JP2006029829A - 三次元計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型化が容易な三次元計測装置を提供すること。
【解決手段】 同一平面上に互いに平行に整列配置された複数本のライン状発光領域を備える有機エレクトロルミネッセンス素子、この有機エレクトロルミネッセンス素子の発光を集光して計測対象物の表面に斜め方向から照射する光学レンズ、光照射された計測対象物の表面の光学像をこの表面に垂直な方向から撮像して前記光学像に対応する画像データを出力する撮像装置、そして前記画像データをもとに計測対象物表面の三次元データを算出する画像処理装置からなる三次元計測装置。
【選択図】 図２

Description

本発明は、計測対象物の表面を三次元計測する装置に関する。

計測対象物の表面を三次元計測する方法としては、計測対象物の表面に斜め方向から一本もしくは互いに平行に整列配置された複数本のライン状の光を照射し、この光照射された計測対象物表面の光学像を撮像して得られる画像データをもとに計測対象物表面の三次元データを算出する方法が知られている。

三次元計測に用いるライン状の光を得るために、通常、ライン状に光が透過するように金属などの光不透過性材料の薄膜によって表面が部分的に覆われたガラス板（一般に、チャート板と呼ばれている）が用いられる。そして、ハロゲン電球などの光源が発する光をチャート板に照射することにより、この光がチャート板の光不透過性薄膜で覆われていない部分を透過してライン状の光が得られる。

ライン状の光を用いる三次元計測方法のうちの一つとして、光切断法が知られている。光切断法では、通常、計測対象物の表面に一本のライン状の光を照射して、光照射された計測対象物表面の光学像を撮像する。この光学像と対応する画像データから計測対象物表面に照射されたライン状の光の変形（歪み）を検出し、これをもとに光照射された表面部分の高さを算出する。そしてライン状の光により計測対象物の表面を走査しながら光照射された表面部分の高さを算出していくことにより、計測対象物表面の三次元データを得る。三次元計測の際には、ライン状の光により計測対象物の表面を走査するために、計測対象物及びライン状の光を発する照明装置（光源及びチャート板）のいずれか一方を移動させる。

特許文献１には、複数本のライン状の光を検査対象物の表面に照射して、これらのライン状の光の形状（歪み）から、表面の凹凸や傷などの欠陥を検出する表面検査装置が開示されている。そして、このような表面検査装置を用いることにより、検査対象物の表面状態を高速かつ確実に検査できるとされている。

ライン状の光を用いる三次元計測方法のうちの別の一つとして、位相シフト法が知られている。位相シフト法では、計測対象物の表面に複数本のライン状の光から構成される縞状の光を、その縞の位相を（π／２）ずつシフトしながら照射して計測対象物表面の光学像を撮像する操作を四回繰り返し、これらの光学像と対応する画像データをもとに計測対象物の三次元データを算出する。三次元計測の際には、縞状の光をその縞の位相をシフト（位置を移動）させながら照射するために、計測対象物及び照明装置のいずれか一方を移動させる。
特開昭６３−７３１３９号公報

上記のライン状の光を用いる計測装置は、ライン状の光を得るために光源とチャート板とが組み合わされた照明装置を用いるため、そして三次元計測する際に計測対象物及び照明装置の一方を移動させる機構が必要であるために装置構成が複雑となり、大型のものとなり易い問題がある。

また、三次元計測するために複数本のライン状の光を用いる場合には、各々のライン状の光が個々に識別（各々のライン状の光が何本目のものであるかが識別）できないと、計測対象物表面の誤った三次元データが算出される場合があるという別の問題もある。これは、例えば、電子回路基板などのように穴や段差が多数存在する基板にライン状の光を照射すると、ラインが穴や段差が存在する部位にて分離されて不連続となり、撮像により得られた画像データにおけるライン状の光が計測対象物表面のどの位置を目標として照射されたものであるかが判別できなくなるためである。

