JP2004125652A - 3次元計測装置及び3次元計測方法 - Google Patents

3次元計測装置及び3次元計測方法 Download PDF

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Abstract

【課題】計測に悪影響を及ぼす空間周波数の高調波成分の除去と、計測時間の短縮を同時に可能にする3次元計測装置を提供する。
【解決手段】Y軸方向に延びるスリットを一定ピッチpで配列した格子3と、格子3の面を被計測物体7に対して実質的に水平に保ち、X軸方向とZ軸方向に同時に移動させる格子位置制御部4と、平行光を出射する照射部30と、モアレ縞の画像を取り込む受光部31とを備えるモアレ計測装置である。格子3を被計測物体7に対して斜め方向に動かしながら、モアレ計測することで、計測に悪影響を及ぼす空間周波数の高調波成分の除去と、計測時間の短縮を同時に適えることが出来る。
【選択図】   図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被計測物体の表面を計測する3次元計測装置及び3次元計測方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般的な工業部品等の非接触の3次元計測装置として、安価、且つ高精度な計測結果を得られる光切断法が最も頻繁に使用されている。しかし、光切断法は2次元的な走査を行うために、撮像時間が長くなる。そのため、生体のような被計測物体を固定することが難しい計測には向かない。また、光切断法の装置は目に対して有害なレーザ光線を使用するため、美容分野において主な計測部位となる生体顔面部に使用するには問題がある。そこで、生体に対して無害な白色光源を用いて高速、且つ高精度に計測を行えるモアレトポグラフィが注目されている。モアレトポグラフィは、モアレ縞によって対象物体の等高線画像を得る非接触の3次元計測法である。
【0003】
モアレトポグラフィには、モアレ縞を利用した位相シフト法(縞走査法)がある。モアレ縞は規則的な模様を重ねる、又は、標本化することで3次元計測をすることが出来る。例えば、直線格子の影が対象物に投影されると、格子線の影は物体の形状に応じて変形する。物体上の影と直線格子を重ね合わせることで、影と直線格子との干渉によるモアレ縞が観測される。光学系を適宜配置することにより、モアレ縞は物体の等高線に対応した画像となる。
【0004】
3次元計測技術としてのモアレトポグラフィは、工学、医学、歯学及びファッション関係等の分野で利用されている。モアレトポグラフィによる形状計測には、大別して二つの方法がある。被計測物体の直前に格子を置き、格子の影と直前に置いた格子によりモアレ縞を発生させる方法(格子照射型)と、モアレ格子を被計測物体に投射し、被計測物体の形状により変化した格子の像を、結像レンズにより同じピッチの格子上に結像してモアレ縞を発生させる方法(格子投射型)である。格子照射型は、数10μm程度から数cmの凹凸までの計測に適用される。また、格子投射型は、比較的大きな凹凸(数mm〜数cm)の被計測物体を計測するときに適用される。
【0005】
従来の3次元計測は、位相シフト法による計測において、位相導出を行う際の位相連結の問題を逆正接関数により解決している。(例えば、特許文献1参照。)。また、モアレ縞を形成する格子からの反射を格子の角度を調整し、且つ偏向子を回転することにより、被測定物体からの反射光と基板からの反射回折光を区別して測定しているものもある(例えば、特許文献2参照。)。
【0006】
【特許文献1】
特開2001−124534公報
【0007】
【特許文献2】
特開平7−332956号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
