JP2009074867A

JP2009074867A - 計測装置およびその計測方法

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Publication number: JP2009074867A
Application number: JP2007242916A
Authority: JP
Inventors: Takashi Shinomiya; 孝史四宮; Muneki Hamashima; 宗樹浜島; Masaji Tanaka; 正司田中; Nobuyuki Miyake; 信行三宅
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2007-09-19
Filing date: 2007-09-19
Publication date: 2009-04-09

Abstract

【課題】色収差による焦点差を利用して、被検物の３次元形状を短時間に測定する計測装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係る計測装置６０は、平面状に並んだ複数の画素領域２１を有したイメージセンサー２０と、被検物６２の表面からの光を入射させてイメージセンサー上に被検物の表面の像を結像させる色出しレンズ１１と、イメージセンサーを構成する複数の画素のそれぞれが受光した光の強度に基づいて、被検物の表面の高さを算出して被検物の３次元形状を測定する演算処理部３０とを備えて構成されている。複数の画素は受光した光を少なくとも２つの波長毎に分けて波長毎の受光強度を検出し、演算処理部は複数の画素において検出された波長毎の受光強度のうち、２つの波長の受光強度から強度レベルの差を検出し、強度レベルの差を基に被検物の表面の垂直方向距離を測定して被検物の３次元形状を求める。
【選択図】図９

Description

本発明は、被検物の３次元形状を計測する計測装置、およびその計測装置を用いた計測方法に関する。

従来より、３次元計測は、ロボットビジョンにおける物体認識、人の動きを解析するモーションピクチャ、車載カメラにおける周囲画像処理および建築物のアーカイブ等の様々な分野において、応用され活用されている重要な技術である。３次元計測方法の例としては、三角測量の原理を用いるステレオカメラ、レーザスリット光を用いる光切断法、色収差による焦点差を利用した計測法等がある。上記色収差による焦点差を利用した３次元計測方法としては、例えば特許文献１に示すようなものが知られており、図１１に、色収差による焦点差を利用して被検物の３次元形状を計測する装置の一例としての計測装置２００を示す。

以下の計測装置２００の説明において、説明の便宜上、図１１に示す矢印方向を左右上下として以下に説明する。計測装置２００は、光源２０１から発射された複数の波長成分を含む照明光が、ピンホール２０２を通過しビームスプリッタ２０３を透過した後、結像レンズ系レンズ２０４で集光されて被検物２０５に照射されるように構成されている。そして、被検物２０５で反射した照明光は、ビームスプリッタ２０３において反射し、ピンホール２０６を通過して光検出器２０７に入射する。

ここで、一般にレンズの焦点距離ｆは、レンズを構成するガラス材質の屈折率ｎ、レンズの曲率半径ｒ１、ｒ２を用いて近似的に式（１）に示すように、
（１／ｆ）＝（ｎ−１）×｛（１／ｒ１）−（１／ｒ２）｝（１）
と表される。ここで、焦点距離ｆはレンズの屈折率ｎに依存し、さらにレンズの屈折率ｎは通過する照明光の波長に依存するので、結果的に照明光の焦点位置は波長に応じて光軸方向に異なる位置となる。これが色収差であり、計測装置２００においては、波長の異なる照明光同士の焦点位置が光軸方向にずれて位置することを利用して、被検物２０５の表面を計測するように構成されている。

図１１に、結像レンズ系２０４で集光された、波長λ１の青色照明光２０１Ｂ、波長λ２の緑色照明光２０１Ｇおよび波長λ３の赤色照明光２０１Ｒが、被検物２０５に照射されている状態を示す。なお、各波長はλ１＜λ２＜λ３の大小関係となっている。ここで、波長λ２の緑色照明光２０１Ｇが、被検物２０５の頂部において合焦しており、緑色照明光２０１Ｇよりも短い波長λ１の青色照明光２０１Ｂは、焦点距離が短いため被検物２０５の頂部より左側部分で合焦する。一方、緑色照明光２０１Ｇよりも長い波長λ３の赤色照明光２０１Ｒは、被検物２０５の頂部より右側部分で合焦する。そして、上記３つの照明光２０１Ｂ、２０１Ｇ、２０１Ｒのうちで、被検物２０５の頂部において合焦した緑色照明光２０１Ｇが最も多くビームスプリッタ２０３で反射されて光検出器２０７に入射する。光検出器２０７において、緑色照明光２０１Ｇが最も多く受光されることで、被検物２０５の（左右方向の）高さを緑色照明光２０１Ｇの合焦位置として求める構成となっている。

特開平１０−９８２７号公報

しかし、計測装置２００では、被検物２０５の光軸方向の高さ測定は限られた（点）領域ごとに行う構成となっており、被検物表２０５の表面を広範囲にわたって高さ測定するためには、計測回数が増えることにより計測時間が長くなるという課題があった。また、計測装置２００は、被検物２０５の光軸方向の高さを測定するのみであって、被検物２０５の３次元形状を求める構成となっていないという課題もあった。

