JP2021152503A - パターン投影装置、外観検査装置およびパターン投影方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多数の光源を要することなく、対象物に投影される縞パターンの位相を変更可能とする。【解決手段】平行光射出部４１から射出される平行光Ｌｉのうち、選択された一部（平行光Ｌｓ（Ｎ））が回折光学素子４５に向けて射出され、回折光学素子４５が入射してきた平行光Ｌｓを回折することで生成した縞パターンＰ（Ｎ）がワークＷ（対象物）に投影される。この回折光学素子４５は入射範囲Ｒｉ（Ｎ）に応じた投影範囲Ｒｐ（Ｎ）に縞パターンＰ（Ｎ）を投影する機能を有し、回折光学素子４５への入射範囲Ｒｉ（Ｎ）を変更することで、ワークＷに投影される縞パターンＰの位置が変更され、その結果、当該縞パターンＰの位相が変更される。【選択図】図１

Description

この発明は、対象物の外観検査のために、対象物に投影される縞パターンの位相を変更する技術に関する。

従来、対象物に投影される縞パターンの位相を変更しつつ縞パターンを撮像した結果に基づき、対象物の三次元形状を測定する位相シフト法が知られている。また、特許文献１では、対象物に投影する縞パターンの位相を高速に変更可能とする技術が記載されている。具体的には、光源と対象物との間に格子プレートが配置されている。格子プレートには、互いに平行な複数の直線で構成された１次元格子が設けられており、光源からの拡散光のうち、各直線の間に入射した光は遮られる一方、各直線に入射した光は格子プレートを通過して対象物に照射される。こうして、１次元格子状の縞パターンが対象物に投影される。特に特許文献１では、複数の位相に応じて複数の光源が配置されており、点灯させる光源を変更することで、縞パターンの位相を変更することができる。

特開２０１２−１８９４７９号公報

ところで、上記の技術では、縞パターンの複数の位相に対応して複数の光源を有する必要がある。

この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、多数の光源を要することなく、対象物に投影される縞パターンの位相を変更可能とすることを目的とする。

本発明に係るパターン投影装置は、平行光を射出する平行光射出部と、平行光射出部から射出された平行光を回折することで生成した、周期的に光強度が変化する縞パターンを対象物に投影する回折光学素子と、平行光射出部から射出された平行光のうちから選択した一部を回折光学素子に向けて射出することで、回折光学素子のうち平行光が入射する入射範囲を選択する選択部とを備え、回折光学素子は、入射範囲に応じた投影範囲に縞パターンを投影し、選択部は、入射範囲を変更することで対象物に投影される縞パターンの位置を変更する。

本発明に係るパターン投影方法は、平行光射出部から平行光を射出する工程と、平行光のうちから選択した一部を回折光学素子に入射させることで、回折光学素子のうち平行光が入射する入射範囲を選択する工程と、回折光学素子により平行光を回折することで生成した、周期的に光強度が変化する縞パターンを対象物に投影する工程とを備え、回折光学素子は、入射範囲に応じた投影範囲に縞パターンを投影し、入射範囲を変更することで対象物に投影される縞パターンの位置を変更する。

このように構成された本発明（パターン投影装置、パターン投影方法）では、平行光射出部から射出される平行光のうち、選択された一部が回折光学素子に向けて射出され、回折光学素子が入射してきた平行光を回折することで生成した縞パターンが対象物に投影される。この回折光学素子は入射範囲に応じた投影範囲に縞パターンを投影する機能を有し、回折光学素子への入射範囲を変更することで、対象物に投影される縞パターンの位置が変更され、その結果、当該縞パターンの位相が変更される。つまり、複数の光源のうちから点灯させる光源を変更するのではなく、平行光を回折光学素子に入射させる入射範囲を変更することで、縞パターンの位相が変更される。そのため、複数の位相ごとに光源を設ける必要がない。こうして、多数の光源を要することなく、対象物に投影される縞パターンの位相を変更することが可能となっている。

