JP2008256483A - 形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定精度を向上させた形状測定装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る形状測定装置Ｍ１において、撮像部１０は、投影部１によりスリット光５が投影された被検物２０の像を結像させる結像レンズ１１と、結像レンズ１１により結像された被検物２０の像を撮像する撮像器１３とを有し、撮像器１３の撮像面１３ａが結像レンズ１１の光軸と直交する面１１ａに対し傾斜して配置されるとともに、撮像面１３ａが結像レンズ１１を介して被検物２０側で結像する焦点面ＦＳは、投影部１から被検物２０へ向けてスリット光５が進む面上に配置されるように構成されており、結像レンズ１１の光軸と直交する面１１ａに対する撮像面１３ａの角度であるあおり角を小さくする楔形プリズム１２が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光切断法を用いて工業製品等の被検物の三次元形状を測定する形状測定装置に関する。

工業製品等の物体の表面形状を測定する技術は従来から種々提案されており、その一つに光学式の三次元形状測定装置がある。光学式の三次元形状測定装置も種々の方式や構成のもの（例えば、特許文献１参照）があるが、被検物の表面にスリット光を投影し、当該スリット光を被検物の表面全域に走査させつつ被検物に投影されたスリット光を撮像し、撮像された画像に対し画素毎に三角測量の原理を用いて被検物表面の高さを算出し、被検物表面の三次元形状を測定するものがある。この方式による形状測定方法は、一般に光切断法と称されている。

その構成例を図４に示しており、投影部５１から直線状のスリット光５２が支持台５６上に載置された被検物５３の表面に投影され、このとき、被検物５３の表面に投影されたスリット光５２は被検物５３の表面三次元形状に応じて変形される。さらに、支持台５６はスリット光５２の延びる方向と異なる方向（例えば、図中の矢印の方向）に移動され、被検物５３表面でスリット光５２が所定間隔走査される毎に、スリット光５２が投影された被検物５３が投影方向と異なる角度から撮像レンズ５４を介して撮像器５５（例えば、ＣＣＤセンサ）で撮像される。

撮像器５５により撮像された撮像画像データは、演算処理装置５７に送られ、ここで撮像画像データの演算処理が行われる。演算処理装置５７においては、このように撮像された被検物表面の撮像画像データより、スリット光５２が延びる方向の画素毎に三角測量の原理等を用いて被検物表面の基準平面からの高さが算出され、被検物表面の三次元形状を求める演算処理が行われる。

なお、撮像器５５の撮像面は撮像レンズ５４の光軸と直交する面（撮像レンズ５４の主平面）に対し傾斜して配置され、当該撮像面が撮像レンズ５４を介して被検物５３側で結像する焦点面は、投影部５１から被検物５３へ向けてスリット光５２が進む面上に配置されるようになっている。このような光学系はいわゆるシャインプルーフ光学系であり、被検物５３における光切断面（スリット光５２）は常に合焦位置にあるため、鮮明な光切断の像を得ることができる。
特開平９−５０４８号公報

しかしながら、上述のような形状測定装置においては、撮像面の（撮像レンズ５４の光軸と直交する面に対する）あおり角が大きくなると、撮像器５５に用いられるＣＣＤの特性（主に、マイクロレンズアレイによるものと、Ｓｉ結晶内での吸収特性による）により感度が低下するという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、撮像器の感度低下を抑えることで測定精度を向上させた形状測定装置を提供することを目的とする。

このような目的達成のため、本発明に係る形状測定装置は、パターンを被検物に投影する投影部と、前記投影部により投影された前記パターンを前記被検物に対して相対移動させ、前記パターンにより前記被検物の表面を走査させる走査部と、前記投影された前記被検物の前記パターンの情報を受光する受光部と、前記受光部によって受光された前記被検物の前記パターンの情報に基づいて前記被検物の形状を測定する形状測定部とを備えて構成される。

そして、前記受光部は、前記投影部により前記パターンが投影された前記被検物の像を結像させる受光光学系と、前記受光光学系により結像された前記被検物の前記パターンを受光する受光器とを有し、前記受光器の受光面が前記受光光学系の光軸と直交する面に対し傾斜して配置されるとともに、前記受光面が前記受光光学系を介して前記被検物側で結像する焦点面は、前記受光面の前記傾斜に対応して傾斜しており、前記受光光学系の光軸と直交する面に対する前記受光面の角度であるあおり角を小さくするあおり角低減部が設けられる。

