JP2014153287A - Shape measurement device and shape measurement method - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a downsized shape measurement unit, a shape measurement device including the shape measurement unit, and a three-dimensional shape measurement method for a relatively moving object that can measure a processed shape without detaching a process tool from a process part, and to provide a three-dimensional shape measurement device for the object.SOLUTION: A shape measurement unit 8 is configured to have: a projector section 9 that has an LED light source, a transparency member in which a grating pattern to be irradiated with emitting light from the LED light source is formed, and an image-forming lens forming the grating pattern on a surface of a measurement object; and a camera section 10 that has a lens for image-formation, and imaging means for photographing an image of the surface of the measurement object having the grating pattern projected by the projector section 9 via the lens for image-formation. A phase analysis process is performed to the image photographed by the shape measurement unit 8 and thereby, a three-dimensional shape can be measured. Further, a shape under processing can be measured on a machine by attaching the shape measurement unit 8 to a process head.

Description

本発明は、計測対象物の三次元形状を非接触で測定する形状計測装置およ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 for measuring a three-dimensional shape of a measurement object in a non-contact manner.

現在、非接触型の三次元形状計測技術は、商業,工業,教育学習支援業などの広い分野で重要性を増している。工業分野においては、加工しながら検査を行う装置が精密部品の加工機器などへの適用に期待が寄せられている。
特許文献1には、連続移動する物体に等間隔の格子を物体の移動方向に対して垂直方向から所定の角度だけ傾けた方向において投影し、格子が投影された物体を、複数の平行に配置されたラインセンサによって、格子を投影した角度と異なる角度方向から、物体がラインセンサ間の距離を移動する移動時間に合わせた撮影タイミングで各々撮影し、ライン画像を経て、複数の位相シフトされたライン画像を位相シフト法により位相解析し、物体の高さ分布を求める技術が開示されている。
また、特許文献2には、計測対象物の周囲に鏡を配置することにより、一度に複数方向から計測対象物の形状を計測する技術が開示されている。
Currently, non-contact 3D shape measurement technology is gaining importance in a wide range of fields such as commerce, industry, educational and learning support. In the industrial field, an apparatus for inspecting while processing is expected to be applied to processing equipment for precision parts.
In Patent Document 1, an equally spaced grid is projected on a continuously moving object in a direction inclined by a predetermined angle from the vertical direction with respect to the moving direction of the object, and a plurality of objects on which the grid is projected are arranged in parallel. With the line sensor, the object was photographed at a photographing timing according to the moving time when the object moves the distance between the line sensors from an angle direction different from the angle at which the grating was projected, and a plurality of phases were shifted through the line image. A technique for obtaining a height distribution of an object by analyzing a phase of a line image by a phase shift method is disclosed.
Patent Document 2 discloses a technique for measuring the shape of a measurement object at a time from a plurality of directions by arranging a mirror around the measurement object.

特開2002−286433号公報JP 2002-286433 A 特開2012−127704号公報JP 2012-127704 A

石油化学プラントや原子力発電所などで使用される400種以上の材質,径,肉厚を持った長尺シームレスパイプでは安全性が重視され、パイプの供給先である企業からは厳しく品質確保が求められている。特に、傷検査は重要であり、精密な微細溝を加工したテストパイプが必要とされている。   For long seamless pipes with more than 400 types of materials, diameters, and thicknesses used in petrochemical plants and nuclear power plants, safety is emphasized, and companies that supply pipes strictly demand quality assurance. It has been. In particular, scratch inspection is important, and there is a need for a test pipe in which precise fine grooves are machined.

例えば、図1に示すように、エンドミルによってパイプの内周面に溝加工を施す加工機において、従来は溝の深さを精度良く検査する手法が無かった。パイプの奥深くを加工するために、作業者の手が入らないからである。エンドミルを一旦パイプから抜き出し、計測装置をパイプ内に入れて計測することは可能である。しかし、いったん溝から離しパイプから抜いたエンドミルを、再び同じ溝に入れて追加工することは困難である。なぜなら、エンドミルがアームの先端に取り付けられているために、どうしてもずれが生じるからである。そのため、たとえ計測ができたとしても追加工をすることは困難である。   For example, as shown in FIG. 1, in a processing machine that performs groove processing on the inner peripheral surface of a pipe with an end mill, there has conventionally been no method for accurately inspecting the depth of the groove. This is because an operator's hand does not enter in order to process the depth of the pipe. It is possible to take out the end mill once from the pipe and place the measuring device in the pipe for measurement. However, it is difficult to rework the end mill once separated from the groove and removed from the pipe into the same groove. This is because the end mill is attached to the tip of the arm, so that there is a deviation. Therefore, even if measurement is possible, it is difficult to perform additional machining.

現在、加工を行いながらリアルタイムで計測できるシステムは、レーザスキャンセンサなどを使用している。レーザスキャンセンサはレーザ光切断法を利用し、非接触な三角測量の原理で形状を計測する。実際にパイプ内の溝を加工する加工機に形状計測装置を装着することは困難である。さらに、パイプ内周面の溝の側面も計測できないという問題点がある。機械加工において高精度な製品を実現するには、加工途中で加工物の形状を計測する必要がある。市販されている三次元座標測定機を利用する場合は、前述したように加工物(パイプ)をいったん加工機から取り外さねばならず、再加工時にこれをμm単位の精度で元の状態に戻すことは非常に困難である。   Currently, a system capable of measuring in real time while processing uses a laser scan sensor or the like. The laser scan sensor uses a laser beam cutting method to measure the shape based on the principle of non-contact triangulation. It is difficult to attach a shape measuring device to a processing machine that actually processes grooves in a pipe. Furthermore, there is a problem that the side surface of the groove on the inner peripheral surface of the pipe cannot be measured. In order to realize a highly accurate product in machining, it is necessary to measure the shape of the workpiece during machining. When using a commercially available three-dimensional coordinate measuring machine, the work piece (pipe) must be removed from the processing machine as described above, and this is returned to its original state with a precision of μm when reworking. Is very difficult.

また、背景技術で説明した従来技術を、実際の製造ラインに組み込むには課題も多い。その大きな理由としては、製造ラインで用いるには高速かつ高精度な形状計測が要求されるためである。例えば、特許文献1に開示される技術は、計測対象物の上方から撮影するために、溝加工を行った際の加工面の壁面を計測するのが困難である。また、特許文献2に開示される技術は、基準格子面2次元格子にマークが付けられていないため、基準点投光用レーザが必要となり、装置が複雑化、高価格化する問題がある。   Moreover, there are many problems in incorporating the conventional technology described in the background art into an actual production line. The main reason is that high-speed and high-precision shape measurement is required for use in a production line. For example, in the technique disclosed in Patent Document 1, it is difficult to measure the wall surface of the processed surface when performing grooving in order to photograph from above the measurement object. In addition, the technique disclosed in Patent Document 2 has a problem that a reference point projecting laser is required because the reference lattice plane two-dimensional lattice is not marked, and the apparatus is complicated and expensive.

そこで本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、小型化した計測ユニットと、該計測ユニットを備えた形状計測装置と、加工工具を加工部位から外さないで、加工形状を計測することが可能な三次元形状計測方法およびその装置、および、その装置を用いて加工中にワークの形状を測定しながら加工する方法を提供することである。   In view of the above-described problems of the prior art, an object of the present invention is to measure a machining shape without removing a miniaturized measurement unit, a shape measuring device including the measurement unit, and a machining tool from a machining site. It is to provide a method and apparatus for measuring a three-dimensional shape that can be used, and a method of machining while measuring the shape of a workpiece during machining using the apparatus.

本願の請求項1に係る発明は、光源と前記光源からの光によって照射される格子模様が形成された透明性部材と前記格子模様を計測対象物の表面に結像する結像レンズとを有するプロジェクタ部と、前記プロジェクタ部によって前記格子模様が投影された前記計測対象物の表面を撮影する撮像手段とを有し、前記計測対象物の表面の画像を少なくとも一部の撮像領域が重複するように撮像するように配置された第1計測ユニットと第2計測ユニットと、前記第1計測ユニットによる格子模様の投影および前記計測対象物の表面の撮影と、前記第2計測ユニットによる格子模様の投影および前記計測対象物の表面の撮影とを、切り替えて行わせる制御手段と、を備えたことを特徴とする第一形状計測ヘッドである。   The invention according to claim 1 of the present application includes a light source, a transparent member on which a lattice pattern irradiated with light from the light source is formed, and an imaging lens that forms an image of the lattice pattern on the surface of a measurement object. A projector unit; and an imaging unit that captures an image of the surface of the measurement object on which the lattice pattern is projected by the projector unit, so that at least a part of the imaging region overlaps the image of the surface of the measurement object. A first measurement unit and a second measurement unit arranged to pick up an image, projection of a lattice pattern by the first measurement unit, photographing of the surface of the measurement object, and projection of a lattice pattern by the second measurement unit And a control means for switching and photographing the surface of the measurement object.

請求項2に係る発明は、光源と前記光源の前方に配置されたスリットと、前記スリットを透過した前記光源からの光によって照射され計測対象物の表面に投影される格子模様が形成された透明性部材とを有するプロジェクタ部と、前記プロジェクタ部によって前記格子模様が投影された前記計測対象物の表面を撮影する撮像手段とを有し、前記スリットの幅は前記格子のピッチの半分以下であって、前記スリットの方向と前記格子模様が形成された透明性部材の格子の方向が一致し、前記計測対象物の表面の画像を少なくとも一部の撮像領域が重複するように撮像するように配置された第1計測ユニットと第2計測ユニットと、前記第1計測ユニットによる格子模様の投影および前記計測対象物の表面の撮影と、前記第2計測ユニットによる格子模様の投影および前記計測対象物の表面の撮影とを、切り替えて行わせる制御手段と、を備えたことを特徴とする第二形状計測ヘッドである。   The invention according to claim 2 is a transparent in which a light source, a slit arranged in front of the light source, and a lattice pattern irradiated with light from the light source that has passed through the slit and projected onto the surface of the measurement object are formed. A projector unit having a radiating member; and an imaging unit that images the surface of the measurement object on which the grid pattern is projected by the projector unit, and the width of the slit is less than half of the pitch of the grid. The slit direction and the grid direction of the transparent member on which the grid pattern is formed coincide with each other, and an image of the surface of the measurement object is captured so that at least a part of the imaging area overlaps. The first measurement unit and the second measurement unit, the projection of the lattice pattern by the first measurement unit, the photographing of the surface of the measurement object, and the second measurement unit. An imaging surface of the projection and the measurement object child pattern, a second shape measuring head, characterized in that and a control means for causing switch.

請求項3に係る発明は、請求項1に記載の第一形状計測ヘッドまたは請求項2に記載の第二形状計測ヘッドのいずれか一方を備え、前記撮像した計測対象物の画像に対して位相解析処理を施して前記計測対象物の形状を算出することを特徴とする形状計測装置である。
請求項4に係る発明は、前記形状計測装置は位相評価値を指標として用いて前記各計測ユニットで撮像した画像の合成処理を行うことを特徴とする請求項3に記載の形状計測装置である。
請求項5に係る発明は、加工ヘッドを備えた加工装置によってワークに加工を行いながら、請求項3または4のいずれか一方に記載の前記形状計測装置により、ワークの加工箇所の形状計測を行う機上計測方法である。
The invention according to claim 3 includes any one of the first shape measurement head according to claim 1 or the second shape measurement head according to claim 2, and is phase-shifted with respect to the image of the imaged measurement object. The shape measuring apparatus is characterized in that the shape of the measurement object is calculated by performing an analysis process.
The invention according to claim 4 is the shape measurement device according to claim 3, wherein the shape measurement device performs a composition process of images captured by the respective measurement units using a phase evaluation value as an index. .
According to a fifth aspect of the present invention, while processing a workpiece by a processing device having a processing head, the shape measuring device according to any one of the third or fourth aspect measures the shape of the processing portion of the workpiece. This is an on-machine measurement method.

本発明により、小型化した計測ユニットと、該計測ユニットを備えた形状計測装置と、加工工具を加工部位から外さないで、加工形状を計測することが可能な三次元形状計測方法およびその装置、および、その装置を用いて加工中にワークの形状を測定しながら加工する方法を提供できる。   According to the present invention, a miniaturized measuring unit, a shape measuring device provided with the measuring unit, a three-dimensional shape measuring method and apparatus capable of measuring a processing shape without removing a processing tool from a processing part, And the method of processing can be provided, measuring the shape of a workpiece | work during a process using the apparatus.

パイプの溝加工を説明する図である。It is a figure explaining the groove processing of a pipe. 形状計測ヘッドを取り付けた装置によるパイプの溝加工の様子を説明する図である。It is a figure explaining the mode of the groove processing of the pipe by the apparatus which attached the shape measurement head. 4枚の画像を用いる位相シフト法を説明する図である。It is a figure explaining the phase shift method using four images. 位相解析法を用いた位相の算出方法を説明する図である。It is a figure explaining the calculation method of the phase using a phase analysis method. z方向基準面撮影図である。It is a z direction reference plane imaging drawing. 基準面撮影で得た位相と高さの関係図である。FIG. 6 is a relationship diagram between a phase and a height obtained by reference plane imaging. テーブル要素の作成図である。It is a creation figure of a table element. 作成した位相・高さの関係を表すテーブルとその参照を説明する図である。It is a figure explaining the table showing the relationship of the produced phase and height, and its reference. フーリエ変換格子法を説明する図である。It is a figure explaining a Fourier-transform lattice method. 明るさと位相分布を説明する図である。It is a figure explaining brightness and phase distribution. 位相接続を説明する図である。It is a figure explaining phase connection. 基準面撮影で得た位相とx座標の関係図である。FIG. 6 is a relationship diagram between a phase and x-coordinate obtained by reference plane imaging. テーブル要素の作成図である。It is a creation figure of a table element. 作成した位相とx座標の関係を表すテーブルとその参照を説明する図である。It is a figure explaining the table showing the relationship of the produced phase and x coordinate, and its reference. 位相と座標の変換デーブルの概念図である。It is a conceptual diagram of the conversion table of a phase and a coordinate. 基準面に使用しているガラス格子を説明する図である。It is a figure explaining the glass lattice currently used for the reference plane. 2次元格子画像である。It is a two-dimensional lattice image. 基準点探索の原理図である。It is a principle diagram of a reference point search. 補正した2次元格子画像と位相分布である。The corrected two-dimensional lattice image and phase distribution. 2次元格子画像の補正を説明する図である。It is a figure explaining correction | amendment of a two-dimensional lattice image. 2次元格子画像の補正を説明する図である。It is a figure explaining correction | amendment of a two-dimensional lattice image. 再サンプリング原理図である。It is a resampling principle figure. 精度を上げる計測原理を説明する図である。It is a figure explaining the measurement principle which raises accuracy. 精度を上げる計測原理図である。It is a measurement principle figure which raises accuracy. 溝の立体図である。It is a three-dimensional view of a groove. 溝の側面データが消える問題を解決する方法を説明する図である。It is a figure explaining the method of solving the problem which the side surface data of a groove | channel disappears. 極座標から直交座標に変換する原理図である。It is a principle figure which converts from polar coordinates to Cartesian coordinates. 基準面ユニットの内部構造を説明する図である。It is a figure explaining the internal structure of a reference plane unit. 2次元格子パターンの拡大図である。It is an enlarged view of a two-dimensional lattice pattern. 基準面ユニットの概略の構造図である。FIG. 3 is a schematic structural diagram of a reference surface unit. 第1カメラの撮像画像である。It is a picked-up image of a 1st camera. xy座標画像である。It is an xy coordinate image. 第2カメラの撮像画像である。It is a picked-up image of a 2nd camera. xy座標画像である。It is an xy coordinate image. 形状計測装置の全体図である。It is a general view of a shape measuring device. 形状計測ヘッドの全体像である。It is a general view of a shape measuring head. 形状計測装置を説明する図である。It is a figure explaining a shape measuring device. 計測ユニットの内部構造像である。It is an internal structure image of a measurement unit. キャリブレーションを行う本発明に係る形状計測システムを説明する図である。It is a figure explaining the shape measuring system concerning the present invention which performs calibration. 計測試料を説明する図である。It is a figure explaining a measurement sample. 撮影画像である。It is a photographed image. 位相分布を説明する図である。It is a figure explaining phase distribution. 高さ分布を説明する図である。It is a figure explaining height distribution. 一ラインの高さを説明する図である。It is a figure explaining the height of one line. テストピース加工機を説明する図である。It is a figure explaining a test piece processing machine. 加工機械の振動実験結果を説明するグラフである。It is a graph explaining the vibration experiment result of a processing machine. 段差計測試料を説明する図である。It is a figure explaining a level | step difference measurement sample. 撮影画像である。It is a photographed image. 高さ画像である。It is a height image. 3次元表示画像である。3D display image. 2次元格子画像である。It is a two-dimensional lattice image. 基準点探索の原理図である(その1)。It is a principle figure of a reference point search (the 1). 基準点探索の原理図である(その2)。It is a principle figure of a reference point search (the 2). 計測試料である。It is a measurement sample. 撮影画像である。It is a photographed image. 部分撮影画像である。It is a partial photographed image. x座標画像である。It is an x coordinate image. y座標画像である。It is a y-coordinate image. z座標画像である。It is a z coordinate image. 3次元画像である。It is a three-dimensional image. 再サンプリング後の画像である。It is an image after resampling. 合成後の画像である。It is an image after composition. 3次元画像である。It is a three-dimensional image. 合成後の画像である。It is an image after composition. 合成後の画像である。It is an image after composition. 合成後の画像である。It is an image after composition. 断面図である。It is sectional drawing. ノイズ除去処理の原理説明図である。It is principle explanatory drawing of a noise removal process. 計測試料を説明する図である。It is a figure explaining a measurement sample. 撮影画像である。It is a photographed image. ノイズ除去後の画像である。It is an image after noise removal. 撮影画像と計測結果である。It is a photographed image and a measurement result. 計測結果を説明する図である。It is a figure explaining a measurement result. 解析ソフトのインタフェース画面である。It is an interface screen of analysis software. 処理の流れを説明する図である。It is a figure explaining the flow of a process. 撮影画像である。It is a photographed image. 撮影画像である。It is a photographed image. 位相分布画像である。It is a phase distribution image. 高さ分布画像である。It is a height distribution image. 一部の高さ分布画像である。It is a part of height distribution image. 高さ分布画像である。It is a height distribution image. 断面図である。It is sectional drawing. 形状計測装置の画像である。It is an image of a shape measuring device. 加工ヘッドに取り付けた形状計測ヘッドを説明する図である。It is a figure explaining the shape measurement head attached to the process head. 形状計測装置の構造を説明する図である。It is a figure explaining the structure of a shape measuring device. レンズを用いた格子のピッチ変更の原理図である。It is a principle figure of the pitch change of the grating | lattice using a lens. 実験の様子を説明する図である。It is a figure explaining the mode of experiment. 撮影画像である。It is a photographed image. 高さ画像である。It is a height image. 3次元画像である。It is a three-dimensional image. 2次元格子画像である。It is a two-dimensional lattice image. 2次元格子画像である。It is a two-dimensional lattice image. 計測試料である。It is a measurement sample. 撮影画像である。It is a photographed image. 部分撮影画像である。It is a partial photographed image. x座標画像である。It is an x coordinate image. y座標画像である。It is a y-coordinate image. z座標画像である。It is a z coordinate image. 3次元画像である。It is a three-dimensional image. 再サンプリング後の画像である。It is an image after resampling. 合成後の画像である。It is an image after composition. 3次元画像である。It is a three-dimensional image. 合成後の画像である。It is an image after composition. 合成後の画像である。It is an image after composition. 合成後の画像である。It is an image after composition. 断面図である。It is sectional drawing. 撮影画像である。It is a photographed image. 撮影画像と高さ画像である(その1)。A photographed image and a height image (No. 1). 撮影画像と高さ画像である(その2)。A captured image and a height image (part 2). 一ラインの高さデータである。This is the height data of one line.

