JP2001280925A

JP2001280925A - 三次元形状計測装置

Info

Publication number: JP2001280925A
Application number: JP2000088360A
Authority: JP
Inventors: Kazumi Kitajima; 和美北島; Hitoshi Kamezawa; 仁司亀沢; Yoshie Shimizu; 佳恵清水
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 2000-03-28
Filing date: 2000-03-28
Publication date: 2001-10-10

Abstract

(57)【要約】【課題】光学系の移動量と集光位置の移動量とを光学
系の移動範囲の全長に亘って正確に比例するように構成
することで、被測定物の三次元形状をより精度良く計測
する。【解決手段】ＥＥＰＲＯＭ９０に、投影光学系により
集光される照明光の集光部の移動間隔が所定の一定値に
なるような間隔に設定された後側レンズ群の複数位置を
予め格納しておき、後側レンズ群が移動し、移動する後
側レンズ群の位置が、光センサ２６，２７、波形整形部
５０およびサブ演算制御部１００により検出されて、Ｅ
ＥＰＲＯＭ９０に格納されている上記各位置を後側レン
ズ群が通過する時点で、サブ演算制御部１００からの指
示信号に応じてＣＣＤ３２により露光動作が行われるよ
うにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、機械部品などから
なる被測定物の三次元形状を非接触で計測する三次元形
状計測装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種の三次元形状計測装置は、光電変
換素子と、照明光を集光して被測定物に導くとともに、
被測定物で反射された反射光を光電変換素子の受光面に
導く光学系とを備え、被測定物の任意の位置において、
被測定物に対して光学系を光軸に沿って相対移動させる
ことにより集光位置を移動させ、所定の周期で光電変換
素子の露光を繰り返し、その露光動作で得られた複数個
の受光信号を用いて、その位置における被測定物の表面
の光軸方向（例えば水平方向）の位置座標を算出するよ
うに構成されている。

【０００３】そして、被測定物を光軸に直交する方向
（例えば鉛直方向）に所定のピッチで相対移動させて、
各位置毎に被測定物の表面の鉛直方向の位置座標を算出
することにより当該被測定物の三次元形状が計測され
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような三次元形状
計測装置において、一定の精度（例えば10μｍ）で被測
定物の表面の位置座標を求めるためには、集光位置が被
測定物に対して正確に一定の距離（例えば10μｍ）だけ
移動するごとに、光電変換素子の露光を行うことが必要
になる。

【０００５】一方、上記従来の三次元形状計測装置で
は、機械部品など重量の大きい被測定物の三次元形状を
計測する場合を考慮すると、重量の大きい被測定物を精
度良く、しかも高速に光軸に沿って移動させるのは困難
であるので、一般に、光学系を被測定物に対して移動さ
せる構成が採用されている。従って、光学系を被測定物
に対して移動させる場合に、集光位置が被測定物に対し
て一定の距離だけ移動する度に露光を行うためには、光
学系の移動量と集光位置の移動量とが比例するように装
置を構成することが求められる。

【０００６】ところが、光学系を被測定物に対して基端
部（被測定物から遠方側）から終端部（被測定物の近接
側）まで移動させる場合に、光学系の移動量と集光位置
の移動量とが光学系の移動範囲の全長に亘って正確に比
例するように装置を構成するのは、レンズの収差や光学
系の配置における調整誤差などの要因によって、極めて
困難であった。

【０００７】本発明は、上記課題を解決するもので、光
学系の移動量と集光位置の移動量とを光学系の移動範囲
の全長に亘って正確に比例するように構成することで、
被測定物の三次元形状をより精度良く計測することがで
きる三次元形状計測装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、被測
定物を照明する照明手段と、この照明手段により照明さ
れた被測定物からの反射光を受光し、受光した光強度に
応じた受光信号を出力する光電変換手段と、上記照明手
段と被測定物との間に配設され、上記照明手段からの照
明光を集光して被測定物に導くとともに、被測定物で反
射された反射光を上記光電変換手段の受光面に導く光学
系と、上記照明光の被測定物側の集光位置を光軸に沿っ
て移動させるべく上記光学系を光軸に沿って移動させる
移動手段と、上記光学系の位置を検出する位置検出手段
と、上記集光位置の移動間隔が所定の一定値になるよう
な間隔に設定された上記光学系の複数位置が予め格納さ
れている記憶手段と、上記光学系を移動させ、上記記憶
手段に格納されている上記各位置を上記光学系が通過す
る時点で上記光電変換手段に露光動作を行わせる露光制
御手段と、上記光電変換手段から順次出力される複数の
受光信号のレベルと各受光信号に対応する集光位置とに
基づいて被測定物の表面形状を示す光軸方向の位置座標
を算出する演算手段とを備えたことを特徴としている。

【０００９】この構成によれば、照明手段と被測定物と
の間に配設された光学系により、照明手段からの照明光
が集光されて被測定物に導かれ、被測定物で反射された
反射光が光電変換手段の受光面に導かれ、光電変換手段
から、受光した光強度に応じた受光信号が出力され、光
電変換手段から順次出力される複数の受光信号のレベル
と各受光信号に対応する集光位置とに基づいて被測定物
の表面形状を示す光軸方向の位置座標が算出される。

