JP2010276582A - 非接触形状計測装置及び非接触形状計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】非測定物の見かけの形状をできるだけ歪ませることなく形状計測できると共に、長い物や連続的に移動する物であっても形状計測できる非接触形状計測装置を提供する。
【解決手段】非接触形状計測装置は、長手方向であるｘ方向に沿ったライン状光源を有する照明装置であって、前記ｘ方向に垂直なｙ方向に沿って光強度が単調に変化する光強度パターンを有する光を被測定物に対して照射する照明装置と、前記ｘ方向に沿った１ラインごとに、前記被測定物からの反射光を画像信号として取り込むラインセンサカメラと、得られた前記画像信号に基づいて、前記被測定物の各箇所からの反射光の光強度を算出し、前記ｙ方向に沿った前記照明装置の光強度パターンにおけるｙ方向の位置と光強度との関係に基づいて前記被測定物の各箇所の高さを算出する演算部と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、物体の形状を非接触で計測する非接触形状計測装置及び非接触形状計測方法に関する。

従来、位相シフト法による３次元計測では、被測定物を固定（静止）した状態に保ち、その被測定物の全体にわたって、位相シフトさせながら縞状パターンを投影して、エリアセンサカメラで被測定物全体による格子画像を撮影していた。これによって、被測定物全体の各箇所の投影した縞状パターンと撮影した格子画像との間の位相差を算出し、３次元計測していた。

研究成果報告書「応力・ひずみ・形状・変形の高速高精度全視野計測の研究」和歌山大学システム工学部 光メカトロニクス学科 光波画像計測研究室、教授 森本吉春 他、２００５年１２月

しかし、従来の３次元計測装置では、一方向から測定物の全体を観測した場合には被測定物は、遠近による歪みが現れるため台形形状の画像となるという問題がある。また、その遠近による歪みは形状測定の精度にも影響を生じるという問題がある。

さらに、被測定物の全体を同時に観測するため、被測定物を静止させて観測する必要があった。このため、長い物や連続的に移動する物は測定できなかった。

そこで、本発明の目的は、被測定物の見かけの形状をできるだけ歪ませることなく形状計測できると共に、長い物や連続的に移動する物であっても形状計測できる非接触形状計測装置を提供することである。

本発明に係る非接触形状計測装置は、長手方向であるｘ方向に沿ったライン状光源を有する照明装置であって、前記ｘ方向に垂直なｙ方向に沿って光強度が単調に変化する光強度パターンを有する光を被測定物に対して照射する照明装置と、
前記ｘ方向に沿った１ラインごとに、前記被測定物からの反射光を画像信号として取り込むラインセンサカメラと、
得られた前記画像信号に基づいて、前記被測定物の各箇所からの反射光の光強度を算出し、前記ｙ方向に沿った前記照明装置の光強度パターンにおけるｙ方向の位置と光強度との関係に基づいて前記被測定物の各箇所の高さを算出する演算部と、
を備える。

また、前記照明装置は、前記ｙ方向に沿って一定の光強度の光強度パターンを有する基準光を被測定物に照射する基準光源をさらに備えてもよい。この場合には、前記演算部は、前記基準光源による前記被測定物の各箇所からの反射光の光強度によって、前記被測定物の各箇所からの反射光の較正を行うことができる。

さらに、前記照明装置は、
前記ｘ方向に垂直であって前記ｙ方向の正方向と鋭角の角度をなす第１の方向から、ｙ方向に沿って光強度が単調に変化する光強度パターンを有する光を前記被測定物に照射する第１光源と、
前記第１の方向と前記ｙ方向とを含む平面に平行であって、前記ｙ方向の負方向に対して鋭角の角度をなす第２の方向から、ｙ方向に沿って光強度が単調に変化する光強度パターンを有する光を前記被測定物に照射する第２光源と、
を備えてもよい。この場合には、前記第１光源と前記第２光源とを切り替えて前記被測定物に光を照射する。

またさらに、前記照明装置は、
前記第１の方向から、前記ｙ方向に沿って一定の光強度を有する第１基準光を被測定物に照射する第１基準光源と、
前記第２の方向から、前記ｙ方向に沿って一定の光強度を有する第２基準光を被測定物に照射する第２基準光源と、
をさらに備えてもよい。この場合、前記演算部は、
前記第１基準光による前記被測定物の各箇所からの反射光の光強度によって、前記第１の方向について、前記被測定物の各箇所からの反射光の較正を行うことができると共に、
前記第２基準光による前記被測定物の各箇所からの反射光の光強度によって、前記第２の方向について、前記被測定物の各箇所からの反射光の較正を行うことができる。

