JP2012154709A - 三次元形状計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】段差部毎に撮像部を設置しなくても、各段差部の三次元形状を精度良く計測する。
【解決手段】受光素子２１Ｐは、サンプルＳＰからの反射光を受光する。レンズ２２Ｌは、中心線側の段差部ＷＡ１からの反射光（光軸がＲ１）を結像して受光素子２１Ｐに導く。また、レンズ２２Ｌは、段差部ＷＡ１よりも外側の段差部ＷＡ２からの反射光（光軸がＲ２）を、ミラー２３１，２３２を介して結像して受光素子２１Ｐに導く。撮像部２１の光軸ＬＡは、段差部ＷＡ１からの反射光の光軸Ｒ１の受光素子２１Ｐまでの光学距離と、段差部ＷＡ２からの反射光の光軸Ｒ２の受光素子２１Ｐまでの光学距離とが等しくなるように、サンプルＳＰに対する仰角及び方位角が設定されている。
【選択図】図４

Description

本発明は複数の段差部を持つ測定対象物の段差部の三次元形状を計測する技術に関するものである。

近年、金属や樹脂等を押し出し加工することで得られた押し出し形成品の３次元形状を計測する試みがなされている。このような、押し出し形成品には、一方向に長い段差を複数持つもの、すなわち、複数の段差部を持つものがある。このような押し出し形成品では、特に段差部の３次元形状を光切断法を用いて詳細に計測したいという要望がある。

光切断法では、受光素子の画素数に応じて分解能が決まる為、受光素子の画素数が同じ場合、視野サイズの増大に比例して分解能は低下する。従って、測定対象物の表面において、観察したい箇所が離れて複数存在するような場合、図９に示すように全箇所を観察するために視野を広角に設定すると、観察したい箇所の微細な構造を捉えることができなくなる。逆に微細な構造を捉える為に視野を狭めてしまうと、観察した箇所のうち一部の箇所しか捉えることができなくなる。

この為、従来では、観察したい箇所ごとに１台のカメラを設置するのが一般的であった。図１０は、複数の段差部ＷＡを持つ押し出し形成品をサンプルＳＰとしたときに各段差部ＷＡの三次元形状を、光切断法を用いて測定する場合のカメラＣＭの設置状況を示した図である。

図１０に示すように測定対象物（以下、サンプルＳＰと記述する。）は、Ｘ方向（長さ方向）を長手方向とする４つの段差部ＷＡを持つ。各段差部ＷＡは、サンプルＳＰのＹ方向（幅方向）の中心ＯＹを通り、かつ、Ｘ方向に平行な中心線ＭＬを中心として左右対称に形成されている。このようなサンプルＳＰの各段差部ＷＡの三次元形状を測定する場合、従来の手法では、各段差部ＷＡを撮影する４台のカメラＣＭを設置し、各段差部ＷＡの三次元形状を個別に測定するのが一般的であった。

なお、本願発明に関連する特許文献として特許文献１、２がある。特許文献１では、測定対象物を二軸ステージ上に設置し、サンプル面を平行に走査して各箇所を測定した後、測定データを統合する事で、サンプル面の全体の立体形状を測定する非接触三次元計測方法が開示されている。

特許文献２では、対象平面上をレーザ光で走査し、反射光をＰＳＤで受光し、ＰＳＤの検知信号から反射光の傾き角を算出し、平面異常を検査する光走査式平面外観検査装置が開示されている。

特開２００９−１２２０６６号公報 特開２００８−１４５１６２号公報

しかしながら、図１０に示す従来の手法では、各段差部ＷＡに対してカメラＣＭを設置する必要があるため、部品点数が増大することに加えてカメラＣＭが持つ光学系の構成が煩雑化するという問題があった。

また、特許文献１の手法では、非接触プローブを水平軸方向及び垂直軸方向との２軸に平行移動させるための平行移動式の２軸ステージが必要となるため、装置構成が煩雑となる。

また、特許文献２の手法では、レーザ光を走査することで傾き角が検出されているため、全箇所を測定し終えるまでに一定の時間がかかり、リアルタイムに計測ができない。

本発明の目的は、段差部毎に撮像部を設置しなくても、各段差部の三次元形状を精度良く計測することができる三次元形状計測装置を提供することである。

（１）本発明による三次元形状計測装置は、一方向に長い段差を複数持つ測定対象物の各段差部の三次元形状を光切断法を用いて計測する三次元形状計測装置であって、前記測定対象物に対して前記一方向と交差する方向に光切断線を照射する光源と、前記光切断線が照射された前記測定対象物を撮像する撮像部とを備え、前記撮像部は、前記測定対象物からの反射光を受光する受光素子と、１つの段差部からの反射光を結像して前記受光素子に導くレンズと、前記１つの段差部以外の他の段差部からの反射光を反射して前記レンズに結像させて前記受光素子に導くミラーとを含み、前記撮像部の光軸は、前記１つの段差部からの反射光の光軸の前記受光素子までの光学距離と、前記他の段差部からの反射光の光軸の前記受光素子までの光学距離とが等しくなるように、前記測定対象物に対する仰角及び方位角が設定されている。

この構成によれば、１つの撮像部によって複数の段差部が撮像される。そして、撮像部は、一つの段差部からの反射光の受光素子までの光学距離と、他方の段差部からの反射光の受光素子までの光学距離とが等しくなるように、仰角及び方位角が設定されている。そのため、段差部毎に撮像部を設けなくても、１つの段差部の反射光による光像と他の段差部の反射光による光像とを受光素子に同時に結像させることができる。その結果、各段差部の三次元形状を精度良く計測することができる。

（２）前記仰角α及び方位角βは、２・ｓｉｎ^２β−２・ｓｉｎ^２β・ｓｉｎ^２α＝１の関係を持つことが好ましい。

この構成によれば、上記の関係式を用いることで、光学距離を一定にすることができる撮像部の仰角及び方位角を正確に決定することができる。

（３）前記段差部は、前記一方向と直交する幅方向の一端側に斜面が露出した複数の第１段差部と、前記幅方向の他端側に斜面が露出した複数の第２段差部とからなり、前記第１段差部は、前記一端側から複数個ずつ区分されて１又は複数の第１段差群に分けられ、前記第２段差部は、前記他端側から複数個ずつ区分されて１又は複数の第２段差群に分けられ、一対の前記撮像部及び前記光源により構成され計測系を備え、前記計測系は各第１，第２段差群に対応して複数存在することが好ましい。

