JPS64641B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は三次元物体の立体形状を光学的手段に
より検出する立体形状検出装置に係り、特に立体
形状の撮像に際し、結像光学系の焦点ぼけの影響
を除去し、常に合焦点状態で立体形状を検出する
ことを可能にした立体形状撮像方法及び装置に関
する。

従来、立体形状を検出する方法として、格子縞
を物体面上に投影し、この投影縞を格子越しに撮
像するか、もしくは投影縞を格子上に撮像するこ
とによりモアレ等高線を発生させていた。または
別の方法として投影縞を直接撮像し、得られた撮
像電気信号を縞とほぼ直角な方向に一定サンプル
点間隔でサンプリングし、実効的に格子上に撮像
したのと同等の効果を与え、モアレ等高線を発生
させて立体形状を検出していた。

このような等高線の発生方法の１つとして、特
に測定物体が比較的小さく（１cm程度以下）、微
小な凹凸変化（数＋μｍ〜数百μｍ）を測定する
方法が既に出願されている（特願昭53−146501）。
これは、レーザ干渉縞を用いた格子縞投影方式に
より、立体形状の高さに依存しない一定コントラ
ストの格子縞を物体に投影するものである。

しかし、この従来方法では、一定コントラスト
で投影された縞を上述の方法で撮像する際に、撮
像（結像）光学系の焦点深度の問題があつた。す
なわち、物体の高さ方向（撮像光学系の光軸方
向）の広い範囲でピントの合つた鮮明な像を得る
ことは困難であつた。また従来方法で出来る限り
焦点深度を深くして広い範囲にわたつてピントの
あつた像を得ようとすると、撮像レンズの開口を
小さくせねばならないため、格子縞の投影に用い
る光源のパワーを大きくせねばならず、また例え
実用可能な大出力光源を用いても所望の焦点深度
を得ることは不可能であつた。また撮像レンズの
開口を小さくすると測定物体から反射したレーザ
光による結像パターンに粒状性の雑音、いわゆる
スペツクルノイズが乗るため、モアレ等高線像の
Ｓ／Ｎを低下させると云う問題が生じていた。

本発明の目的は、上述の従来の問題点を解決
し、一般に用いられる小出力の光源を用いて、広
い高さ方向の範囲にわたつて立体形状を検出で
き、かつ測定物体の全体を等高線的表示により検
出可能な立体形状撮像方法及び装置を提供するに
ある。

上記目的を達成するために、本発明において
は、スリツト光を移動走査方向に沿つて移動しな
がら照射し、その反射光の結像位置に撮像系を移
動せしめて撮像させることとした。具体的には、
実効的に単数もしくは複数のスリツト状構造を有
するスリツト光を測定物体に一方向もしくは複数
方向より照射し、この方向とは異なる方向の光軸
を有する撮像光学系により測定物体を撮像するよ
うに構成するとともに、上記スリツト光のスリツ
ト方向とほゞ直角な方向に上記スリツト光を偏向
するかもしくは測定物体を移動させて測定物体を
上記スリツト光により走査する走査機構と、該走
査によつて移動する上記スリツト光照射による測
定物体の結像面が上記撮像光学系の実効的撮像面
にほゞ一致するように測定物体と上記撮像光学系
の相対位置を変化せしめる機構とを備えたことを
特徴としている。

以下、本発明を詳細に説明する。まず、前述の
撮像面の配置については、投影スリツト光が空間
的に通過する面（複数のスリツト状構造の場合は
複数スリツト光の両端からほぼ等距離にある面）
の撮像レンズによる結像位置はほぼ平面となるの
で、この面に撮像面を配置する。ここでほぼ平面
と云つたのは厳密には曲面であるが、測定物体の
高さが撮像レンズの焦点距離に比べ１桁程度小さ
ければほとんど平面に近くなるからであり、又例
え平面にならなくても、曲面上にある結像面に最
も近い位置の平面に撮像面を置くことにより、本
発明の目的は十分達せられる。このようにしてほ
とんど結像面におかれた撮像面には、鮮明な像が
撮像される。

次に単数もしくは複数のスリツト状構造となる
光が測定物体を照射する位置を、次の２つのいず
れかの方法により変える。すなわちこのスリツト
光のスリツト方向とほぼ直角な方向にスリツト光
を偏向するか、もしくはこの方向に測定物体を移
動する。このような測定物体上での照射位置の変
化に伴ない、第１図および第２図に示すように撮
像光学系と実効的撮像面の相対位置を変化させ
て、焦点深度の深い立体形状の検出を行なう。

