JP2006308323A - ３次元形状測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】短時間で、精度よく３次元形状を測定できる３次元形状測定方法を得る。
【解決手段】３次元形状の被測定物１に形状測定用光源２から格子像を投影し、形状測定用撮像器２６により撮像した格子像から被測定物１の３次元形状の測定値を得る。また、形状測定用光源２からの投影と同時に、形状測定用光源２と異なる波長の輪郭測定用光源１４により被測定物１を照射して、形状測定用光源２による格子像を撮像する形状測定用撮像器２６と輪郭測定用光源１４による照射像を撮像する輪郭測定用撮像器２８とにより被測定物１を同時に撮像する。そして、形状測定用撮像器２６により撮像した格子像から得られる被測定物１の３次元形状と、輪郭測定用撮像器２８により得られる被測定物１の２次元輪郭とに基づいて、被測定物１の３次元輪郭の測定値を得る。
【選択図】 図１

Description

本発明は、３次元形状の被測定物に格子像を投影し、この変形格子像から被測定物の形状を測定する３次元形状測定方法に関する。

従来より、被測定物に格子像を投影し、被測定物各部の高さ分布に応じて変形した格子像から３次元形状を測定するモアレ法やヘテロダイン法が知られている。モアレ法では変形格子像に基準格子を重ねることにより被測定物の高さ分布の等高線を与えるモアレ縞を発生させて高さ分布を求めている。ヘテロダイン法では基準格子を無変調の空間的キャリア波長信号と考え、変形格子像を空間的に位相変調されたキャリア信号とみなして変形量を位相として検出することにより被測定物の高さ分布を求めている。

また、不連続段差をもつ被測定物を測定するため、特許文献１や特許文献２にあるように、周期と向きとが互いに異なる複数の１次元格子を重畳させた２次元格子像を被測定物に投影し、被測定物の３次元形状に応じて変形した２次元格子像を撮像し、２次元格子像から各１次元格子成分毎に位相を検出し、各位相に基づいて３次元形状の測定値を得る方法が知られている。
特開平１０−２４６６１２号公報 特開２００２−３１８１０９号公報

しかしながら、こうした従来の方法では、被測定物に投影した格子像が、被測定物のエッジ等の輪郭に重なると、輪郭が格子像の縞模様の中に隠されてしまい、例えば、白黒の格子像の場合、黒い縞の中に隠されてしまい、輪郭の形状測定を精度よくできない。そのため、格子像を投影しない白色光のみで、被測定物の輪郭を別途測定しなければならず、測定が煩わしく、しかも、二度撮像しなければならず、測定に長時間を必要とすると共に、二度撮像するために、その間の手ぶれ等により測定精度が低下するという問題があった。

本発明の課題は、短時間で、精度よく３次元形状を測定できる３次元形状測定方法を提供することにある。

かかる課題を達成すべく、本発明は課題を解決するため次の方法を取った。即ち、
３次元形状の被測定物に形状測定用光源から格子像を投影し、形状測定用撮像器により撮像した格子像から前記被測定物の３次元形状の測定値を得る３次元形状測定方法において、
前記形状測定用光源からの投影と同時に、前記形状測定用光源と異なる波長の輪郭測定用光源により前記被測定物を照射して、前記形状測定用光源による前記格子像を撮像する形状測定用撮像器と前記輪郭測定用光源による照射像を撮像する輪郭測定用撮像器とにより前記被測定物を同時に撮像し、前記形状測定用撮像器により撮像した前記格子像から得られる前記被測定物の３次元形状と、前記輪郭測定用撮像器により得られる前記被測定物の輪郭とに基づいて、前記被測定物の輪郭の３次元測定値を得ることを特徴とする３次元形状測定方法がそれである。

前記形状測定用撮像器と前記輪郭測定用撮像器とは、共通の光軸を有し、波長分離プリズムによりそれぞれの波長に分離してもよい。前記形状測定用光源と前記輪郭測定用光源とは、それぞれ白色光源から異なる波長の透過フィルタを通して照射してもよい。

本発明の３次元形状測定方法によると、波長の異なる光源で被測定物を同時に照射し、撮像する波長が異なる撮像器で撮像して、３次元輪郭を得るので、短時間で、精度よく測定できるという効果を奏する。

以下本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１に示すように、１は参照平面Ｐ上に置かれた被測定物で、本実施形態では、図２に示すように、被測定物１は直方形状の台１ａ上に、円錐台１ｂが形成されたもので、台１ａには、傾斜部１ｃが形成されている。２は形状測定用光源であり、形状測定用光源２は、白色光源４と反射鏡６と投影レンズ８とを備えると共に、白色光源４と投影レンズ８との間に形状測定用透過フィルタ１０と格子縞板１２とを備えている。