この構成によれば、第１、第２段差群毎に撮像部及び光源からなる計測系が設けられ、各段差部の３次元形状が個別に算出される。

（４）前記複数の段差部は、前記測定対象物の前記一方向の中心線に対して対称に配置され、前記計測系は、前記中心線に対して対象に配置されていることが好ましい。

この構成によれば、段差群が測定対象物の中心線に対して対称に配置されている場合、計測系が中心線に対して対称に配置されるため、計測系を整然と配列することができる。

（５）前記ミラーは、前記他の段差部からの反射光の光軸を４５度の反射角で反射する第１ミラーと、前記第１ミラーにより反射された反射光の光軸を４５度の反射角で反射する第２ミラーとを含むことが好ましい。

この構成によれば、他の段差部からの反射光は第１ミラーにより光軸が９０度曲げられて第２ミラーへと導かれ、第１ミラーにより反射された反射光は第２ミラーにより光軸が９０度曲げられてレンズへと導かれ、受光素子に結像される。そのため、他の段差部からの反射光を確実に受光素子まで導くことができる。

（６）前記第１ミラーは、前記撮像部の光軸に対して直交する面において、前記１つの段差部からの反射光の光軸の前記受光素子までの光学距離と、前記他の段差部からの反射光の光軸の前記受光素子までの光学距離とが等しくなるように、移動可能に配置されていることが好ましい。

この構成によれば、段差部の間隔が異なる種々の測定対象物であっても、他の段差部からの反射光の光軸が直交する位置に第１ミラーを配置することで、他の段差部の３次元形状を精度良く算出することができる。

（７）前記第１ミラーは、前記撮像部の光軸に直交する面における前記一方向に対する角度をγ、前記撮像部の光軸の仰角をα、前記撮像部の光軸の方位角をβとすると、ｔａｎγ＝ｓｉｎα・ｓｉｎβ／ｃｏｓβの関係を満たす角度γの方向に移動可能に配置されていることが好ましい。

この構成によれば、第１ミラーを光軸に直交する面内で角度γに沿って移動させるだけで、他の段差部からの反射光と１つの段差部からの反射光との光学距離とを同じにすることができる。したがって、間隔の異なる段差部を持つ種々の測定対象物に対して柔軟に対応することができる。

（８）前記撮像部は、前記受光素子、前記レンズ、及び前記ミラーを覆い、前記測定対象物側の面に開口部が設けられたカバーと、前記開口部に配置された開口側フィルタ群と、前記受光素子の直前に配置された受光側フィルタ群とを含み、前記開口側フィルタ群は、前記１つの段差部からの反射光を透過する第１開口側フィルタ及び前記他の段差部からの反射光を透過する第２開口側フィルタを備え、前記受光側フィルタ群は、第１開口側フィルタを透過した反射光を透過する第１受光側フィルタ及び前記第２開口側フィルタを透過した反射光を透過する第２受光側フィルタが配列され、前記第１開口側フィルタ及び前記第２開口側フィルタは、隣接するフィルタと異なるフィルタ特性を持ち、前記第１受光側フィルタ及び前記第２受光側フィルタは、対応する第１開口側フィルタ及び第２開口側フィルタと、同じフィルタ特性を持つことが好ましい。

この構成によれば、１つの段差部からの反射光は第１開口側フィルタと、第１開口側フィルタと同じフィルタ特性を持つ第１受光側フィルタとを介して受光素子に導かれる。また、他の段差部からの反射光は第２開口側フィルタと、第２開口側フィルタと同じフィルタ特性を持つ第２受光側フィルタとを介して受光素子に導かれる。よって、他の段差部からの反射光が１つの段差部の迷光となって受光素子に導かれることを防止し、かつ、１つの段差部からの反射光が他の段差部の迷光となって受光素子に導かれることを防止することができる。

（９）前記フィルタ特性は、偏光特性であり、前記第１開口側フィルタ及び前記第２開口側フィルタは、隣接するフィルタと偏光方向が直交する偏光フィルタであることが好ましい。

この構成によれば、第１開口側フィルタと第２開口側フィルタとは偏光方向が直交しているため、迷光をより確実に防止することができる。

（１０）前記フィルタ特性は、波長特性であり、前記第１開口側フィルタ及び前記第２開口側フィルタは、隣接するフィルタと波長特性が異なる波長フィルタであることが好ましい。

この構成によれば、第１開口側フィルタ及び第２開口側フィルタは波長特性が異なるフィルタにより構成されているため、迷光を確実に防止することができる。

本発明によれば、段差部毎に撮像部を設置しなくても、各段差部の三次元形状を精度良く計測することができる。

（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の実施の形態による三次元形状計測装置の全体構成図であり、（Ａ）は斜視図であり、（Ｂ）は上面図である。 図１（Ｂ）に示す三次元形状計測装置をＡ方向から見たときの左側計測系を示した図である。 図１（Ｂ）に示す三次元形状計測装置をＣ方向から見たときの左側計測系を示した図である。 （Ａ）は、図１（Ｂ）に示す三次元形状計測装置をＢ方向から見たときの左側計測系を示した図である。 （Ｂ）は、受光素子の受光面に現れる光像を示した図である。 本発明の実施の形態による三次元形状計測装置のブロック図である。 （Ａ）は、本発明の実施の形態による三次元形状計測装置の具体的一例をＢ方向から見た図である。（Ｂ）は、図７（Ａ）の具体的一例における受光素子の受光面に現れる光像を示した図である。 （Ａ）、（Ｂ）は本発明の実施の形態による三次元形状計測装置の変形例２において、受光素子の受光面に結像される光像を示した図である。 観察したい箇所の全域を視野に含めた場合の従来の三次元形状装置の視野を示した図である。 複数の段差部を持つ押し出し形成品を測定対象物としたときに各段差部の三次元形状を、光切断法を用いて測定する場合のカメラの設置状況を示した図である。

