JP3921432B2

JP3921432B2 - Shape measuring apparatus and shape measuring method using moire optical system

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Publication number: JP3921432B2
Application number: JP2002269038A
Authority: JP
Inventors: 隆二崎田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2002-09-13
Filing date: 2002-09-13
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2022-09-13
Also published as: JP2004108829A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は被検物の表面形状計測やキズや膨らみやうねり、へこみ等の欠陥検出するための形状を測定するための装置に関する。本発明は、主に部品認識等のロボットビジョンなどに使用可能な形状測定装置及び形状測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
位相シフト法とモアレ法を用いた三次元測定方法として特許文献１ないし３が挙げられる。また公知文献も存在する（たとえば、非特許文献１参照）。
【０００３】
三次元測定法の１手法としてモアレ法が挙げられる。その測定原理および位相シフト方法に関して、まず説明しておく。
［モアレ三次元計測法の原理］
格子のピッチをｓ、光源と観察点との距離をｄとする。同一平面内にある格子Ｇ₁とＧ₂はいずれもピッチｓをもつが、格子は面内で互いにεだけずれている（格子ピッチの位相でいえば２πε／ｓ）ものとすると、
【０００４】
【数１】

【０００５】
と表せる（図１参照）。形成されるモアレ縞（等高線）は、格子面を基準（０次）として、格子面から離れるに従い、順に１次、２次とカウントされる次数を持つ。そこで縞次数Ｎのモアレ縞をｃｏｓ２πＮと置くことによって得られる。その結果、第Ｎ次のモアレ等高線は基準面からｈ_Nだけ離れた次の位置、
【０００６】
【数２】

【０００７】
に形成されることになる。これは位置の座標ｘを含んでおらず、Ｎによって（ｘにかかわりなく）定める固有の値となっている。すなわち等高線が形成されていることを示す。
【０００８】
図６のような構成をとった場合、Ｓ１を点光源として、Ｓ２の位置に観察点をおき、また１枚の連続した（したがってε＝０となる）格子を配したものに相当する（実体格子型という）。ε＝０であるので（２）式から、
【０００９】
【数３】

【００１０】
が成り立つ。ただし、等高線といいながら、その間隔Δｈ_N＝ｈ_N+1−ｈ_Nは一定ではなく、次式Ｎによって異なる。
次に位相シフト方について説明する。
[位相シフト法の説明]
位相変調された縞画像は、
【００１１】
【数４】

【００１２】
と表せる（図２参照）。ここで求めたいのは各点（ｘ、ｙ）における位相Φ（ｘ、ｙ）である。バイアスや振幅は、表面の反射率や汚れなどで変化する未知数成分なので、位相θを０、π／２、πと変化させた３つの縞画像
【００１３】
【数５】

【００１４】
を生成する。
【００１５】
【数６】

【００１６】
式（４）により位相を算出すれば反射率や汚れ成分を除去して、各点の位相Φ（ｘ、ｙ）を求めることができる。
【００１７】
モアレ法には、実体格子型と格子投影型があり、様々な分野において広く利用されている。格子投影型のモアレ法とは、図３に示すように、投影用と観察用とに、それぞれ小さな格子Ｇ１，Ｇ２を配置し、Ｇ１をレンズＬ１により物体に投影し、物体形状に応じて変形した格子線をレンズＬ２を通じてもう一つの格子Ｇ２上に結像させ、縞等高線を基準面から所定距離のところに生じさせるようにしたものである。次に、実体格子型のモアレ法とは、図４に示すように、基準面に一つの格子Ｇを設置し、図３レンズＬ１の位置に点光源Ｓを、レンズＬ２の位置に観察眼ｅを置いて、前記格子Ｇの光源Ｓによる影を物体上に落し、物体形状に応じて変形した格子Ｇの影を形成させてこれを格子Ｇを通して観察することにより、この格子Ｇと変形した格子の影とによって生じるモアレ縞を観測する方法をいう。
【００１８】
従来、モアレ法による三次元形状測定法は対象物を直観的に把握することはできるが、（１）凹凸の判定がし難い、（２）高感度の三次元測定には不向き（現時点ではモアレ縞等高線の間隔は１０μｍ程度が限界とされている）、（３）モアレ縞のビジビリティーが縞ごとに均一でないためモアレ像を画像処理の対象として扱いにくい等々の問題が指摘されている。この問題点は、格子投影型の場合、二枚の格子を利用しているために、その一方を移動させることにより、縞走査、つまりモアレ縞の位相をシフトさせることによって、等高線間隔を等価的に細かく分割するとともに、対象の凹凸判定や測定感度の向上が可能であるが、実体格子型の場合には格子が一枚であるため、格子投影型のモアレ法のような位相シフトを行っても、すべての次数の縞等高線の位相を揃えながら位相を変えることはできない。このような問題点に対して、例えば前記特許文献１（特許第２８８７５１７号）には、格子面の垂直移動と光源又は観察点の水平移動を、同時に行うことにより、各次数のモアレ縞の位相にほぼ大きな変化を来すことなく、各次数の縞の位相がほぼ揃った状態で測定対象に対する縞位相のシフトができるので、複数枚の縞画像を高速査法（位相シフト法）の原理に基いて処理することができ、これによって測定対象に対するモアレ縞による測定点の密度が増大するとともに、モアレ縞１周期について約1/40〜1/100 程度の物理的な分割が可能となり、実体格子型のモアレ法では困難とされていた面の凹凸の判定や測定感度の向上を図ることができる。
【００１９】
しかしながら、このように位相シフト法を適用して円筒状被検物等の全面測定を行う場合、少なくとも被検物を３回転以上させて位相シフトさせるために格子移動とモアレ縞の撮像を繰り返す必要があるため測定に時間がかかる。また格子を複数方向（平行と回転）に移動させる必要があるため装置構成が複雑になる等の問題がある。特開平０７−３３２９５６（特許文献２参照）や「位相シフトによる実体格子型モアレ法」（1991年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集）（非特許文献１参照）、「液晶ガラスのフラットネス計測」（O plus E 1996年 9月）では、平行光を与えることにより、縞次数による縞間隔の違いをなくしているため、全ての縞の位相を揃えながらシフトさせている。さらにこれらの方法では格子運動のみにより位相シフトさせることが可能である。しかし依然として円筒状被検物等の全面測定を行う場合、位相シフトした画像を得るために、格子移動と撮像という動作を繰り返し被検物を３回転以上させる必要があるため測定時間の増大を招く。また特開平１０−５４７１１号公報（特許文献３参照）では被検物の高さを変えることにより位相シフトさせているが、この場合においても、被検物の移動と撮像を複数回繰り返す必要があるため測定時間の増大を招く。また凹凸形状の定量化に関しては明確な方法が充分に説明されてない。
【００２０】
そこで、たとえば、ローラ部品等の円柱状被検物や液晶等の平面状被検物を対象とし、実体格子型のモアレ法に位相シフト法を適用し、さらに１回の１連の撮像により位相シフトした画像を得ることにより、高速に測定を行う形状測定を行い、その定量的な形状データから被検物表面の検査を行う方法及び装置を提供することを本発明者は考えている。その一例及び課題に関して説明する。
【００２１】
式（３）や図５からわかるように、実体格子型モアレ光学系に位相シフト法を適用しようとした場合、縞次数Ｎにより縞間隔Δｈ_nが異なる。よってモアレ縞を位相シフトさせようとした場合、ある縞次数ｎでは正確に位相シフトできるが、その他の縞次数ではずれてしまう。そこで、測定範囲を、正確にシフトさせたい縞次数の高さを基準に数個の縞次数内に限定する。この場合、測定範囲の端でシフト誤差が最大になるので、そのシフト誤差による測定誤差が充分小さくなるように測定範囲を設定する。このような手法により、実体格子型モアレ光学系に位相シフト法を適用する。
【００２２】
位相をシフトさせるために格子パターンのピッチをΔｓだけ変化させることを考える（図６）。移動前のｎ+1次のモアレ縞等高線は（３）式から
【００２３】
【数７】

