JP2009019941A - 形状測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多重反射の影響を排除して測定精度を向上させ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、位相シフト法により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、互いに異なる位相を有する縞模様の投影パターンがそれぞれ投影された被検物の複数の画像情報に基づいて、被検物の画像における投影パターンの多重反射の影響を排除する第１のステップ（Ｓ１０１〜Ｓ１０５）と、第１のステップで多重反射の影響を排除した被検物の画像に基づいて、被検物の三次元形状を測定する第２のステップ（Ｓ１０６〜Ｓ１０７）とを有している。
【選択図】図２

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６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、このような形状測定方法においては、被検物の表面が金属表面等の光沢面である場合、被検物の形状によっては、他の面に投影されたパターン像が多重反射を起こして、本来測定される面のパターン像に映りこみ、測定精度が低下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、多重反射の影響を排除して測定精度を向上させた形状測定方法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、周期的な縞模様を有する投影パターンを被検物に投影するパターン投影部と、前記パターン投影部により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、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位相シフト法により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、互いに異なる位相を有する前記縞模様の前記投影パターンがそれぞれ投影された前記被検物の複数の画像情報に基づいて、前記被検物の画像における前記投影パターンの多重反射の影響を排除する第１のステップと、前記第１のステップで前記多重反射の影響を排除し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第２のステップとを有している。

なお、上述の発明では、前記第１のステップにおいて、前記被検物の前記複数の画像情報に基づいて、前記多重反射を行った前記投影パターンの位相を算出し、前記パターン投影部により、算出した前記位相に相当する部分を減光もしくは消光させた前記投影パターンを前記被検物に投影し、前記撮像部により、前記減光もしくは消光させた前記投影パターンが投影された前記被検物を撮像して、前記多重反射の影響を排除した前記被検物の画像を得るようにすることが好ましい。

本発明によれば、多重反射の影響を排除して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、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１０の表面に投影させる投影レンズ３とからなるパターン投影部ＭＡと、被検物１０からの反射光を撮像レンズ６を介して撮像する撮像装置７からなる撮像光学系ＭＢ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（本実施形態においては、輝度分布が正弦波関数となる周期的な縞模様パターンＰＴＮ）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ＰＴＮを被検物１０の表面に投影させることができる。

撮像光学系ＭＢにおいて、撮像装置７は、被検物１０からの光を受けて被検物１０を撮像するＣＣＤカメラ等から構成され、被検物１０で反射した投影パターンＰＴＮの像を撮像できるようになっている。また、撮像装置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。

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２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により縞模様の投影パターンＰＴＮ（正弦波状の縞模様パターン）を被検物１０に投影し、投影パターンＰＴＮ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、被検物１０からの反射光が撮像レンズ６を介して撮像素子７で結像し、撮像素子７により投影パターンＰＴＮが投影された被検物１０の像が撮像されて被検物１０の測定画像が取得される。

なお、本実施形態においては、表示制御部８および投影パターンマスク２により位相を変えた５種類の投影パターンＰＴＮについて、パターン投影された被検物１０の像を撮像するため、次のステップＳ１０２において、５種類の投影パターンＰＴＮの全てを被検物１０に投影したか否かを判定する。ここで、位相を変えた５種類の投影パターンＰＴＮとは、図５に示すように、基準の縞模様パターンおよび、この縞模様パターンに対して位相をそれぞれ、π／５、２π／５、−π／５、および−２π／５だけ変えた５種類の投影パターンである。このステップＳ１０２において、判定がＮｏである場合、ステップＳ１０１へ戻り投影していない種類の投影パターンＰＴＮについてパターン投影された被検物１０の像を撮像し、判定がＹｅｓである場合、ステップＳ１０３へ進む。