【００１０】ここで、記憶手段には、光学系により集光
される照明光の集光位置の移動間隔が所定の一定値にな
るような間隔に設定された光学系の複数位置が予め格納
されている。そして、光学系が移動し、移動する光学系
の位置が検出されて、記憶手段に格納されている上記各
位置を光学系が通過する時点で、光電変換手段により露
光動作が行われることにより、照明光の集光位置の移動
間隔が所定の一定値になるタイミングで露光動作が行わ
れることとなり、一定の精度で被測定物の表面形状の測
定が行われる。

【００１１】また、請求項２の発明は、被測定物を照明
する照明手段と、この照明手段により照明された被測定
物からの反射光を受光し、受光した光強度に応じた受光
信号を出力する光電変換手段と、上記照明手段と被測定
物との間に配設され、上記照明手段からの照明光を集光
して被測定物に導くとともに、被測定物で反射された反
射光を上記光電変換手段の受光面に導く光学系と、上記
照明光の被測定物側の集光位置を光軸に沿って移動させ
るべく上記光学系を光軸に沿って移動させる移動手段
と、上記集光位置の移動量と上記光学系の移動量との関
係に関する補正データが予め格納されている記憶手段
と、上記光学系の位置を検出する位置検出手段と、上記
補正データを用いて上記集光位置の移動間隔が所定の一
定値になるような上記光学系の補正位置を算出する補正
演算手段と、上記光学系を移動させ、上記補正位置を上
記光学系が通過する時点で上記光電変換手段に露光動作
を行わせる露光制御手段と、上記光電変換手段から順次
出力される複数の受光信号のレベルと各受光信号に対応
する集光位置とに基づいて被測定物の表面形状を示す光
軸方向の位置座標を算出する演算手段とを備えたことを
特徴としている。

【００１２】この構成によれば、照明手段と被測定物と
の間に配設された光学系により、照明手段からの照明光
が集光されて被測定物に導かれ、被測定物で反射された
反射光が光電変換手段の受光面に導かれ、光電変換手段
から、受光した光強度に応じた受光信号が出力され、光
電変換手段から順次出力される複数の受光信号のレベル
と各受光信号に対応する集光位置とに基づいて被測定物
の表面形状を示す光軸方向の位置座標が算出される。

【００１３】ここで、記憶手段には、光学系により集光
される照明光の集光位置の移動量と光学系の移動量との
関係に関する補正データが予め格納されており、この補
正データを用いて、位置検出手段により検出される光学
系の位置が上記集光位置の移動間隔が所定の一定値にな
るような補正位置が補正演算手段により算出される。そ
して、光学系が移動し、移動する光学系の位置が検出さ
れて、算出された補正位置を光学系が通過する時点で、
光電変換手段により露光動作が行われることにより、照
明光の集光位置の移動間隔が所定の一定値になるタイミ
ングで露光動作が行われることとなり、一定の精度で被
測定物の表面形状の測定が行われる。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係る三次元形状計
測装置の一実施形態の概略構成を示す図である。この三
次元形状計測装置１は、試料台２に載置された被測定物
３の三次元形状を示すデータを非接触で計測するもので
ある。

【００１５】本実施形態では、図１に示すように、紙面
垂直方向をＸ軸方向、紙面上下方向をＹ軸方向、紙面左
右方向をＺ軸方向とする三次元座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）
が、Ｚ軸が三次元形状計測装置１の光軸Ｌ１と平行にな
るように設定されている。そして、被測定物３の表面形
状を複数の格子点で表示するとすると、この三次元形状
計測装置１は、各格子点の三次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）を
計測することになる。

【００１６】図１に示すように、この三次元形状計測装
置１は、照明部１０、投影部２０、受光部３０、試料台
支持部４０などを備えている。

【００１７】照明部１０、投影部２０および受光部３０
の間には、ビームスプリッタ４が配設されている。この
ビームスプリッタ４は、例えば光軸Ｌ１に対して45°だ
け傾斜して配置されたハーフミラーからなり、照明部１
０からの照明光の一部はビームスプリッタ４を透過して
投影部２０に進むとともに、被測定物３で反射して投影
部２０により導かれた光の一部はビームスプリッタ４で
反射して受光部３０に進む。

【００１８】照明部１０は、安定した反射光を得るべく
被測定物３を照明する照明光を発するもので、レーザ光
を出力するレーザダイオード（ＬＤ）１１と、このＬＤ
１１から出力されたレーザ光を集光する照明光学系１２
とを備えている。なお、被測定物３を照明する照明光１
３は、Ｘ軸方向に所定の幅を有している。

【００１９】投影部２０は、照明部１０からの照明光を
集光して被測定物３に導くとともに、被測定物３で反射
した反射光を受光部３０に導くもので、前側レンズ群２
１および後側レンズ群２２からなる投影光学系２３を備
えている。

【００２０】投影光学系２３の前側レンズ群２１は装置
本体に固定され、後側レンズ群２２は装置本体に対して
光軸Ｌ１（Ｚ軸）に沿って移動可能になっている。この
後側レンズ群２２の移動により照明光の集光部２４がＺ
軸方向に移動し、後側レンズ群２２の位置を制御するこ
とで、集光部２４のＺ軸方向の位置が制御される。

