JP2009025189A

JP2009025189A - 計測器

Info

Publication number: JP2009025189A
Application number: JP2007189514A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Takigawa; 雄一瀧川
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2007-07-20
Filing date: 2007-07-20
Publication date: 2009-02-05

Abstract

【課題】被検物の散乱強度によらず、少ない回数の測定で三次元形状を計測できる測定器を提供すること。
【解決手段】複数の波長成分を含む光を射出する光源と、前記光源から射出される前記光の光強度を前記波長成分ごとに独立して調節可能な調節装置と、前記光源から射出された前記光をパターン光に変換する変換装置と、前記パターン光を被検物に投影する投影光学系と、前記被検物に投影されたパターン光に含まれる前記複数の波長成分のうち少なくとも１種類の波長成分を選択する選択装置と、前記被検物に投影され前記選択装置によって選択された波長成分を有する前記パターン光の画像を前記波長成分ごとに取得可能な取得装置と、前記取得装置によって取得された前記各画像に基づいて、前記被検物の三次元形状を測定する測定装置とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、被検物の三次元形状を非接触で計測する計測器に関するものであり、特にその光学系に関するものである。

位相シフト法と呼ばれる手法によって被検物の三次元形状を非接触で計測する三次元計測器が知られている。位相シフト法とは、正弦波によって生成された明暗の平行な縞模様のパターン光を、当該パターン光の位相をシフトさせながら（縞状のパターンをずらしながら）被検物に投影し、当該投影されたパターン光の画像を例えばＣＣＤカメラなどで撮像し、撮像された画像を解析することによって被検物の三次元形状を計測する手法である。

このような位相シフト法においては、１回の計測において位相をπ／２ずつシフトさせ、当該位相をシフトさせるごとにパターン光の撮像を行い、計４回の撮像を行う手法が一般的である。撮像された各画像の明暗の境界について１つ１つ位相値を算出することにより被検物の三次元座標値を計測し、当該三次元座標値に基づいて三次元形状が計測される。

被検物に局所的な傾斜や、光反射率が相対的に高い領域又は低い領域があると、その部分で散乱光の強度が減少し、パターン光のコントラストが悪化するという問題がある。パターン光のコントラストが悪化すると正確な計測結果を得ることができないため、従来、当該散乱光の強度が低い部分についてはパターン光の光強度を変えて再度計測を行っていた。
特許第２８５９９４６号公報

しかしながら、パターン光の光強度を変えて計測を行う手法では、計測回数が多くなってしまい、極めて非効率である。
このような事情に鑑み、本発明の目的は、被検物の散乱強度によらず、少ない回数の測定で三次元形状を計測できる測定器を提供することにある。

本発明に係る計測器では、上記課題を解決するために、実施の形態に示す各図に対応付けした以下の構成を採用している。但し、各要素に付した括弧付き符号はその要素の例示に過ぎず、各要素を限定するものではない。

本発明に係る計測器（１）は、複数の波長成分を含む光を射出する光源（２）と、前記光源（２）から射出される前記光の光強度を前記波長成分ごとに独立して調節可能な調節装置（１３）と、前記光源（２）から射出された前記光をパターン光に変換する変換装置（８）と、前記パターン光を被検物（Ｍ）に投影する投影光学系（９）と、前記被検物（Ｍ）に投影されたパターン光に含まれる前記複数の波長成分のうち少なくとも１種類の波長成分を選択する選択装置（１１）と、前記被検物（Ｍ）に投影され前記選択装置（１１）によって選択された波長成分を有する前記パターン光の画像を前記波長成分ごとに取得可能な取得装置（１０）と、前記取得装置（１０）によって取得された前記各画像に基づいて、前記被検物の三次元形状を測定する測定装置（１４）とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、複数の波長成分を含む光がパターン光に変換されて被検物（Ｍ）に投影されると共に、投影されたパターン光の画像が取得装置（１０）によって波長ごとに取得されることになるので、複数の波長成分に対応する数のパターン光の画像を１回の測定で取得することができる。しかも、光源（２）から射出される光の光強度は波長成分ごとに独立して調節可能であるため、被検物（Ｍ）の散乱強度が場所によって異なる場合には波長成分ごとに異なる光強度となるように当該被検物（Ｍ）に光を投影することができる。

本発明によれば、画像データを漏れなく取得することができるので、被検物の散乱強度によらず、少ない回数の測定で三次元形状を計測できる測定器を得ることができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本実施形態に係る三次元計測器の構成を模式的に示す図である。
同図に示すように、三次元計測器１は、位相シフト法と呼ばれる手法によって被検物Ｍの三次元形状を非接触で計測する計測器であり、光源装置２と、計測装置３と、制御回路４とを有している。当該三次元計測器１は、光源装置２から射出される光を計測装置３においてパターン光に変換すると共に被検物Ｍに投影して当該パターン光の像Ｐを撮像し、制御回路４において撮像された画像の解析を行うようになっている。被検物Ｍとして、例えば機械部品などの各種部材が測定可能である。