以下、本発明の実施形態を図面とともに説明する。
図2は、形状計測ヘッドを取り付けた装置によるパイプ2の溝加工の様子を説明する図である。本発明は、図2に示される形状計測ヘッドを備えた加工機は、溝の加工を行いながら溝の形状を計測することができる。本発明の形状計測装置は、速く精度良く位相分布を求められる位相解析法として、サンプリングモアレ法を適用する。この方法は、2次元格子の位相解析を精度良く行うことができる。位相シフトの機構が不要のため、小型化に適している。そして、高速な位相解析が可能な全空間テーブル化法を利用する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 2 is a diagram for explaining a state of the groove processing of the pipe 2 by the apparatus to which the shape measuring head is attached. In the present invention, the processing machine including the shape measuring head shown in FIG. 2 can measure the shape of the groove while processing the groove. The shape measuring apparatus of the present invention applies a sampling moire method as a phase analysis method that can obtain a phase distribution quickly and accurately. This method can accurately perform the phase analysis of the two-dimensional grating. Since a phase shift mechanism is unnecessary, it is suitable for miniaturization. Then, an all-space table forming method capable of high-speed phase analysis is used.

2. 原理
2−1 位相解析法
2−1−1 位相シフト法の原理
ここで、位相解析法を説明する。
本発明は、投影格子を解析し、位相を導き出す手法として位相シフト法を用いる。この方法はプロジェクタもしくは格子投影装置を用いて余弦波の格子パターンを計測対象物の表面に投影し、これを位相シフトしながら複数回撮影する。この時、カメラで撮像される画像の輝度変化から投影した格子の位相を求めることができる。
2. Principle 2-1 Phase Analysis Method 2-1-1 Principle of Phase Shift Method Here, the phase analysis method will be described.
The present invention uses a phase shift method as a method of analyzing a projection grating and deriving a phase. In this method, a grating pattern of a cosine wave is projected onto the surface of a measurement object using a projector or a grating projection device, and this is imaged a plurality of times while being phase-shifted. At this time, the phase of the projected grating can be obtained from the luminance change of the image captured by the camera.

4枚の画像を用いる位相シフト法での例を以下に示す。図3は4枚の画像を用いる位相シフト法を説明する図である。図3に示すように、π/2ずつ4回格子をシフトしたときに撮影される各画素(i,j)における輝度を、それぞれI0(i,j),I1(i,j),I2(i,j),I3(i,j)とし、Ia(i,j)を輝度振幅,Ib(i,j)をバイアスとすると、各輝度は数1式〜数4式で表すことができる。なお、θ(i,j)は(i,j)の画素における位相値である。 An example of the phase shift method using four images is shown below. FIG. 3 is a diagram for explaining a phase shift method using four images. As shown in FIG. 3, the luminance at each pixel (i, j) photographed when the lattice is shifted four times by π / 2 is respectively expressed as I 0 (i, j), I 1 (i, j), When I 2 (i, j) and I 3 (i, j) are set, I a (i, j) is a luminance amplitude, and I b (i, j) is a bias, each luminance is expressed by Equations 1 to 4. Can be expressed as Note that θ (i, j) is a phase value in the pixel of (i, j).

この4つの輝度より位相値θ(i,j)は数5式で表される。   From these four luminances, the phase value θ (i, j) is expressed by Equation 5.

また、位相シフト回数を多くすることで、よりノイズの影響を減らすことができる。位相シフト回数をn,位相シフト量を2πk/Nの時の輝度をIkとすると、数6式が導かれ、この関係式より位相値θを求めることができる。 Further, the influence of noise can be further reduced by increasing the number of phase shifts. If the number of phase shifts is n and the luminance when the phase shift amount is 2πk / N is I k , Equation 6 is derived, and the phase value θ can be obtained from this relational expression.

2−1−2 サンプリングモアレ法の原理
モアレ縞の発生手順を図4に示す。図4(a)のような格子模様をカメラで撮影すると、図4(b)のような撮影画像が得られる。この撮影画像の輝度値は一般に数7式で表される。
2-1-2 Principle of Sampling Moire Method The procedure for generating moire fringes is shown in FIG. When a lattice pattern as shown in FIG. 4A is photographed with a camera, a photographed image as shown in FIG. 4B is obtained. The brightness value of this photographed image is generally expressed by Equation 7.

ここでIa(x,y),Ib(x,y)は格子の振幅と,背景輝度であり、φ(x,y)は格子の位相である。 Here, I a (x, y) and I b (x, y) are the amplitude and background luminance of the grating, and φ (x, y) is the phase of the grating.

図4(b)に示すように、白と黒以外に灰色のデータも存在する。この状態ではモアレ縞を観察することは出来ない。そこで等間隔にN画素ごと起点を変えながらサンプリング(間引き処理)を行う。図4はN=4(pixel)とした時の様子である。間引き処理を行うと、N=4(pixel)では、図4(c)のように4画素おきにデータを持った4つの画像を得ることができる。これはそれぞれ左から1番目,2番目,3番目,4番目の画素から4画素ごとに間引いている。このように1画素ずつサンプリング点を変えることは、位相で考えるとπ/2シフトさせた状態になるので、位相シフト法に相当する。   As shown in FIG. 4B, gray data exists in addition to white and black. In this state, moire fringes cannot be observed. Therefore, sampling (decimation processing) is performed while changing the starting point for every N pixels at equal intervals. FIG. 4 shows a state when N = 4 (pixel). When the thinning process is performed, when N = 4 (pixel), four images having data every four pixels can be obtained as shown in FIG. 4C. This is thinned out every four pixels from the first, second, third, and fourth pixels from the left. In this manner, changing the sampling point for each pixel corresponds to the phase shift method because the phase is shifted by π / 2 in terms of the phase.

しかしこのままでは間の3画素にデータがないので、データがない画素に各サンプリング点の輝度値のデータを補間する。すると図4(d)のような4枚のモアレ画像が得られる。   However, since there is no data in the three pixels in the same state, the luminance value data at each sampling point is interpolated into the pixels having no data. Then, four moire images as shown in FIG. 4D are obtained.

位相シフトされたモアレ縞は近似的に余弦波の輝度分布をもっているとみなすと、数8式〜数11式のように表される。   If it is assumed that the phase-shifted moire fringe has a luminance distribution of a cosine wave approximately, it is expressed by the following equations (8) to (11).

ここでIam(x,y)はモアレ縞の振幅であり、Ibm(x,y)は背景輝度である。また、θ(x,y)はN=0におけるモアレ縞の位相である。IHとILをそれぞれ輝度の最大値と最小値とすると、IamとIbmは数12式で表される。 Here, I am (x, y) is the amplitude of moire fringes, and I bm (x, y) is the background luminance. Also, θ (x, y) is the phase of moire fringes at N = 0. Assuming that I H and I L are the maximum value and the minimum value of luminance, respectively, I am and I bm are expressed by Equation 12.

モアレ縞の位相θは前述のフーリエ変換位相シフト法から数13式で求められる。   The phase θ of the moiré fringes can be obtained from the above-described Fourier transform phase shift method using Equation (13).

得られた4枚のモアレ画像から位相シフト法を適用すると、図4(e)のモアレの位相分布画像が得られる。投影格子の位相分布を得るため、図4(e)のモアレの位相分布と図4(f)の参照格子の引き算を行う。最後に図4(g)のような投影した格子の位相分布が得られる。   When the phase shift method is applied from the obtained four moire images, the moire phase distribution image of FIG. 4E is obtained. In order to obtain the phase distribution of the projection grating, the moire phase distribution of FIG. 4E and the reference grating of FIG. 4F are subtracted. Finally, the phase distribution of the projected grating as shown in FIG.

これらの作業をy方向についても同様にすると、y方向のモアレパターン位相分布を得る事が出来る。1枚の二次元格子画像に縦方向と横方向の平滑化をそれぞれ行うことで、x方向,y方向のモアレパターン位相分布を得る事が出来る。   If these operations are also performed in the y direction, a moire pattern phase distribution in the y direction can be obtained. By performing smoothing in the vertical direction and the horizontal direction on a single two-dimensional lattice image, it is possible to obtain moire pattern phase distributions in the x and y directions.

2−2 全空間テーブル化法の原理
2−2−1 基準面の撮影
図5は、z方向基準面撮影を説明する図である。まず、z方向について基準面を撮影し、この画像から座標の算出を行う。図5(a)で示すように、基準面に格子投影装置から格子を投影し、これをカメラで撮影する。その時、投影格子の位相を等間隔ずつシフトさせ、1周期分のシフト画像を撮影する。こうして得られた1周期分のシフト画像に位相シフト法を適用することで、初期地点z0での基準面の位相分布を求める。
2-2 Principle of All-Space Table Method 2-2-1 Reference Surface Imaging FIG. 5 is a diagram for explaining z-direction reference surface imaging. First, a reference plane is photographed in the z direction, and coordinates are calculated from this image. As shown in FIG. 5A, a lattice is projected from a lattice projection device onto a reference plane, and this is photographed with a camera. At that time, the phase of the projection grating is shifted by equal intervals, and a shifted image for one period is taken. The phase distribution of the reference plane at the initial point z 0 is obtained by applying the phase shift method to the shift image for one period thus obtained.

また,基準面の位置を図5(b)のようにΔzずつ動かしていき,それぞれのz座標位置における基準面上の位相分布を同様に求めていく。この時、z座標は基準面の高さが低い方からzi(j=0,1,2,…,n−1)とする。ここでのnとは基準面を動かした回数である。なお、図中の実線と破線は、それぞれ投影格子の輝度値の高い部分と低い部分を示している。 Further, the position of the reference plane is moved by Δz as shown in FIG. 5B, and the phase distribution on the reference plane at each z coordinate position is similarly obtained. At this time, the z coordinate is set to z i (j = 0, 1, 2,..., N−1) from the lower reference surface height. Here, n is the number of times the reference plane is moved. Note that the solid line and the broken line in the figure indicate the high and low luminance portions of the projection grid, respectively.

ここまでの作業により、撮影画像の1画素ごとに各z座標における位相値を求めることができた。この関係を図6で示す。これより全画素における位相と高さの関係を表すテーブルが作成できる。なお、テーブルの作成には、図5中の0からkまでの要素を使用する。ここでのkとは,0番目の要素の位相値を最初に上回る要素番号である。   By the work so far, the phase value at each z coordinate can be obtained for each pixel of the captured image. This relationship is shown in FIG. As a result, a table representing the relationship between the phase and height in all pixels can be created. Note that the elements from 0 to k in FIG. 5 are used to create the table. Here, k is an element number that first exceeds the phase value of the 0th element.

ここで、図5を補足して説明する。Cameraは撮影用カメラ、Projectorは格子投影装置、Projected gratingは投影格子、Reference planeは基準面である。   Here, FIG. 5 will be supplementarily described. “Camera” is an imaging camera, “Projector” is a grating projection device, “Projected grating” is a projection grating, and “Reference plane” is a reference plane.

2−2−2 テーブルの作成
次に,z座標と位相との変換テーブルの作成を行う。この概要を図7に示す。このとき、テーブルの要素間隔Δθは、一定に保つようにする。要素には位相値の小さいほうから0,1,2,…,i…,m−1と番号をつけ、それぞれの位相値はθi(i=0,1,2,…,m−1)とおく。ここでのmとは作成するテーブルの要素の総数である。なお、mとΔθとの間には、数14式、以下の関係がある。
2-2-2 Creation of Table Next, a conversion table between the z coordinate and the phase is created. This outline is shown in FIG. At this time, the table element interval Δθ is kept constant. Elements are numbered 0, 1, 2,..., I−1, m−1 from the smallest phase value, and each phase value is θ i (i = 0, 1, 2,..., M−1). far. Here, m is the total number of elements of the table to be created. It should be noted that there is the following relationship between m and Δθ in Expression 14:

撮影で得られた各要素の間に存在するj番目要素の高さは、図6中のθiに隣り合う撮影要素より直線近似によって求められる。ただし、図6中のθ0のように、撮影要素が両端に無く、位相が切れている場合も存在する。この場合、まず撮影要素の中で、2πに最も近い位相値を持つものを探し出す。そして、この要素の位相値から2πを引くことで仮の撮影要素を作成し、この仮の要素からテーブル要素の高さを求める。Zjを求めるには、θjの前後の撮影要素の値を利用する。数15式にθj前後の撮影要素の位相値をθk,θk+1、それに対応しているz座標の値をZk,Zk+1と置いた時の計算式を示す。 The height of the j-th element existing between each element obtained by photographing is obtained by linear approximation from the photographing element adjacent to θ i in FIG. However, there is a case where there is no imaging element at both ends and the phase is broken, as in θ 0 in FIG. In this case, first, a photographing element having a phase value closest to 2π is searched for. Then, a provisional imaging element is created by subtracting 2π from the phase value of this element, and the height of the table element is obtained from this provisional element. In order to obtain Z j , values of photographing elements before and after θ j are used. Equation 15 shows a calculation formula when the phase values of the imaging elements around θ j are θ k and θ k + 1 and the corresponding z coordinate values are Z k and Z k + 1 .

2−2−3 テーブルの参照
そして、形状計測を行う際には、作成した位相と高さの関係テーブルを参照し、これより高さ分布を得る。ある1画素における、作成した位相と高さの関係テーブルを図8に示す。ここで、基準面の位相を求めた時と同様にして、計測対象の位相θを求める。数16式に示すようにθをΔθで割った商nはθが参照すべきテーブル要素の番号と一致するため、その画素におけるz座標zθnが求まる。これを全画素に対して行えば、計測対象の高さ分布が算出できる。
2-2-3 Referencing Tables When performing shape measurement, the created phase / height relationship table is referenced to obtain a height distribution. FIG. 8 shows the created phase-height relationship table for one pixel. Here, the phase θ to be measured is obtained in the same manner as when the phase of the reference plane is obtained. As shown in Equation 16, since the quotient n obtained by dividing θ by Δθ matches the number of the table element to be referred to, the z coordinate z θn at that pixel is obtained. If this is performed for all pixels, the height distribution of the measurement object can be calculated.

