JP3845354B2 - Optical shape measuring apparatus and optical shape measuring method - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば鋼板等の測定対象物の形状を光学的に測定する光学的形状測定装置及び光学的形状測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光切断方式の光学的形状測定方法がさまざまな分野で利用されている。この光切断方式の光学的形状測定方法は、測定対象物の表面にスリット状の光線を照射し、その測定対象物からの反射光をカメラで検出することにより、測定対象物についての縞画像を取得し、その縞画像に基づいて測定対象物の形状を測定する方法である。
【０００３】
かかる光学的形状測定方法に関して、例えば、測定対象物からの反射光を検出するカメラとして遅延積分型カメラを用いた技術がある（例えば、特許文献１参照。）。この技術は、二次元縞投影パターンを使用することなく、線状レーザ光のみで密な縞画像を得られるという利点を有する。
【０００４】
【特許文献１】
特開平４−３４８２１１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
また、従来、縞画像に施す画像処理の方法としては、例えば、縞画像を二値化し、その二値画像において各縞の変位を計算することにより、測定対象物の形状を測定する方法が用いられている。しかしながら、この方法では、変位計測単位が画素単位に限られてしまうという問題がある。さらには、測定対象物の表面性状に応じた適切なしきい値の設定が難しく、また、背景光の影響を受けやすいという問題もある。このため、従来、縞画像に基づいて測定対象物の形状を高精度に測定することは困難であった。
【０００６】
本発明は上記事情に基づいてなされたものであり、測定対象物の形状を高精度に測定することができる光学的形状測定装置及び光学的形状測定方法を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための請求項１記載の発明に係る光学的形状測定装置は、周期的に変調された線状レーザ光を測定対象物の表面に照射する照射手段と、前記測定対象物に対する前記線状レーザ光の照射位置を連続的にずらしながら、前記線状レーザ光が前記測定対象物に照射されたときに、前記測定対象物からの反射光を撮像して光切断画像を出力する遅延積分型の撮像手段と、前記各光切断画像から構成される縞画像を記憶する記憶手段と、互いに直交する二つの基準正弦波データを発生し、前記各基準正弦波データを、縞に平行な方向の各位置において縞に直交する方向に沿っての前記縞画像の濃度分布を表すスライス縞画像データに乗算する直交正弦波発生手段と、前記直交正弦波発生手段で得られた二つの乗算結果データの各々から、縞に直交する方向に沿っての縞周波数成分及びその高調波成分を除去する除去手段と、前記除去手段で得られた二つの除去結果データに基づいて前記各スライス縞画像データについて各位置における基準正弦波に対する縞の位相のずれを算出する位相算出手段と、前記位相算出手段で得られた位相のずれを表す位相画像に基づいて位相のずれが不連続になっている位置を検出し、その検出した位置における位相のずれを滑らかに繋ぐことにより位相のずれを連続化する位相連続化処理手段と、前記位相連続化処理手段で連続化された後の位相のずれを表す画像を出力する出力手段と、を具備することを特徴とするものである。
【０００８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の光学的形状測定装置において、前記除去手段で得られた二つの除去結果データに基づいて前記各スライス縞画像データについて各位置における縞の振幅を算出する振幅算出手段と、前記振幅算出手段で得られた振幅を表す振幅画像に基づいて振幅が所定のしきい値以下である領域を欠損領域として特定する欠損領域特定手段とを備え、前記位相連続化処理手段は、前記位相算出手段で得られた位相のずれを表す位相画像において前記欠損領域に対応する領域をマスクした後、前記位相画像に基づいて位相のずれが不連続になっている位置を検出し、位相のずれを連続化することを特徴とするものである。
【０００９】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の光学的形状測定装置において、前記連続化された後の位相のずれを表す画像に基づいて、横又は縦方向の各位置において縦又は横方向に沿っての位相のずれの分布曲線を作成し、前記各分布曲線について当該分布曲線に対する近似曲線を算出した後に当該分布曲線から当該近似曲線を差し引くことにより、欠陥を表す部分における位相のずれを抽出して、欠陥の検出処理を行う欠陥検出処理手段を備えることを特徴とするものである。
【００１０】
また、上記の目的を達成するための請求項４記載の発明は、周期的に変調された線状レーザ光が、測定対象物に対する前記線状レーザ光の照射位置を連続的にずらしながら、前記測定対象物に照射されたときに、前記測定対象物からの反射光を撮像して光切断画像を出力する遅延積分型の撮像手段を有し、前記各光切断画像から構成される縞画像に基づいて前記測定対象物の形状を測定する光学的形状測定方法において、互いに直交する二つの基準正弦波データを発生し、前記各基準正弦波データを、縞に平行な方向の各位置において縞に直交する方向に沿っての前記縞画像の濃度分布を表すスライス縞画像データに乗算する第一ステップと、前記第一ステップで得られた二つの乗算結果データの各々から、縞に直交する方向に沿っての縞周波数成分及びその高調波成分を除去する第二ステップと、前記第二ステップで得られた二つの除去結果データに基づいて前記各スライス縞画像データについて各位置における基準正弦波に対する縞の位相のずれを算出する第三ステップと、前記第三ステップで得られた位相のずれを表す位相画像に基づいて位相のずれが不連続になっている位置を検出し、その検出した位置における位相のずれを滑らかに繋ぐことにより位相のずれを連続化する第四ステップと、前記第四ステップで連続化された後の位相のずれを表す画像を出力する第五ステップと、を具備することを特徴とするものである。
【００１１】
請求項５記載の発明は、請求項４記載の光学的形状測定方法において、前記第二ステップで得られた二つの除去結果データに基づいて前記各スライス縞画像データについて各位置における縞の振幅を算出する第六ステップと、前記第六ステップで得られた振幅を表す振幅画像に基づいて振幅が所定のしきい値以下である領域を欠損領域として特定する第七ステップとを備え、前記第四ステップでは、前記第三ステップで得られた位相のずれを表す位相画像において前記欠損領域に対応する領域をマスクした後、前記位相画像に基づいて位相のずれが不連続になっている位置を検出し、位相のずれを連続化することを特徴とするものである。
【００１２】
請求項６記載の発明は、請求項４又は５記載の光学的形状測定方法において、前記連続化された後の位相のずれを表す画像に基づいて、横又は縦方向の各位置において縦又は横方向に沿っての位相のずれの分布曲線を作成し、前記各分布曲線について当該分布曲線に対する近似曲線を算出した後に当該分布曲線から当該近似曲線を差し引くことにより、欠陥を表す部分における位相のずれを抽出して、欠陥の検出処理を行う第八ステップを備えることを特徴とするものである。
【００１３】
上記の目的を達成するための請求項７記載の発明に係る光学的形状測定装置は、周期的な信号に、当該周期よりも長い周期をもつ擬似ランダム信号を重畳した重畳信号を生成する重畳信号生成手段と、前記重畳信号により発振強度が変調された線状レーザ光を測定対象物の表面に照射する照射手段と、前記線状レーザ光が前記測定対象物に照射されたときに、前記測定対象物からの反射光を撮像して光切断画像を出力する遅延積分型の撮像手段と、前記各光切断画像から構成される縞画像を記憶する記憶手段と、互いに直交する二つの基準正弦波データを発生し、前記各基準正弦波データを、縞に平行な方向の各位置において縞に直交する方向に沿っての前記縞画像の濃度分布を表すスライス縞画像データに乗算する直交正弦波発生手段と、前記直交正弦波発生手段で得られた二つの乗算結果データの各々から、縞に直交する方向に沿っての縞周波数成分及びその高調波成分を除去する除去手段と、前記除去手段で得られた二つの除去結果データに基づいて前記各スライス縞画像データについて各位置における基準正弦波に対する縞の位相のずれを算出する位相算出手段と、前記位相算出手段で得られた位相のずれを表す位相画像に基づいて位相のずれが不連続になっている位置を検出し、その検出した位置における位相のずれを滑らかに繋ぐことにより位相のずれを連続化し、その連続化された後の位相のずれに基づいて、縞に平行な方向の各位置において縞に直交する方向に沿っての深さ分布データを求める位相連続化処理手段と、縞に平行な方向の各位置における前記スライス縞画像データと前記擬似ランダム信号との相関値を算出して、その相関値がピークをとるときの相関ピーク位置のずれ量を求め、その求めた相関ピーク位置のずれ量に基づいて縞に平行な方向の各位置における第一の平均の深さを算出する相関算出手段と、前記位相連続化処理手段で得られた縞に平行な方向の各位置における前記深さ分布データに基づいて、縞に平行な方向の各位置における第二の平均の深さを求め、縞に平行な方向の各位置毎に前記第二の平均の深さが前記相関算出手段で得られた前記第一の平均の深さに一致するようなオフセット値を求め、前記位相連続化処理手段で得られた縞に平行な方向の各位置における前記深さ分布データに当該位置における前記オフセット値を加算する形状算出手段と、前記形状算出手段で加算処理が施された後の縞に平行な方向の各位置における前記深さ分布データを用いて作成された深さ画像を出力する出力手段と、を具備することを特徴とするものである。
【００１４】
請求項８記載の発明は、請求項７記載の光学的形状測定装置において、前記縞画像を、縞に直交する方向に沿って前記擬似ランダム信号の１周期に相当する長さで複数の単位縞画像に分割し、前記単位縞画像毎に処理を行うことを特徴とするものである。
【００１５】
また、上記の目的を達成するための請求項９記載の発明に係る光学的形状測定方法は、周期的な信号に、当該周期よりも長い周期をもつ擬似ランダム信号を重畳した重畳信号により発振強度が変調された線状レーザ光を、測定対象物に対する前記線状レーザ光の照射位置を連続的にずらしながら、前記測定対象物に照射する第一ステップと、遅延積分型の撮像手段を用いて前記測定対象物からの反射光を撮像することにより光切断画像を取得し、前記各光切断画像から構成される縞画像を得る第二ステップと、互いに直交する二つの基準正弦波データを発生し、前記各基準正弦波データを、縞に平行な方向の各位置において縞に直交する方向に沿っての前記縞画像の濃度分布を表すスライス縞画像データに乗算する第三ステップと、前記第三ステップで得られた二つの乗算結果データの各々から、縞に直交する方向に沿っての縞周波数成分及びその高調波成分を除去する第四ステップと、前記第四ステップで得られた二つの除去結果データに基づいて前記各スライス縞画像データについて各位置における基準正弦波に対する縞の位相のずれを算出する第五ステップと、前記第五ステップで得られた位相のずれを表す位相画像に基づいて位相のずれが不連続になっている位置を検出し、その検出した位置における位相のずれを滑らかに繋ぐことにより位相のずれを連続化し、その連続化された後の位相のずれに基づいて、縞に平行な方向の各位置において縞に直交する方向に沿っての深さ分布データを求める第六ステップと、縞に平行な方向の各位置における前記スライス縞画像データと前記擬似ランダム信号との相関値を算出して、その相関値がピークをとるときの相関ピーク位置のずれ量を求め、その求めた相関ピーク位置のずれ量に基づいて縞に平行な方向の各位置における第一の平均の深さを算出する第七ステップと、前記第六ステップで得られた縞に平行な方向の各位置における前記深さ分布データに基づいて、縞に平行な方向の各位置における第二の平均の深さを求め、縞に平行な方向の各位置毎に前記第二の平均の深さが前記第七ステップで得られた前記第一の平均の深さに一致するようなオフセット値を求め、前記第六ステップで得られた縞に平行な方向の各位置における前記深さ分布データに当該位置における前記オフセット値を加算する第八ステップと、前記第八ステップで加算処理が施された後の縞に平行な方向の各位置における前記深さ分布データを用いて深さ画像を作成して出力する第九ステップと、を具備することを特徴とするものである。
【００１６】
請求項１０記載の発明は、請求項９記載の光学的形状測定方法において、前記縞画像を、縞に直交する方向に沿って前記擬似ランダム信号の１周期に相当する長さで複数の単位縞画像に分割し、前記単位縞画像毎に処理を行うことを特徴とするものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の第一実施形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第一実施形態である光学的形状測定装置の概略構成図である。
【００１８】
第一実施形態の光学的形状測定装置は、図１に示すように、レーザ装置１０と、ロッドレンズ２０と、遅延積分型カメラ３０と、タイミング信号発生部４０と、画像処理装置５０と、表示装置６０とを備えるものである。
【００１９】
かかる光学的形状測定装置は、測定対象物２の形状を光学的に測定するものである。ここで、測定対象物２としては、例えば、製鉄所において製造される鋼板を想定している。かかる測定対象物２はその長手方向（図１の左右方向）に一定の速さで搬送されており、第一実施形態の光学的形状測定装置は、測定対象物２の搬送中にその形状を測定し、測定対象物２の表面の凹みや疵等の欠陥を検出する。
【００２０】
レーザ装置１０は、連続発振のレーザ光を発生するものである。ロッドレンズ２０は、レーザ装置１０から発せられたレーザ光を、測定対象物２の幅方向（図１の紙面に垂直な方向）に沿って扇状に広げるものである。これにより、レーザ装置１０が発したレーザ光は、線状レーザ光として測定対象物２に照射される。このとき、線状レーザ光は測定対象物２の表面に対して斜めに入射する。こうして線状レーザ光が照射された測定対象物２の表面には、測定対象物２の幅方向に沿って線状の明るい部位が形成される。また、測定対象物２は長手方向に移動しているため、測定対象物２からみると、線状の明るい部位も測定対象物２の長手方向に沿って移動する。かかる線状の明るい部分からの反射光（線状反射像）は、遅延積分型カメラ３０により撮像される。
【００２１】
タイミング信号発生部４０は、所定の周波数ωをもつ正弦波形の信号を発生し、その正弦波形の信号をレーザ装置１０に送出するものである。レーザ装置１０は、外部信号によりその発振強度を連続的に変化させられるものであり、タイミング信号発生部４０から送出される正弦波形の信号を受けると、正弦波形で出力が変化するレーザ光を発生する。すなわち、第一実施形態では、レーザ装置１０が発するレーザ光を周期的に変調させている。また、タイミング信号発生部４０は、上記周波数ωのＭ倍の周波数をもつカメラシフトパルス信号を発生し、そのカメラシフトパルス信号を遅延積分型カメラ３０に送出する。
【００２２】
遅延積分型カメラ（ＴＤＩカメラ）３０は、移動する測定対象物２の線状反射像を撮像するものである。図２はＴＤＩカメラの構造と動作を説明するための図である。このＴＤＩカメラ３０では、図２（ａ）に示すように、多数の光電変換素子３５がマトリクス状に配置されている。ここでは、例えば、これらの光電変換素子３５を、行方向に１０２４個、列方向に９６個配置したものとする。そして、各行については、最上行を第１行として、上から順に番号付けをし、各列については、最左列を第１列として、左から順に番号付けをしている。
【００２３】
光電変換素子３５は、受光した光の強度に対応する電荷を蓄積する。第一実施形態では、測定対象物２の線状反射像が、ＴＤＩカメラ３０のレンズ３１を介して、１列分の幅で光電変換素子３５に入射するものとする。このＴＤＩカメラ３０では、各光電変換素子３５は、その蓄積した電荷を、当該光電変換素子３５と同じ行に位置し且つ一つ後の列に位置する光電変換素子に転送する。この転送のタイミングは、すべての光電変換素子３５で同一であり、タイミング信号発生部４０から送出されるカメラシフトパルス信号によって制御される。すなわち、カメラシフトパルス信号が入力する度に、各光電変換素子３５は電荷を転送する。第一実施形態では、かかるカメラシフトパルス信号の周波数（カメラシフト周波数）はＭωである。そして、第９６列に位置する光電変換素子３５は、カメラシフトパルス信号が入力すると、その蓄積している電荷を読出しレジスタに送る。これにより、線状反射像に対応する１０２４ｂｉｔの光切断画像が出力される。
【００２４】
尚、一般に、ＴＤＩカメラ３０では、図２（ｂ）に示すように、電荷が転送される途中で、各光電変換素子３５に光が入射すると、その入射した光の強度に対応する電荷が上乗せされる。しかし、第一実施形態では、上述したように、光電変換素子３５に１列分の幅の線状反射像が入射するように構成している。このため、電荷の転送途中で、各光電変換素子３５において電荷が上乗せされることはほとんどない。
【００２５】
測定対象物２はその長手方向に沿って移動しているので、レーザ装置１０からレーザ光を測定対象物２に照射し、ＴＤＩカメラ３０を用いて測定対象物２の線状反射像を一定時間撮像すると、測定対象物２の長手方向の各位置における光切断画像を順次得ることができる。したがって、こうして得られた各光切断画像を縦にした状態で横方向に順に配列することにより、測定対象物２全体を表す画像が得られる。
【００２６】
また、第一実施形態では、線状レーザ光を周期的に変調させており、その線状レーザ光の強度が時間的に変化するので、各行において列方向の各光電変換素子に蓄積される電荷量（受光強度）の分布も周期的に変化する。このため、ＴＤＩカメラ３０から出力される各光切断画像を縦にした状態で横方向に順に配列することにより得られる画像は、その横方向に沿って、各光切断画像の濃度（強度）が周期的に変化する縞画像となる。図３に縞画像の一例を示す。ここで、濃度変化の一周期分に相当する光切断画像のことを「縞」と称することにする。かかる縞画像では、縦方向、すなわち縞に平行な方向が測定対象物２の幅方向に対応し、横方向、すなわち縞に直交する方向が測定対象物２の長手方向に対応する。ＴＤＩカメラ３０のカメラシフト周波数とレーザ光の変調周波数との比を、Ｍ：１とすると、Ｍ個の光切断画像、すなわち横方向のＭ画素分が、一本の縞を構成する。図３の例では、カメラシフト周波数とレーザ変調周波数との比は１６：１であり、縞は横方向の１６画素毎に一本となる。
【００２７】
ところで、レーザ光は測定対象物２の表面に斜めから入射するので、例えば測定対象物２に凹んでいる部分があると、図１においてレーザ光の反射点は右側にずれる。したがって、光電変換素子３５上での光切断画像の位置も右側、すなわち図２（ａ）において列方向にずれることになる。このため、縞画像において、当該凹んでいる部分で反射したレーザ光に対応する光切断画像は、当該凹んでいない部分で反射したレーザ光に対応する光切断画像よりも時間的に早く出力されることになる。したがって、ＴＤＩカメラ３０から出力される画像を縦にした状態で横方向に順に配列することにより得られる画像において、凹んでいる部分は、縞のずれとして明白に認識することができる。例えば、図３において、縞の曲がっている部分は、凹みにより縞のずれが生じていることを示している。
【００２８】
この縞のずれについてもう少し詳しく説明する。図４（ａ）はある縞画像の概略拡大図である。図４（ａ）では、各縞毎に最大濃度を与える位置を実線で結んで示している。例えば、この縞画像では、縦方向の位置Ａにおいて最大濃度位置を横方向に沿って調べると、最大濃度位置は等間隔に位置しており、縞のずれは生じていない。すなわち、当該測定対象物２は、縦方向の位置Ａでは横方向に沿って平坦な形状をしている。この場合、縦方向の位置Ａにおいて横方向に沿っての縞画像の濃度分布（スライス縞画像データ）は、図４（ｂ）に示すように、きれいな正弦波形状をしている。
【００２９】
一方、図４（ａ）に示す縦方向の位置Ｂにおいて最大濃度位置を横方向に沿って調べると、最大濃度位置の間隔は左から右に向かって徐々に広がっており、縞のずれが生じている。すなわち、当該測定対象物２には、縦方向の位置Ｂで横方向に沿って凹みが生じている。この場合、縦方向の位置Ｂにおいて横方向に沿っての縞画像の濃度分布（スライス縞画像データ）は、図４（ｃ）に示すように、図４（ｂ）に示す正弦波と比べて位相がずれている。このように、測定対象物２の凹みによる縞のずれは、スライス縞画像データにおける位相のずれとして現れてくる。実際、後述するように、かかる位相のずれと測定対象物２の凹み（深さ）とは比例関係にある。深さが深くなるほど、スライス縞画像データにおける位相のずれが大きくなる。第一実施形態の光学的形状測定装置では、縞画像に基づいて位相のずれに関する情報を算出し、その位相のずれに関する情報に基づいて測定対象物２の形状を測定することにしている。
【００３０】
次に、スライス縞画像データにおける位相のずれと測定対象物２の深さとの関係について説明する。図５はスライス縞画像データにおける位相のずれと測定対象物２の深さとの関係を説明するための図である。
【００３１】
いま、図５に示すように、線状レーザ光が測定対象物２の表面に入射する入射角度をθとする。また、測定対象物２に凹部があり、線状レーザ光はその凹部に入ったときに測定対象物２の表面から深さｄのところで反射して、ＴＤＩカメラ３０に入射したとする。このとき、深さｄで反射した線状レーザ光は、測定対象物２の平坦な表面で反射した線状レーザ光に比べて、測定対象物２の長手方向（右方向）に距離ｈだけ反射点がずれる。ここで、ｈ＝ｄ・tanθである。かかる線状レーザ光の反射点が長手方向に距離ｈだけずれた結果として、スライス縞画像データにおいて位相のずれが生ずるが、この位相のずれをφとする。
【００３２】
ＴＤＩカメラ３０における光電変換素子３５の列方向の撮影分解能をｓ（ｍｍ／画素）とすると、線状レーザ光の反射点が長手方向にずれた距離ｈは、縞画像においてｈ／ｓ画素に相当する。また、ＴＤＩカメラ３０のカメラシフト周波数とレーザ光の変調周波数との比がＭ：１のとき、縞画像において横方向のＭ画素分が一本の縞を構成する。すなわち、縞がＭ画素分だけずれたときに、位相のずれは２πとなる。したがって、線状レーザ光の反射点が長手方向に距離ｈずれたときのスライス縞画像データにおける位相のずれφは、
Ｍ／２π＝（ｈ／ｓ）／φ
より、
ｄ＝｛Ｍ・ｓ／（２π・tanθ）｝φ
となる。これより、スライス縞画像データにおける位相のずれφと測定対象物２の深さｄとは比例関係にあることが分かる。
