JP2022149430A - 表面形状測定方法及び表面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象物における表面の形状測定の精度を向上できる、表面形状測定方法及び表面形状測定装置を提供する。【解決手段】照明装置２では、縞パターン内で１周期に相当する縞ピッチが、測定対象物１０の表面反射特性に応じて可変し得、測定対象物１０に応じて最適な縞ピッチに設定される。表面形状測定装置１では、測定対象物１０の表面反射特性に応じて、照明装置２における縞ピッチを調整することで、表面形状測定時におけるＳＮ比を高くでき、その分、表面１０ａの形状測定の精度を向上させることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、表面形状測定方法及び表面形状測定装置に関する。

従来、板状部材の表面の形状を測定する表面形状測定装置として、例えば、特許文献１に示すように、明暗が周期的に変化した縞パターンの照明光を、形状測定の対象となる表面に照射する構成が開示されている。この特許文献１では、このような縞パターンを表面上で動かして位相を変えながら複数の撮像画像を取得し、それら複数の撮像画像に基づいて表面上の欠点を判別している。

また、特許文献２には、移動する表面に照射された照明光の縞パターンを１／４位相ずつずらして撮像し、得られた撮像画像を利用して位相シフト法により表面形状を測定する方法が開示されている。

特開２０００－１８９３２号公報 特開平１１－２１１４４３号公報

しかしながら、鋼板等のように表面が鏡面でない測定対象物の場合、照明光を照射した表面には、正反射光の他に拡散反射光成分が存在する。照明光が表面で反射した際に生じる拡散反射光成分は空間的なローパスフィルタとして作用する。そのため、例えば、縞パターンの照明光を表面に照射した際、縞パターンの明暗の１周期に相当する縞ピッチが短すぎると、撮像画像内に表面における縞状の像が写らなくなるという問題がある。この場合、位相シフト法により得られた画像内のＳＮ比は低下してしまい、ひいては、形状測定結果の精度低下につながる。

一方、縞パターンの縞ピッチが長すぎる場合には、表面の傾き変化に対する位相変化量が小さくなる。そのため、この場合でも、位相シフト法により得られた画像内のＳＮ比が低下してしまい、形状測定結果の精度低下につながる。

そこで、本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、測定対象物における表面の形状測定の精度を向上できる、表面形状測定方法及び表面形状測定装置を提供することを目的とする。

本発明の表面形状測定方法は、測定対象物の表面に対し、輝度が周期的に変化する縞パターンの照明光を照射する照明光照射工程と、前記照明光に対し相対的に移動している前記表面で反射した前記照明光を撮像した撮像画像を取得する取得工程と、時系列に得られた複数の前記撮像画像から、位相シフト法を用いて位相画像を生成する位相画像生成工程と、前記位相画像に基づいて前記表面の形状を測定する形状算出工程と、を備え、前記照明光照射工程は、前記縞パターン内で１周期に相当する縞ピッチが、前記測定対象物の表面反射特性に応じて可変する、ものである。

また、本発明の表面形状測定装置は、測定対象物の表面に対し、輝度が周期的に変化する縞パターンの照明光を照射する照明装置と、前記照明光に対し相対的に移動している前記表面で反射した前記照明光を撮像した撮像画像を取得する撮像装置と、時系列に得られた複数の前記撮像画像から、位相シフト法を用いて位相画像を生成する位相シフト演算部と、前記位相画像に基づいて前記表面の形状を測定する形状算出部と、表面反射特性が異なる前記測定対象物毎に、前記縞パターン内で１周期に相当する縞ピッチに関する情報を記憶した記憶部と、を備え、前記照明装置は、前記記憶部に記憶された前記縞ピッチに関する情報に基づいて前記縞ピッチを可変させる、ものである。

本発明によれば、測定対象物の表面反射特性に応じて、照明装置における縞ピッチを調整することで、表面形状測定時におけるＳＮ比を高くでき、その分、表面の形状測定の精度を向上させることができる。

表面形状測定装置の全体構成を示す概略図である。 照明装置及び撮像装置の構成を説明するための概略図である。 照明装置の発光面を説明するための概略図である。 撮像装置で得られる撮像画像を示した写真である。 撮像画像内における縞パターン像の輝度の変化を示したグラフである。 第１実施形態による演算処理装置の回路構成を示すブロック図である。 縞ピッチと、振幅／縞ピッチの値との関係を示したグラフである。 図８Ａは所定の時刻１のときに得られた撮像画像内の注目表面領域を示す写真であり、図８Ｂは時刻２のときに得られた撮像画像内の注目表面領域を示す写真であり、図８Ｃは時刻３のときに得られた撮像画像内の注目表面領域を示す写真であり、図８Ｄは時刻４のときに得られた撮像画像内の注目表面領域を示す写真である。 図９Ａは、図８Ａに示した撮像画像内から抽出した表面抽出画像を示す写真であり、図９Ｂは、図８Ｂに示した撮像画像内から抽出した表面抽出画像を示す写真であり、図９Ｃは、図８Ｃに示した撮像画像内から抽出した表面抽出画像を示す写真であり、図９Ｄは、図８Ｄに示した撮像画像内から抽出した表面抽出画像を示す写真である。 図９に示した４つの表面抽出画像から生成した位相画像を示す写真である。 図１０に示した位相画像からバイアス成分を除去した位相画像を示す写真である。 表面が水平面から傾き角度θで傾いたときに、発光面での視点が、どのように変化するかについて説明するための概略図である。 図１１に示した位相画像内における直線部に沿って求めた高さを示したグラフである。 縞ピッチと振幅との関係を示したグラフである。 縞ピッチとＳＮ比との関係を示したグラフである。 第２実施形態による演算処理装置の回路構成を示すブロック図である。 図１７Ａは所定の時刻１のときに得られた撮像画像内の各注目撮像ラインを示す写真であり、図１７Ｂは時刻２のときに得られた撮像画像内の各注目撮像ラインを示す写真であり、図１７Ｃは時刻３のときに得られた撮像画像内の各注目撮像ラインを示す写真であり、図１７Ｄは時刻４のときに得られた撮像画像内の各注目撮像ラインを示す写真である。 図１８Ａは、一の注目撮像ラインを基に時系列に抽出したライン抽出画像から生成した位相シフト演算用画像を示す写真であり、図１８Ｂは、図１８Ａと異なる注目撮像ラインを基に時系列に抽出したライン抽出画像から生成した位相シフト演算用画像を示す写真であり、図１８Ｃは、図１８Ａ及び図１８Ｂと異なる注目撮像ラインを基に時系列に抽出したライン抽出画像から生成した位相シフト演算用画像を示す写真であり、図１８Ｄは、図１８Ａ、図１８Ｂ及び図１８Ｃと異なる注目撮像ラインを基に時系列に抽出したライン抽出画像から生成した位相シフト演算用画像を示す写真である。 図１８に示した４つの位相シフト演算用画像から生成した位相画像を示す写真である。

以下図面について、本発明の一実施形態を詳述する。以下の説明において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

（１）第１実施形態
＜表面形状測定装置の概略＞
図１は、本発明の表面形状測定装置の全体構成を示す概略図である。図１に示すように、表面形状測定装置１は、照明装置２と撮像装置３と演算処理装置４とを備えており、搬送方向ｘに沿って移動している測定対象物１０の表面１０ａの形状を測定する。

ここで、測定対象物１０は、長手方向を有しており、長手方向を搬送方向ｘとし、搬送路上を一定速度で搬送されている。測定対象物１０は、例えば、鋼板やアルミ板等の金属板であり、表面１０ａに照明光が照射された際、表面１０ａに鏡面反射光成分及び拡散反射光成分が存在する材質であることが望ましい。