【００２１】また、投影部２０は、後側レンズ群２２に
固定され、後側レンズ群２２とともに移動する目盛板２
５と、装置本体に固定され、目盛板２５に対向配置され
た２個の光センサ２６，２７を備えている。

【００２２】目盛板２５は、Ｚ軸方向に所定寸法（本実
施形態では例えば0.02mm）の黒色ラインが等間隔（本実
施形態では例えば0.04mm）で多数印刷された白色板によ
り構成されている。なお、目盛板２５は、これに限られ
ず、白色ラインが設けられた透明フィルムで構成しても
よい。

【００２３】光センサ２６，２７は、例えば発光ダイオ
ードおよびフォトダイオードからなり、発光ダイオード
が目盛板２５に向けて光を照射し、その反射光をフォト
ダイオードが受光するように構成されている。

【００２４】そして、発光ダイオードが目盛板２５の黒
色部分を照射したときは、フォトダイオードから低レベ
ルの受光信号が出力され、発光ダイオードが目盛板２５
の白色部分を照射したときは、フォトダイオードから高
レベルの受光信号が出力されるので、後側レンズ群２２
の移動に伴って目盛板２５が移動したときに光センサ２
６，２７から出力される受光信号の信号波形は、山と谷
が連続する正弦波のような波形になる。

【００２５】また、光センサ２６，２７は、信号波形の
位相が互いに1／4周期だけ異なる受光信号を出力するよ
うに、Ｚ軸方向に所定距離Ｌ（本実施形態では例えばＬ
＝0.01＋0.04Ｎmm、Ｎは０以上の整数）だけ離れて配置
されている。

【００２６】このような構成により、光センサ２６，２
７から出力される受光信号の信号波形の位相関係を検出
することにより後側レンズ群２２の移動方向が判別さ
れ、いずれか一方の光センサから出力される受光信号の
信号波形の山（または谷）の数をカウントすることによ
り移動量が判別される。

【００２７】受光部３０は、リレー光学系３１、撮像素
子（ＣＣＤ）３２を有する。リレー光学系３１は、投影
光学系２３及びビームスプリッタ４を介して導かれる被
測定物３からの反射光をＣＣＤ３２の受光面に集光する
ものである。

【００２８】ＣＣＤ３２は、Ｘ軸方向に複数の光電変換
素子が１列に配列されたラインセンサからなり、各光電
変換素子は受光した光強度に応じた受光信号（例えば電
流信号）を出力するもので、この光電変換素子の間隔が
Ｘ軸方向の計測間隔に対応する。ＣＣＤ３２の機能およ
び動作については後述する。

【００２９】試料台支持部４０は、試料台２をＹ軸方向
に昇降可能に支持するもので、試料台２を昇降する駆動
源としてモータ４１を備えている。

【００３０】図１において、照明光学系１２、投影光学
系２３、リレー光学系３１は、それぞれテレセントリッ
ク光学系を構成しており、ＬＤ１１の発光部およびＣＣ
Ｄ３２の光電変換素子列は、それぞれ投影光学系２３の
像側の焦点と共役な位置に配置されている。

【００３１】このような構成において、三次元形状計測
装置１は、投影光学系２３の集光部２４を被測定物３に
対して光軸Ｌ１の方向、すなわちＺ軸方向に移動させ、
被測定物３の表面の位置と投影光学系２３の集光部２４
の位置とが一致したときにＣＣＤ３２からの受光信号レ
ベルが最大となることから、この最大レベルの受光信号
が出力される位置を検出し、この位置を被測定物３の表
面のＺ座標とする。そして、試料台２を鉛直方向、すな
わちＹ軸方向に所定ピッチで昇降させ、各高さ（Ｙ座
標）における被測定物３の表面のＺ座標を求める。

【００３２】また、この三次元形状計測装置１は、Ｘ軸
方向に所定の幅を有する照明光１３を被測定物３に照射
するとともに、複数の光電変換素子がＸ軸方向に配列さ
れてなるＣＣＤ３２により、後述するように、光電変換
素子ごとに、当該光電変換素子から出力される受光信号
を用いてＺ軸方向の位置座標が算出される。

【００３３】従って、被測定物３の各格子点（ｘ，ｙ，
ｚ）のＸ座標はＣＣＤ３２の光電変換素子のピッチで決
定され、Ｙ座標は試料台２の昇降ピッチで決定され、Ｚ
座標のみが被測定物３の撮像動作によって得られる受光
信号に基づき算出される。

【００３４】次に、図２のブロック図を用いて、三次元
形状計測装置１の電気的構成について説明する。なお、
図２において図１と同一物には同一符号を付している。

【００３５】三次元形状計測装置１は、照明部１０、投
影部２０、受光部３０、試料台支持部４０、波形整形部
５０、カメラ制御部６０、Ａ／Ｄ変換部７０、モータ制
御部８０、モータ駆動回路（ドライバ）８１、ＥＥＰＲ
ＯＭ９０、サブ演算制御部１００、ディジタル信号処理
部１１０、メイン演算制御部１２０などを備える。モー
タ制御部８０、サブ演算制御部１００、メイン演算制御
部１２０は、例えば１つまたは複数のＣＰＵで構成され
る。

