JP2001201324A

JP2001201324A - 形状計測装置

Info

Publication number: JP2001201324A
Application number: JP2000014257A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Fukuda; 正浩福田; Hitoshi Kamezawa; 仁司亀沢; Kyoichi Hirouchi; 恭一廣内
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 2000-01-20
Filing date: 2000-01-20
Publication date: 2001-07-27
Also published as: US6697163B2; US20010024280A1

Abstract

(57)【要約】【課題】２枚のＣＣＤを用いてダイナミックレンジを拡
大した受光部を有する形状計測装置のＣＣＤ相互の位置
ずれに起因する誤差の影響を低減する。【解決手段】ラインセンサ４１ａ，４１ｂ間の位置ず
れを高精度に補正する第１データ処理部７１と位置ずれ
補正をラフにして高速測定を可能にする第２データ処理
部７２とを備える。第１データ処理部７１ではラインセ
ンサ４１ａ，４１ｂの受光データを一旦、画像メモリ７
１１に記憶し、位置ずれ補正部７１２，７１５でデータ
メモリ７１６に記憶されたＸ方向の位置ずれ量ΔｘとＺ
方向の位置ずれ量Δｚとを用いてそれぞれ位置ずれに起
因する誤差を補正する。第２データ処理部７２では画素
ずれ補正部７２１で一方のセンサからの受光データを画
素ピッチ単位の位置ずれ量に基づき遅延させてＸ方向の
位置ずれを補正し、位置ずれ補正部７２４でＺ方向の位
置ずれを補正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物体の表面形状を
非接触で計測する形状計測装置に関し、具体的にはダイ
ナミックレンジを拡大するべく２個の受光素子を有する
受光部を備えた形状計測装置の当該受光素子間相互の位
置ずれを補正する技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＣＣＤ（Charge-Coupled Devic
e）のダイナミックレンジを拡大する方法として、図１
２に示すように２個のＣＣＤ１００，１０１と光量の分
割比の大きいハーフプリズム１０２とを用いた方式（以
下、この方式をＣＣＤ２板方式という。）が知られてい
る。

【０００３】この方式は、ハーフプリズム１０２の互い
に直交する２つの出射面１０２ａ，１０２ｂに対向して
それぞれＣＣＤ１００とＣＣＤ１０１とが配置され、ハ
ーフプリズム１０２で入射光束の光量を、例えばＬ１：
Ｌ２＝９９：１のように大きい比率で２分割してＣＣＤ
１００とＣＣＤ１０１とにそれぞれ明るい画像と暗い画
像とを結像させ、両ＣＣＤ１００，１０１で別々に撮像
された画像を合成してダイナミックレンジを拡大するも
のである。

【０００４】ＣＣＤ１０１では入射光量がＬ２／（Ｌ１
＋Ｌ２）＝０．０１に抑制されているので、入射光量が
ＣＣＤ１００の受光感度を越えた場合にも受光可能であ
る。従って、入射光量がＣＣＤ１００の受光感度内であ
るときは、ＣＣＤ１００の撮像画像を使用し、ＣＣＤ１
００の受光感度を越えると、明るさを（Ｌ１＋Ｌ２）／
Ｌ２倍に調整してＣＣＤ１０１の撮像画像を使用するよ
うに両撮像画像を合成することでＣＣＤのダイナミック
レンジが拡大されるようになっている。

【０００５】ところで、上記従来のダイナミックレンジ
の拡大方式は２個の受光素子（ＣＣＤ）を用いているの
で、両受光素子の受光特性を合わせる必要があるととも
に、両受光素子の受光位置を合わせる必要がある。受光
位置の位置合せ方法としては、従来、両受光素子にそれ
ぞれ機械的な位置調整機構を設け、この位置調整機構を
用いて各受光素子の位置調整を行う方法（ハード的な位
置調整方法）が知られている。

【０００６】この機械的な位置調整機構は、受光素子の
位置精度を機械的精度で保証し得る点では優れている
が、μｍ単位の高い調整精度が要求されるとともに、６
軸方向の複雑な調整機構が必要で、位置調整作業が容易
でなく、装置の大型化、高価格化を招くという欠点があ
る。このため、受光素子に機械的な位置調整機構を設け
ないで、実際に取り付けられた２枚の受光素子の相対的
な位置のずれ量を製造時に測定してそのずれ量を補正値
としてメモリに記憶しておき、受光素子の受光データを
処理する際に当該補正値で当該受光素子の位置ずれに起
因する誤差を補正する方法（ソフト的な位置調整方法）
も知られている。

【０００７】このソフト的な位置調整方法は受光素子の
取付構造に対する負担は少なくなる反面、受光素子の受
光データを処理する度に補正値を用いた補正演算が必要
となるので、ＣＰＵ（中央演算処理装置）におけるデー
タ処理への負担が大きくなる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、測定対象物
の表面形状を非接触で計測する形状計測装置は、当該測
定対象物の高さ方向（垂直方向）をＹ方向、形状計測装
置と測定対象物とを結ぶ方向をＺ方向、Ｙ方向及びＺ方
向に直交する方向をＸ方向とすると、Ｘ方向と平行に配
置されたラインセンサからなる受光素子を備え、測定対
象物に対して所定の高さ位置（所定のＹ座標位置）に設
置して測定対象物からの反射光を受光素子で受光し、各
画素について（各Ｘ座標位置について）その受光信号を
用いて計測装置から（正確には受光素子から）測定対象
物表面までの距離（Ｚ座標に相当）を測定することによ
り、測定対象物表面の三次元データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を所
定の計測ピッチで計測するものである。

【０００９】形状計測装置では非接触で高精度の計測を
行うため、高感度かつダイナミックレンジの広い受光素
子を必要とする。しかし、現在、商品化されている受光
素子では所望のダイナミックレンジが得られないことが
あり、この場合は上述したようなダイナミックレンジの
拡大方法を適用する必要がある。

【００１０】ＣＣＤ２板方式を採用した場合、上述のよ
うに２個のラインセンサ間の位置ずれが問題となる。特
に、図１３に示すようにラインセンサの画素配列方向
（Ｘ方向）の位置ずれは、各画素位置が測定点のＸ座標
に対応するため、２個のラインセンサＡ，Ｂの受光信号
を切り替えて合成した際、異なる画素位置の受光信号が
合成され、測定精度に大きく影響する。

【００１１】図１４は、２個のラインセンサ間に画素配
列方向の位置ずれが生じている場合の測定精度への影響
を説明するための図である。

【００１２】同図において、最上段の白黒の帯ＣＨはテ
ストチャートであり、その下の２本の帯Ａ，Ｂはライン
センサである。ラインセンサＡ内のａ1，ａ2，…ａ12及
びラインセンサＢ内のｂ1，ｂ2，…ｂ12はそれぞれ画素
を示し、各画素は図１５に示す感度特性を有している。
同図に示すように、ラインセンサＡとラインセンサＢと
は画素配列方向に１画素分だけ相互に位置がずれてお
り、ラインセンサＡでは画素ａ1〜ａ6と画素ａ7〜ａ12
とでそれぞれテストチャートＣＨの白領域（輝度レベル
Ｂ_H）と黒領域（輝度レベルＢ_L）とが受光され、ライン
センサＢでは画素ｂ1〜ｂ5と画素ｂ6〜ｂ12とでそれぞ
れテストチャートＣＨの白領域と黒領域とが受光されて
いる。

【００１３】また、出力レベルのグラフのうち、上段の
グラフはラインセンサＡの出力レベルであり、中段のグ
ラフはラインセンサＢの出力レベルであり、下段のグラ
フはを両ラインセンサＡ，Ｂの出力レベルを合成したも
のである。なお、ラインセンサＢへの入射光量はライン
センサＡの入射光量の１／Ｎとし、下段のグラフではラ
インセンサＢの出力レベルをＮ倍してレベル調整後に合
成したもので表している。

【００１４】図１５に示すように白領域の輝度レベルＢ
_HはラインセンサＡの最大出力レベルＶmaxを越えている
ので、ラインセンサＡの画素ａ1〜ａ6の出力レベルは最
大出力レベルＶmaxに飽和し、画素ａ7〜ａ12の出力レベ
ルは黒領域の輝度レベルＢ _Lに対応した出力レベルＶ_Lと
なっている。一方、ラインセンサＢでは入射光量が１／
Ｎに逓減されているので、画素ｂ1〜ｂ5の出力レベルは
輝度レベルＢ_H／Ｎに対応した出力レベルＶ_Hの１／Ｎと
なり、画素ｂ6〜ｂ12の出力レベルは最小出力Ｖminに飽
和している。

【００１５】ＣＣＤ２板方式では、ラインセンサＡの画
素ａ1〜ａ6の出力レベルが飽和しているので、これらの
画素ａ1〜ａ6の出力レベルはラインセンサＢの対応する
画素ｂ1〜ｂ6の出力レベルに置換されて合成されるが、
下段のグラフに示すように画素ａ6に対応する出力レベ
ルが実質的に欠落することになる。この結果、画素ａ6
に対応するＸ座標位置において、Ｚ座標（測定対象物の
表面位置）を算出するための複数個の受光信号に信号の
欠落が生じ、その画素位置でのＺ座標が正確に得られな
くなる。

【００１６】図１３に戻り、ラインセンサの受光面に垂
直な方向（Ｚ方向）の位置ずれは、ラインセンサＡとラ
インセンサＢ間で受光量に差が生じ、画素配列方向（Ｘ
方向）の位置ずれが生じていない場合でもラインセンサ
Ａの受光信号とラインセンサＢの受光信号を切換合成し
た場合、ある画素位置において、Ｚ座標を算出するため
の複数個の受光信号にラインセンサＡの出力とラインセ
ンサＢの出力とが混在することがあり、その画素位置に
おけるＺ座標の演算誤差の要因となる。

【００１７】従って、形状計測装置においては、ＣＣＤ
２板方式によるダイナミックレンジ拡大方法を採用した
受光系を用いる場合、特にラインセンサの画素配列方向
（Ｘ方向）とラインセンサへの入射光束の光軸方向（Ｚ
方向）の位置ずれに起因する測定誤差を低減する必要が
ある。

【００１８】従来の受光素子の取付位置を機械的に調整
するハード的な位置ずれ調整方法では調整機構が装置の
大型化、複雑化、高価格化を招き、俄には形状計測装置
に採用し難い。

