JP2009036631A - Device of measuring three-dimensional shape and method of manufacturing same - Google Patents

Device of measuring three-dimensional shape and method of manufacturing same Download PDF

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貴行 西
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友紀 本間
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve a device of measuring a three-dimensional shape for improving measurement precision. <P>SOLUTION: The device 10 of measuring the three-dimensional shape measures the three-dimensional shape of a measuring object 12 by analyzing a stripe-like light pattern changing brightness in response to a position projected on the measuring object. The device includes: a moving unit 11 for arranging the measuring object 12 and provided with a measuring face 52 to which the light pattern is projected; a light projection unit 13 for projecting the light pattern on the measuring object 12 and the measuring face 52; and an imaging unit 15 for reading the light pattern as images. The imaging unit 15 projects the stripe of the light pattern so as to keep tanθ<SB>c</SB>+tanθ<SB>p</SB>constant in a region of the measuring face 52 being the measuring object when an angle between a line segment L<SB>0</SB>W<SB>0</SB>connected from a position W<SB>0</SB>to a lens 33 on the measuring face 52 and a vertical line of the measuring face 52 is θ<SB>p</SB>and an angle between a line segment connected from the position W<SB>0</SB>to the imaging unit 15 and a vertical line of the measuring face is θ<SB>c</SB>. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、計測対象に投影された光パタンを解析することによって、計測対象の三次元形状を計測する三次元形状計測装置、および当該三次元形状計測装置で用いられる投影手段の設計方法に関するものである。   The present invention relates to a three-dimensional shape measuring apparatus for measuring a three-dimensional shape of a measurement target by analyzing an optical pattern projected on the measurement target, and a method for designing a projection unit used in the three-dimensional shape measuring apparatus. It is.

画像解析によって対象物の三次元形状情報を得る手段として、所定の撮像視野内に存在する計測対象に光パタンを投影し、計測対象の三次元形状に応じて変形した光パタンの変形量を解析する方法がある。代表的な方法としては、光切断法や空間コード法、縞解析法などが挙げられる。これらは全て三角測量の原理に基づいているが、中でも、縞解析法に関しては空間縞解析や時間縞解析など多くの手法が提案されており、高い計測精度を得る手法として知られている。   As a means of obtaining 3D shape information of an object by image analysis, an optical pattern is projected onto a measurement target existing within a predetermined imaging field of view, and the deformation amount of the optical pattern deformed according to the 3D shape of the measurement target is analyzed. There is a way to do it. Typical methods include a light cutting method, a spatial code method, and a fringe analysis method. These are all based on the principle of triangulation, but among them, many methods such as space fringe analysis and time fringe analysis have been proposed for the fringe analysis method and are known as methods for obtaining high measurement accuracy.

特許文献１に記載の格子パタン投影法を用いた三次元形状測定装置では、液晶素子に一定のピッチの幅を有するストライブ電極で正弦波を形成することで、三次元形状の計測を行っている。   In the three-dimensional shape measuring apparatus using the lattice pattern projection method described in Patent Document 1, a three-dimensional shape is measured by forming a sine wave with a stripe electrode having a constant pitch width on a liquid crystal element. Yes.

また、特許文献２に記載の頭部の三次元形状計測システムでは、位相シフトを用いて三次元形状の計測を行っている。   In the three-dimensional shape measurement system for a head described in Patent Document 2, a three-dimensional shape is measured using phase shift.

また、特許文献３に記載の光電式エンコーダでは、複数の回折格子を用いて光線を照射、一方の回折格子を移動させた場合に光検出器で検出する干渉光の強度の変化に基づいて移動量を検出している。
特開平１１−８３４５４号公報（１９９９年３月２６日公開） 特開２００５−１０６４９１号公報（２００５年４月２１日公開） 特開２００５−５５３６０号公報（２００５年３月３日公開） Further, in the photoelectric encoder described in Patent Document 3, when a light beam is irradiated using a plurality of diffraction gratings and one of the diffraction gratings is moved, the photoelectric encoder moves based on a change in the intensity of interference light detected by the photodetector. The amount is detected.
Japanese Patent Laid-Open No. 11-83454 (published March 26, 1999) JP 2005-106491 A (published April 21, 2005) JP 2005-55360 A (published March 3, 2005)

しかしながら、上記のような構成では、通常、計測対象を設置した移動ユニットに対して垂直にカメラなどを含む撮像ユニットを配置し、計測対象に光パタンを照射する投光ユニットを上記移動ユニットに対して斜め方向に配置している。そのため、カメラは移動ユニットを正面から撮像することができるが、投光ユニットは、移動ユニットに対して光パタンを斜め方向から照射することになる。   However, in the configuration as described above, usually, an imaging unit including a camera or the like is arranged vertically with respect to the moving unit in which the measurement target is installed, and the light projecting unit that irradiates the measurement target with an optical pattern is arranged with respect to the moving unit. Are arranged in an oblique direction. Therefore, although the camera can image the moving unit from the front, the light projecting unit irradiates the moving unit with an optical pattern from an oblique direction.

このように、レンズ光軸が物面に対して傾いているときにピントを合わせるための配置として、シャインプルーフの原理が利用されたシャインプルーフカメラなどが用いられる。シャインプルーフの条件を満たしていない場合、物面が光軸に対して垂直でないので、物面上にそれぞれの位置において光パタンの倍率が異なる。   As described above, as an arrangement for focusing when the optical axis of the lens is tilted with respect to the object surface, a shine-proof camera using the shine-proof principle is used. When the Scheimpflug condition is not satisfied, the object plane is not perpendicular to the optical axis, and therefore the magnification of the optical pattern is different at each position on the object plane.

三次元形状計測装置では、縞模様などを正弦波として投影しているため、ピントを均等にずらすことが必要になる。そのため、個々の光パタンのピントはあうが、それぞれの縞の投影する位置に応じて倍率が異なり、縞模様の間隔が変わってしまう。これは、投影側から離れるほど、投影される像は小さくなるためである（図８参照）。   Since the three-dimensional shape measuring apparatus projects a striped pattern or the like as a sine wave, it is necessary to shift the focus evenly. Therefore, although the focus of each light pattern matches, the magnification varies depending on the position where each stripe projects, and the interval between the stripe patterns changes. This is because the projected image becomes smaller as the distance from the projection side increases (see FIG. 8).

上記の理由から、計測する三次元形状の高さの誤差が、計測する場所によって異なってしまったり、移動ユニットの高さを変えると高さ誤差がばらついたりするという問題を生じる。   For the above reasons, there arises a problem that the height error of the three-dimensional shape to be measured varies depending on the measurement location, or that the height error varies when the height of the moving unit is changed.

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、計測精度を計測面上において一定に保つことができる三次形状元計測装置、および当該三次元計測装置で用いられる投影手段の設計方法を実現することにある。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is a tertiary shape original measuring apparatus capable of keeping measurement accuracy constant on a measurement surface, and a projection used in the three-dimensional measuring apparatus. It is to realize a design method of means.

本発明に係る三次元形状計測装置は、上記課題を解決するために、計測対象に投影された、位置に応じて輝度が変化する縞状の光パタンを解析することによって、計測対象の三次元形状を計測する三次元形状計測装置であって、上記計測対象が配置され、上記光パタンが投影される計測面を備えた被投影手段と、上記光パタンを上記計測対象および計測面に投影する投影手段と、上記光パタンを撮像する撮像手段とを備え、上記投影手段は、上記計測面上のある位置から上記投影手段までを結んだ線分と上記計測面の垂線との間の角度をθｐ、上記ある位置から上記撮像手段までを結んだ線分と上記計測面の垂線との間の角度をθｃとする場合に、計測面上の所定の領域内において、ｔａｎθｃ＋ｔａｎθｐを一定に保つように上記光パタンの縞を投影することを特徴としている。 In order to solve the above-described problem, the three-dimensional shape measurement apparatus according to the present invention analyzes a three-dimensional shape of a measurement target by analyzing a striped optical pattern projected on the measurement target and having a luminance that varies depending on the position. A three-dimensional shape measuring apparatus for measuring a shape, wherein a projection target having a measurement surface on which the measurement target is arranged and the optical pattern is projected, and the optical pattern are projected onto the measurement target and the measurement surface. A projection unit; and an imaging unit configured to capture the optical pattern. The projection unit determines an angle between a line segment connecting a certain position on the measurement surface to the projection unit and a perpendicular of the measurement surface. θ p , where θ c is an angle between a line segment connecting from the certain position to the imaging means and a perpendicular to the measurement surface, tan θ c + tan θ p is set within a predetermined region on the measurement surface. The above optical pattern to keep constant It is characterized by projecting a stripe.

上記の構成によれば、投影手段が縞状の光パタンを計測対象および計測面に投影し、撮像手段が投影された光パタンを読み取る構成において、ｔａｎθｃ＋ｔａｎθｐを計測対象となる領域内で一定に保つことができるように設計されたパタン形成手段を備えているので、撮像手段から計測面に対する視線角度であるθｃおよび投影手段から計測面に対する投影角度であるθｐを考慮した縞模様を投射することができる。 According to the above configuration, in the configuration in which the projecting unit projects the striped optical pattern onto the measurement target and the measurement surface, and the imaging unit reads the projected optical pattern, tan θ c + tan θ p is within the region to be measured. Since the pattern forming means is designed so as to be kept constant, a striped pattern in consideration of θ c that is the line-of-sight angle from the imaging means to the measurement surface and θ p that is the projection angle from the projection means to the measurement surface Can be projected.

三次元計上計測装置では、光パタンである縞模様を正弦波として投影する際に、斜め方向から投影を行っている。そのため、投影する距離によって倍率が変化し、計測面に対して投影される縞模様が、投影する位置に応じて倍率が異なってしまうので、縞の間隔が変化する。縞の間隔が変化することによって、正弦波として投影された縞模様の周期が変化し、測定する物体の計測誤差として検出されてしまう。   In a three-dimensional measuring apparatus, when a striped pattern that is an optical pattern is projected as a sine wave, projection is performed from an oblique direction. Therefore, the magnification changes depending on the projection distance, and the stripe pattern projected onto the measurement surface has a different magnification depending on the projection position, so that the stripe interval changes. When the interval between the fringes changes, the period of the fringe pattern projected as a sine wave changes and is detected as a measurement error of the object to be measured.

さらに、この計測誤差は、計測面上の位置によってばらばらに変化してしまう。これは、投影側から距離が離れれば離れるほど、計測対象に投影される光パタンの像は小さくなってしまうためである。三次元形状を計測する場合、計測範囲全体で計測精度を一定にすることが重要である。計測範囲の位置によって誤差が変動する場合、計測対象による周期のずれであるのか計測誤差であるのかが分からず、計測精度が不確かになってしまう。また、誤差が場所によって一定でないため計算によって補正を行うことができない。これは、撮像手段からの撮像角度や、投影手段からの投影角度を考慮して、光パタンが投影されていないことに起因する。   Furthermore, this measurement error varies depending on the position on the measurement surface. This is because as the distance from the projection side increases, the image of the optical pattern projected onto the measurement target becomes smaller. When measuring a three-dimensional shape, it is important to keep the measurement accuracy constant over the entire measurement range. When the error fluctuates depending on the position of the measurement range, it is not known whether it is a period shift or a measurement error due to the measurement target, and measurement accuracy becomes uncertain. Further, since the error is not constant depending on the place, it cannot be corrected by calculation. This is because the light pattern is not projected in consideration of the imaging angle from the imaging unit and the projection angle from the projection unit.

そこで、本願の三次元形状計測装置では、撮像角度や投影角度を考慮した像を計測対象および計測面に対して投射している。これによって、１）撮像する撮像手段の中心から離れると視野角が狭くなるため縞が狭く見える、２）投光器から離れると投影する光パタンの縞の幅が狭くなるという問題を解決し、計測範囲全体で高さ誤差を一定の範囲に収め、計測精度を計測面上において一定に保つことができるという効果を奏する。   Therefore, in the three-dimensional shape measuring apparatus of the present application, an image taking into consideration the imaging angle and the projection angle is projected onto the measurement target and the measurement surface. This solves the problem that 1) the fringe appears narrower because the viewing angle becomes narrower away from the center of the imaging means for imaging, and 2) the width of the projected optical pattern becomes narrower away from the projector. As a whole, the height error is kept within a certain range, and the measurement accuracy can be kept constant on the measurement surface.

本発明に係る三次元形状計測装置では、上記投影手段は、縞状の光パタンを射出する光射出面を備えるパタン生成手段と、パタン生成手段から射出された光パタンを所定の倍率で上記計測面に投影する光学投影手段とを含み、上記計測面に投影される光パタンは、上記撮像手段の撮像位置において、周期Ｔで繰り返す縞模様が撮像されるように形成されており、上記計測面と、上記パタン生成手段における光射出面と、上記光学投影手段の光軸に直交するレンズ面とが一つの直線Ｓで交差し、直線Ｓに垂直な面において、上記レンズ面および光軸の交点Ｌｏから上記光射出面および光軸の交点Ｐｏまでの距離をｆ’、上記Ｌｏから上記計測面および光軸の交点Ｗｏまでの距離をＺ、角度ＬｏＳＷｏをθ、角度ＬｏＳＰｏをθ’とする場合に、上記光パタンの位相誤差によって計測される三次元形状の限界である測距レンジＨが、 In the three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention, the projection means includes a pattern generation means having a light emission surface for emitting a striped light pattern, and the measurement of the light pattern emitted from the pattern generation means at a predetermined magnification. An optical projection unit that projects onto a surface, and the optical pattern projected onto the measurement surface is formed such that a striped pattern repeated at a period T is captured at the imaging position of the imaging unit, and the measurement surface And the light exit surface of the pattern generation means and the lens surface orthogonal to the optical axis of the optical projection means intersect at one straight line S, and the intersection of the lens surface and the optical axis on a surface perpendicular to the straight line S. L o from the distance to the intersection P o of the light exit plane and the optical axis f ', the distance from the L o to the intersection W o of the measurement surface and the optical axis Z, the angle L o SW o θ, the angle When L o SP o is θ ′ The ranging range H, which is the limit of the three-dimensional shape measured by the phase error of the optical pattern,

の式で求められ、上記計測面上に投影されるｎ＋１番目の縞の基準点からの位置ｄｎ＋１が、 The position d n + 1 from the reference point of the (n + 1) th stripe projected on the measurement surface is

の式で求められ、上記光射出面上の縞の基準点からの位置ｄ’が、 The position d ′ from the reference point of the stripe on the light exit surface is

の式で求められていることが好ましい。 It is preferable that it is calculated | required by the formula of.