【００２４】
ただし、図６において、光源と観察点は格子から同距離にあり、光源と観察点の間の距離をｄ、格子と観察点、光源の間の距離をｌ、格子のピッチをｓ、格子パターンのピッチ変化量をΔｓとする。
【００２５】
次に、格子を移動させてモアレ縞をシフトさせることを考えると、シフト後の第ｎ次の縞までの距離ｈ_n ’は、
【００２６】
【数８】

【００２７】
となる。従って、図６に示すように格子移動前の第ｎ次と第ｎ+1次のモアレ縞間の位相Φ_nの位置に、格子移動後の第ｎ次のモアレ縞があると仮定すると、
【００２８】
【数９】

【００２９】
が成立する。この式に（５）（６）を代入し整理すると、
【００３０】
【数１０】

【００３１】
を得る。この（８）式により格子パターンのピッチ変化量Δｓと位相シフト量Φ_nの関係が明らかになった。ここで、ｓ＝83.3μｍ、ｌ＝ 200ｍｍ、ｄ＝70ｍｍ、格子移動前の縞次数ｎ＝３の縞を正確に２πシフトさせることを考える。つまり、ｎ＝３、Φ₃＝２πとする。以上のパラメータを（８）式に代入すると、Δｓ＝27.8μｍとなる。このΔｓによる格子移動前後のモアレ縞等高線の位置を図７に示す。この結果位相２πに相当する高さｈ₂ π＝ 239.995μｍとなる。また、図７からわかるように、移動前ｎ＝４の高さでは正確に位相が２πシフトするが、移動前ｎ＝３，５の高さではシフト誤差ΔΦ（Ｌ）±₁が生じる。このシフト誤差が測定精度に影響を及ぼさない範囲に、測定範囲を限定する。
【００３２】
１連の撮像で位相シフトさせた画像を取得するための他の方法について述べる。図８ように３列以上の画素列を持った構成の受光素子を用いる。この受光素子を用いて、図１０のような構成にする。つまり、受光素子面と格子パターン面、平面状被検物面は平行に配置する。画素列Ａ、Ｂ、Ｃはワーク上の異なる位置を視野にしており、その視野に対応する格子パターンのピッチが図１０のように異なる。つまり、格子パターンピッチの初期値ｓ、（１２）式においてΦ_n＝０、π／２、πとしたときの変化量ΔｓをΔｓ₀(=0)、Δｓ₁、Δｓ₂とすると、各画素列Ａに対応する格子パターンピッチはｓ（ステップ０）、Ｂに対応する格子パターンピッチはｓ+Δｓ₁（ステップ１），Ｃに対応する格子パターンピッチはｓ＋Δｓ₂（ステップ２）にする。各画素列に所望のシフト量が与えられるように、被検物の送りスピード、受光素子の走査周期や撮像倍率、画素列間距離も調節してやる。測定手順はまず、時刻ｔ₁においてＡ列で領域３（ステップ０）を、Ｂ列で領域２（ステップ１）を、Ｃ列で領域１（ステップ２）撮像する。次に時刻ｔ₂においては、Ａ列で領域４（ステップ０面）を、Ｂ列で領域３（ステップ１面）を、Ｃ列で領域２（ステップ２面）を撮像する。さらに時刻ｔ₃ではＡ列で領域５（ステップ０）を、Ｂ列で領域４（ステップ１）を、Ｃ列で領域３（ステップ２）を撮像する。その結果、画像メモリ上に図９のようなデータが得られる。そこで、時刻ｔ₁のＡ列のデータ、時刻ｔ₂のＢ列のデータ、時刻ｔ₃のＣ列のデータと（４）式から領域３の形状測定を行うことができる。この定量的な形状データをもとに被検物表面に生じるうねりやへこみ等の欠陥検査や平坦度の検査を行う。
【００３３】
式（３）からわかるように、モアレ縞の位相をシフトさせるためには上記の格子パターンのピッチｓの他に、光源と観察点の間の距離ｄや格子と観察点、光源の間の距離ｌを変化させる場合が考えられるが、未だ実現されていない。
【００３４】
【特許文献１】
特許第２８８７５１７号公報
【特許文献２】
特開平０７−３３２９５６号公報
【特許文献３】
特開平１０−５４７１１号公報
【非特許文献１】
「位相シフトによる実体格子型モアレ法」 1991年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集。
「液晶ガラスのフラットネス計測」 O plus E 1996年9月
【００３５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明の目的は、光源と観察点の間の距離ｄを変化させてモアレ縞の位相をシフトさせ、モアレ法に位相シフト法を適用し、ローラ部品やシート等の移動している平面状部品の形状測定装置を提供することである。
【００３６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、モアレ縞を発生させるための光源と、パターン状格子と、前記パターン状格子のモアレ縞を撮像するためのレンズと、受光素子と、から構成される実体格子型のモアレ光学系を用いた形状測定装置において、前記受光素子は、画素を集積した画素列からなり、前記光源が照射した光を受光して、データを得て、前記光源は前記レンズからの距離が異なる位置に３つ以上配置されており、前記受光素子を構成する画素列の走査周期と同期して、各前記光源を順次点灯させる点灯制御手段と、前記モアレ光学系と平面状被検面の相対位置関係とを、前記受光素子の前記画素列と垂直方向に移動させる機構と、前記画素列のデータから、位相シフト法を用いた平面状被検面の形状を算出するための形状演算手段と、からなる平面状被検物の形状測定装置である。
【００３７】
請求項２に記載の発明は、モアレ縞を発生させるための光源と、パターン状格子と、前記パターン状格子のモアレ縞を撮像するためのレンズと、受光素子と、から構成される実体格子型のモアレ光学系を用いた形状測定装置において、前記受光素子は画素を集積した画素列からなり、前記光源が照射した光を受光して、データを得て、前記光源は前記レンズからの距離が異なる位置に３つ以上配置されており、前記受光素子を構成する画素列の走査周期と同期して、各前記光源を順次点灯させる点灯制御手段と、円筒状被検面を前記受光素子の前記画素列と垂直方向に回転させる回転機構と、前記画素列のデータから、位相シフト法を用いて算出された円筒状被検面の形状を算出するための形状演算手段と、からなる円筒状被検物の形状測定装置である。
【００３８】
請求項３に記載の発明は、モアレ縞を発生させるための光源と、パターン状格子と、前記パターン状格子のモアレ縞を撮像するためのレンズと、受光素子と、から構成される実体格子型のモアレ光学系を用いた形状測定装置において、前記レンズからの距離が各々異なる位置に波長の異なる３つ以上の光源を設け、前記受光素子は画素を集積した画素列からなり、各受光素子は波長分離器で分離された対応する波長の光を受光し、データを得て、さらに前記モアレ光学系と平面状被検面との相対位置関係を前記受光素子の前記画素列と垂直方向に移動させる機構と、前記画素列のデータから、位相シフト法を用いて平面状被検面の形状を算出するための形状演算手段と、からなる平面状被検物の形状測定装置である。
【００３９】
請求項４に記載の発明は、モアレ縞を発生させるための光源と、パターン状格子と、前記パターン状格子のモアレ縞を撮像するためのレンズと、受光素子と、から構成される実体格子型のモアレ光学系を用いた形状測定装置において、前記レンズからの距離が各々異なる位置に波長の異なる３つ以上の光源を設け、前記受光素子は画素を集積した画素列からなり、各受光素子は波長分離器で分離された対応する波長の光を受光し、データを得て、さらに円筒状被検面を回転させる回転機構と、前記画素列のデータから、位相シフト法を用いた円筒状被検面の形状を演算するための形状演算装置と、からなる円筒状被検物の形状測定装置である。
【００４０】
請求項５に記載の発明は、モアレ縞を発生させるための光源と、パターン状格子と、前記パターン状格子のモアレ縞を撮像するためのレンズと、受光素子と、から構成される実体格子型のモアレ光学系を用いた形状測定装置において、前記レンズからの距離がそれぞれ異なる位置に波長の異なる３つ以上の光源を設け、前記受光素子は画素を集積した画素列からなり、該素子は、色フィルターで選択された波長の光を受光し、データを得て、さらにモアレ光学系と平面状被検面の相対位置関係を前記受光素子の画素列と垂直方向に移動させる機構と、前記画素列データから位相シフト法を用いて平面状被検面の形状を算出する形状演算部と、からなる平面状被検物の形状測定装置である。