このように本手法では、事前に求めた基準面の位相値分布を元に計測対象物の高さ分布を算出する。そのため、投影格子が完全な正弦波ではないことによる誤差や、カメラレンズの歪曲収差の影響による誤差を回避できる。さらにテーブル参照による処理であるので、画素ごとの高さの計算が不要で高速な解析が可能となる。   As described above, in this method, the height distribution of the measurement target is calculated based on the phase value distribution of the reference plane obtained in advance. Therefore, it is possible to avoid errors due to the fact that the projection grating is not a perfect sine wave and errors due to the distortion of the camera lens. Furthermore, since the processing is based on table reference, it is not necessary to calculate the height for each pixel, and high-speed analysis is possible.

2−3 位相とx,y座標間のテーブル作成原理
2−3−1 基準面の撮影
x,y方向についても基準面の撮影から、座標の算出を行う。基準面の裏面から2次元格子を投影し、これをカメラで撮影する。図9(a)のような撮影された格子画像に対しフーリエ変換格子法を用いることによって位相を求める。フーリエ変換格子法とは、得られた2次元格子に対しフーリエ変換を行い、図9(b)のようなパワースペクトルの画像を得る。ここからx,yの各方向の一次調和波を抽出し、逆フーリエ変換を行うことによって、図9(c),図9(d)のようなx,yの各方向の位相分布画像を得る方法である。
2-3 Table creation principle between phase and x, y coordinates 2-3-1 Reference plane imaging In the x and y directions, coordinates are calculated from the reference plane imaging. A two-dimensional lattice is projected from the back surface of the reference surface, and this is photographed with a camera. The phase is obtained by using the Fourier transform lattice method for the captured lattice image as shown in FIG. In the Fourier transform lattice method, Fourier transform is performed on the obtained two-dimensional lattice to obtain an image of a power spectrum as shown in FIG. From this, a primary harmonic wave in each of the x and y directions is extracted and subjected to inverse Fourier transform to obtain a phase distribution image in each of the x and y directions as shown in FIGS. 9 (c) and 9 (d). Is the method.

さらに、得られた位相分布は格子画像の明るさが1周期をなすごとに、図10(a)のような−π〜πの位相分布となる。この位相分布は−π〜πの繰り返しになっているため、特定の位相値を判別することができない。そこで周期数をnとしたとき、格子の位相値が−π〜πの範囲を超えたとき、2πnの周期数を加えると図10(b)のような連続化された位相が求められる。これを位相接続という。位相接続し連続化された位相φは数17式に示すように求められる。   Further, the obtained phase distribution becomes a phase distribution of −π to π as shown in FIG. 10A every time the brightness of the lattice image makes one period. Since this phase distribution repeats from −π to π, a specific phase value cannot be determined. Therefore, when the number of periods is n, and when the phase value of the grating exceeds the range of −π to π, a continuous phase as shown in FIG. 10B is obtained by adding the number of periods of 2πn. This is called phase connection. The phase φ connected in phase and continuous is obtained as shown in Equation 17.

この位相接続により特定の位相値を判別が可能になり、図11(a),図11(b)のようなxy座標を得る。   This phase connection makes it possible to determine a specific phase value and obtain xy coordinates as shown in FIGS. 11 (a) and 11 (b).

次に、基準面の位置を等間隔に少しずつ動かし、それぞれの位置で撮影した表示格子画像を解析してx座標を画素ごとに求めていく。以上の作業から、カメラの1画素ごとにz座標とx座標の対応関係を得ることができる。これを図12に示す。この対応関係と先に求めた位相とz座標の対応関係から、位相とx座標のテーブルを作成する。   Next, the position of the reference plane is moved little by little at equal intervals, and the display grid image photographed at each position is analyzed to obtain the x coordinate for each pixel. From the above operation, the correspondence between the z coordinate and the x coordinate can be obtained for each pixel of the camera. This is shown in FIG. A table of phase and x coordinates is created from this correspondence and the correspondence between the phase and z coordinate obtained earlier.

2−3−2 テーブルの作成
位相とx座標の関係テーブル作成の概要を図13に示す、ここでmはテーブル要素の数で、前項のmと等しい。作成するテーブル要素の高さには、先に求めた位相とz座標のテーブル要素の高さを利用する。撮影で得られた各要素の間に存在するj番目要素のx座標は、まず図13中のθjに隣り合う撮影で得られた要素を探す。そして、実際の撮影要素の位相の間隔を(θk+1−θk)、前後のx座標の値をxkとxk+1として、xjに対応する位相の値をθjと置き、数18式から直線近似により求める。
2-3-2 Creation of Table FIG. 13 shows an outline of the relation table creation between the phase and the x coordinate, where m is the number of table elements and is equal to m in the previous section. As the height of the table element to be created, the height of the table element of the phase and z coordinate obtained previously is used. For the x-coordinate of the j-th element existing between each element obtained by photographing, first, an element obtained by photographing adjacent to θ j in FIG. 13 is searched. Then, the phase interval of the actual imaging element is (θ k + 1 −θ k ), the values of the preceding and following x coordinates are x k and x k + 1 , and the phase value corresponding to x j is θ j It is obtained by linear approximation from equation (18).

2−3−3 テーブルの参照
位相とx座標のテーブルを参照することにより、x座標値を得る。ある1画素における作成した位相とx座標の関係を表すテーブルを図14に示す。前節のテーブル参照の時と同様に、計測対象の位相θを求め、それをΔθで割った商を求めれば、x座標が算出できる。
2-3-3 Referencing Table The x coordinate value is obtained by referring to the phase and x coordinate table. FIG. 14 shows a table representing the relationship between the created phase and x coordinate in one pixel. As in the case of referring to the table in the previous section, the x coordinate can be calculated by obtaining the phase θ of the measurement target and obtaining the quotient obtained by dividing it by Δθ.

x座標のテーブル作成の際、初めに得られた高さとx座標の関係から、位相とz座標の関係テーブルを利用することにより、位相とx座標の関係への変換を行った。このことにより、x座標の算出にz座標の算出が不要になる。また、y座標についても同様の手法で位相からy座標を求めるテーブルを作成することができる。   When creating the x coordinate table, the relationship between the phase and the x coordinate was converted from the relationship between the height and the x coordinate obtained first by using the phase / z coordinate relationship table. This eliminates the need to calculate the z coordinate for calculating the x coordinate. Further, a table for obtaining the y coordinate from the phase can be created by the same method for the y coordinate.

2−3−4 位相から各座標の参照
ここまでの節において、位相θからz座標,位相θからx,y座標への変換テーブルの作成と参照法について述べてきた。ここで位相からx,y,z座標への変換について実際に使用している方法を述べる。
図15に、ある画素においてm個のテーブル要素数を持つ位相θとx,y,z座標の変換テーブルの概念図を示す。図中のIndex numberは、数16式より求めた参照テーブル要素番号nの値である。これらはすべて画素単位でメモリ上に配列としてそれぞれの並び順のまま保持され、参照の際にはn番目の場所に保管されているデータを読み出すことで結果を求めている。
2-3-4 Referencing Each Coordinate From Phase In the preceding sections, the creation and reference method of the conversion table from phase θ to z coordinate and phase θ to x, y coordinate have been described. Here, a method actually used for the conversion from the phase to the x, y, z coordinates will be described.
FIG. 15 shows a conceptual diagram of a conversion table of phase θ and x, y, z coordinates having m number of table elements in a certain pixel. The index number in the figure is the value of the reference table element number n obtained from equation (16). These are all stored in the memory in the arrangement order on the memory in units of pixels, and the result is obtained by reading the data stored in the nth place at the time of reference.

2−4 合成の原理
2−4−1 基準点探索方法
本発明の実施形態において用いられるガラス格子は図16に示している。全体としては図16(a)のように25mm角のガラス上に24mm角の二次元格子を描いている。今回の装置では0.2mmピッチの格子ガラスを使用している。
2-4 Principle of Synthesis 2-4-1 Reference Point Search Method The glass lattice used in the embodiment of the present invention is shown in FIG. As a whole, a 24 mm square two-dimensional lattice is drawn on a 25 mm square glass as shown in FIG. In this device, 0.2 mm pitch lattice glass is used.

また、2次元格子ガラス上には図16(b)で示される丸囲みの4か所内に図16(c)のような白抜きの部分があるが、これはxy軸校正時と合成時の基準点として用いられる。まず、この基準点の探索方法を説明する。   On the two-dimensional lattice glass, there are white portions as shown in FIG. 16 (c) in four circled areas shown in FIG. 16 (b). Used as a reference point. First, the reference point searching method will be described.

校正時に全空間テーブル化手法によって、z軸用の格子投影画像と同様にxy軸格子(二次元格子)画像をZ軸移動ステージで移動する基準面枚数分撮影を行う。図17はカメラで撮影した一枚の2次元格子基準面のイメージ図である。なお、基準点の黒い丸部分を確認することができる。基準点を探索する時あらかじめ領域を決める。今回は図17に示しているような、点線エリア内で基準点探索を行った。   At the time of calibration, imaging is performed for the number of reference planes in which an xy-axis grid (two-dimensional grid) image is moved on the Z-axis moving stage in the same manner as the z-axis grid projection image by using the entire space table method. FIG. 17 is an image diagram of a single two-dimensional grid reference plane photographed by a camera. A black circle portion of the reference point can be confirmed. An area is determined in advance when searching for a reference point. This time, a reference point search was performed in the dotted line area as shown in FIG.

基準点を探索する方法として、フーリエ変換と逆フーリエ変換を利用する。ここで必要となるのはフーリエ変換により算出されるパワーであり、パワーの弱い箇所を確認することで基準点を探索する。逆フーリエ変換時はx軸方向の格子ピッチを利用してx軸のデータを抽出する。   As a method for searching for the reference point, Fourier transform and inverse Fourier transform are used. What is needed here is power calculated by Fourier transform, and a reference point is searched for by checking a portion with weak power. At the time of inverse Fourier transform, x-axis data is extracted using the lattice pitch in the x-axis direction.

図18(a)は図17の基準面イメージ図である。この図のフーリエ変換後は図18(b)のような図が得られる。図18(b)の図に示している点線エリアを抽出する。エリア領域はフーリエ変換後図のxy方向1次成分が入るように決めている。   FIG. 18A is an image of the reference plane in FIG. After the Fourier transform of this figure, a diagram as shown in FIG. 18B is obtained. The dotted line area shown in FIG. 18B is extracted. The area region is determined so that the first order component in the xy direction in the figure after Fourier transform is included.

逆フーリエ変換後のパワー図は図18(c)に示している。図18(c)に二値化を行うことで図18(e)の図が得られる。ここで二値化をする閾値は100から300まで、20を増やしながら、マスクした画像の中でマスクした場所の塊が一つであるかどうかを判断する。一つの場合であれば、その閾値で二値化を行う。そして、図18(c)に示している破線の一ラインのパワーデータは図18(d)にある。確認できる通り、基準点が存在する部分は、指定ピッチの格子が描画されていないため、周辺と比較してパワーが低く算出される。これにより基準点位置が探索できる。ただし画面端部分にかかるピントが合っていない位置に関してもパワーが低く算出されるため、端部分の低パワー部分を除外する処理を経由して図18(f)の基準点のみの低パワー領域を取得する。この領域内で最もパワーが低い画素を基準点とする。   A power diagram after the inverse Fourier transform is shown in FIG. FIG. 18E is obtained by performing binarization on FIG. Here, the threshold value for binarization is increased from 100 to 300, and while 20 is increased, it is determined whether or not there is one block at the masked location in the masked image. If there is one, binarization is performed with the threshold. And the power data of one line of the broken line shown in FIG.18 (c) is in FIG.18 (d). As can be seen, in the portion where the reference point exists, the grid of the designated pitch is not drawn, so that the power is calculated to be lower than the surrounding area. Thereby, the reference point position can be searched. However, since the power is calculated to be low even for the position where the screen edge portion is out of focus, the low power region only of the reference point in FIG. get. A pixel having the lowest power in this region is set as a reference point.

図19(a)は基準点を補正した2次元格子画像である、2−3−1で述べた通り、この2次元格子画像にフーリエ変換格子法を用いることによって位相を求める。図19(b)はx軸位相分布画像を示している。同じく、図19(c)はy軸位相分布画像を示している。図19(d)はx方向位相接続画像である。図19(e)はy方向位相接続画像である。   FIG. 19A is a two-dimensional lattice image in which the reference point is corrected. As described in 2-3-1, the phase is obtained by using the Fourier transform lattice method for this two-dimensional lattice image. FIG. 19B shows an x-axis phase distribution image. Similarly, FIG. 19C shows a y-axis phase distribution image. FIG. 19D is an x-direction phase connection image. FIG. 19E is a y-direction phase connection image.

2−4−2 2次元格子画像の補正
先述の通り、本装置の2次元格子ガラスには白抜きの基準点が描かれているが、xy軸の位相算出においては障害となる。図20にはφ200形状計測装置の画像データを示す。図21にはφ70形状計測装置の画像データを示す。このため,図20(a)と図21(a)のような2次元格子画像の基準点位置を補正する必要がある。格子画像の補正は白抜き基準点位置の撮影画像を周りの格子部分の輝度で埋めることで行うことで、図20(b)と図21(b)のような画像を得られる。
2-4-2 Correction of Two-dimensional Grid Image As described above, a white reference point is drawn on the two-dimensional grid glass of the present apparatus, but this is an obstacle in calculating the phase of the xy axis. FIG. 20 shows image data of the φ200 shape measuring apparatus. FIG. 21 shows image data of the φ70 shape measuring apparatus. For this reason, it is necessary to correct the reference point positions of the two-dimensional grid images as shown in FIGS. 20 (a) and 21 (a). Correction of the lattice image is performed by filling the photographed image at the white reference point position with the luminance of the surrounding lattice portion, whereby images as shown in FIGS. 20B and 21B can be obtained.

2−4−3 再サンプリング
ここまでの原理で1つの画像での三次元形状計測は可能となった。しかし、この形状計測結果はカメラの画素が撮影する点の座標分布として求められるため、図22(a)に示すようにxy平面に対して等間隔ではない座標として得られる。しかし、データを合成する際には、図22(b)に示すようなxy座標に対して等間隔の空間座標が得る必要がある。そのために、知りたいxy座標を内部に含む3つの点を探し出す。図22(a)において、点Psの座標はその周囲の、計測されて空間座標が得られている点Pa,Pb,Pcを用いて求める。点Psの空間座標は点Pa,Pb,Pcを通る平面上の座標(x,y)を持つ点として求めることができる。
2-4-3 Re-sampling Three-dimensional shape measurement with one image became possible by the principle so far. However, since the shape measurement result is obtained as a coordinate distribution of points taken by the pixels of the camera, the shape measurement result is obtained as coordinates that are not equally spaced with respect to the xy plane as shown in FIG. However, when synthesizing data, it is necessary to obtain spatial coordinates that are equally spaced with respect to the xy coordinates as shown in FIG. For this purpose, three points including the xy coordinates to be known are searched for. In FIG. 22A, the coordinates of the point Ps are obtained by using the points Pa, Pb, and Pc around which the spatial coordinates are obtained. The spatial coordinates of the point Ps can be obtained as a point having coordinates (x, y) on a plane passing through the points Pa, Pb, and Pc.

2−4−4 位相評価値
ステンレス鋼のようなハレーションを起こす物体に対しては位相評価値を用いて、画素の取捨選択を行った測定が有効である。位相評価値は、各画素における輝度値の変化に対してフーリエ変換を行い、数19式に示すように周波数1のパワースペクトルと高次周波数のパワースペクトルの総和の比を求め、これを画素(i,j)におけるE(i,j)として定義される値である。ここで、|F(n)|は周波数nのパワースペクトルの大きさを表し、Nは最も高い周波数を表している。
2-4-4 Phase evaluation value For an object that causes halation such as stainless steel, measurement using a phase evaluation value and pixel selection is effective. The phase evaluation value is obtained by performing Fourier transform on the change of the luminance value in each pixel, obtaining the ratio of the sum of the power spectrum of frequency 1 and the power spectrum of higher order frequency as shown in Equation 19, This is a value defined as E (i, j) in i, j). Here, | F (n) | represents the magnitude of the power spectrum of frequency n, and N represents the highest frequency.

位相評価値においては輝度の振幅が大きく取れた場合にその値は高く、輝度のサチュレーションや輝度の振幅が小さいデータに対してはその値は低くなる。また、ランダムノイズの場合には高次周波数成分が増え、位相評価値は低くなる。そのため複数の形状計測結果の合成処理に位相評価値を指標として用いることで、より信頼性の高い値を選択することができ、計測結果の精度向上に有効である。   In the phase evaluation value, when the luminance amplitude is large, the value is high, and the value is low for luminance saturation or data with small luminance amplitude. In the case of random noise, higher-order frequency components increase and the phase evaluation value decreases. Therefore, by using the phase evaluation value as an index for the synthesis processing of a plurality of shape measurement results, a more reliable value can be selected, which is effective in improving the accuracy of the measurement result.