3次元計測をモアレトポグラフィで位相シフト法を適用して行う場合、位相シフト法は高さ成分であるモアレ縞と共に、空間周波数の高い参照格子、変形格子及び格子の2倍の高調波を持つ空間周波数成分が複合される。高調波成分が複合されると計測誤差を生じる原因となる。計測誤差を小さくするためには、従来、イメージセンサの画素を格子よりも十分大きくするか、モアレ画像をぼかして撮像し、空間周波数が高い格子成分を低減してきた。しかし、その結果、横分解能(水平分解能)が悪くなる問題があった。
【0009】
また、3次元計測を行うときに位相シフト法をモアレトポグラフィに適用する場合は、格子と物体の距離をモアレ等高線縞間隔に対して規定された分だけ移動させて静止させた後に画像を複数枚取り込む必要があり(ステップ型位相シフト法)、計測に長時間を要する問題があった。
【0010】
更に、3次元計測にモアレトポグラフィを適用する場合は、ピングリッドアレイ(PGA)等の半導体パッケージが有する微細構造の高さを測定しようとすると、被計測物体に格子の影が写りこみ計測がうまくいかない問題があった。
【0011】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、3次元計測で、計測に悪影響を及ぼす高調波成分の除去し、計測時間の短縮を可能とする3次元計測装置及び3次元計測方法を提供することを目的とする。
【0012】
また、微細な高さ方向の構造を有する被計測物体を正確に測定できる3次元計測装置及び3次元計測方法を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第1の特徴は、(イ)Y軸方向に延びるスリットを一定のピッチでX−Y平面に配列した格子と、(ロ)格子の面を実質的に水平に保ち、被計測物体に対して格子をX軸方向に移動させ、且つ格子をX−Y平面に直交するZ軸方向に移動させる格子位置制御部と、(ハ)格子に平行光を出射する照射部と、(ニ)格子を介して被計測物体のモアレ縞の画像を取り込む受光部と、(ホ)格子位置制御部の動作を制御し、且つ受光部に取り込まれた画像を3次元計測データに変換する制御システムとを備える3次元計測装置であることを要旨とする。なお、X軸、Y軸、及びZ軸は互いに直交する座標系である。
【0014】
本発明の第1の特徴によれば、計測に悪影響を及ぼす空間周波数の高調波成分の除去し、計測時間の短縮を可能とする3次元計測装置を提供することが出来る。また、被計測物体が微細な構造の高さ有する場合も、格子の影による測定不可能な点を無くすことを可能とする3次元計測装置を提供することが出来る。
【0015】
本発明の第2の特徴は、(イ)Y軸方向に延びるスリットを一定のピッチでX−Y平面に配列した格子の面を実質的に水平に保ち、被計測物体に対してX軸方向に移動させ、且つX−Y平面に直交するZ軸方向に移動させるステップと、(ロ)格子に平行光を出射するステップと、(ハ)格子を介して形成された被計測物体のモアレ縞の画像を取り込むステップと、(ニ)画像を3次元計測データに変換するステップとを含む3次元計測方法であることを要旨とする。
【0016】
本発明の第2の特徴によれば、計測に悪影響を及ぼす空間周波数の高調波成分の除去し、計測時間の短縮を可能とする3次元計測方法を提供することが出来る。また、被計測物体が微細な構造の高さ有する場合も、格子の影による測定不可能な点を無くすことを可能とする3次元計測方法を提供することが出来る。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なる。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【0018】
本発明の実施の形態に係る3次元計測装置は、図1及び図4に示すように、格子3と、格子3をX軸方向に移動させ、且つ格子3をX−Y平面に直交するZ軸方向に移動させる格子位置制御部4と、格子3に平行光を出射する照射部30と、格子3を介して被計測物体7のモアレ縞の画像を取り込む受光部31と、制御システム43とを備える。格子3は、Y軸方向に延びるスリットを一定のピッチpでX−Y平面に配列している。格子位置制御部4は、格子3の面を実質的に水平に保ち、被計測物体7に対して格子3をX軸方向とZ軸方向に移動させる。制御システム43は、格子位置制御部4の動作を制御し、且つ受光部31に取り込まれた画像を3次元計測データに変換する。
