形状計測装置および形状計測方法
【課題】１つのカメラの視野に入らない計測対象物の裏側の形状まで精度良く計測する装置および方法を提供する。
【解決手段】計測対象物に格子模様を投影する格子模様投影部と、計測対象物の周囲に配置された少なくとも１つの鏡と、計測対象物および鏡に映る計測対象物の鏡像の画像を撮影する少なくとも１つの撮影部と、計測対象物の画像と鏡像の画像の各々に対して位相解析処理を施して計測対象物の形状を算出するとともに撮影された前記計測対象物の画像と前記鏡像の画像とを合成する解析処理部とを備え、撮影部の各々は、計測対象物の少なくとも一部の領域と該少なくとも一部の領域の鏡像とを同時に撮影可能に配置されていることを特徴とする。
【解決手段】計測対象物に格子模様を投影する格子模様投影部と、計測対象物の周囲に配置された少なくとも１つの鏡と、計測対象物および鏡に映る計測対象物の鏡像の画像を撮影する少なくとも１つの撮影部と、計測対象物の画像と鏡像の画像の各々に対して位相解析処理を施して計測対象物の形状を算出するとともに撮影された前記計測対象物の画像と前記鏡像の画像とを合成する解析処理部とを備え、撮影部の各々は、計測対象物の少なくとも一部の領域と該少なくとも一部の領域の鏡像とを同時に撮影可能に配置されていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測対象物の形状を計測する装置および方法に関するものであり、特に、計測対象物の裏側の形状まで精度良く計測する装置および方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
格子投影法による非接触形状計測装置、干渉縞解析による非接触応力・ひずみ計測装置や、ディジタルホログラフィによる変位計測装置等では、計測条件を変えて得られた複数の縞画像計測データを合成することによって、より良好な結果を得ることが期待される。
【０００３】
しかしながら、従来の縞画像解析方法では、例えば計測条件を変えて得られた複数の縞画像計測データを合成する際に、これらのデータの平均値を結果としていたため、ノイズがある場所では大きな誤差が生じるといった問題や、精度よく計測できた点とノイズがある場所との判断を画素毎に行うことができないといった問題があった。
【０００４】
この問題を解決する従来の技術として、特許文献１には、解析する領域を複数の領域にグループ分けして処理を行い、相互の境界部を計算して合成を行う方法が開示されている。しかし、この従来の解析方法では、画素毎に合成することができないという問題があった。
【０００５】
単にデータを平均するだけでなく、画素毎に評価値を決定して評価値が高いデータを採用することで良好な結果を得ることが可能になると思われる。画像を評価する従来技術
として、特許文献２には、画像断面の濃淡分布を空間周波数に対する人間の目の感度を表す特性の帯域フィルタに通過させ、その帯域フィルタの出力の濃淡分布から画像品質を表す評価値を算出する方法が開示されている。この従来の画像評価方法では、ディジタル画像の画像品質を評価値で評価し表示できるといった特徴がある。しかし、この従来の画像評価方法は、カメラで撮影したディジタル画像の画像品質の評価にしか用いることが出来ず、縞画像計測において解析した位相データを評価することはできないという問題があった。
【０００６】
そこで、特許文献３には、位相シフトされた複数の縞画像データの各々を位相解析して複数の位相分布データを得た後に、複数の位相分布データの各々に関して関連する縞画像データから画素毎に評価値を決定し、複数の位相分布データを画素毎に対応する評価値の高いものを選択することによって精度良く合成することができる技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−２４１９３０ 号明細書
【特許文献２】特開平０７−３２５９２２号明細書
【特許文献３】特許第３８３７５６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、近年、計測対象物の全表面の形状を測定する要求が存在する。即ち、計測対象物の一部のみではなく、計測対象物の全周囲の形状を計測することが望まれている。
しかしながら、特許文献３に記載の方法では、計測対象物を一方向から撮影するため、カメラの視野に入らない計測対象物の裏側について形状を測定することができない点に課題を残していた。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、１つのカメラの視野に入らない計測対象物の裏側の形状まで精度良く計測する装置および形状計測方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
発明者らは、上記課題を解決する手段について鋭意検討した結果、計測対象物の周囲に鏡を配置し、カメラを、計測対象物の画像と鏡に映された鏡像の画像とを同時に撮影可能に配置して、計測対象物および鏡に映された鏡像を撮影することが有効であることを見出し、本発明を完成させるに到った。
【００１１】
即ち、本発明の形状計測装置は、計測対象物の形状を計測する装置であって、前記計測対象物に格子模様を投影する格子模様投影部と、前記計測対象物の周囲に配置された少なくとも１つの鏡と、前記計測対象物および前記鏡に映る前記計測対象物の鏡像を撮影する少なくとも１つの撮影部と、撮影された前記計測対象物および前記鏡像の画像の各々に対して位相解析処理を施して前記計測対象物の形状を算出するとともに撮影された前記計測対象物の画像と前記鏡像の画像とを合成する解析処理部とを備え、前記撮影部の各々は、前記計測対象物の少なくとも一部の領域と該少なくとも一部の領域の鏡像とを同時に撮影可能に配置されていることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明の形状計測装置は、計測対象物の形状を計測する装置であって、前記計測対象物に格子模様を投影する格子模様投影部と、前記計測対象物の周囲に配置された少なくとも１つの鏡と、前記計測対象物および前記鏡に映る前記計測対象物の鏡像を撮影する少なくとも１つの撮影部とを備え、前記撮影部の各々は、前記計測対象物の少なくとも一部の領域と該少なくとも一部の領域の鏡像とを同時に撮影可能に配置されていることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明の形状計測装置において、前記鏡の各々に対して迷光防止壁を設けることを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明の形状計測装置において、２つの鏡と２つの撮影部とを備えることを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明の形状計測装置において、２つの鏡と１つの撮影部とを備えることを特徴とするものである。
【００１６】
また、本発明の形状計測方法は、周囲に少なくとも１枚の鏡が配置された計測対象物の形状を計測する方法であって、前記計測対象物に格子模様を投影する格子模様投影ステップと、前記計測対象物と前記鏡に映る前記計測対象物の鏡像とを同時に撮影する画像撮影ステップと、前記格子模様を所定の大きさだけシフトさせる位相シフトステップと、
撮影された前記実像および前記鏡像の画像の各々に対して位相解析処理を施して前記計測対象物の形状を算出する形状算出ステップとを含み、該形状算出ステップは、前記画像撮影ステップと、前記位相シフトステップとを所定の回数だけ繰り返した後に行うことを特徴とするものである。
【００１７】
また、本発明の形状計測方法において、前記位相解析処理は、全空間テーブル化手法に基づいて位相値と空間座標とを関連づけるテーブルを予め画素毎に作成しておき、該テーブルを参照して、位相シフト法により求められた各画素の位相値から空間座標を求めることにより行うことを特徴とするものである。
【００１８】
また、本発明の形状計測方法において、撮影された画像の周波数成分の比に応じた評価値に基づいて、前記計測対象物の画像と前記鏡像の画像とを一枚の画像に合成する合成処理ステップを更に含むことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、計測対象物の周囲に鏡を配置することにより、一度に複数方向から計測対象物の形状を計測することが可能になるため、一方向からの撮影では得られない計測対象物の裏側の形状を測定することができる。
また、複数のカメラにより撮影された画像を合成することにより、計測対象物に金属が含まれる場合や、計測対象物の形状が曲面を有する場合にも、ハレーションの影響を低減して計測対象物の形状を精度良く算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施例の形状計測装置の斜視図である。
【図２】本発明の一実施例の形状計測装置の正面図である。
【図３】本発明の一実施例の形状計測装置における構成の詳細を説明する図である。
【図４】本発明の一実施例の形状計測装置の上面図である。
【図５】格子模様が投影された試料およびその鏡像を示す図である。
【図６】迷光防止壁が設けられた鏡を示す図である。
【図７】形状計測のための１次元格子模様が投影された基準面およびその鏡像を示す図である。
【図８】全空間テーブル化手法に用いる２次元格子模様が投影された基準面およびその鏡像を示す図である。
【図９】１台のカメラと１枚の鏡を用いた場合に対する形状計測装置の簡易斜視図である。
【図１０】１台のカメラと２枚の鏡を用いた場合に対する形状計測装置の簡易斜視図である。
【図１１】（ａ）輝度分布、および（ｂ）位相分布を示す図である。
【図１２】位相シフト量と輝度との関係を示す図である。
【図１３】全空間テーブル化手法による形状計測の原理を表す図である。
【図１４】ある画素に対する位相値とｘ、ｙおよびｚ座標との対応関係を示す図である。
【図１５】（ａ）再サンプリング前、および（ｂ）再サンプリング後の位相分布データの計測点を示す図である。
【図１６】（ａ）および（ｂ）は、（ａ）計測結果の平均値を用いる場合、および（ｂ）本発明の合成処理によるｚ座標分布を示す図であり、（ｃ）は、本発明による各ｚ座標位置におけるｚ座標分布を示す図である。
【図１７】計測対象物である試料およびその表面形状を示す図である。
【図１８】（ａ）〜（ｄ）は、２台のカメラにより撮影された試料の実像および鏡像の画像を示す図であり、（ｅ）は、合成された画像を示す図である。
【図１９】（ａ）〜（ｄ）は、２台のカメラにより撮影された試料の実像および鏡像の画像に対する高さ分布および位相評価値を示す図であり、（ｅ）は、合成された画像に対する高さ分布を示す図である。
【図２０】ハレーションが発生した場合の計測対象物の画像である。
【図２１】本発明の一実施例による形状計測装置により得られた形状計測結果と、合成された画像を示す図である。
【図２２】校正処理における画像を撮影するフローチャートを示す図である。
【図２３】校正処理における空間座標テーブルを作成するフローチャートを示す図である。
【図２４】本発明の形状計測方法のフローチャートを示す図である。
【図２５】本発明の形状計測方法における画像の合成処理のフローチャートを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
[形状計測装置]
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
本発明の形状計測装置は、計測対象物に格子模様を投影する格子模様投影部と、計測対象物の周囲に配置された少なくとも１つの鏡と、計測対象物および鏡に映る計測対象物の鏡像を撮影する少なくとも１つの撮影部と、計測対象物の画像と鏡像の画像の各々に対して位相解析処理を施して計測対象物の形状を算出するとともに撮影された前記計測対象物の画像と前記鏡像の画像とを合成する解析処理部とを備える。ここで、撮影部の各々は、計測対象物の少なくとも一部の領域と該少なくとも一部の領域の鏡像とを同時に撮影可能に配置されていることが肝要である。
【００２２】
図１は、本発明の一実施例の形状計測装置を示す図である。この形状計測装置１００は、ｚ軸用光源１と、ｚ軸用格子ガラス２と、第１のレンズ３と、ピエゾステージ４と、ペルチェ冷却装置５と、第１のカメラ６および第２のカメラ７と、基準点投光用レーザー８と、第１の鏡９および第２の鏡１０と、基準平板１１と、ｘｙ軸用光源１２と、ｘｙ軸用格子ガラス１３と、ｚ軸移動ステージ１４と、解析処理部１５とを備える。
【００２３】
この形状計測装置１００において、計測対象物Ｏは基準平板１１上に載置され、該基準平板１１の周囲には、計測対象物Ｏを映す２枚の鏡（第１の鏡９および第２の鏡１０）が配置されている。
基準平板１１の上方には、計測対象物Ｏに格子模様を投影する格子模様投影部として、ｚ軸用光源１と、ｚ軸用格子ガラス２と、第１のレンズ３と、ピエゾステージ４が設けられている。ここで、ｚ軸用光源は、その照射方向が−ｚ方向に向けられている。
【００２４】
また、撮影部として２台のカメラ（第１のカメラ６および第２のカメラ７）が設けられている。その各々は、ｙ方向から見て、その撮影方向がｚ軸と４５°の角度をなすように下向き（即ち、−ｚ軸方向）に配置されており、かつ、第１のカメラ６および第２のカメラ７は、ｚ方向から見て、撮影方向が互いに直交するように配置されている。ここで、第１のカメラ６および第２のカメラ７の各々は、計測対象物Ｏにおいて、形状を計測したい所望の領域と、この所望の領域の鏡像とを同時に撮影可能に配置されている。
【００２５】
