測定装置および測定方法
【課題】
従来技術によるモアレ法は、モアレパターンから等高線を求めるために複雑な演算を行う必要があった。さらに、高低差のある物体の等高線を一度に求めるため、物体の高低差によって誤差が生じるという問題があった。
【解決手段】
本発明に係る測定装置は、第１の方向に光を送光する送光部と、前記第１の方向と略直交する前記被測定物の方向に前記光の方向を変換する変換部と、前記変換部で方向が変換された光のうち前記被測定物で反射した光を検出する検出部と、前記検出部の検出結果に基づいて、前記被測定物の形状を測定する形状測定部とを設けた。
従来技術によるモアレ法は、モアレパターンから等高線を求めるために複雑な演算を行う必要があった。さらに、高低差のある物体の等高線を一度に求めるため、物体の高低差によって誤差が生じるという問題があった。
【解決手段】
本発明に係る測定装置は、第１の方向に光を送光する送光部と、前記第１の方向と略直交する前記被測定物の方向に前記光の方向を変換する変換部と、前記変換部で方向が変換された光のうち前記被測定物で反射した光を検出する検出部と、前記検出部の検出結果に基づいて、前記被測定物の形状を測定する形状測定部とを設けた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立体状の物体の外側形状を測定する測定装置および測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、等高線を利用して物体の三次元形状を測定する方法として、モアレ法が知られている。モアレ法は、照明装置から縞パターンを物体に投影し、さらに別の縞パターンを介して観測されるモアレパターンから、物体形状に沿った等高線を求め、物体の三次元形状を得る方法である（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１０−２０６１３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来技術によるモアレ法は、モアレパターンから等高線を求めるために複雑な演算を行う必要があった。さらに、高低差のある物体の等高線を一度に求めるため、物体の高低差によって誤差が生じるという問題があった。
本発明の目的は、簡易な構成で複雑な演算を行うことなく、誤差の少ない高精度な測定装置および測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明に係る測定装置は、立体状の被測定物の形状を測定する測定装置であって、第１の方向に光を送光する送光部と、前記第１の方向と略直交する前記被測定物の方向に前記光の方向を変換する変換部と、前記変換部で方向が変換された光のうち前記被測定物で反射した光を検出する検出部と、前記検出部の検出結果に基づいて、前記被測定物の形状を測定する形状測定部とを備えることを特徴とする。
【０００５】
また、前記被測定物と前記変換部とを前記第１の方向に相対移動させる移動部をさらに備え、前記形状測定部は、前記被測定物と前記変換部との相対位置を変化させた時の前記検出部の検出結果に基づいて、前記被測定物の三次元形状を測定することを特徴とする。
特に、前記変換部は前記送光部が送光する前記光を前記第１の方向と略直交する前記被測定物の中心軸方向に変換することを特徴とする。
【０００６】
さらに、前記送光部は、前記光を発生する光源部と、前記光源部からの光を導き基準位置に焦点を有する第１の光学系と、前記焦点よりも前記光源側であり前記第１の光学系の前記焦点と共役な位置に配置され所定形状の開口を有する第１の光制限部材と、前記被測定物から戻ってきた光を結像させる第２の光学系とを備え、前記検出部は前記第２の光学系により前記基準位置にある被測定物の像が結像する結像面に配置され前記光源からの光を受光する受光部を備えることを特徴とする。
【０００７】
或いは、前記送光部を前記第１の方向とは異なる方向から光を送光する位置に配置し、前記被測定物と前記第１の光制限部材との間にあって、前記送光部が送光する前記光を前記第１の方向に反射すると共に、前記被測定物からの戻ってくる光を前記受光部側に透過するハーフミラーを設けたことを特徴とする。
特に、前記変換部を逆円錐形状のミラーで構成したことを特徴とする。
【０００８】
また、前記第１の光制限部材を円形スリットで構成したことを特徴とする。
或いは、前記第１の光制限部材を多重円形スリットで構成したことを特徴とする。
または、前記第１の光制限部材を径変更可能な円形スリットで構成したことを特徴とする。
また、本発明に係る測定方法は、立体状の被測定物の外側形状を測定する測定方法であって、送光部が第１の方向に送光する光の方向を変換部で前記第１の方向と略直交する前記被測定物の方向に変換して前記被測定物の外側に照射し、前記被測定物の外側で反射する光を検出部で検出した結果に基づいて、前記被測定物の外側形状を測定することを特徴とする。
【０００９】
特に、前記被測定物と前記変換部とを前記第１の方向に相対移動させながら前記検出を行うことにより前記被測定物の三次元形状を測定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、簡易な構成で、複雑な演算を行うことなく被測定物の等高線を得ることができるので、誤差の少ない高精度な三次元形状測定装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の各実施形態について詳しく説明する。
（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態に係る三次元形状測定装置１０１のブロック図である。三次元形状測定装置１０１は、立体状の物体の所定の高さ毎に外側形状を測定して等高線を求め、求めた等高線を合成することによって物体の三次元形状を構築する装置で、光源１０２と、視野絞りに相当する円形スリット１０３と、照明レンズ１０４と、ハーフミラー１０５と、対物レンズ１０６と、逆円錐型ミラー１０７と、Ｚ軸ステージ本体１０８および被測定物１０９を載せた移動ステージ１１０と、結像レンズ１１１と、撮像部１１２と、画像処理部１１３と、パソコン１１４とで構成される。
【００１２】
図１（ａ）および（ｂ）は、Ｚ軸ステージ本体１０８と移動ステージ１１０を動作させた時の様子を示した図で、同図（ａ）は移動ステージ１１０を上げて被測定物１０９の低い位置の外側形状を測定する場合、同図（ｂ）は移動ステージ１１０を下げて被測定物１０９の高い位置の外側形状を測定する場合をそれぞれ示している。
光源１０２から照射された光は、円形スリット１０３のスリット１１５を介して照明レンズ１０４に入射される。照明レンズ１０４は、入射した光をハーフミラー１０５側に送光する。尚、各レンズ（１０４，１０５，１１１）は、それぞれ屈折力を有しているが、理解を容易にするために屈折を省略している。
【００１３】
ハーフミラー１０５は、照明レンズ１０４から入射する光の方向を変換して、対物レンズ１０６側に反射する。反射する光の方向を第１の方向と定義すると、ハーフミラー１０５で第１の方向に反射された光源１０２からの光は、照明レンズ１０４と対物レンズ１０６の作用により、第１の方向に平行な光束となり、逆円錐型ミラー１０７に送光され、逆円錐型ミラー１０７で第１の方向に略直交する方向へ変換され、被測定物１０９の全周方向から中心軸に向けて水平に照射される。
【００１４】
被測定物１０９の外側から照射された光は、点線１５１で示すように、対物レンズ１０６およびハーフミラー１０５を介して結像レンズ１１１で撮像部１１２の受光面（不図示）に結像される。撮像部１１２の受光面に結像された光は画像信号に変換され、ケーブル１１６を介して画像処理部１１３に出力される。
ここで、撮像部１１２の受光面と、視野絞りを構成する円形スリット１０３と、被測定物１０９の設置エリアとは光学的に共役の位置にあり、これらの３ヶ所で焦点が合う状態になっている。尚、被測定物１０９の高さによって外形状の大きさが異なるので、場所によって焦点のずれが予測されるが、照明側のＮＡ（Ｎumerical Ａperture：開口数)を小さくして焦点深度を深くすることで、被測定物１０９の大きさの変動範囲内で焦点のずれをなくすことができる。また、受光側のＮＡを大きくすることで、検出分解能を高めることができる。
【００１５】
