(57)【要約】【課題】  従来技術によるモアレ法は、モアレパターンから等高線を求めるために複雑な演算を行う必要があった。【解決手段】  本発明に係る測定装置は、被測定物の形状を測定する測定装置であって、被測定物を沈める所定量の液体を保持する液体保持部と、前記被測定物と前記液体とに光を照射する光源と、前記被測定物と前記液体との境界線を検出する検出部と、前記検出部の検出結果に基づいて、前記被測定物の形状を測定する形状測定部とを設けた。【選択図】    図１
2008164573.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物の形状を測定する測定装置であって、
被測定物を沈める所定量の液体を保持する液体保持部と、
前記被測定物と前記液体とに光を照射する光源と、
前記被測定物と前記液体との境界線を検出する検出部と、
前記検出部の検出結果に基づいて前記被測定物の形状を測定する形状測定部と
を備えることを特徴とする測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の測定装置において、
前記被測定物と前記液体保持部とを前記検出部の方向に相対移動させる移動部をさらに備え、
前記形状測定部は、前記被測定物と前記液体保持部との相対位置を変化させた時の前記検出部の検出結果に基づいて、前記被測定物の３次元形状を測定すること
を特徴とする測定装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の測定装置において、
前記液体保持部が保持する液体の液面位置を管理する液体管理部を設けたこと
を特徴とする測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載の測定装置において、
前記液体管理部は、前記液体保持部が保持する液体の液面位置を一定に保つこと
を特徴とする測定装置。
【請求項５】
請求項３に記載の測定装置において、
前記液体管理部は、前記液体保持部が保持する液体の液面位置を検知し、該液面位置を前記形状測定部に出力すること
を特徴とする測定装置。
【請求項６】
請求項３に記載の測定装置において、
前記液体管理部は、前記液体保持部の液面上方にあって、かつ前記液面と平行に配置されたオートフォーカス部を有し、
前記オートフォーカス部は、前記移動部の動作に応じて変化する液面位置を検知し、該液面位置を前記形状測定部に出力すること
を特徴とする測定装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の測定装置において、
前記液体を有色の液体とすること
を特徴とする測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体の三次元形状を測定する測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、等高線を利用して物体の三次元形状を測定する方法として、モアレ法が知られている。モアレ法は、照明装置から縞パターンを物体に投影し、さらに別の縞パターンを介して観測されるモアレパターンから、物体形状に沿った等高線を求め、物体の三次元形状を得る方法である（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１０−２０６１３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来技術によるモアレ法は、モアレパターンから等高線を求めるために複雑な演算を行う必要があった。また、専用の照明装置も必要で、構成が複雑となり、装置コストが高くなるという問題があった。
本発明の目的は、液体を用いた簡易な構成で物体の三次元形状を測定できる測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明に係る測定装置は、被測定物の形状を測定する測定装置であって、被測定物を沈める所定量の液体を保持する液体保持部と、前記被測定物と前記液体とに光を照射する光源と、前記被測定物と前記液体との境界線を検出する検出部と、前記検出部の検出結果に基づいて前記被測定物の形状を測定する形状測定部とを備えることを特徴とする。
さらに、前記被測定物と前記液体保持部とを前記検出部の方向に相対移動させる移動部をさらに備え、前記形状測定部は、前記被測定物と前記液体保持部との相対位置を変化させた時の前記検出部の検出結果に基づいて、前記被測定物の３次元形状を測定することを特徴とする。
