JP2003121124A - Method and apparatus for shape measurement using monochromatic rectangular-wave grating - Google Patents

Method and apparatus for shape measurement using monochromatic rectangular-wave grating

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JP2003121124A
JP2003121124A JP2001315178A JP2001315178A JP2003121124A JP 2003121124 A JP2003121124 A JP 2003121124A JP 2001315178 A JP2001315178 A JP 2001315178A JP 2001315178 A JP2001315178 A JP 2001315178A JP 2003121124 A JP2003121124 A JP 2003121124A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a shape measuring method which eliminates a defect in a conventional method and in which the height distribution of an object is obtained in a noncontact manner. SOLUTION: The shape measuring apparatus comprises a step wherein a monochromatic rectangular-wave grating obtained by compositing two different rectangular-wave components whose black-to-white ratios are different, and whose mutual pitch ratio is m:n by setting m and n as three or more mutually prime integers is projected on the object; a step in which the whole cycle of the grating is shifted by 1/(m×n) each so as to image m×n pieces of images; a step in which a phase distribution regarding the rectangular-wave components having a cycle of m/(m×n) is found on the basis of n pieces of images extracted in every m pieces from among the m×n pieces of images, and in which a phase distribution regarding the rectangular-wave components at the cycle of m/(m×n) is found on the basis of m pieces of images extracted in every n pieces; and a step in which a continued phase distribution corresponding to the height distribution of the object is obtained on the basis of both phase distributions regarding both rectangular-wave components.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、計測装置、形状計
測、監視装置の分野に関係し、特に、非接触で物体の等
高線の位相分布を得る形状計測方法に関する。本発明は
さらにこのような方法を行う形状計測装置にも関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to the fields of measuring devices, shape measuring devices, and monitoring devices, and more particularly, to a shape measuring method for obtaining a non-contact phase distribution of contour lines of an object. The invention also relates to a shape measuring device for carrying out such a method.

【0002】[0002]

【従来の技術】物体の形状を非接触で計測する方法とし
ては、物体に投影された格子のゆがみを解析する方法が
よく用いられている。物体に等ピッチの格子を投影し、
投影方向とは異なった方向から撮影すると、前記物体の
形状に応じてゆがんだ格子画像が得られる。既知である
モアレトポグラフィの手法を用いれば、このゆがんだ格
子画像から簡単な画像処理によって前記物体の等高線画
像を得ることができる。この等高線の位相値は前記物体
の高さを表す値であるため、等高線の位相分布をリアル
タイムで求めることにより、リアルタイム形状計測を実
現することができる。
2. Description of the Related Art As a method of measuring the shape of an object in a non-contact manner, a method of analyzing the distortion of a grating projected on the object is often used. Project a grid of equal pitch on the object,
When the image is taken from a direction different from the projection direction, a distorted lattice image is obtained according to the shape of the object. Using the known moire topography technique, a contour image of the object can be obtained from the distorted lattice image by simple image processing. Since the phase value of the contour line is a value representing the height of the object, real-time shape measurement can be realized by obtaining the phase distribution of the contour line in real time.

【0003】本願人は、特願平11−179950号明
細書において、明暗比1:1の矩形波状の格子を連続的
に位相シフトしながら撮影した画像から位相分布を求め
ることができる積分型位相シフト法を開示している。投
影格子に矩形波を用いることにより、物体の反射率の影
響や、投影・撮影装置における輝度変換の非線形性の影
響を受けにくくなる。また、連続的に位相シフトするた
め、撮影するたびに格子の移動を停止させる従来の方法
と比較して、位相シフト機構とその制御が単純で、高速
化も簡単に行うことができる。この方法によれば、明暗
比が1:1の矩形波状格子を用い、過去の4フレームの
画像から、各フレーム時間ごとに物体の高さ分布を表す
位相差分布を表示することができる。
[0003] In the specification of Japanese Patent Application No. 11-179950, the applicant of the present invention has an integral type phase in which a phase distribution can be obtained from an image taken by continuously phase-shifting a rectangular wave grating having a contrast ratio of 1: 1. The shift method is disclosed. By using the rectangular wave for the projection grating, it is less likely to be affected by the reflectance of the object and the non-linearity of the brightness conversion in the projection / imaging device. Further, since the phase is continuously shifted, the phase shift mechanism and its control are simple and the speed can be easily increased as compared with the conventional method in which the movement of the grating is stopped every time the image is taken. According to this method, it is possible to display the phase difference distribution representing the height distribution of the object for each frame time from the images of the past four frames by using the rectangular wave grating having the contrast ratio of 1: 1.

【0004】さらに本願人は、特願2000−2794
57号明細書において、カラー矩形波格子を用いてリア
ルタイムに位相解析を行う方法を開示している。この方
法によれば、ピッチ及び色が異なる2種類の格子を用
い、連続的に位相シフトを行うことにより、格子を撮影
するCCDカメラの各フレーム時間ごとに物体の高さ分
布を表す位相差分布を表示することができる。
Further, the applicant of the present invention is in Japanese Patent Application No. 2000-2794.
No. 57 discloses a method of performing phase analysis in real time using a color rectangular wave grating. According to this method, two types of gratings having different pitches and colors are used, and the phase shift is continuously performed to obtain a phase difference distribution representing the height distribution of the object for each frame time of the CCD camera for photographing the grating. Can be displayed.