【００１９】そこで、総合的に検討すると、位置ずれに
起因する測定誤差を受光データの処理段階で信号処理や
演算処理もしくはこれらの組合わせにより補正する方法
が好ましいが、従来、ＣＣＤ２板方式によるダイナミッ
クレンジ拡大方法を採用した形状計測装置は知られてお
らず、ラインセンサの画素配列方向と入射光束の光軸方
向の位置ずれに起因する測定誤差を信号処理や演算処理
等により補正する技術も提案されていない。

【００２０】本発明は、上記課題に鑑みてなされたもの
であり、ＣＣＤ２板方式により受光素子のダイナミック
レンジを拡大するとともに、２個の受光素子間の画素配
列方向及び入射光束の光軸方向の両方向の位置ずれを演
算処理もしくは信号処理により補正することで高速かつ
高精度に測定対象物の三次元形状を計測し得る形状計測
装置を提供するものである。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明は、受光特性の等
しい少なくとも２個の受光手段と入射した光束を所定の
光量比率で分割し、それぞれ各受光手段に導く光分割手
段とからなる受光部と、測定対象物の表面で反射した光
束を上記受光部に導く物体側の焦点位置が移動可能な光
学系と、上記物体側の焦点位置を移動させるべく上記光
学系を駆動する駆動手段と、上記受光部の各受光手段か
ら出力される受光信号の合成処理を行う信号処理手段と
を備え、上記測定対象物からの反射光を上記受光部で受
光し、上記信号処理手段で合成処理された受光信号を用
いて当該測定対象物表面の位置を計測する形状計測装置
であって、上記信号処理手段は、上記受光手段間相互の
光束入射方向における位置ずれ量が記憶された記憶手段
と、上記受光部の各受光手段から出力される受光信号を
それぞれ記憶する信号記憶手段と、上記受光手段の一方
の受光信号に対する他方の受光信号の上記位置ずれ量に
基づく誤差を上記記憶手段に記憶された位置ずれ量に基
づいて補正する補正手段と、一方の受光手段の受光光量
が受光範囲を超えているとき、当該受光手段の受光信号
を受光光量が受光範囲を超えていない他方の受光手段の
受光信号に置き換えるように上記受光手段の受光信号を
合成する信号合成手段とからなることを特徴とするもの
である（請求項１）。

【００２２】この構成によれば、測定対象物の表面を反
射した光は光学系により受光部に入力され、この反射光
は光分割手段により所定の光量比率で分割され、それぞ
れ受光手段に導かれる。形状計測時には光学系の物体側
の焦点位置を移動させつつ所定の周期で受光部の露光が
繰り返し行なわれ、この露光により各受光手段で光電変
換された信号（受光信号）は信号処理手段に入力され
る。

【００２３】信号処理手段では、補正手段において一方
の受光手段の受光信号を基準として他方の受光手段の受
光信号の光束入射方向（受光手段の受光面に対して垂直
な方向。以下、この方向をＺ方向という。）における受
光手段間相互の位置ずれ量に基づく誤差が、記憶手段に
記憶された位置ずれ量に基づいて補正される。

【００２４】そして、一方の受光手段の受光光量が受光
範囲を超えているとき、当該受光手段の受光信号を受光
光量が受光範囲を超えていない他方の受光手段の受光信
号に置き換えるように、すなわち、一方の受光手段から
出力される受光信号のレベルが飽和しているとき、その
受光信号をレベルが飽和していない他方の受光手段の受
光信号に置換するように両受光手段の受光信号が合成さ
れ、この合成後の受光信号を用いて測定対象表面の位置
が計測される。

【００２５】これにより受光部のダイナミックレンジが
各受光手段のダイナミックレンジよりも拡大し、高い精
度で正確に測定対象表面の形状計測が可能となる。

【００２６】また、本発明は、上記形状計測装置におい
て、上記受光手段間の光束入射方向に対して垂直な方向
における位置ずれ量が記憶された第２の記憶手段と、上
記受光手段の一方の受光信号に対する他方の受光信号の
上記光束入射方向に対して垂直な方向における位置ずれ
量に基づく誤差を上記第２の記憶手段に記憶された位置
ずれ量に基づいて補正する第２の補正手段とを更に備え
たものである（請求項２）。

【００２７】この構成によれば、第２の補正手段により
一方の受光手段の受光信号を基準として他方の受光手段
の受光信号の光束入射方向に対して垂直な方向（受光手
段の受光面と平行な方向。以下、この方向をＸ方向とい
う。）における受光手段間相互の位置ずれ量に基づく誤
差が、第２の記憶手段に記憶された位置ずれ量に基づい
て補正される。これにより測定対象表面の形状計測精度
がより向上する。

【００２８】また、本発明は、上記形状計測装置におい
て、上記受光手段を光束入射方向に対して垂直な方向に
複数個の画素が配列されてなるラインセンサで構成した
ものであり（請求項３）、上記補正手段及び第２の補正
手段は、上記受光手段の画素毎に、受光信号の上記位置
ずれ量に基づく誤差を補正するようにしたものである
（請求項４）。

【００２９】この構成によれば、一方の受光手段の受光
信号を基準として他方の受光手段の受光信号のＸ方向及
びＺ方向における受光手段間相互の位置ずれ量に基づく
誤差の補正が、各画素から出力される受光信号毎に行な
われる。

【００３０】形状計測装置において、受光手段をライン
センサで構成した場合、受光手段の各画素位置が三次元
形状測定におけるＸ方向の座標に相当し、複数のＸ座標
位置について同時にＺ方向の座標が計測される。従っ
て、各画素毎に、Ｘ方向及びＺ方向における受光手段間
相互の位置ずれ量に基づく誤差を補正することにより、
各測定点での受光手段相互の位置ずれに基づく誤差が正
確に補正される。

【００３１】なお、上記形状計測装置において、上記受
光手段の画素毎の光束入射方向又は光束入射方向に対し
て垂直な方向における位置ずれ量は、所定の代表値とす
るとよい（請求項５）。

【００３２】例えば一方のラインセンサと他方のライン
センサとが非平行状態でＺ方向若しくはＸ方向に位置ず
れを起こしている場合、各画素毎に位置ずれ量は異なる
が、上記構成によれば、例えば平均値等の代表値を用い
て位置ずれに基づく誤差の補正が行なわれる。従って、
位置ずれ量を代表値とすることで、記憶すべき位置ずれ
量が低減され、補正演算も容易となる。

【００３３】また、本発明は、請求項１〜５のいずれか
に記載の形状計測装置において、上記受光部の受光手段
は上記光学系の像側の焦点位置に設定されるとともに、
上記光学系の像側の焦点位置に照明光源を生成する照明
手段と、この照明手段と上記受光部との間に介設され、
当該照明手段からの照明光を上記光学系に導くととも
に、この光学系から出射される上記照明光の上記測定対
象物からの反射光を上記受光部に導く第２の光分割手段
とを更に備えたものである（請求項６）。

【００３４】この構成によれば、照明手段で生成された
照明光は第２の光分割手段及び光学系を介して測定対象
物に照射される。また、測定対象物表面を反射した照明
光は光学系及び第２の光分割手段を介して受光部に導か
れ、受光部内の光分割手段により所定の光量比率で分割
されてそれぞれ受光手段に導かれる。そして、形状計測
時には光学系の物体側の焦点位置を移動させつつ所定の
周期で受光部の露光が繰り返し行なわれ、この露光によ
り各受光手段で光電変換された信号（受光信号）は信号
処理手段に出力される。

【００３５】照明光は光学系の物体側の焦点位置に集光
し、この焦点位置が測定対象物表面に一致したとき、受
光部から出力される受光信号のレベルが最大となる。従
って、信号処理手段で合成処理された受光信号のうち、
レベルが最大となる受光信号の露光位置を算出すること
で測定対象物表面の位置が正確に算出される。

【００３６】また、本発明は、複数個の画素が線状に配
列されてなる受光特性の等しい少なくとも２個の受光手
段と入射した光束を所定の光量比率で分割し、それぞれ
各受光手段に導く光分割手段とからなる受光部と、測定
対象物の表面で反射した光束を上記受光部に導く物体側
の焦点位置が移動可能な光学系と、上記物体側の焦点位
置を移動させるべく上記光学系を駆動する駆動手段と、
上記受光部の各受光手段から出力される受光信号の合成
処理を行う第１の信号処理手段と、上記受光部の各受光
手段から出力される受光信号の合成処理を行う第２の信
号処理手段と、上記第１，第２の信号合成手段を切り換
える切換手段と、第１の測定モードと第２の測定モード
とを切換設定するモード設定手段と、第１の測定モード
が設定されると、上記第１の信号処理手段により上記受
光信号の合成処理を行わせ、第２の測定モードが設定さ
れると、上記第２の信号処理手段により上記受光信号の
合成処理を行わせる処理制御手段とを備え、上記測定対
象物からの反射光を上記受光部で受光し、上記第１の信
号処理手段若しくは第２の信号処理手段で処理された受
光信号を用いて当該測定対象物表面の位置を計測する形
状計測装置であって、上記第１の信号処理手段は、上記
受光手段間相互の画素配列方向における位置ずれ量が記
憶された記憶手段と、上記受光部の各受光手段から出力
される受光信号をそれぞれ記憶する信号記憶手段と、上
記受光手段の一方の受光信号に対する他方の受光信号の
上記位置ずれ量に基づく誤差を上記記憶手段に記憶され
た位置ずれ量に基づいて補正する補正手段と、一方の受
光手段の受光光量が受光範囲を超えているとき、当該受
光手段の受光信号を受光光量が受光範囲を超えていない
他方の受光手段の受光信号に置き換えるように上記受光
手段の受光信号を合成する信号合成手段とからなり、上
記第２の信号処理手段は、上記受光手段間相互の画素配
列方向における画素ピッチ単位の位置ずれ量に基づき一
方の受光手段から出力される受光信号の位相を他方の受
光手段から出力される受光信号に対して遅延させて両受
光手段間の画素配列方向の位置ずれを補正する補正手段
と、一方の受光手段の受光光量が受光範囲を超えている
とき、当該受光手段の受光信号を受光光量が受光範囲を
超えていない他方の受光手段の受光信号に置き換えるよ
うに上記受光手段の受光信号を合成する信号合成手段と
からなるものである（請求項７）。

