JP2008185381A - Shape measuring system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光切断法を用いて工業製品等の被検物の三次元形状を測定する形状測定装置に関する。 The present invention relates to a shape measuring apparatus that measures a three-dimensional shape of a test object such as an industrial product using a light cutting method.
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や構成のものがあるが、被検物の表面にスリット光からなる投影パターンを投影し、投影パターンを被検物の表面全域に走査させつつ被検物に投影された投影パターンを撮像し、撮像された画像に対し、画素ごとに三角測量の原理を用いて被検物表面の高さを算出し、被検物表面の三次元形状を測定するものがあり、この方式による形状測定方法は一般に光切断法と称されている(例えば、特許文献1参照)。 Various techniques for measuring the surface shape of an object such as an industrial product have been proposed, and one of them is an optical three-dimensional shape measuring apparatus. There are various types of optical three-dimensional shape measuring apparatuses and configurations, but a projection pattern made of slit light is projected onto the surface of the test object, and the projection pattern is scanned over the entire surface of the test object. The projection pattern projected on the specimen is imaged, and the height of the specimen surface is calculated for each pixel using the principle of triangulation for each pixel, and the three-dimensional shape of the specimen surface is measured. The shape measuring method by this method is generally called a light cutting method (for example, see Patent Document 1).
図5に示すように、被検物105に投影されるスリット光Sは所定の幅dを有している。このため、スリット光Sが被検物105のエッジ部分に投影された場合には、スリット光Sの一部が被検物105側を照射し、残りの部分が被検物105の表面外側を抜けて被検物105を保持する支持台110側を照射することがある。これに対して撮像面132a上では、スリット基線方向における同じ位置に対して2本の投影パターンPP1,PP2が撮像されてしまい、このような画像に基づいて正確な形状測定を行うことが難しかった。
As shown in FIG. 5, the slit light S projected on the
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、所定幅を有するスリット光を被検物に投影して被検物の三次元形状を測定する形状測定装置において、被検物の形状測定を正確に行うことができるような形状測定装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of such problems, and in a shape measuring apparatus that measures a three-dimensional shape of a test object by projecting slit light having a predetermined width onto the test object, the present invention An object of the present invention is to provide a shape measuring apparatus capable of accurately performing shape measurement.
上記目的達成のため、本発明に係る形状測定装置は、所定幅を有して直線状に延びる少なくとも一本のスリット光からなる投影パターンを被検物に投影する投影部と、投影部により投影された投影パターンを被検物に対して相対移動させ、投影パターンにより被検物の表面を走査させる走査部と、スリット光が所定間隔走査される毎に被検物に投影された投影パターンを撮像する撮像部と、撮像部で撮像される投影パターン像のそれぞれに対し、スリット光の走査位置に応じて算定される3以上の変調係数をそれぞれ乗じて3以上の変調画像を取得し、同じ変調係数を乗じて取得された変調画像群をスリット光の走査方向に並べて合成して3以上の正弦波パターン投影画像を生成する画像生成部と、3以上の正弦波パターン投影画像から被検物の位相分布を算出し、位相分布に基づいて被検物の表面形状を測定する形状測定部とを有して構成される。 In order to achieve the above object, a shape measuring apparatus according to the present invention projects a projection pattern made of at least one slit light having a predetermined width and extending linearly onto a test object, and the projection unit projects the projection pattern. A scanning unit that moves the projected pattern relative to the test object and scans the surface of the test object with the projection pattern, and a projection pattern that is projected onto the test object every time the slit light is scanned at a predetermined interval. Multiply three or more modulation coefficients calculated according to the scanning position of the slit light for each of the imaging unit to be imaged and the projection pattern image captured by the imaging unit to obtain three or more modulation images, and the same An image generator for generating three or more sine wave pattern projection images by combining the modulation image groups obtained by multiplying the modulation coefficients in the scanning direction of the slit light, and testing from the three or more sine wave pattern projection images And the calculated phase distribution, and a shape measuring section for measuring the surface shape of the object based on the phase distribution.
