JP3994606B2 - 三次元形状計測装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械部品やその他の物体の三次元形状を非接触で計測する三次元形状計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の三次元形状装置は、光電変換素子とこの光電変換素子に被測定対象物の光像を結像する光学系とからなる撮像光学系を備え、被測定対象物の任意の高さ位置において、被測定対象物に対して光学系を光軸上に相対移動させつつ、所定の周期で光電変換素子の露光を繰り返し、その露光動作で得られた複数個の受光信号を用いてその高さ位置における被測定対象物の表面の光軸方向（すなわち、高さ方向に直交する方向（水平方向））の位置座標を算出するようになっている。
【０００３】
従って、被測定対象物に対して撮像光学系を高さ方向に所定のピッチで相対移動させて各高さ位置毎に被測定対象物の表面の水平方向の位置座標を算出することにより当該被測定対象物の三次元形状が計測される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の三次元形状測定装置は、一般に、各高さ位置毎に、光学系を被測定対象物に対して一方方向（近接させる方向もしくは離隔させる方向）に移動させて被測定対象物表面の水平方向の位置座標の測定を行い、次の測定のための光学系を復帰させる期間には測定を行っていないため、この復帰期間が測定時間のロスとなり、測定効率を低下させる要因となっていた。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、計測精度を保ちつつ、物体の三次元形状の計測をより短時間で効率的に行うことのできる三次元形状計測装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、被測定物の照明光を生成する照明手段と、被測定物で反射された上記照明光を受光し、電気信号に変換して出力する光電変換手段と、上記照明手段と被測定物との間に設けられ、上記照明光を被測定物に射出するとともに、被測定物で反射された当該照明光を上記光電変換手段の受光面に導く光学系と、上記照明光の被測定物側の集光位置を光軸上で移動させるべく上記光学系を光軸上で相対移動させる第１の移動手段と、上記光学系の相対移動において、当該光学系が予め相対移動範囲内に所定のピッチで設定された複数の露光位置の各露光位置を通過するタイミングで上記光電変換手段の露光動作を繰り返し行わせる露光制御手段と、上記光電変換手段から時系列的に出力される複数の受光信号と各受光信号の露光位置とに基づいて上記被測定物の表面形状を示す光軸方向の位置座標を算出する演算手段と、上記被測定物と上記光学系とを光軸方向に対して垂直な方向に所定のピッチで相対移動させる第２の移動手段と、上記光学系の光軸方向の相対移動と上記光学系の光軸方向に対して垂直な方向の相対移動とを交互に行わせるように上記第１，第２の移動手段を制御する移動制御手段とを備えた三次元形状計測装置であって、上記光学系を被測定物に近接させる第１の移動と被測定物から離隔させる第２の移動とを上記光学系の光軸方向に対して垂直な方向の相対移動を挟んで交互に行わせ、両移動において、上記被測定物の表面形状を示す光軸方向の位置座標を算出することを特徴とする。
【０００７】
上記構成によれば、照明手段により被測定物に照明光が射出され、被測定物で反射された上記照明光が光学系により光電変換手段の受光面に導かれる。また、被測定物に対して光学系を光軸上で相対移動させることにより、照明光の被測定物側の集光位置を光軸上で移動させつつ、当該光学系が各露光位置を通過するタイミングで光電変換手段の露光動作が繰り返し行われる。そして、演算手段により、上記光電変換手段から時系列的に出力される複数の受光信号と各受光信号の露光位置とに基づいて上記被測定物の表面形状を示す光軸方向の位置座標が算出される。その場合に、移動制御手段により、上記光学系を被測定物に近接させる第１の移動と被測定物から離隔させる第２の移動とが上記光学系の光軸方向に対して垂直な方向の相対移動を挟んで交互に行われ、この両移動において、上記被測定物の表面形状を示す光軸方向の位置座標が算出される。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、上記第１発明において、上記光学系の光軸上の相対移動における移動範囲は変更可能になされていることを特徴とする。この発明によれば、光学系の光軸上の相対移動における移動範囲を変更可能にしたから、光学系の無駄な移動を省くことが可能となる。
【０００９】
ところで、このような第１の移動時と第２の移動時との両方の移動時にデータを取る装置にあっては、第１の移動時のデータと第２の移動時のデータとを同種のデータとして扱うようにするため、露光期間中の光学系の位置（集光位置）が第１の移動時と第２の移動時とで略一致することが前提となる。しかしながら、光学系が各露光位置に通過した時点を基準にして露光を開始するように設定すると、露光期間中の光学系の位置が第１の移動時と第２の移動時とで大きくずれ、これによって第１の移動時のデータと第２の移動時のデータとを同種のデータとして扱えないという不具合が発生する。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、上記露光制御手段は、各露光動作における露光時間の略中心が、対応する各露光位置を上記光学系が通過するタイミングとなるように、上記光電変換手段の各露光動作の露光開始と露光終了とを制御するものであることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、上記光学系の光軸上の位置を検出する位置検出手段と、予め設定された所定の露光時間を計測する計時手段とを備え、上記露光制御手段は、被測定物に近接させる第１の移動時においては上記照明光の集光位置が下記（１）式で算出される位置を通過するタイミングで露光を開始させ、被測定物から離隔させる第２の移動時においては上記照明光の集光位置が下記（２）式で算出される位置を通過するタイミングで露光を開始させるとともに、上記露光時間の計時を開始させ、上記計時手段で上記所定の露光時間が計測されると、当該露光を終了させることを特徴とする。
【００１２】
Ｚi＝ｉ・ΔＺ−Ｖ・Ｔｅｘｐ／２ …（１）
Ｚi＝ｉ・ΔＺ＋Ｖ・Ｔｅｘｐ／２ …（２）
Ｚi：ｉ番目の露光位置
ΔＺ：露光位置のピッチ
Ｖ：光学系の移動速度
Ｔｅｘｐ：露光時間
この請求項３及び４に記載の発明によれば、各露光動作における露光時間の略中心が、対応する各露光位置を上記照明光の集光位置が通過するタイミングとなる。よって露光期間中の光学系の位置が第１の移動時と第２の移動時とで略一致となる。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の発明において、上記演算手段は、上記光電変換手段から時系列的に出力される複数の受光信号の中から極大値の回りの複数個の受光信号を抽出し、これらの受光信号のレベルと各受光信号の露光位置とから補間演算により受光レベルが最大となる位置を上記被測定物の表面形状を示す光軸方向の位置座標として算出することを特徴とする。この発明によれば、上記演算手段により、上記光電変換手段から時系列的に出力される複数の受光信号の中から極大値の回りの複数個の受光信号が抽出され、これらの受光信号のレベルと各受光信号の露光位置とから補間演算により受光レベルが最大となる位置が上記被測定物の表面形状を示す光軸方向の位置座標として算出される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明に係る三次元形状計測装置の一実施形態について説明する。
【００１５】
図１に示すように、本実施形態に係る三次元形状計測装置１は、所定のステージＳ上に載置された被測定物Ｇに対して対向配置され、非接触で被測定物Ｇの三次元形状を示すデータを計測するものである。すなわち、図１に示すように、紙面垂直方向をＸ軸方向、紙面上下方向をＹ軸方向、紙面左右方向をＺ軸方向とする三次元座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を、Ｚ軸が三次元形状計測装置１の光軸と一致するように設定し、被測定物Ｇの表面形状を複数の格子点で表示するとすると、三次元形状計測装置１は、各格子点の三次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）を計測するものである。
【００１６】
