JP2007322162A - Three-dimensional shape measuring apparatus and three-dimensional shape measuring method - Google Patents
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Description
本発明は、鏡面反射する表面形状を測定する3次元形状測定装置及び3次元形状測定方法に関する。 The present invention relates to a three-dimensional shape measuring apparatus and a three-dimensional shape measuring method for measuring a specularly reflecting surface shape.
近年、測定対象物の表面形状を3次元面計測器(非接触3次元測定器、スキャナ、デジタイザなどとも呼ばれる。)を用いて非接触にて計測し、表面の傷や歪みの有無を自動的に検査すること等が行われている。工業製品である車体、シリコンウェハ、ガラスなど鏡面反射する表面を有する測定対象物の表面形状を測定する需要は多くあるが、通常の3次元面計測器はこのような表面の形状を測定することができない。鏡面反射する表面の形状を測定する方法として、位相シフト法と呼ばれる方法がある。 In recent years, the surface shape of an object to be measured is measured in a non-contact manner using a three-dimensional surface measuring instrument (also called a non-contact three-dimensional measuring instrument, scanner, digitizer, etc.), and the presence or absence of scratches or distortion on the surface is automatically detected. Inspections are being conducted. There is a great demand for measuring the surface shape of a measurement object having a specularly reflecting surface such as a car body, silicon wafer, or glass, which is an industrial product, but ordinary three-dimensional surface measuring instruments measure the shape of such a surface. I can't. As a method for measuring the shape of the mirror-reflecting surface, there is a method called a phase shift method.
例えば、特許文献1に開示された位相シフト法は、正弦波状の濃淡縞パターンが形成された2種類の格子パターン板を用いるものであり、パターン板を回転して位相をシフトさせ、パターンを写し出した測定対象物の表面を1台のCCDカメラにより撮影し、複数の位相において撮影された画像に基づいて表面形状を測定している。
しかしながら、上記従来の位相シフト法においては、CCDカメラの画素に対応する測定対象物の表面上の点が、該画素に隣接する画素に対応する測定対象物の表面上の点における入射光線ベクトルと反射光線ベクトルの2等分線ベクトルである法線ベクトルを備える平面上に近似的に存在すると仮定し、表面形状を求めている。そのため、表面形状の測定精度が低いという問題があった。特に、測定対象物の表面に傷がある場合には、CCDカメラの隣接する画素にそれぞれ対応する測定対象物の表面上の点が近接しないので、さらに表面形状の測定精度が低くなるという問題があった。 However, in the above conventional phase shift method, the point on the surface of the measurement object corresponding to the pixel of the CCD camera is the incident light vector at the point on the surface of the measurement object corresponding to the pixel adjacent to the pixel. The surface shape is obtained on the assumption that it is approximately present on a plane having a normal vector that is a bisector vector of the reflected light vector. For this reason, there is a problem that the measurement accuracy of the surface shape is low. In particular, when there is a scratch on the surface of the measurement object, since the points on the surface of the measurement object corresponding to the adjacent pixels of the CCD camera are not close to each other, the measurement accuracy of the surface shape is further lowered. there were.
本発明は、かかる問題を解決すべくなされたものであり、鏡面反射する表面の形状を高精度に測定することができる3次元形状測定装置及び3次元形状測定方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a three-dimensional shape measuring apparatus and a three-dimensional shape measuring method capable of measuring the shape of a mirror-reflecting surface with high accuracy. .
上記目的を達成するために、請求項1に記載の3次元形状測定装置は、測定対象物の鏡面反射する表面形状を測定する3次元形状測定装置であって、波状の濃度分布を有するパターンを表示する表示手段と、該表示手段に表示されるパターンをシフトするシフト手段と、前記表示手段に表示されるパターンを写し出した前記測定対象物の表面を少なくとも異なる2方向から撮影する撮影手段と、該撮影手段が前記表面の重複した範囲を撮影して得た画像データの対応付けにより当該範囲の表面形状を求める表面形状解析手段と、を備えることを特徴としている。 In order to achieve the above object, a three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 1 is a three-dimensional shape measuring apparatus for measuring a specularly reflected surface shape of an object to be measured, wherein a pattern having a wavy concentration distribution is obtained. Display means for displaying, shift means for shifting the pattern displayed on the display means, imaging means for photographing the surface of the measurement object on which the pattern displayed on the display means is projected from at least two different directions, The imaging means comprises surface shape analyzing means for obtaining a surface shape of the range by associating image data obtained by imaging the overlapping range of the surface.
請求項2に記載の3次元形状測定装置は、請求項1に記載の3次元形状測定装置において、前記表面形状解析手段が、前記表示手段に表示されるパターンを写し出した前記表面上の点における当該表面の法線方向が等しくなるように、当該点を重複して撮影して前記撮影手段が得た画像データの対応付けを行うことを特徴としている。 The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 2 is the three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 1, wherein the surface shape analyzing means at a point on the surface where the pattern displayed on the display means is projected. The points are overlapped and the image data obtained by the imaging unit are associated with each other so that the normal directions of the surfaces are equal.
請求項3に記載の3次元形状測定装置は、請求項1又は2に記載の3次元形状測定装置において、前記撮影手段が、前記パターンのシフトと同期して撮影する複数台のCCDカメラであることを特徴としている。 A three-dimensional shape measuring apparatus according to a third aspect is the three-dimensional shape measuring apparatus according to the first or second aspect, wherein the photographing unit is a plurality of CCD cameras for photographing in synchronization with the shift of the pattern. It is characterized by that.
請求項4に記載の3次元形状測定装置は、請求項1から3の何れか1項に記載の3次元形状測定において、前記表示手段が、正弦波状又は三角波状の濃度分布を有するパターンを表示することを特徴としている。 The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 4 is the three-dimensional shape measurement according to any one of claims 1 to 3, wherein the display means displays a pattern having a sine wave or triangular wave density distribution. It is characterized by doing.
