(57)【要約】 【課題】  測定精度の向上を可能とする三次元測定装置を提供する。【解決手段】  三次元形状測定装置（１００）は、所定のパターン光を被検査物に投影する投影光学部（２０）と、被検査物上への所定のパターン光の投影により生じるパターン像を撮像し、さらに被検査物上への均一照明光の投影により生じる均一像を撮像する撮像部（３０）と、撮像部からのパターン像の画像データを記憶する記憶部（４３）と、撮像部からの均一像に基づいて記憶部に記憶された画像データのうち信頼性の低い画像データを除去する信号除去部（４４）と、信号除去部で除去されなかった画像データに基づいて被検査物の形状の情報を求める演算処理部（４２）と、を備える。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定のパターン光を被検査物に投影する投影光学部と、
前記被検査物上への前記所定のパターン光の投影により生じるパターン像を撮像し、さらに前記被検査物上への均一照明光の投影により生じる均一像を撮像する撮像部と、
前記撮像部からの前記パターン像の画像データを記憶する記憶部と、
前記撮像部からの前記均一像に基づいて、前記記憶部に記憶された画像データのうち信頼性の低い画像データを除去する信号除去部と、
前記信号除去部で除去されなかった前記画像データに基づいて前記被検査物の形状の情報を求める演算処理部と、
を備えることを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項２】
前記被検査物上に投影される前記所定のパターン光を位相シフトさせる走査部を備え、
前記撮像部は位相シフトごとに前記パターン像を撮影し、
前記記憶部は前記撮像部からの前記パターン像の画像データを記憶することを特徴とする請求項１に記載の三次元形状測定装置。
【請求項３】
前記信号除去部は、前記均一像の輝度情報及びその所定の輝度範囲から穴領域を特定し、その穴領域の座標に基づいて、前記記憶部に記憶された画像データのうちから前記穴領域の座標に相当する画像データを除去することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の三次元形状測定装置。
【請求項４】
前記信号除去部は、前記均一像の輝度情報から前記被検査物とその被検査物の背景領域とを区別し、その背景領域の座標に基づいて前記記憶部に記憶された画像データのうち前記背景領域の座標に相当する画像データを除去することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の三次元形状測定装置。
【請求項５】
前記信号除去部は、前記均一像の輝度情報に基づいて位相シフトした際の予想輝度値を求め、その予想輝度値の許容範囲を超えた座標に基づいて、前記記憶部に記憶された画像データのうち前記予想輝度値の許容範囲を超えた座標に相当する画像データを除去することを特徴とする請求項２に記載の三次元形状測定装置。
【請求項６】
前記信号除去部は、前記均一像の輝度情報に基づいて位相シフトした際の予想コントラストを求め、その予想コントラストの範囲を超えた座標に基づいて、前記記憶部に記憶された画像データのうち前記予想コントラストの範囲を超えた座標に相当する画像データを除去することを特徴とする請求項２に記載の三次元形状測定装置。
【請求項７】
前記撮像部の周りに均一照明光を照射する光源を有することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の三次元形状測定装置。
【請求項８】
前記投影光学部は、前記パターン光に加え均一照明光を照射することができることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の三次元形状測定装置。
【請求項９】
所定のパターン光を被検査物に投影する投影光学部と、
前記被検査物上に投影される前記所定のパターン光を位相シフトさせる走査部と、
前記被検査物上への前記所定のパターン光の走査投影により生じるパターン像を撮像する撮像部と、
前記走査部による位相シフトごとに前記撮像部からの前記パターン像の画像データを記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶された画像データのうち、前記パターン光のコントラストが所定値以下の画像データを除去する信号除去部と、
前記信号除去部で除去されなかった前記画像データに基づいて前記被検査物の高さ情報を求める演算処理部と、
を備えることを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項１０】
所定のパターン光を被検査物に投影する投影光学部と、
前記被検査物上に投影される前記所定のパターン光を位相シフトさせる走査部と、
前記被検査物上への前記所定のパターン光の走査投影により生じるパターン像を撮像する撮像部と、
前記走査部による位相シフトごとに前記撮像部からの前記パターン像の画像データを記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶された画像データのうち、所定輝度値以下の画像データを除去する信号除去部と、
