３次元形状測定方法及び測定装置
【目的】 格子パターン投影法によって、計測対象物体の３次元形状を常に正確に効率よく計測できるようにする。
【構成】 複数の計測対象物体１４が設けられた平面１５に対して、投影部１０によって斜め方向から格子パターンＬＰを投影し、その格子パターンが投影された平面１５を格子パターンの投影方向とは異なる方向から撮像部１６によって撮像し、その撮像した明暗のパターンの２次元画像データを画像メモリ１９に記憶し、データ処理部１７によってそれを解析して計測対象物体１４の３次元形状を測定する。投影部１０は液晶格子１２によって格子パターンを生成する際に、平面１５上の特定の計測対象物体１４の計測領域以外の領域（マスクエリアＭＡ）に対しては、格子パターンＬＰを投影しないようにマスクする。
【構成】 複数の計測対象物体１４が設けられた平面１５に対して、投影部１０によって斜め方向から格子パターンＬＰを投影し、その格子パターンが投影された平面１５を格子パターンの投影方向とは異なる方向から撮像部１６によって撮像し、その撮像した明暗のパターンの２次元画像データを画像メモリ１９に記憶し、データ処理部１７によってそれを解析して計測対象物体１４の３次元形状を測定する。投影部１０は液晶格子１２によって格子パターンを生成する際に、平面１５上の特定の計測対象物体１４の計測領域以外の領域（マスクエリアＭＡ）に対しては、格子パターンＬＰを投影しないようにマスクする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、格子パターン投影法によって凹凸がミリメートル（ｍｍ）領域の物体の３次元形状を計測する方法、およびその計測に使用する３次元計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、３次元形状測定のニーズが高まり、特に光学的手段を用いた測定器が望まれている。凹凸の高さ範囲がマイクロメートル（μｍ）領域の場合は、レーザ光を用いた干渉計が多く用いられている。しかし、高さがミリメートル（ｍｍ）領域近くになると、干渉縞が密集して干渉縞の解析が困難になるという問題点が生じ、レーザ干渉計が使用できなくなってくる。ｍｍ領域以上での３次元形状測定では、広がりのある対象物を線あるいは面でとらえるエリア計測法が測定時間及び自動計測化の面から有利である。そのエリア計測法の代表的なものとして、白黒の格子模様の直線状の縞を投影する格子パターン投影法があり、構成が簡素なことと測定精度が高いことなどから注目されている。
【０００３】
図１３に格子パターン投影法による従来の３次元形状測定装置の構成例を示す。投影部２０はハロゲンランプなどの照明用光源と集光レンズ等からなる光源部２１と格子２２と投影レンズ２３とから構成され、光源部２１からの白色光がその前面に置かれた格子２２を照射する。格子２２は一定のピッチと形状の白黒模様をもつ多数の直線状パターンから構成されており、そのパターンが投影レンズ２３を通して、白黒の格子パターン（格子縞）ＬＰとして形状が測定される物体（計測対象物体）２４が設けられた平面２５に投影される。物体２４の表面にはその凹凸度合いに応じて変形（湾曲）した変形格子パターン（変形格子縞）ができ、凹凸が小さい場合は格子縞の変形が小さく（直線に近い）、凹凸が大きいと格子縞の変形が大きくなる。この変形格子パターンを、投影部２０による投影方向とは異なる角度方向から、ＣＣＤカメラからなる撮像部２６で２次元画像として撮像する。
【０００４】
撮像部２６で撮像された２次元画像は物体２４の凹凸情報を含んでいる。物体２４がなく、平面２５に格子パターンＬＰを投影した場合は図１４の（ａ）に示すように直線縞になり、撮像部２６によって撮影される明暗の波形は同図の（ｂ）に示すように一定周期で正弦波状に変化する。これに対し、凹凸のある物体の２４の表面に斜め方向から格子パターンＬＰを投影した場合は図１５の（ａ）に示すような変形格子縞となり、撮像部２６によって撮影される明暗の波形も同図の（ｂ）に示すようにその変形に応じて不規則に変化する。
【０００５】
したがって、物体２４の凹凸の段差の大きさは、変形格子縞が基準となる直線縞からどれだけずれているかを検出することによって評価できる。そこで、パーソナルコンピュータなどのデータ処理部２７（図１３）により、２次元画像の各画素ごとの座標ｐ（ｘ，ｙ）での格子縞の変形を全画素について解析し、物体２４の３次元座標Ｐ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を決定する。このときのデータ処理は、レンズ２３、物体２４、および撮像部２６内の撮像面の相互の距離と見込み角度の関係から定まる三角測量法の原理によって行う。
【０００６】
この格子パターン投影法を用いた３次元形状測定装置では、変形格子縞が物体２４の凹凸形状に応じて変形するため、凹凸の程度に応じた形状とピッチをもった格子パターンＬＰを物体２４に投影する必要がある。凹凸の段差が大きい場合は格子パターンのピッチが大きく、凹凸の段差が小さいほど格子パターンのピッチは小さいことが望ましい。また、格子パターンの強度分布も後述する位相シフト法にとって重要である。そのため、格子２２の形状とピッチ及び強度分布特性が３次元形状測定の高精度化と高信頼化にとって重要である。
従来から最も一般に用いられていた格子は、主として、一定の形状とピッチ（共に固定）をもった白黒の二値格子であった。そして、形状やピッチの異なる格子を数種類用意しておき、物体の凹凸度合いに応じてその複数の格子を選択して使用していた。
【０００７】
しかし、高精度な３次元形状測定のためには、上記白黒の二値格子を用いるよりも、照度分布が正弦波状に変化する正弦波格子を用いた位相シフト法が有効である。これは、正弦波的な照度分布を有する格子パターンを物体に投影し、４ステップ法の場合には、正弦波格子の位相をπ／２ずつシフトさせ、投影された各位置での照度分布を周期的に変化させる技術である。このとき、位相が異なる４枚の２次元画像を撮像し、それらの画像の明暗の強度分布を解析して凹凸形状を計測する。
【０００８】
そこで、計測対象物体の凹凸の程度に応じた形状とピッチをもった正弦波格子を容易に生成でき、且つその位相シフトも容易に行えるようにするため、液晶パネル（液晶シャッタ）を用いた液晶格子を使用することも、例えば特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特開平１１−８３４５４号公報
【０００９】
例えば計測対象物体に図１４に示したような正弦波状に変化する格子パターンを投影し、その格子パターンの図１５に示したような変形を撮像すると、格子パターンを投影した画像平面上の一点（ｘ，ｙ）における明るさＩ（Intensity）は、次式のようになる。
Ｉ(θ)＝ａ(ｘ，ｙ)＋ｂ(ｘ，ｙ) cos{φ(ｘ，ｙ)＋θ}
ここで、ａ：バイアス（明るさの平均値） ｂ：明るさの変化の振幅
φ：基準面からの高さに相当する位相値 θ：操作可能な位相
【００１０】
バイアスａと振幅ｂは、物体表面の反射率や汚れに依存するため、位相θを０，π／２，π，３π／２と変化させ、未知数ａ，ｂを消去すると、位相情報（値）φが次式によって求められる。すなわち、縞の強弱を排除し、縞の位置情報のみに着目する。
φ(ｘ，ｙ)＝arctan［｛Ｉ(３π／２)−Ｉ(π／２)｝／｛Ｉ(０)−Ｉ(π)｝］
格子ピッチが既知であるから、三角測量の原理を用いて、この位相情報φより高さＺを算出することができる。
この３次元形状測定方法によれば、物体表面の反射率の分布や汚れに強く、コンピュータによる高速処理に適し、高分解能が期待できるなどの利点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、このような格子パターン投影法によって、計測対象物体の３次元形状を計測する場合、隣接する物体による多重反射が発生して、正確な計測ができなくなる場合がある。
例えば、ＩＣやＬＳＩのような半導体集積回路パッケージの実装面に形成されたＢＧＡ(Ball Grid Array) の半田ボールやＣＳＰ(Chip Size Package) のバンプなどのように、平面上に規則的に配列された物体の高さを含む３次元形状を計測するような場合、格子パターンを投影したときに、物体の表面状態によっては隣接する物体からの反射光が対象とする物体に映り込む場合がある。
【００１２】
すなわち、図１６の（ａ）に示すように平面２５上に配列して設けられた撮像・演算範囲Ｗ内のバンプや半田ボール等の物体２４（図示の例では半球状の物体）の３次元形状を計測する場合、同図の（ｂ）に示すように正弦波状に照度（明暗）が変化する格子パターンを斜め方向から投影し、ある物体２４Ａの表面のある点を光線ａが照射し、それに隣接する物体２４Ｂの表面のある点を光線ｂが照射したとすると、その光線ａによる物体２４Ａからの垂直方向の反射光ａ′と光線ｂによる物体２４Ｂからの垂直方向の反射光ｂ′のみを、それぞれ図１３に示した撮像部２６が撮像すべきである。しかし、物体２４Ａに対して隣接する物体２４Ｂに照射した光線ｂの水平方向の反射光ｂxが物体２４Ａで垂直方向に反射（多重反射）されると、その反射光ｂx′も本来の反射光ａ′と合わせて撮像されてしまうことになる。
【００１３】
このような多重反射現象が発生すると、正確な光強度変化が得られなくなるため、データ処理部による演算結果に大きな誤差が生じてしまい、正確な計測ができなくなる。
また、格子パターンをどのように投影しても正確な投影ができない形状（例えば、アリ溝形状のような上部が突き出ていて下部が引っ込んでいるような形状や、窪みの深い形状など）が明らかな場合には、画像を撮影しても不明確な画像データとなってしまう。
【００１４】
この発明は、これらの問題に鑑みてなされたものであり、格子パターン投影法によって計測対象物体の３次元形状を計測する際、上述したような多重反射が発生するのを防止したり、画像データが不明確なことが予測される部分の画像データの作成をしないようにして、常に計測対象物体の３次元形状を正確に効率よく計測できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この発明による３次元形状測定方法は、複数の計測対象物体が設けられた面に対して斜め方向から格子パターンを投影し、その格子パターンが投影された面を格子パターンの投影方向とは異なる方向から撮像し、その撮像した明暗のパターンを解析して計測対象物体の３次元形状を測定する３次元形状測定方法において、上記の目的を達成するため、上記格子パターンを投影する際に、上記面上の特定の計測対象物体の計測領域以外には上記格子パターンを投影しないようにマスクすることを特徴とする。
【００１６】
あるいは、上記格子パターンを投影する際に、上記面上の特定の計測対象物体に対して少なくとも投影する格子パターンの格子配列方向で隣接する計測対象物体を含む所定エリアには格子パターンを投影しないようにマスクするようにしてもよい。
さらに、上記格子パターンを投影する際に、上記面上の特定の計測対象物体に対して投影する格子パターンの格子配列方向及び／又は該方向に直交する方向で隣接する計測対象物体を含む所定エリアにも格子パターンを投影しないようにマスクするようにするとなおよい。
【００１７】
これらの３次元形状測定方法において、上記投影する格子パターンは、液晶格子を使用して照度分布が正弦波状に変化するように形成されたパターンとし、１回の計測においてその格子パターンを、上記正弦波状の変化の１周期の１／ｎずつ位相をずらしてｎ回投影するのが望ましい。ここで、ｎは３以上の整数である。
【００１８】
この発明による３次元形状測定装置は、複数の計測対象物体が設けられた面に対して斜め方向から格子パターンを投影する投影部と、その投影部によって格子パターンが投影された面を前記格子パターンの投影方向とは異なる方向から撮像する撮像部と、その撮像部によって撮像した明暗のパターンを解析して計測対象物体の３次元形状を測定するデータ処理部とを備えた３次元形状測定装置において、上記の目的を達成するため、次のように構成したものである。
