(57)【要約】【課題】  外乱光の影響による三次元形状の測定の誤差を抑制する手段を提供する。【解決手段】  三次元形状測定装置は、投影部と、補助照明部と、検出部と、照度制御部とを備える。投影部は、測定対象物に対して一定照度のパターン光を照射する。補助照明部は、パターン光の照射された測定対象物を照明する。検出部は、パターン光の成分と補助照明部による照明の成分とを含む測定対象物の表面の明るさを検出する。照度制御部は、補助照明部による照明強度を、検出部によって検出される明るさが一定となるように制御する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物に対して一定照度のパターン光を照射する投影部と、
前記パターン光の照射された前記測定対象物を照明する補助照明部と、
前記パターン光の成分と前記補助照明部による照明の成分とを含む前記測定対象物の表面の明るさを検出する検出部と、
前記補助照明部による照明強度を、前記検出部によって検出される前記明るさが一定となるように制御する照度制御部と、
を備えることを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の三次元形状測定装置において、
前記照度制御部は、前記検出部の検出結果から前記測定対象物の表面での明るさの変動量を求めるとともに、前記明るさの変動量が相殺されるように前記補助照明部の照度を調整することを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の三次元形状測定装置において、
前記投影部は、前記パターン光の位相をシフトさせて前記測定対象物に照射可能であることを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の三次元形状測定装置において、
前記補助照明部の照明は、前記測定対象物に対する均一照明であることを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の三次元形状測定装置において、
前記パターン光によって前記測定対象物の表面に形成されるパターンを含んだ像を結像させる撮像光学系をさらに備え、
前記検出部は、前記撮像光学系の瞳面近傍における前記明るさを検出することを特徴とする三次元形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、測定対象物の三次元形状を計測する方法として、例えば特許文献１に示されるような位相シフト法が知られている。この位相シフト法では、正弦波状の強度分布を持つ縞パターンを測定対象物の表面に複数回投影して正弦波の位相を求め、その情報をもとに三次元形状を復元する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−１４８８１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記の三次元形状の測定では、パターンの位相を除いて複数の画像をそれぞれ同じ条件で撮像することが前提となる。よって、外乱光によって画像間での撮像条件がばらつくと測定された形状の誤差が大きくなってしまう。
【０００５】
そこで、本発明は、外乱光の影響による三次元形状の測定の誤差を抑制する手段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】
【０００６】
一の態様の三次元形状測定装置は、投影部と、補助照明部と、検出部と、照度制御部とを備える。投影部は、測定対象物に対して一定照度のパターン光を照射する。補助照明部は、パターン光の照射された測定対象物を照明する。検出部は、パターン光の成分と補助照明部による照明の成分とを含む測定対象物の表面の明るさを検出する。照度制御部は、補助照明部による照明強度を、検出部によって検出される明るさが一定となるように制御する。
【０００７】
上記の一の態様において、照度制御部は、検出部の検出結果から測定対象物の表面での明るさの変動量を求めるとともに、明るさの変動量が相殺されるように補助照明部の照度を調整してもよい。
【０００８】
上記の一の態様において、投影部は、パターン光の位相をシフトさせて測定対象物に照射可能であってもよい。
【０００９】