【００３６】投影部２０は、さらに、後側レンズ群２２
の移動範囲の基端部（照明部１０に近接する側）および
終端部（被測定物３に近接する側）にそれぞれ設けられ
たリミッタ２８，２８と、後側レンズ群２２をＺ軸方向
に移動させるモータ２９とを備えている。

【００３７】このリミッタ２８，２８は、それぞれ例え
ば発光ダイオードおよびフォトダイオードからなるフォ
トインタラプタにより構成され、往復移動する後側レン
ズ群２２が基端部および終端部に到達するとリミッタ２
８，２８から検出信号が出力され、この検出信号に基づ
き後側レンズ群２２の移動が停止されるようになってい
る。

【００３８】波形整形部５０は、光センサ２６，２７か
ら出力される信号波形をそれぞれ矩形波（パルス）信号
に整形するものである。このパルス信号は、サブ演算制
御部１００において、後側レンズ群２２のＺ軸方向の位
置及び移動方向の演算に利用される。

【００３９】カメラ制御部６０は、サブ演算制御部１０
０から出力されるタイミングパルス信号に同期して露光
パルス信号を生成し、ＣＣＤ３２に出力するものであ
る。

【００４０】ＣＣＤ３２は、カメラ制御部６０から出力
される露光パルス信号に基づいて被測定物３からの反射
光を各光電変換素子に露光するとともに、露光パルス信
号の出力期間に光電変換により生じた電荷を受光域に蓄
積して、非出力期間に蓄積部に転送した後、Ａ／Ｄ変換
部７０に送信する。

【００４１】Ａ／Ｄ変換部７０は、ＣＣＤ３２から出力
されたアナログ信号をディジタル信号に変換するもので
ある。

【００４２】モータ制御部８０は、ドライバ８１を介し
てモータ２９，４１の駆動動作を制御するもので、ドラ
イバ８１にモータ２９，４１の駆動内容（回転方向や回
転速度等）に関する信号を出力する。ドライバ８１は、
この信号に基づいてモータ２９，４１に駆動電流を供給
するものである。

【００４３】ＥＥＰＲＯＭ９０には、後側レンズ群２２
の移動により集光部２４が移動したときに、集光部２４
の間隔が所定の一定値ｄ（例えばｄ＝10μｍ）となるよ
うな後側レンズ群２２の複数の位置Ｚ１，…，Ｚｎが格
納されている。この複数の位置を求める手順については
後述する。

【００４４】サブ演算制御部１００は、光センサ２６，
２７のうちの一方のセンサから出力され、波形整形部５
０により波形整形されたパルス信号のパルス数を計数す
るカウンタ１０１を備え、以下に示す機能を有する。す
なわち、例えば操作部（図示省略）に対する操作者による入力
操作に基づき、試料台２のＹ軸方向の移動範囲、集光部
２４のＺ軸方向の移動範囲を決定する機能、カウンタ１０１により計数されたパルス数に基づき、
後側レンズ群２２の位置を判定する位置判定部としての
機能、メイン演算制御部１２０から測定開始信号が入力され
ると、ＬＤ１１を発光させる発光制御部としての機能、動作命令信号をモータ制御部８０に出力する機能、後側レンズ群２２の位置がＥＥＰＲＯＭ９０に格納さ
れている位置に一致したときに、カメラ制御部６０に対
して、タイミングパルス信号を出力する露光制御部とし
ての機能。

【００４５】ディジタル信号処理部１１０は、Ａ／Ｄ変
換部７０から出力されるディジタルデータを記憶するメ
モリ１１１を有し、このメモリ１１１に、例えば図３に
示すように、試料台２の各高さ位置（Ｙ座標）ごとに、
Ｘ座標を行、Ｚ座標を列とするマトリクス形式で受光信
号（輝度）レベルを格納するものである。そして、各光
電変換素子（画素）ごとに、輝度レベルのピーク値周辺
のＺ座標をそれぞれ粗検出して、メイン演算制御部１２
０に出力する。

【００４６】図３はメモリ１１１に格納されるデータを
示す図である。図３では、ＣＣＤ３２のラインセンサを
構成する光電変換素子がＸ１〜Ｘｋのｋ個とし、ＣＣＤ
３２による露光を行う後側レンズ群２２の位置がＺ１〜
Ｚｎのｎ箇所としている。そして、ディジタル信号処理
部１１０の粗検出により、斜線で示すＺ座標をメイン演
算部１２０に出力するようにしている。

【００４７】図２に戻り、メイン演算制御部１２０は、
以下の機能を有する。すなわち、スタートボタン（図示省略）が押されると、測定開始
命令信号をサブ演算制御部１００に出力する測定制御部
としての機能。

【００４８】ディジタル信号処理部１１０により粗検
出されたＺ座標に基づき、輝度レベルのピーク値を持つ
Ｚ軸方向の位置を、補間演算を行うことにより正確に検
出する機能。この補間演算は、例えば図４に示すような
演算を行う。すなわち、Ｚ座標Ｚ＝ｒとＺ座標Ｚ＝ｒ＋
１との間にピーク値がある場合、座標Ｚ＝ｒ及び座標Ｚ
＝ｒ−１を通る直線Ｑ１と、座標Ｚ＝ｒ＋１及び座標Ｚ
＝ｒ＋２を通る直線Ｑ２とをそれぞれ求める。そして、
これらの直線Ｑ１，Ｑ２の交点Ｔを求め、この交点Ｔが
示す値Ｌｍを近似のピーク値とし、このピーク値Ｌｍを
持つＺ軸上の位置ｒｍを求めるＺ軸方向の位置とする。

