JP4675011B2 - 形状測定方法および形状測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検物の表面形状の測定およびそれにより被検物表面のキズ、膨らみ、うねり、へこみ等の欠陥を検出するための方法および装置に係り、特に例えば部品認識のためのロボットビジョン等に好適な被検物表面の形状測定方法、形状測定装置およびこれら形状測定方法および形状測定装置に用いられる信号処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
被検物表面の形状検査または測定に関する従来の技術としては、例えば、円筒状被検物の検査方法について開示された特開平２−２０１１４２号公報および特開平４−１６９８４０号公報、位相シフト法とモアレ法を用いた三次元測定方法について開示された特許第２８８７５１７号公報、特開平７−３３２９５６号公報および特開平１０−５４７１１号公報、さらには、「位相シフトによる実体格子型モアレ法」について開示された１９９１年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集および「液晶ガラスのフラットネス計測」について開示されたＯ ｐｌｕｓ Ｅ、１９９６年９月（Ｎｏ．２０２）、等に記載されたものがある。
すなわち、複写機あるいはレーザープリンタの感光体ドラムなどの円筒状被検物の従来の欠陥検査方法としては、例えば特開平２−２０１１４２号公報あるいは特開平４−１６９８４０号公報に開示された技術がある。図３５は、特開平２−２０１１４２号公報に開示された検査方法を示している。図３５において、光源１０３１からのレーザ光ビーム１０３２を、回転多面鏡１０３６を介して感光体ドラム１０３３の軸方向に走査するように照射させる。走査光は、感光体ドラム１０３３の感光層表面にて反射され、正常な表面からの反射光は、ほぼ受光器１０３５に入射して、反射光の強度が検出され、その出力は、所定の演算処理部等（図３５には示されてはいない）に入力される。ここでの処理においては、検出値が異常に低下した時に、表面状態の異常があるものとして検出される。
【０００３】
また、図３６は、特開平４−１６９８４０号公報に開示された検査方法を示している。図３６において、ハロゲン光源等を備えた投光器１０４１から感光体ドラム１０４３へ向けてスリット光１０４２が投射される。感光体ドラム１０４３の表面欠陥によって散乱された散乱光は、レンズ１０４４によって集光され、ラインセンサ１０４５で受光される。ラインセンサ１０４５は、画素列を有し、その受光範囲は、感光体ドラム１０４３表面上の１０４３ａで示される範囲である。ここでは、欠陥による散乱光の異常を検出している。
一般に、この種の感光体には、ピンホール、打痕、擦り傷、気泡の巻き込み、クラックおよびゴミ等の異物の付着による欠陥、並びに感光層の膜厚のムラ、液ダレおよび支持体の傷等のような多種多様な欠陥が生ずる可能性がある。
上述したような光学式検査装置によれば、ピンホール、打痕、擦り傷および異物の付着による欠陥のように表面の凹凸の変化率の大きな欠陥に対しては高い検出力を発揮することができるが、感光層の膜厚ムラ等のように凹凸の変化率の小さい欠陥、あるいは支持体の傷のように感光体表面に凹凸の変化のない欠陥に対しての検出精度には、問題があった。
【０００４】
一方、三次元測定法の１手法としてモアレ法が挙げられる。モアレ法には、実体格子型と格子投影型があり、様々な分野において広く利用されている。格子投影型のモアレ法とは、図３７に示すように、投影用と観察用とに、それぞれ小さな格子Ｇ１およびＧ２を配置し、格子Ｇ１をレンズＬ１により物体に投影し、物体形状に応じて変形した格子線をレンズＬ２を介してもう１つの格子Ｇ２上に結像させ、縞等高線を基準面から所定距離のところに生じさせるようにしたものである。また、実体格子型のモアレ法とは、図３８に示すように、基準面に単一の格子Ｇを設置し、図３７のレンズＬ１に相当する位置に点光源Ｓｌを、レンズＬ２に相当する位置に観察眼ｅを置いて、前記格子Ｇの光源Ｓｌによる影を物体上に落し、物体形状に応じて変形した格子Ｇの影を形成させてこれを格子Ｇを通して観察することにより、この格子Ｇと変形した格子の影とによって生じるモアレ縞を観測する方法である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来、これらのモアレ法による三次元形状測定法については、対象物を直観的に把握することはできるが、（１）凹凸の判定がし難い、（２）高感度の三次元測定には不向き（現時点ではモアレ縞等高線の間隔は１０μｍ程度が限界とされている）、（３）モアレ縞のビジビリティーが縞毎に均一ではないためモアレ像を画像処理の対象として扱いにくい等々の問題が指摘されている。これらの問題に対しては、格子投影型の場合、２枚の格子を利用しているために、その一方を移動させて、縞走査、つまりモアレ縞の位相をシフト、させることによって、等高線間隔を等価的に細かく分割するとともに、対象の凹凸判定をすることや測定感度を向上させることが可能である。これ対して、実体格子型の場合には格子が１枚であるため、格子投影型のモアレ法のような位相シフトを行っても、すべての次数の縞等高線の位相を揃えながら位相を変えることはできない。
このような問題点に対して、例えば特第２８８７５１７号では、格子面の垂直移動と光源または観察点の水平移動とを、同時に行うことにより、各次数のモアレ縞の位相にほぼ大きな変化をきたすことなく、各次数の縞の位相がほぼ揃った状態で測定対象に対する縞位相のシフトができるので、複数枚の縞画像を縞走査法（位相シフト法）の原理に基いて処理することができる。
【０００６】
このようにすることによって測定対象に対するモアレ縞による測定点の密度が増大するとともに、モアレ縞１周期について約１／４０〜１／１００程度の物理的な分割が可能となり、実体格子型のモアレ法では、困難とされていた面の凹凸の判定や測定感度の向上を図ることができる。
しかしながら、このように位相シフト法を適用して円筒状被検物等の全面測定を行う場合には、少なくとも被検物を３回転以上させて位相シフトさせるために格子移動とモアレ縞の撮像を繰り返す必要があるため、測定に時間がかかる。また格子を複数方向（平行と回転）に移動させる必要があるため装置構成が複雑になる等の問題がある。
特開平７−３３２９５６号公報や文献「位相シフトによる実体格子型モアレ法」（１９９１年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集）および「液晶ガラスのフラットネス計測」（Ｏ ｐｌｕｓ Ｅ １９９６年９月）においては、平行光を与えることにより、縞次数による縞間隔の違いをなくしているため、全ての縞の位相を揃えながらシフトさせている。さらにこれらの方法では格子運動のみにより位相シフトさせることが可能である。
【０００７】
しかしながら、依然として円筒状被検物等の全面測定を行う場合には、位相シフトした画像を得るために、格子移動と撮像という動作を繰り返し被検物を３回転以上させる必要があるため、測定時間の増大を招く。
また、特開平１０−５４７１１号公報に開示された技術においては、被検物の高さを変えることにより位相シフトさせているが、この場合においても、被検物の移動と撮像を複数回繰り返す必要があるため、測定時間の増大を招く。また凹凸形状の定量化に関しては明確な方法が充分に説明されてない。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、ローラ部品等の円柱状被検物または液晶等の平面状被検物を対象として、実体格子型のモアレ法に位相シフト法を適用し且つ１回の１連の撮像により位相シフトした画像を得ることにより、高速に形状測定を行うことを可能とし、その定量的な形状データから被検物表面の検査を行うことも可能とする形状測定方法、形状測定装置を提供することを目的としている。
【０００８】
すなわち、本発明の請求項１の目的は、特に、実体格子型のモアレ法に位相シフト法を効果的に適用し、平面状被検物の形状測定を短時間で行い得る形状測定装置を提供することにある。
本発明の請求項２の目的は、特に、円筒状被検物全面の形状測定を短時間で行い得る形状測定装置を提供することにある。
本発明の請求項３の目的は、特に、円筒状被検物全面の形状測定を短時間で行い得る他の形状測定装置を提供することにある。
本発明の請求項４の目的は、特に、受光素子としてラインセンサを用い短時間で被検物の形状を短時間で測定し得る形状測定方法を提供することにある。
本発明の請求項５の目的は、特に、請求項１〜請求項３のうちのいずれか１項で用いる受光素子を好適な構成とした形状測定装置を提供することにある。
【０００９】
本発明の請求項６の目的は、特に、受光素子としてエリアセンサ中の任意の１列を受光素子として用いる形状測定方法を提供することにある。
本発明の請求項７の目的は、特に、請求項１〜請求項３のうちのいずれか１項で用いる受光素子を他の好適な構成とした形状測定装置を提供することにある。
本発明の請求項８の目的は、特に、平面状被検物全面の形状測定を短時間で行い得る形状測定装置を提供することにある。
本発明の請求項９の目的は、特に、円筒状被検物全面の形状測定を短時間で行い得る形状測定装置を提供することにある。
本発明の請求項１０目的は、特に、円筒状被検物全面の形状測定を短時間で行い得る他の形状測定装置を提供することにある。
【００１０】
本発明の請求項１１の目的は、特に、平面状被検物全面の形状測定を実現し得る形状測定装置を提供することにある。
本発明の請求項１２の目的は、特に、円筒状被検物全面の形状測定を実現し得る形状測定装置を提供することにある。
本発明の請求項１３の目的は、特に、円筒状被検物全面の形状測定を実現し得る形状測定装置を提供することにある。
本発明の請求項１４の目的は、特に、平面状被検物全面の形状測定を実現し得る形状測定装置を提供することにある。
本発明の請求項１５の目的は、特に、円筒状被検物全面の形状測定を実現し得る形状測定装置を提供することにある。
本発明の請求項１６の目的は、特に、円筒状被検物全面の形状測定を実現し得る他の形状測定装置を提供することにある。
【００１１】
本発明の請求項１７の目的は、特に、ラインセンサを複数並べたものを受光素子に用いて高精度な形状測定を行い得る形状測定方法を提供することにある。
本発明の請求項１８の目的は、特に、請求項８〜請求項１６のうちのいずれか１項で用いる受光素子を好適な構成とした形状測定装置を提供することにある。
本発明の請求項１９の目的は、特に、エリアセンサ中の任意の３列を受光素子に用いた形状測定方法を提供することにある。
本発明の請求項２０の目的は、特に、請求項８〜請求項１６のうちのいずれか１項で用いる受光素子を他の好適な構成とした形状測定装置を提供することにある。
【００１２】
本発明の請求項２１の目的は、特に、請求項４、請求項６、請求項１７および請求項１９のうちのいずれか１項による形状測定で用いる格子パターンを好適なものに特定した形状測定方法を提供することにある。
本発明の請求項２２の目的は、特に、請求項１〜請求項３、請求項５、請求項７〜請求項１６、請求項１８および請求項２０のうちのいずれか１項による形状測定で用いる格子パターンを好適な構成とした形状測定装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載した本発明に係る形状測定装置は、上述した目的を達成するために、モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン、並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、前記受光素子は画素を集積した画素列からなり、その画素面は前記格子パターン面と平行に且つ同一距離に配置されており、前記格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に配置される平面状被検物表面も格子パターン面と平行面上に配置され、また、前記画素列は、前記平面状被検物表面上の同一個所を視野としており、その視野に対応する前記格子パターンは、パターンピッチを変更可能として、画素列の走査周期に同期してそのピッチが変化され、さらに当該モアレ光学系と前記平面状被検物表面との相対位置関係を前記受光素子の配列方向に沿って移動させる機構を有し、前記光学系と前記被検物との相対運動と、前記格子パターンのピッチ変化とを同期させて行なって、前記受光素子で得られるモアレ縞の時系列データと位相シフト法の計算式とから被検物の形状を測定することを特徴としている。
【００１４】
また、本発明の応用として、実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定するにあたり、前記モアレ縞をシフトさせた画像を入力するためにピッチの異なる格子パターンを用いる形状測定方法によっても、上記の目的を達成することができる。
また、本発明の応用として、前記形状測定方法が、実体格子型のモアレ光学系に、パターンピッチを変更可能とした格子パターンを用い、光学系と被検物との相対運動と、格子パターンのピッチ変化とを同期させて行なって、受光素子で得られたモアレ縞の時系列データと位相シフト法の計算式とから被検物の形状を測定する形状測定方法によっても、上記の目的を達成することができる。
【００１５】
請求項２に記載した本発明に係る形状測定装置は、上述した目的を達成するために、モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン、並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、前記受光素子は画素を集積した画素列からなり、その画素面は前記格子パターン面と平行面上に配置されており、前記格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に配置される円筒状被検物表面の軸方向も画素列方向に平行であり、また、前記画素列は、前記円筒状被検物表面上の同一個所を視野としており、その視野に対応する前記格子パターンは、パターンピッチを変更可能として、画素列の走査周期に同期してそのピッチが変化され、さらに前記円筒状被検物を回転させる機構を有し、その回転による前記光学系と前記被検物との相対運動と、前記格子パターンのピッチ変化とを同期させて行なって、前記受光素子で得られるモアレ縞の時系列データと位相シフト法の計算式とから被検物の形状を測定することを特徴としている。
【００１６】
請求項３に記載した本発明に係る形状測定装置は、上述した目的を達成するために、モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン、並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、前記受光素子は画素を集積した画素列からなり、その画素面は前記格子パターン面と平行面上に配置されており、前記格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に配置される円筒状被検物表面の軸方向も画素列方向に平行であり、また、前記画素列は、前記円筒状被検物表面上の同一個所を視野としており、その視野に対応する格子パターンは、パターンピッチを変更可能として、画素列の走査周期に同期してそのピッチが変化され、さらに当該モアレ光学系を前記円筒状被検物の周りで回転させる機構を有し、その回転による前記光学系と前記被検物との相対運動と、前記格子パターンのピッチ変化とを同期させて行なって、前記受光素子で得られるモアレ縞の時系列データと位相シフト法の計算式とから被検物の形状を測定することを特徴としている。
【００１７】
請求項４に記載した本発明に係る形状測定方法は、実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定するにあたり、実体格子型のモアレ光学系に、パターンピッチを変更可能とした格子パターンを用い、光学系と被検物との相対運動と、格子パターンのピッチ変化とを同期させて行なって、ラインセンサからなる受光素子で得られたモアレ縞の時系列データと位相シフト法の計算式とから被検物の形状を測定することを特徴としている。
請求項５に記載した本発明に係る形状測定装置は、請求項１〜請求項３のうちのいずれか１項に記載の形状測定装置において、前記受光素子が、ラインセンサカメラからなることを特徴としている。
請求項６に記載した本発明に係る形状測定方法は、請求項４に記載の形状測定方法において、前記受光素子として、エリアセンサカメラの任意の１列を用いることを特徴としている。
【００１８】
請求項７に記載した本発明に係る形状測定装置は、請求項１〜請求項３のうちのいずれか１項に記載の形状測定装置において、前記受光素子が、エリアセンサカメラを含み且つその任意の１列を用いることを特徴としている。
尚、請求項４に記載の形状測定方法において、３つ以上の受光素子を用い、各受光素子が視野とする格子パターンのピッチを変化させて、前記光学系と被検物との相対位置関係を変化させながら、各受光素子によりモアレ縞画像データを取り込み、そのデータと位相シフト法の計算式とから被検物の形状を測定するようにしてもよい。
【００１９】
請求項８に記載した本発明に係る形状測定装置は、上述した目的を達成するために、モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン、並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、前記受光素子は画素を集積した画素列を３列以上平行に配置した構成からなり、その各画素面は前記格子パターン面と平行面上に配置されており、前記格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に配置される平面状被検物表面も格子パターン面と平行に且つ同一距離に配置され、また、前記画素列は、前記平面状被検物表面上の異なる個所を視野としており、その異なる視野に対応する格子パターンのピッチもそれぞれ異なり、さらに当該モアレ光学系と前記平面状被検面の相対位置関係を前記受光素子の配列方向に沿って移動させる機構を有し、前記受光素子の各画素列が視野とする格子パターンのピッチを変化させて、前記光学系と被検物との相対位置関係を変化させながら、前記受光素子によりモアレ縞画像データを取り込み、そのデータと位相シフト法の計算式とから被検物の形状を測定することを特徴としている。
【００２０】
請求項９に記載した本発明に係る形状測定装置は、上述した目的を達成するために、モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン、並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、前記受光素子は画素を集積した画素列を３列以上平行に配置した構成からなり、その各画素面は前記格子パターン面と平行面上に配置されており、前記格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に配置される円筒状被検物表面の軸方向も前記画素列方向に平行であり、また、前記画素列は、前記円筒状被検物表面上の異なる個所を視野としており、その異なる視野に対応する格子パターンのピッチもそれぞれ異なり、さらに前記円筒状被検物を回転させる機構を有し、その回転による前記受光素子の各画素列が視野とする格子パターンのピッチを変化させて、前記光学系と前記被検物との相対位置関係を変化させながら、前記受光素子によりモアレ縞画像データを取り込み、そのデータと位相シフト法の計算式とから被検物の形状を測定することを特徴としている。
【００２１】
請求項１０に記載した本発明に係る形状測定装置は、上述した目的を達成するために、モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン、並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、前記受光素子は画素を集積した画素列を３列以上平行に配置した構成からなり、その各画素面は前記格子パターン面と平行面上に配置されており、前記格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に配置される円筒状被検物表面の軸方向も画素列方向に平行であり、また、前記画素列は、前記円筒状被検物表面上の異なる個所を視野としており、その異なる視野に対応する格子パターンのピッチもそれぞれ異なり、さらに当該モアレ光学系を前記円筒状被検物の周りで回転させる機構を有し、その回転による前記受光素子の各画素列が視野とする格子パターンのピッチを変化させて、前記光学系と前記被検物との相対位置関係を変化させながら、前記受光素子によりモアレ縞画像データを取り込み、そのデータと位相シフト法の計算式とから被検物の形状を測定することを特徴としている。
【００２２】
尚、本発明に係る形状測定方法の応用としては、実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定するにあたり、３つ以上の受光素子を用い、各受光素子が視野としている被検物上の観測点と格子の距離がそれぞれ異なっており、前記光学系と被検物の相対位置関係を変化させながら各受光素子によりモアレ縞画像データを取り込み、そのデータと位相シフト法の計算式とから被検物の形状を測定するようにしてもよい。
【００２３】
請求項１１に記載した本発明に係る形状測定装置は、上述した目的を達成するために、モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン、並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、前記受光素子は画素を集積した画素列を３列以上平行に配置した構成からなり、その各画素面は格子パターン面と平行面上に配置されており、平面状被検物表面は、格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に配置され、前記平行面に対して前記受光素子の各画素列方向には傾斜を持たないが、それら画素列の配列方向には傾斜を有しており、また、前記各画素列は、それぞれ格子パターンから異なる距離の前記平面状被検物表面を視野としており、さらに当該モアレ光学系と前記平面状被検面との相対位置関係を前記被検面の傾斜方向に移動させる機構を有し、前記各受光素子が視野とする前記被検物上の観測点と格子の距離がそれぞれ異なっており、前記光学系と前記被検物との相対位置関係を変化させながら、前記受光素子によりモアレ縞画像データを取り込み、そのデータと位相シフト法の計算式とから平面状被検面の形状を測定することを特徴としている。
【００２４】
請求項１２に記載した本発明に係る形状測定装置は、上述した目的を達成するために、モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン、並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、前記受光素子は画素を集積した画素列を３列以上平行に配置した構成からなり、その各画素面は格子パターン面と平行面上に配置されており、円筒状被検物は、格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に配置され、その軸方向は画素列方向に平行であり、また、前記各画素列は、それぞれ格子パターンから異なる距離の前記円筒状被検物表面を視野としており、さらに前記円筒状被検物を回転させる機構を有し、前記各受光素子が視野とする前記被検物上の観測点と格子の距離がそれぞれ異なっており、前記光学系と前記被検物との相対位置関係を変化させながら、前記受光素子によりモアレ縞画像データを取り込み、そのデータと位相シフト法の計算式とから円筒状被検面の形状を測定することを特徴としている。
【００２５】
請求項１３に記載した本発明に係る形状測定装置は、上述した目的を達成するために、モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン、並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、前記受光素子は画素を集積した画素列を３列以上平行に配置した構成からなり、その各画素面は格子パターン面と平行面上に配置されており、円筒状被検物は、格子パターンを挟んで受光素子とは反対側に配置され、その軸方向は画素列方向に平行であり、また、前記画素列は、それぞれ格子パターンから異なる距離の円筒状被検物表面を視野としており、さらに当該モアレ光学系を前記円筒状被検物の周りで回転させる機構を有し、前記各受光素子が視野とする前記被検物上の観測点と格子の距離がそれぞれ異なっており、前記光学系と前記被検物との相対位置関係を変化させながら、前記受光素子によりモアレ縞画像データを取り込み、そのデータと位相シフト法の計算式とから円筒状被検面の形状を測定することを特徴としている。
【００２６】
尚、本発明に係る形状測定方法の応用として、実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定するにあたり、３つ以上の受光素子を用い、各受光素子と格子パターンとの距離が異なるように格子パターンが斜めに配置されており、前記光学系と被検物の相対位置関係を変化させながら各受光素子でモアレ縞画像データを取り込み、そのデータと位相シフト法の計算式とから前記被検物の形状を測定するようにしてもよい。
【００２７】
請求項１４に記載した本発明に係る形状測定装置は、上述した目的を達成するために、モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン、並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、前記受光素子は画素を集積した画素列を３列以上平行に配置した構成からなり、平面状被検物表面は格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に、前記画素列の画素面と平行に且つ同一距離に配置され、前記格子パターン面は、前記受光素子の各画素列方向には傾斜を持たないが、それら画素列の配列方向には傾斜を有して配置されており、また、前記画素列は、それぞれ前記格子パターンから異なる距離の前記平面状被検物表面を視野としており、さらに当該モアレ光学系と前記平面状被検面の相対位置関係を受光素子の傾斜方向に移動させる機構を有し、前記光学系と前記平面状被検物の相対位置関係を変化させながら前記受光素子によりモアレ縞画像データを取り込み、そのデータと位相シフト法の計算式とから平面状被検面の形状を測定することを特徴としている。
【００２８】
請求項１５に記載した本発明に係る形状測定装置は、上述した目的を達成するために、モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン、並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、前記受光素子は画素を集積した画素列を３列以上平行に配置した構成からなり、円筒状被検物は、格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に、その軸方向を前記画素列方向に平行として配置され、前記格子パターン面は、前記受光素子の各画素列方向には傾斜を持たないが、それら画素列の配列方向に傾斜を有して配置されており、また、前記画素列は、前記円筒状被検物表面上の異なる個所を視野としており、さらに前記円筒状被検物を回転させる機構を有し、前記光学系と前記円筒状被検物の相対位置関係を変化させながら前記受光素子によりモアレ縞画像データを取り込み、そのデータと位相シフト法の計算式とから円筒状被検面の形状を測定することを特徴としている。
