(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検物を回転させ、２次元エリアセンサを有する実体格子型のモアレ光学系により前記被検物にモアレ縞を投影し、前記被検物に投影されたモアレ縞が形成される領域とモアレ縞が形成される領域以外の領域を前記２次元エリアセンサで撮像し、
前記２次元エリアセンサによって撮像された画像におけるモアレ縞が形成される領域の特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけシフトさせてモアレ縞データを生成し、生成したモアレ縞データから前記被検物の形状測定を行い、
前記２次元エリアセンサによって撮像された画像におけるモアレ縞が形成される領域以外の領域の画像から被検物の位置変動を検出することを特徴とする形状測定方法。
【請求項２】
被検物を回転させ、２次元エリアセンサを有する実体格子型のモアレ光学系により前記被検物にモアレ縞を投影するとともに前記被検物表面に規則性のあるパターン光を投射し、前記被検物に投影されたモアレ縞が形成される領域とモアレ縞が形成される領域以外の領域を前記２次元エリアセンサで撮像し、
前記２次元エリアセンサによって撮像された画像におけるモアレ縞が形成される領域の特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけシフトさせてモアレ縞データを生成し、生成したモアレ縞データから前記被検物の形状測定を行い、
前記２次元エリアセンサによって撮像された画像におけるモアレ縞が形成される領域以外の領域に形成された前記パターン光の画像の位置又はパターン形状から被検物の位置変動を検出することを特徴とする表面形状測定方法。
【請求項３】
被検物を回転させ、２次元エリアセンサを有する実体格子型のモアレ光学系により前記被検物にモアレ縞を投影し、前記被検物に投影されたモアレ縞が形成される領域とモアレ縞が形成される領域以外の領域を前記２次元エリアセンサで撮像し、
前記２次元エリアセンサによって撮像された画像におけるモアレ縞が形成される領域の特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけシフトさせてモアレ縞データを生成し、生成したモアレ縞データから前記被検物の形状測定を行い、
前記２次元エリアセンサによって撮像された画像におけるモアレ縞が形成される領域以外の領域に形成され、モアレ縞を形成するための格子パターン端部のモアレを形成しない部分のパターンの変化から被検物の位置変動を検出することを特徴とする表面形状測定方法。
【請求項４】
被検物を回転させ、２次元エリアセンサを有する実体格子型のモアレ光学系により前記被検物にモアレ縞を投影し、前記被検物に投影されたモアレ縞が形成される領域とモアレ縞が形成される領域以外の領域を前記２次元エリアセンサで撮像し、
前記２次元エリアセンサによって撮像された画像におけるモアレ縞が形成される領域の特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけシフトさせてモアレ縞データを生成し、生成したモアレ縞データから前記被検物の形状測定を行い、
前記２次元エリアセンサによって撮像された画像における位相シフトしないモアレ縞画像から被検物の位置変動を検出することを特徴とする表面形状測定方法。
【請求項５】
前記被検物の位置変動検出データに応じて形状測定に利用する位相シフト算出領域を変更して位相シフト演算を行う請求項１乃至４のいずれかに記載の表面形状測定方法。
【請求項６】
前記被検物の位置変動に応じて測定ヘッドと被検物の位置関係が一定になるように制御する請求項１乃至５のいずれかに記載の形状測定方法。
【請求項７】
２次元エリアセンサを有する実体格子型のモアレ光学系を有する測定ヘッドと、被検物を保持して回転させる把持回転機構とを有し、
前記被検物を回転させ、前記実体格子型のモアレ光学系により前記被検物にモアレ縞を投影し、前記被検物に投影されたモアレ縞が形成される領域とモアレ縞が形成される領域以外の領域を前記２次元エリアセンサで撮像し、
前記２次元エリアセンサによって撮像された画像におけるモアレ縞が形成される領域の特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけシフトさせてモアレ縞データを生成し、生成したモアレ縞データから前記被検物の形状測定を行い、
前記２次元エリアセンサによって撮像された画像におけるモアレ縞が形成される領域以外の領域の画像から被検物の位置変動を検出することを特徴とする形状測定装置。
