(57)【要約】【課題】  測定対象物の全ての領域でコントラストのよい変形パターン画像を取得できる３次元形状測定装置を提供する。【解決手段】  光源３を有し、該光源３からの光が照射される格子パターン４１の像を測定対象物１に対し所定角度傾けて投影するパターン投影手段２、測定対象物１からの反射光より取得されるパターン像を変形パターン像として撮像する撮像素子１２を有する撮像光学手段８、パターン投影手段２の光路に配置され、光源３からの光のうち特定偏光成分の光を透過させる第１の偏光光学素子６および撮像光学手段８の光路に配置され、第１の偏光光学素子６を透過した特定偏光成分の光の透過を制限する第２の偏光光学素子１０を具備する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源を有し、該光源からの光が照射されるパターンの像を測定対象物に対し所定角度傾けて投影するパターン投影手段と、
前記測定対象物に投影されるパターン像を変形パターン像として撮像素子に結像させる撮像光学手段と、
前記パターン投影手段の光路に配置され、前記光源からの光のうち特定偏光成分の光を透過させる第１の偏光光学素子と、
前記撮像光学手段の光路に配置され、前記第１の偏光光学素子を透過した特定偏光成分の光の透過を制限する第２の偏光光学素子と
を具備したことを特徴とする３次元形状測定装置。
【請求項２】
前記第１および第２の偏光光学素子は、光学的にクロスニコルの位置関係で配置されることを特徴とする請求項１記載の３次元形状測定装置。
【請求項３】
前記第１および第２の偏光光学素子の少なくとも一方に、偏光軸方向を変更可能にする偏光素子回転手段を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の３次元形状測定装置。
【請求項４】
前記第１および第２の偏光光学素子の少なくとも一方に、光路に対し挿脱可能にする偏光素子挿脱手段を設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の３次元形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、格子パターン投影法を採用した３次元形状測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、３次元形状をなす測定対象物の表面形状を測定する手段として、特許文献１に開示されるような格子パターン投影法が知られている。この格子パターン投影法は、例えば、図４に示すように測定対象物２００の表面に対して斜め上方向に投影系２０１を配置し、この投影系２０１からの格子パターンの像を測定対象物２００表面に所定角度傾けて投影し、測定対象物２００表面からの散乱光を変形パターン像として、測定対象物２００表面の真上に配置された撮像系２０２により撮像し、その撮像画像を演算処理することにより測定対象物２００の３次元の表面形状を求めるようにしている。
【特許文献１】特開平８−１４８４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、このような格子パターン投影法では、投影系２０１からの光に対して測定対象物２００表面から正反射光Ａと散乱光Ｂが撮像系２０２に入射して撮像される。この場合、正反射光Ａは、測定対象物２００が、例えばＢＧＡのような球面形状であるような場合、局所的な部分でのみ、散乱光Ｂより遥かに強くなることがある（図４では、光の強さを矢印の長さで表わしている）。
【０００４】
このため、従来の格子パターン投影法を採用した３次元形状測定装置では、正反射光Ａを含む明るい部分で、撮像系２０２のＣＣＤカメラの輝度飽和がなくなるように、投影系２０１の光量を落すようにしている。
【０００５】
ところが、投影系２０１の光量を落すと、散乱光Ｂしか得られない測定対象物２００表面を撮像した画像は、非常に暗いものになってしまい、変形パターン像としてコントラストの悪い画像、つまり、Ｓ／Ｎの極めて悪い画像となる。
【０００６】
従って、このようなＳ／Ｎの悪い画像を用いて測定対象物２００表面の形状を求めたのでは、測定精度が著しく低下するという問題が生じる。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、測定対象物の全ての領域でコントラストのよい変形パターン画像を取得できる３次元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】