以上のような課題に鑑みて、本発明では色収差による焦点差を利用して、被検物の３次元形状を短時間に測定する計測装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る計測装置は、平面状に並んだ複数の画素を有したイメージセンサーと、被検物の表面からの光を入射させて前記イメージセンサー上に前記被検物の表面の像を結像させる結像レンズ系と、前記結像レンズ系に入射した光が前記イメージセンサー上に前記被検物の表面の像を結像した状態において、前記イメージセンサーを構成する前記複数の画素のそれぞれが受光した光の強度に基づいて、前記被検物の表面の高さを算出して前記被検物の３次元形状を測定する演算処理部とを備えて構成されている。そして、前記複数の画素は受光した光を少なくとも２つの波長毎に分けて波長毎の受光強度を検出し、前記演算処理部は前記複数の画素において検出された前記波長毎の受光強度のうち、２つの波長の受光強度から強度レベルの差を検出し、前記強度レベルの差を基に前記被検物の表面の垂直方向距離を測定して前記被検物の３次元形状を求める。

上記構成の計測装置において、前記複数の画素はそれぞれ、赤色光、緑色光および青色光を受光する３つのカラーセンサーを有しており、前記演算処理部は、前記３つのカラーセンサーのうち２つのカラーセンサーにおける受光強度から強度レベルの差を検出する構成が好ましい。また、上記構成の計測装置において、前記複数の画素はそれぞれ、光の強度を検出するモノクロセンサーを有し、特定波長の光を透過させるフィルタが前記被検物の表面からの光の光路上に配置されており、前記フィルタを透過した光が前記モノクロセンサーにおいて受光されるように構成されていることが好ましい。

上記構成の計測装置を用いた計測方法において、受光した光を少なくとも２つの波長毎に分けて波長毎の受光強度を検出する受光強度検出ステップと、前記複数の画素において検出された前記波長毎の受光強度のうち２つの波長の受光強度から強度レベルの差を検出するレベル差検出ステップと、前記強度レベルの差を基に前記被検物の表面の垂直方向距離を測定して前記被検物の３次元形状を測定する測定ステップとから構成されていることが好ましい。

本発明に係る計測装置は、平面状に並んだ複数の画素を有したイメージセンサーと、被検物の表面に照明光を照射する照明光学系と、前記照明光が照射された前記被検物の表面からの光を入射させて前記イメージセンサー上に前記被検物の表面の像を結像させる結像レンズ系と、前記結像レンズ系に入射した光が前記イメージセンサー上に前記被検物の表面の像を結像した状態において、前記イメージセンサーを構成する前記複数の画素のそれぞれが受光した光の強度に基づいて、前記被検物の表面の高さを算出して前記被検物の３次元形状を測定する演算処理部とを備えて構成されている。そして、前記複数の画素は受光した光を少なくとも２つの波長毎に分けて波長毎の受光強度を検出し、前記演算処理部は前記複数の画素において検出された前記波長毎の受光強度のうち、２つの波長の受光強度から強度レベルの差を検出し、前記強度レベルの差を基に前記被検物の表面の垂直方向距離を測定して前記被検物の３次元形状を求める。

上記構成の計測装置において、前記照明光は、複数のドット状または格子状に形成されて前記被検物の表面に照射され、前記演算処理部は、前記被検物の表面のうちで複数のドット状または格子状の前記照明光が照射された部分における、前記被検物の表面の垂直方向距離を測定して前記被検物の３次元形状を求める構成が好ましい。また、上記構成の計測装置において、前記複数の画素はそれぞれ、赤色光、緑色光および青色光を受光する３つのカラーセンサーを有しており、前記演算処理部は、前記３つのカラーセンサーのうち２つのカラーセンサーにおける受光強度から強度レベルの差を検出する構成が好ましい。

また、上記構成の計測装置において、前記複数の画素はそれぞれ、光の強度を検出するモノクロセンサーを有し、特定波長の光を透過させるフィルタが、前記照明光の光路上または前記被検物の表面からの光の光路上に配置されており、前記フィルタを透過した光が前記モノクロセンサーにおいて受光される構成が好ましい。さらに、上記構成の計測装置において、前記複数の画素はそれぞれ、前記モノクロセンサーを有しており、前記照明光学系は特定波長の照明光を前記被検物の表面に照射し、前記結像レンズ系は、前記被検物の表面からの特定波長の光を入射させて前記イメージセンサー上に前記被検物の表面の像を結像させ、前記演算処理部は、前記モノクロセンサーが受光した特定波長の光の強度に基づいて、前記被検物の表面の高さを算出して前記被検物の３次元形状を測定する構成が好ましい。

