JP2006308323A - Three-dimensional shape measuring method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、3次元形状の被測定物に格子像を投影し、この変形格子像から被測定物の形状を測定する3次元形状測定方法に関する。 The present invention relates to a three-dimensional shape measurement method for projecting a lattice image on a three-dimensional object to be measured and measuring the shape of the object to be measured from the deformed lattice image.
従来より、被測定物に格子像を投影し、被測定物各部の高さ分布に応じて変形した格子像から3次元形状を測定するモアレ法やヘテロダイン法が知られている。モアレ法では変形格子像に基準格子を重ねることにより被測定物の高さ分布の等高線を与えるモアレ縞を発生させて高さ分布を求めている。ヘテロダイン法では基準格子を無変調の空間的キャリア波長信号と考え、変形格子像を空間的に位相変調されたキャリア信号とみなして変形量を位相として検出することにより被測定物の高さ分布を求めている。 Conventionally, a moire method or a heterodyne method is known in which a lattice image is projected onto a measurement object and a three-dimensional shape is measured from the lattice image deformed according to the height distribution of each part of the measurement object. In the moire method, the height distribution is obtained by generating moire fringes that give contour lines of the height distribution of the object to be measured by superimposing a reference lattice on the deformed lattice image. In the heterodyne method, the reference grating is considered as an unmodulated spatial carrier wavelength signal, the deformation grating image is regarded as a spatially phase-modulated carrier signal, and the amount of deformation is detected as the phase to detect the height distribution of the object to be measured. Looking for.
また、不連続段差をもつ被測定物を測定するため、特許文献1や特許文献2にあるように、周期と向きとが互いに異なる複数の1次元格子を重畳させた2次元格子像を被測定物に投影し、被測定物の3次元形状に応じて変形した2次元格子像を撮像し、2次元格子像から各1次元格子成分毎に位相を検出し、各位相に基づいて3次元形状の測定値を得る方法が知られている。
しかしながら、こうした従来の方法では、被測定物に投影した格子像が、被測定物のエッジ等の輪郭に重なると、輪郭が格子像の縞模様の中に隠されてしまい、例えば、白黒の格子像の場合、黒い縞の中に隠されてしまい、輪郭の形状測定を精度よくできない。そのため、格子像を投影しない白色光のみで、被測定物の輪郭を別途測定しなければならず、測定が煩わしく、しかも、二度撮像しなければならず、測定に長時間を必要とすると共に、二度撮像するために、その間の手ぶれ等により測定精度が低下するという問題があった。 However, in such a conventional method, when the lattice image projected on the object to be measured overlaps the contour of the object to be measured, the contour is hidden in the striped pattern of the lattice image. In the case of an image, it is hidden in black stripes, and the contour shape cannot be measured accurately. For this reason, the outline of the object to be measured must be separately measured with only white light that does not project a lattice image, and the measurement is troublesome, and the image must be taken twice, which requires a long time for measurement. In order to take an image twice, there is a problem that the measurement accuracy is lowered due to camera shake or the like during that time.
本発明の課題は、短時間で、精度よく3次元形状を測定できる3次元形状測定方法を提供することにある。 The subject of this invention is providing the three-dimensional shape measuring method which can measure a three-dimensional shape accurately in a short time.
かかる課題を達成すべく、本発明は課題を解決するため次の方法を取った。即ち、
3次元形状の被測定物に形状測定用光源から格子像を投影し、形状測定用撮像器により撮像した格子像から前記被測定物の3次元形状の測定値を得る3次元形状測定方法において、
前記形状測定用光源からの投影と同時に、前記形状測定用光源と異なる波長の輪郭測定用光源により前記被測定物を照射して、前記形状測定用光源による前記格子像を撮像する形状測定用撮像器と前記輪郭測定用光源による照射像を撮像する輪郭測定用撮像器とにより前記被測定物を同時に撮像し、前記形状測定用撮像器により撮像した前記格子像から得られる前記被測定物の3次元形状と、前記輪郭測定用撮像器により得られる前記被測定物の輪郭とに基づいて、前記被測定物の輪郭の3次元測定値を得ることを特徴とする3次元形状測定方法がそれである。
In order to achieve this problem, the present invention takes the following method to solve the problem. That is,
In a three-dimensional shape measurement method for projecting a lattice image from a shape measurement light source onto a three-dimensional shape measurement object and obtaining a measurement value of the three-dimensional shape of the measurement object from a lattice image captured by a shape measurement image pickup device,
Simultaneously projecting from the shape measurement light source, the object to be measured is irradiated with a contour measurement light source having a wavelength different from that of the shape measurement light source, and the lattice image is captured by the shape measurement light source. 3 of the object to be measured obtained from the lattice image captured by the image sensor for shape measurement by simultaneously capturing the object to be measured by a contour measuring image sensor for capturing an irradiation image by the contour measuring light source. A three-dimensional shape measuring method is characterized in that a three-dimensional measurement value of the contour of the object to be measured is obtained based on the three-dimensional shape and the contour of the object to be measured obtained by the image sensor for contour measurement. .
