JP4077754B2 - ３次元形状測定装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体の高さ情報等、物体表面の３次元形状を測定する３次元形状測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、物体の表面形状を計測する技術は数多く提案されている。これらの技術のなかでも物体の表面形状を非常に高速に計測できる技術として格子パターン投影法がある。格子パターン投影法は、物体表面上に縞パターンを投影し、その画像から各画素毎の縞の位相を一度に求め、その位相情報から物体表面形状を演算するという技術である。この場合、位相情報の算出には位相シフト法が用いられる。格子パターン投影法では、物体表面の立体形状を一度に求めるため、非常に高速な計測が可能である。
このような格子パターン投影法を高精度化する技術が、例えば、次の特許文献１に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−９４４４号公報
【０００４】
特許文献１に開示された方法では、１つの格子パターン投影光学系を介して測定標本に対して所定の入射角度でもって格子パターンを測定標本上に投影し、その投影された格子パターン像の標本による散乱光を観察系を介して変形格子像として観測する。格子パターン投影光学系内に設けられた格子パターンを走査しながら順次変形格子像を観測し、その像より位相シフト法を用いて測定標本表面の位相情報を算出することによって物体の表面形状を得ている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、格子パターン投影法は、観察光学系に対し角度を付けた照明を行う方法であるため、機械部品やＩＣ接点等の電子部品の表面形状を正確に計測する場合に、計測物体自身が影を作り、計測できない部分を生じさせてしまうという問題点がある。
【０００６】
また、格子パターン投影法では、測定標本の表面形状（例えばボールグリッドアレイのような球面形状標本）によっては、投影した格子パターンが該測定標本の表面で正反射に近い角度で反射して観察系光路に入射し、測定標本の表面のうちその正反射部分の画像が撮像素子での輝度が飽和するほどに極端に明るい画像となってしまう。このため、観察系に設けられた例えばＣＣＤカメラ等の撮像素子での輝度が飽和しないように明るさを落として格子パターンを投影する必要が生じる。しかし、そのように格子パターンの明るさを落として投影すると、測定標本の表面のうち低散乱部分では十分な輝度値が観測されず、ＣＣＤカメラのノイズ成分を多く含む画像となり、高精度な位相測定が行われ難くなってしまうという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、測定標本の計測エリアに影を生じることがなく、測定標本の表面形状に影響されず、輝度が飽和しない状態で、高精度に計測を行うことが可能な３次元形状測定装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本第１の発明による３次元形状測定装置は、光源と、所定のパターンを有する光学変調素子と、前記光学変調素子を所定量移動させて位相をシフトさせる走査手段と、前記光源からの光が前記光学変調素子に照射されることによってできたパターン像を被検査物体上に投影する投影光学系と、前記被検査物体上に投影された前記パターン像を結像する結像光学系と、前記結像光学系により結像され前記被検査物体上に投影された前記パターン像からパターン画像を取得する撮像素子を有し、位相をシフトした状態で取得した複数の前記パターン画像より算出した位相情報を用いて前記被検査物体の高さ情報を求めるパターン投影法による３次元形状測定装置であって、異なる方向から前記被検査物体上に前記パターン像を投影して、該異なる方向から前記被検査物体上に投影した前記パターン像を前記結像光学系を介して前記撮像素子に結像させることができるように、前記投影光学系を複数有し、前記投影光学系ごとに複数取得される前記パターン画像を格納するメモリ部と、前記メモリ部に格納された前記パターン画像の各画素での輝度値と前記光学変調素子の移動量とに基づいて算出される該輝度値のコントラスト成分の大小を所定画素にて比較する比較部と、前記比較部での比較の結果に基づいて複数の前記投影光学系のうち所定画素での前記輝度値のコントラスト成分が最も大きい前記投影光学系からの前記パターン画像の輝度値を基に前記位相情報を算出し該位相情報を用いて高さ情報を演算する演算部と、を備えることを特徴としている。
【０００９】
また、上記目的を達成するため、本第２の発明による３次元形状測定装置は、光源と、所定のパターンを有する光学変調素子と、前記光学変調素子を所定量移動させて位相をシフトさせる走査手段と、前記光源からの光が前記光学変調素子に照射されることによってできたパターン像を被検査物体上に投影する投影光学系と、前記被検査物体上に投影された前記パターン像を結像する結像光学系と、前記結像光学系により結像され前記被検査物体上に投影された前記パターン像からパターン画像を取得する撮像素子を有し、位相をシフトした状態で取得した複数の前記パターン画像より算出した位相情報を用いて前記被検査物体の高さ情報を求めるパターン投影法による３次元形状測定装置であって、異なる方向から前記被検査物体上に前記パターン像を投影して、該異なる方向から前記被検査物体上に投影した前記パターン像を前記結像光学系を介して前記撮像素子に結像させることができるように、前記投影光学系を複数有し、前記撮像素子で取得された前記パターン画像の輝度のしきい値が記憶されている領域と前記投影光学系ごとに複数取得される前記パターン画像を格納する領域とを有するメモリ部と、前記メモリ部に格納された前記パターン画像の各画素での輝度値と前記しきい値とを比較する比較部と、前記比較部で前記メモリ部に格納された前記パターン画像の所定画素での輝度値と前記しきい値とを比較し該パターン画像の所定画素での輝度値が前記しきい値を超える投影光学系と該パターン画像の所定画素での輝度値が前記しきい値を超えない前記投影光学系とが存在する場合に前記しきい値を超えない前記投影光学系からの前記パターン画像の輝度値を基に前記位相情報を算出し該位相情報を用いて高さ情報を演算する演算部と、を備えることを特徴としている。
【００１０】
また、本第２の発明による３次元形状測定装置は、前記メモリ部に格納された前記パターン画像の所定画素での輝度値が前記しきい値を超えない前記投影光学系が１つだけ存在する場合、前記演算部は、該投影光学系からの前記パターン画像の輝度値を基に前記位相情報を算出し該位相情報を用いて高さ情報を演算するように構成されていることが好ましい。
また、本第２の発明による３次元形状測定装置は、前記メモリ部に格納された前記パターン画像の所定画素での輝度値が前記しきい値を超えない前記投影光学系が複数存在する場合、前記比較部は、更に、該しきい値を超えない前記投影光学系を経て前記撮像素子で取得され前記メモリ部に格納された夫々の前記パターン画像の各画素での輝度値と前記光学変調素子の移動量とに基づいて算出される該輝度値のコントラスト成分の大小を所定画素にて比較し、前記演算部は、前記比較部での比較の結果に基づいて該しきい値を超えない前記投影光学系のうち所定画素での前記輝度値のコントラスト成分が最も大きい前記投影光学系からの前記パターン画像の輝度値を基に前記位相情報を算出し該位相情報を用いて高さ情報を演算するように構成されていることが好ましい。
また、本第２の発明による３次元形状測定装置は、前記メモリ部に格納された前記パターン画像の所定画素での輝度値が前記しきい値を超えない前記投影光学系が複数存在する場合、前記比較部は、更に、該しきい値を超えない前記投影光学系を経て前記撮像素子で取得され前記メモリ部に格納された夫々の前記パターン画像の各画素での輝度値と前記光学変調素子の移動量とに基いて算出される該輝度値のバイアス成分の大小を所定画素にて比較し、前記演算部は、前記比較部での比較の結果に基づいて該しきい値を超えない前記投影光学系のうち所定画素での前記輝度値のバイアス成分が最も大きい前記投影光学系からの前記パターン画像の輝度値を基に前記位相情報を算出し該位相情報を用いて高さ情報を演算するように構成されていることが好ましい。
また、本第２の発明による３次元形状測定装置は、前記メモリ部に格納された前記パターン画像の所定画素での輝度値が前記しきい値を超えない前記投影光学系が存在しない場合に、前記比較部での比較結果を基に夫々の前記投影光学系の明るさの調光指示を行う調光指示部を備えることが好ましい。
さらに、本第２の発明による３次元形状測定装置は、前記メモリ部に記憶されているしきい値は、前記パターン画像の輝度が飽和しない値であることが好ましい。
【００１１】
また、本第３の発明による３次元形状測定装置は、光源と、所定のパターンを有する光学変調素子と、前記光学変調素子を所定量移動させて位相をシフトさせる走査手段と、前記光源からの光が前記光学変調素子に照射されることによってできたパターン像を被検査物体上に投影する投影光学系と、前記被検査物体上に投影された前記パターン像を結像する結像光学系と、前記結像光学系により結像され前記被検査物体上に投影された前記パターン像からパターン画像を取得する撮像素子を有し、位相をシフトした状態で取得した複数の前記パターン画像より算出した位相情報を用いて前記被検査物体の高さ情報を求めるパターン投影法による３次元形状測定装置であって、異なる方向から前記被検査物体上に前記パターン像を投影して、該異なる方向から前記被検査物体上に投影した前記パターン像を前記結像光学系を介して前記撮像素子に結像させることができるように、前記投影光学系を複数有し、前記投影光学系ごとに複数取得される前記パターン画像を格納するメモリ部と、前記メモリ部に格納された前記パターン画像の各画素での輝度値と前記光学変調素子の移動量とに基づいて算出される該輝度値のバイアス成分の大小を所定画素にて比較する比較部と、前記比較部での比較の結果に基づいて複数の前記投影光学系のうち所定画素での前記輝度値のバイアス成分が最も大きい前記投影光学系からの前記パターン画像の輝度値を基に前記位相情報を算出し該位相情報を用いて高さ情報を演算する演算部と、を備えることを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
実施形態の説明に先立ち、本発明の作用効果について説明する。
本発明のように、異なる方向から被検査物体上にパターンを投影して、該異なる方向から投影したパターン像を前記結像光学系を介して前記撮像素子に結像させることができるように、投影光学系を複数個有する構成とすれば、投影パターンの死角を無くすことができ、被検査物体の画像全域にわたり高さ情報を得ることができる。
【００１３】
また、本第１の発明のように、該複数の投影光学系を介して得られる夫々のパターン画像の各画素での輝度値のコントラスト成分の大小を比較する比較部と、前記比較部で該パターン画像の所定画素での輝度値のコントラスト成分の大小を比較した結果、コントラスト成分が最も大きい投影光学系からの輝度値を基に高さ情報を演算する演算部とを有して構成すれば、Ｓ／Ｎの良い方の投影光学系による画像の輝度値を用いて高さが計測されるため、高精度な高さ計測が可能になる。
しかも、一般に、死角部分でのコントラストは殆ど発生せず、コントラスト成分が小さくなる。このため、本第１の発明のように、コントラスト成分の大小を比較して最も大きいコントラスト成分となる投影光学系からの輝度値を基に高さ情報を計測すると、それぞれの投影光学系における死角部分を自動的に判断する（すなわち、コントラスト成分の小さい方の投影光学系で死角部分が存在するものと判断する）ことになり、その部分について死角部分となっていない投影光学系からの輝度値を基に高さ情報を計測することができるので、複数の投影光学系による死角部分に影響されることなく、コンピュータ上で標本の表面形状を演算することができる。