【0005】また、本願人は、特願2001−1950
32号明細書において、干渉縞の2成分分離型位相シフ
ト手法を開示している。この手法によれば、2種類のピ
ッチが異なる正弦波状の格子を合成し、位相シフトを行
うことにより、各格子の位相分布を求めることができ
る。
Further, the applicant of the present invention has applied for a patent application 2001-1950.
No. 32 discloses a two-component separation type phase shift method for interference fringes. According to this method, it is possible to obtain the phase distribution of each grating by combining two types of sinusoidal gratings having different pitches and performing phase shift.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】上記特願2000−2
79457号明細書に記載の方法においては、2種類の
矩形波の色分離を行うための特殊なフィルタとCCDカ
メラが必要になるという欠点があった。また、完全に色
分離を行うのが困難であるという欠点があった。
The above-mentioned Japanese Patent Application No. 2000-2
The method described in 79457 has a drawback that a special filter and a CCD camera for performing color separation of two types of rectangular waves are required. Further, there is a drawback that it is difficult to perform color separation completely.

【0007】上記特願2001−195032号明細書
に記載の方法においては、フィルムで格子を作成する場
合、精度の良い正弦波格子を作ることは困難であるとい
う欠点があった。
The method described in the above-mentioned Japanese Patent Application No. 2001-195032 has a drawback that it is difficult to form a sine wave grating with high precision when the grating is formed from a film.

【0008】上述したことを鑑み、本発明は、従来の方
法における欠点を解消した形状測定方法を提供すること
を目的とする。さらに本発明は、このような方法を実行
する装置を提供することも目的とする。
In view of the above, it is an object of the present invention to provide a shape measuring method which eliminates the drawbacks of the conventional methods. The invention further aims at providing a device for carrying out such a method.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明の請求項1に記載
の第1発明による形状測定方法は、各々の白黒比が異な
り、互いのピッチ比が、mとnを3以上の互いに素であ
る整数として、m:nである2つの異なる矩形波成分を
合成した単色矩形波格子を物体に投影するステップと、
この単色矩形波格子全体の周期の1/(m×n)ずつず
らしてm×n枚の画像を撮影するステップと、前記m×
n枚の画像のうちm枚おきに抜き出したn枚の画像から
周期がm/(m×n)の矩形波成分に関する位相分布を
求め、n枚おきに抜き出したm枚の画像から周期がm/
(m×n)の矩形波成分に関する位相分布を求めるステ
ップと、前記双方の矩形波成分に関する位相分布から前
記物体の高さ分布に対応する連続化された位相分布を得
るステップとを含むことを特徴とする。
In the shape measuring method according to the first aspect of the present invention, the black-and-white ratios are different from each other, and the pitch ratios are such that m and n are 3 or more prime to each other. Projecting a monochromatic square wave grating, which is a composite of two different square wave components of m: n, as an integer;
A step of shooting m × n images by shifting by 1 / (m × n) of the entire period of the monochromatic rectangular wave grating;
A phase distribution regarding a rectangular wave component having a cycle of m / (m × n) is calculated from n images extracted every m images out of n images, and a cycle is calculated from m images extracted every n images. /
Determining the phase distribution for the (m × n) rectangular wave component, and obtaining the continuous phase distribution corresponding to the height distribution of the object from the phase distributions for the two rectangular wave components. Characterize.

【0010】本発明の請求項2に記載の第2発明による
形状測定方法は、前記第1発明の形状測定方法におい
て、前記画像を、撮影時間中の光の強度の積分値を輝度
として撮影した画像とし、各々の矩形波成分に関する位
相分布を得るステップにおいて、積分型位相シフト法を
用いることを特徴とする。
A shape measuring method according to a second aspect of the present invention is the shape measuring method according to the first aspect, wherein the image is photographed with an integral value of light intensity during photographing as luminance. It is characterized in that an integral type phase shift method is used in the step of obtaining an image and obtaining a phase distribution for each rectangular wave component.