第１図は上記のスリツト光の偏向により測定物
体上での照射位置を変える場合の撮像光学系と実
効的撮像面の相対位置変化を示したものである。
スリツト光１の進行方向z′に垂直な面で強度分布
Ｉがx′軸方向に沿つて同図に示されており、y′軸
方向で見るとこの強度は一定である。このスリツ
ト光１の中心はx₀′にあり、スリツト光１の偏向
によりその中心位置を同一間隔で変え、x₁′，
x₂′に中心を持つスリツト光１′，１″……として
順次照射して行く。スリツト光１は測定物体２に
照射されるが、測定物体上のスリツト光の位置は
平面上にあるため、（厳密には一平面でなく焦点
深度以内の量に相当する厚みがあるがこのことに
ついての考察は後に述べる）撮像レンズ３によ
り、撮像面４上に結像される（厳密には平面上に
結像されるわけではないが後述の条件下ではほと
んど平面上に鮮明に結像される）。次にスリツト
光が偏向され１′が次のスリツト光になると、同
様に４′で示した位置に撮像面が移動した時鮮明
な像として結像される。従つて撮像面の中心Ｏを
O₀の位置からO₁の位置に移るように撮像面を光
軸方向に平行移動し、撮像光学系と撮像面の相対
位置を変化させる。以下同様に測定物体全面に亘
りスリツト光を順次照射し、鮮明な像を撮像面上
に順次結像して行く。撮像面から像を取り出す方
法については後述する。

第２図はスリツト光１を固定しておき、スリツ
ト方向（y′方向）とほぼ直角な方向に測定物体を
移動する場合の撮像光学系と実効的撮像面の相対
位置変化を示している。測定物体２をこの現在位
置から光軸に直角な方向で、スリツト方向とほぼ
直角な方向に移動し（第２図の２′，２″……）、
この移動とともに撮像面４を撮像面に平行な方向
に平行移動する。即ち撮像面の中心ＯがO₀，O₁，
O₂……に来るように平行移動する。このように
することにより、スリツト光１による測定物体の
照射位置が変わつても常に鮮明な像を撮像面上に
得ることができ、また最終的に得られる（像の蓄
積により得られる）像は測定物体を多数のスリツ
トで照射した鮮明な全体像となる。このようにし
て得られたＳ／Ｎの高い撮像から従来からも行な
われている技術である等高線モアレを発生させる
ことにより、高さ変化の大きな測定物体に対して
も多数の鮮明な等高線を得ることが可能となり、
広範囲、高精度の立体形状検出が可能となる。

第３図は本発明の実施例を示した図である。レ
ーザ光源１１から出射されたレーザ光は光変調器
１２を通過する。この変調器１２は測定物体２に
レーザ光を照射するタイミングの制御、並びに後
述するように照射光強度を制御するのに用いられ
る。この変調器１２を通過した光はビーム径調整
器１３により所望のビーム径にされる。所望のビ
ーム径になつた光はビームスプリツタ１４により
２分される。２分されたレーザビームはほぼ平行
に進み集光レンズ１５により測定物体上に微小な
スポツト形状で絞り込まれると同時に、２つのビ
ームが測定物体上で重ね合わされ、干渉縞の強度
分布を持つ微小スポツトとして測定物体に照射さ
れる。この集光レンズ１５を通過した光は光偏向
器１６１，１６２，１６３を通過しミラー９ａ又
は９ｂにより反射され、上述のごとく測定物体２
に照射される。光偏向器１６１は測定物体上をｙ
方向に微小スポツト光を走査するのに用いられ、
光偏向器１６２は走査スポツト光を次の走査でｘ
方向にわずかにずらすのに用いられる。また光偏
向器１６３はレーザビームを異なる２方向から照
射するために光ビーム経路を切替えるのに用いら
れる。すなわち第３図の１ａ又は１ｂのいずれか
の経路を選択する。測定物体２には第４図ａに示
すように、ｘ軸とｚ軸に対し45゜の角度で光が照
射され、測定物体上では第４図ｂに示すように干
渉縞状のスポツトが照射されている。このスポツ
トの強度分布は第４図ｃに示すような強度分布を
持つている。これは正絃波の２乗の分布とガウス
分布を掛け合せたような強度分布となつている。
また縞の方向はｙ方向であり、このｙ方向に光ス
ポツトを走査することにより実効的に複数のスリ
ツト状構造となる光を測定物体に照射する。本実
施例では複数のスリツト状構造であるが、スポツ
トを縞構造としないで単数のスリツト（ガウス分
布状のスポツトの走査光）でもよい。しかし、本
実施例のように複数のスポツト状構造とし、これ
を第４図ｂに示すように次の走査の時に前回の走
査の時と若干重ね合せて走査（スポツト１０１が
前回、スポツト１０１′が今回を意味する）する
ことにより、微細なストライプ構造を広い高さ範
囲にわたり投影することが可能となる。このよう
にして投影されたスリツト構造状の光が測定物体
で反射され、その反射光は測定物体に垂直（ｚ方
向）に光軸を持つ撮像光学系３によりミラーで反
射されて撮像面４上に結像される。撮像光学系の
倍率は１倍であり、撮像面は入射光に対し45゜傾
いており、物体面上に照射されるスリツト構造状
の光はいづれの場所も撮像光学系３により、ほぼ
撮像面上に鮮明に結像される。