【０００５】
また、前記液体保持部が保持する液体の液面位置を管理する液体管理部を設けたことを特徴とする。
特に、前記液体管理部は、前記液体保持部が保持する液体の液面位置を一定に保つことを特徴とする。
或いは、前記液体管理部は、前記液体保持部が保持する液体の液面位置を検知し、該液面位置を前記形状測定部に出力することを特徴とする。
【０００６】
または、前記液体管理部は、前記液体保持部の液面上方にあって、かつ前記液面と平行に配置されたオートフォーカス部を有し、前記オートフォーカス部は、前記移動部の動作に応じて変化する液面位置を検知し、該液面位置を前記形状測定部に出力することを特徴とする。
特に、前記液体を有色の液体とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る測定装置は、液体を用いて簡易な構成で物体の外側形状を得ることができ、複雑な演算を行うことなく、被測定物の三次元形状を測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照して本発明の各実施形態について詳しく説明する。
（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態に係る三次元形状測定装置１０１のブロック図である。三次元形状測定装置１０１は、立体状の被測定物の所定の高さ毎に外側形状を測定して等高線を求め、求めた等高線を合成することによって物体の三次元形状を構築する装置で、光源１０２と、水槽１０３と、液体１０４と、Ｚ軸ステージ本体１０５および移動ステージ１０６と、移動ステージ１０６の上に固定された被測定物１０７と、撮像部１０８と、画像処理部１０９と、液面計１１０と、パソコン１１１とで構成される。
【０００９】
図１（ａ）および（ｂ）は、Ｚ軸ステージ本体１０５と移動ステージ１０６を動作させた時の様子を示した図で、同図（ｂ）は移動ステージ１０６を上げて被測定物１０７の低い位置の外側形状を測定する場合、同図（ａ）は移動ステージ１０６を下げて被測定物１０７の高い位置の外側形状を測定する場合をそれぞれ示している。
水槽１０３の上面にある光源１０２から照射された光は、水槽１０３の液体１０４の液面および液面から突出した被測定物１０７を照射する。液体１０４の液面および液面から突出した被測定物１０７で反射した光は、点線１５１で示すように、撮像部１０８の受光面（不図示）に結像される。
【００１０】
尚、図１の光学系は図２のように構成される。図２において、例えば、液体１０４の液面と被測定物１０７の境界部分で反射された光は、点線で示したように、対物レンズ１１６，結像絞り１１７および結像レンズ１１８を通って、撮像部１０８の受光面に境界線として結像される。図１と同じ符号は同じものを示す。
図１の撮像部１０８の受光面に結像された光は画像信号に変換され、ケーブル１１２を介して画像処理部１０９に出力される。
【００１１】
ここで、撮像部１０８の受光面と、液体１０４は光学的に共役であり、液面の一部である被測定物１０７との境界も共役になっており、これら２ヶ所で焦点が合う状態になっている。尚、被測定物１０７の高さによって焦点のずれが予測されるが、図２の開口絞り１１７のＮＡ（Ｎumerical Ａperture：開口数)を小さくして焦点深度を深くすることで、被測定物１０７の高さの変動範囲内で焦点のずれをなくすことができる。
【００１２】
一方、開口絞り１１７の開口（ＮＡ）を大きくすることにより測定精度を向上することができる。
水槽１０３の液体１０４は、移動ステージ１０６に固定された被測定物１０７が十分水没する所定量があり、移動ステージ１０６を上げると、被測定物１０７が液体１０４の水面上に突出する。尚、移動ステージ１０６の位置によって、被測定物１０７の水面下にある部分の体積が変化するので、液体１０４の水面位置も上下する。
【００１３】
液面計１１０は、この水面位置を検知し、画像処理部１０９に出力する。尚、液面計は、例えば、水槽１０３の内側に２つ導電体を平行かつ垂直に塗布しておき、液体１０４に浸かっている部分の位置と２つの導電体間の抵抗を予め計測しておくことで、抵抗の変化から液面の位置を検知することができる。また、静電容量方式の液面センサーを水槽１０３の外壁または液体１０４内に用いることができる。
【００１４】