前記形状測定用撮像器と前記輪郭測定用撮像器とは、共通の光軸を有し、波長分離プリズムによりそれぞれの波長に分離してもよい。前記形状測定用光源と前記輪郭測定用光源とは、それぞれ白色光源から異なる波長の透過フィルタを通して照射してもよい。 The shape measurement image pickup device and the contour measurement image pickup device may have a common optical axis and may be separated into respective wavelengths by a wavelength separation prism. The shape measurement light source and the contour measurement light source may each be irradiated from a white light source through transmission filters having different wavelengths.
本発明の3次元形状測定方法によると、波長の異なる光源で被測定物を同時に照射し、撮像する波長が異なる撮像器で撮像して、3次元輪郭を得るので、短時間で、精度よく測定できるという効果を奏する。 According to the three-dimensional shape measurement method of the present invention, the object to be measured is simultaneously irradiated with light sources having different wavelengths, and images are taken with imagers having different wavelengths to obtain three-dimensional contours. There is an effect that can be done.
以下本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図1に示すように、1は参照平面P上に置かれた被測定物で、本実施形態では、図2に示すように、被測定物1は直方形状の台1a上に、円錐台1bが形成されたもので、台1aには、傾斜部1cが形成されている。2は形状測定用光源であり、形状測定用光源2は、白色光源4と反射鏡6と投影レンズ8とを備えると共に、白色光源4と投影レンズ8との間に形状測定用透過フィルタ10と格子縞板12とを備えている。
The best mode for carrying out the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1,
形状測定用透過フィルタ10は、白色光源4からの光のうち、特定の波長の光を透過、例えば、赤色あるいは青色等の波長の光を透過するフィルタである。格子縞板12には、周期的繰り返しによる条線が形成されており、格子縞板12を通過した照射光により、被測定物1上に格子縞が投影される。
The shape
形状測定用光源2の近傍には、輪郭測定用光源14が設けられており、輪郭測定用光源14は、白色光源16と反射鏡18と投影レンズ20とを備えると共に、白色光源16と投影レンズ20との間に輪郭測定用透過フィルタ22を備えている。輪郭測定用透過フィルタ22は、白色光源16からの光のうち、特定の波長の光を透過、例えば、緑色等の波長の光を透過するフィルタである。
A contour
形状測定用透過フィルタ10と輪郭測定用透過フィルタ22とは、透過させる光の波長が互いに異なる。例えば、形状測定用透過フィルタ10が赤色を透過されるフィルタであれば、輪郭測定用透過フィルタ22は緑色を透過させるフィルタである。また、形状測定用光源2と輪郭測定用光源14とは、形状測定用透過フィルタ10と輪郭測定用透過フィルタ22とを用いて、照射する光の波長を異なるものとする場合に限らず、フィルタを用いることなく、形状測定用光源2が可視光を照射し、輪郭測定用光源14が赤外線を照射する場合でもよく、両光源2,14の波長が異なればよい。
The shape
24はカメラであり、形状測定用撮像器26と輪郭測定用撮像器28とが一体的に組み込まれており、形状測定用撮像器26は結像レンズ30により被測定物1の像を波長分離プリズム32を介して、CCD素子34上に結像する。輪郭測定用撮像器28は結像レンズ30により被測定物1の像を波長分離プリズム32を介して、CCD素子36上に結像する。
波長分離プリズム32は、異なる波長の光を分離するもので、形状測定用光源2からの波長の光をCCD素子34に、輪郭測定用光源14からの波長の光をCCD素子36にそれぞれ分離する。本実施形態では、形状測定用撮像器26と輪郭測定用撮像器28とは、被測定物1と波長分離プリズム32の間の光軸33が共通となるように配置されている。
The wavelength separation prism 32 separates light having different wavelengths, and separates light having a wavelength from the shape measuring
形状測定用光源2、輪郭測定用光源14、カメラ24は、それぞれ同期回路38に接続されており、同期回路38から同時に出力される駆動信号により、形状測定用光源2、輪郭測定用光源14、カメラ24が同時に駆動されるように構成されている。同期回路38は、制御回路40に接続されており、制御回路40は同期回路38に駆動信号を出力し、カメラ24から入力される画像データに基づいて、被測定物1の3次元形状、輪郭形状を算出する。
The shape
次に、3次元形状測定方法について、制御回路40において行われる形状算出処理と共に、図4に示すフローチャートによって説明する。