2−4−5 合成
本装置の特徴としてふたつのカメラとz軸プロジェクタにより2方向からの計測が行われることが挙げられる。その目的の一つは、計測結果を平均化などによる合成処理によりひとつの精度の高い測定結果を求めることである。
2-4-5 Composition A characteristic of this apparatus is that measurement is performed from two directions by two cameras and a z-axis projector. One of the purposes is to obtain one highly accurate measurement result by a synthesis process such as averaging the measurement results.

上述した再サンプリング処理により求められた結果はxy平面上に同じ間隔で配置されるため、先述で求められた基準点画素を用いることで、各計測結果のそれぞれに対応する画素を判別することができる。また、ハレーションを起こしやすい物体に対しては、上述した位相評価値を用いることによって、精度のよい合成処理が可能である。合成処理とは主に、この同一画素上のz軸データを平均化する処理のことである。この処理を行うことにより精度の高いz軸データが得られる。   Since the results obtained by the re-sampling process described above are arranged at the same interval on the xy plane, the pixels corresponding to the respective measurement results can be determined by using the reference point pixels obtained as described above. it can. For an object that easily causes halation, the above-described phase evaluation value can be used to perform highly accurate synthesis processing. The composition processing is mainly processing for averaging z-axis data on the same pixel. By performing this process, highly accurate z-axis data can be obtained.

2−4−6 異なる方向から撮影することによる精度向上方法
金属のハレーションや加工傷などが計測結果への影響を減少するため、精度を上げる計測原理で形状計測を行う。図23にカメラが移動しながら、違う角度でカメラから見た溝の同じ場所(点P)を示している。図23(b)には、カメラのA,B,C三つの目線から見た計測様子を示している。カメラが一定間隔に移動しながら、画像全体のA,B,Cの計測したデータを記録していく。
2-4-6 Method for improving accuracy by photographing from different directions Since metal halation and processing flaws reduce the influence on measurement results, shape measurement is performed with a measurement principle that increases accuracy. FIG. 23 shows the same location (point P) of the groove as viewed from the camera at a different angle while the camera is moving. FIG. 23B shows a state of measurement as seen from the three eyes of A, B, and C of the camera. The measured data of A, B, and C of the entire image is recorded while the camera moves at regular intervals.

以下、実際のデータ処理の流れについて説明する。
(1)x,y,z座標を用いる方法
A,B,Cの計測したデータを図24に示す。図24(a)にはA,B,Cのx,y座標とz座標の対応関係を示している。同じx,y座標の場所でzA,zB,zC座標がある。2−4−4で説明した位相評価値を用いてランダムノイズの影響を減少する。
The actual data processing flow will be described below.
(1) Method using x, y, z coordinates Data measured by A, B, C are shown in FIG. FIG. 24A shows the correspondence between the x, y coordinates and z coordinates of A, B, and C. There are z A , z B , and z C coordinates at the same x and y coordinate locations. The influence of random noise is reduced using the phase evaluation value described in 2-4-4.

図24(b)にはA,B,Cのx,y座標と位相評価値eの対応関係を示している。同じx,y座標のところでeA,eB,eCデータがある。その後,位相評価値にある閾値を指定し、閾値未満のデータにマスクをかける。一方で、閾値以上のデータがあればマスクをかけない。図24(c)に示しているA,B,Cのマスクデータがある。 FIG. 24B shows the correspondence between the x, y coordinates of A, B, and C and the phase evaluation value e. There are e A , e B and e C data at the same x and y coordinates. Thereafter, a threshold value in the phase evaluation value is designated, and data less than the threshold value is masked. On the other hand, if there is data above the threshold, the mask is not applied. There is mask data A, B, and C shown in FIG.

同じく、同じくx,y座標の場所でmA,mB,mCデータがはいっている。最後には、図24(d)に示しているようなA,B,Cの合成後のデータ作られる。 Similarly, m A , m B , and m C data are entered at the same x and y coordinate locations. Finally, data after synthesis of A, B, and C as shown in FIG.

位相評価値mA
データが閾値以下の場合はマスクデータを0にする。位相評価値は閾値以上の場合そのマスクデータを1にする。合成したz座標を求めるのは先ほどのマスクではないデータの高さデータを用いる。その結果はz=(mA・zA+mB・zB+mC・zC)/(mA+mB+mC)で求められる。さらに、位相評価値が0〜1までの数字であるため、合成したz座標はz=(mA・eA・zA+mB・eB・zB+mC・eC・zC)/(mA・eA+mB・eB+mC・eC)で求めることもできる。
Phase evaluation value m A
If the data is below the threshold, the mask data is set to zero. When the phase evaluation value is equal to or greater than the threshold value, the mask data is set to 1. The synthesized z-coordinate is obtained using the height data of the data that is not the mask. The result is obtained by z = (m A · z A + m B · z B + m C · z C ) / (m A + m B + m C ). Furthermore, since the phase evaluation value is a number from 0 to 1, the synthesized z coordinate is z = (m A · e A · z A + m B · e B · z B + m C · e C · z C ) / It can also be obtained by (m A · e A + m B · e B + m C · e C ).

図25は図24に示している合成後の結果の立体表示である。異なる角度で撮影した画像データの平均を取ることで、溝を撮影した画像に対するハレーションの影響を減らすことができる。平均した結果を時間ごとに積算していくことで図25に示しているように溝の形になる。   FIG. 25 is a stereoscopic display of the result after synthesis shown in FIG. By averaging the image data taken at different angles, the influence of halation on the image taken of the groove can be reduced. By integrating the averaged results for each time, a groove shape is obtained as shown in FIG.

(2) 極座標を用いる方法
精度を上げる計測原理で測定した結果には溝の側面のデータが消える問題に対して、さらに図26に示しているような方法で解決できる。図26では二つのカメラでそれぞれ溝の側面のデータを計測できる。そして、計算式で(x,z)座標と(θ,r)座標の変換を行う。極座標を利用することで、溝の側面のデータも消えずに利用できるようになる。
(2) Method Using Polar Coordinates The problem of erasing data on the side surface of the groove can be solved by a method as shown in FIG. In FIG. 26, the data of the side surface of the groove can be measured by two cameras. Then, (x, z) coordinates and (θ, r) coordinates are converted by a calculation formula. By using polar coordinates, the data on the side of the groove can be used without disappearing.

A,B,Cの計測したデータを図27に示す。図27(a)にはA,B,Cのθ,y座標とr座標の対応関係を示している。図27(b)にはA,B,Cのθ,y座標と位相評価値eの対応関係を示している。位相評価値を利用することで、図27(c)に示しているA,B,Cのマスクデータが作成できる。そして、有効座標の平均を取ることで、図27(d)に示しているようなA,B,Cの合成後データを作成する。最後に(θ,r)座標を(x,z)座標へ変換して、溝の形状に戻すことができる。   The measured data of A, B, and C are shown in FIG. FIG. 27A shows the correspondence between θ, y coordinates and r coordinates of A, B, and C. FIG. 27B shows the correspondence between the θ, y coordinates of A, B, and C and the phase evaluation value e. By using the phase evaluation value, mask data A, B, and C shown in FIG. 27C can be created. Then, by averaging the effective coordinates, post-combination data of A, B, and C as shown in FIG. 27 (d) is created. Finally, the (θ, r) coordinates can be converted into (x, z) coordinates to return to the groove shape.

3. 実験用基準面
つぎに、基準面について説明する。まず3−1において、基準面の構造や仕組み、使用している機器について説明する。次に、3−2において基準面の原理と改良点について説明する。3−3には基準面xy軸の変換精度について説明する。
3. Reference plane for experiment Next, the reference plane will be described. First, in 3-1, the structure and mechanism of the reference plane and the equipment used will be described. Next, in 3-2, the principle and improvements of the reference surface will be described. In 3-3, the conversion accuracy of the reference plane xy axis will be described.

3−1 基準面の概要と原理
図28は基準面ユニットの内部構造を説明する図である。図28(a)は基準面を上方から見下ろした図である。図28(b)は基準面ユニットを横方向から見た模式図である。図29は2次元格子パターンの拡大図である。上面に拡散シートがあり、その下に2次元格子ガラス基板が取り付けられている。既知の等間隔の0.2mmピッチを持つ2次元格子ガラス基板の下方には、平行光を作るための焦点距離が35mmのCマウントレンズがあり、そのレンズの焦点距離の位置に穴の大きさが600μmのピンホールがある。ピンホールの下部には光源用の4WのLEDが取り付けられている。
3-1 Outline and Principle of Reference Surface FIG. 28 is a diagram for explaining the internal structure of the reference surface unit. FIG. 28A is a view of the reference surface looking down from above. FIG. 28B is a schematic view of the reference plane unit viewed from the lateral direction. FIG. 29 is an enlarged view of a two-dimensional lattice pattern. There is a diffusion sheet on the upper surface, and a two-dimensional lattice glass substrate is attached below the diffusion sheet. Below a known two-dimensional lattice glass substrate having a 0.2 mm pitch at regular intervals, there is a C-mount lens having a focal length of 35 mm for producing parallel light, and the size of the hole at the focal length position of the lens. There is a pinhole of 600 μm. A 4 W LED for a light source is attached to the lower part of the pinhole.

光源をONにしたとき、光源から出た光はピンホールを通ることで、ピンホールが擬似的に点光源となる。ピンホールがレンズの焦点の位置に置かれているため、レンズを通った後は平行光となる。平行光が2次元格子ガラス基板に入射することで、その影が拡散シートに投射される。拡散シート上方に取り付けられた形状計測ユニットは、拡散シート表面に背面から投射された2次元格子パターンを撮影することができる。   When the light source is turned on, the light emitted from the light source passes through the pinhole, so that the pinhole becomes a pseudo point light source. Since the pinhole is placed at the focal point of the lens, it becomes parallel light after passing through the lens. When the parallel light enters the two-dimensional lattice glass substrate, the shadow is projected onto the diffusion sheet. The shape measuring unit attached above the diffusion sheet can photograph a two-dimensional lattice pattern projected from the back onto the surface of the diffusion sheet.

光源をOFFにしたときには、拡散シート背面からの2次元格子パターンの投射はないために,形状計測ユニットは単なる拡散シートを撮影することになる。このとき、形状計測ユニットの格子投影を行うと、投影された格子パターンを撮影することができる。   When the light source is turned off, there is no projection of the two-dimensional lattice pattern from the back surface of the diffusion sheet, and therefore the shape measurement unit captures a simple diffusion sheet. At this time, if the shape measurement unit performs the grid projection, the projected grid pattern can be photographed.

図29に示されるように、2次元格子は既知の等間隔のピッチを持つため、これがx座標とy座標を決める目盛りとなる。2次元格子パターンには、図29に示すように部分的に基準点のマークをつけている。このマークを形状計測ユニットで2次元格子パターンと同時に撮影することで、2次元格子に番号付けを行うことができる。   As shown in FIG. 29, since the two-dimensional lattice has a known equally spaced pitch, this is a scale for determining the x coordinate and the y coordinate. The two-dimensional lattice pattern is partially marked with reference point marks as shown in FIG. The two-dimensional grid can be numbered by photographing the mark simultaneously with the two-dimensional grid pattern by the shape measuring unit.

3−2 基準面の改良
3−1で説明した基準面が完成する前に、LED光源部分の改良を行った。また、より鮮明な投影格子を得るため、レンズを用いて平行光を作った。まず、解析が十分できる投影格子を得るため、LED光源の明るさについて実験で検討した。
3-2 Improvement of Reference Surface Before the reference surface described in 3-1, the LED light source portion was improved. In addition, in order to obtain a clearer projection grating, parallel light was made using a lens. First, the brightness of the LED light source was examined in an experiment in order to obtain a projection grating that can be analyzed sufficiently.

1W(ワット)のLED光源と4WのLED光源を用いて格子を投影した。結果として、4WのLED光源の方は投影した格子が良く見えることが分かった。4WのLED光源があれば、十分明るい投影格子を投影することができると判断した。   The grating was projected using a 1 W (watt) LED light source and a 4 W LED light source. As a result, it was found that the projected grid looks better with the 4 W LED light source. It was determined that a sufficiently bright projection grid could be projected with a 4W LED light source.

光源の輝度値を上げるため、平行光を作る必要がある。そのために、光源部分を用いて、図30に示すように、Cマウントレンズの光学原理をうまく運用したことで、ピンホールから出た点光源を平行光にすることができる。図30のような拡散シートをレンズの上に置いて、光源の状態を確認しながら実験を行った。   In order to increase the luminance value of the light source, it is necessary to create parallel light. Therefore, using the light source portion, as shown in FIG. 30, the point light source emitted from the pinhole can be made parallel light by successfully using the optical principle of the C-mount lens. An experiment was conducted by placing a diffusion sheet as shown in FIG. 30 on the lens and confirming the state of the light source.

また、LED光源の発光素子の発光パターンがよく投影されて、真ん中の方は明るいという問題点に対して、光が均等に拡散するディフューザー(拡散板)をピンホールの上に置くことで、投影した光源の明るさを均一にすることができる。   In addition, the light emitting pattern of the light emitting element of the LED light source is well projected, and the problem is that the middle is brighter. The brightness of the light source can be made uniform.

3−3 基準面のXY軸の精度評価
3−1で説明したような、拡散シートにピッチが0.2mmの格子を投影されている。その投影された格子を本発明に係る形状計測装置のカメラで撮影して、位相分析処理などを利用することでxy座標へ変換する。その変換の精度について調べた。
3-3 Accuracy Evaluation of XY Axis of Reference Surface As described in 3-1, a grid having a pitch of 0.2 mm is projected on the diffusion sheet. The projected grating is photographed by the camera of the shape measuring apparatus according to the present invention, and converted into xy coordinates by using a phase analysis process or the like. The accuracy of the conversion was investigated.

後述する4−5で説明する本形状計測装置は、カメラが2セットのカメラを備えている。図31は第1カメラで撮影した二次元格子の画像である。画像の上、0番,1番,2番,3番の四つのマークがある。0番マークと1番マークには横5ピッチ1mmの範囲を示している。同じく2番マークと3番マークには縦5ピッチ1mmの範囲を示している。   In the shape measuring apparatus described in 4-5 described later, the camera includes two sets of cameras. FIG. 31 is an image of a two-dimensional lattice taken by the first camera. On the image, there are four marks, 0, 1, 2, and 3. The 0th mark and the 1st mark indicate a range of 1 mm in 5 horizontal pitches. Similarly, the 2nd mark and the 3rd mark indicate a range of 5 mm in length and 1 mm.

2−3−1で説明した通り、図31のような撮影された格子画像に対しフーリエ変換格子法,逆フーリエ変換と位相接続を用いることによって、図32(a),図32(b)のようなxy座標を得る。   As described in 2-3-1, by using the Fourier transform lattice method, the inverse Fourier transform, and the phase connection for the captured lattice image as shown in FIG. 31, FIG. 32 (a) and FIG. 32 (b). Get such xy coordinates.

また、図32(a),図32(b)には図31と同じところでマークがある。図32(a)の上でマークの座標は0番−1.593mm,1番−0.594mm,得られたx方向格子ピッチは:0.999/5=0.200mm。図32(b)上で、マークの座標は2番1.091mm,3番0.089mm,得られたy方向格子ピッチは:1.002/5=0.200mmである。xy方向格子ピッチは実際の格子のピッチ0.2mmと同じ結果であった。   Further, in FIGS. 32A and 32B, there are marks at the same positions as in FIG. In FIG. 32 (a), the coordinates of the mark are 0-1.593 mm, 1-0.594 mm, and the obtained x-direction lattice pitch is 0.999 / 5 = 0.200 mm. In FIG. 32B, the coordinates of the mark are No. 2 1.091 mm, No. 3 0.089 mm, and the obtained y-direction lattice pitch is: 1.002 / 5 = 0.200 mm. The xy direction lattice pitch was the same as the actual lattice pitch of 0.2 mm.

同じく、図33は第2メラで撮影した二次元格子の画像である。画像の上、0番,1番,2番,3番,四つのマークがある。0番マークと1番マークには横5ピッチ1mmの範囲を示している。同じく2番マークと3番マークには縦5ピッチ1mmの範囲を示している。図34(a),図34(b)はxy座標を示す。また、図34(a),図34(b)には図33と同じところにマークがある。図34(a)の上でマークの座標は0番−0.392mm,1番0.603mm,得られたx方向格子ピッチは:0.995/5=0.199mmである。図34(b)上でマークの座標は2番0.293mm,3番−0.707mm、得られたy方向格子ピッチは:1/5=0.200mmである。x方向格子ピッチは実際の格子のピッチと0.001mmの差が得られた。y方向格子ピッチは実際の格子のピッチと同じ結果であった。   Similarly, FIG. 33 is an image of a two-dimensional lattice taken by the second mela. On the image, there are four marks, 0, 1, 2, 3, and 4. The 0th mark and the 1st mark indicate a range of 1 mm in 5 horizontal pitches. Similarly, the 2nd mark and the 3rd mark indicate a range of 5 mm in length and 1 mm. 34 (a) and 34 (b) show xy coordinates. Further, in FIGS. 34 (a) and 34 (b), there is a mark at the same position as FIG. In FIG. 34A, the coordinates of the mark are 0-0.392 mm, 0.603 mm, and the obtained x-direction lattice pitch is 0.995 / 5 = 0.199 mm. In FIG. 34B, the coordinates of the mark are No. 2 0.293 mm, No. 3 -0.707 mm, and the obtained y-direction lattice pitch is: 1/5 = 0.200 mm. The x-direction lattice pitch was 0.001 mm different from the actual lattice pitch. The y-direction lattice pitch was the same as the actual lattice pitch.

