JP2014059164A - Shape measurement device and shape measurement method - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a shape measurement device and a shape measurement method that enable a measurement of a measurement target object in contactless and with higher accuracy.SOLUTION: A shape measurement device 1 according to the present invention comprises: a light source array 11; a grating plate 12 that forms a first-dimensional grating; a camera 13 that photographs a measurement target object 21 having a shadow of the grating due to the first-dimensional grating projected by a lighting of the light source in the light source array 11; and a control unit 50 that calculates a phase of the shadow of the grating projected onto the measurement target object 21 by the light source or a phase of a moire fringe consisting of the first-dimensional grating and the shadow of the grating, respectively, for each pixel of the camera 13 and calculates a three-dimensional space coordinate relating to the measurement target object 21 on the basis of the calculated phases. The grating plate 12 is arranged within a field of view of the camera 13. Regarding a photographing image by the camera 13, a predetermined number of pixels are allocated in a predefined range for calculating the phase of the shadow of the grating or the phase of the moire fringe.

Description

本発明は、計測対象物体の形状や変位を非接触且つ高精度で行い得る形状計測装置及び形状計測方法に関する。   The present invention relates to a shape measuring apparatus and a shape measuring method that can perform the shape and displacement of an object to be measured in a non-contact and highly accurate manner.

計測対象物体の三次元形状を計測する方法としては、非接触で高速応答が可能な光学式方法が有利である。非接触の光学式形状計測法は多くの方法があるが、レーザースキャン法、光切断法、格子投影法がよく使われている。レーザースキャン法は遺構や建物計測など大きな物体の計測に使われている。光切断法や格子投影法は、工業部品の検査など比較的小さな物体の計測に使われていることが知られている。   As a method for measuring the three-dimensional shape of the measurement target object, an optical method capable of high-speed response without contact is advantageous. There are many non-contact optical shape measurement methods, but the laser scanning method, light cutting method, and grid projection method are often used. The laser scanning method is used for measuring large objects such as remains and buildings. It is known that the light cutting method and the grid projection method are used for measuring relatively small objects such as inspection of industrial parts.

格子投影法のうち、物体や人体等の計測対象物体の形状を非接触且つ三次元的に計測する方法として、位相シフト法を用いた方法がある。位相シフト法は、位相を変化させながら格子画像や干渉縞画像を1台のカメラで順次撮影し、これら位相を変化させた複数枚の格子画像や干渉縞画像に基づいて格子の位相分布を求めるものである。   Among the grid projection methods, there is a method using a phase shift method as a method for non-contact and three-dimensional measurement of the shape of a measurement target object such as an object or a human body. In the phase shift method, a lattice image and an interference fringe image are sequentially photographed by one camera while changing the phase, and a phase distribution of the lattice is obtained based on a plurality of lattice images and interference fringe images whose phases are changed. Is.

位相シフト法を用いた方法として、例えば、カメラとプロジェクタを用いて、これらのカメラ又はプロジェクタのレンズ収差の影響を受けることなく高精度な形状計測を行うために、格子が描かれた基準平板の画像からカメラ又はプロジェクタのレンズ中心座標を算出するのではなく、複数の基準面における各基準面に固定された二次元格子から、カメラの画素毎の視線が通る光路と、プロジェクタから投影される光の光路とをそれぞれ全て求めて、これらの光路の交点として空間座標を算出する形状計測方法及び形状計測装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。   As a method using the phase shift method, for example, using a camera and a projector, in order to perform highly accurate shape measurement without being affected by lens aberration of these cameras or projectors, a reference plate on which a grating is drawn is used. Rather than calculating the lens center coordinates of the camera or projector from the image, the optical path through which the line of sight for each pixel of the camera passes from the two-dimensional grid fixed to each reference plane in the plurality of reference planes, and the light projected from the projector There are known a shape measuring method and a shape measuring apparatus that calculate all of the optical paths and calculate spatial coordinates as intersections of these optical paths (see, for example, Patent Document 1).

また、カメラとプロジェクタを用いて複数の基準面を基に物体の形状計測を行う別の技術がある。例えば、互いに直交するX,Y軸平面を有する基準面を、基準面の法線方向(即ち、X,Y軸平面に垂直なZ軸方向)に所定の間隔で複数設定しておき、計測すべき物体を当該複数の基準面のうち、両端に位置する基準面の間に配置し、その後、物体の表面上の点Sの座標を求めるために、物体上の点Sを撮影するカメラの視線と物体上の点Sを通るプロジェクタからの光線の各々が当該複数の基準面にそれぞれ交わる点を算出し、カメラの視線上の当該交わる点からなる直線と、プロジェクタからの光線上の当該交わる点からなる直線との交点を求め、この交点のZ座標からその点に最も近接した2つの基準面を選出し、選出した2つの基準面を用いて物体の形状を計測する技術が知られている(例えば、特許文献2参照)。   There is another technique for measuring the shape of an object based on a plurality of reference planes using a camera and a projector. For example, a plurality of reference planes having X and Y axis planes orthogonal to each other are set at predetermined intervals in the normal direction of the reference plane (that is, the Z axis direction perpendicular to the X and Y axis planes) and measured. A line of sight of a camera that shoots a point S on the object in order to determine the coordinates of the point S on the surface of the object by arranging the power object between the reference surfaces located at both ends of the plurality of reference surfaces And a point where each of the light rays from the projector passing through the point S on the object intersects the plurality of reference planes, and a line formed by the intersecting points on the line of sight of the camera and the intersecting point on the light rays from the projector A technique is known in which an intersection point with a straight line is obtained, two reference planes closest to the point are selected from the Z coordinate of the intersection point, and the shape of the object is measured using the two selected reference planes. (For example, refer to Patent Document 2).

他方、カメラとプロジェクタを用いて複数の基準面を基に物体の形状計測を行う更に別の技術として、X,Y軸平面を有する基準面をその法線方向に微小量ずつ平行移動させたときの複数の基準面について、所定の二次元パターンや空間分割パターンを利用することにより、物体に投影する空間分割パターンの輝度分布が余弦波状でなくても、さらには物体に投影する空間分割パターンのピッチが不等間隔であっても、精度良く形状計測を行い得る形状計測装置が知られている(例えば、特許文献3参照)。   On the other hand, as yet another technique for measuring the shape of an object based on a plurality of reference planes using a camera and a projector, when a reference plane having X and Y axis planes is translated by a minute amount in the normal direction By using a predetermined two-dimensional pattern or a spatial division pattern for the plurality of reference planes, even if the luminance distribution of the spatial division pattern projected onto the object is not cosine-like, the spatial division pattern projected onto the object 2. Description of the Related Art A shape measuring apparatus that can accurately measure a shape even when the pitch is unequal is known (see, for example, Patent Document 3).

また、格子模様を投影するための一列に並んだ3以上の光源、及び投影用光を通過させて格子模様を形成する格子プレートを有する投影装置(プロジェクタ)により投影する格子を光源切り替えによって位相シフトさせて投影し(以下、このような方式を「光源切替位相シフト法」と称する。)、それぞれの格子模様の位相と三次元空間座標とを1対1に対応づける表あるいは近似式を用いて計測対象の形状を決定する形状計測装置が開示されている(例えば、特許文献4参照)。   In addition, phase shift is performed by switching light sources by using a projection device (projector) having three or more light sources arranged in a row for projecting a lattice pattern and a grating plate that passes the projection light to form a lattice pattern. (Hereinafter, such a method is referred to as a “light source switching phase shift method”), and using a table or an approximate expression that correlates the phase of each lattice pattern with the three-dimensional spatial coordinates on a one-to-one basis. A shape measuring device that determines the shape of a measurement target is disclosed (for example, see Patent Document 4).

上述したような位相シフト法を利用した形状計測装置を応用して、計測対象物体の三次元形状の時間変化を計測することもできる。例えば、位相シフト法による形状計測装置は、人体の運動、機械の振動、車の衝突変形やエアバッグの高速変形の計測解析に利用することができる。   By applying the shape measuring device using the phase shift method as described above, it is possible to measure the time change of the three-dimensional shape of the measurement target object. For example, a shape measuring apparatus based on the phase shift method can be used for measurement analysis of human body motion, machine vibration, vehicle collision deformation, and airbag high-speed deformation.

一方で、格子投影法のうち、半導体デバイスやプリント基板、或いは部品搬送等に用いられるコンベア等について反り、曲り、ねじれ、又は傷等の検査する方法として、シャドーモアレ法を用いた方法がある(例えば、特許文献5参照)。   On the other hand, among the lattice projection methods, there is a method using a shadow moire method as a method for inspecting a warp, a bend, a twist, a scratch, or the like for a semiconductor device, a printed circuit board, or a conveyer used for parts conveyance or the like ( For example, see Patent Document 5).

特許第2913021号明細書Japanese Patent No. 2913021 特許第3446020号明細書Japanese Patent No. 3446020 特許第4873485号明細書Japanese Patent No. 4873485 特開2011−242178号公報JP 2011-242178 A 特開2009−246036号公報JP 2009-246036 A

特許文献1〜3に開示される格子投影法の形状計測では、投影する格子を移動させるための何らかの移動装置が必要であった。一方、特許文献4に開示される位相シフト法による格子投影法(モアレトポグラフィ)の形状計測では、多数の光源のそれぞれの点灯を切り替えることにより位相シフトが行えるため、移動装置が不要となり、高速化が可能である。図14に、従来技術における格子投影法(モアレトポグラフィ)装置の概略図を示す。図14に示す格子投影法装置では、カメラによる撮像時に格子が映り込まないようにするために、プロジェクタと格子との間の距離dが、格子と計測対象物との間の距離(z−d)に比べて遙かに短くなるように配置する必要がある。このため、計測対象物体の位置では格子の影のピッチが大きくなり、計測精度の向上が困難になる。   In the shape measurement of the grid projection method disclosed in Patent Documents 1 to 3, some moving device for moving the grid to be projected is required. On the other hand, in the shape measurement of the lattice projection method (moire topography) based on the phase shift method disclosed in Patent Document 4, the phase shift can be performed by switching the lighting of each of a large number of light sources. Is possible. FIG. 14 shows a schematic diagram of a lattice projection method (moire topography) apparatus in the prior art. In the lattice projection apparatus shown in FIG. 14, the distance d between the projector and the lattice is the distance between the lattice and the measurement object (z−d) so that the lattice is not reflected during imaging by the camera. It is necessary to arrange so as to be much shorter than). For this reason, the pitch of the grid shadow becomes large at the position of the measurement target object, making it difficult to improve measurement accuracy.

一方、特許文献5にも示されるシャドーモアレ法では、より高精度の計測が求められる用途に有効である。図15に、従来技術におけるシャドーモアレ法による形状計測装置の概略図を示す。図15に示すように、シャドーモアレ法による形状計測の場合は、光源と格子との間の距離dが、光源と計測対象物体の間の距離zに比べて遙かに長い場合に有利である。図15において計測対象物体上で格子のピッチが図14に示すものと同じとなっているが、図14に示す格子投影法の場合は細かな格子を用意せねばならず、格子のピッチが光源の大きさよりも小さいと、投影した格子がぼけてコントラストが悪くなり、細かい格子を投影するのは困難になる。その点、図15に示すシャドーモアレ法の場合は格子のピッチは粗くても物体上に容易に細かな格子を投影することができ、形状計測の分解能を向上させることができる。ただし、カメラは格子を通して計測対象物体を撮影するため、格子そのものがカメラの視界を遮ることになり、計測対象物体についてカメラで撮影できない部分が生じる。格子のピッチがカメラの画素ピッチよりも遙かに小さい場合はその影響はほとんどないと言えるが、小さな欠陥の検査などにおいては、その格子によってカメラで撮影できない部分があることは実用上の大きな問題となる。これを解決するために、従来技術から想定される技法では格子を高周波で動かしながらカメラで撮影することになる。しかし、この技法は格子を高精度で高周波動作する機構が必要であり、装置コストの増大を生じる。   On the other hand, the shadow moiré method disclosed in Patent Document 5 is effective for applications that require highly accurate measurement. FIG. 15 shows a schematic diagram of a shape measuring apparatus using the shadow moiré method in the prior art. As shown in FIG. 15, in the case of shape measurement by the shadow moire method, it is advantageous when the distance d between the light source and the grating is much longer than the distance z between the light source and the measurement target object. . In FIG. 15, the pitch of the grating on the object to be measured is the same as that shown in FIG. 14, but in the case of the grating projection method shown in FIG. 14, a fine grating must be prepared, and the grating pitch is the light source. If the size is smaller than, the projected grating becomes blurred and the contrast becomes poor, and it becomes difficult to project a fine grating. In this regard, in the case of the shadow moire method shown in FIG. 15, even if the pitch of the grating is coarse, a fine grating can be easily projected onto the object, and the resolution of shape measurement can be improved. However, since the camera captures the measurement target object through the grid, the grid itself blocks the field of view of the camera, and a portion of the measurement target object that cannot be captured by the camera occurs. If the pitch of the grid is much smaller than the pixel pitch of the camera, it can be said that there is almost no effect, but in the inspection of small defects, it is a big practical problem that there is a part that can not be photographed by the camera due to the grid It becomes. In order to solve this, the technique assumed from the prior art involves photographing with a camera while moving the grating at a high frequency. However, this technique requires a mechanism for operating the grating with high accuracy and high frequency, resulting in an increase in apparatus cost.

即ち、従来の光源切替位相シフト法は、光源と計測対象物体の間に一次元格子があり、計測対象物体上に投影された格子の影をカメラで撮影し、この撮影画像から格子の位相を解析することにより、形状計測を行っていた。このとき、カメラの撮像時には格子が写らず物体上の一次元格子の影のみを撮影し、その格子の影の位相を解析して形状を求めていた。このため、カメラに格子プレートの格子を写さないようにするために、光源と格子との距離に比べ、格子と計測対象物体との距離が遙かに大きくなるような配置としていた。しかしながら、格子と計測対象物体との距離が大きくなるほど格子の影は拡大されることになるため、計測対象物体上に投影される格子の影のピッチは大きく、その分、精度が悪くなるという欠点があった。ここで、格子の影をできるだけ細かくするために計測対象物体の近くに格子プレートを配置する、いわゆるシャドーモアレ法の配置とすることが考えられる。しかしながら、この場合、通常、カメラには格子の影以外に格子プレートの格子そのものが写ることから格子の写った部分では位相解析に必要な有効なデータがないことになり、更なる工夫が必要となる。   That is, in the conventional light source switching phase shift method, there is a one-dimensional grating between the light source and the measurement target object, and the shadow of the grating projected on the measurement target object is photographed with a camera, and the phase of the grating is determined from this photographed image. The shape was measured by analysis. At this time, when the image was captured by the camera, only a one-dimensional lattice shadow on the object was photographed without capturing the lattice, and the shape was obtained by analyzing the phase of the lattice shadow. Therefore, in order not to capture the grating of the grating plate on the camera, the arrangement is such that the distance between the grating and the measurement target object is much larger than the distance between the light source and the grating. However, the larger the distance between the grid and the measurement target object, the larger the grid shadow will be, so the pitch of the grid shadow projected onto the measurement target object is large, and the accuracy is reduced accordingly. was there. Here, in order to make the shadow of the lattice as fine as possible, it is conceivable to use a so-called shadow moire method in which a lattice plate is disposed near the measurement target object. However, in this case, since the grating of the grating plate is usually reflected in the camera in addition to the shadow of the grating, there is no effective data necessary for phase analysis in the portion where the grating is reflected, and further contrivance is necessary. Become.

本発明は、上述の問題に鑑みて為されたものであり、本発明の目的は、計測対象物体を非接触、且つより高精度で計測可能とする形状計測装置及び形状計測方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a shape measuring device and a shape measuring method that can measure a measurement target object in a non-contact manner with higher accuracy. It is in.

本発明では、シャドーモアレ法の利点と位相シフト法の利点とを組み合わせた新たな計測法(以下、「位相シフトシャドー計測法」と称する。)により、精密な形状計測を可能とする新たな形状計測装置を構成する。位相シフトシャドー計測法に関して、光源によって計測対象物体に投影される格子の影の位相を基に計測対象物体に関する三次元空間座標を求める技法と、格子プレートにおける一次元格子(以下、単に「格子」とも称する。)と格子の影からなるモアレ縞の位相を基に計測対象物体に関する三次元空間座標を求める技法とがある。本願明細書中、「モアレ縞」と称するときは、格子プレートにおける一次元格子と格子の影からなる縞模様を云う。 In the present invention, a new shape that enables precise shape measurement by a new measurement method that combines the advantages of the shadow moire method and the phase shift method (hereinafter referred to as “phase shift shadow measurement method”). Configure the measuring device. Regarding the phase shift shadow measurement method, a technique for obtaining three-dimensional spatial coordinates of a measurement target object based on the phase of the grid shadow projected onto the measurement target object by a light source, and a one-dimensional grid (hereinafter simply referred to as “lattice”) on a grid plate And a technique for obtaining three-dimensional spatial coordinates related to the measurement target object based on the phase of the moire fringes formed by the shadow of the lattice. In the specification of the present application, the term “moire fringes” refers to a striped pattern composed of a one-dimensional lattice on a lattice plate and a shadow of the lattice.

即ち、本発明の形状計測装置は、計測対象物体の形状を非接触で計測する形状計測装置であって、少なくとも1つの点光源あるいは直線状光源からなる光源アレイと、等間隔に並んだ直線からなる光透過領域により一次元格子を形成する格子プレートと、前記光源アレイにおける光源の点灯により前記一次元格子による格子の影が投影される計測対象物体を撮影するカメラと、当該光源によって前記計測対象物体に投影された前記格子の影の位相又は前記一次元格子と前記格子の影からなるモアレ縞の位相を前記カメラの画素ごとにそれぞれ算出し、当該算出した位相を基に前記計測対象物体に関する三次元空間座標を求める制御ユニットとを備え、前記格子プレートは、前記カメラの視野内に配置され、前記カメラによる撮影画像は、前記格子の影の位相を算出するときには前記格子プレートの格子部分以外の領域で所定の範囲(好適には、1格子ピッチ又は1/2格子ピッチの範囲)に予め定めた画素数を割り当て、前記一次元格子と前記格子の影からなるモアレ縞の位相を算出するときには1組の前記一次元格子及び前記格子の影を含む所定の範囲(好適には、1格子ピッチの範囲)に予め定めた画素数を割り当てるように設定され、前記制御ユニットは、前記予め定めた画素数の画素値を基に前記格子の影の位相又は前記一次元格子と前記格子の影からなるモアレ縞の位相を算出することを特徴とする。   That is, the shape measuring apparatus of the present invention is a shape measuring apparatus that measures the shape of a measurement target object in a non-contact manner, from a light source array composed of at least one point light source or a linear light source, and straight lines arranged at equal intervals. A grating plate that forms a one-dimensional grating by a light transmission region, a camera that images a measurement target object on which a shadow of the grating by the one-dimensional grating is projected by turning on the light source in the light source array, and the measurement target by the light source Calculate the phase of the shadow of the grid projected on the object or the phase of the moire fringe composed of the shadow of the one-dimensional grid and the grid for each pixel of the camera, and relates to the measurement target object based on the calculated phase A control unit for obtaining three-dimensional spatial coordinates, the lattice plate is disposed in the field of view of the camera, When calculating the phase of the shadow of the child, a predetermined number of pixels is assigned to a predetermined range (preferably, a range of 1 lattice pitch or 1/2 lattice pitch) in an area other than the lattice portion of the lattice plate, and the primary When calculating the phase of the moiré fringe composed of the original grid and the shadow of the grid, a predetermined pixel (preferably a range of one grid pitch) including a set of the one-dimensional grid and the shadow of the grid The control unit calculates a phase of a shadow of the lattice or a phase of a moire fringe composed of the shadow of the one-dimensional lattice and the lattice based on the pixel value of the predetermined number of pixels. It is characterized by that.

また、本発明の形状計測装置において、前記光源アレイは、複数種の位相シフト回数に対応する少なくとも3つの等間隔に配置された点光源あるいは直線状光源からなり、前記制御ユニットは、前記少なくとも3つの光源のうち、当該投影する格子の影の位相シフトを行う光源を決定し、当該決定した各光源を順次点灯してそれぞれ前記計測対象物体上に投影される前記格子の影又は前記モアレ縞を撮影するよう前記カメラを制御し、前記決定した各光源による前記計測対象物体上に投影された前記格子の影の位相又は前記モアレ縞の位相を前記カメラの画素ごとにそれぞれ算出する手段を有することを特徴とする。   In the shape measuring apparatus of the present invention, the light source array includes at least three point light sources or linear light sources arranged at equal intervals corresponding to a plurality of types of phase shifts, and the control unit includes the at least 3 Among the two light sources, a light source that performs phase shift of the shadow of the projected grid is determined, and each of the determined light sources is sequentially turned on, and the shadow of the grid or the moire fringe projected on the measurement target object respectively. Means for controlling the camera to take a picture, and calculating a phase of a shadow of the grating or a phase of the moire fringe projected on the measurement target object by each of the determined light sources for each pixel of the camera; It is characterized by.

また、本発明の形状計測装置において、前記光源アレイは、1つの点光源あるいは直線状光源からなり、当該形状計測装置が、前記計測対象物体に対して前記格子プレートと平行な面上にて所定速度で相対移動する配置関係にあり、前記制御ユニットは、前記所定速度に同期して前記計測対象物体上に投影される前記格子の影又は前記モアレ縞を撮影するよう前記カメラを制御し、前記計測対象物体上に投影された前記格子の影の位相又は前記モアレ縞の位相を前記カメラの画素ごとにそれぞれ算出する手段を更に有することを特徴とする。尚、「所定速度で同期する配置関係」とは必ずしも一定速度でなくともよく、速度が安定しない場合でも同期した配置関係を云う。   In the shape measuring apparatus of the present invention, the light source array includes one point light source or a linear light source, and the shape measuring apparatus is predetermined on a plane parallel to the lattice plate with respect to the measurement target object. The control unit controls the camera to capture shadows of the lattice or the moire fringes projected on the measurement target object in synchronization with the predetermined speed, The apparatus further comprises means for calculating the phase of the shadow of the grid projected on the measurement target object or the phase of the moire fringe for each pixel of the camera. The “arrangement relationship that synchronizes at a predetermined speed” does not necessarily have to be a constant speed, and refers to an arrangement relationship that is synchronized even when the speed is not stable.

また、本発明の形状計測装置において、前記光源アレイは、複数種の位相シフト回数に対応する少なくとも3つの等間隔に配置された点光源あるいは直線状光源からなり、当該形状計測装置が、前記計測対象物体に対して前記格子プレートと平行な面上にて所定速度で相対移動する配置関係にあり、前記制御ユニットは、前記所定速度に同期するとともに、前記少なくとも3つの光源のうち、当該投影する格子の影の位相シフトを行う光源を決定し、当該決定した各光源を順次点灯してそれぞれ前記計測対象物体上に投影される前記格子の影又は前記モアレ縞を撮影するよう前記カメラを制御し、前記決定した各光源による前記計測対象物体上に投影された前記格子の影の位相又は前記モアレ縞の位相を前記カメラの画素ごとにそれぞれ算出する手段を有することを特徴とする。   In the shape measuring apparatus of the present invention, the light source array includes at least three point light sources or linear light sources arranged at equal intervals corresponding to a plurality of types of phase shifts. The control unit is arranged to move relative to the target object at a predetermined speed on a plane parallel to the lattice plate, and the control unit is synchronized with the predetermined speed and projects the projection among the at least three light sources. A light source for phase shift of the shadow of the grating is determined, and the camera is controlled so that each of the determined light sources is sequentially turned on and the shadow of the grating or the moire fringe projected on the measurement target object is photographed. The phase of the shadow of the grating or the phase of the moire fringe projected on the measurement target object by each of the determined light sources is calculated for each pixel of the camera. Characterized in that it has a means that.

