JP2013127384A

JP2013127384A - 三次元形状計測装置

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Publication number: JP2013127384A
Application number: JP2011276625A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Matsukawa; 裕章松川; Harumi Yamamoto; 治美山本; Hidekazu Araki; 秀和荒木
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2011-12-19
Filing date: 2011-12-19
Publication date: 2013-06-27
Anticipated expiration: 2031-12-19
Also published as: JP5934996B2

Abstract

【課題】傾斜対象に照射による偏光状態の変化を検出するとともに、計測対象の傾斜の向きを判別することにより、計測対象の三次元形状の計測を可能にする。
【解決手段】第１の照射手段１０は計測対象１に円偏光を照射し、第１の撮像手段２０は第１の照射手段１０に対する計測対象１からの正反射光を検光子２２を通して撮像する。第２の照射手段３０は計測対象１に斜めに光を照射し、第２の撮像手段４０は第２の照射手段３０からの光の照射方向とは異なる方向から計測対象１を撮像する。解析手段５０は、第１の撮像手段２０の出力を用いて偏光状態から計測対象１が基準平面に対してなす傾斜角および仮方位角を求める。また、解析手段５０は、第１の撮像手段２０の出力と第２の撮像手段４０が撮像した画像とを用いて仮方位角を補正し計測対象１において基準平面に対して傾斜している部位の傾斜の向きである方位角を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、計測対象に偏光状態の光を照射し、計測対象からの正反射光の偏光状態を解析する技術を利用して計測対象を計測する三次元形状計測装置に関するものである。

従来から、計測対象の向きを計測する技術として、計測対象に偏光状態の光を照射し、計測対象からの正反射光の偏光状態を解析する傾斜エリプソメトリーと称する技術が知られている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１には、計測対象（記録媒体の記録部）に円偏光を照射するとともに、その反射光である楕円偏光を検光子および検出器で検出することにより、物体の傾斜角を計測する技術が記載されている。この種の技術を採用すれば、計測対象の傾きが計測可能であるから、計測対象の三次元形状のモデリングが可能であると考えられる。

特開２００９−９９１９２号公報

ところで、傾斜エリプソメトリーは円偏光を計測対象に照射し、楕円偏光である正反射光の楕円率角や楕円偏光の軸の向きを検出することにより、計測対象の表面の向きを計測している。そのため、検出器の光軸に直交する面を基準平面としたときの傾斜角は、０〜９０度の範囲で計測可能であり、検出器の光軸の周りにおける方位角（傾斜の方向）は０〜１８０度の範囲で計測可能になる。

すなわち、特許文献１に記載された技術では、方位角が１８０度異なっていると、方位角が同じ値になり、傾斜の向きを判別できないという問題がある。たとえば、計測対象の形状が半球状の凸部であるとすれば、凸部の中心線を含む一つの断面において、計測対象の外周面は中心線に対して対称になる。そのため、傾斜エリプソメトリーの技術でこのような形状の計測対象から方位角を求めると、傾斜の向きが逆向きであるにもかかわらず、方位角が同じ値になるという問題が生じる。

このように、傾斜エリプソメトリーの技術によって求めた方位角では、傾斜の向きが上りか下りかを判別することができないから、傾斜角と併せて方位角を用いても計測対象の向きを判別することはできない。そのため、傾斜エリプソメトリーの技術のみでは三次元形状のモデリングを行うことは困難である。

本発明は、傾斜対象に照射による偏光状態の変化を検出するとともに、計測対象の傾斜の向きを判別することにより、計測対象の三次元形状の計測を可能にした三次元形状計測装置を提供することにある。

本発明に係る三次元形状計測装置は、計測対象に円偏光を照射する第１の照射手段と、前記第１の照射手段に対する前記計測対象からの正反射光を検光子を通して撮像する第１の撮像手段と、前記計測対象に斜めに光を照射する第２の照射手段と、前記第２の照射手段からの光の照射方向とは異なる方向から前記計測対象を撮像する第２の撮像手段と、前記第１の撮像手段の出力を用いて前記正反射光の偏光状態を検出し、この偏光状態から前記計測対象における正反射光の反射部位が規定の基準平面に対してなす傾斜角および前記基準平面に対して傾斜している部位の傾斜の方向である仮方位角を求める機能と、前記第１の撮像手段の出力と前記第２の撮像手段が撮像した画像とを用いて仮方位角を補正し前記計測対象において前記基準平面に対して傾斜している部位の傾斜の向きである方位角を算出する機能と、傾斜角および方位角を用いて前記計測対象の三次元形状のモデリングを行う機能とを有した解析手段とを備えることを特徴とする。

