JP2006153575A - ３次元計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 コンパクトで、システム性に優れた３次元計測装置を提供する。
【解決手段】 光源装置１４からの光の光路に配置される、スリット状の光透過部を一定間隔のピッチで形成した格子パターン６０９、この格子パターン６０９より形成される格子パターン像を標本３に対し所定角度傾けて投影する投影光学系６１１を具備したユニット化された格子パターン投影装置６を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、格子パターン投影法を採用した３次元計測装置に関するものである。

従来、３次元形状をなす測定対象物の表面形状を測定する手段として、格子パターン投影法が知られている。この格子パターン投影法は、測定対象物の表面に対して斜め上方向に投影系を配置し、この投影系からの格子パターンの像を測定対象物表面に所定角度傾けて投影し、測定対象物表面からの散乱光を変形パターン像として、測定対象物表面の真上に配置された撮像系により撮像し、その撮像画像を演算処理することにより測定対象物の３次元の表面形状を求めるようにしている。

ところで、最近、このような３次元計測装置には、顕微鏡を組み合わせたものが考えられており、例えば、非特許文献１として図６に示すように実体顕微鏡と格子パターン投影装置本体を組み合わせたものが開示されている。図において、１００は実体顕微鏡、２００は格子パターン投影装置を示している。そして、格子パターン投影装置２００の光源２０１からの光を、格子パターン２０２を通過させミラー２０３で反射させて実体顕微鏡１００のズーム本体１０１内部の投影光路１０１ａに導き、対物レンズ１０２を介して標本３００の斜め上方向から標本３００面に照射し、また、標本３００からの反射光を対物レンズ１０２を介してズーム本体１０１内部の撮像光路１０１ｂに導き、格子パターン投影装置２００のミラー２０４で反射させＴＶカメラ４００で撮像するようにしている。
情報工学会誌 ＶＯＬ．６６ ＮＯ．１．２０００

ところが、このような非特許文献１に開示されるものは、ＴＶカメラ４００の撮像を目的に構成されており目視観察に対応していない。また、格子パターン投影装置２００が、実体顕微鏡１００の鏡筒取付け部に装着する中間鏡筒タイプの構成となっている。このため、仮に目視観察もできるように格子パターン投影装置２００内に光学部材の切換え機構を内蔵し、さらに別の中間鏡筒を組合わせようとすると、中間鏡筒が２段重ねとなってしまい、光路の延長により周辺光量不足やケラレなどの光学的な問題が発生することがあり、システム的な制限も生じるという問題がある。また、中間鏡筒が２段重ねとなることで、アイポイントもアップしてしまいエルゴノミック的な観点からも好ましくない。

さらに、実体顕微鏡１００内の投影光路１０１ａと撮像光路１０１ｂの２光路を使って投影と撮像を同時におこなっているため、標本３００に対する投影角度αが、使用する実体顕微鏡の内向角によって決まってしまう。一般に、投影角度αを大きくすると計測精度は良くなるが、実体顕微鏡の内向角は比較的小さいため、計測精度の向上はそれほど望めない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、コンパクトで、システム性に優れた３次元計測装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、光源からの光路に配置され、且つスリット状の光透過部を一定間隔のピッチで形成した格子パターンと、前記格子パターンより形成される格子パターン像を標本に対し所定角度傾けて投影する投影光学系と、を具備したユニット化された格子パターン投影手段を有することを特徴としている。

請求項２記載の発明は、直立して設けられる支柱に沿って移動可能に設けられる焦準装置と、前記焦準装置とともに移動可能に設けられ、光源からの光路に配置され、且つスリット状の光透過部を一定間隔のピッチで形成した格子パターンと、前記格子パターンより形成される格子パターン像を標本に対し所定角度傾けて投影する投影光学系とを有するユニット化された格子パターン投影手段と、前記格子パターン投影手段を介して前記焦準装置に設けられ、前記格子パターン投影手段より前記標本に投影された格子パターン像を変形格子パターン像として対物レンズを介して観察する観察手段を有する実体顕微鏡とを具備したことを特徴としている。

