(57)【要約】【課題】計測対象物の計測精度を高めることが可能な３次元計測装置、および、３次元計測方法を提供する。【解決手段】計測対象物（２）が載置される載置面（１３）側に向けてパターン光を投影する投影機（１０）と、載置面側からの反射光を撮影する撮影機（９）と、撮影機による撮影画像の画素毎の位相と、撮影機と載置面との間に設定された基準面に対する高さとの関係式に係る変換情報を、基準面に交差する方向の複数の区間にそれぞれ対応させて記憶した記憶装置（１６）と、パターン光が投影された計測対象物の撮影画像から得られた計測位相と、当該計測位相に対応する区間の変換情報とに基づいて計測対象物の基準面に対する高さを算出する演算装置（１５）と、を備えることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測対象物の形状を計測する３次元計測装置であって、
前記計測対象物が載置される載置面側に向けてパターン光を投影する投影機と、
前記載置面側からの反射光を撮影する撮影機と、
前記撮影機による撮影画像の画素毎の位相と、前記撮影機と前記載置面との間に設定された基準面に対する高さと、の関係式に係る変換情報を前記基準面に交差する方向の複数の区間にそれぞれ対応させて記憶した記憶装置と、
前記パターン光が投影された前記計測対象物の撮影画像から得られた計測位相と、当該計測位相に対応する区間の前記変換情報と、に基づいて前記計測対象物の前記基準面に対する高さを算出する演算装置と、
を備えることを特徴とする３次元計測装置。
【請求項２】
前記変換情報は、前記複数の区間の端をそれぞれ規定する複数の計測点における標本位相および前記基準面に対する高さに基づき前記区間ごとに求められた近似式に関する情報であることを特徴とする請求項１に記載の３次元計測装置。
【請求項３】
前記変換情報は、同一区間を規定する前記計測点のそれぞれの標本位相および前記基準面に対する高さと、これらの計測点同士の間に設定された区間計測点における標本位相および前記基準面に対する高さと、に基づき最小二乗近似により得られた近似式に関する情報であることを特徴とする請求項２に記載の３次元計測装置。
【請求項４】
計測対象物が載置される載置面側に向けてパターン光を投影する投影機と、前記載置面側からの反射光を撮影する撮影機と、を備えた３次元計測装置において前記計測対象物の形状を計測する３次元計測方法であって、
前記撮影機による撮影画像の画素毎の位相と、前記撮影機と前記載置面との間に設定された基準面に対する高さと、の関係式に係る変換情報を、前記基準面に交差する方向の複数の区間のそれぞれについて取得する変換情報取得工程と、
前記パターン光が投影された前記計測対象物の撮影画像から得られた計測位相と、当該計測位相に対応する区間の前記変換情報と、に基づいて前記計測対象物の前記基準面に対する高さを算出する高さ算出工程と、
を有することを特徴とする３次元計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測対象物の形状（基準からの高さ）を計測することが可能な３次元計測装置、および、３次元計測方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
計測対象物の形状を計測する方法としては、位相シフト法に基づく３次元計測が知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に開示されている計測方法では、基準面の位相を全画素について基準位相としてそれぞれ取得し、計測対象物の計測時には当該計測対象物に対して正弦波パターンを投影して得られた撮影画像から算出した位相から基準位相を差し引くことによって計測対象物の高さが得られる。具体的には、計測対象物における所定の位置における位相をφａ、基準位相をφｂ、正弦波パターンの格子のピッチをＰｉｔｃｈ、正弦波パターンを計測対象物または基準面に投影する際の入射角をαとして、Ｈｅｉｇｈｔ＝Ｐｉｔｃｈ×（φａ−φｂ）／２π×ｓｉｎαなる式を用いて計測対象物の高さを算出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−８４２８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、高さと位相との関係は、光学的な特性の影響により実際には非線形の特性を示す。このため、上記の一つの式を用いた計測方法では誤差が生じるおそれがあり、その結果、計測対象物の形状を正確に把握することが困難となる場合があった。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、計測精度を高めることが可能な３次元計測装置、および、３次元計測方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の３次元計測装置は、上記目的を達成するために提案されたものであり、計測対象物の形状を計測する３次元計測装置であって、
