(57)【要約】【課題】被検物の表面が完全拡散面であるか否かを判定し、その判定結果に応じて適切に収差補正処理を実行する。【解決手段】シャッタ２２は、瞳面における光束（被検物からの反射光）の透過を制限する。具体的には、瞳面の全域を光束が透過できる全開状態、瞳面の右半分の領域を光束が透過できるように右半開状態、または瞳面の左半分の領域を光束が透過できるように左半開状態に連続的に変化する。これにより、第１乃至３の画像が撮像される。収差補正部３３は、補正テーブル記憶部３４から適切な補正テーブルを読み出して収差補正処理を行う。本発明は、スリット光を用いた三角測量により被検物の３次元形状を測定する測定装置に採用することができる。【選択図】図２
2009122080.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三角測量により被検物の形状を測定する形状測定装置において、
前記被検物に照射光を投光する投光手段と、
前記投光手段によって照射光が投光された前記被検物を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段によって撮像された画像に収差補正処理を行う画像処理手段とを備え、
前記撮像手段は、前記撮像手段の光学系の瞳面において、前記被検物に照射された前記照射光の反射光に対応する光束の透過面積の領域が異なる複数の状態での画像を生成し、
前記画像処理手段は、前記光束の透過面積の領域が異なる状態に対応する補正テーブルを用いて、前記撮像手段によって生成された画像に収差補正処理を行う
を特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
前記画像処理手段は、
前記シャッタによって前記光束の透過面積が変更された各状態にそれぞれ対応する補正テーブルを予め保持する保持手段と、
前記撮像手段によって生成された前記複数の画像の輝度を比較する比較手段と、
前記比較手段による比較結果に基づき、前記保持手段に保持されている複数の前記補正テーブルのうちの１つを選択して前記収差補正処理に用いる補正手段とを含む
ことを特徴する請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項３】
前記投光手段は、前記被検物に照射光としてスリット光を投光し、
前記画像処理手段は、前記スリット光が投光された状態で撮像された画像に前記収差補正処理を行い、収差補正処理後の前記画像を解析し、前記被検物の形状を測定する
ことを特徴する請求項１または２に記載の形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、形状測定装置に関し、特に、スリット光を用いた三角測量により被検物の形状を測定する場合に用いて好適な形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、スリット光を用いた三角測量により被検物の形状を測定する方法（以下、従来方法と称する）が存在する（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
従来方法では、投光装置により、第１の方向から被検物に対してスリット光を照射し、投光装置と所定の距離（基線長）だけ離れた位置に設けられた撮像装置により、被検物の表面で反射されたスリット光の反射光を撮像する。撮像された画像上では、被検物の平らな部分においてはスリット光が直線となるが、凹凸がある部分においてはその凹凸の程度に応じた曲線となる。そこで、当該画像を解析することにより、被検物のスリット光が照射されている範囲の形状を測定し、さらに、被検物を移動させてスリット光をスキャンすることにより、被検物全体の３次元形状を測定するようになされている。
【０００４】
なお、一般に、撮像装置によって撮像された画像には、撮像装置の光学系の収差に起因する歪が生じているので、上述した解析の前処理として、収差に起因する画像の歪を補正する処理（以下、収差補正処理と称する）が実行される。
【特許文献１】特開平１１−３４４３２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来の収差補正処理では、被検物の表面が完全拡散面であって、被検物からの反射光が撮像装置の光学系の瞳を均一に透過することを仮定して当該収差補正処理を行っている。
【０００６】
しかしながら、被検物の表面が完全拡散面ではなく、その表面の反射特性が均一ではないような場合、被検物からの反射光が撮像装置の光学系の瞳を均一に透過しないので、従来の収差補正処理では適切な補正が行われない。よって、補正済の画像を解析して行われる被検物の３次元形状測定にも測定誤差が生じてしまうことが発生し得る。
