JP4335024B2 - ３次元形状測定方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば電子部品や機械加工部品などの被検査物の３次元形状を測定する３次元形状測定方法及びその装置に関する。

被検査物の物体表面の３次元形状を測定する方法のひとつにパターン投影法がある。このパターン投影法は、被検査物の物体表面に特定のパターン、例えば図１５に示すように互いに等間隔の明暗の縞パターン光Ｐを被検査物１の表面に投影し、この被検査物１の表面で様々な方向へ散乱した光のうちＲ方向の光（以下、散乱光Ｒと称する）を撮像する。この散乱光Ｒを撮像することにより図１６に示すような被検査物１の表面上に現れるパターン像の画像データが取得されるので、このパターン像の変形量から被検査物１の３次元形状が測定される。パターン投影法では、３次元形状測定の高分解能化を図るために、縞パターン光Ｐを被検査物１上に走査し、これによって取得される画像データの各画素毎に縞パターン光の各位相を求め、これら位相情報から被検査物１の３次元形状を測定することが行なわれている。このようなパターン投影法を用いた被検査物の表面形状の計測装置としては、例えば特許文献１がある。

図１７は一般的なパターン投影法を用いた３次元形状測定装置の構成図である。光源２から出力される光の光軸Ｌ_１上には、パターン板３を有する走査機構４と投影光学系５とが設けられている。これら走査機構４及び投影光学系５の光軸Ｌ_１は、被検査物１に対して投影角度αで配置されている。走査機構４のパターン板３には、互いに等間隔で形成された複数のスリットが形成されている。走査機構４は、パターン板３を光軸Ｌ_１に対して垂直方向Ｓに移動する。投影光学系５は、集光レンズ６と投影レンズ７とを有する。

被検査物１の上方には、結像光学系８と撮像装置９とが光軸Ｌ_２上に設けられている。結像光学系８は、対物レンズ１０と結像レンズ１１とを有する。撮像装置９としては、複数の撮像素子を２次元平面上に配列してなるＣＣＤを用いる。

投影された縞パターン像は被検査物１の表面で変形され、結像光学系８により撮像装置９の撮像面上に結像される。撮像装置９は、順次被検査物１の表面上のパターン像を撮像してその画像信号を出力する。

コンピュータ１２は、撮像装置９から順次出力された画像信号を取り込み、縞パターン光Ｐの各位相シフト量に対応する各画像データとして保存する。このコンピュータ１２は、各画像データ中における任意位置の画素（ｘ，ｙ）の輝度情報を求める。一般に、輝度値Ｉｉと位相φ(x,y)との関係は、次式により表わされる。

Ｉｉ(x,y)＝ａ(x,y)＋ｂ(x,y)・cos｛φ(x,y)＋δｉ｝ …（１）
但し、ａ(x,y)は輝度のオフセット成分、ｂ(x,y)はコントラスト成分、δｉはｉ番目の位相シフト量である。上記式（１）により位相シフト量δｉを例えば３回以上変化させて各輝度値Ｉｉ(x,y)を取得すれば、未知量である輝度のオフセット成分ａ(x,y)、コントラスト成分ｂ(x,y)、位相φ(x,y)を求めることができる。求められた位相φ(x,y)により被検査物１の高さ情報ｈ(x,y)は、
ｈ(x,y)＝（ｐ／sinα）・｛φ(x,y)＋２ｎπ｝／２π …（２）
により求められる。なお、ｐは縞パターン光Ｐのピッチ、αは縞パターン光Ｐの投影角度、ｎは次数である。従って、コンピュータ１２は、上記式（１）を演算して位相φ(x,y)を求め、次に上記式（２）を演算して各画素(x,y)の位置での高さ情報ｈ(x,y)を算出し、表示装置１３に高さ画像を表示する。

このようなパターン投影法では、２次元の被検査物１の表面上のパターン像から直接被検査物１の３次元形状情報を得るので、例えば触針式プローブ又は光プローブのようなポイント指示のセンサを利用した３次元形状測定と比較して３次元形状情報を素早く取得でき、かつ高速な３次元形状測定を行うことができる。３次元形状測定の高速化は、電子部品を始めとして精密化の進む機械加工部品等の３次元形状測定において非常に重要な項目であり、パターン投影法を適用する理由になっている。
特開２０００−９４４４号公報

例えば電子部品や機械加工部品などの被検査物１の３次元形状を測定する場合、被検査物の形状、材質、表面状態などは、多種多様である。このような被検査物１を撮像して取得された画像データ中では、例えば輝度分布においても種々の輝度値をとり、一定した輝度分布にならない。このため、被検査物１に照射する縞パターン光Ｐの光量によっては、被検査物１の表面上のパターン像に大きな明暗が生じる。そうすると、このパターン像を撮像して取得した画像データ中のある画素では、輝度飽和が生じることがある。輝度飽和が生じると、その画素において正確に位相φ(x,y)を検出できず、高さ情報ｈ(x,y)も算出することができなくなり、被検査物１の３次元形状の測定が不可能になる。このような３次元形状の測定が不可能になることを回避するためには、被検査物１に投影する縞パターン光Ｐの光量を小さくする必要があるが、光量を小さくし過ぎると、被検査物１表面上のパターン像が撮像装置９のノイズに埋もれて測定不可能になることがある。

又、縞パターン光Ｐは、明暗を有することから、被検査物１の表面上のある投影位置で輝度飽和を生ぜずに投影する光量が適正になったとしても、縞パターン光Ｐを被検査物１の表面上に位相シフトさせた場合、位相シフトしたある投影位置で輝度飽和が生じることもある。

このため、縞パターンＰを被検査物１の表面上に位相シフトさせた場合でも、輝度飽和が生じることなく、適正な光量に設定する必要があり、その設定作業に手間が掛かると共に、その調整に時間を要する。例えば電子部品や機械加工部品などの製造工程では、製品製造の能率化、歩留まりの向上を図っており、そのためにも被検査物１の３次元形状測定を自動化し、高速化する必要がある。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、被検査物に投影するパターンの光量を高速かつ適正に調整でき、安定した３次元形状の測定ができる３次元形状測定方法及びその装置を提供することを目的とする。

本発明は、被検査物に対して所定のパターン光を投影し、被検査物上に投影されたパターン像の変形量から被検査物の高さ情報を求める３次元形状測定方法において、少なくとも２つの光量毎に所定のパターン光を被検査物に対して投影し、かつ各光量毎にそれぞれ所定のパターン光を被検査物上に位相シフトさせて複数の位相シフト画像データを取得する第１の処理と、第１の処理により取得された複数の位相シフト画像データから輝度が飽和する画素以外の各画素のうちコントラストの良い各画素に基づいて被検査物の高さ情報を求める第２の処理とを有する３次元形状測定方法である。

本発明は、少なくとも２つの光量のうちいずれかの光量の光を出力する光源と、光源から出力された光を所定のパターン光に整形して被検査物に投影する投影光学系と、被検査物上に投影される所定のパターン光を位相シフトさせる走査機構と、被検査物上への所定のパターン光の走査投影により生じるパターン像を結像する結像光学系と、結像光学系により結像されたパターン像を撮像する撮像装置と、光源の各出力光量別に撮像装置から出力される画像信号を取り込み、被検査物上のパターン像のうち所定の各位相シフト量に対応する各パターン像の複数の位相シフト画像データを保存する記憶部と、記憶部に保存された複数の位相シフト画像データから輝度が飽和する画素以外の各画素のうちコントラストの良い各画素に基づいて被検査物の高さ情報を求める演算処理部とを具備した３次元形状測定装置である。

本発明は、被検査物に投影するパターンの光量を高速かつ適正に調整でき、安定した３次元形状の測定ができる３次元形状測定方法及びその装置を提供できる。

以下、本発明の第１の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、図１５乃至図１７と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。

図１は３次元形状測定装置の構成図である。投影光学系５及び結像光学系８は、図１７と同一構成である。コンピュータ２０は、光量コントローラ２１に対して光源２から出力される光の光量を互いに異なる第１の光量Ａと第２の光量Ｂとのいずれか一方に調光する調光切替え指示を発する。この光量コントローラ２１は、コンピュータ２０から発せられた第１の光量Ａ又は第２の光量Ｂの調光切替え指示を受けると、光源２に対する例えば印加電圧を制御して光源２から出力される光量を第１の光量Ａ又は第２の光量Ｂに調光する。

コンピュータ２０は、走査機構４に対して駆動指示を発する。この走査機構４は、コンピュータ２０からの駆動指令を受けてパターン板３を光軸Ｌ_１に対して垂直方向Ｓに移動し、被検査物１の表面上に投影される互いに等間隔の明暗の縞パターン光Ｐを所定の位相シフト量毎、例えば０［rad］、π／２［rad］、π［rad］、３π／２［rad］毎に位相シフトする。

コンピュータ２０は、被検査物１に対して縞パターン光Ｐを所定の位相シフト量毎に位相シフトして投影し、被検査物１上の各パターン像を撮像し、これら撮像により取得された複数の位相シフト画像データに基づいて被検査物１の高さ情報ｈ(x,y)を求める。このコンピュータ２０は、記憶部２２と、コントラスト算出部２３と、ゼロ設定部２４と、比較部２５と、高さ情報算出部２６とを有する。

記憶部２２は、第１の光量Ａで縞パターン光Ｐを被検査物１の表面上に投影し、かつ縞パターン光Ｐを所定の位相シフト量（例えば０［rad］、π／２［rad］、π［rad］、３π／２［rad］）毎に位相シフトしたときに撮像装置９の撮像により取得される複数の第１の位相シフト画像データと、第２の光量Ｂで縞パターン光Ｐを被検査物１の表面上に投影し、かつ縞パターン光Ｐを所定の同位相シフト量（例えば０［rad］、π／２［rad］、π［rad］、３π／２［rad］）毎に位相シフトしたときに撮像装置９の撮像により取得される複数の第２の位相シフト画像データとを保存する。

コントラスト算出部２３は、記憶部２２に保存されている複数の第１と第２の位相シフト画像データの各コントラストを各画素毎にそれぞれ求める。

ゼロ設定部２４は、記憶部２２に保存されている複数の第１と第２の位相シフト画像データ中の輝度が飽和している画素に対してコントラストを強制的にゼロに設定して当該画素を測定不能画素とする。

比較部２５は、コントラスト算出部２３とゼロ設定部２４により得られた各画素同士の各コントラストを比較する。

高さ情報算出部２６は、比較部２５の比較結果からコントラストのよい位相シフト画像データの各画素に対する各位相φ(x,y)を算出し、全ての各画素の各位相φ(x,y)を合成して被検査物１の高さ情報ｈ(x,y)に変換して表示装置１３に表示する。

次に、上記の如く構成された装置の動作について図２に示す３次元形状測定フローチャートに従って説明する。

コンピュータ２０には、光源２に対する予め明暗２段階の第１の光量Ａと第２の光量Ｂとが設定される。コンピュータ２０は、ステップ＃１において、第１の光量Ａの縞パターン光Ｐを所定の位相シフト量（例えば０［rad］、π／２［rad］、π［rad］、３π／２［rad］）毎に位相シフトしたときに例えば複数の第１の位相シフト画像データＩa1(x,y)〜Ｉa4(x,y)を取得し、ステップ＃２において、第２の光量Ｂの縞パターン光Ｐを所定の位相シフト量（例えば０［rad］、π／２［rad］、π［rad］、３π／２［rad］）毎に位相シフトしたときに例えば複数の第２の位相シフト画像データＩb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)を取得する。

具体的に、これら第１及び第２の位相シフト画像データＩa1(x,y)〜Ｉa4(x,y)、Ｉb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)は、図３に示す画像取得ステップ「１」〜「８」に従って取得される。先ず、画像取得ステップ「１」において、コンピュータ２０は、光量コントローラ２１に対して第１の光量Ａの調光切替え指示を発し、かつ走査機構４に対して位相シフト量０［rad］の駆動指示を発する。これにより、光源２は、第１の光量Ａの光を出力する。走査機構４は、例えば現在のパターン板３の位置を初期位置として位相シフト量０［rad］とする。