画像処理部１０９は、撮像部１０８の受光面に結像された画像データを受け取ると共に、ケーブル１１３を介して接続されているＺ軸ステージ本体１０５に指令を送り、被測定物１０７を載せた移動ステージ１０６を撮像部１０８方向に所定ピッチで上下させる。つまり、被測定物１０７と液体１０４の液面との相対位置を変化させる。そして、移動ステージ１０６の所定位置毎に撮像部１０８から画像データを入力し、同時に液面計１１０から液面位置も入力する。さらに、入力した画像データを処理して、所定位置における被測定物１０７と液体１０４の液面との境界部分の外側形状（等高線に相当）を抽出する。例えば、計測時の移動ステージ１０６の上面位置がＺ軸ステージ本体１０５の底面（水槽１０３の底）からの高さがＺ１で、液面計１１０が検知した水槽１０３の底からの高さがＬ１だったとすると、計測時の被測定物１０７の高さは、（Ｌ１−Ｚ１）で求められる。このようにして、被測定物１０７の高さ毎の等高線を求め、これらの等高線を合成することによって、被測定物１０７の三次元形状データを計測することができる。画像処理部１０９が計測した三次元形状データは、ケーブル１１５を介してパソコン１１１に出力され、パソコン１１１の画面に三次元形状が表示される。
【００１５】
次に、三次元形状測定装置１０１の測定の流れについて、図３のフローチャートを用いて説明する。
（ステップＳ２０１）先ず、被測定物１０７を移動ステージ１０６にセットする。
（ステップＳ２０２）次に、移動ステージ１０６の測定レンジ（移動範囲）や測定ピッチ（移動ピッチ）などの測定仕様をパソコン１１１から入力する。パソコン１１１で入力された測定仕様は、ケーブル１１５を介して画像処理部１０９に出力され、画像処理部１０９はケーブル１１３を介してＺ軸ステージ本体１０５に対して、移動ステージ１０６を初期位置に移動するよう指令する。例えば、図１（ａ）に示すような最下点に移動ステージ１０６を移動する。
（ステップＳ２０３）移動ステージ１０６の現在位置で光源１０２から光を照射し、撮像部１０８で画像を撮影する。
（ステップＳ２０４）画像処理部１０９は、撮像部１０８の受光面で受光した画像をケーブル１１２を介して入力し、被測定物１０７と液体１０４の液面との境界線を抽出する。同時に、液面計１１０から液体１０４の液面位置を入力し、先に説明したように被測定物１０７の高さを求め、抽出した境界線の画像と対応づけて記憶する。
（ステップＳ２０５）測定仕様に従って、測定が完了したか否かを判断する。例えば、移動ステージ１０６が移動範囲の終了位置に達していない場合はステップＳ２０６に進み、終了位置に達している場合はステップＳ２０７に進む。
（ステップＳ２０６）移動ステージ１０６を設定された測定ピッチに従って、次の測定位置まで移動してステップＳ２０３に戻り、当該位置での測定を行う。
（ステップＳ２０７）移動ステージ１０６が移動範囲の終了位置に達して測定を終了した場合は、ステップＳ２０４で記憶しておいた境界線の画像と被測定物１０７の高さデータから、被測定物１０７の高さ毎の等高線を求め、これらの等高線を合成して三次元形状データを作成する。
【００１６】
ここで、三次元形状データの作成方法について、図４を用いて説明する。同図（ａ）は移動ステージ１０６上に置かれた被測定物１０７の等高線ｇ１，ｇ２およびｇ３を示しており、移動ステージ１０６の上面から高さｈ１，ｈ２およびｈ３の位置にある。尚、高さｈ１，ｈ２およびｈ３は、先に説明したように、液面計１１０が検知した液体１０４の液面位置と、移動ステージ１０６の上面位置から算出した被測定物１０７の高さを意味する。
【００１７】
例えば、移動ステージ１０６を上下させて、被測定物１０７の高さｈ１の部分に液体１０４の液面がきた時に撮像部１０８で撮影した画像は、図４（ｂ）のような等高線ｇ１になる。尚、実際には、撮像部１０８の受光部はマトリクス状に配置された画素で構成されるので、同図のように多数の点として得られる。同様に、高さｈ２の部分に液体１０４の液面がきた時に撮像部１０８で撮影した場合は、図４（ｃ）のような等高線ｇ２が得られる。さらに、高さｈ３の部分に液体１０４の液面がきた時に撮像部１０８で撮影した場合は、図４（ｄ）のような等高線ｇ３が得られる。これらの等高線ｇ１，ｇ２およびｇ３を合成すると図４（ｅ）のようになり、さらに、高さｈ１，ｈ２およびｈ３の高さ情報と合わせて三次元表示すると、図４（ｆ）のような被測定物１０７の三次元形状データが得られる。尚、ここでは３つの等高線を用いて説明したが、実際には同図の点線のように測定ピッチの狭い多数の等高線を合成することによって、高精度な被測定物１０７の三次元形状１０７ａを構築することができる。
