JP2011153922A - Shape measurement apparatus and shape measurement method - Google Patents
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Description
本発明は、被検物の形状を測定するための形状測定装置および形状測定方法に関する。 The present invention relates to a shape measuring apparatus and a shape measuring method for measuring the shape of a test object.
被検物の三次元形状を非接触で高精度に測定する手法の一つとして、パターン投影法が従来から知られている(例えば、非特許文献1を参照)。このパターン投影法は、例えば、光強度分布が一方向に白黒と並んだ縞パターンを被検物の全面に投影し、縞パターンの光強度分布を前記一方向に四分の一周期ずつ移動させて(縞走査を行って)、位相の異なる4枚のパターン画像を取得する。そして、パターン投影法は、取得した4枚のパターン画像から各点における縞パターンの位相を求め、その位相情報から被検物の高さを演算し、被検物の三次元形状を求める手法である。 A pattern projection method has been conventionally known as one of methods for measuring a three-dimensional shape of a test object with high accuracy without contact (see, for example, Non-Patent Document 1). In this pattern projection method, for example, a stripe pattern in which the light intensity distribution is arranged in black and white in one direction is projected on the entire surface of the test object, and the light intensity distribution of the stripe pattern is moved in the one direction by a quarter period. (By performing fringe scanning), four pattern images having different phases are acquired. The pattern projection method is a method for obtaining the phase of the fringe pattern at each point from the obtained four pattern images, calculating the height of the test object from the phase information, and determining the three-dimensional shape of the test object. is there.
ところで、このようなパターン投影法では、表面に段差のある被検物に縞パターンを投影すると、段差の上部と下部とで縞パターンの関係がわからなくなり、段差の量を測定することが困難となる。そのため、縞ピッチの異なる複数の縞パターンを投影する方法(空間コード化法)などを用いて段差の量を測定して被検物の三次元形状を求める必要があった。また、パターン投影法では、上述したように縞走査を行って複数のパターン画像を取得する必要があり、この点でも複数の縞パターンを順次投影する必要があった。このように従来のパターン投影法では、被検物の三次元形状を測定するために、複数の種類のパターンを投影することが必要であった。また、縞パターンを被検物の全面に投影するため、光源から射出された光を被検物の全面に照射するので、得られる画像の光強度が低くなるという問題や、パターンを投影するための投影レンズに高い性能が求められる(ディストーションの小さい投影レンズが求められる)という問題があった。 By the way, in such a pattern projection method, when a fringe pattern is projected onto an object having a step on the surface, it is difficult to measure the amount of the step because the relationship between the fringe pattern at the top and the bottom of the step is unknown. Become. Therefore, it has been necessary to determine the three-dimensional shape of the test object by measuring the amount of the step using a method of projecting a plurality of fringe patterns having different fringe pitches (space coding method). In the pattern projection method, as described above, it is necessary to perform stripe scanning to acquire a plurality of pattern images, and also in this respect, it is necessary to sequentially project a plurality of stripe patterns. As described above, in the conventional pattern projection method, it is necessary to project a plurality of types of patterns in order to measure the three-dimensional shape of the test object. In addition, since the fringe pattern is projected onto the entire surface of the test object, the light emitted from the light source is irradiated onto the entire surface of the test object. However, there is a problem that a high performance is required for the projection lens (a projection lens having a small distortion is required).
本発明はこのような課題に鑑みたものであり、1種類の投影パターンを用いた簡便な方法で被検物の三次元形状を測定することができる形状測定装置および形状測定方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and provides a shape measuring apparatus and a shape measuring method capable of measuring the three-dimensional shape of a test object by a simple method using one kind of projection pattern. With the goal.
このような目的を達成するため、第1の本発明に係る形状測定装置は、被検物の一部の領域に周期的な光強度分布を有した投影パターンを投影するパターン投影部と、前記パターン投影部により前記被検物に投影された前記投影パターンを撮像する撮像部と、前記撮像部により撮像された前記投影パターンの画像において、前記画像表面を通る所定の直線上での前記画像のコントラスト分布もしくは強度分布を算出し、そのコントラスト分布もしくは強度分布に基づいて前記所定の直線上におけるパターン投影領域の中心位置を算出する中心演算部と、前記中心演算部により前記所定の直線を前記画像表面に沿って移動させつつ前記中心位置の算出を行って取得した各々の前記中心位置に基づいて前記被検物の断面形状を算出する形状演算部とを備えることを特徴とする。 In order to achieve such an object, a shape measuring apparatus according to a first aspect of the present invention includes a pattern projection unit that projects a projection pattern having a periodic light intensity distribution on a partial region of a test object, An imaging unit that images the projection pattern projected onto the test object by a pattern projection unit, and an image of the projection pattern that is captured by the imaging unit, the image of the image on a predetermined straight line passing through the image surface A center calculation unit that calculates a contrast distribution or an intensity distribution, and calculates a center position of a pattern projection region on the predetermined line based on the contrast distribution or the intensity distribution; and the center calculation unit converts the predetermined line into the image A shape calculation unit that calculates a cross-sectional shape of the test object based on each of the center positions acquired by calculating the center position while moving along the surface Characterized in that it comprises a.
