(57)【要約】【課題】撮影と略同時に外乱光を測定することにより、外乱光の影響を可及的に排除して被検物の３次元形状を精度良く測定することができる形状測定装置を提供すること。【解決手段】被検物４に測定光（パターン光）を照射し、該被検物で反射した光を受光して該被検物の形状を測定する形状測定装置である。前記照射時に前記反射した光を含む前記被検物からの光を検出し、前記照射をしない非照射時に前記反射した光を含まない前記被検物からの光を検出する光検出部（第１光検出部６、第２光検出部１０）と、前記光検出部が前記照射時に検出した前記反射した光を含む前記被検物からの光検出成分から前記非照射時に検出した前記反射した光を含まない前記被検物からの光検出成分を除去する演算処理部７と、を備える。【選択図】      図１
2009047488.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検物に測定光を照射し、該被検物で反射した光を受光して該被検物の形状を測定する形状測定装置であって、
前記照射時に前記反射した光を含む前記被検物からの光を検出し、前記照射をしない非照射時に前記反射した光を含まない前記被検物からの光を検出する光検出部と、
前記光検出部が前記照射時に検出した前記反射した光を含む前記被検物からの光の検出成分から前記非照射時に検出した前記反射した光を含まない前記被検物からの光の検出成分を除去する演算処理部と、
を具備してなることを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の形状測定装置において、
前記光検出部は、前記照射時に前記反射した光を含む前記被検物からの光を検出する第１光検出部と、前記非照射時に前記反射した光を含まない前記被検物からの光を検出する第２光検出部とを備えてなることを特徴とする形状測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の形状測定装置において、
前記第１光検出部および前記第２光検出部と前記測定光の光源との間の光路に配置され、前記照射時に、前記反射した光を含む前記被検物からの光の前記第１光検出部への入射を許容して前記第２光検出部への入射を遮断し、前記非照射時に、前記反射した光を含まない前記被検物からの光の前記第１光検出部への入射を遮断して前記第２光検出部への入射を許容する、光遮蔽部材を備えたことを特徴とする形状測定装置。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の形状測定装置において、
前記測定光は互いに位相が異なる複数の位相の光からなり、
前記第２光検出部は、前記位相の切り替え時であって前記非照射時に、前記反射した光を含まない前記被検物からの光を検出することを特徴とする形状測定装置。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか一項に記載の形状測定装置において、
前記被検物の前記測定光が照射されない部位からの光を検出する第３光検出部を設け、
前記演算処理部は、前記第３光検出部の出力に基づいて前記非照射時に検出した前記光検出成分を補正して、これを前記照射時に検出した前記光検出成分から除去することを特徴とする形状測定装置。
【請求項６】
被検物に測定光を照射し、該被検物で反射した光を受光して該被検物の形状を測定する形状測定方法であって、
前記照射と、前記被検物への前記測定光の照射をしない非照射とを交互に複数回繰り返す照射・非照射工程と、
前記照射・非照射工程の前記照射時に前記反射した光を含む前記被検物からの光を検出する照射時光検出工程と、
前記照射・非照射工程の前記非照射時に前記反射した光を含まない前記被検物からの光を検出する非照射時光検出工程と、
前記照射時光検出工程で検出した光検出成分から前記非照射時光検出工程で検出した光検出成分を除去する演算処理を実行する工程と、
を備えてなることを特徴とする形状測定方法。
【請求項７】
請求項６に記載の形状測定方法において、
前記測定光は互いに位相が異なる複数の位相の光かりからなり、
前記照射・非照射工程は、前記各位相の光において該光の前記照射と前記非照射とを複数回繰り返すことを特徴とする形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は被検物の３次元形状を測定する形状測定装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