【００１８】
さて、図３のフローチャートに戻って説明を続ける。
（ステップＳ２０８）画像処理部１０９で作成された三次元形状データは、ケーブル１１５を介してパソコン１１１に出力され、パソコン１１１の画面に表示される。
（ステップＳ２０９）必要に応じて、パソコン１１１では、キーボードやマウスを操作して、画面に表示されている被測定物１０７の任意の位置を指定して、画像処理部１０９から受け取った被測定物１０７の三次元形状データから大きさや長さを求めて表示する。
（ステップＳ２１０）全ての計測を終了する。
【００１９】
このようにして、所定ピッチで移動ステージ１０６を上下させながら被測定物に光が当たっている部分の外側形状を抽出し、同時に液面計１１０によって液面位置を検知して、被測定物１０７の高さを求め、これらを高さ毎に合成することによって、被測定物１０７の三次元形状を測定することができる。
尚、本実施形態では、画像処理を行う画像処理部１０９と、三次元形状測定装置１０１全体の操作や測定結果の表示を行うパソコン１１１とを別々に設けたが、パソコン１１１に画像処理部１０９のハードウェアおよびソフトウェアを内蔵するようにしても構わない。或いは、逆に画像処理部１０９に操作部や表示部を設けて、三次元形状測定装置１０１専用の制御部としても構わない。
【００２０】
また、本実施形態では、液面計１１０を設けて、液体１０４の液面位置を検知するようにしたが、例えば、赤外線のオートフォーカス（ＡＦ）部を設置して液面までの距離を計測し、水槽１０３の底からＡＦ部までの距離から計測した液面までの距離を引き算することによって、被測定物１０７の液面までの高さを求めることができる。或いは、水槽１０３の大きさを被測定物１０７の大きさに比べて無視できるほど大きくすることで、液面計１１０を省略しても構わない。
【００２１】
または、液体１０４の液面位置が一定になるように、入排水ポンプを設けて、被測定物１０７が液体１０４内に水没している部分の体積に依らず、液体１０４の液面位置が一定になるようにしても構わない。逆に、移動ステージ１０６を固定ステージにして、入排水ポンプで液体１０４の量を可変して液面位置を制御し、所定のピッチで液面位置を上下させて同様の測定を行うことも可能である。
【００２２】
また、本実施形態では移動ステージ１０６を最下点に下げた場合でも被測定物１０７が液体１０４から突出している場合を示したが、移動ステージ１０６を最下点に下げた場合に被測定物１０７が液体１０４に沈んでいても構わない。その場合は、移動ステージ１０６を最下点から徐々に上昇させ、被測定物１０７の一部が液体１０４から突出したことを検出して、その部分を被測定物１０７の上端とすればよい。
【００２３】
さらに、本実施形態では、液体１０４の色に関しては特に説明しなかったが、液体１０４に色を付けるようにすれば、被測定物１０７との境界を抽出し易くなる。例えば、図４（ｂ），（ｃ）および（ｄ）において、被測定物１０７の色が赤色を含まない色の場合、液体１０４の色を赤色にすることで、赤い色とそれ以外の色の境界部分を抽出するだけでよい。
【００２４】
このように、本実施形態に係る三次元形状測定装置１０１は、立体状の被測定物１０７の所定の高さ毎に外側形状を測定して等高線を求め、高さを可変しながら測定した高さ毎の等高線を合成することによって物体の三次元形状を構築することができるので、簡易な構成で複雑な演算を行うことなく、高精度な三次元形状測定装置およびその方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１の実施形態に係る三次元形状測定装置１０１の構成図である。
【図２】三次元形状測定装置１０１の光学系を示す補助図である。
【図３】三次元形状測定装置１０１の測定手順を示すフローチャートである。
【図４】三次元形状の構築を説明するための補助図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０１・・・三次元形状測定装置；１０２・・・光源；１０３・・・水槽；１０４・・・液体；１０５・・・Ｚ軸ステージ本体；１０６・・・移動ステージ；１０７・・・被測定物；１０８・・・撮像部；１０９・・・画像処理部；１１０・・・液面計；１１１・・・パソコン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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