(57)【要約】【課題】光源と観察点の間の距離ｄを変化させてモアレ縞の位相をシフトさせ、モアレ法に位相シフト法を適用し、ローラ部品やシート等の移動している平面状部品の形状測定装置を提供すること。【解決手段】本装置は、モアレ縞を発生させるための光源と、パターン状格子と、前記パターン状格子のモアレ縞を撮像するためのレンズと、受光素子と、から構成される実体格子型のモアレ光学系を用いた形状測定装置において、前記受光素子は、画素を集積した画素列からなり、前記光源は前記レンズからの距離が異なる位置に３つ以上配置されており、前記受光素子を構成する画素列は、当該画素列の走査周期と同期して、各前記光源を順次点灯させる点灯制御するたの手段と、前記モアレ光学系と平面状被検面の相対位置関係とを、前記受光素子の前記画素列と垂直方向に移動させる機構と、前記画素列のデータから、位相シフト法を用いた円状または平面状被検面の形状を算出するための形状演算手段と、からなるモアレ光学系を用いて円筒状または平面状被検物の形状を測定することを特徴とする。【選択図】　　　　図１１
2004108829.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モアレ縞を発生させるための光源と、パターン状格子と、前記パターン状格子のモアレ縞を撮像するためのレンズと、受光素子と、から構成される実体格子型のモアレ光学系を用いた形状測定装置において、
前記受光素子は、画素を集積した画素列からなり、
前記光源は前記レンズからの距離が異なる位置に３つ以上配置されており、
前記受光素子を構成する画素列は、当該画素列の走査周期と同期して、各前記光源を順次点灯させる点灯制御するための手段と、
前記モアレ光学系と平面状被検面の相対位置関係とを、前記受光素子の前記画素列と垂直方向に移動させる機構と、
前記画素列のデータから、位相シフト法を用いた円状または平面状被検面の形状を算出するための形状演算手段と、
からなるモアレ光学系を用いて円筒状または平面状被検物の形状を測定する装置。
【請求項２】
モアレ縞を発生させるための光源と、パターン状格子と、前記パターン状格子のモアレ縞を撮像するためのレンズと、受光素子と、から構成される実体格子型のモアレ光学系を用いた形状測定装置において、
前記受光素子は画素を集積した画素列からなり、
前記光源は前記レンズからの距離が異なる位置に３つ以上配置されており、
前記受光素子を構成する画素列は、当該画素列の走査周期と同期して、各前記光源を順次点灯させる点灯制御するための手段と、
円筒状被検面を回転させる回転機構と、
前記画素列のデータから、位相シフト法を用いて算出された平面状被検面の形状を算出するための形状演算手段とを備えたモアレ光学系を用いて円筒状または平面状被検物の形状測定装置。
【請求項３】
モアレ縞を発生させるための光源と、パターン状格子と、前記パターン状格子のモアレ縞を撮像するためのレンズと、受光素子と、から構成される実体格子型のモアレ光学系を用いた形状測定装置において、
前記受光素子は、画素を集積した３列以上の画素列からなり、
前記光源は前記レンズからの距離が異なる位置に３つ以上配置されており、
前記光源からの光は、各波長分離器で分離された波長の光が受光され、
前記モアレ光学系と平面状被検面との相対位置関係を前記受光素子の前記画素列と垂直方向に移動させる機構を設け、
前記３列以上の画素列のデータから、位相シフト法を用いて平面状被検面の形状を算出するための形状演算手段を備えたモアレ光学系を用いて円筒状または平面状被検物の形状測定装置。
【請求項４】
モアレ縞を発生させるための光源と、パターン状格子と、前記パターン状格子のモアレ縞を撮像するためのレンズと、受光素子と、から構成される実体格子型のモアレ光学系を用いた形状測定装置において、
前記レンズからの距離が各々異なる位置に波長の異なる３つ以上の光源と、
画素を集積した３列以上の画素列からなり、波長分離器で分離された波長の光を受光する受光素子と、
円筒状被検面を回転させる回転機構と、
前記３列の画素列データから、位相シフト法を用いた円筒状被検面の形状を演算するための形状演算装置からなる円筒状または平面状被検物の形状測定装置。
【請求項５】
モアレ縞を発生させるための光源と、パターン状格子と、前記パターン状格子のモアレ縞を撮像するためのレンズと、受光素子と、から構成される実体格子型のモアレ光学系を用いた形状測定装置において、
前記レンズからの距離がそれぞれ異なる位置に波長の異なる３つ以上の光源を設け、