画像処理部１１３は、撮像部１１２の受光面に結像された画像データを受け取ると共に、ケーブル１１７を介して接続されているＺ軸ステージ本体１０８に指令を送り、被測定物１０９を載せた移動ステージ１１０を撮像部１１２方向に所定ピッチで上下させる。つまり、被測定物１０９と逆円錐型ミラー１０７との相対位置を変化させる。そして、移動ステージ１１０の所定位置毎に撮像部１１２から画像データを入力し、入力した画像データを処理して、所定位置における被測定物に光が当たっている部分の外側形状を抽出する。
【００１６】
ここで、円形スリット１０３の形状について、図２を用いて説明する。円形スリット１０３は視野絞りに相当し、光源１０２から照射される光を円形に透過するスリット１１５が設けられている。尚、円形スリット１０３は、例えば、液晶板を用いて円形に光を透過するようにすることで実現できる。或いは、ガラス板などに遮光部分を蒸着したり、透過部分をエッチングするなどの方法によっても構わない。
【００１７】
次に、逆円錐型ミラー１０７の形状について、図３を用いて説明する。図３（ａ）は逆円錐型ミラー１０７の斜視図、同図（ｂ）は上面図、同図（ｃ）は側面図、同図（ｄ）は同図（ｂ）において切断線Ａで切断した時の断面図をそれぞれ示している。光２５１は、光源１０２から円形スリット１０３およびハーフミラー１０５を介して第１の方向に照射される光を示し、逆円錐型ミラー１０７の内側のミラー部分１１０ａで第１の方向と略直交する方向に反射され、反射された光２５１ａは被測定物１０９の中心軸に向けて全周方向から水平に照射される。つまり、水平に照射される光２５１ａは、被測定物１０９の等高位置を照射する。
【００１８】
図４は、図１の三次元形状測定装置１０１の光学的な構成を描いた図で、図１と同符号のものは同じものを示している。図４（ａ）の部分は、光源１０２を含む送光部分で、１２１は照明のＮＡを決める開口絞り、１２２は光源１０２の光を集光するレンズ、１２３は受光側のＮＡを決める結像絞りをそれぞれ示している。尚、先に説明したように、撮像部１１２の受光面と、視野絞りを構成する円形スリット１０３と、被測定物１０９の設置エリアとは光学的に共役の位置にあり、これらの３ヶ所で焦点が合う状態になっていることがわかる。
【００１９】
次に、三次元形状測定装置１０１の測定の流れについて、図５のフローチャートを用いて説明する。
（ステップＳ２０１）先ず、被測定物１０９を移動ステージ１１０にセットする。
（ステップＳ２０２）次に、移動ステージ１１０の測定レンジ（移動範囲）や測定ピッチ（移動ピッチ）などの測定仕様をパソコン１１４から入力する。パソコン１１４で入力された測定仕様は、ケーブル１１８を介して画像処理部１１３に出力され、画像処理部１１３はケーブル１１７を介してＺ軸ステージ本体１０８に移動ステージ１１０を初期位置に移動するよう指令する。例えば、図１（ｂ）に示すような最下点に移動ステージ１１０を移動する。
（ステップＳ２０３）移動ステージ１１０の現在位置で光源１０２から光を照射し、撮像部１１２で画像を撮影する。
（ステップＳ２０４）撮像部１１２で受光した画像をケーブル１１６を介して画像処理部１１３に出力する。
（ステップＳ２０５）測定仕様に従って、測定が完了したか否かを判断する。例えば、移動ステージ１１０が移動範囲の終了位置に達していない場合はステップＳ２０６に進み、終了位置に達している場合はステップＳ２０７に進む。
（ステップＳ２０６）移動ステージ１１０を設定された測定ピッチに従って、次の測定位置まで移動してステップＳ２０３に戻り、当該位置での測定を行う。
（ステップＳ２０７）移動ステージ１１０が移動範囲の終了位置に達して測定を終了した場合は、被測定物１０９の高さ毎の等高線を求め、これらの等高線を合成して三次元形状データを作成する。
【００２０】
ここで、三次元形状データの作成方法について、図６を用いて説明する。同図（ａ）は移動ステージ１１０上に置かれた被測定物１０９の等高線ｇ１，ｇ２およびｇ３を示しており、移動ステージ１１０の上面から高さｈ１，ｈ２およびｈ３の位置にある。例えば、移動ステージ１１０を上下させて、高さｈ１に逆円錐型ミラー１０７で反射した光が周囲から水平に当たるようにして撮像部１１２で撮影した画像は、図６（ｂ）のような等高線ｇ１になる。尚、実際には、撮像部１１２の受光部はマトリクス状に配置された画素で構成されるので、同図のように多数の点として得られる。同様に、高さｈ２に逆円錐型ミラー１０７によって全周方向から水平に光を当てて撮像部１１２で撮影した場合は、図６（ｃ）のような等高線ｇ２が得られる。さらに、高さｈ３に逆円錐型ミラー１０７によって全周方向から水平に光を当てて撮像部１１２で撮影した場合は、図６（ｄ）のような等高線ｇ３が得られる。これらの等高線ｇ１，ｇ２およびｇ３を合成すると図６（ｅ）のようになり、さらに、高さｈ１，ｈ２およびｈ３の高さ情報と合わせて三次元表示すると、図６（ｆ）のような被測定物１０９の三次元形状データが得られる。尚、ここでは３つの等高線を用いて説明したが、実際には同図の点線のように測定ピッチの狭い多数の等高線を合成することによって、高精度な被測定物１０９の三次元形状１０９ａを構築することができる。
【００２１】
さて、図５のフローチャートに戻って説明を続ける。
（ステップＳ２０８）画像処理部１１３で作成された三次元形状データは、ケーブル１１８を介してパソコン１１４に出力され、パソコン１１４の画面に表示される。
（ステップＳ２０９）必要に応じて、パソコン１１４では、キーボードやマウスを操作して、画面に表示されている被測定物１０９の任意の位置を指定して、画像処理部１１３から受け取った被測定物１０９の三次元形状データから大きさや長さを求めて表示する。
（ステップＳ２１０）全ての計測を終了する。
【００２２】
このようにして、所定ピッチで移動ステージ１１０を上下させながら被測定物に光が当たっている部分の外側形状を抽出し、これらを所定位置毎の等高線として合成することによって、被測定物１０９の三次元形状を測定することができる。測定した被測定物１０９の三次元形状データは、ケーブル１１８を介してパソコン１１４に送られ、パソコン１１４で被測定物１０９の三次元形状を表示することができる。
【００２３】
尚、本実施形態では、画像処理を行う画像処理部１１３と、三次元形状測定装置１０１全体の操作や測定結果の表示を行うパソコン１１４とを別々に設けたが、パソコン１１４に画像処理部１１３のハードウェアおよびソフトウェアを内蔵するようにしても構わない。或いは、逆に画像処理部１１３に操作部や表示部を設けて、三次元形状測定装置１０１専用の制御部としても構わない。
【００２４】
このように、本実施形態に係る三次元形状測定装置１０１は、立体状の物体の所定の高さ毎に外側形状を測定して等高線を求め、高さを可変しながら測定した所定位置毎の等高線を合成することによって物体の三次元形状を構築することができるので、簡易な構成で複雑な演算を行うことなく、誤差の少ない高精度な三次元形状測定装置および測定方法を提供することができる。特に、一度に全ての等高線を得るモアレ法は、物体の高低差によって誤差が大きくなるという問題があったが、本実施形態による三次元形状測定装置および測定方法では、等高線毎に画像を得ることができるので、物体の高低差に依らず高精度な測定が可能になる。
【００２５】
尚、本実施形態では、ハーフミラー１０５を用いて、光源１０２および円形スリット１０３などは装置の側部に配置する構成にしたが、ハーフミラー１０５を用いなくても実現できる。例えば、逆円錐型ミラー１０７の上下を逆にして、被測定物１０９を挟んで撮像部１１２とは反対側に図４（ａ）の送光部分を配置し、ハーフミラー１０５の代わりに、送光部分が直接逆円錐型ミラー１０７が位置する第１の方向に送光するようにしても構わない。
【００２６】
また、本実施形態では、移動ステージ１１０の高さを測定ピッチに従ってステップ移動させたが、測定範囲内で移動ステージ１１０を滑らかに連続移動させ、得られた動画像を処理することもできる。
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る三次元形状測定装置２０１について図７を用いて説明する。三次元形状測定装置２０１は、第１の実施形態の三次元形状測定装置１０１と基本的な構成は同じであるが、円形スリット１０３の代わりに、多重円形スリット２０２で構成される。尚、図７において図１と同符号のものは同じものを示す。また、第１の実施形態と同様に、撮像部１１２の受光面と、視野絞りを構成する多重円形スリット２０２と、被測定物１０９の設置エリアとは光学的に共役の位置にあり、これらの３ヶ所で焦点が合う状態になっている。
