(57)【要約】【課題】被計測物の形状を高精度に計測するのに有利な計測装置を提供する。【解決手段】被計測物の形状を計測する計測装置であって、複数のラインを含むラインパターン光と、前記複数のラインのそれぞれを識別するための識別部とを含むパターン光を生成するパターン光生成部と、前記パターン光を前記被計測物に投影する投影部と、前記被計測物に投影された前記パターン光を撮像して画像を取得する撮像部と、前記撮像部で取得された画像に基づいて、前記被計測物の形状の情報を求める処理部と、を有し、前記ラインパターン光は、明線と暗線とを含み、前記パターン光生成部は、前記明線を生成するための第１部分、前記暗線を生成するための暗部分、及び、前記識別部を生成するための第２部分を含み、前記第２部分は、前記第１部分の光強度と前記暗部分の光強度との間の光強度を有することを特徴とする計測装置を提供する。【選択図】図２
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【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、
複数のラインを含むラインパターン光と、前記複数のラインのそれぞれを識別するための識別部とを含むパターン光を生成するパターン光生成部と、
前記パターン光を前記被計測物に投影する投影部と、
前記被計測物に投影された前記パターン光を撮像して画像を取得する撮像部と、
前記撮像部で取得された画像に基づいて、前記被計測物の形状の情報を求める処理部と、を有し、
前記ラインパターン光は、明線と暗線とを含み、
前記パターン光生成部は、前記明線を生成するための第１部分、前記暗線を生成するための暗部分、及び、前記識別部を生成するための第２部分を含み、
前記第２部分からの光は、前記第１部分からの光の強度と前記暗部分からの光の強度との間の強度を有することを特徴とする計測装置。
【請求項２】
前記処理部は、前記画像から前記複数のラインのそれぞれを検出する第１処理と、前記画像から前記識別部を検出する第２処理とを行うことで前記被計測物の形状の情報を求め、
前記第２部分の前記ラインパターンのラインに沿った方向のサイズをΔ、前記第２部分の透過率をＴ、前記パターン光の前記ラインパターンのラインに沿った強度の最大値及び最小値から決まるコントラストをＶ、前記第１処理に必要な前記コントラストの上限値をＶｍａｘ、前記第２処理に必要な前記コントラストの下限値をＶｍｉｎとすると、前記計測装置の計測レンジにおいてＶｍｉｎ＜Ｖ＜Ｖｍａｘを満たすように、前記第２部分のサイズΔ及び透過率Ｔが設定されていることを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記パターン光生成部は、マスクであり、
前記第１部分は、前記明線を生成するための前記マスクの第１透過部分であり、
前記暗部分は、前記暗線を生成するための前記マスクの遮光部分であり、
前記第２部分は、前記識別部を生成するための前記マスクの第２透過部分であり、
前記第２透過部分は、前記第１透過部分の透過率と前記遮光部分の透過率との間の透過率を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の計測装置。
【請求項４】
前記第２透過部分は、１０％以上５０％以下の透過率を有することを特徴とする請求項３に記載の計測装置。
【請求項５】
前記第１透過部分は、１００％の透過率を有し、
前記遮光部分は、０％の透過率を有することを特徴とする請求項３又は４に記載の計測装置。
【請求項６】
前記識別部は、複数のドットを含むことを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項７】
前記第２部分の前記ラインパターンのラインに直交する方向のサイズは、前記第１部分の前記ラインパターンのラインに直交する方向のサイズと等しいことを特徴とする請求項６に記載の計測装置。
【請求項８】
前記識別部は、十字形状を有することを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項９】
前記第２部分における単位面積あたりの開口率は、前記第１部分における単位面積あたりの開口率よりも小さいことを特徴とする請求項８に記載の計測装置。
【請求項１０】
被計測物の形状を計測する計測装置に用いられる、複数のラインを含むラインパターン光を生成するための第１透過部分と、前記複数のラインのそれぞれを識別するための識別部を生成するための第２透過部分とを含むマスク部の設計方法であって、
前記ラインと前記識別部とを含むパターン光の前記ラインに沿った強度の最大値及び最小値から決まるコントラストＶを求める第１工程と、