上記の式に基づいてチャート面上の縞の位置が決定されるので、投影手段および撮像手段の角度が異なっている場合でも、撮像手段から撮影される角度を考慮した縞模様を計測面に投影することができるという効果を奏する。   Since the position of the stripe on the chart surface is determined based on the above formula, even if the angle of the projection means and the imaging means is different, the stripe pattern taking into account the angle taken from the imaging means is projected onto the measurement surface There is an effect that can be done.

本発明の三次元形状計測装置の製造方法では、上記問題を解決するために、計測対象に投影された、位置に応じて輝度が変化する縞状の光パタンを解析することによって、計測対象の三次元形状を計測する三次元形状計測装置の製造方法であって、上記三次元形状計測装置は、上記計測対象が配置され、上記光パタンが投影される計測面を備えた被投影手段と、上記光パタンを上記計測対象および計測面に投影する投影手段と、上記光パタンを撮像する撮像手段とを備えており、上記計測面上のある位置から上記投影手段までを結んだ線分と上記計測面の垂線との間の角度をθｐ、上記位置から上記撮像手段までを結んだ線分と上記計測面の垂線との間の角度をθｃとする場合に、計測面上の所定の領域内において、ｔａｎθｃ＋ｔａｎθｐを一定に保つ光パタンの縞を投影する投影手段を製造するステップを備えている。 In the manufacturing method of the three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention, in order to solve the above problem, by analyzing the striped optical pattern projected on the measurement object and changing in luminance according to the position, the measurement object is measured. A method of manufacturing a three-dimensional shape measuring apparatus for measuring a three-dimensional shape, wherein the three-dimensional shape measuring apparatus includes a measurement unit on which the measurement target is arranged and a measurement surface on which the optical pattern is projected; A projection unit that projects the optical pattern onto the measurement target and a measurement plane; and an imaging unit that captures the optical pattern, and a line segment that connects a certain position on the measurement plane to the projection unit; If the angle between the perpendicular to the measurement surface is θ p , and the angle between the line connecting the position to the imaging means and the perpendicular to the measurement surface is θ c , a predetermined value on the measurement surface in the region, tanθ c + tanθ The comprises the step of producing a projection means for projecting the fringes of the optical pattern be kept constant.

上記の方法によれば、上述の三次元形状計測装置と同様に、計測範囲全体で高さ誤差を一定の範囲に収め、計測精度を向上させることができるという効果を奏する三次元形状計測装置を製造することができる。   According to the above method, as in the above-described three-dimensional shape measuring apparatus, the three-dimensional shape measuring apparatus that has the effect of keeping the height error within a certain range and improving the measurement accuracy over the entire measurement range. Can be manufactured.

本発明に係る三次元形状計測装置は、計測面上のある位置から投影手段までを結んだ線分と計測面の垂線との間の角度をθｐ、上記位置から撮像手段までを結んだ線分と計測面の垂線との間の角度をθｃとする場合に、計測面上の所定の領域内において、ｔａｎθｃ＋ｔａｎθｐを一定に保つように上記光パタンの縞を投影するので、高さ誤差や計測精度の変化率を一定に抑えて計測精度を一定に保つことができるという効果を奏する。 In the three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention, an angle between a line segment connecting a certain position on the measurement surface to the projection means and a perpendicular of the measurement surface is θ p , and a line connecting the position to the imaging means the angle between the normal of the minute and the measurement surface when the theta c, in a predetermined area on the measurement surface, so projecting the fringes of the optical pattern so as to keep the tanθ c + tanθ p constant, high There is an effect that the measurement accuracy can be kept constant by keeping the error rate and the change rate of the measurement accuracy constant.

本発明の一実施形態について図１から図２２に基づいて説明すると以下の通りである。   An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.

図１は、三次元形状計測装置１０の要部構成を示すブロック図である。図２は、三次元形状計測装置１０の物理的構成を示す概念図である。図１および図２に示すように、三次元形状計測装置１０は、移動ユニット（被投影手段）１１、投光ユニット（投影手段）１３、撮像ユニット（撮像手段）１５、および解析・処理ユニット１６を備えている。さらに、三次元形状計測装置１０は、移動ユニット１１を制御する移動コントローラ２２と、投光ユニット１３を制御する投光コントローラ２３とを備えている。   FIG. 1 is a block diagram showing a main part configuration of the three-dimensional shape measuring apparatus 10. FIG. 2 is a conceptual diagram showing a physical configuration of the three-dimensional shape measuring apparatus 10. As shown in FIGS. 1 and 2, the three-dimensional shape measuring apparatus 10 includes a moving unit (projected means) 11, a light projecting unit (projecting means) 13, an imaging unit (imaging means) 15, and an analysis / processing unit 16. It has. Further, the three-dimensional shape measurement apparatus 10 includes a movement controller 22 that controls the movement unit 11 and a light projection controller 23 that controls the light projection unit 13.

投光ユニット１３は、計測対象１２の表面に光パタン１４を投影するためのものである。また、投光ユニット１３は、図１に示すように、例えば、ハロゲンランプやキセノンランプなどの光源３１、光源３１から照射された光にパタンを持たせるためのパタン生成素子（パタン形成手段）３２、およびマクロレンズなどのレンズ（光学投影手段）３３を備えている。   The light projecting unit 13 is for projecting the light pattern 14 onto the surface of the measurement object 12. In addition, as shown in FIG. 1, the light projecting unit 13 includes, for example, a light source 31 such as a halogen lamp or a xenon lamp, and a pattern generating element (pattern forming means) 32 for giving a pattern to light emitted from the light source 31. , And a lens (optical projection means) 33 such as a macro lens.

投影する光パタン１４としては、正弦波、三角波、又は矩形波などの、位置に応じて周期性を有し、かつ位相を特定できるパタンであれば何れのものでもよいが、本実施形態では、計測分解能の向上に寄与する正弦波状の光パタン１４を用いるものとする。また、パタン生成素子３２としては、ガラス又はフィルムを加工したものなどを用いることができる。   The optical pattern 14 to be projected may be any pattern as long as it has a periodicity according to the position and can specify the phase, such as a sine wave, a triangular wave, or a rectangular wave. It is assumed that a sinusoidal optical pattern 14 that contributes to improvement in measurement resolution is used. Moreover, as the pattern generation element 32, what processed glass or a film can be used.

撮像ユニット１５は、上述のように、光パタン１４が投影された計測対象１２を読み取り、その画像を取得するものである。また、撮像ユニット１５は、図１に示すように、撮像部３４と、マクロレンズなどの光学系３５とを備えている。   As described above, the imaging unit 15 reads the measurement target 12 onto which the optical pattern 14 is projected, and acquires the image. Further, as shown in FIG. 1, the imaging unit 15 includes an imaging unit 34 and an optical system 35 such as a macro lens.

移動ユニット１１は、撮像部３４の主走査方向（長手方向）、および該主走査方向と垂直な方向（以下「副走査方向」という）に計測対象１２を水平移動させるためのものである。また、移動ユニット１１は、図１に示すように、計測対象１２を載置するための移動テーブル４１、移動テーブル４１を駆動するサーボモータ４２、移動テーブル４１の位置を検出するリニアスケーラ４３などを備えている。   The moving unit 11 is for horizontally moving the measurement object 12 in the main scanning direction (longitudinal direction) of the imaging unit 34 and in a direction perpendicular to the main scanning direction (hereinafter referred to as “sub-scanning direction”). Further, as shown in FIG. 1, the moving unit 11 includes a moving table 41 for placing the measurement object 12, a servo motor 42 for driving the moving table 41, a linear scaler 43 for detecting the position of the moving table 41, and the like. I have.

移動ユニット１１により計測対象１２を副走査方向に移動させつつ撮像部３４により逐次撮像することによって、計測対象１２全体の三次元形状を計測することが可能になる。また、計測対象１２が撮像部３４の撮像範囲よりも主走査方向に広い場合には、移動ユニット１１により計測対象１２を主走査方向に移動させて撮像部３４により逐次撮像すればよい。   It is possible to measure the three-dimensional shape of the entire measurement target 12 by sequentially capturing images with the imaging unit 34 while moving the measurement target 12 in the sub-scanning direction with the moving unit 11. Further, when the measurement target 12 is wider in the main scanning direction than the imaging range of the imaging unit 34, the measurement unit 12 may be moved in the main scanning direction by the moving unit 11 and sequentially imaged by the imaging unit 34.

解析・処理ユニット１６は、撮像ユニット１５によって撮像された画像に含まれる光パタン１４を縞解析法によって解析し、計測対象１２の三次元形状を算出すると共に、移動コントローラ２２および投光コントローラ２３に各種指示を行うものである。また、解析・処理ユニット１６は、図１に示すように、撮像ユニット１５からの画像をデジタルデータで取り込むキャプチャボード４４、各種の制御を行う制御部４５、および各種の情報を記憶する記憶部４６を備えている。   The analysis / processing unit 16 analyzes the light pattern 14 included in the image picked up by the image pickup unit 15 by the fringe analysis method, calculates the three-dimensional shape of the measurement target 12, and sends it to the movement controller 22 and the light projection controller 23. Various instructions are given. Further, as shown in FIG. 1, the analysis / processing unit 16 includes a capture board 44 that captures an image from the imaging unit 15 as digital data, a control unit 45 that performs various controls, and a storage unit 46 that stores various types of information. It has.

なお、本実施形態では、移動ユニット１１は、計測対象１２を移動させる構成としたが、計測対象１２を移動させる代わりに、投光ユニット１３および撮像ユニット１５を副走査方向に、さらには主走査方向に移動させる構成としてもよい。すなわち、移動ユニット１１は、計測対象１２を投光ユニット１３および撮像ユニット１５に対して相対的に移動させるものであればよい。   In the present embodiment, the moving unit 11 is configured to move the measurement target 12. However, instead of moving the measurement target 12, the light projecting unit 13 and the imaging unit 15 are moved in the sub-scanning direction, and further in the main scanning. It is good also as a structure moved to a direction. That is, the moving unit 11 only needs to move the measurement target 12 relative to the light projecting unit 13 and the imaging unit 15.

このような三次元形状計測装置１０に備わる各部の構成について概略を説明する。本実施形態の三次元形状計測装置１０では、撮像ユニット１５の撮像部３４は、その主走査方向の軸が移動テーブル４１の計測面と平行になるように設置されている。   An outline of the configuration of each unit provided in the three-dimensional shape measuring apparatus 10 will be described. In the three-dimensional shape measurement apparatus 10 of the present embodiment, the imaging unit 34 of the imaging unit 15 is installed so that the axis in the main scanning direction is parallel to the measurement surface of the moving table 41.

撮像部３４の光軸と移動テーブル４１の計測面とを平行にすることにより、計測対象１２の上面を均一な倍率で撮像することができる。また、撮像部３４の光軸（主走査方向の軸）と副走査方向とを垂直にしているので、搬送しながら撮影した複数のライン画像からなる２次元画像には、直角部分が直角部分として撮像される。   By making the optical axis of the imaging unit 34 parallel to the measurement surface of the moving table 41, the upper surface of the measurement target 12 can be imaged at a uniform magnification. Further, since the optical axis (axis in the main scanning direction) of the imaging unit 34 and the sub-scanning direction are perpendicular to each other, a right-angle portion is a right-angle portion in a two-dimensional image composed of a plurality of line images taken while being conveyed. Imaged.

また、投光ユニット１３は、その光軸が撮像ユニット１５の光軸に対して所定の角度を有するように設置されている。これにより、詳細は後述するが、計測対象１２に投影した光パタンのずれに基づいて、計測対象１２の高さを算出することができる。なお、撮像ユニット１５および投光ユニット１３の幾何学的配置は設置時にあらかじめ計測しておいてもよいし、校正により算出してもよい。   The light projecting unit 13 is installed such that its optical axis has a predetermined angle with respect to the optical axis of the imaging unit 15. Thereby, although details will be described later, the height of the measurement target 12 can be calculated based on the shift of the optical pattern projected onto the measurement target 12. The geometric arrangement of the imaging unit 15 and the light projecting unit 13 may be measured in advance at the time of installation or may be calculated by calibration.

このような三次元形状計測装置１０の動作について説明すると以下の通りである。まず、解析・処理ユニット１６から移動コントローラ２２を介しての命令によって、移動ユニット１１のサーボモータ４２が移動テーブル４１を初期設定位置にセットする。この初期設定位置は、撮像ユニット１５が計測対象１２を撮像する際の副走査方向の撮像開始位置を決定するものであり、撮像ユニット１５の撮像領域が、移動ユニット１１の移動テーブル４１に載せられた計測対象１２の副走査方向における端部に来るような位置であることが好ましい。   The operation of the three-dimensional shape measuring apparatus 10 will be described as follows. First, the servo motor 42 of the moving unit 11 sets the moving table 41 at the initial setting position according to a command from the analysis / processing unit 16 via the movement controller 22. This initial setting position determines the imaging start position in the sub-scanning direction when the imaging unit 15 images the measurement target 12, and the imaging area of the imaging unit 15 is placed on the moving table 41 of the moving unit 11. It is preferable that the measurement object 12 be positioned at the end in the sub-scanning direction.