【００１４】
また、本第２の発明の３次元形状測定装置のように、パターン画像の輝度のしきい値を記憶するメモリ部と、該複数の投影光学系により得られる夫々のパターン画像の各画素での輝度値と前記しきい値とを比較する比較部と、前記比較部で該パターン画像の所定画素での輝度値と前記しきい値とを比較した結果、パターン画像の所定画素での輝度値が前記しきい値を超える投影光学系と、パターン画像の所定画素での輝度値が前記しきい値を超えない投影光学系とが存在する場合、前記しきい値を超えないいずれかの投影光学系からの輝度値を基に高さ情報を演算する演算部とを有して構成すれば、撮像素子での輝度飽和の影響を受けることなく、測定標本の低散乱部分にも十分な光量が与えられて、Ｓ／Ｎの良い画像から高精度な測定を行うことが可能となる。
【００１５】
例えば、本第２の発明の３次元形状測定装置は、投影光学系を２つ有する構成の場合には、一方の投影光学系により得られる画像において被観察物体の所定部分で撮像素子の所定画素での輝度が飽和し、他方の投影光学系により得られる画像において該部分で撮像素子の所定画素での輝度が飽和しない場合には、その部分については、撮像素子の輝度が飽和しない投影光学系からの輝度情報を基に高さ計測が行われるようにする。
そして、この場合の標本、即ち、被検査物体として、例えば、ホールグリッドアレイのような曲面を有する標本を用いて高さ計測を行う場合には、格子パターンの投影方向と観察方向とで定まる、ある特定の傾斜を有する被測定部分で反射して観察系に入射する散乱光量が極端に大きくなる。しかし、この被測定部分に対する異なる投影方向からのもう一方の格子パターンの投影により得られる画像の輝度は極端に明るくなってしまうことはないので、この輝度値を用いて高さ計測を行うことが可能となる。
【００１６】
すなわち、本第２の発明において、前記演算部は、前記しきい値を超えない投影光学系が１つ存在する場合、該しきい値を超えない投影光学系からの輝度値を基に高さ情報を演算するように構成するのが好ましい。
【００１７】
なお、本第２の発明において、前記比較部は、前記しきい値を超えない投影光学系が複数存在する場合、更に、該複数の投影光学系により得られる夫々のパターン画像の所定画素での輝度値のコントラスト成分の大小を比較し、前記演算部は、前記比較部で該パターン画像の所定画素での輝度値のコントラスト成分の大小を比較した結果、コントラスト成分が最も大きい投影光学系からの輝度値を基に高さ情報を演算するように構成するのが好ましい。
このように構成すれば、撮像素子での輝度飽和に影響されることなく、測定標本の低散乱部分にも最大限の光量を与えることができ、しかも、輝度飽和していない投影光学系の死角部分に影響されることなく、より一層Ｓ／Ｎの良い画像から高精度な測定を行うことが可能となる。
【００１８】
また、本第２の発明において、前記比較部での比較結果を基に投影光学系の明るさの調光指示を行う調光指示部を有する構成とすれば、すべての投影光学系の投影光量が明るすぎ、撮像素子で飽和して測定できない被測定部分がある場合に、投影光量を自動的に調整するようにすることにより、測定者が撮像素子での輝度飽和に気付かずに間違った測定結果を算出してしまうことを防止でき、３次元計測装置の取り扱いがより簡単になる。
【００１９】
そのため、本第２の発明において、前記調光指示部は、前記比較部でパターン画像の各画素での輝度値と前記しきい値とを比較した結果、いずれの投影光学系も、得られたパターン画像の所定画素での輝度値が前記しきい値を超える輝度値が存在する場合、夫々の投影光学系の明るさの調光指示を行うように構成するのが好ましい。
【００２０】
なお、本発明における上述の説明において高さ計測に採用する投影光学系を決定するための比較部でコントラスト成分の大小を比較する代わりに、本第４の発明による３次元形状測定装置のように、バイアス成分の大小を比較し、バイアス成分が最も大きい投影光学系からの輝度値を基に高さ情報を算出するようにしてもよい。
また、本第２の発明による３次元形状測定装置において、前記比較部は、前記しきい値を超えない投影光学系が複数存在する場合に、更に、該複数の投影光学系により得られる夫々のパターン画像の各画素での輝度値のバイアス成分の大小を比較し、前記演算部は、前記比較部で該パターン画像の所定画素での輝度値のバイアス成分の大小を比較した結果、バイアス成分が最も大きい投影光学系からの輝度値を基に高さ情報を演算するように構成してもよい。
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
図１は本発明の３次元形状測定装置の第１実施形態を示す概略構成図である。
本実施形態の３次元形状測定装置は、図１に示すように、２つの投影光学ユニット２０，２１と、結像光学系５と、フィルタ交換装置１０と、撮像素子６と、コンピュータ７と、表示装置８を有して構成されている。
第１の投影光学ユニット２０は、光源１と、照明光学系２と、光学変調素子３−１及び走査手段３−２を有する装置（以下、変調装置という）３と、フィルタ交換及び遮光装置９と、投影光学系４を有している。
第２の投影光学ユニット２１は、光源１１と、照明光学系１２と、格子パターンを有する光学変調素子１３−１及び走査手段１３−２を有する装置（以下、変調装置という）１３と、フィルタ交換及び遮光装置１９と、投影光学系１４を有している。
【００２２】
光源１，１１は、ハロゲンランプ等で構成されている。なお、発光ダイオードを用いてもよい。
光学変調素子３−１，１３−１は、所定のパターンを有する光学素子である。このパターンは、光透過部と光遮光部により形成されている。所定のパターンとしては、例えば光透過部と光遮光部が１次元方向に交互に形成されたパターン（以下、格子パターンという）がある。投影する格子パターンとしては、透過率が矩形状に変化する格子パターンを用いている。
走査手段３−２，１３−２は、光学変調素子３−１，１３−１を光軸と交差する方向に移動させるものである。この走査手段としては、例えば公知のスライド機構を用いることができる。
そして、変調装置３，１３は、例えば、図２に示すように、光学変調素子３−１，１３−１が格子の周期方向に可動な部品Ｄに固定されている。そして、位相シフト法を用いる際に格子の周期方向に移動できるように、パルスモータＭ又はピエゾ（ＰＺＴ）と部品Ｄが接続されている。また、この移動量は、コンピュータ７を介して制御されるようになっている。ここでは、この移動方向を矢印Ｘで示してある。
【００２３】
フィルタ交換及び遮光装置９，１９は、例えば、図３に示すように、ターレットＴに所望のフィルタＲ，Ｇ，Ｂと遮光板Ｆが設けられ、更に開口部Ｏ（空穴）が形成されている。ターレットＴは、図示省略したモータ等の駆動手段を介して、回転軸Ｐを中心として回転することで、フィルタＲ，Ｇ，Ｂ、遮光板Ｆ及び開口部Ｏを光路中に挿脱することができるようになっている。これらの位置は、コンピュータ７を介して制御されるようになっている。
【００２４】
投影光学系４，１４は、夫々変調装置３，１３を介して形成されたパターン像を被検査物体Ｓに投影することができるように構成されている。
そして、２つの投影光学ユニット２０，２１は、結像光学系５の物点位置を支点にして、夫々の投影光学系４，１４の光軸が結像光学系５の光軸に対し角度α，βの値をなすように配置されている。また、投影光学ユニット２０，２１は、上記角度α，βの値を変更することができるように構成されている。
【００２５】
フィルタ交換装置１０及び撮像素子（例えばＣＣＤ）６は、結像光学系５の光路上に設けられている。
コンピュータ７は、メモリ部７１と、演算処理部７２と、比較部７３と、調光指示部７４を有している。メモリ部７１は、所定領域において撮像素子６で受光された画像を格納するように構成されている。また、メモリ部７１の他の領域には、撮像素子６の受光面上で結像されるパターン画像の輝度のしきい値が記憶されている。演算処理部７２は、後述する所定の条件に応じて、メモリ部７１に格納された所定の投影光学系を経て得られたパターン画像の輝度値を基に高さ情報を演算するように構成されている。比較部７３は、後述する所定の条件に応じて、メモリ部７１に格納されたパターン画像の所定画素での輝度値と前記しきい値とを比較したり、投影光学系を経て得られる夫々のパターン画像の所定画素での輝度値のコントラスト成分（あるいはバイアス成分）の大小を比較したりするように構成されている。調光指示部７４は、後述する所定の条件に応じて、光源１，１１の照明光量を下げることができるように構成されている。
表示装置８は、コンピュータ７のメモリ部７１に格納された所定の画像や演算処理部７２での演算結果等の情報を表示するように構成されている。
これら変調装置３，１３、フィルタ交換及び遮光装置９，１９、撮像素子６及び表示装置８は、それぞれケーブルを介してコンピュータ７と電気的に接続されている。
【００２６】
上記の構成において、第１の投影光学ユニット２０内の光源１から発せられた光は、照明光学系２を介して、変調装置３の走査装置３−２に取付けられた所定格子パターンを有する光学変調素子３−１に均一に照射する。光学変調素子３−１を透過した光は、フィルタ交換及び遮光装置９内の所定フィルタを透過又は空穴を通過した後、投影光学系４を介して、被検査物体Ｓに角度αの入射角度で入射し、被検査物体Ｓ上に格子パターン像を投影する。
他方、第２の投影光学ユニット２１内の光源１１から発せられた光は、照明光学系１２を介して、変調装置１３の走査装置１３−２に取付けられた所定格子パターンを有する光学変調素子１３−１に均一に照射する。光学変調素子１３−１を透過した光は、フィルタ交換及び遮光装置１９内の所定フィルタを透過又は空穴を通過した後、投影光学系１４を介して、被検査物体Ｓに角度βの入射角度で入射し、被検査物体Ｓ上に格子パターン像を投影する。
【００２７】
それぞれの投影光学系を経て被検査物体Ｓ上に投影された格子パターン像（第１の像）のうち、明るい部分（光学変調素子の光透過部を透過した光）は、被検査物体上で散乱される。そして、散乱された光の一部が結像光学系５を介してフィルタ交換装置１０の所定フィルタ又は空穴を透過又は通過して、撮像素子６の受光面上に結像される。撮像素子６の受光面上に結像される格子パターン像は、被検査物体Ｓ上で散乱されるときに被検査物体Ｓの形状に対応して変形している。
撮像素子６で受光された画像は、コンピュータ７に取込まれ、メモリ部７１の所定領域に格納される。
【００２８】
このような構成の装置において、格子パターンの投影に際しては、フィルタ交換及び遮光装置９，１９のいずれか一方を透過又は通過状態とし、他方を遮光状態として、異なる方向から投影された格子パターン像ごとに撮像できるようにする。
例えば、先ず第２の投影光学ユニット２１のフィルタ交換及び遮光装置１９を遮光状態にし、第１の投影光学ユニット２０のフィルタ交換及び遮光装置９を透過又は通過状態にする。次いで、第１の投影光学ユニット２０の変調装置３の光学変調素子３−１により格子パターンを発生させ、この格子パターンを被検査物体Ｓに投影する。次いで、被検査物体Ｓの表面形状によって変形された格子パターン像を結像光学系５を介して撮像素子６の受光面上に結像し、撮像素子６を介して撮像する。次いで、走査手段３−２を介して光変調素子３−１を所定量移動させて（即ち、走査して）、上記と同様に被検査物体Ｓに格子パターンを投影し、この格子パターン像を撮像素子６を介して撮像する。このように、走査手段３−２を介して位相をシフトした状態での格子パターン像の撮像を３回以上繰り返す。
