JP2008180530A - 形状測定装置及び形状測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】常に合焦位置で被検物の撮像画像を取得し、三次元形状測定を行う測定装置及び測定方法を提供する。
【解決手段】任意の波長帯域及び任意の位相の投影パターンを生成すると共に、互いに異なる波長帯域を有し同一位相の２つ以上のベース投影パターンを生成し及び合成して合成投影パターンを生成する投影パターン生成部と、被検物に前記合成投影パターンを投影する投影部と、前記合成投影パターンが投影された前記被検物を撮像する撮像部と、合成投影パターン撮像画像から前記被検物の投影光軸方向の位置を演算する形状演算部と、前記被検物の投影光軸方向の位置を、前記投影部による軸上色収差の影響により前記各ベース投影パターンの異なる合焦結像位置を含む各領域に分割し、前記合成投影パターン撮像画像から得られた前記各ベース投影パターンの撮像画像を用いて、前記領域毎に前記被検物の投影光軸方向の位置を補正する形状補正部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、パターン投影法を用いて被検物の三次元形状を測定する装置及び測定方法に関する。

工業製品等の物体の表面形状を測定する技術は従来から種々提案されており、その一つに光学式の三次元形状測定装置がある。光学式の三次元形状測定装置も種々の方式、構成のものがあるが、被検物に所定の投影パターン（縞模様や、格子模様）の位相をシフトして複数回投影するとともに被検物を撮像し、その各撮像画像から画像位置毎（画素毎）での縞の位相を求めて画像位置毎の高さを算出し、被検物の三次元表面形状を測定するものがある。なお、被検物表面に投影された投影パターンを撮像する際、奥行き方向（投影光軸方向）の測定範囲を拡大するために、投影光学系及び撮像光学系のフォーカスをシフトして画像の撮像が行われる（特許文献１参照）。

このような装置においては、例えば、被検物を投影光学系及び撮像光学系のフォーカスをシフトするように移動させながら、被検物の表面に縞パターンからなる投影パターンの位相をシフトして複数回投影するとともに、投影方向と異なる角度から被検物に投影されたそれぞれの縞パターンを撮像し、撮像された各撮像画像から画素毎での縞の位相を算出し、三角測量の原理等を用いて被検物表面の三次元形状を求めるように構成されている。

その構成例を図５に示しており、光源５１からの光が縞模様の投影パターンマスク５２及び投影レンズ５３（光源５１、投影パターンマスク５２、投影レンズ５３を投影光学系とする）を通して被検物５４の表面に投影される。被検物５４の表面に投影された投影パターンマスク５２の縞模様は、被検物５４の表面三次元形状に応じて変形され、このように変形された被検物５４の表面の縞パターンを投影方向と異なる角度から撮像レンズ５５を介して撮像装置５６（例えば、ＣＣＤセンサ）（撮像レンズ５５、撮像装置５６を撮像光学系とする）により撮像される。なお、被検物５４は図示しない位置調整装置により、投影光学系及び撮像光学系のフォーカスをシフトするように移動させながら上記のように撮像装置５６により撮像される。各撮像画像は演算処理装置５７に送られ、ここで撮像画像データの演算処理が行われる。演算処理装置５７においては、このように撮像された撮像画像データから画素毎での縞の位相を算出し、三角測量の原理等を用いて被検物表面の三次元形状を求める演算処理が行われる。

特開２００４−３１７４９５号公報

ところで、上述のよう三次元測定では、被検物の全体に撮像光学系のフォーカスを合わせるために、投影光学系及び撮像光学系のフォーカスをシフトしながら投影パターンの位相をシフトして各撮像画像を得ている。このために各撮像画像間の位相の対応をとるための補正を必要とするが、その位相間の対応がとれない場合があるという問題がある。すなわち、撮像光学系または被検物表面の状態（表面の傾斜等）によってテレセントリック光学系の結像が実質的に成されていない場合があり、このときに被検物の形状測定に誤差を有することになる。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、被検物の表面全域に撮像光学系のフォーカスが合うようにして常に合焦位置で撮像画像を取得し、正確な三次元形状測定を行うことができるような形状測定装置及び形状測定方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決して目的を達成するため、本発明に係る形状測定装置は、任意の波長帯域及び任意の位相の投影パターンを生成すると共に、互いに異なる波長帯域を有し同一位相の２つ以上のベース投影パターンを生成し、さらに前記ベース投影パターンを合成して合成投影パターンを生成する投影パターン生成部と、被検物に前記投影パターン生成部により生成された前記合成投影パターンを投影する投影部と、前記合成投影パターンが投影された前記被検物を撮像する撮像部と、前記撮像部により撮像して得られた合成投影パターン撮像画像から前記被検物の投影光軸方向の位置を演算する形状演算部と、前記形状演算部により得られた前記被検物の投影光軸方向の位置を、前記投影部による軸上色収差の影響により前記各ベース投影パターンの異なる合焦結像位置を含む各領域に分割し、前記撮像部により撮像された前記合成投影パターン撮像画像から得られた前記各ベース投影パターンの撮像画像を用いて、前記領域毎に前記被検物の投影光軸方向の位置を補正する形状補正部とを備えて構成される。