請求項5に記載の3次元形状測定方法は、測定対象物の鏡面反射する表面形状を測定する3次元形状測定方法であって、波状の濃度分布を有するパターンをシフトして表示し、
前記パターンを写し出した前記測定対象物の表面を少なくとも異なる2方向から撮影し、前記表面の重複した範囲を撮影して得た画像データの対応付けにより当該範囲の表面形状を求めることを特徴としている。
The three-dimensional shape measurement method according to claim 5 is a three-dimensional shape measurement method for measuring a specularly reflected surface shape of a measurement object, and shifts and displays a pattern having a wavy concentration distribution,
The surface of the measurement object on which the pattern is projected is photographed from at least two different directions, and the surface shape of the range is obtained by associating image data obtained by photographing the overlapping range of the surface. .
請求項6に記載の3次元形状測定方法は、測定対象物の表面形状を測定する3次元形状測定方法であって、三角波状の濃度分布を有するパターンをシフトし、前記パターンを写し出した前記測定対象物の表面を撮影し、前記表面を撮影して得た画像データに基づいて前記表面の形状を求めることを特徴としている。 The three-dimensional shape measurement method according to claim 6 is a three-dimensional shape measurement method for measuring a surface shape of a measurement object, wherein the measurement is performed by shifting a pattern having a triangular wave density distribution and projecting the pattern. The surface of the object is photographed, and the shape of the surface is obtained based on image data obtained by photographing the surface.
請求項1に記載の3次元形状測定装置によれば、測定対象物の鏡面反射する表面の重複した範囲を少なくとも異なる2方向から撮影手段が撮影して得た画像データの対応付けにより当該範囲の表面形状を表面形状解析手段が求める。そのため、当該表面上の同一の点を少なくとも異なる2方向から撮影手段が撮影して得た画像データを対応付けることができるので、鏡面反射する表面の形状を高精度に測定することができる。 According to the three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 1, the overlapping range of the mirror-reflecting surface of the measurement object is correlated with the image data obtained by photographing the photographing unit from at least two different directions. The surface shape analysis means obtains the surface shape. Therefore, image data obtained by photographing the same point on the surface from at least two different directions can be associated with each other, so that the shape of the specularly reflected surface can be measured with high accuracy.
請求項2に記載の3次元形状測定装置によれば、表面形状解析手段が、パターンを写し出した表面上の点における当該表面の法線方向が等しくなるように、当該点を重複して撮影して撮影手段が得た画像データの対応付けを行う。そのため、前記従来のように近似を仮定することなく、直接的に求めるので、鏡面反射する表面の形状を高精度に測定することができる。 According to the three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 2, the surface shape analyzing means captures the point in an overlapping manner so that the normal direction of the surface at the point on the surface where the pattern is projected is equal. The image data obtained by the photographing means is associated with each other. Therefore, since it is obtained directly without assuming an approximation as in the prior art, the shape of the mirror-reflecting surface can be measured with high accuracy.
請求項3に記載の3次元形状測定装置によれば、撮影手段が、パターンのシフトと同期して撮影する複数台のCCDカメラである。そのため、各CCDカメラの画素毎にシフトされるパターンが写し出された表面を順次撮影することができる。よって、鏡面反射する表面の形状をさらに高精度かつ高速に測定することが可能となる。 According to the three-dimensional shape measuring apparatus of the third aspect, the photographing means is a plurality of CCD cameras that photograph in synchronization with the shift of the pattern. Therefore, the surface on which the pattern shifted for each pixel of each CCD camera is projected can be sequentially photographed. Therefore, it is possible to measure the shape of the mirror-reflecting surface with higher accuracy and higher speed.
請求項4に記載の3次元形状測定装置によれば、表示手段が、正弦波状又は三角波状の濃度分布を有するパターンを表示する。そのため、表面形状解析手段における処理が簡易化し、対応付けを確実に行うことができる。よって、鏡面反射する表面の形状をさらに高精度かつ高速に測定することが可能となる。 According to the three-dimensional shape measuring apparatus of the fourth aspect, the display means displays a pattern having a sinusoidal or triangular wave density distribution. Therefore, the process in the surface shape analysis means can be simplified and the association can be reliably performed. Therefore, it is possible to measure the shape of the mirror-reflecting surface with higher accuracy and higher speed.
請求項5に記載の3次元形状測定方法によれば、測定対象物の鏡面反射する表面の重複した範囲を少なくとも異なる2方向から撮影して得た画像データの対応付けにより当該範囲の表面形状を求める。そのため、当該表面上の同一の点を少なくとも異なる2方向から撮影して得た画像データを対応付けることができるので、鏡面反射する表面の形状を高精度に測定することができる。 According to the three-dimensional shape measuring method according to claim 5, the surface shape of the range is obtained by associating image data obtained by photographing the overlapping range of the mirror-reflecting surface of the measurement object from at least two different directions. Ask. Therefore, image data obtained by photographing the same point on the surface from at least two different directions can be associated with each other, so that the shape of the mirror-reflecting surface can be measured with high accuracy.
請求項6に記載の3次元形状測定方法によれば、シフトする三角波状の濃度分布を有するパターンを写し出した測定対象物の表面を撮影して得た画像データに基づいて表面形状を求める。そのため、前記従来のように、演算量の多い三角関数を用いた数値計算を必要としないので、表面の形状を高速に測定することができる。 According to the three-dimensional shape measuring method of the sixth aspect, the surface shape is obtained based on the image data obtained by photographing the surface of the measuring object on which the pattern having the shifted triangular wave-like density distribution is projected. Therefore, unlike the prior art, numerical calculation using a trigonometric function with a large amount of calculation is not required, so that the surface shape can be measured at high speed.