前記計測対象物が載置される載置面側に向けてパターン光を投影する投影機と、
前記載置面側からの反射光を撮影する撮影機と、
前記撮影機による撮影画像の画素毎の位相と、前記撮影機と前記載置面との間に設定された基準面に対する高さと、の関係式に係る変換情報を前記基準面に交差する方向の複数の区間にそれぞれ対応させて記憶した記憶装置と、
前記パターン光が投影された前記計測対象物の撮影画像から得られた計測位相と、当該計測位相に対応する区間の前記変換情報と、に基づいて前記計測対象物の前記基準面に対する高さを算出する演算装置と、
を備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、従来の１つの近似式に基づいて位相から高さを取得する構成と比較して、複数の区間にそれぞれ対応した関係式により位相から高さを得ることにより、光学的な特性の影響による誤差を低減することができる。これにより、より高い精度で３次元形状の計測が可能となる。
【０００８】
また、上記構成において、前記変換情報は、前記複数の区間の端をそれぞれ規定する複数の計測点における標本位相および前記基準面に対する高さに基づき前記区間ごとに求められた近似式に関する情報である構成を採用することが望ましい。
【０００９】
これによれば、計測点における標本位相および基準面に対する高さに基づき区間ごとに近似式が求められるので、より容易に関係式を取得することができる。
【００１０】
さらに、上記構成において、前記変換情報は、同一区間を規定する前記計測点のそれぞれの標本位相および前記基準面に対する高さと、これらの計測点同士の間に設定された区間計測点における標本位相および前記基準面に対する高さと、に基づき最小二乗近似により得られた近似式に関する情報である構成を採用することもできる。
【００１１】
これによれば、同一区間を規定する計測点におけるそれぞれの標本位相および基準面に対する高さに、これらの計測点同士の間にさらに設定された区間計測点における標本位相および基準面に対する高さを加えて最小二乗近似により近似式を求めることにより、さらに高い精度で３次元形状の計測が可能となる。
【００１２】
また、本発明の３次元計測方法は、計測対象物が載置される載置面側に向けてパターン光を投影する投影機と、前記載置面側からの反射光を撮影する撮影機と、を備えた３次元計測装置において前記計測対象物の形状を計測する３次元計測方法であって、
前記撮影機による撮影画像の画素毎の位相と、前記撮影機と前記載置面との間に設定された基準面に対する高さと、の関係式に係る変換情報を、前記基準面に交差する方向の複数の区間のそれぞれについて取得する変換情報取得工程と、
前記パターン光が投影された前記計測対象物の撮影画像から得られた計測位相と、当該計測位相に対応する区間の前記変換情報と、に基づいて前記計測対象物の前記基準面に対する高さを算出する高さ算出工程と、
を有することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の３次元計測装置の一形態の構成を説明するブロック図である。
【図２】変換情報取得工程の流れを説明するフローチャートである。
【図３】各計測点における標本位相と高さとの関係を示すグラフである。
【図４】計測対象物の計測工程について説明するフローチャートである。
【図５】第２の実施形態における各計測点の標本位相と高さとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態を、添付図面を参照して説明する。なお、以下に述べる実施の形態では、本発明の好適な具体例として種々の限定がされているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。
【００１５】
図１は、本発明に係る３次元計測装置１の一形態の構成を示すブロック図である。本実施形態における３次元計測装置１は、Ｚステージ３、計測機群５、コンピューター６、および、液晶ディスプレイ等の表示装置７等を備えており、計測対象物２の形状（基準面からの高さ）を、位相シフト法を用いて計測する。計測対象物２は、Ｚステージ３上にセットされた載置板１２に載置される。この載置板１２の上面（計測機群５と対向する面）である載置面１３は、後述する計測面としても機能する。そして、載置板１２は、Ｚステージ３の昇降機構によってＺ方向、すなわち、計測機群５に近づく方向あるいは遠ざかる方向に移動可能に構成されている。
