(57)【要約】【課題】計測時間を短縮化でき、装置構成が複雑化することの無い測定器を提供すること。【解決手段】光を射出する光源と、前記光源から射出された前記光をパターン光に変換する変換装置と、前記パターン光を被検物に投影する投影光学系と、前記被検物に投影された前記パターン光の画像を取得する取得装置と、前記被検物の形状に関する予測データを記憶させる記憶装置と、前記パターン光の画像及び前記予測データに基づいて、前記被検物の三次元形状を測定する測定装置とを備える。【選択図】図１
2009025190.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を射出する光源と、
前記光源から射出された前記光をパターン光に変換する変換装置と、
前記パターン光を被検物に投影する投影光学系と、
前記被検物に投影された前記パターン光の画像を取得する取得装置と、
前記被検物の形状に関する予測データを記憶させる記憶装置と、
前記パターン光の画像及び前記予測データに基づいて、前記被検物の三次元形状を測定する測定装置と
を備えることを特徴とする計測器。
【請求項２】
前記パターン光が明暗の縞パターン光であり、
前記測定装置が、前記予測データに基づいて、前記パターン光の画像の縞の縞番号を特定する
ことを特徴とする請求項１に記載の計測器。
【請求項３】
前記被検物の位置情報を把握するための指標を更に備え、
前記取得装置が、前記パターン光の画像と前記指標の画像とを取得し、
前記測定装置が、前記パターン光の画像、前記指標の画像及び前記予測データに基づいて、前記被検物の三次元形状を測定する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の計測器。
【請求項４】
前記指標が少なくとも３つ設けられている
ことを特徴とする請求項３に記載の計測器。
【請求項５】
前記指標が、前記被検物を囲うように設けられている
ことを特徴とする請求項４に記載の計測器。
【請求項６】
前記被検物を載置する載置台を更に備え、
前記指標が、前記載置台上に設けられている
ことを特徴とする請求項３から請求項５のうちいずれか一項に記載の計測器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検物の三次元形状を非接触で計測する計測器に関するものであり、特にその画像解析処理に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
位相シフト法と呼ばれる手法によって被検物の三次元形状を非接触で計測する三次元計測器が知られている。位相シフト法とは、正弦波によって生成された明暗の平行な縞模様のパターン光を、当該パターン光の位相をシフトさせながら（縞状のパターンをずらしながら）被検物に投影し、当該投影されたパターン光の画像を例えばＣＣＤカメラなどで撮像し、撮像された画像を解析することによって被検物の三次元形状を計測する手法である。
【０００３】
このような位相シフト法においては、１回の計測において位相をπ／２ずつシフトさせ、当該位相をシフトさせるごとにパターン光の撮像を行い、計４回の撮像を行う手法が一般的である。撮像された各画像の明暗の境界について１つ１つ位相値を算出することにより被検物の三次元座標値を計測し、当該三次元座標値に基づいて三次元形状が計測される。
【０００４】
従来、例えば被検物の段差がパターン光の縞模様の周期に対して大きすぎる場合などにおいて、被検物に投影された明暗の境界がどの位置に対してずれているのかが特定できず、被検物の座標計測ができなくなるという問題がある。このため、パターン光の縞模様の周期を徐々に小さくさせて被検物に投影しつつ測定を行うようにしていた（空間コード法）。  
【特許文献１】米国特許第６，０７５，６０５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、上記の測定においては、パターン光の縞模様の周期を複数パターン投影する必要があり、計測時間が長くなってしまうという問題がある。また、装置構成も複雑化してしまうという問題がある。
【０００６】
このような事情に鑑み、本発明の目的は、計測時間を短縮化でき、装置構成が複雑化することの無い測定器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る計測器では、上記課題を解決するために、実施の形態に示す各図に対応付けした以下の構成を採用している。但し、各要素に付した括弧付き符号はその要素の例示に過ぎず、各要素を限定するものではない。
【０００８】
