(57)【要約】【課題】多重反射の影響を低減して測定精度を向上させた形状測定方法を提供する。【解決手段】本発明に係る形状測定方法は、被検物の表面で多重反射して撮像される投影パターンの一部を減光もしくは消光させる設定を行うステップ（Ｓ１０１〜Ｓ１０３）と、パターン投影部により先のステップで減光もしくは消光させた投影パターンを被検物に投影するとともに、当該投影パターンが投影された被検物を撮像部により撮像し、先のステップで減光もしくは消光させた投影パターンが投影された被検物の画像に基づいて、被検物の三次元形状を測定するステップ（Ｓ１０４〜Ｓ１０５）とを有している。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の投影パターンを被検物に投影するパターン投影部と、前記パターン投影部により前記投影パターンが投影された前記被検物を撮像する撮像部とを備え、前記撮像部により撮像された前記被検物の画像に基づいて前記被検物の三次元形状を測定する形状測定装置を用いた形状測定方法であって、
前記被検物の表面で多重反射して前記撮像される前記投影パターンの一部を減光もしくは消光させる設定を行う第１のステップと、
前記パターン投影部により前記第１のステップで前記減光もしくは消光させた前記投影パターンを前記被検物に投影するとともに、前記減光もしくは消光させた前記投影パターンが投影された前記被検物を前記撮像部により撮像し、前記減光もしくは消光させた前記投影パターンが投影された前記被検物の画像に基づいて、前記被検物の三次元形状を測定する第２のステップとを有していることを特徴とする形状測定方法。
【請求項２】
前記投影パターンは周期的な縞模様を有しており、
前記第１のステップが、
前記パターン投影部により、前記縞模様の周期が互いに異なる複数種の前記投影パターンを投影する第１のサブステップと、
前記撮像部により、前記投影パターンが投影された前記被検物を前記複数種の前記投影パターン毎に撮像する第２のサブステップと、
前記第２のサブステップで前記複数種の前記投影パターン毎に撮像した前記被検物の画像情報に基づいて、前記被検物の表面において前記多重反射が生じる位置を算出する第３のサブステップと、
前記第３のサブステップで算出した前記多重反射が生じる位置に基づいて、前記投影パターンの一部を減光もしくは消光させる設定を行う第４のサブステップとを有していることを特徴とする請求項１に記載の形状測定方法。
【請求項３】
前記第４のサブステップにおいて、前記多重反射が生じる位置から光線追跡を行うことにより、前記投影パターンにおける前記減光もしくは消光させる位置を特定することを特徴とする請求項２に記載の形状測定方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載の形状測定方法が記憶されていることを特徴とする記憶媒体。
【請求項５】
請求項４に記載の記憶媒体を備えることを特徴とする形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工業製品等の表面形状（三次元形状）を測定する形状測定方法および、これが記憶された記憶媒体並びに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。光学式三次元形状測定装置も種々の方式、構成のものがあるが、被検物に所定の投影パターン（縞模様や、格子模様）を投影して被検物を撮像し、その撮像画像から各画像位置（各画素）での縞の位相を求めて各画像位置の高さを算出し、被検物の三次元形状を測定するものがある（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
このような装置においては、例えば、被検物（測定対象物）の表面に縞パターンからなる投影パターンを投影し、投影方向と異なる角度から被検物に投影された縞パターンを撮像し、三角測量の原理等を用いて縞パターンの位相分布を算出し、被検物表面の三次元形状を求めるように構成されている。
【０００４】
