(57)【要約】【課題】被測定物（対象物）の表面形状の測定を、高い測定精度と測定の高速化とを両立させながら、併せて低コストで行なう。【解決手段】被測定物に対してＸＹＺ軸のいずれの方向にも自由な移動が可能であって、且つ移動量を読み取り可能な保持機構により支えられた３次元画像入力装置と、３次元画像入力装置からの入力画像から被測定物の形状をＸＹＺ位置データとして算出する位置データ算出器とからなる３次元位置検出装置を有している。【選択図】　　　図２
2004108847.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物に対してＸＹＺ軸のいずれの方向にも自由な移動が可能であって、且つ移動量を読み取り可能な保持機構により支えられた３次元画像入力装置と、３次元画像入力装置からの入力画像から被測定物の形状をＸＹＺ位置データとして算出する位置データ算出器とからなる３次元位置検出装置を有していることを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項２】
被測定物に対してＸＹＺ軸のいずれの方向にも自由な移動が可能であって、且つ移動量を読み取り可能な保持機構により支えられた３次元画像入力装置と、３次元画像入力装置からの入力画像から被測定物の形状をＸＹＺ位置データとして算出する位置データ算出器とからなる３次元位置検出エレメントを複数個、線上に隣接して配置した３次元位置検出装置を有していることを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項３】
被測定物に対してＸＹＺ軸のいずれの方向にも自由な移動が可能であって、且つ移動量を読み取り可能な保持機構により支えられた３次元画像入力装置と、３次元画像入力装置からの入力画像から被測定物の形状をＸＹＺ位置データとして算出する位置データ算出器とからなる３次元位置検出エレメントを複数個、線上に分散して配置した３次元位置検出装置を有していることを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項４】
被測定物に対してＸＹＺ軸のいずれの方向にも自由な移動が可能であって、且つ移動量を読み取り可能な保持機構により支えられた３次元画像入力装置と、３次元画像入力装置からの入力画像から被測定物の形状をＸＹＺ位置データとして算出する位置データ算出器とからなる３次元位置検出エレメントを複数個、線上に分散して配置した３次元位置検出装置を、走査と同期させて、走査軸を含む平面上の走査軸とは異なる軸方向へ移動可能とする構造を有していることを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項５】
被測定物に対してＸＹＺ軸のいずれの方向にも自由な移動が可能であって、且つ移動量を読み取り可能な保持機構により支えられた３次元画像入力装置と、３次元画像入力装置からの入力画像から被測定物の形状をＸＹＺ位置データとして算出する位置データ算出器とからなる３次元位置検出エレメントを複数個、格子状に配置した３次元位置検出装置を有していることを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項６】
被測定物に対してＸＹＺ軸のいずれの方向にも自由な移動が可能であって、且つ移動量を読み取り可能な保持機構により支えられた３次元画像入力装置と、３次元画像入力装置からの入力画像から被測定物の形状をＸＹＺ位置データとして算出する位置データ算出器とからなる３次元位置検出エレメントを複数個、格子状からずらして配置した３次元位置検出装置を有していることを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項７】
被測定物に対してＸＹＺ軸のいずれの方向にも自由な移動が可能であって、且つ移動量を読み取り可能な保持機構により支えられた３次元画像入力装置と、３次元画像入力装置からの入力画像から被測定物の形状をＸＹＺ位置データとして算出する位置データ算出器とからなる３次元位置検出エレメントを複数個、被測定物に対して凸型の面上に配置した３次元位置検出装置を有していることを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項８】
被測定物に対してＸＹＺ軸のいずれの方向にも自由な移動が可能であって、且つ移動量を読み取り可能な保持機構により支えられた３次元画像入力装置と、３次元画像入力装置からの入力画像から被測定物の形状をＸＹＺ位置データとして算出する位置データ算出器とからなる３次元位置検出エレメントを複数個、被測定物に対して凹型の面上に配置した３次元位置検出装置を有していることを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項９】