【0019】
照射部30は、蛍光灯等の線光源である光源1と、光源1から出射した照明光を平行光に変換するシリンドリカルレンズ等の第1のレンズ2とを備える。
【0020】
受光部31は、格子3を通って被計測物体7の被計測面で反射した格子の像と格子3との重ね合わせにより形成されるモアレ縞の画像を集光するテレセントリックレンズ等の第2のレンズ5と、モアレ縞の画像を取り込むイメージセンサ6とを備える。
【0021】
格子位置制御部4は、移動機構41と、この移動機構41を駆動する駆動部42とを備え、制御システム43から制御信号等を供給され位置移動を制御される。即ち、制御システム43は、駆動部42に制御信号等を供給し、移動機構41の動作を制御する。移動機構41は、図2に示すように、格子3の位置をX軸に沿って移動するX軸ステージ41aと、このX軸ステージ41aを搭載し、格子3の位置をZ軸に沿って移動するZ軸ステージ41bを備える。
【0022】
次に、本発明の実施の形態に係る3次元計測装置及び3次元計測方法により、空間周波数の高調波成分を除去することが可能であることを、図3を用いて説明する。
【0023】
まず、光源1a,1bの光強度を1とする。格子3の透過率分布T(x)は、xをX軸方向の座標、pを格子3のスリットのピッチとして、
T(x)=(1/2){1+cos(2πx/p)} ・・・・・(1)
で表される。式(1)は、格子3の透過率分布T(x)の最小を0、最大を1とした関数である。
【0024】
光源1aが発した光が被計測物体7の計測面に到達する光強度の分布I(x)は、θを光源1aから照射される入射光と格子3とのなす角、hをモアレ縞の形成箇所と格子3との距離とすると、
(x)=(1/2){1+cos((2π/p)(x−htanθ))} ・・・・・(2)
で表される。(2)式において、光強度の分布I(x)は、tanθ=Aとすると、
(x)=(1/2){1+cos((2π/p)(x−hA))}   ・・・・・(3)
で表される。
【0025】
次に、光源1bが発した光が被計測物体7の観測面に到達する光強度の分布I(x)は、φを光源1bから照射される入射光と格子3とのなす角とすると、
(x)=(1/2){1+cos((2π/p)(x−htanφ))} ・・・・・(4)
で表される。(3)式において、光強度の分布I(x)は、tanφ=Bとすると、
(x)=(1/2){1+cos((2π/p)(x−hB))}  ・・・・・(5)
で表される。
【0026】
被計測物体7の上方に光源1a,1bにより照射され出来る光強度の分布I(x)は、式(3)と式(5)を加算することで求められる。しかし、モアレ縞での計測の場合、光源1a,1bのどちらか一方がイメージセンサ等の観測装置である。すなわち、格子3を2回透過した光が1つしかないことになるので乗算となる。したがって、式(3)と式(5)を乗算すると次式が得られる。
【0027】
【数1】
Figure 2004125652
式(6)の右辺第1項は、定数となるので、バイアス成分を表す。式(6)の右辺第2項は、光源1aから照射された光により被計測物体7に落とされた影と同じ格子3の空間周波数成分である。式(6)の右辺第3項は、右辺第2項と同様に光源1bから照射された光により被計測物体7に落とされた影と同じ格子3の空間周波数成分である。式(6)の右辺第4項は、格子3の2倍の空間周波数成分、すなわち、空間周波数の高調波成分である。式(6)の右辺第5項は、モアレ縞の成分であり、格子3の空間周波数成分を持たない。
【0028】
本発明の実施の形態に係る3次元計測方法では、格子3をX軸方向とZ軸方向に移動させるので、格子3の移動分を考慮しなくてはならない。そこで、格子3がt秒間にX軸方向に動く距離をα(t)、Z軸方向に動く距離をβ(t)とする。α(t)とβ(t)を式(6)に代入すると、光強度の分布I(X,t)は、
【数2】
Figure 2004125652
で表される。