上記構成の計測装置を用いた計測方法において、前記被検物の表面に前記照明光を照射する照射ステップと、受光した光を少なくとも２つの波長毎に分けて波長毎の受光強度を検出する受光強度検出ステップと、前記複数の画素において検出された前記波長毎の受光強度のうち２つの波長の受光強度から強度レベルの差を検出するレベル差検出ステップと、前記強度レベルの差を基に前記被検物の表面の垂直方向距離を測定して前記被検物の３次元形状を測定する測定ステップとから構成されていることが好ましい。

本発明に係る計測装置および計測方法によれば、色収差による焦点差を利用して被検物の３次元形状を短時間に測定することが可能となる。

以下に、図１から図１０を参照しながら本発明の好ましい実施形態について、実施例１から実施例３を挙げて説明する。説明の便宜上、図１から図９に示した矢印の方向を前後左右上下方向として定義して説明する。

図１に、本発明の第１実施例に係る計測装置１を示す。この計測装置１は、光源５、照明レンズ系６、マルチドットパターン７、ハーフミラー１０、色出しレンズ系１１、イメージセンサー２０および演算処理部３０を主体に構成されており、被検物８に測定用補助光を照射する一般にアクティブ方式と呼ばれる構成である。光源５は、照明レンズ系６に向けて照明光５ａを発射可能な光源であり、光源５としては、例えばハロゲンランプ等の白色光源、またはＲＧＢ（以下において、順にレッド、グリーンおよびブルーを示すこととする）の３色で構成されたＬＥＤが用いられる。照明レンズ系６は、実際には複数のレンズによって構成されており、光源５より発射された（下方から上方へ進行する）照明光５ａを集光し、集光された照明光５ａがマルチドットパターン７に到達する。

マルチドットパターン７は、平板状に形成されており照明レンズ系６の光軸と垂直に交わるように配置されている。また、マルチドットパターン７は、図７（ａ）に示すように照明レンズ系６の光軸と交わる面に、前後左右方向に一定間隔を有して規則正しい位置で上下に開口したマルチスポット７ａが複数設けられている。ここでマルチドットパターン７は、照明レンズ系６によって集光された照明光５ａの合焦位置（合焦面）に配置されている。ハーフミラー１０は、入射する光の一部を反射させるとともに一部は透過させる機能を有したミラーであり、反射光と透過光との比率はほぼ１：１となっている。またハーフミラー１０は、照明レンズ系６の光軸に対して４５度傾斜した状態で設置されている。

色出しレンズ１１は、実際には複数のレンズから構成された結像レンズ系によって構成されており、この結像レンズ系は色収差が補正されていない（但し、色収差以外の幾何収差は補正された）レンズ系となっている。イメージセンサー２０は、図４に示すように、略正方形の画素領域２１が前後上下方向に平面状に複数並んで形成されており、この各画素領域２１は、光をＲＧＢの波長別（色別）に受光可能なＲＧＢの各受光部（図示せず）を有している。演算処理部３０は、イメージセンサー２０の画素領域２１において波長別に受光して得られた受光強度を基に、被検物８の３次元形状を算出する処理部であり、具体的な３次元形状の算出方法については後述する。なお、演算処理部３０において得られた被検物８の３次元形状データは、例えば計測装置１の外部に設けられたモニタ１００に対して出力されることにより、目視によって確認可能となっている。

以上、ここまでは計測装置１の部材構成について説明したが、以下において、光源５から発射された照明光５ａおよび被検物８の表面からの反射光５ｂの進行について説明する。

光源５から発射されて、照明レンズ系６（上方）に向けて進行する照明光５ａは、照明レンズ系６に入射して集光された後、マルチドットパターン７に到達する。そして、マルチドットパターン７に到達した照射光５ａのうちで、マルチスポット７ａ部分に到達した照明光５ａはマルチドットパターン７を通過し、その他の部分に到達した５ａはマルチドットパターン７を通過しない構成となっている。マルチドットパターン７を通過した照明光５ａは、ハーフミラー１０の表面で反射されることで、進行方向を上方から左方へと９０度変えて進行する。そして、色出しレンズ１１に入射した照明光５ａは、色収差が補正されることなく被検物８に照射される。

被検物８に照明光５ａが照射されると、図１に示すように、被検物８の表面には一定間隔を有して規則正しく配置されるとともに、照明光５ａが照射されて明るくなった基準ドット７ｂが形成される。色出しレンズ１１の光軸上に形成されたものを基準ドット７ｃ、光軸上以外の位置に形成されたものを基準ドット７ｄとし、基準ドット７ｂは、基準ドット７ｃおよび基準ドット７ｄのすべて含んだものを指している。ここで、基準ドット７ｂの配置位置および形状は、マルチドットパターン７に形成されたマルチスポット７ａと対応している。被検物８の表面に照射された照明光５ａの一部は、被検物８の表面において反射して反射光５ｂとなって、色出しレンズ１１に入射してハーフミラー１０を透過した後、イメージセンサー２０上で結像する。イメージセンサー２０で結像した反射光５ｂは、画素領域２１に形成されたＲＧＢの各受光部において受光されて、これらの受光結果は演算処理部３０に出力される。演算処理部３０において、これらの受光結果を基に被検物８の３次元形状を算出するが、この具体的算出方法については後述する。