この三次元形状計測装置において、前記解析手段は、前記第１の撮像手段が撮像した画像から着目する領域である凹凸判別領域を抽出する機能と、前記第２の照射手段から前記計測対象に光を照射した状態と照射しない状態とにおいて前記第２の撮像手段が撮像した２枚の画像を用い、前記凹凸判別領域において、２枚の画像における濃淡値の差分が規定した差分閾値以下である領域を、前記第２の照射手段から離れる向きに下り傾斜する部位と判断する機能とを有することが好ましい。

この三次元形状計測装置において、前記解析手段は、前記第２の撮像手段が撮像した画像における影領域の位置に基づいて前記凹凸判別領域が凸部か凹部かを判別する機能と、前記凹凸判別領域が凸部である場合は前記基準平面からの距離が最大である画素を頂点とし、前記凹凸判別領域が凹部である場合は前記基準平面からの距離が最小である画素を頂点として、前記頂点を通り基準平面に直交する平面であって前記第２の照射手段と前記第２の撮像手段とを含む平面に直交する平面を境界面と定める機能と、前記凹凸判別領域が凸部である場合は、境界面に対して前記第２の照射手段から遠い側の仮方位角に１８０度を加算して方位角を算出し、前記凹凸判別領域が凹部である場合は、境界面に対して前記第２の照射手段に近い側の仮方位角に１８０度を加算して方位角を算出する機能とを有することが好ましい。

この三次元形状計測装置において、前記解析手段は、前記凹凸判別領域として、前記第１の撮像手段が撮像した画像の画素のうち前記傾斜角が規定の角度閾値以上である連結領域を外側から包むように設定する機能を有することが好ましい。

この三次元形状計測装置において、前記解析手段は、前記第１の撮像手段により撮像された画像の各画素に対応する実空間の位置と、前記第２の撮像手段により撮像された画像の各画素に対応する実空間の位置とを、あらかじめ対応付けていることが好ましい。

この三次元形状計測装置において、前記第２の照射手段と前記第２の撮像手段とは、前記第２の照射手段から放射され前記基準平面で反射された正反射光が前記第２の撮像手段に入射する位置関係に配置されることが好ましい。

この三次元形状計測装置において、前記第２の照射手段から前記基準平面に向かって光を照射する角度を調節する駆動装置と、前記第２の照射手段から前記基準平面に向かって光を照射する角度を検出する位置センサと、前記第２の照射手段から前記計測対象に光を照射したときに形成される影が所望の最小寸法を満たすように定めた角度が得られるように前記位置センサが検出する角度に基づいて前記駆動装置を制御する制御手段とをさらに備えることが好ましい。

本発明の構成によれば、傾斜対象に照射による偏光状態の変化を検出するとともに、計測対象の傾斜の向きを判別するので、計測対象の三次元形状の計測が可能になるという利点を有する。

実施形態を示す概略構成図である。同上の問題点を説明する図である。同上において凸部が形成されている場合の動作説明図である。同上において凹部が形成されている場合の動作説明図である。同上において頂点の位置を検出する原理を説明する図である。同上の処理手順を示す動作説明図である。同上において光の照射角度を決める原理を説明する図である。

本実施形態の三次元形状計測装置は、図１に示すように、計測対象１に円偏光を照射する第１の照射手段１０と、第１の照射手段１０による円偏光が照射されている状態で計測対象１からの正反射光を撮像する第１の撮像手段２０とを備える。さらに、三次元形状計測装置は、計測対象１に対して斜めの一方向から光を照射する第２の照射手段３０と、第２の照射手段３０による光が照射されている状態で光の照射方向とは異なる方向から計測対象１を撮像する第２の撮像手段４０を備える。ここに、計測対象１は、金属のように高反射率であることが好ましい。

第１の撮像手段２０と第２の撮像手段４０との出力は解析手段５０に与えられる。解析手段５０は、第１の撮像手段２０の出力を用いて計測対象１から正反射光の偏光状態を検出し、正反射光の反射部位について検出した偏光状態を用いて、当該反射部位が規定の基準平面に対してなす角度を算出する。さらに、解析手段５０は、第２の撮像手段４０で撮像された画像を用いて計測対象１について傾斜の向きを判別し、算出した角度と判別した傾斜の向きとを用いて、計測対象１の三次元形状のモデリングを行う。また、第１の照射手段１０、第１の撮像手段２０、第２の照射手段３０、第２の撮像手段４０、解析手段５０の動作タイミングは、制御手段６０が制御する。基準平面は、計測対象１を載せるステージ２の上面などに平行な面であって、第１の撮像手段２０の光軸に直交するように設定される。

