(57)【要約】      （修正有）【課題】被計測物と撮像部の相対位置が変化する場合においても、被計測物の表面の面粗さによる計測誤差を低減する形状計測装置を提供する。【解決手段】第１光源１１０からの光と第２光源１１１からの光とを合波する合波部１２０と、第１光源１１０からの光を用いてパターン光を形成する形成部１４０と、合波された光を被計測物に投影する投影光学系１５０と、パターン光が投影された被計測物を撮像して第１画像を取得する撮像部と、第１画像に基づいて被計測物の形状の情報を求める処理部と、を有し、投影光学系１５０は、第１光源１１０からの光の投影と第２光源１１１からの光の投影とを行う共通の光学系であり、撮像部は、投影光学系１５０を介して第２光源１１１からの光で照明された被計測物を撮像して第２画像を取得し、処理部は、第２画像を用いて第１画像を補正し、補正された画像に基づいて被計測物の形状の情報を求める形状計測装置。【選択図】図３
2017020873.tif 000002
【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、
第１波長の光を発する第１光源と、
前記第１波長とは異なる第２波長の光を発する第２光源と、
前記第１光源からの光と前記第２光源からの光とを合波する合波部と、
前記第１光源からの光を用いてパターン光を形成する形成部と、
合波された前記第１光源からの光と前記第２光源からの光とを前記被計測物に投影する投影光学系と、
前記形成部及び前記投影光学系により前記パターン光が投影された前記被計測物を撮像して、前記被計測物で反射された前記パターン光による前記被計測物の第１画像を取得する撮像部と、
前記第１画像に基づいて前記被計測物の形状の情報を求める処理部と、を有し、
前記投影光学系は、前記第１光源からの光の投影と前記第２光源からの光の投影とを行う共通の光学系であり、
前記撮像部は、前記投影光学系を介して前記第２光源からの光で照明された前記被計測物を撮像して、前記被計測物で反射された前記第２光源からの光による前記被計測物の第２画像を取得し、
前記処理部は、前記第２画像を用いて前記第１画像を補正し、補正された画像に基づいて前記被計測物の形状の情報を求めることを特徴とする計測装置。
【請求項２】
前記パターン光と前記第２光源からの光は、前記投影光学系の絞りの開口を通過して前記被計測物に投影される、ことを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記投影光学系からの前記パターン光の明部の光と前記第２光源からの光とは、光強度が同じで主光線が同じ方向の光を有する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の計測装置。
【請求項４】
前記第１光源からの光の光路と前記第２光源からの光の光路とは前記合波部により同軸上に配置される、ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の計測装置。
【請求項５】
前記処理部は、前記被計測物における前記第１波長の光の反射率と前記第２波長の光の反射率との反射率比に関する情報を取得し、
前記処理部は、前記反射率比に関する情報を用いて前記第２画像の画素値を前記第１波長における画素値に変換し、変換後の画像の画素値を用いて前記第１画像を補正し、補正された画像に基づいて前記被計測物の形状の情報を求めることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の計測装置。
【請求項６】
前記合波部により合波された前記第１光源からの光と前記第２光源からの光とが前記形成部に入射し、
前記形成部は、前記第１波長の光と前記第２波長の光とで透過率が異なるパターンを有する、ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の計測装置。
【請求項７】
前記形成部のパターンは、誘電体多層膜のパターンを有する、ことを特徴とする請求項６に記載の計測装置。
【請求項８】
前記形成部のパターンは、入射光の波長以下の周期で屈折率が変化する微細構造体を有する、ことを特徴とする請求項６に記載の計測装置。
【請求項９】
前記微細構造体は、フォトニック結晶を有する、ことを特徴とする請求項８に記載の計測装置。
【請求項１０】
