JPH02271208A - ３次元形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明（よ　スリットを通った光を照射してその反射光
に基づいて被測定物体の形状を測定する３次元形状測定
装置に関するものである。

［従来の技術およびその課題］ 従来、この種の３次元形状測定装置として、特公昭６０
−４４０２号公報のものが知られている。

すなわち、第１０図に示すように、プロジェクタ１のス
リット３を通った光をレンズ５を介して３次元形状の被
測定物体７に照射し、その反射光を所定角度だけ隔てた
位置にてカメラ９の撮像面１１に撮像し、この撮像した
縞状の模様を電気信号に変換し、この信号に基づいて信
号処理装置１３にて被測定物体７の３次元形状を求め、
表面形状表示装置１５にて表示するものである。

この装置において、被測定物体７の形状を測定するに（
よ　プロジェクタ１と被測定物体７との距離及び被測定
物体７とカメラ９との距離等の各種の設置パラメータが
予め求められていなければならない。この設置パラメー
タを求める手法として、従棗　手作業により計測するか
、あるいは予め設定した所定位置にプロジェクタ１やカ
メラ９を設置することにより行っていた そのため、作業が面倒であるだけでなく、正確な設置パ
ラメータを求めることが困難であり、被測定物体７の形
状の測定結果に誤差を生じているという問題があった 本発明は、上記従来の技術の問題を解決することを課題
とし、各光学機器の設置パラメータを測定する機能を加
えることにより、被測定物体の正確な形状測定ができる
３次元形状測定装置を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するためになされた本発明（上第１図に
示すように、 被測定物体Ｍ１に対してスリットＭ２を通った光をレン
ズＭ３を介して照射する光照射手段Ｍ４と、 被測定物体Ｍ１からの反射光を所定入射角度θをもった
位置にて撮像する撮像手段Ｍ５と、この撮像手段Ｍ５か
らの電気信号に基づいてその位相分布を検出する位相分
布検出手段Ｍ６と、既知の形状の被測定物体Ｍ１のデー
タまたは被測定物体Ｍ］の設置データと、位相分布検出
手段Ｍ６からの位相分布データに基づいて光照射手段Ｍ
４及び撮像手段Ｍ５の設置パラメータを測定する設置パ
ラメータ測定手段Ｍ７と、 上記位相分布検出手段Ｍ６からの位相分布データ及び設
置パラメータ測定手段Ｍ７からの設置パラメータに基づ
いて被測定物体の３次元形状を計算処理して求める形状
計算手段Ｍ８と、を備えたことを特徴とする。

［作用］ まず、未知の被測定物体Ｍ１の形状測定にあたっての予
備処理として、既知である被測定物体Ｍ１を用いて光照
射手段Ｍ４および撮像手段Ｍ５等の設置パラメータの測
定が行われる。すなわち、光照射手段Ｍ４により、スリ
ットＭ２及びレンズＭ３を通過した光が被測定物体Ｍ１
に照射さねこの反射光が撮像手段Ｍ５により撮像される
。撮像手段Ｍ５からの電気信号（上　位相分布検出手段
Ｍ６に入力されて、その位相分布データが求められる。

この位相分布の測定結果（よ　設置パラメータ測定手段
Ｍ７に入力されて、ここで被測定物体Ｍ１の既知形状や
その位置データ等に基づいて光照射手段Ｍ４および撮像
手段Ｍ５の設置パラメータが求められる。

このようにして求められた設置パラメータ（よ未知の被
測定物体Ｍ１の形状測定に用いられる。

すなわち、既知の被測定物体Ｍ１と同様な処理にて未知
の被測定物体Ｍｉにより得られた位相分布検出手段Ｍ６
からの位相分布データ【上　形状計算手段Ｍ８に入力さ
札　さらに形状計算手段Ｍ８に（よ　上記設置パラメー
タ設定手段Ｍ７にて求められた設置パラメータも入力さ
れて、これらのデータにより被測定物体の３次元形状が
測定される。