【００１６】
本実施形態における計測機群５は、撮影機９、投影機１０、および高さ計測機１１を備えている。投影機１０は、図示しない光源、パターン格子、レンズ等を備え、載置面１３（計測面）または当該載置面１３に載置された計測対象物２に向けて輝度値の明暗による縞状の正弦波パターン（本発明におけるパターン光に相当）Ｐを投影する。以下、計測対象物２または載置面１３（計測面）に実際に投影された正弦波パターンＰを投影パターンともいう。投影機１０は、光軸に対して交差する方向にパターン格子を移動させることにより、投影パターンの位相をシフトさせることができる。撮影機９は、図示しないレンズや撮像素子（ＣＣＤ）等を備え、投影パターンが投影された載置面１３（計測面）や計測対象物２からの反射光を撮像素子で受光して撮影画像データに変換してコンピューター６に出力する。高さ計測機１１は、例えばレーザー距離計から構成され、載置面１３に向けてレーザー光を照射するとともに当該載置面１３で反射された反射光を受光し、この受光状態に基づき計測面としての載置面１３までの距離（Ｚ方向における位置）を計測する。高さ計測機１１の計測値は、高さデータとして変換されてコンピューター６に出力される。すなわち、高さ計測機１１は、計測面のＺ方向における高さを計測するために用いられる。なお、高さ計測機１１としては、レーザー光を使用するものに限られず、載置面１３までの距離を計測できるものであればよい。また、計測面は、必ずしも載置板１２の載置面１３には限られず、載置面１３とは異なる面を採用することも可能である。
【００１７】
本実施形態におけるコンピューター６は、演算部１５（本発明における演算装置に相当）および記憶部１６（本発明における記憶装置に相当）を備えている。記憶部１６は、例えばハードディスクドライブ等から構成され、この記憶部１６には、オペレーションシステム、各種アプリケーションプログラム、その他演算用のデータ等が記憶されている。そして、演算部１５は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有しており、記憶部１６に記憶されたオペレーションシステムに従い、画像処理などの各種の処理を行う。また、撮影機９から入力された計測面または計測対象物２の撮影画像データ（以下、単に撮影画像と称する）は、記憶部１６に記憶される。また、記憶部１６には、後述するように投影パターンの位相とＺ方向における高さ（基準面に対する相対位置）との関係式に係る変換情報が、計測器群５と載置面１３との間における複数の区間のそれぞれに対応させて記憶される。
【００１８】
次に、上記構成の３次元計測装置１において実際に計測対象物２の計測を行う前に実行される上記変換情報の取得工程について説明する。
【００１９】
図２は、変換情報取得工程の流れを説明するフローチャートである。まず、Ｚ方向における下死点まで降下した載置板１２の載置面１３と計測機群５との間のＺ方向における所定の範囲内で複数の区間が設定される（ステップＳ１）。上記所定の範囲は、計測対象物２の大きさ（高さ）に基づいて任意に定められる。すなわち、Ｚ方向において計測対象物２が入る範囲に定められる。本実施形態においては、上記所定の範囲が後述する仮想的な基準面に対して±１ｍｍの範囲に設定される。そして、上記の下死点における載置面１３が、この範囲の下限値である計測点Ａとされ、ここからＺ方向における上方（計測機群５側）に向けて一定の間隔（例えば、０．５ｍｍ間隔）で順にＢ、Ｃ、Ｄ、およびＥの合計５点の計測点が設定される。このため、本実施形態においては、計測点Ａと計測点Ｂとの間の区間ＡＢ、計測点Ｂと計測点Ｃとの間の区間ＢＣ、計測点Ｃと計測点Ｄとの間の区間ＣＤ、および計測点Ｄと計測点Ｅとの間の区間ＤＥの合計４つの区間が設定される。計測点Ａ〜Ｅは、各区間の端を規定するものである。また、以下で説明する標本位相の取得の際に各計測点に配置される載置面１３は、計測面として機能する。そして、上記計測点のうち、計測点Ｃに位置するときの計測面が本実施形態においては基準面とされる。つまり計測点Ｃを０（基準面）として±１ｍｍの計測範囲が定められる。勿論、基準面の位置、区間の数（計測点の数）、その間隔についても、計測対象物２の表面の凹凸の高低差等に基づいて任意に定めることができる。
【００２０】