被測定物に対してＸＹＺ軸のいずれの方向にも自由な移動が可能であって、且つ移動量を読み取り可能な保持機構により支えられた３次元画像入力装置と、３次元画像入力装置からの入力画像から被測定物の形状をＸＹＺ位置データとして算出する位置データ算出器とからなる３次元位置検出エレメントを複数個、被測定物に対して中央は凹型の面上に、また、周辺は凸型の面上に配置した３次元位置検出装置を有していることを特徴とする表面形状計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面形状計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
３次元ＣＡＥの発展に伴い、それにより製作される対象物の表面形状は非常に複雑なものとなってきている。特に、金型や成形品における微妙な曲面が設計者の意図通りに作られているかどうかの検証には、多大の労力と時間、および、それに伴うコストの増大が大きな問題となってきている。
【０００３】
すなわち、これまでは、大型の高解像度を持つ画像入力装置を用いたステレオ視による３次元計測、触針式による部分的な特定個所の測定等が用いられてきたが、大型の高解像度を持つ画像入力装置を用いたステレオ視による３次元計測は、精度を高めようとすると高価格となり、また、原理上、精度を向上させるのが難しい。また、触針式による部分的な特定個所の測定は、高精度を得ることは可能だが、測定に多大な時間を要し、事実上、ポイントでの測定結果から全体の出来を判定せざるを得ないこととなる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、金型や成形品の表面仕上げの非接触表面形状検査等のための被測定物（対象物）の表面形状の測定を、高い測定精度と測定の高速化とを両立させながら、併せて低コストで行なうことの可能な表面形状計測装置を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、被測定物に対してＸＹＺ軸のいずれの方向にも自由な移動が可能であって、且つ移動量を読み取り可能な保持機構により支えられた３次元画像入力装置と、３次元画像入力装置からの入力画像から被測定物の形状をＸＹＺ位置データとして算出する位置データ算出器とからなる３次元位置検出装置を有していることを特徴としている。
【０００６】
また、請求項２記載の発明は、被測定物に対してＸＹＺ軸のいずれの方向にも自由な移動が可能であって、且つ移動量を読み取り可能な保持機構により支えられた３次元画像入力装置と、３次元画像入力装置からの入力画像から被測定物の形状をＸＹＺ位置データとして算出する位置データ算出器とからなる３次元位置検出エレメントを複数個、線上に隣接して配置した３次元位置検出装置を有していることを特徴としている。
【０００７】
また、請求項３記載の発明は、被測定物に対してＸＹＺ軸のいずれの方向にも自由な移動が可能であって、且つ移動量を読み取り可能な保持機構により支えられた３次元画像入力装置と、３次元画像入力装置からの入力画像から被測定物の形状をＸＹＺ位置データとして算出する位置データ算出器とからなる３次元位置検出エレメントを複数個、線上に分散して配置した３次元位置検出装置を有していることを特徴としている。
【０００８】
また、請求項４記載の発明は、被測定物に対してＸＹＺ軸のいずれの方向にも自由な移動が可能であって、且つ移動量を読み取り可能な保持機構により支えられた３次元画像入力装置と、３次元画像入力装置からの入力画像から被測定物の形状をＸＹＺ位置データとして算出する位置データ算出器とからなる３次元位置検出エレメントを複数個、線上に分散して配置した３次元位置検出装置を、走査と同期させて、走査軸を含む平面上の走査軸とは異なる軸方向へ移動可能とする構造を有していることを特徴としている。
【０００９】
また、請求項５記載の発明は、被測定物に対してＸＹＺ軸のいずれの方向にも自由な移動が可能であって、且つ移動量を読み取り可能な保持機構により支えられた３次元画像入力装置と、３次元画像入力装置からの入力画像から被測定物の形状をＸＹＺ位置データとして算出する位置データ算出器とからなる３次元位置検出エレメントを複数個、格子状に配置した３次元位置検出装置を有していることを特徴としている。
【００１０】
また、請求項６記載の発明は、被測定物に対してＸＹＺ軸のいずれの方向にも自由な移動が可能であって、且つ移動量を読み取り可能な保持機構により支えられた３次元画像入力装置と、３次元画像入力装置からの入力画像から被測定物の形状をＸＹＺ位置データとして算出する位置データ算出器とからなる３次元位置検出エレメントを複数個、格子状からずらして配置した３次元位置検出装置を有していることを特徴としている。
【００１１】