なお、上述の発明において、前記あおり角低減部は、前記受光光学系と前記受光器との間に配設された楔形プリズムであることが好ましい。

また、上述の発明において、前記あおり角低減部は、前記受光光学系の結像倍率を所定の設定倍率より小さくすることで前記あおり角を小さくするように構成されており、前記受光光学系は、前記被検物に投影された前記パターンの像を多重像にして前記受光面に結像させる平行平板を有し、前記多重像同士の間隔をＬとし、前記受光器の前記受光面における１ピクセルあたりの長さをＳとし、０より大きく１より小さい数をａとし、整数をｎとしたとき、次式
Ｌ＝（ｎ＋ａ）×Ｓ
の条件を満足することが好ましい。

また、上述の発明において、前記受光部を用いて取得される前記被検物の画像が共焦点画像であることが好ましい。

本発明によれば、測定精度を向上させることができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。第１実施形態に係る形状測定装置の概略構成を図１に示しており、まず、この形状測定装置について図１を参照しながら説明する。この形状測定装置Ｍ１は、被検物２０が載置される支持台２と、支持台２に支持された被検物２０に直線状のパターンを有するスリット光５（以降、適宜スリット光５と称する）を投影する投影部１と、スリット光５が投影された被検物２０を（被検物２０からの反射光を受光して）撮像する撮像部１０と、撮像部１０により撮像された画像データに基づいて被検物２０の形状を測定する演算処理部１５とを主体に構成される。

投影部１は、内部構成を図示省略するが、シリンドリカルレンズや細い帯状の切り欠きを有したスリット板等から構成され、光源からの照明光を受けて直線状のスリット光５を生じさせる。支持台２には、スリット光５の長手方向と略直角な方向に支持台２を移動させる駆動装置（図示せず）が設けられており、支持台２とともに被検物２０をスリット光５の長手方向と略直角な方向に移動させることで、投影部１により投影されたスリット光５を被検物２０に対し相対移動させて、スリット光５により被検物２０の表面を走査させることができるようになっている。

撮像部１０は、投影部１によりスリット光５が投影された被検物２０の像を結像させる撮像光学系としての結像レンズ１１と、結像レンズ１１により結像された被検物２０の像を撮像する撮像器１３とを有して構成され、支持台２を駆動させてスリット光５が所定間隔走査される毎に被検物２０を撮像するようになっている。また、結像レンズ１１と撮像器１３との間には、楔形プリズム１２が配設されている。

撮像器１３はＣＣＤ等から構成され、撮像器１３の撮像面１３ａが結像レンズ１１の光軸と直交する面（結像レンズ１１の主平面）１１ａに対し傾斜して配置される。そのため、撮像面１３ａが結像レンズ１１（および楔形プリズム１２）を介して被検物２０側で結像する焦点面ＦＳは、撮像器１３の撮像面１３ａおよび結像レンズ１１の光軸と直交する面１１ａに対して傾斜するが、この焦点面ＦＳは、投影部１から被検物２０へ向けてスリット光５が進む面上に配置されている。

このように、撮像部１０がシャインプルーフの条件を満たすことで、撮像部１０で撮像されるスリット光５が常に合焦位置に位置することになるため、焦点深度を小さくして結像レンズ１１のＮＡを大きくすることが可能になる。そのため、被検物２０の表面状態によりテレセン条件が崩れる場合であっても、スリット光５が投影される箇所は合焦点であるため誤差のない良好な測定ができる。なお、結像レンズ１１の光軸はほぼ鉛直方向を向いており、投影部１によるスリット光５の投影方向は結像レンズ１１の光軸に対して傾斜している。

撮像部１０（撮像器１３）で撮像された被検物２０の画像データは、演算処理部１５に送られ、ここで所定の画像演算処理がなされて被検物２０の表面の高さが算出され、被検物２０の三次元形状（表面形状）が求められる。このとき、演算処理部１５では、被検物２０の画像において、被検物２０の凹凸に応じて変形したスリット光５の位置情報に基づき、スリット光５が延びる方向の画素毎に三角測量の原理を用いて被検物２０表面の基準平面からの高さが算出され、被検物２０の三次元形状を求める演算処理が行われる。

また、楔形プリズム１２におけるスリット光５の入射面１２ａは、結像レンズ１１の光軸と直交しており、楔形プリズム１２におけるスリット光５の出射面１２ｂは、入射面１２ａに対して、撮像器１３の撮像面１３ａが結像レンズ１１の光軸と直交する面１１ａに対し傾斜する方向と同じ方向に傾斜している。このような構成とすることにより、結像レンズ１１からの光軸の方向が楔形プリズム１２で図１に示すように変わるため、結像レンズ１１の光軸と直交する面１１ａに対する撮像面１３ａの角度であるあおり角を小さくすることが可能になる。

次に、以上のように構成された第１実施形態の形状測定装置Ｍ１による被検物２０の形状測定方法について以下に説明する。まず、投影部１により、直線状のスリット光５を被検物２０に投影する。次に、支持台２とともに被検物２０をスリット光５の長手方向と略直角な方向に移動させることで、投影部１により投影されたスリット光５を被検物２０に対し相対移動させて、スリット光５により被検物２０の表面を走査させる。

