JPH07280535A

JPH07280535A - 三次元形状測定装置

Info

Publication number: JPH07280535A
Application number: JP6620094A
Authority: JP
Inventors: Akira Komatsu; 朗小松
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1994-04-04
Filing date: 1994-04-04
Publication date: 1995-10-27

Abstract

(57)【要約】【目的】物体の三次元形状を非接触で精密に計測する
装置を提供する。【構成】光源１０１の光束を、偏光分離素子１０２を
用いて偏光方向によって２つに分け、波面に傾きを与え
た後重ね合わせて、測定物体１０５の上に干渉縞１０６
を形成し、これを斜めから観測して、干渉縞の変形を測
定する。そして、偏光の位相差量を位相変調素子を用い
て変化させ、複数の画像データーから干渉縞の位相量を
計算し、精密測定を行う。さらに、光源光としてコヒー
レンスの低いものを使用し、スペックルノイズを抑え、
画像検出装置１０８の受光波長範囲や受光時間を制限す
ることにより、周囲の光による影響を低減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、物体の三次元形状を非
接触で計測する装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、物体の三次元形状を非接触で計測
する為には、光切断法やモアレトポグラフィー法、格子
パターン投影法、縞走査法などが用いられてきた。

【０００３】光切断法は、スリット状の光束を物体に照
射し、光の当たった部分を斜めから観測し、照射された
光束の変形から三次元形状を求めるものである。

【０００４】物体の全体的な形状を求める為には、光束
をスキャンする必要があり、測定に時間がかかるという
欠点がある。

【０００５】モアレトポグラフィー法は、格子パターン
を物体に投影し、その時に生じる格子の変形を、基準格
子とのモアレを観察することによって求め、物体の等高
線を表示させる方法である。

【０００６】従来のモアレトポグラフィー法は、１等高線が等間隔ではない。２高次のモアレが生じ、ノイズを生じる。３モアレ縞の間を精度良く測定できない。などの問題があり、眼で観察する為には良いが、計算機
処理には向かないものであった。また、計算機による処
理を前提にするのであれば、モアレを観察する必要は無
く、投影した縞の変形を観測すれば十分である。

【０００７】格子パターン投影法は、光切断法の光束を
多数並べて物体に照射したものと考えて良く、光切断法
に比べて時間短縮が図られている。

【０００８】しかし、格子パターンの境界や中心でしか
測定ができず、空間分解能が悪いという欠点があり、ま
た、対象物の表面の模様と格子パターンの区別が難し
く、測定精度が低下する場合がある。

【０００９】そこで、測定精度を向上させ、計算機に向
いた処理をさせる為に、格子パターン投影法で用いる格
子板を移動させて複数の画像を観測し、演算処理するこ
とによって三次元測定を行う方法が、特開平4-9811 号
公報で提案されている。図９はこの明細書の１０欄１２
行から１２欄２行及び図１に記載されている、発明の主
要部分の構成図である。光源９０１の光は集光レンズ９
０２によって集められ、格子板９０３を通って照明レン
ズ９０６によって測定物体９０７上に格子パターン９０
８を投影する。この装置では、光源９０１は格子９０３
を投影する為だけに用いられているので、普通の白色光
源を使うことができる。測定物体９０７上に投影されて
いる格子パターン９０８は結像レンズ９０９によって画
像検出装置９１０上に結像され、画像入出力装置９１１
を通して画像データーが解析装置９１２に送られ、測定
物体９０７の三次元形状が計算される。格子板９０３は
モーター駆動装置９０５によって制御されたモーター９
０４によって、格子パターンのピッチの１／４ずつ光軸
に直角方向に移動され、そのつど得られた複数の画像デ
ーターを元に、縞走査法の手法によって解析される。

【００１０】しかし、この場合、対象物に投影されるパ
ターンとして矩形波パターンが用いられている為、同一
の縞の中では明るさの変化が無く、精度が悪い。また、
投影格子をモーターによって移動させているので、振動
が生じたり、ギアーのバックラシュなどにより、移動量
が不正確になるなどの欠点がある。