前記撮像部は、前記被計測物で反射された前記パターン光による前記被計測物の撮像と、前記被計測物で反射された前記第２光源からの光による前記被計測物の撮像を同期して行うことを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の計測装置。
【請求項１１】
前記第１光源からの光の偏光状態と、前記第２光源からの光の偏光状態と、が同じである、ことを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の計測装置。
【請求項１２】
物体を把持して移動させるシステムであって、
前記物体の形状を計測する、請求項１乃至１１の何れか１項に記載の計測装置と、
前記物体を把持する把持部と、
前記把持部を制御する制御部と、を有し、
前記制御部は、前記計測装置による前記物体の計測結果を用いて前記把持部を制御する、ことを特徴とするシステム。
【請求項１３】
物品の生産方法であって、
請求項１乃至１１の何れか１項に記載の計測装置を用いて被計測物の形状を計測する工程と、
前記計測装置による前記被計測物の計測結果を用いて前記被計測物を処理することにより、物品を生産する工程と、を有することを特徴とする生産方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被計測物の形状を計測する計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被計測物の形状を計測する技術の１つとして、光学式の計測装置が知られている。光学式の計測装置には様々な方式が存在し、その方式の１つにパターン投影法と称される方式がある。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、撮像部で撮像し、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。
【０００３】
本計測法においては、撮像された画像における受光光量（画素値）の空間分布情報に基づき、投影されたパターンの各ラインの座標の検出を行う。しかし、受光光量の空間分布情報は、被計測物の表面の模様などによる反射率分布、又は、被計測物の表面の微細形状による反射率分布などの影響が含まれたデータである。これらにより、パターンの座標の検出において検出誤差が発生する、又は、検出自体が不可能となる場合が存在し、結果として、算出される被計測物の形状の情報は精度が低いものとなる。
【０００４】
これに対し、特許文献１では、液晶シャッタを用いてパターン光を投影し、投影時の画像（以下、パターン投影画像）を取得した後、該液晶シャッタを用いて均一照明光で被計測物を照射して、均一照明光で照射時の画像（以下、均一照明画像）を取得している。そして、均一照明画像のデータを補正用データとして、被計測物の表面の反射率分布による影響をパターン投影画像から除去する補正を行う。
【０００５】
また、特許文献２では、偏光方向が互いに９０度異なるパターン光と均一照明光とを被計測物に照射し、各偏光方向に対応した各撮像部で、パターン投影画像と均一照明画像とを取得した後、それらの差分画像から距離情報を求める画像処理を行っている。この方法においては、パターン投影画像と均一照明画像とは同じタイミングで取得され、被計測物の表面の反射率分布による影響をパターン投影画像から除去する補正を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平３−２８９５０５号公報
【特許文献２】特開２００２−２１３９３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載の計測方法では、パターン投影画像と均一照明画像とは異なるタイミングで取得される。計測装置の用途を考えた場合、被計測物と計測装置の撮像部とのどちらか又は両方が移動しつつ距離情報を取得する場合が考えられる。この場合、各タイミングでそれらの相対位置関係は変化し、パターン投影画像と均一照明画像は違う視点で撮影された画像となる。その場合、互いに異なる視点の画像で補正を行うと誤差が生じる。
【０００８】
特許文献２に記載の計測方法では、偏光方向が互いに９０度異なる偏光光を用いることで、パターン投影画像と均一照明画像とは同じタイミングで取得される。しかし、被計測物の表面には、微細形状（面粗さ）により局所的な角度ばらつきが存在しており、その局所的な角度ばらつきによって、被計測物の表面の反射率分布は偏光方向で異なる。入射角度に対する入射光の反射率は偏光方向によって異なるためである。したがって、互いに異なる反射率分布の情報を含む画像で補正を行うと誤差が生じる。