【００３３】
厳密には、通常のレンズを用いた場合、撮影分解能ｓは深さｄに応じて変化するため、補正する必要があるが、鋼板の凹みを測定する場合のように、レンズ作動距離に対して深さ変化が微小な場合は、かかる撮影分解能ｓの変化を実用上無視することができる。また、テレセントリックレンズを使えば、撮影分解能ｓを深さｄによらず、一定とすることができる。
【００３４】
画像処理装置５０は、ＴＤＩカメラ３０から出力された各光切断画像に基づいて測定対象物２の形状を表す画像を生成する処理と、その画像に基づいて欠陥を検出する処理とを行うものである。図６に画像処理装置の概略ブロック図を示す。かかる画像処理装置５０は、図６に示すように、Ａ／Ｄ変換部５１と、プレフィルタ部５２と、直交正弦波発生部５３と、ローパスフィルタ部５４ａ，５４ｂと、位相算出部５５と、振幅算出部５６と、縞欠損判定部５７と、位相連続化処理部５８と、欠陥検出処理部５９とを有する。画像処理装置５０の各部で処理された結果は、表示装置６０の画面上に表示される。
【００３５】
Ａ／Ｄ変換部５１は、ＴＤＩカメラ３０から出力された各光切断画像をＡ／Ｄ変換し、ディジタル多値画像データとして出力するものである。かかるディジタル多値画像データは、図示しない画像メモリに記憶される。これらのディジタル多値画像データを順に配置することにより、縞画像が形成される。
【００３６】
かかる縞画像（又はディジタル多値画像データ）からは、縦方向の各位置において横方向に沿っての縞画像の濃度分布を表すデータが生成される。かかる横方向に沿っての縞画像の濃度分布を表すデータが「スライス縞画像データ」である。縦方向の各位置におけるスライス縞画像データは画像メモリから順次出力される。プレフィルタ部５２は、各スライス縞画像データに所定のフィルタ処理を施すことにより、ノイズを除去し、縞の状態を鮮明にするものである。尚、プレフィルタ部５２によるフィルタ処理は必ずしも行う必要はない。例えば、縞画像に細かいノイズが多数生じているようば場合にのみ行うようにすればよい。
【００３７】
プレフィルタ部５２からは、縦方向の各位置ｊ（ｊ＝０，１，２，・・・ ）におけるスライス縞画像データＩ_ｊ（ｋ）が二つ出力される。ｋ（ｋ＝０，１，２，・・・ ）は横方向の位置である。このとき、縦方向の位置ｊにおけるスライス縞画像データＩ_ｊ（ｋ）は正弦波的に変化すると仮定する。すなわち、
Ｉ_ｊ（ｋ）＝Ａ（ｊ，ｋ）｛ cos（（２πｋ／Ｍ）＋φ（ｊ，ｋ））＋１｝
である。ここで、Ａ（ｊ，ｋ）は画素位置（ｊ，ｋ）におけるスライス縞画像データの振幅、φ（ｊ，ｋ）は画素位置（ｊ，ｋ）におけるスライス縞画像データの位相のずれである。測定対象物２の凹みによって縞画像に発生する縞のずれの影響は、位相のずれφとして現れる。また、線状レーザ光の振幅は一定であるので、通常、上記振幅Ａは一定である。しかし、後述するように、測定対象物２の表面が汚れているような場合には、かかる汚れ位置に対応する画素位置において振幅Ａは急激に減少することがある。このため、上式では、振幅Ａを画素位置（ｊ，ｋ）に依存する形で書いている。
【００３８】
尚、cosの項の次に「１」を加えているのは、スライス縞画像データ（濃度値）Ｉ_ｊ（ｋ）はマイナスにならないので、このことを保証するためである。したがって、スライス縞画像データＩ_ｊ（ｋ）は０から２Ａの間で変化する。
【００３９】
直交正弦波発生部５３は、ＲＯＭ等のメモリ上に予め作成しておいた、直交する二つの基準正弦波データ sin（２πｋ／Ｍ），cos（２πｋ／Ｍ）を発生するものである。特に、前者を基準 sinデータ、後者を基準 cosデータとも称する。これらの二つの基準正弦波データはそれぞれ、プレフィルタ部５２から出力されたスライス縞画像データＩ_ｊ（ｋ）と乗算される。この乗算処理により、二つの出力Ｉａ_ｊ（ｋ），Ｉｂ_ｊ（ｋ）が得られる。すなわち、

である。
【００４０】
ローパスフィルタ部５４ａ，５４ｂはそれぞれ、上記の乗算処理で得られた出力Ｉａ_ｊ（ｋ），Ｉｂ_ｊ（ｋ）について、所定のフィルタ処理を施すことにより、縞周波数成分及びその高調波成分を除去する、すなわち位相のずれφのみを含む成分を抽出するものである。ローパスフィルタ部５４ａからの出力をＬＰＦ（Ｉａ_ｊ（ｋ））、ローパスフィルタ部５４ｂからの出力をＬＰＦ（Ｉｂ_ｊ（ｋ））とすると、
ＬＰＦ（Ｉａ_ｊ（ｋ））＝（Ａ cosφ）／２
ＬＰＦ（Ｉｂ_ｊ（ｋ））＝−（Ａ sinφ）／２
である。
【００４１】
位相算出部５５は、二つのローパスフィルタ部５４ａ，５４ｂから出力された結果に基づいて、各画素位置（ｊ，ｋ）における位相のずれφ（ｊ，ｋ）を算出するものである。位相のずれφ（ｊ，ｋ）は、

より求めることができる。上式では、arctanの値域を−π／２〜＋π／２とすると共に、ＬＰＦ（Ｉａ_ｊ（ｋ）），ＬＰＦ（Ｉｂ_ｊ（ｋ））の符号についての情報を利用して、位相のずれφを−π〜＋πの範囲で求めている。ここで、この範囲で求めた位相のずれを改めてφ′と記すことにする。この場合、上式で求めた位相のずれφ′は、図７（ａ）に示すように、測定対象物２の深さと周期的な関係があり、位相のずれφ′のある値をとるような深さは複数ある。したがって、かかる位相のずれφ′を用いたのでは、測定対象物２の形状について正確な情報は得られない。このため、この位相のずれφ′から、図７（ｂ）に示すように測定対象物２の深さと比例関係にあるような位相のずれφを求める必要がある。深さと比例関係にある位相のずれφを得る処理は、位相連続化処理部５８によって行われる。
【００４２】
また、振幅算出部５６は、二つのローパスフィルタ部５４ａ，５４ｂから出力された結果に基づいて、各画素位置（ｊ，ｋ）における振幅Ａ（ｊ，ｋ）を算出するものである。振幅Ａ（ｊ，ｋ）は、

より求めることができる。
【００４３】
図８に、鋼板の先端を切り取って作製したサンプルについての画像の例を示す。図８（ａ）は位相のずれφ′に基づいて作成した位相画像であり、例えば位相のずれφ′が＋πのときに画像が白くなり、−πのときに画像が黒くなるような濃淡画像で表現している。図８（ｂ）は振幅Ａに基づいて作成した振幅画像であり、例えば振幅が小さいほど画像が黒くなるような濃淡画像で表現している。
【００４４】
ところで、測定対象物２の表面が油で汚れているような場合には、その汚れている領域に対応する縞画像の領域は黒くつぶれてしまうことがある。このような領域では振幅Ａがとても小さく、隣り合う画素位置間で位相のずれφ′が急激に変化する。すなわち、そのような領域内では、そもそも縞画像を正確に取得することはできないのであり、そこで求めた位相のずれφ′は当然、信頼できるものではない。例えば、図８（ａ）の位相画像では、その中心付近領域が汚れている領域である。この汚れている領域では多数のノイズが発生し、画像がザラついている。したがって、このような位相画像の信頼できない領域については、欠陥の検出対象から外しておくことが望ましい。また、かかる領域では、後述する位相飛び補正をうまく行うこともできない。
【００４５】
このような位相画像の信頼できない領域は、振幅画像から求めることができる。すなわち、振幅が極端に小さい領域を特定することにより、信頼できない位相領域を求めることができる。例えば、図８（ｂ）に示すように、振幅画像では、位相画像の信頼できない領域に対応する領域は、他の領域に比べて黒くなっている。第一実施形態では、振幅画像を、形状の測定対象から外すべき領域を特定するために使用することにしている。この意味では、振幅画像は補助的なものである。
【００４６】
縞欠損判定部５７は、振幅画像に基づいて、位相画像の信頼できない領域を判定するものである。具体的には、縞欠損判定部５７は、所定のしきい値を用いて振幅画像を二値化する。このしきい値としては、表面の汚れに応じた小さな値が設定される。また、必要に応じて、二値画像に対して収縮処理等が行われる。そして、縞欠損判定部５７は、こうして得られた二値画像に基づいて当該しきい値よりも小さな領域を判定し、その領域を位相画像の信頼できない領域（欠損領域）として抽出する。図８（ｃ）は縞欠損判定部５７で作成された二値画像の例である。この図では、黒い領域が欠損領域である。
【００４７】
位相連続化処理部５８は、位相算出部５５で得られた位相画像に基づいて、位相のずれφ′の不連続点を検出し、位相のずれφ′が滑らかに繋がるように位相のずれφ′を補正するものである。上述したように、位相算出部５５で算出した位相のずれφ′の値域は、−π〜＋πであるので、位相のずれφ′は−π及び＋πで不連続となる。例えば、図８（ａ）に示す位相画像において、白（又は黒）から黒（又は白）に変化している部分が位相のずれφ′の不連続点に対応する。かかる位相画像をそのまま用いたのでは、測定対象物２の形状を認識することは困難である。したがって、位相のずれφ′の不連続点において位相のずれφ′が滑らかに繋がるように位相のずれφ′を補正する必要がある。かかる補正（位相飛び補正）は、２πの範囲で定義された位相のずれφ′から測定対象物２の深さに比例する一義的な位相のずれφを求める処理である。
【００４８】
具体的には、位相連続化処理部５８は、まず、位相算出部５５で得られた位相画像において、縞欠損判定部５７で得られた欠損領域に対応する領域をマスクする。これにより、このマスクした領域以外が位相飛び補正の対象となる。
【００４９】
次に、位相連続化処理部５８は、位相のずれφ′の不連続点を検出すると共に、その不連続点において位相のずれφ′を補正する。位相のずれφ′が不連続であるかどうかは、一つの画素だけを見ても分からない。隣り合う画素同士を見て判断する必要がある。まず、位相連続化処理部５８は、位相画像の縦方向の各位置において位相画像を横方向に沿って調べ、隣り合う画素での位相のずれφ′を比較する。その隣り合う画素において位相のずれφ′が大きく異なる場合には、当該画素間で位相のずれφ′が不連続であると判断し、これらの位相のずれφ′を補正する。実際、鋼板等の測定対象物２の表面における深さは、急激に変化しない。このため、位相のずれφ′が大きく異なるのは、位相のずれφ′が±２πだけ変化しているために生じたと考えられる。したがって、位相のずれφ′がその隣接する画素での位相のずれφ′と大きく異なっている画素を調べて、それらの位相のずれφ′を滑らかに繋げていくようにすればよい。
【００５０】
例えば、ある画素位置では、位相のずれφ′が＋πに近い値であり、その右隣りの画素位置では、位相のずれφ′が−πに近い値である場合には、当該右隣りの画素位置では位相のずれφ′が＋２πだけ変化していると認識する。そして、当該右隣りの画素位置における位相のずれφ′に＋２πを加算することにより、位相のずれφ′を補正する。また、ある画素位置では、位相のずれφ′が−πに近い値であり、その右隣りの画素位置では、位相のずれφ′が＋πに近い値である場合には、当該右隣りの画素位置では位相のずれφ′が−２πだけ変化していると認識する。そして、当該右隣りの画素位置における位相のずれφ′に−２πを加算することにより、位相のずれφ′を補正する。
【００５１】
こうして、縦方向の各位置において横方向に沿って隣り合う画素を調べて、位相のずれφ′を補正した後、位相連続化処理部５８は、今度は、横方向の各位置において縦方向に沿って隣り合う画素を調べ、同様にして、位相のずれφ′を補正する。かかる補正後の各画素位置における位相のずれは、測定対象物２の深さに比例する一義的な位相のずれφである。
【００５２】
次に、位相連続化処理部５８は、かかる補正後の位相のずれφに基づいて新たに位相画像を作成する。この新たな位相画像は測定対象物２の形状を正確に表している。この新たな位相画像のことを形状画像と称することにする。図８（ｄ）は位相連続化処理部５８で作成された形状画像の例である。かかる形状画像を見れば、測定対象物２の形状を正確且つ容易に理解することができる。
【００５３】
このように、形状画像から測定対象物２の表面全体の凹凸状態を容易に知ることができるが、例えば、測定対象物２の傾きを無視して凹み等の欠陥だけを知りたいという場合もある。欠陥検出処理部５９は、位相連続化処理部５８で得られた形状画像に基づいて、測定対象物２の表面に生じた凹み等の欠陥を検出するものである。具体的には、欠陥検出処理部５９は、まず、図９（ａ）に示すように、位相画像から、横方向の各位置において縦方向に沿った位相のずれφの分布を抽出する。そして、その位相のずれφの分布に対して例えば最小二乗近似を行い、当該縦方向に沿った位相のずれφの分布に対する近似曲線を求める。その後、図９（ｂ）に示すように、当該縦方向に沿った位相のずれφの分布曲線から、当該近似曲線を減算する。この減算した結果には欠陥に関する情報だけが含まれる。かかる処理は、横方向のすべての位置において行われる。こうして得られた結果を画像として表すことにより、形状画像から測定対象物２の形状の影響を取り除いて欠陥だけが抽出された欠陥画像を得ることができる。その後、欠陥検出処理部５９は、かかる欠陥画像に対して二値化やラベリングなどの手段を講じて、欠陥を検出する。
【００５４】
尚、ここでは、欠陥検出処理部５９による欠陥画像を得る際に、横方向の各位置において縦方向に沿った位相のずれφの分布に対して減算処理を行う場合について説明したが、その代わりに、縦方向の各位置において横方向に沿った位相のずれφに対して減算処理を行うようにしてもよい。
【００５５】
次に、第一実施形態の光学的形状測定装置において測定対象物２の形状を測定する処理手順について説明する。図１０は図３に示す縞画像のうち凹み部を含む領域についての処理を説明するための図、図１１は図３に示す縞画像のうち汚れ部を含む領域についての処理を説明するための図である。
【００５６】
まず、オペレータは、レーザ装置１０の方向を調整して、線状レーザ光が測定対象物２の表面に入射する入射角度θを設定する。線状レーザ光の入射角度θを大きくすると、測定対象物２の同じ深さ変化に対して線状レーザ光の反射点変化量は大きくなるので、測定の感度が向上する。しかし、測定レンジは狭くなってしまう。このため、測定の感度とレンジとを考慮して、線状レーザ光の入射角度θを決定する必要がある。
【００５７】
こうして測定準備が整うと、オペレータは、第一実施形態の光学的形状測定装置のスイッチをオンして、測定対象物２の形状測定を開始する。光学的形状測定装置の動作が開始すると、タイミング信号発生器４０は、所定の周波数ωをもつ正弦波形状の信号をレーザ装置１０に送出すると共に、周波数Ｍωのカメラシフトパルス信号をＴＤＩカメラ３０に送出する。レーザ装置１０は、かかる正弦波形の信号を受けると、同じく正弦波形で強度変調されたレーザ光を発生する。そのレーザ光はロッドレンズ２０で扇状に広げられ、線状レーザ光として、移動している測定対象物２に照射される。そして、測定対象物２で反射された線状反射像はＴＤＩカメラ３０により撮像される。ＴＤＩカメラ３０の各光電変換素子３５は線状反射像に対応する電荷を蓄積し、タイミング信号発生器４０からのカメラシフトパルス信号に受ける度にその電荷を隣りの光電変換素子に転送する。かかる転送動作を繰り返すことにより、各線状反射像に対応する光切断画像がＴＤＩカメラ３０から順次出力される。
【００５８】
ＴＤＩカメラ３０から出力された光切断画像は、画像処理装置５０のＡ／Ｄ変換部５１に入力する。各光切断画像は、Ａ／Ｄ変換部５１でディジタル多値画像データに変換され、かかるディジタル多値画像データは画像メモリに記憶される。これらのディジタル多値画像データから、縞画像が得られる。
【００５９】
例えば、図３に示す縞画像では、その左側に、縞の曲がっている部分がある。この縞の曲がった部分は、測定対象物２の凹部に対応している。図１０（ａ）に、この凹部を含む小部分だけを切り抜いた縞画像を示す。また、図３に示す縞画像の中央やや右下には、縞が欠けて黒くなった部分がある。この縞の欠けた部分は、測定対象物２の汚れ部に対応している。図１１（ａ）に、この汚れ部を含む小部分だけを切り抜いた縞画像を示す。
【００６０】
画像メモリからは、縦方向の各位置におけるスライス縞画像データが順次出力される。図１０（ｂ）に、同図（ａ）において凹部に対応する一の縦方向の位置でのスライス縞画像データを示す。また、図１１（ｂ）に、同図（ａ）において汚れ部に対応する一の縦方向の位置でのスライス縞画像データを示す。ここで、図１０（ｂ）、図１１（ｂ）の各グラフにおいて、縦軸は当該縞画像の濃度値Ｉ_ｊ（ｋ）であり、横軸は横方向の画素位置ｋである。尚、図１０（ｂ）〜（ｈ）、図１１（ｂ）〜（ｈ）の各グラフにおいても、横軸は横方向の画素位置である。
【００６１】
図１０（ｂ）、図１１（ｂ）のスライス縞画像データでは、ピークを示す位置がそれぞれ、図１０（ａ）、図１１（ａ）における白い部分の位置に対応する。特に、図１０（ｂ）のスライス縞画像データにおいては、凹部に対応する範囲で、各ピーク間の間隔が変化している。一方、図１１（ｂ）のスライス縞画像データにおいては、汚れ部に対応する範囲で、濃度値が極端に低くなっている。
【００６２】
縦方向の各位置におけるスライス縞画像データは、プレフィルタ部５２でノイズを除去された後、二つの出力とされる。そして、これら二つのスライス縞画像データはそれぞれ、直交正弦波発生部５３で発生された基準正弦波データである基準 cosデータ、基準 sinデータと乗算される。図１０（ｃ）及び図１１（ｃ）に基準 cosデータを示し、図１０（ｄ）及び図１１（ｄ）に基準 sinデータを示す。また、図１０（ｅ）に、図１０（ｂ）のスライス縞画像データと図１０（ｃ）の基準 cosデータとを乗算した結果Ｉａ_ｊ（ｋ）を示す。そして、図１０（ｆ）に、図１０（ｂ）のスライス縞画像データと図１０（ｄ）の基準 sinデータとを乗算した結果Ｉｂ_ｊ（ｋ）を示す。同様に、図１１（ｅ）には図１１（ｂ）のスライス縞画像データと図１１（ｃ）の基準 cosデータとを乗算した結果Ｉａ_ｊ（ｋ）を、図１１（ｆ）には図１１（ｂ）のスライス縞画像データと図１１（ｄ）の基準 sinデータとを乗算した結果Ｉｂ_ｊ（ｋ）を示す。図１０（ｅ），（ｆ）及び図１１（ｅ），（ｆ）から分かるように、縞の曲がっている部分や縞の欠けた部分に対応する位置では、当該乗算された結果のデータＩａ_ｊ（ｋ），Ｉｂ_ｊ（ｋ）は大きく変化している。
【００６３】
こうして乗算された結果のデータＩａ_ｊ（ｋ），Ｉｂ_ｊ（ｋ）には、ローパスフィルタ部５４ａ，５４ｂで所定のフィルタ処理が施され、位相のずれφ′のみを含むデータＬＰＦ（Ｉａ_ｊ（ｋ）），ＬＰＦ（Ｉｂ_ｊ（ｋ））が抽出される。図１０（ｅ），（ｆ）及び図１１（ｅ），（ｆ）において、破線で描いたのが、ローパスフィルタ部５４ａ，５４ｂから出力される、位相のずれφ′のみを含むデータＬＰＦ（Ｉａ_ｊ（ｋ）），ＬＰＦ（Ｉｂ_ｊ（ｋ））である。
【００６４】
次に、位相算出部５５は、二つのローパスフィルタ部５４ａ，５４ｂから出力されるデータＬＰＦ（Ｉａ_ｊ（ｋ）），ＬＰＦ（Ｉｂ_ｊ（ｋ））に基づいて、各画素位置での位相のずれφ′を算出する。図１０（ｇ）には図１０（ｅ），（ｆ）の各データに基づいて算出された位相のずれφ′を示し、図１１（ｇ）には図１１（ｅ），（ｆ）の各データに基づいて算出された位相のずれφ′を示す。図１０（ｇ）の例では、位相のずれφ′は画素位置「９５」、「１６０」において不連続になっている。また、図１１（ｇ）の例では、縞の欠けた部分に対応する範囲で、位相のずれφ′が異常な変化をしている。その後、位相算出部５５は、その算出した位相のずれφ′に基づいて位相画像を生成する。
【００６５】
一方、振幅算出部５６は、二つのローパスフィルタ部５４ａ，５４ｂから出力されるデータＬＰＦ（Ｉａ_ｊ（ｋ）），ＬＰＦ（Ｉｂ_ｊ（ｋ））に基づいて、各画素位置での振幅Ａを算出する。図１０（ｈ）には図１０（ｇ），（ｆ）の各データに基づいて算出された振幅Ａを示し、図１１（ｈ）には図１１（ｇ），（ｈ）の各データに基づいて算出された振幅Ａを示す。図１０（ｈ）の例では、振幅Ａはどこでも略一定値、０．５となっている。また、図１１（ｈ）の例では、振幅Ａは、縞の欠けた部分に対応する範囲で、極端に低下している。その後、振幅算出部５６は、その算出した振幅Ａに基づいて振幅画像を生成する。
【００６６】
尚、通常、位相のずれφ′、振幅Ａは隣り合う画素において滑らかに変化する。このため、すべての画素位置において位相のずれφ′、振幅Ａを計算する代わりに、各縞毎に、一の画素位置において、すなわちＭ画素おきに位相のずれφ′、振幅Ａを計算するようにしてもよい。これにより、処理を迅速に行うことができる。
【００６７】
その後、縞欠損判定部５７は、振幅画像を所定のしきい値を用いて二値化することにより、当該しきい値よりも小さい振幅をもつ領域を、欠損領域として抽出する。例えば、図１０（ｈ）の振幅Ａを示すグラフには欠損領域は存在しない。これに対し、図１１（ｈ）の振幅Ａを示すグラフには、矢印で示すように、振幅Ａが極端に低下している範囲があり、この矢印で示した範囲が欠損領域と判定される。
【００６８】
次に、位相連続化処理部５８は、位相画像において、縞欠損判定部５７で抽出された欠損領域に対応する領域をマスクし、そのマスクした領域以外に対して位相飛び補正を行う。例えば、図１１（ｇ）において、その矢印で示す範囲は、図１１（ｈ）の欠損領域に対応する範囲である。この図１１（ｇ）の矢印で示す範囲では位相のずれφ′が異常な変化をしているが、当該範囲は位相飛び補正の対象外となる。また、図１０（ｇ）の例において、位相飛び補正を行うと、位相のずれφ′の値が＋π付近の値を取る中央領域においては、その位相のずれφ′の値が−２πだけ減算される。これにより、同図（ｇ）の中央下側に示すように、位相のずれが連続的に繋がる。
【００６９】
こうして位相飛び補正が終了すると、位相連続化処理部５８は、その補正後の位相のずれφに基づいて形状画像を作成する。かかる形状画像は表示装置６０の画面上に表示される。その後、欠陥検出処理部５９は、かかる形状画像に基づいて、測定対象物２の表面に生じた凹み等の欠陥を検出する。かかる検出結果も表示装置６０の画面上に表示される。
【００７０】
第一実施形態の光学的形状測定装置では、ＴＤＩカメラを用いて得られた縞画像に基づいて、各スライス縞画像データについて縞の位相のずれと振幅を算出することにより、位相画像及び振幅画像を作成する。次に、振幅画像に基づいて欠損領域を特定し、位相画像においてその欠損領域に対応する領域をマスクした後、そのマスクした位相画像に基づいて位相のずれを連続化する処理を行う。そして、その連続化された後の位相のずれを表す形状画像を表示装置の画面上に表示する。したがって、第一実施形態の光学的形状測定装置では、従来のように縞画像を二値化して、その二値画像に基づいて測定対象物の形状を測定するものではないので、測定対象物の形状を高精度かつ高速に測定することができる。
【００７１】
次に、本発明の第二実施形態について図面を参照して説明する。図１２は本発明の第二実施形態である光学的形状測定装置の概略構成図、図１３はその光学的形状測定装置の変調器が出力する重畳信号を説明するための図である。尚、第二実施形態において、第一実施形態のものと同一の機能を有するものには、同一の符号を付すことにより、その詳細な説明を省略する。
