WO2011145319A1 - 形状測定装置及び形状測定方法 - Google Patents

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Nikon Corp
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    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N7/00—Television systems
    • H04N7/18—Closed-circuit television [CCTV] systems, i.e. systems in which the video signal is not broadcast

Definitions

  • the present invention relates to a pattern projection type shape measuring apparatus and a shape measuring method by a phase shift method.
  • a pattern projection type three-dimensional shape measuring apparatus using a phase shift method As a method for measuring the surface shape (three-dimensional shape) of a measurement object in a non-contact manner, a pattern projection type three-dimensional shape measuring apparatus using a phase shift method is known.
  • a fringe pattern having a sinusoidal intensity distribution is projected onto the measurement object, and the measurement object is repeatedly imaged while the phase of the fringe pattern is changed at a constant pitch, and thereby obtained.
  • the phase distribution (phase image) of the stripes deformed according to the surface shape of the measurement object is obtained, and the phase image is unwrapped (phase connection) ) And then converted into a height distribution (height image) of the measurement object.
  • the three-dimensional shape measuring apparatus disclosed in Patent Document 1 acquires luminance change data under two types of imaging conditions with different amounts of projection light and prevents two types of luminance change data in order to prevent measurement errors caused by saturated pixels.
  • the brightness change data having a low contrast value is excluded from the calculation target.
  • an object of the present invention is to provide a shape measuring apparatus and a shape measuring method capable of reliably suppressing the influence of inappropriate luminance data on the measurement result.
  • a projection unit that sequentially projects a plurality of types of patterns having a common repetitive structure and different phases onto a measurement object, and each of the plurality of types of patterns includes the An imaging unit that captures an image data set by capturing the measurement object every time it is projected onto the measurement object, and a data set related to the same region on the measurement object from the acquired image data set.
  • the selection unit that selects all the data in the set within the effective luminance range as an appropriate data set, and the acquisition of the appropriate data in the measurement object based on the selected appropriate data set.
  • a shape calculation unit that obtains the shape of the original region.
  • the shape measurement method of the present invention includes a projection procedure for sequentially projecting a plurality of types of patterns having a common repetitive structure and different phases onto a measurement target, and each of the plurality of types of patterns is the measurement target.
  • a shape measuring device and a shape measuring method capable of reliably suppressing the influence of inappropriate luminance data on the measurement result are realized.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a mechanical configuration of the three-dimensional shape measuring apparatus of the present embodiment.
  • the three-dimensional shape measuring apparatus includes a stage 12 on which a measurement object 11 such as an industrial product or a part is placed, and a projection unit 13 and an imaging unit 14 fixed to each other.
  • the optical axis of the imaging unit 14 is perpendicular to the reference plane of the stage 12. It is possible to make the optical axis of the projection unit 13 vertical instead of making the optical axis of the imaging unit 14 vertical, but here it is assumed that the optical axis of the imaging unit 14 is vertical.
  • the stage 12 has a ⁇ stage 12 ⁇ that rotates the measurement object 11 around an axis parallel to the optical axis of the imaging unit 14, and a measurement object toward a predetermined direction (X direction) perpendicular to the optical axis of the imaging unit 14.
  • X stage 12X that shifts 11
  • Y stage 12Y that shifts measurement object 11 in a predetermined direction (Y direction) perpendicular to both the rotational axis of ⁇ stage 12 ⁇ and the X direction.
  • the projection unit 13 is an optical system that illuminates a partial region (illumination region) on the stage 12 from an oblique direction with respect to the optical axis of the imaging unit 14, and includes an illumination element 22, a pattern formation unit 23, The projection optical system 24 is arranged in this order. It is assumed that the size of the measurement object 11 of the present embodiment is small enough to fit the entire measurement object 11 in the illumination area of the projection unit 13.
  • the pattern forming unit 23 of the projection unit 13 is a panel (liquid crystal display element or the like) having a variable transmittance distribution. By displaying a striped pattern (sine lattice pattern) on the panel, the projection unit 13 changes to the illumination region.
  • the cross-sectional intensity distribution of the illuminating light beam going is made sinusoidal.
  • the repetitive direction of the grid-like light and darkness of the sine lattice pattern displayed on the pattern forming unit 23 is perpendicular to the plane on which both the optical axis of the projection unit 13 and the optical axis of the imaging unit 14 exist.
  • the reference point located in the vicinity of the center on the display surface of the pattern forming unit 23 is optically conjugate with respect to the intersection of the optical axis of the imaging unit 14 and the optical axis of the projection unit 13, and thereby sine.
  • the projection destination of the lattice pattern is set on the surface of the measurement object 11 (hereinafter referred to as “test surface”) arranged in the illumination area of the stage 12.
  • test surface the surface of the measurement object 11
  • the reference point of the pattern forming unit 23 and the reference point of the stage 12 do not have to be completely conjugate as long as a sine lattice pattern can be projected on the surface to be measured.
  • the imaging unit 14 is an optical system that detects an image (luminance distribution) of an illumination area on the stage 12.
  • the imaging optical system 25 forms an image of reflected light generated in the illumination area, and the imaging optical system 25.
  • An image pickup element 26 that picks up an image formed by the image pickup device and acquires the image is sequentially arranged.
  • the reference point located in the vicinity of the center on the imaging surface of the imaging device 26 is optically conjugate with respect to the intersection of the optical axis of the imaging unit 14 and the optical axis of the projection unit 13. In addition, it is possible to obtain an image of the measurement object 11 (image of the test surface) arranged in the illumination area by the projection unit 13.
  • the intersection of the optical axis of the imaging unit 14 and the optical axis of the projection unit 13 and the reference point of the imaging element 26 are completely conjugate. You don't have to be in a relationship.
  • this image is referred to as a “stripe image”.
  • the acquisition of the fringe image is repeated while shifting the phase of the sine grating pattern without changing the period of the sine grating pattern, information for making the surface shape data D of the test surface known is gathered.
  • the test surface may be made of a highly reflective material such as metal and include various portions with different inclination angles.
  • an extremely bright portion and an extremely dark portion are mixed on the test surface.
  • the extremely bright part is a part having an inclination angle that reflects most of the illumination light (mainly specularly reflected light) incident from the projection unit 13 side toward the imaging unit 14.
  • the dark portion is a portion having an inclination angle that reflects most of the illumination light (mainly specularly reflected light) emitted from the projection unit 13 toward the direction away from the imaging unit 14.
  • FIG. 2 is an overall configuration diagram of the three-dimensional shape measuring apparatus.
  • a main light source 21 that is a light source of the projection unit 13 is connected to the projection unit 13. Since the main light source 21 is used for pattern projection type surface shape measurement, for example, a general light source such as an LED, a halogen lamp, a metal halide lamp, or a laser light source can be applied.
  • the light emitted from the main light source 21 is introduced into the illumination element 22 through the optical fiber 21 '.
  • a small light source such as an LED may be disposed at a position indicated by reference numeral 22 in FIG. 1 without using the optical fiber.
  • the main light source 21, the pattern forming unit 23 of the projection unit 13, and the image sensor 26 of the imaging unit 14 are each connected to the control unit 101 of the computer 100.
  • the control unit 101 turns on / off the main light source 21, the light emission intensity of the main light source 21, the phase of the sine lattice pattern displayed on the pattern forming unit 23, the image acquisition timing by the image sensor 26, and the image by the image sensor 26.
  • the charge accumulation time at the time of acquisition (hereinafter referred to as “shutter speed”), the coordinates of the stage 12, and the like are controlled.
  • the control unit 101 can also set the pattern displayed on the pattern forming unit 23 to a uniform pattern.
  • the computer 100 includes a CPU 15 that controls the entire three-dimensional shape measuring apparatus, a storage unit 16, a monitor 17, and an input unit 18.
  • the storage unit 16 stores an operation program for the CPU 15 in advance, and the CPU 15 operates according to the operation program.
  • the CPU 15 drives and controls each unit of the three-dimensional shape measuring apparatus by giving various instructions to the control unit 101.
  • various information necessary for the operation of the CPU 15 is stored in the storage unit 16 in advance.
  • FIG. 3 is an operation flowchart of the CPU 15 (and the control unit 101) regarding measurement. Hereafter, each step of FIG. 3 is demonstrated in order. It is assumed that the coordinates of the stage 12 have been adjusted to appropriate coordinates at the start of this flow.
  • Step S10 The CPU 15 instructs the control unit 101 to perform the pre-measurement.
  • the control unit 101 drives each unit of the three-dimensional shape measuring apparatus to perform pre-measurement.