【請求項８】
２次元エリアセンサと規則性のあるパターン光を投射するスポット光源とを有する実体格子型のモアレ光学系を有する測定ヘッドと、被検物を保持して回転させる把持回転機構とを有し、
前記被検物を回転させ、前記実体格子型のモアレ光学系により前記被検物にモアレ縞を投影し、前記被検物に投影されたモアレ縞が形成される領域とモアレ縞が形成される領域以外の領域を前記２次元エリアセンサで撮像し、
前記２次元エリアセンサによって撮像された画像におけるモアレ縞が形成される領域の特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけシフトさせてモアレ縞データを生成し、生成したモアレ縞データから前記被検物の形状測定を行い、
前記２次元エリアセンサによって撮像された画像におけるモアレ縞が形成される領域以外の領域に形成された前記パターン光の画像の位置又はパターン形状から被検物の位置変動を検出することを特徴とする表面形状測定装置。
【請求項９】
２次元エリアセンサを有する実体格子型のモアレ光学系を有する測定ヘッドと、被検物を保持して回転させる把持回転機構とを有し、
前記被検物を回転させ、前記実体格子型のモアレ光学系により前記被検物にモアレ縞を投影し、前記被検物に投影されたモアレ縞が形成される領域とモアレ縞が形成される領域以外の領域を前記２次元エリアセンサで撮像し、
前記２次元エリアセンサによって撮像された画像におけるモアレ縞が形成される領域の特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけシフトさせてモアレ縞データを生成し、生成したモアレ縞データから前記被検物の形状測定を行い、
前記２次元エリアセンサによって撮像された画像におけるモアレ縞が形成される領域以外の領域に形成され、モアレ縞を形成するための格子パターン端部のモアレを形成しない部分のパターンの変化から被検物の位置変動を検出することを特徴とする表面形状測定装置。
【請求項１０】
２次元エリアセンサを有する実体格子型のモアレ光学系を有する測定ヘッドと、被検物を保持して回転させる把持回転機構とを有し、
前記被検物を回転させ、前記実体格子型のモアレ光学系により前記被検物にモアレ縞を投影し、被検物に投影されたモアレ縞が形成される領域を前記２次元エリアセンサで撮像し、
前記２次元エリアセンサによって撮像された画像におけるモアレ縞が形成される領域の特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけシフトさせてモアレ縞データを生成し、生成したモアレ縞データから前記被検物の形状測定を行い、
前記２次元エリアセンサによって撮像された画像における位相シフトしないモアレ縞画像から被検物の位置変動を検出することを特徴とす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】
この発明は、例えば円筒状被検物等の表面形状や、キズや膨らみ，うねり，へこみ等の欠陥を検出する形状測定方法及び形状測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
感光体ドラムなどの円筒状被検物の欠陥検査方法として、例えば特開平２−201142号公報及び特開平４−169840号公報が開示されている。特開平２−201142号公報に示された異常検出方法は、図１７に示すように、光源３１からのレーザ光ビーム３２を回転多面鏡３６を介して感光体ドラム３３の軸方向に走査するように照射し、この走査光はドラム３０の感光層表面にて反射し、正常な表面からの反射光は、ほぼ受光器３５に進入して反射光の強度が検出され、受光器５の出力は所定の演算処理部等に入力される。ここでの処理で検出値が異常に低下したときに、表面状態の異常として検出する。また、特開平４−169840号公報に示された円周表面傷検査方法は、図１８に示すように、ハロゲン光源等を備えた投光器４１から感光体ドラム４３へ向けてスリット光４２を投射し、感光体ドラム４３の表面欠陥によって散乱された散乱光をレンズ４４によって集光してラインセンサ４５で受光して欠陥による散乱光により異常を検出している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
