(57)【要約】【課題】簡単な構成により、被検物体の表面に光学的に異質な部分があっても、正確に被検物体の形状測定ができる形状測定装置を提供する。【解決手段】被検物１０に所定の照射パターンを有する照明光を照射するスリット投影光学系２と、スリット投影光学系２と異なる光軸を有し、被検物１０からの光を撮像素子７の撮像面に結像させる少なくとも物体側テレセントリックな撮像光学系４〜７と、撮像素子７からの信号を用いて被検物１０の形状を算出する演算部とを備えた形状測定装置であって、スリット投影光学系２と撮像光学系４〜７とは、相対的位置関係を同一に保ったまま、撮像光学系４〜７の光軸方向に移動可能とされていることを特徴とする形状測定装置。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検物に所定の照射パターンを有する照明光を照射する照明光学系と、前記照明光学系と異なる光軸を有し、前記被検物からの光を撮像素子の撮像面に結像させる少なくとも物体側テレセントリックな撮像光学系と、前記撮像素子からの信号を用いて前記被検物の形状を算出する演算部とを備えた形状測定装置であって、前記照明光学系と前記撮像光学系とは、相対的位置関係を同一に保ったまま、前記撮像光学系の光軸方向に移動可能とされてい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であって、前記形状計算装置は、前記照明光学系と前記撮像光学系が移動する際に、前記撮像素子の各画素の出力の強さを検出し、各画素について、各々、その出力が最大となったときの、前記照明光学系と前記撮像光学系の位置を基に、光軸方向の高さ（位置）情報を算出し、前記被測定物体の形状を算出するものであることを特徴とする形状測定装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の形状測定装置であって、照射される前記照射パターンと前記撮像光学系の撮像面が、撮像光学系を介してシャインプルーフの条件を満たしていることを特徴とする形状測定装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の形状測定装置であって、前記照射される照射パターンを形成する光束は、前記照明光学系の光軸と前記撮像光学系の光軸とを含む平面に垂直な方向に断面の長さ方向を有するスリット状の光束、又は、前記照明光学系の光軸と前記撮像光学系の光軸とを含む平面に垂直な方向に断面の長さ方向を有し、且つ、前記照明光学系の光軸に垂直な方向に間隔を開けて並んだ、複数のスリット状の光束であることを特徴とする形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、形状測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、非接触三次元形状測定においては、特開平７−２６０４４４号公報（特許文献１）に記載されているようなスリット光投影方式の光切断方式による方法が一般的に行われている。この方法においては、スリット光の投光器とカメラが一体になっており、スリット光の照射面（測定の基準となる仮想された平面で切断面と呼ばれることがある）に対し垂直な面内でカメラの光軸がスリット光の照射方向と所定の角度をなすように配置されている。
【０００３】
スリット光は被検物体の表面で反射及び／又は散乱され、被検物体表面のスリット光の像が前記カメラで撮像される。このときカメラの光軸がスリット光の照射方向と角度をなしているために、被検物体のスリット光源からの距離に応じて、スリット光が被検物体と交差する点が異なって観測され、従って撮像される位置が異なる。このスリット像の位置のずれから被検物体上の点の高さ情報を計算することができる。スリット光源とカメラの位置を、一体として、被検物体に対し相対的に動かして被検物体全体の三次元的な形状を得ることができるようになっている。
【０００４】
一般には、スリット光はある幅を有し、それによって、撮像されるスリット光の像が撮像素子の複数の画素にまたがることになり、どの画素が、真にスリット光が被検物体と交差する点を示しているのか分からない。これに対処するために、スリット光の長手方向に垂直な方向にスリット光投影器とカメラを一体にして移動させて、カメラの画素が受光する光量が最大となる位置が被検物体の表面の位置（スリット光と被検物体の交点）を示すものとして、被検物体の形状を算出するようにしている。
【特許文献１】特開平７−２６０４４４号公報
【特許文献２】特許３２８２３３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、上述のようにスリット光投影器とカメラを一体にして被検物体を走査していくと、カメラの画素は被検物体上の点を次々にずらして見ていくことになる。このため、被検物体に反射率やテクスチャなど表面の状態の異なる部分があると光量の変化が発生してしまう。また、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子では各画素間の感度は厳密に一定とは限らずばらつきがある。
【０００６】
このため、上記のようにスリット光の長手方向に垂直な方向にスリット光投影器とカメラを一体にして移動させ、カメラの画素が受光する光量が最大となる位置が被検物体の表面の位置であるとする方法では、被検物体の表面に光学的状態の異なる部分があると光量が最大となる位置が誤って検出されてしまい、検出誤差となるという問題がある。
【０００７】