また、前記照明装置は、
前記ｘ方向に沿った複数のライン状光源と、
前記複数のライン状光源からの光を前記被測定物に照射する光学系と、
を備えてもよい。この場合、前記光学系によって、前記ｙ方向に沿って光強度が単調に変化する光強度パターンを有する光を前記被測定物上に照射する。

さらに、前記光学系は、光透過率が前記ｙ方向に沿って単調に変化する光学フィルタを含んでもよい。

またさらに、前記照明装置及び前記ラインセンサカメラに対して前記被測定物を前記ｙ方向に沿って相対移動させる搬送装置をさらに備えてもよい。

また、前記照明装置は、前記ｙ方向に沿って光強度が直線的に変化する光強度パターンを有する光を照射するものであってもよい。

本発明に係る非接触形状計測方法は、長手方向であるｘ方向に沿ったライン状の光であって、前記ｘ方向に垂直なｙ方向に沿って光強度が単調に変化する光強度パターンを有する光を被測定物に対して照射するステップと、
前記一方向に垂直な方向に沿った１ラインごとに、前記被測定物からの反射光を画像信号として取り込むステップと、
得られた前記画像信号に基づいて、前記被測定物の各箇所からの反射光の光強度を算出し、前記光強度に基づいて前記被測定物の各箇所の高低差を算出するステップと、
を含む。

また、前記光を照射するステップは、被測定物に対して、長手方向であるｘ方向に沿ったライン状の光であって、前記ｘ方向に垂直なｙ方向に沿って光強度が一定の光強度パターンを有する基準光を照射するステップをさらに含むと共に、
前記基準光による前記被測定物の各箇所からの反射光の光強度によって、前記被測定物の各箇所からの反射光の較正を行うステップ、をさらに含んでもよい。

さらに、前記光を照射するステップは、
前記ｘ方向に垂直であって前記ｙ方向の正方向と鋭角の角度をなす第１の方向から、ｙ方向に沿って光強度が単調に変化する光強度パターンを有する光を前記被測定物に照射する第１ステップと、
前記第１の方向と前記ｙ方向とを含む平面に平行であって、前記ｙ方向の負方向に対して鋭角の角度をなす第２の方向から、ｙ方向に沿って光強度が単調に変化する光強度パターンを有する光を前記被測定物に照射する第２ステップと、
を含んでもよい。この場合、前記第１ステップと前記第２ステップとを切り替えて前記被測定物に光を照射する。

またさらに、前記光を照射するステップは、
前記第１の方向から、前記ｙ方向に沿って一定の光強度を有する第１基準光を被測定物に照射するステップと、
前記第２の方向から、前記ｙ方向に沿って一定の光強度を有する第２基準光を被測定物に照射するステップと、
をさらに含んでもよい。この場合には、前記高低差を算出するステップは、
前記第１基準光による前記被測定物の各箇所からの反射光の光強度によって、前記第１の方向について、前記被測定物の各箇所からの反射光の較正を行うと共に、
前記第２基準光による前記被測定物の各箇所からの反射光の光強度によって、前記第２の方向について、前記被測定物の各箇所からの反射光の較正を行うことができる。

また、前記光を照射するステップは、
前記ｘ方向に沿ったライン状の光を発光させるステップと、
前記ライン状の光について、前記ｙ方向に沿って光強度が単調に変化する光強度パターンを有する光に変換して、前記被測定物上に照射するステップと、
を含んでもよい。

さらに、前記ｙ方向に沿って光強度が単調に変化する光強度パターンは、光強度が前記ｙ方向に沿って直線的に変化する光強度パターンであってもよい。

またさらに、前記光を照射するステップが第１の方向から光を前記被測定物に照射する第１ステップと、第２の方向から光を前記被測定物に照射する第２ステップとを含む場合において、同期信号に合わせて前記第１ステップと前記第２ステップを切り替えて光を照射すると共に、
前記被測定物からの反射光を画像信号として取り込むステップは、前記同期信号に合わせて画像信号を取り込むこととしてもよい。

また、前記被測定物の各箇所の高低差を算出するステップでは、前記第１ステップと前記第２ステップを切り替えて光を照射して、前記被測定物からの反射光を取り込んだ画像信号について、前記第１ステップ及び前記第２ステップごとに前記被測定物の各箇所の高低差を算出してもよい。

本発明の非接触形状計測装置及び非接触形状計測方法によれば、被測定物を連続搬送状態で形状計測することが可能であり、シート状の実質的にエンドレスに延在する被測定物の検査も可能である。また、照明装置として、長手方向であるｘ方向に沿ったライン状光源を用いる。また、ｙ方向に光強度が単調に変化する光強度パターンの光を照射して、被測定物の各箇所の反射光の光強度を得て、その光強度から、光強度と高さとの関係に基づいて被測定物の形状を算出することができる。

