(57)【要約】      （修正有）【課題】移動する被計測物の計測に有利な計測装置を提供する。【解決手段】被計測物Ｗの形状を計測する計測装置であって、パターン光または均一光を被計測物に投影する投影部４および７と、パターン光または均一光が投影された被計測物Ｗを撮像して、画像データを取得する撮像部１２および１３と、投影部４および７を制御する制御部３１と、撮像部１２および１３を制御する制御部３３と、を有し、パターン光および均一光は、同一の波長および同一の偏光状態の光であり、制御部３１および３３は、撮像部１２および１３の露光時間内において、被計測物Ｗへのパターン光の投影およびパターン光が投影された被計測物Ｗの撮像と、被計測物Ｗへの均一光の投影および均一光が投影された被計測物Ｗの撮像と、を交互に繰り返し実行するように投影部４、７および撮像部１２、１３を制御し、該制御により取得した画像データに基づいて被計測物Ｗの形状を算出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被計測物の形状を計測する計測装置であって、
パターン光または均一光を前記被計測物に投影する投影部と、
前記パターン光または前記均一光が投影された前記被計測物を撮像して、画像データを取得する撮像部と、
前記投影部および前記撮像部を制御する制御部と、を有し、
前記パターン光および前記均一光は、同一の波長および同一の偏光状態の光であり、
前記制御部は、
前記撮像部の露光時間内において、前記被計測物への前記パターン光の投影および前記パターン光が投影された前記被計測物の撮像と、前記被計測物への前記均一光の投影および前記均一光が投影された前記被計測物の撮像と、を交互に繰り返し実行するように前記投影部および前記撮像部を制御し、該制御により取得した画像データに基づいて前記被計測物の形状を算出することを特徴とする計測装置。
【請求項２】
前記パターン光または前記均一光を遮る投影光遮光部を含み、
前記制御部は、前記投影光遮光部を制御して前記投影光遮光部が前記パターン光または前記均一光を遮ることにより、前記被計測物への前記パターン光の投影と、前記被計測物への前記均一光の投影と、を交互に繰り返し実行することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記パターン光の光源の発光タイミングおよび前記均一光の光源の発光タイミングを制御して前記被計測物への前記パターン光の投影と、前記被計測物への前記均一光の投影と、を交互に繰り返し実行することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項４】
前記被計測物により反射された前記パターン光または前記均一光を遮る反射光遮光部を含み、前記制御部は、前記反射光遮光部を制御して前記反射光遮光部が前記被計測物により反射された前記パターン光または前記均一光を遮ることにより、前記パターン光が投影された前記被計測物の撮像と、前記均一光が投影された前記被計測物の撮像と、を交互に繰り返し実行することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項５】
前記撮像部は、前記パターン光から変換された電荷を蓄積する第一電荷蓄積部と、前記均一光から変換された電荷を蓄積する第二電荷蓄積部と、を備える、
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項６】
前記制御部は、１ｍｓｅｃ以下の間隔で、前記被計測物への前記パターン光の投影および前記パターン光が投影された前記被計測物の撮像と、前記被計測物への前記均一光の投影および前記均一光が投影された前記被計測物の撮像と、を交互に繰り返し実行するように前記投影部および前記撮像部を制御することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記パターン光が投影された前記被計測物の撮像時間と、前記均一光が投影された前記被計測物の撮像時間と、が等しくなるように前記投影部および前記撮像部を制御することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項８】
前記パターン光から変換された電荷を前記第一電荷蓄積部へ転送するパターン光用ゲートと、前記均一光から変換された電荷を前記第二電荷蓄積部へ転送する均一光用ゲートと、を備え、
