JP2012127704A - 形状計測装置および形状計測方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】計測対象物に格子模様を投影する格子模様投影部と、計測対象物の周囲に配置された少なくとも1つの鏡と、計測対象物および鏡に映る計測対象物の鏡像の画像を撮影する少なくとも1つの撮影部と、計測対象物の画像と鏡像の画像の各々に対して位相解析処理を施して計測対象物の形状を算出するとともに撮影された前記計測対象物の画像と前記鏡像の画像とを合成する解析処理部とを備え、撮影部の各々は、計測対象物の少なくとも一部の領域と該少なくとも一部の領域の鏡像とを同時に撮影可能に配置されていることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
として、特許文献2には、画像断面の濃淡分布を空間周波数に対する人間の目の感度を表す特性の帯域フィルタに通過させ、その帯域フィルタの出力の濃淡分布から画像品質を表す評価値を算出する方法が開示されている。この従来の画像評価方法では、ディジタル画像の画像品質を評価値で評価し表示できるといった特徴がある。しかし、この従来の画像評価方法は、カメラで撮影したディジタル画像の画像品質の評価にしか用いることが出来ず、縞画像計測において解析した位相データを評価することはできないという問題があった。
しかしながら、特許文献3に記載の方法では、計測対象物を一方向から撮影するため、カメラの視野に入らない計測対象物の裏側について形状を測定することができない点に課題を残していた。
撮影された前記実像および前記鏡像の画像の各々に対して位相解析処理を施して前記計測対象物の形状を算出する形状算出ステップとを含み、該形状算出ステップは、前記画像撮影ステップと、前記位相シフトステップとを所定の回数だけ繰り返した後に行うことを特徴とするものである。
また、複数のカメラにより撮影された画像を合成することにより、計測対象物に金属が含まれる場合や、計測対象物の形状が曲面を有する場合にも、ハレーションの影響を低減して計測対象物の形状を精度良く算出することができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
本発明の形状計測装置は、計測対象物に格子模様を投影する格子模様投影部と、計測対象物の周囲に配置された少なくとも1つの鏡と、計測対象物および鏡に映る計測対象物の鏡像を撮影する少なくとも1つの撮影部と、計測対象物の画像と鏡像の画像の各々に対して位相解析処理を施して計測対象物の形状を算出するとともに撮影された前記計測対象物の画像と前記鏡像の画像とを合成する解析処理部とを備える。ここで、撮影部の各々は、計測対象物の少なくとも一部の領域と該少なくとも一部の領域の鏡像とを同時に撮影可能に配置されていることが肝要である。
基準平板11の上方には、計測対象物Oに格子模様を投影する格子模様投影部として、z軸用光源1と、z軸用格子ガラス2と、第1のレンズ3と、ピエゾステージ4が設けられている。ここで、z軸用光源は、その照射方向が−z方向に向けられている。
これら第1のカメラ6および第2のカメラ7としては、例えばCMOSカメラやCCDカメラを用いることができる。
また、形状を計測したい領域(所望の計測領域)は、必ずしも計測対象物Oの全体とは限らない。その場合には、カメラの各々が、計測対象物Oの所望の計測領域(即ち、計測対象物Oの少なくとも一部の領域)と、鏡に映される所望の計測領域の鏡像とが同時に視野に収まり撮影可能となる位置に配置されていればよい。また、カメラから見て、上記所望の計測領域とその鏡像は、上記所望の計測領域と完全に分離されている必要はなく、鏡像の一部が所望の計測領域に隠れていても構わない。この場合にも、隠れていない領域のみが位相解析処理の対象となる。
図5に、格子模様を基準平板11上に載置された計測対象物O上に投影し、第2の鏡10に鏡像O’が映る様子を示す。これらの鏡を用いて、1台のカメラで計測対象物Oと鏡に映る鏡像を同時に撮影することは、2台のカメラを用いて、計測対象物Oを2つの異なる位置から撮影することと同じである。つまり、1台のカメラを用いるだけで、異なる位置に配置されたカメラ2台による計測結果を得ることができるのである。