また、本発明の形状計測装置において、前記カメラは、異なる視線で前記光源アレイにおける光源の点灯により前記一次元格子による格子の影が投影される計測対象物体を撮影する複数のカメラからなり、前記制御ユニットは、前記計測対象物体上に投影される前記格子の影又は前記モアレ縞をそれぞれ異なる個所で撮影するよう前記複数のカメラを制御し、当該複数のカメラで撮影された画像を基に前記計測対象物体に投影された前記格子の影からなる前記格子の影の位相又は前記モアレ縞の位相を前記カメラの画素ごとにそれぞれ算出することを特徴とする。   Further, in the shape measuring apparatus of the present invention, the camera comprises a plurality of cameras for photographing a measurement target object onto which a shadow of the lattice by the one-dimensional lattice is projected by turning on a light source in the light source array with different lines of sight, The control unit controls the plurality of cameras so as to photograph the shadows of the lattice or the moire fringes projected on the measurement target object, respectively, and based on the images photographed by the plurality of cameras. The phase of the grid shadow or the phase of the moire fringe formed of the grid shadow projected onto the measurement target object is calculated for each pixel of the camera.

また、本発明の形状計測装置において、前記制御ユニットは、予め前記画素ごとに用意した前記一次元格子の位相と三次元空間座標とを1対1に対応づける表又は近似式を基に前記計測対象物体に関する三次元空間座標を求める手段を有することを特徴とする。   In the shape measuring apparatus of the present invention, the control unit may perform the measurement based on a table or an approximate expression in which the phase of the one-dimensional lattice and the three-dimensional spatial coordinates prepared in advance for each pixel are associated one-to-one. It has the means which calculates | requires the three-dimensional space coordinate regarding a target object, It is characterized by the above-mentioned.

また、本発明の形状計測装置において、前記カメラによる撮影時の画素列に関して、前記格子プレートの面に平行且つ前記一次元格子の光透過領域の直線に対して垂直方向に連続する画素数N(Nは1以上の整数)を、前記格子プレートにおける一次元格子の1ピッチに対応させ、当該連続するN画素の輝度の平均値より、前記モアレ縞の輝度値を算出する手段を有することを特徴とする。尚、N=1の場合は直接モアレ縞が撮影することができる。   In the shape measuring apparatus of the present invention, the number N of pixels that are parallel to the surface of the lattice plate and continuous in the direction perpendicular to the straight line of the light transmission region of the one-dimensional lattice with respect to the pixel row at the time of photographing by the camera N is an integer greater than or equal to 1) corresponding to one pitch of a one-dimensional lattice in the lattice plate, and has a means for calculating the luminance value of the moire fringes from the average value of the luminance of the continuous N pixels. And When N = 1, moire fringes can be taken directly.

また、本発明の形状計測装置において、前記カメラは、異なる視線で前記光源アレイにおける光源の点灯により前記一次元格子による格子の影が投影される計測対象物体を撮影する複数のカメラからなり、前記複数のカメラの各々による計測範囲の画素列に関して、前記格子プレートの面に平行且つ前記一次元格子の光透過領域の直線に対して垂直方向に連続する画素数N(Nは1以上の整数)を、前記格子プレートにおける一次元格子の1/2ピッチに対応させ、当該連続するN画素の輝度の平均値より、前記連続する画素数Nにおける最初の画素位置にて、前記格子の影又は前記モアレ縞の輝度値を算出する手段を有することを特徴とする。   Further, in the shape measuring apparatus of the present invention, the camera comprises a plurality of cameras for photographing a measurement target object onto which a shadow of the lattice by the one-dimensional lattice is projected by turning on a light source in the light source array with different lines of sight, The number N of pixels that are parallel to the plane of the grid plate and perpendicular to the straight line of the light transmission region of the one-dimensional grid (N is an integer equal to or greater than 1) with respect to the pixel rows in the measurement range of each of the plurality of cameras Corresponding to ½ pitch of the one-dimensional lattice in the lattice plate, and at the first pixel position in the number N of consecutive pixels, the shadow of the lattice or the It has a means to calculate the brightness | luminance value of a moire fringe, It is characterized by the above-mentioned.

また、本発明の形状計測装置において、前記カメラの視線は、前記格子プレートの格子部分以外の領域で前記計測対象物体に投影された当該格子の影の位相(Φ)の半周期が複数の画素数(N≧2)となるように配置されており、前記制御ユニットは、前記画素数(N)にて位相シフトして得られる各輝度値から、前記格子の影の位相を算出する手段を有することを特徴とする。尚、N=4のとき、前記格子の影の位相Φは、後述する式(22)で表される。   Further, in the shape measuring apparatus of the present invention, the line of sight of the camera has a plurality of pixels in which the half period of the phase (Φ) of the shadow of the grid projected on the measurement target object in an area other than the grid portion of the grid plate is The control unit has means for calculating the phase of the shadow of the grid from each luminance value obtained by phase shifting by the number of pixels (N). It is characterized by having. Note that when N = 4, the phase Φ of the shadow of the grating is expressed by the following equation (22).

また、本発明の形状計測装置において、前記一次元格子の一部は透明であり、前記カメラの視線は、当該透明の部分から前記格子の影を撮影するように配置されていることを特徴とする。尚、計測対象物体が移動する場合は狭い範囲を透明にするだけでよいのでとくに有効となる。   Further, in the shape measuring apparatus of the present invention, a part of the one-dimensional lattice is transparent, and the line of sight of the camera is arranged so as to photograph a shadow of the lattice from the transparent portion. To do. It is particularly effective when the object to be measured moves because only a narrow range needs to be transparent.

さらに、本発明の形状計測方法は、少なくとも1つの点光源あるいは直線状光源からなる光源アレイと、等間隔に並んだ直線からなる光透過領域により一次元格子を形成する格子プレートと、前記光源アレイにおける光源の点灯により前記一次元格子による格子の影が投影される計測対象物体を撮影するカメラと、制御ユニットとを備える形状計測装置によって、計測対象物体の形状を非接触で計測する形状計測方法であって、前記制御ユニットの制御手順は、前記カメラによる撮影画像に関して、前記格子の影の位相を算出するときには前記格子プレートの格子部分以外の領域で所定の範囲(好適には、1格子ピッチ又は1/2格子ピッチの範囲)に予め定めた画素数を割り当て、前記一次元格子と前記格子の影からなるモアレ縞の位相を算出するときには1組の前記一次元格子及び前記格子の影を含む所定の範囲(好適には、1格子ピッチの範囲)に予め定めた画素数を割り当てることにより、計測範囲を設定するステップと、前記光源アレイにおける光源の点灯により前記一次元格子による格子の影が投影される計測対象物体を前記計測範囲で撮影するように前記カメラの撮影を制御するステップと、当該撮影した画像から前記計測範囲における画素値から輝度を算出し、前記輝度から当該光源によって前記計測対象物体に投影された前記格子の影の位相又は前記一次元格子と前記格子の影からなるモアレ縞の位相を前記カメラの画素ごとにそれぞれ算出するステップと、当該算出した位相を基に、前記計測対象物体に関する三次元空間座標を求めるステップと、を含むことを特徴とする。   Furthermore, the shape measuring method of the present invention includes a light source array composed of at least one point light source or a linear light source, a lattice plate that forms a one-dimensional lattice with light transmission regions composed of straight lines arranged at equal intervals, and the light source array. A shape measurement method for measuring the shape of a measurement target object in a non-contact manner by a shape measurement device including a camera that captures a measurement target object onto which a shadow of the lattice formed by the one-dimensional lattice is projected by turning on a light source In the control procedure of the control unit, when calculating the phase of the shadow of the lattice with respect to the image captured by the camera, a predetermined range (preferably, one lattice pitch) is used in an area other than the lattice portion of the lattice plate. Alternatively, a predetermined number of pixels is assigned to a range of 1/2 lattice pitch), and the phase of the moire fringes formed by the one-dimensional lattice and the shadow of the lattice is determined. A step of setting a measurement range by assigning a predetermined number of pixels to a predetermined range (preferably, a range of one grid pitch) including a set of the one-dimensional grid and a shadow of the grid, Controlling the photographing of the camera so as to photograph in the measurement range an object to be measured on which the shadow of the lattice by the one-dimensional lattice is projected by turning on the light source in the light source array; and the measurement range from the photographed image The luminance of the pixel is calculated from the pixel value, and the phase of the shadow of the lattice projected onto the measurement target object by the light source from the luminance or the phase of the moire fringe composed of the shadow of the one-dimensional lattice and the lattice is calculated. And calculating each three-dimensional space coordinate related to the measurement target object based on the calculated phase. And features.

本発明によれば、計測対象物体の三次元形状をより高精度で計測できるようになる。   According to the present invention, the three-dimensional shape of the measurement target object can be measured with higher accuracy.

本発明による一実施形態の形状計測装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the shape measuring apparatus of one Embodiment by this invention. 本発明による一実施形態の形状計測装置における制御ユニットのブロック図である。It is a block diagram of the control unit in the shape measuring device of one embodiment by the present invention. 本発明による一実施形態の形状計測装置における動作フローの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the operation | movement flow in the shape measuring apparatus of one Embodiment by this invention. (a),(b)は、本発明による一実施形態の形状計測装置に関して、複数の光源からなる光源アレイと、格子プレートと、1台のカメラによって、計測対象物体の形状を計測する際の構成例とその動作原理を示す図である。(A), (b) relates to a shape measuring apparatus according to an embodiment of the present invention, when measuring the shape of an object to be measured by a light source array composed of a plurality of light sources, a lattice plate, and one camera. It is a figure which shows the structural example and its operation principle. (a),(b)は、本発明による一実施形態の形状計測装置に関して、光源切替位相シフトシャドー格子法におけるカメラの計測範囲における計測画素列と、格子及び投影格子の関係の一例を示す図である。(A), (b) is a figure which shows an example of the relationship between the measurement pixel row | line | column in the measurement range of the camera in the light source switching phase shift shadow grating method, a grating | lattice, and a projection grating | lattice regarding the shape measuring apparatus of one Embodiment by this invention. It is. (a),(b)は、本発明による一実施形態の形状計測装置に関して、光源切替位相シフトシャドー格子法におけるカメラの計測範囲における計測画素列と、格子及び投影格子の関係の別の一例を示す図である。(A), (b) is another example of the relationship between the measurement pixel column in the measurement range of the camera in the light source switching phase shift shadow grid method, and the grid and the projection grid in the shape measurement apparatus according to the embodiment of the present invention. FIG. 本発明による一実施形態の形状計測装置に関して、複数の光源からなる光源アレイと、格子プレートと、2台のカメラによって、計測対象物体の形状を計測する際の構成例とその動作原理を示す図である。The figure which shows the example of a structure at the time of measuring the shape of a measuring object object with the light source array which consists of several light sources, a grating | lattice plate, and two cameras regarding the shape measuring apparatus of one Embodiment by this invention, and its operation principle. It is. (a),(b),(c),(d)は、本発明による一実施形態の形状計測装置1に関して、2台のカメラの計測範囲における計測画素列と、格子及び投影格子の関係の一例を示す図である。(A), (b), (c), and (d) relate to the shape measurement apparatus 1 according to an embodiment of the present invention, and the relationship between the measurement pixel array, the grid, and the projection grid in the measurement range of two cameras. It is a figure which shows an example. (a),(b)は、本発明による一実施形態の形状計測装置に関して、光源切替位相シフトシャドーモアレ法におけるカメラの計測範囲における計測画素列と、格子及び投影格子の関係の一例を示す図である。(A), (b) is a figure which shows an example of the relationship between the measurement pixel row | line | column in the measurement range of the camera in the light source switching phase shift shadow moire method, a grating | lattice, and a projection grating | lattice regarding the shape measuring apparatus of one Embodiment by this invention. It is. (a),(b)は、本発明による一実施形態の形状計測装置に関して、1本の線光源(例えば、線状LED光源)として構成する光源アレイと、格子プレートと、1台のカメラによって、計測対象物体の形状を計測する際の構成例とその動作原理を示す図である。(A), (b) relates to a shape measuring apparatus according to an embodiment of the present invention by a light source array configured as one line light source (for example, a linear LED light source), a grating plate, and one camera. It is a figure which shows the structural example at the time of measuring the shape of a measurement object, and its operation principle. (a),(b)は、本発明による一実施形態の形状計測装置に関して、計測対象物体に対する相対移動がある構成とする場合の1本の線光源(例えば、線状LED光源)によって投影される格子の影を撮像するカメラの計測範囲における計測画素列と、格子及び投影格子の関係の例をそれぞれ示す上面図であり、(a)は格子の1ピッチを撮影する場合の例、(b)は格子の半ピッチを撮影する場合の例である。(A), (b) is projected by one line light source (for example, a linear LED light source) in the case where the shape measuring apparatus according to the embodiment of the present invention is configured to have a relative movement with respect to an object to be measured. 5A is a top view illustrating an example of a relationship between a measurement pixel row in a measurement range of a camera that captures a shadow of a grid, a grid, and a projection grid, and FIG. ) Is an example of photographing a half pitch of a lattice. (a),(b),(c),(d)は、本発明による一実施形態の形状計測装置に関して、2台のカメラの計測範囲における計測画素列と、格子及び投影格子の関係の一例を示す図である。(A), (b), (c), (d) is an example of the relationship between the measurement pixel row, the grid, and the projection grid in the measurement range of two cameras in the shape measuring apparatus according to the embodiment of the present invention. FIG. (a),(b)は、本発明による一実施形態の形状計測装置に関して、計測対象物体に対する相対移動がある構成とする場合のカメラの計測範囲における計測画素列と、格子及び投影格子の関係の一例を示す図である。(A), (b) is the relationship between the measurement pixel sequence in the measurement range of the camera, the grid, and the projection grid in the configuration in which there is a relative movement with respect to the measurement target object in the shape measurement apparatus according to an embodiment of the present invention. It is a figure which shows an example. 従来技術における格子投影法(モアレトポグラフィ)装置の概略図である。It is the schematic of the grating | lattice projection method (moire topography) apparatus in a prior art. 従来技術におけるシャドーモアレ法による形状計測装置の概略図である。It is the schematic of the shape measuring device by the shadow moire method in a prior art. 従来からの格子投影法の概略図である。It is the schematic of the conventional grating | lattice projection method. (a),(b),(c)は、本発明による一実施形態の形状計測装置に係る格子(干渉縞)の輝度と位相分布の一例を示す図である。(A), (b), (c) is a figure which shows an example of the brightness | luminance and phase distribution of the grating | lattice (interference fringe) which concern on the shape measuring apparatus of one Embodiment by this invention. 本発明による一実施形態の形状計測装置に係る位相シフト量と輝度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the phase shift amount and luminance which concern on the shape measuring apparatus of one Embodiment by this invention. 本発明による一実施形態の形状計測装置に係る多数の基準面を用いた全空間テーブル化技法による校正処理で形状計測を行う原理を示す図である。It is a figure which shows the principle which performs shape measurement by the calibration process by the total space table formation technique using many reference planes concerning the shape measurement apparatus of one Embodiment by this invention. 本発明による一実施形態の形状計測装置に係る全空間テーブル化技法におけるカメラの或る1画素の位相と三次元空間座標の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the phase of a certain 1 pixel of a camera, and a three-dimensional space coordinate in the total space table formation technique which concerns on the shape measuring apparatus of one Embodiment by this invention. 本発明による一実施形態の形状計測装置に係る多数の基準面を用いた全空間テーブル化手法におけるカメラのある1画素の位相と計測対象物体の高さ(計測位置)の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the phase of 1 pixel with a camera, and the height (measurement position) of a measurement target object in the total space table formation method using many reference planes concerning the shape measuring apparatus of one Embodiment by this invention. . 本発明による一実施形態の形状計測装置に係る光源切替位相シフト法による形状計測装置の構成とその動作原理を示す図である。It is a figure which shows the structure of the shape measuring device by the light source switching phase shift method concerning the shape measuring device of one Embodiment by this invention, and its operation principle. (a),(b)は、本発明による一実施形態の形状計測装置に係る光源アレイと格子プレートの配置例を示す図である。(A), (b) is a figure which shows the example of arrangement | positioning of the light source array and grating | lattice plate which concern on the shape measuring device of one Embodiment by this invention. 本発明による一実施形態の形状計測装置に関する動作原理を示す図である。It is a figure which shows the principle of operation regarding the shape measuring apparatus of one Embodiment by this invention.

以下、本発明による一実施形態の形状計測装置について、それぞれ図面を参照して説明する。   Hereinafter, a shape measuring apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

〔装置構成〕
図1は、本発明による一実施形態の形状計測装置1の構成を示す図である。本実施形態の形状計測装置1は、計測対象物体21の三次元形状を計測する装置であり、等間隔且つ一列に並べられた5つの光源L−2,L−1,L,L及びLからなる光源アレイ11と、一次元格子からなる格子面を有する格子プレート12と、カメラ13と、制御ユニット50とを備える。
〔Device configuration〕
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a shape measuring apparatus 1 according to an embodiment of the present invention. Shape measuring apparatus 1 of this embodiment is an apparatus for measuring a three-dimensional shape of the measurement object 21, five light sources L -2 arranged in equal intervals and a line, L -1, L 0, L 1 and It includes a light source array 11 composed of L 2, the grid plate 12 having a grating surface comprising a one-dimensional grating, a camera 13, and a control unit 50.

X軸、Y軸及びZ軸からなる座標点x,y,zで三次元空間を規定するために、光源アレイ11を構成する5つの光源L−2,L−1,L,L及びLのうちのいずれかの光源の位置(図1に示す例では、Lの位置)を原点O(即ち、x=0,y=0,z=0)とし、格子プレート12のそれぞれの光透過領域12bの配列方向をX軸、光透過領域12bの直線をY軸、及び格子プレート12の格子面の法線方向をZ軸とする。計測対象物体21は、Z軸方向に配置される。尚、原点Oの位置は、光源アレイ11における両端の光源間の中央位置として規定することもできるが、ここでは5つの光源のうちの中央の位置を原点Oとする。 X-axis, Y-axis and made of Z-axis coordinate points x, y, in order to define the three-dimensional space by z, 5 single light source L -2 constituting the light source array 11, L -1, L 0, L 1 and The position of one of the light sources of L 2 (the position of L 0 in the example shown in FIG. 1) is the origin O (ie, x = 0, y = 0, z = 0), and each of the lattice plates 12 The arrangement direction of the light transmission region 12b is the X axis, the straight line of the light transmission region 12b is the Y axis, and the normal direction of the lattice plane of the lattice plate 12 is the Z axis. The measurement target object 21 is arranged in the Z-axis direction. Note that the position of the origin O can also be defined as the center position between the light sources at both ends in the light source array 11, but here the center position of the five light sources is defined as the origin O.

光源アレイ11は、5つの光源L−2,L−1,L,L及びLを等間隔に直線状に配列した構成となっている。図1では、光源アレイ11として、X軸方向に等間隔で配列した5つの光源からなる例を代表的に説明するが、後述するように、用途によっては1つの光源とすることができ、或いは光源切替位相シフト法によるときは少なくとも3つ以上の光源であればよい。また、光源として発光ダイオード(LED)を用いており、各LEDは線光源又は点光源として構成することができる。即ち、LEDチップの出力は小さいため、複数のLEDチップをY軸方向に並べてY軸に対して平行となる線光源とし、この各線光源をX軸方向に等間隔で配列して5つの光源L−2,L−1,L,L及びLを構成することができる。また、5つの光源間の間隔はlである。以下、5つの光源L−2,L−1,L,L及びLを含むz=0の面(X軸及びY軸からなるX,Y軸平面に平行でz=0となる面)を「光源面」と称する。つまり、光源アレイ11上から計測対象物体21の表面までのZ軸方向の距離をz(換言すれば、光源面からZ軸方向の位置を「高さ」を表す座標点z)とすることができる。 Light source array 11 includes five light sources L -2, L -1, has a configuration that is linearly arranged to L 0, L 1 and L 2 at regular intervals. In FIG. 1, an example of five light sources arranged at equal intervals in the X-axis direction as the light source array 11 will be representatively described. However, as described later, one light source can be used depending on the application. When the light source switching phase shift method is used, at least three light sources may be used. Moreover, the light emitting diode (LED) is used as a light source, and each LED can be comprised as a line light source or a point light source. That is, since the output of the LED chip is small, a plurality of LED chips are arranged in the Y-axis direction to be a line light source that is parallel to the Y-axis, and each line light source is arranged at equal intervals in the X-axis direction. -2, L -1, it is possible to configure the L 0, L 1 and L 2. The interval between the five light sources is l. Hereinafter, the five light sources L -2, L -1, L 0 , L consists of the surface (X-axis and Y-axis of the z = 0 containing 1 and L 2 X, surface to be the Y axis parallel z = 0 the plane ) Is referred to as a “light source surface”. That is, the distance in the Z-axis direction from the light source array 11 to the surface of the measurement target object 21 is set to z (in other words, the position in the Z-axis direction from the light source surface is a coordinate point z representing “height”). it can.

格子プレート12は、5つの光源L−2,L−1,L,L及びLを配列した方向(図1に示す例では、X軸方向)に対して垂直方向(即ち、Y軸方向)の直線からなる光透過領域12bを光遮蔽領域12aに対して等間隔で並べて構成された一次元格子の格子面を有する。例えば、格子プレート12は、透明のガラス又はプラスチック材の表面に黒色の一次元格子の格子面を印刷することで構成することができるほか、光を遮蔽する部材(光遮蔽領域12a)にスリット(光透過領域12b)を設けて構成することもできる。この格子プレート12は、光源アレイ11から照射された光が格子プレート12を通過することにより、一次元格子が計測対象物体21上に投影されるように構成されている。一次元格子を構成する各光透過領域12bの格子間隔はpであり、図1に例示する態様では光源面と格子面は平行であり、光源面と格子面との間隔はdである。また、一次元格子を構成する各光透過領域12bの中央位置のうちZ軸からの距離が最短なものを基準点E(位相φ=0)とする。尚、当該投影される一次元格子の輝度分布は余弦波状である必要がある。このため、格子プレート12上の輝度分布(透過率分布)が矩形波状であっても、距離dの位置に設けた光源アレイ11の光源から照射された光によって計測対象物体21に投影される一次元格子は、カメラ13による撮像画像上において、ほぼ余弦波状になる。尚、厳密に余弦波とならなくともよい。特に、後述する全空間テーブル化技法を使うことによりその誤差を打ち消すこともできる。このような光源アレイ11及び格子プレート12によって、一次元格子を投影するプロジェクタ15が構成される。 Grid plate 12, five light sources L -2, L -1, (in the example shown in FIG. 1, X-axis direction) L 0, L 1 and L 2 having an array direction with respect to the vertical direction (i.e., Y-axis A light-transmitting region 12b composed of a straight line (direction) is arranged on the light shielding region 12a at equal intervals. For example, the grid plate 12 can be configured by printing a black one-dimensional grid pattern on the surface of a transparent glass or plastic material, and a slit (light blocking area 12a) with a slit ( A light transmission region 12b) may be provided. The grating plate 12 is configured such that a light irradiated from the light source array 11 passes through the grating plate 12 so that a one-dimensional grating is projected onto the measurement target object 21. The lattice interval of each light transmission region 12b constituting the one-dimensional lattice is p. In the embodiment illustrated in FIG. 1, the light source surface and the lattice surface are parallel, and the distance between the light source surface and the lattice surface is d. Also, the reference point E (phase φ = 0) is the shortest distance from the Z-axis among the central positions of the light transmission regions 12b constituting the one-dimensional grating. Note that the luminance distribution of the projected one-dimensional grating needs to be a cosine wave. For this reason, even if the luminance distribution (transmittance distribution) on the grid plate 12 is a rectangular wave, the primary projected onto the measurement target object 21 by the light emitted from the light source of the light source array 11 provided at the position of the distance d. The original lattice has a substantially cosine wave shape on the image captured by the camera 13. It does not have to be strictly a cosine wave. In particular, the error can be canceled by using the all-space tabulation technique described later. The light source array 11 and the grating plate 12 constitute a projector 15 that projects a one-dimensional grating.