上記の一の態様において、補助照明部の照明は、測定対象物に対する均一照明であってもよい。
【００１０】
上記の一の態様の三次元形状測定装置は、パターン光によって測定対象物の表面に形成されるパターンを含む画像を結像させる撮像光学系をさらに備えていてもよい。そして、検出部は、撮像光学系の瞳面近傍における明るさを検出してもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、測定対象物の表面の明るさに応じて、補助照明部の照度の調整によって測定対象物の表面の明るさを一定に保ち、外乱光の影響による三次元形状の測定の誤差を抑制する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】一の実施形態における三次元形状計測装置の構成例を示す図
【図２】一の実施形態での三次元形状計測装置の動作例を説明する流れ図
【図３】測定動作時における補助照明ユニットの制御の説明図
【図４】測定動作時における補助照明ユニットの制御の説明図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＜三次元形状計測装置の構成例＞
図１は、一の実施形態における三次元形状計測装置の構成例を示している。三次元形状計測装置は、基準面上に測定対象物１１が載置されるステージ１２と、投影光学系１３と、撮像光学系１４と、フォトセンサ１５と、撮像素子１６と、補助照明ユニット１７と、ＣＰＵ１８と、記憶部１９と、操作部２０とを有している。
【００１４】
投影光学系１３は、ステージ１２の基準面に対して光軸が斜めになるように配置されており、ステージ１２の測定対象物１１に向けて一定照度のパターン光を照射する。この投影光学系１３は、光源２１と、コリメートレンズ２２と、ビームスプリッタ２３と、フォトセンサ２４と、パターン形成部２５と、投影レンズ２６とを含んでいる。ここで、投影光学系１３の光源２１およびフォトセンサ２４は、それぞれＣＰＵ１８に接続されている。
【００１５】
投影光学系１３の光源２１は、一例としてＬＥＤ(Light Emitting Diode)やＬＤ(Laser Diode)などの発光素子で構成される。また、コリメートレンズ２２は、光源２１からの照明光を平行光に変換する。ビームスプリッタ２３は、コリメートレンズ２２を通過した光束を２方向に分岐させる。ビームスプリッタ２３を透過する一方の光束は、パターン形成部２５に導かれる。また、ビームスプリッタ２３で反射された他方の光束はフォトセンサ２４に入射する。ここで、投影光学系１３のフォトセンサ２４は、光源２１の照明強度（光源２１による照度）を検出してＣＰＵ１８へ出力する。なお、ＣＰＵ１８は、フォトセンサ２４の出力を用いて光源２１のフィードバック制御を行うことで、投影光学系１３の光源２１の照明強度を一定に保持する。
【００１６】
パターン形成部２５は、コリメートレンズ２２から射出される一定照明強度の平行光にパターンを付与する。一の実施形態でのパターン形成部２５は、一方向に正弦波状の遮光率変化をもつ縞模様（正弦格子）のパターン光を形成する。なお、パターン形成部２５は、分布濃度格子や、ファイバ格子や、カラードット格子など、他の公知のパターンを付与するものであってもよい。
【００１７】
また、パターン形成部２５は、パターンの位相を投影光学系１３の光軸と垂直方向にシフトさせることが可能である。例えば、パターン形成部２５は、ガラス板にパターンを描画した格子パターンを機械的にシフトさせて位相を調整してもよく、液晶格子を用いることで電子的にパターンの位置をシフトさせて位相を調整してもよい。なお、パターン形成部２５は、デジタルミラーデバイス（Digital mirror device）を用いてパターンの位置をシフトさせるようにしてもよい。そして、パターン形成部２５で形成されたパターン光は、投影レンズ２６を介してステージ１２の測定対象物１１に照射される。
【００１８】
撮像光学系１４は、測定対象物１１からの反射光を結像させる光学系であって、ステージ１２の基準面に対して光軸が垂直となるように配置されている。この撮像光学系１４は、対物レンズ３０と、ビームスプリッタ３１と、結像絞り３２と、結像レンズ３３とを含んでいる。測定対象物１１からの反射光は、対物レンズ３０を通過して、ビームスプリッタ３１によって２方向に分岐される。なお、ＣＰＵ１８は、レンズ駆動部（不図示）を介して対物レンズ３０を光軸方向に移動させることで、撮像光学系１４の焦点調節を行なうことができる。