また、上記のような目的を達成するため、第2の本発明に係る形状測定装置は、被検物の一部の領域に周期的な光強度分布を有した投影パターンを投影するパターン投影部と、前記パターン投影部により前記被検物に投影された前記投影パターンを撮像する撮像部と、前記撮像部により撮像された前記投影パターンの画像において、前記画像表面を通る所定の直線上における所定領域内での前記画像の最大輝度値分布を算出し、その最大輝度値分布に基づいて前記所定の直線上におけるパターン投影領域の中心位置を算出する中心演算部と、前記中心演算部により前記所定の直線を前記画像表面に沿って移動させつつ前記中心位置の算出を行って取得した各々の前記中心位置に基づいて前記被検物の断面形状を算出する形状演算部とを備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the shape measuring apparatus according to the second aspect of the present invention includes a pattern projection unit that projects a projection pattern having a periodic light intensity distribution onto a partial region of a test object. And an imaging unit that images the projection pattern projected onto the test object by the pattern projection unit, and a predetermined line on a predetermined straight line that passes through the image surface in the image of the projection pattern captured by the imaging unit. A central calculation unit that calculates a maximum luminance value distribution of the image in the region and calculates a center position of the pattern projection region on the predetermined line based on the maximum luminance value distribution; and A shape calculating unit that calculates a cross-sectional shape of the test object based on each of the center positions obtained by calculating the center position while moving the straight line along the image surface. And wherein the door.
また、上記のような目的を達成するため、第3の本発明に係る形状測定方法は、被検物の一部の領域に周期的な光強度分布を有した投影パターンを投影する第1のステップと、前記被検物に投影された前記投影パターンを撮像する第2のステップと、前記第2のステップで撮像した前記投影パターンの画像において、所定の直線上での前記画像のコントラスト分布を算出する第3のステップと、前記第3のステップで算出した前記コントラスト分布に基づいて、前記所定の直線上におけるパターン投影領域の中心位置を算出する第4のステップと、前記所定の直線を前記画像表面に沿って移動させつつ前記第3および第4のステップの演算を行って取得した各々の前記中心位置に基づいて前記被検物の断面形状を算出する第5のステップとを備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the shape measuring method according to the third aspect of the present invention projects the first projection pattern having a periodic light intensity distribution onto a partial region of the test object. A contrast distribution of the image on a predetermined straight line in a step, a second step of capturing the projection pattern projected on the test object, and an image of the projection pattern captured in the second step. A third step of calculating, a fourth step of calculating a center position of the pattern projection region on the predetermined straight line based on the contrast distribution calculated in the third step, and A fifth step of calculating a cross-sectional shape of the test object based on each of the center positions acquired by performing the calculations of the third and fourth steps while moving along the image surface. Characterized in that it obtain.
また、上記のような目的を達成するため、第4の本発明に係る形状測定方法は、被検物の一部の領域に周期的な光強度分布を有した投影パターンを投影する第1のステップと、前記被検物に投影された前記投影パターンを撮像する第2のステップと、前記第2のステップで撮像した前記投影パターンの画像において、前記画像表面を通る所定の直線上における所定領域内での前記画像の最大輝度値分布を算出する第3のステップと、前記第3のステップで算出した前記最大輝度値分布に基づいて、前記所定の直線上におけるパターン投影領域の中心位置を算出する第4のステップと、前記所定の直線を前記画像表面に沿って移動させつつ前記第3および第4のステップの演算を行って取得した各々の前記中心位置に基づいて前記被検物の断面形状を算出する第5のステップとを備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the shape measuring method according to the fourth aspect of the present invention is configured to project a first projection pattern having a periodic light intensity distribution onto a partial region of the test object. A predetermined region on a predetermined straight line passing through the image surface in the step, a second step of imaging the projection pattern projected on the test object, and an image of the projection pattern captured in the second step And calculating the center position of the pattern projection region on the predetermined straight line based on the maximum luminance value distribution calculated in the third step. And a cross section of the test object based on each of the center positions acquired by performing the calculations of the third and fourth steps while moving the predetermined straight line along the image surface. Characterized in that it comprises a fifth step of calculating a Jo.
本発明によれば、1種類の投影パターンを用いた簡便な方法で被検物の三次元形状を測定することができる。 According to the present invention, the three-dimensional shape of a test object can be measured by a simple method using one kind of projection pattern.