一方、基準平板１１の下方には、ｘｙ軸用格子ガラス１３と、ｘｙ軸用光源１２とが設けられており、更にその下方には、基準平板１１に接続され、基準平板１１（即ち、基準面１１ａ）をｚ軸方向に移動させるｚ軸移動ステージ１４が設けられている。これらは、全空間テーブル化手法に基づいて、位相値と空間座標との相関である空間座標テーブルを作成するために使用される。以下、形状計測装置１００の各構成要素について説明する。
【００２６】
ｚ軸用光源１は、ｚ軸用格子ガラス２を介して、計測対象物Ｏおよび基準面１１ａ上に格子模様を投影するための光を照射する。この光は、格子模様を安定して投影できれば特に限定されない。例えば、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｏｄｅ，ＬＥＤ）を使用することができる。本実施例においては、ｚ軸用光源１は、その照射方向が基準平板１１の法線方向と平行になるように配置されているが、計測対象物Ｏおよび基準面１１ａに格子模様が投影できれば、配置は特に限定されない。
【００２７】
ｚ軸用格子ガラス２は、図２に示すような１次元の格子模様を有しており、ｚ軸用光源１により照射された光を通過させて、１次元の格子模様を計測対象物Ｏに投影するために用いられる。
【００２８】
第１のレンズ３は、ｚ軸用光源１から照射され、ｚ軸用格子ガラス２を通過した光を集光して、計測対象物Ｏおよび基準面１１ａに格子模様を投影するように配置する。
【００２９】
ピエゾステージ４は、ｚ軸用格子ガラス２に結合されており、ｚ軸格子ガラス２をシフトさせる。これにより、計測対象物Ｏおよび基準面１１ａに投影された１次元の格子模様をシフトさせることができる。このピエゾステージ４は、図２に示すような、ｚ軸用格子ガラス２に描かれた１次元の格子模様がシフトするように、即ち、１次元格子模様である所定の間隔で配置された多数の直線が、直線に平行ではない方向にシフトするように、ｚ軸用格子ガラス２に結合させる。
【００３０】
これらｚ軸用光源１と、ｚ軸用格子ガラス２と、第１のレンズ３と、ピエゾステージ４とからなる格子模様投影部は、上記構成に限定されず、計測対象物Ｏ上に１次元の格子模様を投影し、格子模様をシフト可能に構成されていればよい。上記構成の代わりに、例えば液晶プロジェクタを用いることもできる。
【００３１】
ペルチェ冷却装置５は、基準平板１１の上方の装置の最も高い位置にて下向きに設置されており、装置全体が過熱されないように冷却する。
【００３２】
第１のカメラ６および第２のカメラ７は、図３に示すように、計測対象物Ｏおよび基準平板１１の周囲に配置された鏡に映された鏡像Ｏ’の画像を撮影する。そのために、カメラの各々は、計測対象物Ｏと鏡に映された鏡像Ｏ’の双方を同時に視野に納まり撮影可能となる位置に配置するようにする。本実施例においては、上述のように、第１のカメラ６および第２のカメラ７の各々は、ｙ方向から見て、その撮影方向がｚ軸と４５°の角度をなすように下向き（即ち、−ｚ軸方向）に配置されており、また、第１のカメラ６および第２のカメラ７は、ｚ軸方向から見て、それぞれの撮影方向が互いに直交するように、また、対面する鏡面の法線方向と平行になるように配置されている。しかし、上記の要件、即ち、カメラの各々が、計測対象物Ｏと鏡に映された鏡像Ｏ’の双方を同時に視野に納めて撮影可能となる位置に配置されていれば、カメラの設置位置や撮影方向等は限定されない。
これら第１のカメラ６および第２のカメラ７としては、例えばＣＭＯＳカメラやＣＣＤカメラを用いることができる。
【００３３】
尚、カメラから見て、図５に示すように、計測対象物Ｏとその鏡像Ｏ’とが完全に分離されている必要はなく、鏡像Ｏ’の一部が、計測対象物Ｏに隠れていても構わない。この場合、隠れていない領域のみが位相解析処理の対象となる。
また、形状を計測したい領域（所望の計測領域）は、必ずしも計測対象物Ｏの全体とは限らない。その場合には、カメラの各々が、計測対象物Ｏの所望の計測領域（即ち、計測対象物Ｏの少なくとも一部の領域）と、鏡に映される所望の計測領域の鏡像とが同時に視野に収まり撮影可能となる位置に配置されていればよい。また、カメラから見て、上記所望の計測領域とその鏡像は、上記所望の計測領域と完全に分離されている必要はなく、鏡像の一部が所望の計測領域に隠れていても構わない。この場合にも、隠れていない領域のみが位相解析処理の対象となる。
【００３４】
基準点投光用レーザー８は、基準平板１１の上方に設置されており、計測対象物Ｏまたは基準面１１ａ上の適切な位置にレーザー光を照射し、撮影された計測対象物Ｏの画像と、鏡に映る鏡像Ｏ’の画像とを合成する際に、両画像における同一の位置が特定できるような基準点（目印）を表示する。本実施例においては、レーザー光により基準点を表示するが、これに限定されず、例えば計測対象物Ｏ上や基準面１１ａ上の適切な位置に予め基準点をマーキングしておいてもよい。
【００３５】
第１の鏡９および第２の鏡１０は、基準平板１１の周囲に設けられ、計測対象物Ｏの鏡像Ｏ’を映すために設けられている。本実施例においては、図１に示すように、２枚の鏡は、基準面１１ａに対して直交し、更に互いの鏡面が直交して接するように配置されている。これらの鏡の配置は、上述のように、カメラの各々が、計測対象物Ｏと鏡に映る計測対象物Ｏの鏡像とを同時に撮影可能なように配置されていれば、特に限定されない。
図５に、格子模様を基準平板１１上に載置された計測対象物Ｏ上に投影し、第２の鏡１０に鏡像Ｏ’が映る様子を示す。これらの鏡を用いて、１台のカメラで計測対象物Ｏと鏡に映る鏡像を同時に撮影することは、２台のカメラを用いて、計測対象物Ｏを２つの異なる位置から撮影することと同じである。つまり、１台のカメラを用いるだけで、異なる位置に配置されたカメラ２台による計測結果を得ることができるのである。
また、鏡の設置により、鏡が無い場合には撮影が不可能な部分を撮影することも可能になる。そのため、計測対象物Ｏの全体が撮影可能となるように鏡を配置することにより、計測対象物Ｏの全体の形状を測定することも可能になる。
【００３６】
ここで、図１に示すように、２枚の鏡を極めて近い位置に接近（または接触）させて配置する場合には、ｚ軸用光源１から光が照射されると、計測対象物Ｏや第１の鏡９および第２の鏡１０により反射や散乱された光が互いに干渉してしまい、形状計測を精度良く行えない場合がある。その場合には、図６に示すように、迷光防止壁１６を鏡に設けることにより、形状計測を阻害する光の干渉を抑制することができる。この迷光防止壁１６は、上記の干渉を抑制することができれば、大きさや形状、素材等は問わない。
【００３７】
基準平板１１は、計測対象物Ｏの形状を計測する際に該計測対象物Ｏを載置するとともに、全空間テーブル化手法に基づいて位相値と空間座標との相関である空間座標テーブルを作成する際に用いられる基準面１１ａをその表面に有している。本実施例においては、計測対象物Ｏの形状計測と、空間座標テーブルの作成とに使用する光源が異なっており、形状計測用の光源（ｚ軸用光源１）は基準平板１１の上方に、また、空間座標テーブル作成用の光源（ｘｙ軸用光源１２）は基準平板１１の下方にそれぞれ配置されている。そこで、基準平板１１として、５０ｍｍ×５０ｍｍのオパール層ガラスを使用し、基準面１１ａ上に上下方向（即ち、±ｚ軸方向）から格子模様を投影可能となるように構成されている。また、後述する校正の精度を確保するために、基準平板１１の表面は、研磨により散乱面となるような加工処理が施されており、得られた散乱面を基準面１１ａとして上向き（即ち＋ｚ方向）に配置されている。
【００３８】
図７は、ｚ軸用光源１により、基準面１１ａの上方からｚ軸用格子ガラス２を介して１次元格子模様が投影された基準面１１ａと、第２の鏡１０に映った鏡像を示している。また、図８は、ｘｙ軸用光源１２により、基準面１１ａの下方からｘｙ軸用格子ガラス１３を介して２次元格子模様が投影された基準面１１ａと、第２の鏡１０に映った鏡像を示している。
基準平板１１の材料としては、オパール層ガラスに限定されず、基準面１１ａの上方から形状計測のための１次元格子模様を投影でき、下方から校正のための２次元格子模様を投影できれば、特に限定されない。
【００３９】
ｘｙ軸用光源１２は、図２に示すように、ＬＥＤ点光源１２ａと、ピンホール板１２ｂと、第２のレンズ１２ｃとを有し、平行光に近い光を照射できるように構成されている。即ち、ＬＥＤ点光源１２ａから照射された光は、ピンホール板１２ｂの穴を通って点光源となり、レンズ１２ｃにより略平行光となった後に、ｘｙ軸用格子ガラス１３を通過する。
【００４０】
ｘｙ軸用格子ガラス１３は、全空間テーブル化手法に基づいて、空間座標テーブルを作成する際に用いられ、基準面１１ａに投影するための２次元の格子模様が描かれている。このｘｙ軸用格子ガラス１３は、基準平板１１の直下に配置されている。ｘｙ軸用格子ガラス１３は、図２に示すように、それぞれ１次元の格子模様が描かれた２枚ガラス（ｘ軸ガラス１３ａおよびｙ軸ガラス１３ｂ）を、それぞれの格子模様が互いに直交するように重ね合わせることにより構成されている。このような構成の代わりに、２次元の格子模様が描かれた１枚の格子ガラスを用いることもできる。
【００４１】
ｚ軸移動ステージ１４は、基準平板１１に結合されており、ｘｙ軸用プロジェクタ１２の下方に設置されている。このｚ軸移動ステージ１４は、図５に示すように、基準平板１１（即ち、基準面１１ａ）をｚ軸方向に移動させる。本実施例においては、ｚ軸移動ステージ１４ｔとして、０．１μｍの精度で位置決めができるフィードバック機能付きの１軸ステージを使用しており、形状計測時における計測対象物Ｏの高さ（即ち、ｚ座標）調整や、全空間テーブル化手法に基づいて空間座標テーブルを作成する際の基準面１１ａの高さ調整のために使用される。
【００４２】
解析処理部１５は、カメラにより撮影された、計測対象物Ｏの画像および鏡に映る鏡像の画像に対して位相解析処理を施すことにより計測対象物Ｏの形状を算出する。ここで、位相解析手法は特に限定されないが、本実施例においては、一例として、後述する位相シフト法を用い、また、全空間テーブル化手法に基づいて位相値と空間座標との相関である空間座標テーブルを各画素に対して予め作成して保存しておく。これにより、位相シフト法を用いて画像の各画素の位相値が求まれば、空間座標（ｘ、ｙおよびｚ座標）、即ち、計測対象物Ｏの形状を直ちに求めることができる。
また、本実施例においては、２台のカメラと２枚の鏡を使用することにより、４方向から撮影された複数の画像が得られる。このため、解析処理部１５は、得られた計測対象物Ｏの画像と鏡像Ｏ’の画像を合成する。この合成は、撮影された異なるカメラで撮影された画像や鏡像Ｏ’の画像を、後述するように、適切に回転または反転処理を施した後に行う。合成方法は特に限定されず、例えば画像データを単純に平均化することにより行うことができ、また本発明において使用する、後述する所定の評価値に基づいて行うこともできる。
また、複数の鏡およびカメラにより、１つのカメラの視野に入らない計測対象物Ｏの裏側が鏡に映されるため、撮影された画像を組み合わせることにより、計測対象物Ｏの全周囲の形状を測定することが可能になる。
また、計測対象物が、例えば電子部品であり、金属部分が含まれる場合や、計測対象物が曲面を有する場合に、形状計測のための光を照射するとハレーションが発生する場合があるが、カメラの位置が異なると、ハレーションが発生する位置も異なるため、異なる位置のカメラにより撮影された画像を合成することにより、ハレーションの影響を低減して、計測対象物の形状を精度良く求めることもできる。
【００４３】
尚、上記の実施例の形状計測装置１００は、撮影部として２台のカメラ（第１のカメラ６および第２のカメラ７）と、２枚の鏡（第１の鏡９および第２の鏡１０）とを備えているが、カメラおよび鏡の数は限定されない。例えば、図９に示す形状計測装置２００のように、第１の実施例である形状計測装置１００における２台のカメラ（第１のカメラ６および第２のカメラ７）の代わりに１台のカメラ（カメラ２６）を、２枚の鏡（第１の鏡９および第２の鏡１０）の代わりに１枚の鏡（鏡３０）をそれぞれ備えるようにし、他の構成は形状計測装置１００と同一にすることができる。ここで、形状計測装置１００と構成が異なる部分についてのみ、符号が付けられている。
【００４４】
また、図１０に示す形状計測装置３００のように、形状計測装置１００における２台のカメラ（第１のカメラ６および第２のカメラ７）の代わりに１台のカメラ（カメラ３６）を備えて他の構成は形状計測装置１００と同一にし、カメラ３６を、計測対象物Ｏおよび３つの鏡像を同時に撮影可能に構成することもできる。ここで、形状計測装置１００と構成が異なる部分についてのみ、符号が付けられている。これにより、１台のカメラにより、異なる方向を向いた４つのカメラから撮影したのと同様の効果を得ることができる。
【００４５】
このような形状計測装置１００を使用することにより、一度に複数方向から計測対象物の形状を計測することが可能になるため、一方向からの撮影では得られない計測対象物の裏側の形状を測定することができる。
また、複数のカメラにより撮影された画像を合成することにより、計測対象物に金属が含まれる場合や、計測対象物の形状が曲面を有する場合にも、ハレーションの影響を低減して計測対象物の形状を精度良く算出することができる。
【００４６】
（位相シフト法）
ここで、本発明において位相解析処理の一例として使用する位相シフト法および全空間テーブル化手法について説明する。まず位相シフト法について説明する。
図１１は、格子画像の輝度分布と位相分布の関係を表す図である。図１１（ａ）は、格子の輝度分布を表し、図１１（ｂ）は、格子の位相分布をそれぞれ表す。また、図１２は、位相シフト量と位相シフトした時の輝度変化の関係を表す図である。
格子や干渉縞の輝度値Ｉ（ｘ，ｙ）は、一般に、図１２（ａ）に示すように、空間（ｘ，ｙ）上に余弦波状に分布している。これを式で表すと、式（１）のようになる。