そして、投光ユニット１３が計測対象１２に光パタンを投影する。撮像ユニット１５は、光パタンが投影された計測対象１２を走査し、この計測対象１２の画像を取得する。撮像ユニット１５によって取得された画像は、解析・処理ユニット１６に送信され、解析・処理ユニット１６のキャプチャボード４４によってデジタルデータに変換される。そして、解析・処理ユニット１６の制御部４５が光パタン１４を解析することによって、計測対象１２の高さ情報が算出される。   Then, the light projecting unit 13 projects an optical pattern onto the measurement target 12. The imaging unit 15 scans the measurement target 12 on which the optical pattern is projected, and acquires an image of the measurement target 12. The image acquired by the imaging unit 15 is transmitted to the analysis / processing unit 16 and converted into digital data by the capture board 44 of the analysis / processing unit 16. Then, when the control unit 45 of the analysis / processing unit 16 analyzes the optical pattern 14, the height information of the measurement target 12 is calculated.

ここで、本実施形態の三次元形状計測装置１０では、画像中の光パタン１４を解析する際に、空間縞解析法を用いる構成となっている。これにより、撮像ユニット１５に備わった１本の撮像部３４が１回走査して取得した画像から、計測対象１２の、撮像ユニット１５の走査領域（撮像領域）内での各位置における高さを求めることができる。   Here, the three-dimensional shape measurement apparatus 10 of the present embodiment is configured to use the spatial fringe analysis method when analyzing the optical pattern 14 in the image. Thereby, the height at each position in the scanning area (imaging area) of the imaging unit 15 of the measurement target 12 from the image acquired by one imaging unit 34 provided in the imaging unit 15 once scanned. Can be sought.

そして、移動ユニット１１は、解析・処理ユニット１６の制御によって、計測対象１２を副走査方向に所定の距離だけ移動させる。これにより、計測対象１２における撮像ユニット１５の撮像領域と投光ユニット１３によって投影される光パタン１４とが、所定の距離だけ副走査方向にずれることになる。この後、再び撮像ユニット１５が計測対象１２を走査し、画像を取得する。ここで得られた画像には、計測対象１２の、先ほどの走査領域よりも所定の距離だけ副走査方向にずれた領域が含まれることになる。得られた画像は、同様に解析・処理ユニット１６に送信され、新しい走査領域内での各位置における三次元情報が求められる。   The moving unit 11 moves the measurement object 12 by a predetermined distance in the sub-scanning direction under the control of the analysis / processing unit 16. Thereby, the imaging region of the imaging unit 15 in the measurement target 12 and the light pattern 14 projected by the light projecting unit 13 are shifted in the sub-scanning direction by a predetermined distance. Thereafter, the imaging unit 15 scans the measurement object 12 again to acquire an image. The obtained image includes an area of the measurement object 12 that is shifted in the sub-scanning direction by a predetermined distance from the previous scanning area. The obtained image is similarly transmitted to the analysis / processing unit 16, and three-dimensional information at each position in the new scanning region is obtained.

このように、移動ユニット１１が再び計測対象１２を所定の距離だけ移動させ、撮像ユニット１５が計測対象１２を撮像し、解析・処理ユニット１６がライン画像を解析する処理を繰り返すことによって、計測対象１２の全体の三次元形状が計測される。   In this way, the moving unit 11 again moves the measurement target 12 by a predetermined distance, the imaging unit 15 images the measurement target 12, and the analysis / processing unit 16 repeats the process of analyzing the line image, thereby measuring the measurement target. Twelve total three-dimensional shapes are measured.

なお、計測対象１２の三次元形状情報のうち、撮像部３４の主走査方向の長さおよび副走査方向の長さ情報については、公知の方法によって計測する。具体的に説明すると、計測対象１２の主走査方向の長さ情報は、ライン画像に撮像された計測対象の主走査方向の長さに基づいて算出する。一方、計測対象１２の副走査方向の長さ情報は、移動ユニット１１による移動速度に基づいて算出する。このように、計測対象１２の主走査方向および副走査方向の長さ情報と、高さ情報とを求めることによって、計測対象１２の三次元形状情報を得ることができる。   Of the three-dimensional shape information of the measurement target 12, the length information in the main scanning direction and the sub-scanning direction of the imaging unit 34 is measured by a known method. More specifically, the length information of the measurement target 12 in the main scanning direction is calculated based on the length of the measurement target captured in the line image in the main scanning direction. On the other hand, the length information of the measurement target 12 in the sub-scanning direction is calculated based on the moving speed of the moving unit 11. Thus, the three-dimensional shape information of the measurement target 12 can be obtained by obtaining the length information and the height information of the measurement target 12 in the main scanning direction and the sub-scanning direction.

なお、上記の所定の距離とは、撮像ユニット１５の撮像領域の副走査方向における長さと等しいことが好ましい。これにより、上記の工程によって計測対象１２の全領域を漏らすことなく迅速に計測することができる。   Note that the predetermined distance is preferably equal to the length of the imaging region of the imaging unit 15 in the sub-scanning direction. Thereby, it can measure rapidly, without leaking the whole area | region of the measuring object 12 by said process.

また、所定の距離ごとの撮像は、移動テーブル４１を一定速度で移動させつつ、撮像ユニット１５に一定時間ごとに撮像させることによって実現することができる。この場合、移動コントローラ２２が、キャプチャボード４４を介して、例えば数ＫＨｚオーダーの一定時間ごとに撮像駆動信号を撮像ユニット１５に送信する。撮像ユニット１５は、この駆動信号をトリガとして光パタンの投影された計測対象１２の画像を取得する。一方、移動コントローラ２２は、同様の一定時間ごとの搬送駆動信号を移動ユニット１１にも送信する。移動ユニット１１のサーボモータ４２は、この搬送駆動信号をトリガとして移動テーブル４１を一定速度で駆動する。これにより、所定の領域ずつ計測対象１２を撮像することができる。   Further, imaging at predetermined distances can be realized by causing the imaging unit 15 to capture images at regular intervals while moving the moving table 41 at a constant speed. In this case, the movement controller 22 transmits an imaging drive signal to the imaging unit 15 via the capture board 44 at regular time intervals of, for example, several KHz order. The imaging unit 15 acquires an image of the measurement target 12 onto which the optical pattern is projected using this drive signal as a trigger. On the other hand, the movement controller 22 also transmits the same conveyance drive signal at regular intervals to the movement unit 11. The servo motor 42 of the moving unit 11 drives the moving table 41 at a constant speed using this transport drive signal as a trigger. Thereby, the measurement object 12 can be imaged for each predetermined region.

また、所定の距離ごとの撮像にリニアスケーラ４３を利用してもよい。この場合、図２に示すように、リニアスケーラ４３は移動ユニット１１に設けられ、移動テーブル４１が所定の距離だけ移動されるたびに、移動コントローラ２２に対して信号を送信する。そして、移動コントローラ２２は、この信号を受信すると、撮像ユニット１５の撮像部３４に対して撮像駆動信号を送信する。これにより、移動ユニット１１の搬送速度ムラなどに左右されることなく、精確に所定の距離ごとの撮像を行うことが可能になり、その結果、三次元計測の精度が向上する。   Moreover, you may utilize the linear scaler 43 for the imaging for every predetermined distance. In this case, as shown in FIG. 2, the linear scaler 43 is provided in the movement unit 11 and transmits a signal to the movement controller 22 every time the movement table 41 is moved by a predetermined distance. And the movement controller 22 will transmit an imaging drive signal with respect to the imaging part 34 of the imaging unit 15, if this signal is received. Thereby, it becomes possible to accurately perform imaging at every predetermined distance without being affected by unevenness in the conveyance speed of the moving unit 11, and as a result, the accuracy of three-dimensional measurement is improved.

次に、図３を用いて、投光ユニット１３の構成について、詳細を説明する。図３は、投光ユニット１３の投光器部分の詳細な構成を示す断面図である。投光ユニット１３は、投影レンズ６１、チャート（パタン生成素子）６２、フィールドレンズ（光学投影手段）６３、コリメータレンズ（光学投影手段）６４、インテグレータレンズ（光学投影手段）６５、コンデンサレンズ（光学投影手段）６６、ランプユニット（光源）６７、バラスト（安定化電源）およびランプ制御回路６８を備えている。   Next, the configuration of the light projecting unit 13 will be described in detail with reference to FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view showing a detailed configuration of the light projector portion of the light projecting unit 13. The light projecting unit 13 includes a projection lens 61, a chart (pattern generating element) 62, a field lens (optical projection means) 63, a collimator lens (optical projection means) 64, an integrator lens (optical projection means) 65, a condenser lens (optical projection). Means) 66, a lamp unit (light source) 67, a ballast (stabilized power source), and a lamp control circuit 68.

ランプユニット６７から投影された光線は、各レンズを経由することで光線量を調整された後にチャート６２に照射される。照射された光線によって、チャート６２上の形成された縞模様が投影レンズ６１によって拡大され、像が反転されて計測面に縞状の光パタン１４が形成される。   The light beam projected from the lamp unit 67 is applied to the chart 62 after adjusting the amount of light through each lens. The striped pattern formed on the chart 62 is magnified by the projection lens 61 by the irradiated light beam, the image is inverted, and the striped optical pattern 14 is formed on the measurement surface.

次に、縞解析法について説明する。本実施形態では、計測対象１２に投影する光パタン１４として、正弦波状の光パタンを用いる。正弦波状の光パタンとは、輝度が正弦関数によって表されるグラデーションを有するパタンのことをいう。言い換えれば、位置と輝度との関係が正弦関数によって表される光パタンのことを正弦波状の光パタンという。   Next, the fringe analysis method will be described. In the present embodiment, a sinusoidal optical pattern is used as the optical pattern 14 projected onto the measurement object 12. The sinusoidal light pattern refers to a pattern having gradation in which luminance is expressed by a sine function. In other words, an optical pattern in which the relationship between position and luminance is expressed by a sine function is called a sine wave optical pattern.

ここで、計測対象１２に照射する光パタン１４について、図４から図６を参照して説明する。図４は、計測対象１２の形状を示す図で、同図（ａ）は上面図であり、同図（ｂ）は側面図である。図５は、計測対象１２に光パタン１４を投影した場合に、計測対象１２に投影された光パタン１４の歪みを示す図で、同図（ａ）は上面図であり、同図（ｂ）は基準面での輝度変動と凸部での輝度変動を示す波形図である。図６は、位相誤差Δｐおよび測距レンジＨの定義について説明する図である。   Here, the optical pattern 14 with which the measurement object 12 is irradiated will be described with reference to FIGS. 4A and 4B are diagrams illustrating the shape of the measurement object 12, in which FIG. 4A is a top view and FIG. 4B is a side view. FIG. 5 is a diagram showing the distortion of the optical pattern 14 projected onto the measurement object 12 when the optical pattern 14 is projected onto the measurement object 12. FIG. 5 (a) is a top view and FIG. 5 (b). FIG. 4 is a waveform diagram showing luminance fluctuations at a reference surface and luminance fluctuations at a convex portion. FIG. 6 is a diagram for explaining the definition of the phase error Δp and the ranging range H.

光パタン１４を、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すような計測対象１２に投影した場合、投影される光パタン１４を上面から観測すると図５（ａ）のようになる。すなわち、斜め方向から投影された光パタン１４は、高さを有する凸部において歪みを生じることになる。このように光パタン１４が投影された計測対象１２を撮像ユニット１５の撮像部３４によって走査すると、走査位置と輝度との関係は図５（ｂ）のようになる。   When the optical pattern 14 is projected onto the measurement object 12 as shown in FIGS. 4A and 4B, the projected optical pattern 14 is observed from the upper surface as shown in FIG. 5A. That is, the optical pattern 14 projected from the oblique direction is distorted at the convex portion having a height. When the measurement target 12 on which the optical pattern 14 is projected in this way is scanned by the imaging unit 34 of the imaging unit 15, the relationship between the scanning position and the luminance is as shown in FIG.

図５（ｂ）に示すように、凸部のない基準面に投影された光パタン１４は、常に一定の周期で輝度が変化する。これに対して、凸部に投影された光パタン１４は凸部の傾斜によって輝度の周期が変化し、その結果、基準面に投影された光パタン１４に対して位相のずれを生じることになる。よって、実際に計測対象１２に光パタン１４を投影して撮像した画像に含まれる或る位置の画素における光パタンの位相と、基準面に光パタン１４を投影した場合の同画素の位相（基準位相）との差を求めれば、その画素に対応する位置における計測対象１２の高さを三角測量の原理に基づいて求めることができる。   As shown in FIG. 5B, the luminance of the optical pattern 14 projected on the reference surface having no convex portion always changes at a constant cycle. On the other hand, the optical pattern 14 projected onto the convex portion changes in luminance cycle due to the inclination of the convex portion, and as a result, a phase shift occurs with respect to the optical pattern 14 projected onto the reference surface. . Therefore, the phase of the optical pattern at a pixel at a certain position included in the image actually captured by projecting the optical pattern 14 onto the measurement object 12 and the phase of the same pixel when the optical pattern 14 is projected onto the reference plane (reference If the difference from the phase is obtained, the height of the measurement object 12 at the position corresponding to the pixel can be obtained based on the principle of triangulation.

上記の位相差を算出するにあたって、基準位相は、基準面に光パタン１４を投影して撮像することなどによって予め求めておくことができる。一方、実際に計測対象に光パタン１４を投影して撮像した画像に含まれる各位置の画素における光パタン１４の位相の求め方には、大別して２通りある。空間縞解析法と時間縞解析法との相違点は、この位相の求め方にある。   In calculating the phase difference, the reference phase can be obtained in advance by projecting the optical pattern 14 on the reference plane and taking an image. On the other hand, there are roughly two ways of obtaining the phase of the optical pattern 14 at the pixels at each position included in the image actually projected by projecting the optical pattern 14 onto the measurement target. The difference between the spatial fringe analysis method and the time fringe analysis method lies in how to obtain this phase.