したがって、被測定物体Ｍ１の３次元形状を測定するに
あたって必要とされる設置パラメータが、位相分布検出
手段Ｍ６の信号や既知の被測定物体Ｍ１のデータに基づ
いて測定されるから、従来技術のように手作業にて測定
するより精度や作業性が向上する。

［実施例］ 以下本発明の一実施例を図面にしたがって説明する。

本実施例による３次元形状測定装置（上　第２図に示す
ように、プロジェクタ］００、カメラ２０°Ｏ１信号処
理装置３００、表面形状表示装置４００、ステージ制御
装置６００から構成されている。

プロジェクタ１００１上　水銀アーク灯１０１を備え、
その光が集光レンズ１０２を通り、さらにスリット１０
３（第３図）を通るように構成されている。スリット１
０３　＋ｉ　　交互の不透明部］０３ａおよび透明部１
０３ｂとからなり、所定の格子間隔に設定されている。

このようにして作成された格子縞を、投影レンズ１０４
を通して投影して被測定物体７００（第４図参照）上に
結像させる。

カメラ２０　’Ｏｉ＆　　対物レンズ２０２を通して撮
像面２０４上に第５図のような被測定物体７００の映像
７０２を撮像するものであり、通常の低速走査形のテレ
ビジョンカメラやＣＯＤ等により構成されている。

信号処理装置３００　＋＆　　カメラ２００からのアナ
ログ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部３］
１と、格子縞像の信号レベルに基づいて位相を検出する
位相分布検出部３］２と、位相検出部３１２からの位相
分布信号等に基づいて所定の演算式を用いて被測定物体
７００　（第６図参照）の表面形状を演算する形状計算
部３１３と、位相分布検出部３１２および予め設定され
たデータ等に基づいて設置パラメータを演算する設置パ
ラメータ測定部３２０と、この設置パラメータ測定部３
２０の指令信号を受けてステージ制御装置６００に対し
て駆動信号を出力するステージ制御部３３０等を備えて
いる。

ステージ制御装置６００　ｆ表　　基準平面６０１を有
するステージを移動させるステージ移動装置６０２と、
このステージ移動装置６０２を駆動するステージ駆動装
置６０３とから構成されており、設置パラメータ測定部
３２０より指示しただけステージ制御部３３０の指令信
号によりステージ移動装置６０２の基準平面６０１をＺ
方向に移動させるものである。

次に、上記実施例の動作の説明にあたって、まず、本技
術の基本的原理及び本実施例の特徴的な作用である設置
パラメータの演算処理の原理を説明した後に、上記実施
例の一連の動作について説明する。

（１）　基本的原理 第６図に示すように、プロジェクタ１００の格子１０３
によって幾つもの規則的な縞を被測定物体７００の表面
１こ格子縞像７０１　（第４図）として投影する。この
格子縞像７０１をプロジェクタ１００と別の角度からカ
メラ２００により撮像すると、表面の形状に応じて変形
した第５図に示すような格子縞の映像７０２が得られる
。この映像７０２　ｉｉ　　信号処理装置３００により
信号処理されて、最終的に被測定物体７００の形状が各
点の集合（Ｘ、　　Ｙ、　　Ｚｌ　として求めら札　表
面形状表示装置４００に表示されるのであるが、これ（
ｔ、。

以下の計算の結果に基づくものである。

すなわち、被測定物体７００の表面形状と格子縞像の映
像７０２との関係において、格子１０３の任意点Ｐ０を
（ＸＯ＋　　Ｖｏ　）　ａ、ｌとし、これに対応する被
測定物体７００上の点Ｐを（ｘ、ｙ、　　ｚ）８８２と
すると、格子１０３の任意点Ｐｏ　　（ｘｏｌ　　ｙ。