【００２７】
以下、第１の実施形態と異なる部分について説明する。
多重円形スリット２０２は、図８に示すように、スリット２０３，スリット２０４およびスリット２０５の３つのスリットが設けられており、一度に３つの異なる径の光を被測定物１０９に照射することができる。尚、多重円形スリット２０２も第１の実施形態の円形スリット１０３と同様に液晶などで実現することができる。
【００２８】
図７において、光源１０２をから照射された光は、多重円形スリット２０２を介して照明レンズ１０４に入射され、ハーフミラー１０５側に送光される。ハーフミラー１０５で、入射する光の方向を変換して対物レンズ１０６側に反射し、さらに逆円錐型ミラー１０７で直角に反射して被測定物１０９の全周方向から水平に照射される。
被測定物１０９の外側から照射された光は、対物レンズ１０６およびハーフミラー１０５を介して点線２５１，２５２および２５３で示すように結像レンズ１１１で撮像部１１２の受光面に結像される。撮像部１１２の受光面に結像された光は画像信号に変換され、ケーブル１１６を介して画像処理部２０６に出力される。
【００２９】
ここで、多重円形スリット２０２を用いた場合に、撮像部１１２で受光される画像について説明する。多重円形スリット２０２は径の異なる３つの円形スリットを有しているので、図９（ａ）に示すように、それぞれの径に対応した３つの等高線２６１，２６２および２６３が得られる。これら３つの等高線から最適な等高線を求めることができる。例えば、切断位置Ｂで切断した時の各等高線の明るさを重み付けして、最適な等高線の位置を求める方法を同図（ｂ）に示す。同図（ｂ）は縦軸に明るさ横軸に切断方向を示し、曲線２６４は３つの等高線を中心とする画像の明るさの変化を示している。今、等高線２６１の切断位置Ｂでのピークを点２６１ａ、同様に等高線２６２のピークを点２６２ａ、等高線２６３のピークを点２６３ａとした場合、ピーク点２６２ａが一番高く、ピーク点２６３ａが一番低いので、これら３つのピーク点および周波の波形データからピーク点を予測して求めると、曲線２６５のピーク点２６５ａの位置に最適な等高線がくることがわかる。
【００３０】
多重円形スリット２０２を用いた場合も、第１の実施形態で説明した図５のフローチャートは同じであるが、ステップＳ２０７において、被測定物１０９の高さ毎の等高線を求める際の画像処理部２０６の処理が画像処理部１１３とは異なり、図９で説明したように最適な等高線を求めてから、これらの等高線を合成して三次元形状データを作成することになる。
【００３１】
このように、３つの等高線から最適な等高線を求めるので、第１の実施形態の効果に加えて、さらに測定精度を高めることができ、また測定時間を短縮することができる。尚、本実施形態では、多重円形スリット２０２は３つのスリットとして説明したが、複数のスリットであれば同様の効果を得ることができる。
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態に係る三次元形状測定装置３０１について図１０を用いて説明する。三次元形状測定装置３０１は、第１の実施形態の三次元形状測定装置１０１と基本的な構成は同じであるが、円形スリット１０３の代わりに、スリット径を可変できる可変円形スリット３０２で構成される。尚、図１０において図１と同符号のものは同じものを示す。また、第１の実施形態と同様に、撮像部１１２の受光面と、視野絞りを構成する可変円形スリット３０２と、被測定物１０９の設置エリアとは光学的に共役の位置にあり、これらの３ヶ所で焦点が合う状態になっている。
【００３２】
以下、第１の実施形態と異なる部分について説明する。
可変円形スリット３０２は、図１０に示すように、スリット３０３およびスリット３０４の２つのスリットが設けられており、一度に２つの異なる径の光を被測定物１０９に照射することができる。可変円形スリット３０２は図１１に示すように、スリット３０３とスリット３０４の間隔Ｓ１を可変することができる。尚、可変円形スリット３０２も第１の実施形態の円形スリット１０３と同様に液晶などで実現でき、スリット３０３とスリット３０４のいずれか一方を固定して他方を可変してもよいし、両方を可変するようにしても構わない。
【００３３】
図１０に示すように、可変円形スリット３０２の間隔Ｓ１を可変するスリット制御部３０５は、ケーブル３０７を介して画像処理部３０６に接続されており、画像処理部３０６からの指令に基づいて、スリット３０３とスリット３０４の間隔Ｓ１を可変する。
図１０において、光源１０２をから照射された光は、可変円形スリット３０２を介して照明レンズ１０４に入射され、ハーフミラー１０５側に送光される。ハーフミラー１０５で、入射する光の方向を変換して対物レンズ１０６側に反射し、さらに逆円錐型ミラー１０７で直角に反射して被測定物１０９の全周方向から水平に照射される。
【００３４】
被測定物１０９の外側から照射された光は、対物レンズ１０６およびハーフミラー１０５を介して点線３５１および３５２で示すように結像レンズ１１１で撮像部１１２の受光面に結像される。撮像部１１２の受光面に結像された光は画像信号に変換され、ケーブル１１６を介して画像処理部３０６に出力される。
ここで、可変円形スリット３０２を用いた場合に、撮像部１１２で受光される画像について説明する。可変円形スリット３０２は径の異なる２つの円形スリットを有しているので、第２の実施形態の図９（ａ）において、それぞれの径に対応した２つの等高線が得られることになる。ところが、可変円形スリット３０２はスリット径を自由に可変することができるので、複数回に分けて撮影することで、４つでも５つでも複数の等高線を同じ移動ステージ１１０の位置で得ることができる。この結果、これら複数の等高線から最適な等高線を求めることができる。
【００３５】
可変円形スリット３０２を用いた場合も、第１の実施形態で説明した図５のフローチャートは同じであるが、画像処理部３０６の処理が画像処理部１１３とは異なり、ステップＳ２０３およびステップＳ２０４において、スリット制御部３０５を制御して複数回の画像の撮影が必要となる。また、ステップＳ２０７において、被測定物１０９の高さ毎の等高線を求める際の処理も異なり、図９で説明したように最適な等高線を求めてから、これらの等高線を合成して三次元形状データを作成することになる。
【００３６】
このように、複数の等高線から最適な等高線を求めるので、第１および第２の実施形態の効果に加えて、さらに測定精度を高めることが可能となる。特に、第２の実施形態では等高線の数が固定であったが、移動ステージ１１０の位置毎に測定する等高線の数を変えることが可能となり、例えば、被測定物１０９の外側形状の変化が読み取りにくい位置においては、測定する等高線の数を増やすことによって測定誤差を少なくすることができると共に、測定に要する総時間を短縮することができる。
【００３７】
また、２つの円形スリットではなく、１つの円形スリットの径を可変することもできる。この場合は、１つの円形スリットの径を連続的に変化させることで、移動ステージ１１０を上下に相対移動するのと同様な効果が得られる。
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態に係る三次元形状測定装置４０１について図１２を用いて説明する。三次元形状測定装置４０１は、第１の実施形態の三次元形状測定装置１０１と基本的な構成は同じであるが、逆円錐型ミラー１０７が移動ステージ１１０と同じ方向に上下するためのミラーステージ本体４０２とミラー移動ステージ４０３が設けられ、ミラー移動ステージ４０３に逆円錐型ミラー１０７が取り付けられている。
【００３８】
ミラーステージ本体４０２はケーブル４０４を介して画像処理部４０５に接続されており、画像処理部４０５の指令によってミラー移動ステージ４０３を上下に動かすことができる。尚、図１０において図１と同符号のものは同じものを示す。
以下、第１の実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態においても、第１の実施形態で説明した図５のフローチャートは基本的には同じであるが、画像処理部４０５の処理が画像処理部１１３とは異なり、ステップＳ２０３およびステップＳ２０４において、ミラーステージ本体４０２を制御して複数回画像を撮影する。つまり、移動ステージ１１０の同じ位置で、ミラー移動ステージ４０３を所定のピッチで上下させて、撮像部１１２で複数枚の画像を撮影する。ミラー移動ステージ４０３を小さく上下させることで、等高位置が少しずれた画像が得られ、これらの画像を重ね合わせることによって、第２の実施形態で説明した図９（ａ）のような複数の等高線を得ることができる。