照明装置２は、例えばディスプレイからなり、指向性の低い照明光を面発光する発光面２ａを有する。この発光面２ａは、測定対象物１０の表面１０ａから所定距離離れた位置に配置され、表面１０ａに対して所定角度に設けられている。この場合、発光面２ａには、帯状の明部６ａと、明部６ａと同一形状でなる帯状の暗部６ｂとが交互に配置され、かつ、明部６ａ及び暗部６ｂの長手方向が測定対象物１０の幅方向（搬送方向ｘ及び高さ方向ｚと直交する方向）ｙに沿って並行となるように配置されている。

これにより、発光面２ａは、測定対象物１０の表面１０ａに向けて、輝度が周期的に変化する縞パターンの照明光を照射する。縞パターンの照明光が測定対象物１０の表面１０ａに照射され、表面１０ａで反射されることで、後述する撮像装置３で縞パターン像を撮像することが可能となる。

かかる構成に加えて、本実施形態の場合、照明装置２には演算処理装置４が接続されており、演算処理装置４から受け取った縞ピッチ設定情報に基づいて発光面２ａにおける縞パターンを可変とすることができる。

具体的には、照明装置２は、明部６ａ及び暗部６ｂの長手方向と直交する短手方向における縞ピッチ（後述する）を、縞ピッチ設定情報に基づいて変更する（変更工程）。このようにして、照明装置２は、測定対象物１０の表面反射特性に応じて発光面２ａの縞ピッチを可変とすることができ、表面反射特性に応じた最適な縞パターンを形成できる。なお、表面反射特性とは、測定対象物１０の表面１０ａに照明光が照射され、表面１０ａに鏡面反射光成分及び拡散反射光成分が生じる際の光学特性を示し、測定対象物１０の材質や表面粗度により異なる。

撮像装置３は、測定対象物１０の表面１０ａから所定距離離れた位置に配置されており、縞パターンの照明光が照射されている測定対象物１０の表面１０ａを撮像して撮像画像を生成する。撮像装置３は、表面１０ａで反射した発光面２ａの像（すなわち、縞パターン像）を所定間隔（表面１０ａ上の所定の距離間隔、又は、測定対象物１０の搬送速度が一定であれば所定の時間間隔）で撮像してゆき、時系列に沿って撮像画像を順次生成してゆく。

測定対象物１０が、搬送方向ｘに沿って一定速度で移動しているとすると、照明装置２は、表面１０ａに対して照射する照明光の照射角度が固定されているため、測定対象物１０の表面１０ａは、照明装置２から照射される縞パターンの照明光に対して搬送方向ｘに沿って移動してゆく。

これにより、撮像装置３は、縞パターンの照明光に対して搬送方向ｘに移動してゆく表面１０ａと、当該表面１０ａで反射された照明光による縞パターン像（発光面２ａの像）とが撮像された撮像画像を時系列に生成してゆき、順次得られた撮像画像を演算処理装置４へ出力する。

演算処理装置４は、撮像装置３で時系列に得られた撮像画像を順に取得してゆき、これらの撮像画像を利用して後述する表面形状測定処理を実行する。これにより、演算処理装置４では、表面形状測定処理の処理結果に基づいて、測定対象物１０の表面１０ａの形状測定を行うことができる。

ここで、表面形状測定処理については後述し、始めに照明装置２及び撮像装置３について、図２を用いて説明する。図２に示すように、照明装置２及び撮像装置３は、測定対象物１０の表面１０ａの面法線ｚ１を挟んで配置されている。本実施形態では、例えば、搬送方向ｘの下流側に照明装置２が配置され、搬送方向ｘの上流側に撮像装置３が配置されている。なお、照明装置２及び撮像装置３の位置としては、これとは逆に、搬送方向ｘの下流側に撮像装置３を配置し、搬送方向ｘの上流側に照明装置２を配置してもよい。

撮像装置３は、測定対象物１０の表面１０ａの面法線ｚ１に対して光軸ａ１が所定角度θ１で配置されている。照明装置２は、測定対象物１０の表面１０ａの面法線ｚ１に対して、発光面２ａの中心位置における面法線ａ２が同じ角度θ１で配置されている。

撮像装置３が表面１０ａを撮像する角度θ１は、２０～７０度であることが望ましい。角度θ１が７０度より大きい場合は照明装置２が測定対象物１０に接触する可能性があり、角度θ１が２０度より小さい場合は照明装置２が光軸ａ１を遮る可能性があるためである。

次に、照明装置２の発光面２ａについて説明する。図３は、照明装置２における発光面２ａの構成を示す。発光面２ａは、輝度が高い明部６ａと、明部６ａよりも輝度が低い暗部６ｂとから構成され、明部６ａ及び暗部６ｂが一定周期で繰り返し設けられている。

本実施形態の場合、明部６ａ及び暗部６ｂの縞長手方向ｙ１は測定対象物１０の幅方向ｙに沿って平行に延びるように配置され、発光面２ａ内で縞長手方向ｙ１と直交する縞短手方向ｘ１に沿って明部６ａ及び暗部６ｂが交互に配置されている。

発光面２ａは、交互に設けられる明部６ａ及び暗部６ｂによって縞パターンを形成している。明部６ａ及び暗部６ｂが周期的に繰り返し設けられている縞パターンでは、１対の明部６ａ及び暗部６ｂによって１周期に相当する縞ピッチｐを形成する。

本実施形態の場合、発光面２ａ内の縞短手方向ｘ１での明部６ａの明部距離Ｗ１と、同じく縞短手方向ｘ１での暗部６ｂの暗部距離Ｗ２とは同一距離に選定されており、これら明部距離Ｗ１及び暗部距離Ｗ２を合わせた距離が１つの縞ピッチｐとなる。照明装置２は、このような縞ピッチｐで構成された縞パターンの照明光を、測定対象物１０の表面１０ａに照射する。

図４は、縞パターンの照明光が照射された表面１０ａを撮像装置３によって撮像することで得られた撮像画像１１ａの一例を示す。図４に示すように、撮像画像１１ａには、照明光によって縞パターン像が投影されている表面１０ａが撮像される。なお、図４中には、４つの楕円状の黒いマーキング１３ａが表面１０ａに示されており、表面１０ａのこれら４つのマーキング１３ａの中心に、凹凸１３ｂが存在している。また、マーキング１３ａは、広い表面１０ａ上から、小さな凹凸１３ｂを見つけ易くするために便宜的に示されたものである。

本実施形態の場合、測定対象物１０は、例えば、発光面２ａから表面１０ａに照明光を照射した際、表面１０ａで照明光のコントラストが低下せずに、縞パターンの照明光が表面１０ａで反射する鏡面性を有している。そのため、図４に示すように、撮像画像１１ａには、縞パターンの照明光が測定対象物１０の表面１０ａに照射されていることで、帯状の明部領域１２ａと、同じく帯状の暗部領域１２ｂとが等間隔で交互に並んだ縞パターン像が撮像される。ここで、表面１０ａに凹凸１３ｂがある場合、発光面２ａからの照明光の光路が凹凸１３ｂにより歪められる。その結果、撮像装置３において、発光面２ａ上での撮像位置が周囲とずれるため、縞パターン像の明暗変化が周囲と異なったものとなる。

本実施形態では、表面１０ａに凹凸１３ｂがある場合に、撮像装置３での発光面２ａ上の撮像位置ずれにより縞パターン像の明暗変化が異なることを利用し、時系列に得られた複数の撮像画像１１ａ、…から、位相シフト法に基づいて撮像位置ずれ量を含んだ位相画像（後述する）を生成する。そして、このようにして生成された位相画像を解析することで、測定対象物１０の表面１０ａにおける形状測定を行うことができる。

