CN101393016A - 三维形状测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种三维形状测量装置，是一种可缩短测量时间而进行三维测量的技术。光路形成部接收来自宽频带光源的宽频带光，使其分支入射到参考光路和测量光路，并将来自参考镜的反射光与来自被测量物的反射光进行合波后向拍摄机构输出。另一方面，光路长度可变机构使测量光路的光路长度发生变化。拍摄机构在相对于该光路长度的变化而产生混叠现象的时序，对来自光路形成部的输出进行拍摄，从而获取含有干涉条纹的干涉条纹数据。光路长度检测机构从拍摄机构所获取的干涉条纹数据中将因混叠现象所产生的频率成分予以去除，而求出显示出干涉条纹的特征值的特定光路长度。

Description

三维形状测量装置

技术领域

本发明涉及一种使用具有多个频谱(spectrum)(以下，以波长进行说明)的宽频带光(例如，白色光)的干涉现象来对被测量物的形状进行立体测量的三维形状测量装置。特别是涉及一种在三维形状测量装置中缩短求出产生干涉条纹的光路长度的时间的技术，所述三维形状测量装置是在使宽频带光的一部分入射至远端具有参考镜的参考光路，使宽频带光的另一部分入射至远端具有被测量物的测量光路，利用来自参考镜(反射镜)及被测量物的各返回光而产生干涉的干涉部(干涉仪)中，根据使参考光路或者测量光路的任一个的光路长度发生变化而获得的干涉条纹产生时的光路长度，来测量被测量物的形状。

背景技术

通常，所述的使用干涉现象的形状测量装置中利用了以下现象，即：当参考光路和测量光路双方的光路长度变得相等时，干涉条纹会显示出最大亮度。也就是说，使参考光路或者测量光路的任一个的光路长度发生变化(以下，假设使参考光路的光路长度固定，而使测量光路的光路长度发生变化，从而进行说明)，将此时产生的干涉条纹显示出最大亮度的位置的光路长度(光路长度的变化量：以下称为“特定光路长度”)作为光路长度的变化方向上的被测量物的位移而进行测量(专利文献1)。

在专利文献1中，根据随着时间的变化而使光路长度发生变化所获得的干涉光，分波成B成分(蓝色的频带成分)、G成分(绿色的频带成分)及R成分(红色的频带成分)，分别检测出相对于光路长度变化的干涉条纹的相位的变化，并将三者的相位一致时的光路长度认定为干涉条纹显示出最大亮度的位置的特定光路长度。再根据所认定的特定光路长度来进行形状测量。

专利文献1：日本专利特愿2006-371632号

通常，形状测量装置要对较多数量的被测量物实施测量，所以期望测量时间能稍许缩短。在缩短测量时间时，作为改善的对象要素，有光路长度的可变时间(或者速度)、相机的拍摄时间和拍摄次数等，但拍摄时间受到相机的拍摄元件所固有的最小曝光时间的制约。

因此，以下从测量时间的观点来考察现有技术。在专利文献1的情况下，是根据干涉光的数据来指定干涉条纹的相位，从而求出特定光路长度，而此时是从干涉光的模拟数据转换成表示干涉光的数字数据，并对时间区域(光路长度区域)的数据进行FFT(Fast Fourier Transformation，快速傅立叶转换)处理，在频率区域上分离成各频带成分，并再次在时间区域上获得各频带成分的干涉条纹，求出其相位的一致点。此时，为了由所获取的数字数据再现干涉条纹，通常必须根据采样定理等，在想要再现的干涉条纹的每1周期至少能获取3点(point)的数据的重复的获取时序(timing)转换成数字数据。

通常，形状测量装置中使用干涉法所测量出的干涉条纹是通过其数字数据，以如图7(A)所示相对于变化的光路长度的亮度变化而示意性地表示的，其频谱分布如图7(B)所示在频率对振幅的座标上表示。众所周知，此时图7(A)的干涉条纹的包络线宽度Δt(例如，半值宽：波峰的亮度值成为1/2时的横轴的宽度)与图7(B)的频率的频带宽ΔF(例如，半值宽：波峰的振幅成为1/2时的横轴的宽度)存在着相关性。因此，根据包络线宽度Δt，可以获得如图7(B)所示频带宽ΔF变窄，从而在下部的频带存在ΔFc的空间(space)的条件。也就是说，可以获得下述条件，即：如图7(B)的两点链线所示，频带宽ΔF不会成为频率接近0(直流成分)的宽频带。

