(57)【要約】【課題】  安価な３次元形状測定装置を提供する。【解決手段】  ３次元形状測定装置は、被検体７に投影するパターンをＧＵＩ画像１１としてＰＣモニタ２上に表示する、アプリケーションソフトウェア４を実行するＰＣ本体１によって制御される。プロジェクタ装置５は、ＰＣモニタ２の表示を投影する、市販の投影機であり、３次元形状測定装置として動作する場合、アプリケーションソフトウェア４によってＰＣモニタ２上に表示されたパターンをそのまま被検体７に投影する。アプリケーションソフトウェア４は、ＰＣのモニタ画面２上にパターンを表示させるだけのものでよく、プロジェクタ装置５もＰＣのモニタ画面上の表示を投影する市販のものでよい。撮像装置６で、被検体７に投影されたパターンを撮像し、ＰＣ本体１で処理することによって、３次元形状を測定する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パターンを被検体に投影し、該パターンの変形量から被検体の３次元形状を測定する３次元形状測定装置であって、
画像を表示する表示画面と、
パターンを該表示画面に表示させ、必要に応じて表示されるパターンを変える制御手段と、
該制御手段が該表示画面に表示させたパターンを該被検体に投影する投影手段と、
該投影されたパターンを撮像する撮像手段と、
を備えることを特徴とする３次元形状測定装置。
【請求項２】
前記表示画面に表示されるパターンは、周期的に濃度変化するストライプパターンであることを特徴とする請求項１に記載の３次元形状測定装置。
【請求項３】
前記ストライプパターンの位相をずらしながら、各位相において順次撮像を行うことを特徴とする請求項２に記載の３次元形状測定装置。
【請求項４】
前記制御手段は、所定のアプリケーションソフトウェアに従って動作するコンピュータであり、
前記投影手段は、該コンピュータの表示画面の表示内容を投影するプロジェクタであることを特徴とする請求項１に記載の３次元形状測定装置。
【請求項５】
パターンを被検体に投影し、該パターンの変形量から被検体の３次元形状を測定する３次元形状測定方法であって、
パターンを表示画面に表示させ、必要に応じて表示されるパターンを変える制御ステップと、
該制御ステップで該表示画面に表示させたパターンを該被検体に投影させる投影ステップと、
該投影されたパターンを撮像させる撮像ステップと、
を備えることを特徴とする３次元形状測定方法。
【請求項６】
パターンを被検体に投影し、該パターンの変形量から被検体の３次元形状を測定する３次元形状測定方法であって、
パターンを表示画面に表示させ、必要に応じて表示されるパターンを変える制御ステップと、
該制御ステップで該表示画面に表示させたパターンを該被検体に投影させる投影ステップと、
該投影されたパターンを撮像させる撮像ステップと、
を備えることを特徴とする３次元形状測定方法をコンピュータに実現させるプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被検体表面の３次元形状を測定する方法のひとつに格子パターン投影法がある。格子パターン投影法は物体表面上に縞パターンを投影し、その投影パターン画像の変形量、つまり横ずれ量から三角測量の原理により物体表面形状を求める技術である。
【０００３】
この原理を用いた計測を更に簡便なものにするために、（例えば、特許文献１に開示されるように）位相シフト法が用いられる。これは投影する格子パターンの位相を順次変化させて撮像した画像データを基にその初期位相分布を演算で求める方法である。
【０００４】
得られるパターンの変形画像を式で表すとＩ（ｘ、ｙ）＝ａ（ｘ、ｙ）＋ｂ（ｘ、ｙ）ｃｏｓ（２πｆｘ＋φ（ｘ、ｙ））となる。ここに、Ｉ（ｘ、ｙ）は座標（ｘ、ｙ）での画像の輝度を表す。ａ（ｘ、ｙ）はバイアス成分、ｂ（ｘ、ｙ）はパターンの振幅成分である。ｆはパターンの空間周波数であり、φ（ｘ、ｙ）が求めるべき位相である。パターンをπ／２ずつＸ方向へシフトして得られた画像は、Ｉｉ（ｘ、ｙ）＝ａ（ｘ、ｙ）＋ｂ（ｘ、ｙ）ｃｏｓ（２πｆｘ＋φ（ｘ、ｙ）＋πｉ／２）（ｉ＝０、１、２、３）で表される。これらの式からφ（ｘ、ｙ）＝Ａｒｃｔａｎ（（Ｉ１（ｘ、ｙ）−Ｉ３（ｘ、ｙ））／（Ｉ０（ｘ、ｙ）−Ｉ２（ｘ、ｙ）））として位相を求めることができる。
【０００５】
位相φ（ｘ、ｙ）は、Ａｒｃｔａｎ関数を使用して求められるので−π〜πの値に折り畳まれた不連続な値となる。そこで、φ（ｘ、ｙ）の値に２ｎπ（ｎは整数）を加算又は減算をして位相分布が滑らかに変化するような処理、つまり位相接続処理（アンラッピング処理）を行い、連続した初期位相分布φ’（ｘ、ｙ）を求める。位相接続処理の従来技術としては、例えば、特許文献２等がある。このようにして求めた、連続した位相分布φ’（ｘ、ｙ）より、三角測量の原理を用いて高さへの変換が行われ、測定物体の高さ形状分布Ｈ（ｘ、ｙ）が求められる（特許文献１参照）。
