(57)【要約】 【課題】  正確な位相計算により測定精度の向上を可能とする三次元計測装置を提供する。【解決手段】  三次元計測装置（１００）は、光源から出力された光を所定のパターン光に整形して被検査物に投影する投影光学部（２３）と、被検査物上に投影される所定のパターン光を位相シフトさせる走査部（２２）と、被検査物上への所定のパターン光の走査投影により生じるパターン像を結像する結像光学部（３１）と、結像光学部により結像されたパターン像を撮像する撮像部（３２）と、画像データを補正するとともに、この補正された画像データに基づいて前記被検査物の形状の情報を求める制御部（４０）と、を備える。【選択図】  図１
2009180689.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から出力された光を所定のパターン光に整形して被検査物に投影する投影光学部と、
前記被検査物上に投影される前記所定のパターン光を位相シフトさせる走査部と、
前記被検査物上への前記所定のパターン光の走査投影により生じるパターン像を結像する結像光学部と、
前記結像光学部により結像された前記パターン像を撮像する撮像部と、
前記画像データを補正するとともに、この補正された画像データに基づいて前記被検査物の形状の情報を求める制御部と、
を備えることを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項２】
前記制御部は、
前記撮像部から出力された画像データを補正する補正部と、
前記補正部で補正された画像データを取り込み、前記走査部による位相シフトごとに前記被検査物上の前記パターン像の画像データを保存する記憶部と、
前記記憶部に保存された前記画像データに基づいて前記被検査物の形状の情報を求める演算処理部と
を有することを特徴とする請求項１に記載の三次元形状測定装置。
【請求項３】
前記補正部は、前記撮像部が受ける光量と輝度値との関係を前記撮像部の感度特性に基づいて予め取得しておき、前記光量と前記輝度値との関係を示す特性線が直線になるように補正することを特徴とする請求項２に記載の三次元形状測定装置。
【請求項４】
前記撮像部が受ける光量は異なる色彩の光量と輝度値との関係を示す感度特性を予め取得しておき、前記光量と前記輝度値との関係を示す特性線が直線になるように補正することを特徴とする請求項３に記載の三次元形状測定装置。
【請求項５】
前記補正部は、前記撮像部が配置される環境の温度変化に応じて前記特性線の補正値を変更することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の三次元形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体の三次元形状を測定するためのパターン投影型位相シフト法による三次元計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、物体の三次元形状を非接触で計測する手法として、位相シフトを用いた格子パターン投影法がよく知られている。具体的には、格子パターン投影法は照度分布が正弦波状態の格子パターンを被検査物に投影しパターン画像を得て、引き続き、格子パターンを横方向に例えばπ／２ずつ順次移動させて、位相が異なる４枚の画像を得ている。そして格子パターン投影法は、得られた４枚のパターン画像より画素毎にその点における格子の位相を求め、その位相情報から被検査物の形状を演算し、被検査物の高さを求めている。
【０００３】
格子パターン投影法は、被検査物のある位置での表面性状（明暗差や傾斜等）が変化しても、π／２ずつ順次移動する格子パターンによる相対的な照度差は、必ず格子パターンの位相差分だけの変化を示す。このため、画素毎にその位置における格子の位相を求めて三次元形状を高精度に測定するためには、撮影部におけるパターン画像の取り込みが重要となる。この画像を取り込む撮影部の性能は多岐にわたっており、装置の価格を下げるため低価格のＣＣＤセンサーが使用されることもある。また、低消費電力を売り物とするためＣＭＯＳセンサーも使用されている。