【００３７】この構成によれば、測定者は第１又は第２
の測定モードの何れかを選択して測定対象物の表面形状
を計測することができる。第１の測定モードでは受光部
から出力される受光信号は第１の信号処理手段で処理さ
れ、第２の測定モードでは受光部から出力される受光信
号は第２の信号処理手段で処理される。

【００３８】第１の信号処理手段では、補正手段におい
て、一方の受光手段の受光信号を基準として他方の受光
手段の受光信号のＸ方向における受光手段間相互の位置
ずれ量に基づく誤差が、記憶手段に記憶された位置ずれ
量に基づいて補正される。そして、一方の受光手段の受
光光量が受光範囲を超えているとき、当該受光手段の受
光信号を受光光量が受光範囲を超えていない他方の受光
手段の受光信号に置き換えるように、すなわち、一方の
受光手段から出力される受光信号のレベルが飽和してい
るとき、その受光信号をレベルが飽和していない他方の
受光手段の受光信号に置換するように、信号合成手段で
両受光手段の受光信号が合成される。

【００３９】一方、第２の信号処理手段では、補正手段
において、Ｘ方向における画素ピッチ単位のずれ量に基
づき一方の受光手段から出力される受光信号の位相を他
方の受光手段から出力される受光信号に対して遅延させ
て両受光手段間のＸ方向における位置ずれが補正され
る。そして、一方の受光手段の受光光量が受光範囲を超
えているとき、当該受光手段の受光信号を受光光量が受
光範囲を超えていない他方の受光手段の受光信号に置き
換えるように、すなわち、一方の受光手段から出力され
る受光信号のレベルが飽和しているとき、その受光信号
をレベルが飽和していない他方の受光手段の受光信号に
置換するように、信号合成手段で両受光手段の受光信号
が合成される。

【００４０】そして、第１の信号処理手段若しくは第２
の信号処理手段で合成された受光信号を用いて測定対象
表面の位置が計測される。

【００４１】これにより受光部のダイナミックレンジが
各受光手段のダイナミックレンジよりも拡大し、高い精
度で正確に測定対象表面の形状計測が可能となる。

【００４２】また、本発明は、上記形状計測装置におい
て、上記第１，第２の信号処理手段は、それぞれ上記受
光手段間相互の光束入射方向における位置ずれ量が記憶
された第２の記憶手段と、上記受光手段の一方の受光信
号の他方に対する他方の受光信号の上記光束入射方向に
おける位置ずれ量に基づく誤差を上記記憶手段に記憶さ
れた位置ずれ量に基づいて補正する第２の補正手段とを
更に備えているものである（請求項８）。

【００４３】この構成によれば、第１，第２の信号処理
手段の有する第２の補正手段において、更に一方の受光
手段の受光信号を基準として他方の受光手段の受光信号
のＺ方向における受光手段間相互の位置ずれ量に基づく
誤差が、第２の記憶手段に記憶された位置ずれ量に基づ
いて補正される。これにより測定対象表面の形状計測精
度がより向上する。

【００４４】また、本発明は、上記形状計測装置におい
て、上記第１の信号処理手段の有する補正手段及び第２
の補正手段は、上記受光手段の画素毎に、上記位置ずれ
量に基づく誤差を補正するものである（請求項９）。

【００４５】この構成によれば、第１の測定モードにお
いては、一方の受光手段の受光信号を基準として他方の
受光手段の受光信号のＸ方向及びＺ方向における受光手
段間相互の位置ずれ量に基づく誤差の補正が、各画素か
ら出力される受光信号毎に行なわれる。従って、各画素
毎に、Ｘ方向及びＺ方向における受光手段間相互の位置
ずれ量に基づく誤差を補正することにより、各測定点で
の受光手段相互の位置ずれに基づく誤差が正確に補正さ
れる。

【００４６】なお、上記形状計測装置において、上記受
光手段の画素毎の画素配列方向若しくは光束入射方向に
おける位置ずれ量は、所定の代表値とするとよい（請求
項１０）。

【００４７】この構成によれば、例えば一方のラインセ
ンサと他方のラインセンサとが非平行状態でＺ方向若し
くはＸ方向に位置ずれを起こしている場合、各画素毎に
位置ずれ量は異なるが、例えば平均値等の代表値を用い
て位置ずれに基づく誤差の補正が行なわれる。位置ずれ
量を代表値とすることで、記憶すべき位置ずれ量が低減
され、補正演算も容易となる。

【００４８】また、本発明は、請求項７〜１０のいずれ
かに記載の形状計測装置において、上記受光部の受光手
段は上記光学系の像側の焦点位置に設定されるととも
に、上記光学系の像側の焦点位置に照明光源を生成する
照明手段と、この照明手段と上記受光部との間に介設さ
れ、当該照明手段からの照明光を上記光学系に導くとと
もに、この光学系から出射される上記照明光の上記測定
対象物からの反射光を上記受光部に導く第２の光分割手
段とを更に備えたものである（請求項１１）。

【００４９】この構成によれば、照明手段で生成された
照明光は第２の光分割手段及び光学系を介して測定対象
物に照射される。また、測定対象物表面を反射した照明
光は光学系及び第２の光分割手段を介して受光部に導か
れ、光分割手段により所定の光量比率で分割されてそれ
ぞれ受光手段に導かれる。そして、形状計測時には光学
系の物体側の焦点位置を移動させつつ所定の周期で受光
部の露光が繰り返し行なわれ、この露光により各受光手
段で光電変換された信号（受光信号）は信号処理手段に
出力される。

【００５０】照明光は光学系の物体側の焦点位置に集光
し、この焦点位置が測定対象物表面に一致したとき、受
光部から出力される受光信号のレベルが最大となる。従
って、信号処理手段で合成処理された受光信号のうち、
レベルが最大となる受光信号の露光位置を算出すること
で測定対象物表面の位置が正確に算出される。

【００５１】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に係る形状計測装
置の一実施形態のブロック構成図である。

【００５２】形状計測装置１は共役オートフォーカスシ
ステムを用いて測定対象物Ｇの表面形状の計測を行うも
のである。形状計測装置１は、照明光を発生する照明部
２、照明部２からの照明光を測定対象物Ｇに照射する共
焦点型光学系３、この共焦点型光学系３（以下、光学系
３という。）を透過した測定対象物Ｇからの照明光の反
射光を受光し、電気信号（以下、受光信号という。）に
光電変換して出力する受光部４、光学系３を透過した測
定対象物Ｇからの照明光の反射光を分光して受光部４に
導くビームスプリッタ５、測定対象物Ｇを形状計測装置
１に対して垂直方向（Ｙ方向）に相対移動させるＹ方向
演算部６、受光部４から出力される受光信号を用いて測
定対象物Ｇの表面の粗い位置座標（Ｚ座標）を算出する
Ｚ座標粗演算部７及び上記各部の動作を制御し、測定対
象物Ｇの表面の三次元形状データを算出する測定制御部
８からなる基本構成を有している。

【００５３】測定対象物Ｇの三次元形状は当該測定対象
物Ｇを三次元形状装置１の前方に配置されたＹ方向駆動
部６内の測定テーブル６１に載置し、当該測定テーブル
６１を高さ方向（Ｙ方向）に所定のピッチで昇降させつ
つ、各高さ位置で測定対象物Ｇの表面の凹凸を計測する
ことにより行なわれる。すなわち、測定対象物Ｇの高さ
方向をＹ方向、光学系３の光軸方向をＺ方向、Ｙ方向及
びＺ方向に直交する方向（図１において紙面に垂直な方
向）をＸ方向とすると、測定対象物ＧのＹ座標を所定の
ピッチで変化させつつ、各Ｙ座標の位置で測定対象物Ｇ
の表面のＺ座標を計測することにより測定対象物Ｇの三
次元形状が計測される。

【００５４】なお、三次元計測装置１は、後述するよう
にＸ軸と平行に配置されたラインセンサからなる光電変
換素子を備え、この光電変換素子の各画素毎にその受光
信号を用いて測定対象物Ｇの表面のＺ座標を計測するよ
うになっている。すなわち、光電変換素子の各画素はＸ
座標に相当し、各Ｙ座標上の全てのＸ座標位置における
Ｚ座標が同時に計測されるようになっている。

【００５５】また、測定対象物Ｇの表面のＺ座標は以下
のように計測される。まず、光学系３の像側に配置され
た照明部２からＸ方向に延びる線状の照明光を発光させ
る。この照明光は、図３に示すように光学系３の物体側
の焦点位置Ｆ２に集光され、その焦点位置Ｆ２にＸ方向
と平行な方向に延びる線状光（以下、スリット光とい
う。）が形成される。

【００５６】次に、この状態で光学系３の物体側の焦点
位置Ｆ２（すなわち、スリット光）を光軸方向に当該焦
点位置Ｆ２が測定対象物Ｇの内部に至るまで移動させつ
つ、所定の周期で受光部４内の受光素子４１ａ，４１ｂ
の露光を繰り返す。すなわち、Ｚ軸上の所定の座標位置
Ｚ₁，Ｚ₂，…Ｚ_nで測定対象物Ｇの撮像を繰り返す。

【００５７】この撮像動作により、図４に示すように各
Ｚ座標位置で受光信号が得られるが、これらの受光信号
を用いて、Ｚ座標粗演算部７及び測定制御部８内のＺ座
標演算部８４で最大レベルとなる光軸上の露光位置（図
４において、点Ｐに対応するＺ座標Ｚ_p）を受光素子４
１ａ，４１ｂの各画素（Ｘ座標に相当）毎に算出し、そ
の位置を測定対象物Ｇの表面のＺ座標とする。

【００５８】図１に戻り、照明部２は測定対象物Ｇに対
する照明光を発生させるものである。この照明光は光電
変換素子全体に測定対象物Ｇからの反射光を入射し得る
ようなＸ方向に延びるスリット光である。照明部２はレ
ーザ発生器２１と照明光学系２２を備え、レーザ光発生
器２１で発生されたレーザ光（スポット光）は照明光学
系２２でＸ方向に延びるスリット光に変換され、光学系
３の像側の焦点位置Ｆ１に一旦，結像された後、ビーム
スプリッタ５を介して光学系３に入射される。

