JP2008256484A - 形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定精度を向上させた形状測定装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る形状測定装置Ｍには、スリット光５が投影された被検物２０の像をスリット光５と略平行に延びる線状の像に圧縮して結像させるシリンドリカルレンズ１７と、シリンドリカルレンズ１７により結像された前記線状の像を検出するリニアセンサ１８とが設けられ、撮像部１０によって撮像された被検物２０の画像におけるスリット光５の位置情報に基づいて被検物２０の形状を測定する形状測定部１５は、リニアセンサ１８により検出された線状の像に含まれる投影パターンの位置情報に基づいて、被検物２０の画像におけるスリット光５の位置情報を補正する。
【選択図】図１

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。

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（例えば、特許文献１参照）があるが、被検物の表面にスリット光を投影し、当該スリット光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スリット光を撮像し、撮像された画像に対し画素毎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る。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。

その構成例を図６に示しており、投影部５１から直線状のスリット光５２が支持台５６上に載置された被検物５３の表面に投影され、このとき、被検物５３の表面に投影されたスリット光５２は被検物５３の表面三次元形状に応じて変形される。さらに、支持台５６はスリット光５２の延びる方向と異なる方向（例えば、図中の矢印の方向）に移動され、被検物５３表面でスリット光５２が所定間隔走査される毎に、スリット光５２が投影された被検物５３が投影方向と異なる角度から撮像レンズ５４を介して撮像装置５５（例えば、ＣＣＤセンサ）で撮像される。

撮像装置５５により撮像された撮像画像データは、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被検物表面の撮像画像データより、スリット光５２が延びる方向の画素毎に三角測量の原理等を用いて被検物表面の基準平面からの高さが算出され、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２００２−２５７５２８号公報

しかしながら、上述のような形状測定装置においては、測定精度が画素毎の分解能で決まってしまうため、撮像装置５５として主に用いられる２次元ＣＣＤでは、測定精度に限界があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、測定精度を向上させた形状測定装置を提供することを目的とする。

このような目的達成のため、本発明に係る形状測定装置は、所定の投影パターンを有したパターン光を被検物に投影する投影部と、前記投影部により投影された前記パターン光を前記被検物に対して相対移動させ、前記パターン光により前記被検物の表面を走査させる走査部と、前記パターン光が走査される前記被検物を観察する観察部と、前記観察された前記被検物における前記投影パターンの位置情報に基づいて前記被検物の形状を測定する形状測定部とを備え、前記パターン光が投影された前記被検物の像を前記投影パターンの延在方向と略平行に延びる線状の像に圧縮して結像させる像圧縮部と、前記パターン光が走査される毎に、前記像圧縮部により結像された前記線状の像を検出するリニアセンサとが設けられ、前記形状測定部は、前記リニアセンサにより検出された前記線状の像に含まれる前記投影パターンの位置情報に基づいて、前記被検物の形状を測定するようになっている。

なお、上述の発明において、前記観察部が前記被検物を観察する方向は、前記パターン光の長手方向から見て、前記投影部による前記パターン光の投影方向に対し傾斜するとともに、前記リニアセンサが前記像圧縮部を介して前記被検物の前記線状の像を検出する方向は、前記投影パターンの長手方向と直角な方向から見て、前記投影部による前記パターン光の投影方向に対し傾斜することが好ましい。

また、上述の発明において、前記観察部が前記被検物を観察する方向と、前記リニアセンサが前記像圧縮部を介して前記被検物の前記線状の像を検出する方向とが一致していることが好ましい。

また、上述の発明において、前記投影パターンは、前記パターン光の長手方向に対し輝度が正弦波状に変化する縞状のパターンであることが好ましい。

また、上述の発明において、前記観察部は、前記投影部により前記パターン光が投影された前記被検物の像を結像させる観察光学系と、前記観察光学系により結像された前記被検物の像を観察する観察器とを有して構成されており、前記観察器の観察面が前記観察光学系の光軸と直交する面に対し傾斜して配置され、前記観察面が前記観察光学系を介して前記被検物側で結像する焦点面は、前記投影部から前記被検物へ向けて前記パターン光が進む面上に配置されることが好ましい。

