三次元形状測定方法及び三次元形状測定装置
【課題】 表面形状を短時間で精度良く測定することができる三次元形状測定方法及び三次元形状測定装置を提供する。
【解決手段】 三次元形状測定装置１は、縞パターン照射手段としてのパターン照射ユニット２０と、２次元に配置された複数の画素を有するＣＣＤカメラ９と、エッジ点特定用レーザ光源としてのエッジ点特定レーザ出力装置７と、演算処理手段としてのコンピュータ１０と、を備える。ガラス２の被測定面２Ａに向かって、ライン状（線状）のレーザ光ＬＲ1を出射しガラス２の任意の位置にあるエッジを発光させ、その発光したエッジをエ
ッジ点Ｐとし、該エッジ点Ｐを基準に各ガラス２の被測定面２Ａの表面形状を算出するようにした。
【解決手段】 三次元形状測定装置１は、縞パターン照射手段としてのパターン照射ユニット２０と、２次元に配置された複数の画素を有するＣＣＤカメラ９と、エッジ点特定用レーザ光源としてのエッジ点特定レーザ出力装置７と、演算処理手段としてのコンピュータ１０と、を備える。ガラス２の被測定面２Ａに向かって、ライン状（線状）のレーザ光ＬＲ1を出射しガラス２の任意の位置にあるエッジを発光させ、その発光したエッジをエ
ッジ点Ｐとし、該エッジ点Ｐを基準に各ガラス２の被測定面２Ａの表面形状を算出するようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元形状測定方法及び三次元形状測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、自動車に搭載される各種ガラスやフラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）等に使用されるガラスといった光透過性を有する透明材質物体の表面形状を測定する方法として、反射表面を備える測定対象物の表面形状を測定する三次元形状測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この三次元形状測定装置は、測定対象物の表面上の任意の１点の座標位置を入力する位置入力手段を備え、この位置入力手段により入力された位置を出発点として幾何学的に測定対象物の表面形状を解析手段により求める。
【０００４】
位置入力手段は、測定対象物であるウエハ表面の任意の点の座標位置を検出する検出装置であり、例えば、ＸＹ移動機構と距離センサ等で構成される。
【特許文献１】特開平１１−２５７９３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来技術では、測定対象物の表面形状を解析するための出発点として、測定対象物であるウエハ表面の任意の点の座標位置を検出するための位置入力手段として、ＸＹ移動機構と距離センサ等で構成される検出装置が必要である。そのため、測定装置全体の構成が複雑化するとともに、任意の点の座標位置を検出するための操作に時間がかかり、測定に長時間を要するという問題点があった。また、測定対象物がウエハのように表面が平坦な場合には、任意の点の座標位置の検出はそれ程難しくはないが、曲面形状の反射表面を有するガラス等が測定対象物の場合には、任意の点の座標位置を高精度に検出するのは難しいとともに、その位置検出を短時間で行うのも難しい。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、表面形状を短時間で精度良く測定することができる三次元形状測定方法及び三次元形状測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、鏡面反射する表面を有する測定対象物の表面形状を測定する三次元形状測定方法において、輝度が正弦波状に変化する格子縞が形成された格子板を有し、前記格子縞の縞パターンを前記表面全体に照射する縞パターン照射手段と、２次元に配置された複数の画素を有するＣＣＤカメラとを、前記表面全体で反射される前記縞パターンを前記複数の画素で撮像するように配置し、エッジ点特定用の線状レーザ光を前記測定対象物に照射して該測定対象物のエッジ点を発光させ、該発光した前記エッジ点を前記ＣＣＤカメラで撮像し、前記エッジ点の３次元位置を算出し、該エッジ点の接平面を基準に前記表面全体の形状を順に測定することを要旨とする。
【０００８】
これによれば、測定対象物の表面形状を測定する際、測定対象物のエッジ点を発光させ、該エッジ点の位置を算出し、該エッジ点の接平面を基準に測定対象物の表面全体の形状を順に測定するようにした。従って、従来のように、ＸＹ移動機構と距離センサ等で構成される検出装置は必要ないので、測定装置全体の構成を簡単にすることができる。
【０００９】
また、エッジ点を発光させ、その様子をＣＣＤカメラで撮像することでエッジ点の３次元位置を算出するようにしたので、任意の点の座標位置を検出するための操作時間が短くなり、その結果、測定に要する時間を短くすることができる。さらに、測定対象物が曲面形状の反射表面を有するガラス等であっても、前記と同様に、測定対象物のエッジ点を発光させ、それをＣＣＤカメラで撮像するだけなので、エッジ点の座標位置を高精度に検出することができ、また、その位置検出を短時間で行うことができる。
【００１０】
さらに、従来では、ある任意の点として測定対象物の中心付近の所定の位置を基準に前記表面全体の形状を順に測定する場合では、その任意の点から一方のエッジ点に至るまで表面形状を順に測定した後、前記任意の点まで戻り、同任意の点から他方のエッジ点に向かって表面形状を順に測定する必要があった。しかし、本発明では、エッジ点を基準にそのエッジ点から他方のエッジに至るまで一方方向に表面全体の形状を順に測定するようにしたので測定が容易になり、その結果、測定時間が短くなる。従って、多数の測定対象物の表面形状を測定しなければならない場合であっては、短時間で多くの測定対象物の表面形状を測定することができる。
【００１１】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の三次元形状測定方法において、前記格子縞の縞パターンを前記表面全体に照射し、前記表面で反射されその表面形状に応じて前記縞パターンが変化した変形縞パターンを前記ＣＣＤカメラで撮像し、位相シフト法により、前記ＣＣＤカメラの各画素における前記変形縞パターンの輝度値から前記各画素における前記正弦波の位相値を求め、前記各画素の位相値に基づき、前記各画素の視線上にある前記格子縞上の各位置を求め、前記各画素の視線が通る前記表面上の各点の接平面を、前記エッジ点の接平面を基準に順に求めることを要旨とする。
【００１２】
これによれば、位相シフト法により各画素における正弦波の位相値を求め、各画素の位相値に基づき各画素の視線上にある格子縞上の各位置を求め、各画素の視線が通る表面上の各点の接平面をエッジ点の接平面を基準に順に求めるようにしたので、測定対象物に対して非接触でその表面形状を測定することができる。従って、例えば、測定対象物が薄い板状のガラスであっても、その形状を変形させることなく精度良く表面形状を測定することが可能となる。
【００１３】
請求項３に係る発明は、請求項２に記載の三次元形状測定方法において、前記位相シフト法により前記各画素における前記正弦波の位相値を求める際に、前記格子縞を縦方向に配置した状態で、前記格子縞の位相を横方向に同ピッチずつずらして少なくとも３枚の縦の変形縞パターンを前記ＣＣＤカメラにより撮像し、該３枚の縦の変形縞パターンを使って位相シフト法を行う縦縞の位相シフトと、前記格子縞を横方向に配置した状態で、前記格子縞の位相を縦方向に同ピッチずつずらして少なくとも３枚の横の変形縞パターンを前記ＣＣＤカメラにより撮像し、該３枚の横の変形縞パターンを使って位相シフト法を行う横縞の位相シフトと、を行うことを要旨とする。
【００１４】
これによれば、少なくとも３枚の縦の変形縞パターンを使って位相シフト法を行う縦縞の位相シフトと、少なくとも３枚の横の変形縞パターンを使って位相シフト法を行う横縞の位相シフトとを行うので、測定対象物の表面形状を精度良く測定することができる。
【００１５】
請求項４に係る発明は、請求項３に記載の三次元形状測定方法において、前記縦縞の位相シフトでは、縦方向に配置した前記格子縞の１つに縦縞特定用の線状レーザ光を照射し、該線状レーザ光が照射された前記格子縞の１つが前記表面で反射される縦の基準線を前記ＣＣＤカメラで撮像し、前記縦の基準線の位置に基づき、該基準線に直交する方向における前記各画素とそれぞれ対応する前記格子縞上の位置を算出し、前記横縞の位相シフトでは、横方向に配置した前記格子縞の１つに横縞特定用の線状レーザ光を照射し、該線状
レーザ光が照射された前記格子縞の１つが前記表面で反射される横の基準線を前記ＣＣＤカメラで撮像し、前記横の基準線の位置に基づき、該基準線に直交する方向における前記各画素とそれぞれ対応する前記格子縞上の位置を算出する、ことを要旨とする。
【００１６】
これによれば、前記縦の基準線の位置に基づき、該基準線に直交する方向における各画素とそれぞれ対応する格子縞上の位置を算出し、前記横の基準線の位置に基づき、該基準線に直交する方向における各画素とそれぞれ対応する格子縞上の位置を算出する。このため、ＣＣＤカメラの各画素と格子縞上の位置とをそれぞれ精度良く対応付けることができ、測定対象物の表面形状を精度良く測定することができる。
【００１７】
請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれか１つに記載の三次元形状測定方法において、前記エッジ点の３次元位置を、前記エッジ点特定用の線状レーザで定義される平面と、前記エッジ点を通る前記複数の画素の１つの視線との交点から算出することを要旨とする。
これによれば、エッジ点の３次元位置を正確に算出することができる。
【００１８】
請求項６に係る発明は、請求項５に記載の三次元形状測定方法において、前記エッジ点の接平面は、前記エッジ点を通る前記複数の画素の１つの視線と、該１つの画素に対応する前記格子縞上の位置と前記エッジ点とを結ぶ直線の２等分線を前記エッジ点での法線とする面として求めることを要旨とする。
これによれば、エッジ点の接平面を容易に算出することができる。
【００１９】
請求項７に係る発明は、請求項６に記載の三次元形状測定方法において、前記測定対象物を上方から見た平面をＸＹ平面とすると、前記エッジ点とＹ座標値が同じ横一列の形状測定の際には、前記エッジ点からＸ座標値を前記画素の配列ピッチの１つ分ずつずらした各測定点を、前回の測定点での接平面と、該前回の測定点を視線が通る画素の隣の画素の視線との交点から決め、前記各測定点では、各測定点と、該各測定点にそれぞれ対応する前記格子縞上の点とを結ぶ線をそれぞれ求め、ここで求めた各線と前記各測定点を通る前記各画素の視線とのなす角の２等分線を法線とする接平面をそれぞれ求め、その後、前記エッジ点特定用の線状レーザ光を前記複数の画素の配列ピッチの１つ分ずつずらして前記測定対象物に照射して、前記測定対象物の別のエッジ点を順に発光させ、順に発光させた各エッジ点の接平面を基準に、前記別のエッジ点とＹ座標値が同じ前記横一列の形状測定を前記表面のＹ方向全体にわたって順に繰り返して、前記表面全体の形状を測定することを要旨とする。
これによれば、測定対象物の表面全体の形状をエッジ点の接平面を基準に容易に算出することができる。
【００２０】