＜測定対象物に応じた縞ピッチの選定手法＞
本実施形態では、測定対象物１０の表面反射特性に応じて、照明装置２における発光面２ａの縞パターンが設定される。始めに、測定対象物１０に応じた縞ピッチｐの選定手法について以下説明する。

図５のグラフは、縞パターンの照明光を測定対象物１０の表面１０ａに照射した際に、表面１０ａで反射され、撮像装置３で撮像される縞パターン像を撮像したときの撮像画像における輝度の変化を示している。

撮像される縞パターン像は、搬送方向ｘに沿って輝度が周期的に変化する。測定対象物１０の表面１０ａに拡散反射光成分が無い場合は、その強度分布は照明装置２の発光面２ａのものと相似になるが、拡散反射光成分がある場合は虚像（測定対象物１０の表面１０ａを鏡面と見たときの、撮像装置３から表面１０ａの反射を通じて見える発光面２ａの縞パターン像）の高周波成分が失われるため、正弦波に近いものとなる。なお、以下では、発光面２ａでの縞ピッチｐは、測定対象物１０の表面１０ａに映った縞パターンの搬送方向ｘでの縞ピッチｑ、撮像画像での縞ピッチｒに対応するものとして説明する。また、以下では、図５の横軸は、搬送方向ｘに沿った方向における発光面２ａ上での位置を示すものとして説明し、縦軸は、横軸の各位置での輝度を示すものとして説明する。

ある表面１０ａの傾き変化に対して、発光面２ａ上における撮像位置の変化△Ｌは一定なので、変化△Ｌだけ変化したときの縞パターン像の輝度変化量を最大化すれば、ある傾き変化に対する輝度変化量を最大化することができ、結果、複数の撮像画像から生成される位相画像のＳＮ比を最大化させることができる。

ここで、撮像画像における縞パターン像の輝度変化量は、下記の式（１）に比例する量となる。式（１）中の虚像位置とは、撮像装置３による発光面２ａ上の撮像位置をいう。

虚像位置がΔＬ変化したときの輝度変化量∝（振幅Ａ×周波数ｆ）＝振幅Ａ／波長
… （１）

振幅Ａは、図５に示すように、撮像装置３で撮像した照明装置２の縞パターン像における輝度の最大値と最小値との差を示す。周波数ｆは、輝度が一定周期で変化する縞パターン像の周波数を示す。波長は、輝度が一定周期で変化する縞パターン像の波長であり、発光面２ａ上の縞ピッチｐに比例する。よって、上記の式（１）で示した縞パターン像の輝度変化量は、波長に替えて発光面２ａ上の縞ピッチｐを用いると、下記の式（２）で表すことができる。

輝度変化量∝（振幅Ａ／縞ピッチｐ） … （２）

表面１０ａに拡散反射光成分が無い場合、すなわち鏡面反射光成分のみである場合は、縞ピッチｐによらず、振幅Ａは発光面２ａの発光強度で決まる一定の値になるため、縞ピッチｐを小さくするほど輝度変化量が大きくなり傾き変化に対する感度が高くなる。しかし、表面１０ａに拡散反射光成分がある場合には、撮像画像の鮮明性が低下するため、振幅Ａは縞ピッチｐへの依存性が生じる。具体的には縞ピッチｐが小さいほど振幅Ａが小さくなり、ある縞ピッチｐ以下では殆ど振幅Ａはゼロになってしまう。このような場合にも輝度変化量を最大化するような縞ピッチｐを選べばＳＮ比を最大とすることができる。

そこで、本実施形態では、測定対象物１０の表面１０ａの形状測定を行う前に、上記の式（２）より求まる、振幅Ａ／縞ピッチｐの値が、最大値となる縞ピッチｐを測定対象物１０毎（例えば、材質や表面粗度が異なる測定対象物毎）に特定しておく。これにより、実際に測定対象物１０の表面１０ａの形状測定を行う際、照明装置２の発光面２ａにおける縞ピッチｐを測定対象物１０に合わせて、振幅Ａ／縞ピッチｐの値が最大値となる縞ピッチｐに容易に設定することができる。よって、複数の撮像画像から生成される位相画像のＳＮ比を最大とすることができる。

＜第１実施形態による表面形状測定処理について＞
次に、測定対象物１０の表面１０ａの表面形状測定処理について以下説明する。この場合、搬送方向ｘに沿って移動している測定対象物１０の表面１０ａに対して、上記の式（２）に基づいて特定した縞ピッチｐの照明光を照射する。撮像装置３は、搬送方向ｘに沿って移動している表面１０ａで反射した縞パターン像を、撮像装置３によって撮像してゆき、時系列に沿った複数の撮像画像を生成し、これを演算処理装置４に出力する。

演算処理装置４は、表面形状測定処理を実行し、複数の撮像画像から位相画像を生成した後、位相画像を解析することで、測定対象物１０の表面１０ａにおける形状測定を行い得る。ここで、図６は、第１実施形態による演算処理装置４の回路構成を示したブロック図である。演算処理装置４は、制御部２１、取得部２２、画像処理部２３、表示部２８及び記憶部２９を備えている。

ここで、記憶部２９には、表面反射特性が異なる測定対象物１０毎に縞ピッチｐの解析結果を示した縞ピッチ解析データが予め記憶されている。この場合、本実施形態では、縞ピッチ解析データとして、例えば、図７に示すように、振幅Ａ／縞ピッチｐの値と、縞ピッチｐとの関係を示した縞ピッチ解析データを、表面反射特性が異なる測定対象物１０毎に予め取得しておき（データ取得工程）、記憶部２９に記憶されている。

なお、図７において、横軸は、照明装置２の発光面２ａにおける縞ピッチｐを発光面２ａの画素数で示しており、縦軸は、振幅Ａ／縞ピッチｐの値を示す。図７に示した縞ピッチ解析データは、後述する検証試験により得られたものであり、その詳細については「＜検証試験＞」の欄にて説明する。

測定対象物１０の表面１０ａの形状を測定する際、演算処理装置４には、測定対象物１０の識別情報が設定される。これにより、記憶部２９は、設定された識別情報を基に、識別情報に予め対応づけておいた測定対象物１０（例えば、鋼板）の縞ピッチ解析データを読み出し、これを制御部２１に出力する。

制御部２１は、撮像制御部２１ａと縞ピッチ制御部２１ｂとを備えており、記憶部２９から出力された縞ピッチ解析データを、縞ピッチ制御部２１ｂが受け取る。縞ピッチ制御部２１ｂは、受け取った縞ピッチ解析データにおいて、例えば、振幅Ａ／縞ピッチｐの値が最も高くなる縞ピッチｐを決定し、これを縞ピッチ設定情報として照明装置２及び記憶部２９に出力する。記憶部２９は縞ピッチ制御部２１ｂから受け取った縞ピッチ設定情報を記憶する。

照明装置２は、発光面２ａの縞ピッチｐが、縞ピッチ設定情報に基づいて、振幅Ａ／縞ピッチｐの値が最も高くなる縞ピッチｐに設定される。これにより、照明装置２は、設定された縞ピッチｐでなる縞パターンの照明光を表面１０ａに照射する。