本発明によれば、測定精度を向上させることができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。本実施形態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を参照しながら説明する。この形状測定装置Ｍは、被検物２０が載置される支持台２と、支持台２に支持された被検物２０に直線状のスリット光５を投影する投影部１と、スリット光５が投影された被検物２０を撮像（観察）する撮像部１０と、撮像部１０により撮像（観察）された画像データに基づいて被検物２０の形状を測定する演算処理部１５とを主体に構成される。

投影部１は、内部構成を図示省略するが、光源からの照明光を受けて所定の投影パターンを有した直線状のスリット光５を生じさせるパターン発生部（図示せず）を有して構成される。スリット光５は、図２（ａ）に示すように、所定の幅（例えば０．５ｍｍ）を有する直線状に形成され、スリット光５の長手方向に対し輝度が正弦波状に変化する縞状の投影パターン６を有している。なお、パターン発生部は、投影パターンマスクや、シリンドリカルレンズ、細い帯状の切り欠きを有したスリット板等から構成され、（正弦波）パターンの位相が１２０度ずつ異なる３種類のスリット光５をそれぞれ切り替えて発生させることが可能である。

支持台２には、スリット光５の長手方向と略直角な方向に支持台２を移動させる駆動装置（図示せず）が設けられており、支持台２とともに被検物２０をスリット光５の長手方向と略直角な方向に移動させることで、投影部１により投影されたスリット光５を被検物２０に対し相対移動させて、スリット光５により被検物２０の表面を走査させることができるようになっている。また、支持台２上には、輝度校正部材３０が配設されている。なお、本実施形態において、説明容易化のため、図２（ａ）に示すようにスリット光５の長手方向をＸ方向と称し、スリット光５の長手方向と直角な方向、すなわちスリット光５による走査方向をＹ方向と称することにする。

撮像部１０は、投影部１によりスリット光５が投影された被検物２０の像を結像させる撮像光学系としての結像レンズ１１と、結像レンズ１１により結像された被検物２０の像を撮像する撮像器１３とを有して構成され、支持台２を駆動させてスリット光５が所定間隔走査される毎に被検物２０を撮像するようになっている。なお、被検物２０側から結像レンズ１１を透過した光の一部がハーフミラー１２を透過して撮像器１３に達し、残りがハーフミラー１２で反射して反射ミラー１６へ向かうようになっている。

撮像器１３は２次元ＣＣＤ等から構成され、撮像器１３の撮像面１３ａが結像レンズ１１の光軸と直交する面（結像レンズ１１の主平面）１１ａに対し傾斜して配置される。そのため、撮像面１３ａが結像レンズ１１（およびハーフミラー１２）を介して被検物２０側で結像する焦点面ＦＳは、撮像器１３の撮像面１３ａおよび結像レンズ１１の光軸と直交する面１１ａに対して傾斜するが、この焦点面ＦＳは、投影部１から被検物２０へ向けてスリット光５が進む面上に配置されている。

このように、撮像部１０がシャインプルーフの条件を満たすことで、撮像部１０で撮像されるスリット光５が常に合焦位置に位置することになるため、焦点深度を小さくして結像レンズ１１のＮＡを大きくする（例えば、１００ｍｍ程度の大きさの被検物２０に対して０．０２〜０．０３にする）ことが可能になる。そのため、撮像部１０で撮像される画像の解像度が向上してより鮮明となり、測定精度をより向上させることができる。

撮像部１０（撮像器１３）で撮像された被検物２０の２次元画像データは、演算処理部１５に送られ、ここで所定の画像演算処理がなされて被検物２０の表面の高さが算出され、被検物２０の三次元形状（表面形状）が求められる。このとき、演算処理部１５では、被検物２０の２次元画像において、被検物２０の凹凸に応じて変形したスリット光５の位置情報に基づき、スリット光５が延びる方向の画素毎に三角測量の原理を用いて被検物２０表面の基準平面からの高さが算出され、被検物２０の三次元形状を求める演算処理が行われる。

ところで、ハーフミラー１２で反射した結像レンズ１１からの光は、反射ミラー１６で反射してシリンドリカルレンズ１７に達し、シリンドリカルレンズ１７で被検物２０の像がスリット光５と略平行に延びる線状の像Ｌ（図２（ｂ）を参照）に圧縮されてリニアセンサ１８上に結像される。この線状の像Ｌは、被検物２０の像をＹ方向に圧縮した像であり、被検物２０の凹凸に応じたスリット光５の変形に拘わらず、図２（ｂ）に示すように、Ｘ方向（スリット光５の長手方向）に沿った投影パターン６の位置情報が含まれることになる。