ここで、点（ｘ，ｙ）は、撮影された画像内の一点であり、ａ（ｘ，ｙ）およびｂ（ｘ，ｙ）は、それぞれ輝度振幅と背景輝度を表し、θ（ｘ，ｙ）は、格子の位相値を表す。格子が撮影された画像（以下、「格子画像」と称する）の場合、位相は実数全体で表すことができるが、０から２πまでの２π周期の繰り返しと見ることもできる。図１１（ｂ）は、θ（ｘ，ｙ）の分布を０から２πまでの繰り返しとして表現したものである。
【００４７】
位相シフト法は、格子の位相を１周期分だけ変化させながら複数枚の格子画像を撮影し、得られた複数の画像から位相分布を求める手法である。全ての画素において、輝度は１周期分変化するため、その輝度変化から各点ごとに独立して、即ち、周囲の画素の輝度変化の情報を使わずに位相値を求めることができる。そのため、段差や不連続のある物体の形状計測に有効な手法である。ここでは、最も一般的に用いられている、π／２ずつ位相シフトされた４つの輝度値から位相値を求める場合（即ち、位相シフト回数が４回の場合）を例に、位相シフト法の原理について説明する。
【００４８】
式（１）で示した格子の輝度分布の式に、位相シフト量αを追加すると式（２）となる。
図１２に、初期位相θをもつ点（画素）における位相シフト量αと輝度変化の関係を示す。初期位相とは、位相シフト量が０の時の格子の位相を意味している。位相シフト量が０からπ／２ずつ変化した場合の輝度をそれぞれＩ０，Ｉ１，Ｉ２およびＩ３とすると、これらは、それぞれ式（３）〜（６）のように表すことができる。尚、以下の式では（ｘ，ｙ）の表記を省略する。
【００４９】
これらの式から、以下の式（７）および（８）が得られる。
さらに、式（７）および（８）から、以下の式（９）が導かれ、この関係式より位相値θを求めることができる。即ち、位相シフト量が０、π／２、πおよび３π／２の場合の輝度、Ｉ０，Ｉ１，Ｉ２およびＩ３が得られれば、この画素に対する位相値θが求まるのである。
【００５０】
ここで、位相シフトの回数（即ち、０から２πまでの刻み数）を多くすることにより、カメラのランダムノイズの影響を低減することができる。位相シフト回数をＮ、位相シフト量が２πｋ／Ｎの時の輝度をＩｋとすると、式（１０）が導かれ、この関係式より位相値θを求めることができる。
こうして、位相シフト法により、画像上の各画素における位相値θを求めることができる。
【００５１】
（校正方法）
次に、位相シフト法により各画素に対して求められた位相値から、空間座標（ｘ、ｙ、ｚ）、即ち、計測対象物の形状を算出する方法について説明する。
本発明においては、従来技術のように、位相値と空間座標を対応付ける変換式を用い、この変換式に用いられるパラメータを求める方法は使用しない。即ち、本発明においては、投影された格子の位相値と空間座標の対応関係を、カメラの画素毎に予め求めてテーブル化しておく方法を採用し、これを校正（キャリブレーション）と呼ぶ。この校正処理により、計測対象物に投影された格子の位相値が得られれば、従来手法のように変換式を用いた座標の計算をせずに、得られた空間座標テーブルを参照するだけで、計測対象物の表面の空間座標、即ち計測対象物の形状を直ちに求めることができる。
【００５２】
（全空間テーブル化手法）
図１３は、全空間テーブル化手法（例えば、特開２００８−２８１４９１号公報参照）による形状計測の原理を表す図である。図１３（ａ）に示すように、ｚ軸方向（高さ方向）に垂直に設置された基準面を、ｚ軸方向に少しずつ平行移動させる。カメラとプロジェクタは、基準面の上方に固定しておく。プロジェクタからは、格子模様が基準面に投影される。この時、投影される格子模様は等間隔である必要は特にない。この投影される格子の位相は、上述の位相シフト法によって容易に算出することができる。
ここで、カメラのある１画素が、図１３（ｂ）に示す直線Ｌ上の点を撮影しているとする。この画素は、基準面の位置Ｒ０，Ｒ１，Ｒ２，．．．ＲＮに応じて、それぞれ点Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２，．．．ＰＮを撮影することになる。それぞれの点における位相値θ０，θ１，θ２，．．．θＮは、位相シフト法によって求めることができる。
【００５３】
図１３（ｂ）に、１画素の撮影ラインＬと基準面上の空間座標（ｘ，ｙ，ｚ）との関係を示す。１画素が撮影している各基準面上の点Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２，．．．ＰＮについては、基準面に投影された２次元の格子模様からｘ座標およびｙ座標を得て、基準面の位置からｚ座標を得る。ここで、ｘおよびｙ座標については、様々な方法、例えばフーリエ変換格子法により、ｘ方向およびｙ方向の位相値をそれぞれ求め、更に位相接続を行うことにより、各点におけるｘ座標およびｙ座標をそれぞれ得ることができる（例えば、特許第３２８１９１８号公報参照）。
【００５４】
こうして、各基準面の位置毎に、投影格子の位相値θに対するｘ座標、ｙ座標およびｚ座標を画素毎に得られることになる。投影された２次元格子模様の位相値θは、基準面の位置でしか得られないが、基準面の間隔を小さくして、その間を補間することにより、全ての位相値に対する空間座標を精度よく求めることができる。
【００５５】
上記の校正手法により、位相値θ０，θ１，θ２，．．．θＮとｘ座標ｘ０，ｘ１，ｘ２，．．．ｘＮ、ｙ座標ｙ０，ｙ１，ｙ２，．．．ｙＮおよびｚ座標ｚ０，ｚ１，ｚ２，．．．ｚＮの関係が画素毎にそれぞれ得られる。これらの関係を、図１４の（ａ）〜（ｃ）に黒点で示す。
位相値θに対するｘ，ｙおよびｚ座標は、それぞれ滑らかに変化する。位相値θを等間隔に分割し、対応するｘ，ｙおよびｚ座標をそれぞれ補間して求めることにより空間座標テーブルを作成する。格子投影法の場合は、一般的な配置では、位相値と座標の対応関係は滑らかな曲線状になるため、線形補間で十分な精度が期待できるが、もちろん高次の補間を行ってもよい。図１４においては、線形補間を行い、黒点間を結んだ直線上の点として空間座標テーブルを作成する。図１４においてＫで示した区間については、外挿することにより位相値と空間座標との相関を求めることができる。
【００５６】
こうして、全空間テーブル化手法に基づいて、位相値θと空間座標（ｘ、ｙおよびｚ座標）との相関である空間座標テーブルを作成することができる。また、投影格子の位相接続を行う場合でも、同様の考え方により、位相接続後の位相と空間座標の関係をテーブル化することができる。位相接続を行うことにより、ｚ方向の計測可能範囲を広げることができる。
【００５７】
（計測対象物の形状計測）
まず、図１３（ａ）に示すように、基準面Ｒ０とＲＮとの間に計測対象物を設置する。この計測対象物に、校正処理の時と同一の格子模様を投影する。その結果、直線Ｌ上を撮影する画素は、計測対象物上の点Ｐを撮影することになり、その点に投影されている格子模様の位相値θｐが、その画素の位相値として得られることになる。
次に、予め作成しておいた空間座標テーブルを参照することにより、得られた位相値θｐに対応するｘ、ｙおよびｚ座標を求めることができる。即ち、図１４（ａ）に示すように、得られた位相値θｐに対応するｘ座標ｘｐは、ｘ座標のテーブルを参照するだけで直ちに得られる。同様に、ｙ座標とｚ座標についても、位相値θｐからｙ座標およびｚ座標のテーブルを参照することのみにより、直ちに得ることができるのである。
こうして、予め作成しておいた空間座標テーブルを参照することにより、得られた位相値θｐから、空間座標を求めることができ、計測対象物の形状を高速に計測することができる。
【００５８】
（再サンプリング処理）
上記の形状計測方法により得られた形状計測結果は、カメラの画素が撮影する点の座標分布として求められるため、図１５（ａ）に示すように、ｘｙ平面に対して等間隔ではない座標分布として得られる。しかし、異なる位置に配置された複数のカメラにより撮影された画像や、実像の画像と鏡像の画像を合成する際には、図１５（ｂ）に示すように、ｘｙ平面において等間隔にサンプリングされた点の空間座標を得る必要がある。そのために、以下のような再サンプリング処理を行う。
【００５９】
まず、ｘおよびｙ座標を知りたい点Ｐｓを囲む３つの点Ｐａ、ＰｂおよびＰｃを探し出す。次に、この３点を通る平面と、サンプリング点Ｐｓのｘｙ座標からｚ方向に垂直に伸ばした直線との交点を再サンプリング点のｚ座標とする。こうして再サンプリング処理を行うことにより、図１５（ｂ）に示すように、ｘｙ平面において等間隔にサンプリングされた点の空間座標を得ることができる。
【００６０】
また、本発明の一実施例の形状計測装置１００においては、ｚ方向から見て２台のカメラの撮影方向が互いに直交するように配置されているため、第１のカメラにより撮影された画像と第２のカメラにより撮影された画像を合成するためには、一方の画像に対して９０°だけ回転処理を施す必要があり、また、各々のカメラで撮影された各画像において、鏡像の画像に対しては画像反転処理を施す。第１のカメラと第２のカメラとの間の配置関係が形状計測装置１００と異なる場合には、その配置関係に基づいて、画像の回転、および回転処理を適切に行うようにする。
【００６１】
（位相評価値に基づく画像合成方法）
複数方向からの形状計測結果に対して、前述の再サンプリング処理や画像反転処理および／または画像回転処理を施した画像の空間座標を基に、画像の合成処理を行う。ここで、画像の合成処理は、画素毎に、高さ情報（ｚ座標）を合成することにより行うことができる。
【００６２】
この合成方法は限定されず、例えば画像データを単純に平均して行うこともでき、また、重み付けをして平均することにより行うこともできる。本発明においては、撮影された複数の画像の画像データが、信頼性のあるものか否かを判定する指標となる位相評価値を予め求めておき、得られた位相評価値に基づいて画像の合成を行う。この位相評価値として何を使用するかについても限定されない。本発明においては、各画素における輝度値の変化に対してフーリエ変換を行い、高次周波数のパワースペクトルの総和に対する一次周波数ω１のパワースペクトルの比として定義する。この場合、輝度の振幅が大きい場合（即ち、輝度の変化が大きい場合）に位相評価値は大きくなり、輝度のサチュレーションや輝度の振幅が小さい場合（即ち、輝度の変化が小さい場合）、または、データにランダムノイズが含まれる場合には、位相評価値は小さくなる。そのため、位相評価値は、位相値の信頼性を確認できる値であり、画像合成時には、合成する画像データの取捨選択するための指標として利用することができる。
【００６３】
これを踏まえ、画像の合成処理は、画素毎に各方向からの高さ（ｚ方向の位置）情報の平均値を求める処理であるが、前述した位相評価値についても画素毎に参照し、位相評価値が、所定の閾値を下回るデータに関しては、これを平均化する値として用いないことにより、信頼性の低いデータを排除した精度の高い計測結果を得ることができる。
【００６４】
本発明においては、位相評価値Ｅ（ｉ，ｊ）の計算には、以下の式（１１）を用いる。ここで、Ｆ（ωｎ）は、周波数ωｎのパワースペクトルの大きさを表し、また、Ｎは、最も高い周波数に対応する次数を表している。
【００６５】
こうして、各画素において、式（１１）により求まる位相評価値が所定の閾値を超える画像データのみを合成することにより、信頼性の低いデータを排除した精度の高い合成画像を得ることができる。
【００６６】
以下に、上述した合成処理をより具体的に説明する。ここでは、２台のカメラと２枚の鏡とを備える形状計測装置１００を用いて計測している。精度確認のため、まず基準面を計測対象物とし、高さ（ｚ座標）を変更しながら、基準面の形状測定を行った。ここで、位相シフト回数は４回とした。
【００６７】
図１６は、基準面のｚ軸の位置が５００μｍにおけるｚ座標の分布図を示している。ここで、（ａ）は、４方向（即ち、第１のカメラの実像と鏡像および第２のカメラの実像と鏡像）から撮影された画像の画像データの全てを平均した値を、（ｂ）は、本発明の方法により、位相評価値に基づいて撮影された４枚の画像を合成して得られた結果を示している。これらの図から明らかなように、本発明の合成処理を施すことにより、高さのばらつきが低減されて、計測精度が向上していることが分かる。（ｃ）は、基準面のｚ軸の各位置における本発明の合成処理を施したｚ座標分布を示しており、どの位置においても、計測精度が向上していることが分かる。
【００６８】
次に、図１７に示す、超硬合金からなる計測対象物である試料の形状計測結果について説明する。この試料の表面には、万能投影機（Ｖ−１２ＢＳ型 ＮＯ．１３０００２１）およびデジマイクロ（ＭＦ−５０１ＮＯ．ＥＯ１５２３）を用いて予め測定された、図１７の表に示す段差が存在し、（ａ）から（ｆ）に進むに従って、約１０μｍずつ高くなっている。ここで、この段差部の形状計測結果に注目する。尚、校正および計測は、位相シフト回数を１６回とし、上述のように連続して５枚の画像を撮影して画像データを平均し、ランダムノイズの影響を低減した。
【００６９】
図１８は、計測された試料全体の高さ（ｚ座標）分布図を示す図である。また、図１９は、図１８に示す結果を基に、図１８に示す位置ｊにおけるｘ方向の位置ｉと高さ（ｚ座標）分布を示した図である。それぞれの図において、（ａ）は、第１のカメラの実像の画像、（ｂ）は、第１のカメラの鏡像の画像、（ｃ）は、第２のカメラの実像の画像、（ｄ）は、第２のカメラの鏡像の画像、および（ｅ）は、合成された画像を示している。ここで、合成の際の位相評価値の閾値は１５である。
【００７０】
この図１９（ａ）〜（ｄ）に示すように、４つの方向から撮影された各画像における高さのばらつきが大きいのに対し、図１９（ｅ）に示すように、本発明の画像合成処理により、高さのばらつきが小さくなり、計測精度が向上していることが分かる。
【００７１】
図２０は、アルミニウムからなる計測対象物Ｏである試料を撮影して得られた画像である。この図から明らかなように、ハレーションが発生しており、この状態では、この画像のみから計測対象物Ｏの形状を正確に計測することができない。
