JP2008170282A - Shape measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、パターン投影により3次元形状を測定する装置に関する。 The present invention relates to an apparatus for measuring a three-dimensional shape by pattern projection.
工業製品等の物体の表面形状を測定する技術は従来から種々提案されており、その一つに光学式の三次元形状測定装置がある。光学式の三次元形状測定装置も種々の方式、構成のものがあるが、被検物に所定の投影パターン(縞模様や、格子模様)を投影して被検物を撮像し、その撮像画像から各画像位置(各画素)での縞の位相を求めて各画像位置の高さを算出し、被検物の三次元表面形状を測定するものがある(特許文献1参照)。 Various techniques for measuring the surface shape of an object such as an industrial product have been proposed, and one of them is an optical three-dimensional shape measuring apparatus. There are various types of optical three-dimensional shape measurement devices and configurations, but a predetermined projection pattern (a striped pattern or a lattice pattern) is projected onto the test object, and the test object is imaged. From the above, there is a method for calculating the height of each image position by calculating the phase of the stripes at each image position (each pixel) and measuring the three-dimensional surface shape of the test object (see Patent Document 1).
このような装置においては、例えば、被検物の表面に縞パターンからなる投影パターンを投影し、投影方向と異なる角度から被検物に投影された縞パターンを撮像し、撮像された被検物表面の撮像画像より縞パターンの位相分布を算出し、三角測量の原理等を用いて被検物表面の三次元形状を求めるように構成されている。 In such an apparatus, for example, a projection pattern composed of a fringe pattern is projected onto the surface of the test object, and a fringe pattern projected onto the test object from an angle different from the projection direction is imaged. The phase distribution of the fringe pattern is calculated from the captured image of the surface, and the three-dimensional shape of the surface of the test object is obtained using the principle of triangulation or the like.
その構成例を図4に示しており、光源51からの光が縞模様の投影パターンマスク52及び投影レンズ53を通して被検物54の表面に投影される。被検物54の表面に投影された投影パターンマスク52の縞模様は、被検物54の表面三次元形状に応じて変形され、このように変形された被検物54の表面のパターンを投影方向と異なる角度から撮像レンズ55を介して撮像装置56(例えば、CCDセンサ)により撮像されて、演算処理装置57に送られ、ここで撮像画像データの演算処理が行われる。演算処理装置57においては、このように撮像された被検物表面の撮像画像データより縞パターンの位相分布を算出し、三角測量の原理等を用いて被検物表面の三次元形状を求める演算処理が行われる。
An example of the configuration is shown in FIG. 4, and the light from the
ところで、被検物上での散乱光を利用することから上述の三次元形状測定が行われているが、被検物の表面状態や投影パターンの入射角によっては散乱光が十分に得ることができなかったり、表面傾斜によっては正反射光の影響でハレーションを生じて、適正なコントラスト比の投影パターンの撮像画像を取得することができないという問題がある。当然ながらこのような投影パターンの撮像画像を用いて三次元測定を行った場合、その測定結果が誤差を有することになる。 By the way, the above-mentioned three-dimensional shape measurement is performed because the scattered light on the test object is used. However, depending on the surface state of the test object and the incident angle of the projection pattern, the scattered light can be obtained sufficiently. Depending on the surface inclination, there is a problem that halation occurs due to the influence of specular reflection light, and a captured image of a projection pattern with an appropriate contrast ratio cannot be obtained. Naturally, when a three-dimensional measurement is performed using a captured image of such a projection pattern, the measurement result has an error.
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、被検物の表面形状の影響を受けることがないように投影パターンを生成して正確な三次元形状測定を行うことができるような測定装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a problem, and it is possible to generate a projection pattern and perform accurate three-dimensional shape measurement so as not to be affected by the surface shape of the test object. An object of the present invention is to provide a simple measuring device.
