JP2008309552A - 形状測定方法および形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被検物の測定手順を自動的に設定して被検物との干渉を防止した形状測定方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る形状測定方法は、パターン投影部を利用して投影光より明るい予備投影光を被検物に投影するとともに、撮像部を利用して予備投影光が投影された被検物を撮像し、予備投影光が投影された被検物の画像に基づいて被検物の三次元形状を予備測定する第１のステップ（Ｓ１０１〜Ｓ１０３）と、第１のステップで予備測定した被検物の三次元形状に基づいて、被検物に対する測定手順を設定する第２のステップ（Ｓ１０４）と、第２のステップで設定した測定手順に基づいて、被検物の三次元形状を本測定する第３のステップ（Ｓ１０５）とを有している。
【選択図】図４

Description

本発明は、工業製品等の表面形状（三次元形状）を測定する形状測定方法および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）を投影して被検物を撮像し、その撮像画像から各画像位置（各画素）での縞の位相を求めて各画像位置の高さを算出し、被検物の三次元形状を測定するものがある（例えば、特許文献１を参照）。

このような装置においては、例えば、被検物（測定対象物）の表面に縞パターンからなる投影パターンを投影し、投影方向と異なる角度から被検物に投影された縞パターンを撮像し、三角測量の原理等を用いて縞パターンの位相分布を算出し、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および投影レンズ５３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（例えば、ＣＣＤセンサ）により撮像されて、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を三角測量の原理等を用いて縞パターンの位相分布を算出し、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２０００−９４４４号公報

しかしながら、上述のような方法で一度に測定できる範囲は、最大でも撮像素子の視野範囲内であることから、広い範囲の測定を行う場合、投影レンズや撮像装置等といった光学系を変位させるため、光学系が被検物と干渉しないように測定手順を定める必要がある。そこで、従来においては、被検物全体の像を別の撮像装置で撮像していたが、別の撮像装置が必要になることで製造コストの上昇を招いていた。また、このような撮像装置を用いると、被検物の低反射領域等が「何もない」領域として認識される場合があり、上述の光学系が被検物と干渉するおそれがあった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、被検物の測定手順を自動的に設定して被検物との干渉を防止した形状測定方法および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方法は、被検物に所定のパターンを有した投影光を投影する投影部と、前記投影部により前記投影光が投影された前記被検物を撮像する撮像部とを備え、前記撮像部により撮像された前記被検物の画像に基づいて前記被検物の三次元形状を測定する形状測定装置を用いた形状測定方法であって、前記投影部を利用して前記投影光より明るい予備投影光を前記被検物に投影するとともに、前記撮像部を利用して前記予備投影光が投影された前記被検物を撮像し、前記予備投影光が投影された前記被検物の画像に基づいて前記被検物の三次元形状を予備測定する第１のステップと、前記第１のステップで予備測定した前記被検物の三次元形状に基づいて、前記被検物に対する測定手順を設定する第２のステップと、前記第２のステップで設定した前記測定手順に基づいて、前記被検物の三次元形状を本測定する第３のステップとを有している。

なお、上述の発明において、前記撮像部は、受光する光が明るくなるのに従って感度が低下する領域を有する撮像素子を有し、前記撮像素子を利用して前記被検物を撮像することが好ましい。

また、上述の発明において、前記形状測定装置は、前記投影部および前記撮像部を変位可能に保持する保持部を有し、前記保持部により前記投影部および前記撮像部を複数の測定位置に変位させて、前記被検物の部分的な三次元形状をそれぞれの前記測定位置で測定して組み合わせることにより、前記被検物全体の三次元形状を測定することができるように構成されており、前記第１のステップにおいて、前記撮像部における撮像倍率を低くすることで、前記撮像部により前記予備投影光が投影された前記被検物全体を撮像することが好ましい。

また、上述の発明において、前記投影部により前記投影光および前記予備投影光が投影されない状態の前記被検物を前記撮像部により撮像する第４のステップと、前記第４のステップで撮像された前記被検物の画像に基づいて、前記第１のステップでの前記撮像部による前記被検物の撮像時間を設定する第５のステップとを有することが好ましい。

また、本発明に係る形状測定装置は、被検物に所定のパターンを有した投影光を投影する投影部と、前記投影部により前記投影光が投影された前記被検物を撮像する撮像部と、前記投影光よりも明るい予備投影光を前記被検物に投影する予備投影部と、前記予備投影部により前記予備投影光が投影された前記被検物を撮像する予備撮像部と、前記撮像部により撮像された像に基づいて前記被検物の三次元形状を測定する測定部と、前記予備撮像部により撮像された像から前記投影部の投影条件を設定する設定部とを備えて構成される。

