JP3538009B2

JP3538009B2 - 形状計測装置

Info

Publication number: JP3538009B2
Application number: JP28209597A
Authority: JP
Inventors: 伊久雄二村; 学奥田; 進柴田
Original assignee: CKD Corp
Current assignee: CKD Corp
Priority date: 1997-10-15
Filing date: 1997-10-15
Publication date: 2004-06-14
Anticipated expiration: 2017-10-15
Also published as: JPH11118443A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被測定物の変位や
三次元形状等を光学的手段を用いて非接触で計測する形
状計測装置に関し、更に詳しくは、光線を被測定物に照
射し、その光学像を撮像した画像情報を演算して形状を
算出する形状計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】物体の変位や三次元形状等を非接触で計
測する手法の１つとして、位相シフト法（格子パターン
投影法、しま走査法ともいう）が知られている。この方
法は、照度分布を正弦波状に変動させた格子パターンを
もつ光線を被測定物に投影する。しかも、正弦波の位相
を１／４周期ずつ４段階にずらした格子パターンで投影
し、高さ計測点の各明度値を光線の投影方向とは別の角
度から各パターン毎に測定し、各明度値より格子パター
ンの位相値を計算する。計測点はその高さに応じて、計
測点に投影される光線の照度が変わり、格子パターンの
位相が変調されるため、この位相の変調量を計算し、三
角測量の原理を利用して、光学装置の幾何関係式に代入
することにより計測点（従って物体）の高さを計測し、
三次元形状を求める方法である。

【０００３】この手法による形状計測装置に一例とし
て、特開平４−２７８４０６号公報に開示されているも
のを図８を参照しつつ説明する。図８の形状計測装置１
２０は、計測の基準となる基準面Ｌ上におかれた被測定
物Ｍの各点の高さや形状を測定するものである。この装
置１２０は、被測定物Ｍを撮像する撮像カメラ１２２
と、格子パターンを投影し、１／４周期（１／４波長）
ずつシフトさせる投影装置１２３と、格子パターンを１
／４周期ずつシフトさせる信号を出力する投影制御装置
１２４と、撮像カメラ１２２で撮像した画像を指定され
た時に１枚ずつ４枚分格納する画像メモリ１２５と、計
測に用いる計測用コンピュータ１２６とを有している。
また、計測用コンピュータ１２６は、投影制御装置１２
４の指示、画像メモリ１２５の画像格納指示、画像の明
度値の読み込みを行う。

【０００４】この形状計測装置１２０のよる計測方法は
以下のようである。即ち、基準面Ｌ上におかれた被測定
物Ｍに投影装置１２３から照度分布が正弦波状の光を投
影（照射）する。これにより被測定物Ｍの表面には、濃
淡縞状の模様が形成される。この模様を撮像カメラ１２
２によって撮像し、計測用コンピュータ１２６の指示に
より第１枚分として画像メモリ１２５に格納する。さら
に、計測用コンピュータ１２６の指示により投影制御装
置１２４から信号を出力させ、これによって投影装置１
２３は、格子パターンをその位相が１／４周期分シフト
した別の格子パターンに変更する。ついで、上記と同様
に被測定物Ｍに投影装置１２３から光を投影し、撮像カ
メラ１２２で撮像した画像を第２枚分として画像メモリ
１２５に格納する。同様に、格子パターンの位相を１／
４周期ずつシフトさせて撮像した第３、第４枚分の画像
を画像メモリ１２５に格納する。その後、画像メモリ１
２５の各画像データから画像の明度値を読み込み、演算
して被測定物Ｍの表面各点の高さや形状を算出する。こ
の位相シフト法によれば、明度値から算出した位相値に
よって被測定物の各点の高さを算出できるため、高さ方
向の分解能を小さくできる利点がある。

【０００５】なお、この位相シフト法においては、照度
分布が正弦波状の格子パターンを投影する必要がある
が、このような格子パターンを実現する手段としては、
以下のようなものがあった。即ち、一定幅のスリットを
一定間隔に並べた、すだれ状のマスクあるいは透明と不
透明の部分を交互に並べたストライプ状のフィルタ（マ
スク）を形成しておき、投影光の焦点をずらしながらこ
のマスクを透過させて、投影光の照度分布に略正弦波状
の変動を与えていた。また、液晶スリットの透過率を正
弦波状に変化させておき、この液晶スリットを通して投
影することもあった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、位相シフト法
による高さ計測においては、上記特開平４−２７８４０
６号公報にも記載されているように、測定点Ｘに投影さ
れた光線の位相φの算出方法には、下式(1)に示すよう
に、arctan関数(=tan^-1関数)の計算を要する。 φ＝arctan{(Ｉ₃−Ｉ₁)／(Ｉ₀−Ｉ₂)} (1) ここで、Ｉ₀，Ｉ₁，Ｉ₂，Ｉ₃は、１／４周期ずつ位相の
異なる格子パターンを照射したときの測定点Ｘでの明度
値である。一般に、三次元形状計測においては、多数点
について計測を行うので、計測全体の時間短縮のため、
１点あたりの計算時間を短くすることが求められる。し
かし、arctan関数の計算は、計算量が多く時間がかかる
問題があった。これについては、上記特開平４−２７８
４０６号公報においては、予め明度値から位相値を求め
たデータテーブルを用意しておくことが提案されている
が、その分のメモリを必要とし、予めデータを用意して
おく必要がある。