形状測定用透過フィルタ１０は、白色光源４からの光のうち、特定の波長の光を透過、例えば、赤色あるいは青色等の波長の光を透過するフィルタである。格子縞板１２には、周期的繰り返しによる条線が形成されており、格子縞板１２を通過した照射光により、被測定物１上に格子縞が投影される。

形状測定用光源２の近傍には、輪郭測定用光源１４が設けられており、輪郭測定用光源１４は、白色光源１６と反射鏡１８と投影レンズ２０とを備えると共に、白色光源１６と投影レンズ２０との間に輪郭測定用透過フィルタ２２を備えている。輪郭測定用透過フィルタ２２は、白色光源１６からの光のうち、特定の波長の光を透過、例えば、緑色等の波長の光を透過するフィルタである。

形状測定用透過フィルタ１０と輪郭測定用透過フィルタ２２とは、透過させる光の波長が互いに異なる。例えば、形状測定用透過フィルタ１０が赤色を透過されるフィルタであれば、輪郭測定用透過フィルタ２２は緑色を透過させるフィルタである。また、形状測定用光源２と輪郭測定用光源１４とは、形状測定用透過フィルタ１０と輪郭測定用透過フィルタ２２とを用いて、照射する光の波長を異なるものとする場合に限らず、フィルタを用いることなく、形状測定用光源２が可視光を照射し、輪郭測定用光源１４が赤外線を照射する場合でもよく、両光源２，１４の波長が異なればよい。

２４はカメラであり、形状測定用撮像器２６と輪郭測定用撮像器２８とが一体的に組み込まれており、形状測定用撮像器２６は結像レンズ３０により被測定物１の像を波長分離プリズム３２を介して、ＣＣＤ素子３４上に結像する。輪郭測定用撮像器２８は結像レンズ３０により被測定物１の像を波長分離プリズム３２を介して、ＣＣＤ素子３６上に結像する。

波長分離プリズム３２は、異なる波長の光を分離するもので、形状測定用光源２からの波長の光をＣＣＤ素子３４に、輪郭測定用光源１４からの波長の光をＣＣＤ素子３６にそれぞれ分離する。本実施形態では、形状測定用撮像器２６と輪郭測定用撮像器２８とは、被測定物１と波長分離プリズム３２の間の光軸３３が共通となるように配置されている。

形状測定用光源２、輪郭測定用光源１４、カメラ２４は、それぞれ同期回路３８に接続されており、同期回路３８から同時に出力される駆動信号により、形状測定用光源２、輪郭測定用光源１４、カメラ２４が同時に駆動されるように構成されている。同期回路３８は、制御回路４０に接続されており、制御回路４０は同期回路３８に駆動信号を出力し、カメラ２４から入力される画像データに基づいて、被測定物１の３次元形状、輪郭形状を算出する。

次に、３次元形状測定方法について、制御回路４０において行われる形状算出処理と共に、図４に示すフローチャートによって説明する。
まず、被測定物１の３次元形状の測定に先だって、形状測定用撮像器２６と輪郭測定用撮像器２８との校正を図示しない基準ターゲットに基づいて行うか否かを判断する（ステップ１００）。既に校正が終了している場合には、校正を行うことなく、次の処理に進む。校正が終了していない場合には、校正の処理を行う（ステップ１１０）。

校正処理では、輪郭の３次元形状が既知の基準ターゲットを参照平面Ｐ上に置き、形状測定用光源２を駆動して、格子縞板１２の格子像を基準ターゲット上に投影する。そして、形状測定用撮像器２６により変形した格子像を撮像して、制御回路４０により、基準ターゲットの３次元形状を測定する。

また、輪郭測定用光源１４を駆動して、基準ターゲットを照射し、輪郭測定用撮像器２８により基準ターゲットを撮像して、制御回路４０により、基準ターゲットの輪郭の２次元形状を測定する。尚、校正のときには、形状測定用光源２と輪郭測定用光源１４とを別々に駆動して、形状測定用撮像器２６と輪郭測定用撮像器２８とにより別々に撮像してもよい。あるいは、形状測定用光源２と輪郭測定用光源１４とを同時に駆動して、形状測定用撮像器２６と輪郭測定用撮像器２８とにより同時に撮像してもよい。

基準ターゲットの既知の形状寸法及び形状測定用撮像器２６から得られる変形格子像と輪郭測定用撮像器２８から得られる２次元輪郭像から、形状測定用撮像器２６のＣＣＤ素子３４上のピクセル位置と、輪郭測定用撮像器２８のＣＣＤ素子３６上のピクセル位置との対応関係を校正する。これにより、参照平面Ｐ、形状測定用撮像器２６、輪郭測定用撮像器２８、形状測定用光源２の位置関係が固定された関係にあれば、次回からは、校正の処理を行う必要はない。