【００２９】
次に、第１の投影光学ユニット２０のフィルタ交換及び遮光装置９を遮光状態にし、第２の投影光学ユニット２１のフィルタ交換及び遮光装置１９を透過又は通過状態にする。そして、第２の投影光学ユニットを介した撮像においても第１の投影光学ユニット２０を介した撮像と同様に、変調装置１３の変調光学素子１３−１を所定量移動させて位相をシフトした状態での格子パターン像の撮像を３回以上繰り返す。
このようにフィルター交換及び遮光装置９，１９を交互に遮光状態に切替えることで、格子パターンの投影方向が異なる画像、つまり撮像素子上の任意の座標（ｘ，ｙ）での輝度情報Ｉ（ｘ，ｙ）を位相をシフトした複数状態で得ることができる。
【００３０】
ここで、一般に、位相シフト量がδｉのときの輝度値Ｉｉ（ｘ，ｙ）と位相φ（ｘ，ｙ）との関係は、次式(1)のように表現できる。
Ｉｉ（ｘ，ｙ）＝ａ（ｘ，ｙ）＋ｂ（ｘ，ｙ）・ｃｏｓ｛φ（ｘ，ｙ）＋δｉ｝…(1)
但し、ａ（ｘ，ｙ）は輝度のバイアス成分、ｂ（ｘ，ｙ）コントラスト成分、δｉは位相シフト量である。
この式(1)より位相シフト量δｉを３回以上変化させて輝度値Ｉｉ（ｘ，ｙ）を取得すれば、未知量であるバイアス成分ａ（ｘ，ｙ）、コントラスト成分ｂ（ｘ，ｙ）、位相φ（ｘ，ｙ）を求めることができる。
【００３１】
このようにして求めた位相φ（ｘ，ｙ）より、測定標本の高さ情報Ｈ（ｘ，ｙ）は、次式(2)として求めることができる。
但し、ｐは格子パターンのピッチ、αは格子パターン投影角度、ｎは次数である。
(1)式よりφ（ｘ，ｙ）を求めるとφ（ｘ，ｙ）の分布は、０〜２πまでの値に畳み込まれ、２π周期の不連続な分布になる。(2)式のｎは位相分布が連続した値となるように決定される格子の次数である。
【００３２】
そこで、本実施形態の３次元形状測定装置では、上記式(1)，(2)を用いて高精度な高さ情報を算出することができるように、コンピュータ７内部のメモリ部７１、演算処理部７２、比較部７３、調光指示部７４を介して以下に述べるような所定の制御を行うようになっている。
図４は本実施形態の３次元形状測定装置における測定標本の高さ情報を算出する処理の流れ及び処理条件のテーブルを示す説明図である。なお、本実施形態では、格子パターンを位相に換算してπ／２ずつ３段階に走査して第１、第２の投影光学系４，１４を経て得られる夫々の格子パターンごとに、それぞれ４枚の画像を取得して、測定標本の高さ情報を得ている。
【００３３】
第１の投影光学ユニット２０での格子パターン走査により撮像素子６で得られた４枚の格子パターン画像の輝度値をＩll（ｘ，ｙ）、Ｉ12（ｘ，ｙ）、Ｉ13（ｘ，ｙ）、Ｉ14（ｘ，ｙ）とし、第２の投影光学ユニット２１での格子パターン走査により撮像素子６で得られた４枚の格子パターン画像の輝度値をＩ21（ｘ，ｙ）、Ｉ22（ｘ，ｙ）、Ｉ23（ｘ，ｙ）、Ｉ24（ｘ，ｙ）とする。
これらの輝度値はコンピュータ７内部のメモリ部７１の所定領域に格納される（なお、本明細書では、輝度値は、混同がない場合には単にＩ（ｘ，ｙ）と表記することとする）。
【００３４】
メモリ部７１には、あらかじめ輝度値のしきい値τが設定されている。このしきい値τは、撮像素子６で得られる画像の輝度値が飽和しないような値に設定される。例えば、２５６階調の輝度値データを取得できる撮像系であればしきい値として、τ＝２５０のように設定する。
比較部７３では、得られた輝度値Ｉ（ｘ，ｙ）としきい値τを比較し、演算処理部７２ではその大小により図４のテーブル部に示すような処理を行う。
【００３５】
例えば、輝度値Ｉll（ｘ，ｙ）、Ｉ12（ｘ，ｙ）、Ｉ13（ｘ，ｙ）、Ｉ14（ｘ，ｙ）、Ｉ21（ｘ，ｙ）、Ｉ22（ｘ，ｙ）、Ｉ23（ｘ，ｙ）、Ｉ24（ｘ，ｙ）のすべてが、しきい値τを超えていない場合、つまり、第１及び第２の投影光学系を経て撮像素子上の任意の点（画素）（ｘ，ｙ）において得られた全ての画像の輝度値が飽和することなく画像が取り込まれた場合には、式(1)でのコントラスト成分ｂ（ｘ，ｙ）を第１、第２の投影光学系に対してそれぞれ求め、図４のテーブルのＣａｓｅ１に示すように、求めたコントラスト成分の大小を比較部７３で比較し、演算処理部７２ではコントラスト成分ｂ（ｘ，ｙ）の大きい値を持つ投影光学系からの輝度値Ｉ（ｘ，ｙ）を基に得られる位相情報φ（ｘ，ｙ）を用いて高さ情報Ｈ（ｘ，ｙ）を求める。
【００３６】
また、第１の投影光学系で得られた撮像素子上の任意の点（ｘ，ｙ）での輝度値がいずれのシフト状態においても飽和することなく画像が取り込まれ、第２の投影光学系で得られた撮像素子上の任意の点（ｘ，ｙ）での輝度値にはいずれかのシフト状態においてしきい値τを超えるような輝度値が存在するような場合には、図４のテーブルのＣａｓｅ２に示すように、第１の投影光学系からの輝度値Ｉll（ｘ，ｙ）、Ｉ12（ｘ，ｙ）、Ｉ13（ｘ，ｙ）、Ｉ14（ｘ，ｙ）を基に得られる位相情報φ（ｘ，ｙ）を用いて高さ情報Ｈ（ｘ，ｙ）を求める。
【００３７】
また、第２の投影光学系で得られた撮像素子上の任意の点（ｘ，ｙ）での輝度値がいずれのシフト状態においても飽和することなく画像が取り込まれ、第１の投影光学系で得られた撮像素子上の任意の点（ｘ，ｙ）での輝度値にはいずれかのシフト状態においてしきい値τを超えるような輝度値が存在するような場合には、図４のテーブルのＣａｓｅ３に示すように、第２の投影光学系からの輝度値Ｉ2l（ｘ，ｙ）、Ｉ22（ｘ，ｙ）、Ｉ23（ｘ，ｙ）、Ｉ24（ｘ，ｙ）を基に得られる位相情報φ（ｘ，ｙ）を用いて高さ情報Ｈ（ｘ，ｙ）を求める。
【００３８】
また、撮像素子上の任意点（ｘ，ｙ）でのいずれかのシフト状態における輝度値がしきい値τを超えるような輝度値が第１及び第２の投影光学系のいずれから得られる輝度値にも含まれているような場合には、図４のテーブルのＣａｓｅ４に示すように、コンピュータ７内部の調光指示部７４を介して図１の光源１，１１の照明光量を下げるようにする。そして、再度、格子パターンで走査を行って、第１、第２の投影光学系について被検査物体の画像を再取得して、図４に示す一連の処理を再度行う。
【００３９】
これらの処理をすべての画素（ｘ，ｙ）に対して行うことで、画像全体にわたり高さ情報Ｈ（ｘ，ｙ）を求めて、物体の表面形状を得ることができる。
【００４０】
本実施形態の３次元形状測定装置によれば、投影方向の異なる２つの格子パターン投影を行うので、投影パターンに死角がなくなり、画像全域に渡り高さ情報を得ることができる。
このとき、２つの投影光学系での画像から２つの高さ情報が得られるが、輝度値のコントラスト成分を比較してコントラストの大きい方の高さ情報（即ちＳ／Ｎの良い方のデータ）を用いて高さ計測を行うようにしたので、高精度な計測を行うことが可能となる。そして、このことは、それぞれの投影光学系に対する死角部分を自動的に判断している（死角部分のコントラストはほとんど発生しない）ことになるので、２つの投影光学系の死角部分を気にする必要なくコンピュータ上で標本の表面形状を演算することが可能となる。
【００４１】
さらに、一方の投影光学系を経て得られる画像において輝度が飽和する部分が存在する場合には、もう一方の投影光学系を経て得られる画像の輝度情報を用いて高さ計測が行われるようにしたので、例えばボールグリッドアレイのような曲面を有する標本の場合は格子パターンの投影方向と観察方向により決まるある特定の傾斜を有する部分で観察系に入射する散乱光量が極端に大きくなるが、この部分での投影方向の異なるもう一方の格子パターン投影により得られる画像の輝度は極端に明るくなってしまうことはなく、この輝度値より高さ計測を行うことが可能となる。
このため、撮像素子での輝度飽和を気にすることなく、測定標本の低散乱部分にも十分な光量を与えられるのでＳ／Ｎのよい画像から高精度な測定を行うことが可能となる。
【００４２】
また、両方の投影光学系の投影光量が明るすぎて測定できない位置がある場合に自動的に再計測を行うための設定を行うようにしたので、測定者が撮像素子の輝度飽和に気付かずに間違った測走結果を算出してしまうことを防止でき、取り扱いが簡単になる。
【００４３】
なお、本実施形態の３次元形状測定装置では、２つの投影光学系を備えた構成について説明したが、３つ以上の投影光学系を備えた構成についても上記と同様にして物体の表面形状を得ることができる。
図５は本発明の第２実施形態にかかる３次元形状測定装置における測定標本の高さ情報を算出する処理の流れ及び処理条件のテーブルを示す説明図である。
本実施形態の３次元形状測定装置は、図１に示した３次元形状測定装置に、更に、１つ以上の投影光学ユニットが設けられている（図示は省略する。なお、以下の説明において図１と同様の構成部分については、図１と同様の符号を引用することとする。）。
【００４４】
本実施形態の場合も、第１実施形態と同様に、複数の投影光学ユニットの夫々について、一方のみを透過又は通過状態とし、その他を遮光状態として、異なる方向から投影された格子パターン像ごとに撮像できるようにする。そして、夫々の投影光学ユニットにおいて位相をシフトした状態での格子パターン像の撮像を３回以上繰り返して、夫々について輝度情報Ｉ（ｘ，ｙ）を得るようになっている。
【００４５】
そして、本実施形態の３次元形状測定装置では、上記式(1)，(2)を用いて高精度な高さ情報を算出することができるように、コンピュータ７内部のメモリ部７１、演算処理部７２、比較部７３、調光指示部７４を介して以下に述べるような所定の制御を行うようになっている。
なお、本実施形態においても、第１実施形態と同様に、格子パターンを位相に換算してπ／２ずつ３段階に走査して第１〜第４の投影光学系を経た夫々の格子パターンごとに、それぞれ４枚の画像を取得して、測定標本の高さ情報を得ている。
【００４６】
第ｎ番目｛ｎ：１，２…ｍ（ｍは本実施形態の３次元形状測定装置に設けられている投影光学ユニットの個数。）｝の投影光学ユニットでの格子パターン走査により撮像素子で得られた４枚の格子パターン画像の輝度値をＩn1（ｘ，ｙ）、Ｉn2（ｘ，ｙ）、Ｉn3（ｘ，ｙ）、Ｉn4（ｘ，ｙ）とする。
これらの輝度値は図１の実施形態と同様に、コンピュータ７内部のメモリ部７１の所定領域に格納される（なお便宜上、輝度値は、混同がない場合には単にＩ（ｘ，ｙ）と表記することとする）。
【００４７】
メモリ部７１には、あらかじめ輝度値のしきい値τが設定されている。このしきい値τは、撮像素子６で得られる画像の輝度値が飽和しないような値に設定される。例えば、２５６階調の輝度値データを取得できる撮像系であればτとしてτ＝２５０のように設定する。
比較部７３では得られた輝度値Ｉ（ｘ，ｙ）としきい値τを比較し、演算処理部７２ではその大小により図５のテーブル部に示すような処理を行う。
【００４８】
例えば、輝度値Ｉll（ｘ，ｙ）、Ｉ12（ｘ，ｙ）、Ｉ13（ｘ，ｙ）、Ｉ14（ｘ，ｙ）、Ｉ21（ｘ，ｙ）、Ｉ22（ｘ，ｙ）、Ｉ23（ｘ，ｙ）、Ｉ24（ｘ，ｙ）、…、Ｉml（ｘ，ｙ）、Ｉm2（ｘ，ｙ）、Ｉm3（ｘ，ｙ）、Ｉm4（ｘ，ｙ）のすべてが、しきい値τを超えていない場合、つまり、第１〜第ｍ番目の投影光学系を経て撮像素子上の任意の点（ｘ，ｙ）において得られた全ての画像の輝度値が飽和することなく画像が取り込まれた場合には、式(1)でのコントラスト成分ｂ（ｘ，ｙ）を第１〜第ｍ番目の投影光学系に対してそれぞれ求め、図５のテーブルのＣａｓｅ１に示すように、求めたコントラスト成分の大小を比較部７３で比較し、演算処理部７２ではコントラスト成分ｂ（ｘ，ｙ）の最も大きい値を持つ投影光学系での輝度値Ｉ（ｘ，ｙ）を基に得られる位相情報φ（ｘ，ｙ）を用いて高さ情報Ｈ（ｘ，ｙ）を求める。
【００４９】