被検物の３次元形状を測定する形状測定装置として、例えば被検物に縞模様の光を投影し、この投影方向と異なる方向（角度）から被検物上の縞模様を撮影し、三角測量の原理に基づき縞模様の位相分布を算出して、被検物の３次元形状を測定する装置が知られている（特許文献１）。
【特許文献１】特開２０００−９４４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記装置では、縞模様の位相を変え、この位相の異なる縞模様を被検物に順次投影し、撮影することによって（縞の位相をずらした複数枚の画像を得ることによって）、縞模様の位相と振幅を画素毎に求めているが、撮影時に縞模様以外の光である環境光（外乱光）の影響を受けることがある。外乱光の影響をなくすためには被検物に縞模様を投影しない非投影時において外乱光を測定し、この外乱光の成分を除去するようにすればよいが、外乱光が急変するような環境では高精度の測定が行えない課題があった。
【０００４】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、撮影と略同時に外乱光を測定することにより、外乱光の影響を可及的に排除して被検物の３次元形状を精度良く測定することができる形状測定装置及び方法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】
【０００５】
上記目的を達成する本発明の請求項１に記載の形状測定装置は、被検物に測定光を照射し、該被検物で反射した光を受光して該被検物の形状を測定する形状測定装置であって、前記照射時に前記反射した光を含む前記被検物からの光を検出し、前記照射をしない非照射時に前記反射した光を含まない前記被検物からの光を検出する光検出部と、前記光検出部が前記照射時に検出した前記反射した光を含む前記被検物からの光の検出成分から前記非照射時に検出した前記反射した光を含まない前記被検物からの光の検出成分を除去（減算）する演算処理部と、を具備してなることを特徴とする。
【０００６】
本発明の請求項２に記載の形状測定装置は、前記光検出部が、前記照射時に前記反射した光を含む前記被検物からの光を検出する第１光検出部と、前記非照射時に前記反射した光を含まない前記被検物からの光を検出する第２光検出部とを備えてなることを特徴とする。
【０００７】
本発明の請求項３に記載の形状測定装置は、前記第１光検出部および第２光検出部と前記測定光の光源との間の光路に配置され、前記照射時に、前記反射した光を含む前記被検物からの光の前記第１光検出部への入射を許容して前記第２光検出部への入射を遮断し、前記非照射時に、前記反射した光を含まない前記被検物からの光の前記第１光検出部への入射を遮断して前記第２光検出部への入射を許容する、光遮蔽部材を備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明の請求項４に記載の形状測定装置は、前記測定光が互いに位相が異なる複数の位相の光からなり、前記第２光検出部が、前記位相の切り替え時であって前記非照射時に、前記反射した光を含まない前記被検物からの光を検出することを特徴とする。
【０００９】
本発明の請求項５に記載の形状測定装置は、前記被検物の前記測定光が照射されない部位からの光を検出する第３光検出部を設け、前記演算処理部が、前記第３光検出部の出力に基づいて前記非照射時に検出した前記光検出成分を補正して、これを前記照射時に検出した前記光検出成分から除去することを特徴とする。
【００１０】
本発明の請求項６に記載に形状測定方法は、被検物に測定光を照射し、該被検物で反射した光を受光して該被検物の形状を測定する形状測定方法であって、前記照射と、前記被検物への前記測定光の照射をしない非照射とを交互に複数回繰り返す照射・非照射工程と、前記照射・非照射工程の前記照射時に前記反射した光を含む前記被検物からの光を検出する照射時光検出工程と、前記照射・非照射工程の前記非照射時に前記反射した光を含まない前記被検物からの光を検出する非照射時光検出工程と、前記照射時光検出工程で検出した光検出成分から前記非照射時光検出工程で検出した光検出成分を除去（減算）する演算処理を実行する工程と、を備えてなることを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項７に記載の形状測定方法は、前記測定光が互いに位相が異なる複数の位相の光かりからなり、前記照射・非照射工程が、前記各位相の光において該光の前記照射と前記非照射とを複数回繰り返すことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、撮影と略同時に外乱光を測定することにより、外乱光の影響を可及的に排除して被検物の３次元形状を精度良く測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下本発明の形状測定装置及び方法の一実施形態について図１乃至図７を参照して説明する。