【0011】本発明の請求項3に記載の第3発明による
形状測定装置は、各々の白黒比が異なり、互いのピッチ
比が、mとnを3以上の互いに素である整数として、
m:nである2つの異なる矩形波成分を合成した単色矩
形波格子と、前記単色矩形波格子を物体に投影する投影
手段と、前記単色矩形波格子を移動する格子移動手段
と、前記物体を撮影する撮影手段とを具え、前記格子移
動手段を、前記撮影手段の撮影周期において、前記単色
矩形波格子をこの単色矩形波格子全体の周期の1/(m
×n)だけ移動するように構成し、前記撮影手段が前記
格子移動手段によって前記単色矩形波格子を移動しなが
ら前記撮影手段によって連続してm×n枚の画像を撮影
し、該装置が、前記m×n枚の画像のうちm枚おきに抜
き出したn枚の画像から周期がm/(m×n)の矩形波
成分に関する位相分布を求め、n枚おきに抜き出したm
枚の画像から周期がm/(m×n)の矩形波成分に関す
る位相分布を求める手段と、前記双方の矩形波成分に関
する位相分布から前記物体の高さ分布に対応する連続化
された位相分布を得る手段とをさらに具えることを特徴
とする。
In the shape measuring apparatus according to the third aspect of the present invention, the black-and-white ratios are different from each other, and the pitch ratios are such that m and n are integers of 3 or more, which are coprime.
A monochromatic rectangular wave grating in which two different rectangular wave components of m: n are combined, a projection means for projecting the monochromatic rectangular wave grating on an object, a grating moving means for moving the monochromatic rectangular wave grating, and the object. The grating moving means includes a photographing means for photographing, and the grating moving means sets the monochromatic rectangular wave grating to 1 / (m of a cycle of the whole monochromatic rectangular wave grating in a photographing cycle of the photographing means.
Xn), and the photographing means continuously photographs m × n images by the photographing means while moving the monochromatic rectangular wave grating by the grating moving means, and the apparatus, A phase distribution relating to a rectangular wave component having a cycle of m / (m × n) is obtained from n images extracted every m images of the m × n images, and m extracted every n images.
Means for obtaining a phase distribution regarding a rectangular wave component having a period of m / (m × n) from a single image, and a continuous phase distribution corresponding to the height distribution of the object based on the phase distribution regarding the both rectangular wave components Is further provided.

【0012】本発明の請求項4に記載の第4発明による
形状測定装置は、前記第3発明による形状測定装置にお
いて、前記撮影手段が、撮影時間中の光の強度の積分値
を輝度として撮影し、前記矩形波成分の位相分布を求め
る手段が、積分型位相シフト法を用いて位相分布を求め
ることを特徴とする。
A shape measuring apparatus according to a fourth aspect of the present invention is the shape measuring apparatus according to the third aspect, wherein the photographing means photographs the integrated value of the light intensity during photographing as luminance. Then, the means for obtaining the phase distribution of the rectangular wave component obtains the phase distribution by using the integral type phase shift method.

【0013】[0013]

【発明の効果】第1発明の方法及び第3発明の装置によ
れば、従来の方法及び装置より高分解能、または高さ方
向に広範囲に形状計測を行うことが可能となる。従来
(上記で引用した特願2000−279457号明細
書)の方法ではカラー格子を用いていたが、本発明によ
る方法及び装置では単色格子を用いているため、通常の
CCDカメラで解析することができる。また、色分離を
行う必要がないため、特殊な手段や装置を必要とせず、
位相接続を行うことができるため、従来の方法及び装置
より高分解能に形状計測を行うことが可能となるといっ
た利点がある。過去に撮影されたm×n枚の画像から各
矩形波成分の位相値をそれぞれ求めることができるた
め、1フレーム撮影毎に結果が得られるといった利点も
ある。
According to the method of the first aspect of the invention and the apparatus of the third aspect of the invention, it is possible to perform shape measurement with a higher resolution than in the conventional method and apparatus or in a wide range in the height direction. In the conventional method (Japanese Patent Application No. 2000-279457 cited above), a color grid was used, but since the method and apparatus according to the present invention uses a monochromatic grid, it can be analyzed by a normal CCD camera. it can. Also, since there is no need to perform color separation, no special means or device is required,
Since phase connection can be performed, there is an advantage that shape measurement can be performed with higher resolution than the conventional method and apparatus. Since the phase value of each rectangular wave component can be obtained from the m × n images captured in the past, there is also an advantage that the result can be obtained for each frame capture.

【0014】第2発明の方法及び第4発明の装置は、C
CDカメラのような撮影時間中の光の強度の積分値を輝
度として撮影する撮影装置を想定しており、積分型位相
シフト法を用いているため、高速度カメラへの適用が可
能となる。
The method of the second invention and the apparatus of the fourth invention are C
It is assumed that the camera is a camera such as a CD camera that shoots the integrated value of the light intensity during the shooting as brightness, and since the integral type phase shift method is used, it can be applied to a high speed camera.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】図1は、本発明による形状計測方
法を行う装置の構成の一例を示す線図である。測定対象
である物体1に、格子投影プロジェクタ2によって格子
を投影し、物体1に投影された格子をCCDカメラ3に
よって撮影する。格子投影プロジェクタ2は、単色矩形
波格子4と、格子移動機構5と、光源6と、レンズ7を
含む。光源6から放射された光は、格子移動機構5によ
って移動される単色矩形波格子4を通過し、レンズ7に
よって物体1の表面に合焦される。このような構成によ
って撮影された画像を、例えば、CCDカメラ3に接続
されたコンピュータのような解析手段(図示せず)によ
って、後述するような積分型位相シフト方法や位相接続
方法によって解析し、物体1の高さ分布を得る。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of an apparatus for carrying out a shape measuring method according to the present invention. A grating projection projector 2 projects a grating onto an object 1 to be measured, and a CCD camera 3 captures an image of the grating projected onto the object 1. The grating projection projector 2 includes a monochromatic rectangular wave grating 4, a grating moving mechanism 5, a light source 6, and a lens 7. The light emitted from the light source 6 passes through the monochromatic rectangular wave grating 4 moved by the grating moving mechanism 5, and is focused on the surface of the object 1 by the lens 7. An image photographed by such a configuration is analyzed by an analyzing means (not shown) such as a computer connected to the CCD camera 3 by an integral type phase shift method or a phase connecting method described later, Obtain the height distribution of the object 1.