なお、上述の発明において、前記撮像部と前記予備撮像部とが同一部材であることが好ましい。

また、上述の発明において、前記投影部と前記予備投影部とが同一部材であることが好ましい。

本発明によれば、被検物との干渉を防止することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。本実施形態に係る形状測定方法が用いられる三次元形状測定装置の概略構成を図２に示しており、まず、この形状測定装置について、図２を参照しながら説明する。形状測定装置Ｍは、被検物１０に所定の投影パターンを有した投影光を投影するパターン投影部ＭＡと、パターン投影部ＭＡにより投影光が投影された被検物１０を撮像する撮像部ＭＢと、パターン投影部ＭＡおよび撮像部ＭＢを変位可能に保持する保持部ＭＣとを主体に構成される。なお、被検物１０は、ステージＭＳ上に載置される。

そして、この形状測定装置Ｍは、撮像部ＭＢにより撮像された被検物１０の画像に基づいて、演算処理装置９により被検物１０の三次元形状を算出して測定するようになっている。また、被検物１０が比較的（投影パターンの大きさよりも）大きい場合、保持部ＭＣによりパターン投影部ＭＡおよび撮像部ＭＢを複数の測定位置に変位させて、被検物１０の部分的な三次元形状をそれぞれの測定位置で測定して組み合わせることにより、被検物１０全体の三次元形状を測定することができるようになっている。

図１に示すように、パターン投影部ＭＡ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からの光を投影光として被検物１０の表面に投影させる投影レンズ３とから構成される。撮像部ＭＢは、撮像レンズ６と、この撮像レンズ６を介して被検物１０からの反射光を撮像する撮像素子７とを有して構成される。

パターン投影部ＭＡにおいて、投影パターンマスク２は、液晶素子等により構成され、液晶素子と電気的に接続された表示制御部８からの制御信号を受けて、任意の形状およびピッチのパターン（例えば、正弦波状の縞模様パターンや、格子状パターン等）を形成することができるようになっている。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に通過させ、投影レンズ３により集光させることで、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被検物１０の表面に投影させることができる。

撮像部ＭＢにおいて、撮像素子７は、被検物１０からの光を受けて被検物１０を撮像するＣＣＤやＣＭＯＳ等のイメージセンサから構成される。そして、撮像素子７により撮像された被検物１０の画像データは、演算処理装置９に送られ、ここで所定の画像演算処理がなされて被検物１０の表面の高さが算出され、被検物１０の三次元形状（表面形状）が求められる。なお、図３に示すように、撮像素子７は、明るさの低い低輝度領域において直線形に出力が増加する一方、比較的明るい高輝度領域において対数形に出力が増加する特性を有しており、受光する光が明るくなるのに従って感度が低下するようになっている。また、図１に示すように、撮像部ＭＢには、変倍レンズ５が撮像部ＭＢの光軸に対して挿抜可能に取り付けられており、撮像部ＭＢの光軸に変倍レンズ５を挿入することで、撮像部ＭＢの撮像倍率を低くできるようになっている。

図２に示すように、保持部ＭＣは、回転および揺動自在なロボットアームＲＡと、ロボットアームＲＡの先端に取り付けられてパターン投影部ＭＡおよび撮像部ＭＢを収容保持するケース部ＲＢとを有して構成される。そして、ロボットアームＲＡの回転および揺動に応じて、パターン投影部ＭＡおよび撮像部ＭＢを三次元的に変位させることができるようになっている。

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１０の形状測定方法について、図４に示すフローチャートを参照しながら以下に説明する。まず、ステップＳ１０１において、パターン投影部ＭＡからの投影光量を０にした状態、すなわち環境光の下で撮像部ＭＢにより被検物１０を撮像する。このとき、撮像部ＭＢの光軸に変倍レンズ５を挿入し、撮像部ＭＢの撮像倍率を低くしておく。そのため、被検物１０からの光は、変倍レンズ５および撮影レンズ６を通過して撮像素子７で結像し、撮像素子７により、環境光の下での被検物１０全体の像が撮像されて第１の測定画像が取得される。

