(57)【要約】【課題】  そこで本発明の目的は、正弦波状の強度分布を持つ縞パターンを、容易かつ安価な構成で発生させることにより、容易に高い精度で計測できるパターン投影型三次元形状計測装置を提供することである。【解決手段】  ある特定の波長の光を吸収する物質からなる少なくとも１つの第１光学部と、該第１光学部の物質と屈折率が同等で該特定の波長の光を透過する少なくとも１つの第２光学部からなり、該第１光学部の光軸方向の厚みが、該光軸と垂直をなす任意の１方向に一定周期で波状的に変化しており、かつ光の入射面と出射面が凸面あるいは凹面あるいは平面である光学素子に、光を照射し透過した光を測定対象に投影し、該測定対象に形成された該特定波長の投影光パターンを撮像して得られる画像データを処理し、前記測定対象物体の三次元形状を求める。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ある特定の波長の光を吸収する物質からなる少なくとも１つの第１光学部と、該第１光学部の物質と屈折率が同等で該特定の波長の光を透過する少なくとも１つの第２光学部からなり、該第１光学部の光軸方向の厚みが、該光軸と垂直をなす任意の１方向に一定周期で波状的に変化しており、かつ光の入射面と出射面が凸面あるいは凹面あるいは平面である光学素子に、光を照射し透過した光を測定対象に投影し、該測定対象に形成された該特定波長の投影光パターンを撮像して得られる画像データを処理し、前記測定対象物体の三次元形状を求めることを特徴とする物体の三次元形状計測装置。
【請求項２】
前記光学素子の、前記第１光学部の光軸方向の厚みが、振幅一定の波状に変化することを特徴とする、請求項１記載の物体の三次元形状計測装置。
【請求項３】
前記の光学素子の入射面が凸面あるいは凹面で、かつ、前記光学素子に照射する光は、該光学素子の物側焦点位置において点光源と見なせることを特徴とする請求項１と請求項２記載の物体の三次元形状計測装置。
【請求項４】
前記の光学素子の入射面が平面で、かつ、前記光学素子に照射する光が平行光で、かつ前記第１光学部において該第１光学部の光軸に平行に光が進行するように、該照射光を該光学素子の入射面に入射させることを特徴とする請求項１と請求項２記載の物体の三次元形状計測装置。
【請求項５】
前記光学素子に照射される光は、単一波長であることを特徴とする請求項１から請求項４記載の物体の三次元形状計測装置。
【請求項６】
前記第１光学部はＮＤガラスであることを特徴とする請求項１から請求項５記載の物体の三次元形状計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象物体に特定の基準パターンを投影し、投影された面の三次元形状に応じて変形した投影パターンを撮像器でとらえ、その撮像したパターンを解析することで、測定対象面の三次元形状を算出する、三次元形状計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
非接触で物体表面の三次元形状を測定する方法に、パターン投影法が知られている。この方法は、測定対象物体に特定の基準パターンを投影し、投影された面の三次元形状に応じて変形した投影パターンを投影方向とは別の方向から撮像器でとらえ、その撮像したパターンを解析することで、計測対象面の三次元形状を算出するものである。この計測方法は、非接触なため計測対象を傷つけずにすみ、また柔らかい物体でも計測可能なこと、また、計測対象面の広い範囲にわたる情報を瞬時にとらえることで、高速な計測あるいは動的に変化する物の計測が可能なこと、また干渉計測に比べ計測のダイナミックレンジが広い、という利点がある。そのため、様々な分野に広く利用されている。
【０００３】
図１０は、従来のパターン投影型三次元形状測定装置の基本構成を示す概略図の一例である。光源となる投影器１からガラス面等に形成された格子パターン２に光を投影させ、計測対象面３に照射する。その投影された縞パターンを、投影方向とは異なる方向から撮像レンズ４とＣＣＤカメラ５からなる撮像系で撮影する。撮影した縞パターンを解析して、形状に算出する方法として、例えばフーリエ変換を利用するフーリエ変換法や、格子パターンを規定量づつ移動し撮像した複数の画像を解析する位相シフト法が知られている。