）８８１と被測定物体７００上の点Ｐ　（Ｘ、　　Ｙ、
　　Ｚ）８．２との関係（よ　次式（３）、（４）で表
される。

Ｑ、・・・格子と投影レンズとの距離 り、・・・投影レンズと座標原点までの距離θ・・・プ
ロジェクタとカメラのなす角また、被測定物体７００上
の点ｐ　（ｘ、　　ｙ、　　ｚ）１１１２はカメラ２０
０の１最像面２０４上の点Ｐ０　（ｘｏｌ　　Ｖａ）ｓ
ａｔに結像されるとすると、点Ｐ（Ｘ、　　Ｙ、　　Ｚ
）９１１２と点（Ｘｏｒ　　”Ｊｏ）８１］３との関係
は次式（５）、　　（６）で表される。

Ｘ　＝Ｘ０（１２ｚ）、／Ｑ２　　　　　・’・式（５
）Ｙ：Ｖ、（Ｌ２　　ｚ＞　／ａ２　　　　・・・式（
６）Ｑ２・・・座標原点と対物レンズとの距離Ｌ２・・
・対物レンズと撮像面との距離式（３）に式（５）を代
入して整理すると式（７）が得られる。

したがって、式（７）から明かなように、被測定物体７
００上（７）点Ｐ　（Ｘ、　　Ｙ、　　Ｚ）　ｅｌ１２
＜７）Ｚ座標（表格子１０３上の点Ｐｏ　（ｘｏｌ　　
ｙ、）　［１１１１のｘｏと、撮像面２０４上の点Ｐ０
（×。＋　　ｙｏ）ｅａｔの×。で表せることがわかる
。

一方、格子１０３は第３図のように等間隔の正弦状の濃
淡をもち、そのピッチがＳｏであるとき、格子縞のパタ
ーンｌｆｔ、　　ａ、　　ｂを特徴とする特許（８）で
表される。

１＝ａ＋ｂｃｏｓ（２πｘｏ／Ｓｏ）　　　　＋＋＋式
（８）式（８）の位相項をΦとおくと式（９）となる。

Φ”　２７ｒ　Ｘ　ｏ／　Ｓ　ｏ　　　　　　　　”’
式（９）ここで、式（７）に式（９）を代入して変形す
ると、式（１０）が得られる。

Ａ　＝　−Ｈｃｏｓθ Ｂ＝Ｑ２ｃｏｓθ Ｃニー　Ｓ　ｉ　ｎθ Ｄ＝−Ｈ１２２ｓｉｎθ Ｅ　＝　−ＨＬ　２ｃｏｓθ Ｆ＝Ｑ２　Ｌ。

Ｇニー１２ｓｉｎθ Ｈ＝２π１２＋／Ｓ。

この式（１０）は、　Ｘｅ＋　　Φの関数であり、　し
たがって撮像面２０４上の点Ｐ　ｏ　（ｘｃ＋　　ｙａ
）　＊ａｚに映った格子縞像の位相Φがわかれ（戯　被
測定物体７００上の点Ｐ　（Ｘ、　　Ｙ、　　Ｚ）　＊
ａ□の７座標（上　式（１０）より求められる。また、
このＺ座標を用いて、被測定物体７００の点Ｐ　（Ｘ、
　　Ｙ、　　Ｚ）　９＠２（７）Ｘ座標、　　−Ｙ座標
も、式（５）、式（６）より求めることができる。

よって、カメラ２００の撮像面２０４上の位相Φの分布
（ｘｏ＋　　Ｖａｎ　　Φ）が求まれ）瓜　被測定物体
７０００表面形状（Ｘ、　　Ｙ、　　Ｚ）　を求めるこ
とができる。

（２）　設置パラメータの演算の原理 ところが、上記式（１０）および式（５）、　　（６）
を用いて、被測定物体７００の形状計算を行う場合、光
学系の設置パラメータ（Ｌｌ、　　Ｌ２．　　（１１，
Ｑ２．　　θ）を予め何らかの手法により求めなければ
ならないが、本実施例で］よ　従来の手作業による測定
の代わりに、以下に説明するように、既知の表面形状と
撮像された格子縞像の位相分布から上記設置パラメータ
を求める。