【００７２】
上記第一実施形態の光学的形状測定装置では、測定対象物２の形状を測定し、その表面の凹みや疵等の欠陥を検出する場合を考えた。このとき、測定対象物２の表面における深さは急激に変化せず、位相のずれφ′が大きく異なるときには位相のずれφ′が±２πだけ変化していると仮定していた。このため、第一実施形態の光学的形状測定装置では、正弦波の１波長以上の不連続な段差が測定対象物２の表面にある場合、その段差において位相のずれφ′をうまく補正することができず、したがって、不連続な深い段差を有する測定対象物２の形状を測定することは困難である。第二実施形態の光学的形状測定装置は、不連続な深い段差を有する測定対象物２の形状をも測定できるように、第一実施形態の光学的形状測定装置を改良したものである。
【００７３】
第二実施形態の光学的形状測定装置は、図１２に示すように、レーザ装置１０と、ロッドレンズ２０と、遅延積分型カメラ（ＴＤＩカメラ）３０と、タイミング信号発生部１４０と、変調器（重畳信号生成手段）１７０と、画像処理装置１５０と、表示装置６０とを備えるものである。
【００７４】
タイミング信号発生部１４０は、所定周波数ωのＭ倍の周波数をもつパルス信号を発生し、そのパルス信号をＴＤＩカメラ３０と変調器１７０とに送出するものである。ＴＤＩカメラ３０では、測定対象物２の線状反射像が１列分の幅で光電変換素子３５に入射する。そして、各光電変換素子３５が電荷を転送するタイミングは、タイミング信号発生部１４０から送出されるパルス信号によって制御される。
【００７５】
変調器１７０は、図１３に示すように、正弦波形の信号と長い周期をもつ擬似ランダム信号とを発生し、それらの信号を重畳した重畳信号を出力するものである。具体的には、変調器１７０は、タイミング信号発生部１４０からパルス信号を受ける度に、正弦波形の信号の位相を一定量２π／Ｍだけ進める。この正弦波形の信号は、パルス信号がＭ回入力すると波形が元の状態に戻るので、その周波数はωである。また、変調器１７０は、タイミング信号発生部１４０からパルス信号を受ける度に、擬似ランダム信号を１チップだけ発生する。この擬似ランダム信号としては、その周期が上記の正弦波形の信号の周期よりも長く、且つその振幅が上記の正弦波形の信号の振幅の１０％〜２０％であるものが用いられる。そして、変調器１７０は、タイミング信号発生部１４０からパルス信号を受けたときに、位相を一定量２π／Ｍだけ進めた正弦波形の信号と１チップ分の擬似ランダム信号とを重畳し、その重畳信号をレーザ装置１０に送出する。
【００７６】
レーザ装置１０は、外部信号によりその発振強度を連続的に変化させられるものであり、変調器１７０から送出される重畳信号を受けると、その重畳信号の波形で出力が変化するレーザ光を発生する。すなわち、第二実施形態では、レーザ装置１０が発するレーザ光を、重畳信号により変調させている。
【００７７】
ここで、擬似ランダム信号について説明する。第二実施形態では、擬似ランダム信号として、例えばＭ系列信号を用いる。このＭ系列信号は、二値の信号であり、複数のシフトレジスタを有する回路により生成される。Ｍ系列信号の周期は、タイミング信号発生器１４０から送出されるパルス信号の周期Ｔを単位として２^ｎ−１で与えられる。ｎはシフトレジスタの数である。第二実施形態では、擬似ランダム信号の周期を、例えば２５５Ｔとする。この周期２５５Ｔは、正弦波形の信号の周期ＭＴよりも大きいと仮定する。また、擬似ランダム信号には、擬似ランダム信号の波形が一致するときにのみ自己相関値が大きなピークをとり、擬似ランダム信号の波形が一致しないときには自己相関値がほとんどゼロになるという性質がある。
【００７８】
画像処理装置１５０は、ＴＤＩカメラ３０から出力された各光切断画像に基づいて測定対象物２の形状を表す画像を生成する処理を行うものである。図１４は画像処理装置１５０の概略ブロック図、図１５はその画像処理装置１５０における相関算出部の構成を説明するための図、図１６はその相関算出部で求められる相関ピーク位置のずれ量を説明するための図、図１７はその画像処理装置１５０において形状算出部が行う処理を説明するための図である。
【００７９】
かかる画像処理装置１５０は、図１４に示すように、Ａ／Ｄ変換部５１と、プレフィルタ部５２と、直交正弦波発生部５３と、ローパスフィルタ部５４ａ，５４ｂと、位相算出部５５と、振幅算出部５６と、縞欠損判定部５７と、位相連続化処理部５８と、相関算出部１５１と、形状算出部１５２とを有する。画像処理装置１５０の各部で処理された結果は、表示装置６０の画面上に表示される。
【００８０】
ＴＤＩカメラ３０から出力された各光切断画像は、第一実施形態と同様に、Ａ／Ｄ変換部５１でＡ／Ｄ変換され、ディジタル多値画像データとして画像メモリ（不図示）に記憶される。これらのディジタル多値画像データを縦にした状態で横方向に順に配置することにより、縞画像が形成される。第二実施形態では、縞画像を、横方向に沿って所定の長さで複数の単位縞画像に分割する。そして、画像処理装置１５０の各部は、単位縞画像毎に所定の処理を施すことにする。ここでは、図１５に示すように、各単位縞画像の横方向の長さを、例えば、擬似ランダム信号の１周期に相当する長さ（２５５画素）とする。また、各単位縞画像の縦方向の長さは１０２４画素である。
【００８１】
かかる各単位縞画像からは、縦方向の各位置におけるスライス縞画像データが生成され、プレフィルタ部５２と相関算出部１５１とに出力される。プレフィルタ部５２は、各スライス縞画像データに所定のフィルタ処理を施すことにより、ノイズや擬似ランダム信号を除去する。したがって、プレフィルタ部５２から出力されるスライス縞画像データからは、擬似ランダム信号の影響が排除されている。尚、プレフィルタ部５２によるフィルタ処理は必ずしも行う必要はない。擬似ランダム信号のスペクトルは広く、且つ擬似ランダム信号の振幅は正弦波形の信号の振幅よりも小さいので、プレフィルタ部５２によるフィルタ処理を行わなくとも、擬似ランダム信号が位相のずれの算出処理に及ぼす影響はほとんど無視することができるからである。
【００８２】
直交正弦波発生部５３、ローパスフィルタ部５４ａ，５４ｂ、位相算出部５５、振幅算出部５６、縞欠損判定部５７及び位相連続化処理部５８ではそれぞれ、上記の第一実施形態と同様の処理が行われる。これにより、位相連続化処理部５８では、測定対象物２の深さに比例する位相のずれφに基づいて作成された位相画像が得られる。特に、第二実施形態では、位相連続化処理部５８は、その位相画像に基づいて、位相のずれφを深さに換算することにより、縦方向の各位置において横方向に沿っての深さ分布データを求める。その求めた縦方向の各位置における深さ分布データは、形状算出部１５２に出力される。
【００８３】
相関算出部１５１は、図１５に示すように、１０２４個の回路群Ｃ_ｍ（ｍ＝１，２，・・・ ，１０２４）からなる。これらの回路群Ｃ_ｍは、単位縞画像の縦方向の画素数と同じ数だけ設けられており、各回路群Ｃ_ｍにはそれぞれ、縦方向の対応する位置におけるスライス縞画像データが入力する。各回路群Ｃ_ｍは、図１５に示すように、直流成分除去部１５１ａと、ノッチフィルタ部１５１ｂと、相関器１５１ｃとを有する。
【００８４】
直流成分除去部１５１ａは、スライス縞画像データの平均の濃度値を算出し、スライス縞画像データからその平均の濃度値を差し引くことにより、スライス縞画像データから直流成分を除去する。ＴＤＩカメラ３０から出力される光切断画像には必ず直流成分が付加されている。かかる直流成分を除去することにより、平均の濃度値がゼロになるようなスライス縞画像データが得られる。
【００８５】
ノッチフィルタ部１５１ｂは、直流成分除去部１５１ａから出力されたスライス縞画像データから、正弦波形の信号成分を除去するものである。これにより、擬似ランダム信号成分だけを含む受信信号ｕ′（ｉ）が得られる。ｉ（ｉ＝１，２，３，・・・ ，２５５）は横方向の画素位置である。尚、このノッチフィルタ部１５１ｂによる処理は必要な場合にのみ行えばよい。擬似ランダム信号は、その周期が正弦波の周期より十分長ければ、正弦波形の信号や縞画像に含まれる雑音との相関が低くなり、後述する相関器１５１ｃにおいて相関ピーク位置のずれ量を確実に検出できるからである。
【００８６】
相関器１５１ｃは、ノッチフィルタ部１５１ｂから出力された受信信号ｕ′（ｉ）と基準の擬似ランダム信号ｕ（ｉ）との相関値を算出し、その相関値がピークをとるときの相関ピーク位置のずれ量を求めるものである。ここで、基準の擬似ランダム信号ｕ（ｉ）は、変調器１７０が発生する擬似ランダム信号の複製信号であり、相関器１５１ｃ内に予め記憶されている。受信信号ｕ′（ｉ）には、変調器１７０で実際に発生された擬似ランダム信号が含まれるが、その擬似ランダム信号の波形は、基準の擬似ランダム信号ｕ（ｉ）の波形に比べて測定対象物２の表面の深さに応じた所定量だけずれている。
【００８７】
基準の擬似ランダム信号ｕ（ｉ）と受信信号ｕ′（ｉ）との相関値Ｃｏｒｒ（ｐ）は、基準の擬似ランダム信号ｕ（ｉ）と受信信号ｕ′（ｉ−ｐ）とを乗算し、ｕ（ｉ）・ｕ′（ｉ−ｐ）をすべてのｉについて加算することにより求められる。この相関値Ｃｏｒｒ（ｐ）は擬似ランダム信号の自己相関値であり、両信号の波形が一致するときにのみ大きなピークをとり、両信号の波形が一致しないときにはほとんどゼロである。相関器１５１ｃは、ｐの値を０から２５４まで１画素ずつずらしながら、相関値Ｃｏｒｒ（ｐ）を算出し、相関値Ｃｏｒｒ（ｐ）がピークをとるときの相関ピーク位置のずれ量ｐ＝Ｐを求める。すなわち、相関器１５１ｃは、横方向の１画素毎に相関値Ｃｏｒｒ（ｐ）を算出するので、相関ピーク位置のずれ量Ｐを横方向の１画素単位で求めることができる。また、一の単位縞画像の各スライス縞画像データについて、相関ピーク位置のずれ量Ｐは一つしか出力されない。画像処理装置１５０では、単位縞画像毎に処理を施すと共に、単位縞画像の横方向の幅を擬似ランダム信号の１周期に相当する画素数としているからである。これにより、相関器１５１ｃでの処理はとても簡易なものとなる。
【００８８】
ところで、図１６に示すように、測定対象物２の表面に不連続な深い段差があると、その段差の部分Ｂで反射したレーザ光の像は、第一実施形態において説明した理由と同様の理由により、段差になっていない部分Ａで反射したレーザ光の像よりも時間的に早くＴＤＩカメラ３０から出力される。このため、段差の部分Ｂにおけるスライス縞画像データに含まれる擬似ランダム信号の波形と、段差になっていない部分Ａにおけるスライス縞画像データに含まれる擬似ランダム信号の波形とはずれている。これにより、段差の部分Ｂにおけるスライス縞画像データに基づいて得られた相関ピーク位置のずれ量Ｐ_Ｂと、段差になっていない部分Ａにおけるスライス縞画像データに基づいて得られた相関ピーク位置のずれ量Ｐ_Ａとは異なっている。このように、測定対象物２の深さは、相関ピーク位置のずれ量Ｐとして現れてくる。実際、相関ピーク位置のずれ量Ｐと測定対象物２の深さとは比例関係にあり、深さが深くなるほど、相関ピーク位置のずれ量Ｐが大きくなる。
【００８９】
この相関ピーク位置のずれ量Ｐと測定対象物２の深さとの関係について説明する。図５に示すように、線状レーザ光が測定対象物２の表面に入射する入射角度をθとすると、深さｄで反射した線状レーザ光は、測定対象物２の平坦な表面で反射した線状レーザ光に比べて、測定対象物２の長手方向に距離ｈ＝ｄ・tanθだけ反射点がずれる。ＴＤＩカメラ３０における光電変換素子３５の列方向の撮影分解能をｓ（ｍｍ／画素）とすると、線状レーザ光の反射点が長手方向にずれた距離ｈは、縞画像においてｈ／ｓ画素に相当する。そして、このｈ／ｓが相関ピーク位置のずれ量Ｐ（画素）となる。すなわち、Ｐ＝ｈ／ｓである。したがって、測定対象物２の深さｄと、その深さｄにより生じた相関ピーク位置のずれ量Ｐとの間には、
ｄ＝（ｓ／tanθ）Ｐ
という比例関係がある。
【００９０】
相関器１５１ｃは、上記の比例関係を用いて、相関ピーク位置のずれ量Ｐを測定対象物２の深さｄに換算する。こうして得られる深さｄは、縦方向の当該位置において、横方向に沿って擬似ランダム信号の１周期に相当する画素数分の長さにおける平均の深さ（第一の平均の深さ）である。このように、各相関器１５１ｃは縦方向の各位置における第一の平均の深さｄを算出し、各第一の平均の深さｄは形状算出部１５２に出力される。図１７（ａ）に相関算出部１５１で得られた縦方向の各位置における第一の平均の深さの一例を示す。ここで、図１７（ａ）において、縦軸は縦方向の位置、横軸は各相関器１５１ｃからの出力（第一の平均の深さ）である。第二実施形態では、擬似ランダム信号として正弦波形の信号に比べて長い周期をもつものを用いているので、正弦波形の信号の１波長以上の不連続な段差が測定対象物２にある場合、その段差については平均の深さを正確に求めることができる。
【００９１】
形状算出部１５２は、位相連続化処理部５８で得られた縦方向の各位置における深さ分布データと相関算出部１５１で得られた縦方向の各位置における第一の平均の深さとに基づいて、測定対象物２の表面の形状を表す深さ画像を作成するものである。具体的には、形状算出部１５２は、まず、位相連続化処理部５８で得られた縦方向の各位置における深さ分布データに基づいて、縦方向の各位置における平均の深さ（第二の平均の深さ）を求める。次に、形状算出部１５２は、縦方向の各位置毎に、第二の平均の深さが相関算出部１５１で得られた第一の平均の深さに一致するようなオフセット値を求める。このオフセット値は、第一の平均の深さから第二の平均の深さを減算することこによって得ることができる。そして、図１７（ｂ）に示すように、位相連続化処理部５８で得られた縦方向の各位置における深さ分布データに、当該位置におけるオフセット値を加算する。その後、形状算出部１５２は、かかる加算処理が行われた後の縦方向の各位置における深さ分布データに基づいて深さ画像を作成する。この深さ画像は、測定対象物２の表面に不連続な深い段差がある場合でも、測定対象物２の形状を正確に表している。したがって、かかる形状画像を見れば、測定対象物２の形状を正確且つ容易に理解することができる。
【００９２】
一般に、長い周期をもつ信号を利用すれば深い段差を検出することが可能である。例えば、長い周期をもつ正弦波形の信号を利用することにより、その周期に対応した深い段差を検出することができる。しかし、長い周期をもつ正弦波形の信号だけを用いたのでは、同じ凹み量に対する位相のずれ量が小さくなるため、位相測定のＳＮ比が低下し、微小な凹みを精度よく検出できなくなってしまう。一方、擬似ランダム信号だけを用いても、測定対象物２の凹みを測定することができる。しかし、この場合、擬似ランダム信号の１周期に相当する長さにおける平均の深さしか求めることができないので、測定対象物２の、長さが擬似ランダム信号の一周期以下の小さな凹みについてはその深さを正確に検出することは困難である。これらの点を考慮して、第二実施形態では、正弦波形の信号とその周期よりも長い周期をもつ擬似ランダム信号とを重畳した重畳信号を用いてレーザ光を変調することにより、測定対象物２の、長さが擬似ランダム信号の周期以下の凹凸については正弦波形の信号を利用して検出し、測定対象物２の不連続な長く深い段差については擬似ランダム信号を利用して検出することにしている。
【００９３】
次に、第二実施形態の光学的形状測定装置において測定対象物２の形状を測定する処理手順について説明する。
【００９４】
光学的形状測定装置の動作が開始すると、タイミング信号発生器１４０は、所定の周波数Ｍωをもつパルス信号を変調器１７０とＴＤＩカメラ３０とに送出する。変調器１７０は、かかるパルス信号を受ける度に、正弦波形の信号の位相を２π／Ｍだけ進めるとともに、擬似ランダム信号を１チップだけ発生する。そして、正弦波形の信号と擬似ランダム信号とを重畳した重畳信号をレーザ装置１０に送出する。レーザ装置１０は、かかる重畳信号を受けると、その重畳信号の波形で強度変調されたレーザ光を発生する。そのレーザ光はロッドレンズ２０で扇状に広げられ、線状レーザ光として、移動している測定対象物２に照射される。そして、測定対象物２で反射された線状反射像はＴＤＩカメラ３０により撮像される。ＴＤＩカメラ３０の各光電変換素子３５は線状反射像に対応する電荷を蓄積し、タイミング信号発生器１４０からのパルス信号を受ける度にその電荷を隣りの光電変換素子３５に転送する。かかる転送動作を繰り返すことにより、各線状反射像に対応する光切断画像がＴＤＩカメラ３０から順次出力される。
【００９５】
ＴＤＩカメラ３０から出力された光切断画像は、画像処理装置１５０のＡ／Ｄ変換部５１に入力する。各光切断画像は、Ａ／Ｄ変換部５１でディジタル多値画像データに変換され、かかるディジタル多値画像データは画像メモリに記憶される。これらのディジタル多値画像データから、縞画像が得られる。
【００９６】
画像メモリからは、単位縞画像毎に、縦方向の各位置におけるスライス縞画像データがプレフィルタ部５２及び相関算出部１５１に出力される。プレフィルタ部５２に出力されたスライス縞画像データには、直交正弦波発生部５３、ローパスフィルタ部５４ａ，５４ｂ、位相算出部５５、振幅算出部５６、縞欠損判定部５７及び位相連続化処理部５８において上記第一実施形態と同様の処理が施される。そして、位相連続化処理部５３からは、縦方向の各位置における深さ分布データが形状算出部１５２に出力される。
【００９７】
一方、相関算出部１５１に出力された縦方向の各位置におけるスライス縞画像データはそれぞれ、所定の回路群Ｃ_ｍ（ｍ＝１，２，・・・ ，１０２４）における直流成分除去部１５１ａに入力する。直流成分除去部１５１ａはスライス縞画像データの直流成分を除去し、その後、ノッチフィルタ部１５１ｂがそのスライス縞画像データにおける正弦波形の信号成分を除去する。これにより、擬似ランダム信号成分だけを含む受信信号が得られる。次に、相関器１５１ｃは、その受信信号と基準の擬似ランダム信号との相関値を算出し、その相関値がピークをとるときの相関ピーク位置のずれ量を求める。そして、その求めた相関ピーク位置のずれ量に基づいて第一の平均の深さを算出する。各相関器１５１ｃで得られた縦方向の各位置における第一の平均の深さは、形状算出部１５２に出力される。
【００９８】
次に、形状算出部１５２は、位相連続化処理部５８で得られた縦方向の各位置における深さ分布データに基づいて、縦方向の各位置における第二の平均の深さを求める。そして、縦方向の各位置毎に第二の平均の深さ変動量が第一の平均の深さに一致するようなオフセット値を求め、位相連続化処理部５８で得られた縦方向の各位置における深さ分布データに当該位置におけるオフセット値を加算する。その後、形状算出部１５２は、かかるオフセット値が加算された後の縦方向の各位置における深さ分布データを用いて測定対象物２の形状を表す深さ画像を作成する。この深さ画像は表示装置６０の画面上に表示される。
【００９９】
第二実施形態の光学的形状測定装置では、正弦波形の信号とその周期よりも長い周期をもつ擬似ランダム信号とを重畳した重畳信号により変調されたレーザ光を測定対象物に照射し、ＴＤＩカメラを用いて縞画像を取得する。次に、その縞画像に上記の第一実施形態と同様の処理を施すことにより、縦方向の各位置における深さ分布データを求める。一方、各スライス縞画像データと擬似ランダム信号との相関値がピークをとるときの相関ピーク位置のずれ量に基づいて縦方向の各位置における第一の平均の深さを算出する。そして、縦方向の各位置毎に、深さ分布データに基づいて求めた第二の平均の深さが第一の平均の深さに一致するようなオフセット値を求め、縦方向の各位置における深さ分布データに当該位置におけるオフセット値を加算する。その後、その加算処理が施された後の各深さ分布データを用いて深さ画像を作成し、表示装置の画面上に表示する。したがって、第二実施形態の光学的形状測定装置では、測定対象物の表面に不連続な深い段差がある場合でも、測定対象物の微小かつ短い凹凸については正弦波の信号を利用して検出し、測定対象物の長く深い段差については擬似ランダム信号を利用して検出することができるので、測定対象物の形状を正確に測定することができる。
【０１００】
尚、本発明は上記の各実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内において種々の変形が可能である。
【０１０１】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１記載の発明に係る光学的形状測定装置によれば、遅延積分型の撮像手段を用いて得られた縞画像に基づいて、各スライス縞画像データについて縞の位相のずれを算出することにより、その位相のずれを表す位相画像を作成する。次に、位相画像に基づいて位相のずれを連続化する処理を行い、その連続化された後の位相のずれを表す画像を出力手段に出力する。したがって、本発明では、従来のように縞画像を二値化して、その二値画像に基づいて測定対象物の形状を測定するものではないので、測定対象物の形状を高精度かつ高速に測定することができる。
【０１０２】
また、縞画像に基づいて、各スライス縞画像データについて縞の振幅を算出することにより、その算出した振幅を表す振幅画像を作成する。そして、振幅画像に基づいて欠損領域を特定し、位相画像においてその欠損領域に対応する領域をマスクした後、そのマスクした位相画像に基づいて位相のずれを連続化する処理を行う。これにより、位相画像の信頼できない領域を測定対象から外して、測定対象物の形状を測定することができる。
【０１０３】
請求項４記載の発明に係る光学的形状測定方法によれば、上記の請求項１記載の発明と同様に、測定対象物の形状を高精度かつ高速に測定することができる。
【０１０４】
請求項７記載の発明に係る光学的形状測定装置によれば、周期的な信号とその周期よりも長い周期をもつ擬似ランダム信号とを重畳した重畳信号により変調されたレーザ光を測定対象物に照射し、遅延積分型の撮像手段を用いて縞画像を取得する。次に、その縞画像に基づいて、縞に平行な方向の各位置における深さ分布データを求める。一方、各スライス縞画像データと擬似ランダム信号との相関値がピークをとるときの相関ピーク位置のずれ量に基づいて、縞に平行な方向の各位置における第一の平均の深さを算出する。そして、縞に平行な方向の各位置毎に、深さ分布データに基づいて求めた第二の平均の深さが第一の平均の深さに一致するようなオフセット値を求め、縞に平行な方向の各位置における深さ分布データに当該位置におけるオフセット値を加算する。その後、その加算処理が施された後の各深さ分布データを用いて作成した深さ画像を出力手段に出力する。したがって、本発明では、測定対象物の表面に不連続な深い段差がある場合でも、測定対象物の微小かつ短い凹凸については周期的な信号を利用して検出し、測定対象物の長く深い段差については擬似ランダム信号を利用して検出することができるので、測定対象物の形状を正確に測定することができる。
