(57)【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及び光軸方向の高さの異なる少なくとも３つの格子面を持つ段差付き格子パターンと、そのモアレ縞を撮像するためのレンズ及びカラーセンサカメラを含む受光系と、前記段差付き格子パターンを前記カラーセンサカメラの光軸方向に直交する方向に往復移動させる移動機構と、前記被検物と前記カラーセンサカメラとの間に配設された各色毎の色フィルターと、前記カラーセンサカメラの光軸上に位置する前記色フィルターを切換えるフィルター切換え機構と、を有する実体格子型のモアレ光学系を検査光学系として用い、前記カラーセンサカメラの１ライン又は１フレームの走査時間内において、前記移動機構により前記段差付き格子パターンを往復移動させて各格子面の格子パターンを光軸上に位置させることにより特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけシフトさせる往復移動と、前記フィルター切換え機構により前記カラーセンサカメラの光軸上に位置する色フィルターを切換える切換え動作とを同期して行い、その後、撮像することを繰り返すことにより得られる３色分の位相シフトさせたモアレ縞の画像データに基づく演算処理により被検物表面の形状を３次元的に測定するようにした表面形状測定方法。
【請求項２】
モアレ縞を発生させるための光源及び格子パターンと、そのモアレ縞を撮像するためのレンズ及び撮像カメラを含む受光系と、を有する実体格子型のモアレ光学系を検査光学系として用いる表面形状測定装置であって、前記撮像カメラをカラーセンサカメラとし、前記格子パターンを特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけシフトさせるように設定された光軸方向の高さの異なる少なくとも３つの格子面を持つ段差付き格子パターンとし、この段差付き格子パターンを前記カラーセンサカメラの光軸方向に直交する方向に往復移動させて各格子面の格子パターンを光軸上に位置させる移動機構と、前記被検物と前記カラーセンサカメラとの間に配設された各色毎の色フィルターと、前記カラーセンサカメラの光軸上に位置する前記色フィルターを順次切換えるフィルター切換え機構と、前記カラーセンサカメラの１ライン又は１フレームの走査と前記段差付き格子パターンの往復移動と前記色フィルターの切換え動作との同期をとる同期手段と、前記カラーセンサカメラの１ライン又は１フレームの走査時間内において、前記段差付き格子パターンの往復移動と前記色フィルターの切換え動作とを同期して行い、その後、撮像することを繰り返すことにより得られる３色分の位相シフトさせたモアレ縞の画像データに基づく演算処理により被検物表面の形状を３次元的に測定する演算処理手段と、を備える表面形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検物の表面欠陥検出、稜線の膨らみやうねり、凹み等の３次元形状変化の少ない凹凸欠陥等を検出するためのモアレ法を利用した表面形状測定方法及び表面形状測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
感光体ドラムなどの円筒状被検物に関する従来の欠陥検査方法として、特開平２−２０１１４２号公報或いは特開平４−１６９８４０号公報等に示される例がある。図３５は、特開平２−２０１１４２号公報例を示す斜視図である。同図において、まず、光源１０１からのレーザ光ビーム１０２を、回転多面鏡１０３を介して感光体ドラム１０４の軸方向に走査するように照射させ、走査光は、感光体ドラム１０４の感光層表面にて反射させる。感光体ドラム１０４は駆動モータ１０５により回転駆動される。正常な表面からの反射光は、ほぼ受光器１０６に進入することで反射光の強度が検出され、その検出出力は所定の演算処理部等に入力される。
【０００３】
同公報例に示されるこのような処理は、検出値が異常に低下した時に、表面状態の異常として検出するためのものである。
【０００４】
一方、図３６は、特開平４−１６９８４０号公報例の方法を示す概略斜視図である。同図において、ハロゲン光源等を備えた投光器１１０から感光体ドラム１１１へ向けてスリット光１１２が投射される。感光体ドラム１１１の表面欠陥によって散乱された散乱光は、レンズ１１３によって集光され、ラインセンサ１１４で受光される。ラインセンサ１１４は、画素列を有し、その受光範囲は、感光体ドラム１１１表面上のＥで示される範囲である。
【０００５】
同公報例に示されるこのような処理は、欠陥による散乱光の異常を検出するためのものである。
【０００６】
感光体にはピンホール，打痕，擦り傷，気泡の巻き込み，クラック，ゴミ等の付着による欠陥並びに感光層の膜厚のムラ，液ダレや支持体の傷等多種多様な欠陥の生ずる可能性がある。
【０００７】
上述したような従来の光学式検査装置による場合では、ピンホール，打痕，擦り傷，ゴミ等の付着による欠陥の如く表面凹凸の変化率の大きな欠陥に対しては高い検出力を発揮することができるが、感光層の膜厚ムラ等の如く凹凸の変化率の小さい欠陥或いは支持体の傷のように感光体表面に凹凸の変化のない欠陥に対しては検出精度に問題がある。
【０００８】
一方、３次元測定法の一手法としてモアレ法（モアレトポグラフィーを利用した３次元測定法）が挙げられる。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。
【０００９】
格子投影型のモアレ法とは、図３７に示すように、投影用と観察用とに、各々小さな格子Ｇ１，Ｇ２を配置し、格子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ｈ１，ｈ２，ｈ３，…のところに生じさせるようにしたものである。
【００１０】
一方、実体格子型のモアレ法とは、図３８に示すように、基準面に一つの格子Ｇを設置し、図３７のレンズＬ１の位置に点光源Ｓ１を、レンズＬ２の位置に観察眼ｅを置いて、格子Ｇの光源Ｓ１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、これを格子Ｇを通して観察眼ｅにより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。
【００１１】
従来、モアレ法による３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３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、
等の問題が指摘されている。
【００１２】
この問題点は、格子投影型のモアレ法の場合、２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、実体格子型のモアレ法の場合には、格子が１枚のみであるため、格子投影型のモアレ法のような位相シフトを行っても、全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。