【００１９】
ビームスプリッタ３１を透過した一方の光束は、結像絞り３２および結像レンズ３３を介して撮像素子１６の受光面に導かれる。ここで、撮像素子１６は、受光面に複数の画素が二次元的に配列されたＣＣＤ等のイメージセンサであって、パターン光によって測定対象物１１の表面に形成されるパターンを含む像を撮像する。また、撮像素子１６の受光面は、測定対象物１１の表面と光学的に略共役な位置に配置されている。なお、撮像素子１６の出力は、不図示のＡ／Ｄ変換部を介してＣＰＵ１８と接続されている。
【００２０】
また、ビームスプリッタ３１で反射された他方の光束は、フォトセンサ１５に導かれる。このフォトセンサ１５は、ＣＰＵ１８と接続されており、パターン光の成分を含む測定対象物１１の表面の明るさを検出する。なお、フォトセンサ１５は、撮像光学系１４の焦点移動による取得光量の変動を少なくするために、撮像光学系１４における瞳面近傍に配置されている。また、フォトセンサ１５を撮像光学系１４の瞳面近傍に配置することにより、対象物１１の撮像範囲の平均照度を求めることができる。
【００２１】
補助照明ユニット１７は、投影光学系１３とともに測定対象物１１を照明する照明装置である。一の実施形態での補助照明ユニット１７は、撮像光学系１４の光軸を中心としてステージ１２の近傍にリング状に配置された複数の光源１７ａ（例えばＬＥＤなど）を含み、測定対象物１１の表面を略均一に照明する。もっとも、補助照明ユニット１７は、測定対象物１１の表面を略均一に照明できる構成であればよい。そのため、例えば有機ＥＬ(Organic Electro-Luminescence)などの面状発光が可能な発光デバイスや、拡散板を介して面状に測定対象物１１を照明する照明装置などを補助照明ユニット１７に用いてもよい。
【００２２】
また、補助照明ユニット１７の照度は、後述の照度制御部１８ａの制御により調整される。なお、補助照明ユニット１７は、フォトセンサ１５の出力に応じて照度制御部１８ａが行なう照度の調整によって、測定対象物１１の表面の明るさを一定に保つ役目を果たす。
【００２３】
ＣＰＵ１８は、三次元形状計測装置の各部を統括的に制御し、測定対象物１１の三次元形状を求めるための各種の演算処理を実行するプロセッサである。このＣＰＵ１８は、補助照明ユニット１７の照度を制御する照度制御部１８ａを内蔵している。上記の照度制御部１８ａは、フォトセンサ１５の出力を用いて測定対象物１１の表面での明るさの変動量を求めるとともに、この明るさの変動量が相殺される量まで補助照明ユニット１７の照度を調整する。なお、照度制御部１８ａの構成は、専用の回路によりハードウェア的に実現してもよく、プログラムの実行によりソフトウェア的に実現してもよい。
【００２４】
記憶部１９は、フラッシュメモリ等の不揮発性の記憶媒体で構成されている。記憶部１９は、撮像素子１６によって撮像された撮像画像のデータや、ＣＰＵ１８が演算した後述の点群データや、ＣＰＵ１８により実行されるプログラムを記憶する。また、操作部２０は、計測開始指示を含む各種の入力を受け付ける。
【００２５】
＜三次元形状計測装置の動作例＞
以下、三次元形状計測装置の動作例を説明する。まず、位相シフト法による三次元形状の測定原理を簡単に説明する。なお、一の実施形態では、４バケット法で測定対象物１１の形状を求める例を説明する。
【００２６】
一の実施形態での三次元形状計測装置は、静止した測定対象物１１に正弦格子のパターン光を投影し、このパターン光の位相をπ／２ずつ移動させて測定対象物１１を４回撮像する。このようにして得られた４枚の撮像画像について、座標（ｘ，ｙ）での輝度値（Ｉ1，Ｉ2，Ｉ3，Ｉ4）に着目すると、それらの相対的な輝度差は必ずパターン光の位相差分の変化を示す。したがって、以下の式（１）によって、座標（ｘ，ｙ）における投影されたパターン光の位相φを求めることができる。
【００２７】
【数１】
2011002416.tif 000003
【００２８】