このようにして得られた測定画像データは、撮像素子７から演算処理装置９に送られ、演算処理装置９により、投影光量が０の状態での被検物１０の輝度が撮像素子７における飽和輝度の２０％になるように、後のステップＳ１０２におけるシャッター時間（すなわち、撮像時間）を設定する。このように、投影光（後述の予備投影光も含む）が投影されない状態の被検物１０の測定画像データに基づいて、ステップＳ１０２における被検物１０の撮像時間を設定することで、外乱光（環境光）の影響を受けることなく、後述の予備測定（ステップＳ１０２〜Ｓ１０３）において被検物１０の暗部の概形を算出することが可能になる。なお、この２０％というのは一例であって、制御システムによっては飽和輝度の５０％くらいまで上げてもよい。

次に、ステップＳ１０２において、パターン投影部ＭＡにより投影光量を最大にした（縞模様の投影パターンを有する）予備投影光を被検物１０に投影し、当該予備投影光が投影された被検物１０を撮像部ＭＢにより撮像する。このとき、光源１からの光が投影パターンマスク２および投影レンズ３を介して被検物１０に照射され、投影レンズ３を介して集光された被検物１０からの反射光は、変倍レンズ５および撮影レンズ６を通過して撮像素子７で結像し、撮像素子７により被検物１０全体の像が撮像されて第２の測定画像が取得される。このように、変倍レンズ５により撮像部ＭＢおける撮像倍率を低くして、予備投影光が投影された被検物１０全体を撮像することで、予備測定においてパターン投影部ＭＡおよび撮像部ＭＢを変位させる必要がなくなることから、被検物１０との干渉をより確実に防止することができる。

このようにして得られた測定画像データは、撮像素子７から演算処理装置９に送られる。なお、三角測量の原理を用いる場合、位相接続のため、撮像部ＭＢによる投影パターンの撮像は、投影パターンマスク２により投影パターンのピッチ（縞模様の間隔）を変えて複数回行われ、一組の測定画像データ群が取得される。

このようにして測定画像データが送られると、ステップＳ１０３において、演算処理装置９で所定の演算処理を行うことにより、ステップＳ１０２で取得された測定画像データに基づいて、三角測量の原理等を用いて被検物１０の表面の高さを算出し、被検物１０に対する三次元形状（表面形状）の予備測定を行う。この予備測定により、被検物１０の概形を算出することができる。

なお、被検物１０における高反射領域においては、通常の投影光よりも明るい予備投影光により、撮像素子７で受光される光の輝度が高輝度領域（すなわち、感度の低い領域）となる。そのため、形状演算のために（対数から）通常の振幅に変換すると、実質的に量子化誤差が大きく、比較的精度の低い測定値が得られる。一方、低反射領域においては、撮像素子７で受光される光の輝度が低輝度領域（すなわち、通常の感度の領域）となるため、通常の精度で測定値を算出することができる。このように、高輝度領域での感度を低くすることで、結果的に測定精度は低くなるが、高輝度領域での輝度を定量的に検出することができるため、後のステップ（ステップＳ１０４）において、被検物１０における高輝度領域での最適な露光量（例えば、撮像時間等）を設定することが可能になる。

次に、ステップＳ１０４において、ステップＳ１０３で予備測定した被検物１０の三次元形状に基づいて、ティーチングを行う。なお、被検物１０を測定するため、パターン投影部ＭＡおよび撮像部ＭＢは適当な測定位置および角度に保持される必要があり、この測定位置および角度を設定する過程を本実施形態においてティーチングと呼ぶことにする。このティーチングでは、形状測定装置Ｍの測定レンジが既知であるので、ステップＳ１０３で得られた被検物１０の概形情報（三次元形状）に基づいて、パターン投影部ＭＡおよび撮像部ＭＢと被検物１０との干渉がないように、測定位置および角度、測定経路等といた測定手順を自動的に設定することができる。

次に、ステップＳ１０５において、撮像部ＭＢの光軸上から変倍レンズ５を抜去して、撮像部ＭＢの撮像倍率を高くした後、ステップＳ１０４で設定した測定手順に基づいて、被検物１０に対する三次元形状の本測定を行う。このとき、パターン投影部ＭＡにより縞模様の投影パターン（正弦波状の縞模様パターン）を有する投影光を被検物１０に投影し、当該投影光が投影された被検物１０を撮像部ＭＢにより撮像する。すなわち、光源１からの光が投影パターンマスク２および投影レンズ３を介して被検物１０に照射され、投影レンズ３を介して集光された被検物１０からの反射光は、投影レンズ３を通過して撮像素子７で結像し、撮像素子７により被検物１０の像が撮像されて第３の測定画像が取得される。