【００７２】
図２１は、２台のカメラおよび２枚の鏡を備える本発明の形状計測装置１００により、この試料を４方向から撮影した画像を示している。図２１（ａ）〜（ｄ）は、第１のカメラおよび第２のカメラにより撮影された実像および鏡像の画像とそれぞれの位相評価値とを示しており、図２１（ｅ）は、本発明の方法により合成した画像を示している。図２１（ａ）〜（ｄ）の画像から明らかなように、各画像の高さ分布は、ハレーションにより影響を受けてノイズが含まれているが、図２１（ｅ）に示した合成された画像においては、ハレーションの影響は大きく低減されていることが分かる。このように、本発明の形状計測装置１００により、計測対象物Ｏが金属からなり、ハレーションが発生する場合にも、計測対象物Ｏの形状を精度良く計測することができる。
【００７３】
[形状計測方法]
次に、本発明の形状計測方法について説明する。本発明の形状計測方法は、位相解析処理において、その一例として全空間テーブル化手法に基づく位相シフト法を使用するが、これに限定されない。全空間テーブル化手法に基づく位相シフト法を使用する場合には、位相値と空間座標との相関である空間座標テーブルを画素毎に予め作成する校正を行い、得られた空間座標テーブルを保存しておく必要がある。そのためには、複数の基準面位置におけるz軸とｘｙ軸の格子投影画像と基準点投光画像を撮影しておく必要がある。まず、校正方法における、格子投影画像と基準点投光画像を撮影する校正方法について説明する。
【００７４】
（校正用画像の撮影処理）
図２２は、本発明の校正方法における、格子投影画像および基準点投光画像の撮影処理のフローチャートを示している。
まず、ｚ軸移動ステージ１４を移動させて、基準面１１ａを所定の位置に動かす。次に、ピエゾステージ３を所定の位置に移動させることにより、位相シフト回数に応じたシフト量だけｚ軸用格子ガラス２をシフトさせた後、ｚ軸用光源１であるＬＥＤを点灯させ、第１のカメラ６および第２のカメラ７により、基準面１１に投影された格子模様および鏡に映された格子模様の鏡像を撮影する。ここで、画像の撮影は１回だけ行うのではなく、所定の回数、例えば５回行い、画像データの平均をとって新たに画像データとすることにより、カメラのランダムノイズの影響を低減することもできる。撮影が終わった後、ｚ軸用光源１を消灯し、撮影された画像を解析処理部１５に保存する。上記のピエゾステージ１４の移動から画像の保存までの一連の処理を、予め設定された位相シフト回数に達するまで繰り返し行う。
【００７５】
上述のｚ軸用格子投影画像の撮影に続き、基準面のｚ座標は変えずに、ｘｙ軸用２次元格子画像撮影と基準点画像の撮影を連続して行う。
即ち、まず、ｘｙ軸用光源１２を点灯させ、第１のカメラ６および第２のカメラ７により、基準面１１ａに投影された２次元の格子模様および鏡に映された格子模様の鏡像を撮影する。撮影が終わった後、ｘｙ軸用光源１２を消灯し、撮影された画像を解析処理部１５に保存する。
【００７６】
同様に、基準点投光用レーザー８を点灯させ、第１のカメラ６および第２のカメラ７により、基準面１１ａに投光された基準点および鏡に映された基準点の鏡像を撮影する。ここで、校正処理の場合と同様に、画像の撮影は１回だけ行うのではなく、所定の回数、例えば５回行い、画像データの平均をとって新たに画像データとすることにより、カメラのランダムノイズの影響を低減することもできる。撮影が終わった後、基準点投光用レーザー８を消灯し、撮影された画像を解析処理部１５に保存する。
【００７７】
こうして、基準面１１ａの１つの位置に対して、校正に必要な画像が得られる。次いで、ｚ軸移動ステージ１４により、基準面１１ａを所定の大きさだけ移動させた後、上記の全ての処理を繰り返す。
以上を、所定の回数（規定された基準面の枚数）だけ繰り返すことにより、校正に必要な画像の撮影処理が完了する。
【００７８】
（校正処理）
図２３は、図２２に示した処理により撮影された画像を用いて校正を行い、空間座標テーブルを作成する処理のフローチャートを示している。
まず、上述した位相シフト法により、図２２に示した処理において撮影された位相シフト回数分の撮影画像に対して位相解析を行い、各画素に対する位相値を求める。
次に、ｘｙ軸座標の位相解析前に、図２３の処理において、基準点投光用レーザー８を点灯した状態で撮影された画像を基に、画像における基準点の位置を探索する。
【００７９】
続いて、例えばフーリエ変換格子法により、撮影された２次元格子画像を基に、ｘ軸およびｙ軸の位相値を求める。
その後、得られたｘ軸およびｙ軸の各位相値に対して位相接続を行い、各方向に対して一意の位相に変換される。その際、位相接続の中心点に、探索された基準点を用いる。
上記の全ての処理を、規定の基準面の枚数分だけ繰り返すことにより、全画素に対して、基準面の各位置におけるｘ、ｙおよびｚ方向の位相値を求めることができる。
【００８０】
各基準面位置での位相値を求めた後、空間座標（ｘ、ｙおよびｚ座標）を算出する。空間座標は、まず、ｚ座標については、各画素において必要なテーブル位置のｚ軸の位相値が、上述の処理により求められた複数枚の位相のうち、どの位置に存在するかを求め、位相からの距離を基に、指定位置の位相値を算出した後、この位相値と基準面の移動距離とから求めることができる。また、ｘおよびｙ座標に関しては、上記の処理により求められた位相値と投影格子の１ピッチの長さから座標値を求めることができる。空間座標を取得する際に、空間内のｚ軸上のテーブル枚数（要素数）に関しては、予め任意に指定することができる。指定した枚数分の空間座標テーブルを作成して校正処理は完了となる。
こうして、全空間テーブル化手法に基づいて空間座標テーブルが作成される。
【００８１】
（形状計測処理）
図２４は、計測対象物Ｏの形状を計測する処理のフローチャートを示している。
まず、計測対象物Ｏを基準面１１ａ上に載置し、次に、計測対象物Ｏの高さに応じて、ｚ軸移動ステージ１４により基準面１１ａを任意の位置に移動させる。
続いて、図１９に示したｚ軸用投影格子撮影処理と同様に、ピエゾステージ３を所定の位置に移動させることにより、位相シフト回数に応じたシフト量だけｚ軸用格子ガラス２をシフトさせた後、ｚ軸用光源１であるＬＥＤを点灯させ、第１のカメラ６および第２のカメラ７により、計測対象物Oに投影された格子模様と鏡に映された鏡像Ｏ’を撮影する。撮影が終わったら、ｚ軸用光源１を消灯し、撮影された画像を解析処理部１５に保存する。上記のピエゾステージ１４の移動から画像の保存までの一連の処理を、予め設定された位相シフト回数に達するまで繰り返し行う。
【００８２】
その後、撮影された位相シフト回数分の画像を基に、例えば位相シフト法により位相解析を行い、各画素に対する位相値を求める。ここで、図２２および図２３に示した処理により作成された空間座標テーブルを参照することにより、求められた位相値から空間座標が得られ、計測対象物Ｏの形状を求めることができる。こうして、撮影された各画像に対する形状計測処理が完了する。
最後に、複数の形状計測結果に対して図２５に示す合成処理を施すことにより、１つの形状計測結果を得ることができる。
【００８３】
（合成処理）
複数の画像を合成するためには、各画像で同位置となる一点を探索しておく必要がある。そのため、校正処理の場合と同様に、まず、基準点投光用レーザー８を点灯し、次に基準面１１ａ上に投光された基準点の画像を撮影した後、基準点投光用レーザー８を消灯して撮影した画像を解析処理部１５に保存する。
次に、撮影された画像上の基準点を探索する。
続いて、撮影された全ての画像の位相評価値（ＰＥＶ）を算出する。
その後、撮影された画像が鏡像を撮影したものであるか否かの判定を行い、鏡像である場合には、画像を反転させる画像反転処理を行う。
続いて、撮影された画像が第１のカメラにより撮影されたものであるか否かの判定を行い、第１のカメラにより撮影されたものでない場合には、画像を９０°回転させる処理を行う。ここで９０°回転させるのは、形状計測装置１００においては、第１のカメラおよび第２のカメラを図１および図４に示すように配置したためであり、第１のカメラと第２のカメラとの間の配置関係が形状計測装置１００と異なる場合には、その配置関係に基づいて、画像の回転、および回転処理を適切に行うようにする。
【００８４】
次に、全ての画像に対して、上述した再サンプリング処理を施し、計測されたｘｙ座標を同一の座標系に再配置する。
最後に、同一の向きおよび同一の座標系に再配置された画像の計測結果に対して、各画像に対して求められた位相評価値が、所定の閾値を下回る場合にはデータを捨て、残されたデータの平均値を算出することにより、合成処理を行う。
【００８５】
こうして、本発明の形状計測方法により、一度に複数方向から計測対象物の形状を計測することが可能になるため、一方向からの撮影では得られない計測対象物の裏側の形状を測定することができる。
また、複数のカメラにより撮影された画像を合成することにより、計測対象物に金属が含まれる場合や、計測対象物の形状が曲面を有する場合にも、ハレーションの影響を低減して計測対象物の形状を精度良く算出することができる。
【００８６】
以上、具体例を挙げて本発明を詳細に説明してきたが、本発明の特許請求の範囲から逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能であることは当業者に明らかである。例えば、構成することも可能である。従って、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明によれば、一度に複数方向から計測対象物の形状を計測することが可能になり、また、ハレーションの影響を低減して、計測対象物の形状を精度良く計測できるため、電子部品の検査、人体計測、医療用計測、及び小型生物の立体観察や立体計測等に有用である。
【符号の説明】
【００８８】
１ ｚ軸用光源
２ ｚ軸用格子ガラス
３ 第１のレンズ
４ ピエゾステージ
５ ペルチェ冷却装置
６ 第１のカメラ
７ 第２のカメラ
８ 基準点投光用レーザー
９ 第１の鏡
１０ 第２の鏡
１１ 基準平板
１１ａ 基準面
１２ ｘｙ軸用光源
１２ａ ＬＥＤ点光源
１２ｂ ピンホール板
１２ｃ 第２のレンズ
１３ ｘｙ軸用格子ガラス
１３ａ ｘ軸用格子ガラス
１３ｂ ｙ軸用格子ガラス
１４ ｚ軸移動ステージ
１５ 解析処理部
１６ 迷光防御壁
Ｏ 計測対象物
Ｏ’ 計測対象物の鏡像
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測対象物の形状を計測する装置および方法に関するものであり、特に、計測対象物の裏側の形状まで精度良く計測する装置および方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
格子投影法による非接触形状計測装置、干渉縞解析による非接触応力・ひずみ計測装置や、ディジタルホログラフィによる変位計測装置等では、計測条件を変えて得られた複数の縞画像計測データを合成することによって、より良好な結果を得ることが期待される。
【０００３】
しかしながら、従来の縞画像解析方法では、例えば計測条件を変えて得られた複数の縞画像計測データを合成する際に、これらのデータの平均値を結果としていたため、ノイズがある場所では大きな誤差が生じるといった問題や、精度よく計測できた点とノイズがある場所との判断を画素毎に行うことができないといった問題があった。
【０００４】
この問題を解決する従来の技術として、特許文献１には、解析する領域を複数の領域にグループ分けして処理を行い、相互の境界部を計算して合成を行う方法が開示されている。しかし、この従来の解析方法では、画素毎に合成することができないという問題があった。
【０００５】
単にデータを平均するだけでなく、画素毎に評価値を決定して評価値が高いデータを採用することで良好な結果を得ることが可能になると思われる。画像を評価する従来技術
として、特許文献２には、画像断面の濃淡分布を空間周波数に対する人間の目の感度を表す特性の帯域フィルタに通過させ、その帯域フィルタの出力の濃淡分布から画像品質を表す評価値を算出する方法が開示されている。この従来の画像評価方法では、ディジタル画像の画像品質を評価値で評価し表示できるといった特徴がある。しかし、この従来の画像評価方法は、カメラで撮影したディジタル画像の画像品質の評価にしか用いることが出来ず、縞画像計測において解析した位相データを評価することはできないという問題があった。
【０００６】
そこで、特許文献３には、位相シフトされた複数の縞画像データの各々を位相解析して複数の位相分布データを得た後に、複数の位相分布データの各々に関して関連する縞画像データから画素毎に評価値を決定し、複数の位相分布データを画素毎に対応する評価値の高いものを選択することによって精度良く合成することができる技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−２４１９３０ 号明細書
【特許文献２】特開平０７−３２５９２２号明細書
【特許文献３】特許第３８３７５６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、近年、計測対象物の全表面の形状を測定する要求が存在する。即ち、計測対象物の一部のみではなく、計測対象物の全周囲の形状を計測することが望まれている。
しかしながら、特許文献３に記載の方法では、計測対象物を一方向から撮影するため、カメラの視野に入らない計測対象物の裏側について形状を測定することができない点に課題を残していた。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、１つのカメラの視野に入らない計測対象物の裏側の形状まで精度良く計測する装置および形状計測方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