【００１１】さらに、格子パターンを投影する替わり
に、干渉計によって正弦波状の強度分布を持つ干渉縞を
発生させ、干渉する波面の位相差量を変えることによ
り、物体上の縞を移動させ、縞走査法と同様の手法で形
状を求める方法が開発された。（格内敏，岩田耕
一，長谷川素由，山口眞二：「しま走査干渉じま投
影法による３次元形状計測」，精密工業学会誌，Ｖol
５５，Ｎo １，（１９８９））（文献１）図１０はこの
測定装置の構成図である。レーザー光源１００１の光束
はハーフプリズム１００２によって振動ミラー１００３
と固定ミラー１００６に分けられる。振動ミラー１００
２はＰＺＴ駆動装置１００５によって制御されるＰＺＴ
１００４に固着されており、解析装置１０１３からの信
号によって微小距離移動される。固定ミラー１００６は
光軸に対してδだけ傾いており、波面に傾きを与える。
各々のミラーで反射された光はハーフプリズム１００２
によって再び集められ、照明レンズ１００７によって測
定物１００８上に干渉縞１００９を作る。測定物体１０
０８上に形成された干渉縞１００９は結像レンズ１０１
０によって画像検出装置１０１１上に結像され、画像入
出力装置１０１２を通して画像データーが解析装置１０
１３に送られ、測定物体１００８の三次元形状が計算さ
れる。振動ミラー１００３は、λ／８（λは光源の波
長）ずつ光軸方向に移動され、そのつど得られた複数の
画像データーを元に、縞走査法の手法によって解析され
る。

【００１２】しかし、干渉計の光源として、コヒーレン
スの良いレーザーなどを用いた場合、投影した縞にスペ
ックルパターンが生じ、ノイズになり測定精度を悪化さ
せる。また、干渉波面の位相差量を変える為に、ＰＺＴ
などでミラーを移動させるため、経時変化が生じたり、
ＰＺＴのヒステリシス特性によって位相差量の精度が悪
くなったりしていた。さらに、位相差量が波長以下であ
るので、干渉計の状態が安定している必要があり、除震
装置が不可欠であった為、装置が大型化していた。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】これまで述べた様に、
光切断法は、光束をスキャンする必要があり、測定に時
間がかかるという欠点がある。また、従来のモアレトポ
グラフィー法は、等高線が等間隔ではなく、高次のモア
レによりノイズを生じ、モアレ縞の間を精度良く測定で
きない問題がある。また、格子パターン投影法は、格子
パターンの境界や中心でしか測定ができず、空間分解能
が悪く、対象物の表面の模様と格子パターンの区別が難
しい為測定精度が低下する欠点がある。また、特開平4-
9811 号公報による改良格子パターン投影法では、同一
の縞の中では明るさの変化が無い為測定精度が悪く、投
影格子をモーターによって移動させているので、振動が
生じたり、ギアーのバックラシュなどにより、移動量が
不正確になるなどの欠点がある。また、しま走査干渉じ
ま投影法では、投影した縞にスペックルパターンが生
じ、ノイズになり測定精度を悪化させたり、干渉波面の
位相差量を変えるＰＺＴのヒステリシス特性によって位
相差量の精度が悪くなったりしていた。さらに、位相差
量が波長以下であるので、干渉計の状態が安定している
必要があり、除震装置が不可欠であった為、装置が大型
化していた。

【００１４】本発明の第一の目的は、これら従来技術の
欠点を解消した三次元測定装置を得ることであり、１測定時間が短い。（１秒以下）２空間分解能が高い。（測定領域の１/５００程度）３周囲の外光や振動などに影響されず、測定環境を選
ばない。

