(57)【要約】【課題】構造が簡単であって高い精度の測定を行うことができる外観計測装置を提供する。【解決手段】光の強度が周期的に変化する縞状の光パターンＰを計測対象物Ｍの表面上に照射する光パターン照射手段と、この光パターン照射手段からの光パターンＰが照射された計測対象物Ｍの画像を撮影する撮影手段と、計測対象物Ｍと光パターンＰとの相対位置関係を変化させる変位手段とを備えており、撮影手段は光パターンＰの周期と異なる周期の間隔で配置された、上記相対位置関係を変化させる方向と交差する方向に延びる少なくとも３つの撮影範囲を設定することが可能なように構成されており、この撮影手段によって撮影された少なくとも３つの画像上の光の強度分布に基づいて位相シフト法により計測対象物の各部位の高さ情報を得るべく演算する演算手段とを備えてなる。【選択図】  図１
2004226160.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の強度が周期的に変化する縞状の光パターンを計測対象物の表面上に照射する光パターン照射手段と、
上記光パターン照射手段からの光パターンが照射された上記計測対象物の画像を撮影する撮影手段と、
上記計測対象物と上記光パターンとの相対位置関係を変化させる変位手段とを備えており、
上記撮影手段は上記光パターンの周期と異なる周期の間隔で配置された、上記相対位置関係を変化させる方向と交差する方向に延びる少なくとも３つの撮影範囲を設定することが可能なように構成されており、
この撮影手段によって撮影された少なくとも３つの、上記撮影範囲に対応する画像上の光の強度分布に基づいて位相シフト法により上記計測対象物の各部位の高さ情報を得るべく演算する演算手段とを備えてなる、外観計測装置。
【請求項２】
上記撮影手段の撮影範囲が計測対象物の外観形状に応じて設定変更可能に構成されてなる、請求項１記載の外観計測装置。
【請求項３】
上記変位手段が、上記計測対象物に対して上記光パターン照射手段および撮影手段を、または、上記光パターン照射手段および撮影手段に対して上記計測対象物を変位可能に構成されてなる、請求項１または２記載の外観計測装置。
【請求項４】
上記光パターン照射手段の光パターンが上記変位手段の変位方向に沿って正弦波状に光の強度が変化するように構成されてなる、請求項１乃至３のいずれかに記載の外観計測装置。
【請求項５】
上記光パターン照射手段が複数の周期を有する光パターンを照射可能に構成されてなる、請求項１乃至４のいずれかに記載の外観計測装置。
【請求項６】
上記演算手段が、
上記撮影手段によって撮影された画像に基づいて上記複数の周期の光パターンの位相を計算する位相計算手段と、
該位相計算手段によって計算された各位相を接続する位相接続手段とを備えており、
該位相接続手段が、一の周期の光パターンの各位相を参照しながら他の周期の光パターンの各位相を接続するように構成されてなる、請求項５記載の外観計測装置。
【請求項７】
上記演算手段が、上記撮影手段によって撮影された計測対象物の同一部位に対する少なくとも３つの画像上の光の強度分布から該部位の高さ情報を得るべく演算する第１演算処理テーブルをさらに備えてなる、請求項１乃至６のいずれかに記載の外観計測装置。
【請求項８】
上記演算手段が一の周期の光パターンの各位相を参照しながら他の周期の光パターンの各位相を接続するための第２演算処理テーブルをさらに備えてなる、請求項６または７記載の外観計測装置。
【請求項９】
上記演算手段が、該演算手段によって演算された上記計測対象物の高さ情報に基づいて該計測対象物の良否を判定する判定手段をさらに備えており、
該判定手段が、予め設定された基準となる上記計測対象物の各部の高さ情報と、検査対象となる計測対象物を撮影して得られた画像から演算された該計測対象物の各部の高さ情報との相違に基づいて計測対象物の良否を判定するように構成されてなる、外観計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、位相シフト法を用いた外観計測装置に関し、特に、自動車部品、半導体電子部品その他の電子部品が実装されたプリント基板、または、プリント基板上に印刷されたクリーム半田などの良否を判定する外観計測装置に関する。なお、本発明に使用する位相シフト法とは、縞状の光パターンの位相を一周期分（−π〜π）だけ変化させながら複数枚の光パターンの画像を撮影し、得られた複数の画像から位相分布を求める公知の方法である。この位相分布から計測対象物の高さ情報が得られる。
【０００２】
【従来技術および発明が解決しようとする課題】
従来より、位相シフト法を用いた立体的な計測対象物の外観形状を計測する種々の外観計測装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
これらの装置は、計測対象物上に縞状の光パターンを照射する照射装置と、縞状の光パターンが照射された計測対象物の画像を撮影する撮影装置と、この撮影装置によって撮影された画像に基づいて計測対象物の外観形状を演算する演算装置とを備える。このうち撮影装置には、通常、ＣＣＤ（固体撮像素子）イメージセンサを用いたラインセンサカメラ、または、公知の画像処理装置であるエリアセンサカメラが用いられているが以下のような課題がある。