撮像制御部２１ａは、測定対象物１０の搬送を制御している駆動機構等に設けられたＰＬＧ（Pulse Logic Generator：パルス型速度検出器）から出力されるＰＬＧ信号等に基づいて、測定対象物１０が所定距離（例えば、測定対象物１０の表面１０ａに映った縞パターン像の搬送方向ｘでの縞ピッチｑについて、ｑ／Ｎ（本実施形態の場合、Ｎ＝４）移動するごとに、タイミング信号を撮像装置３に出力する。これにより、撮像装置３は、タイミング信号に基づいて、測定対象物１０が所定距離（例えば、ｑ／Ｎ（Ｎ＝４））移動するごとに表面１０ａを撮像し、得られた撮像画像を演算処理装置４に出力する。

取得部２２は、撮像装置３で時系列に得られた撮像画像を、撮像装置３から順次受け取り、これを記憶部２９に出力し、これらの撮像画像を記憶部２９に記憶させる。ここで、図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃ及び図８Ｄは、撮像装置３によって時系列に得られた撮像画像１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄの一例を示す。

図８Ａは、ある時刻１のときに得られた撮像画像１１ａであり、図８Ｂは、時刻１から所定秒経過した時刻２のときに得られた撮像画像１１ｂである。図８Ｃは、時刻２から所定秒経過した時刻３のときに得られた撮像画像１１ｃであり、図８Ｄは、時刻３から所定秒経過した時刻４のときに得られた撮像画像１１ｄである。記憶部２９は、時系列に取得された撮像画像１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、…を画像処理部２３に出力する。

画像処理部２３は、注目表面領域抽出部２４、位相シフト演算部２５、バイアス成分除去部２６及び形状算出部２７を備えており、記憶部２９から出力された撮像画像１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、…を、注目表面領域抽出部２４が受け取る。

注目表面領域抽出部２４は、記憶部２９から順次受け取った撮像画像１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、…の中から、例えば、時系列に取得された４つの撮像画像１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを選定する。ここで、時刻１から時刻４までの間に連続的に得られた各撮像画像１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄには、時間経過に伴い、測定対象物１０の表面１０ａの位置が搬送方向ｘに向かって次第にずれてゆくものの、常に撮像され続けている表面領域が存在している。

注目表面領域抽出部２４は、選定した各撮像画像１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ内から、常に撮像されている表面領域を注目表面領域１４とし、注目表面領域１４内にある画像をそれぞれ抽出して、図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃ及び図９Ｄに示すような表面抽出画像１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄを生成する。なお、図８では、測定対象物１０の移動に合わせて、撮像画像１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ内で注目表面領域１４を搬送方向ｘに「撮像画像での縞ピッチｒについて、ｒ／４」ずつずらしてゆき、同じ表面領域を常に注目表面領域１４内に収めている。

ここで、表面１０ａに対し照明装置２と撮像装置３との位置関係は固定されている。このため、図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃ及び図８Ｄに示すように、時系列に順に得られた撮像画像１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄでは、縞パターン像の明部領域１２ａ及び暗部領域１２ｂの撮像位置は変化せず、常に同じ位置が撮像され続ける。

その一方、測定対象物１０は搬送方向ｘに沿って一定速度で移動していることから、時系列に順に得られた撮像画像１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄでは、時間経過に伴い、測定対象物１０の表面１０ａの位置が搬送方向ｘに向かって次第にずれてゆく。

そのため、測定対象物１０の移動に合わせて、時系列の最初の撮像画像１１ａから最後の撮像画像１１ｄまで、注目表面領域１４を搬送方向ｘに向けてずらしてゆくことで、常に同じ表面領域が写った表面抽出画像１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄを得ることができるが、図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃ及び図９Ｄに示すように、各表面抽出画像１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄでは、縞パターン像の明部領域１２ａ及び暗部領域１２ｂの撮像位置が異なるものとなる。

なお、図９Ａは、図８Ａの撮像画像１１ａ内にある注目表面領域１４ａから画像を抽出した表面抽出画像１５ａであり、図９Ｂは、図８Ｂの撮像画像１１ｂ内にある注目表面領域１４ｂから画像を抽出した表面抽出画像１５ｂであり、図９Ｃは、図８Ｃの撮像画像１１ｃ内にある注目表面領域１４ｃから画像を抽出した表面抽出画像１５ｃであり、図９Ｄは、図８Ｄの撮像画像１１ｄ内にある注目表面領域１４ｄから画像を抽出した表面抽出画像１５ｄである。

注目表面領域抽出部２４は、このようにして得られた表面抽出画像１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄを位相シフト演算部２５に出力する。位相シフト演算部２５は、時系列に得られた４つの表面抽出画像１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄを用いて、各画素毎に位相シフト演算を行うことで、図１０に示すような１つの位相画像１６を生成する。

具体的には、位相シフト演算部２５は、位相シフト演算として、下記の式（３）に基づいて、表面抽出画像１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄの各画素の輝度から、各画素毎に位相φを算出する。

位相φ＝ａｔａｎ｛（ｂ－ｄ）／（ｃ－ａ）｝ … （３）

ａは、時刻１での表面抽出画像１５ａにおいて注目した画素の輝度を示す。ｂは、時刻２での表面抽出画像１５ｂにおいて、時刻１での表面抽出画像１５ａで注目した画素と同じ位置にある画素の輝度を示す。ｃは、時刻３での表面抽出画像１５ｃにおいて、時刻１での表面抽出画像１５ａで注目した画素と同じ位置にある画素の輝度を示す。ｄは、時刻４での表面抽出画像１５ｄにおいて、時刻１での表面抽出画像１５ａで注目した画素と同じ位置にある画素の輝度を示す。

このようにして、位相シフト演算部２５は、表面抽出画像１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄから、上記の式（３）を利用して各画素毎にそれぞれ位相φを算出し、図１０に示すように、各画素の輝度を位相φで示した１つの位相画像１６を生成する。位相シフト演算部２５は、生成した位相画像１６をバイアス成分除去部２６に出力する。

ここで、図１０に示すように、位相シフト演算部２５により生成された位相画像１６には、例えば、搬送方向ｘに沿って縞１周期分あたり＋π～－πまで変化する一定傾き成分（以下、バイアス成分と称する）Ｓが存在している。

そこで、バイアス成分除去部２６は、位相画像１６内に存在する各バイアス成分Ｓを差し引き、図１１に示すように、バイアス成分Ｓを除去した位相画像１８を生成する。具体的には、バイアス成分Ｓを搬送方向ｘの一次式（Ｓ＝（２π／ｒ）ｘ＋ｂ、式中のｒは撮像画像内での縞ピッチを示す。式中のｘは位相画像１６内での搬送方向ｘの位置を示す。式中のＳは位相画像１６内の位置ｘでの輝度を示す。ｂは変数を示す）で表してそれを差し引く。

この際、例えば、平らなサンプルを測定し、最小二乗法等によりＳ＝（２π／ｒ）ｘ＋ｂのｂを決めてもよい。具体的には、表面が平らなサンプルを用意し、上述と同様にして、一定速度で移動するサンプルに、縞パターンの照明光を照射し、サンプルの表面で反射した照明光を撮像装置３で撮像し、複数の撮像画像を得る。次いで、時系列に得られた４つの撮像画像からそれぞれ注目表面領域を抽出して位相画像を生成し、最小二乗法等により、式Ｓ＝（２π／ｒ）ｘ＋ｂのｂを決めてもよい。

バイアス成分除去部２６は、位相画像１６内に存在するバイアス成分Ｓを差し引き、図１１に示すように、バイアス成分Ｓが存在しない位相画像１８を生成する。バイアス成分除去部２６は、バイアス成分を除去した位相画像１８を生成すると、これを形状算出部２７に出力する。

