JP2009186217A - ３次元形状測定装置および３次元形状測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 被検物体の表面のテキスチャによる影響を抑え、高精度な測定を行うこと。
【解決手段】 所定のパターンを有するパターン光を、被検物体に対して第１の方向から投光する投光手段と、２次元光電変換素子を備え、被検物体から反射したパターン光の像を、第１の方向と異なる方向から２次元光電変換素子により撮像する撮像手段と、被検物体の表面の凹凸に起因するテキスチャを推定する推定手段と、撮像手段により生成した画像を、推定手段により推定したテキスチャに基づいて補正する補正手段と、補正手段による補正後の補正画像に基づいて、被検物体の３次元形状を演算する演算手段とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、撮像手段の出力に基づいて被検物体の３次元形状を測定する３次元形状測定装置および３次元形状測定方法に関する。

従来から、所定のパターンを有するパターン光を投光して３次元形状を測定する測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような装置では、被検物体のうち、パターン光を投光する部分の形状に応じたパターン光の変形具合に基づいて、被検物体の３次元形状を測定する。
昭６３−２７９１１０号公報

しかし、上述した装置において、被検物体の表面の凹凸等に起因したテキスチャが存在すると、パターン光の変形具合の検出が不安定になる。このような場合、誤検出や検出誤差が発生し、精密測定に適さないという問題がある。

本発明の３次元形状測定装置および３次元形状測定方法は、被検物体の表面のテキスチャによる影響を抑え、高精度な測定を行うことを目的とする。

本発明の３次元形状測定装置は、所定のパターンを有するパターン光を、被検物体に対して第１の方向から投光する投光手段と、２次元光電変換素子を備え、前記被検物体から反射した前記パターン光の像を、前記第１の方向と異なる方向から前記２次元光電変換素子により撮像する撮像手段と、前記被検物体の表面の凹凸に起因するテキスチャを推定する推定手段と、前記撮像手段により生成した画像を、前記推定手段により推定した前記テキスチャに基づいて補正する補正手段と、前記補正手段による補正後の補正画像に基づいて、前記被検物体の３次元形状を演算する演算手段とを備える。

なお、前記推定手段は、複数の前記画像を合成して生成した合成画像と、予め前記撮像手段により撮像したテキスチャ画像との少なくとも一方に基づいて、前記テキスチャを推定しても良い。

また、前記投光手段と前記被検物体との相対位置を変更する変更手段をさらに備え、前記投光手段は、スリット形状を有する前記パターン光を投光し、前記推定手段は、複数の異なる前記相対位置における前記画像を合成した前記合成画像に基づいて、前記テキスチャを推定しても良い。

また、前記画像に基づいて、スリット形状を有する前記パターン光の画像を抽出する抽出手段をさらに備え、前記推定手段は、複数の異なる前記相対位置において前記抽出手段により抽出した前記パターン光の画像を合成した前記合成画像に基づいて、前記テキスチャを推定しても良い。

なお、上記発明に関する構成を、撮像手段の出力に基づいて被検物体の３次元形状を測定する３次元形状測定方法に変換して表現したものも本発明の具体的態様として有効である。

本発明の３次元形状測定装置および３次元形状測定方法によれば、被検物体の表面のテキスチャによる影響を抑え、高精度な測定を行うことができる。

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。

図１は、本実施形態の３次元形状測定装置１の構成を示す図である。図１に示すように、３次元形状測定装置１は、投光部２、被検物体ホルダ３、被検物体ホルダ駆動ステージ４、撮像部５の各部を備えるとともに、各部を制御する制御部６を備える。

投光部２は、光ビームを射出するレーザ射出部７と、レーザ射出部７から射出された光ビームをスリット形状に整形するシリンドリカルレンズ８とを備える。

被検物体ホルダ３は、その上面に被検物体Ｔを保持する。また、被検物体ホルダ駆動ステージ４は、１軸のステージであり、被検物体ホルダ３を上述したスリットの長手方向と垂直な方向（矢印Ａの方向）に駆動する。撮像部５は、不図示のレンズや２次元光電変換素子５ａを備え、光ビームが投光された被検物体Ｔの反射像を、光ビームが投光される方向と異なる方向から撮像する。