【００１３】
このような問題点に対して、例えば特開平４−１４７００１号公報（特許第２８８７５１７号）によれば、実体格子型のモアレ法に位相シフト法を組合わせた測定方法が報告されている。即ち、格子面の垂直移動と光源又は観察点の水平移動と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たすことなく、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ようにしている。これにより、複数枚のモアレ縞画像を高速査法（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のみ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。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、実体格子型のモアレ法に対して特開平４−１４７００１号公報例のように位相シフト法を適用する上で、全縞次数をほぼ正確にシフトさせることを意図しており、格子面の垂直移動と光源又は観察点の水平移動との２方向の移動を同時に行うことにより実現しているため、その移動機構等の装置構成が複雑になる上に、対象物を少なくとも３回以上撮像する必要があり、測定に時間がかかる等の問題がある。
【００１５】
そこで、本発明は、実体格子型のモアレ法に対して位相シフト法を簡単かつ支障なく適用できるようにすることで、ローラ部品等の円柱状被検物や液晶等の平面状被検物の表面形状の３次元測定を、高速かつ高精度に行うことができる表面形状測定方法及び表面形状測定装置を提供することを目的とする。
【００１６】
特に、１つの測定範囲に関しては１回の撮像のみで少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞の画像を取得でき、測定時間を短縮させることができる表面形状測定方法及び表面形状測定装置を提供することを目的とする。
【００３２】
従って、高さの異なる面を持った段差付き格子パターンを移動機構により段差方向に平行な方向に往復移動させ、ラインセンサカメラの１ラインの走査時間と格子パターンの往復移動との同期動作によって得られたモアレ縞の画像データを用いるため、位相シフトした画像を取得するために被検物を複数回撮像する必要が無く、高速かつ高精度な形状測定を行うことができる。
【００３５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明の表面形状測定方法は、モアレ縞を発生させるための光源及び光軸方向の高さの異なる少なくとも３つの格子面を持つ段差付き格子パターンと、そのモアレ縞を撮像するためのレンズ及びカラーセンサカメラを含む受光系と、前記段差付き格子パターンを前記カラーセンサカメラの光軸方向に直交する方向に往復移動させる移動機構と、前記被検物と前記カラーセンサカメラとの間に配設された各色毎の色フィルターと、前記カラーセンサカメラの光軸上に位置する前記色フィルターを切換えるフィルター切換え機構と、を有する実体格子型のモアレ光学系を検査光学系として用い、前記カラーセンサカメラの１ライン又は１フレームの走査時間内において、前記移動機構により前記段差付き格子パターンを往復移動させて各格子面の格子パターンを光軸上に位置させることにより特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけシフトさせる往復移動と、前記フィルター切換え機構により前記カラーセンサカメラの光軸上に位置する色フィルターを切換える切換え動作とを同期して行い、その後、撮像することを繰り返すことにより得られる３色分の位相シフトさせたモアレ縞の画像データに基づく演算処理により被検物表面の形状を３次元的に測定するようにした。
【００３６】
従って、撮像カメラとしてカラーセンサカメラを用い、被検物と検査光学系の相対位置関係とカラーセンサカメラの１ライン或いは１フレームの走査時間と段差付き格子パターンの往復移動と各色フィルターの切換え動作との同期動作によって得られるモアレ縞データを用いるため、従来のように位相シフトしたモアレ縞の画像を取得するために被検物を複数回撮像する必要がなく、高速かつ高精度にして、高精細な形状測定を行うことができる。
【００５６】
従って、高さの異なる面を持った段差付き格子パターンを移動機構により段差方向に平行な方向に往復移動させ、ラインセンサカメラの１ラインの走査時間と格子パターンの往復移動との同期動作によって得られたモアレ縞の画像データを用いるため、位相シフトした画像を取得するために被検物を複数回撮像する必要が無く、高速かつ高精度な形状測定を行うことができる。
【００５９】
請求項２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と、そのモアレ縞を撮像するためのレンズ及び撮像カメラを含む受光系と、を有する実体格子型のモアレ光学系を検査光学系として用いる表面形状測定装置であって、前記撮像カメラをカラーセンサカメラとし、前記格子パターンを特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけシフトさせるように設定された光軸方向の高さの異なる少なくとも３つの格子面を持つ段差付き格子パターンとし、この段差付き格子パターンを前記カラーセンサカメラの光軸方向に直交する方向に往復移動させて各格子面の格子パターンを光軸上に位置させる移動機構と、前記被検物と前記カラーセンサカメラとの間に配設された各色毎の色フィルターと、前記カラーセンサカメラの光軸上に位置する前記色フィルターを順次切換えるフィルター切換え機構と、前記カラーセンサカメラの１ライン又は１フレームの走査と前記段差付き格子パターンの往復移動と前記色フィルターの切換え動作との同期をとる同期手段と、前記カラーセンサカメラの１ライン又は１フレームの走査時間内において、前記段差付き格子パターンの往復移動と前記色フィルターの切換え動作とを同期して行い、その後、撮像することを繰り返すことにより得られる３色分の位相シフトさせたモアレ縞の画像データに基づく演算処理により被検物表面の形状を３次元的に測定する演算処理手段と、を備える。
【００６０】
従って、撮像カメラとしてカラーセンサカメラを用い、被検物と検査光学系の相対位置関係とカラーセンサカメラの１ライン或いは１フレームの走査時間と段差付き格子パターンの往復移動と各色フィルターの切換え動作との同期動作によって得られるモアレ縞データを用いるため、従来のように位相シフトしたモアレ縞の画像を取得するために被検物を複数回撮像する必要がなく、高速かつ高精度にして、高精細な形状測定を行うことができる。
【００７１】
【発明の実施の形態】
＜第一の実施の形態＞
本発明の第一の実施の形態を図１ないし図５に基づいて説明する。
【００７２】
まず、本実施の形態の説明に先立ち、その基本となるモアレ法による３次元計測法の原理と位相シフト法について説明する。
【００７３】