図５（ｂ）に示すように、正弦関数では、ある一つの変位を与える位相が一周期内に２つ存在する。例えば、ｙ＝ｓｉｎθによって表される関数において、変位ｙ＝０を与える位相θは０及びπの２つ存在する。また、変位ｙ＝１／２を与える位相θはπ／６及び５π／６の２つ存在する。このような理由から、撮像した画像において、単一の画素の輝度値（正弦関数の変位に相当）のみから、その画素における光パタン１４の位相を求めることはできない。   As shown in FIG. 5B, in the sine function, there are two phases giving one displacement within one period. For example, in the function represented by y = sin θ, there are two phases θ that give displacement y = 0, 0 and π. There are two phases θ that give displacement y = ½, π / 6 and 5π / 6. For this reason, in the captured image, the phase of the optical pattern 14 at that pixel cannot be obtained from only the luminance value of the single pixel (corresponding to the displacement of the sine function).

ここで、従来用いられてきた手法である時間縞解析法では、所定の量だけ位相をずらした光パタン１４を計測対象に投影して再び計測対象を撮像し、２つの画像を解析することによって位相を１つに決定する。つまり、初めに撮像した画像における或る画素の輝度を基に、その画素における光パタン１４の位相を２つに絞り込み、次に撮像した画像におけるその画素の輝度を基に、光パタン１４の位相を１つに特定する。従って、時間縞解析法を用いる場合は、計測対象の反射特性が厳密に一様であったとしても、計測対象を最低でも２回撮像しなければならないことが分かる。   Here, in the time fringe analysis method, which has been used in the past, the optical pattern 14 whose phase is shifted by a predetermined amount is projected onto the measurement object, the measurement object is imaged again, and the two images are analyzed. Determine one phase. That is, based on the luminance of a certain pixel in the first imaged image, the phase of the optical pattern 14 in that pixel is narrowed down to two, and then the phase of the optical pattern 14 based on the luminance of that pixel in the next imaged image. Is specified as one. Therefore, it can be seen that when using the time stripe analysis method, the measurement object must be imaged at least twice even if the reflection characteristics of the measurement object are strictly uniform.

一方、空間縞解析法では、位相を求める画素（以下「注目画素」という）及びその周辺の画素の輝度に基づいて、注目画素における位相を算出する。例えば、上記の例において変位ｙ＝０を与える位相θは０及びπの２つあるが、ここで、注目画素における位相が０の場合とπの場合とでは、周辺の画素の輝度が異なることになる。もし、注目画素における位相が０の場合、例えば注目画素よりも少し位相が小さい側に存在する周辺画素の輝度値は、注目画素の輝度値よりも小さくなる。一方、注目画素における位相がπの場合は、注目画素よりも少し位相が小さい側に存在する周辺画素の輝度値が注目画素の輝度値よりも大きくなる。従って、注目画素の近傍の画素に基づいて、光パタンの位相を１つに決定することができる。このように、注目画素の近傍に存在する画素の輝度値に基づいて、注目画素における位相を決定するのが空間縞解析法の特徴である。   On the other hand, in the spatial fringe analysis method, the phase at the target pixel is calculated based on the luminance of the pixel whose phase is to be obtained (hereinafter referred to as “target pixel”) and the surrounding pixels. For example, in the above example, there are two phases θ that give the displacement y = 0, 0 and π. Here, the luminance of surrounding pixels is different between the case where the phase of the pixel of interest is 0 and the case of π. become. If the phase of the pixel of interest is 0, for example, the luminance value of the peripheral pixel existing on the side slightly smaller in phase than the pixel of interest is smaller than the luminance value of the pixel of interest. On the other hand, when the phase of the pixel of interest is π, the luminance value of the peripheral pixel existing on the side slightly smaller in phase than the pixel of interest is larger than the luminance value of the pixel of interest. Therefore, the phase of the optical pattern can be determined as one based on the pixels in the vicinity of the target pixel. Thus, the feature of the spatial fringe analysis method is to determine the phase of the target pixel based on the luminance value of the pixel existing in the vicinity of the target pixel.

本実施形態の三次元形状計測装置１０では、空間縞解析法に基づいて説明するが、本発明はこれに限定されず、上述した空間縞解析法の原理に基づいたものであればどのようなものであってもよい。   The three-dimensional shape measuring apparatus 10 of the present embodiment will be described based on the spatial fringe analysis method. However, the present invention is not limited to this, and any method can be used as long as it is based on the above-described principle of the spatial fringe analysis method. It may be a thing.

次に、図６を用いて、位相誤差Δｐおよび測距レンジＨの定義について説明する。図６（ａ）では、位相誤差によって計測される三次元形状の限界である測距レンジＨを説明している。図６（ｂ）は、理想の正弦波の波形と、計測対象が測定面に存在することによって歪んだ正弦波とを比較している。   Next, the definition of the phase error Δp and the ranging range H will be described with reference to FIG. FIG. 6A illustrates the ranging range H that is the limit of the three-dimensional shape measured by the phase error. FIG. 6B compares an ideal sine wave waveform with a sine wave distorted by the presence of the measurement target on the measurement surface.

図６（ａ）では、測距レンジＨについて点線で示している。位相誤差は、理想波形とのずれであるので、波形の一周期、すなわち２πを超えると同じ波形が現れる。そのため、位相誤差によって計測できる範囲は、２πよりも少ない距離に限られる。本実施形態では、正弦波の位相ずれを比較することで計測対象１２の高さを計測しているが、位相誤差が一周期ずれた波形と比較しても、正確な高さを計測することはできない。つまり、高さを計測するために使用できるのは、縞模様の一周期分となる。この縞模様の一周期を用いて計測できる高さの変化を測距レンジＨとしている。   In FIG. 6A, the distance measurement range H is indicated by a dotted line. Since the phase error is a deviation from the ideal waveform, the same waveform appears when it exceeds one period of the waveform, that is, 2π. Therefore, the range that can be measured by the phase error is limited to a distance less than 2π. In the present embodiment, the height of the measurement object 12 is measured by comparing the phase shift of the sine wave, but the accurate height can be measured even when compared with a waveform in which the phase error is shifted by one cycle. I can't. In other words, what can be used to measure the height is one period of the striped pattern. A change in height that can be measured using one period of the striped pattern is defined as a distance measuring range H.

図６（ｂ）では、理想の正弦波形７６および歪んだ正弦波形７７が比較されている。何もない物面に照射された光パタン１４は一定の周期を保っており、一定の理想の正弦波形７６に変換される。これに対して、計測対象１２が配置された計側面では光パタン１４が変化し、正弦波形７７も変形する。これら二つの正弦波形の差が位相誤差Δｐにあたる。本実施形態の三次元形状計測装置１０では、この位相誤差Δｐを計測することで、計測対象１２の高さを算出している。   In FIG. 6B, an ideal sine waveform 76 and a distorted sine waveform 77 are compared. The optical pattern 14 irradiated on the object surface having nothing has a constant period and is converted into a constant ideal sine waveform 76. On the other hand, the optical pattern 14 changes on the side surface where the measurement object 12 is arranged, and the sine waveform 77 is also deformed. The difference between these two sine waveforms corresponds to the phase error Δp. In the three-dimensional shape measurement apparatus 10 of the present embodiment, the height of the measurement object 12 is calculated by measuring the phase error Δp.

次に、図７から図１０を用いて、本実施形態における三次元形状計測装置１０の各部材の位置関係について詳細を説明する。図７は、三次元形状計測装置１０の各ユニットおよび投影する光パタンの位置関係を示す概念図である。本実施形態では、図７のように、撮像ユニット１５を移動ユニット１１の正面に配置し、投光ユニット１３を計測面の斜め上方に配置している。   Next, using FIG. 7 to FIG. 10, the positional relationship of each member of the three-dimensional shape measuring apparatus 10 in this embodiment will be described in detail. FIG. 7 is a conceptual diagram showing the positional relationship between each unit of the three-dimensional shape measuring apparatus 10 and the projected optical pattern. In the present embodiment, as shown in FIG. 7, the imaging unit 15 is disposed in front of the moving unit 11, and the light projecting unit 13 is disposed obliquely above the measurement surface.

移動ユニット１１に対して撮像視線７１および投光視線７２が図７のような配置になっている場合、計測面５２の垂線に対する撮像視線７１の角度をθｃ、計測面５２の垂線に対する投光視線７２の角度をθｐ、計測面５２に投影された光パタン１２の像を撮像ユニット１５から撮影した場合の一周期をＴ［μｍ］、光パタン１２の位相誤差によって計測される距離の限界である測距レンジをＨ［μｍ］、光パタン１２の位相誤差をΔｐ［ｒａｄ］、上記の条件において発生する高さの計測誤差をΔｈ［μｍ］としている。高さの計測誤差Δｈについては、詳細は後述する。 When the imaging line of sight 71 and the projection line of sight 72 are arranged as shown in FIG. 7 with respect to the moving unit 11, the angle of the imaging line of sight 71 with respect to the perpendicular to the measurement surface 52 is θ c , and The angle of the line of sight 72 is θ p , one period when the image of the optical pattern 12 projected on the measurement surface 52 is taken from the imaging unit 15 is T [μm], and the limit of the distance measured by the phase error of the optical pattern 12 The distance measurement range is H [μm], the phase error of the optical pattern 12 is Δp [rad], and the height measurement error generated under the above conditions is Δh [μm]. Details of the height measurement error Δh will be described later.

なお、レンズ３３を含む面をレンズ面５０、パタン形成素子３２を含む面をチャート面５１、移動ユニット１１上の光パタン１４を投影する面を計測面５２と呼ぶ。以降、三次元形状計測の表現を、便宜上二次元で表現する。図面においても同様である。これら３つの平面は、後述するシャインプルーフ条件が満たされる１つの点Ｓで交差する。   A surface including the lens 33 is referred to as a lens surface 50, a surface including the pattern forming element 32 is referred to as a chart surface 51, and a surface on which the optical pattern 14 on the moving unit 11 is projected is referred to as a measurement surface 52. Hereinafter, the representation of the three-dimensional shape measurement is expressed in two dimensions for convenience. The same applies to the drawings. These three planes intersect at one point S that satisfies the Shineproof condition described later.

次に、光パタン１４の投影倍率の変化について説明する。図８は、計測面５２に投影される光パタン１４の像が、遠くになるほど小さくなってしまうことを示した模式図である。チャート面５１上の縞模様は、Ｐｏを中心に所定の幅を持っているが、レンズ面５０に存在する光学レンズによって集光されて計測面５２に投影される。この場合、チャート面５１から距離が離れるほど、計測面５２に投影される像は小さくなる。 Next, a change in the projection magnification of the optical pattern 14 will be described. FIG. 8 is a schematic diagram showing that the image of the optical pattern 14 projected on the measurement surface 52 becomes smaller as the distance increases. Stripes on the chart surface 51 is has a predetermined width around the P o, is projected to the measurement surface 52 is collected by the optical lens that is present on the lens surface 50. In this case, the image projected onto the measurement surface 52 becomes smaller as the distance from the chart surface 51 increases.

次に、図９を用いて本実施形態の三次元形状計測装置１０における各ユニットの配置の前提となるシャインプルーフ条件について説明を行う。図９は、シャインプルーフ条件を満たした投光ユニット１３および移動ユニット１１の位置関係を示す概略図である。   Next, a shine proof condition which is a premise of the arrangement of each unit in the three-dimensional shape measuring apparatus 10 of the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a schematic diagram showing the positional relationship between the light projecting unit 13 and the moving unit 11 that satisfy the Scheinproof condition.

投光ユニット１３のパタン生成素子３２は、図示しない光源３１からの光線を受けて、レンズ３３を通して移動テーブル４１上の計測面５２に対して光パタン１４を形成する。   The pattern generation element 32 of the light projecting unit 13 receives a light beam from a light source 31 (not shown), and forms the optical pattern 14 on the measurement surface 52 on the moving table 41 through the lens 33.

このとき、レンズ３３の光軸５３は、計測面５２に対して斜めになっている。レンズ３３の光軸５３が計測面５２に対して傾いているときにピントを合わせるための配置として、シャインプルーフの原理が利用される。シャインプルーフ配置で無い場合は計測面のそれぞれの位置で光パタンのピントが異なる。   At this time, the optical axis 53 of the lens 33 is inclined with respect to the measurement surface 52. As an arrangement for focusing when the optical axis 53 of the lens 33 is tilted with respect to the measurement surface 52, the Scheinproof principle is used. When the shine proof arrangement is not used, the focus of the optical pattern is different at each position on the measurement surface.

図７の例では、パタン生成素子３２のチャート面、レンズ３３のレンズ面、および移動テーブル４１の計測面５２の、各面の延長線が１つの点で交わることがシャインプルーフ条件を満たすための配置となる。以下では、上記３つの面が交わる点を点Ｓとする。また、上記３つの面の位置関係を示す場合には、点Ｓに垂直な面において位置関係を示すものとする。   In the example of FIG. 7, the extension line of each surface of the chart surface of the pattern generation element 32, the lens surface of the lens 33, and the measurement surface 52 of the moving table 41 intersects at one point to satisfy the Scheinproof condition. Arrangement. In the following, the point where the above three surfaces intersect will be referred to as point S. When the positional relationship between the three surfaces is shown, the positional relationship is shown on a surface perpendicular to the point S.

また、光軸５３と、レンズ面５０、チャート面５１、および計測面５２とのそれぞれの交点を点Ｌ０、点Ｐ０、点Ｗ０とする。さらに、点Ｌ０Ｐ０間の距離をｆ’、点Ｌ０Ｗ０間の距離をＺ、角Ｌ０ＳＷ０の角度をθ、角Ｌ０ＳＰ０の角度をθ’とする。 Further, the intersections of the optical axis 53, the lens surface 50, the chart surface 51, and the measurement surface 52 are defined as point L 0 , point P 0 , and point W 0 . Further, the distance between the points L 0 P 0 is f ′, the distance between the points L 0 W 0 is Z, the angle L 0 SW 0 is θ, and the angle L 0 SP 0 is θ ′.

