(57)【要約】【課題】高精度のキャリブレーションを実施可能な標準ゲージ、三次元測定装置、及び、三次元測定装置のキャリブレーション方法を提供する。【解決手段】標準ゲージ５は、単波長のレーザー光を対象に照射し、当該対象にて反射されたレーザー光を測定することで三次元形状を測定する三次元測定装置におけるキャリブレーション用の標準ゲージであって、底面に対して平行な頂面及び頂面の外周部に連続し、成す角が９０度以上の側面を有し、頂面及び側面のいずれも、レーザー光に対して第１閾値以上の反射率を有し、頂面が、レーザー光の波長以外の波長の光に対して第２閾値以上の反射率であり、側面が、レーザー光の波長以外の光に対して第２閾値未満の反射率である突出部５５を複数備え、少なくとも２つの突出部５５間で、頂面の高さが異なる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単波長のレーザー光を対象に照射し、当該対象にて反射された前記レーザー光を測定することで三次元形状を測定する三次元測定装置におけるキャリブレーション用の標準ゲージであって、
基準面に対して平行な第１面、及び、前記第１面の外周部に連続し、前記第１面との成す角が９０度以上の第２面を有し、前記第１面及び前記第２面の双方が、前記レーザー光に対して第１閾値以上の反射率を有し、前記第１面及び前記第２面のうちいずれか一方が、前記レーザー光の波長以外の波長の光に対して第２閾値以上の反射率であり、他方が前記レーザー光の波長以外の光に対して前記第２閾値未満の反射率であるユニットを複数備え、
複数の前記ユニットは、前記第１面の基準面からの高さがそれぞれ異なる
ことを特徴とする標準ゲージ。
【請求項２】
請求項１に記載の標準ゲージにおいて、
前記ユニットは、角錐台である
ことを特徴とする標準ゲージ。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の標準ゲージにおいて、
前記複数のユニットは、前記基準面と直交する方向に見た平面視において、所定の第１方向、及び前記第１方向に交差する第２方向に沿って設けられている
ことを特徴とする標準ゲージ。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の標準ゲージにおいて、
前記基準面からの距離が異なる複数の平面部を有し、
前記ユニットは、前記複数の平面部のそれぞれに設けられている
ことを特徴とする標準ゲージ。
【請求項５】
単波長のレーザー光を出射する第１光源を有し、対象により反射された前記レーザー光を検出して、前記対象の表面上の複数の測定点である点群データを取得する三次元形状測定手段と、
前記レーザー光の波長以外の波長を少なくとも含む光を出射する第２光源を有し、前記対象により反射された前記第２光源からの光を撮像し、二次元画像を取得する二次元画像撮像手段と、
基準面に対して平行な第１面、及び、前記第１面の外周部に連続し、前記第１面との成す角が９０度以上の第２面を有し、前記第１面及び前記第２面の双方が、前記レーザー光に対して第１閾値以上の反射率を有し、前記第１面及び前記第２面のいずれか一方が、前記第２光源から出射される光に含まれる前記レーザー光の波長以外の波長の光に対して第２閾値以上の反射率であり、他方が前記第２閾値以下の反射率であるユニットを複数備え、複数の前記ユニットが、前記第１面の前記基準面からの高さがそれぞれ異なる標準ゲージについて取得された前記点群データに基づいて、前記標準ゲージの前記第１面の外周部の少なくとも一部を検出する第１エッジ検出手段と、
前記第１エッジ検出手段による前記外周部の検出結果に基づいて、前記外周部の形状に応じた特徴点を検出する第１特徴点検出手段と、
前記二次元画像における前記第１面に対応する第１領域と、前記第２面に対応する第２領域との間の輝度差に基づいて、前記標準ゲージの前記第１面の外周部の少なくとも一部に対応する、前記第１領域と第２領域との境界を検出する第２エッジ検出手段と、
前記第２エッジ検出手段による前記外周部の検出結果に基づいて前記特徴点を検出する第２特徴点検出手段と、
前記第１特徴点検出手段及び第２特徴点検出手段による前記特徴点の検出結果に基づいて、前記三次元形状測定手段による測定結果を校正する校正手段と、を備えている
ことを特徴とする三次元測定装置。
【請求項６】
請求項５に記載の三次元測定装置において、
前記ユニットは、多角形状の前記第１面を有し、前記多角形状の前記第１面の頂点の１つが前記特徴点であり、
前記第１エッジ検出手段は、前記特徴点に対応する前記第１面の前記頂点を含む２辺にそれぞれ対応する複数点の位置情報を、前記点群データに基づいて取得し、取得した前記位置情報に基づいて、前記２辺の各辺に対応する第１近似直線を取得し、
前記第１特徴点検出手段は、前記第１エッジ検出手段によって取得された前記２つの第１近似直線の交点を前記特徴点として検出する
ことを特徴とする三次元測定装置。
【請求項７】
請求項６に記載の三次元測定装置において、
前記第１エッジ検出手段は、前記第１面の前記頂点を含む２辺に交差する複数の仮想交差面と、前記ユニットとのそれぞれの交線を、直線近似又は曲線近似により算出し、算出された各交線に基づいて、前記２辺の各辺と前記仮想交差面との交点の座標を取得し、各交線に対して取得された前記交点の座標から前記第１近似直線を算出する
ことを特徴とする三次元測定装置。
【請求項８】
請求項５から請求項７のいずれかに記載の三次元測定装置において、
前記ユニットは、多角形状の前記第１面を有し、前記多角形状の前記第１面の頂点の１つが前記特徴点であり、
前記第２エッジ検出手段は、前記特徴点に対応する前記第１面の前記頂点を含む２辺にそれぞれ対応し、前記二次元画像における前記境界を通る第２近似直線を、前記２辺のそれぞれについて取得し、
第２特徴点検出手段は、前記第２エッジ検出手段によって取得された前記２つの第２近似直線の交点を前記特徴点として検出する
ことを特徴とする三次元測定装置。
【請求項９】
単波長のレーザー光を出射する第１光源を有し、対象により反射された前記レーザー光を検出して、前記対象の表面上の複数の測定点である点群データを取得する三次元形状測定手段と、前記レーザー光の波長以外の波長を少なくとも含む光を出射する第２光源を有し、前記対象により反射された前記第２光源からの光を撮像し、二次元画像を取得する二次元画像撮像手段と、を備える三次元測定装置のキャリブレーション方法であって、
基準面に対して平行な第１面、及び、前記第１面の外周部に連続し、前記第１面との成す角が９０度以上の第２面を有し、前記第１面及び前記第２面の双方が、前記レーザー光に対して第１閾値以上の反射率を有し、前記第１面及び前記第２面のいずれか一方が、前記第２光源から出射される光に含まれる前記レーザー光の波長以外の波長の光に対して第２閾値以上の反射率であり、他方が前記第２閾値以下の反射率であるユニットを複数備え、複数の前記ユニットが、前記第１面の前記基準面からの高さがそれぞれ異なる標準ゲージについて取得された前記点群データに基づいて、前記標準ゲージの前記第１面の外周部の少なくとも一部を検出し、
前記点群データに基づく前記外周部の検出結果から、前記外周部の形状に応じた特徴点を検出し、
前記二次元画像における前記第１面に対応する第１領域と、前記第２面に対応する第２領域との間の輝度差に基づいて、前記標準ゲージの前記第１面の外周部の少なくとも一部に対応する、前記第１領域と前記第２領域との境界を検出し、
前記輝度差に基づく前記外周部の検出結果から、前記特徴点を検出し、
前記点群データ及び前記輝度差をそれぞれ用いて検出された各特徴点の検出結果に基づいて、前記三次元形状測定手段による測定結果を校正する
ことを特徴とする三次元測定装置のキャリブレーション方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、標準ゲージ、三次元測定装置、及び、三次元測定装置のキャリブレーション方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、測定対象にスリット光やスポット光などのパターン光を投光し、当該パターン光が投光された測定対象を撮像して撮像画像を取得し、当該撮像画像に基づいて測定対象の三次元形状を測定する三次元形状検出装置（三次元測定装置）が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載の装置では、高精度の計測を実現するためにキャリブレーションを行っている。具体的には、特許文献１に記載の装置では、第１の平面部と、第１の平面部に平行な第２の平面部とが一方向に交互に配置され、かつ、これら第１の平面部と第２の平面部とに少なくとも６以上の校正用指標が離散して配置された校正用治具（標準ゲージ）を測定対象としてキャリブレーションを行う。
