JP2009074876A - Measuring device, and method of measuring the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被検物の3次元形状を計測する計測装置、およびその計測装置を用いた計測方法に関する。 The present invention relates to a measuring device that measures a three-dimensional shape of a test object, and a measuring method using the measuring device.
従来より、3次元計測は、ロボットビジョンにおける物体認識、人の動きを解析するモーションピクチャ、車載カメラにおける周囲画像処理および建築物のアーカイブ等の様々な分野において、応用され活用されている重要な技術である。3次元計測方法の例としては、三角測量の原理を用いるステレオカメラ、レーザスリット光を用いる光切断法、色収差による焦点差を利用した計測法等がある。上記色収差による焦点差を利用した3次元計測方法としては、例えば特許文献1に示すようなものが知られており、図8に、色収差による焦点差を利用して被検物の3次元形状を計測する装置の一例としての計測装置200を示す。
Conventionally, 3D measurement is an important technology applied and used in various fields such as object recognition in robot vision, motion pictures for analyzing human movement, ambient image processing in in-vehicle cameras, and archives of buildings. It is. Examples of three-dimensional measurement methods include a stereo camera that uses the principle of triangulation, a light cutting method that uses laser slit light, and a measurement method that uses a focal difference due to chromatic aberration. As a three-dimensional measurement method using the focal difference due to chromatic aberration, for example, the one shown in
以下の計測装置200の説明において、説明の便宜上、図8に示す矢印方向を左右上下として以下に説明する。計測装置200は、光源201から発射された複数の波長成分を含む照明光が、ピンホール202を通過しビームスプリッタ203を透過した後、結像レンズ系レンズ204で集光されて被検物205に照射されるように構成されている。そして、被検物205で反射した照明光は、ビームスプリッタ203において反射し、ピンホール206を通過して光検出器207に入射する。
In the following description of the
ここで、一般にレンズの焦点距離fは、レンズを構成するガラス材質の屈折率n、レンズの曲率半径r1、r2を用いて近似的に式(1)に示すように、
(1/f)=(n−1)×{(1/r1)−(1/r2)} (1)
と表される。ここで、焦点距離fはレンズの屈折率nに依存し、さらにレンズの屈折率nは通過する照明光の波長に依存するので、結果的に照明光の焦点位置は波長に応じて光軸方向に異なる位置となる。これが色収差であり、計測装置200においては、波長の異なる照明光同士の焦点位置が光軸方向にずれて位置することを利用して、被検物205の表面を計測するように構成されている。
Here, in general, the focal length f of a lens is approximately expressed by equation (1) using the refractive index n of the glass material constituting the lens and the curvature radii r1 and r2 of the lens.
(1 / f) = (n−1) × {(1 / r1) − (1 / r2)} (1)
It is expressed. Here, the focal length f depends on the refractive index n of the lens, and further, the refractive index n of the lens depends on the wavelength of the illumination light passing therethrough. As a result, the focal position of the illumination light depends on the wavelength in the optical axis direction. Different positions. This is chromatic aberration, and the
図8に、結像レンズ系204で集光された、波長λ1の青色照明光201B、波長λ2の緑色照明光201Gおよび波長λ3の赤色照明光201Rが、被検物205に照射されている状態を示す。なお、各波長はλ1<λ2<λ3の大小関係となっている。ここで、波長λ2の緑色照明光201Gが、被検物205の頂部において合焦しており、緑色照明光201Gよりも短い波長λ1の青色照明光201Bは、焦点距離が短いため被検物205の頂部より左側部分で合焦する。一方、緑色照明光201Gよりも長い波長λ3の赤色照明光201Rは、被検物205の頂部より右側部分で合焦する。そして、上記3つの照明光201B、201G、201Rのうちで、被検物205の頂部において合焦した緑色照明光201Gが最も多くビームスプリッタ203で反射されて光検出器207に入射する。光検出器207において、緑色照明光201Gが最も多く受光されることで、被検物205の(左右方向の)高さを緑色照明光201Gの合焦位置として求める構成となっている。
In FIG. 8, the
しかし、計測装置200において、色収差を利用して限られた一定領域(合焦点)ごとに測定が行われる構成となっており、そのために被検物205の表面形状に応じて、例えば複雑な表面形状部分をより詳細に測定し、また一様な表面形状部分を広範囲にわたって測定することが不可能であった。よって、被検物205の表面形状に応じて高精度に形状測定を行うことが困難であった。
However, the
以上のような課題に鑑みて、本発明では色収差による焦点差を利用して、被検物の表面形状に応じた高精度な測定ができる計測装置およびその計測方法を提供することを目的とする。 In view of the problems as described above, it is an object of the present invention to provide a measuring apparatus and a measuring method thereof capable of performing high-accuracy measurement according to the surface shape of a test object using a focal difference due to chromatic aberration. .