また、選択部は、空間光変調器を有し、平行光射出部から射出された平行光を空間光変調器により変調することで入射範囲を選択するように、パターン投影装置を構成してもよい。このように空間光変調器と回折光学素子との組み合わせによって縞パターンの位置（すなわち、位相）を変更することで、多数の光源を要することなく、縞パターンの位相を高速に変更することが可能となる。

また、空間光変調器の具体的な構成としては種々想定できる。例えば、空間光変調器は、デジタルミラーデバイス、グレーティングライトバルブあるいはＬＣＯＳ(Liquid Crystal on Silicon)であってもよい。

また、回折光学素子の格子面に直交する中心線の周りで、回折光学素子を回転可能に支持する格子支持部材をさらに備え、平行光は、中心線に平行に回折光学素子に入射するように、パターン投影装置を構成してもよい。かかる構成では、多数の光源を要することなく、対象物に投影される縞パターンの位相のみならず、向きも変更することができる。

本発明に係る外観検査装置は、上記のパターン投影装置と、パターン投影装置によって対象物に投影された、互いに異なる位相を有する３個以上の縞パターンを撮像する撮像部と、撮像部によって撮像された３個以上の縞パターンから位相を求める第１演算部と、第１演算部が求めた位相から対象物の三次元形状を求める第２演算部と、第２演算部が求めた三次元形状に基づき対象物の外観を検査する第３演算部とを備える。したがって、多数の光源を要することなく、対象物に投影される縞パターンの位相を変更することが可能となる。

以上のように、本発明によれば、多数の光源を要することなく、対象物に投影される縞パターンの位相を変更可能とすることが可能となる。

図１は本発明に係る外観検査装置の一例を模式的に示す図。 回折光学素子による回折動作を模式的に示す図。 図１の外観検査装置が具備する電気的構成を示すブロック図。 図１の外観検査装置において実行される外観検査を示すフローチャート。

図１は本発明に係る外観検査装置の一例を模式的に示す図である。同図では、ＸＹＺ直交座標を示す。ここで、Ｘ方向は水平方向であり、Ｙ方向はＸ方向に直交する水平方向であり、Ｚ方向は鉛直方向である。

外観検査装置１は、検査対象物であるワークＷを支持するワーク支持部２と、ワーク支持部２に支持されるワークＷを撮像する撮像カメラ３と、ワーク支持部２に支持されるワークＷに縞パターンＰ（Ｎ）を投影するパターン投影装置４とを備える。ワークＷは、例えばエンジンのコネクティングロッド等の自動車部品あり、外観検査装置１は、ワークＷの表面における打痕等の傷の有無を確認することでワークＷの外観を検査する。

ワーク支持部２は、水平な表面２１を有する支持プレートを有し、表面２１に載置されたワークＷを支持する。ただし、ワーク支持部２の構成はこの例に限られず、例えばロボットアームであってもよい。撮像カメラ３は、ワーク支持部２の表面２１に対向して配置される。この撮像カメラ３は、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)あるいはＣＭＯＳ(Complementary MOS)等の個体撮像素子により構成されたイメージセンサによって、ワークＷに投影された縞パターンＰ（Ｎ）を撮像する。

パターン投影装置４は、光強度が周期的に変化する縞パターンＰ（Ｎ）を投影する。特に本実施形態での縞パターンＰ（Ｎ）の光強度は正弦波パターンで変化する。このパターン投影装置４は、平行光Ｌｉを射出する平行光射出部４１と、平行光射出部４１から射出された平行光Ｌｉのうちから一部の平行光Ｌｓ（Ｎ）を選択する選択部４３と、選択部４３によって選択された平行光Ｌｓ（Ｎ）を回折する回折光学素子４５と、回折光学素子４５を保持する格子支持部材４７とを備える。

