JP2007139622A - ３次元形状計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】１つの投影光学系により撮像光軸周りの任意の方向からパターンを標本に投影することができる３次元形状計測装置を提供する。
【解決手段】パターン投影法により標本の３次元形状を計測する３次元形状計測装置において、ケーラー照明光学系の照明光学系光軸５上の開口絞り位置７であって且つ照明光学系光軸５に対して垂直な面上に、照明光学系光軸５に対して偏心した開口部１６を有する枠体１４を設ける。また、このとき、枠体１４を、照明光学系光軸５を中心に回転自在に設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、物体の３次元形状を計測する装置に関する。

光を用いて非接触で物体の３次元形状を計測する方法として、光ビームを検査物体面上で走査する光プローブ方式や、スリット等を検査物体に投影しその変形量を三角測量の原理を応用して計測する面計測方式などが知られている。このうち、面計測方式には、撮影方向が異なる複数の画像を撮影して高さを計測するステレオ写真法等も含まれる。

面計測方式の中でも非常に高速に表面形状が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、標本上に縞パターンを投影し、得られた画像から各画素毎にその点での縞の位相を求め、その位相情報から標本の表面形状を演算する技術である。

格子パターン投影法は三角測量の原理を利用しているため、格子パターンの投影光軸は撮像光軸に対して角度が付けられている。このように、傾きのある照明が為されることから、標本の凹凸によって影ができてしまい、格子パターンが投影されない範囲が発生する。この範囲については高さを正しく算出することができない。従って、格子パターンの投影光軸と撮像光軸との為す角度を大きくすると、計測精度は向上するが、その一方で標本の凹凸によって影が多くなることで死角が増え、計測不能な範囲を広めてしまうことになる。

このような問題に対する解決策として、例えば特許文献１に開示されている技術がある。特許文献１には、１つの光源を用いて２方向から格子パターンを投影する３次元形状計測装置が開示されている。ここで、この装置を、図５及び図６を用いて簡単に説明する。

図５は、その装置の概略構成を示す側面図であり、図６は、その装置の概略構成を示す底面図である。
両図に示した装置において、光源２１から出射した光は、照明光学系２２により変調装置２３に入射し、光分割素子２４で２つの光路に分けられ、ユニットA、Bに入射するように構成されている。

ユニットAに入射した光は、ミラー２５、遮光装置２８、投影光学系３０を通りハーフミラー３３で反射されたのち、対物光学系３２を通り、特定の角度を持って標本S上に格子パターン像を形成するように構成されている。

一方、光分割素子２４を透過しミラー２６からユニットBに入射した光も同様に、ミラー２７、遮光装置２９、投影光学系３１を通りハーフミラー３３で反射され、対物光学系３２を通り、特定の角度を持って標本S上に格子パターン像を形成するように構成されている。

ユニットA、B、及び、光源２１と照明光学系２２と変調装置２３とを含むユニットCは、移動可能に構成されており、標本Sへの格子パターンの入射角度が、対物光学系３２の有効径の範囲内で可変であるように構成されている。

投影されたそれぞれのパターン像は、標本Sの表面で散乱され、一部の散乱光が対物光学系３２に戻りハーフミラー３３を透過し、結像光学系３４により集光され、そして、フィルター交換装置３５を透過し、撮像素子３６の受光面上に再度格子パターン像を形成するように構成されている。

測定の際には、遮光装置２８、２９をそれぞれ片側ずつ遮光状態にし、標本S上に２方向から別々に格子パターンを投影し、高さ情報を演算して算出するようになっている。
このように、格子パターンを投影する投影光学系を２つ設け、２方向からの格子パターンの投影を可能としているため、標本の凹凸によってできる影、すなわち死角を低減させることができるように構成されている。さらに、２つの投影光学系と照明光学系とが移動可能に構成されているため、標本に応じて格子パターンの投影角度を変更することができ、標本に合わせた測定精度を得ることが可能であるように構成されている。