前記制御部は、前記パターン光用ゲートおよび前記均一光用ゲートを制御して、前記第一電荷蓄積部による前記パターン光から変換された電荷の蓄積と、前記第二電荷蓄積部による前記パターン光から変換された電荷の蓄積と、を交互に繰り返し実行することを特徴とする請求項５に記載の計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被計測物の形状を計測する装置として、パターン投影法を用いた光学式の計測装置が知られている。パターン投影法では、所定のパターンを被計測物に投影して撮像し、撮像画像におけるパターンを検出して、三角測量の原理から各画素位置における距離情報を算出することで、被計測物の形状を求めている。移動する被計測物を計測する場合、ドットラインパターン等のパターン光を１回投影するシングルショット方式が採用される。この方式では、撮像画像からドットやラインを検出することで被計測物の形状を求める。しかしながら、被計測物の表面粗さ、表面の反射率分布などにより、ラインの中心位置やドット位置等の検出誤差が生じる場合がある。
【０００３】
パターン光に加え、均一光を被計測物に照明するパターン投影装置では、上記検出誤差の補正が提案されている。このような補正を行うためには、パターン光と均一光とを分離することが必要となる。例えば、波長の差を利用する装置（特許文献１）、偏光差を利用する装置（特許文献２）および照明タイミングの差を利用する装置（特許文献３）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５１２２７２９号公報
【特許文献２】特開２００２−２１３９３１号公報
【特許文献３】特開平３-２８９５０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１および２の装置は、被計測物の表面の反射率が波長依存性をもつ場合、表面粗さに起因する表面角度分布により偏光反射率特性が異なる場合には、検出誤差を十分に補正することが困難になりうる。また、上記特許文献３の装置は、照明タイミングの差が、被計測物を撮像する撮像部のフレームレートに制約されるため、被計測物の移動速度によっては、パターン光の投影位置と均一光の投影位置とが離れてしまい、検出誤差の補正が困難になりうる。
【０００６】
本発明は、例えば、移動する被計測物の計測に有利な計測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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、被計測物の形状を計測する計測装置であって、
パターン光または均一光を被計測物に投影する投影部と、パターン光または均一光が投影された被計測物を撮像して、画像データを取得する撮像部と、投影部および撮像部を制御する制御部と、を有し、パターン光および均一光は、同一の波長および同一の偏光状態の光であり、制御部は、撮像部の露光時間内において、被計測物へのパターン光の投影およびパターン光が投影された被計測物の撮像と、被計測物への均一光の投影および均一光が投影された被計測物の撮像と、を交互に繰り返し実行するように投影部および撮像部を制御し、該制御により取得した画像データに基づいて被計測物の形状を算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、例えば、移動する被計測物の計測に有利な計測装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態に係る計測装置の構成を示す概略図である。
【図２】シャッターの動作タイミングと、パターン光撮像部および均一光撮像部の露光タイミングを示す図である。
【図３】第２実施形態に係る計測装置の構成を示す概略図である。
【図４】制御電流および撮像部のゲート電圧のパルス状の制御と、撮像部の露光タイミングを示す図である。
【図５】撮像部の各画素の模式図および光検出部により光電変換された電荷の流れを示すポテンシャル図である。
【図６】第３実施形態に係る計測装置の構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための形態について図面などを参照して説明する。
【００１１】