また、上記課題を解決して目的を達成するため、本発明に係る形状測定方法は、任意の波長帯域及び任意の位相の投影パターンを生成する投影パターン生成部と、被検物に前記投影パターン生成部により生成された前記投影パターンを投影する投影部と、前記投影パターンが投影された前記被検物を撮像する撮像部とを備えた形状測定装置を用いて前記被検物の三次元形状を測定する方法であって、前記投影パターン生成部により互いに異なる波長帯域を有し同一位相の２つ以上のベース投影パターンを生成し、さらに前記ベース投影パターンを合成して合成投影パターンを生成し、前記投影部により前記被検物に前記合成投影パターンを投影するステップと、前記撮像部により前記被検物に投影された前記合成投影パターンを撮像して合成投影パターン撮像画像を取得するステップと、前記撮像部により得られた前記合成投影パターン撮像画像から前記被検物の投影光軸方向の位置を演算し、前記投影光軸方向の位置を前記投影部による軸上色収差の影響により前記各ベース投影パターンの異なる合焦結像位置を含む各領域に分割するステップと、前記撮像部により撮像された前記合成投影パターン撮像画像から得られた前記各ベース投影パターンの撮像画像を用いて、前記領域毎に前記被検物の投影光軸方向の位置を演算するステップとを有して構成される。

以上説明したように構成される本発明によれば、互いに異なる波長帯域を有し同一位相の２つ以上のベース投影パターンからなる合成投影パターンを投影した被検物に対して、軸上色収差の影響により各ベース投影パターンの合焦結像位置が異なることを利用して、各合焦結像位置を含む領域毎に各ベース投影パターンの撮像画像から三角測量の原理に基づいて被検物の三次元形状を求める構成であり、被検物の表面全域に撮像光学系のフォーカスが合うようにして常に合焦位置で撮像画像を取得でき、計測精度の高い三次元形状測定装置を提供することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。本発明に係る三次元形状測定装置の概略構成を図１に示しており、まず、この形状測定装置について、図１を参照して説明する。

この形状測定装置は、光源１と、光源１からの光に縞模様を与えるための投影パターンマスク２と、投影パターンマスク２を通過した光源１からの光を被検物２０の表面に投影させる投影レンズ（群）３とからなるパターン投影部と、被検物２０からの反射光を撮像レンズ（群）４を介して撮像する撮像装置５からなる撮像部と、を有して構成される。

パターン投影部において、投影パターンマスク２は例えば液晶素子により構成され、投影パターン生成装置６により任意の波長帯域及び任意の位相の投影パターン（本実施形態では、正弦波状の赤色、緑色、青色縞パターンを生成する）を生成できる。これにより、光源１からの光をこの投影パターンマスク２を通過させ、投影レンズ３により集光させ、被検物２０の表面に投影パターンマスク２により形成された所望の投影パターンを投影させることができる。

撮像部は、被検物２０からの反射光を撮像レンズ４を介して被検物２０を撮像する撮像装置５（例えば、ＣＣＤカメラ）を備えている。撮像装置５により撮像された被検物２０の画像データは、演算処理装置７に送られ、ここで以下に説明する画像演算処理がなされ、被検物２０の表面形状測定が行われる。なお、パターン投影部、撮像部は一つのフレームにより一体に固定されて構成されており、被検物２０は図示しない支持台上に載置されて支持されている。

演算処理装置７は、撮像装置５により得られた撮像画像から被検物２０の投影光軸方向の位置を演算する形状演算部８と、被検物２０の投影光軸方向の位置毎において撮像装置５により得られた撮像画像内の最も合焦結像位置近くで撮像された画像データを用いて被検物２０の投影光軸方向の位置を演算する形状補正部９とを備える。