本発明の目的は、小型化が容易な三次元計測装置を提供することにある。
本発明の目的はまた、小型化が容易で、計測対象物表面の三次元データを正確に算出することのできる三次元計測装置を提供することにもある。

本発明は、同一平面上に互いに平行に整列配置された複数本のライン状発光領域を備えるエレクトロルミネッセンス素子、このエレクトロルミネッセンス素子の発光を集光して計測対象物の表面に斜め方向から照射する光学レンズ、光照射された計測対象物の表面の光学像をこの表面に垂直な方向から撮像して前記光学像に対応する画像データを出力する撮像装置、そして前記画像データをもとに計測対象物表面の三次元データを算出する画像処理装置からなる三次元計測装置にある。

本発明の三次元計測装置の好ましい態様は、下記の通りである。
（１）エレクトロルミネッセンス素子が、有機エレクトロルミネッセンス素子である。
（２）複数本のライン状発光領域を備える平面が、上記光学レンズの軸に直交する平面を対称面として計測対象物表面と面対称の関係にある面であるか、あるいは該面対称の関係にある面に平行な面である。
（３）互いに隣接するライン状発光領域が、互いに異なる色で発光する。

なお、本明細書において、「計測対象物の表面に垂直な方向」とは、「計測対象物の表面の法線とのなす角度が１０度以下である方向」を意味する。

本発明の三次元計測装置は、同一平面上に互いに平行に整列配置された複数本のライン状発光領域を備えるエレクトロルミネッセンス素子（好ましくは有機エレクトロルミネッセンス素子）、このエレクトロルミネッセンス素子の発光を集光して計測対象物の表面に斜め方向から照射する光学レンズ、光照射された計測対象物の表面の光学像をこの表面に垂直な方向から撮像して前記光学像に対応する画像データを出力する撮像装置、そして前記画像データをもとに計測対象物表面の三次元データを算出する画像処理装置から構成されている。

本発明の三次元計測装置は、従来の計測装置のように計測対象物に照射するライン状の光を得るために電球とチャート板とを組み合わせた大型の照明装置を用いずに、複数本のライン状発光領域を備えるエレクトロルミネッセンス素子を用いるため、さらにはライン状発光領域をその点灯／非点灯の制御によって移動させた場合には、従来の計測装置のように計測対象物や照明装置を移動させる機構が備えられている必要がないために小型化が容易である。

また、本発明の三次元計測装置は、そのエレクトロルミネッセンス素子の複数本のライン状発光領域を備える平面を、光学レンズの軸に直交する平面を対称面として計測対象物表面と面対称の関係にある面とするか、あるいはこの面対称の関係にある面に平行な面とすることにより計測対象物表面にライン状の光を鮮明に照射することができ、また互いに隣接するライン状発光領域を互いに異なる色で発光させることにより各々のライン状の光を個々に識別することができるため、計測対象物表面の三次元データを正確に算出することができる。

本発明の三次元計測装置を、添付の図面を用いて説明する。本発明の三次元計測装置には、有機エレクトロルミネッセンス素子あるいは無機エレクトロルミネッセンス素子が用いられる。以下、有機エレクトロルミネッセンス素子を用いる場合を代表例として、本発明の三次元計測装置を説明する。

図１は、本発明の三次元計測装置の構成例を示す斜視図である。図２（ａ）は、図１の三次元計測装置１の投影ユニット１９及び撮像装置８、そして計測対象物１０の配置を示す図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す投影ユニット１９が備える有機エレクトロルミネッセンス素子１９１の右側面図である。

三次元計測装置１は、同一平面上に互いに平行に整列配置された複数本のライン状発光領域１９１ｂを備える有機エレクトロルミネッセンス素子１９１、有機エレクトロルミネッセンス素子１９１の発光を集光して計測対象物１０の表面１０ａに斜め方向から照射する光学レンズ１９４、光照射された計測対象物１０の表面１０ａの光学像を表面１０ａに垂直な方向から撮像して、この光学像に対応する画像データを出力する撮像装置８、そして前記画像データをもとに計測対象物１０の表面１０ａの三次元データを算出する画像処理装置（図示は略する）から構成されている。

