(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被計測物の形状を計測する計測装置であって、
明部と暗部とを有する第１のパターン光又は当該第１のパターン光の明部と暗部とが反転した第２のパターン光を前記被計測物に投影する投影手段と、
前記パターン光が投影された前記被計測物を撮像して、画像データを取得する撮像手段と、
前記投影手段および前記撮像手段を制御する制御部と、
前記被計測物に照射される前記パターン光以外の光の強度の周期に関する情報を取得する取得手段と、を有し、
第１条件は、前記投影手段が前記被計測物に投影する前記第１のパターン光および前記第２のパターン光の組み合わせ、前記撮像手段による撮像回数および撮像間隔、を含み、
第２条件は、前記第１条件と同じ撮像回数および撮像間隔、前記組み合わせの前記第１のパターン光と前記第２のパターン光とが入れ替わった組み合わせ、を含み、
前記制御部は、前記第１条件での前記投影手段による投影および前記撮像手段による撮像を開始し、前記パターン光以外の光の強度の周期の整数倍の時間間隔をあけて、前記第２条件での前記投影手段による投影および前記撮像手段による撮像を開始するように、前記投影手段および前記撮像手段を制御し、
前記第１条件で取得した画像データと前記第２条件で取得した画像データとを各条件の撮像順に対応付けて対応する画像データの階調値の交点位置を求め、求めた交点位置に基づいて前記被計測物の形状を算出することを特徴とする計測装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記撮像間隔を一定値のＴ１、前記撮像回数をＭ、前記光の周期をＴ０、前記時間間隔をＴ２とした場合に、Ｍ×Ｔ１／Ｔ０の小数点以下を切り上げた整数αおよびＴ１／Ｔ０の小数点以下を切り上げた整数β、に対し、
Ｍ×β×Ｔ０＞Ｔ２≧α×Ｔ０
を満たすＴ２をあけて前記第１条件および前記第２条件に基づく制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記撮像間隔を一定値のＴ１、前記撮像手段の最短撮像間隔をＴ１´、前記撮像回数をＭ、前記光の周期をＴ０、した場合に、Ｍ×Ｔ１´／Ｔ０の小数点以下を切り上げた整数ηに対し、Ｔ１が、
Ｔ１＝η×Ｔ０／Ｍ
を満足することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項４】
前記パターン光以外の光の強度の周期が、商業用電源周波数の整数倍の逆数であることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項５】
被計測物の形状を計測する計測方法であって、
前記被計測物に投影する、明部と暗部とを有する第１のパターン光および当該第１のパターン光の明部と暗部とが反転した第２のパターン光の組み合わせ、撮像回数および撮像間隔、を含む第１条件に従って前記被計測物の画像データを取得する第１取得工程と、
前記第１取得工程から、前記被計測物に照射される前記パターン光以外の光の強度の周期の整数倍の時間間隔をあけて、前記第１条件と同じ撮像回数および撮像間隔、前記組み合わせの前記第１のパターン光と前記第２のパターン光とが入れ替わった組み合わせ、を含む第２条件に従って前記被計測物の画像データを取得する第２取得工程と、
前記第１取得工程で取得した画像データと前記第２取得工程で取得した画像データとを各条件の撮像順に対応付けて対応する各画像データの階調値の交点位置を求め、求めた交点位置に基づいて前記被計測物の形状を算出する形状算出工程と、を有することを特徴とする計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測装置および計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
被計測物の形状を計測する装置として、パターン投影法を用いた光学式の計測装置が知られている。パターン投影法では、所定のパターン光を被計測物に投影して撮像し、撮像データからパターンを検出して、三角測量の原理から各画素位置における距離情報を算出することで、被計測物の形状を求めている。パターン投影法としては、明線と暗線とを交互に有するパターン光を投影して空間を２進符号化する空間符号化法がよく用いられる。空間符号化法による計測精度を向上させるためには、得られた撮像データから明部と暗部との境界を正確に決定する必要がある。
【０００３】
