JP3934530B2 - ３次元計測装置及び３次元計測方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被計測物体の表面を計測する３次元計測装置及び３次元計測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な工業部品等の非接触の３次元計測装置として、安価、且つ高精度な計測結果を得られる光切断法が最も頻繁に使用されている。しかし、光切断法は２次元的な走査を行うために、撮像時間が長くなる。そのため、生体のような被計測物体を固定することが難しい計測には向かない。又、光切断法の装置は目に対して有害なレーザ光線を使用するため、美容分野において主な計測部位となる生体顔面部に使用するには問題がある。そこで、生体に対して無害な白色光源を用いて高速、且つ高精度に計測を行えるモアレトポグラフィが注目されている。モアレトポグラフィは、モアレ縞によって対象物体の等高線画像を得る非接触の３次元計測法である。
【０００３】
３次元計測技術としてのモアレトポグラフィは、工学、医学、歯学及びファッション関係等の分野で利用されている。モアレトポグラフィによる形状計測には、大別して二つの方法がある。被計測物体の直前に格子を置き、格子の影と直前に置いた格子によりモアレ縞を発生させる方法（格子照射型）と、モアレ格子を被計測物体に投射し、被計測物体の形状により変化した格子の像を、結像レンズにより同じピッチの格子上に結像してモアレ縞を発生させる方法（格子投射型）である。格子照射型は、数１０μｍ程度から数ｃｍの凹凸までの計測に適用される。又、格子投射型は、比較的大きな凹凸（数ｍｍ〜数ｃｍ）の被計測物体を計測するときに適用される。
【０００４】
従来の３次元計測は、位相シフト法による計測において、位相導出を行う際の位相連結の問題を逆正接関数により解決している。（例えば、特許文献１参照。）。又、モアレ縞を形成する格子からの反射を格子の角度を調整し、且つ偏向子を回転することにより、被測定物体からの反射光と基板からの反射回折光を区別して測定しているものもある（例えば、特許文献２参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−１２４５３４公報
【０００６】
【特許文献２】
特開平７−３３２９５６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
例えばピン・グリッド・アレー（ＰＧＡ）のピンの高さを測定することを考える。ＰＧＡのピン形状の上端面は切断加工等の粗い処理が行われている、又は、表面処理を行っていないために上端面では凹凸を有する面であることが普通である。このようなＰＧＡのピン形状を有する被計測物体の３次元計測をモアレトポグラフィで行う場合には、上端面の表面状態（表面モホロジー）が一様でなく、ランダムな凹凸を有する面であるために正確な計測ができない。
【０００８】
更に、被計測物体のピン形状の先端部が屈曲（傾斜）していたりする場合もあり、屈曲した先端部の計測をすることができないときもある。
【０００９】
上記課題を鑑み、本発明はピンの上端面の表面状態（表面モホロジー）が一様でない被計測物体でも、測定精度の高い計測が可能な３次元計測装置及び３次元計測方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第１の特徴は、（イ）Ｙ軸方向に延びるスリットを一定のピッチでＸ−Ｙ平面に配列した格子と、（ロ）格子の面を実質的にＸ−Ｙ平面に平行に保ち、被計測物体に対して格子をＸ−Ｙ平面に直交するＺ軸方向に移動させる格子位置制御部と、（ハ）格子にＹ軸に沿った線状の平行光を出射する線状照射系と、（二）格子を介して被計測物体のモアレ縞の画像を取り込む受光部と、（ホ）受光部に取り込まれたモアレ縞の画像データを３次元計測データに変換する画像処理部とを備える３次元計測装置であることを要旨とする。ここで、Ｘ−Ｙ平面は、互いに直交するＸ−Ｙ−Ｚ座標系におけるＸ−Ｙ平面であり、Ｚ軸はこのＸ−Ｙ−Ｚ座標系におけるＺ軸である。
【００１１】