計測対象物１０は、ベースプレート１ａに備えられた支持台１１のステージ１１ａ表面に配置される。ステージ１１ａは、図１に記入したＸ方向及びＹ方向の各々の方向に沿って移動可能とされている。ベースプレート１ａの底面には、四隅に水平調整用のねじ込み式の脚２２と、取っ手２０を備える固定プレート２１が取り付けられている。

ベースプレート１ａの表面には、撮像装置取り付け用のスタンド２が立設されている。スタンド２は、シャフト２ａと、シャフト２ａに嵌め合わされ、シャフトの長さ方向（Ｚ方向）の任意の位置にて仮固定可能なスタンドブラケット３から構成されている。

スタンドブラケット３には、取り付け用のプレート４を介して上下方向（Ｚ方向）に移動可能とされたラックピニオンステージ５が取り付けられている。ラックピニオンステージ５には、撮像装置取り付け用の第一プレート６及び第二プレート７を介して撮像装置８が取り付けられている。

撮像装置８の位置決めは、スタンドブラケット３をシャフト２ａに沿って上下させて行ない、その上下方向の微調整はラックピニオンステージ５を用いて行なう。

ベースプレート１ａの表面にはまた、ラックピニオンステージ１４が取り付けられている。そしてラックピニオンステージ１４の上部に備えられたプレート１３の表面には、投影ユニット取り付け用のスタンド１２が立設されている。スタンド１２は、シャフト１２ａと、シャフト１２ａに嵌め合わされ、シャフトの長さ方向（Ｚ方向）の任意の位置にて仮固定可能なシャフトホルダ１５から構成されている。スタンド１２は、ラックピニオンステージ１４によってＸ方向に移動可能とされている。

シャフトホルダ１５には、取り付け用のプレート１６を介して回転ステージ１７が取り付けられている。回転ステージ１７は、Ｙ方向を中心にして矢印Ｕが示す方向に回転可能とされている。この回転ステージ１７には、ラックピニオンステージ１８を介して投影ユニット１９が取り付けられている。

図２（ａ）に示すように、投影ユニット１９は、有機エレクトロルミネッセンス素子１９１及び有機エレクトロルミネッセンス素子１９１の発光を集光して計測対象物１０の表面１０ａに斜め方向から照射する光学レンズ１９４から構成されている。図２（ｂ）に示すように、有機エレクトロルミネッセンス素子１９１は、同一平面上に互いに平行に整列配置された複数本（例えば、合計で十本）のライン状発光領域１９１ｂを備えている。

図２（ｃ）は、図２（ａ）に示す計測対象物１０の平面図である。有機エレクトロルミネッセンス素子１９１の発光は光学レンズ１９４により集光され、図２（ｃ）に示すように、計測対象物１０の表面１０ａに複数本のライン状の光１０ｂとして照射される。

図１に示す投影ユニット１９の位置決めは、スタンド１２のシャフト１２ａをラックピニオンステージ１４でＸ方向に移動させるとともに、シャフトホルダ１５をシャフト１２ａに沿って上下させて行なう。一方、計測対象物１０に対するライン状の光の照射角度の調節は、投影ユニット１９を回転ステージ１７で回転させて行なう。また、投影ユニット１９をラックピニオンステージ１８で対物レンズの光軸Ｌの方向である移動方向Ｔに移動させることにより、計測対象物１０の表面１０ａに照射されるライン状の光１０ｂのピントを合わせることができる。

図２（ｂ）に示す有機エレクトロルミネッセンス素子１９１は、例えば、透明基板の表面１９１ａ上に、透明陽電極層、有機発光材料層を含む有機材料層、そして陰電極層をこの順に積層して構成される。そして有機エレクトロルミネッセンス素子１９１の発光は、透明基板の裏面（面１９１ａとは逆側の面）から取り出される。