［モアレ法による３次元計測法の原理］
格子Ｇ１，Ｇ２のピッチをｓ、光源Ｓ１と観察点Ｓ２との距離をｄ、光源Ｓ１、観察点Ｓ２と格子面との距離をｌとする。同一平面内にある格子Ｇ１とＧ２は何れもピッチｓをもつが、格子Ｇ１，Ｇ２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、形成されるモアレ縞は、
cos(２π／ｓ)[{ｄｈ−ε(ｈ＋１)}／(ｈ＋１)]  ……………（１）
と表せる（図１）。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縞次数を持つ。そこで、縞次数Ｎのモアレ縞をcos２πＮとする。その結果、第Ｎ次のモアレ縞の等高線は基準面からｈＮだけ離れた位置、
ｈＮ＝{(Ｎｓ＋ε)ｌ}／(ｄ−Ｎｓ−ε)    ……………………（２）
に形成されることになる。これは、測定面上の位置の座標ｘを含んでおらず、縞次数Ｎによって（ｘに関わり無く）定める固有の値となっている。即ち、等高線が形成されていることを示す。
【００７４】
図２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（従って、ε＝０となる）格子パターンＧ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、
ｈＮ＝Ｎｓｌ／(ｄ−Ｎｓ)    ……………………………………（３）
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、縞次数Ｎによって異なってしまう。
【００７５】
［位相シフト法の説明］
位相変調された縞画像は、光の強度Ｉにより、
Ｉ＝Ｉ(θ)＝ａ(ｘ、ｙ)＋ｂ(ｘ、ｙ)cos（Φ(ｘ、ｙ)＋θ）)
ただし、ａ：オフセットバイアス、ｂ：振幅、θ：操作可能な位相、Φ：高さｈに相当する位相値
と表せる（図３参照）。
【００７６】
ここで求めたいのは測定面上の各点(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
Ｉ１＝    Ｉ(０)＝ａ(ｘ、ｙ)＋ｂ(ｘ、ｙ)cos(Φ(ｘ、ｙ)＋θ))
Ｉ２＝Ｉ(π／２)＝ａ(ｘ、ｙ)−ｂ(ｘ、ｙ)sin(Φ(ｘ、ｙ)＋θ))
Ｉ３＝    Ｉ(π)＝ａ(ｘ、ｙ)−ｂ(ｘ、ｙ)cos(Φ(ｘ、ｙ)＋θ))
を生成する。
【００７７】
Φ(ｘ、ｙ)＝tan−１{(Ｉ３−Ｉ２)／(Ｉ１−Ｉ２)＋π／４}……（４）
この（４）式により位相Φ(ｘ、ｙ)を算出すれば、反射率や汚れ成分を除去して、各点(ｘ、ｙ)における位相Φ（ｘ、ｙ）を求めることができることとなる。
【００７８】
＜本実施の形態の原理＞
前述した（３）式や図２から分かるように、実体格子型の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、或る縞次数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。
【００７９】
そこで、本実施の形態では、まず、全ての縞次数を対象とはせず、特定の縞次数のモアレ縞のみを所望の位相だけ正確に位相シフトさせることを基本とする。そして、実体格子型のモアレ光学系による測定範囲を、図４に示すように、正確に位相シフトさせた特定の縞次数の高さ（シフト誤差なし）を基準に数個の縞次数（例えば、±１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（図４参照）。この手法により、実体格子型のモアレ光学系に対して位相シフト法を簡単かつ支障なく適用できることとなる。
【００８０】
＜本実施の形態＞
上述の原理に基づく測定装置の一例として図５に示す構成例が挙げられる。検査光学系１内には光源２と格子パターン３と、感光体ドラムのような円筒状被検物４の表面形状によって形成されるモアレ縞を撮像するためのレンズ５及び撮像カメラとしてのラインセンサカメラ６による受光系とが内蔵されている。これらの光学系は図２に示したような原理の実体格子型のモアレ光学系を構成している。
【００８１】
或る位置において検査光学系１を円筒状被検物４の表面に対向させ、円筒状被検物４をチャック７を介して回転モータ８で回転させながらラインセンサカメラ６でモアレ縞を撮像する。
【００８２】
このようにラインセンサカメラ６を用いて円筒状被検物４のモアレ縞を撮像することにより、円筒状被検物４の位置が常にほぼ同じ高さになるため（円周方向のわずかな範囲のみを撮像するため）、測定範囲を特定の縞次数を基準に数個の縞次数近辺に限定することが可能となる。
【００８３】
また、撮像カメラとして、ラインセンサカメラ６に代えて、エリアセンサカメラを用い、上述の考えに従って特定の縞次数を基準に数個の縞次数近辺に限定された測定範囲を視野とする特定エリアの画像データのみを使うことによっても実現可能である。
【００８４】
測定動作としては、まず、１回目の撮像後、モアレ縞の位相を所望の位相としてπ／２だけ位相シフト機構（図示せず）により正確にシフトさせて２回目の撮像を行い、さらに位相をもうπ／２だけ位相シフト機構により正確にシフトさせて３回目の撮像を行い、これらの３つの位相シフトしたモアレ縞の画像データに基づき、演算処理手段（図示せず）における（４）式の演算処理から円筒状被検物４の３次元的な表面形状を計算すればよい。即ち、ラインセンサカメラ６より得られた画像データはＡ／Ｄ変換された後、パソコン等の演算処理手段に出力され、演算処理手段において３つの位相シフトされた画像データについての演算処理により位相計算が行われ、（４）式に基づき３次元座標、即ち、表面形状が得られるものである。この演算処理は、後述する各実施の形態でも同様である。
【００８５】
ここでは、０，π／２，πの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、さらに多くのステップ数を用いることももちろん可能である。
【００８６】
ところで、円筒状被検物４表面上に発生するうねりや凹み欠陥は高低差が数μｍレベルであり、目視でも検出が困難である。このような欠陥を検出するためには、検査光学系１において、受光系の倍率をかなり高倍率にする必要がある。高倍率にすると撮像視野は狭くなり、一度に検査できる範囲が狭くなり、検査領域を軸方向に複数に分割し、各検査領域毎に順次検査していく必要が生ずる。従って、より現実的には、図５中に示すように、検査光学系１を円筒状被検物４の軸方向にガイド機構９を持たせた分割方向移動機構として１軸の自動ステージ１０上に搭載し、或る検査領域での１周分の撮像が終わったら、自動ステージ１０により検査光学系１全体を次の検査領域に移動させ、その検査領域の撮像を行わせる。このような撮像と移動とを繰返すことにより、円筒状被検物４の全面の撮像が可能となる。
【００８７】
なお、検査光学系１を移動させる代わりに円筒状被検物４側を移動させてもよい。つまり、検査光学系１と円筒状被検物４との相対位置関係を変化させるための分割方向移動機構を設ければよい。これは、後述する何れの実施の形態についても、同様に適用できる。