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。本実施形態の形状測定装置1は、図1および図2に示すように、被検物5の一部領域に周期的な光強度分布を有した縞パターン15を投影するパターン投影部10と、縞パターン15が投影された被検物5を撮像する撮像部20と、パターン投影部10により投影された縞パターン15と直交する方向に被検物5を移動させる移動機構30と、撮像部20により撮像された被検物5および縞パターン15の画像に基づいて被検物5の三次元形状を算出するコンピュータ40とを有して構成される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. As shown in FIGS. 1 and 2, the shape measuring apparatus 1 of this embodiment includes a
パターン投影部10は、照明光を射出する光源11と、光源11から射出された照明光を平行光に変換するコリメータレンズ12と、コリメータレンズ12によって変換された平行光が入射する位置に設けられ、平行光に光強度分布が一方向に周期関数となる縞パターンを付与する投影チャート13と、投影チャート13を透過した光を集光する投影レンズ16とを有して構成される。投影チャート13は、光軸方向に貫通したスリットが形成されており、そのスリット内にパターンマスク14を有して構成される。パターンマスク14は、光透過型の液晶素子やDMD(Digital Mirror Device)等により構成され、コンピュータ40からの制御信号を受けて、光強度分布が一方向に周期関数となる縞パターンを形成する。
The
このように構成されたパターン投影部10では、光源11から射出された照明光をコリメータレンズ12を介して投影チャート13に入射させ、投影チャート13のパターンマスク14を透過した光を投影レンズ16により集光させることで、パターンマスク14に形成された縞パターンを縞パターン15として被検物5の一部領域に投影することができる。このようにパターン投影部10では、縞パターンを投影する領域が従来の方法に比べて狭いため、投影レンズは狭い投影領域に対してだけ結像性能を満たしていればよく、特にディストーションの補正が容易になる。このため、投影レンズは簡易な構成となり、小型化および軽量化を実現できる。
In the
撮像部20は、結像レンズ21と、撮像素子22とを有して構成される。被検物5に投影された縞パターン15は、結像レンズ21によって撮像素子22の撮像面上に結像される。撮像素子22は、撮像面上に結像した縞パターン15の像を撮像し、その画像データをコンピュータ40に出力する。上述のようにパターン投影部10による投影領域が従来の方法に比べて狭いため、被検物5に照射される光の照度が高くなる。このため、撮像部20では従来の方法に比べて撮像時間が短くなる。
The
移動機構30は、パターン投影部10により被検物5の一部領域に投影された縞パターン15をスキャンさせて被検物5の全領域に順次投影させるため、パターン投影部10により投影された縞パターン15と直交する方向に被検物5を移動させる機構である。なお、移動機構30は、このときの移動量を測定するセンサ(測長センサ)を備えている。
The
コンピュータ40は、光源11、撮像素子22および移動機構30を駆動制御し、被検物5に投影された縞パターン15を被検物5の表面においてスキャンさせながら縞パターン15の画像データを順次取得する。そして、コンピュータ40は、取得した各縞パターン15の画像データから被検物5の各位置での断面形状を算出し、それらの断面形状を繋ぎ合わせて被検物5の三次元形状を測定する。この測定方法については後述する。なお、コンピュータ40には表示装置45が接続されており、コンピュータ40により取得された縞パターン15の画像データおよび被検物5の形状測定結果などが表示装置45に出力表示される。
The
以上のように構成された形状測定装置を用いて被検物5の三次元形状を測定する測定方法について、図3および図4を併せて参照しながら説明する。はじめに、パターン投影部10により被検物5の一部領域に縞パターン15を投影する(ステップS1)。このとき、光源11から射出された照明光が投影チャート13のパターンマスク14を透過して投影レンズ16により被検物5の表面に集光され、パターンマスク14に形成された光強度分布が一方向に周期関数となる縞パターンが縞パターン15として被検物5の一部領域に投影される(図4(b)を参照)。なお、図4では、光強度分布が一方向に2値化された周期関数となる縞パターン15を投影した場合を示している。
A measuring method for measuring the three-dimensional shape of the
そして、撮像部20により縞パターン15が投影された被検物5を撮像し、縞パターン15の画像を取得する(ステップS2)。パターン投影部10により被検物5に投影された縞パターン15は、撮像部20の結像レンズ21によって撮像素子22の撮像面上に結像される。撮像素子22は、撮像面上に結像した縞パターン15の像を撮像し、その画像データをコンピュータ40に出力する。
And the to-
ステップS2で縞パターン15の画像を取得すると、コンピュータ40は、取得した画像の各画素の輝度値に基づいて縞パターン15に直交する直線x(図2を参照)上でのコントラスト分布を算出し(ステップS3)、算出したコントラスト分布に基づいて直線x上における縞投影領域の中心位置を算出する(ステップS4)。コントラスト分布の算出は、次式(1)を用いて行う。
When the image of the
ここで、I(n)は算出対象の画素(以下、対象画素という)の輝度値である。また、I(n−T/2)およびI(n+T/2)はそれぞれ対象画素から投影したパターンの周期の1/2の距離だけ離れた画素の輝度値である。すなわち、Dは、対象画素の輝度値と、対象画素から投影したパターンの周期の1/2の距離だけ離れた画素の輝度の平均値との差分の絶対値である。 Here, I (n) is a luminance value of a calculation target pixel (hereinafter referred to as a target pixel). Further, I (n−T / 2) and I (n + T / 2) are the luminance values of the pixels separated from each other by a distance of 1/2 of the period of the pattern projected from the target pixel. That is, D is the absolute value of the difference between the luminance value of the target pixel and the average value of the luminance of the pixels separated by a distance of 1/2 the pattern period projected from the target pixel.