その構成例を図６に示しており、光源５１からの光が縞模様の投影パターンマスク５２および投影レンズ５３を通して被検物５４の表面に投影される。被検物５４の表面に投影された投影パターンマスク５２の縞模様は、被検物５４の表面三次元形状に応じて変形され、このように変形された被検物５４の表面のパターンを、投影方向と異なる角度から撮像レンズ５５を介して撮像装置（例えば、ＣＣＤセンサ）により撮像されて、演算処理装置５７に送られ、ここで撮像画像データの演算処理が行われる。演算処理装置５７においては、このように撮像された被検物表面の撮像画像データを三角測量の原理等を用いて縞パターンの位相分布を算出し、被検物表面の三次元形状を求める演算処理が行われる。
【特許文献１】特開２０００−９４４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような形状測定方法においては、被検物の表面が金属表面等の光沢面である場合、被検物の形状によっては、他の面に投影されたパターン像が多重反射を起こして、本来測定される面のパターン像に映りこみ、測定精度が低下するおそれがあった。
【０００６】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、多重反射の影響を低減して測定精度を向上させた形状測定方法および、これが記憶された記憶媒体並びに形状測定装置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】
【０００７】
このような目的達成のため、本発明に係る形状測定方法は、所定の投影パターンを被検物に投影するパターン投影部と、前記パターン投影部により前記投影パターンが投影された前記被検物を撮像する撮像部とを備え、前記撮像部により撮像された前記被検物の画像に基づいて前記被検物の三次元形状を測定する形状測定装置を用いた形状測定方法であって、前記被検物の表面で多重反射して前記撮像される前記投影パターンの一部を減光もしくは消光させる設定を行う第１のステップと、前記パターン投影部により前記第１のステップで前記減光もしくは消光させた前記投影パターンを前記被検物に投影するとともに、前記減光もしくは消光させた前記投影パターンが投影された前記被検物を前記撮像部により撮像し、前記減光もしくは消光させた前記投影パターンが投影された前記被検物の画像に基づいて、前記被検物の三次元形状を測定する第２のステップとを有している。
【０００８】
なお、上述の発明において、前記投影パターンは周期的な縞模様を有しており、前記第１のステップが、前記パターン投影部により、前記縞模様の周期が互いに異なる複数種の前記投影パターンを投影する第１のサブステップと、前記撮像部により、前記投影パターンが投影された前記被検物を前記複数種の前記投影パターン毎に撮像する第２のサブステップと、前記第２のサブステップで前記複数種の前記投影パターン毎に撮像した前記被検物の画像情報に基づいて、前記被検物の表面において前記多重反射が生じる位置を算出する第３のサブステップと、前記第３のサブステップで算出した前記多重反射が生じる位置に基づいて、前記投影パターンの一部を減光もしくは消光させる設定を行う第４のサブステップとを有していることが好ましい。
【０００９】
また、上述の発明では、前記第４のサブステップにおいて、前記多重反射が生じる位置から光線追跡を行うことにより、前記投影パターンにおける前記減光もしくは消光させる位置を特定することが好ましい。
【００１０】
また、本発明に係る記憶媒体は、上述の発明に係る形状測定方法が記憶されていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る形状測定装置は、上述の発明に係る記憶媒体を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、多重反射の影響を低減して測定精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。本実施形態に係る形状測定方法が用いられる三次元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を参照しながら説明する。なお、図１において、図１（ａ）および図１（ｂ）にそれぞれ形状測定装置Ｍを示しているが、これは同一のものであり、説明の便宜上、投影パターンマスク２に等間隔の縞模様を有する投影パターンＰＴ１が形成されたものを図１（ａ）に示し、投影パターンマスク２に縞模様（投影パターンＰＴ１）の一部を消光（もしくは減光）させた投影パターンＰＴ２が形成されたものを図１（ｂ）に示している。
