(57)【要約】【課題】正確な三次元形状測定を行うことができる形状測定装置を提供する。【解決手段】所定幅を有したスリット光Ｓからなる投影パターンを被検物５に投影する投影部２０と、スリット光Ｓが所定間隔走査される毎に被検物に投影された投影パターン像を撮像する撮像部３０と、撮像部３０で撮像される投影パターン像のそれぞれに対し、スリット光Ｓの走査位置に応じて算定される３以上の変調係数をそれぞれ乗じて３以上の変調画像を取得し、同じ変調係数を乗じて取得された変調画像群をスリット光Ｓの走査方向に並べて合成して３以上の正弦波パターン投影画像を生成する画像生成部４１と、３以上の正弦波パターン投影画像から被検物５の位相分布を算出し、位相分布に基づいて被検物５の表面形状を測定する形状測定部４２と、を有して構成される。【選択図】図１
2008185381.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定幅を有して直線状に延びる少なくとも一本のスリット光からなる投影パターンを被検物に投影する投影部と、
前記投影部により投影された前記投影パターンを前記被検物に対して相対移動させ、前記投影パターンにより前記被検物の表面を走査させる走査部と、
前記スリット光が所定間隔走査される毎に前記被検物に投影された前記投影パターンを撮像する撮像部と、
前記撮像部で撮像される投影パターン像のそれぞれに対し、前記スリット光の走査位置に応じて算定される３以上の変調係数をそれぞれ乗じて３以上の変調画像を取得し、同じ変調係数を乗じて取得された変調画像群を前記スリット光の走査方向に並べて合成して３以上の正弦波パターン投影画像を生成する画像生成部と、
前記３以上の正弦波パターン投影画像から前記被検物の位相分布を算出し、前記位相分布に基づいて前記被検物の表面形状を測定する形状測定部と、を有して構成されることを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
前記形状測定部は、前記撮像部で撮像された前記被検物の各像から高さ情報を算出し、前記位相分布と前記高さ情報とにより前記被検物の表面形状を測定することを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項３】
前記撮像部は、前記被検物の像を結像させる撮像レンズ系と、前記撮像レンズ系により結像された像を撮影する撮像器とから構成され、
前記撮像器の撮像面が前記撮像レンズ系の光軸に対して直行する面から傾斜して配置されており、前記撮像面が前記撮像レンズ系を介して前記被検物側において結像する焦点面が、前記投影パターンの投影切断面に一致するように前記パターン投影系を配置していることを特徴とする請求項１又は２に記載の形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光切断法を用いて工業製品等の被検物の三次元形状を測定する形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工業製品等の物体の表面形状を測定する技術は従来から種々提案されており、その一つに光学式の三次元形状測定装置がある。光学式の三次元形状測定装置も種々の方式や構成のものがあるが、被検物の表面にスリット光からなる投影パターンを投影し、投影パターンを被検物の表面全域に走査させつつ被検物に投影された投影パターンを撮像し、撮像された画像に対し、画素ごとに三角測量の原理を用いて被検物表面の高さを算出し、被検物表面の三次元形状を測定するものがあり、この方式による形状測定方法は一般に光切断法と称されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平５−２７２９２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図５に示すように、被検物１０５に投影されるスリット光Ｓは所定の幅ｄを有している。このため、スリット光Ｓが被検物１０５のエッジ部分に投影された場合には、スリット光Ｓの一部が被検物１０５側を照射し、残りの部分が被検物１０５の表面外側を抜けて被検物１０５を保持する支持台１１０側を照射することがある。これに対して撮像面１３２ａ上では、スリット基線方向における同じ位置に対して２本の投影パターンPP1，PP2が撮像されてしまい、このような画像に基づいて正確な形状測定を行うことが難しかった。