請求項３際の発明は、直立して設けられる支柱に沿って移動可能に設けられる焦準装置と、前記焦準装置とともに移動可能に設けられ、且つ光源光源からの光路に配置され、且つスリット状の光透過部を一定間隔のピッチで形成した格子パターンと、前記格子パターンより形成される格子パターン像を標本に対し所定角度傾けて投影する投影光学系とを有するユニット化された格子パターン投影手段と、前記格子パターン投影手段を介して前記焦準装置に設けられ、前記格子パターン投影手段より前記標本に投影された格子パターン像を変形格子パターン像として対物レンズを介して観察する観察手段を有する実体顕微鏡と、前記観察手段で観察される前記変形格子パターン像を撮像する撮像手段と、前記撮像手段で撮像された変形格子パターン像を画像処理して前記標本の３次元表面形状が求める画像処理手段と、を具備したことを特徴としている。

請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明において、前記格子パターン投影手段は、光源として光ファイバを介して光源手段が接続されていることを特徴としている。

請求項５記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明において、前記格子パターンは、該格子パターンを所定ピッチだけピッチ方向に移動可能とするパターン移動手段を有することを特徴としている。

請求項６記載の発明は、請求項２又は３記載の発明において、前記格子パターン投影手段は、前記焦準装置に対して着脱可能な第１の装着手段を有し、前記実体顕微鏡は、前記格子パターン投影手段に対して着脱可能な第２の装着手段を有することを特徴としている。

請求項７記載の発明は、請求項６記載の発明において、前記第１および第２の装着手段は、互換性を有することを特徴としている。

請求項８記載の発明は、請求項２又は３記載の発明において、観察手段は、前記変形格子パターン像を目視観察する手段を有することを特徴としている。

本発明によれば、コンパクトで、システム性に優れた３次元計測装置を提供できる。

以下、本発明の一実施の形態を図面に従い説明する。

図１および図２は、本発明の一実施の形態に係る３次元計測装置の概略構成の側面図および正面図を示している。

図１（ａ）において、１は基台で、この基台１上には、ステージ２が設けられている。このステージ２には、標本３が載置されている。

基台１には、支柱４が直立して設けられている。この支柱４には、焦準装置５が設けられている。この焦準装置５には、格子パターン投影手段としての格子パターン投影装置６を介して実体顕微鏡を構成する実体顕微鏡本体７が設けられている。

図３（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、焦準装置５の概略構成を示している。

図において、５０１は装置本体で、この装置本体５０１には、支柱４が挿通される孔部５０１ａが形成されている。この装置本体５０１には、固定ハンドル５０２が設けられ、この固定ハンドル５０２を締付け方向に回転することで、支柱４に固定できるようになっている。

装置本体５０１には、移動部材５０３がガイド部５０４を介して設けられている。ガイド部５０４は、装置本体５０１と移動部材５０３の相対向する部位に形成されたガイド溝５０４ａの間にボール５０４ｂを介在させたもので、装置本体５０１に対し移動部材５０３を移動可能にしている。また、装置本体５０１と移動部材５０３の間には、ピニオンとラックからなる昇降機構５０５が設けられている。この昇降機構５０５には、焦準ハンドル５０６が連結されており、この焦準ハンドル５０６の操作により移動部材５０３を支柱４に沿った方向に上下動可能にしている。

焦準装置５の移動部材５０３には、格子パターン投影装置６に対向する側面に、格子パターン投影装置６を装着する第１の装着手段を構成するスライドメスアリ５０７が形成されている。このスライドメスアリ５０７には、格子パターン投影装置６に形成される後述するスライドオスアリ６０２が連結されるようになっている。この場合、スライドメスアリ５０７には、位置決めピン５０８と固定ビス５０９が配置されていて、格子パターン投影装置６側のスライドオスアリ６０２をスライド挿入し、スライドオスアリ６０２端部を位置決めピン５０８に当接させた状態で、固定ビス５０９により固定できるようになっている。

