JP2009074875A

JP2009074875A - 計測装置およびその計測方法

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Publication number: JP2009074875A
Application number: JP2007243109A
Authority: JP
Inventors: Muneki Hamashima; 宗樹浜島
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高精度に被検物を測定することができる計測装置およびその計測方法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1は、複数の画素２１を有したイメージセンサー２０と、イメージセンサー上に被検物８の表面の像を結像させる色出しレンズ１１と、オートフォーカス制御部１１ｂにより制御されるオートフォーカス駆動装置１１ａと、被検物の表面の光軸方向の相対位置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とから構成される。オートフォーカス駆動装置により基準ドット７ｃの像をイメージセンサー２０に合焦させて結像させた状態で、複数の画素は波長毎の受光強度を検出し、演算処理部は基準ドット７ｃに対する他の位置の距離を求めて被検物の表面の３次元形状を測定する。
【選択図】図１

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８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８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８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において、被検物２０５の表面の光軸方向高さが大きく変化する場合、照明光２０１Ｂ、２０１Ｇおよび２０１Ｒのいずれかが被検物２０５の頂部において合焦するように、被検物２０５または計測装置２００を移動させて相対位置を変化させる必要があった。そのため、被検物２０５または計測装置２００の移動を高精度に制御できない場合には、被検物２０５の測定精度に影響を及ぼすという課題があった。

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高精度に被検物を測定することができる計測装置およびその計測方法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光軸方向の相対位置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、前記複数の画素は前記被検物の表面からの光を少なくとも２つの波長に分けて受光するとともに波長毎の受光強度を検出し、前記演算処理部は前記被検物の表面の像における所定基準位置での２つの波長の前記受光強度の差と、前記被検物の表面の像における他の位置での前記２つの波長の前記受光強度の差との関係から、前記所定基準位置に対する前記他の位置の距離を求めて前記被検物の表面の３次元形状を測定するように構成されている。さらに、前記結像レンズ系を構成する少なくとも一部のレンズを前記被検物に対して光軸方向に移動させることが可能なオートフォーカス用レンズ駆動部と、前記結像レンズ系により前記被検物における前記所定基準位置の像を前記イメージセンサーに合焦させて結像させるように、前記オートフォーカス用レンズ駆動部による前記少なくとも一部のレンズの光軸方向への移動を制御するオートフォーカス制御部とを有している。

上記構成の計測装置において、前記被検物の表面の所定基準位置は、前記被検物の表面における前記結像レンズ系の光軸上の位置である構成が好ましい。

上記構成の計測装置を用いた計測方法は、前記オートフォーカス用レンズ駆動部が前記被検物における前記所定基準位置の像を前記イメージセンサーに合焦させて結像させるように、前記少なくとも一部のレンズを光軸方向へ移動制御するオートフォーカスステップと、前記複数の画素が前記被検物の表面からの光を少なくとも２つの波長に分けて受光するとともに波長毎の受光強度を検出する受光強度検出ステップと、前記演算処理部が前記被検物の表面の像における所定基準位置での２つの波長の前記受光強度の差と、前記被検物の表面の像における他の位置での前記２つの波長の前記受光強度の差との関係から、前記所定基準位置に対する前記他の位置の距離を求めて前記被検物の表面の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高精度に被検物を測定することができる。

以下に、図１から図７を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について説明する。説明の便宜上、図１から図６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６（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。

さらに、色出しレンズ１１には、オートフォーカス駆動装置１１ａが設けられており、このオートフォーカス駆動装置１１ａは、色出しレンズ１１を構成するレンズのうち少なくとも１つのレンズ（以下、オートフォーカス用レンズと称す）を、後述する差動信号値により自動的に色出しレンズ１１の光軸方向（左右方向）に移動させる構成となっている。差動信号は、その正負の符号によって左右のどちらに焦点がずれているか、その大きさ（絶対値）によってどれだけずれているかが分かるので、オートフォーカス用レンズをそのように移動させることによって、所望の測定領域に合焦させることが可能となっている。つまり、オートフォーカス制御部１１ｂには、差動信号がフィードバックされて入力されており、その差動信号値が零となるように、オートフォーカス制御部１１ｂはオートフォーカス駆動装置１１ａを制御する。差動信号値が零となった位置が焦点の合う位置である。なお、このオートフォーカス駆動装置１１ａによって移動させられるオートフォーカス用レンズの左右位置および左右方向への移動量は、エンコーダ（図示せず）で検出されて演算処理部３０に出力され、演算処理部３０はこの移動量を記憶しておく。

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、色出しレンズ１１の光軸上以外の位置に形成されたものを基準ドット７ｄ、７ｅとし、基準ドット７ｂは、基準ドット７ｃおよび基準ドット７ｄ，７ｅ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となるとともに、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が色出しレンズ１１の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７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、オートフォーカス駆動装置１１ａの作動スイッチ（図示せず）をオフとし、オートフォーカス機能が働かない状態としておく。そして、照明光５ａを被検物８の表面に照射し、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、例えば色出しレンズ１１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５（ａ）に示している。図５（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５（ｂ）を参照）。

