JP5825254B2 - 形状測定装置及び形状測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、位相シフト法によるパターン投影型の形状測定装置及び形状測定方法に関する。

測定対象物の面形状（三次元形状）を非接触で測定する手法として、位相シフト法によるパターン投影型の三次元形状測定装置が知られている。この三次元形状測定装置では、正弦波状の強度分布を持つ縞パターンを測定対象物上に投影し、その縞パターンの位相を一定ピッチで変化させながら測定対象物を繰り返し撮像し、それによって得られた複数枚の画像（輝度変化データ）を所定の演算式に当てはめることで、測定対象物の面形状に応じて変形した縞の位相分布（位相画像）を求め、その位相画像をアンラップ（位相接続）してから、測定対象物の高さ分布（高さ画像）に換算する。

因みに、特許文献１に開示の三次元形状測定装置は、飽和画素に起因した測定誤差を防ぐために、投影光量の異なる２通りの撮像条件下で輝度変化データを取得し、２通りの輝度変化データのコントラスト値を画素毎に評価し、コントラスト値の低かった輝度変化データを、演算対象から外している。

特開平２００５−２１４６５３号公報

しかしながら、コントラスト値の高い輝度変化データの中にも、位相分布（位相画像）の演算に適さない、不適切な輝度変化データが混在している可能性のあることが判明した。

そこで本発明は、不適切な輝度データが測定結果に与える影響を確実に抑えることのできる形状測定装置及び形状測定方法を提供することを目的とする。

本発明の形状測定装置の一態様は、共通の繰り返し構造を有し、かつ位相の異なる複数種類のパターンを測定対象物上へ順次に投影する投影部と、前記複数種類のパターンの各々が前記測定対象物へ投影される毎に前記測定対象物を撮像して画像データセットを取得する撮像部と、測定条件を変化させて複数通りの露光量で前記画像データセットを取得させることにより複数組の前記画像データセットを取得する制御部と、取得された前記画像データセットの中から、前記測定対象物上の同一領域に関するデータセットであって、セット内の全データが有効輝度範囲内に収まっているものを、適正データセットとして選出する選出部と、選出された前記適正データセットに基づき、前記測定対象物において前記適正データの取得元となった領域の形状を求める形状算出部とを備え、前記選出部は、前記複数組の前記画像データセットのうち、前記撮像部の入出力特性が線形となる前記有効輝度範囲内に輝度値が収まっているデータセットを、前記適正データセットとして選出する。

本発明の形状測定方法の一態様は、共通の繰り返し構造を有し、かつ位相の異なる複数種類のパターンを測定対象物上へ順次に投影する投影手順と、前記複数種類のパターンの各々が前記測定対象物へ投影される毎に前記測定対象物を撮像して画像データセットを取得する撮像手順と、測定条件を変化させて複数通りの露光量で前記画像データセットを取得させることにより複数組の前記画像データセットを取得する制御手順と、前記測定対象物上の同一領域に関するデータセットであって、セット内の全データが有効輝度範囲内に収まっているものを、適正データセットとして選出する選出手順と、選出された前記適正データセットに基づき、前記測定対象物において前記適正データの取得元となった領域の形状を求める形状算出手順とを含み、前記選出手順では、前記複数組の前記画像データセットのうち、前記撮像手順での入出力特性が線形となる前記有効輝度範囲内に輝度値が収まっているデータセットを、前記適正データセットとして選出する。

本発明によれば、不適切な輝度データが測定結果に与える影響を確実に抑えることのできる形状測定装置及び形状測定方法が実現する。

三次元形状測定装置の斜視図 三次元形状測定装置の全体構成図 測定に関するＣＰＵ１５（及び制御部１０１）の動作フローチャート 解析に関するＣＰＵ１５の動作フローチャート 第１実施形態の解析の流れを説明する図 有効輝度範囲を説明する図 アンラップ後の位相画像ψ_ｋの例 高さ分布Ｚ_ｋの例 第２実施形態の解析に関するＣＰＵ１５の動作フローチャート 第２実施形態の解析の流れを説明する図 シャッター速度と輝度値との関係を示す特性カーブ 図１１の横軸（シャッター速度）を対数目盛で表したもの

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態として三次元形状測定装置を説明する。

図１は、本実施形態の三次元形状測定装置の機械的構成を示す斜視図である。図１に示すとおり三次元形状測定装置は、工業製品又は部品などの測定対象物１１を載置するステージ１２と、互いに固定された投影部１３及び撮像部１４とを備える。投影部１３の光軸と撮像部１４の光軸との間には角度がつけられており、両者の光軸は、ステージ１２の基準面上で交差している。このうち撮像部１４の光軸はステージ１２の基準面に対して垂直である。なお、撮像部１４の光軸を垂直にする代わりに投影部１３の光軸を垂直にすることも可能であるが、ここでは撮像部１４の光軸の方が垂直であると仮定する。

