JP2009019942A - 形状測定方法、プログラム、および形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ゴースト像の影響を低減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、光切断法による被検物の形状測定方法であって、光切断を行うためのシート光を被検物に投影する第１のステップ（Ｓ１０１）と、第１のステップでシート光が投影された被検物の表面を撮像する第２のステップ（Ｓ１０２）と、第２のステップで撮像した画像に対しシート光の延在方向と交差する方向に走査して、輝度のピーク位置を検出する第３のステップ（Ｓ１０３）と、ピーク位置が複数検出されたとき、複数のピーク位置から画像におけるシート光の多重反射による像を特定する第４のステップ（Ｓ１０４）とを有している。
【選択図】図３

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、被検物の表面にシート光を投影し、当該シー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シート光を撮像し、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９に示しており、投影部５１から帯状に延びるシート光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シート光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はシート光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表面でシート光５２が所定間隔走査される毎に、シート光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、シート光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。
特開平９−５０４８号公報

光切断法による形状測定方法においては、被検物の表面に投影されたシート光の像が光切断面として被検物の凹凸に応じ変形して撮像されるため、例えば図１０に示すように、被検物の画像において輝度が部分的に最大となるピーク位置を検出することによって、シート光の像（光切断面６１）を認識しようとする。しかしながら、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シート光の像が多重反射を起こして、本来測定される面のシート光の像（光切断面６１）の近傍にゴースト像６２として映りこみ、シート光の像（光切断面６１）の検出精度が低下して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、多重反射の影響を低減して測定精度を向上させた形状測定方法および、これを実行するためのプログラム、並びに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、第１の発明に係る形状測定方法は、光切断法による被検物の形状測定方法であって、前記光切断を行うためのシート光を前記被検物に投影する第１のステップと、前記第１のステップで前記シート光が投影された前記被検物の表面を撮像する第２のステップと、前記第２のステップで撮像した画像に対し前記シート光の延在方向と交差する方向に走査して輝度のピーク位置を検出する第３のステップと、前記第３のステップにおいて前記ピーク位置が複数検出されたとき、前記複数のピーク位置から前記画像における前記シート光の多重反射による像を特定する第４のステップとを有している。

なお、上述の発明において、前記第２のステップで撮像した前記画像に基づいて、前記被検物の三次元形状を測定する第５のステップと、前記第４のステップで特定した前記多重反射による像に対応する部分の前記シート光を選択的に減光もしくは消光させる設定を行う第６のステップと、前記第６のステップで前記減光もしくは消光させた前記シート光を前記被検物に投影する第７のステップと、前記第７のステップで前記シート光が投影された前記被検物の表面を撮像する第８のステップと、前記第８のステップで撮像した前記画像に基づいて、前記第５のステップで測定した前記被検物の三次元形状の補正を行う第９のステップとを有していることが好ましい。

また、第２の発明に係る形状測定方法は、光切断法による被検物の形状測定方法であって、既知である前記被検物の形状データから、前記被検物表面で多重反射が生じるおそれのあるシート光の部分を選択的に減光もしくは消光させる設定を行う第１のステップと、前記第１のステップで前記減光もしくは消光させた前記シート光を前記被検物に投影する第２のステップと、前記第２のステップで前記シート光が投影された前記被検物を撮像する第３のステップと、前記シート光における前記多重反射が生じるおそれのある部分を除く他の部分を減光もしくは消光させる設定を行う第４のステップと、前記第４のステップで前記減光もしくは消光させた前記シート光を前記被検物に投影する第５のステップと、前記第５のステップで前記シート光が投影された前記被検物を撮像する第６のステップと、前記第３のステップおよび前記第６のステップでそれぞれ撮像した画像に基づいて、前記被検物の三次元形状を測定する第７のステップとを有している。