以上説明した構成の３次元形状測定装置１の測定時の動作について、図２に示すフローチャートを用いて説明する。

はじめに、被検物体Ｔの表面の凹凸に起因したテキスチャが存在する場合に、撮像部５により生成される画像に発生する問題について説明する。テキスチャには、被検物体Ｔの表面の傷や微細な凹凸等により発生するものがある。被検物体Ｔの表面にこのようなテキスチャが存在すると、撮像部５により生成される画像が暗くなったり、画像中の光ビームの像の輝度が不均一になったり、部分的に輝点が発生したりする。このような問題が発生すると、光ビームの像の検出が不安定になる。例えば、後述するようにピーク位置を検出する際に、テキスチャが存在しない場合には、図３Ａに示すようにピーク位置Ｐを検出可能である。しかし、テキスチャが存在する場合には、例えば図３Ｂに示すようにカーブの形状が変形してしまい、重心がずれ込みピーク位置を検出することができなかったり、誤検出してしまうおそれがある。図２のフローチャートはこのような問題に対応するための処理の一例を示す。

ステップＳ１において、制御部６は、光ビームの走査を開始する。制御部６は、投光部２を制御して被検物体Ｔへの光ビームの投光を開始するとともに、被検物体ホルダ駆動ステージ４を制御して、被検物体ホルダ３を図１の矢印Ａの方向に駆動する。この結果、被検物体Ｔに対する光ビームの走査が開始される。制御部６は、被検物体ホルダ駆動ステージ４を制御して、例えば、８０μｍステップで被検物体ホルダ３を駆動する。

ステップＳ２において、制御部６は、撮像部５を制御して、被検物体Ｔの撮像を開始する。なお、撮像部５による撮像は所定の時間間隔で繰り返し行われる。このとき、被検物体Ｔのうち光ビームが投光されている部分が平坦であれば、撮像により生成される光ビームの像は直線になる。また、被検物体Ｔのうち光ビームが投光されている部分に凹凸があれば、奥行き方向の位置に応じて光ビームの像が変形する。また、制御部６は、撮像により生成した画像を制御部６内の不図示のメモリに一旦記録する。なお、制御部６は、上述したステップ送り量である８０μｍごとに撮像を繰り返し行う。このような繰り返しの撮像により、図４Ａに示すように、複数本のスリット形状の画像が時系列的に生成されることになる。

ステップＳ３において、制御部６は、環境光成分を補正する。被検物体Ｔの表面が金属面である場合、上述したテキスチャは拡散光の不安定性に起因し、入射角の影響を強く受ける。したがって、測定対象である光ビームによるテキスチャと環境光によるテキスチャとは一般には異なったものになる。そこで、制御部６は、ステップＳ２で生成した画像の環境光成分を補正する。その結果、測定対象である光ビームによるテキスチャのみの画像を得ることができる。

環境光成分を補正する方法には、以下の２つがある。１つ目は、投光部２を一旦消灯し、環境光成分のみを撮像部５により撮像して画像を生成し、生成した画像に基づいて補正する方法である。この画像には、環境光成分に相当する出力のみが現れることになる。この方法を用いる場合、制御部６は、ステップＳ３において、投光部２を一旦消灯し、撮像部５を制御して撮像を行う。２つ目は、通常の測定時に撮像部５により撮像した画像を解析し、解析結果に基づいて補正する方法である。この方法を用いる場合、制御部６は、ステップＳ２で生成した画像の輝度に基づいて、光ビームに相当するスリット形状の部分のみを抽出し、それ以外の部分を環境光成分として減算する。

ステップＳ４において、制御部６は、予め定められた全範囲における撮像を完了したか否かを判定する。そして、制御部６は、全範囲における撮像を完了したと判定するとステップＳ５に進む。一方、全範囲における撮像を完了していないと判定すると、制御部６は、ステップＳ２に戻り、所定の時間間隔の撮像を継続する。ステップＳ４において、全範囲における撮像を完了したと判定した際には、図４Ｂに示すように、環境光成分が補正された複数本のスリット形状の画像が生成されることになる。