また、以下では、図２に示すように、計測対象１に凸部Ｐ１または凹部Ｐ２が形成されている場合を想定する。要するに、計測対象１において基準平面に対して傾斜している領域を切り出すことができる場合を想定する。また、以下の説明には、図２（ａ）のように計測対象１に凸部Ｐ１が形成されているか、図２（ｂ）のように計測対象１に凹部Ｐ２が形成されているかを区別する技術も含まれる。

この技術は、たとえば、計測対象１が回路基板３であって、回路基板３に部品４の実装が可能か否かを判定する場合などに利用できる。回路基板３に凸部Ｐ１が形成されているときには、凸部Ｐ１の上に部品４が載ると部品４の一部が浮き上がるから、電気的接続を確保できない可能性がある。これに対して、回路基板３に凹部Ｐ２が形成されているときには、凹部Ｐ２に部品４が跨ったとしても部品４は回路基板３から浮き上がらず、電気的接続は確保される。したがって、回路基板３に凸部Ｐ１と凹部Ｐ２とのどちらが形成されているかを判別する技術は、回路基板３の良否判定に用いることが可能である。

以下、三次元形状計測装置について、具体的に説明する。第１の照射手段１０は、計測対象１において第１の撮像手段２０の視野内に存在する部位の全体に円偏光を照射可能であれば、構成にはとくに制限はない。図示例において、第１の照射手段１０は、ドーム型ないし半球形の発光面を備えており、第１の撮像手段２０の光軸を囲む全方向から計測対象１に円偏光を照射するように構成されている。第１の照射手段１０は、発光面の全体から一様な輝度で光を放射する光放射装置と、光放射装置からの光を円偏光に変換する偏光子とを用いて構成される。

第１の照射手段１０に用いられる光放射装置は、第１の撮像手段２０が撮像している間に光出力が変動することがないよう、直流安定化電源を用いて点灯させることが好ましい。また、第１の照射手段１０は、計測対象１に対して連続的に光を照射する構成と、規定の短時間だけ光を出力して計測対象１に閃光を照射する構成とのいずれかが用いられる。第１の照射手段１０が閃光を発生する場合、発光毎の光量が変化しないように発光量が制御される。

また、第１の照射手段１０に用いられる偏光子は、光放射装置から放射された光を直線偏光に変換しする偏光板と、四分の一波長板とを重ね合わせて形成されている。この種の偏光子１２は、シート状に形成された可撓性を有する円偏光フィルムが所望の形状に加工されるか、可撓性を有していない多数個の光学素子が所望の形状に配列されることにより形成される。

第１の照射手段１０は、第１の撮像手段２０から計測対象１が直視できるように、図１における上部に開口窓（図示せず）が形成されている。第１の撮像手段２０は、この開口窓１３を通して偏光子１２に囲まれた計測対象１からの正反射光を受光する。

第１の撮像手段２０は、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサのように２次元格子の格子点上に画素が配列された撮像素子（図示せず）を備えるカメラ２１と、計測対象１とカメラ２１との間に配置された検光子２２とを備える。第１の撮像手段２０は計測対象１の直上であって、光軸がステージ２の上面に直交するように配置される。

カメラ２１は、受光光学系を備え、受光光学系を通して計測対象１からの反射光を撮像素子に入射させる。また、カメラ２１は、画素値を濃淡値とする濃淡画像を出力する。なお、必要に応じてカメラ２１の前方にフィルタを設け、光放射装置１１から放射された光以外の環境光を低減させるようにしてもよい。この種のフィルタには干渉フィルタを用いることが好ましい。

検光子２２は、カメラ２１の光軸と平行な回転中心の周りで回転可能に配置され、モータのような駆動源を備えた回転装置２３により駆動される。検光子２２は回転の基準位置が定められており、基準位置に対する検光子２２の回転角度を計測するために角度センサ２４が検光子２２に付設される。

角度センサ２４は、検光子２２の回転角度を検出するロータリエンコーダ、ポテンショメータなどが用いられる。また、角度センサ２４は、検光子２２から回転を直接に検出するように配置されるほか、回転装置２３の回転部から検光子２２の回転を間接的に検出するように配置されていてもよい。

第１の撮像手段２０は、カメラ２１が撮像した濃淡画像を、角度センサ２４が計測した検光子２２の回転角度に対応付けて出力する。すなわち、第１の撮像手段２０の出力は、角度センサ２４が検出した検光子２２の回転角度が所定の角度であるときにカメラ２１が撮像した画像であって、結果的に回転角度と画像との組になる。言い換えると、カメラ２１の画素ごとの画素値は、計測対象１における正反射光の反射部位ごとの偏光状態を反映していることになる。