本発明に係る計測器（１）は、光を射出する光源（４）と、前記光源（４）から射出された前記光をパターン光に変換する変換装置（６）と、前記パターン光を被検物（Ｍ）に投影する投影光学系（７）と、前記被検物（Ｍ）に投影された前記パターン光の画像を取得する取得装置（９）と、前記被検物（Ｍ）の形状に関する予測データを記憶させる記憶装置（１３）と、前記パターン光の画像及び前記予測データに基づいて、前記被検物Ｍの三次元形状を測定する測定装置（１２）とを備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、測定装置（１２）が、被検物（Ｍ）に投影されたパターン光の画像と共に記憶装置（１３）に記憶された被検物（Ｍ）の形状に関する予測データに基づいて被検物（Ｍ）の三次元形状を測定することになる。このため、画像のみに基づく解析を行っただけでは被検物（Ｍ）に投影された明暗の境界がどの位置に対してずれているのかが特定できないような場合であっても、当該形状に関する予測データを補助的に用いることで、ずれ位置を特定しやすくなる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、計測時間を短縮化でき、装置構成が複雑化することの無い測定器を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。  
図１は、本実施形態に係る三次元計測器の構成を模式的に示す図である。  
同図に示すように、三次元計測器１は、位相シフト法と呼ばれる手法によって被検物Ｍの三次元形状を非接触で計測する計測器であり、計測装置２と、制御回路３とを有している。当該三次元計測器１は、計測装置３においてパターン光を生成すると共に当該パターン光を被検物Ｍに投影してその像Ｐを撮像し、制御回路４において撮像された画像の解析を行うようになっている。被検物Ｍとして、例えば機械部品などの各種部材が測定可能である。ここでは、例えば円柱状の部材を計測する場合を例に挙げて説明する。
【００１２】
計測装置２は、発光部４と、コリメータレンズ５と、パターン発生素子６と、投影レンズ７と、被検物載置台８と、撮像装置９とを有している。  
発光部４は、所定の波長の光を発光する、例えば発光ダイオードなどの発光素子からなる。コリメータレンズ５は、発光部４で発光された拡散光を平行光に変換する光学素子である。
【００１３】
パターン発生素子６は、例えば液晶装置及び透過拡散板を有する光変調素子であり、入射光を正弦波によって生成された明暗の平行な縞模様のパターン光に変換する。投影レンズ７は、パターン光を被検物Ｍ上に投影する光学素子である。
【００１４】
被検物載置台８は、被検物Ｍを載置可能になっており、当該被検物載置台８上には被検物Ｍの位置を把握するための指標８ａが設けられている。  
撮像装置９は、例えばＣＣＤカメラからなり、被検物Ｍ上に形成されたパターン光の像Ｐを所定の方向から撮像する。
【００１５】
制御回路３は、中央制御回路１０と、光源制御回路１１と、距離計算回路１２と、メモ１３とを有している。  
中央制御回路１０は、光源制御回路１１及び距離計算回路１２の制御を行う。光源制御回路１１は、発光部４から発光される光の光強度や発光のタイミングなどを制御する。距離計算回路１２は、撮像装置９によって撮像されたパターン光の明暗の境界について１つ１つ位相値を算出して被検物の三次元座標値を計測し、当該三次元座標値に基づいて三次元形状を計測する。メモリ１３は、被検物Ｍの形状に関する予測データ、例えば被検物Ｍの設計図データや設計寸法データなどを記憶する。
【００１６】
図２は、被検物載置台８の構成を示す斜視図である。  
同図に示すように、被検物載置台８は、台上のほぼ中央に被検物Ｍが載置されるようになっており、台上のうち当該被検物Ｍを囲うように指標８ａが複数、例えば４つ設けられている。各指標８ａは半球状に形成されており、当該半球の中心座標が計測可能になっている。この４つの指標８ａの中心座標を計測することにより、被検物Ｍの三次元形状を計測する際の基準座標が設定されるようになっている。
【００１７】
次に、上記のように構成された三次元計測器１を用いて被検物Ｍの三次元形状を計測する動作を説明する。  
まず、被検物載置台８に被検物Ｍを載置する。このとき、被検物Ｍを載置する被検物載置台８上の位置と、被検物載置台８に設けられる各指標８ａの位置との間の位置関係を把握しておく。例えば、被検物載置台８のうち被検物Ｍを載置する位置を予め決めておき、この決められた位置と指標８ａとの間の位置関係を予め検出して把握しておく。被検物Ｍの三次元形状を測定する際に、被検物Ｍを当該予め決められた位置に載置することで、被検物Ｍと各指標８ａとの間の位置関係が把握される。
【００１８】
この状態で、光源制御回路１３の制御により、発光部４において光を発光する。この光は、コリメータレンズ５において平行光となり、パターン発生素子６に入射する。パターン発生素子６では、液晶素子によって正弦波によって生成された明暗の平行な縞模様のパターン光に変換され、透過拡散板によって散乱される。当該パターン光は、投影レンズ７によって被検物載置台８に載置された被検物Ｍ上及び被検物載置台８に設けられた指標８ａ上に投影される。