【００３９】
このように、本実施形態に係る三次元形状測定装置４０１は、複数の等高線から最適な等高線を求めるので、第１および第２の実施形態の効果に加えて、さらに測定精度を高めることが可能となる。特に、第２の実施形態では等高線の数が固定であったが、ミラー移動ステージ４０３の位置を制御することにより、移動ステージ１１０の位置毎に測定する等高線の数を変えることが可能となり、第３の実施形態と同様に、例えば、被測定物１０９の外側形状の変化が読み取りにくい位置においては、測定する等高線の数を増やすことによって測定誤差を少なくすることができる。
【００４０】
また、ミラー移動ステージ４０３のストロークを大きくすれば、移動ステージ１１０を移動させる必要がなくなり、被測定物１０９が不安定な物であっても、移動ステージ１１０の移動に伴う振動などの影響を受けることを防ぐことができる。
（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態について図１３を用いて説明する。本実施形態は、第１の実施形態の三次元形状測定装置１０１と基本的な構成は同じで、円形スリット１０３を工夫したものである。
【００４１】
例えば、図１３（ａ）は、第２の実施形態の多重円形スリット２０２に似ているが、色付スリット２５１は、スリット２５２，２５３および２５４の３つのスリットの色が異なっている。例えば、スリット２５２が赤色、スリット２５３が緑色、スリット２５４が青色とする。スリットに色を付けることによって、図９（ｂ）のように隣接する等高線が密接していて、隣の等高線と分離しにくい場合でも判別することができる。例えば、赤色のフィルタ処理を行って赤色のみ抽出するようにすればスリット２５２の等高線だけを抽出することができ、同様に、緑色のみを抽出すればスリット２５３を、青色のみを抽出すればスリット２５４をそれぞれの等高線だけを容易に抽出することができる。
【００４２】
このように、スリットを色付きにすることによって、等高線の分解能が高くなり、高精度な測定が可能になる。
また、その他の方法として、図１３（ｂ）に示すように、位相をシフトしたスリットを用いることで、移動ステージ１１０が同じ位置において得られる等高線の数を増やすことができる。位相スリット５０１は径の異なるスリットを半円毎に交互に配置してあり、位相スリット５０１を回転することによって、６本の円形スリットを設けるのと同じ効果が得られる。
【００４３】
この結果、第２から第４の実施例と同様に、複数の等高線から最適な等高線を求めることになり、測定精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】第１の実施形態に係る三次元形状測定装置１０１の構成図である。
【図２】三次元形状測定装置１０１の円形スリット１０３の構成図である。
【図３】三次元形状測定装置１０１の逆円錐型ミラー１０７の構成図である。
【図４】三次元形状測定装置１０１の光学系を示す補助図である。
【図５】三次元形状測定装置１０１の測定手順を示すフローチャートである。
【図６】三次元形状の構築を説明するための補助図である。
【図７】第２の実施形態に係る三次元形状測定装置２０１の構成図である。
【図８】三次元形状測定装置２０１の多重円形スリット２０２の構成図である。
【図９】三次元形状測定装置２０１の等高線の求め方を説明するための補助図である。
【図１０】第３の実施形態に係る三次元形状測定装置３０１の構成図である。
【図１１】三次元形状測定装置３０１の可変円形スリット３０２の構成図である。
【図１２】第４の実施形態に係る三次元形状測定装置４０１の構成図である。
【図１３】第５の実施形態に係る色付スリット２５２および位相スリット５０１の構成図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０１，２０１，３０１，４０１・・・三次元形状測定装置；１０２・・・光源；１０３・・・円形スリット；１０４・・・照明レンズ；１０５・・・ハーフミラー；１０６・・・対物レンズ；１０７・・・逆円錐型ミラー；１０８・・・Ｚ軸ステージ本体；１０９・・・被測定物；１１０・・・移動ステージ；１１１・・・結像レンズ；１１２・・・撮像部；１１３，２０６，３０６，４０５・・・画像処理部；１１４・・・パソコン；２０２・・・多重円形スリット；３０５・・・スリット制御部；３０２・・・可変円形スリット；４０２・・・ミラーステージ本体；４０３・・・ミラー移動ステージ；２５２・・・色付スリット；５０１・・・位相スリット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立体状の物体の外側形状を測定する測定装置および測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、等高線を利用して物体の三次元形状を測定する方法として、モアレ法が知られている。モアレ法は、照明装置から縞パターンを物体に投影し、さらに別の縞パターンを介して観測されるモアレパターンから、物体形状に沿った等高線を求め、物体の三次元形状を得る方法である（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１０−２０６１３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来技術によるモアレ法は、モアレパターンから等高線を求めるために複雑な演算を行う必要があった。さらに、高低差のある物体の等高線を一度に求めるため、物体の高低差によって誤差が生じるという問題があった。
本発明の目的は、簡易な構成で複雑な演算を行うことなく、誤差の少ない高精度な測定装置および測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明に係る測定装置は、立体状の被測定物の形状を測定する測定装置であって、第１の方向に光を送光する送光部と、前記第１の方向と略直交する前記被測定物の方向に前記光の方向を変換する変換部と、前記変換部で方向が変換された光のうち前記被測定物で反射した光を検出する検出部と、前記検出部の検出結果に基づいて、前記被測定物の形状を測定する形状測定部とを備えることを特徴とする。
【０００５】
また、前記被測定物と前記変換部とを前記第１の方向に相対移動させる移動部をさらに備え、前記形状測定部は、前記被測定物と前記変換部との相対位置を変化させた時の前記検出部の検出結果に基づいて、前記被測定物の三次元形状を測定することを特徴とする。
特に、前記変換部は前記送光部が送光する前記光を前記第１の方向と略直交する前記被測定物の中心軸方向に変換することを特徴とする。
【０００６】
さらに、前記送光部は、前記光を発生する光源部と、前記光源部からの光を導き基準位置に焦点を有する第１の光学系と、前記焦点よりも前記光源側であり前記第１の光学系の前記焦点と共役な位置に配置され所定形状の開口を有する第１の光制限部材と、前記被測定物から戻ってきた光を結像させる第２の光学系とを備え、前記検出部は前記第２の光学系により前記基準位置にある被測定物の像が結像する結像面に配置され前記光源からの光を受光する受光部を備えることを特徴とする。
【０００７】
或いは、前記送光部を前記第１の方向とは異なる方向から光を送光する位置に配置し、前記被測定物と前記第１の光制限部材との間にあって、前記送光部が送光する前記光を前記第１の方向に反射すると共に、前記被測定物からの戻ってくる光を前記受光部側に透過するハーフミラーを設けたことを特徴とする。
特に、前記変換部を逆円錐形状のミラーで構成したことを特徴とする。
【０００８】
また、前記第１の光制限部材を円形スリットで構成したことを特徴とする。
或いは、前記第１の光制限部材を多重円形スリットで構成したことを特徴とする。
または、前記第１の光制限部材を径変更可能な円形スリットで構成したことを特徴とする。
また、本発明に係る測定方法は、立体状の被測定物の外側形状を測定する測定方法であって、送光部が第１の方向に送光する光の方向を変換部で前記第１の方向と略直交する前記被測定物の方向に変換して前記被測定物の外側に照射し、前記被測定物の外側で反射する光を検出部で検出した結果に基づいて、前記被測定物の外側形状を測定することを特徴とする。
