JP3325078B2

JP3325078B2 - 非接触三次元形状計測装置

Info

Publication number: JP3325078B2
Application number: JP12388493A
Authority: JP
Inventors: 徹吉澤; 幸利大谷
Original assignee: 有限会社テクノアーツ研究所; 徹吉澤
Priority date: 1993-05-26
Filing date: 1993-05-26
Publication date: 2002-09-17
Anticipated expiration: 2017-09-17
Also published as: JPH06331329A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光の干渉を利用した非
接触三次元形状計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光の干渉による非接触三次元計測装置
は、二次元に拡げたレーザ光を何らかの方法で二つの光
に分け、一方を参照光として基準面（一般にはミラー）
で反射させ、他方を測定光として測定したい測定対象物
（サンプル）で反射させ、両者を干渉させることによっ
て測定対象物の形状に応じた干渉縞を得るものである。

【０００３】このような非接触三次元計測装置の従来例
を図７に示す。

【０００４】図７はトワイマン・グリーン干渉計を示す
ものであり、測定対象物６０に対してレーザ光を放射す
るレーザ発振装置５１と、レーザ発振装置５１からのレ
ーザ光を拡げ、かつ、平行光にするビームエキスパンダ
５２と、位相シフタとしての参照ミラー５３と、参照ミ
ラー５３を動かすためのピエゾアクチュエータ５４と、
前記ビームエキスパンダ５２と参照ミラー５３とに各々
４５度の角度で対峙させた半透過ミラー５５と、この半
透過ミラー５５からの光を集光するレンズ５６と、レン
ズ５６により集光した光を撮像するＣＣＤカメラ５７と
を具備している。

【０００５】前記トワイマン・グリーン干渉計におい
て、前記レーザ発振装置５１からのレーザ光はビームエ
キスパンダ５２によって拡げられ、かつ、平行光として
半透過ミラー５５に入射する。半透過ミラー５５は、前
記平行光を二つの光に分ける。一方の光は参照光として
参照ミラー５３によって反射し、半透過ミラー５５を反
射せずに透過してレンズ５６に至る。他方の光は半透過
ミラー５５を透過して測定対象物６０に至りここで反射
し、測定対象物６０の形状に応じた位相差を持ち、さら
に半透過ミラー５５で反射する。

【０００６】レンズ５６に至った二つの光は干渉すると
ともにこのレンズ５６により集光され、ＣＣＤカメラ５
７により撮像される。

【０００７】ＣＣＤカメラ５７により撮像された画像デ
ータは、図示しないコンピュータに送られ測定対象物の
形状に応じた三次元情報として算出される。このとき検
出される光強度Ｉは、Ｉ＝Ｉ0 ・ｃｏｓ（θ＋φ）で表
すことができる。ここに、θは、測定対象物の高さ（凹
凸）ｈによる位相、φは初期位相である。

【０００８】さらに、このときの測定対象物の高さｈ
は、ｈ＝λ／２・θ／２πで表すことができる。ここ
に、λはレーザ光の波長である。

【０００９】上述したトワイマン・グリーン干渉計によ
り得られる干渉縞の明線または暗線は、等間隔の等高線
であるが、これだけではコンピュータによって、凹凸の
判別と縞の間の部分の情報を得ることができない。

【００１０】そこで、一般に位相シフト法が用いられ
る。位相シフト法はピエゾアクチュエータ５４などによ
って参照ミラー５３を既知の量移動させ（上式の初期位
相φを変化させる、即ち、初期位相φが０，π／２，
π，３／２πの４ステップ法が一般的である。）、測定
対象物の高さに応じて変化する位相θを最小自乗法によ
って求めるものである。

【００１１】一般的な４ステップ法によると、位相θは
数１で表される関係を有する。

【００１２】（数１） θ＝arctan（Ｉ3 −Ｉ1 ）／（Ｉ2 −Ｉ0 ）

【００１３】ただし、Ｉ0 乃至Ｉ3 は、φが０，π／
２，π，３／２πにおける光強度である。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来法の位相シフトを適用したトワイマン・グリーン干
渉計には、以下のような問題があった。

【００１５】(1) 上述したトワイマン・グリーン干渉計
においては、干渉波の等高線間隔がλ／２ごと、つまり
一般的なＨｅ−Ｎｅレーザの場合０．３ミクロンごとに
発生するため、凹凸の激しい測定対象物の計測を行なう
場合、干渉縞が密になりすぎて計測が不可能となる。