平行光射出部４１は、例えばＬＥＤ(Light Emitting Diode)等で構成された光源４１１と、光源４１１から射出された光Ｌｅを平行光Ｌｉに変換する光学系４１２とを有する。光学系４１２は、レンズ、絞りあるいはミラー等の光学部材により構成され、光Ｌｅに対してコリメーションを実行して平行光Ｌｉを生成する。

選択部４３は、空間光変調器４３１およびミラー４３２を有する。空間光変調器４３１は、例えばデジタルミラーデバイス、グレーティングライトバルブあるいはＬＣＯＳ(Liquid Crystal on Silicon)であり、平行光射出部４１から射出された平行光Ｌｉが空間光変調器４３１に入射する。この空間光変調器４３１は、入射してきた平行光Ｌｉを変調することで、平行光Ｌｉのうちから選択した一部の平行光Ｌｓ（Ｎ）をミラー４３２に向けて反射する。そして、ミラー４３２は、空間光変調器４３１から入射してきた平行光Ｌｓ（Ｎ）を回折光学素子４５に向けて反射する。

回折光学素子４５は、入射してきた平行光を回折して正弦波を射出する機能を有する。回折光学素子４５は平板形状を有し、入射面４５１と、当該入射面４５１の反対側の射出面４５２とを有する。回折光学素子４５の入射面４５１には、ミラー４３２から進行方向Ｄｌに射出された平行光Ｌｓ（Ｎ）が入射する。したがって、回折光学素子４５は、進行方向Ｄｌから入射面４５１に入射してきた平行光Ｌｓ（Ｎ）を回折して、正弦波の縞パターンＰ（Ｎ）を射出面４５２から射出する。このように、回折光学素子４５に入射した平行光Ｌｓ（Ｎ）は、縞パターンＰ（Ｎ）に変換されてからワークＷに向けて射出される。これによって、縞パターンＰ（Ｎ）がワークＷに投影される。

格子支持部材４７は、進行方向Ｄｌに平行な回転軸Ａを中心に回転可能に回折光学素子４５を支持する。この回転軸Ａは、回折光学素子４５の格子面に直交し、平面視において回折光学素子４５の中心に位置する。具体的には、格子支持部材４７は、図１において断面で示される外枠４７１および円形回転枠４７２を有する。そして、円形回転枠４７２は、外枠４７１によって囲まれた円形開口に嵌め込まれて、回転軸Ａを中心に回転可能に外枠４７１に支持され、回折光学素子４５は回転枠４７２に取り付けられている。したがって、回転軸Ａを中心として、回転枠４７２を回転させることで、回折光学素子４５を回転させることができる。例えば、回折光学素子４５の回転角度が０度のとき、回折光学素子４５は、光強度がＸ方向に周期的に変化する縞パターンＰ（Ｎ）を投影し、回折光学素子４５の回転角度が９０度のとき、回折光学素子４５は、光強度がＹ方向に周期的に変化する縞パターンＰ（Ｎ）を投影する。なお、回折光学素子４５の回転は、モータによって実行してもよいし、作業者の手作業によって実行してもよい。

ところで、回折光学素子４５に平行光Ｌｉが入射する入射範囲Ｒｉ（Ｎ）と、縞パターンＰ（Ｎ）が投影される投影範囲Ｒｐ（Ｎ）とは相関を有する。光強度がＸ方向に周期的に変化する縞パターンＰが投影される場合で説明すると、入射範囲Ｒｉ（Ｎ）がＸ方向にシフト量Δだけ移動すると、投影範囲Ｒｐ（Ｎ）も同様にＸ方向にシフト量Δだけ移動する。これについて、図２を用いて説明する。