本発明による一実施形態の形状計測装置1の構成は、精密な形状計測を可能とするために、シャドーモアレ法の利点と光源切替位相シフト法の利点とを組み合わせた構成となっており、特に、格子プレート12が計測対象物体21に対して近接した位置(距離D)に配置され、この格子プレート12及び計測対象物体21がカメラ13の視野内に配置される。本発明に係る形状計測装置1では、カメラ13の視野内に配置される格子プレート12を基に、計測対象物体21に投影された格子の影(投影格子)の位相又は格子と格子の影からなるモアレ縞の位相を算出することにより、この位相から計測対象物体21の高さzを求める。格子プレート12と計測対象物体21との間の距離Dは、計測対象物体21について計測したい分解能、光源アレイ11の光源ピッチ、格子プレート12の格子ピッチ、及びカメラ13の画素数(解像度)によって決まり、用途に応じて調整することができる。尚、モアレ縞の位相と格子の影の位相のいずれから計測対象物体21の形状を計測するかについては用途によって異なる。例えば、カメラ13の撮影画像における格子ピッチが撮影画像におけるカメラ13の画素ピッチに比べて小さくなる場合は、格子を撮影できないがモアレ縞を撮影することができる。一方、撮影画像における格子のピッチが撮影画像におけるカメラ13の画素ピッチよりも遙かに大きい場合は格子の位相を直接解析すればよい。   The configuration of the shape measuring apparatus 1 according to an embodiment of the present invention is configured to combine the advantages of the shadow moiré method and the advantages of the light source switching phase shift method in order to enable precise shape measurement. The grid plate 12 is arranged at a position (distance D) close to the measurement target object 21, and the grid plate 12 and the measurement target object 21 are arranged in the field of view of the camera 13. In the shape measuring apparatus 1 according to the present invention, based on the grid plate 12 arranged in the field of view of the camera 13, the phase of the grid shadow (projected grid) projected on the measurement target object 21 or the grid and grid shadows is used. By calculating the phase of the moiré fringes, the height z of the measurement target object 21 is obtained from this phase. The distance D between the grid plate 12 and the measurement target object 21 is determined by the resolution to be measured for the measurement target object 21, the light source pitch of the light source array 11, the grid pitch of the grid plate 12, and the number of pixels (resolution) of the camera 13. , Can be adjusted according to the application. Note that whether to measure the shape of the measurement target object 21 from the phase of the moire fringe or the phase of the shadow of the grating depends on the application. For example, when the lattice pitch in the captured image of the camera 13 is smaller than the pixel pitch of the camera 13 in the captured image, the lattice cannot be captured, but moiré fringes can be captured. On the other hand, when the pitch of the grid in the captured image is much larger than the pixel pitch of the camera 13 in the captured image, the phase of the grid may be directly analyzed.

以下の説明では、これらの光源L−2,L−1,L,L及びLの明るさ分布が観測範囲内でz=一定のx,y軸方向に対して、均一で等しいと仮定する。尚、均一でない場合は、その分布を係数として考慮すればよい。 In the following description, these light sources L -2, L -1, L 0 , the brightness distribution of L 1 and L 2 in the observation area z = constant x, with respect to the y-axis direction, equal and uniform Assume. If it is not uniform, the distribution may be considered as a coefficient.

(制御ユニット)
前述したように、本発明に係る形状計測装置1では、カメラ13の視野内に配置される格子プレート12を基に、計測対象物体21に投影された格子の影(投影格子)の位相又は一次元格子と格子の影からなるモアレ縞の位相を解析することにより、計測対象物体21の高さzを求める。このため、制御ユニット50は、カメラ13の計測範囲の画素位置を設定し、位相シフトを行う場合には光源の切り替え点灯を制御し、計測対象物体21の高さzと輝度との関係、又は計測対象物体21の高さzと位相シフトによる投影格子の位相との関係を求め、この位相から計測対象物体21の高さzを求めるように制御する。
(Controller unit)
As described above, in the shape measuring apparatus 1 according to the present invention, the phase or primary phase of the grid shadow (projection grid) projected on the measurement target object 21 based on the grid plate 12 arranged in the field of view of the camera 13. The height z of the measurement target object 21 is obtained by analyzing the phase of the moire fringes composed of the original lattice and the shadow of the lattice. For this reason, the control unit 50 sets the pixel position of the measurement range of the camera 13 and controls the switching lighting of the light source when performing phase shift, and the relationship between the height z of the measurement target object 21 and the luminance, or The relationship between the height z of the measurement target object 21 and the phase of the projection grating due to the phase shift is obtained, and control is performed so as to obtain the height z of the measurement target object 21 from this phase.

図2は、本発明による一実施形態の形状計測装置1における制御ユニット50のブロック図である。図2に示すように、制御ユニット50は、カメラ13の計測範囲の画素位置を設定し、位相シフトを行う場合には光源の切り替え点灯を制御し、光源点灯したことによる計測対象物体21上に投影される一次元格子を撮影するためのカメラ制御信号をカメラ13に供給してカメラ13から一次元格子を撮影した画像信号を取得する。更に、制御ユニット50は、撮影した画像信号から得られる画素毎の輝度値を基に、直接的に計測対象物体21の高さ座標zを求めるか、又は光源切替位相シフト法によるそれぞれの光源による計測対象物体21上に投影される一次元格子の位相をそれぞれ算出し、この位相から予め用意した表又は近似式による全空間テーブル化技法に基づいて計測対象物体21に関する高さ座標zを求める。より具体的には、制御ユニット50は、制御部51と、メモリ52とを備える。制御部51は、計測範囲設定部511と、光源決定部512と、カメラ撮影処理部513と、画素別輝度算出部514と、位相算出部515と、三次元空間座標算出部516とを備える。   FIG. 2 is a block diagram of the control unit 50 in the shape measuring apparatus 1 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, the control unit 50 sets the pixel position of the measurement range of the camera 13, and controls the switching of the light source when performing the phase shift, and on the measurement target object 21 due to the lighting of the light source. A camera control signal for photographing the projected one-dimensional lattice is supplied to the camera 13, and an image signal obtained by photographing the one-dimensional lattice is acquired from the camera 13. Further, the control unit 50 directly obtains the height coordinate z of the measurement target object 21 based on the luminance value for each pixel obtained from the photographed image signal, or by each light source by the light source switching phase shift method. The phase of the one-dimensional lattice projected on the measurement target object 21 is calculated, and the height coordinate z related to the measurement target object 21 is obtained from this phase based on a table prepared in advance or an all space table forming technique using an approximate expression. More specifically, the control unit 50 includes a control unit 51 and a memory 52. The control unit 51 includes a measurement range setting unit 511, a light source determination unit 512, a camera photographing processing unit 513, a pixel-by-pixel luminance calculation unit 514, a phase calculation unit 515, and a three-dimensional spatial coordinate calculation unit 516.

本実施形態の形状計測装置1の制御上、光源によって計測対象物体21に投影される格子の影の位相を基に計測対象物体に関する三次元空間座標を求める技法と、一次元格子と格子の影からなるモアレ縞の位相を基に前記計測対象物体に関する三次元空間座標を求める技法とがある。そこで、計測範囲設定部511は、カメラ13による撮影画像に関して、格子の影の位相を算出するときには格子プレート12の格子部分以外の領域で所定の範囲(好適には、1格子ピッチ又は1/2格子ピッチの範囲)に予め定めた画素数を割り当て、一次元格子と格子の影からなるモアレ縞の位相を算出するときには1組の一次元格子及び格子の影を含む所定の範囲(好適には、1格子ピッチの範囲)に予め定めた画素数を割り当てることにより、カメラ13の計測範囲の画素位置を設定し、その計測範囲について光源決定部512に指示する。ここで、計測可能な距離範囲と、位相シフト回数Nに対応する光源の数、光源ピッチl、及び格子プレート12の格子ピッチpとの関係は、事前に形状計測装置1の構成として決定しておくことができる。   In the control of the shape measuring apparatus 1 of the present embodiment, a technique for obtaining three-dimensional spatial coordinates related to the measurement target object based on the phase of the grid shadow projected onto the measurement target object 21 by the light source, and the one-dimensional grid and grid shadow There is a technique for obtaining a three-dimensional spatial coordinate related to the measurement target object based on the phase of the moiré fringes formed of Therefore, the measurement range setting unit 511 calculates a predetermined range (preferably one grid pitch or 1/2) in an area other than the grid portion of the grid plate 12 when calculating the phase of the grid shadow with respect to the image captured by the camera 13. When a predetermined number of pixels is assigned to (grid pitch range) and the phase of a moire fringe composed of a one-dimensional lattice and a lattice shadow is calculated, a predetermined range including a set of one-dimensional lattice and lattice shadow (preferably By assigning a predetermined number of pixels to (one grid pitch range), the pixel position of the measurement range of the camera 13 is set, and the light source determination unit 512 is instructed regarding the measurement range. Here, the relationship between the measurable distance range, the number of light sources corresponding to the number N of phase shifts, the light source pitch l, and the grating pitch p of the grating plate 12 is determined in advance as the configuration of the shape measuring apparatus 1. I can leave.

光源決定部512は、光源の点灯を制御するものであり、計測範囲に応じて位相シフトのための点灯切り替えを行う光源の組み合わせ(3つ以上の光源)を決定し、決定した各光源を順次点灯するための光源切替制御信号を光源アレイ11に供給する。   The light source determination unit 512 controls lighting of the light source, determines a combination of light sources (three or more light sources) that performs lighting switching for phase shift according to the measurement range, and sequentially determines the determined light sources. A light source switching control signal for lighting is supplied to the light source array 11.

カメラ撮影処理部513は、光源点灯による計測対象物体21上に投影される一次元格子を撮影するためのカメラ制御信号をカメラ13に供給してカメラ13から撮影した画像の画像信号を取得する。   The camera photographing processing unit 513 supplies a camera control signal for photographing a one-dimensional lattice projected on the measurement target object 21 by turning on the light source to the camera 13 and acquires an image signal of an image photographed from the camera 13.

画素別輝度算出部514は、取得した画像信号から、各画素位置における輝度値を算出する。   The pixel-by-pixel luminance calculation unit 514 calculates a luminance value at each pixel position from the acquired image signal.

位相算出部515は、光源切替位相シフト法による場合に、撮影画像の画像信号から得られる画素毎の輝度値を基に、それぞれの光源による一次元格子の位相を算出する。以下、位相φを求める処理を「位相解析処理」と称する。また、例えばフーリエ変換格子法による位相解析によって、この位相θから画素毎にx,y座標を求める。   In the case of the light source switching phase shift method, the phase calculation unit 515 calculates the phase of the one-dimensional grating by each light source based on the luminance value for each pixel obtained from the image signal of the captured image. Hereinafter, the processing for obtaining the phase φ is referred to as “phase analysis processing”. Further, x and y coordinates are obtained for each pixel from the phase θ by, for example, phase analysis using a Fourier transform lattice method.

三次元空間座標算出部516は、計測対象物体21における画素毎に得られた位相から予め用意した表又は近似式による全空間テーブル化技法に基づいて高さ座標zを求め、計測対象物体21の三次元空間座標データをメモリ52に記憶する。   The three-dimensional spatial coordinate calculation unit 516 obtains the height coordinate z from the phase obtained for each pixel in the measurement target object 21 based on a table prepared in advance or an all space table forming technique using an approximate expression, and Three-dimensional spatial coordinate data is stored in the memory 52.

投影格子に関する位相解析処理には、全空間テーブル化技法を適用して、一次元格子の位相φと空間座標(x,y,z)とを関連づける表又は近似式を予め画素毎に作成しておき、距離計測時には、この表又は近似式を参照して、各画素から得られる一次元格子の位相から空間座標(即ち、計測対象物体21上の点Sの座標)を求めることができる。より具体的には、制御ユニット50における三次元空間座標算出部516の一機能として、カメラ13の画素位置で定まるX軸及びY軸のx,y座標とZ軸のz座標からなる三次元空間座標について、特許文献1で開示されるような所定の基準平板(以下、「基準面」とも称する)を用いて計測された一定間隔のz座標毎に表又は近似式による全空間テーブルを作成してメモリ52に保持しておき、計測対象物体21について算出した一次元格子の位相φから、メモリ52に保持したこれらの表又は近似式を参照して計測対象物体21に関する三次元空間座標を導出するように構成すればよい。   For the phase analysis processing related to the projection grating, a table or approximate expression that associates the phase φ of the one-dimensional grating with the spatial coordinates (x, y, z) is created in advance for each pixel by applying a total space table forming technique. In the distance measurement, the spatial coordinates (that is, the coordinates of the point S on the measurement target object 21) can be obtained from the phase of the one-dimensional lattice obtained from each pixel with reference to this table or the approximate expression. More specifically, as a function of the three-dimensional space coordinate calculation unit 516 in the control unit 50, a three-dimensional space composed of the x and y coordinates of the X and Y axes determined by the pixel position of the camera 13 and the z coordinate of the Z axis. For coordinates, a table or an entire space table by an approximate expression is created for each z coordinate at a predetermined interval measured using a predetermined reference flat plate (hereinafter also referred to as “reference plane”) as disclosed in Patent Document 1. The three-dimensional spatial coordinates related to the measurement target object 21 are derived from the phase φ of the one-dimensional lattice calculated for the measurement target object 21 with reference to these tables or approximate expressions held in the memory 52. What is necessary is just to comprise so.

つまり、制御ユニット50は、カメラ13の撮影画像から得られる各画素位置の輝度から各光源による一次元格子の位相θを算出し、予め用意した表又は近似式による全空間テーブル化技法に基づいて計測対象物体21に関する高さ座標zを求める処理を行うことができる。x,y座標については、例えばフーリエ変換格子法による位相解析から求めることができる。したがって、カメラ13の画素毎に、z座標が得られ、また、x,y座標も得られる。   That is, the control unit 50 calculates the phase θ of the one-dimensional grating by each light source from the luminance at each pixel position obtained from the captured image of the camera 13, and based on a table prepared in advance or an all-space table forming technique using an approximate expression. A process for obtaining the height coordinate z related to the measurement target object 21 can be performed. The x and y coordinates can be obtained from phase analysis by the Fourier transform lattice method, for example. Therefore, the z coordinate is obtained for each pixel of the camera 13, and the x and y coordinates are also obtained.

以下、全空間テーブル化技法に基づいた計測原理について具体的に説明する。   Hereinafter, the measurement principle based on the total space table forming technique will be described in detail.

以下の説明では、5つの光源L−2,L−1,L,L及びLのそれぞれの発光輝度分布(発光の指向特性)は、観測範囲内において均一で等しいと仮定する。尚、均一でない場合は、その分布を係数として撮影画像から得られる輝度値を補正すればよい。また、光源面と格子面を平行に配置した例について説明する。ここで、光源面と格子面が平行でない場合、光源面と格子面との間の距離dは、光源アレイ11の原点Oから格子プレート12の格子面までZ軸方向の距離として、これに伴う各光源の発光輝度分布(発光の指向特性)の不均一性も同様に輝度値を補正すればよい。 In the following description, it is assumed that the respective light emission luminance distributions (light emission directivity characteristics) of the five light sources L −2 , L −1 , L 0 , L 1 and L 2 are uniform and equal within the observation range. If it is not uniform, the luminance value obtained from the captured image may be corrected using the distribution as a coefficient. An example in which the light source surface and the lattice surface are arranged in parallel will be described. Here, when the light source surface and the lattice surface are not parallel, the distance d between the light source surface and the lattice surface is a distance in the Z-axis direction from the origin O of the light source array 11 to the lattice surface of the lattice plate 12. The non-uniformity of the light emission luminance distribution (light emission directivity) of each light source may be corrected similarly.

〔形状計測装置1の校正処理方法及び制御ユニットによる制御方法〕
次に、図3を参照して本実施形態の形状計測装置1の校正処理方法及び制御方法について説明する。図3は、本発明による一実施形態の形状計測装置1における動作フローの一例を示す図である。
[Calibration processing method of shape measuring apparatus 1 and control method by control unit]
Next, a calibration processing method and a control method of the shape measuring apparatus 1 of the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a diagram illustrating an example of an operation flow in the shape measuring apparatus 1 according to an embodiment of the present invention.

(校正処理)
前述したように、本実施形態の形状計測装置1の制御上、光源によって計測対象物体21に投影される格子の影の位相を基に計測対象物体に関する三次元空間座標を求める技法と、一次元格子と格子の影からなるモアレ縞の位相を基に前記計測対象物体に関する三次元空間座標を求める技法とがある。まず、カメラ13による撮影画像に関して、格子の影の位相を算出するときには格子プレート12の格子部分以外の領域で所定の範囲(好適には、1格子ピッチ又は1/2格子ピッチの範囲)に予め定めた画素数を割り当てるようにし、一次元格子と格子の影からなるモアレ縞の位相を算出するときには1組の一次元格子及び格子の影を含む所定の範囲(好適には、1格子ピッチの範囲)に予め定めた画素数を割り当てるようにして、カメラ13の計測範囲の画素位置(x,y)を決定する(ステップS1)。
(Calibration process)
As described above, in the control of the shape measuring apparatus 1 of the present embodiment, a technique for obtaining three-dimensional spatial coordinates related to the measurement target object based on the phase of the grid shadow projected onto the measurement target object 21 by the light source, and the one-dimensional There is a technique for obtaining a three-dimensional spatial coordinate related to the measurement target object based on the phase of a moire fringe composed of a lattice and a shadow of the lattice. First, regarding the image captured by the camera 13, when calculating the phase of the shadow of the grid, it is preliminarily set within a predetermined range (preferably, a range of 1 grid pitch or 1/2 grid pitch) in an area other than the grid portion of the grid plate 12. A predetermined number of pixels is allocated, and when calculating the phase of a moire fringe composed of a one-dimensional grid and a grid shadow, a predetermined range including a set of one-dimensional grid and grid shadow (preferably with a grid pitch of one grid pitch). The pixel position (x, y) in the measurement range of the camera 13 is determined by assigning a predetermined number of pixels to (range) (step S1).

計測範囲における格子ピッチp、光源ピッチl及び(N,M)を決定して、形状計測装置1を構成する(ステップS2)。尚、(N,M)の決定とは、後述する式(21)に示すように、N回位相シフトをしたときの総位相シフト量が−2πMとなるように、計測距離に応じて光源切替を行う光源を予め決定しておくことを意味する。   The shape measuring apparatus 1 is configured by determining the grating pitch p, the light source pitch l, and (N, M) in the measurement range (step S2). Note that (N, M) is determined by switching the light source according to the measurement distance so that the total phase shift amount when the phase shift is performed N times is −2πM, as shown in equation (21) described later. This means that the light source for performing is determined in advance.

次に、格子ピッチp、光源ピッチl及び(N,M)の値を基に、校正処理を実行する(ステップS3)。具体的には、格子ピッチp、光源ピッチl及び(N,M)の組み合わせを基に決定される複数の高さ座標zのうちの1つ高さ座標zの位置に、二次元平面座標x,yを有する所定の基準面を配置する。制御ユニット50は、格子ピッチp、光源ピッチl及び(N,M)の組み合わせを基に決定される複数の光源のうちの1つの光源を点灯し、配置した基準面上に一次元格子の像を投影する。カメラ13は、基準面上に投影した一次元格子の像を撮影する。続いて、制御ユニット50、格子ピッチp、光源ピッチl及び(N,M)の組み合わせを基に決定される複数の高さ座標zのすべてについて、一次元格子の像の撮影を繰り返し、当該撮影した一次元格子の像から算出する位相のうち基準面の高さ座標zに対して1:1の対応関係がある位相の値をカメラ13の画素ごとに算出する。   Next, calibration processing is executed based on the values of the grating pitch p, the light source pitch l, and (N, M) (step S3). Specifically, the two-dimensional plane coordinate x is located at one height coordinate z among a plurality of height coordinates z determined based on the combination of the grating pitch p, the light source pitch l, and (N, M). , Y is arranged. The control unit 50 turns on one of the plurality of light sources determined based on the combination of the grating pitch p, the light source pitch l, and (N, M), and displays an image of a one-dimensional grating on the arranged reference plane. Project. The camera 13 captures an image of a one-dimensional lattice projected on the reference plane. Subsequently, the imaging of the one-dimensional grating is repeated for all of the plurality of height coordinates z determined based on the combination of the control unit 50, the grating pitch p, the light source pitch l, and (N, M). Among the phases calculated from the image of the one-dimensional lattice, a phase value having a 1: 1 correspondence with the height coordinate z of the reference plane is calculated for each pixel of the camera 13.

次に、制御ユニット50は、1:1の対応関係がある高さzと位相φについて、全空間テーブルを作成し、メモリ52に記憶保持する(ステップS4)。具体的には、制御ユニット50は、カメラ13の画素ごとに基準面における二次元平面座標x,yを算出し、カメラ13の画素ごとに当該算出した位相の値に対応する高さ座標z及び二次元平面座標x,yからなる三次元空間座標の表又は近似式をそれぞれ作成して全空間テーブルとして構成し、メモリ52に記憶保持する。これにより、校正処理が終了する。   Next, the control unit 50 creates an entire space table for the height z and the phase φ having a 1: 1 correspondence relationship, and stores and holds them in the memory 52 (step S4). Specifically, the control unit 50 calculates the two-dimensional plane coordinates x, y on the reference plane for each pixel of the camera 13, and the height coordinate z corresponding to the calculated phase value for each pixel of the camera 13 and A table or approximate expression of three-dimensional space coordinates composed of two-dimensional plane coordinates x and y is created and configured as an all space table, and stored in the memory 52. Thereby, the calibration process is completed.

(制御ユニットによる制御方法)
実際の計測対象物体21の計測にあたって、制御ユニット50の計測範囲設定部511は、計測対象物体21に関する計測範囲を設定し、その計測範囲について光源決定部512に指示する(ステップS5)。実際の計測時においても、カメラ13による撮影画像に関して、格子の影の位相を算出するときには格子プレート12の格子部分以外の領域で所定の範囲(好適には、1格子ピッチ又は1/2格子ピッチの範囲)に予め定めた画素数が割り当てられ、一次元格子と格子の影からなるモアレ縞の位相を算出するときには1組の一次元格子及び格子の影を含む所定の範囲(好適には、1格子ピッチの範囲)に予め定めた画素数が割り当てられる。
(Control method by control unit)
In actual measurement of the measurement target object 21, the measurement range setting unit 511 of the control unit 50 sets a measurement range related to the measurement target object 21, and instructs the light source determination unit 512 about the measurement range (step S5). Even during actual measurement, when calculating the phase of the grid shadow with respect to the image captured by the camera 13, a predetermined range (preferably 1 grid pitch or 1/2 grid pitch) in an area other than the grid portion of the grid plate 12 is used. A predetermined number of pixels is assigned to a predetermined range (preferably, including a set of one-dimensional grid and grid shadow) when calculating the phase of the moire fringe composed of the one-dimensional grid and grid shadow. A predetermined number of pixels is assigned to a range of one grid pitch.

続いて、制御ユニット50の光源決定部512は、計測範囲に応じて位相シフトのための点灯切り替えを行う光源の組み合わせ(3つ以上の光源)を決定し、決定した各光源を順次点灯するための光源切替制御信号を光源アレイ11に供給することにより、5つの光源のうち1つを点灯する(ステップS6)。   Subsequently, the light source determination unit 512 of the control unit 50 determines a combination of light sources (three or more light sources) that performs lighting switching for phase shift according to the measurement range, and sequentially lights each determined light source. Is supplied to the light source array 11 to turn on one of the five light sources (step S6).

続いて、制御ユニット50のカメラ撮像処理部513は、格子プレート12を介して一次元格子が投影された計測対象物体21をカメラ13で撮影する(ステップS7)。   Subsequently, the camera imaging processing unit 513 of the control unit 50 captures the measurement target object 21 onto which the one-dimensional lattice is projected via the lattice plate 12 with the camera 13 (step S7).