第２の照射手段３０は、計測対象１に対して斜めから光を照射する。すなわち、第２の照射手段３０は、テーブル２の上面に斜め上方から光を照射する位置に配置される。第２の照射手段３０の発光面は平面であって、第２の照射手段３０が放射する光は、少なくとも計測対象１を照射する範囲において平行光線であることが好ましい。第２の照射手段３０から放射された光線とテーブル２の上面とがなす角度は、小さいほうが好ましく、たとえば数度程度に設定される。第２の照射手段３０から放射された光線がテーブル２の上面となす角度の設定方法については後述する。

第２の撮像手段４０は、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサのように２次元格子の格子点上に画素が配列された撮像素子（図示せず）を備えるカメラ４１が用いられる。カメラ４１は、受光光学系を通して計測対象１からの反射光を撮像素子に入射させる構成であって、撮像素子の各画素への入射光量に応じた濃淡値を画素値とする濃淡画像を出力する。なお、必要に応じてカメラ４１の前方にフィルタを設け、第２の照射手段３０から放射された光以外の環境光を低減させるようにしてもよい。この種のフィルタには干渉フィルタを用いることが好ましい。

第２の撮像手段４０は、計測対象１を斜めから撮像する。すなわち、第２の撮像手段４０は、光軸がテーブル２の上面に対して斜めに交差するように配置される。第２の撮像手段４０の光軸がテーブル２の上面に対してなす角度は、第２の照射手段３０から放射された光がテーブル２の上面に入射する角度と等しいことが好ましい。また、第２の照射手段３０と第２の撮像手段４０とは、第２の照射手段３０から放射され基準平面（テーブル２の上面）で反射された正反射光が第２の撮像手段４０に入射する関係に配置されることが好ましい。

第２の照射手段３０がテーブル２の上面に対して斜め上方から光を照射していることにより、計測対象１において凹凸が形成されている部位には影になる領域（以下、「影領域」という）が形成される。図３のように計測対象１に凸部Ｐ１が形成されている場合と、図４のように計測対象１に凹部Ｐ２が形成されている場合とについて考察する。図３、図４において、矢印Ａは、第２の照射手段３０から照射される光の向きを表す。

図３（ａ）に示すように計測対象１に凸部Ｐ１が存在していると、影領域Ｏ１は、図３（ｂ）のように、凸部Ｐ１に対応する領域内と領域外とに跨って形成される。また、図４（ａ）に示すように計測対象１に凹部Ｐ２が存在していると、影領域Ｏ２は、図４（ｂ）のように、凹部Ｐ２に対応する領域内に形成される。要するに、第２の照射手段３０から離れる向きに上り傾斜する傾斜面は影領域が形成されず、第２の照射手段３０から離れる向きに下り傾斜する傾斜面は影領域が生じるのである。なお、計測対象１は凹凸の領域を除いて鏡面反射を行うと仮定している。

上述した現象から、第２の照射手段３０および第２の撮像手段４０の配置に関する既知情報に、第１の撮像手段２０で撮像した画像と第２の撮像手段４０で撮像した画像とを組み合わせると、傾斜面の傾斜の向きの判別が可能になることが予想される。

以下では、傾斜面の傾斜の向きを表すために、図３（ｂ）、図４（ｂ）に示すように、計測対象１に対する光の照射方向を基準とした方位角を定める。方位角は、第２の照射手段３０から離れる向きに上り傾斜する傾斜面について９０度と定め、第２の照射手段３０から離れる向きに下り傾斜する傾斜面について２７０度と定める。また、第２の照射手段３０が計測対象１に光を照射する向きから見て、左から右に上り傾斜する傾斜面の方位角を０度、左から右に下り傾斜する傾斜面の方位角を１８０度とする。

解析手段５０は、角度センサ２４により検出される検光子２２の回転位置が上記関係になるように校正する機能を備える。この場合、第２の照射装置３０から計測対象１に光を入射させる方向を、９０度とするように、検光子２２の位置合わせを行えばよい。校正の際の検光子２２の回転位置は、計測対象１の材質によって一意に決定されるから、計測対象１の材質に変更がなければ、校正作業は最初に１回行えばよい。

方位角を上述のように定めることにより、計測対象１における傾斜面は、基準平面（ここでは、テーブル２の上面とする）に対する角度である傾斜角と、上述した方位角とを用いて記述されることになる。すなわち、傾斜角と方位角とを用いることにより、傾斜面の法線ベクトルが定められる。

解析手段５０は、第１の撮像手段２０の出力を用いて傾斜角を求めるための構成と、第１の撮像手段２０の出力と第２の撮像手段４０が撮像した画像とを併せて方位角を求めるための構成とを備える。解析手段５０は、これらの構成を実現するためのプログラムを実行するプロセッサ（たとえば、マイコン）をハードウェア要素として備える。