すなわち、式（１０）、　　式（５）１式（６）につい
て、光学系の設置パラメータ（Ｌ、、Ｌ２．Ｑｌ、Ｑ２
．０）を変数として関数ｆ、、　　ｆ、、、　　ｆ２で
表すと、式（ＩＩ）。

式（１２）、式（１３）のようになる。

Ｚ＝ｆ、（Φ、×。ｒ　’　ＩＩ　’　２ｒ　Ｑ　ＩＩ
　Ｑ　２＋θ）・・・（１１）Ｘ：ｆ２　（ｘｃ、　　
Ｚ、　　Ｌ２．　　（２２）　　　　　　　＝ｌ１２）
Ｙ＝　ｆ　ｓ　（ｘ、、　　Ｚ、　　Ｌ２．　　Ｑ　２
）　　　　　−（１３）これらの式において、表面形状
（Ｘ、　　Ｙ、　　Ｚｌが既知である被測定物体７００
の表面の格子縞像を撮像し、その位相分布（Ｘｏ＋　　
！／ａ＋　　Φ）を検出して、表面形状（ｘ、　　ｙ、
　　ｚ）と位相分布（ｘｏ。

ｙｏ、Φ）を式（１１）、式（１２）、式（１３）に代
入することにより、光学系の設置パラメータ（Ｌｌ、　
　Ｌ２＋Ｑ、、　　Ｑ２．　　θ）を変数とする方程式
が作成される。

つまり、既知表面上の点Ｐ　（Ｘ、　　Ｙ、　　Ｚ）の
数点とそれらの結像点Ｐａ（Ｘｃ、　ｙａ）の格子縞像
の位相Φがわかれ１戯　その方程式を解くことができ、
光学系の設置パラメータ（ＬＬ、　　Ｌ２．　　Ｑｌ、
　　Ｑ２゜θ）を求めることができる。

例え］ｆ、、既知の表面形状として、ステージの基準平
面６０１を用いて、この基準平面６０１を２軸方向へ移
動させると、未知の位置Ｚ０、移動量ΔＺおよび位相分
布（×。、ｙｏ、Φ）の関係（上　式（１１）を用いて
表した場合に（よ　式（Ｉ４）のようにな１３　Ｚ　＝
　ｆ　＋　（Φ、ｘｃ、ＬＨ，Ｌ２，１２　、＋Ｑ２ｒ
θ）−７Ｏ・・・式（１４） よって、第７図に示すように基準平面６０１を２軸に沿
って△Ｚだけ数回変化させ、計６組以上の（ａＺ、　　
Ｘｃ、　　Φ）を式（１４）に代入し、その連立方程式
を解くことにより、光学系の設置パラメータ（ＬＬ、　
　１２．　１２１．　　Ｑ２．　　θ）を求めることが
できる。

そして、この設置パラメータ（Ｌｌ、　　Ｌ２．　１２
＋。

Ｑ２ｒ　　θ）を式（１の、（５）、（６）に代入する
とともに、未知の被測定物体７００をステージ移動装置
６０２の基準平面６０１に載置して位相分布ｆｘｃ＋ｙ
。、Φ）を測定すれ（二　表面形状（Ｘ、　　Ｙ、　　
Ｚ）を求めることができる。