【００４１】
請求項６に記載の発明は、モアレ縞を発生させるための光源及び、格子パターン、さらにそのモアレ縞を撮像するためのレンズ及び受光素子から構成される実体格子型のモアレ光学系において、レンズからの距離がそれぞれ異なる位置に波長の異なる３つ以上の光源を設け、また受光素子は画素を集積した画素列からなり、色フィルターで選択された波長の光を受光し、データを得て、さらにモアレ光学系と円筒状被検面を、前記受光素子の画素列と垂直方向に回転させる回転機構と、前記画素列データから位相シフト法を用いて円筒状被検面の形状を演算する形状演算部と、からなる円筒状被検物の形状測定装置である。
【００４２】
請求項７に記載の発明は、請求項３または４において、前記受光素子に３板式のカラーセンサカメラを用いることを特徴とする。
【００４３】
請求項８に記載の発明は、請求項５または６において、受光素子に単板式のカラーセンサカメラを用いることを特徴とする。
【００４４】
請求項９記載の発明は、請求項１〜８のいずれかの測定装置を用いて、レンズからの距離がそれぞれ異なる位置に波長の異なる３つ以上の光源から被検物への照射からの反射光を受光して入力された画素列データから、位相シフト法を用いて被検物の形状を測定する方法の発明である。
【００４５】
【発明の実施の形態】
（１）請求項１に記載の発明については、前記式（３）からわかるように光源と観察点との距離をｄを変化させることによって、モアレ縞の位相をシフトさせることが可能である。そこで、図１１のように、距離ｄの位置に光源1、モアレ縞位相がπ/2シフトする位置に光源２を、さらにπシフトする位置に光源３を設ける。複数の光源を順番に点灯させて被写体である被検物を照射してその反射光を、受光素子を介してデータ化していくステップの例を図１２に示す。また図１３に示すように、まず時刻ｔ₁において光源1を点灯させ領域１（ステップ０）を撮像する。次に時刻ｔ₂において光源２を点灯させ領域２を撮像し（ステップ１）、さらに時刻ｔ₃において光源３を点灯させ領域３を撮像（ステップ２）する。つまり、光学系と平面状被検物の相対位置を変えながら撮像を行っていく。撮像領域、光源１〜３の点灯、撮像のタイミングを図１４に示す。このようにして得られた画像データは図１５のようになるので、最初の３列目までのデータと（４）式を用いて領域１〜３の形状測定を、３列目から５列目までのデータと（４）式を用いて領域３〜５の形状測定をという具合に測定を行う。この定量的な形状データをもとに被検物表面に生じるうねりやへこみ等の欠陥検査や平坦度の検査を行う。
【００４６】
この手法では、例えば領域１〜３のように連続した３領域の形状変化が必要な測定精度に対して充分無視できるレベルであるときに適用できる。この手法を用いることにより、位相シフトさせた画像を得るために平面状被検物上の同じ個所を何度も撮像する必要がなくなる。ここでは、３ステップの位相シフト法に関して述べたが、このステップ数は位相シフト法を適用するために必要な最小ステップ数であり、さらにステップ数を増やし測定精度を向上させることも可能である。
【００４７】
測定ヘッドの基本構成を図１８に示す。光源１〜３と格子パターン、レンズ及び受光素子で形成されている。被検物が平面状の場合、図１９のように光学系と平面状被検物の相対関係を、図１１とは異なる方向に移動させるための駆動機構をさらに設ける。そして、ある領域での測定が終了したら、光学系の位置を移動させ同じような測定を繰り返すことにより平面状被検物全面の測定を行う。このような構成により、測定ヘッドと平面状被検物の距離を一定に保ち測定範囲を限定しながら、平面状被検物全面の測定が可能となる。図１９にように光学系を動かす代わりに、平面状被検物に移動機構を付けて移動させても良い。両者の相対関係を変化させる機構が有れば良い。
【００４８】
（２）請求項２に記載の発明については、被検物が円筒状の時には、図２０のような構成にすれば良い。円筒状被検物を回転させながら撮像を行っていく。撮像領域、光源１〜３の点灯と撮像のタイミングは図１３、１４と同じである。得られた画像データから位相計算を行う方法は請求項１と同じである。この手法を用いることにより、位相シフトさせた画像を得るために円筒状被検物を１回転させるだけでよい。
【００４９】
円筒状被検物を回転させる代わりに、光学系が円筒状被検物の周りを回転しても同様の測定を行うことが可能である。
【００５０】
（３）請求項３、４、７に記載の発明については、請求項１と同様に、距離ｄの位置に赤色光源（Ｒ）、モアレ縞位相がπ/2シフトする位置に緑色光源（Ｇ）を、さらにπシフトする位置に青色光源（Ｂ）を設け、測定中は全ての光源を点灯させておく。一方、受光素子には３板式カラーセンサカメラを用いる。３板式カラーセンサカメラ内にはプリズムが配置されており、この色分解ダイクロイックプリズムによりＲＧＢに分離され、受光素子Ｒで赤色を、受光素子Ｇで緑色、受光素子Ｂで青色の光を受光する様になっている（図１６）。プリズムで光路を分離するため各受光素子Ｒ、Ｇ、Ｂは同一領域を撮像することができる。NTSC方式ならば1/30秒毎に同時に受光素子ＲＧＢの撮像が行える。よって、受光素子Ｒ、Ｇ、Ｂによって位相シフトしたモアレ縞を撮像することが可能となり、そのＲＧＢデータと（４）式を用いて撮像した領域の形状測定を行う。この定量的な形状データをもとに被検物表面に生じるうねりやへこみ等の欠陥検査や平坦度の検査を行う。
【００５１】
ここでは、３ステップの位相シフト法に関して述べたが、このステップ数は位相シフト法を適用するために必要な最小ステップ数であり、さらに多くの波長の光源を用いてステップ数を増やし、測定精度を向上させることも可能である。
【００５２】
平面状被検物、円筒状被検物の全面を測定するための構成は請求項１、２と同様である。
【００５３】
（４）請求項５、６、８に記載の発明ついては、請求項１と同様に、距離ｄの位置に赤色光源（Ｒ）、モアレ縞位相がπ/2シフトする位置に緑色光源（Ｇ）を、さらにπシフトする位置に青色光源（Ｂ）を設け、測定中は全ての光源を点灯させておく。一方、受光素子には単板式カラーセンサカメラを用いる。センサの前には例えば図１７のように周期的にＲＧＢの色フィルターが配置されている。その結果、画素１で赤色を、画素２で緑色、画素３で青色の光を選択的に受光することができる。画素４以降も同様である。NTSC方式ならば1/30秒毎に同時に全色の撮像が行える。よって、画素１〜３によって位相シフトしたモアレ縞を撮像することが可能となり、その各データと（４）式を用いて撮像した領域の形状測定を行う。この定量的な形状データをもとに被検物表面に生じるうねりやへこみ等の欠陥検査や平坦度の検査を行う。
【００５４】
この手法では、受光素子１〜３で撮像する領域全体の形状変化が必要な測定精度に対して充分無視できるレベルであるときにのみ適用できる。ここでは、３ステップの位相シフト法に関して述べたが、このステップ数は位相シフト法を適用するために必要な最小ステップ数であり、さらに多くの波長の光源を用いてステップ数を増やし、測定精度を向上させることも可能である。
【００５５】
平面状被検物、円筒状被検物の全面を測定するための構成は請求項１、２と同様である。
【００５６】
本発明は、以上説明したようないずれかの測定装置を用いて、レンズからの距離がそれぞれ異なる位置に波長の異なる３つ以上の光源から被検物への照射からの反射光を受光して入力された画素列データから、位相シフト法を用いて被検物の形状を測定する。この際に、前記したような様々なステップを用いることにより、形状を測定する。
【００５７】
【発明の効果】