【００１４】
この形状測定装置Ｍは、光源１と、光源１からの光に縞模様を与えるための投影パターンマスク２と、投影パターンマスク２を通過した光源１からの光を被検物１０の表面に投影させる投影レンズ３とからなるパターン投影部ＭＡと、被検物１０からの反射光を撮像レンズ６を介して撮像する撮像装置７からなる撮像光学系ＭＢとを有して構成される。
【００１５】
パターン投影部ＭＡにおいて、投影パターンマスク２は、液晶素子等により構成され、液晶素子と電気的に接続された表示制御部８からの制御信号を受けて、任意の形状、透過率、およびピッチのパターン（例えば、輝度分布が正弦波関数となる周期的な縞模様パターンＰＴ１）を形成することができるようになっている。これにより、光源１からの光をこの投影パターンマスク２に通過させ、投影レンズ３により集光させることで、投影パターンマスク２により形成された所望の投影パターンＰＴ１を被検物１０の表面に投影させることができる。
【００１６】
撮像光学系ＭＢにおいて、撮像装置７は、被検物１０からの光を受けて被検物１０を撮像するＣＣＤカメラ等から構成され、被検物１０で反射した投影パターンＰＴ１の像を撮像できるようになっている。また、撮像装置７により撮像された被検物１０の画像データは、演算処理装置９に送られ、ここで所定の画像演算処理がなされて被検物１０の表面の高さが算出され、被検物１０の三次元形状（表面形状）が求められる。
【００１７】
次に、以上のように構成された形状測定装置Ｍによる被検物１０の形状測定方法について、図２に示すフローチャートを参照しながら以下に説明する。なお、本形状測定方法（プログラム）は、演算処理装置９内の記憶媒体に記憶されている。まず、ステップＳ１０１において、図１（ａ）に示すように、パターン投影部ＭＡにより縞模様の投影パターンＰＴ１（正弦波状の縞模様パターン）を被検物１０に投影し、投影パターンＰＴ１が投影された被検物１０を撮像部ＭＢにより撮像する。このとき、光源１からの光が投影パターンマスク２および投影レンズ３を介して被検物１０に照射され、被検物１０からの反射光が撮像レンズ６を介して撮像素子７で結像し、撮像素子７により投影パターンＰＴ１が投影された被検物１０の像が撮像されて被検物１０の測定画像が取得される。
【００１８】
このようにして得られた被検物１０の測定画像データは、撮像素子７から演算処理装置９に送られる。なお、本実施形態においては、表示制御部８および投影パターンマスク２により、縞模様の周期（ピッチ）が互いに異なる２種類の投影パターンＰＴ１を投影し、各周期（ピッチ）の投影パターンＰＴ１毎に、パターン投影された被検物１０の像を撮像部ＭＢにより撮像する。
【００１９】
また、本実施形態では、位相シフト法により被検物１０に投影されたパターンの位相を求めるため、表示制御部８および投影パターンマスク２により、位相を変えた３種類の投影パターンＰＴ１について、パターン投影された被検物１０の像を撮像する。このとき、位相接続のため、撮像部ＭＢによる各位相での投影パターンＰＴ１の撮像は、表示制御部８および投影パターンマスク２により必要に応じて、さらに縞模様の周期（ピッチ）を変えて複数回行われ、一組の測定画像データ群が取得される。
【００２０】
このようにして測定画像データが送られると、ステップＳ１０２において、演算処理装置９で所定の演算処理を行うことにより、ステップＳ１０１で撮像された画像データに基づいて、三角測量の原理を用いて被検物１０の表面の高さを算出し、被検物１０の三次元形状（表面形状）を測定する。このとき、縞模様の周期（ピッチ）が互いに異なる２種類の投影パターンＰＴ１に基づいてそれぞれ、（２種類の）被検物１０の表面の高さを算出し、被検物１０の三次元形状を測定する。
【００２１】
次に、ステップＳ１０３において、２種類の投影パターンＰＴ１に基づいてそれぞれ算出した被検物１０の表面高さより、被検物１０の表面において多重反射が生じる位置を算出し推定する。
【００２２】