また、請求項７記載の発明は、被測定物に対してＸＹＺ軸のいずれの方向にも自由な移動が可能であって、且つ移動量を読み取り可能な保持機構により支えられた３次元画像入力装置と、３次元画像入力装置からの入力画像から被測定物の形状をＸＹＺ位置データとして算出する位置データ算出器とからなる３次元位置検出エレメントを複数個、被測定物に対して凸型の面上に配置した３次元位置検出装置を有していることを特徴としている。
【００１２】
また、請求項８記載の発明は、被測定物に対してＸＹＺ軸のいずれの方向にも自由な移動が可能であって、且つ移動量を読み取り可能な保持機構により支えられた３次元画像入力装置と、３次元画像入力装置からの入力画像から被測定物の形状をＸＹＺ位置データとして算出する位置データ算出器とからなる３次元位置検出エレメントを複数個、被測定物に対して凹型の面上に配置した３次元位置検出装置を有していることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項９記載の発明は、被測定物に対してＸＹＺ軸のいずれの方向にも自由な移動が可能であって、且つ移動量を読み取り可能な保持機構により支えられた３次元画像入力装置と、３次元画像入力装置からの入力画像から被測定物の形状をＸＹＺ位置データとして算出する位置データ算出器とからなる３次元位置検出エレメントを複数個、被測定物に対して中央は凹型の面上に、また、周辺は凸型の面上に配置した３次元位置検出装置を有していることを特徴としている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る表面形状計測装置の基本構成を説明するための図である。図１を参照すると、本発明の表面形状計測装置では、被測定物に対してＺ軸方向の任意の位置へ自由に移動可能なＺステージの先端に３次元位置検出装置（３Ｄ位置検出装置）を設ける。このＺ軸移動機構には電動機等が用いられる。加えて、Ｚ軸方向の移動量が読み取れる機構を有すると共に、その精度は少なくても３次元位置検出装置のＺ軸方向の読み取り精度を上回る必要が有り、２倍以上の精度を持つことが望ましい。この３次元位置検出装置を備えたＺステージを被測定物上のＸＹ軸方向における任意の位置へ自由に移動可能な構造を採るＸＹステージ（図示せず）に据える。ＸＹステージには、ＸＹプロッタで常用されているような駆動機構を用いる。これも同様に電動機等で駆動するが、ＸＹ軸方向の移動量を読み取れる機構を有すると共に、その精度は少なくても３次元位置検出装置のＸＹ軸方向の読み取り精度を上回る必要が有り、Ｚ軸同様に２倍以上の精度を持つ事が望ましい。この結果、本発明において、３次元位置検出装置は、被測定物に対しＸＹＺ任意の位置での計測が可能となっている。
【００１５】
図２には、本発明における３次元位置検出装置の基本構成が示されている。図２の構成例では、３次元位置検出装置は、被測定物に対して、光源から図３に示すような異なる２種類の濃度傾斜を有する濃度パターンを順次被測定物に放射し、それからの反射光を画像入力装置で受ける。この画像入力装置からの出力を用い、図４に示すような位置データ算出器（ＸＹ方向演算器，Ｚ方向演算器）で処理を行う事により、画像入力装置と被測定物の距離（Ｚ）を計測する事が出来る。なお、これは強度比法として広く知られている。強度比法は、被測定物を含む対象空間に濃度分布を有する２次元画像を投影し、そのパターンが照射された空間を画像入力装置を用いて撮影し、それを基に３次元情報を得る方式である。強度比法は、良く知られた方式でもあり、これ以上の説明は行わない。
【００１６】
本発明は、測距方式として例えば上述の強度比法を用いるときに、強度比法の長所である簡便さを損なう事無く、Ｚ軸方向の精度を高める事により、小型，高精度，低価格の３次元表面形状計測装置を実現することを意図している。なお、本発明は、測距方式として、上述した強度比法以外の測距方式を用いることも可能である。ただし、以下では、説明の便宜上、測距方式として強度比法を用いるものとする。
【００１７】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態の表面形状計測装置は、被測定物に対してＸＹＺ軸のいずれの方向にも自由な移動が可能であって、且つ移動量を読み取り可能な保持機構により支えられた３次元画像入力装置と、３次元画像入力装置からの入力画像から被測定物の形状をＸＹＺ位置データとして算出する位置データ算出器とからなる３次元位置検出装置を有していることを特徴としている。
【００１８】
ここで、被測定物に対してＸＹＺ軸のいずれの方向にも自由な移動が可能であって、且つ移動量を読み取り可能な保持機構は、例えば、ＺステージとＸＹステージとによって構成されている。
【００１９】
この場合、３次元位置検出装置は、図１に示したように、例えばＺステージの先端に据え付けられた、例えばＸＹ計測用光源，Ｚ（距離）計測用濃度パターン放射用光源，画像入力デバイスからなる３次元画像入力装置及び位置データ算出器からなっており、例えば強度比法に基づいて、被測定物の３次元位置情報を検出するようになっている。