以上ここまでは、照明光５ａおよび被検物８の表面からの反射光５ｂの進行について説明したが、以下においては、図２および図３を参照しながら、被検物表面における光軸方向の段差等と撮像された像のボケとの関係について説明する。

図２は、計測装置１（一部図示せず）を用いて被検物２２、２３および２４の３次元形状測定を行う状態を示している。ここで、被検物２２、２３および２４の位置関係は、被検物２４が光軸方向において最も左方（色出しレンズ１１から最も離れている）、中間位置に被検物２３、被検物２２が最も右方に位置している。これら被検物２２、２３および２４を撮像することにより、イメージセンサー２０の画素領域２１に形成されたＢの受光部において、例えば図３（ａ）に示す像が得られ、同様にＧの受光部において図３（ｂ）、Ｒの受光部において図３（ｃ）に示す像が得られる。Ｂの波長の光は、例えば被検物２２の左右位置において合焦し被検物２３、２４の位置では合焦していないので、図３（ａ）に示すように、被検物２２の像２２Ｂが最も明瞭に撮像され、被検物２３、２４の像２３Ｂ、２４Ｂはボケている。また、Ｇの波長の光は被検物２３の位置において合焦し、Ｒの波長の光は被検物２４の位置において合焦しており、図３（ｂ）における被検物２２、２４の像２２Ｇ、２４Ｇ、図３（ｃ）における被検物２２、２３の像２２Ｒ、２３Ｒはボケている。このように、被検物表面における光軸方向の段差等を、撮像した像がボケることで検出可能となっている。なお、この段差等と像のボケ量との関係は後述する。

以上ここまでは、計測装置１の部材構成について説明したが、以下において、図１０に示すフローチャートを参照しながら、計測装置１を用いて被検物８の３次元形状を測定する計測方法について説明する。

ステップ１において、色出しレンズ１１の光軸上に形成された基準ドット７ｃに対する左右方向への相対高さＺを求めるためのデータテーブルを作成する。まず照明光５ａが、被検物８の表面に照射されている状態で、被検物８の表面において色出しレンズ１１の光軸上に形成された基準ドット７ｃの像が、イメージセンサー２０の画素領域２１において結像し、ＲＧＢの波長ごとに受光強度が検出される。このとき、例えば計測装置１を左右方向（色出しレンズ１１の光軸方向）に移動させ、それぞれの移動位置において撮像された基準ドット７ｃの像を基に、受光した光の各受光強度を求める。その求められた各受光強度が演算処理部３０に出力され、演算処理部３０において各波長の受光強度ごとに、例えば受光強度の最大値が１となるように規格化する。このように規格化することにより、反射光５ｂの光強度および被検物８の表面の反射率に影響されない受光強度が得られる。

上記規格化された受光強度について、図４を参照しながら説明すると、イメージセンサー２０に基準ドット７ｃの像が、例えば合焦した左右高さ位置において像２２ｃ、合焦位置から左右方向に少しずれた位置における像２２ｂ、合焦位置からさらに左右方向に大きくずれた位置における像２２ａのような円形に撮像されたとする。このとき、例えば像２２ｃの中心部の受光強度が１０で、像２２ｃの直径が１０であるとすると、受光強度／直径＝１０／１０＝１が算出され、この値が規格化された受光強度であるとともに、合焦位置なので受光強度は最大値の１となっている。また、焦点位置から左右方向にずれた位置において結像することで、像の中心部の受光強度は低下するとともに像の直径は大きくなる。例えば像２２ｂの規格化された受光強度は、受光強度／直径＝５／１５＝０．３３、また像２２ａの規格化された受光強度は、受光強度／直径＝２／２０＝０．１のように算出される。

上記のようにして得られた規格化された各受光強度を波長ごとに、受光強度を縦軸に、基準ドット７ｃに対する左右方向への相対高さＺを横軸に取ってグラフ化したものを図６（ａ）に示している。図６（ａ）に示す強度曲線８ＢはＢの波長の像、強度曲線８ＧはＧの波長の像、強度曲線８ＲはＲの波長の像からそれぞれ求めた曲線である。ここで、強度曲線８Ｂ、８Ｇ、８Ｒは、それぞれ距離Ｚ５、Ｚ０、Ｚ６において受光強度がピーク値１を示している。さらに、強度曲線８Ｒから強度曲線８Ｂを引いて差分値を算出することにより、縦軸に差動信号、横軸に基準ドット７ｃに対する左右方向への相対高さＺを表した差動曲線８Ｓが得られる（図６（ｂ）を参照）。