尚、図５に示した構成において、３７は所定の制御を行うコンピューターであり、３８は表示装置である。
特開２００４−１９１２４０号公報

しかしながら、上記の構成の３次元形状計測装置においては、格子パターンを予め決められた２方向からしか（ユニットA、Bのそれぞれの位置に応じた２方向からしか）投影することができないため、より複雑な３次元形状を計測しようとする場合には、標本の凹凸によってできる影により３次元形状を精度良く取得することができない可能性が高くなる。また、仮に、このような格子パターンを投影する投影光学系を３つ以上設けた場合であっても同様であり、それらが設けられた位置に応じた方向からしか格子パターンを投影することができないため、格子パターンの投影方向に制約があることに変わりはない。

また、上記の構成の装置においては、格子パターンを投影する投影光学系が２つとなるため、コンパクトに構成することが難しく且つ高価になってしまう。さらに、２つの投影光軸を対物光学系の有効径の範囲内で移動させることで格子パターンの投影角度を可変に構成しているが、そのためには投影光学系と照明光学系とをそれぞれ移動させなければならず誤差が生じやすい。

また、上記の構成の装置においては、投影された格子パターン像の散乱光を標本の直上より撮像素子に取り込んでいるため、撮像光軸と平行な面、すなわち標本の側面の情報を取り込むことができず、撮像光軸と平行な面の表面形状を計測することができない。

本発明は、上記実情に鑑み、１つの投影光学系により撮像光軸周りの任意の方向からパターンを標本に投影することができる３次元形状計測装置を提供することを第１の目的とする。また、パターン像の散乱光が撮像光軸に対して傾きを持って撮像素子に受光されるように構成することにより対物光学系の光軸と平行な面の形状を計測することができる３次元形状計測装置を提供することを第２の目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の態様に係る３次元形状計測装置は、標本に投影されたパターン像を検出し当該パターン像の変形量から前記標本の高さ情報を算出する３次元形状計測装置であって、光源からの光を前記標本に照明する対物レンズを含む照明光学系と、前記照明光学系の光軸上における前記標本共役位置近傍であって且つ前記照明光学系の光軸に対して垂直な面上に設けられた、前記標本に投影する所定パターンを有する光学変調素子と、前記標本に投影されたパターン像を、前記対物レンズを介して撮像素子に結像させる観察光学系と、前記照明光学系又は前記観察光学系のうち少なくとも一方の光軸上における前記対物レンズの瞳共役位置近傍であって且つ前記照明光学系の光軸に対して垂直な面上に設けられ、前記照明光学系の光軸に対して偏心した開口部を有する枠体と、を有することを特徴とする。

本発明の第２の態様に係る３次元形状計測装置は、上記第１の態様において、 前記枠体の開口部が、前記照明光学系の光軸に対する垂直な面上で移動可能に設けられる、ことを特徴とする。

本発明の第３の態様に係る３次元形状計測装置は、上記第１の態様において、前記光源が、前記照明光学系の光軸に対する垂直な面上で移動可能に設けられる、ことを特徴とする。

本発明の第４の態様に係る３次元形状計測装置は、上記第１の態様において、前記枠体の開口部の形状及び大きさが可変である、ことを特徴とする。
本発明の第５の態様に係る３次元形状計測装置は、上記第１の態様において、前記枠体又は前記光源のうち少なくとも一方を、前記観察光学系又は前記照明光学系光軸を中心に回転自在に設けた、ことを特徴とする。

本発明の第６の態様に係る３次元形状計測装置は、標本に投影されたパターン像を検出し当該パターン像の変形量から前記標本の高さ情報を算出する３次元形状計測装置であって、光源からの光を前記標本に照明する対物レンズを含む照明光学系と、前記照明光学系の光軸上における前記標本共役位置近傍であって且つ前記照明光学系の光軸に対して垂直な面上に設けられた、前記標本に投影する所定パターンを有する光学変調素子と、前記標本に投影されたパターン像を、前記対物レンズを介して撮像素子に結像させる観察光学系と、を有し、前記光源が、前記光源の位置における前記照明光学系光軸に対して垂直な面上で移動可能に設けられる、ことを特徴とする。