本発明の実施の形態に係る3次元形状測定装置及び3次元形状測定方法について、図面に基づき説明する。本実施の形態に係る3次元形状測定装置100は、図1に概念説明図を示すように、測定対象物Tの鏡面反射する表面Sの形状を測定するものであり、パターンを表示するディスプレイ(表示手段)10、ディスプレイ10に表示されるパターンを写し出した測定対象物Tの表面Sを互いに異なる方向から撮影する2台のCCDカメラ(撮影手段)20A,20B、ディスプレイ10及びCCDカメラ20A,20Bに接続されたコンピュータ30を備えている。コンピュータ30は、図2に概略構成図を示すように、制御部31、タイミング制御部32、パターン表示制御部(シフト手段)33、撮影制御部34、画像処理部35、画像メモリ36、表面形状解析部(表面形状解析手段)37、ROM(Read Only Memory)38及びRAM(Random Access Memory)39を備えている。
A three-dimensional shape measuring apparatus and a three-dimensional shape measuring method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. A three-dimensional
ディスプレイ10は、パターン表示制御部33からの指令に従って波状の光学濃度(輝度)分布を有するパターンを平面状の画面に表示する表示デバイスであり、具体的には、液晶ディスプレイ(LCD:Liquid Crystal Display)やCRT(Cathode Ray Tube)ディスプレイなどである。画素(ピクセル)数が多い高解像度ディスプレイであることが好ましい。
The
CCDカメラ20A,20Bは、撮影制御部34からの指令に従って撮影を行って画像データを得る撮影デバイスであり、具体的には、2次元にCCD(Charge Coupled Device:電荷結合素子)画素が配置されたCCDセンサを用いたデジタルカメラ(デジタル・スチル・カメラ)やデジタルビデオカメラなどである。CCDカメラ20A,20Bは、ステレオヘッドなどの台座によって、所定の間隔や姿勢にそれぞれ固定され、ディスプレイ10に表示されるパターンを写し出した測定対象物Tの表面Sの重複した範囲を互いに異なる方向から撮影する。ディスプレイ10と台座とは別々に設置できることが好ましい。CCDカメラ20A,20Bは、計測対象物Tからの反射光をCCDセンサが受光し、受光した光の強さに対応するグレーレベルのデジタル信号を画像データとして出力する。測定対象物Tの表面S上の点をCCDカメラ20A,20Bで撮影した場合、当該点を撮影したCCD画素が当該点における光強度を得る。画素(ピクセル)数が多い高解像度CCDカメラであることが好ましい。
The
コンピュータ30は、ディスプレイ10及びCCDカメラ20A,20Bの動作処理を統合して制御するとともに、CCDカメラ20A,20Bが撮影して得た画像データに基づいて測定対象物Tの表面Sの形状を求めるデバイスであり、具体的には、汎用のパーソナルコンピュータや専用コンピュータなどである。コンピュータ30は、測定開始指示や測定種別等を外部から入力するための入力部、解析した測定対象物Tの表面Sの形状を提示するためのディスプレイやプリンタ等の提示部、各種ネットワークと接続するための回線接続部などを備えることが好ましい。
The
制御部31は、タイミング制御部32、パターン表示制御部33及び撮影制御部34を含み、CPU(Central Processing Unit)などからなり、3次元形状測定装置100を構成する各部を制御する。
The
タイミング制御部32は、パターン表示制御部33がディスプレイ10に指令を与えるタイミングと、撮影制御部34がCCDカメラ20A,20Bに指令を与えるタイミングを制御する。
The
パターン表示制御部33は、ディスプレイ10が表示するパターンを制御するものであり、ディスプレイ10の各画素が表示する輝度レベル信号をディスプレイ10に出力する。この輝度レベル信号は、ディスプレイ10が波状の光学濃度分布を有するパターンをその画面上に表示するように指示する信号である。パターン表示制御部33は、タイミング制御部32から指令に応じて、パターンの位相を変化させる輝度レベル信号を出力する。
The pattern
波状の光学濃度分布を有するパターンは、例えば、一方向に正弦波状又は三角波状の光学濃度分布を有するパターンである。正弦波状のパターンの光学濃度F(dx)は式(1)により表現することができる。ここで、dxは、正弦波状の光学濃度分布の方向と一致させてディスプレイ10に固定された座標系のdX軸方向の座標を示し、αは位相を示す。αの変化量は、例えば2/πであり、位相αを0、π/2、π、3π/2と変化させてパターンをシフトする。
F(dx)=F0{1−sin(dx+α)} … (1)
The pattern having a wavy optical density distribution is, for example, a pattern having a sinusoidal or triangular wave optical density distribution in one direction. The optical density F (dx) of the sinusoidal pattern can be expressed by Expression (1). Here, dx indicates the coordinate in the dX axis direction of the coordinate system fixed to the
F (dx) = F 0 {1-sin (dx + α)} (1)
三角波状のパターンの光学濃度F(dx)は式(2)により表現することができる。ここで、dxは、三角波状の光学濃度分布の方向と一致させてディスプレイ10に固定された座標系のdX軸方向の座標を示し、αは位相を示す。なお、remnant(dx+α,4)はdx+αを4で除した余りである。F(dx)は周期4の繰り返し関数である。αの変化量は、例えば1であり、位相αを0、1、2、3と変化させてパターンをシフトする。
F(dx)=F0{1−(dx+α)} : 0≦remnant(dx+α,4)<2
F(dx)=F0{dx+α−3} : 2≦remnant(dx+α,4)<4
… (2)
The optical density F (dx) of the triangular wave pattern can be expressed by equation (2). Here, dx indicates the coordinate in the dX-axis direction of the coordinate system fixed to the
F (dx) = F 0 {1− (dx + α)}: 0 ≦ remnant (dx + α, 4) <2
F (dx) = F 0 {dx + α−3}: 2 ≦ remnant (dx + α, 4) <4
(2)
パターン表示制御部33は、所定の一方向(dX軸方向)に正弦波状又は三角波状の光学濃度分布を有するパターンを位相を変化させシフトさせた後、前記方向(dX軸方向)と異なる方向、例えばdX軸方向と直行する方向(dY軸方向)に正弦波状又は三角波状の光学濃度分布を有するパターンを位相を同様に変化させシフトさせる。
The pattern
撮影制御部34は、CCDカメラ20A,20Bを制御するものであり、撮影を行うことを指示するトリガ信号をCCDカメラ20A,20Bに同時に出力する。この輝度レベル信号は、ディスプレイ10が波状の光学濃度分布を有するパターンをその画面上に表示するように指示する信号である。タイミング制御部32から指令に応じて、トリガ信号を出力する。これにより、位相が変化したパターンが写し出された表面SをCCDカメラ20A,20Bが撮影することができる。CCDカメラ20A,20Bは、撮影制御部34からのトリガ信号が入力すると、撮影を行い、撮影して得た画像データを画像処理部35に自動的に出力する。
The
画像処理部35は、CCDカメラ20A,20Bから入力された画像データに対して所定の画像処理を行い出力する。CCDカメラ20A,20Bは、レンズ歪などの各種の幾何学的な歪により生じる画像のゆがみ等、各CCD20A,20Bにそれぞれ一定固有の特性を有しており、これらの特性を校正するための内部パラメータがRAM39に格納されている。画像処理部35は、CCDカメラ20A,20Bからそれぞれ出力された画像データに対して、各CCDカメラ20A,20Bの内部パラメータに基づいて補正処理を行う。また、画像処理部35は、シェーディング補正、γ補正などの補正処理も行う。