【0029】
格子3は、X軸方向とZ軸方向にそれぞれ一定の速度で移動するので、β(t)=kα(t)の関係が成り立つ。そこで、β(t)=kα(t)を式(5)に代入すると、光強度の分布I(X,t)は、
【数3】
Figure 2004125652
本発明の実施の形態に係るモアレ計測方法は、正反射モアレなので
B=−A ・・・・・(9)
の関係が成り立つ。また、T秒間に格子3がX軸方向にn周期移動したとすると、格子3がX軸方向に動く距離α(t)は、
α(t)=(np/T)t ・・・・・(10)
で表される。格子3はZ軸方向にも同時に動いているので、T秒間にZ軸方向にモアレ縞の縞間隔の1/4(位相のπ/2)を移動したとすると、格子3がZ軸方向に動く距離β(t)は、
β(t)=kα(t)=(p/8AT)t ・・・・・(11)
で表される。
【0030】
そこで、式(9),(10),(11)を式(8)に代入して積分すると、
【数4】
Figure 2004125652
で表される。そして、式(12)を解くと、
【数5】
右辺第1項 [(1/4)(t/T)] ・・・・・(13)
右辺第2項 [−4{sin(−(1/4)π(8n+1)t/T+2π(x−hA)/p)/(8n+1)π}]・・・・・(14)
右辺第3項 [−4{sin(−(1/4)π(8n−1)t/T+2π(x−hA)/p)/(8n−1)π}]・・・・・(15)
右辺第4項 [−(1/8)sin((−4πnt/T)+4πx/p)/πn] ・・・・・(16)
右辺第5項 [sin((1/2)πt/T−4πAh/p)/π] ・・・・・(17)
が得られる。
【0031】
本発明の実施の形態に係るモアレ計測方法は、1フレーム毎の観測装置のシャッタースピード(シャッター開放時間)をT秒とし、T秒間毎に1フレームずつ取り込み8Tで8フレーム分を取り込む。取り込まれた8個のフレームは、それぞれIs0,・・・・・Is7とする。つまり、式(13)〜式(17)の積分区間は、第1フレーム強度Isoの場合に0〜T,第2フレーム強度Is1の場合にT〜2T,第3フレーム強度Is2の場合に2T〜3T,第4フレーム強度Is3の場合に3T〜4T,第5フレーム強度Is4の場合に4T〜5T,第6フレーム強度Is5の場合に5T〜6T,第7フレーム強度Is6の場合に6T〜7T,第8フレーム強度Is7の場合に7T〜8Tとなる。そして、次の処理は、Is0+Is4 s1+Is5,Is2+Is6,Is3+Is7の加算を行う。例えば、Is0+Is4は、式(13)〜式(17)より、
【数6】
Figure 2004125652
で表される。
【0032】
式(18)が示す右辺第2項において、1項と3項,2項と4項はそれぞれ位相がπずれた状態なので加算すると0になる。式(19)が示す右辺第3項も同様に0になる。式(20)が示す右辺第4項において、1項と2項及び3項と4項は相殺されて加算前に0になる。式(21)が示す右辺第5項において、1項と3項は2πずれており、2項と4項も同様に2πずれているため2倍の信号となる。よって格子3及び格子3の2倍の空間周波数成分は消去され、モアレ縞の成分のみ残りIs0+Is4は、第1バケット
=Is0+Is4=(√2/π)cos(−4πAh/p+1/4π)+(1/2) ・・・・・(22)
で表される。
【0033】
以下同様の処理により、第2バケットI=Is1+Is5、第3バケットI=Is2+Is6、第4バケットI=Is3+Is7を示すと、
=Is1+Is5=(√2/π)cos(−4πAh/p+3/4π)+(1/2) ・・・・・(23)
=Is2+Is6=(√2/π)cos(−4πAh/p+5/4π)+(1/2) ・・・・・(24)
=Is3+Is7=(√2/π)cos(−4πAh/p+7/4π)+(1/2) ・・・・・(25)
となり、それぞれ順にモアレ縞の位相がπ/2ずつシフトされた成分だけになる。
【0034】
格子3のシフト条件は、式(10),(11)より、
k=β(t)/α(t) =1/(8An)=1/(8ntanθ) =tanω ・・・・・(26)