次に、形状算出部２７において、バイアス成分Ｓを除去した位相画像１８を基に、測定対象物１０の表面１０ａの形状を測定する方法について以下説明する。ここで、始めに、図１２に示すように、表面１０ａが水平面から傾き角度θで傾いたときに、撮像装置３に対して正反射方向にある、発光面２ａ上の視野中心での撮像位置Ｏ１が、どのように変化するかについて説明する。

図１２に示すように、測定対象物１０の表面１０ａが水平面から傾き角度θで傾いたとき、照明装置２の発光面２ａでは、撮像装置３に対する正反射方向が角度２θ変化する。この場合、表面１０ａが水平面にあるとき、撮像装置３に対して正反射方向に延びる正反射軸ａ３上での、発光面２ａから表面１０ａまでの距離をＤとすると、発光面２ａ上の視野中心での撮像位置Ｏ１の移動距離はＤｔａｎ２θと表すことができる。

発光面２ａにおける縞パターンの縞ピッチをｐとし、表面１０ａが水平面から傾き角度θで傾いたときの位相画像１８における位相変化量を△φとすると、縞ピッチｐと、位相変化量△φと、発光面２ａ上の視野中心での撮像位置Ｏ１の移動距離Ｄｔａｎ２θと、の関係は下記の式（４）で表すことができる。

△φ＝２π・（Ｄｔａｎ２θ）／ｐ … （４）

ここで、傾き角度θは微小であるため、ｔａｎ２θ＝２ｔａｎθと表すことができ、上記の式（４）から、ｔａｎθは下記の式（５）で表すことができる。

ｔａｎθ＝（ｐ／Ｄ）・（△φ／４π） … （５）

上記の式（５）のうち、縞ピッチｐと距離Ｄとについては予め調べておくことができる。よって、位相画像１８から位相変化量△φを求めることで、上記の式（５）から傾き角度θを算出することができる。

位相変化量△φは、位相画像１８内において凹凸のない平坦面における位相φとの差を示すものである。すなわち、本実施形態では、平坦面における位相φがバイアス成分Ｓを除去する過程で０となっているので、平坦面における位相０と、位相画像１８内で位相が０でない測定対象部位の各画素での位相φとの差を求めることで、位相変化量△φを算出することができる。

この場合、形状算出部２７は、上述した距離Ｄが予め記憶されている。また、形状算出部２７は、照明装置２に設定されている縞ピッチｐを示した縞ピッチ設定情報を、記憶部２９から読み出す。これにより、形状算出部２７は、上述した距離Ｄと、縞ピッチｐと、位相画像１８に基づいて算出した位相変化量△φとを用いて、上記の式（５）から直線部Ｌ１の各画素での傾きｔａｎθを求めることができる。

形状算出部２７は、このようにして各画素毎に求めた傾きｔａｎθを積分することで、当該傾きｔａｎθを求めた部位での高さを求めることができる。例えば、図１１に示した位相画像１８において、搬送方向ｘに延びる直線部Ｌ１に沿って高さを求める場合、形状算出部２７は、直線部Ｌ１に沿って傾きｔａｎθを求めて積分することで、表面１０ａにおける直線部Ｌ１に沿った高さを求めることができる。

ここで、図１３は、図１１の位相画像１８内における直線部Ｌ１に沿って求めた高さを示すグラフの一例である。横軸は、直線部Ｌ１に沿った座標（長手座標）を示し、縦軸は、傾きｔａｎθを積分することで求めた高さを示す。本実施形態では、例えば、図１３に示すように、測定対象物１０の表面１０ａの高さを求めてゆくことで、表面１０ａの形状測定を行うことができる。

形状算出部２７は、測定対象物１０の表面１０ａの高さを、高さ情報として表示部２８及び記憶部２９に出力する。これにより、高さ情報は、表示部２８に表示されるとともに、記憶部２９に記憶される。

なお、表示部２８は、画像処理部２３及び記憶部２９に接続されており、記憶部２９に記憶された、縞ピッチ解析データや縞ピッチ設定情報等の各種情報を表示する。また、表示部２８は、注目表面領域抽出部２４で生成された表面抽出画像１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄや、位相シフト演算部２５で生成された位相画像１６、バイアス成分除去部２６でバイアス成分Ｓを除去した位相画像１８なども受け取り、これらを表示させて作業者に対して認識させることができる。

＜検証試験＞
次に、振幅Ａ／縞ピッチｐの値が最大となる縞ピッチｐにしたときに、ＳＮ比がどのような値を示すかを調べる検証試験を行った。ここでは、図１に示すような構成の表面形状測定装置１を用いた。また、測定対象物１０として、照明光が照射された際に鏡面反射光成分及び拡散反射光成分が生じる鋼板を用意した。鋼板表面にはφ４ｍｍで高さ３０μｍの凸部を設けた。鋼板は、ステージ上に載置し、ステージにより移動させた。

この際、鋼板を搬送方向ｘに沿って０．１［ｍｍ］移動させる毎に、撮像装置３により鋼板表面を撮像してゆき、撮像画像を取得していった。撮像装置３は、ＣＭＯＳカメラ（Ｂａｓｌｅｒ社製ａｃＡ１９２０－１５５）を用い、鋼板表面の撮像は、撮像分解能０．１［ｍｍ／画素］で行った。

照明装置２として、画素ピッチが０．２５［ｍｍ］、縦横１９２０×１２００画素の大きさでなる発光面２ａを有した液晶ディスプレイを用いた。照明装置２では、帯状の明部６ａと帯状の暗部６ｂとを発光面２ａに表示した。

これにより、輝度が正弦波状に一定周期で変化する縞パターンの照明光が、発光面２ａから照射されるようにした。この際、明部距離Ｗ１と暗部距離Ｗ２とを可変させて、所定の縞ピッチｐに選定した。なお、明部距離Ｗ１と暗部距離Ｗ２とは同じ大きさとした。鋼板表面には斜め上方から照明光を照射し、照明光が照射されている鋼板表面を、照明光の正反射方向側から撮像装置３により撮像した。

ここで、この検証試験では、照明装置２の発光面２ａにおける表示形態を変え、縞パターンの縞ピッチｐを、６４画素、１２８画素、２５６画素、５１２画素又は１０２４画素に変えて、縞ピッチｐが異なる照明光を鋼板表面に照射した。なお、照明装置２の縞ピッチｐの可変は、発光面２ａにマトリックス状に配置された画素を、白色に発光させる画素と、発光させない画素とに分けることで行った。

発光面２ａの縞ピッチｐを、６４画素、１２８画素、２５６画素、５１２画素又は１０２４画素に変えた各照明光を鋼板表面に対してそれぞれ照射し、そのときの各鋼板表面を撮像した。そして、照明装置２の縞ピッチｐを変えたときにそれぞれ鋼板表面を撮像した各撮像画像内における明暗から、鋼板表面に投影された縞パターン像の輝度の振幅Ａをそれぞれ調べた。

その結果、図１４に示すような結果が得られた。図１４では、横軸に縞ピッチｐを示し、縦軸に振幅Ａを示す。図１４に示すように、縞ピッチｐを大きくして撮像画像内における明部領域１２ａと暗部領域１２ｂとの間隔を広くしてゆくほど、輝度の振幅Ａが大きくなることが確認できた。

次に、各縞ピッチｐ毎に振幅Ａ／縞ピッチｐの値を算出して、振幅Ａ／縞ピッチｐの値と、縞ピッチｐとの関係を調べたところ、図７に示したような結果が得られた。

また、発光面２ａの縞ピッチｐを、６４画素、１２８画素、２５６画素、５１２画素又は１０２４画素に変え、各縞ピッチｐの際に得られた時系列に並ぶ４つの撮像画像から、それぞれ縞ピッチｐ毎に、バイアス成分Ｓを除去した位相画像１８を生成した。