請求項８に係る発明は、鏡面反射する表面を有する測定対象物の表面形状を測定する三次元形状測定装置において、輝度が正弦波状に変化する格子縞が形成された格子板および光源を有し、該光源の点灯により前記格子縞の縞パターンを前記表面全体に照射する縞パターン照射手段と、２次元に配置された複数の画素を有し、前記表面全体で反射される前記縞パターンを撮像するＣＣＤカメラと、エッジ点特定用の線状レーザ光を前記測定対象物に照射して該測定対象物のエッジ点を発光させるエッジ点特定用レーザ光源と、前記エッジ点の３次元位置を算出し、該エッジ点の接平面を基準に前記表面全体の形状を順に測定する演算処理を行う演算処理手段と、を備えることを要旨とする。
【００２１】
これによれば、測定対象物の表面形状を測定する際、測定対象物のエッジ点を発光させ、該エッジ点の位置を算出し、該エッジ点の接平面を基準に測定対象物の表面全体の形状を順に測定するようにした。従って、従来のように、ＸＹ移動機構と距離センサ等で構成される検出装置は必要ないので、測定装置全体の構成を簡単にすることができる。
【００２２】
また、エッジ点を発光させ、その様子をＣＣＤカメラで撮像することでエッジ点の３次元位置を算出するようにしたので、任意の点の座標位置を検出するための操作時間が短くなり、その結果、測定に要する時間を短くすることができる。さらに、測定対象物が曲面形状の反射表面を有するガラス等であっても、前記と同様に、測定対象物のエッジ点を発光させ、それをＣＣＤカメラで撮像するだけなので、エッジ点の座標位置を高精度に検出することができ、また、その位置検出を短時間で行うことができる。
【００２３】
請求項９に係る発明は、請求項８に記載の三次元形状測定装置において、縦方向に配置した前記格子縞の１つに縦縞特定用の線状レーザ光を照射するとともに、横方向に配置した前記格子縞の１つに横縞特定用の線状レーザ光を照射する縞特定用レーザ光源を備えることを要旨とする。
【００２４】
これによれば、縦の基準線の位置に基づき、該基準線に直交する方向におけるＣＣＤカメラの各画素とそれぞれ対応する格子縞上の位置を算出することができる。また、同様に、横の基準線の位置に基づき、該基準線に直交する方向におけるＣＣＤカメラの各画素とそれぞれ対応する格子縞上の位置を算出することができる。これにより、ＣＣＤカメラの全ての画素が格子縞上のどの位置に対応するかがわかるので、位相シフトにより測定された位相値がどの測定対象物のどの位置に対応したものなのかが分かる。
【発明の効果】
【００２５】
以上説明したように、本発明によれば、測定対象物の表面形状を短時間で精度良く測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の三次元形状測定装置を用いた三次元形状測定方法の一実施形態について説明する。
（測定装置の構成）
まず、図面に従って本発明の三次元形状測定装置１の概略を説明する。図１に示すように、鏡面反射する表面を有する測定対象物としての板状のガラス２は、ＺＸ平面上に配置され、その鏡面反射する表面である被測定面２ＡがＹ方向に向くように測定対象物支持体３によって支持固定されている。ガラス２は、表面形状が滑らかな湾曲を成した板状のガラスであって、たとえば、自動車のフロントガラスである。
【００２７】
三次元形状測定装置１は、縞パターン照射手段としてのパターン照射ユニット２０と、２次元に配置された複数の画素を有するＣＣＤカメラ９と、エッジ点特定用レーザ光源としてのエッジ点特定レーザ出力装置７と、演算処理手段としてのコンピュータ１０と、を備える。パターン照射ユニット２０は、輝度が正弦波状に変化する格子縞としての格子グリッド４Ａが形成された格子板としての格子縞フィルム４および光源としてのバックライト５を有し、該バックライト５の点灯により格子グリッド４Ａの縞パターンをガラス２の被測定面２Ａ全体に照射するようになっている。ＣＣＤカメラ９は、ガラス２の被測定面２Ａ全体で反射される変形縞パターンを撮像するように配置されている。
【００２８】
また、被測定面２Ａに対して直角な向きに、即ち、ＹＺ平面上に、格子縞フィルム４が配置されている。この格子縞フィルム４は、公知である位相シフト法により被測定面２Ａの表面形状を検出する際に使用するものである。格子縞フィルム４は、縦方向（Ｚ軸方向）に延設された複数の格子グリッド４Ａが横方向（Ｙ軸方向）に沿って等ピッチに配列したものであって、そのグリッドピッチは、例えば３２mmである。また、この格子縞フィルム４は、たとえば、図示しない回転駆動機構に支持され該回転駆動機構によりＸ軸周りにＹＺ平面内で９０°回転させることで格子グリッド４Ａの向きを横方向（Ｙ軸方向）に切
り換えて配列させることが可能となっている。
【００２９】
格子縞フィルム４は、バックライト５を備えた支持体６に支持されている。そして、バックライト５にて発せられた光は、格子縞フィルム４を通過することで縞パターンになり、その縞パターンがガラス２の被測定面２Ａ全体に照射されるようになっている。その縞パターンは、格子グリッド４Ａを縦方向（Ｚ軸方向）に沿って配列した場合では、図６（ａ）に示すように、輝度の強度値が横方向（Ｙ矢印方向）に正弦波状に周期的に変化する縦縞状の縞パターン３０である。また、その縞パターンは、格子縞フィルム４を回転させ格子グリッド４Ａを横方向（Ｙ軸方向）に沿って配列した場合では、図７に示すように、輝度の強度値が縦方向（Ｚ矢印方向）に正弦波状に周期的に変化する横縞状の縞パターン５０である。
【００３０】
また、図１に示すように、ガラス２の周辺にはエッジ点特定レーザ出力装置７が配置されている。このエッジ点特定レーザ出力装置７は、後記するように被測定面２Ａの表面形状を算出する際のガラス２上のエッジ点Ｐを特定するためのものであって、レーザ光ＬＲ1がガラス２の被測定面２Ａに向かって出射される向きに配置されている。本実施形態の
エッジ点特定レーザ出力装置７は、横方向（Ｘ軸方向）に沿ったライン状（線状）レーザ光ＬＲ1を出射するように配置されている。
【００３１】
また、エッジ点特定レーザ出力装置７は、被測定面２Ａ上にレーザ光ＬＲ1をＺ軸方向
に所定のピッチ（本実施形態では、ＣＣＤカメラ９の１画素ピッチ）ずつずらして出射できるようになっている。そして、レーザ光ＬＲ1はガラス２のエッジに照射されると、エ
ッジの端面は拡散面になっているため、透過せずに散乱される。その結果、レーザ光ＬＲ1が照射されたエッジは輝点として観測される。そして、その輝点の位置がエッジ点Ｐと
して特定されるようになっている。
【００３２】
さらに、ガラス２の周辺には格子縞特定十字レーザ出力装置８が配置されている。この格子縞特定十字レーザ出力装置８は、位相シフト法を用いて被測定面２Ａの表面形状を検出する際に、たとえば、同被測定面２Ａ上に投影される縦縞状の縞パターン３０，５０のうち、注目する画素情報がどの位置の縞が反射されたものかの対応関係を求めるためのものである。つまり、位相シフト法では、図６（ｂ）に示すように、被測定面２Ａ上で反射された変形縞パターン４０の所定の１本の縦縞が、格子縞フィルム４を介して出射された元の縞パターン３０のうちのどの格子グリッド４Ａによる縞に相当するかを特定することができない。このため、検出された被測定面２Ａの表面形状を正確に判定することができない。
【００３３】
そこで、予め特定の格子グリッド４Ａの位置を他のグリッドの位置と区別できるようにマークする。このようにすることで、後に行う位相シフト法にて被測定面２Ａ上に投影された複数の縞のうち、変形縞パターン４０の特定の１本の縦縞が、元の縞パターン３０のうちどの縞に相当するものなのかを特定する。
【００３４】
具体的には、格子縞特定十字レーザ出力装置８は、縦方向（Ｚ軸方向）及び横方向（Ｙ軸方向）に沿った２種類のライン形状を成すレーザ光ＬＲ2を出射するレーザ出力装置で
あって、レーザ光ＬＲ2が格子縞フィルム４に向かって出射される向きに配置されている
。格子縞特定十字レーザ出力装置８は、格子縞フィルム４上の格子グリッド４Ａが縦方向（Ｚ軸方向）に沿って配列された場合では、縦方向（Ｚ軸方向）に沿った縦縞特定用のライン状（線状）のレーザ光ＬＲ2を出射し、格子グリッド４Ａが横方向（Ｙ軸方向）に沿
って配列された場合では、横方向（Ｙ軸方向）に沿った横縞特定用のライン状（線状）を成すレーザ光ＬＲ2を出射する。つまり、格子縞特定十字レーザ出力装置８は、格子グリ
ッド４Ａの配列方向に沿ったライン形状（線状）を成すレーザ光ＬＲ2を出射する。これ
により、レーザ光ＬＲ2が照射された位置にある格子グリッド４Ａを基準の格子グリッド
として特定する。
【００３５】
さらにまた、ガラス２の周辺には２次元に配置された複数の画素を有するＣＣＤカメラ９が配置されている。ＣＣＤカメラ９は、たとえば、走査方向に１３９２ピクセル、副走査方向に１０４０ピクセルの画素数を備えたカメラである。図２に示すように、ＣＣＤカメラ９は、前記した被測定面２Ａにて反射された変形縞パターン５０を撮影する。また、ＣＣＤカメラ９は、被測定面２Ａ上に投影された各レーザ光ＬＲ1，ＬＲ2の反射パターンを撮影する。
【００３６】
また、図１に示すように、三次元形状測定装置１は、コンピュータ１０を備えている。コンピュータ１０は、ＣＣＤカメラ９にて撮影された各種パターンをそれぞれ画像データとして入力する。また、コンピュータ１０には、各種演算プログラムが記憶されている。そして、コンピュータ１０は、その各画像データに基づいて、後記するエッジ点の３次元位置演算処理、エッジ点と同ｘ画素縦１列の形状演算処理、全体形状演算処理を各種演算プログラムに従って行う。そして、コンピュータ１０は、その各種演算処理に基づいて、ガラス２の被測定面２Ａの表面形状を３次元グラフィック画像としてモニタ１１に出力するようになっている。そして、観測者は、モニタ１１上に表示されたグラフィック画像を見ることで被測定面２Ａの詳細な表面形状に関する知見を得ることができる。
【００３７】
次に、三次元形状測定装置１を用いたガラス２の表面形状の測定方法について説明する。
先ず、バックライト５及び格子縞特定十字レーザ出力装置８をともにオフにした状態で、エッジ点特定レーザ出力装置７を駆動させて被測定面２Ａに向かってレーザ光ＬＲ1を
出射しガラス２の任意のエッジを光らせる。そして、その様子をＣＣＤカメラ９で撮影する。
【００３８】
このとき、レーザ光ＬＲ1は、前記したように、横方向（Ｘ軸方向）に沿って広がった
ライン状（線状）のレーザ光であるので、図３（ａ）に示すように、ガラス２の左右両端のエッジが輝点として観測される。そこで、その２つのうちのいずれか一方の輝点を選択しエッジ点Ｐとする。本実施形態では、図３（ａ）に示す右側の輝点をエッジ点Ｐとしている。また、図３（ｂ）は、ＣＣＤカメラ９にて撮影された画像である。ＣＣＤカメラ９は、コンピュータ１０に撮影した画像のデータを第１画像データＤ1として出力する。
【００３９】
続いて、バックライト５及びエッジ点特定レーザ出力装置７をともにオフ状態で、格子縞特定十字レーザ出力装置８をオンさせ、まず、縦方向（Ｚ軸方向）のライン状（線状）のレーザ光ＬＲ2を格子縞フィルム４上に照射する（図４（ａ）参照）。すると、縦方向
のレーザ光ＬＲ2が格子縞フィルム４に反射され、その反射光Ｓが縦の基準線Ｑ１として
ガラス２の被測定面２Ａ上に映り込む（図４（ｂ）参照）。そして、その様子をＣＣＤカメラ９で撮影する。図４（ｃ）は、ＣＣＤカメラ９にて撮影された画像である。ＣＣＤカメラ９は、撮影した縦方向のレーザ光ＬＲ2の反射像を第２画像データＤ2としてコンピュータ１０に出力する。