【０００４】
エリアセンサカメラを使用する場合、撮影装置が１つのエリアセンサカメラを備え、照射装置に光パターンを移動させるための移動格子を取り付け、光パターンを計測対象物に対して移動させることによって撮影装置が計測対象物の同一部位に対する少なくとも３つの画像を撮影するように構成されているので、機械的な構造が複雑となっている。また、エリアセンサカメラにおいては、計測対象物の所定の部位の画像で処理が行える位相シフト法の場合でも、計測対象物の外観形状の検査に不要な撮影範囲に写っている全ての画像を取り込まなければならないので、撮影および演算処理に時間がかかるという課題がある。
【０００５】
一方、ラインセンサカメラは計測対象物の外観検査に必要な部位のみ撮影し、上記エリアセンサカメラのように計測対象物の外観形状の検査に不要な画像を取り込まないので演算処理の時間が短くなる。しかしながら、その構成として、例えば、撮影装置が少なくとも３つのラインセンサカメラを備え、計測対象物を光パターンに対して移動させることによって撮影装置が計測対象物の同一部位対する少なくとも３つの画像を撮影するように構成されるか、撮影装置が少なくとも３つの画像を同一の感度で撮影することができる特殊な１つのラインセンサカメラを備え、計測対象物を光パターンに対して移動させることによって撮影装置が計測対象物の同一部位に対する少なくとも３つの画像を撮影するように構成されるので、ラインセンサカメラ本体の構造が複雑となる。また、測定精度を向上させるためにより多くのラインセンサカメラを設置して多くの画像を得ることが望ましいが、機械的な構造が複雑になること、および、４つ以上の画像を同一の感度で撮影することができる１つのラインセンサカメラが存在しないことから、ラインセンサカメラの設置個数が制限され、高い測定精度を得ることが難しいという課題がある。
【０００６】
本発明は、以上の課題を解決するためになされたものであり、構造が簡単であって高い精度の測定を行うことができる外観計測装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−８１９２４号公報（第４−５、第１図）
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る外観計測装置は、上記の課題を解決するために、光の強度が周期的に変化する縞状の光パターンを計測対象物の表面上に照射する光パターン照射手段と、光パターン照射手段からの光パターンが照射された計測対象物の画像を撮影する撮影手段と、計測対象物と光パターンとの相対位置関係を変化させる変位手段とを備えており、撮影手段は光パターンの周期と異なる周期の間隔で配置された、上記相対位置関係を変化させる方向と交差する方向に延びる少なくとも３つの撮影範囲を設定することが可能なように構成されており、撮影手段によって撮影された少なくとも３つの、この撮影範囲に対応する画像上の光の強度分布に基づいて位相シフト法により計測対象物の各部位の高さ情報を得るべく演算する演算手段とを備えてなる。
【０００９】
この構成によれば、撮影手段の撮影範囲の設定を変更するだけで位相シフト法に必要な計測対象物の同一部位に対する少なくとも３つの光の強度（位相）の異なる光パターンが照射された場合の画像を得ることができる。従って、本発明に係る外観計測装置を用いれば、従来のラインセンサカメラを使用する場合のように構造が複雑にならない。また、撮影手段の撮影範囲を設定変更することにより撮影範囲の数を簡単に増やすことができる。これにより、計測対象物の同一部位に対する多くの画像を得ることが可能となる。そして、演算手段ではこれら多くの画像に基づいて計測対象物の高さが演算されるので、これにより得られた高さ情報は精度の高いものになる。なお、撮影手段としては、例えばＣＭＯＳ（相補性金属酸化膜半導体）イメージセンサが使用される。
【００１０】
上記撮影手段の撮影範囲が計測対象物の外観形状に応じて設定変更可能に構成されてもよい。この構成では、撮影手段の撮影範囲が設定変更可能であるので、計測対象物の計測寸法に応じて拡大または縮小することが可能である。従って、大きな計測対象物の高さを計測する場合であっても、１つの撮影装置で対応することができるので構造が簡単になる。また、小さな計測対象物にあっては計測に不要な撮影を防止することができるので、演算手段の処理速度を向上させることが可能となる。
【００１１】
上記変位手段が、計測対象物に対して光パターン照射手段および撮影手段を、または、光パターン照射手段および撮影手段に対して計測対象物を変位可能に構成されてもよい。これにより、従来の、光パターン照射手段に移動格子を取り付けて光パターンを計測対象物に対して移動させる場合に比べて構造が簡単になる。
【００１２】
上記光パターン照射手段の光パターンが、上記変位手段の変位方向に沿って正弦波状に光の強度が変化するように構成されてもよい。これにより、位相シフト法による高さ情報を得るための演算を簡易なものとすることができ、演算手段の処理速度を速くすることも可能となる。