すなわち、上記標準ゲージにパターン光を投光した際の撮像画像から、校正用指標の位置を検出し、検出結果に基づいて、キャリブレーションを行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２１２１５９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、高精度のキャリブレーションを実施するために、通常、高い寸法精度（例えば、三次元測定装置の測定精度よりも高い精度）で作製された、高価な標準ゲージを用いることが考えられる。特許文献１に記載の三次元測定装置においても同様であり、高精度かつ高価な標準ゲージを用いない場合、高精度のキャリブレーションを実施できないおそれがある。
【０００５】
本発明は、高精度のキャリブレーションを実施可能な標準ゲージ、三次元測定装置、及び、三次元測定装置のキャリブレーション方法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】
本発明の標準ゲージは、単波長のレーザー光を対象に照射し、当該対象にて反射された前記レーザー光を測定することで三次元形状を測定する三次元測定装置におけるキャリブレーション用の標準ゲージであって、基準面に対して平行な第１面、及び、前記第１面の外周部に連続し、前記第１面との成す角が９０度以上の第２面を有し、前記第１面及び前記第２面の双方が、前記レーザー光に対して第１閾値以上の反射率を有し、前記第１面及び前記第２面のうちいずれか一方が、前記レーザー光の波長以外の波長の光に対して第２閾値以上の反射率であり、他方が前記レーザー光の波長以外の光に対して前記第２閾値未満の反射率であるユニットを複数備え、複数の前記ユニットは、前記第１面の基準面からの高さがそれぞれ異なることを特徴とする。
【０００７】
本発明では、基準面に対して平行な第１面と、第１面に対して９０度以上の角度を成して連続する第２面とを有しているため、撮像手段等により撮像した際に、第１面及び第２面を撮像画像内に収めることができる。また、レーザー光を用いて光切断法等の三次元形状測定を実施する場合も、レーザー光を第１面から第２面に亘って照射させることができ、標準ゲージの三次元形状を精度よく測定できる。
そして、本発明では、第１面及び第２面が、三次元測定を実施する単波長レーザー光の波長に対して所定の第１閾値以上の反射率を有している。このような標準ゲージでは、三次元形状測定を実施する際に、第１面及び第２面に照射されたレーザー光の殆どが標準ゲージに吸収されることなく反射され、精度の高い測定結果を得ることができる。
一方、三次元測定装置のキャリブレーションを実施するには、標準ゲージを三次元測定装置により測定した結果と、より計測精度の高い光学顕微鏡により測定した結果とを対応付ける必要がある。ここで、光学顕微鏡により標準ゲージを撮像、観察し、第１面と第２面との境界を判別するには、第１面及び第２面において輝度差を判別する必要がある。これに対して、本発明では、第１面及び第２面のうち、いずれか一方がレーザー光の波長以外の所定の波長の光に対して第２閾値以上の反射率で、他方が当該光に対して第２閾値未満となる。したがって、光学顕微鏡を用いて標準ゲージの二次元画像を撮像する際に、当該所定波長の光を用いることで、撮像画像から第１面及び第２面の境界を精度よく判別することができる。
【０００８】
本発明の標準ゲージにおいて、前記ユニットは、角錐台であることが好ましい。
本発明の標準ゲージでは、ユニットは、角錐台であり、第１面は多角形状であり、第１面の外周部を構成し、隣接する２辺のそれぞれに少なくとも連続する第２面を有する。
このような構成では、第１面と第２面とが交差する上記２辺が上記境界に相当する。従って、多角形の２辺に対応する直線を境界として検出することができ、境界の検出精度を向上させることができる。また、これら２辺が交わる点（つまり、多角形状の第１面における１つの頂点）を特徴点として検出することができる。この場合、三次元測定装置により測定された特徴点と、光学顕微鏡により得られた特徴点とを対応付けることで高精度なキャリブレーションを実施できる。
また、上記ユニットでは、三角錐台や四角錐台等のように頂点の数がより少ない角錐台を採用することにより、境界の検出精度を低下させることなく、ユニットの形状をより簡易な構成とすることができ、標準ゲージの簡略化を図ることができる。
【０００９】
本発明の標準ゲージにおいて、前記複数のユニットは、前記基準面と直交する方向に見た平面視において、所定の第１方向、及び前記第１方向に交差する第２方向に沿って設けられていることが好ましい。
本発明の標準ゲージでは、基準面と直交する方向に見た平面視において、ユニットが上記第１方向及び第２方向に沿うよう配列されている。このため、複数のユニットの位置関係を用いてキャリブレーションを実施する際に、対応づける特徴点の数を増やすことができ、より高精度なキャリブレーションが実施可能となる。
【００１０】
本発明の標準ゲージにおいて、前記基準面からの距離が異なる複数の平面部を有し、前記ユニットは、前記複数の平面部のそれぞれに設けられていることが好ましい。
本発明の標準ゲージでは、基準面に対する高さが異なる複数の平面部を有し、この平面部のそれぞれにユニットが設けられている。このような構成では、各ユニット間で、第１面の基準面に対する高さを異なるようにする際に、ユニットの高さを変えなくてもよい。一般に、標準ゲージとしては、寸法が設計値に近い値であることが望ましく、例えば金属部材を切削、研磨等することで製造される。この場合、同一平面上に、高さが異なる複数のユニットを形成することは、製造上困難となる。これに対して、本発明のように、高さの異なる平面部のそれぞれに、同一高さのユニットを設ける構成では、切削や研磨等により容易に製造が可能となり、製造効率性を向上できる。
【００１１】
本発明の三次元測定装置は、単波長のレーザー光を出射する第１光源を有し、対象により反射された前記レーザー光を検出して、前記対象の表面上の複数の測定点である点群データを取得する三次元形状測定手段と、前記レーザー光の波長以外の波長を少なくとも含む光を出射する第２光源を有し、前記対象により反射された前記第２光源からの光を撮像し、二次元画像を取得する二次元画像撮像手段と、基準面に対して平行な第１面、及び、前記第１面の外周部に連続し、前記第１面との成す角が９０度以上の第２面を有し、前記第１面及び前記第２面の双方が、前記レーザー光に対して第１閾値以上の反射率を有し、前記第１面及び前記第２面のいずれか一方が、前記第２光源から出射される光に含まれる前記レーザー光の波長以外の波長の光に対して第２閾値以上の反射率であり、他方が前記第２閾値以下の反射率であるユニットを複数備え、複数の前記ユニットが、前記第１面の前記基準面からの高さがそれぞれ異なる標準ゲージについて取得された前記点群データに基づいて、前記標準ゲージの前記第１面の外周部の少なくとも一部を検出する第１エッジ検出手段と、前記第１エッジ検出手段による前記外周部の検出結果に基づいて、前記外周部の形状に応じた特徴点を検出する第１特徴点検出手段と、前記二次元画像における前記第１面に対応する第１領域と、前記第２面に対応する第２領域との間の輝度差に基づいて、前記標準ゲージの前記第１面の外周部の少なくとも一部に対応する、前記第１領域と第２領域との境界を検出する第２エッジ検出手段と、前記第２エッジ検出手段による前記外周部の検出結果に基づいて前記特徴点を検出する第２特徴点検出手段と、前記第１特徴点検出手段及び第２特徴点検出手段による前記特徴点の検出結果に基づいて、前記三次元形状測定手段による測定結果を校正する校正手段と、を備えていることを特徴とする。
【００１２】
本発明は、上述の標準ゲージを用いてキャリブレーションを実施する三次元測定装置であり、標準ゲージについて取得された点群データ（三次元形状測定結果）に基づいて、第１面の外周部の少なくとも一部を検出する第１エッジ検出手段と、第１エッジ検出手段による前記外周部の検出結果に基づいて特徴点を検出する第１特徴点検出手段と、を備え、点群データに基づいて、各ユニットの特徴点を検出している。
また、標準ゲージの二次元画像における、第１面に対応する第１領域と、第２面に対応する第２領域との間の輝度差に基づいて、第１面の外周部の少なくとも一部に対応する、第１領域と第２領域との境界を検出する第２エッジ検出手段と、第２エッジ検出手段による検出結果に基づいて特徴点を検出する第２特徴点検出手段と、を備え、二次元画像に基づいて各ユニットの特徴点を検出している。
このような構成では、点群データに基づく特徴点の検出結果とは別に、標準ゲージを撮像して取得された二次元画像に基づく特徴点の検出結果を取得できる。これらの特徴点をそれぞれ対応付けることで、三次元測定装置のキャリブレーションを実施できる。
