JP2008286743A - 計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被検物の表面に溝や段差があっても計測が可能な計測装置を提供すること。
【解決手段】被検物（被検物５０）にパターン光を投影するパターン投影部（液晶素子４１、投影レンズ４２、バックライト４４）と、前記パターン光の一部を変調させるパターン変調部（パターン発生回路２０中の点滅データ発生回路２２）と、前記被検物に投影された前記パターン光の投影像（投影パターン６０）を撮影するパターン撮影部（撮影カメラ４３）と、前記投影像から前記パターン変調部によって変調された領域（点滅部分６０ｃ）を検出する変調領域検出部（パターン処理回路３０中の点滅部検出回路３１）と、前記変調領域検出部によって検出された変調領域の情報に基づいて前記被検物の形状を計測する形状計測部（パターン処理回路３０中の断面形状計測回路３２）と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は被検物の３次元形状を非接触で測定する計測装置に関する。

３次元形状を非接触で計測する場合、被検物の表面に光を照射してその反射光を撮影して行うが、この際、効率的に計測するためには、複数本のマークを配したパターン光を被検物の表面に照射する必要がある。

このような計測装置として、例えば、明暗の平行な縞模様のパターン光を被検物に投影してその被検物の表面の縞模様を撮影し、その撮影された縞模様の左右いずれかの端から順番に明暗の境界を1本ずつ検出して、その形状から被検物の3次元形状を計測する装置が提案されている（特許文献１参照）。
特許第２８５９９４６号公報

被検物の表面形状がなだらかに変化する場合には何ら支障がないものの、被検物の表面にある凹凸部分や溝でその端部に略鋭角に近い段差があると、その段差の前後の縞模様が途切れる。この結果、明暗の境界の順番が分かりにくくなる。特に、段差が大きいと（凸部分の高さや凹部分の深さが大きい場合には）、明暗の境界の順番が全く不明となる。このように明暗の境界の順番が不明となると、被検物の連続した3次元形状の計測が出来なくなる課題があった。

本発明は、被検物の表面に段差があっても３次元形状の計測が可能な計測装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の請求項１に記載の計測装置は、被検物にパターン光を投影するパターン投影部と、前記パターン光の一部を変調させるパターン変調部と、前記被検物に投影された前記パターン光の投影像を撮影するパターン撮影部と、前記投影像から前記パターン変調部によって変調された領域を検出する変調領域検出部と、前記変調領域検出部によって検出された変調領域の情報に基づいて前記被検物の形状を計測する形状計測部と、を備えることを特徴とする。

本発明の請求項２に記載の計測装置は、前記パターン変調部が前記パターン光の一部を時間的に変化させることを特徴する。

本発明の請求項３に記載の計測装置は、前記投影像は平行縞模様からなり、前記パターン光の一部の時間的変化によって前記平行縞模様の一部を点滅させることを特徴とする。

本発明の請求項４に記載の計測装置は、前記形状計測部が前記パターン変調部の変調動作に同期して前記被検物の形状を計測することを特徴とする。

本発明の請求項５に記載の計測装置は、前記点滅の周期が前記パターン撮影部の撮影の周期の整数倍であることを特徴とする。

本発明の請求項６に記載の計測装置は、前記パターン変調部が前記平行縞模様を構成する各縞模様が順次点滅するように前記パターン光の一部を変調させることを特徴とする。

本発明の請求項７に記載の計測装置は、前記形状計測部が、前記パターン撮影部の位置と、前記パターン投影部の位置と、前記パターン撮影部の光軸方向と、前記投影像の前記変調領域の形状とに基づいて、前記変調領域に対応する前記被検物の箇所の形状を演算によって求めることを特徴とする。

本発明によれば、被検物の表面に段差があっても３次元形状の計測が可能となる。

以下本発明の計測装置の一実施形態について図１を参照して説明する。

図１に示すように、計測装置１０は、被検物５０の表面に投影する白黒平行縞模様の投影パターン６０を発生するためのパターン発生回路２０と、投影された投影パターン６０を入力して処理するためのパターン処理回路３０と、計測部４０とを備える。

パターン発生回路２０は、被検物５０に投影する白黒平行縞模様の投影パターン６０の画像データを発生する回路と、固定パターン発生回路２１と、点滅データ発生回路２２とが設けられている。

固定パターン発生回路２１は、図２（ａ）に示すような、被検物５０の表面に投影された白黒平行縞模様の投影パターン６０の画像データを発生する回路である。同図（ａ）において、黒色部分６０ｂは光が当っていない箇所（光が遮断された箇所）を表し、白色部分６０ａは光が当っている箇所（光が照射された箇所）を表している。

被検物５０は、例えば、その平面上に直方体（凸部）５１が載っている形状で、この直方体５１の部分をまたぐ位置に投影された投影パターン６０の部分は、図２（ａ）に示すように直方体５１の上面（直方体の６つの面のうち、計測部４０の投影レンズ４２に最も近い面）と背景の平面との間にある段差によってこの上面と背景の平面との間で不連続になっている（図２（ａ）の上下方向にずれている）。このずれは直方体５１の高さに比例し、直方体５１の高さが大きいほど、ずれが大きくなる。