【０００７】さらに、上述した位相シフト法において上
述したすだれ状マスクを用いる場合には、焦点からのず
れ量によって影響を受け、投影光の照度分布が必ずしも
正弦波状にならないため、位相の誤差が生じる。また、
液晶スリットを用いる場合にはコントラストの低い液晶
スリットを透過させるため、投影光の照度分布の変化量
も小さくなり明度値の誤差が大きくなる問題もあった。
さらに、被測定物に面状の光を投影するため、光源の光
量が不足していると、投影される光の照度が低くなり明
度値の誤差が大きくなる。これについては、大光量の光
源を用いれば良いが、そうすると消費電力や発熱、スリ
ット等の耐熱性、装置の大型化等の問題を生じる。

【０００８】本発明は、かかる問題点に鑑みてなされた
ものであって、本発明の目的は、形状測定のための計算
が容易で、外乱や被測定物の反射率の違いに影響され
ず、分解能の小さな（高分解能の）形状計測装置を提供
することにある。また、他の目的は、スリット状光線を
走査して被測定物に照射して計測することにより、高出
力の光源を不要とした形状計測装置を提供することにあ
る。さらに他の目的は、機械的なスリット等を不要とし
た形状計測装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段、作用及び効果】しかし
て、請求項１に記載の解決手段は、１フィールドまたは
１フレーム分の撮像期間内に照射される光線の積算照射
強度分布が、二等辺三角波状パターンとなる光線であっ
て、該積算照射強度分布が１／４波長ずつ異なる４種の
光線を被測定物に照射する三角波型光線照射手段と、上
記光線により上記被測定物の表面に生じる光学像を積分
型撮像部材によって撮像する撮像手段と、該撮像手段か
ら出力される互いに上記積算照射強度分布の異なる４フ
ィールドまたは４フレームの三角波型画像情報を演算処
理することにより上記被測定物の形状を算出する三角波
型画像情報演算手段と、を有する形状計測装置である。

【００１０】上記構成を有する本発明の形状計測装置で
は、光線の積算照射強度分布が二等辺三角波状となって
いる。このため、正弦波状分布を用いる位相シフト法と
異なり、測定点に投影された光線の偏向角を求めるにあ
たって、arctan関数(tan^-1関数）の計算が不要となり、
加減乗除算のみで算出できるので、容易に、かつ早く計
算できる。一方、前記した位相シフト法と同様に、本発
明では４種の光線を照射した４フィールドまたは４フレ
ームの三角波型画像情報を用い、これらの明度値を引き
算あるいは除算したうえで高さを求める。このため、外
乱や被測定物の反射率の違いによる誤差はキャンセルさ
れるので、高さの算出に影響しないようにすることがで
き、高い精度で形状を算出できる。つまり、本発明の計
測法（以下、本発明の計測法を三角波法ともいう）によ
れば、位相シフト法と同様に空間コード化法等に比較し
て高精度（高分解能）としうる。

【００１１】ここで、二等辺三角波とは、上り勾配と下
り勾配が等しい、二等辺三角形が連なる形状の三角波を
指す。ただし、本発明においては、略二等辺三角波のパ
ターンとされていればよく、例えば、上下の勾配が階段
状にされているものでも良い。また、積算照射強度分布
とは、ある期間内に照射される光線の照射強度を積算し
たときの照射強度の分布をいう。従って、本発明では、
１フィールドまたは１フレーム分の撮像期間内に照射さ
れる光線の積算照射強度分布が、二等辺三角波状とされ
ていればよく、ある瞬間に照射されている光線の照射強
度が二等辺三角波状に分布している必要はない。

【００１２】また、積分型撮像部材とは、出力される画
像情報が、照射された光線の照射強度を撮像期間にわた
って積算（積分）した値に従って出力される種類の撮像
部材を指し、具体的には、ＣＣＤ撮像素子を用いたカメ
ラ（ＣＣＤカメラ）が挙げられ、その他、ＭＯＳ型撮像
素子を用いたものやビジコン等の撮像管を用いても良
い。なお、画像情報としてフィールド単位およびフレー
ム単位のいずれの画像情報を用いるかは、積分型撮像部
材の撮像方式によって異なる。

【００１３】さらに、請求項２に記載の解決手段は、前
記三角波型光線照射手段が、スリット状光線を発生する
光源と、このスリット状光線を被測定物の表面に照射し
つつ偏向走査させる光線走査手段と、１フィールドまた
は１フレーム分の撮像期間内に照射される上記スリット
状光線の積算照射強度が、走査方向にわたって二等辺三
角波状に分布するように上記スリット状光線を制御する
三角波型光線制御手段と、を有することを特徴とする請
求項１に記載の形状計測装置である。

【００１４】上記構成を有する本発明の形状計測装置で
は、スリット状光線を用い、このスリット状光線は光線
走査手段によって被測定物に表面に照射しつつ偏向走査
される。また、光線の照射強度を、１フィールドまたは
１フレーム分の撮像期間について積算した積算照射強度
において、その分布が二等辺三角波状になるように制御
したので、被測定物全体を一時に照射するような面状光
源を用いる必要がなくなり、光量の少ない光源を用いて
もコントラストを高くして測定できる。したがって、大
光量の光源を用いる必要がないので、発熱の問題もなく
装置をコンパクトにできる。

【００１５】また、三角波型画像情報のコントラストを
高くできるので、わずかな高さの違いでも明度の違いと
して明瞭に判別できるため、高さの分解能を向上させう
る。また、本発明によれば、特に輝度の高いレーザ光線
等を用いて本発明の三角波法による計測が可能となる。
さらに、従来の位相シフト法において用いたような、す
だれ状スリットや液晶スリット（フィルタ）等が不要と
なる。