図１（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の実施の形態による三次元形状計測装置の全体構成図であり、（Ａ）は斜視図であり、（Ｂ）は上面図である。本三次元形状計測装置は、光源１０、撮像部２０、搬送部３０、及び制御部４０（図５参照）を備えている。そして、本三次元形状計測装置は、一方向（Ｘ方向：長さ方向）に長い段差部を複数持つ測定対象物（以下、サンプルＳＰと記述）の各段差部ＷＡの三次元形状を光切断法を用いて計測する。

なお、図１においてＹ方向はＸ方向と直交するサンプルＳＰの幅方向を示している。また、Ｚ方向は、Ｘ方向及びＹ方向にそれぞれ直交する高さ方向を示している。図１の例ではサンプルＳＰは４つの段差部ＷＡを持つ。ここで、サンプルＳＰは、金属や樹脂等の平板状の部材を押し出し加工することで得られた押し出し形成品である。各段差部ＷＡは、サンプルＳＰのＹ方向の中心ＯＹを通り、かつ、Ｘ方向に平行な中心線ＭＬを中心として左右対称に形成されている。段差部ＷＡの傾斜はほぼＺ方向と平行、つまり、サンプルＳＰの主面に対してほぼ直交している。

ここで、段差部ＷＡは、Ｙ方向の左側に斜面が露出した複数の段差部ＷＡ（第１段差部）と、Ｙ方向の右側に斜面が露出した複数の段差部ＷＡ（第２段差部）とからなる。図１の場合、段差部ＷＡ１，ＷＡ２が第１段差部となり、段差部ＷＡ３，ＷＡ４が第２段差部となる。

段差部ＷＡ１は第１段差部のうち中心線ＭＬ側に位置する段差部ＷＡであり、段差部ＷＡ２は第１段差部のうち左側に位置する段差部ＷＡである。段差部ＷＡ３は第２段差部のうち中心線ＭＬ側に位置する段差部ＷＡであり、段差部ＷＡ４は第２段差部のうち右側に位置する段差部ＷＡである。

光源１０はサンプルＳＰに対して光切断線ＣＬを照射する。以下、段差部ＷＡ１，ＷＡ２の三次元形状を計測するための光源１０を光源１１と記述する。また、段差部ＷＡ３，ＷＡ４の三次元形状を計測するための光源１０を光源１２と記述する。また、段差部ＷＡ１〜ＷＡ４を示す光切断線ＣＬを区別する場合、光切断線ＣＬ１〜ＣＬ４と記述する。

光切断線ＣＬは、大局的に長手方向がＹ方向を向く直線であるが、微視的にはサンプルＳＰの表面形状、つまり、高さに応じた凹凸を持つ線である。

光源１０は、図略のレーザ光源及びレンズを備えている。レーザ光源は、所定波長のレーザビームをサンプルに向けて照射する。レンズは、光源から照射されたレーザ光を扇状に拡散させ、サンプルＳＰに光切断線ＣＬを描く。

撮像部２０は、光切断線ＣＬが照射されたサンプルＳＰを撮像する。図１の例では、２個の撮像部２０が設けられている。以下、段差部ＷＡ１，ＷＡ２の三次元形状を計測するための撮像部２０を撮像部２１と記述する。また、段差部ＷＡ３，ＷＡ４の三次元形状を計測するための撮像部２０を撮像部２２と記述する。

撮像部２１は、サンプルＳＰの搬送方向（Ｘ方向）に対し、光源１１の上流側に配置され、図１（Ｂ）に示すように、上面視において光軸ＬＡが右斜め上方向を向くように配置されている。撮像部２２は、サンプルＳＰの搬送方向に対し、光源１２の上流側に配置され、光軸ＬＡが左斜め上方向を向くように配置されている。

以下、段差部ＷＡ１，ＷＡ２の三次元形状を計測するための光源１１及び撮像部２１を左側計測系ＬＵと記述し、段差部ＷＡ３，ＷＡ４の三次元形状を計測するための光源１２及び撮像部２２を右側計測系ＲＵと記述する。左側計測系ＬＵと右側計測系ＲＵとは中心線ＭＬに対して、Ｘ方向の位置が上下にずらされて左右対称に設置されている。

図１の例では、左側計測系ＬＵは右側計測系ＲＵよりも搬送方向の上流側に配置されている。但し、これは一例であり、右側計測系ＲＵを左側計測系ＬＵよりも搬送方向の上流側に配置してもよいし、右側計測系ＲＵと左側計測系ＬＵとをＸ方向上の同じ位置にＹ方向に並べて配置してもよい。後者の場合、一つの光源１０をサンプルＳＰのＹ方向の中心線ＭＬ上に配置し、右側計測系ＲＵと左側計測系ＬＵとで一つの光源１０を共用化してもよい。但し、右側計測系ＲＵと左側計測系ＬＵとで個別に光源１０を設けると、左側の２個の段差部ＷＡ１，ＷＡ２と右側の２個の段差部ＷＡ３，ＷＡ４とに対して好ましい方向から光切断線ＣＬを照射できるため、三次元形状の計測精度を高めるためには、光源１０を個別に設ける方が好ましい。

搬送部３０は、搬送ベルト３１及び複数の搬送ローラ３２を備え、サンプルＳＰをＸ方向に向けて一定速度で搬送する。搬送ベルト３１は、例えばＸ方向を長手方向とする無端ベルトにより構成され、上面にサンプルＳＰが載置される。搬送ローラ３２は、図略のモータからの駆動力を受けて回転し、搬送ベルト３１を例えば時計回りに回転させる。

以下、説明の煩雑さを避ける為、左側計測系ＬＵのみを抜き出して説明する。図２は、図１（Ｂ）に示す三次元形状計測装置をＡ方向から見たときの左側計測系ＬＵを示した図である。ここで、Ａ方向は、図１（Ｂ）に示すようにサンプルＳＰを真横から見た方向である。