上記課題を解決して目的を達成するため、本発明に係る形状測定装置は、被検物に所定の投影パターンを投影するパターン投影部と、前記投影パターンが投影された前記被検物を撮像する撮像部と、前記撮像部により得られた撮像画像から前記投影パターンに対応する前記被検物の複数の部分の光軸方向の位置を演算する形状演算部と、前記パターン投影部により投影された前記投影パターンと前記撮像部により得られた撮像画像との位置の対応づけを行うとともに、前記撮像画像の画像面上の点の輝度を演算する輝度演算部と、前記輝度演算部により得られた前記撮像画像の画像面上の点の輝度により、前記投影パターン上の点に対して輝度の補正を行うパターン補正部とを備える。 In order to solve the above problems and achieve the object, a shape measuring apparatus according to the present invention images a pattern projection unit that projects a predetermined projection pattern onto a test object, and the test object on which the projection pattern is projected. The image projection unit, the shape calculation unit that calculates the position in the optical axis direction of the plurality of portions of the test object corresponding to the projection pattern from the captured image obtained by the imaging unit, and the pattern projection unit The projection pattern and the captured image obtained by the imaging unit are associated with each other, and the luminance calculation unit that calculates the luminance of a point on the image plane of the captured image is obtained by the luminance calculation unit. And a pattern correction unit that corrects the luminance of the point on the projection pattern according to the luminance of the point on the image plane of the captured image.
なお、前記輝度演算部は、前記形状演算部により得られた前記被検物の形状測定結果から、前記パターン投影部により投影された前記投影パターン上の点と前記撮像部により得られた撮像画像の画像面上の点との位置の対応づけを行うように構成することが好ましい。 The luminance calculation unit is configured to obtain a point on the projection pattern projected by the pattern projection unit and a captured image obtained by the imaging unit based on the shape measurement result of the test object obtained by the shape calculation unit. It is preferable that the position is associated with a point on the image plane.
また、前記パターン補正部は、前記輝度演算部により得られた前記投影パターン上の点及び前記撮像画像の画像面上の点の輝度を用いて行う前記投影パターン上の点に対する輝度の補正は、輝度の明部が前記撮像部の感度範囲内で2次元の広がりをもつように補正するように構成することが好ましい。 In addition, the pattern correction unit performs luminance correction on the point on the projection pattern performed using the luminance of the point on the projection pattern and the point on the image plane of the captured image obtained by the luminance calculation unit, It is preferable that the bright portion of the luminance is corrected so as to have a two-dimensional spread within the sensitivity range of the imaging unit.
以上説明したように構成される本発明によれば、投影パターン上の点及び撮像画像の画像面上の点の輝度を算出し、投影パターン上の点に対して輝度の補正を行い、適正なコントラスト比の投影パターンの撮像画像から三角測量の原理に基づいて被検物の三次元形状を求める構成であり、被検物の表面形状により撮像された投影パターンのコントラスト比が極端に大きくなった場合でも、正確な三次元形状測定を行うことが可能である。 According to the present invention configured as described above, the luminance of the points on the projection pattern and the points on the image plane of the captured image is calculated, the luminance is corrected for the points on the projection pattern, Based on the principle of triangulation from the captured image of the projected pattern of the contrast ratio, the 3D shape of the test object is obtained, and the contrast ratio of the projected pattern captured by the surface shape of the test object has become extremely large Even in this case, it is possible to perform accurate three-dimensional shape measurement.
以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。本発明に係る三次元形状測定装置の概略構成を図1に示しており、まず、この形状測定装置について、図1を参照して説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. FIG. 1 shows a schematic configuration of a three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention. First, the shape measuring apparatus will be described with reference to FIG.