【0016】図2は、図1に示す単色矩形波格子4の一
例を示す図である。図2a及び2bは、それぞれ白黒比
1:1、1:2の矩形波格子成分を示す。これら白黒比
1:1及び1:2の格子成分間のピッチの比は、4:3
となっている。図2cは、これら2種類の矩形波格子成
分を組み合わせた単色矩形波格子を示し、この単色矩形
波格子を本発明による形状計測方法において用いる。
FIG. 2 is a diagram showing an example of the monochromatic rectangular wave grating 4 shown in FIG. 2a and 2b show rectangular wave grating components with a black and white ratio of 1: 1 and 1: 2, respectively. The ratio of the pitch between the grating components having the black and white ratios of 1: 1 and 1: 2 is 4: 3.
Has become. FIG. 2c shows a monochromatic rectangular wave grating in which these two types of rectangular wave grating components are combined, and this monochromatic rectangular wave grating is used in the shape measuring method according to the present invention.

【0017】本発明による形状計測方法の一実施形態で
は、図2cに示すような単色矩形波格子4を、格子移動
機構5によって、CCDカメラ3のフレームレート(通
常1/30秒)毎に、1/12周期変化するように等速
で連続的にシフトさせる。このようにして撮影された連
続する12枚の画像から、積分型位相シフト法を用いて
各々の矩形波成分に関する位相分布画像を求める。以下
に位相分布画像の求め方を示す。
In one embodiment of the shape measuring method according to the present invention, a monochromatic rectangular wave grating 4 as shown in FIG. 2c is moved by a grating moving mechanism 5 at every frame rate (usually 1/30 seconds) of the CCD camera 3. It is continuously shifted at a constant speed so as to change by 1/12 cycle. A phase distribution image regarding each rectangular wave component is obtained by using the integral type phase shift method from the 12 consecutive images thus photographed. The method of obtaining the phase distribution image is shown below.

【0018】図3は、CCDカメラのある1画素におけ
る投影格子の光の強度変化を示す図である。図3a及び
3bは、それぞれ白黒比1:1、1:2の格子成分、す
なわち、図2a及び2bに示すような格子に関する強度
変化を示す。ここでIは1:1格子成分の強度,I
は1:2格子成分の強度を表している。図3は、合成さ
れた矩形波、すなわち図2cに示すような本発明による
形状測定方法に用いる単色矩形波格子に関する強度変化
を示す。このとき背景の光の強度Ibac も考慮
してIを時間tの関数として表せば、以下の式(1)
のようになる。 I(t)=I(t)+I(t)+Iback(t) (1) CCDカメラは、1フレームの撮影時間中の光の強度の
積分値を輝度として撮影する。したがって、この合成矩
形波格子を1フレームで1/12周期づつ変化するよう
に連続的に位相シフトした時にCCDカメラで得られる
輝度Icnは以下の式(2)のように表される。
FIG. 3 is a diagram showing a change in light intensity of the projection grating in one pixel of the CCD camera. FIGS. 3a and 3b show the intensity variation for grating components with a black and white ratio of 1: 1 and 1: 2 respectively, ie for the grating as shown in FIGS. 2a and 2b. Where I a is the intensity of the 1: 1 lattice component, I b
Represents the intensity of the 1: 2 lattice component. FIG. 3 shows the intensity variation I c for a combined square wave, ie a monochromatic square wave grating used in the shape measuring method according to the invention as shown in FIG. 2c. At this time, if I c is expressed as a function of time t in consideration of the intensity I bac k of the background light, the following formula (1) is obtained.
become that way. I c (t) = I a (t) + I b (t) + I back (t) (1) The CCD camera shoots the integrated value of the light intensity during the shooting time of one frame as the brightness. Therefore, the luminance I cn obtained by the CCD camera when the synthetic rectangular wave grating is continuously phase-shifted so as to change by 1/12 cycle in one frame is expressed by the following equation (2).

【数1】 ここで、nは位相シフト回数を、Tはカメラの1フレー
ムの撮影時間を表している。
[Equation 1] Here, n represents the number of phase shifts, and T represents the shooting time of one frame of the camera.