感光体にはピンホールや打痕，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及び感光層の膜厚のムラや液ダレ，支持体の傷等多種多様な欠陥が生ずる可能性がある。上記のような光学式検査装置による場合は、ピンホールや打痕，擦り傷，ゴミ等の付着による欠陥のように、表面の凹凸の変化率の大きな欠陥は精度良く検出できるが、感光層の膜厚ムラ等の如く凹凸の変化率の小さい欠陥ある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った。
【０００４】
一方、三次元測定法の１手法としてモアレ法が挙げられる。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。格子投影型のモアレ法とは、図１９に示すように、投影用と観察用とに、それぞれ小さな格子Ｇ１，Ｇ２を配置し、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のところに生じさせるようにしたものである。実体格子型のモアレ法は、図２０に示すように、基準面に一つの格子Ｇを設置し、図２１に示すように、レンズＬ１の位置に点光源Ｓ１を置き、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を通して観察し、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である。
【０００５】
この実体格子型のモアレ法をさらに詳しく説明する。図２１に示すように、光源Ｓ１及び観測点Ｓ２と物体Ｏとの間の同一平面に格子Ｇ１,Ｇ２を配置し、光源Ｓ１と観察点Ｓ２の距離をｄ、光源Ｓ１及び観察点Ｓ２から格子Ｇ１，Ｇ１までの距離をＬ、格子Ｇ１，Ｇ２から物体Ｏまでの距離をｈ、格子Ｇ１，Ｇ２はいずれもピッチ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）とすると、下記（１）式で表せる。
cos(２π/ｓ)・[{ｄｈ−ε(ｈ＋Ｌ)}／（ｈ＋Ｌ）]      （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次数を持つ。そこで縞次数Ｎのモアレ縞をcos２πＮと置くことによって得られる。その結果、第Ｎ次のモアレ等高線は基準面からｈＮだけ離れた下記（２）式で示される位置に形成される。
ｈＮ＝｛（Ｎｓ＋ε）Ｌ｝／（ｄ−Ｎｓ−ε）      （２）
これは位置の座標ｘを含んでおらず、縞次数Ｎによって定める固有の値となっている。すなわち等高線が形成されていることを示す。
【０００６】
図２２に示す実体格子型のモアレ法は、図２１に示す格子Ｇ１，Ｇ２を１枚の連続した格子Ｇとしたものに相当し、ε＝０となる。（２）式から下記（３）式が成り立つ。
ｈＮ＝（ＮｓＬ）／（ｄ−Ｎｓ）            （３）
但し、等高線といいながら、その間隔ΔｈN＝ｈN+1−ｈNは一定ではなく、次数Ｎによって異なってしまう。
【０００７】
従来、モアレ法による三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）高感度の三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々の問題が指摘されている。この問題は、格子投影型の場合、２枚の格子を利用しているために、その一方を移動させて縞走査すなわち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。
【０００８】
この位相シフト法の原理を説明する。位相変調された縞画像は、図２３に示すように、バイアスをａ、振幅をｂ、操作可能な位相をθ、高さに相当する位相値をΦとすると、下記式で表せる。
Ｉ＝Ｉ(θ)＝ａ(ｘ，ｙ)＋ｂ(ｘ，ｙ)cos{Φ(ｘ、ｙ)＋θ}
ここで求めたいのは各点（ｘ、ｙ）における位相Φ（ｘ、ｙ）である。バイアスａや振幅ｂ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と変化させた下記式で示される３つの縞画像を生成する。
Ｉ＝Ｉ(０)＝ａ(ｘ，ｙ)＋ｂ(ｘ，ｙ)cos{Φ(ｘ、ｙ)＋θ}
Ｉ＝Ｉ(π/２)＝ａ(ｘ，ｙ)＋ｂ(ｘ，ｙ)cos{Φ(ｘ、ｙ)＋θ}
Ｉ＝Ｉ(π)＝ａ(ｘ，ｙ)＋ｂ(ｘ，ｙ)cos{Φ(ｘ、ｙ)＋θ}
そして下記（４）式で位相Φ（ｘ、ｙ）を算出すれば反射率や汚れ成分を除去して、各点の位相Φ（ｘ、ｙ）を求めることができる。
Φ(ｘ、ｙ)＝tan−１｛(Ｉ３−Ｉ２)／(Ｉ１−Ｉ２)｝＋π／４    （４）
【０００９】