図１（Ｂ）、図２に示すように、光源１１は光軸ＬＢの方位角が中心線ＭＬに対して直交するように配置されている。つまり、光源１１は、Ａ方向から見てサンプルＳＰに対して真上から光を照射する。これにより、サンプルＳＰの高さの変化によって光切断線ＣＬが照射される位置が計測点からずれることを回避することができる。また、図２に示すように撮像部２１は、Ａ方向から見て、光軸ＬＡがサンプルＳＰに対して右斜め下側を向くように配置されている。

図３は、図１（Ｂ）に示す三次元形状計測装置をＣ方向から見たときの左側計測系ＬＵを示した図である。Ｃ方向は、図１（Ｂ）に示すように撮像部２０の光軸ＬＡを真横から見た方向である。光軸ＬＡを真横から見た方向とは、光軸ＬＡのサンプルＳＰへの投影線と直交する方向である。ここで、光軸ＬＡの方位角をβとする。光軸ＬＡの方位角βは、光軸ＬＡのサンプルＳＰへの投影線と中心線ＭＬとがなす角度である。光軸ＬＡの仰角をαとする。光軸ＬＡの仰角αは、図３に示すように、光軸ＬＡと光軸ＬＡのサンプルＳＰへの投影線とがなす角度である。

図４（Ａ）は、図１（Ｂ）に示す三次元形状計測装置をＢ方向から見たときの左側計測系ＬＵを示した図である。Ｂ方向は、図１（Ｂ）に示すようにサンプルＳＰをＸ方向から見た方向である。

通常の光切断法において、Ｂ方向から見て、光源１１は光軸ＬＢがサンプルＳＰと直交する方向に配置され、撮像部２１は光軸ＬＡがサンプルＳＰと直交する方向に配置される。しかしながら、本実施の形態では、段差部ＷＡの傾斜がＸ−Ｙ平面とほぼ直交するサンプルＳＰが測定対象である。そのため、光軸ＬＡと光軸ＬＢとが、Ｂ方向から見てサンプルＳＰに対して斜め方向を向くように、光源１１及び撮像部２１が設置されている。

図１に示すように、左側計測系ＬＵが測定対象とする段差部ＷＡが段差部ＷＡ１，ＷＡ２の２箇所である場合、従来では、この２箇所の段差部ＷＡ１，ＷＡ２を共に含む測定画像を得る為に、撮像部２１の視野が大きく設定されていた。そのため、段差部ＷＡ１，ＷＡ２の反射光の受光素子２１Ｐに現れる光像の分解能が低下し、段差部ＷＡ１，ＷＡ２の三次元形状を精度良く測定することができなくなる。

そこで、本実施の形態では、図４（Ａ）に示すように撮像部２１を構成した。具体的には、撮像部２１は、受光素子２１Ｐ、レンズ２２Ｌ、及びミラー２３１（第１ミラーの一例），２３２（第２ミラーの一例）を備えている。

受光素子２１Ｐは、サンプルＳＰからの反射光を受光する。レンズ２２Ｌは、中心線ＭＬ側の段差部ＷＡ１からの反射光（光軸がＲ１）を結像して受光素子２１Ｐに導く。また、レンズ２２Ｌは、段差部ＷＡ１よりも外側の段差部ＷＡ２からの反射光（光軸がＲ２）を、ミラー２３１，２３２を介して結像して受光素子２１Ｐに導く。

ミラー２３１，２３２は、段差部ＷＡ２からの反射光を順次に反射してレンズ２２Ｌに導く。具体的には、ミラー２３１は、段差部ＷＡ２からの反射光の光軸Ｒ２を４５度の反射角で反射する。これにより、段差部ＷＡ２からの反射光は、光軸Ｒ２がミラー２３１により９０度曲げられる。ミラー２３２は、ミラー２３１により反射された反射光の光軸Ｒ２を４５度の反射角で反射し、レンズ２２Ｌに導く。これにより、ミラー２３１により反射された反射光は、光軸Ｒ２がミラー２３２によって９０度曲げられてレンズ２２Ｌに導かれる。

また、ミラー２３１，２３２は下辺２３１ａ，２３２ｂがカバー２６の下面２６ａと平行に配置されている。

カバー２６は直方体形状を有し、受光素子２１Ｐ、レンズ２２Ｌ、及びミラー２３１，２３２を覆う。カバー２６は、サンプルＳＰ側の面である下面２６ａに、段差部ＷＡ１，ＷＡ２からの反射光を受光素子２１Ｐに導くための開口部が設けられている。

撮像部２１の光軸ＬＡは、段差部ＷＡ１からの反射光の光軸Ｒ１の受光素子２１Ｐまでの光学距離と、段差部ＷＡ２からの反射光の光軸Ｒ２の受光素子２１Ｐまでの光学距離とが等しくなるように、サンプルＳＰに対する仰角α及び方位角βが設定されている。

具体的には、仰角α及び方位角βは式（１）の関係を持つ。

２・ｓｉｎ^２β−２・ｓｉｎ^２β・ｓｉｎ^２α＝１ （１）
これにより、光軸Ｒ１と光軸Ｒ２との光学距離が等しくなり、段差部ＷＡ１の反射光による光像と段差部ＷＡ２の反射光による光像とを受光素子２１Ｐに同時に結像させることができる。したがって、撮像部２１の画角を広角に設定しなくても、段差部ＷＡ１のみを測定対象とする場合と同じ画角で段差部ＷＡ１，ＷＡ２を測定することができ、段差部ＷＡ１，ＷＡ２の三次元形状を精度良く測定することができる。

図４（Ｂ）は、受光素子２１Ｐの受光面２１Ａに現れる光像を示した図である。図４（Ｂ）に示すように光像は、２分割された２つの領域Ｄ１，Ｄ２を持つ。領域Ｄ１，Ｄ２は矩形状であり、面積が同じである。領域Ｄ１には、段差部ＷＡ１からの反射光による光像が現れる。領域Ｄ１の中心Ｏ１が光軸Ｒ１と受光面２１Ａとの交点となるようにレンズ２２Ｌが配置されている。そのため、領域Ｄ１には、段差部ＷＡ１を中心とする一定範囲の光切断線ＣＬ１が現れる。

