JP2006153575A - 3次元計測装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 コンパクトで、システム性に優れた3次元計測装置を提供する。
【解決手段】 光源装置14からの光の光路に配置される、スリット状の光透過部を一定間隔のピッチで形成した格子パターン609、この格子パターン609より形成される格子パターン像を標本3に対し所定角度傾けて投影する投影光学系611を具備したユニット化された格子パターン投影装置6を有する。
【選択図】 図1
【解決手段】 光源装置14からの光の光路に配置される、スリット状の光透過部を一定間隔のピッチで形成した格子パターン609、この格子パターン609より形成される格子パターン像を標本3に対し所定角度傾けて投影する投影光学系611を具備したユニット化された格子パターン投影装置6を有する。
【選択図】 図1
Description
本発明は、格子パターン投影法を採用した3次元計測装置に関するものである。
従来、3次元形状をなす測定対象物の表面形状を測定する手段として、格子パターン投影法が知られている。この格子パターン投影法は、測定対象物の表面に対して斜め上方向に投影系を配置し、この投影系からの格子パターンの像を測定対象物表面に所定角度傾けて投影し、測定対象物表面からの散乱光を変形パターン像として、測定対象物表面の真上に配置された撮像系により撮像し、その撮像画像を演算処理することにより測定対象物の3次元の表面形状を求めるようにしている。
ところで、最近、このような3次元計測装置には、顕微鏡を組み合わせたものが考えられており、例えば、非特許文献1として図6に示すように実体顕微鏡と格子パターン投影装置本体を組み合わせたものが開示されている。図において、100は実体顕微鏡、200は格子パターン投影装置を示している。そして、格子パターン投影装置200の光源201からの光を、格子パターン202を通過させミラー203で反射させて実体顕微鏡100のズーム本体101内部の投影光路101aに導き、対物レンズ102を介して標本300の斜め上方向から標本300面に照射し、また、標本300からの反射光を対物レンズ102を介してズーム本体101内部の撮像光路101bに導き、格子パターン投影装置200のミラー204で反射させTVカメラ400で撮像するようにしている。
情報工学会誌 VOL.66 NO.1.2000
情報工学会誌 VOL.66 NO.1.2000
ところが、このような非特許文献1に開示されるものは、TVカメラ400の撮像を目的に構成されており目視観察に対応していない。また、格子パターン投影装置200が、実体顕微鏡100の鏡筒取付け部に装着する中間鏡筒タイプの構成となっている。このため、仮に目視観察もできるように格子パターン投影装置200内に光学部材の切換え機構を内蔵し、さらに別の中間鏡筒を組合わせようとすると、中間鏡筒が2段重ねとなってしまい、光路の延長により周辺光量不足やケラレなどの光学的な問題が発生することがあり、システム的な制限も生じるという問題がある。また、中間鏡筒が2段重ねとなることで、アイポイントもアップしてしまいエルゴノミック的な観点からも好ましくない。
さらに、実体顕微鏡100内の投影光路101aと撮像光路101bの2光路を使って投影と撮像を同時におこなっているため、標本300に対する投影角度αが、使用する実体顕微鏡の内向角によって決まってしまう。一般に、投影角度αを大きくすると計測精度は良くなるが、実体顕微鏡の内向角は比較的小さいため、計測精度の向上はそれほど望めない。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、コンパクトで、システム性に優れた3次元計測装置を提供することを目的とする。
請求項1記載の発明は、光源からの光路に配置され、且つスリット状の光透過部を一定間隔のピッチで形成した格子パターンと、前記格子パターンより形成される格子パターン像を標本に対し所定角度傾けて投影する投影光学系と、を具備したユニット化された格子パターン投影手段を有することを特徴としている。
請求項2記載の発明は、直立して設けられる支柱に沿って移動可能に設けられる焦準装置と、前記焦準装置とともに移動可能に設けられ、光源からの光路に配置され、且つスリット状の光透過部を一定間隔のピッチで形成した格子パターンと、前記格子パターンより形成される格子パターン像を標本に対し所定角度傾けて投影する投影光学系とを有するユニット化された格子パターン投影手段と、前記格子パターン投影手段を介して前記焦準装置に設けられ、前記格子パターン投影手段より前記標本に投影された格子パターン像を変形格子パターン像として対物レンズを介して観察する観察手段を有する実体顕微鏡とを具備したことを特徴としている。