上記課題を解決するために、本発明に係る計測装置は、平面状に並んだ複数の画素を有したイメージセンサーと、被検物の表面からの光を入射させて前記イメージセンサー上に前記被検物の表面の像を結像させる結像レンズ系と、前記結像レンズ系を構成する少なくとも一部のレンズを前記被検物に対して光軸方向に移動させて前記イメージセンサー上に結像する前記像の大きさを拡大または縮小させることが可能なズーム用レンズ駆動部と、前記ズーム用レンズ駆動部により拡大または縮小されて前記イメージセンサー上に前記被検物の表面の像を結像させた状態において、前記イメージセンサーを構成する前記複数の画素のそれぞれが受光した光の強度に基づいて、前記被検物の表面の光軸方向の相対位置を算出して前記被検物の3次元形状を測定する演算処理部とを備えて構成されている。そして、前記複数の画素は前記被検物の表面からの光を少なくとも2つの波長に分けて受光するとともに波長毎の受光強度を検出し、前記演算処理部は、被検物の表面の像における所定基準位置での2つの波長の前記受光強度の差と、前記被検物の表面の像における他の位置での前記2つの波長の前記受光強度の差との関係から、前記所定基準位置に対する前記他の位置の距離を求めて前記被検物の表面の3次元形状を測定する。 In order to solve the above problems, a measuring apparatus according to the present invention includes an image sensor having a plurality of pixels arranged in a plane, and light from the surface of a test object is incident on the image sensor. An imaging lens system that forms an image of the surface of the specimen, and at least a part of the lenses that constitute the imaging lens system are moved in the optical axis direction with respect to the specimen and connected to the image sensor. A zoom lens driving unit capable of enlarging or reducing the size of the image to be imaged, and a zoom lens driving unit enlarging or reducing the size of the image to form an image of the surface of the test object on the image sensor. In the imaged state, based on the intensity of light received by each of the plurality of pixels constituting the image sensor, the relative position in the optical axis direction of the surface of the test object is calculated to calculate the position of the test object. 3D It is configured by an arithmetic processing unit that measures Jo. The plurality of pixels receive light from the surface of the test object by dividing the light into at least two wavelengths and detect the received light intensity for each wavelength, and the arithmetic processing unit in the image of the surface of the test object From the relationship between the difference between the received light intensity of two wavelengths at a predetermined reference position and the difference between the received light intensity of the two wavelengths at other positions in the image of the surface of the test object, The distance between the other positions is obtained, and the three-dimensional shape of the surface of the test object is measured.
上記構成の計測装置において、前記結像レンズ系を構成する少なくとも一部のレンズを前記被検物に対して光軸方向に移動させることが可能なオートフォーカス用レンズ駆動部と、前記結像レンズ系により前記被検物における前記所定基準位置の像を前記イメージセンサーに合焦させて結像させるように、前記オートフォーカス用レンズ駆動部による前記少なくとも一部のレンズの光軸方向への移動を制御するオートフォーカス制御部とを有していることが好ましい。上記構成の計測装置において、前記被検物の表面の所定基準位置は、前記被検物の表面における前記結像レンズ系の光軸上の位置であることが好ましい。 In the measuring apparatus having the above-described configuration, an autofocus lens driving unit capable of moving at least a part of the lenses constituting the imaging lens system in the optical axis direction with respect to the test object, and the imaging lens The autofocus lens drive unit moves the at least some of the lenses in the optical axis direction so that the image sensor focuses an image of the predetermined reference position on the test object. It is preferable to have an autofocus control unit to control. In the measuring apparatus having the above configuration, it is preferable that the predetermined reference position on the surface of the test object is a position on the optical axis of the imaging lens system on the surface of the test object.