本発明の第７の態様に係る３次元形状計測装置は、撮像された複数の標本画像から標本の高さ情報を算出する３次元形状計測装置であって、光源からの光を前記標本に照明する対物レンズを含む照明光学系と、前記標本と略共役な位置に設けられた撮像素子と、前記標本の像を、前記対物レンズを介して前記撮像素子に結像させる観察光学系と、前記照明光学系又は前記観察光学系のうち少なくとも一方の光軸上における前記対物レンズの瞳共役位置近傍であって且つ前記照明光学系の光軸に対して垂直な面上に移動可能に設けられ、前記照明光学系光軸に対して偏心した開口部を有する枠体と、を有することを特徴とする。

以上、本発明によれば、照明光学系光軸上の開口絞り位置に、偏心した開口部を有する枠体を、照明光学系光軸を中心に回転自在に設けたこと、或いは、光源を照明光学系光軸に対して偏心させ照明光学系光軸を中心に回転自在に設けたことにより、高さを計測したい標本に合わせてパターンの投影方向を自由に変更することができる。従って、標本の凹凸によってできる影（測定不能な死角）を減らすようなパターン投影方向を選択することができ、精度良く高さ計測を行うことができる。また、光源を照明光学系光軸に対して偏心させて設けたときにあっては、よりコントラストの高いパターン像を投影させることができるので、高さ計測の精度を、より一層向上させることができる。

また、撮像光軸上の開口絞り位置に、偏心した開口部を有する枠体を、撮像光軸を中心に回転自在に設けたことにより、撮像素子のパターン像受光方向を自由に変更することができる。すなわち、高さを計測したい標本を、任意の斜めの方向から観察することができる。従って、撮像光軸と平行な面の３次元形状の計測も可能となり、精度良く高さ計測を行うことができる。また、このときには、撮像光軸と平行な方向からパターンを標本に投影しても高さ計測を行うことができるし、パターンを投影せずにステレオ写真法によっても高さ計測を行うことができる。

また、照明光学系光軸上の枠体と撮像光軸上の枠体、或いは、照明光学系光軸に対して偏心させて設けた光源と撮像光軸上の枠体とを組み合わせることにより、パターン投影方向と撮像素子のパターン像受光方向との為す角度を大きくすることができるので、高さ計測の精度を、より一層向上させることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る３次元形状計測装置の概略構成を示す図である。図２は、その３次元形状計測装置に含まれる枠体を示す図である。
図１に示したように、本実施例に係る装置では、例えばハロゲンランプ等の光源１から出射した光は、集光レンズ２、投影レンズ３を通り、標本４を均一に照明するケーラー照明になるように構成されている。集光レンズ２及び投影レンズ３は、照明光学系光軸５上に配置されている。集光レンズ２と投影レンズ３との間の照明光学系光軸５上には、標本４と共役な視野絞り位置６があり、また、この視野絞り位置６よりも光源１側には光源１と共役な開口絞り位置７がある。

尚、視野絞り位置とは、標本と共役な位置近傍（標本と共役な位置も含む）の位置のことである。また、開口絞り位置とは、対物レンズの瞳と共役な位置近傍（対物レンズの瞳と共役な位置も含む）の位置のことでもある。

視野絞り位置６であって且つ照明光学系光軸５に対して垂直な面上には、所定のパターンを有する光学変調素子８が設けられている。尚、光学変調素子８が有するパターンは、光透過部と光遮光部とから形成されており、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（格子パターン）等がある。

標本４からの光は、対物レンズ９を介して、結像レンズ１０によって例えばＣＣＤ等の撮像素子１１に結像されるように構成されている。対物レンズ９及び結像レンズ１０は、撮像光軸１２上に配置されている。撮像素子１１は、撮像光軸１２上にある標本４と共役な位置に配置されている。

照明光学系光軸５と撮像光軸１２とが交わる位置であって対物レンズ９と結像レンズ１０との間には偏向素子としてハーフミラー１３が配置されている。このとき、ハーフミラー１３は、照明光学系光軸５がハーフミラー１３で反射されて撮像光軸１２と一致し標本４へ向かう向きに設けられる。

尚、これまでに説明した構成を、以下、単に「基本構成」という。
本実施例に係る装置では、この基本構成に加え、更に、照明光学系光軸５上の開口絞り位置７に、図２に示した枠体１４が配置されている。このとき、枠体１４は、その回転中心１５と照明光学系光軸５とが一致し、且つ、照明光学系光軸５と垂直に交わるように設けられる。すなわち、枠体１４は、照明光学系光軸５上の開口絞り位置７であって且つ照明光学系光軸５に対して垂直な面上に設けられている。