The image processing unit 35 performs predetermined image processing on the image data input from the
画像メモリ36は、画像処理部35にて画像処理された画像データを格納する。画像メモリ36においては、CCDカメラ20A,20Bが同時に撮影して得た1組の画像データを、撮影時のパターンの波形や位相に関連付けて格納する。
The image memory 36 stores the image data image-processed by the image processing unit 35. In the image memory 36, a set of image data obtained by simultaneously photographing the
表面形状解析部37は、画像メモリ36に格納された画像データを、ROM38に格納された3次元形状測定プログラムPrに従い、RAM39に格納された各種データ設定に基づく処理を実行することによって、計測対象物Tの表面Sの形状を解析する。
The surface
ROM38は、制御部31により3次元形状測定装置100を構成する各部の動作を制御するための各種プログラム格納するメモリであり、例えば、3次元形状測定プログラムPrが格納されている。
The
RAM39は、3次元形状測定装置100の処理動作に用いる設定データや動作データ等の各種データを読み出し及び書き込み可能な状態で格納するメモリであり、例えば、CCDカメラ20A,20Bの内部パラメータや、波状のパターンをシフトさせてディスプレイ10に表示させるための各種データ、すなわち位相αの変化量、波形を示す数式F(dx)に基づく輝度レベル信号に関するデータ等が格納されている。
The
本実施の形態に係る3次元形状測定方法は、このような3次元形状測定装置100によって、計測対象物Tの表面Sの形状を測定するものである。以下、3次元形状測定装置100を用いて実行される3次元形状測定方法について説明する。この3次元形状測定方法は、配置・校正工程(S1)、撮影工程(S2)及び表面形状算出工程(S3)からなるものであり、ROM38に格納されている3次元形状測定プログラムPrに基づいて制御部31が発行する命令に従って行われる。
The three-dimensional shape measurement method according to the present embodiment measures the shape of the surface S of the measurement target T with such a three-dimensional
最初に、ディスプレイ10と2台のCCDカメラ20A,20Bを測定対象物Tの測定すべき表面Sに対して配置し、当該配置関係における校正を行う配置・校正工程(S1)を行う。まず、ディスプレイ10及び2台のCCDカメラ20A,20Bを計測対象物Tに対して適切な位置に配置する。ディスプレイ10に表示されるパターンが計測対象物Tの測定すべき表面Sに写し出されるように、ディスプレイ10を測定者が配置する。計測対象物Tの測定すべき表面Sを重複して撮影できるように、2台のCCDカメラ20A,20Bを測定者が配置する。1回の測定にて測定可能な表面Sの面積や測定精度は、ディスプレイ10の大きさやCCDカメラ20A,20Bの配置に依存する。そして、これらの位置関係を固定する。そして、CCDカメラ20A,20Bの校正を行う。CCDカメラ20A,20Bの内部パラメータはそれぞれCCDカメラ20A,20Bに一定固有であり、予めRAM39に格納されている。一方、CCDカメラ20A,20B間の関係を示す外部パラメータは、撮影時における個々のCCDカメラ20A,20Bの光軸の方向と互いの位置関係(3次元幾何関係)の校正を行うためのパラメータであり、CCDカメラ20A,20Bの固定時に定まる。この外部パラメータを求め、RAM39に格納する。
First, the
そして、ディスプレイ10とCCDカメラ20A,20Bとの間の位置関係の校正を行う。校正用の鏡を用いてディスプレイ10とCCDカメラ20A,20Bの位置関係の校正を行う。校正用の鏡として、表面形状が既知である平面鏡又は球面鏡を用いる。例えば、平面鏡の場合、その表面上の全ての点における法線方向が同じであり、未知パラメータは3次元位置の3つである。一方、ディスプレイ10の未知パラメータは3次元位置と姿勢の6つである。よって、合わせて9つのパラメータについて方程式を立て最小自乗法を用いることにより、各パラメータを容易に求めることができる。球面鏡の場合は、球面の半径が既知であるので、未知パラメータは3次元位置の3つとなる。また、平面鏡に複数個のターゲットを貼付し、CCDカメラ20A,20Bにより撮影して得た画像データを解析することにより、各ターゲットの3次元座標を計測して平面鏡の3次元位置と姿勢を求め、その後、ディスプレイ10の6つのパラメータを求めてもよい。なお、CCDカメラ20A,20Bがディスプレイ10をそれぞれ直接撮影できる位置関係にある場合には、校正用の鏡を用いることなく、校正を行うことも可能である。すなわち、CCDカメラ20A,20Bがディスプレイ10をそれぞれ直接撮影して得た画像において、同じ位相(例えば、水平と垂直)を有するディスプレイ10上の点の対応付けを行うことにより、当該点の3次元位置を求めることができ、CCDカメラ20A,20Bに固定されたカメラ座標系とディスプレイ10に固定されたディスプレイ座標系との位置関係を計算することができる。
Then, the positional relationship between the
次に、ディスプレイ10に表示されるパターンの位相をシフトさせながら、2台のCCDカメラ20A,20Bにより測定対象物Tの表面Sを撮影する撮影工程(S2)を行う。パターン表示制御部33は、タイミング制御部32からの指令に応じてディスプレイ10に輝度レベル信号を出力し、ディスプレイ10は波状の光学濃度分布を有するパターンを表示する。そして、撮影制御部34は、タイミング制御部32からの指令に応じて2台のCCDカメラ20A,20Bにトリガ信号をそれぞれ出力し、CCDカメラ20A,20Bはパターンが写し出された表面Sを撮影する。CCDカメラ20A,20Bは、パターンが写し出された表面Sを撮影して得た画像データをそれぞれ出力する。出力された画像データは画像処理部35にて画像処理が行われ、画像メモリ36に格納される。
Next, a photographing step (S2) is performed in which the surface S of the measurement target T is photographed by the two
パターン表示制御部33は、タイミング制御部32からの指令毎に、異なる2方向、例えばdX軸方向とdY軸方向に、それぞれ位相を順次シフトして波状の光学濃度分布を有するパターンがディスプレイ10に表示されるように、輝度レベル信号を出力する。そして、撮影制御部34は、タイミング制御部32からの指令毎に、位相が順次シフトされ、シフトする方向が異なる波状のパターンが写し出された表面Sを2台のCCDカメラ20A,20Bが撮影するように、トリガ信号を出力する。これにより、ディスプレイ10に表示されるパターンの位相シフトと同期させて、2台CCDカメラ20A,20Bにて撮影し画像データを得る。そして、画像メモリ36には、異なる2方向にシフトされた各位相毎に、CCDカメラ20A,20Bがそれぞれ撮影した後に画像処理された1組の画像データが格納される。
For each command from the
次に、画像メモリ36に格納された画像データを用いて測定対象物Tの表面Sの形状を求める表面形状算出工程(S3)を行う。 Next, a surface shape calculation step (S3) for obtaining the shape of the surface S of the measurement target T using the image data stored in the image memory 36 is performed.