前記信号除去部で除去されなかった前記画像データに基づいて前記被検査物の高さ情報を求める演算処理部と、
を備えることを特徴とする三次元形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検査物の三次元形状を測定するための位相シフト法又はフーリエ変換法等を利用したパターン投影型の三次元形状測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、被検査物の三次元形状を非接触で測定する手法として、位相シフトを用いた格子パターン投影法がよく知られている。具体的には、格子パターン投影法は照度分布が一方向に白黒と並んだ格子パターンを被検査物に投影しパターン画像を得て、引き続き、格子パターンを横方向に例えばπ／２ずつ順次移動させて、位相が異なる４枚の画像を得ている。そして格子パターン投影法は、得られた４枚のパターン画像より画素毎にその点における格子の位相を求め、その位相情報から被検査物の形状を演算し、被検査物の高さを求めている。
【０００３】
特許文献１に開示された格子パターン投影法は、輝度飽和が生じる際に三次元形状の測定ができなくなるため、格子パターンの投影を大きな光量と小さな光量とで投影して適正な光量を投影している。また、輝度飽和した画素以外からの三次元形状の測定をしている。
【０００４】
さらに、被検査物の三次元形状を非接触で測定する手法として、位相シフトを行わず、格子パターンをフーリエ変換して三次元形状を測定するフーリエ変換法も提案されている。非特許文献１は、フーリエ変換法を示すのみで、輝度飽和など撮像した画像の輝度については何ら言及していない。
【特許文献１】特開平２００５−２１４６５３号公報
【非特許文献１】応用物理第６２巻第６号（１９９３）５７９ページから５８３ページ  「フーリエ変換法によるしま画像解析とその応用」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、位相シフト法又はフーリエ変換法による三次元測定に際しては、格子パターンの光がまったく投影されない深い穴が開いた被検査物があったり、格子パターンの光が暗くなってしまう急な段差があったりすると正確な三次元形状を測定することができない。また、格子パターンの光量が多少あったとしてもその画像の画素から無理やり被検査物の形状を演算し計算してしまうと、本来なら正確に測定できる箇所も影響を受けて精度が悪くなってしまうことがある。位置飛びという現象はこれに起因する。このように、格子パターン投影法では被検査物の三次元形状の測定に不向きな箇所を無理やり演算すると、被検査物の高さ精度に影響する問題があった。
【０００６】
そこで本発明は、正確な位相計算により測定精度の向上を可能とする三次元形状測定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】
第１の観点の三次元形状測定装置は、所定のパターン光を被検査物に投影する投影光学部と、被検査物上への所定のパターン光の投影により生じるパターン像を撮像し、さらに被検査物上への均一照明光の投影により生じる均一像を撮像する撮像部と、撮像部からのパターン像の画像データを記憶する記憶部と、撮像部からの均一像に基づいて記憶部に記憶された画像データのうち信頼性の低い画像データを除去する信号除去部と、信号除去部で除去されなかった画像データに基づいて被検査物の形状の情報を求める演算処理部と、を備える。
この構成により、信頼性の低い画像データを除去してから被検査物の形状の情報を求めるため、そもそも形状測定できない箇所を周囲のデータを利用して算出してしまうことがなく信頼性を向上することができる。また本来なら正確に形状を測定できる箇所に悪影響を与えることもない。これにより、被検査物の形状の測定精度が向上する。
【０００８】
第２の観点の三次元形状測定装置は、所定のパターン光を被検査物に投影する投影光学部と、被検査物上に投影される所定のパターン光を位相シフトさせる走査部と、被検査物上への所定のパターン光の走査投影により生じるパターン像を撮像する撮像部と、走査部による位相シフトごとに撮像部からのパターン像の画像データを記憶する記憶部と、記憶部に記憶された画像データのうちパターン光のコントラストが所定値以下の画像データを除去する信号除去部と、信号除去部で除去されなかった、画像データに基づいて被検査物の高さ情報を求める演算処理部と、を備える。
この構成により低コントラストの画像データを除去してから形状の算出ができるため、被検査物の形状の測定精度が向上する。
【０００９】
第３の観点の三次元形状測定装置は、所定のパターン光を被検査物に投影する投影光学部と、被検査物上に投影される所定のパターン光を位相シフトさせる走査部と、被検査物上への所定のパターン光の走査投影により生じるパターン像を撮像する撮像部と、走査部による位相シフトごとに撮像部からのパターン像の画像データを記憶する記憶部と、記憶部に記憶された画像データのうち所定輝度値以下の画像データを除去する信号除去部と、信号除去部で除去されなかった画像データに基づいて、被検査物の高さ情報を求める演算処理部と、を備える。
