JP2014052310A

JP2014052310A - 反射型投影撮像装置

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Publication number: JP2014052310A
Application number: JP2012197605A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Kusakabe; 一夫日下部; Toshiyuki Shintani; 俊行信谷
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2014-03-20

Abstract

【課題】被検物の形状測定の精度の向上を図ることができるように、コントラストの高い画像を取り込むことができる投影撮像装置を提供する。
【解決手段】反射型投影撮像装置１ａは、被検物１６に投影パターンを投影する投影部１０と、被検物１６を撮像する第１の撮像部１１とを有するとともに、投影部１０が発する投影パターンを被検物１６に反射させるとともに被検物１６からの反射光を第１の撮像部１１に向けて反射させる第１の反射板１３と、第１の反射板１３を移動させる第１の反射板移動駆動部２０と、撮像された画像が所要の条件を充足するか否かを判定する第１の画像処理部とをさらに有し、第１の撮像部１１は第１の反射板１３を介して被検物を撮像し、撮像された画像が所要の条件を充足しない場合には、第１の反射板１３を移動させて再び被検物１６を撮像する。
【選択図】図１

Description

本発明は、反射型投影撮像装置に関する。詳しくは、本発明は、投影撮像による被対象物の形状測定において、反射板を用いて投影と撮像を行い、２次元又は３次元的に形状測定するための反射型投影撮像装置に関する。

従来、投影撮像装置において、反射板を折り返して対象物に照射して、その反射光をカメラ等の撮像素子で取り込み、その対象物を映像信号に変換する方法が提案されている（特許文献１）。図１１は、投影撮像装置の構成の従来例を示す図である。図１１に示すように、プロジェクタタイプの光源６４からの光は投影レンズ６５から出射し、第２のミラー６７と第１のミラー６６とで２回反射して、所定の角度でステージ６１上に置かれた書類６９等を照明する。書類６９からの光学像は、第一のミラー６６と第２のミラー６７とで２回反射して正立像として投影レンズ６３に導かれ、テレビカメラ６２により通常の映像信号に変換される。
このほか、図１２に示すように、比較的大型の反射型投影装置において、反射板による画像のブレを抑制する構成が提案されている（特許文献２）。図１２は、反射型投影装置の構成の従来例を示す図である。特許文献２に記載の反射型投影装置は、反射板のうねり信号を検出して反射板を駆動制御することにより短時間で制振するミラーデバイス駆動制御を有する。

特開平４−１３９１６号公報特開２０１０−２５６８６２号公報

しかしながら、図１１に示すように、特許文献１の構成では、書類等の反射を利用する投影撮像の場合には、倒立像との干渉を避けるために、２枚の反射板を用いる必要がある。また、画像のゆがみを防ぐために、２枚の反射板の位置関係は、光軸の微調整機構を有するものの固定化されている。このため、部品などの立体物を、投影撮像方向を変えてより明瞭な画像を取込んで表示することや、立体物を投影撮像して形状を測定することは困難である。
また、図１２に示すように、特許文献２の構成では、反射板の振動（ブレ）による投影画像の明瞭度の低下を防止すべく、ミラーデバイスをうなり検知センサーと複数方向に駆動制御することで、画像振動を抑制している。このような構成では、耐久性、メンテナンス性、コスト等に課題がある。

前記実情に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、被検物の形状測定の精度の向上を図ることができるように、コントラストの高い画像を取り込むことができる反射型投影撮像装置を提供することである。

上記課題の解決と目的を達成するための本発明は、被検物に投影パターンを投影する投影部と、被検物を撮像する撮像部とを有する投影撮像装置であって、投影部が発する投影パターンを被検物に向けて反射させるとともに被検物からの反射光を撮像部に向けて反射させる第１の反射板と、前記第１の反射板を二次元的に移動させる第１の反射板移動駆動部と、前記第１の撮像部により撮像された画像が所要の条件を充足するか否かを判定する処理部と、を有し、前記投影部は投影パターンを前記第１の反射板に反射させることによって被検物に投影し、前記第１の撮像部は前記第１の反射板を介して被検物を撮像し、前記第１の撮像部により撮像された画像が所要の条件を充足しない場合には、前記処理部が前記第１の撮像部により撮像された画像が所要の条件を充足しないと判定した場合には、前記第１の反射板移動駆動部は前記第１の反射板を移動させ、前記第１の反射板の移動後の位置において前記第１の撮像部が再び被検物を撮像することを特徴とする。

本発明によれば、投影撮像装置が反射板を移動させる移動機構を備えるため、画像のコントラストが低く測定が困難な場合には、撮像方向を切替えることによって、コントラスト比の高い画像を取り込むことができる。したがって、高精度の測定が可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態にかかる反射型投影撮像装置の構成の例を示す斜視図である。図２は、本発明の第１の実施形態にかかる反射型投影撮像装置の構成の例を示す正面図である。図３は、第１の反射板の支持構造を模式的に示す図である。図４は、第１の撮像部と第１の反射板の制御のための構成を模式的に示すブロック図である。図５は、第２の撮像部と第２の反射板の制御のための構成を模式的に示すブロック図である。図６は、反射型投影撮像装置の動作を示すフローチャートである。図７は、本発明の第２の実施形態にかかる反射型投影撮像装置の構成を模式的に示す図である。図８は、反射板に発生する振動方向を模式的に示す図である。図９は、反射板のＺ方向振動時における投影パターンおよび撮像画像の変位（振動量）を模式的に示す図である。図１０は、反射板のＹθ回転振動時における投影パターンおよび撮像画像の変位量（振動量）を模式的に示す図である。図１１は、投影撮像装置の構成の従来例を示す図である。図１２は、投影撮像装置の構成の従来例を示す図である。