まず、被測定物1の3次元形状の測定に先だって、形状測定用撮像器26と輪郭測定用撮像器28との校正を図示しない基準ターゲットに基づいて行うか否かを判断する(ステップ100)。既に校正が終了している場合には、校正を行うことなく、次の処理に進む。校正が終了していない場合には、校正の処理を行う(ステップ110)。
Next, the three-dimensional shape measurement method will be described with reference to the flowchart shown in FIG. 4 together with the shape calculation processing performed in the
First, prior to the measurement of the three-dimensional shape of the
校正処理では、輪郭の3次元形状が既知の基準ターゲットを参照平面P上に置き、形状測定用光源2を駆動して、格子縞板12の格子像を基準ターゲット上に投影する。そして、形状測定用撮像器26により変形した格子像を撮像して、制御回路40により、基準ターゲットの3次元形状を測定する。
In the calibration process, a standard target whose contour three-dimensional shape is known is placed on the reference plane P, and the shape measuring
また、輪郭測定用光源14を駆動して、基準ターゲットを照射し、輪郭測定用撮像器28により基準ターゲットを撮像して、制御回路40により、基準ターゲットの輪郭の2次元形状を測定する。尚、校正のときには、形状測定用光源2と輪郭測定用光源14とを別々に駆動して、形状測定用撮像器26と輪郭測定用撮像器28とにより別々に撮像してもよい。あるいは、形状測定用光源2と輪郭測定用光源14とを同時に駆動して、形状測定用撮像器26と輪郭測定用撮像器28とにより同時に撮像してもよい。
Further, the contour
基準ターゲットの既知の形状寸法及び形状測定用撮像器26から得られる変形格子像と輪郭測定用撮像器28から得られる2次元輪郭像から、形状測定用撮像器26のCCD素子34上のピクセル位置と、輪郭測定用撮像器28のCCD素子36上のピクセル位置との対応関係を校正する。これにより、参照平面P、形状測定用撮像器26、輪郭測定用撮像器28、形状測定用光源2の位置関係が固定された関係にあれば、次回からは、校正の処理を行う必要はない。
The pixel position on the CCD element 34 of the shape measuring image sensor 26 is obtained from the known shape dimensions of the reference target and the deformed grid image obtained from the shape measuring image sensor 26 and the two-dimensional contour image obtained from the contour measuring image sensor 28. And the correspondence between the pixel position on the CCD element 36 of the image sensor 28 for contour measurement is calibrated. As a result, if the positional relationship among the reference plane P, the shape measurement image pickup device 26, the contour measurement image pickup device 28, and the shape
校正が終了した後、基準ターゲットに代えて、被測定物1を参照平面P上に置き、同期回路38に駆動信号を出力し、同期回路38を介して、形状測定用光源2、輪郭測定用光源14、カメラ24を同時に駆動させる(ステップ120)。これにより、形状測定用光源2では、白色光源4が発光し、形状測定用透過フィルタ10が所定の波長の光を透過、例えば、赤色の光のみを透過させる。そして、この波長の光が格子縞板12を通過して、投影レンズ8により被測定物1上に格子像を投影する。
After the calibration is completed, instead of the standard target, the
また、輪郭測定用光源14では、白色光源16が発光し、輪郭測定用透過フィルタ22が所定の波長の光を透過、例えば、緑色の光のみを透過させる。そして、この波長の光が投影レンズ20により被測定物1上に照射される。
In the contour
一方、カメラ24では、形状測定用光源2による格子像が結像レンズ30、波長分離プリズム32を介して形状測定用撮像器26のCCD素子34上に結像され、格子像に応じた画像データが制御回路40に入力される。また、輪郭測定用光源14からの光による被測定物の輪郭像が結像レンズ30、波長分離プリズム32を介して輪郭測定用撮像器28のCCD素子36上に結像され、輪郭像に応じた画像データが制御回路40に入力される。
On the other hand, in the
制御回路40では、格子像に応じた画像データ(図5参照)から、被測定物1の3次元形状を算出する(ステップ130)。また、制御回路40では、輪郭像に応じた画像データ(図6参照)から被測定物1の輪郭形状を算出する(ステップ140)。この輪郭形状は、2次元データであり、輪郭形状を3次元データとして得るために、ステップ110の処理による校正結果を用いて、ステップ130の処理により算出した3次元形状に基づいて、2次元の輪郭形状の測定値を3次元の輪郭形状の測定値として算出する(ステップ150)。
The