【００２９】
請求項１６に記載した本発明に係る形状測定装置は、上述した目的を達成するために、モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン、並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、前記受光素子は画素を集積した画素列を３列以上平行に配置した構成からなり、円筒状被検物は、格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に、その軸方向を前記画素列方向に平行として配置され、前記格子パターン面は、前記受光素子の各画素列方向には傾斜を持たないが、それら画素列の配列方向に傾斜を有して配置されており、また、前記画素列は、前記円筒状被検物表面上の異なる個所を視野としており、さらに当該モアレ光学系を前記円筒状被検物の周りで回転させる機構を有し、前記光学系と前記円筒状被検物の相対位置関係を変化させながら前記受光素子によりモアレ縞画像データを取り込み、そのデータと位相シフト法の計算式とから円筒状被検面の形状を測定することを特徴としている。
【００３０】
請求項１７に記載した本発明に係る形状測定方法は、請求項４または請求項６のいずれかに記載の形状測定方法において、前記受光素子として３列以上のラインを持ったラインセンサを用いることを特徴としている。
請求項１８に記載した本発明に係る形状測定装置は、請求項８〜請求項１６のいずれか１項に記載の形状測定装置において、前記受光素子が、３列以上のラインを持ったラインセンサを含むことを特徴としている。
請求項１９に記載した本発明に係る形状測定方法は、請求項４または請求項６のいずれかに記載の形状測定方法において、前記受光素子としてエリアセンサカメラを用い、その任意の３列以上のデータから前記位相シフト法の計算式を用いて被検査対象面の形状を測定することを特徴としている。
請求項２０に記載した本発明に係る形状測定装置は、請求項８〜請求項１６のうちのいずれか１項に記載の形状測定装置において、前記受光素子はエリアセンサカメラを含み、且つその任意の３列以上のデータから前記位相シフト法の計算式を用いて前記被検査対象面の形状を測定することを特徴としている。
【００３１】
尚、本発明の応用として、上述した目的を達成するために、請求項８〜請求項２０のうちのいずれか１項に記載された方法または装置に好適な、各画素列データを記憶するラインバッファと、それらのデータから位相シフト法の計算を行うための位相演算回路と、被検物全面の形状データを記憶しておくためのフレームメモリとを具備する信号処理装置を提供することもできる。
請求項２１に記載した本発明に係る形状測定方法は、請求項４、請求項６、請求項１７および請求項１９のうちのいずれか１項に記載の形状測定方法において、前記格子パターンとして、液晶素子を用いることを特徴としている。
請求項２２に記載した本発明に係る形状測定装置は、請求項１〜請求項３、請求項５、請求項７、請求項８〜請求項１６、請求項１８および請求項２０のうちのいずれか１項に記載の形状測定装置において、前記格子パターンが、液晶素子を含むことを特徴としている。
【００３２】
【作用】
【００３３】
すなわち、本発明の請求項１による形状測定装置は、モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン、並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、前記受光素子が画素を集積した画素列からなり、その画素面が前記格子パターン面と平行に且つ同一距離に配置されており、前記格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に配置される平面状被検物表面も格子パターン面と平行面上に配置され、また、前記画素列が、前記平面状被検物表面上の同一個所を視野としており、その視野に対応する前記格子パターンが、パターンピッチを変更可能として、画素列の走査周期に同期してそのピッチを変化され、さらに当該モアレ光学系と前記平面状被検物表面との相対位置関係を前記受光素子の配列方向に沿って移動させる機構を有し、前記光学系と前記被検物との相対運動と、前記格子パターンのピッチ変化とを同期させて行なって、前記受光素子で得られるモアレ縞の時系列データと位相シフト法の計算式とから被検物の形状を測定する。
このような構成により、光学系と被検物の相対関係を２軸方向に移動させる機構を設けているため、平面状被検物全面の測定を行うことができる。
【００３４】
本発明の請求項２による形状測定装置は、モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、前記受光素子が画素を集積した画素列からなり、その画素面が前記格子パターン面と平行面上に配置されており、前記格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に配置される円筒状被検物表面の軸方向も画素列方向に平行であり、また、前記画素列が、前記円筒状被検物表面上の同一個所を視野としており、その視野に対応する前記格子パターンが、パターンピッチを変更可能として、画素列の走査周期に同期してそのピッチを変化され、さらに前記円筒状被検物を回転させる機構を有し、その回転による前記光学系と前記被検物との相対運動と、前記格子パターンのピッチ変化とを同期させて行なって、前記受光素子で得られるモアレ縞の時系列データと位相シフト法の計算式とから被検物の形状を測定する。
【００３５】
このような構成により、円筒状被検物を回転させる機構および光学系を円筒被検物の軸方向に移動させる機構を設けているため、円筒状被検物全面の測定を短時間で行うことができる。
尚、上記請求項１および２に記載の発明の形状測定の応用方法として、実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定するにあたり、前記モアレ縞をシフトさせた画像を入力するためにピッチの異なる格子パターンを用いるようにしてもよい。
このようにすることにより、測定範囲をある縞次数近辺に限定し、格子パターンピッチを変化させてモアレ縞の位相シフトを行うことにより、実体格子型モアレ法に位相シフト法を適用して高精度な形状測定を行なうことができる。したがって、例えばローラ部品等の円柱状被検物または液晶等の平面状被検物を対象として、実体格子型のモアレ法に位相シフト法を適用し且つ１回の１連の撮像により位相シフトした画像を得ることにより、高速に形状測定を行うことを可能とし、その定量的な形状データから被検物表面の検査を行うことも可能とし、特に、実体格子型のモアレ法に位相シフト法を効果的に適用することを従来とは異なる方法により可能とする。
【００３６】
また、上記の前記形状測定方法が、実体格子型のモアレ光学系に、パターンピッチを変更可能とした格子パターンを用い、光学系と被検物との相対運動と、格子パターンのピッチ変化とを同期させて行なって、受光素子で得られたモアレ縞の時系列データと位相シフト法の計算式とから被検物の形状を測定する。
このようにすることにより、実体格子型モアレ法に位相シフト法を適用し被検物の形状測定を行う際、光学系と被検物の相対移動速度と受光素子の走査周期と格子パターンのピッチ変化周期を同期させて行うことにより、１回の１連の撮像により位相シフトした画像が得られるため、測定時間を短くすることができる。すなわち、従来のように、機械的動作を伴う位相シフト動作と被検物の撮像を繰り返す必要がなくなる。したがって、特に、形状測定を高速化することが可能となる。
【００３７】
本発明の請求項３による形状測定装置は、モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、前記受光素子が画素を集積した画素列からなり、その画素面が前記格子パターン面と平行面上に配置されており、前記格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に配置される円筒状被検物表面の軸方向も画素列方向に平行であり、また、前記画素列が、前記円筒状被検物表面上の同一個所を視野としており、その視野に対応する格子パターンは、パターンピッチを変更可能として、画素列の走査周期に同期してそのピッチが変化され、さらに当該モアレ光学系を前記円筒状被検物の周りで回転させる機構を有し、その回転による前記光学系と前記被検物との相対運動と、前記格子パターンのピッチ変化とを同期させて行なって、前記受光素子で得られるモアレ縞の時系列データと位相シフト法の計算式とから被検物の形状を測定する。
このような構成により、光学系を円筒状被検物の周りに回転させる機構および光学系を円筒被検物の軸方向に移動させる機構を設けているため、円筒状被検物全面の測定を短時間で行うことができる。
【００３８】
したがって、請求項４による形状測定方法は、実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定するにあたり、実体格子型のモアレ光学系に、パターンピッチを変更可能とした格子パターンを用い、光学系と被検物との相対運動と、格子パターンのピッチ変化とを同期させて行なって、受光素子としてラインセンサカメラを用いて得られたモアレ縞の時系列データと位相シフト法の計算式とから被検物の形状を測定する。
このようにすることにより、特に、受光素子を好適なものに特定することができる。
本発明の請求項５による形状測定装置は、前記受光素子が、ラインセンサカメラを含んでいる。
このような構成により、特に、請求項１〜請求項３のうちのいずれか１項で用いる受光素子を好適な構成とすることができる。
本発明の請求項６による形状測定方法は、前記受光素子として、エリアセンサカメラの任意の１列を用いる。
このようにすることにより、特に、受光素子を他の好適なものに特定することができる。
【００３９】
本発明の請求項７による形状測定装置は、前記受光素子が、エリアセンサカメラを含み且つその任意の１列を用いる。
このような構成により、特に、請求項１〜請求項３のうちのいずれか１項で用いる受光素子を他の好適な構成とすることができる。
本発明の応用に係る形状測定方法は、３つ以上の受光素子を用い、各受光素子が視野とする格子パターンのピッチを変化させて、前記光学系と被検物との相対位置関係を変化させながら、各受光素子によりモアレ縞画像データを取り込み、そのデータと位相シフト法の計算式とから被検物の形状を測定する。
このようにすることにより、実体格子型モアレ法に位相シフト法を適用し被検物の形状測定を行う際に、例えば、３列以上の受光素子を用い、それぞれの受光素子が視野とする格子パターンのピッチを変化させることによって、１回の１連の撮像により位相シフトした画像が得られるため、測定時間を短くすることができ、今までのように、機械的動作を伴う位相シフトと被検物の撮像を繰り返す必要がなくなる。
したがって、この測定方法によっても形状測定を、高速化することが可能となる。
【００４０】
本発明の請求項８による形状測定装置は、モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、前記受光素子が画素を集積した画素列を３列以上平行に配置した構成からなり、その各画素面が前記格子パターン面と平行面上に配置されており、前記格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に配置される平面状被検物表面も格子パターン面と平行に且つ同一距離に配置され、また、前記画素列が、前記平面状被検物表面上の異なる個所を視野としており、その異なる視野に対応する格子パターンのピッチもそれぞれ異なり、さらに当該モアレ光学系と前記平面状被検面の相対位置関係を前記受光素子の配列方向に沿って移動させる機構を有し、前記受光素子の各画素列が視野とする格子パターンのピッチを変化させて、前記光学系と被検物との相対位置関係を変化させながら、前記受光素子によりモアレ縞画像データを取り込み、そのデータと位相シフト法の計算式とから被検物の形状を測定する。
このように、光学系と被検物の相対関係を２軸方向に移動させる機構を設けているため、平面状被検物全面の測定を行うことができる。したがって、本発明の
【００４１】
請求項９による形状測定装置は、モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、前記受光素子が画素を集積した画素列を３列以上平行に配置した構成からなり、その各画素面が前記格子パターン面と平行面上に配置されており、前記格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に配置される円筒状被検物表面の軸方向も前記画素列方向に平行であり、また、前記画素列が、前記円筒状被検物表面上の異なる個所を視野としており、その異なる視野に対応する格子パターンのピッチもそれぞれ異なり、さらに前記円筒状被検物を回転させる機構を有し、その回転による前記受光素子の各画素列が視野とする格子パターンのピッチを変化させて、前記光学系と前記被検物との相対位置関係を変化させながら、前記受光素子によりモアレ縞画像データを取り込み、そのデータと位相シフト法の計算式とから被検物の形状を測定する。
このように、円筒状被検物を回転させる機構と、光学系を円筒被検物の軸方向に移動させる機構とを設けているため、円筒状被検物全面の測定を行うことができる。
【００４２】
本発明の請求項１０による形状測定装置は、モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、前記受光素子が画素を集積した画素列を３列以上平行に配置した構成からなり、その各画素面が前記格子パターン面と平行面上に配置されており、前記格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に配置される円筒状被検物表面の軸方向も画素列方向に平行であり、また、前記画素列が、前記円筒状被検物表面上の異なる個所を視野としており、その異なる視野に対応する格子パターンのピッチもそれぞれ異なり、さらに当該モアレ光学系を前記円筒状被検物の周りで回転させる機構を有し、その回転による前記受光素子の各画素列が視野とする格子パターンのピッチを変化させて、前記光学系と前記被検物との相対位置関係を変化させながら、前記受光素子によりモアレ縞画像データを取り込み、そのデータと位相シフト法の計算式とから被検物の形状を測定する。
このような構成により、光学系を円筒状被検物の周りに回転させる機構および光学系を円筒被検物の軸方向に移動させる機構を設けているため、円筒状被検物全面の測定を行うことができる。したがって、特に、円筒状被検物全面の形状を短時間で測定することが可能となる。
【００４３】
本発明の形状測定の応用方法として、実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定するにあたり、３つ以上の受光素子を用い、各受光素子が視野としている被検物上の観測点と格子の距離がそれぞれ異なっており、前記光学系と被検物の相対位置関係を変化させながら各受光素子によりモアレ縞画像データを取り込み、そのデータと位相シフト法の計算式とから被検物の形状を測定する。
このようにすることにより、実体格子型モアレ法に位相シフト法を適用し被検物の形状測定を行うにあたり、３つ以上の受光素子を用い、各受光素子が視野としている被検物上の観測点と格子の距離を変えることによって、１回の１連の撮像により位相シフトした画像が得られるため、測定時間を短くすることができ、今までのように、機械的動作を伴う位相シフトと被検物の撮像を繰り返す必要がなくなる。したがって、特に、実体格子型のモアレ法に位相シフト法を効果的に適用し得る、形状測定のさらなる高速化が可能となる。
【００４４】
本発明の請求項１１による形状測定装置は、モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、前記受光素子が画素を集積した画素列を３列以上平行に配置した構成からなり、その各画素面が格子パターン面と平行面上に配置されており、平面状被検物表面が、格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に配置され、前記平行面に対して前記受光素子の各画素列方向には傾斜を持たないが、それら画素列の配列方向には傾斜を有しており、また、前記各画素列が、それぞれ格子パターンから異なる距離の前記平面状被検物表面を視野としており、さらに当該モアレ光学系と前記平面状被検面との相対位置関係を前記被検面の傾斜方向に移動させる機構を有し、前記各受光素子が視野とする前記被検物上の観測点と格子の距離がそれぞれ異なっており、前記光学系と前記被検物との相対位置関係を変化させながら、前記受光素子によりモアレ縞画像データを取り込み、そのデータと位相シフト法の計算式とから平面状被検面の形状を測定する。
このように、光学系と被検物の相対関係を２軸方向に移動させる機構を設けているため、平面状被検物全面の測定を短時間で行うことができる。
【００４５】
本発明の請求項１２による形状測定装置は、モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、前記受光素子が画素を集積した画素列を３列以上平行に配置した構成からなり、その各画素面が格子パターン面と平行面上に配置されており、円筒状被検物が、格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に配置され、その軸方向が画素列方向に平行であり、また、前記各画素列が、それぞれ格子パターンから異なる距離の前記円筒状被検物表面を視野としており、さらに前記円筒状被検物を回転させる機構を有し、前記各受光素子が視野とする前記被検物上の観測点と格子の距離がそれぞれ異なっており、前記光学系と前記被検物との相対位置関係を変化させながら、前記受光素子によりモアレ縞画像データを取り込み、そのデータと位相シフト法の計算式とから円筒状被検面の形状を測定する。
このような構成により、円筒状被検物を回転させる機構および光学系を円筒被検物の軸方向に移動させる機構を設けているため、円筒状被検物全面の測定を行うことができる。
【００４６】
本発明の請求項１３による形状測定装置は、モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、前記受光素子が画素を集積した画素列を３列以上平行に配置した構成からなり、その各画素面が格子パターン面と平行面上に配置されており、円筒状被検物が、格子パターンを挟んで受光素子とは反対側に配置され、その軸方向は画素列方向に平行であり、また、前記画素列が、それぞれ格子パターンから異なる距離の円筒状被検物表面を視野としており、さらに当該モアレ光学系を前記円筒状被検物の周りで回転させる機構を有し、前記各受光素子が視野とする前記被検物上の観測点と格子の距離がそれぞれ異なっており、前記光学系と前記被検物との相対位置関係を変化させながら、前記受光素子によりモアレ縞画像データを取り込み、そのデータと位相シフト法の計算式とから円筒状被検面の形状を測定する。
このような構成により、光学系を円筒状被検物の周りに回転させる機構および光学系を円筒被検物の軸方向に移動させる機構を設けているため、円筒状被検物全面の測定を行うことができる。
【００４７】
本発明の形状測定の応用方法として、実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定するにあたり、３つ以上の受光素子を用い、各受光素子と格子パターンとの距離が異なるように格子パターンが斜めに配置されており、前記光学系と被検物の相対位置関係を変化させながら各受光素子でモアレ縞画像データを取り込み、そのデータと位相シフト法の計算式とから前記被検物の形状を測定するようにしてもよい。
このようにすることにより、実体格子型モアレ法に位相シフト法を適用し被検物の形状測定を行うにあたり、例えば、３列以上の受光素子を用い、受光素子面と被検物面に対し格子パターン面を斜めに置くことによって、１回の１連の撮像により位相シフトした画像が得られるため、測定時間を短くすることができ、今までのように、機械的動作を伴う位相シフトと被検物の撮像を繰り返す必要がなくなる。したがって、特に、実体格子型のモアレ法に位相シフト法を効果的に適用し得る他の基本原理に基づき、形状測定のさらなる高速化が可能となる。
【００４８】
本発明の請求項１４による形状測定装置は、モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、前記受光素子が画素を集積した画素列を３列以上平行に配置した構成からなり、平面状被検物表面が格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に、前記画素列の画素面と平行に且つ同一距離に配置され、前記格子パターン面が、前記受光素子の各画素列方向には傾斜を持たないが、それら画素列の配列方向には傾斜を有して配置されており、また、前記画素列が、それぞれ前記格子パターンから異なる距離の前記平面状被検物表面を視野としており、さらに当該モアレ光学系と前記平面状被検面の相対位置関係を受光素子の傾斜方向に移動させる機構を有し、前記光学系と前記平面状被検物の相対位置関係を変化させながら前記受光素子によりモアレ縞画像データを取り込み、そのデータと位相シフト法の計算式とから平面状被検面の形状を測定する。
【００４９】
このような構成により、光学系と被検物の相対関係を２軸方向に移動させる機構を設けているため、平面状被検物全面の測定を行うことができる。
本発明の請求項１５による形状測定装置は、モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、前記受光素子が画素を集積した画素列を３列以上平行に配置した構成からなり、円筒状被検物が、格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に、その軸方向を前記画素列方向に平行として配置され、前記格子パターン面が、前記受光素子の各画素列方向には傾斜を持たないが、それら画素列の配列方向に傾斜を有して配置されており、また、前記画素列が、前記円筒状被検物表面上の異なる個所を視野としており、さらに前記円筒状被検物を回転させる機構を有し、前記光学系と前記円筒状被検物の相対位置関係を変化させながら前記受光素子によりモアレ縞画像データを取り込み、そのデータと位相シフト法の計算式とから円筒状被検面の形状を測定する。
このような構成により、円筒状被検物を回転させる機構および光学系を円筒被検物の軸方向に移動させる機構を設けているため、円筒状被検物全面の測定を行うことができる。
【００５０】
本発明の請求項１６による形状測定装置は、モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、前記受光素子が画素を集積した画素列を３列以上平行に配置した構成からなり、円筒状被検物が、格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に、その軸方向を前記画素列方向に平行として配置され、前記格子パターン面が、前記受光素子の各画素列方向には傾斜を持たないが、それら画素列の配列方向に傾斜を有して配置されており、また、前記画素列が、前記円筒状被検物表面上の異なる個所を視野としており、さらに当該モアレ光学系を前記円筒状被検物の周りで回転させる機構を有し、前記光学系と前記円筒状被検物の相対位置関係を変化させながら前記受光素子によりモアレ縞画像データを取り込み、そのデータと位相シフト法の計算式とから円筒状被検面の形状を測定する。
このような構成により、光学系を円筒状被検物の周りに回転させる機構と、光学系を円筒被検物の軸方向に移動させる機構とを設けているため、円筒状被検物全面の測定を行うことができる。
【００５１】
本発明の請求項１７による形状測定方法は、前記受光素子として３列以上のラインを持ったラインセンサを用いる。
このようにすることにより、受光素子を好適なものに特定することができる。
本発明の請求項１８による形状測定装置は、前記受光素子が、３列以上のラインを持ったラインセンサを含んでいる。
このような構成により、特に、請求項８〜請求項１６のうちのいずれか１項で用いる受光素子を好適な構成とすることができる。
本発明の請求項１９による形状測定方法は、前記受光素子としてエリアセンサカメラを用い、その任意の３列以上のデータから前記位相シフト法の計算式を用いて被検査対象面の形状を測定する。
このようにすることにより、受光素子を他の好適なものに特定することができる。
【００５２】
本発明の請求項２０による形状測定装置は、前記受光素子がエリアセンサカメラを含み、且つその任意の３列以上のデータから前記位相シフト法の計算式を用いて前記被検査対象面の形状を測定する。
このような構成により、特に、請求項８〜請求項１６のうちのいずれか１項で用いる受光素子を他の好適な構成とすることができる。
本発明の応用として、各画素列データを記憶するラインバッファと、それらのデータから位相シフト法の計算を行うための位相演算回路と、被検物全面の形状データを記憶しておくためのフレームメモリとをもって信号処理装置を構成してもよい。
このような構成により、ラインバッファを使用するので、必要なメモリの容量を減らすことができる。したがって、特に、請求項８〜請求項２０のうちのいずれか１項の方法または装置による形状測定において信号処理に用いることが可能となる。
【００５３】
本発明の請求項２１による形状測定方法は、前記格子パターンとして、液晶素子を用いる。
このように格子パターンに液晶を用いることにより、格子パターンピッチの変更にあたり、格子パターンそのものを交換したり移動させることなく、電気的に容易に変更することができる。したがって、特に、請求項４、請求項６、請求項１７および請求項１９のうちのいずれか１項による形状測定で用いる格子パターンを、より好適なものとすることができる。
本発明の請求項２２による形状測定装置は、前記格子パターンが、液晶素子を含んでいる。
このような構成により、格子パターンに液晶を用いて、格子パターンそのものを交換したり移動させることなく、格子パターンピッチを、電気的に容易に変更することができる。したがって、特に、請求項１〜請求項３、請求項５、請求項７〜請求項１６、請求項１８および請求項２０のうちのいずれか１項による形状測定で用いる格子パターンを好適な構成とすることができる。
【００５４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に基づき、図面を参照して本発明の形状測定方法、形状測定装置について詳細に説明する。
本発明を実施の形態について説明するに先立ち、まず、本発明に係る原理について説明する。
〔モアレ三次元測定法の原理〕
最初に、本発明で用いるモアレ三次元測定法の原理を説明する。図２に示すような位置関係で、光源Ｓ１と対象物ＯＢとの間に格子Ｇ１が、対象物ＯＢと観察点Ｓ２との間に格子Ｇ２が配置されている。格子Ｇ１およびＧ２のピッチをｓ、光源Ｓ１と観察点Ｓ２との間の距離をｄとする。図２のように同一平面内にある格子Ｇ１およびＧ２はいずれもピッチｓを有するが、格子Ｇ１とＧ２とは面内で互いにεだけずれているものとすると（格子ピッチの位相でいえば２πε／ｓだけずれている）、光源Ｓ１および観察点Ｓ２と格子Ｇ１およびＧ２との間の距離をｌ、格子Ｇ１およびＧ２からの距離、すなわち高さをｈとして、モアレ縞を数１であらわすことができる。
【００５５】
【数１】