発明者らは、上記課題を解決する手段について鋭意検討した結果、計測対象物の周囲に鏡を配置し、カメラを、計測対象物の画像と鏡に映された鏡像の画像とを同時に撮影可能に配置して、計測対象物および鏡に映された鏡像を撮影することが有効であることを見出し、本発明を完成させるに到った。
【００１１】
即ち、本発明の形状計測装置は、計測対象物の形状を計測する装置であって、前記計測対象物に格子模様を投影する格子模様投影部と、前記計測対象物の周囲に配置された少なくとも１つの鏡と、前記計測対象物および前記鏡に映る前記計測対象物の鏡像を撮影する少なくとも１つの撮影部と、撮影された前記計測対象物および前記鏡像の画像の各々に対して位相解析処理を施して前記計測対象物の形状を算出するとともに撮影された前記計測対象物の画像と前記鏡像の画像とを合成する解析処理部とを備え、前記撮影部の各々は、前記計測対象物の少なくとも一部の領域と該少なくとも一部の領域の鏡像とを同時に撮影可能に配置されていることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明の形状計測装置は、計測対象物の形状を計測する装置であって、前記計測対象物に格子模様を投影する格子模様投影部と、前記計測対象物の周囲に配置された少なくとも１つの鏡と、前記計測対象物および前記鏡に映る前記計測対象物の鏡像を撮影する少なくとも１つの撮影部とを備え、前記撮影部の各々は、前記計測対象物の少なくとも一部の領域と該少なくとも一部の領域の鏡像とを同時に撮影可能に配置されていることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明の形状計測装置において、前記鏡の各々に対して迷光防止壁を設けることを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明の形状計測装置において、２つの鏡と２つの撮影部とを備えることを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明の形状計測装置において、２つの鏡と１つの撮影部とを備えることを特徴とするものである。
【００１６】
また、本発明の形状計測方法は、周囲に少なくとも１枚の鏡が配置された計測対象物の形状を計測する方法であって、前記計測対象物に格子模様を投影する格子模様投影ステップと、前記計測対象物と前記鏡に映る前記計測対象物の鏡像とを同時に撮影する画像撮影ステップと、前記格子模様を所定の大きさだけシフトさせる位相シフトステップと、
撮影された前記実像および前記鏡像の画像の各々に対して位相解析処理を施して前記計測対象物の形状を算出する形状算出ステップとを含み、該形状算出ステップは、前記画像撮影ステップと、前記位相シフトステップとを所定の回数だけ繰り返した後に行うことを特徴とするものである。
【００１７】
また、本発明の形状計測方法において、前記位相解析処理は、全空間テーブル化手法に基づいて位相値と空間座標とを関連づけるテーブルを予め画素毎に作成しておき、該テーブルを参照して、位相シフト法により求められた各画素の位相値から空間座標を求めることにより行うことを特徴とするものである。
【００１８】
また、本発明の形状計測方法において、撮影された画像の周波数成分の比に応じた評価値に基づいて、前記計測対象物の画像と前記鏡像の画像とを一枚の画像に合成する合成処理ステップを更に含むことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、計測対象物の周囲に鏡を配置することにより、一度に複数方向から計測対象物の形状を計測することが可能になるため、一方向からの撮影では得られない計測対象物の裏側の形状を測定することができる。
また、複数のカメラにより撮影された画像を合成することにより、計測対象物に金属が含まれる場合や、計測対象物の形状が曲面を有する場合にも、ハレーションの影響を低減して計測対象物の形状を精度良く算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施例の形状計測装置の斜視図である。
【図２】本発明の一実施例の形状計測装置の正面図である。
【図３】本発明の一実施例の形状計測装置における構成の詳細を説明する図である。
【図４】本発明の一実施例の形状計測装置の上面図である。
【図５】格子模様が投影された試料およびその鏡像を示す図である。
【図６】迷光防止壁が設けられた鏡を示す図である。
【図７】形状計測のための１次元格子模様が投影された基準面およびその鏡像を示す図である。
【図８】全空間テーブル化手法に用いる２次元格子模様が投影された基準面およびその鏡像を示す図である。
【図９】１台のカメラと１枚の鏡を用いた場合に対する形状計測装置の簡易斜視図である。
【図１０】１台のカメラと２枚の鏡を用いた場合に対する形状計測装置の簡易斜視図である。
【図１１】（ａ）輝度分布、および（ｂ）位相分布を示す図である。
【図１２】位相シフト量と輝度との関係を示す図である。
【図１３】全空間テーブル化手法による形状計測の原理を表す図である。
【図１４】ある画素に対する位相値とｘ、ｙおよびｚ座標との対応関係を示す図である。
【図１５】（ａ）再サンプリング前、および（ｂ）再サンプリング後の位相分布データの計測点を示す図である。
【図１６】（ａ）および（ｂ）は、（ａ）計測結果の平均値を用いる場合、および（ｂ）本発明の合成処理によるｚ座標分布を示す図であり、（ｃ）は、本発明による各ｚ座標位置におけるｚ座標分布を示す図である。
【図１７】計測対象物である試料およびその表面形状を示す図である。
【図１８】（ａ）〜（ｄ）は、２台のカメラにより撮影された試料の実像および鏡像の画像を示す図であり、（ｅ）は、合成された画像を示す図である。
【図１９】（ａ）〜（ｄ）は、２台のカメラにより撮影された試料の実像および鏡像の画像に対する高さ分布および位相評価値を示す図であり、（ｅ）は、合成された画像に対する高さ分布を示す図である。
【図２０】ハレーションが発生した場合の計測対象物の画像である。
【図２１】本発明の一実施例による形状計測装置により得られた形状計測結果と、合成された画像を示す図である。
【図２２】校正処理における画像を撮影するフローチャートを示す図である。
【図２３】校正処理における空間座標テーブルを作成するフローチャートを示す図である。
【図２４】本発明の形状計測方法のフローチャートを示す図である。
【図２５】本発明の形状計測方法における画像の合成処理のフローチャートを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
[形状計測装置]
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
本発明の形状計測装置は、計測対象物に格子模様を投影する格子模様投影部と、計測対象物の周囲に配置された少なくとも１つの鏡と、計測対象物および鏡に映る計測対象物の鏡像を撮影する少なくとも１つの撮影部と、計測対象物の画像と鏡像の画像の各々に対して位相解析処理を施して計測対象物の形状を算出するとともに撮影された前記計測対象物の画像と前記鏡像の画像とを合成する解析処理部とを備える。ここで、撮影部の各々は、計測対象物の少なくとも一部の領域と該少なくとも一部の領域の鏡像とを同時に撮影可能に配置されていることが肝要である。
【００２２】
図１は、本発明の一実施例の形状計測装置を示す図である。この形状計測装置１００は、ｚ軸用光源１と、ｚ軸用格子ガラス２と、第１のレンズ３と、ピエゾステージ４と、ペルチェ冷却装置５と、第１のカメラ６および第２のカメラ７と、基準点投光用レーザー８と、第１の鏡９および第２の鏡１０と、基準平板１１と、ｘｙ軸用光源１２と、ｘｙ軸用格子ガラス１３と、ｚ軸移動ステージ１４と、解析処理部１５とを備える。
【００２３】
この形状計測装置１００において、計測対象物Ｏは基準平板１１上に載置され、該基準平板１１の周囲には、計測対象物Ｏを映す２枚の鏡（第１の鏡９および第２の鏡１０）が配置されている。
基準平板１１の上方には、計測対象物Ｏに格子模様を投影する格子模様投影部として、ｚ軸用光源１と、ｚ軸用格子ガラス２と、第１のレンズ３と、ピエゾステージ４が設けられている。ここで、ｚ軸用光源は、その照射方向が−ｚ方向に向けられている。
【００２４】
また、撮影部として２台のカメラ（第１のカメラ６および第２のカメラ７）が設けられている。その各々は、ｙ方向から見て、その撮影方向がｚ軸と４５°の角度をなすように下向き（即ち、−ｚ軸方向）に配置されており、かつ、第１のカメラ６および第２のカメラ７は、ｚ方向から見て、撮影方向が互いに直交するように配置されている。ここで、第１のカメラ６および第２のカメラ７の各々は、計測対象物Ｏにおいて、形状を計測したい所望の領域と、この所望の領域の鏡像とを同時に撮影可能に配置されている。
【００２５】
一方、基準平板１１の下方には、ｘｙ軸用格子ガラス１３と、ｘｙ軸用光源１２とが設けられており、更にその下方には、基準平板１１に接続され、基準平板１１（即ち、基準面１１ａ）をｚ軸方向に移動させるｚ軸移動ステージ１４が設けられている。これらは、全空間テーブル化手法に基づいて、位相値と空間座標との相関である空間座標テーブルを作成するために使用される。以下、形状計測装置１００の各構成要素について説明する。
【００２６】
ｚ軸用光源１は、ｚ軸用格子ガラス２を介して、計測対象物Ｏおよび基準面１１ａ上に格子模様を投影するための光を照射する。この光は、格子模様を安定して投影できれば特に限定されない。例えば、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｏｄｅ，ＬＥＤ）を使用することができる。本実施例においては、ｚ軸用光源１は、その照射方向が基準平板１１の法線方向と平行になるように配置されているが、計測対象物Ｏおよび基準面１１ａに格子模様が投影できれば、配置は特に限定されない。
【００２７】
ｚ軸用格子ガラス２は、図２に示すような１次元の格子模様を有しており、ｚ軸用光源１により照射された光を通過させて、１次元の格子模様を計測対象物Ｏに投影するために用いられる。
【００２８】
第１のレンズ３は、ｚ軸用光源１から照射され、ｚ軸用格子ガラス２を通過した光を集光して、計測対象物Ｏおよび基準面１１ａに格子模様を投影するように配置する。
【００２９】
ピエゾステージ４は、ｚ軸用格子ガラス２に結合されており、ｚ軸格子ガラス２をシフトさせる。これにより、計測対象物Ｏおよび基準面１１ａに投影された１次元の格子模様をシフトさせることができる。このピエゾステージ４は、図２に示すような、ｚ軸用格子ガラス２に描かれた１次元の格子模様がシフトするように、即ち、１次元格子模様である所定の間隔で配置された多数の直線が、直線に平行ではない方向にシフトするように、ｚ軸用格子ガラス２に結合させる。
【００３０】
これらｚ軸用光源１と、ｚ軸用格子ガラス２と、第１のレンズ３と、ピエゾステージ４とからなる格子模様投影部は、上記構成に限定されず、計測対象物Ｏ上に１次元の格子模様を投影し、格子模様をシフト可能に構成されていればよい。上記構成の代わりに、例えば液晶プロジェクタを用いることもできる。
【００３１】
ペルチェ冷却装置５は、基準平板１１の上方の装置の最も高い位置にて下向きに設置されており、装置全体が過熱されないように冷却する。
【００３２】
第１のカメラ６および第２のカメラ７は、図３に示すように、計測対象物Ｏおよび基準平板１１の周囲に配置された鏡に映された鏡像Ｏ’の画像を撮影する。そのために、カメラの各々は、計測対象物Ｏと鏡に映された鏡像Ｏ’の双方を同時に視野に納まり撮影可能となる位置に配置するようにする。本実施例においては、上述のように、第１のカメラ６および第２のカメラ７の各々は、ｙ方向から見て、その撮影方向がｚ軸と４５°の角度をなすように下向き（即ち、−ｚ軸方向）に配置されており、また、第１のカメラ６および第２のカメラ７は、ｚ軸方向から見て、それぞれの撮影方向が互いに直交するように、また、対面する鏡面の法線方向と平行になるように配置されている。しかし、上記の要件、即ち、カメラの各々が、計測対象物Ｏと鏡に映された鏡像Ｏ’の双方を同時に視野に納めて撮影可能となる位置に配置されていれば、カメラの設置位置や撮影方向等は限定されない。
これら第１のカメラ６および第２のカメラ７としては、例えばＣＭＯＳカメラやＣＣＤカメラを用いることができる。
【００３３】
尚、カメラから見て、図５に示すように、計測対象物Ｏとその鏡像Ｏ’とが完全に分離されている必要はなく、鏡像Ｏ’の一部が、計測対象物Ｏに隠れていても構わない。この場合、隠れていない領域のみが位相解析処理の対象となる。
また、形状を計測したい領域（所望の計測領域）は、必ずしも計測対象物Ｏの全体とは限らない。その場合には、カメラの各々が、計測対象物Ｏの所望の計測領域（即ち、計測対象物Ｏの少なくとも一部の領域）と、鏡に映される所望の計測領域の鏡像とが同時に視野に収まり撮影可能となる位置に配置されていればよい。また、カメラから見て、上記所望の計測領域とその鏡像は、上記所望の計測領域と完全に分離されている必要はなく、鏡像の一部が所望の計測領域に隠れていても構わない。この場合にも、隠れていない領域のみが位相解析処理の対象となる。
【００３４】
基準点投光用レーザー８は、基準平板１１の上方に設置されており、計測対象物Ｏまたは基準面１１ａ上の適切な位置にレーザー光を照射し、撮影された計測対象物Ｏの画像と、鏡に映る鏡像Ｏ’の画像とを合成する際に、両画像における同一の位置が特定できるような基準点（目印）を表示する。本実施例においては、レーザー光により基準点を表示するが、これに限定されず、例えば計測対象物Ｏ上や基準面１１ａ上の適切な位置に予め基準点をマーキングしておいてもよい。