具体的には、解析手段５０は、第１の撮像手段２０から取得した画像と、撮像時の検光子２２の回転角度との組を記憶し、また第２の撮像手段４０から取得した画像を記憶する記憶部５１を備える。検光子２２の回転角度は、たとえば１０度間隔で０〜１７０度の範囲で１８段階に変化される。したがって、記憶部５１は、第１の撮像手段２０から検光子２２の回転角度ごとに取得した画像を記憶し、合計１８枚の画像を記憶する。

第１の撮像手段２０が計測対象１を撮像する期間と、第２の撮像手段４０が計測対象１を撮像する期間とは異ならせてある。また、第１の照射手段１０は、第１の撮像手段２０の出力を取得する間に光を放射するが、第２の照射手段３０は、第２の撮像手段４０から画像を取得する間に、光を放射する期間と放射しない期間とが生じるように制御される。したがって、第２の撮像手段４０は、第２の照射手段３０が計測対象１に光を照射している期間に撮像した画像と照射していない期間に撮像した画像とを出力し、記憶部５１は、第２の撮像手段４０からこれらの２枚の画像を取得して記憶する。

ところで、上述の構成において第１の撮像手段２０が受光する受光強度は、検光子２２の回転角度に応じて周期的に変化することが知られている。第１の撮像手段２０が撮像した画像の１つの画素に着目すれば、１８点の濃淡値は正弦波状に変化する。画素ごとの濃淡値について、位相、振幅（最大値と最小値との差の２分の１）、中心値（最大値と最小値との平均値）を用いると、楕円偏光の楕円率角（楕円率の逆正接）および軸の方向が算出可能になる。

計測対象１に照射された円偏光は、計測対象１の表面に入射する角度に応じて正反射することにより、傾斜角に応じた楕円率角の楕円偏光になる。したがって、計測対象１において正反射光を生じた反射部位が規定の基準平面に対してなす傾斜角は、楕円偏光の楕円率角から求められる。また、楕円偏光の楕円率角は、第１の撮像手段２０が受光する受光強度が変化する振幅に反映される。

一例を図３、図４に示す。図３（ｂ）および図４（ｂ）において、凸部Ｐ１あるいは凹部Ｐ２に対応する領域の中に示す円ないし楕円は、偏光の状態を表している。図からわかるように、楕円偏光の楕円率角は測定対象１の傾斜角に対応し、楕円偏光の軸の方向は方位角（楕円に隣接する矢印で示している）と関連を有している。

解析手段５０は、記憶部５１が記憶している第１の撮像手段２０の出力を用いて、画素ごとの楕円偏光の楕円率角を求め、計測対象１において正反射を生じた部位の傾斜角を算出する角度算出部５２を備える。ここで、計測対象１の物性である反射率も楕円偏光の諸量に影響するが、反射率の影響は既知であって補正可能であるものとして扱う。したがって、楕円偏光の楕円率角が求められると計測対象１における正反射を生じた部位の傾斜角が算出される。

角度算出部５２は、画素ごとの楕円偏光の軸の方向も求める機能を有し、楕円偏光の軸の方向は計測対象１の方位角によって定まるから、楕円偏光の軸の方向を求めることにより計測対象１における正反射を生じた部位の方位角が算出される。ただし、方位角の差が１８０度であるときには、楕円偏光の軸の方向が同じになるので、第１の撮像手段２０の出力のみでは計測対象１の傾斜の向きを知ることができない。楕円偏光から得られる方位角の値域は０〜１８０度であり、傾斜の向きを区別できないから、以下では「仮方位角」と呼ぶ。

解析手段５０は、傾斜の向きを判別するための凹凸判別領域を抽出する領域抽出部５３と、凹凸判別領域が凸部Ｐ１（図３（ａ）参照）か凹部Ｐ２（図４（ａ）参照）かを判断する凹凸判断部５４とを備える。また、解析手段５０は、仮方位角、凹凸の判断結果を用いて方位角を算出する方位角算出部５５を備える。

領域抽出部５３は、角度算出部５２が算出した傾斜角に着目し、傾斜角が規定の角度閾値以上の画素を抽出する。抽出された画素の集合が連結領域を形成し、かつ連結領域に含まれる画素数が規定数以上であれば、領域抽出部５３は、当該連結領域を凹凸判断領域として抽出する。ただし、連結領域は、外周縁に曲率が反転している部位（外向きに凸ではない部位）や、内側に条件を満たさない部位（中抜けしている部位）が生じる可能性がある。そこで、領域抽出部５３は、膨張収縮処理により連結領域の形状を整えて凹凸判断領域として採用するか、連結領域の外接矩形ないし外接多角形を凹凸判断領域として採用する。要するに、凹凸判断領域は、第１の撮像手段２０が撮像した画像の画素のうち傾斜角が角度閾値以上である連結領域を外側から包むように設定される。