領域Ｄ２には、段差部ＷＡ２からの反射光による光像が現れる。領域Ｄ２の中心Ｏ２が光軸Ｒ２と受光面２１Ａとの交点となるようにミラー２３１が配置されている。そのため、領域Ｄ２には、段差部ＷＡ２を中心とする一定範囲の光切断線ＣＬ２が現れる。

領域Ｄ１，Ｄ２に現れる２つの光像は、幾何学的には明確に分離しているが、実際には段差部ＷＡ２の反射光の一部が迷光となって領域Ｄ１に侵入し、段差部ＷＡ１の反射光の一部が迷光となって領域Ｄ２に侵入する。

迷光の原因は、ミラー２３１，２３２のエッジ部での乱反射、段差部ＷＡ１，ＷＡ２の反射光が光路途中の物体により光学距離が不一致とされて結像されない光が迷光となって侵入する、などである。そこで、本実施の形態では、フィルタ２４１（第１開口側フィルタの一例）、フィルタ２４２（第２開口側フィルタの一例）、フィルタ２５１（第１受光側フィルタの一例）、及びフィルタ２５２（第２受光側フィルタの一例）を設け、迷光を防止している。

フィルタ２４１は、光軸Ｒ１がその中心を通過するように、下面２６ａに配置され、段差部ＷＡ１からの反射光を透過する。フィルタ２４２は、光軸Ｒ２がその中心を通過するように、下面２６ａに配置され、段差部ＷＡ２からの反射光を透過する。フィルタ２４１，２４２で開口側フィルタ群をなす。

フィルタ２５１は、その中心に光軸Ｒ１が通過するように受光素子２１Ｐの手前に配置され、フィルタ２４１を透過した段差部ＷＡ１からの反射光を透過して受光素子２１Ｐに導く。

フィルタ２５２は、その中心に光軸Ｒ２が通過するように受光素子２１Ｐの手間に配置され、フィルタ２４２を透過した段差部ＷＡ２からの反射光を透過して受光素子２１Ｐに導く。フィルタ２５１，２５２で受光側フィルタ群をなす。

フィルタ２４１とフィルタ２４２とは偏光方向が直交するフィルタ特性を持つ偏光フィルタである。フィルタ２４１とフィルタ２５１とは偏光方向が同一のフィルタ特性を持つ偏光フィルタである。

フィルタ２５１とフィルタ２５２とは偏光方向が直交するフィルタ特性を持つ偏光フィルタである。フィルタ２５２とフィルタ２４２とは偏光方向が同一のフィルタ特性を持つ偏光フィルタである。

したがって、フィルタ２４１を透過した段差部ＷＡ１からの反射光とフィルタ２４２を透過した段差部ＷＡ２からの反射光とは偏光方向が９０度ずれる。また、フィルタ２５１は、フィルタ２４１により透過された反射光のみを透過して受光素子２１Ｐに導く。また、フィルタ２５２は、フィルタ２４２により透過された反射光のみを透過して受光素子２１Ｐに導く。

その結果、段差部ＷＡ１からの反射光が迷光となって領域Ｄ２に侵入することを防止でき、かつ、段差部ＷＡ２からの反射光が迷光となって領域Ｄ１に侵入することが防止できる。

（ミラーの移動）
次に、ミラー２３１の詳細について説明する。図６は、ミラー２３１を移動させる様子を示した図であり、（Ａ）は図１の三次元形状計測装置をＢ方向から見た図であり、（Ｂ）は撮像部２１を下面２６ａ側から見た図である。

実際の測定においては、段差部ＷＡ１，ＷＡ２の間隔はサンプルＳＰによって様々である。この場合、段差部ＷＡ１，ＷＡ２の間隔がサンプルＳＰ毎に異なっても対応できるようにするため、ミラー２３１の移動条件を考える。

ミラー２３１，２３２のうち、ミラー２３２は固定であるが、ミラー２３１は撮像部２１の光軸ＬＡに対して垂直な面に沿って、つまり、下面２６ａに沿って平行移動する。この時、式（２）で表される条件を満たしていれば、ミラー２３２が平行移動しても、光軸Ｒ１，Ｒ２の光学的距離を同じにし、段差部ＷＡ１，ＷＡ２の反射光を受光素子２１Ｐに同時に結像させることができる。

ｔａｎγ＝ｓｉｎα・ｓｉｎβ／ｃｏｓβ （２）
ここで、角度γは図６（Ｂ）に示すように、下面２６ａにおける、下面２６ａの下辺２６ｂに対する角度を示している。この角度γの方向にミラー２３２を平行移動させる。具体的には、段差部ＷＡ２の反射光の光軸Ｒ２が９０度曲げて反射されるように、ミラー２３１を角度γの方向にスライドさせる。これにより、段差部ＷＡ１，ＷＡ２の反射光を受光素子２１Ｐに同時に結像させることができる。

そこで、ミラー２３２を平行移動させるための平行移動機構を撮像部２１に設ける。ここで、平行移動機構としては、例えば調節つまみと、調節つまみに連動してミラー２３２を角度γの方向に平行移動させる移動部とを採用すればよい。あるいは、下面２６ａにおいて、角度γに沿ってミラー２３２を平行移動させ、所望の位置でミラー２３２をネジ止めできる構成を採用すればよい。

図５は、本発明の実施の形態による三次元形状計測装置のブロック図である。本三次元形状計測装置は、光源１１，１２、撮像部２１，２２、搬送部３０、及び制御部４０を備えている。光源１１，１２、撮像部２１，２２、及び搬送部３０は上述したため、説明を省く。

制御部４０は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えるマイクロコンピュータ等から構成され、光源制御部４１、撮像制御部４２、形状算出部４３、及び搬送制御部４４の機能を備えている。