この状態で、光源２から光が出力されると、この光は、パターン板３の各スリットを通過することにより互いに等間隔の明暗の縞パターン光Ｐに整形され、投影光学系５を通して被検査物１の表面に対して斜め上方から投影される。この縞パターン光Ｐの投影により被検査物１の表面上に現れるパターン像は、結像光学系８により撮像装置９の撮像面９ａ上に結像される。この撮像装置９は、被検査物１の表面上のパターン像を撮像してその画像信号を出力する。コンピュータ２０は、撮像装置９から出力された画像信号を取り込み、縞パターン光Ｐの位相シフト量０［rad］に対応する第１の位相シフト画像データＩa1(x,y)として記憶部２２に保存する。

次に、画像取得ステップ「２」において、コンピュータ２０は、光量コントローラ２１に対して第２の光量Ｂの調光切替え指示を発する、これにより、光源２は、第２の光量Ｂの光を出力する。なお、走査機構４は、パターン板３の位置を位相シフト量０［rad］の初期位置を維持する。この状態で、光源２から第２の光量Ｂの光が出力されると、コンピュータ２０は、上記同様に、第２の光量Ｂで、かつ縞パターン光Ｐの位相シフト量０［rad］に対応する第２の位相シフト画像データＩb1(x,y)を取得して記憶部２２に保存する。

次に、画像取得ステップ「３」において、コンピュータ２０は、第２の光量Ｂの調光切替え指示を維持し、走査機構４に対して位相シフト量π／２［rad］の駆動指示を発する。これにより、走査機構４は、パターン板３を初期位置から位相シフト量π／２［rad］に対応する距離だけ光軸Ｌ_１に対して垂直方向Ｓに移動する。この状態で、光源２から第２の光量Ｂの光が出力されると、コンピュータ２０は、上記同様に、第２の光量Ｂで、かつ縞パターン光Ｐの位相シフト量π／２［rad］に対応する第２の位相シフト画像データＩb2(x,y)を取得して記憶部２２に保存する。

以下、上記同様に、コンピュータ２０は、図３に示すように各画像取得ステップ「４〜８」のうち各画像取得ステップ「４、５、８」において第１の光量Ａの調光切替え指示を光量コントローラ２１に対して発し、各画像取得ステップ「６、７」において第２の光量Ｂの調光切替え指示を光量コントローラ２１に対して発する。

又、コンピュータ２０は、画像取得ステップ「４」において位相シフト量π／２［rad］の駆動指示を発し、各画像取得ステップ「５、６」において位相シフト量π［rad］の駆動指示を発し、画像取得ステップ「７、８」において位相シフト量３π／２［rad］の駆動指示を発する。

これにより、コンピュータ２０は、第１の光量Ａと第２の光量Ｂとにおいて位相シフト量をπ／２［rad］、π［rad］、３π／２［rad］に変化したときの各第１の位相シフト画像データＩa2(x,y)、Ｉa3(x,y)、Ｉa4(x,y)及び各第２の位相シフト画像データＩb3(x,y)、Ｉb4(x,y)を順次取得して記憶部２２に保存する。なお、これら第１の位相シフト画像データＩa1(x,y)〜Ｉa4(x,y)及び第２の位相シフト画像データＩb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)は、それぞれ４枚づつに限らず、複数毎Ｉa1(x,y)〜Ｉan(x,y)、Ｉb1(x,y)〜Ｉbn(x,y)取得してもよい。ここで、ｎ＝１，２，３，…，ｎである。

次に、コンピュータ２０のコントラスト算出部２３は、ステップ＃３において、記憶部２２に保存されている各第１の位相シフト画像データＩa1(x,y)〜Ｉa4(x,y)を読み出し、次式（３）を用いて各画素のコントラストＣａ(x,y)を算出する。

Ｃａ(x,y)＝［２×｛（Ｉa1−Ｉa3）^２＋（Ｉa2−Ｉa4）^２｝^１／２
÷（Ｉa1＋Ｉa2＋Ｉa3＋Ｉa4） …（３）
次に、コンピュータ２０のゼロ設定部２４は、ステップ＃４において、各第１の位相シフト画像データＩa1(x,y)〜Ｉa4(x,y)の各画素の輝度データに輝度飽和があるか否かを判断し、輝度が飽和している画素のコントラストＣａ(x,y)を強制的にゼロ（Ｃａ(x,y)＝０）に設定する。

コントラスト算出部２３は、各ステップ＃３、＃４の実行と共に、ステップ＃５において、記憶部２２に保存されている各第２の位相シフト画像データＩb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)を読み出し、次式（４）を用いて各画素のコントラストＣｂ(x,y)を算出する。

Ｃｂ(x,y)＝［２×｛（Ｉb1−Ｉb3）^２＋（Ｉb2−Ｉb4）^２｝^１／２
÷（Ｉb1＋Ｉb2＋Ｉb3＋Ｉb4） …（４）
次に、ゼロ設定部２４は、ステップ＃６において、各第２の位相シフト画像データＩb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)の各画素の輝度データに輝度飽和があるか否かを判断し、輝度が飽和している画素のコントラストＣｂ(x,y)を強制的にゼロ（Ｃｂ(x,y)＝０）に設定する。

次に、比較部２５は、ステップ＃７、＃８において、各画素同士の各コントラストＣａ(x,y)とＣｂ(x,y)とを比較する。

具体的に、比較部２５は、ステップ＃７において、第１の光量Ａと第２の光量Ｂとの各コントラストＣａ(x,y)とＣｂ(x,y)とを比較し、第１の光量ＡのコントラストＣａ(x,y)が第２の光量ＢのコントラストＣｂ(x,y)よりも大きければ、ケース「１」としてステップ＃９に進み、反対に第１の光量ＡのコントラストＣａ(x,y)が第２の光量ＢのコントラストＣｂ(x,y)よりも小さければ、ステップ＃８に進む。このステップ＃８において比較部２５は、第２の光量ＢのコントラストＣｂ(x,y)が「０」以上であるか否かを判断し、「０」以上であれば、ケース「２」としてステップ＃１０に進み、「０」以下であれば、ケース「３」としてステップ＃１１に進む。

このような比較の結果、ケース「１」であれば、高さ情報算出部２６は、ステップ＃９において、各第１の位相シフト画像データＩa1(x,y)〜Ｉa4(x,y)を読み出し、これら画像データＩa1(x,y)〜Ｉa4(x,y)及び次式（５）を用いて各画素ごとに各位相φ(x,y)を算出する。

φ(x,y)＝arctan｛（Ｉa4−Ｉa2）／（Ｉa1−Ｉa3）｝ …（５）
ケース「２」であれば、高さ情報算出部２６は、ステップ＃１０において、各第２の位相シフト画像データＩb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)を読み出し、これら画像データＩb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)及び次式（６）を用いて各画素ごとに各位相φ(x,y)を算出する。

φ(x,y)＝arctan｛（Ｉb4−Ｉb2）／（Ｉb1−Ｉb3）｝ …（６）
ケース「３」は、第１の光量Ａによる画素のコントラストＣａ(x,y)と第２の光量Ｂによる画素のコントラストＣｂ(x,y)とが共にゼロ（Ｃａ(x,y)＝Ｃａ(x,y)＝０）の場合であり、ゼロ設定部２４は、ステップ＃１１において、当該画素に対しては位相φを算出できないので間違った測定結果を出力することを回避するために、当該画素を測定不能画素として位相にマスク処理を行う。

次に、高さ情報算出部２６は、ステップ＃１２において、全ての画素について位相φ(x,y)の算出が終了したか否かを判断し、終了していなければ、上記ステップ＃７〜＃１１を繰り返す。全ての画素について位相φ(x,y)が算出されると、高さ情報算出部２６は、ステップ＃１３に移り、全ての各画素の各位相φ(x,y)を合成し、次のステップ＃１４において、各位相φ(x,y)を位相接続し、被検査物１の高さ情報ｈ(x,y)に変換する。この被検査物１の高さ情報ｈ(x,y)は、表示装置１３に表示される。

このように上記第１の実施の形態によれば、第１の光量Ａと第２の光量Ｂとの各縞パターン光Ｐを所定の位相シフト量毎、例えば０［rad］、π／２［rad］、π［rad］、３π／２［rad］毎に位相シフトして被検査物１の表面上に投影して第１と第２の位相シフト画像データＩa1(x,y)〜Ｉa4(x,y)、Ｉb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)を取得し、これら位相シフト画像データから輝度が飽和する画素のコントラストを強制的にゼロに設定し、それ以外の各画素のうちコントラストの良い各画素に基づいて被検査物１の高さ情報ｈ(x,y)を算出する。

これにより、第１と第２の位相シフト画像データＩa1(x,y)〜Ｉa4(x,y)、Ｉb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)中の輝度飽和が生じた画素を用いることなく、適正な光量で縞パターン光Ｐが投影されたコントラストの良い各画素を用いることにより、自動的に全ての測定領域内において高精度に被検査物１の高さ情報ｈ(x,y)を算出できる。又、被検査物１に投影する縞パターン光Ｐの光量を調整する作業がないので、光量の設定作業及びその調整に時間を要することがなくなり、被検査物１の３次元形状測定を高速化できる。これにより、例えば電子部品や機械加工部品などの製造工程において製品製造を能率化でき、かつ歩留まりを向上できる。

位相シフト画像データから輝度が飽和する画素のコントラストを強制的にゼロ（Ｃａ(x,y)＝Ｃａ(x,y)＝０）に設定しているので、これらコントラストＣａ(x,y)、Ｃｂ(x,y)の大小関係を判断する各ステップ＃７、８を実行するだけで、輝度飽和している画素のコントラストの使用を回避でき、コンピュータ２０での処理アルゴリズムを簡単化でき、被検査物１の高さ情報ｈ(x,y)の算出処理時間を短縮できる。又、第１の光量Ａ及び第２の光量Ｂの両方の第１と第２の位相シフト画像データＩa1(x,y)〜Ｉa4(x,y)、Ｉb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)において輝度飽和する画素のコントラストを強制的にゼロに設定して位相にマスク処理するので、間違った被検査物１の高さ情報ｈ(x,y)の測定結果を表示出力することがなく、測定結果の信頼性を向上できる。

第１と第２の位相シフト画像データＩa1(x,y)〜Ｉa4(x,y)、Ｉb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)のうち第１の光量Ａと第２の光量Ｂとのように光量は異なっても同一位相シフト量（例えば０［rad］）で各位相シフト画像データＩa1(x,y)、Ｉb1(x,y)を取得するときは、パターン板３を移動しないので、第１の光量Ａと第２の光量Ｂとから算出される初期の位相φ(x,y)は、同一値になり、位相φ(x,y)を合成するときに位相ずれを生じることがない。

次に、本発明の第２の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、投影光学系５及び結像光学系８は、図１と同一構成であり、コンピュータ２０の構成について説明する。又、図１５乃至図１７と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。

図４は３次元形状測定装置におけるコンピュータ２０のブロック構成図である。コンピュータ２０は、記憶部２２と、コントラスト算出部２３と、輝度判断部２７と、比較部２８と、高さ情報算出部２６とを有する。

輝度判断部２７は、第１と第２の位相シフト画像データＩa1(x,y)〜Ｉa4(x,y)、Ｉb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)のうち輝度が飽和する画素を有しない各位相シフト画像データを判断する。

比較部２８は、輝度判断部２７により判断された輝度飽和の画素を有しない第１と第２の位相シフト画像データＩa1(x,y)〜Ｉa4(x,y)、Ｉb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)からコントラスト算出部２３で算出した各画素の各コントラストＣａ(x,y)とＣｂ(x,y)とを比較する。

コンピュータ２０は、輝度飽和の画素を有しない第１と第２の位相シフト画像データを判断し、これら第１と第２の位相シフト画像データに対して比較を行うので、輝度飽和している画素に対して位相φ(x,y)の算出を行わないものとなる。

次に、上記の如く構成された装置の動作について図５に示す３次元形状測定フローチャートに従って説明する。

コンピュータ２０には、予め光源２に対する第１の光量Ａと第２の光量Ｂとが設定される。コンピュータ２０は、上記同様に、ステップ＃１において、第１の光量Ａの縞パターン光Ｐを所定の位相シフト量（例えば０［rad］、π／２［rad］、π［rad］、３π／２［rad］）毎に位相シフトしたときに例えば複数の第１の位相シフト画像データＩa1(x,y)〜Ｉa4(x,y)を取得して記憶部２２に保存する。