図４（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、格子パターン投影装置６の概略構成を示している。

図において、６０１は装置本体で、この装置本体６０１は、焦準装置５に対向する側面に、焦準装置５に装着される第１の装着手段を構成するスライドオスアリ６０２が形成されている。このスライドオスアリ６０２は、焦準装置５側に形成されるスライドメスアリ５０７にスライド挿入され、上述したように位置決めピン５０８に当接させた状態で、固定ビス５０９により固定されるようになっている。

また、装置本体６０１は、実体顕微鏡本体７に対向する側面に、実体顕微鏡本体７を装着する第２の装着手段を構成するスライドメスアリ６０３が形成されている。このスライドメスアリ６０３には、実体顕微鏡本体７側に形成される後述するスライドオスアリ８０２が連結されるようになっている。この場合、スライドメスアリ６０３にも、位置決めピン６０４と固定ビス６０５が配置されていて、実体顕微鏡本体７側のスライドオスアリ８０２をスライド挿入し、このスライドオスアリ８０２端部を位置決めピン６０４に当接させた状態で、固定ビス６０５により固定できるようになっている。

格子パターン投影装置６は、装置本体６０１の焦準装置５側の側面上方に、ライトガイド挿入部６０６が設けられている。このライトガイド挿入部６０６は、先端部にライトガイドとしての光ファイバ１３の出射端１３ａを固定する挿入口６０６ａが設けられている。この挿入口６０６ａには、固定ツマミ６０７が設けられ、挿入口６０６ａに光ファイバ１３の出射端１３ａを挿入した状態で固定ツマミ６０７を回すことで、光ファイバ１３を位置決め固定できるようになっている。

ライトガイド挿入部６０６の内部には、光ファイバ１３の出射端１３ａから発せられる光の光路上に照明光学系６０８が配置されている。この照明光学系６０８は、光ファイバ１３の出射端１３ａからの光をほぼ平行光にして、装置本体６０１内部に導くようにしている。

装置本体６０１内部には、照明光学系６０８からの光の光路上に格子パターン６０９が配置されている。この格子パターン６０９は、スリット状の光透過部を一定間隔のピッチで形成したもので、照明光学系６０８からの光が均一に照射されると、それぞれの光透過部より光を透過するようになっている。また、格子パターン６０９には、パターン移動装置６１０が設けられている。このパターン移動装置６１０は、格子パターン６０９を所定ピッチだけピッチ方向に移動できるようになっている。この場合、格子パターン６０９は、図１（ｂ）に示すように水平方向に沿ったスリット状の光透過部６０９ａが垂直方向に一定間隔のピッチで形成されており、このような格子パターン６０９を光透過部６０９ａと直交するピッチ方向、つまり図示矢印ａで示す垂直方向に移動できるようになっている。

なお、このような格子パターン６０９には、具体例として液晶格子が用いられ、パターン移動装置６１０に相当する不図示の制御ドライバーにより駆動されるようになっている。

格子パターン６０９を通過した光路には、投影光学系６１１が配置されている。この投影光学系６１１は、格子パターン６０９により形成される明暗を有する格子パターン像を投影光路１７（図１参照）を介して、標本３に対し所定の角度傾けて、つまり所定の投影角度θで投影するようにしている。

この場合、投影光学系６１１は、物体側（格子パターン６０９）と像側（標本３）で両側テレセントリックな光学系になっている。ここで、両側テレセントリックにしている理由は、格子パターン像の大きさ（倍率）がピント面の前後でも変わらず、一定に保てるからである。これにより、格子パターン像の大きさの変化による計測誤差の発生を防止するようにしている。

図１に戻って、格子パターン投影装置６には、実体顕微鏡本体７が連結されている。この場合、実体顕微鏡本体７は、ズーム鏡体８を有している。

図５（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、ズーム鏡体８の概略構成を示している。

図において、８０１はズーム鏡体本体で、このズーム鏡体本体８０１は、格子パターン投影装置６に対向する側面に、格子パターン投影装置６に装着される第２の装着手段を構成するスライドオスアリ８０２が形成されている。このスライドオスアリ８０２は、格子パターン投影装置６側に形成されるスライドメスアリ６０３にスライド挿入され、上述したように位置決めピン６０４に当接させた状態で、固定ビス６０５により固定されるようになっている。