【００１３】
上記光パターン照射手段が、複数の周期を有する光パターンを照射可能に構成されてもよい。この構成では、各周期の光パターンの一周期から得られる情報量が同じである場合、複数の周期を有する光パターンのうち短周期の光パターンによる高さ情報の分解能（計測精度）は長周期の光パターンより高くなる。従って、これらの高さ情報を組み合わせることにより互いに高さ情報を補間することが可能となる。これにより、複雑な形状の計測対象物であっても計測対象物の高さを精度良く計測することができる。
【００１４】
上記演算手段が、撮影手段によって撮影された画像に基づいて上記複数の周期の光パターンの位相を計算する位相計算手段と、該位相計算手段によって計算された各位相を接続する位相接続手段とを備えており、該位相接続手段が、一の周期の光パターンの位相を参照しながら他の周期の光パターンの位相を接続するように構成されてもよい。
【００１５】
この構成では、短周期（一の周期）の光パターンの位相を参照しながら長周期（他の周期）の光パターンの位相を接続したり、長周期の光パターンの位相を参照しながら短周期の光パターンの位相を接続することができる。これにより、段差などの不連続部分のある計測対象物であっても光パターンの位相接続を適切に行うことができ、計測対象物の正確な高さ情報を求めることができる。これは、光パターンの周期が異なるため計測対象物の段差部分で短周期の光パターンの位相が重なり合っても（いわゆる、位相飛びを起こしても）長周期の光パターンの位相が同時に重なり合うことがないことによる。
【００１６】
上記演算手段が、撮影手段によって撮影された計測対象物の同一部位に対する少なくとも３つの画像上の光の強度分布から該部位の高さ情報を得るべく演算する第１演算処理テーブルをさらに備えるように構成されてもよい。この構成では、第１演算処理テーブルを参照することにより計測対象物の各部位の高さ情報を得ることができる。従って、高さ情報を迅速に得ることが可能となる。
【００１７】
上記演算手段が、一の周期の光パターンの各位相を参照しながら他の周期の光パターンの各位相を接続するための第２演算処理テーブルをさらに備えてもよい。この構成では、第２演算処理テーブルを参照することにより位相接続を正確に、かつ、迅速に行うことができる。これにより、正確な高さ情報を迅速に得ることが可能となる。
【００１８】
上記演算手段が該演算手段によって演算された計測対象物の高さ情報に基づいて該計測対象物の良否を判定する判定手段をさらに備えており、該判定手段が、予め設定された基準となる計測対象物の各部の高さ情報と、検査対象となる計測対象物を撮影して得られた画像から演算された該計測対象物の各部の高さ情報との相違に基づいて計測対象物の良否を判定するように構成されてもよい。
【００１９】
この構成では、判定手段を備えるので計測対象物の良否を簡単に判定することができる。なお、基準となる計測対象物Ｍの各部位の高さ情報として、撮影装置により予め撮影された基準となる計測対象物の画像情報、基準となる計測対象物のＣＡＤ（コンピュータ支援設計）変換データ、または、ユーザによる入力データなどに基づいて予め演算され設定されたものを使用する。従って、計測対象物の設計変更などにも極めて簡単に対応することが可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２１】
図１は、本発明の実施形態に係る外観計測装置の構成を示すブロック図である。
この外観計測装置は、縞状の光パターンＰを計測対象物Ｍの表面上に照射する光パターン照射装置１と、この光パターン照射装置１からの光パターンＰが照射された計測対象物Ｍの画像を撮影する撮影装置２と、この撮影装置２によって撮影された画像に基づいて位相シフト法により計測対象物Ｍの各部位の高さ情報を得るべく演算する演算処理装置３と、計測対象物Ｍと光パターンＰとの相対位置関係を変化させる変位装置Ｔとを備えている。
【００２２】
この変位装置Ｔは、計測対象物Ｍを搭載するテーブル４と、このテーブル４を一方向（図１の矢符Ｘ方向）に所定の速度で直線移動させる駆動機構５と、この駆動機構５を駆動させるモータ６と、このモータ６に電源を供給し駆動させるモータ駆動装置７とを備える。
【００２３】
テーブル４はリニアガイド（図示せず）によって水平に支持されたスライダなどからなる。駆動機構５はボールねじまたはベルトなどからなり、テーブル４とモータ６とを連結してモータ６の回転動作をテーブル４の直線移動に変えるため使用される。従って、モータ６の駆動によりテーブル４に搭載された計測対象物Ｍは一方向に直線移動させることが可能となる。なお、モータ６として位置決めが容易なサーボモータなどを使用することが望ましい。また、テーブル４はリニアモータによって直線移動させるように構成されてもよい。
【００２４】
光パターン照射装置１は格子投影器であり、テーブル４の表面の法線方向に対して計測対象物Ｍの移動方向に所定の角度だけ傾斜させた方向（図１の矢符Ｌ方向）、すなわち、計測対象物Ｍの移動方向側の斜め上方から計測対象物Ｍの表面に光パターンＰを照射するように配置されている。光パターンＰはレーザ干渉縞などである。