これと共にコンピュータ２０は、ステップ＃２において、第２の光量Ｂの縞パターン光Ｐを所定の位相シフト量（例えば０［rad］、π／２［rad］、π［rad］、３π／２［rad］）毎に位相シフトしたときに例えば複数の第２の位相シフト画像データＩb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)を取得して記憶部２２に保存する。なお、これら第１の位相シフト画像データＩa1(x,y)〜Ｉa4(x,y)及び第２の位相シフト画像データＩb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)は、それぞれ４枚づつに限らず、複数毎Ｉa1(x,y)〜Ｉan(x,y)、Ｉb1(x,y)〜Ｉbn(x,y)取得してもよい。

次に、輝度判断部２７は、ステップ＃２０において、第１の位相シフト画像データＩa1(x,y)〜Ｉa4(x,y)に輝度の飽和する画素が含まれるか否かを判断する。この判断の結果、輝度の飽和する画素が含まれなければ、輝度判断部２７は、ステップ＃２１に移り、第２の位相シフト画像データＩb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)に輝度の飽和する画素が含まれるか否かを判断する。

この判断の結果、輝度飽和する画素が含まれなければ、すなわち第１の位相シフト画像データＩa1(x,y)〜Ｉa4(x,y)及び第２の位相シフト画像データＩb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)の両方に輝度飽和する画素が含まれなければ、比較部２５は、ステップ＃７に移り、第１の光量Ａと第２の光量Ｂとの各コントラストＣａ(x,y)とＣｂ(x,y)とを比較し、第１の光量ＡのコントラストＣａ(x,y)が第２の光量ＢのコントラストＣｂ(x,y)よりも大きければ、ケース「１」としてステップ＃９に進み、反対に第１の光量ＡのコントラストＣａ(x,y)が第２の光量ＢのコントラストＣｂ(x,y)よりも小さければ、ケース「２」としてステップ＃１０に進む。

上記ステップ＃２１の判断の結果、第２の位相シフト画像データＩb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)に輝度の飽和する画素が含まれていると判断すると、輝度判断部２７は、ステップ＃２０からケース「１」としてステップ＃９に移る。

上記ステップ＃２０の判断の結果、第１の位相シフト画像データＩa1(x,y)〜Ｉa4(x,y)に輝度の飽和する画素が含まれていると判断すると、輝度判断部２７は、ステップ＃２１からステップ＃２２に移り、第２の位相シフト画像データＩb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)に輝度飽和する画素が含まれているか否かを判断する。この判断の結果、輝度飽和する画素が含まれていないと判断すれば、輝度判断部２７は、ケース「２」としてステップ＃１０に移る。又、輝度飽和する画素が含まれていると判断すると、輝度判断部２７は、ケース「３」としてステップ＃１１に移る。

これ以降、上記第１の実施の形態と同様に、ケース「１」の場合、高さ情報算出部２６は、ステップ＃９において、各第１の位相シフト画像データＩa1(x,y)〜Ｉa4(x,y)を読み出し、これら画像データＩa1(x,y)〜Ｉa4(x,y)及び上記式（５）を用いて各画素ごとに各位相φ(x,y)を算出する。

ケース「２」の場合、高さ情報算出部２６は、ステップ＃１０において、各第２の位相シフト画像データＩb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)を読み出し、これら画像データＩb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)及び上記式（６）を用いて各画素ごとに各位相φ(x,y)を算出する。

ケース「３」の場合、第１の位相シフト画像データＩa1(x,y)〜Ｉa4(x,y)及び第２の位相シフト画像データＩb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)に輝度飽和している画素を有してするので、高さ情報算出部２６は、ステップ＃１１において、当該画素に対しては位相φを算出できないので間違った測定結果を出力することを回避するために、当該画素を測定不能画素として位相にマスク処理を行う。

次に、高さ情報算出部２６は、ステップ＃１２において、全ての画素について位相φ(x,y)の算出が終了したか否かを判断し、終了していなければ、上記ステップ＃２０、＃２１、…、＃１１を繰り返す。全ての画素について位相φ(x,y)が算出されると、高さ情報算出部２６は、ステップ＃１３に移り、全ての各画素の各位相φ(x,y)を合成し、次のステップ＃１４において、各位相φ(x,y)を位相接続し、被検査物１の高さ情報ｈ(x,y)に変換する。この被検査物１の高さ情報ｈ(x,y)は、表示装置１３に高さ画像が表示される。

このように上記第２の実施の形態によれば、輝度飽和の画素を有しない第１と第２の位相シフト画像データを判断し、これら第１と第２の位相シフト画像データに対して比較を行い、輝度飽和している画素に対して位相φ(x,y)の算出を行わない。このような輝度飽和している画素の有無の判断を行っても、その判断結果は、上記第１の実施の形態と同様に各ケース「１」〜「３」のいずれかに判断されるので、上記第１の実施の形態と同様の効果を奏することができる。

次に、本発明の第３の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、投影光学系５及び結像光学系８は、図１と同一構成であり、その同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。

図６は３次元形状測定装置の構成図である。光源２から出力される光の光軸Ｌ_１上における光源２と走査機構４との間には、フィルタ切替え装置３０が設けられている。このフィルタ切替え装置３０は、コンピュータ２０から発せられる調光切替え指示を受けて互いに異なる２つの減光率を有するＮＤ（減光）フィルタ３１を光軸Ｌ_１上に切り替える。このＮＤフィルタ３１は、光源２から出力された光の光量を第１の光量Ａと第２の光量Ｂとに調光する各減光率を有する各フィルタ部分から構成されている。

コンピュータ２０は、図１に示すように記憶部２２と、コントラスト算出部２３と、ゼロ設定部２４と、比較部２５と、高さ情報算出部２６とを有するか、又は図４に示すように記憶部２２と、コントラスト算出部２３と、輝度判断部２７と、比較部２８と、高さ情報算出部２６とを有するかのいずれであってもよい。

次に、上記の如く構成された装置における第１及び第２の位相シフト画像データの取得動作について説明する。

光源２は、一定のランプ点灯電圧が印加され、一定光量の光を出力する。

コンピュータ２０には、予め光源２に対する明暗２段階の第１の光量Ａと第２の光量Ｂとに調光する旨が設定される。コンピュータ２０は、図３に示す画像取得ステップ「１」において、コンピュータ２０は、フィルタ切替え装置３０に対して第１の光量Ａの調光切替え指示を発し、かつ走査機構４に対して位相シフト量０［rad］の駆動指示を発する。フィルタ切替え装置３０は、ＮＤフィルタ３１を第１の光量Ａに調光する部分を光軸Ｌ_１上に挿入する。これにより、光源２から出力された光の光量は、第１の光量Ａに調光される。一方、走査機構４は、例えば現在のパターン板３の位置を初期位置として位相シフト量０［rad］とする。これにより、上記同様に、撮像装置９は、縞パターン光Ｐが投影された被検査物１の表面上のパターン像を撮像してその画像信号を出力する。コンピュータ２０は、撮像装置９から出力された画像信号を取り込み、縞パターン光Ｐの位相シフト量０［rad］に対応する第１の位相シフト画像データＩa1(x,y)として記憶部２２に保存する。

次に、画像取得ステップ「２」において、コンピュータ２０は、フィルタ切替え装置３０に対して第２の光量Ｂの調光切替え指示を発する。これにより、フィルタ切替え装置３０は、ＮＤフィルタ３１を第２の光量Ｂに調光する部分を光軸Ｌ_１上に挿入する。これにより、光源２から出力された光の光量は第２の光量Ｂに調光される。走査機構４は、パターン板３の位置を位相シフト量０［rad］の初期位置に維持する。この状態であれば、コンピュータ２０は、上記同様に、第２の光量Ｂで、かつ縞パターン光Ｐの位相シフト量０［rad］に対応する第２の位相シフト画像データＩb1(x,y)を取得して記憶部２２に保存する。

次に、画像取得ステップ「３」において、コンピュータ２０は、第２の光量Ｂの調光切替え指示を維持し、走査機構４に対して位相シフト量π／２［rad］の駆動指示を発する。これにより、走査機構４は、パターン板３を初期位置から位相シフト量π／２［rad］に対応する距離だけ光軸Ｌ_１に対して垂直方向Ｓに移動する。この状態であれば、コンピュータ２０は、上記同様に、第２の光量Ｂで、かつ縞パターン光Ｐの位相シフト量π／２［rad］に対応する第２の位相シフト画像データＩb2(x,y)を取得して記憶部２２に保存する。

以下、上記同様に、コンピュータ２０は、図３に示すように各画像取得ステップ「４〜８」のうち各画像取得ステップ「４、５、８」において第１の光量Ａの調光切替え指示をフィルタ切替え装置３０に対して発し、各画像取得ステップ「６、７」において第２の光量Ｂの調光切替え指示をフィルタ切替え装置３０に対して発する。

又、コンピュータ２０は、画像取得ステップ「４」において位相シフト量π／２［rad］の駆動指示を発し、各画像取得ステップ「５、６」において位相シフト量π［rad］の駆動指示を発し、画像取得ステップ「７、８」において位相シフト量３π／２［rad］の駆動指示を発する。

これにより、コンピュータ２０は、第１の光量Ａと第２の光量Ｂとにおいて位相シフト量をπ／２［rad］、π［rad］、３π／２［rad］に変化したときの各第１の位相シフト画像データＩa2(x,y)、Ｉa3(x,y)、Ｉa4(x,y)及び各第２の位相シフト画像データＩb3(x,y)、Ｉb4(x,y)を順次取得して記憶部２２に保存する。

コンピュータ２０は、複数の第１の位相シフト画像データＩa1(x,y)〜Ｉa4(x,y)及び複数の第２の位相シフト画像データＩb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)を保存すると、図２に示すステップ＃４、ステップ＃６〜＃１４を実行して被検査物１の高さ情報ｈ(x,y)を求める。又はコンピュータ２０は、図５に示すステップ＃２０〜＃２２、ステップ＃７、ステップ＃９〜＃１４を実行して被検査物１の高さ情報ｈ(x,y)を求める。

このように上記第３の実施の形態によれば、上記第１及び第２の実施の形態と同様の効果を奏することは言うまでもなく、ＮＤフィルタ３１を光軸Ｌ_１上に挿脱して、光源２から出力された光の光量を第１の光量Ａと第２の光量Ｂとに調光するので、光源２には一定のランプ点灯電圧を印加すれば良く、光源２から出力される光量の安定度を高くできる。これにより、最終的に測定される被検査物１の高さ情報ｈ(x,y)に光量の変動によるノイズ成分を低減でき、被検査物１の高さ情報ｈ(x,y)の測定精度を高くできる。

なお、フィルタ切替え装置３０は、光源２と走査機構４との間に限らず、投影光学系５又は結像光学系８の各光軸上であれば、どこに設けてもよい。

又、第１の光量Ａと第２の光量Ｂとにより第１の位相シフト画像データＩa1(x,y)〜Ｉa4(x,y)と第２の位相シフト画像データＩb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)とを取得する方法としては、撮像装置９の受光増幅率を変化させて取得する方法を用いてもよい。

次に、本発明の第４の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、投影光学系５及び結像光学系８は、図１と同一構成であり、その同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。

図７は３次元形状測定装置のコンピュータ２０における位相シフト画像データの画像取得ステップを示す図である。コンピュータ２０は、当該位相シフト画像データの画像取得ステップに従って位相シフト画像データを取得する。

先ず、画像取得ステップ「１」において、コンピュータ２０は、光量コントローラ２１に対して第１の光量Ａの調光切替え指示を発し、かつ走査機構４に対して位相シフト量０［rad］の駆動指示を発する。これにより、光源２は、第１の光量Ａの光を出力する。走査機構４は、例えば現在のパターン板３の位置を初期位置として位相シフト量０［rad］とする。これにより、上記同様に、撮像装置９は、縞パターン光Ｐが投影された被検査物１の表面上のパターン像を撮像してその画像信号を出力する。コンピュータ２０は、撮像装置９から出力された画像信号を取り込み、縞パターン光Ｐの位相シフト量０［rad］に対応する第１の位相シフト画像データＩa1(x,y)を記憶部２２に保存する。