また、所定の投影光学系で得られた撮像素子上の任意の点（ｘ，ｙ）での輝度値がいずれのシフト状態においても飽和することなく画像が取り込まれ、他の投影光学系で得られた撮像素子上の任意の点（ｘ，ｙ）での輝度値にはいずれかのシフト状態においてしきい値τを超えるような輝度値が存在するような場合には、図５のテーブルのＣａｓｅ２に示すように、撮像素子上の任意の点（ｘ，ｙ）での輝度値がすべて飽和することなく画像が取り込まれた投影光学系で得られた輝度値を基に次の処理を行う。
撮像素子上の任意の点（ｘ，ｙ）での輝度値がいずれのシフト状態においても飽和することなく画像が取り込まれた投影光学系が１つのみの場合には、図５のテーブルのＣａｓｅ２に示すように、その投影光学系での輝度値Ｉn（ｘ，ｙ）、Ｉn2（ｘ，ｙ）、Ｉn3（ｘ，ｙ）、Ｉn4（ｘ，ｙ）を基に得られる位相情報φ（ｘ，ｙ）を用いて高さ情報Ｈ（ｘ，ｙ）を求める。
撮像素子上の任意の点（ｘ，ｙ）での輝度値がいずれのシフト状態においても飽和することなく画像が取り込まれた投影光学系が複数存在する場合には、式(1)でのコントラスト成分ｂ（ｘ，ｙ）を当該複数の投影光学系に対してそれぞれ求め、図５のテーブルのＣａｓｅ３に示すように、求めたコントラスト成分の大小を比較部７３で比較し、演算処理部７２はコントラスト成分ｂ（ｘ，ｙ）の最も大きい値を持つ投影光学系での輝度値Ｉ（ｘ，ｙ）を基に得られる位相情報φ（ｘ，ｙ）を用いて高さ情報Ｈ（ｘ，ｙ）を求める。
【００５０】
また、撮像素子上の任意点（ｘ，ｙ）でのいずれかのシフト状態における輝度値がしきい値τを超えるような輝度値が第１〜第ｍ番目の投影光学系のいずれから得られる輝度値にも含まれているような場合には、図５のテーブルのＣａｓｅ４に示すように、コンピュータ７内部の調光指示部７４を介して光源の照明光量を下げるようにする。そして、再度、格子パターンで走査を行って、第１〜第ｍ番目の投影光学系について被検査物体の画像を再取得して、図５に示す一連の処理を再度行う。
【００５１】
これらの処理をすべての画素（ｘ，ｙ）に対して行うことで、画像全体にわたり高さ情報Ｈ（ｘ，ｙ）を求めて、物体の表面形状を得ることができ、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００５２】
なお、上記各実施形態では、比較部７３でコントラスト成分の大小を比較して、高さ測定に用いる投影光学系を決定するようにしたが、上記各実施形態において、比較部７３でバイアス成分の大小を比較し、バイアス成分が最も大きい投影光学系での画像から高さ情報を算出するようにしても良い。バイアス成分ａ（ｘ，ｙ）は式(1)によりコントラスト成分ｂ（ｘ，ｙ）と同様に算出可能な値である。
このように構成すると、３次元形状測定装置に用いる複数の投影光学系の投影条件（例えば光量や投影角度）が大きく異なる場合には、十分な投影光量、即ち、バイアス成分の大きい方の輝度情報を基に高さ情報を演算する方がＳ／Ｎが良いため、高精度な計測が可能となる。
【００５３】
なお、上記各実施形態における調光指示部により調整された光源の光量は、次の被検査物体の測定時に初期値の光量に自動的に再設定されるようにしても良い。あるいは、調光指示部で調整された光量状態がそのまま保持されるようにするとともに、手動で所望の光量に上げることができるようにしても良い。
【００５４】
また、上記各実施形態において、高さ情報Ｈ（ｘ，ｙ）を求めるための輝度値に下限のしきい値を設け、比較部で、その下限のしきい値と投影光学系からの輝度値との大小を比較するようにし、高さ情報Ｈ（ｘ，ｙ）を求める基となる当該投影光学系の輝度値が下限のしきい値を下回るときには、光量が不足しているものと判断し、コンピュータ内部の調光指示部を介して光源の照明光量を所定量上げるようにし、再度、格子パターンで走査を行って、各投影光学系について被検査物体の画像を再取得して、上述のような一連の処理を再度行うようにしてもよい。
【００５５】
また、上記各実施形態の３次元形状測定装置においては、各投影光学ユニットごとに光源及び変調装置を設けた構成としたが、異なる方向から被検査物体上にパターンを投影して、該異なる方向から投影したパターン像を前記結像光学系を介して前記撮像素子に結像させることができるように、前記投影光学系を複数有する構成であれば、どのような構成でも良い。例えば、図６及び図７に示すように１つの光源からの光を光路分割手段を介して、２つの投影光学系の光路に分割し、異なる２つの方向から格子パターンを投影するように構成してもよい。
【００５６】
図６及び図７に示す３次元形状測定装置は、照明側の光路には、ハロゲンランプの光源１と、照明光学系２と、変調装置３と、光路分割素子３４と、ミラー３７（３５，３６）と、フィルタ交換及び遮光装置９（１９）と、投影光学系４（１４）及びハーフミラー３９が配置されている。一方、結像側の光路には、結像光学系５と、フィルタ交換装置１０と、撮像素子６が設けられている。また、ハーフミラー３９と被検査物体Ｓとの間には照明光学系としての機能と結像光学系としての機能を兼ねる対物光学系３８が設けられている。コンピュータ７は、上述した実施形態と同様に、メモリ部７１と、演算処理部７２と、比較部７３と、調光指示部７４を有している。変調装置３、フィルタ交換及び遮光装置９（１９）、撮像素子６、フィルタ交換装置１０、表示装置８は、それぞれケーブルを介してコンピュータ７に電気的に接続されている。
【００５７】
このような構成により、光源１〜変調装置３を経た格子パターンの光は、光路分割素子３４で２つの光路を通るように分割される。一方の光は、ミラー３５を経て、第１のフィルタ交換及び遮光装置９、投影光学系４が配置された光路を通り、他方の光は、ミラー３６，３７を経て、第２のフィルタ交換及び遮光装置１９、投影光学系１４が配置された光路を通る。それぞれの投影光学系４、１４を経た光は、ハーフミラー３９で反射され、対物光学系３８を経て、夫々異なる方向から被検査物体Ｓに格子パターンを投影する。被検査物体Ｓに投影された格子パターンは、対物光学系３８、ハーフミラー３９を透過した後、結像光学系５、フィルタ交換装置１０を経て、撮像素子６の受光面で結像され、受光された画像が、コンピュータ７に取り込まれ、メモリ部７１、処理部７２、比較部７３、調光指示部７４等を介して、上述した実施形態と同様に、高精度な高さ情報が導出される。
【００６３】
【発明の効果】
本発明によれば、測定標本の計測エリアに影を生じることがなく、測定標本の表面形状に影響されず、表面での低散乱部分から高散乱部分まで広い範囲におよび高精度に計測を行うことが可能となる。さらに測定者は撮像素子の輝度が飽和してしまうことを気にする必要が無く取り扱いが簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の３次元形状測定装置の第１実施形態を示す概略構成図である。
【図２】本発明の３次元形状測定装置に用いられる変調装置の一構成例を示す説明図である。
【図３】本発明の３次元形状測定装置に用いられるフィルタ交換及び遮光装置の一構成例を示す説明図である。
【図４】第１実施形態の３次元形状測定装置における測定標本の高さ情報を算出する処理の流れ及び処理条件のテーブルを示す説明図である。
【図５】本発明の第２実施形態にかかる３次元形状測定装置における測定標本の高さ情報を算出する処理の流れ及び処理条件のテーブルを示す説明図である。
【図６】本発明の３次元形状測定装の変形例を示す概略構成図である。
【図７】図６の３次元形状測定装置の底面図である。
【符号の説明】
１，１１ 光源
２，１２ 照明光学系
３，１３ 変調装置
３−１，１３−１ 光学変調素子
３−２，１３−２ 走査手段
４，１４ 投影光学系
５ 結像光学系
６ 撮像素子
７ コンピュータ
８ 表示装置
９，１９ フィルタ交換及び遮光装置
１０ フィルタ交換装置
２０，２１ 投影光学ユニット
３４ 光路分割素子
３５，３６，３７ ミラー
３８ 対物光学系
３９ ハーフミラー
７１ メモリ部
７２ 演算処理部
７３ 比較部
７４ 調光指示部
Ｄ 格子の周期方向に可能な部品
Ｆ 遮光板
Ｍ パルスモータ
Ｏ 開口部
Ｐ 回転軸
Ｒ，Ｇ，Ｂ フィルタ
Ｓ 被検査物体
Ｔ ターレット
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体の高さ情報等、物体表面の３次元形状を測定する３次元形状測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、物体の表面形状を計測する技術は数多く提案されている。これらの技術のなかでも物体の表面形状を非常に高速に計測できる技術として格子パターン投影法がある。格子パターン投影法は、物体表面上に縞パターンを投影し、その画像から各画素毎の縞の位相を一度に求め、その位相情報から物体表面形状を演算するという技術である。この場合、位相情報の算出には位相シフト法が用いられる。格子パターン投影法では、物体表面の立体形状を一度に求めるため、非常に高速な計測が可能である。
このような格子パターン投影法を高精度化する技術が、例えば、次の特許文献１に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−９４４４号公報
【０００４】
特許文献１に開示された方法では、１つの格子パターン投影光学系を介して測定標本に対して所定の入射角度でもって格子パターンを測定標本上に投影し、その投影された格子パターン像の標本による散乱光を観察系を介して変形格子像として観測する。格子パターン投影光学系内に設けられた格子パターンを走査しながら順次変形格子像を観測し、その像より位相シフト法を用いて測定標本表面の位相情報を算出することによって物体の表面形状を得ている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、格子パターン投影法は、観察光学系に対し角度を付けた照明を行う方法であるため、機械部品やＩＣ接点等の電子部品の表面形状を正確に計測する場合に、計測物体自身が影を作り、計測できない部分を生じさせてしまうという問題点がある。
【０００６】
また、格子パターン投影法では、測定標本の表面形状（例えばボールグリッドアレイのような球面形状標本）によっては、投影した格子パターンが該測定標本の表面で正反射に近い角度で反射して観察系光路に入射し、測定標本の表面のうちその正反射部分の画像が撮像素子での輝度が飽和するほどに極端に明るい画像となってしまう。このため、観察系に設けられた例えばＣＣＤカメラ等の撮像素子での輝度が飽和しないように明るさを落として格子パターンを投影する必要が生じる。しかし、そのように格子パターンの明るさを落として投影すると、測定標本の表面のうち低散乱部分では十分な輝度値が観測されず、ＣＣＤカメラのノイズ成分を多く含む画像となり、高精度な位相測定が行われ難くなってしまうという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、測定標本の計測エリアに影を生じることがなく、測定標本の表面形状に影響されず、輝度が飽和しない状態で、高精度に計測を行うことが可能な３次元形状測定装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本第１の発明による３次元形状測定装置は、光源と、所定のパターンを有する光学変調素子と、前記光学変調素子を所定量移動させて位相をシフトさせる走査手段と、前記光源からの光が前記光学変調素子に照射されることによってできたパターン像を被検査物体上に投影する投影光学系と、前記被検査物体上に投影された前記パターン像を結像する結像光学系と、前記結像光学系により結像され前記被検査物体上に投影された前記パターン像からパターン画像を取得する撮像素子を有し、位相をシフトした状態で取得した複数の前記パターン画像より算出した位相情報を用いて前記被検査物体の高さ情報を求めるパターン投影法による３次元形状測定装置であって、異なる方向から前記被検査物体上に前記パターン像を投影して、該異なる方向から前記被検査物体上に投影した前記パターン像を前記結像光学系を介して前記撮像素子に結像させることができるように、前記投影光学系を複数有し、前記投影光学系ごとに複数取得される前記パターン画像を格納するメモリ部と、前記メモリ部に格納された前記パターン画像の各画素での輝度値と前記光学変調素子の移動量とに基づいて算出される該輝度値のコントラスト成分の大小を所定画素にて比較する比較部と、前記比較部での比較の結果に基づいて複数の前記投影光学系のうち所定画素での前記輝度値のコントラスト成分が最も大きい前記投影光学系からの前記パターン画像の輝度値を基に前記位相情報を算出し該位相情報を用いて高さ情報を演算する演算部と、を備えることを特徴としている。
