(57)【要約】      （修正有）【課題】多乱光の影響による三次元形状の測定の誤差を抑制する。【解決手段】三次元形状測定装置は、投影部と、調整部と、検出部と、制御部とを備える。投影部は、測定対象物に対してパターン光を照射する。調整部は、パターン光の照射強度を調整する。検出部は、パターン光の照射された前記測定対象物の表面の明るさを検出する。制御部は、パターン光を照射しない非照射状態で検出される測定対象物の表面の明るさに基づいて調整部による照射強度の調整を制御する。【選択図】図１
2012141252.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物に対してパターン光を照射する投影部と、
前記パターン光の照射強度を調整する調整部と、
前記パターン光の照射された前記測定対象物の明るさを検出する検出部と、
前記パターン光の照射を受けていない非照射状態の前記測定対象物で検出される明るさに基づいて、前記照射強度の調整を行う制御部と、
前記パターン光の照射を受けている照射状態の前記測定対象物で検出される明るさに基づいて、前記測定対象物の三次元形状を演算する演算部と
を備えることを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の三次元形状測定装置において、
前記制御部は、前記非照射状態の前記測定対象物の表面の明るさと、前記照射状態の前記測定対象物の表面の明るさとの比が所定の範囲となるように前記照射強度を調整することを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の三次元形状測定装置において、
前記照射状態の前記被検物の表面の明るさに基づいて、前記測定対象物の表面の反射率を求めることを特徴とする三次元測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載の三次元形状測定装置において、
前記検出部は、前記測定対象物の表面の像を結像する結像光学系を有し、該結像光学系の瞳面近傍における明るさに基づいて前記反射率を求めることを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の三次元形状測定装置において、
前記投影部は、前記パターン光の位相をシフトさせて前記測定対象物に照射可能であることを特徴とする三次元形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、測定対象物の三次元形状を計測する方法として、例えば特許文献１に示されるような位相シフト法が知られている。この位相シフト法では、正弦波状の強度分布を持つ縞パターンを測定対象物の表面に複数回投影して正弦波の位相を求め、その情報をもとに三次元形状を復元する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−１４８８１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記の三次元形状の測定では、パターンの位相を除いて複数の画像をそれぞれ同じ条件で撮像することが前提となる。よって、外乱光によって画像間での撮像条件がばらつくと測定された形状の誤差が大きくなってしまう。
【０００５】
そこで、本発明は、外乱光の影響による三次元形状の測定の誤差を抑制する手段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】
【０００６】
一の態様の三次元形状測定装置は、投影部と、調整部と、検出部と、制御部とを備える。投影部は、測定対象物に対してパターン光を照射する。調整部は、パターン光の照射強度を調整する。検出部は、パターン光の照射された前記測定対象物の表面の明るさを検出する。制御部は、パターン光を照射しない非照射状態で検出される測定対象物の表面の明るさに基づいて調整部による照射強度の調整を制御する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、測定対象物の表面の明るさに応じて、パターン光の照射強度が調整されるので、外乱光の影響による三次元形状の測定の誤差を抑制する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】一の実施形態における三次元形状計測装置の構成例を示す図