  • the control unit 10 sets the pattern to be displayed on the pattern forming unit 23 to a uniform bright pattern (a uniform pattern having the same brightness as the bright portion of the sine lattice pattern), and the image sensor 26 is Drives repeatedly under various shutter speeds.
  • the plurality of images acquired by such pre-measurement are sent to the CPU 15 as information indicating variations in the amount of light reaching the imaging unit 14 from the test surface.
  • the CPU 15 determines k max measurement conditions by a determination method described later, the CPU 15 provides the control unit 101 with information on the k max measurement conditions and an instruction to start the main measurement.
  • parameters other than the shutter speed are common among the k max measurement conditions, and the shutter speed is set to be larger (the exposure amount is larger) as the measurement condition has a smaller condition number k. Further, it is assumed that the final value k max of the condition number k is preset by the user of the apparatus or the manufacturer of the apparatus, and is set to “6” here.
  • the shutter speed under the measurement condition with the condition number k is represented as “SS (k)”.
  • Step S11 The control unit 101 sets the condition number k to the initial value 1.
  • Step S12 The control unit 101 sets the shutter speed of the image sensor 26 to the shutter speed SS (k) corresponding to the current condition number k.
  • Step S13 The control unit 101 sets the image number m to the initial value 1.
  • Step S14 The control unit 101 sets the phase shift amount of the sine lattice pattern to the shift amount (m ⁇ 1) ⁇ / 2 corresponding to the current image number m.
  • Step S15 The control unit 101 turns on the light source device 21 to project a sine lattice pattern having a phase shift amount of (m ⁇ 1) ⁇ / 2 onto the measurement object 11, and the current shutter speed SS (k ) To drive the image sensor 26 to obtain a fringe image I km .
  • the acquired fringe image I km is written to the storage unit 16 via the CPU 15.
  • Step S16 The control unit 101 determines whether or not the current image number m has reached the final value m max . If it has not reached, the process proceeds to step S17, and if it has reached, the process proceeds to step S18.
  • the 4-bucket method is applied to phase calculation described later, and the final value m max of the image number m is set to “4”.
  • Step S17 The control unit 101 increments the image number m and then returns to step S14. Therefore, the loop of steps S14 to S17 is repeated, and a total of four striped images (stripe image sets I k1 to I k4 ) are acquired.
  • Step S18 The control unit 101 determines whether or not the current condition number k has reached the final value k max . If not, the control unit 101 proceeds to step S19, and if it has reached, the flow ends.
  • Step S19 The control unit 101 increments the condition number k, and then returns to step S12. Therefore, the loop of steps S12 to S19 is repeated, and a total of six stripe image sets I 11 to I 14 , I 21 to I 24 , I 31 to I 34 , I 41 to I 44 , I 51 to I 54 , I 61 to I 64 are acquired (see FIG. 5A).
  • FIG. 4 is an operation flowchart of the CPU 15 regarding analysis. Hereafter, each step of FIG. 4 is demonstrated in order.
  • six striped image sets I 11 to I 14 , I 21 to I 24 , I 31 to I 34 , I 41 to I 44 , I 51 to I 54 , I 61 to I 64 (FIG. 5 (A).) Is already stored in the storage unit 16.
  • Step S21 The CPU 15 sets the condition number k to the initial value 1.
  • Step S22 The CPU 15 sets the pixel number i to an initial value 1.
  • Step S23 The CPU 15 refers to a pixel set (luminance value set I k1i to I k4i ) corresponding to the current pixel number i among the stripe image sets I k1 to I k4 corresponding to the current condition number k. Then, the CPU 15 calculates the initial phase ⁇ ki by applying the luminance value sets I k1i to I k4i to the equation (1) of the 4-bucket method. Further, the CPU 15 writes the value of the initial phase ⁇ ki into the storage unit 16 as the value of the i-th pixel ⁇ ki of the provisional phase image ⁇ k (see FIG. 5B) corresponding to the current condition number k. .
  • Step S24 The CPU 15 determines whether or not the current pixel number i has reached the final value i max . If not, the process proceeds to step S25, and if it has reached, the process proceeds to step S26. Note that the final value i max of the pixel number i is set to correspond to the number of pixels of the image sensor 26.
  • Step S25 The CPU 15 increments the pixel number i and then returns to step S23. Therefore, the loop of steps S23 to S25 is repeated, and all the pixels of the provisional phase image ⁇ k (see FIG. 5B) corresponding to the current condition number k are acquired.
  • Step S26 The CPU 15 determines whether or not the current condition number k has reached the final value k max (here, 6). If not, the process proceeds to step S27, and if it has reached, the process proceeds to step S28. .
  • Step S27 The CPU 15 increments the condition number k and then returns to step S22. Therefore, the loop of steps S22 to S27 is repeated, and a total of six provisional phase images ⁇ 1 , ⁇ 2 , ⁇ 3 , ⁇ 4 , ⁇ 5 , ⁇ 6 (see FIG. 5B) are acquired.
  • Step S28 The CPU 15 sets the pixel number i to the initial value 1.
  • Step S29 The CPU 15 sets the condition number k to the initial value 1.
  • Step S30 The CPU 15 determines whether or not the pixel (initial phase ⁇ ki ) corresponding to the current pixel number i in the provisional phase image ⁇ k corresponding to the current condition number k has reliability. If it is not reliable, the process proceeds to step S31. If it is reliable, the process proceeds to step S32.
  • whether or not the initial phase ⁇ ki has reliability depends on whether or not the luminance value set (luminance value sets I k1i to I k4i ) from which the initial phase ⁇ ki is calculated is appropriate. The determination is made based on whether or not all of the luminance value sets I k1i to I k4i are within the effective luminance range.
  • the effective luminance range as shown in FIG. 6, of the total output range of the image sensor 16 (full brightness range I min ⁇ I max), the luminance range as the input-output characteristic of the image sensor 16 is a linear I min It means “ ⁇ I max ”.
  • This effective luminance range is measured in advance by the manufacturer of this apparatus and written in advance in the storage unit 16 together with the operation program described above.
  • Step S31 The CPU 15 increments the condition number k and then returns to step S30. Therefore, the loop of steps S30 and S31 is repeated until a reliable pixel (initial phase ⁇ ki ) is found.
  • Step S32 The CPU 15 sends the value of the initial phase ⁇ ki determined to be reliable in step S30 to the storage unit 16 as the value of the i-th pixel ⁇ i of the definite phase image ⁇ (see FIG. 5C). Write.
  • Step S33 The CPU 15 determines whether or not the current pixel number i has reached the final value i max . If not, the process proceeds to step S34, and if it has reached, the process proceeds to step S35.
  • Step S34 The CPU 15 increments the pixel number i and then returns to step S29. Therefore, the loop of steps S29 to S34 is repeated, and all the pixels of the definite phase image ⁇ (see FIG. 5C) are acquired.
  • Step S35 The CPU 15 reads the definite phase image ⁇ from the storage unit 16, performs unwrap processing (phase connection) for adding the offset distribution ⁇ to the definite phase image ⁇ , and performs the unwrapped phase image ⁇ (see FIG. 7).
  • the offset distribution ⁇ is measured separately and stored in the storage unit 16 in advance, or is automatically set by phase jump detection). Further, the CPU 15 converts the unwrapped phase image ⁇ (see FIG. 7) into the height distribution Z (X, Y) (see FIG. 8) of the test surface and displays it on the monitor 17. Further, the CPU 15 stores the height distribution Z (X, Y) in the storage unit 16 as necessary, and ends the flow (description of FIG. 4 above).
  • the measuring apparatus repeats the acquisition of the luminance change data (luminance value sets I k1i to I k4i ) of each pixel six times while changing the shutter speed (steps S11 to S19), and the six luminance values.
  • the measurement apparatus can perform measurement with high accuracy even if an extremely bright portion and an extremely dark portion are mixed on the surface to be measured.
  • the measuring apparatus of the present embodiment stores in advance an effective luminance range (see FIG. 6) that is an output range in which the input / output characteristics of the image sensor 26 are linear, and six luminance value sets I are selected in the selection. 11i ⁇ I 14i, I 21i ⁇ I 24i, I 31i ⁇ I 34i, I 41i ⁇ I 44i, I 51i ⁇ I 54i, the luminance value set that fall within the effective luminance range of I 61i ⁇ I 64i, proper It is considered as a set of brightness values.
  • the luminance value set that is considered appropriate in the present embodiment is a luminance value set that falls within the effective luminance range shown in FIG. 6 (within the linear range of input / output characteristics), so the relationship between the buckets during the phase shift. Is accurately reflected.