【００８８】
＜第二の実施の形態＞
本発明の第二の実施の形態を図６ないし図８に基づいて説明する。本実施の形態は、概略的には、光源と観察点（受光系の撮像点）との間の間隔を変化させることにより、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけシフトさせるようにしたものである。
【００８９】
まず、モアレ縞の位相をシフトさせるために光源Ｓ１と観察点Ｓ２の距離ｄ＝ｄ０をΔｄだけ変化させることを考える(図６参照)。図６中の左側に示すように、ｄ＝ｄ０のときの(Ｎ＋１)次のモアレ縞の等高線は(３)式から
ｈＮ＋１＝{(Ｎ＋１)ｓｌ}／{ｄ0−(Ｎ＋１)ｓ}  …………(５)
の位置に形成される。
【００９０】
次に、図６中の右側に示すように、ｄ＝ｄ0＋Δｄに変化させた場合のシフト後のＮ次のモアレ縞までのｈ'Ｎは、
ｈ'Ｎ＝Ｎｓｌ／{(ｄ0＋Δｄ)−Ｎｓ}  …………………(６)
となる。
【００９１】
従って、図７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、
ｈＮ＋（ｈＮ＋１−ｈＮ）(Φｎ／２π)＝ｈ'Ｎ    …………(７)
が成立する。この(７)式に(５)(６)式を代入し整理すると
Δｄ＝{−ｄ０（ｄ０−Ｎｓ）Φｎ}／[２πＮ{ｄ０−(Ｎ＋１)ｓ}−ｄ０Φｎ]
…………………………………………(８)
を得る。この(８)式によりΔｄと位相シフト量Φｎの関係が明らかになった。
【００９２】
ここで、ｓ＝83.3μｍ、ｌ＝200ｍｍ、ｄ0＝70ｍｍ、格子移動前の縞次数Ｎ＝２の縞を正確に２πシフトさせることを考える。つまり、Ｎ＝２、Φ2＝２πとする。以上のパラメータを(８)式に代入すると、Δｄ＝−ｄ０／３＝−23.3ｍｍとなる。このΔｄによる格子移動前後のモアレ縞等高線の位置を図６に示す。この結果位相２πに相当する高さｈ２π＝239.423μｍとなる。また、図６から分かるように、移動前ｎ＝３の高さでは正確に位相が２πシフトするが、移動前Ｎ＝２，４の高さではシフト誤差ΔΦ±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。前述した図５のような構成でラインセンサカメラ６を用いて円筒状被検物４のモアレ縞を撮像した場合、円筒状被検物４の位置が常にほぼ同じ高さになるため、測定範囲を数個の縞次数内に限定することが可能である。
【００９３】
測定の手順を説明する。ｄの初期値をｄ０、(８)式においてΦｎ＝0、π／２、πとしたときの変化量ΔｄをΔｄ0（＝０）、Δｄ1、Δｄ2とすると、まず、ｄ＝ｄ０状態で円筒状被検物４の１周分のモアレ縞を撮像する（ステップ０）。次に、ｄ＝ｄ０＋Δｄ1として２回目のモアレ縞撮像を行い（ステップ１）、さらにｄ＝ｄ０＋Δｄ２として３回目の撮像を行う（ステップ２）。次に、撮像した３枚の画像から(４)式を用いて円筒状被検物４の形状を計算する。
【００９４】
距離ｄを変化させるために観察点（撮像カメラ＝ラインセンサカメラ６）を移動させる場合、注意すべきことは位相シフトさせた各画像において撮像位置もシフトしてしまうことである。その補正方法を以下に示す。
【００９５】
まず、１回目のモアレ縞の撮像を図８（ａ）に示すような配置で行う。つまり、円筒状被検物４のＮ１〜Ｎ９の地点に対して、ラインセンサカメラ６のカメラ画素１でＮ１地点を、カメラ画素２でＮ２地点を、…というように撮像する。よって、１回目の撮像において、Ｎ5地点はカメラ画素５で撮像している。
【００９６】
次に、ラインセンサカメラ６をずらすことにより距離ｄをΔｄ／４＝π／２だけ変化させ、２回目の撮像を図８（ｂ）に示すように行う。ここでは、カメラ画素１で円筒状被検物４のＮ3地点を、カメラ画素２でＮ4地点を、…というように１回目の撮像とは異なった地点を撮像することになる。よって、２回目の撮像においてＮ5地点はカメラ画素３で撮像することになったとする。
【００９７】
さらに、ラインセンサカメラ６をずらすことにより距離ｄをΔｄ／４、合計Δｄ／２＝πだけずらし、３回目の撮像を図８（ｃ）に示すように行う。ここでは、カメラ画素１で円筒状被検物４のＮ５地点を、カメラ画素２でＮ６地点を、…というようになったとする。よって、３回目の撮像においてＮ5地点はカメラ画素１で撮像することになる。
【００９８】
このように、例えば、Ｎ5地点の画像は、1回目はカメラ画素５で、２回目はカメラ画素３、３回目はカメラ画素１、というように一定の間隔でずれていることが分かる。
【００９９】
そこで、各地点Ｎ5〜Ｎ１２地点の位相を求めるために、２回目の撮像で得られた画像を２画素横ずらした画像を、同じように３回目の撮像で得られた画像を４画素横ずらした画像を各々用いることにより、(４)式から位相を計算することができる。
【０１００】
＜第三の実施の形態＞
本発明の第三の実施の形態を説明する。本実施の形態は、概略的には、被検物の位置を位相シフト機構としての被検物移動機構（図示せず）により撮像カメラ＝ラインセンサカメラ６の光軸方向に変化させることにより、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけシフトさせるようにしたものである。
【０１０１】
例えば、図２において、ｈＮの高さ位置に円筒状被検物４を設定し１回目の撮像を行う。次に、円筒状被検物４をｈＮの高さ位置から格子パターンＧから遠ざかる方向に順次ΔｈＮ／４、ΔｈＮ／２だけ、被検物移動機構（図示せず）を用いて移動させて各々２回目、３回目の撮像を行う。回転モータ８にはロータリーエンコーダ(図示せず)を設けておき、３回の撮像開始位置を合わせておく。撮像した３枚のモアレ縞に関する画像データから(４)式を用いた演算処理手段での演算処理により円筒状被検物４の形状を計算する。
【０１０２】
本発明の第四の実施の形態を図９ないし図１１に基づいて説明する。本実施の形態は、概略的には、撮像カメラ＝ラインセンサカメラ６の光軸上における格子パターン３の位置を位相シフト機構としての格子パターン変位機構（図１１参照）により変化させることにより、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけシフトさせるようにしたものである。
【０１０３】
位相をシフトさせるために格子パターンの位置をｌから光軸方向にΔｌｐだけ変化させることを考える（図９）。移動前のＮ＋１次のモアレ縞等高線は(３)式から、
ｈＮ＋１＝{(Ｎ＋１)ｓｌ}／{ｄ−(Ｎ＋１)ｓ}  …………(５)
となる。
【０１０４】
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、
ｈＮ′＝Ｎｓ（ｌ＋Δｌｐ）／(ｄ−Ｎｓ)    …………(９)
となる。従って、図９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、
ｈＮ＋（ｈＮ＋１−ｈＮ）(Φｎ／２π)＝ｈＮ′＋Δｌｐ…………(１０)
が成立する。この(１０)式に(５)(９)を代入し整理すると、