明部と暗部との境界を正確に決定する手法として、明部と暗部とを交互に有する第１のパターン光と、該パターン光の明部と暗部との関係が反転し、第１のパターン光と相補関係にある第２のパターン光とを投影し、その交点を境界として判定する手法がある。各パターン光が相補関係にあり、かつ、同じ平面を計測している限り、交点間の距離と明部の幅（または暗部の幅）とは一致する。しかしながら、実際の計測においては、環境光（蛍光灯などの室内光）の影響により相補関係が崩れてしまい、交点位置がずれてしまうことがある。この交点位置のずれは、環境光によるものなのか、被計測物の形状によるものなのかは区別ができない。その結果、計測精度が低下してしまう。環境光の影響を低減する方法として、蛍光灯の主周波数である商業用電源周波数（５０Ｈｚ、６０Ｈｚ）の整数倍の周期で撮像タイミングを同期させることで環境光の影響を低減する方法が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１９８８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の発明は、撮像タイミングの同期のための待ち時間が生じ、計測時間の点で不利となりうる。
【０００６】
本発明は、例えば、計測精度および計測時間の点で有利な計測装置および計測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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、被計測物の形状を計測する計測装置であって、
明部と暗部とを有する第１のパターン光又は当該第１のパターン光の明部と暗部とが反転した第２のパターン光を被計測物に投影する投影手段と、パターン光が投影された被計測物を撮像して、画像データを取得する撮像手段と、投影手段および撮像手段を制御する制御部と、被計測物に照射されるパターン光以外の光の強度の周期に関する情報を取得する取得手段と、を有し、第１条件は、投影手段が被計測物に投影する第１のパターン光および第２のパターン光の組み合わせ、撮像手段による撮像回数および撮像間隔、を含み、第２条件は、第１条件と同じ撮像回数および撮像間隔、組み合わせの第１のパターン光と第２のパターン光とが入れ替わった組み合わせ、を含み、制御部は、第１条件での投影手段による投影および撮像手段による撮像を開始し、パターン光以外の光の強度の周期の整数倍の時間間隔をあけて、第２条件での投影手段による投影および撮像手段による撮像を開始するように、投影手段および撮像手段を制御し、第１条件で取得した画像データと第２条件で取得した画像データとを各条件の撮像順に対応付けて対応する画像データの階調値の交点位置を求め、求めた交点位置に基づいて被計測物の形状を算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、例えば、計測精度および計測時間の点で有利な計測装置および計測方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態に係る計測装置、パターン光および光強度分布を示す図である。
【図２】環境光による影響を説明する図である。
【図３】第１実施形態に係る撮像タイミングチャートを示す図である。
【図４】タクト時間が短縮されることを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための形態について図面などを参照して説明する。
【００１１】
（第１実施形態）
図１（Ａ）は、本実施形態としての計測装置の構成を示す概略図である。図１（Ｂ）および図１（Ｃ）は、明部と暗部とを交互に有する第１のパターン光および第１のパターン光の明部と暗部との関係を反転させた第２のパターン光を示す図である。図１（Ｄ）は、第１のパターン光と第２のパターン光とを基準平面に投影したときの階調値分布である。本実施形態の計測装置は、ヘッド１０、制御部３および演算部４を含む。ヘッド１０は、投影手段１および撮像手段２を含み、投影手段１は、発光部５、パターン設定素子６および投影光学系７を含み、撮像手段２は、撮像レンズ８およびセンサ素子９を含む。被計測物２０にパターン光を投影する方向をｚ軸、それに直交する軸をそれぞれｘ軸およびｙ軸とする。
【００１２】