また、鏡の設置により、鏡が無い場合には撮影が不可能な部分を撮影することも可能になる。そのため、計測対象物Oの全体が撮影可能となるように鏡を配置することにより、計測対象物Oの全体の形状を測定することも可能になる。
基準平板11の材料としては、オパール層ガラスに限定されず、基準面11aの上方から形状計測のための1次元格子模様を投影でき、下方から校正のための2次元格子模様を投影できれば、特に限定されない。
また、本実施例においては、2台のカメラと2枚の鏡を使用することにより、4方向から撮影された複数の画像が得られる。このため、解析処理部15は、得られた計測対象物Oの画像と鏡像O’の画像を合成する。この合成は、撮影された異なるカメラで撮影された画像や鏡像O’の画像を、後述するように、適切に回転または反転処理を施した後に行う。合成方法は特に限定されず、例えば画像データを単純に平均化することにより行うことができ、また本発明において使用する、後述する所定の評価値に基づいて行うこともできる。
また、複数の鏡およびカメラにより、1つのカメラの視野に入らない計測対象物Oの裏側が鏡に映されるため、撮影された画像を組み合わせることにより、計測対象物Oの全周囲の形状を測定することが可能になる。
また、計測対象物が、例えば電子部品であり、金属部分が含まれる場合や、計測対象物が曲面を有する場合に、形状計測のための光を照射するとハレーションが発生する場合があるが、カメラの位置が異なると、ハレーションが発生する位置も異なるため、異なる位置のカメラにより撮影された画像を合成することにより、ハレーションの影響を低減して、計測対象物の形状を精度良く求めることもできる。
また、複数のカメラにより撮影された画像を合成することにより、計測対象物に金属が含まれる場合や、計測対象物の形状が曲面を有する場合にも、ハレーションの影響を低減して計測対象物の形状を精度良く算出することができる。
ここで、本発明において位相解析処理の一例として使用する位相シフト法および全空間テーブル化手法について説明する。まず位相シフト法について説明する。
図11は、格子画像の輝度分布と位相分布の関係を表す図である。図11(a)は、格子の輝度分布を表し、図11(b)は、格子の位相分布をそれぞれ表す。また、図12は、位相シフト量と位相シフトした時の輝度変化の関係を表す図である。
格子や干渉縞の輝度値I(x,y)は、一般に、図12(a)に示すように、空間(x,y)上に余弦波状に分布している。これを式で表すと、式(1)のようになる。
ここで、点(x,y)は、撮影された画像内の一点であり、a(x,y)およびb(x,y)は、それぞれ輝度振幅と背景輝度を表し、θ(x,y)は、格子の位相値を表す。格子が撮影された画像(以下、「格子画像」と称する)の場合、位相は実数全体で表すことができるが、0から2πまでの2π周期の繰り返しと見ることもできる。図11(b)は、θ(x,y)の分布を0から2πまでの繰り返しとして表現したものである。
図12に、初期位相θをもつ点(画素)における位相シフト量αと輝度変化の関係を示す。初期位相とは、位相シフト量が0の時の格子の位相を意味している。位相シフト量が0からπ/2ずつ変化した場合の輝度をそれぞれI0,I1,I2およびI3とすると、これらは、それぞれ式(3)〜(6)のように表すことができる。尚、以下の式では(x,y)の表記を省略する。
さらに、式(7)および(8)から、以下の式(9)が導かれ、この関係式より位相値θを求めることができる。即ち、位相シフト量が0、π/2、πおよび3π/2の場合の輝度、I0,I1,I2およびI3が得られれば、この画素に対する位相値θが求まるのである。
こうして、位相シフト法により、画像上の各画素における位相値θを求めることができる。
次に、位相シフト法により各画素に対して求められた位相値から、空間座標(x、y、z)、即ち、計測対象物の形状を算出する方法について説明する。