【０００４】
フーリエ変換法や位相シフト法では、投影された縞パターンの強度分布が正弦波状であると仮定して解析がなされる。つまり、投影縞の強度パターンが正弦波から崩れるほど計測精度が悪化する。そのため従来から、投影縞パターンを正弦波状にする試みがなされている。特開２００２−８１９２３（特許文献１）では、複数枚のバイナリ格子を重ね合わせ光を投影することで、正弦性の強い投影パターンを得ている。また特開平８‐１０１０２５（特許文献２）に記されているように、干渉縞パターンを測定対象に照射することもおこなわれている。
【特許文献１】特開２００２−８１９２３
【特許文献２】特開平８‐１０１０２５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
正弦波状の強度分布を持つ縞パターンを対象に照射する従来の試みは、いずれも部品点数が多く、光学調整等に時間を要し、簡易に扱える構成ではなかった。
【０００６】
そこで本発明の目的は、正弦波状の強度分布を持つ縞パターンを、容易かつ安価な構成で発生させることにより、容易に高い精度で計測できるパターン投影型三次元形状計測装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明では、ある特定の波長の光を吸収する物質からなる少なくとも１つの第１光学部と、該第１光学部の物質と屈折率が同等で該特定の波長の光を透過する少なくとも１つの第２光学部からなり、該第１光学部の光軸方向の厚みが、該光軸と垂直をなす任意の１方向に一定周期で波状的に変化しており、かつ光の入射面と出射面が凸面あるいは凹面あるいは平面である光学素子に、光を照射し透過した光を測定対象に投影し、該測定対象に形成された該特定波長の投影光パターンを撮像して得られる画像データを処理し、前記測定対象物体の三次元形状を求めることを特徴とする。
【０００８】
これにより上記光学素子の第１光学部を、光軸と平行に進行し透過した光は、光軸と垂直なある１方向に一定周期の波状の強度分布を持つ。第１光学部と第２光学部は屈折率が同等なので、境界において波面の乱れも生じない。また、上記光学素子の入出射面も滑らかな凸面あるいは凹面あるいは平面なため、屈折や散乱により波形が大きく崩れることもない。そのため、計測対象面上に一定周期の波状強度分布を持つパターン投影縞を照射することができ、パターン投影法による精度の良い三次元形状測定が可能である。
【０００９】
さらに、上記光学素子第１光学部の光軸方向の厚みが、振幅一定の波状に変化することを特徴とすることで、より正弦波に近いパターン投影縞が形成できる。
【００１０】
また上記光学素子の入射面が凸面あるいは凹面で、かつ、光学素子に照射する光が光学素子の物側焦点位置において点光源と見なせることを特徴とする。あるいは、上記光学素子の入射面が平面で、かつ、光学素子に照射する光が平行光で、かつ第１光学部において第１光学部の光軸に平行に光が進行するように、該照射光を該光学素子の入射面に入射させることを特徴とする。これにより上記光学素子に入射した光は、第１光学部ではその光軸に平行に進行する。そのため第１光学部の光軸方向の厚みに応じて光は吸収されるため、その光軸方向の厚み分布から予想できる光強度分布に近い出射光を得ることができる。本発明の光学素子では、光軸方向の厚みが、該光軸と垂直をなす任意の１方向に一定周期で波状的に変化し、なおかつその振幅も一定なので、より正弦波に近い投影縞を照射することが可能になる。これにより、より精度の良い三次元形状測定が可能になる。
【００１１】
また光学素子に照射される光は、単一波長であることを特徴とする。通常の光学材料では、屈折率は波長に依存し、一定ではない。照射光を単一波長とし、その波長に対して屈折率が同じ材料で上記光学素子を形成すれば、正弦波により近いパターン投影縞を照射できる。この場合、幅広い波長帯において屈折率が同等な材料を開発するよりも、より容易に材料を開発できるという利点もある。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では、少数の光学部品からなる構成で、正弦波状の強度分布を持つ縞パターンを生成できるため、従来以上に容易に高精度なパターン三次元投影型形状測定が可能である。