  • the accuracy of the phase calculation can be reliably increased.
  • the measurement apparatus sequentially determines whether or not it is appropriate from a brightness value set with a large shutter speed (a large exposure amount), and if there are a plurality of appropriate brightness value sets. Among the plurality of luminance value sets, the one having the largest shutter speed (the largest exposure amount) is selected.
  • a luminance value set with a good SN ratio is preferentially used, and the accuracy of phase calculation is further increased.
  • FIG. 9 is an operation flowchart of the CPU 15 regarding the analysis of the second embodiment. Hereafter, each step of FIG. 9 is demonstrated in order.
  • six striped image sets I 11 to I 14 , I 21 to I 24 , I 31 to I 34 , I 41 to I 44 , I 51 to I 54 , I 61 to I 64 (FIG. 10 (A).) Is already stored in the storage unit 16.
  • Step S41 The CPU 15 sets the pixel number i to an initial value 1.
  • Step S42 The CPU 15 sets the condition number k to the initial value 1.
  • Step S43 The CPU 15 refers to a pixel set (luminance value set I k1i to I k4i ) corresponding to the current pixel number i among the stripe image sets I k1 to I k4 corresponding to the current condition number k. It is determined whether or not these luminance value sets I k1i to I k4i are appropriate. If they are not appropriate, the process proceeds to step S44, and if they are appropriate, the process proceeds to step S45.
  • the luminance value sets I k1i to I k4i are appropriate is determined depending on whether or not all of the luminance value sets I k1i to I k4i are within the effective luminance range.
  • This effective luminance range is the same as that used in step S30 described above, and is measured in advance by the manufacturer of the apparatus and written in advance in the storage unit 16 together with the operation program described above.
  • Step S44 The CPU 15 increments the condition number k and then returns to step S43. Therefore, the loop of steps S43 to S44 is repeated until an appropriate luminance value set is found.
  • Step S45 The CPU 15 calculates the initial phase ⁇ ki by applying the luminance value sets I k1i to I k4i determined to be appropriate in step S43 to the equation (1) of the 4-bucket method. Then, the CPU 15 writes the value of the initial phase ⁇ ki into the storage unit 16 as the value of the i-th pixel ⁇ i of the definite phase image ⁇ (see FIG. 10B).
  • Step S46 The CPU 15 determines whether or not the current pixel number i has reached the final value i max . If not, the process proceeds to step S47, and if it has reached, the process proceeds to step S48. Note that the final value i max of the pixel number i is set to correspond to the number of pixels of the image sensor 26.
  • Step S47 The CPU 15 increments the pixel number i, and then returns to step S42. Therefore, the loop of steps S42 to S47 is repeated, and all pixels of the definite phase image ⁇ (see FIG. 10B) are acquired.
  • Step S48 The CPU 15 reads the definite phase image ⁇ from the storage unit 16, performs unwrap processing (phase connection) for adding the offset distribution ⁇ to the definite phase image ⁇ , and displays the unwrapped phase image ⁇ (see FIG. 7).
  • the offset distribution ⁇ is separately measured and stored in the storage unit 16 in advance, or is automatically set by phase jump detection). Further, the CPU 15 converts the unwrapped phase image ⁇ (see FIG. 7) into the height distribution Z (X, Y) (see FIG. 8) of the test surface and displays it on the monitor 17. Further, the CPU 15 stores the height distribution Z (X, Y) in the storage unit 16 as necessary, and ends the flow (description of FIG. 9 above).
  • the measurement apparatus also stores in advance the effective luminance range (see FIG. 6), which is an output range in which the input / output characteristics of the image sensor 26 are linear, and has six luminance value sets I 11i to I 14i. , I 21i ⁇ I 24i, I 31i ⁇ I 34i, I 41i ⁇ I 44i, I 51i ⁇ I 54i, the luminance value set that fall within the effective luminance range of I 61i ⁇ I 64i as an appropriate brightness value set elect.
  • the effective luminance range see FIG. 6
  • the accuracy of the phase calculation can be reliably increased.
  • the measurement apparatus of the present embodiment creates a definite phase image after selecting a luminance value set without acquiring a provisional phase image, only the selected luminance value set is targeted for phase calculation. Therefore, the calculation load required for the phase calculation can be greatly reduced.
  • FIG. 11 is a characteristic curve showing the relationship between the shutter speed and the luminance value. Note that the data shown in FIG. 11 is data specific to the combination of the measurement object 11 and the image sensor 26, and is data acquired by the above-described previous measurement, for example.
  • the plurality of characteristic curves shown in FIG. 11 are characteristic curves relating to pixels corresponding to portions having different brightness on the surface to be examined.
  • the gradient of the characteristic curve increases as the pixel (bright pixel) corresponding to the bright part on the surface to be examined.
  • the characteristic curve with the smallest gradient is the characteristic curve of the pixel corresponding to the darkest part on the surface to be examined (darkest pixel), and the characteristic curve with the largest gradient is the brightest part on the surface to be examined. Is the characteristic curve of the pixel corresponding to (the brightest pixel).
  • the effective luminance range is assumed to be a narrow luminance range of 50 to 200, and a pixel that outputs a luminance value within this effective luminance range is referred to as an “effective pixel”.
  • a pixel that outputs a luminance value outside the range is referred to as an “invalid pixel”.
  • the upper limit SS max of the change range of the shutter speed is a value such that the darkest pixel becomes an effective pixel when the shutter speed is SS max (a value in which the characteristic curve of the darkest pixel falls within the ellipse frame). Is set.
  • the upper limit value Smax is set to 100 ms.
  • the lower limit SS min of the shutter speed change range is a value such that the brightest pixel becomes an effective pixel when the shutter speed is SS min (a value such that the characteristic curve of the brightest pixel falls within the dotted line frame). ).
  • the lower limit value min is set to 1 ms.
  • the k-th shutter speed SS (k) may be set as shown in Expression (3).
  • SS max 100 ms
  • SS min 1 ms
  • ⁇ 19.8 ms
  • SS (1) 100 ms
  • SS (2) 80.2
  • SS (3) 60. 4
  • SS (4) 40.6
  • SS (5) 20.8 ms
  • SS (6) 1 ms.
  • the first pixel that becomes the effective pixel (the pixel that has the characteristic curve in the elliptical frame) is a relatively dark pixel.
  • gradually bright pixels begin to become effective pixels, and finally only extremely bright pixels become effective pixels.
  • the shutter speed change pitch ⁇ it is desirable to set the shutter speed change pitch ⁇ more finely as the shutter speed is lower, instead of making the shutter speed change pitch ⁇ constant.
  • the change pitch ⁇ ′ on the logarithmic scale of the shutter speed may be made constant instead of making the change pitch ⁇ of the shutter speed constant.
  • FIG. 12 represents the horizontal axis (shutter speed) of FIG. 11 on a logarithmic scale.
  • the shutter speeds SS (0) to SS (6) are set evenly on the logarithmic scale.
  • the change pitch ⁇ ′ on the logarithmic scale of the shutter speed may be set as shown in Expression (4).
  • the k-th shutter speed SS (k) may be set as shown in Expression (5).
  • the shutter speed change pitch ⁇ is set more finely as the shutter speed is lower.
  • the number of pixels that cannot be effective pixels (marked with * in FIG. 11) can be reduced.
  • the number of pixels that cannot be effective pixels is zero.
  • the shutter speed of the image sensor 26 is changed in order to provide a difference in the exposure amount between the measurement conditions of k max .
  • the shutter speed of the image sensor 26 is changed to any one of the optical paths from the light source to the image sensor.
  • the aperture value of the aperture may be changed.
  • the light source power of the projection unit 13 may be changed.
  • the transmittance of any optical path from the light source to the image sensor may be changed (in this case, a plurality of filters having different transmittances are attached, and one of these filters is selectively transferred to the optical path. Use an insertable mechanism.)
  • the 4-bucket method in which the number of fringe images necessary for calculating the initial phase is 4 is applied to the phase shift method of the above embodiment
  • Other phase shift methods such as the 7-bucket method may be applied.
  • a plurality of sets of fringe image sets are acquired with a plurality of exposure amounts, and processing for selecting an appropriate luminance value set from the plurality of sets of stripe image sets is performed for each region on the measurement target.
  • the initial phase data (and height data) for each region was calculated based on the appropriate luminance value set for each region, but the following modifications may be made.
  • a set of fringe image sets is acquired with one exposure amount, and the luminance value of an area where the exposure amount is appropriate on the measurement object from the stripe image set.
