JP2010210410A

JP2010210410A - 三次元形状測定装置

Info

Publication number: JP2010210410A
Application number: JP2009056756A
Authority: JP
Inventors: Toru Yoshizawa; 徹吉澤; Toshitaka Wakayama; 俊隆若山
Original assignee: Saitama Medical University
Current assignee: Saitama Medical University
Priority date: 2009-03-10
Filing date: 2009-03-10
Publication date: 2010-09-24

Abstract

【課題】精度の高い測定を行うことが可能な３次元形状測定装置及び３次元形状測定方法を提供すること。
【解決手段】測定対象物４０の三次元形状を測定する三次元形状測定装置１において、
パターン素子１４の格子パターンを測定対象物４０に対して投影する投影部１０と、測定対象物４０に投影された格子パターンを撮像する撮像部２０とを含み、前記格子パターンを基準面ＳＰに対して投影した場合に基準面ＳＰ上において等間隔なパターンが形成されるように、前記格子パターンの間隔を不等間隔としたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定対象物の三次元形状を測定する三次元形状測定装置及び三次元形状測定方法に関する。

従来から、三次元形状測定方法として、格子パターン投影法が知られている（例えば、特許文献１）。

図７に格子パターン投影法による従来の３次元形状測定装置の構成例を示す。投影部は、光源２と格子３と投影レンズ４から構成され、光源２からの光が格子３を照射する。図８に示すように、格子３は、正弦波状の光強度分布をもつ等間隔な格子パターンＬＰを有し、その格子パターンＬＰが投影レンズ４を介して測定対象物５に投影される。撮像部は、撮影レンズ６とＣＣＤなどのイメージセンサ７から構成され、測定対象物５に投影された格子パターン（変形格子パターン）を、投影部による投影方向とは異なる方向から撮像する。そして撮像された画像の各画素について、基準面ＳＰからの高さを求め、測定対象物５の三次元形状を測定する。

特開２００６−２７５５２９号公報

図３（Ａ）は、図７に示す従来の３次元形状測定装置において、等間隔な格子パターンを基準面ＳＰに投影した場合に、撮像部によって撮像された基準面ＳＰ上における格子パターン像の画像である。図３（Ａ）を見ると、画像右側では格子パターンの間隔が広く、画像左側では格子パターンの間隔が狭くなっていることがわかる。これは、縞画像解析を行った場合、基準面が傾いていることとなり、基準面の傾き補正が必要となる。すなわち、従来の３次元形状測定装置では、投影された格子パターンの間隔が基準面上において等間隔でないために補正を行う必要があり、補正時の誤差により形状測定の精度が低下するといった問題点があった。

本発明は、本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、精度の高い測定を行うことが可能な３次元形状測定装置及び３次元形状測定方法を提供することにある。

（１）本発明は、測定対象物の三次元形状を測定する三次元形状測定装置において、
格子パターンを前記測定対象物に対して投影する投影部と、
前記測定対象物に投影された格子パターンを撮像する撮像部とを含み、
前記格子パターンを基準面に対して投影した場合に基準面上において等間隔なパターンが形成されるように、前記格子パターンの間隔を不等間隔としたことを特徴とする。

本発明によれば、基準面の傾き補正をすることなく精度の高い形状測定を行うことができる。

（２）また本発明に係る三次元形状測定装置では、
前記投影部は、
格子パターンを有するパターン素子と、投影レンズとを含み、
前記格子パターンを、前記投影レンズを介して前記測定対象物に対して投影することを特徴とする。

（３）また本発明に係る三次元形状測定装置では、
前記パターン素子と前記投影レンズと前記基準面とが、シャインプルークの条件を満たすように配置されたことを特徴とする。

本発明によれば、基準面上における格子パターンのコントラストを均等に高くすることができ、精度の高い形状測定を行うことができる。

（４）また本発明に係る三次元形状測定装置では、
前記投影部は、
光源からの光を前記測定対象物に対して走査する走査部を含み、
前記光源からの光が前記測定対象物を走査する際に、前記光源の光強度を制御することにより、前記基準面上において等間隔のパターンとなるような格子パターンを前記測定対象物に対して投影することを特徴とする。