【００１６】(2) 上述したトワイマン・グリーン干渉計
においては、鏡面の様に十分な反射光を得ることができ
ない測定対象物測定の場合、Ｓ／Ｎの悪い干渉縞とな
り、十分な測定精度が得にくく、最悪の場合干渉縞を得
ることができず計測が不可能となる。

【００１７】(3) 位相シフト法を適用する場合、位相シ
フタにより参照光の光路を変化させる必要がある。一般
には、電歪素子であるピエゾアクチュエータを用いて参
照ミラーを移動させることによって行なわれているが、
干渉系によっては参照光の光路長が非常に短い場合や殆
ど無い場合がおこり、位相シフト法の適用が不可能とな
ってしまう。

【００１８】そこで、本発明は、構成を改良し、粗面や
数十ミクロン程度の凹凸を有する測定対象物においても
高精度の計測が可能であり、なおかつ位相シフト法を適
用可能とし、コンピュータによって三次元形状の算出を
可能とした非接触三次元形状計測装置を提供することを
目的とするものである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
直角プリズムの長辺を測定対象物に対峙させ、前記直角
プリズムの一方の短辺に光源からの光を入射するととも
に、直角プリズムに入射した光の前記長辺からの反射光
と、直角プリズムを透過して前記測定対象物で反射しこ
の測定対象物の三次元形状に応じた情報を含んで再び直
角プリズムの長辺に入射する測定反射光との干渉による
干渉縞を得る非接触三次元形状計測装置において、前記
直角プリズムの長辺と測定対象物との間の光学的光路長
を屈折率を変更することにより変化させる光路長変化手
段を具備するものである。

【００２０】請求項２記載の発明は、前記光路長変化手
段は、前記直角プリズムの長辺と測定対象物との間の空
間の媒質の種類の変化により屈折率を変更して光学的光
路長を変えるものである。

【００２１】請求項３記載の発明は、前記光路長変化手
段は、前記直角プリズムの長辺と測定対象物との間の空
間の媒質の性質の変化により屈折率を変更して光学的光
路長を変えるものである。

【００２２】

【００２３】

【作用】以下に上述した構成の各発明の作用を説明す
る。

【００２４】請求項１記載の非接触三次元形状計測装置
によれば、直角プリズムに入射した光の前記長辺からの
反射光と、直角プリズムを透過して前記測定対象物で反
射しこの測定対象物の三次元形状に応じた情報を含んで
再び直角プリズムの長辺に入射する測定反射光との干渉
による干渉縞を得るに際して、光路長変化手段により屈
折率を変更して直角プリズムの長辺と測定対象物との間
を通過する光（測定対象物への入射光及び測定反射光）
の光学的光路長を変化させるようにしたので、位相シフ
ト法を容易に実現でき、この場合、測定対象物の粗面に
おいても光の入射角が垂直から斜め入射になるにしたが
って反射光量が増加し、十分検出可能な干渉縞を形成す
ることが可能となる。

【００２５】また、測定対象物への入射光が、その面に
垂直から斜め入射になるにしたがって、干渉縞の感度は
低く、即ち、等高線間隔を大きくすることが可能にな
り、数十ミクロンの凹凸についても計測可能になる。

【００２６】請求項２記載の非接触三次元形状計測装置
によれば、前記光路長変化手段により、前記直角プリズ
ムの長辺と測定対象物との間の空間の媒質の種類を変え
（空気、圧縮ガス等）、屈折率を変更して光の通過する
光学的光路長を変化させることができ、やはり位相シフ
ト法が可能になる。

【００２７】請求項３記載の非接触三次元形状計測装置
によれば、前記光路長変化手段により、前記直角プリズ
ムの長辺と測定対象物との間の空間の媒質の性質を変え
（例えば気体の圧力の変更、液晶の光学的異方性の変更
等）、屈折率を変更して光の通過する光学的光路長を変
化させることができ、やはり位相シフト法が可能にな
る。