図２は回折光学素子による回折動作を模式的に示す図である。同図は、３個の入射領域Ｒｉ（Ｎ）（Ｎ＝１、２、３）に入射した平行光Ｌｓ（Ｎ）（Ｎ＝１、２、３）を回折光学素子４５によって回折することで生成される３個の縞パターンＰ（Ｎ）（Ｎ＝１、２、３）を模式的に示す。３個の入射範囲Ｒｉ（１）、Ｒｉ（２）、Ｒｉ（３）は、Ｘ方向において同一の幅を有する一方、互いに異なる位置Ｃ（１）、Ｃ（２）、Ｃ（３）に中心を有し、入射範囲Ｒｉ（１）の中心位置Ｃ（１）に対して入射範囲Ｒｉ（２）の中心位置Ｃ（２）はＸ方向にシフト量Δだけシフトし、入射範囲Ｒｉ（２）の中心位置Ｃ（２）に対して入射範囲Ｒｉ（３）の中心位置Ｃ（３）はＸ方向にシフト量Δだけシフトしている。なお、図２の例では、縞パターンＰ（Ｎ）は１０周期の長さを有するが、縞パターンＰ（Ｎ）の周期はこれに限られず１００周期程度あるいはそれ以上となりうる。例えば、１００周期の縞パターンＰ（Ｎ）を得る場合には、入射範囲Ｒｉ（１）、Ｒｉ（２）、Ｒｉ（３）の長さを１０倍にして１００周期分の縞パターンＰ（Ｎ）を形成してもよいし、入射範囲Ｒｉ（１）、Ｒｉ（２）、Ｒｉ（３）の長さはそのままに、入射範囲Ｒｉ（１）、Ｒｉ（２）、Ｒｉ（３）を１００分割した周期の縞パターンＰ（Ｎ）を形成してもよい。

図２の「入射範囲Ｒｉ（１）」の欄では、Ｘ方向において位置Ｃ（１）を中心とする入射範囲Ｒｉ（１）に平行光Ｌｓ（１）が入射した様子が示されている。その結果、位置Ｃ（１）を中心とする投影範囲Ｒｐ（１）に対して、Ｘ方向に周期的に変化する光強度を有する縞パターンＰ（１）が投影される。

図２の「入射範囲Ｒｉ（２）」の欄では、Ｘ方向において位置Ｃ（１）よりシフト量Δだけシフトした位置Ｃ（２）を中心とする入射範囲Ｒｉ（２）に平行光Ｌｓ（２）が入射した様子が示されている。その結果、位置Ｃ（２）を中心とする投影範囲Ｒｐ（２）に対して、Ｘ方向に周期的に変化する光強度を有する縞パターンＰ（２）が投影される。

このように、縞パターンＰ（１）の投影範囲Ｒｐ（１）よりもＸ方向にシフト量Δだけシフトした投影範囲Ｒｐ（２）に、縞パターンＰ（２）が投影される。したがって、入射範囲Ｒｉ（Ｎ）を、入射範囲Ｒｉ（１）と入射範囲Ｒｉ（２）との間で変更することで、縞パターンＰ（Ｎ）の投影範囲Ｒｐ（Ｎ）を、投影範囲Ｒｐ（１）と投影範囲Ｒｐ（２）との間で変更できる。

ここで、位置Ｃ（１）、Ｃ（２）近傍の太線でハイライトした１周期分の縞パターンＰ（１）、Ｐ（２）の比較から分かるように、投影範囲Ｒｐ（１）に投影される縞パターンＰ（１）の位相と、投影範囲Ｒｐ（２）に投影される縞パターンＰ（２）の位相とは、シフト量Δに相当する量だけずれる。つまり、入射範囲Ｒｉ（Ｎ）を、入射範囲Ｒｉ（１）と入射範囲Ｒｉ（２）との間で変更することで、縞パターンＰ（Ｎ）の位相をシフト量Δに相当する量だけ変更できる。

図２の「入射範囲Ｒｉ（３）」の欄では、Ｘ方向において位置Ｃ（２）よりシフト量Δだけシフトした位置Ｃ（３）を中心とする入射範囲Ｒｉ（３）に平行光Ｌｓ（３）が入射した様子が示されている。その結果、位置Ｃ（３）を中心とする投影範囲Ｒｐ（３）に対して、Ｘ方向に周期的に変化する光強度を有する縞パターンＰ（３）が投影される。