この場合、ズーム鏡体本体８０１のスライドオスアリ８０２は、焦準装置５側のスライドメスアリ５０７にも取付可能な互換性を有する構成となっており、これにより、ズーム鏡体本体８０１を直接焦準装置５側のスライドメスアリ５０７に連結固定できるようにしている。

ズーム鏡体本体８０１には、ズームハンドル８０３が設けられている。このズームハンドル８０３は、ハンドル操作によりズーム鏡体８での倍率を可変できるようになっている。

ズーム鏡体本体８０１の下面には、対物レンズ取付部としてねじ部８０４が形成されている。また、ズーム鏡体本体８０１の上面には、鏡筒取付部としての丸アリ８０５が形成されている。

図１に戻って、ズーム鏡体８の下端部には、対物レンズ９が装着されている。この場合、対物レンズ９は、ズーム鏡体本体８０１のねじ部８０４にねじ込みにより装着されるねじ込み方式のものが用いられている。また、対物レンズ９は、標本３の真上に配置され、焦準装置５の操作によるズーム鏡体８の上下動により標本３との相対距離を変化されることで、標本３にピント合わせできるようになっている。

ズーム鏡体８の上端部には、鏡筒１０がズーム鏡体本体８０１の丸アリ８０５を介して装着される。鏡筒１０は、一般的な三眼鏡筒からなるもので、観察手段として接眼レンズ１１と撮像手段としてのＴＶカメラ１２が設けられている。鏡筒１０内部には、光路切換え部１００１が設けられている。光路切換え部１００１は、標本３からの散乱光が対物レンズ９を介して導かれる撮像光路１８上に配置されている。光路切換え部１００１は、撮像光路１８に挿脱可能な光学素子として反射ミラー１００１ａ、１００１ｂを有し、反射ミラー１００１ａの光路への挿入により、標本３からの散乱光による変形格子パターン像を接眼レンズ１１に結像させて目視観察を可能とし、また、反射ミラー１００１ａを光路から取外し、反射ミラー１００１ｂを光路に挿入することで、変形格子パターン像をＴＶカメラ１２の撮像面１２ａに結像させるようになっている。

一方、光ファイバ１３には、入射端１３ｂ側に光源装置１４が接続されている。この光源装置１４には、光源としてハロゲンランプやキセノンランプなどが用いられる。また、光源装置１４には、光源から発せられる光の光量を調節する調光ボリュウム１４ａが設けられている。

ＴＶカメラ１２には、画像処理手段としてのパーソナルコンピュータ（以下、ＰＣと称する）１５が接続されている。このＰＣ１５は、ＴＶカメラ１２の撮像画像を演算処理して標本３の３次元の表面形状を求めるようになっている。また、ＰＣ１５には、モニタ１６が接続されている。モニタ１６は、ＰＣ１５での撮像画像の演算処理の結果などを表示するものである。さらに、ＰＣ１５には、上述した光源装置１４およびパターン移動装置６１０が接続され、ＰＣ１５からの指示により光源装置１４からの光の光量調整やパターン移動装置６１０での格子パターン６０９の移動制御を行なうことができるようになっている。

次に、このように構成した実施の形態の作用を説明する。

いま、光源装置１４から光が発せられると、光ファイバ１３を介して格子パターン投影装置６に導かれ、照明光学系６０８を介して平行光となって格子パターン６０９に均一に照射される。格子パターン６０９の光透過部を透過した光は、投影光学系６１１を透過し、明暗を有する格子パターン像として投影光路１７より標本３上に所定の角度傾けて投影される。