また、本発明に係るプログラムは、本発明の形状測定方法を実行可能であることを特徴とする。

また、本発明に係る形状測定装置は、被検物にシート光を照射する照射部と、前記シート光が照射された前記被検物を観察する観察部と、前記観察部の観察結果に基づいて前記シート光が前記被検物で多重反射したことを検出する検出部と、前記検出部で前記多重反射を検出した場合に、前記多重反射の原因となる部分の前記シート光を他の部分と判別可能にするシート光制御部と、前記観察部の観察結果に基づいて前記被検物の形状を測定する測定部とを備えている。

なお、上述の発明において、前記シート光制御部は、前記多重反射の原因となる部分の前記シート光を選択的に減光もしくは消光させることが好ましい。

本発明によれば、多重反射の影響を低減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。本発明に係る形状測定方法が用いられ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を参照しながら説明する。この形状測定装置Ｍは、被検物１０が載置されるステージ１と、ステージ１に支持された被検物１０に光切断を行うためのシート光５を投影する投影部２と、シート光５が投影されて表面に光切断面（線）６が現れた被検物１０を撮像する撮像部３と、撮像部３により撮像された画像データに基づいて被検物１０の形状を測定する演算処理部４とを主体に構成される。

投影部２は、図示しない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等から構成され、光源からの照明光を受けて扇状のシート光５を生じさせる。ステージ１には、ステージ１に投影されたシート光５の長手方向と略直角な方向にステージ１を移動させる駆動装置（図示せず）が設けられており、ステージ１とともに被検物１０を投影されたシート光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２により投影されたシート光５を被検物１０に対し相対移動させて、シート光５により被検物１０の表面を走査させることができるようになっている。

撮像部３は、図示しない結像レンズやＣＣＤ等から構成され、ステージ１を駆動させてシート光５が所定間隔走査される毎に被検物１０を撮像するようになっている。撮像部３で撮像された被検物１０の画像データは、演算処理部４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。このとき、演算処理部４では、被検物１０の画像において、被検物１０の凹凸に応じて変形したシート光５による光切断面（線）６の位置情報に基づき、光切断面（線）６（シート光５）が延びる長手方向の画素毎に三角測量の原理を用いて被検物１０表面の基準平面からの高さが算出され、被検物１０の三次元形状を求める演算処理が行われる。

次に、以上のように構成される形状測定装置Ｍを用いた、第１実施形態に係る被検物１０の形状測定方法について、図３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、投影部２により、光切断を行うためのシート光５を被検物１０に投影する。このとき、ステージ１とともに被検物１０をシート光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２により投影されたシート光５を被検物１０に対し相対移動させて、シート光５により被検物１０の表面を走査させる。

被検物１０にシート光５が投影されると、被検物１０の表面にシート光５による光切断面（線）６が現れるため、次のステップ１０２において、撮像部３により、シート光５が所定間隔走査される毎に（光切断面６が現れた）被検物１０を撮像する。このとき、撮像部３で撮像された被検物１０の画像データは、演算処理部４に送られる。

このようにして得られた被検物１０の画像データから、次のステップＳ１０３において、被検物１０の凹凸に応じて変形したシート光５による光切断面（線）６の位置情報に基づいて、光切断面（線）６（シート光５）が延びる長手方向の画素毎に、三角測量の原理を用いて被検物１０表面の基準平面からの高さを算出し、被検物１０の三次元形状を測定する。これにより、被検物１０の画像に、シート光５の多重反射による像（以下、説明容易化のため、ゴースト像と称する）が映りこんでいたとしても、被検物１０の概略の形状を把握することができる。ただし、このときの三次元形状データは、ゴースト像が生じる部分で信頼性が低いものとなっている。

このとき、算出した被検物１０の概略の形状に基づき、撮像部３側から光線追跡を行うことにより（図１の太線を参照）、シート光５において（被検物１０における他面での）１回反射によるゴースト像が映りこむ可能性のある部分を推定することができる。なお、光線追跡の計算量は増えるが、シート光５において２回反射によるゴースト像が映りこむ可能性のある部分を推定することも可能である。なお、多重反射の原因となる部分は、多重反射の影響を受けないことが多いため、光線追跡に支障をきたすことは少ない。