即ち、格子像より得る3次元曲面を、2次元の輪郭線で切り取り、その曲面と輪郭線の交点を3次元輪郭線として認識する。カメラ24からの2次元の輪郭線上の1点はカメラ24の基準点からその画素への線分となり、輪郭線はカメラから、その画素への線分の連続を持った面となり、この面と測定された3次元曲面の交点が、3次元の輪郭線となる。
That is, a three-dimensional curved surface obtained from a lattice image is cut out with a two-dimensional contour line, and an intersection of the curved surface and the contour line is recognized as a three-dimensional contour line. One point on the two-dimensional contour line from the
このように、形状測定用光源2と輪郭測定用光源14とを同時に発光させ、形状測定用撮像器26と輪郭測定用撮像器28とにより同時に撮像する。また、形状測定用撮像器26は形状測定用光源2からの波長の格子像を撮像し、輪郭測定用撮像器28は輪郭測定用光源14からの波長の照射像を撮像する。従って、同時に照射、撮像することができ、短時間で測定できると共に、手ぶれ等による測定誤差をを招くことなく、精度よく測定できる。
In this way, the shape
以上本発明はこの様な実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得る。 The present invention is not limited to such embodiments as described above, and can be implemented in various modes without departing from the gist of the present invention.
1…被測定物 2…形状測定用光源
4,16…白色光源 6,18…反射鏡
8,20…投影レンズ 10…形状測定用透過フィルタ
12…格子縞板 14…輪郭測定用光源
22…輪郭測定用透過フィルタ
24…カメラ 26…形状測定用撮像器
28…輪郭測定用撮像器
30…結像レンズ 32…波長分離プリズム
33…光軸 34,36…CCD素子
38…同期回路 40…制御回路
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記形状測定用光源からの投影と同時に、前記形状測定用光源と異なる波長の輪郭測定用光源により前記被測定物を照射して、前記形状測定用光源による前記格子像を撮像する前記形状測定用撮像器と前記輪郭測定用光源による照射像を撮像する輪郭測定用撮像器とにより前記被測定物を同時に撮像し、前記形状測定用撮像器により撮像した前記格子像から得られる前記被測定物の3次元形状と、前記輪郭測定用撮像器により得られる前記被測定物の2次元輪郭とに基づいて、前記被測定物の3次元輪郭の測定値を得ることを特徴とする3次元形状測定方法。 In a three-dimensional shape measurement method for projecting a lattice image from a shape measurement light source onto a three-dimensional shape measurement object and obtaining a measurement value of the three-dimensional shape of the measurement object from a lattice image captured by a shape measurement image pickup device,
Simultaneously projecting from the shape measurement light source, the object to be measured is irradiated with a contour measurement light source having a wavelength different from that of the shape measurement light source, and the lattice image is captured by the shape measurement light source. The object to be measured is simultaneously imaged by an imager and an imager for contour measurement that captures an irradiation image from the light source for contour measurement, and the object to be measured obtained from the lattice image captured by the imager for shape measurement 3. A three-dimensional shape measuring method, wherein a measured value of a three-dimensional contour of the object to be measured is obtained based on the three-dimensional shape and the two-dimensional contour of the object to be measured obtained by the contour measuring image pickup device. .
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