【００２５】
図２は光パターン照射装置からテーブル上に照射された光パターンの一例を示している。図示するように光パターンＰは計測対象物Ｍの移動方向に縞状に配され、全体が楕円形状をなしている。なお、ここでは、光パターンＰの形状を楕円形状にしているがこれに限定するものではない。例えば、矩形状であっても構わない。これにより、光パターンＰを照射する範囲を拡大することができる。この縞状の光パターンＰは計測対象物Ｍの移動方向に対して後側半分の部分には周期（ピッチ）Ｐ１の第１光パターンＰＰ１が形成され、前側半分の部分には周期（ピッチ）Ｐ２の第２光パターンＰＰ２が形成されている。ここでは、Ｐ２＝Ｐ１ｘ８になるように設定されている。このように複数の周期Ｐ１、Ｐ２の光パターンＰを用いるのは、計測対象物Ｍの形状変化が大きい場合にもその形状を精度良く求めるためである。詳細は後述する。
【００２６】
なお、ここでは、２つの周期Ｐ１、Ｐ２の光パターンＰを設定しているが、計測対象物Ｍの形状に応じて１または３以上の周期の光パターンＰを設定しても構わない。具体的には、例えば、計測対象物Ｍの形状変化が緩やかな場合には１つの周期の光パターンＰを使用し、計測対象物Ｍの形状変化が急激である場合（例えば、段差がある場合）には複数の周期の光パターンＰを使用する。
【００２７】
また、図示されていないが光パターンＰは位相シフト法による高さ情報の演算を簡易にするため一周期で光の強度が正弦波状に変化するように設定されている。
【００２８】
撮影装置２は、テーブル４の上方に、テーブル４に対向して配置され、図２に示すように予め設定された所定の撮影範囲２０を撮影することができるようになっている。この撮影範囲２０は計測対象物Ｍの形状に応じて適宜設定される。
【００２９】
また、この撮影範囲２０内には、上記光パターンの周期Ｐ１、Ｐ２とそれぞれ異なる周期の間隔で配置された、計測対象物Ｍの移動方向に対して交差する方向に延びる少なくとも３つの撮影範囲が設定されている。
【００３０】
そして、撮影装置２は、計測対象物Ｍの表面上の同一部位が各撮影範囲の真下にきたときに計測対象物Ｍの表面上の同一部位を撮影するように構成されている。そのため、撮影装置２は、計測対象物Ｍの移動に同期して予め設定された回数の撮影を行うことができるように構成されている。詳細は後述する。これにより、計測対象物Ｍの同一部位に異なる光パターンＰが照射された少なくとも３つの画像を撮影することができる。
【００３１】
以上のような撮影装置２として、例えばＣＭＯＳ（相補性金属酸化膜半導体）イメージセンサが使用される。このＣＭＯＳイメージセンサカメラでは、撮影範囲を任意に設定することができるので、撮影範囲の数は３つに限定されることはない。従って、計測対象物Ｍの外観形状（高さ）の測定精度を向上させるためにさらに多くの撮影範囲を設定することも可能である。
【００３２】
演算処理装置３は、入力部３０、演算部３１、記憶部３２、および出力部３３を備えており、これらは配線を介してそれぞれ接続されている。また、演算処理装置３は、撮影装置２の撮影画像取込開始信号を出力するカウント比較装置８と、テーブル４の位置を決める位置決め装置９とにそれぞれ配線を介して接続されている。また、上述したモータ６にはテーブル４の現在位置を計測するための位置センサ９ａが取り付けられており、この位置センサ９ａは位置決め装置９に配線を介して接続されている。
【００３３】
入力部３０は撮影装置２およびカウント比較装置８に接続されており、撮影装置２からの画像情報、および、カウント比較装置８からの画像取込開始情報が入力されるようになっている。入力部３０には、論理回路からなる演算処理テーブル３０ａが組み込まれている。この演算処理テーブル３０ａは撮影装置２からの画像情報に基づいて計測対象物Ｍの各部位の高さ情報を得るべく演算する機能などを備える。さらに、入力部３０は演算処理テーブル３０ａで得られた高さ情報を演算部３１に出力可能に接続されている。なお、ここでは、入力部３０が演算処理テーブル３０ａを備えるが、演算処理テーブル３０ａを記憶部３２に設けてもよい。
【００３４】
演算部３１はマイクロプロセッサを主体に構成されており、記憶部３２はリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を含み、演算部３１の動作手順を規定するプログラム、または、演算部３１によって処理されるべきデータを記憶する。
【００３５】
演算部３１は、計測対象物Ｍの移動と撮影装置２の撮影とを同期させるため予め記憶部３２に記憶されたテーブル４の移動位置および移動速度を出力部３３を介して位置決め装置９に送信するように構成されている。この位置決め装置９は、受信したテーブル４の移動位置をモータ駆動装置７に送信するように構成されている。これにより、位置決め装置９からのテーブル４の移動位置および移動速度に基づいてモータ駆動装置７はモータ６を駆動させ、これによってテーブル４は駆動機構５を介して一方向に移動せしめられる。
【００３６】