【００１９】
上記投影部は、光源部と液晶格子と投影レンズとからなる。そして、その液晶格子に、光源部からの照射光の透過率を２次元的に変化させて格子パターンを生成させるとともに、その格子パターンを上記面に投影することによりその面上の特定の計測対象物体に対して多重反射光を生起することが想定されるエリアに対しては照射光の透過率を最低にするように、その液晶格子を駆動制御する液晶格子駆動制御部を設ける。
【００２０】
上記３次元形状測定装置において、上記液晶格子駆動制御部は、上記複数の計測対象物体が上記面上に２次元的に規則性を持って配列されている場合には、上記特定の計測対象物体に対して多重反射光を生起することが想定されるエリアとして、上記面上で上記特定の計測対象物体に対して少なくとも上記格子パターンの格子配列方向で隣接する計測対象物体を含む所定エリアに対しては照射光の透過率を最低にするように上記液晶格子を駆動制御するものであるとよい。
さらに、上記特定の計測対象物体に対して多重反射光を生起することが想定されるエリアを、上記面上で上記特定の計測対象物体に対して上記格子パターンの格子配列方向及び／又は該方向に直交する方向でそれぞれ隣接する計測対象物体を含む所定エリアとするとなおよい。
【００２１】
これらの３次元形状測定装置において、上記液晶格子駆動制御部は、上記光源部からの照射光の照度分布が正弦波状に変化するように上記液晶格子の透過率を２次元的に変化させて格子パターンを生成させるとともに、１回の計測においてその格子パターンを、正弦波状の変化の１周期の１／ｎずつ位相をずらしてｎ回投影するように、上記液晶格子を駆動制御する手段を有するのが望ましい。
また、上記投影部を、上記撮像部の光軸を中心とする同一円周上の異なる位置に複数個設け、その複数個の投影部を切り換えて使用できるようにするとよい。
【発明の効果】
【００２２】
この発明による３次元形状測定方法および３次元形状測定装置によれば、格子パターンを投影する面上の特定の計測対象物体（今測定しようとする対象物体）に対して多重反射光を生起することが想定されるエリアには上記格子パターンを投影しないようにマスクする（液晶格子による照射光の透過率を最低にする）ため、平面上に規則的に配列された物体の３次元形状を計測するような場合でも、多重反射が発生するのを防止して、常に計測対象物体の表面の凹凸に応じた変形格子縞を確実に撮像し、計測対物体の３次元形状を正確に計測することができる。
【００２３】
なお、多重反射光を生起することが想定されるエリアとして、上記面上の特定の計測対象物体に対して少なくとも投影する格子パターンの格子配列方向で隣接する計測対象物体を含む所定エリアを設定し、そこに格子パターンを投影しないようにマスクすることにより、多重反射の発生を殆ど防ぐことができる。さらに、格子パターンの格子配列方向に直交する方向で隣接する計測対象物体を含む所定エリアも、多重反射光を生起することが想定されるエリアに設定して格子パターンを投影しないようにマスクすれば、一層確実に多重反射の影響をなくすことができる。
【００２４】
上記投影する格子パターンを、液晶格子を使用して照度分布が正弦波状に変化するように形成されたパターンとし、１回の計測においてその格子パターンを、上記正弦波状の変化の１周期の１／ｎずつ位相をずらしてｎ回投影するようにすれば、その各回の画像の明暗を撮像してその強度分布を解析することにより、さらに精度のよい３次元形状の測定が可能になる。
【００２５】
また、投影部を、撮像部の光軸を中心とする同一円周上の異なる位置に複数個設け、その複数個の投影部を切り換えて使用できるようにすることによって、表面反射率が高い凹凸面を有する物体の３次元形状の測定する場合でも、その物体の表面からの投影光の正反射を撮像してしまったら、投影部を切り換えて異なる角度から格子パターンを投影して、正確な形状測定を行えるようにすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、この発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて具体的に説明する。
図１は、この発明による３次元形状測定装置の第１の実施形態の概略構成を示す図である。この３次元形状測定装置は、複数の計測対象物体１４が設けられた面である平面１５に対して斜め方向から格子パターンＬＰを投影する投影部１０と、その投影部１０によって格子パターンＬＰが投影された面を格子パターンＬＰの投影方向とは異なる方向から撮像するＣＣＤカメラやＣ−ＭＯＳカメラ等による撮像部１６と、その撮像部１６によって撮像した明暗のパターンを解析して計測対象物体１４の３次元形状を測定するデータ処理部（パーソナルコンピュータ等の演算装置）１７とを備えている。
【００２７】
投影部１０は、光源部１１と液晶格子１２と投影レンズ１３とからなる。その光源部１１は、ハロゲンランプなどの照明用光源と集光レンズ等からなる。さらに、その光源部１１の点灯を制御する光源点灯制御部１８と、液晶格子１２を駆動してその透過率を制御する液晶格子駆動制御部３０と、画像メモリ１９とを備えている。
そして、撮像部１６によって撮像した明暗のパターンの二次元画像の強度をＡ／Ｄ変換して（アナログカメラを使用する場合）、画像メモリ１９に一時記憶する。データ処理部１７は、その画像メモリ１９に一時記憶した二次元画像の強度データを三角測量の原理で解析し、計測対象物体１４の３次元形状の測定値を算出する。
【００２８】
液晶格子駆動制御部３０は液晶格子１２を駆動制御して、光源部１１からの照射光の透過率を２次元的に変化させて格子パターンＬＰを生成させるとともに、その格子パターンＬＰを平面１５に投影することによりその平面１５上の特定の計測対象物体１４に対して多重反射光を生起することが想定されるエリア（図１に斜線を施して示す領域）ＭＡに対しては、液晶格子１２による照射光の透過率を最低にする。それによって、エリアＭＡに対しては格子パターンＬＰを投影しないようにマスクすることになる。
【００２９】
この発明による３次元形状測定方法の一実施例は、図１に示した３次元形状測定装置を用いて、複数の計測対象物体１４が２次元的に規則性を持って配列されている平面１５に対して投影部１０によって斜め方向から格子パターンＬＰを投影し、その格子パターンＬＰが投影された面を格子パターンの投影方向とは異なる方向から撮像部１６によって撮像し、その撮像した明暗のパターンをデータ処理部１７によって解析して、計測対象物体１４の３次元形状を測定する。この点は従来の測定方法と同様であるから、詳細な説明は省略する。
【００３０】
従来のこの種の３次元形状測定方法では、図２の（ａ）に示すように、複数の計測対象物体１４Ａ，１４Ｂが２次元的に配列されている平面１５の全体に対して斜め方向から格子パターンＬＰを投影し、それを撮像していたので、例えば今計測しようとする計測対象物体１４Ａ上の変形格子パターンを撮像する際に、格子パターンＬＰの格子配列方向で隣接する他の計測対象物体１４Ｂの表面からの反射光によるスポット状の映り込みＲＰも撮像してしまうことがある。そうすると、その撮像した明暗のパターンを解析しても、計測対象物体１４Ａの正確な３次元形状測定ができなくなる。
【００３１】
しかし、この発明による３次元形状測定方法では、格子パターンＬＰを投影する際に図２の（ｂ）に示すように、格子パターンＬＰを投影する平面１５上の今計測しようとする特定の計測対象物体１４Ａに対して多重反射光を生起することが想定されるエリアＭＡには前記格子パターンを投影しないようにマスクする。そのエリアＭＡとして、平面１５上の特定の計測対象物体１４Ａに対して少なくとも投影する格子パターンＬＰの格子配列方向で隣接する計測対象物体１４Ｂを含む所定エリアを設定するとよい。
【００３２】
このような格子パターンＬＰをマスクエリアＭＡには投影しないようにするのは、投影部１０の格子パターンＬＰを生成する液晶格子１２を液晶格子駆動制御部３０によって駆動制御して、マスクエリアＭＡに対応する部分の透過率を最低（光源部１１からの光を殆ど透過しない状態）にすることによって容易に実現できる。
この実施例によれば、投影部１０から投影する格子パターンＬＰの投影範囲を必要な部分のみに制限して、必要今計測しようとする特定の計測対象物体（図２では１４Ａ）の計測領域以外（マスクエリアＭＡ）には投影しない。そのため、計測対象物体の凹凸の状態や要求される測定精度に応じた正確な３次元形状の計測を効率よく行うことができる。
【００３３】
なお、その格子パターンの投影範囲としては、この実施例のように１箇所の計測対象物体の部位を中心とする範囲で大きさを増減して投影範囲を規制するだけでなく、後述する図９に示すように、複数箇所の計測対象物体の部位を中心とするそれぞれ必要な範囲にのみ飛び石状に格子パターンを投影することも可能である。
【００３４】
次に、図１における液晶格子１２と液晶格子駆動制御部３０の具体例を図３によって説明する。図３は液晶格子１２の模式的な断面とそれを駆動制御する液晶格子駆動制御部３０のブロック構成をデータ処理部と共に示している。
液晶格子１２は、第１のガラス基板１２１と第２のガラス基板１２２とがシール材１１４によって一定の間隔を置いて張り合わされ、その間隙にＴＮ（ツイストネマティック）液晶１２３を封入している。第１のガラス基板１２１の内面にはその全面にＩＴＯ等の透明導電膜による共通電極が形成され、それに対向する第２のガラス基板１２２の内面には、一定幅の多数のストライプ状（直線状）の格子電極１２６が僅かな間隔を置いて一定のピッチで、やはり透明導電膜で形成されている。
【００３５】
図では分かり易いように、各格子電極１２６の幅と間隔を大きくし、その数を少なくして示しているが、実際の格子電極は１０〜１００μｍ程度の狭い幅で多数形成され、その間隔はなるべく狭い方がよい（格子電極の幅によって３〜２０μｍ以下）。
第１のガラス基板１２１の外側には第１の偏光板１２７が、第２のガラス基板１２２の外側には第２の偏光板１２８が、互いにその偏光軸を直交させるか又は平行にするように配設されている。
【００３６】
そして、光源部１１による白色光がこの液晶格子１２の例えば第１の偏光板１２７側から照射されると、第１の偏光板を透過した光はその偏光軸の方向に偏光した直線偏光となって、第１のガラス基板１２１及び共通電極１２５を透過してＴＮ液晶１２３に通過する。このとき、共通電極１２５と格子電極１２６との間に電圧が印加されていない部分では、その直線偏光が９０°旋光され、格子電極１２６と第２のガラス基板１２２を透過して第２の偏光板１２８に達する。第２の偏光板１２８の偏光軸が第１の偏光板１２７の偏光軸と平行になっていれば、その直線偏光は第２の偏光板を殆ど透過できず、透過率が最低になる。
【００３７】
一方、共通電極１２５と格子電極１２６との間に所定の電圧が印加されている部分では、ＴＮ液晶１２３を通過する直線偏光は旋光されなくなるため、第２の偏光板１２８の偏光軸が第１の偏光板１２７の偏光軸と平行になっていれば、その直線偏光は第２の偏光板を透過し、透過率は最高になる。共通電極１２５と格子電極１２６との間に印加される電圧が所定の電圧とゼロとの間の値の場合は、その印加電圧に応じて透過率が変化する。
第１の偏光板１２７の偏光軸と第２の偏光板１２８の偏光軸とが直交している場合には、共通電極１２５と格子電極１２６との間に印加する電圧と透過率との関係が逆になる。
【００３８】
いずれにしても、多数の格子電極１２６を所定本ずつのグループに分けて、その各グループ内の各格子電極と共通電極１２５との間に印加する電圧を段階的に制御することによって、その部分の透過率を段階的に制御し、明るさが略正弦波状に変化する格子パターンを形成したり、グループ内の全ての格子電極１２６と共通電極１２５との間に電圧を印加しない（あるいは所定の電圧を印加する）ことによって、透過率が最低のマスク状態にしたりすることができる。
【００３９】
液晶格子駆動制御部３０は、位相シフト設定部３１、格子強度設定部３２、格子分割設定部３３、液晶駆動信号作成部３４、液晶格子ドライバ３５、およびマスクエリア設定部３６によって構成されている。