本発明の実施の形態１に係る非接触形状計測装置の構成の一例を示す概略図である。 （ａ）は、被測定物と、被測定物上に照明光が照射される範囲との関係を示す概略図であり、（ｂ）は、照明光について、ｙ方向に沿った明るさ（光強度）の変化を示す概略図である。 （ａ）は、被測定物に照射される直線的に変化する光強度パターンと、被測定物の高低差による反射光の光強度との関係を示す概略図であり、（ｂ）は、照射光によって照射される平面上の位置Ｐ１、Ｐ３と、点Ｐ１での高さｚとの関係を示す概略図である。 本発明の実施の形態１に係る非接触形状計測方法のフローチャートである。 本発明の実施の形態２に係る非接触形状計測装置の構成の一例を示す概略図である。 （ａ）は、光源が一つの場合の点灯のタイミングチャートであり、（ｂ）は、光源が２つの場合の光源切り替えを示す点灯のタイミングチャートである。 本発明の実施の形態２に係る非接触形状計測方法における基準光源を用いた反射光の光強度の較正と、ｙ方向の位置と高さとの関係を示す概略図である。 本発明の実施の形態２に係る非接触形状計測方法のフローチャートである。 本発明の実施の形態４に係る非接触形状計測装置の構成の一例を示す概略図である。 本発明の実施の形態５に係る非接触形状計測装置の構成の一例を示す概略図である。

本発明の実施の形態に係る非接触形状計測装置について添付図面を用いて以下に説明する。なお、図面において実質的に同一の部材は同一の符号を付している。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る非接触形状計測装置の構成を示す概略図である。この非接触形状計測装置は、被測定物３に、ｙ方向に沿って光強度が単調に変化する光強度パターンを有する光を照射する照明装置１と、被測定物３からの光を画像信号として、長手方向であるｘ方向に沿った１ラインずつ取り込むラインセンサカメラ２と、被測定物３を移動させる搬送装置４と、各装置を制御すると共に、ラインセンサカメラ２で得られた画像信号から被測定物の各箇所の反射光の光強度を得て、その光強度に基づいて被測定物３の形状を算出するコンピュータ５とを備える。コンピュータ５は、ラインセンサカメラ２で取り込んだ画像信号を記憶するフレームメモリ６と、ラインセンサカメラ２を制御するカメラコントローラ７ａと、照明装置１を制御する照明コントローラ７ｂとを備える。なお、カメラコントローラ７ａと、照明コントローラ７ｂとを制御部７として一つとしてもよい。また、搬送装置４の回転ローラの回転に連動してパルス信号を発生するロータリーエンコーダ９と、ロータリーエンコーダ９からのパルス信号によってタイミング信号を発生させるタイミングコントローラ１０とを備える。

次に、この非接触形状計測装置の動作について説明する。
まず、搬送装置４の回転ローラが矢印の方向に回転すると、被測定物３は図１における左側から右側に向かって（ｙ方向の負方向）に移動する。また、回転ローラに取り付けられたロータリーエンコーダ９は回転ローラと共に回転し、パルス信号を発生する。このパルス信号はタイミングコントローラ１０を経てコンピュータ５に導かれる。また、上記パルス信号は、コンピュータ５の制御部７の中のカメラコントローラ７ａを経由してラインセンサカメラ２にトリガ信号（図６（ａ））として供給される。ラインセンサカメラ２は、トリガ信号１回ごとに画像信号１ライン分をフレームメモリ６に取り込む。一方、同じトリガ信号によってコンピュータ５の制御部７の中の照明コントローラ７ｂを経由して点灯のタイミング信号を生成し、照明装置１を点灯する。また、照明装置１を構成する光源が複数存在する場合にはタイミング信号によって光源を切り替える。
なお、システム構成の都合でロータリーエンコーダ９の取り付けができない場合、ロータリーエンコーダ９のパルス信号に代えて、外部で発振回路等によって生成したタイミング信号を使用してもよい。

＜照明装置＞
図２（ａ）は、被測定物３と、被測定物３上に照明光が照射される範囲との関係を示す概略図であり、（ｂ）は、照明光について、ｙ方向に沿って直線的に変化する明るさ（光強度）を示す概略図である。この照明装置１は、長手方向がｘ方向に沿ったライン状光源であって、被測定物３に照射する光強度（明るさ）は、ｘ方向に沿ってほぼ均一な明るさであって、ｙ方向に沿って光強度が単調に変化する光強度パターンを有する光を照射する。このｙ方向に沿って光強度が単調に変化する光強度パターンとしては、例えば、図２（ｂ）のように、直線的に変化する光強度パターンであってもよい。なお、ｙ方向に沿って光強度が単調に変化する光強度パターンは、直線的に変化する場合に限られず、ｙ方向の特定の位置からの距離に応じて光強度が曲線的に単調増加又は単調減少するものであってもよい。