被検物２０からの反射光は、結像レンズ１１および楔形プリズム１２を透過して撮像器１３で結像するので、撮像器１３により、スリット光５が所定間隔走査される毎に被検物２０を撮像する。このとき、撮像器１３で撮像された被検物２０の画像データは、演算処理部１５に送られる。このようにして得られた被検物２０の画像データから、被検物２０の凹凸に応じて変形したスリット光５の位置情報に基づいて、スリット光５が延びる方向の画素毎に、三角測量の原理を用いて被検物２０表面の基準平面からの高さを算出し、被検物２０の三次元形状を測定する。

そして、第１実施形態の形状測定装置Ｍ１によれば、楔形プリズム１２によりあおり角が低減されるため、あおり角の増加による、撮像器１３に用いられるＣＣＤの感度低下が抑えられ、形状測定装置Ｍ１の測定精度を向上させることが可能になる。

なお、あおり角を低減する手段として楔形プリズム１２を用いることで、装置の構成を簡便にすることが可能になる。

次に、形状測定装置の第２実施形態について説明する。第２実施形態の形状測定装置Ｍ２は、図２に示すように、撮像部の構成を除いて第１実施形態の形状測定装置Ｍ１と同様の構成であり、各部に第１実施形態の場合と同一の符号を付して詳細な説明を省略する。第２実施形態における撮像部１１０は、投影部１によりスリット光５が投影された被検物２０の像を結像させる撮像光学系としての結像レンズ１１１と、結像レンズ１１１により結像された被検物２０の像を撮像する撮像器１１３とを有して構成され、支持台２を駆動させてスリット光５が所定間隔走査される毎に被検物２０を撮像するようになっている。

結像レンズ１１１の結像倍率は、本来撮像に必要な倍率よりも小さく設定されており、このように結像レンズ１１１の結像倍率を小さくすることで、前述のあおり角を低減させている。なお、第１実施形態の場合と同様に、結像レンズ１１１の光軸はほぼ鉛直方向を向いており、投影部１によるスリット光５の投影方向は結像レンズ１１１の光軸に対して傾斜している。

撮像器１１３はＣＣＤ等から構成され、撮像器１１３の撮像面１１３ａが結像レンズ１１１の光軸と直交する面（結像レンズ１１１の主平面）１１１ａに対し傾斜して配置される。そして、第１実施形態の場合と同様に、撮像面１１３ａが結像レンズ１１１（および平行平板１１２）を介して被検物２０側で結像する焦点面ＦＳは、投影部１から被検物２０へ向けてスリット光５が進む面上に配置されている。また、結像レンズ１１１と撮像器１１３との間には、被検物２０に投影されたスリット光５の像を（４重の）多重像５ａ〜５ｄ（図３を参照）にして撮像面１１３ａに結像させる平行平板１１２が配設されている。

撮像部１１０（撮像器１１３）で撮像された被検物２０の画像データは、演算処理部１５に送られ、ここで所定の画像演算処理がなされて被検物２０の表面の高さが算出され、被検物２０の三次元形状（表面形状）が求められる。このとき、演算処理部１５では、被検物２０の画像において、被検物２０の凹凸に応じて変形したスリット光５の多重像５ａ〜５ｄに基づいて、スリット光５（多重像５ａ〜５ｄ）が延びる方向の画素毎に三角測量の原理を用いて被検物２０表面の基準平面からの高さが算出され、被検物２０の三次元形状を求める演算処理が行われる。

次に、以上のように構成された第２実施形態の形状測定装置Ｍ２による被検物２０の形状測定方法について以下に説明する。まず、第１実施形態の場合と同様にして、直線状のスリット光５を被検物２０に投影し、当該スリット光５により被検物２０の表面を走査させる。

被検物２０からの反射光は、結像レンズ１１１および平行平板１１２を透過して撮像器１１３で結像するので、撮像器１１３により、スリット光５が所定間隔走査される毎に被検物２０を撮像する。このとき、図３に示すように、スリット光５の像が（４重の）多重像５ａ〜５ｄとなって撮像面１１３ａに結像されるが、多重像５ａ〜５ｄ同士の間隔をＬとし、撮像面１１３ａにおける１ピクセルあたりの長さをＳとし、０より大きく１より小さい数をａとし、整数をｎとしたとき、次の条件式（１）で表される条件を満足することが好ましい。

Ｌ＝（ｎ＋ａ）×Ｓ …（１）

例えば、ａ＝１／４としたとき、スリット光５の多重像５ａ〜５ｄがＣＣＤの画素に対して１／４ピクセルずつオフセットして結像するため、１画素あたり４倍の（スリット光５の）輝度情報を得ることが可能になることから、実際の結像倍率（撮像倍率）の４倍まで解像することができる。

