(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素が直線状に集積された受光素子を少なくとも３ライン有するセンサが設けられた実体格子型のモアレ光学系と、被検物を保持して回転させる把持回転機構と、受光素子の並び方向において被検物表面の回転振れを測定する回転振れ測定手段とを有し、
被検物を回転させ、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせ、測定領域をその縞次数近辺に限定し、上記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を行い、形状測定中に回転振れ測定手段で受光素子の並び方向における被検物表面の回転振れを測定し、その結果から常にセンサと被検物の位置関係が受光素子の並び方向において一定となるように制御することを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
上記回転振れ測定手段は距離センサである請求項1記載の形状測定装置。
【請求項３】
上記回転振れ測定手段はライン光源とエリアセンサを有し、被検物の受光素子側の頂点位置を検出して受光素子の並び方向における被検物表面の回転振れを測定する請求項１記載の形状測定装置。
【請求項４】
上記回転振れ測定手段の測定結果により、受光素子の位置又は被検物の位置を移動して、常にセンサと被検物の位置関係が受光素子の並び方向において一定となるように制御する請求項１記載の形状測定装置。
【請求項５】
上記センサとして多数ラインの画素列が存在するエリアセンサを用い、回転振れ測定手段で受光素子の並び方向における被検物表面の回転振れを測定し、位相シフト誤差が生じないようにエリアセンサ内の画像データを選択することを特徴とする請求項1乃至４のいずれかに記載の形状測定装置。
【請求項６】
上記回転振れ測定手段で受光素子の並び方向における被検物表面の回転振れを測定し、その結果から位相シフト誤差量を算出し、エリアセンサで得られた形状データを位相シフト誤差量を用いて補正する請求項５記載の形状測定装置。
【請求項７】
被検物を回転させ、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせ、測定領域をその縞次数近辺に限定し、画素が直線状に集積された受光素子を少なくとも３ライン有するセンサが設けられた実体格子型のモアレ光学系の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を行い、形状測定中に受光素子の並び方向における被検物表面の回転振れを測定し、その結果から常にセンサと被検物の位置関係が受光素子の並び方向において一定となるように制御することを特徴とする形状測定方法。
【請求項８】
上記センサとして多数ラインの画素列が存在するエリアセンサを用い、受光素子の並び方向における被検物表面の回転振れを測定し、位相シフト誤差が生じないようにエリアセンサ内の画像データを選択することを特徴とする請求項７記載の形状測定方法。
【請求項９】
上記受光素子の並び方向における被検物表面の回転振れを測定し、その結果から位相シフト誤差量を算出し、エリアセンサで得られた形状データを位相シフト誤差量を用いて補正する請求項８記載の形状測定方法。
【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装置及び形状測定方法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１５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１６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１７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とは、図１８に示すように、基準面に一つの格子Ｇを設置し、図１９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を通して観察することにより、この格子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例にとり、さらに詳しく説明する。図１９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２０に示す実体格子型のモアレ法は、図１９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２１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】
しかし、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。さらに、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や液晶等の平面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、さらに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、高速に測定を行う形状測定を行い、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位相シフト誤差量を低減させることができる形状測定装置及び形状測定方法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装置は、画素が直線状に集積された受光素子を少なくとも３ライン有するセンサが設けられた実体格子型のモアレ光学系と、被検物を保持して回転させる把持回転機構と、受光素子の並び方向において被検物表面の回転振れを測定する回転振れ測定手段とを有し、被検物を回転させ、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせ、測定領域をその縞次数近辺に限定し、上記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を行い、形状測定中に回転振れ測定手段で受光素子の並び方向における被検物表面の回転振れを測定し、その結果から常にセンサと被検物の位置関係が受光素子の並び方向において一定となるように制御することを特徴とする。