ステップＳ５において、制御部６は、ステップＳ２における撮像により生成した全ての画像を合成する。制御部６は、環境光成分が補正された複数本のスリット形状の画像を合成してテキスチャ画像を生成する。ただし、制御部６は、合成する際にはシフト分を考慮して合成する。被検物体Ｔ換算で例えば、１ｐｉｘｅｌ＝４０μｍであるとすると、上述したようにステップ送り量は８０μｍであるため、２ｐｉｘｅｌずつシフトして合成する。

このように、複数本のスリット形状の画像を合成してテキスチャ画像を生成することにより、被検物体Ｔの表面の微細構造が均一でない場合でも、総合的にとらえることができる。図４Ｃに合成画像の生成の例を示す。ただし、図４Ｃでは、説明のためにテキスチャ画像を斜線で示しているが、実際は、被検物体Ｔの表面の凹凸に起因した模様などがテキスチャ画像として表れる。

ステップＳ６において、制御部６は、ステップＳ２における撮像により生成した画像のテキスチャを、ステップＳ５において合成した合成画像に基づいて補正する。例えば、制御部６は、制御部６内の不図示のメモリからステップＳ２における撮像により生成した複数の画像を読み出し、それぞれに画像について、ステップＳ５で生成したテキスチャ画像に基づいて補正する。例えば、制御部６は、ステップＳ２における撮像により生成したある画像の輝度を、テキスチャ画像のうち、ステップＳ２における撮像により生成した画像に該当する位置の輝度値で除算することにより補正する。テキスチャ画像の輝度値は、被検物体Ｔの反射率を反映している。そのため、テキスチャ画像の輝度値で除算することにより、反射率を１に換算して補正することができる。このような補正を行うと、画像の明るさを回復し、輝度を均一にするとともに、部分的に発生していた輝点を解消することができる。

ステップＳ７において、制御部６は、ステップＳ６でテキスチャを補正した画像に基づいて、ピーク、重心などを求める。

ステップＳ８において、制御部６は、ステップＳ７の検出結果に基づいて、被検物体Ｔの３次元形状を演算する。

以上説明したように、第１実施形態によれば、被検物体の表面の凹凸に起因するテキスチャを推定し、撮像手段により生成した画像を、推定したテキスチャに基づいて補正する。そして、補正後の補正画像に基づいて、被検物体の３次元形状を演算する。したがって、被検物体の表面のテキスチャによる影響を抑え、被検物体により忠実な、高精度な測定を行うことができる。

また、第１実施形態によれば、複数の画像を合成して生成した合成画像に基づいて、テキスチャを推定する。したがって、より確実にテキスチャによる影響を抑えることができる。

また、第１実施形態によれば、投光手段と被検物体との相対位置を変更する変更手段をさらに備え、投光手段は、スリット形状を有するパターン光を投光する。そして、複数の異なる相対位置における画像を合成した合成画像に基づいて、テキスチャを推定する。したがって、より正確にテキスチャを推定することができ、より正確にテキスチャを補正することができる。

また、第１実施形態によれば、スリット形状を有するパターン光の画像を抽出する抽出手段をさらに備え、複数の異なる相対位置において抽出したパターン光の画像を合成した合成画像に基づいて、テキスチャを推定する。したがって、環境光成分の影響に配慮し、より正確な測定を実現することができる。

＜第２実施形態＞
以下、図面を用いて本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態では、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