形成される等高線としてのモアレ縞は、格子Ｇ１およびＧ２の格子面を基準（０次）として、格子面から離れるに従って、順次、１次、２次、…とカウントされる次数を持つ。そこで、縞次数Ｎのモアレ縞をｃｏｓ２πＮとおくことによって得られる。その結果、第Ｎ次のモアレ等高線は、基準面からｈ_Ｎだけ離れた次の数２で示される位置に形成されることになる。
【００５６】
【数２】

これは位置の座標ｘを含んでおらず、縞次数Ｎによって（ｘにかかわりなく）定まる固有の値となっている。すなわち等高線が形成されることを示す。
図３に示すような構成をとった場合について検討する。図３の構成は、光源Ｓ１を点光源とし、該点光源Ｓ１から距離ｄだけ離れた位置に観察点Ｓ２を配置して、格子Ｇ１およびＧ２に相当する１枚の連続した格子Ｇ（したがって、ずれε＝０となる）を配置したものに相当する（「実体格子型」と称される）。この場合、ずれε＝０であるので数２から、数３が成立する。
【００５７】
【数３】

但し、等高線とはいいながら、その間隔Δｈ_Ｎ＝ｈ_Ｎ＋１−ｈ_Ｎは一定ではなく、次数Ｎによって異なってしまう。
〔位相シフト法〕
次に、位相シフト法について説明する。位相変調された縞画像は、図４に示すように、オフセットバイアスをａとし、振幅をｂとするとともに、操作可能な位相をθ、高さに相当する位相値をΦとすれば、

とあらわすことができる。
【００５８】
ここで、求めたいのは、各点（ｘ，ｙ）における位相Φ（ｘ，ｙ）である。オフセットバイアスａおよび振幅ｂは、表面の反射率や汚れなどで変化する未知数成分であるので、位相θを０、π／２およびπと変化させた場合の３つの縞画像、