【０００９】
そこで、本発明は、被計測物と撮像部の相対位置が変化する場合においても、被計測物の表面の面粗さによる計測誤差を低減して、被計測物の形状を計測することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決する本発明の一側面としての計測装置は、被計測物の形状を計測する計測装置であって、第１波長の光を発する第１光源と、前記第１波長とは異なる第２波長の光を発する第２光源と、前記第１光源からの光と前記第２光源からの光とを合波する合波部と、前記第１光源からの光を用いてパターン光を形成する形成部と、合波された前記第１光源からの光と前記第２光源からの光とを前記被計測物に投影する投影光学系と、前記形成部及び前記投影光学系により前記パターン光が投影された前記被計測物を撮像して、前記被計測物で反射された前記パターン光による前記被計測物の第１画像を取得する撮像部と、前記第１画像に基づいて前記被計測物の形状の情報を求める処理部と、を有し、前記投影光学系は、前記第１光源からの光の投影と前記第２光源からの光の投影とを行う共通の光学系であり、前記撮像部は、前記投影光学系を介して前記第２光源からの光で照明された前記被計測物を撮像して、前記被計測物で反射された前記第２光源からの光による前記被計測物の第２画像を取得し、前記処理部は、前記第２画像を用いて前記第１画像を補正し、補正された画像に基づいて前記被計測物の形状の情報を求めることを特徴とする計測装置。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、被計測物と撮像部の相対位置が変化する場合においても、被計測物の表面の面粗さによる計測誤差を低減して、被計測物の形状を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態における計測装置の概略構成を示した図である。
【図２】第１実施形態における計測のフローチャートである。
【図３】投影部の概略構成を示した図である。
【図４】被計測物の表面に照射された光の反射の様子を示す図である。
【図５】被計測面の角度に対する反射率を示す図である。
【図６】主光線の進行方向が異なり、被計測物の表面に照射された光の反射の様子を示す図である。
【図７】開口数が異なり、被計測物の表面に照射された光の反射の様子を示す図である。
【図８】計測装置とロボットを含むシステムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１４】
［実施形態１］
図１は、本発明の一側面としての計測装置２０の構成を示す概略図である。計測装置２０は、パターン投影法を用いて、被計測物２１０（物体）の形状（例えば、３次元形状、２次元形状、位置及び姿勢など）を計測する。被計測物２１０は、例えば、金属部品、光学部材などである。図１に示すように、計測装置２０は、投影部１０と、撮像部２２０と、処理部２００とを有する。計測装置１００は、パターン投影法を用いて、被計測物の形状（例えば、３次元形状、２次元形状、位置及び姿勢等）を計測する。具体的には、距離画像と均一照明画像を取得し、二つの画像を利用してモデルフィッティングすることにより、被計測物の位置姿勢を計測する。ここで、距離画像とは、被計測物の表面上の点の三次元情報を示し、各画素が奥行きの情報をもつ画像であり、均一照明画像とは、均一照明された被計測物を撮像して得られる画像である。尚、モデルフィッティングは、事前に作成された被計測物のＣＡＤモデルに対して行うものであり、被計測物の三次元形状が既知であることを前提とする。
【００１５】
図２に計測方法のフローチャートを示す。まず、投影部１０は、所定のパターン光を被計測物２１０に投影する（Ｓ１０）。図３に、投影部１０の概略図を示す。投影部１０は、２種の光源を有する。１つはパターン投影画像を取得するための第１光源１１０であり、もう一つは均一照明画像を取得するための第２光源１１１である。これらの光源は異なる波長であって、無偏光の光を発する。以下では第１光源１１０から出射される光（実線）の第１波長をλ１、第２光源１１１から出射される光（破線）の第２波長をλ２とする。両光源から放たれた光はハーフミラー１２０（合波部）に入射する。ここで、ハーフミラー１２０は２つの光源から放たれた光が同一光軸に重なる（合波される）ように設けられる。つまり、ハーフミラー１２０により、第１光源１１０からの光の光路と第２光源１１１からの光の光路が同軸上に配置される。本実施形態ではパターン投影用の第１光源からの光はハーフミラー１２０を透過し、均一照明用の第２光源からの光はハーフミラーで反射されるものとして図示している。投影部１０は、所定のパターン光を被計測物に投影すると同時に、第２光源１１１からの均一照明光を被計測物２１０に照明する（Ｓ１４）。