点滅データ発生回路２２は、固定パターン発生回路２１が発生した平行縞模様の投影パターン６０のうち、図２（ｂ）に示すような１本の黒色部分６０ｂの画像データを、計測部４０の撮影カメラ４３が被検物５０上の投影パターン６０を撮影する周期である１／３０秒の２倍の周期で点滅（１／３０秒で点灯し、続く１／３０で消灯する）する、画像データに変換する回路である。なお、この点滅周期は、撮影カメラ４３の撮影周期の２倍以上の整数倍なら何周期分でもよい。

点滅データ発生回路２２は、点滅する部分６０ｃ（黒色部分６０ｂであった箇所で、図２（ｂ）などにおいて点線により囲んだ箇所）の位置を、図２（ｂ）、（ｃ）などに示す矢印方向に順次移動させる。点滅を表す画像データは計測部４０に出力する。また、投影パターン６０の黒色部分６０ｂ（光の遮断）から白色部分６０ａ（光の照射）に変更する（黒色部分６０ｂが点滅部分６０ｃに変わる）タイミングと、白色部分６０ａ（光の照射）から黒色部分６０ｂ（光の遮断）に変更する（白色部分６０ａから点滅部分６０ｃに変わる）タイミングを、点滅タイミング信号としてパターン処理回路３０に出力する。

計測部４０は、通常の非接触３次元形状計測装置と同じように、点滅データ発生回路２２から出力された画像データが表すパターンを被検物５０に投影して、その被検物５０上に投影された投影パターン６０を撮影し、その画像データをパターン処理回路３０に出力する装置で、液晶素子４１と、上述した投影レンズ４２と、撮影カメラ（例えばＣＣＤを撮像素子として有するカメラ）４３とを備える。

液晶素子４１は、バックライト４４からの光を点滅データ発生回路２２からの画像データに基づいて部分的に遮断（遮光）と通過（照射）を繰り返すシャッターの働きをする。バックライト４４からの光は、液晶素子４１で画像データが表す、白色部分６０ａと黒色部分６０ｂを交互に配置した平行縞模様の投影パターン６０に変換されて、投影レンズ４２を介して被検物５０上に投影される。投影された投影パターン６０は、撮影カメラ４３によって撮影されて画像データに光電変換されて、パターン処理回路３０に出力される。

パターン処理回路３０は、撮影カメラ４３からの画像データと点滅データ発生回路２２からの点滅タイミング信号とをそれぞれ入力して被検物６０の３次元形状を現す３次元座標データを出力する回路で、点滅部検出回路３１と、断面形状計測回路３２と、形状合成回路３３とが設けられている。

点滅部検出回路３１は、撮影カメラ４３の撮影周期の連続する２周期分の画像データを撮影カメラ４３から入力して、平行縞模様の投影パターン６０の中から点滅している部分（図２（ｂ）、同図（ｃ）の点線で囲まれた点滅部分６０ｃ参照）を検出する回路である。撮影された平行縞模様の投影パターン６０は、前述のように、直方体５１の上面と背景の平面との間の段差によって不連続に分割されている（段差部分で分断されている）。点滅部検出回路３１は、分割され、点滅している平行縞模様の投影パターン６０中の点滅部分６０ｃのすべてを検出し、点滅部分６０ｃを表す点滅領域信号を、撮影カメラ４３が画像データを出力する周期と同じ周期で、断面形状計測回路３２に出力する。

断面形状計測回路３２は、点滅部検出回路３１からの点滅領域信号と点滅データ発生回路２２からの点滅タイミング信号とを入力して、点滅している平行縞模様の投影パターン６０中の点滅部分６０ｃが表す被検物５０の形状を計測する回路である。断面形状計測回路３２は、点滅タイミング信号が白色（光の照射）から黒色（光の遮断）に切り替える時点において、白色から黒色に明るさが変化する領域と、点滅タイミング信号が黒色（光の遮断）から白色（光の照射）に切り替える時点において、黒色から白色に明るさが変化する領域の両方を点滅領域（点滅部分６０ｃ）と判断する。

断面形状計測回路３２は、通常の三角測量と同様に、撮影カメラ４３の位置と、液晶素子４１の位置と、投影レンズ４２の光軸方向と、点滅している投影パターン６０中の点滅部分６０ｃの形状とに基づいて、点滅している点滅部分６０ｃが表す被検物６０の形状を演算によって求める。点滅している点滅部分６０ｃから得られる形状は、点滅データ発生回路２２が発生する１本の点滅する黒色部分６０ｂが被検物６０に投影された部分の形状である。従って、白色部分６０ａと点滅している投影パターン６０の黒色部分６０ｂとの境界位置にある、被検物６０の２つの断面形状が得られる。

上述したように、被検物５０の段差を投影パターン６０がまたぐために生じる、投影パターン６０の不連続になる領域であっても、被検物５０の連続した３次元形状を測定することができる。