【００４９】このようにして求めたＺ軸上の位置を基
準位置Ｚ＝０（図１参照）からの位置に換算し、被測定
物３の表面形状を各格子点の三次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）
として計測する機能。

【００５０】なお、本実施形態においては、上記補間演
算を行うように構成されているが、測定位置（Ｚ座標）
をより細かく設定して測定を行うようにすれば、補間演
算を行う場合と同様に正確な位置データが得られるか
ら、この補間演算を行わないように構成してもよい。

【００５１】次に、ＥＥＰＲＯＭ９０に格納されている
後側レンズ群２２の複数位置Ｚ１，…，Ｚｎについて説
明する。

【００５２】図５、図６は後側レンズ群２２を移動させ
たときに、後側レンズ群２２の移動量と集光部２４の移
動量との関係を示す図で、図５は理想的な状態を示し、
図６は現実の状態を示している。

【００５３】図１に示す三次元形状計測装置１の設計に
おいて、装置本体に固定されている前側レンズ群２１と
Ｚ軸方向に移動可能な後側レンズ群２２とでテレセント
リック光学系である投影光学系２３を構成すると、一般
に、次式が成立する。 Δｄ／ΔＤ＝β₂₃ ²／(１−β₂₂ ²) 但し、Δｄは集光部２４の移動量、ΔＤは後側レンズ群
２２の移動量、β₂₃は投影光学系２３の倍率、β₂₂は後
側レンズ群２２の倍率であり、β₂₃，β₂₂は、ともに定
数である。

【００５４】従って、図５に示すように、後側レンズ群
２２が移動量Ｄだけ移動すると集光部２４も移動量ｄだ
け移動する。すなわち、後側レンズ群２２の移動範囲全
長に亘って、後側レンズ群２２の移動量と集光部２４の
移動量とが比例する。

【００５５】ところが、後側レンズ群２２の装置本体に
対する取付位置の調整誤差やレンズの収差に起因して、
現実の三次元形状計測装置１では、図６に示すように、
後側レンズ群２２の移動量と集光部２４の移動量とが比
例しない。すなわち、図６において、後側レンズ群２２
を移動量Ｄずつ移動させても、集光部２４の移動量は、
一定値にならない。

【００５６】そこで、本実施形態では、後側レンズ群２
２の移動量と集光部２４の移動量との関係を求める校正
動作を予め行っておき、この校正動作に基づき後側レン
ズ群２２の複数位置を求め、これをＥＥＰＲＯＭ９０に
格納している。

【００５７】図７は校正動作を行う際の装置構成を示す
図である。図７に示すように、校正動作を行う際は、試
料台支持部４０（図１）に代えて、反射板移動装置２０
０を配設している。なお、この反射板移動装置２００
は、試料台２（図１）上に配設するようにしてもよい。

【００５８】反射板移動装置２００は、一方向に往復移
動可能な反射板２０１を備え、この反射板２０１がＺ軸
方向に移動するような向きに配設されている。この反射
板２０１は反射板支持部２０２上に固定され、反射板支
持部２０２は基台２０３上にＺ軸方向に摺動可能に配設
され、反射板支持部２０２は連結部材２０４を介してマ
イクロメータ部２０５に連結されている。

【００５９】そして、マイクロメータ部２０５の回動部
２０６が回動されると、その回動方向に応じて連結部材
２０４が出没し、これによって反射板２０１がＺ軸方向
に移動する。このときの反射板２０１の移動量は、マイ
クロメータ部２０５の目盛部２０６により精度良く制御
される。

【００６０】次に、図８〜図１０を参照しながら、図１
１のフローチャートに従って、校正動作の手順について
説明する。図８は校正動作によって得られる校正データ
を説明する図、図９は校正データを用いて得られる位置
データ、すなわちＥＥＰＲＯＭ９０に格納される位置デ
ータを説明する図、図１０はＥＥＰＲＯＭ９０に格納さ
れた位置データを用いて行われる測定態様を模式的に示
す図である。

【００６１】なお、三次元形状計測装置１の設計におい
て、集光部２４の測定開始位置をＮ１とし、この測定開
始位置Ｎ１に対応する後側レンズ群２２の位置をＺ１と
し、集光部２４の測定ピッチ（集光部２４の移動量）を
ｄ（本実施形態では、例えばｄ＝10μｍ）とする。

【００６２】図１１の＃１０において、まず、反射板２
０１を位置Ｏ１，Ｏ２，…，Ｏｎに位置させて計測動作
を行い、図８に示すように、各位置でＣＣＤ３２からの
受光信号が最大となる後側レンズ群２２の位置Ｆ１，Ｆ
２，…，Ｆｎを求める。これによって得られる（Ｆ１，
Ｏ１），…，（Ｆｎ，Ｏｎ）が校正データになる。図８
の例ではｎ＝５としている。

