JP2016128785A - Shape measurement device and shape measurement method - Google Patents

Shape measurement device and shape measurement method Download PDF

Info

Publication number
JP2016128785A
JP2016128785A JP2015003566A JP2015003566A JP2016128785A JP 2016128785 A JP2016128785 A JP 2016128785A JP 2015003566 A JP2015003566 A JP 2015003566A JP 2015003566 A JP2015003566 A JP 2015003566A JP 2016128785 A JP2016128785 A JP 2016128785A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light source
target object
measurement target
lattice
phase
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2015003566A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP6420159B2 (en
Inventor
藤垣 元治
Motoharu Fujigaki
元治 藤垣
洋平 小浦
Yohei Koura
洋平 小浦
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wakayama University
Original Assignee
Wakayama University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wakayama University filed Critical Wakayama University
Priority to JP2015003566A priority Critical patent/JP6420159B2/en
Publication of JP2016128785A publication Critical patent/JP2016128785A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6420159B2 publication Critical patent/JP6420159B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a device and a method for proposing that can the shape of a measurement target object rapidly and precisely and in a wide measurement range.SOLUTION: The shape measurement device includes: a lattice pattern projecting unit 11 having a plurality of light sources 11a emitting projection light for projecting a lattice pattern with a predetermined shape to a measurement target object O and a lattice substrate 11b forming a lattice pattern by making the projection light passing through the lattice substrate; an imaging unit 12 imaging the measurement target object O, on which the lattice pattern has been projected; and an analyzing unit 13 obtaining the shape of the measurement target object O by conducting phase analysis on the image taken of the measurement target object O, the light sources 11a being arranged in various different locations separated from the lattice substrate 11b by different distances, respectively, and the locations having at least one of the light sources.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、形状計測装置および形状計測方法に関し、より詳細には、計測対象物体の形状を高速かつ高精度、さらには広い計測範囲で計測することができる装置および方法に関するものである。   The present invention relates to a shape measuring apparatus and a shape measuring method, and more particularly to an apparatus and a method capable of measuring the shape of a measurement target object at high speed and with high accuracy and in a wide measurement range.

三次元物体の形状を非接触で計測する技術は、商業、工業などの分野を問わず重要性を増しており、既存の装置に組み込むことができる高精度でコンパクトな形状計測装置が求められている。また、医療分野やアパレル業界において人体の三次元形状計測には、精度や利便性の他、体のぶれを無視できるほどの高速性や、体全体を測定できる計測範囲の広さも必要となる。   Non-contact measurement technology for 3D object shapes is becoming more important regardless of commercial or industrial fields, and there is a need for highly accurate and compact shape measurement devices that can be incorporated into existing devices. Yes. In the medical field and apparel industry, three-dimensional shape measurement of the human body requires not only accuracy and convenience, but also high speed that can ignore body shake and a wide measurement range that can measure the entire body.

三次元物体の三次元形状を計測する手法の1つに格子投影法がある。この格子投影法は、計測対象の物体に格子パターンを投影し、投影された格子パターンを撮影して位相解析を行うことにより計測対象物体の形状を求める方法であり、空間分解能と精度の両方がよい手法として知られている。(例えば、特許文献1参照)。   One method for measuring the three-dimensional shape of a three-dimensional object is a lattice projection method. This grid projection method is a method of determining the shape of a measurement target object by projecting a grid pattern onto the measurement target object, photographing the projected grid pattern, and performing phase analysis. Both the spatial resolution and accuracy are Known as a good technique. (For example, refer to Patent Document 1).

こうした格子投影法において計測範囲を広げる技術として、特許文献2には、ピッチが異なる2種類の格子基板を用いて位相解析を行い、得られた位相分布に対して位相接続を行う技術が記載されている。   As a technique for expanding the measurement range in such a grating projection method, Patent Document 2 describes a technique in which phase analysis is performed using two types of grating substrates having different pitches, and phase connection is performed on the obtained phase distribution. ing.

また、非特許文献1には、格子基板として液晶パネルを用い、パネル上に表示する格子のピッチを変更して位相解析を行い、得られた位相分布に対して位相接続を行う技術について記載されている。   Non-Patent Document 1 describes a technique in which a liquid crystal panel is used as a grating substrate, phase analysis is performed by changing the pitch of a grating displayed on the panel, and phase connection is performed on the obtained phase distribution. ing.

特許第2913021号公報Japanese Patent No. 2913021 特開2002−90126号公報JP 2002-90126 A

格内敏、岩田耕一、斎藤伸一、坂本亨、「2ピッチ格子投影による3次元形状計測」、精密工学会誌、1992年、第58巻、第5号、p.877−882Satoshi Kakuuchi, Koichi Iwata, Shinichi Saito, Satoshi Sakamoto, “Three-dimensional shape measurement by 2-pitch grid projection”, Journal of Precision Engineering, 1992, Vol. 58, No. 5, p. 877-882

しかし、特許文献2に記載された技術においては、格子ピッチが異なる格子基板を置き換える処理を行うため、格子基板を移動させるために多大な時間を要する。また、格子基板を置き換えるたびに位置ずれが発生するため、計測精度が低下する。   However, in the technique described in Patent Document 2, since a process of replacing a lattice substrate having a different lattice pitch is performed, it takes a lot of time to move the lattice substrate. In addition, since the displacement occurs every time the lattice substrate is replaced, the measurement accuracy decreases.

また、非特許文献1に記載された格子基板として液晶パネルを用いる方法では、表示する格子のピッチを電気信号で切り替えるため、位置ずれによる誤差は発生しない。しかし、液晶パネルは格子を表示する応答速度が遅いため、高速に形状計測を行うことができない。   Further, in the method using a liquid crystal panel as a lattice substrate described in Non-Patent Document 1, since the pitch of the lattice to be displayed is switched by an electric signal, no error due to misalignment occurs. However, since the liquid crystal panel has a slow response speed for displaying a grid, it cannot perform shape measurement at high speed.

そこで、本発明の目的は、計測対象物体の形状を高速かつ高精度、さらには広い計測範囲で計測することができる装置および方法を提案することにある。   Therefore, an object of the present invention is to propose an apparatus and method that can measure the shape of a measurement target object at high speed and high accuracy, and in a wide measurement range.

本発明者らは、上記課題を解決する方途について鋭意検討した結果、計測対象物体に格子パターンを投影する格子パターン投影部を複数の光源と格子基板とを有するように構成し、かつ上記複数の光源を、格子基板からの距離が異なる複数の位置の各々に少なくとも1つ配置することが極めて有効であることを見出し、本発明を完成させるに至った。   As a result of intensive studies on how to solve the above problems, the present inventors have configured a grid pattern projection unit that projects a grid pattern on a measurement target object so as to include a plurality of light sources and a grid substrate, and It has been found that it is extremely effective to arrange at least one light source at each of a plurality of positions having different distances from the lattice substrate, and the present invention has been completed.

すなわち、本発明の要旨構成は以下の通りである。
(1)計測対象物体の形状を計測する装置であって、前記計測対象物体に所定の形状の格子パターンを投影するための投影用光を発光する複数の光源と、前記投影用光を通過させて前記格子パターンを形成する格子基板とを有する格子パターン投影部と、前記格子パターンが投影された前記計測対象物体を撮影する撮影部と、撮影された前記計測対象物体の画像に対して位相解析処理を施して前記計測対象物体の形状を求める解析部とを備え、前記複数の光源は、前記格子基板からの距離が異なる複数の位置の各々に少なくとも1つ配置されていることを特徴とする形状計測装置。
That is, the gist of the present invention is as follows.
(1) An apparatus for measuring the shape of a measurement target object, wherein a plurality of light sources for emitting projection light for projecting a lattice pattern of a predetermined shape on the measurement target object and the projection light are passed through A lattice pattern projection unit having a lattice substrate for forming the lattice pattern, a photographing unit for photographing the measurement target object onto which the lattice pattern is projected, and a phase analysis for the photographed image of the measurement target object And an analysis unit that obtains the shape of the measurement target object by performing processing, wherein the plurality of light sources are disposed at each of a plurality of positions at different distances from the lattice substrate. Shape measuring device.

(2)前記複数の位置の各々に3つ以上の光源が配置されている、前記(1)に記載の形状計測装置。 (2) The shape measuring apparatus according to (1), wherein three or more light sources are arranged at each of the plurality of positions.

(3)前記複数の光源から発光される光の波長は前記複数の位置毎に異なる、前記(1)または(2)に記載の形状計測装置。 (3) The shape measuring apparatus according to (1) or (2), wherein wavelengths of light emitted from the plurality of light sources are different for each of the plurality of positions.

(4)前記光源は線状光源である、前記(1)〜(3)のいずれか一項に記載の形状計測装置。 (4) The shape measuring apparatus according to any one of (1) to (3), wherein the light source is a linear light source.