例えば、円柱状の突起の上端面の表面に凹凸を有する場合のモアレ計測を考えてみる。円柱の先端部のエッジは、上端面の表面にランダムな凹凸を有する場合であっても、常に円柱の上端面と側面との境界が規定する円弧状のトポロジーを与える。本発明の第１の特徴に係る３次元計測装置によれば、格子のスリットの長手の方向（Ｙ軸）に沿った線状の平行光を格子に入射することにより、被計測物体の先端部のエッジからのモアレ縞を得ることが可能である。即ち、突起の先端部のエッジからのモアレ縞を測定することができるので、突起の上端面の表面がランダムな凹凸を有する場合であっても、常に一定のモアレ縞を得ることが可能である。つまり、突起の上端面の表面に予期しない凹凸を有している場合であっても、上端面の表面のモホロジーの不均一性に影響を受けることなく、３次元計測が可能となる。
【００１２】
更に、本発明の第１特徴に係る３次元計測装置において、第１及び第２の線状照射系を備えるようにし、突起の先端部のエッジを互いに対向する２箇所計測して、２箇所の平均値を先端部位置の代表計測値とすれば、測定精度の高いピン形状の上端面の３次元計測ができる。つまり、第１及び第２の線状照射系を用い、異なる方向から２つの光を照射することで、例えば、突起が左側若しくは右側に傾斜（屈曲）している場合であっても、下側に位置するエッジからの画像データと上側に位置するエッジからの画像データとの平均値を代表計測値とすることで、正確な測定値を得ることが可能となる。第１及び第２の線状照射系を備える変わりに、被計測物体を回転しても等価な照射が可能である。更に、単一の線状照射系を移動しても異なる方向から格子に平行光を照射できる。
【００１３】
本発明の第２の特徴は、（イ）Ｙ軸方向に延びるスリットを一定のピッチでＸ−Ｙ平面に配列した格子の面を実質的にＸ−Ｙ平面に平行に保ち、被計測物体に対してＸ−Ｙ平面に直交するＺ軸方向に移動させるステップと、（ロ）格子にＹ軸に沿った線状の平行光を出射するステップと、（ハ）格子を介して被計測物体のモアレ縞の画像を取り込むステップと、（二）画像から３次元計測データに変換するステップとを含む３次元計測方法であることを要旨とする。
【００１４】
本発明の第２特徴に係る３次元計測方法によれば、格子のスリットの長手の方向（Ｙ軸）に沿った線状の平行光を格子に照射しているので、突起の先端部のエッジからのモアレ縞を測定することができる。このため、突起の上端面の表面がランダムな凹凸を有する場合であっても、常に一定のモアレ縞を得ることが可能である。つまり、突起の上端面の表面に予期しない凹凸を有している場合であっても、上端面の表面のモホロジーの不均一性に影響を受けることなく、３次元計測が可能となる。
【００１５】
更に、本発明の第２特徴に係る３次元計測方法において、突起の先端部のエッジを互いに対向する２箇所計測して、２箇所の平均値を先端部位置の代表計測値とすれば、測定精度の高いピン形状の上端面の３次元計測ができる。つまり、異なる方向からの２つの光を用いることで、例えば、突起が左側若しくは右側に傾斜（屈曲）している場合であっても、下側に位置するエッジからの画像データと上側に位置するエッジからの画像データとの平均値を代表計測値とすることで、正確な測定値を得ることが可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明の第１〜第３の実施の形態を説明する。図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なる。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１７】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る３次元計測装置は、図１及び図２に示すように、格子３０と、格子３０をＸ−Ｙ平面に直交するＺ軸方向に移動させる格子位置制御部４と、格子３０に平行光を出射する第１線状照射系１ａ及び第２線状照射系１ｂと、格子３０を介して被計測物体５０のモアレ縞の画像を取り込む受光部２と、制御システム４３とを備える。格子３０は、Ｙ軸方向に延びるスリットを一定のピッチｐでＸ−Ｙ平面に配列している。格子位置制御部４は、格子３０の面を実質的にＸ−Ｙ平面に平行に保ち、被計測物体５０に対して格子３０をＺ軸方向に移動させる。制御システム４３は、格子位置制御部４の動作を制御し、且つ受光部３１に取り込まれた画像を３次元計測データに変換する。
【００１８】