【００１３】
また縞パターンの強度分布が崩れにくいという特徴から、非常に短い周期の縞を投影することができる。そのため、パターン投影型三次元形状測定の測定分解能を従来以上に高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、実施形態に基づいて本発明を具体的に説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１に、本発明の実施例１であるパターン投影型三次元形状測定装置の概略構成図を示す。光学素子６は、光吸収部７と透過部８からなる一体型の平面平板光学素子である。６３５ｎｍの半導体レーザ９は光ファイバーとカップリングされており、ファイバー端を出射した光はコリメータレンズ１０により平行光に整形され、光学素子６の入射面に垂直に入射される。光学素子６を出射した光は、計測対象面３に照射される。後で詳細に説明するが、この照射される光は、正弦波状に近い強度分布を持つ縞パターンになっている。
【００１６】
光照射方向とは別の方角から、撮像レンズ４を備えたＣＣＤカメラ５により計測対象面３上の縞パターンを撮影する。本実施例では撮像系の光軸と計測基準面１１とは垂直な方向とする。この計測基準面１１は、撮像レンズ４の焦点位置上にある仮想面である。そして計測基準面１１上への照射縞パターンの中心が撮像光軸上にあるように、撮像レンズ４とＣＣＤカメラ５の位置合わせがされている。この位置合わせと計測基準面１１の決定は、粗面ながら平行な面の出ているブロックを計測基準面１１付近に設置し、ブロックと撮像系を上記条件に合うように位置合わせすることでなされた。撮像レンズ４はズームマクロレンズで撮像倍率は等倍前後である。ＣＣＤカメラ５は２／３インチサイズの１０２４×１０２４の画像を撮影できるデジタルＣＣＤカメラである。撮影された画像はパソコン１２に取り込まれる。取り込まれた画像は、フーリエ変換法により解析することで形状データに変換される。
【００１７】
次に、フーリエ変換法について図２のフローチャートを用いて説明する。まず取得したパターン縞画像を２次元フーリエ変換する。次に縞パターンの周波数近傍の成分をフィルタで抽出し、その成分を縞パターン周波数分だけ原点側にシフトさせる。そしてフーリエ逆変換する。この結果得られる画像データは、−πからπの位相に不連続に折り畳まれた位相データである。次に、この折り畳まれた位相データを展開するアンラッピングという計算処理を施し、連続する位相データを得る。次に位相値を高さ値に変換し、三次元形状データが得られる。ここで計測基準面１１へ照射される平行光縞パターンの間隔をＰ、位相データ内の任意のｘｙ座標２点の位相差をλとすると、その２点間の高さの差ｈは、
ｈ＝Ｓ／（２π）・λで表せる。照射縞パターン間隔Ｐは、計測基準面１１上に粗面ながら平行な面の出ているブロックを設置し、その面上に照射された縞パターンの撮影画像を画像処理することで算出した。
【００１８】
次に光学素子６について説明する。光が光学材料を通過する場合、その部材の表面反射を無視すれば、透過光強度Ｉは次の式で表される。 
Ｉ＝Ｉ０・ｅｘｐ（−αｔ）
ここでαは吸収係数、ｔは光学部材の厚さ、Ｉ０は入射光強度である。吸収係数αは光学材料の特性で決定されるので、単一材料に対しては入射光強度が一様ならば、透過光強度の相対分布は光学部材の厚さｔで決まる。
【００１９】
図３は本実施例で用いた光学素子６の概略断面図である。光吸収部７は図のように波状の厚さに分布する。またこの分布は断面位置に依存せず一定である。この光学素子６を光束が光軸に平行に通過すると、光軸方向の光強度が図のように波状に変化する光束が生成される。
【００２０】
ここでａ、ｂを定数、Ｌ、ｘはそれぞれ光吸収部７の光軸方向厚さの周期と相対座標位置とし、厚さｔ＝−ｌｏｇ（ａ・ｓｉｎ（２πｘ／Ｌ＋ｂ）／αとすると、透過光強度Ｉ＝Ｉ０・（ａ・ｓｉｎ２πｘ／Ｌ＋ｂ）となり、正弦波状の強度分布を持つ光束がこの光学素子から出射されることになる。
【００２１】