標本３上に投影された格子パターンは、標本３面より反射され、このうちの散乱光が対物レンズ９を介して撮像光路１８に導かれる。この場合、撮像光路１８上に光路切換え部１００１の反射ミラー１００１ａが挿入されていれば、標本３からの散乱光による変形格子パターン像が、接眼レンズ１１に結像され、目視観察することができる。また、撮像光路１８上から光路切換え部１００１の反射ミラー１００１ａが取外され、反射ミラー１００１ｂが光路に配置されれば、標本３からの散乱光による変形格子パターン像が、ＴＶカメラ１２の撮像面１２ａに結像され、撮像される。

このような変形格子パターン像の撮像は、パターン移動装置６１０により格子パターン６０９を所定ピッチだけピッチ方向に移動させながら複数回繰り返して行なう。この場合、標本３上に投影される格子パターン像は、パターン移動装置６１０による格子パターン６０９の移動にともないスリット状の光透過部像と直交する方向に所定ピッチ移動するようになる。

ＴＶカメラ１２の撮像画像は、ＰＣ１５に送られ、画像処理されて標本３の３次元の表面形状が求められる。そして、このＰＣ１５での撮像画像の演算処理の結果などがモニタ１６に表示される。

従って、このようにすれば、ユニット化された格子パターン投影装置６を用いることにより、顕微鏡に組み合わせることによってコンパクトに３次元計測装置を構成することができる。このことは、顕微鏡の中でも特に小型な実体顕微鏡と組み合わせることによりさらにコンパクトな３次元計測装置を実現できる。

また、ユニット化された格子パターン投影装置６は、通常の実体顕微鏡本体７に着脱可能になっているため、実体顕微鏡本体７側を３次元計測専用に改造することなく、安価に、しかも容易な方法で計測システムが構築できる。

さらに、格子パターン投影装置６は、実体顕微鏡本体７の側面に着脱可能とし、中間鏡筒タイプでない構成にできるので、通常の実体顕微鏡の場合と同様に、例えば同軸落射照などの他の中間鏡筒を同様に制限なく装着でき、システム性に優れた効果を得られる。また、中間鏡筒タイプの格子パターン投影装置６でないため、アイポイントがアップすることがなく、エルゴノミックに対応できる。

さらに、格子パターン投影装置６は、ユニット化され、それ自身で独立した構成になっているので、計測精度に起因する格子パターンの投影角度が組合わせる実体顕微鏡本体７の内向角に左右されるようなことがなく、目的に応じた角度により構成することができる。

さらに、実体顕微鏡本体７の接眼レンズ１１により標本３を目視で立体視観察できるとともに、ＴＶカメラ１２の撮像画像から格子パターン投影法による３次元形状の計測を行なうことができるので、実際の生産工場の部品検査工程において、目視観察で通常の検査をおこない、不良が発生した場合は、その不良箇所を格子パターン投影法で撮像して、３次元形状を瞬時に計測し、その場で不良解析用のデータを採取するようなこともできる。

さらに、従来の計測専用機ではモニタ画面上での観察のため、実際に３次元形状の計測を行なわないと、標本３の凹凸形状は把握しにくいが、実体顕微鏡本体７と組合わせることによって標本３の凹凸状況を目視で確認することができる。このため数値による形状把握を必要としない場合は計測作業を省略して目視確認で済ませるなど用途に応じて柔軟に対応できる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、実施段階では、その要旨を変更しない範囲で種々変形することが可能である。

さらに、上記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示されている複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出できる。例えば、実施の形態に示されている全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題を解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出できる。

本発明の一実施の形態に係る３次元計測装置の概略構成を示す側面図。 一実施の形態に係る３次元計測装置の概略構成を示す正面図。 一実施の形態に用いられる焦準装置の概略構成を示す図。 一実施の形態に用いられる格子パターン投影装置の概略構成を示す図。 一実施の形態に用いられるズーム鏡体の概略構成を示す図。 従来の３次元計測装置の一例の概略構成を示す図。