【００５９】光学系３は照明部２から入力された照明光
を測定対象物Ｇに照射するとともに、その測定対象物Ｇ
の表面で反射した照明光をビームスプリッタ５を介して
受光部４に導くものである。

【００６０】光学系３は前群レンズ３１ａと後群レンズ
３１ｂとからなる二群レンズからなり、後群レンズ３１
ｂは光学系３の対物側の焦点位置Ｆ２を移動させるフォ
ーカス調整用のレンズとなっている。後群レンズ３１ｂ
はアクチュエータ３２によって光軸上を前後に移動可能
になっている。アクチュエータ３２はステップモータ等
の電動モータ３３の回転運動を直進運動に変換するもの
で、後群レンズ３１ｂはアクチュエータ３２を介して伝
達された電動モータ３３の駆動力により光軸上を前後に
移動する。なお、電動モータ３３の動作はモータドライ
バ３４により制御され、電動モータ３３の実質的な駆動
制御は測定制御部８により行われる。

【００６１】また、アクチュエータ３２には後群レンズ
３１ｂの位置を検出する位置検出器３５が設けられてい
る。位置検出器３５は、例えばアクチュエータ３２の移
動部材側に取り付けられた光センサと固定部材側に取り
付けられたリニアスケールとからなり、アクチュエータ
の移動部材の移動によって光センサがリニアスケールの
メモリを読み取るようになっている。位置検出器３５か
らは正弦波状の信号が出力され、この出力信号は波形整
形器３６で矩形波に整形された後、測定制御部８に入力
される。

【００６２】測定制御部８では位置検出器３５から入力
される矩形波を用いて後群レンズ３１ｂの位置、すなわ
ち、焦点位置Ｆ２の光軸上の位置が検出される。光学系
３から出射された照明光は、上述したように焦点位置Ｆ
２に集光し、この焦点位置Ｆ２にＸ方向に延びるスリッ
ト光が形成される（図３参照）。従って、後群レンズ３
１ｂを光軸上に移動させることによりスリット光が光軸
上を移動し、このスリット光が測定対象物Ｇの表面で反
射したとき、受光部４への入射光量は最大となる。Ｚ座
標粗演算部７及び測定制御部８は受光部４から入力され
る複数の受光信号（図４参照）を用いて信号レベルが最
大となる後群レンズ３１ｂの位置、すなわち、焦点位置
Ｆ２の位置を算出することにより測定対象物ＧのＺ座標
を算出する。

【００６３】受光部４はビームスプリッタ５を介して入
力された測定対象物Ｇからの反射光を受光するものであ
る。受光部４は２枚のＣＣＤラインセンサからなる受光
素子（以下、ラインセンサという。）４１ａ，４１ｂ、
入射光束を２分割してそれぞれラインセンサ４１ａ，４
１ｂに導くビームスプリッタ４２、ラインセンサ４１
ａ，４１ｂの受光動作（露光による電荷蓄積及び蓄積電
荷の読出等）を制御するＣＣＤドライバ４３及びライン
センサ４１ａ，４１ｂから読み出された受光信号に所定
の信号処理（ノイズ除去やレベル調整等）を施し、デジ
タル信号に変換して出力するＡ/Ｄ変換器４４からな
る。なお、本実施の形態ではビームスプリッタ４２とし
て半透過ミラーを用いているが、ハーフプリズム等の他
の光学部材を用いることができる。

【００６４】２枚のラインセンサ４１ａ，４１ｂ及びビ
ームスプリッタ４２は、上述したＣＣＤ２板方式により
ラインセンサのダイナミックレンジを拡大するための構
成部材である。ビームスプリッタ４２はビームスプリッ
タ５の反射光の光軸上に配置され、ラインセンサ４１ａ
はビームスプリッタ４２の透過光の光路上に、また、ラ
インセンサ４１ｂはビームスプリッタ４２の反射光の光
路上に、それぞれ光学系３の像側の焦点位置Ｆ１と共役
な位置に配置されている。

【００６５】ＣＣＤ２板方式によるダイナミックレンジ
拡大方法ではラインセンサ４１ａとラインセンサ４１ｂ
との相互の受光位置を正確に一致させる必要があるが、
本実施形態では、画素配列方向に対して垂直な方向（Ｙ
方向）についてはセンサ取付部に図略の位置調整機構を
設けて機械的に位置ずれを調整し、画素配列方向（Ｘ方
向）及びセンサ受光面に対して垂直な方向（Ｚ方向）に
ついてはその相対的な位置ずれ量Δｘ，Δｚをラインセ
ンサ４１ａ，４１ｂの受光信号の信号処理若しくは受光
信号を用いた演算処理において補正するようにしてい
る。この補正処理の詳細は後述する。

【００６６】ラインセンサ４１ａ及びラインセンサ４１
ｂは略同一の受光感度特性を有し、ラインセンサ４１ａ
は通常のダイナミックレンジで動作させるセンサであ
り、ラインセンサ４１ｂは拡大したダイナミックレンジ
で動作させるセンサである。

【００６７】従って、ビームスプリッタ４２では入射光
束を光量比Ｂ１：Ｂ２＝Ｎ（Ｎ≫１）：１で２分割し、
光量Ｂ１の光束をラインセンサ４１ａ側に出射し、光量
Ｂ２の光束をラインセンサ４１ｂに出射するようになっ
ている。

【００６８】ラインセンサ４１ａ，４１ｂの受光感度特
性が、例えば図１５に示す特性であるとすると、両ライ
ンセンサ４１ａ，４１ｂはそれぞれＢmin〜Ｂmaxの範囲
内の光量Ｂ１，Ｂ２を有する入射光束を受光することが
できる。従って、例えば光量比Ｂ１：Ｂ２を９９：１と
し、入射光束の光量をＢとすると、ラインセンサ４１ａ
に入力される光量Ｂ１は０．９９・Ｂであるから、ライ
ンセンサ４１ａでは１００・Ｂmin／９９≦Ｂ≦１００
・Ｂmax／９９の光量を有する入射光束、すなわち、ほ
ぼＢmin〜Ｂmaxの範囲の入射光束が受光可能となる。一
方、ラインセンサ４１ｂに入力される光量Ｂ２は０．０
１・Ｂであるから、サブセンサ４１ｂでは１００・Ｂmi
n≦Ｂ≦１００・Ｂmaxの光量を有する入射光束、すなわ
ち、受光感度特性の受光可能な最大入力レベルＢmaxの
１００倍の光量を有する入射光束が受光可能となる。

【００６９】従って、受光部４では入射光束の光量に応
じてラインセンサ４１ａから出力される受光信号とライ
ンセンサ４１ｂから出力される受光信号とを切り換える
（ラインセンサ４１ａの出力レベルがＶmaxを超えると
き、受光素子をラインセンサ４１ａからラインセンサ４
１ｂに切り換える）ことにより、Ｂmin〜１００・Ｂmax
の範囲の光量を有する入射光束を受光することができる
ようになっている。

【００７０】ラインセンサ４１ａ，４１ｂは電子シャッ
タ機能を備え、露光（電荷蓄積）及び蓄積電荷の読出し
はＣＣＤドライバ４３によって制御される。ＣＣＤドラ
イバ４３は測定制御部８から入力される露光制御信号に
基づきラインセンサ４１ａ，４１ｂの電荷蓄積及び蓄積
電荷の読出しの動作を制御する。

【００７１】なお、測定制御部８からＣＣＤドライバ４
３に入力される露光制御信号は所定の周期を有するパル
ス列信号で、ＣＣＤドライバ４３は、例えばこのパルス
列信号の立上がりタイミングでラインセンサ４１ａ，４
１ｂの露光を開始させ、立ち下がりタイミングでその露
光を停止させるとともに、当該露光で蓄積された電荷の
読み出しを行う。

【００７２】測定制御部８は光学系３の焦点位置Ｆ２
（すなわち、スリット光の位置）の移動を開始させる
と、所定のタイミングで露光制御信号をＣＣＤドライバ
４３に出力する。これによりスリット光が光軸上（すな
わち、Ｚ軸上）を移動している間に所定の移動ピッチで
複数回、測定対象物Ｇがラインセンサ４１ａ，４１ｂで
撮像される。スリット光が測定対象物Ｇの表面に近接す
るほど、ラインセンサ４１ａ，４１ｂにおける受光信号
のレベルは高くなり、そのレベルはスリット光が測定対
象物Ｇの表面に一致したとき、最大となる。

【００７３】測定制御部８から出力される露光制御信号
はラインセンサ４１ａ，４１ｂに入射される測定対象物
Ｇからの反射光のレベルをサンプリングするための制御
信号（図４の露光タイミングt1，ｔ2，…ｔnを制御する
信号）である。Ｚ座標粗演算部７及び測定制御部８では
この制御信号に基づいて取り込まれた測定対象物Ｇから
の反射光のレベル変化、すなわち、図４に示す受光部４
の出力レベルの変化に基づいて当該測定対象物Ｇの表面
の位置を示すＺ座標（図４におけるＺ座標Ｚ_p）が算出
される。

【００７４】Ａ／Ｄ変換器４４はラインセンサ４１ａ，
４１ｂから読み出された受光信号（アナログ信号）のノ
イズ削減及びレベル調整を行い、デジタル信号に変換し
てＺ座標粗演算部７に出力する。このとき、ラインセン
サ４１ｂから読み出された受光信号については信号レベ
ルがＮ倍されてＺ座標粗演算部７に出力される。

【００７５】Ｙ方向駆動部６は測定対象物Ｇを形状計測
装置１の光学系３に対して上下方向に相対移動させるも
のである。Ｙ方向駆動部６は測定テーブル６１、電動モ
ータ６２、モータドライバ６３、位置検出装置６４及び
波形整形器６５を備えている。測定テーブル６１は測定
対象物Ｇを載置するもので、電動モータ６２の駆動力に
より昇降可能になされている。電動モータ６２の動作は
モータドライバ６３により制御され、更にモータドライ
バ６３の駆動制御は測定制御部８により行われる。位置
検出器６４は測定テーブル６１の昇降位置を検出するも
のである。位置検出器６４は光学系３内の位置検出器３
５と同一の部材で構成されている。波形整形器６５は位
置検出器６４から出力される正弦波状の検出信号の波形
を整形するもので、波形整形後の検出信号は測定制御部
８に入力される。