  • a set that is, a luminance value set in which all luminance values in the set are within the effective luminance range
  • initial phase data (and height in the region on the measurement object) Data is selected, and based on the selected luminance value set, initial phase data (and height in the region on the measurement object) Data).
  • the sine lattice pattern is used as the pattern projected onto the measurement object.
  • a pattern other than the sine lattice pattern may be used as long as it has a repetitive structure.
  • the program stored in the storage unit 16 of the above embodiment may be a firmware program updated by version upgrade or the like. That is, the analysis process (FIGS. 4 and 9) of the above-described embodiment may be provided by updating an existing analysis process firmware program.

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Abstract

　不適切なデータが測定結果に与える影響を確実に抑えることを目的として、形状測定装置は、共通の繰り返し構造を有し、かつ位相の異なるパターンを測定対象物上へ順次投影する投影部と、前記パターンの各々が前記測定対象物へ投影される毎に前記測定対象物を異なる露光量で撮像して複数の画像データセットを取得する撮像部と、前記複数の画像データセットの中から、 前記撮像部の入出力特性が線形となる有効輝度範囲内にセット内の全データが収まっているものを適正データセットとして選出することを前記測定対象物の各領域についておこなう選出部と、前記選出された適正データセットに基づいて前記領域毎に形状を求める形状算出部と、を備える。

Description

形状測定装置及び形状測定方法
　本発明は、位相シフト法によるパターン投影型の形状測定装置及び形状測定方法に関する。
　測定対象物の面形状（三次元形状）を非接触で測定する手法として、位相シフト法によるパターン投影型の三次元形状測定装置が知られている。この三次元形状測定装置では、正弦波状の強度分布を持つ縞パターンを測定対象物上に投影し、その縞パターンの位相を一定ピッチで変化させながら測定対象物を繰り返し撮像し、それによって得られた複数枚の画像（輝度変化データ）を所定の演算式に当てはめることで、測定対象物の面形状に応じて変形した縞の位相分布（位相画像）を求め、その位相画像をアンラップ（位相接続）してから、測定対象物の高さ分布（高さ画像）に換算する。
　因みに、特許文献１に開示の三次元形状測定装置は、飽和画素に起因した測定誤差を防ぐために、投影光量の異なる２通りの撮像条件下で輝度変化データを取得し、２通りの輝度変化データのコントラスト値を画素毎に評価し、コントラスト値の低かった輝度変化データを、演算対象から外している。
特開平２００５－２１４６５３号公報
　しかしながら、コントラスト値の高い輝度変化データの中にも、位相分布（位相画像）の演算に適さない、不適切な輝度変化データが混在している可能性のあることが判明した。
　そこで本発明は、不適切な輝度データが測定結果に与える影響を確実に抑えることのできる形状測定装置及び形状測定方法を提供することを目的とする。
　本発明の形状測定装置の一態様は、共通の繰り返し構造を有し、かつ位相の異なる複数種類のパターンを測定対象物上へ順次に投影する投影部と、前記複数種類のパターンの各々が前記測定対象物へ投影される毎に前記測定対象物を撮像して画像データセットを取得する撮像部と、取得された前記画像データセットの中から、前記測定対象物上の同一領域に関するデータセットであって、セット内の全データが有効輝度範囲内に収まっているものを、適正データセットとして選出する選出部と、選出された前記適正データセットに基づき、前記測定対象物において前記適正データの取得元となった領域の形状を求める形状算出部とを備える。
　本発明の形状測定方法は、　共通の繰り返し構造を有し、かつ位相の異なる複数種類のパターンを測定対象物上へ順次に投影する投影手順と、前記複数種類のパターンの各々が前記測定対象物へ投影される毎に前記測定対象物を撮像して画像データセットを取得する撮像手順と、前記測定対象物上の同一領域に関するデータセットであって、セット内の全データが有効輝度範囲内に収まっているものを、適正データセットとして選出する選出手順と、選出された前記適正データセットに基づき、前記測定対象物において前記適正データの取得元となった領域の形状を求める形状算出手順とを含む。
　本発明によれば、不適切な輝度データが測定結果に与える影響を確実に抑えることのできる形状測定装置及び形状測定方法が実現する。
三次元形状測定装置の斜視図 三次元形状測定装置の全体構成図 測定に関するＣＰＵ１５（及び制御部１０１）の動作フローチャート 解析に関するＣＰＵ１５の動作フローチャート 第１実施形態の解析の流れを説明する図 有効輝度範囲を説明する図 アンラップ後の位相画像ψｋの例 高さ分布Ｚｋの例 第２実施形態の解析に関するＣＰＵ１５の動作フローチャート 第２実施形態の解析の流れを説明する図 シャッター速度と輝度値との関係を示す特性カーブ 図１１の横軸（シャッター速度）を対数目盛で表したもの
　［第１実施形態］
　以下、本発明の第１実施形態として三次元形状測定装置を説明する。
　図１は、本実施形態の三次元形状測定装置の機械的構成を示す斜視図である。図１に示すとおり三次元形状測定装置は、工業製品又は部品などの測定対象物１１を載置するステージ１２と、互いに固定された投影部１３及び撮像部１４とを備える。投影部１３の光軸と撮像部１４の光軸との間には角度がつけられており、両者の光軸は、ステージ１２の基準面上で交差している。このうち撮像部１４の光軸はステージ１２の基準面に対して垂直である。なお、撮像部１４の光軸を垂直にする代わりに投影部１３の光軸を垂直にすることも可能であるが、ここでは撮像部１４の光軸の方が垂直であると仮定する。
　ステージ１２は、撮像部１４の光軸と平行な軸の周りに測定対象物１１を回転させるθステージ１２θと、撮像部１４の光軸と垂直な所定方向（Ｘ方向）に向けて測定対象物１１をシフトさせるＸステージ１２Ｘと、θステージ１２θの回転軸とＸ方向との双方に対して垂直な所定方向（Ｙ方向）に向けて測定対象物１１をシフトさせるＹステージ１２Ｙとを備える。
　投影部１３は、ステージ１２上の一部の領域（照明領域）を、撮像部１４の光軸に対して斜め方向から照明する光学系であって、照明素子２２と、パターン形成部２３と、投影光学系２４とをこの順で配置している。なお、本実施形態の測定対象物１１のサイズは、投影部１３の照明領域内に測定対象物１１の全体が収まる程度に小さいものと仮定する。
　投影部１３のパターン形成部２３は、透過率分布が可変のパネル（液晶表示素子など）であり、そのパネルへ縞模様パターン（正弦格子パターン）を表示することにより、投影部１３から照明領域へ向かう照明光束の断面強度分布を正弦波状とする。パターン形成部２３に表示される正弦格子パターンの格子状の明暗の繰り返し方向は、投影部１３の光軸と撮像部１４の光軸との双方が存在している面に対して垂直である。また、パターン形成部２３の表示面上の中央近傍に位置する基準点は、撮像部１４の光軸と投影部１３の光軸との交差点に対して、光学的に共役であり、これによって正弦格子パターンの投影先は、ステージ１２の照明領域内に配置された測定対象物１１の表面（以下、「被検面」と称す。）に設定されている。なお、被検面上に正弦格子パターンを投影できるのであれば、パターン形成部２３の基準点とステージ１２の基準点とが完全な共役関係になっていなくとも構わない。