同時に、演算部３１は、計測対象物Ｍの移動と撮影装置２の撮影とを同期させるため予め記憶部３２に記憶された画像取込開始位置を出力部３３を介してカウント比較装置８に送信するように構成されている。このカウント比較装置８は、画像取込開始位置と、位置センサ９ａから位置決め装置９を介して送信された移動中のテーブル４の現在位置とを比較して、テーブル４の現在位置が画像取込開始位置と一致したときに上記入力部３０に画像取込開始情報を出力するようになっている。これにより、演算部３１が前記画像取込開始情報に基づいて撮影装置２からの画像情報を入力部３０に取込開始させる。
【００３７】
以上のように計測対象物Ｍの移動と撮影装置２の撮影とを同期させることにより計測対象物Ｍの表面上の所定の部位と撮影した画像情報との対応付けがなされる。
【００３８】
また、演算部３１は、上記演算処理テーブル３０ａからの計測対象物Ｍの各部位の高さ情報と、基準となる計測対象物Ｍの各部位の高さ情報とを比較して、これらの差が所定の値を超えるか否かによって計測対象物Ｍの良否を判定するように構成されている。この判定結果は表示装置（図示せず）などに表示されるようになっている。なお、基準となる計測対象物Ｍの各部位の高さ情報は、撮影装置２により予め撮影された基準となる計測対象物Ｍの画像情報、基準となる計測対象物のＣＡＤ（コンピュータ支援設計）変換データ、または、ユーザによる入力データなどに基づいて演算されており記憶部３２に記憶されている。
【００３９】
以上のように構成された外観計測装置の作用について図３〜図６を用いて説明する。なお、本実施形態では外観計測装置に使用される演算処理装置３は８ビット（２５６個）の高さ情報を処理することができるものとする。ただし、この情報量は計測対象物Ｍの外観形状を計測する精度、計測処理速度または設備費用などに応じて適宜設定されるものであり、この数値に限定されるものではない。
【００４０】
図３は光パターン照射装置から計測対象物に光パターンが照射される状態を模式的に示す側面図である。図示するように、まず、光パターン照射装置１より異なる２つの周期Ｐ１、Ｐ２の光パターンＰ（図２参照）がテーブル４の表面の法線方向に対して計測対象物Ｍの移動方向に所定の角度αだけ傾斜させた方向から計測対象物Ｍに照射される。上述したように異なる周期Ｐ１、Ｐ２はＰ２＝Ｐ１ｘ８に設定されている。具体的に、例えば、Ｐ１＝１ｍｍとするとＰ２＝８ｍｍとなる。なお、ここでは、Ｐ２＝Ｐ１ｘ８に設定されているが、計測対象物Ｍの形状に応じてＰ２＝Ｐ１ｘ２からＰ２＝Ｐ１ｘ１２８の間の偶数倍に設定されてもよい。この点に関しては後述する。
【００４１】
撮影装置２は、変位装置Ｔによって一方向（図１のＸ方向）に移動する計測対象物Ｍの表面上の同一部位が予め設定された各撮影範囲２０（図２参照）の真下にきたときに計測対象物Ｍの表面上の同一部位を撮影する。この撮影範囲２０としては、例えば、幅２００ｍｍ、長さ２００ｍｍの計測対象物Ｍを計測する場合には、幅２２０ｍｍ、長さ２０ｍｍ程度に設定される。従って、周期Ｐ１（１ｍｍ）の第１光パターンＰＰ１では撮影装置２によって２０周期分が同時に撮影される。周期Ｐ２（８ｍｍ）の第２光パターンＰＰ２では撮影装置２によって２周期分が同時に撮影される。実際には、このように撮影装置２によって撮影された画像のうち位相シフト法による高さ情報の演算に必要な画像のみを適宜選択し、その画像に基づいて計測対象物Ｍの高さが演算される。
【００４２】
さらに、この撮影範囲には、第１および第２光パターンＰＰ１、ＰＰ２の周期Ｐ１、Ｐ２と異なるように撮影範囲が設定される。上述したように位相シフト法では計測対象物Ｍの同一部位に対する少なくとも３つの光強度の光パターンＰが照射された画像が必要であるので、例えば、光パターンＰの一周期に対してこの撮影範囲を４つ設定すると、Ｐ１＝１ｍｍの第１光パターンＰＰ１では０．２５ｍｍ間隔で撮影範囲が設定され、Ｐ２＝８ｍｍの第２光パターンＰＰ２では２ｍｍ間隔で撮影範囲が設定される。そして、撮影装置２がこの各撮影範囲に対応する計測対象物Ｍの表面上の画像を撮影する。
【００４３】
なお、上述の撮影範囲は一例であり、計測対象物Ｍの形状、光パターンの周期の数、計測対象物Ｍの同一部位に対する光強度の異なる光パターンが照射される画像の数などに応じて適宜設定される。
【００４４】
撮影装置２が撮影した画像は、画像情報として入力部３０に入力される。そして、入力部３０の演算処理テーブル３０ａは画像情報に基づいて位相シフト法により計測対象物Ｍの高さ情報（高さ）を得るべく演算する。
【００４５】
図３を参照して、この計測対象物Ｍの高さＨ１は、下式（数１）より求めることができる。
【００４６】
【数１】
ｔａｎα＝Ｄ１／Ｈ１
なお、Ｄ１は、第１および第２光パターンＰＰ１、ＰＰ２が計測対象物Ｍに照射されるか否かにより第１および第２光パターンＰＰ１、ＰＰ２の縞が計測対象物Ｍの移動方向（図３の矢符Ｘ方向）に変位せしめられる量（第１および第２光パターンＰＰ１、ＰＰ２の位相ずれに対応する変位量）である。この変位量Ｄ１は位相シフト法により求められる。また、αは、テーブル４の表面の法線方向に対する第１および第２光パターンＰＰ１、ＰＰ２の照射角度である。
【００４７】