この照明装置１に用いるライン状光源としては、ＬＥＤ、レーザ、その他、ＯＮ／ＯＦＦ制御の応答速度が速く明るいものであればよい。また、通常のライン状光源を用いて、コリメータレンズ系、投影パターンフィルムからなる光学系を用いて、ｙ方向に沿って光強度が単調に変化する光強度パターンの光を照射することができる。あるいは、液晶パネル、結像レンズ系等を組み合わせて照明装置１を構成してもよい。また、複数の光源、例えば、照明装置１として、２５５段階の連続的に異なる光強度を有する光源をｙ方向に並べて構成してもよい。この場合、階段状の光強度を有するよう構成してもよい。あるいは、均一なライン状光源にｙ方向に光強度をグラデーションさせる光フィルタを組み合わせて照明装置１を構成してもよい。

また、この照明装置１は、後述する被測定物３の高さの測定原理から、被測定物３の垂直上方からではなく、斜め上方から被測定物３を照射する必要がある。例えば、照明装置１は、ｘ方向に垂直であってｙ方向の正方向と鋭角の角度をなす方向から、図３に示すように、ｙ方向に沿って光強度が単調に変化する光強度パターンを有する光を被測定物３に照射する。

＜ラインセンサカメラ＞
この非接触形状計測装置では、ラインセンサカメラ２を用いて、上記ライン状光源の長手方向であるｘ方向と平行な方向に沿った１ラインごとの画像信号を取り込む。この場合、照明装置１と、画像信号を取り込む被測定物３の１ラインと、ラインセンサカメラ２との位置関係を固定して、上記ライン状の光源の長手方向と垂直な方向に被測定物３を移動させながら形状計測する。これによって、被測定物３の見かけの形状をできるだけ歪ませることなく形状計測できる。また、被測定物３が長い物や連続的に移動する物であっても形状計測できる。なお、図１では、ラインセンサカメラ２は、被測定物３の垂直上方に配置しているが、これに限られず、別角度で配置してもよい。例えば、ラインセンサカメラ２は照明装置１と鏡面反射に対応する位置に設けてもよい。

この場合、上述したように照明装置１と、画像信号を取り込む被測定物３の１ラインと、ラインセンサカメラ２との位置関係を一定とする。被測定物３を上記ライン状の光源の長手方向と垂直な方向に被測定物３を移動させながら形状計測することによって、元の被測定物３の形状を歪ませることなく画像を得ることができる。例えば、矩形形状の被測定物３の場合、１回の撮像で全体の形状を観測した場合には、遠近法による歪みが現れるため台形形状の画像となるが、本発明の実施の形態に係る非接触形状計測装置の場合には歪みを生じることなく矩形状の画像が得られる。

なお、エリアセンサカメラを用いてもよい。この場合には、被測定物３の全体の各箇所における高さを全体として求めることができる。

＜被測定物の高さを求める原理＞
図３（ａ）は、被測定物３に照射される直線的に変化する光強度パターンと、被測定物３の高低差による反射光の光強度との関係を示す概略図である。この非接触形状計測装置では、図３の左上に示すように、ｙ方向に沿って光強度が直線的に変化する光強度パターンを有する光を照射する。被測定物３が平坦な場合には、点Ｐ１に照射される光強度はＬ１であり、ラインセンサカメラ２において検出される反射光の光強度はＲ１となる。一方、例えば、図３（ａ）に示すように、被測定物３が平坦ではなく、点Ｐ１で高さｚを有する場合には、光強度Ｌ２の光が頂点Ｐ２で反射され、ラインセンサ２で検出される。この場合の反射光の光強度は、Ｒ１ではなくＲ２となる。この光強度Ｒ２を検出することによって、光強度と高さとの関係から、点Ｐ２の高さｚを算出できる。

図３（ｂ）は、照射光によって照射される平面上の位置Ｐ１、Ｐ３と、点Ｐ１での高さｚとの関係を示す概略図である。照射光が面の垂直方向とのなす入射角αと、点Ｐ１と点Ｐ３との間のｙ方向の差分Δｙとを用いると、高さｚは、以下の式で表される。
ｚ＝Δｙ／ｔａｎα ・・・（１）
つまり、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、反射光の光強度Ｒ２となるｙ方向の位置Ｐ３と点Ｐ１との差分Δｙを導くことによって、上記式（１）に基づいて高さｚが得られる。なお、入射角αは一定であるので、高さｚはｙ方向の差分Δｙに比例する。