を生成する。
【００５９】
【数４】

数４により位相を算出すれば、反射率や汚れ成分を除去して、各点の位相Φ（ｘ，ｙ）を求めることができる。
【００６０】
上述した各式および図３からわかるように、実体格子型モアレ光学系に位相シフト法を適用しようとした場合、縞次数Ｎにより縞間隔Δｈ_ｎが異なる。よって、モアレ縞を位相シフトさせようとした場合、ある縞次数ｎでは、正確に位相シフトさせることができるが、その他の縞次数では、ずれてしまう。そこで、本発明の第１の実施の形態は、本発明の形状測定方法の実施の形態であって、測定範囲を、正確にシフトさせたい縞次数の高さを基準として数個の縞次数内に限定する。この場合、測定範囲の端でシフト誤差が最大になるので、そのシフト誤差による測定誤差が充分に小さくなるように測定範囲を設定する。このような手法によって、実体格子型モアレ光学系に位相シフト法を適用することが可能となる。
図５に示すように、位相をシフトさせるために格子パターンのピッチをΔｓだけ変化させることを考える。移動前のｎ＋１次のモアレ縞等高線は、数３に基づいて数５として得られる。
【００６１】
【数５】

但し、図５において、光源Ｓ１および観察点Ｓ２は格子Ｇから同一の距離にあり、光源Ｓ１と観察点Ｓ２との間の距離をｄ、格子Ｇと観察点Ｓ２および光源Ｓ１との間の距離をｌ、格子Ｇのピッチをｓ、格子パターンのピッチ変化量をΔｓとする。
次に、格子Ｇを移動させてモアレ縞をシフトさせることを考えると、シフト後の第ｎ次のモアレ縞までの距離ｈ_ｎ′は、数６であらわされる。
【００６２】
【数６】

従って、図５に示すように格子移動前の第ｎ次と第ｎ＋１次のモアレ縞間の位相Φ_ｎの位置に、格子移動後の第ｎ次のモアレ縞があると仮定すると、次の数７が成立する。
【００６３】
【数７】

この数７の式に数５および数６を代入して整理すると、数８が得られる。
【００６４】
【数８】

この数８の式により、格子パターンのピッチ変化量Δｓと位相シフト量Φ_ｎの関係が明らかになった。ここで、格子ピッチｓ＝８３．３μｍ、距離ｌ＝２００ｍｍおよび距離ｄ＝７０ｍｍとして、格子移動前の縞次数ｎ＝３の縞を正確に２πシフトさせることを考える。つまり、ｎ＝３およびΦ_３＝２πとする。これらのパラメータを数８の式に代入すると、ピッチ変化量が、Δｓ＝２７．８μｍとなる。このピッチ変化量Δｓによる格子移動前後のモアレ縞等高線の位置関係を図１に示す。この結果、位相２πに相当する高さはｈ_２π＝２３９．９９５μｍとなる。また、図１からわかるように、移動前において、次数ｎ＝４の高さでは正確に位相が２πシフトするが、移動前のｎ＝３およびｎ＝５の高さではシフト誤差ΔΦ（Ｌ）_±１が生じる。このシフト誤差が測定精度に影響を及ぼさない範囲に、測定範囲を限定する。
【００６５】
格子パターンピッチの初期値をｓ、数８の式においてΦ_ｎ＝０、π／２およびπとしたときの変化量ΔｓをΔｓ_０（＝０）、Δｓ_１、Δｓ_２とすると、測定の手順としては、まず格子パターンピッチ＝ｓの状態でモアレ縞を撮像する（ステップ０）。
次に、格子パターンピッチ＝ｓ＋Δｓ_１として２回目のモアレ縞撮像を行い（ステップ１）、
さらに格子パターンピッチ＝ｓ＋Δｓ_２として３回目の撮像を行う（ステップ２）。
次に撮像した３枚の画像から数４の式を用いて円筒状被検物の形状を計算する。この定量的な形状データに基づいて、被検物表面に生じるうねりやへこみ等の欠陥検査や平坦度の検査を行う。
このように、測定範囲をある縞次数近辺に限定し、格子パターンピッチを変化させてモアレ縞の位相シフトを行うことにより、実体格子型モアレ法に位相シフト法を適用して高精度な形状測定を行なうことができる。
【００６６】
上述した本発明の第１の実施の形態に係る方法においては、格子パターンのピッチを変えて３回の撮像を行う必要がある。そこで、本発明の第２の実施の形態は、１回の１連の撮像で位相シフトさせた画像を取得する方法を提供する。以下、この第２の実施の形態について説明する。図６に示すように、ピッチ可変な格子パターンＶＰと受光素子ＰＲを用いる。ここで、格子パターンピッチの初期値をｓ、数８の式においてΦ_ｎ＝０、π／２およびπとしたときの変化量Δｓを、それぞれΔｓ０（＝０）、Δｓ_１およびΔｓ_２とする。
図６の（ａ）に示すように、まず時刻ｔ＝ｔ１において格子パターンピッチをｓとして平面上被検物ＯＢＦの領域１を撮像する（ステップ０面）。次に、図６の（ｂ）に示すように。時刻ｔ２において、格子パターンピッチもｓ＋Δｓ１に変化させて、領域２を撮像し（ステップ１面）、さらに図６の（ｃ）に示すように、時刻ｔ３において格子パターンピッチをｓ＋Δｓ２として領域３を撮像する（ステップ２面）。
【００６７】
すなわち、光学系と平面状被検物との相対位置を変えながら撮像を行っていく。撮像領域および格子パターンピッチの変化と撮像のタイミングとの関係を図７の（ａ）と（ｂ）にそれぞれ示している。このようにして得られる画像データを模式的に表現すると、図８のようになるので、最初の３列目までのデータと上述した数４の式を用いて領域１〜３の形状測定を行ない、３列目から５列目までのデータと数４を用いて領域３〜５の形状測定を行なうという具合に、順次測定を行う。この定量的な形状データに基づいて、被検物表面に生じるうねりやへこみ等の欠陥検査や平坦度の検査を行う。
この手法では、例えば領域１〜３のように連続した３領域における形状変化が必要な測定精度に対して充分無視できるレベルであるときに適用できる。このような手法を用いることにより、位相シフトさせた画像を得るために平面状被検物上の同じ個所を何度も撮像する必要がなくなる。なお、ここでは、３ステップの位相シフト法に関して述べたが、このステップ数３というのは、位相シフト法を適用するために必要な最小ステップ数であり、さらにステップ数を増やして測定精度を向上させることも可能である。
このように、実体格子型モアレ法に位相シフト法を適用して被検物の形状測定を行う際に、光学系と被検物の相対移動速度と受光素子の走査周期と格子パターンのピッチ変化周期とを同期させることにより、１回の１連の撮像により位相シフトした画像を得ることができるため、測定時間を短くすることができる。また、従来のように、機械的動作を伴う位相シフト動作と被検物の撮像とを何度も繰り返す必要がなくなる。
【００６８】
〔請求項１に関連する実施の形態〕
本発明の第３の実施の形態は、上述した本発明の第２の実施の形態に係る方法を用いて平面状被検物を測定するための形状測定装置に係るものであって、請求項１に対応する。第３の実施の形態に係る形状測定装置の測定ヘッドの基本構成を図９に示す。図９において、測定ヘッド１０は、光源１１、格子パターン１２、レンズ１３および受光素子１４を有して構成されている。上記第２の実施の形態に係る方法により形状測定される被検物１５が平面状である場合、図１０に示すように光学系を含む測定ヘッド１０と平面状被検物１５の相対関係を、図６に示された方向だけでなく、図６の方向とは異なる方向に移動させるための機構を含む駆動機構として、図１０に示すように例えばＸＹ自動ステージ１６をさらに設ける。そして、ある領域での測定が終了したら、平面状被検物１５に対して光学系を含む測定ヘッド１０の位置を移動させて同様の測定を繰り返すことによって、平面状被検物全面の測定を行う。このような構成によって、測定ヘッド１０と平面状被検物１５との間の距離を一定に保ち且つ測定範囲を限定しながら、平面状被検物１５の全面についての測定が可能となる。図１０のように光学系を含む測定ヘッド１０を動かす代わりに、平面状被検物１５側に類似した移動機構を設けて移動させるようにしてもよく、結果として両者の相対関係を変化させる機構があればよい。
このようにして、第２の実施の形態に相当する方法を平面状被検物に適用する場合に、光学系と被検物との相対関係を２軸方向に移動させる機構を設けているため、平面状被検物全面の測定を行うことができる。
【００６９】
〔請求項２に関連する実施の形態〕
本発明の第４の実施の形態は、上述した第２の実施の形態に対応する方法を用いて円筒状被検物を測定するための形状測定装置に係るものであって、請求項２に対応する。第４の実施の形態に係る形状測定装置の測定ヘッドの基本構成は、図９と同様である。第２の実施の形態に係る方法により形状測定される被検物が円筒状である場合、光学系を含む測定ヘッド１０と円筒状被検物の相対関係を、上述した第３の実施の形態において、図６に示された平行移動に代えて図１１に示すような回転移動とする。すなわち、被検物１７が円筒状である時には、図１１に示されるように、円筒状被検物１７を（ａ），（ｂ），（ｃ），…と順次回転させながら撮像を行なう。この場合の撮像領域および格子パターンピッチの変化、並びに撮像のタイミングは、図７の（ａ）並びに（ｂ）と同様である。また、得られた画像データから第２の実施の形態に対応する方法に従って位相計算を行う。このような手法を用いれば、位相シフトさせた画像を得るためには、円筒状被検物１７を１回転させるだけでよい。
このようにして、第２の実施の形態に相当する方法を円筒状被検物に適用する場合に、円筒状被検物を回転させる機構および光学系を円筒被検物の軸方向に移動させる機構を設けているため、円筒状被検物全面の測定を行うことができる。
【００７０】
〔請求項３に関連する実施の形態〕
本発明の第５の実施の形態は、上述した第２の実施の形態に対応する方法を用いて円筒状被検物を測定するための形状測定装置に係るものであって、請求項３に対応する。すなわち、第４の実施の形態に係る形状測定装置においては、円筒状被検物１７を回転運動させるようにしたが、光学系を含む測定ヘッド１０を円筒状被検物１７の周りで回転させるようにしても同様の測定を行うことが可能であり、これが本発明の請求項３に対応する第５の実施の形態に係る形状測定装置である。
このようにして、第２の実施の形態に相当する方法を円筒状被検物に適用する場合に、図示は省略したが、光学系を円筒状被検物の周りで回転させる機構および光学系を円筒被検物の軸方向に移動させる機構を設けているため、円筒状被検物全面の測定を行うことができる。
【００７１】
〔請求項４および請求項５に関連する実施の形態〕
本発明の第６の実施の形態は、第２の実施の形態に係る形状測定方法および第３〜第５の実施の形態に係る形状測定装置における受光素子１４にラインセンサを用いるものであって、請求項４および請求項５に対応する。
このように、受光素子としてラインセンサを用いることによって、第２〜第５の実施の形態において示した形状測定方法または形状測定装置を比較的簡易に実現することができる。
【００７２】
〔請求項６および請求項７に関連する実施の形態〕
本発明の第７の実施の形態は、第２の実施の形態に係る形状測定方法および第３〜第５の実施の形態に係る形状測定装置における受光素子１４にエリアセンサを用いるものであって、請求項６および請求項７に対応する。すなわち、受光素子１４にエリアセンサを使用して、そのうちの任意の１列を用いる。この場合は、一般的なＮＴＳＣの３０フレーム／秒にとらわれないプログレッシヴカメラ等の高速カメラを用いたほうが、測定時間を短くすることができる。
このように、受光素子としてエリアセンサの任意の１列を用いることによって、第２〜第５の実施の形態において示した形状測定方法または形状測定装置を比較的短時間で測定可能することが可能な形状測定方法または形状測定装置を実現することができる。
【００７３】
次に、本発明の第８の実施の形態について述べる。本発明の第８の実施の形態は、１回の１連の撮像で位相シフトさせた画像を取得するための第２の実施の形態とは異なる方法による形状測定方法を提供するものである。この形状測定方法においては、図１２に示すように３列以上の画素列を持った構成の受光素子１８を用いる。この受光素子１８を用いて、図１３のような構成とする。すなわち、図１３の（ａ）に示すように、受光素子１８および格子パターン１９を有する。受光素子１８、格子パターン１９および平面状被検物１５は、それぞれの面が平行となるように配置する。受光素子１８の画素列Ａ、ＢおよびＣは、平面状被検物１５すなわちワーク上の異なる位置を視野としており、それらの視野に対応する格子パターン１９のピッチが図１３の（ｂ）のように異なる。
【００７４】
つまり、格子パターンピッチの初期値をｓとし、数８においてΦ_ｎ＝０、π／２およびπとしたときの変化量Δｓを、それぞれΔｓ_０（＝０）、Δｓ_１、Δｓ_２とすると、画素列Ａに対応する格子パターンピッチはｓ（ステップ０）、
画素列Ｂに対応する格子パターンピッチはｓ＋Δｓ_１（ステップ１）、
画素列Ｃに対応する格子パターンピッチはｓ＋Δｓ_２（ステップ２）とする。
各画素列に所望のシフト量が与えられるように、被検物１５の送りスピード、並びに受光素子１８の走査周期、撮像倍率および画素列間距離等を調節する。
図１４に示すように、測定手順は、まず、（ａ）のように、時刻ｔ_１において画素列Ａで領域３（ステップ０）を、画素列Ｂで領域２（ステップ１）を、そして画素列Ｃで領域１（ステップ２）をそれぞれ撮像する。次に、（ｂ）のように、時刻ｔ_２においては、画素列Ａで領域４（ステップ０）を、画素列Ｂで領域３（ステップ１）を、そして画素列Ｃで領域２（ステップ２）をそれぞれ撮像する。さらに、（ｃ）のように、時刻ｔ_３では、画素列Ａで領域５（ステップ０）を、画素列Ｂで領域４（ステップ１）を、そして画素列Ｃで領域３（ステップ２）をそれぞれ撮像する。その結果、画像メモリ上に図１５に示すようなデータが得られる。そこで、時刻ｔ_１の画素列Ａのデータ、時刻ｔ_２の画素列Ｂのデータ、時刻ｔ_３の画素列Ｃのデータと数４式とから領域３の形状測定を行うことができる。
【００７５】
このような定量的な形状データに基づいて被検物表面に生じる、うねりやへこみ等の欠陥検査や平坦度の検査を行う。ここでは、３ステップの位相シフト法に関して述べたが、このステップ数は、位相シフト法を適用するために必要な最小ステップ数であり、さらに多くの画素列を持った受光素子を用いてステップ数を増やし測定精度を向上させることも可能である。
このように、実体格子型モアレ法に位相シフト法を適用して被検物の形状測定を行う際に、３列以上の受光素子を用い、それぞれの受光素子列が視野とする格子パターンのピッチを変化させることにより、１回の１連の撮像により位相シフトした画像が得られるため、測定時間を短くすることができる。したがって、従来のように、機械的動作を伴う位相シフトと被検物の撮像とを繰り返す必要がなくなる。
【００７６】
〔請求項８に関連する実施の形態〕
本発明の第９の実施の形態は、上述した第８の実施の形態に対応する方法を用いて平面状被検物を測定するための形状測定装置に係るものであって、請求項８に対応する。第９の実施の形態に係る形状測定装置の測定ヘッドの基本構成も第３の実施の形態と同様にして、図９に示すように、光源１１、格子パターン１２、レンズ１３および受光素子１４を有して構成される測定ヘッド１０を用いる。第８の実施の形態に係る方法により形状測定される被検物１５が平面状である場合にも、図１０に示すように光学系を含む測定ヘッド１０と平面状被検物１５の相対関係を、図６に示された方向だけでなく、図６の方向とは異なる方向に移動させるための機構を含む駆動機構として、例えばＸＹ自動ステージ１６をさらに設ければよい。そして、この場合にも、ある領域での測定が終了したら、平面状被検物１５に対して光学系を含む測定ヘッド１０の位置を移動させて同様の測定を繰り返すことによって、平面状被検物全面の測定を行う。このような構成によって、測定ヘッド１０と平面状被検物１５との間の距離を一定に保ち且つ測定範囲を限定しながら、平面状被検物１５の全面についての測定が可能となる。また、図１０のように光学系を含む測定ヘッド１０を動かす代わりに、平面状被検物１５側に類似した移動機構を設けて移動させるようにしてもよく、結果として両者の相対関係を変化させる機構があればよい。
このようにして、第８の実施の形態に相当する方法を平面状被検物に適用する場合に、光学系と被検物との相対関係を２軸方向に移動させる機構を設けているため、平面状被検物全面の測定を行うことができる。
【００７７】
〔請求項９に関連する実施の形態〕
本発明の第１０の実施の形態は、上述した第８の実施の形態に対応する方法を用いて円筒状被検物を測定するための形状測定装置に係るものであって、請求項９に対応する。第８の実施の形態に係る方法により形状測定される被検物が円筒状である場合、光学系を含む測定ヘッドと円筒状被検物の相対関係を、上述した第９の実施の形態に関して図６に示された平行移動に代えて、図１１に示すような回転移動とする。すなわち、被検物が円筒状である時には、図１６に示すような構成とすればよい。円筒状被検物１７をチャック２１で固定し、そのチャック２１を、回転モータを含む回転機構２２で回転させることにより円筒状被検物１７全周の測定を行う。さらに、光学系を含む測定ヘッド２３を円筒状被検物１７の軸方向に移動させる機構として、例えば自動ステージ２４、を設けることにより、円筒状被検物１７全面の測定を行う。この場合、図１７および図１８に示すように、受光素子１８、格子パターン１９および円筒状被検物１７の位置関係を設定し、画素列Ａ、ＢおよびＣの視野に対応して格子パターン１９のピッチを変化させてやる。ここで、格子パターンピッチｓの変化量Δｓは、第８の実施の形態と同じように位相Φがπ／２ずつ変化するように設定する。
【００７８】
すなわち、図１７の（ａ）に示すように、受光素子１８および格子パターン１９を有する。受光素子１８および格子パターン１９の面と、円筒状被検物１７の軸線は、それぞれ平行となるように配置する。受光素子１８の画素列Ａ、ＢおよびＣは、円筒状被検物１７、すなわちワーク上の異なる位置を視野としており、それらの視野に対応する格子パターン１９のピッチが図１７の（ｂ）のように異なる。つまり、格子パターンピッチの初期値をｓとし、数８においてΦ_ｎ＝０、π／２およびπとしたときの変化量Δｓを、それぞれΔｓ_０（＝０）、Δｓ_１およびΔｓ_２とすると、画素列Ａに対応する格子パターンピッチはｓ（ステップ０）、画素列Ｂに対応する格子パターンピッチはｓ＋Δｓ_１（ステップ１）、画素列Ｃに対応する格子パターンピッチはｓ＋Δｓ_２（ステップ２）とする。
また、各画素列に所望のシフト量が与えられるように、円筒状被検物１７の送りスピード、並びに受光素子１８の走査周期、撮像倍率および画素列間距離等を調節する。
【００７９】
測定手順および演算方法は、第８の実施の形態と同様である。すなわち、測定手順は、図１８に示すように、まず、（ａ）のように、時刻ｔ_１において画素列Ａで領域３（ステップ０）を、画素列Ｂで領域２（ステップ１）を、そして画素列Ｃで領域１（ステップ２）をそれぞれ撮像する。次に、（ｂ）のように、時刻ｔ_２においては、画素列Ａで領域４（ステップ０）を、画素列Ｂで領域３（ステップ１）を、そして画素列Ｃで領域２（ステップ２）をそれぞれ撮像する。さらに、（ｃ）のように、時刻ｔ_３では、画素列Ａで領域５（ステップ０）を、画素列Ｂで領域４（ステップ１）を、そして画素列Ｃで領域３（ステップ２）をそれぞれ撮像する。その結果、画像メモリ上に図１５に示すようなデータが得られる。そこで、時刻ｔ_１の画素列Ａのデータ、時刻ｔ_２の画素列Ｂのデータ、時刻ｔ_３の画素列Ｃのデータと数４式とから領域３の形状測定を行うことができる。
【００８０】
ところで、円筒状被検物の場合、図１８からわかるように画素列Ａ，ＢおよびＣに対応する円筒状被検物１７の高さが異なってしまう。つまり、格子パターンピッチｓの他に、第１の実施の形態に関連して述べたようにワーク高さが変化するという要素も加わってくる。その対処方法としてはワーク高さ変化が無視できるくらいデータ間隔を十分小さくするか、あるいは、ワーク高さ変化を考慮してΔｓを調整する等の対処方法が考えられる。
例えば、図１９に示すように、領域１〜３の間隔ｍ＝３０μｍ（各領域幅１０μｍ）、円筒状被検物１７の半径ｒ＝１５ｍｍ、とすると間隔ｍにおける高低差ｘは、次の数９から求められる。
【００８１】
【数９】