【００１５】などの特徴を有する三次元測定装置を得る
ことである。

【００１６】さらに、本発明の第二の目的は、１測定精度が高い。（測定範囲の０.１％程度）２測定に影響を与える機械的可動部が無く、保守・管
理が楽。

【００１７】３ＰＺＴ駆動電源の様な高電圧の電源が
不要。

【００１８】４除震装置などが不要で、装置が小型で
ある。

【００１９】などの特徴を持つ三次元測定装置を得るこ
とである。

【００２０】

【課題を解決するための手段】求められている特性を得
る為に、本件発明者は、計算機の使用を前提とし、従来
の干渉縞投影法を改良することとした。そのため、本発
明の三次元測定装置は、前記被測定物に対し可干渉光を
放射する光源装置と、前記光源手段から放射される光束
を、振動方向が直交する２つの直線偏光に分離し、前記
２つの直線偏光のうち少なくとも一方の波面に傾きを与
える偏光分離素子と、重なり合った光束に干渉縞を生じ
させる検光子とから構成される偏光干渉装置と、前記被
測定物に投影された干渉縞を観測する観測装置と、前記
観測装置によって観測された縞の形状から、被測定物の
三次元形状を計算する解析手段とを備えることを特徴と
する。

【００２１】さらに、前記の偏光干渉装置の中の偏光分
離素子が、偏光ビームスプリッターとλ／４波長板と平
面鏡とから成り、相互に接着されていることを特徴とす
る。

【００２２】さらに、前記の偏光干渉装置の中の偏光分
離素子が、１軸性光学結晶を少なくとも２個張り合わせ
たプリズムであることを特徴とする。

【００２３】さらに、偏光干渉装置によって２つに分け
られる直線偏光の相互の位相差量を変え得る位相差量変
更装置を含むことを特徴とする。

【００２４】さらに、前記の位相差量変更装置として、
液晶素子または電気光学素子または磁気光学素子からな
る位相変調素子と、この位相変調素子を駆動する位相変
調素子駆動装置とを用いることを特徴とする。

【００２５】さらに、波長幅が１nm 以上１００nm 以下
である光源装置を用いることを特徴とする。

【００２６】さらに、光源装置として、レーザーダイオ
ード又はスーパールミネッセントダイオードと位相差補
償板を用いることを特徴とする。

【００２７】さらに、観測装置の前に光源の波長に合わ
せた狭帯域のフィルターを備えたことを特徴とする。

【００２８】さらに、パルス状に発光する光源を用い、
観測装置の受光タイミングを光源の発光時刻に合わせる
ことを特徴とする。

【００２９】

【作用】以下、図面を用いて本発明の原理を説明する。

【００３０】本発明は、計算機の使用を前提として従来
の干渉縞投影法を改良し、偏光によって波面を分割して
干渉縞を作る。図１は本発明の原理を示す装置の構成図
である。この図の中で、１０１は可干渉光を放射する光
源である。偏光分離素子１０２は、紙面に垂直な方向に
振動している直線偏光と水平方向に振動している直線偏
光を異なる角度で屈折し、波面に傾きを与える。検光子
１０３によって紙面に４５゜方向の直線偏光に変換され
た光束同士は可干渉となり、重なり合った部分に干渉縞
を形成する。偏光分離素子１０２と検光子１０３によっ
て干渉縞を生じさせる偏光干渉装置を構成する。照明レ
ンズ１０４によって光束の幅を広げられた光束は、測定
物体１０５の上に干渉縞１０６を投影する。画像検出装
置１０８は結像レンズ１０７と共に観測装置を構成し、
測定物体１０５上の干渉縞１０６は結像レンズ１０７に
よって、画像検出装置１０８上に結像される。画像検出
装置１０８で得られた画像情報は、画像入力装置１０９
によって解析装置１１０に送られ、演算処理により測定
物体１０５の三次元形状が復元される。この時、１つの
干渉縞は投影光学系の光軸と角度αをなす平面内に形成
される。干渉縞と角度αの関係は装置によって決まるの
で、画像情報から判る点Ｐの方向と角度αの平面との交
点を求めれば、点Ｐの三次元座標が求められる。

【００３１】光源は、可干渉光を放射する光源であれば
何でも良いが、紙面に対して垂直方向と水平方向の直線
偏光成分が等量含まれている事が、干渉縞のコントラス
トを良くする為には望ましい。その為には、光源がラン
ダム偏光又は円偏光などの場合には、光源の直後に検光
子を置き、透過する光線を紙面に対して４５度方向に振
動する直線偏光にすれば良い。