図１に示すように、被測定物Ｇに照明部１０から投影光学系２０及びビームスプリッタＭを介してレーザ光を照射し、その反射光を投影光学系２０及びビームスプリッタＭを介して受光部４０に導いて、当該受光部４０で受光される受光信号を用いてＺ軸方向の座標を非接触で計測する。
【００１７】
三次元形状計測装置１は、投影光学系２０の集光点Ｆを被測定物Ｇに対してその高さ方向（すなわち、Ｙ軸方向）に所定ピッチで相対移動させつつ、各高さ位置で被測定物Ｇの表面の光軸方向（すなわち、Ｚ軸方向）における位置座標を、当該被測定物Ｇを撮像して得られる信号を用いて算出するようになっている。すなわち、被測定物Ｇの表面の位置と投影光学系２０の集光点Ｆの位置とが一致したときに受光信号が最大となることから、各高さ位置毎に、この最大レベルの受光信号を発する位置を検出し、この位置を被測定物Ｇの表面の位置とするようになっている。
【００１８】
三次元形状計測装置１は、Ｘ軸方向に所定の幅を持つ光Ｌを被測定物Ｇに照射するとともに、後述するように撮像素子としてＸ軸と平行に配置されたラインセンサを備え、このラインセンサに含まれる画素毎に当該画素で受光された信号を用いて上述したＺ軸方向の位置座標が算出されるようになっている。従って、各格子点のＸ座標はラインセンサの画素ピッチで決定され、Ｙ座標は計測装置１の高さ方向の相対移動のピッチで決定され、後述するように、Ｚ座標のみが被測定物Ｇの撮像動作とそれによって得られた信号の処理とで算出される。
【００１９】
図２は、本実施形態の三次元形状計測動作における集光点Ｆの軌跡を示す図である。
【００２０】
図２に示すように、当該測定装置１は、投影光学系２０の集光点Ｆの座標Ｚ＝Ｚ1から座標Ｚ＝Ｚnに向かう移動（以下、往動という）と、座標Ｚ＝Ｚnから座標Ｚ＝Ｚ1に向かう移動（以下、復動という）とを、高さ方向の所定ピッチΔＹの移動を挟んで交互に行う。
【００２１】
以下、当該三次元形状計測装置１の構成を詳しく説明する。図３は、本実施形態に係る三次元形状計測装置１の全体構成を示すブロック図である。
【００２２】
図３に示すように、三次元形状計測装置１は、照明部１０と、投影光学系２０と、波形整形部３０と、受光部４０と、Ａ／Ｄ変換部５０と、カメラコントロール部６０と、モータ駆動部７０と、サブ演算制御部８０と、ディジタル信号処理部９０と、メイン演算制御部１００とを備える。
【００２３】
照明部１０は、安定した反射光を得るべく被測定物Ｇを照明する照明光を発するものである。照明部１０は、図１，３に示すように、レーザ光を発するレーザダイオード（ＬＤ）１１と、該レーザダイオード１１から発せられたレーザ光を集光する照明光学系１２とを有する。照明部１０の発光位置は投影光学系２０の像側の焦点位置に設定されている。
【００２４】
投影光学系２０は、照明部１０からの照明光を被測定物Ｇに射出するとともに、被測定物Ｇで反射した反射光を受光部４０に導くものである。投影光学系２０は、図１、図３に示すように二群レンズ２１，２１’からなり、後群２１’は投影光学系２０の集光点調節用のレンズ群とされている。すなわち、後群２１’は光軸方向（Ｚ軸方向）に移動可能とされ、第２モータ２３の駆動により移動し、この後群２１’の移動により上記集光点ＦがＺ軸方向に移動するようになっている。そして、後群２１’の位置を検出することで、集光点ＦのＺ軸方向の位置が検出される。
【００２５】
また、後群２１’にはリニアスケール２５が一体的に移動可能に設けられ、例えば発光ダイオード及びフォトダイオードからなる２個の光センサ２６，２７を後群２１’の移動によってリニアスケール２５に対し相対的に移動させて当該リニアスケール２５のスケールを読み取り、この読取信号に基づいて後群２１’の移動位置が検出されるようになっている。
【００２６】
すなわち、リニアスケール２５は、例えば、Ｚ軸方向に配列された白黒のバーコードとされており、光センサ２６，２７は、上記の発光ダイオードがリニアスケール２５のバーコードに向けて光を照射し、その反射光を上記フォトダイオードが受光するような構成とされている。また、この光センサ２６，２７は、上記バーコードのＺ軸方向に異なる位置を照射するように設定されており、上記リニアスケール２５の相対移動により１／４周期だけ位相が異なる正弦波を出力する。よって、この２つの正弦波の位相関係を検出することで、後群２１’の移動方向が検知され、正弦波の山の数をカウントすることにより移動量が検知される。
【００２７】
後群２１’の移動範囲の両端部に一対のリミッタ２８がそれぞれ設けられ、このリミッタ２８の検出信号により後群２１’の移動範囲が規制されるようになっている。すなわち、往動時及び復動時に後群２１’が移動範囲の終端位置に到達したことがリミッタ２８により検出され、この検出信号に基づき後群２１’の移動が停止される。なお、以下の説明において、上記後群２１’の移動範囲の終端位置のうち、後群２１’の往動の開始位置（復動の終了位置）を第１ホームポジションといい、復動の開始位置（往動の終了位置）を第２ホームポジションという。
【００２８】
波形整形部３０は、光センサ２６，２７から出力された各正弦波をそれぞれ矩形波（パルス）に波形整形するものである。このパルスは後述のサブ演算制御部８０で集光点ＦのＺ軸方向の位置及び移動方向の演算に利用される。
【００２９】
受光部４０は、図１，図３に示すように、投影光学系２０及びビームスプリッタＭを介して導かれる被測定物Ｇからの反射光を受光し、電気信号に光電変換するＣＣＤ４２（固体撮像素子）と上記ビームスプリッタＭからの反射光を当該ＣＣＤ４２に集光するリレー光学系４１とを有する。ＣＣＤ４２は、投影光学系２０の像側の焦点位置と等価な位置、すなわち、照明部１０の発光位置と等価な位置に設けられている。このＣＣＤ４２は、線状の受光面を持つリニアセンサとされ、１次元（Ｘ軸方向）の画像を入力するように構成されている。このＣＣＤ４２の画素の間隔がＸ軸上の座標間隔に対応する。また、このＣＣＤ４２は、後述のカメラコントロール部６０から出力される露光パルスに基づいて被測定物Ｇからの反射光を各画素に露光するとともに、露光パルスの出力時に光電変換により生じた電荷を受光域に蓄積して、非出力時に蓄積部に転送したのち後述のＡ／Ｄ変換部５０に送信する。
【００３０】
Ａ／Ｄ変換部５０は、上記ＣＣＤ４２から出力されたアナログ信号をディジタル信号に変換するものである。
【００３１】
カメラコントロール部６０は、後述するサブ演算制御部８０から出力されるタイミングパルスに同期して上記露光パルスを生成し上記ＣＣＤ４２に出力するものである。
【００３２】
モータ駆動部７０は、第１，第２モータ２２，２３の駆動動作を制御するものである。モータ駆動部７０は、モータコントローラ７１とドライバ７２とを有する。モータコントローラ７１は、上記ドライバ７２に第１，第２モータ２２，２３の駆動内容（回転方向や回転速度等）に関する信号を出力するものである。ドライバ７２は、この信号に基づいて上記第１，第２モータ２２，２３を駆動するものである。
【００３３】
サブ演算制御部８０は、上記光センサ２６，２７のうち一方のセンサから出力され波形整形されたパルスを計数する第１カウンタ８１と、上記カメラコントロール部６０から出力される露光パルスの出力時間をカウントする第２カウンタ８２とを備え、この第１カウンタ８１と第２カウンタ８２とを用いて、本発明の特徴部分である以下の動作を行う。
【００３４】
図４は、本発明の露光制御を示すタイミングチャートである。図４（ａ）は、横軸を時間、縦軸をＺ軸方向の位置としたときに、投影光学系２０の移動速度、すなわち、投影光学系２０の集光点Ｆの移動速度の変化を示す図である。なお、集光点Ｆ（投影光学系２０）の速度変動パターンは、往動時と復動時とで同じであるものとする。矢印Ａは、集光点Ｆが等速で移動したと仮定したときの速度、つまり平均移動速度を示す。図４（ｂ）は、往動時において各測定位置に対して出力されるタイミングパルスと、このタイミングパルスに基づいて出力される露光パルスと、この露光パルスの出力開始と同時に計時を行う第２カウンタ８２のカウント値の変化とを示す。図４（ｃ）は、復動時において各測定位置に対して出力されるタイミングパルスと、このタイミングパルスに基づいて出力される露光パルスと、この露光パルスの出力開始と同時に計時を行う第２カウンタ８２のカウント値の変化とを示す。図４（ｄ）は、集光点Ｆが各測定位置を通過する時点でそれぞれ露光動作を開始する場合に出力される往動時及び復動時の露光パルスを示す。
【００３５】
この図４（ｄ）に示すように、各露光動作を、集光点Ｆが各測定位置を通過した時点で開始すると、例えばＺ＝Ｚ3においては、露光期間中の集光点Ｆの位置（以下、露光位置という）が、矢印ナに示すように、往動時ではＺ＝Ｚ3に対してＺ＝Ｚ4側、矢印ニに示すように、復動時ではＺ＝Ｚ3に対してＺ＝Ｚ2側となり、露光位置が往動時と復動時とで全く一致しない。これでは、往動時のデータと復動時のデータとを同種のデータとして扱えず、延いては、被測定物Ｇの表面位置の正確な計測を行うことができない。