从采样定理而言，只要采样频率Fs是充分高于干涉条纹中所含的最高频率成分的频率，就可以如图7(B)所示再现本来的干涉条纹所具有的频率成分，但随着该采样频率Fs的降低，会产生混叠现象(aliasing)。也就是说，如图7(C)所示，本来所需的频率成分(实线部分)与混叠现象引起的折返频率成分(虚线部分)随着再现的频率的下降(与分频的情况相同)，而如图7(D)所示彼此接近，然后如图7(E)所示成为高低巨变的状态。

因此，本发明者着眼于接下来的情况。也就是说，如图7(B)所示，因为干涉条纹自身的频带特性中存在ΔFc的空间，所以通过选择采样频率Fs，就可以如图7(E)所示成为所需的频率成分与折返频率成分在频率上分离开来的状态。因此，如图7(F)所示利用滤波器来去除折返频率成分，并且使采样频率进一步降低，这样使频率轴与频率的降低相应地伸长，从而可进行再现。

这样的话，即使是比满足采样定理的频率低的频率，也可以获得干涉条纹的所需的频率成分。也就是说，着眼于与采样频率Fs的降低相应地减少数据获取次数，从而实现测量时间的缩短。

由此可见，上述现有的形状测量装置在结构与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决上述存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般产品又没有适切结构能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。因此如何能创设一种新型的三维形状测量装置，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前业界极需改进的目标。

有鉴于上述现有的形状测量装置存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新型的三维形状测量装置，能够改进一般现有形状测量装置，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经过反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有的三维形状测量装置存在的缺陷，而提供一种新型的三维形状测量装置，所要解决的技术问题是使其能缩短测量时间，非常适于实用。

本发明提供了一种三维形状测量装置，其具备：宽频带光源，输出具有多个频谱的宽频带光；光路形成部，使所述宽频带光分支入射到具有参考镜的参考光路和配置有被测量物的测量光路，并使来自所述参考镜的反射光和来自被照射的所述被测量物的照射范围的照射位置的各反射光进行合波后输出；光路长度可变机构，使所述参考光路或者所述测量光路的任一个的光路长度发生变化；拍摄机构，相对于由所述光路长度可变机构导致的所述光路长度的变化，在规定的采样时序对来自所述光路形成部的输出进行拍摄，从而获取含有干涉条纹的干涉条纹数据；以及光路长度检测机构，根据从所述拍摄机构输出的所述干涉条纹数据，而求出显示出所述干涉条纹的特征值时的特定光路长度，该三维形状测量装置根据所求出的所述特定光路长度来测量所述被测量物的形状，

所述拍摄机构拍摄时的所述规定的采样时序，是在所述光路成分的输出中所含的干涉条纹中产生混叠现象的时序，该采样时序设为在频率区域可分离成想要的实频率成分和因所述混叠现象产生的频率成分的时序，进而，

所述光路长度检测机构具备：干涉条纹数据选择部，将由所述拍摄机构在所述规定的采样时序获取的干涉条纹数据转换成频率区域的数据，并将所述混叠现象产生的无用成分除外，而选择所述实频率成分产生的新的干涉条纹数据；以及光路长度计算部，根据所述新的干涉条纹数据，求出显示出所述干涉条纹的特征值的所述特定光路长度。

前述的三维形状测量装置，其中所述干涉条纹数据选择部将从所述拍摄机构输出的干涉条纹数据以基于所述采样时序的样品数据数来进行傅立叶转换，从而进行所述频率区域的数据转换，并在该频率区域上将所述混叠现象产生的无用成分除外，以此来选择该频率区域的新的干涉条纹数据，所述光路长度检测部将该频率区域的新的干涉条纹数据的所述采样数据数转换成基于采样定理的样品数据数，然后对该频率区域的新的干涉条纹数据进行逆傅立叶转换，以转换成时间区域的新的干涉条纹数据，并根据该时间区域的新的干涉条纹数据而求出显示出所述干涉条纹的特征值的所述特定光路长度。

前述的三维形状测量装置，其中所谓相对于由所述光路长度可变机构导致的所述光路长度的变化而产生所述混叠现象的时序，是指在将所述宽频带光的大致中心波长设为λ时，由该光路长度可变机构导致的该光路长度的变化超过λ/6的间隔。