リニアセンサ１８は１次元ＣＣＤ等から構成され、支持台２を駆動させてスリット光５が所定間隔走査される毎に、シリンドリカルレンズ１７により結像された線状の像Ｌを検出するようになっている。なお、リニアセンサ１８の長手方向は線状の像Ｌの長手方向と一致するように設定され、このとき、線状の像Ｌの幅がリニアセンサ１８の幅より小さくなるように設定されることが好ましい。また、リニアセンサ１８で検出された線状の像Ｌのデータは、演算処理部１５に送られる。

なお、本実施形態においては、ハーフミラー１２を用いることにより、撮像部１０が被検物２０を撮像する方向と、リニアセンサ１８がシリンドリカルレンズ１７を介して被検物２０の線状の像Ｌを検出する方向とが一致している。

そのため、図４に示すように、スリット光５の長手方向（Ｘ方向）から見て、撮像部１０の光軸が投影部１によるスリット光５の投影方向に対し（投影部１の光軸から鉛直方向を向く撮像部１０の光軸に向けて角度θだけ）傾斜しており、撮像部１０が被検物２０を撮像する方向は、投影部１によるスリット光５の投影方向に対し傾斜することになる。また、図５に示すように、スリット光５の長手方向と直角な方向（Ｙ方向）から見て、撮像部１０の光軸が投影部１によるスリット光５の投影方向に対し（鉛直方向を向く投影部１の光軸から角度δだけ）傾斜しており、リニアセンサ１８がシリンドリカルレンズ１７を介して被検物２０の線状の像Ｌを検出する方向は、投影部１によるスリット光５の投影方向に対し傾斜することになる。

次に、以上のように構成された形状測定装置Ｍによる被検物２０の形状測定方法について以下に説明する。まず、撮像部１０（撮像器１３）およびリニアセンサ１８の露光時間を決定するため、測定に先立って、投影部１により投影パターン６を有さない輝度が均一のスリット光５を被検物２０に投影する。次に、支持台２とともに被検物２０をＹ方向に移動させることで、投影部１により投影されたスリット光５を被検物２０に対し相対移動させて、スリット光５により被検物２０の表面を走査させる。このとき、支持台２上の輝度校正部材３０にもスリット光５が投影されるようにする。

被検物２０からの反射光の一部は、結像レンズ１１およびハーフミラー１２を透過して撮像器１３に達し、残りは結像レンズ１１を透過した後、ハーフミラー１２および反射ミラー１６で反射されてシリンドリカルレンズ１７によりリニアセンサ１８で結像する。そこで、支持台２を駆動させてスリット光５が所定間隔走査される毎に、リニアセンサ１８を用いてシリンドリカルレンズ１７により結像された線状の像を検出する。このとき、スリット光５の輝度は均一であり、リニアセンサ１８で検出される輝度情報は被検物２０や輝度校正部材３０の反射率に応じて変化することになるため、演算処理部１５は、リニアセンサ１８により検出された最大輝度と最小輝度とに基づいて、撮像部１０（撮像器１３）およびリニアセンサ１８の露光時間を決定する。

このように露光時間を決定すると、投影部１により、投影パターン６を有するスリット光５を被検物２０に投影する。次に、支持台２とともに被検物２０をＹ方向に移動させることで、投影部１により投影されたスリット光５を被検物２０に対し相対移動させて、スリット光５により被検物２０の表面を走査させる。なおこのとき、スリット光５が所定間隔走査される毎に、（正弦波）パターンの位相が１２０度ずつ異なる３種類のスリット光５をそれぞれ所定時間（リニアセンサ１８の露光時間）ずつ切り替えて投影するようにする。

被検物２０からの反射光の一部は、結像レンズ１１およびハーフミラー１２を透過して撮像器１３で結像するので、撮像器１３により、スリット光５が所定間隔走査される毎に被検物２０を撮像する。このとき、撮像器１３で撮像された被検物２０の２次元画像データは、演算処理部１５に送られる。