【図２】一の実施形態での三次元形状計測装置の動作例を説明する流れ図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
＜三次元形状計測装置の構成例＞
図１は、一の実施形態における三次元形状計測装置の構成例を示している。三次元形状計測装置は、基準面上に測定対象物１１が載置されるステージ１２と、投影光学系１３と、撮像光学系１４と、フォトセンサ１５と、撮像素子１６と、補助照明ユニット１７と、ＣＰＵ１８と、記憶部１９と、操作部２０とを有している。
【００１０】
投影光学系１３は、ステージ１２の基準面に対して光軸が斜めになるように配置されており、ステージ１２の測定対象物１１に向けて照度可変のパターン光を照射する。この投影光学系１３は、光源２１と、コリメートレンズ２２と、ビームスプリッタ２３と、フォトセンサ２４と、パターン形成部２５と、投影レンズ２６とを含んでいる。ここで、投影光学系１３の光源２１およびフォトセンサ２４は、それぞれＣＰＵ１８に接続されている。
【００１１】
投影光学系１３の光源２１は、一例としてＬＥＤ(Light Emitting Diode)やＬＤ(Laser Diode)などの発光素子で構成される。また、コリメートレンズ２２は、光源２１からの照明光を平行光に変換する。ビームスプリッタ２３は、コリメートレンズ２２を通過した光束を２方向に分岐させる。ビームスプリッタ２３を透過する一方の光束は、パターン形成部２５に導かれる。また、ビームスプリッタ２３で反射された他方の光束はフォトセンサ２４に入射する。ここで、投影光学系１３のフォトセンサ２４は、光源２１の照明強度（光源２１による照度）を検出してＣＰＵ１８へ出力する。なお、ＣＰＵ１８は、フォトセンサ２４の出力を用いて光源２１のフィードバック制御を行うことで、投影光学系１３の光源２１の照明強度を調整することができ、後述のパターン光の強度を調整することができる。
【００１２】
パターン形成部２５は、コリメートレンズ２２から射出される平行光にパターンを付与する。一の実施形態でのパターン形成部２５は、一方向に正弦波状の遮光率変化をもつ縞模様（正弦格子）のパターン光を形成する。なお、パターン形成部２５は、分布濃度格子や、ファイバ格子や、カラードット格子など、他の公知のパターンを付与するものであってもよい。
【００１３】
また、パターン形成部２５は、パターンの位相を投影光学系１３の光軸と垂直方向にシフトさせることが可能である。例えば、パターン形成部２５は、ガラス板にパターンを描画した格子パターンを機械的にシフトさせて位相を調整してもよく、液晶格子を用いることで電子的にパターンの位置をシフトさせて位相を調整してもよい。なお、パターン形成部２５は、デジタルミラーデバイス（Digital mirror device）を用いてパターンの位置をシフトさせるようにしてもよい。そして、パターン形成部２５で形成されたパターン光は、投影レンズ２６を介してステージ１２の測定対象物１１に照射される。
【００１４】
撮像光学系１４は、測定対象物１１からの反射光を結像させる光学系であって、ステージ１２の基準面に対して光軸が垂直となるように配置されている。この撮像光学系１４は、対物レンズ３０と、ビームスプリッタ３１と、結像（開口）絞り３２と、結像レンズ３３とを含んでいる。測定対象物１１からの反射光は、対物レンズ３０を通過して、ビームスプリッタ３１によって２方向に分岐される。なお、ＣＰＵ１８は、レンズ駆動部（不図示）を介して対物レンズ３０を光軸方向に移動させることで、撮像光学系１４の焦点調節を行なうことができる。
【００１５】
ビームスプリッタ３１を透過した一方の光束は、結像絞り３２および結像レンズ３３を介して撮像素子１６の受光面に導かれる。ここで、撮像素子１６は、受光面に複数の画素が二次元的に配列されたＣＣＤ等のイメージセンサであって、パターン光によって測定対象物１１の表面に形成されるパターンを含む像を撮像する。また、撮像素子１６の受光面は、測定対象物１１の表面と光学的に略共役な位置に配置されている。なお、撮像素子１６の出力は、不図示のＡ／Ｄ変換部を介してＣＰＵ１８と接続されている。
【００１６】
また、ビームスプリッタ３１で反射された他方の光束は、フォトセンサ１５に導かれる。このフォトセンサ１５は、ＣＰＵ１８と接続されており、パターン光の成分を含む測定対象物１１の表面の明るさを検出する。また、パターン光が照射されていない状態で、フォトセンサ１５は外乱光を受けており、ＣＰＵ１８を介して該乱光を検出することができる。なお、フォトセンサ１５は、撮像光学系１４の焦点移動による取得光量の変動を少なくするために、撮像光学系１４における瞳面近傍に配置されている。また、フォトセンサ１５を撮像光学系１４の瞳面近傍に配置することにより、対象物１１の撮像範囲の平均照度を求めることができる。