前述的三维形状测量装置，其中所述拍摄机构以固有的最小曝光时间进行拍摄，且在将所述光路长度可变机构使所述光路长度发生变化的速度设为v时，将所述光路长度的变化超过λ/(6v)的时间间隔作为所述时序而进行拍摄。

前述的三维形状测量装置，其中所述光路长度检测机构具有波长选择部，从所述干涉条纹数据选择部所选择的所述新的干涉条纹数据中提取至少两个波长成分，所述光路长度计算部根据所述提取的至少两个波长成分的相位差大致成为零的所述光路长度作为所述特定光路长度而求出。

借由上述技术方案，本发明三维形状测量装置至少具有下列优点及有益效果：

为达到上述目的，必须考察干涉条纹的包络线宽度Δt、频带宽ΔF及其最高频率Fh之间的关系，而通常干涉条纹的周期是宽频带光源的光源的中心波长的周期λ的约1/2，所述宽频带光源成为产生原本的干涉的源。此时的干涉条纹的包络线宽度Δt如上所述，依赖于该宽频带光源的频带宽ΔF。通常，因为满足ΔF<<[1/(λ/2)]<Fh，所以能够如图7(B)所示在下部的频带中充分地具有空间ΔFc(＝Fh-ΔF)。

根据本发明，其构成为，在产生混叠现象的时序获取(采样)干涉条纹数据，将因该混叠现象产生的无用频率成分被去除而测量出位移，因此，以产生混叠现象的方式延长数据获取时序的期间，也就是说，减少数据获取次数，可减少相应的光学处理时间，从而可缩短测量时间。即，作为主要的测量时间，如果用[光路长度可变时间+数据获取次数×(曝光时间⁺获取处理时间)]来表示，则可以与数据获取次数的减少相应地缩短测量时间。

综上所述，本发明一种三维形状测量装置，是一种可缩短测量时间而进行三维测量的技术。光路形成部接收来自宽频带光源的宽频带光，使其分支入射到参考光路和测量光路，并将来自参考镜的反射光与来自被测量物的反射光进行合波后向拍摄机构输出。另一方面，光路长度可变机构使测量光路的光路长度发生变化。拍摄机构在相对于该光路长度的变化而产生混叠现象的时序，对来自光路形成部的输出进行拍摄，从而获取含有干涉条纹的干涉条纹数据。光路长度检测机构从拍摄机构所获取的干涉条纹数据中将因混叠现象所产生的频率成分予以去除，而求出显示出干涉条纹的特征值的特定光路长度。本发明具有上述诸多优点及实用价值，其不论在产品结构或功能上皆有较大改进，在技术上有显著的进步，并产生了好用及实用的效果，且较现有的三维形状测量装置具有增进的突出功效，从而更加适于实用，诚为一新颖、进步、实用的新设计。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是表示第1实施方式的功能构成的图。

图2是用以说明干涉条纹的图。

图3是表示改变了图1的光路长度检测机构后的第2实施方式的图。

图4(A)、图4(B)、图4(C)、图4(D)、图4(E)是用以说明图3的干涉条纹数据选择部的动作的图。

图5是用以说明图3的光路长度决定机构的动作的图，表示各频率成分的干涉条纹。

图6是用以说明图3的光路长度决定机构的动作的图，表示各频率成分的相位特性。

图7(A)、图7(B)、图7(C)、图7(D)、图7(E)、图7(F)是用以说明在第1实施方式中去除了混叠现象的影响而求出干涉条纹的动作的图。而且，图7(A)、图7(B)、图7(C)、图7(D)、图7(E)、图7(F)是用以在“背景技术”一栏中对本发明的背景进行说明的图。

1：光源                       2：准直透镜

3：分光镜                     4：物镜

5：分光镜                     6：参考镜

7：被测量物                   8：压电部

9：成像透镜                   10：相机

13：存储器                    14：光路长度检测机构

14a、14e：干涉条纹数据选择部  14c：光路长度计算部

14d：波长选择部               14、14f：光路长度计算部

14f1：B相位计算部             14f2：G相位计算部

14f1m：R相位计算部             14f4：光路长度决定机构

15：位移运算机构               16：光路长度控制机构

18：用户界面                   20、20a：信号处理机构

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的三维形状测量装置其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例的详细说明中将可清楚呈现。通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得一更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