【０００９】
特に、前記被測定物と前記変換部とを前記第１の方向に相対移動させながら前記検出を行うことにより前記被測定物の三次元形状を測定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、簡易な構成で、複雑な演算を行うことなく被測定物の等高線を得ることができるので、誤差の少ない高精度な三次元形状測定装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の各実施形態について詳しく説明する。
（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態に係る三次元形状測定装置１０１のブロック図である。三次元形状測定装置１０１は、立体状の物体の所定の高さ毎に外側形状を測定して等高線を求め、求めた等高線を合成することによって物体の三次元形状を構築する装置で、光源１０２と、視野絞りに相当する円形スリット１０３と、照明レンズ１０４と、ハーフミラー１０５と、対物レンズ１０６と、逆円錐型ミラー１０７と、Ｚ軸ステージ本体１０８および被測定物１０９を載せた移動ステージ１１０と、結像レンズ１１１と、撮像部１１２と、画像処理部１１３と、パソコン１１４とで構成される。
【００１２】
図１（ａ）および（ｂ）は、Ｚ軸ステージ本体１０８と移動ステージ１１０を動作させた時の様子を示した図で、同図（ａ）は移動ステージ１１０を上げて被測定物１０９の低い位置の外側形状を測定する場合、同図（ｂ）は移動ステージ１１０を下げて被測定物１０９の高い位置の外側形状を測定する場合をそれぞれ示している。
光源１０２から照射された光は、円形スリット１０３のスリット１１５を介して照明レンズ１０４に入射される。照明レンズ１０４は、入射した光をハーフミラー１０５側に送光する。尚、各レンズ（１０４，１０５，１１１）は、それぞれ屈折力を有しているが、理解を容易にするために屈折を省略している。
【００１３】
ハーフミラー１０５は、照明レンズ１０４から入射する光の方向を変換して、対物レンズ１０６側に反射する。反射する光の方向を第１の方向と定義すると、ハーフミラー１０５で第１の方向に反射された光源１０２からの光は、照明レンズ１０４と対物レンズ１０６の作用により、第１の方向に平行な光束となり、逆円錐型ミラー１０７に送光され、逆円錐型ミラー１０７で第１の方向に略直交する方向へ変換され、被測定物１０９の全周方向から中心軸に向けて水平に照射される。
【００１４】
被測定物１０９の外側から照射された光は、点線１５１で示すように、対物レンズ１０６およびハーフミラー１０５を介して結像レンズ１１１で撮像部１１２の受光面（不図示）に結像される。撮像部１１２の受光面に結像された光は画像信号に変換され、ケーブル１１６を介して画像処理部１１３に出力される。
ここで、撮像部１１２の受光面と、視野絞りを構成する円形スリット１０３と、被測定物１０９の設置エリアとは光学的に共役の位置にあり、これらの３ヶ所で焦点が合う状態になっている。尚、被測定物１０９の高さによって外形状の大きさが異なるので、場所によって焦点のずれが予測されるが、照明側のＮＡ（Ｎumerical Ａperture：開口数)を小さくして焦点深度を深くすることで、被測定物１０９の大きさの変動範囲内で焦点のずれをなくすことができる。また、受光側のＮＡを大きくすることで、検出分解能を高めることができる。
【００１５】
画像処理部１１３は、撮像部１１２の受光面に結像された画像データを受け取ると共に、ケーブル１１７を介して接続されているＺ軸ステージ本体１０８に指令を送り、被測定物１０９を載せた移動ステージ１１０を撮像部１１２方向に所定ピッチで上下させる。つまり、被測定物１０９と逆円錐型ミラー１０７との相対位置を変化させる。そして、移動ステージ１１０の所定位置毎に撮像部１１２から画像データを入力し、入力した画像データを処理して、所定位置における被測定物に光が当たっている部分の外側形状を抽出する。
【００１６】
ここで、円形スリット１０３の形状について、図２を用いて説明する。円形スリット１０３は視野絞りに相当し、光源１０２から照射される光を円形に透過するスリット１１５が設けられている。尚、円形スリット１０３は、例えば、液晶板を用いて円形に光を透過するようにすることで実現できる。或いは、ガラス板などに遮光部分を蒸着したり、透過部分をエッチングするなどの方法によっても構わない。
【００１７】
次に、逆円錐型ミラー１０７の形状について、図３を用いて説明する。図３（ａ）は逆円錐型ミラー１０７の斜視図、同図（ｂ）は上面図、同図（ｃ）は側面図、同図（ｄ）は同図（ｂ）において切断線Ａで切断した時の断面図をそれぞれ示している。光２５１は、光源１０２から円形スリット１０３およびハーフミラー１０５を介して第１の方向に照射される光を示し、逆円錐型ミラー１０７の内側のミラー部分１１０ａで第１の方向と略直交する方向に反射され、反射された光２５１ａは被測定物１０９の中心軸に向けて全周方向から水平に照射される。つまり、水平に照射される光２５１ａは、被測定物１０９の等高位置を照射する。
【００１８】
図４は、図１の三次元形状測定装置１０１の光学的な構成を描いた図で、図１と同符号のものは同じものを示している。図４（ａ）の部分は、光源１０２を含む送光部分で、１２１は照明のＮＡを決める開口絞り、１２２は光源１０２の光を集光するレンズ、１２３は受光側のＮＡを決める結像絞りをそれぞれ示している。尚、先に説明したように、撮像部１１２の受光面と、視野絞りを構成する円形スリット１０３と、被測定物１０９の設置エリアとは光学的に共役の位置にあり、これらの３ヶ所で焦点が合う状態になっていることがわかる。
【００１９】
次に、三次元形状測定装置１０１の測定の流れについて、図５のフローチャートを用いて説明する。
（ステップＳ２０１）先ず、被測定物１０９を移動ステージ１１０にセットする。
（ステップＳ２０２）次に、移動ステージ１１０の測定レンジ（移動範囲）や測定ピッチ（移動ピッチ）などの測定仕様をパソコン１１４から入力する。パソコン１１４で入力された測定仕様は、ケーブル１１８を介して画像処理部１１３に出力され、画像処理部１１３はケーブル１１７を介してＺ軸ステージ本体１０８に移動ステージ１１０を初期位置に移動するよう指令する。例えば、図１（ｂ）に示すような最下点に移動ステージ１１０を移動する。
（ステップＳ２０３）移動ステージ１１０の現在位置で光源１０２から光を照射し、撮像部１１２で画像を撮影する。
（ステップＳ２０４）撮像部１１２で受光した画像をケーブル１１６を介して画像処理部１１３に出力する。
（ステップＳ２０５）測定仕様に従って、測定が完了したか否かを判断する。例えば、移動ステージ１１０が移動範囲の終了位置に達していない場合はステップＳ２０６に進み、終了位置に達している場合はステップＳ２０７に進む。
（ステップＳ２０６）移動ステージ１１０を設定された測定ピッチに従って、次の測定位置まで移動してステップＳ２０３に戻り、当該位置での測定を行う。
（ステップＳ２０７）移動ステージ１１０が移動範囲の終了位置に達して測定を終了した場合は、被測定物１０９の高さ毎の等高線を求め、これらの等高線を合成して三次元形状データを作成する。
【００２０】
ここで、三次元形状データの作成方法について、図６を用いて説明する。同図（ａ）は移動ステージ１１０上に置かれた被測定物１０９の等高線ｇ１，ｇ２およびｇ３を示しており、移動ステージ１１０の上面から高さｈ１，ｈ２およびｈ３の位置にある。例えば、移動ステージ１１０を上下させて、高さｈ１に逆円錐型ミラー１０７で反射した光が周囲から水平に当たるようにして撮像部１１２で撮影した画像は、図６（ｂ）のような等高線ｇ１になる。尚、実際には、撮像部１１２の受光部はマトリクス状に配置された画素で構成されるので、同図のように多数の点として得られる。同様に、高さｈ２に逆円錐型ミラー１０７によって全周方向から水平に光を当てて撮像部１１２で撮影した場合は、図６（ｃ）のような等高線ｇ２が得られる。さらに、高さｈ３に逆円錐型ミラー１０７によって全周方向から水平に光を当てて撮像部１１２で撮影した場合は、図６（ｄ）のような等高線ｇ３が得られる。これらの等高線ｇ１，ｇ２およびｇ３を合成すると図６（ｅ）のようになり、さらに、高さｈ１，ｈ２およびｈ３の高さ情報と合わせて三次元表示すると、図６（ｆ）のような被測定物１０９の三次元形状データが得られる。尚、ここでは３つの等高線を用いて説明したが、実際には同図の点線のように測定ピッチの狭い多数の等高線を合成することによって、高精度な被測定物１０９の三次元形状１０９ａを構築することができる。