すなわち数９の式から高低差ｘは、７．５×１０^−３μｍとなり、測定すべき高低差が数μｍであれば、無視できるレベルである。
このようにして、第８の実施の形態に相当する方法を円筒状被検物に適用する場合に、円筒状被検物を回転させる機構および光学系を円筒状被検物の軸方向に移動させる機構を設けているため、円筒状被検物全面の測定を行うことができる。
【００８２】
〔請求項１０に関連する実施の形態〕
本発明の第１１の実施の形態は、上述した本発明の第８の実施の形態に対応する方法を用いて円筒状被検物を測定するための形状測定装置に係るものであって、請求項１０に対応する。すなわち、第１１の実施の形態に係る形状測定装置においては、円筒状被検物１７を回転運動させるようにしたが、光学系を含む測定ヘッド２３を円筒状被検物１７の周りで回転させるようにしても同様の測定を行うことが可能であり、これが本発明の請求項１０に対応する第１１の実施の形態に係る形状測定装置である。
このようにして、第８の実施の形態に相当する方法を円筒状被検物に適用する場合に、光学系を円筒状被検物の周りで回転させる機構および光学系を円筒被検物の軸方向に移動させる機構を設けているため、円筒状被検物全面の測定を行うことができる。
【００８３】
次に、本発明の第１２の実施の形態について述べる。本発明の第１２の実施の形態は、１回の１連の撮像で位相シフトさせた画像を取得するための上述した第２および第８の実施の形態とは異なる方法による形状測定方法を提供するものである。
例えば、数３において、ｌ＝２００ｍｍ、ｄ＝７０ｍｍ、ｓ＝８３．３μｍ（１２本／ｍｍ）とした場合、数３の式よりモアレ縞等高線ｈ_Ｎは、図２０のようになる。ここで、被検物の基準高さを縞次数ｎ＝３の位置に、測定範囲をｎ＝２〜４の約４８０μｍの範囲に設定したとすると、Δｈ_２＝２３９．４２３μｍ、Δｈ_３＝２３９．９９５μｍの差は０．５７２μｍとわずかであり、高低差が数μｍ程度のうねりやへこみを測定するには問題のないレベルであるといえる。
測定手順としては、まず基準高さで被検物の撮像を行い、次に被検物の高さを縞位相がπ／２シフトする高さに移動させ２回目の撮像を行い、さらにもうπ／２シフトする高さに移動させ３回目の撮像を行う。そして、この３枚の画像と数４の式を用いて被検物の形状測定を行う。しかしながら、このようにすると、被検物の高さを変えて３回の撮像を行う必要がある。
【００８４】
そこで、１回の１連の撮像で位相シフトさせた画像を取得する方法について述べる。図１２のように３列以上の画素列を持った構成の受光素子を用いる。この受光素子を用いて、図２１のような受光素子１８、格子パターン１９および平面状被検物１５の配置構成とする。すなわち、受光素子１８、格子パターン１９および平面状被検物１５について、受光素子面と格子パターン面は平行であるが、平面状被検物１５は、その面に対して、受光素子の画素が配列されている画素列に沿う方向には傾斜を持たないが画素列が並列に配列される方向（列方向）に傾斜を持っている。このような構成により、図２２に示すように、画素列Ａ、ＢおよびＣは、ワーク上の異なる高さを視野にすることができる。ここで、画素列Ａ、ＢおよびＣの視野に対して、図２０に関連して述べたような所望のステップ量が与えられるように、平面状被検物１５の送りスピード、並びに受光素子の走査周期、撮像倍率および画素列間距離を調節する。
【００８５】
すなわち、測定手順は、図２２に示すように、まず、（ａ）のように、時刻ｔ_１において画素列Ａで領域３（ステップ０）を、画素列Ｂで領域２（ステップ１）を、画素列Ｃで領域１（ステップ２）をそれぞれ撮像する。次に、図２２の（ｂ）のように、時刻ｔ_２においては、画素列Ａで領域４（ステップ０）を、画素列Ｂで領域３（ステップ１）を、画素列Ｃで領域２（ステップ２）をそれぞれ撮像する。さらに、図２２の（ｃ）のように、時刻ｔ_３では画素列Ａで領域５（ステップ０）を、画素列Ｂで領域４（ステップ１）を、画素列Ｃで領域３（ステップ２）をそれぞれ撮像する。その結果、画像メモリ上に図１５のようなデータが得られる。そこで、時刻ｔ_１の画素列Ａのデータ、時刻ｔ_２の画素列Ｂのデータ、時刻ｔ_３の画素列Ｃのデータおよび数４の式から領域３の形状測定を行うことができる。
このような定量的な形状データに基づいて被検物表面に生じるうねりやへこみ等の欠陥検査や平坦度の検査を行う。ここでは、３ステップの位相シフト法に関して述べたが、このステップ数は、位相シフト法を適用するために必要な最小ステップ数であり、さらに多くの画素列を持った受光素子を用いてステップ数を増やし測定精度を向上させることも可能である。
【００８６】
このように、実体格子型モアレ法に位相シフト法を適用し被検物の形状測定を行う際に、３列以上の受光素子を用い、各受光素子列が視野としている被検物上の観測点と格子パターンとの距離を変えることにより、１回の１連の撮像により位相シフトした画像が得られるため、測定時間を短くすることができる。従って、従来のように、機械的動作を伴う位相シフトと被検物の撮像とを繰り返す必要がなくなる。
【００８７】
〔請求項１１に関連する実施の形態〕
本発明の第１３の実施の形態は、上述した第１２の実施の形態に対応する方法を用いて平面状被検物を測定するための形状測定装置に係るものであって、請求項１１に対応する。第１３の実施の形態に係る形状測定装置の測定ヘッドは第１２の実施の形態について示したのと同様、図２１に示すように受光素子１８および格子パターン１９を配置して構成される。この場合、図２１には示していないが、第３の実施の形態と同様に図９に示すようにして、光源１１およびレンズ１３等が設けられる。第１２の実施の形態に係る方法により形状測定される被検物１５が平面状である場合にも、図１０に示すように光学系を含む測定ヘッド１０と平面状被検物１５の相対関係を、図２２に示された方向だけでなく、図２２の方向とは異なる方向に移動させるための機構を含む駆動機構として、例えばＸＹ自動ステージ１６をさらに設ければよい。
【００８８】
そして、この場合にも、ある領域での測定が終了したら、平面状被検物１５に対して光学系を含む測定ヘッド１０の位置を移動させて同様の測定を繰り返すことによって、平面状被検物全面の測定を行う。このような構成によって、測定ヘッド１０と平面状被検物１５との間の距離を一定に保ち且つ測定範囲を限定しながら、平面状被検物１５の全面についての測定が可能となる。
また、図１０のように光学系を含む測定ヘッド１０を動かす代わりに、平面状被検物１５側に類似した移動機構を設けて移動させるようにしてもよく、結果として両者の相対関係を変化させる機構があればよい。
このようにして、第１２の実施の形態に相当する方法を平面状被検物に適用する場合に、光学系と被検物との相対関係を２軸方向に移動させる機構を設けているため、平面状被検物全面の測定を行うことができる。
【００８９】
〔請求項１２に関連する実施の形態〕
本発明の第１４の実施の形態は、上述した第１２の実施の形態に対応する方法を用いて円筒状被検物を測定するための形状測定装置に係るものであって、請求項１２に対応する。この第１４の実施の形態に係る形状測定装置の測定ヘッドは図２３に示すように、受光素子１８および格子パターン１９を配置して構成される。この場合も、図２３には示していないが、第３の実施の形態に関して図９に示したのと同様に、光源１１およびレンズ１３等が設けられる。第１２の実施の形態に係る方法により形状測定される被検物が円筒状である場合、光学系を含む測定ヘッドと円筒状被検物の相対関係を、上述した第１３の実施の形態に関して図２２に示された平行移動に代えて図２４に示すような回転移動とする。すなわち、被検物が円筒状である時には、先に述べたように図１６に示すような構成を用いればよい。円筒状被検物１７をチャック２１で固定し、そのチャック２１を、回転モータを含む回転機構２２で回転させることにより円筒状被検物全周の測定を行う。さらに、光学系を含む測定ヘッド２３を円筒状被検物１７の軸方向に移動させる機構として、例えば自動ステージ２４、を設けることにより、円筒状被検物全面の測定を行う。
【００９０】
この場合、図２３および図２４に示すように、受光素子１８、格子パターン１９および円筒状被検物１７の位置関係を設定し、被検物が円筒状であることを利用して、画素列Ａ、Ｂ、Ｃの視野に対応する高さを変化させてやる。ここで、画素列Ａ、ＢおよびＣの視野に対して、図２０に関連して述べたような所望のステップ量が与えられるように、円筒状被検物１７の回転スピード、並びに受光素子の走査周期、撮像倍率および画素列間距離を調節する。
次に、測定手順を図２４を参照して説明する。すなわち、まず、図２４の（ａ）のように、時刻ｔ_１において画素列Ａで領域３（ステップ０）を、画素列Ｂで領域２（ステップ１）を、画素列Ｃで領域１（ステップ２）をそれぞれ撮像し、次に、図２４の（ｂ）のように、時刻ｔ_２において、画素列Ａで領域４（ステップ０）を、画素列Ｂで領域３（ステップ１）を、画素列Ｃで領域２（ステップ２）をそれぞれ撮像し、さらに、図２４の（ｃ）のように、時刻ｔ_３で画素列Ａで領域５（ステップ０）を、画素列Ｂで領域４（ステップ１）を、画素列Ｃで領域３（ステップ２）をそれぞれ撮像すると、結果として、画像メモリ上に図１５のようなデータが得られる。
そこで、時刻ｔ_１の画素列Ａのデータ、時刻ｔ_２の画素列Ｂのデータ、時刻ｔ_３の画素列Ｃのデータおよび数４の式から領域３の形状測定を行うことができる。
このようにして、第１２の実施の形態に相当する方法を円筒状被検物に適用する場合に、円筒状被検物を回転させる機構および光学系を円筒被検物の軸方向に移動させる機構を設けているため、円筒状被検物全面の測定を行うことができる。
【００９１】
〔請求項１３に関連する実施の形態〕
本発明の第１５の実施の形態は、上述した第１２の実施の形態に対応する方法を用いて円筒状被検物を測定するための形状測定装置に係るものであって、請求項１３に対応する。すなわち、第１４の実施の形態に係る形状測定装置においては、図１６に示すように円筒状被検物１７を回転運動させるようにしたが、光学系を含む測定ヘッド２３を円筒状被検物１７の周りで回転させるようにしても同様の測定を行うことが可能であり、これが本発明の請求項１３に対応する第１５の実施の形態に係る形状測定装置である。
このようにして、第１２の実施の形態に相当する方法を円筒状被検物に適用する場合に、光学系を円筒状被検物の周りで回転させる機構および光学系を円筒被検物の軸方向に移動させる機構を設けているため、円筒状被検物全面の測定を行うことができる。
【００９２】
次に、本発明の第１６の実施の形態について述べる。本発明の第１６の実施の形態は、１回の１連の撮像で位相シフトさせた画像を取得するための上述した第２、第８および第１２の実施の形態とは異なる方法による形状測定方法を提供するものである。
図２５に示すように、位相をシフトさせるために格子パターンの位置を光軸方向にΔｌだけ変化させることを考える。移動前のｎ＋１次のモアレ縞等高線は、先に述べた数３に基づいて次の数１０の式であらわすことができる。
【００９３】
【数１０】

但し、図２５において、光源および観察点は格子から同距離にあり、光源と観察点との間の距離をｄ、格子と観察点および光源との間の距離をｌ、格子のピッチをｓおよび格子の移動量をΔｌとする。
次に、格子を移動させてモアレ縞をシフトさせることを考えると、シフト後の第ｎ次の縞までの距離ｈｎ′は、次の数１１の式であらわされる。
【００９４】
【数１１】

