JP2009074814A - 光切断法による3次元形状測定装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】白色光源と、該白色光源と測定される物体の間に設けられ該物体の表面にスリット光を投影する液晶素子と、投影レンズとからなるスリット光投影光学系と、撮像レンズと、CCDカメラとからなるスリット光撮像光学系とを備え、画像データ解析手段により取得した前記スリット光で構成される画像データを解析して、物体の3次元座標を算出するようにしたことを特徴とする光切断法による3次元形状測定装置。
【選択図】図1
Description
大別すると接触法と非接触法がある。接触法は、機械的な接触ブローブを持ち、測定対象に直接触れることで、座標を読み取る。この手法は、高精度に計測できるものの、被測定物体に装置を取り付ける手間や、接触による傷、弾性ひずみ等の誤差要因を含んでいる。
一方、非接触法は、物体に直接触れず、光波、電波、音波を利用することで計測する方法である。非接触法は、光波、電波、音波の性質を利用できるため、接触法より高速に、なおかつ柔軟に計測することができる、最近では非接触法が、使い易く、短時間に低コストで利用できることから幅広い分野で用いられる。
本発明者は、電気制御が可能な液晶格子( Liquid Crystal Grating:LCG)に着目した。このLCGは縦長の液晶素子がストライプ状に配列しており、各素子の濃淡を電気的に制御できる。このLCGを、スリット光のスキャナとして利用することで、高速で精密な位置決めを行うことができるようになるのである。
図1に液晶格子スキャナを用いた光切断法の光学系を示す。該光学系は液晶格子スキャナによるスリット光投影光学系およびCCDカメラを用いた撮影光学系からなるものである。そして、液晶格子とCCDカメラのローカル座標系をそれぞれq(xLCG、yLCG)、p(xCCD,yCCD)とする。また、装置のグローバル座標系を(X、Y、Z)としてこの原点をCCDカメラの中心、Z軸を撮影系の主軸とする。また、X軸上にLCGの中心を配置する。CCDの中心からの距離はLである。またX軸となす角度θ0を投影系の主軸とする。
撮影系および投影系の主軸の交点を基準点とする。そのときのCCD面から基準点の距離はZである。投影スリット光の光路が投影系の主軸となす角度をθ1、撮影スリット像の光路がX軸となす角度をφとする。
投影スリット光の光路を表す直線の方程式は
CCD面ではスリット像の光強度分布が検出され、スリット位置を決定する。しかし、光強度分布は常に一定ではなくランダムに揺らいでしまい、繰り返し精度が劣化する。そこで、スリット像検出位置を決める方法として、1)ピーク検出、2)重心演算、光強度分布が密度関数を示すことから実測値3)ガウス関数または4)ローレンツ関数でフィッティングし、ピークを検出する方法を提案する。
1)光強度のピーク値検出
光強度のピークとなる画素をスリット像検出位置とみなす画像解析が簡単なため、高速に演算ができリアルタイム計測が可能である。図2において、15ピクセルの位置がピークとなる。
スリット像検出位置を光強度分布の重心とし、重心位置を求める手法である。一般的に重心位置は、図形をD、重心をg、各点の密度をf(x)とすると、
ここで位置xiでの光強度をIiとし、上式の密度f(x)をIiとして重心を求めると、
演算処理が一回で完了するため、ピーク検出同様、リアルタイム計測が可能である。
図3に、光強度分布の重心gを示す。
実測値をガウス関数でフィッティングし、ピーク値を求めるガウス関数は次式で表される。
図4に実測値をガウスフィッティングした例を示す
実測値をローレンツ関数でフィッティングし、ピーク値を求める、ローレンツ関数は次式で表される。
図5に実測値をローレンツフィッティングした例を示す。
LCGは、装置の小型化、軽量化に有効であり、パターンを高速、高精密にスキャンすることができる。このLCG には、マトリクス型液晶格子、ストライプ型液晶格子がある。図6(a)にマトリクス型液晶格子を、図6(b)にストライプ型液晶格子の概略図をそれぞれ示す。