次に、計測面としての載置面１３が上記のように設定された各計測点に順次移動・配置されて、それぞれにおいて位相シフト法により標本位相が取得される。すなわち、予め定められた計測順に従い、例えば、計測点Ａが最初の指定高さに指定されている場合には、Ｚステージ３により載置面１３が計測点Ａに移動・配置される（ステップＳ２）。載置面１３の高さは、高さ計測機１１により検出される距離情報に基づき調節される。なお、本実施形態において、計測点における載置面１３（計測面）の高さは、高さ計測機１１の検出値に基づくものであるため、例えば、載置面１３がＺ方向に対して多少傾いていることにより当該面内においてＺ方向の位置が一定ではない場合においても、「計測点における載置面１３の高さ」と言う場合には、一律に高さ計測機１１の検出値に基づく高さであるものとする。
【００２１】
続いて、当該計測点において、位相シフト法により標本位相φが取得される（ステップＳ３）。すなわち、演算部１５は、投影機１０により計測点に配置された計測面としての載置面１３に向けて正弦波パターンＰを投影し、撮影機９により計測面上の投影パターンを撮影する。この際、正弦波パターンＰの位相は一定間隔で複数回シフトされてその都度撮影され、撮影画像が記憶部１６に記憶される。例えば、位相を２π／３ずつずらして３つの投影パターンの撮影画像が取得される。そして、各撮影画像の輝度値から位相が標本位相として画素毎に求められる。位相の算出方法については周知の種々の方法を採用することができる。そして、標本位相が全画素について求められ、各画素の座標（Ｘ，Ｙ）にそれぞれ対応付けられて、計測点Ａにおける標本位相φＡとして記憶部１６に記憶される。なお、計測面や計測対象物２に対する正弦波パターンＰの入射角や方向については、例示したものには限られず、計測対象物２の表面の凹凸形状等に応じてより適した入射角等に設定することができる。
【００２２】
次に、予め定められた計測点の全てについて標本位相φが取得されたか否かが判定され（ステップＳ４）、まだ標本位相φが取得されていない計測点がある場合（Ｎｏ）、ステップＳ２に戻り、載置面１３が次の計測点に移動・配置され（ステップＳ２）、当該計測点において上記と同様に位相シフト法により標本位相が全画素についてそれぞれ取得される（ステップＳ３）。一方、ステップＳ４において、予め定められた計測点の全てについて標本位相が取得されたと判定された場合（Ｙｅｓ）、続いて、各計測点における標本位相に基づいて区間毎に全画素について位相と高さの関係式（近似式）が算出される（ステップＳ５）。
【００２３】
図３は、所定の画素についての各計測点における標本位相とＺ方向における計測点の高さ（基準面からの相対位置）との関係を示すグラフである。同図において、横軸は位相、縦軸は高さをそれぞれ示している。上記のように、各計測点Ａ〜Ｅにそれぞれ対応する標本位相φＡ〜φＥが画素毎に取得されているので、図３に示されるようにプロットすることができる。そして、演算部１５は、計測点Ａ〜Ｅの高さと標本位相φＡ〜φＢとに基づき、各区間ＡＢ，ＢＣ，ＣＤ，ＤＥのそれぞれについて、位相と高さについての近似式（関係式）を算出する。すなわち、例えば、区間ＡＢの近似式は、高さをＨａｂ、傾きをＳａｂ、切片をＩａｂとして、以下（１）のような一次式になる。
Ｈａｂ＝Ｓａｂ×φ＋Ｉａｂ  ...（１）
同様にして、区間ＢＣ，ＣＤ，ＤＥの近似式は、それぞれ以下のように得られる。
Ｈｂｃ＝Ｓｂｃ×φ＋Ｉｂｃ  ...（２）
Ｈｃｄ＝Ｓｃｄ×φ＋Ｉｃｄ  ...（３）
Ｈｄｅ＝Ｓｄｅ×φ＋Ｉｄｅ  ...（４）
区間毎に近似式が求められたならば、演算部１５は、例えば近似式の傾きおよび切片を、位相と高さについての変換情報として、区間毎および画素毎に対応付けて記憶部１６に記憶させる（ステップＳ６）。勿論、変換情報としては近似式の傾きおよび切片に限られず、近似式を一意に特定することができる情報であればよい。以上のようにして、変換情報取得工程が行われる。なお、変換情報に関し、３次元計測装置１の製品としての出荷前の段階で予め取得されてプリセットとして記憶部１６に記憶され、計測対象の凹凸のサイズ（高低差）や計測用途に応じてプリセットが読みだされる構成を採用することもできる。これにより、より迅速に計測を行うことが可能となる。
【００２４】