また、上述のように、単波長レーザー光を用いて三次元形状測定を実施する際に、第１面及び第２面に照射されたレーザー光の殆どが標準ゲージに吸収されることなく反射され、精度の高い測定結果を得ることができる。
また、上述のように、レーザー光の波長以外の波長を含む光を用いて撮像された当該二次元画像に基づいて境界を判別する際に、第１面及び第２面のいずれか一方の面で、レーザー光の波長以外の波長が反射されず、第１面及び第２面の輝度差が大きくなる。このため、第１面の外周部をより検出し易くできる。従って、第２エッジ検出手段及び第２特徴点検出手段によって、高精度に特徴点を検出することができる。従って、本発明では、高精度なキャリブレーションを実施することができる。
また、標準ゲージを撮像し、二次元画像を取得する二次元画像撮像手段を採用するという簡易な構成を採用し、標準ゲージを撮像した二次元画像を用いて、キャリブレーションを実施できる。すなわち、簡易な構成で高精度のキャリブレーションを実施できる。
【００１３】
本発明の三次元測定装置において、前記ユニットは、多角形状の前記第１面を有し、前記多角形状の前記第１面の頂点の１つが前記特徴点であり、前記第１エッジ検出手段は、前記特徴点に対応する前記第１面の前記頂点を含む２辺にそれぞれ対応する複数点の位置情報を、前記点群データに基づいて取得し、取得した前記位置情報に基づいて、前記２辺の各辺に対応する第１近似直線を取得し、前記第１特徴点検出手段は、前記第１エッジ検出手段によって取得された前記２つの第１近似直線の交点を前記特徴点として検出することが好ましい。
【００１４】
本発明では、多角形状の第１面を有するユニットの特徴点を点群データから検出する際に、特徴点に対応する頂点を含む２辺に対応する境界を直線近似で検出する。
本発明においても、ユニットの第１面を多角形とすることで、第１面と第２面との境界を直線とすることができ、直線近似という簡単な方法で、境界に対応する第１近似直線を取得でき、境界を検出できる。
【００１５】
本発明の三次元測定装置において、前記第１エッジ検出手段は、前記第１面の前記頂点を含む２辺に交差する複数の仮想交差面と、前記ユニットとのそれぞれの交線を、直線近似又は曲線近似により算出し、算出された各交線に基づいて、前記２辺の各辺と前記仮想交差面との交点の座標を取得し、各交線に対して取得された前記交点の座標から前記第１近似直線を算出することが好ましい。
【００１６】
本発明では、第１面の頂点を含む２辺に交差する交差面が、ユニットの表面で交差した位置における複数の測定点に対して、直線近似又は曲線近似により、２辺の各辺と交差面との交点の座標を取得し、一辺に対応する複数の交点の座標について第１近似直線を取得する。
このような構成では、例えば、光切断方式等を採用してスリット光を標準ゲージに投射し、これを一方向に走査した場合に、スリット光の照射位置における複数点の三次元位置が取得できる。これら複数点から、当該照射位置における境界の位置（各辺に対応する２つの境界の位置）を近似的に取得することができる。同様に、異なる交差面に対応する境界の位置を複数取得することで、２つの境界のそれぞれに対して、境界に対応する点を複数取得できる。取得した複数点について第１近似直線を取得でき、境界を検出できる。
【００１７】
本発明の三次元測定装置において、前記ユニットは、多角形状の前記第１面を有し、前記多角形状の前記第１面の頂点の１つが前記特徴点であり、前記第２エッジ検出手段は、前記特徴点に対応する前記第１面の前記頂点を含む２辺にそれぞれ対応し、前記二次元画像における前記境界を通る第２近似直線を、前記２辺のそれぞれについて取得し、第２特徴点検出手段は、前記第２エッジ検出手段によって取得された前記２つの第２近似直線の交点を前記特徴点として検出することが好ましい。
【００１８】
本発明では、多角形状の第１面を有するユニットの特徴点を二次元画像から検出する際に、特徴点に対応する頂点を含む２辺に対応する境界（すなわち、第１面から第２面にかけて明暗が変わる境界）を直線近似で検出する。
ここで、ユニットの第１面を多角形とすることで明暗の境界を略直線状とすることができるので、直線近似という簡単な方法で、境界に対応する第２近似直線を取得し、境界を検出できる。また、このようにして検出された境界に対応する２つの第２近似直線の交点を取得することで、特徴点を検出することができる。以上のように、本発明によれば、直線近似を用いた簡単な処理で特徴点を検出することができる。
【００１９】
本発明の三次元測定装置のキャリブレーション方法は、単波長のレーザー光を出射する第１光源を有し、対象により反射された前記レーザー光を検出して、前記対象の表面上の複数の測定点である点群データを取得する三次元形状測定手段と、前記レーザー光の波長以外の波長を少なくとも含む光を出射する第２光源を有し、前記対象により反射された前記第２光源からの光を撮像し、二次元画像を取得する二次元画像撮像手段と、を備える三次元測定装置のキャリブレーション方法であって、基準面に対して平行な第１面、及び、前記第１面の外周部に連続し、前記第１面との成す角が９０度以上の第２面を有し、前記第１面及び前記第２面の双方が、前記レーザー光に対して第１閾値以上の反射率を有し、前記第１面及び前記第２面のいずれか一方が、前記第２光源から出射される光に含まれる前記レーザー光の波長以外の波長の光に対して第２閾値以上の反射率であり、他方が前記第２閾値以下の反射率であるユニットを複数備え、複数の前記ユニットが、前記第１面の前記基準面からの高さがそれぞれ異なる標準ゲージについて取得された前記点群データに基づいて、前記標準ゲージの前記第１面の外周部の少なくとも一部を検出し、前記点群データに基づく前記外周部の検出結果から、前記外周部の形状に応じた特徴点を検出し、前記二次元画像における前記第１面に対応する第１領域と、前記第２面に対応する第２領域との間の輝度差に基づいて、前記標準ゲージの前記第１面の外周部の少なくとも一部に対応する、前記第１領域と前記第２領域との境界を検出し、前記輝度差に基づく前記外周部の検出結果から、前記特徴点を検出し、前記点群データ及び前記輝度差をそれぞれ用いて検出された各特徴点の検出結果に基づいて、前記三次元形状測定手段による測定結果を校正することを特徴とする。
【００２０】
本発明は、上述の標準ゲージを用いてキャリブレーションを実施する三次元測定装置のキャリブレーション方法であり、標準ゲージについて取得された点群データに基づいて、第１面の外周部の少なくとも一部を検出し、外周部の検出結果に基づいて特徴点を検出し、点群データに基づいて、各ユニットの特徴点を検出している。
また、標準ゲージの二次元画像における、第１面に対応する第１領域と、第２面に対応する第２領域との間の輝度差に基づいて、第１面の外周部の少なくとも一部に対応する、第１領域と第２領域との境界を検出し、検出結果に基づいて特徴点を検出している。このようにして、二次元画像に基づいて各ユニットの特徴点を検出している。
このような構成では、点群データに基づく特徴点の検出結果とは別に、標準ゲージを撮像して取得された二次元画像に基づく特徴点の検出結果を取得できる。これら特徴点を対応付けることで、三次元測定装置のキャリブレーションを実施できる。
また、上述のように、単波長レーザー光を用いて三次元形状測定を実施する際に、第１面及び第２面に照射されたレーザー光が標準ゲージに吸収されることなく反射され、精度の高い測定結果を得ることができる。
また、上述のように、レーザー光の波長以外の波長を含む光を用いて撮像された二次元画像に基づいて境界を判別する際に、第１面及び第２面のいずれか一方の面で、レーザー光の波長以外の波長が反射されず、第１面及び第２面の輝度差が大きくなる。このため、第１面の外周部をより検出し易くでき、高精度に特徴点を検出することができる。従って、本発明では、高精度なキャリブレーションを実施することができる。
また、標準ゲージを撮像し、二次元画像を取得する二次元画像撮像手段を採用するという簡易な構成を採用し、標準ゲージを撮像した二次元画像を用いて、キャリブレーションを実施できる。すなわち、簡易な構成で高精度のキャリブレーションを実施できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る三次元測定装置の一例を模式的に示すブロック図。
【図２】本発明に係る標準ゲージの一例の概略構成を示す斜視図。
【図３】図２に示す標準ゲージにおける突出部の概略構成を示す斜視図。
【図４】図２に示す標準ゲージの突出部の周辺の断面の概略構成を示す断面図。
【図５】頂面及び側面との境界周辺の輝度変化の関係を模式的に示すグラフ。
【図６】本発明に係るキャリブレーション処理の一例を示すフローチャート。
【図７】突出部における輝線の位置を模式的に示す斜視図。