マトリクス型液晶格子は縦横の各画素が分離しており、任意のパターンを表示できるメリットがある。しかしながら、各画素は個別に駆動されるため、画素数の多いマトリクス型はデータ転送速度が遅く、また、全画面領域に対する、画像表示に有効な領域の面積比である開口率が50%程度であり、画素間の隙間が面積の半分を占める。そのため、画素間の隙間による光学ノイズが液晶素子の配列に影響を及ぼし、透過する光強度に斑ができる不利益があって、精密なスリットを形成することができず、計測精度の低下につながってしまう。
それに対して図6(b) に示すストライプ型液晶格子は、縦方向に連続した構成の画素であるため画素数が少なく、そのため、高速データ転送が可能であり、高開口率により光学ノイズが低減される特徴をもつ。
したがって、紙幣のような3次元的な凹凸検査においてμmオーダーでの高精度な計測が可能となった。
図1は液晶格子スキャナを用いた光切断法の光学系を示す概略図である。図2は光強度のピーク値の検出結果を示すグラフである。図3は光強度分布の重心gを示すグラフである。図4は実測値をガウスフィッティングした例を示すグラフである。図5は実測値をローレンツフィッティングした例を示すグラフである。図6は(a)はマトリクス型液晶格子を、(b)はストライプ型液晶格子を示す概略図である。図7はこの発明で使用される液晶格子を示す概略図である。図8はこの発明で使用されるストライプ型液晶格子の駆動回路を示すブロック図である。図9はこの発明の光切断法による3次元形状測定装置を用いた3次元形状計測システムのフローチャートである。図10は投影したシングルスリットパターンをCCDで検出した模式図である。図11は全画素の分割状態を示す概略図である。図12は(a)は基準点に冷却CCDカメラを置き、スリット光を直接撮影した結果を示す撮像画面、 (b)はAA’の光強度分布を示すグラフである。図13は(a)は基準点に設置した平面基板上にスリット像を投影し、CCDカメラで撮影した画像を示し、(b)はBB’の光強度分布を示すグラフである。図14はストライプ型液晶格子によって光切断を行ったときのCCDカメラで観察される像であり、(a)は測定対象に1本のスリットを投影したシングルスリットパターンを示し、(b)は5本のスリットを投影するマルチスリットパターンを示す画像である。図15は100回の繰り返し精度を求めた結果を示すグラフである。図16は光強度を調節して精度検定を行った結果を示すグラフである。図17は(a)は設定値に対する計測値の結果を示すグラフ、(b)は奥行きに対する残差を示すグラフである。図18は(a)は撮影した初期画像、(b)はスリットをスキャンし、人形を計測する際に撮影した画像、(c)は減算画像データである。図19は(d)は人形の顔をワイヤーフレームで計測した場合の3次元表示、(e)は断面Aの表面形状を示すグラフである。図20は500μmの段差を計測した結果を示し、(a)は段差の写真、(b)は断面Cの表面形状を本装置と触針式粗さ測定器で比較した結果を示すグラフである。図21は人差し指を計測した結果を示し、(a)はワイヤーフレームによる三次元表示、(b)は断面Bの表面形状を示すグラフである。図22は本計測システムを用いて十円硬貨を計測した結果を示し、(a)は実際に計測した硬貨の写真、(b)はカラー3次元表示を示す写真である。図23は(c)はワイヤーフレームによる三次元表示を示す画像である。図24は(d)および (e)はそれぞれ、触針式、本計測法による断面Dの表面形状計測結果を示すグラフ、(f)は本計測法による断面Eの表面形状計測結果を示すグラフである。図25は千円札の文字部分を計測した結果を示し、(a)は新千円札の凹版印刷された文字部分の写真である。図26は(b)は酸化マグネシウムコーティング前の計測結果を示すワイヤーフレームによる3次元表示、(c)は酸化マグネシウムコーティング後の計測結果を示すワイヤーフレームによる3次元表示である。図27は(d)、(e)はそれぞれ表面の断面F,Gの形状を示すグラフである。図28は(f)は凹版印刷、(g)はレーザプリンタ印刷の結果を示す写真およびグラフである。