【0019】図4は、図2cの単色矩形波格子を1/1
2ピッチずつ連続的に等速で位相シフトさせながら撮影
すると得られる12枚の画像である。この図の横方向は
位置を表している。撮影された格子の輝度分布は、例と
して1フレーム目の画像に関して、その上に示すような
形となる。
FIG. 4 shows the monochromatic rectangular wave grating of FIG.
It is 12 images obtained by shooting while continuously phase-shifting by 2 pitches at a constant speed. The horizontal direction in this figure represents the position. The luminance distribution of the photographed grid has a shape as shown above for the image of the first frame as an example.

【0020】図5は、図2のそれぞれの格子を1/12
周期毎に等速で位相シフトして撮影された際の光の強度
の積分値の変化を示している。図中の点線は、図4に示
した位置に対する輝度変化と同じ値を示している。これ
は実際には撮影できる値ではないが、説明を容易にする
ため便宜上示している。CCDカメラで撮影される輝度
は、tがTの整数倍となる時刻でのみ得られ、この時刻
での点線上の値となる。(a)及び(b)における点線
は、(c)の点線で表した便宜上の輝度変化の1:1格
子成分と1:2格子成分をそれぞれ表している。そのた
め、(a)及び(b)においても、これらの点線上でt
がTの整数倍の位置に各成分は現れることになる。
FIG. 5 shows each grid of FIG.
It shows a change in the integrated value of the light intensity when the image is captured with a constant phase shift for each cycle. The dotted line in the figure shows the same value as the luminance change with respect to the position shown in FIG. This is not a value that can be actually photographed, but is shown for convenience of explanation. The brightness captured by the CCD camera is obtained only at the time when t is an integer multiple of T, and has a value on the dotted line at this time. The dotted lines in (a) and (b) respectively represent the 1: 1 lattice component and the 1: 2 lattice component of the luminance change for convenience shown by the dotted line in (c). Therefore, in (a) and (b) as well, on these dotted lines, t
Each component will appear at a position where is an integer multiple of T.

【0021】ところで、白黒比1:1の矩形波の位相
は、積分型位相シフト法を用いて、連続する4フレーム
の輝度値から計算することができる。同じく白黒比1:
2の矩形波の位相は、連続する3フレームの輝度値から
計算することができる。この位相値の求め方は、1:1
の矩形波については上記で引用した特願平11−179
950に、1:2の矩形波については特願2000−2
79457に記載されているため、詳しい説明は省略す
る。
By the way, the phase of a rectangular wave having a black and white ratio of 1: 1 can be calculated from the luminance values of four consecutive frames by using the integral type phase shift method. Similarly black and white ratio 1:
The phase of 2 rectangular waves can be calculated from the luminance values of 3 consecutive frames. How to obtain this phase value is 1: 1
Japanese Patent Application No. 11-179 cited above regarding the rectangular wave
Japanese Patent Application No. 2000-2 for a 1: 2 rectangular wave at 950.
Since it is described in 79457, detailed description is omitted.

【0022】図2に示すような格子に関しては、12枚
の画像を撮影し、1:1の矩形波の位相は3枚おきに抜
き出した4枚の画像から、1:2の矩形波の位相は4枚
おきに抜き出した3枚の画像からそれぞれ求めることが
できる。これは、1:1の矩形波について説明すると、
図5の(a)の黒三角印が、3枚おきに抜き出した4点
の輝度値である。3枚おきに抜き出すと、図5の(b)
の○印に示すように1:2の矩形波の積分値が一定とな
る。そのため、図5の(c)に示す黒四角印の4点の輝
度変化は、黒三角印の輝度変化と同一となる。よって、
積分型位相シフト法を用いることにより、1:1の矩形
波成分の位相値を得ることができる。同様に4枚おきに
抜き出すことによって、1:1の矩形波の影響は受けな
いものとして1:2の矩形波成分の位相値を得ることが
できる。この解析手法は過去12枚の画像を用いている
ので、新たに画像が撮影される毎に一番古い1枚を捨
て、新しい1枚を加えることによって同様に位相解析を
行うことができる。このようにして1フレーム毎に位相
解析結果を得ることができる。
With respect to the grating as shown in FIG. 2, 12 images were photographed, and the phase of the 1: 1 rectangular wave was obtained by extracting every 4th image from every other 3 phase image. Can be obtained from each of the three images extracted every four images. This is a 1: 1 square wave,
Black triangle marks in (a) of FIG. 5 are the luminance values of four points extracted every three sheets. If you take out every three sheets, you can see in Fig. 5 (b).
As shown by the circle mark, the integral value of the rectangular wave of 1: 2 becomes constant. Therefore, the luminance change at the four points of the black square mark shown in FIG. 5C is the same as the luminance change of the black triangle mark. Therefore,
By using the integral type phase shift method, the phase value of the rectangular wave component of 1: 1 can be obtained. Similarly, by extracting every four sheets, it is possible to obtain the phase value of the rectangular wave component of 1: 2 assuming that it is not affected by the rectangular wave of 1: 1. Since this analysis method uses the past 12 images, the phase analysis can be similarly performed by discarding the oldest one every time a new image is captured and adding a new one. In this way, the phase analysis result can be obtained for each frame.