この形状測定装置は、光源1と、光源1からの光に縞模様を与えるための投影パターンマスク2と、投影パターンマスク2を通過した光源1からの光を被検物20の表面に投影させる投影レンズ(群)3とからなるパターン投影部と、被検物20からの反射光を撮像レンズ(群)4を介して撮像する撮像装置5からなる撮像部と、を有して構成される。
The shape measuring device projects a light source 1, a
パターン投影部において、投影パターンマスク2は例えば液晶素子により構成され、投影パターン発生装置6により任意のピッチ及び任意の輝度の投影パターン(例えば、正弦波状の縞模様パターン)を生成できる。これにより、光源1からの光をこの投影パターンマスク2を通過させ、投影レンズ3により集光させ、被検物20の表面に投影パターンマスク2により形成された所望の投影パターンを投影させることができる。
In the pattern projection unit, the
撮像部は、被検物20からの反射光を撮像レンズ4を介して被検物20を撮像する撮像装置5(例えば、CCDカメラ)を備えている。撮像装置5により撮像された被検物20の画像データは、演算処理装置7に送られ、ここで以下に説明する画像演算処理がなされ、被検物20の表面形状測定が行われる。なお、パターン投影部、撮像部は一つのフレームにより一体に固定されて構成されており、被検物20は図示しない支持台上に載置されて支持されている。
The imaging unit includes an imaging device 5 (for example, a CCD camera) that captures an image of the
演算処理装置7は、撮像装置5により撮像された被検物20の画像データから被検物20のパターンに対応する各部分の光軸方向の位置を演算する形状演算部8と、パターン投影部により投影された投影パターンマスク2上の点と撮像装置5により得られた撮像画像面上の点との位置の対応づけを行い、投影パターンマスク2上の点の輝度及び撮像画像面上の点の輝度を演算する輝度演算部9と、投影パターンマスク2の輝度を補正するパターン補正部10と、撮像装置5により得られた撮像画像の輝度を補正する画像補正部11とを備えている。
The
以上のように構成された表面形状測定装置を用いて被検物20の表面形状を測定する方法を、図2のフローチャートを参照して以下に説明する。
A method of measuring the surface shape of the
この測定に際しては、まず、投影パターン発生装置6により投影パターンマスク2を第一縞パターン(被検物20の形状測定が可能な程度ピッチの大きな正弦波状の粗な縞パターン)に生成する(ステップS1)。光源1からの光を投影パターンマスク2及び投影レンズ3を介して被検物20に照射させて被検物20の表面に第一縞パターンを投影する。このように投影されて被検物20から反射する光は撮像レンズ4を介して集光され、撮像装置5により被検物表面に投影された第一縞パターンを撮像する(ステップS2)。
In this measurement, first, the projection
これら撮像装置5による撮像は、投影パターンマスク2により形成された第一縞パターンの位相を変えて複数回(例えば、図2における位相1、位相2、位相3)行われて、一組の撮像画像群を得る。このようにして得られた画像データは、撮像装置5から演算処理装置7に送られる。
The imaging by these
一般に、パターン投影法では、複数のエッジパターン又は同一位相の正弦波パターンが存在するために、隣接するパターンとの弁別(アンラッピング)をする必要がある。ここでは、第一縞パターン(ピッチの大きい粗な縞パターン)と以下に説明する第一縞パターンよりもピッチの小さい第二縞パターン(密な縞パターン)を投影し、アンラッピングを容易にすることができる。 In general, in the pattern projection method, since there are a plurality of edge patterns or sinusoidal patterns having the same phase, it is necessary to distinguish (unwrap) from adjacent patterns. Here, the first stripe pattern (coarse stripe pattern having a large pitch) and the second stripe pattern (dense stripe pattern) having a smaller pitch than the first stripe pattern described below are projected to facilitate unwrapping. be able to.
図3(A)に示すように、上記のようにして画像データが送られると、演算処理装置7内の形状演算部8において、被検物20の光軸方向の位置を演算する(ステップS3)。第一縞パターンを投影して得られた画像データから被検物20の光軸方向の位置(明確に演算できない部分を含む)を演算することにより、被検物20に投影された投影パターンマスク2上の点と撮像画像の画像面上の点との位置の対応づけを行うことができる。さらに、例えば、明確に被検物20の光軸方向の位置を演算できない部分に位置する撮像画像の画面上の点P(X,Y)を検出することにより、投影パターンマスク2が被検物20に十分なコントラスト比で投影されていない投影パターンマスク2上の点Q(x,y)を検出することができる。なお、投影パターンマスク2上の点と撮像画像の画像面上の点との位置の対応づけは、投影パターンマスク2上の点毎に点灯させて画像面上の点を結像させても行うことができる。
As shown in FIG. 3A, when the image data is sent as described above, the