【００１４】
本発明の形状測定装置は被検物に測定光を照射し、該被検物で反射した光を受光して該被検物の形状を測定する装置であり、図１は本発明の形状測定装置の一実施形態を示す概略図である。
【００１５】
本実施形態の形状測定装置は、測定光としてのパターン光を被検物４に照射する光源１と、該照射時に該被検物４からの光（パターン光の被検物４で反射した反射光成分を含む）を受光して検出する第１光検出部６と、パターン光を被検物４に照射しない非照射時に該被検物４からの光（パターン光の被検物４で反射した反射光成分を含まない）を受光して検出する第２光検出部１０と、パターン光の照射時、非照射時にかかわらず被検物４からの光を常時受光して検出する第３光検出部１３と、これら第１光検出部６、第２光検出部１０、第３光検出部１３からの出力を入力し、パターン光以外の外乱光成分を除去（減算）して被検物４で反射したパターン光の反射光成分を抽出する演算処理部７と、を備える。
【００１６】
第１光検出部６と第２光検出部１０はそれぞれＣＣＤなどの光電変換素子によって構成され、また第３光検出部１３は、フォトダイオードなどの連続出力型の光電変換素子によって構成される。
【００１７】
光源１からの光は、投影パターンマスク２を通って被検物４に照射されるパターン光となる。本実施形態では、パターン光は図４に示す縦縞（投影模様）を有する光である。投影パターンマスク２は、投影パターン発生器８によって位相がシフトされる。本実施形態では、投影パターンマスク２は投影パターン発生器８によって位相を９０°ずつシフトさせている。図６は投影パターンマスク２によって位相を変えた４つのパターン光を示している。同図中、実線は第一相のパターン光を示し、短いかい線分からなる点線は第二相のパターン光を示し、長い線分からなる点線は第三相のパターン光、二点鎖線は第四相のパターン光を示している。
【００１８】
投影パターンマスク２と被検物４との間のパターン光の光路には不図示の駆動機構によって回転する第１の光遮蔽円盤１１が配置されている。この遮蔽円盤１１は、例えば図２に示すように、周方向に沿って４５°間隔で開口部１１ａが８個形成されており、回転に伴って何れかの開口部１１ａがパターン光の光路上に位置したときに該開口部１１ａでパターン光を通し、開口部１１ａがパターン光の光路から外れたときにパターン光を遮断する。光遮蔽円盤１１は、投影パターンマスク２と被検物４との間のパターン光の光路以外に、被検物４と第１の光検出部６との間の被検物４からの光の光路上にも位置するものである。
【００１９】
開口部１１ａを通過したパターン光は、投影レンズ３を介して被検物４に照射される。被検物４に照射されたパターン光は、入射方向とは異なる方向から見ると図４に示す縦縞から例えば図５に示すように被検物４の表面形状にならって縦縞が変形する。被検物４で反射し該被検物４の表面形状に倣って変形した縦縞を有するパターン光は第１の光検出部６に入射する。
【００２０】
被検物４にはパターン光以外の、被検物４が置かれた周囲の光（形状測定装置のそばに設置された機器、例えば溶接機からの光）が照射されることがあり、被検物４からの光には被検物４を反射したパターン光の反射光成分以外の光（外乱光）も含まれる。
【００２１】
被検物４からの光は、対物レンズ５を介して第１のビームスプリッタ９に入射する。このビームスプリッタ９は、ハーフミラー等により構成され、入射した光のうち、一部を透過させ、他を反射させる。
【００２２】
ビームスプリッタ９を透過した光は、上述した投影パターンマスク２と被検物４との間のパターン光の光路以外に、被検物４と第１光検出部６との間の光路に位置する第１の光遮蔽円盤１１の開口部１１ａを通って第１光検出部６に入射する。被検物４からの光が開口部１１ａを通るタイミングは被検物４を照射するパターン光が開口部１１ａを通るタイミングと同じである。すなわち、パターン光が被検物４に照射されたとき（照射時）に被検物４からの光が第１光検出部６に入射する。
【００２３】