請求項3際の発明は、直立して設けられる支柱に沿って移動可能に設けられる焦準装置と、前記焦準装置とともに移動可能に設けられ、且つ光源光源からの光路に配置され、且つスリット状の光透過部を一定間隔のピッチで形成した格子パターンと、前記格子パターンより形成される格子パターン像を標本に対し所定角度傾けて投影する投影光学系とを有するユニット化された格子パターン投影手段と、前記格子パターン投影手段を介して前記焦準装置に設けられ、前記格子パターン投影手段より前記標本に投影された格子パターン像を変形格子パターン像として対物レンズを介して観察する観察手段を有する実体顕微鏡と、前記観察手段で観察される前記変形格子パターン像を撮像する撮像手段と、前記撮像手段で撮像された変形格子パターン像を画像処理して前記標本の3次元表面形状が求める画像処理手段と、を具備したことを特徴としている。
請求項4記載の発明は、請求項1乃至3のいずれかに記載の発明において、前記格子パターン投影手段は、光源として光ファイバを介して光源手段が接続されていることを特徴としている。
請求項5記載の発明は、請求項1乃至3のいずれかに記載の発明において、前記格子パターンは、該格子パターンを所定ピッチだけピッチ方向に移動可能とするパターン移動手段を有することを特徴としている。
請求項6記載の発明は、請求項2又は3記載の発明において、前記格子パターン投影手段は、前記焦準装置に対して着脱可能な第1の装着手段を有し、前記実体顕微鏡は、前記格子パターン投影手段に対して着脱可能な第2の装着手段を有することを特徴としている。
請求項7記載の発明は、請求項6記載の発明において、前記第1および第2の装着手段は、互換性を有することを特徴としている。
請求項8記載の発明は、請求項2又は3記載の発明において、観察手段は、前記変形格子パターン像を目視観察する手段を有することを特徴としている。
本発明によれば、コンパクトで、システム性に優れた3次元計測装置を提供できる。
以下、本発明の一実施の形態を図面に従い説明する。
図1および図2は、本発明の一実施の形態に係る3次元計測装置の概略構成の側面図および正面図を示している。
図1(a)において、1は基台で、この基台1上には、ステージ2が設けられている。このステージ2には、標本3が載置されている。
基台1には、支柱4が直立して設けられている。この支柱4には、焦準装置5が設けられている。この焦準装置5には、格子パターン投影手段としての格子パターン投影装置6を介して実体顕微鏡を構成する実体顕微鏡本体7が設けられている。
図3(a)(b)(c)(d)は、焦準装置5の概略構成を示している。
図において、501は装置本体で、この装置本体501には、支柱4が挿通される孔部501aが形成されている。この装置本体501には、固定ハンドル502が設けられ、この固定ハンドル502を締付け方向に回転することで、支柱4に固定できるようになっている。
装置本体501には、移動部材503がガイド部504を介して設けられている。ガイド部504は、装置本体501と移動部材503の相対向する部位に形成されたガイド溝504aの間にボール504bを介在させたもので、装置本体501に対し移動部材503を移動可能にしている。また、装置本体501と移動部材503の間には、ピニオンとラックからなる昇降機構505が設けられている。この昇降機構505には、焦準ハンドル506が連結されており、この焦準ハンドル506の操作により移動部材503を支柱4に沿った方向に上下動可能にしている。
焦準装置5の移動部材503には、格子パターン投影装置6に対向する側面に、格子パターン投影装置6を装着する第1の装着手段を構成するスライドメスアリ507が形成されている。このスライドメスアリ507には、格子パターン投影装置6に形成される後述するスライドオスアリ602が連結されるようになっている。この場合、スライドメスアリ507には、位置決めピン508と固定ビス509が配置されていて、格子パターン投影装置6側のスライドオスアリ602をスライド挿入し、スライドオスアリ602端部を位置決めピン508に当接させた状態で、固定ビス509により固定できるようになっている。
図4(a)(b)(c)(d)は、格子パターン投影装置6の概略構成を示している。
図において、601は装置本体で、この装置本体601は、焦準装置5に対向する側面に、焦準装置5に装着される第1の装着手段を構成するスライドオスアリ602が形成されている。このスライドオスアリ602は、焦準装置5側に形成されるスライドメスアリ507にスライド挿入され、上述したように位置決めピン508に当接させた状態で、固定ビス509により固定されるようになっている。