上記構成の計測装置を用いた計測方法は、前記ズーム用レンズ駆動部が前記結像レンズ系を構成する前記少なくとも一部のレンズを前記被検物に対して移動させて前記イメージセンサー上に結像する前記像の大きさを拡大または縮小させるズーミングステップと、前記複数の画素が前記被検物の表面からの光を少なくとも2つの波長に分けて受光するとともに波長毎の受光強度を検出する受光強度検出ステップと、前記演算処理部が被検物の表面の像における所定基準位置での2つの波長の前記受光強度の差と、前記被検物の表面の像における他の位置での前記2つの波長の前記受光強度の差との関係から、前記所定基準位置に対する前記他の位置の距離を求めて前記被検物の表面の3次元形状を測定する測定ステップとから構成されていることが好ましい。 In the measuring method using the measuring apparatus having the above-described configuration, the zoom lens driving unit moves the at least a part of the lenses constituting the imaging lens system with respect to the object to be connected to the image sensor. Zooming step for enlarging or reducing the size of the image to be imaged, and light reception for detecting the light receiving intensity for each wavelength while the plurality of pixels receive light from the surface of the test object divided into at least two wavelengths An intensity detection step, and the arithmetic processing unit compares the received light intensity of two wavelengths at a predetermined reference position in the image of the surface of the test object, and the 2 at other positions in the image of the surface of the test object. A measurement step of measuring the three-dimensional shape of the surface of the test object by determining the distance of the other position with respect to the predetermined reference position from the relationship with the difference in the received light intensity of two wavelengths. Door is preferable.
本発明に係る計測装置および計測方法によれば、色収差による焦点差を利用して被検物の表面形状に応じた高精度な測定が可能となる。 According to the measurement apparatus and the measurement method according to the present invention, it is possible to perform high-accuracy measurement according to the surface shape of the test object using the focal difference due to chromatic aberration.
以下に、図1から図7を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について説明する。説明の便宜上、図1から図6に示した矢印の方向を前後左右上下方向として定義して説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. For convenience of explanation, the directions of the arrows shown in FIGS. 1 to 6 are defined as front, rear, left, right, up and down directions.
図1に、本発明に係る計測装置1を示す。この計測装置1は、光源5、照明レンズ系6、マルチドットパターン7、ハーフミラー10、色出しレンズ系11、イメージセンサー20および演算処理部30を主体に構成されており、被検物8に測定用補助光を照射する一般にアクティブ方式と呼ばれる構成である。光源5は、照明レンズ系6に向けて照明光5aを発射可能な光源であり、光源5としては、例えばハロゲンランプ等の白色光源、またはRGB(以下において、順にレッド、グリーンおよびブルーを示すこととする)の3色で構成されたLEDが用いられる。照明レンズ系6は、実際には複数のレンズによって構成されており、光源5より発射された(下方から上方へ進行する)照明光5aを集光し、集光された照明光5aがマルチドットパターン7に到達する。
FIG. 1 shows a
マルチドットパターン7は、平板状に形成されており照明レンズ系6の光軸と垂直に交わるように配置されている。また、マルチドットパターン7は、図6(a)に示すように照明レンズ系6の光軸と交わる面に、前後左右方向に一定間隔を有して規則正しい位置で上下に開口したマルチスポット7aが複数設けられている。ここでマルチドットパターン7は、照明レンズ系6によって集光された照明光5aの合焦位置(合焦面)に配置されている。ハーフミラー10は、入射する光の一部を反射させるとともに一部は透過させる機能を有したミラーであり、反射光と透過光との比率はほぼ1:1となっている。またハーフミラー10は、照明レンズ系6の光軸に対して45度傾斜した状態で設置されている。