【００７６】Ｚ座標粗演算部７はラインセンサ４１ａ，
４１ｂから周期的に出力される複数個の受光信号のう
ち、信号レベルがピークとなる露光位置の粗い検出を行
うものである。すなわち、測定対象物Ｇの各Ｙ座標位置
において、スリット光を光軸上に移動させて図４に示す
ような複数個の受光信号が取り込まれるが、Ｚ座標粗演
算部７はこれらの受光信号の中から、ピーク値近傍の所
定数の受光信号を算出するものである。この処理は演算
対象となる受光信号の絞り込みを行い、受光信号がピー
ク値となる露光位置Ｚ_pを高速に算出するためのもので
ある。このＺ座標の粗検出処理においてはラインセンサ
４１ａ，４１ｂのＸ方向及びＺ方向の位置ずれも補正さ
れるようになっている。なお、Ｚ座標粗演算部７の構成
及び機能の詳細は後述する。

【００７７】測定制御部８は照明部２、光学系３、Ｙ方
向駆動部６及びＺ座標粗演算部７の動作を制御して測定
対象物Ｇの形状測定を行うものである。測定制御部８は
マイクロコンピュータからなり、機能ブロックとして移
動制御部８１、測定位置検出部８２、露光制御部８３、
Ｚ座標演算部８４及び通信部８５を備えている。

【００７８】移動制御部８１はＹ方向駆動部６内の測定
テーブル６１の駆動を制御するとともに、光学系３の後
群レンズ３１ｂの移動を制御するものである。測定位置
検出部８２はＹ方向駆動部６内の位置検出器６４から出
力される信号に基づいて測定点のＹ座標を検出するもの
である。露光制御部８３は受光部４内のラインセンサ４
１ａ，４１ｂの露光タイミング、すなわち、Ｚ軸上の露
光位置を制御するものである。露光制御部８３は光学系
３の位置検出器３５から出力される信号に基づいて所定
の周期を有する露光タイミング信号を生成し、受光部４
内のＣＣＤドライバ４３に出力する。

【００７９】Ｚ座標演算部８４はＺ座標粗演算部７から
各画素位置毎に入力されるピークレベル近傍の複数個の
受光データを用いて各画素位置における受光データがピ
ークレベルとなる露光位置（Ｚ座標）を算出するもので
ある。Ｚ座標演算部８４は、複数個の受光データを用い
て補間演算によりピークレベルとなる露光位置（Ｚ座
標）を算出する。

【００８０】通信部８５は計測された測定対象物Ｇの形
状データ（ＸＹＺ座標データ）を外部接続されたコンピ
ュータ等の処理装置に出力するものである。

【００８１】測定モード設定部９は第１の測定モードと
第２の測定モードとを切換設定するものである。受光部
４にＣＣＤ２板方式によるダイナミックレンジ拡大方法
を採用し、ラインセンサ間の相互の位置ずれ補正をソフ
ト的に行う場合、測定精度を重視すると、位置ずれ補正
の演算処理に時間を要し、測定時間が長くなるという不
具合が生じる。そこで、本実施形態に係る形状測定装置
１ではかかる不具合を考慮し、正確に位置ずれ補正を行
って高精度で測定を行う第１の測定モードと位置ずれ補
正の精度を少し甘くして高速で測定を行う第２の測定モ
ードとを測定モード設定部９により選択可能にしてい
る。

【００８２】操作者は高精度の測定を行うか、多少精度
が低下しても高速測定を行うかによって測定モード設定
部９からいずれかの測定モードを設定することができ
る。このモード設定情報はＺ座標粗演算部７に入力さ
れ、後述のゲートコントローラ７３によるゲートＧＴ１
〜ＧＴ６の制御に用いられる。

【００８３】図２は、Ｚ座標粗演算部７の内部構成を示
すブロック図である。

【００８４】Ｚ座標粗演算部７は、正確に位置ずれ補正
を行う第１データ処理部７１、高速で位置ずれ補正を行
う第２データ処理部７２、受光部４からの受光データ
（Ａ／Ｄ変換された受光信号）の両データ処理部７２，
７３への入力を制御するゲートＧＴ１〜ＧＴ６及びこれ
らのゲートＧＴ１〜ＧＴ６の駆動を制御するゲートコン
トローラ７３からなる。

【００８５】第１データ処理部７１は第１の測定モード
において受光データの処理を行うものであり、画像メモ
リ７１１、Ｘ方向位置ずれ補正部７１２、データ選択部
７１３、データ粗検出部７１４、Ｚ方向位置ずれ補正部
７１５及びデータメモリ７１６を備えている。

【００８６】画像メモリ７１１は１回のスリット光のス
キャンで受光部４から出力される受光データを記憶する
メモリである。画像メモリ７１１は同一の記憶容量を有
する２枚のメモリ７１１ａ，７１１ｂからなり、メモリ
７１１ａにはラインセンサ４１ａから出力される受光デ
ータが記憶され、メモリ７１１ｂにはラインセンサ４１
ｂから出力される受光データが記憶される。

【００８７】図５は、画像メモリ７１１の概念図の一例
を示すもので、ｍ×ｎ個の受光データを記憶する記憶領
域を有している。同図に示す記憶領域は、ラインセンサ
４１ａ，４１ｂにｍ個の画素ｇ₁，ｇ₂，…ｇ_mが一列に
配列されているとし、１回のスリット光のスキャンでｎ
回の露光が所定の周期で繰り返されるとした場合のもの
である。

【００８８】露光タイミングｔ1でラインセンサ４１
ａ，４１ｂの露光が行なわれ、受光部４から読み出され
た受光データ（各画素ｇ₁，ｇ₂，…ｇ_mから出力される
一群の受光データ）は画像メモリ７１１の左端の縦ライ
ンに記憶され、以下同様にして露光タイミングｔ2，ｔ
3，…ｔnで取り込まれた受光データは順次、右隣の縦ラ
インに記憶される。従って、任意の画素ｇ_rの位置にお
ける横ライン上に配列された一群の受光データをグラフ
化すると、図４に示すようなサンプリングデータとな
る。

【００８９】Ｘ方向位置ずれ補正部７１２はラインセン
サ４１ａとラインセンサ４１ｂとのＸ方向における相互
の位置ずれΔｘを補正するものである。この位置ずれ補
正は、例えばラインセンサ４１ａの位置を基準とし、ラ
インセンサ４１ｂのラインセンサ４１ａに対するＸ方向
の位置ずれ量Δｘを補正することにより行なわれる。Ｘ
方向の位置ずれ量Δｘは形状計測装置１の製造時に測定
されてデータメモリ７１６に記憶されている。

【００９０】ラインセンサ４１ａ，４１ｂの画素ピッチ
をｐ_xとし、ラインセンサ４１ｂのラインセンサ４１ａ
に対するＸ方向の位置ずれ量ΔｘをΔｘ＝±（ａ＋ｂ）
・ｐ _x（ａは１以上の整数、１＞ｂ≧０）とすると、ｂ
＝０の場合、すなわち、位置ずれ量Δｘが画素ピッチｐ
_xの整数倍（ａ倍）の場合は、ラインセンサ４１ｂの各
画素の受光データを位置ずれしている画素数分だけシフ
トさせて扱うことによりラインセンサ４１ｂとラインセ
ンサ４１ａとの位置ずれを演算上補正することができ
る。

【００９１】従って、この場合は、ラインセンサ４１ａ
の受光データのうち、レベルが飽和している画素につい
てラインセンサ４１ｂの対応する画素（位置ずれが補正
された後の対応する画素）の受光データに置換すること
で、全ての画素位置について正確な受光データを得るこ
とができる。

【００９２】一方、ｂ≠０の場合、すなわち、位置ずれ
量Δｘが画素ピッチｐ_xの整数倍でない場合は、ライン
センサ４１ａのｋ（但しｋ＞ａ＋１とする。）番目の画
素ｇ _kに対してラインセンサ４１ｂの（ｋ−ａ−１）番
目の画素ｇ_k-a-1と（ｋ−ａ）番目の画素ｇ_k-aとが重複
するから、ラインセンサ４１ａの画素ｇ_kの受光データ
が飽和している場合、その受光データをラインセンサ４
１ｂの画素ｇ_k-a-1若しくは画素ｇ_k-aの受光データに置
換しても正確な受光データとはならない。

【００９３】すなわち、図６に示すように、例えば位置
ずれ量ΔｘがΔｘ＝（１＋ｂ）で、ラインセンサ４１ａ
の５番目の画素ｇ₅の受光データが飽和している場合、
ラインセンサ４１ａの５番目の画素ｇ₅に対してライン
センサ４１ｂの３番目の画素ｇ₃′と４番目の画素ｇ₄′
とが重複し、画素ｇ₃′及び画素ｇ₄′の受光データが、
例えば図７に示すようになっているとすると、画素
ｇ₃′及び画素ｇ₄′の位置と画素ｇ₅の位置とは正確に
はずれているため、画素ｇ₅の受光データＶ（ｇ₅）を画
素ｇ₃′の受光データＶ（ｇ₃′）若しくは画素ｇ₄′の
受光データＶ（ｇ₄′）としても誤差が生じる。

【００９４】そこで、本実施形態では、画素ｇ₃′の受
光データＶ（ｇ₃′）と画素ｇ₄′の受光データＶ
（ｇ₃′）とを用いて補間演算により画素ｇ₅の位置の受
光データを算出し、その算出結果を画素ｇ₅の受光デー
タとするようにしている。この補間演算は、例えば画素
ｇ₃′と画素ｇ₄′間の受光データの変化を直線と見做
し、両画素ｇ₃′，ｇ₄′間の画素ｇ₅の位置に対応する
受光データを算出するものである。具体的には、Ｖ
(ｇ₅)＝(１−ｂ)・[Ｖ(g₄′)−Ｖ(g₃′)]の演算式によ
り算出される。

【００９５】なお、画素ｇ₅の位置を両画素ｇ₃′，
ｇ₄′間の中間と見做し、すなわち、ｂ＝１／２とし、
補間値として受光データＶ(g₄′)と受光データＶ(g₃′)
の平均値[Ｖ(g₄′)−Ｖ(g₃′)]／２を取るようにしても
よい。