以下に、本発明の各実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる反射型投影撮像装置１ａの構成の例を示す斜視図である。図２は、本発明の第１の実施形態にかかる反射型投影撮像装置１ａの構成の例を示す正面図である。
図１と図２に示すように、反射型投影撮像装置１ａは、載置テーブル１５と、投影部（投影装置）１０と、第１の撮像部（カメラ）１１と、第２の撮像部（カメラ）１２と、第１の反射板１３と、第２の反射板１４とを含む。
載置テーブル１５は、被検物（測定対象物）１６を載置できる載置面１５１を有する。なお、以下の説明では、載置テーブル１５の載置面１５１が上側を向き、載置面１５１の法線が垂直であるものとする。載置テーブル１５の載置面１５１には、位置測定用の複数のマーカー２５が設けられる。なお、これらの複数のマーカー２５は、第１の撮像部１１と第２の撮像部１２によって撮像できる位置（撮像エリア２４の内側）に設けられる。そして、これら複数のマーカー２５は、画像解析において画像の位置を検出するために用いられる。
投影部１０は光源を有する。そして、投影部１０は、載置テーブル１５の載置面１５１に載置された被検物１６に対して、第１の反射板１３を介して所定の投影パターンを投影できる。投影部１０には、公知の各種投影装置が適用できる。
第１の撮像部１１は、載置テーブル１５の載置面１５１に載置される被検物１６を、第１の反射板１３を介して撮像する。
投影部１０と第１の撮像部１１は、第１の台座部１７に取り付けられて支持される。第１の台座部１７は、動力源を有しており、投影部１０と第１の撮像部１１の光軸２３の方向（角度）を変更できる。
第１の反射板１３は、光を反射させる反射面１３１を有する。そして、投影部１０から投影される投影光を、載置テーブル１５に載置される被検物１６に向けて反射させる。また、第１の反射板１３は、載置テーブル１５に載置された被検物１６からの反射光（以下、「投影分散光」と称する）を第１の撮像部１１に向けて反射させる。
第２の撮像部１２は、載置テーブル１５の載置面１５１に載置される被検物１６を、第２の反射板１４を介して撮像する。第２の撮像部１２は、第２の台座部１９に取り付けられて支持される。第２の台座部１９は、動力源を有しており、第２の撮像部１２の光軸の方向（角度）を変更できる。
第２の反射板１４は、光を反射させる反射面１４１を有する。そして、第２の反射板１４は、載置テーブル１５の載置面１５１に載置される被検物１６からの投影分散光（反射光）を、第２の撮像部１２に向けて反射させる。
なお、第１の撮像部１１と第２の撮像部１２には、公知の各種撮像装置（カメラ）が適用できる。同様に、第１の台座部１７および第２の台座部１９の構成は特に限定されるものではなく、たとえば、公知の各種雲台が適用できる。

第１の反射板１３は、第１のアーム１８によって、載置テーブル１５と投影部１０と第１の撮像部１１（以下、「載置テーブル１５等」と称する）に対して相対的に変位可能に支持される。第２の反射板１４は、第２のアーム２７によって、載置テーブル１５と第２の撮像部１２（同様に、「載置テーブル１５等」と称する）に対して相対的に変位可能に支持される。
第１のアーム１８と第２のアーム２７とは、それぞれ、一方の端部（基端部）を中心として揺動可能である。また、反射型投影撮像装置１ａは、第１のアーム１８を駆動する第１の反射板移動駆動部２０と、第２のアーム２７を駆動する第２の反射板移動駆動部２１とを有する。第１の反射板移動駆動部２０は動力源を有しており、第１の反射板１３を載置テーブル１５等に対して円弧運動（または球面運動）させることができる。同様に、第２の反射板移動駆動部２１は動力源を有しており、第２の反射板１４を、載置テーブル１５等に対して円弧運動（または球面運動）させることができる。
このような構成によれば、第１の反射板１３と第２の反射板１４は、載置テーブル１５等に対して、円弧状（二次元的）に相対移動できる。
第１の反射板１３は、第１のアーム１８の他方の端部（先端部）に、回転可能に支持される。第２の反射板１４は、第２のアーム２７の他方の端部（先端部）に、回転可能に支持される。そして、反射型投影撮像装置１ａは、第１の反射板１３を回転駆動させる第１の反射板回転駆動部２２と、第２の反射板１４を回転駆動させる第２の反射板回転駆動部２８とを有する。第１の反射板回転駆動部２２は、回転動力源を有しており、第１の反射板１３の反射面１３１と載置テーブル１５の載置面１５１との角度を変更できる。第２の反射板回転駆動部２８は、回転動力源を有しており、第２の反射板１４の反射面１４１と載置テーブル１５の載置面１５１との角度を変更できる。
なお、第１のアーム１８と第２のアーム２７の長さは互いに異なる。このため、第１の反射板１３と第２の反射板１４とは、互いに干渉することなく円弧運動（二次元的な運動）できる。

ここで、第１の反射板１３と第２の反射板１４の支持構造について説明する。図３は、第１の反射板１３の支持構造を模式的に示す図である。図３に示すように、反射型投影撮像装置１ａは支持枠２９を有する。第１の反射板１３は、この支持枠２９に弾性体２６を介して支持される。そして、この弾性体２６によって、第１の反射板１３が防振または制振され、撮像画像のブレが防止または抑制される。弾性体２６には、公知の各種防振ゲルが適用できる。第２の反射板１４の支持構造も、第１の反射板１３の支持構造と同様である。