Δｌｐ＝ｌｓΦｎ／［２π{ｄ−(Ｎ＋１)}ｓ］    …………(１１)
を得る。この(１１)式により格子移動量Δｌｐと位相シフト量Φｎの関係が明らかになった。
【０１０５】
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(１１)式に代入すると、Δｌｐ＝239.138μｍとなる。このＮ＝３、Φ３＝２πとしたときのΔｌｐをΔｌとし、格子移動前後のモアレ縞等高線の位置を図１０に示す。この結果、位相２πに相当する高さｈ2π＝239.995μｍとなる。また、図１０から分かるように、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±1が生じる。その絶対値は等しく
｜ΔΦ±1｜＝0.286（μｍ）
となる。２πに相当する高さｈ2π＝239.995（μｍ）なので、ΔΦ±1を位相(rad)で表すと、
｜ΔΦ±1｜＝２π×0.286／239.995＝7.48×10-3 (rad)
となる。
【０１０６】
このシフト誤差格は測定範囲を子移動前のＮ＝４の高さを基準高さとし、その上下±240μｍの範囲に限定すれば、高さ分解能１μｍレベル（2.61×10-２ rad）の測定を考えた場合、充分小さいといえる。前述した図５のような構成でラインセンカメラを用いて円筒状被検物のモアレ縞を撮像した場合、円筒状被検物の位置が常にほぼ同じ高さになるため、測定位置を数個の縞次数内に限定することが可能である。
【０１０７】
測定手順について説明する。(１１)式にから分かるようにΔｌｐとΦｎは線形なので、Φ３＝０、π／２、πとしたときの変化量Δｌは０、Δｌ／４、Δｌ／２となる。
【０１０８】
まず、格子パターン３の位置を受光系の光軸方向に変化させる格子パターン変位機構としての図１１に示すような格子移動用自動ステージ１１を図５に示した構成に付加し、格子パターン３の位置ｌの設定で、まず、円筒状被検物４の１周分のモアレ縞を撮像する。格子移動用自動ステージ１１としては、光軸方向にガイド機構１２を持った１軸の自動ステージを用いればよい。具体的には、回転モータやリニアモータ、圧電素子等を使った自動ステージが考えられる。
【０１０９】
次に、格子パターン３を格子移動用自動ステージ１１により移動させ、格子パターン３の位置ｌを初期位置からΔｌ／４、Δｌ／２だけ順次移動させて円筒状被検物４の１周分のモアレ縞を各々撮像する。回転モータ８にはロータリエンコーダ(図示せず)を設けおき、３回の撮像開始位置を合わせておく。撮像した位相シフトされた３枚のモアレ像の画像データに基づく(４)式を用いた演算処理手段での演算処理により円筒状被検物４の形状を計算する。
【０１１０】
本発明の第五の実施の形態を図１２ないし図１５に基づいて説明する。前述した各実施の形態では、位相シフトさせたモアレ縞の画像を得るために、同じ個所（測定範囲）を３回以上撮像する必要があったが、本実施の形態以降では、実体格子型のモアレ光学系において、１回の撮像で少なくとも３つの位相シフトさせたモアレ縞の画像を取得できるようにしたものである。
【０１１１】
このうち、本実施の形態の測定方法について、図１２を参照して説明する。まず、時刻ｔ＝ｔ１においては格子パターン３は初期位置にセットされており、ラインセンサカメラ６は円筒状被検物４上の領域１を測定範囲として撮像するものとする。
【０１１２】
次に、時刻ｔ＝ｔ２においては格子パターン３を光軸方向にΔｌ／４だけ移動させてラインセンサカメラ６で円筒状被検物４上の領域２を撮像し、さらに時刻ｔ＝ｔ３においては格子パターン３を光軸方向にさらにΔｌ／４、合計Δｌ／２だけ移動させてラインセンサカメラ６で円筒状被検物４上の領域３を撮像する。
【０１１３】
時刻ｔ＝ｔ４においては格子パターン３を光軸方向にΔｌ／４だけ戻してラインセンサカメラ６で円筒状被検物４上の領域４を撮像し、さらに時刻ｔ＝ｔ５においては格子パターン３を光軸方向にさらにΔｌ／４、従って、初期位置に戻してラインセンサカメラ６で円筒状被検物４上の領域５を撮像する。以下、同様に繰返す。
【０１１４】
格子パターン３の時系列な動きとラインセンサカメラ６の撮像タイミングとの関係を図１３に模式的に示す。このようなタイミング制御による同期動作は、例えば、演算処理手段として機能するパソコン等を同期手段としても利用し、図１３に示すようなタイミング制御を行うようにすればよい。
【０１１５】
このようにして得られた画像を模式的に示すと図１４に示すようになるので（ラインセンサカメラ６の出力を時系列的に展開して示している）、最初の３列目までの各位相毎のモアレ縞の３つのデータと(４)式とを用いた演算処理手段による演算処理で領域１〜３の形状測定を行い、３列目から５列目までの各位相毎のモアレ縞の３つのデータと(４)式とを用いた演算処理手段による演算処理で領域３〜５の形状測定を行う、という具合に全面の形状測定を行う。
【０１１６】
なお、本実施の形態の場合、格子パターン３を光軸方向に移動させる位相シフト機構としての格子パターン変位機構は、前述の図１１に示したように、光軸方向にガイド機構１２を持った１軸の格子移動用自動ステージ１１を用いればよい。具体的には、回転モータやリニアモータ、圧電素子等を使った自動ステージが考えられる。
【０１１７】
本来であれば、各測定範囲（領域）毎に３回以上位相シフトした画像を各々撮像して(４)式から位相を計算すべきであるが、図１５に示す位置関係により、例えば領域１〜３の幅ｍ＝３０μｍ(各領域幅１０μｍ)、円筒状被検物４の半径ｒ＝１５ｍｍ、とすると幅ｍにおける高低差ｘは(９)式から７．５×１０−３μｍとなる。
【０１１８】
ｒ２＝(ｒ−ｘ)２＋ｍ２    …………………(１２)
これは、測定すべきうねりや凹みの高低差(数μｍ)に比べ、無視できるレベルである。また、うねりや凹みは円周方向に長く存在するので、領域１〜３の間で急激な変化を起こすようなことは考えにくい。よって、欠陥のない場合、領域１〜３を形状変化のない同一平面と見做すことにより、上述した位相シフト法を適用することができる。この手法を用いることにより、円筒状被検物４は１回転させるだけでよく、また、格子パターン３の移動方向は光軸方向のみでよい。
【０１１９】
この場合、検査光学系１は分割方向移動機構としての自動ステージ１０により円筒状被検物４の軸方向に移動可能で、円筒状被検物４自体は領域内移動機構としての回転モータ８により回転可能であるので、円筒状被検物４の全面を３次元的に撮像走査してその表面形状を測定することができる。このような全面測定は他の実施の形態でも同様である。
【０１２０】
本発明の第六の実施の形態を図１６ないし図１９に基づいて説明する。本実施の形態では、前述した格子パターン３に代えて、図１６に示すような段差付き格子パターン２１を用いるようにしたものである。この段差付き格子パターン２１は、光軸方向に３つの高さの異なる格子面２１ａ，２１ｂ，２１ｃを有するもので、各々の高さは各々Δｌ／４ずつずらして正確に形成されている。このような段差付き格子パターン２１をラインセンサカメラ６の光軸上に配置させ、後述する移動機構によりこの段差付き格子パターン２１を光軸方向に直交する方向に往復移動させることにより、格子面２１ａ，２１ｂ，２１ｃ上の各格子パターンを光軸上に順次位置させるものである。