また、枠体１４は、回転中心１５に対して偏心した開口部１６を有している。このとき、集光レンズ２からの光は枠体１４の開口部１６からしか通過することができないため、開口部１６は、この開口部１６を通過した光が対物レンズ９の有効径を通る程度の位置に設けられる。

また、枠体１４は、照明光学系光軸５を中心に回転可能に設けられている。尚、枠体１４の回転は、手動であっても電動であってもかまわない。
次に、図１に示した構成の作用について説明する。

まず、上述の基本構成の作用を説明する。
図１に示した構成において、光源1から出射した光は、集光レンズ２により、光学変調素子８に均一に照射される。光学変調素子８を透過した光は、投影レンズ３を通り、ハーフミラー１３によって撮像光軸１２と一致し且つ標本４側を向くように反射される。反射された光は、対物レンズ９により標本４上に集光し、光学変調素子８のパターン像が標本４に投影される。

標本４上に投影されたパターン像のうち、明るい部分、すなわち光学変調素子８の光透過部を通過した光が、標本４の表面に照射される。この照射された光によって標本４の表面で反射・散乱された光の一部は、対物レンズ９を通過し、ハーフミラー１３を透過し、結像レンズ１０によって集光され、標本４と共役な位置に設けられた撮像素子１１に受光される。これにより、撮像素子１１の受光面上には縞状のパターン像が形成される。

以上が基本構成の作用である。
ここで、パターン投影法による３次元計測を行う場合、三角測量の原理を用いて高さを算出するため、標本４に対する光学変調素子８のパターンの投影方向と、撮像素子１１のパターン像受光方向とは、角度を有する必要がある。

本実施例に係る構成では、上述の基本構成に加え、更に照明光学系光軸５上の開口絞り位置７に照明光学系光軸５に対して偏心した開口部１６を有する枠体１４を配置したことにより、集光レンズ２からの光は、枠体１４に設けられた開口部１６を通過する光のみが光学変調素子８に入射される。そのため、図１に示したように、対物レンズ９の瞳心に対して入射する照明の軸がずれ、撮像光軸１２に対し特定の角度θをもって、光学変調素子８のパターン像が標本４に投影される。

このようにしてパターン像が標本４に投影され、そして、撮像素子１１により受光されたパターン像は、撮像素子１１と電気的に接続されている不図示のコンピューターに取り込まれ、そのパターン像の変形量から標本４の高さ情報が算出される。

また、本実施例に係る構成では、上述のとおり、枠体１４が照明光学系光軸５を中心に回転可能に設けられているため、撮像光軸１２を中心とした任意の方向からパターンを標本４に投影させることも可能になっている。

以上、本実施例に係る３次元形状計測装置によれば、撮像光軸１２を中心とした任意の方向からパターンを標本４に投影可能に構成したので、標本４の形状に応じてパターンの投影方向を自由に選択することができる。従って、標本４が有する凹凸によってできる影（測定不能な死角）を減らすようなパターン投影方向を選択することができ、精度良く高さ計測を行うことができる。

例えば、円柱や角柱のような形状ではなく入り組んだ複雑な形状を有した物体の高さを計測したい場合に、２方向からのパターンの投影だけでは死角を取り去ることができないときがある。このとき、例えば、３つ以上の方向からパターンを投影することができるように構成して対応することも考えられるが、この場合には、パターンの投影方向に合わせて標本４を載置しなければならず不便である。これに対し、本実施例に係る装置では、標本４の形状や高さに合わせてパターンの投影方向を選択することができるので、計測不能な箇所をより少なくした正確な３次元形状の算出が可能となる。

さらに、枠体１４を回転させるだけでパターンの投影方向を変更することができるので、その投影方向の変更を容易に行うことができる。
また、本実施例に係る装置によれば、1つの照明系にて、上述のように任意の方向からパターンを投影することができるように構成しているため、装置をコンパクトに構成することができる。

また、パターンの投影方向の数に応じた数の投影光学系を備える必要が無いため、コスト的にも有利である。
以上、実施例１に係る３次元形状計測装置について説明したが、これを、次のように変形して構成することも可能である。

