JP2985635B2 - Surface shape 3D measurement method - Google Patents

Surface shape 3D measurement method

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JP2985635B2
JP2985635B2 JP6004596A JP459694A JP2985635B2 JP 2985635 B2 JP2985635 B2 JP 2985635B2 JP 6004596 A JP6004596 A JP 6004596A JP 459694 A JP459694 A JP 459694A JP 2985635 B2 JP2985635 B2 JP 2985635B2
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憲明 藤原
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Matsushita Electric Works Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、非接触で計測対象物体
の表面形状を求める表面形状3次元計測方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a three-dimensional surface shape measuring method for determining the surface shape of an object to be measured without contact.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、機械部品や接点等の電気部品の表
面を非接触で高精度に計測する方法として、三角測量の
原理を応用した光触針を計測ヘッドとし、XYテーブル
の上に計測対象物体を設置して、このXYテーブルを駆
動することにより表面形状を計測するものや、走査型電
子顕微鏡を用いて電子ビームを計測対象物体面にあて、
反射したビームを複数のセンサーで捕らえて演算により
形状に直す方法がある。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a method for measuring the surface of an electric component such as a mechanical component or a contact point with high accuracy without contact, an optical stylus applying the principle of triangulation is used as a measuring head and measured on an XY table. A target object is set up, a surface shape is measured by driving the XY table, or an electron beam is applied to a target surface using a scanning electron microscope.
There is a method in which a reflected beam is captured by a plurality of sensors and converted into a shape by calculation.

【0003】また、特開平4−278406に示すよう
に、計測対象物体面に対し斜め方向より照明の照度分布
が正弦状態の格子を投影し、物体面にできた縞画像の明
度を格子の投影方向とは別の角度から計測して演算する
ことにより、物体の3次元の表面形状を求める縞走査法
がある。
As shown in Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-278406, a grid having an illuminance distribution of a sine state is projected from an oblique direction to an object plane to be measured, and the brightness of a fringe image formed on the object plane is projected on the grid. There is a fringe scanning method for calculating a three-dimensional surface shape of an object by measuring and calculating from an angle different from the direction.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】前述した表面形状3次
元計測方法は、次のような問題がある。
The three-dimensional surface shape measuring method described above has the following problems.

【0005】三角測量の原理を応用したものは、XYテ
ーブルのスキャニングに時間を要するため実用にならな
い場合があり、走査型電子顕微鏡を用いたものは、計測
対象物体の前処理として蒸着が必要なため、厳密には非
接触とは言えず、計測対象物体が使用できなくなること
がある。
In some cases, the application of the principle of triangulation is not practical because scanning of the XY table requires time, and in the case of using a scanning electron microscope, evaporation is required as a pretreatment of the object to be measured. Therefore, it cannot be said that the contact is strictly non-contact, and the object to be measured cannot be used.

【0006】また、縞走査法は、通常画像入力に使用す
るCCDカメラの濃淡分解能は8ビット、つまり256
階調であり、ノイズの影響などにより階調は1/3 程度に
まで低下するため、表面形状データの信頼性が低下し、
影響が大きい場合は凹凸判断を間違える場合がある。さ
らに、同じく階調の影響により、位相計算を実行する場
合の位相飛び現象のため、特に傾斜部での誤差が大きく
なり、傾斜部での形状判断を間違えることがある。この
ような問題を解消するために、格子を取り除いて、濃淡
画像を別に入力することも考えられるが、格子を取り除
くためには物理的な移動作業を必要とし、手間と時間が
必要である。
In the fringe scanning method, a CCD camera used for normal image input has a gray scale resolution of 8 bits, ie, 256 bits.
Since the gradation is reduced to about 1/3 due to the influence of noise, the reliability of the surface shape data decreases,
When the influence is large, the determination of the unevenness may be erroneously made. Further, similarly, due to the influence of the gradation, a phase jump phenomenon occurs when the phase calculation is performed. In particular, the error in the inclined portion becomes large, and the shape determination in the inclined portion may be erroneously performed. In order to solve such a problem, it is conceivable to remove the grid and input a grayscale image separately. However, removing the grid requires a physical moving operation, and requires labor and time.

【0007】本発明は、かかる事由に鑑みてなしたもの
で、その目的とするところは、形状判断の誤差が生じに
くい表面形状3次元計測方法を提供するにある。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a three-dimensional surface shape measuring method in which an error in shape determination hardly occurs.