【００１６】なお、光源としてレーザ光源を用いると、
消費電力が少ないのにも拘わらず照射強度の高いスリッ
ト状光源とすることができるので、さらに三角波型画像
情報のコントラストを高くできて好ましい。レーザ光源
には、半導体レーザ、気体レーザ、固体レーザ、液体レ
ーザ等のレーザ光源であれば何を用いても良いが、装置
の小型化、高速スイッチング可能の点から半導体レーザ
を用いるのが好ましい。また、レーザ光線の波長は、被
測定物の材質や積分型撮像部材（ＣＣＤカメラ等）の感
光性、ノイズとなる外乱光の波長等を考慮して選択すれ
ばよいが、可視光の範囲（例えば、赤、緑、青等）で選
択すると肉眼での動作確認が容易になるので都合がよ
い。また、光線をスリット状に整形するには、シリンド
リカルレンズ等の光学手段を用いて整形すればよい。

【００１７】また、光線走査手段としては、スリット状
光線を反射や透過させる際にその進行方向を偏向して走
査させうるものであればよく、例えば、ポリゴンミラー
（回転多面鏡）やガルバノミラーが挙げられる。

【００１８】また、上記三角波型光線制御手段として
は、具体的には、スリット状光線を走査させている間
に、光源を輝度変調して二等辺三角波状に積算照射強度
を分布させるものが挙げられる。また、透過度が三角波
状に分布するフィルタ（液晶スリット等）を介してスリ
ット状光線を照射してもよい。さらに、スリット状光線
を所定規則により点灯・消灯させて、積算照射強度を二
等辺三角波状に分布させる手段もある。

【００１９】さらに、請求項３に記載の解決手段は、請
求項２に記載の形状計測装置において、前記光線走査手
段が、１フィールドまたは１フレーム分の撮像期間内に
前記スリット状光線を複数回走査させ、前記三角波型光
線制御手段が、上記複数回の走査のうちの各走査におい
て、前記スリット状光線を点灯させる点灯タイミング
と、スリット状光線を消灯させる消灯タイミングと、を
制御して、積算照射強度の分布を走査方向にわたって二
等辺三角波状に分布させることを特徴とする形状計測装
置である。

【００２０】上記構成を有する本発明の形状計測装置で
は、１フィールドまたは１フレーム分の撮像期間内に、
スリット状光線は複数回走査され、各走査においてスリ
ット状光線の点灯タイミングと消灯タイミングとを制御
することによって、走査方向にわたる積算照射強度の分
布を二等辺三角波状とする。このため、走査の回数と、
点灯タイミングと消灯タイミングとの組み合わせによっ
て、三角波の波の数や波の高さ等を任意に調整した二等
辺三角波状の積算強度分布を容易に得ることができる。

【００２１】ここで、点灯タイミングおよび消灯タイミ
ングとは、ある走査の走査開始から走査終了までにおい
て、スリット状光線を点灯または消灯させるタイミング
をいい、走査開始から起算して、点灯あるいは消灯する
時までの経過時間で特定する。従って、ある走査におい
て、複数回点灯あるいは消灯をする場合には、点灯タイ
ミングや消灯タイミングも複数あることになる。

【００２２】さらに、請求項４に記載の解決手段は、請
求項２に記載の形状計測装置において、前記光線走査手
段が、１フィールドまたは１フレーム分の撮像期間内に
前記スリット状光線を複数回走査させ、前記三角波型光
線制御手段が、前記二等辺三角波の波長をλ、前記１フ
ィールドまたは１フレームの撮像期間内に属する走査回
数をＮとしたときに、各走査において、点灯距離Ｘ
_onを、Ｘ_on＝λ／２とし、消灯距離Ｘ_offを、Ｘ_off＝λ
／２とし、点灯距離と消灯距離とが交互に繰り返す波形
の一部を用いるようにされており、しかも、各走査を上
記点灯と消灯との切り替えタイミングの順に並べると、
この切り替えタイミングが、所定距離Ｘ_i＝λ／２Ｎず
つ順にずれるように、前記スリット状光線を制御するこ
とを特徴とする形状計測装置である。

【００２３】上記構成を有する本発明の形状計測装置で
は、各走査において、点灯距離Ｘ_onと消灯距離Ｘ_offと
が二分の一波長（λ／２）ずつ交互に繰り返す波形の一
部を用いるようにされる。換言すれば、波長λ、デュー
ティー比５０％で点灯を消灯を繰り返す波形の一部を用
いることになる。しかも、各走査の照射パターンは、こ
のような照射パターンを、この波形が所定距離Ｘ_i＝λ
／２Ｎずつずれるようにして照射することになる。これ
を、１フィールド等の撮像期間にわたって照射強度を積
算すると、勾配が階段状となるものの、全体として二等
辺三角波状の積算照射強度分布となる。しかも、１回の
走査において点灯及び消灯する回数は、積算照射強度分
布において形成する三角波の山の数と同程度と少なくで
きる。従って、点灯や消灯の回数が少なく、しかも、簡
単なパターンで、所望の二等辺三角波状の積算照射強度
分布が得られるので、制御が容易となる。また、各走査
毎の制御データ作成においても容易にできる。

【００２４】さらに、請求項５に記載の解決手段は、請
求項２に記載の形状計測装置において、前記光線走査手
段が、１フィールドまたは１フレーム分の撮像期間内に
前記スリット状光線を複数回走査させ、前記三角波型光
線制御手段が、前記二等辺三角波の波長をλ、前記１フ
ィールドまたは１フレームの撮像期間内に属する走査回
数をＮとしたときに、各走査において、点灯距離Ｘ
_onを、Ｘ_on＝λ／２とし、消灯距離Ｘ_offを、Ｘ_off＝λ
／２とし、点灯距離と消灯距離とが交互に繰り返す波形
の一部を用いるようにされており、しかも、隣接する走
査について比較すると、上記点灯と消灯との切り替えタ
イミングが、所定距離Ｘ_i＝λ／２Ｎずつ順にずれるよ
うに、前記スリット状光線を制御することを特徴とする
形状計測装置である。