請求項１に対する作用効果
モアレ法に位相シフト法を適用し平面状被検物の形状測定を行う際、光学系と被検物の相対移動速度と受光素子の走査周期と複数配置された光源の点灯の時間を同期させて行うことにより、１連の撮像により位相シフトした画像が得られるため、測定時間を短くすることができる。今までのように、機械的動作を伴う位相シフト動作と被検物の撮像を繰り返す必要がなくなる。
【００５８】
請求項２に対する作用効果
モアレ法に位相シフト法を適用し円筒状被検物の形状測定を行う際、光学系と被検物の回転速度と受光素子の走査周期と複数配置された光源の点灯の時間を同期させて行うことにより、１連の撮像により位相シフトした画像が得られるため、測定時間を短くすることができる。今までのように、機械的動作を伴う位相シフト動作と被検物の撮像を繰り返す必要がなくなる。
【００５９】
請求項３に対する作用効果
モアレ法に位相シフト法を適用し平面状被検物の形状測定を行う際、波長の異なる３つ以上の光源によって形成された位相の異なるモアレ縞を、波長分離器で分離して受光素子することにより、１連の撮像により位相シフトした画像が得られるため、測定時間を短くすることができる。今までのように、機械的動作を伴う位相シフト動作と被検物の撮像を繰り返す必要がなくなる。
【００６０】
請求項４に対する作用効果
モアレ法に位相シフト法を適用し円筒状被検物の形状測定を行う際、波長の異なる３つ以上の光源によって形成された位相の異なるモアレ縞を、波長分離器で分離して受光素子することにより、１連の撮像により位相シフトした画像が得られるため、測定時間を短くすることができる。今までのように、機械的動作を伴う位相シフト動作と被検物の撮像を繰り返す必要がなくなる。
【００６１】
請求項５に対する作用効果
モアレ法に位相シフト法を適用し平面状被検物の形状測定を行う際、波長の異なる３つ以上の光源によって形成された位相の異なるモアレ縞を、色フィルターで選択して受光することにより、１連の撮像により位相シフトした画像が得られるため、測定時間を短くすることができる。今までのように、機械的動作を伴う位相シフト動作と被検物の撮像を繰り返す必要がなくなる。
【００６２】
請求項６に対する作用効果
モアレ法に位相シフト法を適用し円筒状被検物の形状測定を行う際、波長の異なる３つ以上の光源によって形成された位相の異なるモアレ縞を、色フィルターで選択して受光することにより、１連の撮像により位相シフトした画像が得られるため、測定時間を短くすることができる。今までのように、機械的動作を伴う位相シフト動作と被検物の撮像を繰り返す必要がなくなる。
【００６３】
請求項７に対する作用効果
ＲＧＢ光源と３板式のカラーセンサカメラを用いることにより、請求項３、４記載の測定装置を構成することができる。
【００６４】
請求項８に対する作用効果
ＲＧＢ光源と単板式のカラーセンサカメラを用いることにより、請求項５、６記載の測定装置を構成することができる。
【００６５】
請求項９の作用効果
上記したような請求項１〜８に記載のいずれかの装置を用いて、円筒形状あるいは平面形状を含む様々な２次元的あるいは３次元的形状を、簡単に、かつ、短時間で、光源と観察点の間の距離ｄを変化させてモアレ縞の位相をシフトさせ、モアレ法に位相シフト法を適用し、ローラ部品やシート等の移動している平面状部品の形状を測定する方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】モアレ３次元計測法の原理を説明するための図である。
【図２】位相シフト法を説明するための図である。
【図３】格子投影型のモアレ法を説明するための図である。
【図４】実体格子型のモアレ法を説明するための図である。
【図５】実体格子型モアレ光学系に位相シフト法を適用した場合を説明した図である。
【図６】実体格子型でＳ２の位置に観察点をおいた場合を例にとって説明した図である。
【図７】Δｓによる格子移動前後のモアレ縞等高線の位置を示す図である。
【図８】３列以上の画素列を持った構成の受光素子の構成例を示す図である。
【図９】画像メモリ上に得られたデータ例を示した図である。
【図１０】平面状被検物面は平行に配置したときの受光素子面と格子パターン面との例を示す図である。
【図１１】距離ｄの位置に光源1、モアレ縞位相がπ/2シフトする位置に光源2を配置したときのモアレ縞の位相をシフトさせた例を示す図である。
【図１２】複数の光源を順番に点灯させて被写体である被検物を照射してその反射光を受光素子を介してデータ化していくステップの例を示した図である。
【図１３】時刻ｔ₁において光源１を点灯させ領域１を撮像した例を示した図である。
【図１４】撮像領域、光源１〜３の点灯、撮像のタイミングを示す図である。
【図１５】光学系と平面状被検物の相対位置を変えながら撮像した例を示す図である。
【図１６】３板式カラーセンサカメラ内のプリズムにより、ＲＧＢに分離された光を受光する例を示した図である。
【図１７】受光素子として単板式カラーセンサカメラを用い、このセンサの前に周期的にＲＧＢの色フィルターを配置した例を示す図である。
【図１８】測定ヘッドの基本構成を示す図である。
【図１９】被検物が平面状の場合の光学系と平面状被検物の相対関係を示す図である。
【図２０】被検物が円筒状の場合の光学系と平面状被検物の相対関係を示す図である。
【符号の説明】
Ｓ、Ｓ１光源[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an apparatus for measuring a surface shape of a test object and measuring a shape for detecting defects such as scratches, bulges, undulations, and dents. The present invention relates to a shape measuring apparatus and a shape measuring method that can be used mainly for robot vision such as component recognition.
[0002]
[Prior art]
As a three-dimensional measurement method using the phase shift method and the moire method, Patent Documents 1 to 3 can be cited. There are also known documents (see, for example, Non-Patent Document 1).
[0003]
One method of three-dimensional measurement is the moire method. First, the measurement principle and the phase shift method will be described.
[Principle of moire 3D measurement method]
Let s be the pitch of the grating, and d be the distance between the light source and the observation point. Lattice G in the same plane₁And G₂Both have a pitch s, but the lattices are shifted from each other by ε in the plane (2πε / s in terms of the phase of the lattice pitch),
[0004]
[Expression 1]