続いて、制御ユニット50のカメラ撮像処理部513は、ステップS2で決定した位相シフトを行う光源の全てについて撮影したか否かを判定する(ステップS8)。位相シフトを行う光源の全てについて撮影していた場合(ステップS8:Y)、ステップS9に移行する。他方、位相シフトを行う光源の全てについて撮影していない場合(ステップS8:N)、その全ての撮影が完了するまでステップS6、S7を繰り返す。これにより、位相シフトを行う光源を順次点灯させて、計測対象物体21に投影される一次元格子の位相をシフトさせながら計測対象物体21を撮影した画像信号を得ることができる。この画像信号は、画素別の輝度値として得ることが可能となる。   Subsequently, the camera imaging processing unit 513 of the control unit 50 determines whether or not all of the light sources that perform the phase shift determined in Step S2 have been photographed (Step S8). If all the light sources that perform phase shifting have been photographed (step S8: Y), the process proceeds to step S9. On the other hand, if not all of the light sources that perform phase shifting have been imaged (step S8: N), steps S6 and S7 are repeated until all of the imaging is completed. Accordingly, it is possible to obtain an image signal obtained by photographing the measurement target object 21 while sequentially turning on the light source that performs the phase shift and shifting the phase of the one-dimensional grating projected onto the measurement target object 21. This image signal can be obtained as a luminance value for each pixel.

即ち、制御ユニット50の画素別輝度算出部514は、当該位相シフトによるそれぞれの輝度値をカメラ13の画素毎に決定する(ステップS9)。   That is, the pixel-by-pixel luminance calculation unit 514 of the control unit 50 determines each luminance value by the phase shift for each pixel of the camera 13 (step S9).

続いて、制御ユニット50の位相算出部515は、当該算出した輝度値から計測対象物体21に投影された一次元格子の位相φを算出する(ステップS10)。   Subsequently, the phase calculation unit 515 of the control unit 50 calculates the phase φ of the one-dimensional grating projected onto the measurement target object 21 from the calculated luminance value (step S10).

続いて、制御ユニット50の位相算出部515は、得られた位相φを基に全空間テーブルを参照し、計測対象物体21の三次元空間座標を決定する(ステップS11)。このようにして、撮影された画像に対して位相解析処理を施して、計測対象物体21の形状を求めることができる。   Subsequently, the phase calculation unit 515 of the control unit 50 refers to the entire space table based on the obtained phase φ, and determines the three-dimensional space coordinates of the measurement target object 21 (step S11). In this manner, the shape of the measurement target object 21 can be obtained by performing the phase analysis process on the captured image.

図1を参照するに、カメラ13は、5つの光源L−2,L−1,L,L及びLのうちの1つの点灯によってそれぞれ一次元格子が投影された計測対象物体21を撮影する。カメラ13としては、CCDセンサーやCMOSセンサー等を使用したものとすることができる。x,y座標については、例えばフーリエ変換格子法により、X軸方向及びY軸方向の位相をそれぞれ求め、更に位相接続を行うことにより、各点におけるx座標及びy座標をそれぞれ得ることができる(例えば、特許第3281918号明細書参照)。 Referring to FIG. 1, the camera 13 displays a measurement target object 21 onto which a one-dimensional lattice is projected by lighting one of five light sources L −2 , L −1 , L 0 , L 1 and L 2. Take a picture. As the camera 13, a CCD sensor, a CMOS sensor, or the like can be used. For the x and y coordinates, for example, the phase in the X-axis direction and the Y-axis direction are obtained by the Fourier transform grid method, and the phase connection is further performed to obtain the x-coordinate and y-coordinate at each point ( For example, see Japanese Patent No. 3281918).

尚、光源と格子プレート12との間や、格子プレート12と計測対象物体21との間に、レンズ等の像の拡大や縮小を行う部材を配置することもできる。   In addition, a member for enlarging or reducing an image such as a lens may be disposed between the light source and the grating plate 12 or between the grating plate 12 and the measurement target object 21.

上述した実施形態の形状計測装置1では、光源アレイ11は、複数種の位相シフト回数に対応する少なくとも3つの等間隔に配置された点光源あるいは直線状光源からなるものとし、制御ユニット50は、少なくとも3つの光源のうち、当該投影する格子の影の位相シフトを行う光源を決定し、当該決定した各光源を順次点灯してそれぞれ計測対象物体21上に投影される格子の影又はモアレ縞を撮影するようカメラ13を制御し、当該決定した各光源による計測対象物体21上に投影された格子の影の位相又はモアレ縞の位相をカメラ13の画素ごとにそれぞれ算出するものとした。即ち、上述した実施形態の形状計測装置1は、光源切替位相シフト法を利用した態様である。   In the shape measuring apparatus 1 of the above-described embodiment, the light source array 11 is composed of at least three point light sources or linear light sources arranged at equal intervals corresponding to a plurality of types of phase shifts. Of the at least three light sources, a light source that performs phase shift of the shadow of the grid to be projected is determined, and each of the determined light sources is sequentially turned on, and the shadow or moire fringe of the grid projected on the measurement target object 21 respectively. The camera 13 is controlled to take a picture, and the phase of the shadow of the grating or the phase of the moire fringes projected on the measurement target object 21 by each of the determined light sources is calculated for each pixel of the camera 13. That is, the shape measuring apparatus 1 according to the above-described embodiment is an aspect using the light source switching phase shift method.

一方で、詳細に後述するように、本実施形態の形状計測装置1の一態様として、光源アレイ11は、1つの点光源あるいは直線状光源からなるものとし、この形状計測装置1が、計測対象物体21に対して格子プレート12と平行な面上にて所定速度で相対移動する配置関係にあるとき(以下、単に「相対移動」とも称する。)、制御ユニット50は、当該所定速度に同期して計測対象物体21上に投影される格子の影又はモアレ縞を撮影するようカメラ13を制御し、計測対象物体21上に投影された格子の影の位相又はモアレ縞の位相をカメラ13の画素ごとにそれぞれ算出するように構成することができる。即ち、この場合は、相対移動による位相シフト法を利用した態様である。   On the other hand, as will be described later in detail, as one aspect of the shape measuring apparatus 1 of the present embodiment, the light source array 11 is composed of one point light source or a linear light source. When the relative position of the object 21 moves relative to the object plate 21 at a predetermined speed (hereinafter, also simply referred to as “relative movement”), the control unit 50 synchronizes with the predetermined speed. Then, the camera 13 is controlled so as to capture a grid shadow or moire fringe projected on the measurement target object 21, and the phase of the grid shadow or moire fringe projected on the measurement target object 21 is determined by the pixel of the camera 13. It can comprise so that it may each calculate for every. That is, in this case, the phase shift method using relative movement is used.

さらに、詳細に後述するように、本実施形態の形状計測装置1の一態様として、光源アレイ11は、複数種の位相シフト回数に対応する少なくとも3つの等間隔に配置された点光源あるいは直線状光源からなるものとし、この形状計測装置1が、計測対象物体21に対して格子プレート12と平行な面上にて所定速度で相対移動する配置関係にあるとき、制御ユニット50は、少なくとも3つの光源のうち、当該投影する格子の影の位相シフトを行う光源を決定し、当該決定した各光源を順次点灯してそれぞれ計測対象物体21上に投影される格子の影又はモアレ縞を撮影するようカメラ13を制御し、当該決定した各光源による計測対象物体21上に投影された格子の影の位相又はモアレ縞の位相をカメラ13の画素ごとにそれぞれ算出するように構成することができる。即ち、この場合は、光源切替と相対移動の双方による位相シフト法を利用した態様である。   Furthermore, as will be described in detail later, as one aspect of the shape measuring apparatus 1 of the present embodiment, the light source array 11 includes point light sources or linear shapes arranged at at least three equal intervals corresponding to the number of types of phase shifts. When the shape measuring apparatus 1 is arranged to move relative to the measurement target object 21 at a predetermined speed on a plane parallel to the grid plate 12, the control unit 50 includes at least three. Among the light sources, a light source that performs phase shift of the shadow of the grid to be projected is determined, and each of the determined light sources is sequentially turned on so as to capture the shadow or moire fringe projected on the measurement target object 21. The camera 13 is controlled, and the phase of the grid shadow or the moire fringe projected on the measurement target object 21 by each of the determined light sources is calculated for each pixel of the camera 13. It can be configured to. That is, in this case, the phase shift method using both light source switching and relative movement is used.

さらに、詳細に後述するように、本実施形態の形状計測装置1の一態様として、カメラ13は、異なる視線で光源アレイ11における光源の点灯により格子プレート12による格子の影が投影される計測対象物体21を撮影する複数のカメラからなるものとすることができる。この場合、制御ユニット50は、計測対象物体21上に投影される格子の影又はモアレ縞をそれぞれ異なる個所で撮影するよう当該複数のカメラを制御し、当該複数のカメラで撮影された画像を基に計測対象物体21に投影された格子の影の位相又はモアレ縞の位相をカメラ13の画素ごとにそれぞれ算出するように構成することができる。   Further, as will be described in detail later, as an aspect of the shape measuring apparatus 1 of the present embodiment, the camera 13 is a measurement target on which a grid shadow is projected by the grid plate 12 by turning on the light sources in the light source array 11 with different lines of sight. It can be composed of a plurality of cameras that photograph the object 21. In this case, the control unit 50 controls the plurality of cameras so that the shadows or moire fringes of the lattice projected onto the measurement target object 21 are photographed at different locations, and based on the images photographed by the plurality of cameras. The phase of the shadow of the grating projected on the measurement target object 21 or the phase of the moire fringes can be calculated for each pixel of the camera 13.

特に、形状計測装置1が、計測対象物体21に対して所定速度で相対移動する配置関係にあるときには、モアレ縞の輝度値を検出すれば、この輝度変化を利用して、計測対象物体21の形状を計測することができる。   In particular, when the shape measuring device 1 is in an arrangement relationship in which the shape measuring device 1 moves relative to the measurement target object 21 at a predetermined speed, if the luminance value of the moire fringe is detected, the luminance change is used to detect the measurement target object 21. The shape can be measured.

以下、上記の幾つかの態様に関する形状計測装置1の動作原理について、より詳細に説明する。   Hereinafter, the operation principle of the shape measuring apparatus 1 related to the above-described several aspects will be described in more detail.

図4は、本実施形態の形状計測装置1に関して、複数の光源からなる光源アレイ11と、格子プレート12と、1台のカメラ13によって、計測対象物体21の形状を計測する際の構成例とその動作原理を示している。図4(a)は、上面図であり、図4(b)は、側面図である。本発明に係る「位相シフトシャドー計測法」には、格子の影を利用して光源切替によって位相シフトを行う技法(以下、「光源切替位相シフトシャドー計測法」と称する。)と、格子の影を利用して相対移動によって位相シフトを行う技法(以下、「相対移動位相シフトシャドー計測法」と称する。)とがある。まず、「光源切替位相シフトシャドー計測法」には、格子プレート12の格子部分以外の領域で計測対象物体21に投影される格子の影(投影格子)の位相を求め、この位相から形状計測を行う技法を「光源切替位相シフトシャドー格子法」と称し、格子と格子の影(投影格子)が形成するモアレ縞の位相を求め、この位相から形状計測を行う技法を「光源切替位相シフトシャドーモアレ法」と称して、順に説明する。   FIG. 4 shows a configuration example when measuring the shape of the measurement target object 21 with the light source array 11 composed of a plurality of light sources, the lattice plate 12, and one camera 13 in the shape measuring apparatus 1 of the present embodiment. The operation principle is shown. FIG. 4A is a top view, and FIG. 4B is a side view. The “phase shift shadow measurement method” according to the present invention includes a technique of performing phase shift by switching light sources using the shadow of the grating (hereinafter referred to as “light source switching phase shift shadow measurement method”), and a shadow of the grating. There is a technique (hereinafter referred to as “relative movement phase shift shadow measurement method”) in which phase shift is performed by relative movement using the above. First, in the “light source switching phase shift shadow measurement method”, the phase of a grid shadow (projection grid) projected onto the measurement target object 21 in an area other than the grid portion of the grid plate 12 is obtained, and shape measurement is performed from this phase. The technique to perform is called the “light source switching phase shift shadow grating method”, the phase of moire fringes formed by the grating and the shadow of the grating (projection grating) is obtained, and the technique of measuring the shape from this phase is called “light source switching phase shift shadow moire method”. The method will be described in order.

(光源切替位相シフトシャドー格子法)
図4に示すように、通常、カメラ13の視野内に格子が写っている場合、格子が写っている部分の画像データは解析に使えず、その部分の情報は欠落する。そこで、光源切替位相シフトシャドー格子法によるときは、形状計測装置1は、カメラ13の視野内に配置される格子プレート12における格子部分以外の領域で、カメラ13によって、計測対象物体21に投影された格子の影(投影格子)を観測し、光源切替によって格子の影の輝度変化を生じさせ、この輝度変化から格子の影の位相を算出する。例えば、図5は、本実施形態の形状計測装置1に関して、光源切替位相シフトシャドー格子法におけるカメラ13の計測範囲における計測画素列と、格子及び投影格子の関係の一例を示している。図5(a)は、上面図であり、図5(b)は、側面図である。また、図6は、本実施形態の形状計測装置1に関して、光源切替位相シフトシャドー格子法におけるカメラ13の計測範囲における計測画素列と、格子及び投影格子の関係の別の一例を示している。図6(a)は、上面図であり、図6(b)は、側面図である。図5及び図6において、いずれも、カメラ13による撮影画像に関して、格子の影の位相を算出するときには格子プレート12の格子部分以外の領域で所定の範囲(好適には、1格子ピッチ又は1/2格子ピッチの範囲)に、予め定めた画素数が割り当てられている。このように、格子ピッチで1周期分となる範囲に予め定めた画素数(即ち、1以上の整数)としているため、格子の影の位相解析を高精度で行うことができる。
(Light source switching phase shift shadow grating method)
As shown in FIG. 4, normally, when a lattice is captured in the field of view of the camera 13, image data of the portion where the lattice is captured cannot be used for analysis, and information on the portion is lost. Therefore, when the light source switching phase shift shadow grating method is used, the shape measuring apparatus 1 is projected onto the measurement target object 21 by the camera 13 in an area other than the grating portion in the grating plate 12 arranged in the field of view of the camera 13. The grid shadow (projection grid) is observed, the brightness change of the grid shadow is caused by switching the light source, and the phase of the grid shadow is calculated from this brightness change. For example, FIG. 5 shows an example of the relationship between the measurement pixel array in the measurement range of the camera 13 in the light source switching phase shift shadow grating method, the grating, and the projection grating in the shape measuring apparatus 1 of the present embodiment. FIG. 5A is a top view, and FIG. 5B is a side view. FIG. 6 shows another example of the relationship between the measurement pixel array in the measurement range of the camera 13 in the light source switching phase shift shadow grating method, the grating, and the projection grating in the shape measuring apparatus 1 of the present embodiment. 6A is a top view, and FIG. 6B is a side view. 5 and 6, both of the images taken by the camera 13 calculate the phase of the grid shadow when calculating the phase of the grid shadow in a predetermined range (preferably one grid pitch or 1 / A predetermined number of pixels is assigned to a range of 2 lattice pitches. As described above, since the number of pixels (that is, an integer of 1 or more) set in advance in a range corresponding to one period at the grating pitch, the phase analysis of the shadow of the grating can be performed with high accuracy.

次に、図7に示すように、2台のカメラ13‐1,13‐2を使用する場合を考える。1台目のカメラ13‐1では格子で見えなかった部分を、2台目のカメラ13‐2によって見えるように設置する。このようにして撮影した2台のカメラの画像の両方の画像の物体が見えるデータだけを抽出するか、対応する画像を平均化することにより、投影されている格子の影のすべてが見えてくることになる。これにより計測対象物体21の形状計測領域に関するすべての箇所での輝度変化、又は位相が解析できることになる。図8は、本実施形態の形状計測装置1に関して、2台のカメラ13‐1,13‐2の計測範囲における計測画素列と、格子及び投影格子の関係の一例を示している。この例では、図8(a)は、第1カメラ撮像時の上面図であり、図8(b)は、第1カメラ撮像時(光源切替で或る格子の影が進んでいく場所として図示する“1”及び“2”)の側面図である。図8(c)は、第2カメラ撮像時(光源切替で或る格子の影が進んでいく場所として図示する“3”及び“4”)の上面図であり、図8(d)は、第2カメラ撮像時の側面図である。   Next, consider the case where two cameras 13-1 and 13-2 are used as shown in FIG. The first camera 13-1 is installed so that a portion that cannot be seen by the grid can be seen by the second camera 13-2. By extracting only the data in which the objects of both images of the two cameras taken in this way are visible, or by averaging the corresponding images, all of the shadows of the projected grid can be seen. It will be. As a result, it is possible to analyze the luminance change or the phase at all locations related to the shape measurement region of the measurement target object 21. FIG. 8 shows an example of the relationship between the measurement pixel array, the grid, and the projection grid in the measurement range of the two cameras 13-1 and 13-2 in the shape measuring apparatus 1 of the present embodiment. In this example, FIG. 8A is a top view when the first camera is imaged, and FIG. 8B is illustrated as a place where the shadow of a certain grid advances when the first camera is imaged (light source switching). 2 are side views of “1” and “2”). FIG. 8C is a top view of the second camera (“3” and “4” illustrated as places where the shadow of a certain grid advances when the light source is switched), and FIG. It is a side view at the time of 2nd camera imaging.

つまり、図8において、このように2台のカメラ13‐1,13‐2を用いて光源切替位相シフト法に従って光源を切り替えることにより、位相シフトされたN枚の画像を撮影することができ、光源切替位相シフト法により計測可能となる。尚、2台のカメラ13‐1,13‐2を使用する場合、各カメラを同期させて同時撮影を行うようにし、各カメラのx軸方向に連続するN画素を格子の1ピッチとなるように倍率を調整する。これにより、N回の連続する光源位置の点灯切り替えを行うことで、格子の影は1ピッチ分進むことになり、各カメラの各画素に対応する格子の位相は1周期分位相シフトする。したがって、各カメラで位相シフトした画像をNコマ撮影し、位相シフトされた格子の影の輝度データを得ることができる。この輝度データから、一次元格子の位相φを算出し、得られた位相φを基に全空間テーブルを参照し、計測対象物体21の三次元空間座標を決定することができる。2台のカメラを利用することで、1台のカメラだけでは格子が見えず計測できなかった部分がなくなり、高解像の解析が可能となる。   That is, in FIG. 8, by switching the light source according to the light source switching phase shift method using the two cameras 13-1 and 13-2, N phase-shifted images can be taken. Measurement is possible by the light source switching phase shift method. When two cameras 13-1 and 13-2 are used, the cameras are synchronized to perform simultaneous shooting so that N pixels continuous in the x-axis direction of each camera become one pitch of the grid. Adjust the magnification. Thus, by performing lighting switching of N consecutive light source positions, the shadow of the grating advances by one pitch, and the phase of the grating corresponding to each pixel of each camera is phase-shifted by one period. Therefore, it is possible to take N frames of images phase-shifted by each camera and obtain phase-shifted grid shadow luminance data. From this luminance data, the phase φ of the one-dimensional grating is calculated, and the three-dimensional spatial coordinates of the measurement target object 21 can be determined by referring to the entire space table based on the obtained phase φ. By using two cameras, there is no portion that cannot be measured because only one camera cannot see the lattice, and high resolution analysis is possible.

(光源切替位相シフトシャドーモアレ法)
一方、光源切替位相シフトシャドーモアレ法によるときは、形状計測装置1は、カメラ13の視野内にて、計測対象物体21に投影された格子の影(投影格子)と格子から形成されるモアレ縞を観測し、光源切替によって格子の影の輝度変化を生じさせ、この輝度変化からモアレ縞の位相を算出する。カメラ13による撮影画像に関して、格子の影の位相を算出するときには格子プレート12の格子部分以外の領域で1組の一次元格子及び格子の影を含む所定の範囲(好適には、1格子ピッチの範囲)に予め定めた画素数を割り当てている。このように、位相解析処理の範囲を予め定めた画素数(即ち、1以上の整数)としているため、格子の影の位相解析を高精度で行うことができる。
(Light source switching phase shift shadow moire method)
On the other hand, when the light source switching phase shift shadow moiré method is used, the shape measuring apparatus 1 moiré fringes formed from the grid shadow (projection grid) projected onto the measurement target object 21 and the grid within the field of view of the camera 13. Is observed, and the luminance change of the shadow of the grating is caused by switching the light source, and the phase of the moire fringe is calculated from this luminance change. When calculating the phase of the grid shadow with respect to the image taken by the camera 13, a predetermined range including a set of one-dimensional grid and grid shadow in an area other than the grid portion of the grid plate 12 (preferably having a grid pitch of 1 grid pitch). A predetermined number of pixels is assigned to (range). Thus, since the range of the phase analysis processing is set to a predetermined number of pixels (that is, an integer of 1 or more), the phase analysis of the grid shadow can be performed with high accuracy.

尚、「光源切替位相シフトシャドーモアレ法」においても、図8に示すように、複数台のカメラ(例えば、2台のカメラ13‐1,13‐2)を使用することにより、1台のカメラだけでは格子が見えず計測できなかった部分がなくなり、高解像の解析が可能となる。   In the “light source switching phase shift shadow moire method” as well, as shown in FIG. 8, a plurality of cameras (for example, two cameras 13-1 and 13-2) are used, so that one camera is used. With this method, there is no part that cannot be measured because the grid is not visible, and high resolution analysis is possible.

光源切替位相シフトシャドー格子法と光源切替位相シフトシャドーモアレ法のいずれを使用するかは、用途に応じて決定すればよい。ただし、同じ計測対象物体21の形状を計測する場合でも、光源切替位相シフトシャドー格子法によるときは格子の影の位相は格子1ピッチの範囲で2πの位相変化が生じるが、光源切替位相シフトシャドーモアレ法によるときは、モアレ縞の位相=格子プレート12における格子の位相−格子の影の位相を計測するため、1つの光源点灯時で生じるモアレ縞の1周期分の長さは格子ピッチよりも遙かに大きくなることがあり、このため、光源切替えによって2πの位相変化が生じるよう光源ピッチを決定する必要がある。   Whether to use the light source switching phase shift shadow grating method or the light source switching phase shift shadow moire method may be determined according to the application. However, even when measuring the shape of the same object to be measured 21, when the light source switching phase shift shadow grating method is used, the phase of the shadow of the grating changes by 2π in the range of one pitch of the grating, but the light source switching phase shift shadow is generated. When the moire method is used, the phase of the moire fringes = the phase of the grating in the grating plate 12−the phase of the shadow of the grating is measured, and therefore the length of one period of the moire fringes generated when one light source is turned on is longer than the grating pitch. For this reason, it is necessary to determine the light source pitch so that a phase change of 2π occurs due to the light source switching.

即ち、光源切替位相シフトシャドー格子法においては格子の影自体の位相を解析する。一方、光源切替位相シフトシャドーモアレ法においては、格子と格子の影を同時に観測したときに現れるモアレ縞を観測するため、格子の1ピッチをカメラ13のx軸方向に連続するN画素に合わせ、格子と格子の影の両方が写っている部分のN画素の平均の明るさがモアレ縞の明るさとなることから、このモアレ縞の位相を解析することになる。光源切替位相シフトシャドー格子法と光源切替位相シフトシャドーモアレ法のいずれにおいても、光源アレイ11の光源の点灯を切り替えることで、位相シフトを行うことができる。   That is, in the light source switching phase shift shadow grating method, the phase of the grating shadow itself is analyzed. On the other hand, in the light source switching phase shift shadow moire method, in order to observe the moire fringes that appear when the lattice and the shadow of the lattice are observed simultaneously, one pitch of the lattice is adjusted to N pixels continuous in the x-axis direction of the camera 13, Since the average brightness of the N pixels in the portion where both the lattice and the shadow of the lattice are reflected becomes the brightness of the moire fringes, the phase of the moire fringes is analyzed. In both the light source switching phase shift shadow grating method and the light source switching phase shift shadow moire method, the phase shift can be performed by switching the lighting of the light sources of the light source array 11.