ステージ１２は、撮像部１４の光軸と平行な軸の周りに測定対象物１１を回転させるθステージ１２θと、撮像部１４の光軸と垂直な所定方向（Ｘ方向）に向けて測定対象物１１をシフトさせるＸステージ１２Ｘと、θステージ１２θの回転軸とＸ方向との双方に対して垂直な所定方向（Ｙ方向）に向けて測定対象物１１をシフトさせるＹステージ１２Ｙとを備える。

投影部１３は、ステージ１２上の一部の領域（照明領域）を、撮像部１４の光軸に対して斜め方向から照明する光学系であって、照明素子２２と、パターン形成部２３と、投影光学系２４とをこの順で配置している。なお、本実施形態の測定対象物１１のサイズは、投影部１３の照明領域内に測定対象物１１の全体が収まる程度に小さいものと仮定する。

投影部１３のパターン形成部２３は、透過率分布が可変のパネル（液晶表示素子など）であり、そのパネルへ縞模様パターン（正弦格子パターン）を表示することにより、投影部１３から照明領域へ向かう照明光束の断面強度分布を正弦波状とする。パターン形成部２３に表示される正弦格子パターンの格子状の明暗の繰り返し方向は、投影部１３の光軸と撮像部１４の光軸との双方が存在している面に対して垂直である。また、パターン形成部２３の表示面上の中央近傍に位置する基準点は、撮像部１４の光軸と投影部１３の光軸との交差点に対して、光学的に共役であり、これによって正弦格子パターンの投影先は、ステージ１２の照明領域内に配置された測定対象物１１の表面（以下、「被検面」と称す。）に設定されている。なお、被検面上に正弦格子パターンを投影できるのであれば、パターン形成部２３の基準点とステージ１２の基準点とが完全な共役関係になっていなくとも構わない。

撮像部１４は、ステージ１２上の照明領域の像（輝度分布）を検出する光学系であって、その照明領域で発生した反射光を結像する結像光学系２５と、結像光学系２５が結像した像を撮像して画像を取得する撮像素子２６とが順に配置される。撮像素子２６の撮像面上の中央近傍に位置する基準点は、撮像部１４の光軸と投影部１３の光軸との交差点に対して光学的に共役であり、撮像素子２６は、ステージ１２のうえで、投影部１３による照明領域内に配置された測定対象物１１の画像（被検面の画像）を取得することができる。なお、被検面の画像を十分なコントラストで取得することができるのであれば、撮像部１４の光軸と投影部１３の光軸との交差点と、撮像素子２６の基準点とが完全な共役関係になっていなくとも構わない。

ここで、投影部１３の光源（図２の符号２１）をオンし、この状態で撮像素子２６を駆動すると、正弦格子パターンの投影された被検面の画像（＝被検面の面形状情報を含んだ画像）を取得することができる。以下、この画像を「縞画像」と称す。さらに、正弦格子パターンの周期は変えずに、正弦格子パターンの位相をシフトさせながら縞画像の取得を繰り返せば、被検面の面形状データＤを既知とするための情報が揃う。

なお、被検面は、反射率の高い材質、例えば金属からなり、傾斜角度の異なる様々な部分を含む場合がある。この場合、被検面を撮像部１４の側から見ると、その被検面には、極端に明るい部分と極端に暗い部分とが混在することになる。極端に明るい部分は、投影部１３の側から入射した照明光の大部分（主に正反射光）を撮像部１４の方向へ向けて反射するような傾斜角度を有した部分であって、極端に暗い部分は、投影部１３の側から照射された照明光の大部分（主に正反射光）を撮像部１４から外れた方向へ向けて反射するような傾斜角度を有した部分である。

図２は、三次元形状測定装置の全体構成図である。図２において図１に示した要素と同じものには同じ符号を付した。図２に示すとおり投影部１３には、投影部１３の光源であるメイン光源２１が連結されている。このメイン光源２１は、パターン投影型の面形状測定に使用されるものなので、例えば、ＬＥＤ、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、レーザ光源などの一般的な光源を適用することができる。メイン光源２１から射出した光は、光ファイバ２１’を介して照明素子２２に導入される。なお、ここでは光ファイバ２１’を使用した例を示すが、光ファイバを使用せずにＬＥＤなどの小型光源を図１の符号２２で示した位置へ配置してもよい。

このメイン光源２１と、投影部１３のパターン形成部２３と、撮像部１４の撮像素子２６とは、それぞれコンピュータ１００の制御部１０１に接続されている。

制御部１０１は、メイン光源２１をオン／オフするタイミング、メイン光源２１の発光強度、パターン形成部２３に表示される正弦格子パターンの位相、撮像素子２６による画像の取得タイミング、撮像素子２６による画像取得時の電荷蓄積時間（以下、「シャッター速度」と称す。）、ステージ１２の座標などを制御する。なお、制御部１０１は、パターン形成部２３に表示されるパターンを、一様なパターンに設定することもできる。

コンピュータ１００には、制御部１０１の他に、三次元形状測定装置の全体を統括するＣＰＵ１５と、記憶部１６と、モニタ１７と、入力部１８とが備えられる。記憶部１６には、ＣＰＵ１５の動作プログラムが予め格納されており、ＣＰＵ１５は、その動作プログラムに従って動作する。例えば、ＣＰＵ１５は、制御部１０１に対して各種の指示を与えることにより三次元形状測定装置の各部を駆動制御する。なお、記憶部１６には、上述した動作プログラムの他に、ＣＰＵ１５の動作に必要な各種の情報も予め格納されている。