【００６３】次いで、図１１の＃２０において、（Ｆ
１，Ｏ１），…，（Ｆｎ，Ｏｎ）の校正データのうちか
ら、測定開始位置Ｎ１を含むＭ個の測定点を抽出し、La
grangeのＭ次補間多項式を用いて後側レンズ群２２の位
置Ｚ１を求める。なお、Ｍについては、設計値（例えば
図５の直線）に対する誤差の大きさに応じて、適当な値
に決めればよい。すなわち、校正データを結ぶ線が設計
値から大きく離れている範囲では、測定点を細かく設定
してＭを大きくすればよい。

【００６４】次いで、図１１の＃３０において、同様に
して、測定開始位置Ｎ１から一定値ｄずつ離れた位置Ｎ
２，…，Ｎｎに対応する位置Ｚ２，…，Ｚｎを求める。
これによって、図９に示すように、集光部２４の位置Ｎ
１，…，Ｎｎに対応する後側レンズ群２２の位置Ｚ１，
…，Ｚｎが求められる。図９の例では、ｎ＝７になって
いる。

【００６５】次いで、図１１の＃４０において位置Ｚ
１，…，ＺｎがＥＥＰＲＯＭ９０に格納される。そし
て、このＥＥＰＲＯＭ９０に格納された位置Ｚ１，…，
Ｚｎを用いることにより、図１０に示すように、後側レ
ンズ群２２を位置Ｚ１，…，Ｚｎに順次移動させること
で、被測定物３側の集光部２４を位置Ｎ１，…，Ｎｎに
等間隔ｄで順次移動させることができる。

【００６６】次に、図１２のフローチャートを用いて、
三次元形状計測装置１の計測動作の手順について説明す
る。

【００６７】まず、操作者により被測定物３が試料台２
の所定位置に載置され、スタートボタン（図示省略）が
押圧される（＃１１０でＹＥＳ）と、サブ演算制御部１
００により、集光部２４のＹ軸方向及びＺ軸方向の移動
範囲が決定され、投影光学系２３が初期位置にセットさ
れる（＃１２０）。

【００６８】次いで、ボタン押圧信号を受けて、メイン
演算制御部１２０からサブ演算制御部１００に測定開始
命令信号が出力され（＃１３０）、この測定開始命令信
号を受けて、サブ演算制御部１００によりＬＤ１１が発
光する（＃１４０）。これにより、ＬＤ１１から出力さ
れたレーザ光が被測定物３に照射され、被測定物３で反
射した反射光が投影光学系２３及びリレー光学系３１を
経て、ＣＣＤ３２に受光される。

【００６９】次いで、サブ演算制御部１００からモータ
制御部８０に動作命令信号が出力され、ドライバ８１を
介してモータ２９が駆動されて後側レンズ群２２が基端
から終端に向けて移動を開始する（＃１５０）。これに
より、波形整形部５０からパルス信号がサブ演算制御部
１００に対して順次出力される。

【００７０】そして、波形整形部５０からのパルス信号
のカウントにより、後側レンズ群２２が位置Ｚ＝Ｚｉ
（ｉ＝１〜ｎ）に到達したと判定されると（＃１６０で
ＹＥＳ）、サブ演算制御部１００からカメラ制御部７０
にタイミングパルス信号が出力され、このタイミングパ
ルス信号に同期してカメラ制御部７０からＣＣＤ３２に
露光パルス信号が出力されて、位置Ｚｉにおける測定が
行われる（＃１７０）。

【００７１】このとき、各露光パルス信号の出力期間に
おいて、各光電変換素子に測定光が露光され、露光パル
ス信号の非出力期間において、受光信号のレベルがＡ／
Ｄ変換部７０を介してディジタル信号処理部１１０に送
られ、このディジタル信号処理部１１０のメモリ１１１
に格納される。

【００７２】次いで、測定終了位置Ｚｎに到達したか否
かが判定され（＃１８０）、未だ到達していなければ
（＃１８０でＮＯ）、＃１６０に戻って以上のルーチン
が繰り返され、測定終了位置Ｚｎに到達すると（＃１８
０でＹＥＳ）、ディジタル信号処理部１１０により、メ
モリ１１１に格納された受光信号レベルのうちからピー
ク値周辺の座標が粗検出され、この座標がメイン演算制
御部１２０に送られ、この座標データを受けて、メイン
演算制御部１２０によりピーク位置が精密に検出される
（＃１９０）。

【００７３】次いで、後側レンズ群２２が基端部に戻り
（＃２００）、続いて、Ｙ軸方向の測定が終了したか否
かが判別され（＃２１０）、終了していれば（＃２１０
でＹＥＳ）、メイン演算制御部１２０は、三次元形状計
測装置１による被測定物３の三次元形状計測動作を終了
させる。

【００７４】一方、Ｙ軸方向の測定が終了していなけれ
ば（＃２１０でＮＯ）、試料台２がＹ軸方向に移動し
（＃２２０）、＃１５０に戻って、以上のルーチンが繰
り返される。