ここで、図６（ａ）に示すように、基準ドット７ｃが位置している左右方向の高さＺ０は、強度曲線８Ｇの受光強度がほぼピークとなる位置（Ｇの波長の光が合焦）であるとともに、強度曲線８Ｂと強度曲線８Ｒとが交差しており差動信号の値が零となる位置でもある。他の基準ドット７ｄにおける規格化された受光強度を算出して差動信号を求めた上で、差動曲線８Ｓを参照することにより左右方向も含めた、基準ドット７ｃに対する左右方向への相対高さＺを求めることができる。なお、図６（ｂ）に示すように、基準ドット７ｃが位置している左右方向の高さＺ０を中心としておよそＺ５からＺ６までの測定可能領域Ｗにおいて差動曲線８Ｓはほぼ直線となっており、差動信号と左右方向への相対高さＺとの対応関係が高精度に求まる領域となっている。よって、以下に述べる左右方向の相対高さＺの算出には、この測定可能領域Ｗの領域を参照して求めることとする。

ステップ２に進み、色出しレンズ１１の光軸上に位置していない基準ドット７ｄの規格化された受光強度を、上述の基準ドット７ｃの場合と同様にして求める。そして、この規格化された受光強度を基に基準ドット７ｄの位置における差動信号ｓ１を求める。

ステップ３に進み、差動曲線８Ｓの測定可能領域Ｗを参照することにより、ステップ２において求めた差動信号ｓ１に対応する左右方向への相対高さＺ１を求めることができる。ここで、被検物８の表面のうちの、測定対象領域すべての基準ドット７ｂについても同様に、ステップ２および３を行う。こうすることで、各基準ドット７ｂについて規格化された受光強度を求めた上で差動信号を算出し、差動曲線８Ｓを参照して各差動信号に対応する左右方向への相対高さＺ１を求める。そうすることにより、色出しレンズ１１の光軸上に形成された基準ドット７ｃの左右方向の高さＺ０を基準とした、各基準ドット７ｂの左右方向への相対高さが算出される。

ステップ４に進み、被検物８の表面に形成された各基準ドット７ｂと、平面状のイメージセンサー２０上において結像した各基準ドット７ｂの像は、一対一に対応している。よって、ステップ３において算出された各基準ドット７ｂの左右方向への相対高さと、イメージセンサー２０上での前後上下位置とを組み合わせることにより、被検物８の表面の３次元形状が求まりこのフローは終了する。

本発明の第１実施例に係る計測装置１の効果について簡潔にまとめると、第１に、被検物８の表面に照明光５を照射することにより、測定基準となる複数の基準ドット７ｂが被検物８の測定対象領域に同時に形成される。そして、色収差を利用してこの複数の基準ドット７ｂの３次元位置情報を同時に求め、これらの３次元位置情報を合成することで、被検物８の３次元形状が算出される構成となっている。よって、測定対象領域に複数の基準ドット７ｂを同時に形成するとともに、これら基準ドット７ｂの３次元位置情報が同時に求められるので、測定対象点（基準ドット７ｂ）ごとに被検物８と計測装置１との相対位置を変えることなく、被検物８の３次元形状を短時間に算出することが可能となる。

第２に、一般の光学系において不可避的に発生する色収差を利用して、像のボケ量を定量化することにより被検物表面の凹凸を測定する構成となっている。よって、新たな装置を付加することなく簡素な構成でありながら、高精度な３次元形状測定が可能となっている。第３に、被検物の測定対象領域に測定基準となる複数の基準ドット７ｂが同時に形成されることにより、表面に特徴点（角および色の変化する部分等）がない被検物に対しても、３次元形状測定が可能となる。

図８に、本発明の第２実施例に係る計測装置５０を示す。上述の第１実施例と同一番号を付した構成部材は、第１実施例で述べた通りであり、以下においては、第１実施例とは異なる構成を中心に説明する。

計測装置５０の部材構成は、図８に示すように、上部に照明部５１が設置されており、この照明部５１の内部には、光源、照明レンズ系およびマルチドットパターン（いずれも図示せず）が配置されており、上述の実施例１と同様な照明光５ａを被検物８に照射可能となっている。そして、被検物８の表面には、照明光５ａが照射されることで複数の基準ドット７ｂが形成される。また、計測装置５０において照明部５１とは別の位置に、レンズ収差のうち色収差だけが補正されていない色出しレンズ１１が設けられている。このように構成することで、照明部５１から照射された照明光５ａのうちで、被検物８の表面において反射した反射光５ｂが、色出しレンズ１１を介して、イメージセンサー２０の表面上で結像される。また計測装置５０は、上述の第１実施例と同様に、図１０に示すステップ１からステップ４に沿って、被検物８の３次元形状を算出する。このとき、ステップ１において、例えば色出しレンズ１１の光軸上に形成された、基準ドット７ｃの像を基にデータテーブルを作成する。

本発明の第２実施例に係る計測装置５０の効果について簡潔にまとめると、第１実施例に係る効果に加えて、照明部５１と色出しレンズ１１とを別位置に配置することで、照明光５ａの照射角度を任意に構成できる。よって、複雑な形状を有した被検物の表面に対しても、照明光５ａを照射してその反射光５ｂをイメージセンサー２０において受光ができるので、複雑な表面形状を有した被検物の３次元形状測定が可能となる。