【００４０】
次に、エッジ点特定レーザ出力装置７及び格子縞特定十字レーザ出力装置８をともにオフさせ、バックライト５を点灯させる。そして、格子縞フィルム４を回転させ、図６（ａ）に示すように、縦縞状の縞パターン３０を被測定面２Ａ全体に照射し、その被測定面２Ａの表面形状に応じて縞パターン３０が変化した変形縞パターン４０をＣＣＤカメラ９で撮像する。そして、縦縞の位相シフトにより、ＣＣＤカメラ９の各画素における変形縞パターン４０の輝度値から各画素における位相値を求め、前記各画素の位相値に基づき、前記各画素の視線上にある縞パターン３０上の横方向の各位置を求める。
【００４１】
具体的には、１枚の縞パターンに対応した１枚の画像は絶対的な明るさなので、格子縞フィルム４やバックライト５またはＣＣＤカメラ９の汚れ等に起因する濃度ムラ等による誤差が生じる場合がある。そこで、この誤差を無くすため、本実施形態では、格子縞フィルム４を横方向（Ｙ軸方向）に縞パターンの位相のπ／２ずつ、即ち、０、π／２、π、３π／２ずらして、それぞれにおいてＣＣＤカメラ９によって４種類の変形縞パターンを撮影する。そして、その各変形縞パターンに対する各第３画像データＤ3Ａ，Ｄ3Ｂ，Ｄ3
Ｃ，Ｄ3Ｄを順にコンピュータ１０に出力する。そして、コンピュータ１０によって第３
画像データＤ3Ａ〜Ｄ3Ｄに基づいて後記する演算処理が行われることで、各画素における位相値が算出される。位相シフト法によれば、表面形状を決定する位相値Ｑは、次の式により求められる。
【数１】
【００４２】
ここで、Ｉ0（ｘ，ｚ）、Ｉ1（ｘ，ｚ）、Ｉ2（ｘ，ｚ）、Ｉ3（ｘ，ｚ）は、それぞれ縞パターンの位相を０、π／２、π、３π／２ずらしたときの被測定面２Ａ上の任意の点（ｘ，ｚ）の変形縞パターンの輝度値Ｉi（ｘ，ｚ）（ｉ＝０〜３）である。
【００４３】
従って、コンピュータ１０は、各第３画像データＤ3Ａ〜Ｄ3Ｄに基づいて、上式（１）に従って、被測定面２Ａ上の各画素における位相値Ｑを算出し、それにより、各画素間の差分を算出して位相差を求める。このとき、隣り合う点に位相飛びがある場合には、位相を繋ぎ合わせる必要があるため補正を行う。また、位相シフト法による計算を行う前処理として、得られた４枚の画像にそれぞれ４次のスプライン補間処理を施して移動平均演算を行う。このようにすることで、ＣＣＤカメラ９の各画素の視線上にある縞パターン３０上の横方向の各位置（Ｘ座標値）が求められる。
【００４４】
続いて、バックライト５及びエッジ点特定レーザ出力装置７をともにオフ状態で、格子縞特定十字レーザ出力装置８をオンさせ、横方向（Ｙ軸方向）のライン状（線状）のレーザ光ＬＲ2を格子縞フィルム４上に照射する（図５（ａ）参照）。すると、横方向のレー
ザ光ＬＲ2が格子縞フィルム４に反射され、その反射光Ｓが横の基準線Ｑ２としてガラス
２の被測定面２Ａ上に映り込む（図５（ｂ）参照）。そして、その様子をＣＣＤカメラ９で撮影する。ＣＣＤカメラ９は、撮影した横方向のレーザ光ＬＲ2の反射像を第４画像デ
ータＤ4としてコンピュータ１０に出力する。
【００４５】
次に、エッジ点特定レーザ出力装置７及び格子縞特定十字レーザ出力装置８をともにオフさせ、バックライト５を点灯させる。そして、格子縞フィルム４を９０°回転させ、図７に示すように、横縞状の縞パターン５０を被測定面２Ａ全体に照射し、その被測定面２Ａの表面形状に応じて前記縞パターン５０が変化した変形縞パターンをＣＣＤカメラ９で撮像する。そして、横縞の位相シフトにより、ＣＣＤカメラ９の各画素における変形縞パターン４０の輝度値から各画素における位相値を求め、前記各画素の位相値に基づき、前記各画素の視線上にある縞パターン３０上の縦方向の各位置（Ｙ座標値）を求める。
【００４６】
具体的には、前記した各画素の視線上にある縞パターン３０上の縦方向の各位置を求めた場合と同様にして、格子縞フィルム４を縦方向（Ｚ軸方向）に縞パターンの位相のπ／２ずつ、即ち、０、π／２、π、３π／２ずらして、それぞれにおいてＣＣＤカメラ９によって４種類の変形縞パターンを撮影する。そして、その各変形縞パターンに対する各第５画像データＤ5Ａ，Ｄ5Ｂ，Ｄ5Ｃ，Ｄ5Ｄを順にコンピュータ１０に出力する。そして、コンピュータ１０によって第５画像データＤ5Ａ〜Ｄ5Ｄに基づいて、前記と同様な計算を
行うことでＣＣＤカメラ９の各画素の視線上にある縞パターン５０上の縦方向の各位置が求められる。
【００４７】
このようにすることで、ＣＣＤカメラ９の各画素の視線上にある縞パターン３０，５０上の各位置が求められる。
次に、コンピュータ１０にて行われる各種演算の詳細を説明する。
【００４８】
まず、コンピュータ１０は、第１画像データＤ1に基づいてエッジ点Ｐの３次元位置（
Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）を算出する（エッジ点Ｐの３次元位置演算処理）。以下、その算出方法を図８に従って説明する。
【００４９】
図８に示すように、エッジ点Ｐは、ＣＣＤカメラ９の１３９２×１０４０個ある画素のうちのエッジ点Ｐを通る前記複数の画素の１つの画素の視線式とレーザ光ＬＲ1で定義さ
れる平面との交点に対応する。次式で表わされる画素（ｉ，ｊ）におけるＣＣＤカメラ９の視線式として次式が成り立つ。
【数２】
【００５０】
【数３】
【００５１】
【数４】
【００５２】
ここで、VecXc及びVecZcは、それぞれＣＣＤカメラ９の方向ベクトルのｘ成分及びｚ成分である。また、Ｐcx及びＰczは、原点（０，０，０）に対するＣＣＤカメラの焦点位置Ｐc（Ｐcx，Ｐcy，Ｐcz）のｘ成分及びｚ成分である。
【００５３】
一方、エッジ点特定レーザの発光点Ｐ1の座標を（Ｐ1x，Ｐ1y，Ｐ1z）とすると、レー
ザ光ＬＲ1で定義される平面の方程式は、次式で表わされる。
【数５】
【００５４】
ここで、thX1は、レーザ光ＬＲ1をＸＹ平面に投影した場合のＸ軸とのなす角を表わし
ている。
そして、コンピュータ１０は、式（２）〜（４）と式（５）とを用いることにより、ＣＣＤカメラ９の視線式とライン型レーザの平面式の交点を算出する。このとき、パラメータｔは以下の式で求まる。
【数６】
【００５５】
このようにして、コンピュータ１０は、第１画像データＤ1によりパラメータｔを計算
する。また、コンピュータ１０は、式（６）に計算したパラメータｔを代入して、エッジ点Ｐの３次元位置（Ｘp，Ｙp，Ｚp）を算出する。
【００５６】
続いて、コンピュータ１０は、前記した演算プログラムに従って、求めたエッジ点Ｐの３次元位置（Ｘp，Ｙp，Ｚp）での接平面を算出し、エッジ点Ｐと同ｘ画素縦１列の表面
形状を求める。ここで、同ｘ画素縦１列の表面形状とは、エッジ点ＰとＸ座標値が同じ縦一列の表面形状のことである。以下、エッジ点Ｐと同ｘ画素縦１列の表面形状の算出方法を説明する。尚、説明を簡単にするために、３次元ではなく、２次元（たとえば、ＺＸ平面）について説明する。
【００５７】
ここで、前述したように、ＣＣＤカメラ９上の各画素の視線上にある縞パターン３０，５０上の各位置が求められるので、コンピュータ１０は、エッジ点Ｐ（Ｘp，Ｙp，Ｚp）
や該エッジ点Ｐ（Ｘp，Ｙp，Ｚp）に対応する格子縞フィルム４上の位置（Ｐky，Ｐkz）
を算出することができる。これより、エッジ点Ｐ（Ｘp，Ｙp，Ｚp）での縞パターンの単
位ベクトルＫ2が求まる。
【００５８】
また、ＣＣＤカメラ９の焦点位置Ｐc（Ｐcx，Ｐcy，Ｐcz）及びエッジ点Ｐ（Ｘp，Ｙp
，Ｚp）により、エッジ点Ｐ（Ｘp，Ｙp，Ｚp）での変形縞パターンの単位ベクトルＫ1を
求めることができる。従って、ガラス２のエッジ点Ｐ（Ｘp，Ｙp，Ｚp）における法線ベ
クトルＲ0（ａｋ３ｙ，ａｋ３ｚ）が求まる。図９に示すように、法線ベクトルＲ0（ａｋ３ｙ，ａｋ３ｚ）は、縞パターンの単位ベクトルと変形縞パターンの各単位ベクトルＫ2
，Ｋ1との２等分線ベクトルとして得られる。エッジ点Ｐ（Ｘp，Ｙp，Ｚp）における接平面Ｓ0は以下の式で算出される。
【数７】
【００５９】
【数８】
【００６０】
となる。但し、
【数９】
【００６１】
【数１０】
【００６２】
【数１１】
【００６３】
【数１２】
【００６４】
【数１３】
【００６５】
【数１４】
【００６６】
である。従って、算出された法線ベクトルＲ0よりエッジ点Ｐ（Ｘp，Ｙp，Ｚp）における接平面Ｓ0は次式で表わされる。
【数１５】
【００６７】
次に、エッジ点Ｐ（Ｘp，Ｙp，Ｚp）と同ｘ画素縦１列の表面形状の求め方について図
１０に従って説明する。つまり、エッジ点Ｐ（Ｘp，Ｙp，Ｚp）を基準としてそのエッジ
点Ｐから他方のエッジに向かって同ｘ画素縦１列方向に表面全体の形状を順に測定する。エッジ点Ｐの同ｘ画素ｉ上の隣の画素（ｉ，ｊ＋１）、即ち、図１中Ｘ軸方向に沿った隣の画素のガラス２上の３次元位置は、エッジ点Ｐの接平面Ｓ0とＣＣＤカメラ９の画素（
ｉ，ｊ＋１）における視線との交点により求める。ＣＣＤカメラ９は、各画素における前記した視線式（２）〜（４）及び式（１０）より、次式（１１）が成立する。
【数１６】
【００６８】
求めたパラメータｔを式（２）〜（４）に代入することで、エッジ点Ｐ（Ｘp，Ｙp，Ｚp）の同ｘ画素ｉ上の隣の画素（ｉ，ｊ＋１）の３次元位置が求まる。同様に、その隣の
画素（ｉ，ｊ＋２）についても同様にして求めることで、エッジ点Ｐ（Ｘp，Ｙp，Ｚp）
と同ｘ画素縦１列の表面形状を求めることができる。
【００６９】
次に、ガラス２の全体形状を算出する。図１１に示すように、先に求めたエッジ点Ｐ（Ｘp，Ｙp，Ｚp）からＺ軸方向に前記に対応して所定のピッチずれた新たなエッジ点Ｐを
基準値として、前記と同様にして、その新たなエッジ点Ｐにおける接平面を求める。
【００７０】
そして、その後、前記と同様にしてその新たなエッジ点Ｐと同ｘ画素縦１列の表面形状を求める。以降、同様に、順次、各エッジ点Ｐから縦１列の画素についても同じ作業を行っていけば、ガラス２の全体形状を算出することができる。
【００７１】
前記実施形態によれば、以下のような特徴を得ることができる。
（１） 本実施形態では、ガラス２の被測定面２Ａに向かって、ライン状（線状）のレーザ光ＬＲ1を出射しガラス２の任意の位置にあるエッジを発光させ、その発光したエッジ
をエッジ点Ｐとし、該エッジ点Ｐを基準に各ガラス２の被測定面２Ａの表面形状を算出するようにした。従って、従来のように、たとえば、ＸＹ移動機構と距離センサ等で構成される検出装置は必要ないので、測定装置全体の構成を簡単にすることができる。
【００７２】
また、エッジ点Ｐを発光させ、その様子をＣＣＤカメラで撮像することでエッジ点Ｐの３次元位置（Ｘp，Ｙp，Ｚp）を算出するようにしたので、任意の点の座標位置を検出す
るための操作時間が短くなり、その結果、測定に要する時間を短くすることができる。さらに、本実施形態のように、ガラス２の被測定面２Ａが曲面形状であっても、そのエッジにライン状のレーザ光ＬＲ1を照射し発光させ、それをＣＣＤカメラで撮像するだけなの
で、エッジ点Ｐの３次元位置（Ｘp，Ｙp，Ｚp）を高精度に検出することができ、また、
その位置検出を短時間で行うことができる。
（２） 本実施形態では、ガラス２の被測定面２Ａに向かって、ライン状（線状）のレーザ光ＬＲ1を出射しガラス２の任意の位置にあるエッジを発光させ、その発光したエッジ