【００２０】
このような構成の第１の実施形態の表面形状計測装置の動作は、次のとおりである。すなわち、図４に示すＺ方向演算器からの出力を用いて、被測定物と３次元位置検出装置との距離が常に一定となるように、図１に示すＺ軸方向にＺステージを駆動する。このとき、被測定物を設置した定盤の基準面から３次元位置検出装置までの距離データは、Ｚステージの移動量として与えられる。このＺステージの移動量から、前述したように、図４に示すＺ方向演算器から得られた被測定物と３次元位置検出装置の距離との差を求める事により、被測定物表面の基準面からの距離を計測できる。同様に、ＸＹ軸方向のデータも定盤の基準点からＺステージまでの距離、つまり３次元位置検出装置までの距離をＸＹステージの移動量から知る事が出来る。これに図４に示す３次元位置検出装置からＸＹ方向演算器を用いて得られたＸＹデータを加える事で、被測定物の定盤基準点からのＸＹ位置を算出する事が出来る。これにより、一度の測定で、３次元位置検出装置の有効測定領域にある被測定物の３次元計測が可能となる。
【００２１】
上述の例では、被測定物のある一部の測定における動作について説明したが、これをＸＹ方向にスキャン（走査）する事により、被測定物の全体を測定することができる。
【００２２】
本発明を触針式計測法と比べると、本発明の表面形状計測装置は、非接触であるために、被測定物に対する影響を与えない事から、極めて柔らかい被測定物や、表面張力による影響を受けた液体の表面計測等にも用いる事が出来る。勿論、これを多数個並列に用いる等の対応を行い、装置を高速化する事により、液体のうねり等の動的な観測をする事も可能となる。
【００２３】
また、触針式では、その原理上、一点での計測となり、ＸＹ方向の面計測にはスキャンに多くの時間を要する。これに対し、本発明の表面形状計測装置は、３次元位置検出装置を用いることにより、面での計測を可能としている事から、計測時間を大幅に短縮する事が可能となる。当然、位置データ算出器に用いられるプロセッサの処理能力に依存するが、プロセッサの能力向上はムーアの法則に未だに従っており、今後ますます３次元位置検出装置が同時間で測定可能な範囲は広がるものと考えられる。
【００２４】
また、従来知られている３次元計測との比較では、従来の方式では、被測定物のＺ方向の凹凸が大きい場合、これらが作る影（かげ）の影響を受け、精度の低下をきたし、甚だしい場合は計測不能に陥ることがあった。これに対し、本発明の表面形状計測装置は、小型の３次元計測器をプローブとして用いている事から明らかなように、光源を被測定物に近接して使用することが出来る。このため、大型のステレオ視を用いた方式やレーザによるスキャン方式等と比べて、影を作り難く、このような不具合の影響を受けにくい。また、従来の３次元計測においては、精度の向上には高解像度を得るために特別な撮像素子，処理回路，光学素子等が必要となり、高価なものとなるが、本発明はそのような必要性が無い事から、低コストの計測システムを提供することができる。
【００２５】
（第２の実施形態）
この第２の実施形態の表面形状計測装置の基本的動作は、第１の実施形態の表面形状計測装置と同様のものである。しかし、上述の第１の実施形態の表面形状計測装置は、３次元位置検出装置を小型化した事により、一度に計測可能な測定領域が狭くなるという問題が生じる。換言すると、視野が狭くなっている。本発明の第２の実施形態は、第１の実施形態のこのような問題を緩和することを意図している。
【００２６】
本発明の第２の実施形態の表面形状計測装置は、被測定物に対してＸＹＺ軸のいずれの方向にも自由な移動が可能であって、且つ移動量を読み取り可能な保持機構により支えられた３次元画像入力装置と、３次元画像入力装置からの入力画像から被測定物の形状をＸＹＺ位置データとして算出する位置データ算出器とからなる３次元位置検出エレメント（３Ｄ位置検出エレメント）を複数個、線上に隣接して配置した３次元位置検出装置（３Ｄ位置検出装置）を有していることを特徴としている。
【００２７】
図５には、本発明の第２の実施形態の表面形状計測装置における３次元位置検出装置の構成例が示されている。図５の例においては、３次元位置検出装置は、４個の３次元位置検出エレメントが直線上に隣接して配置されて構成されている。ここで、各３次元位置検出エレメントは、被測定物に対してＸＹＺ軸のいずれの方向にも自由な移動が可能であって、且つ移動量を読み取り可能な保持機構により支えられた３次元画像入力装置と、３次元画像入力装置からの入力画像から被測定物の形状をＸＹＺ位置データとして算出する位置データ算出器とからなっている。
【００２８】