別の計算方法を下記に示す。図３（a）において、突起物が無い場合の点Ｐ１がカメラの真下の点となり、この点の光の強さはＬ１となる。突起物３ｂがあれば図３（a）の頂点Ｐ２がカメラの真下の点となり、この点の光の強さはＬ２となる。カメラ出力値は光の強さと反射率に比例し、光の強さは直線的に変化する為に高さはカメラ出力値に比例することは明らかである。従って、点Ｐ１点と点Ｐ２に照射されるそれぞれの光の強さＬ１とＬ２およびカメラ出力値Ｒ１,Ｒ２の関係は、以下の式で表現される。
Ｒ１＝ｋ１１×Ｌ１ （ｋ１１：点Ｐ１の反射率を含めた変換係数）・・・（２）
Ｒ２＝ｋ１２×Ｌ２ （ｋ１２：点Ｐ２の反射率を含めた変換係数）・・・（３）
さらに点Ｐ１と点Ｐ２におけるカメラ出力値Ｒ１、Ｒ２と高さＺ１、Ｚ２は
Ｚ１＝ｋ２×Ｒ１ （ｋ２:カメラ出力値から高さへの変換係数）・・・（４）
Ｚ２＝ｋ２×Ｒ２ ・・・（５）
高さｚは点Ｐ１と点Ｐ２の差分であらわされる。
ｚ＝Ｚ２−Ｚ１＝ｋ２×（ｋ１２×Ｌ２−ｋ１１×Ｌ１) ・・・（６）
点Ｐ１、点Ｐ２の反射率を含めた変換係数は同じとしてｋ１１＝ｋ１２＝ｋ１とすると
ｚ＝ｋ２×ｋ１×（Ｌ２−Ｌ１） ・・・（７）
として高さｚが求められる。
ここで、図３（ａ）より、（１）式のΔｙと（７）式の（Ｌ２−Ｌ１）は比例することがわかる。また（１）式の１／ｔａｎαと（７）式のｋ２×ｋ１もどちらも定数であることから比例することは明らかである。よって（１）式と（７）式は表現方法は違うが、等価な式であることがわかる。

図４は、本発明の実施の形態１に係る非接触形状計測方法のフローチャートである。
（ａ）光源１から、ｘ方向に垂直なｙ方向に沿って光強度が単調に変化する光強度パターンを有する光を被測定物３に対して照射する（Ｓ０１）。
（ｂ）ラインセンサカメラ２において、ｘ方向に沿った１ラインごとに、被測定物３からの反射光を画像信号として取り込む（Ｓ０２）。
（ｃ）制御部７において、被測定物３の各箇所における光強度を算出し、ｙ方向に沿った照明装置１の光強度パターンにおけるｙ方向の位置と光強度との関係に基づいて被測定物３の各箇所の高さを算出する（Ｓ０３）。
以上によって、被測定物３の各箇所の高さを算出することができる。

（効果）
本発明の実施の形態１に係る非接触形状計測装置によれば、被測定物を連続搬送状態で形状計測することが可能である。例えば、シート状の実質的にエンドレスに延在する被測定物についても検査可能である。また、照明装置としてライン状光源を用いるので、必要な照明範囲を狭くできるため、照明むらを抑えることができる。さらに、ｙ方向に光強度が単調に変化する光強度パターンの光を被測定物に照射することによって、光強度と高さの関係に基づいてリアルタイムに形状計測を行うことができる。

（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２に係る非接触形状計測装置の構成の一例を示す概略図である。この非接触形状計測装置では、実施の形態１に係る非接触形状計測装置と比較すると、照明装置として２つの光源１１、１２を備える点で相違する。第１光源１１は、ｙ方向に沿って光強度が単調に変化する光強度パターンを有する光を被測定物３に照射する。第２光源１２は、基準光源であって、ｙ方向に沿って一定の光強度の光強度パターンを有する基準光を被測定物３に照射する。図６（ｂ）のタイミングチャートに示すように、第１光源１１と第２光源１２とを切り替えて被測定物３に光を照射する。ここで基準光源１２の位置関係については、光源１１側にあってもよい。

この非接触形状計測装置では、第２光源（基準光源）１２による被測定物３の各箇所からの反射光の光強度によって、被測定物３の各箇所からの反射光の較正を行うことができる。すなわち、被測定物３の表面状態は一様ではなく、例えば、明るい部分では反射光が強くなり、暗い部分では反射光が弱くなる。そこで、上記のように基準光源１２を用いて、一定の光強度の光強度パターンを有する基準光による反射光の光強度によって、被測定物３の各箇所からの反射光の較正を行って、被測定物３の表面状態の相違による反射光の強度変化への影響を排除できる。