【０１２１】
図１７に示すように、時刻ｔ＝ｔ1においては段差付き格子パターン２１の位置は最上位の格子面２１ａにセットされており、ラインセンサカメラ６はその最上位の格子面２１ａの格子パターンを通して円筒状被検物４上の領域１を撮像する。次に、時刻ｔ＝ｔ２においては段差付き格子パターン２１を移動させ２段目の格子面２１ｂの格子パターンを通して領域２を撮像し、さらに、時刻ｔ＝ｔ３においては段差付き格子パターン２１を移動させ最下位の格子面２１ｃの格子パターンを通して領域３を撮像する。
【０１２２】
段差付き格子パターン２１の時系列な動きとラインセンサカメラ６の撮像タイミングとの関係を図１８に模式的に示す。このようなタイミング制御による同期動作は、例えば、演算処理手段として機能するパソコン等を同期手段としても利用し、図１８に示すようなタイミング制御を行うようにすればよい。
【０１２３】
このようにして得られたモアレ縞の画像データは図１４に示した場合と同じになるので、後は前述の第五の実施の形態の場合と同じ方法で測定を行う。
【０１２４】
なお、段差付き格子パターン２１をその段差方向に平行な方向に往復移動させる移動機構としては、図１９に示すように、光軸方向に直交する方向にガイド機構２２を持った１軸の格子移動用自動ステージ２３を用いればよい。具体的には、回転モータやリニアモータ、圧電素子等を使った自動ステージが考えられる。
【０１２５】
本発明の第七の実施の形態を図２０ないし図２３に基づいて説明する。本実施の形態では、撮像カメラとして前述したラインセンサカメラ６に代えて、図２０に示すようなＲＧＢ３色のカラーラインセンサ３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂを有するカラーラインセンサカメラ（カラーセンサカメラ）３１を用いるようにしたものである。このようなカラーラインセンサカメラ３１に対応させてカラーラインセンサカメラ３１と格子パターン３との間の光路上にはＲフィルター３２Ｒ，Ｇフィルター３２Ｇ，Ｂフィルター３２Ｂなる各色毎の色フィルターが進退自在に設けられている。
【０１２６】
図２０を参照して本実施の形態の測定方法について説明する。まず、カラーラインセンサカメラ３１の１ラインの走査時間内において、時刻ｔ＝ｔ１では格子パターン３を初期高さ位置としＲフィルター３２Ｒを用いてカラーラインセンサ３１Ｒにより領域１を撮像し、時刻ｔ＝ｔ２では格子パターン３をΔｌ／４だけずらしＧフィルター３２Ｇを用いてカラーラインセンサ３１Ｇにより領域１を撮像し、時刻ｔ＝ｔ３では格子パターン３を初期高さ位置からΔｌ／２だけずらしてＢフィルター３２Ｂを用いてカラーラインセンサ３１Ｂにより領域１を撮像する。
【０１２７】
以降の各領域２，３，４，…についても同様に繰返す。
【０１２８】
格子パターン３とＲＧＢ各フィルター３２Ｒ，３２Ｇ，３２Ｂの時系列な動きとカラーラインセンサカメラ３２の各カラーラインセンサ３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂの撮像タイミングとの関係を図２１に模式的に示す。このようなタイミング制御による同期動作は、例えば、演算処理手段として機能するパソコン等を同期手段としても利用し、図２１に示すようなタイミング制御を行うようにすればよい。
【０１２９】
そうすると、図２２に示すように領域１のデータを示すＲ１ラインのデータには格子パターン３の初期高さでのモアレ縞の画像データが、Ｇ１ラインには格子パターン３の高さ：Δｌ／４でのモアレ縞の画像データが、さらにＢ１ラインには格子パターン３の高さ：Δｌ／２でのモアレ縞の画像データが各々格納されていることになる。これらの３つの画像データと(４)式とを用いて演算処理手段で演算を行うことにより、表面形状の測定を行う。
【０１３０】
ところで、格子パターン３を光軸方向に沿って往復移動させる格子パターン変位機構としては、図２３に示すように、光軸方向にガイド機構３３を持った１軸の格子移動用自動ステージ３４を用いればよい。具体的には、回転モータやリニアモータ、圧電素子等を使った自動ステージが考えられる。また、ＲＧＢの各色フィルター３２Ｒ，３２Ｇ，３２Ｂを切換えるフィルター切換え機構としては、図２３に示すようにロータリ式のＲＧＢフィルター３２とし、回転モータ３５の回転により切換えるようにすればよい。図２３に示すような装置構成で、図２１に示したようなタイミングに合わせて回転速度を決定すればよい。
【０１３１】
本実施の形態によれば、同一の領域について３つのモアレ縞の画像データを同時（同一フレーム内）に取得しているので、前述の第六の実施の形態の場合よりも、測定範囲を細かく分割して測定することができる。
【０１３２】
本発明の第八の実施の形態を図２４ないし図２６に基づいて説明する。本実施の形態は基本的には前述の第七の実施の形態の場合と同様であるが、撮像カメラとして前述のカラーラインセンサカメラ３１に代えて、図２５，図２６に示すようなカラーエリアセンサカメラ（カラーセンサカメラ）３６を用いるようにしたものである。
【０１３３】
本実施の形態のようなカラーエリアセンサカメラ３６使用時の格子パターン３とＲＧＢ各色フィルター３２Ｒ，３２Ｇ，３２Ｂの時系列な動きとカラーエリアセンサカメラ３６の撮像タイミングとの関係を図２４に模式的に示す。このようなタイミング制御による同期動作は、例えば、演算処理手段として機能するパソコン等を同期手段としても利用し、図２４に示すようなタイミング制御を行うようにすればよい。
【０１３４】
この場合、図２５に示すように、カラーエリアセンサカメラ３６においてはそのｗ画素幅全域を使用するわけではなく、前述の如く、位相シフト誤差を無視できる程度に限定された測定範囲に対応した、特定の画素列(ｖ画素)分のデータのみを用いる。
【０１３５】
このように設定することにより、図２６に示すように１フレーム目撮像においては、ｖ画素中のＲデータには格子パターン３の初期高さでのモアレ縞の画像データが、Ｇデータには格子パターン３の高さ：Δｌ／４でのモアレ縞の画像のデータが、さらにＢデータには格子パターン３の高さ：Δｌ／２でのモアレ縞の画像データが各々格納されていることになる。これらの位相シフトされた３つのモアレ縞の画像データを用いることにより、ｖ画素の範囲内の表面形状の演算・算出が可能となる。そして、円筒状被検物４を回転モータ８により回転させながら、２、３，…フレーム目と測定を繰返すことにより全周の測定を行う。
【０１３６】
本実施の形態によれば、一度に数ライン分（ここでは、３ライン分）の測定を行うことができる。１フレーム１／３０秒のＮＴＳＣ式のカラーエリアセンサカメラではあまり高速化は期待できないが、高速カメラを用いれば測定時間の短縮も可能となる。
【０１３７】
本発明の第九の実施の形態を図２７ないし図２９に基づいて説明する。本実施の形態では、前述したようなカラーラインセンサカメラ３１と段差付き格子パターン２１とを組合せて使用するようにしたものである。