【0023】2つの異なったピッチの格子を用いる位相
接続方法について説明する。格子の位相値は、輝度変化
の1周期ごとに2πずつ増加していく。しかし、上述し
たような位相解析により得られる位相値(および位相
差)は、本来の位相値を2πで割ったあまりの値とな
る。そのために、場所に対する位相値の変化は、0〜2
πの繰り返しとなり、不連続となる。位相接続(位相の
連続化)とは、位相解析によって得られた0〜2πの繰
り返しの位相値に2nπ(nは整数)を加えることによ
って、連続的な位相値を求めることである。位相接続を
行う方法のひとつとして、複数のピッチの格子を用いる
方法がよく用いられている。本発明による形状計測方法
では、ピッチの異なる2種類の格子を合成した単色矩形
波格子を物体上に投影し、上述したような位相解析手法
を用いてそれぞれのピッチの位相値を求め、それらの値
から連続化された位相分布画像を実時間で求めている。
A phase connection method using two different pitch gratings will be described. The phase value of the grating increases by 2π for each cycle of luminance change. However, the phase value (and the phase difference) obtained by the phase analysis as described above is too much of the original phase value divided by 2π. Therefore, the change of the phase value with respect to the place is 0 to 2
It becomes a repetition of π and becomes discontinuous. The phase connection (continuous phase) is to obtain a continuous phase value by adding 2nπ (n is an integer) to the repeated phase value of 0 to 2π obtained by the phase analysis. A method using a plurality of pitch gratings is often used as one of the methods for performing phase connection. In the shape measuring method according to the present invention, a monochromatic rectangular wave grating in which two types of gratings having different pitches are combined is projected onto an object, and the phase value of each pitch is obtained by using the phase analysis method as described above. A continuous phase distribution image is obtained from the values in real time.

【0024】図6は、1:1の矩形波の位相分布φ
と、1:2の矩形波の位相分布φと、1:1の矩形
波の連続化後の位相分布φとを示す。0≦φ<8π
の範囲では、以下の式(3)によってφを求めること
ができる。 φ=4(φ−φ) (φ≧φの場合) φ=4(φ−φ+2π) (φ<φの場合) (3)
FIG. 6 shows a phase distribution φ of a 1: 1 rectangular wave.
1 shows a phase distribution φ 2 of a rectangular wave of 1: 2 and a phase distribution φ c of a rectangular wave of 1: 1 after being made continuous. 0 ≦ φ c <8π
In the range of, φ c can be obtained by the following equation (3). φ c = 4 (φ 1 −φ 2 ) (when φ 1 ≧ φ 2 ) φ c = 4 (φ 1 −φ 2 + 2π) (when φ 12 ) (3)

【0025】図4の画像を用いて、本発明による形状計
測方法における単色矩形波格子による積分型位相シフト
法を用いた位相解析アルゴリズムで位相接続が実行でき
ることを確認する。図4の画像から、上述したように、
1:1の矩形波及び1:2の矩形波に関してそれぞれ4
枚及び3枚ごとに抜き出して積分型位相シフト法により
位相解析を行った結果が図7a及び7bである。この2
種類の位相分布画像より、上記で説明したような位相接
続を行った結果が図7cである。
Using the image of FIG. 4, it is confirmed that the phase connection can be executed by the phase analysis algorithm using the integral type phase shift method using the monochromatic rectangular wave grating in the shape measuring method according to the present invention. From the image of FIG. 4, as described above,
4 for each of a 1: 1 square wave and a 1: 2 square wave
FIGS. 7a and 7b show the results obtained by extracting each of the three and three sheets and performing the phase analysis by the integral type phase shift method. This 2
FIG. 7c shows the result of performing the phase connection as described above from the type of phase distribution images.

【0026】図8は、本発明による形状測定方法によ
り、実際の物体に単色矩形波格子を投影し、位相接続を
行った結果を示す図である。図8aは、物体に投影した
単色矩形波格子をCCDカメラで撮影したものである。
連続的に位相シフトした12枚の画像から1:1の矩形
波成分の位相分布を計算した画像を図8bに、1:2の
矩形波成分の位相分布画像を図8cに示す。また、あら
かじめ同じ方法で求めておいた基準板(平板)の位相分
布をそれぞれ図8d及び8eに示す。図8dと8b、図
8eと8cの画像から求めた位相差分布画像を、それぞ
れ図8f及び8gに示す。これらの図から、物体の高さ
分布画像が得られることが分かる。ただしこれらの図の
場合は位相接続を行っていないため、高さ分布を表す位
相差分布画像は0〜2πの繰り返しとなっている。そこ
でこれら2つの位相差分布画像より、上述した方法によ
り位相接続を行った結果を図8hに示す。
FIG. 8 is a diagram showing a result of projecting a monochromatic rectangular wave grating on an actual object and performing phase connection by the shape measuring method according to the present invention. FIG. 8a is a photograph of a monochromatic rectangular wave grating projected on an object, taken by a CCD camera.
An image in which the phase distribution of the rectangular wave component of 1: 1 is calculated from 12 images that are continuously phase-shifted is shown in FIG. 8b, and the phase distribution image of the rectangular wave component of 1: 2 is shown in FIG. 8c. Further, the phase distributions of the reference plate (flat plate) obtained in advance by the same method are shown in FIGS. 8d and 8e, respectively. Phase difference distribution images obtained from the images of FIGS. 8d and 8b and FIGS. 8e and 8c are shown in FIGS. 8f and 8g, respectively. From these figures, it can be seen that a height distribution image of the object can be obtained. However, in these figures, since phase connection is not performed, the phase difference distribution image showing the height distribution is repeated from 0 to 2π. Therefore, FIG. 8h shows the result of performing the phase connection by the above-mentioned method from these two phase difference distribution images.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 本発明による単色矩形波格子を用いた形状計
測装置の構成を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a shape measuring apparatus using a monochromatic rectangular wave grating according to the present invention.