【０００６】
格子パターンの位相を変化させる方法としては、機械的な駆動（1軸の移動ステージ等）により投影するパターンを横方向にずらしながら投影する方法が一般的であるが、中には、特許文献３に開示されるような液晶デバイスを利用する方法も提案されている。この例では、パターンメモリに記憶されたパターンを液晶ドライバを介して投影プロジェクタ内部の液晶に表示させ被検体に投影する。液晶に表示させるパターンを変化させることで投影するパターンの位相シフトを行うため、機械的な駆動により位相シフトを行う場合に比べ、高速な位相シフトが可能で測定のタクトタイムが向上できる。
【０００７】
その他に、液晶による位相シフトの技術を開示した従来技術には、特許文献４、５がある。
【特許文献１】特開２０００−９４４４号公報
【特許文献２】特開２０００−１６１９０８号公報
【特許文献３】特開平９−２１６２０号公報
【特許文献４】特開平１１−８３４５４号公報
【特許文献５】特開２０００−１４６５４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のような液晶プロジェクタによるパターン投影を行う装置では、パターンを表示させるための専用の液晶ドライバ、又はドライバ内部の専用ファームウェアが必要である。
このような装置に特化した専用のハードウェア又はファームウェア構成では、装置の大型化、装置価格が高価になるという問題がある。
【０００９】
本発明の課題は、持ち運びも容易で、安価な３次元形状測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の３次元形状測定装置は、パターンを被検体に投影し、該パターンの変形量から被検体の３次元形状を測定する３次元形状測定装置であって、画像を表示する表示画面と、パターンを該表示画面に表示させ、必要に応じて表示されるパターンを変える制御手段と、該制御手段が該表示画面に表示させたパターンを該被検体に投影する投影手段と、該投影されたパターンを撮像する撮像手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、安価な３次元形状測定装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、本発明の実施形態に従った３次元形状測定装置の概略構成を示す図である。
３次元形状測定装置は、パーソナルコンピュータ（以下、ＰＣ）本体１と、ＰＣ本体１から出力される画面を映し出すＰＣモニタ２と、ＰＣ本体１に指示を出すためのキーボード、マウスといった指示装置３と、ＰＣ本体１内部のメモリ部に格納され、各種演算処理を行うアプリケーションソフトウェア４と、ＰＣ本体１から出力される、画面を映し出すＰＣモニタ２と同じ画面をスクリーンに映し出すプロジェクタ装置５と、前記被検体７を撮像するための撮像装置６とから構成される。
【００１３】
プロジェクタ装置５は、投影用の光源、液晶ドライバ、液晶、投影光学系を内蔵している。
ＰＣ本体１のモニタ出力端子とＰＣモニタ２は電気的に接続され、ＰＣ本体１で実行されたアプリケーションソフトウェア４のＧＵＩ画面１１をＰＣモニタ２の画面上に表示する。
【００１４】
更に、ＰＣ本体１のモニタ出力端子はプロジェクタ装置５とも電気的な接続がなされ、ＰＣ本体１で実行されたアプリケーションソフトウェア４のＧＵＩ画面１１に表示されるパターンはプロジェクタ装置５により、被検体７に向けて投影される。パターンの投影領域１０は被検体７の測定対象領域と同等もしくはそれより広い領域となるようにプロジェクタ装置５が配置されている。
【００１５】
撮像装置６はＰＣ本体１の画像入力端子と電気的に接続され、撮像装置６による撮像データはＰＣ本体１内部のメモリ部に取り込まれる。
図２は、本発明の実施形態に従ったＧＵＩ画面１１の表示例を示す図である。
【００１６】
ＧＵＩのメイン画面は（Ａ−１）のように表示され、マウス、キーボード等の指示装置３にてＧＵＩ画面１１上のボタンや数値入力部への操作が行われる。
測定パラメータ入力部２２には、投影パターンのパターンピッチ、投影角度、位相シフト条件等のパターン投影法と位相シフト法が必要とする測定パラメータの設定値が入力される。
【００１７】