The
色出しレンズ11は、実際には複数のレンズから構成された結像レンズ系によって構成され、この結像レンズ系は色収差が補正されていない(幾何収差は補正されて色収差のみを有した)レンズ系となっている。また、色出しレンズ11には、ズーミング駆動装置11aが設けられており、このズーミング駆動装置11aを作動させることにより、色出しレンズ11を構成するレンズのうち少なくとも1つのレンズ(以下、ズーム用レンズと称する)が、色出しレンズ11の光軸方向(左右方向)に移動する構成となっている。このように移動させることにより、色出しレンズ11の焦点距離を変化させて撮像される像を拡大もしくは縮小させることが可能となっている。また、測定者がズーム操作を行うことによりズーミング制御部11bに差動信号が入力され、その差動信号に基づいてズーミング制御部11bがズーミング駆動装置11aの作動を制御している。なお、このズーミング駆動装置11aによって移動させられるズーム用レンズの左右位置および左右方向への移動量は、エンコーダ(図示せず)で検出されて演算処理部30に出力され、演算処理部30はこの移動量を記憶しておく。
The
さらに、色出しレンズ11には、オートフォーカス駆動装置11cが設けられており、このオートフォーカス駆動装置11cは、色出しレンズ11を構成するレンズのうち少なくとも1つのレンズ(以下、オートフォーカス用レンズと称し、上記ズーム用レンズとは別のレンズ)を、後述する差動信号値により自動的に色出しレンズ11の光軸方向(左右方向)に移動させる構成となっている。差動信号は、その正負の符号によって左右のどちらに焦点がずれているか、その大きさ(絶対値)によってどれだけずれているかが分かるので、オートフォーカス用レンズをそのように移動させることによって、所望の測定領域に合焦させることが可能となっている。つまり、オートフォーカス制御部11dには、差動信号がフィードバックされて入力されており、その差動信号値が零となるように、オートフォーカス制御部11dはオートフォーカス駆動装置11cを制御する。差動信号値が零となった位置が焦点の合う位置である。なお、このオートフォーカス駆動装置11cによって移動させられるオートフォーカス用レンズの左右位置および左右方向への移動量は、エンコーダ(図示せず)で検出されて演算処理部30に出力され、演算処理部30はこの移動量を記憶しておく。
Further, the
イメージセンサー20は、図4に示すように、略正方形の画素領域21が前後上下方向に平面状に複数並んで形成されており、この各画素領域21は、光をRGBの波長別(色別)に受光可能なRGBの各受光部(図示せず)を有している。演算処理部30は、イメージセンサー20の画素領域21において波長別に受光して得られた受光強度を基に、被検物8の3次元形状を算出する処理部であり、具体的な3次元形状の算出方法については後述する。なお、演算処理部30において得られた被検物8の3次元形状データは、例えば計測装置1の外部に設けられたモニタ100に対して出力されることにより、目視によって確認可能となっている。
As shown in FIG. 4, the
以上、ここまでは計測装置1の部材構成について説明したが、以下において、光源5から発射された照明光5aおよび被検物8の表面からの反射光5bの進行について説明する。
The member configuration of the
光源5から発射されて、照明レンズ系6(上方)に向けて進行する照明光5aは、照明レンズ系6に入射して集光された後、マルチドットパターン7に到達する。そして、マルチドットパターン7に到達した照射光5aのうちで、マルチスポット7a部分に到達した照明光5aはマルチドットパターン7を通過し、その他の部分に到達した5aはマルチドットパターン7を通過しない構成となっている。マルチドットパターン7を通過した照明光5aは、ハーフミラー10の表面で反射されることで、進行方向を上方から左方へと90度変えて進行する。そして、色出しレンズ11に入射した照明光5aは、色収差が補正されることなく被検物8に照射される。
被検物8に照明光5aが照射されると、図1に示すように、被検物8の表面には一定間隔を有して規則正しく配置されるとともに、照明光5aが照射されて明るくなった基準ドット7bが形成される。色出しレンズ11の光軸上に形成されたものを基準ドット7c、色出しレンズ11の光軸上以外の位置に形成されたものを基準ドット7d、7eとし、基準ドット7bは、基準ドット7cおよび基準ドット7d,7eのすべて含んだものを指している。ここで、基準ドット7bの配置位置および形状は、マルチドットパターン7に形成されたマルチスポット7aと対応している。被検物8の表面に照射された照明光5aの一部は、被検物8の表面において反射して反射光5bとなるとともに、色出しレンズ11に入射してハーフミラー10を透過した後、イメージセンサー20上で結像する。イメージセンサー20で結像した反射光5bは、画素領域21に形成されたRGBの各受光部において受光されて、これらの受光結果は演算処理部30に出力される。演算処理部30において、これらの受光結果を基に被検物8の3次元形状を算出するが、この具体的算出方法については後述する。
When the
以上ここまでは、照明光5aおよび被検物8の表面からの反射光5bの進行について説明したが、以下においては、図2および図3を参照しながら、被検物表面における光軸方向の段差等と撮像された像のボケとの関係について説明する。
Up to here, the progression of the