【図2】 aは白黒比1:1の矩形波格子成分を示す図
と輝度と位置との関係を示すグラフであり、bは白黒比
1:2の矩形波格子成分を示す図と輝度と位置との関係
を示すグラフであり、cは本発明による形状計測方法で
用いる単色矩形波格子を示す図と輝度と位置との関係を
示すグラフである。
2A is a diagram showing a rectangular wave grating component having a black-and-white ratio of 1: 1 and a graph showing the relationship between luminance and position, and b is a diagram showing a rectangular wave grating component having a black-and-white ratio of 1: 2 and luminance. It is a graph showing the relationship with the position, and c is a diagram showing a monochromatic rectangular wave grating used in the shape measuring method according to the present invention and a graph showing the relationship between the brightness and the position.

【図3】 CCDカメラのある1画素における単色矩形
波格子と各矩形波成分の輝度変化を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing a change in luminance of a monochrome rectangular wave grating and each rectangular wave component in one pixel of a CCD camera.

【図4】 シミュレーションによる単色矩形波格子の位
相シフトを示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a phase shift of a monochromatic rectangular wave grating by simulation.

【図5】 単色矩形波格子の時間に関する積分値変化と
各矩形波成分の影響とを示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing a change in integral value with respect to time of a monochromatic rectangular wave grating and an influence of each rectangular wave component.

【図6】 位相接続前後の位相分布を示すグラフであ
る。
FIG. 6 is a graph showing a phase distribution before and after phase connection.

【図7】 シミュレーションによる位相接続結果を示す
図であり、aは1:1矩形波成分の位相分布であり、b
は1:2矩形波成分の位相分布であり、cは位相接続画
像である。
FIG. 7 is a diagram showing a result of phase connection by simulation, where a is a phase distribution of a 1: 1 rectangular wave component, and b
Is a phase distribution of a 1: 2 rectangular wave component, and c is a phase connected image.

【図8】 本発明の単色矩形波格子を用いた形状計測装
置による物体の形状計測例を示す図であり、aは物体に
投影した単色矩形波格子をCCDカメラで撮影した画像
であり、bは1:1の矩形波成分の位相分布画像であ
り、cは1:2の矩形波成分の位相分布画像であり、d
は1:1の矩形波分布の基準板における位相分布であ
り、eは1:2の矩形波成分の基準板における位相分布
であり、fは1:1の矩形波成分の位相差分布画像であ
り、gは1:2の矩形波成分の位相差分布画像であり、
hは位相接続を行った結果の画像である。
FIG. 8 is a diagram showing an example of shape measurement of an object by a shape measuring apparatus using a monochromatic rectangular wave grating of the present invention, in which a is an image obtained by photographing a monochromatic rectangular wave grating projected on the object with a CCD camera, and b Is a phase distribution image of a 1: 1 rectangular wave component, c is a phase distribution image of a 1: 2 rectangular wave component, and d
Is a phase distribution on the reference plate of a 1: 1 rectangular wave distribution, e is a phase distribution on the reference plate of a 1: 2 rectangular wave component, and f is a phase difference distribution image of a 1: 1 rectangular wave component. Yes, g is a phase difference distribution image of a rectangular wave component of 1: 2,
h is an image resulting from the phase connection.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 物体 2 格子投影プロジェクタ 3 CCDカメラ 4 単色矩形波格子 5 格子移動機構 6 光源 7 レンズ 1 object 2 grid projection projector 3 CCD camera 4 monochromatic rectangular wave grating 5 Lattice movement mechanism 6 light source 7 lenses

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岩井 一能 和歌山県和歌山市栄谷495−4 Fターム(参考) 2F065 AA51 DD03 FF08 FF42 HH12 JJ03 JJ26 LL41 QQ00 QQ14   ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Kazumi Iwai             495-4 Sakaiya, Wakayama City, Wakayama Prefecture F term (reference) 2F065 AA51 DD03 FF08 FF42 HH12                       JJ03 JJ26 LL41 QQ00 QQ14