したがって、図２５に示すように格子移動前の第ｎ次のモアレ縞と第ｎ＋１次のモアレ縞との間の位相Φ_ｎの位置に、格子移動後の第ｎ次のモアレ縞があると仮定すると、次の数１２の式が成り立つ。
【００９５】
【数１２】

この式に数１０および数１１の各式を代入して整理すると数１３の式が得られる。
【００９６】
【数１３】

この数１３の式により、格子移動量Δｌと位相シフト量Φ_ｎの関係が明らかになった。ここで、ｓ＝８３．３μｍ、ｌ＝２００ｍｍおよびｄ＝７０ｍｍとし、格子移動前の縞次数ｎ＝３の縞を正確に２πだけ位相シフトさせることを検討する。つまり、ｎ＝３およびΦ_３＝２πとする。これらのパラメータを数１３の式に代入すると、Δｌ＝２３９．１３８μｍとなる。このΔｌによる格子移動前後のモアレ縞等高線の位置を図２６に示す。この結果位相２πに相当する高さｈ_２π＝２３９．９９５μｍとなる。また、図２６からわかるように、移動前ｎ＝４の高さでは正確に位相が２πシフトするが、移動前ｎ＝３、ｎ＝５の高さではシフト誤差ΔΦ（Ｌ）_±１が生じる。その絶対値は等しく、数１４となる。
【００９７】
【数１４】