この液晶格子駆動制御部３０はデータ処理部２７によって制御され、投影する格子パターンの形、状強レベル、マスクする領域などの作成条件を、データ処理部２７から位相シフト設定部３１、格子強度設定部３２、格子分割設定部３３、およびマスクエリア設定部３６に入力することによって、自在な形状と強度およびマスク領域をもった格子パターンを作成することができる。
【００４０】
以下にその各部の機能について説明する。格子分割設定部３３は、正弦波の一周期をｎ等分に分割するための分割条件を設定する。液晶格子１２にＭ本の格子電極１２６が設けられている場合、ｎの倍数となる電極数ｍを一つの単位として、Ｍ本の格子電極１２６をＭ／ｍ個のグループに分割する。それによって、ｍ本の格子電極１２６によって一周期の正弦波格子縞を作成するため、Ｍ／ｍ本の正弦波格子縞を作成する。なお、ｍ＝１２又は２４などで十分な精度の正弦波格子縞を生成できることが確認されている。
【００４１】
格子強度設定部３２は、正弦波の一周期がｎ分割されたときの正弦波強度に関するデータを作成して記憶する。ｎは変数であるため、分割された強度データは可変の値になる。正弦波の強度はバイアス強度と振幅によって決る。バイアス強度とは正弦波の振幅が０の場合の直流的なオフセット強度で、投影された格子パターンの背景の明るさを表わす。振幅は正弦波の大きさで、投影された格子パターンの明部と暗部の間のコントラストを表わす。そこで、正弦波の一周期をｎ分割したときの分割された各々の領域における正弦波の振幅とバイアス強度との和の強度を計算し、ｎ個の強度データを数値配列情報としてメモリに記憶する。
【００４２】
位相シフト設定部３１は、正弦波格子の強度分布の位相を設定する。ｍ本の格子電極１２６で１本の正弦波格子を作成する際、ｎが３の場合は２π／３、４の場合はπ／２のピッチで正弦波強度の位相をシフトさせる。位相シフトでは正弦波の強度データの値は変化せず、各格子電極１２６に印加する電圧の印加順序を変えるだけでよい。
以上によって、正弦波格子の作成とそれに位相シフトを与える条件の設定ができるが、この実施例ではさらにマスクエリア設定部３６によって、格子パターンを投影しない（マスクする）領域の格子電極１２６を設定し、それには電圧を印加させないようにする。すなわち、その領域内の全ての格子電極１２６の強度データをゼロにする。
【００４３】
このようにして作成されたＭ／ｍ周期の正弦波格子縞を形成するｍ本ずつのグループの各格子電極１２６の各強度データと、マスク領域に設定されているか否かの情報とによって、液晶駆動信号作成部３４によって液晶格子１２を駆動する信号を作成する。ＴＮ液晶を用いた液晶格子１２の場合、前述したように共通電極１２５と格子電極１２６との間に加わる実効電圧に応じて液晶層の光透過特性が決る。そこで、上述した正弦波強度データから、正弦波強度に対応する実効電圧値が得られるような液晶駆動信号を作成する。液晶格子１２はスタティック駆動を行うため、液晶駆動信号は二値の強度レベルを持ったパルス信号である。
【００４４】
一方の共通電極１２５に印加する共通信号に対して、格子電極１２６に印加する信号の位相を変えることによって実効電圧を変化させる。但し、マスク領域に設定されている格子電極１２６に対しては実効電圧がゼロになる信号にする。
この液晶駆動信号作成部３４によって作成された液晶駆動信号を液晶格子ドライバ３５に入力し、液晶格子１２の共通電極１２５と各格子電極に対して液晶駆動信号に応じた実効電圧を印加して、光源部からの照射光の透過率を２次元的に変化させて、一部のエリアがマスクされた正弦波格子パターンを発生させる。
【００４５】
図２に示した格子パターンＬＰは、明部と暗部が白黒の縞になっているが、この実施例では各格子縞の明暗はその配列方向に正弦波状に徐々に変化する。且つその正弦波状の変化の１周期（２π）の１／ｎずつ位相をずらした格子パターンをｎ回順次投影し、その都度計測対象物体の表面の変形格子パターンを撮像部１６によって撮像してその二次元画像の強度データを画像メモリに記憶させ、その各回の画像データをデータ処理部１７で解析して、計測対象物体の３次元形状の測定値を算出する。ここで、ｎは３以上の整数であり、例えばｎ＝３，４，８，１６などとする。
【００４６】
この発明の３次元形状測定方法によって、一度に複数列の計測対象物体の３次元形状を測定する方法を図４によって説明する。
図４の（ａ）は、平面１５上に半球状の計測対象物体１４Ａと１４Ｂが交互に列設（各列の計測対象物体１４Ａ又は１４Ｂは紙面に垂直な方向に並んでいる）されている。計測対象物体１４Ａと１４Ｂは殆どおなじ物体であるが、説明の便宜上符号を区別している。
そして、図１の撮像部１６で撮像した二次元画像データのうちデータ処理部１７で演算（解析）に使用する範囲（実質的な撮像・演算範囲）を、計測対象物体１４Ａの列を含む範囲ＷＡと計測対象物体１４Ｂの列を含む範囲ＷＢの２つに分けて設定する。範囲ＷＡと範囲ＷＢとは交互になる。
【００４７】
まず、範囲ＷＡを実質的な撮像・演算範囲とする場合には、図１の投影部１０からは図４の（ｂ）に示すように、平面１５上の範囲ＷＡに相当する帯状の領域にのみ正弦波状の格子パターンＡを投影し、範囲ＷＢに相当する帯状の領域には格子パターンＡを投影しないようにマスクした状態にする。その格子パターンＡの正弦波状に変化する位相を実線で示す１の状態から破線で示す２，３，４に示すようにπ／２ずつシフトさせて４回投影し、その都度計測対象物体１４Ａの表面の変形格子パターンを撮像部１６で撮像し、その２次元画像データを画像メモリ１９に記憶して、それをデータ処理部１７で解析して、各列の各計測対象物体１４Ａの３次元形状の測定値を算出する。これは、前述したｎが「４」の場合の例である。
【００４８】
このとき、図４の（ａ）に示すように、例えば一番左の計測対象物体１４Ａのある点に投影された光線ａの垂直方向の反射光ａ′、および中央の計測対象物体１４Ａのある点に投影された光線ｂの垂直方向の反射光は、撮像・演算範囲ＷＡ内にあるため撮像されて演算に使用されるが、左から２番目の計測対象物体１４Ｂに対する中央の計測対象物体１４Ａからの多重反射による垂直方向の反射光Ｂｘ′は、撮像・演算範囲ＷＡ内にないので、仮に撮像されてもその画像データは解析（演算）に使用しない。
【００４９】
次に、範囲ＷＢを実質的な撮像・演算範囲とする場合には、図１の投影部１０からは図４の（ｃ）に示すように、平面１５上の範囲ＷＢに相当する帯状の領域にのみ正弦波状の格子パターンＢを投影し、範囲ＷＡに相当する帯状の領域には格子パターンＢを投影しないようにマスクした状態にする。その格子パターンＢの正弦波状に変化する位相を実線で示す１の状態から破線で示す２，３，４に示すようにπ／２ずつシフトさせて４回投影し、その都度計測対象物体１４Ｂの表面の変形格子パターンを撮像部１６で撮像し、その２次元画像データを画像メモリ１９に記憶して、それをデータ処理部１７で解析して、各列の各計測対象物体１４Ｂの３次元形状の測定値を算出する。このときは、範囲ＷＡ内の反射光が撮像されたとしても、その画像データは解析（演算）に使用しない。
【００５０】
このようにすれば、一度に多数の計測対象物体の３次元形状を測定することができ、撮像部１６による撮影範囲内の計測対象物体の３次元形状の測定を２度に分けて行うことにはなるが、隣接する列の計測対象物体からの多重反射の影響をなくして、各計測対象物体の３次元形状を精度よく測定することができる。
なお、格子パターンを投影しないマスクエリアＭＡを設定するには、上述のように液晶格子を使用すれば容易に任意の領域に対して設定できるので好ましいが、それはこの発明による３次元形状測定方法を実施するために必須のことではなく、機械的な格子とマスク板とを組み合わせて実施することも可能である。予め決った形状及び配列の計測非対象物体を繰り返し測定するような場合には、それでも十分対応可能である。
【００５１】
次に、この発明の他の実施形態について図５乃至図９によって説明する。
図５は、この発明による３次元形状測定装置の第２の実施形態の要部のみを模式的に示す構成図であって、図１と対応する部分には同一の符号を付してあり、それらの説明は省略する。図１に示したデータ処理部１７、光源点灯制御部、液晶格子駆動制御部３０、及び画像メモリ１９も当然備えているが、図示を省略している。
この実施形態において、図１に示した第１の実施形態の３次元形状測定装置と相違するのは、投影部１０が光源部１１と２枚の液晶格子１２Ｘ，１２Ｙと投影レンズ１３とによって構成されている点だけであり、その液晶格子１２Ｘと液晶格子１２Ｙとは、図３に示した格子電極１２６のストライプ方向が互いに直交するように配置されている。
【００５２】
その２枚の液晶格子１２Ｘ，１２Ｙを、図３に示した液晶格子駆動制御部３０の液晶格子ドライバ３５を２個にした回路によって駆動制御することによって、平面１５上の格子パターンＬＰの格子配列方向に隣接する複数の計測対象物体１４Ａ，１４Ｂのうち、例えば図７に示すように、一方の計測対象物体１４Ａを含む所定の領域にのみ明暗が正弦波状に変化する格子パターンＬＰを投影し、他方の計測対象物体１４Ｂを含む所定のエリア及び格子パターンＬＰの格子配列方向に直交する方向（帯状の格子が延びる方向）で隣接するエリアもマスクエリアＭＡとして、格子パターンＬＰを投影しないようにすることができる。
【００５３】
それによって、格子パターンＬＰの格子配列方向に直交する方向からの多重反射の影響も防ぐことができる。これは、格子パターンＬＰの格子が延びる方向にも複数の計測対象物体が配列されている場合や、すり鉢状の凹部内の３次元形状を測定する場合などに有効である。
そして、図８に示すように、多数の計測対象物体が平面上に２次元的に（縦横に）規則性をもって（この例では等間隔に）配列されている場合、その全体に縦列に沿う方向に延びる格子パターン（実際はその格子配列方向の明暗が正弦波状に変化する）を投影するか、図９に示すように、各計測対象物体１４を縦横に１個置きに含む市松模様状に、格子パターンを投影する領域と投影しない領域（マスクエリアＭＡ）を交互に形成する状態とを切り替えることができる。
【００５４】
図８に示すように全面に格子パターン投影して撮影した２次元の画像データをデータ処理部で解析して、適正な３次元形状の計測値が得られればよいが、異常な値を含む測定結果になった場合には、図９に示すように格子パターンを縦横１個置きの計測対象物体１４を含む正方形の領域のみに市松模様状に投影するように、液晶格子１２Ｘ，１２Ｙの駆動状態を切り替えることができる。それによって、今計測しようとする計測対象物体１４に対して、隣接する他の計測対象物体１４からの多重反射を完全に防止することができる。
【００５５】
図９に示す格子パターンの投影状態での計測対象物体１４の３次元形状の測定が完了した後、格子パターンの投影領域とマスク領域とを逆転して、図９でマスクされている正方形の領域にのみ格子パターンを投影し、その領域にある計測対象物体１４の３次元形状を測定する。こうして、全ての計測対象物体１４の３次元形状を正確に測定することができる。
【００５６】
図６は、この発明による３次元形状測定装置の第３の実施形態の要部のみを模式的に示す図５と同様な構成図であって、図１及び図５と対応する部分には同一の符号を付してあり、それらの説明は省略する。
この実施形態において、図５に示した第２の実施形態の３次元形状測定装置と相違するのは、投影部１０における液晶格子を、ストライプ状格子電極を有する２枚の液晶格子１２Ｘ，１２Ｙに代えて、マトリクス状のドット電極を有する１枚の液晶格子１２Ｄとした点だけである。
【００５７】
この液晶格子１２Ｄは、図３に示した液晶格子１２のストライプ状の格子電極１２６に代えて、透明導電膜からなる多数の小さな正方形のドット電極が僅かな間隙をあけて縦横に整列してマトリクス状に形成されている。したがって、図３に示した液晶格子駆動制御部３０と同様な液晶格子駆動制御回路によって、その各ドット電極と共通電極との間に印加する実効電圧を制御して、その各ドット電極ごとの光透過率を制御することができる。そのため、縦横いずれの方向に延びる格子パターンも生成することができ、且つ任意の領域を光透過率を最低にして格子パターンを投影しないマスク領域にすることもできる。