しかし、実体格子型の場合には格子Ｇが一枚であるため、格子投影型のモアレ法のような位相シフトを行っても、すべ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。このような問題点に対して、例えば特許第2887517号公報に示す高感度三次元測定法では、格子面の垂直移動と光源又は観察点の水平移動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きたすことなく、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ので、複数枚の縞画像から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。
【００１０】
このように位相シフト法を適用して円筒状被検物等の全面測定を行う場合、少なくとも被検物を３回転以上させて位相シフトさせるために格子移動とモアレ縞の撮像を繰り返す必要があり測定に時間がかかる。また、格子を複数方向（平行と回転）に移動させる必要があるため、装置構成が複雑になる等の問題がある。
【００１１】
特開平７−332956号公報に示された表面形状測定装置や文献「位相シフトによる実体格子型モアレ法」（1991年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集）、「液晶ガラスのフラットネス計測」（O plus E  1996年9月）では、平行光を与えることにより、縞次数による縞間隔の違いをなくしているため、全ての縞の位相を揃えながらシフトさせている。これらの方法では格子運動のみにより位相シフトさせることが可能である。
【００１２】
しかし依然として円筒状被検物等の全面測定を行う場合、位相シフトした画像を得るために、格子移動と撮像という動作を繰り返し被検物を３回転以上させる必要があるため測定時間の増大を招く。また、特開平10−54711号公報に示された表面形状測定方法では、被検物の高さを変えることにより位相シフトさせている。この場合においても被検物の移動と撮像を複数回繰り返す必要があるため測定時間の増大を招く。また、凹凸形状の定量化に関しては明確な方法が充分に説明されてない。
【００１３】
この発明は上述した問題点を解消し、ローラ部品等の円柱状被検物を対象とし、実体格子型のモアレ法に位相シフト法を適用し、１系統の画像撮像装置による１回の１連の撮像により位相シフトした画像を得ることにより、高速に形状測定を行い、その定量的な形状データから被検物表面の検査を行うとともに被検物の移動量誤差を計測することができる形状測定方法及び形状測定装置を提供することを目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る形状測定方法は、被検物を回転させ、２次元エリアセンサを有する実体格子型のモアレ光学系により前記被検物にモアレ縞を投影し、前記被検物に投影されたモアレ縞が形成される領域とモアレ縞が形成される領域以外の領域を前記２次元エリアセンサで撮像し、前記２次元エリアセンサによって撮像された画像におけるモアレ縞が形成される領域の特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけシフトさせてモアレ縞データを生成し、生成したモアレ縞データから前記被検物の形状測定を行い、前記２次元エリアセンサによって撮像された画像におけるモアレ縞が形成される領域以外の領域の画像から被検物の位置変動を検出することを特徴とする。
【００１５】
前記形状測定中に位相シフトしたモアレ縞データと同一画像のモアレ縞の発生していない領域に規則性のあるパターン光を投影し、その位置又はパターン形状から被検物の位置変動を検出したり、位相シフトしたモアレ縞データと同一画像のモアレ縞の発生していない領域に形成されたモアレ縞を形成するための格子パターン端部のモアレを形成しない部分のパターンの変化から被検物の位置変動を検出して、位置変動検出用のセンサを使用せずに、位相シフトしたモアレ縞データと同一画像を画像処理することにより、形状測定中の位置変動を検出する。
【００１６】
また、形状測定中に位相シフトしないモアレ縞画像から被検物の位置変動を検出しても良い。
【００１７】
さらに、被検物の位置変動検出データに応じて形状測定に利用する位相シフト算出領域を変更して位相シフト演算を行い、位相シフト誤差を低減させる。
【００１８】
また、被検物の位置変動に応じて測定ヘッドと被検物の位置関係が一定になるように制御して、回転振れの影響を抑制し位相シフト誤差を低減させる。
【００１９】