（５）また本発明に係る三次元形状測定装置では、
光源からの光を前記測定対象物に対して走査する走査部を含み、
前記光源からの光が前記測定対象物を走査する際に、走査速度を制御することにより、前記基準面上において等間隔のパターンとなるような格子パターンを前記測定対象物に対して投影することを特徴とする。

（６）また本発明は、格子パターンを測定対象物に対して投影し、投影された格子パターンを撮像し、撮像された格子パターンから前記測定対象物の三次元形状を測定する三次元形状測定方法において、
前記格子パターンを基準面に対して投影した場合に基準面上において等間隔なパターンが形成されるように、前記格子パターンの間隔を不等間隔としたことを特徴とする。

本実施形態の三次元形状測定装置の構成の一例を示す図。本実施形態の液晶格子の格子パターンについて説明するための図。基準面上における格子パターン像の画像を示す図。変形例について説明するための図。変形例について説明するための図。変形例について説明するための図。従来の三次元形状測定装置の構成の一例を示す図。従来の三次元形状測定装置における格子パターンについて説明するための図。

以下、本実施形態について説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明される構成の全てが、本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１．構成
図１は、本実施形態の三次元形状測定装置の構成の一例を示す図である。

三次元形状測定装置１は、投影部１０と、撮像部２０と、制御装置３０とを備える。投影部１０を構成する各光学素子は、光軸ＡＸ１上に配置され、撮像部２０を構成する各光学素子は光軸ＡＸ２上に配置される。なお、光軸ＡＸ１と光軸ＡＸの交わる点を基準面ＳＰの原点としている。

投影部１０は、光源部１２、液晶格子１４（パターン素子の一例）、投影レンズ１６を含む。光源部１２は、ハロゲンランプ等の光源とコンデンサレンズから構成され、光源からの光を液晶格子１４に照射する。

液晶格子１４は、格子パターンを液晶により形成するパターン素子である。本実施形態の液晶格子１４は、画素が縦方向に連続し、横方向に分離したパターン（横方向にピッチを持つパターン）で構成されている。また液晶格子１４は、液晶ドライバを備え、制御装置３０からの制御信号により格子ピッチを変化させる制御、格子パターンの位相を変化させる制御、格子パターンの強度分布を変化させる制御を行うことができる。

投影レンズ１６は、液晶格子１４の格子パターンを測定対象物４０に対して投影するためのレンズである。

撮像部２０は、撮影レンズ２２、ＣＣＤイメージセンサ２４を含む。ＣＣＤイメージセンサ２４は、測定対象物４０に投影された格子パターン（変形格子パターン）の像を撮影レンズ２２を介して撮像し、画像データを制御部３０に出力する。

本実施形態では、図２に示すように、液晶格子１４の格子パターンＬＰの間隔（周期、ピッチ）を不等間隔として、格子パターンＬＰを基準面ＳＰに投影した場合に基準面ＳＰ上において等間隔な格子パターンの像が形成されるようにしている。すなわち、正弦波状の光強度をもつ格子パターンの周期を空間的に変化させた格子パターンとしている。図２に示す例では、左側にいくにつれ格子パターンＬＰの間隔（周期）を狭くし、右側にいくにつれ格子パターンＬＰの間隔（周期）を広くしている。このようにすると、基準面ＳＰ上において等間隔な格子パターンの像を形成することができ、基準面ＳＰの傾き補正をすることなく精度の高い形状測定を行うことができる。

また、本実施形態では、図１に示すように、液晶格子１４と、投影レンズ１６と、基準面ＳＰとが、シャインプルーク（Scheimpflug）の条件を満たすように配置されている。すなわち、液晶格子１４、投影レンズ１６、基準面ＳＰを、それぞれ被写体面、レンズ主面、像面とした場合に、それら３者を延長した面が１軸で交わるように、液晶格子１４を傾けて配置している。このようにすると、基準面ＳＰ上における格子パターン像のコントラストを全面にわたって均等に高くすることができ、精度の高い形状測定を行うことができる。