前記被計測物に投影された前記パターン光を撮像して取得される画像から前記複数のラインのそれぞれを検出する第１処理に必要な前記コントラストの上限値をＶｍａｘ、前記画像から前記識別部を検出する第２処理に必要な前記コントラストの下限値をＶｍｉｎとし、Ｖｍｉｎ＜Ｖ＜Ｖｍａｘを満たす前記計測装置の計測レンジを求める第２工程と、
前記第２透過部分の前記ラインに沿った方向のサイズΔ及び前記第２透過部分の透過率Ｔを変更しながら前記第１工程及び前記第２工程を繰り返し、前記計測レンジが予め定められたレンジ以上となる前記サイズΔ及び前記透過率Ｔを決定する第３工程と、
を有することを特徴とする設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被計測物の形状を計測する計測装置及び設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
被計測物の形状（寸法や３次元形状）を計測する計測装置は、産業分野における部品検査や医療分野における生体検査などに幅広く用いられている。特に、被計測物の形状を非接触で計測する計測装置は、被計測物が接触によって変形及び破損する可能性がある場合に有効である。
【０００３】
被計測物の形状を非接触で計測する技術に関して、例えば、撮像装置で撮像された画像（撮像画像）を用いて三角測量を行う方式が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１には、パターンと画像との対応付けを行うための識別情報を付加したマルチスリット光を用いて被計測物の形状を計測する技術が開示されている。具体的には、計測用パターンとして、複数のラインを平行に配置したマルチスリットラインに対してランダムに切断（以下、「ドット」と称する）を加えたドットラインパターンを被計測物に投影する。そして、ドットラインパターンのドットを用いて、被計測物に投影されたドットラインパターンの２次元位置と撮像画像における２次元位置との対応付けを行う。かかる対応付けの結果に基づいて、ドットラインパターンの各ラインの対応付けを行い、光切断法による三角測量の原理を用いて被計測物の形状を計測する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２５１７０６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示された技術では、上述したように、ドットラインパターンの各ラインがドットによって切断されている。このようにラインが切断された状態では、光切断法による三角測量の原理を用いた被計測物の形状の計測を正しく行うことができないため、切断されたラインを１つのラインとして検出する処理、所謂、ライン検出処理が行われる。
【０００６】
ライン検出処理では、ガウシアンフィルタなどを用いて、撮像画像における切断されたラインとドットとの輝度値を平滑化し、ドットによって切断された部分であっても連続したラインとして検出する。但し、撮像画像におけるドットラインパターンの像のラインに沿った方向の最大強度及び最小強度から算出されるコントラスト（以下、「ドットコントラスト」と称する）が高い場合、ライン検出処理を正しく行うことができない可能性がある。具体的には、フィルタによる平滑化処理を行っても切断されたラインが連続的につながらない（即ち、１つのラインとして検出できない）ため、距離計測を正しく行うことができない。
【０００７】
また、特許文献１に開示された技術では、撮像画像上のドットの配置とマスク上のドットの配置とを比較して、ライン検出処理によって検出した撮像画像上のラインとマスク上のラインとを対応付ける処理、所謂、ドット検出処理も行われる。但し、ドットコントラストが低い場合、撮像画像上のドットを正しく検出することができず、撮像画像上のラインとマスク上のラインとの対応付けを行うことができない（即ち、距離計測を正しく行うことができない）ことがある。
【０００８】
また、撮像画像におけるドットラインパターンの像のドットコントラストは、被計測物の位置に依存している。従って、計測装置の計測レンジ内において、ドットコントラストがライン検出処理及びドット検出処理に必要な範囲から外れ、距離計測を正しく行うことができない場合がある。
【０００９】
本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされ、被計測物の形状を高精度に計測するのに有利な計測装置を提供することを例示的目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の一側面としての計測装置は、被計測物の形状を計測する計測装置であって、複数のラインを含むラインパターン光と、前記複数のラインのそれぞれを識別するための識別部とを含むパターン光を生成するパターン光生成部と、前記パターン光を前記被計測物に投影する投影部と、前記被計測物に投影された前記パターン光を撮像して画像を取得する撮像部と、前記撮像部で取得された画像に基づいて、前記被計測物の形状の情報を求める処理部と、を有し、前記ラインパターン光は、明線と暗線とを含み、前記パターン光生成部は、前記明線を生成するための第１部分、前記暗線を生成するための暗部分、及び、前記識別部を生成するための第２部分を含み、前記第２部分は、前記第１部分の光強度と前記暗部分の光強度との間の光強度を有することを特徴とする。