【０１０５】
請求項９記載の発明に係る光学的形状測定方法によれば、上記の請求項７記載の発明と同様に、測定対象物の表面に不連続な深い段差がある場合でも、測定対象物の微小かつ短い凹凸については周期的な信号を利用して検出し、測定対象物の長く深い段差については擬似ランダム信号を利用して検出することができるので、測定対象物の形状を正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態である光学的形状測定装置の概略構成図である。
【図２】その光学的形状測定装置のおける遅延積分型カメラの構造と動作を説明するための図である。
【図３】縞画像の一例を示す図である。
【図４】縞画像における縞のずれを説明するための図である。
【図５】スライス縞画像データにおける位相のずれと測定対象物の深さとの関係を説明するための図である。
【図６】第一実施形態の光学的形状測定装置における画像処理装置の概略ブロック図である。
【図７】その画像処理装置の位相算出部で算出される位相のずれを説明するための図である。
【図８】鋼板の先端を切り取って作製したサンプルについての画像の例を示す図である。
【図９】欠陥検出処理部の処理内容を説明するための図である。
【図１０】図３に示す縞画像のうち凹部を含む領域についての処理を説明するための図である。
【図１１】図３に示す縞画像のうち汚れ部を含む領域についての処理を説明するための図である。
【図１２】本発明の第二実施形態である光学的形状測定装置の概略構成図である。
【図１３】その光学的形状測定装置の変調器が出力する重畳信号を説明するための図である。
【図１４】第二実施形態の光学的形状測定装置における画像処理装置の概略ブロック図である。
【図１５】その画像処理装置における相関算出部の構成を説明するための図である。
【図１６】その相関算出部で求められる相関ピーク位置のずれ量を説明するための図である。
【図１７】その画像処理装置において形状算出部が行う処理を説明するための図である。
【符号の説明】
２ 測定対象物
１０ レーザ装置
２０ ロッドレンズ
３０ 遅延積分型カメラ
３１ レンズ
３５ 光電変換素子
４０，１４０ タイミング信号発生部
５０，１５０ 画像処理装置
５１ Ａ／Ｄ変換部
５２ プレフィルタ部
５３ 直交正弦波発生部
５４ａ，５４ｂ ローパスフィルタ部
５５ 位相算出部
５６ 振幅算出部
５７ 縞欠損判定部
５８ 位相連続化処理部
５９ 欠陥検出処理部
６０ 表示装置
１５１ 相関算出部
１５１ａ 直流成分除去部
１５１ｂ ノッチフィルタ部
１５１ｃ 相関器
１５２ 形状算出部
１７０ 変調器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical shape measuring device and an optical shape measuring method for optically measuring the shape of a measuring object such as a steel plate.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a light-cutting optical shape measuring method has been used in various fields. This optical cutting method optical shape measurement method irradiates the surface of a measurement object with a slit-shaped light beam, and detects the reflected light from the measurement object with a camera, thereby producing a fringe image of the measurement object. This is a method of acquiring and measuring the shape of the measurement object based on the fringe image.
[0003]
Regarding such an optical shape measurement method, for example, there is a technique using a delay integration type camera as a camera for detecting reflected light from a measurement object (see, for example, Patent Document 1). This technique has an advantage that a dense fringe image can be obtained only with a linear laser beam without using a two-dimensional fringe projection pattern.
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-4-348211
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Conventionally, as an image processing method applied to a fringe image, for example, a method of measuring the shape of a measurement object by binarizing the fringe image and calculating the displacement of each fringe in the binary image is used. It has been. However, this method has a problem that the displacement measurement unit is limited to the pixel unit. Furthermore, it is difficult to set an appropriate threshold value according to the surface property of the measurement object, and there is a problem that it is easily influenced by background light. For this reason, conventionally, it has been difficult to measure the shape of the measurement object with high accuracy based on the fringe image.
[0006]
The present invention has been made based on the above circumstances, and an object thereof is to provide an optical shape measuring apparatus and an optical shape measuring method capable of measuring the shape of a measurement object with high accuracy. .
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an optical shape measuring apparatus according to the first aspect of the present invention comprises an irradiating means for irradiating the surface of a measuring object with a periodically modulated linear laser beam, and the measuring object. When the measurement object is irradiated with the linear laser beam while continuously shifting the irradiation position of the linear laser beam with respect to the image, the reflected light from the measurement object is imaged and a light cut image is output. Generating delay integration type imaging means, storage means for storing a fringe image composed of each of the light-cut images, and generating two reference sine wave data orthogonal to each other. Orthogonal sine wave generating means for multiplying slice fringe image data representing the density distribution of the fringe image along the direction orthogonal to the fringes at each position in the parallel direction, and two obtained by the orthogonal sine wave generating means Each of the multiplication result data From each of the striped fringe image data based on the two removal result data obtained by the removing means and the removing means for removing the fringe frequency component and its harmonic component along the direction orthogonal to the fringes. Detecting a position where the phase shift is discontinuous based on the phase calculation means for calculating the phase shift of the fringe with respect to the reference sine wave in the phase and the phase image representing the phase shift obtained by the phase calculation means. , Phase continuation processing means for making the phase shift continuous by smoothly connecting the phase shifts at the detected position, and an image representing the phase shift after being made continuous by the phase continuation processing means Output means.
[0008]
According to a second aspect of the present invention, in the optical shape measuring apparatus according to the first aspect, the amplitude of fringes at each position is calculated for each slice fringe image data based on the two removal result data obtained by the removing means. An amplitude calculation unit that performs the phase continuation, and a missing region specifying unit that identifies a region whose amplitude is equal to or less than a predetermined threshold based on an amplitude image representing the amplitude obtained by the amplitude calculation unit, The processing unit masks a region corresponding to the missing region in the phase image representing the phase shift obtained by the phase calculation unit, and then the position where the phase shift is discontinuous based on the phase image. Is detected, and the phase shift is made continuous.
[0009]
According to a third aspect of the present invention, in the optical shape measuring apparatus according to the first or second aspect, the vertical or horizontal position is determined at each position in the horizontal or vertical direction based on the image representing the phase shift after the continuous operation. Create a distribution curve of the phase shift along the direction, calculate the approximate curve for the distribution curve for each distribution curve, and then subtract the approximate curve from the distribution curve, thereby shifting the phase shift in the portion representing the defect And a defect detection processing means for performing a defect detection process.
[0010]
The invention according to claim 4 for achieving the above object is characterized in that the periodically modulated linear laser beam is shifted while continuously irradiating the irradiation position of the linear laser beam on the measurement object. When the object to be measured is irradiated, it has a delay integration type imaging means for imaging the reflected light from the object to be measured and outputting a light cut image. In the optical shape measurement method for measuring the shape of the measurement object based on the above, two reference sine wave data orthogonal to each other are generated, and each reference sine wave data is formed into a stripe at each position in a direction parallel to the stripe. From the first step of multiplying the slice fringe image data representing the density distribution of the fringe image along the orthogonal direction and the two multiplication result data obtained in the first step, in the direction orthogonal to the fringe Stripes around A second step for removing several components and their harmonic components, and a fringe phase shift with respect to a reference sine wave at each position for each slice fringe image data based on the two removal result data obtained in the second step And detecting a position where the phase shift is discontinuous based on the phase image representing the phase shift obtained in the third step and calculating the phase shift at the detected position. A fourth step of making the phase shift continuous by smoothly connecting and a fifth step of outputting an image representing the phase shift after being made continuous in the fourth step. Is.
[0011]
According to a fifth aspect of the present invention, in the optical shape measuring method according to the fourth aspect, the fringe amplitude at each position is determined for each slice fringe image data based on the two removal result data obtained in the second step. A sixth step of calculating, and a seventh step of identifying a region having an amplitude equal to or smaller than a predetermined threshold based on the amplitude image representing the amplitude obtained in the sixth step as a missing region, In the step, after masking a region corresponding to the missing region in the phase image representing the phase shift obtained in the third step, a position where the phase shift is discontinuous is detected based on the phase image. However, the phase shift is made continuous.
[0012]
According to a sixth aspect of the present invention, in the optical shape measuring method according to the fourth or fifth aspect, the vertical or horizontal position is determined at each position in the horizontal or vertical direction based on the image representing the phase shift after the continuous operation. Create a distribution curve of the phase shift along the direction, calculate the approximate curve for the distribution curve for each distribution curve, and then subtract the approximate curve from the distribution curve, thereby shifting the phase shift in the portion representing the defect And an eighth step of performing defect detection processing.