図9は、本実施形態の形状計測装置1に関して、光源切替位相シフトシャドーモアレ法におけるカメラ13の計測範囲における計測画素列と、格子及び投影格子の関係の一例を示している。この例では、図9(a)は、上面図であり、図9(b)は、側面図である。図9において、1台のカメラ13のx軸方向N画素を格子の1ピッチとなるように倍率を設定し(同図では、N=4)、1回の撮像で、連続するN画素の平均輝度を取ることにより先頭画素(図示“1”の画素)の輝度変化が得られる。尚、1台のカメラ13の設置に関して、上記のN画素単位でモアレ縞が得られるように倍率と配置を調整している。図9では、平均輝度を取る画素列に関して説明の便宜のために行をずらして示しているが同じ行で1画素ずつずらして平均を取るようにする。計測対象物体に対する相対移動がないときは、X軸方向に1画素ずつずらしながらN画素の平均輝度を求めても位相シフトしたモアレ縞1周期分は得られないが、計測対象物体21に対する相対移動があるときはモアレ縞1周期分を得ることができる。   FIG. 9 shows an example of the relationship between the measurement pixel array in the measurement range of the camera 13 in the light source switching phase shift shadow moiré method, the grating, and the projection grating in the shape measuring apparatus 1 of this embodiment. In this example, FIG. 9A is a top view and FIG. 9B is a side view. In FIG. 9, the magnification is set so that N pixels in the x-axis direction of one camera 13 become one pitch of the lattice (N = 4 in the figure), and the average of consecutive N pixels in one imaging. By taking the luminance, the luminance change of the first pixel (the pixel “1” in the figure) can be obtained. Regarding the installation of one camera 13, the magnification and the arrangement are adjusted so that moire fringes are obtained in units of N pixels. In FIG. 9, the pixel columns for which the average luminance is taken are shown by shifting the rows for convenience of explanation, but the average is obtained by shifting one pixel at a time in the same row. When there is no relative movement with respect to the measurement target object, even if the average luminance of N pixels is calculated while shifting one pixel at a time in the X axis direction, one phase-shifted moire fringe cannot be obtained, but relative movement with respect to the measurement target object 21 When there is, one period of moire fringes can be obtained.

(相対移動位相シフトシャドー計測法)
前述したように、本発明に係る「位相シフトシャドー計測法」には、格子の影を利用して光源切替によって位相シフトを行う「光源切替位相シフトシャドー計測法」とは別に、格子の影を利用して相対移動によって位相シフトを行う「相対移動位相シフトシャドー計測法」がある。この「相対移動位相シフトシャドー計測法」においても、光源切替の代わりに相対移動を利用することで、図5〜図8で示す場合と同様に計測が可能となり「相対移動位相シフトシャドー格子法」と称することにする。また、光源切替の代わりに相対移動を利用することで、図9で示す場合と同様に計測が可能となり「相対移動位相シフトシャドーモアレ法」と称することにする。
(Relative moving phase shift shadow measurement method)
As described above, the “phase shift shadow measurement method” according to the present invention includes a grid shadow separately from the “light source switching phase shift shadow measurement method” in which phase shift is performed by switching light sources using the shadow of the grating. There is a “relative movement phase shift shadow measurement method” in which phase shift is performed by relative movement. In this “relative movement phase shift shadow measurement method”, by using relative movement instead of light source switching, measurement can be performed in the same manner as shown in FIGS. 5 to 8, and “relative movement phase shift shadow grating method”. I will call it. Further, by using relative movement instead of light source switching, measurement can be performed in the same manner as in the case shown in FIG. 9, which is referred to as “relative movement phase shift shadow moire method”.

前述した光源切替位相シフトシャドー格子法と光源切替位相シフトシャドーモアレ法では、光源アレイ11の光源の点灯を切り替えることで位相シフトを実現していた。これに対して、相対移動に基づいて格子の影の位相シフトを行う「相対移動位相シフトシャドー格子法」による構成とするときは、光源を切り替えないで1つだけの光源とすることができる。「相対移動位相シフトシャドー格子法」では、カメラ13のN画素が固定されているとき、計測対象物体21が平板の場合でも、シャドー格子法を利用する場合は相対移動に伴って計測対象物体21上の点の位相がシフトするため、格子の影の位相解析を行うことができる。   In the light source switching phase shift shadow grating method and the light source switching phase shift shadow moire method described above, the phase shift is realized by switching the lighting of the light sources of the light source array 11. On the other hand, when the configuration is based on the “relative movement phase shift shadow grating method” in which the phase shift of the shadow of the grating is performed based on the relative movement, only one light source can be obtained without switching the light source. In the “relative movement phase shift shadow grid method”, when the N pixels of the camera 13 are fixed, even when the measurement target object 21 is a flat plate, when the shadow grid method is used, the measurement target object 21 is accompanied by relative movement. Since the phase of the upper point is shifted, the phase analysis of the shadow of the grating can be performed.

一方、相対移動に基づいて格子と格子の影からなるモアレ縞の位相シフトを行う「相対移動位相シフトシャドーモアレ法」では、光源を切り替えないで1つだけの光源とすると、格子と格子の影の両方が写っている部分のx軸方向に連続するN画素の平均を取るため、計測対象物体21上の点が追跡できずモアレ縞の位相のシフトが行われず、位相解析を行うことができない場合がある。そこで、「相対移動位相シフトシャドーモアレ法」においては、同じくN画素の平均を取る場合でも、光源アレイ11の光源を3つ以上用意して、これらの光源を切り替えることでモアレ縞の位相のシフトを行なうことができるようにする。これにより、モアレ縞の位相を解析することができる。   On the other hand, in the “relative movement phase shift shadow moiré method” in which the phase shift of the moire fringes composed of the grating and the shadow of the grating is performed based on the relative movement, the shadow of the grating and the grating is assumed when only one light source is used without switching the light source. Since the average of N pixels that are continuous in the x-axis direction of the portion where both of them are captured is taken, the point on the measurement target object 21 cannot be tracked, the phase of the moire fringe is not shifted, and the phase analysis cannot be performed. There is a case. Thus, in the “relative movement phase shift shadow moiré method”, even when taking the average of N pixels, three or more light sources of the light source array 11 are prepared and the phases of the moiré fringes are shifted by switching these light sources. To be able to do Thereby, the phase of moire fringes can be analyzed.

前述したように、通常、カメラ13の視野内に格子が写っている場合、格子が写っている部分の画像データは解析に使えず、その部分の情報は欠落する。そこで、「計測対象物体に対する相対移動」が有る構成とする場合、計測対象物体21の形状計測に必要な格子の影(投影格子)に関するモアレ縞及びその格子の影の位相を取得することができる。モアレ縞の取得によって、単なる輝度変化からの計測値よりも敏感に変化が作用することから、計測精度が向上する。   As described above, in general, when a lattice is captured in the field of view of the camera 13, image data of a portion where the lattice is captured cannot be used for analysis, and information on the portion is lost. Therefore, when the configuration has “relative movement with respect to the measurement target object”, it is possible to acquire the moire fringes and the phase of the grid shadow related to the grid shadow (projection grid) necessary for the shape measurement of the measurement target object 21. . By acquiring moire fringes, the change is more sensitive than the measurement value from a simple luminance change, and therefore the measurement accuracy is improved.

例えば、形状計測装置1を計測対象物体21に対してx,y平面で移動するか、または計測対象物体21を形状計測装置1に対してx,y平面で移動するか、または形状計測装置1及び計測対象物体21の双方をx,y平面で別方向又は別速度で移動することで、形状計測装置1は計測対象物体21に対して相対移動が生じ、格子の影に関する位相シフトを実現することがきる。尚、前述と同様に、カメラ13のN画素を格子の1ピッチに対応させることで、N画素の平均を取ることにより、モアレ縞を撮影することができる。   For example, the shape measuring apparatus 1 is moved with respect to the measurement target object 21 in the x, y plane, or the measurement target object 21 is moved with respect to the shape measuring apparatus 1 in the x, y plane, or the shape measuring apparatus 1 is moved. The shape measuring apparatus 1 moves relative to the measurement target object 21 by moving both the measurement target object 21 and the measurement target object 21 in different directions or different speeds on the x and y planes, thereby realizing a phase shift related to the shadow of the lattice. I can do it. As described above, the moiré fringes can be photographed by taking the average of N pixels by making the N pixels of the camera 13 correspond to one pitch of the lattice.

「相対移動位相シフトシャドー格子法」及び「相対移動位相シフトシャドーモアレ法」のいずれにおいても、図7に示すように、2台のカメラ13‐1,13‐2を使用する態様とすることができる。   In both of the “relative movement phase shift shadow grating method” and the “relative movement phase shift shadow moire method”, as shown in FIG. 7, two cameras 13-1 and 13-2 may be used. it can.

さらに、相対移動と同時に、格子の影に関するモアレ縞を位相シフトさせるには光源アレイ11を複数の光源で構成し、各光源を切り替えればよい。この場合、光源を切り替えたことによる位相シフトと計測対象物体21が動くことによる位相シフトの両方が同時に生じる。そこで、カメラ13のx軸方向N画素を格子の1/2ピッチに対応させておけば計測対象物体21を追いかけた各画素は半周期でN回の位相シフトに対応する。尚、光源切替による位相シフトと計測対象物体21による位相シフトの双方が打ち消し合うことがないよう、光源切替のタイミングや点灯切替順序を調整する。例えば、光源の切り替え順を計測対対象物体21の移動方向に対して逆にすればよい。   Furthermore, in order to phase shift the moiré fringes relating to the shadow of the grating simultaneously with the relative movement, the light source array 11 may be composed of a plurality of light sources and each light source may be switched. In this case, both a phase shift due to switching of the light source and a phase shift due to movement of the measurement target object 21 occur simultaneously. Therefore, if the N pixels in the x-axis direction of the camera 13 are made to correspond to ½ pitch of the lattice, each pixel chasing the measurement target object 21 corresponds to N phase shifts in a half cycle. Note that the light source switching timing and lighting switching order are adjusted so that both the phase shift due to the light source switching and the phase shift due to the measurement target object 21 do not cancel each other. For example, the light source switching order may be reversed with respect to the movement direction of the measurement object 21.

次に、本発明に係る形状計測装置1の更なる応用例として、相対移動位相シフトシャドー計測法に関して計測対象物体21が一定速度で移動する場合について説明する。   Next, as a further application example of the shape measuring apparatus 1 according to the present invention, a case where the measurement target object 21 moves at a constant speed with respect to the relative movement phase shift shadow measurement method will be described.

〔計測対象物体が一定速度で移動する場合〕
計測対象物体21を所定の移動テーブルに載せ一定速度で動かすことや、計測対象物体21自体を計測対象のコンベアとすることもできる。この場合、光源切替によらずに、1本の線光源(例えば、線状LED光源)のみで、格子の影の位相シフトを算出することができる。図10は、本実施形態の形状計測装置1に関して、1本の線光源(例えば、線状LED光源)として構成する光源アレイ11と、格子プレート12と、1台のカメラ13によって、計測対象物体21の形状を計測する際の構成例とその動作原理を示している。この例では、図10(a)は、上面図であり、図10(b)は、側面図である。図10において、光源アレイ11に関して、1本の線光源(線状LED光源)で格子を照明しても、計測対象物体21の移動によって自動的に位相シフトが行われることになる。したがって、光源は1ライン、カメラも1台で済むことになる。
[When the object to be measured moves at a constant speed]
The measurement target object 21 can be placed on a predetermined moving table and moved at a constant speed, or the measurement target object 21 itself can be used as a measurement target conveyor. In this case, the phase shift of the shadow of the grating can be calculated with only one line light source (for example, a linear LED light source) without switching light sources. FIG. 10 shows an object to be measured by a light source array 11 configured as one line light source (for example, a linear LED light source), a lattice plate 12, and one camera 13 in the shape measuring apparatus 1 of the present embodiment. The example of a structure at the time of measuring the shape of 21 and its operation principle are shown. In this example, FIG. 10 (a) is a top view and FIG. 10 (b) is a side view. In FIG. 10, regarding the light source array 11, even if the grating is illuminated by one line light source (linear LED light source), the phase shift is automatically performed by the movement of the measurement target object 21. Therefore, one light source and one camera are sufficient.

図11(a)は、本実施形態の形状計測装置1に関して、計測対象物体に対する相対移動がある構成とする場合の1本の線光源(例えば、線状LED光源)によって投影される格子の影を撮像するカメラ13の計測範囲における計測画素列と、格子及び投影格子の関係の一例を示す上面図である。また、図11(b)は、本実施形態の形状計測装置1に関して、計測対象物体に対する相対移動がある構成とする場合の1本の線光源(例えば、線状LED光源)によって投影される格子の影を撮像するカメラ13の計測範囲における計測画素列と、格子及び投影格子の関係の別の一例を示す上面図である。即ち、図11は、「相対移動位相シフトシャドー格子法」による計測技法を示しており、図11(a)は、格子の1ピッチをN分割する位相シフト法を示し、図11(b)は、半ピッチをN分割する位相シフト法を示している。   FIG. 11A shows a shadow of a grid projected by one line light source (for example, a linear LED light source) when the shape measuring apparatus 1 of the present embodiment is configured to have a relative movement with respect to the measurement target object. It is a top view which shows an example of the relationship between the measurement pixel row | line | column in the measurement range of the camera 13, and the grating | lattice, and a projection grating | lattice which images. FIG. 11B shows a grid projected by one line light source (for example, a linear LED light source) when the shape measuring apparatus 1 according to this embodiment is configured to have a relative movement with respect to the measurement target object. It is a top view which shows another example of the relationship between the measurement pixel row | line | column in the measurement range of the camera 13 which images the shadow of this, and a grating | lattice and a projection grating | lattice. That is, FIG. 11 shows a measurement technique based on the “relatively moving phase shift shadow grating method”, FIG. 11A shows a phase shift method in which one pitch of the grating is divided into N, and FIG. The phase shift method which divides | segments a half pitch into N is shown.

(相対移動位相シフトシャドー格子法)
図11において、格子の1ピッチの長さがカメラ13のx軸方向に連続するN画素となるように、カメラ13の倍率と位置を調整する。カメラ13によって計測対象物体21が1/Nピッチ動くごとに撮影すると、格子の影が位相シフトしたN枚の画像が得られるので、計測対象物体21の全体にわたって計測することができる。このとき線光源(例えば、線状LED光源)を常時点灯としておくと、積分効果が生じて二値波形を投影していても台形波となり、ぼけとの相乗効果でほぼ正弦波となり精度が向上する。尚、この相対移動位相シフトシャドー計測法における画素数Nと移動速度との関係は、式(21)で示す光源切替位相シフト法のときにN回位相シフトをしたときの総位相シフト量が−2πMとなるように光源切替を設定していたことに対応する。
(Relative moving phase shift shadow lattice method)
In FIG. 11, the magnification and position of the camera 13 are adjusted so that the length of one pitch of the grid becomes N pixels continuous in the x-axis direction of the camera 13. When the measurement target object 21 is photographed every 1 / N pitch by the camera 13, N images with the phase shift of the grid shadow can be obtained, so that the measurement target object 21 can be measured over the whole. If a line light source (for example, a linear LED light source) is always turned on at this time, an integration effect occurs, and even if a binary waveform is projected, it becomes a trapezoidal wave, and a synergistic effect with blur makes it almost a sine wave, improving accuracy. To do. Note that the relationship between the number of pixels N and the moving speed in this relative movement phase shift shadow measurement method is that the total phase shift amount when the phase shift is performed N times in the light source switching phase shift method represented by Equation (21) is − This corresponds to the fact that the light source switching is set to be 2πM.

次に、図10に示す構成から、2台のカメラ13‐1,13‐2を使用する場合を考える。1台目のカメラ13‐1では格子で見えなかった計測対象物体21の部分を、2台目のカメラ13‐2によって見えるように設置する。このようにして撮影した2台のカメラの画像の両方の画像の物体が見えるデータだけを抽出するか、対応する画像を平均化することにより、投影されている格子のすべてが見えてくることになる。これにより計測対象物体21の形状計測領域に関するすべての箇所での輝度変化、又は格子の影の位相を解析することができる。図12は、本実施形態の形状計測装置1に関して、2台のカメラ13‐1,13‐2の計測範囲における計測画素列と、格子及び投影格子の関係の一例を示している。この例では、図12(a)は、第1カメラ撮像時の上面図であり、図12(b)は、第1カメラ撮像時(物体上の同じ点が進んでいった場所として図示する“1”及び“2”)の側面図である。図12(c)は、第2カメラ撮像時(物体上の同じ点が進んでいった場所として図示する“3”及び“4”)の上面図であり、図12(d)は、第2カメラ撮像時の側面図である。即ち、“1”,“2”,“3”及び“4”の番号は物体上の同じ点が進んでいった場所を示しており、それぞれこの番号順に1コマ遅れの輝度データを使用して位相シフトデータとすることができる。   Next, consider the case of using two cameras 13-1 and 13-2 from the configuration shown in FIG. The part of the measurement target object 21 that was not visible on the grid by the first camera 13-1 is installed so that it can be seen by the second camera 13-2. By extracting only the data that can see the objects of both images of the two cameras taken in this way, or by averaging the corresponding images, all of the projected grids will be visible Become. As a result, it is possible to analyze the luminance change or the phase of the shadow of the grid at all locations related to the shape measurement region of the measurement target object 21. FIG. 12 shows an example of the relationship between the measurement pixel array, the grid, and the projection grid in the measurement range of the two cameras 13-1 and 13-2 in the shape measuring apparatus 1 of the present embodiment. In this example, FIG. 12A is a top view at the time of imaging with the first camera, and FIG. 12B is illustrated at the time of imaging with the first camera (where the same point on the object has advanced). 1 "and" 2 "). FIG. 12C is a top view at the time of imaging by the second camera (“3” and “4” illustrated as places where the same point on the object has advanced), and FIG. It is a side view at the time of camera imaging. That is, the numbers “1”, “2”, “3”, and “4” indicate locations where the same point on the object has advanced, and each uses luminance data that is delayed by one frame in the order of the numbers. It can be phase shift data.

つまり、図12において、このように2台のカメラ13‐1,13‐2を用いて、計測対象物体21の移動を利用して、位相シフトされたN枚の画像を撮影することができ、位相シフト法により計測可能となる。尚、2台のカメラ13‐1,13‐2を使用する場合、各カメラを同期させて同時撮影を行うようにし、各カメラのx軸方向に連続するN画素を格子の1ピッチとなるように倍率を調整する。これにより、計測対象物体21が一次元格子の半ピッチ分を進む間に進行方向N画素分をN回撮影する。N回の撮影で、格子の影は半ピッチ分進むことになり、各カメラ13‐1,13‐2を用いれば、格子の位相は1周期分位相シフトする。したがって、各カメラ13‐1,13‐2で位相シフトした画像をNコマ撮影し、位相シフトされた格子の影の輝度データを1周期分得ることができる。この輝度データから、一次元格子の位相φを算出し、得られた位相φを基に全空間テーブルを参照し、計測対象物体21の三次元空間座標を決定することができる。したがって、2台のカメラ13‐1,13‐2を利用することで、1台のカメラ13を利用する場合と比べて位相シフトの検出速度が2倍となる。   That is, in FIG. 12, using the two cameras 13-1 and 13-2 in this way, it is possible to shoot N phase-shifted images using the movement of the measurement target object 21, Measurement is possible by the phase shift method. When two cameras 13-1 and 13-2 are used, the cameras are synchronized to perform simultaneous shooting so that N pixels continuous in the x-axis direction of each camera become one pitch of the grid. Adjust the magnification. As a result, N pixels in the traveling direction are imaged N times while the measurement target object 21 advances a half pitch of the one-dimensional lattice. In N times of shooting, the shadow of the grating advances by half a pitch, and the phase of the grating is shifted by one period when the cameras 13-1 and 13-2 are used. Therefore, it is possible to take N frames of images phase-shifted by the cameras 13-1 and 13-2, and to obtain luminance data of the phase-shifted grid shadow for one period. From this luminance data, the phase φ of the one-dimensional grating is calculated, and the three-dimensional spatial coordinates of the measurement target object 21 can be determined by referring to the entire space table based on the obtained phase φ. Therefore, by using the two cameras 13-1 and 13-2, the detection speed of the phase shift is doubled compared to the case of using the single camera 13.

(相対移動位相シフトシャドーモアレ法)
図13は、本実施形態の形状計測装置1に関して、計測対象物体に対する相対移動がある構成とする場合のカメラ13の計測範囲における計測画素列と、格子及び投影格子の関係の一例を示している。この例では、図13(a)は、上面図であり、図13(b)は、側面図である。図13において、1台のカメラ13のx軸方向N画素を格子の1ピッチとなるように倍率を設定し(同図では、N=4)、1回の撮像で、連続するN画素の平均輝度を取ることによりモアレ縞を撮影することができる。図13では、平均輝度を取る画素列に関して説明の便宜のために行をずらして示しているが同じ行で1画素ずつずらして平均を取るようにする。また、本例では、計測対象物体21が一定速度で移動する態様であるので、このモアレ縞に関する位相シフトが生じることから、モアレ縞1周期分を得ることができる。ただし、相対移動に基づいて格子と格子の影からなるモアレ縞の位相シフトを行う「相対移動位相シフトシャドーモアレ法」では、光源を切り替えないで1つだけの光源とすると、格子と格子の影の両方が写っている部分のx軸方向に連続するN画素の平均を取るため、計測対象物体21上の点が追跡できずモアレ縞の位相のシフトが行われず、位相解析を行うことができない場合がある。そこで、相対移動と同時に、格子の影に関するモアレ縞を位相シフトさせるには光源アレイ11を複数の光源で構成し、各光源を切り替えればよい。この場合、光源を切り替えたことによる位相シフトと計測対象物体21が動くことによる位相シフトの両方が同時に生じる。さらに、カメラ13のx軸方向N画素を格子の1/2ピッチに対応させておけば計測対象物体21を追いかけた各画素はN回の位相シフトに対応する。前述したように、光源切替による位相シフトと計測対象物体21による位相シフトの双方が打ち消し合うことがないよう、光源切替のタイミングや点灯切替順序を調整する。例えば、光源の切り替え順を計測対対象物体21の移動方向に対して逆にすればよい。
(Relative movement phase shift shadow moiré method)
FIG. 13 shows an example of the relationship between the measurement pixel array in the measurement range of the camera 13, the grid, and the projection grid when the shape measurement apparatus 1 of the present embodiment is configured to have relative movement with respect to the measurement target object. . In this example, FIG. 13 (a) is a top view and FIG. 13 (b) is a side view. In FIG. 13, the magnification is set so that N pixels in the x-axis direction of one camera 13 become one pitch of the lattice (N = 4 in the figure), and the average of consecutive N pixels in one imaging. Moire fringes can be photographed by taking brightness. In FIG. 13, for the convenience of explanation, the pixel column for taking the average luminance is shown by shifting the rows, but the average is obtained by shifting one pixel at a time in the same row. Further, in this example, since the measurement target object 21 moves at a constant speed, a phase shift relating to the moire fringe occurs, so that one cycle of moire fringes can be obtained. However, in the “relative movement phase shift shadow moiré method” in which the phase shift of the moire fringes composed of the grating and the shadow of the grating is performed based on the relative movement, the shadow of the grating and the grating is assumed when only one light source is used without switching the light source. Since the average of N pixels that are continuous in the x-axis direction of the portion where both of them are captured is taken, the point on the measurement target object 21 cannot be tracked, the phase of the moire fringe is not shifted, and the phase analysis cannot be performed. There is a case. Therefore, simultaneously with relative movement, in order to phase shift the moire fringes relating to the shadow of the grating, the light source array 11 may be composed of a plurality of light sources, and each light source may be switched. In this case, both a phase shift due to switching of the light source and a phase shift due to movement of the measurement target object 21 occur simultaneously. Further, if N pixels in the x-axis direction of the camera 13 are made to correspond to ½ pitch of the lattice, each pixel chasing the measurement target object 21 corresponds to N phase shifts. As described above, the light source switching timing and the lighting switching order are adjusted so that both the phase shift due to the light source switching and the phase shift due to the measurement target object 21 do not cancel each other. For example, the light source switching order may be reversed with respect to the movement direction of the measurement object 21.