図３は、測定に関するＣＰＵ１５（及び制御部１０１）の動作フローチャートである。以下、図３の各ステップを順に説明する。なお、このフローの開始時点では、ステージ１２の座標は、適切な座標に調整済みであるとする。

ステップＳ１０：ＣＰＵ１５は、前測定を実施するよう制御部１０１へ指示する。制御部１０１は、三次元形状測定装置の各部を駆動して前測定を実施する。前測定において、制御部１０は、パターン形成部２３に表示するパターンを、一様な明るいパターン（正弦格子パターンの明部と同じ明るさの一様なパターン）に設定し、撮像素子２６を、様々なシャッター速度の下で繰り返し駆動する。このような前測定で取得された複数の画像は、被検面から撮像部１４に到達する光量のばらつきを示す情報としてＣＰＵ１５へ送られる。ＣＰＵ１５は、後述する決定方法によりｋ_ｍａｘ通りの測定条件を決定すると、それらｋ_ｍａｘ通りの測定条件の情報と、本測定の開始指示とを制御部１０１へ与える。

ここで、ｋ_ｍａｘ通りの測定条件の間では、シャッター速度以外のパラメータは共通であり、条件番号ｋの小さい測定条件ほどシャッター速度は大きく（露光量は大きく）設定されるものとする。また、条件番号ｋの最終値ｋ_ｍａｘは、本装置のユーザ又は本装置の製造者によって予め設定され、ここでは「６」に設定されたと仮定する。以下、条件番号がｋである測定条件のシャッター速度を「ＳＳ（ｋ）」と表す。

ステップＳ１１：制御部１０１は、条件番号ｋを初期値１に設定する。

ステップＳ１２：制御部１０１は、撮像素子２６のシャッター速度を、現在の条件番号ｋに対応したシャッター速度ＳＳ（ｋ）に設定する。

ステップＳ１３：制御部１０１は、画像番号ｍを初期値１に設定する。

ステップＳ１４：制御部１０１は、正弦格子パターンの位相シフト量を、現在の画像番号ｍに対応したシフト量（ｍ−１）π／２に設定する。

ステップＳ１５：制御部１０１は、光源装置２１をＯＮすることにより、位相シフト量が（ｍ−１）π／２である正弦格子パターンを測定対象物１１へ投影すると、現在のシャッター速度ＳＳ（ｋ）で撮像素子２６を駆動して縞画像Ｉ_ｋｍを取得する。取得された縞画像Ｉ_ｋｍは、ＣＰＵ１５を経由して記憶部１６へ書き込まれる。

ステップＳ１６：制御部１０１は、現在の画像番号ｍが最終値ｍ_ｍａｘに達したか否かを判別し、達していなければステップＳ１７へ移行し、達していればステップＳ１８へ移行する。なお、ここでは後述する位相算出に４バケット法が適用されることを想定し、画像番号ｍの最終値ｍ_ｍａｘは「４」に設定されたと仮定する。

ステップＳ１７：制御部１０１は、画像番号ｍをインクリメントしてからステップＳ１４へ戻る。よって、ステップＳ１４〜Ｓ１７のループは繰り返され、トータルで４枚の縞画像（縞画像セットＩ_ｋ１〜Ｉ_ｋ４）が取得される。

ステップＳ１８：制御部１０１は、現在の条件番号ｋが最終値ｋ_ｍａｘに達したか否かを判別し、達していなければステップＳ１９へ移行し、達していればフローを終了する。

ステップＳ１９：制御部１０１は、条件番号ｋをインクリメントしてからステップＳ１２へ戻る。よって、ステップＳ１２〜Ｓ１９のループは繰り返され、トータルで６つの縞画像セットＩ_１１〜Ｉ_１４、Ｉ_２１〜Ｉ_２４、Ｉ_３１〜Ｉ_３４、Ｉ_４１〜Ｉ_４４、Ｉ_５１〜Ｉ_５４、Ｉ_６１〜Ｉ_６４が取得される（図５（Ａ）参照。）。

図４は、解析に関するＣＰＵ１５の動作フローチャートである。以下、図４の各ステップを順に説明する。なお、フローの開始時点では、６つの縞画像セットＩ_１１〜Ｉ_１４、Ｉ_２１〜Ｉ_２４、Ｉ_３１〜Ｉ_３４、Ｉ_４１〜Ｉ_４４、Ｉ_５１〜Ｉ_５４、Ｉ_６１〜Ｉ_６４（図５（Ａ）参照。）は既に記憶部１６へ格納済みとする。