【００３５】
第１の鏡９および第２の鏡１０は、基準平板１１の周囲に設けられ、計測対象物Ｏの鏡像Ｏ’を映すために設けられている。本実施例においては、図１に示すように、２枚の鏡は、基準面１１ａに対して直交し、更に互いの鏡面が直交して接するように配置されている。これらの鏡の配置は、上述のように、カメラの各々が、計測対象物Ｏと鏡に映る計測対象物Ｏの鏡像とを同時に撮影可能なように配置されていれば、特に限定されない。
図５に、格子模様を基準平板１１上に載置された計測対象物Ｏ上に投影し、第２の鏡１０に鏡像Ｏ’が映る様子を示す。これらの鏡を用いて、１台のカメラで計測対象物Ｏと鏡に映る鏡像を同時に撮影することは、２台のカメラを用いて、計測対象物Ｏを２つの異なる位置から撮影することと同じである。つまり、１台のカメラを用いるだけで、異なる位置に配置されたカメラ２台による計測結果を得ることができるのである。
また、鏡の設置により、鏡が無い場合には撮影が不可能な部分を撮影することも可能になる。そのため、計測対象物Ｏの全体が撮影可能となるように鏡を配置することにより、計測対象物Ｏの全体の形状を測定することも可能になる。
【００３６】
ここで、図１に示すように、２枚の鏡を極めて近い位置に接近（または接触）させて配置する場合には、ｚ軸用光源１から光が照射されると、計測対象物Ｏや第１の鏡９および第２の鏡１０により反射や散乱された光が互いに干渉してしまい、形状計測を精度良く行えない場合がある。その場合には、図６に示すように、迷光防止壁１６を鏡に設けることにより、形状計測を阻害する光の干渉を抑制することができる。この迷光防止壁１６は、上記の干渉を抑制することができれば、大きさや形状、素材等は問わない。
【００３７】
基準平板１１は、計測対象物Ｏの形状を計測する際に該計測対象物Ｏを載置するとともに、全空間テーブル化手法に基づいて位相値と空間座標との相関である空間座標テーブルを作成する際に用いられる基準面１１ａをその表面に有している。本実施例においては、計測対象物Ｏの形状計測と、空間座標テーブルの作成とに使用する光源が異なっており、形状計測用の光源（ｚ軸用光源１）は基準平板１１の上方に、また、空間座標テーブル作成用の光源（ｘｙ軸用光源１２）は基準平板１１の下方にそれぞれ配置されている。そこで、基準平板１１として、５０ｍｍ×５０ｍｍのオパール層ガラスを使用し、基準面１１ａ上に上下方向（即ち、±ｚ軸方向）から格子模様を投影可能となるように構成されている。また、後述する校正の精度を確保するために、基準平板１１の表面は、研磨により散乱面となるような加工処理が施されており、得られた散乱面を基準面１１ａとして上向き（即ち＋ｚ方向）に配置されている。
【００３８】
図７は、ｚ軸用光源１により、基準面１１ａの上方からｚ軸用格子ガラス２を介して１次元格子模様が投影された基準面１１ａと、第２の鏡１０に映った鏡像を示している。また、図８は、ｘｙ軸用光源１２により、基準面１１ａの下方からｘｙ軸用格子ガラス１３を介して２次元格子模様が投影された基準面１１ａと、第２の鏡１０に映った鏡像を示している。
基準平板１１の材料としては、オパール層ガラスに限定されず、基準面１１ａの上方から形状計測のための１次元格子模様を投影でき、下方から校正のための２次元格子模様を投影できれば、特に限定されない。
【００３９】
ｘｙ軸用光源１２は、図２に示すように、ＬＥＤ点光源１２ａと、ピンホール板１２ｂと、第２のレンズ１２ｃとを有し、平行光に近い光を照射できるように構成されている。即ち、ＬＥＤ点光源１２ａから照射された光は、ピンホール板１２ｂの穴を通って点光源となり、レンズ１２ｃにより略平行光となった後に、ｘｙ軸用格子ガラス１３を通過する。
【００４０】
ｘｙ軸用格子ガラス１３は、全空間テーブル化手法に基づいて、空間座標テーブルを作成する際に用いられ、基準面１１ａに投影するための２次元の格子模様が描かれている。このｘｙ軸用格子ガラス１３は、基準平板１１の直下に配置されている。ｘｙ軸用格子ガラス１３は、図２に示すように、それぞれ１次元の格子模様が描かれた２枚ガラス（ｘ軸ガラス１３ａおよびｙ軸ガラス１３ｂ）を、それぞれの格子模様が互いに直交するように重ね合わせることにより構成されている。このような構成の代わりに、２次元の格子模様が描かれた１枚の格子ガラスを用いることもできる。
【００４１】
ｚ軸移動ステージ１４は、基準平板１１に結合されており、ｘｙ軸用プロジェクタ１２の下方に設置されている。このｚ軸移動ステージ１４は、図５に示すように、基準平板１１（即ち、基準面１１ａ）をｚ軸方向に移動させる。本実施例においては、ｚ軸移動ステージ１４ｔとして、０．１μｍの精度で位置決めができるフィードバック機能付きの１軸ステージを使用しており、形状計測時における計測対象物Ｏの高さ（即ち、ｚ座標）調整や、全空間テーブル化手法に基づいて空間座標テーブルを作成する際の基準面１１ａの高さ調整のために使用される。
【００４２】
解析処理部１５は、カメラにより撮影された、計測対象物Ｏの画像および鏡に映る鏡像の画像に対して位相解析処理を施すことにより計測対象物Ｏの形状を算出する。ここで、位相解析手法は特に限定されないが、本実施例においては、一例として、後述する位相シフト法を用い、また、全空間テーブル化手法に基づいて位相値と空間座標との相関である空間座標テーブルを各画素に対して予め作成して保存しておく。これにより、位相シフト法を用いて画像の各画素の位相値が求まれば、空間座標（ｘ、ｙおよびｚ座標）、即ち、計測対象物Ｏの形状を直ちに求めることができる。
また、本実施例においては、２台のカメラと２枚の鏡を使用することにより、４方向から撮影された複数の画像が得られる。このため、解析処理部１５は、得られた計測対象物Ｏの画像と鏡像Ｏ’の画像を合成する。この合成は、撮影された異なるカメラで撮影された画像や鏡像Ｏ’の画像を、後述するように、適切に回転または反転処理を施した後に行う。合成方法は特に限定されず、例えば画像データを単純に平均化することにより行うことができ、また本発明において使用する、後述する所定の評価値に基づいて行うこともできる。
また、複数の鏡およびカメラにより、１つのカメラの視野に入らない計測対象物Ｏの裏側が鏡に映されるため、撮影された画像を組み合わせることにより、計測対象物Ｏの全周囲の形状を測定することが可能になる。
また、計測対象物が、例えば電子部品であり、金属部分が含まれる場合や、計測対象物が曲面を有する場合に、形状計測のための光を照射するとハレーションが発生する場合があるが、カメラの位置が異なると、ハレーションが発生する位置も異なるため、異なる位置のカメラにより撮影された画像を合成することにより、ハレーションの影響を低減して、計測対象物の形状を精度良く求めることもできる。
【００４３】
尚、上記の実施例の形状計測装置１００は、撮影部として２台のカメラ（第１のカメラ６および第２のカメラ７）と、２枚の鏡（第１の鏡９および第２の鏡１０）とを備えているが、カメラおよび鏡の数は限定されない。例えば、図９に示す形状計測装置２００のように、第１の実施例である形状計測装置１００における２台のカメラ（第１のカメラ６および第２のカメラ７）の代わりに１台のカメラ（カメラ２６）を、２枚の鏡（第１の鏡９および第２の鏡１０）の代わりに１枚の鏡（鏡３０）をそれぞれ備えるようにし、他の構成は形状計測装置１００と同一にすることができる。ここで、形状計測装置１００と構成が異なる部分についてのみ、符号が付けられている。
【００４４】
また、図１０に示す形状計測装置３００のように、形状計測装置１００における２台のカメラ（第１のカメラ６および第２のカメラ７）の代わりに１台のカメラ（カメラ３６）を備えて他の構成は形状計測装置１００と同一にし、カメラ３６を、計測対象物Ｏおよび３つの鏡像を同時に撮影可能に構成することもできる。ここで、形状計測装置１００と構成が異なる部分についてのみ、符号が付けられている。これにより、１台のカメラにより、異なる方向を向いた４つのカメラから撮影したのと同様の効果を得ることができる。
【００４５】
このような形状計測装置１００を使用することにより、一度に複数方向から計測対象物の形状を計測することが可能になるため、一方向からの撮影では得られない計測対象物の裏側の形状を測定することができる。
また、複数のカメラにより撮影された画像を合成することにより、計測対象物に金属が含まれる場合や、計測対象物の形状が曲面を有する場合にも、ハレーションの影響を低減して計測対象物の形状を精度良く算出することができる。
【００４６】
（位相シフト法）
ここで、本発明において位相解析処理の一例として使用する位相シフト法および全空間テーブル化手法について説明する。まず位相シフト法について説明する。
図１１は、格子画像の輝度分布と位相分布の関係を表す図である。図１１（ａ）は、格子の輝度分布を表し、図１１（ｂ）は、格子の位相分布をそれぞれ表す。また、図１２は、位相シフト量と位相シフトした時の輝度変化の関係を表す図である。
格子や干渉縞の輝度値Ｉ（ｘ，ｙ）は、一般に、図１２（ａ）に示すように、空間（ｘ，ｙ）上に余弦波状に分布している。これを式で表すと、式（１）のようになる。
ここで、点（ｘ，ｙ）は、撮影された画像内の一点であり、ａ（ｘ，ｙ）およびｂ（ｘ，ｙ）は、それぞれ輝度振幅と背景輝度を表し、θ（ｘ，ｙ）は、格子の位相値を表す。格子が撮影された画像（以下、「格子画像」と称する）の場合、位相は実数全体で表すことができるが、０から２πまでの２π周期の繰り返しと見ることもできる。図１１（ｂ）は、θ（ｘ，ｙ）の分布を０から２πまでの繰り返しとして表現したものである。
【００４７】
位相シフト法は、格子の位相を１周期分だけ変化させながら複数枚の格子画像を撮影し、得られた複数の画像から位相分布を求める手法である。全ての画素において、輝度は１周期分変化するため、その輝度変化から各点ごとに独立して、即ち、周囲の画素の輝度変化の情報を使わずに位相値を求めることができる。そのため、段差や不連続のある物体の形状計測に有効な手法である。ここでは、最も一般的に用いられている、π／２ずつ位相シフトされた４つの輝度値から位相値を求める場合（即ち、位相シフト回数が４回の場合）を例に、位相シフト法の原理について説明する。
【００４８】
式（１）で示した格子の輝度分布の式に、位相シフト量αを追加すると式（２）となる。
図１２に、初期位相θをもつ点（画素）における位相シフト量αと輝度変化の関係を示す。初期位相とは、位相シフト量が０の時の格子の位相を意味している。位相シフト量が０からπ／２ずつ変化した場合の輝度をそれぞれＩ０，Ｉ１，Ｉ２およびＩ３とすると、これらは、それぞれ式（３）〜（６）のように表すことができる。尚、以下の式では（ｘ，ｙ）の表記を省略する。
【００４９】
これらの式から、以下の式（７）および（８）が得られる。
さらに、式（７）および（８）から、以下の式（９）が導かれ、この関係式より位相値θを求めることができる。即ち、位相シフト量が０、π／２、πおよび３π／２の場合の輝度、Ｉ０，Ｉ１，Ｉ２およびＩ３が得られれば、この画素に対する位相値θが求まるのである。
【００５０】
ここで、位相シフトの回数（即ち、０から２πまでの刻み数）を多くすることにより、カメラのランダムノイズの影響を低減することができる。位相シフト回数をＮ、位相シフト量が２πｋ／Ｎの時の輝度をＩｋとすると、式（１０）が導かれ、この関係式より位相値θを求めることができる。
こうして、位相シフト法により、画像上の各画素における位相値θを求めることができる。
【００５１】
（校正方法）
次に、位相シフト法により各画素に対して求められた位相値から、空間座標（ｘ、ｙ、ｚ）、即ち、計測対象物の形状を算出する方法について説明する。
本発明においては、従来技術のように、位相値と空間座標を対応付ける変換式を用い、この変換式に用いられるパラメータを求める方法は使用しない。即ち、本発明においては、投影された格子の位相値と空間座標の対応関係を、カメラの画素毎に予め求めてテーブル化しておく方法を採用し、これを校正（キャリブレーション）と呼ぶ。この校正処理により、計測対象物に投影された格子の位相値が得られれば、従来手法のように変換式を用いた座標の計算をせずに、得られた空間座標テーブルを参照するだけで、計測対象物の表面の空間座標、即ち計測対象物の形状を直ちに求めることができる。
【００５２】
（全空間テーブル化手法）
図１３は、全空間テーブル化手法（例えば、特開２００８−２８１４９１号公報参照）による形状計測の原理を表す図である。図１３（ａ）に示すように、ｚ軸方向（高さ方向）に垂直に設置された基準面を、ｚ軸方向に少しずつ平行移動させる。カメラとプロジェクタは、基準面の上方に固定しておく。プロジェクタからは、格子模様が基準面に投影される。この時、投影される格子模様は等間隔である必要は特にない。この投影される格子の位相は、上述の位相シフト法によって容易に算出することができる。
ここで、カメラのある１画素が、図１３（ｂ）に示す直線Ｌ上の点を撮影しているとする。この画素は、基準面の位置Ｒ０，Ｒ１，Ｒ２，．．．ＲＮに応じて、それぞれ点Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２，．．．ＰＮを撮影することになる。それぞれの点における位相値θ０，θ１，θ２，．．．θＮは、位相シフト法によって求めることができる。
【００５３】
図１３（ｂ）に、１画素の撮影ラインＬと基準面上の空間座標（ｘ，ｙ，ｚ）との関係を示す。１画素が撮影している各基準面上の点Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２，．．．ＰＮについては、基準面に投影された２次元の格子模様からｘ座標およびｙ座標を得て、基準面の位置からｚ座標を得る。ここで、ｘおよびｙ座標については、様々な方法、例えばフーリエ変換格子法により、ｘ方向およびｙ方向の位相値をそれぞれ求め、更に位相接続を行うことにより、各点におけるｘ座標およびｙ座標をそれぞれ得ることができる（例えば、特許第３２８１９１８号公報参照）。