【０００５】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、所定幅を有するスリット光を被検物に投影して被検物の三次元形状を測定する形状測定装置において、被検物の形状測定を正確に行うことができるような形状測定装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的達成のため、本発明に係る形状測定装置は、所定幅を有して直線状に延びる少なくとも一本のスリット光からなる投影パターンを被検物に投影する投影部と、投影部により投影された投影パターンを被検物に対して相対移動させ、投影パターンにより被検物の表面を走査させる走査部と、スリット光が所定間隔走査される毎に被検物に投影された投影パターンを撮像する撮像部と、撮像部で撮像される投影パターン像のそれぞれに対し、スリット光の走査位置に応じて算定される３以上の変調係数をそれぞれ乗じて３以上の変調画像を取得し、同じ変調係数を乗じて取得された変調画像群をスリット光の走査方向に並べて合成して３以上の正弦波パターン投影画像を生成する画像生成部と、３以上の正弦波パターン投影画像から被検物の位相分布を算出し、位相分布に基づいて被検物の表面形状を測定する形状測定部とを有して構成される。
【０００７】
なお、前記形状測定部は、前記撮像部で撮像された前記被検物の各像から高さ情報を算出し、前記位相分布と前記高さ情報とにより前記被検物の表面形状を測定するのが好ましい。
【０００８】
また、前記撮像部は、前記被検物の像を結像させる撮像レンズ系と、前記撮像レンズ系により結像された像を撮影する撮像器とから構成され、前記撮像器の撮像面が前記撮像レンズ系の光軸に対して直行する面から傾斜して配置されており、前記撮像面が前記撮像レンズ系を介して前記被検物側において結像する焦点面が、前記投影パターンの投影切断面に一致するように前記パターン投影系を配置しているのが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
このような本発明に係る形状測定装置によると、スリット光からなる投影パターンを被検物の表面に走査させる構成でありながら、所定走査間隔ごとに撮像された投影パターン像から正弦波パターン投影画像を生成し、これらの投影画像から位相分布を算定して被検物の表面に対する形状測定を行っている。このため、スリット光が所定幅を有して図５に示す状況で投影パターンが投影されても、エッジ部分に相当する測定点に対して算出された位相分布から形状測定を正確に行うことができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。本発明に係る形状測定装置の概略構成を図１に示しており、まず、この形状測定装置について図１を参照して説明する。この形状測定装置１は、被検物５を支持面１０ａ上に載置して保持する支持台１０と、支持台１０に保持された被検物５にスリット状の投影パターンを投影するパターン投影系２０と、被検物５からの反射光を撮像レンズ群３１を介して撮像する撮像装置３２を有した撮像系３０と、撮像系３０により撮像された画像データに基づいて被検物５の形状測定を行う演算処理装置４０とを有して構成されている。
【００１１】
パターン投影系２０は、内部構成を図示略するが、光源からの照明光を受けて所定幅を有した１本のスリット光Ｓに整形するパターン形成部を有して構成されている。光源は、ＬＥＤ等からなり輝度が一定の照明光を照射する。パターン形成部は、例えばシリンドリカルレンズや、細い帯状の切り欠きを有したスリット板を有して構成される。このパターン投影系２０により、図１の紙面直交方向に延びるスリット光Ｓが投影されると、スリット光Ｓがのって図１において直線状で示される投影切断面２０ａの断面輪郭線（投影パターン）が被検物５に投影される。
【００１２】
撮像系３０においては、撮像レンズ群３１によって被検物５に投影された投影パターンの像が、ＣＣＤ等の光電変換素子等が設けられた撮像装置３２の撮像面３２ａ上に結像される。撮像装置３２により撮像された画像は、演算処理装置４０に送られ、ここで以下に説明する画像演算処理がなされ、被検物５の三次元形状測定が行われる。
【００１３】
また、この撮像系３０は、いわゆるシャインプルーフ光学系になっており、撮像レンズ群３１の主平面３１ａが撮像系３０の光軸３０Ｌに対して直交する平面をなしている一方、撮像装置３２の撮像面３２ａが光軸直交平面に対して傾斜して配置されており、撮像面３２ａと共役関係にあって撮像面３２ａが撮像レンズ群３１を介して被検物５側において結像する焦点面３０ｆが、光軸直交平面に対して傾斜されて主平面３１ａおよび撮像面３２ａと同軸上で交わっている。そして、この焦点面３０ｆが投影切断面２０ａと一致されるように、撮像面３２ａやパターン投影系２０が配置されている。したがって、この撮像系３０においては、焦点面３０ｆと一致されている投影切断面２０ａの断面輪郭線からの反射光、すなわち投影パターンを、投影されている部分の形状に関わらず常に合焦状態で撮像することができるようになっている。