【図８】図７に示す輝線位置における点群データの一例を示すグラフ。
【図９】近似的に検出されたエッジの一例を示すグラフ。
【図１０】二次元画像における一つの突出部を拡大した状態を模式的に示す図。
【図１１】エッジ周辺の輝度変化及び高さ変化の関係を模式的に示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明に係る一実施形態の三次元測定装置及びこの三次元測定装置のキャリブレーションを実施する際に、測定対象として用いられる標準ゲージについて、図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態の三次元測定装置１の概略構成を示すブロック図である。
本実施形態の三次元測定装置１は、測定対象の三次元形状を測定するための装置である。三次元測定装置１は、図１に示すように、計測部１０と、制御部２０と、を備えている。この三次元測定装置１は、制御部２０の制御に基づいて、計測部１０により測定対象Ｘの三次元形状を測定するための測定用データを取得し、制御部２０は、測定データに基づいて測定対象Ｘの三次元形状を測定する。また、三次元測定装置１は、後述する標準ゲージを測定した測定結果に基づいて、三次元形状測定結果の誤差を補正するための補正値を設定するキャリブレーションを実施する。
なお、三次元測定装置１は、図示しない、ユーザーの操作を受けつけるための操作部（例えばキーボードやマウス等）や、測定結果等の各種情報を出力する出力部（例えば映像を表示するディスプレイや、データをプリントするプリンター等）を備えている。
【００２３】
［標準ゲージの構成］
三次元測定装置１は、計測部１０によって取得された、三次元形状を測定するための測定用データに誤差が存在する場合、当該誤差を校正するキャリブレーションを実施する。
図２は、キャリブレーションの際に測定対象となる標準ゲージ５の一例を示す斜視図である。
標準ゲージ５は、図２に示すように、後述するステージ面１１（図１参照）に載置され、基準面を有する基部５１と、高さ寸法の異なる複数の平面部５２，５３，５４と、各平面部５２，５３，５４に設けられた複数の突出部５５（本発明のユニットに相当）と、を備えている。基部５１は、直方体状を有し、基準面としての底面５１Ａがステージ面１１に接触した状態でステージ面１１に載置される。なお、図２に示すように、以下、直方体状の基部の底面５１Ａの長手方向に沿ってＸ１軸を、Ｘ１軸に直交するＹ１軸を設定し、底面５１Ａから基部の天面５１Ｂに向かう方向（上方に向かって）にＸ１軸及びＹ１軸に直交するＺ１軸を設定する。
【００２４】
ここで、図２には、Ｙ１軸に平行で、かつ、Ｚ１方向に見た平面視において基部５１の長辺を垂直二等分する位置を通る仮想線Ｌ１を示す。標準ゲージ５は、仮想線Ｌ１を通り、Ｘ１−Ｙ１平面（底面５１Ａ）に直交する仮想面に対して対称形状となっている。以下、当該仮想面の一方側、例えば仮想線Ｌ１よりもＸ１軸の負方向側（図２の手前側）における標準ゲージ５の構造について特に詳細に説明する。
【００２５】
標準ゲージ５は、基部５１のＹ１軸に平行な一辺から、Ｘ１軸に沿った方向に仮想線Ｌ１（すなわち標準ゲージ５の中心）に向かって、Ｚ１軸方向の底面５１Ａからの距離（すなわち高さ）が異なる第１平面部５２、第２平面部５３、及び第３平面部５４を有する。
第１平面部５２は、第２平面部５３よりも低い位置に存在し、Ｚ１軸方向に沿う側面によって第２平面部５３と連続している。第２平面部５３は、第３平面部５４よりも低い位置に存在し、Ｚ１軸方向に沿う側面によって第３平面部５４と連続している。
換言すると、標準ゲージ５は、Ｘ１軸方向に中心に向かう（仮想線Ｌ１に向かう）につれて、高さが高くなる複数の段部が形成されている。これら各平面部５２，５３，５４は、それぞれ複数の突出部５５（図２では３個ずつ）が設けられている。
【００２６】
図３は、突出部５５の構成を示す斜視図である。
突出部５５は、図３に示すように、三角錐台であり、各平面部５２，５３，５４から突出している。突出部５５は、基準面に平行な頂面５５１と、頂面５５１に連続する側面５５２，５５３，５５４と、を備えている。
頂面５５１は、本発明の第１面に相当し、基準面、及び各平面部５２，５３，５４に平行な面である。本実施形態では、頂面５５１は、辺５５１Ａ，５５１Ｂ，５５１Ｃの３辺によって外周が構成され、辺５５１Ａ，５５１Ｂの長さが等しい、二等辺三角形状である。
側面５５２は、頂面５５１と辺５５１Ａを共有し、頂面５５１に連続する。
側面５５３は、側面５５２と同一の形状を有し、頂面５５１と辺５５１Ｂを共有し、頂面５５１に連続する。
側面５５４は、頂面５５１と辺５５１Ｃを共有し、頂面５５１に連続する。
なお、側面５５２，５５３，５５４は、本発明の第２面に相当する。
【００２７】
図４は、標準ゲージ５における一つの突出部５５周辺の断面を模式的に示す断面図である。図４には、頂面５５１及び側面５５２を通り、Ｘ１−Ｙ１平面に直交する面で切断した断面の一部を示す。
図４に示すように、頂面５５１と側面５５２とは、その成す角αが９０度よりも大きい所定の角度となっている。頂面５５１と側面５５３との成す角も同様である。
【００２８】
ここで、突出部５５は、頂面５５１と、側面５５２，５５３，５５４との間で、分光反射特性が異なっている。
本実施形態では、詳細は後述するが、三次元測定装置１の三次元形状計測手段１２における第１光源部１２１は、単波長(レーザー発振波長)のレーザー光を出射させ、二次元画像撮像手段１３の第２光源部１３１は、白色光源であり、レーザー発振波長以外の波長を多数含む白色光を出射させる。
そして、頂面５５１及び側面５５２，５５３，５５４は、第１光源部１２１から出射されたレーザー光のレーザー発振波長に対して所定の第１閾値以上の反射率（例えば８０％以上）で反射させる。また、頂面５５１は、第２光源部から射出された白色光に含まれ、レーザー発振波長以外の所定波長の光に対して、第２閾値以上の反射率（例えば８０％以上）で反射させる。一方、側面５５２，５５３，５５４は、第２光源部から射出されたレーザー発振波長以外の所定波長の光に対して、第２閾値未満の反射率（例えば２０％未満）で反射させる。
つまり、頂面５５１は、レーザー発振波長を含む白色光の各波長に対して、高い反射率を有し、側面５５２，５５３，５５４は、レーザー発振波長に対しては高い反射率を有するが、その他の波長の光に対しては低い反射率を有する。
具体的には、頂面５５１が、銀白色や白色等の色となり、側面５５２，５５３，５５４が第１光源部１２１のレーザー光の色と近い色に着色されている。例えば、レーザー光が青色レーザー光であれば、側面５５２，５５３，５５４は、青系色に着色される。
【００２９】
ここで、図５は、頂面５５１及び側面５５２（側面５５３）との境界であるエッジ周辺の輝度変化の関係を模式的に示すグラフである。図５（Ａ）は第１光源部１２１の単波長レーザー光による輝線における輝度変化を、Ｙ軸方向に沿って示し、図５（Ｂ）は第２光源部１３１から射出されたレーザー発振波長以外の所定波長を含む光による輝度変化を、Ｙ軸方向に沿って示す。なお、エッジを挟み、Ｙ軸方向の正方向側が頂面５５１に対応し、Ｙ軸方向の正方向側が側面５５２に対応する輝度値を示す。
上述のように、頂面５５１及び側面５５２，５５３は、単波長レーザー光に対して所定の第１閾値以上の反射率（例えば８０％以上）を有している。従って、図５（Ａ）に示すように、単波長レーザー光による輝線位置における輝度は、頂面５５１及び側面５５２（側面５５３）において、入射光量の８０%以上の反射光量に対応する輝度を示し、略同一の値となっている。
一方、側面５５２，５５３は、第２光源部１３１から射出されたレーザー発振波長以外の所定波長の光に対して、第２閾値未満の反射率（例えば２０％未満）を有している。このため、側面５５２，５５３では、レーザー発振波長以外の所定波長の光の反射光量が２０％未満となる。一方、頂面５５１では、レーザー発振波長以外の所定波長の光の反射率は、少なくとも第２閾値以上であり（例えば第１閾値以上であり）、当該波長における反射光量が２０％以上となる。従って、図５（Ｂ）に示すように、第２光源部１３１からの光による頂面５５１の輝度は、側面５５２（側面５５３）における輝度よりも大きくなっている。
【００３０】
なお、少なくとも、頂面５５１（本発明の第１面に相当）と、側面５５２及び側面５５３（本発明の第２面に相当）との分光反射特性が異なっていればよい。従って、側面５５４は、頂面５５１と同一の分光反射特性を有していてもよい。また、標準ゲージ５の頂面５５１以外の全ての面が同一の分光反射特性を有するように構成されてもよい。
【００３１】
また、突出部５５は、二等辺三角形状の頂面５５１の３つの頂点のうち、辺５５１Ａと辺５５１Ｂとが交わる頂点Ｐを、Ｘ１軸方向において仮想線Ｌ１とは反対側に向けて、各平面部５２，５３，５４上に複数配置されている。