図９に、本発明の第３実施例に係る計測装置６０を示す。上述の第１実施例と同一番号を付した構成部材は、第１実施例で述べた通りであり、以下においては、第１実施例とは異なる構成を中心に説明する。なお、計測装置６０により３次元形状測定される被検物６２は、例えば何らかの模様、マーク、パターン、エッジおよびコントラスト等の変化が表面に形成されているものとする。

計測装置６０の部材構成は、色出しレンズ１１、イメージセンサー２０および演算処理部３０を主体に構成されており、上述の実施例１および２とは異なり照明光学系を有していない。そのため、例えば自然光源６１からの自然光を利用し、被検物６２の表面からの反射光５ｂが色出しレンズ１１を介してイメージセンサー２０において結像されることで、波長の異なる複数の像が得られる構成となっている。また計測装置６０は、上述の第１実施例と同様に、図１０に示すステップ１からステップ４に沿って、被検物６２の３次元形状を算出する。

ステップ１において、自然光源６１からの自然光が被検物６２の表面において反射し、反射光５ｂとなって色出しレンズ１１に入射している。そして、ＲＧＢの波長ごとに被検物６２の表面の像を撮像し、撮像された画像中において微小な画素領域２１を走査することによって、例えばパターン、エッジおよびコントラスト変化のある部分を抽出する（図３（ａ）（ｂ）（ｃ）を参照）。そして、図９に示す被検物６２の例えばエッジ部分６２ａの像を基準（実施例１および実施例２に示す基準ドット７ｃ）にして、データテーブルを作成する。ステップ２において、被検物６２の表面における例えばパターン、エッジおよびコントラスト変化のある部分（実施例１および実施例２に示す基準ドット７ｄ）の差動信号を算出する。

本発明の第３実施例に係る計測装置６０の効果について簡潔にまとめると、自然光源６１からの自然光を利用することにより、照明光学系を用いないで計測装置６０を構成している。よって、より簡素な構成の計測装置が実現でき、製造コストおよびメンテナンスを含めた維持管理コストをより低減可能となっている。

上述の実施例１から３において、イメージセンサー２０の各画素領域２１に、ＲＧＢの各受光部の代わりに光強度を検出可能なモノクロセンサーを形成するとともに、反射光５ｂの光路中に特定波長（例えばＲ、Ｇ、Ｂのいずれか）の光のみを透過させるフィルターを配置する。そして、フィルターを切り換え操作することで、反射光５ｂをＲＧＢの波長ごとにモノクロセンサーにおいて結像させる。こうすることで、モノクロセンサーにおいて得られた３つの波長の受光強度のうち、２つの波長の受光強度を用いて差動曲線を求め、被検物の３次元形状を測定することも可能である。

上述の実施例１および２において、イメージセンサー２０の各画素領域２１に、ＲＧＢの各受光部の代わりに光強度を検出可能なモノクロセンサーを形成するとともに、照明光５ａを発射する光源として、例えばＲ、Ｇ、Ｂの色別に発光可能なＬＥＤを用いて構成する。そして、ＲＧＢの色別に時間的にずらして順次ＬＥＤを発光させるとともに、その発光されたＬＥＤ光を発光と同期して順次波長ごとにモノクロセンサーにおいて受光させる。こうすることで、モノクロセンサーにおいて得られた３つの波長の受光強度のうち、２つの波長の受光強度を用いて差動曲線を求め、被検物の３次元形状を測定することも可能である。

上述の実施例１から３において、イメージセンサー２０の画素領域２１には、それぞれＲＧＢの各受光部が形成されているが、この構成に限定されず、例えば独立してＲＧＢの各画像が得られる３ＣＣＤと呼ばれる３管方式のＣＣＤ（イメージセンサー）が形成されている構成でも良い。

上述の実施例１から３において、被検物の表面の一部分（実施例１および実施例２における基準ドット７ｃ）を基準として、ステップ１におけるデータテーブルを作成しているが、この構成に限定されず、例えば形状および各特長点が既知である基準測定対象物を撮像し、この基準測定対象物の表面の一部を基準として、データテーブルを作成しても良い。あるいは、平面ミラーなどを用いればすべて同じ高さとなるので、基準位置はどの表面でも良い。さらにこのとき、基準測定対象物自体が発光する立体であれば、照明光５ａを照射しなくても良い。

上述の実施例１または２において、ステップ１で基準ドット７ｃの受光強度を像の幅で除算することにより、受光強度の規格化を行っているが、受光強度の規格化はこの方法に限定されず、例えば受光強度のピーク値を平均受光強度で除算する方法、像幅を平均受光強度で除算する方法、像面の大きさ（面積）を算出する方法およびフーリエ変換による方法等を用いても良い。