【００１５】
上記回転振れ測定手段は距離センサを使用すると良い。また、回転振れ測定手段として、ライン光源とエリアセンサを有し、被検物の受光素子側の頂点位置を検出して受光素子の並び方向における被検物表面の回転振れを測定するようにしても良い。
【００１６】
また、回転振れ測定手段の測定結果により、受光素子の位置又は被検物の位置を移動して、常にセンサと被検物の位置関係が受光素子の並び方向において一定となるように制御する。
【００１７】
さらに、センサとして多数ラインの画素列が存在するエリアセンサを用い、回転振れ測定手段で受光素子の並び方向における被検物表面の回転振れを測定し、位相シフト誤差が生じないようにエリアセンサ内の画像データを選択しても良い。
【００１８】
また、回転振れ測定手段で受光素子の並び方向における被検物表面の回転振れを測定し、その結果から位相シフト誤差量を算出し、エリアセンサで得られた形状データを位相シフト誤差量を用いて補正すると良い。
【００１９】
この発明に係る形状測定方法は、被検物を回転させ、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせ、測定領域をその縞次数近辺に限定し、画素が直線状に集積された受光素子を少なくとも３ライン有するセンサが設けられた実体格子型のモアレ光学系の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を行い、形状測定中に受光素子の並び方向における被検物表面の回転振れを測定し、その結果から常にセンサと被検物の位置関係が受光素子の並び方向において一定となるように制御することを特徴とする。
【００２０】
上記センサとして多数ラインの画素列が存在するエリアセンサを用い、受光素子の並び方向における被検物表面の回転振れを測定し、位相シフト誤差が生じないようにエリアセンサ内の画像データを選択することを特徴とする。
【００２１】
また、受光素子の並び方向における被検物表面の回転振れを測定し、その結果から位相シフト誤差量を算出し、エリアセンサで得られた形状データを位相シフト誤差量を用いて補正すると良い。
【００２２】
【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、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と距離センサ７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方向に移動するｘ方向自動ステージ８と、ｘ方向自動ステージ８に設けられ、ｘ方向と受光素子１１の光軸方向であるｚ方向と直交するｙ方向に移動するｙ方向自動ステージ９を有し、ｘ方向自動ステージ８により測定ヘッド６を円筒状被検物１の軸方向に移動させ、ｙ方向移動ステージ９により測定ヘッド６をｙ方向に移動する。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の軸方向に移動させて、円筒状被検物１の全面の測定を行う。
【００２３】
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と反対側に設けられた受光素子１３を有する。受光素子１３は、少なくとも３ラインのライン状に画素が集積されている。ここでは３ラインの場合に関して説明する。受光素子１３の各ラインを、図３に示すように、Ａ列とＢ列とＣ列とし、受光素子１３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、受光素子１３の画素列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の回転スピードと受光素子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。
【００２４】
この受光素子１３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。
【００２５】
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。
【００２６】
以上の方法においては、円筒状被検物１と受光素子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が受光素子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。
【００２７】
そこで図７に示すように、距離センサ７により円筒状被検物１のｙ方向の回転振れ量を測定し、その測定結果に基いて受光素子１３の画素列Ａ，Ｂ，Ｃと円筒状被検物１の位置関係をｙ方向において一定に保ちながら、円筒状被検物１を回転させて撮像していく。この距離センサ７の代わりに、図８に示すように、投光部１４と受光部１５からなら外径測定機を用いたり、円筒状被検物１の稜線を他のカメラで撮像し画像処理によりその位置を算出することにより円筒状被検物１の回転振れを測定するようにしても良い。
【００２８】
この受光素子１３の画素列Ａ，Ｂ，Ｃと円筒状被検物１の位置関係をｙ方向において一定に保つために、図９に示すように、距離センサ７の測定結果に基づき、受光素子１３の画素列Ａ，Ｂ，Ｃと円筒状被検物１の位置関係がｙ方向において一定になるように、ｙ方向自動ステージ１５により受光素子１３の位置を制御する。ここで円筒状被検物１を保持して回転する把持冶具３と回転モータ４をｙ方向に移動自在な自動ステージに設けて、距離センサ７の測定結果に基づき、受光素子１３の画素列Ａ，Ｂ，Ｃと円筒状被検物１の位置関係がｙ方向において一定になるようにしても良い。
【００２９】
また、円筒状被検物１のｙ方向の回転振れ量を測定する距離センサ１２の代わりに、図１０に示すように、円筒状被検物１のｚ方向の頂点位置１６を測定し、その測定結果に基いて受光素子１３の画素列Ａ，Ｂ，Ｃと円筒状被検物１の位置関係がｙ方向において一定になるようにしても良い。この円筒状被検物１の頂点位置１６の検出方法としては、例えば図１１に示すように、光切断法を使用すれば良い。この光切断法は、図１１に示すように、円筒状被検物１にライン光源１７から光を投影して、ｘ方向とｙ方向にそれぞれ画素列を有するエリアセンサ１８でレンズ１９を介して観察する。このときエリアセンサ１８では、図１２に示すように、円筒状被検物１の形状に応じて円弧２０が観察される。この円弧２０の頂点位置１６を画像処置によって検出し、そのｙ方向位置を測定する。この頂点位置１６を基準にして、受光素子１３の画素列Ａ，Ｂ，Ｃと円筒状被検物１の位置関係がｙ方向において一定になるように保つようにする。