(5)前記(1)〜(4)に記載された形状計測装置を用いて、前記格子基板からの距離が異なる複数の位置毎に、前記光源を点灯して前記格子パターンが投影された計測対象物体を撮影し、次いで撮影された前記計測対象物体の画像に対して位相解析処理を施して位相分布を求め、前記複数の位置毎に得られた位相分布に基づいて前記計測対象物体の形状を求めることを特徴とする形状計測方法。 (5) Measurement using the shape measuring apparatus described in (1) to (4) above, wherein the lattice pattern is projected by turning on the light source at each of a plurality of positions having different distances from the lattice substrate. The target object is photographed, and then a phase analysis process is performed on the photographed image of the measurement target object to obtain a phase distribution, and the shape of the measurement target object is determined based on the phase distribution obtained for each of the plurality of positions. A shape measuring method characterized in that

本発明によれば、複数の光源と格子基板とを有する格子パターン投影部において、複数の光源を格子基板からの距離が異なる複数の位置の各々に少なくとも1つ配置するように構成したため、計測対象物体の形状を高速かつ高精度、さらには広い計測範囲で計測することができる。   According to the present invention, in the lattice pattern projection unit having a plurality of light sources and a lattice substrate, since the plurality of light sources are arranged at each of a plurality of positions at different distances from the lattice substrate, the measurement target It is possible to measure the shape of an object at high speed and high accuracy, and in a wide measurement range.

本発明に係る形状計測装置を示す図である。It is a figure which shows the shape measuring apparatus which concerns on this invention. 投影格子のピッチが1つの場合について計測可能な範囲を示す図である。It is a figure which shows the range which can be measured about the case where the pitch of a projection grating | lattice is one. 線状光源を有する格子パターン投影部の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the lattice pattern projection part which has a linear light source. (a)下段、および(b)上段に配置された光源を点灯した場合に格子パターン投影部から投影される格子パターンを示す図である。It is a figure which shows the lattice pattern projected from a lattice pattern projection part, when the light source arrange | positioned at (a) lower stage and (b) upper stage is lighted. 上段および下段のそれぞれに3つの線状光源を有する格子パターン投影部の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the lattice pattern projection part which has three linear light sources in each of an upper stage and a lower stage. 格子パターンの(a)輝度分布、および(b)位相分布を示す図である。It is a figure which shows (a) luminance distribution and (b) phase distribution of a lattice pattern. 位相シフト量と輝度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a phase shift amount and a brightness | luminance. (a)光源Aを点灯した場合、および(b)光源Bを点灯させた場合、に対する光源の点灯位置と投影される格子パターンの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the lighting position of the light source and the projected lattice pattern with respect to (a) when the light source A is turned on and (b) when the light source B is turned on. (a)光源Aを点灯した場合、および(b)光源Bを点灯させた場合、に対してカメラが格子パターンを撮影する様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that a camera image | photographs a lattice pattern with respect to (a) when the light source A is turned on, and (b) when the light source B is turned on. (a)光源Aを点灯した場合、および(b)光源Bを点灯させた場合、に対して全空間テーブル化手法に基づいてテーブルを作製する様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that a table is produced based on the total space table formation method with respect to (a) when the light source A is turned on, and (b) when the light source B is turned on. (a)光源Aを点灯した場合、および(b)光源Bを点灯させた場合、に対する位相値とz座標との対応テーブルを示す図である。It is a figure which shows the correspondence table of the phase value with respect to (a) when the light source A is turned on, and (b) when the light source B is turned on. (a)x座標、および(b)y座標に対する位相値と座標との対応テーブルを示す図である。It is a figure which shows the correspondence table of the phase value and coordinate with respect to (a) x coordinate and (b) y coordinate. (a)光源Aを点灯した場合、および(b)光源Bを点灯させた場合、に対して格子パターンが投影された計測対象物体をカメラが撮影する様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that a camera image | photographs the measurement target object by which the lattice pattern was projected with respect to (a) when the light source A was turned on, and (b) when the light source B was turned on. (a)光源Aを点灯した場合、および(b)光源Bを点灯させた場合、に対するテーブルを用いて計測対象物体上の点のz座標を求める原理を示す図である。It is a figure which shows the principle which calculates | requires z coordinate of the point on a measurement target object using the table with respect to (a) when the light source A is turned on, and (b) when the light source B is turned on. 実施例として作製した形状計測装置を示す図である。It is a figure which shows the shape measuring apparatus produced as an Example. 実施例として作製した形状計測装置の側面図である。It is a side view of the shape measuring apparatus produced as an Example. キャリブレーションの様子を示す図である。It is a figure which shows the mode of a calibration. 光源Aを点灯した場合に対してキャリブレーションにより得られたテーブルを示す図である。It is a figure which shows the table obtained by calibration with respect to the case where the light source A is turned on. 光源Bを点灯した場合に対してキャリブレーションにより得られたテーブルを示す図である。It is a figure which shows the table obtained by calibration with respect to the case where the light source B is turned on. 計測対象物体の寸法を示す図である。It is a figure which shows the dimension of a measurement object. 形状計測装置と計測対象物体との位置関係を示す図である。It is a figure which shows the positional relationship of a shape measuring device and a measurement object. 光源Aを点灯した場合に対する格子パターンが投影された計測対象物体の画像を示す図である。It is a figure which shows the image of the measurement target object in which the lattice pattern was projected with respect to the case where the light source A was turned on. 光源Bを点灯した場合に対する格子パターンが投影された計測対象物体の画像を示す図である。It is a figure which shows the image of the measurement target object by which the lattice pattern with respect to the case where the light source B was turned on was projected. 光源Aを点灯した場合に対する格子パターンの位相分布を示す図である。It is a figure which shows the phase distribution of the grating | lattice pattern with respect to the case where the light source A is lighted. 光源Bを点灯した場合に対する格子パターンの位相分布を示す図である。It is a figure which shows the phase distribution of the grating | lattice pattern with respect to the case where the light source B is lighted. 光源Aを点灯した場合に対するz座標の候補値を示す図である。It is a figure which shows the candidate value of z coordinate with respect to the case where the light source A is turned on. 光源Bを点灯した場合に対するz座標の候補値を示す図である。It is a figure which shows the candidate value of z coordinate with respect to the case where the light source B is lighted.

(形状計測装置)
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図1は、本発明に係る形状計測装置を示している。この図における形状計測装置1は、計測対象物体Oに所定の形状の格子パターンを投影するための投影用光を発光する複数の光源11aと、投影用光を通過させて格子パターンを形成する格子基板11bとを有する格子パターン投影部11と、格子パターンが投影された計測対象物体Oを撮影する撮影部12と、撮影された計測対象物体Oの画像に対して位相解析処理を施して計測対象物体Oの形状を求める解析部13とを備える。ここで、複数の光源11aは、格子基板11bからの距離が異なる複数の位置の各々に少なくとも1つ配置されていることが肝要である。
(Shape measuring device)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a shape measuring apparatus according to the present invention. The shape measuring apparatus 1 in this figure includes a plurality of light sources 11a that emit projection light for projecting a grating pattern of a predetermined shape onto a measurement target object O, and a grating that forms the grating pattern by passing the projection light. A lattice pattern projection unit 11 having a substrate 11b, a photographing unit 12 that photographs a measurement target object O onto which the lattice pattern is projected, and a phase analysis process on the photographed measurement target object O to perform measurement. And an analysis unit 13 for obtaining the shape of the object O. Here, it is important that at least one of the plurality of light sources 11a is arranged at each of a plurality of positions having different distances from the lattice substrate 11b.

上述のように、特許文献2および非特許文献1に記載された技術においては、計測可能な範囲を拡大することはできるが、そのために、形状計測の高速性や精度が犠牲になる問題があった。この点、本発明においては、複数の光源11aが、格子基板11bからの距離が異なる複数の位置の各々に少なくとも1つ配置されており、点灯させる光源を切り替えることによって、計測対象物体Oに投影する格子のピッチを瞬時に変更することができる。また、格子基板11bを移動させないため、位置ずれによる誤差が発生せず、計測対象物体Oの形状を高精度に計測することができる。   As described above, in the techniques described in Patent Document 2 and Non-Patent Document 1, the measurable range can be expanded, but there is a problem in that the speed and accuracy of shape measurement are sacrificed. It was. In this regard, in the present invention, at least one of the plurality of light sources 11a is arranged at each of a plurality of positions having different distances from the lattice substrate 11b, and is projected onto the measurement target object O by switching the light source to be lit. The pitch of the grid to be played can be changed instantaneously. In addition, since the lattice substrate 11b is not moved, an error due to positional deviation does not occur, and the shape of the measurement target object O can be measured with high accuracy.