そこで、特許３２８２３３１号公報（特許文献２）で開示されているように、被検物体と撮像カメラの位置を固定にしてスリット光の投光角度を変化させて被検物体からの散乱光の最大値を求めるようにする方法がある。ところが、スリット光の投光角度の設定誤差があると、被検物体までの距離に応じて検出感度が異なってしまうという問題がある。又、撮像カメラに深い焦点深度が要求されるが、焦点深度を深くすると高い解像力の撮像光学系を用いることができないため、高精度化するのに障害となってしまうという問題点がある。
【０００８】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、簡単な構成により、被検物体の表面に光学的に異質な部分があっても、正確に被検物体の形状測定ができる形状測定装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するための第１の手段は、被検物に所定の照射パターンを有する照明光を照射する照明光学系と、前記照明光学系と異なる光軸を有し、前記被検物からの光を撮像素子の撮像面に結像させる少なくとも物体側テレセントリックな撮像光学系と、前記撮像素子からの信号を用いて前記被検物の形状を算出する演算部とを備えた形状測定装置であって、前記照明光学系と前記撮像光学系とは、相対的位置関係を同一に保ったまま、前記撮像光学系の光軸方向に移動可能とされていることを特徴とする形状測定装置である。
【００１０】
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、前記形状計算装置は、前記照明光学系と前記撮像光学系が移動する際に、前記撮像素子の各画素の出力の強さを検出し、各画素について、各々、その出力が最大となったときの、前記照明光学系と前記撮像光学系の位置を基に、光軸方向の高さ（位置）情報を算出し、前記被測定物体の形状を算出するものであることを特徴とするものである。
【００１１】
前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段又は第２の手段であって、照射される前記照射パターンと前記撮像光学系の撮像面が、撮像光学系を介してシャインプルーフの条件を満たしていることを特徴とするである。
【００１２】
前記課題を解決するための第４の手段は、前記第１の手段から第３の手段のいずれかであって、前記照射される照射パターンを形成する光束は、前記照明光学系の光軸と前記撮像光学系の光軸とを含む平面に垂直な方向に断面の長さ方向を有するスリット状の光束、又は、前記照明光学系の光軸と前記撮像光学系の光軸とを含む平面に垂直な方向に断面の長さ方向を有し、且つ、前記照明光学系の光軸に垂直な方向に間隔を開けて並んだ、複数のスリット状の光束であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、簡単な構成により、被検物体の表面に光学的に異質な部分があっても、正確に被検物体の形状測定ができる形状測定装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態の例を図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の第１の例である形状測定装置の光学系の概要を示す図である。測定ヘッド１には、スリット光投影光学系２が配置され、図１の紙面に垂直な方向に光束の長手方向が向くように取り付けられている。そのため図１では照明光は短手方向のみ表現されているので、３で示される直線で表現される。
【００１５】
スリット投影光学系２は、照明光３は、撮像光学系４〜７の光軸と照明光の光軸を含む平面（図１の紙面）において、撮像光学系４〜７の光軸に対して所定の角度θをなすように測定ヘッド１に取り付けられている。
【００１６】
撮像光学系は第１レンズ群４と撮像光学系開口絞り５と第２レンズ群６とから構成され、第１レンズ群４の前側焦点位置近傍で、スリット投影光学系２の光軸３と撮像光学系４〜７の光軸とが交差する（スリット投影光学系２の光軸と撮像光学系４〜７の光軸とを含む平面（図１の紙面）に垂直な平面であって、スリット投影光学系２の光軸を含む平面が測定の基準となる平面であり「切断面」と呼ばれることがある）。第１レンズ群４の後側焦点位置に撮像光学系開口絞り５が配置され、物体側テレセントリックになっている。従って、撮像素子７の所定の画素が撮像する点は、第１レンズ群４より被検物体側では、光軸に平行な線上の点となる。すなわち、ｘ−ｙ−ｚ直交座標系をとり、ｚ軸方向を光軸とすると、所定の画素で撮像される被検物体状の点のｘ座標とｙ座標は一定となる。
【００１７】
さらに、前述の撮像光学系開口絞り５が前側焦点位置に一致するように第２レンズ群６が配置されて、像側テレセントリックに結像するようになっている。像側テレセントリックにすると、形状の計算が簡単になるが、像側テレセントリックであることは、必ずしも本発明にとって必須の条件ではない。
【００１８】
撮像素子７は照明光束３の照射面にシャインプルーフの条件を満たすように撮像光学系４〜７の光軸に対し傾斜させて配置されている。つまり、図１のように、撮像光学系４〜７の光軸に対し、物体面ａ（図１では紙面に垂直なので線で示されている。）がθだけ傾いているとき、像面をθ’（θ’は、撮像光学系の投影倍率をβとしたときに、tanθ＝βtanθ’を満たす角）だけ傾けると、物体面上の点が焦点（ピント）の合っている状態で観察できる。さらに、本実施の形態では両側テレセントリック光学系なので、撮像光学系の投影倍率βは、第１レンズ群４の焦点距離に対する第２レンズ群の焦点距離の比で示される。
【００１９】
このようにすると、シャインプルーフの条件が満たされ、被検物体の上にある点と照明光が交わる点は撮像素子面７上で結像することになる。このため、スリット光投影光学系２と撮像光学系４〜７の相対位置を変えなければ撮像光学系の開口絞りの径を大きくとった高解像力の光学系を用いることができ、焦点深度を浅くすることができるので、より高い精度で方向の位置検出ができる。