【００２５】上記構成を有する本発明の形状計測装置で
は、各走査において、点灯距離Ｘ_onと消灯距離Ｘ_offと
が二分の一波長（λ／２）ずつ交互に繰り返す波形の一
部を用いるようにされる。換言すれば、波長λ、デュー
ティー比５０％で点灯を消灯を繰り返す波形の一部を用
いることになる。しかも、隣り合う走査の照射パターン
は、このような照射パターンを、この波形が所定距離Ｘ
_i＝λ／２Ｎずつずれるようにして照射することにな
る。これを、１フィールド等の撮像期間にわたって照射
強度を積算すると、勾配が階段状となるものの、全体と
して二等辺三角波状の積算照射強度分布となる。しか
も、１回の走査において点灯及び消灯する回数は、積算
照射強度分布において形成する三角波の山の数と同程度
と少なくできる。従って、点灯や消灯の回数が少なく、
しかも、簡単なパターンで、所望の二等辺三角波状の積
算照射強度分布が得られるので、制御が容易となる。ま
た、各走査毎の制御データ作成においても容易にでき
る。しかも、本発明においては、隣接する走査におい
て、所定距離Ｘだけずれているだけなので、制御データ
作成において、さらに容易に作成できる。

【００２６】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図と共に以
下に説明する。図１は本実施形態にかかる形状計測装置
１００の説明図である。本実施形態の形状計測装置１０
０は、基準面Ｌに載置された被測定物Ｍに光線を照射す
る光線照射手段１０と、光線を照射されてできる光学像
を撮像する撮像手段２０と、撮像された画像情報から被
測定物Ｍの高さや形状を算出する画像情報演算手段３０
と、コントロール部７０とを有している。

【００２７】また、光線照射手段１０には、スリット状
光線を発する光源１と、このスリット状光線を被測定物
Ｍに照射しつつ偏向走査する光線走査手段４と、スリッ
ト状光線を制御する三角波型光線制御手段１４が含まれ
ている。さらに詳しく言えば、光源１には、レーザ光源
２とこのレーザ光源２からのレーザ光線を整形してスリ
ット状光線とするレンズ系３が含まれ、光線走査手段４
には、スリット状光線を反射し、回転によって偏向走査
させるポリゴンミラー５が含まれている。

【００２８】また、三角波型光線制御手段１４には、三
角波型光線制御データメモリ（図１ではＴ型データメモ
リと表示）１５と、この三角波型光線制御データメモリ
１５に格納されているデータを読み込み、これに従って
レーザ光源２を制御するレーザコントローラ１３が含ま
れている。また、撮像手段２０には、ＣＣＤカメラ２１
と画像メモリ２２が含まれており、ビデオレート（例え
ば１／６０秒）毎にＣＣＤカメラ２１が撮像し、これか
ら出力される画像情報を画像メモリ２２に格納してい
る。

【００２９】さらに、三角波型画像情報演算手段５０
は、撮像手段２０からの画像情報を取り込んで格納する
三角波型画像情報取込メモリ（図１ではＴ型取込メモリ
と表示）５１と、画像情報の明度値から被測定物Ｍの形
状を算出する三角波型演算回路（Ｔ型演算回路と表示）
５２と、算出された形状データを格納する形状データメ
モリ（形状メモリと表示）５３とが含まれている。な
お、三角波型画像情報取込メモリ５１には、図２に示す
ように、４つの三角波型画像情報メモリ（Ｔ型画像メモ
リと表示）５４ａ〜ｄが含まれており、画像メモリ２２
から取り込んだ例えば８ビットの階調をもつ各画素毎の
明度画像情報を、三角波型画像情報メモリ５４ａ〜５４
ｄのいずれかに格納する。

【００３０】さらに、コントロール部７０には、同期回
路７１が含まれている。この同期回路７１は、ポリゴン
ミラー５、レーザコントローラ１３、およびＣＣＤカメ
ラ２１の相互間で撮像等のタイミングを調整する。ま
た、走査回数についても、同期回路７１がポリゴンミラ
ー５の回転数を制御する。

【００３１】本例の形状計測装置１００では、レーザ光
源２から照射されたレーザ光線を、レンズ系３でスリッ
ト状光線に整形し、ポリゴンミラー５で反射しつつ偏向
走査して被測定物Ｍ（および基準面Ｌ）に向けて斜め方
向から照射する。このとき、レーザコントローラ１３
は、三角波型光線制御データメモリ１５からデータを読
み込んで、このデータに従ってレーザ光源２の制御を行
う。

【００３２】本発明の三角波法により被測定物Ｍの形状
を計測するには、照射する光線の照度分布を二等辺三角
波状にする必要があるが、ＣＣＤカメラ２１では、１フ
ィールド分の撮像期間中に、各画素が見込む領域に照射
された光線の照射強度の積算値が画像情報として出力さ
れることを利用する。即ち、図３(a) に示すように、レ
ーザ光源２（レンズ系は省略して記載した）からのスリ
ット状光線をポリゴンミラー５によって走査して基準面
Ｌ上に照射したとき、ＣＣＤカメラ２１のある画素ｐ
（図示しない）が出力する画像情報は、この画素ｐが見
込む基準面Ｌ上の小領域ｓについて、照射強度を撮像期
間にわたって積算した（積分した）積算照射強度Ｉｓに
対応したものとなる。なお、本図においては、図３(a)
に矢印で示したように、スリット状光線は、図中左から
右に向かって走査されるものとする。