第２実施形態の３次元形状測定装置は、第１実施形態の３次元形状測定装置１と同様の構成を有する。以下では、第１実施形態の図１と同様の記号を用いて説明する。

図５は、第２実施形態の３次元形状測定装置の測定時の動作を示すフローチャートである。

ステップＳ１１において、制御部６は、テキスチャ情報を取得する。テキスチャ情報を取得する方法には、以下の２つがある。１つ目は、不図示の拡散光源を用いて、撮像部５により撮像して画像を生成する方法である。生成された画像は、第１実施形態で説明したテキスチャ画像に相当する画像であり、この画像を用いて後述するテキスチャの補正を行うことができる。なお、投光部２が、拡散光源とスリットマスクとからなる構成である場合には、スリットマスクを外して撮像を行うことによりテキスチャ画像に相当する画像を生成することができる。２つ目は、３次元形状測定装置１の外部からテキスチャ画像に相当する画像もしくはこれに準ずる情報を取得する方法である。

ステップＳ１２において、制御部６は、第１実施形態のステップＳ１と同様に、光ビームの走査を開始する。

ステップＳ１３において、制御部６は、第１実施形態のステップＳ２と同様に、撮像部５を制御して、被検物体Ｔの撮像を開始する。

ステップＳ１４において、制御部６は、第１実施形態のステップＳ３と同様に、環境光成分を補正する。

ステップＳ１５において、制御部６は、ステップＳ１１で取得したテキスチャ情報の基づいて、第１実施形態のステップＳ６と同様に、画像のテキスチャを補正する。本実施形態では、上述したようにステップＳ１１においてテキスチャ情報を既に取得しているため、第１実施形態のように全範囲における撮像の完了を待つことなく、ステップＳ１４において環境光成分を補正した画像から順にテキスチャの補正を行うことができる。

ステップＳ１６において、制御部６は、第１実施形態のステップＳ４と同様に、予め定められた全範囲における撮像を完了したか否かを判定する。そして、制御部６は、全範囲における撮像を完了したと判定するとステップＳ１７に進む。一方、全範囲における撮像を完了していないと判定すると、制御部６は、ステップＳ１２に戻り、ステップＳ１２からステップＳ１５の処理を継続する。

ステップＳ１７において、制御部６は、第１実施形態のステップＳ７と同様に、ステップＳ１５でテキスチャを補正した画像に基づいて、ピーク、重心などを求める。

ステップＳ１８において、制御部６は、第１実施形態のステップＳ８と同様に、ステップＳ７の１検出結果に基づいて、被検物体Ｔの３次元形状を演算する。

以上説明したように、第２実施形態によれば、予め撮像手段により撮像したテキスチャ画像に基づいて、テキスチャを推定する。したがって、全範囲における撮像の完了を待つことなく、テキスチャの補正を開始することができるので、第１実施形態の効果に加えて、処理時間の短縮が期待できる。

なお、上記した各実施形態では、被検物体ホルダ３を駆動して被検物体との相対位置を変更する例を示したが、被検物体ホルダ３を固定し、投光部２をスリットの長手方向と垂直な方向へ駆動して相対位置を変更する構成としても良い。さらに、測定精度よりも測定レンジを優先する用途においては、ポリゴンミラー等で光ビームの投光角を走査する構成としても良い。この場合、ある画素を光ビームが通過する際に、被検物体への投光角が変化してしまうことがある。そのため、拡散光が不安定な被検物体の場合には、測定精度が低下する場合がある。いずれの場合も、被検物体ホルダ３を固定し、投光位置を走査する際には、スリット光が２次元光電変換素子５ａ上を移動するので、第１実施形態のステップＳ５で説明した画像の合成の際に、シフト分を考慮する必要はない。

また、上記した各実施形態では、投光部２から投光される光ビームは、１本のスリット形状である例を示したが、弁別が可能である限り複数本のスリット形状であっても良い。

また、上記した各実施形態では、空間重心法を用いる場合を例に挙げて説明したが、時間重心法を用いても良い。

また、上記した各実施形態では、いわゆる光切断方式の３次元形状測定装置を例に挙げて説明したが、他の手法を用いた３次元形状測定装置にも本発明を同様に適用することができる。例えば、位相シフト方式の３次元形状測定装置に適用する場合には、異なる複数の位相で生成した画像を合成することにより、テキスチャ画像を生成することができる。