【０００９】
また、上記目的を達成するため、本第２の発明による３次元形状測定装置は、光源と、所定のパターンを有する光学変調素子と、前記光学変調素子を所定量移動させて位相をシフトさせる走査手段と、前記光源からの光が前記光学変調素子に照射されることによってできたパターン像を被検査物体上に投影する投影光学系と、前記被検査物体上に投影された前記パターン像を結像する結像光学系と、前記結像光学系により結像され前記被検査物体上に投影された前記パターン像からパターン画像を取得する撮像素子を有し、位相をシフトした状態で取得した複数の前記パターン画像より算出した位相情報を用いて前記被検査物体の高さ情報を求めるパターン投影法による３次元形状測定装置であって、異なる方向から前記被検査物体上に前記パターン像を投影して、該異なる方向から前記被検査物体上に投影した前記パターン像を前記結像光学系を介して前記撮像素子に結像させることができるように、前記投影光学系を複数有し、前記撮像素子で取得された前記パターン画像の輝度のしきい値が記憶されている領域と前記投影光学系ごとに複数取得される前記パターン画像を格納する領域とを有するメモリ部と、前記メモリ部に格納された前記パターン画像の各画素での輝度値と前記しきい値とを比較する比較部と、前記比較部で前記メモリ部に格納された前記パターン画像の所定画素での輝度値と前記しきい値とを比較し該パターン画像の所定画素での輝度値が前記しきい値を超える投影光学系と該パターン画像の所定画素での輝度値が前記しきい値を超えない前記投影光学系とが存在する場合に前記しきい値を超えない前記投影光学系からの前記パターン画像の輝度値を基に前記位相情報を算出し該位相情報を用いて高さ情報を演算する演算部と、を備えることを特徴としている。
【００１０】
また、本第２の発明による３次元形状測定装置は、前記メモリ部に格納された前記パターン画像の所定画素での輝度値が前記しきい値を超えない前記投影光学系が１つだけ存在する場合、前記演算部は、該投影光学系からの前記パターン画像の輝度値を基に前記位相情報を算出し該位相情報を用いて高さ情報を演算するように構成されていることが好ましい。
また、本第２の発明による３次元形状測定装置は、前記メモリ部に格納された前記パターン画像の所定画素での輝度値が前記しきい値を超えない前記投影光学系が複数存在する場合、前記比較部は、更に、該しきい値を超えない前記投影光学系を経て前記撮像素子で取得され前記メモリ部に格納された夫々の前記パターン画像の各画素での輝度値と前記光学変調素子の移動量とに基づいて算出される該輝度値のコントラスト成分の大小を所定画素にて比較し、前記演算部は、前記比較部での比較の結果に基づいて該しきい値を超えない前記投影光学系のうち所定画素での前記輝度値のコントラスト成分が最も大きい前記投影光学系からの前記パターン画像の輝度値を基に前記位相情報を算出し該位相情報を用いて高さ情報を演算するように構成されていることが好ましい。
また、本第２の発明による３次元形状測定装置は、前記メモリ部に格納された前記パターン画像の所定画素での輝度値が前記しきい値を超えない前記投影光学系が複数存在する場合、前記比較部は、更に、該しきい値を超えない前記投影光学系を経て前記撮像素子で取得され前記メモリ部に格納された夫々の前記パターン画像の各画素での輝度値と前記光学変調素子の移動量とに基いて算出される該輝度値のバイアス成分の大小を所定画素にて比較し、前記演算部は、前記比較部での比較の結果に基づいて該しきい値を超えない前記投影光学系のうち所定画素での前記輝度値のバイアス成分が最も大きい前記投影光学系からの前記パターン画像の輝度値を基に前記位相情報を算出し該位相情報を用いて高さ情報を演算するように構成されていることが好ましい。
また、本第２の発明による３次元形状測定装置は、前記メモリ部に格納された前記パターン画像の所定画素での輝度値が前記しきい値を超えない前記投影光学系が存在しない場合に、前記比較部での比較結果を基に夫々の前記投影光学系の明るさの調光指示を行う調光指示部を備えることが好ましい。
さらに、本第２の発明による３次元形状測定装置は、前記メモリ部に記憶されているしきい値は、前記パターン画像の輝度が飽和しない値であることが好ましい。
【００１１】
また、本第３の発明による３次元形状測定装置は、光源と、所定のパターンを有する光学変調素子と、前記光学変調素子を所定量移動させて位相をシフトさせる走査手段と、前記光源からの光が前記光学変調素子に照射されることによってできたパターン像を被検査物体上に投影する投影光学系と、前記被検査物体上に投影された前記パターン像を結像する結像光学系と、前記結像光学系により結像され前記被検査物体上に投影された前記パターン像からパターン画像を取得する撮像素子を有し、位相をシフトした状態で取得した複数の前記パターン画像より算出した位相情報を用いて前記被検査物体の高さ情報を求めるパターン投影法による３次元形状測定装置であって、異なる方向から前記被検査物体上に前記パターン像を投影して、該異なる方向から前記被検査物体上に投影した前記パターン像を前記結像光学系を介して前記撮像素子に結像させることができるように、前記投影光学系を複数有し、前記投影光学系ごとに複数取得される前記パターン画像を格納するメモリ部と、前記メモリ部に格納された前記パターン画像の各画素での輝度値と前記光学変調素子の移動量とに基づいて算出される該輝度値のバイアス成分の大小を所定画素にて比較する比較部と、前記比較部での比較の結果に基づいて複数の前記投影光学系のうち所定画素での前記輝度値のバイアス成分が最も大きい前記投影光学系からの前記パターン画像の輝度値を基に前記位相情報を算出し該位相情報を用いて高さ情報を演算する演算部と、を備えることを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
実施形態の説明に先立ち、本発明の作用効果について説明する。
本発明のように、異なる方向から被検査物体上にパターンを投影して、該異なる方向から投影したパターン像を前記結像光学系を介して前記撮像素子に結像させることができるように、投影光学系を複数個有する構成とすれば、投影パターンの死角を無くすことができ、被検査物体の画像全域にわたり高さ情報を得ることができる。
【００１３】
また、本第１の発明のように、該複数の投影光学系を介して得られる夫々のパターン画像の各画素での輝度値のコントラスト成分の大小を比較する比較部と、前記比較部で該パターン画像の所定画素での輝度値のコントラスト成分の大小を比較した結果、コントラスト成分が最も大きい投影光学系からの輝度値を基に高さ情報を演算する演算部とを有して構成すれば、Ｓ／Ｎの良い方の投影光学系による画像の輝度値を用いて高さが計測されるため、高精度な高さ計測が可能になる。
しかも、一般に、死角部分でのコントラストは殆ど発生せず、コントラスト成分が小さくなる。このため、本第１の発明のように、コントラスト成分の大小を比較して最も大きいコントラスト成分となる投影光学系からの輝度値を基に高さ情報を計測すると、それぞれの投影光学系における死角部分を自動的に判断する（すなわち、コントラスト成分の小さい方の投影光学系で死角部分が存在するものと判断する）ことになり、その部分について死角部分となっていない投影光学系からの輝度値を基に高さ情報を計測することができるので、複数の投影光学系による死角部分に影響されることなく、コンピュータ上で標本の表面形状を演算することができる。
【００１４】
また、本第２の発明の３次元形状測定装置のように、パターン画像の輝度のしきい値を記憶するメモリ部と、該複数の投影光学系により得られる夫々のパターン画像の各画素での輝度値と前記しきい値とを比較する比較部と、前記比較部で該パターン画像の所定画素での輝度値と前記しきい値とを比較した結果、パターン画像の所定画素での輝度値が前記しきい値を超える投影光学系と、パターン画像の所定画素での輝度値が前記しきい値を超えない投影光学系とが存在する場合、前記しきい値を超えないいずれかの投影光学系からの輝度値を基に高さ情報を演算する演算部とを有して構成すれば、撮像素子での輝度飽和の影響を受けることなく、測定標本の低散乱部分にも十分な光量が与えられて、Ｓ／Ｎの良い画像から高精度な測定を行うことが可能となる。
【００１５】
例えば、本第２の発明の３次元形状測定装置は、投影光学系を２つ有する構成の場合には、一方の投影光学系により得られる画像において被観察物体の所定部分で撮像素子の所定画素での輝度が飽和し、他方の投影光学系により得られる画像において該部分で撮像素子の所定画素での輝度が飽和しない場合には、その部分については、撮像素子の輝度が飽和しない投影光学系からの輝度情報を基に高さ計測が行われるようにする。
そして、この場合の標本、即ち、被検査物体として、例えば、ホールグリッドアレイのような曲面を有する標本を用いて高さ計測を行う場合には、格子パターンの投影方向と観察方向とで定まる、ある特定の傾斜を有する被測定部分で反射して観察系に入射する散乱光量が極端に大きくなる。しかし、この被測定部分に対する異なる投影方向からのもう一方の格子パターンの投影により得られる画像の輝度は極端に明るくなってしまうことはないので、この輝度値を用いて高さ計測を行うことが可能となる。
【００１６】
すなわち、本第２の発明において、前記演算部は、前記しきい値を超えない投影光学系が１つ存在する場合、該しきい値を超えない投影光学系からの輝度値を基に高さ情報を演算するように構成するのが好ましい。
【００１７】
なお、本第２の発明において、前記比較部は、前記しきい値を超えない投影光学系が複数存在する場合、更に、該複数の投影光学系により得られる夫々のパターン画像の所定画素での輝度値のコントラスト成分の大小を比較し、前記演算部は、前記比較部で該パターン画像の所定画素での輝度値のコントラスト成分の大小を比較した結果、コントラスト成分が最も大きい投影光学系からの輝度値を基に高さ情報を演算するように構成するのが好ましい。
このように構成すれば、撮像素子での輝度飽和に影響されることなく、測定標本の低散乱部分にも最大限の光量を与えることができ、しかも、輝度飽和していない投影光学系の死角部分に影響されることなく、より一層Ｓ／Ｎの良い画像から高精度な測定を行うことが可能となる。
【００１８】
また、本第２の発明において、前記比較部での比較結果を基に投影光学系の明るさの調光指示を行う調光指示部を有する構成とすれば、すべての投影光学系の投影光量が明るすぎ、撮像素子で飽和して測定できない被測定部分がある場合に、投影光量を自動的に調整するようにすることにより、測定者が撮像素子での輝度飽和に気付かずに間違った測定結果を算出してしまうことを防止でき、３次元計測装置の取り扱いがより簡単になる。
【００１９】