【００３６】
そこで、本発明では、露光位置を往動時と復動時とで略一致させるべく、各露光動作における露光時間の略中心が、対応する各測定位置を集光点Ｆが通過するタイミングとなるように設定している。
【００３７】
まず、露光開始タイミングについては、集光点ＦのＺ軸上の位置で設定する。具体的に説明すると、往動時において、例えば、測定位置Ｚ＝Ｚ1に対する露光開始タイミングを、集光点Ｆが測定位置Ｚ＝Ｚ1より手前の位置Ｚ1ｇ’を通過したときとし、この露光開始位置Ｚ1ｇ’を、平均移動速度Ｖと露光パルス出力時間ｗの半分の時間との積により求められる距離Ｖ・（ｗ／２）だけ手前の位置、つまり、
Ｚ1ｇ’＝Ｚ1−Ｖ・（ｗ／２）
と設定する。これを一般的に表わすと、測定位置Ｚ＝Ｚk（ｋ＝１，…，ｎ）に対する露光開始位置Ｚkｇ’は、
Ｚkｇ’＝Ｚk−Ｖ・（ｗ／２） （ｋ＝１，…，ｎ）
となる。
【００３８】
よって、往動時においては、このＺkｇ’（ｋ＝１，…，ｎ）の位置に集光点Ｆが到達したときに、サブ演算制御部８０は、矢印サ〜セに示すように、カメラコントロール部６０に対して露光開始のためのタイミングパルスを出力して、露光パルスの出力を開始させる。なお、座標Ｚ＝Ｚ1は、第１ホームポジションから座標Ｚ＝Ｚ1に到達するまでに、上記第１カウンタ８１によりカウントされる波形整形部３０からのパルスの数Ｎ1と、このパルス１個分に相当するＺ軸方向の距離ΔＺとの積、つまり、
Ｚ1＝Ｎ1・ΔＺ
により算出される。これを一般的に表すと、座標Ｚ＝Ｚkは、
Ｚk＝Ｎk・ΔＺ
となる。
【００３９】
また、復動時において、例えば、測定位置Ｚ＝Ｚ1に対する露光開始タイミングを、集光点Ｆが測定位置Ｚ＝Ｚ1より手前の位置Ｚ1ｂ’を通過したときとし、この露光開始位置Ｚ1ｂ’を、平均移動速度Ｖと露光パルス出力時間ｗの半分の時間との積により求められる距離Ｖ・（ｗ／２）だけ手前の位置、つまり、
Ｚ1ｂ’＝Ｚ1＋Ｖ・（ｗ／２）
と設定する。これを一般的に表わすと、測定位置Ｚ＝Ｚk（ｋ＝１，…，ｎ）に対する露光開始位置Ｚkｂ’は、
Ｚkｂ’＝Ｚk＋Ｖ・（ｗ／２） （ｋ＝１，…，ｎ）
となる。
【００４０】
よって、復動時においては、このＺkｂ’（ｋ＝１，…，ｎ）の位置に集光点Ｆが到達したときに、サブ演算制御部８０は、矢印ソ〜ツに示すように、カメラコントロール部６０に対して露光開始のためのタイミングパルスを出力して、露光パルスの出力を開始させる。
【００４１】
一方、露光パルスの出力終了タイミングについては、出力開始タイミングの場合と同様に集光点ＦのＺ軸上の位置で設定するか、あるいは、露光を開始した時点からの時間で設定するかのどちらかにより設定することが考えられる。
【００４２】
しかしながら、図５に示すように、露光パルスの出力終了のタイミングを集光点ＦのＺ軸上の位置で設定する、すなわち、集光点Ｆが露光を開始した位置から一定の距離Ｚαだけ離れた位置に到達したときに露光を終了するように設定すると、露光パルス出力期間中における集光点Ｆの移動速度が異なるため、集光点Ｆが上記距離Ｚαだけ離れた位置に到達するまでの時間が各測定位置毎に異なる。例えば、図５に示すように、測定位置Ｚ1，Ｚ2，Ｚ3，Ｚkにおける露光時間ｔ1，ｔ2，ｔ3，ｔkが異なってくる。これでは、各測定位置毎の輝度レベルを用いて集光点Ｆが被測定物Ｇの表面に一致する位置（すなわち、Ｚ座標）を算出する方法において、各測定位置毎の輝度レベルの大小関係を適正に比較することができなくなることになり、被測定物Ｇの正確な表面の位置（Ｚ座標）のデータを得ることができない。
【００４３】
一方、露光パルスの出力終了タイミングを露光を開始した時点からの時間で設定する、すなわち、図４（ｂ）に示すように、往動時においては、集光点Ｆがこの各測定位置に到達した時点から一定の時間ｗだけ経過したときに、露光終了のためのタイミングパルスを出力して露光パルスの出力を終了させ、図４（ｃ）に示すように、復動時においても、集光点Ｆが各測定位置に到達した時点から一定時間ｗだけ経過したときに、露光終了のためのタイミングパルスを出力して露光パルスの出力を終了させるように設定すると、露光パルスの出力時間は一定であるから、集光点Ｆの移動速度が露光期間中に変動しても、往動時、復動時ともに各測定位置における露光時間の変動は生じず、各測定位置毎の輝度レベルの大小関係を適正に比較することができ、被測定物Ｇの正確な表面の位置のデータを得ることができる。よって、露光を終了するタイミングについては、露光を開始した時点からの時間で設定する。
【００４４】
以上のように、露光の開始タイミング及び露光の終了タイミングを設定することにより、集光点Ｆの移動速度が露光期間中において極端に変動しない限りは、図４に示すように、各露光動作における露光時間の略中心Ｓ１〜Ｓ８が、対応する各測定位置を集光点Ｆが通過するタイミングとなり、各測定位置において、露光位置を往動時と復動時とで略一致させることができる。なお、集光点Ｆが等速度で移動する場合には、露光位置は往動時と復動時とで完全に一致することになる。
【００４５】
ディジタル信号処理部９０は、Ａ／Ｄ変換部５０により変換されたディジタルデータを記憶するメモリ９１を有し、例えば、図６に示すように、各高さ位置（Ｙ座標）毎に、輝度レベルをＸ座標を行、Ｚ座標を列とするマトリックス形式で記憶する。そして、例えば、斜線で示すように、各画素毎に輝度レベルのピーク値周辺のＺ座標をそれぞれ粗検出して後述のメイン演算制御部１００に出力する。
【００４６】
メイン演算制御部１００は、上記ディジタル信号処理部９０により粗検出されたＺ座標を入力し、輝度レベルのピーク値を持つＺ軸方向の位置を、以下の補間演算を行うことにより正確に検出するものである。
【００４７】
すなわち、例えば、図７に示すように、Ｚ座標Ｚ＝ｒとＺ座標Ｚ＝ｒ＋１との間にピーク値がある場合、座標Ｚ＝ｒ及び座標Ｚ＝ｒ−１を通る直線Ｑ１と、座標Ｚ＝ｒ＋１及び座標Ｚ＝ｒ＋２を通る直線Ｑ２とをそれぞれ求める。そして、これらの直線Ｑ１，Ｑ２の交点Ｔを求め、この交点Ｔが示す値Ｌmを近似のピーク値とし、このピーク値Ｌmを持つＺ軸上の位置ｒ’を記憶する。
【００４８】
また、メイン演算制御部１００は、このようにして求めたＺ軸上の位置を基準位置Ｚ＝０（図２参照）からの位置に換算し、被測定物Ｇの表面形状を各格子点の三次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）として計測する。なお、本実施形態においては、上記補間演算を行うように構成されているが、測定位置（Ｚ座標）をより細かく設定して測定を行うようにすれば、補間演算を行う場合と同様に正確な位置データが得られるから、この補間演算を行わないように構成してもよい。
【００４９】
次に、当該三次元形状計測装置１の動作を図９に示すフローチャートに従って説明する。
【００５０】
まず、操作者により被測定物Ｇが上記ステージＳ上の所定位置に載置され、当該計測装置１に備えられている図略のスタートボタンが押圧される（ステップ♯１）と、サブ演算制御部８０は、集光点ＦのＹ軸方向及びＺ軸方向の移動範囲を決定すると共に、投影光学系２０を初期位置にセットする（ステップ♯２）。次に、メイン演算制御部１００は、このボタン押圧信号を受けて測定開始命令信号をサブ演算制御部８０に出力し（ステップ♯３）、サブ演算制御部８０は、この測定開始命令信号を受けてレーザダイオード１１を点灯させる（ステップ♯４）。これにより、レーザダイオード１１から発せられたレーザ光が被測定物Ｇにより照射されると共に、この被測定物Ｇからの反射光が投影光学系２０及びリレー光学系４１を経て上記ＣＣＤ４２に受光される。
【００５１】
次に、サブ演算制御部８０は、動作命令信号をモータコントローラ７１に出力し、ドライバ７０を介して第１モータ２２を駆動することにより後群２１’を移動させる（ステップ♯５）。これにより、後群２１’が第１ホームポジションから第２ホームポジションに向けて移動を開始し、この移動により波形整形器３０からパルスがサブ演算制御部８０に対して順次出力される。
【００５２】
そして、サブ演算制御部８０は、集光点Ｆが座標Ｚ＝Ｚ1の近傍に到達する（ステップ♯６）と、上述したようなタイミング（Ｚ1ｇ’を通過するタイミング）でタイミングパルスをカメラコントロール部６０にそれぞれ出力し、このタイミングパルスに同期してカメラコントロール部６０は露光パルスをＣＣＤ４２に出力して、測定位置Ｚ1の測定を行う。そして、同様の方法で集光点ＦがＺ＝Ｚ2ｇ’，Ｚ3ｇ’，…，Ｚnｇ’を通過するタイミングで繰り返し露光を開始して各測定位置Ｚ1，Ｚ2，…，Ｚn-1，Ｚnで測定を行う（ステップ♯７）。そして、このとき、各露光パルスの出力期間において、各画素に測定光を露光し、露光パルスの非出力期間において、輝度レベル信号をＡ／Ｄ変換部５０を介してディジタル信号処理部９０に送信し、このディジタル信号処理部９０のメモリ９１に記憶する。そして、集光点Ｆが座標Ｚ＝Ｚnに到達し、この位置での露光が終了する（ステップ♯８）と、ディジタル信号処理部９０は、メモリ９１に記憶した輝度レベルの中から輝度レベルのピーク値周辺の座標を粗検出して、この座標をメイン演算制御部１００に送信し、この信号を受けてメイン演算制御部１００はピーク位置を検出する（ステップ♯９）。