【特許文献１】特開平２００５−２１４６５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
格子パターンの位相の計算には撮影部が取得した輝度値を用いるが、格子パターンの輝度値の正確さが最終結果へ直接的に影響を与えるため、撮影部が出力する格子パターンの輝度値を正確に求めることが重要となる。被検査物は反射率の低いものから金属表面など反射率の高いものまであり広範囲のダイナミックレンジが必要である。低価格なＣＣＤセンサーでは実際に投影される光量に対して輝度値が正確な直線性（リニアリティ）を有していないことがある。また、ＣＭＯＳセンサーでは広範囲のダイナミックレンジを確保するためＬＯＧ特性（対数変換特性）などを有するセンサーが使用されることもある。
【０００５】
このようなリニアリティを有さない撮影部を使用した場合には位相の算出精度が低くなり、そのまま格子パターンの画像を直接使用すると、測定対象物の高さ精度に影響する問題があった。
そこで本発明は、正確な位相計算により測定精度の向上を可能とする三次元計測装置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】
【０００６】
第１の観点の三次元計測装置は、光源から出力された光を所定のパターン光に整形して被検査物に投影する投影光学部と、被検査物上に投影される所定のパターン光を位相シフトさせる走査部と、被検査物上への所定のパターン光の走査投影により生じるパターン像を結像する結像光学部と、結像光学部により結像されたパターン像を撮像する撮像部と、画像データを補正するとともに、この補正された画像データに基づいて前記被検査物の形状の情報を求める制御部と、を備える。
この構成により、三次元計測装置は補正部が撮像部から出力された画像データを補正し、この補正された画像データに基づいて被検査物の形状の情報を求めることができる。これにより、被検査物の形状の測定精度が向上する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、位相シフト法に基づく三次元計測を行うときに、測定精度の向上が可能となる三次元計測方法とその計測装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。 
＜三次元形状測定装置１００の構成＞
【０００９】
図１は、実施形態に係る三次元形状測定装置１００の構成を示す説明図である。
この三次元形状測定装置１００は大別して、被検査物ＳＡを載置するステージ１１と、ステージ１１に向けて格子パターンを投影する格子パターン投影機構２０と、撮像機構３０と、格子パターン投影機構２０及び撮像機構３０のそれぞれの作動を制御するため、例えばパーソナルコンピュータからなる制御部４０とで構成される。
【００１０】
格子パターン投影機構２０は、照明光を射出する光源２１と、光軸方向と平行になった照明光に所定の格子パターンを付与し、その格子パターンを走査させるパターン形成走査部２２と、格子パターン光を投影する投影光学系２３とで構成される。投影光学系２３は複数のレンズの組み合わせにより構成される。パターン形成走査部２２は例えば液晶板で構成され、π／２ごとに格子パターンを走査する。光源２１から出射された照明光がパターン形成走査部２２に照射されることにより形成された格子パターン光は、投影光学系２３を経て被検査物ＳＡに照射される。パターン形成走査部２２の液晶板を全透過状態にすることにより、光源２１から射出された光を液晶板で遮ることなくそのまま被検査物ＳＡに照射することもできる。
【００１１】
撮像機構３０は、格子パターン投影機構２０で投影された格子パターン光によって、被検査物ＳＡから反射された格子パターン光を結像する結像光学系３１と、格子パターン光を撮像し画像データを出力するＣＣＤ又はＣＭＯＳ等の撮像素子３２を備える撮像装置３３とにより構成される。