【００２８】

【００２９】

【実施例】以下に、本発明の実施例を詳細に説明する。

【００３０】図１は本発明の実施例にかかる非接触三次
元形状計測装置１の光学系を示すものである。

【００３１】図１に示す非接触三次元形状計測装置１
は、測定対象物２０に対してレーザ光を放射するレーザ
発振装置２と、レーザ発振装置５１からのレーザ光を拡
げ、かつ、平行光にするビームエキスパンダ３と、斜入
射を行なうためのミラー４と、測定対象物２０に長辺を
対峙させた直角プリズム５と、直角プリズム５からの出
射光を絞るスクリーン６と、このスクリーン６を透過し
た光を検出するフォトディテクタ７と、前記直角プリズ
ム５の長辺と測定対象物２０との間に送り込まれる光路
長変化手段（位相シフタ）を形成する媒体（注入気体又
は圧縮ガス）８と、前記直角プリズム５からの出射光を
撮像するＣＣＤカメラ９と、フォトディテクタ７の信号
及びＣＣＤカメラ９からの撮像データをディジタル信号
に変換するＡ／Ｄコンバータ１０と、Ａ／Ｄコンバータ
１０の出力信号を基に測定対象物２０の形状に応じた三
次元画像処理を行うコンピュータ１１とを具備してい
る。

【００３２】前記ビームエキスパンダ３は、レーザ発振
装置２からのレーザ光を対物レンズ１２、スペーシャル
フィルタ１３のピンホール１４を介して拡げ、波面収差
を防ぐように組み合せた凹レンズ１５及び凸レンズ１６
からなるレンズ系によって平行光に変換するようになっ
ている。

【００３３】前記ミラー４は、拡げられたレーザ光を斜
めに反射し、直角プリズム５への入射角、つまり測定対
象物２０への入射角の変化を可能としている。

【００３４】図２に、前記直角プリズム５と測定対象物
２０との配置関係を示す。

【００３５】図２において、直角プリズム５の長辺（底
面）の基準面から測定対象物２０までの高さｈは数２の
ような関係をもつ。

【００３６】（数２）ｈ＝（１／ｃｏｓα）・（１／ｎ0 ）・（λ／２）・
（θ／２π）

【００３７】但し、 α；直角プリズム底面から測定対
象物への入射角ｎ0 ；媒体の屈折率（空気では通常１．０） θ；干渉縞の位相

【００３８】この場合、入射角αが７９度とすれば、干
渉縞の等高線間隔は１．６６ミクロンとなり、斜入射を
行なわない場合の等高線間隔０．３２ミクロンに対して
約５倍に感度を低下させることができる。また、この入
射角αを調整することによって、数２に従う任意の等高
線間隔を得ることが可能となる。さらに、この干渉系は
分離する二つの光の間の光路長が非常に短いために、非
常に安定な干渉系を形成しており、大気の揺らぎ等の外
乱の影響を受けにくい非常に強い干渉系とすることがで
きる。

【００３９】上述した非接触三次元形状計測装置１にお
いて、レーザ発振装置２からのレーザ光はビームエキス
パンダ３により拡げられ、かつ、平行光となってミラー
４に入射する。そして、ミラー４によって一定の角度を
与えられて、直角プリズム５の一方の短辺に入射する。
直角プリズム５に入射した光の一部は直角プリズム５の
長辺（底面）で反射し、反射光となって他方の短辺から
出射する。

【００４０】また、直角プリズム５に入射した光の一部
はこの直角プリズム５の長辺を透過して測定対象物２０
の表面に斜めに入射し鏡面のように反射して測定対象物
２０の表面形状に応じた情報を含む測定反射光となって
再び直角プリズム５を透過し他方の短辺から出射する。

【００４１】そして、前記反射光と測定反射光とが干渉
して、干渉縞としてスクリーン６に投影される。スクリ
ーン６への投影は測定対象物２０への入射光が斜入射の
ため、実際の形状倍率が変わって検出されるのを防ぐた
めである。

【００４２】さらに、上述した斜入射の干渉系に位相シ
フトを施すために、直角プリズム５の底面と測定対象物
２０との間に（このときの高さ（間隔）ｈは２ｍｍ）、
一定量の二酸化炭素ガスを注入し、干渉縞の位相θを
０，π／２，π，３／２πの４通りに変化させたときの
干渉光の強度をＣＣＤカメラ９によって撮像する。