また、被検物２０からの反射光の（他の）一部は、結像レンズ１１を透過した後、ハーフミラー１２および反射ミラー１６で反射されてシリンドリカルレンズ１７に達し、シリンドリカルレンズ１７で被検物２０の像がスリット光５と略平行に延びる線状の像Ｌ（図２（ｂ）を参照）に圧縮されてリニアセンサ１８上に結像される。そこで、スリット光５が所定間隔走査される毎に、リニアセンサ１８を用いてシリンドリカルレンズ１７により結像された線状の像Ｌを検出する。このとき、リニアセンサ１８で検出された線状の像Ｌのデータは、演算処理部１５に送られる。

なおこのとき、スリット光５が所定間隔走査される毎に、（正弦波）パターンの位相が１２０度ずつ異なる３種類のスリット光５がそれぞれ所定時間（リニアセンサ１８の露光時間）ずつ切り替えて投影されており、リニアセンサ１８を用いて、パターンの位相が１２０度ずつ異なる３種類のスリット光５についてそれぞれ線状の像Ｌを検出する。なお、リニアセンサ１８なので検出を高速に行うことができ、例えば５０００画素のリニアセンサ１８を用いても１〜２秒程度で検出を完了することができる。またこのとき、撮像器１３でも露光が行われているが、１２０度ずつ位相のずれたパターン光なので輝度が平均化され、撮像器１３上では、輝度が均一なスリット光を用いた場合と同等の光切断像を得ることができる。

このようにして各データが演算処理部１５に送られると、演算処理部１５で所定の演算処理を行うことにより、リニアセンサ１８により検出された線状の像Ｌに含まれる投影パターン６の位置情報に基づいて、スリット光５が所定間隔走査される毎に撮像器１３で撮像された、被検物２０の２次元画像におけるスリット光５の位置情報を補正する。前述したように、リニアセンサ１８がシリンドリカルレンズ１７を介して被検物２０の線状の像Ｌを検出する方向は、スリット光５の長手方向と直角な方向（Ｙ方向）から見て、投影部１によるスリット光５の投影方向に対し傾斜している。そのため、投影パターン６を有するスリット光５を用いることにより、被検物２０の高さに応じたスリット光５のＹ方向の位置ずれが、線状の像Ｌ（すなわち、Ｘ方向）における投影パターン６の位相ずれとなって現れる。

リニアセンサ１８に用いられる１次元ＣＣＤの単位長さあたりの画素数は、撮像器１３に用いられる２次元ＣＣＤの単位長さあたりの画素数よりも多く、より細かい画素毎の情報を得ることが可能である。そこで、リニアセンサ１８により検出された線状の像Ｌに含まれる投影パターン６の位置情報、すなわち投影パターン６の位相ずれに基づいて、被検物２０の高さに応じたスリット光５のＹ方向の位置ずれ、すなわちＸ方向位置に対するスリット光５のＹ方向位置を画素毎に算出し、図３に示すように、撮像器１３で撮像された２次元画像におけるスリット光５の画素毎の位置情報を増やすようにする。これにより、スリット光５の画素毎の位置情報を曲線近似したときに、近似の精度を向上させることができるため、スリット光５の検出精度が増して形状の測定精度を向上させることが可能になる。

なおこのとき、線状の像Ｌの情報から算出することができるのは、スリット光５同士の相対位置関係であるが、２次元画像におけるスリット光５の位置情報を用いることにより、スリット光５のＹ方向位置を算出することが可能である。そして、このように補正された（スリット光５が所定間隔走査される毎に撮像器１３で撮像された、被検物２０の２次元画像における）スリット光５の位置情報に基づいて、スリット光５が延びる方向の画素毎に、三角測量の原理を用いて被検物２０表面の基準平面からの高さを算出し、被検物２０の三次元形状を測定する。

この結果、本実施形態の形状測定装置Ｍによれば、リニアセンサ１８により検出された線状の像Ｌに含まれる投影パターン６の位置情報に基づいて、撮像器１３で撮像された被検物２０の２次元画像におけるスリット光５の位置情報を補正するため、（Ｘ方向における）画素毎の分解能を高めることが可能になり、形状測定装置Ｍの測定精度を向上させることができる。