【００５３】
次に、後群２１’が第２ホームポジションに到達する（ステップ♯１０）と、後群２１’の移動を一旦停止させ、投影光学系２０の二群レンズ２１，２１’をＹ軸方向に移動させる（ステップ♯１１）。そして、二群レンズ２１，２１’を次の高さ位置Ｙ＝Ｙ2にセットする（ステップ♯１２）。
【００５４】
そして、サブ演算制御部８０は、この高さ位置Ｙ＝Ｙ2において、後群２１’を第２ホームポジションから第１ホームポジションに向けて移動させ（ステップ♯５）、集光点Ｆが座標Ｚ＝Ｚnの近傍に到達する（ステップ♯６）と、上記と同様の方法で測定を行い（ステップ♯７）、集光点Ｆが座標Ｚ＝Ｚ1に到達し、この位置の露光が終了する（ステップ♯８）と、Ｙ＝Ｙ2におけるピーク位置（Ｚ座標）を検出する（ステップ♯９）。
【００５５】
そして、後群２１’が第１ホームポジションに到達する（ステップ♯１０）と、後群２１’の移動を一旦停止させ、上記二群レンズ２１，２１’をＹ軸方向に移動させて（ステップ♯１１）、次の高さ位置Ｙ＝Ｙ3にセットする（ステップ♯１２）。
【００５６】
以下、Ｙ＝Ｙ3以降、上記と同様に、ステップ♯５からステップ♯１０までの動作をＹ座標Ｙ＝Ｙmまで繰り返し行い、すべての高さ位置において測定が終了する（ステップ♯１３）と、メイン演算制御部１００は、当該三次元形状計測装置１による被測定物Ｇの三次元形状計測動作を終了させる。
【００５７】
このように、往動時もしくは復動時のどちらか一方だけでなく、両移動時に被測定物Ｇの三次元形状を計測動作を行うように構成したから、一方の移動時にのみ測定動作を行う場合に比して、被測定物Ｇの三次元形状計測に要する時間を大幅に短縮することができ、上記計測をより短時間で効率的に行うことができる。
【００５８】
また、測定位置に対する露光開始位置を、平均移動速度Ｖと露光パルス出力時間ｗの半分の時間との積により求められる距離だけ手前の位置に集光点Ｆが到達するときと設定し、かつ、露光パルスの出力時間を一定時間ｗとしたので、各測定位置において、露光位置を往動時と復動時とで略一致させることができると共に、集光点Ｆの移動速度が変動しても、各測定位置毎の輝度レベルの大小関係を適正に比較することができ、被測定物Ｇの三次元形状を正確に測定することができる。
【００５９】
さらに、輝度レベルのピーク位置を算出するにあたって、上記のような補間演算を行うようにしたから、計測精度を高いものにすることができる。
【００６０】
なお、本発明は、上記実施形態に限らず、以下の変形形態を採用することができる。
【００６１】
上記第１実施形態の三次元形状計測装置１は、図８において、ステップ♯１でスタートボタンが押圧されると、まもなくステップ♯５以降に示す本動作（以下、本スキャンという）を行うように構成されているが、このような本スキャンを行う前に被測定物Ｇの凡その三次元形状を計測するプリスキャンモードを設けてもよい。すなわち、例えば、被測定物Ｇの三次元形状を、本スキャン時におけるＺ軸方向の測定位置より大きな位置間隔で測定し、輝度レベルのピーク値近傍の位置を検出し、各高さ位置毎に集光点Ｆの移動範囲を狭めて、図９に示すように、本スキャン時においてその移動範囲（実線の部分）で集光点Ｆを移動させるようにしてもよい。これにより、集光点Ｆの移動距離が図９の点線に示す部分の長さだけ短くなり、上記プリスキャンを行う時間を考慮に入れても、計測に要する測定時間が大幅に短縮される。また、この点線部分においては測定動作を行わないから、本スキャン時に扱うデータ数が大幅に減り、ディジタル信号処理部９０のメモリ９１等を容量の小さいものにすることができる。
【００６２】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、光学系を被測定物に近接させる第１の移動と被測定物から離隔させる第２の移動とを上記光学系の光軸方向に対して垂直な方向の相対移動を挟んで交互に行い、この両移動において、上記被測定物の表面形状を示す光軸方向の位置座標を算出するようにしたから、各高さ位置毎に、光学系を被測定対象物に対して一方方向に移動させて被測定対象物表面の水平方向の位置座標の測定を行い、次の測定のための光学系を復帰させる期間には測定を行なわない装置に比べて、測定時間のロスが大幅に減り、測定効率を向上させることができる。
【００６３】
請求項２に記載の発明によれば、光学系の光軸上の相対移動における移動範囲を変更可能にしたから、光学系の無駄な移動を省くことができ、被測定物の表面の凹凸をより短時間で効率的に計測することができる。
【００６４】
請求項３、４に記載の発明によれば、各露光動作における露光時間の略中心が、対応する各露光位置を上記光学系が通過するタイミングとなり、露光期間中の光学系の位置が第１の移動時と第２の移動時とで略一致させることができる。よって、往動時のデータと復動時のデータとを同種のデータとして扱うことができ、被測定物の正確な表面の位置を計測することができる。
【００６５】
請求項５に記載の発明によれば、受光レベルが最大となる位置を補間演算により算出するようにしたから、被測定物の正確な表面の位置を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態に係る三次元形状計測装置の要部の概略説明図である。
【図２】 集光点の移動の軌跡を示す説明図である。
【図３】 三次元形状計測装置のブロック構成図である。
【図４】 タイミングパルスの出力タイミングの説明図である。
【図５】 タイミングパルスの出力終了タイミングをＺ軸上の位置で設定した場合に生じる問題点を示す説明図である。
【図６】 メモリの記憶方法の一例を示す概念図である。
【図７】 近似ピーク値を求めるときの説明図である。
【図８】 三次元形状計測装置の動作を示すフローチャート図である。
【図９】 他の実施形態における集光点の移動の軌跡を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 三次元形状計測装置
１０ 照明部
１１ レーザダイオード
１２ 照明光学系
２０ 投影光学系
２１’ フォーカスレンズ
２２ 第１モータ
２３ 第２モータ
２４ 位置検出器
２５ リニアスケール
２８ リミッタ
２６，２７ 第１、第２センサ
３０ 波形整形部
４０ 受光部
４１ リレー光学系
４２ ＣＣＤ
６０ カメラコントロール部
７０ モータ駆動部
８０ サブ演算制御部
８１ 第１カウンタ
８２ 第２カウンタ
９０ ディジタル信号処理部
１００メイン演算制御部
Ｇ 被測定物
Ｆ 集光点
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械部品やその他の物体の三次元形状を非接触で計測する三次元形状計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の三次元形状装置は、光電変換素子とこの光電変換素子に被測定対象物の光像を結像する光学系とからなる撮像光学系を備え、被測定対象物の任意の高さ位置において、被測定対象物に対して光学系を光軸上に相対移動させつつ、所定の周期で光電変換素子の露光を繰り返し、その露光動作で得られた複数個の受光信号を用いてその高さ位置における被測定対象物の表面の光軸方向（すなわち、高さ方向に直交する方向（水平方向））の位置座標を算出するようになっている。
【０００３】