【００１１】
本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、例えば、被計測物の形状を高精度に計測するのに有利な計測装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一側面としての計測装置の構成を示す概略図である。
【図２】図１に示す計測装置のマスク部の構成の一例を示す図である。
【図３】図１に示す計測装置のマスク部の設計方法を説明するためのフローチャートである。
【図４】ドットラインパターンのフーリエ像の一例を示す図である。
【図５】光学系のＭＴＦの一例を示す図である。
【図６】ドットラインパターン光（光学像）の一例を示す図である。
【図７】ドットコントラストと距離との関係の一例を示す図である。
【図８】図１に示す計測装置のマスク部の第２透過部分のサイズ及び透過率と、計測レンジとの関係を示す図である。
【図９】図１に示す計測装置のマスク部の構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１５】
図１は、本発明の一側面としての計測装置１００の構成を示す概略図である。計測装置１００は、図１に示すように、投影部１１０と、撮像部１２０と、処理部１３０とを有し、被計測物Ｗの形状、例えば、被計測物Ｗの寸法や３次元形状を計測する。
【００１６】
投影部１１０は、光源１１２と、マスク部１１４と、投影レンズ１１６とを含む。図２は、マスク部１１４の構成の一例を示す図である。マスク部（パターン光生成部）１１４は、被計測物Ｗに投影するパターン光を生成するための機能を有し、かかるパターン光は、複数のラインを含むラインパターン光と、複数のラインのそれぞれを識別するための識別パターン（識別部）を含む識別光とを含む。
【００１７】
マスク部１１４は、互いに平行になる複数のライン（明線）を生成するための第１透過部分２０２及び暗線を生成するための遮光部分（暗部分）２０４を含む。第１透過部分２０２は、光源１１２からの光を１００％に近い透過率で透過する。換言すれば、第１透過部分２０２は、光源１１２からの光に対して、１００％の透過率を有する。また、遮光部分２０４は、光源１１２からの光を完全に遮断するように、光源１１２からの光に対して、０％の透過率を有する。
【００１８】
マスク部１１４には、ラインパターンＬＰの各ラインを識別するための識別パターンとしてドットパターンＤＰがランダムに配置されている。このように、マスク部１１４は、ラインパターンＬＰの各ラインに沿って第１透過部分２０２の間に配置され、識別光としてドット光を生成するための第２透過部分２０６を含む。第２透過部分２０６は、ラインパターンＬＰのラインに沿った方向にサイズΔを有する。第２透過部分２０６のラインパターンＬＰのラインに直交する方向のサイズは、ラインパターンＬＰのラインの幅、即ち、第１透過部分２０２のラインパターンＬＰのラインに直交する方向のサイズと等しい。また、第２透過部分２０６は、第１透過部分２０２とは異なる透過率を有し、本実施形態では、第１透過部分２０２の透過率（１００％）と遮光部分２０４の透過率（０％）との間の透過率Ｔを有する。
【００１９】
以下では、マスク部１１４からの光、即ち、ラインパターンＬＰを含むライン光と、ラインパターンＬＰのラインのそれぞれを識別するためのドットパターンＤＰを含むドット光とを含むパターン光を、ドットラインパターン光と称する。ドットラインパターン光のうち、ラインパターンＬＰを含むライン光は、撮像部１２０による１回の撮像で被計測物Ｗの計測を行うことを可能とする。一方、ドットパターンＤＰを含むドット光は、撮像部１２０による撮像で取得される画像における各ラインがマスク部１１４におけるどのラインに対応するかの指標を与える。
【００２０】
投影部１１０は、投影レンズ１１６を介して、マスク部１１４からのドットラインパターン光を被計測物Ｗに投影する。撮像部１２０は、撮像レンズ１２２と、撮像素子１２４とを含み、被計測物Ｗに投影されたドットラインパターン光を撮像して画像を取得する。撮像レンズ１２２は、被計測物Ｗに投影されたドットラインパターン光を撮像素子１２４の上に結像させる。
【００２１】