図７は、実施の形態２における基準光源１２を用いた反射光の光強度の較正と、ｙ方向の位置と高さとの関係を示す概略図である。この場合、第１光源１１から照射する光強度パターンの最大の光強度Ｌ_ｍａｘの基準光を照射する。これに対して、通常より明るい部分では、図７で明るさＲ’_ｍａｘの点線で示した反射光のパターンが得られる。つまり、明るい部分からの反射光は、０〜最大Ｒ’_ｍａｘの範囲で変化する。一方、通常より暗い部分では、明るさＲ’’_ｍａｘの点線で示した反射光のパターンが得られる。つまり、暗い部分からの反射光は、０〜最大Ｒ’’_ｍａｘの範囲で変化する。そこで、同じ点Ｐ１が高さｚを有する場合に得られる反射光も、通常部分ではＲ２であるが、明るい部分ではＲ’２となり、暗い部分ではＲ’’２となる。反射光の較正では、各部分での反射光が、どのような光強度の範囲で変化するかを特定し、反射光の光強度とｙ方向の位置と高さとの関係を明らかにすることができる。

図８は、本発明の実施の形態２に係る非接触形状計測方法のフローチャートである。
（ａ）第２光源（基準光源）１２から、ｙ方向に沿って一定の光強度パターンを有する基準光を被測定物３に照射する（Ｓ１０）。この場合、基準光源１２からは、第１光源１１から照射する光強度パターンの最大の光強度Ｌ_ｍａｘの基準光を照射する。
（ｂ）ラインセンサカメラ２において、ｘ方向に沿った１ラインごとに、被測定物３からの光を画像信号として取り込む（Ｓ１１）。
（ｃ）制御部７において、基準光による被測定物３の各箇所の光強度を算出し、被測定物３からの反射光の光強度を較正する（Ｓ１２）。この場合、上述のように、明るい部分からの反射光は、０〜最大Ｒ’_ｍａｘの範囲で変化するものであると較正される。一方、暗い部分からの反射光は、０〜最大Ｒ’’_ｍａｘの範囲で変化するものであると較正される。
（ｄ）第１光源１１から、ｘ方向に垂直なｙ方向に沿って光強度が単調に変化する光強度パターンを有する光を被測定物３に対して照射する（Ｓ１３）。
（ｅ）ラインセンサカメラ２において、ｘ方向に沿った１ラインごとに、被測定物３からの反射光を画像信号として取り込む（Ｓ１４）。
（ｆ）制御部７において、被測定物３の各箇所における光強度を算出し、ｙ方向に沿った第１光源１１の光強度パターンにおけるｙ方向の位置と反射光の較正された光強度との関係に基づいて被測定物３の各箇所の高さを算出する（Ｓ１５）。具体的には、明るい部分からの反射光Ｒ’２、通常部分からの反射光Ｒ２，暗い部分からの反射光Ｒ’’２のそれぞれについて、図７によってｙ方向の差分Δｙを導いて、上記式（１）に基づいて点Ｐ１での高さｚを得る。
以上によって、第２光源（基準光源）１２を用いることによって、被測定物３の各箇所からの反射光の較正を行って、被測定物３の表面状態の相違による反射光の強度変化への影響を排除できる。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る非接触形状計測装置では、実施の形態２と同様に２つの光源１１、１２を有するが、第２光源１２として基準光源ではなく、第１光源１１と同様の光強度パターンを有する光を照射する点で相違する。つまり、第１光源１１は、ｘ方向に垂直であってｙ方向の正方向と鋭角の角度をなす第１の方向から、ｙ方向に沿って光強度が単調に変化する光強度パターンを有する光を被測定物３に照射する。第２光源１２は、第１の方向とｙ方向とを含む平面に平行であって、ｙ方向の負方向に対して鋭角の角度をなす第２の方向から、ｙ方向に沿って光強度が単調に変化する光強度パターンを有する光を被測定物に照射する。

上記のように、この非接触形状計測装置では、第１方向から光を照射する第１光源１１と、第１方向と相対する第２方向から光を照射する第２光源１２とを有し、第１光源１１と、第２光源１２とを切り替えて光を照射する。これによって、一方向からの光の投影だけでは影となって反射光が検出できない部分についても反対方向からの光によって反射光を得ることができ、高さを検出できる。

（実施の形態４）
図９は、本発明の実施の形態４に係る非接触形状計測装置の構成の一例を示す概略図である。この非接触形状計測装置では、照明装置として４つの光源１１、１２、１３、１４を用いていることを特徴とする。第１光源１１は、ｘ方向に垂直であってｙ方向の正方向と鋭角の角度をなす第１の方向から、ｙ方向に沿って光強度が単調に変化する光強度パターンを有する光を被測定物３に照射する。第２光源１２は、第１の方向とｙ方向とを含む平面に平行であって、ｙ方向の負方向に対して鋭角の角度をなす第２の方向から、ｙ方向に沿って光強度が単調に変化する光強度パターンを有する光を被測定物に照射する。第３光源１３は、第１基準光源であって、第１の方向から、ｙ方向に沿って一定の光強度の光強度パターンを有する第１基準光を被測定物３に照射する。第４光源１４は、第２基準光源であって、第２の方向から、ｙ方向に沿って一定の光強度の光強度パターンを有する第２基準光を被測定物３に照射する。