【００１７】
ＣＰＵ１８は、三次元形状計測装置の各部を統括的に制御し、測定対象物１１の三次元形状を求めるための各種の演算処理を実行するプロセッサである。このＣＰＵ１８は、光源２１の照明強度を制御する制御部１８ａと、撮像素子１６の撮像データを受けて三次元形状を求める演算（三次元形状を求める演算は後述する）を行う演算部１８ｂを内蔵している。上記の制御部１８ａは、フォトセンサ１５の出力を用いて測定対象物１１の表面での外乱光の明るさを求めるとともに、この外乱光に比例してＳＮ（パターン光による測定対象物１１上のパターンの明るさと外乱光による被測定物１１上の明るさの比）が一定となるように光源部２１の照度を調整する。なお、制御部１８ａの構成は、専用の回路によりハードウェア的に実現してもよく、プログラムの実行によりソフトウェア的に実現してもよい。
【００１８】
記憶部１９は、フラッシュメモリ等の不揮発性の記憶媒体で構成されている。記憶部１９は、撮像素子１６によって撮像された撮像画像のデータや、ＣＰＵ１８が演算した後述の点群データや、ＣＰＵ１８により実行されるプログラムを記憶する。また、操作部２０は、計測開始指示を含む各種の入力を受け付ける。
【００１９】
＜三次元形状計測装置の動作例＞
以下、三次元形状計測装置の動作例を説明する。まず、位相シフト法による三次元形状の測定原理を簡単に説明する。なお、一の実施形態では、４バケット法で測定対象物１１の形状を求める例を説明する。
【００２０】
一の実施形態での三次元形状計測装置は、静止した測定対象物１１に正弦格子のパターン光を投影し、このパターン光の位相をπ／２ずつ移動させて測定対象物１１を４回撮像する。このようにして得られた４枚の撮像画像について、座標（ｘ，ｙ）での輝度値（Ｉ1，Ｉ2，Ｉ3，Ｉ4）に着目すると、それらの相対的な輝度差は必ずパターン光の位相差分の変化を示す。したがって、以下の式（１）によって、座標（ｘ，ｙ）における投影されたパターン光の位相φを求めることができる。
【００２１】
【数１】
2012141252.tif 000003
【００２２】
そして、撮像画像の各位置で位相φをそれぞれ求めた後に、位相φが等しい点を連結すると等位相線を得ることができる。この等位相線は、測定対象物１１を所定の平面で切断したときの断面形状を表している。そのため、投影光学系１３および撮像光学系１４の位置関係が既知であれば、三角測量の原理によって、この等位相線から測定対象物１１の各位置の高さを示す三次元的な距離画像のデータ（点群データ）を得ることができる。
【００２３】
ところで、上記の三次元形状の測定では、外乱光の影響（例えば外部の照明環境の変化など）によって、輝度値（Ｉ1，Ｉ2，Ｉ3，Ｉ4）のいずれかに異常があると正しい位相を求めることができなくなる。そのため、一の実施形態の三次元形状計測装置は、補助照明ユニット１７の照度の調整によって、外乱光の影響による三次元形状の測定の誤差を抑制する。
【００２４】
以下、図２の流れ図を参照しつつ、一の実施形態での三次元形状計測装置の動作例を具体的に説明する。なお、図２の流れ図の処理は、操作部２０での計測開始指示をトリガとしてＣＰＵ１８が実行する。
【００２５】
ステップＳ１０１：ＣＰＵ１８は、三次元形状計測装置の初期設定を行なう。まず、ＣＰＵ１８は前回測定時の外乱光データや照明強度データをクリアする。
【００２６】
ステップＳ１０３：ＣＰＵ１８は、パターン光を照射しない状態でフォトセンサ１５からの信号により、被検物の測定範囲の測光を行う。これにより外乱光による被検物の測定範囲の明るさを求める。
【００２７】
ステップＳ１０５：次にＣＰＵ１８は、所定の２つの照度でそれぞれパターン光を照射した状態でフォトセンサ１５からの信号により、被検物の測定範囲の測光を行う。これにより被検物の反射率を求める。なお、１つの照度でパターン光を照射した状態で測光を行い、測定結果とステップ１０３で求めた外乱交の明るさに基づいて反射率を求めることができる。また、２つの照度でそれぞれパターン光を照射した状態で測光を行うことにより、外乱交に変動があっても、外乱光成分をオフセットとして処理し正確な反射率を求めることができる。また、ここでＣＰＵ１８は、撮像素子１６の出力を用いて公知のオートフォーカス（ＡＦ）演算を実行し、対物レンズ３０の位置を調整する。