次に、画像取得ステップ「２」において、コンピュータ２０は、光量コントローラ２１に対する第１の光量Ａの調光切替え指示を保持した状態で、走査機構４に対して位相シフト量π／２［rad］の駆動指示を発する。これにより、上記同様に、コンピュータ２０は、撮像装置９から出力された画像信号を取り込み、縞パターン光Ｐの位相シフト量π／２［rad］に対応する第１の位相シフト画像データＩa2(x,y)を記憶部２２に保存する。

以下、同様に、画像取得ステップ「３、４」において、コンピュータ２０は、光量コントローラ２１に対する第１の光量Ａの調光切替え指示を保持した状態で、走査機構４に対して位相シフト量π［rad］、３π／２［rad］の各駆動指示を順次発する。これにより、上記同様に、コンピュータ２０は、撮像装置９から出力された画像信号を取り込み、縞パターン光Ｐの位相シフト量π／２［rad］、３π／２［rad］に対応する各第１の位相シフト画像データＩa3(x,y)、Ｉa4(x,y)を記憶部２２に順次保存する。

次に、画像取得ステップ「５」において、コンピュータ２０は、光量コントローラ２１に対して第２の光量Ｂの調光切替え指示を発し、かつ走査機構４に対して位相シフト量０［rad］の駆動指示を発する。これにより、光源２は、第２の光量Ｂの光を出力する。走査機構４は、パターン板３の位置を初期位置の位相シフト量０［rad］に戻す。これにより、上記同様に、撮像装置９は、縞パターン光Ｐが投影された被検査物１の表面上のパターン像を撮像してその画像信号を出力する。コンピュータ２０は、撮像装置９から出力された画像信号を取り込み、縞パターン光Ｐの位相シフト量０［rad］に対応する第２の位相シフト画像データＩb1(x,y)を記憶部２２に保存する。

次に、画像取得ステップ「６」において、コンピュータ２０は、光量コントローラ２１に対する第２の光量Ｂの調光切替え指示を保持した状態で、走査機構４に対して位相シフト量π／２［rad］の駆動指示を発する。これにより、上記同様に、コンピュータ２０は、撮像装置９から出力された画像信号を取り込み、縞パターン光Ｐの位相シフト量π／２［rad］に対応する第２の位相シフト画像データＩb2(x,y)を記憶部２２に保存する。

以下、同様に、画像取得ステップ「７、８」において、コンピュータ２０は、光量コントローラ２１に対する第２の光量Ｂの調光切替え指示を保持した状態で、走査機構４に対して位相シフト量π［rad］、３π／２［rad］の各駆動指示を順次発する。これにより、上記同様に、コンピュータ２０は、撮像装置９から出力された画像信号を取り込み、縞パターン光Ｐの位相シフト量π／２［rad］、３π／２［rad］に対応する各第２の位相シフト画像データＩb3(x,y)、Ｉb4(x,y)を記憶部２２に順次保存する。

なお、これら第１の位相シフト画像データＩa1(x,y)〜Ｉa4(x,y)及び第２の位相シフト画像データＩb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)は、それぞれ４枚づつに限らず、複数毎Ｉa1(x,y)〜Ｉan(x,y)、Ｉb1(x,y)〜Ｉbn(x,y)取得してもよいことは言うまでもない。

コンピュータ２０は、複数の第１の位相シフト画像データＩa1(x,y)〜Ｉa4(x,y)及び複数の第２の位相シフト画像データＩb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)を保存すると、図２に示すステップ＃４、ステップ＃６〜＃１４を実行して被検査物１の高さ情報ｈ(x,y)を求める。又はコンピュータ２０は、図５に示すステップ＃２０〜＃２２、ステップ＃７、ステップ＃９〜＃１４を実行して被検査物１の高さ情報ｈ(x,y)を求める。

このように上記第４の実施の形態によれば、上記第１乃至第３の実施の形態と同様の効果を奏することは言うまでもなく、第１の光量Ａ又は第２の光量Ｂを変更せずに一定に制御した状態で、それぞれ縞パターン光Ｐの位相シフト量を０、π／２［rad］、π［rad］、３π／２［rad］に変化させるので、光源２に印加するランプ点灯電圧を一定に制御した状態で一連の第１の位相シフト画像データＩa1(x,y)〜Ｉa4(x,y)を取得でき、かつ一連の第２の位相シフト画像データＩb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)を取得できる。これにより、光源２から出力される光量の安定度を高くで、最終的に測定される被検査物１の高さ情報ｈ(x,y)に光量の変動によるノイズ成分を低減でき、被検査物１の高さ情報ｈ(x,y)の測定精度を高くできる。

一方、図７に示す位相シフト画像データの画像取得ステップは、図６に示す３次元形状測定装置にも適用できる。すなわち、画像取得ステップ「１」において、コンピュータ２０は、フィルタ切替え装置３０に対して第１の光量Ａの調光切替え指示を発し、かつ走査機構４に対して位相シフト量０［rad］の駆動指示を発する。これにより、光源２から出力された光は、ＮＤフィルタ３１を透過することにより第１の光量Ａの光に調光される。又、走査機構４は、例えば現在のパターン板３の位置を初期位置として位相シフト量０［rad］とする。これにより、上記同様に、撮像装置９は、縞パターン光Ｐが投影された被検査物１の表面上のパターン像を撮像してその画像信号を出力する。コンピュータ２０は、撮像装置９から出力された画像信号を取り込み、縞パターン光Ｐの位相シフト量０［rad］に対応する第１の位相シフト画像データＩa1(x,y)を記憶部２２に保存する。

以下、画像取得ステップ「２、３、４」において、コンピュータ２０は、フィルタ切替え装置３０に対する第１の光量Ａの調光切替え指示を保持した状態で、走査機構４に対して位相シフト量π／２［rad］、π［rad］、３π／２［rad］の各駆動指示を順次発する。これにより、上記同様に、コンピュータ２０は、撮像装置９から出力された画像信号を取り込み、縞パターン光Ｐの位相シフト量π／２［rad］、π［rad］、３π／２［rad］に対応する各第１の位相シフト画像データＩa3(x,y)、Ｉa4(x,y)を記憶部２２に順次保存する。

次に、画像取得ステップ「５」において、コンピュータ２０は、フィルタ切替え装置３０に対して第２の光量Ｂの調光切替え指示を発し、かつ走査機構４に対して位相シフト量０［rad］の駆動指示を発する。これにより、光源２から出力された光は、第２の光量Ｂに調光される。又、走査機構４は、パターン板３の位置を初期位置の位相シフト量０［rad］に戻す。これにより、上記同様に、コンピュータ２０は、撮像装置９から出力された画像信号を取り込み、縞パターン光Ｐの位相シフト量０［rad］に対応する第２の位相シフト画像データＩb1(x,y)を記憶部２２に保存する。

以下、画像取得ステップ「６、７、８、９」において、コンピュータ２０は、フィルタ切替え装置３０に対する第２の光量Ｂの調光切替え指示を保持した状態で、走査機構４に対して位相シフト量π／２［rad］、π［rad］、３π／２［rad］の各駆動指示を順次発する。これにより、上記同様に、コンピュータ２０は、撮像装置９から出力された画像信号を取り込み、縞パターン光Ｐの位相シフト量π／２［rad］、π［rad］、３π／２［rad］に対応する各第２の位相シフト画像データＩb3(x,y)、Ｉb4(x,y)を記憶部２２に順次保存する。

コンピュータ２０は、複数の第１の位相シフト画像データＩa1(x,y)〜Ｉa4(x,y)及び複数の第２の位相シフト画像データＩb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)を保存すると、図２に示すステップ＃４、ステップ＃６〜＃１４を実行して被検査物１の高さ情報ｈ(x,y)を求める。又はコンピュータ２０は、図５に示すステップ＃２０〜＃２２、ステップ＃７、ステップ＃９〜＃１４を実行して被検査物１の高さ情報ｈ(x,y)を求める。

また、上述した実施の形態では、画像取得ステップ「５」において、走査機構４は、パターン板３の位置を初期位置の位相シフト量０［rad］に戻していたが、これに限られるものではない。例えば、画像取得ステップ「５」において、位相シフト量を０［rad］に戻さずに、画像取得ステップ「４」のときの位相シフト量３π／２［rad］を維持するようにし、残りの画像取得ステップ「６、７、８」において、π［rad］、π／２［rad］、０［rad］とするようにしても良い。

次に、本発明の第５の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、投影光学系５及び結像光学系８は、図１と同一構成であり、その同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。

コンピュータ２０には、互いに異なる複数の光量（複数段階の光量）「１」〜「ｍ」が予め設定され、これら光量「１」〜「ｍ」の各調光切替え指示を光量コントローラ２１に発する。コンピュータ２０は、図１と同様に、記憶部２２と、コントラスト算出部２３と、輝度判断部２７と、比較部２８と、高さ情報算出部２６とを有する。

次に、上記の如く構成された装置の動作について図８に示す３次元形状測定フローチャートに従って説明する。

コンピュータ２０は、ステップ＃３０において、第１の光量「１」の縞パターン光Ｐを所定の位相シフト量（例えば０［rad］、π／２［rad］、π［rad］、３π／２［rad］）毎に位相シフトしたときに例えば複数の第１の位相シフト画像データＩ11(x,y)〜Ｉ14(x,y)を取得する。

次に、コンピュータ２０のコントラスト算出部２３は、ステップ＃３１において、記憶部２２に保存されている各第１の位相シフト画像データＩ11(x,y)〜Ｉ14(x,y)を読み出し、次式（７）を用いて各画素のコントラストＣ1(x,y)を算出する。

Ｃ1(x,y)＝［２×｛（Ｉ11−Ｉ13）^２＋（Ｉ12−Ｉ14）^２｝^１／２
÷（Ｉ11＋Ｉ12＋Ｉ13＋Ｉ14） …（７）
次に、コンピュータ２０のゼロ設定部２４は、ステップ＃３２において、各第１の位相シフト画像データＩ11(x,y)〜Ｉ14(x,y)の各画素の輝度データに輝度飽和があるか否かを判断し、輝度が飽和している画素のコントラストＣ1(x,y)を強制的にゼロ（Ｃ1(x,y)＝０）に設定する。

これと共にコンピュータ２０は、ステップ＃３３において、第２の光量「２」の縞パターン光Ｐを所定の位相シフト量（例えば０［rad］、π／２［rad］、π［rad］、３π／２［rad］）毎に位相シフトしたときに例えば複数の第１の位相シフト画像データＩ21(x,y)〜Ｉ24(x,y)を取得する。

次に、コンピュータ２０のコントラスト算出部２３は、ステップ＃３４において、記憶部２２に保存されている各第２の位相シフト画像データＩ21(x,y)〜Ｉ24(x,y)を読み出し、次式（８）を用いて各画素のコントラストＣ2(x,y)を算出する。

Ｃ2(x,y)＝［２×｛（Ｉ21−Ｉ23）^２＋（Ｉ22−Ｉ24）^２｝^１／２
÷（Ｉ21＋Ｉ22＋Ｉ23＋Ｉ24） …（８）
次に、コンピュータ２０のゼロ設定部２４は、ステップ＃３５において、各第２の位相シフト画像データＩ21(x,y)〜Ｉ24(x,y)の各画素の輝度データに輝度飽和があるか否かを判断し、輝度が飽和している画素のコントラストＣ2(x,y)を強制的にゼロ（Ｃ2(x,y)＝０）に設定する。

以下、同様に、コンピュータ２０は、ステップ＃３６において、第ｍの光量「ｍ」の縞パターン光Ｐを所定の位相シフト量（例えば０［rad］、π／２［rad］、π［rad］、３π／２［rad］）毎に位相シフトしたときに例えば複数の第ｍの位相シフト画像データＩm1(x,y)〜Ｉm4(x,y)を取得する。

次に、コンピュータ２０のコントラスト算出部２３は、ステップ＃３７において、記憶部２２に保存されている各第ｍの位相シフト画像データＩm1(x,y)〜Ｉm4(x,y)を読み出し、次式（９）を用いて各画素のコントラストＣm(x,y)を算出する。