例えば、図4(a)に、光強度分布が2値化された周期関数となる縞パターン15と直交する直線x上において、縞パターン15の光強度分布の周期(以下、単に縞パターン15の周期という)が撮像素子22の4画素に相当し、そのときの直線x上の各画素の輝度値を示している。この場合に、上記式(1)を用いてコントラスト分布(差分D)を算出すると、図4(b)に示すように算出される。
For example, in FIG. 4A, the period of the light intensity distribution of the fringe pattern 15 (hereinafter simply referred to as the fringe pattern 15) is shown on a straight line x orthogonal to the
ステップS3でコントラスト分布が求まると、そのコントラスト分布に所定の閾値を設け、その閾値を超えるコントラスト値を有する直線x上の領域の中心位置を算出することで、直線x上における縞投影領域の中心位置C(図4(b)を参照)を求める。なお、ステップS3で算出したコントラスト分布を積分してその重心位置を算出することで、前記縞投影領域の中心位置Cを求めてもよい。 When the contrast distribution is obtained in step S3, a predetermined threshold value is provided for the contrast distribution, and the center position of the region on the straight line x having a contrast value exceeding the threshold value is calculated, whereby the center of the fringe projection region on the straight line x is calculated. A position C (see FIG. 4B) is obtained. The center position C of the fringe projection region may be obtained by integrating the contrast distribution calculated in step S3 and calculating the center of gravity position.
なお、上述のステップS3では、上記式(1)を用いてコントラスト分布(差分D)を算出する場合について説明したが、例えば次式(2)もしくは(3)に示すように、対象画素と対象画素近傍の複数画素の輝度値の平均値との差分の絶対値を算出する式を用いてコントラスト分布を算出してもよい。例えば、図4(a)に示すように直線x上の各画素の輝度値が分布する場合に、次式(2)もしくは(3)を用いてコントラスト分布(B5,B9)を算出すると、図4(b)に示すように算出される。 In step S3 described above, the case where the contrast distribution (difference D) is calculated using the above equation (1) has been described. For example, as shown in the following equation (2) or (3), the target pixel and the target The contrast distribution may be calculated using an equation for calculating the absolute value of the difference from the average value of the luminance values of a plurality of pixels near the pixel. For example, when the brightness distribution of each pixel on the straight line x is distributed as shown in FIG. 4A, the contrast distribution (B5, B9) is calculated using the following equation (2) or (3). Calculated as shown in 4 (b).
ここで、I(n)は上記同様に対象画素の輝度値である。また、I(n−1)およびI(n+1)はそれぞれ対象画素に隣接する画素の輝度値であり、順次、各画素に隣接する画素の輝度値がI(n−2)およびI(n+2)、I(n−3)およびI(n+3)、・・・である。すなわち、B5は、対象画素の輝度値と対象画素近傍の5個の画素の輝度の平均値との差分の絶対値である。また、B9は、対象画素の輝度値と対象画素近傍の9個の画素の輝度の平均値との差分の絶対値である。 Here, I (n) is the luminance value of the target pixel as described above. Further, I (n−1) and I (n + 1) are the luminance values of the pixels adjacent to the target pixel, and the luminance values of the pixels adjacent to the respective pixels are sequentially I (n−2) and I (n + 2). , I (n−3) and I (n + 3),. That is, B5 is the absolute value of the difference between the luminance value of the target pixel and the average value of the luminances of the five pixels near the target pixel. B9 is the absolute value of the difference between the luminance value of the target pixel and the average value of the luminance of nine pixels near the target pixel.