[0005]
(See FIG. 1). The moire fringes (contour lines) that are formed have orders that are counted as first order and second order as they move away from the lattice plane with the lattice plane as a reference (0th order). Therefore, the moiré fringes of the fringe order N are obtained by setting cos 2πN. As a result, the Nth moire contour line is h from the reference plane._NThe next position, just away
[0006]
[Expression 2]

[0007]
Will be formed. This does not include the position coordinate x and is a unique value determined by N (regardless of x). That is, the contour lines are formed.
[0008]
When the configuration shown in FIG. 6 is adopted, this corresponds to a case where S1 is a point light source, an observation point is placed at the position of S2, and one continuous (and hence ε = 0) lattice is arranged (substance). Called lattice type). Since ε = 0, from equation (2)
[0009]
[Equation 3]

[0010]
Holds. However, although it is called a contour line, the interval Δh_N= H_{N + 1}-H_NIs not constant and varies depending on the following formula N.
Next, the phase shift method will be described.
[Description of phase shift method]
The phase-modulated fringe image
[0011]
[Expression 4]

[0012]
(See FIG. 2). What is desired here is the phase Φ (x, y) at each point (x, y). Since the bias and amplitude are unknown components that change due to surface reflectivity and dirt, etc., three striped images with the phase θ changed to 0, π / 2, and π
[0013]
[Equation 5]

[0014]
Is generated.
[0015]
[Formula 6]

[0016]
If the phase is calculated by Equation (4), the reflectance and dirt components can be removed, and the phase Φ (x, y) at each point can be obtained.
[0017]
The Moire method has a solid lattice type and a lattice projection type, and is widely used in various fields. As shown in FIG. 3, the lattice projection type moire method is such that small gratings G1 and G2 are arranged for projection and observation, respectively, and G1 is projected onto an object by a lens L1 and deformed according to the object shape. The lattice line thus formed is imaged on another grating G2 through the lens L2, and a fringe contour line is generated at a predetermined distance from the reference plane. Next, as shown in FIG. 4, the solid lattice type moire method has one lattice G installed on the reference plane, and the point light source S at the position of the lens L1 and the observation eye e at the position of the lens L2 in FIG. , And the shadow of the grating G by the light source S is dropped on the object, a shadow of the grating G deformed according to the shape of the object is formed, and this is observed through the grating G. This is a method of observing moire fringes caused by the shadows.
[0018]
Conventionally, the three-dimensional shape measurement method based on the moire method can intuitively grasp the object, but (1) it is difficult to determine unevenness, and (2) is not suitable for high-sensitivity three-dimensional measurement (currently moire). The interval between the fringe contour lines is limited to about 10 μm), and (3) since the visibility of moire fringes is not uniform for each fringe, it is difficult to handle the moire image as an object of image processing. This problem is that, in the case of the lattice projection type, since two lattices are used, by moving one of them, the fringe scanning, that is, the phase of the moire fringe is shifted, and the contour line spacing is equivalent. It is possible to determine the unevenness of the object and improve the measurement sensitivity, but in the case of the real lattice type, since there is only one lattice, phase shift like the lattice projection type moire method is performed. However, the phase cannot be changed while aligning the phases of the stripe contour lines of all orders. In order to deal with such a problem, for example, in Patent Document 1 (Japanese Patent No. 2887517), the vertical movement of the lattice plane and the horizontal movement of the light source or the observation point are performed at the same time. The fringe phase can be shifted with respect to the object to be measured while the phases of the fringes of the respective orders are almost aligned, so that multiple fringe images are based on the principle of high-speed inspection (phase shift method). This increases the density of measurement points due to moire fringes on the measurement object, and enables physical division of about 1/40 to 1/100 for one period of moire fringes. Therefore, it is possible to determine the unevenness of the surface and to improve the measurement sensitivity, which has been difficult with the moire method.
[0019]
However, when measuring the entire surface of a cylindrical specimen or the like by applying the phase shift method in this way, it is necessary to repeat grating movement and moire fringe imaging in order to shift the phase by at least three revolutions of the specimen. Takes time to measure. In addition, there is a problem that the apparatus configuration is complicated because it is necessary to move the grating in a plurality of directions (parallel and rotation). Japanese Patent Application Laid-Open No. 07-332956 (refer to Patent Document 2), “Substance Lattice Moire Method by Phase Shift” (Proceedings of the 1991 Precision Engineering Autumn Meeting) (see Non-Patent Document 1), “Liquid Crystal Glass Flat Nest measurement "(O plus E September 1996) eliminates the difference in fringe spacing due to the fringe order by applying parallel light, so that all fringe phases are shifted while being aligned. Furthermore, in these methods, it is possible to shift the phase only by the grating motion. However, when still measuring the whole surface of a cylindrical specimen or the like, it is necessary to repeat the movement of the grating and the imaging and to rotate the specimen three times or more in order to obtain a phase-shifted image, thereby increasing the measurement time. . In Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-54711 (see Patent Document 3), the phase shift is performed by changing the height of the test object. Even in this case, it is necessary to repeat the movement and imaging of the test object a plurality of times. As a result, the measurement time increases. Further, a clear method for quantifying the uneven shape is not sufficiently explained.
[0020]
Therefore, for example, for a cylindrical specimen such as a roller part or a planar specimen such as a liquid crystal, the phase shift method is applied to the moire method of the solid lattice type, and the phase is obtained by one series of imaging. The present inventor considers providing a method and an apparatus for performing shape measurement for high-speed measurement by obtaining a shifted image and inspecting the surface of the object to be inspected from the quantitative shape data. One example and problems will be described.
[0021]
As can be seen from the equation (3) and FIG. 5, when the phase shift method is applied to the tangential grating type moire optical system, the fringe spacing Δh depends on the fringe order N._nIs different. Therefore, when the phase shift of the moire fringes is attempted, the phase shift can be accurately performed with a certain fringe order n, but it is shifted with other fringe orders. Therefore, the measurement range is limited to several fringe orders based on the height of the fringe order to be accurately shifted. In this case, since the shift error becomes maximum at the end of the measurement range, the measurement range is set so that the measurement error due to the shift error becomes sufficiently small. With such a technique, the phase shift method is applied to the tangential grating moire optical system.
[0022]
Consider changing the pitch of the grating pattern by Δs in order to shift the phase (FIG. 6). The n + 1-th order moire fringe contour before movement is obtained from equation (3).
[0023]
[Expression 7]

[0024]
However, in FIG. 6, the light source and the observation point are at the same distance from the lattice, the distance between the light source and the observation point is d, the distance between the lattice and the observation point, the distance between the light sources is l, the pitch of the lattice is s, and the lattice pattern Let Δs be the pitch change amount.
[0025]
Next, considering that the moire fringes are shifted by moving the lattice, the distance h to the nth-order fringes after the shift._n '
[0026]
[Equation 8]

[0027]
It becomes. Therefore, as shown in FIG. 6, the phase Φ between the n-th order and n + 1-th order moire fringes before moving the grating_nAssuming that there is an nth-order moire fringe after lattice movement at the position of
[0028]
[Equation 9]

[0029]
Is established. Substituting (5) and (6) into this formula,
[0030]
[Expression 10]