Ｃm(x,y)＝［２×｛（Ｉm1−Ｉm3）^２＋（Ｉm2−Ｉm4）^２｝^１／２
÷（Ｉm1＋Ｉm2＋Ｉm3＋Ｉm4） …（９）
次に、コンピュータ２０のゼロ設定部２４は、ステップ＃３８において、各第ｍの位相シフト画像データＩm1(x,y)〜Ｉm4(x,y)の各画素の輝度データに輝度飽和があるか否かを判断し、輝度が飽和している画素のコントラストＣm(x,y)を強制的にゼロ（Ｃm(x,y)＝０）に設定する。

なお、第１乃至第ｍの位相シフト画像データＩ11(x,y)、Ｉ12(x,y)、…、Ｉm4(x,y)は、図３又は図７に示す各画像取得ステップに従って取得する。又、これら画像取得ステップでは、図１に示すように光量コントローラ２１により光源２に印加するランプ点灯電圧を変化させて複数の光量「１」〜「ｍ」に調光する、又は図６に示すようにフィルタ切替え装置３０により光源２から出力される光の光軸Ｌ１上にＮＤフィルタ３１を挿脱して、複数の光量「１」〜「ｍ」に調光する。

次に、輝度判断部２７は、ステップ＃３９において、各画素毎に各コントラストＣ1(x,y)〜Ｃm(x,y)の中で最大値を求め、この最大値のコントラストをＣmax(x,y)とする。

次に、比較部２８は、ステップ＃４０において、最大値のコントラストＣmax(x,y)がゼロ「０」よりも大きい否かを判断する。

この判断の結果、最大値のコントラストＣmax(x,y)＞０であれば、高さ情報算出部２６は、ステップ＃４１において、第１乃至第ｍの位相シフト画像データのうち最大値のコントラストＣmax(x,y)を有する位相シフト画像データＩmax1(x,y)〜Ｉmax4(x,y)から位相φ(x,y)を算出する。

上記ステップ＃４０における判断の結果、最大値のコントラストＣmax(x,y)＞０でなければ、すなわち全ての位相シフト画像データＩmax1(x,y)〜Ｉmax4(x,y)について飽和画素があれば、高さ情報算出部２６は、ステップ＃４２に移り、当該画素に対しては位相φを算出できないので間違った測定結果を出力することを回避するために、当該画素を測定不能画素として位相にマスク処理を行う。

次に、高さ情報算出部２６は、ステップ＃１２において、全ての画素について位相φ(x,y)の算出が終了したか否かを判断し、終了していなければ、上記ステップ＃３９〜＃４２を繰り返す。全ての画素について位相φ(x,y)が算出されると、高さ情報算出部２６は、ステップ＃１３に移り、全ての各画素の各位相φ(x,y)を合成し、次のステップ＃１４において、各位相φ(x,y)を位相接続し、被検査物１の高さ情報ｈ(x,y)に変換する。この被検査物１の高さ情報ｈ(x,y)は、表示装置１３に高さ画像が表示される。

このように上記第５の実施の形態によれば、上記第１乃至第５の実施の形態と同様の効果を奏することは言うまでもなく、互いに異なる複数段階の光量「１」〜「ｍ」に調光し、これら段階の各光量「１」〜「ｍ」毎に縞パターン光Ｐを所定の位相シフト量（例えば０［rad］、π／２［rad］、π［rad］、３π／２［rad］）毎に位相シフトして第１乃至第ｍの位相シフト画像データＩ11(x,y)、Ｉ12(x,y)、…、Ｉm4(x,y)を取得するので、最適なコントランスＣm(x,y)を与える位相シフト画像データＩmax1(x,y)〜Ｉmax4(x,y)から被検査物１の高さ情報ｈ(x,y)を求めることができる。

次に、本発明の第６の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、図１と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。

図９は３次元形状測定装置の構成図である。第１の光源２から出力される光の光軸Ｌ_１上には、第１のパターン板３を有する第１の走査機構４と第１の投影光学系５とが設けられている。これら第１の走査機構４及び第１の投影光学系５の光軸Ｌ_１は、被検査物１に対して投影角度αで配置されている。第１の走査機構４は、パターン板４１を光軸Ｌ_１に対して垂直方向Ｓ_１に移動する。

第２の光源４０から出力される光の光軸Ｌ_２上には、第２のパターン板４１を有する第２の走査機構４２と第２の投影光学系４３とが設けられている。これら第２の走査機構４２及び第２の投影光学系４３の光軸Ｌ_２は、被検査物１に対して投影角度αで配置されている。この第２の投影光学系４３は、被検査物１に対する投影角度αを同一とするが、被検査物１に対する光の投影方向を別角度に設定している。第２の走査機構４２の第２のパターン板４１には、互いに等間隔で形成された複数のスリットが形成されている。第２の走査機構４２は、第２のパターン板４１を光軸Ｌ_２に対して垂直方向Ｓ_２に移動する。第２の投影光学系４３は、集光レンズ４４と投影レンズ４５とを有する。

第１の光源２には第１の光量コントローラ２１が接続され、第２の光源４０には第２の光量コントローラ４６が接続されている。

コンピュータ２０には、予め明暗２段階の第１の光量Ａと第２の光量Ｂとが設定される。このコンピュータ２０は、第１の光量コントローラ２１に対して第１の光源２から出力される光の光量を互いに異なる第１の光量Ａと第２の光量Ｂとのいずれか一方に調光する第１の調光切替え指示を発する。第１の光量コントローラ２１は、コンピュータ２０から発せられた第１の光量Ａ又は第２の光量Ｂの第１の調光切替え指示を受けると、第１の光源２に対する例えば印加電圧を制御して第１の光源２から出力される光量を第１の光量Ａ又は第２の光量Ｂに調光する。

又、コンピュータ２０は、第２の光量コントローラ４６に対して第２の光源４０から出力される光の光量を互いに異なる第１の光量Ａと第２の光量Ｂとのいずれか一方に調光する第２の調光切替え指示を発する。第２の光量コントローラ４０は、コンピュータ２０から発せられた第１の光量Ａ又は第２の光量Ｂの第２の調光切替え指示を受けると、第２の光源４０に対する例えば印加電圧を制御して第２の光源４０から出力される光量を第１の光量Ａ又は第２の光量Ｂに調光する。

コンピュータ２０は、図１０に示す位相シフト画像データの画像取得ステップに従って第１と第２の光量コントローラ２１、４６に対してそれぞれ第１と第２の調光切替え指示を発して第１と第２の光源２、４０とを調光制御し、かつ第１と第２の走査機構４、４２に対してそれぞれ第１と第２の駆動指示を発して複数の位相シフト画像データを取得する。

次に、位相シフト画像データを取得方法について図１０に示す位相シフト画像データの画像取得ステップを参照して説明する。

先ず、画像取得ステップ「１」において、コンピュータ２０は、第１の光量コントローラ２１に対して第１の光量Ａの調光切替え指示を発し、かつ走査機構４に対して位相シフト量０［rad］の駆動指示を発する。又、コンピュータ２０は、第２の光量コントローラ４６に対して光源オフの指示を発する。これにより、第２の光源４０は、光の出力を停止する。第１の光源２は、第１の光量Ａの光を出力する。第１の走査機構４は、例えば現在の第１のパターン板３の位置を初期位置として位相シフト量０［rad］とする。

第１の光源２から出力された光は、第１のパターン板３の各スリットを通過することにより互いに等間隔の明暗の縞パターン光Ｐに整形され、第１の投影光学系５を通して被検査物１の表面に対して斜め上方から投影される。この縞パターン光Ｐの投影により被検査物１の表面上に現れるパターン像は、結像光学系８により撮像装置９の撮像面９ａ上に結像される。この撮像装置９は、被検査物１の表面上のパターン像を撮像してその画像信号を出力する。コンピュータ２０は、撮像装置９から出力された画像信号を取り込み、縞パターン光Ｐの位相シフト量０［rad］に対応する第１の位相シフト画像データＩa1(x,y)として記憶部２２に保存する。

次に、画像取得ステップ「２」において、コンピュータ２０は、第１の光量コントローラ２１に対する第１の光量Ａの調光切替え指示を保持すると共に、第２の光量コントローラ４６に対する光源オフの指示を保持した状態で、第１の走査機構４に対して位相シフト量π／２［rad］の駆動指示を発する。これにより、上記同様に、コンピュータ２０は、撮像装置９から出力された画像信号を取り込み、縞パターン光Ｐの位相シフト量π／２［rad］に対応する第１の位相シフト画像データＩa2(x,y)を記憶部２２に保存する。

以下、同様に、画像取得ステップ「３、４」において、コンピュータ２０は、第１の光量コントローラ２１に対する第１の光量Ａの調光切替え指示を保持すると共に、第２の光量コントローラ４６に対する光源オフの指示を保持した状態で、第１の走査機構４に対して位相シフト量π［rad］、３π／２［rad］の各駆動指示を順次発する。これにより、上記同様に、コンピュータ２０は、撮像装置９から出力された画像信号を取り込み、縞パターン光Ｐの位相シフト量π／２［rad］、３π／２［rad］に対応する各第１の位相シフト画像データＩa3(x,y)、Ｉa4(x,y)を記憶部２２に順次保存する。

次に、画像取得ステップ「５」において、コンピュータ２０は、第２の光量コントローラ４６に対して第２の光量Ｂの調光切替え指示を発し、かつ第２の走査機構４２に対して位相シフト量０［rad］の駆動指示を発する。

又、コンピュータ２０は、第１の光量コントローラ２１に対して光源オフの指示を発する。これにより、第１の光源２は、光の出力を停止する。一方、第２の光源４０は、第２の光量Ｂの光を出力する。第２の走査機構４２は、例えば現在の第２のパターン板４１の位置を初期位置として位相シフト量０［rad］に戻す。これにより、上記同様に、撮像装置９は、縞パターン光Ｐが投影された被検査物１の表面上のパターン像を撮像してその画像信号を出力する。コンピュータ２０は、撮像装置９から出力された画像信号を取り込み、縞パターン光Ｐの位相シフト量０［rad］に対応する第２の位相シフト画像データＩb1(x,y)を記憶部２２に保存する。

次に、画像取得ステップ「６」において、コンピュータ２０は、第２の光量コントローラ４６に対する第２の光量Ｂの調光切替え指示を保持すると共に、第１の光量コントローラ２１に対する光源オフの指示を保持した状態で、第２の走査機構４２に対して位相シフト量π／２［rad］の駆動指示を発する。これにより、上記同様に、コンピュータ２０は、撮像装置９から出力された画像信号を取り込み、縞パターン光Ｐの位相シフト量π／２［rad］に対応する第２の位相シフト画像データＩb2(x,y)を記憶部２２に保存する。

以下、同様に、画像取得ステップ「７、８」において、コンピュータ２０は、第２の光量コントローラ４６に対する第２の光量Ｂの調光切替え指示を保持すると共に、第１の光量コントローラ２１に対する光源オフの指示を保持した状態で、第２の走査機構４２に対して位相シフト量π［rad］、３π／２［rad］の各駆動指示を順次発する。これにより、上記同様に、コンピュータ２０は、撮像装置９から出力された画像信号を取り込み、縞パターン光Ｐの位相シフト量π／２［rad］、３π／２［rad］に対応する各第２の位相シフト画像データＩb3(x,y)、Ｉb4(x,y)を記憶部２２に順次保存する。

なお、これら第１の位相シフト画像データＩa1(x,y)〜Ｉa4(x,y)及び第２の位相シフト画像データＩb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)は、それぞれ４枚づつに限らず、複数毎Ｉa1(x,y)〜Ｉan(x,y)、Ｉb1(x,y)〜Ｉbn(x,y)取得してもよいことは言うまでもない。

コンピュータ２０は、複数の第１の位相シフト画像データＩa1(x,y)〜Ｉa4(x,y)及び複数の第２の位相シフト画像データＩb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)を保存すると、図２に示すステップ＃４、ステップ＃６〜＃１４を実行して被検査物１の高さ情報ｈ(x,y)を求める。又はコンピュータ２０は、図５に示すステップ＃２０〜＃２２、ステップ＃７、ステップ＃９〜＃１４を実行して被検査物１の高さ情報ｈ(x,y)を求める。