なお、前記形状測定部は、前記撮像部で撮像された前記被検物の各像から高さ情報を算出し、前記位相分布と前記高さ情報とにより前記被検物の表面形状を測定するのが好ましい。 The shape measuring unit calculates height information from each image of the test object imaged by the imaging unit, and measures the surface shape of the test object based on the phase distribution and the height information. Is preferred.
また、前記撮像部は、前記被検物の像を結像させる撮像レンズ系と、前記撮像レンズ系により結像された像を撮影する撮像器とから構成され、前記撮像器の撮像面が前記撮像レンズ系の光軸に対して直行する面から傾斜して配置されており、前記撮像面が前記撮像レンズ系を介して前記被検物側において結像する焦点面が、前記投影パターンの投影切断面に一致するように前記パターン投影系を配置しているのが好ましい。 The imaging unit includes an imaging lens system that forms an image of the test object, and an imaging device that captures an image formed by the imaging lens system, and the imaging surface of the imaging device is the imaging surface. The focal plane on which the imaging plane is formed on the object side via the imaging lens system is arranged so as to project the projection pattern, and is inclined from a plane orthogonal to the optical axis of the imaging lens system. The pattern projection system is preferably arranged so as to coincide with the cut surface.
このような本発明に係る形状測定装置によると、スリット光からなる投影パターンを被検物の表面に走査させる構成でありながら、所定走査間隔ごとに撮像された投影パターン像から正弦波パターン投影画像を生成し、これらの投影画像から位相分布を算定して被検物の表面に対する形状測定を行っている。このため、スリット光が所定幅を有して図5に示す状況で投影パターンが投影されても、エッジ部分に相当する測定点に対して算出された位相分布から形状測定を正確に行うことができるようになる。 According to the shape measuring apparatus according to the present invention as described above, a sine wave pattern projection image is obtained from a projection pattern image captured at every predetermined scanning interval, while the projection pattern made of slit light is scanned on the surface of the test object. The shape of the surface of the test object is measured by calculating the phase distribution from these projection images. Therefore, even if the slit light has a predetermined width and the projection pattern is projected in the situation shown in FIG. 5, the shape measurement can be accurately performed from the phase distribution calculated for the measurement point corresponding to the edge portion. become able to.
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1は、被検物5を支持面10a上に載置して保持する支持台10と、支持台10に保持された被検物5にスリット状の投影パターンを投影するパターン投影系20と、被検物5からの反射光を撮像レンズ群31を介して撮像する撮像装置32を有した撮像系30と、撮像系30により撮像された画像データに基づいて被検物5の形状測定を行う演算処理装置40とを有して構成されている。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. FIG. 1 shows a schematic configuration of a shape measuring apparatus according to the present invention. First, the shape measuring apparatus will be described with reference to FIG. The shape measuring apparatus 1 includes a
パターン投影系20は、内部構成を図示略するが、光源からの照明光を受けて所定幅を有した1本のスリット光Sに整形するパターン形成部を有して構成されている。光源は、LED等からなり輝度が一定の照明光を照射する。パターン形成部は、例えばシリンドリカルレンズや、細い帯状の切り欠きを有したスリット板を有して構成される。このパターン投影系20により、図1の紙面直交方向に延びるスリット光Sが投影されると、スリット光Sがのって図1において直線状で示される投影切断面20aの断面輪郭線(投影パターン)が被検物5に投影される。