図2は、計測装置1(一部図示せず)を用いて被検物22、23および24の3次元形状測定を行う状態を示している。ここで、被検物22、23および24の位置関係は、被検物24が色出しレンズ11の光軸方向において最も左方(色出しレンズ11から最も離れている)、中間位置に被検物23、被検物22が最も右方に位置している。これら被検物22、23および24を撮像することにより、イメージセンサー20の画素領域21に形成されたBの受光部において、例えば図3(a)に示す像が得られ、同様にGの受光部において図3(b)、Rの受光部において図3(c)に示す像が得られる。Bの波長の光は、例えば被検物22の左右位置において合焦し被検物23、24の位置では合焦していないので、図3(a)に示すように、被検物22の像22Bが最も明瞭に撮像され、被検物23、24の像23B、24Bはボケている。また、Gの波長の光は被検物23の位置において合焦し、Rの波長の光は被検物24の位置において合焦しており、図3(b)における被検物22、24の像22G、24G、図3(c)における被検物22、23の像22R、23Rはボケている。このように、被検物表面における光軸方向の段差等を、撮像した像がボケることで検出可能となっている。なお、この段差等と像のボケ量との関係は後述する。
FIG. 2 shows a state in which the three-dimensional shape measurement of the test objects 22, 23, and 24 is performed using the measuring apparatus 1 (partially not shown). Here, the positional relationship between the test objects 22, 23 and 24 is that the
以上ここまでは、計測装置1の部材構成について説明したが、以下において、図7に示すフローチャートを参照しながら、計測装置1を用いて被検物8の3次元形状を測定する計測方法について説明する。
Up to this point, the member configuration of the measuring
ステップ1において、色出しレンズ11の光軸上に形成された基準ドット7cに対する左右方向への相対高さZを求めるためのデータテーブルを作成する。まず、オートフォーカス駆動装置11cの作動スイッチ(図示せず)をオフとし、オートフォーカス機能が働かない状態としておく。そして、照明光5aを被検物8の表面に照射し、被検物8の表面において色出しレンズ11の光軸上に形成された基準ドット7cの像が、イメージセンサー20の画素領域21において結像し、RGBの波長ごとに受光強度が検出される。このとき、例えば色出しレンズ11を左右方向(色出しレンズ11の光軸方向)に移動させ、それぞれの移動位置において撮像された基準ドット7cの像を基に、受光した光の各受光強度を求める。その求められた各受光強度が演算処理部30に出力され、演算処理部30において各波長の受光強度ごとに、例えば受光強度の最大値が1となるように規格化する。このように規格化することにより、反射光5bの光強度および被検物8の表面の反射率に影響されない受光強度が得られる。
In
上記規格化された受光強度について、図4を参照しながら説明すると、イメージセンサー20に基準ドット7cの像が、例えば合焦した左右高さ位置において像22c、合焦位置から左右方向に少しずれた位置における像22b、合焦位置からさらに左右方向に大きくずれた位置における像22aのような円形に撮像されたとする。このとき、例えば像22cの中心部の受光強度が10で、像22cの直径が10であるとすると、受光強度/直径=10/10=1が算出され、この値が規格化された受光強度であるとともに、合焦位置なので受光強度は最大値の1となっている。また、焦点位置から左右方向にずれた位置において結像することで、像の中心部の受光強度は低下するとともに像の直径は大きくなる。例えば像22bの規格化された受光強度は、受光強度/直径=5/15=0.33、また像22aの規格化された受光強度は、受光強度/直径=2/20=0.1のように算出される。
The standardized light receiving intensity will be described with reference to FIG. 4. The image of the
上記のようにして得られた規格化された各受光強度を波長ごとに、受光強度を縦軸に、基準ドット7cに対する左右方向への相対高さZを横軸に取ってグラフ化したものを図5(a)に示している。図5(a)に示す強度曲線8BはBの波長の像、強度曲線8GはGの波長の像、強度曲線8RはRの波長の像からそれぞれ求めた曲線である。ここで、強度曲線8B、8G、8Rは、それぞれ距離Z5、Z0、Z6において受光強度がピーク値1を示している。さらに、強度曲線8Rから強度曲線8Bを引いて差分値を算出することにより、縦軸に差動信号、横軸に基準ドット7cに対する左右方向への相対高さZを表した差動曲線8Sが得られる(図5(b)を参照)。
Graphs obtained by taking the normalized received light intensities obtained as described above for each wavelength, taking the received light intensity on the vertical axis, and the horizontal height Z relative to the
ここで、図5(a)に示すように、基準ドット7cが位置している左右方向の高さZ0は、強度曲線8Gの受光強度がほぼピークとなる位置(Gの波長の光が合焦)であるとともに、強度曲線8Bと強度曲線8Rとが交差しており差動信号の値が零となる位置でもある。他の基準ドット7dにおける規格化された受光強度を算出して差動信号を求めた上で、差動曲線8Sを参照することにより左右方向も含めた、基準ドット7cに対する左右方向への相対高さZを求めることができる。なお、図5(b)に示すように、基準ドット7cが位置している左右方向の高さZ0を中心としておよそZ5からZ6までの測定可能領域Wにおいて差動曲線8Sはほぼ直線となっており、差動信号と左右方向への相対高さZとの対応関係が高精度に求まる領域となっている。よって、以下に述べる左右方向の相対高さZの算出には、この測定可能領域Wの領域を参照して求めることとする。
Here, as shown in FIG. 5A, the horizontal height Z0 at which the