【００９６】従って、Ｘ方向位置ずれ補正部７１２では
ラインセンサ４１ａの受光データが飽和している画素ｇ
_kを算出するとともに、この画素ｇ_kの受光データを置換
すべき受光データがラインセンサ４１ｂの画素
ｇ_k-a-1′_,ｇ_k-a′の受光データを用いて算出される。

【００９７】データ選択部７１３はラインセンサ４１ａ
の各画素ｇ_i（ｉ＝１，２，…ｍ）の受光データとライ
ンセンサ４１ｂの各画素ｇ_i′（ｉ＝１，２，…ｍ）の
受光データとを合成して正確な受光データを作成するも
のである。すなわち、図８に示すようにラインセンサ４
１ａの各画素ｇ_iの受光データのうち、オーバーフロー
している受光データをラインセンサ４１ｂの対応する画
素位置の受光データに置換するように合成するものであ
る。

【００９８】図８は、ラインセンサ４１ａに対してライ
ンセンサ４１ｂが右方向に略１．５ｐ_xだけ位置ずれを
起こしている場合の例である。なお、説明の便宜上、画
素数は１２個としている。

【００９９】上段はラインセンサ４１ａの画素ｇ₁〜ｇ
₁₂の受光データを示し、中段はラインセンサ４１ｂの画
素ｇ₁′〜ｇ₁₂′の受光データを示している。なお、ラ
インセンサ４１ｂのものは受光データのレベルをＮ倍し
たもので表している。

【０１００】両受光データにおいて、点線で示す曲線は
ラインセンサ４１ａ，４１ｂに十分なダイナミックレン
ジがあったとした場合の受光レベルである。ラインセン
サ４１ａでは画素ｇ₅〜ｇ₉の部分が最大出力レベルＶma
xを超えているので、これらの受光データはＶmaxに飽和
している。一方、ラインセンサ４１ｂでは受光光量が１
／Ｎに抑制されているので、何れの画素の出力レベルも
Ｖmaxに飽和していない。

【０１０１】そして、両受光データは、下段に示すよう
にラインセンサ４１ａの画素ｇ₅〜ｇ₉の受光データをラ
インセンサ４１ｂの対応する位置の受光データに置換す
るように合成される。下段の受光データにおいて、画像
ｇ₅〜ｇ₉の受光データのレベルを「△」で示しているの
は、位置ずれ量Δｘが画素ピッチｐ_xの整数倍でないた
め、上述した補間処理により算出されたものであること
を示している。位置ずれ量Δｘが、例えばΔｘ＝ｐ_xで
あるときは、ラインセンサ４１ａの画素ｇ₅〜ｇ₉の受光
データはラインセンサ４１ｂの画素ｇ₄′〜ｇ₈′の受光
データにそれぞれ置換されることになる。

【０１０２】データ粗検出部７１４は、上述したように
各画素位置毎に、複数個の受光データの中からピークレ
ベル近傍の受光データを検出するものである。データ粗
検出部７１４は各画素位置毎に、例えば複数個の受光デ
ータについてデータレベルに基づくソーティングを行
い、レベルの高い順に所定個数の受光データを検出す
る。

【０１０３】Ｚ方向位置ずれ補正部７１５は、検出され
た受光データにラインセンサ４１ｂの受光データが含ま
れている場合、その受光データについてラインセンサ４
１ａとラインセンサ４１ｂとのＺ方向における相互の位
置ずれΔｚを補正するものである。より正確には位置ず
れΔｚに基づく受光データの誤差を補正するものであ
る。

【０１０４】すなわち、例えば図１３に示すようにライ
ンセンサ４１ｂがラインセンサ４１ａに対して距離Δｚ
だけ光束が入射する側にずれているとすると、ラインセ
ンサ４１ａの画素ｇ_iの受光光量はラインセンサ４１ｂ
の画素ｇ_iの受光光量よりも小さくなるから、ラインセ
ンサ４１ａのデータレベルが飽和している画素ｇ_rの近
傍の画素位置の受光データをラインセンサ４１ｂの受光
データに置換した場合、その受光データはラインセンサ
４１ａの位置で受光したとした場合よりも高いレベルと
なる。

【０１０５】図９は、その様子を示したもので、点線で
示す曲線はラインセンサ４１ａの位置で飽和することな
く受光できた場合の受光データを示し、「●」はライン
センサ４１ａの受光データを示し、「△」はラインセン
サ４１ｂの受光データを示している。

【０１０６】同図に示すように、露光位置Ｚ_r-1、Ｚ_rの
受光データはラインセンサ４１ｂの受光データに置換さ
れているため、そのデータレベルは点線で示す曲線より
高くなっている。Ｚ方向位置ずれ補正部７１５では、露
光位置Ｚ_r-1、Ｚ_rの受光データのレベルが位置ずれ量Δ
ｚの基づいて点線で示す曲線上に乗るように補正され
る。

【０１０７】そして、Ｚ方向位置ずれ補正部７１５によ
り補正された受光データは測定制御部８に出力される。

【０１０８】なお、Ｚ方向の位置ずれ補正もラインセン
サ４１ａの位置を基準とし、ラインセンサ４１ｂのライ
ンセンサ４１ａに対するＺ方向の位置ずれ量Δｚを補正
することにより行なわれる。Ｚ方向の位置ずれ量Δｚも
形状計測装置１の製造時に測定されてデータメモリ７１
６に記憶されている。

【０１０９】図２に戻り、データメモリ７１６は、上述
したようにＸ方向及びＺ方向の位置ずれ量Δｘ，Δｚを
記憶するものである。位置ずれ量Δｘ，Δｚは各画素位
置ｇ _i毎に測定され、データメモリ７１６に記憶されて
いる。

【０１１０】位置ずれ量Δｘは、例えば図１０の上段に
示すように長手方向に所定の間隔で複数個のスリット１
０ａ，１０ｂ，１０ｃが形成されたテストチャート１０
を焦点位置Ｆ２に配置してこのテストチャート１０を受
光部４で撮像した際のラインセンサ４１ａ，４１ｂから
出力される受光データを用いて算出される。すなわち、
ラインセンサ４１ａ，４１ｂがＸ方向に相互にずれてい
る場合、各ラインセンサ４１ａ，４１ｂから出力される
受光データは図１０の中段及び下段に示すようになるか
ら、例えばスリット１０ｂを受光しているラインセンサ
４１ａ，４１ｂの画素位置のずれ量Δｘを算出すること
によりラインセンサ４１ａ，４１ｂのＸ方向の位置ずれ
量Δｘが算出される。なお、テストチャート１０として
長手方向に反射率が連続的もしくは段階的に変化する反
射板を用いてもよい。

【０１１１】また、位置ずれ量Δｚは、図３において、
測定対象物Ｇに代えて所定の反射率を有する基準となる
全反射ミラーを配置し、この全反射ミラーの反射面の前
後にスリット光をスキャンさせてラインセンサ４１ａと
ラインセンサ４１ｂの受光レベルを比較することにより
算出される。すなわち、ラインセンサ４１ａからの受光
信号のレベルが最大となるスリット光のスキャン位置
（ラインセンサ４１ａに対する共焦点位置）とラインセ
ンサ４１ｂからの受光信号のレベルが最大となるスリッ
ト光のスキャン位置（ラインセンサ４１ｂに対する共焦
点位置）との距離差をＺ方向の位置ずれ量Δｚとして算
出することができる。

【０１１２】なお、上述の位置ずれ量Δｘ，Δｚは、ラ
インセンサ４１ａとラインセンサ４１ｂの受光面が平行
である場合は、全体的な位置ずれ量Δｘ，Δｚを算出し
て各画素に対する位置ずれ量Δｘ，Δｚとすることがで
きるが、図１１に示すようにラインセンサ４１ｂの受光
面がラインセンサ４１ａの受光面に対して角度θで傾斜
している場合は各画素位置ｇ_iの位置ずれ量Δｘ(ｇ_i)，
Δｚ(ｇ_i)は変化するから、各画素ｇ_i毎に位置ずれ量Δ
ｘ(ｇ_i)，Δｚ(ｇ_i)を算出することが望ましい。この場
合は、テストチャート１０として、例えば長手方向に白
黒の繰返しパターンが形成された反射板を用いたり、１
本のスリットが形成されたテストチャートをＸ方向に移
動させることで、白黒パターンの光像をラインセンサ４
１ａ，４１ｂに形成し、この撮像画像を用いて画素毎に
位置ずれ量Δｘ(ｇ_i)を算出するとよい。本実施形態で
は、データメモリ７１６に画素毎の位置ずれ量Δｘ
(ｇ_i)，Δｚ(ｇ_i)が記憶されている。

【０１１３】尤も、第２データ処理部７２では位置ずれ
補正の精度を多少低下させても高速処理を優先するよう
にしているので、後述するようにＺ方向位置ずれ補正部
７２４における各画素ｇ_iの位置ずれ量Δｚ(ｇ_i)は所定
の代表値、例えば全画素ｇ_iの位置ずれ量Δｚ(ｇ_i)の平
均値を用いるようにしている。これによりＺ方向位置ず
れ補正部７２４のための位置ずれ量Δｚ(ｇ_i)を記憶す
るメモリを低減するとともに、演算速度の高速化を図る
ようにしている。

【０１１４】第２データ処理部７２は第２の測定モード
において受光データの処理を行うものであり、Ｘ方向画
素ずれ補正部７２１、データ選択部７２２、画像メモリ
７２３、Ｚ方向位置ずれ補正部７２４を備えている。第
２データ処理部７２はＣＰＬＤ（Complex Programmable
Logic Device）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate
Array）等のデバイスでハードウェアにより構成されて
いる。

【０１１５】第１の測定モードではＸ方向の位置ずれ補
正を精密に演算して測定誤差の可及的に低減するように
していたが、第２の測定モードはＸ方向の位置ずれ補正
を画素ピッチ単位で行うことにより高速測定を可能にす
るようにしたものである。

【０１１６】第２の測定モードでは、ラインセンサ４１
ａとラインセンサ４１ｂ間のＸ方向の位置ずれ量が画素
ピッチｐ_xの整数倍でない場合にも整数倍の位置ずれ量
として信号処理により位置ずれ補正を行うため、この分
測定誤差が生じるが、演算処理により位置ずれ補正を行
わないので、この分処理の高速化が可能となっている。
また、ラインセンサ４１ａ，４１ｂの受光データをすべ
て保存せず、Ｘ方向の画素ずれ補正を行って合成した後
の受光データのみを保存するようにしているので、この
分第１の測定モードよりもメモリ容量を低減できるよう
になっている。