そして、図５の例の場合、上述した４個の３次元位置検出エレメントを１個の３次元位置検出装置として図１に示すようにＺステージの先端に取り付ける。このとき、３次元位置検出装置の長手方向をＹ軸に設定する事で、Ｘ軸方向にスキャン（走査）すると同時に４個の３次元位置検出エレメントがＹ軸方向を並列に計測する事となり、Ｙ軸方向のスキャン回数を減らす事が可能となる。そのため、３次元位置検出エレメントの有効測定領域が図９の中央に示すように隣接するように配置すると、スキャン速度は４倍となり高速化を図れる。４個の３次元位置検出エレメント間のそれぞれの間隔設定は、有効測定領域をどれだけ離すか、もしくは、どれだけ重畳させるかにより定められるが、これは測定の状況により異なることとなり、例えばスキャン速度を多少犠牲にしても精度が必要であればオーバーラップを大きく採り、サンプリングで十分な用途の場合は離して配置する事となるが、このときには高速性を得られる。
【００２９】
この第２の実施形態の表面形状計測装置の基本的動作は、第１の実施形態の表面形状計測装置と同様のものである。しかし、上述の第１の実施形態の表面形状計測装置は、３次元位置検出装置を小型化した事により、一度に計測可能な測定領域が狭くなる（換言すると、視野が狭くなっている）。これに対し、第２の実施形態の表面形状計測装置は、一度に計測可能な測定領域を広くすることができる。
【００３０】
（第３の実施形態）
第３の実施形態の表面形状計測装置は、被測定物に対してＸＹＺ軸のいずれの方向にも自由な移動が可能であって、且つ移動量を読み取り可能な保持機構により支えられた３次元画像入力装置と、３次元画像入力装置からの入力画像から被測定物の形状をＸＹＺ位置データとして算出する位置データ算出器とからなる３次元位置検出エレメント（３Ｄ位置検出エレメント）を複数個、線上に分散して配置した３次元位置検出装置（３Ｄ位置検出装置）を有していることを特徴としている。
【００３１】
図６▲１▼には、この第３の実施形態における３次元位置検出装置配置の構成例が示されている。図６▲１▼の例では、３Ｄ位置検出エレメントは、３Ｄ位置検出装置内に離して設置されている。
【００３２】
この第３の実施形態の表面形状計測装置の基本的動作は、第２の実施形態の表面形状計測装置と同様なものである。上述した第２の実施形態の表面形状計測装置は、図５に示すように、線状に３次元位置検出エレメントの配置を行う事で、図９に示すような有効測定領域を任意に設定する事が可能となる。ここで、複数の３次元位置検出エレメントの有効測定領域を夫々離して設定した場合が図６▲１▼の例であり、図６▲１▼の例では、夫々の有効測定領域間は、図９の右端に示すように離れる事となる。これは、結果として、サンプリングを行う事となり、少ない３Ｄ位置検出エレメントを用いていながら広い範囲にわたり高速の測定を行なうことができる。
【００３３】
（第４の実施形態）
第４の実施形態における３Ｄ位置検出装置内の３Ｄ位置検出エレメントの配置は、第３の実施形態と同様である。しかし、第３の実施形態の表面形状計測装置は、図９の右端の図に示すように、有効測定領域の間は当然の事ながら測定不能となる。このため、第３の実施形態の表面形状計測装置では、走査方向に並行な線状の傷等の大きな欠陥があっても見逃してしまう恐れがあった。
【００３４】
第４の実施形態は、第３の実施形態において上述した問題が生じないようにすることを意図している。
【００３５】
このため、第４の実施形態の表面形状計測装置は、被測定物に対して、ＸＹＺ軸のいずれの方向にも自由な移動が可能であって、且つ移動量を読み取り可能な保持機構により支えられた３次元画像入力装置と、３次元画像入力装置からの入力画像から被測定物の形状をＸＹＺ位置データとして算出する位置データ算出器とからなる３次元位置検出エレメント（３Ｄ位置検出エレメント）を複数個、線上に分散して配置した３次元位置検出装置（３Ｄ位置検出装置）を、走査と同期させて、走査軸を含む平面上の走査軸とは異なる軸方向へ移動可能とする構造を有していることを特徴としている。
【００３６】
図６▲１▼，▲２▼には、第４の実施形態の表面形状計測装置の動作例が示されている。図６▲１▼，▲２▼の例では、走査方向と直交する軸上を３Ｄ位置検出装置が移動可能となっており、この構成によって、第３の実施形態の上述した不具合を緩和している。なお、精度を向上させたい場合は走査速度に対し移動速度を充分速く、高速性を求める際はゆっくりと走査方向と直交する軸上を移動すれば良い。
【００３７】
すなわち、走査方向と直交する軸上を３Ｄ位置検出装置が夫々等速で移動しながら撮像計測を行なうと、その計測された面の軌跡は正弦波となる。走査方向に並行な綿状の傷等の検出精度（傷等の検出確率）を向上させたい場合は、走査方向と直交する軸上の相対的な移動速度を走査速度に対し充分に速くする事により、計測された軌跡は計測しようとする面内を密な正弦波で埋めることとなり、計測面が網羅され目的が達せられる。しかし、撮像による３Ｄ計測時間が同じであれば、走査時間を遅くしなければならず、当然全体の計測時間は遅くなる。一方、計測における高速性を求める際は、走査速度に対し相対的にゆっくりと走査方向と直交する軸上を移動すれば良いが、計測しようとする面を粗な正弦波で埋める事となり、小さな傷は検出できない場合も有り得る。つまり、検出精度と計測速度はトレードオフの関係に有る。