そのため、本第２の発明において、前記調光指示部は、前記比較部でパターン画像の各画素での輝度値と前記しきい値とを比較した結果、いずれの投影光学系も、得られたパターン画像の所定画素での輝度値が前記しきい値を超える輝度値が存在する場合、夫々の投影光学系の明るさの調光指示を行うように構成するのが好ましい。
【００２０】
なお、本発明における上述の説明において高さ計測に採用する投影光学系を決定するための比較部でコントラスト成分の大小を比較する代わりに、本第４の発明による３次元形状測定装置のように、バイアス成分の大小を比較し、バイアス成分が最も大きい投影光学系からの輝度値を基に高さ情報を算出するようにしてもよい。
また、本第２の発明による３次元形状測定装置において、前記比較部は、前記しきい値を超えない投影光学系が複数存在する場合に、更に、該複数の投影光学系により得られる夫々のパターン画像の各画素での輝度値のバイアス成分の大小を比較し、前記演算部は、前記比較部で該パターン画像の所定画素での輝度値のバイアス成分の大小を比較した結果、バイアス成分が最も大きい投影光学系からの輝度値を基に高さ情報を演算するように構成してもよい。
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
図１は本発明の３次元形状測定装置の第１実施形態を示す概略構成図である。
本実施形態の３次元形状測定装置は、図１に示すように、２つの投影光学ユニット２０，２１と、結像光学系５と、フィルタ交換装置１０と、撮像素子６と、コンピュータ７と、表示装置８を有して構成されている。
第１の投影光学ユニット２０は、光源１と、照明光学系２と、光学変調素子３−１及び走査手段３−２を有する装置（以下、変調装置という）３と、フィルタ交換及び遮光装置９と、投影光学系４を有している。
第２の投影光学ユニット２１は、光源１１と、照明光学系１２と、格子パターンを有する光学変調素子１３−１及び走査手段１３−２を有する装置（以下、変調装置という）１３と、フィルタ交換及び遮光装置１９と、投影光学系１４を有している。
【００２２】
光源１，１１は、ハロゲンランプ等で構成されている。なお、発光ダイオードを用いてもよい。
光学変調素子３−１，１３−１は、所定のパターンを有する光学素子である。このパターンは、光透過部と光遮光部により形成されている。所定のパターンとしては、例えば光透過部と光遮光部が１次元方向に交互に形成されたパターン（以下、格子パターンという）がある。投影する格子パターンとしては、透過率が矩形状に変化する格子パターンを用いている。
走査手段３−２，１３−２は、光学変調素子３−１，１３−１を光軸と交差する方向に移動させるものである。この走査手段としては、例えば公知のスライド機構を用いることができる。
そして、変調装置３，１３は、例えば、図２に示すように、光学変調素子３−１，１３−１が格子の周期方向に可動な部品Ｄに固定されている。そして、位相シフト法を用いる際に格子の周期方向に移動できるように、パルスモータＭ又はピエゾ（ＰＺＴ）と部品Ｄが接続されている。また、この移動量は、コンピュータ７を介して制御されるようになっている。ここでは、この移動方向を矢印Ｘで示してある。
【００２３】
フィルタ交換及び遮光装置９，１９は、例えば、図３に示すように、ターレットＴに所望のフィルタＲ，Ｇ，Ｂと遮光板Ｆが設けられ、更に開口部Ｏ（空穴）が形成されている。ターレットＴは、図示省略したモータ等の駆動手段を介して、回転軸Ｐを中心として回転することで、フィルタＲ，Ｇ，Ｂ、遮光板Ｆ及び開口部Ｏを光路中に挿脱することができるようになっている。これらの位置は、コンピュータ７を介して制御されるようになっている。
【００２４】
投影光学系４，１４は、夫々変調装置３，１３を介して形成されたパターン像を被検査物体Ｓに投影することができるように構成されている。
そして、２つの投影光学ユニット２０，２１は、結像光学系５の物点位置を支点にして、夫々の投影光学系４，１４の光軸が結像光学系５の光軸に対し角度α，βの値をなすように配置されている。また、投影光学ユニット２０，２１は、上記角度α，βの値を変更することができるように構成されている。
【００２５】
フィルタ交換装置１０及び撮像素子（例えばＣＣＤ）６は、結像光学系５の光路上に設けられている。
コンピュータ７は、メモリ部７１と、演算処理部７２と、比較部７３と、調光指示部７４を有している。メモリ部７１は、所定領域において撮像素子６で受光された画像を格納するように構成されている。また、メモリ部７１の他の領域には、撮像素子６の受光面上で結像されるパターン画像の輝度のしきい値が記憶されている。演算処理部７２は、後述する所定の条件に応じて、メモリ部７１に格納された所定の投影光学系を経て得られたパターン画像の輝度値を基に高さ情報を演算するように構成されている。比較部７３は、後述する所定の条件に応じて、メモリ部７１に格納されたパターン画像の所定画素での輝度値と前記しきい値とを比較したり、投影光学系を経て得られる夫々のパターン画像の所定画素での輝度値のコントラスト成分（あるいはバイアス成分）の大小を比較したりするように構成されている。調光指示部７４は、後述する所定の条件に応じて、光源１，１１の照明光量を下げることができるように構成されている。
表示装置８は、コンピュータ７のメモリ部７１に格納された所定の画像や演算処理部７２での演算結果等の情報を表示するように構成されている。
これら変調装置３，１３、フィルタ交換及び遮光装置９，１９、撮像素子６及び表示装置８は、それぞれケーブルを介してコンピュータ７と電気的に接続されている。
【００２６】
上記の構成において、第１の投影光学ユニット２０内の光源１から発せられた光は、照明光学系２を介して、変調装置３の走査装置３−２に取付けられた所定格子パターンを有する光学変調素子３−１に均一に照射する。光学変調素子３−１を透過した光は、フィルタ交換及び遮光装置９内の所定フィルタを透過又は空穴を通過した後、投影光学系４を介して、被検査物体Ｓに角度αの入射角度で入射し、被検査物体Ｓ上に格子パターン像を投影する。
他方、第２の投影光学ユニット２１内の光源１１から発せられた光は、照明光学系１２を介して、変調装置１３の走査装置１３−２に取付けられた所定格子パターンを有する光学変調素子１３−１に均一に照射する。光学変調素子１３−１を透過した光は、フィルタ交換及び遮光装置１９内の所定フィルタを透過又は空穴を通過した後、投影光学系１４を介して、被検査物体Ｓに角度βの入射角度で入射し、被検査物体Ｓ上に格子パターン像を投影する。
【００２７】
それぞれの投影光学系を経て被検査物体Ｓ上に投影された格子パターン像（第１の像）のうち、明るい部分（光学変調素子の光透過部を透過した光）は、被検査物体上で散乱される。そして、散乱された光の一部が結像光学系５を介してフィルタ交換装置１０の所定フィルタ又は空穴を透過又は通過して、撮像素子６の受光面上に結像される。撮像素子６の受光面上に結像される格子パターン像は、被検査物体Ｓ上で散乱されるときに被検査物体Ｓの形状に対応して変形している。
撮像素子６で受光された画像は、コンピュータ７に取込まれ、メモリ部７１の所定領域に格納される。
【００２８】
このような構成の装置において、格子パターンの投影に際しては、フィルタ交換及び遮光装置９，１９のいずれか一方を透過又は通過状態とし、他方を遮光状態として、異なる方向から投影された格子パターン像ごとに撮像できるようにする。
例えば、先ず第２の投影光学ユニット２１のフィルタ交換及び遮光装置１９を遮光状態にし、第１の投影光学ユニット２０のフィルタ交換及び遮光装置９を透過又は通過状態にする。次いで、第１の投影光学ユニット２０の変調装置３の光学変調素子３−１により格子パターンを発生させ、この格子パターンを被検査物体Ｓに投影する。次いで、被検査物体Ｓの表面形状によって変形された格子パターン像を結像光学系５を介して撮像素子６の受光面上に結像し、撮像素子６を介して撮像する。次いで、走査手段３−２を介して光変調素子３−１を所定量移動させて（即ち、走査して）、上記と同様に被検査物体Ｓに格子パターンを投影し、この格子パターン像を撮像素子６を介して撮像する。このように、走査手段３−２を介して位相をシフトした状態での格子パターン像の撮像を３回以上繰り返す。
【００２９】
次に、第１の投影光学ユニット２０のフィルタ交換及び遮光装置９を遮光状態にし、第２の投影光学ユニット２１のフィルタ交換及び遮光装置１９を透過又は通過状態にする。そして、第２の投影光学ユニットを介した撮像においても第１の投影光学ユニット２０を介した撮像と同様に、変調装置１３の変調光学素子１３−１を所定量移動させて位相をシフトした状態での格子パターン像の撮像を３回以上繰り返す。
このようにフィルター交換及び遮光装置９，１９を交互に遮光状態に切替えることで、格子パターンの投影方向が異なる画像、つまり撮像素子上の任意の座標（ｘ，ｙ）での輝度情報Ｉ（ｘ，ｙ）を位相をシフトした複数状態で得ることができる。
【００３０】
ここで、一般に、位相シフト量がδｉのときの輝度値Ｉｉ（ｘ，ｙ）と位相φ（ｘ，ｙ）との関係は、次式(1)のように表現できる。
Ｉｉ（ｘ，ｙ）＝ａ（ｘ，ｙ）＋ｂ（ｘ，ｙ）・ｃｏｓ｛φ（ｘ，ｙ）＋δｉ｝…(1)
但し、ａ（ｘ，ｙ）は輝度のバイアス成分、ｂ（ｘ，ｙ）コントラスト成分、δｉは位相シフト量である。
この式(1)より位相シフト量δｉを３回以上変化させて輝度値Ｉｉ（ｘ，ｙ）を取得すれば、未知量であるバイアス成分ａ（ｘ，ｙ）、コントラスト成分ｂ（ｘ，ｙ）、位相φ（ｘ，ｙ）を求めることができる。
【００３１】
このようにして求めた位相φ（ｘ，ｙ）より、測定標本の高さ情報Ｈ（ｘ，ｙ）は、次式(2)として求めることができる。
(1)式よりφ（ｘ，ｙ）を求めるとφ（ｘ，ｙ）の分布は、０〜２πまでの値に畳み込まれ、２π周期の不連続な分布になる。(2)式のｎは位相分布が連続した値となるように決定される格子の次数である。
【００３２】
そこで、本実施形態の３次元形状測定装置では、上記式(1)，(2)を用いて高精度な高さ情報を算出することができるように、コンピュータ７内部のメモリ部７１、演算処理部７２、比較部７３、調光指示部７４を介して以下に述べるような所定の制御を行うようになっている。
図４は本実施形態の３次元形状測定装置における測定標本の高さ情報を算出する処理の流れ及び処理条件のテーブルを示す説明図である。なお、本実施形態では、格子パターンを位相に換算してπ／２ずつ３段階に走査して第１、第２の投影光学系４，１４を経て得られる夫々の格子パターンごとに、それぞれ４枚の画像を取得して、測定標本の高さ情報を得ている。
【００３３】
第１の投影光学ユニット２０での格子パターン走査により撮像素子６で得られた４枚の格子パターン画像の輝度値をＩll（ｘ，ｙ）、Ｉ12（ｘ，ｙ）、Ｉ13（ｘ，ｙ）、Ｉ14（ｘ，ｙ）とし、第２の投影光学ユニット２１での格子パターン走査により撮像素子６で得られた４枚の格子パターン画像の輝度値をＩ21（ｘ，ｙ）、Ｉ22（ｘ，ｙ）、Ｉ23（ｘ，ｙ）、Ｉ24（ｘ，ｙ）とする。
これらの輝度値はコンピュータ７内部のメモリ部７１の所定領域に格納される（なお、本明細書では、輝度値は、混同がない場合には単にＩ（ｘ，ｙ）と表記することとする）。
【００３４】
メモリ部７１には、あらかじめ輝度値のしきい値τが設定されている。このしきい値τは、撮像素子６で得られる画像の輝度値が飽和しないような値に設定される。例えば、２５６階調の輝度値データを取得できる撮像系であればしきい値として、τ＝２５０のように設定する。
比較部７３では、得られた輝度値Ｉ（ｘ，ｙ）としきい値τを比較し、演算処理部７２ではその大小により図４のテーブル部に示すような処理を行う。
【００３５】