上記のように、この非接触形状計測装置では、第１方向から光を照射する第１光源１１と、第１方向と相対する第２方向から光を照射する第２光源１２とを有し、第１光源１１と、第２光源１２とを切り替えて光を照射する。これによって、一方向からの光だけでは影となって反射光が検出できない部分についても反対方向からの光によって反射光を得ることができ、高さを検出できる。

この非接触形状計測装置では、さらに、第１方向から第１基準光を照射する第３光源（第１基準光源）１３及び第２方向から第２基準光を照射する第４光源（第２基準光源）１４を備える。この第１基準光源１３及び第２基準光源１４による被測定物３の各箇所からの反射光の光強度によって、被測定物３の各箇所からの反射光の較正を行うことができる。これによって、被測定物３の表面状態の相違による反射光の強度変化への影響を排除できる。

（実施の形態５）
図１０は、本発明の実施の形態５に係る非接触形状計測装置の構成の一例を示す概略図である。この非接触形状計測装置では、実施の形態１から４と対比すると、ラインセンサカメラ２は、被測定物３の垂直上方ではなく、図９に示すように、照明装置１に対して鏡面反射を受ける位置に設けられていることを特徴とする。これによって、被測定物３の表面状態が鏡面反射するものである場合に反射光を有効に検出できる。

本発明の非接触形状計測装置は、被測定物を連続搬送している状態での形状計測に利用できる。また、シート状の実質的にエンドレスに延在する被測定物の検査に用いることもできる。たとえば、フィルムの表面状態を計測したり、電子基板上に半田印刷されたクリーム半田の高さを計測することができる。

１ 照明装置
２ ラインセンサカメラ
３ 被測定物
３ａ、３ｂ、３ｃ 突起物
３ｄ 照明範囲
４ 搬送装置
５ コンピュータ
６ フレームメモリ
７ 制御部
７ａ カメラコントローラ
７ｂ 照明コントローラ
８ 光源切り替えスイッチ
９ ロータリーエンコーダ
１０ タイミングコントローラ
１１ 第１光源
１２ 第２光源
１３ 第３光源
１４ 第４光源

Claims (16)