ここで、図５（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５（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、オートフォーカス駆動装置１１ａの作動スイッチをオンとしてオートフォーカス機能が働く状態とした後、基準ドット７ｃの左右方向の高さＺ０を中心とした、Ｚ５からＺ６までの測定可能領域Ｗを外れた位置に形成された基準ドット７ｄを撮像する。このとき、オートフォーカス駆動装置１１ａは、基準ドット７ｄにおける差動信号値が零となるようにオートフォーカス用レンズを移動させることにより、色出しレンズ１１の焦点位置を変える。そして、基準ドット７ｄにおける差動信号値が零となると、オートフォーカス制御部１１ｂは、オートフォーカス駆動装置１１ａの作動を停止させて、オートフォーカス用レンズの移動を停止させる。このようにして、基準ドット７ｄの位置に自動的に合焦させるオートフォーカス機能を実現している。

ステップ３に進み、オートフォーカス用レンズの移動が停止した状態において、色出しレンズ１１の光軸上に位置していない基準ドット７ｅ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波長ごとに検出する。ここで、基準ドット７ｅは、基準ドット７ｄの位置に合焦した状態において、差動曲線８Ｓにおける測定可能領域Ｗに含まれている。そして、この規格化された波長ごとの受光強度を基に基準ドット７ｅの位置における差動信号ｓ１を求める。

ステップ４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３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。また、このオートフォーカス用レンズの位置において、撮像可能な各基準ドット７ｂについても、同時に左右方向への相対高さＺ１を求める。さらに、上記オートフォーカス用レンズの位置では、像がボケることにより撮像不可能な各基準ドット７ｂについては、上述の基準ドット７ｄと同様にオートフォーカス駆動装置１１ｃによって、色出しレンズ１１の焦点位置を変えて撮像する。そして、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５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４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、一般の光学系において不可避的に発生する色収差を、積極的に被検物の３次元形状測定におけるオートフォーカス機能に活用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によりオートフォーカス機能を実現でき、被検物の表面形状に応じて自動的に焦点を合わせることで３次元形状測定の精度を高めることが可能となる。第２に、色収差による像のボケの程度を受光強度によって定量化し、定量化された差動信号値に基づいてフォーカス量を決定する構成より、オートフォーカス機能の精度を高めることが可能となっている。

上述の実施例のステップ２で、基準ドット７ｄの位置に自動的に合焦させた状態において、基準ドット７ｄの像に対するＧの波長の規格化された受光強度がピークとなる位置を求め、その受光強度から基準ドット７ｄの位置にほぼ合焦しているか確認することも可能である。

上述の実施例の示すオートフォーカス機能を、例えばカメラ等の撮像装置に組み込むことにより、従来よりカメラ等に付いているオートフォーカス機能は不要となる。また、カメラ等以外の撮像装置においても、この装置内の色収差光学系を兼用することによりオートフォーカス機能を実現することができる。

上述の実施例において、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３次元ＣＣＤが形成されている構成でも良い。

上述の実施例において、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で規格化しているが、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６（ｂ）に示す格子パターン３、および図６（ｃ）に示す縞パターン４を用いて計測装置１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。

上述の実施例において、照明光学系を用いて被検物８の表面にドット状の基準ドット７ｂを形成する、一般にアクティブ方式と呼ばれる構成となっているがこの構成に限定されることなく、照明光学系を用いることなく、例えば自然光を利用して被検物８の表面の特徴点（エッジ部分およびコントラストが変化する部分等）の受光強度を検出して被検物８の３次元形状を求める、一般にパッシブ方式と呼ばれる構成でも良い。

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を作成することが可能である。

上述の実施例において、被検物８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）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７ｃ基準ドット（所定基準位置）
８被検物１１色出しレンズ（結像レンズ系）
１１ａオートフォーカス駆動装置（オートフォーカス駆動部）
１１ｂオートフォーカス制御部
２０イメージセンサー２１画素領域（画素）
３０演算処理部

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光軸方向の相対位置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、
前記複数の画素は前記被検物の表面からの光を少なくとも２つの波長に分けて受光するとともに波長毎の受光強度を検出し、前記演算処理部は前記被検物の表面の像における所定基準位置での２つの波長の前記受光強度の差と、前記被検物の表面の像における他の位置での前記２つの波長の前記受光強度の差との関係から、前記所定基準位置に対する前記他の位置の距離を求めて前記被検物の表面の３次元形状を測定するように構成され、
前記結像レンズ系を構成する少なくとも一部のレンズを前記被検物に対して光軸方向に移動させることが可能なオートフォーカス用レンズ駆動部と、
前記結像レンズ系により前記被検物における前記所定基準位置の像を前記イメージセンサーに合焦させて結像させるように、前記オートフォーカス用レンズ駆動部による前記少なくとも一部のレンズの光軸方向への移動を制御するオートフォーカス制御部とを有していることを特徴とする計測装置。
前記被検物の表面の所定基準位置は、前記被検物の表面における前記結像レンズ系の光軸上の位置であ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、前記結像レンズ系を構成する少なくとも一部のレンズを前記被検物に対して光軸方向に移動させるオートフォーカス用レンズ駆動部と、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光軸方向の相対位置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た計測装置を用いた計測方法であって、
前記オートフォーカス用レンズ駆動部が前記被検物における前記所定基準位置の像を前記イメージセンサーに合焦させて結像させるように、前記少なくとも一部のレンズを光軸方向へ移動させるオートフォーカスステップと、前記複数の画素が前記被検物の表面からの光を少なくとも２つの波長に分けて受光するとともに波長毎の受光強度を検出する受光強度検出ステップと、前記演算処理部が前記被検物の表面の像における所定基準位置での２つの波長の前記受光強度の差と、前記被検物の表面の像における他の位置での前記２つの波長の前記受光強度の差との関係から、前記所定基準位置に対する前記他の位置の距離を求めて前記被検物の表面の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。