この構成により所定輝度値以下の画像データを除去してから形状の算出ができるため、被検査物の形状の測定精度が向上する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、位相シフト法又はフーリエ変換法に基づくパターン投影型の三次元形状測定を行うときに、信頼性の低い画像データを除去することで、測定精度の向上が可能となる三次元外形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】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。 
＜三次元形状測定装置１００の構成＞
【００１２】
図１は、本実施形態に係る三次元形状測定装置１００の構成を示す説明図である。
この三次元形状測定装置１００は大別して、被検査物ＳＡを載置するステージ１１と、ステージ１１に向けて一方向に白黒と並んだ格子パターンを投影する格子パターン投影機構２０と、撮像機構３０と、位相の計算や画像データなどを保存するため、例えばパーソナルコンピュータからなる制御部４０とで構成される。
【００１３】
格子パターン投影機構２０は、照明光を照射する光源２１と、光軸方向と平行になった照明光に所定の格子パターンを付与し、その格子パターンを走査させるパターン形成走査部２２と、格子パターン光を投影する投影光学系２３とで構成される。投影光学系２３は複数のレンズの組み合わせにより構成される。パターン形成走査部２２は例えば液晶板で構成され、π／２ごとに格子パターンを走査する。光源２１から出射された照明光は、パターン形成走査部２２で形成された格子パターンを照射する。パターン形成走査部２２は液晶板を全透過状態にし、光源２１に光量をそのまま被検査物ＳＡに投影することもできる。この場合には、光源２１からの均一照明光が斜め方向から被検査物ＳＡに照射される。
【００１４】
撮像機構３０は、被検査物ＳＡから反射された格子パターン光を結像する結像光学系３１と、格子パターン光を撮像し画像データを出力するＣＣＤ又はＣＭＯＳ等の撮像装置３３とにより構成される。また、結像光学系３１の周囲に補助照明光源３９が配置される。このため補助照明光源３９は、均一照明光をほぼ真上から被検査物ＳＡに照明することができる。
【００１５】
さらに、制御部４０は、格子パターン投影機構２０のパターン形成走査部２２を制御する位相制御部４１を備えている。また制御部４０は、撮像装置３３で撮像された格子パターン画像を演算処理する演算処理部４２と、各種パラメータや撮像された画像データを保存する記憶部４３と、データ等を表示する表示部４９とを備えている。また制御部４０は、撮像装置３３から出力された画像データのうち不要な信号を除去する信号除去部４４を備えている。
【００１６】
位相制御部４１は、パターン形成走査部２２を制御して格子パターンを投影光学系２３の光軸と垂直方向にシフトさせる。パターン形成走査部２２を透過したパターン光は、投影光学系２３によりステージ１１上の被検査物ＳＡに投影される。投影したパターン光の像は、明度が白黒白黒に変化するものになっている。また、格子パターン投影機構２０の光軸が撮像機構３０の光軸に対して傾いている入射角度は調整可能である。
なお、フーリエ変換法の場合には位相制御部４１は不要となる。
【００１７】
被検査物ＳＡで反射されたパターン反射光は、撮像機構３０の結像光学系３１により撮像装置３３の受光面に結像される。パターン反射光は撮像装置３３で光電変換されて、被検査物ＳＡにより変形された格子パターンの画像データを得ることができる。以下同様に、パターン形成走査部２２の格子パターンを例えばπ／２ずつ位相をシフトさせて被検査物ＳＡにより変形された格子パターンを含むパターン反射光を撮像する。この移動毎に撮像された画像データは、制御部４０の記憶部４３に保存される。
【００１８】
これらの画像データは、被検査物ＳＡを複数に分割して撮像した画像であり、隣り合う画像を連結することにより、被検査物ＳＡの全体画像が得られる。また、この時に、撮像した際の入射角度、格子ピッチ、位相シフトのステップ数等の撮像に関するパラメータを合わせて記憶部４３に保存する。
【００１９】
＜補助照明光源３９による欠陥座標の求め方＞
補助照明光源３９を使って欠陥座標を求めるとともに、格子パターン照明による三次元形状の測定について説明する。
図２は、補助照明光源３９を使い、被検査物ＳＡの三次元形状を測定する全体的なフローチャートである。
【００２０】
ステップＳ１１では、被検査物ＳＡがステージ１１に載置される。
ステップＳ１２では、補助照明光源３９が点灯し被検査物ＳＡがほぼ真上から均一照明される。この被検査物ＳＡからの反射光が撮像装置３３に入射し、画像撮影が行われる。
【００２１】
ステップＳ１３では、均一照明による画像データから欠陥座標を算出する。この欠陥座標の算出の詳細については図３及び図４を使って説明する。
ステップＳ１４では、位相制御部４１が、パターン形成走査部２２を制御して格子パターンにし、光源２１からの光を格子パターンに照射する。そして格子パターンが被検査物ＳＡに投影される。