校正が終了した後、基準ターゲットに代えて、被測定物１を参照平面Ｐ上に置き、同期回路３８に駆動信号を出力し、同期回路３８を介して、形状測定用光源２、輪郭測定用光源１４、カメラ２４を同時に駆動させる（ステップ１２０）。これにより、形状測定用光源２では、白色光源４が発光し、形状測定用透過フィルタ１０が所定の波長の光を透過、例えば、赤色の光のみを透過させる。そして、この波長の光が格子縞板１２を通過して、投影レンズ８により被測定物１上に格子像を投影する。

また、輪郭測定用光源１４では、白色光源１６が発光し、輪郭測定用透過フィルタ２２が所定の波長の光を透過、例えば、緑色の光のみを透過させる。そして、この波長の光が投影レンズ２０により被測定物１上に照射される。

一方、カメラ２４では、形状測定用光源２による格子像が結像レンズ３０、波長分離プリズム３２を介して形状測定用撮像器２６のＣＣＤ素子３４上に結像され、格子像に応じた画像データが制御回路４０に入力される。また、輪郭測定用光源１４からの光による被測定物の輪郭像が結像レンズ３０、波長分離プリズム３２を介して輪郭測定用撮像器２８のＣＣＤ素子３６上に結像され、輪郭像に応じた画像データが制御回路４０に入力される。

制御回路４０では、格子像に応じた画像データ（図５参照）から、被測定物１の３次元形状を算出する（ステップ１３０）。また、制御回路４０では、輪郭像に応じた画像データ（図６参照）から被測定物１の輪郭形状を算出する（ステップ１４０）。この輪郭形状は、２次元データであり、輪郭形状を３次元データとして得るために、ステップ１１０の処理による校正結果を用いて、ステップ１３０の処理により算出した３次元形状に基づいて、２次元の輪郭形状の測定値を３次元の輪郭形状の測定値として算出する（ステップ１５０）。

即ち、格子像より得る３次元曲面を、２次元の輪郭線で切り取り、その曲面と輪郭線の交点を３次元輪郭線として認識する。カメラ２４からの２次元の輪郭線上の１点はカメラ２４の基準点からその画素への線分となり、輪郭線はカメラから、その画素への線分の連続を持った面となり、この面と測定された３次元曲面の交点が、３次元の輪郭線となる。

このように、形状測定用光源２と輪郭測定用光源１４とを同時に発光させ、形状測定用撮像器２６と輪郭測定用撮像器２８とにより同時に撮像する。また、形状測定用撮像器２６は形状測定用光源２からの波長の格子像を撮像し、輪郭測定用撮像器２８は輪郭測定用光源１４からの波長の照射像を撮像する。従って、同時に照射、撮像することができ、短時間で測定できると共に、手ぶれ等による測定誤差をを招くことなく、精度よく測定できる。

以上本発明はこの様な実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得る。

本発明の３次元形状測定方法を用いた装置の概略構成図である。 本実施形態の一例としての被測定物の斜視図である。 本実施形態の３次元形状測定方法を用いた装置の概略回路図である。 本実施形態の制御回路で行われる形状算出処理の一例を示すフローチャートである。 本実施形態の被測定物の変形格子像を示す説明図である。 本実施形態の被測定物の輪郭像を示す説明図である。

符号の説明

１…被測定物 ２…形状測定用光源
４，１６…白色光源 ６，１８…反射鏡
８，２０…投影レンズ １０…形状測定用透過フィルタ
１２…格子縞板 １４…輪郭測定用光源
２２…輪郭測定用透過フィルタ
２４…カメラ ２６…形状測定用撮像器
２８…輪郭測定用撮像器
３０…結像レンズ ３２…波長分離プリズム
３３…光軸 ３４，３６…ＣＣＤ素子
３８…同期回路 ４０…制御回路

Claims (3)

1. ３次元形状の被測定物に形状測定用光源から格子像を投影し、形状測定用撮像器により撮像した格子像から前記被測定物の３次元形状の測定値を得る３次元形状測定方法において、
   前記形状測定用光源からの投影と同時に、前記形状測定用光源と異なる波長の輪郭測定用光源により前記被測定物を照射して、前記形状測定用光源による前記格子像を撮像する前記形状測定用撮像器と前記輪郭測定用光源による照射像を撮像する輪郭測定用撮像器とにより前記被測定物を同時に撮像し、前記形状測定用撮像器により撮像した前記格子像から得られる前記被測定物の３次元形状と、前記輪郭測定用撮像器により得られる前記被測定物の２次元輪郭とに基づいて、前記被測定物の３次元輪郭の測定値を得ることを特徴とする３次元形状測定方法。
2. 前記形状測定用撮像器と前記輪郭測定用撮像器とは、共通の光軸を有し、波長分離プリズムによりそれぞれの波長に分離することを特徴とする請求項１に記載の３次元形状測定方法。
3. 前記形状測定用光源と前記輪郭測定用光源とは、それぞれ白色光源から異なる波長の透過フィルタを通して照射することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の３次元形状測定方法。

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