　撮像部１４は、ステージ１２上の照明領域の像（輝度分布）を検出する光学系であって、その照明領域で発生した反射光を結像する結像光学系２５と、結像光学系２５が結像した像を撮像して画像を取得する撮像素子２６とが順に配置される。撮像素子２６の撮像面上の中央近傍に位置する基準点は、撮像部１４の光軸と投影部１３の光軸との交差点に対して光学的に共役であり、撮像素子２６は、ステージ１２のうえで、投影部１３による照明領域内に配置された測定対象物１１の画像（被検面の画像）を取得することができる。なお、被検面の画像を十分なコントラストで取得することができるのであれば、撮像部１４の光軸と投影部１３の光軸との交差点と、撮像素子２６の基準点とが完全な共役関係になっていなくとも構わない。
　ここで、投影部１３の光源（図２の符号２１）をオンし、この状態で撮像素子２６を駆動すると、正弦格子パターンの投影された被検面の画像（＝被検面の面形状情報を含んだ画像）を取得することができる。以下、この画像を「縞画像」と称す。さらに、正弦格子パターンの周期は変えずに、正弦格子パターンの位相をシフトさせながら縞画像の取得を繰り返せば、被検面の面形状データＤを既知とするための情報が揃う。
　なお、被検面は、反射率の高い材質、例えば金属からなり、傾斜角度の異なる様々な部分を含む場合がある。この場合、被検面を撮像部１４の側から見ると、その被検面には、極端に明るい部分と極端に暗い部分とが混在することになる。極端に明るい部分は、投影部１３の側から入射した照明光の大部分（主に正反射光）を撮像部１４の方向へ向けて反射するような傾斜角度を有した部分であって、極端に暗い部分は、投影部１３の側から照射された照明光の大部分（主に正反射光）を撮像部１４から外れた方向へ向けて反射するような傾斜角度を有した部分である。
　図２は、三次元形状測定装置の全体構成図である。図２において図１に示した要素と同じものには同じ符号を付した。図２に示すとおり投影部１３には、投影部１３の光源であるメイン光源２１が連結されている。このメイン光源２１は、パターン投影型の面形状測定に使用されるものなので、例えば、ＬＥＤ、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、レーザ光源などの一般的な光源を適用することができる。メイン光源２１から射出した光は、光ファイバ２１’を介して照明素子２２に導入される。なお、ここでは光ファイバ２１’を使用した例を示すが、光ファイバを使用せずにＬＥＤなどの小型光源を図１の符号２２で示した位置へ配置してもよい。
　このメイン光源２１と、投影部１３のパターン形成部２３と、撮像部１４の撮像素子２６とは、それぞれコンピュータ１００の制御部１０１に接続されている。
　制御部１０１は、メイン光源２１をオン／オフするタイミング、メイン光源２１の発光強度、パターン形成部２３に表示される正弦格子パターンの位相、撮像素子２６による画像の取得タイミング、撮像素子２６による画像取得時の電荷蓄積時間（以下、「シャッター速度」と称す。）、ステージ１２の座標などを制御する。なお、制御部１０１は、パターン形成部２３に表示されるパターンを、一様なパターンに設定することもできる。
　コンピュータ１００には、制御部１０１の他に、三次元形状測定装置の全体を統括するＣＰＵ１５と、記憶部１６と、モニタ１７と、入力部１８とが備えられる。記憶部１６には、ＣＰＵ１５の動作プログラムが予め格納されており、ＣＰＵ１５は、その動作プログラムに従って動作する。例えば、ＣＰＵ１５は、制御部１０１に対して各種の指示を与えることにより三次元形状測定装置の各部を駆動制御する。なお、記憶部１６には、上述した動作プログラムの他に、ＣＰＵ１５の動作に必要な各種の情報も予め格納されている。
　図３は、測定に関するＣＰＵ１５（及び制御部１０１）の動作フローチャートである。以下、図３の各ステップを順に説明する。なお、このフローの開始時点では、ステージ１２の座標は、適切な座標に調整済みであるとする。
　ステップＳ１０：ＣＰＵ１５は、前測定を実施するよう制御部１０１へ指示する。制御部１０１は、三次元形状測定装置の各部を駆動して前測定を実施する。前測定において、制御部１０は、パターン形成部２３に表示するパターンを、一様な明るいパターン（正弦格子パターンの明部と同じ明るさの一様なパターン）に設定し、撮像素子２６を、様々なシャッター速度の下で繰り返し駆動する。このような前測定で取得された複数の画像は、被検面から撮像部１４に到達する光量のばらつきを示す情報としてＣＰＵ１５へ送られる。ＣＰＵ１５は、後述する決定方法によりｋｍａｘ通りの測定条件を決定すると、それらｋｍａｘ通りの測定条件の情報と、本測定の開始指示とを制御部１０１へ与える。
　ここで、ｋｍａｘ通りの測定条件の間では、シャッター速度以外のパラメータは共通であり、条件番号ｋの小さい測定条件ほどシャッター速度は大きく（露光量は大きく）設定されるものとする。また、条件番号ｋの最終値ｋｍａｘは、本装置のユーザ又は本装置の製造者によって予め設定され、ここでは「６」に設定されたと仮定する。以下、条件番号がｋである測定条件のシャッター速度を「ＳＳ（ｋ）」と表す。
　ステップＳ１１：制御部１０１は、条件番号ｋを初期値１に設定する。
　ステップＳ１２：制御部１０１は、撮像素子２６のシャッター速度を、現在の条件番号ｋに対応したシャッター速度ＳＳ（ｋ）に設定する。
　ステップＳ１３：制御部１０１は、画像番号ｍを初期値１に設定する。
　ステップＳ１４：制御部１０１は、正弦格子パターンの位相シフト量を、現在の画像番号ｍに対応したシフト量（ｍ－１）π／２に設定する。
　ステップＳ１５：制御部１０１は、光源装置２１をＯＮすることにより、位相シフト量が（ｍ－１）π／２である正弦格子パターンを測定対象物１１へ投影すると、現在のシャッター速度ＳＳ（ｋ）で撮像素子２６を駆動して縞画像Ｉｋｍを取得する。取得された縞画像Ｉｋｍは、ＣＰＵ１５を経由して記憶部１６へ書き込まれる。
　ステップＳ１６：制御部１０１は、現在の画像番号ｍが最終値ｍｍａｘに達したか否かを判別し、達していなければステップＳ１７へ移行し、達していればステップＳ１８へ移行する。なお、ここでは後述する位相算出に４バケット法が適用されることを想定し、画像番号ｍの最終値ｍｍａｘは「４」に設定されたと仮定する。
　ステップＳ１７：制御部１０１は、画像番号ｍをインクリメントしてからステップＳ１４へ戻る。よって、ステップＳ１４～Ｓ１７のループは繰り返され、トータルで４枚の縞画像（縞画像セットＩｋ１～Ｉｋ４）が取得される。
　ステップＳ１８：制御部１０１は、現在の条件番号ｋが最終値ｋｍａｘに達したか否かを判別し、達していなければステップＳ１９へ移行し、達していればフローを終了する。
　ステップＳ１９：制御部１０１は、条件番号ｋをインクリメントしてからステップＳ１２へ戻る。よって、ステップＳ１２～Ｓ１９のループは繰り返され、トータルで６つの縞画像セットＩ１１～Ｉ１４、Ｉ２１～Ｉ２４、Ｉ３１～Ｉ３４、Ｉ４１～Ｉ４４、Ｉ５１～Ｉ５４、Ｉ６１～Ｉ６４が取得される（図５（Ａ）参照。）。
　図４は、解析に関するＣＰＵ１５の動作フローチャートである。以下、図４の各ステップを順に説明する。なお、フローの開始時点では、６つの縞画像セットＩ１１～Ｉ１４、Ｉ２１～Ｉ２４、Ｉ３１～Ｉ３４、Ｉ４１～Ｉ４４、Ｉ５１～Ｉ５４、Ｉ６１～Ｉ６４（図５（Ａ）参照。）は既に記憶部１６へ格納済みとする。
　ステップＳ２１：ＣＰＵ１５は、条件番号ｋを初期値１に設定する。
　ステップＳ２２：ＣＰＵ１５は、画素番号ｉを初期値１に設定する。