また、図2に示すように、投影格子のピッチが1つの場合は、位相が1周期分だけ変化する範囲(例えば、図2のD1で示す範囲)が基本的な計測可能な範囲となる。領域D2およびD3を計測範囲とする場合や、領域D1〜D3を計測範囲とする場合等には、領域D1と同じ位相値となる点が領域D2や領域D3において存在するため、位相値だけでは、どの領域の点であるか区別できない。どの領域の点であるか区別できる場合には、計測範囲を拡大することが可能となる。この点、本発明においては、後述するように、位相が複数周期分変化する範囲を計測範囲とした場合でも、どの領域の点であるか区別することができるため、計測範囲を拡大することができるのである。以下、形状計測装置1の各構成について説明する。 Further, as shown in FIG. 2, if the pitch of the projected grating of one range in which the phase is changed by one period (e.g., the range indicated by D 1 in FIG. 2) is fundamental measurable range . When the regions D 2 and D 3 are set as the measurement range, or when the regions D 1 to D 3 are set as the measurement range, points having the same phase value as the region D 1 exist in the region D 2 and the region D 3 . For this reason, it is not possible to distinguish which region the point is from only the phase value. When it is possible to distinguish which region is a point, the measurement range can be expanded. In this regard, in the present invention, as will be described later, even when the range in which the phase changes for a plurality of periods is set as the measurement range, it is possible to distinguish which region the point is, so that the measurement range can be expanded. It can be done. Hereinafter, each configuration of the shape measuring apparatus 1 will be described.

複数の光源11aは、計測対象物体Oに所定の形状の格子パターンを投影するための投影用光を発光する。この光源11aとしては、点光源または線状光源等を用いることができる。中でも、光源の光量を増加させてS/N比を高めることができ、計測精度を向上させることができることから、線状光源を用いることが好ましい。光源として線状光源を用いる場合には、点光源を直線上に並べて線状光源を構成してもよい。光源として線状光源を用いる場合、その延在方向が格子基板11bの格子線と平行になるように配置する。   The plurality of light sources 11 a emit projection light for projecting a lattice pattern having a predetermined shape onto the measurement target object O. As this light source 11a, a point light source or a linear light source can be used. Among them, it is preferable to use a linear light source because the S / N ratio can be increased by increasing the light amount of the light source and the measurement accuracy can be improved. When a linear light source is used as the light source, the linear light source may be configured by arranging point light sources on a straight line. When using a linear light source as a light source, it arrange | positions so that the extension direction may become parallel to the lattice line of the lattice board | substrate 11b.

図3は、線状光源を有する格子パターン投影部11の一例を示しており、(a)は側面図を、(b)は斜視図をそれぞれ示している。図3に示した格子パターン投影部11は、段差を有する部材11dの格子基板11b側の表面に、光源11aを有する光源基板11cが配置された構成を有している。   FIG. 3 shows an example of a lattice pattern projection unit 11 having a linear light source, where (a) shows a side view and (b) shows a perspective view. The lattice pattern projection unit 11 shown in FIG. 3 has a configuration in which a light source substrate 11c having a light source 11a is disposed on the surface of a stepped member 11d on the lattice substrate 11b side.

図4(a)は、部材11dの下段に配置された光源11aのみを点灯し、上段に配置された光源11aを非点灯とした場合に格子パターン投影部11から投影される格子パターンを示している。一方、図4(b)は、部材11dの上段に配置された光源11aのみを点灯し、下段に配置された光源11aを非点灯とした場合に格子パターン投影部11から投影される格子パターンを示している。   FIG. 4A shows a lattice pattern projected from the lattice pattern projection unit 11 when only the light source 11a arranged at the lower stage of the member 11d is turned on and the light source 11a arranged at the upper stage is not turned on. Yes. On the other hand, FIG. 4B shows a grid pattern projected from the grid pattern projection unit 11 when only the light source 11a arranged in the upper stage of the member 11d is turned on and the light source 11a arranged in the lower stage is not lit. Show.

図4(a)および(b)から明らかなように、図3に示した構成においては、光源11aと格子基板11bとの間の距離は、部材11dの上段に配置された光源11aの場合の方が大きい。そのため、上段の光源11aを点灯させた際に形成される格子パターンのピッチpは、下段に配置された光源11aを点灯させた場合よりも小さくなる。   As is clear from FIGS. 4A and 4B, in the configuration shown in FIG. 3, the distance between the light source 11a and the lattice substrate 11b is the same as that in the case of the light source 11a arranged on the upper stage of the member 11d. Is bigger. Therefore, the pitch p of the lattice pattern formed when the upper light source 11a is turned on is smaller than when the light source 11a arranged at the lower stage is turned on.

このように、部材11dの上段に配置された光源11aを点灯させるか、下段に配置された光源11bを点灯されるかによって、計測対象物体Oに投影される格子パターンのピッチpが異なる。そして、この格子パターンにピッチpの変更は、点灯させる光源11aを上段(下段)から下段(上段)に切り替えるだけで済むため、格子のピッチpの変更を高速かつ位置ずれによる誤差なく行うことができる。   As described above, the pitch p of the lattice pattern projected onto the measurement target object O differs depending on whether the light source 11a arranged on the upper stage of the member 11d is turned on or the light source 11b arranged on the lower stage is turned on. The pitch p of the lattice pattern can be changed by simply switching the light source 11a to be lit from the upper stage (lower stage) to the lower stage (upper stage). Therefore, the grid pitch p can be changed at high speed and without error due to misalignment. it can.

なお、図3に示した格子パターン投影部11はあくまで一例であり、格子基板11bからの距離が異なる複数の位置の各々に少なくとも1つの光源11aが配置され、計測対象物体Oに投影される格子のピッチpを変更できれば何ら限定されず、様々な変更を施すことができる。例えば、図3においては、部材11dは2段構造を有しているが、3段以上の構造とすることができる。また、図2においては部材11dが上段と下段とで別々の部材で構成されているが、これらの部材を一体で構成してもよい。さらに、光源11aは、光源基板11c上に配することなく、部材11dの格子基板11b側の表面に直接配置してもよい。   Note that the grid pattern projection unit 11 illustrated in FIG. 3 is merely an example, and at least one light source 11a is disposed at each of a plurality of positions at different distances from the grid substrate 11b, and is projected onto the measurement target object O. Any change can be made as long as the pitch p can be changed. For example, in FIG. 3, the member 11d has a two-stage structure, but can have a structure of three or more stages. In FIG. 2, the member 11d is composed of separate members for the upper stage and the lower stage. However, these members may be integrally formed. Furthermore, the light source 11a may be directly disposed on the surface of the member 11d on the lattice substrate 11b side without being disposed on the light source substrate 11c.

また、図3においては、上下段、すなわち格子基板11bからの距離が異なる複数の位置の各々に1つの光源11aが配置されているが、図5(a)に示すように、上下段の各々に3つ以上の光源11aを配置することが好ましい。これにより、後述する位相シフト法を用いて高速に位相解析を行うことができる。各段に3つ以上の光源11aを配置する場合には、各光源の延在方向が平行になるように配置する。また、各位置に配置される光源11aの数は、同一にすることが好ましい。   In FIG. 3, one light source 11a is arranged at each of the upper and lower stages, that is, at a plurality of positions at different distances from the lattice substrate 11b. However, as shown in FIG. It is preferable to arrange three or more light sources 11a. Thereby, phase analysis can be performed at high speed using a phase shift method described later. When three or more light sources 11a are arranged on each stage, the light sources are arranged so that the extending directions of the light sources are parallel to each other. Moreover, it is preferable to make the number of the light sources 11a arrange | positioned in each position the same.

また、図5(b)に示すように、複数の光源11aを1枚のパネルに取り付け、そのパネルを格子基板に対して傾けて配置することによって、複数の光源11aと格子基板11bとの間の距離が異なるようにするように配置してもよい。図5(b)の場合、光源のA組を用いるとピッチの小さい格子を投影することになり、B組を用いるとピッチの大きな格子を投影することができる。同じ組の中でも格子基板との距離が異なり、投影されるピッチが異なることになるが、その差が小さい範囲では実用上は問題なく使用することができる。   Further, as shown in FIG. 5 (b), a plurality of light sources 11a are attached to a single panel, and the panel is inclined with respect to the lattice substrate, whereby a plurality of light sources 11a and the lattice substrate 11b are arranged. The distances may be different from each other. In the case of FIG. 5B, a grid with a small pitch is projected when the A set of light sources is used, and a grid with a large pitch can be projected when the B set is used. Even in the same set, the distance from the lattice substrate is different and the projected pitch is different, but in a range where the difference is small, it can be used practically without any problem.

なお、図5(b)に示した光源11aの場合、パネルにおいて同時に点灯させる光源11aを1つの組と考え、各組に含まれる光源11aの格子基板11bからの距離の平均値を、格子基板11bからの光源11aの距離と考える。   In the case of the light source 11a shown in FIG. 5B, the light sources 11a that are simultaneously turned on in the panel are considered as one set, and the average value of the distances from the lattice substrate 11b of the light sources 11a included in each set is determined as the lattice substrate. Consider the distance of the light source 11a from 11b.