ω=tan−1{1/(8ntanθ)}              ・・・・・(27)
が得られる。式(27)より、格子3の基準軸(X軸)に対する移動方向ωは、ピッチpに依存せず、格子3への平行光の入射角度θにより決定される。つまり、平行光の格子3への入射角度が一定なら、ピッチpの異なる格子3を用いる場合でも、ピッチpに依存しないので、位相シフトの作動方向ωを調整する必要がなく、モアレ縞の成分のみを得ることが出来る。
【0035】
モアレ縞の位相ψは、第1バケットI〜第4バケットIを用いて、
ψ=tan−1{(I−I)/(I−I)} ・・・・・(28)
で表される。
【0036】
したがって、格子3がX軸方向とZ軸方向にそれぞれ一定の速度で移動すると、式(22)〜式(25)で示したように、格子3とその空間周波数の高調波成分を除去出来、モアレ縞の成分のみを表すことが出来る。したがって、格子3をX軸方向とZ軸方向にそれぞれ一定の速度で移動させ、格子3がZ軸方向にモアレ縞の位相のπ/2移動する毎にモアレ縞の画像を取り込む。所謂、積分型の位相シフト法がモアレ縞の画像取り込み手段に用いることが可能となり、3次元計測の計測時間の短縮を促すことになる。
【0037】
上記した3次元計測装置及び3次元計測方法の証明においては、計測が短時間に行われるために、位相量をZ軸方向にπ/2ずつ変化させる積分型4枚法位相シフトを用いて示した。但し、本発明の実施の形態に係る3次元計測方法は、積分型4枚法位相シフトに限らない。3次元計測方法が高速計測を必要としなければ、位相シフト量が2πの1/q(qは0以外)であれば応用可能である。
【0038】
図1に示す3次元計測装置の制御システム43を、より具体的に図4に示す。制御システム43は、画像処理部12と、画像処理部12に接続された制御装置13を備える。光源1には、光源1の光強度を調整する光源駆動回路8が接続されている。X軸ステージ41aとZ軸ステージ41bは、これらを駆動させるステップモータ等の駆動部(ステージコントローラ)42が接続されている。図示を省略しているが、X軸ステージ41aとZ軸ステージ41bの移動位置は、例えばレーザ干渉計等により測定され、制御装置13にフィードバックされる。或いは位置変化に伴うインダクタンスを測定し電磁制御して、位置制御しても良い。図1に示したイメージセンサ6は、例えば、モアレ縞の画像を取り込むカメラ6aに内蔵されている。被計測物体7は、平行移動するベルトコンベア等の移動手段20に載置される。
【0039】
画像処理部12は、出力側が制御ボード11に接続し、入力側が画像取り込みボード10にそれぞれ接続されたマイクロプロセッサ若しくはパーソナルコンピュータである。画像処理部12は、横分解能を求めるための横分解能計測手段(モジュール)及び等高線の縞間隔Δhを求めるためのΔh計測手段(モジュール)を備える。また、画像処理部12は、位相アンラップ法の設定手段(モジュール)、位相アンラップ開始点の設定手段(モジュール)、平均化回数の設定手段(モジュール)、計測面の傾きを補正するための任意の領域の設定手段(モジュール)、被計測物体7が存在しない場所を自動的に検出してその場所のデータを削除する設定手段(不良点抽出設定手段)、及び、不良点を抽出するためのしきい値設定手段(モジュール)等を備える。これらの計測手段及び設定手段に基づき、画像処理部12は、計測したモアレ縞の画像から、被計測物体7の3次元の画像データを取得、且つ保存する機能を備える。
【0040】
制御装置13は、入力側が画像処理部12に、出力側が光源駆動回路8、駆動部42、カメラ6a及び移動手段20にそれぞれ接続された制御ボード11と、入力側がカメラ6aに、出力側が画像処理部12にそれぞれ接続された画像取り込みボード10とを備える。
【0041】