例えば、実施例１に係る装置において、枠体１４に設けられている開口部１６を、公知のハネ部材等を用いた機構を用いて構成し、開口部１６の開口の大きさ及び枠体１４の半径方向における開口部１６の位置を変更可能に構成してもよい。

これにより、開口部１６の開口の大きさを変更することで標本４に投影されるパターン像の明るさを調整することができる。また、開口部１６の位置を枠体１４の半径方向において調整することにより、標本４へのパターンの投影角度を変更することができる。例えば、開口部１６の位置を、枠体１４の回転中心１５から離すほど、撮像光軸１２に対するパターンの投影角度を大きくすることができる。

このように、開口部１６の大きさと位置を調整することによって、標本４に合わせた測定精度を得ることが可能になる。
また、実施例１に係る装置では、枠体１４を、照明光学系光軸５を中心に回転自在に設けたが、これと連動して光学変調素子８のパターンを回転させるようにしてもよい。尚、このときの枠体１４と光学変調素子８との連動は、メカ的に連動するものであっても、或いは、光学変調素子８に例えば液晶を用いて、電気的に連動するものであってもよい。また、光学変調素子８に液晶を用いた場合、任意にパターンを可変制御することが可能である。

標本４へのパターンの投影方向によっては、標本４の形状パターンと投影されるパターン像とが一致する等の理由により、投影されたパターン像に位相の変化がなく高さを算出できない場合がある。このような場合には、標本４に投影されたパターン像から高さを算出可能なように、枠体１４の開口部１６の位置と光学変調素子８のパターンの向きとを調整し、その後に、光学変調素子８と連動させながら枠体１４を回転させるようにしてもよい。

これにより、より正確な高さの算出が可能となる。
また、実施例１に係る装置において、照明光学系光軸５上の開口絞り位置７に配置した枠体１４と、視野絞り位置６に配置した光学変調素子８とを互いに挿脱可能に構成してもよい。

これにより、通常の顕微鏡観察も可能となり、３次元形状計測と切り替えて使用することができ、ユーザの利便性が高くなる。
また、実施例１に係る装置の構成を、例えばビデオマイクロスコープやシングルズーム顕微鏡（ズーム光学系を備えた顕微鏡）に適用して構成してもよい。

これにより、倍率が可変となり、標本４の測定範囲を倍率の範囲内で任意に設定することが可能になる。また、標本４の光軸方向における特定部分のみを限定して測定することも可能になる。

また、実施例１に係る装置において、光変調素子８のパターンを投影するための構成を全て省き、単に標本４に何らかの照明が当たるように構成してもよい。これによれば、標本４の像を、特定の角度θを持って撮像光軸１２を中心とした任意の方向から撮像素子１１に受光させることができる。よって、複数の異なる方向から受光させた標本像の画像を用いてステレオ写真法による３次元形状の高さ計測を行うことが可能になる。

なお、上述の実施の形態では光学変調素子８の有するパターンを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としたが、これに限らず例えば、１次元方向に対して正弦波の縞状に透過率を分布するパターンや、２次元空間コード化によって光透過部と光遮光部とを分布するパターンであってもよい。

図３は、本発明の実施例２に係る３次元形状計測装置の概略構成を示す図である。尚、本実施に係る装置において、実施例１に係る装置と同一の要素については同一の符号とし、ここでは、その説明を省略する。

図３に示したように、本実施例に係る装置では、照明光学系光軸５上の開口絞り位置７に、実施例１にて説明した枠体１４が配置されておらず、その代わりに、光源1が照明光学系光軸５に対して偏心されて配置されている。すなわち、光源１は、元の位置（同図の点線で示す光源１の位置）における照明光学系光軸５に対して垂直な面上であって且つ照明光学系光軸５に対して偏心した位置に配置されている。但し、光源1は、出射された光が対物レンズ９の有効径を通る程度の位置に設けられる。その他の構成は、実施例１に係る装置と同様である。

尚、本実施例に係る装置において、光源1の近傍に絞りを配置して余分な照明光を通さないように構成し、フレア等を防止するようにしてもよい。
次に、図３に示した構成の作用について説明する。