本発明においては、従来技術のように、位相値と空間座標を対応付ける変換式を用い、この変換式に用いられるパラメータを求める方法は使用しない。即ち、本発明においては、投影された格子の位相値と空間座標の対応関係を、カメラの画素毎に予め求めてテーブル化しておく方法を採用し、これを校正(キャリブレーション)と呼ぶ。この校正処理により、計測対象物に投影された格子の位相値が得られれば、従来手法のように変換式を用いた座標の計算をせずに、得られた空間座標テーブルを参照するだけで、計測対象物の表面の空間座標、即ち計測対象物の形状を直ちに求めることができる。
図13は、全空間テーブル化手法(例えば、特開2008−281491号公報参照)による形状計測の原理を表す図である。図13(a)に示すように、z軸方向(高さ方向)に垂直に設置された基準面を、z軸方向に少しずつ平行移動させる。カメラとプロジェクタは、基準面の上方に固定しておく。プロジェクタからは、格子模様が基準面に投影される。この時、投影される格子模様は等間隔である必要は特にない。この投影される格子の位相は、上述の位相シフト法によって容易に算出することができる。
ここで、カメラのある1画素が、図13(b)に示す直線L上の点を撮影しているとする。この画素は、基準面の位置R0,R1,R2,...RNに応じて、それぞれ点P0,P1,P2,...PNを撮影することになる。それぞれの点における位相値θ0,θ1,θ2,...θNは、位相シフト法によって求めることができる。
位相値θに対するx,yおよびz座標は、それぞれ滑らかに変化する。位相値θを等間隔に分割し、対応するx,yおよびz座標をそれぞれ補間して求めることにより空間座標テーブルを作成する。格子投影法の場合は、一般的な配置では、位相値と座標の対応関係は滑らかな曲線状になるため、線形補間で十分な精度が期待できるが、もちろん高次の補間を行ってもよい。図14においては、線形補間を行い、黒点間を結んだ直線上の点として空間座標テーブルを作成する。図14においてKで示した区間については、外挿することにより位相値と空間座標との相関を求めることができる。
まず、図13(a)に示すように、基準面R0とRNとの間に計測対象物を設置する。この計測対象物に、校正処理の時と同一の格子模様を投影する。その結果、直線L上を撮影する画素は、計測対象物上の点Pを撮影することになり、その点に投影されている格子模様の位相値θpが、その画素の位相値として得られることになる。
次に、予め作成しておいた空間座標テーブルを参照することにより、得られた位相値θpに対応するx、yおよびz座標を求めることができる。即ち、図14(a)に示すように、得られた位相値θpに対応するx座標xpは、x座標のテーブルを参照するだけで直ちに得られる。同様に、y座標とz座標についても、位相値θpからy座標およびz座標のテーブルを参照することのみにより、直ちに得ることができるのである。
こうして、予め作成しておいた空間座標テーブルを参照することにより、得られた位相値θpから、空間座標を求めることができ、計測対象物の形状を高速に計測することができる。
上記の形状計測方法により得られた形状計測結果は、カメラの画素が撮影する点の座標分布として求められるため、図15(a)に示すように、xy平面に対して等間隔ではない座標分布として得られる。しかし、異なる位置に配置された複数のカメラにより撮影された画像や、実像の画像と鏡像の画像を合成する際には、図15(b)に示すように、xy平面において等間隔にサンプリングされた点の空間座標を得る必要がある。そのために、以下のような再サンプリング処理を行う。
複数方向からの形状計測結果に対して、前述の再サンプリング処理や画像反転処理および/または画像回転処理を施した画像の空間座標を基に、画像の合成処理を行う。ここで、画像の合成処理は、画素毎に、高さ情報(z座標)を合成することにより行うことができる。
次に、本発明の形状計測方法について説明する。本発明の形状計測方法は、位相解析処理において、その一例として全空間テーブル化手法に基づく位相シフト法を使用するが、これに限定されない。全空間テーブル化手法に基づく位相シフト法を使用する場合には、位相値と空間座標との相関である空間座標テーブルを画素毎に予め作成する校正を行い、得られた空間座標テーブルを保存しておく必要がある。そのためには、複数の基準面位置におけるz軸とxy軸の格子投影画像と基準点投光画像を撮影しておく必要がある。まず、校正方法における、格子投影画像と基準点投光画像を撮影する校正方法について説明する。