領域抽出部５３が抽出した凹凸判別領域は凹凸判断部５４に入力される。凹凸判断部５４は、図５に示すように、凹凸判別領域Ｄｅにおいて互いに交差する複数方向（図示例は２方向）の仮方位角を有した画素群を抽出し、仮方位角ごとの画素群をそれぞれ直線Ｌ１，Ｌ２で近似する。直線Ｌ１，Ｌ２を求めるには、第１の撮像手段２０が撮像した画像をＸＹ平面とする座標系を規定する。この座標系における座標軸は、たとえば、仮方位角が９０度になる方向にＸ軸を規定し、仮方位角が１８０度になる方向にＹ軸を規定する。

ところで、凹凸判別領域Ｄｅにおいて仮方位角が等しい画素は一直線に並んでいると推定される。そこで、凹凸判断部５４は、凹凸判別領域Ｄｅにおいて仮方位角が等しい画素が並ぶ直線の式を求める。一般に、直線の式は、ｙ＝ａｘ＋ｂで表されるから、凹凸判断部５４は、あらかじめ指定された仮方位角を有する画素のｘｙ座標を用いることにより回帰式を求める演算を行い、指定された仮方位角を有した画素が並ぶ直線の式における係数ａ，ｂを決定する。

直線の式を求めるために指定される仮方位角は、とくに制限されないが、たとえば２０度と１１０度とが選択される。すなわち、指定される仮方位角は、Ｘ軸およびＹ軸と重複せず、かつ角度差ができるだけ大きくなるように指定されることが好ましい。

上述のように、仮方位角が異なる画素を用いて複数本（図示例は２本）の直線Ｌ１，Ｌ２の式が求められると、凹凸判断部５４は、直線Ｌ１，Ｌ２の交点を凹凸判別領域Ｄｅの頂点と推定する。ここに、頂点は、テーブル２の上面からの距離が最大または最小になる点を意味する。すなわち、凹凸判別領域Ｄｅが凸部Ｐ１を含む場合は、テーブル２の上面からの距離が最大になる点に対応し、凹凸判別領域Ｄｅが凹部Ｐ２を含む場合は、テーブル２の上面からの距離が最小になる点に対応する。

次に、凹凸判断部５４は、テーブル２の上面に直交するＹ軸に平行な平面であって、仮方位角から推定した頂点を通る平面を境界面に定める。言い換えると、境界面は、基準平面（テーブル２の上面）に直交し、かつ基準平面において第２の照射手段３０からの光の照射方向に直交する方向に沿った平面であって、頂点を含む平面ということになる。

凹凸判断部５４が境界面を求めると、次に、方位角算出部５５は、第２の撮像手段４０から取得し記憶部５１に格納した２枚の画像を比較し、凹凸判別領域Ｄｅについて、濃淡値の差分が規定した差分閾値以下である（差が小さい）範囲を影領域として抽出する。すなわち、第２の照射手段３０から光を照射した状態と光を照射しない状態とにおいて、濃淡値の差分が差分閾値以下である領域は、第２の照射手段３０からは直視されず、第２の照射手段３０からの光が照射されない影領域と推定される。言い換えると、第２の照射手段３０からの光の影響を受けにくい領域が影領域ということになる。

凹凸判別領域Ｄｅが凸部Ｐ１である場合、境界面に対して第２の照射手段３０から遠い側に影領域が生じ、凹凸判別領域Ｄｅが凹部Ｐ２である場合、境界面に対して第２の照射手段３０から近い側に影領域が生じる。方位角算出部５５は、この事象を利用して、凹凸判別領域Ｄｅが凸部Ｐ１か凹部Ｐ２かを判別する。

つまり、方位角算出部５５は、凹凸判別領域Ｄｅが凸部Ｐ１であれば、凹凸判別領域Ｄｅの画素のうち境界面に対して第２の照射手段３０から遠い側の画素について、仮方位角に１８０度を加算して方位角を算出する。また、方位角算出部５５は、凹凸判別領域Ｄｅが凹部Ｐ２であれば、凹凸判別領域Ｄｅの画素のうち境界面に対して第２の照射手段３０から近い側の画素について、仮方位角に１８０度を加算して方位角を算出する。この処理により、方位角算出部５５は、第２の照射手段３０から離れる向きにおいて下り傾斜する部位の仮方位角に１８０度を加算することで、１８０〜３６０度の角度に補正することになる。その結果、方位角算出部５５から得られる方位角の値域は、０〜３６０度になる。

上述したように、角度算出部５２と領域抽出部５３と凹凸判断部５４と方位角算出部５５とにより、計測対象１の傾斜角および方位角が算出されるから、これらの構成は計測対象１の傾斜の向きを判別する傾斜判別手段として機能する。