光源装置２は、発光部５と、コリメータレンズ６と、光合成素子７とを有している。
発光部５は、赤色光を発光する赤色発光部５Ｒと、緑色光を発光する緑色発光部５Ｇと、青色光を発光する青色発光部５Ｂとを有している。赤色発光部５Ｒ、緑色発光部５Ｇ及び青色発光部５Ｂは、例えば発光ダイオードなどの発光素子からなる準単色の発光部である。

コリメータレンズ６は、発光部５で発光された光を平行光に変換する光学素子であり、赤色光の光路上に設けられた赤色コリメータレンズ６Ｒ、緑色光の光路上に設けられた緑色コリメータレンズ６Ｇ及び青色光の光路上に設けられた青色コリメータレンズ６Ｂを有している。光合成素子７は、例えばダイクロイックプリズムなどからなり、赤色光、緑色光及び青色光を合成する光学素子である。

計測装置３は、パターン発生素子８と、投影レンズ９と、撮像装置１０と、光選択素子１１とを有している。
パターン発生素子８は、例えば液晶装置及び透過拡散板を有する光変調素子であり、入射光を正弦波によって生成された明暗の平行な縞模様のパターン光に変換する。投影レンズ９は、パターン光を被検物Ｍ上に投影する光学素子である。

撮像装置１０は、例えばＣＣＤカメラからなり、被検物Ｍ上に形成されたパターン光の像Ｐを所定の方向から撮像する。この撮像装置１０は、画像を画素単位で撮像可能になっており、発光部５で発光される赤色光、緑色光及び青色光のそれぞれを独立して撮像可能な撮像素子が画素ごとに設けられている。

光選択素子１１は、例えばカラーフィルタからなる。カラーフィルタには例えば赤色光、緑色光及び青色光の３色の光を取り出すカラーフィルタ層が設けられており、カラーフィルタ層の配列は撮像装置１０の撮像素子と同一の配列になっている。カラーフィルタ層は各色についてそれぞれ同数設けられている。

制御回路４は、中央制御回路１２と、光源制御回路１３と、距離計算回路１４とを有している。
中央制御回路１２は、光源制御回路１３及び距離計算回路１４の制御を行う。光源制御回路１３は、赤色発光部５Ｒ、緑色発光部５Ｇ及び青色発光部５Ｂから発光される光の光強度をそれぞれ独立して制御する。距離計算回路１４は、撮像装置１０によって撮像されたパターン光の明暗の境界について１つ１つ位相値を算出して被検物の三次元座標値を計測し、当該三次元座標値に基づいて三次元形状を計測する。

次に、上記のように構成された三次元計測器１を用いて被検物Ｍの三次元形状を計測する動作を説明する。本実施形態では、図２に示すような円柱状の部材を測定する場合を例に挙げて説明する。
まず、光源制御回路１３の制御により、赤色光、緑色光、青色光の照明強度比が例えば１００：１０：１となるように、赤色発光部５Ｒ、緑色発光部５Ｇ及び青色発光部５Ｂのそれぞれにおいて光を発光する。各色光は、コリメータレンズ６Ｒ、６Ｇ、６Ｂにおいて平行光となり、光合成素子７によって合成され、光源装置２の外部に射出される。

この射出された合成光は、計測装置３内のパターン発生素子８に入射する。パターン発生素子８では、液晶素子によって正弦波によって生成された明暗の平行な縞模様のパターン光に変換され、透過拡散板によって散乱される。当該パターン光は、投影レンズ９によって被検物Ｍ上に投影される。

被検物Ｍ上にパターン光の像Ｐが投影されたら、撮像装置１０によって当該像Ｐを撮像し、パターン光の画像を取得する。パターン光の像Ｐは、撮像装置１０に撮像される前に、光選択素子１１によって赤色光、緑色光及び青色光のそれぞれに分離される。撮像装置１０の撮像素子には、照明強度比に応じた明るさの赤色光、緑色光及び青色光が入射し、パターン光の画像が取得される。このとき取得されるパターン光の画像は、例えば図３に示すような画像となる。同図において、パターン光の像Ｐのうち、被検物Ｍに投影された部分の明暗の縞模様が他の部分の縞模様に対してずれている。

１回の計測において、パターン発生素子８では、正弦波の位相をπ／２ずつシフトさせてパターンの変換を行う。撮像装置１０は、当該位相がシフトされたパターン光の像Ｐが投影されるごとにパターン光の像Ｐの撮像を行い、計４回の撮像を行う。