4. 本発明に係る形状計測装置
ここで、形状計測装置について概要を説明する。パイプ長径のサイズによって、長径が200mm以上のパイプに対応できる形状計測装置をφ200という名前を付けた。同じく、長径が70mmから200mmまでのパイプに対応できる形状計測装置をφ70という名前を付けた。まず4−1にて形状計測装置の構造や仕組み、および、使用している機器について説明する。4−2において三次元形状計測手法について説明する。4−3には溝を加工する機器について説明する。4−4には形状計測装置の振動実験を示す。4−5において形状計測装置の計測精度評価について説明する。最後に4−6では溝を対象とする形状計測装置の計測実験を示す。
4). Shape Measuring Device According to the Present Invention Here, an outline of the shape measuring device will be described. A shape measuring device capable of supporting pipes having a major axis of 200 mm or more depending on the size of the major axis of the pipe was named φ200. Similarly, a shape measuring device capable of accommodating pipes having a major axis of 70 mm to 200 mm is named φ70. First, in 4-1, the structure and structure of the shape measuring apparatus and the devices used are described. In 4-2, a three-dimensional shape measurement method will be described. 4-3 demonstrates the apparatus which processes a groove | channel. 4-4 shows a vibration experiment of the shape measuring apparatus. In 4-5, the measurement accuracy evaluation of the shape measuring apparatus will be described. Finally, 4-6 shows a measurement experiment of a shape measuring apparatus for a groove.

4−1 形状計測装置の概要
実際に形状計測装置を溝の加工機器に装着することと同じ条件とするために、本形状計測システムは溝の加工機器と同じなエンドミルを作った。また、基準面の部分は3.で説明したとおりである。
4-1 Outline of shape measuring device In order to make the same conditions as actually mounting the shape measuring device on the groove processing device, this shape measuring system made the same end mill as the groove processing device. Also, the reference plane part is 3. As explained in.

図35は、加工ヘッドに取り付けた形状計測ヘッドを示している。図36は形状計測装置の全体像を示している。加工ヘッド6の先端にはワークを加工するためのエンドミル4が配設されている。また、加工ヘッド6には形状計測ヘッド12が取り付けられている。形状計測ヘッド12は、2つの計測ユニット8A,8Bと計測ユニットコントローラ13を備えている。計測ユニット8A,8Bは、それぞれカメラ部とプロジェクタ部が組み込まれており、エンドミル4の先端付近に格子パターンを投影し、カメラ部で撮影できるようになっている。それぞれの計測ユニット8A,8Bは、計測ユニット8A,8Bの上部に配設された計測ユニットコントローラ13と信号線で接続されている。計測ユニットコントローラ13は、外部のコンピュータ14からのコマンドに従って、プロジェクタ部における格子投影とカメラ部における撮影のコントロールを行い、計測ユニット8A,8B内のカメラから撮影画像を受け取り、それを外部のコンピュータ14に送信する。   FIG. 35 shows the shape measuring head attached to the machining head. FIG. 36 shows an overall image of the shape measuring apparatus. An end mill 4 for processing a workpiece is disposed at the tip of the processing head 6. A shape measuring head 12 is attached to the machining head 6. The shape measuring head 12 includes two measuring units 8A and 8B and a measuring unit controller 13. The measurement units 8A and 8B each incorporate a camera unit and a projector unit, and project a lattice pattern near the tip of the end mill 4 so that the camera unit can shoot. Each of the measurement units 8A and 8B is connected to a measurement unit controller 13 disposed above the measurement units 8A and 8B through signal lines. The measurement unit controller 13 controls grid projection in the projector unit and shooting in the camera unit in accordance with commands from the external computer 14, receives captured images from the cameras in the measurement units 8 A and 8 B, and receives them from the external computer 14. Send to.

図37に計測ユニット8A,8Bの内部構造を示す。計測ユニット8A,8Bは同じ構成であるので共通の構成として説明する。計測ユニット8は筐体内にプロジェクタ部9とカメラ部10を備えている(図2参照)。プロジェクタ部9は、LED光源によりガラス格子基板をレンズで結像させて計測対象物表面に格子投影を行う。光源のLEDのON/OFFは計測ユニットコントローラ13によって行われる。カメラ部10は撮像素子とレンズで構成されており、撮像素子は計測ユニットコントローラ13によってコントロールされる。コンピュータ14からのコマンドによって、計測ユニットコントローラ13はプロジェクタ部9(LED光源、ミラー、レンズ、ガラス格子基板)による格子投影を行い、カメラ部10によって格子パターンが投影された計測対象物の画像を撮影する。投影格子像はガラス窓を透過して計測対象物の表面に投射され、投射された格子像はガラス窓を介してカメラ部10によって撮影される。ミラーを用い光源からの光の光路を屈曲させることによって計測ユニット8を小型化している。撮影された画像信号は、計測ユニットコントローラ13を介してコンピュータ14に送信される。図38は1つの計測ユニットの内部構造の画像である。   FIG. 37 shows the internal structure of the measurement units 8A and 8B. Since the measurement units 8A and 8B have the same configuration, they will be described as a common configuration. The measurement unit 8 includes a projector unit 9 and a camera unit 10 in a casing (see FIG. 2). The projector unit 9 forms an image on a glass lattice substrate with a lens using an LED light source, and performs lattice projection on the surface of the measurement object. The measurement unit controller 13 turns on / off the LED of the light source. The camera unit 10 includes an image sensor and a lens, and the image sensor is controlled by the measurement unit controller 13. In response to a command from the computer 14, the measurement unit controller 13 performs lattice projection by the projector unit 9 (LED light source, mirror, lens, glass lattice substrate), and captures an image of the measurement object on which the lattice pattern is projected by the camera unit 10. To do. The projected lattice image passes through the glass window and is projected onto the surface of the measurement object, and the projected lattice image is taken by the camera unit 10 through the glass window. The measuring unit 8 is downsized by bending the optical path of light from the light source using a mirror. The captured image signal is transmitted to the computer 14 via the measurement unit controller 13. FIG. 38 is an image of the internal structure of one measurement unit.

2つの計測ユニット8A,8Bを備えた形状計測装置は、計測ユニット8Aによる格子投影と撮像と、計測ユニット8Bによる格子投影と撮像とを、交互に行うように制御する。このようにして、計測ユニット8Aと計測ユニット8Bによる格子画像の撮影が互いに干渉することを防止できる。なお、異なる光源の波長、フィルタなどの構成を用いることにより、計測ユニット8Aと計測ユニット8Bとから同時に格子投影と格子画像の撮影を行う構成としてもよい。また、光源はLEDに限定されず、半導体レーザ光、あるいは、光ファイバで導光した光を光源として用いてもよい。   The shape measuring apparatus including the two measurement units 8A and 8B controls so that the grid projection and imaging by the measurement unit 8A and the grid projection and imaging by the measurement unit 8B are performed alternately. In this way, it is possible to prevent the grid images taken by the measurement unit 8A and the measurement unit 8B from interfering with each other. In addition, it is good also as a structure which performs grating | lattice projection and imaging | photography of a grating | lattice image simultaneously from the measurement unit 8A and the measurement unit 8B by using structures, such as a wavelength of different light sources, a filter. Further, the light source is not limited to the LED, and semiconductor laser light or light guided by an optical fiber may be used as the light source.

形状計測ヘッド12のキャリブレーションは、図39に示すように、専用の基準面ユニットに形状計測ヘッド12を取り付けて行う。キャリブレーションを実行する本発明に係る形状計測システムを横から見た時の模式図を図39に示す。図39に示しているように、パソコン(Computer)13からドライバ(Driver)14を通じて上下移動の動作を行うステージ15の動作をコントロールする。ドライバ14を通じてパソコン13から移動ステージの動作を確認することもできる。同じく、パソコン13はマイコン16を通じてLED光源の点滅をコントロールする。形状計測ヘッド12の内部のカメラとLED光源の動作もパソコン13からコントローラを通じてコントロールする。カメラで撮影した画像データはパソコン13で確認することができる。図の中に点線の部分は3−1で説明した格子投影部分である。   As shown in FIG. 39, the shape measuring head 12 is calibrated by attaching the shape measuring head 12 to a dedicated reference plane unit. FIG. 39 shows a schematic diagram when the shape measuring system according to the present invention for executing calibration is viewed from the side. As shown in FIG. 39, the operation of the stage 15 that moves up and down from a personal computer (Computer) 13 through a driver (Driver) 14 is controlled. The operation of the moving stage can also be confirmed from the personal computer 13 through the driver 14. Similarly, the personal computer 13 controls blinking of the LED light source through the microcomputer 16. The operation of the camera and LED light source inside the shape measuring head 12 is also controlled from the personal computer 13 through the controller. Image data captured by the camera can be confirmed by the personal computer 13. The dotted line portion in the figure is the lattice projection portion described in 3-1.

基準面ユニットは、上下動するステージ15に取り付けられており、上部に取り付けた形状計測ヘッド12から格子投影と投影された格子画像を撮影できるように構成されている。上下動するステージ15は、上述のようにパソコン13からの指令によって上下動する。   The reference plane unit is attached to a stage 15 that moves up and down, and is configured to be able to capture a lattice projection and a projected lattice image from the shape measurement head 12 attached to the upper portion. The stage 15 that moves up and down moves up and down by a command from the personal computer 13 as described above.

基準面ユニットと基準点のマークについては、図28と図29を用いて説明したところであるが、再度、説明する。上面に拡散シートがあり、その下に2次元格子ガラス基板が取り付けられている。既知の等間隔のピッチを持つ2次元格子ガラス基板の下方には平行光を作るためのレンズがあり、そのレンズの焦点距離の位置にピンホールがある。ピンホールの下部には光源用のLEDが取り付けられている。   The reference plane unit and the reference point mark have been described with reference to FIGS. 28 and 29, but will be described again. There is a diffusion sheet on the upper surface, and a two-dimensional lattice glass substrate is attached below the diffusion sheet. Below the two-dimensional lattice glass substrate having a known equally spaced pitch is a lens for producing parallel light, and a pinhole is located at the focal length of the lens. An LED for a light source is attached to the lower part of the pinhole.

光源をONにしたとき、光源から出た光はピンホールを通ることで、ピンホールが擬似的に点光源となる。ピンホールがレンズの焦点の位置に置かれているため、レンズを通った後は平行光となる。平行光が2次元格子ガラス基板に入射することで、その影が拡散シートに投射される。拡散シート上方に取り付けられた形状計測ユニットは、拡散シート表面に背面から投射された2次元格子パターンを撮影することができる。   When the light source is turned on, the light emitted from the light source passes through the pinhole, so that the pinhole becomes a pseudo point light source. Since the pinhole is placed at the focal point of the lens, it becomes parallel light after passing through the lens. When the parallel light enters the two-dimensional lattice glass substrate, the shadow is projected onto the diffusion sheet. The shape measuring unit attached above the diffusion sheet can photograph a two-dimensional lattice pattern projected from the back onto the surface of the diffusion sheet.

光源をOFFしたときには、拡散シート背面からの2次元格子パターンの投射がないために、形状計測ユニットは単なる拡散シートを撮影することになる。このとき、形状計測ユニットの格子投影を行うと、投影された格子パターンを撮影することができる。   When the light source is turned off, since the two-dimensional lattice pattern is not projected from the back surface of the diffusion sheet, the shape measurement unit captures a simple diffusion sheet. At this time, if the shape measurement unit performs the grid projection, the projected grid pattern can be photographed.

図29は2次元パターンの拡大図である。2次元格子は既知の等間隔ピッチを持つため、これがx座標とy座標を決める目盛りとなる。2次元格子パターンは、図29に示されるように部分的に基準点のマークを付けている。このマークを計測ユニットで2次元格子パターンと同時に撮影することで、2次元格子に番号付けを行うことができる。   FIG. 29 is an enlarged view of a two-dimensional pattern. Since the two-dimensional lattice has a known equidistant pitch, this is a scale for determining the x coordinate and the y coordinate. The two-dimensional lattice pattern is partially marked with a reference point as shown in FIG. By photographing this mark simultaneously with the two-dimensional lattice pattern by the measurement unit, the two-dimensional lattice can be numbered.

4−2 本発明の形状計測方法と有効性の確認
本発明は、格子投影法と、高速な位相解析が可能なサンプリングモアレ法と、高速に精度よく座標を得ることができる全空間テーブル化法を利用した形状計測方法である。ここでは、高さ方向の形状計測実験結果を示す。校正時の撮影基準面枚数は5枚、全空間テーブル化手法におけるテーブル枚数は1000枚、高さ方向の計測範囲は0.8mm、サンプリングモアレ法における間引き間隔は43画素であり、0.5mmピッチの格子を投影する。
4-2 Shape Measurement Method of the Present Invention and Confirmation of Effectiveness The present invention relates to a lattice projection method, a sampling moire method capable of high-speed phase analysis, and an all-space table forming method capable of obtaining coordinates at high speed with high accuracy. It is a shape measurement method using Here, the shape measurement experiment result in the height direction is shown. The number of reference planes at the time of calibration is 5, the number of tables in the total space table method is 1000, the measurement range in the height direction is 0.8 mm, and the thinning interval in the sampling moire method is 43 pixels, with a pitch of 0.5 mm Project the grid.

図40は計測対象のステンレス製試料であり、試料中央の溝(Groove)の幅は1.0mm、深さは0.51mmである。その他のサイズは、図中に記載の通りである。右側の図は左の図の溝を拡大したものである。図41は試料に投影されている格子の画像である。図42は図41に対してサンプリングモアレ法によって求められた位相分布図、図43は図42の鎖線部分の位相を元に、全空間テーブル化法によって求められた高さ分布図である。また、図44では図43に示す測定結果の鎖線部分zの断面の高さ分布を示している。溝の下と上での平均値を計算すると、上:0.64mm,下:0.15mm,差:0.49mmである。結果からみると,溝の実際の深さと比較すると0.02mmの差であった。したがって、本発明の形状計測方法は、十分に有効であることがわかった。   FIG. 40 shows a stainless steel sample to be measured. The groove in the center of the sample has a width of 1.0 mm and a depth of 0.51 mm. Other sizes are as described in the figure. The figure on the right is an enlarged view of the groove in the figure on the left. FIG. 41 is an image of a grid projected on the sample. 42 is a phase distribution diagram obtained by the sampling moire method with respect to FIG. 41, and FIG. 43 is a height distribution diagram obtained by the total space table method based on the phase of the chain line portion of FIG. 44 shows the height distribution of the cross section of the chain line portion z of the measurement result shown in FIG. When the average value at the bottom and top of the groove is calculated, the top is 0.64 mm, the bottom is 0.15 mm, and the difference is 0.49 mm. Judging from the results, the difference was 0.02 mm compared to the actual depth of the groove. Therefore, it was found that the shape measuring method of the present invention is sufficiently effective.

4−3 溝を加工する加工機
従来公知のテストピース加工機(図45参照)は、シームレス鋼管の品質検査に用いるテストピースを製作する。シームレス鋼管の品質維持のためには、高品質のテストピースが欠かせない。溶接加工は、熱間工具の再生や金型の硬化肉盛加工を行える。テストピース加工機は、エンドミルと装置の動作をコントローラでコントロールする。溝を加工する時、エンドミルをパイプの中に入れて、適切な場所で加工を行える。4−1で紹介したように、形状計測装置を実際にテストピース加工機に装着し、溝を加工しながら、溝の形状を計測する。
4-3 Processing Machine for Processing Grooves A conventionally known test piece processing machine (see FIG. 45) manufactures test pieces used for quality inspection of seamless steel pipes. High quality test pieces are indispensable for maintaining the quality of seamless steel pipes. Welding can be performed to regenerate hot tools and to harden and mold molds. The test piece processing machine controls the operation of the end mill and the device with a controller. When processing the groove, the end mill can be put into the pipe and processed at an appropriate place. As introduced in 4-1, the shape measuring device is actually mounted on the test piece processing machine, and the shape of the groove is measured while processing the groove.

4−4 形状計測装置の振動試験
溝を加工する加工機の振動がカメラに与える影響を調べるため、カメラをテストピース加工機に装着して、エンドミルと形状計測装置をパイプの中に入れて、溝を加工しながら実験を行った。
4-4 Vibration test of shape measuring device In order to investigate the effect of the vibration of the processing machine that processes grooves on the camera, the camera is mounted on the test piece processing machine, the end mill and the shape measuring device are placed in the pipe, The experiment was conducted while processing the grooves.