被検体の測定は、測定開始ボタン２０を押すことで測定が開始される。このボタンが押されると、ＧＵＩ画面１１は（Ｂ−１）のような画面へと切り替わる。この画面では、測定パラメータ入力部２２で設定したピッチのストライプパターンがＰＣモニタ２の全画面に渡って表示されている。
【００１８】
更に、ストライプパターンはプロジェクタ装置５により被検体７にも投影されている。このとき、アプリケーションソフトウェア４は、撮像装置６に画像取り込みの指示を出し、撮像データＩ０（ｘ、ｙ）が、ＰＣ本体１内部のメモリ部に取り込まれ保存される。ここで、撮像されたストライプパターンは被検体７の表面の凹凸形状により変形されている。
【００１９】
次に、ＧＵＩ画面１１は（Ｂ−２）に切り替わる。この画面は測定パラメータ入力部２２で設定した位相シフト量に従って（Ｂ−１）の画面から所定量（この例では１／２πｒａｄ）位相をずらしたストライプパターンである。このパターンも前記同様にプロジェクタ装置５により被検体７にも投影され、アプリケーションソフトウェア４の指示により撮像データＩ１（ｘ、ｙ）がＰＣ本体１内部のメモリ部に取り込まれ保存される。
【００２０】
以下では、この動作を繰り返し、ＧＵＩ画面１１が（Ｂ−３）、（Ｂ−４）に切り替わる毎に、撮像データＩ２（Ｘ，ｙ）、Ｉ３（ｘ、ｙ）が順次ＰＣ本体１のメモリ部に保存される。
【００２１】
ＰＣ本体１内部のＣＰＵ部ではメモリ部に保存されたＩ０（ｘ、ｙ）、Ｉ１（ｘ、ｙ）、Ｉ２（ｘ、ｙ）、Ｉ３（ｘ、ｙ）を基に、
φ（ｘ、ｙ）＝Ａｔａｎ（（Ｉ１（ｘ、ｙ）−Ｉ３（ｘ、ｙ））／（Ｉ０（ｘ、ｙ）−Ｉ２（ｘ、ｙ）））、
という式に従って位相を演算する。求められた位相分布φ（ｘ、ｙ）に対して、位相接続処理、高さへの変換を行い、被検体表面の高さ分布Ｈ（ｘ、ｙ）が求められる。
【００２２】
この高さ分布Ｈ（ｘ、ｙ）は（Ａ−２）に示すように結果表示部２３に表示される。結果表示部２３での表示形式は表示形式選択ボタン２１で、例えば等高線表示や、グレースケール表示、鳥瞰図表示等のように選択が可能である。このＨ（ｘ、ｙ）の表示データを基に各種３次元形状の測定を行うことが可能となる。
【００２３】
ＰＣ本体のモニタ出力端子は通常のパーソナルコンピュータには標準的に内蔵されているものであり、また、本実施形態で使用した投影プロジェクタはＰＣの画面を投影するタイプのものである。これは一般的に市販されているものであるので、パターン投影装置向けに特別にカスタマイズする必要はない。ソフトウェアのＧＵＩ画面に位相シフトの投影パターンを表示するだけで被検体にパターン投影が行えるので、持ち運びも容易で、安価な構成で３次元形状測定装置が提供できる。
【００２４】
また、上記実施形態では液晶を用いたプロジェクタを用いたが、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）等のマイクロミラー素子を使用するＰＣ画面のプロジェクタを使用しても良いし、同様に、ＰＣのモニタに表示されるパターンを被検体に投影できるものであれば何を使っても良い。
【００２５】
また、本実施形態では、ストライプパターンを投影したが、これに限定されるものではなく、マトリックス状のパターンや、同心円パターン等、投影したパターンの変形度合いから三角測量の原理により３次元形状を測定できれば何でも良い。
【００２６】
更に、本実施形態では位相シフト法を用いたが、位相シフトせずに１つの投影パターンの変形度合いから三角測量の原理で測定しても良い。
また、プロジェクタの投影光学系は、縮小投影系であっても、拡大投影系であってもよい。更に、撮像装置の結像光学系は、縮小結像系であっても拡大結像系であってもよい。
【００２７】
更に、非測定中はＰＣモニタの画面を被検体に投影しないように、投影光路にシャッター等を設けても良い。
また、本実施形態では、ＰＣ本体とＰＣモニタとを用いるデスクトップ型パソコンを利用した方法で説明したが、ＰＣ本体とＰＣモニタが一体のノート型パソコンを利用すると、よりいっそう持ち運びが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施形態に従った３次元形状測定装置の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に従ったＧＵＩ画面の表示例を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１      ＰＣ本体
２      ＰＣモニタ
３      指示装置
４      アプリケーションソフトウェア
５      プロジェクタ装置
６      撮像装置
７      被検体
【図１】
2006064556.tif 000003
【図２】
2006064556.tif 000004