さらに、複数の光源11aから発光される光の波長(すなわち、色)は、格子基板1bからの距離が異なる複数の位置毎に異なることが好ましい。すなわち、図3に示した構成において、上段と下段とで光源11aから発光させる投影用光の色を変えることが好ましい。これにより、格子基板1bからの距離が異なる位置に配置された光源11aを同時に点灯させた状態で計測対象物体Oに投影された異なる色の格子パターンを撮影し、位相解析を色毎に行って位相値を求めることができるため、計測対象物体Oの形状を計測する時間を短縮することができる。   Furthermore, it is preferable that the wavelength (namely, color) of the light emitted from the plurality of light sources 11a is different for each of a plurality of positions having different distances from the lattice substrate 1b. That is, in the configuration shown in FIG. 3, it is preferable to change the color of the projection light emitted from the light source 11a between the upper stage and the lower stage. As a result, the grid patterns of different colors projected on the measurement target object O are photographed while the light sources 11a arranged at different distances from the grid substrate 1b are simultaneously turned on, and the phase analysis is performed for each color. Since the phase value can be obtained, the time for measuring the shape of the measurement target object O can be shortened.

複数の光源11aから発光される光の波長を、格子基板1bからの距離が異なる複数の位置毎に変え、かつ格子基板11bからの距離が異なる複数の位置の各々に3以上の光源11aを配置する場合には、例えば、各位置に配置される光源11aの数を同一にし、各位置にて1つずつ光源11aを同時に点灯して計測対象物体O上に異なる色の格子パターンを投影して画像を撮影するようにすればよい。   The wavelength of light emitted from the plurality of light sources 11a is changed for each of a plurality of positions having different distances from the lattice substrate 1b, and three or more light sources 11a are arranged at each of a plurality of positions having different distances from the lattice substrate 11b. In this case, for example, the number of the light sources 11a arranged at the respective positions is made the same, and the light sources 11a are simultaneously turned on one by one at each position to project a lattice pattern of a different color on the measurement target object O. What is necessary is just to take an image.

格子基板11bは、複数の光源11aから発光された投影用光を通過させて計測対象物体Oに所定の格子パターンを投影するための基板である。格子基板11bは、例えばガラス基板上にクロム蒸着してロンキールーリングと呼ばれる格子縞を描いたものとすることができる。   The lattice substrate 11b is a substrate for projecting a predetermined lattice pattern onto the measurement target object O through the projection light emitted from the plurality of light sources 11a. For example, the lattice substrate 11b may be formed by depositing chromium on a glass substrate and drawing lattice stripes called Ronchi ruling.

上記複数の光源11aと格子基板11bとの位置関係は、光源11aが線状光源の場合には、各光源11aの線状光源の延在方向が格子基板11bの格子線と平行になるように配置する。   When the light source 11a is a linear light source, the positional relationship between the plurality of light sources 11a and the lattice substrate 11b is such that the extending direction of the linear light source of each light source 11a is parallel to the lattice lines of the lattice substrate 11b. Deploy.

撮影部12は、格子パターン投影部11により格子パターンが投影された計測対象物体Oを撮影する。この撮影部12としては、例えばCCDカメラやCMOSカメラを使用することができる。撮影された計測対象物体Oの画像は解析部13に出力される。   The photographing unit 12 photographs the measurement target object O on which the lattice pattern is projected by the lattice pattern projection unit 11. For example, a CCD camera or a CMOS camera can be used as the photographing unit 12. The captured image of the measurement target object O is output to the analysis unit 13.

解析部13は、撮影された計測対象物体Oの画像に対して位相解析処理を施して計測対象物体Oの形状を求める。また、解析部5は、光源11aのいずれか1つのみが投影用光を発光するように格子パターン投影部11を制御する発光制御信号を生成して格子パターン投影部11に送信したり、格子パターンが投影された計測対象物体Oを撮影するように撮影部12を制御する撮影制御信号を生成して撮影部12に送信したりする。解析部13としては、例えばパーソナルコンピュータ(PC)を使用することができる。   The analysis unit 13 performs a phase analysis process on the captured image of the measurement target object O to obtain the shape of the measurement target object O. Further, the analysis unit 5 generates a light emission control signal for controlling the lattice pattern projection unit 11 so that only one of the light sources 11a emits projection light, and transmits the light emission control signal to the lattice pattern projection unit 11. An imaging control signal for controlling the imaging unit 12 to generate an image of the measurement target object O onto which the pattern is projected is generated and transmitted to the imaging unit 12. As the analysis unit 13, for example, a personal computer (PC) can be used.

撮影部12により撮影された計測対象物体Oの画像に対して位相解析処理を施すことにより、各画素に対して位相値を求めることができる。本発明において、位相解析処理を行うための具体的方法は特に限定されない。例えば、フーリエ変換法や空間的縞解析法、重み付け位相解析法などを用いて求めることができる。また、格子基板11bからの距離が異なる複数の位置の各々に3つ以上の光源が配置されている場合には、位相シフト法を用いて高速に位相値を求めることができる。ここで、位相シフト法を用いて位相値を画素毎に求める方法について説明する。   By performing a phase analysis process on the image of the measurement target object O photographed by the photographing unit 12, a phase value can be obtained for each pixel. In the present invention, the specific method for performing the phase analysis processing is not particularly limited. For example, it can be obtained using a Fourier transform method, a spatial fringe analysis method, a weighted phase analysis method, or the like. Further, when three or more light sources are arranged at each of a plurality of positions having different distances from the lattice substrate 11b, the phase value can be obtained at high speed using the phase shift method. Here, a method of obtaining the phase value for each pixel using the phase shift method will be described.

図6は、計測対象物体Oに投影される格子パターンの輝度分布と位相分布の関係を表す図である。図6(a)は、格子パターンの輝度分布を表し、図6(b)は、格子パターンの位相分布をそれぞれ表す。また、図7は、位相シフト量と輝度との関係を示す図である。一般に、格子パターンや干渉縞の輝度値I(x,y)は、図7(a)に示すように、空間(x,y)上に余弦波状に分布している。これを式で表すと、式(1)のようになる。
ここで、点(x,y)は、撮影された画像内の一点であり、a(x,y)およびb(x,y)は、それぞれ輝度振幅と背景輝度を表し、θ(x,y)は、格子の位相値を表す。格子が撮影された画像(以下、「格子画像」と称する)の場合、位相は実数全体で表すことができるが、0から2πまでの2π周期の繰り返しと見ることもできる。図6(b)は、θ(x,y)の分布を0から2πまでの繰り返しとして表現したものである。
FIG. 6 is a diagram illustrating the relationship between the luminance distribution and the phase distribution of the lattice pattern projected onto the measurement target object O. FIG. 6A shows the luminance distribution of the lattice pattern, and FIG. 6B shows the phase distribution of the lattice pattern. FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the phase shift amount and the luminance. In general, the luminance values I (x, y) of the lattice pattern and the interference fringes are distributed in a cosine wave shape in the space (x, y) as shown in FIG. When this is expressed by an equation, the equation (1) is obtained.
Here, the point (x, y) is one point in the captured image, a (x, y) and b (x, y) represent the luminance amplitude and the background luminance, respectively, and θ (x, y) ) Represents the phase value of the grating. In the case of an image in which a lattice is photographed (hereinafter referred to as “lattice image”), the phase can be expressed as an entire real number, but can also be viewed as a repetition of 2π period from 0 to 2π. FIG. 6B represents the distribution of θ (x, y) as a repetition from 0 to 2π.

位相シフト法は、格子の位相を1周期分だけ変化させながら複数枚の格子画像を撮影し、得られた複数の画像から位相分布を求める手法である。全ての画素において、輝度は1周期分変化するため、その輝度変化から画素毎に独立して、周囲の画素の輝度変化の情報を使わずに位相値を求めることができる。そのため、段差や不連続な部分を有する物体の形状計測に有効な手法である。ここでは、最も一般的に用いられている、π/2ずつ位相シフトされた4つの輝度値から位相値を求める場合(すなわち、位相シフト回数が4回の場合)を例に、位相シフト法の原理について説明する。   The phase shift method is a technique for obtaining a phase distribution from a plurality of obtained images by photographing a plurality of lattice images while changing the phase of the lattice by one period. In all the pixels, the luminance changes by one period, so that the phase value can be obtained independently from the luminance change for each pixel without using the information on the luminance change of the surrounding pixels. Therefore, this is an effective method for measuring the shape of an object having a step or a discontinuous portion. Here, the case of obtaining the phase value from the four luminance values phase-shifted by π / 2, which is most commonly used (that is, when the number of phase shifts is four) is used as an example. The principle will be described.

式(1)で示した格子パターンの輝度分布の式に、位相シフト量αを追加すると、下記の式(2)となる。
When the phase shift amount α is added to the expression of the luminance distribution of the lattice pattern shown in Expression (1), the following Expression (2) is obtained.

図7に、初期位相θを有する点(画素)における位相シフト量αと輝度変化の関係を示す。初期位相とは、位相シフト量が0の時の格子の位相を意味している。位相シフト量が0からπ/2ずつ変化した場合の輝度をそれぞれI0,I1,I2およびI3とすると、これらは、それぞれ式(3)〜(6)のように表すことができる。尚、以下の式では(x,y)の表記を省略する。
FIG. 7 shows the relationship between the phase shift amount α and the luminance change at the point (pixel) having the initial phase θ. The initial phase means the phase of the grating when the phase shift amount is zero. Assuming that the luminance when the phase shift amount changes from 0 to π / 2, respectively, is I 0 , I 1 , I 2, and I 3 , these can be expressed as in equations (3) to (6), respectively. . In the following formula, the notation of (x, y) is omitted.