従って、被測定対象物に対して撮像光学系を高さ方向に所定のピッチで相対移動させて各高さ位置毎に被測定対象物の表面の水平方向の位置座標を算出することにより当該被測定対象物の三次元形状が計測される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の三次元形状測定装置は、一般に、各高さ位置毎に、光学系を被測定対象物に対して一方方向（近接させる方向もしくは離隔させる方向）に移動させて被測定対象物表面の水平方向の位置座標の測定を行い、次の測定のための光学系を復帰させる期間には測定を行っていないため、この復帰期間が測定時間のロスとなり、測定効率を低下させる要因となっていた。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、計測精度を保ちつつ、物体の三次元形状の計測をより短時間で効率的に行うことのできる三次元形状計測装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、被測定物の照明光を生成する照明手段と、被測定物で反射された上記照明光を受光し、電気信号に変換して出力する光電変換手段と、上記照明手段と被測定物との間に設けられ、上記照明光を被測定物に射出するとともに、被測定物で反射された当該照明光を上記光電変換手段の受光面に導く光学系と、上記照明光の被測定物側の集光位置を光軸上で移動させるべく上記光学系を光軸上で相対移動させる第１の移動手段と、上記光学系の相対移動において、当該光学系が予め相対移動範囲内に所定のピッチで設定された複数の露光位置の各露光位置を通過するタイミングで上記光電変換手段の露光動作を繰り返し行わせる露光制御手段と、上記光電変換手段から時系列的に出力される複数の受光信号と各受光信号の露光位置とに基づいて上記被測定物の表面形状を示す光軸方向の位置座標を算出する演算手段と、上記被測定物と上記光学系とを光軸方向に対して垂直な方向に所定のピッチで相対移動させる第２の移動手段と、上記光学系の光軸方向の相対移動と上記光学系の光軸方向に対して垂直な方向の相対移動とを交互に行わせるように上記第１，第２の移動手段を制御する移動制御手段とを備えた三次元形状計測装置であって、上記光学系を被測定物に近接させる第１の移動と被測定物から離隔させる第２の移動とを上記光学系の光軸方向に対して垂直な方向の相対移動を挟んで交互に行わせ、両移動において、上記被測定物の表面形状を示す光軸方向の位置座標を算出することを特徴とする。
【０００７】
上記構成によれば、照明手段により被測定物に照明光が射出され、被測定物で反射された上記照明光が光学系により光電変換手段の受光面に導かれる。また、被測定物に対して光学系を光軸上で相対移動させることにより、照明光の被測定物側の集光位置を光軸上で移動させつつ、当該光学系が各露光位置を通過するタイミングで光電変換手段の露光動作が繰り返し行われる。そして、演算手段により、上記光電変換手段から時系列的に出力される複数の受光信号と各受光信号の露光位置とに基づいて上記被測定物の表面形状を示す光軸方向の位置座標が算出される。その場合に、移動制御手段により、上記光学系を被測定物に近接させる第１の移動と被測定物から離隔させる第２の移動とが上記光学系の光軸方向に対して垂直な方向の相対移動を挟んで交互に行われ、この両移動において、上記被測定物の表面形状を示す光軸方向の位置座標が算出される。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、上記第１発明において、上記光学系の光軸上の相対移動における移動範囲は変更可能になされていることを特徴とする。この発明によれば、光学系の光軸上の相対移動における移動範囲を変更可能にしたから、光学系の無駄な移動を省くことが可能となる。
【０００９】
ところで、このような第１の移動時と第２の移動時との両方の移動時にデータを取る装置にあっては、第１の移動時のデータと第２の移動時のデータとを同種のデータとして扱うようにするため、露光期間中の光学系の位置（集光位置）が第１の移動時と第２の移動時とで略一致することが前提となる。しかしながら、光学系が各露光位置に通過した時点を基準にして露光を開始するように設定すると、露光期間中の光学系の位置が第１の移動時と第２の移動時とで大きくずれ、これによって第１の移動時のデータと第２の移動時のデータとを同種のデータとして扱えないという不具合が発生する。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、上記露光制御手段は、各露光動作における露光時間の略中心が、対応する各露光位置を上記光学系が通過するタイミングとなるように、上記光電変換手段の各露光動作の露光開始と露光終了とを制御するものであることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、上記光学系の光軸上の位置を検出する位置検出手段と、予め設定された所定の露光時間を計測する計時手段とを備え、上記露光制御手段は、被測定物に近接させる第１の移動時においては上記照明光の集光位置が下記（１）式で算出される位置を通過するタイミングで露光を開始させ、被測定物から離隔させる第２の移動時においては上記照明光の集光位置が下記（２）式で算出される位置を通過するタイミングで露光を開始させるとともに、上記露光時間の計時を開始させ、上記計時手段で上記所定の露光時間が計測されると、当該露光を終了させることを特徴とする。
【００１２】
Ｚi＝ｉ・ΔＺ−Ｖ・Ｔｅｘｐ／２ …（１）
Ｚi＝ｉ・ΔＺ＋Ｖ・Ｔｅｘｐ／２ …（２）
Ｚi：ｉ番目の露光位置
ΔＺ：露光位置のピッチ
Ｖ：光学系の移動速度
Ｔｅｘｐ：露光時間
この請求項３及び４に記載の発明によれば、各露光動作における露光時間の略中心が、対応する各露光位置を上記照明光の集光位置が通過するタイミングとなる。よって露光期間中の光学系の位置が第１の移動時と第２の移動時とで略一致となる。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の発明において、上記演算手段は、上記光電変換手段から時系列的に出力される複数の受光信号の中から極大値の回りの複数個の受光信号を抽出し、これらの受光信号のレベルと各受光信号の露光位置とから補間演算により受光レベルが最大となる位置を上記被測定物の表面形状を示す光軸方向の位置座標として算出することを特徴とする。この発明によれば、上記演算手段により、上記光電変換手段から時系列的に出力される複数の受光信号の中から極大値の回りの複数個の受光信号が抽出され、これらの受光信号のレベルと各受光信号の露光位置とから補間演算により受光レベルが最大となる位置が上記被測定物の表面形状を示す光軸方向の位置座標として算出される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明に係る三次元形状計測装置の一実施形態について説明する。
【００１５】
図１に示すように、本実施形態に係る三次元形状計測装置１は、所定のステージＳ上に載置された被測定物Ｇに対して対向配置され、非接触で被測定物Ｇの三次元形状を示すデータを計測するものである。すなわち、図１に示すように、紙面垂直方向をＸ軸方向、紙面上下方向をＹ軸方向、紙面左右方向をＺ軸方向とする三次元座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を、Ｚ軸が三次元形状計測装置１の光軸と一致するように設定し、被測定物Ｇの表面形状を複数の格子点で表示するとすると、三次元形状計測装置１は、各格子点の三次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）を計測するものである。
【００１６】
図１に示すように、被測定物Ｇに照明部１０から投影光学系２０及びビームスプリッタＭを介してレーザ光を照射し、その反射光を投影光学系２０及びビームスプリッタＭを介して受光部４０に導いて、当該受光部４０で受光される受光信号を用いてＺ軸方向の座標を非接触で計測する。
【００１７】
三次元形状計測装置１は、投影光学系２０の集光点Ｆを被測定物Ｇに対してその高さ方向（すなわち、Ｙ軸方向）に所定ピッチで相対移動させつつ、各高さ位置で被測定物Ｇの表面の光軸方向（すなわち、Ｚ軸方向）における位置座標を、当該被測定物Ｇを撮像して得られる信号を用いて算出するようになっている。すなわち、被測定物Ｇの表面の位置と投影光学系２０の集光点Ｆの位置とが一致したときに受光信号が最大となることから、各高さ位置毎に、この最大レベルの受光信号を発する位置を検出し、この位置を被測定物Ｇの表面の位置とするようになっている。
【００１８】
三次元形状計測装置１は、Ｘ軸方向に所定の幅を持つ光Ｌを被測定物Ｇに照射するとともに、後述するように撮像素子としてＸ軸と平行に配置されたラインセンサを備え、このラインセンサに含まれる画素毎に当該画素で受光された信号を用いて上述したＺ軸方向の位置座標が算出されるようになっている。従って、各格子点のＸ座標はラインセンサの画素ピッチで決定され、Ｙ座標は計測装置１の高さ方向の相対移動のピッチで決定され、後述するように、Ｚ座標のみが被測定物Ｇの撮像動作とそれによって得られた信号の処理とで算出される。
【００１９】
図２は、本実施形態の三次元形状計測動作における集光点Ｆの軌跡を示す図である。
【００２０】
図２に示すように、当該測定装置１は、投影光学系２０の集光点Ｆの座標Ｚ＝Ｚ1から座標Ｚ＝Ｚnに向かう移動（以下、往動という）と、座標Ｚ＝Ｚnから座標Ｚ＝Ｚ1に向かう移動（以下、復動という）とを、高さ方向の所定ピッチΔＹの移動を挟んで交互に行う。