【０００８】
請求項１記載の発明は、光源を有し、該光源からの光が照射されるパターンの像を測定対象物に対し所定角度傾けて投影するパターン投影手段と、前記測定対象物に投影されるパターン像を変形パターン像として撮像素子に結像させる撮像光学手段と、前記パターン投影手段の光路に配置され、前記光源からの光のうち特定偏光成分の光を透過させる第１の偏光光学素子と、前記撮像光学手段の光路に配置され、前記第１の偏光光学素子を透過した特定偏光成分の光の透過を制限する第２の偏光光学素子とを具備したことを特徴としている。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記第１および第２の偏光光学素子は、光学的にクロスニコルの位置関係で配置されることを特徴としている。
【００１０】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、前記第１および第２の偏光光学素子の少なくとも一方に、偏光軸方向を変更可能にする偏光素子回転手段を設けたことを特徴としている。
【００１１】
請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明において、前記第１および第２の偏光光学素子の少なくとも一方に、光路に対し挿脱可能にする偏光素子挿脱手段を設けたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、測定対象物に対し、第１の偏光光学素子を透過する特定偏光成分の光のパターン像を投影し、測定対象物により反射、散乱された光のうち第１の偏光光学素子を透過した特定偏光成分の光の透過を第２の偏光光学素子により制限し、この制限された光より取得される変形パターン像を撮像するようにしたので、撮像画面エリア内で均一の明るさの変形パターン像が得られるとともに、局所的に明るい部分を無くして撮像画面全域に亘って適正光量に調整できるようになり、全ての測定領域でコントラストのよい（Ｓ／Ｎ比のよい）変形パターン像により精度の高い３次元形状の測定を行なうことができる。
【００１３】
また、本発明によれば、第１および第２の偏光光学素子の少なくとも一方の偏光軸方向を変更できるので、これらの変更により、クロスニコルの状態からわずかにずらした状態を作ることで、撮像手段で撮像される変形パターン像を十分に明るくすることができる。この場合、撮像手段の輝度飽和にならない点を探すようにすれば、最適な明るさ状態の変形パターン像を撮像することができる。
【００１４】
さらに、本発明によれば、第１および第２の偏光光学素子の少なくとも一方を光路上から挿脱可能としたので、測定対象物として、表面の粗さが均一で、形状が平坦なものの場合、これら第１および第２の偏光光学素子の少なくとも一方を光路上から取外すことにより、最適な明るさ状態の変形パターン像を撮像することができる。つまり、測定対象物の測定面の状態に応じて第１および第２の偏光光学素子の光路への挿脱を選択することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。
【００１６】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態が適用される３次元形状測定装置の概略構成を示している。図において、１は測定対象物で、この測定対象物１は、表面が３次元形状になっている。
【００１７】
測定対象物１表面に対して斜め上方向には、パターン投影手段２が配置されている。
【００１８】
パターン投影手段２は、光源３を有している。光源３には、ハロゲンランプやキセノンランプなどが用いられる。光源３から発せられる光の光路上には、パターン走査装置４、集光レンズ５、第１の偏光光学素子６および投影レンズ７が配置されている。
【００１９】
パターン走査装置４は、パターンとして格子パターン４１を有している。格子パターン４１は、スリット状の光透過部を一定間隔のピッチで形成したもので、光源３からの光が均一に照射されると、それぞれの光透過部より光を透過するようになっている。また、パターン走査装置４は、格子パターン４１を所定ピッチだけピッチ方向に移動できるようになっている。
【００２０】
