JP2011242178A - Shape measuring instrument and shape measuring method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、形状計測装置及び形状計測方法に関し、特に複数の光源を用いた高速かつ小型化された形状計測装置及びその形状計測方法に関するものである。 The present invention relates to a shape measuring device and a shape measuring method, and more particularly to a high-speed and downsized shape measuring device using a plurality of light sources and a shape measuring method thereof.
従来、物体や人体等の測定対象の形状を非接触かつ３次元的に計測する方法として、位相シフト法を用いた方法がある。位相シフト法は、格子模様画像や干渉縞画像を位相を変化させながら１台の撮影装置で順次撮影し、これら位相を変化させた複数枚の格子画像や干渉縞画像に基づいて格子模様の位相分布を求めるものである。 Conventionally, there is a method using a phase shift method as a method for non-contact and three-dimensionally measuring the shape of a measurement target such as an object or a human body. In the phase shift method, a lattice pattern image and an interference fringe image are sequentially captured by a single photographing device while changing the phase, and the phase of the lattice pattern is based on a plurality of lattice images and interference fringe images whose phases are changed. The distribution is obtained.
これまでに、位相シフト法を用いた様々な方法が提案されてきた。例えば、特許文献１は、カメラを用いた形状計測装置において、カメラまたはプロジェクタのレンズ収差の影響を受けない高精度な形状計測を行うことを目的としており、格子模様が描かれた基準平板の画像からカメラまたはプロジェクタのレンズ中心座標を算出するのではなく、基準面に固定された２次元格子から、カメラの画素毎の視線が通る光路と、プロジェクタから投影される光の光路とをそれぞれ全て求めて、それら光路の交点として空間座標を算出する形状計測方法及び装置を開示している。 So far, various methods using the phase shift method have been proposed. For example, Patent Document 1 aims at performing highly accurate shape measurement that is not affected by lens aberration of a camera or projector in a shape measurement device using a camera, and is an image of a reference plate on which a lattice pattern is drawn. Rather than calculating the center coordinates of the camera or projector lens, the optical path through which the line of sight for each pixel of the camera and the optical path of the light projected from the projector are all obtained from a two-dimensional grid fixed to the reference plane. Thus, a shape measuring method and apparatus for calculating a spatial coordinate as an intersection of these optical paths are disclosed.
また、特許文献２は、基準平板をその法線方向に微小量ずつ平行移動させたときの多数の基準面を２次元パターンの形成や、空間を分割して数値化できるパターンの投影に利用することにより、投影するパターンの輝度分布が余弦波状でなくても、投影するパターンのピッチが不等間隔であっても、精度良く形状計測を行うことができる方法を開示している。 Further, Patent Document 2 uses a large number of reference planes when a reference flat plate is translated by a minute amount in the normal direction to form a two-dimensional pattern or to project a pattern that can be digitized by dividing a space. Thus, there is disclosed a method capable of measuring the shape with high accuracy even when the luminance distribution of the pattern to be projected is not a cosine wave, even if the pitch of the pattern to be projected is unequal.
しかしながら、特許文献１に記載の方法では、位相シフトを行うために格子基板を移動機構上に設けて格子基板を機械的に移動させるため、計測処理の高速化の点について改善の余地を有していた。また移動機構を設ける必要があるため、形状計測装置の小型化も困難である。 However, in the method described in Patent Document 1, since the grating substrate is mechanically moved by providing the grating substrate on the moving mechanism in order to perform the phase shift, there is room for improvement in terms of speeding up the measurement processing. It was. Further, since it is necessary to provide a moving mechanism, it is difficult to downsize the shape measuring apparatus.
また、特許文献２の方法は、液晶プロジェクタにより格子を投影して位相シフトを行うため、位相シフトに要する時間は液晶の応答速度により限定されてしまい、形状計測処理の高速化についての問題を残したままになっていた。また、格子模様の投影のために結像レンズが必要となるため、形状計測装置の小型化も困難である。 In addition, since the method of Patent Document 2 performs phase shift by projecting a grating with a liquid crystal projector, the time required for the phase shift is limited by the response speed of the liquid crystal, and there remains a problem with speeding up the shape measurement process. It was left. Further, since an imaging lens is required for projecting the lattice pattern, it is difficult to reduce the size of the shape measuring apparatus.
そこで、本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、測定対象の形状を高速に計測する小型化された形状計測装置及びその形状計測方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a miniaturized shape measuring apparatus and a shape measuring method for measuring the shape of a measurement object at high speed.
発明者らは、上記課題を解決するための方途を鋭意究明した結果、一列に並んだ複数の光源を設け、光源を順次切り替えて投影された格子模様画像を撮影することが位相シフトを高速に行うことに対して有効であり、形状計測処理の高速化、更には形状計測装置の小型化にも繋がることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive investigations on ways to solve the above problems, the inventors have provided a plurality of light sources arranged in a row, and sequentially switching the light sources to capture the projected lattice pattern image makes it possible to achieve a high phase shift. The present invention has been found to be effective for performing, and to lead to an increase in the speed of the shape measurement process and further downsizing of the shape measurement apparatus.
即ち、本発明の形状計測装置は、計測対象の形状を計測する形状計測装置であって、所定の形状の格子模様を投影するための投影用光を発光する一列に並んだ３以上の所定の数の光源と、前記投影用光を通過させて前記格子模様を形成する格子模様プレートとを有する投影装置と、前記格子模様が投影される基準面を有する基準平板と、前記基準平板を該基準平板の法線方向に所定量ずつ平行移動させる移動ステージと、前記基準平板に対して投影装置側に設けられ、前記平行移動の各位置において、前記所定の数の光源の各々に対して、前記投影装置により前記基準面に投影された前記格子模様の基準用画像と、前記計測対象に投影された前記格子模様の計測用画像とを撮影する撮影装置と、前記平行移動の各位置において、撮影された前記基準用画像の各画素に対して、前記格子模様の位相と空間座標とを１対１に対応づけるテーブルを作成するとともに、該テーブルと前記計測用画像とから前記計測対象の空間座標を求めることにより前記計測対象の形状を決定する解析装置とを備えることを特徴とするものである。 In other words, the shape measuring device of the present invention is a shape measuring device that measures the shape of a measurement object, and has three or more predetermined lines arranged in a line that emits projection light for projecting a predetermined lattice pattern. A projection device having a number of light sources, a lattice pattern plate that passes the projection light to form the lattice pattern, a reference plate having a reference surface on which the lattice pattern is projected, and the reference plate as the reference A moving stage that translates by a predetermined amount in the normal direction of the flat plate, and provided on the projector side with respect to the reference flat plate, and for each of the predetermined number of light sources at each position of the parallel movement, Photographing is performed at each position of the parallel movement, and a photographing device for photographing the lattice pattern reference image projected onto the reference plane by the projection device and the lattice pattern measurement image projected onto the measurement target. Before For each pixel of the reference image, create a table that correlates the lattice pattern phase and spatial coordinates on a one-to-one basis, and obtain the spatial coordinates of the measurement target from the table and the measurement image And an analysis device for determining the shape of the measurement target.
また、本発明の形状計測装置は、計測対象の形状を計測する形状計測装置であって、所定の形状の格子模様を投影するための投影用光を発光する一列に並んだ５以上の所定の数の光源と、該所定の数の光源から４以上の光源を選択する光源選択手段と、前記投影用光を通過させて前記格子模様を形成する格子模様プレートとを有する投影装置と、前記格子模様が投影される基準面を有する基準平板と、前記基準平板を該基準平板の法線方向に所定量ずつ平行移動させる移動ステージと、前記基準平板に対して投影装置側に設けられ、前記平行移動の各位置において、前記所定の数の光源の各々に対して、前記投影装置により前記基準面に投影された前記格子模様の基準用画像と、前記計測対象に投影された前記格子模様の計測用画像とを撮影する撮影装置と、前記平行移動の各位置において、撮影された前記基準用画像の各画素に対して、前記格子模様の位相と空間座標とを１対１に対応づけるテーブルを作成するとともに、該テーブルと前記計測用画像とから前記計測対象の空間座標を求めることにより前記計測対象の形状を決定する解析装置とを備えることを特徴とするものである。 The shape measuring device of the present invention is a shape measuring device for measuring the shape of a measurement target, and is a predetermined number of five or more predetermined lines arranged in a line for emitting projection light for projecting a lattice pattern of a predetermined shape. A projection apparatus comprising: a plurality of light sources; a light source selection unit that selects four or more light sources from the predetermined number of light sources; and a lattice pattern plate that passes the projection light and forms the lattice pattern; A reference flat plate having a reference surface on which a pattern is projected; a moving stage that translates the reference flat plate by a predetermined amount in a normal direction of the reference flat plate; At each position of movement, for each of the predetermined number of light sources, the reference image of the lattice pattern projected onto the reference plane by the projection device and the measurement of the lattice pattern projected onto the measurement object Take a picture with And a table that has a one-to-one correspondence between the phase of the grid pattern and the spatial coordinates for each pixel of the reference image captured at each position of the parallel movement, and And an analysis device that determines a shape of the measurement target by obtaining a spatial coordinate of the measurement target from a table and the measurement image.