２πに相当する高さｈ_２π＝２３９．９９５（μｍ）であるので、シフト誤差ΔΦ（Ｌ）_±１を位相（ｒａｄ）であらわせば、数１５となる。
【００９８】
【数１５】

このシフト誤差は、測定範囲を格子移動前のｎ＝４の高さを基準高さとし、その上下±２４０μｍの範囲に限定すれば、高さ分解能１μｍレベル（２．６１×１０^−２（ｒａｄ））の測定を考えた場合には、充分に小さいということができる。図１０に示したような構成により、ラインセンサカメラを用いて平面状被検物のモアレ縞を撮像した場合には、平面状被検物の位置が常にほぼ同じ高さになるため、測定位置を数個の縞次数内に限定することが可能である。
しかしながら、この場合には、先に述べたように格子パターンの高さを変えて３回の撮像を行う必要がある。そこで、図１２に示したように３列以上の画素列を持った構成の受光素子を用いて、１回の１連の撮像で位相シフトさせた画像を取得する方法について述べる。このような受光素子を用いて、図２７に示すように、受光素子１８、格子パターン１９および平面状被検物１５を配置する構成とする。つまり、この場合、受光素子１８面と平面状被検物１５面は平行であるが、それら平行面に対して、格子パターン１９面は、受光素子１８の画素が配列されている各画素列に沿う方向には傾斜を持たないが、複数の画素列が並列に配列される方向について傾斜を有している。
【００９９】
画素列Ａ、ＢおよびＣは、ワーク、すなわち平面状被検物１５、上の異なる位置を視野としており、それらの視野に対応する格子パターン１９の高さも、図２８に示すように異なっている。先に述べた数１３の式から理解されるようにΦ_ｎとΔｌの関係は線形であるので、各画素列Ａ、ＢおよびＣに対してｌがΔｌ／４ずつ変化するように、格子パターン１９の傾き、平面状被検物１５の送りスピード、並びに受光素子１８の走査周期、撮像倍率および画素列間距離を調節する。
図２９を参照して、測定手順を説明する。まず、図２９の（ａ）のように、時刻ｔ_１において画素列Ａで領域３（ステップ０）を、画素列Ｂで領域２（ステップ１）を、そして画素列Ｃで領域１（ステップ２）撮像する。次に、図２９の（ｂ）のように、時刻ｔ_２においては、画素列Ａで領域４（ステップ０面）を、画素列Ｂで領域３（ステップ１面）を、そして画素列Ｃで領域２（ステップ２面）を撮像する。さらに、図２９の（ｃ）のように、時刻ｔ_３においては、画素列Ａで領域５（ステップ０）を、画素列Ｂで領域４（ステップ１）を、そして画素列Ｃで領域３（ステップ２）を撮像する。
【０１００】
その結果、画像メモリ上に図１５に示すようなデータが得られる。そこで、時刻ｔ_１の画素列Ａのデータ、時刻ｔ_２の画素列Ｂのデータおよび時刻ｔ_３の画素列Ｃのデータと、数４の式とから領域３の形状測定を行うことができる。この定量的な形状データをもとにして被検物表面に生じるうねりやへこみ等の欠陥検査および平坦度の検査を行う。ここでは、３ステップの位相シフト法について述べたが、このステップ数は、位相シフト法を適用するために必要な最小ステップ数であり、さらに多くの画素列を持った受光素子を用いてステップ数を増やし測定精度を向上させることもも可能である。
このように、実体格子型モアレ法に位相シフト法を適用して被検物の形状測定を行う際に、３列以上の受光素子を用い、且つ受光素子面と被検物面に対し格子パターン面を斜めに配置することにより、１回の１連の撮像により位相シフトした画像が得られるため、測定時間を短くすることができる。したがって、従来のように、機械的動作を伴う位相シフトと被検物の撮像とを繰り返す必要がなくなる。
【０１０１】
〔請求項１４に関連する実施の形態〕
本発明の第１７の実施の形態は、上述した第１６の実施の形態に対応する方法を用いて平面状被検物を測定するための形状測定装置に係るものであって、請求項１４に対応する。第１７の実施の形態に係る形状測定装置の測定ヘッドは、第１６の実施の形態について示したのと同様に、図２７に示すように受光素子１８および格子パターン１９を配置して構成される。この場合、図２７には示していないが、第３の実施の形態に係る図９と同様にして、光源１１およびレンズ１３等が設けられる。第１６の実施の形態に係る方法により形状測定される被検物１５が平面状である場合にも、図１０に示すように光学系を含む測定ヘッド１０と平面状被検物１５の相対関係を、図２９に示された方向だけでなく、図２９の方向とは異なる方向に移動させるための機構を含む駆動機構として、例えばＸＹ自動ステージ１６をさらに設ければよい。そして、この場合にも、ある領域での測定が終了したら、平面状被検物１５に対して光学系を含む測定ヘッド１０の位置を移動させて同様の測定を繰り返すことによって、平面状被検物全面の測定を行う。
【０１０２】
このような構成によって、測定ヘッド１０と平面状被検物１５との間の距離を一定に保ち且つ測定範囲を限定しながら、平面状被検物１５の全面についての測定が可能となる。また、図１０のように光学系を含む測定ヘッド１０を動かす代わりに、平面状被検物１５側に類似した移動機構を設けて移動させるようにしてもよく、結果として両者の相対関係を変化させる機構があればよい。
このようにして、請求項１２に相当する方法を平面状被検物に適用する場合に、光学系と被検物との相対関係を２軸方向に移動させる機構を設けているため、平面状被検物全面の測定を行うことができる。
【０１０３】
〔請求項１５に関連する実施の形態〕
本発明の第１８の実施の形態は、上述した本発明の請求項１５に対応する方法を用いて円筒状被検物を測定するための形状測定装置に係るものであって、請求項１５に対応する。この第１８の実施の形態に係る形状測定装置の測定ヘッドは、図３０に示すように、受光素子１８および格子パターン１９を配置して構成される。この場合も、図３０には示していないが、第３の実施の形態に関して図９に示したのと同様に、光源１１およびレンズ１３等が設けられる。第１６の実施の形態に係る方法により形状測定される被検物が円筒状である場合、光学系を含む測定ヘッドと円筒状被検物の相対関係を、上述した第１７の実施の形態に関して図２９に示された平行移動に代えて図３１に示すような回転移動とする。すなわち、被検物が円筒状である時には、先に述べたように図１６に示すような構成を用いればよい。
【０１０４】
円筒状被検物１７を図１６に示すチャック２１で固定し、そのチャック２１を、回転モータを含む回転機構２２で回転させることにより円筒状被検物全周の測定を行う。さらに、光学系を含む測定ヘッド２３を円筒状被検物１７の軸方向に移動させる機構として、図１６に示すような例えば自動ステージ２４、を設けることにより、円筒状被検物全面の測定を行う。この場合、図３０および図３１に示すように、受光素子１８、格子パターン１９および円筒状被検物１７の位置関係を、格子パターン１９が受光素子１８の画素列面に対して斜めになるように設定し、被検物が円筒状であることを利用して、画素列Ａ、Ｂ、Ｃの視野に対応する格子パターン面の高さを変化させてやる。ここで、画素列Ａ、ＢおよびＣの視野に対して、図２８に関連して述べたように、ｌが所望のステップ量Δｌ／４ずつ変化するように、格子パターン１９の傾斜、円筒状被検物１７の回転スピード、並びに受光素子の走査周期、撮像倍率および画素列間距離を調節する。
すなわち、図３１を参照して測定手順を説明する。まず、図３１の（ａ）に示すように、時刻ｔ_１において画素列Ａで領域３（ステップ０）を画素列Ｂで領域２（ステップ１）を、画素列Ｃで領域１（ステップ２）をそれぞれ撮像する。
【０１０５】
次に、図３１の（ｂ）に示すように、時刻ｔ_２において、画素列Ａで領域４（ステップ０）を、画素列Ｂで領域３（ステップ１）を、画素列Ｃで領域２（ステップ２）をそれぞれ撮像し、さらに、図３１の（ｃ）に示すように、時刻ｔ_３で画素列Ａで領域５（ステップ０）を、画素列Ｂで領域４（ステップ１）を画素列Ｃで領域３（ステップ２）をそれぞれ撮像する。このようにすると、結果として、画像メモリ上に図１５のようなデータが得られる。そこで、時刻ｔ_１の画素列Ａのデータ、時刻ｔ_２の画素列Ｂのデータ、時刻ｔ_３の画素列Ｃのデータおよび数４の式から領域３の形状測定を行うことができる。
ところで、円筒状被検物の場合、図３１からわかるように画素列Ａ、ＢおよびＣに対応する円筒状被検物１７の高さが異なってしまう。つまり、格子距離ｌの他に、第１０の実施の形態の場合とほぼ同様に、ワーク高さが変化するという要素も加わってくる。その対処方法としては、ワーク高さ変化が無視できるくらいデータ間隔を十分小さくするか、あるいは、ワーク高さ変化を考慮して格子パターン１９の傾斜を調整する等の対処方法が考えられる。
このようにして、第１６の実施の形態に相当する方法を円筒状被検物に適用する場合に、円筒状被検物を回転させる機構および光学系を円筒被検物の軸方向に移動させる機構を設けているため、円筒状被検物全面の測定を行うことができる。
【０１０６】
〔請求項１６に関連する実施の形態〕
本発明の第１９の実施の形態は、上述した本発明の第１６の実施の形態に対応する方法を用いて円筒状被検物を測定するための形状測定装置に係るものであって、請求項１６に対応する。すなわち、第１８の実施の形態に係る形状測定装置においては、円筒状被検物１７を回転運動させるようにしたが、光学系を含む測定ヘッド２３を円筒状被検物１７の周りで回転させるようにしても同様の測定を行うことが可能であり、これが本発明の請求項１６に対応する第１９の実施の形態に係る形状測定装置である。
このようにして、第１６の実施の形態に相当する方法を円筒状被検物に適用する場合に、光学系を円筒状被検物の周りで回転させる機構および光学系を円筒被検物の軸方向に移動させる機構を設けているため、円筒状被検物全面の測定を行うことができる。
【０１０７】
〔請求項１７および請求項１８に関連する実施の形態〕
本発明の第２０の実施の形態は、第８、第１２および第１６の実施の形態に係る形状測定方法、並びに第９〜第１１、第１３〜第１５および第１７〜１９の実施の形態に係る形状測定装置における受光素子１４にラインセンサを３列以上並べたものを用いるものであって、請求項１７および請求項１８に対応する。例えば、一般のカラー用のＣＣＤ（電荷結合素子）ラインセンサは、図３２に示すように、赤色（Ｒｅｄ）用、緑色（Ｇｒｅｅｎ）用および青色（Ｂｌｕｅ）用の画素列が、所定間隔をあけて配置されている。この場合の色分解は、各画素前面に配置された色フィルタによって行なっているので、その色フィルタを外せば、モノクロ（単色濃淡）用の３ラインの画素列を構成することが可能である。あるいは、単純に３個のラインセンサを配列して用いてもよい。
このように、受光素子としてラインセンサを複数並べたものを用いることによって、第８〜第１９の実施の形態において示した形状測定方法または形状測定装置を簡易に実現することができる。
【０１０８】
〔請求項１９および請求項２０に関連する実施の形態〕
本発明の第２１の実施の形態は、第８、第１２および第１６の実施の形態に係る形状測定方法、並びに第９〜第１１、第１３〜第１５および第１７〜１９の実施の形態に係る形状測定装置における受光素子１４としてエリアセンサを用い、そのうちの任意の３列を利用するものであって、請求項１９および請求項２０に対応する。この場合、標準的なＮＴＳＣ規格の３０フレーム／秒のインタレースシステムにとらわれずに、プログレッシブスキャンカメラ等の高速カメラを用いたほうが、測定時間を短くすることができる。
このように、受光素子としてエリアセンサの任意の３列を用いることによっても、第８〜第１９の実施の形態において示した形状測定方法または形状測定装置を簡易に実現することができる。
【０１０９】
本発明の第２２の実施の形態は、請求項１１〜請求項２０に対応する本発明の第８〜第２１の実施の形態のうちのいずれかの形状測定方法または装置における信号処理に用いるのに好適な信号処理装置を提供するものであって、第２２の実施の形態に対応する。
本発明の第２２の実施の形態による信号処理装置について、３列の受光素子を用いた場合を例にとって図３３および図３４を参照して説明する。この場合、信号処理装置は、ラインバッファ群３１、位相演算回路３２およびフレームメモリ３３を備える。ラインバッファ群３１は、各画素列データを記憶するラインバッファＡ１〜Ａ３、Ｂ１、Ｂ２およびＣ１を有している。位相演算回路３２は、ラインバッファ群３１に格納されたデータから位相シフト法の計算を行う。フレームメモリ３３は、被検物全面の形状データを記憶する。
【０１１０】
図３３に示すように、画素列Ａ（Ａ列）には、３本のラインバッファＡ１〜Ａ３を、画素列Ｂ（Ｂ列）には２本のラインバッファＢ１〜Ｂ２を、そして画素列Ｃ（Ｃ列）には１本のラインバッファＣ１を、それぞれ設けて、ラインバッファ群３１を構成する。本発明の第８〜第２１の実施の形態（請求項８〜請求項２０）の形状測定方法および装置の構成では、まず、図３４の（ａ）に示すように、時刻ｔ１において、ラインバッファＡ１に領域３のステップ０のデータが、ラインバッファＢ１に領域２のステップ１のデータが、そしてラインバッファＣ１に領域１のステップ２のデータをそれぞれ書き込む。次に、図３４の（ｂ）に示すように、時刻ｔ２において、ラインバッファＡ１のデータをラインバッファＡ２に上書き転送し、空いたラインバッファＡ１に領域４のステップ０のデータを書き込む。同様に、ラインバッファＢ１のデータをラインバッファＢ２に上書き転送し、空いたラインバッファＢ１に領域３のステップ１のデータを書き込み、ラインバッファＣ１には領域２のステップ２のデータを上書きする。次に、図３４の（ｃ）に示すように、時刻ｔ３では、ラインバッファＡ１のデータをラインバッファＡ２に、そしてラインバッファＡ２のデータをラインバッファＡ３にそれぞれ上書き転送し、空いたラインバッファＡ１に領域５のステップ０のデータを書き込む。
【０１１１】
同様にして、ラインバッファＢ１のデータをラインバッファＢ２に上書き転送し、空いたラインバッファＢ１に領域４のステップ１のデータを書き込み、ラインバッファＣ１には領域３のステップ２のデータを上書きする。
次に、図３３に戻り、ラインバッファＡ３、Ｂ２およびＣ１のデータを位相演算回路３２に送り、位相演算回路３２では数４の式に基づいて領域３の位相を計算し、その結果をフレームメモリ３３に格納する。このような処理をライン毎に繰り返し、被検物全面の測定を行う。このようなメモリ構成によれば、各画素列毎にフレームメモリを用意する必要がないので、メモリ容量を節約することができる。
このように、効果的なラインバッファの使用により、必要なメモリ容量を低減することができる。
【０１１２】
〔請求項２１および請求項２２に関連する実施の形態〕
本発明の第２３の実施の形態は、本発明の第１〜第２１の実施の形態に係る形状測定方法および形状測定装置における格子パターンに液晶素子を用いるものであって、請求項２１および請求項２２に対応する。この構成は、特に、格子パターンのピッチｓを変化させ位相シフトさせる手法には有効である。なぜならば、第８〜第１１の実施の形態（請求項８〜請求項１０）のように場所によってピッチを変化させたり、第２〜第５の実施の形態のように時系列でピッチを変えたりすることを、電気信号を与えるだけで設定することができる。また、その他の実施の形態において、測定対象の相違に対応して格子パターンピッチを変えて精度を変更させたいときなどにも、格子パターンそのものを交換する必要がなく、電気的な操作だけでそのピッチを変更することができる。
このように、格子パターンとして液晶素子を用いることによって、格子パターンそのものを交換したり移動させたりすることなく、格子パターンピッチを電気的に容易に変更することができ、第１〜第２１の実施の形態に示した形状測定方法または形状測定装置を簡易に実現することができる。
【０１１３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、ローラ部品等の円柱状被検物または液晶等の平面状被検物を対象として、実体格子型のモアレ法に位相シフト法を適用し且つ１回の１連の撮像により位相シフトした画像を得ることにより、高速に形状測定を行うことを可能とし、その定量的な形状データから被検物表面の検査を行うことも可能とする形状測定方法、形状測定装置を提供することができる。
【０１１４】
すなわち、本発明の請求項１の形状測定装置によれば、モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン、並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、前記受光素子が画素を集積した画素列からなり、その画素面が前記格子パターン面と平行に且つ同一距離に配置されており、前記格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に配置される平面状被検物表面も格子パターン面と平行面上に配置され、また、前記画素列が、前記平面状被検物表面上の同一個所を視野としており、その視野に対応する前記格子パターンが、パターンピッチを変更可能として、画素列の走査周期に同期してそのピッチを変化され、さらに当該モアレ光学系と前記平面状被検物表面との相対位置関係を前記受光素子の配列方向に沿って移動させる機構を有し、前記光学系と前記被検物との相対運動と、前記格子パターンのピッチ変化とを同期させて行なって、前記受光素子で得られるモアレ縞の時系列データと位相シフト法の計算式とから被検物の形状を測定することができ、特に、平面状被検物全面に対し、実体格子型のモアレ法に位相シフト法を用いて短時間での形状測定を実現することが可能となる。
【０１１５】
本発明の請求項２の形状測定装置によれば、モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン、並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、前記受光素子が画素を集積した画素列からなり、その画素面が前記格子パターン面と平行面上に配置されており、前記格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に配置される円筒状被検物表面の軸方向も画素列方向に平行であり、また、前記画素列が、前記円筒状被検物表面上の同一個所を視野としており、その視野に対応する前記格子パターンが、パターンピッチを変更可能として、画素列の走査周期に同期してそのピッチを変化され、さらに前記円筒状被検物を回転させる機構を有し、その回転による前記光学系と前記被検物との相対運動と、前記格子パターンのピッチ変化とを同期させて行なって、前記受光素子で得られるモアレ縞の時系列データと位相シフト法の計算式とから被検物の形状を高速で測定することができ、特に、円筒状被検物全面に対し、実体格子型のモアレ法に位相シフト法を用いた高精度な形状測定を実現することが可能となる。
【０１１６】
本発明の請求項３の形状測定装置によれば、モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン、並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、前記受光素子が画素を集積した画素列からなり、その画素面が前記格子パターン面と平行面上に配置されており、前記格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に配置される円筒状被検物表面の軸方向も画素列方向に平行であり、また、前記画素列が、前記円筒状被検物表面上の同一個所を視野としており、その視野に対応する格子パターンは、パターンピッチを変更可能として、画素列の走査周期に同期してそのピッチが変化され、さらに当該モアレ光学系を前記円筒状被検物の周りで回転させる機構を有し、その回転による前記光学系と前記被検物との相対運動と、前記格子パターンのピッチ変化とを同期させて行なって、前記受光素子で得られるモアレ縞の時系列データと位相シフト法の計算式とから被検物の形状を測定することにより、特に、円筒状被検物全面の短時間での形状測定を実現することが可能となる。
【０１１７】
本発明の請求項４の形状測定方法によれば、実体格子型のモアレ光学系を用い、
特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、
少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定するにあたり、
実体格子型のモアレ光学系に、パターンピッチを変更可能とした格子パターンを用い、
光学系と被検物との相対運動と、格子パターンのピッチ変化とを同期させて行なって、
受光素子としてラインセンサカメラを用いて得られたモアレ縞の時系列データと位相シフト法の計算式とから被検物の形状を測定することにより、短時間で且つ簡易に被検物の形状測定を行うことができる。
【０１１８】
本発明の請求項５の形状測定装置によれば、前記受光素子として、ラインセンサカメラを使用することにより、短時間で且つ簡易に被検物の形状を測定することができる。
本発明の請求項６の形状測定方法によれば、前記受光素子として、エリアセンサカメラの任意の１列を用いることにより、特に、短時間で正確に被検物の形状を測定することができる。
本発明の請求項７の形状測定装置によれば、前記受光素子として、エリアセンサカメラを含み且つその任意の１列を用いることにより、短時間で正確に被検物の形状を測定することができる。
【０１１９】
本発明の請求項８の形状測定装置によれば、モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン、並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、前記受光素子が画素を集積した画素列を３列以上平行に配置した構成からなり、その各画素面が前記格子パターン面と平行面上に配置されており、前記格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に配置される平面状被検物表面も格子パターン面と平行に且つ同一距離に配置され、また、前記画素列が、前記平面状被検物表面上の異なる個所を視野としており、その異なる視野に対応する格子パターンのピッチもそれぞれ異なり、さらに当該モアレ光学系と前記平面状被検面の相対位置関係を前記受光素子の配列方向に沿って移動させる機構を有し、前記受光素子の各画素列が視野とする格子パターンのピッチを変化させて、前記光学系と被検物との相対位置関係を変化させながら、前記受光素子によりモアレ縞画像データを取り込み、そのデータと位相シフト法の計算式とから被検物の形状を測定することにより、特に、平面状被検物全面を短時間で測定することが可能となる。
【０１２０】
本発明の請求項９の形状測定装置によれば、モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン、並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、前記受光素子が画素を集積した画素列を３列以上平行に配置した構成からなり、その各画素面が前記格子パターン面と平行面上に配置されており、前記格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に配置される円筒状被検物表面の軸方向も前記画素列方向に平行であり、また、前記画素列が、前記円筒状被検物表面上の異なる個所を視野としており、その異なる視野に対応する格子パターンのピッチもそれぞれ異なり、さらに前記円筒状被検物を回転させる機構を有し、その回転による前記受光素子の各画素列が視野とする格子パターンのピッチを変化させて、前記光学系と前記被検物との相対位置関係を変化させながら、前記受光素子によりモアレ縞画像データを取り込み、そのデータと位相シフト法の計算式とから被検物の形状を測定することにより、特に、円筒状被検物表面の形状を、短時間で高精度に測定することが可能となる。
【０１２１】
本発明の請求項１０の形状測定装置によれば、モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン、並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、前記受光素子が画素を集積した画素列を３列以上平行に配置した構成からなり、その各画素面が前記格子パターン面と平行面上に配置されており、前記格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に配置される円筒状被検物表面の軸方向も画素列方向に平行であり、また、前記画素列が、前記円筒状被検物表面上の異なる個所を視野としており、その異なる視野に対応する格子パターンのピッチもそれぞれ異なり、さらに当該モアレ光学系を前記円筒状被検物の周りで回転させる機構を有し、その回転による前記受光素子の各画素列が視野とする格子パターンのピッチを変化させて、前記光学系と前記被検物との相対位置関係を変化させながら、前記受光素子によりモアレ縞画像データを取り込み、そのデータと位相シフト法の計算式とから被検物の形状を短時間で測定することが可能となる。
【０１２２】
本発明の請求項１１の形状測定装置によれば、モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン、並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、前記受光素子が画素を集積した画素列を３列以上平行に配置した構成からなり、その各画素面が格子パターン面と平行面上に配置されており、平面状被検物表面が、格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に配置され、前記平行面に対して前記受光素子の各画素列方向には傾斜を持たないが、それら画素列の配列方向には傾斜を有しており、また、前記各画素列が、それぞれ格子パターンから異なる距離の前記平面状被検物表面を視野としており、さらに当該モアレ光学系と前記平面状被検面との相対位置関係を前記被検面の傾斜方向に移動させる機構を有し、前記各受光素子が視野とする前記被検物上の観測点と格子の距離がそれぞれ異なっており、前記光学系と前記被検物との相対位置関係を変化させながら、前記受光素子によりモアレ縞画像データを取り込み、そのデータと位相シフト法の計算式とから平面状被検面の形状を測定することにより、特に、平面状被検物に対し、より一層の高速で形状測定を実現することが可能となる。
【０１２３】
本発明の請求項１２の形状測定装置によれば、モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン、並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、前記受光素子が画素を集積した画素列を３列以上平行に配置した構成からなり、その各画素面が格子パターン面と平行面上に配置されており、円筒状被検物が、格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に配置され、その軸方向が画素列方向に平行であり、また、前記各画素列が、それぞれ格子パターンから異なる距離の前記円筒状被検物表面を視野としており、さらに前記円筒状被検物を回転させる機構を有し、前記各受光素子が視野とする前記被検物上の観測点と格子の距離がそれぞれ異なっており、前記光学系と前記被検物との相対位置関係を変化させながら、前記受光素子によりモアレ縞画像データを取り込み、そのデータと位相シフト法の計算式とから円筒状被検面の形状を測定することにより、特に、円筒状被検物全面を簡易に測定することが可能となる。
【０１２４】
本発明の請求項１３の形状測定装置によれば、モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン、並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、前記受光素子が画素を集積した画素列を３列以上平行に配置した構成からなり、その各画素面が格子パターン面と平行面上に配置されており、円筒状被検物が、格子パターンを挟んで受光素子とは反対側に配置され、その軸方向は画素列方向に平行であり、また、前記画素列が、それぞれ格子パターンから異なる距離の円筒状被検物表面を視野としており、さらに当該モアレ光学系を前記円筒状被検物の周りで回転させる機構を有し、前記各受光素子が視野とする前記被検物上の観測点と格子の距離がそれぞれ異なっており、前記光学系と前記被検物との相対位置関係を変化させながら、前記受光素子によりモアレ縞画像データを取り込み、そのデータと位相シフト法の計算式とから円筒状被検面の形状を測定することにより、特に、円筒状被検物全面の測定を短時間で行うことが可能となる。
【０１２５】
本発明の請求項１４の形状測定装置によれば、モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン、並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、前記受光素子が画素を集積した画素列を３列以上平行に配置した構成からなり、平面状被検物表面が格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に、前記画素列の画素面と平行に且つ同一距離に配置され、前記格子パターン面が、前記受光素子の各画素列方向には傾斜を持たないが、それら画素列の配列方向には傾斜を有して配置されており、また、前記画素列が、それぞれ前記格子パターンから異なる距離の前記平面状被検物表面を視野としており、さらに当該モアレ光学系と前記平面状被検面の相対位置関係を受光素子の傾斜方向に移動させる機構を有し、前記光学系と前記平面状被検物の相対位置関係を変化させながら前記受光素子によりモアレ縞画像データを取り込み、そのデータと位相シフト法の計算式とから平面状被検面の形状を測定することにより、特に、平面状被検物表面の形状を短時間で測定することが可能となる。
【０１２６】
本発明の請求項１５の形状測定装置によれば、モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン、並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、前記受光素子が画素を集積した画素列を３列以上平行に配置した構成からなり、円筒状被検物が、格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に、その軸方向を前記画素列方向に平行として配置され、前記格子パターン面が、前記受光素子の各画素列方向には傾斜を持たないが、それら画素列の配列方向に傾斜を有して配置されており、また、前記画素列が、前記円筒状被検物表面上の異なる個所を視野としており、さらに前記円筒状被検物を回転させる機構を有し、前記光学系と前記円筒状被検物の相対位置関係を変化させながら前記受光素子によりモアレ縞画像データを取り込み、そのデータと位相シフト法の計算式とから円筒状被検面の形状を測定することにより、特に、円筒状被検物全面の形状を測定することが可能となる。
【０１２７】
本発明の請求項１６の形状測定装置によれば、モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン、並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、前記受光素子が画素を集積した画素列を３列以上平行に配置した構成からなり、円筒状被検物が、格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に、その軸方向を前記画素列方向に平行として配置され、前記格子パターン面が、前記受光素子の各画素列方向には傾斜を持たないが、それら画素列の配列方向に傾斜を有して配置されており、また、前記画素列が、前記円筒状被検物表面上の異なる個所を視野としており、さらに当該モアレ光学系を前記円筒状被検物の周りで回転させる機構を有し、前記光学系と前記円筒状被検物の相対位置関係を変化させながら前記受光素子によりモアレ縞画像データを取り込み、そのデータと位相シフト法の計算式とから円筒状被検面の形状を測定することにより、特に、円筒状被検物全面の形状測定を行う。
【０１２８】
本発明の請求項１７の形状測定方法によれば、前記受光素子として３列以上のラインを持ったラインセンサを用いることにより、特に、被検物表面の形状を簡易に測定することができる。
本発明の請求項１８の形状測定装置によれば、前記受光素子が、３列以上のラインを持ったラインセンサを含むことにより、特に、請求項７〜請求項１６のうちのいずれか１項で用いる受光素子を好適な構成とすることができる。
本発明の請求項１９の形状測定方法によれば、前記受光素子としてエリアセンサカメラを用い、その任意の３列以上のデータから前記位相シフト法の計算式を用いて被検査対象面の形状を迅速且つ測定することができる。
【０１２９】
本発明の請求項２０の形状測定装置によれば、前記受光素子がエリアセンサカメラを含み、且つその任意の３列以上のデータから前記位相シフト法の計算式を用いて前記被検査対象面の形状を測定することにより、特に、請求項８〜請求項１６のうちのいずれか１項で用いる受光素子を他の好適な構成とすることができる。
本発明の請求項２１の形状測定方法によれば、前記格子パターンとして、液晶素子を用いることにより、特に、請求項４、請求項６、請求項１７および請求項１９のうちのいずれか１項による形状測定で用いる格子パターンを好適なものに特定することができる。
本発明の請求項２２の形状測定装置によれば、前記格子パターンが、液晶素子を含むことにより、特に、請求項１〜請求項３、請求項５、請求項７、請求項８〜請求項１０、請求項１１〜請求項１３、請求項１４〜請求項１６、請求項１８および請求項２０のうちのいずれか１項による形状測定で用いる格子パターンを好適な構成とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る形状測定方法の原理を説明するためのモアレ三次元測定法における位相シフト法によるモアレ等高線を示す図である。
【図２】本発明の原理に係るモアレ三次元測定法を説明するための図である。
【図３】本発明の原理に係る実体格子型のモアレ三次元測定法を説明するための図である。
【図４】本発明の原理に係るモアレ三次元測定法における位相シフト法を説明するための図である。
【図５】図４に係る位相シフト法の原理を説明するための図である。
【図６】図６（ａ），（ｂ），（ｃ）は、本発明の第２の実施の形態による形状測定方法の原理に係る測定手順を説明するための図である。
【図７】図６（ａ），（ｂ），（ｃ）に係る形状測定方法における撮像領域および格子パターンピッチの変化と撮像のタイミングとの関係を説明するための図である。
【図８】図６の手順および図７の撮像領域および格子パターンピッチの変化と撮像のタイミングとの関係を用いて取得される画像データを模式的に示す図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態に係る形状測定装置に用いる測定ヘッドの構成を模式的に示す斜視図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態に係る形状測定装置において、図９に示す測定ヘッドを移動させるための駆動機構の構成を模式的に示す斜視図である。
【図１１】本発明の第４の実施の形態に係る形状測定装置の原理に係る測定手順を説明するための図である。
【図１２】本発明の第８の実施の形態に係る形状測定装置に用いる受光素子の構成を説明するための模式図である。
【図１３】図１２に示す受光素子を用いて本発明の第８の実施の形態に係る形状測定装置を構成するための測定用のモアレ光学系の構成を説明するための模式図である。
【図１４】図１２および図１３に示す構成を用いる本発明の第８の実施の形態による形状測定装置の原理に係る測定手順を説明するための図である。
【図１５】図１４のような測定手順により画像メモリ上に取得されるデータの例を模式的に説明するための図である。
【図１６】本発明の第１０の実施の形態に係る形状測定装置において、モアレ光学系の測定ヘッドを移動させるための駆動機構の構成を模式的に示す斜視図である。
【図１７】図１６に示す駆動機構を用いて本発明の第１０の実施の形態に係る形状測定装置を構成するための測定用のモアレ光学系の構成を説明するための模式図である。
【図１８】図１６および図１７に示す構成を用いる本発明の第１０の実施の形態による形状測定装置の原理に係る測定手順を説明するための図である。
【図１９】図１７および図１８に係る円筒状被検物における画素列による視野の高さの相違を説明するための模式図である。
【図２０】本発明の第１２の実施の形態に係る形状測定方法における原理に係るモアレ縞等高線を説明するための模式図である。
【図２１】本発明の第１２の実施の形態に係る形状測定方法を実施するための測定用のモアレ光学系の構成を説明するための模式図である。
【図２２】図２１に示す構成を用いる本発明の第１２の実施の形態による形状測定方法の原理に係る測定手順を説明するための図である。
【図２３】本発明の第１４の実施の形態に係る形状測定装置を実施するための測定用のモアレ光学系の構成を説明するための模式図である。
【図２４】図２３に示す構成を用いる本発明の第１４の実施の形態による形状測定装置の原理に係る測定手順を説明するための図である。
【図２５】本発明の第１６の実施の形態に係る形状測定方法における原理に係る格子パターンの移動によるモアレ縞のシフトを説明するための模式図である。
【図２６】本発明の第１６の実施の形態に係る形状測定方法における原理に係るモアレ縞等高線を説明するための模式図である。
【図２７】本発明の第１６の実施の形態に係る形状測定方法を実施するための測定用のモアレ光学系の構成を説明するための模式図である。
【図２８】図２７のモアレ光学系における格子パターンの配置を詳細に説明するための模式図である。
【図２９】図２７に示す構成を用いる本発明の第１６の実施の形態による形状測定方法の原理に係る測定手順を説明するための図である。
【図３０】本発明の第１８の実施の形態に係る形状測定装置を実施するための測定用のモアレ光学系の構成を説明するための模式図である。
【図３１】図３０に示す構成を用いる本発明の第１８の実施の形態による形状測定装置の原理に係る測定手順を説明するための図である。
【図３２】本発明の第２０の実施の形態に係る形状測定方法および装置に用いる受光素子の構成を説明するための模式図である。
【図３３】本発明の第２２の実施の形態に係る信号処理装置の構成を示す模式的ブロック図である。
【図３４】図３３に示した本発明の第２２の実施の形態に係る信号処理装置の動作を模式的に説明するための図である。
【図３５】円筒状被検物の従来の表面欠陥の検査方法の一例を説明するための図である。
【図３６】円筒状被検物の従来の表面欠陥の検査方法の他の一例を説明するための図である。
【図３７】格子投影型のモアレ法による三次元測定法の従来の一例を説明するための模式図である。
【図３８】実体格子型のモアレ法による三次元測定法の従来の一例を説明するための模式図である。
【符号の説明】
１０ 測定ヘッド
１１ 光源
１２ 格子パターン
１４ 受光素子
１５ 平面状被検物
１６ ＸＹ自動ステージ
１７ 円筒状被検物
１８ 受光素子
１９ 格子パターン
２１ チャック
２２ 回転機構（モータ）
２３ 測定ヘッド
２４ 自動ステージ
３１ ラインバッファ群
３２ 位相演算回路
３３ フレームメモリ
ＰＲ 受光素子
ＶＰ 格子パターン
ＯＢＦ 平面状被検物