投影部１０は、所定の投影パターンを発する。第１の反射板１３は、投影部１０が発する投影パターンを被検物１６に向けて反射させる。このように、投影部１０は、第１の反射板１３を介して、被検物１６に所定の投影パターンを投影する。また、第１の反射板１３は、被検物１６からの反射光を、第１の撮像部１１に向けて反射させる。第１の撮像部１１は、第１の反射板１３に映り込んでいる被検物１６（被検物１６の光学像）を撮像する。このように、第１の撮像部１１は、第１の反射板１３を介して被検物１６を撮像する。
そして、反射型投影撮像装置１ａは、第１の撮像部１１が撮像した画像を用いて、被検物１６の形状測定を行う。この際、反射型投影撮像装置１ａは、第１の撮像部１１により撮像された画像が、形状測定に必要な所要の条件を充足するかを判定する。所要の条件としては、画像のコントラストが適用される。撮像した画像のコントラストが形状測定に充分でない場合には、第１の反射板１３を移動させ、移動後の位置において再び被検物１６を撮像する。そして、反射型投影撮像装置１ａは、このような動作を、所要のコントラストを有する画像が撮像されるまで繰り返す。このような構成によれば、被検物１６の形状測定の精度の向上を図ることができる。

第２の反射板１４は、被検物１６からの反射光を、第２の撮像部１２に向けて反射させる。第２の撮像部１２は、第２の反射板１４に映り込んでいる被検物１６（被検物１６の光学像）を撮像する。このように、第２の撮像部１２は、第２の反射板１４を介して被検物１６を撮像する。この際、反射型投影撮像装置１ａは、第１の撮像部１１および第２の撮像部１２により撮像された画像が、形状測定に必要な所要の条件を充足するかを判定する。判定のための条件や動作は、前記同様である。
そして、反射型投影撮像装置１ａは、第１の撮像部１１と第２の撮像部１２が撮像した画像を用いることによって、被検物１６の三次元形状測定を行うことができる。したがって、このような構成によれば、被検物１６の三次元形状測定の精度の向上を図ることができる。

次に、第１の撮像部１１と第１の反射板１３の制御について説明する。
図４は、第１の撮像部１１と第１の反射板１３の制御のための構成を模式的に示すブロック図である。図４に示すように、反射型投影撮像装置１ａは、第１の制御部４０と、第１の台座部１７と、投影部１０と、第１の撮像部１１と、第１の画像処理部（第１の位置測定部）４２と、第１の反射板移動駆動部２０と、第１の反射板回転駆動部２２とを有する。
第１の制御部４０は、第１の反射板移動駆動部２０を駆動する。これにより、第１の制御部４０は、第１の反射板１３を円弧運動させて、第１の反射板１３と被検物１６との相対的な位置関係を変更できる。同様に、第１の制御部４０は、第１の反射板回転駆動部２２を駆動する。これにより、第１の制御部４０は、第１の反射板１３の反射面１３１と載置テーブル１５の載置面１５１との角度を変更することができる。
また、第１の制御部４０は、第１の台座部１７を駆動する。これにより、第１の制御部４０は、投影部１０と第１の撮像部１１を第１の反射板１３の移動に追従させることができる。
第１の制御部４０は、ＣＰＵとＲＡＭとＲＯＭとを有するコンピュータが適用される。ＲＯＭには、第１の撮像部１１や第１の反射板１３などの各部を制御するためのコンピュータプログラム（コンピュータソフトウェア）が格納されている。そして、ＣＰＵは、ＲＯＭに格納されるコンピュータプログラムを読み出し、ＲＡＭを作業領域として用いて実行する。これにより、第１の制御部４０は、第１の撮像部１１や第１の反射板１３などの各部を制御できる。
第１の画像処理部４２は、第１の撮像部１１が撮像した画像を解析して、第１の撮像部１１による撮像エリア２４の位置を判定する。前記のとおり、載置テーブル１５の載置面１５１には複数のマーカー２５が設けられている。第１の画像処理部４２は、撮像した画像に映り込んでいるマーカー２５の位置情報を画像処理によって解析する。そして、第１の画像処理部４２は、マーカー２５の位置情報（映り込んでいる位置）から撮像エリア２４の位置を判定する。

反射型投影撮像装置１ａは、最初の投影撮像を、第１の反射板１３の光軸を垂直方向（載置テーブル１５の載置面１５１の法線方向）に対して約３°傾斜させた状態で行う。また、最初の投影撮像では、第１の反射板１３の反射面１３１を載置テーブル１５の載置面１５１に平行にする。第１の反射板１３の反射面１３１が載置テーブル１５の載置面１５１に平行であれば、撮像された画像は、第１の反射板１３の水平方向の振動の影響を受けない。撮像した画像のコントラストが被検物１６の形状測定に不充分である場合には、第１の反射板１３の光軸を前記角度からさらに約５°変更する。そして、反射型投影撮像装置１ａは、再び投影撮像を行う。以降、反射型投影撮像装置１ａは、被検物１６の測定に充分なコントラストを有する画像が得られるまで、この動作を繰り返す。これらの動作は、第１の制御部４０が、第１の反射板移動駆動部２０と、投影部１０と、第１の撮像部１１と、第１の台座部１７と、第１の画像処理部４２とを制御することによって行われる。