使用附图来说明本发明的实施方式。图1是表示第1实施方式的功能构成的图。图2是用以说明干涉条纹的图。图3是表示改变了图1的光路长度检测机构后的第2实施方式的图。图4(A)、图4(B)、图4(C)、图4(D)、图4(E)是用以说明图3的干涉条纹数据选择部的动作的图。图5、图6是用以说明图3的光路长度可变机构的动作的图，图5表示各频率成分的干涉条纹，图6表示其相位特性。图7(A)、图7(B)、图7(C)、图7(D)、图7(E)、图7(F)是用以说明在图1的实施方式中去除了混叠现象的影响而求出干涉条纹的动作的图。另外，图7(A)、图7(B)、图7(C)、图7(D)、图7(E)、图7(F)是用以在“背景技术”一栏中对本发明的背景进行说明的图。

1.第1实施方式的整体构成

如上所述，第1实施方式的构成是：从在比满足采样定理的时序晚的时序，也就是从在产生混叠现象的时序由作为拍摄机构的相机10拍摄所得的各个数据中，去除因混叠现象产生的无用成分，而提取出与本来的在满足采样定理的时序所获得的干涉条纹同等的数据，接着，将该提取的干涉条纹的强度峰值产生的光路长度(也可以是使光路长度发生变化直到产生干涉条纹为止时的光路长度的变化量)作为特定光路长度(位移)而求出。

以下的说明中，在使测量光路的光路长度发生变化时，有时将产生干涉条纹的光路长度(使光路长度发生变化直到产生干涉条纹为止时的光路长度的变化量)称为“特定光路长度”，其表示该被测量物的形状的位移。

图1中，为了引起干涉，光源1使用具有遍及宽频带的多个波长成分且出射相干性(coherency)较低的光的白色光源。准直透镜(collimatorlens)2将来自光源1的白色光(宽频带光)聚光后送向分光镜(beamsplitter)3。分光镜3将白色光的方向转换后送向物镜4。物镜4使白色光成为平行光后送向分光镜5(光路形成部)。分光镜5将从物镜4接收的白色光向两个方向分支，其中一个作为测量光而送向被测量物7(将从分光镜5向被测量物7的光路作为测量光路)，另一个则作为参考光而送向参考镜6(将从分光镜5向参考镜6的光路作为参考光路)。在本例中，分光镜5与参考镜6之间是固定的，也就是说，参考光路的光路长度设为一定的固定长度。

也可以用半透明反射镜(half mirror)来代替分光镜5而构成。

测量光路的构成为，利用白色光来同时照射被测量物7的表面上的想要测量的所需的照射范围。

被测量物7安装在作为光路长度可变机构的压电部(piezo)8上。压电部8由压电元件构成，在来自光路长度控制机构16的指示下，使被测量物7相对于XY平面(与图1的纸面正交的面)而向Z轴方向(图1的纸面的上下方向)连续地位移(移动)，从而以规定速度来对测量光路的光路长度进行可变控制。

另外，这里，作为本发明的使光路长度发生变化的可变方法，是连续的可变，且使可变速度成为固定，从而进行说明，但与下述的相机等的数据获取时序相比，也可以呈细小的阶梯状而变化。

压电部8是在光路长度控制机构16的控制下，使测量光路的光路长度相对于分光镜5的固定位置而发生变化的机构(光路长度可变机构)。另外，这里是使参考光路的光路长度固定而使测量光路的光路长度发生变化来进行说明，但为了生成干涉条纹，也可以是如下的构成：将压电部8安装在参考镜6上，使测量光路固定，而使参考光路的光路长度可变。

从参考镜6以及被测量物7分别反射而来的白色光(以下，有时称为“返回光”)由分光镜5进行合波(合成)，再由物镜4进行聚光。返回光通过分光镜3并在成像透镜9的作用下成为平行光后输入到相机10。