第１の光遮蔽円盤１１は不図示の駆動装置によって所定の回転速度で回転し、パターン光は被検物４を間欠的に照射する。例えば、図７に示すように、各位相のパターン光は被検物４を間欠的に複数回照射する。第１光検出部６はパターン光の被検物４への照射のタイミングに合わせて被検物４からの光を受光する。
【００２４】
第１のビームスプリッタ９を反射した光は、第２のビームスプリッタ１２に入射する。この第２のビームスプリッタ１２も第１のビームスプリッタ９と同様にハーフミラー等により構成され、入射した光のうち、一部を透過させ、他を反射させる。
【００２５】
第２のビームスプリッタ１２を透過した光は、該第２のビームスプリッタ１２と第２の光検出部１０との間の光路に配置された第２の光遮蔽円盤１５に至る。この第２の光遮蔽円盤１５は、上述した第１の光遮蔽円盤１１と同様に、その周方向に沿って４５°間隔で開口部１５ａが８個形成され（図２参照）、不図示の駆動機構によって回転するように構成されている。第２の光遮蔽円盤１５の回転にともなって開口部１５ａの何れかが被検物４からの光の光路上に位置したときに被検物４からの光は該開口部１５ａを通って第２光検出部１０に入射する。
【００２６】
第２の光遮蔽円盤１５は、第１の光遮蔽円盤１１が被検物４からの光を通すときに該光を遮断し、第１の光遮蔽円盤１１が被検物４からの光を遮断するときに該光を通すように第１の光遮蔽円盤１１と同期して回転するものである。
【００２７】
図３は第１の光遮蔽円盤１１と第２の光遮蔽円盤１５がそれぞれ光を通すタイミングと第１光検出部６と第２光検出部１０にそれぞれ光が入射するタイミングをそれぞれ示している。
【００２８】
図３（ａ）は第１の光遮蔽円盤１１が光を通すタイミングを示し、同図（ｂ）は第１光検出部６に光が入射する（第１光検出部６が光を検出する）タイミングを示し、同図（ｃ）は第２の光遮蔽円盤１５が光を通すタイミングを示し、同図（ｄ）は第２光検出部１０が光を検出するタイミングを示している。なお、第２の光遮蔽円盤１５が光を通すタイミングは、例えば図６で第１相の光強度が低下し第２相の光強度よりも弱くなる時（位相の切り替わる時）と一致している。
【００２９】
第１の光遮蔽円盤１１の開口部１１ａが光路上に位置するとき第２の光遮蔽円盤１５の開口部１５ａが光路上に位置しないように、第１の光遮蔽円盤１１と第２の光遮蔽円盤１５とを回転駆動することによって、図３（ａ）乃至（ｄ）に示すように、被検物４にパターン光を照射する照射時には第１光検出部６は被検物４からの光を受光して検出するが、第２光検出部１０は被検物４からの光を受光せず、また被検物４にパターン光が照射されない非照射時には第１光検出部６は被検物４からの光を受光せず、第２光検出部１０は被検物４からの光を受光して検出するようにしてある。すなわち、第２光検出部１０は位相の切り替え時であって非照射時に被検物４からの光を検出するようにしてある（図３（ｄ）参照）。
【００３０】
第１光検出部６と第２光検出部１０にそれぞれ入射する光について、点（ｘ、ｙ）（図５の中央パターンの中心点）に着目すると図７に示すようになる。図７は図６の横軸２７０°の位置における各位相のパターン光の光強度を示している。横軸２７０°の位置では、第一相のパターン光は最も光強度が小さく、第三相のパターン光は最も光強度が大きく、第二相と第四相のパターン光は互いに同じ光強度で、第一相のパターン光と第三相のパターン光の光強度の中間の光強度である。
【００３１】
図７の第一相、第二相、第三相、第四相の各位相のパターン光の区間では第１の光遮蔽円盤１１の開口部１１ａが光路上に位置したときにのみパターン光が照射される。区間全体の１／２の時間照射され、残りの１／２の時間は照射されない。第１光検出部６はパターン光の照射時にのみ被検物４からの光を受光するが、この期間の外乱光（ノイズ成分）も同時に受光することになる。図７の縦軸は受光光量を表しており、第１光検出部６は同図の各位相のパターン光の区間で、その縦軸に示す光量を受光する。第一相のパターン光の区間での第１光検出部６の受光量をI11(x,y)とする。第２光検出部１０はパターン光の非照射時に被検物４からの光（ノイズ成分）を受光するもので、第一相のパターン光の区間での第２の光検出部１０の受光量をI12(x,y)とする。
【００３２】
点（ｘ、ｙ）での第一相のパターン光の受光量I1(x,y)をI1(x,y)＝I11(x,y)−I12(x,y)として演算処理部７で演算することによって、略同じタイミングで検出された外乱光（ノイズ成分）で第１の光検出部６の受光量を補正することができるため高精度の測定が可能となる。