これらの式から、以下の式(7)および(8)が得られる。
さらに、式(7)および(8)から、下記の式(9)が導かれ、この関係式より、ある画素(x,y)に対する位相値θを求めることができる。すなわち、位相シフト量が0、π/2、πおよび3π/2の場合の輝度、I0、I1、I2およびI3が得られれば、この画素に対する位相値θが求まるのである。
From these equations, the following equations (7) and (8) are obtained.
Furthermore, the following equation (9) is derived from the equations (7) and (8), and the phase value θ for a certain pixel (x, y) can be obtained from this relational equation. That is, if the luminance values I 0 , I 1 , I 2, and I 3 when the phase shift amounts are 0, π / 2, π, and 3π / 2 are obtained, the phase value θ for this pixel can be obtained.

ここで、位相シフトの回数(即ち、0から2πまでの刻み数)を多くすることにより、カメラのランダムノイズの影響を低減することができる。位相シフト回数をN、位相シフト量が2πk/Nの時の輝度をIkとすると、下記の式(10)が導かれ、この関係式よりtanθ、すなわち位相値θを求めることができる。
こうして、位相シフト法により、画像上の各画素に対する位相値θを求めることができる。
Here, by increasing the number of phase shifts (that is, the number of steps from 0 to 2π), it is possible to reduce the influence of random noise of the camera. When the number of phase shifts is N and the luminance when the phase shift amount is 2πk / N is I k , the following equation (10) is derived, and tan θ, that is, the phase value θ can be obtained from this relational expression.
Thus, the phase value θ for each pixel on the image can be obtained by the phase shift method.

上述のようにして各画素に対して求められた位相値から、計測対象物体Oの表面上の点の空間座標(x、y、z)を求めて、計測対象物体Oの形状を求めることができる。図8は、格子基板11bとしての投影格子パネルからの距離が異なる2つの位置に配置された2つの光源Aおよび光源Bを用いることにより、ピッチが異なる格子パターンを投影する様子を示している。ここで、位置Aに配置された光源11aを光源Aと呼び、位置Bに設置された光源11aを光源Bと呼ぶことにする。また、光源Aよりも光源Bの方が投影格子パネルに近い位置に設置されているものとする。さらに、それぞれの光源11aから出ている実線は、投影格子の明線の中央を表している。投影格子の明暗の変化を余弦波と見なして位相を定義すると、この実線は、投影格子の位相が0となる位置を表すことになる。光源Bの方が格子基板11bに近いために、光源Aを点灯させた場合よりも、光源Bを点灯させた場合の方が投影される格子パターンのピッチが大きくなる。   The shape of the measurement target object O can be obtained by obtaining the spatial coordinates (x, y, z) of the point on the surface of the measurement target object O from the phase value obtained for each pixel as described above. it can. FIG. 8 shows a state in which lattice patterns with different pitches are projected by using two light sources A and B arranged at two positions with different distances from the projection lattice panel as the lattice substrate 11b. Here, the light source 11a disposed at the position A is referred to as a light source A, and the light source 11a disposed at the position B is referred to as a light source B. In addition, it is assumed that the light source B is installed closer to the projection grid panel than the light source A. Furthermore, the solid line coming out of each light source 11a represents the center of the bright line of the projection grating. If the phase is defined by regarding the change in brightness of the projection grating as a cosine wave, this solid line represents the position where the phase of the projection grating is zero. Since the light source B is closer to the lattice substrate 11b, the pitch of the projected lattice pattern is larger when the light source B is turned on than when the light source A is turned on.

光源と投影格子パネルとの間の距離をa、投影格子パネルと計測対象物体Oまでの距離をb、投影格子パネル上での格子ピッチをp0としたとき、計測対象物体O上に投影される格子のピッチpは次式のようになる。
この式(11)から、光源11aと格子基板11bとの間の距離aを小さくすることにより、投影格子のピッチを大きくできることが分かる。図8に示すように、光源Aと投影格子パネルとの間の距離をaA、光源Bと投影格子パネルとの間の距離をaBとし、投影格子パネルとz=z0との間の距離をb、投影格子パネルにおける格子のピッチをp0とすると、z=z0の位置における投影される格子のピッチは、光源Aと光源Bの場合は、下記の式にそれぞれ示すpAおよびpBとなる。
When the distance between the light source and the projection grid panel is a, the distance between the projection grid panel and the measurement target object O is b, and the grid pitch on the projection grid panel is p 0 , the projection is projected onto the measurement target object O. The pitch p of the grating is given by
From this equation (11), it can be seen that the pitch of the projection grating can be increased by reducing the distance a between the light source 11a and the grating substrate 11b. As shown in FIG. 8, the distance between the light source A and the projection grating panel is a A , the distance between the light source B and the projection grating panel is a B, and the distance between the projection grating panel and z = z 0 is When the distance is b and the pitch of the grating in the projection grating panel is p 0 , the pitch of the grating projected at the position z = z 0 is p A and the p B.

図9に、光源11aとは異なる位置に、撮影部12としてのカメラを設置した様子を示す。カメラで撮影する画像内のある1画素に注目すると、その画素は、図の実線L上を撮影していることになる。この実線Lは、投影されている格子パターンを斜めに横切る直線となっている。直線L上では、z座標が大きくなるに従って、位相は徐々に変化することになる。   FIG. 9 shows a state where a camera as the photographing unit 12 is installed at a position different from the light source 11a. When attention is paid to a certain pixel in an image photographed by the camera, the pixel is photographed on the solid line L in the figure. The solid line L is a straight line that obliquely crosses the projected lattice pattern. On the straight line L, the phase gradually changes as the z coordinate increases.

そこで、図10に示すように、基準面(基準となる平板)を用意して、z軸に垂直になるように、カメラの視野内に設置する。その基準面をz=z0からz=zN-1まで順にN回だけ平行移動させながら投影格子の位相値を取得する。取得した位相値は、図11に示すように、位相値に対するz座標のテーブルとして記録する。これをキャリブレーションという。このとき、位相が1周期変わるごとに、別のテーブルとして記録する。図11においては、光源Aを点灯させた場合はテーブルAz,1、Az,2、Az,3、Az,4となり、光源Bを点灯させた場合には、テーブルBz,1、Bz,2、Bz,3となる。このような手順により、画素毎に光源Aを点灯させた場合と光源Bを点灯させた場合のテーブルをそれぞれ作成する。 Therefore, as shown in FIG. 10, a reference plane (reference flat plate) is prepared and installed in the field of view of the camera so as to be perpendicular to the z-axis. The phase value of the projection grating is acquired while the reference plane is translated N times in order from z = z 0 to z = z N−1 . The acquired phase values are recorded as a table of z coordinates with respect to the phase values as shown in FIG. This is called calibration. At this time, every time the phase changes by one period, it is recorded as a separate table. In FIG. 11, when the light source A is turned on, the tables A z, 1 , A z, 2 , A z, 3 , A z, 4 are obtained , and when the light source B is turned on, the table B z, 1 , B z, 2 and B z, 3 . According to such a procedure, a table is created for each pixel when the light source A is turned on and when the light source B is turned on.

このときに、基準面を移動させた位置ziの間の位置においては、近傍の基準面のz座標とそのときの位相の値から補間処理を行うことにより、基準面の位置だけでなく、基準面間の位置を含めたz=z0からz=zN-1までの全ての位置において、テーブルの要素を得ることができる。このようにして、図11に示す黒点の位置だけでなく、さらに細かく位相θに対するz座標のテーブルを作成する。 At this time, in the position between the positions z i where the reference plane is moved, by performing an interpolation process from the z coordinate of the nearby reference plane and the phase value at that time, not only the position of the reference plane, Table elements can be obtained at all positions from z = z 0 to z = z N−1 including the position between the reference planes. In this way, not only the position of the black point shown in FIG. 11 but also a table of z coordinates for the phase θ is created more finely.