ステップＳ１５では、撮像装置３３が被検査物ＳＡから反射された第１の位相状態の格子パターンの反射光を受光する。記憶部４３が被検査物ＳＡの格子パターンの画像データを記憶する。
【００２２】
ステップＳ１６において、記憶部４３が必要な位相分の画像データを記憶しているか否かを判断する。記憶部４３が必要な位相分の画像データを記憶していればステップＳ１８に進み、不足していればステップＳ１７に進む。例えばπ／２位相であれば０から２πまで４枚の画像データ（Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４）を取得する。フローチャートの右側に４枚の画像データ（Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４）の例を示す。
ステップＳ１７では、位相制御部４１がパターン形成走査部２２を制御して例えば、π／２の位相をシフトし、再び、ステップＳ１４へ進みシフトした格子パターンを照射する。
【００２３】
ステップＳ１８では、４枚の画像データ（Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４）のうち、ステップＳ１３で算出された欠陥座標領域の画像データを削除する。
【００２４】
ステップＳ１９では、欠陥座標の画像データが削除された画像データを演算処理部４２へ読み込む。演算処理部４２は各画素（ｘ，ｙ）に対して各位相φ（ｘ，ｙ）を算出する。フローチャートの右側に算出した位相の例を示す。
φ（ｘ，ｙ）＝ａｒｃｔａｎ｛（Ｉ４−Ｉ２）／（Ｉ１−Ｉ３）｝
【００２５】
次に、ステップＳ２０では、各画素の位相分布φ（ｘ，ｙ）を合成し、各位相φ（ｘ，ｙ）の位相接続を行う。フローチャートの右側に位相接続した例を示す。
ステップＳ２１では、位相接続した後、被検査物ＳＡの高さ情報ｈ（ｘ，ｙ）に変換される。この被検査物ＳＡの高さ情報ｈ（ｘ，ｙ）が表示部４９に表示される。フローチャートの右側に高さ情報ｈ（ｘ，ｙ）の例を示す。
【００２６】
なお、ステップＳ１８で説明した画像データから欠陥座標領域の画像データを削除するステップは、位相計算後に欠陥座標領域の画像データを削除してもよい。
【００２７】
次に、欠陥座標の算出について図３及び図４を使って説明する。
図３（ａ）はある被検査物ＳＡの斜視図であり、（ｂ）は補助照明光源３９で照明した場合に撮像装置３３で撮像された画像データの例を示したグラフであり、特に図３（ｂ）は図３（ａ）の被検査物ＳＡのＢ−Ｂの画像データを示している。このグラフは、縦軸に輝度値をとり横軸にＹ方向の画素位置をとっている。
【００２８】
被検査物ＳＡを載置するステージ１１は、精度良く製作された基準平面であり、また被検物と区別することができるように、反射率が高くならないように濃い灰色などに塗装されている。図３（ａ）に描かれる被検査物ＳＡは、例えば、照明光が内部まで届かないような直径数ｍｍの小さな穴ＨＬ１と、直径数十ｍｍ程度の大きな穴ＨＬ２とを有しており、被検査物ＳＡの表面は反射率の高い表面を有している。
【００２９】
この被検査物ＳＡに補助照明光源３９から均一な照明光を照射し、撮像装置３３で被検査物ＳＡからの反射光を撮像する。撮像装置３３で撮像された画像データのうち、［Ｙ０，Ｙ１］領域及び［Ｙ６，Ｙ７］領域ではステージ１１からの反射光の輝度値ｉ１に達している。［Ｙ１，Ｙ２］領域、［Ｙ３，Ｙ４］領域及び［Ｙ５，Ｙ６］領域では被検査物ＳＡからの反射光の輝度値ｉ２に達している。
【００３０】
［Ｙ２，Ｙ３］領域では被検査物ＳＡからの反射光はほとんどなく輝度値ｉ０である。図３（ａ）に示すように、［Ｙ２，Ｙ３］領域には小さな貫通穴又は非貫通穴ＨＬ１が形成されている。小さい穴ＨＬ１であるために補助照明光源３９からの均一照明光がステージ１１の表面にまでほとんど届くことがないために、輝度値ｉ０が低い値を示している。［Ｙ４，Ｙ５］領域では被検査物ＳＡからの反射光は輝度値ｉ１を示している。図３（ａ）に示すように、［Ｙ４，Ｙ５］領域には大きな貫通穴ＨＬ２が形成されている。このため、補助照明光源３９から均一な照明光はステージ１１に届き、そこからの反射光を撮像装置３３が撮像することができる。このため、［Ｙ４，Ｙ５］領域は、［Ｙ０，Ｙ１］領域及び［Ｙ６，Ｙ７］領域とほぼ同じ輝度値となっている。
【００３１】
補助照明光源３９からの均一照明により得られた均一像から判断して、［Ｙ２，Ｙ３］領域では格子パターン投影機構２０によって所定の格子パターンを投影しても正確な高さを検出できない。また、撮像装置３３の撮像領域の全体に被検査物ＳＡがなく、一部にしか被検査物ＳＡがない場合にはステージ１１のノイズを含む反射光を受光して誤った数値を算出する可能性がある。このため、予め被検査物ＳＡの範囲を決めておくことが好ましい。無駄な計算を無くすことにつながり位相計算を高速化することができる。
【００３２】
図４（ａ）は、被検査物ＳＡの小さな穴ＨＬ１を欠陥座標として検出するフローチャートの一例であり、（ｂ）は被検査物ＳＡとステージ１１とを区別して被検査物ＳＡの最外周より外側を欠陥座標として検出するフローチャートの一例である。
【００３３】