【００１６】
ハーフミラー１２０を透過したあるいは反射された２つの光はレンズ系１３０を通り、パターン光形成部１４０に入射する。パターン光形成部１４０はパターン投影光のみがパターン光を形成（生成）するように機能するよう設計されている。パターン投影光のパターンの形態は計測方式により様々である。本実施形態では、投影部１０と撮像部２２０を含むユニットを備えたロボットアームを移動させながら、被計測物の位置姿勢を計測することを想定した装置である。ここで、ロボットアーム（把持部）は、被計測物２１０を把持して移動させたり回転させたりする。そのため、被計測物に投影するパターン光は、一枚のパターン投影画像から距離画像を算出できるパターン光である事が望ましい。複数枚の撮像画像から距離画像を算出する計測方式では、ロボットアームの移動により各撮像画像の視野ずれが生じてしまい、高精度に距離画像を算出できないからである。一枚のパターン投影画像から距離画像を算出できるパターンとしては、例えば、明部と暗部を含むラインパターンのライン上に座標が識別可能なドットが配置されたドットラインパターンが挙げられる。また、ラインの識別のために個々のライン幅を変化させたライン幅変調パターンも挙げられる。例えば、ドットラインパターンを被計測物に投影して、ドットの位置関係に基づいて投影パターンと撮像画像の対応づけを行う事で、一枚の撮像画像から距離画像を算出することができる。尚、投影パターンとして上記の例に限らず、一枚のパターン投影画像から距離画像を算出できるものであれば良い。
【００１７】
パターン光形成部１４０の実現方法として以下のようなものが考えられる。特定の波長のみを透過あるいは反射させる誘電体多層膜を有した波長選択性のフィルタが一般的に知られている。これに対し、例えばパターン投影光の波長であるλ１の光のみを通さない誘電多層膜を想定した場合、この誘電多層膜を基盤上に形成する際にエッチングにより明部パターンに該当する部分の誘電多層膜を除去する。そうすることで、波長λ１を有するパターン投影光のみがパターン光を形成し、波長λ２を有する光は均一な光強度分布の照明光として出射されることとなる。
【００１８】
投影光学系１５０は、パターン光形成部１４０により形成されたパターン光を像面（被照明面）１６０に結像するための結像光学系である。パターン光形成部１４０の位置は、投影光学系１５０を介して、像面１６０に対して共役な位置となっている。投影光学系１５０は、パターン光の投影と第２光源からの光の投影とを行う共通の光学系である。この光学系は、レンズ群やミラーなどで構成され、例えば、１つの結像関係を有する結像光学系である。前述の通り、第１光源１１０から出射される光（実線）と、第２光源１１１から出射される光（破線）との２種の光の主光線は同一光軸で重なっており、投影光学系１５０を出射する双方の光は共通の瞳面の絞りの開口部を通過する。結果として、投影光学系１５０を出射する２種の光の主光線の進行方向は一致しており、開口数も等しい。なお、主光線は瞳面の中心（絞りの開口部の中心）を通る光線である。開口数は投影光学系１５０の瞳面に配置された絞りの開口径により定まる。開口数（ＮＡ）は、ｎを屈折率、軸上光線の最大入射角（光軸との角度）をθとすると、ＮＡ＝ｎ×ｓｉｎθで定義される。また、パターン投影光の明部の光と、波長λ２を有する均一照明光とは、同じ光強度となるように調整されている。以下では２つの光のこの関係を配光特性が等しいと称する。つまり、投影光学系１５０からのパターン光の明部の光と第２光源からの光とは、開口数及び光強度が同じで主光線が同じ方向の光を有する。
【００１９】
投影光学系から投影された光が、被計測物の表面（被計測面）に照射された際の反射の様子を図４に示す。投影光学系から投影された光の光強度分布Ｉ１は、中心光線を原点として、一様とする。投影光学系から投影された光は角度広がりを有するため、被計測物の表面構造に対する光の入射角は光線内で差異が生じる。一方、図５に一様な材質で出来た被計測面の角度に対する、各波長の光による反射率を計測した結果を示す。ここで、反射率とは、ある方向から被計測面へ入射した光の光量と、入射光が被計測面で反射され、ある方向に反射される光の光量と、の比である。例えば、被計測面への入射光の光量と、撮像部のある方向に反射されて撮像部で受光される光の光量との比としても表せる。反射率は被計測面の角度に依存していることがわかる。よって、前述の入射光線内の入射角の差異は、反射光における光強度分布の変化の原因となる。そのため、反射光における光強度分布Ｉ２は、図４に示すように、中心光線を原点として、均一ではない。