　ステップＳ２３：ＣＰＵ１５は、現在の条件番号ｋに対応する縞画像セットＩｋ１～Ｉｋ４のうち、現在の画素番号ｉに対応する画素セット（輝度値セットＩｋ１ｉ～Ｉｋ４ｉ）を参照する。そして、ＣＰＵ１５は、その輝度値セットＩｋ１ｉ～Ｉｋ４ｉを４バケット法の式（１）に当てはめることにより初期位相φｋｉを算出する。さらに、ＣＰＵ１５は、その初期位相φｋｉの値を、現在の条件番号ｋに対応する暫定位相画像φｋ（図５（Ｂ）参照）のｉ番目の画素φｋｉの値として記憶部１６へ書き込む。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ステップＳ２４：ＣＰＵ１５は、現在の画素番号ｉが最終値ｉｍａｘに達したか否かを判別し、達していなければステップＳ２５へ移行し、達していればステップＳ２６へ移行する。なお、画素番号ｉの最終値ｉｍａｘは、撮像素子２６の画素数相当に設定される。
　ステップＳ２５：ＣＰＵ１５は、画素番号ｉをインクリメントしてからステップＳ２３へ戻る。よって、ステップＳ２３～Ｓ２５のループは繰り返され、現在の条件番号ｋに対応する暫定位相画像φｋ（図５（Ｂ）参照）の全画素が取得される。
　ステップＳ２６：ＣＰＵ１５は、現在の条件番号ｋが最終値ｋｍａｘ（ここでは６）に達したか否かを判別し、達していなければステップＳ２７へ移行し、達していればステップＳ２８へ移行する。
　ステップＳ２７：ＣＰＵ１５は、条件番号ｋをインクリメントしてからステップＳ２２へ戻る。よって、ステップＳ２２～Ｓ２７のループは繰り返され、トータルで６つの暫定位相画像φ１、φ２、φ３、φ４、φ５、φ６（図５（Ｂ）参照。）が取得される。
　ステップＳ２８：ＣＰＵ１５は、画素番号ｉを初期値１に設定する。
　ステップＳ２９：ＣＰＵ１５は、条件番号ｋを初期値１に設定する。
　ステップＳ３０：ＣＰＵ１５は、現在の条件番号ｋに対応する暫定位相画像φｋのうち、現在の画素番号ｉに対応する画素（初期位相φｋｉ）が、信頼性を有しているか否かを判別し、信頼性を有していなかった場合はステップＳ３１へ移行し、信頼性を有していた場合はステップＳ３２へ移行する。
　ここで、初期位相φｋｉが信頼性を有しているか否かは、初期位相φｋｉの算出元となった輝度値セット（輝度値セットＩｋ１ｉ～Ｉｋ４ｉ）が適正であったか否か、すなわち、輝度値セットＩｋ１ｉ～Ｉｋ４ｉの全てが有効輝度範囲に収まっていたか否かによって判別される。
　また、有効輝度範囲は、図６に示すとおり、撮像素子１６の全出力範囲（全輝度範囲Ｉｍｉｎ～Ｉｍａｘ）のうち、撮像素子１６の入出力特性が線形となるような輝度範囲Ｉｍｉｎ’～Ｉｍａｘ’のことである。この有効輝度範囲は、本装置の製造者が予め測定し、前述した動作プログラムと共に記憶部１６へ予め書き込んだものである。
　ステップＳ３１：ＣＰＵ１５は、条件番号ｋをインクリメントしてからステップＳ３０へ戻る。よって、ステップＳ３０、Ｓ３１のループは、信頼性を有した画素（初期位相φｋｉ）が見つかるまで繰り返される。
　ステップＳ３２：ＣＰＵ１５は、ステップＳ３０で信頼性有りと判別された初期位相φｋｉの値を、確定位相画像φ（図５（Ｃ）参照）のｉ番目の画素φｉの値として記憶部１６へ書き込む。
　ステップＳ３３：ＣＰＵ１５は、現在の画素番号ｉが最終値ｉｍａｘに達したか否かを判別し、達していなければステップＳ３４へ移行し、達していればステップＳ３５へ移行する。
　ステップＳ３４：ＣＰＵ１５は、画素番号ｉをインクリメントしてからステップＳ２９へ戻る。よって、ステップＳ２９～Ｓ３４のループは繰り返され、確定位相画像φ（図５（Ｃ）参照）の全画素が取得される。
　ステップＳ３５：ＣＰＵ１５は、確定位相画像φを記憶部１６から読み出し、その確定位相画像φにオフセット分布Δを加算するアンラップ処理（位相接続）を行い、アンラップ後の位相画像ψ（図７参照）を取得する（なお、オフセット分布Δは、別途測定され記憶部１６へ予め格納されたもの、或いは、位相飛び検出により自動で設定されたものである。）。さらに、ＣＰＵ１５は、アンラップ後の位相画像ψ（図７参照）を、被検面の高さ分布Ｚ（Ｘ，Ｙ）（図８参照）に換算してからモニタ１７上に表示する。また、ＣＰＵ１５は、必要に応じて高さ分布Ｚ（Ｘ，Ｙ）を記憶部１６へ保存し、フローを終了する（以上、図４の説明）。
　以上、本実施形態の測定装置は、シャッター速度を変化させながら、各画素の輝度変化データ（輝度値セットＩｋ１ｉ～Ｉｋ４ｉ）の取得を６回繰り返し（ステップＳ１１～Ｓ１９）、６つの輝度値セットＩ１１ｉ～Ｉ１４ｉ、Ｉ２１ｉ～Ｉ２４ｉ、Ｉ３１ｉ～Ｉ３４ｉ、Ｉ４１ｉ～Ｉ４４ｉ、Ｉ５１ｉ～Ｉ５４ｉ、Ｉ６１ｉ～Ｉ６４ｉを取得する。そして、６つの輝度値セットＩ１１ｉ～Ｉ１４ｉ、Ｉ２１ｉ～Ｉ２４ｉ、Ｉ３１ｉ～Ｉ３４ｉ、Ｉ４１ｉ～Ｉ４４ｉ、Ｉ５１ｉ～Ｉ５４ｉ、Ｉ６１ｉ～Ｉ６４ｉの中から適正な輝度値セットを選出して高さ分布Ｚ（Ｘ，Ｙ）を算出する（ステップＳ２８～Ｓ３５）。
　したがって、本実施形態の測定装置は、被検面に極端に明るい部分と極端に暗い部分とが混在していたとしても、測定を高精度に行うことができる。
　しかも、本実施形態の測定装置は、撮像素子２６の入出力特性が線形となる出力範囲である有効輝度範囲（図６参照）を予め記憶しており、その選出では、６つの輝度値セットＩ１１ｉ～Ｉ１４ｉ、Ｉ２１ｉ～Ｉ２４ｉ、Ｉ３１ｉ～Ｉ３４ｉ、Ｉ４１ｉ～Ｉ４４ｉ、Ｉ５１ｉ～Ｉ５４ｉ、Ｉ６１ｉ～Ｉ６４ｉのうち有効輝度範囲内に収まっている輝度値セットを、適正な輝度値セットとみなす。
　ここで、４バケット法（式（１））などの一般的な位相演算式は、位相シフト中の各バケットの関係を利用するものなので、各バケットの関係が不正確だと、演算誤差が著しく大きくなる虞がある。
　しかし、本実施形態で適正とみなされる輝度値セットは、図６に示した有効輝度範囲内（入出力特性が線形な範囲内）に収まった輝度値セットなので、位相シフト中の各バケットの関係を正確に反映している。
　したがって、本実施形態の測定装置によれば、位相演算の精度を確実に高めることができる。
　また、本実施形態の測定装置は、適正か否かの判別を、シャッター速度の大きい（露光量の大きい）輝度値セットから順次に行い、仮に、適正な輝度値セットが複数存在した場合には、それら複数の輝度値セットの中でシャッター速度の最も大きい（露光量の大きい）ものが選出されるようにしている。
　したがって、本実施形態の測定装置によれば、ＳＮ比の良好な輝度値セットが優先的に使用されることになり、位相演算の精度がより高まる。
　［第２実施形態］
　以下、本発明の第２実施形態を説明する。ここでは、第１実施形態との相違点のみを説明する。第１実施形態との相違点は、解析に関するＣＰＵ１５の動作にある。
　図９は、第２実施形態の解析に関するＣＰＵ１５の動作フローチャートである。以下、図９の各ステップを順に説明する。なお、フローの開始時点では、６つの縞画像セットＩ１１～Ｉ１４、Ｉ２１～Ｉ２４、Ｉ３１～Ｉ３４、Ｉ４１～Ｉ４４、Ｉ５１～Ｉ５４、Ｉ６１～Ｉ６４（図１０（Ａ）参照。）は既に記憶部１６へ格納済みとする。
　ステップＳ４１：ＣＰＵ１５は、画素番号ｉを初期値１に設定する。
　ステップＳ４２：ＣＰＵ１５は、条件番号ｋを初期値１に設定する。
　ステップＳ４３：ＣＰＵ１５は、現在の条件番号ｋに対応する縞画像セットＩｋ１～Ｉｋ４のうち、現在の画素番号ｉに対応する画素セット（輝度値セットＩｋ１ｉ～Ｉｋ４ｉ）を参照する。それらの輝度値セットＩｋ１ｉ～Ｉｋ４ｉが適正か否かを判別し、適正でなかった場合はステップＳ４４へ移行し、適正であった場合はステップＳ４５へ移行する。
　ここで、輝度値セットＩｋ１ｉ～Ｉｋ４ｉが適正であるか否かは輝度値セットＩｋ１ｉ～Ｉｋ４ｉの全てが有効輝度範囲内に収まっているか否かによって判別される。この有効輝度範囲は、上述したステップＳ３０で使用したものと同じであり、本装置の製造者が予め測定し、前述した動作プログラムと共に記憶部１６へ予め書き込んだものである。
　ステップＳ４４：ＣＰＵ１５は、条件番号ｋをインクリメントしてからステップＳ４３へ戻る。よって、ステップＳ４３～Ｓ４４のループは、適正な輝度値セットが見つかるまで繰り返される。
　ステップＳ４５：ＣＰＵ１５は、ステップＳ４３で適正と判別された輝度値セットＩｋ１ｉ～Ｉｋ４ｉを４バケット法の式（１）に当てはめることにより初期位相φｋｉを算出する。そして、ＣＰＵ１５は、その初期位相φｋｉの値を、確定位相画像φ（図１０（Ｂ）参照）のｉ番目の画素φｉの値として記憶部１６へ書き込む。