【００２１】
さて、図５のフローチャートに戻って説明を続ける。
（ステップＳ２０８）画像処理部１１３で作成された三次元形状データは、ケーブル１１８を介してパソコン１１４に出力され、パソコン１１４の画面に表示される。
（ステップＳ２０９）必要に応じて、パソコン１１４では、キーボードやマウスを操作して、画面に表示されている被測定物１０９の任意の位置を指定して、画像処理部１１３から受け取った被測定物１０９の三次元形状データから大きさや長さを求めて表示する。
（ステップＳ２１０）全ての計測を終了する。
【００２２】
このようにして、所定ピッチで移動ステージ１１０を上下させながら被測定物に光が当たっている部分の外側形状を抽出し、これらを所定位置毎の等高線として合成することによって、被測定物１０９の三次元形状を測定することができる。測定した被測定物１０９の三次元形状データは、ケーブル１１８を介してパソコン１１４に送られ、パソコン１１４で被測定物１０９の三次元形状を表示することができる。
【００２３】
尚、本実施形態では、画像処理を行う画像処理部１１３と、三次元形状測定装置１０１全体の操作や測定結果の表示を行うパソコン１１４とを別々に設けたが、パソコン１１４に画像処理部１１３のハードウェアおよびソフトウェアを内蔵するようにしても構わない。或いは、逆に画像処理部１１３に操作部や表示部を設けて、三次元形状測定装置１０１専用の制御部としても構わない。
【００２４】
このように、本実施形態に係る三次元形状測定装置１０１は、立体状の物体の所定の高さ毎に外側形状を測定して等高線を求め、高さを可変しながら測定した所定位置毎の等高線を合成することによって物体の三次元形状を構築することができるので、簡易な構成で複雑な演算を行うことなく、誤差の少ない高精度な三次元形状測定装置および測定方法を提供することができる。特に、一度に全ての等高線を得るモアレ法は、物体の高低差によって誤差が大きくなるという問題があったが、本実施形態による三次元形状測定装置および測定方法では、等高線毎に画像を得ることができるので、物体の高低差に依らず高精度な測定が可能になる。
【００２５】
尚、本実施形態では、ハーフミラー１０５を用いて、光源１０２および円形スリット１０３などは装置の側部に配置する構成にしたが、ハーフミラー１０５を用いなくても実現できる。例えば、逆円錐型ミラー１０７の上下を逆にして、被測定物１０９を挟んで撮像部１１２とは反対側に図４（ａ）の送光部分を配置し、ハーフミラー１０５の代わりに、送光部分が直接逆円錐型ミラー１０７が位置する第１の方向に送光するようにしても構わない。
【００２６】
また、本実施形態では、移動ステージ１１０の高さを測定ピッチに従ってステップ移動させたが、測定範囲内で移動ステージ１１０を滑らかに連続移動させ、得られた動画像を処理することもできる。
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る三次元形状測定装置２０１について図７を用いて説明する。三次元形状測定装置２０１は、第１の実施形態の三次元形状測定装置１０１と基本的な構成は同じであるが、円形スリット１０３の代わりに、多重円形スリット２０２で構成される。尚、図７において図１と同符号のものは同じものを示す。また、第１の実施形態と同様に、撮像部１１２の受光面と、視野絞りを構成する多重円形スリット２０２と、被測定物１０９の設置エリアとは光学的に共役の位置にあり、これらの３ヶ所で焦点が合う状態になっている。
【００２７】
以下、第１の実施形態と異なる部分について説明する。
多重円形スリット２０２は、図８に示すように、スリット２０３，スリット２０４およびスリット２０５の３つのスリットが設けられており、一度に３つの異なる径の光を被測定物１０９に照射することができる。尚、多重円形スリット２０２も第１の実施形態の円形スリット１０３と同様に液晶などで実現することができる。
【００２８】
図７において、光源１０２をから照射された光は、多重円形スリット２０２を介して照明レンズ１０４に入射され、ハーフミラー１０５側に送光される。ハーフミラー１０５で、入射する光の方向を変換して対物レンズ１０６側に反射し、さらに逆円錐型ミラー１０７で直角に反射して被測定物１０９の全周方向から水平に照射される。
被測定物１０９の外側から照射された光は、対物レンズ１０６およびハーフミラー１０５を介して点線２５１，２５２および２５３で示すように結像レンズ１１１で撮像部１１２の受光面に結像される。撮像部１１２の受光面に結像された光は画像信号に変換され、ケーブル１１６を介して画像処理部２０６に出力される。
【００２９】
ここで、多重円形スリット２０２を用いた場合に、撮像部１１２で受光される画像について説明する。多重円形スリット２０２は径の異なる３つの円形スリットを有しているので、図９（ａ）に示すように、それぞれの径に対応した３つの等高線２６１，２６２および２６３が得られる。これら３つの等高線から最適な等高線を求めることができる。例えば、切断位置Ｂで切断した時の各等高線の明るさを重み付けして、最適な等高線の位置を求める方法を同図（ｂ）に示す。同図（ｂ）は縦軸に明るさ横軸に切断方向を示し、曲線２６４は３つの等高線を中心とする画像の明るさの変化を示している。今、等高線２６１の切断位置Ｂでのピークを点２６１ａ、同様に等高線２６２のピークを点２６２ａ、等高線２６３のピークを点２６３ａとした場合、ピーク点２６２ａが一番高く、ピーク点２６３ａが一番低いので、これら３つのピーク点および周波の波形データからピーク点を予測して求めると、曲線２６５のピーク点２６５ａの位置に最適な等高線がくることがわかる。
【００３０】
多重円形スリット２０２を用いた場合も、第１の実施形態で説明した図５のフローチャートは同じであるが、ステップＳ２０７において、被測定物１０９の高さ毎の等高線を求める際の画像処理部２０６の処理が画像処理部１１３とは異なり、図９で説明したように最適な等高線を求めてから、これらの等高線を合成して三次元形状データを作成することになる。
【００３１】
このように、３つの等高線から最適な等高線を求めるので、第１の実施形態の効果に加えて、さらに測定精度を高めることができ、また測定時間を短縮することができる。尚、本実施形態では、多重円形スリット２０２は３つのスリットとして説明したが、複数のスリットであれば同様の効果を得ることができる。
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態に係る三次元形状測定装置３０１について図１０を用いて説明する。三次元形状測定装置３０１は、第１の実施形態の三次元形状測定装置１０１と基本的な構成は同じであるが、円形スリット１０３の代わりに、スリット径を可変できる可変円形スリット３０２で構成される。尚、図１０において図１と同符号のものは同じものを示す。また、第１の実施形態と同様に、撮像部１１２の受光面と、視野絞りを構成する可変円形スリット３０２と、被測定物１０９の設置エリアとは光学的に共役の位置にあり、これらの３ヶ所で焦点が合う状態になっている。
【００３２】
以下、第１の実施形態と異なる部分について説明する。
可変円形スリット３０２は、図１０に示すように、スリット３０３およびスリット３０４の２つのスリットが設けられており、一度に２つの異なる径の光を被測定物１０９に照射することができる。可変円形スリット３０２は図１１に示すように、スリット３０３とスリット３０４の間隔Ｓ１を可変することができる。尚、可変円形スリット３０２も第１の実施形態の円形スリット１０３と同様に液晶などで実現でき、スリット３０３とスリット３０４のいずれか一方を固定して他方を可変してもよいし、両方を可変するようにしても構わない。
【００３３】
図１０に示すように、可変円形スリット３０２の間隔Ｓ１を可変するスリット制御部３０５は、ケーブル３０７を介して画像処理部３０６に接続されており、画像処理部３０６からの指令に基づいて、スリット３０３とスリット３０４の間隔Ｓ１を可変する。
図１０において、光源１０２をから照射された光は、可変円形スリット３０２を介して照明レンズ１０４に入射され、ハーフミラー１０５側に送光される。ハーフミラー１０５で、入射する光の方向を変換して対物レンズ１０６側に反射し、さらに逆円錐型ミラー１０７で直角に反射して被測定物１０９の全周方向から水平に照射される。