【００２０】
撮像部２２０は、光学系と撮像素子を含み、被計測物を撮像して画像を取得する。光学系は、被計測物で反射された光を撮像素子に結像するための結像光学系である。撮像素子は、被計測物を撮像するための複数の画素を含むイメージセンサであって、例えば、ＣＭＯＳセンサやＣＣＤセンサなどで構成されている。撮像素子で得られる各画素の受光量（画素値）は、画素に入射する光量の時間積分値となる。撮像部２２０は、パターン光が投影された被計測物を撮像して、被計測物で反射されたパターン光による被計測物の画像、所謂、パターン投影画像（第１画像）を取得する（Ｓ１１）。また、波長λ２を有する均一な照明光で照明された被計測物を撮像して、被計測物で反射された照明光による被計測物の均一照明画像（第２画像）を取得する（Ｓ１５）。これら２つの光の照射、撮像は同期して（同じタイミングで）行われる。
【００２１】
処理部２００は、撮像部２２０で取得された画像に基づいて、被計測物の形状を求める。処理部２００は、一般的なコンピュータで構成されており、情報処理装置として機能する。処理部２００は、ＣＰＵ、ＭＰＵ、ＤＳＰやＦＰＧＡなどの演算装置で構成されており、ＤＲＡＭなどの記憶装置を有する。処理部２００は、制御部２０１と、画像記憶部（メモリ）２０２と、画像処理部２０３と、距離情報算出部２０５と、反射率情報記憶部２０４とを含む。制御部２０１は、投影部１０や撮像部２２０の動作を制御する。具体的には、パターン光の投影と、波長λ２を有する均一な照明光とが、被計測物２１０へ照射され、制御部２０１の指令により撮像部２２０により撮像される。これら２つの光の照射、撮像は同じタイミングで行われるように制御される。同じタイミングで行うことによって、被計測物と撮像部の相対位置が変化する場合においても、パターン投影画像と均一照明画像とを同一の視点から取得することができる。
【００２２】
画像記憶部２０２は、撮像部２２０で取得された画像を記憶する。撮像部２２０は、カラーフィルタ等の波長分離の構成が備えられており、パターン投影画像と均一照明画像を同時に分離して取得可能である。こうして同時撮影されたパターン投影画像と均一照明画像のデータは画像記憶部２０２に記憶される。
【００２３】
図５に示すように被計測面の角度によって反射率が異なり、パターン投影画像内の輝度（画素値）分布は、被計測面の微細形状（面粗さ）等による反射率分布の影響が含まれる。これにより、パターン投影画像内のパターンの座標の検出において検出誤差が発生する、又は、検出自体が不可能となる場合が存在し、結果として、算出される被計測物の形状の情報は精度が低いものとなる。そこで、画像処理部２０３は、第２光源からの光で照明された被計測物を撮像部で撮像して得られる、被計測物で反射された第２光源からの光による被計測物の第２画像、を用いて第１画像を補正する（Ｓ１２）。具体的には、画像処理部２０３は、被計測物における第１波長λ１の光の反射率と第２波長λ２の光の反射率との反射率比に関する情報を取得する。そして、反射率比に関する情報を用いて第２画像の画素値を第１波長における画素値に変換し、変換後の画像の画素値を用いて第１画像を補正する。
【００２４】
具体的な反射率の情報の例として、図５に示す、ある被検材質に対する波長間の反射率の情報が挙げられる。図５によると、双方の波長において反射率は被計測面の角度により大きく変化しているものの、２波長間の反射率比は被計測面の角度依存性が小さい。したがって、被計測面の角度が不明な状態にあっても、波長λ２の光で撮影された均一照明画像の輝度分布を２波長間の反射率比で除することで、波長λ１の光で撮影された場合の均一照明画像の輝度分布に換算可能である。上記の換算によって、波長λ１に換算された均一照明による画像の輝度分布は、波長λ１のパターン光による画像の輝度分布と同様になる。そのため、画像処理部２０３は、パターン投影画像の輝度分布から、上記換算により求めた波長λ１の光で撮影された場合の均一照明画像の輝度分布を減算する画像補正を行う。また、画像補正は除算でも良い。そうすることで、パターン投影画像に存在する被計測物の微細形状に起因する輝度の影響（誤差）を低減することが出来る。
【００２５】