　ステップＳ４６：ＣＰＵ１５は、現在の画素番号ｉが最終値ｉｍａｘに達したか否かを判別し、達していなければステップＳ４７へ移行し、達していればステップＳ４８へ移行する。なお、画素番号ｉの最終値ｉｍａｘは、撮像素子２６の画素数相当に設定される。
　ステップＳ４７：ＣＰＵ１５は、画素番号ｉをインクリメントしてからステップＳ４２へ戻る。よって、ステップＳ４２～Ｓ４７のループは繰り返され、確定位相画像φ（図１０（Ｂ）参照）の全画素が取得される。
　ステップＳ４８：ＣＰＵ１５は、確定位相画像φを記憶部１６から読み出し、その確定位相画像φにオフセット分布Δを加算するアンラップ処理（位相接続）を行い、アンラップ後の位相画像ψ（図７参照）を取得する（なお、オフセット分布Δは、別途測定され記憶部１６へ予め格納されたもの、或いは、位相飛び検出により自動で設定されたものである。）。さらに、ＣＰＵ１５は、アンラップ後の位相画像ψ（図７参照）を、被検面の高さ分布Ｚ（Ｘ，Ｙ）（図８参照）に換算してからモニタ１７上に表示する。また、ＣＰＵ１５は、必要に応じて高さ分布Ｚ（Ｘ，Ｙ）を記憶部１６へ保存し、フローを終了する（以上、図９の説明）。
　以上、本実施形態の測定装置も、撮像素子２６の入出力特性が線形となる出力範囲である有効輝度範囲（図６参照）を予め記憶しており、６つの輝度値セットＩ１１ｉ～Ｉ１４ｉ、Ｉ２１ｉ～Ｉ２４ｉ、Ｉ３１ｉ～Ｉ３４ｉ、Ｉ４１ｉ～Ｉ４４ｉ、Ｉ５１ｉ～Ｉ５４ｉ、Ｉ６１ｉ～Ｉ６４ｉのうち有効輝度範囲内に収まっている輝度値セットを適正な輝度値セットとして選出する。
　したがって、本実施形態の測定装置によれば、位相演算の精度を確実に高めることができる。
　しかも、本実施形態の測定装置は、暫定位相画像を取得せずに輝度値セットの選出を済ませてから確定位相画像を作成するので、位相演算の対象を、選出された輝度値セットのみとすることができるので、位相演算に要する演算負荷を大幅に削減することができる。
　［測定条件の決定方法］
　以下、上述したｋｍａｘ通りの測定条件（ここではｋｍａｘ通りのシャッター速度）の決定方法を説明する。
　図１１は、シャッター速度と輝度値との関係を示す特性カーブである。なお、図１１に示すデータは、測定対象物１１と撮像素子２６との組み合わせに固有のデータであって、例えば、上述の前測定などで取得されたデータである。
　図１１に示した複数の特性カーブは、被検面上で互いに明るさの異なる部分に対応する画素に関する特性カーブである。図１１に示すとおり、通常は、被検面上で明るい部分に対応する画素（明るい画素）ほど、特性カーブの勾配が大きくなる。図１１において勾配の最も小さな特性カーブが、被検面上で最も暗い部分に対応する画素（最も暗い画素）の特性カーブであり、勾配の最も大きな特性カーブが、被検面上で最も明るい部分に対応する画素（最も明るい画素）の特性カーブである。
　なお、ここでは、分かりやすくするために、有効輝度範囲を、５０～２００の狭い輝度範囲と仮定し、この有効輝度範囲内の輝度値を出力する画素を「有効画素」と称し、この有効輝度範囲外の輝度値を出力する画素を「無効画素」と称す。
　先ず、シャッター速度の変化範囲の設定方法を説明する。
　シャッター速度の変化範囲の上限値ＳＳｍａｘは、シャッター速度がＳＳｍａｘであるときに最も暗い画素が有効画素となるような値（最も暗い画素の特性カーブが楕円枠内に入るような値）に設定される。ここでは、図１１に示すとおり、上限値Ｓｍａｘは、１００ｍｓに設定されたとする。
　一方、シャッター速度の変化範囲の下限値ＳＳｍｉｎは、シャッター速度がＳＳｍｉｎであるときに最も明るい画素が有効画素となるような値（最も明るい画素の特性カーブが点線枠内に入るような値）に設定される。ここでは、図１１に示すとおり、下限値ｍｉｎは、１ｍｓに設定されたとする。
　次に、シャッター速度の変化ピッチΔの設定方法を説明する。
　仮に、変化ピッチΔを一定にする場合は、式（２）のとおり設定すればよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　よって、ＳＳｍａｘ＝１００ｍｓ、ＳＳｍｉｎ＝１ｍｓの場合は、Δ＝１９．８ｍｓとなる。
　そして、ｋ番目のシャッター速度ＳＳ（ｋ）は、式（３）のとおり設定すればよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　よって、ＳＳｍａｘ＝１００ｍｓ、ＳＳｍｉｎ＝１ｍｓ、Δ＝１９．８ｍｓの場合は、図１１に示すとおり、ＳＳ（１）＝１００ｍｓ、ＳＳ（２）＝８０．２、ＳＳ（３）＝６０．４、ＳＳ（４）＝４０．６、ＳＳ（５）＝２０．８ｍｓ、ＳＳ（６）＝１ｍｓとなる。
　したがって、シャッター速度をＳＳ（０）からＳＳ（６）に向けて１段階ずつ切り替えていくと、最初に有効画素となる画素は（楕円枠内に特性カーブが入る画素は）、比較的暗い画素のみであるが、徐々に明るい画素が有効画素になり始め、最終的には、極めて明るい画素のみが有効画素となる。
　しかしながら、このように変化ピッチΔが一定であると、シャッター速度がどの段階に設定されたとしても有効画素となり得ない画素（特性カーブが何れの楕円枠にも入らない画素）の発生する可能性がある。具体的に、比較的明るい画素は特性カーブの勾配が大きいため、比較的明るい画素の中には、シャッター速度を例えばＳＳ（５）からＳＳ（６）へと切り替えたときに、切り替え前後の何れにおいても有効画素となり得ない画素（特性カーブが楕円枠に入り得ない画素）が存在している（図１１の※印を参照）。
　そこで、本実施形態では、シャッター速度の変化ピッチΔを一定にするのではなく、シャッター速度の変化ピッチΔを、シャッター速度が小さいときほど細かく設定することが望ましい。これを実現するには、例えば、シャッター速度の変化ピッチΔを一定にする代わりに、シャッター速度の対数目盛上の変化ピッチΔ’を一定にするとよい。
　図１２は、図１１の横軸（シャッター速度）を対数目盛で表したものである。本実施形態では、シャッター速度ＳＳ（０）～ＳＳ（６）を、この対数目盛上で均等に設定する。
　その場合、シャッター速度の対数目盛上の変化ピッチΔ’を、式（４）のとおり設定すればよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　よって、ＳＳｍａｘ＝１００ｍｓ、ＳＳｍｉｎ＝１ｍｓの場合は、Δ’≒０．４となる。
　そして、ｋ番目のシャッター速度ＳＳ（ｋ）は、式（５）のとおり設定すればよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　よって、ＳＳｍａｘ＝１００ｍｓ、ＳＳｍｉｎ＝１ｍｓ、Δ’≒０．４の場合は、ＳＳ（１）＝１００ｍｓ、ＳＳ（２）≒３９．８ｍｓ、ＳＳ（３）≒１５．８ｍｓ、ＳＳ（４）≒６．３ｍｓ、ＳＳ（５）≒２．５ｍｓ、ＳＳ（６）＝１ｍｓとなる。
　このようにすれば、シャッター速度の変化ピッチΔは、シャッター速度が小さいときほど細かく設定される。この場合、有効画素となり得ない画素（図１１の※印）の個数を減らすことができる。因みに、図１２の例では、有効画素となり得ない画素の個数は、ゼロとなっている。
　なお、ここでは対数の底の値を「１０」としたが、別の値に設定してもよいことは言うまでもない。
　［実施形態への補足］
　なお、上記実施形態では、ｋｍａｘ通りの測定条件の間の露光量に差異を設けるために、撮像素子２６のシャッター速度を変更したが、光源から撮像素子までの何れかの光路に配置された絞り（開口絞り）の絞り値を変更してもよい。或いは、投影部１３の光源パワーを変更してもよい。或いは、光源から撮像素子までの何れかの光路の透過率を変更してもよい（その場合は、透過率の異なる複数のフィルタを装着し、それらのフィルタのうち１つを選択的に光路へ挿入可能な機構を使用するとよい。）。
　また、上記実施形態の位相シフト法には、初期位相の算出に必要な縞画像の数が４である４バケット法が適用されたが、その数が３である３バケット法、その数が７である７バケット法など、他の位相シフト法が適用されてもよい。