集光レンズ５は、格子パターン４１を透過した光を第１の偏光光学素子６上に集光させるものである。第１の偏光光学素子６は、振動方向（偏光軸方向）配置により決定される偏光成分の光のみを透過するようにしたもので、格子パターン４１からの光のうち、振動方向で決定される偏光成分の光を投影レンズ７に入射するようにしている。この場合、第１の偏光光学素子６は、パターン投影光学系の瞳位置に配置されるのが望ましい。
【００２１】
投影レンズ７は、第１の偏光光学素子６から取り出された偏光成分の光を測定対象物１上に投影するもので、ここでは、格子パターン４１により形成される明暗を有する格子パターン像を測定対象物１に対し所定角度傾けて投影するようになっている。
【００２２】
一方、測定対象物１上方には、撮像光学手段８が配置されている。撮像光学手段８は、測定対象物１からの散乱光を変形パターン像として撮像するものである。
【００２３】
撮像光学手段８は、測定対象物１からの反射光の光路に、対物レンズ９、第２の偏光光学素子１０、結像レンズ１１およびＣＣＤカメラなどの撮像素子１２が配置されている。
【００２４】
対物レンズ９は、測定対象物１からの反射、散乱光を第２の偏光光学素子１０上に集光させるものである。第２の偏光光学素子１０は、第１の偏光光学素子６の振動方向（偏光軸方向）で決定される偏光成分の光の透過を制限するもので、ここでは、第１の偏光光学素子６と互いに光学的にクロスニコルの位置関係で配置されている。これにより、第２の偏光光学素子１０は、測定対象物１で反射、散乱される光のうち、偏向方向が保存される正反射光（第１の偏光光学素子６を透過した光）を制限し、偏光成分がランダムに乱れた散乱光のみを透過するようになる。この場合、第２の偏光光学素子１０は、撮像光学系の瞳位置に配置されるのが望ましい。
【００２５】
結像レンズ１１は、第２の偏光光学素子１０を透過した散乱光による格子パターン像を撮像素子１２の撮像面に結像させるようにしている。この場合、撮像素子１２の撮像面に結像される格子パターン像は、測定対象物１上で散乱されるときに表面形状に対応した変形を受けた変形パターンの像として撮像される。
【００２６】
撮像素子１２には、コンピュータ１３が接続されている。コンピュータ１３は、撮像素子１２の撮像画像を演算処理して測定対象物１の３次元の表面形状を求めるようになっている。コンピュータ１３には、表示装置１４が接続されている。表示装置１４は、コンピュータ１３での撮像画像の演算処理の結果などを表示するものである。さらに、コンピュータ１３には、光源３およびパターン走査装置４が接続され、コンピュータ１３からの指示により光源３からの光の光量調整やパターン走査装置４での格子パターン４１の移動制御を行なうことができるようになっている。
【００２７】
このような構成において、いま、光源３からの光が格子パターン４１に均一に照射されると、格子パターン４１の光透過部を透過した光は、集光レンズ５を介して第１の偏光光学素子６に入射される。第１の偏光光学素子６は、格子パターン４１からの光のうち、振動方向で決定される偏光成分の光のみを透過し、投影レンズ７に入射する。そして、投影レンズ７を透過した光は、明暗を有する格子パターン像として、測定対象物１上に所定の角度傾けて投影される。
【００２８】
一方、測定対象物１上に投影された格子パターンは、測定対象物１により反射、散乱され、対物レンズ９を介して第２の偏光光学素子１０上に集光される。
【００２９】
この場合、第２の偏光光学素子１０は、第１の偏光光学素子６と互いに光学的にクロスニコルの位置関係で配置されていて、第１の偏光光学素子６の振動方向で決定される偏光成分の光の透過を制限するようになっている。これにより第２の偏光光学素子１０は、測定対象物１からの反射、散乱光のうち、偏向方向が保存される正反射光（第１の偏光光学素子６を透過した光）の透過を制限し、偏光成分がランダムに乱れた散乱光のみを透過する。
【００３０】
第２の偏光光学素子１０を透過した散乱光は、結像レンズ１１を介して撮像素子１２の撮像面に散乱光による格子パターン像として結像され撮像される。この場合、格子パターン像は、測定対象物１上で散乱されるときに表面形状に対応した変形を受けた変形パターン像として撮像される。
【００３１】
撮像素子１２で撮像された画像は、コンピュータ１３に送られる。コンピュータ１３は、撮像画像を演算処理し測定対象物１の３次元表面形状を求め、この結果が表示装置１４に表示される。
【００３２】