また、演算処理装置7内の輝度演算部9において、投影パターンマスク2が被検物20に十分なコントラスト比で投影されていない投影パターンマスク2上の点Q(x、y)の輝度B(x,y)及び前記点Q(x,y)と位置の対応づけがされた撮像画像の画像面上の点P(X,Y)の輝度B(X,Y)を求める(ステップS4)。したがって、前記点Q(x,y)の輝度B(x,y)と前記点P(X,Y)の輝度B(X,Y)の対応づけをすることができる。
Further, in the
次に、被検物20の正確な形状を測定するために、第二縞パターン(第一縞パターンよりもピッチの小さい密な縞パターン)を被検物20に投影するが、図3(B)に示すように、被検物20に十分なコントラスト比で投影されない投影パターンマスク2の部分の輝度を補正する必要がある。したがって、演算処理装置7内のパターン補正部10において、投影パターンマスク2が被検物20に十分なコントラスト比で投影されていない投影パターンマスク2上の点Q(x,y)の輝度B(x,y)を用いて、被検物20に十分なコントラスト比で投影されない投影パターンマスク2の部分の輝度を補正する(ステップS5)。
Next, in order to measure the accurate shape of the
投影パターンマスク2が被検物20に十分なコントラスト比で投影されない投影パーンマスク2の部分の輝度の補正は、以下の式(1)を用いて行われる。
Correction of the luminance of the portion of the
S(x,y)=c〔sin(ax+b)/B(x,y)〕 (1)
ここで、S(x,y)は補正後の投影パターンマスク2の輝度、aは投影パターンマスク2のピッチ、bは投影パターンマスク2の位相、cは任意に決めることができる輝度係数である。
S (x, y) = c [sin (ax + b) / B (x, y)] (1)
Here, S (x, y) is the luminance of the
式1において、被検物20に十分なコントラスト比で投影されない投影パターンマスク2の部分の輝度は、投影パターンマスク2が被検物20に十分なコントラスト比で投影されていない撮像画像の画像面上の点P(X,Y)の輝度B(X,Y)と対応づけがされた投影パターンマスク2上の点Q(x,y)の輝度B(x,y)と逆数の関係にあるので、撮像画像が被検物20の明確な形状測定が可能な程度に十分な輝度B(X,Y)を得られない点P(X,Y)では、その点P(X,Y)に対応する投影パターンマスク2上の点Q(x,y)の輝度B(x,y)を正確な形状測定が可能な程度に十分な輝度に補正することができる。なお、輝度は、撮像装置5の感度で規格化することで輝度B(x,y)を撮像装置5の感度範囲内で適度な非線形性を有する広がりを持たせることができる。
In Equation 1, the brightness of the portion of the
上記のような投影パターンマスク2が被検物20に十分なコントラスト比で投影されない投影パーンマスク2の部分の輝度の補正は、補正後の投影パターンマスク2上の点Q(x,y)の輝度B(x,y)の明部が広がりをもつように補正することにより、投影パターンマスク2が被検物20に十分なコントラスト比で投影されていない投影パターンマスク2上の点Q(x,y)と撮像画像の画像面上の点P(X,Y)との位置の対応づけにより生じる誤差の影響を軽減することができる。
The correction of the brightness of the portion of the
図3(C)に示すように、上記にように投影パターンマスク2を被検物20に十分なコントラスト比で投影されない投影パターンマスク2の部分の補正を行い、第二縞パターンを生成する(ステップS6)。そして、第一縞パターンと同様にして、撮像装置5により被検物表面に投影された第二縞パターンを撮像する(ステップS7)。
As shown in FIG. 3 (C), as described above, the portion of the
さらに、第一縞パターンの際と同様に、撮像装置5により第二縞パターンの位相を変えて複数回(例えば、図2における位相1、位相2、位相3)撮像を行い画像データを得る。このように得られた画像データを演算処理装置7に送り、演算処理装置7内の輝度演算部9において、被検物20に第二縞パターンを投影して得られた撮像画像の輝度C1(X,Y)を算出する。
Further, as in the case of the first fringe pattern, the
しかしながら、第二縞パターンは、投影パターンマスク2において被検物20に十分なコントラスト比で投影されない投影パターンマスク2の部分の輝度を補正して生成されている部分があるので、第二縞パターンを投影して得られた撮像画像の輝度分布C1(X,Y)をこのまま用いても、正確な被検物20の形状測定結果を得ることができない。
However, since the second fringe pattern is generated by correcting the luminance of the portion of the
そこで、第二縞パターンを投影して得られた撮像画像の輝度C1(X,Y)を、第二縞パターンの輝度S(x,y)に対応する部分の撮像画像の輝度R(X,Y)と、第二縞パターンの輝度S(x,y)に対応する部分以外の撮像画像の輝度T(X,Y)とに分けることができ、正確な被検物20の形状測定結果を得るためには前記輝度R(X,Y)を補正しなおす必要がある。したがって、演算処理装置7内の画像補正部11において、前記投影パターンマスク2の補正(ステップS5)のときに用いた輝度B(x,y)に対応する撮像画像の画像面上の点P(X,Y)の輝度B(X,Y)を用いて前記輝度R(X,Y)を補正する(ステップS8)。
Therefore, the brightness C1 (X, Y) of the captured image obtained by projecting the second stripe pattern is set to the brightness R (X, Y) of the portion of the captured image corresponding to the brightness S (x, y) of the second stripe pattern. Y) and the brightness T (X, Y) of the captured image other than the portion corresponding to the brightness S (x, y) of the second stripe pattern, and the accurate shape measurement result of the