前記受光素子は画素を集積した画素列からなり、該素子は、色フィルターで選択された波長の光を受光し、
さらにモアレ光学系と平面状被検面の相対位置関係を受光素子の画素列と垂直方向に移動させる機構と、
前記画素列データから位相シフト法を用いて平面状被検面の形状を算出する形状演算部と、からなる円筒状または平面状被検物の形状測定装置。
【請求項６】
モアレ縞を発生させるための光源及び、格子パターン、さらにそのモアレ縞を撮像するためのレンズ及び受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系において、レンズからの距離がそれぞれ異なる位置に波長の異なる３つ以上の光源を設け、また受光素子は画素を集積した画素列からなり、色フィルターで選択された波長の光を受光し、さらにモアレ光学系と円筒状被検面を回転させる回転機構と、前記画素列データから位相シフト法を用いて円筒状被検面の形状を演算する形状演算部と、からなる円筒状または平面状被検物の形状測定装置。
【請求項７】
前記受光素子に３板式のカラーセンサカメラを用いることを特徴とする請求項３または４記載の形状測定装置。
【請求項８】
受光素子に単板式のカラーセンサカメラを用いることを特徴とする請求項５または６記載の形状測定装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかの測定装置を用いて、レンズからの距離がそれぞれ異なる位置に波長の異なる３つ以上の光源から被検物への照射からの反射光を受光して入力された画素列データから、位相シフト法を用いて被検物の形状を測定する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は被検物の表面形状計測やキズや膨らみやうねり、へこみ等の欠陥検出するための形状を測定するための装置に関する。本発明は、主に部品認識等のロボットビジョンなどに使用可能な形状測定装置及び形状測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
位相シフト法とモアレ法を用いた三次元測定方法として特許文献１ないし３が挙げられる。また公知文献も存在する（たとえば、非特許文献１参照）。
【０００３】
三次元測定法の１手法としてモアレ法が挙げられる。その測定原理および位相シフト方法に関して、まず説明しておく。
［モアレ三次元計測法の原理］
格子のピッチをｓ、光源と観察点との距離をｄとする。同一平面内にある格子Ｇ１とＧ２はいずれもピッチｓをもつが、格子は面内で互いにεだけずれている（格子ピッチの位相でいえば２πε／ｓ）ものとすると、
【０００４】
【数１】
2004108829.tif 000003
【０００５】
と表せる（図１参照）。形成されるモアレ縞（等高線）は、格子面を基準（０次）として、格子面から離れるに従い、順に１次、２次とカウントされる次数を持つ。そこで縞次数Ｎのモアレ縞をｃｏｓ２πＮと置くことによって得られる。その結果、第Ｎ次のモアレ等高線は基準面からｈＮだけ離れた次の位置、
【０００６】
【数２】
2004108829.tif 000004
【０００７】
に形成されることになる。これは位置の座標ｘを含んでおらず、Ｎによって（ｘにかかわりなく）定める固有の値となっている。すなわち等高線が形成されていることを示す。
【０００８】
図６のような構成をとった場合、Ｓ１を点光源として、Ｓ２の位置に観察点をおき、また１枚の連続した（したがってε＝０となる）格子を配したものに相当する（実体格子型という）。ε＝０であるので（２）式から、
【０００９】
【数３】
2004108829.tif 000005
【００１０】
が成り立つ。ただし、等高線といいながら、その間隔ΔｈＮ　＝ｈＮ＋１　−ｈＮ　は一定ではなく、次式Ｎによって異なる。
次に位相シフト方について説明する。
［位相シフト法の説明］
位相変調された縞画像は、
【００１１】
【数４】
2004108829.tif 000006
【００１２】
と表せる（図２参照）。ここで求めたいのは各点（ｘ、ｙ）における位相Φ（ｘ、ｙ）である。バイアスや振幅は、表面の反射率や汚れなどで変化する未知数成分なので、位相θを０、π／２、πと変化させた３つの縞画像
【００１３】
【数５】
2004108829.tif 000007
【００１４】
を生成する。
【００１５】
【数６】
2004108829.tif 000008
【００１６】