ステップ2に進み、オートフォーカス駆動装置11cの作動スイッチをオンとしてオートフォーカス機能が働く状態とした後、基準ドット7cの左右方向の高さZ0を中心とした、Z5からZ6までの測定可能領域Wを外れた位置に形成された基準ドット7dを撮像する。このとき、オートフォーカス駆動装置11cは、基準ドット7dにおける差動信号値が零となるようにオートフォーカス用レンズを移動させることにより、色出しレンズ11の焦点位置を変える。そして、基準ドット7dにおける差動信号値が零となると、オートフォーカス制御部11dは、オートフォーカス駆動装置11cの作動を停止させて、オートフォーカス用レンズの移動を停止させる。このようにして、基準ドット7dの位置に自動的に合焦させるオートフォーカス機能を実現している。
Proceeding to step 2, after the operation switch of the
ステップ3に進み、上記ステップ2で基準ドット7dの位置に合焦した状態において、色出しレンズ11の光軸上に位置していない基準ドット7eの像を撮像する。この基準ドット7eは、基準ドット7dの位置に合焦した状態において、差動曲線8Sにおける測定可能領域Wに含まれる。ここで、基準ドット7eの像の大きさがイメージセンサー20の複数の画素領域21に対して所望の大きさとなるように、ズーミング駆動装置11aを作動させる。そうすることにより、色出しレンズ11の焦点距離を変化させて、基準ドット7eの像の大きさを拡大または縮小させる。例えば、ズーム用レンズをワイド側に移動させることにより、基準ドット7eの周囲を含めた広い領域の像を得ることが可能となる。一方、ズーム用レンズをテレ側に移動させることにより、被検物8の一部の微小領域が拡大された像を得ることが可能となる。
Proceeding to step 3, in the state in which the position of the
ステップ4に進み、オートフォーカス用レンズおよびズーム用レンズの移動が停止した状態において、基準ドット7eの規格化された受光強度を、上述の基準ドット7cの場合と同様にして波長ごとに検出する。そして、この規格化された波長ごとの受光強度を基に基準ドット7eの位置における差動信号s1を求める。
Proceeding to step 4, in a state where the movement of the autofocus lens and the zoom lens is stopped, the standardized received light intensity of the
ステップ5に進み、差動曲線8Sの測定可能領域Wを参照することにより、ステップ4において求めた差動信号s1に対応する左右方向への相対高さZ1を求めることができる。また、このオートフォーカス用レンズおよびズーム用レンズの位置において、撮像可能な各基準ドット7bについても、同時に左右方向への相対高さZ1を求める。さらに、上記オートフォーカス用レンズの位置では、像がボケることにより撮像不可能な各基準ドット7bについては、上述の基準ドット7dと同様に、オートフォーカス駆動装置11cによって、色出しレンズ11の焦点位置を変えて撮像する。このとき、被検物8の表面形状に応じて適宜ズーミング駆動装置11aを作動させる。そして、各基準ドット7bについて規格化された受光強度を求めた上で差動信号を算出し、差動曲線8Sを参照して各差動信号に対応する左右方向への相対高さZ1を求める。そうすることにより、色出しレンズ11の光軸上に形成された基準ドット7cの左右方向の高さZ0を基準とした、各基準ドット7bの左右方向への相対高さが算出される。
Proceeding to step 5, by referring to the measurable area W of the
ステップ6に進み、被検物8の表面に形成された各基準ドット7bと、平面状のイメージセンサー20上において結像した各基準ドット7bの像は、一対一に対応している。よって、ステップ5において算出された各基準ドット7bの左右方向への相対高さと、イメージセンサー20上での前後上下位置とを組み合わせることにより、被検物8の表面の3次元形状が求まりこのフローは終了する。
Proceeding to step 6, each
本発明に係る計測装置1の効果について簡潔にまとめると、一般の撮像光学系において必然的に発生する色収差を利用して行う3次元形状測定において、画素領域21において結像する像のサイズを所望の大きさとなるように連続的に拡大もしくは縮小させるズーミング機能を有している。よって、より詳細に3次元形状測定を行う箇所はズーミング機能により像を拡大して撮像を行い、一方で広範囲にわたって3次元形状測定を行う箇所は像を縮小して撮像を行うことで、被検物8の表面形状に応じた3次元形状測定が可能となる。
To briefly summarize the effects of the
上述の実施例のステップ2で、基準ドット7dの位置に自動的に合焦させた状態において、基準ドット7dの像に対するGの波長の規格化された受光強度がピークとなる位置を求め、その受光強度から基準ドット7dの位置にほぼ合焦しているか確認することも可能である。
In the
上述の実施例の示すオートフォーカス機能を、例えばカメラ等の撮像装置に組み込むことにより、従来よりカメラ等に付いているオートフォーカス機能は不要となる。また、カメラ等以外の撮像装置においても、この装置内の色収差光学系を兼用することによりオートフォーカス機能を実現することができる。 By incorporating the autofocus function shown in the above-described embodiment into an imaging apparatus such as a camera, for example, the autofocus function attached to the camera or the like becomes unnecessary. Also, in an imaging apparatus other than a camera or the like, an autofocus function can be realized by also using a chromatic aberration optical system in the apparatus.