例えば、輝度値Ｉll（ｘ，ｙ）、Ｉ12（ｘ，ｙ）、Ｉ13（ｘ，ｙ）、Ｉ14（ｘ，ｙ）、Ｉ21（ｘ，ｙ）、Ｉ22（ｘ，ｙ）、Ｉ23（ｘ，ｙ）、Ｉ24（ｘ，ｙ）のすべてが、しきい値τを超えていない場合、つまり、第１及び第２の投影光学系を経て撮像素子上の任意の点（画素）（ｘ，ｙ）において得られた全ての画像の輝度値が飽和することなく画像が取り込まれた場合には、式(1)でのコントラスト成分ｂ（ｘ，ｙ）を第１、第２の投影光学系に対してそれぞれ求め、図４のテーブルのＣａｓｅ１に示すように、求めたコントラスト成分の大小を比較部７３で比較し、演算処理部７２ではコントラスト成分ｂ（ｘ，ｙ）の大きい値を持つ投影光学系からの輝度値Ｉ（ｘ，ｙ）を基に得られる位相情報φ（ｘ，ｙ）を用いて高さ情報Ｈ（ｘ，ｙ）を求める。
【００３６】
また、第１の投影光学系で得られた撮像素子上の任意の点（ｘ，ｙ）での輝度値がいずれのシフト状態においても飽和することなく画像が取り込まれ、第２の投影光学系で得られた撮像素子上の任意の点（ｘ，ｙ）での輝度値にはいずれかのシフト状態においてしきい値τを超えるような輝度値が存在するような場合には、図４のテーブルのＣａｓｅ２に示すように、第１の投影光学系からの輝度値Ｉll（ｘ，ｙ）、Ｉ12（ｘ，ｙ）、Ｉ13（ｘ，ｙ）、Ｉ14（ｘ，ｙ）を基に得られる位相情報φ（ｘ，ｙ）を用いて高さ情報Ｈ（ｘ，ｙ）を求める。
【００３７】
また、第２の投影光学系で得られた撮像素子上の任意の点（ｘ，ｙ）での輝度値がいずれのシフト状態においても飽和することなく画像が取り込まれ、第１の投影光学系で得られた撮像素子上の任意の点（ｘ，ｙ）での輝度値にはいずれかのシフト状態においてしきい値τを超えるような輝度値が存在するような場合には、図４のテーブルのＣａｓｅ３に示すように、第２の投影光学系からの輝度値Ｉ2l（ｘ，ｙ）、Ｉ22（ｘ，ｙ）、Ｉ23（ｘ，ｙ）、Ｉ24（ｘ，ｙ）を基に得られる位相情報φ（ｘ，ｙ）を用いて高さ情報Ｈ（ｘ，ｙ）を求める。
【００３８】
また、撮像素子上の任意点（ｘ，ｙ）でのいずれかのシフト状態における輝度値がしきい値τを超えるような輝度値が第１及び第２の投影光学系のいずれから得られる輝度値にも含まれているような場合には、図４のテーブルのＣａｓｅ４に示すように、コンピュータ７内部の調光指示部７４を介して図１の光源１，１１の照明光量を下げるようにする。そして、再度、格子パターンで走査を行って、第１、第２の投影光学系について被検査物体の画像を再取得して、図４に示す一連の処理を再度行う。
【００３９】
これらの処理をすべての画素（ｘ，ｙ）に対して行うことで、画像全体にわたり高さ情報Ｈ（ｘ，ｙ）を求めて、物体の表面形状を得ることができる。
【００４０】
本実施形態の３次元形状測定装置によれば、投影方向の異なる２つの格子パターン投影を行うので、投影パターンに死角がなくなり、画像全域に渡り高さ情報を得ることができる。
このとき、２つの投影光学系での画像から２つの高さ情報が得られるが、輝度値のコントラスト成分を比較してコントラストの大きい方の高さ情報（即ちＳ／Ｎの良い方のデータ）を用いて高さ計測を行うようにしたので、高精度な計測を行うことが可能となる。そして、このことは、それぞれの投影光学系に対する死角部分を自動的に判断している（死角部分のコントラストはほとんど発生しない）ことになるので、２つの投影光学系の死角部分を気にする必要なくコンピュータ上で標本の表面形状を演算することが可能となる。
【００４１】
さらに、一方の投影光学系を経て得られる画像において輝度が飽和する部分が存在する場合には、もう一方の投影光学系を経て得られる画像の輝度情報を用いて高さ計測が行われるようにしたので、例えばボールグリッドアレイのような曲面を有する標本の場合は格子パターンの投影方向と観察方向により決まるある特定の傾斜を有する部分で観察系に入射する散乱光量が極端に大きくなるが、この部分での投影方向の異なるもう一方の格子パターン投影により得られる画像の輝度は極端に明るくなってしまうことはなく、この輝度値より高さ計測を行うことが可能となる。
このため、撮像素子での輝度飽和を気にすることなく、測定標本の低散乱部分にも十分な光量を与えられるのでＳ／Ｎのよい画像から高精度な測定を行うことが可能となる。
【００４２】
また、両方の投影光学系の投影光量が明るすぎて測定できない位置がある場合に自動的に再計測を行うための設定を行うようにしたので、測定者が撮像素子の輝度飽和に気付かずに間違った測走結果を算出してしまうことを防止でき、取り扱いが簡単になる。
【００４３】
なお、本実施形態の３次元形状測定装置では、２つの投影光学系を備えた構成について説明したが、３つ以上の投影光学系を備えた構成についても上記と同様にして物体の表面形状を得ることができる。
図５は本発明の第２実施形態にかかる３次元形状測定装置における測定標本の高さ情報を算出する処理の流れ及び処理条件のテーブルを示す説明図である。
本実施形態の３次元形状測定装置は、図１に示した３次元形状測定装置に、更に、１つ以上の投影光学ユニットが設けられている（図示は省略する。なお、以下の説明において図１と同様の構成部分については、図１と同様の符号を引用することとする。）。
【００４４】
本実施形態の場合も、第１実施形態と同様に、複数の投影光学ユニットの夫々について、一方のみを透過又は通過状態とし、その他を遮光状態として、異なる方向から投影された格子パターン像ごとに撮像できるようにする。そして、夫々の投影光学ユニットにおいて位相をシフトした状態での格子パターン像の撮像を３回以上繰り返して、夫々について輝度情報Ｉ（ｘ，ｙ）を得るようになっている。
【００４５】
そして、本実施形態の３次元形状測定装置では、上記式(1)，(2)を用いて高精度な高さ情報を算出することができるように、コンピュータ７内部のメモリ部７１、演算処理部７２、比較部７３、調光指示部７４を介して以下に述べるような所定の制御を行うようになっている。
なお、本実施形態においても、第１実施形態と同様に、格子パターンを位相に換算してπ／２ずつ３段階に走査して第１〜第４の投影光学系を経た夫々の格子パターンごとに、それぞれ４枚の画像を取得して、測定標本の高さ情報を得ている。
【００４６】
第ｎ番目｛ｎ：１，２…ｍ（ｍは本実施形態の３次元形状測定装置に設けられている投影光学ユニットの個数。）｝の投影光学ユニットでの格子パターン走査により撮像素子で得られた４枚の格子パターン画像の輝度値をＩn1（ｘ，ｙ）、Ｉn2（ｘ，ｙ）、Ｉn3（ｘ，ｙ）、Ｉn4（ｘ，ｙ）とする。
これらの輝度値は図１の実施形態と同様に、コンピュータ７内部のメモリ部７１の所定領域に格納される（なお便宜上、輝度値は、混同がない場合には単にＩ（ｘ，ｙ）と表記することとする）。
【００４７】
メモリ部７１には、あらかじめ輝度値のしきい値τが設定されている。このしきい値τは、撮像素子６で得られる画像の輝度値が飽和しないような値に設定される。例えば、２５６階調の輝度値データを取得できる撮像系であればτとしてτ＝２５０のように設定する。
比較部７３では得られた輝度値Ｉ（ｘ，ｙ）としきい値τを比較し、演算処理部７２ではその大小により図５のテーブル部に示すような処理を行う。
【００４８】
例えば、輝度値Ｉll（ｘ，ｙ）、Ｉ12（ｘ，ｙ）、Ｉ13（ｘ，ｙ）、Ｉ14（ｘ，ｙ）、Ｉ21（ｘ，ｙ）、Ｉ22（ｘ，ｙ）、Ｉ23（ｘ，ｙ）、Ｉ24（ｘ，ｙ）、…、Ｉml（ｘ，ｙ）、Ｉm2（ｘ，ｙ）、Ｉm3（ｘ，ｙ）、Ｉm4（ｘ，ｙ）のすべてが、しきい値τを超えていない場合、つまり、第１〜第ｍ番目の投影光学系を経て撮像素子上の任意の点（ｘ，ｙ）において得られた全ての画像の輝度値が飽和することなく画像が取り込まれた場合には、式(1)でのコントラスト成分ｂ（ｘ，ｙ）を第１〜第ｍ番目の投影光学系に対してそれぞれ求め、図５のテーブルのＣａｓｅ１に示すように、求めたコントラスト成分の大小を比較部７３で比較し、演算処理部７２ではコントラスト成分ｂ（ｘ，ｙ）の最も大きい値を持つ投影光学系での輝度値Ｉ（ｘ，ｙ）を基に得られる位相情報φ（ｘ，ｙ）を用いて高さ情報Ｈ（ｘ，ｙ）を求める。
【００４９】
また、所定の投影光学系で得られた撮像素子上の任意の点（ｘ，ｙ）での輝度値がいずれのシフト状態においても飽和することなく画像が取り込まれ、他の投影光学系で得られた撮像素子上の任意の点（ｘ，ｙ）での輝度値にはいずれかのシフト状態においてしきい値τを超えるような輝度値が存在するような場合には、図５のテーブルのＣａｓｅ２に示すように、撮像素子上の任意の点（ｘ，ｙ）での輝度値がすべて飽和することなく画像が取り込まれた投影光学系で得られた輝度値を基に次の処理を行う。
撮像素子上の任意の点（ｘ，ｙ）での輝度値がいずれのシフト状態においても飽和することなく画像が取り込まれた投影光学系が１つのみの場合には、図５のテーブルのＣａｓｅ２に示すように、その投影光学系での輝度値Ｉn（ｘ，ｙ）、Ｉn2（ｘ，ｙ）、Ｉn3（ｘ，ｙ）、Ｉn4（ｘ，ｙ）を基に得られる位相情報φ（ｘ，ｙ）を用いて高さ情報Ｈ（ｘ，ｙ）を求める。
撮像素子上の任意の点（ｘ，ｙ）での輝度値がいずれのシフト状態においても飽和することなく画像が取り込まれた投影光学系が複数存在する場合には、式(1)でのコントラスト成分ｂ（ｘ，ｙ）を当該複数の投影光学系に対してそれぞれ求め、図５のテーブルのＣａｓｅ３に示すように、求めたコントラスト成分の大小を比較部７３で比較し、演算処理部７２はコントラスト成分ｂ（ｘ，ｙ）の最も大きい値を持つ投影光学系での輝度値Ｉ（ｘ，ｙ）を基に得られる位相情報φ（ｘ，ｙ）を用いて高さ情報Ｈ（ｘ，ｙ）を求める。
【００５０】
また、撮像素子上の任意点（ｘ，ｙ）でのいずれかのシフト状態における輝度値がしきい値τを超えるような輝度値が第１〜第ｍ番目の投影光学系のいずれから得られる輝度値にも含まれているような場合には、図５のテーブルのＣａｓｅ４に示すように、コンピュータ７内部の調光指示部７４を介して光源の照明光量を下げるようにする。そして、再度、格子パターンで走査を行って、第１〜第ｍ番目の投影光学系について被検査物体の画像を再取得して、図５に示す一連の処理を再度行う。
【００５１】
これらの処理をすべての画素（ｘ，ｙ）に対して行うことで、画像全体にわたり高さ情報Ｈ（ｘ，ｙ）を求めて、物体の表面形状を得ることができ、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００５２】
なお、上記各実施形態では、比較部７３でコントラスト成分の大小を比較して、高さ測定に用いる投影光学系を決定するようにしたが、上記各実施形態において、比較部７３でバイアス成分の大小を比較し、バイアス成分が最も大きい投影光学系での画像から高さ情報を算出するようにしても良い。バイアス成分ａ（ｘ，ｙ）は式(1)によりコントラスト成分ｂ（ｘ，ｙ）と同様に算出可能な値である。
このように構成すると、３次元形状測定装置に用いる複数の投影光学系の投影条件（例えば光量や投影角度）が大きく異なる場合には、十分な投影光量、即ち、バイアス成分の大きい方の輝度情報を基に高さ情報を演算する方がＳ／Ｎが良いため、高精度な計測が可能となる。
【００５３】
なお、上記各実施形態における調光指示部により調整された光源の光量は、次の被検査物体の測定時に初期値の光量に自動的に再設定されるようにしても良い。あるいは、調光指示部で調整された光量状態がそのまま保持されるようにするとともに、手動で所望の光量に上げることができるようにしても良い。
【００５４】
また、上記各実施形態において、高さ情報Ｈ（ｘ，ｙ）を求めるための輝度値に下限のしきい値を設け、比較部で、その下限のしきい値と投影光学系からの輝度値との大小を比較するようにし、高さ情報Ｈ（ｘ，ｙ）を求める基となる当該投影光学系の輝度値が下限のしきい値を下回るときには、光量が不足しているものと判断し、コンピュータ内部の調光指示部を介して光源の照明光量を所定量上げるようにし、再度、格子パターンで走査を行って、各投影光学系について被検査物体の画像を再取得して、上述のような一連の処理を再度行うようにしてもよい。