また、本発明の形状計測装置は、計測対象の形状を計測する形状計測装置であって、所定の形状の格子模様を投影するための投影用光を発光する一列に並んだ４以上の所定の数の光源と、該所定の数の光源を該光源が並ぶ方向に所定の距離だけ移動させる光源移動手段と、前記投影用光を通過させて前記格子模様を形成する格子模様プレートとを有する投影装置と、前記格子模様が投影される基準面を有する基準平板と、前記基準平板を該基準平板の法線方向に所定量ずつ平行移動させる移動ステージと、前記基準平板に対して投影装置側に設けられ、前記平行移動の各位置において、前記所定の数の光源の各々に対して、前記投影装置により前記基準面に投影された前記格子模様の基準用画像と、前記計測対象に投影された前記格子模様の計測用画像とを撮影する撮影装置と、前記平行移動の各位置において、撮影された前記基準用画像の各画素に対して、前記格子模様の位相と空間座標とを１対１に対応づけるテーブルを作成するとともに、該テーブルと前記計測用画像とから前記計測対象の空間座標を求めることにより前記計測対象の形状を決定する解析装置とを備えることを特徴とするものである。 Further, the shape measuring device of the present invention is a shape measuring device for measuring the shape of a measurement object, and has four or more predetermined lines arranged in a line that emits projection light for projecting a lattice pattern of a predetermined shape. Projection having a number of light sources, a light source moving means for moving the predetermined number of light sources by a predetermined distance in a direction in which the light sources are arranged, and a lattice pattern plate that passes the projection light and forms the lattice pattern An apparatus, a reference flat plate having a reference plane onto which the lattice pattern is projected, a moving stage that translates the reference flat plate by a predetermined amount in a normal direction of the reference flat plate, and a projection apparatus side with respect to the reference flat plate The lattice pattern reference image projected onto the reference plane by the projection device and projected onto the measurement target for each of the predetermined number of light sources provided at each position of the parallel movement Of the lattice pattern An imaging device that captures a measurement image, and a table that correlates the phase of the lattice pattern and the spatial coordinates on a one-to-one basis for each pixel of the captured reference image at each position of the parallel movement. And an analyzer for determining the shape of the measurement target by obtaining the spatial coordinates of the measurement target from the table and the measurement image.
また、本発明の形状計測装置において、前記光源は線状であることを特徴とするものである。 In the shape measuring apparatus of the present invention, the light source is linear.
また、本発明の形状計測装置において、前記投影装置は、前記所定の数の光源の各々に対して発光された光を絞って通過させるピンホールを有するピンホール板を更に備えることを特徴とするものである。 In the shape measuring apparatus of the present invention, the projection device further includes a pinhole plate having a pinhole that allows light emitted from each of the predetermined number of light sources to be narrowed and passed. Is.
また、本発明の形状計測方法は、所定の数の光源を有する形状計測装置により計測対象の形状を計測する形状計測方法であって、所定の形状模様が投影される基準面を有する基準平板を該基準平板の法線方向に所定量ずつ平行移動させるステップと、前記平行移動の各位置において、前記光源を切り替えることにより位相シフトを行いながら前記基準面に投影された前記格子模様の基準用画像を撮影するステップと、撮影された前記基準用画像の各画素に対して、前記格子模様の位相と空間座標とを１対１に対応づけるテーブルを作成するステップと、前記計測対象に投影された前記格子模様の計測用画像を撮影するステップと、該テーブルと前記計測用画像とから前記計測対象の空間座標を求めて前記計測対象の形状を決定するステップとを含むことを特徴とするものである。 The shape measuring method of the present invention is a shape measuring method for measuring the shape of a measurement object by a shape measuring device having a predetermined number of light sources, and a reference flat plate having a reference surface on which a predetermined shape pattern is projected. A step of translating a predetermined amount in the normal direction of the reference flat plate, and a reference image of the lattice pattern projected on the reference plane while performing phase shift by switching the light source at each position of the parallel movement , A table for creating a one-to-one correspondence between the phase of the lattice pattern and spatial coordinates for each pixel of the photographed reference image, and projection onto the measurement object Capturing a measurement image of the lattice pattern, determining a spatial coordinate of the measurement target from the table and the measurement image, and determining a shape of the measurement target; It is characterized in that comprises.
本発明によれば、複数用意した光源を順次切り替えることにより位相シフトを高速に行うことができるため、高速かつ小型化された形状計測装置及び形状計測方法を提供することができる。 According to the present invention, since a phase shift can be performed at high speed by sequentially switching a plurality of prepared light sources, it is possible to provide a shape measuring apparatus and a shape measuring method that are fast and miniaturized.
ここで、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
[第１の実施形態]
まず、本発明の第１の実施形態の形状計測装置について説明する。図１に示す形状計測装置１００は、投影装置１と、基準平板２と、移動ステージ３と、撮影装置４と、解析装置５とを備える。投影装置１は、３以上の所定の数の光源１１−１〜１１−Ｎと、ピンホール板１２と、格子模様プレート１３とを有する。また、基準平板２は、投影装置１（撮影装置４）と同じ側に格子模様を投影するための基準面２１を有する。
Now, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[First embodiment]
First, the shape measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention will be described. A shape measuring apparatus 100 shown in FIG. 1 includes a projection apparatus 1, a reference flat plate 2, a moving stage 3, an imaging apparatus 4, and an analysis apparatus 5. The projection apparatus 1 includes a predetermined number of light sources 11-1 to 11 -N of 3 or more, a pinhole plate 12, and a lattice pattern plate 13. Further, the reference flat plate 2 has a reference surface 21 for projecting a lattice pattern on the same side as the projection device 1 (photographing device 4).
投影装置１は、計測対象６の形状を計測するための所定の格子模様を投影する。投影装置１は、一列に配置された所定の数の光源１１−１〜１１−Ｎを有しており、所定の格子模様を投影するための投影用光を発光する。投影装置１は、解析装置５から発光制御信号を受信して、光源１１−１〜１１−Ｎのいずれか１つのみが投影用光を発光するように制御する。光源の数Ｎは、位相シフト法による位相解析の要件から３以上とする。光源としては、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）を使用することができる。これらの光源１１−１〜１１−Ｎは一列に配置されており、光源間の間隔を全て等しく設定することも、それぞれの間隔を任意に設定することもできる。また、光源１１−１〜１１−Ｎから発光される投影用光の波長（即ち色）は任意に設定できるが、一般に対象物の反射率が波長に対して一様ではない（即ち、表面に色を有している）ため、全ての光源が同一の波長の投影用光を発光することが好ましい。 The projection device 1 projects a predetermined lattice pattern for measuring the shape of the measurement object 6. The projection device 1 has a predetermined number of light sources 11-1 to 11-N arranged in a line, and emits projection light for projecting a predetermined lattice pattern. The projection device 1 receives the light emission control signal from the analysis device 5 and controls so that only one of the light sources 11-1 to 11-N emits the projection light. The number N of light sources is set to 3 or more because of the requirement for phase analysis by the phase shift method. For example, a light emitting diode (LED) can be used as the light source. These light sources 11-1 to 11-N are arranged in a line, and all the intervals between the light sources can be set equal, or the intervals can be arbitrarily set. Further, the wavelength (that is, the color) of the projection light emitted from the light sources 11-1 to 11-N can be arbitrarily set, but generally the reflectance of the object is not uniform with respect to the wavelength (that is, on the surface). Therefore, it is preferable that all light sources emit projection light having the same wavelength.
ピンホール板１２は、光源の数と同数のピンホールを有しており、各ピンホールは各光源に隣接するように配置されており、光源の各々から発光された投影用光を絞り、点光源として通過させる。ピンホールの径の大きさは特に限定されないが、投影装置１における１１−１〜１１−Ｎの各光源から発光された光が点光源としてピンホールを通過するように適切に設定する。好ましくは０．５ｍｍとする。 The pinhole plate 12 has the same number of pinholes as the number of light sources, and each pinhole is disposed adjacent to each light source to restrict projection light emitted from each light source, Let it pass as a light source. The diameter of the pinhole diameter is not particularly limited, but is appropriately set so that light emitted from each of the light sources 11-1 to 11-N in the projector 1 passes through the pinhole as a point light source. Preferably it is 0.5 mm.
格子模様プレート１３は、ピンホール板１２を通過した投影用光を通過させて基準平板２に所定の格子模様を投影する。格子模様プレート１３は、例えばガラス基板上にクロム蒸着してロンキールーリングと呼ばれる格子縞を描いたものとすることができる。格子模様の方向（平行な格子が伸びる方向）は、光源１１−１〜１１−Ｎが並ぶ方向と垂直になるように構成する。 The lattice pattern plate 13 projects a predetermined lattice pattern on the reference flat plate 2 by allowing the projection light that has passed through the pinhole plate 12 to pass therethrough. The lattice pattern plate 13 can be formed by, for example, depositing chromium on a glass substrate and drawing lattice stripes called Ronchi ruling. The direction of the lattice pattern (the direction in which parallel lattices extend) is configured to be perpendicular to the direction in which the light sources 11-1 to 11-N are arranged.