【0008】かかる課題を解決するために、請求項1記
載の表面形状3次元計測方法は、計測対象物体面に対し
てある方向から投影した格子を別の角度から観察する変
形格子投影法により4種類の縞画像を得、該縞画像から
縞走査法により形状データを求め、又、前記計測対象物
体の任意の位置での各縞画像の画素の光強度I1,I
2,I3,I4から、(I1+I2+I3+I4)/4
で表される濃淡値を求め、その濃淡値を前記計測対象物
体の表面全体にわたってつなぎ合わせて画像データを求
め、形状データと画像データとを演算処理することによ
り計測対象物体の表面形状を求める方法としている。
In order to solve such a problem, a three-dimensional surface shape measuring method according to claim 1 uses a modified grid projection method in which a grid projected from a certain direction with respect to an object surface to be measured is observed from another angle. Types of fringe images are obtained, shape data is obtained from the fringe images by a fringe scanning method, and the measurement object
Light intensity I1, I of a pixel of each stripe image at an arbitrary position on the body
From 2, I3 and I4, (I1 + I2 + I3 + I4) / 4
The gray value expressed by
The image data is obtained by connecting the entire surface of the body to obtain the image data, and the shape data and the image data are arithmetically processed to obtain the surface shape of the object to be measured.

【0009】[0009]

【作用】請求項1記載の方法によれば、変形格子投影法
により得られた縞画像により、計測対象物体面の形状デ
ータと画像データが同時に得られ、それらを演算処理す
ることができる。
According to the first aspect of the present invention, the shape data and the image data of the object surface to be measured are simultaneously obtained from the stripe image obtained by the modified grid projection method, and these can be processed.

【0010】[0010]

【実施例】以下、本発明の一実施例を図1及び図2に基
づいて説明する。図1は本発明のシステム構成図であ
り、表面形状3次元計測方法は、センサー部A と制御部
B を主要構成部材として計測対象物体の表面形状を計測
する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 1 is a system configuration diagram of the present invention. The three-dimensional surface shape measuring method includes a sensor unit A and a control unit.
The surface shape of the object to be measured is measured using B as a main component.

【0011】1 は光源であり、ランプ1a、レンズ1b、反
射板1cを有して光を放出するものである。光は後述する
格子、投影レンズを通って、計測対象物体の法線に対し
て一定角度をもって当てられる。
Reference numeral 1 denotes a light source, which has a lamp 1a, a lens 1b, and a reflector 1c and emits light. The light passes through a grating and a projection lens, which will be described later, and is applied at a certain angle with respect to the normal to the object to be measured.

【0012】2 は格子であり、一定間隔のピッチからな
る隙間を光が通過するよう構成されている。なお、この
格子は、光が通過する所としない所の2パターンだけで
なく、徐々に光の通過量が変化するような、例えば正弦
波形状の濃淡画像の液晶パターンで構成してもよい。
Reference numeral 2 denotes a grating, which is configured so that light passes through a gap having a constant pitch. The grating may be formed not only of two patterns of light passing areas and non-light passing areas but also of a liquid crystal pattern of a sine-wave-shape gray-scale image in which the light passing amount changes gradually.

【0013】3 は投影レンズであり、格子2 を通過した
光を計測対象物体4 の表面に投影し、縞画像を形成する
ものである。投影レンズ3 の光軸は格子2 に対して垂直
になっており、計測対象物体4 の法線に対して一定角度
を有している。5 は計測台である。
Reference numeral 3 denotes a projection lens which projects the light passing through the grating 2 onto the surface of the measurement object 4 to form a fringe image. The optical axis of the projection lens 3 is perpendicular to the grating 2 and has a certain angle with respect to the normal to the object 4 to be measured. 5 is a measuring table.

【0014】6 は撮影レンズであり、計測対象物体4 の
表面の縞画像を撮影するものであって、計測対象物体4
の真上に設けられている。撮影レンズ6 で撮影した縞画
像は、CCDカメラ7 に入力される。以上がセンサー部
の構造である。
Reference numeral 6 denotes a photographing lens for photographing a fringe image of the surface of the object 4 to be measured.
It is provided directly above. The fringe image taken by the taking lens 6 is input to the CCD camera 7. The above is the structure of the sensor unit.