をエッジ点Ｐとし、その被測定面２Ａの様子をＣＣＤカメラ９にて撮影するようにした。そして、ライン状（線状）のレーザ光ＬＲ1で定義される面とＣＣＤカメラ９の画素の視
線との交点を算出することによりエッジ点Ｐの３次元位置（Ｘp，Ｙp，Ｚp）を決めるよ
うにした。従って、エッジ点Ｐを簡単に算出することができる。また、このように算出されたエッジ点Ｐに基づいて該エッジ点Ｐの接平面を算出し、エッジ点Ｐでの表面形状を算出するようにした。この結果、ガラス２の被測定面２Ａの表面形状を簡単に精度良く算出することができる。
（３） 本実施形態では、格子縞状の縞パターンを被測定面２Ａ上全体に照射し、被測定面２Ａで反射された変形縞パターンをＣＣＤカメラ９で撮像し、位相シフト法により被測定面２Ａ上の各位置での位相値を求めるようにした。そして、各位置での位相値から被測定面２Ａ上全体の表面形状を算出するようにした。従って、例えば、測定対象物が薄い板状のガラスであっても、その形状を変形させることなく精度良く表面形状を測定することが可能となる。
（４） 本実施形態では、位相シフト法によりＣＣＤカメラ９の各画素における正弦波の位相値を求める際に、格子縞フィルム４を横方向（Ｙ軸方向）に縞パターンの位相のπ／２ずつずらして、それぞれにおいてＣＣＤカメラ９によって反射パターンを撮影するようにした。その後、格子縞フィルム４を９０°回転させた後、縦縞状の入射パターンをガラス２の被測定面２Ａ上に投影し、格子縞フィルム４を縦方向（Ｚ軸方向）に縞パターンの位相のπ／２ずつずらして、それぞれにおいてＣＣＤカメラ９によって４種類の反射パターンを撮影するようにした。その各反射パターンに対する第４画像データＤ4に基づいて
各種演算処理を行うことで各画素における位相値を算出するようにした。従って、格子縞フィルム４やバックライト５またはＣＣＤカメラ９の汚れ等に起因する濃度ムラ等による誤差が無くなるので、被測定面２Ａの表面形状を精度良く測定することができる。
（５） 本実施形態では、ガラス２の任意の位置にあるエッジを発光させ、その発光したエッジをエッジ点Ｐとし、該エッジ点Ｐを基準に、そのエッジ点Ｐから他方のエッジに向かって同ｘ画素縦１列方向に表面全体の形状を順に測定するようにしたので測定が容易に
なり、その結果、測定時間が短くなる。従って、多数のガラス２の表面形状を測定しなければならない場合であっては、短時間で多くの表面形状を測定することができる。
【００７３】
尚、発明の実施形態は、上記実施形態に限定されるものではなく、以下のように実施してもよい。
○上記実施形態では、エッジ点特定レーザ出力装置７は、ガラス２に対して横方向（Ｘ軸方向）に沿ったライン状（線状）レーザ光ＬＲ1を出射するレーザ出力装置であったが
、これに限定されるものではなく、ガラス２に対して斜めであるレーザ光を出射するレーザ出力装置であってもよい。要は、ガラス２のエッジを発光させるようなレーザを出射するものであればどんなレーザ出力装置であってもよい。
【００７４】
○上記実施形態では、エッジ点特定レーザ出力装置７をＣＣＤカメラ９の１画素ピッチずつずらして被測定面２Ａ上にレーザ光ＬＲ1を出射するようにし、そのエッジ点Ｐを基
準にそのエッジ点Ｐから他方のエッジに向かって同ｘ画素縦１列方向に表面全体の形状を順に測定するようにした。これを、そうではなく、たとえば、エッジ点特定レーザ出力装置７をＣＣＤカメラ９の、たとえば５画素ピッチずつずらして被測定面２Ａ上にレーザ光ＬＲ1を出射するようにしてもよい。このようにすることで、ガラス２の表面形状の測定
時間を更に短くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の三次元形状測定装置の概略を説明するための図である。
【図２】同じく、三次元形状測定装置の概略を説明するための図である。
【図３】（ａ）は、エッジ点特定レーザ出力装置から出射したレーザ光をガラス上に照射したときの図であり、（ｂ）は、その様子をＣＣＤカメラで撮影したときの画像である。
【図４】（ａ）は、格子縞特定十字レーザ出力装置からの縦方向のライン状（線状）のレーザ光を格子縞フィルムに照射したときの図であり、（ｂ）は、そのレーザ光がガラス上に反射されたときの図であり、（ｃ）は、その様子をＣＣＤカメラで撮影したときの画像である。
【図５】（ａ）は、格子縞特定十字レーザ出力装置からの横方向のライン状（線状）のレーザ光がガラス上に反射されたときの図であり、（ｂ）は、その様子をＣＣＤカメラで撮影したときの画像である。
【図６】（ａ）は、輝度の強度値が横方向に正弦波状に周期的に変化する縦の縞パターンであり、（ｂ）は、ガラス上に反射された反射パターンである。
【図７】輝度の強度値が縦方向に正弦波状に周期的に変化する横の縞パターンである。
【図８】エッジ点の３次元位置を算出する方法を説明するための図である。
【図９】エッジ点での接平面を求める方法を説明するための図である。
【図１０】同ｘ画素上の各接平面を求める方法を説明するための図である。
【図１１】ガラスの被測定面の全体形状を算出する方法を説明するための図である。
【符号の説明】
【００７６】
２Ａ…鏡面反射する表面としての被測定面、２…測定対象物としてのガラス、４…格子板としての格子縞フィルム、９…ＣＣＤカメラ、ＬＲ1…エッジ点特定用の線状レーザ光
としてのレーザ光、Ｐ…エッジ点、Ｑ１…縦の基準線、Ｑ２…横の基準線、７…エッジ点特定レーザ光源としてのエッジ点特定レーザ出力装置、１０…演算処理手段としてのコンピュータ、８…縞特定用レーザ光源としての格子縞特定十字レーザ出力装置、２０…縞パターン照射手段としてのパターン照射ユニット。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元形状測定方法及び三次元形状測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、自動車に搭載される各種ガラスやフラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）等に使用されるガラスといった光透過性を有する透明材質物体の表面形状を測定する方法として、反射表面を備える測定対象物の表面形状を測定する三次元形状測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この三次元形状測定装置は、測定対象物の表面上の任意の１点の座標位置を入力する位置入力手段を備え、この位置入力手段により入力された位置を出発点として幾何学的に測定対象物の表面形状を解析手段により求める。
【０００４】
位置入力手段は、測定対象物であるウエハ表面の任意の点の座標位置を検出する検出装置であり、例えば、ＸＹ移動機構と距離センサ等で構成される。
【特許文献１】特開平１１−２５７９３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来技術では、測定対象物の表面形状を解析するための出発点として、測定対象物であるウエハ表面の任意の点の座標位置を検出するための位置入力手段として、ＸＹ移動機構と距離センサ等で構成される検出装置が必要である。そのため、測定装置全体の構成が複雑化するとともに、任意の点の座標位置を検出するための操作に時間がかかり、測定に長時間を要するという問題点があった。また、測定対象物がウエハのように表面が平坦な場合には、任意の点の座標位置の検出はそれ程難しくはないが、曲面形状の反射表面を有するガラス等が測定対象物の場合には、任意の点の座標位置を高精度に検出するのは難しいとともに、その位置検出を短時間で行うのも難しい。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、表面形状を短時間で精度良く測定することができる三次元形状測定方法及び三次元形状測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、鏡面反射する表面を有する測定対象物の表面形状を測定する三次元形状測定方法において、輝度が正弦波状に変化する格子縞が形成された格子板を有し、前記格子縞の縞パターンを前記表面全体に照射する縞パターン照射手段と、２次元に配置された複数の画素を有するＣＣＤカメラとを、前記表面全体で反射される前記縞パターンを前記複数の画素で撮像するように配置し、エッジ点特定用の線状レーザ光を前記測定対象物に照射して該測定対象物のエッジ点を発光させ、該発光した前記エッジ点を前記ＣＣＤカメラで撮像し、前記エッジ点の３次元位置を算出し、該エッジ点の接平面を基準に前記表面全体の形状を順に測定することを要旨とする。
【０００８】
これによれば、測定対象物の表面形状を測定する際、測定対象物のエッジ点を発光させ、該エッジ点の位置を算出し、該エッジ点の接平面を基準に測定対象物の表面全体の形状を順に測定するようにした。従って、従来のように、ＸＹ移動機構と距離センサ等で構成される検出装置は必要ないので、測定装置全体の構成を簡単にすることができる。
【０００９】
また、エッジ点を発光させ、その様子をＣＣＤカメラで撮像することでエッジ点の３次元位置を算出するようにしたので、任意の点の座標位置を検出するための操作時間が短くなり、その結果、測定に要する時間を短くすることができる。さらに、測定対象物が曲面形状の反射表面を有するガラス等であっても、前記と同様に、測定対象物のエッジ点を発光させ、それをＣＣＤカメラで撮像するだけなので、エッジ点の座標位置を高精度に検出することができ、また、その位置検出を短時間で行うことができる。
【００１０】
さらに、従来では、ある任意の点として測定対象物の中心付近の所定の位置を基準に前記表面全体の形状を順に測定する場合では、その任意の点から一方のエッジ点に至るまで表面形状を順に測定した後、前記任意の点まで戻り、同任意の点から他方のエッジ点に向かって表面形状を順に測定する必要があった。しかし、本発明では、エッジ点を基準にそのエッジ点から他方のエッジに至るまで一方方向に表面全体の形状を順に測定するようにしたので測定が容易になり、その結果、測定時間が短くなる。従って、多数の測定対象物の表面形状を測定しなければならない場合であっては、短時間で多くの測定対象物の表面形状を測定することができる。
【００１１】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の三次元形状測定方法において、前記格子縞の縞パターンを前記表面全体に照射し、前記表面で反射されその表面形状に応じて前記縞パターンが変化した変形縞パターンを前記ＣＣＤカメラで撮像し、位相シフト法により、前記ＣＣＤカメラの各画素における前記変形縞パターンの輝度値から前記各画素における前記正弦波の位相値を求め、前記各画素の位相値に基づき、前記各画素の視線上にある前記格子縞上の各位置を求め、前記各画素の視線が通る前記表面上の各点の接平面を、前記エッジ点の接平面を基準に順に求めることを要旨とする。
【００１２】
これによれば、位相シフト法により各画素における正弦波の位相値を求め、各画素の位相値に基づき各画素の視線上にある格子縞上の各位置を求め、各画素の視線が通る表面上の各点の接平面をエッジ点の接平面を基準に順に求めるようにしたので、測定対象物に対して非接触でその表面形状を測定することができる。従って、例えば、測定対象物が薄い板状のガラスであっても、その形状を変形させることなく精度良く表面形状を測定することが可能となる。
【００１３】