Although the internal configuration of the
撮像系30においては、撮像レンズ群31によって被検物5に投影された投影パターンの像が、CCD等の光電変換素子等が設けられた撮像装置32の撮像面32a上に結像される。撮像装置32により撮像された画像は、演算処理装置40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5の三次元形状測定が行われる。
In the
また、この撮像系30は、いわゆるシャインプルーフ光学系になっており、撮像レンズ群31の主平面31aが撮像系30の光軸30Lに対して直交する平面をなしている一方、撮像装置32の撮像面32aが光軸直交平面に対して傾斜して配置されており、撮像面32aと共役関係にあって撮像面32aが撮像レンズ群31を介して被検物5側において結像する焦点面30fが、光軸直交平面に対して傾斜されて主平面31aおよび撮像面32aと同軸上で交わっている。そして、この焦点面30fが投影切断面20aと一致されるように、撮像面32aやパターン投影系20が配置されている。したがって、この撮像系30においては、焦点面30fと一致されている投影切断面20aの断面輪郭線からの反射光、すなわち投影パターンを、投影されている部分の形状に関わらず常に合焦状態で撮像することができるようになっている。
The
また、パターン投影系20と撮像系30は、一つのフレームにより一体に固定されて構成されている。支持台10には、支持台10をフレームに対してパターン投影系20および撮像系30の光軸方向およびスリット基線方向と異なる方向に相対移動させる走査装置15が設けられている。このため、走査装置15によって支持台10を移動させながら支持台10に保持された被検物5に対して投影パターンを投影することにより、この投影パターンで被検物5の表面全域が走査される。なお、同じ作用を得るため、支持台10を固定してフレームを移動させるように走査装置を設けてもよい。また、走査装置15には、支持台10の移動方向、すなわち、スリット光の走査方向の位置を検出するためのエンコーダ等からなる位置検出器が設けられており、この検出値は演算処理装置40に出力されるように構成されている。
The
演算処理装置40は、撮像系30から送られた画像に基づき被検物5の表面全域に仮想的に正弦波パターンを投影したような画像(以下、正弦波パターン投影画像と称する)を生成する画像生成部41と、画像生成部41により生成された正弦波パターン投影画像に基づいて被検物5の形状を測定する形状測定部42とを有して構成されている。
The
以上のように構成された形状測定装置1を用いて被検物5の表面形状を測定する方法を説明する。この測定に際しては、被検物5を保持した支持台10を走査装置15により移動させながら、パターン投影系20によりスリット光Sを投影する。被検物5からの反射光は撮像レンズ群31を介して集光され、撮像装置32に入射して撮像面32aに合焦状態で撮像される。演算処理装置40は、位置検出器の検出値に基づいて、スリット光が所定間隔走査される毎に、撮像面32aに結像された画像を取得する。
A method for measuring the surface shape of the test object 5 using the shape measuring apparatus 1 configured as described above will be described. In this measurement, the slit light S is projected by the
このようにして撮像系30で撮像される画像を図2に例示している。投影パターンは所定の幅dを有しており、基準位置(支持台10の支持面10a)に対する被検物5の高さに応じて変形される。なお、従来知られるように三角測量の原理を用いて、被検物5の表面上の測定点の高さを、投影パターンの変形量δから求めることができる。すなわち、この変形量δは測定点に対する高さ情報として扱うことができる。
An image captured by the
そして、画像生成部41において、所定走査間隔毎に演算処理装置40に取得された各画像に対し、投影パターン像の輝度に、該投影パターン像が撮像されたスリット光の走査位置に応じて定まる第1〜第3変調係数(これは輝度を変更する係数である)をそれぞれ乗じて、第1〜第3変調画像が取得される。図3には、スリット光の走査位置に対する第1〜第3変調係数のマップα1,α2,α3を示している。これらのマップα1,α2,α3はそれぞれ同一ピッチの正弦曲線になっており、第1変調係数を定めるための第1マップα1に対し、第2変調係数を定めるための第2マップα2は位相が120度ずれたものになっており、第3変調係数を定めるための第3マップα3は位相が240度ずれたものになっている。
Then, the
このようにして各画像から取得された3つの変調画像は、演算処理装置40内の第1〜第3メモリに別個に記憶される。各画像において、第1変調係数を乗じて得られた第1変調画像はそれぞれ第1メモリに記憶され、第2変調係数を乗じて得られた第2変調画像はそれぞれ第2メモリに記憶され、第3変調係数を乗じて得られた第3変調画像はそれぞれ第3メモリに記憶される。
The three modulated images acquired from each image in this way are stored separately in the first to third memories in the
そして、画像生成部41において、各メモリに記憶された変調画像群が、走査方向に並べられて合成される。この合成により、従来の位相シフト法で行われていたように被検物の表面全域に対して正弦波パターンを投影したような3つの縞画像が得られる。図4には第1メモリに記憶された第1変調画像群を合成して生成された第1縞画像Iv1を例示している。この第1縞画像Iv1に対し、第2メモリに記憶された第2変調画像群を合成して生成された第2縞画像は、正弦波パターンの位相が120度ずれた画像となり、第3メモリに記憶された第3変調画像群を合成して生成された第3縞画像は、正弦波パターンの位相が240度ずれた画像となる。