なお、明るさの異なる第１の位相シフト画像データＩa1(x,y)〜Ｉa4(x,y)と複数の第２の位相シフト画像データＩb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)とは、それぞれ第１の投影光学系５と第２の投影光学系４３との別の光学系を通して取得しているので、これらを単純に位相分布を合成することはできないが、それぞれの投影パラメータによる位相分布データを補正することにより合成が可能である。

このように上記第６の実施の形態によれば、被検査物１に対して縞パターン光Ｐを投影する第１の投影光学系５と、この第１の投影光学系５の投影方向と別の投影方向から縞パターン光Ｐを投影する第２の投影光学系４３とを設け、これら投影光学系５、４３により第１と第２の光量Ａ、Ｂの縞パターン光Ｐをそれぞれ被検査物１に照射して第１の位相シフト画像データＩa1(x,y)〜Ｉa4(x,y)と２の位相シフト画像データＩb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)とを取得するので、被検査物１の表面の散乱特性が変化し、例えば第１の投影光学系５により高いコントラストの第１の位相シフト画像データＩa1(x,y)〜Ｉa4(x,y)を取得できなくても、第２の投影光学系４３により高いコントラストの第２の位相シフト画像データＩb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)を取得できる。これにより、第１と第２の光量Ａ、Ｂでかつ互いに異なる投影方向から縞パターン光Ｐを照射して取得した第１の位相シフト画像データＩa1(x,y)〜Ｉa4(x,y)と２の位相シフト画像データＩb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)との中から高いコントラストの位相シフト画像データを用いることにより、正確な位相分布φ(x,y)を求めることができ、被検査物１の高さ情報ｈ(x,y)の測定精度を高くできる。

次に、本発明の第７の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、図１と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。

図１１は３次元形状測定装置の構成図である。この３次元形状測定装置は、被検査物１上に縞パターン光Ｐを所定の位相シフト量毎（例えば０［rad］、π／２［rad］、π［rad］、３π／２［rad］）に位相シフトして投影しながら被検査物１上の各パターン像を撮像し、これら撮像により取得された複数の位相シフト画像データ、例えば上記第１の実施の形態における第１の位相シフト画像データＩa1(x,y)〜Ｉa4(x,y)と第２の位相シフト画像データＩb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)とに基づいて被検査物１の高さ情報ｈ(x,y)を求める。

この３次元形状測定装置は、被検査物１の高さ情報ｈ(x,y)の測定の前に、光源２から出力される光量を、第１の位相シフト画像データＩa1(x,y)〜Ｉa4(x,y)と第２の位相シフト画像データＩb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)とに輝度飽和を生じない第１の光量Ａ又は第２の光量Ｂに設定する。

光源２から出力される光の光軸Ｌ_１上には、切替え機構５０が設けられている。この切替え機構５０は、互いに等間隔の複数のスリットが形成されたパターン板３を有する走査機構４とフィルタ５１（例えば、ＮＤフィルタ）とを備え、パターン板３とフィルタ５１とを矢印Ｓ_３方向に移動して光軸Ｌ_１上に切り替える。フィルタ５１は、パターンを形成せず、かつ全面に亘って均一の光透過率を有する。このフィルタ５１の光透過率は、パターン板３における明部に有する光透過率と同一に設定されている。

コンピュータ２０は、記憶部２２、画像抽出部５２、輝度検出部５３、輝度比較部５４及び高さ情報算出部２６を有する。記憶部２２には、フィルタ５１を光軸Ｌ_１上に挿入したときに撮像装置９から出力される画像信号を取り込んで取得した画像データが記憶される。すなわち、パターン板３の明部を透過した光量と同一光量の光で被検査物１の全面を照明したときの被検査物１の画像データが記憶部２２に記憶される。

画像抽出部５２は、記憶部２２に記憶されている画像データ中から所望の領域（指示範囲）内の画像データを抽出する。この画像データの抽出は、表示装置１３に表示される被検査物１の画像を観察しながら例えばキーボードやマウス、各種キーなどの指示入力部５２ａを操作して設定される。被検査物１として例えば図１２に示すような電子部品１ａの画像データから画像データを抽出する場合、電子部品１ａ上の各パターン１ｂを測定対象とすれば、この測定対象に指示範囲Ｈを設定し、この指示範囲Ｈ外の周辺に存在する明るさの異なる領域を除外する。

輝度検出部５３は、画像抽出部５２により抽出された指示範囲Ｈ内の抽出画像データ中から輝度評価値として例えば最高輝度値を検出する。

輝度比較部５４は、輝度検出部５３により検出された最高輝度値と予め設定された輝度範囲とを比較し、この比較結果を光量可変部５５に送出する。この輝度比較部５４は、予め設定された輝度範囲の上限値を最高輝度値よりも僅かに低く設定すると共に、同輝度範囲の下限値を上限値よりも若干低く設定する。

光量可変部５５は、輝度比較部５４の比較結果を受け、輝度検出部５３により検出された最高輝度値が輝度範囲内になければ、被検査物１に照射する光の光量を輝度範囲内になるように例えば光源２へのランプ印加電圧を可変制御する。

次に、上記の如く構成された装置における光源の光量設定動作について説明する。

被検査物１の高さ情報ｈ(x,y)の測定の前に、先ず、切替え機構５０は、フィルタ５１を矢印Ｓ_３方向に移動して光軸Ｌ_１上に挿入する。

光源２から光が出力されると、この光は、フィルタ５１を透過し、投影光学系５を通して被検査物１の表面に対して斜め上方から照射される。この被検査物１の表面に照射される光量は、パターン板３における明部を透過した光量と同一で、かつ被検査物１の表面に均一に照射される。

被検査物１の像は、結像光学系８により撮像装置９の撮像面９ａ上に結像される。この撮像装置９は、被検査物１の像を撮像してその画像信号を出力する。コンピュータ２０は、撮像装置９から出力された画像信号を取り込み、被検査物１の像の画像データとして記憶部２２に記憶する。

コンピュータ２０は、記憶部２２に記憶された画像データを読み出し、被検査物１の像を表示装置１３に表示する。この被検査物１の画像を観察しながら例えばキーボードやマウス、各種キーなどの指示入力部５２ａの操作により例えば図１２に示すように電子部品１ａの画像データにおける測定範囲が指示範囲Ｈとして設定される。この設定により画像抽出部５２は、画像データ中から設定された指示範囲Ｈ内の画像データを抽出する。

輝度検出部５３は、画像抽出部５２により抽出された指示範囲Ｈ内の抽出画像データ中から輝度評価値として例えば最高輝度値を検出し、この最高輝度値を輝度比較部５４に送る。

輝度比較部５４は、輝度検出部５３により検出された最高輝度値を受け取り、この最高輝度値と予め設定された輝度範囲とを比較し、この比較結果を光量可変部５５に送出する。比較の結果、例えば最高輝度値が輝度範囲内にあれば、輝度比較部５４は、「範囲内」の比較結果を光量可変部５５に送出する。又、最高輝度値が輝度範囲の上限値よりも高ければ、輝度比較部５４は、「上」の比較結果を光量可変部５５に送出し、最高輝度値が輝度範囲の下限値よりも低ければ、「下」の比較結果を光量可変部５５に送出する。

光量可変部５５は、輝度比較部５４の「範囲内」「上」又は「下」の比較結果を受け、比較結果が「範囲内」であれば、光量可変部５５に対して現在の光源２へのランプ印加電圧を維持する制御信号を送出する。比較結果が「上」であれば、光量可変部５５は、被検査物１に照射する光の光量を輝度範囲内になるように光量可変部５５に対して光源２へのランプ印加電圧を例えば低下させる制御信号を送出する。又、比較結果が「下」であれば、光量可変部５５は、被検査物１に照射する光の光量を輝度範囲内になるように光量可変部５５に対して光源２へのランプ印加電圧を例えば高める制御信号を送出する。

これにより、光源２から出力され、被検査物１の表面上に照射される光の光量は、例えば第１の光量Ａ又は第２の光量Ｂの適切な輝度範囲内に入る。このように被検査物１の表面上の光量が適切な輝度範囲内に入ると、光源２へのランプ印加電圧が固定される。

この状態で、切替え機構５０は、パターン板３を矢印Ｓ_３方向に移動してフィルタ５１と切り替え、パターン板３を光軸Ｌ_１上に挿入する。光源２から光が出力されると、この光は、パターン板３の各スリットを通過することにより互いに等間隔の明暗の縞パターン光Ｐに整形され、投影光学系５を通して被検査物１の表面に対して斜め上方から投影される。

以下、例えば上記第１の実施の形態と同様に、被検査物１の表面を第１の光量Ａ又は第２の光量Ｂの縞パターン光Ｐを投影し、かつ被検査物１上に縞パターン光Ｐを所定の位相シフト量毎（例えば０［rad］、π／２［rad］、π［rad］、３π／２［rad］）に位相シフトして投影しながら被検査物１上の各パターン像を撮像装置９により撮像する。コンピュータ２０は、撮像装置９の撮像により取得された複数の位相シフト画像データ、例えば第１の位相シフト画像データＩa1(x,y)〜Ｉa4(x,y)と第２の位相シフト画像データＩb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)とから輝度が飽和する画素があれば、当該画素のコントラストを強制的にゼロに設定し、それ以外の各画素のうちコントラストの良い各画素に基づいて被検査物１の高さ情報ｈ(x,y)を算出する。

ここで、上記の通り被検査物１の表面上に照射される光の光量は、適切な輝度範囲内に入っているので、被検査物１上に縞パターン光Ｐを所定の位相シフト量毎（例えば０［rad］、π／２［rad］、π［rad］、３π／２［rad］）に位相シフトしたときに取得した第１の位相シフト画像データＩa1(x,y)〜Ｉa4(x,y)と第２の位相シフト画像データＩb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)とにおける指示範囲Ｈ内の画像データには、輝度飽和する画素が現れない。

従って、コンピュータ２０は、輝度飽和する画素のない第１の位相シフト画像データＩa1(x,y)〜Ｉa4(x,y)と第２の位相シフト画像データＩb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)とから安定して被検査物１の高さ情報ｈ(x,y)を算出できる。

このように上記第７の実施の形態によれば、被検査物１の高さ情報ｈ(x,y)の測定の前に、フィルタ５１を透過して被検査物１の表面に、パターン板３における明部を透過した光量と同一でかつ被検査物１の表面に均一な光を照射し、このときの被検査物１の画像データ中から輝度評価値として例えば最高輝度値を検出し、この最高輝度値と予め設定された輝度範囲との比較結果に応じて光源２へのランプ印加電圧を制御する。

これにより、簡単な構成でかつ速く被検査物１の表面上に照射される光の光量を適切な輝度範囲内に設定でき、第１の位相シフト画像データＩa1(x,y)〜Ｉa4(x,y)及び第２の位相シフト画像データＩb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)における指示範囲Ｈ内の画像データに輝度飽和する画素が生じることはない。この結果、安定して被検査物１の高さ情報ｈ(x,y)を高精度に算出できる。

又、被検査物１が複雑な形状を有し、かつ表面の散乱特性が均一でなくても、第１の位相シフト画像データＩa1(x,y)〜Ｉa4(x,y)及び第２の位相シフト画像データＩb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)から指示範囲Ｈ内の画像データを抽出し、この抽出画像データ中に輝度飽和する画素が生じないように光源２から出力される光量を制御するので、複雑な形状を有し、かつ表面の散乱特性が不均一な被検査物１であっても、安定して被検査物１の高さ情報ｈ(x,y)を高精度に算出できる。

なお、フィルタ５１の光透過率は、パターン板３における明部の光透過率と同一にしているが、これに限らず、パターン板３における明部の光透過率との比率が予め既知である光透過率に設定してもよい。この場合、光量可変部５５は、フィルタ５１の光透過率とパターン板３の明部の光透過率との比率を用いて換算したランプ印加電圧を光源２に印加する。

次に、本発明の第８の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、図１１と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。

図１３は３次元形状測定装置の光量可変機構の構成図である。光量可変機構６０は、モータ６１と、このモータ６１の軸に設けられた円板状の連続ＮＤフィルタ６２とを有する。この連続ＮＤフィルタ６２は、円周方向に連続的に変化する光透過率の異なるコーティングを施してある。この連続ＮＤフィルタ６２は、円周上の一部を光源２から出力される光の光軸Ｌ_１上に配置する。駆動制御部６３は、モータ６１の回転角を駆動制御する。