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 物体の高さ分布を得る形状測定方法にお
いて、 各々の白黒比が異なり、互いのピッチ比が、mとnを3
以上の互いに素である整数として、m:nである2つの
異なる矩形波成分を合成した単色矩形波格子を物体に投
影するステップと、 この単色矩形波格子全体の周期の1/(m×n)ずつず
らしてm×n枚の画像を撮影するステップと、 前記m×n枚の画像のうちm枚おきに抜き出したn枚の
画像から周期がm/(m×n)の矩形波成分に関する位
相分布を求め、n枚おきに抜き出したm枚の画像から周
期がm/(m×n)の矩形波成分に関する位相分布を求
めるステップと、 前記双方の矩形波成分に関する位相分布から前記物体の
高さ分布に対応する連続化された位相分布を得るステッ
プとを含むことを特徴とする形状測定方法。
1. A shape measuring method for obtaining a height distribution of an object, wherein respective black and white ratios are different, and pitch ratios of m and n are 3 or less.
The step of projecting a monochromatic rectangular wave grating in which two different rectangular wave components of m: n are combined on the object as the mutually prime integers, and 1 / (m × n) of the entire period of the monochromatic rectangular wave grating. ) A step of shooting m × n images at different intervals, and a rectangular wave component having a cycle of m / (m × n) from n images extracted every m of the m × n images. Obtaining a phase distribution and obtaining a phase distribution regarding a rectangular wave component having a period of m / (m × n) from m images extracted every n sheets; and calculating the phase distribution of the object from the phase distribution regarding both of the rectangular wave components. And a step of obtaining a continuous phase distribution corresponding to the height distribution.
【請求項2】 請求項1に記載の形状測定方法におい
て、前記画像を、撮影時間中の光の強度の積分値を輝度
として撮影した画像とし、各々の矩形波成分に関する位
相分布を得るステップにおいて、積分型位相シフト法を
用いることを特徴とする形状測定方法。
2. The shape measuring method according to claim 1, wherein the image is an image photographed with luminance as an integrated value of light intensity during a photographing time, and a phase distribution regarding each rectangular wave component is obtained. , A shape measuring method characterized by using an integral type phase shift method.
【請求項3】 物体の高さ分布を得る形状測定装置にお
いて、 各々の白黒比が異なり、互いのピッチ比が、mとnを3
以上の互いに素である整数として、m:nである2つの
異なる矩形波成分を合成した単色矩形波格子と、前記単
色矩形波格子を物体に投影する投影手段と、 前記単色矩形波格子を移動する格子移動手段と、 前記物体を撮影する撮影手段とを具え、 前記格子移動手段を、前記撮影手段の撮影周期におい
て、前記単色矩形波格子をこの単色矩形波格子全体の周
期の1/(m×n)だけ移動するように構成し、 前記撮影手段が前記格子移動手段によって前記単色矩形
波格子を移動しながら前記撮影手段によって連続してm
×n枚の画像を撮影し、該装置が、 前記m×n枚の画像のうちm枚おきに抜き出したn枚の
画像から周期がm/(m×n)の矩形波成分に関する位
相分布を求め、n枚おきに抜き出したm枚の画像から周
期がm/(m×n)の矩形波成分に関する位相分布を求
める手段と、 前記双方の矩形波成分に関する位相分布から前記物体の
高さ分布に対応する連続化された位相分布を得る手段と
をさらに具えることを特徴とする形状測定装置。
3. A shape measuring apparatus for obtaining a height distribution of an object, wherein each black-and-white ratio is different, and the pitch ratios of m and n are 3
A monochromatic rectangular wave grating in which two different rectangular wave components of m: n are combined as the above-mentioned relatively prime integers, projection means for projecting the monochromatic rectangular wave grating onto an object, and the monochromatic rectangular wave grating is moved. And a photographing means for photographing the object, the grating movement means is configured to measure the monochromatic rectangular wave grating in the photographing cycle of the photographing means by 1 / (m of the whole cycle of the monochromatic rectangular wave grating. Xn), and the photographing means continuously moves by the photographing means while moving the monochromatic rectangular wave grating by the grating moving means.
Xn images are taken, and the apparatus calculates a phase distribution regarding a rectangular wave component with a cycle of m / (mxn) from n images extracted every m out of the mxn images. A means for obtaining a phase distribution regarding a rectangular wave component having a period of m / (m × n) from m images extracted every n sheets; and a height distribution of the object from the phase distribution regarding both the rectangular wave components. And a means for obtaining a continuous phase distribution corresponding to the shape measurement device.
【請求項4】 請求項3に記載の形状測定装置におい
て、前記撮影手段が、撮影時間中の光の強度の積分値を
輝度として撮影し、前記矩形波成分の位相分布を求める
手段が、積分型位相シフト法を用いて位相分布を求める
ことを特徴とする形状測定装置。
4. The shape measuring device according to claim 3, wherein the photographing means photographs the integrated value of the light intensity during the photographing time as luminance, and the means for obtaining the phase distribution of the rectangular wave component integrates. Shape measuring apparatus characterized in that a phase distribution is obtained by using a phase shift method.
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