以上のように構成された形状測定装置を用いて被検物２０の形状測定を行う方法を、図２のフローチャートを参照して以下に説明する。

この測定に際しては、投影パターン生成装置６により投影パターンマスク２を、それぞれ異なる波長帯域を有し、それぞれ同じ位相の３つの投影パターン（正弦波状の赤色、緑色、青色投影パターン）を合成し３色合成投影パターンとして生成する（ステップＳ１）。光源１からの光を投影パターンマスク２（３色合成投影パターン）及び投影レンズ３を介して被検物２０に照射させて被検物２０の表面に３色合成投影パターンを投影する。このように投影されて発生する被検物２０の表面からの反射光は撮像レンズ４を介して集光され、撮像装置５により被検物２０の表面に投影された３色合成投影パターンを撮像する（ステップＳ２）。

これら撮像装置５による撮像は、投影パターンマスク２により形成された３色合成投影パターンの位相を変えて（例えば、図２に示すように０、９０、１８０、２７０ｄｅｇずつ位相がシフトしている）複数回行われて、一組の撮像画像群を得る。このようにして得られた画像データは、撮像装置５から演算処理装置７に送られる。

ここで、図３に示すように、光源１からの光を投影パターンマスク２（３色合成投影パターン）及び投影レンズ３を介して被検物２０に照射させて被検物２０の表面に３色合成投影パターンを投影すると、投影レンズ３における軸上色収差（投影レンズ３の焦点距離が光の波長帯域によって異なる）の影響により、被検物２０上の投影像面において各波長帯域の投影パターン（赤色、緑色、青色投影パターン）によって合焦結像位置が投影光軸方向（Ｚ方向）にずれる。赤色投影パターンの合焦結像位置をＺｒ，緑色投影パターンの合焦結像位置をＺｇ、青色投影パターンの合焦結像位置をＺｂとする。

緑色光の波長帯域（約５００〜５６０ｎｍ）は、赤色光の波長帯域（約６１０〜７５０ｎｍ）と青色光の波長帯域（約４３５〜４８０ｎｍ）の間の波長帯域にあり、被検物２０上の緑色投影パターンの合焦結像位置Ｚｇも、赤色投影パターンの合焦結像位置Ｚｒと青色投影パターンの合焦結像位置Ｚｂの間に位置する。

撮像装置５により得られた撮像画像データは、演算処理装置７内の形状演算部８において、画素毎に各波長帯域の光量を検出することができ、まず、緑色投影パターンにより得られた画像データ（０、９０、１８０、２７０ｄｅｇ）から全画素毎に三角測量の原理を用いて被検物２０の表面の基準平面（支持台表面）からの投影光軸方向の高さＨを演算する（ステップＳ３）。

図４に示すように、上記で得られた被検物２０の表面の支持台表面からの投影光軸方向の高さＨは、赤色投影パターンの合焦結像位置Ｚｒを含む領域（Ｈ＜ｈ１），緑色投影パターンの合焦結像位置Ｚｇを含む領域（ｈ１＜Ｈ＜ｈ２）、青色投影パターンの合焦結像位置Ｚｂを含む領域（Ｈ＞ｈ２）の３つの領域に分割することができる（ステップＳ４）。ここでｈ１＝（Ｚｒ+Ｚｇ）／２、ｈ２＝（Ｚｇ+Ｚｂ）／２として求める。

演算処理装置７内の形状補正部９において、緑色投影パターンにより得られた画像データから求めた各画素の被検物２０の表面の支持台表面からの投影光軸方向の高さＨにおいて、Ｈ＜ｈ１の各画素では、赤色投影パターンにより得られた画像データ（０、９０、１８０、２７０ｄｅｇ）から上記と同様にして各画素の被検物２０の表面の支持台表面からの投影光軸方向の高さを再演算する（ステップＳ５）。

また、緑色投影パターンにより得られた画像データから求めた各画素の被検物２０の表面の支持台表面からの投影光軸方向の高さＨにおいて、Ｈ＞ｈ２の各画素では、青色投影パターンにより得られた画像データ（０、９０、１８０、２７０ｄｅｇ）から上記と同様にして各画素の被検物２０の表面の支持台表面の投影光軸方向の高さを再演算する（ステップＳ６）。

緑色投影パターンにより得られた画像データ（０、９０、１８０、２７０ｄｅｇ）から求めた被検物２０の表面の支持台表面からの投影光軸方向の高さＨと、Ｈ＜ｈ１の各画素では赤色投影パターンにより得られた画像データ（０、９０、１８０、２７０ｄｅｇ）から再演算した被検物２０の表面の支持台表面からの投影光軸方向の高さと、Ｈ＞ｈ２の各画素では青色投影パターンにより得られた画像データ（０、９０、１８０、２７０ｄｅｇ）から再演算した被検物２０の表面の支持台表面からの投影光軸方向の高さにより、被検物２０の形状を求めることができる（ステップＳ７）。