このような光量可変機構６０を用いれば、モータ６１は、駆動制御部６３により回転角が制御される。このモータ６１の回転によって連続ＮＤフィルタ６２が回転し、その回転角に応じて連続ＮＤフィルタ６２における光軸Ｌ_１上に配置される光透過率が決まる。

連続ＮＤフィルタ６２による光透過率が設定されると、光源２から出力された光は、フィルタ連続ＮＤフィルタ６２を透過し、投影光学系５を通して被検査物１の表面に対して斜め上方から照射される。以下、上記第７の実施の形態と同様に、被検査物１の像の画像データが記憶部２２に記憶される。そして、コンピュータ２０は、被検査物１の像の画像データ中から指示範囲Ｈ内の画像データを抽出し、この抽出画像データ中から検出した最高輝度値と予め設定された輝度範囲とを比較し、この比較結果を光量可変部５５に送出する。

この光量可変部５５は、最高輝度値と予め設定された輝度範囲との比較結果を受け、最高輝度値が輝度範囲内になければ、被検査物１に照射する光の光量を輝度範囲内になるように駆動制御部６３に指令が送られる。駆動制御部６３は、モータ６１を制御して連続ＮＤフィルタ６２を回転させることで光源２の光量を可変制御する。このとき、駆動制御部６３は、モータ６１の回転角と連続ＮＤフィルタ６２の光透過率との関係がテーブル等により保持しているので、このテーブルから連続ＮＤフィルタ６２の光透過率を読み取り、この連続ＮＤフィルタ６２の光透過率とパターン板３の明部の光透過率との比率を用いて換算した回転量だけモータ６１を回転させて連続ＮＤフィルタ６２を透過する光源２の光量を調整する。

これにより、光源２から出力され、被検査物１の表面上に照射される光の光量は、例えば第１の光量Ａ又は第２の光量Ｂの適切な輝度範囲内に入る。このように被検査物１の表面上の光量が適切な輝度範囲内に入ると、光源２へのランプ印加電圧が固定される。

このように上記第８の実施の形態によれば、連続ＮＤフィルタ６２をモータ６１により回転させて光透過率を設定するので、上記第７の実施の形態と同様の効果を奏することは言うまでもなく、高速に被検査物１の表面上に照射される光の光量を適切な輝度範囲内に設定できる。又、モータ６１の回転角により連続ＮＤフィルタ６２の光透過率を設定するので、設定する光透過率に対する制御性が高く、正確に所要とする連続ＮＤフィルタ６２の光透過率とパターン板３の明部の光透過率との比率に設定できる。

次に、本発明の第９の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、図１１と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。

図１４は３次元形状測定装置の構成図である。上記第７の実施の形態と相違することろは、被検査物１の高さ情報ｈ(x,y)の測定時と同時に、被検査物１の表面に縞パターン光Ｐを投影して被検査物１の表面上に照射される光量を適切な輝度範囲内に制御する。装置構成では、光源２から出力される光の光軸Ｌ_１上には、パターン板３を有する走査機構４のみを設ける。

輝度検出部６４は、高さ情報算出部２６により被検査物１の高さ情報ｈ(x,y)を算出する過程で発生する各画素毎の輝度のオフセット成分ａ(x,y)とコントラストｂ(x,y)とに基づいて指示範囲Ｈ内の画像データにおける最高輝度値を求める。

次に、上記の如く構成された装置における光源の光量設定動作について説明する。

被検査物１の高さ情報ｈ(x,y)の測定時と同様に、被検査物１の表面に縞パターン光Ｐを投影して行う。すなわち、例えば上記第１の実施の形態と同様に、被検査物１の表面を第１の光量Ａ又は第２の光量Ｂの縞パターン光Ｐを投影し、かつ被検査物１上に縞パターン光Ｐを所定の位相シフト量毎（例えば０［rad］、π／２［rad］、π［rad］、３π／２［rad］）に位相シフトして投影しながら被検査物１上の各パターン像を撮像装置９により撮像する。コンピュータ２０は、撮像装置９の撮像により取得された複数の位相シフト画像データ、例えば第１の位相シフト画像データＩa1(x,y)〜Ｉa4(x,y)と第２の位相シフト画像データＩb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)とを取得して記憶部２２に記憶する。、
コンピュータ２０は、記憶部２２に記憶された画像データを読み出し、被検査物１の像を表示装置１３に表示し、この被検査物１の画像を観察しながら例えばキーボードやマウス、各種キーなどの指示入力部５２ａから入力される例えば図１２に示すような指示範囲Ｈを設定する。画像抽出部５２は、画像データ中から設定された指示範囲Ｈ内の画像データを抽出する。

高さ情報算出部２６は、画像抽出部５２により抽出された抽出画像データ中における任意位置の画素（ｘ，ｙ）の輝度情報を求める。一般に、輝度値Ｉｉと位相φ(x,y)との関係は、上記式（１）のように、
Ｉｉ(x,y)＝ａ(x,y)＋ｂ(x,y)・cos｛φ(x,y)＋δｉ｝
により表わされる。上記式（１）により位相シフト量δｉを例えば３回以上変化させて各輝度値Ｉｉ(x,y)を取得すれば、未知量である輝度のオフセット成分ａ(x,y)、コントラスト成分ｂ(x,y)、位相φ(x,y)が求められる。この位相φ(x,y)により被検査物１の高さ情報ｈ(x,y)は、上記式（２）に示す、
ｈ(x,y)＝（ｐ／sinα）・｛φ(x,y)＋２ｎπ｝／２π
を演算することにより求められる。

この高さ情報算出部２６は、上記式（１）により被検査物１の高さ情報ｈ(x,y)を算出する過程で発生する各画素毎の輝度のオフセット成分ａ(x,y)とコントラストｂ(x,y)とを輝度検出部６４に送出する。

この輝度検出部６４は、各画素毎の輝度のオフセット成分ａ(x,y)とコントラストｂ(x,y)とを加算し、被検査物１上に縞パターン光Ｐを位相シフトさせる毎に発生する各画素毎の明部の輝度Ｉを次式（１０）により求める。

Ｉ(x,y)＝ａ(x,y)＋ｂ(x,y) …（１０）
次に、輝度検出部６４は、各画素毎の明部の輝度Ｉから指示範囲Ｈ内において最も高い輝度値を評価値として輝度比較部５４に送出する。

以下、上記第７の実施の形態と同様に、輝度比較部５４は、輝度検出部５３により検出された最高輝度値を受け取り、この最高輝度値と予め設定された輝度範囲とを比較し、この比較結果を光量可変部５５に送出する。光量可変部５５は、輝度比較部５４の比較結果を受け、輝度検出部５３により検出された最高輝度値が輝度範囲内になければ、被検査物１に照射する光の光量を輝度範囲内になるように例えば光源２へのランプ印加電圧を可変制御する。これにより、光源２から出力され、被検査物１の表面上に照射される光の光量は、例えば第１の光量Ａ又は第２の光量Ｂの適切な輝度範囲内に入る。このように被検査物１の表面上の光量が適切な輝度範囲内に入ると、光源２へのランプ印加電圧が固定される。

このように上記第９の実施の形態によれば、被検査物１の高さ情報ｈ(x,y)を算出する過程で発生する各画素毎の輝度のオフセット成分ａ(x,y)とコントラストｂ(x,y)とに基づいて指示範囲Ｈ内の画像データにおける最高輝度値を求め、この最高輝度値と予め設定された輝度範囲との比較結果に応じて光源２へのランプ印加電圧を制御する。

これにより、被検査物１の表面上に走査する縞パターン光Ｐの如何なる走査位置でも適正な第１の光量Ａ又は第２の光量Ｂで縞パターン光Ｐを投影でき、輝度飽和の生じない第１の位相シフト画像データＩa1(x,y)〜Ｉa4(x,y)及び第２の位相シフト画像データＩb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)を取得できる。この結果、被検査物１の高さ情報ｈ(x,y)の測定時と同時に、被検査物１の表面上に照射される光量を適切な輝度範囲内に高速に設定でき、安定して被検査物１の高さ情報ｈ(x,y)を高精度に算出できる。

なお、上記第７乃至第９の実施の形態は、いずれも第１の位相シフト画像データＩa1(x,y)〜Ｉa4(x,y)と第２の位相シフト画像データＩb1(x,y)〜Ｉb4(x,y)との各画素に輝度飽和を生じないように第１の光量Ａ又は第２の光量Ｂなどの適性光量に設定するが、これら第７乃至第９の実施の形態のいずれかは、上記第１の実施の形態に適用するに限らず、上記第２乃至第６の実施の形態に適用できる。

本発明に係る３次元形状測定装置の第１の実施の形態を示す構成図。 同装置における３次元形状測定フローチャート。 同装置により各位相シフト画像データを取得する画像取得ステップを示す図。 本発明に係る３次元形状測定装置の第２の実施の形態を示すコンピュータのブロック構成図。 同装置における３次元形状測定フローチャート。 本発明に係る３次元形状測定装置の第３の実施の形態を示す構成図。 本発明に係る３次元形状測定装置の第４の実施の形態における画像取得ステップを示す図。 本発明に係る３次元形状測定装置の第５の実施の形態における３次元形状測定フローチャート。 本発明に係る３次元形状測定装置の第６の実施の形態を示す構成図。 同装置により各位相シフト画像データを取得する画像取得ステップを示す図。 本発明に係る３次元形状測定装置の第７の実施の形態を示す構成図。 同装置における画像抽出部による指示範囲内の画像データ抽出を示す図。 本発明に係る３次元形状測定装置の第８の実施の形態における光量可変機構を示す構成図。 本発明に係る３次元形状測定装置の第９の実施の形態を示す構成図。 パターン投影法により被検査物表面上に投影された縞パターン光を示す図。 パターン投影法により被検査物表面上に現れるパターン像を示す図。 従来におけるパターン投影法を用いた３次元形状測定装置の構成図。

符号の説明

１：被検査物、２：光源、３：パターン板、４：走査機構、５：投影光学系、６：集光レンズ、７：投影レンズ、８：結像光学系、９：撮像装置、１０：対物レンズ、１１：結像レンズ、２０：コンピュータ、２１：光量コントローラ、２２：記憶部、２３：コントラスト算出部、２４：ゼロ設定部、２５，２８：比較部、２６：高さ情報算出部、２７：輝度判断部、３０：フィルタ切替え装置、３１：ＮＤフィルタ、４０：第２の光源、４１：第２のパターン板、４２：第２の走査機構、４３：第２の投影光学系、４４：集光レンズ、４５：投影レンズ、４６：第２の光量コントローラ、５０：切替え機構、５１：フィルタ、５２：画像抽出部、５３：輝度検出部、５４：輝度比較部、５５：光量可変部、６０：光量可変機構、６１：モータ、６３：駆動制御部、６４：輝度検出部。

Claims (31)