【００２１】
以下、当該三次元形状計測装置１の構成を詳しく説明する。図３は、本実施形態に係る三次元形状計測装置１の全体構成を示すブロック図である。
【００２２】
図３に示すように、三次元形状計測装置１は、照明部１０と、投影光学系２０と、波形整形部３０と、受光部４０と、Ａ／Ｄ変換部５０と、カメラコントロール部６０と、モータ駆動部７０と、サブ演算制御部８０と、ディジタル信号処理部９０と、メイン演算制御部１００とを備える。
【００２３】
照明部１０は、安定した反射光を得るべく被測定物Ｇを照明する照明光を発するものである。照明部１０は、図１，３に示すように、レーザ光を発するレーザダイオード（ＬＤ）１１と、該レーザダイオード１１から発せられたレーザ光を集光する照明光学系１２とを有する。照明部１０の発光位置は投影光学系２０の像側の焦点位置に設定されている。
【００２４】
投影光学系２０は、照明部１０からの照明光を被測定物Ｇに射出するとともに、被測定物Ｇで反射した反射光を受光部４０に導くものである。投影光学系２０は、図１、図３に示すように二群レンズ２１，２１’からなり、後群２１’は投影光学系２０の集光点調節用のレンズ群とされている。すなわち、後群２１’は光軸方向（Ｚ軸方向）に移動可能とされ、第２モータ２３の駆動により移動し、この後群２１’の移動により上記集光点ＦがＺ軸方向に移動するようになっている。そして、後群２１’の位置を検出することで、集光点ＦのＺ軸方向の位置が検出される。
【００２５】
また、後群２１’にはリニアスケール２５が一体的に移動可能に設けられ、例えば発光ダイオード及びフォトダイオードからなる２個の光センサ２６，２７を後群２１’の移動によってリニアスケール２５に対し相対的に移動させて当該リニアスケール２５のスケールを読み取り、この読取信号に基づいて後群２１’の移動位置が検出されるようになっている。
【００２６】
すなわち、リニアスケール２５は、例えば、Ｚ軸方向に配列された白黒のバーコードとされており、光センサ２６，２７は、上記の発光ダイオードがリニアスケール２５のバーコードに向けて光を照射し、その反射光を上記フォトダイオードが受光するような構成とされている。また、この光センサ２６，２７は、上記バーコードのＺ軸方向に異なる位置を照射するように設定されており、上記リニアスケール２５の相対移動により１／４周期だけ位相が異なる正弦波を出力する。よって、この２つの正弦波の位相関係を検出することで、後群２１’の移動方向が検知され、正弦波の山の数をカウントすることにより移動量が検知される。
【００２７】
後群２１’の移動範囲の両端部に一対のリミッタ２８がそれぞれ設けられ、このリミッタ２８の検出信号により後群２１’の移動範囲が規制されるようになっている。すなわち、往動時及び復動時に後群２１’が移動範囲の終端位置に到達したことがリミッタ２８により検出され、この検出信号に基づき後群２１’の移動が停止される。なお、以下の説明において、上記後群２１’の移動範囲の終端位置のうち、後群２１’の往動の開始位置（復動の終了位置）を第１ホームポジションといい、復動の開始位置（往動の終了位置）を第２ホームポジションという。
【００２８】
波形整形部３０は、光センサ２６，２７から出力された各正弦波をそれぞれ矩形波（パルス）に波形整形するものである。このパルスは後述のサブ演算制御部８０で集光点ＦのＺ軸方向の位置及び移動方向の演算に利用される。
【００２９】
受光部４０は、図１，図３に示すように、投影光学系２０及びビームスプリッタＭを介して導かれる被測定物Ｇからの反射光を受光し、電気信号に光電変換するＣＣＤ４２（固体撮像素子）と上記ビームスプリッタＭからの反射光を当該ＣＣＤ４２に集光するリレー光学系４１とを有する。ＣＣＤ４２は、投影光学系２０の像側の焦点位置と等価な位置、すなわち、照明部１０の発光位置と等価な位置に設けられている。このＣＣＤ４２は、線状の受光面を持つリニアセンサとされ、１次元（Ｘ軸方向）の画像を入力するように構成されている。このＣＣＤ４２の画素の間隔がＸ軸上の座標間隔に対応する。また、このＣＣＤ４２は、後述のカメラコントロール部６０から出力される露光パルスに基づいて被測定物Ｇからの反射光を各画素に露光するとともに、露光パルスの出力時に光電変換により生じた電荷を受光域に蓄積して、非出力時に蓄積部に転送したのち後述のＡ／Ｄ変換部５０に送信する。
【００３０】
Ａ／Ｄ変換部５０は、上記ＣＣＤ４２から出力されたアナログ信号をディジタル信号に変換するものである。
【００３１】
カメラコントロール部６０は、後述するサブ演算制御部８０から出力されるタイミングパルスに同期して上記露光パルスを生成し上記ＣＣＤ４２に出力するものである。
【００３２】
モータ駆動部７０は、第１，第２モータ２２，２３の駆動動作を制御するものである。モータ駆動部７０は、モータコントローラ７１とドライバ７２とを有する。モータコントローラ７１は、上記ドライバ７２に第１，第２モータ２２，２３の駆動内容（回転方向や回転速度等）に関する信号を出力するものである。ドライバ７２は、この信号に基づいて上記第１，第２モータ２２，２３を駆動するものである。
【００３３】
サブ演算制御部８０は、上記光センサ２６，２７のうち一方のセンサから出力され波形整形されたパルスを計数する第１カウンタ８１と、上記カメラコントロール部６０から出力される露光パルスの出力時間をカウントする第２カウンタ８２とを備え、この第１カウンタ８１と第２カウンタ８２とを用いて、本発明の特徴部分である以下の動作を行う。
【００３４】
図４は、本発明の露光制御を示すタイミングチャートである。図４（ａ）は、横軸を時間、縦軸をＺ軸方向の位置としたときに、投影光学系２０の移動速度、すなわち、投影光学系２０の集光点Ｆの移動速度の変化を示す図である。なお、集光点Ｆ（投影光学系２０）の速度変動パターンは、往動時と復動時とで同じであるものとする。矢印Ａは、集光点Ｆが等速で移動したと仮定したときの速度、つまり平均移動速度を示す。図４（ｂ）は、往動時において各測定位置に対して出力されるタイミングパルスと、このタイミングパルスに基づいて出力される露光パルスと、この露光パルスの出力開始と同時に計時を行う第２カウンタ８２のカウント値の変化とを示す。図４（ｃ）は、復動時において各測定位置に対して出力されるタイミングパルスと、このタイミングパルスに基づいて出力される露光パルスと、この露光パルスの出力開始と同時に計時を行う第２カウンタ８２のカウント値の変化とを示す。図４（ｄ）は、集光点Ｆが各測定位置を通過する時点でそれぞれ露光動作を開始する場合に出力される往動時及び復動時の露光パルスを示す。
【００３５】
この図４（ｄ）に示すように、各露光動作を、集光点Ｆが各測定位置を通過した時点で開始すると、例えばＺ＝Ｚ3においては、露光期間中の集光点Ｆの位置（以下、露光位置という）が、矢印ナに示すように、往動時ではＺ＝Ｚ3に対してＺ＝Ｚ4側、矢印ニに示すように、復動時ではＺ＝Ｚ3に対してＺ＝Ｚ2側となり、露光位置が往動時と復動時とで全く一致しない。これでは、往動時のデータと復動時のデータとを同種のデータとして扱えず、延いては、被測定物Ｇの表面位置の正確な計測を行うことができない。
【００３６】
そこで、本発明では、露光位置を往動時と復動時とで略一致させるべく、各露光動作における露光時間の略中心が、対応する各測定位置を集光点Ｆが通過するタイミングとなるように設定している。
【００３７】
まず、露光開始タイミングについては、集光点ＦのＺ軸上の位置で設定する。具体的に説明すると、往動時において、例えば、測定位置Ｚ＝Ｚ1に対する露光開始タイミングを、集光点Ｆが測定位置Ｚ＝Ｚ1より手前の位置Ｚ1ｇ’を通過したときとし、この露光開始位置Ｚ1ｇ’を、平均移動速度Ｖと露光パルス出力時間ｗの半分の時間との積により求められる距離Ｖ・（ｗ／２）だけ手前の位置、つまり、
Ｚ1ｇ’＝Ｚ1−Ｖ・（ｗ／２）
と設定する。これを一般的に表わすと、測定位置Ｚ＝Ｚk（ｋ＝１，…，ｎ）に対する露光開始位置Ｚkｇ’は、
Ｚkｇ’＝Ｚk−Ｖ・（ｗ／２） （ｋ＝１，…，ｎ）
となる。
【００３８】
よって、往動時においては、このＺkｇ’（ｋ＝１，…，ｎ）の位置に集光点Ｆが到達したときに、サブ演算制御部８０は、矢印サ〜セに示すように、カメラコントロール部６０に対して露光開始のためのタイミングパルスを出力して、露光パルスの出力を開始させる。なお、座標Ｚ＝Ｚ1は、第１ホームポジションから座標Ｚ＝Ｚ1に到達するまでに、上記第１カウンタ８１によりカウントされる波形整形部３０からのパルスの数Ｎ1と、このパルス１個分に相当するＺ軸方向の距離ΔＺとの積、つまり、
Ｚ1＝Ｎ1・ΔＺ
により算出される。これを一般的に表すと、座標Ｚ＝Ｚkは、
Ｚk＝Ｎk・ΔＺ
となる。
【００３９】