【００３４】
被測定物１０９の外側から照射された光は、対物レンズ１０６およびハーフミラー１０５を介して点線３５１および３５２で示すように結像レンズ１１１で撮像部１１２の受光面に結像される。撮像部１１２の受光面に結像された光は画像信号に変換され、ケーブル１１６を介して画像処理部３０６に出力される。
ここで、可変円形スリット３０２を用いた場合に、撮像部１１２で受光される画像について説明する。可変円形スリット３０２は径の異なる２つの円形スリットを有しているので、第２の実施形態の図９（ａ）において、それぞれの径に対応した２つの等高線が得られることになる。ところが、可変円形スリット３０２はスリット径を自由に可変することができるので、複数回に分けて撮影することで、４つでも５つでも複数の等高線を同じ移動ステージ１１０の位置で得ることができる。この結果、これら複数の等高線から最適な等高線を求めることができる。
【００３５】
可変円形スリット３０２を用いた場合も、第１の実施形態で説明した図５のフローチャートは同じであるが、画像処理部３０６の処理が画像処理部１１３とは異なり、ステップＳ２０３およびステップＳ２０４において、スリット制御部３０５を制御して複数回の画像の撮影が必要となる。また、ステップＳ２０７において、被測定物１０９の高さ毎の等高線を求める際の処理も異なり、図９で説明したように最適な等高線を求めてから、これらの等高線を合成して三次元形状データを作成することになる。
【００３６】
このように、複数の等高線から最適な等高線を求めるので、第１および第２の実施形態の効果に加えて、さらに測定精度を高めることが可能となる。特に、第２の実施形態では等高線の数が固定であったが、移動ステージ１１０の位置毎に測定する等高線の数を変えることが可能となり、例えば、被測定物１０９の外側形状の変化が読み取りにくい位置においては、測定する等高線の数を増やすことによって測定誤差を少なくすることができると共に、測定に要する総時間を短縮することができる。
【００３７】
また、２つの円形スリットではなく、１つの円形スリットの径を可変することもできる。この場合は、１つの円形スリットの径を連続的に変化させることで、移動ステージ１１０を上下に相対移動するのと同様な効果が得られる。
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態に係る三次元形状測定装置４０１について図１２を用いて説明する。三次元形状測定装置４０１は、第１の実施形態の三次元形状測定装置１０１と基本的な構成は同じであるが、逆円錐型ミラー１０７が移動ステージ１１０と同じ方向に上下するためのミラーステージ本体４０２とミラー移動ステージ４０３が設けられ、ミラー移動ステージ４０３に逆円錐型ミラー１０７が取り付けられている。
【００３８】
ミラーステージ本体４０２はケーブル４０４を介して画像処理部４０５に接続されており、画像処理部４０５の指令によってミラー移動ステージ４０３を上下に動かすことができる。尚、図１０において図１と同符号のものは同じものを示す。
以下、第１の実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態においても、第１の実施形態で説明した図５のフローチャートは基本的には同じであるが、画像処理部４０５の処理が画像処理部１１３とは異なり、ステップＳ２０３およびステップＳ２０４において、ミラーステージ本体４０２を制御して複数回画像を撮影する。つまり、移動ステージ１１０の同じ位置で、ミラー移動ステージ４０３を所定のピッチで上下させて、撮像部１１２で複数枚の画像を撮影する。ミラー移動ステージ４０３を小さく上下させることで、等高位置が少しずれた画像が得られ、これらの画像を重ね合わせることによって、第２の実施形態で説明した図９（ａ）のような複数の等高線を得ることができる。
【００３９】
このように、本実施形態に係る三次元形状測定装置４０１は、複数の等高線から最適な等高線を求めるので、第１および第２の実施形態の効果に加えて、さらに測定精度を高めることが可能となる。特に、第２の実施形態では等高線の数が固定であったが、ミラー移動ステージ４０３の位置を制御することにより、移動ステージ１１０の位置毎に測定する等高線の数を変えることが可能となり、第３の実施形態と同様に、例えば、被測定物１０９の外側形状の変化が読み取りにくい位置においては、測定する等高線の数を増やすことによって測定誤差を少なくすることができる。
【００４０】
また、ミラー移動ステージ４０３のストロークを大きくすれば、移動ステージ１１０を移動させる必要がなくなり、被測定物１０９が不安定な物であっても、移動ステージ１１０の移動に伴う振動などの影響を受けることを防ぐことができる。
（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態について図１３を用いて説明する。本実施形態は、第１の実施形態の三次元形状測定装置１０１と基本的な構成は同じで、円形スリット１０３を工夫したものである。
【００４１】
例えば、図１３（ａ）は、第２の実施形態の多重円形スリット２０２に似ているが、色付スリット２５１は、スリット２５２，２５３および２５４の３つのスリットの色が異なっている。例えば、スリット２５２が赤色、スリット２５３が緑色、スリット２５４が青色とする。スリットに色を付けることによって、図９（ｂ）のように隣接する等高線が密接していて、隣の等高線と分離しにくい場合でも判別することができる。例えば、赤色のフィルタ処理を行って赤色のみ抽出するようにすればスリット２５２の等高線だけを抽出することができ、同様に、緑色のみを抽出すればスリット２５３を、青色のみを抽出すればスリット２５４をそれぞれの等高線だけを容易に抽出することができる。
【００４２】
このように、スリットを色付きにすることによって、等高線の分解能が高くなり、高精度な測定が可能になる。
また、その他の方法として、図１３（ｂ）に示すように、位相をシフトしたスリットを用いることで、移動ステージ１１０が同じ位置において得られる等高線の数を増やすことができる。位相スリット５０１は径の異なるスリットを半円毎に交互に配置してあり、位相スリット５０１を回転することによって、６本の円形スリットを設けるのと同じ効果が得られる。
【００４３】
この結果、第２から第４の実施例と同様に、複数の等高線から最適な等高線を求めることになり、測定精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】第１の実施形態に係る三次元形状測定装置１０１の構成図である。
【図２】三次元形状測定装置１０１の円形スリット１０３の構成図である。
【図３】三次元形状測定装置１０１の逆円錐型ミラー１０７の構成図である。
【図４】三次元形状測定装置１０１の光学系を示す補助図である。
【図５】三次元形状測定装置１０１の測定手順を示すフローチャートである。
【図６】三次元形状の構築を説明するための補助図である。
【図７】第２の実施形態に係る三次元形状測定装置２０１の構成図である。
【図８】三次元形状測定装置２０１の多重円形スリット２０２の構成図である。
【図９】三次元形状測定装置２０１の等高線の求め方を説明するための補助図である。
【図１０】第３の実施形態に係る三次元形状測定装置３０１の構成図である。
【図１１】三次元形状測定装置３０１の可変円形スリット３０２の構成図である。
【図１２】第４の実施形態に係る三次元形状測定装置４０１の構成図である。
【図１３】第５の実施形態に係る色付スリット２５２および位相スリット５０１の構成図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０１，２０１，３０１，４０１・・・三次元形状測定装置；１０２・・・光源；１０３・・・円形スリット；１０４・・・照明レンズ；１０５・・・ハーフミラー；１０６・・・対物レンズ；１０７・・・逆円錐型ミラー；１０８・・・Ｚ軸ステージ本体；１０９・・・被測定物；１１０・・・移動ステージ；１１１・・・結像レンズ；１１２・・・撮像部；１１３，２０６，３０６，４０５・・・画像処理部；１１４・・・パソコン；２０２・・・多重円形スリット；３０５・・・スリット制御部；３０２・・・可変円形スリット；４０２・・・ミラーステージ本体；４０３・・・ミラー移動ステージ；２５２・・・色付スリット；５０１・・・位相スリット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