式（４）により位相を算出すれば反射率や汚れ成分を除去して、各点の位相Φ（ｘ、ｙ）を求めることができる。
【００１７】
モアレ法には、実体格子型と格子投影型があり、様々な分野において広く利用されている。格子投影型のモアレ法とは、図３に示すように、投影用と観察用とに、それぞれ小さな格子Ｇ１，Ｇ２を配置し、Ｇ１をレンズＬ１により物体に投影し、物体形状に応じて変形した格子線をレンズＬ２を通じてもう一つの格子Ｇ２上に結像させ、縞等高線を基準面から所定距離のところに生じさせるようにしたものである。次に、実体格子型のモアレ法とは、図４に示すように、基準面に一つの格子Ｇを設置し、図３レンズＬ１の位置に点光源Ｓを、レンズＬ２の位置に観察眼ｅを置いて、前記格子Ｇの光源Ｓによる影を物体上に落し、物体形状に応じて変形した格子Ｇの影を形成させてこれを格子Ｇを通して観察することにより、この格子Ｇと変形した格子の影とによって生じるモアレ縞を観測する方法をいう。
【００１８】
従来、モアレ法による三次元形状測定法は対象物を直観的に把握することはできるが、（１）凹凸の判定がし難い、（２）高感度の三次元測定には不向き（現時点ではモアレ縞等高線の間隔は１０μｍ程度が限界とされている）、（３）モアレ縞のビジビリティーが縞ごとに均一でないためモアレ像を画像処理の対象として扱いにくい等々の問題が指摘されている。この問題点は、格子投影型の場合、二枚の格子を利用しているために、その一方を移動させることにより、縞走査、つまりモアレ縞の位相をシフトさせることによって、等高線間隔を等価的に細かく分割するとともに、対象の凹凸判定や測定感度の向上が可能であるが、実体格子型の場合には格子が一枚であるため、格子投影型のモアレ法のような位相シフトを行っても、すべての次数の縞等高線の位相を揃えながら位相を変えることはできない。このような問題点に対して、例えば前記特許文献１（特許第２８８７５１７号）には、格子面の垂直移動と光源又は観察点の水平移動を、同時に行うことにより、各次数のモアレ縞の位相にほぼ大きな変化を来すことなく、各次数の縞の位相がほぼ揃った状態で測定対象に対する縞位相のシフトができるので、複数枚の縞画像を高速査法（位相シフト法）の原理に基いて処理することができ、これによって測定対象に対するモアレ縞による測定点の密度が増大するとともに、モアレ縞１周期について約１／４０〜１／１００　程度の物理的な分割が可能となり、実体格子型のモアレ法では困難とされていた面の凹凸の判定や測定感度の向上を図ることができる。
【００１９】
しかしながら、このように位相シフト法を適用して円筒状被検物等の全面測定を行う場合、少なくとも被検物を３回転以上させて位相シフトさせるために格子移動とモアレ縞の撮像を繰り返す必要があるため測定に時間がかかる。また格子を複数方向（平行と回転）に移動させる必要があるため装置構成が複雑になる等の問題がある。特開平０７−３３２９５６（特許文献２参照）や「位相シフトによる実体格子型モアレ法」（１９９１年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集）（非特許文献１参照）、「液晶ガラスのフラットネス計測」（Ｏ　ｐｌｕｓ　Ｅ　１９９６年　９月）では、平行光を与えることにより、縞次数による縞間隔の違いをなくしているため、全ての縞の位相を揃えながらシフトさせている。さらにこれらの方法では格子運動のみにより位相シフトさせることが可能である。しかし依然として円筒状被検物等の全面測定を行う場合、位相シフトした画像を得るために、格子移動と撮像という動作を繰り返し被検物を３回転以上させる必要があるため測定時間の増大を招く。また特開平１０−５４７１１号公報（特許文献３参照）では被検物の高さを変えることにより位相シフトさせているが、この場合においても、被検物の移動と撮像を複数回繰り返す必要があるため測定時間の増大を招く。また凹凸形状の定量化に関しては明確な方法が充分に説明されてない。
【００２０】
そこで、たとえば、ローラ部品等の円柱状被検物や液晶等の平面状被検物を対象とし、実体格子型のモアレ法に位相シフト法を適用し、さらに１回の１連の撮像により位相シフトした画像を得ることにより、高速に測定を行う形状測定を行い、その定量的な形状データから被検物表面の検査を行う方法及び装置を提供することを本発明者は考えている。その一例及び課題に関して説明する。
【００２１】