なお、このようにして得られた被検物１０の測定画像データは、撮像素子７から演算処理装置９に送られる。また、位相接続のため、撮像部ＭＢによる各位相での投影パターンＰＴＮの撮像は、投影パターンマスク２により投影パターンＰＴＮ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、測定画像における各点（画素）について、測定すべき投影パターンＰＴＮの縞の位相θ１、多重反射（二重反射）による映りこみが生じた投影パターンＰＴＮの縞の位相θ２、測定すべき点Ｐ１（図３を参照）からの反射光の輝度の反射率ａ、および多重反射（二重反射）を生じさせる点Ｐ２（図３を参照）からの反射光の輝度の反射率ｂを算出する。なお、位相θ１、位相θ２、反射率ａ、および反射率ｂは、次の条件式（１）〜条件式（５）で表される五元連立方程式を解くことにより算出される。

Ｉ１＝Off＋ａ×cos（θ１）＋ｂ×cos（θ２） …（１）
Ｉ２＝Off＋ａ×cos（θ１＋π／５）＋ｂ×cos（θ２＋π／５） …（２）
Ｉ３＝Off＋ａ×cos（θ１＋２π／５）＋ｂ×cos（θ２＋２π／５） …（３）
Ｉ４＝Off＋ａ×cos（θ１−π／５）＋ｂ×cos（θ２−π／５） …（４）
Ｉ５＝Off＋ａ×cos（θ１−２π／５）＋ｂ×cos（θ２−２π／５） …（５）

ここで、Ｉ１は、５種類の投影パターンＰＴＮのうち、基準の縞模様パターンを投影したときの測定点における輝度値である。同様に、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４、およびＩ５はそれぞれ、基準の縞模様パターンに対して位相をそれぞれ、π／５、２π／５、−π／５、および−２π／５だけ変えた縞模様パターンを投影したときの測定点における輝度値である。また、Offは、投影パターンＰＴＮを投影しないときの測定点における輝度値である。

条件式（１）〜条件式（５）について説明すると、基準の縞模様パターンを投影したときの輝度値は、理想的には、投影パターンＰＴＮを投影しないときの輝度値Offに、基準の縞模様パターンを投影したときの点Ｐ１（図３を参照）からの反射光の輝度値を加えたものと考えることができ、このときの輝度値をＩ１′とすると、次の条件式（６）のように表すことができる。また、基準の縞模様パターンに対して位相をそれぞれ、π／５、２π／５、−π／５、および−２π／５だけ変えた縞模様パターンを投影した場合、この分だけ位相が変化するため、それぞれの輝度値を、Ｉ２′、Ｉ３′、Ｉ４′、およびＩ５′とすると、次の条件式（７）〜条件式（１０）のように表すことができる。

Ｉ１′＝Off＋ａ×cos（θ１） …（６）
Ｉ２′＝Off＋ａ×cos（θ１＋π／５） …（７）
Ｉ３′＝Off＋ａ×cos（θ１＋２π／５） …（８）
Ｉ４′＝Off＋ａ×cos（θ１−π／５） …（９）
Ｉ５′＝Off＋ａ×cos（θ１−２π／５） …（１０）

ここで、測定すべき点Ｐ１（図３を参照）における反射光の輝度の反射率ａに、各位相における余弦の値を乗じたものが、縞模様パターンを投影したときの点Ｐ１からの反射光の輝度値となる。

次に、被検物１０からの反射光が乱反射等により多重反射を起こす場合を考える。被検物１０表面の反射率を考慮すると、撮像部ＭＢで検出される多重反射光は、せいぜい二重反射光までであり、撮像部ＭＢで二重反射光を検出するものと仮定する。パターン投影部ＭＡからの光が被検物１０で二重反射を起こして撮像部ＭＢに達する様子を、図３の破線で示しており、多重反射（二重反射）による映りこみが生じる場合とは、パターン投影部ＭＡからの光が被検物１０表面の点Ｐ２で反射した後、さらに点Ｐ１で反射して撮像部ＭＢに達する場合と考えることができる。このときの縞の位相θ２は、測定すべき投影パターンＰＴＮの縞の位相θ１と異なるものであり、基準の縞模様パターンを投影した場合、多重反射（二重反射）を生じさせる点Ｐ２および点Ｐ１における総合的な輝度の反射率ｂとすると、多重反射光（二重反射光）の輝度値Ｉｂは、次の条件式（１１）で表すことができる。