この発明に係る形状測定装置は、２次元エリアセンサを有する実体格子型のモアレ光学系を有する測定ヘッドと、被検物を保持して回転させる把持回転機構とを有し、前記被検物を回転させ、前記実体格子型のモアレ光学系により前記被検物にモアレ縞を投影し、前記被検物に投影されたモアレ縞が形成される領域とモアレ縞が形成される領域以外の領域を前記２次元エリアセンサで撮像し、前記２次元エリアセンサによって撮像された画像におけるモアレ縞が形成される領域の特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけシフトさせてモアレ縞データを生成し、生成したモアレ縞データから前記被検物の形状測定を行い、前記２次元エリアセンサによって撮像された画像におけるモアレ縞が形成される領域以外の領域の画像から被検物の位置変動を検出することを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の形状測定装置の構成を示す斜視図である。図に示すように、円筒状被検物１の形状や欠陥を検出する形状測定装置２は、例えば電子写真方式の画像形成に使用する感光体等の円筒状被検物１を固定する把持冶具３と、把持冶具３を回転する回転モータ４と、自動ステージ５に設けられた測定ヘッド６を有する。把持冶具３は、例えば三つ爪チャック等を有し、円筒状被検物１を芯出しして固定する。自動ステージ５は、円筒状被検物１の軸方向であるｘ方向と、ｘ方向と直交するｙ方向及びｚ方向に移動自在である。そして円筒状被検物１を把持冶具３で固定し、回転モータ４により把持冶具３を回転しながら、測定ヘッド６を円筒状被検物１の軸方向であるｘ方向に移動させて、円筒状被検物１の全面の測定を行う。
【００２１】
測定ヘッド６は、図２の斜視図に示すように、光源１０と、光源１０より円筒状被検物１側に設けられた格子パターン１１と、格子パターン１１に対して円筒状被検物１と反対側で、格子パターン１１に対して光源１０と同じ距離を隔てて設けられたレンズ１２と、レンズ１２に対して格子パターン１１とは反対側に設けられた２次元エリアセンサ１３を有する。２次元エリアセンサ１３は、光源１０から格子パターン１１を介して円筒状被検物１に投影されたモアレ縞を撮像するモアレ縞撮像領域１３１と、それ以外の部分を撮像する背景撮像領域１３２を有する。モアレ縞撮像領域１３１は少なくとも任意の３ラインの画素列でモアレ縞を撮像する。ここでは３ラインの場合に関して説明する。モアレ縞撮像領域１３１の各ラインを、図３に示すように、Ａ列とＢ列とＣ列とし、モアレ縞撮像領域１３１と格子パターン１１と円筒状被検物１の位置関係は、図３及び図４に示すように被検物１が円筒状であることを利用して、画素列Ａ，Ｂ，Ｃの視野に対応する高さを変化させてやる。また、画素列Ａ，Ｂ，Ｃはｙ方向に並んでいる。ここで所望のステップ量が与えられるように、円筒状被検物１の回転スピードと２次元エリアセンサ１３の走査周期と撮像倍率と画素列Ａ，Ｂ，Ｃ間の距離を調節してやる。
【００２２】
このモアレ縞撮像領域１３１の画素列Ａ，Ｂ，Ｃで円筒状被検物１を撮像するときは、まず、図４に示すように、時刻ｔ１においてＡ列で円筒状被検物1の領域３（ステップ０面）を、Ｂ列で領域２（ステップ１面）を、Ｃ列で領域１（ステップ２面）撮像する。次に時刻ｔ２においては、Ａ列で領域４（ステップ０面）を、Ｂ列で領域３（ステップ1面）を、Ｃ列で領域２（ステップ２面）を撮像する。さらに、時刻ｔ３ではＡ列で領域５（ステップ０面）を、Ｂ列で領域４（ステップ１面）を、Ｃ列で領域３（ステップ２面）を撮像する。これを繰り返すことにより、画像メモリ上に、図５に示すように、各時刻ごとの画素列Ａ，Ｂ，Ｃによる検出データが得られる。そこで、時刻ｔ1のＡ列のデータと時刻ｔ２のＢ列のデータと時刻ｔ３のＣ列のデータを下記（４）式
Φ(ｘ、ｙ)＝tan−１｛(Ｉ３−Ｉ２)／(Ｉ１−Ｉ２)｝＋π／４    （４）
から領域３の形状測定を行うことができる。この定量的な形状データをもとに円筒状被検物１の表面に生じるうねりやへこみ等の欠陥検査や平坦度の検査を行う。
【００２３】
厳密には、縞次数により縞間隔が異なるので、測定する縞次数によりステップ量が異なり測定誤差が生じるが、レンズ１２から格子パターン１１までの距離Ｌ＝200ｍｍ、光源１０とレンズ１２の距離70ｍｍ、格子パターン１１の格子間隔ｓ＝83.3μｍ（12本／ｍｍ）とした場合、下記（３）式
ｈＮ＝（ＮｓＬ）／（ｄ−Ｎｓ）            （３）
によりモアレ等高線縞ｈＮは、図６に示すようになる。ここで、円筒状被検物１の基準高さを縞次数ｎ＝３の位置に、測定範囲をｎ＝２〜４の約480μｍの範囲に設定したとすると、Δｈ２＝239.423μｍ、Δｈ３＝239.995μmの差は0.572μｍとわずかであり、高低差が数μｍ程度のうねりやへこみを測定するには問題のないレベルである。