式（３）や図５からわかるように、実体格子型モアレ光学系に位相シフト法を適用しようとした場合、縞次数Ｎにより縞間隔Δｈｎ　が異なる。よってモアレ縞を位相シフトさせようとした場合、ある縞次数ｎでは正確に位相シフトできるが、その他の縞次数ではずれてしまう。そこで、測定範囲を、正確にシフトさせたい縞次数の高さを基準に数個の縞次数内に限定する。この場合、測定範囲の端でシフト誤差が最大になるので、そのシフト誤差による測定誤差が充分小さくなるように測定範囲を設定する。このような手法により、実体格子型モアレ光学系に位相シフト法を適用する。
【００２２】
位相をシフトさせるために格子パターンのピッチをΔｓだけ変化させることを考える（図６）。移動前のｎ＋１次のモアレ縞等高線は（３）式から
【００２３】
【数７】
2004108829.tif 000009
【００２４】
ただし、図６において、光源と観察点は格子から同距離にあり、光源と観察点の間の距離をｄ、格子と観察点、光源の間の距離をｌ、格子のピッチをｓ、格子パターンのピッチ変化量をΔｓとする。
【００２５】
次に、格子を移動させてモアレ縞をシフトさせることを考えると、シフト後の第ｎ次の縞までの距離ｈｎ　’は、
【００２６】
【数８】
2004108829.tif 000010
【００２７】
となる。従って、図６に示すように格子移動前の第ｎ次と第ｎ＋１次のモアレ縞間の位相Φｎ　の位置に、格子移動後の第ｎ次のモアレ縞があると仮定すると、
【００２８】
【数９】
2004108829.tif 000011
【００２９】
が成立する。この式に（５）（６）を代入し整理すると、
【００３０】
【数１０】
2004108829.tif 000012
【００３１】
を得る。この（８）式により格子パターンのピッチ変化量Δｓと位相シフト量Φｎ　の関係が明らかになった。ここで、ｓ＝８３．３μｍ、ｌ＝　２００ｍｍ、ｄ＝７０ｍｍ、格子移動前の縞次数ｎ＝３の縞を正確に２πシフトさせることを考える。つまり、ｎ＝３、Φ３　＝２πとする。以上のパラメータを（８）式に代入すると、Δｓ＝２７．８μｍとなる。このΔｓによる格子移動前後のモアレ縞等高線の位置を図７に示す。この結果位相２πに相当する高さｈ２　π＝　２３９．９９５μｍとなる。また、図７からわかるように、移動前ｎ＝４の高さでは正確に位相が２πシフトするが、移動前ｎ＝３，５の高さではシフト誤差ΔΦ（Ｌ）±１が生じる。このシフト誤差が測定精度に影響を及ぼさない範囲に、測定範囲を限定する。
【００３２】
１連の撮像で位相シフトさせた画像を取得するための他の方法について述べる。図８ように３列以上の画素列を持った構成の受光素子を用いる。この受光素子を用いて、図１０のような構成にする。つまり、受光素子面と格子パターン面、平面状被検物面は平行に配置する。画素列Ａ、Ｂ、Ｃはワーク上の異なる位置を視野にしており、その視野に対応する格子パターンのピッチが図１０のように異なる。つまり、格子パターンピッチの初期値ｓ、（１２）式においてΦｎ　＝０、π／２、πとしたときの変化量ΔｓをΔｓ０　（＝０）、Δｓ１　、Δｓ２　とすると、各画素列Ａに対応する格子パターンピッチはｓ（ステップ０）、Ｂに対応する格子パターンピッチはｓ＋Δｓ１　（ステップ１），Ｃに対応する格子パターンピッチはｓ＋Δｓ２　（ステップ２）にする。各画素列に所望のシフト量が与えられるように、被検物の送りスピード、受光素子の走査周期や撮像倍率、画素列間距離も調節してやる。測定手順はまず、時刻ｔ１　においてＡ列で領域３（ステップ０）を、Ｂ列で領域２（ステップ１）を、Ｃ列で領域１（ステップ２）撮像する。次に時刻ｔ２　においては、Ａ列で領域４（ステップ０面）を、Ｂ列で領域３（ステップ１面）を、Ｃ列で領域２（ステップ２面）を撮像する。さらに時刻ｔ３　ではＡ列で領域５（ステップ０）を、Ｂ列で領域４（ステップ１）を、Ｃ列で領域３（ステップ２）を撮像する。その結果、画像メモリ上に図９のようなデータが得られる。そこで、時刻ｔ１　のＡ列のデータ、時刻ｔ２　のＢ列のデータ、時刻ｔ３　のＣ列のデータと（４）式から領域３の形状測定を行うことができる。この定量的な形状データをもとに被検物表面に生じるうねりやへこみ等の欠陥検査や平坦度の検査を行う。
【００３３】
式（３）からわかるように、モアレ縞の位相をシフトさせるためには上記の格子パターンのピッチｓの他に、光源と観察点の間の距離ｄや格子と観察点、光源の間の距離ｌを変化させる場合が考えられるが、未だ実現されていない。
【００３４】
【特許文献１】
特許第２８８７５１７号公報
【特許文献２】
特開平０７−３３２９５６号公報
【特許文献３】
特開平１０−５４７１１号公報
【非特許文献１】