ここで、被検物１０からの反射光が乱反射等により多重反射を起こす場合を考える。被検物１０の表面が光沢面であると、図１（ａ）に示すように、多重反射を起こした投影パターンの一部ＰＴａが被検物１０の像に映りこむことがある。被検物１０表面の反射率を考慮すると、撮像部ＭＢで検出される多重反射光は、せいぜい二重反射光までであり、撮像部ＭＢで二重反射光を検出するものと仮定する。パターン投影部ＭＡからの光が被検物１０で二重反射を起こして撮像部ＭＢに達する様子を、図３の破線で示しており、多重反射（二重反射）による映りこみが生じる場合とは、パターン投影部ＭＡからの光が被検物１０表面の点Ｐ２で反射した後、さらに点Ｐ１で反射して撮像部ＭＢに達する場合と考えることができる。なお、パターン投影部ＭＡからの光が被検物１０で二重反射を起こして映りこみが生じる一例を、図４に示す。このような映りこみが生じる点の輝度Ｉは、測定すべき点Ｐ１からの反射光の輝度の振幅をａとし、多重反射（二重反射）を生じさせる点Ｐ２からの反射光の輝度の振幅をｂとすると、次の条件式（１）で表すことができる。
【００２３】
Ｉ＝ａ×sin（θ0＋θs＋θp1）＋ｂ×sin（θ0＋θs＋θp2）  …（１）
【００２４】
ここで、条件式（１）の第１項は点Ｐ１の投影パターンＰＴ１による輝度を、第２項は点Ｐ２から点Ｐ１への映りこみによる輝度をそれぞれ示している。また、θ0は初期位相、θsは位相シフト法のための位相、θp1は点Ｐ１の三次元座標による位相であり、条件式（１）の第１項、すなわち点Ｐ１での位相は、θ0、θs、およびθp1の和で表すことができる。さらに、θp2は点Ｐ２の三次元座標による位相であり、条件式（１）の第２項、すなわち点Ｐ２での位相は、θ0、θs、およびθp2の和で表すことができる。
【００２５】
これからわかるように、点Ｐ１と点Ｐ２との位相差は、θp1−θp2であり、このθp1−θp2が変化すれば、形状測定結果が変化することになる。θp1−θp2の値は、縞模様の周期（ピッチ）によって変化するので、これを利用して映りこみの有無を判断することができる。但し、上式はパターンの位相変化方向にのみ成立するため、映りこみの方向が位相変化方向に対して直交している場合には映りこみを検出できない。従って、望ましくは、互いに直交する２方向の位相変化方向について確認することが好ましい。
【００２６】
ところで、例えば、基準となる被測定面で縞模様の周期（ピッチ）が５ｍｍ（０．２本／ｍｍ）となる投影パターンＰＴ１を投影したとき、映りこみの位相が丁度１本分（５ｍｍ）だけずれているとすれば、この点の三次元座標（被検物１０の表面の高さ）を騙されることなく算出することができる。次に、縞模様の周期（ピッチ）が３．３ｍｍ（０．３本／ｍｍ）となる投影パターンＰＴ１を投影すると、映りこみの位相が約１．５本分（≒５ｍｍ／３．３ｍｍ）だけずれて重なることになるので、３位相間の輝度のバランスが崩れ、その分だけ三次元座標が騙されて算出されてしまう。
【００２７】
点Ｐ１と点Ｐ２との位相差が２π（３６０°）となるような縞模様のピッチを１とし、正規の投影パターンに対する映りこみの割合を０．１として、被検物１０の表面高さの測定誤差であるＺ検出ずれを試算したのが図５であり、縞模様のピッチ（周期）を変化させたときの形状データ（表面高さ）を比較することにより、データの乖離の大きい部分から、映りこみが生じる部分、すなわち被検物１０の表面において多重反射が生じる位置を推定（算出）することができる。なお、図５において、Ｚ検出ずれは、点Ｐ２−点Ｐ１間の距離（位相差）に対する割合（％）で示している。
【００２８】
このように多重反射が生じる位置を推定すると、次のステップＳ１０４において、多重反射が生じる位置から光線追跡を行うにより、投影パターンＰＴ１における映りこみ（多重反射）の原因となる部分を特定（推定）し、その部分を減光（もしくは消光）させる設定を行う。そして、図１（ｂ）に示すように、パターン投影部ＭＡにより、映りこみの原因となる部分を減光（もしくは消光）させた投影パターンＰＴ２を被検物１０に投影し、投影パターンＰＴ２が投影された被検物１０を撮像部ＭＢにより撮像する。
【００２９】