【００３０】
また、距離センサ７の測定結果により、測定ヘッド６又は円筒状被検物１をｙ方向に移動して、受光素子１１の画素列Ａ，Ｂ，Ｃと円筒状被検物１の位置関係がｙ方向において一定になるようにする代わりに、図１３に示すように、受光素子１３として多数ラインの画素列を有するエリアセンサ２１を用いても良い。このエリアセンサ２１が例えば１００ラインの画素列を有し、所望のステップ量が得られる画像データは１０ラインと１５ライン及び２０ライン目に対応しているとする。この場合、円筒状被検物１を回転させながらエリアセンサ２１で１フレーム目、２フレーム目、３フレーム目…と撮像を行い画像データを保存しておく。また、距離センサ７で円筒状被検物１のｙ方向の回転振れも測定し記憶しておく。そして１フレーム目撮像時の回転振れ測定値が「０」であれば、１０ラインと１５ライン及び２０ライン目の画像データを選択し、回転振れが生じていればその量に応じ、所望のステップ量が得られるように例えば１５ラインと２０ライン及び２５ライン目というように画像データを選択して形状データを算出すれば良い。
【００３１】
また、図１４に示すように、実際の形状データをｘ、測定値をｙとすると、位相シフト誤差がない場合、ｙ＝ｘの関係になる。しかし、位相シフト誤差があるにも関わらず（４）式を使って形状データを算出すると、形状データにも誤差が生じｙ＝ａｘ＋ｂという関係になる。そこで、距離センサ７で円筒状被検物１のｙ方向の回転振れを測定しておき、その測定値からシフト誤差量を算出する。このシフト誤差量がわかれば、ｙ＝ａｘ＋ｂの未知数であるａ，ｂが判明し、位相シフト誤差がない値に補正することができる。
【００３２】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように、被検物を回転させ、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせ、測定領域をその縞次数近辺に限定し、画素が直線状に集積された受光素子を少なくとも３ライン有するセンサが設けられた実体格子型のモアレ光学系の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を行い、形状測定中に回転振れ測定手段で受光素子の並び方向における被検物表面の回転振れを測定して常にセンサと被検物の位置関係が受光素子の並び方向において一定となるように制御することにより、形状を測定しているときの位相シフト誤差を低減することができ、被検物等の表面形状や、キズや膨らみ，うねり，へこみ等の欠陥を精度良く検出することができる。
【００３３】
また、回転振れ測定手段として距離センサを使用したり、ライン光源とエリアセンサを有し、被検物の受光素子側の頂点位置を検出して受光素子の並び方向における被検物表面の回転振れを測定することにより、被検物表面の回転振れを精度良く測定することができる。
【００３４】
さらに、回転振れ測定手段の測定結果により、受光素子の位置又は被検物の位置を移動して、常にセンサと被検物の位置関係が受光素子の並び方向において一定となるように制御することにより、簡単な構成でセンサと被検物の相対的位置を自動的に調整することができる。
【００３５】
また、センサとして多数ラインの画素列が存在するエリアセンサを用い、回転振れ測定手段で受光素子の並び方向における被検物表面の回転振れを測定し、位相シフト誤差が生じないようにエリアセンサ内の画像データを選択することにより、形状を測定しているときの位相シフト誤差を精度良く低減することができる。
【００３６】
さらに、受光素子の並び方向における被検物表面の回転振れを測定し、その結果から位相シフト誤差量を算出し、エリアセンサで得られた形状データを位相シフト誤差量を用いて補正することにより、位相シフト誤差による形状測定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】受光素子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】受光素子の画素列の測定領域を示す配置図である。
【図５】受光素子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】受光素子の画素列の測定データを示す説明図である。
【図７】円筒状被検物に対する距離センサの配置図である。
【図８】円筒状被検物表面の回転振れを測定する外径測定機の構成図である。
【図９】円筒状被検物表面の回転振れが生じたときの受光素子の移動方向を示す配置図である。
【図１０】円筒状被検物の頂点位置と受光素子の位置配置関係を示す配置図である。
【図１１】光切断法により円筒状被検物の頂点を測定する測定装置の構成図である。
【図１２】測定した頂点位置を示す説明図である。
【図１３】エリアセンサを有する受光素子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１４】位相シフト誤差の有無による測定値の変化特性図である。
【図１５】従来の構成を示す配置図である。
【図１６】他の従来例の構成を示す配置図である。
【図１７】格子投影型のモアレ法の説明図である。
【図１８】実体格子型のモアレ法の説明図である。
【図１９】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２０】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２１】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、７；距離センサ、
８；ｘ方向自動ステージ、９；ｙ方向自動ステージ、１０；光源、
１１；格子パターン、１２；レンズ、１３；受光素子。
【図１】
0003845286.tif 000002
【図２】
0003845286.tif 000003
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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