上記式(1)〜(3)の他に、対象画素の輝度値と対象画素近傍の13個の画素の輝度の平均値との差分の絶対値(B13)を算出する式等を用いてコントラスト分布を算出してもよい。このように、コントラスト分布の算出は、複数の式(例えば上記式(1)〜(3))のいずれかを用いて行うことができるが、縞投影領域およびその近傍領域だけで高いコントラスト値をとる式を、投影した縞パターン15の周期に応じて選択して用いる。
In addition to the above formulas (1) to (3), the contrast is calculated using an equation for calculating the absolute value (B13) of the difference between the luminance value of the target pixel and the average value of the luminance of 13 pixels near the target pixel. The distribution may be calculated. Thus, the contrast distribution can be calculated using any one of a plurality of formulas (for example, the above formulas (1) to (3)). However, a high contrast value can be obtained only in the fringe projection area and its neighboring areas. The equation to be used is selected and used according to the cycle of the projected
ステップS4で直線x上における縞投影領域の中心位置Cが求まると、三角測量法を用いて中心位置Cの高さを算出する(ステップS5)。なお、三角測量法については公知の算出法であるため、ここでの説明は省略する。 When the center position C of the fringe projection area on the straight line x is obtained in step S4, the height of the center position C is calculated using the triangulation method (step S5). Since the triangulation method is a known calculation method, description thereof is omitted here.
このようにステップS3〜S5を経て、直線x上における縞投影領域の中心位置Cの高さが求まると、直線xを縞パターン15の画像表面に沿って移動させつつ上記ステップS3〜S5の演算を行い、算出した各中心位置の高さを繋ぎ合わせて被検物5の断面形状を求める(ステップS6)。
As described above, when the height of the center position C of the fringe projection area on the straight line x is obtained through steps S3 to S5, the calculation of steps S3 to S5 is performed while moving the straight line x along the image surface of the
ステップS6で被検物5の断面形状が求まると、移動機構30により被検物5を縞パターン15と直交する方向に移動させて、パターン投影部10により投影される縞パターン15をスキャンさせながら縞パターン15の画像を順次取得し(ステップS7)、取得した各画像において上記ステップS3〜S6の演算を行い、算出した被検物5の各断面形状を繋ぎ合わせて被検物5の三次元形状を求め(ステップS8)、形状測定を終了する。
When the cross-sectional shape of the
このように本実施形態では、被検物5の一部領域に投影した縞パターン15を被検物5の表面上においてスキャンさせながら縞パターン15の画像を順次取得し、取得した各々の縞パターン15の画像において、画像のコントラスト分布に基づいて被検物5の断面形状をそれぞれ算出することで、被検物5の三次元形状を求めることができる。前述したように、従来のパターン投影法では、被検物の三次元形状を求めるために複数の種類のパターンを投影することが必要であるに対し、本実施形態では、1種類の投影パターン(縞パターン15)を用いた簡便な方法で被検物5の三次元形状を測定することができる。
As described above, in the present embodiment, images of the
上述した実施形態では、光強度分布が一方向に2値化された周期関数となる縞パターン15を投影した場合について説明したが、以下では、光強度分布が一方向に正弦波状の周期関数となる縞パターン15を投影した場合の測定方法について、図5および図6を参照しながら説明する。
In the above-described embodiment, the case where the
まず、上述した実施形態と同様に、パターン投影部10により被検物5の一部領域に縞パターン15を投影する(ステップS11)。このとき、光源11から射出された照明光が投影チャート13のパターンマスク14を透過して投影レンズ16により被検物5の表面に集光され、パターンマスク14に形成された光強度分布が一方向に正弦波状の周期関数となる縞パターンが縞パターン15として被検物5の一部領域に投影される(図6(a)を参照)。
First, as in the above-described embodiment, the
そして、撮像部20により縞パターン15が投影された被検物5を撮像し、縞パターン15の画像を取得する(ステップS12)。パターン投影部10により被検物5に投影された縞パターン15は、撮像部20の結像レンズ21によって撮像素子22の撮像面上に結像される。撮像素子22は、撮像面上に結像した縞パターン15の像を撮像し、その画像データをコンピュータ40に出力する。
And the to-
ステップS12で縞パターン15の画像を取得すると、コンピュータ40は、取得した画像の各画素の輝度値に基づいて縞パターン15に直交する直線x(図2を参照)上における所定領域内での最大輝度値分布を算出し(ステップS13)、算出した最大輝度値分布に基づいて直線x上における縞投影領域の中心位置を算出する(ステップS14)。最大輝度値分布の算出は、次式(4)を用いて行う。
When the image of the
ここで、上記同様に、I(n)は対象画素の輝度値であり、I(n−1)およびI(n+1)はそれぞれ対象画素に隣接する画素の輝度値であり、I(n−2)およびI(n+2)はそれぞれI(n−1)およびI(n+1)の画素に隣接する画素の輝度値である。すなわち、M5は、対象画素と対象画素近傍の4個の画素(計5個の画素)内での輝度の最大値である。 Here, similarly to the above, I (n) is the luminance value of the target pixel, I (n−1) and I (n + 1) are the luminance values of the pixels adjacent to the target pixel, and I (n−2). ) And I (n + 2) are the luminance values of the pixels adjacent to the pixels of I (n−1) and I (n + 1), respectively. That is, M5 is the maximum value of luminance in the target pixel and four pixels in the vicinity of the target pixel (a total of five pixels).