「位相シフトによる実体格子型モアレ法」　１９９１年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集。
「液晶ガラスのフラットネス計測」　Ｏ　　ｐｌｕｓ　　Ｅ　１９９６年９月
【００３５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明の目的は、光源と観察点の間の距離ｄを変化させてモアレ縞の位相をシフトさせ、モアレ法に位相シフト法を適用し、ローラ部品やシート等の移動している平面状部品の形状測定装置を提供することである。
【００３６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、モアレ縞を発生させるための光源と、パターン状格子と、前記パターン状格子のモアレ縞を撮像するためのレンズと、受光素子と、から構成される実体格子型のモアレ光学系を用いた形状測定装置において、前記受光素子は、画素を集積した画素列からなり、前記光源は前記レンズからの距離が異なる位置に３つ以上配置されており、前記受光素子を構成する画素列は、当該画素列の走査周期と同期して、各前記光源を順次点灯させる点灯制御するための手段と、前記モアレ光学系と平面状被検面の相対位置関係とを、前記受光素子の前記画素列と垂直方向に移動させる機構と、前記画素列のデータから、位相シフト法を用いた円状または平面状被検面の形状を算出するための形状演算手段と、からなるモアレ光学系を用いて円筒状または平面状被検物の形状を測定する装置である。
【００３７】
請求項２に記載の発明は、モアレ縞を発生させるための光源と、パターン状格子と、前記パターン状格子のモアレ縞を撮像するためのレンズと、受光素子と、から構成される実体格子型のモアレ光学系を用いた形状測定装置において、前記受光素子は画素を集積した画素列からなり、前記光源は前記レンズからの距離が異なる位置に３つ以上配置されており、前記受光素子を構成する画素列は、当該画素列の走査周期と同期して、各前記光源を順次点灯させる点灯制御するための手段と、円筒状被検面を回転させる回転機構と、前記画素列のデータから、位相シフト法を用いて算出された平面状被検面の形状を算出するための形状演算手段とを備えたモアレ光学系を用いて円筒状または平面状被検物の形状測定装置である。
【００３８】
請求項３に記載に発明は、モアレ縞を発生させるための光源と、パターン状格子と、前記パターン状格子のモアレ縞を撮像するためのレンズと、受光素子と、から構成される実体格子型のモアレ光学系を用いた形状測定装置において、前記受光素子は、画素を集積した３列以上の画素列からなり、前記光源は前記レンズからの距離が異なる位置に３つ以上配置されており、前記光源からの光は、各波長分離器で分離された波長の光が受光され、前記モアレ光学系と平面状被検面との相対位置関係を前記受光素子の前記画素列と垂直方向に移動させる機構を設け、前記３列以上の画素列のデータから、位相シフト法を用いて平面状被検面の形状を算出するための形状演算手段を備えたモアレ光学系を用いて円筒状または平面状被検物の形状測定装置である。
【００３９】
請求項４に記載の発明は、モアレ縞を発生させるための光源と、パターン状格子と、前記パターン状格子のモアレ縞を撮像するためのレンズと、受光素子と、から構成される実体格子型のモアレ光学系を用いた形状測定装置において、前記レンズからの距離が各々異なる位置に波長の異なる３つ以上の光源と、画素を集積した３列以上の画素列からなり、波長分離器で分離された波長の光を受光する受光素子と、円筒状被検面を回転させる回転機構と、前記３列の画素列データから、位相シフト法を用いた円筒状被検面の形状を演算するための形状演算装置からなる円筒状または平面状被検物の形状測定装置である。
【００４０】
請求項５記載の発明は、モアレ縞を発生させるための光源と、パターン状格子と、前記パターン状格子のモアレ縞を撮像するためのレンズと、受光素子と、から構成される実体格子型のモアレ光学系を用いた形状測定装置において、前記レンズからの距離がそれぞれ異なる位置に波長の異なる３つ以上の光源を設け、前記受光素子は画素を集積した画素列からなり、該素子は、色フィルターで選択された波長の光を受光し、さらにモアレ光学系と平面状被検面の相対位置関係を受光素子の画素列と垂直方向に移動させる機構と、前記画素列データから位相シフト法を用いて平面状被検面の形状を算出する形状演算部と、からなる円筒状または平面状被検物の形状測定装置である。
【００４１】