1. 被検査物に対して所定のパターン光を投影し、前記被検査物上に投影されたパターン像の変形量から前記被検査物の高さ情報を求める３次元形状測定方法において、
   少なくとも２つの光量毎に前記所定のパターン光を前記被検査物に対して投影し、かつ前記各光量毎にそれぞれ前記所定のパターン光を前記被検査物上に位相シフトさせて複数の位相シフト画像データを取得する第１の処理と、
   前記第１の処理により取得された前記複数の位相シフト画像データから輝度が飽和する画素以外の各画素のうちコントラストの良い前記各画素に基づいて前記被検査物の高さ情報を求める第２の処理と、
   を有することを特徴とする３次元形状測定方法。
2. 前記被検査物に対して互いに等間隔の明暗の縞パターン光を投影することを特徴とする請求項１記載の３次元形状測定方法。
3. 前記第１の処理は、第１の光量で前記所定のパターン光を前記被検査物に投影し、かつ前記所定のパターン光を所定の位相シフト量毎に位相シフトさせて複数の第１の位相シフト画像データを取得し、
   第２の光量で前記所定のパターン光を前記被検査物に投影し、かつ前記所定のパターン光を所定の位相シフト量毎に位相シフトさせて複数の第２の位相シフト画像データを取得する、
   ことを特徴とする請求項１記載の３次元形状測定方法。
4. 前記第１の処理は、互いに異なる複数の光量毎に前記所定のパターン光を前記被検査物に対して投影し、かつ前記複数の光量毎にそれぞれ前記所定のパターン光を位相シフトさせた複数の位相シフト画像データを取得することを特徴とする請求項１記載の３次元形状測定方法。
5. 前記被検査物に投影する前記所定のパターン光の光量は、光源の光量を変化させることを特徴とする請求項１又は４記載の３次元形状測定方法。
6. 前記被検査物に投影する前記所定のパターン光の光量は、前記光源の光量を一定に制御した状態で、前記光源から出力される光路上に減光フィルタを挿脱して可変することを特徴とする請求項１又は４記載の３次元形状測定方法。
7. 前記光源から出力される光量をそれぞれ異なる複数の光量に変更し、かつ各光量を一定制御にしている状態にて、前記所定のパターン光を前記被検査物上に位相シフトさせて前記複数の位相シフト画像データを取得することを特徴とする請求項１記載の３次元形状測定方法。
8. 前記第１の処理は、互いに異なる少なくとも２つの投影方向から互いに異なる少なくとも２つの光量の前記各所定パターンの光をそれぞれ別々に前記被検査物に対して投影し、
   前記各投影方向別に前記各所定パターンをそれぞれ位相シフトさせた複数の位相シフト画像データ群を取得することを特徴とする請求項１記載の３次元形状測定方法。
9. 前記第２の処理は、前記複数の位相シフト画像データ群の各位相シフト画像データの各画素毎に各コントラストを求め、
   前記位相シフト画像データ中の輝度が飽和する画素に対して前記コントラストを強制的にゼロに設定し、
   前記各画素の前記各コントラストを比較して、この比較結果から前記コントラストのよい前記位相シフト画像データの前記各画素に対する各位相を算出し、全ての前記各画素の前記各位相から前記被検査物の高さ情報に変換することを特徴とする請求項１記載の３次元形状測定方法。
10. 前記コントラストを強制的にゼロに設定した前記画素を測定不能画素として前記位相の算出を行わないことを特徴とする請求項９記載の３次元形状測定方法。
11. 前記第２の処理は、前記複数の位相シフト画像データの各位相シフト画像データの各画素毎に各コントラストを求め、
    前記複数の位相シフト画像データのうち輝度が飽和する前記画素を有しない前記各位相シフト画像データを判断し、
    前記各画素の前記各コントラストを比較して、この比較結果から前記コントラストのよい前記位相シフト画像データの前記各画素に対する位相を算出し、全ての前記各画素の前記各位相から前記被検査物の高さ情報に変換することを特徴とする請求項１記載の３次元形状測定方法。
12. 前記輝度飽和している前記画素に対して前記位相の算出を行わないことを特徴とする請求項１１記載の３次元形状測定方法。
13. 前記第１の処理は、前記所定のパターン光における明部の明るさと同一明るさで前記被検査物の全体を照明して当該被検査物の画像データを取得し、
    前記画像データ中の最高輝度値を検出し、
    前記最高輝度値が予め設定された輝度範囲内であるか否かを判定し、前記最高輝度値が前記輝度範囲内になければ、前記被検査物に投影する前記所定のパターン光の光量を前記輝度範囲内に可変制御する、
    ことを特徴とする請求項１記載の３次元形状測定方法。
14. 前記輝度範囲は、上限値を前記最高輝度値よりも低く設定すると共に、下限値を前記上限値よりも低く設定し、前記位相シフト画像データ中に輝度が飽和する画素を生じさせないことを特徴とする請求項１３記載の３次元形状測定方法。
15. 前記画像データにおける各画素毎に得られるオフセットとコントラストとを加算して各輝度値を求め、これら輝度のうち最高輝度値が予め設定された輝度範囲内であるか否かを判定し、前記最高輝度値が前記輝度範囲内になければ、前記被検査物に投影する前記所定のパターン光の光量を前記輝度範囲内に可変制御する、
    ことを特徴とする請求項１３記載の３次元形状測定方法。
16. 少なくとも２つの光量のうちいずれかの光量の光を出力する光源と、
    前記光源から出力された光を所定のパターン光に整形して被検査物に投影する投影光学系と、
    前記被検査物上に投影される前記所定のパターン光を位相シフトさせる走査機構と、
    前記被検査物上への前記所定のパターン光の走査投影により生じるパターン像を結像する結像光学系と、
    前記結像光学系により結像された前記パターン像を撮像する撮像装置と、
    前記光源の各出力光量別に前記撮像装置から出力される画像信号を取り込み、前記被検査物上の前記パターン像のうち所定の前記各位相シフト量に対応する前記各パターン像の複数の位相シフト画像データを保存する記憶部と、
    前記記憶部に保存された前記複数の位相シフト画像データから輝度が飽和する画素以外の各画素のうちコントラストの良い前記各画素に基づいて前記被検査物の高さ情報を求める演算処理部と、
    を具備したことを特徴とする３次元形状測定装置。
17. 前記光源から出力される光量を互いに異なる少なくとも２つの光量に制御する光量制御部を有することを特徴とする請求項１６記載の３次元形状測定装置。
18. 前記光源から出力される光の光路上に減光フィルタを挿脱する光量制御部を有することを特徴とする請求項１６記載の３次元形状測定装置。
19. 前記投影光学系は、互いに等間隔の明暗の縞パターン光を前記被検査物上に投影することを特徴とする請求項１６記載の３次元形状測定装置。
20. 前記演算処理部は、前記複数の位相シフト画像データの各位相シフト画像データの各画素毎に各コントラストを求めるコントラスト算出部と、
    前記位相シフト画像データ中の輝度が飽和する画素に対して前記コントラストを強制的にゼロに設定するゼロ設定部と、
    前記各画素の前記各コントラストを比較する比較部と、
    前記比較部の比較結果から前記コントラストのよい前記位相シフト画像データの前記各画素に対する各位相を算出し、全ての前記各画素の前記各位相から前記被検査物の高さ情報に変換する高さ情報算出部と、
    を有することを特徴とする請求項１６記載の３次元形状測定装置。
21. 前記高さ情報算出部は、前記コントラストを強制的にゼロに設定した前記画素を測定不能画素として前記位相の算出を行わないことを特徴とする請求項２０記載の３次元形状測定装置。
22. 前記演算処理部は、前記複数の位相シフト画像データの各位相シフト画像データの各画素毎に各コントラストを求めるコントラスト算出部と、
    前記複数の位相シフト画像データのうち輝度が飽和する前記画素を有しない前記各位相シフト画像データを判断する輝度判断部と、
    前記各画素の前記各コントラストを比較する比較部と、
    前記比較部の比較結果から前記コントラストのよい前記位相シフト画像データの前記各画素に対する位相を算出し、全ての前記各画素の前記各位相から前記被検査物の高さ情報に変換する高さ情報算出部と、
    を有することを特徴とする請求項１６記載の３次元形状測定装置。
23. 前記高さ情報算出部は、前記輝度飽和している前記画素に対して前記位相の算出を行わないことを特徴とする請求項２２記載の３次元形状測定装置。
24. それぞれ異なる各光量の光を出力する前記光源を複数備え、
    これら光源からそれぞれ出力された各光を各所定パターンに整形して前記被検査物に対して互いに異なる投影方向からそれぞれ投影する複数の前記投影光学系を備え、
    これら投影光学系により前記被検査物上にそれぞれ投影される前記各所定パターンをそれぞれ走査する前記走査機構を複数備えた、
    ことを特徴とする請求項１６記載の３次元形状測定装置。
25. 前記光源から前記所定のパターン光における明部の明るさと同一明るさの光を前記被検査物の全体に照射した状態で前記被検査物を前記撮像装置により撮像して取得される画像データを保存する記憶部と、
    前記記憶部に保存された前記画像データ中から最高輝度値を検出する輝度検出部と、
    前記最高輝度値と予め設定された輝度範囲とを比較する輝度比較部と、
    前記輝度比較部による比較の結果、前記最高輝度値が前記輝度範囲内になければ、前記被検査物に投影する前記所定のパターン光の光量を前記輝度範囲内に可変制御する光量可変部と、
    を有することを特徴とする請求項１６記載の３次元形状測定装置。
26. 前記輝度比較部は、上限値を前記最高輝度値よりも低く設定すると共に、下限値を前記上限値よりも低く設定した前記輝度範囲が設定されていることを特徴とする請求項２５記載の３次元形状測定装置。
27. 前記所定のパターン光を前記被検査物上に走査投影して生じた前記パターン像を撮像して取得した複数の位相シフト画像データを保存する記憶部と、
    前記演算処理部により前記複数の位相シフト画像データを処理して前記被検査物の高さ情報を求める過程で発生する前記輝度のオフセット成分とコントラストとに基づいて最高輝度値を求める輝度検出部と、
    前記輝度検出部により求めた前記各輝度値のうち最高輝度値が予め設定された輝度範囲内であるか否かを判定し、前記最高輝度値が前記輝度範囲内になければ、前記被検査物に投影する前記所定のパターン光の光量を前記輝度範囲内に可変制御する光量可変部と、
    を有することを特徴とする請求項１６記載の３次元形状測定装置。
28. 前記光量可変部は、前記光源の光量を変化させることを特徴とする請求項２５又は２７記載の３次元形状測定装置。
29. 前記光量可変部は、前記光源から出力される光路上に減光フィルタを挿脱して可変することを特徴とする請求項２５又は２７記載の３次元形状測定装置。
30. 光を出力する光源と、
    前記光源への印加電圧又は前記光源から出力される光の光路上に減光フィルタを挿脱して互いに異なる第１又は第２の光量に可変する光量可変部と、
    前記光源から出力された光を互いに等間隔の明暗の縞パターン光に整形して前記被検査物上に投影する投影光学系と、
    前記被検査物上に投影される前記縞パターン光を所定の位相シフト量毎に位相シフトさせる走査機構と、
    前記被検査物上への前記縞パターン光の走査投影により生じるパターン像を結像する結像光学系と、
    前記結像光学系により結像された前記パターン像を撮像する撮像装置と、
    前記撮像装置から出力される画像信号を取り込み、前記第１の光量による前記縞パターン光を前記被検査物上に前記所定の位相シフト量毎に位相シフトしたときの複数の第１の位相シフト画像データを保存し、かつ前記第２の光量による前記縞パターン光を前記被検査物上に前記所定の位相シフト量毎に位相シフトしたときの複数の第２の位相シフト画像データを保存する記憶部と、
    前記記憶部に保存された前記複数の第１と第２の位相シフト画像データからそれぞれ輝度が飽和する画素以外の各画素のうちコントラストの良い前記各画素に基づいて前記被検査物の高さ情報を求める演算処理部とを具備し、
    前記演算処理部は、前記複数の第１と第２の位相シフト画像データの各位相シフト画像データの各画素毎にそれぞれ各コントラストを求めるコントラスト算出部と、
    前記各位相シフト画像データ中の輝度が飽和する画素に対して前記コントラストを強制的にゼロに設定して当該画素を測定不能画素とするゼロ設定部と、
    前記各画素の前記各コントラストを比較する比較部と、
    前記比較部の比較結果から前記コントラストのよい前記位相シフト画像データの前記各画素に対する各位相を算出し、全ての前記各画素の前記各位相を合成して前記被検査物の高さ情報に変換する高さ情報算出部と、
    を有することを特徴とする３次元形状測定装置。
31. 前記演算処理部は、前記複数の第１と第２の位相シフト画像データの各位相シフト画像データの各画素毎にそれぞれ各コントラストを求めるコントラスト算出部と、
    前記複数の第１と第２の位相シフト画像データのうち輝度が飽和する前記画素を有しない前記各位相シフト画像データを判断し、かつ前記輝度が飽和している前記画素に対する前記位相の算出を行わない輝度判断部と、
    前記各画素の前記各コントラストを比較する比較部と、
    前記比較部の比較結果から前記コントラストのよい前記位相シフト画像データの前記各画素に対する位相を算出し、全ての前記各画素の前記各位相を合成して前記被検査物の高さ情報に変換する高さ情報算出部と、
    を有することを特徴とする請求項３０記載の３次元形状測定装置。

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