【００５４】
こうして、各基準面の位置毎に、投影格子の位相値θに対するｘ座標、ｙ座標およびｚ座標を画素毎に得られることになる。投影された２次元格子模様の位相値θは、基準面の位置でしか得られないが、基準面の間隔を小さくして、その間を補間することにより、全ての位相値に対する空間座標を精度よく求めることができる。
【００５５】
上記の校正手法により、位相値θ０，θ１，θ２，．．．θＮとｘ座標ｘ０，ｘ１，ｘ２，．．．ｘＮ、ｙ座標ｙ０，ｙ１，ｙ２，．．．ｙＮおよびｚ座標ｚ０，ｚ１，ｚ２，．．．ｚＮの関係が画素毎にそれぞれ得られる。これらの関係を、図１４の（ａ）〜（ｃ）に黒点で示す。
位相値θに対するｘ，ｙおよびｚ座標は、それぞれ滑らかに変化する。位相値θを等間隔に分割し、対応するｘ，ｙおよびｚ座標をそれぞれ補間して求めることにより空間座標テーブルを作成する。格子投影法の場合は、一般的な配置では、位相値と座標の対応関係は滑らかな曲線状になるため、線形補間で十分な精度が期待できるが、もちろん高次の補間を行ってもよい。図１４においては、線形補間を行い、黒点間を結んだ直線上の点として空間座標テーブルを作成する。図１４においてＫで示した区間については、外挿することにより位相値と空間座標との相関を求めることができる。
【００５６】
こうして、全空間テーブル化手法に基づいて、位相値θと空間座標（ｘ、ｙおよびｚ座標）との相関である空間座標テーブルを作成することができる。また、投影格子の位相接続を行う場合でも、同様の考え方により、位相接続後の位相と空間座標の関係をテーブル化することができる。位相接続を行うことにより、ｚ方向の計測可能範囲を広げることができる。
【００５７】
（計測対象物の形状計測）
まず、図１３（ａ）に示すように、基準面Ｒ０とＲＮとの間に計測対象物を設置する。この計測対象物に、校正処理の時と同一の格子模様を投影する。その結果、直線Ｌ上を撮影する画素は、計測対象物上の点Ｐを撮影することになり、その点に投影されている格子模様の位相値θｐが、その画素の位相値として得られることになる。
次に、予め作成しておいた空間座標テーブルを参照することにより、得られた位相値θｐに対応するｘ、ｙおよびｚ座標を求めることができる。即ち、図１４（ａ）に示すように、得られた位相値θｐに対応するｘ座標ｘｐは、ｘ座標のテーブルを参照するだけで直ちに得られる。同様に、ｙ座標とｚ座標についても、位相値θｐからｙ座標およびｚ座標のテーブルを参照することのみにより、直ちに得ることができるのである。
こうして、予め作成しておいた空間座標テーブルを参照することにより、得られた位相値θｐから、空間座標を求めることができ、計測対象物の形状を高速に計測することができる。
【００５８】
（再サンプリング処理）
上記の形状計測方法により得られた形状計測結果は、カメラの画素が撮影する点の座標分布として求められるため、図１５（ａ）に示すように、ｘｙ平面に対して等間隔ではない座標分布として得られる。しかし、異なる位置に配置された複数のカメラにより撮影された画像や、実像の画像と鏡像の画像を合成する際には、図１５（ｂ）に示すように、ｘｙ平面において等間隔にサンプリングされた点の空間座標を得る必要がある。そのために、以下のような再サンプリング処理を行う。
【００５９】
まず、ｘおよびｙ座標を知りたい点Ｐｓを囲む３つの点Ｐａ、ＰｂおよびＰｃを探し出す。次に、この３点を通る平面と、サンプリング点Ｐｓのｘｙ座標からｚ方向に垂直に伸ばした直線との交点を再サンプリング点のｚ座標とする。こうして再サンプリング処理を行うことにより、図１５（ｂ）に示すように、ｘｙ平面において等間隔にサンプリングされた点の空間座標を得ることができる。
【００６０】
また、本発明の一実施例の形状計測装置１００においては、ｚ方向から見て２台のカメラの撮影方向が互いに直交するように配置されているため、第１のカメラにより撮影された画像と第２のカメラにより撮影された画像を合成するためには、一方の画像に対して９０°だけ回転処理を施す必要があり、また、各々のカメラで撮影された各画像において、鏡像の画像に対しては画像反転処理を施す。第１のカメラと第２のカメラとの間の配置関係が形状計測装置１００と異なる場合には、その配置関係に基づいて、画像の回転、および回転処理を適切に行うようにする。
【００６１】
（位相評価値に基づく画像合成方法）
複数方向からの形状計測結果に対して、前述の再サンプリング処理や画像反転処理および／または画像回転処理を施した画像の空間座標を基に、画像の合成処理を行う。ここで、画像の合成処理は、画素毎に、高さ情報（ｚ座標）を合成することにより行うことができる。
【００６２】
この合成方法は限定されず、例えば画像データを単純に平均して行うこともでき、また、重み付けをして平均することにより行うこともできる。本発明においては、撮影された複数の画像の画像データが、信頼性のあるものか否かを判定する指標となる位相評価値を予め求めておき、得られた位相評価値に基づいて画像の合成を行う。この位相評価値として何を使用するかについても限定されない。本発明においては、各画素における輝度値の変化に対してフーリエ変換を行い、高次周波数のパワースペクトルの総和に対する一次周波数ω１のパワースペクトルの比として定義する。この場合、輝度の振幅が大きい場合（即ち、輝度の変化が大きい場合）に位相評価値は大きくなり、輝度のサチュレーションや輝度の振幅が小さい場合（即ち、輝度の変化が小さい場合）、または、データにランダムノイズが含まれる場合には、位相評価値は小さくなる。そのため、位相評価値は、位相値の信頼性を確認できる値であり、画像合成時には、合成する画像データの取捨選択するための指標として利用することができる。
【００６３】
これを踏まえ、画像の合成処理は、画素毎に各方向からの高さ（ｚ方向の位置）情報の平均値を求める処理であるが、前述した位相評価値についても画素毎に参照し、位相評価値が、所定の閾値を下回るデータに関しては、これを平均化する値として用いないことにより、信頼性の低いデータを排除した精度の高い計測結果を得ることができる。
【００６４】
本発明においては、位相評価値Ｅ（ｉ，ｊ）の計算には、以下の式（１１）を用いる。ここで、Ｆ（ωｎ）は、周波数ωｎのパワースペクトルの大きさを表し、また、Ｎは、最も高い周波数に対応する次数を表している。
【００６５】
こうして、各画素において、式（１１）により求まる位相評価値が所定の閾値を超える画像データのみを合成することにより、信頼性の低いデータを排除した精度の高い合成画像を得ることができる。
【００６６】
以下に、上述した合成処理をより具体的に説明する。ここでは、２台のカメラと２枚の鏡とを備える形状計測装置１００を用いて計測している。精度確認のため、まず基準面を計測対象物とし、高さ（ｚ座標）を変更しながら、基準面の形状測定を行った。ここで、位相シフト回数は４回とした。
【００６７】
図１６は、基準面のｚ軸の位置が５００μｍにおけるｚ座標の分布図を示している。ここで、（ａ）は、４方向（即ち、第１のカメラの実像と鏡像および第２のカメラの実像と鏡像）から撮影された画像の画像データの全てを平均した値を、（ｂ）は、本発明の方法により、位相評価値に基づいて撮影された４枚の画像を合成して得られた結果を示している。これらの図から明らかなように、本発明の合成処理を施すことにより、高さのばらつきが低減されて、計測精度が向上していることが分かる。（ｃ）は、基準面のｚ軸の各位置における本発明の合成処理を施したｚ座標分布を示しており、どの位置においても、計測精度が向上していることが分かる。
【００６８】
次に、図１７に示す、超硬合金からなる計測対象物である試料の形状計測結果について説明する。この試料の表面には、万能投影機（Ｖ−１２ＢＳ型 ＮＯ．１３０００２１）およびデジマイクロ（ＭＦ−５０１ＮＯ．ＥＯ１５２３）を用いて予め測定された、図１７の表に示す段差が存在し、（ａ）から（ｆ）に進むに従って、約１０μｍずつ高くなっている。ここで、この段差部の形状計測結果に注目する。尚、校正および計測は、位相シフト回数を１６回とし、上述のように連続して５枚の画像を撮影して画像データを平均し、ランダムノイズの影響を低減した。
【００６９】
図１８は、計測された試料全体の高さ（ｚ座標）分布図を示す図である。また、図１９は、図１８に示す結果を基に、図１８に示す位置ｊにおけるｘ方向の位置ｉと高さ（ｚ座標）分布を示した図である。それぞれの図において、（ａ）は、第１のカメラの実像の画像、（ｂ）は、第１のカメラの鏡像の画像、（ｃ）は、第２のカメラの実像の画像、（ｄ）は、第２のカメラの鏡像の画像、および（ｅ）は、合成された画像を示している。ここで、合成の際の位相評価値の閾値は１５である。
【００７０】
この図１９（ａ）〜（ｄ）に示すように、４つの方向から撮影された各画像における高さのばらつきが大きいのに対し、図１９（ｅ）に示すように、本発明の画像合成処理により、高さのばらつきが小さくなり、計測精度が向上していることが分かる。
【００７１】
図２０は、アルミニウムからなる計測対象物Ｏである試料を撮影して得られた画像である。この図から明らかなように、ハレーションが発生しており、この状態では、この画像のみから計測対象物Ｏの形状を正確に計測することができない。
【００７２】
図２１は、２台のカメラおよび２枚の鏡を備える本発明の形状計測装置１００により、この試料を４方向から撮影した画像を示している。図２１（ａ）〜（ｄ）は、第１のカメラおよび第２のカメラにより撮影された実像および鏡像の画像とそれぞれの位相評価値とを示しており、図２１（ｅ）は、本発明の方法により合成した画像を示している。図２１（ａ）〜（ｄ）の画像から明らかなように、各画像の高さ分布は、ハレーションにより影響を受けてノイズが含まれているが、図２１（ｅ）に示した合成された画像においては、ハレーションの影響は大きく低減されていることが分かる。このように、本発明の形状計測装置１００により、計測対象物Ｏが金属からなり、ハレーションが発生する場合にも、計測対象物Ｏの形状を精度良く計測することができる。
【００７３】
[形状計測方法]
次に、本発明の形状計測方法について説明する。本発明の形状計測方法は、位相解析処理において、その一例として全空間テーブル化手法に基づく位相シフト法を使用するが、これに限定されない。全空間テーブル化手法に基づく位相シフト法を使用する場合には、位相値と空間座標との相関である空間座標テーブルを画素毎に予め作成する校正を行い、得られた空間座標テーブルを保存しておく必要がある。そのためには、複数の基準面位置におけるz軸とｘｙ軸の格子投影画像と基準点投光画像を撮影しておく必要がある。まず、校正方法における、格子投影画像と基準点投光画像を撮影する校正方法について説明する。
【００７４】
（校正用画像の撮影処理）
図２２は、本発明の校正方法における、格子投影画像および基準点投光画像の撮影処理のフローチャートを示している。
まず、ｚ軸移動ステージ１４を移動させて、基準面１１ａを所定の位置に動かす。次に、ピエゾステージ３を所定の位置に移動させることにより、位相シフト回数に応じたシフト量だけｚ軸用格子ガラス２をシフトさせた後、ｚ軸用光源１であるＬＥＤを点灯させ、第１のカメラ６および第２のカメラ７により、基準面１１に投影された格子模様および鏡に映された格子模様の鏡像を撮影する。ここで、画像の撮影は１回だけ行うのではなく、所定の回数、例えば５回行い、画像データの平均をとって新たに画像データとすることにより、カメラのランダムノイズの影響を低減することもできる。撮影が終わった後、ｚ軸用光源１を消灯し、撮影された画像を解析処理部１５に保存する。上記のピエゾステージ１４の移動から画像の保存までの一連の処理を、予め設定された位相シフト回数に達するまで繰り返し行う。
【００７５】
上述のｚ軸用格子投影画像の撮影に続き、基準面のｚ座標は変えずに、ｘｙ軸用２次元格子画像撮影と基準点画像の撮影を連続して行う。
即ち、まず、ｘｙ軸用光源１２を点灯させ、第１のカメラ６および第２のカメラ７により、基準面１１ａに投影された２次元の格子模様および鏡に映された格子模様の鏡像を撮影する。撮影が終わった後、ｘｙ軸用光源１２を消灯し、撮影された画像を解析処理部１５に保存する。
【００７６】
同様に、基準点投光用レーザー８を点灯させ、第１のカメラ６および第２のカメラ７により、基準面１１ａに投光された基準点および鏡に映された基準点の鏡像を撮影する。ここで、校正処理の場合と同様に、画像の撮影は１回だけ行うのではなく、所定の回数、例えば５回行い、画像データの平均をとって新たに画像データとすることにより、カメラのランダムノイズの影響を低減することもできる。撮影が終わった後、基準点投光用レーザー８を消灯し、撮影された画像を解析処理部１５に保存する。
【００７７】
こうして、基準面１１ａの１つの位置に対して、校正に必要な画像が得られる。次いで、ｚ軸移動ステージ１４により、基準面１１ａを所定の大きさだけ移動させた後、上記の全ての処理を繰り返す。
以上を、所定の回数（規定された基準面の枚数）だけ繰り返すことにより、校正に必要な画像の撮影処理が完了する。
【００７８】
（校正処理）
図２３は、図２２に示した処理により撮影された画像を用いて校正を行い、空間座標テーブルを作成する処理のフローチャートを示している。
まず、上述した位相シフト法により、図２２に示した処理において撮影された位相シフト回数分の撮影画像に対して位相解析を行い、各画素に対する位相値を求める。
次に、ｘｙ軸座標の位相解析前に、図２３の処理において、基準点投光用レーザー８を点灯した状態で撮影された画像を基に、画像における基準点の位置を探索する。
【００７９】
続いて、例えばフーリエ変換格子法により、撮影された２次元格子画像を基に、ｘ軸およびｙ軸の位相値を求める。