第１実施形態の３次元形状測定装置１の構成を示す図である。 第１実施形態の３次元形状測定装置１の測定時の動作を示すフローチャートである。 テキスチャについて説明する図である。 測定の流れを説明する図である。 第２実施形態の３次元形状測定装置の測定時の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１…３次元形状測定装置，２…投光部、３…被検物体ホルダ、４…被検物体ホルダ駆動ステージ、５…撮像部、５ａ…２次元光電変換素子、６…制御部、７…レーザ射出部、８…シリンドリカルレンズ

Claims (8)

1. 所定のパターンを有するパターン光を、被検物体に対して第１の方向から投光する投光手段と、
   ２次元光電変換素子を備え、前記被検物体から反射した前記パターン光の像を、前記第１の方向と異なる方向から前記２次元光電変換素子により撮像する撮像手段と、
   前記被検物体の表面の凹凸に起因するテキスチャを推定する推定手段と、
   前記撮像手段により生成した画像を、前記推定手段により推定した前記テキスチャに基づいて補正する補正手段と、
   前記補正手段による補正後の補正画像に基づいて、前記被検物体の３次元形状を演算する演算手段と
   を備えたことを特徴とする３次元形状測定装置。
2. 請求項１に記載の３次元形状測定装置において、
   前記推定手段は、複数の前記画像を合成して生成した合成画像と、予め前記撮像手段により撮像したテキスチャ画像との少なくとも一方に基づいて、前記テキスチャを推定する
   ことを特徴とする３次元形状測定装置。
3. 請求項２に記載の３次元形状測定装置において、
   前記投光手段と前記被検物体との相対位置を変更する変更手段をさらに備え、
   前記投光手段は、スリット形状を有する前記パターン光を投光し、
   前記推定手段は、複数の異なる前記相対位置における前記画像を合成した前記合成画像に基づいて、前記テキスチャを推定する
   ことを特徴とする３次元形状測定装置。
4. 請求項３に記載の３次元形状測定装置において、
   前記画像に基づいて、スリット形状を有する前記パターン光の画像を抽出する抽出手段をさらに備え、
   前記推定手段は、複数の異なる前記相対位置において前記抽出手段により抽出した前記パターン光の画像を合成した前記合成画像に基づいて、前記テキスチャを推定する
   ことを特徴とする３次元形状測定装置。
5. 所定のパターンを有するパターン光を、被検物体に対して第１の方向から投光する投光手順と、
   前記被検物体から反射した前記パターン光の像を、前記第１の方向と異なる方向から２次元光電変換素子により撮像する撮像手順と、
   前記被検物体の凹凸に起因するテキスチャを推定する推定手順と、
   前記撮像手順により生成した画像を、前記推定手順により推定した前記テキスチャに基づいて補正する補正手順と、
   前記補正手順による補正後の補正画像に基づいて、前記被検物体の３次元形状を演算する演算手順と
   を備えたことを特徴とする３次元形状測定方法。
6. 請求項５に記載の３次元形状測定方法において、
   前記推定手順では、複数の前記画像を合成して生成した合成画像と、予め撮像したテキスチャ画像との少なくとも一方に基づいて、前記テキスチャを推定する
   ことを特徴とする３次元形状測定方法。
7. 請求項６に記載の３次元形状測定方法において、
   前記パターン光を投光する投光手段と前記被検物体との相対位置を変更する変更手順をさらに備え、
   前記投光手順では、スリット形状を有する前記パターン光を投光し、
   前記推定手順では、複数の異なる前記相対位置における前記画像を合成した前記合成画像に基づいて、前記テキスチャを推定する
   ことを特徴とする３次元形状測定方法。
8. 請求項７に記載の３次元形状測定方法において、
   前記画像に基づいて、スリット形状を有する前記パターン光の画像を抽出する抽出手順をさらに備え、
   前記推定手順では、複数の異なる前記相対位置において前記抽出手順により抽出した前記パターン光の画像を合成した前記合成画像に基づいて、前記テキスチャを推定する
   ことを特徴とする３次元形状測定方法。
   

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