ここで、反射率情報は、予め反射率情報記憶部２０４に記憶されていても良いし、パターン投影光を用いた距離計測を行う前に実際の反射率計測を行う事で取得しても良い。反射率計測を行う場合には、パターン光形成部１４０の切替などによりパターン生成機能を除き、波長λ１の光と波長λ２の光を含む光で均一に被計測物を照明して画像を得ることで計測が可能である。
【００２６】
補正されたパターン投影画像のデータは距離情報算出部２０５に送信される。距離情報算出部２０５は、画像処理部２０３で補正された画像に基づいて被計測物の形状の情報を求める（Ｓ１３）。具体的には、補正された画像におけるパターン光のピーク、エッジやドット（検出対象とする位置）を検出してパターンの座標、即ち、画像におけるパターン光の位置を求める。そして、検出対象とする位置（座標）の情報とドットから識別した各ラインの指標を用いて、三角測量の原理から、各画素位置における被計測物の距離画像（３次元情報）を算出する。ここで算出される距離情報は、被計測物の微細形状に起因する計測誤差が低減された高精度な距離情報となる。
【００２７】
また、処理部２００は、取得した均一照明画像を用いて、エッジ検出処理によりエッジを算出し（Ｓ１６）、Ｓ１３とＳ１６の算出結果を用いて、被計測物の位置姿勢を求める（Ｓ１７）こともできる。具体的には、距離画像と均一照明画像を取得し、二つの画像を利用してモデルフィッティングすることにより、被計測物の位置姿勢を計測する。尚、モデルフィッティングは、事前に作成された被計測物のＣＡＤモデルに対して行うものであり、被計測物の三次元形状が既知であることを前提とする。
【００２８】
本実施形態の計測装置２０は、図８のように、ロボットアーム３００に備え付けられていることを想定している。そのため、支持台３５０に置かれた被計測物２１０の位置姿勢を計測装置２０が求めたら、ロボットアーム３００の制御部３１０は、その位置姿勢の計測結果を用いてロボットアーム３００を制御する。具体的には、ロボットアーム３００が被計測物２１０を移動させたり回転させたり、把持動作を行ったりする。制御部３１０は、ＣＰＵなどの演算装置やメモリなどの記憶装置を有する。また、計測装置２０により計測された計測データや得られた画像をディスプレイなどの表示部３２０に表示してもよい。
【００２９】
以上述べた本実施形態によれば、均一照明画像を用いてパターン投影画像を容易に高精度に補正することできる。したがって、被計測物と撮像部の相対位置が変化する場合においても、被計測物の表面の微細形状による計測誤差を低減することができ、より高精度に被計測物の形状の情報を求めることができる。
【００３０】
ここで、比較例として、図６に主光線の進行方向が異なる２つの光が被計測物の表面に照射された際の反射の様子を示す。２つの光の開口数及び入射光の強度分布は同じものとし、図６では一方の光に関する光路、強度分布Ｉ３を実線で、もう一方の光に関する光路、強度分布Ｉ４を点線で示している。主光線の進行方向の差異により２つの光の被計測物の表面への入射角及び反射率は光束全体で異なるものとなる。例えば、一方の光を被計測物の表面に対し５度〜１０度の入射角で照射し、もう一方の光を被計測物の表面に対し１０度〜１５度で照射した際に、その反射率分布は図６のように異なる。一方の光が被計測物の表面で反射された光強度分布はＩ３´であり、もう一方の光が被計測物の表面で反射された光強度分布はＩ４´である。結果として、撮像部で検出される受光量分布も２つの光で異なる。よって、ある照明光によって撮像された画像に対し、主光線の進行方向が異なる照明光によって撮像された画像の光量補正を精度よく行う事は不可能である。
【００３１】
また、図７に、開口数の異なる２つの光が被計測物の表面に照射された際の反射の様子を示す。２つの光の主光線の進行方向及び入射光の強度分布は同じものとし、図では一方の光に関する光路、強度分布Ｉ５を実線で、もう一方の光に関する光路、強度分布Ｉ６を点線で示している。開口数の差異により２つの光の被計測物の表面への入射角及び反射率は光束全体で異なるものとなる。例えば一方の光を被計測物の表面に対し５度〜１０度の入射角で照射し、もう一方の光を被計測物の表面に対し３度〜１２度で照射した際にその反射率分布が異なることは図７から明らかである。一方の光が被計測物の表面で反射された光強度分布はＩ５´であり、もう一方の光が被計測物の表面で反射された光強度分布はＩ６´である。結果として、撮像部で検出される受光量分布も２つの光で異なる。よって、ある照明光によって撮像された画像に対し、開口数の異なる照明光を用いて撮像された画像の光量補正を精度よく行う事は不可能である。また、被計測面に投影（照明）される光強度分布の異なる２つの光を被計測物の表面に照射して撮像された画像に関して、一方の照明光により取得された画像をもう一方の照明光により取得された画像を用いて精度の良い補正をする事は不可能な事も同様である。