[0031]
Get. By this equation (8), the pitch change amount Δs and the phase shift amount Φ of the lattice pattern_nThe relationship became clear. Here, let us consider that the fringes of the fringe order n = 3 before s = 83.3 μm, l = 200 mm, d = 70 mm, and grating movement are accurately shifted by 2π. That is, n = 3, Φ_Three= 2π. Substituting the above parameters into equation (8) yields Δs = 27.8 μm. FIG. 7 shows the positions of moire fringe contour lines before and after the lattice movement by Δs. As a result, the height h corresponding to the phase 2π₂ π = 239.995 μm. Further, as can be seen from FIG. 7, the phase is accurately shifted by 2π at the height of n = 4 before the movement, but the shift error ΔΦ (L) ± at the height of n = 3, 5 before the movement.₁Occurs. The measurement range is limited to a range in which this shift error does not affect the measurement accuracy.
[0032]
Another method for acquiring an image shifted in phase by a series of imaging will be described. As shown in FIG. 8, a light receiving element having a configuration having three or more pixel columns is used. A structure as shown in FIG. 10 is formed by using this light receiving element. That is, the light receiving element surface, the lattice pattern surface, and the planar test object surface are arranged in parallel. The pixel arrays A, B, and C have different positions on the work as their fields of view, and the pitches of the lattice patterns corresponding to the fields of view are different as shown in FIG. That is, the initial value s of the lattice pattern pitch, Φ in the equation (12)_n= 0s, π / 2, π when the change amount Δs is Δs₀(= 0), Δs₁, Δs₂Then, the lattice pattern pitch corresponding to each pixel column A is s (step 0), and the lattice pattern pitch corresponding to B is s + Δs.₁(Step 1), the lattice pattern pitch corresponding to C is s + Δs₂(Step 2). The feed speed of the test object, the scanning period of the light receiving element, the imaging magnification, and the distance between the pixel columns are adjusted so that a desired shift amount is given to each pixel column. The measurement procedure starts with time t₁In FIG. 5, the region A (step 0) is imaged in the A column, the region 2 (step 1) is imaged in the B column, and the region 1 (step 2) is imaged in the C column. Next time t₂In FIG. 4, the region A (step 0 surface) is imaged in the A column, the region 3 (step 1 surface) is imaged in the B column, and the region 2 (step 2 surface) is imaged in the C column. Furthermore, time t_ThreeThen, the region A (step 0) is imaged in the A column, the region 4 (step 1) is imaged in the B column, and the region 3 (step 2) is imaged in the C column. As a result, data as shown in FIG. 9 is obtained on the image memory. Therefore, time t₁Column A data, time t₂B column data, time t_ThreeThe shape of the region 3 can be measured from the data in the C column and the equation (4). Based on this quantitative shape data, a defect inspection such as swell and dent generated on the surface of the test object and a flatness inspection are performed.
[0033]
As can be seen from equation (3), in order to shift the phase of the moire fringes, in addition to the pitch s of the lattice pattern, the distance d between the light source and the observation point, the distance between the lattice and the observation point, and the distance between the light sources Although the case where l is changed is considered, it has not been realized yet.
[0034]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 2887517
[Patent Document 2]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 07-332956
[Patent Document 3]
JP-A-10-54711
[Non-Patent Document 1]
"Substrate Lattice Moire Method by Phase Shift" Proceedings of the 1991 Academic Lecture Meeting of the Japan Society for Precision Engineering.
"Measurement of flatness of liquid crystal glass" O plus E September 1996
[0035]
[Problems to be solved by the invention]
Accordingly, an object of the present invention is to shift the phase of the moire fringe by changing the distance d between the light source and the observation point, apply the phase shift method to the moire method, and move the roller parts, sheets, etc. It is to provide a part shape measuring apparatus.
[0036]
[Means for Solving the Problems]
  The invention described in claim 1Shape measurement using a solid grating type moire optical system composed of a light source for generating moire fringes, a patterned grating, a lens for imaging the moire fringes of the patterned grating, and a light receiving element In the apparatus, the light receiving element includes a pixel row in which pixels are integrated, receives light irradiated by the light source, obtains data, and three or more light sources are arranged at different distances from the lens. And a lighting control means for sequentially lighting each light source in synchronization with a scanning cycle of a pixel row constituting the light receiving element, and a relative positional relationship between the moire optical system and a planar test surface. A planar test comprising: a mechanism for moving the element in a direction perpendicular to the pixel column; and shape calculation means for calculating the shape of the planar test surface using the phase shift method from the data of the pixel column Object shape measurement LocationIt is.
[0037]
  The invention described in claim 2Shape measurement using a solid grating type moire optical system composed of a light source for generating moire fringes, a patterned grating, a lens for imaging the moire fringes of the patterned grating, and a light receiving element In the apparatus, the light receiving element includes a pixel row in which pixels are integrated, receives light emitted from the light source, obtains data, and three or more light sources are arranged at different distances from the lens. And a lighting control means for sequentially turning on each of the light sources in synchronization with a scanning cycle of a pixel row constituting the light receiving element, and a rotation for rotating a cylindrical test surface in a direction perpendicular to the pixel row of the light receiving element. Cylindrical object shape measuring apparatus comprising: a mechanism; and shape calculating means for calculating the shape of the cylindrical object surface calculated using the phase shift method from the pixel array dataIt is.
[0038]
  The invention according to claim 3 is an actual lattice type comprising a light source for generating moire fringes, a pattern grating, a lens for imaging the moire fringes of the pattern grating, and a light receiving element. In the shape measuring apparatus using the moiré optical system, three or more light sources having different wavelengths are provided at different distances from the lens, and the light receiving element is a pixel row in which pixels are integrated. The light of the corresponding wavelength separated by the wavelength separator is received, data is obtained, andMoire optical systemThe shape of the planar test surface is calculated from the data of the pixel array using a phase shift method from a mechanism for moving the relative positional relationship between the sensor and the planar test surface in the direction perpendicular to the pixel array of the light receiving element. And a shape measuring means for measuring the shape of a planar test object.
[0039]
  The invention according to claim 4Shape measurement using a solid grating type moire optical system composed of a light source for generating moire fringes, a patterned grating, a lens for imaging the moire fringes of the patterned grating, and a light receiving element In the apparatus, three or more light sources having different wavelengths are provided at different distances from the lens, the light receiving element is formed of a pixel row in which pixels are integrated, and each light receiving element is separated by a wavelength separator. Rotation mechanism that receives light of wavelength, obtains data, and further rotates the cylindrical test surface, and calculates the shape of the cylindrical test surface using the phase shift method from the data of the pixel row Cylindrical object shape measuring device comprising a shape calculating deviceIt is.
[0040]
  The invention described in claim 5Shape measurement using a solid grating type moire optical system composed of a light source for generating moire fringes, a patterned grating, a lens for imaging the moire fringes of the patterned grating, and a light receiving element In the apparatus, three or more light sources having different wavelengths are provided at positions different from each other from the lens, and the light receiving element includes a pixel row in which pixels are integrated, and the element includes light having a wavelength selected by a color filter. Using a phase shift method from the pixel column data and a mechanism for moving the relative positional relationship between the moire optical system and the planar test surface in a direction perpendicular to the pixel column of the light receiving element. A shape measuring unit for calculating a shape of a planar test surface, and a shape measuring device for a planar test objectIt is.
[0041]
  The invention described in claim 6In a substantive grating type moire optical system composed of a light source for generating moire fringes, a grating pattern, and a lens and a light receiving element for imaging the moire fringes, the distances from the lenses are different at different wavelengths. Three or more different light sources are provided, and the light receiving element is composed of a pixel array in which pixels are integrated, receives light of a wavelength selected by a color filter, obtains data, and further, a moire optical system and a cylindrical test surface A cylindrical mechanism that includes a rotation mechanism that rotates the light receiving element in a direction perpendicular to the pixel column of the light receiving element, and a shape calculation unit that calculates the shape of the cylindrical test surface from the pixel column data using a phase shift method. Object shape measuring deviceIt is.
[0042]
  A seventh aspect of the invention is characterized in that in the third or fourth aspect, a three-plate type color sensor camera is used for the light receiving element..
[0043]
According to an eighth aspect of the present invention, in the fifth or sixth aspect, a single-plate color sensor camera is used as the light receiving element.
[0044]
The invention according to claim 9 is a reflection from irradiation of the test object from three or more light sources having different wavelengths at different distances from the lens using the measurement device according to any one of claims 1 to 8. It is an invention of a method for measuring the shape of a test object from a pixel column data inputted by receiving light using a phase shift method.
[0045]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(1) In the invention described in claim 1, as can be seen from the equation (3), the phase of moire fringes can be shifted by changing the distance d between the light source and the observation point. Therefore, as shown in FIG. 11, the light source 1 is provided at the position of the distance d, the light source 2 is provided at the position where the moire fringe phase is shifted by π / 2, and the light source 3 is further provided at the position where it is further shifted by π. FIG. 12 shows an example of steps in which a plurality of light sources are turned on in order to irradiate a test object as a subject and the reflected light is converted into data via a light receiving element. Further, as shown in FIG.₁The light source 1 is turned on to image the region 1 (step 0). Next time t₂The light source 2 is turned on to image the region 2 (step 1), and the time t_ThreeThe light source 3 is turned on to image the region 3 (step 2). That is, imaging is performed while changing the relative position of the optical system and the planar test object. FIG. 14 shows the imaging region, lighting of the light sources 1 to 3, and imaging timing. Since the image data obtained in this way is as shown in FIG. 15, the shape measurement of the regions 1 to 3 is performed from the third column to the fifth column using the data up to the first third column and the equation (4). Using the data up to this point and equation (4), the shape of the regions 3 to 5 is measured. Based on this quantitative shape data, a defect inspection such as swell and dent generated on the surface of the test object and a flatness inspection are performed.
[0046]
This method can be applied when, for example, the shape change of three continuous regions such as regions 1 to 3 is sufficiently negligible for the required measurement accuracy. By using this method, it is not necessary to image the same portion on the planar test object many times in order to obtain a phase-shifted image. Although the three-step phase shift method has been described here, the number of steps is the minimum number of steps necessary for applying the phase shift method, and the number of steps can be further increased to improve the measurement accuracy.
[0047]
The basic configuration of the measuring head is shown in FIG. It is formed by light sources 1 to 3, a grating pattern, a lens, and a light receiving element. When the test object is planar, a drive mechanism is further provided for moving the relative relationship between the optical system and the planar test object in a direction different from that shown in FIG. When the measurement in a certain region is completed, the entire surface of the planar test object is measured by moving the position of the optical system and repeating the same measurement. With such a configuration, the entire surface of the planar test object can be measured while the distance between the measurement head and the planar test object is kept constant and the measurement range is limited. Instead of moving the optical system as shown in FIG. 19, the planar test object may be moved by attaching a moving mechanism. It is sufficient if there is a mechanism for changing the relative relationship between the two.
[0048]
(2) The invention according to claim 2 may be configured as shown in FIG. 20 when the test object is cylindrical. Imaging is performed while rotating the cylindrical specimen. The imaging area, the lighting of the light sources 1 to 3 and the timing of imaging are the same as in FIGS. The method for calculating the phase from the obtained image data is the same as in the first aspect. By using this method, it is only necessary to rotate the cylindrical test object once to obtain a phase-shifted image.
[0049]
Instead of rotating the cylindrical specimen, the same measurement can be performed even if the optical system rotates around the cylindrical specimen.
[0050]
(3) In the inventions according to