【００５８】
それによって、図７に示すように特定の計測対象物体１４Ａを含む所定領域のみに格子パターンを投影したり、図８に示すように多数の計測対象物体１４が設けられた平面全体に格子パターンを投影したり、図９に示すように、格子パターンを縦横１個置きの計測対象物体１４を含む正方形の領域のみに市松模様状に投影するように切り替えたりすることが容易にできる。このように、１枚の液晶格子１２Ｄで、第２実施例における２枚の液晶格子１２Ｘ，１２Ｙと同様な機能を果たすことができる。
【００５９】
次に、この発明の第４の実施形態について図１０乃至図１２によって説明する。図１０は、その３次形状測定装置の要部のみを模式的に示す構成図であり、図１と対応する部分には同一の符号を付している。
この３次形状測定装置は、撮影レンズ１６ａを備えた撮像部１６の光軸１６ｃを中心とする同一円周上の異なる位置（この例では１８０°離れた対向する位置）に、２個の投影部１０Ａ，１０Ｂを、それぞれ光軸を撮像部１６の光軸１６ｃに対して反対側に同じ角度だけ傾けて設けている。
【００６０】
各投影部１０Ａ，１０Ｂは、図１における投影部１０と同様に、光源部１１、液晶格子１２、および投影レンズ１３によって構成されているが、この例では、液晶格子１２と投影レンズ１３を計測対象物体１４が設けられている平面１５に平行（光軸は垂直）に配置し、光源部１１の光軸に対してアオリを持たせている。それによって、平面１５及び計測対象物体１４に対する投影距離の差による格子パターンのピントずれを防止するようにしている。この点は、前述の各実施例の投影部にも適用するとよい。
【００６１】
これらの、撮像部１６と２個の投影部１２Ａ，１２Ｂは共通の支持体４０に取り付けられている。また、図示を省略しているが、図１に示したデータ処理部１７及び画像メモリ１９と、各投影部１０Ａ，１０Ｂに対してそれぞれ光源点灯制御部１８および液晶格子駆動制御部３０を備えている。
そして、２個の投影部１０Ａと１０Ｂを任意に切り換えて使用することができ、いずれを使用するかによって、格子パターンの投影方向が変わることになる。
【００６２】
表面反射率の高い凹凸面を持つ物体の３次元形状をこの発明による方法で計測する場合、図１１に示すように、格子パターンの投影方向Ｐと撮像部による撮像方向Ｑとの角度関係によって、計測対象物体１４の表面のある点で光が正反射して撮像部に入射してしまうことがある。その正反射が強く、撮像部であるＣＣＤカメラの受光量の許容値を超えてしまうと、正確な計測ができなくなってしまう。
そこで、オペレータがそのような正反射が生じていることを認識したとき、あるいはデータ処理部が撮像された画像データを解析した結果が適性な値でなかった場合に、投影部を切り換えて、図１２に示すように格子パターンの投影方向Ｐを変えることによって、撮像方向Ｑへの正反射をなくして、正常な計測ができるようにする。
【００６３】
図１１及び図１２において、（ａ）は計測対象物体と格子パターンの投影方向及び反射方向と撮像方向を示し、（ｂ）は投影する４回の位相の異なる格子パターンの明暗の変化を示している。この場合も多重反射を生起することが予測される領域には格子パターンを投影しないようにマスクするが、それは前述の各実施形態と同様であるから、説明を省略する。
【００６４】
投影部を３個以上設けて、それらを切り換えて使用できるようにしてもよい。この実施形態によれば、正反射を防止できるだけでなく、計測対象物体の表面形状によって、格子パターンの投影方向が一定だと蔭になって投影できない部分が生じてしまうような場合にも、投影部を切り換えて格子パターンの投影方向を変えることによって、計測対象物体の全表面に格子パターンを投影することが可能になることもある。
また、１個の投影部を撮像部の光軸を中心とする同一円周上で回動させることができるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
この発明による、３次元形状測定方法および３次元形状測定装置は、複数の計測対象物体が隣接して設けられているような場合に、その各計測対象物体の各３次元形状を正確に効率よく測定するために有効である。
特に、ＩＣやＬＳＩのような半導体集積回路パッケージの実装面に形成されたＢＧＡの半田ボールやＣＳＰのバンプなどのように、平面上に規則的に配列された多数の物体の高さを含む３次元形状を計測するような場合に極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】この発明による３次形状測定装置の第１の実施形態の概略構成を示す図である。
【図２】従来の３次元形状測定方法とこの発明による３次元形状測定方法との格子パターンの投影状態の相違を説明するための図である。
【図３】図１における液晶格子１２の模式的な断面と液晶格子駆動制御部３０のブロック構成をデータ処理部と共に示す図である。
【図４】この発明の３次形状測定方法によって一度に複数列の計測対象物体の３次元形状を測定する方法を説明するための図である。
【００６７】
【図５】この発明による３次形状測定装置の第２の実施形態の要部のみを模式的に示す構成図である。
【図６】この発明による３次形状測定装置の第３の実施形態の要部のみを模式的に示す構成図である。
【図７】図５又は図６に示した３次形状測定装置による格子パターン投影状態の一例を示す図である。
【図８】図５又は図６に示した３次形状測定装置によるマスクエリアを設けない格子パターン投影状態の例を示す図である。
【００６８】
【図９】図５又は図６に示した３次形状測定装置によるマスクエリアを市松状に設けた格子パターン投影状態の例を示す図である。
【図１０】この発明による３次形状測定装置の第４の実施形態の要部のみを模式的に示す構成図である。
【図１１】格子パターンの投影による正反射の発生例を説明するための図である。
【図１２】同じくその格子パターンの投影方向を変えて正反射を防止した例を説明するための図である。
【００６９】
【図１３】従来の３次形状測定装置の要部のみを模式的に示す構成図である。
【図１４】平面に格子パターンを投影した場合の格子縞とその明暗の変化波形を示す図である。
【図１５】凹凸のある計測対象物体の表面に格子パターンを投影した場合の変形格子縞とその明暗の変化波形を示す図である。
【図１６】従来の３次形状測定方法で計測対象物体の３次元形状を測定する場合の多重反射について説明するための図である。
【符号の説明】
【００７０】
１０，１０Ａ，１０Ｂ：投影部 １１：光源部 １２，１２Ｘ，１２Ｙ，１２Ｄ：液晶格子 １３：投影レンズ １４：計測対象物体 １５：平面 １６：撮像部
１７：データ処理部（演算装置） １８：光源点灯制御部 １９：画像メモリ
３０：液晶格子駆動制御部 ３１：位相シフト設定部 ３２：格子強度設定部
３３：格子分割設定部 ３４：液晶駆動信号作成部 ３５：液晶格子ドライバ
３６：マスクエリア設定部 ４０：支持体
１２１：第１のガラス基板 １２２：第２のガラス基板 １２３：ＴＮ液晶
１２４：シール材 １２５：共通電極 １２６：格子電極 １２７：第１の偏光板
１２８：第２の偏光板
【技術分野】
【０００１】
この発明は、格子パターン投影法によって凹凸がミリメートル（ｍｍ）領域の物体の３次元形状を計測する方法、およびその計測に使用する３次元計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、３次元形状測定のニーズが高まり、特に光学的手段を用いた測定器が望まれている。凹凸の高さ範囲がマイクロメートル（μｍ）領域の場合は、レーザ光を用いた干渉計が多く用いられている。しかし、高さがミリメートル（ｍｍ）領域近くになると、干渉縞が密集して干渉縞の解析が困難になるという問題点が生じ、レーザ干渉計が使用できなくなってくる。ｍｍ領域以上での３次元形状測定では、広がりのある対象物を線あるいは面でとらえるエリア計測法が測定時間及び自動計測化の面から有利である。そのエリア計測法の代表的なものとして、白黒の格子模様の直線状の縞を投影する格子パターン投影法があり、構成が簡素なことと測定精度が高いことなどから注目されている。
【０００３】
図１３に格子パターン投影法による従来の３次元形状測定装置の構成例を示す。投影部２０はハロゲンランプなどの照明用光源と集光レンズ等からなる光源部２１と格子２２と投影レンズ２３とから構成され、光源部２１からの白色光がその前面に置かれた格子２２を照射する。格子２２は一定のピッチと形状の白黒模様をもつ多数の直線状パターンから構成されており、そのパターンが投影レンズ２３を通して、白黒の格子パターン（格子縞）ＬＰとして形状が測定される物体（計測対象物体）２４が設けられた平面２５に投影される。物体２４の表面にはその凹凸度合いに応じて変形（湾曲）した変形格子パターン（変形格子縞）ができ、凹凸が小さい場合は格子縞の変形が小さく（直線に近い）、凹凸が大きいと格子縞の変形が大きくなる。この変形格子パターンを、投影部２０による投影方向とは異なる角度方向から、ＣＣＤカメラからなる撮像部２６で２次元画像として撮像する。
【０００４】
撮像部２６で撮像された２次元画像は物体２４の凹凸情報を含んでいる。物体２４がなく、平面２５に格子パターンＬＰを投影した場合は図１４の（ａ）に示すように直線縞になり、撮像部２６によって撮影される明暗の波形は同図の（ｂ）に示すように一定周期で正弦波状に変化する。これに対し、凹凸のある物体の２４の表面に斜め方向から格子パターンＬＰを投影した場合は図１５の（ａ）に示すような変形格子縞となり、撮像部２６によって撮影される明暗の波形も同図の（ｂ）に示すようにその変形に応じて不規則に変化する。
【０００５】
したがって、物体２４の凹凸の段差の大きさは、変形格子縞が基準となる直線縞からどれだけずれているかを検出することによって評価できる。そこで、パーソナルコンピュータなどのデータ処理部２７（図１３）により、２次元画像の各画素ごとの座標ｐ（ｘ，ｙ）での格子縞の変形を全画素について解析し、物体２４の３次元座標Ｐ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を決定する。このときのデータ処理は、レンズ２３、物体２４、および撮像部２６内の撮像面の相互の距離と見込み角度の関係から定まる三角測量法の原理によって行う。
【０００６】
この格子パターン投影法を用いた３次元形状測定装置では、変形格子縞が物体２４の凹凸形状に応じて変形するため、凹凸の程度に応じた形状とピッチをもった格子パターンＬＰを物体２４に投影する必要がある。凹凸の段差が大きい場合は格子パターンのピッチが大きく、凹凸の段差が小さいほど格子パターンのピッチは小さいことが望ましい。また、格子パターンの強度分布も後述する位相シフト法にとって重要である。そのため、格子２２の形状とピッチ及び強度分布特性が３次元形状測定の高精度化と高信頼化にとって重要である。
従来から最も一般に用いられていた格子は、主として、一定の形状とピッチ（共に固定）をもった白黒の二値格子であった。そして、形状やピッチの異なる格子を数種類用意しておき、物体の凹凸度合いに応じてその複数の格子を選択して使用していた。
【０００７】
しかし、高精度な３次元形状測定のためには、上記白黒の二値格子を用いるよりも、照度分布が正弦波状に変化する正弦波格子を用いた位相シフト法が有効である。これは、正弦波的な照度分布を有する格子パターンを物体に投影し、４ステップ法の場合には、正弦波格子の位相をπ／２ずつシフトさせ、投影された各位置での照度分布を周期的に変化させる技術である。このとき、位相が異なる４枚の２次元画像を撮像し、それらの画像の明暗の強度分布を解析して凹凸形状を計測する。
【０００８】