Then, in the
このようにして得られた3つの縞画像を用いて、従来の位相シフト法と同様にして位相分布が算出され、算出された位相分布に基づいて被検物5の表面上の各測定点に対する高さが測定される。なお、この位相分布は、同一の測定点に対し、3つの縞画像のそれぞれから得られる3つの輝度値を用いて算出することができる。なお、位相分布を算出して高さを測定する方法においては、位相接続処理を行って形状を特定する必要がある。本構成例においては、縞画像の合成に用いられた各画像において、その投影パターンの変形量δを高さ情報として得ることができるため、位相分布とこの高さ情報とに基づいて、位相接続処理に係る演算処理を行うことなく、被検物5の形状を特定することが可能になる。 Using the three fringe images obtained in this way, a phase distribution is calculated in the same manner as in the conventional phase shift method, and each measurement point on the surface of the test object 5 is calculated based on the calculated phase distribution. Height is measured. This phase distribution can be calculated using the three luminance values obtained from each of the three fringe images for the same measurement point. In the method of calculating the phase distribution and measuring the height, it is necessary to perform the phase connection process and specify the shape. In this configuration example, since the deformation amount δ of the projection pattern can be obtained as height information in each image used for the synthesis of the fringe image, phase connection is performed based on the phase distribution and the height information. The shape of the test object 5 can be specified without performing a calculation process related to the process.
このように本構成例の形状測定装置1においては、所定幅を有するスリット光からなる投影パターンを被検物5の表面全域に走査する光切断法の態様をとる装置構成でありながら、投影パターンの走査間隔毎に取得された各像を変調し、変調された像を並べて合成することにより、正弦波パターンを投影したような縞画像を生成している。そして、この縞画像に基づいて位相分布を算定し、被検物の形状測定が行われる。このため、各測定点においてその測定点の輝度値に基づいて高さを測定することができるようになるため、所定幅を有したスリット光を投影しながらも、エッジ部分の形状測定を正確に行うことができるようになる。また、被検物5の表面に反射率条件が相違する部分があっても、同様にして各測定点ごとに形状測定を正確に行うことができるようになる。 Thus, in the shape measuring apparatus 1 of the present configuration example, the projection pattern is an apparatus configuration that takes the aspect of the light cutting method of scanning the entire surface of the object 5 with the projection pattern made of slit light having a predetermined width. Each image acquired at each scanning interval is modulated, and the modulated images are arranged and combined to generate a fringe image as if a sine wave pattern was projected. Then, the phase distribution is calculated based on the fringe image, and the shape of the test object is measured. For this reason, the height can be measured at each measurement point based on the luminance value of the measurement point, so that the shape of the edge portion can be accurately measured while projecting slit light having a predetermined width. Will be able to do. Further, even if there is a portion where the reflectance condition is different on the surface of the test object 5, the shape measurement can be accurately performed for each measurement point in the same manner.