請求項６に記載の発明は、モアレ縞を発生させるための光源及び、格子パターン、さらにそのモアレ縞を撮像するためのレンズ及び受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系において、レンズからの距離がそれぞれ異なる位置に波長の異なる３つ以上の光源を設け、また受光素子は画素を集積した画素列からなり、色フィルターで選択された波長の光を受光し、さらにモアレ光学系と円筒状被検面を回転させる回転機構と、前記画素列データから位相シフト法を用いて円筒状被検面の形状を演算する形状演算部と、からなる円筒状または平面状被検物の形状測定装置である。
【００４２】
請求項７に記載の発明は、請求項３または４において、前記受光素子に３板式のカラーセンサカメラを用いることを特徴とする。
を特徴とする。
【００４３】
請求項８に記載の発明は、請求項５または６において、受光素子に単板式のカラーセンサカメラを用いることを特徴とする。
【００４４】
請求項９記載の発明は、請求項１〜８のいずれかの測定装置を用いて、レンズからの距離がそれぞれ異なる位置に波長の異なる３つ以上の光源から被検物への照射からの反射光を受光して入力された画素列データから、位相シフト法を用いて被検物の形状を測定する方法の発明である。
【００４５】
【発明の実施の形態】
（１）請求項１に記載の発明については、前記式（３）からわかるように光源と観察点との距離をｄを変化させることによって、モアレ縞の位相をシフトさせることが可能である。そこで、図１１のように、距離ｄの位置に光源１、モアレ縞位相がπ／２シフトする位置に光源２を、さらにπシフトする位置に光源３を設ける。複数の光源を順番に点灯させて被写体である被検物を照射してその反射光を、受光素子を介してデータ化していくステップの例を図１２に示す。また図１３に示すように、まず時刻ｔ１　において光源１を点灯させ領域１（ステップ０）を撮像する。次に時刻ｔ２　において光源２を点灯させ領域２を撮像し（ステップ１）、さらに時刻ｔ３　において光源３を点灯させ領域３を撮像（ステップ２）する。つまり、光学系と平面状被検物の相対位置を変えながら撮像を行っていく。撮像領域、光源１〜３の点灯、撮像のタイミングを図１４に示す。このようにして得られた画像データは図１５のようになるので、最初の３列目までのデータと（４）式を用いて領域１〜３の形状測定を、３列目から５列目までのデータと（４）式を用いて領域３〜５の形状測定をという具合に測定を行う。この定量的な形状データをもとに被検物表面に生じるうねりやへこみ等の欠陥検査や平坦度の検査を行う。
【００４６】
この手法では、例えば領域１〜３のように連続した３領域の形状変化が必要な測定精度に対して充分無視できるレベルであるときに適用できる。この手法を用いることにより、位相シフトさせた画像を得るために平面状被検物上の同じ個所を何度も撮像する必要がなくなる。ここでは、３ステップの位相シフト法に関して述べたが、このステップ数は位相シフト法を適用するために必要な最小ステップ数であり、さらにステップ数を増やし測定精度を向上させることも可能である。
【００４７】
測定ヘッドの基本構成を図１８に示す。光源１〜３と格子パターン、レンズ及び受光素子で形成されている。被検物が平面状の場合、図１９のように光学系と平面状被検物の相対関係を、図１１とは異なる方向に移動させるための駆動機構をさらに設ける。そして、ある領域での測定が終了したら、光学系の位置を移動させ同じような測定を繰り返すことにより平面状被検物全面の測定を行う。このような構成により、測定ヘッドと平面状被検物の距離を一定に保ち測定範囲を限定しながら、平面状被検物全面の測定が可能となる。図１９にように光学系を動かす代わりに、平面状被検物に移動機構を付けて移動させても良い。両者の相対関係を変化させる機構が有れば良い。
【００４８】
（２）請求項２に記載の発明については、被検物が円筒状の時には、図２０のような構成にすれば良い。円筒状被検物を回転させながら撮像を行っていく。撮像領域、光源１〜３の点灯と撮像のタイミングは図１３、１４と同じである。得られた画像データから位相計算を行う方法は請求項１と同じである。この手法を用いることにより、位相シフトさせた画像を得るために円筒状被検物を１回転させるだけでよい。
【００４９】
円筒状被検物を回転させる代わりに、光学系が円筒状被検物の周りを回転しても同様の測定を行うことが可能である。
【００５０】