此时，在来自光路长度控制机构16的指示下，根据压电部8使测量光路的光路长度发生变化的距离(或者变化时的时间间隔)，相机10对返回光进行拍摄，以此来拍摄返回光产生的干涉条纹(实际上，所述拍摄只是对返回光进行拍摄，但其中包含了随后展现拍摄数据时出现的返回光的干涉条纹，所以表述为“拍摄干涉条纹”)。所拍摄到的干涉条纹被存储在存储器13中。此时，如上所述，测量光路的构成是利用白色光同时照射被测量物7的所需的整个照射范围，所以拍摄到与来自照射范围的各照射位置、即与来自想要测量的位置(以下，称为“测量位置”)的返回光相对应的干涉条纹。

另外，作为图1的光学***的变形，也可以构成如下所述的光学***，即，在测量光路和参考光路上分别配置物镜，以取代物镜4在图1上的位置，所以本发明并不限于图1的光学***。但是，以下按照图1来说明。

相机10的拍摄时序及存储器13的存储时序是本发明中的数据的获取时序，都是由光路长度控制机构16同步输出。也就是说，光路长度控制机构16以规定的速度对压电部8发出光路长度的可变指示，另一方面，生成规定时间间隔的时序信号并发送给相机10及存储器13，在此时序获取数据。即，相机10及存储器13在该时序信号的时序，取入并存储返回光的拍摄数据(成为表示返回光的亮度的亮度数据)。

一般而言，宽频带光的干涉条纹具有宽频带光的中心波长λ的一半的重复周期。在获取该λ/2周期的波形并进行再现时，为了防止混叠现象的产生，通常在该周期中要求三个数据，所以必须在比λ/(2×3)更早的重复的时序获取数据。

本发明中，因为是在产生混叠现象的时序获取数据，所以相机10的摄影时序及存储器13的存储时序是比λ/6晚(长)的重复周期(以下，有时称为“采样时序Fs”)。具体而言，如果将光路长度控制机构16驱动压电部8而将光路长度可变的速度设为v，则光路长度控制机构16将比λ/6v晚的时间间隔的控制信号发送给相机10及存储器13，在该控制信号的时序获取数据。光路长度控制机构16在对压电部8进行步进驱动而非模拟驱动时，生成比λ/6v早的时间间隔的时序信号，从而对压电部8发出光路长度的可变指示。

结果，存储器13将该时序信号的时间间隔作为地址(address)而存储了拍摄数据。这些时序的行进方向(即地址方向)表示光路长度方向(Z轴方向)。此时，将该拍摄数据与测量位置(Xm，Yp)对应而存储着。测量位置(Xm，Yp)的信息是与相机10的拍摄元件的位置相对应的XY方向的象素的位置。图2中表示了根据存储器13中所存储的数据，通过接下来要说明的信号处理机构20的处理而获得的干涉条纹的一例。

信号处理机构20具备光路长度检测机构14和位移运算机构15。

如图1所示，光路长度检测机构14由干涉条纹数据选择部14a、光路长度计算部14c构成。干涉条纹数据选择部14a接收来自存储器13的拍摄数据，例如接收该测量位置(Xm，Yp)的数据，并通过FFT(傅立叶转换)而转换成频率区域的数据。这样，如图7(E)所示，由于存在因混叠现象产生的频率成分(图7(E)的虚线部分)与本来的干涉条纹的频率成分的各数据，所以使用滤波器来进行分离，将混叠现象产生的频率成分予以去除，从而分离并取出干涉条纹的成分(图7(E)实线部分)。

然后，如图7(F)所示，干涉条纹数据选择部14a使频率轴还原成本来的频率轴，也就是说，将比例尺还原成在遵照采样定理而不产生混叠现象的采样时序进行采样时的频率区域的频率轴(为了用比本来的采样频率低的频率来进行采样，而利用所谓的频率轴被分频的形式来表示，所以使频率轴还原)，再次转换成时间区域的数据，即，作为干涉条纹数据而发送给光路长度计算部14c(图2是此时的干涉条纹的数据)。