[0013]
In order to achieve the above object, an optical shape measuring apparatus according to the invention described in claim 7 is a superimposed signal for generating a superimposed signal in which a pseudo random signal having a period longer than the period is superimposed on a periodic signal. Generating means, irradiating means for irradiating the surface of the measurement object with linear laser light whose oscillation intensity is modulated by the superimposed signal, and the measurement when the measurement object is irradiated with the linear laser light. A delay integration type imaging unit that captures reflected light from an object and outputs a light-cut image, a storage unit that stores a fringe image composed of the respective light-cut images, and two reference sine waves orthogonal to each other Generating data and multiplying each reference sine wave data by slice fringe image data representing the density distribution of the fringe image along the direction orthogonal to the fringe at each position in a direction parallel to the fringe Means, The removal means for removing the fringe frequency component and its harmonic component along the direction orthogonal to the fringe from each of the two multiplication result data obtained by the orthogonal sine wave generation means, and obtained by the removal means. Phase calculation means for calculating the phase shift of the stripe with respect to the reference sine wave at each position for each slice stripe image data based on two removal result data, and a phase image representing the phase shift obtained by the phase calculation means Based on the above, the position where the phase shift is discontinuous is detected, and the phase shift at the detected position is smoothly connected to make the phase shift continuous. Based on the phase continuation processing means for obtaining the depth distribution data along the direction orthogonal to the stripe at each position in the direction parallel to the stripe, and the slice at each position in the direction parallel to the stripe. The correlation value between the fringe image data and the pseudo-random signal is calculated, and the amount of deviation of the correlation peak position when the correlation value takes a peak is obtained, and parallel to the stripe based on the obtained amount of deviation of the correlation peak position A correlation calculating means for calculating a first average depth at each position in a different direction, and a fringe based on the depth distribution data at each position in a direction parallel to the stripe obtained by the phase continuation processing means. The second average depth at each position in the direction parallel to the first average is obtained, and the second average depth obtained by the correlation calculating means for each position in the direction parallel to the stripes. A shape calculating unit that obtains an offset value that matches the depth of the image and adds the offset value at the position to the depth distribution data at each position in a direction parallel to the stripes obtained by the phase continuation processing unit And the shape calculating means Output means for outputting a depth image created using the depth distribution data at each position in a direction parallel to the stripes after the arithmetic processing is performed.
[0014]
An eighth aspect of the present invention is the optical shape measuring apparatus according to the seventh aspect, wherein the fringe image is a plurality of unit fringes having a length corresponding to one period of the pseudo-random signal along a direction orthogonal to the fringes. It divides | segments into an image and processes for every said unit stripe image, It is characterized by the above-mentioned.
[0015]
An optical shape measuring method according to the invention described in claim 9 for achieving the above object is characterized in that an oscillation intensity is obtained by a superimposed signal in which a pseudo random signal having a period longer than the period is superimposed on a periodic signal. The first step of irradiating the measurement target object with the linear laser beam modulated with the laser beam while continuously irradiating the irradiation position of the linear laser beam on the measurement object, and using a delay integration type imaging means A second step of obtaining a fringe image formed by imaging the reflected light from the measurement object and obtaining a fringe image composed of the respective light cut images, and generating two reference sine wave data orthogonal to each other A third step of multiplying each reference sine wave data by slice fringe image data representing a density distribution of the fringe image along a direction orthogonal to the fringe at each position in a direction parallel to the fringe; A fourth step for removing the fringe frequency component and its harmonic components along the direction orthogonal to the fringe from each of the two multiplication result data obtained in the step, and the two removals obtained in the fourth step Based on the phase image representing the phase shift obtained in the fifth step, and the fifth step of calculating the phase shift of the stripe with respect to the reference sine wave at each position for each slice stripe image data based on the result data Detecting the position where the phase shift is discontinuous, connecting the phase shift at the detected position smoothly to make the phase shift continuous, based on the phase shift after the continuation, A sixth step for obtaining depth distribution data along the direction perpendicular to the stripes at each position in the direction parallel to the stripes; and the slice stripe image data at each position in the direction parallel to the stripes. And a correlation value between the pseudo-random signal and a correlation peak position deviation amount when the correlation value takes a peak. Based on the obtained correlation peak position deviation amount, The seventh step of calculating the first average depth at each position, and the depth distribution data at each position in the direction parallel to the stripe obtained in the sixth step, in the direction parallel to the stripe Obtain the second average depth at each position, and the second average depth for each position in the direction parallel to the stripe matches the first average depth obtained in the seventh step. And an eighth step of adding the offset value at the position to the depth distribution data at each position in a direction parallel to the stripe obtained in the sixth step, and the eighth step. On the stripes after the addition process And a ninth step of generating and outputting a depth image using the depth distribution data at each position in the parallel direction.
[0016]
A tenth aspect of the present invention is the optical shape measuring method according to the ninth aspect, wherein the fringe image is a plurality of unit fringes having a length corresponding to one period of the pseudo-random signal along a direction orthogonal to the fringes. It divides | segments into an image and processes for every said unit stripe image, It is characterized by the above-mentioned.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an optical shape measuring apparatus according to a first embodiment of the present invention.
[0018]
As shown in FIG. 1, the optical shape measuring apparatus according to the first embodiment includes a laser device 10, a rod lens 20, a delay integration camera 30, a timing signal generator 40, an image processing device 50, and a display. The apparatus 60 is provided.
[0019]
Such an optical shape measuring apparatus optically measures the shape of the measuring object 2. Here, as the measuring object 2, for example, a steel plate manufactured in an ironworks is assumed. The measuring object 2 is conveyed at a constant speed in the longitudinal direction (left and right direction in FIG. 1), and the optical shape measuring apparatus according to the first embodiment changes its shape while the measuring object 2 is being conveyed. Measure and detect defects such as dents and wrinkles on the surface of the measuring object 2.
[0020]
The laser device 10 generates a continuous wave laser beam. The rod lens 20 spreads the laser beam emitted from the laser device 10 in a fan shape along the width direction of the measurement object 2 (direction perpendicular to the paper surface of FIG. 1). Thereby, the laser beam emitted from the laser device 10 is irradiated onto the measurement object 2 as a linear laser beam. At this time, the linear laser light is incident obliquely on the surface of the measurement object 2. On the surface of the measurement object 2 irradiated with the linear laser beam in this way, a linear bright portion is formed along the width direction of the measurement object 2. Further, since the measurement object 2 moves in the longitudinal direction, when viewed from the measurement object 2, the linear bright part also moves along the longitudinal direction of the measurement object 2. Reflected light (linear reflected image) from such a linear bright portion is captured by the delay integration camera 30.
[0021]
The timing signal generator 40 generates a sine waveform signal having a predetermined frequency ω, and sends the sine waveform signal to the laser device 10. The laser device 10 can continuously change its oscillation intensity by an external signal, and generates a laser beam whose output changes in a sine waveform when receiving a sine waveform signal sent from the timing signal generator 40. To do. That is, in the first embodiment, the laser beam emitted from the laser device 10 is periodically modulated. The timing signal generator 40 generates a camera shift pulse signal having a frequency M times the frequency ω, and sends the camera shift pulse signal to the delay integration camera 30.
[0022]
The delay integration type camera (TDI camera) 30 captures a linear reflection image of the moving measuring object 2. FIG. 2 is a diagram for explaining the structure and operation of the TDI camera. In the TDI camera 30, as shown in FIG. 2A, a large number of photoelectric conversion elements 35 are arranged in a matrix. Here, for example, it is assumed that 1024 photoelectric conversion elements 35 are arranged in the row direction and 96 in the column direction. Each row is numbered sequentially from the top with the top row as the first row, and each column is numbered sequentially from the left with the leftmost column as the first column.
[0023]
The photoelectric conversion element 35 accumulates charges corresponding to the intensity of the received light. In the first embodiment, it is assumed that the linear reflection image of the measurement object 2 is incident on the photoelectric conversion element 35 with a width corresponding to one row via the lens 31 of the TDI camera 30. In the TDI camera 30, each photoelectric conversion element 35 transfers the accumulated charge to a photoelectric conversion element located in the same row as the photoelectric conversion element 35 and located in the next column. The timing of this transfer is the same for all the photoelectric conversion elements 35, and is controlled by a camera shift pulse signal sent from the timing signal generator 40. That is, each time a camera shift pulse signal is input, each photoelectric conversion element 35 transfers charges. In the first embodiment, the frequency of the camera shift pulse signal (camera shift frequency) is Mω. Then, when the camera shift pulse signal is input, the photoelectric conversion elements 35 located in the 96th column send the accumulated charges to the reading register. As a result, a 1024-bit light section image corresponding to the linear reflection image is output.
[0024]
In general, in the TDI camera 30, as shown in FIG. 2B, when light is incident on each photoelectric conversion element 35 during the transfer of the charge, a charge corresponding to the intensity of the incident light is added. Is done. However, in the first embodiment, as described above, a linear reflection image having a width corresponding to one column is incident on the photoelectric conversion element 35. For this reason, the charge is hardly added in each photoelectric conversion element 35 during the transfer of the charge.
[0025]
Since the measuring object 2 moves along the longitudinal direction, the laser beam is irradiated from the laser device 10 onto the measuring object 2, and a linear reflection image of the measuring object 2 is used for a predetermined time using the TDI camera 30. When the image is taken, it is possible to sequentially obtain light-cut images at each position in the longitudinal direction of the measuring object 2. Therefore, an image representing the entire measurement object 2 can be obtained by sequentially arranging the light section images thus obtained in the vertical direction.
[0026]
In the first embodiment, the linear laser light is periodically modulated, and the intensity of the linear laser light changes with time. Therefore, the charge accumulated in each photoelectric conversion element in the column direction in each row. The distribution of the quantity (light reception intensity) also changes periodically. For this reason, an image obtained by sequentially arranging the light cut images output from the TDI camera 30 in the horizontal direction has a density (intensity) of each light cut image along the horizontal direction. A fringe image that periodically changes. FIG. 3 shows an example of a fringe image. Here, the light section image corresponding to one period of density change is referred to as “stripe”. In such a striped image, the vertical direction, that is, the direction parallel to the stripe corresponds to the width direction of the measurement object 2, and the horizontal direction, that is, the direction orthogonal to the stripe corresponds to the longitudinal direction of the measurement object 2. When the ratio between the camera shift frequency of the TDI camera 30 and the modulation frequency of the laser light is M: 1, M light-cut images, that is, M pixels in the horizontal direction form one stripe. In the example of FIG. 3, the ratio between the camera shift frequency and the laser modulation frequency is 16: 1, and there is one stripe for every 16 pixels in the horizontal direction.
[0027]
By the way, since the laser beam is incident on the surface of the measurement object 2 at an angle, for example, if there is a recessed portion in the measurement object 2, the reflection point of the laser beam is shifted to the right in FIG. Therefore, the position of the light section image on the photoelectric conversion element 35 is also shifted in the column direction in the right side, that is, in FIG. For this reason, in the fringe image, the light cut image corresponding to the laser light reflected by the concave portion is output earlier in time than the light cut image corresponding to the laser light reflected by the non-dented portion. It will be. Therefore, in the image obtained by sequentially arranging the images output from the TDI camera 30 in the horizontal direction in a vertical state, the recessed portion can be clearly recognized as a fringe shift. For example, in FIG. 3, the bent portion of the stripe indicates that the stripe is displaced due to the dent.
[0028]
This fringe shift will be described in more detail. FIG. 4A is a schematic enlarged view of a certain fringe image. In FIG. 4A, the position where the maximum density is given for each stripe is shown by a solid line. For example, in this fringe image, when the maximum density position is examined along the horizontal direction at the position A in the vertical direction, the maximum density positions are located at equal intervals, and no stripe deviation occurs. That is, the measurement object 2 has a flat shape along the horizontal direction at the position A in the vertical direction. In this case, the density distribution (slice stripe image data) of the stripe image along the horizontal direction at the position A in the vertical direction has a clean sine wave shape as shown in FIG.
[0029]
On the other hand, when the maximum density position is examined along the horizontal direction at the vertical position B shown in FIG. 4A, the interval between the maximum density positions gradually increases from the left to the right, and stripes shift. ing. That is, the measurement object 2 has a dent along the horizontal direction at the position B in the vertical direction. In this case, the density distribution (slice fringe image data) of the stripe image along the horizontal direction at the position B in the vertical direction is compared with the sine wave shown in FIG. 4B as shown in FIG. Out of phase. As described above, the fringe shift due to the dent of the measurement object 2 appears as a phase shift in the slice fringe image data. In fact, as will be described later, the phase shift and the dent (depth) of the measurement object 2 are in a proportional relationship. The greater the depth, the greater the phase shift in the slice fringe image data. In the optical shape measuring apparatus according to the first embodiment, information related to the phase shift is calculated based on the fringe image, and the shape of the measurement object 2 is measured based on the information related to the phase shift.
[0030]
Next, the relationship between the phase shift in the slice fringe image data and the depth of the measurement object 2 will be described. FIG. 5 is a diagram for explaining the relationship between the phase shift in the slice fringe image data and the depth of the measurement object 2.
[0031]
Now, as shown in FIG. 5, the incident angle at which the linear laser light is incident on the surface of the measuring object 2 is defined as θ. Further, it is assumed that the measurement object 2 has a recess, and the linear laser light is reflected at a depth d from the surface of the measurement object 2 and enters the TDI camera 30 when entering the recess. At this time, the linear laser beam reflected at the depth d is reflected by the distance h in the longitudinal direction (right direction) of the measuring object 2 as compared with the linear laser light reflected by the flat surface of the measuring object 2. The point shifts. Here, h = d · tan θ. As a result of the deviation of the reflection point of the linear laser beam by the distance h in the longitudinal direction, a phase shift occurs in the slice fringe image data. This phase shift is denoted by φ.
[0032]
Assuming that the imaging resolution in the column direction of the photoelectric conversion element 35 in the TDI camera 30 is s (mm / pixel), the distance h that the reflection point of the linear laser beam is displaced in the longitudinal direction corresponds to the h / s pixel in the striped image. To do. When the ratio between the camera shift frequency of the TDI camera 30 and the modulation frequency of the laser beam is M: 1, M pixels in the horizontal direction form one stripe in the stripe image. That is, when the fringes are shifted by M pixels, the phase shift is 2π. Therefore, the phase shift φ in the slice fringe image data when the reflection point of the linear laser beam is shifted by the distance h in the longitudinal direction is
M / 2π = (h / s) / φ
Than,
d = {M · s / (2π · tan θ)} φ
It becomes. From this, it can be seen that the phase shift φ in the slice fringe image data and the depth d of the measurement object 2 are in a proportional relationship.
[0033]
Strictly speaking, when a normal lens is used, the imaging resolution s changes according to the depth d and needs to be corrected. However, as in the case of measuring a dent in a steel plate, the lens working distance is not affected. When the depth change is small, such a change in the imaging resolution s can be ignored in practice. If a telecentric lens is used, the imaging resolution s can be made constant regardless of the depth d.
[0034]
The image processing device 50 performs processing for generating an image representing the shape of the measurement object 2 based on each light cut image output from the TDI camera 30, and processing for detecting a defect based on the image. is there. FIG. 6 shows a schematic block diagram of the image processing apparatus. As shown in FIG. 6, the image processing apparatus 50 includes an A / D conversion unit 51, a pre-filter unit 52, an orthogonal sine wave generation unit 53, low-pass filter units 54a and 54b, a phase calculation unit 55, It has an amplitude calculation unit 56, a fringe defect determination unit 57, a phase continuation processing unit 58, and a defect detection processing unit 59. The results processed by each part of the image processing device 50 are displayed on the screen of the display device 60.
[0035]
The A / D conversion unit 51 performs A / D conversion on each light-cut image output from the TDI camera 30 and outputs it as digital multivalued image data. Such digital multilevel image data is stored in an image memory (not shown). By arranging these digital multivalued image data in order, a fringe image is formed.
[0036]
From such a striped image (or digital multi-valued image data), data representing the density distribution of the striped image along the horizontal direction is generated at each position in the vertical direction. Data representing the density distribution of the stripe image along the horizontal direction is “slice stripe image data”. Slice stripe image data at each position in the vertical direction is sequentially output from the image memory. The pre-filter unit 52 performs a predetermined filter process on each slice stripe image data to remove noise and make the stripe state clear. Note that the filtering process by the prefilter unit 52 is not necessarily performed. For example, it may be performed only when there are many fine noises in the striped image.
[0037]
From the pre-filter unit 52, slice stripe image data I at each position j (j = 0, 1, 2,...) In the vertical direction. _j Two (k) are output. k (k = 0, 1, 2,...) is a horizontal position. At this time, the slice fringe image data I at the position j in the vertical direction _j It is assumed that (k) changes sinusoidally. That is,
I _j (K) = A (j, k) {cos ((2πk / M) + φ (j, k)) + 1}
It is. Here, A (j, k) is the amplitude of the slice fringe image data at the pixel position (j, k), and φ (j, k) is the phase shift of the slice fringe image data at the pixel position (j, k). . The influence of the fringe shift generated in the fringe image due to the depression of the measurement object 2 appears as a phase shift φ. Since the amplitude of the linear laser beam is constant, the amplitude A is usually constant. However, as will be described later, when the surface of the measuring object 2 is dirty, the amplitude A may decrease rapidly at the pixel position corresponding to the dirty position. Therefore, in the above equation, the amplitude A is written in a form depending on the pixel position (j, k).
[0038]
It should be noted that “1” is added after the term of cos for slice stripe image data (density value) I. _j This is to guarantee this because (k) does not become negative. Therefore, slice stripe image data I _j (K) varies between 0 and 2A.
[0039]
The orthogonal sine wave generator 53 generates two orthogonal reference sine wave data sin (2πk / M) and cos (2πk / M), which are created in advance on a memory such as a ROM. In particular, the former is also referred to as reference sin data, and the latter is also referred to as reference cos data. Each of these two reference sine wave data is the slice fringe image data I output from the prefilter unit 52. _j Multiply by (k). By this multiplication processing, two outputs Ia _j (K), Ib _j (K) is obtained. That is,

It is.
[0040]
Each of the low-pass filter units 54a and 54b outputs the output Ia obtained by the multiplication process. _j (K), Ib _j With respect to (k), by applying a predetermined filter process, the fringe frequency component and its harmonic components are removed, that is, a component including only the phase shift φ is extracted. The output from the low-pass filter unit 54a is LPF (Ia _j (K)), the output from the low-pass filter unit 54b is LPF (Ib _j (K))
LPF (Ia _j (K)) = (A cosφ) / 2
LPF (Ib _j (K)) = − (A sinφ) / 2
It is.
[0041]
The phase calculation unit 55 calculates a phase shift φ (j, k) at each pixel position (j, k) based on the results output from the two low-pass filter units 54a and 54b. The phase shift φ (j, k) is

It can be obtained more. In the above equation, the range of arctan is −π / 2 to + π / 2, and LPF (Ia _j (K)), LPF (Ib _j The information about the sign of (k)) is used to obtain the phase shift φ in the range of −π to + π. Here, the phase shift obtained in this range will be described again as φ ′. In this case, as shown in FIG. 7A, the phase shift φ ′ obtained by the above formula has a periodic relationship with the depth of the measurement object 2 and takes a certain value for the phase shift φ ′. There are multiple depths. Therefore, accurate information on the shape of the measurement object 2 cannot be obtained by using such a phase shift φ ′. Therefore, from this phase shift φ ′, it is necessary to obtain a phase shift φ that is proportional to the depth of the measurement object 2 as shown in FIG. The process of obtaining the phase shift φ proportional to the depth is performed by the phase continuation processing unit 58.
[0042]
The amplitude calculator 56 calculates the amplitude A (j, k) at each pixel position (j, k) based on the results output from the two low-pass filters 54a and 54b. The amplitude A (j, k) is

It can be obtained more.