また、ステップＳ１０３では、被検物１０の画像において輝度が最大となるピーク位置を検出することにより、光切断面（線）６の位置情報を認識するが、このピーク位置は、例えば図４に示すように、ステップ１０２で撮像した画像に対し、光切断面（線）６（シート光５）が延びる長手方向と略直角な走査線の延びる方向（すなわち、光切断面６と交差する交差方向）に走査することで、当該走査線と平行に（すなわち、前述の交差方向に）延びて前述の長手方向に並ぶ複数の画素列（部分画像）毎に、それぞれ輝度が最大となるピーク位置７を検出する。なお、画素列の幅は、１画素単位に限らず、複数画素単位であっても構わない。

このとき、図４に示すように、或る画素列（走査線上）でピーク位置７が複数検出されると、次のステップＳ１０４では、検出した複数のピーク位置７から被検物１０の画像におけるゴースト像８（シート光５の多重反射による像）を特定するとともに、当該複数のピーク位置７に対応する三次元形状についてそれぞれ光線追跡を行うことで、シート光５においてゴースト像８の原因となる部分を推定し、後のステップＳ１０６でゴースト像８が生じないように、（推定した）シート光５においてゴースト像８の原因となる部分を（選択的に）減光もしくは消光させる設定を行う。

次のステップＳ１０５では、図２に示すように、ゴースト像８の原因となる部分を減光もしくは消光させたシート光５ａを被検物１０に投影する。このとき、ステージ１とともに被検物１０をシート光５ａの長手方向と略直角な方向に移動させることで、投影部２により投影されたシート光５ａを被検物１０に対し相対移動させて、シート光５ａにより被検物１０の表面を走査させる。なお、図２では、シート光５ａにおいて減光もしくは消光させた部分をハッチングで示している。

被検物１０にシート光５ａが投影されると、被検物１０の表面にシート光５ａによる光切断面（線）６ａが現れるため、次のステップ１０６において、撮像部３により、シート光５ａが所定間隔走査される毎に（光切断面６ａが現れた）被検物１０を撮像する。このとき、撮像部３で撮像された被検物１０の画像データは、演算処理部４に送られる。

このようにして得られた被検物１０の画像データから、次のステップＳ１０７において、被検物１０の凹凸に応じて変形したシート光５ａによる光切断面（線）６ａの位置情報に基づいて、光切断面（線）６ａ（シート光５ａ）が延びる長手方向の画素毎に、三角測量の原理を用いて被検物１０表面の基準平面からの高さを算出し、被検物１０の三次元形状を測定する。これにより、ゴースト像８が映りこんでいない被検物１０の画像に基づいて、被検物１０におけるゴースト像８が映りこんでいた部分の三次元形状を測定することができる。

そして、ステップＳ１０８において、ステップＳ１０７で算出した被検物１０の三次元形状データを用いて、ステップＳ１０３で測定した被検物１０の三次元形状についての補正（ゴースト像８が映りこんでいた部分の三次元形状の補正）を行い、処理を終了する。

このように、第１実施形態に係る形状測定方法によれば、或る画素列（部分画像）でピーク位置７が複数検出されたとき、検出した複数のピーク位置７から画像におけるゴースト像８（シート光の多重反射による像）を特定するステップ（Ｓ１０４）を有しているため、このステップを基に多重反射（ゴースト像）の影響を低減して、測定精度を向上させることが可能になる。

具体的には、前のステップで特定したゴースト像８（シート光の多重反射による像）の原因となる部分を（選択的に）減光もしくは消光させたシート光５ａを被検物１０に投影するステップ（Ｓ１０５）と、このシート光５ａが投影された被検物１０の表面を撮像するステップ（Ｓ１０６）と、このステップで撮像した画像に基づいて、前のステップ（Ｓ１０３）で測定した被検物１０の三次元形状の補正を行うステップ（Ｓ１０７〜Ｓ１０８）とを有することにより、測定精度を効果的に向上させることができる。