另外，在图2的干涉条纹的波形中，作为干涉条纹的特征值的干涉条纹的大致中央的波峰位置，是上述参考光路的光路长度与测量光路的光路长度变得相同的情况。而且，白色光的干涉条纹的波长是由作为宽频带光的要素的各波长合成所制作，此波长是这些频带的大致中央的波长λ的1/2。而且，图2的白色光的干涉条纹向光路长度方向的扩展，也就是干涉条纹的包络线的宽度Δt，是取决于白色光的相干性的程度(相干(coherence)长度)，换言之，取决于频率区域的频率成分的宽度ΔF。相干性越低(相干长度越长)、即ΔF越大，则宽度Δt会变得越窄(参照图7(A)、图7(B))。如果将干涉条纹的频率成分的最高频率设为Fh，则频率成分的宽度ΔF满足ΔF<<[1/(λ/2)]<Fh，而且，如果使宽度ΔF减小(使相干性变好(使相干长度变短))，则干涉条纹的振幅会变得大致固定而波峰会消失，因此，以使干涉条纹的宽度Δt成为可把握干涉条纹的峰值的程度的方式，来决定宽度ΔF。例如，以下进行示意性说明，如果以使宽度ΔF低于最高频率Fh/2的方式来决定光源1的频带宽，则如图7(E)所示，采样后的频带区域中的右半部分被分成干涉条纹的实频率成分，而左半部分被分成因混叠现象产生的频率成分(折返频率成分)，且可通过将Fh/2设为截止(cut)频率的高通滤波器(high pass filter)而仅提取干涉条纹的实频率成分。即，获得已将无用成分即折返成分除外的频率数成分。

光路长度检测机构14对已将因混叠现象产生的频率成分(折返成分)除外的实频率成分进行逆FFT处理后转换成时间区域的新的干涉条纹，并求出所述新的干涉条纹的波峰位置，从而决定此位置的光路长度(特定光路长度)。所谓“波峰位置”(或者“波峰的位置”)，是指白色光的干涉条纹的亮度(振幅)变为最大(以下，称为“波峰”)的横轴上的位置，图2中，横轴是上述测量光路的光路长度方向(Z轴方向：图1的纸面的上下方向)，而且是光路长度可变时的时间轴方向(利用相机10以规定时间间隔进行拍摄时的时间轴方向)。

另一方面，存储到存储器13中的拍摄数据是在存储于存储器13中的存储时序(采样时序)而被存储的(图2是将所述拍摄数据连结起来而连续表现的图)，所以光路长度检测机构14从干涉条纹数据选择部14a接收与干涉条纹有关的离散的数据。这样，因为数据是离散的，所以虽然有时振幅的极大点与包络线的波峰位置并不一致，但是由于具有顺滑的特性，因而也可以根据前后的振幅的极大点，通过内插运算来求出包络线的波峰位置。例如，作为根据离散的拍摄数据而求出干涉条纹的波峰的方法，有如下技术：使光路长度阶段性地变化，并根据对应每个所述变化的规定的光路长度所拍摄的离散的拍摄数据，来进行接下来的处理。利用数字高通滤波器从拍摄数据所获得的干涉条纹的数据中将直流成分除外。将成为交流成分的数据予以平方而进行整流。利用使比整流后的重复成分低的重复成分予以通过的数字低通滤波器来进行积分，计算出干涉条纹的包络线数据。即，进行通常的包络线检波。此时，根据波峰位置的精细度的要求，在整流后的重复成分之间例如以平方特性来进行内插，并对内插后的重复成分进行积分而求出包络线数据。求出成为此包络线数据的波峰的位置。另外，如日本专利特开平9-318329号公报中所记载的，信号处理机构20也可以利用离散处理来求出波峰位置，而不管拍摄数据的时序(时间间隔)和干涉条纹的周期如何。

位移运算机构15根据图2的例如测量位置(Xm，Yp)上的特定波长t1和以相同方式求出的基准测量位置(Xs，Ys)上的特定波长ts之差ts-t1而求出相对于基准测量位置的测量值的被测量物的形状的位移，即，被测量物7的测量范围的各测量位置上的干涉条纹的波峰位置的光路长度，也就是各特定光路长度。

2.第2实施方式

根据图3、图4(A)、图4(B)、图4(C)、图4(D)、图4(E)及图5来进行说明(其中，图4(A)、图4(B)、图4(C)、图4(D)、图4(E)是用以说明动作原理的的图)。图1的第1实施方式是根据振幅而求出干涉条纹的波峰位置，与此相对，第2实施方式是将多个频率成分、例如红色成分的波长的相位与绿色成分的波长的相位相一致的光路长度作为特定光路长度而求出。第2实施方式中将图1的信号处理机构20替换成图3的信号处理机构20a，进而使图5的相机10成为彩色相机。因此，图1中，光源1是在遍及宽频带的多个波长成分中含有至少两个波的波长频带的成分的光源，这里，例如使用含有红、绿各色的波长频带的光源。也可以将红、绿各色的波长的光加以合成而使用。信号处理机构20a以外的其他的构成、动作、时序等与图1相同。以下，对信号处理机构20a进行说明。