基準平板２は、移動ステージ３上に設置されており、図１に示すｘｙ平面と平行となるように構成されている。格子模様プレート１３を通過した格子模様は、基準平板２の投影装置１側の面である基準面２１に投影される。 The reference flat plate 2 is installed on the moving stage 3 and is configured to be parallel to the xy plane shown in FIG. The lattice pattern that has passed through the lattice pattern plate 13 is projected onto a reference surface 21 that is a surface of the reference flat plate 2 on the projection device 1 side.
移動ステージ３は、解析装置５からステージ制御信号を受信して、基準平板２を基準平板２の法線方向（ｚ方向）に所定の微小量ずつ平行移動させる。移動ステージ３としては、例えば直動ステージを使用することができる。 The moving stage 3 receives the stage control signal from the analysis device 5 and translates the reference plate 2 by a predetermined minute amount in the normal direction (z direction) of the reference plate 2. As the moving stage 3, for example, a linear motion stage can be used.
撮影装置４は、基準平板２に対して投影装置１側に設けられており、全空間テーブル化手法におけるテーブルを作成する際には、基準平板２の平行移動の各位置において、光源１１−１〜１１−Ｎの各々に対して、投影装置１により基準面２１に投影された格子模様の基準用画像を撮影する。また、計測対象６の形状を計測する際には、計測対象６に投影された格子模様の計測用画像を撮影する。撮影装置４としては、例えばＣＣＤカメラを使用することができる。撮影された基準用画像及び計測用画像は解析装置５に出力される。 The imaging device 4 is provided on the projection device 1 side with respect to the reference flat plate 2, and when creating a table in the total space table forming method, the light source 11-1 is provided at each position of the parallel movement of the reference flat plate 2. A reference image of a lattice pattern projected onto the reference plane 21 by the projection device 1 is captured for each of ˜11-N. Further, when measuring the shape of the measurement object 6, a measurement image of the lattice pattern projected on the measurement object 6 is taken. For example, a CCD camera can be used as the photographing device 4. The captured reference image and measurement image are output to the analysis device 5.
解析装置５は、基準平板２の平行移動の各位置において、撮影された基準用画像の各画素に対して、格子模様の位相と空間座標とを１対１に対応づけるテーブルを作成して記憶装置（図示せず）に格納する。作成されたテーブルと計測用画像とから計測対象６の空間座標を求めることにより計測対象６の形状を決定する。また、解析装置５は、光源１１−１〜１１−Ｎのいずれか１つのみが投影用光を発光するように投影装置１を制御する発光制御信号や、所定量だけ平行移動するように移動ステージ３へのステージ制御信号を生成する。これらを所定のタイミングに合わせて投影装置１及び移動ステージ３に出力して撮影装置４により基準面２１に投影された格子模様を撮影する。解析装置５としては、例えばパーソナルコンピュータ（ＰＣ）を使用することができる。 The analysis device 5 creates and stores a table that correlates the phase of the lattice pattern and the spatial coordinates on a one-to-one basis with respect to each pixel of the photographed reference image at each parallel movement position of the reference plate 2. Store in a device (not shown). The shape of the measurement target 6 is determined by obtaining the spatial coordinates of the measurement target 6 from the created table and the measurement image. Further, the analysis device 5 moves so that only one of the light sources 11-1 to 11-N emits a projection light, or a light emission control signal for controlling the projection device 1 or a predetermined amount. A stage control signal to stage 3 is generated. These are output to the projection apparatus 1 and the moving stage 3 in accordance with a predetermined timing, and the grid pattern projected on the reference plane 21 is photographed by the photographing apparatus 4. As the analysis device 5, for example, a personal computer (PC) can be used.
このような形状計測装置１００を使用することにより、投影装置１における光源１１−１〜１１−Ｎを順次切り替えて位相シフトを高速に行うことができるため、測定対象６の形状を高速に計測することができる。また、光源１１−１〜１１−ＮとしてＬＥＤを使用でき、結像レンズを使用しないため、形状計測装置１００を安価に小型化することができる。更に、機械的に動作する構成が少ないため、故障しにくい形状計測装置１００を提供することができる。 By using such a shape measuring apparatus 100, the light sources 11-1 to 11-N in the projection apparatus 1 can be sequentially switched and phase shift can be performed at high speed. Therefore, the shape of the measuring object 6 is measured at high speed. be able to. Moreover, since LEDs can be used as the light sources 11-1 to 11-N and no imaging lens is used, the shape measuring apparatus 100 can be reduced in size at low cost. Furthermore, since there are few structures which operate | move mechanically, the shape measuring device 100 which is hard to fail can be provided.
次に、形状計測装置１００の動作について、本発明の形状計測方法の原理とともに説明する。ここで、本発明の形状計測方法において使用する位相シフト法について説明する。 Next, the operation of the shape measuring apparatus 100 will be described together with the principle of the shape measuring method of the present invention. Here, the phase shift method used in the shape measuring method of the present invention will be described.
[位相シフト法]
位相シフト法とは、格子の位相を１周期の範囲でシフトさせながら、複数枚の格子模様画像（基準用画像）を撮影し、得られた基準用画像から格子模様の位相分布を求める位相解析手法である。全ての画素において輝度が１周期分変化するため、各点ごとに独立して輝度変化から位相値を求めることができる。つまり、周囲の画素の輝度変化に関わらず解析することができる。そのため、段差や不連続な箇所がある計測対象の形状計測に有効な手法である。
[Phase shift method]
The phase shift method is a phase analysis in which a plurality of lattice pattern images (reference images) are photographed while shifting the phase of the grating within a range of one period, and the phase distribution of the lattice pattern is obtained from the obtained reference images. It is a technique. Since the luminance changes by one period in all pixels, the phase value can be obtained from the luminance change independently for each point. That is, the analysis can be performed regardless of the luminance change of the surrounding pixels. Therefore, this is an effective technique for measuring the shape of a measurement target having a step or a discontinuous portion.
画素の位置を（ｘ，ｙ）とすると、格子模様の輝度値Ｉ（ｘ，ｙ）は、一般に以下の式（１）で表される。
こうして、式（６）を用いることにより、画素の位置（ｘ，ｙ）における３枚の画像から得られた輝度値Ｉ０（ｘ，ｙ），Ｉ１（ｘ，ｙ）及びＩ２（ｘ，ｙ）から、撮影された格子模様の位相値θ（ｘ，ｙ）を求めることができる。 Thus, by using Equation (6), the luminance values I 0 (x, y), I 1 (x, y) and I 2 (x) obtained from the three images at the pixel position (x, y). , Y), the phase value θ (x, y) of the captured lattice pattern can be obtained.
本発明では、全空間テーブル化手法を用いて、上述のように求められた位相値から計測対象の空間座標を求める。以下、全空間テーブル化手法について説明する。 In the present invention, the space coordinates of the measurement target are obtained from the phase values obtained as described above by using the total space tabulation method. Hereinafter, the whole space table forming method will be described.
[全空間テーブル化手法]
まず、図２に示すように、投影装置（液晶プロジェクタ）１により基準面２１に格子模様を投影し、撮影装置（ＣＣＤカメラ）４により撮影する。この処理を投影された格子模様の位相をｘ軸方向に２π／３ずつ変化させて計３回繰り返す。続いて、得られた３枚の画像に上述の位相シフト法を適用して位相分布を求める。
[All space table]
First, as shown in FIG. 2, a grid pattern is projected onto the reference plane 21 by the projection device (liquid crystal projector) 1 and photographed by the photographing device (CCD camera) 4. This process is repeated 3 times in total by changing the phase of the projected lattice pattern by 2π / 3 in the x-axis direction. Subsequently, the phase distribution is obtained by applying the above-described phase shift method to the obtained three images.
次に、基準平板２（即ち基準面２１）の位置をΔｚずつ移動させ、同様に位相分布を求める。この時、基準面２１のｚ座標が小さい方から０，ｚ１，ｚ２，…，ｚｉ，…，ｚｎ−１とする。ここでｎは基準面２１を移動させた回数である。基準面２１の移動と撮影をｎ−１回繰り返すことにより０〜ｚｎ−１の範囲においてｎ個の位相分布が得られる。 Next, the position of the reference flat plate 2 (that is, the reference surface 21) is moved by Δz, and the phase distribution is similarly obtained. At this time, 0 from the direction z coordinate of the reference plane 21 is small, z 1, z 2, ..., z i, ..., and z n-1. Here, n is the number of times the reference plane 21 is moved. By repeating the movement and photographing of the reference plane 21 n-1 times, n phase distributions are obtained in the range of 0 to zn -1 .