（２）　信号処理等 次］：、このような原理を利用して被測定物体７００の
表面形状を求める第２図の信号処理装置３００の動作に
ついて説明する。

カメラ２００からの格子縞像の映像信号はＡ／Ｄ変換部
３１１でアナログ信号からデジタル信号に変換された後
、位相分布検出部３１２に送ら札撮像面２０４上の位相
分布Ｉ　Ｘ６＋　　Ｙｏｕ　　Φ）が求められる。つま
り、位相分布検出部３１２で］よ第５図に示す格子縞像
の映像７０２をＸ０方向に何分側して、第８図のような
Ｘ０方向の１次元波形を得る。この１次元波形（よ　式
（８）より各々の縞のピークが２ｎπ（ｎは整数）で表
されていることから、各々のピークの位相Φとその位置
Ｐ６（ＸＯｌＶｏ）が求められる。したがって、撮像面
２０４上の位相分布（Ｘｏ＋　　Ｖｅ＋　　Φ）が求ま
る。この位相分布（Ｘ６＋　　’／　Ｏ＋　　Φ）によ
り、形状計算部３］３で式（］　０）、　　式（５）１
式（６）を用いて表面形状（Ｘ、　　Ｙ。

２）が計算されるのであるが、このとき、設置パラメー
タ測定部３２０から構成される装置パラメータ（Ｌｌ、
　　Ｌ２．　　Ｑｌ、　　Ｑ２．　　θ）が用いられる
。

形状計算部３１３の計算結果は表面形状表示装着４００
により出力される。

このような信号処理により表面形状が求められるのであ
るが、上述した設置パラメータ（Ｌ、、　　Ｌ２＋　（
！Ｉ＋　　Ｑｆｈ　　θ）の設定（よ　設置パラメータ
測定部３２０、ステージ制御部３３０及びステージ制御
装置６００等により行われる。

まず、ステージ制御装置６００の基準平面６゜１が未知
の位置Ｚｏにあるとき、設置パラメータ測定部３２０よ
り指示しただけ基準平面６０１をステージ制御部３３０
とステージ駆動装置６０３を介してＺ方向に移動させる
。その移動距離を７２とする。このときの基準平面６０
１上の格子縞像をカメラ２００により撮像する。カメラ
２００がらの映像信号をＡ／Ｄ変換部３１］でＡ／Ｄ変
換した後、位相分布検出部３１２において撮像面２０４
の格子縞像の映像の位相分布（Ｘ１ｌｌｌ　　Ｙｏｕ　
　Φ）を検出する。

ここで、基準平面６０１の未知の位置Ｚｏと移動量ΔＺ
と位相分布（Ｘａ、Ｙｃ、Φ）との関係１表上式（１４
）にて表されるから、／Ｚを数回変化させ、計６組以上
の（ΔＺ、　　ｘｃ、　　Φ）を式（１４）に代入し、
その連立方程式が解かれることにより、光学系の設置パ
ラメータ（Ｌｌ、　　Ｌ２．　　Ｑｌ、　　（！２．　
　θ）が求められる。これらの計算が設置パラメータ測
定部３２０により行われる。

その設置パラメータが上述したように形状計算部３］３
に与えら札　未知形状の被測定物体の測定において未知
形状の測定時に用いられるのである。

したがって、被測定物体７００の３次元形状を測定する
ために必要とされる設置パラメータが、位相分布検出部
３１２の信号や既知の被測定物体７００（基準平面６０
］）のデータに基づいて測定されるから、従来のように
手作業にて測定するより精度や作業性が向上する。

なお、上記実施例の変形例として、以下の態様が考えら
れる。

■　設置パラメータを求めるに１表　上式（１１）につ
いて計６組の多元連立方程式を解かなければならず、そ
の解法が複雑であるが、これを解決するために次のよう
な方法がある。まず、　ｘ０＝０の位置にピークをもつ
格子縞像がカメラ２００の撮像面２０４上で×。＝Ｏに
くるように基準平面６０１の位置を合わせる。すなわち
、基準平面６０７を２＝０の位置に移動させる。そして
、格子縞像を撮像し、位相分布（Ｘ　Ｏ＋　　ｙ　０１
　　Φ）を検出する。このときの表面形状と格子縞像の
映像７０２との関数（上　式（１０）にＺ二〇を代入し
て式（１５）で表される。