【００３２】さらに、スペックルノイズを抑える為に
は、可干渉距離の短い光源を用いると良い。この場合、
偏光間の位相差を補償する為に位相差補償板を用いるこ
とが望ましい。波長の半値幅が１nm以上ある、水銀灯
や、ＬＤ（レーザーダイオード），ＳＬＤ（スーパール
ミネッセントダイオード）などを用いることにより、散
乱光のスペックルノイズを減少させ、高精度測定を行う
ことができる。ＳＬＤとは、ＬＤの射出面に反射防止膜
をコートしてレーザー発振を停止させ、スーパーラジア
ンスを発生させたもので、高精度のインコヒーレント光
源である。また、波長幅が１００ｎｍ以上ある白色光源
では、干渉縞のコントラストが悪化する為、光源として
適当ではない。すなわち本発明では、波長幅が１nm 以
上１００nm 以下の光源装置が好ましく用いられる。

【００３３】偏光分離素子は、入射した光束を振動方向
が直交する２つの直線偏光に分離し、波面に傾きを与え
る働きをする。これには、図２の様に偏光ビームスプリ
ッター２０１、λ/４板２０２，２０３と平面鏡２０
４，２０５を組み合わせた装置を用いることが出来る。
偏光ビームスプリッター２０１に入射した紙面に対して
水平方向に振動している直線偏光は、プリズムの接合面
で透過し、垂直方向の直線偏光は反射される。偏光ビー
ムスプリッター２０１を透過した光は、λ/４板２０２
を透過し、直線偏光から、円偏光に変換される。そし
て、平面鏡２０４によって反射され、再びλ/４板２０
２を透過し、円偏光から、直線偏光に変換される。この
時、直線偏光の振動方向は、９０度回転しており、紙面
に対して垂直方向に振動している。この為、プリズムの
接合面で反射され、物体側へ射出される。同様に、紙面
に対して垂直方向に振動している直線偏光は、プリズム
の接合面で反射され、λ/４板２０３を透過し、直線偏
光から、円偏光に変換される。そして、平面鏡２０５に
よって反射され、再びλ/４板２０３を透過し、円偏光
から、直線偏光に変換される。この時、直線偏光の振動
方向は、９０度回転しており、紙面に対して水平方向に
振動している。この為、プリズムの接合面で透過し、物
体側へ射出される。どちらかの平面鏡を光軸に対して傾
ければ、波面に傾きを与えることが出来る。前述した図
１０の干渉縞投影法でも、同様の波面分割素子を用いて
いるが、この場合は、縞走査の為に鏡を動かす必要があ
るので、ビームスプリッターと鏡が分離していなければ
ならない。しかし、本発明の場合は、鏡を動かす必要が
無いので、振動の影響を避けるために、図３の様に１/
４λ板３０２，３０３と平面鏡３０４，３０５を偏光ビ
ームスプリッター３０１に接着して固定することが望ま
しい。この時、λ／４板３０２，３０３の射出面に蒸着
を施して反射面とし、平面鏡３０４，３０５を省略する
ことも出来る。

【００３４】また、偏光分離素子としては、水晶や方解
石などの１軸性光学結晶を２個以上張り合わせたプリズ
ムを用いても良い。この様なプリズムとしては、図４に
示すウォラストンプリズム４０１や、図５に示すロショ
ンプリズム５０１がよく用いられる。１軸性光学結晶は
入射した光線の偏光方向によって屈折率が変わる材料
で、この為、上記のプリズムを透過した光線は、偏光方
向によって屈折される角度が異なり、波面がφだけ傾
く。

【００３５】検光子は、光学結晶の二色性や屈折率の違
いを利用して、一方向の直線偏光だけを透過する素子で
ある。１軸性光学結晶を張り合わせたグラントムソンプ
リズムやニコルプリズムなどもあるが、使用上の簡便さ
や、視野の広いことから、沃素結晶を高分子膜に吸着さ
せた偏光板が広く用いられている。