なお、このときに用いる基準面の表面に2次元格子のように、x座標とy座標を読み取ることができるパターンを取り付けておいたり、基準面表面に表示できるようにしたりすることにより、直線L上の点におけるx座標とy座標を読み取ることができる。上述のように、位相とz座標の対応関係が既に得られているため、それを元にして、位相値に対するx座標のテーブルや、位相値に対するy座標のテーブルを作成することも容易に行うことができる。このようにして作成した位相値とx座標、および位相値とy座標の対応テーブル(光源Aを点灯させた場合)の例をそれぞれ図12(a)および(b)に示す。この場合にも、z座標のテーブルと同様に、位相が1周期変わるごとに、別のテーブルとして記録する。図12(a)および(b)においては、x座標の場合はテーブルAx,1、Ax,2、Ax,3、Ax,4となり、y座標の場合はテーブルAy,1、Ay,2、Ay,3、Ay,4となる。 Note that a straight line L can be obtained by attaching a pattern capable of reading the x-coordinate and y-coordinate, such as a two-dimensional lattice, to the surface of the reference surface used at this time, or by displaying the pattern on the surface of the reference surface. The x and y coordinates at the upper point can be read. As described above, since the correspondence between the phase and the z coordinate has already been obtained, an x coordinate table for the phase value and a y coordinate table for the phase value can be easily created on the basis thereof. be able to. FIGS. 12A and 12B show examples of correspondence tables (when the light source A is turned on) of the phase value and the x coordinate and the phase value and the y coordinate created as described above, respectively. Also in this case, similarly to the z coordinate table, every time the phase changes by one period, it is recorded as another table. 12 (a) and 12 (b), the table A x, 1 , A x, 2 , A x, 3 , A x, 4 is obtained in the case of the x coordinate, and the table A y, 1 , in the case of the y coordinate. A y, 2 , A y, 3 , A y, 4 .

次に、計測対象物体Oをz0からzN-1の領域に設置する。図13に物体に格子を投影した様子を示す。カメラの注目画素が撮影する視線Lが撮影する物体上の点を点Pとする。このときの点Pのz座標をzpとする。光源Aと光源Bを点灯させた場合に得られる点Pの位相をそれぞれθAとθBとする。 Next, the measurement target object O is set in a region from z 0 to z N−1 . FIG. 13 shows a state in which a grid is projected onto an object. A point on the object photographed by the line of sight L photographed by the pixel of interest of the camera is defined as a point P. The z coordinate of the point P at this time is z p. The phases of the points P obtained when the light sources A and B are turned on are θ A and θ B , respectively.

上記の方法で作成した位相値に対するz座標のテーブルを図14に示す。光源Aを点灯させた場合には、位相θAに対するz座標の値は、テーブルAz,1、Az,2、Az,3、Az,4より、それぞれzA1、zA2、zA3、zA4となる。同様に、光源Bを点灯させた場合には、位相θBに対するz座標の値は、テーブルBz,1、Bz,2、Bz,3よりそれぞれzB1、zB2、zB3となる。このように、光源Aと光源Bを点灯させた場合のそれぞれに対して、テーブルの個数だけz座標の候補値が得られることになる。 FIG. 14 shows a table of z coordinates for the phase values created by the above method. When the light source A is turned on, the values of the z coordinate with respect to the phase θ A are z A1 , z A2 , z from the tables A z, 1 , A z, 2 , A z, 3 , A z, 4 , respectively. A3, the z A4. Similarly, when the light source B is turned on, the value of the z coordinate with respect to the phase θ B becomes z B1 , z B2 , and z B3 from the tables B z, 1 , B z, 2 , and B z, 3 , respectively. . Thus, for each of the cases where the light source A and the light source B are turned on, as many z-coordinate candidate values as the number of tables are obtained.

得られた複数のz座標の候補値間の距離dnmを次式のように求める。
ここで、nおよびmは、それぞれ光源Aと光源Bを点灯させた場合のテーブルの番号(Az,n,Bz,mの添字部分)を示す。
A distance d nm between the obtained candidate values of a plurality of z coordinates is obtained as follows.
Here, n and m indicate table numbers (subscripted portions of A z, n , B z, m ) when the light source A and the light source B are turned on, respectively.

光源Aと光源Bのどちらを点灯させた場合であっても、点Pは計測対象物体O上の同じ位置の点であるため、点Pのz座標は同一である。したがって、候補値間の距離dnmが0となるnとmの組み合わせを探すことにより、複数のz座標の候補値の中から、点Pのz座標を見つけることができる。しかし、得られる位相値は、カメラが有するランダムノイズなどの影響によって多少のばらつきを生じるため、一般には一致しない。そのため、候補値間の距離dnmが0となる場合ではなく、最小となる場合のnとmの組み合わせを探すことが有効である。なお、この手法において計測可能な範囲は、候補点が1個に決まる範囲である。 Regardless of whether the light source A or the light source B is turned on, the point P is the same position on the measurement target object O, and therefore the z coordinate of the point P is the same. Therefore, by searching for a combination of n and m where the distance d nm between candidate values is 0, the z coordinate of the point P can be found from among a plurality of candidate values of the z coordinate. However, since the obtained phase value varies somewhat due to the influence of random noise or the like of the camera, it generally does not match. Therefore, it is effective to search for a combination of n and m when the distance d nm between candidate values is not zero but when it is the smallest. Note that the range that can be measured by this method is a range in which one candidate point is determined.

このようにして、光源Aと光源Bを点灯させた場合のそれぞれの候補zAnとzBmが得られることになる。これらのうちのどちらか、またはそれらの平均値、または点Pにおける投影格子の強度や位相シフト時の振幅などを用いた重み付け平均値を点Pのz座標の計測結果とする。例えば、図14に示した例の場合には、d32が最も小さいことから、点Pのz座標の候補は、それぞれzA3とzB2になる。よって、例えばそれらの平均値z=((zA3+zB2)/2)として、点Pのz座標を求めることができる。平均値や重み付け平均値を算出することでノイズを低減することができる。 In this way, the respective candidates z An and z Bm when the light source A and the light source B are turned on are obtained. One of these, or an average value thereof, or a weighted average value using the intensity of the projection grating at the point P, the amplitude at the time of phase shift, or the like is taken as the measurement result of the z coordinate of the point P. For example, in the example shown in FIG. 14, since d 32 is the smallest, the candidates for the z coordinate of the point P are z A3 and z B2 , respectively. Therefore, for example, the z coordinate of the point P can be obtained as the average value z = ((z A3 + z B2 ) / 2). Noise can be reduced by calculating an average value or a weighted average value.

点Pのx座標とy座標を求める場合は、z座標を求める際に得られたnの値を用いて、テーブルAx,nとAy,nを参照することで容易に求めることができる。例えば、図11(a)および(b)においては、xA3およびyA3が点Pのx座標とy座標となる。x座標とy座標においても、光源Bに対するテーブルを作成しておくことにより、平均値や重み付け平均値を算出して、z座標の場合と同様にノイズを低減することができる。 When obtaining the x coordinate and y coordinate of the point P, it can be easily obtained by referring to the tables A x, n and A y, n using the value of n obtained when obtaining the z coordinate. . For example, in FIGS. 11A and 11B, x A3 and y A3 are the x and y coordinates of the point P. Also in the x coordinate and the y coordinate, by creating a table for the light source B, an average value and a weighted average value can be calculated, and noise can be reduced as in the case of the z coordinate.

以上の処理をカメラで撮影する画素毎に行うことにより、計測対象物体Oの表面全体の座標分布を得て形状を求めることができる。   By performing the above processing for each pixel photographed by the camera, the shape can be obtained by obtaining the coordinate distribution of the entire surface of the measurement target object O.

上述の座標を決定する説明は、光源が格子基板からの距離が異なる2つの位置に配置された場合について行ったが、光源が格子基板からの距離が異なる3つ以上の位置に配置されている場合も同様に行うことができる。具体的には、光源毎に位相値と座標との間の対応テーブルを作成し、求められた位相値に対応する座標の候補値を光源毎に求め、候補値間の差が最小となるような座標を見つけ、例えば候補値の平均値を求めるべき座標とすればよい。   The above description for determining the coordinates has been made for the case where the light source is arranged at two positions with different distances from the lattice substrate, but the light source is arranged at three or more positions with different distances from the lattice substrate. The case can be similarly performed. Specifically, a correspondence table between phase values and coordinates is created for each light source, coordinate candidate values corresponding to the obtained phase values are obtained for each light source, and the difference between the candidate values is minimized. What is necessary is just to make it the coordinate which should find the average coordinate and should obtain | require the average value of a candidate value, for example.

(形状計測方法)
次に、本発明に係る形状計測方法について説明する。本発明に係る形状計測方法は、上述した本発明に係る形状計測装置1を用いて、格子基板11bからの距離が異なる複数の位置毎に、光源11aを点灯して格子パターンが投影された計測対象物体Oを撮影し、次いで撮影された計測対象物体Oの画像に対して位相解析処理を施して位相分布を求め、複数の位置毎に得られた位相分布に基づいて計測対象物体の形状を求める。これにより、高速かつ高精度に、さらには広い計測範囲で計測対象物体の形状を計測することができる。
(Shape measurement method)
Next, the shape measuring method according to the present invention will be described. The shape measuring method according to the present invention uses the shape measuring apparatus 1 according to the present invention described above, and measures the projection of the lattice pattern by turning on the light source 11a for each of a plurality of positions at different distances from the lattice substrate 11b. The target object O is photographed, and then the phase analysis process is performed on the photographed image of the measurement target object O to obtain a phase distribution, and the shape of the measurement target object is determined based on the phase distribution obtained for each of a plurality of positions. Ask. As a result, the shape of the measurement target object can be measured with high speed and high accuracy and in a wide measurement range.