撮像器１１３で撮像された被検物２０の画像データは、演算処理部１５に送られる。このようにして得られた被検物２０の画像データから、（被検物２０の凹凸に応じて変形した）スリット光５の多重像５ａ〜５ｄから得られた解像度の高いスリット光５の位置情報に基づいて、スリット光５が延びる方向の画素毎に、三角測量の原理を用いて被検物２０表面の基準平面からの高さを算出し、被検物２０の三次元形状を測定する。

この結果、第２実施形態の形状測定装置Ｍ２によれば、結像レンズ１１１の結像倍率を下げてあおり角を小さくしたとしても、上述のように平行平板１１２で得られるスリット光５の多重像５ａ〜５ｄを利用して実質的に解像度を高くすることで、結像倍率の低下による解像度の低下を補うことができることから、第１実施形態の場合と同様にして、形状測定装置Ｍ２の測定精度を向上させることが可能になる。

なお、上述の第２実施形態において、図５に示すように、投影部１と被検物２０との間にピンホールを有した第１の共焦点ディスク１２１を設けるとともに、撮像部１１０にピンホールを有した第２の共焦点ディスク１２２およびリレーレンズ系１２３を設けることにより、被検物２０の画像として共焦点画像を得るようにしてもよい。前述のように、スリット光５による光切断面が常に合焦面となるため、共焦点系にして焦点深度を非常に浅くすることで、被検物２０自身の多重反射による偽像の検出を防止することが可能になり、測定精度をより向上させることができる。

なお、上述の各実施形態において、撮像器としてＣＣＤを用いた例を示したが、ＣＭＯＳ等の増幅型固体撮像素子を用いることも可能である。また、撮像部は必ずしも二次元像を得る必要はなく、パターン（スリット光）の境界部を検出してその座標を得ることで三次元形状を求めることもできる。

第１実施形態に係る形状測定装置の概略構成図である。 第２実施形態に係る形状測定装置の概略構成図である。 スリット光の多重像を示す模式図である。 従来における形状測定装置の概略構成図である。 形状測定装置の変形例を示す概略構成図である。

符号の説明

Ｍ１ 形状測定装置（第１実施形態） Ｍ２ 形状測定装置（第２実施形態）
１ 投影部 ２ 支持台（走査部）
５ スリット光（５ａ〜５ｄ 多重像）
１０ 撮像部（受光部） １１ 結像レンズ（受光光学系）
１２ 楔形プリズム（あおり角低減部）
１３ 撮像器（受光器） １３ａ 撮像面（受光面）
１５ 演算処理部（形状測定部） ２０ 被検物
１１０ 撮像部（第２実施形態） １１１ 結像レンズ（受光光学系）
１１２ 平行平板
１１３ 撮像器（受光部） １１３ａ 撮像面（受光面）

Claims (4)

1. パターンを被検物に投影する投影部と、
   前記投影部により投影された前記パターンを前記被検物に対して相対移動させ、前記パターンにより前記被検物の表面を走査させる走査部と、
   前記投影された前記被検物の前記パターンの情報を受光する受光部と、
   前記受光部によって受光された前記被検物の前記パターンの情報に基づいて前記被検物の形状を測定する形状測定部とを備え、
   前記受光部は、前記投影部により前記パターンが投影された前記被検物の像を結像させる受光光学系と、前記受光光学系により結像された前記被検物の前記パターンを受光する受光器とを有し、
   前記受光器の受光面が前記受光光学系の光軸と直交する面に対し傾斜して配置されるとともに、前記受光面が前記受光光学系を介して前記被検物側で結像する焦点面は、前記受光面の前記傾斜に対応して傾斜しており、
   前記受光光学系の光軸と直交する面に対する前記受光面の角度であるあおり角を小さくするあおり角低減部が設けられることを特徴とする形状測定装置。
2. 前記あおり角低減部は、前記受光光学系と前記受光器との間に配設された楔形プリズムであることを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
3. 前記あおり角低減部は、前記受光光学系の結像倍率を所定の設定倍率より小さくすることで前記あおり角を小さくするように構成されており、
   前記受光光学系は、前記被検物に投影された前記パターンの像を多重像にして前記受光面に結像させる平行平板を有し、
   前記多重像同士の間隔をＬとし、前記受光器の前記受光面における１ピクセルあたりの長さをＳとし、０より大きく１より小さい数をａとし、整数をｎとしたとき、次式
   Ｌ＝（ｎ＋ａ）×Ｓ
   の条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
4. 前記受光部を用いて取得される前記被検物の画像が共焦点画像であることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載の形状測定装置。

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