[0043]
In FIG. 8, the example of the image about the sample produced by cutting off the front-end | tip of a steel plate is shown. FIG. 8A is a phase image created based on the phase shift φ ′. For example, a grayscale image in which the image becomes white when the phase shift φ ′ is + π and black when it is −π. It is expressed with. FIG. 8B shows an amplitude image created based on the amplitude A. For example, the amplitude image is expressed by a grayscale image in which the image becomes black as the amplitude is small.
[0044]
By the way, when the surface of the measurement object 2 is soiled with oil, the region of the striped image corresponding to the soiled region may be crushed in black. In such a region, the amplitude A is very small, and the phase shift φ ′ changes abruptly between adjacent pixel positions. That is, in such a region, a fringe image cannot be accurately obtained in the first place, and the phase shift φ ′ obtained there is naturally not reliable. For example, in the phase image of FIG. 8A, the region near the center is a dirty region. In this dirty area, a lot of noise is generated and the image is rough. Therefore, it is desirable that such an unreliable region of the phase image is excluded from the defect detection target. In such a region, phase jump correction described later cannot be performed well.
[0045]
Such an unreliable region of the phase image can be obtained from the amplitude image. That is, an unreliable phase region can be obtained by specifying a region having an extremely small amplitude. For example, as shown in FIG. 8B, in the amplitude image, the region corresponding to the unreliable region of the phase image is black compared to the other regions. In the first embodiment, the amplitude image is used to specify a region that should be excluded from the shape measurement target. In this sense, the amplitude image is auxiliary.
[0046]
The fringe defect determination unit 57 determines an unreliable region of the phase image based on the amplitude image. Specifically, the fringe defect determination unit 57 binarizes the amplitude image using a predetermined threshold value. As this threshold value, a small value corresponding to the surface contamination is set. Further, contraction processing or the like is performed on the binary image as necessary. Then, the fringe defect determination unit 57 determines an area smaller than the threshold based on the binary image thus obtained, and extracts the area as an unreliable area (defect area) of the phase image. FIG. 8C is an example of a binary image created by the fringe defect determination unit 57. In this figure, the black area is the missing area.
[0047]
The phase continuation processing unit 58 detects discontinuous points of the phase shift φ ′ based on the phase image obtained by the phase calculation unit 55, and the phase shift φ ′ so that the phase shift φ ′ is smoothly connected. ′ Is corrected. As described above, since the value range of the phase shift φ ′ calculated by the phase calculation unit 55 is −π to + π, the phase shift φ ′ is discontinuous at −π and + π. For example, in the phase image shown in FIG. 8A, a portion where white (or black) changes to black (or white) corresponds to a discontinuous point of the phase shift φ ′. If such a phase image is used as it is, it is difficult to recognize the shape of the measuring object 2. Therefore, it is necessary to correct the phase shift φ ′ so that the phase shift φ ′ is smoothly connected at the discontinuous points of the phase shift φ ′. Such correction (phase jump correction) is a process for obtaining a unique phase shift φ proportional to the depth of the measuring object 2 from the phase shift φ ′ defined in the range of 2π.
[0048]
Specifically, the phase continuation processing unit 58 first masks a region corresponding to the defect region obtained by the fringe defect determination unit 57 in the phase image obtained by the phase calculation unit 55. As a result, the area other than the masked area becomes the target of phase jump correction.
[0049]
Next, the phase continuation processing unit 58 detects a discontinuous point of the phase shift φ ′ and corrects the phase shift φ ′ at the discontinuous point. Whether or not the phase shift φ ′ is discontinuous is not known by looking at only one pixel. It is necessary to judge by looking at adjacent pixels. First, the phase continuation processing unit 58 checks the phase image along the horizontal direction at each position in the vertical direction of the phase image, and compares the phase shift φ ′ between adjacent pixels. If the phase shift φ ′ differs greatly between the adjacent pixels, it is determined that the phase shift φ ′ is discontinuous between the pixels, and the phase shift φ ′ is corrected. Actually, the depth at the surface of the measuring object 2 such as a steel plate does not change abruptly. For this reason, it is considered that the phase shift φ ′ is largely different because the phase shift φ ′ is changed by ± 2π. Therefore, it is only necessary to examine pixels in which the phase shift φ ′ is significantly different from the phase shift φ ′ in the adjacent pixels and smoothly connect the phase shift φ ′.
[0050]
For example, when a phase shift φ ′ is close to + π at a certain pixel position and the phase shift φ ′ is close to −π at a pixel position on the right side, the right adjacent pixel At the position, it is recognized that the phase shift φ ′ changes by + 2π. Then, the phase shift φ ′ is corrected by adding + 2π to the phase shift φ ′ at the right adjacent pixel position. Further, when the phase shift φ ′ is a value close to −π at a certain pixel position, and the phase shift φ ′ is a value close to + π at the pixel position on the right side, the pixel on the right side At the position, it is recognized that the phase shift φ ′ changes by −2π. The phase shift φ ′ is corrected by adding −2π to the phase shift φ ′ at the right pixel position.
[0051]
In this way, after examining the adjacent pixels along the horizontal direction at each position in the vertical direction and correcting the phase shift φ ′, the phase continuation processing unit 58 now performs the vertical operation at each position in the horizontal direction. The adjacent pixels are examined, and similarly, the phase shift φ ′ is corrected. The phase shift at each pixel position after correction is a unique phase shift φ proportional to the depth of the measurement object 2.
[0052]
Next, the phase continuation processing unit 58 newly creates a phase image based on the corrected phase shift φ. This new phase image accurately represents the shape of the measuring object 2. This new phase image is referred to as a shape image. FIG. 8D shows an example of a shape image created by the phase continuation processing unit 58. By looking at such a shape image, the shape of the measuring object 2 can be accurately and easily understood.
[0053]
As described above, the uneven state of the entire surface of the measurement object 2 can be easily known from the shape image. For example, there is a case where it is desired to know only a defect such as a dent while ignoring the inclination of the measurement object 2. . The defect detection processing unit 59 detects a defect such as a dent generated on the surface of the measurement object 2 based on the shape image obtained by the phase continuation processing unit 58. Specifically, as shown in FIG. 9A, the defect detection processing unit 59 first extracts the distribution of the phase shift φ along the vertical direction at each position in the horizontal direction from the phase image. Then, for example, least square approximation is performed on the distribution of the phase shift φ, and an approximate curve for the distribution of the phase shift φ along the vertical direction is obtained. After that, as shown in FIG. 9B, the approximate curve is subtracted from the distribution curve of the phase shift φ along the vertical direction. The result of this subtraction includes only information about the defect. Such processing is performed at all positions in the lateral direction. By expressing the result thus obtained as an image, it is possible to obtain a defect image in which only the defect is extracted by removing the influence of the shape of the measurement object 2 from the shape image. Thereafter, the defect detection processing unit 59 detects a defect by taking measures such as binarization and labeling on the defect image.
[0054]
Here, the case where the subtraction process is performed on the distribution of the phase shift φ along the vertical direction at each position in the horizontal direction when obtaining the defect image by the defect detection processing unit 59 has been described. In addition, a subtraction process may be performed on the phase shift φ along the horizontal direction at each position in the vertical direction.
[0055]
Next, a processing procedure for measuring the shape of the measuring object 2 in the optical shape measuring apparatus of the first embodiment will be described. FIG. 10 is a diagram for explaining a process for a region including a dent in the striped image shown in FIG. 3, and FIG. 11 is a diagram for explaining a process for a region including a dirty part in the striped image shown in FIG. FIG.
[0056]
First, the operator adjusts the direction of the laser device 10 to set the incident angle θ at which the linear laser light is incident on the surface of the measurement object 2. When the incident angle θ of the linear laser beam is increased, the amount of change in the reflection point of the linear laser beam is increased with respect to the same depth change of the measurement object 2, and thus the measurement sensitivity is improved. However, the measurement range becomes narrow. For this reason, it is necessary to determine the incident angle θ of the linear laser light in consideration of measurement sensitivity and range.
[0057]
When the measurement preparation is completed in this way, the operator turns on the switch of the optical shape measuring apparatus according to the first embodiment and starts measuring the shape of the measurement object 2. When the operation of the optical shape measuring device starts, the timing signal generator 40 sends a signal having a sine wave shape having a predetermined frequency ω to the laser device 10 and also sends a camera shift pulse signal having a frequency Mω to the TDI camera 30. Send it out. When the laser device 10 receives the signal having the sine waveform, the laser device 10 generates laser light that is also intensity-modulated with the sine waveform. The laser light is spread in a fan shape by the rod lens 20 and irradiated to the moving measuring object 2 as a linear laser light. Then, the linear reflection image reflected by the measurement object 2 is picked up by the TDI camera 30. Each photoelectric conversion element 35 of the TDI camera 30 accumulates a charge corresponding to the linear reflection image, and transfers the charge to the adjacent photoelectric conversion element every time it receives a camera shift pulse signal from the timing signal generator 40. By repeating such a transfer operation, a light cut image corresponding to each linear reflection image is sequentially output from the TDI camera 30.
[0058]
The light cut image output from the TDI camera 30 is input to the A / D conversion unit 51 of the image processing apparatus 50. Each light section image is converted into digital multi-value image data by the A / D converter 51, and the digital multi-value image data is stored in the image memory. From these digital multivalued image data, a fringe image is obtained.
[0059]
For example, in the striped image shown in FIG. 3, there is a bent portion of the stripe on the left side. The bent portion of the stripe corresponds to the concave portion of the measurement object 2. FIG. 10A shows a striped image obtained by cutting out only a small portion including the concave portion. Also, in the middle and slightly lower right of the striped image shown in FIG. The portion lacking the stripes corresponds to the dirty portion of the measurement object 2. FIG. 11A shows a striped image obtained by cutting out only a small portion including the dirty portion.
[0060]
From the image memory, slice stripe image data at each position in the vertical direction is sequentially output. FIG. 10B shows slice fringe image data at one vertical position corresponding to the concave portion in FIG. FIG. 11B shows slice fringe image data at one vertical position corresponding to the dirty portion in FIG. Here, in each graph of FIG.10 (b) and FIG.11 (b), the vertical axis | shaft is the density value I of the said fringe image. _j (K), and the horizontal axis represents the horizontal pixel position k. In each graph of FIGS. 10B to 10H and FIGS. 11B to 11H, the horizontal axis represents the horizontal pixel position.
[0061]
In the slice fringe image data of FIGS. 10B and 11B, the positions showing the peaks correspond to the positions of the white portions in FIGS. 10A and 11A, respectively. In particular, in the slice fringe image data of FIG. 10B, the interval between the peaks changes in a range corresponding to the concave portion. On the other hand, in the slice stripe image data of FIG. 11B, the density value is extremely low in the range corresponding to the dirty portion.
[0062]
The slice fringe image data at each position in the vertical direction is output as two outputs after noise is removed by the prefilter unit 52. These two slice fringe image data are respectively multiplied by reference cos data and reference sin data, which are reference sine wave data generated by the orthogonal sine wave generation unit 53. FIGS. 10C and 11C show the reference cos data, and FIGS. 10D and 11D show the reference sin data. Also, the result Ia obtained by multiplying FIG. 10E by the slice fringe image data of FIG. 10B and the reference cos data of FIG. 10C. _j (K) is shown. Then, the result Ib obtained by multiplying FIG. 10 (f) by the slice fringe image data of FIG. 10 (b) and the reference sin data of FIG. 10 (d). _j (K) is shown. Similarly, FIG. 11E shows the result Ia obtained by multiplying the slice stripe image data of FIG. 11B by the reference cos data of FIG. 11C. _j FIG. 11 (f) shows the result of multiplying the slice fringe image data of FIG. 11 (b) by the reference sin data of FIG. 11 (d). _j (K) is shown. As can be seen from FIGS. 10 (e), (f) and FIGS. 11 (e), (f), the data Ia as a result of the multiplication at the position corresponding to the bent portion of the stripe or the portion lacking the stripe. _j (K), Ib _j (K) has changed greatly.
[0063]
Resulting data Ia thus multiplied _j (K), Ib _j In (k), the low-pass filter sections 54a and 54b are subjected to predetermined filter processing, and data LPF (Ia including only the phase shift φ ′). _j (K)), LPF (Ib _j (K)) is extracted. In FIGS. 10E and 10F and FIGS. 11E and 11F, the data LPF (only the phase shift φ ′ output from the low-pass filter units 54a and 54b is drawn by a broken line. Ia _j (K)), LPF (Ib _j (K)).
[0064]
Next, the phase calculation unit 55 outputs data LPF (Ia) output from the two low-pass filter units 54a and 54b. _j (K)), LPF (Ib _j Based on (k)), a phase shift φ ′ at each pixel position is calculated. FIG. 10G shows the phase shift φ ′ calculated based on the data of FIGS. 10E and 10F, and FIG. 11G shows the phase shifts of FIGS. 11E and 11F. A phase shift φ ′ calculated based on each data is shown. In the example of FIG. 10G, the phase shift φ ′ is discontinuous at the pixel positions “95” and “160”. In the example of FIG. 11G, the phase shift φ ′ changes abnormally in the range corresponding to the portion where the fringes are missing. After that, the phase calculation unit 55 generates a phase image based on the calculated phase shift φ ′.
[0065]
On the other hand, the amplitude calculator 56 outputs data LPF (Ia) output from the two low-pass filters 54a and 54b. _j (K)), LPF (Ib _j Based on (k)), the amplitude A at each pixel position is calculated. FIG. 10 (h) shows the amplitude A calculated based on the data of FIGS. 10 (g) and (f), and FIG. 11 (h) shows the data of FIGS. 11 (g) and 11 (h). The amplitude A calculated based on this is shown. In the example of FIG. 10 (h), the amplitude A has a substantially constant value of 0.5 everywhere. Further, in the example of FIG. 11 (h), the amplitude A is extremely reduced in a range corresponding to the portion lacking the stripes. Thereafter, the amplitude calculation unit 56 generates an amplitude image based on the calculated amplitude A.
[0066]
Normally, the phase shift φ ′ and the amplitude A change smoothly in adjacent pixels. Therefore, instead of calculating the phase shift φ ′ and the amplitude A at every pixel position, the phase shift φ ′ and the amplitude A are calculated at each pixel position, that is, every M pixels, for each stripe. It may be. Thereby, a process can be performed rapidly.
[0067]
Thereafter, the fringe defect determination unit 57 binarizes the amplitude image using a predetermined threshold value, thereby extracting a region having an amplitude smaller than the threshold value as a defect region. For example, there is no defect region in the graph showing the amplitude A in FIG. On the other hand, in the graph showing the amplitude A in FIG. 11 (h), there is a range where the amplitude A is extremely reduced as indicated by an arrow, and the range indicated by the arrow is determined as a defective region. .
[0068]
Next, the phase continuation processing unit 58 masks a region corresponding to the defect region extracted by the fringe defect determination unit 57 in the phase image, and performs phase jump correction on the region other than the masked region. For example, in FIG. 11G, the range indicated by the arrow is a range corresponding to the defective region in FIG. In the range indicated by the arrow in FIG. 11G, the phase shift φ ′ changes abnormally, but this range is not subject to phase jump correction. In the example of FIG. 10G, when the phase jump correction is performed, the value of the phase shift φ ′ is subtracted by −2π in the central region where the value of the phase shift φ ′ takes a value near + π. Is done. Thereby, as shown in the lower center of the figure (g), the phase shift is continuously connected.
[0069]
When the phase jump correction is thus completed, the phase continuation processing unit 58 creates a shape image based on the corrected phase shift φ. Such a shape image is displayed on the screen of the display device 60. Thereafter, the defect detection processing unit 59 detects a defect such as a dent generated on the surface of the measurement object 2 based on the shape image. Such a detection result is also displayed on the screen of the display device 60.
[0070]
In the optical shape measuring apparatus according to the first embodiment, the phase image and the amplitude image are calculated by calculating the phase shift and the amplitude of the fringe for each slice fringe image data based on the fringe image obtained by using the TDI camera. Create Next, after specifying a defective region based on the amplitude image, masking a region corresponding to the defective region in the phase image, a process of making the phase shift continuous based on the masked phase image is performed. Then, a shape image representing the phase shift after the continuation is displayed on the screen of the display device. Therefore, in the optical shape measuring apparatus of the first embodiment, the fringe image is binarized as in the prior art, and the shape of the measurement object is not measured based on the binary image. The shape can be measured with high accuracy and high speed.
[0071]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 12 is a schematic configuration diagram of an optical shape measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 13 is a diagram for explaining a superimposed signal output from a modulator of the optical shape measuring apparatus. In the second embodiment, those having the same functions as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0072]
In the optical shape measuring apparatus according to the first embodiment, the shape of the measurement object 2 is measured, and a case where defects such as dents and wrinkles on the surface are detected has been considered. At this time, it was assumed that the depth on the surface of the measuring object 2 did not change abruptly, and when the phase shift φ ′ was greatly different, the phase shift φ ′ changed by ± 2π. For this reason, in the optical shape measuring apparatus according to the first embodiment, when there is a discontinuous step of one or more wavelengths of the sine wave on the surface of the measuring object 2, the phase shift φ ′ is corrected well at the step. Therefore, it is difficult to measure the shape of the measuring object 2 having discontinuous deep steps. The optical shape measuring apparatus of the second embodiment is an improvement of the optical shape measuring apparatus of the first embodiment so that the shape of the measuring object 2 having discontinuous deep steps can also be measured.
[0073]
As shown in FIG. 12, the optical shape measuring apparatus according to the second embodiment includes a laser device 10, a rod lens 20, a delay integration camera (TDI camera) 30, a timing signal generator 140, a modulator ( (Superimposition signal generation means) 170, image processing device 150, and display device 60.
[0074]
The timing signal generator 140 generates a pulse signal having a frequency M times the predetermined frequency ω, and sends the pulse signal to the TDI camera 30 and the modulator 170. In the TDI camera 30, the linear reflection image of the measurement object 2 enters the photoelectric conversion element 35 with a width corresponding to one row. And the timing which each photoelectric conversion element 35 transfers an electric charge is controlled by the pulse signal sent out from the timing signal generation part 140. FIG.
[0075]
As shown in FIG. 13, the modulator 170 generates a sinusoidal waveform signal and a pseudo-random signal having a long period, and outputs a superimposed signal obtained by superimposing these signals. Specifically, every time the modulator 170 receives a pulse signal from the timing signal generator 140, the modulator 170 advances the phase of the sinusoidal signal by a fixed amount 2π / M. The signal of the sine waveform returns to the original state when the pulse signal is input M times, and the frequency thereof is ω. Further, every time the modulator 170 receives a pulse signal from the timing signal generator 140, the modulator 170 generates a pseudo-random signal for only one chip. As the pseudo-random signal, a signal whose period is longer than the period of the sine waveform signal and whose amplitude is 10% to 20% of the amplitude of the sine waveform signal is used. When receiving a pulse signal from the timing signal generator 140, the modulator 170 superimposes a sine waveform signal whose phase is advanced by a fixed amount 2π / M and a pseudo random signal for one chip, and superimposes the superimposed signal. A signal is sent to the laser device 10.
[0076]
The laser device 10 is capable of continuously changing its oscillation intensity by an external signal. When the laser device 10 receives a superimposed signal transmitted from the modulator 170, it generates laser light whose output changes in accordance with the waveform of the superimposed signal. . In other words, in the second embodiment, the laser light emitted from the laser device 10 is modulated by the superimposed signal.
[0077]
Here, the pseudo-random signal will be described. In the second embodiment, for example, an M-sequence signal is used as the pseudo random signal. This M-sequence signal is a binary signal and is generated by a circuit having a plurality of shift registers. The period of the M-sequence signal is 2 with the period T of the pulse signal transmitted from the timing signal generator 140 as a unit. ⁿ −1. n is the number of shift registers. In the second embodiment, the period of the pseudo random signal is, for example, 255T. This period 255T is assumed to be larger than the period MT of the sinusoidal signal. In addition, the pseudo-random signal has a property that the autocorrelation value takes a large peak only when the waveform of the pseudo-random signal matches, and the auto-correlation value becomes almost zero when the waveform of the pseudo-random signal does not match.