【００１４】
また、パターン投影系２０と撮像系３０は、一つのフレームにより一体に固定されて構成されている。支持台１０には、支持台１０をフレームに対してパターン投影系２０および撮像系３０の光軸方向およびスリット基線方向と異なる方向に相対移動させる走査装置１５が設けられている。このため、走査装置１５によって支持台１０を移動させながら支持台１０に保持された被検物５に対して投影パターンを投影することにより、この投影パターンで被検物５の表面全域が走査される。なお、同じ作用を得るため、支持台１０を固定してフレームを移動させるように走査装置を設けてもよい。また、走査装置１５には、支持台１０の移動方向、すなわち、スリット光の走査方向の位置を検出するためのエンコーダ等からなる位置検出器が設けられており、この検出値は演算処理装置４０に出力されるように構成されている。
【００１５】
演算処理装置４０は、撮像系３０から送られた画像に基づき被検物５の表面全域に仮想的に正弦波パターンを投影したような画像（以下、正弦波パターン投影画像と称する）を生成する画像生成部４１と、画像生成部４１により生成された正弦波パターン投影画像に基づいて被検物５の形状を測定する形状測定部４２とを有して構成されている。
【００１６】
以上のように構成された形状測定装置１を用いて被検物５の表面形状を測定する方法を説明する。この測定に際しては、被検物５を保持した支持台１０を走査装置１５により移動させながら、パターン投影系２０によりスリット光Ｓを投影する。被検物５からの反射光は撮像レンズ群３１を介して集光され、撮像装置３２に入射して撮像面３２ａに合焦状態で撮像される。演算処理装置４０は、位置検出器の検出値に基づいて、スリット光が所定間隔走査される毎に、撮像面３２ａに結像された画像を取得する。
【００１７】
このようにして撮像系３０で撮像される画像を図２に例示している。投影パターンは所定の幅ｄを有しており、基準位置（支持台１０の支持面１０ａ）に対する被検物５の高さに応じて変形される。なお、従来知られるように三角測量の原理を用いて、被検物５の表面上の測定点の高さを、投影パターンの変形量δから求めることができる。すなわち、この変形量δは測定点に対する高さ情報として扱うことができる。
【００１８】
そして、画像生成部４１において、所定走査間隔毎に演算処理装置４０に取得された各画像に対し、投影パターン像の輝度に、該投影パターン像が撮像されたスリット光の走査位置に応じて定まる第１〜第３変調係数（これは輝度を変更する係数である）をそれぞれ乗じて、第１〜第３変調画像が取得される。図３には、スリット光の走査位置に対する第１〜第３変調係数のマップα1，α2，α3を示している。これらのマップα1，α2，α3はそれぞれ同一ピッチの正弦曲線になっており、第１変調係数を定めるための第１マップα1に対し、第２変調係数を定めるための第２マップα2は位相が１２０度ずれたものになっており、第３変調係数を定めるための第３マップα3は位相が２４０度ずれたものになっている。
【００１９】
このようにして各画像から取得された３つの変調画像は、演算処理装置４０内の第１〜第３メモリに別個に記憶される。各画像において、第１変調係数を乗じて得られた第１変調画像はそれぞれ第１メモリに記憶され、第２変調係数を乗じて得られた第２変調画像はそれぞれ第２メモリに記憶され、第３変調係数を乗じて得られた第３変調画像はそれぞれ第３メモリに記憶される。
【００２０】
そして、画像生成部４１において、各メモリに記憶された変調画像群が、走査方向に並べられて合成される。この合成により、従来の位相シフト法で行われていたように被検物の表面全域に対して正弦波パターンを投影したような３つの縞画像が得られる。図４には第１メモリに記憶された第１変調画像群を合成して生成された第１縞画像Ｉｖ1を例示している。この第１縞画像Ｉｖ1に対し、第２メモリに記憶された第２変調画像群を合成して生成された第２縞画像は、正弦波パターンの位相が１２０度ずれた画像となり、第３メモリに記憶された第３変調画像群を合成して生成された第３縞画像は、正弦波パターンの位相が２４０度ずれた画像となる。
【００２１】