図22は、本発明の校正方法における、格子投影画像および基準点投光画像の撮影処理のフローチャートを示している。
まず、z軸移動ステージ14を移動させて、基準面11aを所定の位置に動かす。次に、ピエゾステージ3を所定の位置に移動させることにより、位相シフト回数に応じたシフト量だけz軸用格子ガラス2をシフトさせた後、z軸用光源1であるLEDを点灯させ、第1のカメラ6および第2のカメラ7により、基準面11に投影された格子模様および鏡に映された格子模様の鏡像を撮影する。ここで、画像の撮影は1回だけ行うのではなく、所定の回数、例えば5回行い、画像データの平均をとって新たに画像データとすることにより、カメラのランダムノイズの影響を低減することもできる。撮影が終わった後、z軸用光源1を消灯し、撮影された画像を解析処理部15に保存する。上記のピエゾステージ14の移動から画像の保存までの一連の処理を、予め設定された位相シフト回数に達するまで繰り返し行う。
即ち、まず、xy軸用光源12を点灯させ、第1のカメラ6および第2のカメラ7により、基準面11aに投影された2次元の格子模様および鏡に映された格子模様の鏡像を撮影する。撮影が終わった後、xy軸用光源12を消灯し、撮影された画像を解析処理部15に保存する。
以上を、所定の回数(規定された基準面の枚数)だけ繰り返すことにより、校正に必要な画像の撮影処理が完了する。
図23は、図22に示した処理により撮影された画像を用いて校正を行い、空間座標テーブルを作成する処理のフローチャートを示している。
まず、上述した位相シフト法により、図22に示した処理において撮影された位相シフト回数分の撮影画像に対して位相解析を行い、各画素に対する位相値を求める。
次に、xy軸座標の位相解析前に、図23の処理において、基準点投光用レーザー8を点灯した状態で撮影された画像を基に、画像における基準点の位置を探索する。
その後、得られたx軸およびy軸の各位相値に対して位相接続を行い、各方向に対して一意の位相に変換される。その際、位相接続の中心点に、探索された基準点を用いる。
上記の全ての処理を、規定の基準面の枚数分だけ繰り返すことにより、全画素に対して、基準面の各位置におけるx、yおよびz方向の位相値を求めることができる。
こうして、全空間テーブル化手法に基づいて空間座標テーブルが作成される。
図24は、計測対象物Oの形状を計測する処理のフローチャートを示している。
まず、計測対象物Oを基準面11a上に載置し、次に、計測対象物Oの高さに応じて、z軸移動ステージ14により基準面11aを任意の位置に移動させる。
続いて、図19に示したz軸用投影格子撮影処理と同様に、ピエゾステージ3を所定の位置に移動させることにより、位相シフト回数に応じたシフト量だけz軸用格子ガラス2をシフトさせた後、z軸用光源1であるLEDを点灯させ、第1のカメラ6および第2のカメラ7により、計測対象物Oに投影された格子模様と鏡に映された鏡像O’を撮影する。撮影が終わったら、z軸用光源1を消灯し、撮影された画像を解析処理部15に保存する。上記のピエゾステージ14の移動から画像の保存までの一連の処理を、予め設定された位相シフト回数に達するまで繰り返し行う。
最後に、複数の形状計測結果に対して図25に示す合成処理を施すことにより、1つの形状計測結果を得ることができる。
複数の画像を合成するためには、各画像で同位置となる一点を探索しておく必要がある。そのため、校正処理の場合と同様に、まず、基準点投光用レーザー8を点灯し、次に基準面11a上に投光された基準点の画像を撮影した後、基準点投光用レーザー8を消灯して撮影した画像を解析処理部15に保存する。
次に、撮影された画像上の基準点を探索する。
続いて、撮影された全ての画像の位相評価値(PEV)を算出する。
その後、撮影された画像が鏡像を撮影したものであるか否かの判定を行い、鏡像である場合には、画像を反転させる画像反転処理を行う。
続いて、撮影された画像が第1のカメラにより撮影されたものであるか否かの判定を行い、第1のカメラにより撮影されたものでない場合には、画像を90°回転させる処理を行う。ここで90°回転させるのは、形状計測装置100においては、第1のカメラおよび第2のカメラを図1および図4に示すように配置したためであり、第1のカメラと第2のカメラとの間の配置関係が形状計測装置100と異なる場合には、その配置関係に基づいて、画像の回転、および回転処理を適切に行うようにする。