図３に示したように、本実施例に係る装置では、光源1を照明光学系光軸５に対して偏心させて配置したことで、実施例１に係る装置と同様に、対物レンズ９の瞳心に対して入射する照明の軸がずれ、撮像光軸１２に対して特定の角度ψをもって、光学変調素子８のパターン像が標本４に投影される。

以上、本実施例に係る３次元形状計測装置によれば、パターンを標本４に投影する際に、実施例１に係る装置のように枠体１４の開口部１６によって光源1の光量をカットしていない分、よりコントラストの高いパターン像を標本４に投影させることができる。よって、高さ計測の精度を、より向上させることができる。

以上、実施例２に係る３次元形状計測装置について説明したが、これを、次のように変形して構成することも可能である。
例えば、実施例２に係る装置において、特定の駆動機構等を用いて、光源１を、照明光学系光軸５を中心に回転自在に設けてもよい。これにより、実施例１にて述べた効果と同様の効果を得ることができることに加え、よりコントラストの高いパターン像を標本４に投影させることもできる。よって、より高精度な高さ計測が可能になる。また、この場合に、光源１の回転移動を容易にするため、光源１としてＬＥＤを用いてもよい。

図４は、本発明の実施例３に係る３次元形状計測装置の概略構成を示す図である。尚、本実施に係る装置においても、実施例１に係る装置と同一の要素については同一の符号とし、ここでは、その説明を省略する。

図４に示したように、本実施例に係る装置では、撮像光軸１２上であって結像レンズ１０の撮像素子１１側には、標本４からの光をリレーするリレーレンズ１７が設けられ、このリレーレンズ１７の結像位置、すなわち標本４と共役な位置に撮像素子１１が設けられている。尚、撮像素子１１は、標本４と略共役な位置に設けられてもよい。

撮像光軸１２上の開口絞り位置１８には、図２に示した枠体１４が配置されている。このとき、この枠体１４は、その回転中心１５と撮像光軸１２とが一致し、且つ、撮像光軸１２と垂直に交わるように設けられる。すなわち、この枠体１４は、撮像光軸１２上の開口絞り位置１８であって且つ撮像光軸１２に対して垂直な面上に設けられている。

また、この枠体１４は、前述のとおり、回転中心１５に対して偏心した開口部１６を有している。このとき、標本４に投影されたパターン像は、枠体１４の開口部１６からしか通過することができないため、開口部１６は、対物レンズ９の有効径の範囲内の位置に設けられる。

また、この枠体１４は、撮像光軸１２を中心に回転可能に設けられている。尚、この枠体１４の回転も、手動であっても電動であってもかまわない。
また、同図において、１９は、撮像光軸１２上の視野絞り位置である。

尚、本実施例に係る装置において、光学変調素子８のパターンを標本４に投影するための構成は、実施例１に係る装置における、光学変調素子８のパターンを標本４に投影するための構成から枠体１４を省いた構成、すなわち、実施例１にて説明した基本構成における、光学変調素子８のパターンを標本４に投影するための構成と同様となっている。

その他の構成は、実施例１に係る装置と同様である。
次に、図４に示した構成の作用について説明する。
図４に示した構成において、光源１から光が出射し、標本４に光学変調素子８のパターン像が投影され、そして、標本４の表面で散乱された光の一部が結像レンズ１０に入射するまでの作用については、上述の実施例１にて説明した基本構成の作用のとおりである。

本実施例に係る装置では、その後、結像レンズ１０に入射された光が更にリレーレンズ１７へと導かれ、撮像光軸１２上の開口絞り位置１８にある枠体１４の開口部１６を通過する。これにより、標本４からのパターン像における開口部１６を通過した光のみが撮像素子１１に入射されるため、特定の角度φを持った方向からのパターン像が撮像素子１１の受光面上に投影される。

このようにして撮像素子１１に受光されたパターン像は、撮像素子１１と電気的に接続されている不図示のコンピューターに取り込まれ、そのパターン像の変形量から標本４の高さ情報が算出される。

上述のとおり、パターン投影法による３次元計測を行う場合、三角測量の原理を用いて高さを算出するため、標本４に対する光学変調素子８のパターンの投影方向と、撮像素子１１のパターン像受光方向とは、角度を有する必要がある。