パターン光の画像を取得した後、当該画像データは距離計算回路１４において処理される。距離計算回路１４では、撮像された各画像データの明暗の境界について１つ１つ位相値が算出されて被検物Ｍの三次元座標値が計測され、当該三次元座標値に基づいて三次元形状が計測される。

例えば、照明強度比を１００とした赤色光の計測データは、散乱強度の小さい領域（例えば散乱光強度０．００１％の領域）において良好なデータが取得される。照明強度比を１０とした緑色光の計測データは、散乱強度の中程度の領域（例えば散乱光強度０．０１％の領域）において良好なデータが取得される。照明強度比を１とした青色光の計測データは、散乱強度の大きい領域（例えば散乱光強度０．１％の領域）において良好なデータが取得される。

このように、本実施形態によれば、赤色光、緑色光及び青色光のように複数の波長成分を含む光がパターン光に変換されて被検物Ｍに投影されると共に、投影されたパターン光の画像が撮像装置１０によって波長ごとに取得されることになるので、赤色光、緑色光及び青色光に対応する数のパターン光の画像を１回の測定で取得することができる。しかも、発光部５から射出される光の光強度は波長成分ごとに独立して調節可能であるため、被検物Ｍの散乱強度が場所によって異なる場合には波長成分ごとに異なる光強度となるように当該被検物Ｍに光を投影することができる。これにより、画像データを漏れなく取得することができるので、被検物Ｍの散乱強度によらず、少ない回数の測定で三次元形状を計測できる。

本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更を加えることができる。
例えば、上記実施形態においては、複数の波長成分を含む光として、赤色光、緑色光及び青色光を含んだ光を光源装置２から射出することとしたが、これに限られることは無い。例えば他の色光や、赤外線などを含む光を光源装置２から射出させても構わない。また、互いに波長成分の異なる複数の赤色光を含んだ光を光源装置２から射出させても構わない。

また、上記実施形態においては、撮像装置１０と光選択素子１１とを別部材に設ける構成としたが、これに限られることは無い。例えば、撮像装置１０として、カラーフィルタ層が各撮像素子に設けられたＣＣＤカメラを用いても構わない。この場合、光選択素子１１として光を分離するダイクロイックプリズムを配置しても構わない。

また、上記実施形態においては、赤色光、緑色光、青色光の照明強度比が例えば１００：１０：１となるように赤色発光部５Ｒ、緑色発光部５Ｇ及び青色発光部５Ｂのそれぞれにおいて光を発光させたが、これに限られることは無く、被検物Ｍの散乱強度に応じて適宜変更させても構わない。

また、図４及び図５に示すように、パターン光を構成する明暗の幅（周期）を変えて測定を行っても構わない。この場合、明暗の幅が小さいほどより詳細な三次元形状の計測結果を得ることができる。

本発明の実施の形態に係る三次元計測器の概略構成を示す模式図である。三次元計測器の測定対象となる被検物の構成を示す図である。撮像装置によって撮像された画像を示す写真図である。同、写真図である。同、写真図である。

符号の説明

Ｍ…被検物Ｐ…像１…三次元計測器２…光源装置３…計測装置４…制御回路５…発光部６…コリメータレンズ７…光合成素子８…パターン発生素子９…投影レンズ１０…撮像装置１１…光選択素子１２…中央制御回路１３…光源制御回路１４…距離計算回路

Claims

複数の波長成分を含む光を射出する光源と、
前記光源から射出される前記光の光強度を前記波長成分ごとに独立して調節可能な調節装置と、
前記光源から射出された前記光をパターン光に変換する変換装置と、
前記パターン光を被検物に投影する投影光学系と、
前記被検物に投影されたパターン光に含まれる前記複数の波長成分のうち少なくとも１種類の波長成分を選択する選択装置と、
前記被検物に投影され前記選択装置によって選択された波長成分を有する前記パターン光の画像を前記波長成分ごとに取得可能な取得装置と、
前記取得装置によって取得された前記各画像に基づいて、前記被検物の三次元形状を測定する測定装置と
を備えることを特徴とする計測器。
前記光源が、
互いに異なる波長成分を含む光を発光する複数の発光部と、
前記複数の発光部で発光されたそれぞれの光を合成する光合成部と
を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の計測器。
前記選択装置が、前記複数の波長成分のうち少なくとも１種類の波長成分を選択する光学フィルタである
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の計測器。
前記選択装置が、前記複数の波長成分のうち少なくとも１種類の波長成分の光を分離する光分離素子である
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の計測器。
前記複数の波長成分を含む光が、少なくとも赤色光、緑色光、青色光を含んでいる
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計測器。