光源制御部４１は、光源１１，１２の点灯制御を行う。具体的には、計測開始の指示が図略の操作部を用いてユーザにより入力されると、光源１１，１２に電力を供給し、光源１１，１２を点灯させ、サンプルＳＰに光切断線ＣＬを照射させる。

撮像制御部４２は、撮像部２１，２２を制御し、撮像部２１，２２に所定のフレームレート（例えば１秒あたり２５０フレーム）で光切断線ＣＬが照射されたサンプルＳＰを連続撮像させる。

形状算出部４３は、撮像部２１，２２により撮像された各段差部ＷＡの画像データから各段差部ＷＡの３次元形状を個別に算出する。段差部ＷＡ１，ＷＡ２を例に挙げて説明すると、形状算出部４３は、撮像部２１により所定のフレームレートで撮像された段差部ＷＡ１，ＷＡ２の光切断線ＣＬ１，ＣＬ２が現れた１枚の画像データを順次に取り込む。

そして、取り込んだ１枚の画像データにおいて、領域Ｄ１の光切断線ＣＬ１の各位置の座標と、領域Ｄ２の光切断線ＣＬ２の各位置の座標とを抽出する。そして、抽出した光切断線ＣＬ１，ＣＬ２の各位置の垂直方向の座標と、光源１１の光軸ＬＢの仰角と、撮像部２１の光軸ＬＡの仰角αとを用いて光切断線ＣＬ１，ＣＬ２の各位置の高さデータを算出する。

高さデータＺの算出は、例えば式（３）を用いればよい。

Ｚ＝Ｋ・Ｐｖ／ｃｏｓα （３）
但し、Ｋは受光素子２１Ｐの画素分解能を示し既知である。Ｐｖは光切断線ＣＬ１の各位置の垂直方向の座標を示す。ここで、垂直方向の座標は、図４（Ｂ）に示す縦方向の座標である。そして、各位置の高さデータを１列に配列し、段差部ＷＡ１の１ライン分の高さデータを算出する。

形状算出部４３は、光切断線ＣＬ２についても同様にして段差部ＷＡ２の１ライン分の高さデータを算出する。そして、各画像データから得られた段差部ＷＡ１，ＷＡ２の１ライン分の高さデータを図１に示すＸ方向に向けて配列していくことで、段差部ＷＡ１，ＷＡ２の全域の３次元形状を得る。また、形状算出部４３は、撮像部２２で撮像された画像データについても同じ処理を行い、段差部ＷＡ３，ＷＡ４の３次元形状を得る。

そして、形状算出部４３は、例えば、各段差部ＷＡの３次元形状を立体的に示す画像を図略の表示部に表示する。

搬送制御部４４は、ユーザにより、計測開始の指示が入力されると、搬送部３０を構成する搬送ローラ３２を駆動させ、サンプルＳＰを図１に示すＸ方向に向けて一定の搬送速度で移動させる。光切断線ＣＬのＸ方向の幅をｗＸとすると、撮像部２０の周期が１／２５０＝０．００４ｓであるため、搬送速度をｗＸ／０．００４に設定すると、段差部ＷＡを隙間無く走査することができる。そのため、搬送速度としては、例えばｗＸ／０．００４に設定すればよい。なお、サンプルＳＰは、段差部ＷＡが搬送方向と平行になるように搬送ベルト３１に載置されるものとする。したがって、サンプルＳＰは、段差部ＷＡの長手方向に沿って搬送され、段差部ＷＡの長手方向とほぼ直交する方向に光切断線ＣＬが照射されることになる。

（具体例）
次に、本三次元形状計測装置の具体例について説明する。図７（Ａ）は、本発明の実施の形態による三次元形状計測装置の具体例をＢ方向から見た図である。本具体例は、撮像部２１の光軸ＬＡの仰角αが５４．７度、方位角βが６０度である。これらの値は上記の式（１）の関係を満たしている。

そして、搬送ベルト３１にサンプルＳＰを載置し、サンプルＳＰをＸ方向に移動させ、撮像部２１でサンプルＳＰの段差部ＷＡ１，ＷＡ２の光切断線ＣＬ１，ＣＬ２を連続撮像し、撮像部２２でサンプルＳＰの段差部ＷＡ３，ＷＡ４の光切断線ＣＬ３，ＣＬ４を連続撮像する。

以下、撮像部２１のみについて説明する。段差部ＷＡ１の反射光の光像は図７（Ｂ）に示すように領域Ｄ１に結像される。段差部ＷＡ２の反射光の光像はミラー２３１，２３２を介して領域Ｄ２に結像される。

光源１１は、偏光方向がＰ偏光の光を照射する。フィルタ２４１，２５１は、偏光方向がＰ偏光に対して＋４５度の偏光フィルタである。フィルタ２４２，２５２は、偏光方向がＰ偏光に対して−４５度の偏光フィルタである。撮像部２２についても同様に構成する。以上により段差部ＷＡ１〜ＷＡ４の三次元形状が得られる。

（変形例１）
次に、本三次元形状計測装置の変形例１について説明する。変形例１は、偏光フィルタに代えて波長フィルタを使用して迷光防止を図ったものである。この場合、フィルタ２４２，２５２を第１波長帯域を透過する波長フィルタにより構成し、フィルタ２４１，２５１を第１波長帯域とは異なる第２波長帯域を透過する波長フィルタにより構成する。この場合、光源１１としては、第１波長帯域及び第２波長帯域を共に含む光を照射するものを採用すればよい。白色光源は、多数の波長帯域の全域を含むため、光源１１としては、レーザ光源等の単色光源ではなく、ハロゲンランプ等の白色光源を採用することが好ましい。