発光面２ａの縞ピッチｐを６４画素、１２８画素、２５６画素、５１２画素又は１０２４画素に変えたときの位相画像１８におけるＳＮ比を、それぞれ求めたところ、図１５に示すような結果が得られた。

図１５では、横軸に縞ピッチｐを示し、縦軸にＳＮ比を示している。なお、ここでは、各位相画像１８毎に、鋼板表面の凸部のない平坦な箇所での位相変化量△φの標準偏差と、意図的に設けた凸部１３での位相変化量△φとの比を求め、これを各位相画像１８でのＳＮ比とした。

ここで、図７に示した振幅Ａ／縞ピッチｐの値と、図１５に示したＳＮ比とから、振幅Ａ／縞ピッチｐの値が最も高くなる１２８画素の縞ピッチｐで、ＳＮ比が最も高くなることが確認できた。よって、照明装置２における縞ピッチｐを、振幅Ａ／縞ピッチｐの値が最大値となる縞ピッチｐに設定することで、表面形状測定時におけるＳＮ比を高くでき、その分、鋼板表面の形状測定の精度を向上できることが確認できた。

＜作用及び効果＞
以上の構成において、表面形状測定装置１は、搬送方向ｘに移動する測定対象物１０の表面１０ａに対し、輝度が周期的に変化する縞パターンの照明光を照射する（照明光照射工程）。照明装置２では、縞パターン内で１周期に相当する縞ピッチｐが、測定対象物１０の表面反射特性に応じて可変し得、測定対象物１０に応じて最適な縞ピッチｐに設定される。

撮像装置３は、照明光に対して移動している表面１０ａで反射された照明光を撮像し、撮像画像１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、…を取得する（取得工程）。これにより、表面形状測定装置１は、時系列に得られた複数の撮像画像１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄから、位相シフト法を用いて位相画像１６を生成し（位相画像生成工程）、位相画像１６に基づいて高さ情報を算出して表面１０ａの形状を測定することができる（形状算出工程）。

以上より、表面形状測定装置１では、測定対象物１０の表面反射特性に応じて、照明装置２における縞ピッチｐを調整することで、表面形状測定時におけるＳＮ比を高くでき、その分、表面１０ａの形状測定の精度を向上させることができる。

また、第１実施形態では、位相画像生成工程として、同じ表面領域を撮像している、時系列に並ぶ４つの撮像画像１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄから、同じ表面領域を表面抽出画像１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄとしてそれぞれ抽出する（抽出工程）。

さらに、表面形状測定装置１では、縞パターン像の写りが異なる複数の表面抽出画像１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄから、位相シフト法を用いて位相画像１６を生成する（位相シフト演算工程）。そして、位相シフト演算工程で得られた位相画像１６内からバイアス成分Ｓを除去した位相画像１８を生成する（バイアス成分除去工程）。

これにより、表面形状測定装置１では、バイアス成分Ｓによる濃淡が抑制され、測定対象物１０の表面１０ａの形状のみを濃淡で表した位相画像１８を得ることができる。よって、位相画像１８に基づいて表面１０ａの形状測定を一段と精度良く行うことができる。

（２）第２実施形態
＜第２実施形態による表面形状測定処理について＞
次に、第２実施形態による表面形状測定処理について説明する。第２実施形態は、上述した第１実施形態とは演算処理装置の構成が異なっており、演算処理装置による位相画像の生成の仕方のみが異なるものである。なお、その他の構成については第１実施形態と同様であり、例えば、第２実施形態でも、図１に示すような照明装置２及び撮像装置３を備え、照明装置２の発光面２ａにおける縞ピッチｐが、測定対象物１０の表面反射特性に応じて可変する。

ここでは、上述した第１実施形態とは異なる、位相画像の生成手法に着目して説明し、その他については第１実施形態と同様であるため、その説明は省略する。図１６は、第２実施形態による演算処理装置３４の回路構成を示したブロック図である。第２実施形態による表面形状測定装置１では、図１に示す第１実施形態の演算処理装置４に変えて、この演算処理装置３４が配置された構成となる。

演算処理装置３４は、制御部２１、取得部２２、画像処理部３５、表示部２８及び記憶部２９を備えている。記憶部２９には、第１実施形態と同様に、表面反射特性が異なる測定対象物１０毎に、縞ピッチ解析データが予め記憶されている。照明装置２は、縞ピッチ制御部２１ｂで決定された縞ピッチ設定情報に基づいて、発光面２ａの縞ピッチｐが、振幅Ａ／縞ピッチｐの値が最高値となる縞ピッチｐに設定される。これにより、照明装置２は、設定された縞ピッチｐの縞パターンの照明光を表面１０ａに照射する。

取得部２２は、時系列に得られた撮像画像を撮像装置３から順次受け取り、これを記憶部２９に出力し、これらの撮像画像を記憶部２９に記憶させる。ここで、図１７Ａ、図１７Ｂ、図１７Ｃ及び図１７Ｄは、撮像装置３によって時系列に沿って所定時刻で得られた撮像画像１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄの一例を示す。なお、撮像画像１１ａ、１１ｂ間と、撮像画像１１ｂ、１１ｃ間と、撮像画像１１ｃ、１１ｄ間とには、それぞれ図示しない複数の撮像画像が存在している。

図１７Ａは、ある時刻１のときに得られた撮像画像１１ａであり、図１７Ｂは、時刻１から所定秒経過した時刻２のときに得られた撮像画像１１ｂである。図１７Ｃは、時刻２から所定秒経過した時刻３のときに得られた撮像画像１１ｃであり、図１７Ｄは、時刻３から所定秒経過した時刻４のときに得られた撮像画像１１ｄである。記憶部２９は、時系列に取得された撮像画像１１ａ、…、１１ｂ、…、１１ｃ、…、１１ｄ、…を画像処理部３５に出力する。

画像処理部３５は、画像生成部３６、位相シフト演算部２５及び形状算出部２７を備えており、記憶部２９から出力された撮像画像１１ａ、…、１１ｂ、…、１１ｃ、…、１１ｄ、…を、画像生成部３６が受け取る。画像生成部３６は、例えば、撮像画像１１ａから所定領域の画像のみを抽出するため、４つの注目撮像ライン３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄを、撮像画像１１ａの決まった位置に設定する。

この場合、注目撮像ライン３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄは、例えば、撮像画像１１ａ内において測定対象物１０の搬送方向ｘと直交する幅方向ｙに沿って延びる、幅１画素のラインである。これら注目撮像ライン３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄは、撮像画像１１ａ内において、搬送方向ｘに沿って撮像画像１１ａ中の縞ピッチｒに対してｒ／Ｎで配置される。Ｎは、注目撮像ラインの本数を示しており、第２実施形態では４本の注目撮像ライン３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄを用いたことからＮ＝４となる。

本実施形態の場合、注目撮像ライン３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄのうち、末端位置にある注目撮像ライン３０ａ、３０ｄは、撮像画像１１ａに写る縞パターン像のうち、常に暗部領域１２ｂ付近の位置に設定される。また、これら注目撮像ライン３０ａ、３０ｄに挟まれた中間位置にある注目撮像ライン３０ｂ、３０ｃは、常に明部領域１２ａ付近の位置に設定される。