また、装置本体601は、実体顕微鏡本体7に対向する側面に、実体顕微鏡本体7を装着する第2の装着手段を構成するスライドメスアリ603が形成されている。このスライドメスアリ603には、実体顕微鏡本体7側に形成される後述するスライドオスアリ802が連結されるようになっている。この場合、スライドメスアリ603にも、位置決めピン604と固定ビス605が配置されていて、実体顕微鏡本体7側のスライドオスアリ802をスライド挿入し、このスライドオスアリ802端部を位置決めピン604に当接させた状態で、固定ビス605により固定できるようになっている。
格子パターン投影装置6は、装置本体601の焦準装置5側の側面上方に、ライトガイド挿入部606が設けられている。このライトガイド挿入部606は、先端部にライトガイドとしての光ファイバ13の出射端13aを固定する挿入口606aが設けられている。この挿入口606aには、固定ツマミ607が設けられ、挿入口606aに光ファイバ13の出射端13aを挿入した状態で固定ツマミ607を回すことで、光ファイバ13を位置決め固定できるようになっている。
ライトガイド挿入部606の内部には、光ファイバ13の出射端13aから発せられる光の光路上に照明光学系608が配置されている。この照明光学系608は、光ファイバ13の出射端13aからの光をほぼ平行光にして、装置本体601内部に導くようにしている。
装置本体601内部には、照明光学系608からの光の光路上に格子パターン609が配置されている。この格子パターン609は、スリット状の光透過部を一定間隔のピッチで形成したもので、照明光学系608からの光が均一に照射されると、それぞれの光透過部より光を透過するようになっている。また、格子パターン609には、パターン移動装置610が設けられている。このパターン移動装置610は、格子パターン609を所定ピッチだけピッチ方向に移動できるようになっている。この場合、格子パターン609は、図1(b)に示すように水平方向に沿ったスリット状の光透過部609aが垂直方向に一定間隔のピッチで形成されており、このような格子パターン609を光透過部609aと直交するピッチ方向、つまり図示矢印aで示す垂直方向に移動できるようになっている。
なお、このような格子パターン609には、具体例として液晶格子が用いられ、パターン移動装置610に相当する不図示の制御ドライバーにより駆動されるようになっている。
格子パターン609を通過した光路には、投影光学系611が配置されている。この投影光学系611は、格子パターン609により形成される明暗を有する格子パターン像を投影光路17(図1参照)を介して、標本3に対し所定の角度傾けて、つまり所定の投影角度θで投影するようにしている。
この場合、投影光学系611は、物体側(格子パターン609)と像側(標本3)で両側テレセントリックな光学系になっている。ここで、両側テレセントリックにしている理由は、格子パターン像の大きさ(倍率)がピント面の前後でも変わらず、一定に保てるからである。これにより、格子パターン像の大きさの変化による計測誤差の発生を防止するようにしている。
図1に戻って、格子パターン投影装置6には、実体顕微鏡本体7が連結されている。この場合、実体顕微鏡本体7は、ズーム鏡体8を有している。
図5(a)(b)(c)(d)は、ズーム鏡体8の概略構成を示している。
図において、801はズーム鏡体本体で、このズーム鏡体本体801は、格子パターン投影装置6に対向する側面に、格子パターン投影装置6に装着される第2の装着手段を構成するスライドオスアリ802が形成されている。このスライドオスアリ802は、格子パターン投影装置6側に形成されるスライドメスアリ603にスライド挿入され、上述したように位置決めピン604に当接させた状態で、固定ビス605により固定されるようになっている。
この場合、ズーム鏡体本体801のスライドオスアリ802は、焦準装置5側のスライドメスアリ507にも取付可能な互換性を有する構成となっており、これにより、ズーム鏡体本体801を直接焦準装置5側のスライドメスアリ507に連結固定できるようにしている。
ズーム鏡体本体801には、ズームハンドル803が設けられている。このズームハンドル803は、ハンドル操作によりズーム鏡体8での倍率を可変できるようになっている。
ズーム鏡体本体801の下面には、対物レンズ取付部としてねじ部804が形成されている。また、ズーム鏡体本体801の上面には、鏡筒取付部としての丸アリ805が形成されている。