投影手段１は、発光部５から出射した光をパターン設定素子６でパターン光１５に設定（形成）し、投影光学系７を介して被計測物２０に投影する。パターン設定素子６には、液晶素子やＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）などが用いられ、任意のパターン光を設定（選択）することを可能にしている。発光部５はＬＥＤなどの発光素子、あるいは発光素子と輝度ムラを低減するための均一照明系を組み合わせた形態が好適である。撮像手段２は、被計測物２０からの光を撮像レンズ８によりセンサ素子９の受光面に導くことでパターン光１５が投影された被計測物２０を撮像して、画像データを取得する。センサ素子９は、ＣＭＯＳやＣＣＤなどの光電変換素子が好適である。発光部５、パターン設定素子６およびセンサ素子９は制御部３によって制御され、それぞれ、任意のタイミングで発光、パターン設定および撮像が行われる。
【００１３】
演算部４には、撮像手段２が撮像した画像データの階調値（輝度）データが画素に対応して保存される。投影手段１と撮像手段２との相対的な位置と姿勢の関係は予め既知であることから、三角測量に基づき被計測物２０の表面上の点の座標を演算部４で計算し、被計測物２０の形状が求められる。被計測物２０の表面上の点の座標を算出する際に、少なくとも１組のパターン光１５を投射し、それぞれの階調分布（輝度分布）を撮像手段２で撮像する。パターン光１５のうち一つは、図１（Ｂ）に示す明部と暗部を有する第１のパターン光である。もう一つは、図１（Ｃ）に示す、明部と暗部との関係が第１のパターン光に対して反転した、つまり第１のパターンと相補的な関係にある第２のパターン光である。第１のパターン光および第２のパターン光を計測の基準となる平面に照射したとすると、その階調分布は図１（Ｄ）のようになる。
【００１４】
演算部４は、図１（Ｄ）に示す第１のパターン光が投影された第１の階調分布Ｐと、第２のパターン光が投影された第２の階調分布Ｎとの交点Ｃを算出する。第１のパターン光と第２のパターン光との明部と暗部の比が１：１である本実施形態の場合、基準となる平面に対して交点Ｃの検出を行うと、交点Ｃは等ピッチとなる。被計測物２０を計測すると、基準平面に対する被計測物２０の形状の分だけ、交点Ｃは等ピッチ位置から変位する。この変位を利用して、被計測物２０のｚ座標を算出している。
【００１５】
次に、パターン光以外に被計測物２０に照射される光（環境光）の影響について説明する。被計測物２０が配置された測定環境（空間）における蛍光灯（照明灯）などの環境光は、電源の周波数（５０Ｈｚ、６０Ｈｚ等）に応じて、フリッカが生じ、強度が変動する。図２（Ａ）は、比較例における、環境光強度の時間変化および撮像タイミングチャートを示している。環境光強度の周期と各撮像タイミングとは同期していない。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）で示す撮像タイミング（撮像間隔）で得られた階調分布と交点を示している。図２（Ｃ）は、環境光の周期に同期して撮像した場合の環境光強度の時間変化および撮像タイミングチャートを示している。
【００１６】
図２（Ａ）において、第１のパターンおよび第２のパターンをそれぞれ、Ｐ、Ｎと表現し、撮像順序をｎ１、ｎ２、・・・、ｎ１２と表す。例えば、ｎ１で撮像されるパターンは第１のパターンである。環境光強度は、時刻によって変動している。図２（Ｂ）は、撮像順序の奇数番目２i−１（iは自然数）を第１のパターン、偶数番目２iを第２のパターンとし、２i−１番目で撮像したパターンと２i番目で撮像したパターンで、基準となる平面に対して交点検出した例である。環境光強度がパターン光１５の強度に対し十分に小さい場合、交点は前述の通り等ピッチとなる。しかし、環境光が大きく、かつ、各撮像タイミングが環境光の強度の周期に同期していない場合は、出力値に環境光のオフセットが生じてしまう。そのため、図２（Ｂ）のように交点の位置が等ピッチからずれる。この環境光による等ピッチからのずれ（誤差）は、被計測物２０の形状に伴う基準平面からのずれと区別がつかない。ゆえに、環境光によって計測誤差が生じてしまう可能性がある。これを回避する方法として、図２（Ｃ）のように、環境光強度の周期に同期して撮像する方法が知られている（特許文献１）が、環境光と同期するために待機時間が発生し、計測時間が増大してしまう。
【００１７】