（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る計測装置の構成を示す概略図である。本実施形態に係る計測装置は、パターン光投影部４、均一光投影部７、ハーフミラー８および１１、投影レンズ９、撮像レンズ１０、パターン光撮像部１２、均一光撮像部１３、投影光遮光部（シャッター）２１、２２、反射光遮光部２３、２４、を有する。パターン光投影部４は、光源１と、照明レンズ２と、パターンマスク３と、を含み、パターン光を被計測物Ｗに向かって照射する。パターン光は、例えば、ドットラインパターンを採用する。その他、ライン幅変調パターンやランダムドットパターン等であってもよい。均一光投影部７は、光源５と、照明系６と、を含み、パターン光と同一の波長および偏光状態の均一光を被計測物Ｗに向かって照射する。パターン光および均一光は、ハーフミラー８により合波され、投影レンズ９により被計測物Ｗに照明される。被計測物Ｗにより反射された光は、撮像レンズ１０を通過した後にハーフミラー１１で分波され、パターン光撮像部１２と均一光撮像部１３によりそれぞれ撮像される。パターン光撮像部１２と均一光撮像部１３はそれぞれ、光電変換素子、例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳを有する。
【００１２】
図２は、シャッター２１〜２４の動作タイミングと、パターン光撮像部１２および均一光撮像部１３の露光タイミングを示す図である。横軸は時間を示す。図１および図２により、パターン光および均一光の撮像方法について説明する。シャッター２１は、パターン光投影部４から出射したパターン光を遮ることによりパターン光の消光を行う。シャッター２２は、均一光投影部７から出射した均一光を遮ることにより均一光の消光を行う。シャッター２３は、被計測物Ｗにより反射されたパターン光を遮ることによりパターン光の消光を行う。シャッター２４は、被計測物Ｗにより反射された均一光を遮ることにより均一光の消光を行う。
【００１３】
図２に示すように、各シャッターは、二つの撮像部の露光時間の間に、パルス状に光の透過および消光を行う。シャッター２２およびシャッター２４は、それぞれ同じタイミング（周期）かつ、シャッター２１およびシャッター２３と透過または消光が重ならないように透過および消光を行う。他方、シャッター２１およびシャッター２３は、それぞれ同じタイミングかつ、シャッター２２およびシャッター２４と透過または消光が重ならないように透過および消光を行う。以上の動作により、パターン光撮像部１２および均一光撮像部１３はクロストークを抑えながら、パターン光の投影およびパターン光が投影された被計測物Ｗの撮像と、均一光の投影および均一光が投影された被計測物Ｗの撮像と、を交互に実行することができる。
【００１４】
照明部制御部３１および撮像部制御手段３３は所定の露光時間で照明および露光を行い、シャッター制御部３２は、図２のタイミングでシャッター２１〜２４を制御する。パターン光撮像部１２および均一光撮像部１３で取得された画像データは、記憶部３４に一旦格納される。補正部３５では、記憶部３４に格納された均一光照明画像データを用いて、パターン光照明画像データにおける被計測物Ｗの反射率分布や表面粗さ等の影響によるドット等の検出誤差を補正する。算出部３６は、均一光照明画像および補正後のパターン光照明画像データから被計測物Ｗの形状を算出する。
【００１５】
シャッター２１〜２４としては、ＰＬＺＴのような圧電セラミックスや高速液晶を使用できる。被計測物Ｗが１００ｍｍ／ｓｅｃの等速直線運動で移動すると仮定すると、誤差の補正のためには１ｍｓｅｃ以下の間隔でシャッター制御が求められるが、上記を用いると５〜１５０μｓｅｃ程度の透過および消光の制御が可能である。また、図２のように露光時間内のパルス数が均一光とパターン光で等しい場合、露光時間内のパターン光撮像時間と均一光撮像時間のそれぞれの平均は１パルス幅分ずれるが、その影響は１〜３０μｍに抑えることができる。なお、図２の場合は、パターン光を１パルス減らすことで、露光時間内のパターン光撮像時間と均一光撮像時間のそれぞれの平均を一致させることが可能である。本実施形態の計測装置は、同一の波長および偏光状態のパターン光および均一光を撮像部の露光時間内で上記のようなシャッターを用いてパルス状に被計測物に照射する。これにより、パターン光の投影位置と均一光の投影位置の差を抑え、被計測物の反射率分布等の影響による計測誤差を補正することが可能になる。
【００１６】
以上のように、本実施形態によれば、移動する被計測物の計測に有利な計測装置を提供することができる。
【００１７】