【０００７】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、被検物の表面が完全拡散面であるか否かを判定し、その判定結果に応じて適切に収差補正処理を実行することにより、被検物の３次元形状測定に測定誤差が生じることを抑止できるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の形状測定装置は、三角測量により被検物の形状を測定する形状測定装置において、前記被検物に照射光を投光する投光手段と、前記投光手段によって照射光が投光された前記被検物を撮像する撮像手段と、前記撮像手段によって撮像された画像に収差補正処理を行う画像処理手段とを備え、前記撮像手段は、前記撮像手段の光学系の瞳面において、前記被検物に照射された前記照射光の反射光に対応する光束の透過面積の領域が異なる複数の状態での画像を生成し、前記画像処理手段は、前記光束の透過面積の領域が異なる状態に対応する補正テーブルを用いて、前記撮像手段によって生成された画像に収差補正処理を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、被検物表面の反射特性に応じて適切な収差補正処理を行うことができる。
【００１０】
また、本発明によれば、被検物の３次元形状測定に測定誤差が生じることを抑止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施の形態である３次元形状測定装置の構成例を示している。この３次元形状測定装置１０は、スリット光を用いた三角測量により被検物１の３次元形状を測定するものである。
【００１３】
この３次元形状測定装置１０において、投光部１１は、内蔵された光源によって発生される照射光をスリット光に整形し、固定された照射角θで被検物１を照射する。
【００１４】
撮像部１２は、投光部１１から固定長の距離（基線長Ｌ）だけ離れた位置に設けられている。撮像部１２は、正対するスリット光が照射された被検物１を撮影し、すなわち、被検物１によって反射されたスリット光の反射光を撮像し、撮像した画像を画像処理部１３に供給する。画像処理部１３は、撮像部１２から供給された画像に対して収差補正処理を行った後に解析し、被検物１の３次元形状を算出する。なお、この解析方法については、例えば特許文献１と同様の方法を用いることができる。
【００１５】
被検物１が載置されるステージ１４は、ステージ移動部１５によって１軸上を移動する。
【００１６】
制御部１６は、画像処理部１３を制御したり、ステージ移動部１５によるステージ１４の移動タイミングを制御したりする。
【００１７】
図２は、撮像部１２および画像処理部１３の詳細な構成例を示している。撮像部１２において、被検物１からの反射光は、撮影レンズ２１、瞳面に配置されたシャッタ２２、および撮影レンズ２３を介して撮像素子２４に入射される。
【００１８】
シャッタ２２は、制御部２５からの制御に従い、瞳面における光束（被検物１からの反射光）の透過を制限する。具体的には、例えば図３Ａ乃至図３Ｃに示すように、瞳面の全域を光束が透過できる全開状態（図３Ａ）、瞳面の右半分の領域を光束が透過できるように右半開状態（図３Ｂ）、または瞳面の左半分の領域を光束が透過できるように左半開状態（図３Ｃ）に連続的に変化する。なお、３種類の状態の変化の順序は任意である。
【００１９】
なお、シャッタ２２は、被検物１の表面の反射特性を検出し易いように、瞳面をその基線方向に分割するようにする。また、シャッタ２２の分割数については、図３に示されたように２分割に限定されるものではなく、例えば瞳面の基線方向に３分割あるいはそれ以上に分割してもよい。また、シャッタ２２として、液晶装置を用いてもよい。
【００２０】
撮像素子２４は、制御部２５によるシャッタ２２の制御に連動し、シャッタ２２の各状態に対応して、被検物１からの反射光に基づく複数の画像を生成して出力する。以下、シャッタ２２が全開状態で撮像された画像を第１の画像、シャッタ２２が右半開状態で撮像された画像を第２の画像、シャッタ２２が左半開状態で撮像された画像を第３の画像と称する。撮像素子２４から出力された第１乃至３の画像は、画像処理部１３に供給される。
【００２１】
なお、シャッタ２２を用いず、撮影レンズ２１からの光束を分岐プリズムにより複数に分岐させて複数の共役な瞳面を作り出し、各瞳面に図３Ａ乃至図３Ｃに示されたシャッタ２２と同様に光束を制限するマスクを配置し、各マスクを透過した光束を複数の撮像素子によりそれぞれ撮像するようにしてもよい。
【００２２】
また、像面に配置した撮像素子２４の代わりにマイクロレンズアイを配置し、マイクロレンズアイによってできた各像点の瞳像を撮像素子の複数の画素で撮像することによって各瞳位置での画像を合成してもよい（例えば、各マイクロレンズ画像の右上の画素を寄せ集めれば、瞳上右上の位置を通過した光束による画像を合成することができる）。