最後に、同一の向きおよび同一の座標系に再配置された画像の計測結果に対して、各画像に対して求められた位相評価値が、所定の閾値を下回る場合にはデータを捨て、残されたデータの平均値を算出することにより、合成処理を行う。
また、複数のカメラにより撮影された画像を合成することにより、計測対象物に金属が含まれる場合や、計測対象物の形状が曲面を有する場合にも、ハレーションの影響を低減して計測対象物の形状を精度良く算出することができる。
2 z軸用格子ガラス
3 第1のレンズ
4 ピエゾステージ
5 ペルチェ冷却装置
6 第1のカメラ
7 第2のカメラ
8 基準点投光用レーザー
9 第1の鏡
10 第2の鏡
11 基準平板
11a 基準面
12 xy軸用光源
12a LED点光源
12b ピンホール板
12c 第2のレンズ
13 xy軸用格子ガラス
13a x軸用格子ガラス
13b y軸用格子ガラス
14 z軸移動ステージ
15 解析処理部
16 迷光防御壁
O 計測対象物
O’ 計測対象物の鏡像
Claims (8)
- 計測対象物の形状を計測する装置であって、
前記計測対象物に格子模様を投影する格子模様投影部と、
前記計測対象物の周囲に配置された少なくとも1つの鏡と、
前記計測対象物および前記鏡に映る前記計測対象物の鏡像を撮影する少なくとも1つの撮影部と、
撮影された前記計測対象物および前記鏡像の画像の各々に対して位相解析処理を施して前記計測対象物の形状を算出するとともに撮影された前記計測対象物の画像と前記鏡像の画像とを合成する解析処理部と、
を備え、前記撮影部の各々は、前記計測対象物の少なくとも一部の領域と該少なくとも一部の領域の鏡像とを同時に撮影可能に配置されていることを特徴とする形状計測装置。 - 計測対象物の形状を計測する装置であって、
前記計測対象物に格子模様を投影する格子模様投影部と、
前記計測対象物の周囲に配置された少なくとも1つの鏡と、
前記計測対象物および前記鏡に映る前記計測対象物の鏡像を撮影する少なくとも1つの撮影部と、
を備え、前記撮影部の各々は、前記計測対象物の少なくとも一部の領域と該少なくとも一部の領域の鏡像とを同時に撮影可能に配置されていることを特徴とする形状計測装置。 - 前記鏡の各々に対して迷光防止壁を設けることを特徴とする、請求項1または2に記載の形状計測装置。
- 2つの鏡と2つの撮影部とを備えることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載の形状計測装置。
- 2つの鏡と1つの撮影部とを備えることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載の形状計測装置。
- 周囲に少なくとも1枚の鏡が配置された計測対象物の形状を計測する方法であって、
前記計測対象物に格子模様を投影する格子模様投影ステップと、
前記計測対象物と前記鏡に映る前記計測対象物の鏡像とを同時に撮影する画像撮影ステップと、
前記格子模様を所定の大きさだけシフトさせる位相シフトステップと、
撮影された前記実像および前記鏡像の画像の各々に対して位相解析処理を施して前記計測対象物の形状を算出する形状算出ステップと、
を含み、該形状算出ステップは、前記画像撮影ステップと、前記位相シフトステップとを所定の回数だけ繰り返した後に行うことを特徴とする形状計測方法。 - 前記位相解析処理は、全空間テーブル化手法に基づいて位相値と空間座標とを関連づけるテーブルを予め画素毎に作成しておき、該テーブルを参照して、位相シフト法により求められた各画素の位相値から空間座標を求めることにより行うことを特徴とする、請求項6に記載の形状計測方法。
- 撮影された画像の周波数成分の比に応じた評価値に基づいて、前記計測対象物の画像と前記鏡像の画像とを一枚の画像に合成する合成処理ステップを更に含むことを特徴とする、請求項6または7に記載の形状計測方法。
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