【０１３８】
本実施の形態の測定方法について図２７を参照して説明する。カラーラインセンサカメラ３１の１ラインの走査時間内において、時刻ｔ＝ｔ１では段差付き格子パターン２１を最上位の格子面２１ａの格子パターンとしＲフィルター３２Ｒを用いてカラーラインセンサ３１Ｒにより領域１を撮像し、時刻ｔ＝ｔ２では段差付き格子パターン２１をΔｌ／４だけずれた中央の格子面２１ｂの格子パターンとしＧフィルター３２Ｇを用いてカラーラインセンサ３１Ｇにより領域１を撮像し、時刻ｔ＝ｔ３では段差付き格子パターン２１を最上位位置からΔｌ／２だけずれた最下位の格子面２１ｃの格子パターンとしＢフィルター３２Ｂを用いてカラーラインセンサ３１Ｂにより領域１を撮像する。
【０１３９】
以降の各領域２，３，４，…についても同様に繰返す。
【０１４０】
このようなカラーラインセンサカメラ３１使用時の段差付き格子パターン２１とＲＧＢ各色フィルター３２Ｒ，３２Ｇ，３２Ｂの時系列な動きとカラーエリアセンサカメラ３１の撮像タイミングとの関係を図２８に模式的に示す。このようなタイミング制御による同期動作は、例えば、演算処理手段として機能するパソコン等を同期手段としても利用し、図２８に示すようなタイミング制御を行うようにすればよい。
【０１４１】
このようにすることにより、図２２に示した場合と同じように領域１のモアレ縞の画像データを示すＲ１ラインのデータには格子パターンの初期高さでのデータが、Ｇ１ラインには格子パターンの高さ：Δｌ／４でのデータが、さらにＢ１ラインには格子パターンの高さ：Δｌ／２でのデータが各々格納されていることになる。これらの位相シフトされた３つのモアレ縞の画像データと(４)式とを用いて演算処理手段により演算処理を行うことにより、表面形状の測定を行う。
【０１４２】
本実施の形態の場合、段差付き格子パターン２１を往復移動させる格子パターン移動機構としては、図１９や図２９に示すように光軸方向に直交する方向にガイド機構２２を持った１軸の格子移動用自動ステージ２３を用いればよい。具体的には、回転モータやリニアモータ、圧電素子等を使った自動ステージが考えられる。また、ＲＧＢ各色フィルター３２Ｒ，３２Ｇ，３２Ｂを切換えるフィルター切換え機構としては、図２３に示した場合と同様に、ロータリ式のＲＧＢフィルター３２とし、回転モータ３５の回転により切換えるようにすればよい（図２９参照）。図２９に示すような装置構成で、図２８に示したようなタイミングに合わせて回転速度を決定すればよい。
【０１４３】
本実施の形態によれば、同一の領域について３つのモアレ縞の画像データを同時（同一フレーム内）に取得しているので、前述の第六の実施の形態の場合よりも、測定範囲を細かく分割して測定することができる。
【０１４４】
本発明の第十の実施の形態を図３０に基づいて説明する。本実施の形態は基本的には前述の第九の実施の形態の場合と同様であるが、撮像カメラとして前述のカラーラインセンサカメラ３１に代えて、前述の図２５，図２６に示すようなカラーエリアセンサカメラ（カラーセンサカメラ）３６を用いるようにしたものである。
【０１４５】
本実施の形態のようなカラーエリアセンサカメラ３６使用時の格子パターン３とＲＧＢ各色フィルター３２Ｒ，３２Ｇ，３２Ｂの時系列な動きとカラーエリアセンサカメラ３６の撮像タイミングとの関係を図３０に模式的に示す。このようなタイミング制御による同期動作は、例えば、演算処理手段として機能するパソコン等を同期手段としても利用し、図３０に示すようなタイミング制御を行うようにすればよい。
【０１４６】
この場合、図２５に示した場合と同じく、カラーエリアセンサカメラ３６においてはそのｗ画素幅全域を使用するわけではなく、前述の如く、位相シフト誤差を無視できる程度に限定された測定範囲に対応した、特定の画素列(ｖ画素)分のデータのみを用いる。
【０１４７】
このように設定することにより、図２６に示した場合と同じく、１フレーム目撮像においては、ｖ画素中のＲデータには格子パターン３の初期高さでのモアレ縞の画像データが、Ｇデータには格子パターン３の高さ：Δｌ／４でのモアレ縞の画像のデータが、さらにＢデータには格子パターン３の高さ：Δｌ／２でのモアレ縞の画像データが各々格納されていることになる。これらの位相シフトされた３つのモアレ縞の画像データを用いることにより、ｖ画素の範囲内の表面形状の演算・算出が可能となる。そして、円筒状被検物４を回転モータ８により回転させながら、２、３，…フレーム目と測定を繰返すことにより全周の測定を行う。
【０１４８】
つまり、第七の実施の形態の場合との対比では、撮像カメラが異なるため、格子パターン３の移動のさせ方が異なるものである。
【０１４９】
本実施の形態によれば、一度に数ライン分（ここでは、３ライン分）の測定を行うことができる。１フレーム１／３０秒のＮＴＳＣ式のカラーエリアセンサカメラではあまり高速化は期待できないが、高速カメラを用いれば測定時間の短縮も可能となる。
【０１５０】
本発明の第十一の実施の形態を図３１ないし図３３に基づいて説明する。本実施の形態では、撮像カメラとして、ラインセンサを３列以上、ここではＡ，Ｂ，Ｃ列で示す３列のラインセンサカメラ４１を前述のΔｌ／４ずつの段差がある段差付き格子パターン２１と組合わせて使用するようにしたものである。
【０１５１】
本実施の形態の測定方法を図３２を参照して説明する。まず、時刻ｔ＝ｔ1においては、Ａ列のラインセンサで領域３を最上面の格子面２１ａを通して撮像し、かつ、Ｂ列のラインセンサで領域２をΔｌ／４の格子面２１ｂを通して撮像し、かつ、Ｃ列のラインセンサで領域１をΔｌ／２の格子面２１ｃを通して撮像する。
【０１５２】
次に、時刻ｔ＝ｔ２においては、円筒状被検物４の領域を１つずらすことにより、Ａ列のラインセンサで領域４を最上面の格子面２１ａを通して撮像し、かつ、Ｂ列のラインセンサで領域３をΔｌ／４の格子面２１ｂを通して撮像し、かつ、Ｃ列のラインセンサで領域２をΔｌ／２の格子面２１ｃを通して撮像する。
【０１５３】
さらに時刻ｔ３では、円筒状被検物４の領域をさらに１つずらすことにより、Ａ列のラインセンサで領域５を最上面の格子面２１ａを通して撮像し、かつ、Ｂ列のラインセンサで領域４をΔｌ／４の格子面２１ｂを通して撮像し、かつ、Ｃ列のラインセンサで領域３をΔｌ／２の格子面２１ｃを通して撮像する。
【０１５４】
この結果、画像メモリ上には図３３に示すようなデータが得られる。例えば、時刻ｔ＝ｔ1のＡ列のラインセンサのデータ、時刻ｔ＝ｔ２のＢ列のラインセンサのデータ、時刻ｔ＝ｔ３のＣ列のラインセンサのデータとの３つの画像データと(４)式とに基づく演算処理手段での演算処理により、領域３の形状測定を行うことができる。
【０１５５】
このような測定を同様に繰返すことにより円筒状被検物４の全周の測定を行う。
【０１５６】
なお、本実施の形態の測定方法に関しては、３ラインセンサカメラ４１に代えて、エリアセンサカメラを用い、そのうちの任意の３段のみを撮像に用いることによっても実現できる。この場合、ＮＴＳＣ（３０フレーム／秒）にとらわれない高速カメラを用いた方が、測定時間を短くできる。