図５は、第２の撮像部１２と第２の反射板１４の制御のための構成を模式的に示すブロック図である。反射型投影撮像装置１ａは、第１の撮像部１１と第２の撮像部１２の両方を用いることによって、被検物１６の三次元形状測定を高精度に行うことができる。図５に示すように、反射型投影撮像装置１ａは、第２の制御部４１と、第２の台座部１９と、第２の画像処理部（第２の位置測定部）４３と、第２の反射板移動駆動部２１とを有する。なお、これらの各部は、前記の第１の撮像部１１と第１の反射板１３の制御のための各部と同じ構成と比較すると、駆動対象が異なるのみであり、共通の構成が適用できる。すなわち、第２の制御部４１は第１の制御部４０に相当し、第２の画像処理部４３は第１の画像処理部４２に相当し、第２の台座部１９は第１の台座部１７に相当する。また、第２の反射板移動駆動部２１は第１の反射板移動駆動部２０に相当し、第２の反射板回転駆動部２８は第１の反射板回転駆動部２２に相当する。したがって、これらの各部の説明は省略する。

反射型投影撮像装置１ａは、第２の撮像部１２を用いる場合には、最初の投影撮像を、第２の反射板１４の光軸を垂直方向に対して約３０°傾斜させて行う。また、最初の投影撮像では、第２の反射板１４の反射面１４１を載置テーブル１５の載置面１５１に平行にする。その後の動作は、第１の撮像部１１と第１の反射板１３を用いた撮像の動作と同じである。
このほか、第１の反射板１３と第１の撮像部１１を用いて被検物１６を認識できない場合には、第２の反射板１４と第２の撮像部１２を用い、第２の撮像部１２の光軸を垂直方向に対して１５°程度傾斜させて被検物を撮像する。これにより、コントラスの高い画像を得ることができる。
なお、これらの動作は、第２の制御部４１が、第２の反射板移動駆動部２１と、第２の反射板回転駆動部２８と、第２の台座部１９と、第２の画像処理部４３とを制御することによって行われる。

次に、反射型投影撮像装置１ａの動作について、図６を参照して説明する。図６は、反射型投影撮像装置１ａの動作を示すフローチャートである。この動作を実行するためのコンピュータプログラム（コンピュータソフトウェア）は、第１の制御部４０のＲＯＭに格納されている。そして、第１の制御部４０のＣＰＵがこのコンピュータプログラムをＲＯＭから読み出し、ＲＡＭを作業領域に展開して実行することにより、この動作が実行される。

ステップＳ６０１において、第１の制御部４０は、第１の反射板移動駆動部２０と第１の反射板回転駆動部２２を駆動し、第１の反射板１３を、載置テーブル１５の載置面１５１に対して所定の角度および所定の位置に設定する。
なお、一回目のステップＳ６０１においては、第１の制御部４０は、第１の反射板１３の位置および角度を次のように設定する。すなわち、第１の反射板１３の位置については、第１の制御部４０は、被検物１６から入射する投影分散光の光軸が、垂直方向（載置テーブル１５の載置面１５１の法線方向）に対して３°程度傾斜する位置に設定する。第１の反射板１３の角度については、第１の制御部４０は、第１の反射板１３の反射面１３１が、載置テーブル１５の載置面１５１に平行（すなわち水平）となる角度に設定する。第１の反射板１３の反射面が水平であれば、第１の反射板１３および第２の反射板１４が水平方向に振動した場合であっても、撮像される画像にブレが生じることを防止できる。したがって、このような構成であれば、撮像される画像は、第１の反射板１３の水平方向の振動の影響を受けない。

ステップＳ６０２において、第１の制御部４０は、第１の撮像部１１を制御して撮像を実行し、第１の画像処理部４２は、被検物１６を撮像した画像を取得する。

ステップＳ６０３において、第１の画像処理部４２は、第１の撮像部１１が撮像した画像が、所要の条件を充足するか否かを判定する。具体的には、本実施形態では、第１の画像処理部４２は、形状測定に充分なコントラストを有するか否かを判定する。すなわち、被検物１６からの投影分散光の光量が過大であると白飛びが生じることがあり、過少であると黒潰れが生じることがある。そして、白飛びや黒潰れが生じると、被検物１６の形状測定のために充分なコントラストが得られないことがある。そこで、第１の制御部４０は、撮像された画像のコントラストが被検物１６の測定に充分であるか否かを判定する。なお、具体的な判定の基準は、被検物１６の形状などに応じて適宜設定される。

ステップＳ６０３において、画像のコントラストが充分でないと判定された場合には、ステップＳ６０１に戻る。２回目以降のステップＳ６０１においては、第１の制御部４０は、第１の反射板１３を、前回のステップＳ６０１において設定した位置から、被検物１６から入射する投影分散光の光軸が５°程度異なる位置に設定する。そして、ステップＳ６０３に進む。以降、ステップＳ６０３において画像のコントラストが充分であると判定されるまで、ステップＳ６０１〜Ｓ６０３の動作を繰り返す。

ステップＳ６０４において、第１の制御部４０は、第１の撮像部１１が撮像した画像を用いて、被検物１６の形状測定を実行する。なお、被検物１６の形状測定の方法には、公知の各種画像処理方法が適用できる。

このように、第１の制御部４０は、白飛びや黒潰れによって画像のコントラストが測定に充分でない場合には、撮像方向の角度を５°程度変更し、再び撮像を実行する。そして、第１の制御部４０は、測定に充分なコントラストを有する画像を取得できるまで、撮像方向を５°程度ずつ変更して撮像を繰り返す。