受光素子２１Ｐの視野を三分割にする場合、下面２６ａ側にフィルタ２４１〜２４３の３つのフィルタを配列し、受光素子２１Ｐ側に３個のフィルタ２５１〜２５３を配列すればよい。ここで、視野を三分割する場合とは、受光素子２１Ｐに３つの段差部ＷＡの反射光を結像させる場合である。この場合、フィルタ２４１〜２４３を、それぞれ、第１〜第３の波長帯域を透過する波長フィルタにより構成し、かつ、フィルタ２５１〜２５３を、それぞれ、第１〜第３の波長帯域を透過する波長フィルタにより構成してもよい。或いは、フィルタ２４１，２４３及びフィルタ２５１，２５３を第１波長帯域を透過する波長フィルタで構成し、フィルタ２４２，２５２を第２波長帯域を透過する波長フィルタで構成するというように、下面２６ａ側及び受光素子２１Ｐ側のそれぞれにおいて、隣接するフィルタに対して透過する波長帯域が異なる２種類の波長フィルタを交互に配置してもよい。

また、受光素子２１Ｐの視野を四分割以上する場合、つまり、受光素子２１Ｐに４つ以上の段差部ＷＡを計測させる場合も同様、３分割した場合と同様に波長フィルタを配置すればよい。具体的には、下面２６ａ側に４つ以上の波長フィルタを配置し、受光素子２１Ｐ側に４つ以上の波長フィルタを配置すればよい。そして、同一の段差部ＷＡの反射光の光軸上に設けられたフィルタを同一の波長帯域を透過する波長フィルタで構成すればよい。

（変形例２）
図８（Ａ）、（Ｂ）は本発明の実施の形態の変形例２による三次元形状計測装置において、受光素子２１Ｐの受光面２１Ａに結像される光像を示した図である。変形例２は、段差部ＷＡ１からの反射光と、段差部ＷＡ２からの反射光とが、受光素子２１Ｐで結像される際のレイアウトが図７（Ｂ）とは異なる点を特徴としている。

図８（Ａ）では、光切断線ＣＬ１，ＣＬ２との垂直方向（上下方向）へのずれ量が図７（Ｂ）に比べて増大している。こうすることで、段差部ＷＡ１からの反射光の迷光が領域Ｄ２に侵入したとしても光切断線ＣＬ２に影響を及ぼさず、かつ、段差部ＷＡ２からの反射光の迷光が領域Ｄ１に侵入したとしても領域Ｄ１に現れる光切断線ＣＬ１に影響を及ぼさなくなる。これを実現するために、光軸Ｒ１が領域Ｄ１の中心Ｏ１よりも垂直方向に下側の位置ＰＳ１に位置するようにレンズ２２Ｌを位置決めすると共に、光軸Ｒ２が領域Ｄ２の中心Ｏ２よりも垂直方向に上側の位置ＰＳ２に位置するようにミラー２３１、レンズ２２Ｌを位置決めすればよい。

図８（Ｂ）では、領域Ｄ１，Ｄ２が上下に分割されている。この場合、光軸Ｒ１が領域Ｄ１の中心ＰＳ１´に位置するようにレンズ２２Ｌを配置すると共に、光軸Ｒ２が領域Ｄ２の中心ＰＳ２´に位置するようにミラー２３１，２３２を配置すればよい。この場合、領域Ｄ１，Ｄ２の水平方向の幅が長くなり、光切断線ＣＬ１，ＣＬ２の幅をより長くすることができ、測定範囲を大きくできる。

（変形例３）
変形例３は環境光を除去するためのフィルタを撮像部２１に設けたことを特徴としている。撮像部２１の周辺の環境光（例えば部屋照明）が撮像部２１の内部に侵入すると、計測に悪影響を及ぼす。そこで、図７（Ａ）に示すように、迷光を除去するフィルタ２４１，２４２，２５１，２５２とは別に、段差部ＷＡ１の反射光と段差部ＷＡ２の反射光との全域を遮断する位置に環境光の透過を阻止する波長フィルタ２７を設置する。これにより、環境光が撮像部２１の内部に侵入することを防ぐ事ができる。図７（Ａ）の例では、波長フィルタ２７は下面２６ａの全域に設けられている。但し、これは一例であり、受光素子２１Ｐの全面に設けてもよいし、受光素子２１Ｐとレンズ２２Ｌとの間、又は、下面２６ａとレンズ２２Ｌとの間に設けてもよい。

また、図７（Ａ）に示すようにフィルタ２４１，２４２，２５１，２５２と波長フィルタ２７とを共に配置することで、迷光と環境光との両方を除去することができる。なお、変形例３においては、変形例１と異なり、光源１１としてはレーザ光源等の単色光源を採用することが好ましい。

（変形例４）
変形例１において、受光素子２１Ｐの視野を三分割する場合、又は４分割以上する場合、透過する波長帯域が交互に異なるようにフィルタを配列することについて記述したが、これは、フィルタとして波長フィルタではなく、偏光フィルタを用いた場合も同様に成り立つ。すなわち、下面２６ａに３個以上の偏光フィルタを配置する場合、偏光方向が９０度異なる偏光フィルタを交互に配列すればよい。また、受光素子２１Ｐ側の偏光フィルタも偏光方向が９０度異なるように交互に配置すると共に、下面２６ａ側の対応する同一光路の偏光フィルタと偏光方向が同じになるように配置すればよい。これにより、３以上の段差部ＷＡの反射光を１つ受光素子２１Ｐに結像させる場合であっても、２種類の偏光フィルタを用いて迷光の侵入を防止することができる。

（変形例５）
図１では右側計測系ＲＵと左側計測系ＬＵとの２つの計測系によりサンプルＳＰを測定したが、３つ以上の計測系でサンプルＳＰを測定してもよい。例えば、サンプルＳＰが８つの段差部ＷＡを持ち、斜面が左側に露出している第１段差部が４つ存在し、斜面が右側に露出している第２段差部が４つ存在する場合を考える。この場合、第１段差部を左端から２つずつ区分して２つの第１段差群に分ける。また、第２段差部を右端から２つずつ区分して２つの第２段差群に分ける。そして、２つの第１段差群ごとに２つの左側計測系ＬＵを設け、かつ、２つの第２段差群ごとに２つの右側計測系ＲＵを設ければよい。この場合、２つの左側計測系ＬＵを中心線ＭＬに対して左側に配置し、２つの右側計測系ＲＵを中心線ＭＬに対して右側に配置し、これら４つの計測系を中心線ＭＬに対してＸ方向の位置をずらして左右対称に配置すればよい。