請求項３に係る発明は、請求項２に記載の三次元形状測定方法において、前記位相シフト法により前記各画素における前記正弦波の位相値を求める際に、前記格子縞を縦方向に配置した状態で、前記格子縞の位相を横方向に同ピッチずつずらして少なくとも３枚の縦の変形縞パターンを前記ＣＣＤカメラにより撮像し、該３枚の縦の変形縞パターンを使って位相シフト法を行う縦縞の位相シフトと、前記格子縞を横方向に配置した状態で、前記格子縞の位相を縦方向に同ピッチずつずらして少なくとも３枚の横の変形縞パターンを前記ＣＣＤカメラにより撮像し、該３枚の横の変形縞パターンを使って位相シフト法を行う横縞の位相シフトと、を行うことを要旨とする。
【００１４】
これによれば、少なくとも３枚の縦の変形縞パターンを使って位相シフト法を行う縦縞の位相シフトと、少なくとも３枚の横の変形縞パターンを使って位相シフト法を行う横縞の位相シフトとを行うので、測定対象物の表面形状を精度良く測定することができる。
【００１５】
請求項４に係る発明は、請求項３に記載の三次元形状測定方法において、前記縦縞の位相シフトでは、縦方向に配置した前記格子縞の１つに縦縞特定用の線状レーザ光を照射し、該線状レーザ光が照射された前記格子縞の１つが前記表面で反射される縦の基準線を前記ＣＣＤカメラで撮像し、前記縦の基準線の位置に基づき、該基準線に直交する方向における前記各画素とそれぞれ対応する前記格子縞上の位置を算出し、前記横縞の位相シフトでは、横方向に配置した前記格子縞の１つに横縞特定用の線状レーザ光を照射し、該線状
レーザ光が照射された前記格子縞の１つが前記表面で反射される横の基準線を前記ＣＣＤカメラで撮像し、前記横の基準線の位置に基づき、該基準線に直交する方向における前記各画素とそれぞれ対応する前記格子縞上の位置を算出する、ことを要旨とする。
【００１６】
これによれば、前記縦の基準線の位置に基づき、該基準線に直交する方向における各画素とそれぞれ対応する格子縞上の位置を算出し、前記横の基準線の位置に基づき、該基準線に直交する方向における各画素とそれぞれ対応する格子縞上の位置を算出する。このため、ＣＣＤカメラの各画素と格子縞上の位置とをそれぞれ精度良く対応付けることができ、測定対象物の表面形状を精度良く測定することができる。
【００１７】
請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれか１つに記載の三次元形状測定方法において、前記エッジ点の３次元位置を、前記エッジ点特定用の線状レーザで定義される平面と、前記エッジ点を通る前記複数の画素の１つの視線との交点から算出することを要旨とする。
これによれば、エッジ点の３次元位置を正確に算出することができる。
【００１８】
請求項６に係る発明は、請求項５に記載の三次元形状測定方法において、前記エッジ点の接平面は、前記エッジ点を通る前記複数の画素の１つの視線と、該１つの画素に対応する前記格子縞上の位置と前記エッジ点とを結ぶ直線の２等分線を前記エッジ点での法線とする面として求めることを要旨とする。
これによれば、エッジ点の接平面を容易に算出することができる。
【００１９】
請求項７に係る発明は、請求項６に記載の三次元形状測定方法において、前記測定対象物を上方から見た平面をＸＹ平面とすると、前記エッジ点とＹ座標値が同じ横一列の形状測定の際には、前記エッジ点からＸ座標値を前記画素の配列ピッチの１つ分ずつずらした各測定点を、前回の測定点での接平面と、該前回の測定点を視線が通る画素の隣の画素の視線との交点から決め、前記各測定点では、各測定点と、該各測定点にそれぞれ対応する前記格子縞上の点とを結ぶ線をそれぞれ求め、ここで求めた各線と前記各測定点を通る前記各画素の視線とのなす角の２等分線を法線とする接平面をそれぞれ求め、その後、前記エッジ点特定用の線状レーザ光を前記複数の画素の配列ピッチの１つ分ずつずらして前記測定対象物に照射して、前記測定対象物の別のエッジ点を順に発光させ、順に発光させた各エッジ点の接平面を基準に、前記別のエッジ点とＹ座標値が同じ前記横一列の形状測定を前記表面のＹ方向全体にわたって順に繰り返して、前記表面全体の形状を測定することを要旨とする。
これによれば、測定対象物の表面全体の形状をエッジ点の接平面を基準に容易に算出することができる。
【００２０】
請求項８に係る発明は、鏡面反射する表面を有する測定対象物の表面形状を測定する三次元形状測定装置において、輝度が正弦波状に変化する格子縞が形成された格子板および光源を有し、該光源の点灯により前記格子縞の縞パターンを前記表面全体に照射する縞パターン照射手段と、２次元に配置された複数の画素を有し、前記表面全体で反射される前記縞パターンを撮像するＣＣＤカメラと、エッジ点特定用の線状レーザ光を前記測定対象物に照射して該測定対象物のエッジ点を発光させるエッジ点特定用レーザ光源と、前記エッジ点の３次元位置を算出し、該エッジ点の接平面を基準に前記表面全体の形状を順に測定する演算処理を行う演算処理手段と、を備えることを要旨とする。
【００２１】
これによれば、測定対象物の表面形状を測定する際、測定対象物のエッジ点を発光させ、該エッジ点の位置を算出し、該エッジ点の接平面を基準に測定対象物の表面全体の形状を順に測定するようにした。従って、従来のように、ＸＹ移動機構と距離センサ等で構成される検出装置は必要ないので、測定装置全体の構成を簡単にすることができる。
【００２２】
また、エッジ点を発光させ、その様子をＣＣＤカメラで撮像することでエッジ点の３次元位置を算出するようにしたので、任意の点の座標位置を検出するための操作時間が短くなり、その結果、測定に要する時間を短くすることができる。さらに、測定対象物が曲面形状の反射表面を有するガラス等であっても、前記と同様に、測定対象物のエッジ点を発光させ、それをＣＣＤカメラで撮像するだけなので、エッジ点の座標位置を高精度に検出することができ、また、その位置検出を短時間で行うことができる。
【００２３】
請求項９に係る発明は、請求項８に記載の三次元形状測定装置において、縦方向に配置した前記格子縞の１つに縦縞特定用の線状レーザ光を照射するとともに、横方向に配置した前記格子縞の１つに横縞特定用の線状レーザ光を照射する縞特定用レーザ光源を備えることを要旨とする。
【００２４】
これによれば、縦の基準線の位置に基づき、該基準線に直交する方向におけるＣＣＤカメラの各画素とそれぞれ対応する格子縞上の位置を算出することができる。また、同様に、横の基準線の位置に基づき、該基準線に直交する方向におけるＣＣＤカメラの各画素とそれぞれ対応する格子縞上の位置を算出することができる。これにより、ＣＣＤカメラの全ての画素が格子縞上のどの位置に対応するかがわかるので、位相シフトにより測定された位相値がどの測定対象物のどの位置に対応したものなのかが分かる。
【発明の効果】
【００２５】
以上説明したように、本発明によれば、測定対象物の表面形状を短時間で精度良く測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の三次元形状測定装置を用いた三次元形状測定方法の一実施形態について説明する。
（測定装置の構成）
まず、図面に従って本発明の三次元形状測定装置１の概略を説明する。図１に示すように、鏡面反射する表面を有する測定対象物としての板状のガラス２は、ＺＸ平面上に配置され、その鏡面反射する表面である被測定面２ＡがＹ方向に向くように測定対象物支持体３によって支持固定されている。ガラス２は、表面形状が滑らかな湾曲を成した板状のガラスであって、たとえば、自動車のフロントガラスである。
【００２７】
三次元形状測定装置１は、縞パターン照射手段としてのパターン照射ユニット２０と、２次元に配置された複数の画素を有するＣＣＤカメラ９と、エッジ点特定用レーザ光源としてのエッジ点特定レーザ出力装置７と、演算処理手段としてのコンピュータ１０と、を備える。パターン照射ユニット２０は、輝度が正弦波状に変化する格子縞としての格子グリッド４Ａが形成された格子板としての格子縞フィルム４および光源としてのバックライト５を有し、該バックライト５の点灯により格子グリッド４Ａの縞パターンをガラス２の被測定面２Ａ全体に照射するようになっている。ＣＣＤカメラ９は、ガラス２の被測定面２Ａ全体で反射される変形縞パターンを撮像するように配置されている。
【００２８】
また、被測定面２Ａに対して直角な向きに、即ち、ＹＺ平面上に、格子縞フィルム４が配置されている。この格子縞フィルム４は、公知である位相シフト法により被測定面２Ａの表面形状を検出する際に使用するものである。格子縞フィルム４は、縦方向（Ｚ軸方向）に延設された複数の格子グリッド４Ａが横方向（Ｙ軸方向）に沿って等ピッチに配列したものであって、そのグリッドピッチは、例えば３２mmである。また、この格子縞フィルム４は、たとえば、図示しない回転駆動機構に支持され該回転駆動機構によりＸ軸周りにＹＺ平面内で９０°回転させることで格子グリッド４Ａの向きを横方向（Ｙ軸方向）に切
り換えて配列させることが可能となっている。
【００２９】
格子縞フィルム４は、バックライト５を備えた支持体６に支持されている。そして、バックライト５にて発せられた光は、格子縞フィルム４を通過することで縞パターンになり、その縞パターンがガラス２の被測定面２Ａ全体に照射されるようになっている。その縞パターンは、格子グリッド４Ａを縦方向（Ｚ軸方向）に沿って配列した場合では、図６（ａ）に示すように、輝度の強度値が横方向（Ｙ矢印方向）に正弦波状に周期的に変化する縦縞状の縞パターン３０である。また、その縞パターンは、格子縞フィルム４を回転させ格子グリッド４Ａを横方向（Ｙ軸方向）に沿って配列した場合では、図７に示すように、輝度の強度値が縦方向（Ｚ矢印方向）に正弦波状に周期的に変化する横縞状の縞パターン５０である。
【００３０】
また、図１に示すように、ガラス２の周辺にはエッジ点特定レーザ出力装置７が配置されている。このエッジ点特定レーザ出力装置７は、後記するように被測定面２Ａの表面形状を算出する際のガラス２上のエッジ点Ｐを特定するためのものであって、レーザ光ＬＲ1がガラス２の被測定面２Ａに向かって出射される向きに配置されている。本実施形態の
エッジ点特定レーザ出力装置７は、横方向（Ｘ軸方向）に沿ったライン状（線状）レーザ光ＬＲ1を出射するように配置されている。
【００３１】
また、エッジ点特定レーザ出力装置７は、被測定面２Ａ上にレーザ光ＬＲ1をＺ軸方向
に所定のピッチ（本実施形態では、ＣＣＤカメラ９の１画素ピッチ）ずつずらして出射できるようになっている。そして、レーザ光ＬＲ1はガラス２のエッジに照射されると、エ
ッジの端面は拡散面になっているため、透過せずに散乱される。その結果、レーザ光ＬＲ1が照射されたエッジは輝点として観測される。そして、その輝点の位置がエッジ点Ｐと
して特定されるようになっている。
【００３２】
さらに、ガラス２の周辺には格子縞特定十字レーザ出力装置８が配置されている。この格子縞特定十字レーザ出力装置８は、位相シフト法を用いて被測定面２Ａの表面形状を検出する際に、たとえば、同被測定面２Ａ上に投影される縦縞状の縞パターン３０，５０のうち、注目する画素情報がどの位置の縞が反射されたものかの対応関係を求めるためのものである。つまり、位相シフト法では、図６（ｂ）に示すように、被測定面２Ａ上で反射された変形縞パターン４０の所定の１本の縦縞が、格子縞フィルム４を介して出射された元の縞パターン３０のうちのどの格子グリッド４Ａによる縞に相当するかを特定することができない。このため、検出された被測定面２Ａの表面形状を正確に判定することができない。