以上の作業により、図３に示すような各画素におけるｚ座標と位相の対応関係が得られる。本発明においては、図３に示すように、位相が２π以上変化した場合には、位相の変化が２πを超えない範囲におけるｋ個の要素を用いてテーブルを作成する。本発明においては、撮影装置４の画素毎に、基準面２１に投影された格子模様の位相と計測対象６の形状を特定するための３次元座標とを対応付けすることを「校正（キャリブレーション）」と呼ぶ。 With the above operation, the correspondence between the z coordinate and the phase in each pixel as shown in FIG. 3 is obtained. In the present invention, as shown in FIG. 3, when the phase changes by 2π or more, a table is created using k elements in a range where the phase change does not exceed 2π. In the present invention, “calibration (calibration)” refers to associating the phase of the lattice pattern projected onto the reference plane 21 with the three-dimensional coordinates for specifying the shape of the measurement target 6 for each pixel of the photographing apparatus 4. ) ".
上述の校正により得られたｚ座標と位相の対応関係から、図４に示すような、０〜２πの位相に対する位相とｚ座標の対応テーブルが得られる。テーブル要素には０，１，２，…，ｊ，…，ｋ−１と番号を付け、それぞれの位相値をθ０，θ１，θ２，…，θｊ，…，θｋ−１とする。ここで、ｋはテーブルの要素数である。テーブルの間隔は２πをｋで割った値Δθとなり、一定の間隔となっている。図４におけるθｊのように基準面と基準面との間のテーブル要素は、隣り合うテーブル要素を直線近似することにより求める。また、θ０のように位相が不連続で隣り合う要素が存在しない場合には、位相値が２πに最も近いテーブル要素の位相から２πを引いた要素を一時的要素として用いて直線近似することにより求める。 From the correspondence relationship between the z coordinate and the phase obtained by the calibration described above, a correspondence table of the phase and the z coordinate with respect to the phase of 0 to 2π as shown in FIG. 4 is obtained. 0,1,2 The table element, ..., j, ..., with the k-1 and number, the respective phase value θ 0, θ 1, θ 2 , ..., θ j, ..., θ k-1 and To do. Here, k is the number of elements in the table. The table interval is a value Δθ obtained by dividing 2π by k, which is a constant interval. The table elements between the reference planes as θ j in FIG. 4 are obtained by linearly approximating adjacent table elements. When there is no adjacent element with a phase discontinuity such as θ 0 , linear approximation is performed using an element obtained by subtracting 2π from the phase of the table element whose phase value is closest to 2π as a temporary element. Ask for.
こうして、測定対象６の形状を計測するための格子模様の位相と空間座標を対応づけるテーブルを作成することができる。得られたテーブルを使用することにより、測定対象６の形状計測を行うことができる。次に測定対象６の計測処理について説明する。 In this way, a table for associating the phase of the lattice pattern and the spatial coordinates for measuring the shape of the measuring object 6 can be created. By using the obtained table, the shape of the measurement object 6 can be measured. Next, the measurement process of the measurement object 6 will be described.
測定対象６の形状計測は、まず投影装置１により計測対象６に格子模様を投影し、計測対象６へ投影した格子模様の位相を基準面２１の場合と同様に求める。得られた格子模様の位相をΔθで割った商が参照すべきテーブルの番号であり、このテーブルを参照することにより計測対象６のｚ座標分布を求めることができる。 In measuring the shape of the measurement object 6, first, the projection device 1 projects a lattice pattern onto the measurement object 6, and obtains the phase of the lattice pattern projected onto the measurement object 6 in the same manner as in the case of the reference plane 21. The quotient obtained by dividing the phase of the obtained lattice pattern by Δθ is the table number to be referred to, and the z coordinate distribution of the measurement object 6 can be obtained by referring to this table.
ｘおよびｙ座標については、基準面に２次元格子を描いておくか、投影手段により投影し、その２次元格子のｘ方向およびｙ方向の位相値をそれぞれ求め、更に位相接続を行うことにより、各点におけるｘ座標およびｙ座標をそれぞれ得ることができる（例えば、特許第３２８１９１８号公報参照）。 For the x and y coordinates, a two-dimensional grid is drawn on the reference plane or projected by a projecting means, phase values in the x and y directions of the two-dimensional grid are obtained, and further phase connection is performed. The x coordinate and y coordinate at each point can be obtained (see, for example, Japanese Patent No. 3281918).
２次元格子パターンからｘ方向およびｙ方向の位相値を得る手法の１つにフーリエ変換格子法がある。また、基準面として表面に光拡散板を貼り付けた液晶パネルを用いることで、格子パターンを基準面上に表示することができ、格子パターンを撮影した画像から位相シフト法によって位相分布を求める手法もある。なお、位相シフト法以外の格子の位相を求める方法としては、フーリエ変換縞パターン解析法（Ｍ．Ｔａｋｅｄａ ａｎｄ Ｋ． Ｍｕｔｏｈ， Ｆｏｕｒｉｅｒ ｔｒａｎｆｏｒｍ ｐｒｏｆｉｌｏｍｅｔｒｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ３−Ｄ ｏｂｊｅｃｔ ｓｈａｐｅｓ， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，１９８３，Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．２４，ｐｐ．３９７７−３９８２を参照）がある。 One method for obtaining phase values in the x and y directions from a two-dimensional lattice pattern is the Fourier transform lattice method. Also, by using a liquid crystal panel with a light diffusing plate attached to the surface as a reference surface, the lattice pattern can be displayed on the reference surface, and the phase distribution method is used to obtain the phase distribution from the image obtained by capturing the lattice pattern There is also. In addition, as a method for obtaining the phase of the grating other than the phase shift method, Fourier transform fringe pattern analysis method (M. Takeda and K. Mutoh, Fourier transform form-for-the-body measurement of 3-dimensional object, 3-D object shape Vol.22, No. 24, pp. 3977-3982).
こうして、基準面２１の各位置毎に、投影格子の位相値に対する３次元座標（ｘ，ｙ，ｚ座標）がそれぞれ画素毎に得られることになる。投影格子の位相値は、基準面の位置でしか得られないが、必要に応じて基準面の間隔を小さくして、その間を補間することで、全ての位相に対する３次元座標を精度良く求めることができる。このような全空間テーブル化手法により、投影された格子模様が余弦波にならないことによる計算誤差や、撮影装置４のレンズの歪曲収差の影響による誤差を回避できる。更に、テーブル参照を行うため画素毎の３次元座標の計算が不要であり、その参照も除算を１度行うだけで済むため、形状計測の解析に要する時間を大幅に短縮することができる。 Thus, for each position on the reference plane 21, three-dimensional coordinates (x, y, z coordinates) with respect to the phase value of the projection grating are obtained for each pixel. The phase value of the projection grating can be obtained only at the position of the reference plane, but the three-dimensional coordinates for all phases can be obtained with high accuracy by reducing the interval between the reference planes as necessary and interpolating between them. Can do. Such an all-space table formation technique can avoid calculation errors due to the projected lattice pattern not being a cosine wave, and errors due to the distortion of the lens of the photographing apparatus 4. Furthermore, since the table reference is performed, it is not necessary to calculate the three-dimensional coordinates for each pixel, and the reference only needs to be divided once, so that the time required for the shape measurement analysis can be greatly reduced.
[複数の光源を用いた形状計測]
本発明においては、一列に配置された３以上の所定の数の光源１１−１〜１１−Ｎを用いて位相シフトするため、輝度分布の計算方法は上述の場合とは多少異なる。ここでは光源を３個用いた場合を例に説明する。
[Shape measurement using multiple light sources]
In the present invention, since the phase shift is performed using three or more predetermined number of light sources 11-1 to 11-N arranged in a line, the calculation method of the luminance distribution is slightly different from the above case. Here, a case where three light sources are used will be described as an example.
（光源の間隔と格子の１周期の長さが同じ値の場合）
まず、光源の間隔と格子の1周期の長さが同じ値の場合について考える。この場合における格子模様の撮影の概略図を図５及び図６に示す。これらの図に示すように、ｚ軸に垂直な基準面２１を考える。３個の光源を用いた場合、基準面２１を平行移動させると、基準面２１の移動の前後で投影された格子模様の位相が変化する。今、各光源をＳ１，Ｓ２及びＳ３とし、光源１１−１の座標を（０，ｙ，０）とする。座標（ｘ，ｙ，ｚ）での投影された格子模様の輝度値をそれぞれＩ１（ｘ，ｙ，ｚ），Ｉ２（ｘ，ｙ，ｚ）及びＩ３（ｘ，ｙ，ｚ）、また投影された格子模様の位相をそれぞれθ１（ｘ，ｙ，ｚ），θ２（ｘ，ｙ，ｚ）及びθ３（ｘ，ｙ，ｚ）とする。式（１）からＩ１（ｘ，ｙ，ｚ），Ｉ２（ｘ，ｙ，ｚ）及びＩ３（ｘ，ｙ，ｚ）はそれぞれ式（７）〜（９）で表される。ただし、投影格子の輝度分布は余弦波状であるとする。
First, consider the case where the distance between the light sources and the length of one period of the grating are the same value. FIG. 5 and FIG. 6 show schematic views of grid pattern photography in this case. As shown in these figures, consider a reference plane 21 perpendicular to the z-axis. When three light sources are used, when the reference plane 21 is translated, the phase of the lattice pattern projected before and after the movement of the reference plane 21 changes. Now, assume that each light source is S 1 , S 2 and S 3, and the coordinates of the light source 11-1 are (0, y, 0). The luminance values of the projected grid pattern at the coordinates (x, y, z) are I 1 (x, y, z), I 2 (x, y, z) and I 3 (x, y, z), respectively. Further, the phase of the projected lattice pattern is set to θ 1 (x, y, z), θ 2 (x, y, z), and θ 3 (x, y, z), respectively. Expressions (1) to I 1 (x, y, z), I 2 (x, y, z) and I 3 (x, y, z) are represented by expressions (7) to (9), respectively. However, the luminance distribution of the projection grating is assumed to be a cosine wave.