式(22)〜式(25)で得られるモアレ縞の成分は、2π単位であるため、位相計算をすると2π単位で不連続になる。そのため、「位相アンラップ」により、周りの位相データから連続になるように2πn(nは0でない整数)が加算、又は、減算されて位相を繋ぎ合わせる補正を行う。「位相アンラップの開始点」は、位相計算を最初に行う箇所である。そこで、被計測物体7がないところを計測の開始点とすると、モアレ縞が存在しないので、位相アンラップを行うことが出来ない。被計測物体7があるところ(モアレ縞が存在する座標)、つまり、式(22)で表されるモアレ縞の成分が存在する箇所を計測の開始点として指定することにより、破綻のない位相アンラップを行える。また、式(22)〜式(25)で得られるモアレ縞の成分がノイズの大きな画像である場合、計測誤差が大きくなる。そこで、同じ位相でのモアレ縞の画像を複数回取り込み平均化することで計測誤差が起こりにくいようにする。その平均するときの画像取り込み回数の設定が「平均化回数の設定」である。
【0042】
図4を参照しながら、本発明の実施の形態に係る3次元計測方法を図5のフローチャートにより説明する。
【0043】
(イ)まず、ステップS101において、3次元計測に用いる格子3や被計測物体7等を用意し、被計測物体7を移動手段20に載置する。ここで、画像処理部12から制御信号CSが出力され、制御装置13内の制御ボード11に入力される。そして、制御ボード11からシフト信号SSが出力され、移動手段20に入力される。入力されたシフト信号SSによって、移動手段20に載置された被計測物体7がモアレ縞の計測を行うのに好適な箇所まで移動される。
【0044】
(ロ)次に、ステップS102において、制御ボード11から輝度信号LCが出力され、光源駆動回路8に入力される。輝度信号LCは、光源1から出射される光の光強度を調整するための信号である。被計測物体7の個々に違う反射率を考慮し、光源1から出射される光が、輝度信号LCにより最適な光強度に調整される。
【0045】
(ハ)次に、ステップS103において、3次元計測を行う計測環境が画像処理部12に設定される。即ち、画像処理部12は、位相アンラップ法の設定、位相アンラップ開始点の設定、平均化回数の設定、計測面の傾きを補正するための任意の領域の設定、被計測物体7が存在しない場所を自動的に検出してその場所のデータを削除する設定(不良点抽出設定)、及び、不良点を抽出するためのしきい値設定等を行う。
【0046】
(ニ)次に、ステップS104において、光源1から照射光が出射され、第1のレンズに入射する。第1のレンズ2に入射した光は、平行光となり格子3に入射する。格子3に照射された平行光の内、格子3の遮光部に遮られなかった平行光によって、被計測物体7の表面に明暗のパターンが形成される。これをカメラ6a側から格子3を通して観察すると、格子3の光透過部のパターンと被計測物体7の表面の明のパターンとが干渉してモアレ縞ができる。
【0047】
(ホ)次に、ステップS105において、制御ボード11からシャッター信号FCが出力され、カメラ6aに入力される。カメラ6aにシャッター信号FCが出力されると、カメラ6aのシャッターが開き、第2のレンズ5で集光された被計測物体7の表面の明暗のパターンと格子3のパターンとが干渉したモアレ縞の画像が取り込まれる。一方、制御ボード11からステージ制御信号PSが出力され、駆動部42に入力される。ステージ制御信号PSを入力された駆動部42は、X軸ステージ41aとZ軸ステージ41bをそれぞれ制御し、駆動することが出来る。そこで、積分型4枚法位相シフトを用いるために、シャッター信号FCとステージ制御信号PSの出力タイミングを合わせて、格子3がZ軸方向にモアレ縞の位相のπ/2、X軸方向に格子3のスリットのピッチpのn倍(nは0を除く整数)移動される毎の一定時間の間で連続的にモアレ縞の画像を1フレーム取り込む。
【0048】
(ヘ)次に、ステップS106において、格子3がZ軸方向にモアレ縞の位相の4π分移動(8フレーム取り込み)したか否かが判断される。格子3がZ軸方向に4π分移動していなかったらステップS105に戻り、モアレ縞の画像の取り込みが繰り返される。
【0049】