Claims (22)

1. モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン、並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、
   前記受光素子は画素を集積した画素列からなり、その画素面は前記格子パターン面と平行に且つ同一距離に配置されており、
   前記格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に配置される平面状被検物表面も格子パターン面と平行面上に配置され、
   また、前記画素列は、前記平面状被検物表面上の同一個所を視野としており、その視野に対応する前記格子パターンは、パターンピッチを変更可能として、画素列の走査周期に同期してそのピッチが変化され、
   さらに当該モアレ光学系と前記平面状被検物表面との相対位置関係を前記受光素子の配列方向に沿って移動させる機構を有し、前記光学系と前記被検物との相対運動と、前記格子パターンのピッチ変化とを同期させて行なって、
   前記受光素子で得られるモアレ縞の時系列データと位相シフト法の計算式とから被検物の形状を測定することを特徴とする形状測定装置。
2. モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン、並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、
   前記受光素子は画素を集積した画素列からなり、その画素面は前記格子パターン面と平行面上に配置されており、
   前記格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に配置される円筒状被検物表面の軸方向も画素列方向に平行であり、
   また、前記画素列は、前記円筒状被検物表面上の同一個所を視野としており、その視野に対応する前記格子パターンは、パターンピッチを変更可能として、画素列の走査周期に同期してそのピッチが変化され、
   さらに前記円筒状被検物を回転させる機構を有し、その回転による前記光学系と前記被検物との相対運動と、前記格子パターンのピッチ変化とを同期させて行なって、
   前記受光素子で得られるモアレ縞の時系列データと位相シフト法の計算式とから被検物の形状を測定することを特徴とする形状測定装置。
3. モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン、並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、
   前記受光素子は画素を集積した画素列からなり、その画素面は前記格子パターン面と平行面上に配置されており、
   前記格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に配置される円筒状被検物表面の軸方向も画素列方向に平行であり、
   また、前記画素列は、前記円筒状被検物表面上の同一個所を視野としており、その視野に対応する格子パターンは、パターンピッチを変更可能として、画素列の走査周期に同期してそのピッチが変化され、
   さらに当該モアレ光学系を前記円筒状被検物の周りで回転させる機構を有し、その回転による前記光学系と前記被検物との相対運動と、前記格子パターンのピッチ変化とを同期させて行なって、
   前記受光素子で得られるモアレ縞の時系列データと位相シフト法の計算式とから被検物の形状を測定することを特徴とする形状測定装置。
4. 実体格子型のモアレ光学系を用い、
   特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、
   少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定するにあたり、
   実体格子型のモアレ光学系に、パターンピッチを変更可能とした格子パターンを用い、
   光学系と被検物との相対運動と、格子パターンのピッチ変化とを同期させて行なって、
   受光素子としてラインセンサカメラを用いて得られたモアレ縞の時系列データと位相シフト法の計算式とから被検物の形状を測定することを特徴とする形状測定方法。
5. 前記受光素子は、ラインセンサカメラを含むことを特徴とする請求項１〜請求項３のうちのいずれか１項に記載の形状測定装置。
6. 前記受光素子として、エリアセンサカメラの任意の１列を用いることを特徴とする請求項４に記載の形状測定方法。
7. 前記受光素子は、エリアセンサカメラを含み且つその任意の１列を用いることを特徴とする請求項１〜請求項３のうちのいずれか１項に記載の形状測定装置。
8. モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン、並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、
   前記受光素子は画素を集積した画素列を３列以上平行に配置した構成からなり、その各画素面は前記格子パターン面と平行面上に配置されており、
   前記格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に配置される平面状被検物表面も格子パターン面と平行に且つ同一距離に配置され、
   また、前記画素列は、前記平面状被検物表面上の異なる個所を視野としており、その異なる視野に対応する格子パターンのピッチもそれぞれ異なり、
   さらに当該モアレ光学系と前記平面状被検面の相対位置関係を前記受光素子の配列方向に沿って移動させる機構を有し、前記受光素子の各画素列が視野とする格子パターンのピッチを変化させて、前記光学系と被検物との相対位置関係を変化させながら、前記受光素子によりモアレ縞画像データを取り込み、
   そのデータと位相シフト法の計算式とから被検物の形状を測定することを特徴とする形状測定装置。
9. モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン、並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、
   前記受光素子は画素を集積した画素列を３列以上平行に配置した構成からなり、その各画素面は前記格子パターン面と平行面上に配置されており、
   前記格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に配置される円筒状被検物表面の軸方向も前記画素列方向に平行であり、
   また、前記画素列は、前記円筒状被検物表面上の異なる個所を視野としており、その異なる視野に対応する格子パターンのピッチもそれぞれ異なり、
   さらに前記円筒状被検物を回転させる機構を有し、その回転による前記受光素子の各画素列が視野とする格子パターンのピッチを変化させて、前記光学系と前記被検物との相対位置関係を変化させながら、前記受光素子によりモアレ縞画像データを取り込み、
   そのデータと位相シフト法の計算式とから被検物の形状を測定することを特徴とする形状測定装置。
10. モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン、並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、
    前記受光素子は、画素を集積した画素列を３列以上平行に配置した構成からなり、その各画素面は、前記格子パターン面と平行面上に配置されており、
    前記格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に配置される円筒状被検物表面の軸方向も画素列方向に平行であり、
    また、前記画素列は、前記円筒状被検物表面上の異なる個所を視野としており、その異なる視野に対応する格子パターンのピッチもそれぞれ異なり、
    さらに当該モアレ光学系を前記円筒状被検物の周りで回転させる機構を有し、その回転による前記受光素子の各画素列が視野とする格子パターンのピッチを変化させて、前記光学系と前記被検物との相対位置関係を変化させながら、前記受光素子によりモアレ縞画像データを取り込み、
    そのデータと位相シフト法の計算式とから被検物の形状を測定することを特徴とする形状測定装置。
11. モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン、並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、
    前記受光素子は画素を集積した画素列を３列以上平行に配置した構成からなり、その各画素面は格子パターン面と平行面上に配置されており、
    平面状被検物表面は、格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に配置され、前記平行面に対して前記受光素子の各画素列方向には傾斜を持たないが、それら画素列の配列方向には傾斜を有しており、
    また、前記各画素列は、それぞれ格子パターンから異なる距離の前記平面状被検物表面を視野としており、
    さらに当該モアレ光学系と前記平面状被検面との相対位置関係を前記被検面の傾斜方向に移動させる機構を有し、前記各受光素子が視野とする前記被検物上の観測点と格子の距離がそれぞれ異なっており、前記光学系と前記被検物との相対位置関係を変化させながら、前記受光素子によりモアレ縞画像データを取り込み、
    そのデータと位相シフト法の計算式とから平面状被検面の形状を測定することを特徴とする形状測定装置。
12. モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン、並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、
    前記受光素子は、画素を集積した画素列を３列以上平行に配置した構成からなり、その各画素面は、格子パターン面と平行面上に配置されており、
    円筒状被検物は、格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に配置され、その軸方向は画素列方向に平行であり、
    また、前記各画素列は、それぞれ格子パターンから異なる距離の前記円筒状被検物表面を視野としており、
    さらに前記円筒状被検物を回転させる機構を有し、前記各受光素子が視野とする前記被検物上の観測点と格子の距離がそれぞれ異なっており、前記光学系と前記被検物との相対位置関係を変化させながら、前記受光素子によりモアレ縞画像データを取り込み、
    そのデータと位相シフト法の計算式とから円筒状被検面の形状を測定することを特徴とする形状測定装置。
13. モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン、並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、
    前記受光素子は画素を集積した画素列を３列以上平行に配置した構成からなり、その各画素面は格子パターン面と平行面上に配置されており、
    円筒状被検物は、格子パターンを挟んで受光素子とは反対側に配置され、その軸方向は画素列方向に平行であり、
    また、前記画素列は、それぞれ格子パターンから異なる距離の円筒状被検物表面を視野としており、
    さらに当該モアレ光学系を前記円筒状被検物の周りで回転させる機構を有し、前記各受光素子が視野とする前記被検物上の観測点と格子の距離がそれぞれ異なっており、前記光学系と前記被検物との相対位置関係を変化させながら、前記受光素子によりモアレ縞画像データを取り込み、
    そのデータと位相シフト法の計算式とから円筒状被検面の形状を測定することを特徴とする形状測定装置。
14. モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン、並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、
    前記受光素子は画素を集積した画素列を３列以上平行に配置した構成からなり、
    平面状被検物表面は格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に、前記画素列の画素面と平行に且つ同一距離に配置され、
    前記格子パターン面は、前記受光素子の各画素列方向には傾斜を持たないが、それら画素列の配列方向には傾斜を有して配置されており、
    また、前記画素列は、それぞれ前記格子パターンから異なる距離の前記平面状被検物表面を視野としており、
    さらに当該モアレ光学系と前記平面状被検面の相対位置関係を受光素子の傾斜方向に移動させる機構を有し、前記光学系と前記平面状被検物の相対位置関係を変化させながら前記受光素子によりモアレ縞画像データを取り込み、
    そのデータと位相シフト法の計算式とから平面状被検面の形状を測定することを特徴とする形状測定装置。
15. モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン、並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、
    前記受光素子は画素を集積した画素列を３列以上平行に配置した構成からなり、
    円筒状被検物は、格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に、その軸方向を前記画素列方向に平行として配置され、
    前記格子パターン面は、前記受光素子の各画素列方向には傾斜を持たないが、それら画素列の配列方向に傾斜を有して配置されており、
    また、前記画素列は、前記円筒状被検物表面上の異なる個所を視野としており、
    さらに前記円筒状被検物を回転させる機構を有し、前記光学系と前記円筒状被検物の相対位置関係を変化させながら前記受光素子によりモアレ縞画像データを取り込み、
    そのデータと位相シフト法の計算式とから円筒状被検面の形状を測定することを特徴とする形状測定装置。
16. モアレ縞を発生させるための光源および格子パターン、並びにそのモアレ縞を撮像するためのレンズおよび受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系を用い、特定の縞次数のモアレ縞を所望の位相だけ正確にシフトさせて、測定領域をその縞次数近辺に限定し、少なくとも３つの位相シフトしたモアレ縞データから被検物表面の形状を３次元測定する形状測定装置において、
    前記受光素子は画素を集積した画素列を３列以上平行に配置した構成からなり、
    円筒状被検物は、格子パターンを挟んで前記受光素子とは反対側に、その軸方向を前記画素列方向に平行として配置され、
    前記格子パターン面は、前記受光素子の各画素列方向には傾斜を持たないが、それら画素列の配列方向に傾斜を有して配置されており、
    また、前記画素列は、前記円筒状被検物表面上の異なる個所を視野としており、
    さらに当該モアレ光学系を前記円筒状被検物の周りで回転させる機構を有し、前記光学系と前記円筒状被検物の相対位置関係を変化させながら前記受光素子によりモアレ縞画像データを取り込み、
    そのデータと位相シフト法の計算式とから円筒状被検面の形状を測定することを特徴とする形状測定装置。
17. 前記受光素子として３列以上のラインを持ったラインセンサを用いることを特徴とする請求項４に記載の形状測定方法。
18. 前記受光素子は、３列以上のラインを持ったラインセンサを含むことを特徴とする請求項８〜請求項１６のうちのいずれか１項に記載の形状測定装置。
19. 前記受光素子としてエリアセンサカメラを用い、その任意の３列以上のデータから前記位相シフト法の計算式を用いて被検査対象面の形状を測定することを特徴とする請求項４に記載の形状測定方法。
20. 前記受光素子はエリアセンサカメラを含み、且つその任意の３列以上のデータから前記位相シフト法の計算式を用いて前記被検査対象面の形状を測定することを特徴とする請求項８〜請求項１６のうちのいずれか１項に記載の形状測定装置。
21. 前記格子パターンとして、液晶素子を用いることを特徴とする請求項４、請求項６、請求項１７および請求項１９のうちのいずれか１項に記載の形状測定方法。
22. 前記格子パターンは、液晶素子を含むことを特徴とする請求項１〜請求項３、請求項５、請求項７〜請求項１６、請求項１８および請求項２０のうちのいずれか１項に記載の形状測定装置。

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