上記の定義において、シャインプルーフ状態における幾何学的関係について、図１０を参照して説明する。図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、レンズ面５０、チャート面５１、および計測面５２の位置関係から導き出せる幾何学的関係について示した図である。   In the above definition, the geometric relationship in the Scheinproof state will be described with reference to FIG. FIG. 10A and FIG. 10B are diagrams showing a geometric relationship that can be derived from the positional relationship among the lens surface 50, the chart surface 51, and the measurement surface 52.

本実施形態の三次元形状計測装置１０では、上述のシャインプルーフ条件を満たすようにレンズ面５０、チャート面５１、および計測面５２が点Ｓで交わっている。レンズ面５０に垂直な直線Ｐ０Ｌ０Ｗ０は、光軸５３を表している。 In the three-dimensional shape measurement apparatus 10 of the present embodiment, the lens surface 50, the chart surface 51, and the measurement surface 52 intersect at a point S so as to satisfy the above Scheimpflug condition. A straight line P 0 L 0 W 0 perpendicular to the lens surface 50 represents the optical axis 53.

また、距離ｄ’は、チャート面５１上の基準点Ｐ０から縞の開始座標までの距離を、距離ｄは、計測面５２上の基準点Ｗ０から縞の開始座標までの距離を示している。さらに、Ｗ０ＳＬ０を結ぶ直線の角度をθ、Ｐ０ＳＬ０を結ぶ直線の角度をθ’、直線Ｐ０Ｌ０Ｗ０および直線Ｐ１Ｌ０Ｗ１の角度をαとしている。 The distance d ′ indicates the distance from the reference point P 0 on the chart surface 51 to the start coordinate of the stripe, and the distance d indicates the distance from the reference point W 0 on the measurement surface 52 to the start coordinate of the stripe. Yes. Furthermore, the angle of the straight line connecting W 0 SL 0 is θ, the angle of the straight line connecting P 0 SL 0 is θ ′, and the angle of the straight line P 0 L 0 W 0 and the straight line P 1 L 0 W 1 is α.

上記のような条件において、以下のような関係が成り立つ。まず、図１０の直線Ｐ１Ｌ０Ｗ１の傾きについて、次の式が成り立つ。 Under the above conditions, the following relationship is established. First, the following equation holds for the slope of the straight line P 1 L 0 W 1 in FIG.

これを変形して、次の式（５）、式（６）、式（７）が求められる。   By transforming this, the following equations (5), (6), and (7) are obtained.

以上の式から、ｄおよびｄ’の関係が、式（８）および式（３）で表すことができる。   From the above equations, the relationship between d and d ′ can be expressed by equations (8) and (3).

上記の式によって、幾何学配置からチャート面５１および計測面５２上でのｄおよびｄ’の関係が求められる。ここで、図形の相似関係から、光軸５３および光線Ｐ１Ｗ１の間の角度を求める。 From the above equation, the relationship between d and d ′ on the chart surface 51 and the measurement surface 52 is obtained from the geometric arrangement. Here, the angle between the optical axis 53 and the light beam P 1 W 1 is determined from the similarity of the figures.

以上から、チャート面５１からの主光線角度θｐは、以下の式（１０）となる。 From the above, the principal ray angle θ p from the chart surface 51 is expressed by the following equation (10).

なお、チャート面５１上の距離ｄ’と計測面５２上の距離ｄの倍率ｍは、以下の各式から求められる。   The magnification m of the distance d ′ on the chart surface 51 and the distance d on the measurement surface 52 can be obtained from the following equations.

図１１は、シャインプルーフ条件を満たして投影された光パタン１４の例である。図１１（ａ）は、光パタンが物面に対して平行に投影された場合の例であり、図１１（ｂ）は、光パタンが物面に対して斜めに投影された場合の例である。   FIG. 11 is an example of the optical pattern 14 projected while satisfying the Shineproof condition. FIG. 11A is an example when the optical pattern is projected in parallel to the object surface, and FIG. 11B is an example when the optical pattern is projected obliquely with respect to the object surface. is there.

投光ユニット１３が計測面５２正面に配置している場合であれば、図１１（ａ）のように、投影される光パタン１４に歪みは生じない。しかし、本実施形態の三次元形状計測装置１０では、光パタンである縞模様を正弦波として投影する際に、シャインプルーフ条件を満たした投影を行っている。そのため、ピントは合うが、投影する倍率が距離によって変化し、計測面５２に対して投影される縞模様の倍率が変わるので、縞の間隔が変化する（図１１（ｂ））。   If the light projecting unit 13 is arranged in front of the measurement surface 52, the projected light pattern 14 is not distorted as shown in FIG. However, in the three-dimensional shape measuring apparatus 10 of the present embodiment, when the striped pattern that is an optical pattern is projected as a sine wave, the projection satisfying the Scheinproof condition is performed. Therefore, the focus is achieved, but the magnification to be projected changes depending on the distance, and the magnification of the stripe pattern projected onto the measurement surface 52 is changed, so that the interval between the stripes is changed (FIG. 11B).

次に、図１２から図１５を用いて、本実施形態の三次元形状計測装置１０が解決する課題の一つについて説明する。   Next, one of the problems solved by the three-dimensional shape measuring apparatus 10 of the present embodiment will be described with reference to FIGS.

図１２（ａ）は、本実施形態における三次元形状計測装置１０の主要部の位置関係を示す概念図であり、図１２（ｂ）は、（ａ）の位置関係を具体的な数値または数式で示した側面図である。   FIG. 12A is a conceptual diagram showing the positional relationship of the main parts of the three-dimensional shape measuring apparatus 10 in the present embodiment, and FIG. 12B shows the positional relationship of FIG. It is the side view shown by.

本実施形態では、図１２（ａ）のように、撮像ユニット１５を移動ユニット１１の正面に配置し、投光ユニット１３を計測面５２の斜め上方に配置している。撮像ユニット１５による撮像視線７１と、投光ユニット１３による投光角度７２は、図１２（ａ）（ｂ）に示すようになる。計測面５２が５２ａの位置にある場合でも、座標ｘ１における撮像視線７１と座標ｘ２における撮像視線７１は異なる。同様に、座標ｘ１における投光視線７２と座標ｘ２における投光視線７２は異なる。   In the present embodiment, as shown in FIG. 12A, the imaging unit 15 is disposed in front of the moving unit 11, and the light projecting unit 13 is disposed obliquely above the measurement surface 52. An imaging line of sight 71 by the imaging unit 15 and a projection angle 72 by the projection unit 13 are as shown in FIGS. Even when the measurement surface 52 is at the position 52a, the imaging visual line 71 at the coordinate x1 and the imaging visual line 71 at the coordinate x2 are different. Similarly, the projection line of sight 72 at the coordinate x1 is different from the projection line of sight 72 at the coordinate x2.

今、実際に高さの計測を行う計側面５２は５２ａの位置に存在しているが、図形の歪みによって発生した高さの計測誤差Δｈのため、計測面５２が５２ｂの位置に存在しているように計算されている。すなわち、本来Ｘ１、Ｘ２の座標に位置する縞模様が、歪みによって広がり、あるいは狭まり、Ｘ１’Ｘ２’の位置に存在している。そのため、本来はｈと計測されるべき計測対象の高さｈが、ｈ＋Δｈとして計測されている。 Now, the side 52 for actually measuring the height exists at the position 52a, but the measurement surface 52 exists at the position 52b because of the height measurement error Δh caused by the distortion of the figure. Is calculated to be. That is, the striped pattern originally located at the coordinates of X 1 and X 2 spreads or narrows due to distortion and exists at the position of X 1 'X 2 '. Therefore, the height h of the measurement object that should be measured as h is measured as h + Δh.

上記の高さの計測誤差Δｈについて、さらに詳細に説明すれば図１２（ｂ）のようになる。計測面５２に対して撮像視線７１および投光視線７２が図１２（ｂ）のような配置になっている場合、計測面５２の垂線に対する撮像視線７１の角度をθｃ、物面５２の垂線に対する投光視線７２の角度をθｐ、撮像ユニット１５によって撮像される光パタン１４の縞の一周期をＴ［μｍ］、光パタンの位相誤差によって計測される距離の限界である測距レンジをＨ［μｍ］、光パタンの位相誤差をΔｐ［ｒａｄ］、上記の条件において発生する高さの計測誤差をΔｈ［μｍ］とする。 The height measurement error Δh will be described in more detail as shown in FIG. When the imaging line of sight 71 and the projection line of sight 72 are arranged as shown in FIG. 12B with respect to the measurement surface 52, the angle of the imaging sight line 71 with respect to the perpendicular of the measurement surface 52 is θ c , and the perpendicular of the object surface 52 The angle of the projection line of sight 72 with respect to the angle θ p , the period of the stripes of the optical pattern 14 imaged by the imaging unit 15 is T [μm], H [μm], the phase error of the optical pattern is Δp [rad], and the height measurement error generated under the above conditions is Δh [μm].

直線７４は、Δｈによって誤って観測された縞の位置に対する投光ユニット１３からの投光視線である。このとき、Δｈが微小かつθｐが９０から遠く、光源が十分に遠い場合には、理想上の投光視線７２と、誤差が入った現在の投光視線である直線７４とは、平行であるとみなすことができる。図１２（ｂ）では、本来、実際の計測面５２の位置である５２ａの位置を計測することが目標であるが、計測誤差Δｈによって、５２ｂの位置に存在するものと計測されている。このような条件において、投光視線７２および直線７４を平行と見なしているので、Δｈｔａｎθｃ＋Δｈｔａｎθｐは位相誤差Δｐに単位をそろえるために周期Ｔをかけた値Δｐ／２π・Ｔと等しいと考えられる。 A straight line 74 is a projection line of sight from the projection unit 13 with respect to the position of the fringe erroneously observed by Δh. At this time, far from Δh is very small and theta p is 90, if the light source is sufficiently far, a light projecting sight 72 of the ideal on, the straight line 74 is the current projection gaze error enters, parallel Can be considered. In FIG. 12B, the target is to measure the position of 52a, which is the actual position of the measurement surface 52, but it is measured to exist at the position of 52b due to the measurement error Δh. In such conditions, since the light projecting sight 72 and linear 74 is regarded as parallel, Δhtanθ c + Δhtanθ p is considered equal to the value Delta] p / 2 [pi · T multiplied by the period T in order to align the units on the phase error Delta] p It is done.

上記のことから、高さの計測誤差Δｈは、位相誤差Δｐによる縞のずれ量と、光線角度から、次の式（１５）のように求められる。   From the above, the height measurement error Δh is obtained from the fringe shift amount due to the phase error Δp and the ray angle as shown in the following equation (15).

ところが、このΔｐが、投光ユニット１３の光軸が斜めであることに起因する縞模様の変形によって、高さの計測誤差を含む状態となっている。さらに、この計測誤差は、計測面１５上の座標に応じて変形量がことなるので、場所によってまちまちになってしまう。   However, this Δp includes a height measurement error due to the deformation of the striped pattern caused by the oblique optical axis of the light projecting unit 13. Furthermore, since the amount of deformation varies depending on the coordinates on the measurement surface 15, the measurement error varies depending on the location.

図１３は、計測位置と高さ誤差の標準偏差の関係の一例を示すグラフである。図１３のグラフの横軸は計測位置を、縦軸は高さ誤差の標準偏差σ［μ］を示している。グラフの横軸の計測位置は、図１８の計測面上に示した数字と対応している。   FIG. 13 is a graph showing an example of the relationship between the measurement position and the standard deviation of the height error. In the graph of FIG. 13, the horizontal axis indicates the measurement position, and the vertical axis indicates the standard deviation σ [μ] of the height error. The measurement positions on the horizontal axis of the graph correspond to the numbers shown on the measurement surface in FIG.

図１３のグラフでは、計測位置によって高さ誤差の標準偏差σがばらばらになっている。傾向としては、グラフ左側の数字の小さい計測位置では高さ誤差が多く、右側の数字の大きい計測位置では高さ誤差が少ない傾向が見られるが、ばらつきがあり、高さ誤差を正確に把握することは困難である。   In the graph of FIG. 13, the standard deviation σ of the height error varies depending on the measurement position. As for the trend, there is a tendency that the height error is large at the measurement position with a small number on the left side of the graph and the height error is small at the measurement position with a large number on the right side, but there is variation, and the height error is accurately grasped. It is difficult.

図１４では、高さ誤差が一定にならない原因について説明している。投光ユニット１３は、計測面５２に対して斜めに配置されているので、上述のように位置に応じて光パタン１４の縞模様の太さ、すなわち正弦波の周期が変化する。本来、縞模様の太さや間隔は、計測面５２に配置されている計測対象の存在によってのみ変化しなくてはならないが、ここでは、投光ユニット１３の配置の問題によって変化し、計測誤差が発生している。   FIG. 14 explains the reason why the height error is not constant. Since the light projecting unit 13 is disposed obliquely with respect to the measurement surface 52, the thickness of the striped pattern of the light pattern 14, that is, the period of the sine wave changes according to the position as described above. Originally, the thickness and interval of the stripe pattern must be changed only by the presence of the measurement object arranged on the measurement surface 52, but here, the measurement error varies due to the arrangement problem of the light projecting unit 13. It has occurred.

本発明が解決する課題の一つは、上記のように計測位置によって高さの計測誤差が異なることであり、本発明の目的の一つは、計測面の高さを決定した際に、高さ誤差Δｈを計測位置に依存させないことである。   One of the problems to be solved by the present invention is that the measurement error of the height differs depending on the measurement position as described above, and one of the objects of the present invention is that when the height of the measurement surface is determined, This means that the error Δh does not depend on the measurement position.

上記の課題は、従来、撮像ユニット１１よって撮像される像が場所によって変形するということが考慮されていなかったために発生していた。本発明の発明者は上記課題について見出し、撮影視線７１や投光視線７２を考慮した光パタン１４を作成することで上記の問題を解決し、計測範囲内で高さ誤差を一定に揃えて計測精度を向上させている。   Conventionally, the above-described problem has occurred because it has not been considered that an image captured by the imaging unit 11 is deformed depending on a location. The inventor of the present invention has found the above-mentioned problem, and solves the above-mentioned problem by creating the optical pattern 14 in consideration of the shooting line of sight 71 and the projection line of sight 72, and measures the height error uniformly within the measurement range. The accuracy is improved.