ここで、光源の間隔をｌ、格子の1周期の長さをｐ、光源と格子の距離をｄとする。また、ｘ座標が０，ｌ、２ｌの時の格子の位相をφ１，φ２及びφ３とする。今、θ１（０，ｙ，ｄ）を０とするとθ１（ｘ，ｙ，ｚ），θ２（ｘ，ｙ，ｚ）及びθ３（ｘ，ｙ，ｚ）は図６から式（１０）〜（１２）で表される。また、図６からφ１，φ２及びφ３は式（１３）〜（１５）で表される。 Here, the interval between the light sources is l, the length of one period of the grating is p, and the distance between the light source and the grating is d. Further, the phase of the grating when the x coordinate is 0, l, 2l is assumed to be φ 1 , φ 2 and φ 3 . Now, assuming that θ 1 (0, y, d) is 0, θ 1 (x, y, z), θ 2 (x, y, z) and θ 3 (x, y, z) are expressed by the formula ( 10) to (12). Moreover, (phi) 1 , (phi) 2, and (phi) 3 are represented by Formula (13)-(15) from FIG.
ここで、ｐ＝ｌであるため、式（１０）〜（１５）よりθ１（ｘ，ｙ，ｚ），θ２（ｘ，ｙ，ｚ）及びθ３（ｘ，ｙ，ｚ）はそれぞれ式（１６）〜（１８）となる。
これらの式から求めたＩ１（ｘ，ｙ，ｚ），Ｉ２（ｘ，ｙ，ｚ）及びＩ３（ｘ，ｙ，ｚ）を式（６）に代入することにより格子模様の位相値θ（ｘ，ｙ，ｚ）を求めることができる。 By substituting I 1 (x, y, z), I 2 (x, y, z) and I 3 (x, y, z) obtained from these equations into equation (6), the phase value of the lattice pattern θ (x, y, z) can be obtained.
ここで、撮影装置４のレンズの位置を（ｘｃ，ｙ，０）とする。ｘｃを３ｌ，７ｌ，１２ｌとした時のθ（ｘ，ｙ，ｚ）とｚの関係を図７〜図９にそれぞれ示す。これらの図において、位相の変化が単調増加、あるいは単調減少となっているｚの範囲で計測が可能である。例えば図８の場合４ｄから６ｄの範囲はｚに対してθが単調増加であり、１対１に対応しているため計測可能な領域となる。そこで校正により格子模様の位相値と４ｄ〜６ｄの範囲を対応づけることにより、位相値から４ｄ〜６ｄの範囲にあるｚ座標を求めることが可能になる。また、ｘｃの値を大きくすると撮影装置４から近い範囲では計測可能な領域は狭くなるが、撮影装置４から遠い範囲においても位相の変化量が大きくなるので計測は可能となる。 Here, the position of the lens of the photographing device 4 is assumed to be (x c , y, 0). respectively the x c 3l, 7l, the θ when a 12l (x, y, z) and in FIGS. 7 to 9 the relationship z. In these figures, measurement is possible in the range of z where the phase change is monotonously increasing or monotonically decreasing. For example, in the case of FIG. 8, the range from 4d to 6d is a measurable region because θ monotonically increases with respect to z and corresponds to one to one. Thus, by associating the phase value of the lattice pattern with the range of 4d to 6d by calibration, it becomes possible to obtain the z coordinate in the range of 4d to 6d from the phase value. Although narrowing is measurable area in the range close to the imaging device 4 to increase the value of x c, measuring the change amount of the phase is greater at farther ranges from the imaging device 4 is made possible.
このように、３個の光源を使用した場合にも、校正により格子模様の位相θ（ｘ，ｙ，ｚ）とｚ座標とを対応づけることができ、計測対象６の形状を計測することが可能となる。上述のように、全空間テーブル化手法により、得られた位相θ（ｘ，ｙ，ｚ）から測定対象６の空間座標を求めることができる。 As described above, even when three light sources are used, the phase θ (x, y, z) of the lattice pattern can be associated with the z coordinate by calibration, and the shape of the measurement target 6 can be measured. It becomes possible. As described above, the spatial coordinates of the measuring object 6 can be obtained from the obtained phase θ (x, y, z) by the total space table forming method.
（光源の間隔と格子の１周期の長さがそれぞれ任意である場合）
次に、光源の間隔と格子の１周期の長さが同一ではなくそれぞれ任意の値の場合について考える。この場合に対する格子模様の撮影の概略図を図１０及び１１に示す。この場合のθ１（ｘ，ｙ，ｚ），θ２（ｘ，ｙ，ｚ）及びθ３（ｘ，ｙ，ｚ）はそれぞれ式（１９）〜（２１）から求められる。
(When the distance between the light sources and the length of one period of the grating are arbitrary)
Next, let us consider a case where the interval between the light sources and the length of one period of the grating are not the same but are arbitrary values. FIGS. 10 and 11 show schematic views of lattice pattern photography in this case. In this case, θ 1 (x, y, z), θ 2 (x, y, z) and θ 3 (x, y, z) are obtained from the equations (19) to (21), respectively.
ここで、撮影装置４の位置を（３ｌ，ｙ，０）とすると、ｌ＝ｐ，５ｐ，１０ｐの場合のθ（ｘ，ｙ，ｚ）とｚ座標の関係をそれぞれ図１２〜１４に示す。これらの図から、ｌの値をｐの値に比べて大きくすると、撮影装置４から近い範囲においては計測可能な領域は狭くなるが、撮影装置４から離れた領域においても位相の変化量が大きくなるため計測可能となる。 Here, assuming that the position of the photographing device 4 is (3l, y, 0), the relationship between θ (x, y, z) and z coordinate when l = p, 5p, 10p is shown in FIGS. . From these figures, when the value of l is made larger than the value of p, the measurable region is narrow in the range close to the imaging device 4, but the phase change amount is large in the region away from the imaging device 4. Therefore, measurement becomes possible.
このように、光源の間隔と格子の１周期の長さが同一ではない場合についても、格子模様の位相θ（ｘ，ｙ，ｚ）とｚ座標とを対応づけることができ、計測対象６の形状を計測することが可能となる。上述のように、全空間テーブル化手法により、得られた位相θ（ｘ，ｙ，ｚ）から測定対象６の空間座標を求めることができる。 As described above, even when the interval between the light sources and the length of one period of the grating are not the same, the phase θ (x, y, z) of the grating pattern and the z coordinate can be associated with each other. The shape can be measured. As described above, the spatial coordinates of the measuring object 6 can be obtained from the obtained phase θ (x, y, z) by the total space table forming method.
以上の形状計測装置１００の動作のフローチャートを図１５に示す。 A flowchart of the operation of the shape measuring apparatus 100 described above is shown in FIG.
[変位計測方法]
まず、ステップＳ１にて、移動ステージ３により、基準平板２（即ち基準面２１）を所定の位置に移動させる。
[Displacement measurement method]
First, in step S1, the reference flat plate 2 (that is, the reference surface 21) is moved to a predetermined position by the moving stage 3.
次に、ステップＳ２にて、投影用光を発光する光源１１−１〜１１−Ｎを切り替えて位相シフトしながら、撮影装置４により複数枚の格子模様画像（基準用画像）を撮影し、得られた画像を解析装置５に出力する。 Next, in step S2, a plurality of lattice pattern images (reference images) are photographed by the photographing device 4 while switching the light sources 11-1 to 11-N that emit the projection light and shifting the phase. The obtained image is output to the analysis device 5.
続く、ステップＳ３にて、解析装置５により、撮影された複数枚の基準用画像から格子模様の位相分布を求めるとともに、基準面２１に形成された２次元格子のｘ方向およびｙ方向の位相値をそれぞれ求め、さらに位相接続を行うことにより、各点におけるｘ座標およびｙ座標も求めて格納する。 Subsequently, in step S3, the analyzer 5 obtains the phase distribution of the lattice pattern from the plurality of reference images taken, and the phase values in the x and y directions of the two-dimensional lattice formed on the reference surface 21. Are obtained, and further phase connection is performed to obtain and store the x-coordinate and y-coordinate at each point.
基準格子２（即ち基準面２１）を所定の移動量だけ平行移動させて、ステップＳ１〜Ｓ３の処理を所定の回数だけ繰り返す。 The reference lattice 2 (that is, the reference surface 21) is translated by a predetermined amount of movement, and the processes of steps S1 to S3 are repeated a predetermined number of times.