<形状計測装置>
以下、本発明の実施例について説明する。
図15に示すような本発明に係る形状計測装置を作製した。この装置は、線状のLEDデバイスを用いた光源および格子基板としての投影格子パネルで構成される格子パターン投影部と、CMOSカメラからなる撮影部とを備えている。また、図には示されていないが、解析部としてのPCも備えている。格子パターン投影部の側面図を図16に示す。線状LEDデバイスは、線状LEDが0.42mm間隔で5列配置されており、任意の1列を点灯することができるように構成されている。これにより、5回の位相シフトが可能となっている。
<Shape measuring device>
Examples of the present invention will be described below.
A shape measuring apparatus according to the present invention as shown in FIG. 15 was produced. This apparatus includes a light source using a linear LED device and a lattice pattern projection unit composed of a projection lattice panel as a lattice substrate, and an imaging unit composed of a CMOS camera. Although not shown in the figure, a PC as an analysis unit is also provided. A side view of the lattice pattern projection unit is shown in FIG. The linear LED device has five linear LEDs arranged at intervals of 0.42 mm, and is configured to light any one column. Thereby, five phase shifts are possible.

光源は、投影格子パネルからの距離が異なる位置Aと位置Bに上記5つの線状LEDがそれぞれ配置されており、各線状LEDを独立に点灯させることができる。投影格子パネルは、ガラス平板に格子状のパターンを持つ金属膜が取り付けられたものである。CMOSカメラは、その光軸が投影格子パネルの法線方向に対して15度傾くように配置されている。また、格子線の向きは各線状LEDの延在方向と一致している。投影格子パネルから光源Aと光源Bまでの距離は、それぞれ20mmと17mmとした。これにより、計測対象物体上に投影される格子ピッチは、光源Aを点灯させた場合よりも光源Bを点灯させた場合の方が大きくなる。   The light source has the five linear LEDs arranged at positions A and B at different distances from the projection grid panel, and can light each linear LED independently. The projection grid panel is obtained by attaching a metal film having a grid pattern on a glass flat plate. The CMOS camera is arranged so that its optical axis is inclined by 15 degrees with respect to the normal direction of the projection grating panel. In addition, the direction of the grid lines coincides with the extending direction of each linear LED. The distances from the projection grid panel to the light sources A and B were 20 mm and 17 mm, respectively. Thereby, the lattice pitch projected on the measurement target object is larger when the light source B is turned on than when the light source A is turned on.

<キャリブレーション>
図17にキャリブレーションの様子を示す。基準面は、その法線がz方向を向き、z軸方向に平行移動するようにステージ上に取り付けられている。ステージによって、基準面の位置をz0=0mmからzN-1=70mmまで、0.2mmずつ移動させた。
<Calibration>
FIG. 17 shows the state of calibration. The reference plane is mounted on the stage so that its normal line is oriented in the z direction and translated in the z-axis direction. The position of the reference plane was moved by 0.2 mm from z 0 = 0 mm to z N-1 = 70 mm by the stage.

それぞれに位置において、光源Aおよび光源Bを用いて、5つの線状LEDを順次点灯させて投影格子の位相シフトを行い、それぞれの位置における基準面上の位相値を取得した。その際、カメラが有するランダムノイズの影響を小さくするために、同じ点灯位置において9枚の画像を撮影し、その平均化を行うことにより1枚の平均画像を生成した。生成された平均画像を用いて、位相シフト法の計算を行うことにより、撮影された画像の1画素ごとの位相値を算出した。この処理を光源Aおよび光源Bについて、それぞれ行った。   At each position, using the light source A and the light source B, the five linear LEDs were sequentially turned on to shift the phase of the projection grating, and the phase value on the reference plane at each position was obtained. At that time, in order to reduce the influence of random noise of the camera, nine images were taken at the same lighting position and averaged to generate one average image. Using the generated average image, the phase shift method is calculated to calculate the phase value for each pixel of the captured image. This process was performed for light source A and light source B, respectively.

このようにして求めた画像の中央の1画素における位相値とz座標との関係を図18および図19に示す。このとき、z=0mmから開始して、位相が2π変化するごとに別のテーブルとして記録した。図18は、光源Aを点灯させた場合に対するものであり、テーブルAz,1、Az,2、Az,3...Az,15のようになる。一方、図19は、光源Bを点灯させた場合に対するものであり、テーブルBz,1、Bz,2、Bz,3...Bz,13のようになる。このような手順により、画素毎に光源Aを点灯させた場合と光源Bを点灯させた場合のテーブルをそれぞれ作成した。その際、基準面間の位置においては、近傍の基準面のz座標とそのときの位相値から補間処理を行うことにより、図18と図19に示す黒点の位置だけでなく、黒点間の位置についてもさらに細かく位相値θに対するz座標のテーブルを作成した。 FIG. 18 and FIG. 19 show the relationship between the phase value and the z coordinate at one pixel at the center of the image thus obtained. At this time, starting from z = 0 mm, recording was performed as a separate table every time the phase changed by 2π. FIG. 18 is for the case where the light source A is turned on, and the tables A z, 1 , A z, 2 , A z, 3 . . . It becomes like Az, 15 . On the other hand, FIG. 19 is for the case where the light source B is turned on, and the tables B z, 1 , B z, 2 , B z, 3 . . . B z, 13 According to such a procedure, a table was created for each pixel when the light source A was turned on and when the light source B was turned on. At that time, in the position between the reference planes, by performing an interpolation process from the z coordinate of the neighboring reference plane and the phase value at that time, not only the positions of the black spots shown in FIGS. 18 and 19 but also the positions between the black spots. A table of z coordinates with respect to the phase value θ was created in detail.

図20に、計測対象物体の寸法を示す。また、図21に形状計測装置と計測対象物体の位置関係を示す。このような位置関係において、光源Aおよび光源Bの一方を点灯させた場合の格子パターンが投影された計測対象物体の画像を図22および図23にそれぞれ示す。また、図24と図25に光源Aと光源Bの一方を点灯させた場合の格子パターンが投影された計測対象物体の位相分布をそれぞれ示す。   FIG. 20 shows the dimensions of the measurement target object. FIG. 21 shows the positional relationship between the shape measuring apparatus and the measurement target object. In such a positional relationship, images of the measurement target object onto which the lattice pattern is projected when one of the light source A and the light source B is turned on are shown in FIGS. 22 and 23, respectively. 24 and 25 show phase distributions of the measurement target object onto which the lattice pattern is projected when one of the light source A and the light source B is turned on.

位相シフト法により求められた、図24と図25で得られた画像の中心点(画素)における位相値θAとθBは、それぞれ、5.75ラジアンと4.31ラジアンであった。図18と図19に示した位相値とz座標との関係より、上記位相値に対するz座標の複数の候補値が、図26および図27に示すようにそれぞれ得られる。求めた候補値を表1と表2にそれぞれに示す。こうして得られた複数のz座標の候補値間の距離dnmの中で最小となるのは、n=8かつm=7の場合であり、その場合、zA8=47.51とzB7=47.52となる。これらの平均値は、47.515mmとなり、この平均値を上記画像の中心点に対応する計測対応物体上の点のz座標とすることができる。また、n=8のx座標とy座標に関するテーブルAx,8およびAy,8を用いることにより、上記計測対応物体上の点のx座標およびy座標も求めることができる。 The phase values θ A and θ B at the center point (pixel) of the images obtained in FIG. 24 and FIG. 25 obtained by the phase shift method were 5.75 radians and 4.31 radians, respectively. From the relationship between the phase value and the z coordinate shown in FIGS. 18 and 19, a plurality of candidate values of the z coordinate for the phase value are obtained as shown in FIGS. 26 and 27, respectively. The obtained candidate values are shown in Table 1 and Table 2, respectively. The smallest distance d nm between the plurality of z coordinate candidate values obtained in this way is when n = 8 and m = 7, in which case z A8 = 47.51 and z B7 = 47.52. These average values are 47.515 mm, and this average value can be used as the z coordinate of the point on the measurement corresponding object corresponding to the center point of the image. Further, by using the tables A x, 8 and A y, 8 concerning the x coordinate and y coordinate of n = 8, the x coordinate and the y coordinate of the point on the measurement corresponding object can also be obtained.

以上の処理を全ての画素に対して行い、図20に示した計測対象物体の形状を計測した。   The above process was performed on all the pixels, and the shape of the measurement target object shown in FIG. 20 was measured.