このように、本実施の形態による三次元形状計測装置によれば、段差部ＷＡ１，ＷＡ２に対して１つの左側計測系ＬＵが設けられている。そして、左側計測系ＬＵを構成する撮像部２１は、段差部ＷＡ１からの反射光の受光素子２１Ｐまでの光軸Ｒ１と、段差部ＷＡ１からの反射光の受光素子２１Ｐまでの光軸Ｒ２との光学距離が等しくなるように、仰角α及び方位角βが設定されている。そのため、段差部ＷＡ１，ＷＡ２毎に計測系を設けなくても、段差部ＷＡ１の反射光による光像とＷＡ２の反射光による光像とを受光素子２１Ｐに同時に結像させることができ、三次元形状を精度良く計測することができる。

１０，１１，１２ 光源
２０，２１，２２ 撮像部
２１Ｐ 受光素子
２１Ａ 受光面
２２Ｌ レンズ
２６ カバー
２６ｂ 下辺
２６ａ 下面
２３１，２３２ ミラー
２４１，２４２，２５１，２５２ フィルタ
ＣＬ，ＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４ 光切断線
ＬＡ 光軸
ＬＵ 左側計測系
ＭＬ 中心線
Ｒ１，Ｒ２ 光軸
ＲＵ 右側計測系
ＳＰ サンプル
ＷＡ，ＷＡ１，ＷＡ２，ＷＡ３，ＷＡ４ 段差部

Claims (10)

1. 一方向に長い段差を複数持つ測定対象物の各段差部の三次元形状を光切断法を用いて計測する三次元形状計測装置であって、
   前記測定対象物に対して前記一方向と交差する方向に光切断線を照射する光源と、
   前記光切断線が照射された前記測定対象物を撮像する撮像部とを備え、
   前記撮像部は、
   前記測定対象物からの反射光を受光する受光素子と、
   １つの段差部からの反射光を結像して前記受光素子に導くレンズと、
   前記１つの段差部以外の他の段差部からの反射光を反射して前記レンズに結像させて前記受光素子に導くミラーとを含み、
   前記撮像部の光軸は、前記１つの段差部からの反射光の光軸の前記受光素子までの光学距離と、前記他の段差部からの反射光の光軸の前記受光素子までの光学距離とが等しくなるように、前記測定対象物に対する仰角及び方位角が設定されている三次元形状計測装置。
2. 前記仰角α及び方位角βは、２・ｓｉｎ^２β−２・ｓｉｎ^２β・ｓｉｎ^２α＝１の関係を持つ請求項１記載の三次元形状計測装置。
3. 前記段差部は、前記一方向と直交する幅方向の一端側に斜面が露出した複数の第１段差部と、前記幅方向の他端側に斜面が露出した複数の第２段差部とからなり、
   前記第１段差部は、前記一端側から複数個ずつ区分されて１又は複数の第１段差群に分けられ、
   前記第２段差部は、前記他端側から複数個ずつ区分されて１又は複数の第２段差群に分けられ、
   一対の前記撮像部及び前記光源により構成され計測系を備え、
   前記計測系は各第１，第２段差群に対応して複数存在する請求項１又は２記載の三次元形状計測装置。
4. 前記複数の段差部は、前記測定対象物の前記一方向の中心線に対して対称に配置され、
   前記計測系は、前記中心線に対して対象に配置されている請求項３記載の三次元形状計測装置。
5. 前記ミラーは、
   前記他の段差部からの反射光の光軸を４５度の反射角で反射する第１ミラーと、
   前記第１ミラーにより反射された反射光の光軸を４５度の反射角で反射する第２ミラーとを含む請求項１〜４のいずれかに記載の三次元形状計測装置。
6. 前記第１ミラーは、前記撮像部の光軸に対して直交する面において、前記１つの段差部からの反射光の光軸の前記受光素子までの光学距離と、前記他の段差部からの反射光の光軸の前記受光素子までの光学距離とが等しくなるように、移動可能に配置されている請求項３記載の三次元形状計測装置。
7. 前記第１ミラーは、前記撮像部の光軸に直交する面における前記一方向に対する角度をγ、前記撮像部の光軸の仰角をα、前記撮像部の光軸の方位角をβとすると、ｔａｎγ＝ｓｉｎα・ｓｉｎβ／ｃｏｓβの関係を満たす角度γの方向に移動可能に配置されている請求項６記載の三次元形状計測装置。
8. 前記撮像部は、前記受光素子、前記レンズ、及び前記ミラーを覆い、前記測定対象物側の面に開口部が設けられたカバーと、
   前記開口部に配置された開口側フィルタ群と、
   前記受光素子の直前に配置された受光側フィルタ群とを含み、
   前記開口側フィルタ群は、前記１つの段差部からの反射光を透過する第１開口側フィルタ及び前記他の段差部からの反射光を透過する第２開口側フィルタを備え、
   前記受光側フィルタ群は、第１開口側フィルタを透過した反射光を透過する第１受光側フィルタ及び前記第２開口側フィルタを透過した反射光を透過する第２受光側フィルタを備え、
   前記第１開口側フィルタ及び前記第２開口側フィルタは、隣接するフィルタと異なるフィルタ特性を持ち、
   前記第１受光側フィルタ及び前記第２受光側フィルタは、対応する第１開口側フィルタ及び第２開口側フィルタと、同じフィルタ特性を持つ請求項１〜７のいずれかに記載の三次元形状計測装置。
9. 前記フィルタ特性は、偏光特性であり、前記第１開口側フィルタ及び前記第２開口側フィルタは、隣接するフィルタと偏光方向が直交する偏光フィルタである請求項８記載の三次元形状計測装置。
10. 前記フィルタ特性は、波長特性であり、前記第１開口側フィルタ及び前記第２開口側フィルタは、隣接するフィルタと波長特性が波長フィルタである請求項８記載の三次元形状計測装置。

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