ここで、第二縞パターンによる投影は、第一縞パターンによる投影の際における投影パターンマスク2及び被検物20及び撮像装置5等の位置関係を全く変化させていないので、第一縞パターンを投影して得られた投影パターンマスク2上の点と撮像画像の画像面上の点との位置の対応をそのまま用いることができる。
Here, since the projection with the second stripe pattern does not change the positional relationship of the
第二縞パターンを投影して得られた撮像画像の輝度C1(X,Y)の一部分である前記輝度S(x,y)に対応する部分の撮像画像の輝度R(X,Y)を補正して得られる撮像画像の輝度C2(X,Y)は、以下の式(2)を用いて算出される。 Correction of the luminance R (X, Y) of the captured image of a portion corresponding to the luminance S (x, y), which is a part of the luminance C1 (X, Y) of the captured image obtained by projecting the second stripe pattern The brightness C2 (X, Y) of the captured image obtained in this way is calculated using the following equation (2).
C2(X,Y)=R(X,Y)×B(X,Y)+T(X,Y) (2) C2 (X, Y) = R (X, Y) × B (X, Y) + T (X, Y) (2)
そして、撮像画像の輝度C2(X,Y)を用いて各画像の位相値を算出し、三角測量の原理を用いて被検物20の形状測定を行う(ステップS9)。
Then, the phase value of each image is calculated using the luminance C2 (X, Y) of the captured image, and the shape of the
以上のようにして、被検物20に投影された投影パターンマスク2の撮像画像において、投影パターンマスク2の全ての必要箇所の詳細な位相情報(被検物20の正確な形状測定を行うことができる画像データ)を得ることができるので、被検物20の三次元形状を正確に測定することができる。
As described above, in the captured image of the
1 光源 2 投影パターンマスク
3 投影レンズ 4 撮像レンズ
5 撮像装置 6 投影パターン発生装置
7 演算処理装置 8 形状演算部
9 輝度演算部 10 パターン補正部
11 画像補正部 20 被検物
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (3)
前記投影パターンが投影された前記被検物を撮像する撮像部と、
前記撮像部により得られた撮像画像から前記投影パターンに対応する前記被検物の複数の部分の光軸方向の位置を演算する形状演算部と、
前記パターン投影部により投影された前記投影パターンと前記撮像部により得られた撮像画像との位置の対応づけを行うとともに、前記撮像画像の画像面上の点の輝度を演算する輝度演算部と、
前記輝度演算部により得られた前記撮像画像の画像面上の点の輝度により、前記投影パターン上の点に対して輝度の補正を行うパターン補正部と、
を備える形状測定装置。 A pattern projection unit that projects a predetermined projection pattern onto the test object;
An imaging unit that images the object on which the projection pattern is projected;
A shape calculation unit that calculates positions in the optical axis direction of a plurality of portions of the test object corresponding to the projection pattern from a captured image obtained by the imaging unit;
A brightness calculation unit that associates positions of the projection pattern projected by the pattern projection unit and a captured image obtained by the imaging unit, and calculates a luminance of a point on an image plane of the captured image;
A pattern correction unit that corrects the luminance of a point on the projection pattern based on the luminance of the point on the image plane of the captured image obtained by the luminance calculation unit;
A shape measuring device comprising:
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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