上述の実施例３において、エッジ部分の検出方法として画素領域２１を走査させる方法に限定されない。例えばイメージセンサー２０において得られた像の画像信号を、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）によりフーリエ変換し、フーリエ面上において高周波成分のみを抽出した後にフーリエ逆変換し、ほぼエッジ部分のみの画像を求める方法でも良い。または、図５（ａ）に示すような、３×３行列（微分オペレータ）で構成されたソーベルフィルターを使うことにより、上下方向に傾斜境界線が形成されて、前後方向に傾斜するエッジを検出し、図５（ｂ）に示すようなソーベルフィルターを使うことにより、前後方向に境界線が形成されて、上下方向に傾斜するエッジを検出する方法でも良い。さらに、２次元的なエッジ部分の検出方法として、図５（ｃ）および図５（ｄ）に示すようなラプラシアンフィルタを使用することも可能である。

上述の実施例１および２において、被検物８の表面にドット状の基準ドット７ｂを形成するマルチドットパターン７を用いているが、この構成に限定されず、例えば図７（ｂ）に示す格子パターン３、および図７（ｃ）に示す縞パターン４を用いて計測装置を構成しても良い。さらに格子パターン３を用いた場合、左右格子３ａと上下格子３ｂの交点である格子点３ｃの像を、被検物８の３次元形状測定の測定点（例えば実施例１および実施例２における基準ドット７ｂ）として用いることが可能である。

上述の実施例１または２において、マルチドットパターン７を用いているが、この構成に限定されず、例えば照明光５ａの光軸上に平面状の液晶ディスプレイパネルを配置して、液晶分子により白色の格子状またはマルチスポットパターンを、被検物８の表面に形成させる構成でも良い。さらに、上記液晶パネル自体は平面状の２次元形状であるが、これを光軸に対して斜めに傾斜させて配置することで、奥行き方向も含めた３次元の立体情報が得られるように投影することも可能である。

上述の実施例において、ステップ１でＲおよびＢの２つの波長を用いてデータテーブルを作成する構成となっているが、データテーブル作成に関しこの２つの波長により作成される構成に限定されず、任意の異なる２つの波長の組み合わせによりデータテーブル作成が可能である。

上述の実施例３において、ステップ１のデータテーブル作成時に、十分な反射光５ｂの受光強度を得るために、被検物６２に対して白色補助光を照射して撮像を行うことも可能である。

上述の実施例において、被検物８および被検物６２の表面は単一色で構成されていることが好ましい。

本発明に係る第１実施例の計測装置の構成を示す概念図である。第１実施例の計測装置を用いて測定を行う概念図である。（ａ）はＢの波長によって得られた画像で、（ｂ）はＧの波長によって得られた画像で、（ｃ）はＲの波長によって得られた画像である。イメージセンサーの画素領域を示した平面図である。（ａ）および（ｂ）はソーベルフィルターを使ったエッジ検出の一例を示しており、（ｃ）および（ｄ）はラプラシアンフィルタを使った２次元エッジ検出の一例を示している。（ａ）は受光強度と基準ドット７ｃに対する左右方向への相対高さＺとの関係を示したグラフで、（ｂ）は差動信号と横軸に基準ドット７ｃに対する左右方向への相対高さＺとの関係を示したグラフである。（ａ）はマルチドットパターンを示した平面図であり、（ｂ）は格子パターンを示した平面図であり、（ｃ）は縞パターンを示した平面図である。本発明に係る第２実施例の計測装置の構成を示す概念図である。本発明に係る第３実施例の計測装置の構成を示す概念図である。本発明に係る計測装置を用いて３次元形状測定を行う際のフローチャートである。従来の、色収差を利用して高さ測定を行う計測装置を示した概念図である。

符号の説明

１計測装置５ａ照明光
５光源（照明光学系）６照明レンズ系（照明光学系）
８被検物１１色出しレンズ（結像レンズ系）
２０イメージセンサー２１画素領域（画素）
３０演算処理部２５レンズ（光学系）