以下、ディスプレイ10に正弦波状のパターンが表示される場合について説明する。式(1)で表現される正弦波状のパターンがディスプレイ10に表示され、このパターンが写し出された測定対象物Tの表面SをCCDカメラ20Aで撮影したとき、表面S上の点PSを撮影したCCDカメラ20AのCCD画素上の点Pcが受光した光強度Iは式(3)により表現することができる。ここで、Aは波形の振幅を、Bは波形に依存しない背景輝度である。φは位相の変調分であり、表面S上の点PSにおける凹凸(高さの変調分)を表す。
I=Acos(φ+α)+B … (3)
Hereinafter, a case where a sinusoidal pattern is displayed on the
I = Acos (φ + α) + B (3)
ディスプレイ10に表示される正弦波状のパターンの位相αをシフトさせる。例えば、パターンの位相αを0、π/2、π、3π/2と順次変化させたとき、表面S上の点PSを撮影したCCD画素上の点Pcが受光した光強度IをそれぞれI0、I1、I2、I3とすると、これらは式(4)にて与えられる。
I0= Acosφ+B
I1= Asinφ+B
I2=−Acosφ+B
I3=−Asinφ+B … (4)
The phase α of the sinusoidal pattern displayed on the
I0 = Acosφ + B
I1 = Asinφ + B
I2 = −Acosφ + B
I3 = −Asinφ + B (4)
式(4)から、φは式(5)にて与えられる。
φ=tan−1{(I3−I1)/(I0−I2)} … (5)
From equation (4), φ is given by equation (5).
φ = tan −1 {(I3−I1) / (I0−I2)} (5)
式(1)で表現される正弦波状のパターンは、所定の一方向(dX軸方向)に正弦波状の光学濃度分布を有しているので、当該パターンをdX軸方向に位相αを変化させるようにシフトさせただけでは、dX軸に直行する方向は位相αが変化しないため、位相の変調分φを求めることができる。そこで、dX軸と異なる方向、例えばdY軸方向に正弦波状の光学濃度分布を有するパターンを、当該方向に位相αを変化させることにより、表面S上の格子点における位相の変調分φを求めることができる。 Since the sinusoidal pattern expressed by Equation (1) has a sinusoidal optical density distribution in a predetermined direction (dX axis direction), the pattern α is changed in the dX axis direction. Since the phase α does not change in the direction perpendicular to the dX axis only by shifting to λ, the phase modulation amount φ can be obtained. Therefore, by obtaining a pattern having a sinusoidal optical density distribution in a direction different from the dX axis, for example, the dY axis direction, by changing the phase α in the direction, the phase modulation φ at the lattice point on the surface S is obtained. Can do.
なお、この例では、それぞれ4通りの位相αにて撮影して得た光強度Iからφを求めているが、これ以上の数の位相αについて撮影し、φを求めることも可能であり、これにより、測定精度が向上する。また、位相シフトは周期的であるので、隣りの周期の位相と区別するために位相接続によって広範囲にわたって位相を一意に特定する必要がある。そのため、大画面ディスプレイの場合、1回の位相接続が全画面に渡ることができないこともあり得る。この場合、周期を変化させて複数回行えばよい。 In this example, φ is obtained from the light intensity I obtained by imaging at each of four phases α. However, it is possible to obtain φ by photographing more than this number of phases α. Thereby, the measurement accuracy is improved. Further, since the phase shift is periodic, it is necessary to uniquely specify the phase over a wide range by phase connection in order to distinguish it from the phase of the adjacent period. Therefore, in the case of a large screen display, one phase connection may not be able to extend over the entire screen. In this case, the cycle may be changed a plurality of times.