ステップＳ４にて、解析装置５により、格子模様の位相と空間座標とを対応付けして、撮影装置４の各画素に対して形状計測に必要なテーブルが作成される。 In step S4, the analysis device 5 associates the phase of the lattice pattern with the spatial coordinates, and creates a table necessary for shape measurement for each pixel of the imaging device 4.
ステップＳ５にて、テーブルの作成を終了するか否かの判断をし、テーブル作成を続ける場合にはステップＳ１に、終了する場合にはステップＳ６に進む。 In step S5, it is determined whether or not the table creation is to be terminated. If the table creation is to be continued, the process proceeds to step S1, and if it is to be terminated, the process proceeds to step S6.
続いて、計測対象６の形状を計測する。まず、ステップＳ６にて、基準平板２を計測の障害にならない位置まで後退させて、計測対象６を適切な位置に配置する。 Subsequently, the shape of the measurement object 6 is measured. First, in step S6, the reference flat plate 2 is retracted to a position that does not hinder measurement, and the measurement target 6 is placed at an appropriate position.
次に、ステップＳ７にて、撮影装置４により、投影用光を発光する光源１１−１〜１１−Ｎを切り替えて位相シフトしながら、複数枚の計測対象６に投影された格子模様画像（計測用画像）を撮影し、得られた計測用画像を解析装置５に出力する。 Next, in step S7, a lattice pattern image (measurement) projected onto a plurality of measurement objects 6 while the phase shift is performed by switching the light sources 11-1 to 11-N that emit projection light by the photographing device 4. Image) and the obtained measurement image is output to the analysis device 5.
続くステップＳ８にて、解析装置５により、ステップＳ４にて作成されたテーブルと計測用画像の各画素の位相とから計測対象６の空間座標を求める。 In subsequent step S8, the analysis device 5 obtains the spatial coordinates of the measurement target 6 from the table created in step S4 and the phase of each pixel of the measurement image.
このように、投影装置１における光源１１−１〜１１−Ｎを順次切り替えることにより位相シフトを高速に行うことができ、測定対象６の形状を高速に計測することができる。 Thus, the phase shift can be performed at high speed by sequentially switching the light sources 11-1 to 11-N in the projection apparatus 1, and the shape of the measurement object 6 can be measured at high speed.
[形状計測結果]
図１に示す形状計測装置１００を使用して計測対象６の形状を計測した。そのために、まず投影装置１により基準面２１に投影された格子模様の画像（基準用画像）を撮影装置４により撮影して全空間テーブル化手法において使用するテーブルを作成した。その際の条件は以下の通りである。
１．ＬＥＤ光源の間隔：ｌ＝２０ｍｍ
２．投影装置１と格子模様プレート１３との距離：ｄ＝３０ｍｍ
３．撮影装置４（ＣＣＤカメラ）と基準平板２との距離：２００ｍｍ
４．基準平板２の移動間隔：０．２５ｍｍ
５．基準平板２を撮影した枚数：６１枚
６．基準平板２のｚ方向の移動範囲：１５ｍｍ
７．作成したテーブルの要素数：３００
[Shape measurement result]
The shape of the measuring object 6 was measured using the shape measuring apparatus 100 shown in FIG. For this purpose, first, a grid pattern image (reference image) projected onto the reference plane 21 by the projection device 1 is photographed by the photographing device 4 to create a table used in the total space table formation method. The conditions at that time are as follows.
1. LED light source spacing: l = 20 mm
2. Distance between projection device 1 and lattice pattern plate 13: d = 30 mm
3. Distance between the photographing device 4 (CCD camera) and the reference plate 2: 200 mm
4). Movement distance of the reference flat plate 2: 0.25 mm
5). Number of shots of the reference flat plate 2: 61 6. Movement range of the reference flat plate 2 in the z direction: 15 mm
7). Number of elements in the created table: 300
ここで、作成したテーブルと、その作成に用いた６４０×４８０画素の画像（画像内の画素の座標を、画像の角を原点として横方向ｉ、縦方向ｊで表す）の中央付近の画素（ｉ＝３４５，ｊ＝２４３）を抽出し、抽出した画素に対する位相とｚ座標の関係を調べると図１６のようになる。このように、抽出された画素に対して位相が求まれば、ｚ座標を決定することができる。 Here, the pixel near the center of the created table and the image of 640 × 480 pixels used for the creation (the coordinates of the pixel in the image are represented by the horizontal direction i and the vertical direction j with the corner of the image as the origin) ( When i = 345, j = 243) is extracted and the relationship between the phase and the z coordinate for the extracted pixel is examined, the result is as shown in FIG. Thus, if the phase is obtained for the extracted pixel, the z coordinate can be determined.
計測対象６の形状を計測する前に、形状計測装置１００により、どの程度の精度で測定対象６の形状を計測することができるかを調べた。そのために、基準平板２の画像を再度撮影して基準平板２のｚ座標を求めた。その際、基準平板２のｚ方向の位置はｚ＝２．５ｍｍ，５．０ｍｍ，７．５ｍｍ，１０．０ｍｍ及び１２．５ｍｍとした。図１７は、基準平板２のｚ方向の位置がｚ＝７．５ｍｍの場合に対する基準平板２の（ａ）格子投影画像、（ｂ）位相分布画像、及び（ｃ）ｚ座標分布画像をそれぞれ示している。図１８は、図１７（ｃ）の任意の横１ラインのｚ座標を抜き出したものである。また、テーブル作成時に撮影された基準用画像から求めたｚ座標分布から、任意の横１ラインを抜き出したものを図１９に示す。得られたｚ座標の平均値と理想値との誤差、及び標準偏差の関係を表１に示す。このように、作成されたテーブルを参照することにより、位相シフト法により求められた位相から、ｚ座標を非常に小さな誤差及び標準偏差で求められることが分かった。 Before measuring the shape of the measuring object 6, the accuracy of the shape of the measuring object 6 can be measured by the shape measuring apparatus 100. For this purpose, the image of the reference flat plate 2 was taken again to obtain the z coordinate of the reference flat plate 2. At that time, the position of the reference flat plate 2 in the z direction was set to z = 2.5 mm, 5.0 mm, 7.5 mm, 10.0 mm, and 12.5 mm. FIG. 17 shows an (a) lattice projection image, (b) phase distribution image, and (c) z coordinate distribution image of the reference plate 2 when the position of the reference plate 2 in the z direction is z = 7.5 mm. ing. FIG. 18 shows an extracted z coordinate of an arbitrary horizontal line in FIG. FIG. 19 shows an arbitrary horizontal line extracted from the z-coordinate distribution obtained from the reference image taken at the time of creating the table. Table 1 shows the relationship between the average value of the obtained z-coordinate and the ideal value, and the standard deviation. Thus, by referring to the created table, it was found that the z coordinate can be obtained with a very small error and standard deviation from the phase obtained by the phase shift method.
そこで、計測対象（計測試料）６の形状を計測した。計測試料６は、その中央部に１．００ｍｍの段差を３段有し、また光沢のある金属物体を使用した。使用した計測試料６の写真及び寸法図を図２０に示す。 Therefore, the shape of the measurement target (measurement sample) 6 was measured. The measurement sample 6 had three steps of 1.00 mm at the center and a glossy metal object. A photograph and a dimensional diagram of the measurement sample 6 used are shown in FIG.
計測試料６の形状計測により得られた投影された格子模様画像、位相分布画像及びｚ座標分布画像を図２１（ａ）〜（ｃ）にそれぞれ示す。図２１（ｃ）で示した領域Ａ〜Ｄの段の実測値、平均値、Ａの段との段差及び実測値との誤差を表２に示す。尚、表２に示す実測値とは、レーザ変位計により測定された値である。このように、本発明の形状計測装置１００により、最大約０．０５ｍｍの小さな誤差で計測試料６の形状を計測できた。 Projected lattice pattern images, phase distribution images, and z-coordinate distribution images obtained by measuring the shape of the measurement sample 6 are shown in FIGS. Table 2 shows measured values and average values of the steps in the regions A to D shown in FIG. The actual measurement values shown in Table 2 are values measured by a laser displacement meter. As described above, the shape of the measurement sample 6 can be measured with a small error of about 0.05 mm at the maximum by the shape measuring apparatus 100 of the present invention.
[第２の実施形態]
第１の実施形態においては、投影装置１に含まれる光源として、例えばＬＥＤからなる光源１１−１〜１１−Ｎ及びピンホール板１２を用いて点光源として構成したが、図２２に示すような複数のライン状の光源３１−１〜３１−Ｎを使用することもできる。この場合にも、ラインの数は、第１の実施形態の場合と同様に３以上とする。また、各ライン間の間隔を全て等しく設定することも、それぞれの間隔を任意に設定することもできる。
[Second Embodiment]
In the first embodiment, the light source included in the projection apparatus 1 is configured as a point light source using, for example, the light sources 11-1 to 11-N made of LEDs and the pinhole plate 12, but as shown in FIG. A plurality of line-shaped light sources 31-1 to 31-N can also be used. Also in this case, the number of lines is 3 or more as in the case of the first embodiment. Further, the intervals between the lines can be set to be equal or the intervals can be arbitrarily set.