また、復動時において、例えば、測定位置Ｚ＝Ｚ1に対する露光開始タイミングを、集光点Ｆが測定位置Ｚ＝Ｚ1より手前の位置Ｚ1ｂ’を通過したときとし、この露光開始位置Ｚ1ｂ’を、平均移動速度Ｖと露光パルス出力時間ｗの半分の時間との積により求められる距離Ｖ・（ｗ／２）だけ手前の位置、つまり、
Ｚ1ｂ’＝Ｚ1＋Ｖ・（ｗ／２）
と設定する。これを一般的に表わすと、測定位置Ｚ＝Ｚk（ｋ＝１，…，ｎ）に対する露光開始位置Ｚkｂ’は、
Ｚkｂ’＝Ｚk＋Ｖ・（ｗ／２） （ｋ＝１，…，ｎ）
となる。
【００４０】
よって、復動時においては、このＺkｂ’（ｋ＝１，…，ｎ）の位置に集光点Ｆが到達したときに、サブ演算制御部８０は、矢印ソ〜ツに示すように、カメラコントロール部６０に対して露光開始のためのタイミングパルスを出力して、露光パルスの出力を開始させる。
【００４１】
一方、露光パルスの出力終了タイミングについては、出力開始タイミングの場合と同様に集光点ＦのＺ軸上の位置で設定するか、あるいは、露光を開始した時点からの時間で設定するかのどちらかにより設定することが考えられる。
【００４２】
しかしながら、図５に示すように、露光パルスの出力終了のタイミングを集光点ＦのＺ軸上の位置で設定する、すなわち、集光点Ｆが露光を開始した位置から一定の距離Ｚαだけ離れた位置に到達したときに露光を終了するように設定すると、露光パルス出力期間中における集光点Ｆの移動速度が異なるため、集光点Ｆが上記距離Ｚαだけ離れた位置に到達するまでの時間が各測定位置毎に異なる。例えば、図５に示すように、測定位置Ｚ1，Ｚ2，Ｚ3，Ｚkにおける露光時間ｔ1，ｔ2，ｔ3，ｔkが異なってくる。これでは、各測定位置毎の輝度レベルを用いて集光点Ｆが被測定物Ｇの表面に一致する位置（すなわち、Ｚ座標）を算出する方法において、各測定位置毎の輝度レベルの大小関係を適正に比較することができなくなることになり、被測定物Ｇの正確な表面の位置（Ｚ座標）のデータを得ることができない。
【００４３】
一方、露光パルスの出力終了タイミングを露光を開始した時点からの時間で設定する、すなわち、図４（ｂ）に示すように、往動時においては、集光点Ｆがこの各測定位置に到達した時点から一定の時間ｗだけ経過したときに、露光終了のためのタイミングパルスを出力して露光パルスの出力を終了させ、図４（ｃ）に示すように、復動時においても、集光点Ｆが各測定位置に到達した時点から一定時間ｗだけ経過したときに、露光終了のためのタイミングパルスを出力して露光パルスの出力を終了させるように設定すると、露光パルスの出力時間は一定であるから、集光点Ｆの移動速度が露光期間中に変動しても、往動時、復動時ともに各測定位置における露光時間の変動は生じず、各測定位置毎の輝度レベルの大小関係を適正に比較することができ、被測定物Ｇの正確な表面の位置のデータを得ることができる。よって、露光を終了するタイミングについては、露光を開始した時点からの時間で設定する。
【００４４】
以上のように、露光の開始タイミング及び露光の終了タイミングを設定することにより、集光点Ｆの移動速度が露光期間中において極端に変動しない限りは、図４に示すように、各露光動作における露光時間の略中心Ｓ１〜Ｓ８が、対応する各測定位置を集光点Ｆが通過するタイミングとなり、各測定位置において、露光位置を往動時と復動時とで略一致させることができる。なお、集光点Ｆが等速度で移動する場合には、露光位置は往動時と復動時とで完全に一致することになる。
【００４５】
ディジタル信号処理部９０は、Ａ／Ｄ変換部５０により変換されたディジタルデータを記憶するメモリ９１を有し、例えば、図６に示すように、各高さ位置（Ｙ座標）毎に、輝度レベルをＸ座標を行、Ｚ座標を列とするマトリックス形式で記憶する。そして、例えば、斜線で示すように、各画素毎に輝度レベルのピーク値周辺のＺ座標をそれぞれ粗検出して後述のメイン演算制御部１００に出力する。
【００４６】
メイン演算制御部１００は、上記ディジタル信号処理部９０により粗検出されたＺ座標を入力し、輝度レベルのピーク値を持つＺ軸方向の位置を、以下の補間演算を行うことにより正確に検出するものである。
【００４７】
すなわち、例えば、図７に示すように、Ｚ座標Ｚ＝ｒとＺ座標Ｚ＝ｒ＋１との間にピーク値がある場合、座標Ｚ＝ｒ及び座標Ｚ＝ｒ−１を通る直線Ｑ１と、座標Ｚ＝ｒ＋１及び座標Ｚ＝ｒ＋２を通る直線Ｑ２とをそれぞれ求める。そして、これらの直線Ｑ１，Ｑ２の交点Ｔを求め、この交点Ｔが示す値Ｌmを近似のピーク値とし、このピーク値Ｌmを持つＺ軸上の位置ｒ’を記憶する。
【００４８】
また、メイン演算制御部１００は、このようにして求めたＺ軸上の位置を基準位置Ｚ＝０（図２参照）からの位置に換算し、被測定物Ｇの表面形状を各格子点の三次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）として計測する。なお、本実施形態においては、上記補間演算を行うように構成されているが、測定位置（Ｚ座標）をより細かく設定して測定を行うようにすれば、補間演算を行う場合と同様に正確な位置データが得られるから、この補間演算を行わないように構成してもよい。
【００４９】
次に、当該三次元形状計測装置１の動作を図９に示すフローチャートに従って説明する。
【００５０】
まず、操作者により被測定物Ｇが上記ステージＳ上の所定位置に載置され、当該計測装置１に備えられている図略のスタートボタンが押圧される（ステップ♯１）と、サブ演算制御部８０は、集光点ＦのＹ軸方向及びＺ軸方向の移動範囲を決定すると共に、投影光学系２０を初期位置にセットする（ステップ♯２）。次に、メイン演算制御部１００は、このボタン押圧信号を受けて測定開始命令信号をサブ演算制御部８０に出力し（ステップ♯３）、サブ演算制御部８０は、この測定開始命令信号を受けてレーザダイオード１１を点灯させる（ステップ♯４）。これにより、レーザダイオード１１から発せられたレーザ光が被測定物Ｇにより照射されると共に、この被測定物Ｇからの反射光が投影光学系２０及びリレー光学系４１を経て上記ＣＣＤ４２に受光される。
【００５１】
次に、サブ演算制御部８０は、動作命令信号をモータコントローラ７１に出力し、ドライバ７０を介して第１モータ２２を駆動することにより後群２１’を移動させる（ステップ♯５）。これにより、後群２１’が第１ホームポジションから第２ホームポジションに向けて移動を開始し、この移動により波形整形器３０からパルスがサブ演算制御部８０に対して順次出力される。
【００５２】
そして、サブ演算制御部８０は、集光点Ｆが座標Ｚ＝Ｚ1の近傍に到達する（ステップ♯６）と、上述したようなタイミング（Ｚ1ｇ’を通過するタイミング）でタイミングパルスをカメラコントロール部６０にそれぞれ出力し、このタイミングパルスに同期してカメラコントロール部６０は露光パルスをＣＣＤ４２に出力して、測定位置Ｚ1の測定を行う。そして、同様の方法で集光点ＦがＺ＝Ｚ2ｇ’，Ｚ3ｇ’，…，Ｚnｇ’を通過するタイミングで繰り返し露光を開始して各測定位置Ｚ1，Ｚ2，…，Ｚn-1，Ｚnで測定を行う（ステップ♯７）。そして、このとき、各露光パルスの出力期間において、各画素に測定光を露光し、露光パルスの非出力期間において、輝度レベル信号をＡ／Ｄ変換部５０を介してディジタル信号処理部９０に送信し、このディジタル信号処理部９０のメモリ９１に記憶する。そして、集光点Ｆが座標Ｚ＝Ｚnに到達し、この位置での露光が終了する（ステップ♯８）と、ディジタル信号処理部９０は、メモリ９１に記憶した輝度レベルの中から輝度レベルのピーク値周辺の座標を粗検出して、この座標をメイン演算制御部１００に送信し、この信号を受けてメイン演算制御部１００はピーク位置を検出する（ステップ♯９）。
【００５３】
次に、後群２１’が第２ホームポジションに到達する（ステップ♯１０）と、後群２１’の移動を一旦停止させ、投影光学系２０の二群レンズ２１，２１’をＹ軸方向に移動させる（ステップ♯１１）。そして、二群レンズ２１，２１’を次の高さ位置Ｙ＝Ｙ2にセットする（ステップ♯１２）。
【００５４】
そして、サブ演算制御部８０は、この高さ位置Ｙ＝Ｙ2において、後群２１’を第２ホームポジションから第１ホームポジションに向けて移動させ（ステップ♯５）、集光点Ｆが座標Ｚ＝Ｚnの近傍に到達する（ステップ♯６）と、上記と同様の方法で測定を行い（ステップ♯７）、集光点Ｆが座標Ｚ＝Ｚ1に到達し、この位置の露光が終了する（ステップ♯８）と、Ｙ＝Ｙ2におけるピーク位置（Ｚ座標）を検出する（ステップ♯９）。
【００５５】
そして、後群２１’が第１ホームポジションに到達する（ステップ♯１０）と、後群２１’の移動を一旦停止させ、上記二群レンズ２１，２１’をＹ軸方向に移動させて（ステップ♯１１）、次の高さ位置Ｙ＝Ｙ3にセットする（ステップ♯１２）。
【００５６】