このように各注目撮像ライン３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄは、撮像画像１１ａ内に写る縞パターン像のうち、それぞれ予め決まった明部領域１２ａ又は暗部領域１２ｂに設定される。その一方、測定対象物１０は搬送方向ｘに沿って移動しているため、撮像画像１１ａに対して常に同じ位置にある注目撮像ライン３０ａでも、各撮像画像１１ａ、…、１１ｂ、…、１１ｃ、…、１１ｄ、…毎に、注目撮像ライン３０ａ内に撮像されている表面１０ａは異なってくる。

画像生成部３６は、撮像画像１１ａ、…、１１ｂ、…、１１ｃ、…、１１ｄ、…内にそれぞれ設定した各注目撮像ライン３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ毎に、各注目撮像ライン３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ内に撮像される画像を、ライン抽出画像として順次抽出してゆく。

画像生成部３６は、各注目撮像ライン３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ毎に得られたライン抽出画像を、各注目撮像ライン３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ毎に時系列に並べて結合する。これにより、画像生成部３６は、各注目撮像ライン３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ毎に、図１８Ａ、図１８Ｂ、図１８Ｃ及び図１８Ｄに示すような位相シフト演算用画像３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄを生成する。

ここで、図１８Ａは、時系列に得られる撮像画像１１ａ、…、１１ｂ、…、１１ｃ、…、１１ｄ、…から、注目撮像ライン３０ａ内に順次写る画像をそれぞれライン抽出画像として抽出してゆき、時系列に得られたライン抽出画像を時系列順に連結して、１つの位相シフト演算用画像３１ａを生成したものである。

また、図１８Ｂは、時系列に得られる撮像画像１１ａ、…、１１ｂ、…、１１ｃ、…、１１ｄ、…から、注目撮像ライン３０ｂ内に順次写る画像をそれぞれライン抽出画像として抽出してゆき、時系列に得られたライン抽出画像を時系列順に連結して、１つの位相シフト演算用画像３１ｂを生成したものである。

図１８Ｃは、時系列に得られる撮像画像１１ａ、…、１１ｂ、…、１１ｃ、…、１１ｄ、…から、注目撮像ライン３０ｃ内に順次写る画像をそれぞれライン抽出画像として抽出してゆき、時系列に得られたライン抽出画像を時系列順に連結して、１つの位相シフト演算用画像３１ｃを生成したものである。

図１８Ｄは、時系列に得られる撮像画像１１ａ、…、１１ｂ、…、１１ｃ、…、１１ｄ、…から、注目撮像ライン３０ｄ内に順次写る画像をそれぞれライン抽出画像として抽出してゆき、時系列に得られたライン抽出画像を時系列順に連結して、１つの位相シフト演算用画像３１ｄを生成したものである。

このように、第２実施形態では、各注目撮像ライン３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄの位置を撮像画像１１ａの所定位置に予め固定して設置し、各注目撮像ライン３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ毎に、各撮像画像１１ａ、…、１１ｂ、…、１１ｃ、…、１１ｄ、…内の画像を抽出している。これにより、各注目撮像ライン３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄから抽出されるライン抽出画像は、それぞれ常に同じ明部領域１２ａ又は暗部領域１２ｂでの画像となる。

かくして、第２実施形態では、図１８Ａ、図１８Ｂ、図１８Ｃ及び図１８Ｄに示すように、上述した第１実施形態で説明したバイアス成分が存在しない位相シフト演算用画像３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄを生成することができる。

画像生成部３６は、このようにして、注目撮像ライン３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ毎に得られた位相シフト演算用画像３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄを位相シフト演算部２５に出力する。位相シフト演算部２５は、これら４つの位相シフト演算用画像３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄを用いて、各画素毎に位相シフト演算を行うことで、図１９に示すような１つの位相画像３３を生成する。

なお、位相シフト演算部２５により行われる位相シフト演算は、上述した第１実施形態と同様であり、上記の式（３）に基づいて、４つの位相シフト演算用画像３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄの各画素の輝度から、各画素毎に位相φを算出する。かくして、位相シフト演算部２５は、各画素の輝度を位相φで示した１つの位相画像３３を生成することができる。

位相シフト演算部２５は、位相画像３３を生成すると、これを形状算出部２７に出力する。これにより、形状算出部２７は、上述した第１実施形態と同様に、位相画像１８に基づいて位相変化量△φを算出し、位相変化量△φと、距離Ｄと、縞ピッチｐとを用いて、上記の式（５）から各画素での傾きｔａｎθを求めることができる。形状算出部２７は、各画素毎に求めた傾きｔａｎθを積分することで、当該傾きｔａｎθ部分での高さを求めることができる。

形状算出部２７は、測定対象物１０の表面１０ａの高さを高さ情報として表示部２８及び記憶部２９に出力する。これにより、高さ情報は、表示部２８に表示されるとともに、記憶部２９に記憶される。

本第２実施例においては、Ｎ本の注目撮像ラインから得られた画像のみを用いている。そのため、撮像装置３としては通常のエリアカメラであっても良いが、Ｎ個のラインセンサカメラ、又は、ＣＭＯＳエリアセンサの部分読み出し機能を使ってＮラインだけ読み出すようにしても良い。

＜作用及び効果＞
以上の構成において、第２実施形態による表面形状測定装置１でも、第１実施形態と同様に、照明装置２では、縞パターン内で１周期に相当する縞ピッチｐが、測定対象物１０の表面反射特性に応じて可変し得、測定対象物１０に応じて最適な縞ピッチｐに設定される。

また、第２実施形態による表面形状測定装置１でも、撮像装置３で時系列に得られた複数の撮像画像１１ａ、…、１１ｂ、…、１１ｃ、…、１１ｄ、…から、位相シフト法を用いて位相画像３３を生成し（位相画像生成工程）、位相画像３３に基づいて高さ情報を算出して表面１０ａの形状を測定することができる（形状算出工程）。

以上より、第２実施形態による表面形状測定装置１でも、測定対象物１０の表面反射特性に応じて、照明装置２における縞ピッチｐを調整することで、表面形状測定時におけるＳＮ比を高くでき、その分、表面１０ａの形状測定の精度を向上させることができる。

また、第２実施形態では、位相画像生成工程として、撮像画像１１ａで幅方向ｙに沿って延びる４つの注目撮像ライン３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄを、各撮像画像１１ａ、…、１１ｂ、…、１１ｃ、…、１１ｄ、…にそれぞれ設定する。そして、各撮像画像１１ａ、…、１１ｂ、…、１１ｃ、…、１１ｄ、…内の注目撮像ライン３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ毎にそれぞれ画像を抽出してライン抽出画像を生成し、各注目撮像ライン３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ毎にライン抽出画像を時系列に並べて位相シフト演算用画像３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄを生成する（画像生成工程）。

さらに、各注目撮像ライン３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ毎に生成した位相シフト演算用画像３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄから、位相シフト法を用いて位相画像３３を生成する（位相シフト演算工程）。これにより、第２実施形態による表面形状測定装置１では、バイアス成分Ｓが存在しない位相画像３３を生成することができるので、第１実施形態におけるバイアス成分除去処理を省くことができる。

（３）他の実施形態
なお、本発明は、本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。上述した実施形態においては、照明装置として、ディスプレイを適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らない。例えば、単なる面状光源の発光面に、複数の板状部材が所定間隔で並走したブラインドを設け、ブラインドの開閉調整により発光面における縞ピッチｐを可変させる照明装置を適用してもよい。

他の照明装置として、プロジェクターを用い、プロジェクターの発光面からの照明光を遮光するスクリーンを設け、スクリーンの幅を調整することで縞ピッチｐを可変させる照明装置を適用してもよい。

上述した第１実施形態においては、４つの撮像画像１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを用いて位相シフト演算を行い、１つの位相画像１６を生成する場合について述べた。また、第２実施形態においても、４つの位相シフト演算用画像３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄを用いて位相シフト演算を行い、１つの位相画像３３を生成する場合について述べた。