【００３８】
（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態の表面形状計測装置は、被測定物に対して、ＸＹＺ軸のいずれの方向にも自由な移動が可能であって、且つ移動量を読み取り可能な保持機構により支えられた３次元画像入力装置と、３次元画像入力装置からの入力画像から被測定物の形状をＸＹＺ位置データとして算出する位置データ算出器とからなる３次元位置検出エレメント（３Ｄ位置検出エレメント）を複数個、格子状に配置した３次元位置検出装置（３Ｄ位置検出装置）を有していることを特徴としている。
【００３９】
図７には、第５の実施形態における３Ｄ位置検出装置内の３Ｄ位置検出エレメントの配置例が示されており、図７の例では、３Ｄ位置検出装置内の３Ｄ位置検出エレメントの配置は、格子状になっている。すなわち、第２乃至第４の実施形態の表面形状計測装置では、３Ｄ位置検出エレメントを線上（１次元）に配列したが、第５の実施形態においては面内（２次元）に配置している。これにより、一度のＸＹＺステージの移動で、同時に広い面積を測定する事が可能となり、この３Ｄ位置検出装置を用いて被測定物を走査することにより、１次元配置の３Ｄ位置検出装置と比較しても高速な測定を行なうことができる。
【００４０】
（第６の実施形態）
本発明の第６の実施形態の表面形状計測装置は、被測定物に対して、ＸＹＺ軸のいずれの方向にも自由な移動が可能であって、且つ移動量を読み取り可能な保持機構により支えられた３次元画像入力装置と、３次元画像入力装置からの入力画像から被測定物の形状をＸＹＺ位置データとして算出する位置データ算出器とからなる３次元位置検出エレメント（３Ｄ位置検出エレメント）を複数個、格子状からずらして配置した３次元位置検出装置（３Ｄ位置検出装置）を有していることを特徴としている。
【００４１】
図８には、第６の実施形態における３Ｄ位置検出装置内の３Ｄ位置検出エレメントの配置例が示されている。第６の実施形態の表面形状計測装置の動作は、第５の実施形態の表面形状計測装置の動作と同様であるが、第５の実施形態においては、第４の実施形態においても触れたように、走査方向に平行な長い傷がある場合、検知できないという問題がある。これに対し、第６の実施形態の表面形状計測装置では、図８に示す配置例のように、直線状の不感帯が存在しない事から、大きな線状の傷を検出しないと言った不具合は生ぜず、高い測定信頼性を有する。
【００４２】
（第７の実施形態）
被測定物の形状測定に際し、走査時間がかかる事や、高速化を図るべく３Ｄ位置検出エレメント増やそうとしてもコストに問題がある場合は、被測定物の全面を走査するのではなく、飛び飛びにサンプリングする事で済ませる場合がある。その場合、第２の実施形態のように直線上への３Ｄ位置検出エレメントの隣接配置を採ると、図９に示す有効測定領域の設定に際し、特殊な光学系を使う等、設計の自由度が大きく損なわれる。また、３Ｄ位置検出エレメントの間隔を広げるため大きなものとなってしまい測定の自由度を低下させる。
【００４３】
本発明の第７の実施形態は、この不具合の解消を意図している。このため、本発明の第７の実施形態の表面形状計測装置は、被測定物に対して、ＸＹＺ軸のいずれの方向にも自由な移動が可能であって、且つ移動量を読み取り可能な保持機構により支えられた３次元画像入力装置と、３次元画像入力装置からの入力画像から被測定物の形状をＸＹＺ位置データとして算出する位置データ算出器とからなる３次元位置検出エレメント（３Ｄ位置検出エレメント）を複数個、被測定物に対して凸型の面上に配置した３次元位置検出装置（３Ｄ位置検出装置）を有していることを特徴としている。
【００４４】
図１０には、第７の実施形態の表面形状計測装置の構成例が示されている。図１０を参照すると、この第７の実施形態では、Ｚステージ先端に設けられた凸面に３Ｄ位置検出エレメントを３個取り付け、これを線状に配置して、３Ｄ位置検出装置を構成している。
【００４５】
なお、図１０の例は、１次元センサーとして用いるため線状に配置しているが、２次元センサーに用いる場合は、格子状等の面状に配置する事となる。そのため、図９に示す有効測定領域の配置は、図９の右端のように、十分な距離を持って配置する事が可能となる。この距離は、凸面の曲率半径で決められ、これが小さいほど、有効測定領域の配置は離れる事となる。これを図１０の手前から後方へ走査する事で、少ない３Ｄ位置検出エレメントでありながらも広い面積を短時間に検査することが可能となる。
【００４６】
（第８の実施形態）