処理部１３０は、撮像部１２０で取得された画像に基づいて、被計測物Ｗの形状の情報を求める。処理部１３０は、撮像部１２０によって取得された画像からラインパターンＬＰの各ラインを検出するライン検出処理（第１処理）と、撮像部１２０によって取得された画像からドットパターンＤＰを検出するドット検出処理（第２処理）とを行う。また、処理部１３０は、被計測物Ｗに投影したドットラインパターン光のマスク部１１４におけるラインパターンの座標と、撮像部１２０で取得された画像におけるラインパターンの座標とに基づいて、光切断法の原理を用いて被計測物Ｗまでの距離を算出する。光切断法の原理に関しては、「三次元画像計測（昭晃堂）」（（著）井口征士、佐藤宏介）などに記載されているため、ここでの詳細な説明は省略する。
【００２２】
次に、図３を参照して、マスク部１１４の設計方法、具体的には、マスク部１１４の第２透過部分２０６のサイズΔ及び透過率Ｔの設計方法について説明する。Ｓ３０２では、ドットラインパターン光（光学像）Ｉを算出する。ドットラインパターン光Ｉは、ドットラインパターンのフーリエ像Ｄ（ｆ，Δ，Ｔ）と、投影レンズ１１６や撮像レンズ１２２を含む光学系のＭＴＦ（ｆ，ｚ）に基づいて、以下の式（１）から求めることができる。
【００２３】
【数１】
2016200513.tif 000003
【００２４】
ここで、ｆは、空間周波数を表し、ＦＴ−１は、逆フーリエ変換を表す。図４は、ラインパターンのライン方向に沿ったドットラインパターンのフーリエ像Ｄの一例を示す図である。フーリエ像Ｄの振幅は、第２透過部分（ドットパターン）２０６の透過率Ｔに依存する。第２透過部分２０６の透過率Ｔが高いほど、フーリエ像Ｄの振幅は大きくなる。また、線幅は、第２透過部分２０６のサイズΔに依存する。第２透過部分２０６のサイズΔが大きいほど、線幅は細くなる。図４では、ラインパターンのライン方向に沿ったドットラインパターンのフーリエ像Ｄを示したが、ドットラインパターンは２次元であるため、ラインパターンのラインに直交する方向も考慮して２次元的なフーリエ像Ｄを算出する。
【００２５】
図５は、投影レンズ１１６や撮像レンズ１２２を含む光学系のＭＴＦ（ｆ，ｚ）の一例を示す図である。ＭＴＦ（ｆ，ｚ）は、光学系の光軸方向の距離ｚに依存する。光学系の収差が小さいと仮定すると、ＭＴＦは、被計測物Ｗがベストフォーカス（ｚ＝０ｍｍ）にある場合には最もよく、被計測物Ｗがベストフォーカスから外れたデフォーカス（ｚ＝−５０ｍｍ）にある場合には悪くなる。
【００２６】
図６は、ドットラインパターンの２次元的なフーリエ像Ｄと、図５に示す光学系のＭＴＦ（ｆ，ｚ）とに基づいて、式（１）から求めたドットラインパターン光（撮像素子１２４での光学像）の一例を示す図である。図６において、白線は、ラインパターンＬＰの撮像素子１２４での光学像であり、中央の黒い部分は、ドットパターンＤＰの撮像素子１２４での光学像である。
【００２７】
Ｓ３０４（第１工程）では、Ｓ３０２で算出されたドットラインパターン光Ｉのラインパターンのラインに沿った強度の最大値及び最小値から決まるコントラスト（以下、「ドットコントラスト」と称する）Ｖを算出する。ドットコントラストＶは、ドットラインパターン光Ｉのライン部分に対応する光学像に対してドットを含むライン（図６に示す中央の黒い部分を含む白線）に沿って強度の最大値Ｉｍａｘ及び最小値Ｉｍｉｎを求め、以下の式（２）から距離ｚごとに求める。
【００２８】
【数２】
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【００２９】
但し、ドットコントラストＶの算出は、式（２）に限定されるものではない。ドットコントラストＶは、例えば、Ｖ＝Ｉｍａｘ−Ｉｍｉｎから距離ｚごとに求めてもよい。本実施形態では、式（２）からドットコントラストＶを算出するものとする。
【００３０】
Ｓ３０６（第２工程）では、Ｓ３０４で算出された距離ｚごとのドットコントラストＶ（の値）が適正な計測レンジとなる範囲Δｚを求める。図７は、マスク部１１４の第２透過部分２０６のサイズΔ及び透過率Ｔがある値である場合におけるドットコントラストＶと距離ｚとの関係の一例を示す図である。図７に示す関係は、光学系のＦ値や収差などによって変化する。ドットコントラストＶは、ライン検出処理が可能な条件から決まるドットコントラストの上限値Ｖｍａｘよりも小さく、ドット検出処理が可能な条件から決まるドットコントラストの下限値Ｖｍｉｎよりも大きい必要がある。
【００３１】
ライン検出処理では、ドットパターンが存在する位置であっても、連続した１つのラインとして検出する。そこで、ガウシアンフィルタを用いて、撮像部１２０によって取得された画像における切断されたラインとドットパターンとの輝度値を平滑化する。撮像素子１２４において、ラインパターンのラインの断面は、山形の輝度分布を有する。かかる輝度分布のピーク位置を検出するために、微分フィルタを適用してゼロクロス検出を行い、ラインパターンのラインに沿った方向の隣接するゼロクロス点を結ぶ直線を１つのラインとして検出する。このような処理によってラインを検出できる、即ち、ライン検出処理に必要なドットコントラストＶの上限値をＶｍａｘとする。