【０１５７】
本発明の第十二の実施の形態を図３４に基づいて説明する。前述した実施の形態は、何れも感光体ドラムのような円筒状被検物４を測定対象（被検物）とする適用例を示したが、本実施の形態は、液晶パネル等の平面状被検物５１を測定対象（被検物）とする適用例を示すものである。測定方法及び測定装置としては、前述した各実施の形態の何れでも適用可能である。
【０１５８】
図示例では、平面状被検物５１をＸＹ自動ステージ５２に搭載してＸ方向及びＹ方向に任意に移動させることにより検査光学系１により平面状被検物５１の全面を測定可能としている。もっとも、検査光学系１をｘｙ自動ステージに搭載して、全面測定させることも可能である。
【０１６８】
【発明の効果】
請求項１記載の発明の表面形状測定方法によれば、撮像カメラとしてカラーセンサカメラを用い、被検物と検査光学系の相対位置関係とカラーセンサカメラの１ライン或いは１フレームの走査時間と段差付き格子パターンの往復移動と各色フィルターの切換え動作との同期動作によって得られるモアレ縞データを用いるため、従来のように位相シフトしたモアレ縞の画像を取得するために被検物を複数回撮像する必要がなく、高速かつ高精度にして、高精細な形状測定を行うことができる。
【０１８０】
請求項２記載の発明の表面形状測定装置によれば、撮像カメラとしてカラーセンサカメラを用い、被検物と検査光学系の相対位置関係とカラーセンサカメラの１ライン或いは１フレームの走査時間と段差付き格子パターンの往復移動と各色フィルターの切換え動作との同期動作によって得られるモアレ縞データを用いるため、従来のように位相シフトしたモアレ縞の画像を取得するために被検物を複数回撮像する必要がなく、高速かつ高精度にして、高精細な形状測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態の前提としてモアレ法による３次元計測法の原理を説明するための模式図である。
【図２】実体格子型のモアレ法を説明するための模式図である。
【図３】位相シフト法を説明するための説明図である。
【図４】本実施の形態の測定原理を示す説明図である。
【図５】本実施の形態の測定装置の構成例を示す概略斜視図である。
【図６】本発明の第二の実施の形態の測定原理を示す説明図である。
【図７】本実施の形態の測定原理を示す説明図である。
【図８】撮像位置のシフトに伴う補正方法を説明するための説明図である。
【図９】本発明の第四の実施の形態の測定原理を示す説明図である。
【図１０】より具体的な測定原理を示す説明図である。
【図１１】本実施の形態の格子移動機構の構成例を示す概略斜視図である。
【図１２】本発明の第五の実施の形態の測定原理を示す原理的側面図である。
【図１３】同期動作を説明するための模式的なタイミングチャートである。
【図１４】撮像状態を時系列に展開して示す説明図である。
【図１５】領域に関する説明図である。
【図１６】本発明の第六の実施の形態で用いる段差付き格子パターンの構成を示す側面図である。
【図１７】本実施の形態の測定原理を示す原理的側面図である。
【図１８】同期動作を説明するための模式的なタイミングチャートである。
【図１９】本実施の形態の格子移動機構の構成例を示す概略斜視図である。
【図２０】本発明の第七の実施の形態の測定原理を示す原理的側面図である。
【図２１】同期動作を説明するための模式的なタイミングチャートである。
【図２２】撮像状態を時系列に展開して示す説明図である。
【図２３】移動機構及びフィルター切換え機構を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図２４】本発明の第八の実施の形態の同期動作を説明するための模式的なタイミングチャートである。
【図２５】カラーエリアセンサカメラ中の特定エリアを説明するための概略側面図である。
【図２６】撮像状態を時系列に示す説明図である。
【図２７】本発明の第九の実施の形態の測定原理を示す原理的側面図である。
【図２８】同期動作を説明するための模式的なタイミングチャートである。
【図２９】移動機構及びフィルター切換え機構を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図３０】本発明の第十の実施の形態の同期動作を説明するための模式的なタイミングチャートである。
【図３１】本発明の第十一の実施の形態の３ラインセンサカメラのセンサ面構成を示す概略平面図である。
【図３２】本実施の形態の測定原理を示す原理的側面図である。
【図３３】撮像状態及び演算処理例を時系列に示す説明図である。
【図３４】本発明の第十二の実施の形態の測定装置の構成例を示す概略斜視図である。
【図３５】第１の従来例を示す概略斜視図である。
【図３６】第２の従来例を示す概略斜視図である。
【図３７】格子投影型のモアレ法を説明するための模式図である。
【図３８】実体格子型のモアレ法を説明するための模式図である。
【符号の説明】
１      検査光学系
２      光源
３      格子パターン
４      円筒状被検物、被検物
５      レンズ
６      ラインセンサカメラ、撮像カメラ
８      領域内移動機構
１０      分割方向移動機構
１２      格子パターン移動機構、位相シフト機構
２１      段差付き格子パターン
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ      格子面
２３      格子パターン移動機構、位相シフト機構
３１      カラーセンサカメラ、撮像カメラ
３２Ｒ，３２Ｇ，３２Ｂ      色フィルター
３４      格子パターン移動機構、位相シフト機構
３５      フィルター切換え機構
３６      カラーセンサカメラ、撮像カメラ
４１      ラインセンサカメラ、撮像カメラ
５１      平面状被検物、被検物
【図１】
0004402849.tif 000002
【図２】
0004402849.tif 000003
【図３】
0004402849.tif 000004
【図４】
0004402849.tif 000005
【図５】
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【図６】
0004402849.tif 000007
【図７】
0004402849.tif 000008
【図８】
0004402849.tif 000009
【図９】
0004402849.tif 000010
【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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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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