この発明で使用されるストライプ型液晶格子12としては、シチズン・アクティブ社製のストライプ型液晶格子(LG−02 製品番号)を用いることが望ましい。このストライプ型液晶格子12は、図7に示すように、960本の液晶素子14がストライプ状に配列されている。液晶素子14の1本の幅は35μmであり、それぞれの隙間は3μmである。また、表示階調数は4bit16階調から7bit128階調まで設定できる。各画素の電圧を制御し白黒の濃度を設定するため、スリットパターン、バイナリーパターン、正弦パターンなど、さまざまなパターンを形成することができる。
この実施例においては、スリット部を白、その他を黒としたバイナリーに設定できれば良いため、4bitを採用しても転送するデータ量が少ないので転送時間を短縮できる。
パターンの表示時間は制御用PCからストライプ型液晶格子12へのデータ転送速度、液晶の光学的応答速度を合わせた時間を意味し、20msである。
なお、このCCDカメラは時間的に不規則なランダムノイズを発生する。ランダムノイズが発生する原因はリセット雑音、検出アンプの雑音、暗電流のショット雑音、光ショット雑音が原因である。CCDカメラに固有のランダムノイズを確認するため、カメラに蓋をしてノイズを測定した。1画素あたりの光強度の標準偏差としてランダムノイズを測定したところ、ばらつきは0階調となった。これより本計測においてはCCDカメラのランダムノイズの影響はないと考えられる。
この発明においては、PCで作成したプログラムにより自動計測を行った。まずストライプ型液晶格子によってスリット光を形成して非測定用の物体に照射する。物体上に形成されたスリット像をCCDカメラで検出し、3次元座標への演算処理を行うのである。
図9に、この発明の光切断法による3次元形状測定装置を用いた3次元形状計測システムのフローチャートを示す。
この1〜nはスリット位置に対応する。画像データを読み出す際、初期画像データで減算することでスリット像だけの画像を得る、この画像から光強度分布を解析すると、スリット像を検出した画素の光強度は高いため、この画素の位置xCCDを読み取る。
以上の数値データから、前記数6〜8にしたがって三次元座標を算出する。本計測装置では、以上の流れをLabVIEW(日本ナショナルインスツルメンツ株式会社製)のソフトウエアでプログラムし、自動計測をおこなった。
図10に、投影したシングルスリットパターンをCCDで検出した模式図を示す。CCDの全画素中、i列の赤で示した部分でスリット像を検出している。はじめに1行目の画素x(1,2,・・,i-l,i,i+1、・・,I)の光強度を検出する。y方向に2,3,・・,j-l,j,j+1、・・,J と順次繰り返せば、一画面でのスリット像検出位置を決定できる。
マルチスリットの場合、CCD 上に数本のスリット像が検出されるため各スリット像の判別が難しい。そこで、図11に示すように、スリット像の本数nに対して、全画素をブロック1,2,・・,n-1,nと分割する。このときスリット光は、ブロック内の中央に検出されるよう投影する。また、スリットをスキャンさせる際、各ブロックを固定してしまうと、スキャン中、ブロック内で2本のスリット像を検出してしまい判別できなくなる可能性がある。そこで、スリットスキャンに伴いブロックを移動させることで、各ブロック内に、常に1本のスリット像を検出することができる。
スリット像の位置検出は高精度化において重要である。そこでまず、物体上、CCD 上におけるスリット光の光強度分布をそれぞれ確認した。