換言すると、頂点Ｐは、頂面５５１、側面５５２、及び側面５５３が交差する頂点である。
また、Ｚ１−Ｘ１平面に沿って、仮想線Ｌ１に向かって斜め上方から標準ゲージ５を見たときに、頂面５５１、側面５５２、側面５５３、及び頂点Ｐが見えるように、突出部５５が、各平面部５２，５３，５４に配置されている。
【００３２】
仮想線Ｌ１に対してＸ１軸方向の一方の側において、各平面部５２，５３，５４のそれぞれには、所定個数（図示例では３個）の突出部５５が配置されている。
また、突出部５５は、基準面に向かって、基準面と直交する方向に標準ゲージを見た平面視において、Ｘ１軸方向及びＹ１軸方向に等間隔に配置され、マトリクス状に配置されている。
また、各平面部５２，５３，５４のうち同一の平面部に設けられた突出部５５は、頂面５５１及び頂点Ｐの高さが同一である。また、異なる平面部間では、頂面５５１及び頂点Ｐの高さが異なっている。このように構成された標準ゲージ５は、少なくとも２つの突出部５５において、頂面５５１及び頂点Ｐの高さが互い異なっている。
【００３３】
また、標準ゲージ５は、上述のように、仮想線Ｌ１を通り、底面５１Ａに直交する仮想面に対して対称形状であり、仮想線Ｌ１よりもＸ１軸の正方向側においても同様に構成されている。すなわち、標準ゲージ５は、仮想線Ｌ１よりもＸ１軸の正方向側においてもＸ１軸に沿った平面部５２，５３，５４を有し、これらの平面部５２，５３，５４は、互いに高さが異なる。また、これら各平面部５２，５３，５４には、同様に、それぞれ複数の突出部５５が設けられている。
【００３４】
上述のように構成された標準ゲージ５は、例えば、各種金属や、樹脂等の材料を用いて形成される。具体的な標準ゲージ５の製造方法は、次に述べるような方法が例示できる。
すなわち、金属材料を用いて、複数の平面部５２，５３，５４のそれぞれに複数の三角錐が配置された中間構造体を形成する。そして、中間構造体の表面を、当該金属材料よりも、分光反射率が低い塗料（例えば黒色の塗料）で着色する。その後、上記複数の三角錐の一部を除去（例えば研磨等）して、側面５５２，５５３，５５４とは分光反射率が異なる頂面５５１を有する三角錐台形状の突出部５５を、各平面部５２，５３，５４に形成する。
【００３５】
［計測部の構成］
図１に戻り、三次元測定装置１の構成について説明する。
計測部１０は、測定対象Ｘを載置可能なステージ面１１と、ステージ面１１に載置された測定対象Ｘの三次元形状を測定する三次元形状計測手段１２と、測定対象Ｘの二次元画像を撮像する二次元画像撮像手段１３と、測定対象Ｘに対する三次元形状計測手段１２及び二次元画像撮像手段１３の相対的位置を変更する走査手段１４と、を備えている。
ステージ面１１は、測定対象Ｘが載置される面であり、三次元測定装置１における基準面を提供する。すなわち、三次元測定装置１におけるマシン座標系は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸を含み、基準面であるステージ面１１がＸＹ平面に平行となる。
【００３６】
走査手段１４は、三次元形状計測手段１２及び二次元画像撮像手段１３による撮像位置が測定対象Ｘの所望の位置となるように、測定対象Ｘと、三次元形状計測手段１２及び二次元画像撮像手段１３との相対的位置を変更する。走査手段１４は、例えば、Ｘ方向、Ｙ方向、及び、Ｚ方向の３方向に、測定対象Ｘに対する、三次元形状計測手段１２及び二次元画像撮像手段１３の位置を移動させる。具体的には、上記３方向に移動可能に三次元形状計測手段１２及び二次元画像撮像手段１３を支持するアームと、モーター等の駆動力発生源からの駆動力をアームに伝達し、三次元測定装置１を移動させる駆動機構と、を備えるものが例示される。
また、走査手段１４は、三次元形状計測手段１２及び二次元画像撮像手段１３に対して、測定対象Ｘを載置するステージ面１１を移動可能に構成されていてもよい。
【００３７】
三次元形状計測手段１２は、例えば光切断法によって測定対象Ｘの三次元形状を計測するためのセンサーであり、第１光源部１２１と、第１撮像部１２２と、を備えている。
第１光源部１２１は、例えば、スリット光を射出するスリット光源である。スリット光を発生させる光源としては、レーザー光源であり、上述したように、単一のレーザー発振波長（シングルモード）でレーザー光を出射させる。なお、本実施形態では、第１光源部１２１は、スリット光の中心光軸が、ステージ面１１による基準面と略直交するように配置される。
第１撮像部１２２は、第１光源部１２１からのスリット光が照射された測定対象Ｘを撮像し、三次元測定用画像を取得する。第１撮像部１２２は、撮像光の中心光軸が、第１光源部１２１からのスリット光の中心光軸に対して所定の角度となるように配置される。光切断法を用いる本実施形態では、スリット光の照射箇所が輝線として可視化される。第１撮像部１２２は、スリット光による輝線が照射された測定対象Ｘを撮像し、三次元測定用画像を取得する。第１撮像部１２２は、三次元測定用画像を制御部２０に供給する。
【００３８】
二次元画像撮像手段１３は、三次元形状計測手段１２によって取得された測定データに基づく三次元形状測定結果の誤差を補正するキャリブレーションを実施する際に用いる二次元画像を撮像するものであり、第２光源部１３１と、第２撮像部１３２と、を備えている。
第２光源部１３１は、例えば、測定対象Ｘに対して白色光を照射する光源であり、例えば、タングステン光源、ＬＥＤ光源、レーザー光源等の各種の光源を用いることができる。なお、第２光源部１３１は、頂面５５１では反射率が高く、側面５５２及び側面５５３では反射率が低い波長を少なくとも含む光を出射する。これにより、第２光源部１３１によって、上述の標準ゲージ５を照明した際に、頂面５５１と、側面５５２及び側面５５３との間で、反射光の光量を異ならしめることができる。
第２撮像部１３２は、第２光源部１３１からの光によって照明された測定対象Ｘを撮像し、キャリブレーション用の二次元画像を取得する。また、第２撮像部１３２は、第１光源部１２１からのスリット光の中心光軸に平行な（ステージ面１１の基準面に直交する）仮想線に対して、第１撮像部１２２と線対称となる位置に配置される。この第２撮像部１３２は、二次元画像を制御部２０に供給する。
【００３９】
［制御部の構成］
制御部２０は、例えばＣＰＵやメモリー等が組み合わされることで構成され、三次元測定装置１の全体の動作を制御する。この制御部２０は、図１に示すように、位置設定手段２１と、形状測定用データ取得手段２２と、三次元形状取得手段２３と、第１エッジ検出手段２４と、第１特徴点検出手段２５と、二次元画像取得手段２６と、第２エッジ検出手段２７と、第２特徴点検出手段２８と、校正手段２９と、記憶手段３０と、を備える。
記憶手段３０は、三次元測定装置１を制御するための各種データやプログラム等を記憶する。
【００４０】
位置設定手段２１は、走査手段１４を制御して、三次元形状計測手段１２及び二次元画像撮像手段１３と、ステージ面１１との相対的な位置を変更することで、ステージ面１１に載置された測定対象Ｘ（標準ゲージ５を含む）に対する三次元形状計測手段１２による測定位置や、二次元画像撮像手段１３による撮像位置を制御する。
【００４１】
形状測定用データ取得手段２２は、三次元形状の測定タイミングに応じて、第１光源部１２１を点灯させ、第１撮像部１２２に測定対象Ｘを撮像させる。そして、形状測定用データ取得手段２２は、第１撮像部１２２によって撮像された三次元測定用画像を取得する。形状測定用データ取得手段２２は、位置設定手段２１によって三次元形状計測手段１２の測定位置が変更される度に、各測定位置における三次元測定用画像を取得し、取得した複数の三次元測定用画像を取得順に対応づけた形状測定用データとして記憶手段３０に記憶させる。
【００４２】
三次元形状取得手段２３は、形状測定用データ取得手段２２によって撮像されて形状測定用データに基づいて、測定対象Ｘの三次元形状を取得する。三次元形状取得手段２３は、測定対象Ｘの表面の複数点についての三次元座標、すなわち、点群データを取得する。なお、本実施形態では、光切断法を採用している。従って、第１エッジ検出手段２４は、三次元測定用画像に撮像された輝線に基づいて、当該三次元測定用画像が撮像された位置における、測定対象Ｘの表面の複数点について三次元座標を取得する。なお、三次元形状計測手段１２と、形状測定用データ取得手段２２と、三次元形状取得手段２３とは、測定対象Ｘの三次元形状を計測し、三次元形状測定結果を取得するものであり、本発明の三次元形状測定手段に相当する。
【００４３】