そして、撮像画像の各位置で位相φをそれぞれ求めた後に、位相φが等しい点を連結すると等位相線を得ることができる。この等位相線は、測定対象物１１を所定の平面で切断したときの断面形状を表している。そのため、投影光学系１３および撮像光学系１４の位置関係が既知であれば、三角測量の原理によって、この等位相線から測定対象物１１の各位置の高さを示す三次元的な距離画像のデータ（点群データ）を得ることができる。
【００２９】
ところで、上記の三次元形状の測定では、外乱光の影響（例えば外部の照明環境の変化など）によって、輝度値（Ｉ1，Ｉ2，Ｉ3，Ｉ4）のいずれかに異常があると正しい位相を求めることができなくなる。そのため、一の実施形態の三次元形状計測装置は、補助照明ユニット１７の照度の調整によって、外乱光の影響による三次元形状の測定の誤差を抑制する。
【００３０】
以下、図２の流れ図を参照しつつ、一の実施形態での三次元形状計測装置の動作例を具体的に説明する。なお、図２の流れ図の処理は、操作部２０での計測開始指示をトリガとしてＣＰＵ１８が実行する。
【００３１】
ステップＳ１０１：ＣＰＵ１８は、三次元形状計測装置の初期設定を行なう。まず、ＣＰＵ１８は、投影光学系１３の光源２１の出力をフィードバック制御によって調整する。これにより、投影光学系１３から一定照度のパターン光の照射が継続的に行われることとなる。なお、Ｓ１０１の段階では、補助照明ユニット１７は消灯された状態にある。
【００３２】
また、ＣＰＵ１８は、撮像素子１６の出力を用いて公知の自動露出（ＡＥ）演算を実行し、撮像素子１６の電荷蓄積時間や撮像感度を設定する。さらに、ＣＰＵ１８は、撮像素子１６の出力を用いて公知のオートフォーカス（ＡＦ）演算を実行し、対物レンズ３０の位置を調整する。
【００３３】
ステップＳ１０２：ＣＰＵ１８の照度制御部１８ａは、補助照明ユニット１７を点灯させる。まず、照度制御部１８ａは、補助照明ユニット１７の点灯前と比べて、フォトセンサ１５で検出される明るさが例えば１０％程度増加するように補助照明ユニット１７の照度を設定する。なお、この時点での補助照明ユニット１７の照度は、測定中に想定しうる外乱光の変動量を考慮して適宜変更することができる。その後、ＣＰＵ１８は、補助照明ユニット１７の点灯に合わせてＡＥ演算を再び実行し、撮像素子１６の電荷蓄積時間や撮像感度を微調整する。
【００３４】
ステップＳ１０３：照度制御部１８ａは、フォトセンサ１５の出力を用いて補助照明ユニット１７の照度のフィードバック制御を開始し、Ｓ１０４以降の測定動作時において測定対象物１１の表面の明るさを一定に保つ。以下、図３、図４を参照しつつ、測定動作時における補助照明ユニット１７の制御を説明する。
【００３５】
図３（ａ）、図４（ａ）は、補助照明ユニット１７を点灯した状態（Ｓ１０２）でフォトセンサ１５が検出する明るさの例を示それぞれしている。上記の状態でフォトセンサ１５に入射する光には、投影光学系１３から測定対象物１１に投影されたパターン光の成分と、補助照明ユニット１７から測定対象物１１に照射された照明光の成分と、外部照明による外乱光の成分とが含まれる。
【００３６】
ここで、図３において、図３（ａ）の状態よりも外乱光の明るさが増加すると、フォトセンサ１５の検出する明るさは、外乱光の変動量（＋Ｌ１）の分だけ大きくなる（図３（ｂ）参照）。このとき、照度制御部１８ａは、測定中におけるフォトセンサ１５の出力の変化は外乱光の影響とみなし、フォトセンサ１５の検出した明るさの差分から外乱光の変動量（＋Ｌ１）を求める。そして、照度制御部１８ａは、外乱光の変動量が相殺される量（−Ｌ１）まで補助照明部の照度を低下させる（図３（ｃ）参照）。これにより、測定中に外乱光の明るさが増加したときも、照度制御部１８ａは、測定対象物１１の表面の明るさを一定に保つことができる。
【００３７】
同様に、図４において、図４（ａ）の状態よりも外乱光の明るさが低下すると、フォトセンサ１５の検出する明るさは、外乱光の変動量（−Ｌ２）の分だけ小さくなる（図４（ｂ）参照）。このとき、照度制御部１８ａは、フォトセンサ１５の検出した明るさの差分から外乱光の変動量（−Ｌ２）を求める。そして、照度制御部１８ａは、外乱光の変動量が相殺される量（＋Ｌ２）まで補助照明部の照度を増加させる（図４（ｃ）参照）。これにより、測定中に外乱光の明るさが低下したときも、照度制御部１８ａは、測定対象物１１の表面の明るさを一定に保つことができる。