本実施例に係る構成では、撮像光軸１２上の開口絞り位置１８に、撮像光軸１２に対して偏心した開口部１６を有する枠体１４を配置したことにより、標本４に投影されたパターン像は、角度φをもった方向から撮像素子１１に受光される。このため、実施例１に係る構成のように照明光学系光軸５上の開口絞り位置７に枠体１４を配置させたり、実施例２に係る装置のように照明光学系光軸５に対して光源1を偏心させたりしなくても済む。

また、本実施例に係る構成では、上述のとおり、枠体１４が撮像光軸１２を中心に回転可能に設けられているため、撮像光軸１２を中心とした任意の方向から、標本４に投影されたパターン像を撮像素子１１に受光させることも可能になっている。

以上、本実施例に係る３次元形状計測装置によれば、標本４に投影されたパターン像が撮像光軸１２に対して傾きを持った方向から撮像素子１１に受光されるように構成すると共に、そのパターン像を、撮像光軸１２を中心とした任意の方向から撮像素子１１に受光させることができるように構成したので、撮像光軸１２と平行な方向から受光していたときにはできなかった標本４における撮像光軸１２と平行な面に投影されたパターン像を受光することができる。すなわち、標本４における撮像光軸１２と平行な面の高さ計測も可能となる。

また、このような効果を、撮像光軸１２上の開口絞り位置１８に図２に示した枠体１４を配置することで得られるので、装置をコンパクトに構成することもできる。
以上、実施例３に係る３次元形状計測装置について説明したが、これを、次のように変形して構成することも可能である。

例えば、実施例３に係る装置に、実施例１又は実施例２に係る装置の構成を組み合わせるようにしてもよい。具体的には、実施例３に係る装置において、実施例１に係る装置のように照明光学系光軸５上の開口絞り位置７に枠体１４を配置したり、或いは、実施例２に係る装置のように照明光学系光軸５に対して光源1を偏心させたりする等してもよい。この場合、その組み合わせ方によって、パターンの投影方向と撮像素子１１のパターン像受光方向との為す角度は、最大でθ＋φ若しくはψ＋φとなり、より両者の間に角度を設けることができる。これにより、パターンの投影方向と撮像素子１１のパターン像受光方向との為す角度を大きくすることができ、より一層高さ計測の精度を向上させることができる。

また、実施例３に係る装置においても、実施例１に係る変形例と同様に、撮像光軸１２上の開口絞り位置１８に配置された枠体１４の開口部１６を、公知のハネ部材等を用いた機構を用いて構成し、開口部１６の開口の大きさ及び枠体１４の半径方向における開口部１６の位置を変更可能に構成してもよい。

また、撮像光軸１２上の開口絞り位置１８に配置された枠体１４と、光学変調素子８のパターンとを連動させて回転させてもよい。但し、照明光学系光軸５上の開口絞り位置７にも枠体１４を配置していた場合には、照明光学系光軸５及び撮像光軸１２上の開口絞り位置７及び１８に配置されたそれぞれの枠体１４と、光学変調素子８のパターンとを連動させて回転させてもよい。

また、撮像光軸１２上の開口絞り位置１８に配置された枠体１４と光学変調素子８とをそれぞれ挿脱可能に構成してもよい。但し、照明光学系光軸５上の開口絞り位置７にも枠体１４を配置していた場合には、照明光学系光軸５及び撮像光軸１２上の開口絞り位置７及び１８に配置されたそれぞれの枠体１４と、光学変調素子８とをそれぞれ挿脱可能に構成してもよい。

また、実施例３に係る装置の構成を、シングルズーム顕微鏡に適用して構成してもよい。
また、実施例３に係る装置において、光変調素子８のパターンを投影するための構成を全て省き、単に標本４に何らかの照明が当たるように構成してもよい。これによれば、標本４の像を、特定の角度φを持って撮像光軸１２を中心とした任意の方向から撮像素子１１に受光させることができる。よって、複数の異なる方向から受光させた標本像の画像を用いてステレオ写真法による３次元形状の高さ計測を行うことが可能になる。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良及び変更を行っても良いのはもちろんである。