図３（Ｂ）に、本実施形態の三次元形状測定装置１において、格子パターンＬＰを基準面ＳＰに投影した場合に、撮像部２０によって撮像された基準面ＳＰ上における格子パターン像の画像を示す。図３（Ｂ）を見ると、図３（Ａ）に示す従来の例と比較して、基準面ＳＰ上における格子パターンの間隔が等間隔になっていることがわかる。

また、図３（Ａ）に示す従来例をみると、画像右側ではピントが合っているが左側ではピントがぼけている。このため、格子パターン像のコントラストが一様でなくなり、画像左側では測定の精度が低下する。一方、図３（Ｂ）を見ると、格子パターン像の全面にわたって均等に高いコントラストとなっていることがわかる。

再び図１を参照すると、制御装置３０は、測定部３２、制御部３４、記憶部３６を含む。測定部３２や制御部３４の機能は、各種プロセッサ（ＣＰＵ、ＤＳＰ等）のハードウェアや、記憶部３６に格納されたプログラムにより実現できる。記憶部３６は、測定部３２や制御部３４のワーク領域となるものであり、その機能は、ＲＡＭやＲＯＭなどにより実現できる。

制御部３４は、液晶格子１４の格子パターンを制御する。すなわち格子パターンを制御するための制御信号を生成して、生成した制御信号を液晶格子１４の液晶ドライバに対して送信する処理を行う。また制御部３４は、撮像部２０を制御する処理を行う。

測定部８２は、撮像部２０によって撮像された画像データに基づき測定対象物４０の三次元形状の測定値を算出する。すなわち、液晶格子１４の格子パターンの位相を順次シフトさせて撮像した画像データからその初期位相分布φ（ｘ，ｙ）を求め、求めた位相分布φ（ｘ，ｙ）に対して位相接続処理（アンラッピング処理）を行い、連続した初期位相分布φ’（ｘ，ｙ）を求める。このようにして求めた位相分布φ’（ｘ，ｙ）より、三角測量の原理を用いて基準面ＳＰからの高さＨへの変換を行い、測定対象物４０の高さ分布Ｈ（ｘ，ｙ）を求める。

なお、格子パターンの位相シフト量を０、π／２、π、３π／２とした４ステップ法の場合には、各画素（ｘ，ｙ）における輝度をそれぞれI_０（ｘ，ｙ）、I_１（ｘ，ｙ）、I_２（ｘ，ｙ）、I_３（ｘ，ｙ）とすると、各画素における位相分布φ（ｘ，ｙ）は、次式により求めることができる。

２．変形例
なお、本発明の適用は上述した実施例に限定されず、種々の変形が可能である。

例えば、本実施形態では、液晶格子（パターン素子）を用いて格子パターンを測定対象物に対して投影する場合について説明したが、光源からの光を測定対象物に対して走査させるとともに光源の光強度或いは走査速度を制御することにより格子パターンを測定対象物に対して投影するようにしてもよい。

例えば、図４に示す例では、投影部１０は、光源部１３と、可動ミラー１５を含む。光源１３は、レーザーダイオード等の光源とコリメートレンズから構成される。レーザー光の強度は、制御部３４により制御される。光源から放射されたレーザー光はコリメートレンズによって平行光とされ、可動ミラー１５に導かれる。そして光源部１３からのレーザー光は可動ミラー１５で反射されて測定対象物４０に向かって進む。可動ミラー１５は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラー（ＭＥＭＳ光スキャナ）から構成され、制御部３４からの制御信号によって２次元方向に駆動する。可動ミラー１５としてＭＥＭＳミラーを用いることにより、装置を小型化することができ、また装置の消費電力を低減することができる。なお、可動ミラー１５として、ガルバノミラーや、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）などを用いるようにしてもよい。なお、ＤＭＤは米国テキサス・インスツルメンツ社の商標である。