（ａ）に示す欠陥座標検出のフローチャートは次のとおりである。
ステップＳ３１において、信号除去部４４は撮像装置３３のある画素の輝度値が図３（ｂ）に示すしきい値ＴＳより低い値であるか否かを判断する。輝度値がしきい値ＴＳより低ければ三次元形状を測定できない小さな穴ＴＨ１である可能性が高いためステップＳ３２に進み、しきい値ＴＳよりも高ければステップＳ３５に進む。
【００３４】
ステップＳ３２では、信号除去部４４はしきい値ＴＳより低い輝度値の領域が円形であるか否かを判断する。被検査物ＳＡにはさまざまな穴形状が存在するが、貫通穴又非貫通穴は一般に円形状が多いため、しきい値ＴＳより低い輝度値の領域が円形であるかを判断する。なお、穴形状が予め矩形などと特定できているのであれば、操作者が制御部４０に入力するようにしてもよい。しきい値ＴＳより低い領域が円形であればステップＳ３３に進み、円形でなければステップＳ３５に進む。
【００３５】
ステップＳ３３において、信号除去部４４はしきい値ＴＳより低い円形状の領域を欠陥座標として算出する。
ステップＳ３４では、この欠陥座標が記憶部４３に記憶される。
一方ステップＳ３５に進んだ場合には、輝度値がしきい値ＴＳより低くても、被検査物ＴＳの外形形状の一部として位相計算に用いられる画素として取り扱われる。
【００３６】
しきい値ＴＳは、操作者が被検査物ＴＳに応じて自在に設定できるようにしておくことが好ましい。また、被検査物ＴＳのＣＡＤデータなどを有する場合には、そのＣＡＤデータを記憶部４３に記憶しておき、信号除去部４４がしきい値ＴＳより低い円形状の領域と判断した箇所がＣＡＤデータで示される貫通穴又非貫通穴と一致するか否かの判断を加えても良い。
【００３７】
（ｂ）に示す欠陥座標検出のフローチャートは次のとおりである。
ステップＳ４１において、信号除去部４４は撮像装置３３のある画素の輝度値が図３（ｂ）に示す所定範囲（ＲＮ１からＲＮ２）に入るか否かを判断する。本実施例のテーブル１１は濃い灰色に塗装されており、補助照明光源３９から均一な照明光がテーブル１１に照射された場合には、撮像装置３３から所定範囲（ＲＮ１からＲＮ２）の輝度値で出力されるが予め求められている。このため、輝度値が所定範囲ＲＮに入っていれば、テーブル１１である可能性が高いためステップＳ４２に進み、輝度値が所定範囲ＲＮに入っていなければステップＳ４５に進む。
【００３８】
ステップＳ４２では、信号除去部４４は所定範囲ＲＮの輝度値の領域が撮像した範囲の縁部であるか否かを判断する。例えば図３（ｂ）において［Ｙ４，Ｙ５］領域には所定範囲ＲＮの輝度値が存在する。しかし、［Ｙ３，Ｙ４］領域及び［Ｙ５，Ｙ６］領域の両方に所定範囲ＲＮの輝度値とは異なる領域が存在する。このため、信号除去部４４は［Ｙ４，Ｙ５］領域が縁部でないと判断する。一方［Ｙ６，Ｙ７］領域は［Ｙ５，Ｙ６］領域の片方のみに所定範囲ＲＮの輝度値とは異なる領域が存在する。このため、信号除去部４４は［Ｙ６，Ｙ７］領域が縁部であり、被検査物ＳＡの最外周であると判断する。所定範囲内の輝度値の領域が縁部であればステップＳ４３に進み、縁部でなければステップＳ４５に進む。
【００３９】
ステップＳ４３において、信号除去部４４が被検査物ＳＡの最外周より外側を欠陥座標として算出する。
ステップＳ４４では、この欠陥座標が記憶部４３に記憶される。
一方ステップＳ４５に進んだ場合には、被検査物ＴＳの外形形状の一部として位相計算に用いられる画素として取り扱われる。
【００４０】
所定範囲（ＲＮ１からＲＮ２）は、操作者が補助照明光源３９の経時変化（光量の減衰）に応じて自在に設定できるようにしておくことが好ましい。また、被検査物ＴＳのＣＡＤデータなどを有する場合には、そのＣＡＤデータを記憶部４３に記憶しておき、信号除去部４４が被検査物ＳＡの最外周と判断した箇所がＣＡＤデータで示される被検査物ＳＡの最外周と一致するか否かの判断を加えても良い。
【００４１】
なお、被検査物の測定形状の高さが測定許容範囲を超えている場合、投影される格子パターンがぼけてしまい測定精度を保てなくなる。このため、被検査物ＳＡの表面に適度なテクスチャ（ざらざら）がある場合には、テクスチャの状態を計算することで、大きくぼけている領域を特定することができる。テクスチャの状態の計算は、微小領域内の輝度をフーリエ変換、ラプラシアン演算又はスーベルフィルタ演算などで計算する。この大きくぼけている領域を欠陥座標として記憶部４３に記憶し、図２に示したステップＳ１８で、４枚の画像データ（Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４）から欠陥座標領域のデータを削除してもよい。
【００４２】
＜格子パターン投影機構２０を使った均一光による欠陥座標の求め方＞
図５は、光源２１からの均一光を使って異常輝度値を除去し、被検査物ＳＡの三次元形状の測定する全体的なフローチャートである。
【００４３】
ステップＳ５１では、被検査物ＳＡがステージ１１に載置される。
ステップＳ５２では、パターン形成走査部２２が液晶板を全透過状態にし、光源２１からの均一照明光を斜め方向から被検査物ＳＡに照射する。この被検査物ＳＡからの反射光が撮像装置３３に入射し、画像撮影が行われる。