第１エッジ検出手段２４は、三次元形状取得手段２３によって取得された点群データに基づいて、複数の突出部５５のそれぞれについて、頂面５５１のエッジである辺５５１Ａ，５５１Ｂを検出する。本実施形態では、光切断法を採用している。従って、第１エッジ検出手段２４は、三次元測定用画像に撮像された輝線に基づいて、当該三次元測定用画像が撮像された際の測定位置（すなわち輝線の位置）における輝線と辺５５１Ａ，５５１Ｂとが交差する点（以下、エッジ点とも称する）を検出する。第１エッジ検出手段２４は、位置設定手段２１により走査ライン（輝線の位置）を例えばＸ方向にずらすことで、複数の三次元測定用画像を取得し、各三次元測定用画像のそれぞれについて、エッジ点を検出する。そして、検出したエッジ点に基づいて、辺５５１Ａ，５５１Ｂを検出する。第１エッジ検出手段２４は、検出した辺５５１Ａ，５５１Ｂの位置を記憶手段３０に記憶させる。
なお、第１光源部１２１からのスリット光の照射面が、本発明の仮想交差面に相当する。また、スリット光によって突出部５５に形成された輝線が、本発明の交線に相当する。また、上記エッジ点が、本発明における各辺と仮想交差面との交点に相当する。
【００４４】
第１特徴点検出手段２５は、第１エッジ検出手段２４によって検出された辺５５１Ａ，５５１Ｂの交点である頂点Ｐを検出する。頂点Ｐは、頂面５５１の外周形状に基づいて特定可能な特徴点であり、以下、特徴点Ｐとも称する。このように、第１特徴点検出手段２５は、辺５５１Ａ，５５１Ｂの検出結果に基づいて、突出部５５における特徴点Ｐの三次元位置を検出する。第１特徴点検出手段２５は、複数の突出部５５のそれぞれについて特徴点Ｐの三次元位置を検出し、記憶手段３０に記憶させる。
【００４５】
二次元画像取得手段２６は、二次元画像撮像手段１３による二次元画像の取得タイミングに応じて、第２光源部１３１を点灯させ、第２撮像部１３２に、キャリブレーション用の二次元画像を撮像させ、撮像された二次元画像を取得する。キャリブレーションを実施する際に、測定対象としてステージ面１１に載置された標準ゲージ５が第２撮像部１３２によって撮像可能な位置となるように、位置設定手段２１が走査手段１４に標準ゲージ５の位置を設定させる。二次元画像取得手段２６は、標準ゲージ５に設けられた複数（少なくとも２以上）の突出部５５が、１つの二次元画像に同時に写るように、第２撮像部１３２の撮像範囲が設定されている。なお、本実施形態では、二次元画像撮像手段１３と、二次元画像取得手段２６とは、対象の二次元画像を撮像し、取得するものであり、本発明の二次元画像撮像手段に相当する。
【００４６】
第２エッジ検出手段２７は、二次元画像取得手段２６によって取得された二元画像に基づいて、標準ゲージ５に設けられた複数の突出部５５のそれぞれについて、頂面５５１のエッジとして、辺５５１Ａ，５５１Ｂを検出する。本実施形態では、頂面５５１と、側面５５２及び側面５５３とは、分光反射率が異なっている。このため、頂面５５１は、側面５５２及び側面５５３よりも明るい領域となっている。このような二次元画像における輝度の差を利用して、明るい領域である頂面５５１のエッジとして、辺５５１Ａ，５５１Ｂを検出する。
【００４７】
第２特徴点検出手段２８は、第２エッジ検出手段２７によって検出された辺５５１Ａ，５５１Ｂの交点である頂点、すなわち、特徴点Ｐの三次元位置を検出する。
校正手段２９は、第１特徴点検出手段２５及び第２エッジ検出手段２７のそれぞれで検出された複数の特徴点Ｐの検出結果に基づいて、三次元形状取得手段２３の三次元形状の取得結果を校正する校正条件（補正値）を設定するキャリブレーションを実施する。
【００４８】
［キャリブレーション処理］
以下、三次元測定装置１によるキャリブレーション処理について、図面に基づいて以下に説明する。
図６は、キャリブレーション処理の一例を示すフローチャートである。
キャリブレーション処理では、ステージ面１１に載置された標準ゲージ５の三次元形状を計測するために、三次元測定装置１は、形状測定用データを取得する（ステップＳ１）。なお、標準ゲージ５は、標準ゲージ５に設定されたＸ１軸、Ｙ１軸及びＺ１軸が、マシン座標系のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸のそれぞれに一致するように、ステージ面１１に載置されている。
【００４９】
ステップＳ１では、形状測定用データ取得手段２２は、第１光源部１２１を点灯させてスリット光を出射させる。位置設定手段２１の制御に基づいて走査手段１４は、ステージ面１１と三次元形状計測手段１２との相対的な位置を変更させることで、標準ゲージ５の表面においてスリット光を走査させて、標準ゲージ５の表面における輝線の位置を移動させる。
例えば、図２において、基準面に対して輝線がＹ軸（Ｙ１軸）方向に沿うように、第１光源部１２１にスリット光を照射させる。そして、位置設定手段２１は、標準ゲージ５を上方から見た平面視において仮想線Ｌ１に一致する位置からＸ軸（Ｘ１軸）方向に輝線が移動するように、走査手段１４の制御に基づき、ステージ面１１と三次元形状計測手段１２との相対的な位置を変更する。
形状測定用データ取得手段２２は、三次元形状計測手段１２の測定位置が変更される度に、第１撮像部１２２に標準ゲージ５を撮像させ、三次元測定用画像を取得する。形状測定用データ取得手段２２は、このようにして取得した複数の三次元測定用画像を取得順に対応づけた形状測定用データとして記憶手段３０に記憶させる。
【００５０】
そして、ステップＳ１において、形状測定用データが取得されたら、三次元形状取得手段２３は、形状測定用データに基づいて、標準ゲージ５の表面における複数点（例えば、第１撮像部１２２の撮像素子の各画素に対応する点）についての点群データを取得する（ステップＳ２）。
【００５１】
次に、第１エッジ検出手段２４は、取得された点群データに基づいて、標準ゲージ５に設けられた複数の突出部５５について、辺５５１Ａ，５５１Ｂに対応するエッジを検出する（ステップＳ３）。
図７は、輝線が形成されている突出部５５の１つを模式的に示す斜視図である。図８は、図７に示す輝線に基づいて取得された点群データを示すグラフである。なお、図８では、横軸にＹ座標、縦軸にＺ座標の値を示している。なお、図８に示す各点は、Ｙ方向に沿って存在する輝線をＸ方向に走査させた際の、あるＸ座標における三次元測定用画像から取得された点群データを構成しており、Ｘ座標が同一である。
【００５２】
ステップＳ３では、第１エッジ検出手段２４は、走査方向（Ｘ方向）における各測定位置について、標準ゲージ５に設けられた突出部５５のエッジである辺５５１Ａ，５５１Ｂのそれぞれに対応する点（以下、エッジ点とも称する）を検出する。
図７には、ある測定位置（すなわち、輝線のＸ座標）における、各エッジ点ｅ１，ｅ２を示す。エッジ点ｅ１は辺５５１Ａにおいて、エッジ点ｅ２は辺５５１Ｂにおいて、それぞれ輝線が通過する点である。この、第１エッジ検出手段２４は、図８に示す走査位置における各測定点の三次元位置に基づいて、各エッジ点ｅ１，ｅ２の位置（座標）を近似的に算出する。本実施形態では、第１エッジ検出手段２４は、図８に示すように一例として二次関数Ｆ１，Ｆ２を用いて近似する。すなわち、頂面５５１と側面５５２とに関する複数の測定点に対して、二次関数Ｆ１による近似を適用し、例えば当該二次関数Ｆ１の底に相当する座標をエッジ点ｅ１の座標とする。同様に、頂面５５１と側面５５３とに関する複数の測定点に対して、二次関数Ｆ２を適用し、二次関数Ｆ２の底に相当する座標をエッジ点ｅ２の座標とする。第１エッジ検出手段２４は、複数の測定位置、すなわち、他のＸ座標に対しても、同様に、各エッジ点ｅ１，ｅ２の位置（座標）を近似的に算出する。
【００５３】
なお、本実施形態では、二次関数による近似を利用してエッジ点を検出する例について説明したが、エッジ点の検出方法はこれに限定されない。例えば、各測定点のうち、頂面５５１、側面５５２、側面５５３のそれぞれに対応する測定点に対して直線近似を適用し、３つの直線のうちの２直線の交点をエッジ点としてもよい。また、二次以上の次数の関数で近似を行ってもよい。
【００５４】
次に、第１エッジ検出手段２４は、各エッジ点ｅ１，ｅ２の座標に基づいて、辺５５１Ａに対応するエッジＥ１及び辺５５１Ｂに対応するエッジＥ２をそれぞれ検出する。
ここで、図９には、第１エッジ検出手段２４によって近似的に算出された各測定位置について算出された各エッジ点ｅ１，ｅ２の座標を示す。図９では、横軸をＹ軸、縦軸をＸ軸として図示している。
第１エッジ検出手段２４は、図９に一例として示すように、複数のエッジ点ｅ１に対して直線近似を適用することにより、辺５５１Ａに対応するエッジＥ１（第１近似直線）を近似的に算出している。同様に、第１エッジ検出手段２４は、複数のエッジ点ｅ２に対して直線近似を適用することにより、辺５５１Ｂに対応するエッジＥ２（第１近似直線）を近似的に算出している。