光偏向器１６１によるｙ方向の一走査中では、
撮像光学系３と撮像面４との相対位置関係は、上
述のごとく撮像面上に鮮明にスリツト構造状の投
影光がほぼ結像するように、固定にするかもしく
は一定速度で光軸方向に移動する。前者の場合
（固定の場合）には次のスリツト構造状の光の走
査に入る前に光軸方向に相対位置関係を変化さ
せ、次の光の走査では同様に撮像面上に鮮明にス
リツト構造状の投影光がほぼ結像するようにす
る。又後者の場合（一定速度で移動の場合）に
は、この一定速度で移動した状態で次のスリツト
状構造の投影光が撮像面上にほぼ鮮明に結像する
ようにする。このような動作を繰返すことによ
り、立体形状の測定物体に投影されたスリツト状
構造の光を測定物体全体にわたり鮮明に撮像面上
に結像することができる。

上述の動作でストライプ状構造の光の中心１
（第１図）と次の走査時の中心１′との距離をｄと
すると、１倍の撮像光学系を用いた場合の撮像面
４のｚ方向の移動距離は√２ｄであり、一定速度
で撮像面を移動する場合には、照射光が例えばｘ
軸を通過する時点（ｙ＝一定）と次の走査でｘ軸
を通過する時点の時間間隔でちようど√２ｄだけ
ｚ方向に撮像面が移動するように一定速度で撮像
面を移動させる。第３図の実施例ではこの撮像光
学系と撮像面の相対位置の変化を、半透鏡９１と
ミラー９３を一体化し、ｚ方向に移動させる光路
長変化器５により行なつている。

第３図の実施例に示すように、照射光を二方向
１ａ，１ｂから照射すると、測定物体の立体形状
変化が大きく、一方向からの照射のみでは影が生
じる場合に有効である。

第５図は、第３図の実施例で、二方向から照明
した場合に同一の実効的撮像面上で結像すること
を可能ならしめる結像位置一致化光学系９０によ
る像のでき方を示した図である。スリツト状構造
の照射光１ａが測定物体を照明している部分を０
１ａとする。第５図で０１ａの撮像光学系中の撮
像系３による像は０２ａである。この像はミラー
９１により０３ａにでき、この０３ａはミラー９
３により、０４ａにできる。１ａの照明光を用い
ている時は光路変換器９２は第３図で実線の位置
９２ａにあり、このミラーから成る光路変換器９
２により０４ａの像は０５ａにでき、０５ａはミ
ラー９４により撮像面４上の０６ａに結像する。
同様にしてスリツト構造の照射光１ｂは光路変換
器９２が第３図の９２ｂの点線の位置にあるた
め、０６ａと同一の場所０６ｂに結像する。しか
も測定物体を真上より見た像は図で矢印が一致す
るため、一致する。