なお、反射型投影撮像装置１ａは、三次元測定を実行する場合には、第１の撮像部１１および第１の反射板１３に加え、第２の撮像部１２および第２の反射板１４を用いて撮像を行う。第２の撮像部１２および第２の反射板１４の動作は、第１の撮像部１１および第１の反射板１３とほぼ同じである。ただし、一回目のステップＳ６０１において、第２の制御部４１は、第２の反射板１４の位置を、被検物１６から入射する投影分散光の光軸が、垂直方向に対して１５°程度傾斜する位置に設定する。
そして、ステップＳ６０２においては、第１の撮像部１１および第２の撮像部１２を用いてステレオ画像を取得する。ステップＳ６０３においては、第１の撮像部１１および第２の撮像部１２が取得した画像の両方が、測定に充分なコントラストを有するか否かを判定する。ステップＳ６０４では、第１の撮像部１１および第２の撮像部１２が撮像したステレオ画像を用いて、被検物１６の形状測定を行う。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と共通する構成には同じ符号を付し、説明を省略する。図７は、本発明の第２の実施形態にかかる反射型投影撮像装置１ｂの構成を模式的に示す図である。
反射型投影撮像装置１ｂは、載置テーブル１５と、投影部１０と、第１の撮像部１１と、第２の撮像部１２と、第１の反射板３８と、第２の反射板３９と、平行移動レール３７とを含む。載置テーブル１５と、投影部１０と、第１の撮像部１１と、第２の撮像部１２とは、第１の実施形態と共通の構成が適用できる。
第１の反射板３８と第２の反射板３９とは、平行移動レール３７に支持される。そして、第１の反射板３８と第２の反射板３９とは、平行移動レール３７上を、載置テーブル１５の載置面１５１に平行な方向（ここでは水平方向）に移動できる。なお、平行移動レール３７は、第１の反射板３８と第２の反射板３９とを移動可能に支持できる構成であればよく、具体的な構成は限定されない。そして、平行移動レール３７は、載置テーブル１５の載置面１５１に対向する箇所（たとえば、天井面などに設けられるフレーム４７）に、防振機構を介して設けられる。防振機構には、フレーム４７に設けられるバネ４５およびダンパー４６が並列に設けられる構成が適用される。

この他、反射型投影撮像装置１ｂは、第１の反射板移動駆動部３５と第２の反射板移動駆動部３６とを有する。第１の反射板移動駆動部３５と第２の反射板移動駆動部３６は、それぞれ動力源を有する。そして、第１の反射板移動駆動部３５は、第１の反射板３８を、平行移動レール３７に沿って、載置テーブル１５の載置面１５１に平行な方向に移動させることができる。第２の反射板移動駆動部３６は、第２の反射板３９を、平行移動レール３７に沿って、載置テーブル１５の載置面１５１に平行な方向に移動させることができる。
なお、説明の便宜上、載置テーブル１５の載置面１５１の法線方向（垂直方向）をＺ軸方向とし、第１の反射板３８および第２の反射板３９の移動方向をＸ軸方向とし、Ｚ軸方向およびＸ軸方向に直角な方向をＹ軸方向とする。
さらに、反射型投影撮像装置１ｂは、第１の反射板回転駆動部３３と第２の反射板回転駆動部３４とを有する。第１の反射板回転駆動部３３と第２の反射板回転駆動部３４とは、それぞれ回転動力源を有する。そして、第１の反射板回転駆動部３３は、第１の反射板３８をＹ軸回りに回転させることができる。第２の反射板回転駆動部３４は、第２の反射板３９をＹ軸回りに回転させることができる。

反射型投影撮像装置１ｂは、投影部１０からの投影パターンを、第１の反射板３８で反射させて被検物１６に投影する。そして、その反射光である投影分散光を、第１の反射板３８で反射させて第１の撮像部１１によって撮像する。
さらに、反射型投影撮像装置１ｂは、第１の撮像部１１と第２の撮像部１２の二つの撮像部を用いて被検物１６を撮像し、撮像した画像を用いて被検物１６の三次元的形状測定を行うことができる。第２の撮像部１２は、被検物１６からの投影分散光を第２の反射板３９で反射させることによって、被検物１６を撮像する。
この際、第１の反射板３８および第２の反射板３９と、被検物１６との相対的な位置関係を変更することにより、画像のコントラストが高くなる方向から被検物１６を撮像できる。したがって、被検物１６の形状測定の精度の向上を図ることができる。

投影部１０、第１の撮像部１１および第１の反射板３８を駆動するための構成は、図４に示す構成において、第１の反射板移動駆動部２０が第１の反射板移動駆動部３５に置換された構成を有する。それ以外は、図４に示す構成が適用できる。

反射型投影撮像装置１ｂは、最初の投影撮像を、第１の反射板３８の光軸を垂直方向（載置テーブル１５の載置面１５１の法線方向）に対して約３°傾斜させて行う。また、最初の投影撮像では、第１の反射板３８の反射面３８１を載置テーブル１５の載置面１５１に平行にする。第１の反射板３８の反射面３８１が載置テーブル１５の載置面１５１に平行であれば、撮像された画像は、第１の反射板３８の水平方向の振動の影響を受けない。撮像した画像のコントラストが被検物１６の測定に不充分である場合には、第１の反射板３８の光軸を前記角度からさらに約５°変更する。そして、反射型投影撮像装置１ｂは、再び投影撮像を行う。以降、反射型投影撮像装置１ｂは、被検物１６の形状測定に充分なコントラストを有する画像が得られるまで、この動作を繰り返す。これらの動作は、第１の制御部４０が、投影部１０と、第１の撮像部１１と、第１の反射板移動駆動部３５と、第１の反射板回転駆動部３３と、第１の台座部１７と、第１の画像処理部４２とを制御することによって行われる。