【００２４】
以上の方法においては、円筒状被検物１と２次元エリアセンサ１３の画素列Ａ，Ｂ，Ｃの位置関係が非常に重要となってくる。すなわち、円筒状被検物１が回転振れの影響でｙ方向に移動した場合、所望のステップ量からずれてしまうので形状データに誤差が生じる。一方、円筒状被検物１が２次元エリアセンサ１３の光軸方向ｚに振れた場合は、ステップ量は変わらないため回転振れを含めた形状データが得られるが、円筒状被検物１の１周に対応する周波数成分を取り除く等の周波数処理により取り除くことができる。すなわち、位相シフトモアレ法を用いた円筒状被検物１の形状測定において、常に測定ヘッド６と円筒状被検物１の位置関係がｙ方向において一定となるように制御し、位相シフト誤差量を低減させることが必要である。
【００２５】
そこで、図２に示すように、モアレ縞撮像領域１３１とそれ以外の部分の背景撮像領域１３２を有する２次元エリアセンサ１３で撮像した同一画像から形状情報と位置情報を得る。この２次元エリアセンサ１３で円筒状被被検物１に投影したモアレ縞を撮像した画像の典型的な例を図７に示す。図７に示す画像２０の外側矩形が２次元エリアセンサ１３の撮像領域を示す。この画像２０の中心領域２１には円筒状被検物１の被測定部の縞状の像があり、それ以外の無地部は被測定部が存在しない背景部分のため反射光がなく一様な画像２２となる。ここで円筒状被検物１の回転に伴い、図７に示すy方向のずれは一様な画像２２の距離ｄｙに相当し、z方向のずれは撮像倍率の変動となるので中心領域２１の距離ｗｙに相当する。このため距離ｄｙと距離ｗｙを求めることにより、２次元エリアセンサ１３で撮像した同一画像２０を画像処理することによりずれ量を求めることができ、同一画像２０からずれ量と表面形状を同時に検出することができる。
【００２６】
ここで位相シフトモアレにより測定する領域が円筒状被検物１の中心軸近辺であることを考慮すると、ｙ方向のずれとしては（ｄｙ＋ｗｙ）／２を利用することもできる。さらに、よりコントラストの大きな画像とするために、円筒状被検物１の下方からの透過光を２次元エリアセンサ１３に入射しても良い。
【００２７】
このようにして検出したずれ量により測定ヘッド６の位置を自動ステージ５で制御することにより、円筒状被検物１に対する測定ヘッド６の位置を一定に保つことができ、位相シフト誤差を低減することができる。また、検出したｙ方向のずれ量に応じて２次元エリアセンサ１３の位相シフトに使用するラインを選択することにより、正確な位相シフトを行うことができる。
【００２８】
また、高精度な測定を行うときは、高倍率でモアレ縞を撮像する必要があり、図７に示すように背景部分を取り込むことは難しい。このため測定ヘッド６に、図８に示すように、レーザポインタ等のスポット光源１４を設け、このスポット光源１４から、図９に示すように、円筒状被検物１の表面にスポット光２３を投射し、２次元エリアセンサ１３はモアレ縞撮像領域１３１でモレア縞を撮像するとともに背景撮像領域１３２でスポット光２３によりスポット像２４を撮像する。この２次元エリアセンサ１３で撮像した画像２０を図１０に示す。この画像２０のスポット像２４の位置ｄｙから三角測量の原理で円筒状被検物１の位置を検出することができる。このようにして円筒状被検物１の外形を利用して距離センサでｙ方向のずれ量を測定することなしにｙ方向のずれ量を検出することができる。
【００２９】
ここで円筒状被検物１に投射するスポット光２３は一点に限らず、複数の点であっても良い。また、スポット光２３の代わりに円や矩形等の形状を画像として投影し、その像を２次元エリアセンサ１３で撮像して、その形状変化や面積変化あるいは重心等を用いることにより円筒状被検物１の傾きや位置等も検出することができる。
【００３０】
また、図１１の模式図に示すように、格子パターン１１の２次元エリアセンサ１３の観測点側の格子端部においては、円筒状被検物１からの反射光が再度通過しない端部パターン部分１１１があり、この端部パターン部分１１１においてはモアレ縞は形成されず、２次元エリアセンサ１３で格子パターン１１がそのまま撮像され、撮像された画像２０には、図１２に示すように、円弧状の格子模様２５が形成される。この円弧状の格子模様２５から円筒状被検物１の中心軸を求めることにより、円弧状被検物１の回転に伴うずれ量を検出することができる。
【００３１】