そこで、計測対象物体の凹凸の程度に応じた形状とピッチをもった正弦波格子を容易に生成でき、且つその位相シフトも容易に行えるようにするため、液晶パネル（液晶シャッタ）を用いた液晶格子を使用することも、例えば特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特開平１１−８３４５４号公報
【０００９】
例えば計測対象物体に図１４に示したような正弦波状に変化する格子パターンを投影し、その格子パターンの図１５に示したような変形を撮像すると、格子パターンを投影した画像平面上の一点（ｘ，ｙ）における明るさＩ（Intensity）は、次式のようになる。
Ｉ(θ)＝ａ(ｘ，ｙ)＋ｂ(ｘ，ｙ) cos{φ(ｘ，ｙ)＋θ}
ここで、ａ：バイアス（明るさの平均値） ｂ：明るさの変化の振幅
φ：基準面からの高さに相当する位相値 θ：操作可能な位相
【００１０】
バイアスａと振幅ｂは、物体表面の反射率や汚れに依存するため、位相θを０，π／２，π，３π／２と変化させ、未知数ａ，ｂを消去すると、位相情報（値）φが次式によって求められる。すなわち、縞の強弱を排除し、縞の位置情報のみに着目する。
φ(ｘ，ｙ)＝arctan［｛Ｉ(３π／２)−Ｉ(π／２)｝／｛Ｉ(０)−Ｉ(π)｝］
格子ピッチが既知であるから、三角測量の原理を用いて、この位相情報φより高さＺを算出することができる。
この３次元形状測定方法によれば、物体表面の反射率の分布や汚れに強く、コンピュータによる高速処理に適し、高分解能が期待できるなどの利点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、このような格子パターン投影法によって、計測対象物体の３次元形状を計測する場合、隣接する物体による多重反射が発生して、正確な計測ができなくなる場合がある。
例えば、ＩＣやＬＳＩのような半導体集積回路パッケージの実装面に形成されたＢＧＡ(Ball Grid Array) の半田ボールやＣＳＰ(Chip Size Package) のバンプなどのように、平面上に規則的に配列された物体の高さを含む３次元形状を計測するような場合、格子パターンを投影したときに、物体の表面状態によっては隣接する物体からの反射光が対象とする物体に映り込む場合がある。
【００１２】
すなわち、図１６の（ａ）に示すように平面２５上に配列して設けられた撮像・演算範囲Ｗ内のバンプや半田ボール等の物体２４（図示の例では半球状の物体）の３次元形状を計測する場合、同図の（ｂ）に示すように正弦波状に照度（明暗）が変化する格子パターンを斜め方向から投影し、ある物体２４Ａの表面のある点を光線ａが照射し、それに隣接する物体２４Ｂの表面のある点を光線ｂが照射したとすると、その光線ａによる物体２４Ａからの垂直方向の反射光ａ′と光線ｂによる物体２４Ｂからの垂直方向の反射光ｂ′のみを、それぞれ図１３に示した撮像部２６が撮像すべきである。しかし、物体２４Ａに対して隣接する物体２４Ｂに照射した光線ｂの水平方向の反射光ｂxが物体２４Ａで垂直方向に反射（多重反射）されると、その反射光ｂx′も本来の反射光ａ′と合わせて撮像されてしまうことになる。
【００１３】
このような多重反射現象が発生すると、正確な光強度変化が得られなくなるため、データ処理部による演算結果に大きな誤差が生じてしまい、正確な計測ができなくなる。
また、格子パターンをどのように投影しても正確な投影ができない形状（例えば、アリ溝形状のような上部が突き出ていて下部が引っ込んでいるような形状や、窪みの深い形状など）が明らかな場合には、画像を撮影しても不明確な画像データとなってしまう。
【００１４】
この発明は、これらの問題に鑑みてなされたものであり、格子パターン投影法によって計測対象物体の３次元形状を計測する際、上述したような多重反射が発生するのを防止したり、画像データが不明確なことが予測される部分の画像データの作成をしないようにして、常に計測対象物体の３次元形状を正確に効率よく計測できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この発明による３次元形状測定方法は、複数の計測対象物体が設けられた面に対して斜め方向から格子パターンを投影し、その格子パターンが投影された面を格子パターンの投影方向とは異なる方向から撮像し、その撮像した明暗のパターンを解析して計測対象物体の３次元形状を測定する３次元形状測定方法において、上記の目的を達成するため、上記格子パターンを投影する際に、上記面上の特定の計測対象物体の計測領域以外には上記格子パターンを投影しないようにマスクすることを特徴とする。
【００１６】
あるいは、上記格子パターンを投影する際に、上記面上の特定の計測対象物体に対して少なくとも投影する格子パターンの格子配列方向で隣接する計測対象物体を含む所定エリアには格子パターンを投影しないようにマスクするようにしてもよい。
さらに、上記格子パターンを投影する際に、上記面上の特定の計測対象物体に対して投影する格子パターンの格子配列方向及び／又は該方向に直交する方向で隣接する計測対象物体を含む所定エリアにも格子パターンを投影しないようにマスクするようにするとなおよい。
【００１７】
これらの３次元形状測定方法において、上記投影する格子パターンは、液晶格子を使用して照度分布が正弦波状に変化するように形成されたパターンとし、１回の計測においてその格子パターンを、上記正弦波状の変化の１周期の１／ｎずつ位相をずらしてｎ回投影するのが望ましい。ここで、ｎは３以上の整数である。
【００１８】
この発明による３次元形状測定装置は、複数の計測対象物体が設けられた面に対して斜め方向から格子パターンを投影する投影部と、その投影部によって格子パターンが投影された面を前記格子パターンの投影方向とは異なる方向から撮像する撮像部と、その撮像部によって撮像した明暗のパターンを解析して計測対象物体の３次元形状を測定するデータ処理部とを備えた３次元形状測定装置において、上記の目的を達成するため、次のように構成したものである。
【００１９】
上記投影部は、光源部と液晶格子と投影レンズとからなる。そして、その液晶格子に、光源部からの照射光の透過率を２次元的に変化させて格子パターンを生成させるとともに、その格子パターンを上記面に投影することによりその面上の特定の計測対象物体に対して多重反射光を生起することが想定されるエリアに対しては照射光の透過率を最低にするように、その液晶格子を駆動制御する液晶格子駆動制御部を設ける。
【００２０】
上記３次元形状測定装置において、上記液晶格子駆動制御部は、上記複数の計測対象物体が上記面上に２次元的に規則性を持って配列されている場合には、上記特定の計測対象物体に対して多重反射光を生起することが想定されるエリアとして、上記面上で上記特定の計測対象物体に対して少なくとも上記格子パターンの格子配列方向で隣接する計測対象物体を含む所定エリアに対しては照射光の透過率を最低にするように上記液晶格子を駆動制御するものであるとよい。
さらに、上記特定の計測対象物体に対して多重反射光を生起することが想定されるエリアを、上記面上で上記特定の計測対象物体に対して上記格子パターンの格子配列方向及び／又は該方向に直交する方向でそれぞれ隣接する計測対象物体を含む所定エリアとするとなおよい。
【００２１】
これらの３次元形状測定装置において、上記液晶格子駆動制御部は、上記光源部からの照射光の照度分布が正弦波状に変化するように上記液晶格子の透過率を２次元的に変化させて格子パターンを生成させるとともに、１回の計測においてその格子パターンを、正弦波状の変化の１周期の１／ｎずつ位相をずらしてｎ回投影するように、上記液晶格子を駆動制御する手段を有するのが望ましい。
また、上記投影部を、上記撮像部の光軸を中心とする同一円周上の異なる位置に複数個設け、その複数個の投影部を切り換えて使用できるようにするとよい。
【発明の効果】
【００２２】
この発明による３次元形状測定方法および３次元形状測定装置によれば、格子パターンを投影する面上の特定の計測対象物体（今測定しようとする対象物体）に対して多重反射光を生起することが想定されるエリアには上記格子パターンを投影しないようにマスクする（液晶格子による照射光の透過率を最低にする）ため、平面上に規則的に配列された物体の３次元形状を計測するような場合でも、多重反射が発生するのを防止して、常に計測対象物体の表面の凹凸に応じた変形格子縞を確実に撮像し、計測対物体の３次元形状を正確に計測することができる。
【００２３】
なお、多重反射光を生起することが想定されるエリアとして、上記面上の特定の計測対象物体に対して少なくとも投影する格子パターンの格子配列方向で隣接する計測対象物体を含む所定エリアを設定し、そこに格子パターンを投影しないようにマスクすることにより、多重反射の発生を殆ど防ぐことができる。さらに、格子パターンの格子配列方向に直交する方向で隣接する計測対象物体を含む所定エリアも、多重反射光を生起することが想定されるエリアに設定して格子パターンを投影しないようにマスクすれば、一層確実に多重反射の影響をなくすことができる。
【００２４】
上記投影する格子パターンを、液晶格子を使用して照度分布が正弦波状に変化するように形成されたパターンとし、１回の計測においてその格子パターンを、上記正弦波状の変化の１周期の１／ｎずつ位相をずらしてｎ回投影するようにすれば、その各回の画像の明暗を撮像してその強度分布を解析することにより、さらに精度のよい３次元形状の測定が可能になる。
【００２５】
また、投影部を、撮像部の光軸を中心とする同一円周上の異なる位置に複数個設け、その複数個の投影部を切り換えて使用できるようにすることによって、表面反射率が高い凹凸面を有する物体の３次元形状の測定する場合でも、その物体の表面からの投影光の正反射を撮像してしまったら、投影部を切り換えて異なる角度から格子パターンを投影して、正確な形状測定を行えるようにすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、この発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて具体的に説明する。
図１は、この発明による３次元形状測定装置の第１の実施形態の概略構成を示す図である。この３次元形状測定装置は、複数の計測対象物体１４が設けられた面である平面１５に対して斜め方向から格子パターンＬＰを投影する投影部１０と、その投影部１０によって格子パターンＬＰが投影された面を格子パターンＬＰの投影方向とは異なる方向から撮像するＣＣＤカメラやＣ−ＭＯＳカメラ等による撮像部１６と、その撮像部１６によって撮像した明暗のパターンを解析して計測対象物体１４の３次元形状を測定するデータ処理部（パーソナルコンピュータ等の演算装置）１７とを備えている。
【００２７】
投影部１０は、光源部１１と液晶格子１２と投影レンズ１３とからなる。その光源部１１は、ハロゲンランプなどの照明用光源と集光レンズ等からなる。さらに、その光源部１１の点灯を制御する光源点灯制御部１８と、液晶格子１２を駆動してその透過率を制御する液晶格子駆動制御部３０と、画像メモリ１９とを備えている。
そして、撮像部１６によって撮像した明暗のパターンの二次元画像の強度をＡ／Ｄ変換して（アナログカメラを使用する場合）、画像メモリ１９に一時記憶する。データ処理部１７は、その画像メモリ１９に一時記憶した二次元画像の強度データを三角測量の原理で解析し、計測対象物体１４の３次元形状の測定値を算出する。
【００２８】
液晶格子駆動制御部３０は液晶格子１２を駆動制御して、光源部１１からの照射光の透過率を２次元的に変化させて格子パターンＬＰを生成させるとともに、その格子パターンＬＰを平面１５に投影することによりその平面１５上の特定の計測対象物体１４に対して多重反射光を生起することが想定されるエリア（図１に斜線を施して示す領域）ＭＡに対しては、液晶格子１２による照射光の透過率を最低にする。それによって、エリアＭＡに対しては格子パターンＬＰを投影しないようにマスクすることになる。
【００２９】