実施例１に係る３次元形状計測装置の概略構成を示す図である。 枠体を示す図である。 実施例２に係る３次元形状計測装置の概略構成を示す図である。 実施例３に係る３次元形状計測装置の概略構成を示す図である。 従来の３次元形状計測装置の概略構成を示す側面図である。 従来の３次元形状計測装置の概略構成を示す底面図である。

符号の説明

１ 光源
２ 集光レンズ
３ 投影レンズ
４ 標本
５ 照明光学系光軸
６ 視野絞り位置
７ 開口絞り位置
８ 光学変調素子
９ 対物レンズ
１０ 結像レンズ
１１ 撮像素子
１２ 撮像光軸
１３ ハーフミラー
１４ 枠体
１５ 回転中心
１６ 開口部
１７ リレーレンズ
１８ 開口絞り位置
１９ 視野絞り位置
２１ 光源
２２ 照明光学系
２３ 変調装置
２４ 光分割素子
２５ ミラー
２６ ミラー
２７ ミラー
２８ 遮光装置
２９ 遮光装置
３０ 投影光学系
３１ 投影光学系
３２ 対物光学系
３３ ハーフミラー
３４ 結像光学系
３５ フィルター交換装置
３６ 撮像素子
３７ コンピューター
３８ 表示装置

Claims (7)

1. 標本に投影されたパターン像を検出し当該パターン像の変形量から前記標本の高さ情報を算出する３次元形状計測装置であって、
   光源からの光を前記標本に照明する対物レンズを含む照明光学系と、
   前記照明光学系の光軸上における前記標本共役位置近傍であって且つ前記照明光学系の光軸に対して垂直な面上に設けられた、前記標本に投影する所定パターンを有する光学変調素子と、
   前記標本に投影されたパターン像を、前記対物レンズを介して撮像素子に結像させる観察光学系と、
   前記照明光学系又は前記観察光学系のうち少なくとも一方の光軸上における前記対物レンズの瞳共役位置近傍であって且つ前記照明光学系の光軸に対して垂直な面上に設けられ、前記照明光学系の光軸に対して偏心した開口部を有する枠体と、
   を有することを特徴とする３次元形状計測装置。
2. 前記枠体の開口部が、前記照明光学系の光軸に対する垂直な面上で移動可能に設けられる、
   ことを特徴とする請求項１記載の３次元形状計測装置。
3. 前記光源が、前記照明光学系の光軸に対する垂直な面上で移動可能に設けられる、
   ことを特徴とする請求項１記載の３次元形状計測装置。
4. 前記枠体の開口部の形状及び大きさが可変である、
   ことを特徴とする請求項１記載の３次元形状計測装置。
5. 前記枠体又は前記光源のうち少なくとも一方を、前記観察光学系又は前記照明光学系光軸を中心に回転自在に設けた、
   ことを特徴とする請求項１記載の３次元形状計測装置。
6. 標本に投影されたパターン像を検出し当該パターン像の変形量から前記標本の高さ情報を算出する３次元形状計測装置であって、
   光源からの光を前記標本に照明する対物レンズを含む照明光学系と、
   前記照明光学系の光軸上における前記標本共役位置近傍であって且つ前記照明光学系の光軸に対して垂直な面上に設けられた、前記標本に投影する所定パターンを有する光学変調素子と、
   前記標本に投影されたパターン像を、前記対物レンズを介して撮像素子に結像させる観察光学系と、
   を有し、
   前記光源が、前記光源の位置における前記照明光学系光軸に対して垂直な面上で移動可能に設けられる、
   ことを特徴とする３次元形状計測装置。
7. 撮像された複数の標本画像から標本の高さ情報を算出する３次元形状計測装置であって、
   光源からの光を前記標本に照明する対物レンズを含む照明光学系と、
   前記標本と略共役な位置に設けられた撮像素子と、
   前記標本の像を、前記対物レンズを介して前記撮像素子に結像させる観察光学系と、
   前記照明光学系又は前記観察光学系のうち少なくとも一方の光軸上における前記対物レンズの瞳共役位置近傍であって且つ前記照明光学系の光軸に対して垂直な面上に移動可能に設けられ、前記照明光学系光軸に対して偏心した開口部を有する枠体と、
   を有することを特徴とする３次元形状計測装置。

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