周期Ｌ＝１ｍｍで設計された光吸収部７の厚み分布の一例を図４に示す。この例ではａ＝０．２、ｂ＝０．４、α＝０．６２である。
【００２２】
本実施例で用いた光学素子６は図３に示すような平板タイプで、光吸収部７と透過部８の波長６３５ｎｍ光の屈折率はどちらも１．５０７である。両部材の屈折率が同じため、光学素子６の入射面に垂直に入射した光は、波面を乱すことなく光学素子中をそのまま直進し、出射面に垂直に出射する。また光学素子６の別の平板タイプとして、図５の概略断面図に示すように透過部８を複数用いた構造も考えられる。
【００２３】
なお、波状強度分布の光束は、本発明の光学素子の構成に限らず、例えば表面の滑らかな透明ガラスにグラデーション状の厚さに吸収物質を蒸着させることで得られる。しかしこうした光学素子では、吸収物質の膜厚変化により表面に波状の凸凹が形成されている。そのため、こうした光学素子にその光軸に平行に光束を入射しても、光軸に平行に出射するわけではなく、表面の波状凸凹によって屈折、散乱をうけ、光束波面の乱れや光束進行方向のばらつきを伴う光束として出射される。そのため光束が光学素子を離れるに従い、当初の波状強度分布が崩れ、強度分布が消滅する場合もある。一方、本発明で用いるパターン投影光形成用の光学素子は、こうした屈折、散乱の影響はないため、理想とする正弦強度を持つ縞パターンを対象面に投影することが可能である。
【００２４】
また本実施例の装置構成では、投影パターンを形成する投影光学系において位置調整が必要なパーツは、主に光学素子６とコリメータレンズ１０だけなので、調整が容易におこなえるという利点もある。
【００２５】
なお本発明の本質の１つは、パターン投影光形成用の光学素子に光吸収の分布を設け、その光学素子を通過する光束の強度分布を制御する、というものである。その点から、光学素子内で光軸に平行に光が進行しなくても、光学素子出射時の光束が希望する強度分布を持つように、光学素子内の光吸収分布を配する構成をとることは、本発明の範囲に入るものである。
【実施例２】
【００２６】
図６に、本発明の実施例２であるパターン投影型三次元形状測定装置の概略構成図を示す。光学素子６は、光吸収部７と透過部８からなる一体型の光学素子で、光束の入出射面が凸面である。６３５ｎｍの半導体レーザ９は光ファイバーとカップリングされており、ファイバー端が光学素子６の物側焦点位置に位置合わせされる。これによりファイバーから出射された光束は、光学素子６内では光軸に平行に進行する。光学素子６の吸収部７の設計は周期が０．５ｍｍであることを除き、第１の実施例と同じである。光学素子６を出射した光束は出射面が凸面のため集光され、平凹形状の投影レンズ１３で平行になり、計測対象面３に投影される。この構成により、より周期が短い波状強度のパターン縞を測定対象に投影できる。なお、従来使用されていた格子では、光束が格子を通過する際に光束が屈折、散乱され、光束が格子を離れるに従い当初の波状強度分布が崩れるが、その現象は周期の短い波状強度パターンの光束で顕著であり、計測対象面では波状パターン強度分布が消滅するのが常だった。パターン投影法では、縞の周期が短いほど感度の高い測定が可能であるため、本発明により、パターン投影型三次元形状測定の測定分解能を従来以上に高めることが可能になる。
【００２７】
撮像レンズ４の撮像倍率は２倍程度である。その他の撮像レンズ４、ＣＣＤカメラ５、パソコン１２の構成は第１の実施例と同様である。本実施例で撮影されたパターン縞の一例を図７に示す。
【００２８】
撮影された画像はパソコン１２に取り込まれ、第１の実施例で説明した通り解析され形状データに変換される。
【実施例３】
【００２９】
図８に、本発明の実施例３であるパターン投影型三次元形状測定装置の概略構成図を示す。光学素子６は、光吸収部７と透過部８からなる一体型の光学素子で、光束の入射面が凸面、出射面が凹面である。６３５ｎｍの半導体レーザ９は光ファイバーとカップリングされており、ファイバー端が光学素子６の物側焦点位置に位置合わせされる。これによりファイバーから出射された光束は、光学素子６内では光軸に平行に進行する。光学素子６の吸収部７の設計は第２の実施例と同じである。光学素子６を出射した光束は出射面が凹面のため発散し、両凸形状の投影レンズ１３で平行になり、計測対象面１０に投影される。この構成により、コンパクトな光学素子６で計測対象面の広範囲に波状強度のパターン縞を投影することができる。