【００３２】
よって、精度に優れた画像補正を行うためには、主光線の進行方向、開口数、光強度が一致している事、すなわち、配光特性が等しいことが必要となる。配光特性が等しい２つの光を被計測物の表面に照射した場合、光束全体の被計測物の表面に対する入射角分布及び反射率分布は等しくなる。結果として、撮像部で検出される受光量分布も２つの光で等しいものであるので、２つの画像を用いて微細形状による撮像部での受光量の影響が精度良く補正出来る。
【００３３】
パターン投影光、均一照明を用いた計測に関し、特許文献２のように双方の光の偏光方向差が９０度の場合を考える。計測対象物によっては偏光方向の違いによって反射率差を有するものが存在する。これらの物体を偏光方向の異なる光によって撮影し、その差分から画像補正を行おうとした場合、偏光方向差により発生した反射率差により補正精度は低いものとなる。また、被計測物の微細形状により発生する入射角の傾きにより被計測面内の場所によって偏光状態には様々な変化が生じる。これにより、撮像される画像にもう一方の画像のクロストーク成分が発生する為、補正精度の低下が発生する。
【００３４】
上記本実施形態によれば、波長が異なり配光特性の一致したパターン投影光と均一照明光により計測対象物を照射、撮影し得られた、パターン投影画像を均一照明画像を用いて画像補正するものである。この場合、前述のような偏光方向、配光特性が異なる事に起因する補正精度低下は発生しない。２つの光の受光量差に影響するのは波長による反射率差のみである。この波長差による反射率差の影響は上記のプロセスで低減される。以上により、精度の高い形状の情報が算出可能となる。
【００３５】
［第２実施形態］
次に本発明の第２の実施形態を説明する。パターン光形成部１４０は波長選択機能を有する微細構造体をパターンに合わせ選択的に配置することでも実現される。微細構造体の例としてはフォトニック結晶がある。フォトニック結晶は、入射光の波長以下の周期で屈折率が変化する微細構造体を有しており、特定の波長の光のみに対し周期的な屈折率変化と共鳴して反射あるいは透過を起こす事が可能である。フォトニック結晶は、基板上の感光剤に電子線でパターンを描画し、現像、エッチング工程をへて形成される。例えば、透過性を有する基盤上に、パターン投影光のパターン暗部に該当する部分にのみパターン投影光の波長λ１を選択的に反射する微細構造を設けることで、波長λ１のパターン投影光と波長λ２の均一照明光を得ることが可能である。この微細構造体を有するパターン光形成部１４０を用い、第一の実施形態と同じプロセスで計測を行えば精度の高い形状情報が算出可能である。
【００３６】
以上、本発明の実施形態を説明してきたが、本発明はこれらの実施の形態に限定されず、その要旨の範囲内において様々な変更が可能である。上記の実施形態を組み合わせた形態としてもよい。上記実施形態では、パターン光形成部１４０より光源側において、第１光源からの光と第２光源からの光をハーフミラー１２０で合波したが、これに限らず、パターン光形成部１４０より被照明面側で両光源からの光を合波してもよい。この場合、パターン光形成部１４０に波長によって透過率が異なる材料を設ける必要はない。また、パターン光形成部１４０を投影光学系１５０の直後又は内部に設けても良い。また、第１光源１１０と第２光源１１１が発する光を無偏光としたが、これに限らず、偏光方向が同じ直線偏光光としてもよく、偏光状態が同じ偏光光であればよい。また、本計測装置は、撮像部を備えた複数台のロボットアームを用いて計測を行う計測装置や、固定された支持部材に撮像部を備えた計測装置にも適用が可能である。また、計測装置２０は、ロボットアーム以外にも、固定された支持構造物に取り付けられていても良い。また、当該計測装置によって計測された被計測物の形状データを用いて、被計測物の加工、変形や組立などの処理を行って、光学部品や装置ユニットなどの物品を生産することもできる。
【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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