第２の撮像部１２および第２の反射板３９を駆動するための構成は、図５に示す構成において、第２の反射板移動駆動部２１が、第２の反射板移動駆動部３６に置き換わった構成を有する。それ以外は、図５に示す構成が適用される。

反射型投影撮像装置１ｂは、第２の撮像部１２を用いる場合には、最初の投影撮像を、第２の反射板３９の光軸を垂直方向に対して約３０°傾斜させて行う。また、最初の投影撮像では、第２の反射板３９の反射面３９１を載置テーブル１５の載置面１５１に平行にする。その後の動作は、第１の撮像部１１と第１の反射板３８を用いた撮像の動作と同じである。
この他に、第１の反射板３８と第１の撮像部１１を用いて被検物１６を認識できない場合には、第２の反射板３９と第２の撮像部１２を用い、第２の撮像部１２の光軸を垂直方向に対して１５°程度傾斜させて被検物１６を撮像する。これにより、コントラスの高い画像を得ることができる。
なお、これらの動作は、第２の制御部４１が、第２の撮像部１２と、第２の反射板移動駆動部３６と、第２の台座部１９と、第２の画像処理部４３とを制御することによって行われる。

（防振のための構成）
次に、本発明の各実施形態にかかる反射型投影撮像装置１ａ，１ｂにおいて、第１の反射板１３，３８と第２の反射板１４，３９の防振のための構成について説明する。なお、説明の便宜上、第１の反射板１３，３８と第２の反射板１４，３９を、まとめて単に「反射板１３，３８，１４，３９」と称する。
図８は、反射板１３，３８，１４，３９に発生する振動方向を模式的に示す図である。ここでは、載置テーブル１５の載置面１５１と反射板１３，３８，１４，３９との距離をＬ₁とする。

反射型投影撮像装置１ａ，１ｂにおいては、第１の撮像部１１と第２の撮像部１２とがＺ軸方向の下方に設置される。そして第１の撮像部１１と第２の撮像部１２は、それぞれ、Ｚ軸方向の上方に設けられる反射板１３，３８，１４，３９を介して撮像を行う。このような構成によれば、撮像される画像が、投影部１０の冷却ファンなどの振動や外部環境の振動の影響を受けることを防止または抑制される。しかしながら、高精度の測定を行う場合には、撮像される画像は、反射板１３，３８，１４，３９の振動の影響を受ける。そして、投影パターンおよび撮像画像は、反射板１３，３８，１４，３９の振動方向に応じて、影響の程度が異なる。したがって、振動方向に応じた防振対策が必要になる。
以下の説明においては、載置テーブル１５の載置面１５１の法線方向をＺ軸方向とする。また、Ｚ軸方向視において反射板１３，３８，１４，３９の円弧運動の方向（第１の実施形態）または平行移動の方向（第２の実施形態）をＸ軸方向とする。また、Ｘ軸方向とＺ軸方向に直角な方向とＹ軸方向とする。

反射板１３，３８，１４，３９が、載置テーブル１５の載置面１５１に平行である場合には、Ｘ軸方向振動と、Ｙ軸方向振動と、Ｚ軸回りの回転振動（以下、Ｚθ回転振動）の影響が生じない。しかしながら、Ｚ軸方向振動、Ｘ軸回りの回転振動（以下、Ｘθ回転振動と称する）、Ｙ軸回りの回転振動（以下、Ｙθ回転振動と称する）については、影響を無視できない。

まず、Ｚ軸方向振動について説明する。
図９は、反射板１３，３８，１４，３９のＺ方向振動時における投影パターンおよび撮像画像の変位（振動量）を模式的に示す図である。
反射板１３，３８，１４，３９がＺ軸方向に振動した場合において、反射板１３，３８，１４，３９のＺ軸方向の変位量をＭ_Zとする。また、投影パターンの光軸の角度（ここでは、反射板１３，３８，１４，３９の反射面に入射する光軸と反射面から出射する光軸のなす角度をいうものとする。以下同じ）をθ_Rとする。そうすると、反射板１３，３８，１４，３９の反射面における投影パターンのＸ軸方向の変位量Ｒ_Xは、

ｔａｎ（２θ_R）＝Ｒ_X／Ｍ_Z

より、

Ｒ_X＝Ｍ_Z×ｔａｎ（２θ_R）

で、表すことができる。
また、撮像画像（投影分散光）の光軸の角度（ここでは、反射板１３，３８，１４，３９の反射面に入射する光軸と反射面から出射する光軸のなす角度をいうものとする。以下同じ）をθ_Pとする。そうすると、反射板１３，３８，１４，３９の反射面における撮像画像（投影拡散光）のＸ軸方向の変位量Ｐ_Xは、

ｔａｎ（２θ_P）＝Ｐ_X／Ｍ_Z

より、

Ｐ_X＝Ｍ_Z×ｔａｎ（２θ_P）

で表すことができる。
反射板１３，３８，１４，３９がＺ軸方向に振動した場合においては、投影パターンと撮像画像とは同じ方向に変位する。このため、最終的な撮像画像のＸ軸方向の変位量Ｘは、被検物１６との変位Ｐ_Xを加算し、