ステップＳ２１：ＣＰＵ１５は、条件番号ｋを初期値１に設定する。

ステップＳ２２：ＣＰＵ１５は、画素番号ｉを初期値１に設定する。

ステップＳ２３：ＣＰＵ１５は、現在の条件番号ｋに対応する縞画像セットＩ_ｋ１〜Ｉ_ｋ４のうち、現在の画素番号ｉに対応する画素セット（輝度値セットＩ_ｋ１ｉ〜Ｉ_ｋ４ｉ）を参照する。そして、ＣＰＵ１５は、その輝度値セットＩ_ｋ１ｉ〜Ｉ_ｋ４ｉを４バケット法の式（１）に当てはめることにより初期位相φ_ｋｉを算出する。さらに、ＣＰＵ１５は、その初期位相φ_ｋｉの値を、現在の条件番号ｋに対応する暫定位相画像φ_ｋ（図５（Ｂ）参照）のｉ番目の画素φ_ｋｉの値として記憶部１６へ書き込む。

ステップＳ２４：ＣＰＵ１５は、現在の画素番号ｉが最終値ｉ_ｍａｘに達したか否かを判別し、達していなければステップＳ２５へ移行し、達していればステップＳ２６へ移行する。なお、画素番号ｉの最終値ｉ_ｍａｘは、撮像素子２６の画素数相当に設定される。

ステップＳ２５：ＣＰＵ１５は、画素番号ｉをインクリメントしてからステップＳ２３へ戻る。よって、ステップＳ２３〜Ｓ２５のループは繰り返され、現在の条件番号ｋに対応する暫定位相画像φ_ｋ（図５（Ｂ）参照）の全画素が取得される。

ステップＳ２６：ＣＰＵ１５は、現在の条件番号ｋが最終値ｋ_ｍａｘ（ここでは６）に達したか否かを判別し、達していなければステップＳ２７へ移行し、達していればステップＳ２８へ移行する。

ステップＳ２７：ＣＰＵ１５は、条件番号ｋをインクリメントしてからステップＳ２２へ戻る。よって、ステップＳ２２〜Ｓ２７のループは繰り返され、トータルで６つの暫定位相画像φ_１、φ_２、φ_３、φ_４、φ_５、φ_６（図５（Ｂ）参照。）が取得される。

ステップＳ２８：ＣＰＵ１５は、画素番号ｉを初期値１に設定する。

ステップＳ２９：ＣＰＵ１５は、条件番号ｋを初期値１に設定する。

ステップＳ３０：ＣＰＵ１５は、現在の条件番号ｋに対応する暫定位相画像φ_ｋのうち、現在の画素番号ｉに対応する画素（初期位相φ_ｋｉ）が、信頼性を有しているか否かを判別し、信頼性を有していなかった場合はステップＳ３１へ移行し、信頼性を有していた場合はステップＳ３２へ移行する。

ここで、初期位相φ_ｋｉが信頼性を有しているか否かは、初期位相φ_ｋｉの算出元となった輝度値セット（輝度値セットＩ_ｋ１ｉ〜Ｉ_ｋ４ｉ）が適正であったか否か、すなわち、輝度値セットＩ_ｋ１ｉ〜Ｉ_ｋ４ｉの全てが有効輝度範囲に収まっていたか否かによって判別される。

また、有効輝度範囲は、図６に示すとおり、撮像素子１６の全出力範囲（全輝度範囲Ｉ_ｍｉｎ〜Ｉ_ｍａｘ）のうち、撮像素子１６の入出力特性が線形となるような輝度範囲Ｉ_ｍｉｎ’〜Ｉ_ｍａｘ’のことである。この有効輝度範囲は、本装置の製造者が予め測定し、前述した動作プログラムと共に記憶部１６へ予め書き込んだものである。

ステップＳ３１：ＣＰＵ１５は、条件番号ｋをインクリメントしてからステップＳ３０へ戻る。よって、ステップＳ３０、Ｓ３１のループは、信頼性を有した画素（初期位相φ_ｋｉ）が見つかるまで繰り返される。

ステップＳ３２：ＣＰＵ１５は、ステップＳ３０で信頼性有りと判別された初期位相φ_ｋｉの値を、確定位相画像φ（図５（Ｃ）参照）のｉ番目の画素φ_ｉの値として記憶部１６へ書き込む。

ステップＳ３３：ＣＰＵ１５は、現在の画素番号ｉが最終値ｉ_ｍａｘに達したか否かを判別し、達していなければステップＳ３４へ移行し、達していればステップＳ３５へ移行する。

ステップＳ３４：ＣＰＵ１５は、画素番号ｉをインクリメントしてからステップＳ２９へ戻る。よって、ステップＳ２９〜Ｓ３４のループは繰り返され、確定位相画像φ（図５（Ｃ）参照）の全画素が取得される。

ステップＳ３５：ＣＰＵ１５は、確定位相画像φを記憶部１６から読み出し、その確定位相画像φにオフセット分布Δを加算するアンラップ処理（位相接続）を行い、アンラップ後の位相画像ψ（図７参照）を取得する（なお、オフセット分布Δは、別途測定され記憶部１６へ予め格納されたもの、或いは、位相飛び検出により自動で設定されたものである。）。さらに、ＣＰＵ１５は、アンラップ後の位相画像ψ（図７参照）を、被検面の高さ分布Ｚ（Ｘ，Ｙ）（図８参照）に換算してからモニタ１７上に表示する。また、ＣＰＵ１５は、必要に応じて高さ分布Ｚ（Ｘ，Ｙ）を記憶部１６へ保存し、フローを終了する（以上、図４の説明）。