【００３２】
ドット検出処理では、撮像部１２０によって取得された画像におけるラインパターンの輝度値に基づいて、ドットパターンを検出する。ドットパターンの断面は、谷形の輝度分布を有する。かかる輝度分布のピーク位置を検出するために、微分フィルタを適用し、ゼロクロス点をドットパターンとして検出する。このような処理によってドットパターンを検出できる、即ち、ドット検出処理に必要なドットコントラストＶの下限値をＶｍｉｎとする。
【００３３】
従って、Ｓ３０６では、Ｖｍｉｎ＜Ｖ＜Ｖｍａｘを満たす距離ｚの範囲Δｚ、即ち、計測装置１００の計測レンジを、図７に示すドットコントラストＶと距離ｚとの関係から求めているとも言える。
【００３４】
Ｓ３０８（第３工程）では、マスク部１１４の第２透過部分２０６のサイズΔ及び透過率Ｔを決定する。具体的には、第２透過部分２０６のサイズΔ及び透過率Ｔを変更しながらＳ３０２乃至Ｓ３０６を繰り返してΔｚを求め、Δｚが予め定められたレンジ以上となるサイズΔ及び透過率Ｔを求める。ここで、予め定められたレンジとは、計測装置１００の計測レンジ以上の値であり、例えば、計測装置１００の計測レンジが５０ｍｍである場合には、５０ｍｍ以上の値に設定する。
【００３５】
図８は、マスク部１１４の第２透過部分２０６のサイズΔ及び透過率Ｔと、計測レンジ（距離ｚの範囲Δｚ）との関係を等高線で示す図である。ここでは、Ｖｍａｘ＝０．７、Ｖｍｉｎ＝０．３とし、光学系のＭＴＦを無収差と仮定している。Δｚ＞５０ｍｍであるためには、第２透過部分２０６の透過率Ｔは、２０％以上４０％以下である必要がある。但し、実際の光学系には収差が存在しているため、第２透過部分２０６の透過率Ｔは、１０％以上５０％以下であるとよい。
【００３６】
このように、計測装置１００は、その計測レンジにおいてＶｍｉｎ＜Ｖ＜Ｖｍａｘを満たすように、マスク部１１４の第２透過部分２０６のサイズΔ及び透過率Ｔが設定されている。従って、計測装置１００は、ライン検出処理及びドット検出処理を正しく行うことが可能であり、被計測物Ｗの形状を高精度に計測することができる。
【００３７】
また、図２では、識別パターン（マスク部１１４の第２透過部分２０６）の形状をドット、即ち、矩形形状としている。但し、識別パターンの形状は、矩形形状に限定されるものではなく、Ｖｍｉｎ＜Ｖ＜Ｖｍａｘを満たすのであれば、他の形状であってもよい。例えば、図９に示すように、識別パターンが十字形状を有していても同様の効果を得ることができる。換言すれば、マスク部１１４の第２透過部分２０６における単位面積あたりの開口率が第１透過部分２０２における単位面積あたりの開口率よりも小さくなるように、第２透過部分２０６を、内部に微細構造を有する構造としてもよい。図９に示すように、第２透過部分２０６の透過率Ｔは、微細構造のサイズによって制御される。なお、第２透過部分２０６を透過した光は、光学系のＭＴＦによってぼけるため、撮像素子１２４に結像されない。
【００３８】
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ないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、本実施形態では、パターン光生成部として、マスク部を例に説明したが、液晶タイプのパターン光生成装置を用いてもよい。液晶タイプのパターン光生成装置では、マスク部の遮光部分に対応して、光強度がゼロ又は低い暗部として構成される。また、マスク部の透過部分に対応して、光強度を有する明部などで構成される。パターン光としては、図２に示すパターン光の明線と暗線とを反転させたパターン光を用いてもよい。その場合、識別部は、暗線上（暗部分と暗部分との間）に配置される。
【符号の説明】
【００３９】
１００：計測装置    １１０：投影部    １１４：マスク部    １２０：撮像部    １３０：処理部    ２０２：第１透過部分    ２０４：遮光部分    ２０６：第２透過部分    Ｗ：被計測物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図９】
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【図６】
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【図８】
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