本実施形態の形状計測装置1は、以下の利点を有する。
(1)従来の格子投影法よりも、計測対象物体21上で細かな格子ピッチを使用することができ、解析の精度を向上させることができる。
(2)複数本の線光源を順次点灯することにより、格子の影の位相シフトあるいはモアレ縞の位相シフトを行うことができる。特に、2台のカメラ13‐1,13‐2を設置し、各カメラの計測範囲の位相をπだけずらしておくことにより、計測対象物体21に関して2台のカメラ13‐1,13‐2で撮影できない部分を無くすことができる。
(3)計測対象物体21が一定速度で動いている場合は、複数本の線光源による位相シフトが必ずしも必要ではなく、1本の線光源だけで高速・高精度解析を行うことができる。
The shape measuring apparatus 1 of this embodiment has the following advantages.
(1) Compared with the conventional grid projection method, a finer grid pitch can be used on the measurement target object 21, and the analysis accuracy can be improved.
(2) By sequentially lighting a plurality of line light sources, it is possible to perform a phase shift of a grating shadow or a moire fringe. In particular, two cameras 13-1 and 13-2 are installed, and the phase of the measurement range of each camera is shifted by π, so that the two cameras 13-1 and 13-2 are related to the measurement target object 21. It is possible to eliminate parts that cannot be shot.
(3) When the measurement target object 21 is moving at a constant speed, a phase shift by a plurality of line light sources is not necessarily required, and high-speed and high-precision analysis can be performed with only one line light source.

〔光源切替位相シフトシャドー計測法の動作原理〕
次に、前述した「光源切替位相シフトシャドー計測法」の理解を深めるために、その基礎である格子投影法、位相シフト法、全空間テーブル化技法、及び、光源切替位相シフト法について順に説明しておくことにする。
[Operation Principle of Light Source Switching Phase Shift Shadow Measurement Method]
Next, in order to deepen the understanding of the above-mentioned “light source switching phase shift shadow measurement method”, the lattice projection method, phase shift method, full space table conversion method, and light source switching phase shift method, which are the basis thereof, will be described in order. I will keep it.

(格子投影法)
格子投影法の概略図を図16に示す。プロジェクタ10で基準平板14に載置される計測対象物体21に格子を投影し、プロジェクタ10の側部からカメラ13で撮影すると、物体の形状に応じて投影された格子がゆがむ。格子投影法では、そのゆがみを解析して形状を求める。
(Lattice projection)
A schematic diagram of the grid projection method is shown in FIG. When a grating is projected onto the measurement target object 21 placed on the reference flat plate 14 by the projector 10 and photographed by the camera 13 from the side of the projector 10, the projected grating is distorted according to the shape of the object. In the lattice projection method, the shape is obtained by analyzing the distortion.

格子や干渉縞の輝度値I(x,y)は一般に図17(a)に示すように空間(x,y)上に波状に分布している。これを式で表すと次のようになる。   The luminance values I (x, y) of the grating and the interference fringes are generally distributed in a wave shape on the space (x, y) as shown in FIG. This is expressed as follows.

ここで、点(x,y)は撮影された画像内の一点で、a(x,y)及びb(x,y)は、それぞれ輝度振幅及び背景輝度を表し、φ(x,y)は格子の位相を表す。   Here, the point (x, y) is one point in the captured image, a (x, y) and b (x, y) represent the luminance amplitude and the background luminance, respectively, and φ (x, y) is Represents the phase of the grating.

格子画像の場合、位相は実数全体で表すことができ、図 17(b)は位相の分布を−πからπまでの繰り返しとして表現したもので、図17(c)はこの位相を連続的なものとして見直して得られた−πからπを超える位相も含む。図17(b)の位相をラッピングされた位相と呼び、θ(−π≦θ<π)で表現する。図17(c)の位相をアンラッピングされた位相または連続化された位相、位相接続後の位相と呼び、φで表現する。この位相φと三次元座標(x,y,z)の間には1対1の関係があり、この位相を求めることにより三次元座標を求めることができる。カメラ13に写っている各点の三次元座標を求めることによりその物体の三次元形状が分かることになる。   In the case of a lattice image, the phase can be expressed as a whole real number. FIG. 17B shows the phase distribution as a repetition from −π to π, and FIG. 17C shows this phase continuously. Also included are phases exceeding -π to π obtained as a result of review. The phase in FIG. 17B is called a lapped phase and is expressed by θ (−π ≦ θ <π). The phase in FIG. 17C is called an unwrapped phase or a continuous phase, and a phase after phase connection, and is expressed by φ. There is a one-to-one relationship between the phase φ and the three-dimensional coordinates (x, y, z), and the three-dimensional coordinates can be obtained by obtaining this phase. By obtaining the three-dimensional coordinates of each point reflected in the camera 13, the three-dimensional shape of the object can be known.

(位相シフト法)
一点における輝度情報から正確に位相を求めることができる位相シフト法について述べる。式(1)は未知数がa(x,y)、b(x,y)、φ(x,y)の3つであるので、基本的には3つ以上の独立した実験データがあれば未知数を決定できる。位相シフト法は、格子の位相を1周期分だけ変化させながら複数枚の格子画像を撮影し、得られた複数の画像から位相分布を求める技法である。すべての画素において輝度は1周期分変化するため、その輝度変化から各点ごとに独立して、即ち周囲の画素の輝度変化の情報を使わずに位相を求めることができる。そのため、段差や不連続のある物体の形状計測に有効な技法と云える。ここでは、まず、最も一般的に用いられている位相シフト量αをπ/2(90度)ごとに位相シフトされたN (3以上)個の輝度から位相を求めることができる。
(Phase shift method)
A phase shift method capable of accurately obtaining a phase from luminance information at one point will be described. Equation (1) has three unknowns, a (x, y), b (x, y), and φ (x, y). Therefore, basically, if there are three or more independent experimental data, the unknown is unknown. Can be determined. The phase shift method is a technique for obtaining a phase distribution from a plurality of images obtained by photographing a plurality of lattice images while changing the phase of the lattice by one period. Since the luminance changes for one period in all the pixels, the phase can be obtained independently for each point from the luminance change, that is, without using information on the luminance change of the surrounding pixels. Therefore, it can be said that this is an effective technique for measuring the shape of an object having steps or discontinuities. Here, first, the phase can be obtained from N (3 or more) luminances obtained by phase-shifting the most commonly used phase shift amount α every π / 2 (90 degrees).

式(1)で示した格子の輝度分布の式に位相シフト量Ψ=α(=2πk/N,k=0,…,N−1)を追加すると式(2)となる。   When the phase shift amount Ψ = α (= 2πk / N, k = 0,..., N−1) is added to the expression of the luminance distribution of the grating shown in Expression (1), Expression (2) is obtained.

図18に、初期位相θ(α=0の時の格子の位相)をもつ点における位相シフト量αと輝度変化Iとの関係の例(N=4の場合)を示す。図18において、位相シフト量がπ/2ごとの輝度をI,I,I,Iとしている。或る1点における初期位相がθのとき、位相シフト回数をN、位相シフト量が2πk/Nのときの輝度をI(k=1,2,…,N−1)とすると式(3)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。尚、以下の式では(x,y)は省略する。位相シフト回数Nを多くすることでノイズの影響を減らすことができる。 FIG. 18 shows an example of the relationship between the phase shift amount α and the luminance change I at a point having the initial phase θ (lattice phase when α = 0) (when N = 4). In FIG. 18, the luminance for each phase shift amount of π / 2 is set to I 0 , I 1 , I 2 , and I 3 . When the initial phase at a certain point is θ, if the number of phase shifts is N and the luminance when the phase shift amount is 2πk / N is I k (k = 1, 2,..., N−1), ) And the phase value θ can be obtained from this relational expression. In the following formula, (x, y) is omitted. Increasing the number N of phase shifts can reduce the influence of noise.

(全空間テーブル化技法)
全空間テーブル化技法は、プロジェクタより投影された格子の位相θと三次元座標(x,y,z)の対応関係を、基準面を利用して、あらかじめカメラの画素ごとに求めてテーブル化しておき、計測時には物体上に投影された格子の位相からテーブルを参照することで計算なしに即座に三次元座標を得ることができる技法である。本技法では、格子の位相と三次元座標の対応関係をカメラの1画素ごとに全て求めることにより、レンズの歪曲収差の影響や投影格子の輝度のゆがみの影響をなくし、しかも高速に三次元形状を得ることが可能になる。
(All space table technique)
The all-space table forming technique uses the reference plane to obtain the correspondence between the phase θ of the grating projected by the projector and the three-dimensional coordinates (x, y, z) in advance for each pixel of the camera and form a table. In addition, it is a technique in which three-dimensional coordinates can be obtained immediately without calculation by referring to a table from the phase of the grating projected onto the object during measurement. In this technique, the correspondence between the phase of the grating and the three-dimensional coordinates is obtained for each pixel of the camera, thereby eliminating the effects of distortion of the lens and the distortion of the brightness of the projection grating, and at the same time, the three-dimensional shape. Can be obtained.

図19に、多数の基準面を用いた全空間テーブル化技法による校正処理で形状計測を行う原理を示す。z軸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13とプロジェクタ15は、基準面の上方に固定しておく。プロジェクタ15からは一次元格子が基準面に投影される。投影される格子の位相は位相シフト法によって容易に算出することができる。カメラ13の或る1画素は図5に示す直線L上の点を撮影しているとする。その画素は、基準面R,R,R,・・・,Rに応じて、それぞれ点P,P,P,・・・,P を撮影することになる。それぞれの点における位相θ,θ,θ,・・・,θは、プロジェクタ15によって投影される格子の位相をずらして撮影した格子画像より、位相シフト法によって求めることができる。 FIG. 19 shows the principle of measuring the shape by the calibration process using the whole space table forming technique using a large number of reference planes. A reference plane installed perpendicular to the z-axis is translated little by little in the z-axis direction. The camera 13 and the projector 15 are fixed above the reference plane. A one-dimensional grid is projected from the projector 15 onto the reference plane. The phase of the projected grating can be easily calculated by the phase shift method. It is assumed that a certain pixel of the camera 13 is shooting a point on the straight line L shown in FIG. The pixel is, the reference plane R 0, R 1, R 2 , ···, according to R N, respectively point P 0, P 1, P 2 , ···, I will shoot P N. The phases θ 0 , θ 1 , θ 2 ,..., Θ N at the respective points can be obtained by a phase shift method from a lattice image captured by shifting the phase of the lattice projected by the projector 15.

図20に、1画素の撮影ラインLと基準面上のx,y,z座標の関係を示す。或る1画素が撮影している各基準面上の点P,P,P,・・・,Pについては、基準面に固定された二次元状のパターンからx座標及びy座標を得て、基準面の位置からz座標を得る。基準面に固定された二次元状のパターンは、そのパターンからx座標及びy座標が得られるようなパターンが必要である。この例では、二次元格子パターンからx方向及びy方向の位相値を得る技法として基準面の表面に光拡散板を貼付けた液晶パネルを用いている。このため、格子パターンを基準面上に表示することができ、撮影した画像から位相シフト法によって位相分布を求めることができる(更なる詳細については、特許文献3参照)。 FIG. 20 shows the relationship between the imaging line L of one pixel and the x, y, z coordinates on the reference plane. For points P 0 , P 1 , P 2 ,..., P N on each reference plane captured by a certain pixel, an x coordinate and a y coordinate are obtained from a two-dimensional pattern fixed on the reference plane. To obtain the z coordinate from the position of the reference plane. The two-dimensional pattern fixed on the reference plane needs to be a pattern that can obtain the x coordinate and the y coordinate from the pattern. In this example, a liquid crystal panel in which a light diffusing plate is attached to the surface of a reference surface is used as a technique for obtaining phase values in the x and y directions from a two-dimensional lattice pattern. Therefore, the lattice pattern can be displayed on the reference plane, and the phase distribution can be obtained from the captured image by the phase shift method (for further details, refer to Patent Document 3).

このようにすることで、各基準面の位置ごとに投影格子の位相θに対する三次元空間座標(x,y,z座標)が、それぞれ画素ごとに得られることになる。投影格子の位相θは、基準面の位置でしか得られないが、必要に応じて基準面の間隔を小さくして、その間を補間することで、全ての位相に対する三次元空間座標を精度よく求めることができる。この校正技法によって、位相θ,θ,θ,・・・,θとx座標x,x,x,・・・,x,y座標y,y,y,・・・,y 及びz座標z,z,z,・・・,zの関係が画素ごとにそれぞれ得られる。次に、この対応関係をもとにして、予め等間隔の位相θに対応するx座標、y座標及びz座標の表又は近似式をそれぞれ作成し、「全空間テーブル」としてメモリに保持しておく。全空間テーブルの空間内に実際に計測したい物体を置いたとき、各画素の位相を求めれば、この全空間テーブルを参照するだけで、その画素が見ている物体の(x,y,z)座標を精度よく求めることができる。図21に、或る画素における位相θと計測位置である高さzの関係をグラフとして示す。これにより、計測対象物体21を撮影して得られた位相から即座にその点の空間座標(x,y,z座標)を得ることが可能となる。例えば、図19における点Pの場合、図20に示す位相θとz座標の対応関係を示す表又は近似式を用いることで、zが求められる。 In this way, three-dimensional spatial coordinates (x, y, z coordinates) with respect to the phase θ of the projection grating are obtained for each pixel for each reference plane position. The phase θ of the projection grating can be obtained only at the position of the reference plane. However, if necessary, the three-dimensional spatial coordinates for all phases can be obtained accurately by reducing the interval between the reference planes and interpolating between them. be able to. By this calibration technique, the phases θ 0 , θ 1 , θ 2 ,..., Θ N and the x coordinates x 0 , x 1 , x 2 ,..., X N , y coordinates y 0 , y 1 , y 2 , ···, y N and z-coordinate z 0, z 1, z 2 , ···, relationship z N is obtained respectively for each pixel. Next, based on this correspondence relationship, a table or approximate expression of x coordinate, y coordinate and z coordinate corresponding to the equally-spaced phase θ is created in advance and stored in the memory as an “all space table”. deep. When an object to be actually measured is placed in the space of the entire space table, if the phase of each pixel is obtained, the object (x, y, z) of the object viewed by the pixel can be simply referred to the entire space table. Coordinates can be obtained with high accuracy. FIG. 21 is a graph showing the relationship between the phase θ in a certain pixel and the height z that is the measurement position. Thereby, it is possible to immediately obtain the spatial coordinates (x, y, z coordinates) of the point from the phase obtained by photographing the measurement target object 21. For example, in the case of the point P in FIG. 19, z P can be obtained by using a table or an approximate expression showing the correspondence relationship between the phase θ P and the z coordinate shown in FIG. 20.

(全空間テーブル化技法の利点)
(1)カメラ13のレンズの歪曲収差によるゆがみの影響を受けずに、精度よく座標値が得られる。カメラ13に関して、魚眼レンズのような明らかにゆがみが大きい光学系を用いたり、水槽のような容器の壁を通して計測したりする場合であっても精度よく形状計測を行うことができる。
(2)格子のピッチが少々不等間隔であっても計測可能である。例えば、放射状や渦巻き状の格子を回転させながら投影することで形状計測できるようになる。
(3)格子の輝度分布が少々余弦波状でなくても計測可能である。また、矩形波状の格子を焦点ずれさせて余弦波に近い輝度分布を持つ格子にして投影しても、プロジェクタ10に関して液晶パネルのように入力値と表示濃度の間に少々非線形の関係となるようなものを用いて格子投影を行っても精度よく形状計測を行うことができる。
(4)形状計測に関する計算時間を大幅に短縮することができる。
(5)同じ基準面を使って異なる方向から複数台のカメラで撮影して得られた座標データは、同じ座標系で表現することができることから容易に合成することができる。したがって、全周囲計測を容易に実現することができる。
(Advantages of the whole space table technique)
(1) A coordinate value can be obtained with high accuracy without being affected by distortion due to distortion of the lens of the camera 13. With respect to the camera 13, it is possible to accurately measure the shape even when an optical system such as a fish-eye lens that is clearly distorted is used or measurement is performed through the wall of a container such as an aquarium.
(2) Measurement is possible even when the pitch of the grating is slightly unequal. For example, the shape can be measured by projecting while rotating a radial or spiral grid.
(3) Measurement is possible even if the luminance distribution of the grating is not a little cosine wave-like. Further, even when the rectangular wave-shaped grating is defocused and projected as a grating having a luminance distribution close to a cosine wave, the projector 10 has a slightly non-linear relationship between the input value and the display density as in the liquid crystal panel. Even if the grid projection is performed using a simple object, the shape can be measured with high accuracy.
(4) The calculation time for shape measurement can be greatly shortened.
(5) Coordinate data obtained by photographing with a plurality of cameras from different directions using the same reference plane can be easily synthesized because it can be expressed in the same coordinate system. Therefore, all-around measurement can be easily realized.

即ち、全空間テーブル化技法では、キャリブレーション時に位相と三次元空間座標の対応関係を示す表又は近似式を作成し、形状計測時に当該表又は近似式を参照して三次元空間座標分布を得ることができるため、投影する格子が歪んでいたとしても、キャリブレーション時と形状計測時に光学系が変わっていなければ、その歪みなどの影響は打ち消され、正しい三次元空間座標が得られる。また、全空間テーブル化技法を用いることで、三次元形状計測時には、予め作成しておいた位相と空間座標の対応関係を示す表又は近似式を参照するだけでよく、幾何学的関係から座標を求める複雑なマトリックス計算をせずに、高速に三次元空間座標分布を得ることが可能である。尚、形状計測前に上述の校正処理を行うように制御ユニット50を構成することができ、位相と空間座標の対応関係を示す表又は近似式は、制御ユニット50におけるメモリ52の所定の格納領域に記憶しておき、形状計測時に読み出すように制御ユニット50を構成することができる。   That is, in the all-space table forming technique, a table or an approximate expression indicating the correspondence relationship between the phase and the three-dimensional space coordinates is created at the time of calibration, and a three-dimensional space coordinate distribution is obtained by referring to the table or the approximate expression at the time of shape measurement. Therefore, even if the projected grid is distorted, if the optical system is not changed during calibration and shape measurement, the influence of the distortion and the like is canceled and correct three-dimensional spatial coordinates can be obtained. In addition, by using the total space tabulation technique, when measuring 3D shapes, it is only necessary to refer to a table or approximate expression that shows the correspondence between the phase and spatial coordinates created in advance. It is possible to obtain a three-dimensional spatial coordinate distribution at a high speed without performing a complicated matrix calculation for obtaining. Note that the control unit 50 can be configured to perform the above-described calibration processing before shape measurement, and a table or an approximate expression indicating the correspondence between the phase and the spatial coordinates is a predetermined storage area of the memory 52 in the control unit 50. The control unit 50 can be configured to be stored in the memory and read out during shape measurement.

(光源切替位相シフト法)
前述したように、特許文献1〜3に開示される位相シフト法は、格子をピエゾステージなどで動かして位相シフトを行う。この場合、高速化が困難であり、高価となる。一方、特許文献4に開示される光源切替位相シフト法では、格子の位相シフトを行うのに、格子を動かさずに、格子は固定したまま、多数の線光源(例えば、線状LED光源)を切り替えることによりその影を動かせて位相シフトを行う。これにより、移動装置がいらなくなり、線状LED光源を用いることで計測処理の高速化が可能となる。ただし、光源切替位相シフト法では、位相シフト量は光源からの距離に比例し、従来の2πの位相を等分する一定の位相シフト量である位相シフト法と異なる。このため、特許文献4では、光源切替方式の位相シフト法において、光源からの距離に依存する誤差を打ち消すべく、前述の全空間テーブル化技法を併用することが有効であることが示されている。
(Light source switching phase shift method)
As described above, the phase shift method disclosed in Patent Documents 1 to 3 performs phase shift by moving the grating by a piezo stage or the like. In this case, speeding up is difficult and expensive. On the other hand, in the light source switching phase shift method disclosed in Patent Document 4, a large number of linear light sources (for example, linear LED light sources) are used while the grating is fixed without moving the grating to shift the phase of the grating. The phase shift is performed by moving the shadow by switching. This eliminates the need for a moving device, and the measurement process can be speeded up by using a linear LED light source. However, in the light source switching phase shift method, the phase shift amount is proportional to the distance from the light source, and is different from the conventional phase shift method, which is a constant phase shift amount that equally divides the 2π phase. For this reason, Patent Document 4 shows that in the light source switching type phase shift method, it is effective to use the above-described all-space table formation technique together in order to cancel the error depending on the distance from the light source. .

光源切替方式の位相シフト法に全空間テーブル化技法を併用することで、形状計測前の校正処理により、全空間テーブルとして、計算された位相と高さとの1:1の対応関係を予め表又は近似式として記憶保持することができ、位相シフト量と理論値との間で誤差があったとしても位相と高さとの1:1の対応関係を基に計測対象物体21の形状を計測するとき、同じ光学系が使われる場合、これらの誤差は打ち消される。   By using the total space table forming technique together with the phase shift method of the light source switching method, a 1: 1 correspondence relationship between the calculated phase and height is preliminarily displayed as a total space table by a calibration process before shape measurement. When the shape of the measurement target object 21 is measured based on the 1: 1 correspondence between the phase and the height even if there is an error between the phase shift amount and the theoretical value. If the same optical system is used, these errors are canceled out.

例えば、光源切替位相シフト法において、3つ或るLED光源のうちの1つの光源だけを点灯させると、格子の影が計測対象物体に投影される。光源を順次切り替えて点灯させると、格子の影は変化することになる。つまり、計測対象物体上の1点に注目すると 光源を切り替えることにより、格子の位相がシフトしていく。ただし、位相シフト量は光源からの距離zによって変化する。距離zが一定なら位相シフト量は一定である。ただし、整数N回位相シフトを行うと総位相シフト量は2πとなるとは限らない。   For example, in the light source switching phase shift method, when only one of three LED light sources is turned on, a grid shadow is projected onto the measurement target object. When the light sources are switched sequentially and turned on, the shadow of the lattice changes. In other words, focusing on one point on the measurement target object, the phase of the grating shifts by switching the light source. However, the phase shift amount changes depending on the distance z from the light source. If the distance z is constant, the phase shift amount is constant. However, if the phase shift is performed integer N times, the total phase shift amount is not always 2π.

光源切替位相シフト法の場合、式(3)においてN=5,7など総位相シフト量が2πの整数倍となる特別な場合のみ位相解析を行うことができ、その他の場合は数式のみで解析することは困難であるが、全空間テーブル化技法と組み合わせることにより解析が可能となる。即ち、全空間テーブル化技法は、基準面の位置を位相と結びつけてメモリ52に保存しており、位相値が少々ずれていても、式(3)を用いて出てくる位相値に対して三次元座標を得ることができるようになる。したがって、校正時と計測時で同じ光学系を使い、同じ位相値を用いる限り、総位相シフト量が2πの整数倍でないときの誤差はキャンセルされる。   In the case of the light source switching phase shift method, the phase analysis can be performed only in a special case where the total phase shift amount is an integer multiple of 2π, such as N = 5, 7 in the equation (3), and in other cases, the analysis is performed using only the formula. Although it is difficult to do this, it can be analyzed by combining it with an all-space tabulation technique. That is, in the all-space table forming technique, the position of the reference plane is associated with the phase and stored in the memory 52, and even if the phase value is slightly deviated, the phase value that is output using the equation (3) 3D coordinates can be obtained. Therefore, as long as the same optical system is used for calibration and measurement and the same phase value is used, the error when the total phase shift amount is not an integral multiple of 2π is canceled.