【００２０】
本実施の形態においては、上記のスリット投影光学系２および撮像光学系４〜７を測定ヘッド１上に固定配置して、測定ヘッド駆動機構８により撮像光学系の光軸方向に移動させるようにしている。
【００２１】
図２に、このようにして被検物体までの距離を測定する原理を示す。測定ヘッド駆動機構８の移動によりスリット光投影光学系２が２ａ，２ｂ，２ｃ…と移動した位置から、被検物体１０を照明するので、被検物体１０の表面においては、３ａ，３ｂ，３ｃ…のように照明光により照射される位置が移動していく。この様子を撮像光学系４〜７で観察すると、前述のように、撮像光学系が前側テレセントリックとなっているので、撮像面７のある画素で撮像される点は、Ａに示すように撮像光学系の光軸に平行な線上にある点となる。
【００２２】
図２においては、スリット光投影光学系２が２ｂの位置にあるときにちょうど合焦した位置Ｂで観察されるとする。スリット光投影光学系２が２ａ、２ｃの位置にあるときは、ピントのぼけた状態で観測される。
【００２３】
図３に、撮像素子７上の対応画素が受ける受光光量と、スリット光投影光学系の位置の関係を示す。合焦している、スリット光投影光学系が位置２ｂのときの状態のときに受光光量が最大となる。よって、この状態のときの被検物体までの距離を計算すれば、被検物体までの距離を正確に知ることができる。このようにして、撮像素子７上のすべての画素において受光光量が最大になる位置を検出して、そのときの、スリット光投影光学系の位置より、被検物体１０を観察している画素に相当する点の光軸方向の距離を求めることができる。
【００２４】
本発明の実施の形態の変形例として、スリット光の代わりにパターンを投影してもよい（特許請求の範囲及び課題を解決するための手段では、スリット光も、所定の照射パターンを有する照明光として扱っている）。パターンの例としては、スリット投影光学系２の光軸と撮像光学系の光軸とを含む平面（図１の紙面のような平面）に垂直な方向に長さ方向を有し、且つ、スリット投影光学系２の光軸に垂直な方向に間隔を開けて並んだ、複数のスリット状の光束（縞パターン）を使用することができる。このように複数の縞パターンを使用することにより、一度に複数のスリット光を使用して計測することができ、測定時間を短縮することができる。
【００２５】
縞パターンの代わりに、空間コードを示すような空間コードパターンを使用してもよい。空間コードパターンとは、例えばスリットの幅が異なったり、１つのスリットとみなせるものが複数の小スリットからなり、小スリットの本数が異なっていたりするものである。このような空間コードパターンを使用すると、撮像素子で撮像されたパターンがどの空間コードパターンに対応するかが分かり、計算処理が容易になる。
【００２６】
このような複数のパターンを投影する場合には、パターン投影光学系はテレセントリックであることが望ましい。テレセントリックであれば、被検物体に照射される位置によって、パターンの形状が変化しないからである。
【００２７】
その一例である本発明の第２の実施の形態である形状測定装置の光学系の概要を図４に示す。撮像系は図１と同じなので、同じ構成要素には同じ符号を付してその説明を省略する。光源２１から発した光はコレクタレンズ２２で集光され、投影パターンの書かれたマスク２３を介して、照明開口絞り２４上で像を結ぶように配置されている。照明光絞り２４は照明コンデンサレンズ２５の前側焦点位置に配置され、投影パターンがテレセントリックに投影される。このため、撮像素子７上の各点で観察されるスリットパターンの間隔は一定になるので、縞パターンの投影でもすべての面で一様な周期で縞が観察され、測定精度が一様になるようにできる。
【００２８】
このように、本発明の実施の形態によれば、撮像光学系の各画素に対し被検物体の観察している位置が変化しないので、被検物体の表面のテクスチャの影響に関係なく表面の位置検出を行うことができる。また、スリット投影光学系２と撮像光学系を固定した状態で撮像光学系の光軸方向に移動させるだけなので、高精度に測定を行うことができる。
【００２９】
なお、本実施の形態においては、スリット投影光学系２と撮像光学系は、機械的に測定ヘッドに固定されて一体化されているが、必ずしも機械的に一体化する必要はなく、相対的な位置関係が変わらないような動きが可能とされていればよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施の形態の第１の例である形状測定装置の光学系の概要を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態による計測方法の詳細を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態による計測で一つの画素が受光する光量の変化を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態である形状測定装置の光学系の概要を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１：測定ヘッド、２：スリット投影光学系、３：スリット光、４：第１撮像レンズ群、５：撮像光学系開口絞り、６：第２撮像レンズ群、７：撮像素子、８：測定ヘッド駆動機構、１０：被検物体、２１：光源、２２：コレクタレンズ、２３：投影パターンマスク、２４：照明系開口絞り、２５：コンデンサレンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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