【００４４】
ステップＳ５３では、均一照明の画像データから予想輝度値を算出する。この予想輝度値の算出の詳細については図６及び図７（ａ）を使って説明する。
ステップＳ５４では、位相制御部４１が、パターン形成走査部２２を制御して格子パターンにし、光源２１からの光を格子パターンに照射する。そして格子パターンが被検査物ＳＡに投影される。被検査物ＳＡの同じ座標であれば、一方向に白黒と並んだ格子パターンでのうち白色（明るい）箇所は、ステップＳ５１で照明された光源２１からの斜め方向の均一照明光と同じ明るさになるはずである。
ステップＳ５５では、撮像装置３３が被検査物ＳＡから反射された第１の位相状態の格子パターンの反射光を受光する。記憶部４３が被検査物ＳＡの格子パターンの画像データを記憶する。
【００４５】
ステップＳ５６において、記憶部４３が必要な位相分の画像データが記憶しているか否かを判断する。記憶部４３が必要な位相分の画像データを記憶していればステップＳ５８に進み、不足していればステップＳ５７に進む。例えばπ／２位相であれば０から２πまで４枚の画像データを取得する。
【００４６】
ステップＳ５７では、位相制御部４１がパターン形成走査部２２を制御して例えば、π／２の位相をシフトし、再び、ステップＳ５４へ進みシフトした格子パターンを照射する。
ステップＳ５８では、演算処理部４２が各画素（ｘ，ｙ）に対して各位相φ（ｘ，ｙ）を算出する。
ステップＳ５９では、各位相φ（ｘ，ｙ）から、ステップＳ５３で算出された異常輝度値の座標領域のデータを削除する。この異常輝度値の除去の詳細については図６及び図７（ｂ）を使って説明する。
【００４７】
ステップＳ６０では、各画素の位相分布φ（ｘ，ｙ）を合成し、各位相φ（ｘ，ｙ）の位相接続を行う。
ステップＳ６１では、位相接続した後、被検査物ＳＡの高さ情報ｈ（ｘ，ｙ）に変換される。この被検査物ＳＡの高さ情報ｈ（ｘ，ｙ）が表示部４９に表示される。
【００４８】
次に、欠陥座標の算出について図６を使って説明する。
図６（ａ）は、光源２１から斜め方向の均一照明光をある被検査物ＳＡに照射した場合に撮像装置３３で撮像された写真である。図６（ｂ）は（ａ）の写真で示される矢印Ｐにおける画素の予想輝度値を示したグラフであり、（ｃ）は（ａ）の写真で示される矢印Ｑにおける画素の予想輝度値を示したグラフである。このグラフは、縦軸に輝度値をとり横軸に位相をとっている。
【００４９】
位相シフト法によって得られる格子パターンの画像データは光源２１から斜め方向からの照明によって得られる。位相シフトするごとに格子パターンに応じて個々の画素では明るくなったり暗くなったりする。一方、光源２１から斜め方向からの均一照明光を被検査物ＳＡに照射すれば、個々の画素が最も明るい状態とほぼ同じ輝度値を得ることができる。
【００５０】
図６（ａ）に示すように、矢印Ｐの画素は輝度値が高く、矢印Ｑの画素は輝度値が低い。そして、位相シフト量は予めわかっているため、信号除去部４４は矢印Ｐの画素の輝度値に基づいて、（ｂ）に示すような各位相における予想輝度値ＳＩＮ（Ｐ）を求めることができる。また同様に、矢印Ｑの画素の輝度値に基づいて、各位相における予想輝度値ＳＩＮ（Ｑ）を求めることができる。
【００５１】
図７（ａ）は図５のステップＳ５３で示した予想輝度値を算出するフローチャートである。
ステップＳ５３１では、均一照明による画像データの輝度値が画素ごとに記憶部４３に記憶される。
【００５２】
ステップＳ５３２では、位相ピッチに基づいて、画素ごとの予想輝度値ＳＩＮ（ｘ，ｙ）を算出する。図６（ｂ）及び（ｃ）に示すようなとして予想輝度値ＳＩＮ（ｘ，ｙ）が算出される。
ステップＳ５３３では、予想輝度値ＳＩＮ（ｘ，ｙ）が記憶部４３に記憶される。
【００５３】
図７（ｂ）は図５のステップＳ５９で示した異常輝度値を除去するフローチャートである。
ステップＳ５９１では、信号除去部４４によって位相計算された画素の輝度値が、記憶部に記憶された予想輝度値ＳＩＮ（ｘ、ｙ）の許容範囲内であるか否かを判断する。例えば予想輝度値ＳＩＮ（ｘ、ｙ）のプラスマイナス１０パーセント以内に位相計算された画素の輝度値が入っているか否かを判断する。例えば、図６（ｂ）及び（ｃ）の白丸は、位相計算された画素の輝度値が予想輝度値ＳＩＮ（Ｐ）又はＳＩＮ（Ｑ）に近い値であり、黒丸は予想輝度値ＳＩＮ（Ｐ）又はＳＩＮ（Ｑ）から外れた値である。
【００５４】
ステップＳ５９２では、位相計算された画素の輝度値が予想輝度値ＳＩＮ（ｘ、ｙ）に近い値であれば、位相計算された画素の輝度値がそのまま記憶部４３に記憶される。
ステップＳ５９３では、位相計算された画素の輝度値が予想輝度値ＳＩＮ（ｘ、ｙ）から外れていれば、その座標は位相接続用に使用されない。
【００５５】
本実施例では、位相ピッチに基づいて予想輝度値を算出したが、予想コントラスト（γ）値を算出しても良い。
すなわち、図６（ａ）に示したように、光源２１から斜め方向の均一照明光をある被検査物ＳＡに照射すれば、ある画素において明るい状態の輝度値を得ることができる。そして格子パターンの投影により暗い状態の輝度値も予想できる。したがって、例えば図６（ａ）の矢印Ｐで示される画素においてγ値＝０．８５、矢印Ｑで示される画素においてγ値＝０．３０と算出することができる。図５のステップＳ５３に代えて、このような予想γ値算出を行う。