以上、本実施形態の測定装置は、シャッター速度を変化させながら、各画素の輝度変化データ（輝度値セットＩ_ｋ１ｉ〜Ｉ_ｋ４ｉ）の取得を６回繰り返し（ステップＳ１１〜Ｓ１９）、６つの輝度値セットＩ_１１ｉ〜Ｉ_１４ｉ、Ｉ_２１ｉ〜Ｉ_２４ｉ、Ｉ_３１ｉ〜Ｉ_３４ｉ、Ｉ_４１ｉ〜Ｉ_４４ｉ、Ｉ_５１ｉ〜Ｉ_５４ｉ、Ｉ_６１ｉ〜Ｉ_６４ｉを取得する。そして、６つの輝度値セットＩ_１１ｉ〜Ｉ_１４ｉ、Ｉ_２１ｉ〜Ｉ_２４ｉ、Ｉ_３１ｉ〜Ｉ_３４ｉ、Ｉ_４１ｉ〜Ｉ_４４ｉ、Ｉ_５１ｉ〜Ｉ_５４ｉ、Ｉ_６１ｉ〜Ｉ_６４ｉの中から適正な輝度値セットを選出して高さ分布Ｚ（Ｘ，Ｙ）を算出する（ステップＳ２８〜Ｓ３５）。

したがって、本実施形態の測定装置は、被検面に極端に明るい部分と極端に暗い部分とが混在していたとしても、測定を高精度に行うことができる。

しかも、本実施形態の測定装置は、撮像素子２６の入出力特性が線形となる出力範囲である有効輝度範囲（図６参照）を予め記憶しており、その選出では、６つの輝度値セットＩ_１１ｉ〜Ｉ_１４ｉ、Ｉ_２１ｉ〜Ｉ_２４ｉ、Ｉ_３１ｉ〜Ｉ_３４ｉ、Ｉ_４１ｉ〜Ｉ_４４ｉ、Ｉ_５１ｉ〜Ｉ_５４ｉ、Ｉ_６１ｉ〜Ｉ_６４ｉのうち有効輝度範囲内に収まっている輝度値セットを、適正な輝度値セットとみなす。

ここで、４バケット法（式（１））などの一般的な位相演算式は、位相シフト中の各バケットの関係を利用するものなので、各バケットの関係が不正確だと、演算誤差が著しく大きくなる虞がある。

しかし、本実施形態で適正とみなされる輝度値セットは、図６に示した有効輝度範囲内（入出力特性が線形な範囲内）に収まった輝度値セットなので、位相シフト中の各バケットの関係を正確に反映している。

したがって、本実施形態の測定装置によれば、位相演算の精度を確実に高めることができる。

また、本実施形態の測定装置は、適正か否かの判別を、シャッター速度の大きい（露光量の大きい）輝度値セットから順次に行い、仮に、適正な輝度値セットが複数存在した場合には、それら複数の輝度値セットの中でシャッター速度の最も大きい（露光量の大きい）ものが選出されるようにしている。

したがって、本実施形態の測定装置によれば、ＳＮ比の良好な輝度値セットが優先的に使用されることになり、位相演算の精度がより高まる。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態を説明する。ここでは、第１実施形態との相違点のみを説明する。第１実施形態との相違点は、解析に関するＣＰＵ１５の動作にある。

図９は、第２実施形態の解析に関するＣＰＵ１５の動作フローチャートである。以下、図９の各ステップを順に説明する。なお、フローの開始時点では、６つの縞画像セットＩ_１１〜Ｉ_１４、Ｉ_２１〜Ｉ_２４、Ｉ_３１〜Ｉ_３４、Ｉ_４１〜Ｉ_４４、Ｉ_５１〜Ｉ_５４、Ｉ_６１〜Ｉ_６４（図１０（Ａ）参照。）は既に記憶部１６へ格納済みとする。

ステップＳ４１：ＣＰＵ１５は、画素番号ｉを初期値１に設定する。

ステップＳ４２：ＣＰＵ１５は、条件番号ｋを初期値１に設定する。

ステップＳ４３：ＣＰＵ１５は、現在の条件番号ｋに対応する縞画像セットＩ_ｋ１〜Ｉ_ｋ４のうち、現在の画素番号ｉに対応する画素セット（輝度値セットＩ_ｋ１ｉ〜Ｉ_ｋ４ｉ）を参照する。それらの輝度値セットＩ_ｋ１ｉ〜Ｉ_ｋ４ｉが適正か否かを判別し、適正でなかった場合はステップＳ４４へ移行し、適正であった場合はステップＳ４５へ移行する。

ここで、輝度値セットＩ_ｋ１ｉ〜Ｉ_ｋ４ｉが適正であるか否かは輝度値セットＩ_ｋ１ｉ〜Ｉ_ｋ４ｉの全てが有効輝度範囲内に収まっているか否かによって判別される。この有効輝度範囲は、上述したステップＳ３０で使用したものと同じであり、本装置の製造者が予め測定し、前述した動作プログラムと共に記憶部１６へ予め書き込んだものである。