本発明の第８の実施形態の表面形状計測装置は、被測定物に対して、ＸＹＺ軸のいずれの方向にも自由な移動が可能であって、且つ移動量を読み取り可能な保持機構により支えられた３次元画像入力装置と、３次元画像入力装置からの入力画像から被測定物の形状をＸＹＺ位置データとして算出する位置データ算出器とからなる３次元位置検出エレメント（３Ｄ位置検出エレメント）を複数個、被測定物に対して凹型の面上に配置した３次元位置検出装置（３Ｄ位置検出装置）を有していることを特徴としている。
【００４７】
第８の実施形態の表面形状計測装置の動作は、基本的に、第７の実施形態の表面形状計測装置と同様であるが、第８の実施形態は、高精度を得るべく、図９の左端に示すように、有効測定領域を重畳させる場合に用いる。
【００４８】
図１１には、第８の実施形態の表面形状計測装置の構成例が示されている。図１１の例では、Ｚステージの先端に設けられた凹面に、３Ｄ位置検出エレメントを３個取り付け、これを線状に配置して、３Ｄ位置検出装置を構成している。
【００４９】
なお、図１１の例は、１次元センサーとして用いるため線状に配置しているが、２次元センサーに用いる場合は、格子状等の面状に配置する事となる。そのため図９に示す有効測定領域の配置は、図９の左端のように、十分な重畳域を持って配置する事が可能となる。この距離は、凹面の曲率半径で決められ、これが小さいほど、有効測定領域の重畳域は大きくなり、隣接領域間の構成が精密に出来る事から、高精度な計測が可能となる。
【００５０】
（第９の実施形態）
本発明の第９の実施形態の表面形状計測装置は、被測定物に対して、ＸＹＺ軸のいずれの方向にも自由な移動が可能であって、且つ移動量を読み取り可能な保持機構により支えられた３次元画像入力装置と、３次元画像入力装置からの入力画像から被測定物の形状をＸＹＺ位置データとして算出する位置データ算出器とからなる３次元位置検出エレメント（３Ｄ位置検出エレメント）を複数個、被測定物に対して中央は凹型の面上に、また、周辺は凸型の面上に配置した３次元位置検出装置（３Ｄ位置検出装置）を有していることを特徴としている。
【００５１】
第９の実施形態の表面形状計測装置の動作は、基本的に、第７，第８の実施形態と同様であるが、この第９の実施形態は、注目点を測定するに当たっては高精度に、周辺に行くに従い粗い計測を行う事により、計測精度と計測速度を両立させることを意図している。換言すれば、第９の実施形態では、中央に焦点を当てた計測を行う事が出来る。
【００５２】
図１２には、第９の実施形態の表面形状計測装置の構成例が示されている。図１２の例では、Ｚステージの先端に設けられた中央の凹面、両側の凸面に、３Ｄ位置検出エレメントを７個取り付け、これを線状に配置して、３Ｄ位置検出装置を構成している。
【００５３】
なお、図１２の例は、１次元センサーとして用いるため線状に配置しているが、２次元センサーに用いる場合は、格子状等の面状に配置する事となる。１次元センサーとして用いる場合は、中央の帯状の領域を高精度に計測できる。また、２次元センサーとして用いると、人間の目に近い働きをするログポラリゼーションを得る事となり、中央部が明瞭に、そこから離れるほど粗い検出精度となる。この機能を用いる事により、問題個所により多くの計測リソースを集中できる事から、少ない測定回数で問題個所を発見できる事となり、結果的に人間が検査したと同様に大きな欠陥を避けながらも、高速な計測を行う事が出来る。
【００５４】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１記載の発明によれば、被測定物に対してＸＹＺ軸のいずれの方向にも自由な移動が可能であって、且つ移動量を読み取り可能な保持機構により支えられた３次元画像入力装置と、３次元画像入力装置からの入力画像から被測定物の形状をＸＹＺ位置データとして算出する位置データ算出器とからなる３次元位置検出装置を有しているので、一度の測定で、３次元位置検出装置の有効測定領域にある被測定物の３次元計測が可能となる。
【００５５】
また、請求項２記載の発明によれば、被測定物に対してＸＹＺ軸のいずれの方向にも自由な移動が可能であって、且つ移動量を読み取り可能な保持機構により支えられた３次元画像入力装置と、３次元画像入力装置からの入力画像から被測定物の形状をＸＹＺ位置データとして算出する位置データ算出器とからなる３次元位置検出エレメントを複数個、線上に隣接して配置した３次元位置検出装置を有しているので、一度に計測可能な測定領域を広くすることができる。
【００５６】
また、請求項３記載の発明によれば、被測定物に対してＸＹＺ軸のいずれの方向にも自由な移動が可能であって、且つ移動量を読み取り可能な保持機構により支えられた３次元画像入力装置と、３次元画像入力装置からの入力画像から被測定物の形状をＸＹＺ位置データとして算出する位置データ算出器とからなる３次元位置検出エレメントを複数個、線上に分散して配置した３次元位置検出装置を有しているので、広い範囲にわたり高速の測定を行なうことができる。