Ｅｘ、十ＦΦ十Ｇｘ０Φ＝０　・・・式（１５）また、
基準平面６０］をＺ方向に指定した距離だけ移動させ、
　ｘ０＝Ｏの位置にピークをもつ格子縞像をカメラ２０
０の撮像面２０４上でどの位置（Ｘｏ、Ｖｏ）にくるか
を検出する。このときの表面形状と格子縞像の映像７０
２との関係（上　式（１０）に×。二〇（Φ＝０）を代
入して式（１６）で表される。

を連立方程式に含めることにより、解法が簡単になる。

■　上記実施例で（よ　ステージ制御装置６００のステ
ージ駆動装置６０３等によりステージの基準表面６０１
をＺ軸方向へ移動しているが、ステージ移動装置６０２
を手動で移動させるととも隠この移動距離／Ｚを設置パ
ラメータ測定部３２０にキーボード等により入力しても
よい。この場合、移動装置６０２の移動量の設定（よ　
設置パラメータの測定と異なり、比較的正確に測定する
ことができるから、精度上何ら問題がない。

■　また、上記実施例で（上　移動可能なステージ制御
装置６００を用いたが、設置パラメータを求めるに（よ
　移動量△２に伴う基準平面６０］が測定できればよい
ことから、第９図に示すよう（：。

階段状の基準平面６０１Ａを有するととも（二　移動量
△Ｚに相当する距離が既知の形状を用い、この値を設定
パラメータ測定部３２０へ入力する手段であってもよい
。

［発明の効果］ 以上説明したよう１：、本発明によれ（戴　被測定物体
の３次元形状を測定するにあたって必要とされる設置パ
ラメータが、既知の被測定物体のデータおよび撮像手段
や位相分布検出手段等に基づいたデータに基づいて測定
されるから、従来のように手作業にて測定するより精度
や作業性が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の３次元形状装置の構成を示す構成図　
第２図は本発明の一実施例に係るプロジェクタとカメラ
等を用いた３次元形状測定装置の構成図　第３図はスリ
ットを示す説明は　第４図は被測定物体の格子縞を示す
説明は　第５図はカメラの撮像面上の格子縞を示す説明
医　第６図はプロジェクタ、カメラおよび被測定物体の
位置関係を座標系に表した説明は　第７図は被測定物体
を移動させた状態を座標系に表した説明医　第８図は格
子縞像の映像をｙ０方向分割したＸ０方向−次元のカメ
ラ信号の波形は　第９図は既知形状の被測定物体の一例
を示す斜視は　第１０図は従来技術に係るプロジェクタ
とカメラを用いた３次元形状測定装置の構成図を示す。 Ｍｌ・・・被測定物体　　Ｍ２・・・スリットＭ３・・
・レンズ　　Ｍ４・・・光照射手段　　Ｍ５・・・撮像
手段　　Ｍ６・・・位相分布検出手段　　Ｍｌ・・・設
置パラメータ測定手段　　Ｍ８・・・形状計算手段１０
０・・・プロジェクタ　　２００・・・カメラ　　３０
０−・・信号処理装置　　４００・・・表面形状表示装
置　　６００・・・ステージ制御装置　　７００・・・
被測定物体

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 被測定物体に対してスリットを通つた光をレンズを介し
   て照射する光照射手段と、 被測定物体からの反射光を所定入射角度をもつた位置に
   て撮像する撮像手段と、 この撮像手段からの電気信号の位相分布を検出する位相
   分布検出手段と、 既知の形状の被測定物体のデータまたは被測定物体の設
   置位置データと、位相分布検出手段からの位相分布デー
   タに基づいて光照射手段及び撮像手段の設置パラメータ
   を測定する設置パラメータ測定手段と、 上記位相分布検出手段からの位相分布データおよび設置
   パラメータ測定手段からの設置パラメータに基づいて被
   測定物体の３次元形状を計算処理して求める形状計算手
   段と、 を備えたことを特徴とする３次元形状測定装置。