次に、本実施例により立体形状を検出する方法
を説明する。第３図の制御回路６が立体形状検出
装置を動作させる。上述の方法により光偏向器１
６１，１６２，１６３を連動させ、測定物体２に
ストライプ状構造のレーザ光をまず１ａ方向から
走査して行く。撮像面４にはテレビカメラの撮像
面がくるようにする。テレビカメラの走査は行な
わず、撮像面に出来る結像強度に応じた電荷像を
そのまゝにしておく。測定物体全体上の照射光を
走査しながら、上述の光路長変化器を駆動し、テ
レビカメラの撮像面に電荷像として蓄積し、全体
の走査が終つた段階でテレビカメラの走査を行な
い、蓄積されていた電荷像をテレビ信号として取
り出す。このテレビ信号を一たん画像メモリに入
力する。次に撮像したストライプ状構造の平均ピ
ツチ（水平な平坦部を撮像した所のストライプピ
ツテ）と同一のピツチで入力画像をサンプリング
して、非サンプル点は周囲のサンプル点での信号
レベルにより内挿する。このようにすることによ
り等高線モアレ縞として立体形状が検出される。
また、上記方法で記憶された画像情報において、
それぞれのストライプ線は光切断像であるため、
測定物体が水平面の場合に生ずる撮像ストライプ
直線からのずれ量を各ストライプ線から求めれ
ば、直接立体形状を検出して行くことも可能であ
る。第２の方向よりストライプ状構造の光を照射
する場合には上記方法と同様にして得られるテレ
ビ信号を同様の方法で第２の画像メモリに入力し
等高線モアレ縞を得ることができ、両方の等高線
モアレ縞を重ねることにより、影による情報欠損
の少ない、等高線像を得ることができる。また両
方向照明の像をメモリ上で加えた像から上述のサ
ンプリングの方法によりモアレ等高線を得ること
も可能である。

第３図において、半透明鏡９１は撮像光学系３
を通過した光の一部を通過させ、その通過光は集
光レンズ７により光検知器８上に集光される。こ
こで得られる信号は照射スポツトの反射光強度に
ほぼ比例する。測定物体が非常に滑らかな面（鏡
面状）であれば、照射位置の測定物体面の法線の
方向が、照射方向と撮像光学系の光軸方向の二等
分線に近いと、非常に強い光が撮像面に達し、い
わゆる撮像面の焼付けが起る。従つてこの反射光
強度を検出し、この強度にほぼ逆比例する信号で
光変調器１２を駆動することにより、ほぼ一定の
撮像信号強度が得られるようにすれば、Ｓ／Ｎの
高い像が得られる。

第６図ａ，ｂは図に示されていない部分は第３
図と同一であり、第６図ａは第３図の撮像面４の
位置に回析格子４０を配置し、この回析格子４０
に近接して格子縞プレート４１を配置したもので
ある。この回析格子４０はこの面に45度で入射し
たレーザ光をこの面に直角な方向に回析する。ま
た格子縞プレート４１には撮像面４（すなわち回
析格子４０）上で撮像したストライプ状構造の平
均ピツチと同一のピツチの格子縞がプレート上に
出来ている。第３図の１ａの照射ビームによる反
射光１a′は第６図の回析格子４０にほぼ45゜入射
角度で入射し、回析光は回析格子面にほぼ直角な
方向に回析し、格子縞プレートを部分的に（縞の
黒い部分は光を透過しない）通過するため、回析
格子面にほぼ直角な方向より直接モアレ等高線を
検出することができる。

第６図ｂは第６図ａと同一の光学系であるが、
直接モアレ等高線を検出せず、テレビカメラで撮
像している。この場合回析格子は実効的撮像面で
あるが、撮像レンズ４２により、所望の倍率でテ
レビカメラ上に回析格子上の像を再結像すること
が可能である。

第３図の実施例では、撮像光学系３の結像倍率
として１倍以上で、１倍から大きくはなれると、
縦倍率（光軸方向の倍率）が横倍率のほゞ２乗に
比例するため、撮像面４に対し、反射光１a′，１
b′は大きな入射角度で入射させなければならなく
なり、物体面上のｘ方向の倍率がｙ方向の倍率に
比べ√２以上と大きくなる。撮像光学系３の結像
倍率をｍとすると、第３図のように照射光１ａの
入射角が45゜の場合、ｙ方向に対するｘ方向の像
の倍率m_Iは√１＋²となる。従つてｍ＝２で結
像するとm_Iは2.3倍、ｍ＝３で結像するとm_Iは3.2
倍となり、縦横の倍率が大きくずれるため処理し
にくくなる。従つて第６図ｂのように像を拡大す
れば、m_Iを小さな値（1.4）で任意の倍率で拡大
できることになる。第６図ｂで格子縞プレート４
１を用いず、直接実効的撮像面上の像をテレビカ
メラの撮像面に結像し、前述の方法により（第３
図で説明した方法により）立体形状を検出するこ
とも可能である。