解析手段５０は、上述のようにして求めた傾斜角および方位角を出力する出力部５６を備える。出力部５６は、傾斜角および方位角を、適宜の角度間隔（５度刻み、１０度刻みなど）で区分した区間ごとにコード化し、画素ごとにコードを対応付けるとともに、コードを出力するようにしてもよい。

また、出力部５６は、第１の撮像手段２０および第２の撮像手段４０から得られる画像の解像度に応じて計測対象１の表面を微小面に分割し、微小面ごとの傾斜角および方位角に基づいて、微小面ごとの法線ベクトルを求める機能を有する。微小面ごとの法線ベクトルは、角度算出部５２が求めた計測対象１の傾斜角と、方位角算出部５５が算出した方位角とを用いることによって求められる。出力部５６は、計測対象１の微小面ごとの法線ベクトルを求めた後、微小面をつなぎ合わせることによって、計測対象１の三次元形状を求めるモデリングを行う。すなわち、出力部５６は、計測対象１の三次元形状を出力するモデリング手段として機能する。また、出力部５６は、計測対象１の三次元形状を求めることにより、基準平面（テーブル２の上面）から凹凸判別領域Ｄｅの頂点までの距離を算出する。

上述した処理について、図６にまとめて記載する。ここでは、第１の撮像手段２０の出力が記憶部５１に格納されているものとする。角度算出部５２は、記憶部５１に記憶された第１の撮像手段２０の出力を用いて傾斜角および仮方位角（０〜１８０度）を算出する（Ｓ１１）。次に、凹凸判断部５４は、基準平面に対する傾斜角が規定値以上となる領域を凹凸判別領域として抽出し（Ｓ１２）、上述した境界面を設定する（Ｓ１３）。

次に、制御手段６０は、第２の撮像手段４０で計測対象１を撮像する間に、第２の照射手段３０から計測対象１に光を照射させる（Ｓ１４）。ここで、凹凸判断部５４は、凹凸判断領域の中で境界面に対して第２の照射手段３０から遠い側の領域について、第２の照射手段３０による光の非照射時と照射時との濃淡値の差分を求める（Ｓ１５）。凹凸判断部５４は、濃淡値の差分が差分閾値未満であるときは（Ｓ１６：Ｙｅｓ）、計測対象１に凸部Ｐ１が存在すると判断し（Ｓ１７）、濃淡値の差分が差分閾値以上であるときは（Ｓ１６：Ｎｏ）、計測対象１に凹部Ｐ２が存在すると判断する（Ｓ１８）。

方位角算出部５５は、凸部Ｐ１であれば境界面に対して第２の照射手段３０から遠い側の仮方位角に１８０度を加算して方位角とし（Ｓ１９）、凹部であれば境界面に対して第２の照射手段３０から近い側の仮方位角に１８０度を加算して方位角とする（Ｓ２０）。

さらに、出力部５６は、角度算出部５２が算出した傾斜角と、方位角算出部５５が算出した方位角とを用いて計測対象１の三次元形状のモデリングを行い、この三次元形状を出力する（Ｓ２１）。

ところで、第２の照射手段３０の位置は、以下のようにして定めることが好ましい。第２の照射手段３０は、テーブル２の上面に光線を入射させる角度の調節が可能になっている。また、第２の照射手段３０は、モータを備えた駆動装置３１（図１参照）により位置調節がなされるように構成されている。駆動装置３１は、解析手段５０が凹凸判別領域Ｄｅを凸部Ｐ１と仮判断したときに、第２の照射手段３０から放射する光をテーブル２に入射させる角度が以下の条件を満たすように、制御手段６０に制御され、第２の照射手段３０の位置を自動的に定める。

角度を定めるパラメータは、図７に示すように、凸部Ｐ１の頂点の高さｈと、影領域のうち凹凸判別領域Ｄｅの範囲外になる画素数ｓとになる。影領域は、凹凸判別領域Ｄｅのうち境界面に対して第２の照射手段３０から遠い側の領域と、凹凸判別領域Ｄｅの外側で凸部Ｐ１の影が形成される領域とを含む。ここに、凸部Ｐ１の高さｈはあらかじめ設定した仮想平面Ｐｖから頂点Ｐｓまでの距離であり、凸部Ｐ１の影は仮想平面Ｐｖに形成される影である。

いま、図７に示すように、影領域において仮想平面Ｐｖに形成される影の長さをｓ、凸部Ｐ１において境界面から端点までの距離をｖとする。第２の照射手段３０からテーブル２の上面に入射する角度をθとすれば、数１の関係が得られる。