この発明による３次元形状測定方法の一実施例は、図１に示した３次元形状測定装置を用いて、複数の計測対象物体１４が２次元的に規則性を持って配列されている平面１５に対して投影部１０によって斜め方向から格子パターンＬＰを投影し、その格子パターンＬＰが投影された面を格子パターンの投影方向とは異なる方向から撮像部１６によって撮像し、その撮像した明暗のパターンをデータ処理部１７によって解析して、計測対象物体１４の３次元形状を測定する。この点は従来の測定方法と同様であるから、詳細な説明は省略する。
【００３０】
従来のこの種の３次元形状測定方法では、図２の（ａ）に示すように、複数の計測対象物体１４Ａ，１４Ｂが２次元的に配列されている平面１５の全体に対して斜め方向から格子パターンＬＰを投影し、それを撮像していたので、例えば今計測しようとする計測対象物体１４Ａ上の変形格子パターンを撮像する際に、格子パターンＬＰの格子配列方向で隣接する他の計測対象物体１４Ｂの表面からの反射光によるスポット状の映り込みＲＰも撮像してしまうことがある。そうすると、その撮像した明暗のパターンを解析しても、計測対象物体１４Ａの正確な３次元形状測定ができなくなる。
【００３１】
しかし、この発明による３次元形状測定方法では、格子パターンＬＰを投影する際に図２の（ｂ）に示すように、格子パターンＬＰを投影する平面１５上の今計測しようとする特定の計測対象物体１４Ａに対して多重反射光を生起することが想定されるエリアＭＡには前記格子パターンを投影しないようにマスクする。そのエリアＭＡとして、平面１５上の特定の計測対象物体１４Ａに対して少なくとも投影する格子パターンＬＰの格子配列方向で隣接する計測対象物体１４Ｂを含む所定エリアを設定するとよい。
【００３２】
このような格子パターンＬＰをマスクエリアＭＡには投影しないようにするのは、投影部１０の格子パターンＬＰを生成する液晶格子１２を液晶格子駆動制御部３０によって駆動制御して、マスクエリアＭＡに対応する部分の透過率を最低（光源部１１からの光を殆ど透過しない状態）にすることによって容易に実現できる。
この実施例によれば、投影部１０から投影する格子パターンＬＰの投影範囲を必要な部分のみに制限して、必要今計測しようとする特定の計測対象物体（図２では１４Ａ）の計測領域以外（マスクエリアＭＡ）には投影しない。そのため、計測対象物体の凹凸の状態や要求される測定精度に応じた正確な３次元形状の計測を効率よく行うことができる。
【００３３】
なお、その格子パターンの投影範囲としては、この実施例のように１箇所の計測対象物体の部位を中心とする範囲で大きさを増減して投影範囲を規制するだけでなく、後述する図９に示すように、複数箇所の計測対象物体の部位を中心とするそれぞれ必要な範囲にのみ飛び石状に格子パターンを投影することも可能である。
【００３４】
次に、図１における液晶格子１２と液晶格子駆動制御部３０の具体例を図３によって説明する。図３は液晶格子１２の模式的な断面とそれを駆動制御する液晶格子駆動制御部３０のブロック構成をデータ処理部と共に示している。
液晶格子１２は、第１のガラス基板１２１と第２のガラス基板１２２とがシール材１１４によって一定の間隔を置いて張り合わされ、その間隙にＴＮ（ツイストネマティック）液晶１２３を封入している。第１のガラス基板１２１の内面にはその全面にＩＴＯ等の透明導電膜による共通電極が形成され、それに対向する第２のガラス基板１２２の内面には、一定幅の多数のストライプ状（直線状）の格子電極１２６が僅かな間隔を置いて一定のピッチで、やはり透明導電膜で形成されている。
【００３５】
図では分かり易いように、各格子電極１２６の幅と間隔を大きくし、その数を少なくして示しているが、実際の格子電極は１０〜１００μｍ程度の狭い幅で多数形成され、その間隔はなるべく狭い方がよい（格子電極の幅によって３〜２０μｍ以下）。
第１のガラス基板１２１の外側には第１の偏光板１２７が、第２のガラス基板１２２の外側には第２の偏光板１２８が、互いにその偏光軸を直交させるか又は平行にするように配設されている。
【００３６】
そして、光源部１１による白色光がこの液晶格子１２の例えば第１の偏光板１２７側から照射されると、第１の偏光板を透過した光はその偏光軸の方向に偏光した直線偏光となって、第１のガラス基板１２１及び共通電極１２５を透過してＴＮ液晶１２３に通過する。このとき、共通電極１２５と格子電極１２６との間に電圧が印加されていない部分では、その直線偏光が９０°旋光され、格子電極１２６と第２のガラス基板１２２を透過して第２の偏光板１２８に達する。第２の偏光板１２８の偏光軸が第１の偏光板１２７の偏光軸と平行になっていれば、その直線偏光は第２の偏光板を殆ど透過できず、透過率が最低になる。
【００３７】
一方、共通電極１２５と格子電極１２６との間に所定の電圧が印加されている部分では、ＴＮ液晶１２３を通過する直線偏光は旋光されなくなるため、第２の偏光板１２８の偏光軸が第１の偏光板１２７の偏光軸と平行になっていれば、その直線偏光は第２の偏光板を透過し、透過率は最高になる。共通電極１２５と格子電極１２６との間に印加される電圧が所定の電圧とゼロとの間の値の場合は、その印加電圧に応じて透過率が変化する。
第１の偏光板１２７の偏光軸と第２の偏光板１２８の偏光軸とが直交している場合には、共通電極１２５と格子電極１２６との間に印加する電圧と透過率との関係が逆になる。
【００３８】
いずれにしても、多数の格子電極１２６を所定本ずつのグループに分けて、その各グループ内の各格子電極と共通電極１２５との間に印加する電圧を段階的に制御することによって、その部分の透過率を段階的に制御し、明るさが略正弦波状に変化する格子パターンを形成したり、グループ内の全ての格子電極１２６と共通電極１２５との間に電圧を印加しない（あるいは所定の電圧を印加する）ことによって、透過率が最低のマスク状態にしたりすることができる。
【００３９】
液晶格子駆動制御部３０は、位相シフト設定部３１、格子強度設定部３２、格子分割設定部３３、液晶駆動信号作成部３４、液晶格子ドライバ３５、およびマスクエリア設定部３６によって構成されている。
この液晶格子駆動制御部３０はデータ処理部２７によって制御され、投影する格子パターンの形、状強レベル、マスクする領域などの作成条件を、データ処理部２７から位相シフト設定部３１、格子強度設定部３２、格子分割設定部３３、およびマスクエリア設定部３６に入力することによって、自在な形状と強度およびマスク領域をもった格子パターンを作成することができる。
【００４０】
以下にその各部の機能について説明する。格子分割設定部３３は、正弦波の一周期をｎ等分に分割するための分割条件を設定する。液晶格子１２にＭ本の格子電極１２６が設けられている場合、ｎの倍数となる電極数ｍを一つの単位として、Ｍ本の格子電極１２６をＭ／ｍ個のグループに分割する。それによって、ｍ本の格子電極１２６によって一周期の正弦波格子縞を作成するため、Ｍ／ｍ本の正弦波格子縞を作成する。なお、ｍ＝１２又は２４などで十分な精度の正弦波格子縞を生成できることが確認されている。
【００４１】
格子強度設定部３２は、正弦波の一周期がｎ分割されたときの正弦波強度に関するデータを作成して記憶する。ｎは変数であるため、分割された強度データは可変の値になる。正弦波の強度はバイアス強度と振幅によって決る。バイアス強度とは正弦波の振幅が０の場合の直流的なオフセット強度で、投影された格子パターンの背景の明るさを表わす。振幅は正弦波の大きさで、投影された格子パターンの明部と暗部の間のコントラストを表わす。そこで、正弦波の一周期をｎ分割したときの分割された各々の領域における正弦波の振幅とバイアス強度との和の強度を計算し、ｎ個の強度データを数値配列情報としてメモリに記憶する。
【００４２】
位相シフト設定部３１は、正弦波格子の強度分布の位相を設定する。ｍ本の格子電極１２６で１本の正弦波格子を作成する際、ｎが３の場合は２π／３、４の場合はπ／２のピッチで正弦波強度の位相をシフトさせる。位相シフトでは正弦波の強度データの値は変化せず、各格子電極１２６に印加する電圧の印加順序を変えるだけでよい。
以上によって、正弦波格子の作成とそれに位相シフトを与える条件の設定ができるが、この実施例ではさらにマスクエリア設定部３６によって、格子パターンを投影しない（マスクする）領域の格子電極１２６を設定し、それには電圧を印加させないようにする。すなわち、その領域内の全ての格子電極１２６の強度データをゼロにする。
【００４３】
このようにして作成されたＭ／ｍ周期の正弦波格子縞を形成するｍ本ずつのグループの各格子電極１２６の各強度データと、マスク領域に設定されているか否かの情報とによって、液晶駆動信号作成部３４によって液晶格子１２を駆動する信号を作成する。ＴＮ液晶を用いた液晶格子１２の場合、前述したように共通電極１２５と格子電極１２６との間に加わる実効電圧に応じて液晶層の光透過特性が決る。そこで、上述した正弦波強度データから、正弦波強度に対応する実効電圧値が得られるような液晶駆動信号を作成する。液晶格子１２はスタティック駆動を行うため、液晶駆動信号は二値の強度レベルを持ったパルス信号である。
【００４４】
一方の共通電極１２５に印加する共通信号に対して、格子電極１２６に印加する信号の位相を変えることによって実効電圧を変化させる。但し、マスク領域に設定されている格子電極１２６に対しては実効電圧がゼロになる信号にする。
この液晶駆動信号作成部３４によって作成された液晶駆動信号を液晶格子ドライバ３５に入力し、液晶格子１２の共通電極１２５と各格子電極に対して液晶駆動信号に応じた実効電圧を印加して、光源部からの照射光の透過率を２次元的に変化させて、一部のエリアがマスクされた正弦波格子パターンを発生させる。
【００４５】
図２に示した格子パターンＬＰは、明部と暗部が白黒の縞になっているが、この実施例では各格子縞の明暗はその配列方向に正弦波状に徐々に変化する。且つその正弦波状の変化の１周期（２π）の１／ｎずつ位相をずらした格子パターンをｎ回順次投影し、その都度計測対象物体の表面の変形格子パターンを撮像部１６によって撮像してその二次元画像の強度データを画像メモリに記憶させ、その各回の画像データをデータ処理部１７で解析して、計測対象物体の３次元形状の測定値を算出する。ここで、ｎは３以上の整数であり、例えばｎ＝３，４，８，１６などとする。
【００４６】
この発明の３次元形状測定方法によって、一度に複数列の計測対象物体の３次元形状を測定する方法を図４によって説明する。
図４の（ａ）は、平面１５上に半球状の計測対象物体１４Ａと１４Ｂが交互に列設（各列の計測対象物体１４Ａ又は１４Ｂは紙面に垂直な方向に並んでいる）されている。計測対象物体１４Ａと１４Ｂは殆どおなじ物体であるが、説明の便宜上符号を区別している。
そして、図１の撮像部１６で撮像した二次元画像データのうちデータ処理部１７で演算（解析）に使用する範囲（実質的な撮像・演算範囲）を、計測対象物体１４Ａの列を含む範囲ＷＡと計測対象物体１４Ｂの列を含む範囲ＷＢの２つに分けて設定する。範囲ＷＡと範囲ＷＢとは交互になる。
【００４７】
まず、範囲ＷＡを実質的な撮像・演算範囲とする場合には、図１の投影部１０からは図４の（ｂ）に示すように、平面１５上の範囲ＷＡに相当する帯状の領域にのみ正弦波状の格子パターンＡを投影し、範囲ＷＢに相当する帯状の領域には格子パターンＡを投影しないようにマスクした状態にする。その格子パターンＡの正弦波状に変化する位相を実線で示す１の状態から破線で示す２，３，４に示すようにπ／２ずつシフトさせて４回投影し、その都度計測対象物体１４Ａの表面の変形格子パターンを撮像部１６で撮像し、その２次元画像データを画像メモリ１９に記憶して、それをデータ処理部１７で解析して、各列の各計測対象物体１４Ａの３次元形状の測定値を算出する。これは、前述したｎが「４」の場合の例である。
【００４８】
このとき、図４の（ａ）に示すように、例えば一番左の計測対象物体１４Ａのある点に投影された光線ａの垂直方向の反射光ａ′、および中央の計測対象物体１４Ａのある点に投影された光線ｂの垂直方向の反射光は、撮像・演算範囲ＷＡ内にあるため撮像されて演算に使用されるが、左から２番目の計測対象物体１４Ｂに対する中央の計測対象物体１４Ａからの多重反射による垂直方向の反射光Ｂｘ′は、撮像・演算範囲ＷＡ内にないので、仮に撮像されてもその画像データは解析（演算）に使用しない。