有機エレクトロルミネッセンス素子１９１の層構成や材料、あるいは発光領域を所定形状（本発明の場合にはライン状）に設定する方法は、公知の有機エレクトロルミネッセンス素子の場合と同様であり、例えば、「有機ＬＥＤ素子の残された研究課題と実用化戦略」（ぶんしん出版、１９９９年）及び「光・電子機能有機材料ハンドブック」（朝倉書店、１９９７年）などに詳しい記載がある。

ライン状の発光領域１９１ｂを得る方法の例としては、周知の方法、例えば、透明電極層、有機材料層、および陰電極層のうちの少なくとも一つがライン状にパターニングされたセグメント型の有機エレクトロルミネッセンス素子を用いてライン状の発光領域を得る方法、あるいは多数の点状発光領域を有するクロスマトリックス型の有機エレクトロルミネッセンス素子を用い、これらの点状発光領域の発光／非発光を制御してライン状発光領域を得る方法が挙げられる。

三次元計測装置１においては、有機エレクトロルミネッセンス素子１９１の発光は光学レンズ１９４により集光され、計測対象物１０の表面１０ａに斜め方向から一本もしくは互いに平行に整列配置された複数本のライン状の光１０ｂとして照射される。この光照射された計測対象物１０の表面１０ａの光学像は、撮像用の光学レンズ９を介して撮像装置８により撮像され、得られた光学像に対応する画像データとされる。そして従来の三次元計測装置の場合と同様に、得られた画像データをもとに画像処理装置によって計測対象物の三次元データが算出される。なお、計測対象物１０の表面１０ａに照射するライン状の光１０ｂの本数は、有機エレクトロルミネッセンス素子１９１の複数本のライン状発光領域１９１ｂの発光／非発光を制御することにより、所定の数に設定することができる。

このように本発明の三次元計測装置は、従来の計測装置のように計測対象物に照射するライン状の光を得るために電球とチャート板とを組み合わせた大型の照明装置を用いずに、複数本のライン状発光領域を備える有機エレクトロルミネッセンス素子を用いるために装置構成が簡単となり、小型化が容易である。

また、上記のように従来の三次元計測装置により光切断法や位相シフト法などを用いて三次元計測を行なう場合には、計測の際にライン状の光を計測対象物表面に沿って移動させる必要があり、このために計測対象物及び照明装置のうちの一方を移動させる機構が必要となる。一方、本発明の三次元計測装置に用いる有機エレクトロルミネッセンス素子は、ライン状発光領域の点灯／非点灯の制御によりライン状の発光領域を移動させることができ、これにより計測対象物に照射させるライン状の光を計測対象物表面に沿って移動させることができる。このようにライン状発光領域を移動させる場合には、例えば、図１に示すステージ１１ａをＸ方向やＹ方向に移動させる機構を不要とすることができるため、さらに計測装置を小型化することができる。

また、上記のように三次元計測の際には、光切断法の場合には通常一本のライン状の光が用いられ、位相シフト法では複数本のライン状の光が用いられる。そして、これらの各々の方法において、より高い精度で三次元計測を行なう場合には、用いるライン状の光の本数を多くすればよいが、より多くの情報量の画像データの演算が必要となるために計測時間が長くなることが一般に知られている。よって三次元計測を行なう際には、計測方法（光切断法、位相シフト法などのいずれの方法を用いるか）、そして計測対象物の種類に応じて要求される計測の精度や時間などの条件によって、適切な本数のライン状の光を用いる必要がある。

そして、従来の三次元計測装置を用いる場合には、計測に用いるライン状の光の本数に応じたチャート板を作製する必要があり、さらには計測対象物の変更などによって上記の条件が変更されると、変更後の条件に応じた本数のライン状の光を得るためのチャート板を改めて作製する必要がある。一方、本発明の三次元計測装置は、上記のような条件変更が生じた場合でも、変更後の条件に応じた本数のライン状の光が得られるように、有機エレクトロルミネッセンス素子のライン状発光領域の点灯／非点灯の制御方法を変更するだけで良いという利点も有している。