即ち、光源切替位相シフト法で得られた輝度データを、式(3)に代入して位相値を求めると、その位相値は実際の位相値と異なり、誤差をもつことになる(この実際と異なる位相値を「疑位相」と呼ぶことにする。)。全空間テーブル化技法を用いると、疑位相と座標の関係が単調関数であれば、この誤差はキャンセルされ正しい座標値が得られる。等間隔位相シフト法で2πまで位相をシフトさせたときのシフト回数N(小数)に最も近い整数Nを選ぶことにより、できるだけ広い範囲の座標zを解析することができる。   That is, when the luminance value obtained by the light source switching phase shift method is substituted into the equation (3) to obtain the phase value, the phase value is different from the actual phase value and has an error (this actual and The different phase values will be called “skeptical phases”.) When the all-space table forming technique is used, if the relationship between the suspicious phase and the coordinates is a monotone function, this error is canceled and a correct coordinate value is obtained. By selecting an integer N that is closest to the number of shifts N (decimal number) when the phase is shifted to 2π by the equidistant phase shift method, the coordinate z in the widest possible range can be analyzed.

図22は、光源切替位相シフト法による形状計測装置1aの構成とその動作原理を示す図である。図1と同様な構成要素には同一の参照番号を付している。尚、図22に示す形状計測装置1aは、図1に示す形状計測装置1に対して、格子プレート12の配置が異なるが、制御ユニット50における位相解析処理については同様である。   FIG. 22 is a diagram showing the configuration of the shape measuring apparatus 1a based on the light source switching phase shift method and the operating principle thereof. Components similar to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. The shape measuring device 1a shown in FIG. 22 differs from the shape measuring device 1 shown in FIG. 1 in the arrangement of the grating plate 12, but the phase analysis process in the control unit 50 is the same.

光源アレイ11は、5つの光源L−2,L−1,L,L及びLを等間隔に直線状に配列した構成となっている。例えば、図23(a)に示すように、各光源は、複数のLEDチップ11cをY軸方向に配列し、必要に応じて指向性レンズ11dを設けることで線光源として構成することができる。また、図23(b)に示すように、各光源は、複数のLEDチップを集約して1つの点光源として構成することができる。 Light source array 11 includes five light sources L -2, L -1, has a configuration that is linearly arranged to L 0, L 1 and L 2 at regular intervals. For example, as shown in FIG. 23A, each light source can be configured as a linear light source by arranging a plurality of LED chips 11c in the Y-axis direction and providing a directional lens 11d as necessary. Further, as shown in FIG. 23 (b), each light source can be configured as a single point light source by integrating a plurality of LED chips.

以下の説明では、図22に示す形状計測装置1aに関して、図23(a)に示すように、各光源をX軸方向に等間隔で配列して5つの光源L−2,L−1,L,L及びLを構成する光源アレイ11と格子プレート12をX,Y軸平面で平行となるようにZ軸方向に配置しているものとする。 In the following description, with respect to the shape measuring apparatus 1a shown in FIG. 22, as shown in FIG. 23 (a), each light source is arranged at equal intervals in the X-axis direction, and five light sources L −2 , L −1 , L Assume that the light source array 11 and the grating plate 12 constituting 0 , L 1 and L 2 are arranged in the Z-axis direction so as to be parallel in the X- and Y-axis planes.

図22において、図23(a)のような線光源について、n番目のライン状光源をL(n=−2,−1,0,1,2)としている。n番目の線光源Lのみがnを変えて順次点灯され、格子が計測対象物体21上に投影されることを考える。このとき、z=dにある格子線の透過率分布は余弦波状(余弦波でなくても解析できるが、ここでは理論的取り扱いが簡単となる余弦波と考える)になっており、光源Lで照射された格子の影の輝度分布は、以下の式で表される。 In FIG. 22, for the linear light source as shown in FIG. 23A, the nth linear light source is L n (n = −2, −1, 0, 1, 2). Consider that only the n-th line light source L n is sequentially turned on while changing n, and the grid is projected onto the measurement target object 21. At this time, the transmittance distribution of the lattice line at z = d has a cosine wave shape (which can be analyzed even if it is not a cosine wave, but here it is considered as a cosine wave that can be theoretically handled easily), and the light source L n The luminance distribution of the shadow of the grid irradiated with is expressed by the following equation.

ここで、φは一次元格子の位相、aは振幅、bは背景輝度、xは格子面におけるx座標、eは格子面における基準点(格子の原点)E(φ=0)と点Cとの間の距離である。尚、格子プレート12の一次元格子を構成する各光透過領域12bの中央位置のうちZ軸からの距離が最短なものを基準点E(φ=0)とし、格子プレート12の格子面とZ軸との交点をCとしている。 Where φ is the phase of the one-dimensional lattice, a g is the amplitude, b g is the background luminance, x g is the x coordinate on the lattice plane, e is the reference point (lattice origin) E (φ = 0) on the lattice plane. This is the distance between the point C. Of the central positions of the light transmission regions 12b constituting the one-dimensional grating of the grating plate 12, the one having the shortest distance from the Z-axis is defined as a reference point E (φ = 0), and the grating surface and Z The intersection with the axis is C.

この格子が、光源Lで照射されたときの格子の影の輝度分布は、以下の式で表される。 This grating, the luminance distribution of the shadow of the grating when illuminated by a light source L n is expressed by the following equation.

この式(5)について、式(6)〜(9)を用いて置き直すと、式(10)が得られる。   When this equation (5) is replaced using equations (6) to (9), equation (10) is obtained.

こうして、光源Lを点灯したときの、位置S(x,y,z)における輝度Iと位相φ及び位相シフト量Ψとの関係を定式化することができる。尚、計測対象物体21の反射率rを考慮する場合は、式(10)におけるa及びbに反射率rを乗じればよいが、ここでは説明を簡単化するために省略している。 Thus, when the light source was on L n, the position S (x, y, z) the relationship between the luminance I n and phase φ and the phase shift amount Ψ in can be formulated. Note that when the reflectance r of the measurement target object 21 is taken into consideration, a and b in the equation (10) may be multiplied by the reflectance r, but are omitted here for the sake of simplicity.

(位相と位相シフト量と高さの関係)
位相シフト量Ψが求められると、式(9)より、次式が得られ、高さzが求められる。この場合、等位相線は等高線となっている。
(Relationship between phase, phase shift amount and height)
When the phase shift amount Ψ is obtained, the following expression is obtained from the expression (9), and the height z is obtained. In this case, the isophase lines are contour lines.

式(8)より次式が得られる。
The following equation is obtained from equation (8).

式(10)や式(12)より、位相シフト量Ψや位相φが求められると、カメラの位置に関係なしに、高さzを求めることができる。   When the phase shift amount ψ and the phase φ are obtained from the equations (10) and (12), the height z can be obtained regardless of the position of the camera.

この光源切替位相シフト法は、位相シフト量が一定でなく距離とともに変わってくるため、式(3)の2πをN等分する位相シフトの式は使えないが、この式を用いて得た疑位相を求める。疑位相は真の位相に対して誤差をもつが範囲を限定すれば、全空間テーブル化技法と組み合わせることにより、疑位相と座標(x,y,z)の関係を全空間テーブルとして記憶保持しておくことにより、これらの誤差はキャンセルされることになる。この場合は式(4)〜(9)を直接使わなくても形状を解析することができる。   In this light source switching phase shift method, since the phase shift amount is not constant and changes with distance, the phase shift equation that divides 2π in Equation (3) into N equal parts cannot be used. Find the phase. The suspicious phase has an error with respect to the true phase, but if the range is limited, the relationship between the suspicious phase and the coordinates (x, y, z) is stored and held as an all space table by combining with the all space table forming technique. These errors will be canceled by setting them in advance. In this case, the shape can be analyzed without directly using the equations (4) to (9).

(光源切替位相シフト法の利点)
光源切替位相シフト法の利点は、以下のように多くある。
(1)全視野計測法であり、計測視野全面の解析が一度にできる。
(2)位相解析を行っているので、物体の反射率の影響を受けなることなく高分解能となる。
(3)位相や位相シフト量で解析すると、カメラ13の位置に関係なしに、形状計測が可能となり、カメラの配置が容易になる。
(4)位相や位相シフト量で解析すると、ダイナミックレンジが広くなり、高分解能となる。光源切替位相シフト法では光源切替により精度よく位相シフトを行うことができるため、位相接続が簡単にでき、高精度でダイナミックレンジの広い計測が可能となる。
(5)計測範囲はLEDチップのピッチ、格子との間隔、格子のピッチを変えることにより、計測用途に応じて簡単に最適な配置を決定することができる。
(6)光源として用いるLEDチップの数を変えれば明るさやパワーを変えることができるので、大きい対象物でも小さい対象物でも計測が可能であり、高速にも低速にも解析できる。また、移動している物体の形状計測が可能となる。
(7)高価なピエゾステージのような位相シフト装置を使っていないので安価となり、物理的に移動する部品がないので安定性があり、コンパクトに構成することができ、量産にも適している。
(8)光源に関して、特定波長の光を選べるので光学フィルタと組み合わせれば、ノイズ光のある場所でも使用することができる。また、赤外線や紫外線用のチップを使えば、操作者や他の計測器に影響を与えずに計測することができる。
(9)可動部分がなく電気信号でコントロールでき、高速に点滅させることができ、高速度撮影も可能である。
(10)複数の形状計測装置1を組み合わせて、全周計測、内周計測なども可能である。
(11)カメラ13以外に必ずしもレンズを使用する必要がないので、レンズ収差の影響を受けず、理論に近い機器配置ができ、格子投影側は理論式を用いて、非常に精度よく解析することができる。
(Advantages of light source switching phase shift method)
The advantages of the light source switching phase shift method are many as follows.
(1) This is a full-field measurement method, and the entire measurement field can be analyzed at once.
(2) Since the phase analysis is performed, the resolution becomes high without being affected by the reflectance of the object.
(3) When the analysis is performed using the phase and the phase shift amount, the shape can be measured regardless of the position of the camera 13, and the camera can be easily arranged.
(4) If the analysis is performed using the phase and the phase shift amount, the dynamic range becomes wide and the resolution becomes high. In the light source switching phase shift method, the phase shift can be accurately performed by switching the light source, so that the phase connection can be easily performed, and measurement with high accuracy and a wide dynamic range is possible.
(5) The measurement range can be easily determined in accordance with the measurement application by changing the pitch of the LED chip, the distance from the grid, and the pitch of the grid.
(6) Since the brightness and power can be changed by changing the number of LED chips used as the light source, it is possible to measure a large object and a small object, and it is possible to analyze both at high speed and at low speed. In addition, the shape of the moving object can be measured.
(7) Since a phase shift device such as an expensive piezo stage is not used, the cost is low, and there is no part that physically moves, so that there is stability, a compact configuration is possible, and it is suitable for mass production.
(8) With respect to the light source, since light of a specific wavelength can be selected, if it is combined with an optical filter, it can be used in a place with noise light. If infrared or ultraviolet chips are used, measurement can be performed without affecting the operator or other measuring instruments.
(9) There is no moving part, it can be controlled by an electric signal, can be blinked at high speed, and high-speed photography is possible.
(10) A plurality of shape measuring devices 1 can be combined to measure the entire circumference, measure the inner circumference, and the like.
(11) Since it is not always necessary to use a lens other than the camera 13, it is possible to arrange devices that are not influenced by lens aberrations and that are close to theory, and that the lattice projection side uses the theoretical formula to analyze with high accuracy. Can do.

(シャドーモアレ法からの応用)
本実施形態の形状計測装置1では、シャドーモアレ法からの応用によって、距離dがほぼ高さzと同じ程度(ただしd<z)となるが、式(10)の関係は変わらない。格子を計測対象物体21の近くに置くため、格子ピッチを細かくでき、高精度となる。
(Application from Shadow Moire Method)
In the shape measuring apparatus 1 of the present embodiment, the distance d is approximately the same as the height z (however, d <z) by application from the shadow moire method, but the relationship of Expression (10) does not change. Since the lattice is placed near the measurement target object 21, the lattice pitch can be made fine, and the accuracy is high.

ただし、カメラ13と格子プレート12の距離が離れ、格子プレート12の格子は計測対象物体21の近くに設置されカメラ13の視野内となるため、例えばカメラ13は格子のすきまから格子の影を撮影することになる。このため、格子と格子の影が作るモアレ縞が観測される。この場合、格子プレート12の格子を物理的にシフトさせても格子の影も同じだけシフトするので、モアレ縞の位相シフトを得ることができない。   However, since the distance between the camera 13 and the grating plate 12 is large and the grating of the grating plate 12 is installed near the measurement target object 21 and is within the field of view of the camera 13, for example, the camera 13 captures the shadow of the grating from the gap of the grating. Will do. For this reason, moire fringes created by the lattice and the shadow of the lattice are observed. In this case, even if the grating of the grating plate 12 is physically shifted, the shadow of the grating is also shifted by the same amount, so that a phase shift of moire fringes cannot be obtained.

また、格子プレート12の格子と格子の影の双方が写りこむように構成すると、カメラ13に格子が写り込む領域での計測ができなくなる。これを解決するために、従来技術から想定される技法では格子を高周波で動かしながらカメラ13で撮影することになる。しかし、この技法は格子を高精度で高周波動作する機構が必要であり、装置コストの増大を生じる。   Further, if both the lattice of the lattice plate 12 and the shadow of the lattice are reflected, measurement in the area where the lattice is reflected in the camera 13 cannot be performed. In order to solve this, in the technique assumed from the prior art, the image is taken by the camera 13 while moving the grating at a high frequency. However, this technique requires a mechanism for operating the grating with high accuracy and high frequency, resulting in an increase in apparatus cost.

そこで、図1に示す本発明に係る形状計測装置1の一態様として、光源アレイ11の光源を切り替えることにより位相シフトを行う。図24には、図1に示す本発明に係る形状計測装置1の動作原理の説明の便宜のために、形状計測装置1bを示している。尚、同様な構成要素には同一の参照番号を付している。   Therefore, as an aspect of the shape measuring apparatus 1 according to the present invention shown in FIG. 1, the phase shift is performed by switching the light sources of the light source array 11. FIG. 24 shows a shape measuring device 1b for the convenience of explanation of the operation principle of the shape measuring device 1 according to the present invention shown in FIG. Similar components are denoted by the same reference numerals.

(光源切替位相シフトシャドー格子法による位相解析)
図24に示すように、光源面より距離dだけ離れた位置に格子面を設置し、格子の後ろに物体を置き、投影された格子の位相Φを求める。光源面と同じz=0の位置においたカメラの各画素において、一次元格子の位相を光源切替位相シフト法により求める。
(Phase analysis by light source switching phase shift shadow grating method)
As shown in FIG. 24, a grating plane is placed at a position d away from the light source plane, an object is placed behind the grating, and the phase Φ of the projected grating is obtained. The phase of the one-dimensional grating is obtained by the light source switching phase shift method at each pixel of the camera at the same position of z = 0 as the light source surface.

一次元格子の式(4)から、U点の座標x=xでの位相は次式となる。 From the one-dimensional lattice equation (4), the phase of the U point at the coordinates x G = x u is as follows.

n番目の光源Lによる場所S(x,z)における輝度Iは式(5)で表され、このときの位相は次式となり、光源を切り替えることにより位相シフトしているのが分かる。 luminance I n at the location S (x, z) by the n-th light source L n is represented by the formula (5), the phase at this time is given by the following formula, is seen that the phase shift by switching the light source.

この格子の影を撮影することにより、全空間テーブル化技法により、疑位相を用いて位相解析を行うことができる。   By photographing the shadow of this lattice, the phase analysis can be performed using the suspicious phase by the whole space table forming technique.

(光源切替位相シフトシャドー計測法による位相シフト解析)
図24に示すように、光源切替位相シフトシャドー計測法では、LEDを用いた光源面より距離dだけ離れた位置に格子プレート12を設置し、格子プレート12の一次元格子が計測対象物体21上に投影された格子の影の位相Φを求める。カメラ13の各画素において、一次元格子の位相Φと格子の影の位相Φの位相差(Φ−Φ)により、高さzあるいは格子プレート12からの高さh=z−dが求められる。
(Phase shift analysis by light source switching phase shift shadow measurement method)
As shown in FIG. 24, in the light source switching phase shift shadow measurement method, the grating plate 12 is installed at a position separated by a distance d from the light source surface using the LED, and the one-dimensional grating of the grating plate 12 is placed on the measurement target object 21. Finds the phase Φ of the shadow of the grating projected onto. In each pixel of the camera 13, the height z or the height h from the grating plate 12 is determined by the phase difference (Φ U −Φ S ) between the phase Φ U of the one-dimensional grating and the phase Φ S of the shadow of the grating. Is required.

言い換えると、一次元格子と計測対象物体21上に投影される格子の影の双方によって形成されるモアレ縞が観測され、このモアレ縞の位相は、一次元格子の位相Φと格子の影の位相Φの差である。この計算式について以下に説明する。 In other words, moire fringes formed by both the one-dimensional grating and the grating shadow projected onto the measurement target object 21 are observed, and the phase of the moire fringe is the phase of the one-dimensional grating Φ G and the grating shadow. which they are the difference between the phase Φ R. This calculation formula will be described below.

ここで、カメラ13のレンズ中心Vをx軸上の座標(v,0,0)の位置に置く。即ちカメラレンズ中心Vは距離vだけ原点から離れている。カメラ13の1画素が、格子面上の点Uあるいは計測対象物体21上の点Sを見ているとする。カメラ13の視野全体としては一次元格子と計測対象物体21上の投影された格子の影をそれぞれ半分ずつ見ていることになる。この干渉によりモアレ縞が観測される。この2つの物体上の点Sの位相をΦ、一次元格子面上の位相をΦとする。このとき、ΦとΦの位相は、それぞれG点とU点の格子の位相となり、その位相差よりモアレ縞の位相が得られる。即ち、xにおけるモアレの位相Φは、式(13)及び式(14)より次式となる。 Here, the lens center V of the camera 13 is placed at the position of coordinates (v, 0, 0) on the x-axis. That is, the camera lens center V is separated from the origin by a distance v. Assume that one pixel of the camera 13 looks at a point U on the lattice plane or a point S on the measurement target object 21. As a whole field of view of the camera 13, the shadows of the one-dimensional lattice and the projected lattice on the measurement target object 21 are each seen in half. Moire fringes are observed due to this interference. The phase of the point S on these two objects is Φ S , and the phase on the one-dimensional lattice plane is Φ U. At this time, the phases of Φ S and Φ U are the phases of the lattices at the points G and U, respectively, and the phase of moire fringes is obtained from the phase difference. That is, the moire phase Φ M at x is expressed by the following equation from the equations (13) and (14).

一方、点Sよりx軸に立てた垂線が作る2つの三角形の相似より式(16)が得られる。   On the other hand, Equation (16) is obtained from the similarity of two triangles formed by a perpendicular line from the point S on the x axis.

式(16)から式(17)が得られる。   Expression (16) is obtained from Expression (16).

式(17)を式(15)に代入すると、モアレの位相Φは次式となる。 By substituting equation (17) into equation (15), the moire phase Φ M becomes the following equation.

式(18)から分かるように、x,yに関係なくzのみの関数となる。また、モアレ縞は光源を切り替えることにより、等間隔で位相シフトすることが分かる。   As can be seen from equation (18), it is a function of only z regardless of x and y. It can also be seen that moire fringes are phase-shifted at equal intervals by switching the light source.

ここで、位相シフト量Ψが式(19)となるように位相シフトを行うとする。   Here, it is assumed that the phase shift is performed so that the phase shift amount ψ becomes the expression (19).

即ち、以下に示す式(20)の関係で位相シフトを行うとすると、式(21)に示すように、N回位相シフトをしたときの総位相シフト量は−2πMとなる。   That is, if the phase shift is performed according to the relationship of the following equation (20), the total phase shift amount when the phase shift is performed N times as shown in the equation (21) is −2πM.

光源切替位相シフトシャドー計測法の場合、1画素が格子の1ピッチとなるように設定しておくと、格子を撮影するのでなく、モアレ縞だけを撮影することができ、容易に計測対象物体21の形状を解析することができる。あるいは、N画素が格子の1ピッチになるようにしておくとN画素の平均をとることにより、モアレ縞を観測することができる。   In the case of the light source switching phase shift shadow measurement method, if one pixel is set to be one pitch of the grid, it is possible to capture only the moire fringes, not the grid, and easily measure the object 21 to be measured. Can be analyzed. Alternatively, if the N pixels are set to one pitch of the lattice, moiré fringes can be observed by taking the average of the N pixels.

(2台のカメラを用いた光源切替位相シフトシャドー格子法による位相解析)
通常であれば、格子を通して計測対象物体21の形状を計測するシャドーモアレ法においては、格子が写っている部分の画像データは解析に使えず、その部分の情報は欠落する。しかし、本発明に係る形状計測装置1では、カメラ13を格子の半ピッチ分だけx軸方向に平行移動させると、いままで見えなかった部分が撮影できることになる。さらに、カメラを2台以上用意すれば効率も良くなる。
(Phase analysis by light source switching phase shift shadow grating method using two cameras)
Normally, in the shadow moire method for measuring the shape of the measurement target object 21 through a grid, the image data of the part in which the grid is reflected cannot be used for analysis, and information on that part is lost. However, in the shape measuring apparatus 1 according to the present invention, when the camera 13 is translated in the x-axis direction by a half pitch of the grating, a portion that has not been seen so far can be photographed. Furthermore, if two or more cameras are prepared, the efficiency can be improved.

図7を参照して前述したように、2台のカメラを用いて光源切替位相シフト法に従って光源を切り替えることにより、位相シフトされたN枚の画像を撮影することができ、式(14)で示された輝度値を用いて光源切替位相シフト法で解析することができる。   As described above with reference to FIG. 7, phase-shifted N images can be taken by switching the light sources using two cameras according to the light source switching phase shift method. It is possible to analyze by the light source switching phase shift method using the indicated luminance value.

正確な等分割の位相シフトができる場所は式(20)のMが整数となる場所zに限定される。その付近では高さによってわずか位相シフト量が異なるので疑位相を用いた全空間テーブル化技法と組み合わせると解析が可能となる。   The place where accurate equal division phase shift can be performed is limited to the place z where M in the equation (20) is an integer. In the vicinity, the amount of phase shift is slightly different depending on the height, so that it becomes possible to analyze it by combining it with an all-space table forming technique using a suspicious phase.

(2台のカメラを用いた光源切替位相シフトシャドーモアレ法による位相解析)
図7に示す構成で光源を切り替えることにより、式(19)で示したように、格子を動かさなくても、位相シフトを行うことが可能となる。
(Phase analysis by light source switching phase shift shadow moire method using two cameras)
By switching the light source in the configuration shown in FIG. 7, it is possible to perform phase shift without moving the grating, as shown by the equation (19).

一方、一次元格子のすき間から見える格子の影は、半周期分のデータが見えている。この半周期をN画素で撮影したとする。この半周期において、形状は大きく変化していないとすると、半周期のデータは、等分割位相シフト法の位相シフトしたデータと見なすことができる。式(3)などの位相解析法は1周期の等分割位相シフトしたデータN個を使って位相値を求めているが、同様に、新たに半周期の位相シフトしたデータN個を使っても位相値を求めることができる。例えば、N=4の場合、位相シフトして得られた各輝度値をI〜Iとすると、その初期位相Φは次式で求められる。 On the other hand, the lattice shadow seen from the gap of the one-dimensional lattice shows data for a half period. Assume that this half cycle is shot with N pixels. If the shape does not change greatly in this half cycle, the data in the half cycle can be regarded as phase-shifted data by the equal division phase shift method. In the phase analysis method such as the equation (3), the phase value is obtained using N pieces of data that are phase-shifted by one equally divided phase. Similarly, even if N pieces of data that are newly phase-shifted by half a period are used, The phase value can be obtained. For example, when N = 4, assuming that the luminance values obtained by phase shifting are I 0 to I 3 , the initial phase Φ is obtained by the following equation.