（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態に係る計測装置を示す概略図である。なお、本実施形態では、第１実施形態ですでに説明された構成要素等と同一のものには同一の符号を付し、説明を省略する。本実施形態の計測装置は、図３に示すように、第１実施形態で用いたシャッターを含まない。また、パターン光および均一光を撮像する撮像部が撮像部３１２のひとつである。したがって、ハーフミラー１１も含まない。本実施形態では、シャッターではなく、電流制御によってパルス状に均一光およびパターン光の明滅を行う。図４は、制御電流および撮像部３１２のゲート電圧のパルス状の制御と、撮像部３１２の露光タイミングを示す図である。照明部制御手段３１は、光源１および５に対してパルス状の制御電流を与え、各光源をパルス発光させる。発光させるタイミングは、第１実施形態と同様である。
【００１８】
図５（Ａ）〜（Ｃ）は、撮像部３１２の各画素の模式図および光検出部により光電変換された電荷の流れを示すポテンシャル図である。図５（Ａ）に示すように撮像部３１２の各画素は、光検出部５０１と、均一光用ゲート５０２と、均一光用電荷蓄積部５０４と、パターン光用ゲート５０３と、パターン光用電荷蓄積部５０５と、を有する。つまり、撮像部３１２の１画素において一つの光電変換部が、パターン光用電荷蓄積部と均一光用電荷蓄積部、及びそれぞれの蓄積部に対するゲートを有する。光検出部５０１は、パターン光および均一光を光電変換する。図５（Ｂ）および図５（Ｃ）は、光電変換された電荷の流れを示している。変換された電荷は、均一光用ゲート５０２とパターン光用ゲート５０３の電圧に応じて均一光用電荷蓄積部５０４とパターン光用電荷蓄積部５０５のどちらかに転送される。均一光用ゲート５０２に電圧を印加した場合、電荷は均一光用電荷蓄積部５０４に転送される（図５（Ｂ））。一方、パターン光用ゲート５０３に電圧を印加した場合、電荷はパターン光用電荷蓄積部５０５に転送される（図５（Ｃ））。各ゲートの電圧印加タイミングは図４に示した通りであり、各照明制御電流と同期させて各ゲート電圧は制御される。本実施形態の計測装置も、第１実施形態と同様の効果を奏する。
【００１９】
なお、本実施形態では、第１実施形態と比べ、照明光の制御および撮像部の双方を変更したが、そのどちらか一方だけを置き換えてもよい。すなわち、第１実施形態における撮像部として、第２実施形態の撮像部３１２を用いてもよいし、均一光およびパターン光の明滅の制御を電流制御でおこなってもよい。
【００２０】
（第３実施形態）
図６は、本発明の第３実施形態に係る計測装置を示す概略図である。なお、本実施形態では、第１実施形態または第２実施形態ですでに説明された構成要素等と同一のものには同一の符号を付し、説明を省略する。本実施形態の計測装置は、図６に示すように、第１実施形態および第２実施形態と異なり、ひとつの照明部で構成されている。撮像部は第２実施形態と同様の撮像部を用いている。本実施形態の照明部は、光源５０１と、照明レンズ５０２と、液晶マスク５０３を有する。パターン制御部５３２は、液晶マスク５０３の透過パターンを制御し、被計測物Ｗに照射する光のパターンを切替える。パターンの切り替えおよび撮像タイミングは第１実施形態および第２実施形態と同様である。なお、液晶マスク５０３の代わりにＭＥＭＳミラー（ＤＭＤ：デジタルミラーデバイス）のように微小鏡面が配列された反射型のマスクを用いてもよい。なお、本実施形態の照明系は、第１実施形態の照明系と置き換えることもできる。本実施形態の計測装置も、第１実施形態および第２実施形態と同様の効果を奏する。
【００２１】
なお、上記実施形態では、発光タイミングまたは撮像タイミングの制御を同一パルス幅で行っていたが、均一光照明画像およびパターン光照明画像を撮像部の露光時間内にそれぞれ撮像することができれば、同一パルス幅でなくてもよい。
【００２２】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。
【符号の説明】
【００２３】
４    パターン光投影部
７    均一光投影部
１２  パターン光撮像部
１３  均一光撮像部
３１  照明部制御手段
３３  撮像部制御手段
Ｗ    被計測物
【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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