[0078]
The image processing device 150 performs processing for generating an image representing the shape of the measurement object 2 based on each light cut image output from the TDI camera 30. 14 is a schematic block diagram of the image processing apparatus 150, FIG. 15 is a diagram for explaining the configuration of the correlation calculation unit in the image processing apparatus 150, and FIG. 16 shows the amount of deviation of the correlation peak position obtained by the correlation calculation unit. FIG. 17 is a diagram for explaining the processing performed by the shape calculation unit in the image processing apparatus 150.
[0079]
As shown in FIG. 14, the image processing apparatus 150 includes an A / D conversion unit 51, a pre-filter unit 52, an orthogonal sine wave generation unit 53, low-pass filter units 54a and 54b, a phase calculation unit 55, It has an amplitude calculation unit 56, a fringe defect determination unit 57, a phase continuation processing unit 58, a correlation calculation unit 151, and a shape calculation unit 152. The result processed by each part of the image processing apparatus 150 is displayed on the screen of the display device 60.
[0080]
Each light-cut image output from the TDI camera 30 is A / D converted by the A / D converter 51 and stored in an image memory (not shown) as digital multi-valued image data, as in the first embodiment. . By arranging these digital multivalued image data in the horizontal direction in the vertical state, a fringe image is formed. In the second embodiment, the stripe image is divided into a plurality of unit stripe images with a predetermined length along the horizontal direction. Each unit of the image processing apparatus 150 performs predetermined processing for each unit stripe image. Here, as shown in FIG. 15, the horizontal length of each unit stripe image is, for example, a length (255 pixels) corresponding to one period of the pseudo-random signal. The length of each unit stripe image in the vertical direction is 1024 pixels.
[0081]
From each unit stripe image, slice stripe image data at each position in the vertical direction is generated and output to the prefilter unit 52 and the correlation calculation unit 151. The pre-filter unit 52 removes noise and pseudo-random signals by applying predetermined filter processing to each slice stripe image data. Therefore, the influence of the pseudo random signal is excluded from the slice stripe image data output from the prefilter unit 52. Note that the filtering process by the prefilter unit 52 is not necessarily performed. Since the spectrum of the pseudo-random signal is wide and the amplitude of the pseudo-random signal is smaller than the amplitude of the sinusoidal waveform signal, the pseudo-random signal affects the calculation process of the phase shift without performing the filtering process by the prefilter unit 52. The effect is almost negligible.
[0082]
In the orthogonal sine wave generation unit 53, the low-pass filter units 54a and 54b, the phase calculation unit 55, the amplitude calculation unit 56, the fringe defect determination unit 57, and the phase continuation processing unit 58, processing similar to that in the first embodiment is performed. Done. Thereby, the phase continuation processing unit 58 obtains a phase image created based on the phase shift φ proportional to the depth of the measurement object 2. In particular, in the second embodiment, the phase continuation processing unit 58 converts the phase shift φ into a depth based on the phase image, thereby obtaining a depth along the horizontal direction at each position in the vertical direction. Obtain distribution data. The obtained depth distribution data at each position in the vertical direction is output to the shape calculation unit 152.
[0083]
As shown in FIG. 15, the correlation calculation unit 151 includes 1024 circuit groups C. _m (M = 1, 2,..., 1024). These circuit groups C _m Are provided in the same number as the number of pixels in the vertical direction of the unit striped image. _m Each is input with slice fringe image data at a corresponding position in the vertical direction. Each circuit group C _m As shown in FIG. 15, a DC component removing unit 151a, a notch filter unit 151b, and a correlator 151c are included.
[0084]
The DC component removing unit 151a calculates an average density value of the slice stripe image data, and removes the DC component from the slice stripe image data by subtracting the average density value from the slice stripe image data. A direct current component is always added to the light cut image output from the TDI camera 30. By removing the direct current component, slice fringe image data is obtained such that the average density value becomes zero.
[0085]
The notch filter unit 151b removes a sine waveform signal component from the slice fringe image data output from the direct current component removal unit 151a. Thereby, the received signal u ′ (i) including only the pseudo random signal component is obtained. i (i = 1, 2, 3,..., 255) is a horizontal pixel position. Note that the processing by the notch filter unit 151b may be performed only when necessary. If the period of the pseudo-random signal is sufficiently longer than the period of the sine wave, the correlation with the signal included in the sine waveform and the noise included in the fringe image becomes low, and the correlation peak position shift amount can be ensured in the correlator 151c described later. This is because it can be detected.
[0086]
The correlator 151c calculates a correlation value between the reception signal u ′ (i) output from the notch filter unit 151b and the reference pseudo-random signal u (i), and a correlation peak position when the correlation value takes a peak Is obtained. Here, the reference pseudo-random signal u (i) is a duplicate signal of the pseudo-random signal generated by the modulator 170, and is stored in advance in the correlator 151c. The received signal u ′ (i) includes a pseudo-random signal actually generated by the modulator 170. The waveform of the pseudo-random signal is measured as compared to the waveform of the reference pseudo-random signal u (i). It is shifted by a predetermined amount according to the depth of the surface of the object 2.
[0087]
The correlation value Corr (p) between the reference pseudorandom signal u (i) and the received signal u ′ (i) is multiplied by the reference pseudorandom signal u (i) and the received signal u ′ (ip). , U (i) · u ′ (ip) are added for all i. This correlation value Corr (p) is an autocorrelation value of the pseudo-random signal, and takes a large peak only when the waveforms of both signals match, and is almost zero when the waveforms of both signals do not match. The correlator 151c calculates the correlation value Corr (p) while shifting the value of p pixel by pixel from 0 to 254, and the correlation peak position shift amount p = P when the correlation value Corr (p) takes a peak. Ask for. That is, since the correlator 151c calculates the correlation value Corr (p) for each pixel in the horizontal direction, the correlation peak position shift amount P can be obtained in units of one pixel in the horizontal direction. Further, for each slice stripe image data of one unit stripe image, only one correlation peak position shift amount P is output. This is because the image processing apparatus 150 performs processing for each unit stripe image and sets the horizontal width of the unit stripe image to the number of pixels corresponding to one period of the pseudo random signal. Thereby, the processing in the correlator 151c becomes very simple.
[0088]
By the way, as shown in FIG. 16, when there is a discontinuous deep step on the surface of the measuring object 2, the image of the laser beam reflected by the portion B of the step is the same as the reason explained in the first embodiment. For the reason, it is output from the TDI camera 30 earlier in time than the image of the laser beam reflected by the portion A that is not stepped. For this reason, the waveform of the pseudo random signal included in the slice fringe image data in the step B is different from the waveform of the pseudo random signal included in the slice fringe image data in the portion A where there is no step. Accordingly, the correlation peak position shift amount P obtained based on the slice fringe image data in the step portion B is obtained. _B And a deviation P of the correlation peak position obtained based on the slice fringe image data in the portion A where there is no step. _A Is different. As described above, the depth of the measurement object 2 appears as the shift amount P of the correlation peak position. Actually, the correlation peak position shift amount P and the depth of the measurement object 2 are proportional to each other, and the correlation peak position shift amount P increases as the depth increases.
[0089]
The relationship between the correlation peak position shift amount P and the depth of the measurement object 2 will be described. As shown in FIG. 5, when the incident angle at which the linear laser light is incident on the surface of the measurement object 2 is θ, the linear laser light reflected at the depth d is reflected by the flat surface of the measurement object 2. Compared with the linear laser beam, the reflection point is shifted by a distance h = d · tan θ in the longitudinal direction of the measuring object 2. Assuming that the imaging resolution in the column direction of the photoelectric conversion element 35 in the TDI camera 30 is s (mm / pixel), the distance h that the reflection point of the linear laser beam is displaced in the longitudinal direction corresponds to the h / s pixel in the striped image. To do. The h / s is the correlation peak position shift amount P (pixel). That is, P = h / s. Therefore, between the depth d of the measurement object 2 and the correlation peak position shift amount P caused by the depth d,
d = (s / tanθ) P
There is a proportional relationship.
[0090]
The correlator 151c converts the deviation amount P of the correlation peak position into the depth d of the measurement object 2 using the above proportional relationship. The depth d thus obtained is the average depth (first average depth) in the length corresponding to the number of pixels corresponding to one period of the pseudo random signal along the horizontal direction at the position in the vertical direction. is there. Thus, each correlator 151 c calculates the first average depth d at each position in the vertical direction, and each first average depth d is output to the shape calculation unit 152. FIG. 17A shows an example of the first average depth at each position in the vertical direction obtained by the correlation calculation unit 151. Here, in FIG. 17A, the vertical axis represents the position in the vertical direction, and the horizontal axis represents the output (first average depth) from each correlator 151c. In the second embodiment, since a pseudo-random signal having a longer period than a sinusoidal signal is used, when the measurement object 2 has a discontinuous step of one or more wavelengths of the sinusoidal signal, The average depth can be accurately obtained for the step.
[0091]
The shape calculation unit 152 is based on the depth distribution data at each position in the vertical direction obtained by the phase continuation processing unit 58 and the first average depth at each position in the vertical direction obtained by the correlation calculation unit 151. Thus, a depth image representing the shape of the surface of the measuring object 2 is created. Specifically, the shape calculation unit 152 first determines the average depth (second level) at each position in the vertical direction based on the depth distribution data at each position in the vertical direction obtained by the phase continuation processing unit 58. The average depth). Next, the shape calculation unit 152 obtains an offset value such that the second average depth matches the first average depth obtained by the correlation calculation unit 151 for each position in the vertical direction. This offset value can be obtained by subtracting the second average depth from the first average depth. Then, as shown in FIG. 17B, the offset value at the position is added to the depth distribution data at each position in the vertical direction obtained by the phase continuation processing unit 58. After that, the shape calculation unit 152 creates a depth image based on the depth distribution data at each position in the vertical direction after such addition processing is performed. This depth image accurately represents the shape of the measurement object 2 even when there are discontinuous deep steps on the surface of the measurement object 2. Therefore, if the shape image is viewed, the shape of the measurement object 2 can be understood accurately and easily.
[0092]
In general, a deep step can be detected by using a signal having a long period. For example, by using a sinusoidal waveform signal having a long period, a deep step corresponding to the period can be detected. However, if only a sinusoidal waveform signal having a long period is used, the phase shift amount with respect to the same dent amount becomes small, so that the SN ratio of the phase measurement is lowered, and a minute dent cannot be detected accurately. . On the other hand, the dent of the measuring object 2 can be measured using only the pseudo random signal. However, in this case, since only the average depth in the length corresponding to one period of the pseudo random signal can be obtained, the measurement object 2 has a small dent whose length is one period or less of the pseudo random signal. It is difficult to detect the depth accurately. In consideration of these points, in the second embodiment, the laser beam is modulated using a superimposed signal in which a sine waveform signal and a pseudo-random signal having a period longer than that of the sinusoidal signal are superimposed. 2 is detected using a sinusoidal waveform signal for irregularities whose length is equal to or less than the period of the pseudo random signal, and a discontinuous long deep step of the measuring object 2 is detected using a pseudo random signal. I have to.
[0093]
Next, a processing procedure for measuring the shape of the measuring object 2 in the optical shape measuring apparatus of the second embodiment will be described.
[0094]
When the operation of the optical shape measuring apparatus starts, the timing signal generator 140 sends a pulse signal having a predetermined frequency Mω to the modulator 170 and the TDI camera 30. Each time the modulator 170 receives such a pulse signal, it advances the phase of the sinusoidal signal by 2π / M and generates a pseudo-random signal by one chip. Then, a superimposed signal obtained by superimposing the sine waveform signal and the pseudo-random signal is transmitted to the laser device 10. When the laser device 10 receives the superimposed signal, the laser device 10 generates laser light whose intensity is modulated by the waveform of the superimposed signal. The laser light is spread in a fan shape by the rod lens 20 and irradiated to the moving measuring object 2 as a linear laser light. Then, the linear reflection image reflected by the measurement object 2 is picked up by the TDI camera 30. Each photoelectric conversion element 35 of the TDI camera 30 accumulates a charge corresponding to the linear reflection image, and transfers the charge to the adjacent photoelectric conversion element 35 every time a pulse signal is received from the timing signal generator 140. By repeating such a transfer operation, a light cut image corresponding to each linear reflection image is sequentially output from the TDI camera 30.
[0095]
The light cut image output from the TDI camera 30 is input to the A / D conversion unit 51 of the image processing apparatus 150. Each light section image is converted into digital multi-value image data by the A / D converter 51, and the digital multi-value image data is stored in the image memory. From these digital multivalued image data, a fringe image is obtained.
[0096]
From the image memory, slice stripe image data at each position in the vertical direction is output to the prefilter unit 52 and the correlation calculation unit 151 for each unit stripe image. The slice fringe image data output to the pre-filter unit 52 includes an orthogonal sine wave generation unit 53, low-pass filter units 54a and 54b, a phase calculation unit 55, an amplitude calculation unit 56, a fringe defect determination unit 57, and a phase continuation processing unit. In 58, the same processing as in the first embodiment is performed. Then, the depth distribution data at each position in the vertical direction is output from the phase continuation processing unit 53 to the shape calculation unit 152.
[0097]
On the other hand, the slice fringe image data at each position in the vertical direction output to the correlation calculation unit 151 is a predetermined circuit group C. _m (M = 1, 2,..., 1024) is input to the DC component removal unit 151a. The DC component removing unit 151a removes the DC component of the slice fringe image data, and then the notch filter unit 151b removes the sine waveform signal component in the slice fringe image data. As a result, a received signal including only a pseudo random signal component is obtained. Next, the correlator 151c calculates a correlation value between the received signal and the reference pseudo-random signal, and obtains a shift amount of the correlation peak position when the correlation value takes a peak. Then, the first average depth is calculated based on the obtained shift amount of the correlation peak position. The first average depth at each position in the vertical direction obtained by each correlator 151 c is output to the shape calculation unit 152.
[0098]
Next, the shape calculation unit 152 obtains the second average depth at each position in the vertical direction based on the depth distribution data at each position in the vertical direction obtained by the phase continuation processing unit 58. Then, for each position in the vertical direction, an offset value is obtained such that the second average depth variation amount matches the first average depth, and each vertical direction obtained by the phase continuation processing unit 58 is obtained. The offset value at the position is added to the depth distribution data at the position. Thereafter, the shape calculation unit 152 creates a depth image representing the shape of the measurement object 2 using the depth distribution data at each position in the vertical direction after the offset value is added. This depth image is displayed on the screen of the display device 60.
[0099]
In the optical shape measuring apparatus according to the second embodiment, a TDI camera irradiates a measurement object with a laser beam modulated by a superimposed signal in which a sinusoidal waveform signal and a pseudo-random signal having a period longer than the sine waveform are superimposed. A fringe image is acquired using. Next, depth distribution data at each position in the vertical direction is obtained by performing the same processing as that of the first embodiment on the fringe image. On the other hand, the first average depth at each position in the vertical direction is calculated based on the shift amount of the correlation peak position when the correlation value between each slice stripe image data and the pseudo-random signal takes a peak. Then, for each position in the vertical direction, obtain an offset value such that the second average depth determined based on the depth distribution data matches the first average depth, and at each position in the vertical direction An offset value at the position is added to the depth distribution data. Thereafter, a depth image is created using the respective depth distribution data after the addition processing is performed, and is displayed on the screen of the display device. Therefore, in the optical shape measuring apparatus of the second embodiment, even if there are discontinuous deep steps on the surface of the measurement object, minute and short irregularities of the measurement object are detected using a sine wave signal. Since a long and deep step in the measurement object can be detected using a pseudo-random signal, the shape of the measurement object can be accurately measured.
[0100]
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope of the gist.
[0101]
【The invention's effect】
As described above, according to the optical shape measuring apparatus according to the first aspect of the present invention, the fringe phase of each slice fringe image data is determined based on the fringe image obtained by using the delay integration type imaging means. By calculating the shift, a phase image representing the phase shift is created. Next, processing for making the phase shift continuous is performed based on the phase image, and an image representing the phase shift after the continuous processing is output to the output means. Accordingly, in the present invention, since the fringe image is binarized as in the prior art and the shape of the measurement object is not measured based on the binary image, the shape of the measurement object is measured with high accuracy and at high speed. can do.
[0102]
Moreover, by calculating the amplitude of the stripes for each slice stripe image data based on the stripe image, an amplitude image representing the calculated amplitude is created. Then, after identifying the defective region based on the amplitude image, masking the region corresponding to the defective region in the phase image, processing for making the phase shift continuous based on the masked phase image is performed. Thereby, the unreliable area | region of a phase image can be excluded from a measuring object, and the shape of a measuring object can be measured.
[0103]
According to the optical shape measuring method according to the fourth aspect of the present invention, the shape of the measurement object can be measured with high accuracy and high speed as in the first aspect of the present invention.
[0104]
According to the optical shape measuring apparatus of the seventh aspect of the present invention, the laser beam modulated by the superimposed signal obtained by superimposing the periodic signal and the pseudo-random signal having a period longer than the periodic signal is used as the measurement object. Irradiate and obtain a fringe image using a delay integration type imaging means. Next, based on the fringe image, depth distribution data at each position in a direction parallel to the fringe is obtained. On the other hand, the first average depth at each position in the direction parallel to the stripe is calculated based on the shift amount of the correlation peak position when the correlation value between each slice stripe image data and the pseudo random signal takes a peak. . Then, for each position in the direction parallel to the stripe, an offset value is calculated such that the second average depth obtained based on the depth distribution data matches the first average depth, and the offset is parallel to the stripe. The offset value at that position is added to the depth distribution data at each position in the appropriate direction. After that, the depth image created using each depth distribution data after the addition processing is output to the output means. Therefore, in the present invention, even when there is a discontinuous deep step on the surface of the measurement object, minute and short irregularities of the measurement object are detected using a periodic signal, and the long and deep step of the measurement object is detected. Can be detected using a pseudo-random signal, so that the shape of the measurement object can be accurately measured.
[0105]
According to the optical shape measuring method of the ninth aspect of the invention, as in the case of the seventh aspect of the invention, even when there are discontinuous deep steps on the surface of the measurement target, In addition, short irregularities can be detected using a periodic signal, and long and deep steps of the measurement object can be detected using a pseudo-random signal, so the shape of the measurement object can be measured accurately. Can do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an optical shape measuring apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining the structure and operation of a delay integration type camera in the optical shape measuring apparatus.
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a fringe image.
FIG. 4 is a diagram for explaining a fringe shift in a fringe image.
FIG. 5 is a diagram for explaining a relationship between a phase shift in slice fringe image data and a depth of a measurement object.
FIG. 6 is a schematic block diagram of an image processing apparatus in the optical shape measuring apparatus according to the first embodiment.
FIG. 7 is a diagram for explaining a phase shift calculated by a phase calculation unit of the image processing apparatus.
FIG. 8 is a diagram showing an example of an image of a sample produced by cutting off the tip of a steel plate.
FIG. 9 is a diagram for explaining processing contents of a defect detection processing unit;
10 is a diagram for explaining a process for a region including a recess in the stripe image shown in FIG. 3; FIG.
FIG. 11 is a diagram for explaining a process for a region including a dirty portion in the striped image shown in FIG. 3;
FIG. 12 is a schematic configuration diagram of an optical shape measuring apparatus according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a diagram for explaining a superimposed signal output from a modulator of the optical shape measuring apparatus.
FIG. 14 is a schematic block diagram of an image processing apparatus in the optical shape measuring apparatus according to the second embodiment.