例えば、図6(a)に、光強度分布が正弦波状の周期関数となる縞パターン15と直交する直線x上において、縞パターン15の周期が撮像素子22の4画素に相当し、そのときの直線x上の各画素の輝度値を示している。この場合に、上記式(4)を用いて最大輝度値分布(M5)を算出すると、図6(b)に示すように算出される。
For example, in FIG. 6A, the period of the
ステップS13で最大輝度値分布が求まると、その最大輝度値分布に所定の閾値を設け、その閾値を超える最大輝度値を有する直線x上の領域の中心位置を算出することで、直線x上における縞投影領域の中心位置C′(図6(b)を参照)を求める。なお、ステップS13で算出した最大輝度値分布を積分してその重心位置を算出することで、前記縞投影領域の中心位置C′を求めてもよい。 When the maximum luminance value distribution is obtained in step S13, a predetermined threshold value is provided for the maximum luminance value distribution, and the center position of the region on the straight line x having the maximum luminance value exceeding the threshold value is calculated. The center position C ′ of the fringe projection area (see FIG. 6B) is obtained. Note that the center position C ′ of the fringe projection region may be obtained by integrating the maximum luminance value distribution calculated in step S13 and calculating the center of gravity position.
なお、上述のステップS13では、上記式(4)を用いて最大輝度値分布(M5)を算出する場合について説明したが、例えば、対象画素と対象画素近傍の8個の画素(計9個の画素)内での輝度の最大値を算出する次式(5)を用いて最大輝度値分布を算出してもよい。例えば、図6(a)に示すように直線x上の各画素の輝度値が分布する場合に、次式(5)を用いてコントラスト分布(M9)を算出すると、図6(b)に示すように算出される。 In step S13 described above, the case where the maximum luminance value distribution (M5) is calculated using the above equation (4) has been described. For example, the target pixel and eight pixels in the vicinity of the target pixel (total of nine pixels) The maximum luminance value distribution may be calculated using the following equation (5) for calculating the maximum luminance value in the pixel). For example, when the luminance value of each pixel on the straight line x is distributed as shown in FIG. 6 (a), the contrast distribution (M9) is calculated using the following equation (5), as shown in FIG. 6 (b). Is calculated as follows.
ここで、上記同様に、I(n)は対象画素の輝度値であり、I(n−1)およびI(n+1)はそれぞれ対象画素に隣接する画素の輝度値であり、順次、各画素に隣接する画素の輝度値がI(n−2)およびI(n+2)、I(n−3)およびI(n+3)、・・・である。 Here, similarly to the above, I (n) is the luminance value of the target pixel, and I (n−1) and I (n + 1) are the luminance values of the pixels adjacent to the target pixel, respectively. The luminance values of adjacent pixels are I (n−2) and I (n + 2), I (n−3), I (n + 3),.
上記式(4),(5)の他に、対象画素と対象画素近傍の12画素(計13個の画素)内での輝度の最大値(M13)を算出する式等を用いて最大輝度値分布を算出してもよい。このように、最大輝度値分布の算出は、複数の式(例えば上記式(4),(5))のいずれかを用いて行うことができるが、縞投影領域およびその近傍領域だけで最大輝度値をとる式を、投影した縞パターン15の周期に応じて選択して用いる。
In addition to the above equations (4) and (5), the maximum luminance value is calculated using an equation for calculating the maximum luminance value (M13) in the target pixel and 12 pixels in the vicinity of the target pixel (a total of 13 pixels). The distribution may be calculated. As described above, the maximum luminance value distribution can be calculated using any one of a plurality of formulas (for example, the above formulas (4) and (5)). An expression that takes a value is selected and used according to the period of the projected
ステップS14で直線x上における縞投影領域の中心位置C′が求まると、三角測量法を用いて中心位置C′の高さを算出する(ステップS15)。なお、上記同様に三角測量法については公知の算出法であるため、ここでの説明は省略する。 When the center position C ′ of the fringe projection area on the straight line x is obtained in step S14, the height of the center position C ′ is calculated using the triangulation method (step S15). Since the triangulation method is a known calculation method as described above, the description thereof is omitted here.