【０１１７】Ｘ方向画素ずれ補正部７２１は、上述した
ようにラインセンサ４１ａとラインセンサ４１ｂ間のＸ
方向の位置ずれ量を画素ピッチ単位で補正するものであ
る。Ｘ方向画素ずれ補正部７２１は、各露光動作毎に、
ラインセンサ４１ａから読み出される一群の受光データ
とラインセンサ４１ｂから読み出される一群の受光デー
タとの位相を相対的にずらせることで、Ｘ方向の位置ず
れ量を補正する。

【０１１８】具体的には、受光部４からはラインセンサ
４１ａ，４１ｂの画素ｇ_i，ｇ_i′からそれぞれ出力され
る受光データＶ(ｇ_i)，Ｖ(ｇ_i′)が同位相で出力される
が、例えばラインセンサ４１ａ，４１ｂ間のＸ方向の位
置ずれ量Δｘが図８に示すようにΔｘ≒１．５ｐ_xであ
る場合、画素ｇ_i′の受光位置は画素ｇ_iの受光位置に対
してＸ方向に１．５ｐ_xだけずれ、画素ｇ_i+1若しくは画
素ｇ_i+2の受光位置に近くなっている。

【０１１９】従って、Ｘ方向画素ずれ補正部７２１では
ラインセンサ４１ｂから出力される受光データＶ
(ｇ_i′)の位相を１画素分若しくは２画素分遅延させて
ラインセンサ４１ａの画素ｇ_i+1若しくは画素ｇ_i+2から
出力される受光データＶ(ｇ_i+1)，Ｖ(ｇ_i+2)と同相にな
るようにＸ方向の位置ずれ量が信号処理により補正され
る。

【０１２０】データ選択部７２２は、ラインセンサ４１
ａの各画素ｇ_i（ｉ＝１，２，…ｍ）の受光データとラ
インセンサ４１ｂの各画素ｇ_i′（ｉ＝１，２，…ｍ）
の受光データとを合成して正確な受光データを作成する
もので、第１データ処理部７１内のデータ選択部７１３
と同一の機能を果たすものである。データ選択部７２２
ではラインセンサ４１ａからの受光データとラインセン
サ４１ｂからの受光データとを比較し、レベルの飽和し
ていない適切な受光データが選択されて画像メモリ７２
３に格納される。

【０１２１】画像メモリ７２３は合成後の受光データを
一時、保存するものである。画像メモリ７２３も第１デ
ータ処理部７１内の画像メモリ７１１ａ（若しくは７１
１ｂ）と同様のメモリ容量を有し、図５に示したように
各画素位置の受光データＶ(ｇ_i）が記憶される。

【０１２２】Ｚ方向位置ずれ補正部７２４は、第１デー
タ処理部７１内のデータ粗検出部７１４及びＺ方向位置
ずれ補正部７１５と同一の機能を果たすものである。す
なわち、各画素位置毎に、複数個の受光データの中から
ピークレベル近傍の受光データを検出し、それらの受光
データにラインセンサ４１ｂの受光データが含まれてい
る場合、その受光データについてラインセンサ４１ａと
ラインセンサ４１ｂとのＺ方向における相互の位置ずれ
Δｚを補正するものである。Ｚ方向位置ずれ補正部７１
５により補正された受光データは測定制御部８に出力さ
れる。

【０１２３】Ｚ方向位置ずれ補正部７２４には各画素位
置に対する位置ずれ量Δｚとして代表値が設定されてお
り、同一の位置ずれ量ΔｚによりＺ方向の位置ずれ基づ
く信号レベルの補正が行われる。これにより演算処理の
高速化が図られている。

【０１２４】Ｚ方向位置ずれ補正部７２４の具体的な処
理は、上述したデータ粗検出部７１４及びＺ方向位置ず
れ補正部７１５の処理と同様であるので、ここでは具体
的な説明を省略する。

【０１２５】第１データ処理部７１若しくは第２データ
処理部７２から出力されるＺ方向のに粗く検出された受
光データは測定制御部８の入力され、上述したようにＺ
座標演算部８４で補間処理により正確な信号レベルが最
大となるＺ座標が算出される。

【０１２６】上記のように本実施形態に係る形状計測装
置１は、ＣＣＤ２板方式よるダイナミックレンジ拡大方
法を適用した受光部４を備えているので、高精度の受光
データが得られ、高精度の形状計測が可能となる。特に
ラインセンサ４１ａ，ラインセンサ４１ｂ間のＸ方向及
びＺ方向の位置ずれ量Δｘ，Δｚを画素毎に算出してお
き、ラインセンサ４１ａに対するラインセンサ４１ｂの
受光データの位置ずれに起因する誤差を画素毎に補正す
るようにしているので、ラインセンサ４１ａ，ラインセ
ンサ４１ｂ間のＸ方向及びＺ方向の位置ずれが測定誤差
に与える影響も少ない。

【０１２７】また、測定精度を重視した第１の測定モー
ドと測定速度を重視した第２の測定モードとを設け、測
定目的に応じてユーザーが両測定モードを選択できるよ
うにしているので、形状測定装置の利便性も向上する。

【０１２８】なお、上記実施の形態では、第１の測定モ
ードと第２の測定モードとを切換可能にしていたが、い
ずれか一方の測定モードを備えた構成であっても測定精
度の差はあるが、ラインセンサ４１ａ，ラインセンサ４
１ｂ間のＸ方向及びＺ方向の位置ずれに基づく測定誤差
を低減することができる。

【０１２９】また、上記実施形態ではラインセンサを２
個用いて受光部４のダイナミックレンジを拡大するよう
にしていたが、ラインセンサを３個以上用いた場合にも
同様の方法で位置ずれ補正を行えば、ラインセンサ間の
位置ずれが測定誤差に与える影響を低減させることがで
きる。更に単体のセンサやエリアセンサを用いた場合に
も同様の方法で位置ずれ補正を行えば、ラインセンサ間
の位置ずれが測定誤差に与える影響を低減させることが
できる。

【０１３０】また、上記実施の形態ではＸ方向の位置ず
れ補正をした後、受光データの合成処理を行い、その後
でＺ方向の位置ずれ補正を行うようにしていたが、Ｘ方
向及びＹ方向の位置ずれ補正をした後、受光データの合
成処理を行うようにしても良い。

【０１３１】更に上記実施形態では共焦点型の光学系３
を用い、像側の焦点位置Ｆ１に照明光源を設けて光学系
３を介して測定対象物Ｇに照明光を照射するようにして
いたが、光学系３の光路外に照明光源を設け、この照明
光源からの照明光の測定対象物Ｇでの反射光を光学系３
により受光部４に導くような構成であってもよい。

【０１３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
受光特性の等しい少なくとも２個の受光手段と入射した
光束を所定の光量比率で分割し、それぞれ各受光手段に
導く光分割手段とからなる受光部を備えた形状計測装置
であって、一方の受光手段からの受光信号を基準に他方
の受光手段からの受光信号の光束入射方向（Ｚ方向）に
おける受光手段間相互の位置ずれ量に基づく誤差を補正
し、一方の受光手段からの受光信号のレベルが飽和して
いるとき、その受光信号をレベルが飽和していない他方
の受光手段からの受光信号に置換するように両受光手段
からの受光信号を合成するようにしたので、複数個の受
光手段のＺ方向における相互の位置ずれの影響を受ける
ことなく正確かつ高い精度で測定対象物の表面形状を計
測することができる（請求項１）。

【０１３３】また、本発明によれば、複数個の画素が線
状に配列されてなる受光特性の等しい少なくとも２個の
受光手段と入射した光束を所定の光量比率で分割し、そ
れぞれ各受光手段に導く光分割手段とからなる受光部を
備えた形状計測装置であって、第１の測定モードと第２
の測定モードとを設け、第１の測定モードでは各画素毎
にＸ方向における受光手段間の位置ずれに基づく受光信
号の誤差を演算処理により正確に補正し、第２の測定モ
ードでは各画素毎にＸ方向における受光手段間の位置ず
れに基づく受光信号の誤差を受光信号の位相調整により
画素ピッチ単位で補正するようにしたので、高精度で測
定したい場合は第1の測定モードを選択することによ
り、また、高速で測定したい場合は第２の測定モードを
選択することによりユーザの測定条件に応じた形状測定
を行うことができる。これにより形状計測装置の利便性
が向上する（請求項７）。

【０１３４】また、本発明によれば、一方の受光手段か
らの受光信号を基準に他方の受光手段からの受光信号の
光束入射方向に対して垂直な方向（Ｘ方向）における受
光手段間相互の位置ずれ量に基づく誤差も補正するよう
にしたので、複数個の受光手段のＺ方向及びＸ方向にお
ける相互の位置ずれの影響を受けることなく正確かつ高
い精度で測定対象物の表面形状を計測することができる
（請求項２，８）。

【０１３５】更に、ラインセンサからなる受光手段を用
いて各画素から出力される受光信号毎に位置ずれに起因
する誤差補正を行う場合、Ｘ方向又はＺ方向における位
置ずれ量を所定の代表値としたので、各画素毎の位置ず
れ量を記憶するための容量が低減できるとともに、補正
演算も容易となる（請求項５，１０）。

【０１３６】また、受光部の受光手段を光学系の像側の
焦点位置に設定し、光学系の像側の焦点位置に照明光源
を生成する照明手段とこの照明部からの照明光を光学系
に導くとともに、この光学系から出射される照明光の測
定対象物からの反射光を受光部に導く第２の光分割手段
とを設け、共焦点法により照明手段からの照明光を測定
対象物に照射して形状測定を行うようにしたので、より
高い精度で形状測定が可能となる（請求項６，１１）。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る形状計測装置の一実施形態のブロ
ック構成図を示す図である。

【図２】Ｚ座標粗演算部の内部構成を示すブロック図で
ある。

【図３】共役オートフォーカスシステムによる測定対象
物の表面形状の測定方法を説明するための図である。

【図４】光学系の対物側焦点位置に集光されたスリット
光を測定対象物に近接させるように移動させつつ当該測
定対象物からの反射光を周期的に受光した際の信号波形
の一例を示す図である。