第１エッジ検出手段２４は、上述のようにして、三次元形状取得手段２３によって取得された点群データに基づいて突出部５５のエッジを検出する。第１エッジ検出手段２４は、このエッジの検出を、標準ゲージ５に設けられた複数の突出部５５に対して実施する。
【００５５】
次に、第１特徴点検出手段２５は、ステップＳ３において、第１エッジ検出手段２４によって近似的に検出された各エッジＥ１，Ｅ２に基づいて、辺５５１Ａ，５５１Ｂの交点である特徴点Ｐを検出する（ステップＳ４）。本実施形態では、第１特徴点検出手段２５は、各エッジＥ１，Ｅ２の交点を算出することにより特徴点Ｐの座標を算出する。このようにして、第１特徴点検出手段２５は、特徴点Ｐの座標を近似的に算出することにより、特徴点Ｐを検出する。第１特徴点検出手段２５は、上述の特徴点Ｐの検出を、標準ゲージ５に設けられた複数の突出部５５に対して実施する。
【００５６】
一方、三次元測定装置１は、キャリブレーション処理を実施する際の校正用のデータとしての二次元画像を取得する（ステップＳ５）。
具体的には、二次元画像取得手段２６は、第２光源部１３１を点灯させて照明光を出射させ、第２撮像部１３２に、二次元画像を撮像させ、撮像された二次元画像を取得する。
なお、キャリブレーションを実施する際に、測定対象としてステージ面１１に載置された標準ゲージ５が第２撮像部１３２によって撮像可能な位置となるように、位置設定手段２１が走査手段１４に標準ゲージ５の位置を設定させる。二次元画像取得手段２６は、標準ゲージ５に設けられた複数（少なくとも２以上）の突出部５５が、１つの二次元画像に同時に写るように、第２撮像部１３２の撮像範囲が設定されている。二次元画像取得手段２６は、標準ゲージ５に設けられた複数の突出部５５が一つの二次元画像に収まるように、第２撮像部１３２に対する標準ゲージ５の位置を調整するための指令を走査手段１４に出力する。
ここで、二次元画像撮像手段１３及び二次元画像取得手段２６によって二次元画像を取得する際に、例えば共焦点法等の公知の方法を利用することにより、標準ゲージ５の表面の測定点における高さ（Ｚ座標の値）を含む、点群データを取得することができる。
【００５７】
次に、第２エッジ検出手段２７は、二次元画像取得手段２６によって取得された二次元画像に基づいて、複数の突出部５５における辺５５１Ａ，５５１Ｂに対応するエッジを検出する（ステップＳ６）。
図１０は、１つの突出部５５を拡大した二次元画像の一例を模式的に示す図である。
上述のように、標準ゲージ５は、頂面５５１よりも、側面５５２及び側面５５３の方が、分光反射率が低くなっている。このため、図１０に示すように、分光反射率が相対的に大きい頂面５５１に対応する第１領域Ａｒ１は、反射率が相対的に小さい側面５５２及び側面５５３に対応する第２領域Ａｒ２よりも相対的に明るくなっている。
なお、図１０では、一例として、側面５５２及び側面５５３は、黒色である場合について図示している。
第２エッジ検出手段２７は、第１領域Ａｒ１と、第２領域Ａｒ２との輝度差を利用して、辺５５１Ａに対応するエッジＥ３（第２近似直線）及び辺５５１Ｂに対応するエッジＥ４（第２近似直線）をそれぞれ検出する。第２エッジ検出手段２７は、このようなエッジの検出を複数の突出部５５について同様に行う。
【００５８】
次に、第２特徴点検出手段２８は、ステップＳ６において、第２エッジ検出手段２７によって検出された各エッジＥ３，Ｅ４に基づいて特徴点Ｐを検出する（ステップＳ７）。第２特徴点検出手段２８は、このような特徴点Ｐの検出を複数の突出部５５について同様に行う。
【００５９】
そして、校正手段２９は、第１特徴点検出手段２５及び第２エッジ検出手段２７のそれぞれで検出された複数の特徴点Ｐの検出結果に基づいて、キャリブレーションを実施する（ステップＳ８）。
ここで、図１１は、エッジ周辺の輝度変化及び高さ変化との関係を模式的に示すグラフである。図１１（Ａ）はＹ軸方向におけるエッジ周辺の輝度変化を、図１１（Ｂ）は高さ変化を示す。標準ゲージ５は、上述のように、頂面５５１と側面５５２とで分光反射率が異なるとともに、エッジにおいて頂面５５１に連続する側面５５２はエッジを境に高さが変化している。従って、高さ変化に基づいてエッジを検出する第１エッジ検出手段２４と、輝度変化に基づいてエッジを検出する第２エッジ検出手段２７とによって、同一のエッジを検出することができる。このため、第１特徴点検出手段２５及び第２特徴点検出手段２８によって同一の特徴点Ｐを検出することができる。
校正手段２９は、第１特徴点検出手段２５及び第２エッジ検出手段２７のそれぞれで検出された複数の特徴点Ｐの検出結果を対応付けることによって、三次元形状取得手段２３等の三次元測定装置１の各構成部に対してキャリブレーションを実施させる。
【００６０】
［本実施形態の作用効果］
上記のように、本実施形態の標準ゲージ５は、基準面に対して平行な頂面５５１と、頂面５５１に対して９０度以上の角αを成して連続する側面５５２，５５３とを有する複数の突出部５５を有している。そして、これら頂面５５１と、側面５５２，５５３との分光反射率が異なっている。
この標準ゲージ５では、頂面５５１と、側面５５２，５５３との境界で高さが変化する。従って、三次元測定装置１は、標準ゲージ５の三次元形状を測定することにより、上記境界における高さ変化に基づいて、頂面５５１のエッジを検出することができる。
一方、標準ゲージ５では、頂面５５１と、側面５５２，５５３，５５４との分光反射率が異なる。このため、三次元測定装置１の二次元画像撮像手段１３によって撮像された二次元画像において、頂面５５１に対応する第１領域Ａｒ１は、側面５５２，５５３に対応する第２領域Ａｒ２とは異なる輝度となる。従って、三次元測定装置１は、この第１領域Ａｒ１と第２領域Ａｒ２との輝度差に基づいて、頂面５５１のエッジを高精度に検出することができる。
すなわち、本実施形態の標準ゲージ５は、高さ変化及び輝度変化のそれぞれに基づいてエッジを検出可能に構成されている。これにより、輝度変化に基づいてエッジを検出可能に構成された三次元測定装置１を用いることにより、当該三次元測定装置１において高精度にキャリブレーションを実施可能とする。
【００６１】
また、三次元測定装置１は、上記二次元画像を取得する二次元画像撮像手段１３を備え、取得した二次元画像に基づいて標準ゲージ５のエッジを高精度に検出でき、高精度なキャリブレーションを実施できる。換言すると、標準ゲージ５を用いることにより、二次元画像を取得する二次元画像撮像手段１３という簡易な構成を三次元測定装置１に採用するだけで、高精度のキャリブレーションを実施できる。また、上述のように三次元測定装置１は、上記標準ゲージ５を用いることで、複雑な構成を採用することなく、高精度のキャリブレーションを実施できる。
【００６２】
また、本実施形態の三次元測定装置１及び標準ゲージ５によれば、高さ変化及び輝度変化のそれぞれに基づいてエッジを検出可能であり、特に輝度変化に基づいて高精度にエッジを検出可能である。このように輝度変化に基づく高精度の検出結果を取得できるので、標準ゲージ５の工作精度が低い（例えば、三次元測定の精度よりも低い）場合でも、キャリブレーションに用いる比較用のデータとして、高精度なデータを取得することができ、高精度なキャリブレーションを実施できる。また、上述の理由により、本実施形態の三次元測定装置１及び標準ゲージ５によれば、標準ゲージ５の製造コストを抑制できる。
【００６３】
また、本実施形態の標準ゲージ５は、頂面５５１及び側面５５２，５５３が、三次元形状計測手段１２の第１光源部１２１による単波長レーザー光の波長に対して所定の第１閾値以上の反射率を有している。従って、本実施形態では、頂面５５１及び側面５５２，５５３に照射されたレーザー光の殆どが標準ゲージ５に吸収されることなく反射されるため、精度の高い測定結果を得ることができる。
一方、本実施形態の標準ゲージ５は、側面５５２，５５３が、二次元画像撮像手段１３の第２光源部１３１による光に含まれる、レーザー光の波長以外の所定の波長の光に対して第２閾値未満の反射率を有している。従って、本実施形態では、二次元画像における頂面５５１と側面５５２，５５３との輝度差が大きくなり、頂面５５１のエッジを高精度に検出できる。
以上から、本実施形態では、点群データに基づくエッジ（特徴点）の検出、及び二次元画像に基づくエッジ（特徴点）の検出を、それぞれ高精度に実施でき、高精度のキャリブレーションを実施できる。
【００６４】
本実施形態では、突出部５５は、三角錐台であり、頂面５５１は三角形状であり、頂面５５１の外周部を構成する３つの辺のそれぞれに連続する側面５５２，５５３，５５４を有する。このような構成では、突出部５５の形状をより簡易な構成とすることができ、標準ゲージ５の簡略化を図ることができる。