第３図の実施例において、光路切換器９２の代
りに第３図９２ａの位置に固定された波長選択性
のミラーを用い、スリツト光１ａと１ｂを異なる
波長の光とする。図示することを省略するが、こ
の場合には光偏向器１６１と１６２は異なる波長
の光に対してそれぞれ必要であり、光偏向器１６
３は不必要である。それぞれの波長の光に対し波
長選択性ミラーは選択的に透過および反射させ
る。

上記実施例で示した方法はいずれも二方向より
時系列的にストライプ構造状の光を照射する構成
であるが、測定物体が比較的滑らかに凹凸変化す
る場合には一方向のみの照射で十分であり、その
場合には装置の構成も上述のいずれの実施例も一
方向照明の手段のみあれば十分である。また測定
物体が鏡面反射性のものでなく、光散乱性の物体
の場合には、第３図で用いた測定物体からの反射
光を検出し、その強度に逆比例する照明光を測定
物体に照射するための手段は不要となる。またこ
の場合、ストライプ構造状の光の照射方法とし
て、上述のスポツト光の走査に依らず、ストライ
プ構造状の細長い光を同時に照射しても本発明の
目的を達成できることは明らかである。また１図
で撮像面を上下に移動する代りに撮像光学系を上
下に移動しても本発明の目的を達成できることは
明らかである。

本発明によれば、焦点深度を適格に調整できる
ことになつたため、立体形状の精度のよい検出へ
極めて有力な手段を提供できた。これによつて、
更に、広い範囲にわたり立体形状を精度よく検出
することが可能になる。すなわち、従来例えば５
ｍＷのHe−Neレーザを用いてはんだ付面の検査
をした場合、得られる等高線の本数は５〜６本程
度であつたが、本方式により数十本の等高線が鮮
明に得られるようになり、効果は非常に大きい。
また前述したようにレンズの開口を最大限有効に
用いることが可能になり、小出力レーザでスペツ
クルノイズの小さなＳ／Ｎの高い立体形状検出が
可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の動作原理の説明
図、第３図は本発明の一実施例を示す図、第４図
は本発明におけるストライプ構造状の光の構成法
を示す図、第５図は本発明における結像位置一致
化光学系の構成例を示す図、第６図は本発明にお
けるモアレ等高線の別の作成方法を示す図であ
る。 １……スリツト光、２……測定物体、３……撮
像光学系、４……撮像面、６……制御回路、７…
…集光レンズ、８……光検知器、１１……レーザ
光源、１２……光変調器、９０……結像位置一致
化光学系、９２……光路切換器、１６１，１６
２，１６３……光偏向器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 立体形状を有する測定物体にスリツト光を照
   射して立体形状を撮像する立体形状撮像方法にお
   いて、 上記スリツト光（又は測定物体）を該スリツト
   方向と直角に移動走査し、この移動走査に沿つて
   上記スリツト光を測定物体に次々に照射せしめ、 該照射方向とは異なる方向の光軸を有するレン
   ズ系で上記測定物体からの反射光を結像位置に結
   像せしめ、 上記移動走査に伴つて変化する結像位置に撮像
   系の撮像面を移動せしめて反射光像を撮像せしめ
   てなる ことを特徴とする立体形状撮像方法。 ２ 立体形状を有する測定物体にスリツト光を照
   射して立体形状を撮像する立体形状撮像装置にお
   いて、 上記スリツト光（又は測定物体）を該スリツト
   方向と直角に移動走査し、この移動走査に従つて
   上記スリツト光を測定物体に次々に照射する手段
   と、 該照射方向とは異なる方向の光軸を有し、上記
   測定物体からの反射光を結像するレンズ系と、 上記移動走査に伴つて変化するレンズ系の結像
   位置に撮像面が移動せしめられ、各結像位置毎に
   反射像を撮像する撮像系と、 より成る立体形状撮像装置。