Ｘ＝Ｐ_X＋（Ｒ_X−Ｐ_X）
＝Ｐ_X＋（Ｍ_Z×ｔａｎ（２θ_R））−（Ｍ_Z×ｔａｎ（２θ_P））

で、表される。
たとえば、第１の反射板３８の初期位置（第１回目の撮像における位置）において、投影パターンの角度θ_Rは、６°に設定され、撮像画像の角度θ_Pは５°に設定されるとする。そして、第１の反射板３８のＺ軸方向振動によるＺ軸方向の変位量ｚが１６μｍであるとすると、最終的な撮像画像のＸ軸方向の変位量Ｘは、

Ｘ＝Ｐ_X＋（Ｍ_Z×ｔａｎ（２θ_R））−（Ｍ_Z×ｔａｎ（２θ_P））

より、

Ｘ＝（１６×ｔａｎ２×２．５）＋(１６×ｔａｎ(２×３))−（１６×ｔａｎ(２×２．５)）
＝１．４＋１．６８−１．４
＝１．６８（μｍ）

である。
このように、第１の反射板３８のＺ軸方向の変位量Ｍ_Zが１６μｍである場合には、撮像画像のＸ軸方向の変位量Ｘは１．６８μｍとなる。すなわち、

１．６８／１６≒１／１０

であり、撮像画像のＸ軸方向の変位量Ｘは、第１の反射板３８のＺ軸方向の変位量Ｍ_Zの１／１０程度になる。
このように、反射板１３，３８，１４，３９のＺ軸方向振動については、防振対策を施さなくてもよい。

次に、Ｙθ回転振動について説明する。
図１０は、反射板１３，３８，１４，３９のＹθ回転振動時における投影パターンおよび撮像画像の変位量（振動量）を模式的に示す図である。ここで、投影パターンの光軸の角度（反射板１３，３８，１４，３９に入射する光軸と反射板１３，３８，１４，３９から出射する光軸のなす角度をいうものとする）をθ_Rとする。反射板１３，３８，１４，３９と載置テーブル１５の載置面１５１との距離をＬ₁とする。また、反射板１３，３８，１４，３９が載置テーブル１５の載置面１５１と平行な状態からの傾斜角度をＡ°とする。図１０において、投影パターンのＸ軸方向の変位ｘは、

ｘ＝Ｌ₁×ｔａｎ（（θ_R／２）＋Ａ）

で表すことができる。よって、投影パターンの変位量Δｘは、反射板回転振動による変位前後の差分であるため、

Δｘ＝ｘ−Ｌ₁×ｔａｎ（θ_R／２）

となるから、

Ｘ＝（（Ｌ₁×ｔａｎ（θ_R／２）＋（Ｌ₁×ｔａｎ（θ_R／２）＋Ａ））−（（Ｌ₁×ｔａｎ(θ_P／２)＋（Ｌ₁×（ｔａｎ（θ_P／２）＋Ａ））

たとえば、第１回目の撮像での第１の反射板１３の位置（初期位置）において、投影パターンの角度θ_Rを６°とし、撮像画像の角度θ_Pを５°とする。そして、第１の反射板１３のＹθの回転角度Ａを０．００１°と仮定し、距離Ｌ₁を１０００ｍｍと仮定する。この条件では、投影パターンと撮像パターンのそれぞれの変位量は、

Δｘ＝１０００×ｔａｎ（６／２＋０．００１）−１０００×ｔａｎ（６／２）
＝０．０１７５０
Δｘ’＝１０００×ｔａｎ（６／２＋０．００１）−１０００×ｔａｎ（５／２）
＝０．０１７４９

となる。反射板１３，３８，１４，３９の振動に対し、投影パターンの変位方向と撮像パターンの変位方向は同方向であるので、反射板１３，３８，１４，３９の回転振動による変位量Ｘは、

Ｘ＝Δｘ＝Δｘ’＝０．０１７５

すなわち、１７．５（μｍ）である。よって、この条件において、第１の反射板１３のＹθ回転振動時の回転角Ａが０．００１°であると、撮像画像の振動変位は、１７．５μｍになり、倍率的には、

１７．５／１６＝１．０６（倍）

である。
このように反射板１３，３８，１４，３９のＹθ回転振動が画像の変位に与える影響は大きい。したがって振動対策が必要となる。Ｘθ回転振動についても、Ｙθ回転振動と同様に考えられ、防振対策は必要となる。

反射型投影撮像装置１ａ，１ｂの反射板１３，３８，１４，３９の許容振動数と許容振動量（変位）は、撮像画像の取込み条件に応じて設定される。たとえば、被検物１６の形状測定において、反射型投影撮像装置１ａ，１ｂは、フレームレート６０ｆｐｓで被検物１６を撮像し、前段９コマを画像処理し、測定を行うものとする。この条件の例においては、振動量（変位）の許容値は、実験検討より、投影面で±８μｍ（絶対値で１６μｍ）に設定されることが好ましい。
この条件で、第１の反射板３８の許容振動数を算出すると、次のとおりである。

一般的な正弦波振動の式より、速度振幅ｖは、

ｖ＝ｄ・２πｆ＝a／２πｆ

で算出される。ここで、ｄは変位であり、ａは加速度である。前記条件においては、１コマの期間は１６．６６７ｍｓである。このため、前段９コマの画像を用いる場合には、

１６．６６７×９＝１５０（ｍｓ）

となり、１５０ｍｓの間に８μｍ以上の変位がなければよいことになる。たとえば、第１の反射板３８の質量を２．５ｋｇ程度とし、平行移動レール３７の質量を８ｋｇ程度として、弾性体、バネ、ダンパーの計算を行う。
固有振動数計算式は、以下のとおりである。