図３は、本実施形態に係る撮像タイミングチャートを示している。図２（Ａ）と同様に、第１のパターンおよび第２のパターンをそれぞれ、Ｐ、Ｎと表現する。本実施形態では、第１条件および第２条件に従って、制御部３が投影手段１および撮像手段２を制御する。各条件は、第１のパターンＰおよび第２のパターンＮの組み合わせ、撮像回数および撮像間隔を含む。第１条件により撮像するパターン群を第１グループＧ１、第２条件により撮像するパターン群を第２グループＧ２とする。第１グループＧ１における撮像順序をｎ１、ｎ２・・・、ｎ６とし、各タイミングで撮像するパターンを、｛Ｐ、Ｐ、Ｎ、Ｎ、Ｐ、Ｐ｝とする（第１取得工程）。第２グループＧ２における撮像順序はｐ１、ｐ２・・・、ｐ６とし、各タイミングで撮像するパターンは、｛Ｎ、Ｎ、Ｐ、Ｐ、Ｎ、Ｎ｝とする（第２取得工程）。制御部３は、タイミングｎｉで撮像するパターンとタイミングｐｉで撮像するパターンが、相補関係になるようにパターン設定素子６およびセンサ素子９を制御する。
【００１８】
第１条件に従って画像データを取得する第１取得工程の開始時刻ｔｎ１と第２条件に従って画像データを取得する第２取得工程の開始時刻ｔｐ１との間の時間間隔は、環境光の強度の周期Ｔ０の整数倍（γ倍）とする。ただし、制御部３に搭載されているクロックおよび演算部４での計算精度などで決まる精度によっては環境光の強度の周期Ｔ０のγ倍と厳密に一致しない。ｔｐ１とタイミングｎ６の撮像開始時刻ｔｐ６との差が、センサ素子９の最小周期以上（最大サンプリング数以下）で、かつ、γが最小となるように、センサの最小周期とγを決定するのが好ましい。また、環境光の強度の周期Ｔ０は、予め環境光を測定することで求めてもよい。また、蛍光灯や水銀灯など商業用周波数（５０Ｈｚ、６０Ｈｚ）に依存する光源であれば、商業用電源周波数（５０Ｈｚ、６０Ｈｚ）の整数倍の逆数から求めてもよい。また、電源ごとに生じる商業用電源周波数による誤差を低減するために、電源ごとの周波数を測定してもよい。環境光の強度の周波数は、取得手段（不図示）が取得する。
【００１９】
制御部３は、第１グループＧ１内の各タイミングの測定間隔（撮像間隔）と第２グループ内の各タイミングの測定間隔とが、前述の精度で等しくなるように、センサ素子９を制御する。つまり、グループ間において対応する各タイミングが前述の精度で等しくなるように、センサ素子９を制御する。ここで、１つのグループ内の各タイミングの測定間隔は、不等間隔でもよく、環境光の強度の周期Ｔ０の整数倍で制限されない所望の測定間隔でよいが、センサ素子９で実現できる最小周期で決定されるのが最も好適な形態である。
【００２０】
演算部４は、第１グループＧ１の撮像順序と、第２グループＧ２の撮像順序とを対応付けて交点検出の演算処理を行う。例えば、ｎ１とｐ１とを対応づけて交点検出の演算処理を行う。ここで、先に複数回の交点検出をしてから、平均化処理をしてもよいし、先に第一のパターンの画像と第二のパターンの画像をそれぞれ平均化処理した後、交点検出してもよい。交点位置に基づいて被計測物２０の形状が算出される（形状算出工程）。
【００２１】
このような制御部３による制御によれば、交点検出を行う１組の画像（たとえば、タイミングｎ１で撮像した画像およびタイミングｐ１で撮像した画像の組）において、環境光の光量が等しくなる。つまり、環境光の影響を低減し、計測誤差を低減することができる。さらに、グループ間隔（時間間隔）Ｔ２や各グループ内の測定間隔（ｎi＋１とｎiの測定間隔、ｐi＋１とｐiの測定間隔）を好適に制御すれば、計測時間の短縮も可能になる。
【００２２】
以上のように、本実施形態によれば、計測精度および計測時間の点で有利な計測装置および計測方法を提供することができる。
【００２３】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る計測装置について説明する。本実施形態では、グループ内の測定間隔Ｔ１を一定値（周期）とする点に特徴がある。第１グループＧ１内および第２グループＧ２内の各タイミングの間隔（撮像間隔）をＴ１、環境光の強度の周期をＴ０、第１グループＧ１および第２グループＧ２における計測回数をＭとする。環境光の影響を低減したグループ間隔Ｔ２の条件は、Ｍ×Ｔ１（第１グループＧ１の総撮像時間）を環境光強度の周期Ｔ０で除算し、小数点以下を切り上げた整数αに対し、下記式（１）を満足する条件である。
Ｔ２＝γ×Ｔ０≧α×Ｔ０・・・（１）
ここで、γは任意の整数である。式（１）は、第２グループＧ２の撮像開始タイミングを規定する式である。さらに、計測時間の短縮を考えると、Ｔ１／Ｔ０の小数点以下を切り上げた整数βに対し、下記式（２）を満足するグループ間隔Ｔ２が、環境光の影響の低減および計測時間の短縮を実現する条件である。
Ｔ２＝γ×Ｔ０＜Ｍ×β×Ｔ０・・・（２）
また、式（１）および式（２）から下記式（３）の関係が導出される。