ライン３１−１〜３１−Ｎは、解析装置５により、そのいずれか１つのみが投影用光を発光するように制御される。また、光源３１−１〜３１−Ｎから発光される投影用光の波長（即ち色）は任意に設定できるが、全ての光源が同一の波長の投影用光を発光することが好ましい。このようなライン状の光源を使用することにより、点光源を使用した場合と比較して、基準面２１に投影された格子模様の輝度が高くなり、また光源が伸びる方向において一定となる。また、点光源では光源間の間隔を狭くするのは限界があるが、ライン状の場合にはそれが容易であり、位相シフトの数も増加させて計測精度を向上させることもできる。 The lines 31-1 to 31 -N are controlled by the analysis device 5 so that only one of them emits projection light. Moreover, although the wavelength (namely, color) of the projection light emitted from the light sources 31-1 to 31-N can be arbitrarily set, it is preferable that all the light sources emit projection light having the same wavelength. By using such a linear light source, the brightness of the lattice pattern projected onto the reference plane 21 is higher than that in the case of using a point light source, and is constant in the direction in which the light source extends. Further, in the point light source, there is a limit to narrowing the interval between the light sources, but in the case of a line shape, this is easy, and the number of phase shifts can be increased to improve the measurement accuracy.
[第３の実施形態]
第１及び第２の実施形態においては、例えば図８（ａ）に示すように、位相値が０〜２πの範囲内にあるｚ座標と位相値との関係が得られ、校正により格子模様の位相値と４ｄ〜６ｄの範囲を対応づけることにより、位相値から４ｄ〜６ｄの範囲に設置された計測対象の形状（ｚ座標）を求めることができる。しかしながら、設置された計測対象のｚ座標が４ｄ〜６ｄの範囲にない場合には、位相が求められた場合にも対応するｚ座標を得ることができない。つまり、計測可能なｚ座標の範囲が４ｄ〜６ｄに制限されてしまう。そこで、第３の実施形態は、計測可能なｚ座標の範囲を拡大する方途を提供する。即ち、等間隔に配置された少なくとも５以上の光源を用意し、そのうち連続する４つの光源を用いて４回以上の位相シフトを連続する光源の位置をずらして２回行い、それぞれについて得られた格子模様の位相値とｚ座標との関係から位相接続することが可能となり、計測可能なｚ座標の範囲を拡大することができる。以下に光源を６個使用した場合を例に説明する。
[Third embodiment]
In the first and second embodiments, for example, as shown in FIG. 8A, the relationship between the z coordinate and the phase value in the range of 0 to 2π is obtained, and the lattice pattern is obtained by calibration. By associating the phase value with the range of 4d to 6d, the shape (z coordinate) of the measurement object installed in the range of 4d to 6d can be obtained from the phase value. However, if the z-coordinate of the installed measurement target is not in the range of 4d to 6d, the corresponding z-coordinate cannot be obtained even when the phase is obtained. That is, the measurable z coordinate range is limited to 4d to 6d. Thus, the third embodiment provides a way to expand the measurable z-coordinate range. That is, at least five or more light sources arranged at equal intervals were prepared, and four consecutive light sources were used, and four or more phase shifts were performed twice while shifting the positions of the continuous light sources. Phase connection can be performed from the relationship between the phase value of the lattice pattern and the z coordinate, and the range of the measurable z coordinate can be expanded. Hereinafter, a case where six light sources are used will be described as an example.
位相シフト回数が４回以上あれば、位相シフト量が分からなくとも初期位相が求まる。つまり、１周期を整数で等分するのではなくても、位相シフト量がコンスタントのとき、光源０から作られる光の位相値が求まる（例えば、喜多俊行、藤垣元治、松井徹、森本吉春、「光学的縞画像解析における等速位相シフト法による位相解析」、日本実験力学会２００５年度年次講演会講演論文集、ｐｐ．２０４−２０７を参照）。 If the number of phase shifts is 4 or more, the initial phase can be obtained without knowing the amount of phase shift. That is, even if the period is not equally divided by an integer, the phase value of light produced from the light source 0 can be obtained when the amount of phase shift is constant (for example, Toshiyuki Kita, Motoharu Fujigaki, Toru Matsui, Yoshiharu Morimoto , “Phase analysis by constant velocity phase shift method in optical fringe image analysis”, Japanese Society of Experimental Force 2005 Annual Lecture Proceedings, pp. 204-207).
ここで、図２３に示すように、光源０からｘ方向に合計４つの光源が等間隔で一列に並んでいるとする。また、カメラのある１画素が、図中ｘ＝８付近の縦線上を撮影するとする。この場合、光源０によって投影される格子パターンの縦線上における位相値は図２８（ａ）のようになる。 Here, as shown in FIG. 23, it is assumed that a total of four light sources are arranged in a line at equal intervals from the light source 0 in the x direction. Further, it is assumed that one pixel with a camera captures a vertical line near x = 8 in the drawing. In this case, the phase value on the vertical line of the lattice pattern projected by the light source 0 is as shown in FIG.
図２４に、それぞれの点光源によって投影される格子パターンを重ねたものを示す。図２５は、図２４の点Ｐにおける輝度変化の様子を示している。点Ｐにおける輝度は、点灯する光源を光源０から光源３まで順番に変えた場合に、図２６に示すような輝度の変化となる。図２５において、光源ｎによって投影される格子パターンを撮影したときの輝度をＩｎとする。図２５において、Ｉｎ＋１−Ｉｎ＝αとなる。 FIG. 24 shows a superposition of lattice patterns projected by the respective point light sources. FIG. 25 shows how the luminance changes at point P in FIG. The luminance at the point P changes as shown in FIG. 26 when the light source to be turned on is sequentially changed from the light source 0 to the light source 3. In Figure 25, the luminance upon shooting grating pattern projected by the light source n and I n. In FIG. 25, I n + 1 −I n = α.
図２６に示すように、光源２から右方向に合計４つの光源が並んでいる場合、光源２によって投影される格子パターンの縦線上における位相値は図２８（ｂ）のようになる。また、光源０と光源２によってそれぞれ投影される格子パターンは図２７のようになる。図２８に示すように、撮影が光源０から始まる場合と光源２から始まる場合で、異なる位相とｚ座標の対応関係が得られるため、位相接続が可能となる。 As shown in FIG. 26, when a total of four light sources are arranged in the right direction from the light source 2, the phase values on the vertical lines of the lattice pattern projected by the light source 2 are as shown in FIG. The lattice patterns projected by the light source 0 and the light source 2 are as shown in FIG. As shown in FIG. 28, since the correspondence between different phases and z-coordinates is obtained when shooting starts from the light source 0 and from the light source 2, phase connection is possible.
具体的には、光源０、光源１、光源２および光源３の光源が並んでいるときの光源０によって投影される格子パターンの縦線上における位相値をθａとし、光源２、光源３、光源４および光源５の光源が並んでいるときの光源２によって投影される格子パターンの縦線上における位相値をθｂとするとき、θａおよびθｂと対応するｚ座標は複数ある。このとき、θａに対応するｚ座標とθｂに対応するz座標が一致する場所が、求めるz座標となる。こうして位相値とｚ座標との関係について位相接続できるため、計測可能なｚ座標の範囲を大きく拡大することができる。従って、上述の全空間テーブル化手法により、位相接続された位相とｚ座標との関係を予め用意しておくことにより、より広いｚ座標の範囲において、位相値から計測対象のｚ座標を求めて計測対象の形状を計測することができる。 Specifically, the light source 0, the light source 1, a phase value on the vertical line of the grid pattern projected by the light source 0 when are arranged a light source of the light source 2 and the light source 3 and theta a light source 2, light source 3, the light source 4 and when the phase value and theta b on the vertical line of the grid pattern projected by the light source 2 when the light source 5 of the light source are arranged, z coordinates corresponding to theta a and theta b are multiple. In this case, where the z coordinates corresponding to the z-coordinate and theta b corresponding to theta a match becomes the z-coordinate to be obtained. Thus, since the phase connection can be made with respect to the relationship between the phase value and the z coordinate, the measurable range of the z coordinate can be greatly expanded. Accordingly, by preparing the relationship between the phase-connected phase and the z-coordinate in advance using the above-described total space table formation method, the z-coordinate of the measurement target is obtained from the phase value in a wider z-coordinate range. The shape of the measurement target can be measured.
尚、５個以上の光源を等間隔で一列に並べる際に、一列に並ぶ４つ以上の光源を複数用意して一列に並べるように構成しても良いことは言うまでもない。また、一列に並ぶ４つ以上の光源を使用して４回以上の位相シフトさせた後に、４つ以上の光源を光源が並ぶ方向に対して平行に光源を物理的に移動させる手段により、４つ以上の光源を所定の距離だけ移動させた後に、再び４回以上の位相シフトを行うようにすることもできる。 Needless to say, when five or more light sources are arranged in a line at equal intervals, a plurality of four or more light sources arranged in a line may be prepared and arranged in a line. Further, after four or more phase shifts using four or more light sources arranged in a row, four or more light sources are physically moved in parallel to the direction in which the light sources are arranged by means of 4 It is also possible to perform four or more phase shifts again after moving one or more light sources by a predetermined distance.