なお、このような３次元表面形状の測定において、撮像素子１２で撮像される散乱光による格子パターン像が暗い場合は、コンピュータ１３より光源３に指示を出して、光源３からの光の光量を上げるようにすればよい。
【００３３】
従って、このようにすれば、測定対象物１上に、第１の偏光光学素子６での振動方向で決定される偏光成分の光のみを、明暗を有する格子パターン像として所定の角度傾けて投影し、測定対象物１からの反射、散乱光を、第１の偏光光学素子６と互いにクロスニコルの位置関係で配置された第２の偏光光学素子に入射し、偏向方向が保存される正反射光の透過を制限し、偏光成分がランダムに乱れた散乱光のみを透過させるようにしたので、散乱光に比べて極めて明るい正反射光成分の光をカットすることができる。これにより、撮像素子１２の撮像画面エリア内で均一の明るさの散乱成分の光からなる変形パターン像が得られ、局所的に明るい部分を無くして撮像画面全域に亘って適正光量に調整できるようになるので、全ての測定領域でコントラストのよい（Ｓ／Ｎ比のよい）変形パターン画像による精度の高い３次元形状の測定を行なうことができる。
【００３４】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。
【００３５】
図２は、本発明の第２の実施の形態が適用される３次元形状測定装置の概略構成を示すもので、図１と同一部分には、同符号を付している。
【００３６】
この場合、第１の偏光光学素子６には、偏光光学素子回転手段としての偏光光学素子回転機構６１が取り付けられている。偏光光学素子回転機構６１は、第１の偏光光学素子６を光軸を中心に回転可能にしたもので、第１の偏光光学素子６の偏光軸方向（振動方向）を変更できるようにしている。
【００３７】
同様にして、第２の偏光光学素子１０にも、偏光光学素子回転手段としての偏光光学素子回転機構１０１が取り付けられている。偏光光学素子回転機構１０１も、第２の偏光光学素子１０を光軸を中心に回転可能にしたもので、第２の偏光光学素子１０の偏光軸方向（振動方向）を変更できるようにしている。
【００３８】
その他は、図１と同様である。
【００３９】
このようにすれば、上述した第１の実施の形態では、第１および２の偏光光学素子６、１０がクロスニコル配置に固定されていたが、この第２の実施の形態では、例えば、偏光光学素子回転機構６１により第１の偏光光学素子６を回転させ、第１の偏光光学素子６の振動方向（偏光軸方向）を変更することにより、２の偏光光学素子１０とのクロスニコル配置を解除することができる。
【００４０】
これにより、撮像素子１２で撮像される変形パターン像の明るさを任意に調整することができる。つまり、完全なクロスニコルによる測定では、撮像素子１２で撮像される変形パターン像の明るさが不足してしまうことがあり、この場合は、光源３の光量のパワーが十分であれば、光量を上げることで対処している。しかし、光量のパワーを十分に得られない場合は、第１の偏光光学素子６を回転させ、クロスニコルの状態からわずかにずらした状態を作ることで、撮像素子１２で撮像される変形パターン像を十分に明るくすることができる。この場合、撮像素子１２の輝度飽和にならない点を探すようにすれば、最適な明るさ状態の変形パターン像を撮像することができる。また、測定対象物１の表面の形状や材質などによって第１の偏光光学素子６の回転角度を変えるようにしても、最適な明るさ状態の変形パターン像を撮像することができる。
【００４１】
勿論、偏光光学素子回転機構１０１により第２の偏光光学素子１０を回転させ、この第２の偏光光学素子１０の振動方向（偏光軸方向）を変更するようにしても、同様な効果を得ることができる。
【００４２】
なお、第１および２の偏光光学素子６、１０には、それぞれ偏光光学素子回転機構６１、１０１が設けられているが、第１および２の偏光光学素子６、１０のいずれか一方にのみ偏光光学素子回転機構を設けても、上述したと同様な効果を得られる。
【００４３】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態を説明する。
【００４４】
図３は、本発明の第３の実施の形態が適用される３次元形状測定装置の概略構成を示すもので、図１と同一部分には、同符号を付している。
【００４５】