FIG. 15 is a diagram for explaining a configuration of a correlation calculation unit in the image processing apparatus.
FIG. 16 is a diagram for explaining a shift amount of a correlation peak position obtained by the correlation calculation unit.
FIG. 17 is a diagram for explaining processing performed by a shape calculation unit in the image processing apparatus.
[Explanation of symbols]
2 Measurement object
10 Laser equipment
20 Rod lens
30 Delay integration camera
31 lenses
35 Photoelectric conversion element
40,140 Timing signal generator
50,150 image processing apparatus
51 A / D converter
52 Prefilter section
53 Orthogonal sine wave generator
54a, 54b Low-pass filter section
55 Phase calculator
56 Amplitude calculator
57 Striped defect determination unit
58 Phase continuation processing unit
59 Defect detection processor
60 Display device
151 correlation calculation unit
151a DC component removal unit
151b Notch filter section
151c Correlator
152 Shape calculator
170 Modulator

Claims (10)

周期的に変調された線状レーザ光を測定対象物の表面に照射する照射手段と、
前記測定対象物に対する前記線状レーザ光の照射位置を連続的にずらしながら、前記線状レーザ光が前記測定対象物に照射されたときに、前記測定対象物からの反射光を撮像して光切断画像を出力する遅延積分型の撮像手段と、
前記各光切断画像から構成される縞画像を記憶する記憶手段と、
互いに直交する二つの基準正弦波データを発生し、前記各基準正弦波データを、縞に平行な方向の各位置において縞に直交する方向に沿っての前記縞画像の濃度分布を表すスライス縞画像データに乗算する直交正弦波発生手段と、
前記直交正弦波発生手段で得られた二つの乗算結果データの各々から、縞に直交する方向に沿っての縞周波数成分及びその高調波成分を除去する除去手段と、
前記除去手段で得られた二つの除去結果データに基づいて前記各スライス縞画像データについて各位置における基準正弦波に対する縞の位相のずれを算出する位相算出手段と、
前記位相算出手段で得られた位相のずれを表す位相画像に基づいて位相のずれが不連続になっている位置を検出し、その検出した位置における位相のずれを滑らかに繋ぐことにより位相のずれを連続化する位相連続化処理手段と、
前記位相連続化処理手段で連続化された後の位相のずれを表す画像を出力する出力手段と、
を具備することを特徴とする光学的形状測定装置。Irradiating means for irradiating the surface of the measurement object with a periodically modulated linear laser beam;
While the irradiation position of the linear laser light on the measurement object is continuously shifted, the reflected light from the measurement object is imaged and emitted when the linear laser light is irradiated on the measurement object. A delay integration type imaging means for outputting a cut image;
Storage means for storing a fringe image composed of each light-cut image;
Two reference sine wave data orthogonal to each other is generated, and each reference sine wave data is represented by a slice fringe image representing the density distribution of the fringe image along the direction orthogonal to the stripes at each position in the direction parallel to the stripes. Orthogonal sine wave generating means for multiplying data;
Removal means for removing the fringe frequency component and its harmonic component along the direction orthogonal to the fringe from each of the two multiplication result data obtained by the orthogonal sine wave generation means;
A phase calculating means for calculating a phase shift of a fringe with respect to a reference sine wave at each position for each slice fringe image data based on two removal result data obtained by the removing means;
Based on the phase image representing the phase shift obtained by the phase calculation means, a position where the phase shift is discontinuous is detected, and the phase shift at the detected position is smoothly connected to thereby detect the phase shift. Phase continuation processing means for making the
Output means for outputting an image representing a phase shift after being continuous by the phase continuation processing means;
An optical shape measuring apparatus comprising: 前記除去手段で得られた二つの除去結果データに基づいて前記各スライス縞画像データについて各位置における縞の振幅を算出する振幅算出手段と、前記振幅算出手段で得られた振幅を表す振幅画像に基づいて振幅が所定のしきい値以下である領域を欠損領域として特定する欠損領域特定手段とを備え、前記位相連続化処理手段は、前記位相算出手段で得られた位相のずれを表す位相画像において前記欠損領域に対応する領域をマスクした後、前記位相画像に基づいて位相のずれが不連続になっている位置を検出し、位相のずれを連続化することを特徴とする請求項１記載の光学的形状測定装置。Based on the two removal result data obtained by the removal means, an amplitude calculation means for calculating the amplitude of the stripes at each position for each slice stripe image data, and an amplitude image representing the amplitude obtained by the amplitude calculation means Based on a missing region specifying means for specifying a region whose amplitude is equal to or less than a predetermined threshold as a missing region, and the phase continuation processing means is a phase image representing a phase shift obtained by the phase calculating means 2. The method according to claim 1, wherein after the region corresponding to the defect region is masked, a position where the phase shift is discontinuous is detected based on the phase image, and the phase shift is made continuous. Optical shape measuring device. 前記連続化された後の位相のずれを表す画像に基づいて、横又は縦方向の各位置において縦又は横方向に沿っての位相のずれの分布曲線を作成し、前記各分布曲線について当該分布曲線に対する近似曲線を算出した後に当該分布曲線から当該近似曲線を差し引くことにより、欠陥を表す部分における位相のずれを抽出して、欠陥の検出処理を行う欠陥検出処理手段を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の光学的形状測定装置。Based on the image representing the phase shift after the continuation, a distribution curve of the phase shift along the vertical or horizontal direction is created at each position in the horizontal or vertical direction, and the distribution for each distribution curve Defect detection processing means for extracting a phase shift in a portion representing a defect by subtracting the approximate curve from the distribution curve after calculating an approximate curve for the curve and performing defect detection processing The optical shape measuring apparatus according to claim 1 or 2. 周期的に変調された線状レーザ光が、測定対象物に対する前記線状レーザ光の照射位置を連続的にずらしながら、前記測定対象物に照射されたときに、前記測定対象物からの反射光を撮像して光切断画像を出力する遅延積分型の撮像手段を有し、前記各光切断画像から構成される縞画像に基づいて前記測定対象物の形状を測定する光学的形状測定方法において、
互いに直交する二つの基準正弦波データを発生し、前記各基準正弦波データを、縞に平行な方向の各位置において縞に直交する方向に沿っての前記縞画像の濃度分布を表すスライス縞画像データに乗算する第一ステップと、
前記第一ステップで得られた二つの乗算結果データの各々から、縞に直交する方向に沿っての縞周波数成分及びその高調波成分を除去する第二ステップと、
前記第二ステップで得られた二つの除去結果データに基づいて前記各スライス縞画像データについて各位置における基準正弦波に対する縞の位相のずれを算出する第三ステップと、
前記第三ステップで得られた位相のずれを表す位相画像に基づいて位相のずれが不連続になっている位置を検出し、その検出した位置における位相のずれを滑らかに繋ぐことにより位相のずれを連続化する第四ステップと、
前記第四ステップで連続化された後の位相のずれを表す画像を出力する第五ステップと、
を具備することを特徴とする光学的形状測定方法。Reflected light from the measurement object when the periodically modulated linear laser light is applied to the measurement object while continuously shifting the irradiation position of the linear laser light on the measurement object In the optical shape measuring method for measuring the shape of the measurement object based on a fringe image composed of the respective light cut images, including delay integration type image pickup means for picking up images and outputting light cut images,
Two reference sine wave data orthogonal to each other are generated, and each reference sine wave data is represented by a slice fringe image representing the density distribution of the fringe image along the direction orthogonal to the fringe at each position in the direction parallel to the fringe. A first step of multiplying the data;
A second step of removing the fringe frequency component and its harmonic component along the direction orthogonal to the fringe from each of the two multiplication result data obtained in the first step;
A third step of calculating a fringe phase shift with respect to a reference sine wave at each position for each slice fringe image data based on the two removal result data obtained in the second step;
Based on the phase image representing the phase shift obtained in the third step, the position where the phase shift is discontinuous is detected, and the phase shift at the detected position is smoothly connected. A fourth step to make
A fifth step of outputting an image representing a phase shift after being continuous in the fourth step;
An optical shape measuring method comprising: 前記第二ステップで得られた二つの除去結果データに基づいて前記各スライス縞画像データについて各位置における縞の振幅を算出する第六ステップと、前記第六ステップで得られた振幅を表す振幅画像に基づいて振幅が所定のしきい値以下である領域を欠損領域として特定する第七ステップとを備え、前記第四ステップでは、前記第三ステップで得られた位相のずれを表す位相画像において前記欠損領域に対応する領域をマスクした後、前記位相画像に基づいて位相のずれが不連続になっている位置を検出し、位相のずれを連続化することを特徴とする請求項４記載の光学的形状測定方法。A sixth step for calculating the amplitude of the fringes at each position for each slice fringe image data based on the two removal result data obtained in the second step, and an amplitude image representing the amplitude obtained in the sixth step And a seventh step that identifies a region having an amplitude equal to or smaller than a predetermined threshold based on the above as a missing region, and in the fourth step, in the phase image representing the phase shift obtained in the third step, 5. The optical system according to claim 4, wherein after the area corresponding to the defect area is masked, a position where the phase shift is discontinuous is detected based on the phase image, and the phase shift is made continuous. Shape measurement method. 前記連続化された後の位相のずれを表す画像に基づいて、横又は縦方向の各位置において縦又は横方向に沿っての位相のずれの分布曲線を作成し、前記各分布曲線について当該分布曲線に対する近似曲線を算出した後に当該分布曲線から当該近似曲線を差し引くことにより、欠陥を表す部分における位相のずれを抽出して、欠陥の検出処理を行う第八ステップを備えることを特徴とする請求項４又は５記載の光学的形状測定方法。Based on the image representing the phase shift after the continuation, a distribution curve of the phase shift along the vertical or horizontal direction is created at each position in the horizontal or vertical direction, and the distribution for each distribution curve An eighth step of performing a defect detection process by extracting a phase shift in a portion representing a defect by subtracting the approximate curve from the distribution curve after calculating an approximate curve for the curve. Item 6. The optical shape measuring method according to Item 4 or 5. 周期的な信号に、当該周期よりも長い周期をもつ擬似ランダム信号を重畳した重畳信号を生成する重畳信号生成手段と、
前記重畳信号により発振強度が変調された線状レーザ光を測定対象物の表面に照射する照射手段と、
前記線状レーザ光が前記測定対象物に照射されたときに、前記測定対象物からの反射光を撮像して光切断画像を出力する遅延積分型の撮像手段と、
前記各光切断画像から構成される縞画像を記憶する記憶手段と、
互いに直交する二つの基準正弦波データを発生し、前記各基準正弦波データを、縞に平行な方向の各位置において縞に直交する方向に沿っての前記縞画像の濃度分布を表すスライス縞画像データに乗算する直交正弦波発生手段と、
前記直交正弦波発生手段で得られた二つの乗算結果データの各々から、縞に直交する方向に沿っての縞周波数成分及びその高調波成分を除去する除去手段と、
前記除去手段で得られた二つの除去結果データに基づいて前記各スライス縞画像データについて各位置における基準正弦波に対する縞の位相のずれを算出する位相算出手段と、
前記位相算出手段で得られた位相のずれを表す位相画像に基づいて位相のずれが不連続になっている位置を検出し、その検出した位置における位相のずれを滑らかに繋ぐことにより位相のずれを連続化し、その連続化された後の位相のずれに基づいて、縞に平行な方向の各位置において縞に直交する方向に沿っての深さ分布データを求める位相連続化処理手段と、
縞に平行な方向の各位置における前記スライス縞画像データと前記擬似ランダム信号との相関値を算出して、その相関値がピークをとるときの相関ピーク位置のずれ量を求め、その求めた相関ピーク位置のずれ量に基づいて縞に平行な方向の各位置における第一の平均の深さを算出する相関算出手段と、
前記位相連続化処理手段で得られた縞に平行な方向の各位置における前記深さ分布データに基づいて、縞に平行な方向の各位置における第二の平均の深さを求め、縞に平行な方向の各位置毎に前記第二の平均の深さが前記相関算出手段で得られた前記第一の平均の深さに一致するようなオフセット値を求め、前記位相連続化処理手段で得られた縞に平行な方向の各位置における前記深さ分布データに当該位置における前記オフセット値を加算する形状算出手段と、
前記形状算出手段で加算処理が施された後の縞に平行な方向の各位置における前記深さ分布データを用いて作成された深さ画像を出力する出力手段と、
を具備することを特徴とする光学的形状測定装置。A superimposed signal generating means for generating a superimposed signal in which a pseudo-random signal having a period longer than the period is superimposed on a periodic signal;
Irradiating means for irradiating the surface of the measurement object with linear laser light whose oscillation intensity is modulated by the superimposed signal;
A delay integration type imaging means for imaging reflected light from the measurement object and outputting a light-cut image when the linear laser light is irradiated onto the measurement object;
Storage means for storing a fringe image composed of each light-cut image;
Two reference sine wave data orthogonal to each other is generated, and each reference sine wave data is represented by a slice fringe image representing the density distribution of the fringe image along the direction orthogonal to the stripes at each position in the direction parallel to the stripes. Orthogonal sine wave generating means for multiplying data;
Removal means for removing the fringe frequency component and its harmonic component along the direction orthogonal to the fringe from each of the two multiplication result data obtained by the orthogonal sine wave generation means;
A phase calculating means for calculating a phase shift of a fringe with respect to a reference sine wave at each position for each slice fringe image data based on two removal result data obtained by the removing means;
Based on the phase image representing the phase shift obtained by the phase calculation means, a position where the phase shift is discontinuous is detected, and the phase shift at the detected position is smoothly connected to thereby detect the phase shift. Phase continuation processing means for obtaining depth distribution data along the direction orthogonal to the stripes at each position in the direction parallel to the stripes based on the phase shift after the continuation,
A correlation value between the slice fringe image data and the pseudo-random signal at each position in a direction parallel to the fringe is calculated, a deviation amount of the correlation peak position when the correlation value takes a peak, and the obtained correlation Correlation calculating means for calculating a first average depth at each position in a direction parallel to the stripe based on the shift amount of the peak position;
Based on the depth distribution data at each position in the direction parallel to the stripe obtained by the phase continuation processing means, a second average depth at each position in the direction parallel to the stripe is obtained and parallel to the stripe. For each position in a different direction, an offset value is obtained such that the second average depth matches the first average depth obtained by the correlation calculating means, and obtained by the phase continuation processing means. Shape calculating means for adding the offset value at the position to the depth distribution data at each position in a direction parallel to the stripes formed;
Output means for outputting a depth image created using the depth distribution data at each position in a direction parallel to the stripes after the addition processing by the shape calculating means;
An optical shape measuring apparatus comprising: 前記縞画像を、縞に直交する方向に沿って前記擬似ランダム信号の１周期に相当する長さで複数の単位縞画像に分割し、前記単位縞画像毎に処理を行うことを特徴とする請求項７記載の光学的形状測定装置。The striped image is divided into a plurality of unit striped images with a length corresponding to one period of the pseudo-random signal along a direction orthogonal to the striped, and processing is performed for each unit striped image. Item 8. The optical shape measuring device according to Item 7. 周期的な信号に、当該周期よりも長い周期をもつ擬似ランダム信号を重畳した重畳信号により発振強度が変調された線状レーザ光を、測定対象物に対する前記線状レーザ光の照射位置を連続的にずらしながら、前記測定対象物に照射する第一ステップと、
遅延積分型の撮像手段を用いて前記測定対象物からの反射光を撮像することにより光切断画像を取得し、前記各光切断画像から構成される縞画像を得る第二ステップと、
互いに直交する二つの基準正弦波データを発生し、前記各基準正弦波データを、縞に平行な方向の各位置において縞に直交する方向に沿っての前記縞画像の濃度分布を表すスライス縞画像データに乗算する第三ステップと、
前記第三ステップで得られた二つの乗算結果データの各々から、縞に直交する方向に沿っての縞周波数成分及びその高調波成分を除去する第四ステップと、
前記第四ステップで得られた二つの除去結果データに基づいて前記各スライス縞画像データについて各位置における基準正弦波に対する縞の位相のずれを算出する第五ステップと、
前記第五ステップで得られた位相のずれを表す位相画像に基づいて位相のずれが不連続になっている位置を検出し、その検出した位置における位相のずれを滑らかに繋ぐことにより位相のずれを連続化し、その連続化された後の位相のずれに基づいて、縞に平行な方向の各位置において縞に直交する方向に沿っての深さ分布データを求める第六ステップと、
縞に平行な方向の各位置における前記スライス縞画像データと前記擬似ランダム信号との相関値を算出して、その相関値がピークをとるときの相関ピーク位置のずれ量を求め、その求めた相関ピーク位置のずれ量に基づいて縞に平行な方向の各位置における第一の平均の深さを算出する第七ステップと、
前記第六ステップで得られた縞に平行な方向の各位置における前記深さ分布データに基づいて、縞に平行な方向の各位置における第二の平均の深さを求め、縞に平行な方向の各位置毎に前記第二の平均の深さが前記第七ステップで得られた前記第一の平均の深さに一致するようなオフセット値を求め、前記第六ステップで得られた縞に平行な方向の各位置における前記深さ分布データに当該位置における前記オフセット値を加算する第八ステップと、
前記第八ステップで加算処理が施された後の縞に平行な方向の各位置における前記深さ分布データを用いて深さ画像を作成して出力する第九ステップと、
を具備することを特徴とする光学的形状測定方法。A linear laser beam whose oscillation intensity is modulated by a superimposed signal in which a pseudo-random signal having a period longer than the period is superimposed on a periodic signal, and the irradiation position of the linear laser beam on a measurement object are continuously measured. A first step of irradiating the measurement object while shifting
A second step of obtaining a light section image by capturing reflected light from the measurement object using a delay integration type imaging means, and obtaining a fringe image composed of each of the light section images;
Two reference sine wave data orthogonal to each other are generated, and each reference sine wave data is represented by a slice fringe image representing the density distribution of the fringe image along the direction orthogonal to the fringe at each position in the direction parallel to the fringe. A third step to multiply the data;
A fourth step of removing the fringe frequency component and its harmonic component along the direction orthogonal to the fringe from each of the two multiplication result data obtained in the third step;
A fifth step of calculating a fringe phase shift with respect to a reference sine wave at each position for each slice fringe image data based on the two removal result data obtained in the fourth step;
Based on the phase image representing the phase shift obtained in the fifth step, a position where the phase shift is discontinuous is detected, and the phase shift at the detected position is smoothly connected. And obtaining a depth distribution data along the direction perpendicular to the stripes at each position in the direction parallel to the stripes based on the phase shift after the continuation,
The correlation value between the slice fringe image data and the pseudo-random signal at each position in the direction parallel to the fringe is calculated, the amount of deviation of the correlation peak position when the correlation value takes a peak, and the calculated correlation A seventh step of calculating a first average depth at each position in a direction parallel to the stripe based on the amount of deviation of the peak position;
Based on the depth distribution data at each position in the direction parallel to the stripe obtained in the sixth step, a second average depth at each position in the direction parallel to the stripe is obtained, and the direction parallel to the stripe An offset value is obtained such that the second average depth matches the first average depth obtained in the seventh step for each of the positions, and the fringes obtained in the sixth step are obtained. An eighth step of adding the offset value at the position to the depth distribution data at each position in the parallel direction;
A ninth step of creating and outputting a depth image using the depth distribution data at each position in a direction parallel to the stripe after being subjected to the addition processing in the eighth step;
An optical shape measuring method comprising: 前記縞画像を、縞に直交する方向に沿って前記擬似ランダム信号の１周期に相当する長さで複数の単位縞画像に分割し、前記単位縞画像毎に処理を行うことを特徴とする請求項９記載の光学的形状測定方法。The striped image is divided into a plurality of unit striped images with a length corresponding to one period of the pseudo-random signal along a direction orthogonal to the striped, and processing is performed for each unit striped image. Item 10. The optical shape measuring method according to Item 9.

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