図４は、上記変換情報を用いて実際に計測対象物２の形状を計測する工程（本発明における高さ算出工程に相当）について説明するフローチャートである。まず、計測対象物２が載置面１３に載置される（ステップＳ１０）。続いて、載置面１３が計測点に配置される（ステップＳ１１）。例えば、Ａが計測点に指定されている場合には、Ｚステージ３により載置面１３が計測点Ａに移動・配置される。続いて、計測点に配置された載置面１３上の計測対象物２について投影パターンの撮影画像に基づいて画素毎に位相が計測位相として取得される（ステップＳ１２）。すなわち、演算部１５は、投影機１０により計測対象物２に正弦波パターンＰを投影し、撮影機９により計測対象物２を撮影する。そして、投影パターンの位相が異なる撮影画像がそれぞれ取得され、各撮影画像から計測位相φｘが画素毎に求められる。得られた計測位相φｘは、画素の座標にそれぞれ対応付けられて記憶部１６に記憶される。
【００２５】
次に、演算部１５は、上記のようにして得られた計測位相φｘが該当する区間を探索し（ステップＳ１３）、記憶部１６に記憶されている変換情報の中から該当する区間に対応する変換情報を読み出す。例えば、図３に示されるように、計測位相φｘが標本位相φＣとφＤとの間の値であった場合、当該計測位相φｘは、区間ＣＤに該当すると判定される。これに応じて、記憶部１６に記憶されている変換情報の中から当該区間ＣＤに対応する変換情報、すなわち、上記式（３）に関する傾きＳｃｄ、切片Ｉｃｄが読みだされる。そして、演算部１５は、読みだした変換情報から特定される式に計測位相φｘを代入することにより、当該計測位相φｘに対応する高さＨｘを取得する。すなわち、図３の場合、演算部１５は、傾きＳｃｄ、切片Ｉｃｄから把握される上記式（３）に計測位相φｘを代入することにより、当該計測位相φｘに対応する高さＨｘ（基準面からの高さ）を算出する。このように、演算部１５は、各画素の計測位相φｘについて区間の探索を行い、該当する区間の変換情報に基づき高さＨｘを算出する。
【００２６】
以上のようにして、計測対象物２について投影パターンの撮影画像から得られた各画素の高さＨｘに基づいて、当該計測対象物２の３次元の形状が把握される。本発明に係る３次元計測装置１および３次元計測方法によれば、従来の一つの近似式により高さを算出する構成と比較して、複数の区間に応じた近似式により位相から高さを得ることにより、光学的な特性の影響による誤差を低減することができる。これにより、より高い精度で３次元形状の計測が可能となる。また、本実施形態においては、同一区間を規定する２点の計測点におけるそれぞれの標本位相および基準面に対する高さに基づき近似式（一次式）が求められるので、より容易に関係式（変換情報）を取得することができる。
【００２７】
なお、上記第１の実施形態においては、各区間の近似式（変換情報）を２点の計測点から求めた例を示したが、これには限られない。図５に示されるように、各区間においてさらに複数の区間計測点を設定し、それぞれの区間計測点における標本位相および高さから最小二乗近似により近似式（関係式）を算出することも可能である。例えば、計測点Ｃを基準（０）として、計測点Ａ（−１ｍｍ）と計測点Ｂ（−０．５ｍｍ）で規定される区間ＡＢを、０．１ｍｍ間隔でさらに−０．９ｍｍ（高さｈａ）、−０．８ｍｍ（高さｈｂ）、−０．７ｍｍ（高さｈｃ）、−０．６ｍｍ（高さｈｄ）の各区間計測点を設定し、これらの区間計測点でそれぞれ標本位相φａ〜φｄをそれぞれ算出して、合計６つの標本位相と各計測点の高さから最小二乗近似によって近似式（関係式）を算出することができる。この構成によれば、誤差をより低減することができるので、さらに高い精度で３次元形状の計測が可能となる。
【００２８】
なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて種々の変形が可能である。
例えば、計測点の設定数や、区間計測点の設定数は、計測対象物のサイズや必要とする計測精度に応じて任意に変更することができる。
また、上記実施形態においては、Ｚステージ３により載置面１３および計測対象物２を計測機群５に対して上下させる構成を例示したが、これには限られず、要するに、計測機群５と載置面１３および計測対象物２とを相対的に移動させる（近接させるまたは離間させる）構成であればよい。このため、上記で説明した計測面および基準面は、載置面１３および計測対象物２と計測機群５との相対位置（距離）に応じて定まる面であると言える。
【符号の説明】
【００２９】
１...三次元計測装置，２...計測対象物，３...Ｚステージ，５...計測機群，６...コンピューター，７...表示装置，９...撮影機，１０...投影機，１１...高さ計測機，１２...載置板，１５...演算部，１６...記憶部 
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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