また、撮像系30の焦点面30fが光軸30Lに対して直交する平面に対して傾斜され、パターン投影系20により投影されるスリット光Sの投影切断面20aと整合される。このため、被検物5に投影された投影パターンが、常に合焦状態で撮像されるようになる。このため、撮像系30の焦点深度を深くする必要がなくなり、撮像レンズ系の開口数を大きくとることができ、解像度が向上されて測定精度が向上される。
Further, the
これまで本発明に係る形状測定装置の実施形態について説明したが、本発明の範囲は必ずしも上記の構成に限られない。なお、仮想正弦波パターン投影画像を生成するにあたっては、撮像系30により撮像された投影パターンの像の輝度に対して変調係数を乗じる構成に限らず、パターン投影系の光源の輝度を支持台10の移動位置に応じた正弦波パターンに変調させる変調装置を設けて構成してもよい。この場合には、まず、第1の位相の正弦波パターンに沿って変調しながらスリット光を被検物の表面全域に走査し、同様にして順に第2、第3の位相の正弦波パターンに沿って変調しながらスリット光を被検物の表面全域に走査し、各走査時に得られた画像を合成する構成としてもよい。また、走査間隔ごとに支持台10aを間欠移動させ、支持台10の停止位置に応じて輝度を3つの位相パターンのそれぞれに沿って変調したスリット光を投影し、互いに輝度の異なる3つの投影パターンの像を取得し、得られた変調画像を合成する構成としてもよい。これにより、スリット光を被検物5の表面全域に走査する構成の形状測定装置を用いて位相分布を算出して被検物5の形状測定を行うことができるようになり、上記実施形態と同様にして被検物の形状測定を正確に行うことができるようになる。
Although the embodiment of the shape measuring apparatus according to the present invention has been described so far, the scope of the present invention is not necessarily limited to the above configuration. The generation of the virtual sine wave pattern projection image is not limited to the configuration in which the luminance of the projection pattern image captured by the
1 形状測定装置 5 被検物
10 支持台 20 パターン投影系
30 撮像系 40 演算処理装置
41 画像生成部 42 形状測定部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Shape measuring device 5
Claims (3)
前記投影部により投影された前記投影パターンを前記被検物に対して相対移動させ、前記投影パターンにより前記被検物の表面を走査させる走査部と、
前記スリット光が所定間隔走査される毎に前記被検物に投影された前記投影パターンを撮像する撮像部と、
前記撮像部で撮像される投影パターン像のそれぞれに対し、前記スリット光の走査位置に応じて算定される3以上の変調係数をそれぞれ乗じて3以上の変調画像を取得し、同じ変調係数を乗じて取得された変調画像群を前記スリット光の走査方向に並べて合成して3以上の正弦波パターン投影画像を生成する画像生成部と、
前記3以上の正弦波パターン投影画像から前記被検物の位相分布を算出し、前記位相分布に基づいて前記被検物の表面形状を測定する形状測定部と、を有して構成されることを特徴とする形状測定装置。 A projection unit for projecting a projection pattern made of at least one slit light having a predetermined width and extending linearly onto a test object;
A scanning unit that moves the projection pattern projected by the projection unit relative to the test object, and scans the surface of the test object using the projection pattern;
An imaging unit that images the projection pattern projected onto the test object each time the slit light is scanned at a predetermined interval;
Each of the projection pattern images picked up by the image pickup unit is multiplied by three or more modulation coefficients calculated according to the scanning position of the slit light to obtain three or more modulation images, and multiplied by the same modulation coefficient. An image generation unit that generates three or more sinusoidal pattern projection images by combining the modulation image groups acquired in the scanning direction of the slit light and combining them;
A shape measuring unit that calculates a phase distribution of the test object from the three or more sinusoidal pattern projection images and measures a surface shape of the test object based on the phase distribution. A shape measuring device.
前記撮像器の撮像面が前記撮像レンズ系の光軸に対して直行する面から傾斜して配置されており、前記撮像面が前記撮像レンズ系を介して前記被検物側において結像する焦点面が、前記投影パターンの投影切断面に一致するように前記パターン投影系を配置していることを特徴とする請求項1又は2に記載の形状測定装置。 The imaging unit includes an imaging lens system that forms an image of the test object, and an imaging device that captures an image formed by the imaging lens system,
The image pickup surface of the image pickup device is disposed to be inclined from a surface orthogonal to the optical axis of the image pickup lens system, and the image pickup surface is focused on the object side through the image pickup lens system. The shape measuring apparatus according to claim 1, wherein the pattern projection system is arranged such that a surface coincides with a projection cut surface of the projection pattern.
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- 2007-01-29 JP JP2007017285A patent/JP4858842B2/en active Active
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