図1に戻って、ズーム鏡体8の下端部には、対物レンズ9が装着されている。この場合、対物レンズ9は、ズーム鏡体本体801のねじ部804にねじ込みにより装着されるねじ込み方式のものが用いられている。また、対物レンズ9は、標本3の真上に配置され、焦準装置5の操作によるズーム鏡体8の上下動により標本3との相対距離を変化されることで、標本3にピント合わせできるようになっている。
ズーム鏡体8の上端部には、鏡筒10がズーム鏡体本体801の丸アリ805を介して装着される。鏡筒10は、一般的な三眼鏡筒からなるもので、観察手段として接眼レンズ11と撮像手段としてのTVカメラ12が設けられている。鏡筒10内部には、光路切換え部1001が設けられている。光路切換え部1001は、標本3からの散乱光が対物レンズ9を介して導かれる撮像光路18上に配置されている。光路切換え部1001は、撮像光路18に挿脱可能な光学素子として反射ミラー1001a、1001bを有し、反射ミラー1001aの光路への挿入により、標本3からの散乱光による変形格子パターン像を接眼レンズ11に結像させて目視観察を可能とし、また、反射ミラー1001aを光路から取外し、反射ミラー1001bを光路に挿入することで、変形格子パターン像をTVカメラ12の撮像面12aに結像させるようになっている。
一方、光ファイバ13には、入射端13b側に光源装置14が接続されている。この光源装置14には、光源としてハロゲンランプやキセノンランプなどが用いられる。また、光源装置14には、光源から発せられる光の光量を調節する調光ボリュウム14aが設けられている。
TVカメラ12には、画像処理手段としてのパーソナルコンピュータ(以下、PCと称する)15が接続されている。このPC15は、TVカメラ12の撮像画像を演算処理して標本3の3次元の表面形状を求めるようになっている。また、PC15には、モニタ16が接続されている。モニタ16は、PC15での撮像画像の演算処理の結果などを表示するものである。さらに、PC15には、上述した光源装置14およびパターン移動装置610が接続され、PC15からの指示により光源装置14からの光の光量調整やパターン移動装置610での格子パターン609の移動制御を行なうことができるようになっている。
次に、このように構成した実施の形態の作用を説明する。
いま、光源装置14から光が発せられると、光ファイバ13を介して格子パターン投影装置6に導かれ、照明光学系608を介して平行光となって格子パターン609に均一に照射される。格子パターン609の光透過部を透過した光は、投影光学系611を透過し、明暗を有する格子パターン像として投影光路17より標本3上に所定の角度傾けて投影される。
標本3上に投影された格子パターンは、標本3面より反射され、このうちの散乱光が対物レンズ9を介して撮像光路18に導かれる。この場合、撮像光路18上に光路切換え部1001の反射ミラー1001aが挿入されていれば、標本3からの散乱光による変形格子パターン像が、接眼レンズ11に結像され、目視観察することができる。また、撮像光路18上から光路切換え部1001の反射ミラー1001aが取外され、反射ミラー1001bが光路に配置されれば、標本3からの散乱光による変形格子パターン像が、TVカメラ12の撮像面12aに結像され、撮像される。
このような変形格子パターン像の撮像は、パターン移動装置610により格子パターン609を所定ピッチだけピッチ方向に移動させながら複数回繰り返して行なう。この場合、標本3上に投影される格子パターン像は、パターン移動装置610による格子パターン609の移動にともないスリット状の光透過部像と直交する方向に所定ピッチ移動するようになる。
TVカメラ12の撮像画像は、PC15に送られ、画像処理されて標本3の3次元の表面形状が求められる。そして、このPC15での撮像画像の演算処理の結果などがモニタ16に表示される。
従って、このようにすれば、ユニット化された格子パターン投影装置6を用いることにより、顕微鏡に組み合わせることによってコンパクトに3次元計測装置を構成することができる。このことは、顕微鏡の中でも特に小型な実体顕微鏡と組み合わせることによりさらにコンパクトな3次元計測装置を実現できる。
また、ユニット化された格子パターン投影装置6は、通常の実体顕微鏡本体7に着脱可能になっているため、実体顕微鏡本体7側を3次元計測専用に改造することなく、安価に、しかも容易な方法で計測システムが構築できる。
さらに、格子パターン投影装置6は、実体顕微鏡本体7の側面に着脱可能とし、中間鏡筒タイプでない構成にできるので、通常の実体顕微鏡の場合と同様に、例えば同軸落射照などの他の中間鏡筒を同様に制限なく装着でき、システム性に優れた効果を得られる。また、中間鏡筒タイプの格子パターン投影装置6でないため、アイポイントがアップすることがなく、エルゴノミックに対応できる。