このように、縞パターンＰ（２）の投影範囲Ｒｐ（２）よりもＸ方向にシフト量Δだけシフトした投影範囲Ｒｐ（３）に、縞パターンＰ（３）が投影される。したがって、入射範囲Ｒｉ（Ｎ）を、入射範囲Ｒｉ（２）と入射範囲Ｒｉ（３）との間で変更することで、縞パターンＰ（Ｎ）の投影範囲Ｒｐ（Ｎ）を、投影範囲Ｒｐ（２）と投影範囲Ｒｐ（３）との間で変更できる。

ここで、位置Ｃ（２）、Ｃ（３）近傍の太線でハイライトした１周期分の縞パターンＰ（２）、Ｐ（３）の比較から分かるように、投影範囲Ｒｐ（２）に投影される縞パターンＰ（２）の位相と、投影範囲Ｒｐ（３）に投影される縞パターンＰ（３）の位相とは、シフト量Δに相当する量だけずれる。つまり、入射範囲Ｒｉ（Ｎ）を、入射範囲Ｒｉ（２）と入射範囲Ｒｉ（３）との間で変更することで、縞パターンＰ（Ｎ）の位相をシフト量Δに相当する量だけ変更できる。

つまり、回折光学素子４５の入射面４５１のうち、平行光Ｌｓ（Ｎ）を入射させる入射範囲Ｒｉ（Ｎ）をＸ方向にシフトさせることで、投影範囲Ｒｐ（Ｎ）に投影される縞パターンＰ（Ｎ）の位相を変更できる。これによって、ワークＷの三次元形状を計測するのに必要となる、互いに異なる位相を有する３個の縞パターンＰ（Ｎ）をワークＷに投影できる。この際、入射範囲Ｒｉ（Ｎ）の変更は、空間光変調器４３１によって実行される。つまり、空間光変調器４３１は、平行光射出部４１からの平行光Ｌｉを変調することで、入射範囲Ｒｉ（Ｎ）（Ｎ＝１、２、３）に入射する平行光Ｌｓ（Ｎ）（Ｎ＝１、２、３）を射出する。

図３は図１の外観検査装置が具備する電気的構成を示すブロック図である。外観検査装置１は、装置全体を統括的に制御する制御部１００を備える。この制御部１００は、空間光変調器４３１を制御するパターン制御部１１０と、撮像カメラ３を制御する撮像制御部１２０とを有する。空間光変調器４３１は、パターン制御部１１０からの指令に応じて、射出する平行光Ｌｓ（Ｎ）を切り替えて（Ｎ＝１、２、３）、位相の異なる縞パターンＰ（１）、Ｐ（２）、Ｐ（３）を順番に投影する。これに対して、撮像カメラ３は、投影された縞パターンＰ（１）、Ｐ（２）、Ｐ（３）のそれぞれを撮像して画像Ｉ（１）、Ｉ（２）、Ｉ（３）を取得し、これらを撮像制御部１２０に出力する。

また、制御部１００は、ＨＤＤ(Hard Disk Drive)等で構成された記憶部１３０を有し、撮像制御部１２０は、画像Ｉ（１）、Ｉ（２）、（３）を記憶部１３０に格納する。さらに、制御部１００は、記憶部１３０に格納された画像Ｉ（１）、Ｉ（２）、（３）に基づきワークＷの外観を検査する演算を実行する演算部１４０を有する。演算部１４０は、画像Ｉ（１）、Ｉ（２）、（３）から位相シフト法により求めたワークＷの三次元形状に基づき外観検査を行い、プロセッサあるいはＦＰＧＡ(Field Programmable Gate Array)等によって構成される。この演算部１４０は、図４を用いて後に説明する位相変換部１４１、形状取得部１４２および外観検査部１４３を有する。なお、パターン制御部１１０、撮像制御部１２０および演算部１４０を別体で構成する必要は必ずしもなく、単一のプロセッサあるいはＦＰＧＡ等にこれらの機能を実装してもよい。