【００３６】さらに、外光の影響を低減する為には、光
源光をパルス状に発光させ、画像検出装置１０８の受光
タイミングをこれに合わせたり、観測装置の前に光源光
の波長に合わせた狭帯域フィルターを置く。こうすれ
ば、周囲の光が与える影響を最小限にすることができ
る。

【００３７】この様な請求項の１〜３及び８，９に示す
装置からなる三次元形状測定装置を用いることにより、
本発明の第一の目的である、「測定時間が短い。」「空
間分解能が高い。」「周囲の外光や振動などに影響され
ず、測定環境を選ばない。」などの特徴を有する三次元
測定装置を得ることが出来る。

【００３８】さらに、この装置を用いて本発明の第二の
目的である、「測定精度が高い。」「測定に影響を与え
る機械的可動部が無く、保守・管理が楽である。」「Ｐ
ＺＴ駆動電源の様な高電圧の電源が不要である。」「除
震装置などが不要で、装置が小型である。」などの特徴
を持つ三次元測定装置を得る為には、位相差量変更装置
を図１の光源１０１と偏光分離素子１０２の間か又は、
偏光分離素子１０２と検光子１０３の間に置く。位相差
量変更装置は、紙面に対して水平方向と垂直方向の偏光
の相対的な位相差量を変える装置で、位相差量を位相差
量変更装置によって変えながら複数の画像を観測し、縞
走査法によって干渉縞の位相を計算し、物体の三次元形
状を算出する。

【００３９】位相差量変更装置としては、１軸性光学結
晶によって作られた複数の位相差板を切り換えて用いた
り、図６の様なバビネソレイユの位相板を用いることが
出来る。バビネソレイユの位相板は水晶などの１軸性光
学結晶のプリズムから作られ、光学軸の方向が平行な２
枚のくさびと、光学軸方向がこれと垂直な平行平面板か
らなり、１枚のくさびを図の矢印の方向に動かすことに
よって、透過する振動方向が直交する直線偏光成分の間
の位相差を任意の値にすることが出来る。

【００４０】又、ＥＢＣ（電界制御複屈折）モードで配
向された液晶素子や、ＡＤＰやＫＤＰなどの電気光学素
子や、磁気光学素子などの位相変調素子を位相変調素子
駆動装置によって制御し、位相差量変更装置として用い
る事もできる。これらの電気光学的効果を利用して電圧
や磁場で制御された位相変調素子を用いることにより、
機械的可動部分を無くし、振動に強く、経時変化の少な
い位相差量変更装置を得ることが出来る。特に液晶素子
を用いた時は、他の素子を用いた場合と比べて高電圧電
源が不要で簡便な装置となる。

【００４１】高精度測定の為に位相差量変更装置を挿入
した場合も、光軸と角度αをなす平面内に１つの干渉縞
が形成される。干渉縞の位相量Ψ(α)とαの関係は装置
によって決まるので、Ψ(α)が判ればαを算出できる。
そして、画像情報から判る点Ｐの方向と、等位相量の平
面との交点を求めれば、点Ｐの三次元座標が計算でき
る。

【００４２】縞走査法によって位相量Ψ(α)を求めるに
は、以下の如くする。測定物体の上に投影される干渉縞
の強度分布Ｉ(α)は、波数ｋ＝２π／λ（λは波長）、
偏光の位相差をωとすると

【００４３】

【数１】

【００４４】である。いま、位相差ωを０からλまで等
間隔にＮ段階に変化させたとき、観測される干渉縞強度
Ｉ_n(α)は、ω_n＝ｎλ／Ｎ（ｎ＝０,１,・・・,Ｎ−
１）と置いて、

【００４５】

【数２】

【００４６】となる。

【００４７】Ｉ_n(α)にｃｏｓ（２πｎ／Ｎ）を掛け合
わせてｎ＝０からＮ−１まで和をとったものをＦとする
と、

【００４８】

【数３】

【００４９】であり、Ｉ_n(α)にｓｉｎ（２πｎ／Ｎ）
を掛け合わせてｎ＝０からＮ−１まで和をとったものを
Ｇとすると、

【００５０】

【数４】

【００５１】である。

【００５２】故に、位相量Ψ(α)は、 Ψ(α)＝ｔａｎ^-1（Ｇ(α)／Ｆ(α)）で与えられる。特に、Ｎ＝４の場合は、 Ψ(α)＝ｔａｎ^-1（（Ｉ₁−Ｉ₃）／（Ｉ₀−Ｉ₂））と簡単になる。