【００３３】そこで、以下に示す手法により、基準面Ｌ
に１フィールド分の撮像期間内に照射される光線の積算
照射強度Ｉｓを二等辺三角波状に分布させる。即ち、図
３(b) に示すように、例えば、１フィールド分の撮像期
間内に、走査回数Ｎ＝８回の走査が行われるようにポリ
ゴンミラー５の回転数を調整し、各走査毎に異なる８つ
の点灯パターン（パターン１〜８）で照射する。図３
(b) に示す図は、それぞれ横軸（Ｘ軸）の右方向に基準
面Ｌ上の光線の走査方向をとり、縦軸に各走査毎の照射
強度、即ち、スリット状光線の点灯及び消灯のパターン
をとったグラフを、８つのパターン分、縦方向に重ねて
表示したものである。従って、パターン１について表示
したように、グラフの立ち上がり部分がスリット状光線
の点灯（点灯タイミング）に対応し、立ち下がり部分が
消灯（消灯タイミング）に対応する。

【００３４】図３(b)から判るように、各パターン（各
走査）は、図３(c)に示す積算照射強度Ｉｓの二等辺三
角波の波長λに対して、点灯距離Ｘ_on＝λ／２と、消灯
距離Ｘ_off＝λ／２とを、交互に繰り返す波形、つま
り、波長λ、デューティー比５０％で点灯と消灯を繰り
返す波形の一部となっている。また、隣り合うパターン
（例えばパターン１と２）では、スリット状光線を点灯
距離Ｘ_on（各パターンにおいて、図中上方に突出してい
る範囲）は変わらないが、その位置が、順次所定の距離
分（点灯距離の１／８）だけずれるようにされているこ
とが判る。つまり、図３(b) の例では、パターン１にお
ける点灯及び消灯タイミングに対して、パターン２にお
ける点灯及び消灯タイミングが順次所定距離（Ｘ_i＝Ｘ
_on／Ｎ＝λ／２Ｎ＝λ／１６）ずつ遅くなるように、
点灯・消灯タイミングが制御されている。

【００３５】このようにして、８回の走査によって８種
のパターンを照射したときには、その積算照射強度Ｉｓ
は、図３(c) に示すように、斜辺が８段の階段状にな
り、波長λ、最大照射強度Ｉ_maxで、各階段の段の中央
を結ぶと二等辺三角形となる二等辺三角波状に分布した
ものになる。このような手法により、積算照射強度を分
布させると、各走査において、スリット状光線を点灯及
び消灯させる回数が、形成しようとする積算照射強度分
布における山の数と同じか１回多くなる程度で足り、し
かも、一定の間隔で点滅させるので、スリット状光線の
点滅制御が容易となる。また、各走査間でも、所定距離
Ｘ_iずつ、点灯距離Ｘ_onあるいは消灯距離Ｘ_offがずれる
ように、第１の走査でのパターン１の点滅パターンを用
い、次の走査でパターン２というように、順に点滅のタ
イミングをずらすだけなので、制御データの作成も容易
である。

【００３６】三角波型光線制御データメモリ（Ｔ型デー
タメモリ）１５には、上述の制御をするための制御デー
タが格納されており、この制御データをレーザコントロ
ーラ１３に読み込むことにより、レーザ光線が制御され
る。しかも、三角波型光線制御データメモリ１５には、
二等辺三角波をそれぞれ１／４波長分ずつ異ならせるよ
うに制御する４種のデータが格納されており、このうち
のいずれかがレーザコントローラ１３に読み込まれる。
なお、隣接する走査では、所定距離Ｘ_iずつ点灯距離Ｘ
_onがずれるようしたが、必ずしも隣接する走査で、所
定距離Ｘ_iずつずれるようにする必要はなく、１フィー
ルド分の撮像期間内に、所定パターン（本実施形態で
は、パターン１〜８）の走査がされれば足りる。

【００３７】このようにして、スリット状光線を走査し
ながらスリット状光線を点滅させて積算照射強度分布を
二等辺三角波状にすることにより、被測定物Ｍの表面に
は、１フィールド分の撮像期間を通して積算すると濃淡
縞状パターンの光学像が形成され、被測定物Ｍの各部分
の高さは濃淡縞状パターンの位置のずれとして観察され
るようになる。そして、上記４種のデータに従った４種
の光学像を撮像することで、後述する三角波法と三角測
量の原理により、被測定物Ｍの各部分の形状（高さ）が
算出できる。

【００３８】図に即して説明すると、積算照射強度分布
をこのようにして制御したスリット状光線を、基準面Ｌ
の照射した場合には、図４にようになる。即ち、ポリゴ
ンミラー５で反射されて、基準面Ｌ上に照射されたスリ
ット状光線は、１フィールド分の撮像期間にわたって積
算すると、図４で基準面Ｌ上に示したような明暗縞状の
パターンとなる。つまり、このような明暗縞模様をＣＣ
Ｄカメラ２１は撮像することになる。

【００３９】ここで、基準面Ｌ上に被測定物Ｍが無い場
合には、図５(a) に示すように、積算照射強度Ｉｓは、
基準面Ｌ上全体において二等辺三角波状に分布すること
になる。しかし、基準面Ｌ上に被測定物Ｍを置いた場
合、被測定物Ｍの高さ分だけ積算照射強度Ｉｓの分布が
ずれて見えることになる。スリット状光線（レーザ光）
は、基準面Ｌに対して斜め方向から照射されているから
である。従って、被測定物Ｍがある場合には、図５(b)
に示すように、被測定物Ｍの高さ（上面の高さ）が、積
算照射強度Ｉｓの分布のずれとして観察されるようにな
る。

【００４０】そこで、この光学像を被測定物Ｍの図中ほ
ぼ真上からＣＣＤカメラ２１（画素数５１２×２４０
ヶ）で撮像し、その出力である画像情報を画像メモリ２
２に格納する。なお、ＣＣＤカメラ２１からの画像情報
は、各画素毎に明度を８ビットの階調（２⁸＝２５６階
調）で表わしたデータとなっている。