図４は図１の外観検査装置において実行される外観検査を示すフローチャートである。このフローチャートは、制御部１００の制御によって実行される。ステップＳ１０１では、光源４１１が点灯する。これによって、平行光Ｌｉが空間光変調器４３１に入射する。続いて、値Ｎが「０」にリセットされ（ステップＳ１０２）、「１」だけインクリメントされる（ステップＳ１０３）。

ステップＳ１０４では、空間光変調器４３１は、入射してくる平行光Ｌｉを変調することで、Ｎ番目の入射範囲Ｒｉ（Ｎ）に向かう平行光Ｌｓ（Ｎ）を、ミラー４３２を介して回折光学素子４５に入射させる。こうして空間光変調器４３１は、回折光学素子４５の入射面４５１のうち、平行光Ｌｓ（Ｎ）を入射させる入射範囲Ｒｉ（Ｎ）を選択する。その結果、投影範囲Ｒｐ（Ｎ）に縞パターンＰ（Ｎ）が投影される。そして、撮像カメラ３がワークＷに投影された縞パターンＰ（Ｎ）を撮像して、画像Ｉ（Ｎ）を取得する（ステップＳ１０５）。

ステップＳ１０６では、値Ｎが最大値Ｎｘ（＝３）に到達したかが判断される。そして、値Ｎが最大値Ｎｘに到達するまで（ステップＳ１０６で「ＹＥＳ」となるまで）、値Ｎをインクリメントしつつ（ステップＳ１０３）、ステップＳ１０４、Ｓ１０５が繰り返される。これによって、ワークＷに投影する縞パターンＰ（Ｎ）を、互いに異なる位相を有する３個の縞パターンＰ（１）、Ｐ（２）、Ｐ（３）の間で切り替えつつ、縞パターンＰ（１）、Ｐ（２）、Ｐ（３）のそれぞれを撮像した画像Ｉ（１）、Ｉ（２）、Ｉ（３）が撮像されて、記憶部１３０に格納される。

ステップ１０７では、位相変換部１４１が画像Ｉ（１）、Ｉ（２）、Ｉ（３）に基づき、各ＸＹ座標における位相を示す位相情報を求める。ステップＳ１０８では、形状取得部１４２が、位相情報に基づき各ＸＹ座標での高さを求めることで、ワークＷの三次元形状を求める。なお、位相から高さへの変換は、演算によって実行してもよいし、予め用意された変換テーブルによって実行してもよい。こうして、位相シフト法によってワークＷの三次元形状が求められる。そして、ステップＳ１０９では、外観検査部１４３が、ワークＷの三次元形状に基づき、ワークＷの外観を検査する。

以上に説明した実施形態では、平行光射出部４１から射出される平行光Ｌｉのうち、選択された一部（平行光Ｌｓ（Ｎ））が回折光学素子４５に向けて射出され、回折光学素子４５が入射してきた平行光Ｌｓを回折することで生成した縞パターンＰ（Ｎ）がワークＷ（対象物）に投影される。この回折光学素子４５は入射範囲Ｒｉ（Ｎ）に応じた投影範囲Ｒｐ（Ｎ）に縞パターンＰ（Ｎ）を投影する機能を有し、回折光学素子４５への入射範囲Ｒｉ（Ｎ）を変更することで、ワークＷに投影される縞パターンＰの位置が変更され、その結果、当該縞パターンＰの位相が変更される。したがって、特許文献１のように複数の光源のうちから点灯させる光源を変更する必要がない。そのため、複数の位相ごとに光源を設ける必要がない。こうして、多数の光源を要することなく、ワークＷに投影される縞パターンＰ（Ｎ）の位相を変更することが可能となっている。