【0015】制御部では、CCDカメラ7 に入力された
縞画像を、カメラコントローラ8 、画像入力ボード9 を
介してコンピュータ10に入力する。
The control unit inputs the stripe image input to the CCD camera 7 to the computer 10 via the camera controller 8 and the image input board 9.

【0016】11はテーブルコントローラであり、格子2
の位置をピッチ方向に移動させるものであり、コンピュ
ータ10に接続されている。
Reference numeral 11 denotes a table controller,
Is moved in the pitch direction, and is connected to the computer 10.

【0017】次に、以上の構成を用いた表面形状3次元
計測方法について説明する。光源1を点灯することで、
格子2 、投影レンズ3 を通過した光は、計測対象物体4
の表面に投影レンズ3 から見て等間隔のピッチの格子か
らなる縞画像を形成する。それを別の角度に設けた撮影
レンズ6 で観察することにより、表面の凹凸に応じた変
形格子からなる縞画像を撮影することができる。その縞
画像の画素データを、CCDカメラ7 、カメラコントロ
ーラ8 、画像入力ボード9 を経て、コンピュータ10に入
力したあとで、テーブルコントローラ11により格子2 を
格子の1/4ピッチだけピッチ方向に移動させる。そし
て上記と同様に縞画像を撮影する。これを4回繰り返
し、4種類の縞画像(縞画像1、縞画像2、縞画像3、
縞画像4)を画素データとしてコンピュータ10に入力す
る。
Next, a three-dimensional surface shape measuring method using the above configuration will be described. By turning on light source 1,
The light that has passed through the grating 2 and the projection lens 3
A fringe image is formed on the surface of the image. By observing it with a photographing lens 6 provided at another angle, it is possible to photograph a fringe image composed of a deformed grating corresponding to the surface irregularities. After the pixel data of the stripe image is input to the computer 10 through the CCD camera 7, the camera controller 8, and the image input board 9, the grid 2 is moved by the table controller 11 in the pitch direction by 1/4 pitch of the grid. . Then, a stripe image is photographed as described above. This is repeated four times, and four types of stripe images (strip image 1, stripe image 2, stripe image 3,
The fringe image 4) is input to the computer 10 as pixel data.

【0018】計測対象物体の任意の位置での各縞画像の
画素の光強度をI1,I2,I3,I4とすると、任意
の位置の位相φは、次の式で求められる。
Assuming that the light intensities of the pixels of each fringe image at an arbitrary position on the object to be measured are I1, I2, I3, and I4, the phase φ at an arbitrary position can be obtained by the following equation.

【0019】 φ=tan-1((I2−I4)/(I1−I3)) このデータを計測対象物体の表面全体にわたってつなぎ
合わせることで、全体の形状データが得られる。なお、
以上のような演算をすることを縞走査法と呼ぶ。また、
4画面利用の縞走査法について説明したが、特に4画面
に限定されるものではなく、3画面以上で利用すること
が可能である。
Φ = tan −1 ((I 2 −I 4) / (I 1 −I 3)) By joining this data over the entire surface of the measurement target object, overall shape data can be obtained. In addition,
Performing the above operation is called a fringe scanning method. Also,
Although the fringe scanning method using four screens has been described, the present invention is not particularly limited to four screens and can be used on three or more screens.

【0020】次に、計測対象物体の任意の位置の濃淡値
gは、次の式で求められる。 g=(I1+I2+I3+I4)/4 このデータを計測対象物体の表面全体にわたってつなぎ
合わせることで、濃淡で表せられる全体の画像データが
得られる。従って、新規に濃淡画像を入力する必要はな
い。
Next, the gray value g at an arbitrary position of the object to be measured is obtained by the following equation. g = (I1 + I2 + I3 + I4) / 4 By linking this data over the entire surface of the measurement target object, the entire image data represented by shading can be obtained. Therefore, there is no need to input a new grayscale image.

【0021】以上により求められた形状データ、画像デ
ータより、両者を合わせて演算することにより正確な3
次元の表面形状が求められ、また、図2に示すように各
しきい値を用いて形状データ、画像データを判定するこ
とにより、表面のキズ、付着などの欠陥が簡単に求める
ことができる。
From the shape data and image data obtained as described above, an accurate 3
A two-dimensional surface shape is obtained, and shape data and image data are determined using each threshold value as shown in FIG. 2, so that defects such as surface flaws and adhesion can be easily obtained.