图3中，干涉条纹数据选择部14e与图1的干涉条纹数据选择部14a基本上相同，但由于所述干涉条纹数据选择部14e也是本发明的主要构成之一，所以使用图4(A)、图4(B)、图4(C)、图4(D)、图4(E)来说明。干涉条纹数据选择部14e是在相机10或存储器13如上所述引起混叠现象的采样时序(比λ/6长的期间的时序)获取数据，所以将来自存储器13的时间区域数据通过FFT而转换成频率区域数据，并滤除因所述混叠现象产生的无用成分，以获取干涉条纹的频率成分，并发送给波长选择部14d，利用波长选择部14d，使频率轴还原成原本的时间轴上的干涉条纹。

干涉条纹数据选择部14e利用滤波器，来选择且保留通过FFT所获得的图4(D)的数据中的右半部分的数据(图4(D)中以淡灰色表示的数据)以作为所需的数据，而将处于前一个频带中的无用成分予以去除。然后使图4(D)的频率轴伸长(图4(E)的灰色区域所示的右半部分)而还原，并发送给波长选择部14d。

这里，使用图4来进行全盘的原理性的说明。图4(A)是红色、绿色的各波长成分的干涉条纹，是在满足采样定理的采样时序T0(比所述λ/6v早的时序)进行测量的情况下的一例。图4(B)是转换成图4(A)的频率区域的数据。而且，此时，通过滤波器来选择左半部分的数据并加以利用。如本发明所示，例如，如果在满足采样定理的采样时序T0的一半处且在产生混叠现象的时序获取(采样)数据，则可取代图4(A)而获得图4(C)的时间区域的数据。作为频率区域的数据，取代图4(B)的数据而获得如图4(D)所示在与图4(B)频率成分的分布相比时左右分布发生了调换的数据。即，图4(B)的右侧的无用成分因混叠现象而出现在图4(D)的左侧的频率位置，而图4(B)的左侧的本来的干涉条纹的成分则出现在图4(D)的右侧的频率位置。而且，图4(D)的频率轴与图4(B)的频率轴相比，在采样频率的关系上成为一半。因此，图4(B)的左侧的成分波形与图4(D)的右侧的成分波形相同，所以只要利用滤波器来将其分离，且如图4(E)所示改变比例尺，就可以获得本来想要获得的图4(B)的左半部分的频率成分的数据。

以下对时序关系进行具体说明。例如，如果利用相机10的基于采样定理的采样时序T0的x倍(所述图4(c)中为2倍)的时序所达成的样品数据数m，将时间区域的干涉条纹数据通过FTT处理而转换成频率区域数据，并且如果将基于采样定理的采样时序T0的样品数据数设为n时，则m＝n/x，且相应地频率数轴上的刻度作缩小处理。即，如上所述以分频的形态来表示。因此，干涉条纹数据选择部14e在改变图4(D)的频率轴的比例尺，并如图4(E)所示与基于采样定理的频率轴(与图4(B)相同)相同地进行处理时，将进行FFT处理时所处理的样品数据数设为m个，除此以外，仅对数Δn＝n-m＝n(x-1)/x利用值为0的数据来进行补充(0填充(padding))处理。即，对样品数据数变少而空白的n-m的频率区域利用0的数据来进行填充。另外，从理论上而言，由于频率轴比例尺只缩小了n/x，因而也可以不改变样品数据数，而将此频率轴上的刻度换读成x倍来处理。而且，由所述FFT产生的样品数据数与频率轴的关系即使在所述的实施方式1中也相同。

图3中，波长选择部14d接收从干涉条纹数据选择部14e发送而来的频率区域的数据，并通过滤波器而将频率分成例如蓝色(B)成分、绿色(G)成分、红色(R)成分这三类，再将所述各个成分发送给光路长度计算部14f。在光路长度计算部14f内，在接收到各个成分并进行逆傅立叶转换所得的时间区域的干涉条纹数据中，B相位计算部14f1、G相位计算部14f2、R相位计算部14f1m分别求出所符合的成分的相位变化(例如，通过正交解调而求出相位)。图5表示相对于光路长度的变化(横轴)的所述各相位变化(纵轴)。而且，如图6所示，光路长度决定机构14f4将所述三种成分的相位一致的光路长度决定为该测量位置上的特定光路长度。此时，因为数据是离散的，所以在难以指定相位一致点的光路长度的情况下，使用如上所述的内插等方法。