その後、得られたｘ軸およびｙ軸の各位相値に対して位相接続を行い、各方向に対して一意の位相に変換される。その際、位相接続の中心点に、探索された基準点を用いる。
上記の全ての処理を、規定の基準面の枚数分だけ繰り返すことにより、全画素に対して、基準面の各位置におけるｘ、ｙおよびｚ方向の位相値を求めることができる。
【００８０】
各基準面位置での位相値を求めた後、空間座標（ｘ、ｙおよびｚ座標）を算出する。空間座標は、まず、ｚ座標については、各画素において必要なテーブル位置のｚ軸の位相値が、上述の処理により求められた複数枚の位相のうち、どの位置に存在するかを求め、位相からの距離を基に、指定位置の位相値を算出した後、この位相値と基準面の移動距離とから求めることができる。また、ｘおよびｙ座標に関しては、上記の処理により求められた位相値と投影格子の１ピッチの長さから座標値を求めることができる。空間座標を取得する際に、空間内のｚ軸上のテーブル枚数（要素数）に関しては、予め任意に指定することができる。指定した枚数分の空間座標テーブルを作成して校正処理は完了となる。
こうして、全空間テーブル化手法に基づいて空間座標テーブルが作成される。
【００８１】
（形状計測処理）
図２４は、計測対象物Ｏの形状を計測する処理のフローチャートを示している。
まず、計測対象物Ｏを基準面１１ａ上に載置し、次に、計測対象物Ｏの高さに応じて、ｚ軸移動ステージ１４により基準面１１ａを任意の位置に移動させる。
続いて、図１９に示したｚ軸用投影格子撮影処理と同様に、ピエゾステージ３を所定の位置に移動させることにより、位相シフト回数に応じたシフト量だけｚ軸用格子ガラス２をシフトさせた後、ｚ軸用光源１であるＬＥＤを点灯させ、第１のカメラ６および第２のカメラ７により、計測対象物Oに投影された格子模様と鏡に映された鏡像Ｏ’を撮影する。撮影が終わったら、ｚ軸用光源１を消灯し、撮影された画像を解析処理部１５に保存する。上記のピエゾステージ１４の移動から画像の保存までの一連の処理を、予め設定された位相シフト回数に達するまで繰り返し行う。
【００８２】
その後、撮影された位相シフト回数分の画像を基に、例えば位相シフト法により位相解析を行い、各画素に対する位相値を求める。ここで、図２２および図２３に示した処理により作成された空間座標テーブルを参照することにより、求められた位相値から空間座標が得られ、計測対象物Ｏの形状を求めることができる。こうして、撮影された各画像に対する形状計測処理が完了する。
最後に、複数の形状計測結果に対して図２５に示す合成処理を施すことにより、１つの形状計測結果を得ることができる。
【００８３】
（合成処理）
複数の画像を合成するためには、各画像で同位置となる一点を探索しておく必要がある。そのため、校正処理の場合と同様に、まず、基準点投光用レーザー８を点灯し、次に基準面１１ａ上に投光された基準点の画像を撮影した後、基準点投光用レーザー８を消灯して撮影した画像を解析処理部１５に保存する。
次に、撮影された画像上の基準点を探索する。
続いて、撮影された全ての画像の位相評価値（ＰＥＶ）を算出する。
その後、撮影された画像が鏡像を撮影したものであるか否かの判定を行い、鏡像である場合には、画像を反転させる画像反転処理を行う。
続いて、撮影された画像が第１のカメラにより撮影されたものであるか否かの判定を行い、第１のカメラにより撮影されたものでない場合には、画像を９０°回転させる処理を行う。ここで９０°回転させるのは、形状計測装置１００においては、第１のカメラおよび第２のカメラを図１および図４に示すように配置したためであり、第１のカメラと第２のカメラとの間の配置関係が形状計測装置１００と異なる場合には、その配置関係に基づいて、画像の回転、および回転処理を適切に行うようにする。
【００８４】
次に、全ての画像に対して、上述した再サンプリング処理を施し、計測されたｘｙ座標を同一の座標系に再配置する。
最後に、同一の向きおよび同一の座標系に再配置された画像の計測結果に対して、各画像に対して求められた位相評価値が、所定の閾値を下回る場合にはデータを捨て、残されたデータの平均値を算出することにより、合成処理を行う。
【００８５】
こうして、本発明の形状計測方法により、一度に複数方向から計測対象物の形状を計測することが可能になるため、一方向からの撮影では得られない計測対象物の裏側の形状を測定することができる。
また、複数のカメラにより撮影された画像を合成することにより、計測対象物に金属が含まれる場合や、計測対象物の形状が曲面を有する場合にも、ハレーションの影響を低減して計測対象物の形状を精度良く算出することができる。
【００８６】
以上、具体例を挙げて本発明を詳細に説明してきたが、本発明の特許請求の範囲から逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能であることは当業者に明らかである。例えば、構成することも可能である。従って、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明によれば、一度に複数方向から計測対象物の形状を計測することが可能になり、また、ハレーションの影響を低減して、計測対象物の形状を精度良く計測できるため、電子部品の検査、人体計測、医療用計測、及び小型生物の立体観察や立体計測等に有用である。
【符号の説明】
【００８８】
１ ｚ軸用光源
２ ｚ軸用格子ガラス
３ 第１のレンズ
４ ピエゾステージ
５ ペルチェ冷却装置
６ 第１のカメラ
７ 第２のカメラ
８ 基準点投光用レーザー
９ 第１の鏡
１０ 第２の鏡
１１ 基準平板
１１ａ 基準面
１２ ｘｙ軸用光源
１２ａ ＬＥＤ点光源
１２ｂ ピンホール板
１２ｃ 第２のレンズ
１３ ｘｙ軸用格子ガラス
１３ａ ｘ軸用格子ガラス
１３ｂ ｙ軸用格子ガラス
１４ ｚ軸移動ステージ
１５ 解析処理部
１６ 迷光防御壁
Ｏ 計測対象物
Ｏ’ 計測対象物の鏡像
【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測対象物の形状を計測する装置であって、
前記計測対象物に格子模様を投影する格子模様投影部と、
前記計測対象物の周囲に配置された少なくとも１つの鏡と、
前記計測対象物および前記鏡に映る前記計測対象物の鏡像を撮影する少なくとも１つの撮影部と、
撮影された前記計測対象物および前記鏡像の画像の各々に対して位相解析処理を施して前記計測対象物の形状を算出するとともに撮影された前記計測対象物の画像と前記鏡像の画像とを合成する解析処理部と、
を備え、前記撮影部の各々は、前記計測対象物の少なくとも一部の領域と該少なくとも一部の領域の鏡像とを同時に撮影可能に配置されていることを特徴とする形状計測装置。
【請求項２】
計測対象物の形状を計測する装置であって、
前記計測対象物に格子模様を投影する格子模様投影部と、
前記計測対象物の周囲に配置された少なくとも１つの鏡と、
前記計測対象物および前記鏡に映る前記計測対象物の鏡像を撮影する少なくとも１つの撮影部と、
を備え、前記撮影部の各々は、前記計測対象物の少なくとも一部の領域と該少なくとも一部の領域の鏡像とを同時に撮影可能に配置されていることを特徴とする形状計測装置。
【請求項３】
前記鏡の各々に対して迷光防止壁を設けることを特徴とする、請求項１または２に記載の形状計測装置。
【請求項４】
２つの鏡と２つの撮影部とを備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の形状計測装置。
【請求項５】
２つの鏡と１つの撮影部とを備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の形状計測装置。
【請求項６】
周囲に少なくとも１枚の鏡が配置された計測対象物の形状を計測する方法であって、
前記計測対象物に格子模様を投影する格子模様投影ステップと、
前記計測対象物と前記鏡に映る前記計測対象物の鏡像とを同時に撮影する画像撮影ステップと、
前記格子模様を所定の大きさだけシフトさせる位相シフトステップと、
撮影された前記実像および前記鏡像の画像の各々に対して位相解析処理を施して前記計測対象物の形状を算出する形状算出ステップと、
を含み、該形状算出ステップは、前記画像撮影ステップと、前記位相シフトステップとを所定の回数だけ繰り返した後に行うことを特徴とする形状計測方法。
【請求項７】
前記位相解析処理は、全空間テーブル化手法に基づいて位相値と空間座標とを関連づけるテーブルを予め画素毎に作成しておき、該テーブルを参照して、位相シフト法により求められた各画素の位相値から空間座標を求めることにより行うことを特徴とする、請求項６に記載の形状計測方法。
【請求項８】
撮影された画像の周波数成分の比に応じた評価値に基づいて、前記計測対象物の画像と前記鏡像の画像とを一枚の画像に合成する合成処理ステップを更に含むことを特徴とする、請求項６または７に記載の形状計測方法。
【請求項１】
計測対象物の形状を計測する装置であって、
前記計測対象物に格子模様を投影する格子模様投影部と、
前記計測対象物の周囲に配置された少なくとも１つの鏡と、
前記計測対象物および前記鏡に映る前記計測対象物の鏡像を撮影する少なくとも１つの撮影部と、
撮影された前記計測対象物および前記鏡像の画像の各々に対して位相解析処理を施して前記計測対象物の形状を算出するとともに撮影された前記計測対象物の画像と前記鏡像の画像とを合成する解析処理部と、
を備え、前記撮影部の各々は、前記計測対象物の少なくとも一部の領域と該少なくとも一部の領域の鏡像とを同時に撮影可能に配置されていることを特徴とする形状計測装置。
【請求項２】
計測対象物の形状を計測する装置であって、
前記計測対象物に格子模様を投影する格子模様投影部と、
前記計測対象物の周囲に配置された少なくとも１つの鏡と、
前記計測対象物および前記鏡に映る前記計測対象物の鏡像を撮影する少なくとも１つの撮影部と、
を備え、前記撮影部の各々は、前記計測対象物の少なくとも一部の領域と該少なくとも一部の領域の鏡像とを同時に撮影可能に配置されていることを特徴とする形状計測装置。
【請求項３】
前記鏡の各々に対して迷光防止壁を設けることを特徴とする、請求項１または２に記載の形状計測装置。
【請求項４】
２つの鏡と２つの撮影部とを備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の形状計測装置。
【請求項５】
２つの鏡と１つの撮影部とを備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の形状計測装置。
【請求項６】
周囲に少なくとも１枚の鏡が配置された計測対象物の形状を計測する方法であって、
前記計測対象物に格子模様を投影する格子模様投影ステップと、
前記計測対象物と前記鏡に映る前記計測対象物の鏡像とを同時に撮影する画像撮影ステップと、
前記格子模様を所定の大きさだけシフトさせる位相シフトステップと、
撮影された前記実像および前記鏡像の画像の各々に対して位相解析処理を施して前記計測対象物の形状を算出する形状算出ステップと、
を含み、該形状算出ステップは、前記画像撮影ステップと、前記位相シフトステップとを所定の回数だけ繰り返した後に行うことを特徴とする形状計測方法。
【請求項７】
前記位相解析処理は、全空間テーブル化手法に基づいて位相値と空間座標とを関連づけるテーブルを予め画素毎に作成しておき、該テーブルを参照して、位相シフト法により求められた各画素の位相値から空間座標を求めることにより行うことを特徴とする、請求項６に記載の形状計測方法。
【請求項８】
撮影された画像の周波数成分の比に応じた評価値に基づいて、前記計測対象物の画像と前記鏡像の画像とを一枚の画像に合成する合成処理ステップを更に含むことを特徴とする、請求項６または７に記載の形状計測方法。
【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１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【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１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【公開番号】特開２０１２−１２７７０４（Ｐ２０１２−１２７７０４Ａ）
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７７５１６（Ｐ２０１０−２７７５１６）
【出願日】平成２２年１２月１３日（２０１０．１２．１３）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り １．平成２２年１１月２０日発行 発行者 日本実験力学会 日本実験力学会講演論文集 ＮＯ１０−２（２０１０）第１０ページ〜第１５ページに発表 ２．平成２２年１１月２７日発表 日本実験力学会分科会合同ワークショップ２０１０で発表したスライド
【出願人】（５０４１４５２８３）国立大学法人 和歌山大学 (62)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月１３日（２０１０．１２．１３）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り １．平成２２年１１月２０日発行 発行者 日本実験力学会 日本実験力学会講演論文集 ＮＯ１０−２（２０１０）第１０ページ〜第１５ページに発表 ２．平成２２年１１月２７日発表 日本実験力学会分科会合同ワークショップ２０１０で発表したスライド
【出願人】（５０４１４５２８３）国立大学法人 和歌山大学 (62)
【Ｆターム（参考）】
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