以上より、（数１）において、例えば、α＝４５°とすると、第１および第２光パターンＰＰ１、ＰＰ２のそれぞれの周期Ｐ１、Ｐ２に対応する計測可能高さＨ１ｍａｘ、Ｈ２ｍａｘは光パターンＰの周期Ｐ１、Ｐ２にそれぞれ等しくなる。その理由は、第１および第２光パターンＰＰ１、ＰＰ２の隣り合う縞が重なる限界の変位量Ｄ１がそれぞれの周期Ｐ１、Ｐ２であり、これを超えると変位した第１および第２光パターンＰＰ１、ＰＰ２の縞が変位する前のどの縞のものに対応するのか区別することができないからである。具体的には、Ｐ１＝１ｍｍの場合、Ｈ１ｍａｘ＝Ｐ１となりＨ１ｍａｘ＝１ｍｍとなる。同様に、Ｐ２＝８ｍｍの場合、Ｈ２ｍａｘ＝Ｐ２となりＨ２ｍａｘ＝８ｍｍとなる。
【００４８】
また、この場合の高さ情報の分解能は、演算処理装置３が光パターンＰの一周期に対して８ビット（２５６個）の高さ情報を処理することができるので、例えば、第１光パターンＰＰ１の分解能Ｈ１ｒｅｓは、Ｈ１ｒｅｓ＝Ｈ１ｍａｘ／２５６＝３．９０６２５マイクロメートルとなる。同様に、第２光パターンＰＰ２の分解能Ｈ２ｒｅｓは、Ｈ２ｒｅｓ＝Ｈ２ｍａｘ／２５６＝３１．２５マイクロメートルとなる。
【００４９】
以上のように第１光パターンＰＰ１を計測対象物Ｍに照射する場合、これに対応する計測可能高さＨ１ｍａｘは小さいが分解能が高くなる。その結果、第１光パターンＰＰ１の周期Ｐ１、すなわち計測可能高さＨ１ｍａｘより測定対象物Ｍの実際の高さの変化量が大きい場合には、上述したように変位量Ｄ１も測定可能高さＨ１ｍａｘを超えるので、第１光パターンＰＰ１の１つの縞が周期Ｐ１を超えて大きく計測対象物Ｍの移動方向に変位して他の縞と重なり合う。これにより、計測対象物Ｍの正確な高さを得ることができない。一方、第２光パターンＰＰ２を計測対象物Ｍに照射する場合、第２光パターンＰＰ２に対応する計測可能高さは大きいがその代わり分解能が低くなる。それゆえ、計測対象物Ｍの全体の外観形状の変化は把握することはできるが精度の高い計測結果を得ることはできない。そこで、本実施形態では、第１および第２光パターンＰＰ１、ＰＰ２を組み合わせることにより、第２光パターンＰＰ２を用いて計測対象物Ｍの全体形状の変化を把握し、第１光パターンＰＰ１を用いて計測精度の向上を図っている。以下、さらに詳細に説明する。
【００５０】
図４（ａ）は、本発明の一実施形態に係る外観計測装置を用いて計測対象物Ｍの一部位の高さを計測して得られた結果の一例を示す図である。図中横軸は第１および第２光パターンＰＰ１、ＰＰ２の周期Ｐ１、Ｐ２にそれぞれ対応する計測対象物Ｍの第１高さ階調Ｈ１ｈｅｘおよび第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘである。この第１および第２高さ階調Ｈ１ｈｅｘ、Ｈ２ｈｅｘはそれぞれ上記変位量Ｄ１から求められるものであり、第１および第２光パターンＰＰ１，ＰＰ２の一周期（−π〜π）の光の強度分布を２５６個に変換した値（０〜２５５）である。縦軸は計測対象物Ｍの高さである。
【００５１】
図４（ａ）に示すように第１光パターンＰＰ１に対応する計測対象物Ｍの高さＨ１２は０〜１ｍｍの間で計測対象物Ｍの移動方向に対して繰り返し変化する。また、これに対応する第１高さ階調Ｈ１ｈｅｘも０〜２５５の間で計測対象物Ｍの移動方向に対して繰り返し変化する。一方、第２光パターンＰＰ２に対応する計測対象物Ｍの高さＨ１３は０〜８ｍｍの間で計測対象物Ｍの移動方向に対して変化する。また、これに対応する第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘも０〜２５５の間で計測対象物Ｍの移動方向に対して変化する。
【００５２】
なお、ここでは、第２光パターンＰＰ２の一周期Ｐ２分のみを示しているが、これも第１光パターンＰＰ１同様、第２光パターンＰＰ２に対応する計測対象物Ｍの高さＨ１３は０〜８ｍｍの間で計測対象物Ｍの移動方向に対して繰り返し変化し、これに対応する第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘも０〜２５５の間で計測対象物Ｍの移動方向に対して繰り返し変化する。また、ここでは、計測対象物Ｍの高さが単調に増加する場合を示している。
【００５３】
図４（ｂ）は図４（ａ）中の破線で示す範囲ＢＢを拡大して示した図である。第１光パターンＰＰ１に対応する計測対象物Ｍの高さＨ１２は第１高さ階調Ｈ１ｈｅｘの増加に従って増加する。そして、第１高さ階調Ｈ１ｈｅｘが２５５になったときに計測対象物Ｍの高さＨ１２が１ｍｍになり、これを超えると第１高さ階調Ｈ１ｈｅｘが０になり計測対象物Ｍの高さＨ１２も０ｍｍになる。しかし、これに対応する第２光パターンＰＰ２に対応する計測対象物Ｍの高さＨ１３は、第２光パターンＰＰ２の計測可能高さＨ２ｍａｘが第１光パターンＰＰ１に比べて大きいので第１光パターンＰＰ１のように０ｍｍになることはなく計測対象物Ｍの実際の高さになる。従って、第２光パターンＰＰ２に対応する計測対象物Ｍの高さＨ１３を参照すれば各周期ごとの第１光パターンＰＰ１に対応する計測対象物Ｍの高さＨ１２をそれぞれ正確に接続（位相接続）することが可能となり、これにより計測対象物Ｍの正確な高さを得ることができる。このように計測対象物Ｍの正確な高さを得るためには、正確な位相接続が行われることが重要である。以下に、より具体的に説明する。