本発明の三次元計測装置においては、複数本のライン状発光領域を備える平面が、光学レンズの軸に直交する平面を対称面として計測対象物表面と面対称の関係にある面であるか、あるいは該面対称の関係にある面に平行な面であることが好ましい。

図２（ａ）に示すように、三次元計測装置１においては、複数本のライン状発光領域を備える平面１９１ａが、光学レンズ１９４の軸Ｌに直交する平面３２を対称面として計測対象物表面１０ａと面対称の関係にある面に平行な面とされている。

このように、複数本のライン状発光領域を備える平面１９１ａが、光学レンズ１９４の軸Ｌに直交する平面を対称面として計測対象物表面１０ａと面対称の関係にある面であるか、あるいはこの面対称の関係にある面に平行な面であると、有機エレクトロルミネッセンス素子１９１の発光は光学レンズ１９４により集光されたのちに、計測対象物１０の表面１０ａに平行な面においてピントが合うようになる。従って、投影ユニット１９のピント位置を調節することにより、計測対象物１０の表面１０ａに正確にピントの合ったライン状の光を照射することができる。これにより、計測対象物１０の表面１０ａの三次元データをより正確に算出することができるようになる。

また、本発明の三次元計測装置においては、互いに隣接するライン状発光領域を、互いに異なる色で発光させることも好ましい。上記のように、従来の三次元計測装置においては、三次元計測に複数本のライン状の光を用いる場合に、各々のライン状の光が個々に識別（各々のライン状の光が何本目のものであるかが識別）できないと、計測対象物表面の誤った三次元データが算出される場合がある。

本発明の三次元計測装置に用いる有機エレクトロルミネッセンスは、カラーディスプレイに用いられるものと同様のものであり、その発光色の調節が容易である。本発明の三次元計測装置においては、例えば、セグメント型の有機エレクトロルミネッセンス素子を用いる場合には、ライン状発光領域毎に発光色を異なる色に設定することができ、そしてクロスマトリックス型の有機エレクトロルミネッセンス素子を用いる場合にはカラーディスプレイの場合と同様に赤、青、緑の点状の発光領域の発光を混色することによりライン状発光領域毎に発光色を異なる色に設定することができる。このような方法により、互いに隣接するライン状発光領域を互いに異なる色で発光させると、計測対称物表面に照射される各々のライン状の光をその色によって個々に識別（各々のライン状の光が何本目のものであるかが識別）できるため、計測対象物表面の三次元データを正確に算出することができる。なお、従来の三次元計測装置を用いる場合には、電球などの光源をチャート板に照射してライン状の光を得ているので、このような光の色の設定は困難である。

最後に、本発明の装置による三次元計測の手順を、光切断法及び位相シフト法を用いる場合を例として、簡単に説明する。

光切断法では、通常、計測対象物の表面に一本のライン状の光を照射する。一本のライン状の光を照射する場合には、有機エレクトロルミネッセンス素子の複数本のライン状発光領域の点灯／非点灯を制御して、そのうちの一つを発光させる。そして従来の光切断法を用いた計測装置の場合と同様に、光照射された計測対象物表面の光学像を撮像し、この光学像と対応する画像データから計測対象物表面に照射されたライン状の光の変形（歪み）を検出し、これをもとに光照射された表面部分の高さを算出する。

次いで、点灯していた発光領域を非点灯とし、その隣の発光領域を点灯させる操作を繰り返すことにより、計測対象物表面に照射されたライン状の光の位置を移動させる。このようにして、ライン状の光により計測対象物の表面を走査しながら光照射された表面部分の高さを算出していくことにより、計測対象物表面の三次元データが得られる。