【００３３】
そこで、予め特定の格子グリッド４Ａの位置を他のグリッドの位置と区別できるようにマークする。このようにすることで、後に行う位相シフト法にて被測定面２Ａ上に投影された複数の縞のうち、変形縞パターン４０の特定の１本の縦縞が、元の縞パターン３０のうちどの縞に相当するものなのかを特定する。
【００３４】
具体的には、格子縞特定十字レーザ出力装置８は、縦方向（Ｚ軸方向）及び横方向（Ｙ軸方向）に沿った２種類のライン形状を成すレーザ光ＬＲ2を出射するレーザ出力装置で
あって、レーザ光ＬＲ2が格子縞フィルム４に向かって出射される向きに配置されている
。格子縞特定十字レーザ出力装置８は、格子縞フィルム４上の格子グリッド４Ａが縦方向（Ｚ軸方向）に沿って配列された場合では、縦方向（Ｚ軸方向）に沿った縦縞特定用のライン状（線状）のレーザ光ＬＲ2を出射し、格子グリッド４Ａが横方向（Ｙ軸方向）に沿
って配列された場合では、横方向（Ｙ軸方向）に沿った横縞特定用のライン状（線状）を成すレーザ光ＬＲ2を出射する。つまり、格子縞特定十字レーザ出力装置８は、格子グリ
ッド４Ａの配列方向に沿ったライン形状（線状）を成すレーザ光ＬＲ2を出射する。これ
により、レーザ光ＬＲ2が照射された位置にある格子グリッド４Ａを基準の格子グリッド
として特定する。
【００３５】
さらにまた、ガラス２の周辺には２次元に配置された複数の画素を有するＣＣＤカメラ９が配置されている。ＣＣＤカメラ９は、たとえば、走査方向に１３９２ピクセル、副走査方向に１０４０ピクセルの画素数を備えたカメラである。図２に示すように、ＣＣＤカメラ９は、前記した被測定面２Ａにて反射された変形縞パターン５０を撮影する。また、ＣＣＤカメラ９は、被測定面２Ａ上に投影された各レーザ光ＬＲ1，ＬＲ2の反射パターンを撮影する。
【００３６】
また、図１に示すように、三次元形状測定装置１は、コンピュータ１０を備えている。コンピュータ１０は、ＣＣＤカメラ９にて撮影された各種パターンをそれぞれ画像データとして入力する。また、コンピュータ１０には、各種演算プログラムが記憶されている。そして、コンピュータ１０は、その各画像データに基づいて、後記するエッジ点の３次元位置演算処理、エッジ点と同ｘ画素縦１列の形状演算処理、全体形状演算処理を各種演算プログラムに従って行う。そして、コンピュータ１０は、その各種演算処理に基づいて、ガラス２の被測定面２Ａの表面形状を３次元グラフィック画像としてモニタ１１に出力するようになっている。そして、観測者は、モニタ１１上に表示されたグラフィック画像を見ることで被測定面２Ａの詳細な表面形状に関する知見を得ることができる。
【００３７】
次に、三次元形状測定装置１を用いたガラス２の表面形状の測定方法について説明する。
先ず、バックライト５及び格子縞特定十字レーザ出力装置８をともにオフにした状態で、エッジ点特定レーザ出力装置７を駆動させて被測定面２Ａに向かってレーザ光ＬＲ1を
出射しガラス２の任意のエッジを光らせる。そして、その様子をＣＣＤカメラ９で撮影する。
【００３８】
このとき、レーザ光ＬＲ1は、前記したように、横方向（Ｘ軸方向）に沿って広がった
ライン状（線状）のレーザ光であるので、図３（ａ）に示すように、ガラス２の左右両端のエッジが輝点として観測される。そこで、その２つのうちのいずれか一方の輝点を選択しエッジ点Ｐとする。本実施形態では、図３（ａ）に示す右側の輝点をエッジ点Ｐとしている。また、図３（ｂ）は、ＣＣＤカメラ９にて撮影された画像である。ＣＣＤカメラ９は、コンピュータ１０に撮影した画像のデータを第１画像データＤ1として出力する。
【００３９】
続いて、バックライト５及びエッジ点特定レーザ出力装置７をともにオフ状態で、格子縞特定十字レーザ出力装置８をオンさせ、まず、縦方向（Ｚ軸方向）のライン状（線状）のレーザ光ＬＲ2を格子縞フィルム４上に照射する（図４（ａ）参照）。すると、縦方向
のレーザ光ＬＲ2が格子縞フィルム４に反射され、その反射光Ｓが縦の基準線Ｑ１として
ガラス２の被測定面２Ａ上に映り込む（図４（ｂ）参照）。そして、その様子をＣＣＤカメラ９で撮影する。図４（ｃ）は、ＣＣＤカメラ９にて撮影された画像である。ＣＣＤカメラ９は、撮影した縦方向のレーザ光ＬＲ2の反射像を第２画像データＤ2としてコンピュータ１０に出力する。
【００４０】
次に、エッジ点特定レーザ出力装置７及び格子縞特定十字レーザ出力装置８をともにオフさせ、バックライト５を点灯させる。そして、格子縞フィルム４を回転させ、図６（ａ）に示すように、縦縞状の縞パターン３０を被測定面２Ａ全体に照射し、その被測定面２Ａの表面形状に応じて縞パターン３０が変化した変形縞パターン４０をＣＣＤカメラ９で撮像する。そして、縦縞の位相シフトにより、ＣＣＤカメラ９の各画素における変形縞パターン４０の輝度値から各画素における位相値を求め、前記各画素の位相値に基づき、前記各画素の視線上にある縞パターン３０上の横方向の各位置を求める。
【００４１】
具体的には、１枚の縞パターンに対応した１枚の画像は絶対的な明るさなので、格子縞フィルム４やバックライト５またはＣＣＤカメラ９の汚れ等に起因する濃度ムラ等による誤差が生じる場合がある。そこで、この誤差を無くすため、本実施形態では、格子縞フィルム４を横方向（Ｙ軸方向）に縞パターンの位相のπ／２ずつ、即ち、０、π／２、π、３π／２ずらして、それぞれにおいてＣＣＤカメラ９によって４種類の変形縞パターンを撮影する。そして、その各変形縞パターンに対する各第３画像データＤ3Ａ，Ｄ3Ｂ，Ｄ3
Ｃ，Ｄ3Ｄを順にコンピュータ１０に出力する。そして、コンピュータ１０によって第３
画像データＤ3Ａ〜Ｄ3Ｄに基づいて後記する演算処理が行われることで、各画素における位相値が算出される。位相シフト法によれば、表面形状を決定する位相値Ｑは、次の式により求められる。
【数１】
【００４２】
ここで、Ｉ0（ｘ，ｚ）、Ｉ1（ｘ，ｚ）、Ｉ2（ｘ，ｚ）、Ｉ3（ｘ，ｚ）は、それぞれ縞パターンの位相を０、π／２、π、３π／２ずらしたときの被測定面２Ａ上の任意の点（ｘ，ｚ）の変形縞パターンの輝度値Ｉi（ｘ，ｚ）（ｉ＝０〜３）である。
【００４３】
従って、コンピュータ１０は、各第３画像データＤ3Ａ〜Ｄ3Ｄに基づいて、上式（１）に従って、被測定面２Ａ上の各画素における位相値Ｑを算出し、それにより、各画素間の差分を算出して位相差を求める。このとき、隣り合う点に位相飛びがある場合には、位相を繋ぎ合わせる必要があるため補正を行う。また、位相シフト法による計算を行う前処理として、得られた４枚の画像にそれぞれ４次のスプライン補間処理を施して移動平均演算を行う。このようにすることで、ＣＣＤカメラ９の各画素の視線上にある縞パターン３０上の横方向の各位置（Ｘ座標値）が求められる。
【００４４】
続いて、バックライト５及びエッジ点特定レーザ出力装置７をともにオフ状態で、格子縞特定十字レーザ出力装置８をオンさせ、横方向（Ｙ軸方向）のライン状（線状）のレーザ光ＬＲ2を格子縞フィルム４上に照射する（図５（ａ）参照）。すると、横方向のレー
ザ光ＬＲ2が格子縞フィルム４に反射され、その反射光Ｓが横の基準線Ｑ２としてガラス
２の被測定面２Ａ上に映り込む（図５（ｂ）参照）。そして、その様子をＣＣＤカメラ９で撮影する。ＣＣＤカメラ９は、撮影した横方向のレーザ光ＬＲ2の反射像を第４画像デ
ータＤ4としてコンピュータ１０に出力する。
【００４５】
次に、エッジ点特定レーザ出力装置７及び格子縞特定十字レーザ出力装置８をともにオフさせ、バックライト５を点灯させる。そして、格子縞フィルム４を９０°回転させ、図７に示すように、横縞状の縞パターン５０を被測定面２Ａ全体に照射し、その被測定面２Ａの表面形状に応じて前記縞パターン５０が変化した変形縞パターンをＣＣＤカメラ９で撮像する。そして、横縞の位相シフトにより、ＣＣＤカメラ９の各画素における変形縞パターン４０の輝度値から各画素における位相値を求め、前記各画素の位相値に基づき、前記各画素の視線上にある縞パターン３０上の縦方向の各位置（Ｙ座標値）を求める。
【００４６】
具体的には、前記した各画素の視線上にある縞パターン３０上の縦方向の各位置を求めた場合と同様にして、格子縞フィルム４を縦方向（Ｚ軸方向）に縞パターンの位相のπ／２ずつ、即ち、０、π／２、π、３π／２ずらして、それぞれにおいてＣＣＤカメラ９によって４種類の変形縞パターンを撮影する。そして、その各変形縞パターンに対する各第５画像データＤ5Ａ，Ｄ5Ｂ，Ｄ5Ｃ，Ｄ5Ｄを順にコンピュータ１０に出力する。そして、コンピュータ１０によって第５画像データＤ5Ａ〜Ｄ5Ｄに基づいて、前記と同様な計算を
行うことでＣＣＤカメラ９の各画素の視線上にある縞パターン５０上の縦方向の各位置が求められる。
【００４７】
このようにすることで、ＣＣＤカメラ９の各画素の視線上にある縞パターン３０，５０上の各位置が求められる。
次に、コンピュータ１０にて行われる各種演算の詳細を説明する。
【００４８】
まず、コンピュータ１０は、第１画像データＤ1に基づいてエッジ点Ｐの３次元位置（
Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）を算出する（エッジ点Ｐの３次元位置演算処理）。以下、その算出方法を図８に従って説明する。
【００４９】
図８に示すように、エッジ点Ｐは、ＣＣＤカメラ９の１３９２×１０４０個ある画素のうちのエッジ点Ｐを通る前記複数の画素の１つの画素の視線式とレーザ光ＬＲ1で定義さ
れる平面との交点に対応する。次式で表わされる画素（ｉ，ｊ）におけるＣＣＤカメラ９の視線式として次式が成り立つ。
【数２】
【００５０】
【数３】
【００５１】
【数４】
【００５２】
ここで、VecXc及びVecZcは、それぞれＣＣＤカメラ９の方向ベクトルのｘ成分及びｚ成分である。また、Ｐcx及びＰczは、原点（０，０，０）に対するＣＣＤカメラの焦点位置Ｐc（Ｐcx，Ｐcy，Ｐcz）のｘ成分及びｚ成分である。
【００５３】
一方、エッジ点特定レーザの発光点Ｐ1の座標を（Ｐ1x，Ｐ1y，Ｐ1z）とすると、レー
ザ光ＬＲ1で定義される平面の方程式は、次式で表わされる。
【数５】
【００５４】
ここで、thX1は、レーザ光ＬＲ1をＸＹ平面に投影した場合のＸ軸とのなす角を表わし
ている。
そして、コンピュータ１０は、式（２）〜（４）と式（５）とを用いることにより、ＣＣＤカメラ９の視線式とライン型レーザの平面式の交点を算出する。このとき、パラメータｔは以下の式で求まる。
【数６】
【００５５】
このようにして、コンピュータ１０は、第１画像データＤ1によりパラメータｔを計算
する。また、コンピュータ１０は、式（６）に計算したパラメータｔを代入して、エッジ点Ｐの３次元位置（Ｘp，Ｙp，Ｚp）を算出する。
【００５６】
続いて、コンピュータ１０は、前記した演算プログラムに従って、求めたエッジ点Ｐの３次元位置（Ｘp，Ｙp，Ｚp）での接平面を算出し、エッジ点Ｐと同ｘ画素縦１列の表面
形状を求める。ここで、同ｘ画素縦１列の表面形状とは、エッジ点ＰとＸ座標値が同じ縦一列の表面形状のことである。以下、エッジ点Ｐと同ｘ画素縦１列の表面形状の算出方法を説明する。尚、説明を簡単にするために、３次元ではなく、２次元（たとえば、ＺＸ平面）について説明する。
【００５７】
ここで、前述したように、ＣＣＤカメラ９上の各画素の視線上にある縞パターン３０，５０上の各位置が求められるので、コンピュータ１０は、エッジ点Ｐ（Ｘp，Ｙp，Ｚp）