【００２３】
画像処理部１３においては、画像保持部３１が、撮像素子２４から供給された、シャッタ２２の各状態に対応する第１乃至３の画像を保持する。輝度比較部３２は、画像保持部３１に保持された、第１乃至３の画像の輝度を比較する。具体的には、第１乃至３の各画像の全画素の輝度の平均値などを比較する。そして、輝度比較部３２は、その比較結果を収差補正部３３に供給する。
【００２４】
収差補正部３３は、輝度比較部３２からの比較結果に基づき、画像保持部３１に保持された、第１乃至３の画像のうちの１枚を読み出す。また、収差補正部３３は、輝度比較部３２からの比較結果に基づき、補正テーブル記憶部３４から適切な補正テーブル（後述）を読み出し、読み出した補正テーブルを用いて、画像保持部３１から読み出した画像に対して収差補正処理を行う。収差補正処理後の画像は、解析部３５に供給される。
【００２５】
補正テーブル記憶部３４には、シャッタ２２の各状態で撮像された画像の収差補正処理に適した複数（シャッタ２２の状態の数と同数）の補正テーブルが予め記憶されている。
【００２６】
補正テーブル記憶部３４に予め記憶されている補正テーブルは、以下のようにして予め作成されている。すなわち、被検物１の代わりに格子パターンが印刷されている紙などをステージ１４に載置し、十分な照明光を照射した状態で、シャッタ２２を各状態（図３の場合、全開状態、右半開状態、左半開状態）に遷移させて撮影を行う。
【００２７】
この撮影により、シャッタ２２が全開状態のときの第１の画像として図４に示される画像が、シャッタ２２が右半開状態のときの第２の画像として図５に示される画像が、シャッタ２２が左半開状態のときの第３の画像として図６に示される画像がそれぞれ生成される。
【００２８】
これら第１乃至３の画像上の歪を補正するように、シャッタ２２の全開状態、右半開状態、または左半開状態にそれぞれ対応する第１乃至３の補正テーブルが作成される。第１乃至３の補正テーブルには、画像の各画素の座標に対応付けて、当該画素を移動させるオフセット量が記録されているものとする。
【００２９】
なお、図４乃至図６では、シャッタ２２の状態に応じて画像の歪が異なることを視認し易くするため、歪が強調されている。従って、実際の第１乃至３の画像は、図４乃至図６とは異なる。
【００３０】
図２に戻る。画像処理部１３の解析部３５は、収差補正処理後の画像を解析して、被検物１の３次元形状を演算する。
【００３１】
次に、図１に示された３次元形状測定装置１０による収差補正処理について、図７のフローチャートを参照して説明する。
【００３２】
ステップＳ１において、投光部１１は、固定の照射角θでスリット光を被検物１に照射する。ステップＳ２において、投光部１１と基線長Ｌの位置に配置された撮像部１２は、正対するスリット光が照射された被検物１を、シャッタ２２を全開状態、右半開状態、左半開状態に順に変更して撮像し、この結果得られた第１乃至３の画像を画像処理部１３に供給する。供給された第１乃至３の画像は、画像保持部３１に保持される。
【００３３】
ステップＳ３において、輝度比較部３２は、画像保持部３１に保持された、第１乃至３の画像の平均輝度を算出して比較する。具体的には、第１の画像の平均輝度を基準として、第２の画像の平均輝度が、基準（第１の画像の平均輝度）の１／２であるか、基準の１／２よりも大きいか、または基準の１／２よりも小さいかを比較する。
【００３４】
ステップＳ４乃至Ｓ８において、収差補正部３３は、輝度比較部３２による比較結果に基づき、画像保持部３１に保持された、第１乃至３の画像のうちの１枚を処理対象とし、補正テーブル記憶部３４に記憶されている第１乃至３の補正テーブルのうちの１つを読み出し、処理対象とした画像を、読み出した補正テーブルを用いて収差補正処理を行う。
【００３５】
すなわち、ステップＳ４において、収差補正部３３は、輝度比較部３２の比較結果で、第２の画像の平均輝度が、基準（第１の画像の平均輝度）の１／２であると判定されていた場合には、処理をステップＳ５に進める。
【００３６】
この場合、シャッタ２２が半開状態で撮像された第２の画像の平均輝度が、シャッタ２２が全開状態の第１の画像の平均輝度の１／２と等しいので、被検物１の表面に鏡面反射のような反射特性の偏りが生じていないと考えられる。そこで、ステップＳ５において、収差補正部３３は、シャッタ２２が全開状態に対応する、第１の画像を処理対象とし、第１の補正テーブルを補正テーブル記憶部３４から読み出して、第１の画像に第１の補正テーブルを用いて収差補正処理を行う。
【００３７】