以下、Ｙ＝Ｙ3以降、上記と同様に、ステップ♯５からステップ♯１０までの動作をＹ座標Ｙ＝Ｙmまで繰り返し行い、すべての高さ位置において測定が終了する（ステップ♯１３）と、メイン演算制御部１００は、当該三次元形状計測装置１による被測定物Ｇの三次元形状計測動作を終了させる。
【００５７】
このように、往動時もしくは復動時のどちらか一方だけでなく、両移動時に被測定物Ｇの三次元形状を計測動作を行うように構成したから、一方の移動時にのみ測定動作を行う場合に比して、被測定物Ｇの三次元形状計測に要する時間を大幅に短縮することができ、上記計測をより短時間で効率的に行うことができる。
【００５８】
また、測定位置に対する露光開始位置を、平均移動速度Ｖと露光パルス出力時間ｗの半分の時間との積により求められる距離だけ手前の位置に集光点Ｆが到達するときと設定し、かつ、露光パルスの出力時間を一定時間ｗとしたので、各測定位置において、露光位置を往動時と復動時とで略一致させることができると共に、集光点Ｆの移動速度が変動しても、各測定位置毎の輝度レベルの大小関係を適正に比較することができ、被測定物Ｇの三次元形状を正確に測定することができる。
【００５９】
さらに、輝度レベルのピーク位置を算出するにあたって、上記のような補間演算を行うようにしたから、計測精度を高いものにすることができる。
【００６０】
なお、本発明は、上記実施形態に限らず、以下の変形形態を採用することができる。
【００６１】
上記第１実施形態の三次元形状計測装置１は、図８において、ステップ♯１でスタートボタンが押圧されると、まもなくステップ♯５以降に示す本動作（以下、本スキャンという）を行うように構成されているが、このような本スキャンを行う前に被測定物Ｇの凡その三次元形状を計測するプリスキャンモードを設けてもよい。すなわち、例えば、被測定物Ｇの三次元形状を、本スキャン時におけるＺ軸方向の測定位置より大きな位置間隔で測定し、輝度レベルのピーク値近傍の位置を検出し、各高さ位置毎に集光点Ｆの移動範囲を狭めて、図９に示すように、本スキャン時においてその移動範囲（実線の部分）で集光点Ｆを移動させるようにしてもよい。これにより、集光点Ｆの移動距離が図９の点線に示す部分の長さだけ短くなり、上記プリスキャンを行う時間を考慮に入れても、計測に要する測定時間が大幅に短縮される。また、この点線部分においては測定動作を行わないから、本スキャン時に扱うデータ数が大幅に減り、ディジタル信号処理部９０のメモリ９１等を容量の小さいものにすることができる。
【００６２】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、光学系を被測定物に近接させる第１の移動と被測定物から離隔させる第２の移動とを上記光学系の光軸方向に対して垂直な方向の相対移動を挟んで交互に行い、この両移動において、上記被測定物の表面形状を示す光軸方向の位置座標を算出するようにしたから、各高さ位置毎に、光学系を被測定対象物に対して一方方向に移動させて被測定対象物表面の水平方向の位置座標の測定を行い、次の測定のための光学系を復帰させる期間には測定を行なわない装置に比べて、測定時間のロスが大幅に減り、測定効率を向上させることができる。
【００６３】
請求項２に記載の発明によれば、光学系の光軸上の相対移動における移動範囲を変更可能にしたから、光学系の無駄な移動を省くことができ、被測定物の表面の凹凸をより短時間で効率的に計測することができる。
【００６４】
請求項３、４に記載の発明によれば、各露光動作における露光時間の略中心が、対応する各露光位置を上記光学系が通過するタイミングとなり、露光期間中の光学系の位置が第１の移動時と第２の移動時とで略一致させることができる。よって、往動時のデータと復動時のデータとを同種のデータとして扱うことができ、被測定物の正確な表面の位置を計測することができる。
【００６５】
請求項５に記載の発明によれば、受光レベルが最大となる位置を補間演算により算出するようにしたから、被測定物の正確な表面の位置を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態に係る三次元形状計測装置の要部の概略説明図である。
【図２】 集光点の移動の軌跡を示す説明図である。
【図３】 三次元形状計測装置のブロック構成図である。
【図４】 タイミングパルスの出力タイミングの説明図である。
【図５】 タイミングパルスの出力終了タイミングをＺ軸上の位置で設定した場合に生じる問題点を示す説明図である。
【図６】 メモリの記憶方法の一例を示す概念図である。
【図７】 近似ピーク値を求めるときの説明図である。
【図８】 三次元形状計測装置の動作を示すフローチャート図である。
【図９】 他の実施形態における集光点の移動の軌跡を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 三次元形状計測装置
１０ 照明部
１１ レーザダイオード
１２ 照明光学系
２０ 投影光学系
２１’ フォーカスレンズ
２２ 第１モータ
２３ 第２モータ
２４ 位置検出器
２５ リニアスケール
２８ リミッタ
２６，２７ 第１、第２センサ
３０ 波形整形部
４０ 受光部
４１ リレー光学系
４２ ＣＣＤ
６０ カメラコントロール部
７０ モータ駆動部
８０ サブ演算制御部
８１ 第１カウンタ
８２ 第２カウンタ
９０ ディジタル信号処理部
１００メイン演算制御部
Ｇ 被測定物
Ｆ 集光点
Claims (5)
- 被測定物の照明光を生成する照明手段と、被測定物で反射された上記照明光を受光し、電気信号に変換して出力する光電変換手段と、上記照明手段と被測定物との間に設けられ、上記照明光を被測定物に射出するとともに、被測定物で反射された当該照明光を上記光電変換手段の受光面に導く光学系と、上記照明光の被測定物側の集光位置を光軸上で移動させるべく上記光学系を光軸上で相対移動させる第１の移動手段と、上記光学系の相対移動において、当該光学系が予め相対移動範囲内に所定のピッチで設定された複数の露光位置の各露光位置を通過するタイミングで上記光電変換手段の露光動作を繰り返し行わせる露光制御手段と、上記光電変換手段から時系列的に出力される複数の受光信号と各受光信号の露光位置とに基づいて上記被測定物の表面形状を示す光軸方向の位置座標を算出する演算手段と、上記被測定物と上記光学系とを光軸方向に対して垂直な方向に所定のピッチで相対移動させる第２の移動手段と、上記光学系の光軸方向の相対移動と上記光学系の光軸方向に対して垂直な方向の相対移動とを交互に行わせるように上記第１，第２の移動手段を制御する移動制御手段とを備えた三次元形状計測装置であって、上記光学系を被測定物に近接させる第１の移動と被測定物から離隔させる第２の移動とを上記光学系の光軸方向に対して垂直な方向の相対移動を挟んで交互に行わせ、両移動において、上記被測定物の表面形状を示す光軸方向の位置座標を算出することを特徴とする三次元形状計測装置。
- 上記光学系の光軸上の相対移動における移動範囲は変更可能になされていることを特徴とする請求項１に記載の三次元形状計測装置。
- 上記露光制御手段は、各露光動作における露光時間の略中心が、対応する各露光位置を上記光学系が通過するタイミングとなるように、上記光電変換手段の各露光動作の露光開始と露光終了とを制御するものであることを特徴とする請求項１または２に記載の三次元形状計測装置。
- 上記光学系の光軸上の位置を検出する位置検出手段と、予め設定された所定の露光時間を計測する計時手段とを備え、上記露光制御手段は、被測定物に近接させる第１の移動時においては上記照明光の集光位置が下記（１）式で算出される位置を通過するタイミングで露光を開始させ、被測定物から離隔させる第２の移動時においては上記照明光の集光位置が下記（２）式で算出される位置を通過するタイミングで露光を開始させるとともに、上記露光時間の計時を開始させ、上記計時手段で上記所定の露光時間が計測されると、当該露光を終了させることを特徴とする請求項３に記載の三次元形状計測装置。
Ｚi＝ｉ・ΔＺ−Ｖ・Ｔｅｘｐ／２ …（１）
Ｚi＝ｉ・ΔＺ＋Ｖ・Ｔｅｘｐ／２ …（２）
Ｚi：ｉ番目の露光位置
ΔＺ：露光位置のピッチ
Ｖ：光学系の移動速度
Ｔｅｘｐ：露光時間 - 上記演算手段は、上記光電変換手段から時系列的に出力される複数の受光信号の中から極大値の回りの複数個の受光信号を抽出し、これらの受光信号のレベルと各受光信号の露光位置とから補間演算により受光レベルが最大となる位置を上記被測定物の表面形状を示す光軸方向の位置座標として算出することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の三次元形状計測装置。
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