【００５５】
また、上記各実施形態の３次元形状測定装置においては、各投影光学ユニットごとに光源及び変調装置を設けた構成としたが、異なる方向から被検査物体上にパターンを投影して、該異なる方向から投影したパターン像を前記結像光学系を介して前記撮像素子に結像させることができるように、前記投影光学系を複数有する構成であれば、どのような構成でも良い。例えば、図６及び図７に示すように１つの光源からの光を光路分割手段を介して、２つの投影光学系の光路に分割し、異なる２つの方向から格子パターンを投影するように構成してもよい。
【００５６】
図６及び図７に示す３次元形状測定装置は、照明側の光路には、ハロゲンランプの光源１と、照明光学系２と、変調装置３と、光路分割素子３４と、ミラー３７（３５，３６）と、フィルタ交換及び遮光装置９（１９）と、投影光学系４（１４）及びハーフミラー３９が配置されている。一方、結像側の光路には、結像光学系５と、フィルタ交換装置１０と、撮像素子６が設けられている。また、ハーフミラー３９と被検査物体Ｓとの間には照明光学系としての機能と結像光学系としての機能を兼ねる対物光学系３８が設けられている。コンピュータ７は、上述した実施形態と同様に、メモリ部７１と、演算処理部７２と、比較部７３と、調光指示部７４を有している。変調装置３、フィルタ交換及び遮光装置９（１９）、撮像素子６、フィルタ交換装置１０、表示装置８は、それぞれケーブルを介してコンピュータ７に電気的に接続されている。
【００５７】
このような構成により、光源１〜変調装置３を経た格子パターンの光は、光路分割素子３４で２つの光路を通るように分割される。一方の光は、ミラー３５を経て、第１のフィルタ交換及び遮光装置９、投影光学系４が配置された光路を通り、他方の光は、ミラー３６，３７を経て、第２のフィルタ交換及び遮光装置１９、投影光学系１４が配置された光路を通る。それぞれの投影光学系４、１４を経た光は、ハーフミラー３９で反射され、対物光学系３８を経て、夫々異なる方向から被検査物体Ｓに格子パターンを投影する。被検査物体Ｓに投影された格子パターンは、対物光学系３８、ハーフミラー３９を透過した後、結像光学系５、フィルタ交換装置１０を経て、撮像素子６の受光面で結像され、受光された画像が、コンピュータ７に取り込まれ、メモリ部７１、処理部７２、比較部７３、調光指示部７４等を介して、上述した実施形態と同様に、高精度な高さ情報が導出される。
【００６３】
【発明の効果】
本発明によれば、測定標本の計測エリアに影を生じることがなく、測定標本の表面形状に影響されず、表面での低散乱部分から高散乱部分まで広い範囲におよび高精度に計測を行うことが可能となる。さらに測定者は撮像素子の輝度が飽和してしまうことを気にする必要が無く取り扱いが簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の３次元形状測定装置の第１実施形態を示す概略構成図である。
【図２】本発明の３次元形状測定装置に用いられる変調装置の一構成例を示す説明図である。
【図３】本発明の３次元形状測定装置に用いられるフィルタ交換及び遮光装置の一構成例を示す説明図である。
【図４】第１実施形態の３次元形状測定装置における測定標本の高さ情報を算出する処理の流れ及び処理条件のテーブルを示す説明図である。
【図５】本発明の第２実施形態にかかる３次元形状測定装置における測定標本の高さ情報を算出する処理の流れ及び処理条件のテーブルを示す説明図である。
【図６】本発明の３次元形状測定装の変形例を示す概略構成図である。
【図７】図６の３次元形状測定装置の底面図である。
【符号の説明】
１，１１ 光源
２，１２ 照明光学系
３，１３ 変調装置
３−１，１３−１ 光学変調素子
３−２，１３−２ 走査手段
４，１４ 投影光学系
５ 結像光学系
６ 撮像素子
７ コンピュータ
８ 表示装置
９，１９ フィルタ交換及び遮光装置
１０ フィルタ交換装置
２０，２１ 投影光学ユニット
３４ 光路分割素子
３５，３６，３７ ミラー
３８ 対物光学系
３９ ハーフミラー
７１ メモリ部
７２ 演算処理部
７３ 比較部
７４ 調光指示部
Ｄ 格子の周期方向に可能な部品
Ｆ 遮光板
Ｍ パルスモータ
Ｏ 開口部
Ｐ 回転軸
Ｒ，Ｇ，Ｂ フィルタ
Ｓ 被検査物体
Ｔ ターレット
Claims (8)
- 光源と、所定のパターンを有する光学変調素子と、前記光学変調素子を所定量移動させて位相をシフトさせる走査手段と、前記光源からの光が前記光学変調素子に照射されることによってできたパターン像を被検査物体上に投影する投影光学系と、前記被検査物体上に投影された前記パターン像を結像する結像光学系と、前記結像光学系により結像され前記被検査物体上に投影された前記パターン像からパターン画像を取得する撮像素子を有し、位相をシフトした状態で取得した複数の前記パターン画像より算出した位相情報を用いて前記被検査物体の高さ情報を求めるパターン投影法による３次元形状測定装置であって、
異なる方向から前記被検査物体上に前記パターン像を投影して、該異なる方向から前記被検査物体上に投影した前記パターン像を前記結像光学系を介して前記撮像素子に結像させることができるように、前記投影光学系を複数有し、
前記投影光学系ごとに複数取得される前記パターン画像を格納するメモリ部と、
前記メモリ部に格納された前記パターン画像の各画素での輝度値と前記光学変調素子の移動量とに基づいて算出される該輝度値のコントラスト成分の大小を所定画素にて比較する比較部と、
前記比較部での比較の結果に基づいて複数の前記投影光学系のうち所定画素での前記輝度値のコントラスト成分が最も大きい前記投影光学系からの前記パターン画像の輝度値を基に前記位相情報を算出し該位相情報を用いて高さ情報を演算する演算部と、
を備えることを特徴とする３次元形状測定装置。 - 光源と、所定のパターンを有する光学変調素子と、前記光学変調素子を所定量移動させて位相をシフトさせる走査手段と、前記光源からの光が前記光学変調素子に照射されることによってできたパターン像を被検査物体上に投影する投影光学系と、前記被検査物体上に投影された前記パターン像を結像する結像光学系と、前記結像光学系により結像され前記被検査物体上に投影された前記パターン像からパターン画像を取得する撮像素子を有し、位相をシフトした状態で取得した複数の前記パターン画像より算出する位相情報を用いて前記被検査物体の高さ情報を求めるパターン投影法による３次元形状測定装置であって、
異なる方向から前記被検査物体上に前記パターン像を投影して、該異なる方向から前記被検査物体上に投影した前記パターン像を前記結像光学系を介して前記撮像素子に結像させることができるように、前記投影光学系を複数有し、
前記撮像素子で取得された前記パターン画像の輝度のしきい値が記憶されている領域と前記投影光学系ごとに複数取得される前記パターン画像を格納する領域とを有するメモリ部と、
前記メモリ部に格納された前記パターン画像の各画素での輝度値と前記しきい値とを比較する比較部と、
前記比較部で前記メモリ部に格納された前記パターン画像の所定画素での輝度値と前記しきい値とを比較し該パターン画像の所定画素での輝度値が前記しきい値を超える投影光学系と該パターン画像の所定画素での輝度値が前記しきい値を超えない前記投影光学系とが存在する場合に前記しきい値を超えない前記投影光学系からの前記パターン画像の輝度値を基に前記位相情報を算出し該位相情報を用いて高さ情報を演算する演算部と、
を備えることを特徴とする３次元形状測定装置。 - 前記メモリ部に格納された前記パターン画像の所定画素での輝度値が前記しきい値を超えない前記投影光学系が１つだけ存在する場合、前記演算部は、該投影光学系からの前記パターン画像の輝度値を基に前記位相情報を算出し該位相情報を用いて高さ情報を演算するように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の３次元形状測定装置。
- 前記メモリ部に格納された前記パターン画像の所定画素での輝度値が前記しきい値を超えない前記投影光学系が複数存在する場合、前記比較部は、更に、該しきい値を超えない前記投影光学系を経て前記撮像素子で取得され前記メモリ部に格納された夫々の前記パターン画像の各画素での輝度値と前記光学変調素子の移動量とに基づいて算出される該輝度値のコントラスト成分の大小を所定画素にて比較し、前記演算部は、前記比較部での比較の結果に基づいて該しきい値を超えない前記投影光学系のうち所定画素での前記輝度値のコントラスト成分が最も大きい前記投影光学系からの前記パターン画像の輝度値を基に前記位相情報を算出し該位相情報を用いて高さ情報を演算するように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の３次元形状測定装置。
- 前記メモリ部に格納された前記パターン画像の所定画素での輝度値が前記しきい値を超えない前記投影光学系が複数存在する場合、前記比較部は、更に、該しきい値を超えない前記投影光学系を経て前記撮像素子で取得され前記メモリ部に格納された夫々の前記パターン画像の各画素での輝度値と前記光学変調素子の移動量とに基いて算出される該輝度値のバイアス成分の大小を所定画素にて比較し、前記演算部は、前記比較部での比較の結果に基づいて該しきい値を超えない前記投影光学系のうち所定画素での前記輝度値のバイアス成分が最も大きい前記投影光学系からの前記パターン画像の輝度値を基に前記位相情報を算出し該位相情報を用いて高さ情報を演算するように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の３次元形状測定装置。
- 前記メモリ部に格納された前記パターン画像の所定画素での輝度値が前記しきい値を超えない前記投影光学系が存在しない場合に、前記比較部での比較結果を基に夫々の前記投影光学系の明るさの調光指示を行う調光指示部を備えることを特徴とする請求項２乃至請求項５のいずれか１項に記載の３次元形状測定装置。
- 前記メモリ部に記憶されているしきい値は、前記パターン画像の輝度が飽和しない値であることを特徴とする請求項２乃至６のいずれか１項に記載の３次元測定装置。
- 光源と、所定のパターンを有する光学変調素子と、前記光学変調素子を所定量移動させて位相をシフトさせる走査手段と、前記光源からの光が前記光学変調素子に照射されることによってできたパターン像を被検査物体上に投影する投影光学系と、前記被検査物体上に投影された前記パターン像を結像する結像光学系と、前記結像光学系により結像され前記被検査物体上に投影された前記パターン像からパターン画像を取得する撮像素子を有し、位相をシフトした状態で取得した複数の前記パターン画像より算出した位相情報を用いて前記被検査物体の高さ情報を求めるパターン投影法による３次元形状測定装置であって、
異なる方向から前記被検査物体上に前記パターン像を投影して、該異なる方向から前記被検査物体上に投影した前記パターン像を前記結像光学系を介して前記撮像素子に結像させることができるように、前記投影光学系を複数有し、
前記投影光学系ごとに複数取得される前記パターン画像を格納するメモリ部と、
前記メモリ部に格納された前記パターン画像の各画素での輝度値と前記光学変調素子の移動量とに基づいて算出される該輝度値のバイアス成分の大小を所定画素にて比較する比較部と、
前記比較部での比較の結果に基づいて複数の前記投影光学系のうち所定画素での前記輝度値のバイアス成分が最も大きい前記投影光学系からの前記パターン画像の輝度値を基に前記位相情報を算出し該位相情報を用いて高さ情報を演算する演算部と、
を備えることを特徴とする３次元形状測定装置。
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