以上のように、本発明は、１）撮像ユニット１５の撮像の中心から離れると視野角が狭くなるため縞が狭く見える、２）投光ユニット１３から離れると、投影する光パタン１４の縞の幅が狭くなる、という原因に基づく高さの計測誤差のばらつきを解決するものであって、撮影視線７１および投光視線７２を考慮した縞を投影することで、計測範囲全体で計測精度を一定に保つものである。   As described above, according to the present invention, the stripes appear narrow because the viewing angle is narrowed away from the imaging center of the imaging unit 15, and 2) the stripes of the optical pattern 14 to be projected away from the light projecting unit 13. This solves the variation in height measurement error based on the cause that the width becomes narrower. By projecting the stripes in consideration of the shooting line of sight 71 and the projection line of sight 72, the measurement accuracy is constant over the entire measurement range. It is something to keep in.

次に、視線角度７１および投影角度７２を考慮した縞の実際の作成方法について説明する。まず、測距レンジＨは、光線角度の関係から次の式（１）のように求められる。   Next, an actual method for creating a stripe considering the line-of-sight angle 71 and the projection angle 72 will be described. First, the distance measurement range H is obtained as in the following equation (1) from the relationship of the light beam angle.

ここで、計測面５２上におけるｎ番目の縞模様の開始座標をｄｎとおいた場合、式（１）を式（１６）のように変形することができる。 Here, the start coordinates of the n-th stripe pattern on the measurement surface 52 when placed between d n, it can be modified to equation (1) as in equation (16).

以上の式を変形し、ｎ＋１番目の縞の位置をｎ番目の縞の位置および幾何学配置によって求めることができる。   By transforming the above equation, the position of the (n + 1) th stripe can be obtained from the position and geometric arrangement of the nth stripe.

次に、上記の光パタンを用いることによって解決される別の問題について、図１５から図１７を用いて説明する。図１５は、計測する高さと高さ誤差の関係を説明する図である。図１６は投光ユニット１３および撮像ユニット１５の計測面に対する位置関係を示している。図１６（ａ）は、投光ユニット１３および計測面間の距離が４００ｍｍの場合の座標および高さ誤差の関係を、図１６（ｂ）は、投光ユニット１３および計測面間の距離が４９５ｍｍの場合の座標および高さ誤差の関係を示すグラフである。   Next, another problem solved by using the above optical pattern will be described with reference to FIGS. FIG. 15 is a diagram for explaining the relationship between the height to be measured and the height error. FIG. 16 shows the positional relationship of the light projecting unit 13 and the imaging unit 15 with respect to the measurement surface. 16A shows the relationship between the coordinates and the height error when the distance between the light projecting unit 13 and the measurement surface is 400 mm, and FIG. 16B shows the distance between the light projection unit 13 and the measurement surface is 495 mm. It is a graph which shows the relationship of the coordinate and height error in the case of.

上記の各部材が図１５の位置関係にある場合に、計測面５２上の座標−６０から＋６０までの高さの計測誤差を示すグラフが図１６（ａ）および図１６（ｂ）である。図１５の上の直線５２ａが投光ユニット１３および計測面間の距離が４００ｍｍである計測面の位置を、下の直線が投光ユニット１３および計測面間の距離が４９５ｍｍである計測面の位置を示している。上記各グラフにおいて、計測面上の座標がマイナスからプラス方向に少しずつ高さ誤差が減少する傾向にあるが、減少幅は一定ではない。   FIG. 16A and FIG. 16B are graphs showing the measurement error of the height from the coordinates −60 to +60 on the measurement surface 52 when the above-described members are in the positional relationship of FIG. The upper straight line 52a in FIG. 15 indicates the position of the measurement surface where the distance between the light projecting unit 13 and the measurement surface is 400 mm, and the lower straight line indicates the position of the measurement surface where the distance between the light projection unit 13 and the measurement surface is 495 mm. Is shown. In each of the above graphs, the coordinates on the measurement surface tend to decrease in height error little by little from the minus direction to the plus direction, but the reduction width is not constant.

このように、計測面の高さが変化することによって、高さ誤差も変化している。これらの高さ誤差の変動は、投光ユニット１３から計測面５２までの距離の変化によって発生している。本発明の別の目的は、計測面５２の高さが変化した場合の計測精度の変化率Δｈ２−Δｈ１を場所に依存させないようにすることである。   In this way, the height error changes as the height of the measurement surface changes. These variations in height error are caused by changes in the distance from the light projecting unit 13 to the measurement surface 52. Another object of the present invention is to prevent the change rate Δh2−Δh1 of the measurement accuracy when the height of the measurement surface 52 changes from depending on the location.

図１７は、計測する高さによって高さ誤差が変化する原因について説明する図である。図１７において丸で示しているように、計測面５２の高さが変化すると、投光ユニット１３から照射される投光角度も変化する。このため、計測面５２の高さを変更した場合の縞振幅の変化率が異なってくる。従来のように投光視線７２を考慮せずに光パタン１４を作成した場合には、このように計測面５２の高さが変わることによって投光視線７２も変化するため、撮像ユニット１５で撮像される縞模様が変化し、計測誤差が発生する。このような課題は、上述したように光パタン１４の縞模様を設計することによって問題が低減される。   FIG. 17 is a diagram for explaining the cause of the change in height error depending on the height to be measured. As indicated by a circle in FIG. 17, when the height of the measurement surface 52 changes, the light projection angle irradiated from the light projection unit 13 also changes. For this reason, the change rate of the fringe amplitude when the height of the measurement surface 52 is changed is different. When the light pattern 14 is created without considering the projection line of sight 72 as in the prior art, the projection line of sight 72 changes as the height of the measurement surface 52 changes in this way. The striped pattern changes, and a measurement error occurs. Such a problem is reduced by designing the stripe pattern of the optical pattern 14 as described above.

以上の各課題に対して、本実施形態の方法で設計した光パタンを投影して三次元形状計測装置１０における計測を行った結果について、図１８を用いて説明する。図１８は、計測位置によって高さ誤差が異なるという課題に対する本発明の効果を示すグラフである。各グラフの横軸は投影先の座標［ｍｍ］を表し、縦軸は光パタンの縞の間隔（チャート間隔）［μｍ］を示している。   The results obtained by projecting the optical pattern designed by the method of the present embodiment and performing measurement in the three-dimensional shape measurement apparatus 10 will be described with reference to FIG. FIG. 18 is a graph showing the effect of the present invention on the problem that the height error varies depending on the measurement position. The horizontal axis of each graph represents the coordinates [mm] of the projection destination, and the vertical axis represents the interval (chart interval) [μm] of the stripes of the optical pattern.

図１８（ａ）にはチャート面５１における縞の間隔（チャート間隔）が、図１８（ｂ）には投光ユニット１３からの主光線の角度［°］が、図１８（ｃ）には計測面５２における縞のサイズが、そして図１８（ｄ）には計測面５２の各座標における高さ誤差の値が示されている。図１８（ａ）で示された間隔で縞模様を計測面５２に投射した場合、各縞における主光線角度、すなわち、計測面５２上の各座標における投光ユニット１３に対する角度は図１８（ｂ）に示すようになる。また、図１８（ａ）の縞模様を計測面５２に投影した場合の縞のサイズは、計測面５２上の各座標において図１８（ｃ）に示すようになる。   18A shows the interval between the stripes (chart interval) on the chart surface 51, FIG. 18B shows the angle [°] of the principal ray from the light projecting unit 13, and FIG. 18C shows the measurement. The size of the stripe on the surface 52 is shown, and FIG. 18D shows the value of the height error at each coordinate on the measurement surface 52. When the fringe pattern is projected onto the measurement surface 52 at intervals shown in FIG. 18A, the principal ray angle in each stripe, that is, the angle with respect to the light projecting unit 13 at each coordinate on the measurement surface 52 is as shown in FIG. ) As shown. In addition, the stripe size when the stripe pattern of FIG. 18A is projected onto the measurement surface 52 is as shown in FIG. 18C at each coordinate on the measurement surface 52.

上記の条件で、式（１５）を用いて高さ誤差Δｈを計算すると、図１８（ｄ）に示すように、投影先の全座標においてほぼ均一な状態とすることができる。これは、高さの計測誤差を一定の範囲に抑えるために、撮影視線７１および投影視線７２を計算し、主光線角度をチャートによって制御したことに起因する。なお、図１８（ａ）が撮影視線、投影視線、および主光線角度θｐを考慮したチャートであり、図１８（ｃ）が実際に計測面５２に投影される縞模様にあたる。 When the height error Δh is calculated using the equation (15) under the above conditions, as shown in FIG. 18D, it is possible to obtain a substantially uniform state in all coordinates of the projection destination. This is because, in order to suppress the height measurement error within a certain range, the photographing line of sight 71 and the projection line of sight 72 are calculated, and the chief ray angle is controlled by the chart. Incidentally, FIG. 18 (a) is photographed sight, a chart considering projected gaze, and the principal ray angle theta p, corresponds to stripes FIG 18 (c) is actually projected onto the measurement surface 52.

次に、計測面５２の高さが変化することによって、高さの計測誤差Δｈも変化するという課題に対する本発明の効果について説明する。本実施形態の方法で設計した光パタン１４を投影して三次元形状計測装置１０における計測を行った結果について、図１９から図２１を用いて説明する。   Next, the effect of the present invention on the problem that the height measurement error Δh changes as the height of the measurement surface 52 changes will be described. The results of measuring the three-dimensional shape measuring apparatus 10 by projecting the optical pattern 14 designed by the method of this embodiment will be described with reference to FIGS.

図１９は、計測面の高さが４９５ｍｍの場合の、図２０は、計測面の高さが４００ｍｍの場合の、図２１は計測面の高さが３００ｍｍの場合の座標および高さ計測誤差Δｈの関係を示すグラフである。図１９（ａ）、図２０（ａ）、および図２１（ａ）は、従来、用いられている等間隔のピッチチャート（パタン生成部）を用いた場合のグラフであり、図１９（ｂ）、図２０（ｂ）、および図２１（ｂ）は、本実施形態で用いている、不均等なピッチチャート（パタン生成部）を用いた場合のグラフである。   19 shows the case where the height of the measurement surface is 495 mm, FIG. 20 shows the case where the height of the measurement surface is 400 mm, and FIG. 21 shows the coordinates and height measurement error Δh when the height of the measurement surface is 300 mm. It is a graph which shows the relationship. FIG. 19A, FIG. 20A, and FIG. 21A are graphs in the case of using a conventionally used equally spaced pitch chart (pattern generation unit), and FIG. FIG. 20B and FIG. 21B are graphs in the case of using an unequal pitch chart (pattern generation unit) used in this embodiment.

従来のピッチチャートを用いた場合には、計測面５２上の座標位置によって高さの計測誤差が変化している。また、計測面５２の高さによっても高さ位置は変化し、その変化率は一定ではない。これに対して、本実施形態のピッチチャートを用いた場合には、高さの計測誤差Δｈはワーク上の計測範囲内でほぼ一定の状態となっている。   When a conventional pitch chart is used, the height measurement error changes depending on the coordinate position on the measurement surface 52. Also, the height position changes depending on the height of the measurement surface 52, and the rate of change is not constant. On the other hand, when the pitch chart of this embodiment is used, the height measurement error Δh is in a substantially constant state within the measurement range on the workpiece.

以上のように、本実施形態の三次元形状計測装置１０では、計測対象に投影された、位置に応じて輝度が変化する縞状の光パタンを解析することによって、計測対象１２の三次元形状を計測する三次元形状計測装置１０であって、計測対象１２が配置され、光パタン１４が投影される計測面５２を備えた移動ユニット１１と、光パタン１４を計測対象１２および計測面５２に投影する投光ユニット１３と、光パタン１４を撮像する撮像ユニット１５とを備え、撮像ユニット１５は、計測面５２上のある位置Ｗ０からレンズ３３までを結んだ線分Ｌ０Ｗ０と計測面５２の垂線との間の角度をθｐ、位置Ｗ０から撮像ユニット１５までを結んだ線分と上記計測面の垂線との間の角度をθｃとする場合に、計測面５２の所定の領域内において、ｔａｎθｃ＋ｔａｎθｐを一定に保つように光パタン１４の縞を投影している。 As described above, in the three-dimensional shape measurement apparatus 10 according to the present embodiment, the three-dimensional shape of the measurement target 12 is analyzed by analyzing the striped light pattern that is projected onto the measurement target and changes in luminance according to the position. 3 is a three-dimensional shape measuring apparatus 10 for measuring a movement unit 11 having a measurement surface 52 on which a measurement object 12 is arranged and onto which an optical pattern 14 is projected, and the optical pattern 14 on the measurement object 12 and the measurement surface 52. The light projecting unit 13 for projecting and the image capturing unit 15 for capturing the optical pattern 14 are measured. The image capturing unit 15 measures a line segment L 0 W 0 connecting a position W 0 on the measurement surface 52 to the lens 33. When the angle between the perpendicular to the surface 52 is θ p , and the angle between the line connecting the position W 0 to the imaging unit 15 and the perpendicular to the measurement surface is θ c , the measurement surface 52 is predetermined. In the area of The anθ c + tanθ p is projecting the fringes of the optical pattern 14 so as to keep constant.