このようにステップS13〜S15を経て、直線x上における縞投影領域の中心位置C′の高さが求まると、直線xを縞パターン15の画像表面に沿って移動させつつ上記ステップS13〜S15の演算を行い、算出した各中心位置の高さを繋ぎ合わせて被検物5の断面形状を求める(ステップS16)。
As described above, when the height of the center position C ′ of the fringe projection area on the straight line x is obtained through the steps S13 to S15, the straight line x is moved along the image surface of the
ステップS16で被検物5の断面形状が求まると、移動機構30により被検物5を縞パターン15と直交する方向に移動させて、パターン投影部10により投影される縞パターン15をスキャンさせながら縞パターン15の画像を順次取得し(ステップS17)、取得した各画像において上記ステップS13〜S16の演算を行い、算出した被検物5の各断面形状を繋ぎ合わせて被検物5の三次元形状を求め(ステップS18)、形状測定を終了する。
When the cross-sectional shape of the
このように本実施形態では、被検物5の一部領域に投影した縞パターン15を被検物5の表面上においてスキャンさせながら縞パターン15の画像を順次取得し、取得した各々の縞パターン15の画像において、画像の所定範囲内での最大輝度値分布に基づいて被検物5の断面形状をそれぞれ算出することで、被検物5の三次元形状を求めることができる。したがって、本実施形態でも、従来のパターン投影法と比べて、1種類の投影パターン(縞パターン15)を用いた簡便な方法で被検物5の三次元形状を測定することができる。
As described above, in the present embodiment, images of the
なお、上述した実施形態では、移動機構30により被検物5を移動させて、パターン投影部10により投影された縞パターン15を被検物5の表面上においてスキャンさせる構成について説明したが、これに限定されない。すなわち、パターン投影部と撮像部を一体として移動させる、もしくはパターン投影部および被検物をそれぞれ移動させて、投影パターンを被検物の表面上においてスキャンさせるように構成してもよい。
In the above-described embodiment, the configuration in which the
また、上述した実施形態では、ステップS3,S13において、縞パターン15に直交する直線x上でのコントラスト分布、もしくは、直線x上における所定領域内での最大輝度値分布を算出しているが、直線x上でのコントラスト分布もしくは最大輝度値分布を算出するのではなく、任意の直線上でのコントラスト分布もしくは最大輝度値分布を算出するようにしてもよい。ただし、本実施形態のように、投影パターンが一方向に周期関数となる光強度分布を有し、それに直交する方向(直線x上)のコントラスト分布もしくは最大輝度値分布を算出することで演算時間を短縮でき、効率的に計測を行うことができる。
In the embodiment described above, in steps S3 and S13, the contrast distribution on the straight line x orthogonal to the
また、上述した実施形態では、光強度分布が一方向に2値化された周期関数となる縞パターンを投影した場合、および、光強度分布が一方向に正弦波状の周期関数となる縞パターンを投影した場合について説明したが、投影パターンはこのようなパターンに限定されない。ただし、投影パターンは略一定の周期の光強度分布を有するコントラストの高いパターンであることが好ましい。また、投影パターンは、撮像素子において撮像された場合に、撮像素子のナイキスト周波数を超えない周期の光強度分布を有するパターンであることが好ましい。また、投影パターンは、撮像素子において撮像された場合に、撮像素子の2画素以上の周期の光強度分布を有するパターンであることが好ましい。 In the above-described embodiment, when a fringe pattern that is a periodic function in which the light intensity distribution is binarized in one direction is projected, and a fringe pattern in which the light intensity distribution is a sinusoidal periodic function in one direction. Although the case where it projected is demonstrated, a projection pattern is not limited to such a pattern. However, the projection pattern is preferably a high contrast pattern having a light intensity distribution with a substantially constant period. Further, the projection pattern is preferably a pattern having a light intensity distribution with a period not exceeding the Nyquist frequency of the image sensor when imaged by the image sensor. Further, the projection pattern is preferably a pattern having a light intensity distribution with a period of two or more pixels of the image sensor when imaged by the image sensor.