claims

3, 4 and 7, as in claim 1, the red light source (R) at the position of the distance d and the green light source (G) at the position where the moire fringe phase is shifted by π / 2. ) Is further provided with a blue light source (B) at a position to be shifted by π, and all the light sources are turned on during measurement. On the other hand, a three-plate color sensor camera is used as the light receiving element. A prism is arranged in the three-plate color sensor camera, and is separated into RGB by the color separation dichroic prism, so that the light receiving element R receives red light, the light receiving element G receives green light, and the light receiving element B receives blue light. (FIG. 16). Since the optical paths are separated by the prism, each of the light receiving elements R, G, and B can image the same region. With the NTSC system, the light receiving elements RGB can be imaged simultaneously every 1/30 seconds. Therefore, it is possible to image the moire fringes phase-shifted by the light receiving elements R, G, and B, and the shape of the imaged region is measured using the RGB data and equation (4). Based on this quantitative shape data, a defect inspection such as swell and dent generated on the surface of the test object and a flatness inspection are performed.
[0051]
Although the three-step phase shift method has been described here, the number of steps is the minimum number of steps necessary to apply the phase shift method, and the number of steps is increased by using a light source having a larger number of wavelengths, thereby increasing the measurement accuracy. It is also possible to improve.
[0052]
The configuration for measuring the entire surface of the planar specimen and the cylindrical specimen is the same as that of the first and second aspects.
[0053]
(4) In the inventions according to claims 5, 6 and 8, as in claim 1, the red light source (R) at the position of the distance d and the green light source (G) at the position where the moire fringe phase is shifted by π / 2. Further, a blue light source (B) is provided at a position where it is shifted by π, and all the light sources are turned on during the measurement. On the other hand, a single plate color sensor camera is used as the light receiving element. In front of the sensor, for example, RGB color filters are periodically arranged as shown in FIG. As a result, red light can be selectively received by the pixel 1, green light by the pixel 2, and blue light by the pixel 3. The same applies to pixel 4 and subsequent pixels. The NTSC system can capture all colors simultaneously every 1/30 seconds. Therefore, it is possible to image the moiré fringes phase-shifted by the pixels 1 to 3, and the shape of the imaged region is measured using each data and Equation (4). Based on this quantitative shape data, a defect inspection such as swell and dent generated on the surface of the test object and a flatness inspection are performed.
[0054]
This method can be applied only when the shape change of the entire region imaged by the light receiving elements 1 to 3 is sufficiently negligible for the required measurement accuracy. Although the three-step phase shift method has been described here, the number of steps is the minimum number of steps necessary to apply the phase shift method, and the number of steps is increased by using a light source having a larger number of wavelengths, thereby increasing the measurement accuracy. It is also possible to improve.
[0055]
The configuration for measuring the entire surface of the planar specimen and the cylindrical specimen is the same as that of the first and second aspects.
[0056]
The present invention receives reflected light from irradiation of a test object from three or more light sources having different wavelengths at different positions from the lens using any one of the measuring devices as described above. The shape of the test object is measured using the phase shift method from the input pixel column data. At this time, the shape is measured by using various steps as described above.
[0057]
【The invention's effect】
Effect on Claim 1
When measuring the shape of a planar specimen by applying the phase shift method to the moire method, the relative movement speed of the optical system and the specimen, the scanning period of the light receiving element, and the lighting times of the multiple light sources are synchronized. By doing so, a phase-shifted image can be obtained by a series of imaging, so that the measurement time can be shortened. As in the past, there is no need to repeat the phase shift operation accompanied by the mechanical operation and the imaging of the test object.
[0058]
Effect on claim 2
When measuring the shape of a cylindrical specimen by applying the phase shift method to the moire method, the optical system, the rotational speed of the specimen, the scanning period of the light receiving element, and the lighting times of the multiple light sources are synchronized. By doing so, a phase-shifted image is obtained by a series of imaging operations, so that the measurement time can be shortened. As in the past, there is no need to repeat the phase shift operation accompanied by the mechanical operation and the imaging of the test object.
[0059]
Effect on Claim 3
When measuring the shape of a planar specimen by applying the phase shift method to the moire method, moire fringes having different phases formed by three or more light sources having different wavelengths are separated by a wavelength separator and used as light receiving elements. Thus, since a phase-shifted image is obtained by a series of imaging, the measurement time can be shortened. As in the past, there is no need to repeat the phase shift operation accompanied by the mechanical operation and the imaging of the test object.
[0060]
Effect on claim 4
When measuring the shape of a cylindrical specimen by applying the phase shift method to the moire method, moire fringes having different phases formed by three or more light sources having different wavelengths are separated by a wavelength separator and used as a light receiving element. Thus, since a phase-shifted image is obtained by a series of imaging, the measurement time can be shortened. As in the past, there is no need to repeat the phase shift operation accompanied by the mechanical operation and the imaging of the test object.
[0061]
Effect on claim 5
When measuring the shape of a planar specimen by applying the phase shift method to the moire method, the moiré fringes with different phases formed by three or more light sources with different wavelengths are selected and received by the color filter. Since a phase-shifted image is obtained by one series of imaging, the measurement time can be shortened. As in the past, there is no need to repeat the phase shift operation accompanied by the mechanical operation and the imaging of the test object.
[0062]
Effect on claim 6
When measuring the shape of a cylindrical specimen by applying the phase shift method to the moire method, the moiré fringes with different phases formed by three or more light sources with different wavelengths are selected and received by the color filter. Since a phase-shifted image is obtained by one series of imaging, the measurement time can be shortened. As in the past, there is no need to repeat the phase shift operation accompanied by the mechanical operation and the imaging of the test object.
[0063]
Effect on Claim 7
By using an RGB light source and a three-plate type color sensor camera, the measuring apparatus according to