【００５３】こうして求めた位相量Ψ(α)の値は、±π
の範囲に限定される為、それ以上の範囲を計測する為に
は、測定物体の形状連続性を考慮して、計算されたΨ
(α)の値に適当に２πを加減すれば良い。干渉縞の角度
ピッチをｐとすると、α＝ｐ（Ψ(α)−Ψ₀＋２πｍ）
／２π （ｍはΨ(α)が連続するように定めた適当な自
然数）によってαを求める。この様な縞走査を行うこ
とにより、２πの数百分の１の精度で位相を求めること
ができる。従ってαをｐの数百分の１の精度で求められ
る。干渉縞の角度ピッチｐは、偏光分離素子１０２の分
離角φと照明レンズ１０４の焦点距離によって決まり、
照明レンズ１０４をズームレンズにすれば、連続的に変
更することが出来る。

【００５４】以上のような装置を用いることにより、本
発明の第二の目的である、「測定精度が高い。」「測定
に影響を与える機械的可動部が無く、保守・管理が楽で
ある。」「ＰＺＴ駆動電源の様な高電圧の電源が不要で
ある。」「除震装置などが不要で、装置が小型であ
る。」などの特徴を持つ三次元測定装置を得ることが出
来る。

【００５５】本発明による三次元形状測定装置は、非接
触で高精度の測定が短時間で行える為、人体やモックア
ップモデルの形状測定などに、特に有効である。

【００５６】

【実施例】

（実施例１）図７は本発明の実施例１の構成図であ
る。この図の中で、光源であるＬＤ光源７０１を発した
光は、コリメートレンズ７０３によって平行光束とな
り、位相差補償板７０４を通り、後述する位相変調素子
７０５とウォラストンプリズム７０７によって生じる光
路差を波長程度まで補償される。さらに位相変調素子７
０５によって、紙面に垂直な偏光と水平な偏光との間に
任意の位相差量を与えられる。ここでは、位相変調素子
７０５として液晶素子を用いた場合を図示しており、位
相変調素子７０５と位相変調素子駆動装置７０６とで、
位相量変更装置を構成している。両方向の偏光は、ウォ
ラストンプリズム７０７によって分離され、波面に傾き
を与えられる。そして、偏光板７０８によって紙面に４
５゜方向の直線偏光に変換された光束は可干渉となる。
この場合、ウォラストンプリズム７０７と偏光板７０８
で偏光干渉装置を構成している。光束は、照明レンズ７
０９によって広げられ、測定物体７１０の上で干渉縞７
１１を形成する。測定物体７１０上の干渉縞７１１は結
像レンズ７１３によって、画像検出装置７１４上に結像
される。画像検出装置７１４は結像レンズ７１３と観察
装置を構成しており、得られた画像情報は、画像入力装
置７１５によって解析装置７１６に送られ、演算処理に
より測定物体７１０の三次元形状が復元される。この
時、干渉縞の等位相面は光軸と角度αをなす平面内にあ
り、位相量Ψ(α)と角度αの関係は装置によって決まる
ので、Ψ(α)を求めればαが判る。Ψ(α)の値は、位相
変調素子７０５によって偏光の位相差量を制御しながら
複数の画像を観測し、縞走査法によって求める。画像情
報から判る点Ｐの方向とΨ(α)の等位相面との交点を求
めれば、点Ｐの三次元座標が求められる。

【００５７】さらに、ＬＤ光源７０１をＬＤ駆動装置７
０２によってパルス状に発光させ、画像検出装置７１４
の受光タイミングをこれに合わせると共に、観測装置の
前に光源光の波長に合わせた狭帯域フィルター７１２を
置くことにより、周囲の光が与える影響を最小限に抑
え、測定精度を向上させる。