図12(a)に、基準点に冷却CCDカメラを置き、スリット光を直接撮影した結果を示す。図12(b)にA−A’の光強度分布を示す。冷却CCDカメラとしては、ビットラン株式会社製の、画素数772×580、1画素のサイズ83×83μm、階調ビット数16bitの製品を使用した。光強度が最大となる画素を含む、60画素分の光強度分布である。ストライプ型液晶格子のスリット部での光強度分布は矩形であると考えられるが、物体上の光強度分布はエッジが丸くなっていることが分かる。これは回折した光が入り込んでいるためであると考えられる。
図13(a)に、基準点に設置した平面基板上にスリット像を投影し、CCDカメラで撮影した画像を示す。図13(b)にB−B’の光強度分布を示す。これは光強度が最大となる画素を含む、30 画素分のデータである。スリット光を直接検出した光強度分布より、さらにエッジがなくなっていることがわかる。これはスリット光が平面基板上で散乱しているためと考えられる。
図14はストライプ型液晶格子によって光切断を行ったときのCCDカメラで観察される像である。図14(a)は測定対象に1本のスリットを投影したシングルスリットパターンを示す。図14(b)は5本のスリットを投影するマルチスリットパターンの画像である。マルチスリット光切断は多数のスリットを投影し走査するため、シングルスリット光切断に比べ、少ない走査回数で全面を計測できる。すなわち、図14(b)のように5本のスリットで計測した場合、計測時間は1/5となる。
前述した4つの手法
1)光強度のピーク検出
2)重心演算
3)ガウスフィッティング
4) ローレンツフィッティング
を用いて、繰り返し精度検定を行った、まずスリットの表示をストライプ型液晶格子の中心に設定し、基準点に設置した基板へスリット光を投影する。画像検出を100回繰り返し、スリット像検出位置xCCDのばらつきを検定した。それぞれの標準偏差を求めた結果を表2に示す。
重心を求める手法は、光強度分布の揺らぎによって影響されやすいため、繰り返し精度が劣化しているものと考えられる。σG,σLは0.01ピクセルとなっており、同じ値である。実際に計測する際には、測定対象は平面だけでなく、傾きによるコマ収差の影響が出ると考えられる。前記図2,図3からわかるように、ガウスフィッティングのほうが実測値の分布にフィッティングできていることからコマ収差に対しても対応できると考えられる。
以上より、繰り返し精度が少なく、実測値と同等の分布となるガウスフィッティングが適していると考えられる。本計測システムではガウスフィッティングを採用した。
スリット幅に対する検出スリット位置のばらつきを確認するため、ストライプ型液晶格子を制御し、白の画素を1〜10本、その他の画素を黒としてスリット幅を設定し、スリット光を投影した。図15に、100回の繰り返し精度を求めた結果を示す。近似直線からもわかるように、スリット幅が細くなるほど繰り返し精度が向上していることがわかる。スリット幅が1本のとき、繰り返し精度は5μmであった。本計測ではスリット幅を1本として計測を行っている。
スリット像の光強度が計測結果に与える影響を確認するため、光強度を調節して精度検定を行った。100回の繰り返し精度検定した結果を図16に示す。スリット幅を1本とした。図16 に示す光強度は、各測定における最大光強度の100回測定した平均である。光強度が弱いほど繰り返し精度がばらついていることがわかる。
これは、ガウスフィッティングを行う際、光強度が弱いとSN比が悪くなるため、光強度の揺らぎに影響されやすくなると考えられる。これより、本計測ではCCD検出時の光強度を約200階調に設定して計測を行っている。
図17(a)は、設定値に対する計測値の結果である。ここで計測値は10回の数値の平均である。計測値は設定値にほぼあっている。両者を比較するため残差を取った。図17(b)に奥行きに対する残差を示す。このとき設定値に対する計測値の標準偏差は6μmであった。