以上より、CCDカメラ20AのCCD画素上の点Pcが受光した表面S上の点PSにおける位相の変調分φを求めることができる。CCDカメラ20AがCCD画素上の点Pcにおける受光方向は、CCDカメラ20Aの外部パラメータが既知であるので、定めることができる。点Pcにおける撮影方向を示すベクトルをベクトルCとすると、図3に示すように、点PcからベクトルCの方向に延長した直線上に点PSが位置する。
From the above, it is possible to point P c on the CCD pixels of the
測定対象物Tの表面Sは鏡面反射するので、表面S上の点PSにおける微小な接表面の法線方向を挟み入射角と反射角(出射角)が等しい関係にある。そのため、表面S上の点PSにおいて写し出されたパターンを表示したディスプレイ10上の点PDから点PSに向かう入射方向と、点PSにおいて写し出されたパターンを表示したディスプレイ10上の点PDから点PSに向かう入射方向とを等分する方向に、点PSにおける接表面の法線方向が向かう。よって、点PSにおける接表面の法線ベクトルNは、点PDから点PSに向かう単位長に正規化したベクトルをベクトルDS、ベクトルCに単位長に正規化する換算値をZとすると、式(6)により与えられる。
N=−(DS+Z・C)/2 …(6)
Since the surface S of the measuring object T is specular reflection, the incident angle and the reflection angle sandwiched normal direction of small contact surfaces at a point P S on the surface S (output angle) is equal relationship. Therefore, the incident direction toward the point P S from the point P D on the
N = − (DS + Z · C) / 2 (6)
式(6)においてZは未知数であるので、1台のCCDカメラ20Aが撮影して得た画像データのみからは、法線ベクトルNを求めることができない。しかし、2台のCCDカメラ20A,20Bが撮影して得た画像データを対応付けることにより、法線ベクトルNを求めることができ、さらに位相αを有する表面S上の点PSの3次元座標を求めることができる。
Since Z is an unknown number in equation (6), the normal vector N cannot be obtained only from image data obtained by photographing with one
具体的には、一方のCCDカメラ20Aが撮影して得た画像データからベクトルCを含む直線を他方のCCDカメラ20Bが撮影して得た画像データからなる画像に射影するとエピポーラ線となる。このエピポーラ線に沿って、共通の法線方向を有することを条件に対応点、すなわち表面S上の点PSを探索する。このような条件を満たす点は、一般的には1点に限られるので、容易に対応点を求めることができる。
Specifically, an epipolar line is obtained by projecting a straight line including the vector C from image data obtained by one
以下、ディスプレイ10に三角波状のパターンが表示される場合について説明する。式(2)で表現される三角波状のパターンがディスプレイ10に表示され、このパターンが写し出された測定対象物Tの表面SをCCDカメラ20Aで撮影したとき、表面S上の点PSを撮影したCCDカメラ20AのCCD画素上の点Pcが受光した光強度Iは式(7)により表現することができる。ここで、Aは波形の振幅を、Bは波形に依存しない背景輝度である。φは位相の変調分であり、表面S上の点PSにおける凹凸(高さの変調分)を表す。
I=A{1−(α+φ)}+B : 0≦remnant(α+φ,4)<2
I=A(α+φ−3)+B : 2≦remnant(α+φ,4)<4
… (7)
Hereinafter, a case where a triangular wave pattern is displayed on the
I = A {1- (α + φ)} + B: 0 ≦ remnant (α + φ, 4) <2
I = A (α + φ−3) + B: 2 ≦ remnant (α + φ, 4) <4
(7)
ディスプレイ10に表示される三角波状のパターンの位相αをシフトさせる。例えば、パターンの位相αを0、1、2、3と順次変化させたとき、表面S上の点PSを撮影したCCD画素上の点Pcが受光した光強度IをそれぞれI0、I1、I2、I3とすると、これらは式(8)にて与えられる。
I0=A(1−φ)+B
I1=−A・φ+B
I2=A(φ−1)+B
I3=A・φ+B … (8)
The phase α of the triangular wave pattern displayed on the
I0 = A (1-φ) + B
I1 = -A ・ φ + B
I2 = A (φ−1) + B
I3 = A · φ + B (8)
式(8)を次のように変形する。
C=I0−I2=2A(1−φ)
D=I3−I1=2A・φ
C+D=2A … (9)
Equation (8) is modified as follows.
C = I0-I2 = 2A (1-φ)
D = I3-I1 = 2A · φ
C + D = 2A (9)
式(9)から、φは式(10)にて与えられる。
φ=D/(C+D) … (10)
From equation (9), φ is given by equation (10).
φ = D / (C + D) (10)
C、Dはともに整数であり、LUT(Look Up Table)を用意することにより、除算を省くことができる。撮影はパターンの位相αを0、1、2と3通りに変化させて得た光強度I0、I1、I3だけから、φを求めることも可能である。しかし、冗長性が一切ないため、ノイズの影響が大きくなり測定精度が低下するので、位相αを4通りに変化させている。また、4通り以上の位相αについて撮影し、φを求めることも可能であり、これにより、測定精度が向上する。なお、上記においては、0≦α<1と仮定しているが、実際には0≦α<4であるので、事前にI0>I1、I2<I3となるように右方向にシフトしておく。例えば、I0、I1、I2、I3が小、小、大、大という順番であれば、右方向に1回シフトすることにより、大、小、小、大という順番になる。シフトの回数をkとすると実際の位相はk+αとなる。 C and D are both integers, and division can be omitted by preparing a LUT (Look Up Table). For imaging, φ can be obtained from only the light intensities I0, I1, and I3 obtained by changing the pattern phase α to 0, 1, 2, and 3. However, since there is no redundancy, the influence of noise increases and the measurement accuracy decreases, so the phase α is changed in four ways. It is also possible to take images of four or more phases α and obtain φ, thereby improving the measurement accuracy. In the above, it is assumed that 0 ≦ α <1, but since actually 0 ≦ α <4, the shift is made in the right direction in advance so that I0> I1 and I2 <I3. . For example, if I0, I1, I2, and I3 are in the order of small, small, large, and large, by shifting once in the right direction, the order becomes large, small, small, and large. If the number of shifts is k, the actual phase is k + α.