【0022】次に、本発明の変形例を図3及び図4に示
す。図3は第1変形例であり、光源1 、格子2 、投影レ
ンズ3 からなる投影系を計測対象物体4 の真上に設け、
撮影レンズ6 、CCDカメラ7 からなる撮影系を計測対
象物体4 の法線に対して一定の角度を有するようにした
ものである。また、図4は第2変形例であり、投影系、
撮影系とも計測対象物体4 の法線に対して一定の角度を
有するようにしたものである。図4の場合は、図1及び
図3と比較して撮影する格子のピッチが拡大される。
Next, a modification of the present invention is shown in FIGS. FIG. 3 shows a first modification, in which a projection system including a light source 1, a grating 2, and a projection lens 3 is provided right above a measurement object 4;
An imaging system including an imaging lens 6 and a CCD camera 7 has a certain angle with respect to the normal line of the object 4 to be measured. FIG. 4 shows a second modification, in which a projection system,
The imaging system has a certain angle with respect to the normal line of the object 4 to be measured. In the case of FIG. 4, the pitch of the grid to be photographed is enlarged as compared with FIGS.

【0023】[0023]

【発明の効果】請求項1記載の表面形状3次元計測方法
は、変形格子投影法により得られた縞画像により、計測
対象物体面の形状データと画像データが同時に得られ、
それらを演算処理することができるので、短時間で、正
確な計測対象物体面の形状判断ができる。
According to the surface shape three-dimensional measuring method of the present invention, the shape data and the image data of the object surface to be measured are simultaneously obtained by the stripe image obtained by the modified grid projection method.
Since these can be arithmetically processed, the shape of the object surface to be measured can be accurately determined in a short time.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例を示すシステム構成図であ
る。
FIG. 1 is a system configuration diagram showing an embodiment of the present invention.

【図2】その処理アルゴリズムである。FIG. 2 shows the processing algorithm.

【図3】その第1変形例を示すシステム構成図である。FIG. 3 is a system configuration diagram showing a first modified example thereof.

【図4】その第2変形例を示すシステム構成図である。FIG. 4 is a system configuration diagram showing a second modified example thereof.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 光源 2 格子 3 投影レンズ 4 計測対象物体 5 計測台 6 撮影レンズ 7 CCDカメラ 8 カメラコントロール 9 画像入力ボード 10 コンピュータ 11 テーブルコントローラ 1 Light source 2 Grid 3 Projection lens 4 Object to be measured 5 Measuring table 6 Shooting lens 7 CCD camera 8 Camera control 9 Image input board 10 Computer 11 Table controller

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01B 11/00 - 11/30 102 G06T 7/00 - 9/20 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) G01B 11/00-11/30 102 G06T 7/00-9/20

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 計測対象物体面に対してある方向から投
影した格子を別の角度から観察する変形格子投影法によ
り4種類の縞画像を得、該縞画像から縞走査法により形
状データを求め、又、前記計測対象物体の任意の位置で
の各縞画像の画素の光強度I1,I2,I3,I4か
ら、(I1+I2+I3+I4)/4で表される濃淡値
を求め、その濃淡値を前記計測対象物体の表面全体にわ
たってつなぎ合わせて画像データを求め、形状データと
画像データとを演算処理することにより計測対象物体の
表面形状を求めることを特徴とする表面形状3次元計測
方法。
1. Four types of fringe images are obtained by a modified grid projection method in which a grid projected from a certain direction on a measurement object surface is observed from another angle, and shape data is obtained from the fringe images by a fringe scanning method. At an arbitrary position of the object to be measured
Light intensity I1, I2, I3, I4 of the pixel of each stripe image
The gray value represented by (I1 + I2 + I3 + I4) / 4
And the gray value is distributed over the entire surface of the object to be measured.
A surface shape three-dimensional measurement method, wherein image data is obtained by joining together , and the shape data and the image data are subjected to arithmetic processing to obtain the surface shape of the object to be measured.
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JP5258491B2 (en) * 2008-10-02 2013-08-07 黒崎播磨株式会社 Plate brick replacement determination device and plate brick replacement determination method

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
小松原良平、他1名、「縞走査を導入した格子パターン投影法」、精密工学会誌、社団法人精密工学会、平成元年10月5日、第55巻、第10号(通巻658号)、p.1817−1822

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