また、頂面５５１と側面５５２，５５３とが交差する頂面５５１の２辺をエッジとして検出できる。これにより、これら２辺が交わる頂点を特徴点Ｐとして検出することができる。従って、三次元測定装置１は、高さ変化及び輝度変化のそれぞれに基づいて検出した各特徴点Ｐを対応付けることで、高精度なキャリブレーションを実施できる。
特に、三角錐台の場合では、頂面５５１が、四角形や五角形等の頂点が４つ以上の多角形の場合と比べて、頂面５５１の面積が同程度の場合では、１辺の長さが長い。これにより、頂面５５１が三角形状の場合、頂点が４つ以上の多角形の場合と比べて、エッジの検出精度を向上させることができ、キャリブレーションの精度を向上させることができる。
また、頂面５５１を三角形等の多角形とすることで、頂面５５１と第２面との境界を直線とすることができ、直線近似という簡単な方法で、エッジに対応する近似直線を取得でき、エッジを検出できる。さらに、エッジの交点を検出することで、特徴点Ｐを検出できる。すなわち、本実施形態では、直線近似を用いた簡単な処理で特徴点Ｐを検出することができる。
【００６５】
本実施形態では、標準ゲージ５は、Ｘ１方向及びＹ１方向の２方向に沿うよう配列されている。このため、三次元測定装置１は、複数の突出部５５の位置関係を用いてキャリブレーションを実施することができ、すなわち、対応づける特徴点Ｐの数を増やすことができ、より高精度なキャリブレーションを実施可能とする。
【００６６】
本実施形態では、標準ゲージ５は、基準面に対する高さが異なる複数の平面部５２，５３，５４を有し、それぞれに突出部５５が設けられている。このような構成では、各ユニット間で、頂面５５１の高さを異なるようにする際に、ユニットの高さを変えなくてもよい。一般に、標準ゲージとしては、寸法が設計値に近い値であることが望ましく、例えば金属部材を切削、研磨等することで製造される。この場合、同一平面上に、高さが異なる複数のユニットを形成することは、製造上困難となる。これに対して、本実施形態のように、高さの異なる平面部のそれぞれに、同一高さのユニットを設ける構成では、切削や研磨等により容易に製造が可能となり、製造効率性を向上できる。
【００６７】
本実施形態では、頂面５５１の特徴点Ｐを含む２辺５５１Ａ，５５１Ｂに、輝線が交差する位置（スリット光の照射位置）における複数の測定点に対して、曲線近似により、エッジ点ｅ１，ｅ２の座標を算出し、複数のエッジ点ｅ１についてエッジＥ１を、複数のエッジ点ｅ２についてエッジＥ２を取得する。
これにより、輝線の照射位置におけるエッジ点ｅ１，ｅ２、及びエッジＥ１，Ｅ２を近似により取得することができる。
【００６８】
本実施形態では、二次元画像において、分光反射率が相対的に大きい頂面５５１に対応する第１領域Ａｒ１と、反射率が相対的に小さい側面５５２及び側面５５３に対応する第２領域Ａｒ２との輝度差を利用して、辺５５１Ａに対応するエッジＥ３及び辺５５１Ｂに対応するエッジＥ４を、それぞれ、直線近似により取得できる。このように、本実施形態では、三次元測定装置１によって標準ゲージ５を測定することにより、直線近似を用いた簡単な処理で特徴点Ｐを検出することができる。
【００６９】
［変形例］
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、上記実施形態では、標準ゲージ５は、三角錐台形状の突出部５５を有する構成としたが、本発明はこれに限定されない。突出部５５は、三角錐台に限定されず各種角錐台や円錐台でもよい。突出部が角錐台の場合、頂面が多角形状となるため、上記実施形態と同様に、１つの頂点を特徴点とし、当該頂点を成す２辺を検出することで特徴点を検出することができる。なお、円錐台の場合は、頂面が円となるため、例えば、円の中心を特徴点としてもよく、エッジを検出することで特徴点を検出することができる。
また、突出部５５は、錐台に限定されず、角柱や円柱でもよい。この場合、計測部１０の各撮像部１２２，１３２の撮像方向が、柱状の突出部５５の高さ方向に一致してしまうと、頂面と側面とを同時撮像できない可能性があり、上記撮像方向が制限されるおそれがある。これに対して、錐台形状の場合は、高さ方向に一致したとしても上述の不具合の発生を抑制でき、より確実にエッジを検出できる点で好ましい。
【００７０】
上記実施形態では、標準ゲージ５は、複数の高さが異なる平面部を有し、突出部５５が各平面部に設けられている構成としたが、本発明はこれに限定されない。例えば、標準ゲージは、基部５１の天面５１Ｂに複数の突出部が設けられ、少なくとも２つは高さが異なる構成でもよい。
【００７１】
上記実施形態では、標準ゲージ５は、仮想線Ｌ１を通り、Ｘ１−Ｙ１平面に直交する仮想面に対して対称形状であるとしたが、本発明はこれに限定されず対称形状でなくてもよい。例えば、上述の標準ゲージ５における仮想面を挟んだ一方側のみの構成を有する標準ゲージを採用してもよい。
【００７２】
上記実施形態では、Ｘ１軸方向及びＹ１軸方向の二方向に沿って突出部５５が配列されているとしたが、一方向に沿って配列されている構成でもよく、いずれの方向に配列されていない構成でもよい。本発明の標準ゲージとしては、少なくとも高さが異なる二つの突出部を備えていればよい。
【００７３】
上記実施形態では、辺５５１Ａ，５５１Ｂに対応するエッジ点ｅ１，ｅ２の検出や、エッジの検出に直線近似や曲線近似を用いるとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、点群データに基づいてエッジを検出する際は、点群データを補間してエッジに相当する座標を取得してもよい。また、二次元画像がエッジを検出する際は、輝度変化に基づいてエッジを検出可能な各種の検出方法を用いてもよい。
【００７４】
上記実施形態において、三次元形状計測手段１２としては、測定対象Ｘの外周表面を複数の計測点で精度よく取得できるものであれば特に限定されない。例えば、２台のカメラを用いステレオ法により各計測点の三次元座標を検出するものであってもよく、スリット光を照射して、各計測点の三次元座標を検出する光パターンを投影することで各計測点の三次元座標を検出するパターン投影法などを用いてもよい。また、プローブを測定対象Ｘの表面に接触させて測定対象Ｘの外形形状を計測する接触型の三次元形状計測手段を用いてもよい。
【００７５】
上記実施形態では、突出部５５の頂面５５１が、レーザー発振波長を含む白色光の各波長に対して高い反射率を有し、一方、側面５５２，５５３，５５４が、レーザー発振波長に対して高い反射率を有し、その他の波長の光に対しては低い反射率を有するとしたが、本発明はこれに限定されない。
例えば、側面５５２，５５３，５５４は、レーザー発振波長に以外の全波長ではなく、少なくとも一部の所定波長に対して低い反射率を示す分光反射特性を有していてもよい。すなわち、二次元画像撮像手段１３の第２光源部１３１からの光に含まれる、レーザー発振波長以外の波長の少なくとも一部の所定波長に対して低い反射率を示す分光反射特性を、側面５５２，５５３，５５４が有していればよい。
また、頂面５５１と側面５５２，５５３，５５４との分光反射特性が、上述とは逆の関係でもよく、例えば、第２光源部１３１からの光の一部の所定波長（レーザー発振波長以外の波長）に対して低い反射率を示す分光反射特性を、頂面５５１が有していればよい。
【００７６】
以上、本発明を実施するための最良の構成について具体的に説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、当業者が様々な変形および改良を加えることができるものである。
【符号の説明】
【００７７】
１…三次元測定装置、５…標準ゲージ、１２…三次元形状計測手段、１３…二次元画像撮像手段、２２…形状測定用データ取得手段、２３…三次元形状取得手段、２４…第１エッジ検出手段、２５…第１特徴点検出手段、２６…二次元画像取得手段、２７…第２エッジ検出手段、２８…第２特徴点検出手段、２９…校正手段、５１Ａ…底面（基準面）、５２…第１平面部、５３…第２平面部、５４…第３平面部、５５…突出部、５５１…頂面、５５１Ａ…辺、５５１Ｂ…辺、５５２，５５３…側面、Ｐ…特徴点。
【図１】
2015099049.tif 000003
【図４】
2015099049.tif 000004
【図５】
2015099049.tif 000005
【図６】
2015099049.tif 000006
【図８】
2015099049.tif 000007
【図９】
2015099049.tif 000008
【図１１】
2015099049.tif 000009
【図２】
2015099049.tif 000010
【図３】
2015099049.tif 000011
【図７】
2015099049.tif 000012
【図１０】
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