上記の構成によれば、投光ユニット１３が縞状の光パタンを計測対象１２および計測面５２に投影し、撮像ユニット１５が投影された光パタンを読み取る構成において、ｔａｎθｃ＋ｔａｎθｐを計測対象となる領域内で一定に保つことができるように設計されたパタン生成素子（チャート）３２を備えているので、撮像ユニット１５から計測面５２に対する視線角度であるθｃおよび投影手段から計測面に対する投影角度であるθｐを考慮した縞模様を投射することができる。これによって、高さ誤差Δｈを一定の範囲に収め、計測精度を向上させている。 According to the above configuration, in the configuration in which the light projecting unit 13 projects the striped optical pattern onto the measurement object 12 and the measurement surface 52 and the imaging unit 15 reads the projected optical pattern, tan θ c + tan θ p is measured. Since the pattern generation element (chart) 32 is designed so as to be kept constant in the region to be, θ c that is the line-of-sight angle from the imaging unit 15 to the measurement surface 52 and the projection unit to the measurement surface It is possible to project a striped pattern in consideration of θ p that is a projection angle. As a result, the height error Δh is kept within a certain range, and the measurement accuracy is improved.

三次元計上計測装置１０では、光パタン１４の縞模様を正弦波として投影する際に、斜め方向から投影を行っている。そのため、投影する倍率が距離によって変化し、計測面５２に対して投影される縞模様の倍率が変わるので、縞の間隔が変化する。縞の間隔が変化することによって、正弦波として投影された縞模様の周期が変化し、測定する物体２３の計測誤差として検出されてしまう。   In the three-dimensional measuring apparatus 10, when the stripe pattern of the optical pattern 14 is projected as a sine wave, the projection is performed from an oblique direction. For this reason, the projection magnification changes depending on the distance, and the stripe pattern magnification projected onto the measurement surface 52 changes, so that the stripe interval changes. As the fringe interval changes, the period of the fringe pattern projected as a sine wave changes and is detected as a measurement error of the object 23 to be measured.

さらに、この計測誤差は、計測面５２上の位置によってばらばらに変化してしまう。これは、投影側から距離が離れれば離れるほど、計測対象に投影される光パタン１４の像は小さくなってしまうためである。三次元形状を計測する場合、計測範囲全体で計測精度を一定にすることが重要である。計測範囲の位置によって誤差が変動する場合、計測対象による周期のずれであるのか計測誤差であるのかが分からず、計測精度が不確かになってしまう。また、誤差が場所によって一定でないため計算によって補正を行うことができない。これは、撮像ユニット１５からの撮像視線７１や、投影ユニット１３からの投影視線７２を考慮して、光パタン１４が投影されていないことに起因する。   Furthermore, this measurement error varies depending on the position on the measurement surface 52. This is because as the distance from the projection side increases, the image of the optical pattern 14 projected onto the measurement target becomes smaller. When measuring a three-dimensional shape, it is important to keep the measurement accuracy constant over the entire measurement range. When the error fluctuates depending on the position of the measurement range, it is not known whether it is a period shift or a measurement error due to the measurement target, and measurement accuracy becomes uncertain. Further, since the error is not constant depending on the place, it cannot be corrected by calculation. This is because the optical pattern 14 is not projected in consideration of the imaging line of sight 71 from the imaging unit 15 and the projection line of sight 72 from the projection unit 13.

そこで、上記の三次元形状計測装置１０では、撮像視線７１や投影視線７２を考慮した光パタン１４を計測対象１２および計測面５２に対して投射している。これによって、１）撮像する撮像手段の中心から離れると視野角が狭くなるため縞が狭く見える、２）投光器から離れると投影する光パタンの縞の幅が狭くなるという問題を解決し、計測範囲全体で高さ誤差を一定の範囲に収め、計測精度を向上させることができる。   Therefore, in the above three-dimensional shape measuring apparatus 10, the optical pattern 14 in consideration of the imaging visual line 71 and the projected visual line 72 is projected onto the measurement object 12 and the measurement surface 52. This solves the problem that 1) the fringe appears narrower because the viewing angle becomes narrower away from the center of the imaging means for imaging, and 2) the width of the projected optical pattern becomes narrower away from the projector. Overall, the height error can be kept within a certain range and the measurement accuracy can be improved.

また、上記の三次元形状計測装置１０では、撮像ユニット１５は縞状の光パタン１４を射出するチャート６２を備えたパタン生成素子３２と、パタン生成素子３２から射出された光パタン１４を所定の倍率で計測面５２に投影するレンズ３３とを含み、計測面５２と、パタン生成素子３２におけるチャート面５１と、レンズ３３の光軸に直交するレンズ面５０とが点Ｓで交差している。   Further, in the above three-dimensional shape measuring apparatus 10, the imaging unit 15 has the pattern generation element 32 including the chart 62 for emitting the striped optical pattern 14 and the optical pattern 14 emitted from the pattern generation element 32 in a predetermined manner. The measurement surface 52, the chart surface 51 of the pattern generation element 32, and the lens surface 50 orthogonal to the optical axis of the lens 33 intersect at a point S.

上記のように計測面５２、チャート面５１、およびレンズ面５０が１点で交差する条件を満たすことによりシャインプルーフ状態となるため、レンズ３３の光軸が計測面５２に対して傾いていても、ピントをあわせることができる。   As described above, since the measurement surface 52, the chart surface 51, and the lens surface 50 satisfy the condition of intersecting at one point, a shine-proof state is established. Therefore, even if the optical axis of the lens 33 is inclined with respect to the measurement surface 52 , You can focus.

また、上記の三次元形状計測装置１０では、計測面５２に投影される光パタン１４は、撮像ユニット１５の撮像位置において、周期Ｔで繰り返す縞模様が撮像されるように形成されており、点Ｓに垂直な面において、レンズ面５０および光軸の交点Ｌｏからチャート面５１および光軸の交点Ｐｏまでの距離をｆ’、上記Ｌｏから計測面５２および光軸の交点Ｗｏまでの距離をＺ、角度ＬｏＳＷｏをθ、角度ＬｏＳＰｏをθ’とする場合に、光パタン１４の位相誤差によって計測される三次元形状の限界である測距レンジＨが、 Further, in the above three-dimensional shape measuring apparatus 10, the optical pattern 14 projected on the measurement surface 52 is formed so that a striped pattern repeated at the period T is imaged at the imaging position of the imaging unit 15. In a plane perpendicular to S, the distance from the intersection point L o of the lens surface 50 and the optical axis to the intersection point P o of the chart surface 51 and the optical axis is f ′, and from the above L o to the intersection point W o of the measurement surface 52 and the optical axis. The distance measurement range H, which is the limit of the three-dimensional shape measured by the phase error of the optical pattern 14, is Z, the angle L o SW o is θ, and the angle L o SP o is θ ′.

の式で求められ、計測面５２上に投影されるｎ＋１番目の縞の基準点からの位置ｄｎ＋１が、 The position dn + 1 from the reference point of the (n + 1) th stripe projected on the measurement surface 52 is calculated by the following formula:

の式で求められ、チャート面５１上の縞の基準点からの位置ｄ’が、 The position d ′ from the reference point of the stripe on the chart surface 51 is

の式で求められている。 It is calculated by the following formula.

上記の式に基づいてチャート面５１上の縞の幅が決定されるので、投光ユニット１３および撮像ユニット１５の角度が異なっている場合でも、撮像ユニット１５から撮影される角度を考慮した縞模様を計測面５２に投影することができる。   Since the width of the stripe on the chart surface 51 is determined based on the above formula, even when the angles of the light projecting unit 13 and the imaging unit 15 are different, the stripe pattern considering the angle taken from the imaging unit 15 Can be projected onto the measurement surface 52.

また、上記の条件を満たす縞模様を持つチャートを形成することで、三次元形状計測装置１０で用いることができるパタン生成素子３２を製造している。   Moreover, the pattern production | generation element 32 which can be used with the three-dimensional shape measuring apparatus 10 is manufactured by forming the chart with the striped pattern which satisfy | fills said conditions.

なお、上述の説明では、パタン生成素子３２が、投影角度、撮影角度、移動ユニット１１の位置、測定距離レンジ、パタン周期、レンズ位置、およびその他のパラメータに基づいて動的に光パタンを生成する場合について説明したが、これに限るものではない。解析・処理ユニット１６が、上記各パラメータの入力に基づいて適切な光パタン生成器具、具体例をあげれば、スライドグラスやプラスチックなどに投影パタンが刻まれたチャートなどを投光ユニット１３に設置するように指示する構成などであってもよい。投影角度および撮影角度に基づいて光パタンを形成する構成であれば、本実施形態と略同様の効果が得られる。   In the above description, the pattern generation element 32 dynamically generates an optical pattern based on the projection angle, the imaging angle, the position of the moving unit 11, the measurement distance range, the pattern period, the lens position, and other parameters. Although the case has been described, the present invention is not limited to this. Based on the input of the above parameters, the analysis / processing unit 16 installs an appropriate light pattern generating instrument, specifically a chart in which a projection pattern is engraved on a slide glass or plastic, etc., in the light projecting unit 13. The structure etc. which instruct | indicate so may be sufficient. As long as the optical pattern is formed based on the projection angle and the photographing angle, substantially the same effect as in the present embodiment can be obtained.

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope shown in the claims. That is, embodiments obtained by combining technical means appropriately modified within the scope of the claims are also included in the technical scope of the present invention.

なお、本実施形態では、光源３１およびレンズ５０を用いて光パタンを投影する例について説明するが、これに限るものではない。プロジェクターのようなもので干渉縞を投影してもよいし、回折格子に応用してもよい。   In addition, although this embodiment demonstrates the example which projects an optical pattern using the light source 31 and the lens 50, it does not restrict to this. An interference fringe may be projected with a projector or the like, or applied to a diffraction grating.

また、本実施形態で用いた光パタン１４は、透視投影で計測面５２に投射された場合について説明を行ってきたが、平行投影であっても使用することができる。平行投影とは、三次元形状を二次元平面に垂直に押し当てるように投影する手法である。平行投影の場合には、計測面に投影される縞は等間隔の縞となる。   Moreover, although the optical pattern 14 used in the present embodiment has been described for the case where it is projected onto the measurement surface 52 by perspective projection, it can be used even in parallel projection. Parallel projection is a technique for projecting a three-dimensional shape so as to press it perpendicularly to a two-dimensional plane. In the case of parallel projection, the stripes projected on the measurement surface are equally spaced stripes.

図２２は、透視投影および平行投影を用いて光パタンを投影した場合を比較する図である。図２２（ａ）および図２２（ｂ）では透視投影で光パタンを投影した場合を、図２２（ｃ）および図２２（ｄ）では平行投影で光パタンを投影した場合について説明している。   FIG. 22 is a diagram for comparing the case where an optical pattern is projected using perspective projection and parallel projection. 22A and 22B illustrate a case where an optical pattern is projected by perspective projection, and FIGS. 22C and 22D illustrate a case where an optical pattern is projected by parallel projection.

通常、現実世界では透視投影の状態にあり、視線には角度が存在する。図２２（ａ）のＥの位置に視点があった場合には、前方クリップ面から後方クリップ面に進むにつれて、視界内の像は拡大されていく。これは、図２２（ｂ）のように光線が広がりを持って放射状に投射されるからである。   Usually, in the real world, it is in a state of perspective projection, and there is an angle in the line of sight. When the viewpoint is at the position E in FIG. 22A, the image in the field of view is enlarged as it advances from the front clip surface to the rear clip surface. This is because the light rays are projected radially with a spread as shown in FIG.

これに対して、平行投影の状態では、図２２（ｃ）のように、無限遠の物体と近くの物体とが同じ大きさで表示される。これは、図２２（ｄ）に示すように、光線が後方から平行に対象に照射しており、前方クリップ面から後方クリップ面にかけて、広がっていくことがないためである。   On the other hand, in the parallel projection state, an object at infinity and a nearby object are displayed with the same size as shown in FIG. This is because, as shown in FIG. 22 (d), the light beam irradiates the object in parallel from the rear and does not spread from the front clip surface to the rear clip surface.

なお、図２２（ｃ）および図２２（ｄ）のような平行投影の状態であっても、本実施形態で作成した光パタン１４を用いることができる。平行投影のカメラを用いるような場合には、視線角度にあたるθｃを０として計算すればよい。 Even in the parallel projection state as shown in FIGS. 22C and 22D, the optical pattern 14 created in the present embodiment can be used. If such as using parallel projection camera, it may be calculated to theta c corresponding to viewing angle as 0.

また、パタン生成素子３２としては、液晶素子によって構成されたものを用いてもよい。その場合には、液晶素子によって構成されたパタン生成素子３２にパタンを表示させるパタン生成部２を解析・処理ユニット１６に持たせ、投光角度、撮像角度、および移動ユニットの高さを検出する投光角度検出部３、撮像角度検出部４、および移動ユニット高さ検出部５をさらに備えることによって、動的にパタン生成素子３２に適切な光パタン１４を投影するためのチャートを表示させてもよい（図２３）。   Further, as the pattern generating element 32, an element constituted by a liquid crystal element may be used. In this case, the analysis / processing unit 16 is provided with the pattern generation unit 2 that displays the pattern on the pattern generation element 32 formed of a liquid crystal element, and detects the projection angle, the imaging angle, and the height of the moving unit. By further including the projection angle detection unit 3, the imaging angle detection unit 4, and the moving unit height detection unit 5, a chart for dynamically projecting an appropriate light pattern 14 on the pattern generation element 32 can be displayed. (FIG. 23).

本発明の三次元形状計測装置１０では、投光ユニット１３が縞状の光パタン１４を計測対象１２および計測面５２に投影し、撮像ユニット１５が投影された光パタンを読み取る構成において、ｔａｎθｃ＋ｔａｎθｐを計測対象となる領域内で一定に保つことができるように設計されたパタン生成素子（チャート）３２を備え、高さ誤差Δｈを一定の範囲に収めることで計測精度を向上させているので、空間縞解析を用いた三次元形状計測装置や、当該三次元計測装置で用いられるチャートの設計方法として好適に使用することができる。 In the three-dimensional shape measuring apparatus 10 of the present invention, in the configuration in which the light projecting unit 13 projects the striped optical pattern 14 onto the measurement object 12 and the measurement surface 52 and the imaging unit 15 reads the projected optical pattern, tan θ c The pattern generation element (chart) 32 is designed so that + tan θ p can be kept constant in the region to be measured, and the measurement accuracy is improved by keeping the height error Δh within a certain range. Therefore, it can be suitably used as a three-dimensional shape measuring apparatus using spatial fringe analysis and a chart designing method used in the three-dimensional measuring apparatus.