【００５８】（実施例２）図８は本発明の実施例２の
構成図である。この図の中で、レーザー光源８０１を発
した光は、位相差補償板８０２を通り、後述する位相変
調素子８０３とウォラストンプリズム８０５によって生
じる光路差を波長程度まで補償される。さらに、位相変
調素子８０３によって、紙面に垂直な偏光と水平な偏光
との間に任意の位相差量を与えられる。両方向の偏光
は、ウォラストンプリズム８０５によって分離され、波
面に傾きを与えられる。偏光板８０６によって紙面に４
５゜方向の直線偏光に変換された光束は可干渉となり、
照明レンズ８０７，８０８によって光束の幅を広げら
れ、測定物体８０９の上で干渉縞８１０を形成する。測
定物体８０９上の干渉縞８１０は結像レンズ８１１によ
って、画像検出装置８１２上に結像される。画像検出装
置８１２は結像レンズ８１１と観察装置を構成してお
り、得られた画像情報は、画像入力装置８１３を通して
解析装置８１４に送られ、演算処理により測定物体８０
９の三次元形状が復元される。この時、位相変調素子８
０３によって位相差量を制御しながら複数の画像を観測
し、縞走査法によって干渉縞の位相量を計算し、物体の
三次元形状を算出してやることにより、高精度の測定を
行う。

【００５９】図８の様に、光源光を平行光束として測定
物体８０９に照射する場合は、図のｘ軸と垂直な平面内
で干渉縞が形成される。この場合、照明レンズ８０７，
８０８はテレセントリック光学系を構成しており、干渉
縞の位相量Ψ(ｘ)とｘ座標の関係は測定物体８０９と干
渉縞投影光学系との距離によって変わらず、ウォラスト
ンプリズム８０５の分離角φと照明レンズ８０７，８０
８の倍率によって決まる。そこで、Ψ(ｘ)が判ればｘを
算出でき、画像情報から判る点Ｐの方向と、等位相量の
平面との交点を求めれば、点Ｐの三次元座標が計算でき
る。この様に照明レンズ８０７，８０８をテレセントリ
ック光学系にすることにより、照明光学系の位置精度が
形状測定精度に与える影響を無くすことが出来る。

【００６０】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、１測定時間が短い。（１秒以下）２空間分解能が高い。（測定領域の１/５００程度）３周囲の外光や振動などに影響されず、測定環境を選
ばない。

【００６１】といった効果を有する三次元形状測定装置
を提供することができる。

【００６２】また、請求項４の発明によれば、１測定精度が高い。（測定範囲の０.１％程度）２測定に影響を与える機械的可動部が無く、保守・管
理が楽。

【００６３】３ＰＺＴ駆動電源の様な高電圧の電源が
不要。

【００６４】４除震装置などが不要で、装置が小型で
ある。

【００６５】といった効果を有する三次元形状測定装置
を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理説明図。