（３）請求項３、４、７に記載の発明については、請求項１と同様に、距離ｄの位置に赤色光源（Ｒ）、モアレ縞位相がπ／２シフトする位置に緑色光源（Ｇ）を、さらにπシフトする位置に青色光源（Ｂ）を設け、測定中は全ての光源を点灯させておく。一方、受光素子には３板式カラーセンサカメラを用いる。３板式カラーセンサカメラ内にはプリズムが配置されており、この色分解ダイクロイックプリズムによりＲＧＢに分離され、受光素子Ｒで赤色を、受光素子Ｇで緑色、受光素子Ｂで青色の光を受光する様になっている（図１６）。プリズムで光路を分離するため各受光素子Ｒ、Ｇ、Ｂは同一領域を撮像することができる。ＮＴＳＣ方式ならば１／３０秒毎に同時に受光素子ＲＧＢの撮像が行える。よって、受光素子Ｒ、Ｇ、Ｂによって位相シフトしたモアレ縞を撮像することが可能となり、そのＲＧＢデータと（４）式を用いて撮像した領域の形状測定を行う。この定量的な形状データをもとに被検物表面に生じるうねりやへこみ等の欠陥検査や平坦度の検査を行う。
【００５１】
ここでは、３ステップの位相シフト法に関して述べたが、このステップ数は位相シフト法を適用するために必要な最小ステップ数であり、さらに多くの波長の光源を用いてステップ数を増やし、測定精度を向上させることも可能である。
【００５２】
平面状被検物、円筒状被検物の全面を測定するための構成は請求項１、２と同様である。
【００５３】
（４）請求項５、６、８に記載の発明ついては、請求項１と同様に、距離ｄの位置に赤色光源（Ｒ）、モアレ縞位相がπ／２シフトする位置に緑色光源（Ｇ）を、さらにπシフトする位置に青色光源（Ｂ）を設け、測定中は全ての光源を点灯させておく。一方、受光素子には単板式カラーセンサカメラを用いる。センサの前には例えば図１７のように周期的にＲＧＢの色フィルターが配置されている。その結果、画素１で赤色を、画素２で緑色、画素３で青色の光を選択的に受光することができる。画素４以降も同様である。ＮＴＳＣ方式ならば１／３０秒毎に同時に全色の撮像が行える。よって、画素１〜３によって位相シフトしたモアレ縞を撮像することが可能となり、その各データと（４）式を用いて撮像した領域の形状測定を行う。この定量的な形状データをもとに被検物表面に生じるうねりやへこみ等の欠陥検査や平坦度の検査を行う。
【００５４】
この手法では、受光素子１〜３で撮像する領域全体の形状変化が必要な測定精度に対して充分無視できるレベルであるときにのみ適用できる。ここでは、３ステップの位相シフト法に関して述べたが、このステップ数は位相シフト法を適用するために必要な最小ステップ数であり、さらに多くの波長の光源を用いてステップ数を増やし、測定精度を向上させることも可能である。
【００５５】
平面状被検物、円筒状被検物の全面を測定するための構成は請求項１、２と同様である。
【００５６】
本発明は、以上説明したようないずれかの測定装置を用いて、レンズからの距離がそれぞれ異なる位置に波長の異なる３つ以上の光源から被検物への照射からの反射光を受光して入力された画素列データから、位相シフト法を用いて被検物の形状を測定する。この際に、前記したような様々なステップを用いることにより、形状を測定する。
【００５７】
【発明の効果】
請求項１に対する作用効果
モアレ法に位相シフト法を適用し平面状被検物の形状測定を行う際、光学系と被検物の相対移動速度と受光素子の走査周期と複数配置された光源の点灯の時間を同期させて行うことにより、１連の撮像により位相シフトした画像が得られるため、測定時間を短くすることができる。今までのように、機械的動作を伴う位相シフト動作と被検物の撮像を繰り返す必要がなくなる。
【００５８】
請求項２に対する作用効果
モアレ法に位相シフト法を適用し円筒状被検物の形状測定を行う際、光学系と被検物の回転速度と受光素子の走査周期と複数配置された光源の点灯の時間を同期させて行うことにより、１連の撮像により位相シフトした画像が得られるため、測定時間を短くすることができる。今までのように、機械的動作を伴う位相シフト動作と被検物の撮像を繰り返す必要がなくなる。
【００５９】
請求項３に対する作用効果
モアレ法に位相シフト法を適用し平面状被検物の形状測定を行う際、波長の異なる３つ以上の光源によって形成された位相の異なるモアレ縞を、波長分離器で分離して受光素子することにより、１連の撮像により位相シフトした画像が得られるため、測定時間を短くすることができる。今までのように、機械的動作を伴う位相シフト動作と被検物の撮像を繰り返す必要がなくなる。
【００６０】
請求項４に対する作用効果