以上より、CCDカメラ20AのCCD画素上の点Pcが撮影した受光した表面S上の点PSにおける位相の変調分φを算出することができた。その後、正弦波状のパターンをディスプレイ10に表示させた場合と同様にして、測定対象物Tの表面Sの形状を求めることができる。
Thus, it was possible to calculate the phase of the modulation component φ at a point P S on the light receiving surface S to point P c on the CCD pixels of the
このように本発明の実施の形態における3次元形状測定装置100及び3次元形状測定方法によれば、測定対象物Tの鏡面反射する表面Sの重複した範囲を異なる2方向からCCDカメラ20A,20Bが撮影して得た画像データの対応付けを、パターンを写し出した表面S上の点PSにおける接表面の法線方向が等しくなるように行い、当該範囲の表面Sの形状を求める。そのため、鏡面反射する表面Sの形状を高精度に測定することができる。
As described above, according to the three-dimensional
また、CCDカメラ20A,20Bが、ディスプレイ10に表示されるパターンのシフトと同期して撮影する。そのため、各CCDカメラ20A,20Bが、シフトされるパターンが写し出された表面Sを順次撮影して画像データを得ることができ、高速に測定することが可能となる。また、ディスプレイ10に表示されるパターンが、正弦波状又は三角波状の濃度分布を有するパターンである。そのため、位相解析が容易であり、表面Sの形状をさらに高精度かつ高速に測定することが可能となる。なお、三角波状の濃度分布を有するパターンを用いる場合、正弦波状の濃度分布を有するパターンに比べて、三角関数の数値計算が不要となり、さらに高速に測定することができる。
Further, the
なお、本実施の形態で示した3次元形状測定装置100及び3次元形状測定方法は、本発明に係る3次元形状測定装置及び3次元形状測定方法の一態様にすぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、ディスプレイ10の画面にパターンをシフトさせて表示する場合の例を示したが、パターン板等に形成されたパターンを表面Sに投影するパターン投影器を用いてもよい。具体的には、液晶プロジェクタやスライドプロジェクタを用いることができる。また、波状の濃度分布を有するパターンが表面に形成された板や布を用い、表面Sにパターンを写し込むものであってもよい。なお、パターンが形成されたパターン板等を移動させることによりパターンを精度良くシフトするためには、高価な位相シフタが必要となる。
Note that the three-dimensional
また、ディスプレイ10及びCCDカメラ20A,20Bの各画素が関係付けられる場合の例を示したが、サブピクセル単位にて関係付けてもよく、これにより、さらに高精度に測定することができる。また、2台のCCDカメラ20A,20Bを用いる場合の例を示したが、1台のCCDカメラを所定の2区間を移動させ撮影してもよい。また、3台以上のCCDカメラを用いてもよい。これにより、測定範囲を大きく、測定精度を向上させることができる。
Moreover, although the example in which each pixel of the
また、測定対象物Tの計測すべき表面Sの形状を全て1回の測定により測定できない場合には、表面Sにターゲットを貼付し、測定対象物Tを移動させてターゲットを貼付した表面Sを異なる測定において重複して撮影することにより、表面Sの形状を統合して求めることができる。 Further, when the shape of the surface S to be measured of the measurement target T cannot be measured by a single measurement, a target is pasted on the surface S, and the surface S on which the target is pasted by moving the measurement target T is attached. By capturing images in different measurements, the shape of the surface S can be determined in an integrated manner.
ディスプレイ10に表示させる波状のパターンを異なる方向にそれぞれシフトさせる場合の例を示したが、ディスプレイ10に表示させるパターンを一方向のみにシフトさせることもできる。これにより、パターン投影器を用いる場合に、パターン板が1枚となり、モータ制御によるシフトが容易になる。以下、この場合の実施例について説明する。
Although an example in which the wavy pattern displayed on the
パターンは、2つの異なる周期の三角波形を単純に足したものとする。パターンの光学濃度F(dx)は式(11)により表現することができる。FA(dx)は周期4にて繰り返す三角関数であり、FA(dx)は周期16n(nは2以上の自然数)にて繰り返す三角関数である。
F(dx)=FA(dx)+FB(dx)
FA(dx)=FA0{1−(dx+α)}: 0≦remnant(dx+α,4)<2
FA(dx)=FA0{dx+α−3} : 0≦remnant(dx+α,4)<4
FB(dx)=FB0{1−(dx+α)}: 0≦remnant(dx+α,4)<8n
FB(dx)=FB0{dx+α−3} :8n≦remnant(dx+α,4)<16n
… (11)
The pattern is simply a triangular waveform with two different periods. The optical density F (dx) of the pattern can be expressed by equation (11). F A (dx) is a trigonometric function that repeats at a period of 4, and F A (dx) is a trigonometric function that repeats at a period of 16n (n is a natural number of 2 or more).
F (dx) = F A (dx) + F B (dx)
F A (dx) = F A0 {1- (dx + α)}: 0 ≦ remnant (dx + α, 4) <2
F A (dx) = F A0 {dx + α−3}: 0 ≦ remnant (dx + α, 4) <4
F B (dx) = F B0 {1- (dx + α)}: 0 ≦ remnant (dx + α, 4) <8n
F B (dx) = F B0 {dx + α−3}: 8n ≦ remnant (dx + α, 4) <16n
(11)
式(11)で表現されるパターンがディスプレイ10に表示され、このパターンが写し出された測定対象物Tの表面SをCCDカメラ20Aで撮影したとき、表面S上の点PSを撮影したCCDカメラ20AのCCD画素上の点Pcが受光した光強度Iは式(12)により表現することができる。ここで、A、Eは波形の振幅を、Bは波形に依存しない背景輝度である。φは位相の変調分であり、表面S上の点PSにおける凹凸(高さの変調分)を表す。
I=IA+IB+B
IA=A{1−(α+φ)}: 0≦remnant(α+φ,4)<2
IA=A{α+φ−3} : 2≦remnant(α+φ,4)<4
IB=B{1−(α+ψ)}: 0≦remnant(α+ψ,4)<8n
IB=B{α+ψ−3} :8n≦remnant(α+ψ,4)<16n … (12)
Pattern represented by the formula (11) is displayed on the
I = I A + I B + B
I A = A {1- (α + φ)}: 0 ≦ remnant (α + φ, 4) <2
I A = A {α + φ-3}: 2 ≦ remnant (α + φ, 4) <4
I B = B {1- (α + ψ)}: 0 ≦ remnant (α + ψ, 4) <8n
I B = B {α + ψ−3}: 8n ≦ remnant (α + ψ, 4) <16n (12)
ディスプレイ10に表示されるパターンの位相αを7通りにシフトさせる。例えば、パターンの位相αを0、1、2、3、4n、8n、12nと順次変化させたとき、表面S上の点PSを撮影したCCD画素上の点Pcが受光した光強度IをそれぞれI0、I1、I2、I3、I4、I5、I6、I7とすると、これらは式(13)にて与えられる。
I0=A(1−φ)+E(1−ψ)+B
I1=−A・φ+E(1−ψ−φ/16n)+B
I2=A(φ−1)+E(1−ψ−2φ/16n)+B
I3=A・φ+E(1−ψ−3φ/16n)+B
I4=A(1−φ+4n)+E(−ψ)+B=A(1−φ)+E(−ψ)+B
I5=A(1−φ+8n)+E(ψ−1)+B=A(1−φ)+E(ψ−1)+B
I6=A(1−φ+12n)+E・ψ+B=A(1−φ)+E・ψ+B … (13)
The phase α of the pattern displayed on the
I0 = A (1-φ) + E (1-ψ) + B
I1 = −A · φ + E (1−ψ−φ / 16n) + B
I2 = A (φ-1) + E (1-ψ-2φ / 16n) + B
I3 = A · φ + E (1-ψ-3φ / 16n) + B
I4 = A (1−φ + 4n) + E (−ψ) + B = A (1−φ) + E (−ψ) + B
I5 = A (1−φ + 8n) + E (φ−1) + B = A (1−φ) + E (φ−1) + B
I6 = A (1−φ + 12n) + E · ψ + B = A (1−φ) + E · ψ + B (13)
式(10)を用いることにより、I0、I4、I5、I6からψを求めることができる。また、式(13)におけるI0、I1、I2、I3からψに関する部分を差し引き、再度式(10)を用いることにより、φを求めることができる。 By using Expression (10), ψ can be obtained from I0, I4, I5, and I6. Further, φ can be obtained by subtracting the portion related to ψ from I 0, I 1, I 2, and I 3 in equation (13) and using equation (10) again.