1 形状計測装置
11 格子パターン投影部
11a 光源
11b 格子基板
11c 光源基板
11d 部材
12 撮影部
13 解析部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Shape measuring apparatus 11 Lattice pattern projection part 11a Light source 11b Lattice board | substrate 11c Light source board | substrate 11d Member 12 Imaging | photography part 13 Analysis part

Claims (5)

計測対象物体の形状を計測する装置であって、
前記計測対象物体に所定の形状の格子パターンを投影するための投影用光を発光する複数の光源と、前記投影用光を通過させて前記格子パターンを形成する格子基板とを有する格子パターン投影部と、
前記格子パターンが投影された前記計測対象物体を撮影する撮影部と、
撮影された前記計測対象物体の画像に対して位相解析処理を施して前記計測対象物体の形状を求める解析部と、
を備え、
前記複数の光源は、前記格子基板からの距離が異なる複数の位置の各々に少なくとも1つ配置されていることを特徴とする形状計測装置。
An apparatus for measuring the shape of an object to be measured,
A lattice pattern projection unit having a plurality of light sources that emit projection light for projecting a lattice pattern of a predetermined shape onto the measurement target object, and a lattice substrate that passes the projection light and forms the lattice pattern When,
An imaging unit that images the measurement target object onto which the lattice pattern is projected;
An analysis unit for obtaining a shape of the measurement target object by performing a phase analysis process on the captured image of the measurement target object;
With
At least one of the plurality of light sources is disposed at each of a plurality of positions having different distances from the lattice substrate.
前記複数の位置の各々に3つ以上の光源が配置されている、請求項1に記載の形状計測装置。   The shape measuring apparatus according to claim 1, wherein three or more light sources are arranged at each of the plurality of positions. 前記複数の光源から発光される光の波長は前記複数の位置毎に異なる、請求項1または2に記載の形状計測装置。   The shape measuring apparatus according to claim 1, wherein wavelengths of light emitted from the plurality of light sources are different for each of the plurality of positions. 前記光源は線状光源である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の形状計測装置。   The shape measuring apparatus according to claim 1, wherein the light source is a linear light source. 請求項1〜4に記載された形状計測装置を用いて、前記格子基板からの距離が異なる複数の位置毎に、前記光源を点灯して前記格子パターンが投影された計測対象物体を撮影し、次いで撮影された前記計測対象物体の画像に対して位相解析処理を施して位相分布を求め、前記複数の位置毎に得られた位相分布に基づいて前記計測対象物体の形状を求めることを特徴とする形状計測方法。   Using the shape measuring device according to claim 1 to 4, for each of a plurality of positions having different distances from the lattice substrate, shoot the measurement target object on which the lattice pattern is projected by turning on the light source, Next, a phase analysis process is performed on the captured image of the measurement target object to obtain a phase distribution, and a shape of the measurement target object is obtained based on the phase distribution obtained for each of the plurality of positions. Shape measurement method to do.
JP2015003566A 2015-01-09 2015-01-09 Shape measuring apparatus and shape measuring method Active JP6420159B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015003566A JP6420159B2 (en) 2015-01-09 2015-01-09 Shape measuring apparatus and shape measuring method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015003566A JP6420159B2 (en) 2015-01-09 2015-01-09 Shape measuring apparatus and shape measuring method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2016128785A true JP2016128785A (en) 2016-07-14
JP6420159B2 JP6420159B2 (en) 2018-11-07

Family

ID=56384237

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2015003566A Active JP6420159B2 (en) 2015-01-09 2015-01-09 Shape measuring apparatus and shape measuring method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6420159B2 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018207720A1 (en) * 2017-05-08 2018-11-15 国立大学法人福井大学 Method and device for three dimensional measurement using feature quantity
CN109341584A (en) * 2018-11-02 2019-02-15 西安工业大学 A kind of gear teeth face three-dimensional appearance characterizing method
CN110672037A (en) * 2019-09-02 2020-01-10 南京理工大学 Linear light source grating projection three-dimensional measurement system and method based on phase shift method
JP2022509094A (en) * 2018-11-19 2022-01-20 先臨三維科技股▲ふん▼有限公司 Projector, collector and 3D scanning system with these

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5826206A (en) * 1981-08-07 1983-02-16 Nippon Steel Corp Measuring device for shape by moire
US5636025A (en) * 1992-04-23 1997-06-03 Medar, Inc. System for optically measuring the surface contour of a part using more fringe techniques
JP2003042734A (en) * 2001-07-31 2003-02-13 Ricoh Co Ltd Method and apparatus for measurement of surface shape
JP2012150018A (en) * 2011-01-19 2012-08-09 Moire Institute Inc Method for measuring shape
JP2012237613A (en) * 2011-05-11 2012-12-06 Moire Institute Inc Shape measuring device and shape measuring method
JP2013079869A (en) * 2011-10-04 2013-05-02 Azbil Corp Shape measuring apparatus, shape measuring system, and shape measuring method
WO2013156576A1 (en) * 2012-04-19 2013-10-24 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Projection system with static pattern generation elements and a plurality of optical channels for optical 3-d measurement
US20140276097A1 (en) * 2013-03-12 2014-09-18 Covidien Lp Systems and methods for optical measurement for in-situ surgical applications

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5826206A (en) * 1981-08-07 1983-02-16 Nippon Steel Corp Measuring device for shape by moire
US5636025A (en) * 1992-04-23 1997-06-03 Medar, Inc. System for optically measuring the surface contour of a part using more fringe techniques
JP2003042734A (en) * 2001-07-31 2003-02-13 Ricoh Co Ltd Method and apparatus for measurement of surface shape
JP2012150018A (en) * 2011-01-19 2012-08-09 Moire Institute Inc Method for measuring shape
JP2012237613A (en) * 2011-05-11 2012-12-06 Moire Institute Inc Shape measuring device and shape measuring method
JP2013079869A (en) * 2011-10-04 2013-05-02 Azbil Corp Shape measuring apparatus, shape measuring system, and shape measuring method
WO2013156576A1 (en) * 2012-04-19 2013-10-24 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Projection system with static pattern generation elements and a plurality of optical channels for optical 3-d measurement
US20140276097A1 (en) * 2013-03-12 2014-09-18 Covidien Lp Systems and methods for optical measurement for in-situ surgical applications

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018207720A1 (en) * 2017-05-08 2018-11-15 国立大学法人福井大学 Method and device for three dimensional measurement using feature quantity
CN110612428A (en) * 2017-05-08 2019-12-24 藤垣元治 Three-dimensional measurement method using characteristic quantity and apparatus therefor
GB2577013A (en) * 2017-05-08 2020-03-11 Univ Fukui Method and device for three dimensional measurement using feature quantity
CN110612428B (en) * 2017-05-08 2021-07-16 藤垣元治 Three-dimensional measurement method using characteristic quantity and apparatus therefor
US11257232B2 (en) 2017-05-08 2022-02-22 University Of Fukui Three-dimensional measurement method using feature amounts and device using the method
GB2577013B (en) * 2017-05-08 2022-05-04 Univ Fukui Three-Dimensional Measurement Method Using Feature Amounts and Device Using the Method
CN109341584A (en) * 2018-11-02 2019-02-15 西安工业大学 A kind of gear teeth face three-dimensional appearance characterizing method
JP2022509094A (en) * 2018-11-19 2022-01-20 先臨三維科技股▲ふん▼有限公司 Projector, collector and 3D scanning system with these
JP7366132B2 (en) 2018-11-19 2023-10-20 先臨三維科技股▲ふん▼有限公司 Projection device, collection device, and three-dimensional scanning system equipped with these
CN110672037A (en) * 2019-09-02 2020-01-10 南京理工大学 Linear light source grating projection three-dimensional measurement system and method based on phase shift method

Also Published As

Publication number Publication date
JP6420159B2 (en) 2018-11-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5854544B1 (en) Shape measuring apparatus and shape measuring method
JP5956218B2 (en) Shape measuring device, shape measuring method, and calibration processing method in shape measuring device
JP5055191B2 (en) Three-dimensional shape measuring method and apparatus
JP6420159B2 (en) Shape measuring apparatus and shape measuring method
JP5016520B2 (en) Three-dimensional shape measuring method and apparatus
JP6161714B2 (en) Method for controlling the linear dimension of a three-dimensional object
JP5818341B2 (en) Shape measuring apparatus and shape measuring method
JP2006105983A (en) Method and apparatus for measuring object shape
JP2011064482A (en) Device and method of high-speed three-dimensional measurement
WO2017175341A1 (en) Measurement method, measurement device, measurement program, and computer-readable recording medium having measurement program recorded thereon
JP2015099050A (en) Calibration method and shape measuring device
JP5770495B2 (en) Shape measuring device and lattice projection device
JP2011242178A (en) Shape measuring instrument and shape measuring method
KR100785802B1 (en) Apparatus for measurment of three-dimensional shape
JP5956296B2 (en) Shape measuring apparatus and shape measuring method
JP2012237613A (en) Shape measuring device and shape measuring method
JP5854540B1 (en) Shape measuring apparatus and shape measuring method
US10801834B2 (en) Fringe projection for determining topography of a body
JP5853284B2 (en) Shape measuring apparatus and shape measuring method
JP5667891B2 (en) Shape measurement method
Oura et al. Development of linear LED device for shape measurement by light source stepping method
JP2011021970A (en) Three-dimensional shape measuring device and three-dimensional shape measuring method
JP2017125707A (en) Measurement method and measurement device
Morimoto et al. Shape Measurement by Whole‐space Tabulation Method Using Phase‐shifting LED Projector
Heikkinen Defocused speckle imaging for remote surface motion measurements

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20171121

TRDD Decision of grant or rejection written
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20180926

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20181002

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20181011

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6420159

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250