なお、上述の第１実施形態において、或る画素列（走査線上）で検出された複数のピーク位置７に対応する三次元形状についてそれぞれ光線追跡を行うことで、シート光５においてゴースト像８が映りこむ部分を推定し、シート光５においてゴースト像８の原因となる部分を（選択的に）減光もしくは消光させる設定を行っているが、これに限られるものではない。例えば、既知である被検物の形状データから、ゴースト像が生じるおそれのあるシート光の部分を減光もしくは消光させる設定を行うようにしてもよい。

また例えば、或る画素列（部分画像）でピーク位置７が複数検出されたとき、光線追跡を行わずに、図５に示すように、当該複数のピーク位置７が検出された領域Ａ以外のシート光の部分を消光し、図６に示すように、この領域Ａだけ再びシート光で投影して得られる光切断面（線）６ａ′から領域Ａの三次元形状を測定し、複数のピーク位置７が検出された部分の三次元形状の補正を行うようにしてもよい。

次に、第２実施形態に係る被検物１０の形状測定方法について、図７に示すフローチャートを参照しながら以下に説明する。なお、第２実施形態において、被検物１０の三次元形状は、設計図面等によりある程度既知であるものとする。第２実施形態の形状測定方法では、まず、ステップＳ２０１において、既知である被検物１０の形状データから、被検物１０表面で多重反射が生じるおそれのあるシート光５の部分を（選択的に）減光もしくは消光させる設定を行って、図２に示すように、投影部２により、被検物１０表面で多重反射（ゴースト像）が生じるおそれのある部分を減光もしくは消光させたシート光５ａを被検物１０に投影する。このとき、ステージ１とともに被検物１０をシート光５ａの長手方向と略直角な方向に移動させることで、投影部２により投影されたシート光５ａを被検物１０に対し相対移動させて、シート光５ａにより被検物１０の表面を走査させる。

被検物１０にシート光５ａが投影されると、被検物１０の表面にシート光５ａによる光切断面（線）６ａが現れるため、次のステップ２０２において、撮像部３により、シート光５ａが所定間隔走査される毎に（光切断面６ａが現れた）被検物１０を撮像する。このとき、撮像部３で撮像された被検物１０の画像データは、演算処理部４に送られる。

次に、ステップＳ２０３において、ステップＳ２０１で設定した部分を除くシート光５の他の部分を減光もしくは消光させる（すなわち、ステップＳ２０１の場合とは逆に減光もしくは消光させた部分だけを点灯させる）設定を行い、図８に示すように、投影部２により、当該他の部分を減光もしくは消光させたシート光５ｂを被検物１０に投影する。このとき、ステージ１とともに被検物１０をシート光５ｂの長手方向と略直角な方向に移動させることで、投影部２により投影されたシート光５ｂを被検物１０に対し相対移動させて、シート光５ｂにより被検物１０の表面を走査させる。なお、図８では、シート光５ｂにおいて減光もしくは消光させた部分をハッチングで示している。

被検物１０にシート光５ｂが投影されると、被検物１０の表面にシート光５ｂによる光切断面（線）６ｂが現れるため、次のステップ２０４において、撮像部３により、シート光５ｂが所定間隔走査される毎に（光切断面６ｂが現れた）被検物１０を撮像する。このとき、撮像部３で撮像された被検物１０の画像データは、演算処理部４に送られる。

このようにステップＳ２０２およびステップＳ２０４でそれぞれ得られた被検物１０の画像データから、次のステップＳ２０５において、まず、ゴースト像が生じるおそれのある部分を減光もしくは消光させたシート光５ａによる光切断面（線）６ａの位置情報に基づいて、光切断面（線）６ａ（シート光５ａ）が延びる長手方向の画素毎に、三角測量の原理を用いて被検物１０表面の基準平面からの高さを算出する。次いで、前述の他の部分を減光もしくは消光させたシート光５ｂによる光切断面（線）６ｂの位置情報に基づいて、光切断面（線）６ｂ（シート光５ｂ）が延びる長手方向の画素毎に、三角測量の原理を用いて被検物１０表面の基準平面からの高さを算出し、各々の算出結果を補完して合わせることで、被検物１０の三次元形状を測定する。