Ｉｂ＝ｂ×cos（θ２） …（１１）

被検物１０からの反射光が多重反射（二重反射）を起こす場合、この条件式（１１）を先の条件式（６）に加えた輝度値が、基準の縞模様パターンを投影したときの測定点における輝度値となり、条件式（１）で表されることになる。なお、基準の縞模様パターンに対して位相をそれぞれ、π／５、２π／５、−π／５、および−２π／５だけ変えた縞模様パターンを投影した場合、位相θ２に対してもこの分だけ位相が変化させればよく、基準の縞模様パターンを投影した場合と同様にして、条件式（２）〜条件式（５）を得ることができる。このように、５つの未知数（位相θ１、位相θ２、反射率ａ、反射率ｂ、および輝度値Off）に対して、５つの条件式（１）〜（５）を得ることができるため、縞模様パターンの位相を変えて得られる５種類の輝度値Ｉ１〜Ｉ５それぞれを測定して、条件式（１）〜条件式（５）からなる五元連立方程式を解くことにより、位相θ１、位相θ２、反射率ａ、反射率ｂ、および輝度値Offをそれぞれ算出することができる。

このように、位相θ１、位相θ２、反射率ａ、および反射率ｂを算出すると、次のステップＳ１０４において、次の条件式（１２）を満足するか否かを判定する。

ｂ＞０．１×ａ …（１２）

判定がＮｏである場合、反射率ｂが反射率ａに対して十分に小さいため、ステップＳ１０７へ進み、ステップＳ１０３で算出した縞の位相θ１に基づいて、三角測量の原理を用いて被検物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。

一方、ステップＳ１０４において判定がＹｅｓである場合、反射率ｂが大きく、点Ｐ２からの反射光の映りこみ大きいと考えられるため、ステップＳ１０５へと進む。このステップＳ１０５では、パターン投影部ＭＡにより、表示制御部８および投影パターンマスク２を用いて位相θ２に相当する部分を消光（もしくは減光）させた投影パターンＰＴＮ（図４を参照）を被検物１０に投影し、投影パターンＰＴＮが投影された被検物１０を撮像部ＭＢにより撮像する。これにより、投影パターンＰＴＮの多重反射の影響を排除した被検物１０の測定画像が取得される。

なお、ステップＳ１０５においては、表示制御部８および投影パターンマスク２により、位相θ２に相当する部分を消光させて位相を変えた３種類の投影パターンＰＴＮについて、パターン投影された被検物１０の像を撮像する。位相θ２に相当する部分を消光させて位相を変えた３種類の投影パターンＰＴＮとして、例えば、位相θ２に相当する部分を消光させた基準の縞模様パターンおよび、この縞模様パターンに対して位相をそれぞれ２π／５および−２π／５だけ変えた３種類の投影パターンを用いる。

なお、このようにして得られた被検物１０の測定画像データは、撮像素子７から演算処理装置９に送られる。また、位相接続のため、撮像部ＭＢによる各位相での投影パターンＰＴＮの撮像は、投影パターンマスク２により投影パターンＰＴＮ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Ｓ１０６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Ｓ１０４で映りこみ大きいと判断された点（画素）について、（測定すべき）投影パターンＰＴＮの縞の位相θ１および、（測定すべき点Ｐ１からの）反射光の輝度の反射率ａを算出する。なお、位相θ１および反射率ａは、条件式（６）、条件式（８）、および条件式（１０）で表される三元連立方程式を解くことにより算出される。