図５に示すように、可動ミラー１５を、水平軸ＡＨ回りに所定角度範囲内で共振（振動）させつつ、垂直軸ＡＶ回りに回転させるように駆動することで、光源部１３からのレーザー光ＬＬを基準面ＳＰ（及び測定対象物４０）上を走査線Ｓに沿って走査させることができる。ここで、レーザー光ＬＬを１回走査させる際に、可動ミラー１５の垂直軸ＡＶ回りの回転角度の増加（或いは時間経過）に伴って、レーザー光ＬＬの強度を周期的に変化させることで、格子パターンを測定対象物４０上に投影することができる。

また、図４に示す例において、レーザー光ＬＬの強度を変化させる周期が不等間隔となるように制御することで、基準面ＳＰ上において等間隔となるような格子パターンの像を形成することができる。

例えば、図４において、光源部１３からのレーザー光を矢印Ａに示す方向に走査する場合には、図６（Ａ）に示すように、可動ミラー１５の垂直軸ＡＶ回りの回転角度の増加に伴って、レーザー光の強度を変化させる周期が短くなるように制御している。この場合、周波数変調された電圧を光源に印加するようにすればよい。このようにすると、基準面ＳＰ上において等間隔な格子パターンの像を形成することができ、基準面ＳＰの傾き補正をすることなく精度の高い形状測定を行うことができる。

また、図４に示す例において、レーザー光ＬＬを１回走査させる際に、レーザー光ＬＬの強度を変化させずに、可動ミラー１５の垂直軸ＡＶ回りの角速度（走査角速度）を周期的に変化させることで、格子パターンを測定対象物４０上に投影するようにしてもよい。

例えば、図４において、光源部１３からのレーザー光を矢印Ａに示す方向に走査する場合には、図６（Ｂ）に示すように、時間経過に伴って、可動ミラー１５の垂直軸ＡＶ回りの角速度を変化させる周期が短くなるように制御することで、基準面ＳＰ上において等間隔な格子パターンの像を形成することができる。

１三次元形状測定装置、１０光源部、１４液晶格子、１６投影レンズ、２０撮像部、２２撮影レンズ、２４ＣＣＤイメージセンサ、３０制御装置、３２測定部、３６記憶部、４０測定対象物

Claims

測定対象物の三次元形状を測定する三次元形状測定装置において、
格子パターンを前記測定対象物に対して投影する投影部と、
前記測定対象物に投影された格子パターンを撮像する撮像部とを含み、
前記格子パターンを基準面に対して投影した場合に基準面上において等間隔なパターンが形成されるように、前記格子パターンの間隔を不等間隔としたことを特徴とする三次元形状測定装置。
請求項１において、
前記投影部は、
格子パターンを有するパターン素子と、投影レンズとを含み、
前記格子パターンを、前記投影レンズを介して前記測定対象物に対して投影することを特徴とする三次元形状測定装置。
請求項２において、
前記パターン素子と前記投影レンズと前記基準面とが、シャインプルークの条件を満たすように配置されたことを特徴とする三次元形状測定装置。
請求項１において、
前記投影部は、
光源からの光を前記測定対象物に対して走査する走査部を含み、
前記光源からの光が前記測定対象物を走査する際に、前記光源の光強度を制御することにより、前記基準面上において等間隔のパターンとなるような格子パターンを前記測定対象物に対して投影することを特徴とする三次元形状測定装置。
請求項１において、
光源からの光を前記測定対象物に対して走査する走査部を含み、
前記光源からの光が前記測定対象物を走査する際に、走査速度を制御することにより、前記基準面上において等間隔のパターンとなるような格子パターンを前記測定対象物に対して投影することを特徴とする三次元形状測定装置。
格子パターンを測定対象物に対して投影し、投影された格子パターンを撮像し、撮像された格子パターンから前記測定対象物の三次元形状を測定する三次元形状測定方法において、
前記格子パターンを基準面に対して投影した場合に基準面上において等間隔なパターンが形成されるように、前記格子パターンの間隔を不等間隔としたことを特徴とする三次元形状測定方法。