テストピース加工機を下記の五つの状態で動作させて実験を行った。   Experiments were performed with the test piece processing machine operating in the following five states.

状態1:静止
状態2:空回り(5000RPM)
状態3:空回り(6000RPM)
状態4:切削(切込み速度0.01mm/min,切込み量0.1mm,送り速度15mm/min)
状態5:切削(切込み速度0.05mm/min,切込み量0.2mm,送り速度15mm/min)
図46は画像の中の一点の位相値の変化を示す。実験結果から、加工機械の振動はカメラへの影響があまりないことが分かった。
State 1: Stationary State 2: Empty (5000 RPM)
State 3: idle (6000 RPM)
State 4: Cutting (cutting speed 0.01 mm / min, cutting depth 0.1 mm, feed speed 15 mm / min)
State 5: Cutting (cutting speed 0.05 mm / min, cutting depth 0.2 mm, feed speed 15 mm / min)
FIG. 46 shows a change in the phase value at one point in the image. From the experimental results, it was found that the vibration of the processing machine had little effect on the camera.

4−5 形状計測装置の計測精度評価
対象物である溝の形状を計測する前に、φ200形状計測装置自身の計測精度を調べる必要がある。そのために、精度が良い段差計測試料(図47参照)を用いてφ200形状計測装置の計測精度確認実験を行った。まず、段差計測試料を高精度非接触段差測定機(ユニオン光学株式会社製の高精度非接触段差測定機DH2)で測定した。測定用レンズは三つを装着している。そのレンズの情報を表1に示している。
4-5 Measurement Accuracy of Shape Measuring Device Before measuring the shape of a groove that is an object to be evaluated, it is necessary to check the measurement accuracy of the φ200 shape measuring device itself. For this purpose, a measurement accuracy confirmation experiment of the φ200 shape measurement device was performed using a step measurement sample (see FIG. 47) with good accuracy. First, the step measurement sample was measured with a high-precision non-contact level difference measuring machine (high-precision non-contact level difference measuring machine DH2 manufactured by Union Optical Co., Ltd.). Three measuring lenses are attached. The lens information is shown in Table 1.

精度の良い段差計測試料のデータを表2に示す。   Table 2 shows the data of the step measurement sample with good accuracy.

今回実験に1段目と2段目を使った。4−1で説明したように、カメラと格子投影部分を2セット付けられているため(図35参照)、第1カメラと第2カメラと呼ぶ。第1カメラと第2カメラ実際の撮影写真と結果をそれぞれに示す。例えば、計測ユニット8Aが第1カメラ、計測ユニット8Bが第2カメラに対応する。   The first and second stages were used in this experiment. As described in 4-1, since two sets of the camera and the lattice projection portion are attached (see FIG. 35), they are called the first camera and the second camera. The actual photograph and result of the first camera and the second camera are shown respectively. For example, the measurement unit 8A corresponds to a first camera, and the measurement unit 8B corresponds to a second camera.

図48(a)は第1カメラの撮影画像である。図48(b)は第2カメラの撮影画像である。撮影画像の大きさは1280*1024pixelである。また図48(a)の高さ分布画像は図49(a)である。同じく、図48(b)の高さ分布画像は図49(b)である。図50は撮影した画像の白線で囲まれた領域の3次元画像である。   FIG. 48A shows a photographed image of the first camera. FIG. 48B is a photographed image of the second camera. The size of the captured image is 1280 * 1024 pixels. The height distribution image of FIG. 48A is FIG. 49A. Similarly, the height distribution image of FIG. 48B is FIG. 49B. FIG. 50 is a three-dimensional image of a region surrounded by a white line of a photographed image.

結果としては、図49(a)に示しているように、第1カメラの高さ分布画像から、0.480mmの差がみられた。非接触計測装置で測定した結果は0.499mmであり、0.019mmの差があることをわかった。図49(b)に示しているように、第2カメラの高さ分布画像から、0.481mmの差がみられた。非接触計測装置の測定結果と0.018mmの差があることをわかった。
以上の実験から、第1カメラの計測精度は0.019mmである。第2カメラの計測精度は0.018mmであるが分かった。
As a result, as shown in FIG. 49A, a difference of 0.480 mm was observed from the height distribution image of the first camera. The result of measurement with a non-contact measuring device was 0.499 mm, and it was found that there was a difference of 0.019 mm. As shown in FIG. 49B, a difference of 0.481 mm was observed from the height distribution image of the second camera. It was found that there was a difference of 0.018 mm from the measurement result of the non-contact measuring device.
From the above experiment, the measurement accuracy of the first camera is 0.019 mm. The measurement accuracy of the second camera was found to be 0.018 mm.

4−6 溝を対象とする形状計測装置の計測実験
溝試料の形状計測を行う前、xyzテーブルを作らないといけない。まず、φ200形状計測装置のテーブルを作る前の基準点探索について説明する。2−4−1で説明した基準点探索の画像結果を示す。
4-6 Measurement Experiment of Shape Measuring Device Targeting Grooves Before performing shape measurement of groove samples, an xyz table must be created. First, the reference point search before creating the table of the φ200 shape measuring apparatus will be described. An image result of the reference point search described in 2-4-1 is shown.

図51はカメラで撮影した一枚の2次元格子基準面画像である。なお、破線丸囲み内に基準点の白抜き部分を確認することができる。基準点を探索する時あらかじめ領域を決める。今回は図51に示しているような白線のエリア(640*480pixel)内で基準点探索を行った。図52−1,図52−2(以下、両者を図52と称する)は白線内のエリア領域のデータを示す。   FIG. 51 is a two-dimensional lattice reference plane image taken by a camera. In addition, the white portion of the reference point can be confirmed within the circle surrounded by the broken line. An area is determined in advance when searching for a reference point. This time, a reference point search was performed within the white line area (640 * 480 pixels) as shown in FIG. 52A and 52B (hereinafter, both are referred to as FIG. 52) show the data of the area area within the white line.

図52(a)は図17の基準面画像である。この画像のフーリエ変換後は図52(b)のような画像を得られる。図52(b)の画像に示している破線エリアを抽出する。エリア領域はフーリエ変換後画像のxy成分が入るように決めている。今回のエリア領域は52*52pixelである。   FIG. 52A is a reference plane image of FIG. After Fourier transform of this image, an image as shown in FIG. 52 (b) is obtained. The broken line area shown in the image of FIG. 52 (b) is extracted. The area region is determined so that the xy component of the image after Fourier transform is included. The area area this time is 52 * 52 pixels.

逆フーリエ変換後のパワー画像は図52(c)に示している。図52(c)に二値化を行うことで、図52(e)の画像が得られる。図52(c)に示している実線のパワーデータは図52(d)に示される。今回の二値化の閾値は180にした。端部分の低パワー部分を除外する処理を経由して図52(f)の基準点のみの低パワー領域を取得する。この領域内で最もパワーが低い画素を基準点とする。図52(g)は基準点を補正した2次元格子画像である。2−4−1で説明した通り、この2次元格子画像にフーリエ変換格子法を用いることによって位相を求める。図52(h)はx軸位相分布画像を示している。同じく、図52(i)はy軸位相分布画像を示している。図52(j)はx方向位相接続画像である。同じく、図52(k)はy方向位相接続画像である。探索した基準点を用いてxyzテーブルの作成を行う。   The power image after the inverse Fourier transform is shown in FIG. By performing binarization on FIG. 52C, the image of FIG. 52E is obtained. The solid line power data shown in FIG. 52 (c) is shown in FIG. 52 (d). The threshold for binarization this time was 180. The low power region of only the reference point shown in FIG. 52 (f) is acquired through the process of excluding the low power portion at the end portion. A pixel having the lowest power in this region is set as a reference point. FIG. 52G shows a two-dimensional lattice image with the reference point corrected. As described in 2-4-1, the phase is obtained by using the Fourier transform lattice method for the two-dimensional lattice image. FIG. 52 (h) shows an x-axis phase distribution image. Similarly, FIG. 52 (i) shows a y-axis phase distribution image. FIG. 52J is an x-direction phase connection image. Similarly, FIG. 52 (k) is a y-direction phase connection image. An xyz table is created using the searched reference points.

次に、溝試料の形状計測実験について説明する。
φ200形状計測装置を用いて、溝を対象とする形状計測装置の計測実験を行った。計測対象には加工された金属製試料を用いる。図53は計測対象のステンレス製試料である。試料中央の溝の幅は0.8mm,深さは0.479mmである。その他のサイズは図中に記載の通りである。今回の実験では、撮影範囲は図53の破線部で示しているように、溝を含む領域となっている。
Next, the shape measurement experiment of the groove sample will be described.
Using a φ200 shape measuring device, a measurement experiment of a shape measuring device for a groove was conducted. A processed metal sample is used as a measurement target. FIG. 53 shows a stainless steel sample to be measured. The width of the groove at the center of the sample is 0.8 mm and the depth is 0.479 mm. Other sizes are as described in the figure. In this experiment, the imaging range is a region including a groove as indicated by a broken line in FIG.

以下、二つのカメラからの個別の三次元形状計測結果を示す。
図54(a)は第1カメラの撮影画像である。図54(b)は第2カメラの撮影画像である。撮影画像の大きさは1280*1024pixelである。撮影画像中の溝を含む領域(670*300pixel)を図55に示している。図56は図55のx座標画像である。図57は図55のy標画像である。図58は図55のz座標画像である。図59は図55の3D画像である。また、図58に示しているz座標画像を再サンプリング処理させ、その結果は図60である。再サンプリング後の1画素のxy座標は10μmである。図61は図60に示している二つカメラの合成データである。図62に図61の3D画像を示している。下には図61の合成後データの評価について示す。
The individual 3D shape measurement results from the two cameras are shown below.
FIG. 54A shows a photographed image of the first camera. FIG. 54B is a captured image of the second camera. The size of the captured image is 1280 * 1024 pixels. An area (670 * 300 pixels) including a groove in the photographed image is shown in FIG. FIG. 56 is an x-coordinate image of FIG. FIG. 57 is the y target image of FIG. FIG. 58 is a z-coordinate image of FIG. FIG. 59 is the 3D image of FIG. Further, the z-coordinate image shown in FIG. 58 is resampled, and the result is shown in FIG. The xy coordinate of one pixel after resampling is 10 μm. FIG. 61 shows composite data of the two cameras shown in FIG. FIG. 62 shows the 3D image of FIG. Below, it shows about evaluation of the data after a synthesis | combination of FIG.

まず合成後溝の幅を評価した。図63に示しているように、矢印データは表3になっている。   First, the width of the groove after synthesis was evaluated. As shown in FIG. 63, the arrow data is shown in Table 3.

上記条件により溝間の距離が0.83mmで測定されていることがわかった。実際の溝の距離は先述の通り0.8mmであるため、0.03mmの計測誤差あることがわかった。   It was found that the distance between the grooves was measured at 0.83 mm under the above conditions. Since the actual groove distance was 0.8 mm as described above, it was found that there was a measurement error of 0.03 mm.

そして合成後溝の深さも評価した。図64に示しているように、領域AとCの高さ情報の平均値と領域Bの高さ情報の平均値より溝の深さを確認する。なお、合成処理が完全ではないため、溝の淵付近のデータを回避して確認している。各領域の画素位置は表4の通りである。   The depth of the groove after synthesis was also evaluated. As shown in FIG. 64, the depth of the groove is confirmed from the average value of the height information of the regions A and C and the average value of the height information of the region B. In addition, since the synthesis process is not complete, the data near the ridge of the groove is avoided and confirmed. Table 4 shows the pixel position of each region.

結果としては、AとCの高さ平均値は0.645mm、Bの高さ平均値は0.184mmで差分は0.463mmであった。先述の通り、溝の深さは0.479mmである。0.016mmの計測誤差あることがわかった。   As a result, the average height of A and C was 0.645 mm, the average height of B was 0.184 mm, and the difference was 0.463 mm. As described above, the depth of the groove is 0.479 mm. It was found that there was a measurement error of 0.016 mm.

最後に合成後溝の一ラインの高さも評価した。図65に示しているように、矢印部分の高さ情報を図66の断面図として表す。矢印の位置はy軸上、105画素の位置で、x軸方向に480画素分のデータを表示する。   Finally, the height of one line of the groove after synthesis was also evaluated. As shown in FIG. 65, the height information of the arrow portion is represented as a cross-sectional view of FIG. The position of the arrow is the position of 105 pixels on the y-axis, and data for 480 pixels is displayed in the x-axis direction.

5. 形状計測用ソフト
ここでは本研究の形状計測ソフトの改良について概要を述べる。まず5−1にてノイズ除去について説明する。次に5−2において形状計測ソフトを紹介する。
5. Shape measurement software This section outlines improvements to the shape measurement software in this study. First, the noise removal will be described in 5-1. Next, shape measurement software is introduced in 5-2.

5−1 ノイズ除去について
金属はハレーションを起こしやすい物である。特に、本発明の計測対象は、溝の加工を行う時、溝の中から出た切り子は金属表面に傷をつけることもある。また、溝を計測するにはハレーションの影響を小さくする必要がある。それらの対策を説明する。
5-1 Noise removal Metals are prone to halation. In particular, in the measurement object of the present invention, when a groove is machined, a facet coming out of the groove may damage the metal surface. Moreover, it is necessary to reduce the influence of halation in order to measure the groove. Explain these measures.

以下、ノイズ除去の流れを説明する。図67に示されるように、中央の画素の輝度値と周りの8画素の輝度値のそれぞれの差を求める。その差の絶対値がある設定値A(ここでは150とした)より大きい画素の個数が別に設定した設定値B(ここでは3とした)以上、その画素をノイズとみなしてマスクをかける。そして画像全体を走査する。中央の画素の周りのマスクではない画素の輝度値の平均値を求める。このような機能を持つプログラムを作成し、ノイズ除去の有効性確認を行った。   Hereinafter, the flow of noise removal will be described. As shown in FIG. 67, the difference between the luminance value of the central pixel and the luminance values of the surrounding eight pixels is obtained. The number of pixels whose absolute value of the difference is greater than a set value A (here, 150) is greater than or equal to a set value B (here, 3) set separately, and the pixel is regarded as noise and masked. Then, the entire image is scanned. An average value of luminance values of pixels that are not masks around the central pixel is obtained. A program with these functions was created and the effectiveness of noise removal was confirmed.

直径が350mm,厚さが15mmであるステンレス製パイプの外面に長さが30mm,幅が1.0mm,深さが0.51mmの溝を加工した。溝がある部分を切り出した。そのサイズは図68に示しているように長さが70mm,幅が50mmである。図68の計測試料を用いて、ノイズ除去の有効性を示した。
図69は4−1で説明した形状計測装置の第1カメラで撮影した画像である。画像のサイズは1280*1024pixelである。図69に先ほど説明したノイズ除去で処理した結果は図70に示されるとおりである。
A groove having a length of 30 mm, a width of 1.0 mm, and a depth of 0.51 mm was processed on the outer surface of a stainless steel pipe having a diameter of 350 mm and a thickness of 15 mm. The part with the groove was cut out. As shown in FIG. 68, the size is 70 mm in length and 50 mm in width. The effectiveness of noise removal was shown using the measurement sample of FIG.
FIG. 69 is an image taken by the first camera of the shape measuring apparatus described in 4-1. The size of the image is 1280 * 1024 pixels. FIG. 70 shows the result obtained by the noise removal described earlier with reference to FIG.

撮影画像とノイズ除去後画像に対して画像処理を行った。図71にその計測結果を示す。図71(a)と図71(b)は図69と図70から切り出した画像である。その大きさは600*400pixelである。図71(c)と図71(d)はサンプリングモアレ法によって算出した位相分布である。   Image processing was performed on the captured image and the image after noise removal. FIG. 71 shows the measurement results. 71A and 71B are images cut out from FIGS. 69 and 70. FIG. Its size is 600 * 400 pixels. 71 (c) and 71 (d) are phase distributions calculated by the sampling moire method.

図72(a)と図72(b)は全空間テーブル化手法によって算出した高さ分布画像である。図72(a)と図72(b)の高さ分布に同じ場所で一ラインの高さ実数データを呼び出した。そのデータは図72(c)と図72(d)に示している。図72(c)と図72(d)の計測結果には、溝の上と下の実数データの平均値を求めた。結果としては、元画像の溝の上の平均値は0.60mmであり、下の平均値は0.24mmである。その差が0.36mmである。溝実際の深さと比べると、0.15mmの差がある。ノイズ除去した画像には、上は0.60mmであり、下は0.16mmであり、その差が0.44mmである。溝の実際の深さと比べると、0.07mmの差がある。ノイズ除去した後の方が実際の溝の深さに近い値となった。   72 (a) and 72 (b) are height distribution images calculated by the total space table method. The real number data of one line is called at the same place in the height distribution of FIG. 72 (a) and FIG. 72 (b). The data is shown in FIGS. 72 (c) and 72 (d). For the measurement results in FIG. 72 (c) and FIG. 72 (d), the average value of the real number data above and below the groove was obtained. As a result, the average value above the groove of the original image is 0.60 mm, and the average value below is 0.24 mm. The difference is 0.36 mm. There is a difference of 0.15 mm compared to the actual depth of the groove. In the image from which noise has been removed, the top is 0.60 mm, the bottom is 0.16 mm, and the difference is 0.44 mm. Compared to the actual depth of the groove, there is a difference of 0.07 mm. The value after noise removal was closer to the actual groove depth.