　また、上記実施形態では、複数通りの露光量で複数組みの縞画像セットを取得し、それら複数組みの縞画像セットの中から適正な輝度値セットを選出する処理を測定対象物上の領域毎に行い、領域毎の適正な輝度値セットに基づき、領域毎の初期位相データ（及び高さデータ）を算出したが、次のとおり変形してもよい。
　すなわち、上記実施形態の変形例では、１通りの露光量で１組みの縞画像セットを取得し、その縞画像セットの中から、測定対象物上で露光量が適正であった領域の輝度値セット（すなわち、セット内の全輝度値が有効輝度範囲内に収まっていた輝度値セット）を選出し、選出した輝度値セットに基づき、測定対象物上の当該領域における初期位相データ（及び高さデータ）を算出する。
　また、上記実施形態では、測定対象物上へ投影されるパターンとして正弦格子パターンを使用したが、繰り返し構造を有しているのであれば正弦格子パターン以外のパターンを使用してもよい。
　また、上記実施形態の記憶部１６に記憶されているプログラムは、バージョンアップなどで更新されたファームウエアプログラムであってもよい。すなわち、既存の解析処理のファームウエアプログラムを更新することで、上記実施形態の解析処理（図４、図９）を提供するようにしてもよい。
　また、上記実施形態では、解析処理（図４、図９）の全部がＣＰＵによってソフトウエア的に実現されたが、解析処理（図４、図９）の全部又は一部がＡＳＩＣによってハードウエア的に実現されてもよい。
　１１・・・測定対象物、１２・・・ステージ、１３・・・投影部、１４・・・撮像部、２１・・・光源装置、１０１・・・制御部、１００・・・コンピュータ
 

Claims (16)

  1. 　共通の繰り返し構造を有し、かつ位相の異なる複数種類のパターンを測定対象物上へ順次に投影する投影部と、
    　前記複数種類のパターンの各々が前記測定対象物へ投影される毎に前記測定対象物を撮像して画像データセットを取得する撮像部と、
    　取得された前記画像データセットの中から、前記測定対象物上の同一領域に関するデータセットであって、セット内の全データが有効輝度範囲内に収まっているものを、適正データセットとして選出する選出部と、
    　選出された前記適正データセットに基づき、前記測定対象物において前記適正データの取得元となった領域の形状を求める形状算出部と、
    　を備えたことを特徴とする形状測定装置。
  2. 　請求項１に記載の形状測定装置において、
    　複数通りの露光量の各々で前記撮像部に前記画像データセットを取得させることにより複数組みの前記画像データセットを取得する制御部を更に備え、
    　前記選出部は、
    　前記複数組みの前記画像データセットの中から前記適正データセットを選出する処理を前記測定対象物上の領域毎に行う
    ことを特徴とする形状測定装置。
  3. 　請求項２に記載の形状測定装置において、
    　前記選出部は、
    　前記複数組みの前記画像データセットのうち、前記撮像部の入出力特性が線形となる前記有効輝度範囲内に輝度値が収まっているデータセットを、前記適正データセットとして選出する
    　ことを特徴とする請求項２に記載の形状測定装置。
  4. 　請求項３に記載の形状測定装置において、
    　前記選出部は、
    　前記複数組みの前記画像データセットのうち、前記有効輝度範囲内に輝度値が収まっており、かつ、なるべく露光量の高いデータセットを、前記適正データセットとして選出する
    　ことを特徴とする形状測定装置。
  5. 　請求項２～請求項４の何れか一項に記載の形状測定装置において、
    　前記制御部は、
    　前記複数通りの露光量の間のピッチを、前記露光量が低いときほど細かく設定する
    　ことを特徴とする形状測定装置。
  6. 　請求項５に記載の形状測定装置において、
    　前記制御部は、
    　前記複数通りの露光量の間のピッチを、前記露光量の対数目盛上で均等になるように設定する
    　ことを特徴とする形状測定装置。
  7. 　請求項２～請求項６の何れか一項に記載の形状測定装置において、
    　前記制御部は、
    　前記複数組みの画像データセットの取得に先立ち前記複数通りの露光量の値範囲を設定する設定部を更に備え、
    　前記設定部は、
    　前記露光量の値範囲の上限値を、前記測定対象物上で最も暗い部分のデータが前記有効輝度範囲内に収まるような値に設定し、かつ、前記露光量の値範囲の下限値を、前記測定対象物上で最も明るい部分のデータが前記有効輝度範囲内に収まるような値に設定する
    　ことを特徴とする形状測定装置。
  8. 　請求項２～請求項７の何れか一項に記載の形状測定装置において、
    　前記制御部は、
    　前記撮像部の電荷蓄積時間を変化させることにより前記複数通りの露光量を設定する
    　ことを特徴とする形状測定装置。
  9. 　共通の繰り返し構造を有し、かつ位相の異なる複数種類のパターンを測定対象物上へ順次に投影する投影手順と、
    　前記複数種類のパターンの各々が前記測定対象物へ投影される毎に前記測定対象物を撮像して画像データセットを取得する撮像手順と、
    　前記測定対象物上の同一領域に関するデータセットであって、セット内の全データが有効輝度範囲内に収まっているものを、適正データセットとして選出する選出手順と、
    　選出された前記適正データセットに基づき、前記測定対象物において前記適正データの取得元となった領域の形状を求める形状算出手順と、
    　を含むことを特徴とする形状測定方法。
  10. 　請求項９に記載の形状測定方法において、
    　複数通りの露光量の各々で前記撮像手順に前記画像データセットを取得させることにより複数組みの前記画像データセットを取得する制御手順を更に含み、
    　前記選出手順では、
    　前記複数組みの前記画像データセットの中から前記適正データセットを選出する処理を前記測定対象物上の領域毎に行う
    ことを特徴とする形状測定方法。
  11. 　請求項１０に記載の形状測定方法において、
    　前記選出手順では、
    　前記複数組みの前記画像データセットのうち、前記撮像部の入出力特性が線形となる前記有効輝度範囲内に輝度値が収まっているデータセットを、前記適正データセットとして選出する
    　ことを特徴とする請求項２に記載の形状測定方法。
  12. 　請求項１０又は請求項１１に記載の形状測定方法において、
    　前記選出手順では、
    　前記複数組みの前記画像データセットのうち、前記有効輝度範囲内に輝度値が収まっており、かつ、なるべく露光量の高いデータセットを、前記適正データセットとして選出する
    　ことを特徴とする形状測定方法。
  13. 　請求項１０～請求項１２の何れか一項に記載の形状測定方法において、
    　前記制御手順では、
    　前記複数通りの露光量の間のピッチを、前記露光量が低いときほど細かく設定する
    　ことを特徴とする形状測定方法。
  14. 　請求項１３に記載の状測定方法において、
    　前記制御手順では、
    　前記複数通りの露光量の間のピッチを、前記露光量の対数目盛上で均等になるように設定する
    　ことを特徴とする形状測定方法。
  15. 　請求項１０～請求項１４の何れか一項に記載の形状測定方法において、
    　前記制御手順は、
    　前記複数組みの画像データセットの取得に先立ち前記複数通りの露光量の値範囲を設定する設定手順を更に含み、
    　前記設定手順では、
    　前記露光量の値範囲の上限値を、前記測定対象物上で最も暗い部分のデータが前記有効輝度範囲内に収まるような値に設定し、かつ、前記露光量の値範囲の下限値を、前記測定対象物上で最も明るい部分のデータが前記有効輝度範囲内に収まるような値に設定する
    　ことを特徴とする形状測定方法。
  16. 　請求項１０～請求項１５の何れか一項に記載の形状測定方法において、
    　前記制御手順では、
    　前記撮像手順の電荷蓄積時間を変化させることにより前記複数通りの露光量を設定する
    　ことを特徴とする形状測定方法。
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