Claims

平面状に並んだ複数の画素を有したイメージセンサーと、
被検物の表面からの光を入射させて前記イメージセンサー上に前記被検物の表面の像を結像させる結像レンズ系と、
前記結像レンズ系に入射した光が前記イメージセンサー上に前記被検物の表面の像を結像した状態において、前記イメージセンサーを構成する前記複数の画素のそれぞれが受光した光の強度に基づいて、前記被検物の表面の高さを算出して前記被検物の３次元形状を測定する演算処理部とを備え、
前記複数の画素は受光した光を少なくとも２つの波長毎に分けて波長毎の受光強度を検出し、
前記演算処理部は前記複数の画素において検出された前記波長毎の受光強度のうち、２つの波長の受光強度から強度レベルの差を検出し、前記強度レベルの差を基に前記被検物の表面の垂直方向距離を測定して前記被検物の３次元形状を求めることを特徴とする計測装置。
前記複数の画素はそれぞれ、赤色光、緑色光および青色光を受光する３つのカラーセンサーを有しており、
前記演算処理部は、前記３つのカラーセンサーのうち２つのカラーセンサーにおける受光強度から強度レベルの差を検出することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
前記複数の画素はそれぞれ、光の強度を検出するモノクロセンサーを有し、
特定波長の光を透過させるフィルタが、前記被検物の表面からの光の光路上に配置されており、
前記フィルタを透過した光が前記モノクロセンサーにおいて受光されることを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
平面状に並んだ複数の画素を有したイメージセンサーと、被検物の表面からの光を入射させて前記イメージセンサー上に前記被検物の表面の像を結像させる結像レンズ系と、前記結像レンズ系に入射した光が前記イメージセンサー上に前記被検物の表面の像を結像した状態において、前記イメージセンサーを構成する前記複数の画素のそれぞれが受光した光の強度に基づいて、前記被検物の表面の高さを算出して前記被検物の３次元形状を測定する演算処理部とからなる計測装置の計測方法であって、
受光した光を少なくとも２つの波長毎に分けて波長毎の受光強度を検出する受光強度検出ステップと、前記複数の画素において検出された前記波長毎の受光強度のうち２つの波長の受光強度から強度レベルの差を検出するレベル差検出ステップと、前記強度レベルの差を基に前記被検物の表面の垂直方向距離を測定して前記被検物の３次元形状を測定する測定ステップとから構成されていることを特徴とする計測方法。
平面状に並んだ複数の画素を有したイメージセンサーと、
被検物の表面に照明光を照射する照明光学系と、
前記照明光が照射された前記被検物の表面からの光を入射させて前記イメージセンサー上に前記被検物の表面の像を結像させる結像レンズ系と、
前記結像レンズ系に入射した光が前記イメージセンサー上に前記被検物の表面の像を結像した状態において、前記イメージセンサーを構成する前記複数の画素のそれぞれが受光した光の強度に基づいて、前記被検物の表面の高さを算出して前記被検物の３次元形状を測定する演算処理部とを備え、
前記複数の画素は受光した光を少なくとも２つの波長毎に分けて波長毎の受光強度を検出し、
前記演算処理部は前記複数の画素において検出された前記波長毎の受光強度のうち、２つの波長の受光強度から強度レベルの差を検出し、前記強度レベルの差を基に前記被検物の表面の垂直方向距離を測定して前記被検物の３次元形状を求めることを特徴とする計測装置。
前記照明光は、複数のドット状または格子状に形成されて前記被検物の表面に照射され、
前記演算処理部は、前記被検物の表面のうちで複数のドット状または格子状の前記照明光が照射された部分における、前記被検物の表面の垂直方向距離を測定して前記被検物の３次元形状を求めることを特徴とする請求項５に記載の計測装置。
前記複数の画素はそれぞれ、赤色光、緑色光および青色光を受光する３つのカラーセンサーを有しており、
前記演算処理部は、前記３つのカラーセンサーのうち２つのカラーセンサーにおける受光強度から強度レベルの差を検出することを特徴とする請求項５または６に記載の計測装置。
前記複数の画素はそれぞれ、光の強度を検出するモノクロセンサーを有し、
特定波長の光を透過させるフィルタが、前記照明光の光路上または前記被検物の表面からの光の光路上に配置されており、
前記フィルタを透過した光が前記モノクロセンサーにおいて受光されることを特徴とする請求項５または６に記載の計測装置。
前記複数の画素はそれぞれ、前記モノクロセンサーを有しており、
前記照明光学系は特定波長の照明光を前記被検物の表面に照射し、
前記結像レンズ系は、前記被検物の表面からの特定波長の光を入射させて前記イメージセンサー上に前記被検物の表面の像を結像させ、
前記演算処理部は、前記モノクロセンサーが受光した特定波長の光の強度に基づいて、前記被検物の表面の高さを算出して前記被検物の３次元形状を測定することを特徴とする請求項５または６に記載の計測装置。
平面状に並んだ複数の画素を有したイメージセンサーと、被検物の表面に照明光を照射する照明光学系と、前記照明光が照射された前記被検物の表面からの光を入射させて前記イメージセンサー上に前記被検物の表面の像を結像させる結像レンズ系と、前記結像レンズ系に入射した光が前記イメージセンサー上に前記被検物の表面の像を結像した状態において、前記イメージセンサーを構成する前記複数の画素のそれぞれが受光した光の強度に基づいて、前記被検物の表面の高さを算出して前記被検物の３次元形状を測定する演算処理部とからなる計測装置の計測方法であって、
前記被検物の表面に前記照明光を照射する照射ステップと、受光した光を少なくとも２つの波長毎に分けて波長毎の受光強度を検出する受光強度検出ステップと、前記複数の画素において検出された前記波長毎の受光強度のうち２つの波長の受光強度から強度レベルの差を検出するレベル差検出ステップと、前記強度レベルの差を基に前記被検物の表面の垂直方向距離を測定して前記被検物の３次元形状を測定する測定ステップとから構成されていることを特徴とする計測方法。