からステップＳ７の処理を繰り返し実施することで、異なる複数の周期のフリンジパターンに対して、それぞれ位相が算出される。
【００４３】
この後、候補取得手段２２３は、算出された各位相ψｎ（ｘ，ｙ）＋２ｋπと、記憶部２１に記憶された関係データとに基づいて、各画素（ｘ，ｙ）に対する高さ候補を取得する（ステップＳ１１）。
ここで、上述したように、各位相ψｎ（ｘ，ｙ）＋２ｋπは、２πの整数倍の不定性を有するため、複数の高さ候補が抽出される。
また、Ｎ個の周期のフリンジパターンに対してそれぞれψｎ（ｘ，ｙ）＋２ｋπに対する高さ候補が抽出される。
【００４４】
次に、高さ決定手段２２４は、ステップＳ１１において抽出された各高さ候補のうち、周期が異なるフリンジパターンに対して抽出された一対の高さ候補の差分を算出する（ステップＳ１２）。
例えば、Ｎ＝２の場合、ｋ＝１である場合、画素（ｘ，ｙ）に対して、
ψ１（ｘ，ｙ）に対応した高さ候補ｚ１１
ψ１（ｘ，ｙ）＋２πに対応した高さ候補ｚ１２
ψ２（ｘ，ｙ）に対応した高さ候補ｚ２１
ψ２（ｘ，ｙ）＋２πに対応した高さ候補ｚ２２
の候補が抽出される。この場合、｜ｚ１１−ｚ２１｜，｜ｚ１１−ｚ２２｜，｜ｚ１２−ｚ２１｜，｜ｚ１２−ｚ２２｜をそれぞれ算出する。
【００４５】
そして、高さ決定手段２２４は、ステップＳ１２において算出された高さ候補の差分が最小となる組み合わせを抽出し（ステップＳ１３）、抽出された組み合わせのうち、周期が小さい一方に対応した高さ候補を、画素（ｘ，ｙ）に対する高さ（ｚ座標）として決定する（ステップＳ１４）。
【００４６】
［本実施形態の作用効果］
本実施形態では、キャリブレーション処理において、底面２０１からの高さが既知である参照面２０３を有し、かつ高さ変化方向に沿って参照面２０３の高さが変化する基準ゲージ２００を用いる。そして、フリンジパターン生成手段２２１は、基準ゲージ２００の参照面２０３に、第一方向が高さ変化方向となるフリンジパターンを照射し、かつその位相を複数回ずらし、各々に対する撮像画像を取得する。そして、位相算出手段２２２は、これらの撮像画像から、第一方向に沿って各画素における位相を算出する。また、フリンジパターン生成手段２２１は、投射するフリンジパターンの周期を異ならせ、位相算出手段２２２は、各周期に対して同様に各画素に対する位相を算出する。そして、キャリブレーション処理手段２２５は、算出された位相と、基準ゲージ２００における参照面２０３の高さとを関連付けた関係データを生成する。
このようなキャリブレーション方法では、例えば、基準ゲージ２００を載置するステージ１０をｚ軸方向に移動させることなく、簡素な構成で関係データを、迅速に取得することができる。
【００４７】
また、参照面２０３は高さが異なる複数の段差面２０２を備えており、これらの段差面２０２の高さがそれぞれ既知となる。すなわち、各段差面２０２が、高さが既知となる基準点となり、位相算出手段２２２は、この基準点における位相を算出する。
このような構成では、撮像画像において、基準点における画素位置が容易に判別できるので、キャリブレーション処理のさらなる高速化を図れる。
【００４８】
本実施形態では、キャリブレーション処理において、参照面２０３の高さが単調増加し、位相が２πから０に変化した際に、算出された位相に対して２ｋπを加算する。
このため、基準ゲージ２００の高さに対して、２ｋπの不定性を除外した絶対位相を関連付けることができる。
【００４９】
本実施形態では、測定対象に対して複数の周期のフリンジパターンを、それぞれ位相をずらして複数回投射し、各々に対する撮像画像を取得する。そして、位相算出手段２２２は、各周期のフリンジパターンの撮像画像に対して、各画素の位相を算出し、候補取得手段２２３は、算出された位相と関係データとに基づき、位相に対する高さ候補を抽出する。そして、高さ決定手段２２４は、これらの高さ候補の差が最小となる組み合わせを抽出し、フリンジパターンの周期が低い一方の高さ候補を、その画素における高さ（ｚ座標）として決定する。
これにより、複雑な計算を実施することなく、容易に測定対象の各部の高さを測定することができる。また、周期が小さいフリンジパターンを用いた位相シフト法を用いるため、測定精度の向上を図ることができる。
【００５０】
［変形例］
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、上記実施形態において、基準ゲージ２００として、参照面２０３が複数の段差面２０２を有する例を示したがこれに限定されない。例えば、図１３に示すように、底面２０１に対して所定の傾斜角で傾斜した参照面２０４を備える構成としてもよい。ここで、基準ゲージ２００Ａにおいて、参照面２０４の傾斜角度が既知であり、参照面２０４の任意の位置における底面２０１からの高さ（ｚ軸方向の寸法）は容易に算出可能となる。
また、図１３に示すように、参照面２０４に対して、基準点であるマーカー２０５が複数設けられる構成としてもよい。これらのマーカー２０５は、底面２０１からの高さが既知であり、所定高さ間隔（例えば１ｍｍ間隔）で設けられている。
【００５１】
上記実施形態では、位相を２回ずらし、位相の異なる３つのフリンジパターンから位相を算出する例を示したが、例えば位相を３回以上ずらし、位相がそれぞれ異なるより多くのフリンジパターンから位相を算出してもよい。
【００５２】
参照面２０３において、ｚ座標が変化する高さ変化方向（段差方向や傾斜方向）を検出する検出センサーを備える構成とし、フリンジパターン生成手段２２１は、検出された高さ変化方向を第一方向とするフリンジパターンを生成して、パターン投射部１１から照射させる処理をしてもよい。
この場合、位相算出手段２２２による位相走査方向も自動的に第一方向に沿った方向に変更することが好ましい。
また、第一方向として、ｘ軸方向に限定されず、例えばｘ軸に対して交差（例えば４５度等）傾斜する軸方向としてもよい。このような方向において、参照面２０３の高さが変化するため、上記実施形態と同様の方法によりキャリブレーション処理を実施できる。
【００５３】
その他、本発明の実施の際の具体的な構造は、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造等に適宜変更できる。
【符号の説明】
【００５４】
１…形状測定装置、１１…パターン投射部（パターン投射手段）、１２…撮像部（撮像手段）、２０…測定制御部、２１…記憶部（データ記憶手段）、２２…制御部、２００，２００Ａ…基準ゲージ、２０１…底面（基準平面）、２０２（２０２Ａ，２０２Ｂ，２０２Ｃ）…段差面、２０３，２０４…参照面、２０５…マーカー（基準点）、２２１…フリンジパターン生成手段、２２２…位相算出手段（位相取得手段）、２２３…候補取得手段、２２４…高さ決定手段、２２５…キャリブレーション処理手段。
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１】
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