【００３３】
第２のビームスプリッタ１２で反射した光は、リレーレンズ１４、視野絞り１７、集光レンズ１６を介して第３光検出部１３に入射する。視野絞り１７はリレーレンズ１４によって作られた像面共役位置に配置されており、パターン光が当たらない被検物４の部分からの光のみを通す。第３光検出部１３はこのパターン光が当たらない被検物４の部分からの光を受光して検出することになる。第３光検出部１３は、パターン光の照射時、非照射時にかかわらず常時被検物４からの光を受光しており、外乱光の強度変化を検出することが出来る。例えば、図７の第一相のパターン光の区間中、照射時における第３の光検出部１３の出力をI31aとする。また、第一相のパターン光の区間中、非照射時における第３の光検出部１３の出力をI31bとすると、上述した点（ｘ、ｙ）での第一相のパターン光の受光量I1(x,y)は、I1(x,y)＝I11(x,y)−I12(x,y)×(I31a／I31b)と表すことができ、これを演算処理部７によって演算することによってより高精度の測定が行える。
【００３４】
本実施形態では、光遮蔽円盤１１によって被検物４へのパターン光の照射と、非照射及び第１の光検出部６における被検物４からの光の受光を行い、また光遮蔽円盤１５によってパターン光の非照射時での被検物４からの光の受光を行っているが、光遮蔽円盤１１，１５を液晶プロジェクタに置き換えることが可能である。
【００３５】
本実施形態のように光遮蔽円盤１１，１５を使用する場合、パターン光の変調（被検物４への照射と非照射）と撮像系（第１光検出部６、第２光検出部１０）への光路の切り替えが極めて簡単な構造によって実現できるメリットがある。
【００３６】
また、パターン光の位相の切り替え時であってパターン光を被検物に照射しない非照射時に、第２光検出部１０で被検物４からの光を受光して検出するようにしてもよい。
【００３７】
本発明の形状測定は位相シフト法と光切断法の双方に適用できることは勿論である。
【００３８】
なお、本実施形態では第１光検出部６及び第２光検出部１０としてＣＣＤを用いたがＣＭＯＳ等の増幅型固体撮像素子を用いることができる。また、第１ビームスプリッタ９としてハーフプリズムを用いたが、マイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）等を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の形状測定装置の一実施形態を示す概略図である。
【図２】図１の形状測定装置に装備される光遮蔽円盤１１，１５の正面図である。
【図３】図１の形状測定装置に装備される第１の光遮蔽円盤１１と第２の光遮蔽円盤１５がそれぞれ光を通すタイミングと第１光検出部６と第２光検出部１０にそれぞれ光が入射するタイミングをそれぞれ示す図である。
【図４】図１の形状測定装置のパターン光を示す図である。
【図５】図４のパターン光が被検物に照射されたときの状態の図である。
【図６】４つの位相のパターン光を示す図である。
【図７】図６の２７０°の位置における各位相のパターン光の光強度を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１              光源
２              投影パターンマスク
３              撮影レンズ
４              被検物
５              対物レンズ
６              第１光検出部
７              演算処理部
８              投影パターン発生部
９              第１のビームスプリッタ
１０            第２光検出部
１１            第１の光遮蔽円盤
１２            第２のビームスプリッタ
１３            第３の光検出部
１４            リレーレンズ
１５            第２の光遮蔽円盤
１６            集光レンズ
１７            視野絞り
【図１】
2009047488.tif 000003
【図２】
2009047488.tif 000004
【図３】
2009047488.tif 000005
【図４】
2009047488.tif 000006
【図５】
2009047488.tif 000007
【図６】
2009047488.tif 000008
【図７】
2009047488.tif 000009