【００４１】また、同期回路７１の指示により、レーザ
コントローラ１３、ポリゴンミラー５とともに、ＣＣＤ
カメラ２１の撮像は同期して動作している。即ち、同期
回路７１は、ＣＣＤカメラ２１の１フィールド分の撮像
期間（１／６０秒）中に、スリット状光線が被測定物Ｍ
を所定回数走査するように、ＣＣＤカメラ２１の撮像タ
イミングやポリゴンミラー５の回転数および各鏡面の角
度を制御している。さらに、三角波型光線制御データメ
モリ１５のデータに従った所定パターンの光線を被測定
物Ｍに照射するように、レーザコントローラ１３がレー
ザ光源２を制御するタイミングをもこれらに同期させて
いる。

【００４２】ついで、前記したように、三角波型画像情
報取込メモリ５１が画像メモリ２２に格納された画像情
報を取り込む。これにより、三角波型光線制御データメ
モリ１５のデータに従ってレーザコントローラ１３がレ
ーザ光源２を制御したときに撮像された画像情報は、三
角波型画像情報取込メモリ５１に取り込まれる。

【００４３】三角波型画像情報取込メモリ５１について
は、図２にその詳細を示すように、画像メモリ２２から
取り込んだ画像情報を、三角波型画像情報メモリ５４ａ
〜５４ｄのいずれか（例えば５４ａ）に格納する。

【００４４】ついで、レーザコントローラ１３が三角波
型光線制御データメモリ１５から、先回の撮像に使用し
なかった（積算照射強度分布の異なる）制御データを読
み込み、これに従って、上記と同様にレーザ光源２を点
滅させる。ついで、この制御データに従い、積算照射強
度分布の異なる二等辺三角波状パターンの光線により形
成された被測定物Ｍの光学像を撮像し、まだ三角波型画
像情報が格納されていない三角波型画像情報メモリ５４
ａ〜５４ｄのいずれか（例えば５４ｂ）に格納する。こ
れを、積算照射強度分布が１／４波長ずつ異なる４種の
制御データについて行う。なお、撮像の順序は、波長の
ずれの順になっている必要はない。

【００４５】各三角波型画像情報メモリ５４ａ〜５４ｄ
へ各制御データに従った三角波型画像情報がそれぞれ格
納されたら、この４ヶのメモリ５４ａ〜５４ｄに格納さ
れた４フィールド分の三角波型画像情報を三角波型演算
回路５２に読み込み、後述する三角波法と三角測量の原
理に従って被測定物Ｍの形状を算出する。算出された形
状データは、形状データメモリ５３に格納される。

【００４６】ここで、三角測量による高さ測定および本
発明の三角波法による高さ測定の方法について説明す
る。まず、三角測量の原理について、図６を参照して説
明する。ここでは、基準面Ｌ上に置かれた被測定物Ｍの
図中上面の高さＺを測定するものとする。レーザ光源２
から発射された光線は、ポリゴンミラー５の鏡面５ａで
反射して被測定物Ｍの上面に照射される。これをＣＣＤ
カメラ２１の対物レンズ２７を通して受光素子２８上に
結像させて撮像する。ここで、ＣＣＤカメラ２１の光軸
Ｕは、基準面Ｌに垂直になるように配置されているもの
とし、基準面Ｌから鏡面５ａの走査中心までの高さをh
m、基準点Ａからの偏向角度をα、基準面ＬからＣＣＤ
カメラ２１の対物レンズ２７の主点までの高さをhc、対
物レンズ２７の焦点距離をｆ、基準点ＡからＣＣＤカメ
ラ２１の光軸Ｕまでの基準面Ｌ上の距離をｍ、ＣＣＤカ
メラ２１の受光素子２８上の受光した画素位置（被測定
物Ｍの上面を見込む画素位置）をｘ、被測定物Ｍが無い
とした場合に光線があたる基準面Ｌ上の位置をＸとす
る。

【００４７】このとき、被測定物Ｍの上面の高さＺは、Ｚ＝｛ｘ・hc−ｆ（ｍ−hm・tanα）｝／（ｘ＋ｆ・tanα） (1) で表すことができる。図１１より明らかなように、hc、
ｆ、ｍ、hmはいずれも被測定物Ｍと無関係な固定値であ
る。従って、ｘとαが判れば、(1) 式よりＺが算出でき
る。なお、上記式においては、ｙ方向（図１１における
紙面に垂直な方向）の座標（位置）が現れないが、ＣＣ
Ｄカメラ２１の受光素子２８のｙ方向画素位置から直接
導出されるので、３次元計測が可能となる。

【００４８】ついで、本発明の三角波法による高さ計測
について説明する。三角波法による測定においては、前
述のように、積算照射強度Ｉｓの分布が二等辺三角波状
となるように光線を照射する。しかも、各々１／４波長
ずつ異なる分布を持つ４種の光線（パターンＡ，Ｂ，
Ｃ，Ｄ）を照射するので、これを１つの図で表すと図７
のようになる。即ち、図７は、２波長（＝２λ）分の範
囲における積算照射強度Ｉｓの分布を示す。なお、この
４種の光線の分布は、いずれも、上記したようにＮ＝８
回の走査で、点滅のタイミングをずらして得るように
し、このようにするためのスリット状光線を制御する４
種のデータは、図１における三角波型光線制御データメ
モリ（Ｔ型データメモリ）１５に格納されている。

【００４９】ここで、１波長（λ）分の期間について、
図７に示すように、各パターンの積算照射強度が最小値
（Ｉｓ＝０）となる点を境界として，，，の４
つの区間に分ける。各区間では、算出に使用する計算式
が異なるためである。まず、の区間について説明する
と、このの区間内の任意の点ＸにパターンＡ〜Ｄの光
線を照射したとすると、その点の積算照射強度Ｉｓは、
それぞれＩａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄとなる。