【００４３】このときの二酸化炭素の屈折率ｎ0 は、ｎ
0 ＝１．０００４５であるため、干渉縞の等高線間隔に
は影響しない。

【００４４】さらに、二酸化炭素の注入量と干渉縞の位
相シフトの関係がわかっていない場合、または、精度向
上のために位相シフトを正確に行うために、スクリーン
６にピンホール６ａを穿ち、ここからの光強度をフォト
ディテクタ７で検出し、この変化が位相θのπ／２毎に
ＣＣＤカメラ９に対してシャッタのトリガ信号を送るこ
とも可能である。

【００４５】上述のようにして撮像された４枚の画像デ
ータから、位相シフト法による測定対象物２０の三次元
形状がコンピュータ１１によって算出される。この場合
位相シフト法の感度は悪く見積っても干渉縞一周期を１
００分割できるので、約１０ｎｍの測定感度を持つ。

【００４６】尚、上述した非接触三次元形状計測装置１
において、直角プリズム５の底面と測定対象物２０との
間の媒体８は、二酸化炭素に限らずどのようなものでも
可能であるが、空気に近い屈折率を持つ場合には直角プ
リズム５と測定対象物２０との間の間隔をより広くとら
なければならない。

【００４７】また、直角プリズム５の底面と測定対象物
２０との間に圧縮した空気を送ったり、ガスを混入し又
ははポンプにより空気の量を減らすことによって、直角
プリズム５の底面と測定対象物２０との間の屈折率を変
えることによっても前述と同様の位相シフトを行なうこ
とが可能である。

【００４８】さらに、媒体に液晶を用いて、この液晶に
電界を印加することによって、この液晶の性質、即ち、
光学的異方性を変え、屈折率を変化させることも可能で
ある。

【００４９】さらにまた、ＣＣＤカメラ９による干渉縞
の検出は、スクリーン６に投影して行う場合の他、ＣＣ
Ｄカメラ９により直接検出することも可能であるし、図
示しない回転ディフューザを用いて検出することも可能
であるが、これらの場合は斜入射による縦横の倍率を考
慮する必要がある。

【００５０】尚、上述の実施例において、直角プリズム
５は一体である必要はなく、直角プリズム５の頂点から
二つに分割したものを用いてもよい。また、直角プリズ
ム５の形状も三角形である必要はなく、例えば四角形の
ガラス板でもよい。

【００５１】図３に測定対象物２０として５０×５０ｍ
ｍのセラミックス基板を用いた場合の三次元処理画像
を、図４に前記セラミックス基板の２値化処理画像を示
す。

【００５２】図４に示す干渉縞の等高線の間隔は１．６
６μｍであった。

【００５３】図５は、上述の実施例において計測を行っ
た結果と従来の触針法による計測結果とを、ワイヤーフ
レームモデルで表したものである。

【００５４】二つの手法の位置の同一性を考慮すると、
よく一致した結果が得られている。

【００５５】測定対象物２０の凹凸は１０μｍ程度であ
って、普通の干渉計においては３０縞程度になり縞が重
なり合って計測が困難になるが、本実施例装置による場
合、十分計測が可能であることが解る。

【００５６】図６は本発明の他の実施例にかかる非接触
三次元計測装置１Ａの光学系を示すものである。尚、こ
の実施例は位相シフトにおいて偏光を利用するようにし
たものであり、前記非接触三次元計測装置１と同一の部
分には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

【００５７】図６に示す非接触三次元計測装置１Ａは、
前記レーザ発振装置２とビームエキスパンダ３との間
に、位相シフトを行なうために任意の位相差を得るバビ
ネ・ソレイユ補償器２１を介在させたこと、前記直角プ
リズム５の出射側にミラー２２，偏向子２３及びレンズ
２４，２５からなる集光光学系２６を配置したこと、前
記直角プリズム５の底面に四分の一波長板２７を配置し
たことが特徴である。

【００５８】前記バビネ・ソレイユ補償器２１は、二つ
の異方性を持つくさび型のプリズム３１，３２を互いに
向い合わせて配置し、任意の位相差を得るため一方のプ
リズム３２にマイクロメータ３３を取り付けている。マ
イクロメータ３３を操作し一方のプリズム３２を移動す
ることによってレーザ発振装置２からのレーザ光を直交
する方向に偏光し、かつ、位相を調整可能な二つの光に
変換するようになっている。