【００５４】
図５は、計測対象物Ｍの高さ（例えば、０．０１、０．９８、０．９９、１．００、１．０１および７．９９ｍｍ）に対応する第１および第２高さ階調の演算結果を示す図である。図示するように、第１高さ階調Ｈ１ｈｅｘのみの場合、計測対象物Ｍの高さＨ１２が０．０１ｍｍと１．０１ｍｍとに対応する第１高さ階調Ｈ１ｈｅｘがいずれも２となり区別が付かない。しかしながら、この結果に第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘの結果を反映すると計測対象物Ｍの高さＨ１２が０．０１ｍｍと１．０１ｍｍとに対応する第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘがそれぞれ０および３２となり区別することが可能となる。このようにして正確な位相接続（計測対象物Ｍの高さＨ１２が１．００ｍｍから０．０１ｍｍではなく１．０１ｍｍになる）が実施される。その結果、計測対象物Ｍの正確な高さが求められる。
【００５５】
また、計測対象物Ｍの高さを計測中に誤差が発生することにより計測対象物Ｍの高さＨ１３が０．９９ｍｍで第１高さ階調Ｈ１ｈｅｘ＝２５３、第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘ＝３２になった場合であっても、第１高さ階調Ｈ１ｈｅｘに基づいて正しい第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘを求めることができる。詳細は後述する。これにより、第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘの正確な位相接続が実施され、その結果計測対象物Ｍの正確な高さが求められる。
【００５６】
次に、上記処理をさらに具体的に図６に基づいて説明する。図６は、本発明の一実施形態に係る外観計測装置の高さを演算処理するフロー図を示す。
【００５７】
撮影装置２が計測対象物Ｍを撮影する（Ｓ１）。この撮影装置２から入力部３０に入力された画像情報に基づいて演算処理テーブル３０ａが上記（数１）に示す変位量Ｄ１を算出する（Ｓ２、Ｓ４）。ステップＳ２では、第１光パターンＰＰ１に対応する変位量Ｄ１を算出する。ステップ４では、第２光パターンＰＰ２に対応する変位量Ｄ１を算出する。その後、それぞれの変位量Ｄ１から第１および第２高さ階調Ｈ１ｈｅｘ、Ｈ２ｈｅｘを算出する（Ｓ３、Ｓ５）。
【００５８】
その後、Ｈ１ｈｅｘ＞５であるか否か判定する（Ｓ６）。ステップＳ６においてＨ１ｈｅｘ＞５でない場合、第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘが偶数であるか否か判定する（Ｓ７）。ステップＳ７において、第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘが偶数でない場合にはＨ２ｈｅｘ＝Ｈ２ｈｅｘ＋１に置き換え（Ｓ８）、第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘが偶数である場合にはそのままの数字としてステップＳ１２にて処理される。また、ステップＳ６においてＨ１ｈｅｘ＞５である場合には、Ｈ１ｈｅｘ＜２５０であるか否か判定する（Ｓ９）。
【００５９】
ステップＳ９において、第１高さ階調Ｈ１ｈｅｘ＜２５０でない場合には第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘが奇数であるか否か判定する（Ｓ１０）。ステップＳ１０において、第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘが奇数でない場合には第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘ＝Ｈ２ｈｅｘ−１に置き換え（Ｓ１１）、第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘが奇数である場合にはそのままの数字としてステップＳ１２にて処理される。また、ステップＳ９において、第１高さ階調Ｈ１ｈｅｘ＜２５０である場合には第１高さ階調Ｈ１ｈｅｘと第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘとで精度が高くなったＨ２ｈｅｘがステップＳ１２で生成される。以上のステップＳ６〜Ｓ１１に従えば、例えば、上述した計測対象物Ｍの高さを計測中に誤差が発生することにより計測対象物Ｍの高さＨ１３が０．９９ｍｍで第１高さ階調Ｈ１ｈｅｘ＝２５３、第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘ＝３２になった場合であっても、第１高さ階調Ｈ１ｈｅｘ＝２５３（Ｓ９）且つ第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘが偶数（Ｓ１０）であるので、第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘ＝Ｈ２ｈｅｘ−１（Ｓ１１）となり正しい第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘ＝３１（図５参照）を導くことができる。