これは、ステップＳ１０５で多重反射の影響を排除した被検物１０の測定画像を取得しているため、反射率ｂを零として考えられるからである。そのため、位相θ２に相当する部分を消光させて位相を変えた３種類の投影パターンＰＴＮとして、位相θ２に相当する部分を消光させた基準の縞模様パターンおよび、この縞模様パターンに対して位相をそれぞれ２π／５および−２π／５だけ変えた３種類の投影パターンを用いる場合、縞模様パターンの位相を変えて得られる３種類の輝度値Ｉ１′，Ｉ３′，Ｉ５′それぞれを測定して、条件式（６），（８），（１０）からなる三元連立方程式を解くことにより、位相θ１、反射率ａ、および輝度値Offをそれぞれ算出することができる。

このように、多重反射の影響を排除した縞の位相θ１を算出すると、次のステップＳ１０７へ進み、多重反射の影響を排除して算出した縞の位相θ１に基づいて、三角測量の原理を用いて被検物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。

このように、本実施形態の形状測定方法によれば、ステップＳ１０５で多重反射の影響を排除した被検物１０の画像に基づいて、被検物１０の三次元形状を測定するステップＳ１０６〜Ｓ１０７を有しているため、多重反射の影響を排除して測定精度を向上させることが可能になる。

また、ステップＳ１０３で多重反射を行った投影パターンＰＴＮの位相θ２を算出しておき、ステップＳ１０５において、パターン投影部ＭＡにより位相θ２に相当する部分を消光（もしくは減光）させた投影パターンＰＴＮを被検物１０に投影し、当該投影パターンＰＴＮが投影された被検物１０を撮像部ＭＢにより撮像して、多重反射の影響を排除した被検物１０の画像を得るようにすることで、多重反射の影響をより確実に排除することができる。

なお、上述の実施形態において、位相を変えた５種類の投影パターンＰＴＮとして、基準の縞模様パターンおよび、この縞模様パターンに対して位相をそれぞれ、π／５、２π／５、−π／５、および−２π／５だけ変えた５種類の投影パターンを用いているが、これに限られるものではなく、例えば、基準の縞模様パターンに対して位相をそれぞれ、π／７、２π／７、３π／７、および４π／７だけ変えた５種類の投影パターンを用いてもよく、結果として位相の異なる５種類の投影パターンを用いるようにすればよい。

また、上述の実施形態において、ステップＳ１０５で、位相θ２に相当する部分を消光させて位相を変えた３種類の投影パターンＰＴＮについて、パターン投影された被検物１０の像を撮像し、ステップＳ１０６で、位相θ１等を条件式（６），（８），（１０）で表される三元連立方程式を解くことにより算出しているが、これに限られるものではなく、ステップＳ１０１〜ステップＳ１０３と同様にして、位相θ２に相当する部分を消光させて位相を変えた５種類の投影パターンＰＴＮについて、パターン投影された被検物１０の像を撮像し、位相θ１等を条件式（１）〜（５）で表される五元連立方程式を解くことにより算出するようにしてもよい。

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。 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。 多重反射の様子を示す模式図である。 投影パターンの一部を消光させた状態を示す模式図である。 位相を変えた５種類の投影パターンを示す模式図である。 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
ＭＡ パターン投影部 ＭＢ 撮像部
ＰＴＮ 投影パターン
１０ 被検物

Claims (2)

1. 周期的な縞模様を有する投影パターンを被検物に投影するパターン投影部と、前記パターン投影部により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、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位相シフト法により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、
   互いに異なる位相を有する前記縞模様の前記投影パターンがそれぞれ投影された前記被検物の複数の画像情報に基づいて、前記被検物の画像における前記投影パターンの多重反射の影響を排除する第１のステップと、
   前記第１のステップで前記多重反射の影響を排除し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第２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. 前記第１のステップにおいて、
   前記被検物の前記複数の画像情報に基づいて、前記多重反射を行った前記投影パターンの位相を算出し、
   前記パターン投影部により、算出した前記位相に相当する部分を減光もしくは消光させた前記投影パターンを前記被検物に投影し、
   前記撮像部により、前記減光もしくは消光させた前記投影パターンが投影された前記被検物を撮像して、前記多重反射の影響を排除した前記被検物の画像を得ることを特徴とする請求項１に記載の形状測定方法。

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