第２実施形態に係る形状測定方法によれば、被検物１０表面で多重反射（ゴースト像）が生じるおそれのある部分を減光もしくは消光させたシート光５ａによる被検物１０の画像および、当該部分を除く他の部分を減光もしくは消光させたシート光５ｂによる被検物１０の画像に基づいて、被検物１０の三次元形状を測定するため、多重反射（ゴースト像）の影響を低減して、測定精度を向上させることが可能になる。

形状測定装置の概略構成図である。 形状測定装置においてシート光の一部が消光された状態を示す図である。 第１実施形態に係る形状測定方法の手順を示すフローチャートである。 光切断面の例を示す模式図である。 光切断面の例を示す模式図である。 光切断面の例を示す模式図である。 第１実施形態に係る形状測定方法の手順を示すフローチャートである。 形状測定装置においてシート光の他の部分が消光された状態を示す図である。 従来における形状測定装置の概略構成図である。 ゴースト像が映りこんだ状態を示す模式図である。

符号の説明

Ｍ 形状測定装置
５ シート光（５ａ，５ｂ シート光） ６ 光切断面（６ａ，６ｂ 光切断面）
７ ピーク位置 ８ ゴースト像
１０ 被検物

Claims (6)

1. 光切断法による被検物の形状測定方法であって、
   前記光切断を行うためのシート光を前記被検物に投影する第１のステップと、
   前記第１のステップで前記シート光が投影された前記被検物の表面を撮像する第２のステップと、
   前記第２のステップで撮像した画像に対し前記シート光の延在方向と交差する方向に走査して輝度のピーク位置を検出する第３のステップと、
   前記第３のステップにおいて前記ピーク位置が複数検出されたとき、前記複数のピーク位置から前記画像における前記シート光の多重反射による像を特定する第４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２のステップで撮像した前記画像に基づいて、前記被検物の三次元形状を測定する第５のステップと、
   前記第４のステップで特定した前記多重反射による像に対応する部分の前記シート光を選択的に減光もしくは消光させる設定を行う第６のステップと、
   前記第６のステップで前記減光もしくは消光させた前記シート光を前記被検物に投影する第７のステップと、
   前記第７のステップで前記シート光が投影された前記被検物の表面を撮像する第８のステップと、
   前記第８のステップで撮像した前記画像に基づいて、前記第５のステップで測定した前記被検物の三次元形状の補正を行う第９のステップとを有していることを特徴とする請求項１に記載の形状測定方法。
3. 光切断法による被検物の形状測定方法であって、
   既知である前記被検物の形状データから、前記被検物表面で多重反射が生じるおそれのあるシート光の部分を選択的に減光もしくは消光させる設定を行う第１のステップと、
   前記第１のステップで前記減光もしくは消光させた前記シート光を前記被検物に投影する第２のステップと、
   前記第２のステップで前記シート光が投影された前記被検物を撮像する第３のステップと、
   前記シート光における前記多重反射が生じるおそれのある部分を除く他の部分を減光もしくは消光させる設定を行う第４のステップと、
   前記第４のステップで前記減光もしくは消光させた前記シート光を前記被検物に投影する第５のステップと、
   前記第５のステップで前記シート光が投影された前記被検物を撮像する第６のステップと、
   前記第３のステップおよび前記第６のステップでそれぞれ撮像した画像に基づいて、前記被検物の三次元形状を測定する第７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。
4. 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を実行可能であることを特徴とするプログラム。
5. 被検物にシート光を照射する照射部と、
   前記シート光が照射された前記被検物を観察する観察部と、
   前記観察部の観察結果に基づいて前記シート光が前記被検物で多重反射したことを検出する検出部と、
   前記検出部で前記多重反射を検出した場合に、前記多重反射の原因となる部分の前記シート光を他の部分と判別可能にするシート光制御部と、
   前記観察部の観察結果に基づいて前記被検物の形状を測定する測定部とを備えることを特徴とする形状測定装置。
6. 前記シート光制御部は、前記多重反射の原因となる部分の前記シート光を選択的に減光もしくは消光させることを特徴とする請求項５に記載の形状測定装置。

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