(チ)次に、ステップS107において、モアレ縞の画像はカメラ6aから画像アナログ信号GAとして出力され、画像取り込みボード10に入力される。画像アナログ信号GAは、画像取り込みボード10でデジタル信号化され、画像デジタル信号GDとして出力され、画像処理部12に入力される。入力された画像デジタル信号GDは、画像処理部12内の補助記憶装置に保存される。
【0050】
(リ)次に、ステップS108において、画像デジタル信号GDは、ステップS102で画像処理部12に施した設定を基に解析され、3次元計測データに変換される。
【0051】
(ヌ)最後に、ステップS109において、ステップS108で得られた3次元計測データが画像処理部12の補助記憶装置に保存される。
【0052】
本発明の実施の形態に係る3次元計測装置及び3次元計測方法によれば、格子3の連続した動作の中で画像を取り込むことが出来るので3次元計測に費やす時間を短縮することが出来る。即ち、格子3と被計測物体7の距離をモアレ縞の間隔に対して規定された分だけ移動させて静止した後に画像を複数枚取り込む必要がない。
【0053】
本発明の実施の形態に係る3次元計測装置及び3次元計測方法によれば、計測誤差を出し、且つ、横分解能も悪くする格子3及び格子3の2倍の周波数(高調波)成分が除去することが出来る。
【0054】
また、本発明の実施の形態に係る3次元計測装置及び3次元計測方法によれば、PGAのピン等の微細な高さの構造を有する非測定物体の場合でも、格子3の影が邪魔になることなく正確な且つ精密な測定が出来る。
【0055】
(その他の実施の形態)
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。
【0056】
図5のフローチャートにおいて、3次元計測を行う計測環境を画像処理部12に設定するのは、計測前に示しているが、計測中に計算結果を画像処理部12の出力画面で確認しながら設定することも可能である。
【0057】
更に、図6に示す格子位置制御部40aは、Z軸方向に格子3を移動させるために格子3を固定する面に傾斜を有する補助部21aを備えることが図1,図2,図4に示す格子位置制御部4と異なる。その他は図1,図4に示した実施の形態と同様であるので重複した記載は省略する。補助部21aの格子3を固定する面が傾斜を有することによって、X軸ステージ41aを図6の右方に移動させると、格子3は被計測物体7に対して斜め上方に移動する。また、X軸ステージ41aを図6の左方に移動させると、格子3は被計測物体7に対して斜め下方に移動する。すなわち、格子3は図1〜図3に示すZ軸ステージ41bがなくてもZ軸方向に移動することになり、Z軸ステージ41bを有するのと同等の効果を得ることが出来る。
【0058】
尚、格子3を固定する補助部の形状は1つの種類に限られず、例えば、図7に示すように、補助部21bの傾斜が図6で示した補助部21aと逆であっても構わない。更に、図7に示すように補助部21bを固定するX軸ステージ41aを傾けることで、格子3が被計測物体7に対して平行になるようにするのが好ましい。
【0059】
この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によってのみ限定されるものである。
【0060】
【発明の効果】
本発明の3次元計測装置及び3次元計測方法によれば、悪影響を及ぼす空間周波数の高調波成分の除去と、計測時間の短縮を同時に可能である。
【0061】
また、本発明の3次元計測装置及び3次元計測方法によれば、微細な高さ方向の構造を有する被計測物体を正確に測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る3次元計測装置を示す概念図である。
【図2】本発明の実施の形態に係る3次元計測装置の格子の移動機構(2軸)を示す模式的な断面図である。
【図3】本発明の実施の形態に係る3次元計測方法が空間周波数の高調波成分を除去出来ることを説明するための図である。
【図4】本発明の実施の形態に係る3次元計測装置の具体的な概略図である。
【図5】本発明の実施の形態に係る3次元計測装置を用いた3次元計測方法のフローチャートである。