【００５０】ここで、互いに１／２波長ずれているパタ
ーンＡとＢ、およびＣとＤによる積算照射強度ＩａとＩ
ｂ、およびＩｃとＩｄを比較すると、このの区間で
は、Ｉａ＜Ｉｂ、Ｉｃ＜Ｉｄとなっている。逆に、この
ような関係になっている場合には、任意の点Ｘが、の
区間内に含まれていることが判る。同様にして、各パタ
ーンでの積算照射強度ＩａとＩｂおよびＩｃとＩｄの大
小を比較することにより、任意の点Ｘが、どの区間（
〜）に含まれているかを判別できる。

【００５１】ついで、区間の内の基点（本例では区間
の右端、即ち原点）からの距離Ｘを、以下のようにして
算出する。区間においては、パターンＡによる積算照
射強度Ｉａ(Ｘ)は、以下の式（２）で表される。Ｉａ(Ｘ)＝ βＸ（２）同様にして、Ｉｂ(Ｘ)，Ｉｃ(Ｘ)，Ｉｄ(Ｘ)も、以下の
式(３)〜(５)で表される。Ｉｂ(Ｘ)＝−βＸ＋Ｉ_max (３) Ｉｃ(Ｘ)＝−βＸ＋Ｉ_max／２ (４) Ｉｄ(Ｘ)＝ βＸ＋Ｉ_max／２ (５) ここで、Ｉ_maxは、最大積算照射強度変化量（本例で
は、積算照射強度の最小値が０であるので最大積算照射
強度に相当する）である。また、傾きβは、β＝Ｉ_max
／(λ／２)＝２Ｉ_max／λで与えられる。ここで、λは
各パターンの波長である。

【００５２】つぎに、任意の点Ｘにおける光線の反射率
をＰ(０≦Ｐ≦１)、外乱光等のバイアス成分をＱとする
と、点Ｘにおける明度値Ｊは、以下のようになる。Ｊａ(Ｘ)＝ＰＩａ(Ｘ)＋Ｑ＝Ｐ( βＸ )＋Ｑ (６) Ｊｂ(Ｘ)＝ＰＩｂ(Ｘ)＋Ｑ＝Ｐ(−βＸ＋Ｉ_max )＋Ｑ (７) Ｊｃ(Ｘ)＝ＰＩｃ(Ｘ)＋Ｑ＝Ｐ(−βＸ＋Ｉ_max／２)＋Ｑ (８) Ｊｄ(Ｘ)＝ＰＩｄ(Ｘ)＋Ｑ＝Ｐ( βＸ＋Ｉ_max／２)＋Ｑ (９) ここで、Ｅ(Ｘ)＝Ｊｂ(Ｘ)−Ｊａ(Ｘ) (１０) Ｆ(Ｘ)＝Ｊｄ(Ｘ)−Ｊｃ(Ｘ) (１１) Ｇ１(Ｘ)＝Ｅ(Ｘ)／（Ｅ(Ｘ)＋Ｆ(Ｘ)） (１２) とすると、Ｇ１(Ｘ)＝１−４Ｘ／λ (１３) となる。従って、Ｘ＝(１−Ｇ１(Ｘ))λ／２ (１４) によって、Ｘが算出できる。

【００５３】ここで、Ｇ１(Ｘ)は、ＣＣＤカメラ２１の
各画素における明度値Ｊから、簡単な加減乗除によって
算出できる値であり、また、波長λは既知である。従っ
て、受光素子２８上の位置ｘにある画素が、４種のパタ
ーンで被測定物Ｍを照射したときに出力する明度値Ｊ
ａ，Ｊｂ，Ｊｃ，Ｊｄから、被測定物Ｍの上面に照射さ
れた光線が、被測定物Ｍが無いとしたときに基準面Ｌ上
に照射されたはずの位置Ｘを算出できることになる。ま
た、式(１３)(１４)を見れば明らかなように、被測定物
の色調等による反射率Ｐや、外乱光等によるバイアス成
分Ｑの影響を受けずに、この位置Ｘを算出することが出
来るため、これらの影響による誤差が本質的に発生しな
い。

【００５４】この位置Ｘが算出できれば、図６から判る
ように偏向角αが求められる。一方、被測定物Ｍを見込
む画素の位置ｘは、ＣＣＤカメラ２１において、容易に
算出できるので、α、ｘ共に求められたこととなり、上
記式(１)によって、高さＺが算出できる。また、上記式
から明らかなように、本発明の三角波法によって位置Ｘ
を算出するのには、位相シフト法で必要であったarctan
の計算は不要であり、計算が容易であることが判る。な
お、上記説明では、区間においての高さの算出方法に
ついて説明したが、他の区間においても、同様な
計算式により高さＺを算出できる。

【００５５】このようにして、算出された被測定物Ｍの
形状データは、その後、演算処理部８０や表示処理部９
０に送られる。これらでは、被測定物Ｍの周囲長や断面
形状等を算出したり、ディスプレイ（図示しない）によ
って被測定物Ｍの形状を表示したりする後加工が行われ
る。