また、格子パターン１１の端部パターン部分１１１を２次元エリアセンサ１３に直接取り込まないで、モアレ縞のみを撮像するように、２次元エリアセンサ１３の解像度を格子パターン１１の幅に対して充分細かくない条件で画像取り込む場合は、端部パターン部分１１１で生ずる円弧状の格子模様２５は細かすぎて観測できなくなる。このような場合は、図１３（ａ）に示すように、端部パターン部分１１１だけ周期を大きくしたり、（ｂ）に示すように、格子パターン１１を形成しているガラス等の格子パターン基板１１２の端面に光が通過しないようにしたずれ量測定パターン１１３を形成することにより円弧状の格子模様２５を有する画像２０を得ることができる。
【００３２】
また、位相シフトを行うためには、少なくとも同一個所において３枚の画像データを取得する必要がある。そこで通常のモアレ法を用い円筒状被検物１を撮像し、図１４に示すように、位相をシフトした３枚の形状測定用の画像２６ａ，２６ｂ，２６ｃを撮像して円筒状被検物１の凹凸情報を得て、この凹凸情報から画像縦方向である円周方向の列毎に位相シフト処理を行い最も凸な部分を求め、直線近似を行い位相つなぎを行った画像２７ａ〜２７ｃから円筒状被検物１の軸２８を検出しても良い。この場合は位相シフトを行わないため、円筒状被検物１の形状等の精度は劣るが、軸２８を表すラインからy方向の位置変動を検出することができる。この際、モアレ法から求まる凹凸データを円筒状被検物１の円筒形状にフィッティングを行うことによって、より高精度な位置を検出することができる。また、図１４に示すように、位相とびが発生している部分をつないで、円周方向により広い範囲でフィッティングを行うことにより高精度化を図ったり、中心部分の１周期のみを用いてフィッティングを行うことにより、位相つなぎ処理を省き演算時間を短縮することもできる。さらに、モアレ処理を図１５に示すように、限定した領域２９においてのみ行い、直線近似を行うことによって、円筒状被検物１の中心軸位置算出を行うための処理量を減らすことができ、計算コストを低減することができる。
【００３３】
また、図４に示すように、順次移動する円筒状被検物１と同期することによって位相シフトを行うような場合も、形状測定を行う処理は異なる時間で取り込んだデータから位相シフト処理を行うが、円筒状被検物１の軸位置を算出するためのモアレ法において使用する画像データは同一時間の画像データを用いて、時間ごとに求めることができる。さらに、このように順次移動する被被検物表面と同期することによって位相シフトを行うような場合においては、検出した円筒被検物１の軸の位置から、図１６に示すように、位相シフトを行うラインを変更することによって、軸ずれに伴うｙ方向の位置変動の誤差を低減することができる。図１６においては、位相シフトを行うラインとして、軸２８の最も凸なラインから上下にそれぞれ一定幅のラインを示しているが、実際は上下ではなく検出した中心からの相対位置として規定することになるので、求めた軸をそのまま利用するとは限らないし、位相シフトを行うそれぞれのラインの間隔も、円筒状被検物１の径にばらつきがある場合などには適宜変更を行うことにより、より精度を向上することができる。
【００３４】
また、軸の直線近似により求まる２次元エリアセンサ１３となす角度を用い、２次元カメラ・光源・格子パターンからなる光学系と、被被検物の軸方向を一定に制御して位相シフトを行うラインデータを正確に軸方向と平行にすることにより、回転に伴い測定個所ごとに異なってしまう位相シフト量を一定にすることができる。
【００３５】
さらに、図１４に示す１枚の位相シフトを行わないモアレ縞画像において、円周方向、すなわち画像２６の高さ変化を円筒状被検物１の円弧にフィッティングすることによって求めた軸位置情報によって、位相シフトして求めた形状データを補正することができる。なお、位相シフト画像が格子投影条件を変化させるようにして行う従来の方法では、各画像においてπ／２のオフセットが順次生ずるので、これを合わせて補正する必要があるが、図４に示すように、回転に同期して位置で位相シフトを行う方法においては、この補正をしないですむ。
【００３６】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように、２次元エリアセンサによって得られる位相シフトしたモアレ縞データから形状測定中に、位相シフトしたモアレ縞データと同一画像中から被検物の位置変動検出を行うようにしたから、位置変動検出用のセンサを使用せずに、形状測定中の位置変動を検出することができ、位置変動検出用のセンサのキャリブレーション等を不要にすることができ、形状測定の簡易化を図るとともに、測定精度を向上させることができる。
【００３７】