5−2 処理の流れ
図73は本発明の実施形態で使用される解析ソフトのインタフェース画面を示している。図の中に一番左には画像の表示部分である。真ん中には実際に測定する時のサンプリング数、合成パラメータや出力パラメータを設定する部分である。一番右にはカメラのパラメータ、基準面を撮影する時のパラメータを設定する部分である。次には,実際の形状計測する時処理の流れについて説明する(図74参照)。
5-2 Process Flow FIG. 73 shows an interface screen of analysis software used in the embodiment of the present invention. The leftmost part of the figure is an image display part. In the middle is the part for setting the number of samples, the synthesis parameters, and the output parameters when actually measuring. The rightmost part is for setting camera parameters and parameters for shooting the reference plane. Next, the flow of processing when measuring the actual shape will be described (see FIG. 74).

5−2−1 基準面撮影、テーブル化
xy方向についても基準面の撮影から、座標の算出を行う。基準面の裏面から2次元格子を投影し、これをカメラで撮影する。図75(a)図75(b)のような撮影された格子画像に対しフーリエ変換格子法,逆フーリエ変換、また位相接続を行うことでxy座標を得る。全空間テーブル手法でテーブルデータを作る。
5-2-1 Reference plane imaging and table formation Coordinates are calculated from the reference plane imaging in the xy directions. A two-dimensional lattice is projected from the back surface of the reference surface, and this is photographed with a camera. The xy coordinates are obtained by performing the Fourier transform lattice method, the inverse Fourier transform, and the phase connection on the captured lattice image as shown in FIGS. 75 (a) and 75 (b). Create table data using the whole space table method.

形状を計測する時、まず形状計測装置で計測試料を撮影する。撮影した画像は図76(a)図76(b)に示している。そして、撮影画像にサンプリングモアレ法を用いることで、図77(a)図77(b)のような位相分布画像が得られる。算出した位相分布を先ほど作成したテーブルに参照することで、図78(a)図78(b)のような高さ分布が得られる。このような処理が計測試料を動かしながら行っているため、左と右の移動済のデータに合成処理と平均化処理を行って出力する。その出力データは図79に示している。図79の高さ測定結果を積算することで、図80に示しているような高さデータが得られる。また、図80は図76に示される撮影画像の合成データを示している。最後に図80に示しているように、矢印部分の高さ情報を図81の断面図として表す。   When measuring a shape, first, a measurement sample is photographed with a shape measuring device. The captured images are shown in FIGS. 76 (a) and 76 (b). Then, by using the sampling moire method for the captured image, a phase distribution image as shown in FIGS. 77 (a) and 77 (b) is obtained. By referring to the calculated phase distribution in the table created earlier, a height distribution as shown in FIGS. 78 (a) and 78 (b) is obtained. Since such processing is performed while moving the measurement sample, synthesis processing and averaging processing are performed on the left and right moved data and output. The output data is shown in FIG. By integrating the height measurement results in FIG. 79, height data as shown in FIG. 80 is obtained. FIG. 80 shows composite data of the photographed image shown in FIG. Finally, as shown in FIG. 80, the height information of the arrow portion is represented as a cross-sectional view of FIG.

6. 形状計測装置の小型化と計測実験
本発明に係る形状計測装置の小型化と小型化した形状計測装置(φ70)の計測実験について説明する。まず、6−1にて形状計測装置を小型化する理由について説明する。6−2において小型化を行うための微小格子投影原理について説明する。6−3には小型化した形状計測装置の投影格子の評価について説明する。6−4において形状計測装置の計測精度評価について説明する。6−5では溝を対象とする形状計測装置の計測実験を示す。最後に6−6で精度を上げる計測原理の確認実験とその結果を示す。
6). Downsizing of shape measuring apparatus and measurement experiment The downsizing of the shape measuring apparatus according to the present invention and the measurement experiment of the downsized shape measuring apparatus (φ70) will be described. First, the reason for downsizing the shape measuring apparatus will be described in 6-1. The principle of micrograting projection for miniaturization will be described in 6-2. 6-3 explains the evaluation of the projection grating of the miniaturized shape measuring apparatus. In 6-4, the measurement accuracy evaluation of the shape measuring apparatus will be described. 6-5 shows the measurement experiment of the shape measuring apparatus for the groove. Finally, 6-6 shows the confirmation experiment of the measurement principle to improve accuracy and the result.

6−1 形状計測装置の小型化について
本発明の測定対象としてのパイプにはいろいろなサイズがある。4−1で説明したφ200の形状計測装置は長径が200mm以上のパイプに対応できるように設計した。長径が70mmから200mmまでのパイプに対応できる形状計測装置は必要となってくる。図82にはφ200の形状計測装置と小型化したφ70形状計測装置の画像を示している。φ200形状計測装置のサイズは150*150mm,φ70形状計測装置のサイズは50*60mmである。
6-1 About the size reduction of a shape measuring device The pipe as a measuring object of the present invention has various sizes. The shape measuring apparatus of φ200 described in 4-1, was designed to be compatible with pipes having a major axis of 200 mm or more. A shape measuring device that can accommodate pipes having a long diameter of 70 mm to 200 mm is required. FIG. 82 shows images of a φ200 shape measuring device and a miniaturized φ70 shape measuring device. The size of the φ200 shape measuring device is 150 * 150 mm, and the size of the φ70 shape measuring device is 50 * 60 mm.

図83に加工ヘッドに取り付けた形状計測ヘッドを示す。形状計測ヘッドは,2個の計測ユニットとコントローラで構成されている。計測ユニットにはカメラと格子投影部分が組み込まれており、格子パターンを投影し、カメラで撮影できるようになっている。それぞれの計測ユニットは、計測ユニットコントローラと接続されている。計測ユニットコントローラは、外部のコンピュータからのコマンドにより、格子投影と撮影をそれぞれの計測ユニットのコントロールを行い、計測ユニット内のカメラから撮影画像を受け取り、それを外部のコンピュータに送信する。   FIG. 83 shows the shape measuring head attached to the machining head. The shape measuring head is composed of two measuring units and a controller. The measurement unit incorporates a camera and a grid projection part so that a grid pattern can be projected and photographed with the camera. Each measurement unit is connected to a measurement unit controller. The measurement unit controller controls each measurement unit for lattice projection and photographing in response to a command from an external computer, receives a photographed image from a camera in the measurement unit, and transmits it to the external computer.

図84に、φ70計測ユニットの内部構造を示す。計測ユニット内部はプロジェクタ部とカメラ部で構成されている。プロジェクタ部は,LED光源からの光を幅が0.12mmのスリットを通ってレンズで結像させてガラス格子基板に当たることで格子投影を行っている。光源のLEDのON/OFFは計測ユニットコントローラから行われる。カメラ部は撮像素子とレンズで構成されており、撮像素子はオムニビジョン社製のOV6930CMOS(400*400pixel)である。撮像素子は計測ユニットコントローラがコントロールする。コンピュータからのコマンドによって、計測ユニットコントローラはプロジェクタ部による格子投影を行い、その直後にカメラ部によって格子パターンが投影された計測対象物の画像を撮影し、その画像をコンピュータに送信する。   FIG. 84 shows the internal structure of the φ70 measuring unit. The inside of the measurement unit is composed of a projector unit and a camera unit. The projector unit performs grid projection by causing the light from the LED light source to form an image with a lens through a slit having a width of 0.12 mm and hit the glass grid substrate. The LED of the light source is turned on / off from the measurement unit controller. The camera unit includes an image sensor and a lens, and the image sensor is an OV6930CMOS (400 * 400 pixel) manufactured by Omnivision. The image sensor is controlled by the measurement unit controller. In response to a command from the computer, the measurement unit controller performs lattice projection by the projector unit, and immediately after that, captures an image of the measurement object onto which the lattice pattern is projected by the camera unit, and transmits the image to the computer.

図Cに示されるように、請求項2に係る第二形状計測ヘッドは、光源(LED)と前記光源の前方に配置されたスリットと、前記スリットを透過した前記光源からの光によって照射され計測対象物の表面に投影される格子模様が形成された透明性部材とを有するプロジェクタ部と、前記プロジェクタ部によって前記格子模様が投影された前記計測対象物の表面を撮影する撮像手段とを有し、前記スリットの幅は前記格子のピッチの半分以下であって、前記スリットの方向と前記格子模様が形成された透明性部材の格子の方向が一致し、前記計測対象物の表面の画像を少なくとも一部の撮像領域が重複するように撮像するように配置された第1計測ユニットと第2計測ユニットと、前記第1計測ユニットによる格子模様の投影および前記計測対象物の表面の撮影と、前記第2計測ユニットによる格子模様の投影および前記計測対象物の表面の撮影とを、切り替えて行わせる制御手段と、を備えたことを特徴とする。   As shown in FIG. C, the second shape measuring head according to claim 2 is irradiated and measured by a light source (LED), a slit disposed in front of the light source, and light from the light source that has passed through the slit. A projector unit having a transparent member on which a lattice pattern projected on the surface of the object is formed; and an imaging unit that images the surface of the measurement object on which the lattice pattern is projected by the projector unit. , The width of the slit is less than half of the pitch of the lattice, the direction of the slit and the direction of the lattice of the transparent member on which the lattice pattern is formed, and at least an image of the surface of the measurement object A first measurement unit and a second measurement unit which are arranged so as to capture images so that a part of the imaging regions overlap; projection of a lattice pattern by the first measurement unit; And photographing the surface of the object, an imaging surface of the projection and the measurement object tessellated by the second measuring unit, characterized by comprising a control means for causing switch.

6−2 微小格子投影について
6−1で小型化を行った形状計測装置の画像を示した。形状計測装置の小型化する上で一番困難な点は、格子を投影する部分の小型化である。本発明は、微小格子投影を行うことによって格子を投影する部分の小型化を実現している。微小格子投影は、レンズの焦点距離と幾何学を利用して微小の格子を投影することができる。図85にレンズを用いた格子のピッチを変更できることが図示されている。
6-2 Micro-grid projection An image of the shape measuring apparatus reduced in size in 6-1 is shown. The most difficult point in downsizing the shape measuring apparatus is downsizing of the portion that projects the grating. The present invention realizes miniaturization of a portion for projecting a lattice by performing micro lattice projection. The micro grid projection can project a micro grid by using the focal length and geometry of the lens. FIG. 85 shows that the pitch of the grating using the lens can be changed.

レンズとガラス格子,レンズとLED,レンズと基準面,それぞれの距離は下記のとおりである。
f:レンズの焦点距離
G:レンズとガラス格子の距離
L:レンズとLEDの距離
L:レンズと鏡像LEDの距離
R:レンズと基準面の距離
p’:ガラス格子のピッチ
p:投影格子のピッチ
レンズの焦点距離と幾何学の関係式を利用して、投影格子のピッチpを数20式〜数21式により算出することができる。
The distances between the lens and the glass grating, the lens and the LED, and the lens and the reference surface are as follows.
f: Focal length of lens
a G : Distance between lens and glass lattice a L : Distance between lens and LED
b L : Distance between lens and mirror image LED c R : Distance between lens and reference plane
p ′: pitch of the glass grating p: pitch of the projection grating The pitch p of the projection grating can be calculated by the following formulas (20) to (21) using the relational expression between the focal length of the lens and the geometry.

上の数20式からbLを求める。求めたbLを数21式に代入して、数22式のように投影格子のピッチpを求めることができる。 B L is obtained from the above equation (20). By substituting the obtained b L into Equation 21, the pitch p of the projection grating can be obtained as shown in Equation 22.

次に、上の原理について証明実験を行った。
実験条件:
レンズの焦点距離: f=40mm
レンズとLEDの距離: aL=30mm
レンズとガラス格子の距離: aG=10mm
レンズと基準面の距離: cR=20mm
ガラス格子のピッチ: p’=0.2mm
以上の実験条件で計算式(数22式)から得た投影格子のピッチは:p=0.215mmである。
Next, a proof experiment was conducted on the above principle.
Experimental conditions:
Lens focal length: f = 40mm
Distance between lens and LED: aL = 30mm
Distance between lens and glass grating: aG = 10mm
Distance between lens and reference plane: cR = 20mm
The pitch of the glass lattice: p ′ = 0.2 mm
The pitch of the projection grating obtained from the calculation formula (Formula 22) under the above experimental conditions is: p = 0.215 mm.

レンズとLED,レンズとガラス格子,レンズと基準面,それぞれの距離は実験条件に記載しているように設置した。理論値と実験から得られた値の差が0.006mmである。得られた計算式(数20式,数21式,数22式)の有効性を実験的に証明できた。   The distance between the lens and LED, the lens and glass lattice, the lens and the reference plane, and the distances were set as described in the experimental conditions. The difference between the theoretical value and the value obtained from the experiment is 0.006 mm. The effectiveness of the obtained calculation formulas (Formula 20, Formula 21, Formula 22) could be experimentally proved.

6−3 小型化した形状計測装置の投影格子の評価
6−2の微小格子投影の原理を利用して形状計測装置の小型化を行った、そして、その小型化した形状計測装置の投影格子が微小格子投影原理の通りになっているかについて検証した。検証の結果、有効性を確認できた。実験条件は下記の通りである。
6-3 Evaluation of Projection Grating of Miniaturized Shape Measurement Device The shape measurement device was miniaturized using the principle of micrograting projection of 6-2, and the projection grating of the miniaturized shape measurement device is We verified whether it was in accordance with the micro-grid projection principle. As a result of the verification, the effectiveness was confirmed. The experimental conditions are as follows.

実験条件:
レンズの焦点距離: f =10mm
レンズとLEDの距離: aL =9.38mm
レンズとガラス格子の距離: aG =2.4mm
レンズと基準面の距離: cR =12.4mm
ガラス格子のピッチ: p’=0.375mm
以上の実験条件を利用して6−2で説明した計算式数20式〜数22式により得られた投影格子のピッチは:p=0.399mmである。
Experimental conditions:
Lens focal length: f = 10 mm
Distance between lens and LED: aL = 9.38 mm
Distance between lens and glass grating: aG = 2.4 mm
Distance between lens and reference surface: cR = 12.4 mm
Glass lattice pitch: p ′ = 0.375 mm
Using the above experimental conditions, the pitch of the projection grating obtained by the formulas 20 to 22 described in 6-2 is: p = 0.399 mm.

投影した格子ピッチは3.5/9=0.389mmである。また、行った三回の実験は全部同じ結果が得られた。6−2で説明した計算式(数20式〜数22式)から得た投影格子のピッチは0.399mmであるため、実際の実験結果と0.010mmの差があるのみである。   The projected grating pitch is 3.5 / 9 = 0.389 mm. The same results were obtained in all three experiments. Since the pitch of the projection grating obtained from the calculation formula (Formula 20 to Formula 22) described in 6-2 is 0.399 mm, there is only a difference of 0.010 mm from the actual experimental result.

6−4小型化した形状計測装置の投影格子の評価
測定対象物である溝の形状を計測する前に、φ70形状計測装置自身の計測精度を調べる必要がある。そのために、4−5で説明したように、同じく図47の精度が良い段差計測試料を用いてφ70形状計測装置の計測精度確認実験を行った。撮影対象は段差計測試料1段目と2段目とした。
6-4 Evaluation of Projection Grating of Miniaturized Shape Measuring Device Before measuring the shape of the groove that is the measurement object, it is necessary to check the measurement accuracy of the φ70 shape measuring device itself. Therefore, as described in 4-5, the measurement accuracy confirmation experiment of the φ70 shape measurement apparatus was performed using the step measurement sample having the same accuracy as that of FIG. The object to be photographed was the first and second steps of the step measurement sample.

図86は実験の様子を示している。図87(a)は第1カメラの撮影画像である。図87(b)は第2カメラの撮影画像である。撮影画像の大きさは400*400pixelである。撮影画像中の白い領域(350*100pixel)の3D画像を図89に示している。また、図87(a)の高さ分布画像は図88(a)である。同じく、図87(b)の高さ分布画像は図88(b)である。   FIG. 86 shows the state of the experiment. FIG. 87 (a) is a photographed image of the first camera. FIG. 87 (b) is a captured image of the second camera. The size of the captured image is 400 * 400 pixels. FIG. 89 shows a 3D image of a white area (350 * 100 pixels) in the captured image. Also, the height distribution image of FIG. 87 (a) is FIG. 88 (a). Similarly, the height distribution image of FIG. 87 (b) is FIG. 88 (b).