【００５６】このように、本実施形態の形状計測装置１
００によれば、三角波法による計測を行うことにより、
複雑な計算をすることなくでき、しかも高さの分解能の
高い形状計測装置とすることができた。なお、本実施形
態においては、光源１として、レーザ光源２からのレー
ザ光線を整形して用いた例を示したが、レーザ光源を用
いずに通常の光源からの光線を整形して用いても良い。
また、光線走査手段４として、ポリゴンミラー５を用い
た例を示したが、他の偏向装置、例えば、ガルバノミラ
ー等を用いても良い。また、ポリゴンミラー５の面数に
ついても回転数や、走査範囲、走査回数等を考慮して適
宜選択すればよい。さらに、本例においては基準面Ｌ上
に被測定物Ｍを載置してその形状を計測したが、計測に
おいて基準面Ｌが撮像される必要はなく、さらには基準
面Ｌを無くして、仮想基準面からの高さを計測するよう
にしても良い。

【００５７】以上に本発明にかかる実施形態を説明した
が、本発明は、上記実施形態に限定されるものではな
く、発明の範囲を逸脱しない限り、適宜変更して適用で
きることはいうまでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態にかかる形状計測装置の説明図であ
る。

【図２】三角波型画像情報取込メモリの内容を説明する
ための説明図である。

【図３】積算照射強度を二等辺三角波状に分布させるた
めの方法について説明する説明図であって、(a)は基準
面Ｌ上に光線を照射する状態、(b)は各走査において照
射されるパターン、(c)は各パターンを積算した状態を
示す。

【図４】積算照射強度の分布を模式的に表した説明図で
ある。

【図５】被測定物の有無による積算照射強度分布の変化
を説明するための説明図であって、(a)は被測定物がな
い場合、(b)は被測定物がある場合を示す。

【図６】三角測量の原理を説明するための説明図であ
る。

【図７】４種の二等辺三角波状に分布した積算照射強度
の関係を示す説明図である。

【図８】位相シフト法を用いた従来の形状計測装置の構
成を示す説明図である。

【符号の説明】

１００形状計測装置１０光線照射手段２０撮像手段３０画像情報演算手段７０コントロール部１光源２レーザ光源３レンズ系４光線走査手段５ポリゴンミラー１３レーザコントローラ１４三角波型光線制御手段１５三角波型光線制御データメモリ２１ＣＣＤカメラ２２画像メモリ５０三角波型画像情報演算手段５１三角波型画像情報取込メモリ５２三角波型演算回路５３形状データメモリ５４三角波型画像情報メモリ７１同期回路Ｌ基準面Ｍ被測定物

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平10−96606（ＪＰ，Ａ) 特開平８−138056（ＪＰ，Ａ) 特開平11−101614（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−76906（ＪＰ，Ａ) 特開平８−313224（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】１フィールドまたは１フレーム分の撮像
期間内に照射される光線の積算照射強度分布が、二等辺
三角波状パターンとなる光線であって、該積算照射強度
分布が１／４波長ずつ異なる４種の光線を被測定物に照
射する三角波型光線照射手段と、上記光線により上記被測定物の表面に生じる光学像を積
分型撮像部材によって撮像する撮像手段と、該撮像手段から出力される互いに上記積算照射強度分布
の異なる４フィールドまたは４フレームの三角波型画像
情報を演算処理することにより上記被測定物の形状を算
出する三角波型画像情報演算手段と、を有する形状計測
装置。
【請求項２】前記三角波型光線照射手段が、スリット状光線を発生する光源と、このスリット状光線を被測定物の表面に照射しつつ偏向
走査させる光線走査手段と、１フィールドまたは１フレーム分の撮像期間内に照射さ
れる上記スリット状光線の積算照射強度が、走査方向に
わたって二等辺三角波状に分布するように上記スリット
状光線を制御する三角波型光線制御手段と、を有するこ
とを特徴とする請求項１に記載の形状計測装置。
【請求項３】請求項２に記載の形状計測装置におい
て、前記光線走査手段が、１フィールドまたは１フレーム分
の撮像期間内に前記スリット状光線を複数回走査させ、前記三角波型光線制御手段が、上記複数回の走査のうち
の各走査において、前記スリット状光線を点灯させる点
灯タイミングと、スリット状光線を消灯させる消灯タイ
ミングと、を制御して、積算照射強度の分布を走査方向
にわたって二等辺三角波状に分布させることを特徴とす
る形状計測装置。
【請求項４】請求項２に記載の形状計測装置におい
て、前記光線走査手段が、１フィールドまたは１フレーム分
の撮像期間内に前記スリット状光線を複数回走査させ、前記三角波型光線制御手段が、前記二等辺三角波の波長
をλ、前記１フィールドまたは１フレームの撮像期間内
に属する走査回数をＮとしたときに、各走査において、点灯距離Ｘ_onを、Ｘ_on＝λ／２とし、
消灯距離Ｘ_offを、Ｘ_off＝λ／２とし、点灯距離と消
灯距離とが交互に繰り返す波形の一部を用いるようにさ
れており、しかも、各走査を上記点灯と消灯との切り替えタイミン
グの順に並べると、この切り替えタイミングが、所定距
離Ｘ_i＝λ／２Ｎずつ順にずれるように、前記スリット
状光線を制御することを特徴とする形状計測装置。
【請求項５】請求項２に記載の形状計測装置におい
て、前記光線走査手段が、１フィールドまたは１フレーム分
の撮像期間内に前記スリット状光線を複数回走査させ、前記三角波型光線制御手段が、前記二等辺三角波の波長
をλ、前記１フィールドまたは１フレームの撮像期間内
に属する走査回数をＮとしたときに、各走査において、点灯距離Ｘ_onを、Ｘ_on＝λ／２とし、
消灯距離Ｘ_offを、Ｘ_off＝λ／２とし、点灯距離と消
灯距離とが交互に繰り返す波形の一部を用いるようにさ
れており、しかも、隣接する走査について比較すると、上記点灯と
消灯との切り替えタイミングが、所定距離Ｘ_i＝λ／２
Ｎずつ順にずれるように、前記スリット状光線を制御す
ることを特徴とする形状計測装置。