ｐ＝（ｋ／ｍ）^1/2

ここで、ｐは固有振動数であり、ｋはバネ定数であり、ｍは質量である。また、振動方程式と減衰比率は、以下の式で算出される。

δ＝ｌｎ（ｘ₁／ｘ₂）＝ｌｎ（ｘ₂／ｘ₃）＝ｌｎ（ｘ₃／ｘ₄）＝・・・ｌｎ（ｘ_n／ｘ_n+1）
＝２πζ／（（１−ζ²）^1/2）≒２πζ

ここで

ｘ₀／ｘ_n＝（ｅδ）ⁿ
ζ＝（１／ｎ）ｌｎ（ｘ₀／ｘ_n）

である。
上記式によれば、反射板１３，３８，１４，３９を支持する弾性体２６として、振動伝達率の低い防振ゲルを適用することにより、振動の減衰と固有振動数の低域化を図ることができる。特に、Ｙθ回転振動とＸθ回転振動の振動角度を０．００１°以下に抑制することができる。

また、反射板１３，３８，１４，３９が回転すると、弾性体２６に撓み変形が生じることがある。そうすると、反射板１３，３８，１４，３９で反射した投影パターンや投影分散光の光軸がずれる。第１の制御部４０と第２の制御部４１は、それぞれ、反射板１３，３８，１４，３９の位置と回転角度を補正する。具体的には、まず、第１の画像処理部４２と第２の画像処理部４３が、撮像された画像に映り込んでいるマーカー２５の位置情報を画像解析によって検出する。そして、検出の結果に基づいて、撮像された画像の位置（撮像エリア２４の位置）を検出する。そして、第１の制御部４０と第２の制御部４１は、画像の位置の検出結果に基づいて、画像の位置のずれ量がゼロになるように、反射板１３，３８，１４，３９の位置および角度を補正する。反射板１３，３８，１４，３９の位置および角度の補正は、第１の反射板移動駆動部２０、第２の反射板移動駆動部２１、第１の反射板回転駆動部２２、第２の反射板回転駆動部２８を駆動することによって行う。

なお、反射型投影撮像装置１ｂにおいて、第１の反射板１３や第２の反射板１４を支持する弾性体２６の減衰係数と、平行移動レール３７を支持するバネ４５の弾性係数およびダンパー４６の減衰係数は、前記の減衰振動方程式を使用して算出される。反射板１３，３８，１４，３９の特性は、画像処理のしやすさなどを考慮して、固有振動数が３０〜６０Ｈｚ、振幅が１６μｍ以下、回転振動の角度が０．００１°以下に設定される。

１ａ：反射型投影撮像装置、１０：投影部、１１：第１の撮像部、１２：第２の撮像部、１３：第１の反射板、１４：第２の反射板、１６：被検物、１８：第１のアーム１８、２７：第２のアーム、４０：第１の制御部、４２：第１の画像処理部

Claims

被検物に投影パターンを投影する投影部と、被検物を撮像する撮像部とを有する投影撮像装置であって、
投影部が発する投影パターンを被検物に向けて反射させるとともに被検物からの反射光を撮像部に向けて反射させる第１の反射板と、
前記第１の反射板を二次元的に移動させる第１の反射板移動駆動部と、
前記第１の撮像部により撮像された画像が所要の条件を充足するか否かを判定する処理部と、
を有し、
前記投影部は投影パターンを前記第１の反射板に反射させることによって被検物に投影し、
前記第１の撮像部は前記第１の反射板を介して被検物を撮像し、
前記第１の撮像部により撮像された画像が所要の条件を充足しない場合には、
前記処理部が前記第１の撮像部により撮像された画像が所要の条件を充足しないと判定した場合には、前記第１の反射板移動駆動部は前記第１の反射板を移動させ、前記第１の反射板の移動後の位置において前記第１の撮像部が再び被検物を撮像することを特徴とする反射型投影撮像装置。
前記投影部および前記第１の撮像部を駆動する台座部をさらに有し、
前記台座部が前記投影部および前記撮像部を駆動することによって、前記反射板の移動に追従させることを特徴とする請求項１に記載の反射型投影撮像装置。
第１の撮像部の撮像エリアの内側に設けられるマーカーをさらに有し、
前記処理部は、前記第１の撮像部が撮像した画像に映り込んでいるマーカーの位置情報を検出することによって前記画像の撮像エリアの位置を検出し、
前記駆動部は前記処理部による撮像エリアの位置の検出結果に基づいて前記第１の反射板の位置を補正することを特徴とする請求項１または２に記載の反射型投影撮像装置。
前記第１の反射板は、弾性体およびダンパーを介して支持されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の反射型投影撮像装置。
被検物からの反射光を反射させる第２の反射板と、
前記第２の反射板を介して被検物を撮像する第２の撮像部と、
をさらに有し、
前記第１の撮像部と前記第２の撮像部によって被検物の三次元測定を行うことを特徴とする請求項１に記載の反射型投影撮像装置。
前記投影部は前記第１の反射板を介して被検物に投影パターンを投影し、前記第２の撮像部が前記第２の反射板を介して被検物を撮像し、前記第２の撮像部が撮像した画像を用いて被検物を測定することを特徴とする請求項５に記載の反射型投影撮像装置。
前記第２の反射板は、弾性体により支持されることを特徴とする請求項５または６に記載の反射型投影撮像装置。