【００７５】このように、本実施形態によれば、後側レ
ンズ群２２の移動により集光部２４が移動したときに、
集光部２４の間隔が所定の一定値ｄとなるような後側レ
ンズ群２２の複数の位置Ｚ１，…，ＺｎをＥＥＰＲＯＭ
９０に格納し、後側レンズ群２２がこの位置Ｚ１，…，
Ｚｎを通過した時点でＣＣＤ３２による露光動作を行う
ようにしたので、移動する集光部２４の間隔が一定値で
露光動作を行うことができ、これによって、被測定物３
の形状を一定の精度で計測することができる。

【００７６】なお、本発明は、上記実施形態に限られ
ず、以下の変形形態を採用することができる。

【００７７】（１）上記実施形態では、LagrangeのＭ次
補間多項式を用いて、ＥＥＰＲＯＭ９０に格納する位置
Ｚ１，…，Ｚｎを求めているが、これに限られない。

【００７８】図１３は、図７の装置を用いて得られた校
正データ（Ｆ１，Ｏ１），…，（Ｆｎ，Ｏｎ）を結ぶ線
が、設計値（図中、一点鎖線）に対してほぼ平行になる
場合を示している。なお、図１３ではｎ＝４としてい
る。

【００７９】この場合には、集光部２４の露光位置Ｎ
１，Ｎ２，…に対応する後側レンズ群２２の設計位置Ｚ
１，Ｚ２，…に対して、それぞれ一定の補正量ΔＤ１だ
け加算するようにすればよい。従って、ＥＥＰＲＯＭ９
０には、位置データとして、Ｚ１＋ΔＤ１，…，Ｚｎ＋
ΔＤ１を格納しておけばよい。

【００８０】図１４は、図７の装置を用いて得られた校
正データ（Ｆ１，Ｏ１），…，（Ｆｎ，Ｏｎ）を結ぶ線
が、設計値（図中、一点鎖線）に対して１以上の点（図
１４では２点）で交差する曲線になる場合を示してい
る。なお、図１４ではｎ＝７としている。

【００８１】この場合には、交差点Ｐ１，Ｐ２で領域を
分割し、各領域で異なる補正量を設定すればよい。すな
わち、集光部２４の露光位置Ｎｉに対応する後側レンズ
群２２の設計位置Ｚｉに対して、点Ｐ１の左側の領域
（Ｚ＜ＺＰ１）では一定の補正量Δαだけ加算し、点Ｐ
１と点Ｐ２の間の領域（ＺＰ１≦Ｚ＜ＺＰ２）では一定
の補正量Δβだけ減算し、点Ｐ２の右側の領域（ＺＰ２
≦Ｚ）では一定の補正量Δγだけ加算するようにすれば
よい。従って、ＥＥＰＲＯＭ９０には、各領域に応じた
位置データとして、例えばＺ１＋Δα，…，Ｚｉ−Δ
β，…，Ｚｎ＋Δγを格納しておけばよい。

【００８２】なお、図１４の場合には、交差点Ｐ１，Ｐ
２から所定距離内では、補正量の加減算を行わず、設計
位置ＺｉをそのままＥＥＰＲＯＭ９０に格納するように
してもよい。この所定距離は、交差点近傍の位置で、補
正量の加減算により異なる領域に移ってしまう（例えば
Δαの加算により点Ｐ１の左側から右側に移る）ような
距離に設定すればよい。

【００８３】（２）上記実施形態では、ＥＥＰＲＯＭ９
０に位置データそのものを格納しているが、これに限ら
れず、補正量のみを格納してもよい。すなわち、例え
ば、図７の装置を用いた校正結果が図８に示すような場
合には、各露光位置に対して個別に補正量を格納してお
き、校正結果が図１３に示すような場合には、同一の補
正量を格納しておき、校正結果が図１４に示すような場
合には、各領域ごとに補正量を格納しておけばよい。

【００８４】そして、サブ演算制御部１００は、ＥＥＰ
ＲＯＭ９０に格納されている補正量と、波形整形部５０
から入力されるパルス信号とを用いて、集光部２４の位
置の間隔が一定値ｄになるような後側レンズ群２２の位
置（補正位置）を算出する機能を有するようにすればよ
い。

【００８５】この形態によれば、上記実施形態と同様
に、移動する集光部２４の間隔が一定値で露光動作を行
うことができ、これによって、被測定物の形状を一定の
精度で計測することができる。

【００８６】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、記憶手段に、光学系により集光される照明光の
集光位置の移動間隔が所定の一定値になるような間隔に
設定された光学系の複数位置を予め格納するようにして
いるので、光学系が移動し、移動する光学系の位置が検
出されて、記憶手段に格納されている上記各位置を光学
系が通過する時点で、光電変換手段により露光動作が行
われることにより、照明光の集光位置の移動間隔が所定
の一定値になるタイミングで露光動作を行うことがで
き、これによって、一定の精度で被測定物の表面形状の
測定を行うことができる。

【００８７】また、請求項２の発明によれば、記憶手段
に、集光位置の移動量と光学系の移動量との関係に関す
る補正データを予め格納しておき、この補正データを用
いて集光位置の移動間隔が所定の一定値になるような光
学系の補正位置を算出するようにしているので、光学系
が移動し、移動する光学系の位置が検出されて、記憶手
段に格納されている上記各位置を光学系が通過する時点
で、光電変換手段により露光動作が行われることによ
り、照明光の集光位置の移動間隔が所定の一定値になる
タイミングで露光動作を行うことができ、これによっ
て、一定の精度で被測定物の表面形状の測定を行うこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る三次元形状計測装置の一実施形態
の概略構成を示す図である。