上述の実施例において、イメージセンサー20の画素領域21には、それぞれRGBの各受光部が形成されているが、この構成に限定されず、例えば独立してRGBの各画像が得られる3次元CCDが形成されている構成でも良い。
In the above-described embodiment, each of the RGB light receiving portions is formed in the
上述の実施例において、ステップ1で基準ドット7cの受光強度を像の幅で除算することで規格化しているが、受光強度の規格化はこの方法に限定されず、例えば受光強度のピーク値を平均受光強度で除算する方法、像幅を平均受光強度で除算する方法およびフーリエ変換による方法等を用いても良い。
In the above-described embodiment, the received light intensity of the
上述の実施例において、被検物8の表面にドット状の基準ドット7bを形成するマルチドットパターン7を用いているが、この構成に限定されず、例えば図6(b)に示す格子パターン3、および図6(c)に示す縞パターン4を用いて計測装置1を構成しても良い。さらに格子パターン3を用いた場合、左右格子3aと上下格子3bの交点である格子点3cの像を、被検物8の3次元形状測定の測定点(例えば実施例における基準ドット7b)として用いることが可能である。
In the above-described embodiment, the
上述の実施例において、照明光学系を用いて被検物8の表面にドット状の基準ドット7bを形成する、一般にアクティブ方式と呼ばれる構成となっているがこの構成に限定されることなく、照明光学系を用いることなく、例えば自然光を利用して被検物8の表面の特徴点(エッジ部分およびコントラストが変化する部分等)の受光強度を検出して被検物8の3次元形状を求める、一般にパッシブ方式と呼ばれる構成でも良い。
In the above-described embodiment, the dot-shaped
上述の実施例において、ステップ1でRおよびBの2つの波長を用いてデータテーブルを作成する構成となっているが、データテーブル作成に関しこの2つの波長により作成される構成に限定されず、任意の異なる2つの波長の組み合わせによりデータテーブルを作成することが可能である。
In the above-described embodiment, the data table is created by using the two wavelengths R and B in
上述の実施例において、被検物8の表面は単一色で構成されていることが好ましい。
In the above-described embodiment, the surface of the
1 計測装置 7c 基準ドット(所定基準位置)
8 被検物 11 色出しレンズ(結像レンズ系)
11a ズーミング駆動装置(ズーム用レンズ駆動部)
11c オートフォーカス駆動装置(オートフォーカス用レンズ駆動部)
11d オートフォーカス制御部
20 イメージセンサー 21 画素領域(画素)
30 演算処理部
1 Measuring
8
11a Zooming drive device (zoom lens drive unit)
11c Autofocus drive device (autofocus lens drive unit)
11d
30 arithmetic processing unit
Claims (4)
被検物の表面からの光を入射させて前記イメージセンサー上に前記被検物の表面の像を結像させる結像レンズ系と、
前記結像レンズ系を構成する少なくとも一部のレンズを前記被検物に対して光軸方向に移動させて前記イメージセンサー上に結像する前記像の大きさを拡大または縮小させることが可能なズーム用レンズ駆動部と、
前記ズーム用レンズ駆動部により拡大または縮小されて前記イメージセンサー上に前記被検物の表面の像を結像させた状態において、前記イメージセンサーを構成する前記複数の画素のそれぞれが受光した光の強度に基づいて、前記被検物の表面の光軸方向の相対位置を算出して前記被検物の3次元形状を測定する演算処理部とを備え、
前記複数の画素は前記被検物の表面からの光を少なくとも2つの波長に分けて受光するとともに波長毎の受光強度を検出し、
前記演算処理部は、被検物の表面の像における所定基準位置での2つの波長の前記受光強度の差と、前記被検物の表面の像における他の位置での前記2つの波長の前記受光強度の差との関係から、前記所定基準位置に対する前記他の位置の距離を求めて前記被検物の表面の3次元形状を測定する計測装置。 An image sensor having a plurality of pixels arranged in a plane;
An imaging lens system that makes light from the surface of the test object incident and forms an image of the surface of the test object on the image sensor;
It is possible to enlarge or reduce the size of the image formed on the image sensor by moving at least a part of the lenses constituting the imaging lens system in the optical axis direction with respect to the test object. A zoom lens drive,
The light received by each of the plurality of pixels constituting the image sensor in a state where an image of the surface of the test object is formed on the image sensor by being enlarged or reduced by the zoom lens driving unit. An arithmetic processing unit that calculates the relative position of the surface of the test object in the optical axis direction based on the intensity and measures the three-dimensional shape of the test object;
The plurality of pixels receive light from the surface of the test object divided into at least two wavelengths and detect received light intensity for each wavelength,
The arithmetic processing unit is configured to detect the difference between the received light intensity of two wavelengths at a predetermined reference position in the image of the surface of the test object and the two wavelengths of the two wavelengths at other positions in the image of the surface of the test object. A measuring apparatus that measures the three-dimensional shape of the surface of the test object by determining the distance of the other position with respect to the predetermined reference position from the relationship with the difference in received light intensity.