反対に、ステップＳ４において、収差補正部３３は、輝度比較部３２の比較結果で、第２の画像の平均輝度が、基準（第１の画像の平均輝度）の１／２ではないと判定されていた場合には、処理をステップＳ６に進める。
【００３８】
ステップＳ６において、収差補正部３３は、輝度比較部３２の比較結果で、第２の画像の平均輝度が、基準（第１の画像の平均輝度）の１／２よりも大きいと判定されていた場合には、処理をステップＳ７に進める。
【００３９】
この場合、シャッタ２２が右半開状態で撮像された第２の画像の平均輝度が、シャッタ２２が全開状態の第１の画像の平均輝度の１／２よりも大きいので、被検物１の表面に鏡面反射のような反射特性の偏りが生じ、その部分で反射された反射光がシャッタ２２の右側を透過していると考えられる。そこで、ステップＳ７において、収差補正部３３は、シャッタ２２の右半開状態に対応する、第２の画像を処理対象とし、第２の補正テーブルを補正テーブル記憶部３４から読み出して、第２の画像に第２の補正テーブルを用いて収差補正処理を行う。
【００４０】
また、ステップＳ６において、収差補正部３３は、輝度比較部３２で、第２の画像の平均輝度が、基準（第１の画像の平均輝度）の１／２よりも小さいと判定されていた場合には、処理をステップＳ８に進める。
【００４１】
この場合、シャッタ２２が右半開状態で撮像された第２の画像の平均輝度が、シャッタ２２が全開状態の第１の画像の平均輝度の１／２よりも小さい、したがって、被検物１の表面に鏡面反射のような反射特性の偏りが生じ、その部分で反射された反射光がシャッタ２２の左側を透過していると考えられる。そこで、ステップＳ８において、収差補正部３３は、シャッタ２２の左半開状態に対応する、第３の画像を処理対象とし、第３の補正テーブルを補正テーブル記憶部３４から読み出して、第３の画像に第３の補正テーブルを用いて収差補正処理を行う。
【００４２】
以上で、収差補正処理は終了される。以上説明したように、本願発明を適用した３次元形状測定装置１０による収差補正処理では、被検物１の表面の反射特性のばらつきによって、被検物１からの反射光の光束が瞳面を均一に透過しない場合においても、被検物１からの反射光の光束が瞳面を均一に透過しないそれぞれの場合に応じて異なる補正テーブルを利用するので、適切な収差補正処理を実行することができる。よって、収差補正処理後の画像を解析する被検物１の３次元形状測定においても測定誤差の発生を抑止することができる。
【００４３】
なお、上述した収差補正処理においては、第１乃至第３の補正テーブルのうちの１つを用いるようにしたが、例えば、第１乃至３の画像の平均輝度の比に応じ、第１乃至第３の補正テーブルを示すオフセット値を合成して収差補正に用いるようにしてもよい。
【００４４】
また上述した収差補正処理の代わりに、第１乃至３の画像をそれぞれ所定の大きさの複数の領域に分割し、第１乃至３の画像の間で対応する領域どうしの平均輝度を比較し、最も平均輝度の高いものを組み合わせて新たに画像を生成し、当該画像の各領域毎に対応する第１乃至３の補正テーブルを用いて収差補正処理を行うようにしてもよい。
【００４５】
本発明は、３次元形状測定装置のみならず、撮像部の光学系の収差に起因する画像の歪を補正する画像処理装置などに適用することができる。
【００４６】
本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明を適用した３次元形状測定装置の構成例を示すブロック図である。
【図２】図１の撮像部および画像処理部の詳細な構成例を示すブロック図である。
【図３】図２のシャッタの形状を示す図である。
【図４】シャッタの全開状態で撮像される第１の画像を示す図である。
【図５】シャッタの右半開状態で撮像される第２の画像を示す図である。
【図６】シャッタの左半開状態で撮像される第３の画像を示す図である。
【図７】３次元形状測定装置による収差補正処理を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００４８】
１  被検物
１０  ３次元形状測定装置
１１  投光部
１２  撮像部
１３  画像処理部
１４  ステージ
１５  ステージ移動部
１６  制御部
２１  撮影レンズ
２２  シャッタ
２３  撮影レンズ
２４  撮像素子
２５  制御部
３１  画像保持部
３２  輝度比較部
３３  収差補正部
３４  補正テーブル記憶部
３５  解析部
【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６】
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【図７】
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