ステップＳ４４：ＣＰＵ１５は、条件番号ｋをインクリメントしてからステップＳ４３へ戻る。よって、ステップＳ４３〜Ｓ４４のループは、適正な輝度値セットが見つかるまで繰り返される。

ステップＳ４５：ＣＰＵ１５は、ステップＳ４３で適正と判別された輝度値セットＩ_ｋ１ｉ〜Ｉ_ｋ４ｉを４バケット法の式（１）に当てはめることにより初期位相φ_ｋｉを算出する。そして、ＣＰＵ１５は、その初期位相φ_ｋｉの値を、確定位相画像φ（図１０（Ｂ）参照）のｉ番目の画素φ_ｉの値として記憶部１６へ書き込む。

ステップＳ４６：ＣＰＵ１５は、現在の画素番号ｉが最終値ｉ_ｍａｘに達したか否かを判別し、達していなければステップＳ４７へ移行し、達していればステップＳ４８へ移行する。なお、画素番号ｉの最終値ｉ_ｍａｘは、撮像素子２６の画素数相当に設定される。

ステップＳ４７：ＣＰＵ１５は、画素番号ｉをインクリメントしてからステップＳ４２へ戻る。よって、ステップＳ４２〜Ｓ４７のループは繰り返され、確定位相画像φ（図１０（Ｂ）参照）の全画素が取得される。

ステップＳ４８：ＣＰＵ１５は、確定位相画像φを記憶部１６から読み出し、その確定位相画像φにオフセット分布Δを加算するアンラップ処理（位相接続）を行い、アンラップ後の位相画像ψ（図７参照）を取得する（なお、オフセット分布Δは、別途測定され記憶部１６へ予め格納されたもの、或いは、位相飛び検出により自動で設定されたものである。）。さらに、ＣＰＵ１５は、アンラップ後の位相画像ψ（図７参照）を、被検面の高さ分布Ｚ（Ｘ，Ｙ）（図８参照）に換算してからモニタ１７上に表示する。また、ＣＰＵ１５は、必要に応じて高さ分布Ｚ（Ｘ，Ｙ）を記憶部１６へ保存し、フローを終了する（以上、図９の説明）。

以上、本実施形態の測定装置も、撮像素子２６の入出力特性が線形となる出力範囲である有効輝度範囲（図６参照）を予め記憶しており、６つの輝度値セットＩ_１１ｉ〜Ｉ_１４ｉ、Ｉ_２１ｉ〜Ｉ_２４ｉ、Ｉ_３１ｉ〜Ｉ_３４ｉ、Ｉ_４１ｉ〜Ｉ_４４ｉ、Ｉ_５１ｉ〜Ｉ_５４ｉ、Ｉ_６１ｉ〜Ｉ_６４ｉのうち有効輝度範囲内に収まっている輝度値セットを適正な輝度値セットとして選出する。

したがって、本実施形態の測定装置によれば、位相演算の精度を確実に高めることができる。

しかも、本実施形態の測定装置は、暫定位相画像を取得せずに輝度値セットの選出を済ませてから確定位相画像を作成するので、位相演算の対象を、選出された輝度値セットのみとすることができるので、位相演算に要する演算負荷を大幅に削減することができる。

［測定条件の決定方法］
以下、上述したｋ_ｍａｘ通りの測定条件（ここではｋ_ｍａｘ通りのシャッター速度）の決定方法を説明する。

図１１は、シャッター速度と輝度値との関係を示す特性カーブである。なお、図１１に示すデータは、測定対象物１１と撮像素子２６との組み合わせに固有のデータであって、例えば、上述の前測定などで取得されたデータである。

図１１に示した複数の特性カーブは、被検面上で互いに明るさの異なる部分に対応する画素に関する特性カーブである。図１１に示すとおり、通常は、被検面上で明るい部分に対応する画素（明るい画素）ほど、特性カーブの勾配が大きくなる。図１１において勾配の最も小さな特性カーブが、被検面上で最も暗い部分に対応する画素（最も暗い画素）の特性カーブであり、勾配の最も大きな特性カーブが、被検面上で最も明るい部分に対応する画素（最も明るい画素）の特性カーブである。

なお、ここでは、分かりやすくするために、有効輝度範囲を、５０〜２００の狭い輝度範囲と仮定し、この有効輝度範囲内の輝度値を出力する画素を「有効画素」と称し、この有効輝度範囲外の輝度値を出力する画素を「無効画素」と称す。

先ず、シャッター速度の変化範囲の設定方法を説明する。

シャッター速度の変化範囲の上限値ＳＳ_ｍａｘは、シャッター速度がＳＳ_ｍａｘであるときに最も暗い画素が有効画素となるような値（最も暗い画素の特性カーブが楕円枠内に入るような値）に設定される。ここでは、図１１に示すとおり、上限値Ｓ_ｍａｘは、１００ｍｓに設定されたとする。