ここに、仮想平面Ｐｖに形成される影の長さｓは、あらかじめ定めた値であって、たとえば１０画素に相当する長さが用いられる。長さｓが過小であると、影領域について凸部Ｐ１の傾斜面との分離が困難になり、長さｓが過大であると、第２の撮像手段４０の視野において凸部Ｐ１に遮られる死角の領域が増加することになる。したがって、長さｓをあらかじめ定めておき、数１を境界条件として、角度θを定めることが好ましい。制御手段６０は、上述の演算によって角度θを求め、第２の照射手段３０からテーブル２の上面に光線を入射させる角度が求めた角度θになるように、駆動装置３１の位置を制御する。ここに、第２の照射手段３０の位置を角度θに関連付けて検出する位置センサ３２が設けられる。制御手段６０は、位置センサ３２の出力が数１で求めた角度θ程度になるように、駆動装置３１を制御して第２の照射手段３０の位置を調節する。

１計測対象
１０第１の照射手段
２０第１の撮像手段
２２検光子
３０第２の照射手段
３１駆動装置
３２位置センサ
４０第２の撮像手段
５０解析手段
５１記憶部
５２角度算出部
５３領域抽出部
５４凹凸判断部
５５方位角算出部
５６出力部
６０制御手段

Claims

計測対象に円偏光を照射する第１の照射手段と、
前記第１の照射手段に対する前記計測対象からの正反射光を検光子を通して撮像する第１の撮像手段と、
前記計測対象に斜めに光を照射する第２の照射手段と、
前記第２の照射手段からの光の照射方向とは異なる方向から前記計測対象を撮像する第２の撮像手段と、
前記第１の撮像手段の出力を用いて前記正反射光の偏光状態を検出し、この偏光状態から前記計測対象における正反射光の反射部位が規定の基準平面に対してなす傾斜角および前記基準平面に対して傾斜している部位の傾斜の方向である仮方位角を求める機能と、前記第１の撮像手段の出力と前記第２の撮像手段が撮像した画像とを用いて仮方位角を補正し前記計測対象において前記基準平面に対して傾斜している部位の傾斜の向きである方位角を算出する機能と、傾斜角および方位角を用いて前記計測対象の三次元形状のモデリングを行う機能とを有した解析手段と
を備えることを特徴とする三次元形状計測装置。
前記解析手段は、
前記第１の撮像手段が撮像した画像から着目する領域である凹凸判別領域を抽出する機能と、
前記第２の照射手段から前記計測対象に光を照射した状態と照射しない状態とにおいて前記第２の撮像手段が撮像した２枚の画像を用い、前記凹凸判別領域において、２枚の画像における濃淡値の差分が規定した差分閾値以下である領域を、前記第２の照射手段から離れる向きに下り傾斜する部位と判断する機能と
を有することを特徴とする請求項１記載の三次元形状計測装置。
前記解析手段は、
前記第２の撮像手段が撮像した画像における影領域の位置に基づいて前記凹凸判別領域が凸部か凹部かを判別する機能と、
前記凹凸判別領域が凸部である場合は前記基準平面からの距離が最大である画素を頂点とし、前記凹凸判別領域が凹部である場合は前記基準平面からの距離が最小である画素を頂点として、前記頂点を通り基準平面に直交する平面であって前記第２の照射手段と前記第２の撮像手段とを含む平面に直交する平面を境界面と定める機能と、
前記凹凸判別領域が凸部である場合は、境界面に対して前記第２の照射手段から遠い側の仮方位角に１８０度を加算して方位角を算出し、前記凹凸判別領域が凹部である場合は、境界面に対して前記第２の照射手段に近い側の仮方位角に１８０度を加算して方位角を算出する機能と
を有することを特徴とする請求項２記載の三次元形状計測装置。
前記解析手段は、
前記凹凸判別領域として、前記第１の撮像手段が撮像した画像の画素のうち前記傾斜角が規定の角度閾値以上である連結領域を外側から包むように設定する機能
を有することを特徴とする請求項２又は３記載の三次元形状計測装置。
前記解析手段は、
前記第１の撮像手段により撮像された画像の各画素に対応する実空間の位置と、前記第２の撮像手段により撮像された画像の各画素に対応する実空間の位置とを、あらかじめ対応付けている
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の三次元形状計測装置。
前記第２の照射手段と前記第２の撮像手段とは、前記第２の照射手段から放射され前記基準平面で反射された正反射光が前記第２の撮像手段に入射する位置関係に配置される
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の三次元形状計測装置。
前記第２の照射手段から前記基準平面に向かって光を照射する角度を調節する駆動装置と、
前記第２の照射手段から前記基準平面に向かって光を照射する角度を検出する位置センサと、
前記第２の照射手段から前記計測対象に光を照射したときに形成される影が所望の最小寸法を満たすように定めた角度が得られるように前記位置センサが検出する角度に基づいて前記駆動装置を制御する制御手段と
をさらに備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の三次元形状計測装置。