これより、モアレ縞の位相値を定量的に求めることができる。図7に示す2台のカメラ13‐1,13‐2を用いる構成とすれば、すべての画素での位相値が求められる。なお、モアレ縞自体の検出は、前述したように、格子1ピッチ分に当たるx軸方向に連続するN画素の輝度平均値を求めればよい。   Thus, the phase value of moire fringes can be obtained quantitatively. If the two cameras 13-1 and 13-2 shown in FIG. 7 are used, the phase values at all the pixels are obtained. In addition, as described above, the moire fringes themselves may be detected by obtaining the luminance average value of N pixels continuous in the x-axis direction corresponding to one pitch of the lattice.

総括するに、本実施形態の形状計測装置1に関して、具体的な構成要素としては、以下の種類がある。
(1)光源アレイ11に関して、光源を1つとする場合(光源切替なし)と、光源を複数とする場合(光源切替有り)。
(2)制御ユニット50に関して、シャドー格子法を利用して制御する場合と、シャドーモアレ法を利用して制御する場合。
(3)計測態様として、相対移動がある場合と、相対移動が無い場合。
(4)カメラ13に関して、1台で構成する場合と、複数台で構成する場合。
In summary, with respect to the shape measuring apparatus 1 of the present embodiment, specific components include the following types.
(1) Regarding the light source array 11, there are one light source (no light source switching) and plural light sources (with light source switching).
(2) When the control unit 50 is controlled using the shadow grid method and when the control unit 50 is controlled using the shadow moire method.
(3) As a measurement mode, there is a case where there is a relative movement and a case where there is no relative movement.
(4) When the camera 13 is configured with one unit and with a plurality of units.

上記の構成要素の組み合わせから構成される形状計測装置1の構成例は、以下のとおりである。
(1)光源を1つとし、シャドー格子法を利用した制御を行い、相対移動が有り、カメラを1台か複数台とする構成。
(2)光源を複数とし、シャドー格子法を利用した制御を行い、相対移動が無く、カメラを1台か複数台とする構成。
(3)光源を複数とし、シャドー格子法を利用した制御を行い、相対移動が有り、カメラを1台か複数台とする構成。
(4)光源を1つとし、シャドーモアレ法を利用した制御を行い、相対移動が有り、カメラを1台か複数台とする構成。
(5)光源を複数とし、シャドーモアレ法を利用した制御を行い、相対移動が無く、カメラを1台か複数台とする構成。
(6)光源を複数とし、シャドーモアレ法を利用した制御を行い、相対移動が有り、カメラを1台か複数台とする構成。
A configuration example of the shape measuring apparatus 1 configured by combining the above-described components is as follows.
(1) A configuration in which one light source is used, control using the shadow grid method is performed, relative movement is performed, and one or more cameras are provided.
(2) A configuration in which a plurality of light sources are used, control using the shadow grid method is performed, there is no relative movement, and one or more cameras are provided.
(3) A configuration in which a plurality of light sources are used, control using the shadow grid method is performed, there is relative movement, and one or more cameras are provided.
(4) A configuration in which one light source is used, control using the shadow moire method is performed, relative movement is performed, and one or a plurality of cameras are provided.
(5) A configuration in which a plurality of light sources are used, control using the shadow moire method is performed, there is no relative movement, and one or more cameras are provided.
(6) A configuration in which a plurality of light sources are used, control using the shadow moire method is performed, there is relative movement, and one or more cameras are provided.

尚、シャドー格子法を利用した制御を行う場合、1/2格子ピッチにN画素を割り当てるか、又は1格子ピッチにN画素を割り当てることで、必ずしも全空間テーブル化技法と組み合わせずとも精密な形状計測が可能となる。一方、1格子ピッチよりも画素サイズが大きくなるときにはモアレ縞のみ観測できることになる。この場合には、シャドーモアレ法を利用した制御を行う計測態様とする。即ち、1/2格子ピッチよりも画素サイズが小さくなる場合や1格子ピッチよりも画素サイズが小さくなる場合、或いは1/2格子ピッチ又は1格子ピッチがN画素となっていない場合でも、ほぼ1ピッチの幅又はその整数倍、或いは用途に応じて適応的に各画素値を平滑化すればモアレ縞が得られ、シャドーモアレ法を利用した制御を行う計測態様とすることができる。   When performing control using the shadow grid method, N pixels are allocated to 1/2 grid pitch, or N pixels are allocated to 1 grid pitch, so that a precise shape is not necessarily combined with the total space table forming technique. Measurement is possible. On the other hand, when the pixel size is larger than one grid pitch, only moire fringes can be observed. In this case, it is set as the measurement mode which performs control using the shadow moire method. That is, even when the pixel size is smaller than 1/2 grid pitch, when the pixel size is smaller than 1 grid pitch, or when 1/2 grid pitch or 1 grid pitch is not N pixels, it is almost 1 Moire fringes can be obtained by adaptively smoothing each pixel value according to the width of the pitch, an integral multiple thereof, or the application, and a measurement mode in which control using the shadow moire method is performed can be obtained.

また、光源切り替えにより位相シフトを行う場合、N回の光源切り替えで2πあるいはπだけ位相シフトを行うように設置することで、1/2格子ピッチ或いは1格子ピッチにN画素を厳密に割り当てなくても位相解析を行うことができる。特に、全空間テーブル化技法と組み合わせることでその誤差をキャンセルすることができる。   In addition, when phase shift is performed by switching light sources, N pixels are not strictly assigned to 1/2 lattice pitch or 1 lattice pitch by installing so as to perform phase shift by 2π or π by switching light sources N times. Can also perform phase analysis. In particular, the error can be canceled by combining with the total space table forming technique.

また、カメラ13に関する画素列を必ずしも格子線(即ち、y軸方向)に対して垂直方向(即ち、x軸方向)とする必要はなく、1/2格子ピッチ或いは1格子ピッチにN画素を割り当てる態様であればよい。同様に、相対移動に関して、その移動方向も格子線(即ち、y軸方向)に対して垂直方向(即ち、x軸方向)とする必要はない。特に、格子線に対して斜めの移動方向となるときには、y軸方向についても位相変化が生じ、x,y軸方向に分離した位相解析処理が容易となる。特に、光源アレイ11、格子プレート12及びカメラ13の計測画素列などの平行性や垂直性、等間隔性において精密な配置とせずに少々の誤差が生じていても、全空間テーブル化技法と組み合わせる計測態様とすることによって、これらによる誤差はキャンセルされ正確に位相解析処理を行うことができる。   In addition, the pixel row related to the camera 13 does not necessarily have to be perpendicular to the grid line (ie, the y-axis direction) (ie, the x-axis direction), and N pixels are assigned to 1/2 grid pitch or 1 grid pitch. Any mode may be used. Similarly, with respect to relative movement, the moving direction need not be perpendicular to the grid line (ie, the y-axis direction) (ie, the x-axis direction). In particular, when the moving direction is oblique with respect to the grid line, a phase change also occurs in the y-axis direction, and phase analysis processing separated in the x and y-axis directions becomes easy. In particular, even if a slight error occurs in the parallelism, verticality, and equal spacing of the measurement pixel rows of the light source array 11, the grating plate 12, and the camera 13, even if a slight error occurs, it is combined with the total space table forming technique. By adopting the measurement mode, errors due to these are canceled and the phase analysis process can be performed accurately.

上述の実施形態は特定の例を挙げて説明したが、本発明によれば様々な実施形態に適用できる。例えば、計測対象物体を移動させる代わりに形状計測装置を移動させることや、計測対象物体及び形状計測装置の双方が移動する場合に、その相対速度から光源や格子のピッチを決定してもよい。尚、制御ユニット50は、コンピュータとして構成することができ、制御ユニット50をコンピュータとして構成させる場合には、当該コンピュータに、制御ユニット50の各構成要素を実現させるためのプログラムをメモリ52に記憶する。当該コンピュータに備えられる中央演算処理部(CPU)が、各構成要素の機能を実現するための処理内容が記述されたプログラムや処理データを、適宜、メモリ52から読み込んで制御ユニット50の各構成要素の機能をコンピュータ上で実現させることができる。ここで、各構成要素の機能をハードウェアの一部で実現してもよいことは勿論である。   Although the above embodiments have been described with specific examples, the present invention can be applied to various embodiments. For example, instead of moving the measurement target object, when the shape measurement apparatus is moved, or when both the measurement target object and the shape measurement apparatus are moved, the pitch of the light source and the grating may be determined from the relative speed. The control unit 50 can be configured as a computer. When the control unit 50 is configured as a computer, the computer stores a program for realizing each component of the control unit 50 in the memory 52. . The central processing unit (CPU) provided in the computer reads a program or processing data in which processing contents for realizing the function of each component are described from the memory 52 as appropriate, and each component of the control unit 50 Can be realized on a computer. Here, it goes without saying that the function of each component may be realized by a part of hardware.

本発明によれば計測対象物体の全体をより高精度で計測することができるようになるので、計測対象物体の精密な形状計測や傷・損傷等の検査の用途に有用である。   According to the present invention, since the entire measurement target object can be measured with higher accuracy, it is useful for precise shape measurement of the measurement target object and inspection such as scratches / damage.

1,1a,1b 形状計測装置
10 プロジェクタ
11 光源アレイ
12 格子プレート
12a 格子の光遮蔽領域
12b 格子の光透過領域
13 カメラ
13‐1 第1カメラ
13‐2 第2カメラ
14 基準平板
21 計測対象物体
50 制御ユニット
51 制御部
52 メモリ
511 計測範囲設定部
512 光源決定部
513 カメラ撮影処理部
514 画素別輝度算出部
515 位相算出部
516 三次元空間座標算出部
1, 1a, 1b Shape measuring device 10 Projector 11 Light source array 12 Grating plate 12a Grating light shielding area 12b Grating light transmission area 13 Camera 13-1 First camera 13-2 Second camera 14 Reference plate 21 Measurement target object 50 Control unit 51 Control unit 52 Memory 511 Measurement range setting unit 512 Light source determination unit 513 Camera photographing processing unit 514 Pixel-based luminance calculation unit 515 Phase calculation unit 516 Three-dimensional spatial coordinate calculation unit

Claims (11)

計測対象物体の形状を非接触で計測する形状計測装置であって、
少なくとも1つの点光源あるいは直線状光源からなる光源アレイと、
等間隔に並んだ直線からなる光透過領域により一次元格子を形成する格子プレートと、
前記光源アレイにおける光源の点灯により前記一次元格子による格子の影が投影される計測対象物体を撮影するカメラと、
当該光源によって前記計測対象物体に投影された前記格子の影の位相又は前記一次元格子と前記格子の影からなるモアレ縞の位相を前記カメラの画素ごとにそれぞれ算出し、当該算出した位相を基に前記計測対象物体に関する三次元空間座標を求める制御ユニットとを備え、
前記格子プレートは、前記カメラの視野内に配置され、
前記カメラによる撮影画像は、前記格子の影の位相を算出するときには前記格子プレートの格子部分以外の領域で所定の範囲に予め定めた画素数を割り当て、前記一次元格子と前記格子の影からなるモアレ縞の位相を算出するときには1組の前記一次元格子及び前記格子の影を含む所定の範囲に予め定めた画素数を割り当てるように設定され、
前記制御ユニットは、前記予め定めた画素数の画素値を基に前記格子の影の位相又は前記一次元格子と前記格子の影からなるモアレ縞の位相を算出することを特徴とする形状計測装置。
A shape measuring device that measures the shape of an object to be measured without contact,
A light source array comprising at least one point light source or linear light source;
A lattice plate that forms a one-dimensional lattice by light transmission regions composed of straight lines arranged at equal intervals;
A camera that captures an object to be measured on which a shadow of a lattice by the one-dimensional lattice is projected by turning on a light source in the light source array;
The phase of the shadow of the grid projected onto the measurement target object by the light source or the phase of the moire fringe composed of the shadow of the one-dimensional grid and the grid is calculated for each pixel of the camera, and the calculated phase is used as the basis. And a control unit for obtaining a three-dimensional spatial coordinate related to the measurement target object,
The grid plate is disposed within the field of view of the camera;
When the phase of the shadow of the lattice is calculated, the captured image by the camera is assigned a predetermined number of pixels in a predetermined range in an area other than the lattice portion of the lattice plate, and includes the one-dimensional lattice and the shadow of the lattice. When calculating the phase of moire fringes, a set of one-dimensional lattice and a predetermined range including the shadow of the lattice are set to assign a predetermined number of pixels,
The control unit calculates a phase of a shadow of the grid or a phase of a moire fringe composed of the one-dimensional grid and the shadow of the grid based on the pixel value of the predetermined number of pixels. .
前記光源アレイは、複数種の位相シフト回数に対応する少なくとも3つの等間隔に配置された点光源あるいは直線状光源からなり、
前記制御ユニットは、前記少なくとも3つの光源のうち、当該投影する格子の影の位相シフトを行う光源を決定し、当該決定した各光源を順次点灯してそれぞれ前記計測対象物体上に投影される前記格子の影又は前記モアレ縞を撮影するよう前記カメラを制御し、前記決定した各光源による前記計測対象物体上に投影された前記格子の影の位相又は前記モアレ縞の位相を前記カメラの画素ごとにそれぞれ算出する手段を有することを特徴とする、請求項1に記載の形状計測装置。
The light source array is composed of at least three point light sources or linear light sources arranged at equal intervals corresponding to a plurality of types of phase shifts.
The control unit determines a light source for performing phase shift of a shadow of the projected grid among the at least three light sources, sequentially lights the determined light sources, and is projected onto the measurement target object, respectively. The camera is controlled to capture the shadow of the lattice or the moire fringe, and the phase of the shadow of the lattice or the phase of the moire fringe projected on the measurement target object by the determined light sources is determined for each pixel of the camera. The shape measuring apparatus according to claim 1, further comprising means for calculating each of the two.
前記光源アレイは、1つの点光源あるいは直線状光源からなり、
当該形状計測装置が、前記計測対象物体に対して前記格子プレートと平行な面上にて所定速度で相対移動する配置関係にあり、
前記制御ユニットは、前記所定速度に同期して前記計測対象物体上に投影される前記格子の影又は前記モアレ縞を撮影するよう前記カメラを制御し、前記計測対象物体上に投影された前記格子の影の位相又は前記モアレ縞の位相を前記カメラの画素ごとにそれぞれ算出する手段を更に有することを特徴とする、請求項1に記載の形状計測装置。
The light source array consists of one point light source or a linear light source,
The shape measuring device is in an arrangement relationship that moves relative to the measurement target object at a predetermined speed on a plane parallel to the grid plate,
The control unit controls the camera to capture a shadow of the grating or the moire fringes projected onto the measurement target object in synchronization with the predetermined speed, and the grating projected onto the measurement target object The shape measuring apparatus according to claim 1, further comprising means for calculating a phase of a shadow of the image or a phase of the moire fringe for each pixel of the camera.
前記光源アレイは、複数種の位相シフト回数に対応する少なくとも3つの等間隔に配置された点光源あるいは直線状光源からなり、
当該形状計測装置が、前記計測対象物体に対して前記格子プレートと平行な面上にて所定速度で相対移動する配置関係にあり、
前記制御ユニットは、前記所定速度に同期するとともに、前記少なくとも3つの光源のうち、当該投影する格子の影の位相シフトを行う光源を決定し、当該決定した各光源を順次点灯してそれぞれ前記計測対象物体上に投影される前記格子の影又は前記モアレ縞を撮影するよう前記カメラを制御し、前記決定した各光源による前記計測対象物体上に投影された前記格子の影の位相又は前記モアレ縞の位相を前記カメラの画素ごとにそれぞれ算出する手段を有することを特徴とする、請求項1に記載の形状計測装置。
The light source array is composed of at least three point light sources or linear light sources arranged at equal intervals corresponding to a plurality of types of phase shifts.
The shape measuring device is in an arrangement relationship that moves relative to the measurement target object at a predetermined speed on a plane parallel to the grid plate,
The control unit determines a light source that performs phase shift of shadows of the projected grid among the at least three light sources, and sequentially turns on each of the determined light sources and performs the measurement. The camera is controlled so as to photograph the shadow of the lattice or the moire fringe projected on the target object, and the phase of the shadow of the lattice projected on the measurement target object by the determined light sources or the moire fringe The shape measuring apparatus according to claim 1, further comprising means for calculating the phase of each of the pixels of the camera.
前記カメラは、異なる視線で前記光源アレイにおける光源の点灯により前記一次元格子による格子の影が投影される計測対象物体を撮影する複数のカメラからなり、
前記制御ユニットは、前記計測対象物体上に投影される前記格子の影又は前記モアレ縞をそれぞれ異なる個所で撮影するよう前記複数のカメラを制御し、当該複数のカメラで撮影された画像を基に前記計測対象物体に投影された前記格子の影からなる前記格子の影の位相又は前記モアレ縞の位相を前記カメラの画素ごとにそれぞれ算出することを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載の形状計測装置。
The camera is composed of a plurality of cameras that shoot a measurement target object on which a shadow of a lattice by the one-dimensional lattice is projected by turning on a light source in the light source array with different lines of sight,
The control unit controls the plurality of cameras so that shadows of the lattice or the moire fringes projected on the measurement target object are photographed at different positions, and based on images photographed by the plurality of cameras. The phase of the shadow of the lattice or the phase of the moire fringe formed by the shadow of the lattice projected on the measurement target object is calculated for each pixel of the camera, respectively. The shape measuring apparatus according to one item.
前記制御ユニットは、予め前記画素ごとに用意した前記一次元格子の位相と三次元空間座標とを1対1に対応づける表又は近似式を基に前記計測対象物体に関する三次元空間座標を求める手段を有することを特徴とする、請求項1から5のいずれか一項に記載の形状計測装置。   The control unit obtains a three-dimensional spatial coordinate relating to the measurement target object based on a table or an approximate expression in which the phase of the one-dimensional lattice and the three-dimensional spatial coordinate prepared in advance for each pixel are associated one-to-one. The shape measuring apparatus according to claim 1, wherein the shape measuring apparatus includes: 前記カメラによる撮影時の画素列に関して、前記格子プレートの面に平行且つ前記一次元格子の光透過領域の直線に対して垂直方向に連続する画素数N(Nは1以上の整数)を、前記格子プレートにおける一次元格子の1ピッチに対応させ、当該連続するN画素の輝度の平均値より、前記モアレ縞の輝度値を算出する手段を有することを特徴とする、請求項1から6のいずれか一項に記載の形状計測装置。   Regarding the pixel row at the time of photographing by the camera, the number N of pixels that are parallel to the plane of the grating plate and perpendicular to the straight line of the light transmission region of the one-dimensional grating (N is an integer of 1 or more) 7. The apparatus according to claim 1, further comprising means for calculating a luminance value of the moire fringes from an average value of luminances of the continuous N pixels in correspondence with one pitch of a one-dimensional lattice on the lattice plate. The shape measuring device according to claim 1. 前記カメラは、異なる視線で前記光源アレイにおける光源の点灯により前記一次元格子による格子の影が投影される計測対象物体を撮影する複数のカメラからなり、
前記複数のカメラの各々による計測範囲の画素列に関して、前記格子プレートの面に平行且つ前記一次元格子の光透過領域の直線に対して垂直方向に連続する画素数N(Nは1以上の整数)を、前記格子プレートにおける一次元格子の1/2ピッチに対応させ、当該連続するN画素の輝度の平均値より、前記連続する画素数Nにおける最初の画素位置にて、前記格子の影又は前記モアレ縞の輝度値を算出する手段を有することを特徴とする、請求項5に記載の形状計測装置。
The camera is composed of a plurality of cameras that shoot a measurement target object on which a shadow of a lattice by the one-dimensional lattice is projected by turning on a light source in the light source array with different lines of sight,
With respect to the pixel row in the measurement range by each of the plurality of cameras, the number N of pixels that are parallel to the plane of the grid plate and continuous in the direction perpendicular to the straight line of the light transmission region of the one-dimensional grid (N is an integer of 1 or more) ) Corresponding to ½ pitch of the one-dimensional lattice in the lattice plate, and at the first pixel position in the continuous pixel number N, the shadow of the lattice or the average value of the luminance of the continuous N pixels. 6. The shape measuring apparatus according to claim 5, further comprising means for calculating a luminance value of the moire fringes.
前記カメラの視線は、前記格子プレートの格子部分以外の領域で前記計測対象物体に投影された当該格子の影の位相の半周期が複数の画素数となるように配置されており、
前記制御ユニットは、前記画素数にて位相シフトして得られる各輝度値から、前記格子の影の位相を算出する手段を有することを特徴とする、請求項8に記載の形状計測装置。
The line of sight of the camera is arranged so that the half cycle of the phase of the shadow of the grid projected onto the measurement target object in a region other than the grid portion of the grid plate is a plurality of pixels,
The shape measuring apparatus according to claim 8, wherein the control unit includes means for calculating a phase of a shadow of the lattice from each luminance value obtained by phase shifting by the number of pixels.
前記一次元格子の一部は透明であり、
前記カメラの視線は、当該透明の部分から前記格子の影を撮影するように配置されていることを特徴とする、請求項1から9のいずれか一項に記載の形状計測装置。
A portion of the one-dimensional lattice is transparent;
The shape measuring apparatus according to claim 1, wherein the line of sight of the camera is arranged so as to photograph a shadow of the lattice from the transparent portion.
少なくとも1つの点光源あるいは直線状光源からなる光源アレイと、等間隔に並んだ直線からなる光透過領域により一次元格子を形成する格子プレートと、前記光源アレイにおける光源の点灯により前記一次元格子による格子の影が投影される計測対象物体を撮影するカメラと、制御ユニットとを備える形状計測装置によって、計測対象物体の形状を非接触で計測する形状計測方法であって、
前記制御ユニットの制御手順は、
前記カメラによる撮影画像に関して、前記格子の影の位相を算出するときには前記格子プレートの格子部分以外の領域で所定の範囲に予め定めた画素数を割り当て、前記一次元格子と前記格子の影からなるモアレ縞の位相を算出するときには1組の前記一次元格子及び前記格子の影を含む所定の範囲に予め定めた画素数を割り当てることにより、計測範囲を設定するステップと、
前記光源アレイにおける光源の点灯により前記一次元格子による格子の影が投影される計測対象物体を前記計測範囲で撮影するように前記カメラの撮影を制御するステップと、
当該撮影した画像から前記計測範囲における画素値から輝度値を算出し、前記輝度値から当該光源によって前記計測対象物体に投影された前記格子の影の位相又は前記一次元格子と前記格子の影からなるモアレ縞の位相を前記カメラの画素ごとにそれぞれ算出するステップと、
当該算出した位相を基に、前記計測対象物体に関する三次元空間座標を求めるステップと、
を含むことを特徴とする、形状計測方法。
A light source array composed of at least one point light source or a linear light source, a lattice plate that forms a one-dimensional lattice by light transmission regions composed of straight lines arranged at equal intervals, and the one-dimensional lattice formed by turning on the light source in the light source array A shape measurement method for measuring the shape of a measurement target object in a non-contact manner by a shape measurement device including a camera that captures a measurement target object on which a grid shadow is projected, and a control unit,
The control procedure of the control unit is:
When calculating the phase of the grid shadow with respect to the image taken by the camera, a predetermined number of pixels are assigned to a predetermined range in an area other than the grid portion of the grid plate, and the grid includes the one-dimensional grid and the grid shadow. A step of setting a measurement range by assigning a predetermined number of pixels to a predetermined range including a set of the one-dimensional lattice and a shadow of the lattice when calculating the phase of moire fringes;
Controlling photographing of the camera so as to photograph a measurement target object on which a shadow of a lattice by the one-dimensional lattice is projected by turning on a light source in the light source array;
A luminance value is calculated from a pixel value in the measurement range from the captured image, and from the luminance value, the phase of the shadow of the grid projected onto the measurement target object by the light source or the shadow of the one-dimensional grid and the grid Calculating the phase of the moiré fringes for each pixel of the camera;
Based on the calculated phase, obtaining three-dimensional spatial coordinates related to the measurement target object;
A shape measuring method comprising:
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