【００１２】
さらに、制御部４０は、格子パターン投影機構２０のパターン形成走査部２２を制御する位相制御部４１を備えている。また制御部４０は、撮像装置３３で撮像された格子パターン画像を演算処理する演算処理部４２と、各種パラメータや撮像された画像データを保存する記憶部４３と、データ等を表示する表示部４９とを備えている。また制御部４０は、撮像素子３２から出力された画像データを補正する補正部４４と光源２１の照度（光量）を変える照度制御部４５とを備えている。
【００１３】
位相制御部４１は、パターン形成走査部２２を制御して格子パターンを投影光学系２３の光軸と垂直方向にシフトさせる。パターン形成走査部２２を透過したパターン光は、投影光学系２３によりステージ１１上の被検査物ＳＡに投影される。投影したパターン光の像は、明度が正弦波状（スリット状）に変化するものになっている。また、格子パターン投影機構２０の光軸が撮像機構３０の光軸に対して傾いている入射角度は調整可能である。
【００１４】
被検査物ＳＡで反射されたパターン反射光は、撮像機構３０の結像光学系３１により撮像装置３３の撮像素子３２の受光面に結像される。パターン反射光は撮像素子３２で光電変換されて、被検査物ＳＡにより変形された格子パターンの画像データを得ることができる。以下同様に、パターン形成走査部２２の格子パターンを例えばπ／２ずつ位相をシフトさせて被検査物ＳＡにより変形された格子パターンを含むパターン反射光を撮像する。この移動毎に撮像された画像データは、制御部４０の記憶部４３に保存される。
【００１５】
これらの画像データは、被検査物ＳＡを位相ごとに撮像した画像であり、隣り合う画像を連結することにより、被検査物ＳＡの全体画像が得られる。また、この時に、撮像した際の入射角度、格子ピッチ、位相シフトのステップ数等の撮像に関するパラメータを合わせて記憶部４３に保存する。
【００１６】
＜撮像素子３２が受ける光量と輝度値との関係＞
図２は、撮像素子３２が受ける光量と輝度値との関係を示したグラフである。（ａ）〜（ｃ）において、横軸は撮影素子３２が受ける実際の光量であり、縦軸は撮影素子３２が出力する光の輝度値である。また、（ａ）〜（ｃ）において点線がリニアリティを示すＬＬ、実線が撮影素子３２からの輝度値Ｉｄｎｘ（階調）、二点差線が補正係数を示すＣCを示す。
【００１７】
図２（ａ）は、撮像素子３２がダイナミックレンジを拡大したＣＭＯＳセンサーの一例を示している。このＣＭＯＳセンサーは光量が所定量に達する箇所で感度特性を変えるＫｎｅｅ特性を有している。
【００１８】
図２（ａ）において領域Ａでは、実際にＣＭＯＳセンサーが受ける光量Ｉｘと輝度値Ｉｄｎｘ（階調）との関係は、Ｉｄｎｘ＝α１×Ｉｘと表すことができる。領域Ｂでは、実際にＣＭＯＳセンサーが受ける光量Ｉｘと輝度値Ｉｄｎｘ（階調）との関係は、Ｉｄｎｘ＝α２×Ｉｘ＋β１（α１＞α２）と表すことができる。このように、ＣＭＯＳセンサーが受ける実際の光量Ｉｘと輝度値Ｉｄｎｘ（階調）とに一貫したリニアリティがない。このため高い反射率の金属などが被検査物ＳＡの一部に存在すると、位相分布φ（ｘ，ｙ）の演算又は各位相φ（ｘ，ｙ）の位相接続演算において誤差が生じてしまい、被検査物ＳＡの高さ情報ｈ（ｘ，ｙ）を正確に把握することができない。
【００１９】
したがって、ＣＭＯＳセンサーからの領域Ｂの画素出力に対して補正係数ＣＣをかけるようにする。例えば補正後の輝度値ＣＩｄｎｘ（階調）は、ＣＩｄｎｘ＝α１／α２×Ｉｘと補正することができる。
【００２０】
図２（ｂ）は、撮像素子３２がダイナミックレンジを拡大したＣＭＯＳセンサーの別の例を示している。このＣＭＯＳセンサーは対数変換回路を各画素に付加し、入射した光量をその光量の積分値の対数に比例した量の電子に変換して、高ダイナミックレンジを得るＬＯＧ特性を有している。このＬＯＧ特性を有するＣＭＯＳセンサーが受ける光量Ｉｘと輝度値Ｉｄｎｘ（階調）との関係は、Ｉｄｎｘ＝Ａ×Ｌｏｇ（Ｉｘ）、（Ａは定数）と表すことができる。このＣＭＯＳセンサーが受ける実際の光量Ｉｘと輝度値Ｉｄｎｘ（階調）とにリニアリティがない。