また、選択部４３は、平行光射出部４１から射出された平行光Ｌｉのうち、対象となる入射範囲Ｒｉ（Ｎ）に向かう平行光Ｌｓ（Ｎ）を回折光学素子４５に向けて射出するため、その他の光は縞パターンＰ（Ｎ）の投影に利用されない。ただし、こうして利用されない光の量は、上述のシフト量Δに相当する程度の量であり、入射範囲Ｒｉに入射する光の量に比べてわずかである。これに対して、特許文献１では、光源からの光の約半分が格子プレートによって遮られて利用されない。このように、本実施形態は、光の利用効率という点においても極めて有利である。

さらに、特許文献１では、縞パターンＰの位相を変更できる回数は、光源の個数で決まってしまう。これに対して、本実施形態では、選択部４３によって入射範囲Ｒｉ（Ｎ）をシフトさせる量および回数を変更するだけで、縞パターンＰの位相の変更回数を必要に応じて増減できる。

また、特許文献1 で投影できる縞パターンは、正弦波パターンがゆがんだ形状となる。これに対して、本実施形態では、ゆがみの少ない正弦波パターンを有する縞パターンＰ
を投影することができる。

また、選択部４３は、空間光変調器４３１を有し、平行光射出部４１から射出された平行光Ｌｉを空間光変調器４３１により変調することで入射範囲Ｒｉ（Ｎ）を選択する。このように空間光変調器４３１と回折光学素子４５との組み合わせによって縞パターンＰ（Ｎ）の位置（すなわち、位相）を変更することで、多数の光源を要することなく、縞パターンＰ（Ｎ）の位相を高速に変更することが可能となる。

また、回折光学素子４５の格子面に直交する回転軸Ａ（中心線）の周りで、回折光学素子４５を回転可能に支持する格子支持部材４７が具備されており、平行光Ｌｓ（Ｎ）は、回転軸Ａに平行に回折光学素子４５に入射する。かかる構成では、回折光学素子４５を回転させるだけで、ワークＷに投影される縞パターンＰ（Ｎ）の向きを変更することができる。

以上のように、本実施形態では、外観検査装置１が本発明の「外観検査装置」の一例に相当し、位相変換部１４１が本発明の「第１演算部」の一例に相当し、形状取得部１４２が本発明の「第２演算部」の一例に相当し、外観検査部１４３が本発明の「第３演算部」の一例に相当し、撮像カメラ３が本発明の「撮像部」の一例に相当し、パターン投影装置４が本発明の「パターン投影装置」の一例に相当し、平行光射出部４１が本発明の「平行光射出部」の一例に相当し、選択部４３が本発明の「選択部」の一例に相当し、空間光変調器４３１が本発明の「空間光変調器」の一例に相当し、回折光学素子４５が本発明の「回折光学素子」の一例に相当し、格子支持部材４７が本発明の「格子支持部材」の一例に相当し、回転軸Ａが本発明の「中心線」の一例に相当し、縞パターンＰが本発明の「縞パターン」の一例に相当し、入射範囲Ｒｉ（Ｎ）が本発明の「入射範囲」の一例に相当し、投影範囲Ｒｐ（Ｎ）が本発明の「投影範囲」の一例に相当し、ワークＷが本発明の「対象物」の一例に相当する。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、平行光射出部４１の具体的構成は上記の例に限られない。したがって、平行光を射出するレーザ発振器を光源４１１として用いて、光源４１１から射出された平行光Ｌｅをビームエキスパンダで拡張することで平行光Ｌｉを生成するように、平行光射出部４１を構成してもよい。

また、選択部４３の具体的構成は上記の例に限られない。例えば、ミラー４３２を設けずに、空間光変調器４３１から射出された光を回折光学素子４５に直接入射させてもよい。

また、空間光変調器４３１は反射型に限られず、透過型でもよい。

また、回折光学素子４５は、透過型に限られず反射型でもよい。

また、ワークＷに投影する縞パターンＰの個数は３個に限られず、４個以上であってもよい。

また、回折光学素子４５が生成する縞パターンＰは正弦波パターンに限られない。回折光学素子４５が正弦波パターン以外の縞パターンＰを生成する場合には、特許文献１に示される全空間テーブル化法によってワークＷの三次元形状を求めてもよい。あるいは、回折光学素子４５により正弦波パターンの縞パターンＰを生成する場合においても全空間テーブル化法を用いてもよい。