【００５６】
そして、図５のステップＳ５８にて位相シフトした画像データから位相計算をする際に、γ値計算を行う。
γ（ｘ，ｙ）＝［２×｛（Ｉ１−Ｉ３）２＋（Ｉ２−Ｉ４）２｝１／２÷（Ｉ１＋Ｉ２＋Ｉ３＋Ｉ４）
ステップＳ５９では、信号除去部４４がγ値計算された画素が、記憶部に記憶された予想γ値に近い値か否かを判断すればよい。
【００５７】
＜低コントラスト（γ）値による欠陥座標の求め方＞
図８は、低γ値の座標の画像データを除去し、被検査物ＳＡの三次元形状の測定する全体的なフローチャートである。このフローチャートでは、格子パターン投影機構２０又は補助照明光源３９を使った均一光による画像を取得しない。
【００５８】
ステップＳ７１では、被検査物ＳＡがステージ１１に載置される。
ステップＳ７２では、位相制御部４１が、パターン形成走査部２２を制御して格子パターンにし、光源２１からの光を格子パターンに照射する。そして格子パターンが被検査物ＳＡに投影される。
ステップＳ７３では、撮像装置３３が被検査物ＳＡから反射された第１の位相状態の格子パターンの反射光を受光する。記憶部４３が被検査物ＳＡの格子パターンの画像データを記憶する。
【００５９】
ステップＳ７４において、記憶部４３が必要な位相分の画像データが記憶しているか否かを判断する。記憶部４３が必要な位相分の画像データを記憶していればステップＳ７６に進み、不足していればステップＳ７５に進む。
【００６０】
ステップＳ７５では、位相制御部４１がパターン形成走査部２２を制御して例えば、π／２の位相をシフトする。
ステップＳ７６では、演算処理部４２が各画素（ｘ，ｙ）に対して各位相φ（ｘ，ｙ）及びγ値を算出する。γ値は以下の計算で求まる。
γ（ｘ，ｙ）＝［２×｛（Ｉ１−Ｉ３）２＋（Ｉ２−Ｉ４）２｝１／２÷（Ｉ１＋Ｉ２＋Ｉ３＋Ｉ４）
ステップＳ７７では、信号除去部４４が低γ値の画素領域に相当する座標領域のデータを削除する。この低γ値の画素領域については図９を使って説明する。
【００６１】
ステップＳ７８では、各画素の位相分布φ（ｘ，ｙ）を合成し、各位相φ（ｘ，ｙ）の位相接続を行う。
ステップＳ７９では、位相接続した後、被検査物ＳＡの高さ情報ｈ（ｘ，ｙ）に変換される。この被検査物ＳＡの高さ情報ｈ（ｘ，ｙ）が表示部４９に表示される。
【００６２】
図９（ａ）は、被検査物ＳＡに対してステップＳ７６のγ値の算出を行い、被検査物ＳＡの各座標におけるγ値を色分けした斜視図である。
図９（ｂ）の上段は、（ａ）の写真で示される矢印Ｒにおける各位相の画素の輝度値を示したグラフであり、γ値は０．８となっている。中段は、（ａ）の写真で示される矢印Ｓにおける各位相の画素の輝度値を示したグラフであり、γ値は０．５となっている。下段は、（ａ）の写真で示される矢印Ｔにおける各位相の画素の輝度値を示したグラフであり、γ値は０．２となっている。これらのグラフは、縦軸に輝度値をとり横軸にＹ方向の画素位置をとっている。
【００６３】
格子パターンのγ値が高い場合には、撮影装置３３のノイズの影響を受けにくく、正確な位相計算を行うことができるが、γ値が低いとノイズの影響を受け正確な位相計算を行うことができない。このため低いγ値に相当する座標の画像データを削除する。例えば、γ値＝０．２をしきい値として以下の座標の画像データを削除するようにする。
【００６４】
このγ値のしきい値は、操作者が必要に応じて自在に設定できるようにしておくことが好ましい。
図９（ｃ）は、ステップＳ７９で高さ情報が算出された結果を示す被検査物ＳＡの斜視図である。この斜視図の黒い領域は、γ値＝０．２をしきい値とした画像データが削除された状態を示している。この黒い領域は正確な三次元測定ができないとして測定結果がない。
【００６５】
＜低輝度値による欠陥座標の求め方＞
図１０は、低輝度値の座標の画像データを除去し、被検査物ＳＡの三次元形状の測定する全体的なフローチャートである。このフローチャートでは、格子パターン投影機構２０又は補助照明光源３９を使った均一光による画像を取得しない。
【００６６】
ステップＳ８１からステップＳ８５までは、図８に示したステップＳ７１からステップＳ７５と同様である。
【００６７】
ステップＳ８６では、信号除去部４４が低輝度値の画素領域に相当する座標領域のデータを削除する。低輝度値の画素領域は、例えば撮像装置３３のＣＣＤなどの画素欠陥、又は被検査物ＳＡの形状により光源２１からの斜め方向の格子パターンの投影が不十分などが要因である。これら低輝度値であれば正確な位相計算ができず、被検査物ＳＡの高さ情報ｈ（ｘ，ｙ）も正確でなくなる。
【００６８】
ステップＳ８７では、演算処理部４２が各画素（ｘ，ｙ）に対して各位相φ（ｘ，ｙ）及びγ値を算出する。
ステップＳ８８では、各画素の位相分布φ（ｘ，ｙ）を合成し、各位相φ（ｘ，ｙ）の位相接続を行う。
ステップＳ８９では、位相接続した後、被検査物ＳＡの高さ情報ｈ（ｘ，ｙ）に変換される。この被検査物ＳＡの高さ情報ｈ（ｘ，ｙ）が表示部４９に表示される。
【００６９】
＜フーリエ変換法による三次元形状測定＞