しかしながら、本発明はこれに限らず、第１実施形態では、３つ以上の撮像画像を用いて位相シフト演算を行い、１つの位相画像を生成するようにしてもよい。この場合、撮像装置３は、測定対象物１０が所定距離（例えば、縞ピッチｐ／Ｎ（Ｎ≧３）移動するごとに、１回撮像処理を行い、表面１０ａを撮像して撮像画像を取得する。

また、第２実施形態では、３つの位相シフト演算用画像を用いて位相シフト演算を行い、１つの位相画像を生成するようにしてもよい。

第１実施形態で３つの撮像画像を用いて１つの位相画像を生成する場合や、第２実施形態で３つの位相シフト演算用画像を用いて１つの位相画像を生成する場合は、下記の式（６）を利用した位相シフト演算を行うことで１つの位相画像を生成できる。なお、ここでは、上記撮像画像及び位相シフト演算用画像について、まとめて単に画像と称する。

位相φ＝ａｔａｎ｛（－ａ＋２ｂ－ｃ）／（ｃ－ａ）｝ … （６）

なお、ａは、第１の画像において注目した画素の輝度を示す。ｂは、第２の画像において、第１の画像で注目した画素と同じ位置にある画素の輝度を示す。ｃは、第３の画像において、第１の画像で注目した画素と同じ位置にある画素の輝度を示す。

また、第１実施形態で５つの撮像画像を用いて１つの位相画像を生成する場合や、第２実施形態で５つの位相シフト演算用画像を用いて１つの位相画像を生成する場合は、下記の式（７）を利用した位相シフト演算を行うことで１つの位相画像を生成できる。

位相φ＝ａｔａｎ｛２（ｂ－ｄ）／（－ａ＋２ｃ－ｅ）｝ … （７）

なお、ｅは、第５の画像において、第１の画像で注目した画素と同じ位置にある画素の輝度を示す。その他複数の画像を用いた位相シフト演算の手法については、公知文献「光干渉法による三次元計測」（計測と制御、第５０巻 第２号 ２０１１年２月号、インターネットＵＲＬ：http://kitagawa.image.coocan.jp/3D-profiler-SICE-2011.pdf）に開示されているため、ここではその説明は省略する。

上述した実施形態においては、照明装置２及び撮像装置３を固定し、測定対象物１０を搬送方向ｘに移動させることで、照明光に対し相対的に表面１０ａを移動させるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らない。例えば、測定対象物１０を固定し、照明装置２及び撮像装置３を搬送方向ｘに移動させることで、照明光に対し相対的に表面１０ａを移動させるようにしてもよい。

上述した実施形態においては、照明装置２の縞ピッチｐを、振幅Ａ／縞ピッチｐの値が最大値となる縞ピッチｐに設定するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らない。例えば、図７に示す縞ピッチ解析データに基づいて、振幅Ａ／縞ピッチｐの値が最大値ではない最大値周辺の縞ピッチｐを選択して、照明装置２の縞ピッチｐを設定するようにしてもよい。

上述した実施形態においては、表面反射特性が異なる測定対象物毎に、縞パターン内で１周期に相当する縞ピッチに関する情報を記憶した記憶部として、図７に示すような縞ピッチ解析データを記憶した記憶部２９を適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らない。例えば、縞ピッチに関する情報として、表面反射特性が異なる測定対象物毎に、振幅Ａ／縞ピッチｐの値が最大値となる縞ピッチｐや、当該最大値周辺の縞ピッチｐ等、縞ピッチｐの値のみを記憶した記憶部を適用してもよい。

なお、上述した撮像画像や、位相画像等の各種画像には、ディスプレイ等に表示される具体的な画像としての形態だけでなく、画像として生成される前のデータも含まれる。

１ 表面形状測定装置
２ 照明装置
３ 撮像装置
４ 演算処理装置
１０ 測定対象物
１０ａ 表面
２５ 位相シフト演算部
２７ 形状算出部
２９ 記憶部

Claims (7)

1. 測定対象物の表面に対し、輝度が周期的に変化する縞パターンの照明光を照射する照明光照射工程と、
   前記照明光に対し相対的に移動している前記表面で反射した前記照明光を撮像した撮像画像を取得する取得工程と、
   時系列に得られた複数の前記撮像画像から、位相シフト法を用いて位相画像を生成する位相画像生成工程と、
   前記位相画像に基づいて前記表面の形状を測定する形状算出工程と、を備え、
   前記照明光照射工程は、前記縞パターン内で１周期に相当する縞ピッチが、前記測定対象物の表面反射特性に応じて可変する、表面形状測定方法。
2. 前記照明光照射工程の前に、
   前記縞ピッチをｐとし、前記撮像画像内における縞パターン像の輝度の最大値と最小値との差を示す振幅をＡとしたとき、振幅Ａ／縞ピッチｐの値に基づいて、前記測定対象物毎に前記縞ピッチを変更する変更工程を備える、
   請求項１に記載の表面形状測定方法。
3. 前記変更工程の前に、
   前記振幅Ａ／縞ピッチｐの値を、前記測定対象物毎に解析した縞ピッチ解析データを取得するデータ取得工程を備え、
   前記変更工程は、前記縞ピッチ解析データに基づいて前記縞ピッチを変更する、
   請求項２に記載の表面形状測定方法。
4. 前記変更工程は、前記測定対象物毎に、前記振幅Ａ／縞ピッチｐの値が最大値となる前記縞ピッチに変更する、
   請求項２又は３に記載の表面形状測定方法。
5. 前記位相画像生成工程は、
   前記表面の同じ表面領域を撮像している、時系列に並ぶ３つ以上の前記撮像画像から、前記同じ表面領域を表面抽出画像としてそれぞれ抽出する抽出工程と、
   前記照明光による縞パターン像の写りが異なる複数の前記表面抽出画像から、前記位相シフト法を用いて前記位相画像を生成する位相シフト演算工程と、
   前記位相シフト演算工程により生成された前記位相画像内のバイアス成分を除去するバイアス成分除去工程と、を備える、
   請求項１～４のいずれか１項に記載の表面形状測定方法。
6. 前記位相画像生成工程は、
   前記撮像画像内の所定位置に３つ以上の注目撮像ラインを設定して、前記注目撮像ライン毎にそれぞれ各前記撮像画像を抽出してライン抽出画像を生成し、各前記注目撮像ライン毎に、前記ライン抽出画像を時系列に並べて位相シフト演算用画像を生成する画像生成工程と、
   各前記注目撮像ライン毎に生成した複数の前記位相シフト演算用画像から、前記位相シフト法を用いて前記位相画像を生成する位相シフト演算工程と、を備える、
   請求項１～４のいずれか１項に記載の表面形状測定方法。
7. 測定対象物の表面に対し、輝度が周期的に変化する縞パターンの照明光を照射する照明装置と、
   前記照明光に対し相対的に移動している前記表面で反射した前記照明光を撮像した撮像画像を取得する撮像装置と、
   時系列に得られた複数の前記撮像画像から、位相シフト法を用いて位相画像を生成する位相シフト演算部と、
   前記位相画像に基づいて前記表面の形状を測定する形状算出部と、
   表面反射特性が異なる前記測定対象物毎に、前記縞パターン内で１周期に相当する縞ピッチに関する情報を記憶した記憶部と、を備え、
   前記照明装置は、前記記憶部に記憶された前記縞ピッチに関する情報に基づいて前記縞ピッチを可変させる、表面形状測定装置。

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