さらに、格子パターン投影装置6は、ユニット化され、それ自身で独立した構成になっているので、計測精度に起因する格子パターンの投影角度が組合わせる実体顕微鏡本体7の内向角に左右されるようなことがなく、目的に応じた角度により構成することができる。
さらに、実体顕微鏡本体7の接眼レンズ11により標本3を目視で立体視観察できるとともに、TVカメラ12の撮像画像から格子パターン投影法による3次元形状の計測を行なうことができるので、実際の生産工場の部品検査工程において、目視観察で通常の検査をおこない、不良が発生した場合は、その不良箇所を格子パターン投影法で撮像して、3次元形状を瞬時に計測し、その場で不良解析用のデータを採取するようなこともできる。
さらに、従来の計測専用機ではモニタ画面上での観察のため、実際に3次元形状の計測を行なわないと、標本3の凹凸形状は把握しにくいが、実体顕微鏡本体7と組合わせることによって標本3の凹凸状況を目視で確認することができる。このため数値による形状把握を必要としない場合は計測作業を省略して目視確認で済ませるなど用途に応じて柔軟に対応できる。
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、実施段階では、その要旨を変更しない範囲で種々変形することが可能である。
さらに、上記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示されている複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出できる。例えば、実施の形態に示されている全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題を解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出できる。
1…基台、2…ステージ、3…標本
4…支柱、5…焦準装置、501…装置本体
501a…孔部、502…固定ハンドル
503…移動部材、504…ガイド部
504a…ガイド溝、504b…ボール
505…昇降機構、506…焦準ハンドル
507…スライドメスアリ、508…ピン
509…固定ビス、6…格子パターン投影装置
601…装置本体、602…スライドオスアリ
603…スライドメスアリ、604…ピン
605…固定ビス、606…ライトガイド挿入部
606a…挿入口、607…固定ツマミ
608…照明光学系、609…格子パターン
609a…光透過部、610…パターン移動装置
611…投影光学系、7…実体顕微鏡本体
8…ズーム鏡体、801…ズーム鏡体本体
802…スライドオスアリ、803…ズームハンドル
804…ねじ部、805…丸アリ、9…対物レンズ
10…鏡筒、1001…光路切換え部
1001a…反射ミラー、11…接眼レンズ
12…TVカメラ、12a…撮像面、13…光ファイバ
13a…出射端、13b…入射端、14…光源装置
14a…調光ボリュウム、15…PC
16…モニタ、17…投影光路、18…撮像光路
4…支柱、5…焦準装置、501…装置本体
501a…孔部、502…固定ハンドル
503…移動部材、504…ガイド部
504a…ガイド溝、504b…ボール
505…昇降機構、506…焦準ハンドル
507…スライドメスアリ、508…ピン
509…固定ビス、6…格子パターン投影装置
601…装置本体、602…スライドオスアリ
603…スライドメスアリ、604…ピン
605…固定ビス、606…ライトガイド挿入部
606a…挿入口、607…固定ツマミ
608…照明光学系、609…格子パターン
609a…光透過部、610…パターン移動装置
611…投影光学系、7…実体顕微鏡本体
8…ズーム鏡体、801…ズーム鏡体本体
802…スライドオスアリ、803…ズームハンドル
804…ねじ部、805…丸アリ、9…対物レンズ
10…鏡筒、1001…光路切換え部
1001a…反射ミラー、11…接眼レンズ
12…TVカメラ、12a…撮像面、13…光ファイバ
13a…出射端、13b…入射端、14…光源装置
14a…調光ボリュウム、15…PC
16…モニタ、17…投影光路、18…撮像光路
Claims (8)
- 光源からの光路に配置され、且つスリット状の光透過部を一定間隔のピッチで形成した格子パターンと、
前記格子パターンより形成される格子パターン像を標本に対し所定角度傾けて投影する投影光学系と、
を具備したユニット化された格子パターン投影手段を有することを特徴とする3次元計測装置。 - 直立して設けられる支柱に沿って移動可能に設けられる焦準装置と、