以上のようにして、３色合成投影パターンを投影した被検物２０を撮像して得られた撮像画像群において、緑色投影パターンにより得られた画像データから求めた各画素の被検物２０の投影光軸方向の高さＨに対し、赤色投影パターンもしくは青色投影パターンの合焦結像位置を含む領域においては赤色投影パターンにより得られた画像データもしくは青色投影パターンにより得られた画像データにより被検物２０の投影光軸方向の高さを再演算することで被検物２０の形状測定が行われる。

したがって、被検物２０の投影光軸方向の高さにおいて、各波長帯域の投影パターンの結像合焦位置に近い領域（被写界深度内）毎に、それぞれの波長帯域の投影パターンにより被検物２０の投影光軸方向の高さを求めているので、合焦位置での画像データを取得することができ正確な被検物２０の形状測定を行うことができる。

投影光軸方向（Ｚ方向）に被検物２０又は撮像部を光軸方向に走査を行って合焦位置での画像データを取得することもできるが、時間的な変化、可動部での振動等により測定精度の低下や測定時間がかかるなどの問題があり、本発明における軸上色収差よる各波長帯域の合焦結像位置のずれを利用して合焦位置での画像データを得し、精度の高い形状測定を行う方法は有効である。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内において種々の変形が可能である。

本発明の実施形態に係る三次元形状測定装置の構成を示す概略構成説明図である。 上記本発明に係る形状測定方法を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る各波長帯域の投影パターンの合焦結像位置を示す図である。 本発明の実施形態に係る被検物の形状と上記各合焦結像位置を含む領域との位置の対応を示す図である。 従来の形状測定装置の構成を示す概略構成説明図である。

符号の説明

１ 光源 ２ 投影パターンマスク
３ 投影レンズ ４ 撮像レンズ
５ 撮像装置 ６ 投影パターン生成装置
７ 演算処理装置 ８ 形状演算部
９ 形状補正部 ２０ 被検物

Claims (2)

1. 任意の波長帯域及び任意の位相の投影パターンを生成すると共に、互いに異なる波長帯域を有し同一位相の２つ以上のベース投影パターンを生成し、さらに前記ベース投影パターンを合成して合成投影パターンを生成する投影パターン生成部と、
   被検物に前記投影パターン生成部により生成された前記合成投影パターンを投影する投影部と、
   前記合成投影パターンが投影された前記被検物を撮像する撮像部と、
   前記撮像部により撮像して得られた合成投影パターン撮像画像から前記被検物の投影光軸方向の位置を演算する形状演算部と、
   前記形状演算部により得られた前記被検物の投影光軸方向の位置を、前記投影部による軸上色収差の影響により前記各ベース投影パターンの異なる合焦結像位置を含む各領域に分割し、前記撮像部により撮像された前記合成投影パターン撮像画像から得られた前記各ベース投影パターンの撮像画像を用いて、前記領域毎に前記被検物の投影光軸方向の位置を補正する形状補正部と、
   を備える形状測定装置。
2. 任意の波長帯域及び任意の位相の投影パターンを生成する投影パターン生成部と、被検物に前記投影パターン生成部により生成された前記投影パターンを投影する投影部と、前記投影パターンが投影された前記被検物を撮像する撮像部とを備えた形状測定装置を用いて前記被検物の三次元形状を測定する方法であって、
   前記投影パターン生成部により互いに異なる波長帯域を有し同一位相の２つ以上のベース投影パターンを生成し、さらに前記ベース投影パターンを合成して合成投影パターンを生成し、前記投影部により前記被検物に前記合成投影パターンを投影するステップと、
   前記撮像部により前記被検物に投影された前記合成投影パターンを撮像して合成投影パターン撮像画像を取得するステップと、
   前記撮像部により得られた前記合成投影パターン撮像画像から前記被検物の投影光軸方向の位置を演算し、前記投影光軸方向の位置を前記投影部による軸上色収差の影響により前記各ベース投影パターンの異なる合焦結像位置を含む各領域に分割するステップと、
   前記撮像部により撮像された前記合成投影パターン撮像画像から得られた前記各ベース投影パターンの撮像画像を用いて、前記領域毎に前記被検物の投影光軸方向の位置を演算するステップと、
   を有し前記被検物の三次元形状を求めることを特徴とする形状測定方法。

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