【００３０】
撮像レンズ４の撮像倍率は０．５倍程度である。その他の撮像レンズ４、ＣＣＤカメラ５、パソコン１２の構成は第１の実施例と同様である。撮影された画像はパソコン１２に取り込まれ、第１の実施例で説明した通り解析され形状データに変換される。
【実施例４】
【００３１】
図９に、本発明の実施例４であるパターン投影型三次元形状測定装置の概略構成図を示す。光源部は、ハロゲン光源１４とリフレクタ１５とコンデンサレンズ１６とからなる。ハロゲン光源１４を出射した光は、直接あるいはリフレクタ１５により反射され、コンデンサレンズ１６を介して平行光とされ光学素子６に入射する。光学素子６に入射した光束は、一回内部で直角に反射し、吸収部７をその光軸に沿って通過する。光束は、光学素子６を吸収部７の出射面に垂直に出射し、計測対象面３に照射される。撮像系は第１の実施例と同様である。撮影された画像はパソコン１２に取り込まれ、第１の実施例で説明した通り解析され形状データに変換される。
【００３２】
本実施例の光学素子６の吸収部７は、吸収係数が０．５６、アッベ数が６０．２、屈折率が１．５０８のＮＤガラスでできており、波状周期は１ｍｍに形成されている。透過部は、吸収係数が０．５６、アッベ数が６０．２とＮＤガラスと同じである。
【００３３】
本実施例のように光学素子６の平面入出射面は、第１実施例のように平行である必要はない。
【００３４】
また本実施例のように光学素子６の吸収部７がＮＤガラスで構成されている場合、白色光など広い波長域を持つ光を、波状強度のパターン縞として測定対象に投影できる。レーザを光源とした場合、生じたスペックルが撮像画像上にノイズとして残り、算出される形状の誤差原因になるおそれがあるが、白色光を用いればその恐れはない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】実施例１における、パターン投影型三次元形状測定装置の概略構成図である。
【図２】実施例１における、縞パターン画像を解析し形状を算出するフーリエ変換縞解析法を説明するためのフローチャートである。
【図３】実施例１における、波状強度分布を持つ光束を生成するために用いられた光学素子の概略断面図である。
【図４】実施例１における、波状強度分布を持つ光束を生成する光学素子の光吸収部の厚み分布の一例を示すグラフである。
【図５】波状強度分布を持つ光束を生成するための、平板状の光学素子の一例を示す概略断面図である。
【図６】実施例２における、パターン投影型三次元形状測定装置の概略構成図である。
【図７】実施例２における、投影された波状強度分布を持つパターン縞画像の一例である。
【図８】実施例３における、パターン投影型三次元形状測定装置の概略構成図である。
【図９】実施例４における、パターン投影型三次元形状測定装置の概略構成図である。
【図１０】従来技術を説明するための、パターン投影型三次元形状測定装置の基本構成を示す概略図の一例である。
【符号の説明】
【００３６】
１  投影器
２  格子パターン
３  計測対象面
４  撮像レンズ
５  ＣＣＤカメラ
６  光学素子
７  光学素子６の光吸収部
８  光学素子６の透過部
９  半導体レーザ
１０  コリメータレンズ
１１  計測基準面
１２  パソコン
１３  投影レンズ
１４  ハロゲン光源
１５  リフレクタ
１６  コンデンサレンズ
【図１】
2005308439.tif 000003
【図２】
2005308439.tif 000004
【図３】
2005308439.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005308439.tif 000009
【図８】
2005308439.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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