前記焦準装置とともに移動可能に設けられ、光源からの光路に配置され、且つスリット状の光透過部を一定間隔のピッチで形成した格子パターンと、前記格子パターンより形成される格子パターン像を標本に対し所定角度傾けて投影する投影光学系とを有するユニット化された格子パターン投影手段と、
前記格子パターン投影手段を介して前記焦準装置に設けられ、前記格子パターン投影手段より前記標本に投影された格子パターン像を変形格子パターン像として対物レンズを介して観察する観察手段を有する実体顕微鏡と
を具備したことを特徴とする3次元計測装置。 - 直立して設けられる支柱に沿って移動可能に設けられる焦準装置と、
前記焦準装置とともに移動可能に設けられ、且つ光源光源からの光路に配置され、且つスリット状の光透過部を一定間隔のピッチで形成した格子パターンと、前記格子パターンより形成される格子パターン像を標本に対し所定角度傾けて投影する投影光学系とを有するユニット化された格子パターン投影手段と、
前記格子パターン投影手段を介して前記焦準装置に設けられ、前記格子パターン投影手段より前記標本に投影された格子パターン像を変形格子パターン像として対物レンズを介して観察する観察手段を有する実体顕微鏡と、
前記観察手段で観察される前記変形格子パターン像を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段で撮像された変形格子パターン像を画像処理して前記標本の3次元表面形状が求める画像処理手段と、
を具備したことを特徴とする3次元計測装置。 - 前記格子パターン投影手段は、光源として光ファイバを介して光源手段が接続されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の3次元計測装置。
- 前記格子パターンは、該格子パターンを所定ピッチだけピッチ方向に移動可能とするパターン移動手段を有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の3次元計測装置。
- 前記格子パターン投影手段は、前記焦準装置に対して着脱可能な第1の装着手段を有し、前記実体顕微鏡は、前記格子パターン投影手段に対して着脱可能な第2の装着手段を有することを特徴とする請求項2又は3のいずれかに記載の3次元計測装置。
- 前記第1および第2の装着手段は、互換性を有することを特徴とする請求項6記載の3次元計測装置。
- 観察手段は、前記変形格子パターン像を目視観察する手段を有することを特徴とする請求項2又は3のいずれかに記載の3次元計測装置。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004342497A JP2006153575A (ja) | 2004-11-26 | 2004-11-26 | 3次元計測装置 |
US11/286,068 US7436524B2 (en) | 2004-11-26 | 2005-11-23 | Apparatus and method for three-dimensional measurement and program for allowing computer to execute method for three-dimensional measurement |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004342497A JP2006153575A (ja) | 2004-11-26 | 2004-11-26 | 3次元計測装置 |
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JP2004342497A Pending JP2006153575A (ja) | 2004-11-26 | 2004-11-26 | 3次元計測装置 |
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JP2014109491A (ja) * | 2012-11-30 | 2014-06-12 | Keyence Corp | 計測顕微鏡装置、これを用いた計測方法及び操作プログラム並びにコンピュータで読み取り可能な記録媒体 |
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- 2004-11-26 JP JP2004342497A patent/JP2006153575A/ja active Pending
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