【００４９】
次に、範囲ＷＢを実質的な撮像・演算範囲とする場合には、図１の投影部１０からは図４の（ｃ）に示すように、平面１５上の範囲ＷＢに相当する帯状の領域にのみ正弦波状の格子パターンＢを投影し、範囲ＷＡに相当する帯状の領域には格子パターンＢを投影しないようにマスクした状態にする。その格子パターンＢの正弦波状に変化する位相を実線で示す１の状態から破線で示す２，３，４に示すようにπ／２ずつシフトさせて４回投影し、その都度計測対象物体１４Ｂの表面の変形格子パターンを撮像部１６で撮像し、その２次元画像データを画像メモリ１９に記憶して、それをデータ処理部１７で解析して、各列の各計測対象物体１４Ｂの３次元形状の測定値を算出する。このときは、範囲ＷＡ内の反射光が撮像されたとしても、その画像データは解析（演算）に使用しない。
【００５０】
このようにすれば、一度に多数の計測対象物体の３次元形状を測定することができ、撮像部１６による撮影範囲内の計測対象物体の３次元形状の測定を２度に分けて行うことにはなるが、隣接する列の計測対象物体からの多重反射の影響をなくして、各計測対象物体の３次元形状を精度よく測定することができる。
なお、格子パターンを投影しないマスクエリアＭＡを設定するには、上述のように液晶格子を使用すれば容易に任意の領域に対して設定できるので好ましいが、それはこの発明による３次元形状測定方法を実施するために必須のことではなく、機械的な格子とマスク板とを組み合わせて実施することも可能である。予め決った形状及び配列の計測非対象物体を繰り返し測定するような場合には、それでも十分対応可能である。
【００５１】
次に、この発明の他の実施形態について図５乃至図９によって説明する。
図５は、この発明による３次元形状測定装置の第２の実施形態の要部のみを模式的に示す構成図であって、図１と対応する部分には同一の符号を付してあり、それらの説明は省略する。図１に示したデータ処理部１７、光源点灯制御部、液晶格子駆動制御部３０、及び画像メモリ１９も当然備えているが、図示を省略している。
この実施形態において、図１に示した第１の実施形態の３次元形状測定装置と相違するのは、投影部１０が光源部１１と２枚の液晶格子１２Ｘ，１２Ｙと投影レンズ１３とによって構成されている点だけであり、その液晶格子１２Ｘと液晶格子１２Ｙとは、図３に示した格子電極１２６のストライプ方向が互いに直交するように配置されている。
【００５２】
その２枚の液晶格子１２Ｘ，１２Ｙを、図３に示した液晶格子駆動制御部３０の液晶格子ドライバ３５を２個にした回路によって駆動制御することによって、平面１５上の格子パターンＬＰの格子配列方向に隣接する複数の計測対象物体１４Ａ，１４Ｂのうち、例えば図７に示すように、一方の計測対象物体１４Ａを含む所定の領域にのみ明暗が正弦波状に変化する格子パターンＬＰを投影し、他方の計測対象物体１４Ｂを含む所定のエリア及び格子パターンＬＰの格子配列方向に直交する方向（帯状の格子が延びる方向）で隣接するエリアもマスクエリアＭＡとして、格子パターンＬＰを投影しないようにすることができる。
【００５３】
それによって、格子パターンＬＰの格子配列方向に直交する方向からの多重反射の影響も防ぐことができる。これは、格子パターンＬＰの格子が延びる方向にも複数の計測対象物体が配列されている場合や、すり鉢状の凹部内の３次元形状を測定する場合などに有効である。
そして、図８に示すように、多数の計測対象物体が平面上に２次元的に（縦横に）規則性をもって（この例では等間隔に）配列されている場合、その全体に縦列に沿う方向に延びる格子パターン（実際はその格子配列方向の明暗が正弦波状に変化する）を投影するか、図９に示すように、各計測対象物体１４を縦横に１個置きに含む市松模様状に、格子パターンを投影する領域と投影しない領域（マスクエリアＭＡ）を交互に形成する状態とを切り替えることができる。
【００５４】
図８に示すように全面に格子パターン投影して撮影した２次元の画像データをデータ処理部で解析して、適正な３次元形状の計測値が得られればよいが、異常な値を含む測定結果になった場合には、図９に示すように格子パターンを縦横１個置きの計測対象物体１４を含む正方形の領域のみに市松模様状に投影するように、液晶格子１２Ｘ，１２Ｙの駆動状態を切り替えることができる。それによって、今計測しようとする計測対象物体１４に対して、隣接する他の計測対象物体１４からの多重反射を完全に防止することができる。
【００５５】
図９に示す格子パターンの投影状態での計測対象物体１４の３次元形状の測定が完了した後、格子パターンの投影領域とマスク領域とを逆転して、図９でマスクされている正方形の領域にのみ格子パターンを投影し、その領域にある計測対象物体１４の３次元形状を測定する。こうして、全ての計測対象物体１４の３次元形状を正確に測定することができる。
【００５６】
図６は、この発明による３次元形状測定装置の第３の実施形態の要部のみを模式的に示す図５と同様な構成図であって、図１及び図５と対応する部分には同一の符号を付してあり、それらの説明は省略する。
この実施形態において、図５に示した第２の実施形態の３次元形状測定装置と相違するのは、投影部１０における液晶格子を、ストライプ状格子電極を有する２枚の液晶格子１２Ｘ，１２Ｙに代えて、マトリクス状のドット電極を有する１枚の液晶格子１２Ｄとした点だけである。
【００５７】
この液晶格子１２Ｄは、図３に示した液晶格子１２のストライプ状の格子電極１２６に代えて、透明導電膜からなる多数の小さな正方形のドット電極が僅かな間隙をあけて縦横に整列してマトリクス状に形成されている。したがって、図３に示した液晶格子駆動制御部３０と同様な液晶格子駆動制御回路によって、その各ドット電極と共通電極との間に印加する実効電圧を制御して、その各ドット電極ごとの光透過率を制御することができる。そのため、縦横いずれの方向に延びる格子パターンも生成することができ、且つ任意の領域を光透過率を最低にして格子パターンを投影しないマスク領域にすることもできる。
【００５８】
それによって、図７に示すように特定の計測対象物体１４Ａを含む所定領域のみに格子パターンを投影したり、図８に示すように多数の計測対象物体１４が設けられた平面全体に格子パターンを投影したり、図９に示すように、格子パターンを縦横１個置きの計測対象物体１４を含む正方形の領域のみに市松模様状に投影するように切り替えたりすることが容易にできる。このように、１枚の液晶格子１２Ｄで、第２実施例における２枚の液晶格子１２Ｘ，１２Ｙと同様な機能を果たすことができる。
【００５９】
次に、この発明の第４の実施形態について図１０乃至図１２によって説明する。図１０は、その３次形状測定装置の要部のみを模式的に示す構成図であり、図１と対応する部分には同一の符号を付している。
この３次形状測定装置は、撮影レンズ１６ａを備えた撮像部１６の光軸１６ｃを中心とする同一円周上の異なる位置（この例では１８０°離れた対向する位置）に、２個の投影部１０Ａ，１０Ｂを、それぞれ光軸を撮像部１６の光軸１６ｃに対して反対側に同じ角度だけ傾けて設けている。
【００６０】
各投影部１０Ａ，１０Ｂは、図１における投影部１０と同様に、光源部１１、液晶格子１２、および投影レンズ１３によって構成されているが、この例では、液晶格子１２と投影レンズ１３を計測対象物体１４が設けられている平面１５に平行（光軸は垂直）に配置し、光源部１１の光軸に対してアオリを持たせている。それによって、平面１５及び計測対象物体１４に対する投影距離の差による格子パターンのピントずれを防止するようにしている。この点は、前述の各実施例の投影部にも適用するとよい。
【００６１】
これらの、撮像部１６と２個の投影部１２Ａ，１２Ｂは共通の支持体４０に取り付けられている。また、図示を省略しているが、図１に示したデータ処理部１７及び画像メモリ１９と、各投影部１０Ａ，１０Ｂに対してそれぞれ光源点灯制御部１８および液晶格子駆動制御部３０を備えている。
そして、２個の投影部１０Ａと１０Ｂを任意に切り換えて使用することができ、いずれを使用するかによって、格子パターンの投影方向が変わることになる。
【００６２】
表面反射率の高い凹凸面を持つ物体の３次元形状をこの発明による方法で計測する場合、図１１に示すように、格子パターンの投影方向Ｐと撮像部による撮像方向Ｑとの角度関係によって、計測対象物体１４の表面のある点で光が正反射して撮像部に入射してしまうことがある。その正反射が強く、撮像部であるＣＣＤカメラの受光量の許容値を超えてしまうと、正確な計測ができなくなってしまう。
そこで、オペレータがそのような正反射が生じていることを認識したとき、あるいはデータ処理部が撮像された画像データを解析した結果が適性な値でなかった場合に、投影部を切り換えて、図１２に示すように格子パターンの投影方向Ｐを変えることによって、撮像方向Ｑへの正反射をなくして、正常な計測ができるようにする。
【００６３】
図１１及び図１２において、（ａ）は計測対象物体と格子パターンの投影方向及び反射方向と撮像方向を示し、（ｂ）は投影する４回の位相の異なる格子パターンの明暗の変化を示している。この場合も多重反射を生起することが予測される領域には格子パターンを投影しないようにマスクするが、それは前述の各実施形態と同様であるから、説明を省略する。
【００６４】
投影部を３個以上設けて、それらを切り換えて使用できるようにしてもよい。この実施形態によれば、正反射を防止できるだけでなく、計測対象物体の表面形状によって、格子パターンの投影方向が一定だと蔭になって投影できない部分が生じてしまうような場合にも、投影部を切り換えて格子パターンの投影方向を変えることによって、計測対象物体の全表面に格子パターンを投影することが可能になることもある。
また、１個の投影部を撮像部の光軸を中心とする同一円周上で回動させることができるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
この発明による、３次元形状測定方法および３次元形状測定装置は、複数の計測対象物体が隣接して設けられているような場合に、その各計測対象物体の各３次元形状を正確に効率よく測定するために有効である。
特に、ＩＣやＬＳＩのような半導体集積回路パッケージの実装面に形成されたＢＧＡの半田ボールやＣＳＰのバンプなどのように、平面上に規則的に配列された多数の物体の高さを含む３次元形状を計測するような場合に極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】この発明による３次形状測定装置の第１の実施形態の概略構成を示す図である。
【図２】従来の３次元形状測定方法とこの発明による３次元形状測定方法との格子パターンの投影状態の相違を説明するための図である。
【図３】図１における液晶格子１２の模式的な断面と液晶格子駆動制御部３０のブロック構成をデータ処理部と共に示す図である。
【図４】この発明の３次形状測定方法によって一度に複数列の計測対象物体の３次元形状を測定する方法を説明するための図である。
【００６７】
【図５】この発明による３次形状測定装置の第２の実施形態の要部のみを模式的に示す構成図である。
【図６】この発明による３次形状測定装置の第３の実施形態の要部のみを模式的に示す構成図である。
【図７】図５又は図６に示した３次形状測定装置による格子パターン投影状態の一例を示す図である。
【図８】図５又は図６に示した３次形状測定装置によるマスクエリアを設けない格子パターン投影状態の例を示す図である。
【００６８】
【図９】図５又は図６に示した３次形状測定装置によるマスクエリアを市松状に設けた格子パターン投影状態の例を示す図である。
【図１０】この発明による３次形状測定装置の第４の実施形態の要部のみを模式的に示す構成図である。
【図１１】格子パターンの投影による正反射の発生例を説明するための図である。
【図１２】同じくその格子パターンの投影方向を変えて正反射を防止した例を説明するための図である。
【００６９】
【図１３】従来の３次形状測定装置の要部のみを模式的に示す構成図である。