【００１９】
被検物Ｍ上にパターン光の像Ｐが投影されたら、撮像装置９によって当該像Ｐを撮像し、パターン光の画像を取得する。このとき取得されるパターン光の画像は、例えば図３に示すような画像となる。同図において、パターン光の像Ｐのうち、被検物Ｍに投影された部分Ｐ１及び指標８ａに投影された部分Ｐ２の明暗の縞模様が他の部分の縞模様に対してずれている。
【００２０】
１回の計測において、パターン発生素子６では、正弦波の位相をπ／２ずつシフトさせてパターンの変換を行う。撮像装置９は、当該位相がシフトされたパターン光の像Ｐが投影されるごとにパターン光の像Ｐの撮像を行い、計４回の撮像を行う。
【００２１】
パターン光の画像を取得した後、当該画像データは距離計算回路１２において処理される。距離計算回路１２では、撮像された各画像データのうち、被検物Ｍに投影された部分Ｐ１明暗の境界について１つ１つ位相値が算出されて被検物Ｍの三次元座標値が計測される。
【００２２】
このとき、４つの指標８ａの各中心座標に基づいて基準となる座標が設定され、当該基準座標に対する被検物Ｍの三次元座標値が計測される。また、距離計算回路１２により、メモリ１３に記憶された予測データに基づいた被検物Ｍの大まかな形状が把握され、当該把握された形状の座標と測定された被検物Ｍの座標とが対比され、形状、位置、向きなどの位置情報が一致するか否かの判別が行われる。
【００２３】
位置情報がほぼ同一と判別された場合は、メモリ１３に記憶された予測データと測定された被検物Ｍの座標とに基づいて、明暗の境界のずれがどの縞に対するものかが特定される（縞番号の特定）。また、形状、位置、向きなどの位置情報が異なっていると判別された場合には、被検物Ｍに投影された部分Ｐ１の明暗の境界から求められた座標を、メモリ１３に記憶された予測データに対して一致するように一旦補正された後、メモリ１３に記憶された予測データと補正された被検物Ｍの座標とに基づいて、縞番号の特定が行われる。
【００２４】
このように、本実施形態によれば、距離計算回路１２が、被検物Ｍに投影されたパターン光の画像と共にメモリ１３に記憶された被検物Ｍの形状に関する予測データに基づいて被検物の三次元形状を測定することになる。このため、画像のみに基づく解析を行っただけでは被検物Ｍに投影された明暗の境界がどの位置に対してずれているのかが特定できないような場合であっても、当該形状に関する予測データを補助的に用いることで、ずれ位置を特定しやすくなる。これにより、計測時間を短縮化でき、装置構成が複雑化することの無い三次元測定器１を得ることができる。
【００２５】
本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更を加えることができる。  
例えば、上記実施形態においては、被検物載置台８に設けられる指標８ａの数が４つであるとして説明したが、これに限られることは無く、空間座標が設定可能な３つ以上の数であれば何個設けても構わない。
【００２６】
また、上記実施形態においては、指標８ａが被検物Ｍを囲うように設けられている構成としたが、これに限られることは無く、空間座標が設定可能な位置であれば、どのような位置であっても構わない。
【００２７】
また、上記実施形態においては、被検物Ｍを載置する被検物載置台８を設けて、指標８ａを被検物載置台８上に設ける構成としたが、これに限られることは無く、空間座標が設定可能な位置であれば、どのような位置であっても構わない。
【００２８】
また、上記実施形態では、被検物Ｍの位置情報を検出するために指標８ａが設けられる構成としたが、これに限られることは無い。例えば、メモリ１３に記憶された予測データと同一の位置情報となるように被検物Ｍを被検物載置台８上に載置する場合には、特に指標８ａを設けない構成であっても構わない。この場合は、上記実施形態において位置情報がほぼ同一と判別された場合と同様、メモリ１３に記憶された予測データと測定された被検物Ｍの座標とに基づいて、明暗の境界のずれがどの縞に対するものかが特定されることになる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施の形態に係る三次元計測器の概略構成を示す模式図である。
【図２】三次元計測器の測定対象となる被検物の構成を示す図である。
【図３】撮像装置によって撮像された画像を示す写真図である。
【符号の説明】
【００３０】
Ｍ…被検物  １…三次元計測器  ２…計測装置  ３…制御回路  ４…発光部  ５…コリメータレンズ  ６…パターン発生素子  ７…投影レンズ  ８…被検物載置台  ８ａ…指標  ９…撮像装置  １０…中央制御回路  １１…光源制御回路  １２…距離計算回路  １３…メモリ
【図１】
2009025190.tif 000003
【図２】
2009025190.tif 000004
【図３】
2009025190.tif 000005