前記結像レンズ系により前記被検物における前記所定基準位置の像を前記イメージセンサーに合焦させて結像させるように、前記オートフォーカス用レンズ駆動部による前記少なくとも一部のレンズの光軸方向への移動を制御するオートフォーカス制御部とを有していることを特徴とする請求項1に記載の計測装置。 An autofocus lens driving unit capable of moving at least a part of the lenses constituting the imaging lens system in the optical axis direction with respect to the object;
The optical axis direction of the at least some lenses by the autofocus lens driving unit so that the image sensor system focuses the image of the predetermined reference position on the object to be focused on the image sensor. The measuring apparatus according to claim 1, further comprising an autofocus control unit that controls movement to the position.
前記ズーム用レンズ駆動部が前記結像レンズ系を構成する前記少なくとも一部のレンズを前記被検物に対して移動させて前記イメージセンサー上に結像する前記像の大きさを拡大または縮小させるズーミングステップと、前記複数の画素が前記被検物の表面からの光を少なくとも2つの波長に分けて受光するとともに波長毎の受光強度を検出する受光強度検出ステップと、前記演算処理部が被検物の表面の像における所定基準位置での2つの波長の前記受光強度の差と、前記被検物の表面の像における他の位置での前記2つの波長の前記受光強度の差との関係から、前記所定基準位置に対する前記他の位置の距離を求めて前記被検物の表面の3次元形状を測定する測定ステップとからなることを特徴とする計測方法。 An image sensor having a plurality of pixels arranged in a plane, and an imaging lens system that forms an image of the surface of the test object on the image sensor by making light from the surface of the test object incident; It is possible to enlarge or reduce the size of the image formed on the image sensor by moving at least a part of the lenses constituting the imaging lens system in the optical axis direction with respect to the test object. The plurality of pixels constituting the image sensor in a state where a zoom lens driving unit and an image of the surface of the test object are formed on the image sensor by being enlarged or reduced by the zoom lens driving unit A measurement device comprising: an arithmetic processing unit that calculates a relative position in the optical axis direction of the surface of the test object based on the intensity of light received by each of the test objects and measures a three-dimensional shape of the test object Using A measurement method,
The zoom lens driving unit moves the at least a part of the lenses constituting the imaging lens system with respect to the test object to enlarge or reduce the size of the image formed on the image sensor. A zooming step, a received light intensity detecting step in which the plurality of pixels receive light from the surface of the test object divided into at least two wavelengths and detect the received light intensity for each wavelength; and the arithmetic processing unit detects the light From the relationship between the difference in the received light intensity of two wavelengths at a predetermined reference position in the image of the surface of the object and the difference in the received light intensity of the two wavelengths at other positions in the image of the surface of the test object And a measurement step of measuring a three-dimensional shape of the surface of the test object by obtaining a distance of the other position with respect to the predetermined reference position.
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JP2007243110A JP2009074876A (en) | 2007-09-19 | 2007-09-19 | Measuring device, and method of measuring the same |
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US10952827B2 (en) | 2014-08-15 | 2021-03-23 | Align Technology, Inc. | Calibration of an intraoral scanner |
-
2007
- 2007-09-19 JP JP2007243110A patent/JP2009074876A/en active Pending
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