1. 長手方向であるｘ方向に沿ったライン状光源を有する照明装置であって、前記ｘ方向に垂直なｙ方向に沿って光強度が単調に変化する光強度パターンを有する光を被測定物に対して照射する照明装置と、
   前記ｘ方向に沿った１ラインごとに、前記被測定物からの反射光を画像信号として取り込むラインセンサカメラと、
   得られた前記画像信号に基づいて、前記被測定物の各箇所からの反射光の光強度を算出し、前記ｙ方向に沿った前記照明装置の光強度パターンにおけるｙ方向の位置と光強度との関係に基づいて前記被測定物の各箇所の高さを算出する演算部と、
   を備えた非接触形状計測装置。
2. 前記照明装置は、前記ｙ方向に沿って一定の光強度の光強度パターンを有する基準光を被測定物に照射する基準光源をさらに備え、
   前記演算部は、前記基準光源による前記被測定物の各箇所からの反射光の光強度によって、前記被測定物の各箇所からの反射光の較正を行う、請求項１に記載の非接触形状計測装置。
3. 前記照明装置は、
   前記ｘ方向に垂直であって前記ｙ方向の正方向と鋭角の角度をなす第１の方向から、ｙ方向に沿って光強度が単調に変化する光強度パターンを有する光を前記被測定物に照射する第１光源と、
   前記第１の方向と前記ｙ方向とを含む平面に平行であって、前記ｙ方向の負方向に対して鋭角の角度をなす第２の方向から、ｙ方向に沿って光強度が単調に変化する光強度パターンを有する光を前記被測定物に照射する第２光源と、
   を備え、前記第１光源と前記第２光源とを切り替えて前記被測定物に光を照射する、請求項１に記載の非接触形状計測装置。
4. 前記照明装置は、
   前記第１の方向から、前記ｙ方向に沿って一定の光強度を有する第１基準光を被測定物に照射する第１基準光源と、
   前記第２の方向から、前記ｙ方向に沿って一定の光強度を有する第２基準光を被測定物に照射する第２基準光源と、
   をさらに備え、
   前記演算部は、
   前記第１基準光による前記被測定物の各箇所からの反射光の光強度によって、前記第１の方向について、前記被測定物の各箇所からの反射光の較正を行うと共に、
   前記第２基準光による前記被測定物の各箇所からの反射光の光強度によって、前記第２の方向について、前記被測定物の各箇所からの反射光の較正を行う、
   請求項３に記載の非接触形状計測装置。
5. 前記照明装置は、
   前記ｘ方向に沿った複数のライン状光源と、
   前記複数のライン状光源からの光を前記被測定物に照射する光学系と、
   を備え、
   前記光学系によって、前記ｙ方向に沿って光強度が単調に変化する光強度パターンを有する光を前記被測定物上に照射する、請求項１に記載の非接触形状計測装置。
6. 前記光学系は、光透過率が前記ｙ方向に沿って単調に変化する光学フィルタを含む、請求項２に記載の非接触形状計測装置。
7. 前記照明装置及び前記ラインセンサカメラに対して前記被測定物を前記ｙ方向に沿って相対移動させる搬送装置をさらに備える、請求項１に記載の非接触形状計測装置。
8. 前記照明装置は、前記ｙ方向に沿って光強度が直線的に変化する光強度パターンを有する光を照射する、請求項１に記載の非接触形状計測装置。
9. 被測定物に対して、長手方向であるｘ方向に沿ったライン状の光であって、前記ｘ方向に垂直なｙ方向に沿って光強度が単調に変化する光強度パターンを有する光を照射するステップと、
   前記一方向に垂直な方向に沿った１ラインごとに、前記被測定物からの反射光を画像信号として取り込むステップと、
   得られた前記画像信号に基づいて、前記被測定物の各箇所からの反射光の光強度を算出し、前記光強度に基づいて前記被測定物の各箇所の高低差を算出するステップと、
   を含む、非接触形状計測方法。
10. 前記光を照射するステップは、被測定物に対して、長手方向であるｘ方向に沿ったライン状の光であって、前記ｘ方向に垂直なｙ方向に沿って光強度が一定の光強度パターンを有する基準光を照射するステップをさらに含むと共に、
    前記基準光による前記被測定物の各箇所からの反射光の光強度によって、前記被測定物の各箇所からの反射光の較正を行うステップ、をさらに含む、請求項９に記載の非接触形状計測方法。
11. 前記光を照射するステップは、
    前記ｘ方向に垂直であって前記ｙ方向の正方向と鋭角の角度をなす第１の方向から、ｙ方向に沿って光強度が単調に変化する光強度パターンを有する光を前記被測定物に照射する第１ステップと、
    前記第１の方向と前記ｙ方向とを含む平面に平行であって、前記ｙ方向の負方向に対して鋭角の角度をなす第２の方向から、ｙ方向に沿って光強度が単調に変化する光強度パターンを有する光を前記被測定物に照射する第２ステップと、
    を備え、前記第１ステップと前記第２ステップとを切り替えて前記被測定物に光を照射する、請求項９に記載の非接触形状計測方法。
12. 前記光を照射するステップは、
    前記第１の方向から、前記ｙ方向に沿って一定の光強度を有する第１基準光を被測定物に照射するステップと、
    前記第２の方向から、前記ｙ方向に沿って一定の光強度を有する第２基準光を被測定物に照射するステップと、
    をさらに備え、
    前記高低差を算出するステップは、
    前記第１基準光による前記被測定物の各箇所からの反射光の光強度によって、前記第１の方向について、前記被測定物の各箇所からの反射光の較正を行うと共に、
    前記第２基準光による前記被測定物の各箇所からの反射光の光強度によって、前記第２の方向について、前記被測定物の各箇所からの反射光の較正を行う、
    請求項１１に記載の非接触形状計測方法。
13. 前記光を照射するステップは、
    前記ｘ方向に沿ったライン状の光を発光させるステップと、
    前記ライン状の光について、前記ｙ方向に沿って光強度が単調に変化する光強度パターンを有する光に変換して、前記被測定物上に照射するステップと、
    を含む、請求項９に記載の非接触形状計測方法。
14. 前記ｙ方向に沿って光強度が単調に変化する光強度パターンは、光強度が前記ｙ方向に沿って直線的に変化する光強度パターンである、請求項９に記載の非接触形状計測方法。
15. 前記光を照射するステップが第１の方向から光を前記被測定物に照射する第１ステップと、第２の方向から光を前記被測定物に照射する第２ステップとを含む場合において、同期信号に合わせて前記第１ステップと前記第２ステップを切り替えて光を照射すると共に、
    前記被測定物からの反射光を画像信号として取り込むステップは、前記同期信号に合わせて画像信号を取り込む、請求項１１に記載の非接触形状計測方法。
16. 前記被測定物の各箇所の高低差を算出するステップでは、前記第１ステップと前記第２ステップを切り替えて光を照射して、前記被測定物からの反射光を取り込んだ画像信号について、前記第１ステップ及び前記第２ステップごとに前記被測定物の各箇所の高低差を算出する、請求項１５に記載の非接触形状計測方法。

Images