以上の実施例は、位相シフト法による三次元形状測定であった。しかし、位相シフト法ではなくフーリエ変換法によっても三次元形状測定が可能である。フーリエ変換法においても、図２のフローチャートを変形することにより、欠陥画像の画像データを削除することで正確な被検査物ＳＡの高さ情報ｈ（ｘ，ｙ）を得ることができる。
【００７０】
図１１は、補助照明光源３９を使い、被検査物ＳＡの三次元形状を測定するフーリエ変換法によるフローチャートである。
【００７１】
ステップＳ９１では、被検査物ＳＡがステージ１１に載置される。
ステップＳ９２では、補助照明光源３９が点灯し被検査物ＳＡがほぼ真上から均一照明される。この被検査物ＳＡからの反射光が撮像装置３３に入射し、画像撮影が行われる。
【００７２】
ステップＳ９３では、均一照明による画像データから欠陥座標を算出する。この欠陥座標の算出の詳細については図３及び図４で説明したとおりである。
ステップＳ９４では、位相制御部４１が、パターン形成走査部２２を制御して格子パターンにし、光源２１からの光を格子パターンに照射する。そして格子パターンが被検査物ＳＡに投影される。
ステップＳ９５では、撮像装置３３が被検査物ＳＡから反射された第１の位相状態の格子パターンの反射光を受光する。記憶部４３が被検査物ＳＡの格子パターンの１枚の画像データを記憶する。
【００７３】
ステップＳ９６では、１枚の画像データからステップＳ９３で算出された欠陥座標領域の画像データを削除する。
【００７４】
ステップＳ９７では、欠陥座標の画像データが削除された画像データを演算処理部４２へ読み込む。演算処理部４２は画像データを格子パターンの変数ｘ、ｙについて二次元フーリエ変換を行い、２次元空間の周波数スペクトルを得る。２次元空間の周波数スペクトルから位相φ（ｘ，ｙ）を算出する。
【００７５】
次に、ステップＳ９８では、位相φ（ｘ，ｙ）が被検査物ＳＡの高さ情報ｈ（ｘ，ｙ）に変換される。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本実施形態に係る三次元形状測定装置１００の構成を示す説明図である。
【図２】補助照明光源３９を使い被検査物ＳＡの三次元形状を測定するフローチャートである。
【図３】（ａ）は穴を有する被検査物ＳＡの斜視図である。  （ｂ）は補助照明光源３９で照明した場合に撮像装置３３で撮像された画像データの例を示したグラフである。
【図４】（ａ）は小さな穴ＨＬ１を欠陥座標として検出するフローチャートである。  （ｂ）は被検査物ＳＡの最外周より外側を欠陥座標として検出するフローチャートである。
【図５】光源２１からの均一光を使い被検査物ＳＡの三次元形状の測定するフローチャートである。
【図６】（ａ）は光源２１から斜め方向の均一照明光をある被検査物ＳＡに照射した場合に撮像装置３３で撮像された写真である。（ｂ）は（ａ）の矢印Ｐにおける画素の予想輝度値を示したグラフである。（ｃ）は（ａ）の矢印Ｑにおける画素の予想輝度値を示したグラフである。
【図７】（ａ）は予想輝度値を算出するフローチャートである。  （ｂ）は異常輝度値を除去するフローチャートである。
【図８】低γ値の座標の画像データを除去し、被検査物ＳＡの三次元形状の測定するフローチャートである。
【図９】（ａ）は被検査物ＳＡの各座標におけるγ値を色分けした斜視図である。  （ｂ）は矢印Ｒ，Ｓ，Ｔにおける画素の輝度値を示したグラフである。  （ｃ）は高さ情報が算出された結果を示す被検査物ＳＡの斜視図である。
【図１０】低輝度値の座標の画像データを除去し、被検査物ＳＡの三次元形状の測定するフローチャートである。
【図１１】補助照明光源３９を使い、被検査物ＳＡの三次元形状を測定するフーリエ変換法によるフローチャートである。
【符号の説明】
【００７７】
１１  …  ステージ
２０  …  格子パターン投影機構
２１  …  光源
２２  …  パターン形成走査部
２３  …  投影光学系
３０  …  撮像機構
３１  …  結像光学系
３３  …  撮像装置
３９  …  補助照明光源
４０  …  制御部
４１  …  位相制御部
４２  …  演算処理部
４３  …  記憶部
４４  …  信号除去部
４９  …  表示部
１００  …  三次元形状測定装置
ＳＡ  …  被検査物
【図１】
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【図２】
2009180690.tif 000004
【図３】
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【図４】
2009180690.tif 000006
【図５】
2009180690.tif 000007
【図６】
2009180690.tif 000008
【図７】
2009180690.tif 000009
【図８】
2009180690.tif 000010
【図９】
2009180690.tif 000011
【図１０】
2009180690.tif 000012
【図１１】
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