このとき、光源１からの光が投影パターンマスク２および投影レンズ３を介して被検物１０に照射され、被検物１０からの反射光が撮像レンズ６を介して撮像素子７で結像し、撮像素子７により投影パターンＰＴ２が投影された被検物１０の像が撮像されて被検物１０の測定画像が取得される。投影パターンＰＴ２が投影された被検物１０の像は、映りこみのない、多重反射の影響が排除されたものとなる。
【００３０】
このようにして得られた被検物１０の測定画像データは、撮像素子７から演算処理装置９に送られる。なお、位相接続のため、撮像部ＭＢによる投影パターンＰＴ２の撮像は、表示制御部８および投影パターンマスク２により縞模様の周期（ピッチ）を変えて複数回行われ、一組の測定画像データ群が取得される。
【００３１】
このようにして測定画像データが送られると、ステップＳ１０５において、演算処理装置９で所定の演算処理を行うことにより、ステップＳ１０４で撮像された画像データに基づいて、三角測量の原理を用いて被検物１０の表面の高さを算出し、被検物１０の三次元形状（表面形状）を測定する。なおこのとき、投影パターンＰＴ２において減光（もしくは消光）させた部分（すなわち、映りこみの原因となる部分）については、被検物１０の三次元形状を測定することができないが、ステップＳ１０２において当該部分の三次元形状を測定しているため、ステップＳ１０２で算出した当該部分の三次元形状データを用いて補完を行う。
【００３２】
このように、本実施形態の形状測定方法によれば、映りこみ（多重反射）の原因となる部分を減光（もしくは消光）させた投影パターンＰＴ２が投影された被検物１０の画像に基づいて、被検物１０の三次元形状を測定するステップ（Ｓ１０５）を有しているため、多重反射の影響を低減して測定精度を向上させることが可能になる。
【００３３】
また、縞模様の周期（ピッチ）が互いに異なる２種類の投影パターン毎に撮像した被検物１０の画像情報に基づいて、被検物１０の表面において多重反射が生じる位置を算出することで、比較的容易に多重反射が生じる位置を推定することができる。
【００３４】
またこのとき、多重反射が生じる位置から光線追跡を行うことにより、投影パターンにおける減光（もしくは消光）させる位置を特定することで、映りこみ（多重反射）の原因となる部分を減光（もしくは消光）させた投影パターンＰＴ２をより確実に形成することができる。
【００３５】
なお、上述の実施形態において、縞模様の周期（ピッチ）が互いに異なる２種類の投影パターン毎に撮像した被検物１０の画像情報に基づいて、被検物１０の表面において多重反射が生じる位置を算出し、多重反射が生じる位置から光線追跡を行うことにより、投影パターンにおける減光（もしくは消光）させる位置を特定しているが、これに限られるものではなく、被検物の設計データから光線追跡を試算することにより、投影パターンにおける減光（もしくは消光）させる位置を特定するようにしてもよい。このようにすれば、２種類の投影パターンを被検物に投影する必要がなくなるため、測定時間を短縮することが可能になる。
【００３６】
また、本実施形態ではプログラムを演算処理装置９内に記憶したが、演算処理装置９とは別にＲＡＭ等の書き換え可能な記憶媒体に記憶してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る形状測定方法に用いられる形状測定装置の概略構成図である。
【図２】本発明に係る形状測定方法を示すフローチャートである。
【図３】多重反射の様子を示す模式図である。
【図４】映りこみの一例を示す模式図である。
【図５】縞模様のピッチとＺ検出ずれとの関係を示すグラフである。
【図６】従来における形状測定装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００３８】
Ｍ    形状測定装置
ＭＡ  パターン投影部                    ＭＢ  撮像部
ＰＴ１  投影パターン                    ＰＴ２  投影パターン
１０  被検物
【図１】
2008309551.tif 000003
【図２】
2008309551.tif 000004
【図３】
2008309551.tif 000005
【図４】
2008309551.tif 000006
【図５】
2008309551.tif 000007
【図６】
2008309551.tif 000008