そして、このようにして得られた測定画像データは、撮像素子７から演算処理装置９に送られ、取得された測定画像データに基づいて、三角測量の原理等を用いて被検物１０の表面の高さを算出し、被検物１０の三次元形状（表面形状）を測定する。なお、三角測量の原理を用いる場合、位相接続のため、撮像部ＭＢによる投影パターンの撮像は、投影パターンマスク２により投影パターンのピッチ（縞模様の間隔）を変えて複数回行われ、一組の測定画像データ群が取得される。

このように、本実施形態の形状測定方法によれば、通常の投影光よりも明るい予備投影光を用いた予備測定で得られる被検物１０の三次元形状に基づいて、被検物１０に対する測定手順を設定し、この測定手順に基づいて被検物１０の三次元形状を本測定することから、従来見落としがあった被検物１０の低反射領域も認識が容易になり、形状測定装置Ｍが被検物１０と干渉するのを未然に防止することができる。

なお、上述の実施形態において、撮像素子７は、明るさの低い低輝度領域において直線形に出力が増加する一方、比較的明るい高輝度領域において対数形に出力が増加する特性を有しているが、これに限られるものではなく、感度の異なる２つの撮像素子（カメラ）を用意して輝度に応じて切り替えるようにしてもよい。

パターン投影部および撮像部の概略構成図である。 本発明に係る形状測定方法に用いられる形状測定装置の概略構成図である。 撮像素子の特性を示すグラフである。 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。 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 ＭＡ パターン投影部
ＭＢ 撮像部 ＭＣ 保持部
５ 変倍レンズ １０ 被検物

Claims (7)

1. 被検物に所定のパターンを有した投影光を投影する投影部と、前記投影部により前記投影光が投影された前記被検物を撮像する撮像部とを備え、前記撮像部により撮像された前記被検物の画像に基づいて前記被検物の三次元形状を測定する形状測定装置を用いた形状測定方法であって、
   前記投影部を利用して前記投影光より明るい予備投影光を前記被検物に投影するとともに、前記撮像部を利用して前記予備投影光が投影された前記被検物を撮像し、前記予備投影光が投影された前記被検物の画像に基づいて前記被検物の三次元形状を予備測定する第１のステップと、
   前記第１のステップで予備測定した前記被検物の三次元形状に基づいて、前記被検物に対する測定手順を設定する第２のステップと、
   前記第２のステップで設定した前記測定手順に基づいて、前記被検物の三次元形状を本測定する第３のステップとを有していることを特徴とする形状測定方法。
2. 前記撮像部は、受光する光が明るくなるのに従って感度が低下する領域を有する撮像素子を有し、前記撮像素子を利用して前記被検物を撮像することを特徴とする請求項１に記載の形状測定方法。
3. 前記形状測定装置は、前記投影部および前記撮像部を変位可能に保持する保持部を有し、前記保持部により前記投影部および前記撮像部を複数の測定位置に変位させて、前記被検物の部分的な三次元形状をそれぞれの前記測定位置で測定して組み合わせることにより、前記被検物全体の三次元形状を測定することができるように構成されており、
   前記第１のステップにおいて、前記撮像部における撮像倍率を低くすることで、前記撮像部により前記予備投影光が投影された前記被検物全体を撮像することを特徴とする請求項１もしくは請求項２に記載の形状測定方法。
4. 前記投影部により前記投影光および前記予備投影光が投影されない状態の前記被検物を前記撮像部により撮像する第４のステップと、
   前記第４のステップで撮像された前記被検物の画像に基づいて、前記第１のステップでの前記撮像部による前記被検物の撮像時間を設定する第５のステップとを有す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方法。
5. 被検物に所定のパターンを有した投影光を投影する投影部と、
   前記投影部により前記投影光が投影された前記被検物を撮像する撮像部と、
   前記投影光よりも明るい予備投影光を前記被検物に投影する予備投影部と、
   前記予備投影部により前記予備投影光が投影された前記被検物を撮像する予備撮像部と、
   前記撮像部により撮像された像に基づいて前記被検物の三次元形状を測定する測定部と、
   前記予備撮像部により撮像された像から前記投影部の投影条件を設定する設定部とを備えて構成されることを特徴とする形状測定装置。
6. 前記撮像部と前記予備撮像部とが同一部材であることを特徴とする請求項５に記載の形状測定装置。
7. 前記投影部と前記予備投影部とが同一部材であることを特徴とする請求項５もしくは請求項６に記載の形状測定装置。

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