claims

3 and 4 can be configured.
[0064]
Effect on Claim 8
By using an RGB light source and a single-plate color sensor camera, the measuring apparatus according to claims 5 and 6 can be configured.
[0065]
The effect of Claim 9
Using the apparatus according to any one of claims 1 to 8, various two-dimensional or three-dimensional shapes including a cylindrical shape or a planar shape can be easily and in a short time with a light source. Providing a method for measuring the shape of moving planar parts such as roller parts and sheets by changing the distance d between observation points to shift the phase of moire fringes and applying the phase shift method to the moire method can do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining the principle of a moire three-dimensional measurement method.
FIG. 2 is a diagram for explaining a phase shift method;
FIG. 3 is a diagram for explaining a lattice projection type moire method;
FIG. 4 is a diagram for explaining a real lattice type moire method;
FIG. 5 is a diagram for explaining a case where a phase shift method is applied to an entity grating type moire optical system.
FIG. 6 is a diagram illustrating an example in which the observation point is placed at the position of S2 in the solid grid type.
FIG. 7 is a diagram showing the positions of moire fringe contour lines before and after the lattice movement by Δs.
FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration example of a light receiving element having a configuration having three or more pixel columns.
FIG. 9 is a diagram showing an example of data obtained on an image memory.
FIG. 10 is a diagram showing an example of a light receiving element surface and a lattice pattern surface when a planar test object surface is arranged in parallel.
FIG. 11 is a diagram showing an example in which the phase of the moire fringe is shifted when the light source 1 is arranged at the position of the distance d and the light source 2 is arranged at the position where the moire fringe phase is shifted by π / 2.
FIG. 12 is a diagram illustrating an example of steps in which a plurality of light sources are sequentially turned on to irradiate a test object as a subject and the reflected light is converted into data via a light receiving element.
FIG. 13: Time t₁5 is a diagram showing an example in which the light source 1 is turned on and the region 1 is imaged.
FIG. 14 is a diagram illustrating an imaging region, lighting of light sources 1 to 3, and timing of imaging.
FIG. 15 is a diagram illustrating an example of imaging while changing a relative position between an optical system and a planar test object;
FIG. 16 is a diagram illustrating an example in which light separated into RGB is received by a prism in a three-plate type color sensor camera.
FIG. 17 is a diagram illustrating an example in which a single-plate color sensor camera is used as a light receiving element, and RGB color filters are periodically arranged in front of the sensor.
FIG. 18 is a diagram showing a basic configuration of a measurement head.
FIG. 19 is a diagram showing a relative relationship between an optical system and a planar specimen when the specimen is planar.
FIG. 20 is a diagram showing a relative relationship between an optical system and a planar specimen when the specimen is cylindrical.
[Explanation of symbols]
S, S1 light source

Claims

Shape measurement using a solid grating type moire optical system composed of a light source for generating moire fringes, a patterned grating, a lens for imaging the moire fringes of the patterned grating, and a light receiving element In the device
The light receiving element comprises a pixel row in which pixels are integrated, receives light emitted by the light source, obtains data,
Three or more of the light sources are arranged at different positions from the lens,
A lighting control means for sequentially lighting each of the light sources in synchronization with a scanning cycle of a pixel row constituting the light receiving element;
A mechanism for moving a relative positional relationship between the moire optical system and a planar test surface in a direction perpendicular to the pixel row of the light receiving element;
Shape calculation means for calculating the shape of the planar test surface using the phase shift method from the data of the pixel columns,
An apparatus for measuring a shape of a planar test object comprising:

Shape measurement using a solid grating type moire optical system composed of a light source for generating moire fringes, a patterned grating, a lens for imaging the moire fringes of the patterned grating, and a light receiving element In the device
The light receiving element is composed of a pixel row in which pixels are integrated, receives light emitted by the light source, obtains data,
Three or more of the light sources are arranged at different positions from the lens,
A lighting control means for sequentially lighting each of the light sources in synchronization with a scanning cycle of a pixel row constituting the light receiving element;
A rotation mechanism for rotating a cylindrical test surface in a direction perpendicular to the pixel row of the light receiving element;
Shape calculation means for calculating the shape of the cylindrical test surface calculated using the phase shift method from the data of the pixel row,
An apparatus for measuring the shape of a cylindrical specimen comprising:

Shape measurement using a solid grating type moire optical system composed of a light source for generating moire fringes, a patterned grating, a lens for imaging the moire fringes of the patterned grating, and a light receiving element In the device
Providing three or more light sources having different wavelengths at different positions from the lens,
The light receiving element comprises a pixel row in which pixels are integrated, each light receiving element receives light of a corresponding wavelength separated by a wavelength separator, obtains data,
Furthermore, a mechanism for moving the relative positional relationship between the moire optical system and the planar test surface in a direction perpendicular to the pixel row of the light receiving element;
Shape calculation means for calculating the shape of the planar test surface using the phase shift method from the pixel column data;
An apparatus for measuring a shape of a planar test object comprising:

Shape measurement using a solid grating type moire optical system composed of a light source for generating moire fringes, a patterned grating, a lens for imaging the moire fringes of the patterned grating, and a light receiving element In the device
Providing three or more light sources having different wavelengths at different positions from the lens,
The light receiving element comprises a pixel row in which pixels are integrated, each light receiving element receives light of a corresponding wavelength separated by a wavelength separator, obtains data,
Furthermore, a rotating mechanism that rotates the cylindrical test surface;
A shape calculation device for calculating the shape of the cylindrical test surface using the phase shift method from the data of the pixel row,
An apparatus for measuring the shape of a cylindrical specimen comprising:

Shape measurement using a solid grating type moire optical system composed of a light source for generating moire fringes, a patterned grating, a lens for imaging the moire fringes of the patterned grating, and a light receiving element In the device
Three or more light sources having different wavelengths are provided at different distances from the lens,
The light receiving element comprises a pixel row in which pixels are integrated, the element receives light of a wavelength selected by a color filter, obtains data,
Furthermore, a mechanism for moving the relative positional relationship between the moire optical system and the planar test surface in a direction perpendicular to the pixel row of the light receiving element;
A shape calculator that calculates the shape of a planar test surface from the pixel column data using a phase shift method;
An apparatus for measuring a shape of a planar test object comprising:

In a real grating type moire optical system composed of a light source for generating moire fringes, a grating pattern, and a lens and a light receiving element for imaging the moire fringes,
Provide three or more light sources with different wavelengths at different distances from the lens,
The light receiving element is composed of a pixel array in which pixels are integrated, receives light of a wavelength selected by a color filter, obtains data,
Furthermore, a rotating mechanism that rotates the moire optical system and the cylindrical test surface in a direction perpendicular to the pixel row of the light receiving element;
A shape calculation unit for calculating the shape of a cylindrical test surface using a phase shift method from the pixel column data;
An apparatus for measuring the shape of a cylindrical specimen comprising:

5. The shape measuring apparatus according to claim 3, wherein a three-plate color sensor camera is used for the light receiving element.

7. The shape measuring apparatus according to claim 5, wherein a single plate type color sensor camera is used as the light receiving element.

Using the measuring device according to any one of claims 1 to 8, the reflected light from the irradiation of the test object from three or more light sources having different wavelengths is received and inputted at different positions from the lens. A method for measuring the shape of a test object from pixel column data using a phase shift method.