α≦γ＜Ｍ×β・・・（３）
式（３）を満たす整数γを設定すれば、環境光の影響の低減および計測時間の短縮を両立できる。本実施形態において、撮像周期Ｔ１の制御は制御部３で行ってもよいし、センサ素子９の内部クロックで制御してもよい。グループ間隔Ｔ２の制御は、制御部３からセンサ素子９にトリガー信号として与えるのが好ましい形態である。
【００２４】
図４（Ａ）は、撮像周期Ｔ１が環境光強度の周期Ｔ０より小さい場合の、環境光周期と同期するために撮像を行わない待ち時間（タクト時間）を示すグラフである。横軸を撮像回数（Ｍ≧２）、縦軸をタクト時間（ｍｓｅｃ）とする。この例では、環境光強度の周期Ｔ０を１０ｍｓｅｃ、撮像周期Ｔ１を３ｍｓｅｃに設定した。図中の実線は本実施形態によるタクト時間を表していて、図中の波線は従来例を表している。図４（Ａ）を見ればわかるとおり、いずれの測定回数においても、本実施形態の方が、タクト時間が短いことがわかる。また、測定回数が大きいほどタクト時間が短縮される効果が大きいことがわかる。
【００２５】
図４（Ｂ）は、撮像周期Ｔ１が環境光強度の周期Ｔ０より大きい場合の、タクト時間を示すグラフである。この例では、環境光周期Ｔ０を１０．１ｍｓｅｃ、撮像周期Ｔ１を１５ｍｓｅｃとした。図４（Ａ）と同様に、いずれの測定回数においても、本実施形態の方が、タクト時間が短いことがわかる。また、測定回数が大きいほどタクト時間が短縮される効果が大きいことがわかる。以上のように、本実施形態によっても、計測精度および計測時間の点で有利な計測装置および計測方法を提供することができる。
【００２６】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る計測装置について説明する。第２実施形態では、グループ間隔Ｔ２および撮像周期Ｔ１はそれぞれ別々の信号で制御されていた。本実施形態では、これらを同一の制御部３によるトリガー信号、あるいは、同一のセンサ素子９内部クロックで制御できる点に特徴がある。まず、センサ素子９の最小サンプリング周期（最短撮像間隔）をＴ１´として、Ｍ×Ｔ１´／Ｔ０の小数点以下を切り上げた整数ηに対し、下記式（４）を満たす撮像周期Ｔ１を設定する。
Ｔ１＝η×Ｔ０／Ｍ・・・（４）
ここで、本実施形態でいうところの最小サンプリング周期Ｔ１´とは、投影手段１の投影輝度、被計測物２０の反射率に由来する必要な露光時間、センサ素子９の電気回路の制約によるサンプリング周期などを加味した時間のことをいう。次に、下記式（５）を満たすグループ間隔Ｔ２を設定する。
Ｔ２＝Ｍ×Ｔ１＝η×Ｔ０・・・（５）
この式で示すように、グループ間隔Ｔ２が撮像周期Ｔ１の倍数となるので、これらを同一の制御部３によるトリガー信号、あるいは、同一のセンサ素子９内部クロックで制御することが可能となる。
【００２７】
例えば、環境光強度の周期Ｔ０を１０ｍｓｅｃ、計測回数Ｍ＝７、センサ素子９の最小サンプリング周期Ｔ１’＝３ｍｓｅｃとした場合、式（４）、式（５）に基づけば、Ｔ１＝４．２９ｍｓｅｃ、Ｔ２＝３０ｍｓｅｃと決定される。本例によれば、従来の測定時間１４０ｍｓｅｃに対し、６０ｍｓｅｃとなり、約６０％タクト時間が短縮される。また、逆の見方をすれば、従来と同じ測定時間で測定回数を増加でき（本例ではＭ＝１６）、平均化効果によりＳ／Ｎ比を向上させることができる。
【００２８】
このように本実施形態によれば、容易な制御によって、環境光の影響を低減し、かつ、タクト時間が従来よりも短くなるという効果が得られる。なお、Ｔ１´は最小サンプリング周期としたが、これまでの実施形態で述べた条件を満たす範囲において、それに限るものではない。
【００２９】
上記実施形態では、総撮像時間を、２つのグループに分けていたが、４個以上の偶数個のグループに分けた場合でも本質的に本発明との差はなく、本発明の効果は変わらない。また、第一グループと第二グループとを連続して撮像しなくてもよく、例えば、第一グループと第二グループの間に第三のパターンを撮像しても、本発明の効果は変わらない。
【００３０】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。
【符号の説明】
【００３１】
１０  ヘッド
１    投影手段
２    撮像手段
３    制御部
４    演算部
【図１】
0006415412.tif 000002
【図２】
0006415412.tif 000003
【図３】
0006415412.tif 000004
【図４】
0006415412.tif 000005