【００５９】前記四分の一波長板２７は、二度透過する
光の偏光状態を９０度回転させるようになっている。

【００６０】図６に示す非接触三次元計測装置１Ａにお
いて、レーザ発振装置２からのレーザ光を、バビネ・ソ
レイユ補償器２１の主軸（紙面に垂直な方向）に対して
４５度の方位で入射させ、このレーザ光を互いに直交す
る方向に偏光し、かつ、位相を調整可能な二つの光に変
換して、前記ビームエキスパンダ３を介して前記直角プ
リズム５に入射する。直角プリズム５に入射した光の一
部は反射し、一部は透過して四分の一波長板２７を透過
し測定対象物２０で反射した後に再び四分の一波長板２
７を透過して偏光状態が９０度回転してミラー２２で反
射した後、測定反射光となって直角プリズム５で反射し
た光とともに偏光子２３を透過して干渉し、ＣＣＤカメ
ラ９によって干渉縞が撮像され、以降は既述した場合と
同様に位相シフト法による三次元形状が算出される。

【００６１】この場合、位相シフトはバビネ・ソレイユ
補償器２１のマイクロメータ３３を動かし、主軸方向に
任意の位相差を得ることによって、得られる干渉縞に任
意の位相差を与えることが可能となる。

【００６２】

【発明の効果】以上詳述した本発明によれば、以下の効
果を奏する。

【００６３】請求項１記載の発明によれば、光路長変化
手段により屈折率を変更し直角プリズムの長辺と測定対
象物との間を通過する光の光学的光路長を変化させるよ
うにしたので、位相シフト法を容易に実現でき、測定対
象物の粗面においても十分検出可能な干渉縞を形成する
ことが可能な非接触三次元形状計測装置を提供すること
ができる。

【００６４】請求項２記載の発明によれば、前記光路長
変化手段により、前記直角プリズムの長辺と測定対象物
との間の空間の媒質の種類を変え、屈折率を変更して光
の通過する光学的光路長を変化させるようにしたので、
やはり位相シフト法が可能な非接触三次元形状計測装置
を提供することができる。

【００６５】請求項３記載の発明によれば、前記光路長
変化手段により、前記直角プリズムの長辺と測定対象物
との間の空間の媒質の性質を変え、屈折率を変更して光
の通過する光学的光路長を変化させるようにしたので、
やはり位相シフト法が可能な非接触三次元形状計測装置
を提供することができる。

【００６６】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例装置の光学系を示す構成図

【図２】本発明の実施例装置の直角プリズム部分の詳細
図

【図３】本発明の実施例装置によるセラミック基板の測
定結果である三次元画像を示す概略図

【図４】本発明の実施例装置によるセラミック基板の測
定結果である２値化画像を示す概略図

【図５】本発明の実施例装置による計測結果と触針法に
よる計測結果とを示すグラフ

【図６】本発明の他の実施例装置の光学系を示す構成図

【図７】従来例の光学系を示す構成図

【符号の説明】

１非接触三次元形状測定装置１Ａ非接触三次元形状測定装置２レーザ発振装置３ビームエキスパンダ４ミラー５直角プリズム６スクリーン７フォトディテクタ８媒体９ＣＣＤカメラ１０Ａ／Ｄコンバータ１１コンピュータ２０測定対象物２１バビネ・ソレイユ補償器２３偏光子２７四分の一波長板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平２−87006（ＪＰ，Ａ) 特開平４−286904（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 9/00 - 11/30 102

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】直角プリズムの長辺を測定対象物に対峙
させ、前記直角プリズムの一方の短辺に光源からの光を
入射するとともに、直角プリズムに入射した光の前記長
辺からの反射光と、直角プリズムを透過して前記測定対
象物で反射しこの測定対象物の三次元形状に応じた情報
を含んで再び直角プリズムの長辺に入射する測定反射光
との干渉による干渉縞を得る非接触三次元形状計測装置
において、前記直角プリズムの長辺と測定対象物との間
の光学的光路長を屈折率を変更することにより変化させ
る光路長変化手段を具備することを特徴とする非接触三
次元形状計測装置。
【請求項２】前記光路長変化手段は、前記直角プリズ
ムの長辺と測定対象物との間の空間の媒質の種類の変化
により屈折率を変更して光学的光路長を変えるものであ
る請求項１記載の非接触三次元形状計測装置。
【請求項３】前記光路長変化手段は、前記直角プリズ
ムの長辺と測定対象物との間の空間の媒質の性質の変化
により屈折率を変更して光学的光路長を変えるものであ
る請求項１記載の非接触三次元形状計測装置。