このようにして得られた３つの縞画像を用いて、従来の位相シフト法と同様にして位相分布が算出され、算出された位相分布に基づいて被検物５の表面上の各測定点に対する高さが測定される。なお、この位相分布は、同一の測定点に対し、３つの縞画像のそれぞれから得られる３つの輝度値を用いて算出することができる。なお、位相分布を算出して高さを測定する方法においては、位相接続処理を行って形状を特定する必要がある。本構成例においては、縞画像の合成に用いられた各画像において、その投影パターンの変形量δを高さ情報として得ることができるため、位相分布とこの高さ情報とに基づいて、位相接続処理に係る演算処理を行うことなく、被検物５の形状を特定することが可能になる。
【００２２】
このように本構成例の形状測定装置１においては、所定幅を有するスリット光からなる投影パターンを被検物５の表面全域に走査する光切断法の態様をとる装置構成でありながら、投影パターンの走査間隔毎に取得された各像を変調し、変調された像を並べて合成することにより、正弦波パターンを投影したような縞画像を生成している。そして、この縞画像に基づいて位相分布を算定し、被検物の形状測定が行われる。このため、各測定点においてその測定点の輝度値に基づいて高さを測定することができるようになるため、所定幅を有したスリット光を投影しながらも、エッジ部分の形状測定を正確に行うことができるようになる。また、被検物５の表面に反射率条件が相違する部分があっても、同様にして各測定点ごとに形状測定を正確に行うことができるようになる。
【００２３】
また、撮像系３０の焦点面３０ｆが光軸３０Ｌに対して直交する平面に対して傾斜され、パターン投影系２０により投影されるスリット光Ｓの投影切断面２０ａと整合される。このため、被検物５に投影された投影パターンが、常に合焦状態で撮像されるようになる。このため、撮像系３０の焦点深度を深くする必要がなくなり、撮像レンズ系の開口数を大きくとることができ、解像度が向上されて測定精度が向上される。
【００２４】
これまで本発明に係る形状測定装置の実施形態について説明したが、本発明の範囲は必ずしも上記の構成に限られない。なお、仮想正弦波パターン投影画像を生成するにあたっては、撮像系３０により撮像された投影パターンの像の輝度に対して変調係数を乗じる構成に限らず、パターン投影系の光源の輝度を支持台１０の移動位置に応じた正弦波パターンに変調させる変調装置を設けて構成してもよい。この場合には、まず、第１の位相の正弦波パターンに沿って変調しながらスリット光を被検物の表面全域に走査し、同様にして順に第２、第３の位相の正弦波パターンに沿って変調しながらスリット光を被検物の表面全域に走査し、各走査時に得られた画像を合成する構成としてもよい。また、走査間隔ごとに支持台１０ａを間欠移動させ、支持台１０の停止位置に応じて輝度を３つの位相パターンのそれぞれに沿って変調したスリット光を投影し、互いに輝度の異なる３つの投影パターンの像を取得し、得られた変調画像を合成する構成としてもよい。これにより、スリット光を被検物５の表面全域に走査する構成の形状測定装置を用いて位相分布を算出して被検物５の形状測定を行うことができるようになり、上記実施形態と同様にして被検物の形状測定を正確に行うことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る形状測定装置の構成図である。
【図２】撮像面上に結像された投影パターン像の態様を説明する説明図である。
【図３】第１〜第３変調係数についての説明図である。
【図４】第１変調係数が乗じられた投影パターンの像を合成して得られた第１縞画像を説明する説明図である。
【図５】スリット光が被検物のエッジ部分を照射している状況についての説明図であり、(ａ)がその状況において形状測定装置を正面視で模式的に示す説明図であり、(ｂ)がその状況において撮像面上に結像される投影パターン像を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２６】
１  形状測定装置            ５  被検物
１０  支持台              ２０  パターン投影系
３０  撮像系              ４０  演算処理装置
４１  画像生成部          ４２  形状測定部
【図１】
2008185381.tif 000003
【図２】
2008185381.tif 000004
【図３】
2008185381.tif 000005
【図４】
2008185381.tif 000006
【図５】
2008185381.tif 000007