この場合、第１の偏光光学素子６には、偏光光学素子挿脱手段としての偏光光学素子挿脱機構６２が取り付けられている。偏光光学素子挿脱機構６２は、第１の偏光光学素子６を光路に対して図示矢印方向に挿脱可能にしたものである。同様にして、第２の偏光光学素子１０にも、偏光光学素子挿脱手段としての偏光光学素子挿脱機構１０２が取り付けられている。偏光光学素子挿脱機構１０２も、第２の偏光光学素子１０を光路に対して図示矢印方向に挿脱可能にしたものである。この場合、偏光光学素子挿脱機構６２、１０２は、それぞれの第１および２の偏光光学素子６、１０を光路上に入れるか外すかの切換え可能とするとともに、例えば、顕微鏡フィルタスライダーで使用されるようなクリック機構によって挿脱の位置決めが行われる。
【００４６】
その他は、図１と同様である。
【００４７】
このようにすれば、上述した第１および第２の実施の形態では、第１および２の偏光光学素子６、１０が常に光路上に配置されていたが、この第２の実施の形態では、偏光光学素子挿脱機構６２、１０２により第１の偏光光学素子６、１０を光路上より取外すことができる。
【００４８】
これにより、測定対象物１として、正反射光が撮像素子１２側に全く生じないようなものの表面形状を測定するような場合、具体的には、測定対象物１として、表面の粗さが均一で、形状が平坦なものの場合には、偏光光学素子挿脱機構６２、１０２により第１の偏光光学素子６、１０を光路上より取外すことにより、最適な明るさ状態の変形パターン像を撮像することができる。つまり、測定対象物１の測定面の状態に応じて偏光光学素子６、１０の光路への挿脱を選択することができる。
【００４９】
なお、第１および２の偏光光学素子６、１０には、それぞれ偏光光学素子挿脱機構６２、１０２が設けられているが、第１および２の偏光光学素子６、１０のいずれか一方にのみ偏光光学素子挿脱機構を設けても、上述したと同様な効果を得られる。
【００５０】
本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、実施段階では、その要旨を変更しない範囲で種々変形することが可能である。例えば、上述した実施でき、パターン手段として格子パターンについて述べたが、パターン形状は格子状である必要はなく、種々の形状のパターンを用いることができる。また、上述では、偏光光学素子回転機構と偏光光学素子挿脱機構を個々に設ける例を説明したが、これら偏光光学素子回転機構と偏光光学素子挿脱機構を一緒にしたものを第１および２の偏光光学素子６、１０に設けるようにしてもよい。また、上述した実施の形態では、偏向光学素子回転機構や偏向光学素子挿脱機構の駆動方式についての説明が省略されていたが、偏向光学素子回転機構や偏向光学素子挿脱機構の駆動方式は何でもよく、自動または手動のどちらを用いても本発明を実現することができる。
【００５１】
さらに、上記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示されている複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出できる。例えば、実施の形態に示されている全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題を解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出できる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の第１の実施の形態の概略構成を示す図。
【図２】本発明の第２の実施の形態の概略構成を示す図。
【図３】本発明の第３の実施の形態の概略構成を示す図。
【図４】従来の３次元形状測定装置の一例の概略構成を示す図。
【符号の説明】
【００５３】
１…測定対象物、２…パターン投影手段
３…光源、４…パターン走査装置
４１…格子パターン、５…集光レンズ
６…第１の偏光光学素子、７…投影レンズ
８…撮像光学手段、９…対物レンズ
１０…第２の偏光光学素子、１１…結像レンズ
１２…撮像素子、１３…コンピュータ
１４…表示装置、６１．１０１…偏光光学素子回転機構
６２．１０２…偏光光学素子挿脱機構
【図１】
2005214787.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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