【図２】三次元形状計測装置の電気的構成を示すブロッ
ク図である。

【図３】メモリに格納されるデータ形式の一例を示す図
である。

【図４】近似ピーク値を求める補間演算を説明する図で
ある。

【図５】後側レンズ群を移動させたときに、後側レンズ
群の移動量と集光部の移動量との関係を示す図で、理想
的な状態を示している。

【図６】後側レンズ群を移動させたときに、後側レンズ
群の移動量と集光部の移動量との関係を示す図で、現実
の状態を示している。

【図７】校正動作を行う際の装置構成を示す図である。

【図８】校正動作によって得られる校正データを説明す
る図である。

【図９】校正データを用いて得られる位置データ、すな
わちＥＥＰＲＯＭに格納される位置データを説明する図
である。

【図１０】ＥＥＰＲＯＭに格納された位置データを用い
て行われる測定態様を模式的に示す図である。

【図１１】校正動作の手順を示すフローチャートであ
る。

【図１２】三次元形状計測装置の計測動作の手順を示す
フローチャートである。

【図１３】図７の装置を用いて得られた校正データを結
ぶ線が、設計値に対してほぼ平行になる場合を示してい
る。

【図１４】図７の装置を用いて得られた校正データを結
ぶ線が、設計値に対して１以上の点で交差する曲線にな
る場合を示している。

【符号の説明】

１三次元形状計測装置２試料台３被測定物１０照明部（照明手段）２０投影部２１前側レンズ群２２後側レンズ群２３投影光学系（光学系）２４集光部２５目盛板２６，２７光センサ（位置検出手段）２９モータ（移動手段）３０受光部３２ＣＣＤ（光電変換手段）４０試料台支持部６０カメラ制御部（露光制御手段）８０モータ制御部８１ドライバ９０ＥＥＰＲＯＭ（記憶手段）１００サブ演算制御部（露光制御手段、補正演算手
段）１１０ディジタル信号処理部１２０メイン演算制御部（演算手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者清水佳恵大阪市中央区安土町二丁目３番13号大阪国際ビルミノルタ株式会社内Ｆターム(参考） 2F065 AA02 AA04 AA06 AA53 EE00 EE05 FF09 FF10 FF16 FF42 FF44 FF61 FF64 FF65 FF67 GG06 GG12 HH13 JJ01 JJ02 JJ09 JJ25 LL00 LL04 LL46 LL59 NN11 NN20 PP02 PP12 QQ00 QQ02 QQ03 QQ17 QQ23 QQ25 QQ27 QQ28 QQ29 QQ31 QQ32 QQ51

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定物を照明する照明手段と、この照明手段により照明された被測定物からの反射光を
受光し、受光した光強度に応じた受光信号を出力する光
電変換手段と、上記照明手段と被測定物との間に配設され、上記照明手
段からの照明光を集光して被測定物に導くとともに、被
測定物で反射された反射光を上記光電変換手段の受光面
に導く光学系と、上記照明光の被測定物側の集光位置を光軸に沿って移動
させるべく上記光学系を光軸に沿って移動させる移動手
段と、上記光学系の位置を検出する位置検出手段と、上記集光位置の移動間隔が所定の一定値になるような間
隔に設定された上記光学系の複数位置が予め格納されて
いる記憶手段と、上記光学系を移動させ、上記記憶手段に格納されている
上記各位置を上記光学系が通過する時点で上記光電変換
手段に露光動作を行わせる露光制御手段と、上記光電変換手段から順次出力される複数の受光信号の
レベルと各受光信号に対応する集光位置とに基づいて被
測定物の表面形状を示す光軸方向の位置座標を算出する
演算手段とを備えたことを特徴とする三次元形状計測装
置。
【請求項２】被測定物を照明する照明手段と、この照明手段により照明された被測定物からの反射光を
受光し、受光した光強度に応じた受光信号を出力する光
電変換手段と、上記照明手段と被測定物との間に配設され、上記照明手
段からの照明光を集光して被測定物に導くとともに、被
測定物で反射された反射光を上記光電変換手段の受光面
に導く光学系と、上記照明光の被測定物側の集光位置を光軸に沿って移動
させるべく上記光学系を光軸に沿って移動させる移動手
段と、上記集光位置の移動量と上記光学系の移動量との関係に
関する補正データが予め格納されている記憶手段と、上記光学系の位置を検出する位置検出手段と、上記補正データを用いて上記集光位置の移動間隔が所定
の一定値になるような上記光学系の補正位置を算出する
補正演算手段と、上記光学系を移動させ、上記補正位置を上記光学系が通
過する時点で上記光電変換手段に露光動作を行わせる露
光制御手段と、上記光電変換手段から順次出力される複数の受光信号の
レベルと各受光信号に対応する集光位置とに基づいて被
測定物の表面形状を示す光軸方向の位置座標を算出する
演算手段とを備えたことを特徴とする三次元形状計測装
置。