モアレ法に位相シフト法を適用し円筒状被検物の形状測定を行う際、波長の異なる３つ以上の光源によって形成された位相の異なるモアレ縞を、波長分離器で分離して受光素子することにより、１連の撮像により位相シフトした画像が得られるため、測定時間を短くすることができる。今までのように、機械的動作を伴う位相シフト動作と被検物の撮像を繰り返す必要がなくなる。
【００６１】
請求項５に対する作用効果
モアレ法に位相シフト法を適用し平面状被検物の形状測定を行う際、波長の異なる３つ以上の光源によって形成された位相の異なるモアレ縞を、色フィルターで選択して受光することにより、１連の撮像により位相シフトした画像が得られるため、測定時間を短くすることができる。今までのように、機械的動作を伴う位相シフト動作と被検物の撮像を繰り返す必要がなくなる。
【００６２】
請求項６に対する作用効果
モアレ法に位相シフト法を適用し円筒状被検物の形状測定を行う際、波長の異なる３つ以上の光源によって形成された位相の異なるモアレ縞を、色フィルターで選択して受光することにより、１連の撮像により位相シフトした画像が得られるため、測定時間を短くすることができる。今までのように、機械的動作を伴う位相シフト動作と被検物の撮像を繰り返す必要がなくなる。
【００６３】
請求項７に対する作用効果
ＲＧＢ光源と３板式のカラーセンサカメラを用いることにより、請求項３、４記載の測定装置を構成することができる。
【００６４】
請求項８に対する作用効果
ＲＧＢ光源と単板式のカラーセンサカメラを用いることにより、請求項５、６記載の測定装置を構成することができる。
【００６５】
請求項９の作用効果
上記したような請求項１〜８に記載のいずれかの装置を用いて、円筒形状あるいは平面形状を含む様々な２次元的あるいは３次元的形状を、簡単に、かつ、短時間で、光源と観察点の間の距離ｄを変化させてモアレ縞の位相をシフトさせ、モアレ法に位相シフト法を適用し、ローラ部品やシート等の移動している平面状部品の形状を測定する方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】モアレ３次元計測法の原理を説明するための図である。
【図２】位相シフト法を説明するための図である。
【図３】格子投影型のモアレ法を説明するための図である。
【図４】実体格子型のモアレ法を説明するための図である。
【図５】実体格子型モアレ光学系に位相シフト法を適用した場合を説明した図である。
【図６】実体格子型でＳ２の位置に観察点をおいた場合を例にとって説明した図である。
【図７】Δｓによる格子移動前後のモアレ縞等高線の位置を示す図である。
【図８】３列以上の画素列を持った構成の受光素子の構成例を示す図である。
【図９】画像メモリ上に得られたデータ例を示した図である。
【図１０】平面状被検物面は平行に配置したときの受光素子面と格子パターン面との例を示す図である。
【図１１】距離ｄの位置に光源１、モアレ縞位相がπ／２シフトする位置に光源２を配置したときのモアレ縞の位相をシフトさせた例を示す図である。
【図１２】複数の光源を順番に点灯させて被写体である被検物を照射してその反射光を受光素子を介してデータ化していくステップの例を示した図である。
【図１３】時刻ｔ１　において光源１を点灯させ領域１を撮像した例を示した図である。
【図１４】撮像領域、光源１〜３の点灯、撮像のタイミングを示す図である。
【図１５】光学系と平面状被検物の相対位置を変えながら撮像した例を示す図である。
【図１６】３板式カラーセンサカメラ内のプリズムにより、ＲＧＢに分離された光を受光する例を示した図である。
【図１７】受光素子として単板式カラーセンサカメラを用い、このセンサの前に周期的にＲＧＢの色フィルターを配置した例を示す図である。
【図１８】測定ヘッドの基本構成を示す図である。
【図１９】被検物が平面状の場合の光学系と平面状被検物の相対関係を示す図である。
【図２０】被検物が円筒状の場合の光学系と平面状被検物の相対関係を示す図である。
【符号の説明】
Ｓ、Ｓ１　光源
【図１】
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【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１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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