形状測定中に位相シフトしたモアレ縞データと同一画像のモアレ縞の発生していない領域に規則性のあるパターン光を投影し、その位置又はパターン形状から被検物の位置変動を検出することにより、形状測定中の位置変動を容易に検出することができる。
【００３８】
また、位相シフトしたモアレ縞データと同一画像のモアレ縞の発生していない領域に形成されたモアレ縞を形成するための格子パターン端部のモアレを形成しない部分のパターンの変化から被検物の位置変動を検出することにより、より簡単な構成で形状測定中の位置変動を検出することができる。
【００３９】
また、形状測定中に位相シフトしないモアレ縞画像から被検物の位置変動を検出することにより、一度に検出可能な形状の領域を大きくできるとともに被検物の回転振れも検出することができる。
【００４０】
さらに、被検物の位置変動検出データに応じて形状測定に利用する位相シフト算出領域を変更して位相シフト演算を行うことにより、位相シフト誤差を低減させることができる。
【００４１】
また、被検物の位置変動に応じて測定ヘッドと被検物の位置関係が一定になるように制御することにより、回転振れの影響を抑制して位相シフト誤差を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の形状測定装置の構成を示す斜視図である。
【図２】測定ヘッドの構成を示す斜視図である。
【図３】２次元エリアセンサと格子パターンと円筒状被検物の位置関係を示す配置図である。
【図４】２次元エリアセンサのモアレ縞撮像領域の画素列の測定領域を示す配置図である。
【図５】モアレ縞撮像領域の画素列の時刻毎の測定データを示す説明図である。
【図６】モアレ縞撮像領域の画素列の測定データを示す説明図である。
【図７】モアレ縞を撮像した画像を示す図である。
【図８】スポット光源を有する測定ヘッドの構成を示す斜視図である。
【図９】２次元エリアセンサでモアレ縞とスポット像を撮像するときの配置図である。
【図１０】モアレ縞とスポット像の画像を示す図である。
【図１１】格子パターンの円筒状被検物からの反射光が再度通過しない端部パターン部分を示す模式図である。
【図１２】端部パターン部分による円弧状の格子模様を含む画像を示す図である。
【図１３】円弧状の格子模様を含む画像を形成する他の格子パターンの構成図である。
【図１４】通常のモアレ法を用い円筒状被検物を撮像した画像を示す図である。
【図１５】モアレ処理を行う限定した領域を示す模式図である。
【図１６】位相シフトを行うラインを示す模式図である。
【図１７】従来の構成を示す配置図である。
【図１８】他の従来例の構成を示す配置図である。
【図１９】格子投影型のモアレ法の説明図である。
【図２０】実体格子型のモアレ法の説明図である。
【図２１】モアレ法による光源と観測点と格子及び物体の配置図である。
【図２２】実体格子型のモアレ法の光源と観測点と格子及び物体の配置図である。
【図２３】位相変調された縞画像の光強度特性図である。
【符号の説明】
１；円筒状被検物、２；形状測定装置、３；把持冶具、４；回転モータ、
５；自動ステージ、６；測定ヘッド、１０；光源、１１；格子パターン、
１２；レンズ、１３；２次元エリアセンサ、１４；スポット光源。
【図１】
0004087146.tif 000002
【図２】
0004087146.tif 000003
【図３】
0004087146.tif 000004
【図４】
0004087146.tif 000005
【図５】
0004087146.tif 000006
【図６】
0004087146.tif 000007
【図７】
0004087146.tif 000008
【図８】
0004087146.tif 000009
【図９】
0004087146.tif 000010
【図１０】
0004087146.tif 000011
【図１１】
0004087146.tif 000012
【図１２】
0004087146.tif 000013
【図１３】
0004087146.tif 000014
【図１４】
0004087146.tif 000015
【図１５】
0004087146.tif 000016
【図１６】
0004087146.tif 000017
【図１７】
0004087146.tif 000018
【図１８】
0004087146.tif 000019
【図１９】
0004087146.tif 000020
【図２０】
0004087146.tif 000021
【図２１】
0004087146.tif 000022
【図２２】
0004087146.tif 000023
【図２３】
0004087146.tif 000024