【００２１】
したがって、ＣＭＯＳセンサーからの画素出力に対して補正係数ＣＣをかけるようにする。例えば補正後の輝度値ＣＩｄｎｘ（階調）は、ＣＩｄｎｘ＝B×ｅ（Ｉｄｎｘ）（Bは定数）と補正することができる。
【００２２】
図２（ｃ）は、撮像素子３２がＣＭＯＳセンサー又はＣＣＤセンサーのある画素がリニアリティを有していない例を示している。厳密には各画素は感度特性にバラツキを有している。この感度特性のバラツキを正確なリニアリティを有するように補正をする。補正係数ＣＣを作成する多項式を記憶部４３に記憶したり、又は個々の補正係数ＣＣをルックアップテーブルなどの記憶部４３に記憶したりする。
【００２３】
次に、撮像素子３２が受ける光量と輝度値との関係について説明する。
図３に示す基準サンプルＳＰ及びフローチャートを参照して、撮像素子３２の補正係数ＣＣの算出手順について説明する。
【００２４】
ステップＳ３１において、平面で反射率の等しい基準サンプルＳＰを用意する。そしてこの基準サンプルＳＰをステージ１１に配置する。
ステップＳ３２において、位相制御部４１が、パターン形成走査部２２を制御して光源２１の光を何もさえぎることのない透過パターンにする。
【００２５】
ステップＳ３３において、照度制御部４５が光源２１の照度（光量）を断続的に又は連続的に変えながら、透過パターンを照明する。照度制御部４５によって光源２１の実際の光量Ｉｘがどの程度であるかをステージ１１に配置した照度計ＳＳを用いて測定する。
ステップＳ３４では、変えられた光量Ｉｘごとに撮像素子３２からの輝度値Ｉｄｎｘを記憶部４３に記憶する。
【００２６】
ステップＳ３５では、演算処理部４２が、光量Ｉｘと撮像素子３２からの輝度値Ｉｄｎｘとの関係から補正係数ＣＣを演算する。この補正係数ＣＣは、撮像素子３２の画素ごとに記憶してもよいし、記憶部４３の容量との関係で多項式として記憶してもよく、複数の画素を１つのブロックとして補正係数ＣＣを記憶しても良い。
ステップＳ３６では、その補正係数ＣＣが記憶部４３に記憶される。
【００２７】
基準サンプルＳＰに対する測定は、ユーザやサービスエンジニアが設置場所等で任意に行うことも可能である。さらに、装置の出荷段階に測定を行い、補正係数ＣＣを記憶部４３に予め保存しておくことも可能である。
【００２８】
撮像素子３２は、赤色、青色又は緑など色彩によって光量と輝度値との関係が撮像素子３２で変動することがある。このため、撮像素子３２の感度特性を、色彩ごとに測定する。すなわち、図３において、平面で反射率の等しい基準サンプルＳＰを用意したが、さらに、主要な色彩の基準サンプルＳＰを用意し、色彩ごとに補正係数ＣＣを取得し記憶部４３に予め保存しても良い。
【００２９】
次に、このように構成された三次元形状測定装置１００による測定について説明する。
図４は、三次元形状測定装置１００による測定方法を示すフローチャートである。
【００３０】
ステップＳ５１では、被検査物ＳＡがステージ１１に載置される。
ステップＳ５２では、位相制御部４１が、パターン形成走査部２２を制御して格子パターンにし、光源２１からの光を格子パターンを照射する。そして格子パターンが被検査物ＳＡに投影される。
ステップＳ５３では、撮像素子３２が被検査物ＳＡから反射された第１の位相状態の格子パターンの反射光を受光する。記憶部４３が被検査物ＳＡの格子パターンの画像データを記憶する。
【００３１】
ステップＳ５４において、記憶部４３が必要な位相分の画像データが記憶しているか否かを判断する。記憶部４３が必要な位相分の画像データを記憶していればステップＳ５６に進み、不足していればステップＳ５５に進む。例えばπ／２位相であれば０から２πまで４枚の画像データ（Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４）を取得する。フローチャートの右側に４枚の画像データの例を示す。
ステップＳ５５では、位相制御部４１がパターン形成走査部２２を制御して例えば、π／２の位相をシフトし、再び、ステップＳ５２へ進みシフトした格子パターンを照射する。