【図５】画像メモリの記憶領域を示す概念図である。

【図６】２個のラインセンサが相互に画素ピッチの非整
数倍だけずれた状態の一例を示す図である。

【図７】図６の位置ずれ状態において画素ｇ₃′と画素
ｇ₃′の受光データを用いて画素ｇ₅の位置に対する受光
データを補間する方法を説明するための図である。

【図８】ダイナミックレンジの異なる２個のラインセン
サの受光データの合成方法の一例を示す図である。

【図９】Ｚ方向の位置ずれ補正の内容を説明するための
図である。

【図１０】Ｘ方向の位置ずれ量を測定する方法を説明す
るための図である。

【図１１】２個のラインセンサの撮像面が傾斜している
場合のＸ方向及びＺ方向の位置ずれ量を説明するための
図である。

【図１２】２枚のＣＣＤを用いたダイナミックレンジ拡
大方法を説明するための図である。

【図１３】２個のＣＣＤラインセンサのＸ方向及びＺ方
向の相互の位置ずれを示す図である。

【図１４】２個のラインセンサ間に画素配列方向の位置
ずれが生じている場合の測定精度への影響を説明するた
めの図である。

【図１５】ラインセンサの受光感度特性の一例を示す図
である。

【符号の説明】

１形状計測装置２照明部（照明手段）３共焦点型光学系３１ａ，３１ｂレンズ３２アクチュエータ（駆動手段）３３電動モータ（駆動手段）３４モータドライバ（駆動手段）３５位置検出器３６波形整形器４受光部４１ａ，４１ｂラインセンサ（受光手段）４２ビームスプリッタ（光分割手段）４３Ａ／Ｄ変換器５ビームスプリッタ（第２の光分割手段）６Ｙ方向駆動部７Ｚ座標粗演算部７１第１データ処理部（信号処理手段，第１の信号処
理手段）７１１画像メモリ（信号記憶手段）７１２Ｘ方向位置ずれ補正部（補正手段）７１３データ選択部（信号合成手段）７１４データ粗検出部７１５Ｚ方向位置ずれ補正部（第２の補正手段）７１６データメモリ（記憶手段，第２の記憶手段）７２第２データ処理部（第２の信号処理手段）７２１Ｘ方向画素ずれ補正部（補正手段）７２２データ選択部（信号合成手段）７２３画像メモリ７２４Ｚ方向位置ずれ補正部（第２の補正手段）７３ゲートコントローラ８測定制御部８（処理制御手段）８１移動制御部８２測定位置検出部８３露光制御部８４Ｚ座標演算部８５通信部９モード設定部（モード設定手段）ＧＴ１〜ＧＴ６ゲート（切換手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者廣内恭一大阪市中央区安土町二丁目３番13号大阪国際ビルミノルタ株式会社内Ｆターム(参考） 2F065 AA06 AA53 BB05 DD00 DD06 DD07 EE00 FF09 FF10 FF66 FF67 GG04 HH05 HH13 JJ02 JJ05 JJ09 JJ15 JJ25 LL00 LL04 LL30 LL46 MM03 MM04 MM07 NN11 NN12 NN13 NN17 PP02 PP12 PP13 QQ00 QQ01 QQ03 QQ11 QQ23 QQ24 QQ25 QQ29 QQ31 QQ34 QQ42 QQ47 UU07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】受光特性の等しい少なくとも２個の受光
手段と入射した光束を所定の光量比率で分割し、それぞ
れ各受光手段に導く光分割手段とからなる受光部と、測
定対象物の表面で反射した光束を上記受光部に導く物体
側の焦点位置が移動可能な光学系と、上記物体側の焦点
位置を移動させるべく上記光学系を駆動する駆動手段
と、上記受光部の各受光手段から出力される受光信号の
合成処理を行う信号処理手段とを備え、上記測定対象物
からの反射光を上記受光部で受光し、上記信号処理手段
で合成処理された受光信号を用いて当該測定対象物表面
の位置を計測する形状計測装置であって、上記信号処理手段は、上記受光手段間相互の光束入射方
向における位置ずれ量が記憶された記憶手段と、上記受
光部の各受光手段から出力される受光信号をそれぞれ記
憶する信号記憶手段と、上記受光手段の一方の受光信号
に対する他方の受光信号の上記位置ずれ量に基づく誤差
を上記記憶手段に記憶された位置ずれ量に基づいて補正
する補正手段と、一方の受光手段の受光光量が受光範囲
を超えているとき、当該受光手段の受光信号を受光光量
が受光範囲を超えていない他方の受光手段の受光信号に
置き換えるように上記受光手段の受光信号を合成する信
号合成手段とからなることを特徴とする形状計測装置。
【請求項２】請求項１記載の形状計測装置において、
上記信号処理手段は、上記受光手段間の光束入射方向に
対して垂直な方向における位置ずれ量が記憶された第２
の記憶手段と、上記受光手段の一方の受光信号に対する
他方の受光信号の上記光束入射方向に対して垂直な方向
における位置ずれ量に基づく誤差を上記第２の記憶手段
に記憶された位置ずれ量に基づいて補正する第２の補正
手段とを更に備えたことを特徴とする形状計測装置。
【請求項３】上記受光手段は、光束入射方向に対して
垂直な方向に複数個の画素が配列されてなるラインセン
サであることを特徴とする請求項１又は２記載の形状計
測装置
【請求項４】上記補正手段及び上記第２の補正手段
は、上記受光手段の画素毎に、受光信号の上記位置ずれ
量に基づく誤差を補正するものであることを特徴とする
請求項３記載の形状計測装置。
【請求項５】上記受光手段の画素毎の光束入射方向又
は光束入射方向に対して垂直な方向における位置ずれ量
は、所定の代表値であることを特徴とする請求項４記載
の形状計測装置。
【請求項６】請求項１〜５のいずれかに記載の形状計
測装置において、上記受光部の受光手段は上記光学系の
像側の焦点位置に設定され、上記光学系の像側の焦点位
置に照明光源を生成する照明手段と、この照明手段と上
記受光部との間に介設され、当該照明手段からの照明光
を上記光学系に導くとともに、この光学系から出射され
る上記照明光の上記測定対象物からの反射光を上記受光
部に導く第２の光分割手段とを更に備えたことを特徴と
する形状計測装置。
【請求項７】複数個の画素が線状に配列されてなる受
光特性の等しい少なくとも２個の受光手段と入射した光
束を所定の光量比率で分割し、それぞれ各受光手段に導
く光分割手段とからなる受光部と、測定対象物の表面で
反射した光束を上記受光部に導く物体側の焦点位置が移
動可能な光学系と、上記物体側の焦点位置を移動させる
べく上記光学系を駆動する駆動手段と、上記受光部の各
受光手段から出力される受光信号の合成処理を行う第１
の信号処理手段と、上記受光部の各受光手段から出力さ
れる受光信号の合成処理を行う第２の信号処理手段と、
上記第１，第２の信号合成手段を切り換える切換手段
と、第１の測定モードと第２の測定モードとを切換設定
するモード設定手段と、上記第１の測定モードが設定さ
れると、上記第１の信号処理手段により上記受光信号の
合成処理を行わせ、上記第２の測定モードが設定される
と、上記第２の信号処理手段により上記受光信号の合成
処理を行わせる処理制御手段とを備え、上記測定対象物
からの反射光を上記受光部で受光し、上記第１の信号処
理手段若しくは第２の信号処理手段で処理された受光信
号を用いて当該測定対象物表面の位置を計測する形状計
測装置であって、上記第１の信号処理手段は、上記受光手段間相互の画素
配列方向における位置ずれ量が記憶された記憶手段と、
上記受光部の各受光手段から出力される受光信号をそれ
ぞれ記憶する信号記憶手段と、上記受光手段の一方の受
光信号に対する他方の受光信号の上記位置ずれ量に基づ
く誤差を上記記憶手段に記憶された位置ずれ量に基づい
て補正する補正手段と、一方の受光手段の受光光量が受
光範囲を超えているとき、当該受光手段の受光信号を受
光光量が受光範囲を超えていない他方の受光手段の受光
信号に置き換えるように上記受光手段の受光信号を合成
する信号合成手段とからなり、上記第２の信号処理手段は、上記受光手段間相互の画素
配列方向における画素ピッチ単位の位置ずれ量に基づき
一方の受光手段から出力される受光信号の位相を他方の
受光手段から出力される受光信号に対して遅延させて両
受光手段間の画素配列方向の位置ずれを補正する補正手
段と、一方の受光手段の受光光量が受光範囲を超えてい
るとき、当該受光手段の受光信号を受光光量が受光範囲
を超えていない他方の受光手段の受光信号に置き換える
ように上記受光手段の受光信号を合成する信号合成手段
とからなることを特徴とする形状計測装置。
【請求項８】請求項７記載の形状計測装置において、
上記第１，第２の信号処理手段は、それぞれ上記受光手
段間相互の光束入射方向における位置ずれ量が記憶され
た第２の記憶手段と、上記受光手段の一方の受光手段に
対する他方の受光信号の上記光束入射方向における位置
ずれ量に基づく誤差を上記第２の記憶手段に記憶された
位置ずれ量に基づいて補正する第２の補正手段とを更に
備えていることを特徴とする形状計測装置。
【請求項９】上記第１の信号処理手段の有する補正手
段及び第２の補正手段は、上記受光手段の画素毎に、上
記位置ずれ量に基づく誤差を補正するものであることを
特徴とする請求項７又は８記載の形状計測装置。
【請求項１０】上記受光手段の画素毎の画素配列方向
若しくは光束入射方向における位置ずれ量は、所定の代
表値であることを特徴とする請求項９記載の形状計測装
置。
【請求項１１】請求項７〜１０のいずれかに記載の形
状計測装置において、上記受光部の受光手段は上記光学
系の像側の焦点位置に設定されるとともに、上記光学系
の像側の焦点位置に照明光源を生成する照明手段と、こ
の照明手段と上記受光部との間に介設され、当該照明手
段からの照明光を上記光学系に導くとともに、この光学
系から出射される上記照明光の上記測定対象物からの反
射光を上記受光部に導く第２の光分割手段とを更に備え
たことを特徴とする形状計測装置。