ψを求めることにより、パターンの一部を構成するFA(dx)の何周期分であるかを推定することができる。式(14)に示されるように、ψ×16nを4で割った商がFA(dx)の周期kであり、接続後の位相は4k+φである。
k=quotient(ψ×16n,4)=ψ×16n … (14)
By obtaining ψ, it is possible to estimate how many periods of F A (dx) constituting a part of the pattern. As shown in Expression (14), the quotient obtained by dividing ψ × 16n by 4 is the period k of F A (dx), and the phase after connection is 4k + φ.
k = quotient (ψ × 16n, 4) = ψ × 16n (14)
なお、三角波状の濃度分布を有するパターンをシフトし、このパターンを写し出した測定対象物の表面を撮影して得た画像データに基づいて当該表面の形状を求めるものであれば、上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、三角波状の濃度分布を有するパターンをシフトしてディスプレイに表示し、このパターンを写し出した測定対象物の鏡面反射する表面を1台のCCDカメラにて撮影して得た画像データに基づいて、前記従来の位相シフト法により当該表面の形状を求めるものであってもよい。また、三角波状の濃度分布を有するパターンをシフトしてプロジェクタから投影し、このパターンを写し出した測定対象物の鏡面反射しない表面をCCDカメラにて撮影して得た画像データに基づいて、周知の位相シフト法により当該表面の形状を求めるものであってもよい。 If the pattern having a triangular wave-like density distribution is shifted and the shape of the surface is obtained based on image data obtained by photographing the surface of the measurement object on which the pattern is copied, the above embodiment is used. It is not limited to. For example, a pattern having a triangular wave-shaped density distribution is shifted and displayed on the display, and the mirror-reflecting surface of the measurement object on which the pattern is projected is captured based on image data obtained by photographing with a single CCD camera. The surface shape may be obtained by the conventional phase shift method. Also, based on image data obtained by shifting a pattern having a triangular wave-shaped density distribution and projecting it from a projector, and photographing a non-specularly reflected surface of the measurement object on which the pattern is projected with a CCD camera, a well-known The surface shape may be obtained by a phase shift method.
10 ディスプレイ(表示手段、シフト手段)
20A、20B CCDカメラ(撮影手段)
30 コンピュータ(シフト手段、表面形状解析手段)
T 計測対象物
S 表面
10 Display (display means, shift means)
20A, 20B CCD camera (photographing means)
30 Computer (shift means, surface shape analysis means)
T Measurement object S Surface
Claims (6)
波状の濃度分布を有するパターンを表示する表示手段と、
該表示手段に表示されるパターンをシフトするシフト手段と、
前記表示手段に表示されるパターンを写し出した前記測定対象物の表面を少なくとも異なる2方向から撮影する撮影手段と、
該撮影手段が前記表面の重複した範囲を撮影して得た画像データの対応付けにより当該範囲の表面形状を求める表面形状解析手段と、を備えることを特徴とする3次元形状測定装置。 A three-dimensional shape measuring apparatus for measuring a mirror-reflecting surface shape of a measurement object,
Display means for displaying a pattern having a wavy density distribution;
Shift means for shifting the pattern displayed on the display means;
Photographing means for photographing the surface of the measurement object, which is a pattern displayed on the display means, from at least two different directions;
A three-dimensional shape measuring apparatus, comprising: surface shape analyzing means for obtaining a surface shape of the range by associating image data obtained by photographing the overlapping range of the surface with the photographing means.
波状の濃度分布を有するパターンをシフトして表示し、
前記パターンを写し出した前記測定対象物の表面を少なくとも異なる2方向から撮影し、
前記表面の重複した範囲を撮影して得た画像データの対応付けにより当該範囲の表面形状を求めることを特徴とする3次元形状測定方法。 A three-dimensional shape measuring method for measuring a specularly reflecting surface shape of a measurement object,
Shift and display a pattern with a wavy concentration distribution,
Photographing the surface of the measurement object on which the pattern is projected from at least two different directions,
A three-dimensional shape measuring method, wherein the surface shape of the range is obtained by associating image data obtained by photographing the overlapping range of the surface.
三角波状の濃度分布を有するパターンをシフトし、
前記パターンを写し出した前記測定対象物の表面を撮影し、
前記表面を撮影して得た画像データに基づいて前記表面の形状を求めることを特徴とする3次元形状測定方法。 A three-dimensional shape measuring method for measuring a surface shape of a measurement object,
Shift the pattern with triangular wave density distribution,
Photograph the surface of the object to be measured in which the pattern is projected,
A three-dimensional shape measuring method, wherein the shape of the surface is obtained based on image data obtained by photographing the surface.
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