一方、シャッター速度の変化範囲の下限値ＳＳ_ｍｉｎは、シャッター速度がＳＳ_ｍｉｎであるときに最も明るい画素が有効画素となるような値（最も明るい画素の特性カーブが点線枠内に入るような値）に設定される。ここでは、図１１に示すとおり、下限値_ｍｉｎは、１ｍｓに設定されたとする。

次に、シャッター速度の変化ピッチΔの設定方法を説明する。

仮に、変化ピッチΔを一定にする場合は、式（２）のとおり設定すればよい。

よって、ＳＳ_ｍａｘ＝１００ｍｓ、ＳＳ_ｍｉｎ＝１ｍｓの場合は、Δ＝１９．８ｍｓとなる。

そして、ｋ番目のシャッター速度ＳＳ（ｋ）は、式（３）のとおり設定すればよい。

よって、ＳＳ_ｍａｘ＝１００ｍｓ、ＳＳ_ｍｉｎ＝１ｍｓ、Δ＝１９．８ｍｓの場合は、図１１に示すとおり、ＳＳ（１）＝１００ｍｓ、ＳＳ（２）＝８０．２、ＳＳ（３）＝６０．４、ＳＳ（４）＝４０．６、ＳＳ（５）＝２０．８ｍｓ、ＳＳ（６）＝１ｍｓとなる。

したがって、シャッター速度をＳＳ（０）からＳＳ（６）に向けて１段階ずつ切り替えていくと、最初に有効画素となる画素は（楕円枠内に特性カーブが入る画素は）、比較的暗い画素のみであるが、徐々に明るい画素が有効画素になり始め、最終的には、極めて明るい画素のみが有効画素となる。

しかしながら、このように変化ピッチΔが一定であると、シャッター速度がどの段階に設定されたとしても有効画素となり得ない画素（特性カーブが何れの楕円枠にも入らない画素）の発生する可能性がある。具体的に、比較的明るい画素は特性カーブの勾配が大きいため、比較的明るい画素の中には、シャッター速度を例えばＳＳ（５）からＳＳ（６）へと切り替えたときに、切り替え前後の何れにおいても有効画素となり得ない画素（特性カーブが楕円枠に入り得ない画素）が存在している（図１１の※印を参照）。

そこで、本実施形態では、シャッター速度の変化ピッチΔを一定にするのではなく、シャッター速度の変化ピッチΔを、シャッター速度が小さいときほど細かく設定することが望ましい。これを実現するには、例えば、シャッター速度の変化ピッチΔを一定にする代わりに、シャッター速度の対数目盛上の変化ピッチΔ’を一定にするとよい。

図１２は、図１１の横軸（シャッター速度）を対数目盛で表したものである。本実施形態では、シャッター速度ＳＳ（０）〜ＳＳ（６）を、この対数目盛上で均等に設定する。

その場合、シャッター速度の対数目盛上の変化ピッチΔ’を、式（４）のとおり設定すればよい。

よって、ＳＳ_ｍａｘ＝１００ｍｓ、ＳＳ_ｍｉｎ＝１ｍｓの場合は、Δ’≒０．４となる。

そして、ｋ番目のシャッター速度ＳＳ（ｋ）は、式（５）のとおり設定すればよい。

よって、ＳＳ_ｍａｘ＝１００ｍｓ、ＳＳ_ｍｉｎ＝１ｍｓ、Δ’≒０．４の場合は、ＳＳ（１）＝１００ｍｓ、ＳＳ（２）≒３９．８ｍｓ、ＳＳ（３）≒１５．８ｍｓ、ＳＳ（４）≒６．３ｍｓ、ＳＳ（５）≒２．５ｍｓ、ＳＳ（６）＝１ｍｓとなる。

このようにすれば、シャッター速度の変化ピッチΔは、シャッター速度が小さいときほど細かく設定される。この場合、有効画素となり得ない画素（図１１の※印）の個数を減らすことができる。因みに、図１２の例では、有効画素となり得ない画素の個数は、ゼロとなっている。

なお、ここでは対数の底の値を「１０」としたが、別の値に設定してもよいことは言うまでもない。

［実施形態への補足］
なお、上記実施形態では、ｋ_ｍａｘ通りの測定条件の間の露光量に差異を設けるために、撮像素子２６のシャッター速度を変更したが、光源から撮像素子までの何れかの光路に配置された絞り（開口絞り）の絞り値を変更してもよい。或いは、投影部１３の光源パワーを変更してもよい。或いは、光源から撮像素子までの何れかの光路の透過率を変更してもよい（その場合は、透過率の異なる複数のフィルタを装着し、それらのフィルタのうち１つを選択的に光路へ挿入可能な機構を使用するとよい。）。

また、上記実施形態の位相シフト法には、初期位相の算出に必要な縞画像の数が４である４バケット法が適用されたが、その数が３である３バケット法、その数が７である７バケット法など、他の位相シフト法が適用されてもよい。