なお、前述したように、撮像部１０が被検物２０を撮像する方向は、スリット光５の長手方向から見て、投影部１によるスリット光５の投影方向に対し傾斜するとともに、リニアセンサ１８がシリンドリカルレンズ１７を介して被検物２０の線状の像Ｌを検出する方向は、スリット光５の長手方向と直角な方向から見て、投影部１によるスリット光５の投影方向に対し傾斜することが好ましい。このようにすれば、撮像部１０による撮像とリニアセンサ１８による検出とを同時に行うことができ、測定時間を短縮することが可能になる。

また、撮像部１０が被検物２０を撮像する方向と、リニアセンサ１８がシリンドリカルレンズ１７を介して被検物２０の線状の像Ｌを検出する方向とが一致していることが好ましく、このようにすれば、同じ方向からスリット光５を検出することになるため、スリット光５の位置情報を容易に補正することができる。

また、投影パターン６は、スリット光５の長手方向に対し輝度が正弦波状に変化する縞状のパターンであることが好ましく、このような明暗のはっきりしたパターンを用いることで、線状の像Ｌに含まれる投影パターン６の位置情報を容易に知ることができる。

本発明に係る形状測定装置の概略構成図である。 （ａ）はスリット光の模式図であり、（ｂ）は線状の像の模式図である。 スリット光の画素毎の分布を示す模式図である。 投影部および撮像部をスリット光の長手方向から見た模式図である。 投影部および撮像部をスリット光の長手方向と直角な方向から見た模式図である。 従来における形状測定装置の概略構成図である。

符号の説明

Ｍ 形状測定装置 Ｌ 線状の像
１ 投影部 ２ 支持台（走査部）
５ スリット光（パターン光） ６ 投影パターン
１０ 撮像部（観察部）
１１ 結像レンズ（観察光学系）
１３ 撮像器（観察器） １３ａ 撮像面（観察面）
１５ 演算処理部
１７ シリンドリカルレンズ（像圧縮部） １８ リニアセンサ
２０ 被検物

Claims (5)

1. 所定の投影パターンを有したパターン光を被検物に投影する投影部と、
   前記投影部により投影された前記パターン光を前記被検物に対して相対移動させ、前記パターン光により前記被検物の表面を走査させる走査部と、
   前記パターン光が走査される前記被検物を観察する観察部と、
   前記観察された前記被検物における前記投影パターンの位置情報に基づいて前記被検物の形状を測定する形状測定部とを備え、
   前記パターン光が投影された前記被検物の像を前記投影パターンの延在方向と略平行に延びる線状の像に圧縮して結像させる像圧縮部と、
   前記パターン光が走査される毎に、前記像圧縮部により結像された前記線状の像を検出するリニアセンサとが設けられ、
   前記形状測定部は、前記リニアセンサにより検出された前記線状の像に含まれる前記投影パターンの位置情報に基づいて、前記被検物の形状を測定することを特徴とする形状測定装置。
2. 前記観察部が前記被検物を観察する方向は、前記パターン光の長手方向から見て、前記投影部による前記パターン光の投影方向に対し傾斜するとともに、
   前記リニアセンサが前記像圧縮部を介して前記被検物の前記線状の像を検出する方向は、前記投影パターンの長手方向と直角な方向から見て、前記投影部による前記パターン光の投影方向に対し傾斜することを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
3. 前記観察部が前記被検物を観察する方向と、前記リニアセンサが前記像圧縮部を介して前記被検物の前記線状の像を検出する方向とが一致していることを特徴とする請求項１もしくは請求項２に記載の形状測定装置。
4. 前記投影パターンは、前記パターン光の長手方向に対し輝度が正弦波状に変化する縞状のパターンであることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載の形状測定装置。
5. 前記観察部は、前記投影部により前記パターン光が投影された前記被検物の像を結像させる観察光学系と、前記観察光学系により結像された前記被検物の像を観察する観察器とを有して構成されており、
   前記観察器の観察面が前記観察光学系の光軸と直交する面に対し傾斜して配置され、
   前記観察面が前記観察光学系を介して前記被検物側で結像する焦点面は、前記投影部から前記被検物へ向けて前記パターン光が進む面上に配置されることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載の形状測定装置。

Images