結果としては、図88(a)に示しているように、第1カメラの高さ分布画像から、0.515mmの差がみられた。非接触段差系で測定した結果は0.499mmであり、0.016mmの差があることをわかった。図88(b)に示しているように、第2カメラの高さ分布画像から、0.517mmの差がみられた。非接触段差系の測定結果と0.018mmの差があることをわかった。以上の実験から、第1カメラの計測精度は0.016mmである。第2カメラの計測精度は0.018mmであるが分かった。   As a result, as shown in FIG. 88 (a), a difference of 0.515 mm was observed from the height distribution image of the first camera. The result measured with a non-contact step system was 0.499 mm, and it was found that there was a difference of 0.016 mm. As shown in FIG. 88 (b), a difference of 0.517 mm was observed from the height distribution image of the second camera. It was found that there was a difference of 0.018 mm from the measurement result of the non-contact step system. From the above experiment, the measurement accuracy of the first camera is 0.016 mm. The measurement accuracy of the second camera was found to be 0.018 mm.

6−5 形状計測装置の計測精度評価
溝試料の形状計測を行う前に、xyzテーブルを作る必要がある。2−4−1で説明した基準点探索の原理はφ200形状計測装置とφ70形状計測装置両方に対応する必要がある。処理の流れは同じである。しかし、φ70形状計測装置の撮影画像はかなり小さくなるため、探索領域を変える必要がある。そのデータを下に示す。
6-5 Measurement accuracy evaluation of shape measuring device Before measuring the shape of a groove sample, it is necessary to create an xyz table. The principle of the reference point search described in 2-4-1 needs to correspond to both the φ200 shape measurement device and the φ70 shape measurement device. The process flow is the same. However, since the captured image of the φ70 shape measuring apparatus is considerably small, it is necessary to change the search area. The data is shown below.

図90(a)は基準面の撮影画像である。φ70形状計測装置の場合は図90(a)に示しているような白いエリア(280*100pixel)内で基準点探索を行った、この画像のフーリエ変換後は図90(b)のような画像を得られる。図90(b)の画像に示している黄色エリアを抽出する。今回のエリア領域は16*16pixelである。2−4−1で説明した通りで基準点探索を行う。図90(c)は逆フーリエ変換後のパワー画像である。図90に二値化を行うことで図90(e)の画像が得られる。図90(c)に示している赤い一ラインのパワーデータは図90(d)にある。今回の二値化の閾値は220にした。図90(f)の基準点のみの低パワー領域を取得する。この領域内で最もパワーが低い画素を基準点とする。図90(g)には基準点を補正した2次元格子画像である。2−4−1で述べた通り、この2次元格子画像にフーリエ変換格子法を用いることによって位相を求める。図90(h)にはx軸位相分布画像を示している。同じく、図90(i)にはy軸位相分布画像を示している。図90(j)はx方向位相接続画像である。同じく、図90(k)はy方向位相接続画像である。(なお、図90−1,図90−2を総称して図90という。)
探索した基準点を用いてxyzテーブルの作成を行う。次に、溝試料の形状計測実験について説明する。φ70形状計測装置を用いて、溝を対象とする形状計測装置の計測実験を行った。計測対象には加工された金属製試料を用いる。
FIG. 90A shows a captured image of the reference plane. In the case of a φ70 shape measuring apparatus, a reference point search was performed in a white area (280 * 100 pixels) as shown in FIG. 90A. After Fourier transform of this image, an image as shown in FIG. Can be obtained. The yellow area shown in the image of FIG. 90 (b) is extracted. The area area this time is 16 * 16 pixels. The reference point search is performed as described in 2-4-1. FIG. 90C is a power image after the inverse Fourier transform. 90 is binarized to obtain the image of FIG. 90 (e). The red line power data shown in FIG. 90 (c) is shown in FIG. 90 (d). The threshold for binarization this time was 220. The low power region of only the reference point in FIG. 90 (f) is acquired. A pixel having the lowest power in this region is set as a reference point. FIG. 90 (g) shows a two-dimensional lattice image with the reference point corrected. As described in 2-4-1, the phase is obtained by using the Fourier transform lattice method for this two-dimensional lattice image. FIG. 90 (h) shows an x-axis phase distribution image. Similarly, FIG. 90 (i) shows a y-axis phase distribution image. FIG. 90 (j) is an x-direction phase connection image. Similarly, FIG. 90 (k) is a y-direction phase connection image. (Note that FIGS. 90-1 and 90-2 are collectively referred to as FIG. 90.)
An xyz table is created using the searched reference points. Next, the shape measurement experiment of the groove sample will be described. Using a φ70 shape measurement device, a measurement experiment of a shape measurement device for a groove was performed. A processed metal sample is used as a measurement target.

図91は計測対象のステンレス製試料である。試料中央の溝の幅は0.5mm,深さは0.463mmである。その他のサイズは図中に記載の通りである。今回の実験では、撮影範囲は図91に示しているように実線の丸部分となっている。以下、2つのカメラにより得られた個別の三次元形状計測結果を示す。   FIG. 91 shows a stainless steel sample to be measured. The width of the groove at the center of the sample is 0.5 mm and the depth is 0.463 mm. Other sizes are as described in the figure. In this experiment, the shooting range is a solid circle as shown in FIG. Hereinafter, individual three-dimensional shape measurement results obtained by two cameras are shown.

図92(a)は第1カメラの撮影画像である。図92(b)は第2カメラの撮影画像である。撮影画像の大きさは400*400pixelである。撮影画像中の白い領域(350*50pixel)を図93に示している。図94は図93のx座標画像である。図95は図93のy標画像である。図96は図93のz座標画像である。図97は図93の3D画像である。また、図96に示しているz座標画像を再サンプリング処理させ、その結果は図98である。再サンプリング後の1画素のxy座標は10μmである。図99は図98に示している二つカメラの合成データである。図100に図99の3D画像を示す。   FIG. 92A shows a photographed image of the first camera. FIG. 92B is a photographed image of the second camera. The size of the captured image is 400 * 400 pixels. A white area (350 * 50 pixels) in the captured image is shown in FIG. FIG. 94 is the x coordinate image of FIG. FIG. 95 is the y target image of FIG. FIG. 96 is the z coordinate image of FIG. FIG. 97 is the 3D image of FIG. Also, the z-coordinate image shown in FIG. 96 is resampled, and the result is shown in FIG. The xy coordinate of one pixel after resampling is 10 μm. FIG. 99 shows the combined data of the two cameras shown in FIG. FIG. 100 shows the 3D image of FIG.

以下、図99の合成後データの評価につて示す。
まず合成後溝の幅を評価した。図101に示しているように、矢印データは表5に示される。表5の条件により溝間の距離が0.50mmで測定されていることがわかった。実際の溝の距離は先述の通り0.8mmであるため、計測誤差は0mmであることがわかった。
The evaluation of the post-synthesis data in FIG. 99 is shown below.
First, the width of the groove after synthesis was evaluated. As shown in FIG. 101, the arrow data is shown in Table 5. It was found that the distance between the grooves was measured at 0.50 mm under the conditions in Table 5. Since the actual groove distance was 0.8 mm as described above, the measurement error was found to be 0 mm.

そして合成後、溝の深さも評価した。図102に示しているように、領域AとCの高さ情報の平均値と領域Bの高さ情報の平均値より溝の深さを確認する。なお、合成処理が完全ではないため溝の淵付近のデータを回避して確認している。各領域の画素位置は表6に示す通りである。   After the synthesis, the depth of the groove was also evaluated. As shown in FIG. 102, the depth of the groove is confirmed from the average value of the height information of the regions A and C and the average value of the height information of the region B. It should be noted that since the compositing process is not complete, data near the ridge of the groove is avoided and confirmed. The pixel positions in each region are as shown in Table 6.

結果としては、AとCの高さ平均値は0.756mm、Bの高さ平均値は0.311mmで差分は0.445mmであった。先述の通り、溝の深さは0.463mmである。0.018mmの計測誤差あることがわかった。   As a result, the average height of A and C was 0.756 mm, the average height of B was 0.311 mm, and the difference was 0.445 mm. As described above, the depth of the groove is 0.463 mm. It was found that there was a measurement error of 0.018 mm.

最後に合成後溝の一ラインの高さも評価した。図103に示しているように、矢印部分の高さ情報を図104の断面図として表す。図104には、矢印の位置はy軸上、42画素の位置で、x軸方向に186画素分のデータを表示されている。   Finally, the height of one line of the groove after synthesis was also evaluated. As shown in FIG. 103, the height information of the arrow portion is represented as a cross-sectional view of FIG. In FIG. 104, the position of the arrow is 42 pixels on the y-axis, and data for 186 pixels is displayed in the x-axis direction.

6−6 精度を上げる計測原理の確認実験
φ70形状計測装置を用いて、2−4−6で説明した精度を上げる計測原理の確認実験を行った。下にはその結果について述べる。図105(a)は実際の現場で溝を加工しながら記録した画像(400*400pixel)である。図105(b)の中にある破線の丸中に傷がある。その傷の移動を基準として実験を行った。図105(a)に示しているように撮影した溝画像の溝部分がかなりの角度で傾いている。より良い溝の高さを得るため、溝がまっすぐになるように撮影画像を回転させ、データ処理を行った。回転後の画像を図105(b)に示す。この場合は18.63度だけ回転した。また、基準面を撮影する際にも同じ画像回転を行うようにすることで、回転させた画像であっても正しく三次元座標を得ることができる。
以下、その結果を示す。
6-6 Confirmation Experiment of Measurement Principle to Increase Accuracy Using the φ70 shape measurement device, a confirmation experiment of the measurement principle to increase the accuracy described in 2-4-6 was performed. The results are described below. FIG. 105 (a) is an image (400 * 400 pixel) recorded while processing a groove at an actual site. There is a scratch in the dotted circle in FIG. 105 (b). An experiment was conducted based on the movement of the wound. As shown in FIG. 105A, the groove portion of the photographed groove image is inclined at a considerable angle. In order to obtain a better groove height, the captured image was rotated so that the groove was straight and data processing was performed. The rotated image is shown in FIG. In this case, it rotated by 18.63 degrees. In addition, when the reference plane is photographed, the same image rotation is performed, so that the three-dimensional coordinates can be correctly obtained even for the rotated image.
The results are shown below.

図106に回転した三つの撮影画像とその高さ画像を示す。図106(a)の高さ結果は図106(b)に示される。図106(c)の高さ結果は図106(d)に示される。図106(e)の高さ結果は図106(f)に示される。   FIG. 106 shows three rotated images and their height images. The height result of FIG. 106 (a) is shown in FIG. 106 (b). The height result of FIG. 106 (c) is shown in FIG. 106 (d). The height result of FIG. 106 (e) is shown in FIG. 106 (f).

図106中の画像に赤い線がある。三つの撮影画像の溝の中に傷があるところの一ライン高さデータを出した。その結果を説明する。図107には図106の一ラインの高さデータを示す。図107(a)は図106(b)の一ライン高さデータである。図107(b)には図106(d)の一ライン高さデータを示す。図107(c)は図106(f)の一ライン高さデータである。図106(d)は図106(a)(b)(c)三ラインの平均データである。また、溝の深さは0.7mmであるため、図107(d)に示しているように、平均したデータの方は実際の溝の深さに一番近い結果となった。   There is a red line in the image in FIG. One line height data where there is a scratch in the groove of the three photographed images was taken out. The result will be described. FIG. 107 shows the height data of one line in FIG. FIG. 107 (a) is one-line height data of FIG. 106 (b). FIG. 107 (b) shows one line height data of FIG. 106 (d). FIG. 107 (c) is one line height data of FIG. 106 (f). FIG. 106 (d) shows the average data of three lines in FIGS. 106 (a), (b) and (c). Since the depth of the groove is 0.7 mm, the averaged data is the closest to the actual groove depth as shown in FIG. 107 (d).

図107には図106の一ラインの高さデータを示す。図107(a)はDK(b)のラインA高さデータである。図107(b)には図106(d)のラインB高さデータを示す。図107(c)は図106(f)のラインC高さデータである。図107(d)は図107(a),(b),(c)に示しているラインA,B,Cの合成データである。また、溝の深さは0.7mmであるため,図107(d)に示しているように、平均したデータの方は実際の溝の深さに一番近い結果となった。   FIG. 107 shows the height data of one line in FIG. FIG. 107A shows line A height data of DK (b). FIG. 107 (b) shows the line B height data of FIG. 106 (d). FIG. 107 (c) is line C height data of FIG. 106 (f). FIG. 107 (d) shows the combined data of the lines A, B, and C shown in FIGS. 107 (a), (b), and (c). Further, since the depth of the groove is 0.7 mm, as shown in FIG. 107 (d), the averaged data is the closest to the actual groove depth.

2 パイプ
3 アーム
4 エンドミル
5 移動方向
6 加工ヘッド
7 加工溝
8 計測ユニット
9 プロジェクタ部
10 カメラ部
11 計測領域
12 形状計測ヘッド
13 計測ユニットコントローラ
14 コンピュータ
2 pipe 3 arm 4 end mill 5 moving direction 6 machining head 7 machining groove 8 measuring unit 9 projector unit
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Camera part 11 Measurement area 12 Shape measurement head 13 Measurement unit controller 14 Computer

Claims (5)

光源と前記光源からの光によって照射される格子模様が形成された透明性部材と前記格子模様を計測対象物の表面に結像する結像レンズとを有するプロジェクタ部と、前記プロジェクタ部によって前記格子模様が投影された前記計測対象物の表面を撮影する撮像手段とを有し、前記計測対象物の表面の画像を少なくとも一部の撮像領域が重複するように撮像するように配置された第1計測ユニットと第2計測ユニットと、
前記第1計測ユニットによる格子模様の投影および前記計測対象物の表面の撮影と、前記第2計測ユニットによる格子模様の投影および前記計測対象物の表面の撮影とを、切り替えて行わせる制御手段と、
を備えたことを特徴とする第一形状計測ヘッド。
A projector unit including a light source, a transparent member on which a lattice pattern irradiated with light from the light source is formed, and an imaging lens that forms an image of the lattice pattern on a surface of a measurement object; Imaging means for photographing the surface of the measurement object on which a pattern is projected, and is arranged to take an image of the surface of the measurement object so that at least a part of the imaging regions overlap. A measurement unit and a second measurement unit;
Control means for switching between projection of the lattice pattern by the first measurement unit and photographing of the surface of the measurement object, and projection of the lattice pattern by the second measurement unit and photographing of the surface of the measurement object. ,
A first shape measuring head comprising:
光源と前記光源の前方に配置されたスリットと、前記スリットを透過した前記光源からの光によって照射され計測対象物の表面に投影される格子模様が形成された透明性部材とを有するプロジェクタ部と、前記プロジェクタ部によって前記格子模様が投影された前記計測対象物の表面を撮影する撮像手段とを有し、前記スリットの幅は前記格子のピッチの半分以下であって、前記スリットの方向と前記格子模様が形成された透明性部材の格子の方向が一致し、前記計測対象物の表面の画像を少なくとも一部の撮像領域が重複するように撮像するように配置された第1計測ユニットと第2計測ユニットと、
前記第1計測ユニットによる格子模様の投影および前記計測対象物の表面の撮影と、前記第2計測ユニットによる格子模様の投影および前記計測対象物の表面の撮影とを、切り替えて行わせる制御手段と、
を備えたことを特徴とする第二形状計測ヘッド。
A projector unit having a light source, a slit disposed in front of the light source, and a transparent member formed with a lattice pattern that is irradiated with light from the light source that has passed through the slit and projected onto the surface of the measurement object; Imaging means for photographing the surface of the measurement object onto which the lattice pattern is projected by the projector unit, and the width of the slit is not more than half of the pitch of the lattice, and the direction of the slit and the The first measurement unit and the first measurement unit arranged so as to capture the image of the surface of the measurement object so that at least a part of the imaging regions overlap with each other, with the lattice directions of the transparent member on which the lattice pattern is formed coincide. Two measuring units;
Control means for switching between projection of the lattice pattern by the first measurement unit and photographing of the surface of the measurement object, and projection of the lattice pattern by the second measurement unit and photographing of the surface of the measurement object. ,
A second shape measuring head comprising:
請求項1に記載の第一形状計測ヘッドまたは請求項2に記載の第二形状計測ヘッドのいずれか一方を備え、
前記撮像した計測対象物の画像に対して位相解析処理を施して前記計測対象物の形状を算出することを特徴とする形状計測装置。
Comprising either the first shape measuring head according to claim 1 or the second shape measuring head according to claim 2;
A shape measuring apparatus that performs a phase analysis process on the captured image of the measurement object to calculate the shape of the measurement object.
前記形状計測装置は位相評価値を指標として用いて前記各計測ユニットで撮像した画像の合成処理を行うことを特徴とする請求項3に記載の形状計測装置。   The shape measurement apparatus according to claim 3, wherein the shape measurement apparatus performs synthesis processing of images captured by the measurement units using a phase evaluation value as an index. 加工ヘッドを備えた加工装置によってワークに加工を行いながら、請求項3または4のいずれか一方に記載の前記形状計測装置により、ワークの加工箇所の形状計測を行う機上計測方法。   The on-machine measuring method which measures the shape of the process location of a workpiece | work with the said shape measuring device as described in any one of Claim 3 or 4, processing a workpiece | work with the processing apparatus provided with the processing head.
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