や該エッジ点Ｐ（Ｘp，Ｙp，Ｚp）に対応する格子縞フィルム４上の位置（Ｐky，Ｐkz）
を算出することができる。これより、エッジ点Ｐ（Ｘp，Ｙp，Ｚp）での縞パターンの単
位ベクトルＫ2が求まる。
【００５８】
また、ＣＣＤカメラ９の焦点位置Ｐc（Ｐcx，Ｐcy，Ｐcz）及びエッジ点Ｐ（Ｘp，Ｙp
，Ｚp）により、エッジ点Ｐ（Ｘp，Ｙp，Ｚp）での変形縞パターンの単位ベクトルＫ1を
求めることができる。従って、ガラス２のエッジ点Ｐ（Ｘp，Ｙp，Ｚp）における法線ベ
クトルＲ0（ａｋ３ｙ，ａｋ３ｚ）が求まる。図９に示すように、法線ベクトルＲ0（ａｋ３ｙ，ａｋ３ｚ）は、縞パターンの単位ベクトルと変形縞パターンの各単位ベクトルＫ2
，Ｋ1との２等分線ベクトルとして得られる。エッジ点Ｐ（Ｘp，Ｙp，Ｚp）における接平面Ｓ0は以下の式で算出される。
【数７】
【００５９】
【数８】
【００６０】
となる。但し、
【数９】
【００６１】
【数１０】
【００６２】
【数１１】
【００６３】
【数１２】
【００６４】
【数１３】
【００６５】
【数１４】
【００６６】
である。従って、算出された法線ベクトルＲ0よりエッジ点Ｐ（Ｘp，Ｙp，Ｚp）における接平面Ｓ0は次式で表わされる。
【数１５】
【００６７】
次に、エッジ点Ｐ（Ｘp，Ｙp，Ｚp）と同ｘ画素縦１列の表面形状の求め方について図
１０に従って説明する。つまり、エッジ点Ｐ（Ｘp，Ｙp，Ｚp）を基準としてそのエッジ
点Ｐから他方のエッジに向かって同ｘ画素縦１列方向に表面全体の形状を順に測定する。エッジ点Ｐの同ｘ画素ｉ上の隣の画素（ｉ，ｊ＋１）、即ち、図１中Ｘ軸方向に沿った隣の画素のガラス２上の３次元位置は、エッジ点Ｐの接平面Ｓ0とＣＣＤカメラ９の画素（
ｉ，ｊ＋１）における視線との交点により求める。ＣＣＤカメラ９は、各画素における前記した視線式（２）〜（４）及び式（１０）より、次式（１１）が成立する。
【数１６】
【００６８】
求めたパラメータｔを式（２）〜（４）に代入することで、エッジ点Ｐ（Ｘp，Ｙp，Ｚp）の同ｘ画素ｉ上の隣の画素（ｉ，ｊ＋１）の３次元位置が求まる。同様に、その隣の
画素（ｉ，ｊ＋２）についても同様にして求めることで、エッジ点Ｐ（Ｘp，Ｙp，Ｚp）
と同ｘ画素縦１列の表面形状を求めることができる。
【００６９】
次に、ガラス２の全体形状を算出する。図１１に示すように、先に求めたエッジ点Ｐ（Ｘp，Ｙp，Ｚp）からＺ軸方向に前記に対応して所定のピッチずれた新たなエッジ点Ｐを
基準値として、前記と同様にして、その新たなエッジ点Ｐにおける接平面を求める。
【００７０】
そして、その後、前記と同様にしてその新たなエッジ点Ｐと同ｘ画素縦１列の表面形状を求める。以降、同様に、順次、各エッジ点Ｐから縦１列の画素についても同じ作業を行っていけば、ガラス２の全体形状を算出することができる。
【００７１】
前記実施形態によれば、以下のような特徴を得ることができる。
（１） 本実施形態では、ガラス２の被測定面２Ａに向かって、ライン状（線状）のレーザ光ＬＲ1を出射しガラス２の任意の位置にあるエッジを発光させ、その発光したエッジ
をエッジ点Ｐとし、該エッジ点Ｐを基準に各ガラス２の被測定面２Ａの表面形状を算出するようにした。従って、従来のように、たとえば、ＸＹ移動機構と距離センサ等で構成される検出装置は必要ないので、測定装置全体の構成を簡単にすることができる。
【００７２】
また、エッジ点Ｐを発光させ、その様子をＣＣＤカメラで撮像することでエッジ点Ｐの３次元位置（Ｘp，Ｙp，Ｚp）を算出するようにしたので、任意の点の座標位置を検出す
るための操作時間が短くなり、その結果、測定に要する時間を短くすることができる。さらに、本実施形態のように、ガラス２の被測定面２Ａが曲面形状であっても、そのエッジにライン状のレーザ光ＬＲ1を照射し発光させ、それをＣＣＤカメラで撮像するだけなの
で、エッジ点Ｐの３次元位置（Ｘp，Ｙp，Ｚp）を高精度に検出することができ、また、
その位置検出を短時間で行うことができる。
（２） 本実施形態では、ガラス２の被測定面２Ａに向かって、ライン状（線状）のレーザ光ＬＲ1を出射しガラス２の任意の位置にあるエッジを発光させ、その発光したエッジ
をエッジ点Ｐとし、その被測定面２Ａの様子をＣＣＤカメラ９にて撮影するようにした。そして、ライン状（線状）のレーザ光ＬＲ1で定義される面とＣＣＤカメラ９の画素の視
線との交点を算出することによりエッジ点Ｐの３次元位置（Ｘp，Ｙp，Ｚp）を決めるよ
うにした。従って、エッジ点Ｐを簡単に算出することができる。また、このように算出されたエッジ点Ｐに基づいて該エッジ点Ｐの接平面を算出し、エッジ点Ｐでの表面形状を算出するようにした。この結果、ガラス２の被測定面２Ａの表面形状を簡単に精度良く算出することができる。
（３） 本実施形態では、格子縞状の縞パターンを被測定面２Ａ上全体に照射し、被測定面２Ａで反射された変形縞パターンをＣＣＤカメラ９で撮像し、位相シフト法により被測定面２Ａ上の各位置での位相値を求めるようにした。そして、各位置での位相値から被測定面２Ａ上全体の表面形状を算出するようにした。従って、例えば、測定対象物が薄い板状のガラスであっても、その形状を変形させることなく精度良く表面形状を測定することが可能となる。
（４） 本実施形態では、位相シフト法によりＣＣＤカメラ９の各画素における正弦波の位相値を求める際に、格子縞フィルム４を横方向（Ｙ軸方向）に縞パターンの位相のπ／２ずつずらして、それぞれにおいてＣＣＤカメラ９によって反射パターンを撮影するようにした。その後、格子縞フィルム４を９０°回転させた後、縦縞状の入射パターンをガラス２の被測定面２Ａ上に投影し、格子縞フィルム４を縦方向（Ｚ軸方向）に縞パターンの位相のπ／２ずつずらして、それぞれにおいてＣＣＤカメラ９によって４種類の反射パターンを撮影するようにした。その各反射パターンに対する第４画像データＤ4に基づいて
各種演算処理を行うことで各画素における位相値を算出するようにした。従って、格子縞フィルム４やバックライト５またはＣＣＤカメラ９の汚れ等に起因する濃度ムラ等による誤差が無くなるので、被測定面２Ａの表面形状を精度良く測定することができる。
（５） 本実施形態では、ガラス２の任意の位置にあるエッジを発光させ、その発光したエッジをエッジ点Ｐとし、該エッジ点Ｐを基準に、そのエッジ点Ｐから他方のエッジに向かって同ｘ画素縦１列方向に表面全体の形状を順に測定するようにしたので測定が容易に
なり、その結果、測定時間が短くなる。従って、多数のガラス２の表面形状を測定しなければならない場合であっては、短時間で多くの表面形状を測定することができる。
【００７３】
尚、発明の実施形態は、上記実施形態に限定されるものではなく、以下のように実施してもよい。
○上記実施形態では、エッジ点特定レーザ出力装置７は、ガラス２に対して横方向（Ｘ軸方向）に沿ったライン状（線状）レーザ光ＬＲ1を出射するレーザ出力装置であったが
、これに限定されるものではなく、ガラス２に対して斜めであるレーザ光を出射するレーザ出力装置であってもよい。要は、ガラス２のエッジを発光させるようなレーザを出射するものであればどんなレーザ出力装置であってもよい。
【００７４】
○上記実施形態では、エッジ点特定レーザ出力装置７をＣＣＤカメラ９の１画素ピッチずつずらして被測定面２Ａ上にレーザ光ＬＲ1を出射するようにし、そのエッジ点Ｐを基
準にそのエッジ点Ｐから他方のエッジに向かって同ｘ画素縦１列方向に表面全体の形状を順に測定するようにした。これを、そうではなく、たとえば、エッジ点特定レーザ出力装置７をＣＣＤカメラ９の、たとえば５画素ピッチずつずらして被測定面２Ａ上にレーザ光ＬＲ1を出射するようにしてもよい。このようにすることで、ガラス２の表面形状の測定
時間を更に短くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の三次元形状測定装置の概略を説明するための図である。
【図２】同じく、三次元形状測定装置の概略を説明するための図である。
【図３】（ａ）は、エッジ点特定レーザ出力装置から出射したレーザ光をガラス上に照射したときの図であり、（ｂ）は、その様子をＣＣＤカメラで撮影したときの画像である。
【図４】（ａ）は、格子縞特定十字レーザ出力装置からの縦方向のライン状（線状）のレーザ光を格子縞フィルムに照射したときの図であり、（ｂ）は、そのレーザ光がガラス上に反射されたときの図であり、（ｃ）は、その様子をＣＣＤカメラで撮影したときの画像である。
【図５】（ａ）は、格子縞特定十字レーザ出力装置からの横方向のライン状（線状）のレーザ光がガラス上に反射されたときの図であり、（ｂ）は、その様子をＣＣＤカメラで撮影したときの画像である。
【図６】（ａ）は、輝度の強度値が横方向に正弦波状に周期的に変化する縦の縞パターンであり、（ｂ）は、ガラス上に反射された反射パターンである。
【図７】輝度の強度値が縦方向に正弦波状に周期的に変化する横の縞パターンである。
【図８】エッジ点の３次元位置を算出する方法を説明するための図である。
【図９】エッジ点での接平面を求める方法を説明するための図である。
【図１０】同ｘ画素上の各接平面を求める方法を説明するための図である。
【図１１】ガラスの被測定面の全体形状を算出する方法を説明するための図である。
【符号の説明】
【００７６】
２Ａ…鏡面反射する表面としての被測定面、２…測定対象物としてのガラス、４…格子板としての格子縞フィルム、９…ＣＣＤカメラ、ＬＲ1…エッジ点特定用の線状レーザ光
としてのレーザ光、Ｐ…エッジ点、Ｑ１…縦の基準線、Ｑ２…横の基準線、７…エッジ点特定レーザ光源としてのエッジ点特定レーザ出力装置、１０…演算処理手段としてのコンピュータ、８…縞特定用レーザ光源としての格子縞特定十字レーザ出力装置、２０…縞パターン照射手段としてのパターン照射ユニット。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鏡面反射する表面を有する測定対象物の表面形状を測定する三次元形状測定方法において、
輝度が正弦波状に変化する格子縞が形成された格子板を有し、前記格子縞の縞パターンを前記表面全体に照射する縞パターン照射手段と、２次元に配置された複数の画素を有するＣＣＤカメラとを、前記表面全体で反射される前記縞パターンを前記複数の画素で撮像するように配置し、
エッジ点特定用の線状レーザ光を前記測定対象物に照射して該測定対象物のエッジ点を発光させ、該発光した前記エッジ点を前記ＣＣＤカメラで撮像し、
前記エッジ点の３次元位置を算出し、該エッジ点の接平面を基準に前記表面全体の形状を順に測定することを特徴とする三次元形状測定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の三次元形状測定方法において、
前記格子縞の縞パターンを前記表面全体に照射し、前記表面で反射されその表面形状に応じて前記縞パターンが変化した変形縞パターンを前記ＣＣＤカメラで撮像し、
位相シフト法により、前記ＣＣＤカメラの各画素における前記変形縞パターンの輝度値から前記各画素における前記正弦波の位相値を求め、
前記各画素の位相値に基づき、前記各画素の視線上にある前記格子縞上の各位置を求め、
前記各画素の視線が通る前記表面上の各点の接平面を、前記エッジ点の接平面を基準に順に求めることを特徴とする三次元形状測定方法。