【００３８】
ステップＳ１０４：ＣＰＵ１８は、撮像素子１６を駆動させて撮像処理を実行し、正弦格子のパターンが表面に重畳された測定対象物１１の撮像画像を取得する。ここで、Ｓ１０４で撮像画像のデータは、ＣＰＵ１８の制御によって記憶部１９に一時的に記憶される。
【００３９】
ステップＳ１０５：ＣＰＵ１８は、三次元形状の測定に必要となる４枚分の撮像画像の取得が完了したか否かを判定する。上記要件を満たす場合（ＹＥＳ側）、ＣＰＵ１８はＳ１０７に処理を移行させる。一方、上記要件を満たさない場合（ＮＯ側）、ＣＰＵ１８はＳ１０６に処理を移行させる。
【００４０】
ステップＳ１０６：ＣＰＵ１８は、投影光学系１３のパターンの位相をシフトさせる。Ｓ１０６でのＣＰＵ１８は、４回の撮像でパターンの位相が１周期分移動するように１回の撮像ごとにパターンの位相をπ／２ずつシフトさせる。その後、ＣＰＵ１８は、Ｓ１０４に戻って上記の動作を繰り返す。なお、Ｓ１０６でのＣＰＵ１８は、必要に応じてＡＦ動作を行うようにしてもよい。
【００４１】
ステップＳ１０７：ＣＰＵ１８は、４枚の撮像画像を用いて、上記の要領で測定対象物１１の点群データを生成する。なお、Ｓ１０７で生成された点群データは、ＣＰＵ１８の制御によって記憶部１９に記録される。
【００４２】
ステップＳ１０８：ＣＰＵ１８は、投影光学系１３の光源２１、撮像素子１６および補助照明ユニット１７の動作を停止させる。これにより、照度制御部１８ａは、補助照明ユニット１７の照度のフィードバック制御を終了する。なお、Ｓ１０８の処理は、実際にはＳ１０７の処理とほぼ同時に実行される。以上で、図２の説明を終了する。
【００４３】
一の実施形態での三次元形状測定装置は、測定対象物１１の表面の明るさをフォトセンサ１５で検出し、外乱光による明るさの変動量を相殺するように補助照明ユニット１７の照度を調整する（Ｓ１０３）。したがって、一の実施形態の構成によれば、三次元形状の測定で用いる一連の撮像画像を取得するときに、外乱光の影響による画像間での撮像条件のばらつきを抑制できる。そのため、一の実施形態の構成によれば、位相シフト法による三次元形状の測定を精度よく行うことが可能となる。
【００４４】
また、一の実施形態の三次元形状測定装置は、補助照明ユニット１７の照度の調整によって外乱光の影響を排除できるので、測定中に外乱光が入射する環境下でも高い精度で三次元形状の測定を行うことが可能となる。
【００４５】
＜実施形態の補足事項＞
上記実施形態では位相シフト法により三次元形状の測定を行う例を説明したが、本発明の構成は、例えばポイント光走査方式やライン光走査方式などの他の三次元計測装置の構成にも応用可能である。
【００４６】
また、上記実施形態では４バケット法での測定例を説明したが、本発明は、位相シフト法において撮像回数が４回以外の多バケット法においても当然に適用できる。
【００４７】
また、上記実施形態において、照度制御部１８ａが、撮像素子１６の出力を用いて補助照明ユニット１７の照度をフィードバック制御するようにしてもよい。
【００４８】
以上の詳細な説明により、実施形態の特徴点および利点は明らかになるであろう。これは、特許請求の範囲が、その精神および権利範囲を逸脱しない範囲で前述のような実施形態の特徴点および利点にまで及ぶことを意図する。また、当該技術分野において通常の知識を有する者であれば、あらゆる改良および変更に容易に想到できるはずであり、発明性を有する実施形態の範囲を前述したものに限定する意図はなく、実施形態に開示された範囲に含まれる適当な改良物および均等物によることも可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１１…測定対象物、１２…ステージ、１３…投影光学系、１４…撮像光学系、１５…フォトセンサ、１６…撮像素子、１７…補助照明ユニット、１８…ＣＰＵ、１８ａ…照度制御部、２１…光源、２５…パターン形成部
【図１】
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【図２】
2011002416.tif 000005
【図３】
2011002416.tif 000006
【図４】
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