また、上記実施形態では、複数通りの露光量で複数組みの縞画像セットを取得し、それら複数組みの縞画像セットの中から適正な輝度値セットを選出する処理を測定対象物上の領域毎に行い、領域毎の適正な輝度値セットに基づき、領域毎の初期位相データ（及び高さデータ）を算出したが、次のとおり変形してもよい。

すなわち、上記実施形態の変形例では、１通りの露光量で１組みの縞画像セットを取得し、その縞画像セットの中から、測定対象物上で露光量が適正であった領域の輝度値セット（すなわち、セット内の全輝度値が有効輝度範囲内に収まっていた輝度値セット）を選出し、選出した輝度値セットに基づき、測定対象物上の当該領域における初期位相データ（及び高さデータ）を算出する。

また、上記実施形態では、測定対象物上へ投影されるパターンとして正弦格子パターンを使用したが、繰り返し構造を有しているのであれば正弦格子パターン以外のパターンを使用してもよい。

また、上記実施形態の記憶部１６に記憶されているプログラムは、バージョンアップなどで更新されたファームウエアプログラムであってもよい。すなわち、既存の解析処理のファームウエアプログラムを更新することで、上記実施形態の解析処理（図４、図９）を提供するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、解析処理（図４、図９）の全部がＣＰＵによってソフトウエア的に実現されたが、解析処理（図４、図９）の全部又は一部がＡＳＩＣによってハードウエア的に実現されてもよい。

１１・・・測定対象物、１２・・・ステージ、１３・・・投影部、１４・・・撮像部、２１・・・光源装置、１０１・・・制御部、１００・・・コンピュータ

Claims (8)

1. 共通の繰り返し構造を有し、かつ位相の異なる複数種類のパターンを測定対象物上へ順次に投影する投影部と、
   前記複数種類のパターンの各々が前記測定対象物へ投影される毎に前記測定対象物を撮像して画像データセットを取得する撮像部と、
   測定条件を変化させて複数通りの露光量で前記画像データセットを取得させることにより複数組の前記画像データセットを取得する制御部と、
   取得された前記画像データセットの中から、前記測定対象物上の同一領域に関するデータセットであって、セット内の全データが有効輝度範囲内に収まっているものを、適正データセットとして選出する選出部と、
   選出された前記適正データセットに基づき、前記測定対象物において前記適正データの取得元となった領域の形状を求める形状算出部と、を備え、
   前記選出部は、前記複数組の前記画像データセットのうち、前記撮像部の入出力特性が線形となる前記有効輝度範囲内に輝度値が収まっているデータセットを、前記適正データセットとして選出することを特徴とする形状測定装置。
2. 請求項１に記載の形状測定装置において、
   前記選出部は、前記複数組の前記画像データセットの中から前記適正データセットを選出する処理を前記測定対象物上の領域毎に行うことを特徴とする形状測定装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の形状測定装置において、
   前記選出部は、前記複数組の前記画像データセットのうち、前記有効輝度範囲内に輝度値が収まっており、かつ、他のデータセットと比べて前記露光量の高いデータセットを、前記適正データセットとして選出することを特徴とする形状測定装置。
4. 請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の形状測定装置において、
   前記制御部は、前記複数通りの露光量の間のピッチを、前記露光量が低いときほど細かく設定することを特徴とする形状測定装置。
5. 請求項４に記載の形状測定装置において、
   前記制御部は、前記複数通りの露光量の間のピッチを、前記露光量の対数目盛上で均等になるように設定することを特徴とする形状測定装置。
6. 請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の形状測定装置において、
   前記制御部は、前記複数組の画像データセットの取得に先立ち前記複数通りの露光量の値範囲を設定する設定部を更に備え、
   前記設定部は、前記露光量の値範囲の上限値を、前記測定対象物上で最も暗い部分のデータが前記有効輝度範囲内に収まるような値に設定し、かつ、前記露光量の値範囲の下限値を、前記測定対象物上で最も明るい部分のデータが前記有効輝度範囲内に収まるような値に設定することを特徴とする形状測定装置。
7. 請求項１〜請求項６の何れか一項に記載の形状測定装置において、
   前記制御部は、前記撮像部の電荷蓄積時間を変化させることにより前記複数通りの露光量を設定することを特徴とする形状測定装置。
8. 共通の繰り返し構造を有し、かつ位相の異なる複数種類のパターンを測定対象物上へ順次に投影する投影手順と、
   前記複数種類のパターンの各々が前記測定対象物へ投影される毎に前記測定対象物を撮像して画像データセットを取得する撮像手順と、
   測定条件を変化させて複数通りの露光量で前記画像データセットを取得させることにより複数組の前記画像データセットを取得する制御手順と、
   前記測定対象物上の同一領域に関するデータセットであって、セット内の全データが有効輝度範囲内に収まっているものを、適正データセットとして選出する選出手順と、
   選出された前記適正データセットに基づき、前記測定対象物において前記適正データの取得元となった領域の形状を求める形状算出手順と、を含み、
   前記選出手順では、前記複数組の前記画像データセットのうち、前記撮像手順での入出力特性が線形となる前記有効輝度範囲内に輝度値が収まっているデータセットを、前記適正データセットとして選出することを特徴とする形状測定方法。
   

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