【図２】偏光分離プリスムの構成図。

【図３】偏光分離プリスムの各素子を接合した構成
図。

【図４】ウォラストンプリスムの構成図。

【図５】ロションプリスムの構成図。

【図６】バビネソレイユの位相板の構成図。

【図７】本願実施例１の構成図。

【図８】本願実施例２の構成図。

【図９】従来の縞走査法の構成図。

【図１０】従来の干渉縞走査法の構成図。

【符号の説明】

１０１・・・光源１０２・・・偏光分離素子１０３・・・検光子１０４・・・照明レンズ１０５・・・測定物体１０６・・・干渉縞１０７・・・結像レンズ１０８・・・画像検出装置１０９・・・画像入力装置１１０・・・解析装置２０１・・・偏光ビームスプリッター２０２，２０３・・・ λ/４波長板２０４，２０５・・・平面鏡３０１・・・偏光ビームスプリッター３０２，３０３・・・ λ/４波長板３０４，３０５・・・平面鏡４０１・・・ウォラストンプリスム５０１・・・ロションプリスム６０１・・・固定くさびプリズム６０２・・・移動くさびプリズム６０３・・・平行平面板７０１・・・ＬＤ光源７０２・・・ＬＤ駆動装置７０３・・・コリメートレンズ７０４・・・位相差補償板７０５・・・位相変調素子７０６・・・位相変調素子駆動装置７０７・・・ウォラストンプリスム７０８・・・偏光板７０９・・・照明レンズ７１０・・・測定物体７１１・・・干渉縞７１２・・・狭帯域フィルター７１３・・・結像レンズ７１４・・・画像検出装置７１５・・・画像入力装置７１６・・・解析装置８０１・・・レーザー光源８０２・・・位相差補償板８０３・・・位相変調素子８０４・・・位相変調素子駆動装置８０５・・・ウォラストンプリスム８０６・・・偏光板８０７，８０８・・・照明レンズ８０９・・・測定物体８１０・・・干渉縞８１１・・・結像レンズ８１２・・・画像検出装置８１３・・・画像入力装置８１４・・・解析装置９０１・・・白色光源９０２・・・集光レンズ９０３・・・格子板９０４・・・モーター９０５・・・モーター駆動装置９０６・・・照明レンズ９０７・・・測定物体９０８・・・格子パターン９０９・・・結像レンズ９１０・・・画像検出装置９１１・・・画像入力装置９１２・・・解析装置１００１・・・レーザー光源１００２・・・ハーフプリズム１００３・・・振動ミラー１００４・・・ＰＺＴ１００５・・・ＰＺＴ駆動装置１００６・・・固定ミラー１００７・・・照明レンズ１００８・・・測定物体１００９・・・干渉縞１０１０・・・結像レンズ１０１１・・・画像検出装置１０１２・・・画像入力装置１０１３・・・解析装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】三次元形状を有する被測定物に所定のパ
ターンを投影し、前記被測定物の形状を計測する三次元
形状測定装置において、前記被測定物に対し可干渉光を放射する光源装置と、前記光源手段から放射される光束を、振動方向が直交す
る２つの直線偏光に分離し、前記２つの直線偏光のうち
少なくとも一方の波面に傾きを与える偏光分離素子と、
重なり合った光束に干渉縞を生じさせる検光子とから構
成される偏光干渉装置と、前記被測定物に投影された干渉縞を観測する観測装置
と、前記観測装置によって観測された縞の形状から、被測定
物の三次元形状を計算する解析手段とを備えることを特
徴とする三次元形状測定装置。
【請求項２】前記偏光分離素子は、偏光ビームスプリ
ッターとλ／４波長板と平面鏡とから成り、相互に接着
されていることを特徴とする請求項１に記載の三次元形
状測定装置。
【請求項３】前記偏光分離素子は、１軸性光学結晶を
少なくとも２個張り合わせたプリズムであることを特徴
とする請求項１に記載の三次元形状測定装置。
【請求項４】前記偏光干渉装置によって２つに分けら
れる直線偏光の、相互の位相差量を変え得る位相差量変
更装置を有するを特徴とする請求項１に記載の三次元形
状測定装置。
【請求項５】前記位相差量変更装置として、液晶素子
または電気光学素子または磁気光学素子からなる位相変
調素子と、前記位相変調素子を駆動する位相変調素子駆
動装置とを用いることを特徴とする請求項４に記載の三
次元形状測定装置。
【請求項６】前記光源装置から放射される光束は、波
長幅が１nm 以上１００nm 以下であることを特徴とする
請求項１に記載の三次元形状測定装置。
【請求項７】前記光源装置として、レーザーダイオー
ド又はスーパールミネッセントダイオードと位相差補償
板を用いることを特徴とする請求項６に記載の三次元形
状測定装置。
【請求項８】前記観測装置の前に前記光源装置から放
射される光束の波長に合わせた狭帯域のフィルターを備
えたことを特徴とする請求項１に記載の三次元形状測定
装置。
【請求項９】前記光源装置としてパルス状に発光する
光源手段を用い、観測装置の受光タイミングを光源手段
の発光時刻に合わせることを特徴とする請求項１に記載
の三次元形状測定装置。