【００５７】
また、請求項４記載の発明によれば、被測定物に対してＸＹＺ軸のいずれの方向にも自由な移動が可能であって、且つ移動量を読み取り可能な保持機構により支えられた３次元画像入力装置と、３次元画像入力装置からの入力画像から被測定物の形状をＸＹＺ位置データとして算出する位置データ算出器とからなる３次元位置検出エレメントを複数個、線上に分散して配置した３次元位置検出装置を、走査と同期させて、走査軸を含む平面上の走査軸とは異なる軸方向へ移動可能とする構造を有しているので、走査方向に並行な線状の傷等の大きな欠陥があっても見逃してしまうことがないようにすることができる。
【００５８】
また、請求項５記載の発明によれば、被測定物に対してＸＹＺ軸のいずれの方向にも自由な移動が可能であって、且つ移動量を読み取り可能な保持機構により支えられた３次元画像入力装置と、３次元画像入力装置からの入力画像から被測定物の形状をＸＹＺ位置データとして算出する位置データ算出器とからなる３次元位置検出エレメントを複数個、格子状に配置した３次元位置検出装置を有しているので、１次元配置の３Ｄ位置検出装置と比較しても高速な測定を行なうことができる。
【００５９】
また、請求項６記載の発明によれば、被測定物に対してＸＹＺ軸のいずれの方向にも自由な移動が可能であって、且つ移動量を読み取り可能な保持機構により支えられた３次元画像入力装置と、３次元画像入力装置からの入力画像から被測定物の形状をＸＹＺ位置データとして算出する位置データ算出器とからなる３次元位置検出エレメントを複数個、格子状からずらして配置した３次元位置検出装置を有しているので、直線状の不感帯が存在しない事から、大きな線状の傷を検出しないと言った不具合は生ぜず、高い測定信頼性を有する。
【００６０】
また、請求項７記載の発明によれば、被測定物に対してＸＹＺ軸のいずれの方向にも自由な移動が可能であって、且つ移動量を読み取り可能な保持機構により支えられた３次元画像入力装置と、３次元画像入力装置からの入力画像から被測定物の形状をＸＹＺ位置データとして算出する位置データ算出器とからなる３次元位置検出エレメントを複数個、被測定物に対して凸型の面上に配置した３次元位置検出装置を有しているので、広い面積を短時間に検査することが可能となる。
【００６１】
また、請求項８記載の発明によれば、被測定物に対してＸＹＺ軸のいずれの方向にも自由な移動が可能であって、且つ移動量を読み取り可能な保持機構により支えられた３次元画像入力装置と、３次元画像入力装置からの入力画像から被測定物の形状をＸＹＺ位置データとして算出する位置データ算出器とからなる３次元位置検出エレメントを複数個、被測定物に対して凹型の面上に配置した３次元位置検出装置を有しているので、有効測定領域の重畳域は大きくなり、隣接領域間の構成が精密に出来る事から、高精度な計測が可能となる。
【００６２】
また、請求項９記載の発明によれば、被測定物に対してＸＹＺ軸のいずれの方向にも自由な移動が可能であって、且つ移動量を読み取り可能な保持機構により支えられた３次元画像入力装置と、３次元画像入力装置からの入力画像から被測定物の形状をＸＹＺ位置データとして算出する位置データ算出器とからなる３次元位置検出エレメントを複数個、被測定物に対して中央は凹型の面上に、また、周辺は凸型の面上に配置した３次元位置検出装置を有しているので、人間が検査したと同様に大きな欠陥を避けながらも、高速な計測を行う事が出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る表面形状計測装置の基本構成を説明するための図である。
【図２】本発明における３次元位置検出装置の基本構成を示す図である。
【図３】異なる２種類の濃度傾斜を有する濃度パターンを示す図である。
【図４】位置データ算出器（ＸＹ方向演算器，Ｚ方向演算器）を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態の表面形状計測装置における３次元位置検出装置の構成例を示す図である。
【図６】第３，第４の実施形態を説明するための図である。
【図７】第５の実施形態における３Ｄ位置検出装置内の３Ｄ位置検出エレメントの配置例を示す図である。
【図８】第６の実施形態における３Ｄ位置検出装置内の３Ｄ位置検出エレメントの配置例を示す図である。
【図９】有効測定領域を説明するための図である。
【図１０】第７の実施形態の表面形状計測装置の構成例を示す図である。
【図１１】第８の実施形態の表面形状計測装置の構成例を示す図である。
【図１２】第９の実施形態の表面形状計測装置の構成例を示す図である。
【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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