本発明によれば、複数用意した光源を順次切り替えることにより位相シフトを高速に行うことができ、計測対象の形状を高速に計測できるため、電子部品の検査、人体計測、医療用計測、及び小型生物の立体観察や立体計測等に有用である。 According to the present invention, phase shift can be performed at high speed by sequentially switching a plurality of prepared light sources, and the shape of the measurement target can be measured at high speed, so that electronic component inspection, human body measurement, medical measurement, and small size This is useful for 3D observation and 3D measurement of living organisms.
１ 投影装置
２ 基準平板
３ 移動ステージ
４ 撮影装置
５ 解析装置
６ 計測対象
１１−１〜１１−Ｎ 光源
１２ ピンホール板
１３ 格子模様プレート
２１ 基準面
３１−１〜３１−Ｎ ライン状光源
１００ 形状計測装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Projection device 2 Reference | standard flat plate 3 Moving stage 4 Imaging device 5 Analysis device 6 Measurement object 11-1 to 11-N Light source 12 Pinhole plate 13 Grating pattern plate 21 Reference plane 31-1 to 31-N Line-shaped light source 100 Shape measurement apparatus
Claims (6)
所定の形状の格子模様を投影するための投影用光を発光する一列に並んだ３以上の所定の数の光源と、前記投影用光を通過させて前記格子模様を形成する格子模様プレートとを有する投影装置と、
前記格子模様が投影される基準面を有する基準平板と、
前記基準平板を該基準平板の法線方向に所定量ずつ平行移動させる移動ステージと、
前記基準平板に対して投影装置側に設けられ、前記平行移動の各位置において、前記所定の数の光源の各々に対して、前記投影装置により前記基準面に投影された前記格子模様の基準用画像と、前記計測対象に投影された前記格子模様の計測用画像とを撮影する撮影装置と、
前記平行移動の各位置において、撮影された前記基準用画像の各画素に対して、前記格子模様の位相と空間座標とを１対１に対応づけるテーブルを作成するとともに、該テーブルと前記計測用画像とから前記計測対象の空間座標を求めることにより前記計測対象の形状を決定する解析装置と、
を備えることを特徴とする形状計測装置。 A shape measuring device for measuring the shape of a measurement object,
A predetermined number of three or more light sources arranged in a row that emits projection light for projecting a lattice pattern of a predetermined shape, and a lattice pattern plate that passes the projection light and forms the lattice pattern A projection device comprising:
A reference plate having a reference surface on which the lattice pattern is projected;
A moving stage that translates the reference flat plate by a predetermined amount in the normal direction of the reference flat plate;
For the reference of the lattice pattern projected on the reference plane by the projection device for each of the predetermined number of light sources at each position of the parallel movement provided on the projection device side with respect to the reference flat plate A photographing device for photographing an image and a measurement image of the lattice pattern projected on the measurement target;
At each position of the parallel movement, a table is created that has a one-to-one correspondence between the phase of the lattice pattern and the spatial coordinates for each pixel of the captured reference image, and the table and the measurement image An analysis device that determines the shape of the measurement object by determining the spatial coordinates of the measurement object from an image;
A shape measuring device comprising:
所定の形状の格子模様を投影するための投影用光を発光する一列に並んだ５以上の所定の数の光源と、該所定の数の光源から４以上の光源を選択する光源選択手段と、前記投影用光を通過させて前記格子模様を形成する格子模様プレートとを有する投影装置と、
前記格子模様が投影される基準面を有する基準平板と、
前記基準平板を該基準平板の法線方向に所定量ずつ平行移動させる移動ステージと、
前記基準平板に対して投影装置側に設けられ、前記平行移動の各位置において、前記所定の数の光源の各々に対して、前記投影装置により前記基準面に投影された前記格子模様の基準用画像と、前記計測対象に投影された前記格子模様の計測用画像とを撮影する撮影装置と、
前記平行移動の各位置において、撮影された前記基準用画像の各画素に対して、前記格子模様の位相と空間座標とを１対１に対応づけるテーブルを作成するとともに、該テーブルと前記計測用画像とから前記計測対象の空間座標を求めることにより前記計測対象の形状を決定する解析装置と、
を備えることを特徴とする形状計測装置。 A shape measuring device for measuring the shape of a measurement object,
A predetermined number of five or more light sources arranged in a line for emitting projection light for projecting a lattice pattern of a predetermined shape, and a light source selection means for selecting four or more light sources from the predetermined number of light sources, A projection device having a lattice pattern plate that passes the projection light and forms the lattice pattern;
A reference plate having a reference surface on which the lattice pattern is projected;
A moving stage that translates the reference flat plate by a predetermined amount in the normal direction of the reference flat plate;
For the reference of the lattice pattern projected on the reference plane by the projection device for each of the predetermined number of light sources at each position of the parallel movement provided on the projection device side with respect to the reference flat plate A photographing device for photographing an image and a measurement image of the lattice pattern projected on the measurement target;
At each position of the parallel movement, a table is created that has a one-to-one correspondence between the phase of the lattice pattern and the spatial coordinates for each pixel of the captured reference image, and the table and the measurement image An analysis device that determines the shape of the measurement object by determining the spatial coordinates of the measurement object from an image;
A shape measuring device comprising:
所定の形状の格子模様を投影するための投影用光を発光する一列に並んだ４以上の所定の数の光源と、該所定の数の光源を該光源が並ぶ方向に所定の距離だけ移動させる光源移動手段と、前記投影用光を通過させて前記格子模様を形成する格子模様プレートとを有する投影装置と、
前記格子模様が投影される基準面を有する基準平板と、
前記基準平板を該基準平板の法線方向に所定量ずつ平行移動させる移動ステージと、
前記基準平板に対して投影装置側に設けられ、前記平行移動の各位置において、前記所定の数の光源の各々に対して、前記投影装置により前記基準面に投影された前記格子模様の基準用画像と、前記計測対象に投影された前記格子模様の計測用画像とを撮影する撮影装置と、
前記平行移動の各位置において、撮影された前記基準用画像の各画素に対して、前記格子模様の位相と空間座標とを１対１に対応づけるテーブルを作成するとともに、該テーブルと前記計測用画像とから前記計測対象の空間座標を求めることにより前記計測対象の形状を決定する解析装置と、
を備えることを特徴とする形状計測装置。 A shape measuring device for measuring the shape of a measurement object,
A predetermined number of four or more light sources arranged in a row emitting projection light for projecting a lattice pattern of a predetermined shape, and the predetermined number of light sources are moved by a predetermined distance in the direction in which the light sources are arranged. A projection apparatus comprising: a light source moving unit; and a lattice pattern plate that allows the projection light to pass therethrough to form the lattice pattern;
A reference plate having a reference surface on which the lattice pattern is projected;
A moving stage that translates the reference flat plate by a predetermined amount in the normal direction of the reference flat plate;
For the reference of the lattice pattern projected on the reference plane by the projection device for each of the predetermined number of light sources at each position of the parallel movement provided on the projection device side with respect to the reference flat plate A photographing device for photographing an image and a measurement image of the lattice pattern projected on the measurement target;
At each position of the parallel movement, a table is created that has a one-to-one correspondence between the phase of the lattice pattern and the spatial coordinates for each pixel of the captured reference image, and the table and the measurement image An analysis device that determines the shape of the measurement object by determining the spatial coordinates of the measurement object from an image;
A shape measuring device comprising:
所定の形状模様が投影される基準面を有する基準平板を該基準平板の法線方向に所定量ずつ平行移動させるステップと、
前記平行移動の各位置において、前記所定の数の光源を切り替えることにより位相シフトを行いながら前記基準面に投影された前記格子模様の基準用画像を撮影するステップと、
撮影された前記基準用画像の各画素に対して、前記格子模様の位相と空間座標とを１対１に対応づけるテーブルを作成するステップと、
前記計測対象に投影された前記格子模様の計測用画像を撮影するステップと、
該テーブルと前記計測用画像とから前記計測対象の空間座標を求めて前記計測対象の形状を決定するステップと、
を含むことを特徴とする形状計測方法。 A shape measuring method for measuring a shape of a measurement object by a shape measuring device having a predetermined number of light sources,
Translating a reference plate having a reference surface on which a predetermined shape pattern is projected, by a predetermined amount in a normal direction of the reference plate;
Photographing a reference image of the lattice pattern projected on the reference plane while performing phase shift by switching the predetermined number of light sources at each position of the parallel movement;
Creating a table in which one-to-one correspondence between the phase of the lattice pattern and the spatial coordinates for each pixel of the captured image for reference;
Capturing a measurement image of the lattice pattern projected onto the measurement object;
Determining the shape of the measurement object by obtaining spatial coordinates of the measurement object from the table and the measurement image;
A shape measuring method comprising:
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