在所述构成中，信号处理机构20、20a以及光路长度控制机构16可由中央处理器(Central processing unit，CPU)及存储器构成。

如上所述，由于可在产生混叠现象的时序获取数据而进行测量，所以可减少数据获取的次数。因此，作为主要的测量时间，如果用[光路长度可变时间+数据获取次数×(曝光时间+获取处理时间)]来表示，则可以与数据获取次数的减少相应地缩短测量时间。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1、一种三维形状测量装置，其具备：宽频带光源(1)，输出具有多个频谱的宽频带光；光路形成部(5)，使所述宽频带光分支而入射到具有参考镜的参考光路和配置有被测量物的测量光路，并使来自所述参考镜的反射光和来自被照射的所述被测量物的照射范围的照射位置的各反射光进行合波后输出；光路长度可变机构(8)，使所述参考光路或者所述测量光路的任一个的光路长度发生变化；拍摄机构(10)，相对于由所述光路长度可变机构导致的所述光路长度的变化，在规定的采样时序对来自所述光路形成部的输出进行拍摄，从而获取含有干涉条纹的干涉条纹数据；以及光路长度检测机构(14)，根据从所述拍摄机构输出的所述干涉条纹数据，而求出显示出所述干涉条纹的特征值时的特定光路长度，该三维形状测量装置根据所求出的所述特定光路长度来测量所述被测量物的形状，该三维形状测量装置的特征在于：

所述拍摄机构拍摄时的所述规定的采样时序，是对所述光路成分的输出中所含的干涉条纹产生混叠现象的时序，该采样时序设为在频率区域可分离成想要的实频率成分和因所述混叠现象产生的频率成分的时序，进而，

所述光路长度检测机构具备：干涉条纹数据选择部(14a)，将由所述拍摄机构在所述规定的采样时序获取的干涉条纹数据转换成频率区域的数据，并将所述混叠现象产生的无用成分除外，而选择所述实频率成分产生的新的干涉条纹数据；以及光路长度计算部(14c)，根据所述新的干涉条纹数据，求出显示出所述干涉条纹的特征值的所述特定光路长度。

2、根据权利要求1所述的三维形状测量装置，其特征在于：

所述干涉条纹数据选择部将从所述拍摄机构输出的干涉条纹数据以基于所述采样时序的样品数据数来进行傅立叶转换，从而进行所述频率区域的数据转换，并在该频率区域上将所述混叠现象产生的无用成分除外，以此来选择该频率区域的新的干涉条纹数据，

所述光路长度检测部将该频率区域的新的干涉条纹数据的所述采样数据数转换成基于采样定理的样品数据数，然后对该频率区域的新的干涉条纹数据进行逆傅立叶转换，以转换成时间区域的新的干涉条纹的包络线数据，并根据该时间区域的新的干涉条纹数据而求出显示出所述干涉条纹的特征值的所述特定光路长度。

3、根据权利要求1或2所述的三维形状测量装置，其特征在于：

所谓相对于由所述光路长度可变机构导致的所述光路长度的变化而产生所述混叠现象的时序，是指在将所述宽频带光的大致中心波长设为λ时，由该光路长度可变机构导致的该光路长度的变化超过λ/6的间隔。

4、根据权利要求1或2所述的三维形状测量装置，其特征在于：

所述拍摄机构以固有的最小曝光时间进行拍摄，且在将所述光路长度可变机构使所述光路长度发生变化的速度设为v时，将所述光路长度的变化超过λ/(6v)的时间间隔作为所述时序而进行拍摄。

5、根据权利要求1或2所述的三维形状测量装置，其特征在于：

所述光路长度检测机构具有波长选择部(14d)，从所述干涉条纹数据选择部所选择的所述新的干涉条纹数据中提取至少两个波长成分，

所述光路长度计算部根据所述提取的至少两个波长成分的所述时间区域的新的干涉条纹数据，将它们的相位差大致成为零的所述光路长度作为所述特定光路长度而求出。

Images