【図１４】平面に格子パターンを投影した場合の格子縞とその明暗の変化波形を示す図である。
【図１５】凹凸のある計測対象物体の表面に格子パターンを投影した場合の変形格子縞とその明暗の変化波形を示す図である。
【図１６】従来の３次形状測定方法で計測対象物体の３次元形状を測定する場合の多重反射について説明するための図である。
【符号の説明】
【００７０】
１０，１０Ａ，１０Ｂ：投影部 １１：光源部 １２，１２Ｘ，１２Ｙ，１２Ｄ：液晶格子 １３：投影レンズ １４：計測対象物体 １５：平面 １６：撮像部
１７：データ処理部（演算装置） １８：光源点灯制御部 １９：画像メモリ
３０：液晶格子駆動制御部 ３１：位相シフト設定部 ３２：格子強度設定部
３３：格子分割設定部 ３４：液晶駆動信号作成部 ３５：液晶格子ドライバ
３６：マスクエリア設定部 ４０：支持体
１２１：第１のガラス基板 １２２：第２のガラス基板 １２３：ＴＮ液晶
１２４：シール材 １２５：共通電極 １２６：格子電極 １２７：第１の偏光板
１２８：第２の偏光板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の計測対象物体が設けられた面に対して斜め方向から格子パターンを投影し、該格子パターンが投影された前記面を前記格子パターンの投影方向とは異なる方向から撮像し、その撮像した明暗のパターンを解析して前記計測対象物体の３次元形状を測定する３次元形状測定方法において、
前記格子パターンを投影する際に、前記面上の特定の計測対象物体の計測領域以外には前記格子パターンを投影しないようにマスクすることを特徴とする３次元形状測定方法。
【請求項２】
複数の計測対象物体が２次元的に規則性を持って配列されている面に対して斜め方向から格子パターンを投影し、該格子パターンが投影された前記面を前記格子パターンの投影方向とは異なる方向から撮像し、その撮像した明暗のパターンを解析して前記計測対象物体の３次元形状を測定する３次元形状測定方法において、
前記格子パターンを投影する際に、前記面上の特定の計測対象物体に対して少なくとも前記投影する格子パターンの格子配列方向で隣接する計測対象物体を含む所定エリアには前記格子パターンを投影しないようにマスクすることを特徴とする３次元形状測定方法。
【請求項３】
請求項２記載の３次元形状測定方法において、
前記格子パターンを投影する際に、前記面上の特定の計測対象物体に対して前記投影する格子パターンの格子配列方向に直交する方向で隣接する計測対象物体を含む所定エリアにも前記格子パターンを投影しないようにマスクすることを特徴とする３次元形状測定方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の３次元形状測定方法において、
前記投影する格子パターンは、液晶格子を使用して照度分布が正弦波状に変化するように形成されたパターンであり、１回の計測において該格子パターンを、前記正弦波状の変化の１周期の１／ｎずつ位相をずらしてｎ回（ｎは３以上の整数）投影することを特徴とする３次元形状測定方法。
【請求項５】
複数の計測対象物体が設けられた面に対して斜め方向から格子パターンを投影する投影部と、該投影部によって格子パターンが投影された前記面を前記格子パターンの投影方向とは異なる方向から撮像する撮像部と、該撮像部によって撮像した明暗のパターンを解析して前記計測対象物体の３次元形状を測定するデータ処理部とを備えた３次元形状測定装置において、
前記投影部は、光源部と液晶格子と投影レンズとからなり、
前記光源部からの照射光に対する前記液晶格子の透過率を２次元的に変化させて格子パターンを生成させるとともに、該格子パターンを前記面に投影することにより該面上の特定の計測対象物体に対して多重反射光を生起することが想定されるエリアに対しては前記照射光の透過率を最低にするように、前記液晶格子を駆動制御する液晶格子駆動制御部を設けたことを特徴とする３次元形状測定装置。
【請求項６】
請求項５記載の３次元形状測定装置において、
前記液晶格子駆動制御部は、前記複数の計測対象物体が前記面上に２次元的に規則性を持って配列されている場合には、前記特定の計測対象物体に対して多重反射光を生起することが想定されるエリアとして、前記面上で前記特定の計測対象物体に対して少なくとも前記格子パターンの格子配列方向で隣接する計測対象物体を含む所定エリアに対しては前記照射光の透過率を最低にするように前記液晶格子を駆動制御することを特徴とする３次元形状測定装置。
【請求項７】
請求項５記載の３次元形状測定装置において、
前記液晶格子駆動制御部は、前記複数の計測対象物体が前記面上に２次元的に規則性を持って配列されている場合には、前記特定の計測対象物体に対して多重反射光を生起することが想定されるエリアとして、前記面上で前記特定の計測対象物体に対して前記格子パターンの格子配列方向および該方向に直交する方向でそれぞれ隣接する計測対象物体を含む所定エリアに対しては前記照射光の透過率を最低にするように前記液晶格子を駆動制御することを特徴とする３次元形状測定装置。
【請求項８】
請求項５乃至７のいずれか一項に記載の３次元形状測定装置において、
前記液晶格子駆動制御部は、前記光源部からの照射光の照度分布が正弦波状に変化するように前記液晶格子の透過率を２次元的に変化させて格子パターンを生成させるとともに、１回の計測において該格子パターンを、前記正弦波状の変化の１周期の１／ｎずつ位相をずらしてｎ回（ｎは３以上の整数）投影するように、前記液晶格子を駆動制御する手段を有することを特徴とする３次元形状測定装置。
【請求項９】
請求項５乃至８のいずれか一項に記載の３次元形状測定装置において、
前記投影部を、前記撮像部の光軸を中心とする同一円周上の異なる位置に複数個設け、その複数個の投影部を切り換えて使用できるようにしたことを特徴とする３次元形状測定装置。
【請求項１】
複数の計測対象物体が設けられた面に対して斜め方向から格子パターンを投影し、該格子パターンが投影された前記面を前記格子パターンの投影方向とは異なる方向から撮像し、その撮像した明暗のパターンを解析して前記計測対象物体の３次元形状を測定する３次元形状測定方法において、
前記格子パターンを投影する際に、前記面上の特定の計測対象物体の計測領域以外には前記格子パターンを投影しないようにマスクすることを特徴とする３次元形状測定方法。
【請求項２】
複数の計測対象物体が２次元的に規則性を持って配列されている面に対して斜め方向から格子パターンを投影し、該格子パターンが投影された前記面を前記格子パターンの投影方向とは異なる方向から撮像し、その撮像した明暗のパターンを解析して前記計測対象物体の３次元形状を測定する３次元形状測定方法において、
前記格子パターンを投影する際に、前記面上の特定の計測対象物体に対して少なくとも前記投影する格子パターンの格子配列方向で隣接する計測対象物体を含む所定エリアには前記格子パターンを投影しないようにマスクすることを特徴とする３次元形状測定方法。
【請求項３】
請求項２記載の３次元形状測定方法において、
前記格子パターンを投影する際に、前記面上の特定の計測対象物体に対して前記投影する格子パターンの格子配列方向に直交する方向で隣接する計測対象物体を含む所定エリアにも前記格子パターンを投影しないようにマスクすることを特徴とする３次元形状測定方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の３次元形状測定方法において、
前記投影する格子パターンは、液晶格子を使用して照度分布が正弦波状に変化するように形成されたパターンであり、１回の計測において該格子パターンを、前記正弦波状の変化の１周期の１／ｎずつ位相をずらしてｎ回（ｎは３以上の整数）投影することを特徴とする３次元形状測定方法。
【請求項５】
複数の計測対象物体が設けられた面に対して斜め方向から格子パターンを投影する投影部と、該投影部によって格子パターンが投影された前記面を前記格子パターンの投影方向とは異なる方向から撮像する撮像部と、該撮像部によって撮像した明暗のパターンを解析して前記計測対象物体の３次元形状を測定するデータ処理部とを備えた３次元形状測定装置において、
前記投影部は、光源部と液晶格子と投影レンズとからなり、
前記光源部からの照射光に対する前記液晶格子の透過率を２次元的に変化させて格子パターンを生成させるとともに、該格子パターンを前記面に投影することにより該面上の特定の計測対象物体に対して多重反射光を生起することが想定されるエリアに対しては前記照射光の透過率を最低にするように、前記液晶格子を駆動制御する液晶格子駆動制御部を設けたことを特徴とする３次元形状測定装置。
【請求項６】
請求項５記載の３次元形状測定装置において、
前記液晶格子駆動制御部は、前記複数の計測対象物体が前記面上に２次元的に規則性を持って配列されている場合には、前記特定の計測対象物体に対して多重反射光を生起することが想定されるエリアとして、前記面上で前記特定の計測対象物体に対して少なくとも前記格子パターンの格子配列方向で隣接する計測対象物体を含む所定エリアに対しては前記照射光の透過率を最低にするように前記液晶格子を駆動制御することを特徴とする３次元形状測定装置。
【請求項７】
請求項５記載の３次元形状測定装置において、
前記液晶格子駆動制御部は、前記複数の計測対象物体が前記面上に２次元的に規則性を持って配列されている場合には、前記特定の計測対象物体に対して多重反射光を生起することが想定されるエリアとして、前記面上で前記特定の計測対象物体に対して前記格子パターンの格子配列方向および該方向に直交する方向でそれぞれ隣接する計測対象物体を含む所定エリアに対しては前記照射光の透過率を最低にするように前記液晶格子を駆動制御することを特徴とする３次元形状測定装置。
【請求項８】
請求項５乃至７のいずれか一項に記載の３次元形状測定装置において、
前記液晶格子駆動制御部は、前記光源部からの照射光の照度分布が正弦波状に変化するように前記液晶格子の透過率を２次元的に変化させて格子パターンを生成させるとともに、１回の計測において該格子パターンを、前記正弦波状の変化の１周期の１／ｎずつ位相をずらしてｎ回（ｎは３以上の整数）投影するように、前記液晶格子を駆動制御する手段を有することを特徴とする３次元形状測定装置。
【請求項９】
請求項５乃至８のいずれか一項に記載の３次元形状測定装置において、
前記投影部を、前記撮像部の光軸を中心とする同一円周上の異なる位置に複数個設け、その複数個の投影部を切り換えて使用できるようにしたことを特徴とする３次元形状測定装置。
【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１４】
【図１５】
【図１６】
【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１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００６−２７５５２９（Ｐ２００６−２７５５２９Ａ）
【公開日】平成１８年１０月１２日（２００６．１０．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−９０４２７（Ｐ２００５−９０４２７）
【出願日】平成１７年３月２８日（２００５．３．２８）
【出願人】（０００００１９６０）シチズン時計株式会社 (1,939)
【出願人】（５０５１１１８２３）有限会社ソフトロン (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１０月１２日（２００６．１０．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月２８日（２００５．３．２８）
【出願人】（０００００１９６０）シチズン時計株式会社 (1,939)
【出願人】（５０５１１１８２３）有限会社ソフトロン (1)
【Ｆターム（参考）】
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