本発明の実施形態を示すものであり、三次元形状計測装置の要部構成を示すブロック図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1, showing an embodiment of the present invention, is a block diagram showing a configuration of a main part of a three-dimensional shape measuring apparatus. 上記三次元形状計測装置の物理的な構成を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the physical structure of the said three-dimensional shape measuring apparatus. 上記三次元形状計測装置において、投光ユニットの投光器部分の詳細な構成を示す断面図である。In the said three-dimensional shape measuring apparatus, it is sectional drawing which shows the detailed structure of the light projector part of a light projection unit. 上記三次元形状計測装置で計測する計測対象の形状を示す図であって、（ａ）は上面図であり、同図（ｂ）は側面図である。It is a figure which shows the shape of the measuring object measured with the said three-dimensional shape measuring apparatus, Comprising: (a) is a top view, The same figure (b) is a side view. 上記計測対象に光パタンを投影した場合に、上記計測対象に投影された光パタンの歪みを示す図であって、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は基準面での輝度変動と凸部での輝度変動を示す波形図である。When an optical pattern is projected on the measurement object, it is a diagram showing distortion of the optical pattern projected on the measurement object, where (a) is a top view and (b) is a luminance variation on a reference surface. It is a wave form diagram which shows the brightness | luminance fluctuation | variation in a convex part. 位相誤差Δｐおよび測距レンジＨの定義について説明する図である。It is a figure explaining the definition of phase error Δp and ranging range H. 上記三次元形状計測装置の各ユニットおよび投影する光パタンの位置関係を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the positional relationship of each unit of the said three-dimensional shape measuring apparatus, and the optical pattern to project. 上記三次元形状計測装置において、計測面に投影される光パタンの像がチャート面よりも小さくなってしまう原理について示した模式図である。In the said three-dimensional shape measuring apparatus, it is the schematic diagram shown about the principle that the image of the optical pattern projected on a measurement surface becomes smaller than a chart surface. 上記三次元形状計測装置において、シャインプルーフ条件を満たした投光ユニットおよび移動ユニットの位置関係を示す概略図である。In the said three-dimensional shape measuring device, it is the schematic which shows the positional relationship of the light projection unit and moving unit which satisfy | filled Shineproof conditions. （ａ）および（ｂ）は、チャート面上における縞模様および物面上における縞模様の関係と、レンズの位置関係を示した図である。(A) And (b) is the figure which showed the positional relationship of the striped pattern on a chart surface, the striped pattern on an object surface, and a lens. 上記三次元形状計測装置において、シャインプルーフ条件を満たして投影された光パタンの例である。It is an example of the optical pattern projected by satisfying the Scheinproof condition in the three-dimensional shape measuring apparatus. （ａ）は、上記三次元形状計測装置の主要部の位置関係を示す概念図であり、（ｂ）は（ａ）の位置関係を具体的な数値または数式で示した側面図である。(A) is a conceptual diagram which shows the positional relationship of the principal part of the said three-dimensional shape measuring apparatus, (b) is the side view which showed the positional relationship of (a) with the concrete numerical value or numerical formula. 上記三次元形状計測装置において、計測位置と高さ誤差の標準偏差の関係を示すグラフである。In the said three-dimensional shape measuring apparatus, it is a graph which shows the relationship between a measurement position and the standard deviation of a height error. 上記三次元形状計測装置において、高さ誤差が一定にならない原因について説明する概念図である。In the said three-dimensional shape measuring apparatus, it is a conceptual diagram explaining the cause by which a height error is not constant. 上記三次元形状計測装置において、計測する高さと高さ誤差の関係を説明する図である。In the said three-dimensional shape measuring apparatus, it is a figure explaining the relationship between the height to measure and a height error. 高さ誤差の関係を説明する図であって、（ａ）は計測面の距離が４００ｍｍの場合の座標および高さ誤差の関係を、（ｂ）は計測面の距離が４９５ｍｍの場合の座標および高さ誤差の関係を示す図である。It is a figure explaining the relationship of a height error, Comprising: (a) is a coordinate in case the distance of a measurement surface is 400 mm, and a relationship of height error, (b) is a coordinate in case the distance of a measurement surface is 495 mm, and It is a figure which shows the relationship of a height error. 上記三次元形状計測装置において、計測する高さによって高さ誤差が変化する原因について説明する図である。In the said three-dimensional shape measuring device, it is a figure explaining the cause by which a height error changes with the height to measure. 計測位置によって高さ誤差が異なるという課題に対する本発明の効果を示すグラフである。It is a graph which shows the effect of the present invention to the subject that a height error changes with measurement positions. 計測面の高さが４９５ｍｍの場合の座標および高さ誤差の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the coordinate in case the height of a measurement surface is 495 mm, and a height error. 計測面の高さが４００ｍｍの場合の座標および高さ誤差の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the coordinate in case the height of a measurement surface is 400 mm, and a height error. 計測面の高さが３００ｍｍの場合の座標および高さ誤差の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the coordinate in case the height of a measurement surface is 300 mm, and a height error. 透視投影および平行投影を用いて光パタンを投影した場合を比較する図であって、（ａ）（ｂ）では透視投影で光パタンを投影した場合を、（ｃ）（ｄ）では平行投影で光パタンを投影した場合について説明している。It is a figure which compares the case where an optical pattern is projected using perspective projection and parallel projection, Comprising: When (a) and (b) project a light pattern by perspective projection, (c) and (d) are parallel projection. The case where an optical pattern is projected is described. 本発明の別の実施形態を示すものであり、三次元形状計測装置の要部構成を示すブロック図である。It is another embodiment of this invention and is a block diagram which shows the principal part structure of a three-dimensional shape measuring apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

１ 撮像部（撮影手段）
２ パタン生成部
３ 投光角度検出部
４ 撮像角度検出部
５ 移動ユニット高さ検出部
６ 設定情報記憶部
１０ 三次元形状計測装置
１１ 移動ユニット（被投影手段）
１２ 計測対象
１３ 投光ユニット（投影手段）
１４ 光パタン
１５ 撮像ユニット（撮像手段）
１６ 解析・処理ユニット
２２ 移動コントローラ
２３ 投光コントローラ
３１ 光源
３２ パタン生成素子（パタン生成手段）
３３ レンズ（光学投影手段）
３４ カメラ（撮像手段）
３５ 光学系
４１ 移動テーブル（被投影手段）
４２ サーボモータ
４３ リニアスケーラ
４４ キャプチャボード
４５ 制御部
４６ 記憶部
５０ レンズ（光学投影手段）
５１ 像面（チャート面）
５２ 物面（計測面）
６１ 投影レンズ（光学投影手段）
６２ チャート（パタン生成手段）
６３ フィールドレンズ
６４ コリメータレンズ
６５ インテグレータレンズ
６６ コンデンサレンズ
６７ ランプユニット
６８ ランプ制御回路
７１ 撮像視線
７２ 投光視線
８１ チャート面
５０ レンズ面
５２ 計測面 1 Imaging unit (imaging means)
2 pattern generation unit 3 projection angle detection unit 4 imaging angle detection unit 5 moving unit height detection unit 6 setting information storage unit 10 three-dimensional shape measuring apparatus 11 moving unit (projection means)
12 Measurement object 13 Projection unit (projection means)
14 Optical pattern 15 Imaging unit (imaging means)
16 Analysis / Processing Unit 22 Movement Controller 23 Projection Controller 31 Light Source 32 Pattern Generation Element (Pattern Generation Unit)
33 Lens (optical projection means)
34 Camera (imaging means)
35 Optical system 41 Moving table (projection means)
42 Servo Motor 43 Linear Scaler 44 Capture Board 45 Control Unit 46 Storage Unit 50 Lens (Optical Projection Unit)
51 Image plane (chart plane)
52 Object surface (measurement surface)
61 Projection lens (optical projection means)
62 Chart (pattern generation means)
63 Field lens 64 Collimator lens 65 Integrator lens 66 Condenser lens 67 Lamp unit 68 Lamp control circuit 71 Imaging line of sight 72 Projecting line of sight 81 Chart surface 50 Lens surface 52 Measurement surface

Claims (3)

計測対象に投影された、位置に応じて輝度が変化する縞状の光パタンを解析することによって、計測対象の三次元形状を計測する三次元形状計測装置であって、
上記計測対象が配置され、上記光パタンが投影される計測面を備えた被投影手段と、
上記光パタンを上記計測対象および計測面に投影する投影手段と、
上記光パタンを撮像する撮像手段とを備え、
上記投影手段は、上記計測面上のある位置から上記投影手段までを結んだ線分と上記計測面の垂線との間の角度をθｐ、上記ある位置から上記撮像手段までを結んだ線分と上記計測面の垂線との間の角度をθｃとする場合に、計測面上の所定の領域内において、ｔａｎθｃ＋ｔａｎθｐを一定に保つように上記光パタンの縞を投影することを特徴とする三次元形状計測装置。 A three-dimensional shape measuring apparatus that measures a three-dimensional shape of a measurement target by analyzing a striped optical pattern projected on the measurement target and having a luminance that changes according to the position,
Projection means comprising a measurement surface on which the measurement object is arranged and the optical pattern is projected;
Projection means for projecting the optical pattern onto the measurement object and measurement surface;
Imaging means for imaging the optical pattern,
The projection means has an angle between a line segment connecting from a certain position on the measurement surface to the projection means and a perpendicular line of the measurement surface to θ p , and a line segment connecting from the certain position to the imaging means. When the angle between the vertical line of the measurement surface and the perpendicular to the measurement surface is θ c , the light pattern stripes are projected so as to keep tan θ c + tan θ p constant in a predetermined region on the measurement surface. A three-dimensional shape measuring device. 上記投影手段は、縞状の光パタンを射出する光射出面を備えるパタン生成手段と、パタン生成手段から射出された光パタンを所定の倍率で上記計測面に投影する光学投影手段とを含み、
上記計測面に投影される光パタンは、上記撮像手段の撮像位置において、周期Ｔで繰り返す縞模様が撮像されるように形成されており、
上記計測面と、上記パタン生成手段における光射出面と、上記光学投影手段の光軸に直交するレンズ面とが一つの直線Ｓで交差し、
直線Ｓに垂直な面において、上記レンズ面および光軸の交点Ｌｏから上記光射出面および光軸の交点Ｐｏまでの距離をｆ’、上記Ｌｏから上記計測面および光軸の交点Ｗｏまでの距離をＺ、角度ＬｏＳＷｏをθ、角度ＬｏＳＰｏをθ’とする場合に、
上記光パタンの位相誤差によって計測される三次元形状の限界である測距レンジＨが、
の式で求められ、
上記計測面上に投影されるｎ＋１番目の縞の基準点からの位置ｄｎ＋１が、
の式で求められ、
上記光射出面上の縞の基準点からの位置ｄ’が、
の式で求められていることを特徴とする請求項に記載の三次元形状計測装置。 The projection means includes a pattern generation means having a light emission surface for emitting a striped light pattern, and an optical projection means for projecting the light pattern emitted from the pattern generation means on the measurement surface at a predetermined magnification,
The optical pattern projected onto the measurement surface is formed so that a striped pattern repeated at a period T is imaged at the imaging position of the imaging means.
The measurement surface, the light exit surface in the pattern generation means, and the lens surface orthogonal to the optical axis of the optical projection means intersect with one straight line S,
In a plane perpendicular to the straight line S, the distance from the intersection L o of the lens surface and the optical axis to the intersection P o of the light exit surface and the optical axis is f ′, and the intersection W of the measurement surface and the optical axis is from L o. When the distance to o is Z, the angle L o SW o is θ, and the angle L o SP o is θ ′,
Ranging range H, which is the limit of the three-dimensional shape measured by the phase error of the optical pattern,
It is calculated by the formula of
Position d n + 1 from the reference point of the n + 1 th fringes projected onto the measurement surface,
It is calculated by the formula of
The position d ′ from the reference point of the stripe on the light exit surface is
The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 1, wherein the three-dimensional shape measuring apparatus is obtained by the following formula. 計測対象に投影された、位置に応じて輝度が変化する縞状の光パタンを解析することによって、計測対象の三次元形状を計測する三次元形状計測装置の製造方法であって、
上記三次元形状計測装置は、
上記計測対象が配置され、上記光パタンが投影される計測面を備えた被投影手段と、
上記光パタンを上記計測対象および計測面に投影する投影手段と、
上記光パタンを撮像する撮像手段とを備えており、
上記計測面上のある位置から上記投影手段までを結んだ線分と上記計測面の垂線との間の角度をθｐ、上記位置から上記撮像手段までを結んだ線分と上記計測面の垂線との間の角度をθｃとする場合に、計測面上の所定の領域内において、ｔａｎθｃ＋ｔａｎθｐを一定に保つ光パタンの縞を投影する投影手段を製造するステップを備えることを特徴とする三次元形状計測装置の製造方法。 A method of manufacturing a three-dimensional shape measuring apparatus that measures a three-dimensional shape of a measurement target by analyzing a striped optical pattern that is projected onto the measurement target and changes in luminance according to the position,
The three-dimensional shape measuring apparatus is
Projection means comprising a measurement surface on which the measurement object is arranged and the optical pattern is projected;
Projection means for projecting the optical pattern onto the measurement object and measurement surface;
Imaging means for imaging the optical pattern,
An angle between a line segment connecting from a certain position on the measurement surface to the projection unit and a perpendicular line of the measurement surface is θ p , and a line segment connecting the position to the imaging unit and a perpendicular line of the measurement surface when the angle theta c between, in a predetermined area on the measurement surface, and further comprising a step of producing a projection means for projecting the fringes of the optical pattern to maintain tanθ c + tanθ p constant To manufacture a three-dimensional shape measuring apparatus.
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