【００３２】
ステップＳ５６では、記憶部４３に記憶されたリニアリティ補正係数ＣＣを使って画像データのリニアリティを補正する。補正された画像データ（ＣＩ１，ＣＩ２，ＣＩ３，ＣＩ４）は再び記憶部４３に記憶される。
【００３３】
ステップＳ５７では、記憶部４３から被検査物ＳＡのリニアリティ補正された画像データを演算処理部４２へ読み込む。演算処理部４２は各画素（ｘ，ｙ）に対して各位相φ（ｘ，ｙ）を算出する。フローチャートの右側に、算出した位相の例を示す。
φ（ｘ，ｙ）＝ａｒｃｔａｎ｛（ＣＩ４−ＣＩ２）／（ＣＩ１−ＣＩ３）｝
【００３４】
次に、ステップＳ５８では、各画素の位相分布φ（ｘ，ｙ）を合成し、各位相φ（ｘ，ｙ）の位相接続を行う。フローチャートの右側に位相接続した例を示す。
ステップＳ５９では、位相接続した後、被検査物ＳＡの高さ情報ｈ（ｘ，ｙ）に変換される。この被検査物ＳＡの高さ情報ｈ（ｘ，ｙ）が表示部４９に表示される。フローチャートの右側に高さ情報ｈ（ｘ，ｙ）の例を示す。
【００３５】
なお、ステップＳ５４において画像データ（Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４）を取得してから、φ（ｘ，ｙ）＝ａｒｃｔａｎ｛（Ｉ４−Ｉ２）／（Ｉ１−Ｉ３）｝の計算をするステップにて、各画素の輝度値毎に補正してもよい。すなわち、ステップＳ５６で補正された画像データを一旦記憶することなく、位相計算の際に補正処理をしてもよい。
【００３６】
以上説明したように、位相シフト法による三次元計測前に、予め撮像素子３２が受ける光量と輝度値との関係を撮像素子３２の感度特性を取得し記憶部４３に記憶しておく。そして、リニアリティを確保するように位相分の画像データを補正してから、各画素のできるように補正して位相φ（ｘ，ｙ）の位相接続を行う。
【００３７】
従って、撮像素子３２が受ける実際の光量と撮像素子３２が出力する輝度値との感度特性を求めた補正係数ＣＣによりリニアリティ補正を行うため、位相が正確に得られ、高さ計算の結果への誤差を少なくすることができる。また、色彩違いに対してもリニアリティ補正を行うことも可能となる。ハードウェアの複雑化を招くことはなく、簡易な構成で正確な位相計算により測定精度の向上を実現している。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
パターン形成走査部２２は例えば液晶板で構成する例を説明したが、透明ガラスにクロムなどの遮光膜を形成したり、金属板にスリット開口を設けたりした構成であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】実施形態に係る三次元形状測定装置１００の構成を示す説明図である。
【図２】撮像素子３２が受ける光量と輝度値との関係を示したグラフである。
【図３】補正係数ＣＣを取得する図及びフローチャートである。
【図４】三次元形状測定装置１００による測定方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４０】
１１  …  ステージ
２０  …  格子パターン投影機構
２１  …  光源
２２  …  パターン形成走査部
２３  …  投影光学系
２４  …  投影光学系
３０  …  撮像機構
３１  …  結像光学系
３２  …  撮像素子
３３  …  撮像装置
４０  …  制御部
４１  …  位相制御部
４２  …  演算処理部
４３  …  記憶部
４９  …  表示部
４４  …  補正部
４５  …  照度制御部
１００  …  三次元形状測定装置
ＣＣ  …  補正係数
ＳＡ  …  被検査物
ＳＳ  …  基準サンプル
【図１】
2009180689.tif 000003
【図２】
2009180689.tif 000004
【図３】
2009180689.tif 000005
【図４】
2009180689.tif 000006