なお、計測対象物表面に複数本のライン状の光を照射して、三次元計測を行なってもよい。この場合に上記のように互いに隣接するライン状発光領域を互いに異なる色で発光させることにより、計測対象物表面に照射される各々のライン状の光を個々に識別することができるので、計測対象物表面の三次元データを正確に算出することができる。

位相シフト法では、計測対象物の表面に複数本のライン状の光から構成される縞状の光を照射する。上記と同様に、複数本のライン状発光領域の点灯／非点灯を制御することにより、計測対象物の表面に照射される縞状の光を移動することができる。そして、従来の位相シフト法を用いた計測装置の場合と同様に、この縞状の光を、その縞の位相を（π／２）ずつシフトさせながら計測対象物表面の光学像を撮像する操作を四回繰り返し、これらの光学像と対応する画像データをもとに計測対象物の三次元データを算出することができる。なお、位相シフト法については、例えば、三島等の論文（三島良介、濱田長生，「位相シフト法による高速高精度三次元計測技術」，松下電工技報，２００３年８月，ｐ．１０−１５）に詳しい記載がある。

さらに、上記のように互いに隣接するライン状発光領域を互いに異なる色で発光させることにより、計測対象物表面に照射される各々のライン状の光を個々に識別することができるので、計測対象物表面の三次元データをより正確に算出することができる。

本発明の三次元計測装置の構成例を示す斜視図である。 図２（ａ）は、図１の三次元計測装置１の投影ユニット１９及び撮像装置８、そして計測対象物１０の配置を示す図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す投影ユニット１９が備える有機エレクトロルミネッセンス素子１９１の右側面図であり、図２（ｃ）は、図２（ａ）に示す計測対象物１０の平面図である。

符号の説明

１ 三次元計測装置
１ａ ベースプレート
２ 撮像装置取り付け用のスタンド
２ａ シャフト
３ スタンドブラケット
４ 取り付け用のプレート
５ ラックピニオンステージ
６ 撮像装置取り付け用の第一プレート
７ 撮像装置取り付け用の第二プレート
８ 撮像装置
９ 撮像用の光学レンズ
１０ 計測対象物
１０ａ 計測対象物１０の表面
１０ｂ ライン状の光
１１ 支持台
１１ａ ステージ
１２ 投影ユニット取り付け用のスタンド
１２ａ シャフト
１３ プレート
１４ ラックピニオンステージ
１５ シャフトホルダ
１６ 取り付け用のプレート
１７ 回転ステージ
１８ ラックピニオンステージ
１９ 投影ユニット
２０ 取っ手
２１ 固定プレート
２２ 脚
３２ 光学レンズ１９４の軸に直交する平面
１９１ 有機エレクトロルミネッセンス素子
１９１ａ 複数本のライン状発光領域を備える平面
１９１ｂ ライン状発光領域
１９４ 光学レンズ

Claims (4)

1. 同一平面上に互いに平行に整列配置された複数本のライン状発光領域を備えるエレクトロルミネッセンス素子、該エレクトロルミネッセンス素子の発光を集光して計測対象物の表面に斜め方向から照射する光学レンズ、光照射された計測対象物の表面の光学像を該表面に垂直な方向から撮像して該光学像に対応する画像データを出力する撮像装置、そして該画像データをもとに計測対象物表面の三次元データを算出する画像処理装置からなる三次元計測装置。
2. エレクトロルミネッセンス素子が、有機エレクトロルミネッセンス素子である請求項１に記載の三次元計測装置。
3. 複数本のライン状発光領域を備える平面が、上記光学レンズの軸に直交する平面を対称面として計測対象物表面と面対称の関係にある面であるか、あるいは該面対称の関係にある面に平行な面である請求項１もしくは２に記載の三次元計測装置。
4. 互いに隣接するライン状発光領域が、互いに異なる色で発光する請求項１乃至３のうちのいずれかの項に記載の三次元計測装置。
   

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