実際の計測の流れを、人形の計測を例に説明する。まず初期値Z0,L,lL,lCを装置の幾何学的配置から決定する。次に、スリット光を投影せず、図18(a)のような初期画像を撮影する。このとき、ストライプ型液晶格子はスリットを形成せず全画素を黒に設定する。次に、物体の大きさに応じて、スリット位置xLCGを設定し物体全面をスキャンさせる。図18(b)は、スリットをスキャンし、人形を計測する際に撮影した画像を示す。この人形の場合、スキャン量を270ピクセルとして行った、全面のスキャン、画像データ取得が終わったら、次に画像解析を開始する。
図18(b)のようなスキャン中に取得した画像データから、図18(a)の初期画像データを減算すると図18(c)のデータとなる。このようにするとスリットのみの画像となり、位置検出の決定が容易となる。スリットの光強度分布をガウスフィッティングすることでスリット像検出位置xCCDを決定する。最後に、以上のパラメータから数6〜7にしたがい物体の3次元座標を算出する。以上の方法で人形の顔を計測した結果を示す。図19(d)はワイヤーフレームによる三次元表示、図19(e)は断面Aの表面形状である。目の部分は色がついていたために計測不可能であったが、高さ約10mmの測定対象を計測できることを確認した。またこのように高さのあるものでも、鼻の下の線のような細かい凹凸も確認することができた。
図23(c)はワイヤーフレームによる三次元表示、図24(d)および図24(e)はそれぞれ、触針式、本計測法による断面Dの表面形状計測結果である。また図24(f)は本計測法による断面Eの表面形状計測結果である。表面の60μmの凹凸を計測することができ、本計測システムの有効性を確認した。
シングルスリットでの精度評価を行ったところ、ガウスフィッティングにより高精度化することができた。スリット幅は細いほど繰り返し精度が向上した。光強度による繰り返し精度の影響を検定したところ、光強度が強いほど繰り返し精度は向上した。測定領域30mm×50mmで液晶格子のスリット幅1本を平板に投影したとき、繰り返し精度は5μmであった。
人形を計測し、10mmの高さのあるものを計測することができた。人差し指を計測し、第一関節にできるしわ、爪上皮を計測することができた。
500μmの段差ゲージを測定したところ、よく一致した。
また十円硬貨の60μmの凹凸を計測することができた。
さらに千円札の文字部分を、白塗りせずに計測したところ、実際の高さより高い結果となった。これは文字部分の色が関係していると考えられる。また、凹版印刷とプリンタ印刷を比較したところ、高さ形状が明らかに異なることから、偽造紙幣判別の可能性を示し、本計測装置は有効であることを確認した。
すなわち、この発明における光切断法による3次元形状測定装置は、白色光源と、該白色光源と測定される物体の間に設けられ該物体の表面にスリット光を投影する液晶素子と、投影レンズとからなるスリット光投影光学系と、撮像レンズと、CCDカメラとからなるスリット光撮像光学系とを備え、画像データ解析手段により取得した前記スリット光で構成される画像データを解析して、物体の3次元座標を算出するようにしたことを特徴とするものであり、千円札等の紙幣を計測したところ、凹凸が強調され、高さ形状も明らかに異なることから、偽造紙幣判別の用途に極めて有効である。
11 白色光源
12 液晶素子
13 投影レンズ
20 スリット光撮像光学系
21 撮像レンズ
22 CCDカメラ
30 物体
Claims (2)
- 白色光源やLED光源などの光源と、該光源と測定される物体の間に設けられ該物体の表面にスリット光を投影する液晶素子と、投影レンズとからなるスリット光投影光学系と、撮像レンズと、CCDカメラとからなるスリット光撮像光学系とを備え、画像データ解析手段により取得した前記スリット光で構成される画像データを解析して、物体の3次元座標を算出するようにしたことを特徴とする光切断法による3次元形状測定装置。
- スリット像の位置検出を、ガウスフィッティングなどのフィッティングによって行うようにしたことを特徴とする請求項1に記載の光切断法による3次元形状測定装置。
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