立体状の被測定物の形状を測定する測定装置であって、
第１の方向に光を送光する送光部と、
前記第１の方向と略直交する前記被測定物の方向に前記光の方向を変換する変換部と、
前記変換部で方向が変換された光のうち前記被測定物で反射した光を検出する検出部と、
前記検出部の検出結果に基づいて、前記被測定物の形状を測定する形状測定部と
を備えることを特徴とする測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の測定装置において、
前記被測定物と前記変換部とを前記第１の方向に相対移動させる移動部をさらに備え、
前記形状測定部は、前記被測定物と前記変換部との相対位置を変化させた時の前記検出部の検出結果に基づいて、前記被測定物の三次元形状を測定すること
を特徴とする測定装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の測定装置において、
前記変換部は前記送光部が送光する前記光を前記第１の方向と略直交する前記被測定物の中心軸方向に変換すること
を特徴とする測定装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の測定装置において、
前記送光部は、前記光を発生する光源部と、前記光源部からの光を導き基準位置に焦点を有する第１の光学系と、前記焦点よりも前記光源側であり前記第１の光学系の前記焦点と共役な位置に配置され所定形状の開口を有する第１の光制限部材と、
前記被測定物から戻ってきた光を結像させる第２の光学系と
を備え、
前記検出部は前記第２の光学系により前記基準位置にある被測定物の像が結像する結像面に配置され前記光源からの光を受光する受光部を備えること
を特徴とする測定装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の測定装置において、
前記送光部を前記第１の方向とは異なる方向から光を送光する位置に配置し、
前記被測定物と前記第１の光制限部材との間にあって、前記送光部が送光する前記光を前記第１の方向に反射すると共に、前記被測定物からの戻ってくる光を前記受光部側に透過するハーフミラーを設けたこと
を特徴とする測定装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の測定装置において、
前記変換部を逆円錐形状のミラーで構成したこと
を特徴とする測定装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の測定装置において、
前記第１の光制限部材を円形スリットで構成したこと
を特徴とする測定装置。
【請求項８】
請求項１から６のいずれか一項に記載の測定装置において、
前記第１の光制限部材を多重円形スリットで構成したこと
を特徴とする測定装置。
【請求項９】
請求項１から６のいずれか一項に記載の測定装置において、
前記第１の光制限部材を径変更可能な円形スリットで構成したこと
を特徴とする測定装置。
【請求項１０】
立体状の被測定物の外側形状を測定する測定方法であって、
送光部が第１の方向に送光する光の方向を変換部で前記第１の方向と略直交する前記被測定物の方向に変換して前記被測定物の外側に照射し、
前記被測定物の外側で反射する光を検出部で検出した結果に基づいて、前記被測定物の外側形状を測定すること
を特徴とする測定方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の測定方法において、
前記被測定物と前記変換部とを前記第１の方向に相対移動させながら前記検出を行うことにより前記被測定物の三次元形状を測定すること
を特徴とする測定方法。
【請求項１】
立体状の被測定物の形状を測定する測定装置であって、
第１の方向に光を送光する送光部と、
前記第１の方向と略直交する前記被測定物の方向に前記光の方向を変換する変換部と、
前記変換部で方向が変換された光のうち前記被測定物で反射した光を検出する検出部と、
前記検出部の検出結果に基づいて、前記被測定物の形状を測定する形状測定部と
を備えることを特徴とする測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の測定装置において、
前記被測定物と前記変換部とを前記第１の方向に相対移動させる移動部をさらに備え、
前記形状測定部は、前記被測定物と前記変換部との相対位置を変化させた時の前記検出部の検出結果に基づいて、前記被測定物の三次元形状を測定すること
を特徴とする測定装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の測定装置において、
前記変換部は前記送光部が送光する前記光を前記第１の方向と略直交する前記被測定物の中心軸方向に変換すること
を特徴とする測定装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の測定装置において、
前記送光部は、前記光を発生する光源部と、前記光源部からの光を導き基準位置に焦点を有する第１の光学系と、前記焦点よりも前記光源側であり前記第１の光学系の前記焦点と共役な位置に配置され所定形状の開口を有する第１の光制限部材と、
前記被測定物から戻ってきた光を結像させる第２の光学系と
を備え、
前記検出部は前記第２の光学系により前記基準位置にある被測定物の像が結像する結像面に配置され前記光源からの光を受光する受光部を備えること
を特徴とする測定装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の測定装置において、
前記送光部を前記第１の方向とは異なる方向から光を送光する位置に配置し、
前記被測定物と前記第１の光制限部材との間にあって、前記送光部が送光する前記光を前記第１の方向に反射すると共に、前記被測定物からの戻ってくる光を前記受光部側に透過するハーフミラーを設けたこと
を特徴とする測定装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の測定装置において、
前記変換部を逆円錐形状のミラーで構成したこと
を特徴とする測定装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の測定装置において、
前記第１の光制限部材を円形スリットで構成したこと
を特徴とする測定装置。
【請求項８】
請求項１から６のいずれか一項に記載の測定装置において、
前記第１の光制限部材を多重円形スリットで構成したこと
を特徴とする測定装置。
【請求項９】
請求項１から６のいずれか一項に記載の測定装置において、
前記第１の光制限部材を径変更可能な円形スリットで構成したこと
を特徴とする測定装置。
【請求項１０】
立体状の被測定物の外側形状を測定する測定方法であって、
送光部が第１の方向に送光する光の方向を変換部で前記第１の方向と略直交する前記被測定物の方向に変換して前記被測定物の外側に照射し、
前記被測定物の外側で反射する光を検出部で検出した結果に基づいて、前記被測定物の外側形状を測定すること
を特徴とする測定方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の測定方法において、
前記被測定物と前記変換部とを前記第１の方向に相対移動させながら前記検出を行うことにより前記被測定物の三次元形状を測定すること
を特徴とする測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００８−１６４５７２（Ｐ２００８−１６４５７２Ａ）
【公開日】平成２０年７月１７日（２００８．７．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−６０２（Ｐ２００７−６０２）
【出願日】平成１９年１月５日（２００７．１．５）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月１７日（２００８．７．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１月５日（２００７．１．５）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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