形状合成回路３３は、断面形状計測回路３２が出力する複数の断面形状情報を、点滅する投影パターン６０中の点滅部分６０ｃが移動してゆく方向に関連付けて行くことで、被検物５０の３次元形状を合成する回路である。合成された３次元形状を表す３次元座標は中央制御回路７０に出力される。

中央制御回路７０は、計測装置１０全体の動作を制御する回路で、特に固定パターンデータ発生回路２１にパターン発生開始の制御信号を出力し、また形状合成回路３３から３次元形状を表す３次元座標情報を入力してこれを図示しないＣＡＤ装置などに出力する。

以上のように本実施形態の計測装置によれば、被検物５０の表面に大きな段差があっても、その３次元形状を計測することが可能である。

本実施形態では、投影パターン６０としての平行縞模様を、幅が比較的広い黒色部分６０ｂと同じく幅が比較的広い白色部分６０ａとで表現したが、これは説明の便宜上であって実際は黒色部分６０ｂと白色部分６０ａの幅は狭く形成される。黒色部分６０ｂと白色部分６０ａとの境目が判別できる限り、黒色部分６０ｂと白色部分６０ａの幅を可及的に狭くすること（殆ど線の状態にすること）が好ましい。これにより被検物５０の３次元形状をより高精度に計測することが可能となる。

なお、本実施形態の計測装置１０では、図２に示すように、黒色部分６０ｂの箇所を点滅させた場合を示したが、白色部分６０ａの箇所を点滅させるようにしてもよいことは勿論である。

また、投影パターン６０として黒色部分６０ｂと白色部分６０ａからなる白黒パターンから構成した場合を示したが、被検物５０の表面に形成された模様などと区別がつくならば濃淡パターンで構成するようにしてもよい。

また、投影パターン６０の一部を変調させるために点滅させる（時間的に変調させる）場合を示したが、これに限定されず、例えば移動させる（空間的に変調させる）ようにしてもよい。

また、撮影カメラ４３で投影パターン６０を撮影する場合を示したが、ビデオカメラを使用してもよい。ビデオカメラの場合、通常、１／３０秒毎に画像を取り込むようになっているので、１／３０秒間隔で変調（点滅）させることが必要である。

本発明の計測装置の一実施形態を示す概略図である。 被検物の表面に投影された投影パターンの変化を示す説明斜視図で、同図（ａ）は投影パターンの変化前の状態を示す説明斜視図、同図（ｂ）は投影パターンのうち、図面の一番上に位置する黒色部分が点滅する状態を示す説明斜視図、同図（ｃ）は投影パターンのうち、図面の二番目に上に位置する黒色部分が点滅する状態を示す説明斜視図である。

符号の説明

１０ 計測装置
２０ パターン発生回路
２１ 固定パターンデータ発生回路
２２ 点滅データ発生回路
３０ パターン処理回路
３１ 点滅部検出回路
３２ 断面形状計測回路
３３ 形状合成回路
４０ 計測部
４１ 液晶素子
４２ 投影レンズ
４３ 撮影カメラ
４４ バックライト
５０ 被検物
６０ 投影パターン
６０ａ 白色部分
６０ｂ 黒色部分

Claims (7)

1. 被検物にパターン光を投影するパターン投影部と、
   前記パターン光の一部を変調させるパターン変調部と、
   前記被検物に投影された前記パターン光の投影像を撮影するパターン撮影部と、
   前記投影像から前記パターン変調部によって変調された領域を検出する変調領域検出部と、
   前記変調領域検出部によって検出された変調領域の情報に基づいて前記被検物の形状を計測する形状計測部と、
   を備えることを特徴とする計測装置。
2. 請求項１に記載の計測装置において、
   前記パターン変調部は前記パターン光の一部を時間的に変化させることを特徴する計測装置。
3. 請求項２に記載の計測装置において、
   前記投影像は平行縞模様からなり、
   前記パターン光の一部の時間的変化によって前記平行縞模様の一部を点滅させることを特徴とする計測装置。
4. 請求項１ないし３の何れか一項に記載の計測装置において、
   前記形状計測部は前記パターン変調部の変調動作に同期して前記被検物の形状を計測することを特徴とする計測装置。
5. 請求項３又は４に記載の計測装置において、
   前記点滅の周期は前記パターン撮影部の撮影の周期の整数倍であることを特徴とする計測装置。
6. 請求項３ないし５の何れか一項に記載の計測装置において、
   前記パターン変調部は前記平行縞模様を構成する各縞模様が順次点滅するように前記パターン光の一部を変調させることを特徴とする計測装置。
7. 請求項１ないし６の何れか一項に記載の計測装置において、
   前記形状計測部は、前記パターン撮影部の位置と、前記パターン投影部の位置と、前記パターン撮影部の光軸方向と、前記投影像の前記変調領域の形状とに基づいて、前記変調領域に対応する前記被検物の箇所の形状を演算によって求めることを特徴とする計測装置。

Images