【００６０】
ステップＳ１２では、上述した第１高さ階調Ｈ１ｈｅｘ（８ビット）と第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘ（８ビット）とが合成されて、第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘ（１１ビット）が求められる。この場合、第１高さ階調Ｈ１ｈｅｘ（８ビット）と第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘ（８ビット）との同一項が５ビットあるため第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘの上位３ビットが第１高さ階調Ｈ１ｈｅｘと異なる。これにより、第１高さ階調Ｈ１ｈｅｘ（８ビット）と第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘ（３ビット）とが合成され、第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘは１１ビットになる。そして、ステップＳ１２において得られた高さ階調Ｈ２ｈｅｘ（１１ビット）に基づいて計測対象物Ｍの高さが算出される。その結果、８ビットの情報に基づいた計測対象物Ｍの高さ情報に比べて精度の高い高さ情報が得られる。なお、ここでは、光パターンＰの異なる周期の関係がＰ２＝Ｐ１ｘ８である場合を示しているが、Ｐ２＝Ｐ１ｘ１２８の場合には、第１高さ階調Ｈ１ｈｅｘ（８ビット）および第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘ（８ビット）の同一項が１ビットであるので、これらを合成すると１５ビットの第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘになる。
【００６１】
上記ステップＳ２、Ｓ４が位相計算手段を構成し、ステップＳ３、Ｓ５、Ｓ６〜Ｓ１１が位相接続手段を構成する。上記演算処理テーブル３０ａが第１演算処理テーブルを構成する。
【００６２】
また、上記位相接続手段を第２演算処理テーブルに置き換えてもよい。これにより演算処理速度の向上を図ることが可能となる。
【００６３】
また、上述したステップＳ６〜Ｓ１１において第２高さ階調が偶数であるか奇数であるかを判定する工程があるので周期Ｐ１、Ｐ２の関係は一方の周期に対して他方の周期を偶数倍としている。従って、情報量が８ビット（２５６個）である場合、周期Ｐ２はＰ２＝Ｐ１ｘ２からＰ２＝Ｐ１ｘ１２８の間で調整される。もちろん、情報量が８ビットでない場合には、その情報量に基づいて設定される。例えば、情報量が４ビット（１６個）の場合、Ｐ２＝Ｐ１ｘ２からＰ２＝Ｐ１ｘ８の間で調整される。
【００６４】
さらに、演算処理装置３では、以上のようにして演算された計測対象物Ｍの各部位の高さ情報と、基準となる計測対象物Ｍの各部位の高さ情報とを比較して、これらの差が所定の値を超えるか否かによって計測対象物Ｍの良否を判定する。
【００６５】
【発明の効果】
本発明によれば、構造が簡単であって高い精度の測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る外観計測装置の構成を示すブロック図である。
【図２】光パターン照射装置からテーブル上に照射された光パターンの一例を示す図である。
【図３】光パターン照射装置から計測対象物に光パターンが照射される状態を模式的に示す側面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る外観計測装置を用いて計測対象物の高さを計測して得られた結果の一例を示す図である。
【図５】計測対象物の高さに対応する第１および第２高さ階調の演算結果を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る外観計測装置が計測対象物の高さを演算処理するフロー図を示す。
【符号の説明】
１    光パターン照射装置
２    撮影装置
３    演算処理装置
４    テーブル
５    駆動機構
６    モータ
７    モータ駆動装置
８    カウント比較装置
９    位置決め装置
９ａ  位置センサ
Ｍ    計測対象物
Ｐ    光パターン
Ｔ    変位装置
３０ａ    演算処理テーブル
【図１】
2004226160.tif 000003
【図２】
2004226160.tif 000004
【図３】
2004226160.tif 000005
【図４】
2004226160.tif 000006
【図５】
2004226160.tif 000007
【図６】
2004226160.tif 000008