【図6】本発明のその他の実施の形態に係る3次元計測装置の格子の移動機構(1軸)を示すの模式的な断面図(その1)である。
【図7】本発明のその他の実施の形態に係る3次元計測装置の格子の移動機構(1軸)を示すの模式的な断面図(その2)である。
【符号の説明】
1,1a,1b 光源
2 第1のレンズ
3 格子
4 格子位置制御部
5 第2のレンズ
6 イメージセンサ
6a カメラ
7,7a 被計測物体
8 光源駆動回路
10 画像取り込みボード
11 制御ボート
12 画像処理部
13 制御装置
20 移動手段
21a,21b 補助部
22 信号処理ボード
30 照射部
31 受光部
40a 格子位置制御部
41 移動機構
41a X軸ステージ
41b Z軸ステージ
42 駆動部
43 制御システム

Claims (7)

  1. Y軸方向に延びるスリットを一定のピッチでX−Y平面に配列した格子と、
    前記格子の面を実質的に水平に保ち、被計測物体に対して前記格子をX軸方向に移動させ、且つ前記格子をX−Y平面に直交するZ軸方向に移動させる格子位置制御部と、
    前記格子に平行光を出射する照射部と、
    前記格子を介して前記被計測物体のモアレ縞の画像を取り込む受光部と、
    前記格子位置制御部の動作を制御し、且つ前記受光部に取り込まれた前記画像を3次元計測データに変換する制御システム
    とを備えることを特徴とする3次元計測装置。
  2. 前記格子位置制御部は前記格子をZ軸方向に移動させるZ軸ステージと、
    前記Z軸ステージが前記格子を前記モアレ縞の位相のπ/2相当分移動させる間に、前記格子をX軸方向へ前記ピッチの整数倍分移動させるX軸ステージ
    とを備えることを特徴とする請求項1に記載の3次元計測装置。
  3. t秒間に前記格子をZ軸方向へ移動させる距離をβ(t)、前記格子をX軸方向へ移動させる距離をα(t)、前記格子がX軸方向に前記ピッチのn倍移動、前記平行光の前記格子への入射角をθとして、
    β(t)=α(t)/(8ntanθ)
    の関係を満足することを特徴とする請求項1又は2に記載の3次元計測装置。
  4. Y軸方向に延びるスリットを一定のピッチでX−Y平面に配列した格子の面を実質的に水平に保ち、被計測物体に対してX軸方向に移動させ、且つX−Y平面に直交するZ軸方向に移動させるステップと、
    前記格子に平行光を出射するステップと、
    前記格子を介して形成された前記被計測物体のモアレ縞の画像を取り込むステップと、
    前記画像を3次元計測データに変換するステップ
    とを含むことを特徴とする3次元計測方法。
  5. 前記X軸方向とZ軸方向に移動させるステップは、Z軸方向に前記モアレ縞の位相のπ/2相当分移動させる間に、X軸方向に前記ピッチの整数倍分移動させることを特徴とする請求項4に記載の3次元計測方法。
  6. 前記X軸方向とZ軸方向に移動させるステップは、t秒間にZ軸方向への移動する距離をβ(t)、X軸方向へ移動する距離をα(t)、前記格子がX軸方向に前記ピッチのn倍移動、前記平行光の前記格子への入射角をθとして、
    β(t)=α(t)/(8ntanθ)
    の関係を満足することを特徴とする請求項4又は5に記載の3次元計測方法。
  7. 前記モアレ縞の画像を取り込むステップにおいて、一定のシャッター開放時間で、連続的に第1〜第8フレームの画像を取り込み、
    前記第1フレームと第5フレームの強度を加算し第1バケット、前記第2フレームと第6フレームの強度を加算し第2バケット、前記第3フレームと第7フレームの強度を加算し第3バケット、前記第4フレームと第8フレームの強度を加算し第4バケットとするステップと、
    前記第4バケットと第2バケットの差を、前記第1バケットと第3バケットの差で除した値の逆正接から、前記モアレ縞の位相を求めるステップ
    とを更に含むことを特徴とする請求項4〜6のいずれか1項に記載の3次元計測方法。
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