【００２８】
ステップＳ１０７：次にＣＰＵ１８は、被検物上での外乱光明るさとパターン光による明るさが所定の比率（例えば外乱光１に対してパターン光が２０）となるように、被検物の反射率に基づいてパターンを照明する照度（明るさ）を求める。
【００２９】
ステップＳ１０９：ステップ１０７で求めた照度でパターンを照明し、パターン光を被検物に照射する。
【００３０】
ステップＳ１１１：ＣＰＵ１８は、撮像素子１６を駆動させて撮像処理を実行し、正弦格子のパターンが表面に重畳された測定対象物１１の撮像画像を取得する。ここで、取得された撮像画像のデータは、ＣＰＵ１８の制御によって記憶部１９に一時的に記憶される。
【００３１】
また、ＣＰＵ１８は、撮像素子１６の出力を用いて公知の自動露出（ＡＥ）演算を実行し、撮像素子１６の電荷蓄積時間や撮像感度を設定する。
【００３２】
ステップＳ１１３：ＣＰＵ１８は、三次元形状の測定に必要となる４枚分の撮像画像の取得が完了したか否かを判定する。上記要件を満たす場合（ＹＥＳ側）、ＣＰＵ１８はＳ１０７に処理を移行させる。一方、上記要件を満たさない場合（ＮＯ側）、ＣＰＵ１８はＳ１０６に処理を移行させる。
【００３３】
ステップＳ１１５：ＣＰＵ１８は、投影光学系１３のパターンの位相をシフトさせる。Ｓ１１３でのＣＰＵ１８は、４回の撮像でパターンの位相が１周期分移動するように１回の撮像ごとにパターンの位相をπ／２ずつシフトさせる。その後、ＣＰＵ１８は、Ｓ１１１に戻って上記の動作を繰り返す。なお、Ｓ１１５でのＣＰＵ１８は、必要に応じてＡＦ動作を行うようにしてもよい。
【００３４】
ステップＳ１１７：ＣＰＵ１８は、４枚の撮像画像を用いて、それぞれの撮像画像の振幅が一定となるように規格化処理を行った後に、上記の要領で測定対象物１１の点群データを生成する。なお、Ｓ１１５で生成された点群データは、ＣＰＵ１８の制御によって記憶部１９に記録される。
【００３５】
ステップＳ１１９：ＣＰＵ１８は、投影光学系１３の光源２１、撮像素子１６および補助照明ユニット１７の動作を停止させる。これにより、制御部１８ａは、補助照明ユニット１７の照度のフィードバック制御を終了する。なお、Ｓ１１７の処理は、実際にはＳ１１５の処理とほぼ同時に実行される。以上で、図２の説明を終了する。
【００３６】
一の実施形態での三次元形状測定装置は、測定対象物１１の表面の明るさをフォトセンサ１５で検出し、外乱光と照明光の割合が一定となるように制御する（Ｓ１０７）。したがって、一の実施形態の構成によれば、三次元形状の測定で用いる一連の撮像画像を取得するときに、外乱光の影響による画像間での撮像条件のばらつきを抑制できる。そのため、一の実施形態の構成によれば、位相シフト法による三次元形状の測定を精度よく行うことが可能となる。
【００３７】
＜実施形態の補足事項＞
上記実施形態では位相シフト法により三次元形状の測定を行う例を説明したが、本発明の構成は、例えばポイント光走査方式やライン光走査方式などの他の三次元計測装置の構成にも応用可能である。
【００３８】
また、上記実施形態では４バケット法での測定例を説明したが、本発明は、位相シフト法において撮像回数が４回以外の多バケット法においても当然に適用できる。
【００３９】
また、上記実施形態において、制御部１８ａが、撮像素子１６の出力を用いて補助照明ユニット１７の照度をフィードバック制御するようにしてもよい。
【００４０】
以上の詳細な説明により、実施形態の特徴点および利点は明らかになるであろう。これは、特許請求の範囲が、その精神および権利範囲を逸脱しない範囲で前述のような実施形態の特徴点および利点にまで及ぶことを意図する。また、当該技術分野において通常の知識を有する者であれば、あらゆる改良および変更に容易に想到できるはずであり、発明性を有する実施形態の範囲を前述したものに限定する意図はなく、実施形態に開示された範囲に含まれる適当な改良物および均等物によることも可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１１…測定対象物、１２…ステージ、１３…投影光学系、１４…撮像光学系、１５…フォトセンサ、１６…撮像素子、１８…ＣＰＵ、１８ａ…制御部、２１…光源、２５…パターン形成部
【図１】
2012141252.tif 000004
【図２】
2012141252.tif 000005