【請求項３】
請求項２に記載の三次元形状測定方法において、
前記位相シフト法により前記各画素における前記正弦波の位相値を求める際に、
前記格子縞を縦方向に配置した状態で、前記格子縞の位相を横方向に同ピッチずつずらして少なくとも３枚の縦の変形縞パターンを前記ＣＣＤカメラにより撮像し、該３枚の縦の変形縞パターンを使って位相シフト法を行う縦縞の位相シフトと、
前記格子縞を横方向に配置した状態で、前記格子縞の位相を縦方向に同ピッチずつずらして少なくとも３枚の横の変形縞パターンを前記ＣＣＤカメラにより撮像し、該３枚の横の変形縞パターンを使って位相シフト法を行う横縞の位相シフトと、を行うことを特徴とする三次元形状測定方法。
【請求項４】
請求項３に記載の三次元形状測定方法において、
前記縦縞の位相シフトでは、縦方向に配置した前記格子縞の１つに縦縞特定用の線状レーザ光を照射し、該線状レーザ光が照射された前記格子縞の１つが前記表面で反射される縦の基準線を前記ＣＣＤカメラで撮像し、前記縦の基準線の位置に基づき、該基準線に直交する方向における前記各画素とそれぞれ対応する前記格子縞上の位置を算出し、
前記横縞の位相シフトでは、横方向に配置した前記格子縞の１つに横縞特定用の線状レーザ光を照射し、該線状レーザ光が照射された前記格子縞の１つが前記表面で反射される横の基準線を前記ＣＣＤカメラで撮像し、前記横の基準線の位置に基づき、該基準線に直交する方向における前記各画素とそれぞれ対応する前記格子縞上の位置を算出する、ことを特徴とする三次元形状測定方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の三次元形状測定方法において、
前記エッジ点の３次元位置を、前記エッジ点特定用の線状レーザで定義される平面と、前記エッジ点を通る前記複数の画素の１つの視線との交点から算出することを特徴とする三次元形状測定方法。
【請求項６】
請求項５に記載の三次元形状測定方法において、
前記エッジ点の接平面は、前記エッジ点を通る前記複数の画素の１つの視線と、該１つの画素に対応する前記格子縞上の位置と前記エッジ点とを結ぶ直線の２等分線を前記エッジ点での法線とする面として求めることを特徴とする三次元形状測定方法。
【請求項７】
請求項６に記載の三次元形状測定方法において、
前記測定対象物を上方から見た平面をＸＹ平面とすると、
前記エッジ点とＹ座標値が同じ横一列の形状測定の際には、
前記エッジ点からＸ座標値を前記画素の配列ピッチの１つ分ずつずらした各測定点を、前回の測定点での接平面と、該前回の測定点を視線が通る画素の隣の画素の視線との交点から決め、
前記各測定点では、各測定点と、該各測定点にそれぞれ対応する前記格子縞上の点とを結ぶ線をそれぞれ求め、ここで求めた各線と前記各測定点を通る前記各画素の視線とのなす角の２等分線を法線とする接平面をそれぞれ求め、
その後、前記エッジ点特定用の線状レーザ光を前記複数の画素の配列ピッチの１つ分ずつずらして前記測定対象物に照射して、前記測定対象物の別のエッジ点を順に発光させ、
順に発光させた各エッジ点の接平面を基準に、前記別のエッジ点とＹ座標値が同じ前記横一列の形状測定を前記表面のＹ方向全体にわたって順に繰り返して、前記表面全体の形状を測定することを特徴とする三次元形状測定方法。
【請求項８】
鏡面反射する表面を有する測定対象物の表面形状を測定する三次元形状測定装置において、
輝度が正弦波状に変化する格子縞が形成された格子板および光源を有し、該光源の点灯により前記格子縞の縞パターンを前記表面全体に照射する縞パターン照射手段と、
２次元に配置された複数の画素を有し、前記表面全体で反射される前記縞パターンを撮像するＣＣＤカメラと、
エッジ点特定用の線状レーザ光を前記測定対象物に照射して該測定対象物のエッジ点を発光させるエッジ点特定用レーザ光源と、
前記エッジ点の３次元位置を算出し、該エッジ点の接平面を基準に前記表面全体の形状を順に測定する演算処理を行う演算処理手段と、を備えることを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項９】
請求項８に記載の三次元形状測定装置において、
縦方向に配置した前記格子縞の１つに縦縞特定用の線状レーザ光を照射するとともに、横方向に配置した前記格子縞の１つに横縞特定用の線状レーザ光を照射する縞特定用レーザ光源を備えることを特徴とする三次元形状測定方法。
【請求項１】
鏡面反射する表面を有する測定対象物の表面形状を測定する三次元形状測定方法において、
輝度が正弦波状に変化する格子縞が形成された格子板を有し、前記格子縞の縞パターンを前記表面全体に照射する縞パターン照射手段と、２次元に配置された複数の画素を有するＣＣＤカメラとを、前記表面全体で反射される前記縞パターンを前記複数の画素で撮像するように配置し、
エッジ点特定用の線状レーザ光を前記測定対象物に照射して該測定対象物のエッジ点を発光させ、該発光した前記エッジ点を前記ＣＣＤカメラで撮像し、
前記エッジ点の３次元位置を算出し、該エッジ点の接平面を基準に前記表面全体の形状を順に測定することを特徴とする三次元形状測定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の三次元形状測定方法において、
前記格子縞の縞パターンを前記表面全体に照射し、前記表面で反射されその表面形状に応じて前記縞パターンが変化した変形縞パターンを前記ＣＣＤカメラで撮像し、
位相シフト法により、前記ＣＣＤカメラの各画素における前記変形縞パターンの輝度値から前記各画素における前記正弦波の位相値を求め、
前記各画素の位相値に基づき、前記各画素の視線上にある前記格子縞上の各位置を求め、
前記各画素の視線が通る前記表面上の各点の接平面を、前記エッジ点の接平面を基準に順に求めることを特徴とする三次元形状測定方法。
【請求項３】
請求項２に記載の三次元形状測定方法において、
前記位相シフト法により前記各画素における前記正弦波の位相値を求める際に、
前記格子縞を縦方向に配置した状態で、前記格子縞の位相を横方向に同ピッチずつずらして少なくとも３枚の縦の変形縞パターンを前記ＣＣＤカメラにより撮像し、該３枚の縦の変形縞パターンを使って位相シフト法を行う縦縞の位相シフトと、
前記格子縞を横方向に配置した状態で、前記格子縞の位相を縦方向に同ピッチずつずらして少なくとも３枚の横の変形縞パターンを前記ＣＣＤカメラにより撮像し、該３枚の横の変形縞パターンを使って位相シフト法を行う横縞の位相シフトと、を行うことを特徴とする三次元形状測定方法。
【請求項４】
請求項３に記載の三次元形状測定方法において、
前記縦縞の位相シフトでは、縦方向に配置した前記格子縞の１つに縦縞特定用の線状レーザ光を照射し、該線状レーザ光が照射された前記格子縞の１つが前記表面で反射される縦の基準線を前記ＣＣＤカメラで撮像し、前記縦の基準線の位置に基づき、該基準線に直交する方向における前記各画素とそれぞれ対応する前記格子縞上の位置を算出し、
前記横縞の位相シフトでは、横方向に配置した前記格子縞の１つに横縞特定用の線状レーザ光を照射し、該線状レーザ光が照射された前記格子縞の１つが前記表面で反射される横の基準線を前記ＣＣＤカメラで撮像し、前記横の基準線の位置に基づき、該基準線に直交する方向における前記各画素とそれぞれ対応する前記格子縞上の位置を算出する、ことを特徴とする三次元形状測定方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の三次元形状測定方法において、
前記エッジ点の３次元位置を、前記エッジ点特定用の線状レーザで定義される平面と、前記エッジ点を通る前記複数の画素の１つの視線との交点から算出することを特徴とする三次元形状測定方法。
【請求項６】
請求項５に記載の三次元形状測定方法において、
前記エッジ点の接平面は、前記エッジ点を通る前記複数の画素の１つの視線と、該１つの画素に対応する前記格子縞上の位置と前記エッジ点とを結ぶ直線の２等分線を前記エッジ点での法線とする面として求めることを特徴とする三次元形状測定方法。
【請求項７】
請求項６に記載の三次元形状測定方法において、
前記測定対象物を上方から見た平面をＸＹ平面とすると、
前記エッジ点とＹ座標値が同じ横一列の形状測定の際には、
前記エッジ点からＸ座標値を前記画素の配列ピッチの１つ分ずつずらした各測定点を、前回の測定点での接平面と、該前回の測定点を視線が通る画素の隣の画素の視線との交点から決め、
前記各測定点では、各測定点と、該各測定点にそれぞれ対応する前記格子縞上の点とを結ぶ線をそれぞれ求め、ここで求めた各線と前記各測定点を通る前記各画素の視線とのなす角の２等分線を法線とする接平面をそれぞれ求め、
その後、前記エッジ点特定用の線状レーザ光を前記複数の画素の配列ピッチの１つ分ずつずらして前記測定対象物に照射して、前記測定対象物の別のエッジ点を順に発光させ、
順に発光させた各エッジ点の接平面を基準に、前記別のエッジ点とＹ座標値が同じ前記横一列の形状測定を前記表面のＹ方向全体にわたって順に繰り返して、前記表面全体の形状を測定することを特徴とする三次元形状測定方法。
【請求項８】
鏡面反射する表面を有する測定対象物の表面形状を測定する三次元形状測定装置において、
輝度が正弦波状に変化する格子縞が形成された格子板および光源を有し、該光源の点灯により前記格子縞の縞パターンを前記表面全体に照射する縞パターン照射手段と、
２次元に配置された複数の画素を有し、前記表面全体で反射される前記縞パターンを撮像するＣＣＤカメラと、
エッジ点特定用の線状レーザ光を前記測定対象物に照射して該測定対象物のエッジ点を発光させるエッジ点特定用レーザ光源と、
前記エッジ点の３次元位置を算出し、該エッジ点の接平面を基準に前記表面全体の形状を順に測定する演算処理を行う演算処理手段と、を備えることを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項９】
請求項８に記載の三次元形状測定装置において、
縦方向に配置した前記格子縞の１つに縦縞特定用の線状レーザ光を照射するとともに、横方向に配置した前記格子縞の１つに横縞特定用の線状レーザ光を照射する縞特定用レーザ光源を備えることを特徴とする三次元形状測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００６−１０５９４２（Ｐ２００６−１０５９４２Ａ）
【公開日】平成１８年４月２０日（２００６．４．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２９７０３３（Ｐ２００４−２９７０３３）
【出願日】平成１６年１０月８日（２００４．１０．８）
【出願人】（０００００４００８）日本板硝子株式会社 (853)
【出願人】（５９３００６６３０）学校法人立命館 (359)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年４月２０日（２００６．４．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１０月８日（２００４．１０．８）
【出願人】（０００００４００８）日本板硝子株式会社 (853)
【出願人】（５９３００６６３０）学校法人立命館 (359)
【Ｆターム（参考）】
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