1 形状測定装置
5 被検物
10 パターン投影部
15 縞パターン(投影パターン)
20 撮像部
30 移動機構(相対移動部)
40 コンピュータ(中心演算部、形状演算部)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
20
40 Computer (center calculation unit, shape calculation unit)
Claims (10)
前記パターン投影部により前記被検物に投影された前記投影パターンを撮像する撮像部と、
前記撮像部により撮像された前記投影パターンの画像において、前記画像表面を通る所定の直線上での前記画像のコントラスト分布を算出し、そのコントラスト分布に基づいて前記所定の直線上におけるパターン投影領域の中心位置を算出する中心演算部と、
前記中心演算部により前記所定の直線を前記画像表面に沿って移動させつつ前記中心位置の算出を行って取得した各々の前記中心位置に基づいて前記被検物の断面形状を算出する形状演算部とを備えることを特徴とする形状測定装置。 A pattern projection unit that projects a projection pattern having a periodic light intensity distribution on a partial region of the test object;
An imaging unit that images the projection pattern projected onto the test object by the pattern projection unit;
In the image of the projection pattern captured by the imaging unit, the contrast distribution of the image on a predetermined straight line passing through the image surface is calculated, and the pattern projection area on the predetermined straight line is calculated based on the contrast distribution. A center calculation unit for calculating the center position;
A shape calculation unit that calculates a cross-sectional shape of the test object based on each of the center positions obtained by calculating the center position while moving the predetermined straight line along the image surface by the center calculation unit. A shape measuring device comprising:
前記パターン投影部により前記被検物に投影された前記投影パターンを撮像する撮像部と、
前記撮像部により撮像された前記投影パターンの画像において、前記画像表面を通る所定の直線上における所定領域内での前記画像の最大輝度値分布を算出し、その最大輝度値分布に基づいて前記所定の直線上におけるパターン投影領域の中心位置を算出する中心演算部と、
前記中心演算部により前記所定の直線を前記画像表面に沿って移動させつつ前記中心位置の算出を行って取得した各々の前記中心位置に基づいて前記被検物の断面形状を算出する形状演算部とを備えることを特徴とする形状測定装置。 A pattern projection unit that projects a projection pattern having a periodic light intensity distribution on a partial region of the test object;
An imaging unit that images the projection pattern projected onto the test object by the pattern projection unit;
In the image of the projection pattern imaged by the imaging unit, a maximum luminance value distribution of the image in a predetermined area on a predetermined straight line passing through the image surface is calculated, and the predetermined luminance value distribution is calculated based on the maximum luminance value distribution. A center calculation unit for calculating the center position of the pattern projection area on the straight line;
A shape calculation unit that calculates a cross-sectional shape of the test object based on each of the center positions obtained by calculating the center position while moving the predetermined straight line along the image surface by the center calculation unit. A shape measuring device comprising:
前記形状演算部は、前記相対移動部により前記投影パターンと前記被検物との相対位置を変化させながら複数の位置での前記断面形状を算出して前記被検物の三次元形状を求めることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の形状測定装置。 A relative movement unit that changes a relative position between the projection pattern projected onto the test object and the test object by the pattern projection unit;
The shape calculating unit calculates a cross-sectional shape at a plurality of positions while changing a relative position between the projection pattern and the test object by the relative moving unit to obtain a three-dimensional shape of the test object. The shape measuring device according to any one of claims 1 to 7.
前記被検物に投影された前記投影パターンを撮像する第2のステップと、
前記第2のステップで撮像した前記投影パターンの画像において、前記画像表面を通る所定の直線上での前記画像のコントラスト分布を算出する第3のステップと、
前記第3のステップで算出した前記コントラスト分布に基づいて、前記所定の直線上におけるパターン投影領域の中心位置を算出する第4のステップと、
前記所定の直線を前記画像表面に沿って移動させつつ前記第3および第4のステップの演算を行って取得した各々の前記中心位置に基づいて前記被検物の断面形状を算出する第5のステップとを備えることを特徴とする形状測定方法。 A first step of projecting a projection pattern having a periodic light intensity distribution onto a partial region of the test object;
A second step of imaging the projection pattern projected onto the test object;
A third step of calculating a contrast distribution of the image on a predetermined straight line passing through the image surface in the image of the projection pattern captured in the second step;
A fourth step of calculating a center position of the pattern projection region on the predetermined straight line based on the contrast distribution calculated in the third step;
A fifth cross-sectional shape of the test object is calculated based on each of the center positions acquired by performing the operations of the third and fourth steps while moving the predetermined straight line along the image surface. A shape measuring method comprising: steps.
前記被検物に投影された前記投影パターンを撮像する第2のステップと、
前記第2のステップで撮像した前記投影パターンの画像において、前記画像表面を通る所定の直線上における所定領域内での前記画像の最大輝度値分布を算出する第3のステップと、
前記第3のステップで算出した前記最大輝度値分布に基づいて、前記所定の直線上におけるパターン投影領域の中心位置を算出する第4のステップと、
前記所定の直線を前記画像表面に沿って移動させつつ前記第3および第4のステップの演算を行って取得した各々の前記中心位置に基づいて前記被検物の断面形状を算出する第5のステップとを備えることを特徴とする形状測定方法。 A first step of projecting a projection pattern having a periodic light intensity distribution onto a partial region of the test object;
A second step of imaging the projection pattern projected onto the test object;
A third step of calculating a maximum luminance value distribution of the image in a predetermined region on a predetermined straight line passing through the image surface in the image of the projection pattern captured in the second step;
A fourth step of calculating a center position of the pattern projection region on the predetermined straight line based on the maximum luminance value distribution calculated in the third step;
A fifth cross-sectional shape of the test object is calculated based on each of the center positions acquired by performing the operations of the third and fourth steps while moving the predetermined straight line along the image surface. A shape measuring method comprising: steps.
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