符号の説明

１…基台、２…ステージ、３…標本
４…支柱、５…焦準装置、５０１…装置本体
５０１ａ…孔部、５０２…固定ハンドル
５０３…移動部材、５０４…ガイド部
５０４ａ…ガイド溝、５０４ｂ…ボール
５０５…昇降機構、５０６…焦準ハンドル
５０７…スライドメスアリ、５０８…ピン
５０９…固定ビス、６…格子パターン投影装置
６０１…装置本体、６０２…スライドオスアリ
６０３…スライドメスアリ、６０４…ピン
６０５…固定ビス、６０６…ライトガイド挿入部
６０６ａ…挿入口、６０７…固定ツマミ
６０８…照明光学系、６０９…格子パターン
６０９ａ…光透過部、６１０…パターン移動装置
６１１…投影光学系、７…実体顕微鏡本体
８…ズーム鏡体、８０１…ズーム鏡体本体
８０２…スライドオスアリ、８０３…ズームハンドル
８０４…ねじ部、８０５…丸アリ、９…対物レンズ
１０…鏡筒、１００１…光路切換え部
１００１ａ…反射ミラー、１１…接眼レンズ
１２…ＴＶカメラ、１２ａ…撮像面、１３…光ファイバ
１３ａ…出射端、１３ｂ…入射端、１４…光源装置
１４ａ…調光ボリュウム、１５…ＰＣ
１６…モニタ、１７…投影光路、１８…撮像光路

Claims (8)

1. 光源からの光路に配置され、且つスリット状の光透過部を一定間隔のピッチで形成した格子パターンと、
   前記格子パターンより形成される格子パターン像を標本に対し所定角度傾けて投影する投影光学系と、
   を具備したユニット化された格子パターン投影手段を有することを特徴とする３次元計測装置。
2. 直立して設けられる支柱に沿って移動可能に設けられる焦準装置と、
   前記焦準装置とともに移動可能に設けられ、光源からの光路に配置され、且つスリット状の光透過部を一定間隔のピッチで形成した格子パターンと、前記格子パターンより形成される格子パターン像を標本に対し所定角度傾けて投影する投影光学系とを有するユニット化された格子パターン投影手段と、
   前記格子パターン投影手段を介して前記焦準装置に設けられ、前記格子パターン投影手段より前記標本に投影された格子パターン像を変形格子パターン像として対物レンズを介して観察する観察手段を有する実体顕微鏡と
   を具備したことを特徴とする３次元計測装置。
3. 直立して設けられる支柱に沿って移動可能に設けられる焦準装置と、
   前記焦準装置とともに移動可能に設けられ、且つ光源光源からの光路に配置され、且つスリット状の光透過部を一定間隔のピッチで形成した格子パターンと、前記格子パターンより形成される格子パターン像を標本に対し所定角度傾けて投影する投影光学系とを有するユニット化された格子パターン投影手段と、
   前記格子パターン投影手段を介して前記焦準装置に設けられ、前記格子パターン投影手段より前記標本に投影された格子パターン像を変形格子パターン像として対物レンズを介して観察する観察手段を有する実体顕微鏡と、
   前記観察手段で観察される前記変形格子パターン像を撮像する撮像手段と、
   前記撮像手段で撮像された変形格子パターン像を画像処理して前記標本の３次元表面形状が求める画像処理手段と、
   を具備したことを特徴とする３次元計測装置。
4. 前記格子パターン投影手段は、光源として光ファイバを介して光源手段が接続されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の３次元計測装置。
5. 前記格子パターンは、該格子パターンを所定ピッチだけピッチ方向に移動可能とするパターン移動手段を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の３次元計測装置。
6. 前記格子パターン投影手段は、前記焦準装置に対して着脱可能な第１の装着手段を有し、前記実体顕微鏡は、前記格子パターン投影手段に対して着脱可能な第２の装着手段を有することを特徴とする請求項２又は３のいずれかに記載の３次元計測装置。
7. 前記第１および第２の装着手段は、互換性を有することを特徴とする請求項６記載の３次元計測装置。
8. 観察手段は、前記変形格子パターン像を目視観察する手段を有することを特徴とする請求項２又は３のいずれかに記載の３次元計測装置。

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