この方法によれば、水平な基準平面に投影された光パターンを撮像した画像から、ＸＹ座標における基準平面上の各座標位置の位相を算出する処理が、基準平面のＺ座標（高さ）を変更しつつ繰り返し実行される。その結果、三次元座標（ＸＹＺ座標）における座標位置と当該座標位置の位相との対応関係を示すデータを、計測空間内の各座標位置について有する位相座標テーブル（全空間テーブル）が取得される。そして、計測対象物の三次元形状の計測では、計測対象物に投影された光パターンが示す各ＸＹ座標位置における位相と、全空間テーブルとを対比することで、計測対象物の外表面の三次元座標が算出される。

本発明は、対象物の三次元形状を計測するために投影した縞パターンの位相を変更する技術全般に利用できる。

１…外観検査装置
１４１…位相変換部（第１演算部）
１４２…形状取得部（第２演算部）
１４３…外観検査部（第３演算部）
３…撮像カメラ（撮像部）
４…パターン投影装置
４１…平行光射出部
４３…選択部
４３１…空間光変調器
４５…回折光学素子
４７…格子支持部材
Ａ…回転軸（中心線）
Ｐ…縞パターン
Ｒｉ（Ｎ）…入射範囲
Ｒｐ（Ｎ）…投影範囲
Ｗ…ワーク（対象物）

Claims (6)

1. 平行光を射出する平行光射出部と、
   前記平行光射出部から射出された前記平行光を回折することで生成した、周期的に光強度が変化する縞パターンを対象物に投影する回折光学素子と、
   前記平行光射出部から射出された前記平行光のうちから選択した一部を前記回折光学素子に向けて射出することで、前記回折光学素子のうち前記平行光が入射する入射範囲を選択する選択部と
   を備え、
   前記回折光学素子は、前記入射範囲に応じた投影範囲に前記縞パターンを投影し、
   前記選択部は、前記入射範囲を変更することで前記対象物に投影される前記縞パターンの位置を変更するパターン投影装置。
2. 前記選択部は、空間光変調器を有し、前記平行光射出部から射出された前記平行光を前記空間光変調器により変調することで前記入射範囲を選択する請求項１に記載のパターン投影装置。
3. 前記空間光変調器は、デジタルミラーデバイス、グレーティングライトバルブあるいはＬＣＯＳである請求項２に記載のパターン投影装置。
4. 前記回折光学素子の格子面に直交する中心線の周りで、前記回折光学素子を回転可能に支持する格子支持部材をさらに備え、
   前記平行光は、前記中心線に平行に前記回折光学素子に入射する請求項１ないし３のいずれか一項に記載のパターン投影装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載のパターン投影装置と、
   前記パターン投影装置によって対象物に投影された、互いに異なる位相を有する３個以上の縞パターンを撮像する撮像部と、
   前記撮像部によって撮像された前記３個以上の縞パターンから位相を求める第１演算部と、
   前記第１演算部が求めた前記位相から前記対象物の三次元形状を求める第２演算部と、
   前記第２演算部が求めた前記三次元形状に基づき前記対象物の外観を検査する第３演算部と
   を備えた外観検査装置。
6. 平行光射出部から平行光を射出する工程と、
   前記平行光のうちから選択した一部を回折光学素子に入射させることで、前記回折光学素子のうち前記平行光が入射する入射範囲を選択する工程と、
   前記回折光学素子により前記平行光を回折することで生成した、周期的に光強度が変化する縞パターンを対象物に投影する工程と
   を備え、
   前記回折光学素子は、前記入射範囲に応じた投影範囲に前記縞パターンを投影し、
   前記入射範囲を変更することで前記対象物に投影される前記縞パターンの位置を変更するパターン投影方法。
   

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