第１線状照射系１ａは、Ｙ軸方向へ延びる線光源である第１光源１０ａと、第１光源１０ａから出射した照明光をＹ軸方向へ延びる線状の平行光に変換する第１コリメータレンズ１１ａとを備える。第２線状照射系１ｂは、第１線状照射系１ａと同様に、Ｙ軸方向へ延びる線光源である第２光源１０ｂと、第２光源１０ｂから出射した照明光をＹ軸方向へ延びる線状の平行光に変換する第２コリメータレンズ１１ｂとを備える。「線光源」としての第１光源１０ａ及び第２光源１０ｂは、例えば、蛍光放電管、低圧水銀灯、キセノンランプ等のＹ軸方向へ延びる柱状の光源を単色光源とするためにフィルターや分光器を介して用いることが使用可能である。第１線状照射系１ａと第２線状照射系１ｂとは、Ｘ−Ｙ平面に対し異なる方向から線状の平行光を照射する。第１コリメータレンズ１１ａ及び第２コリメータレンズ１１ｂは、例えばＹ軸方向に延びる平凸シリンドリカルレンズ等を用いれば良い。
【００１９】
受光部２は、第１線状照射系１ａ出射されたＹ軸方向へ延びる線状の平行光が、格子３０を通って被計測物体５０の被計測面で反射した格子３０の像と格子３０との重ね合わせにより形成されるモアレ縞の画像を集光するテレセントリックレンズ等の受光レンズ２１と、モアレ縞の画像を取り込むイメージセンサ２０とを備える。
【００２０】
格子位置制御部４は、移動機構４１と、この移動機構４１を駆動する駆動部（ステージコントローラ）４２とを備え、制御システム４３から制御信号等を供給され位置移動を制御される。即ち、制御システム４３は、駆動部４２に制御信号等を供給し、移動機構４１の動作を制御する。移動機構４１は、格子３０の位置をＺ軸に沿って移動するＺ軸ステージ４５を備える。
【００２１】
図１に示す３次元計測装置を、より具体的に図２に示す。制御システム４３は、画像処理部６０と、画像処理部６０に接続された制御装置６１を備える。第１光源１０ａ及び第２光源１０ｂには、それぞれ第１光源１０ａ及び第２光源１０ｂの光強度を調整する光源駆動回路７０が接続されている。Ｚ軸ステージ４５は、これらを駆動させる駆動部４２が接続されている。図示を省略しているが、Ｚ軸ステージ４５の移動位置は、例えばレーザ干渉計等により測定され、制御装置６１にフィードバックされる。或いは位置変化に伴うインダクタンスを測定し電磁制御して、位置制御しても良い。図１に示したイメージセンサ２０は、図２においては、モアレ縞の画像を取り込むカメラ２０ａに内蔵されている。被計測物体５０は、平行移動するベルトコンベア等の移動手段８０に載置される。
【００２２】
画像処理部６０は、出力側が制御ボード６２に接続し、入力側が画像取り込みボード６３にそれぞれ接続されたマイクロプロセッサ若しくはパーソナルコンピュータである。画像処理部６０は、図４に示すように、突起５１の上端面の左右２箇所のエッジからの画像データの平均値を平均し、突起５１の先端部位置の代表計測値とする。即ち、第１線状照射系１ａ及び第２線状照射系１ｂからの平行光に起因して、突起５１の上端面の左右２箇所のエッジから得られたモアレ像から得られる画像データの平均値を突起５１の先端部位置の代表計測値とする。そして、画像処理部６０は、代表計測値からピン形状の突起５１の上端面の３次元計測データに変換する。この様に、本発明の第１の実施の形態に係る３次元計測装置によれば、突起５１の上端面の対向するエッジを２箇所計測して、２箇所の平均値を先端部位置の代表計測値とすることで、ピン形状の突起を有する被計測物体を３次元計測するときに、上端面表面に凹凸を有し、且つ屈曲した突起でも測定精度の高いピン形状の上端面の３次元計測ができる。
【００２３】
制御装置６１は、入力側が画像処理部６０に、出力側が光源駆動回路７０、駆動部４２、カメラ２０ａ及び移動手段８０にそれぞれ接続された制御ボード６２と、入力側がカメラ２０ａに、出力側が画像処理部６０にそれぞれ接続された画像取り込みボード６３とを備える。
【００２４】
以下に、本発明の第１の実施の形態に係る３次元計測方法を図３のフローチャートにより説明する。
【００２５】
（イ）まず、ステップＳ１０１において、３次元計測に用いる格子３０や被計測物体５０等を用意し、被計測物体５０を移動手段８０に載置する。ここで、画像処理部６０から制御信号ＣＳが出力され、制御装置６１内の制御ボード６２に入力される。
【００２６】
（ロ）次に、ステップＳ１０２において、制御ボード６２から輝度信号ＬＣが出力され、光源駆動回路７０に入力される。輝度信号ＬＣは、第１光源１０ａ及び第２光源１０ｂから出射される光の光強度を調整するための信号である。突起５１の対向する２つのエッジ部分からそれぞれ同程度の反射光が得られるように考慮し、第１光源１０ａ及び第２光源１０ｂから出射される光強度が、輝度信号ＬＣにより調整される。
【００２７】
（ハ）次に、ステップＳ１０３において、３次元計測を行う計測環境が画像処理部６０に設定される。画像処理部６０における処理は、同じ計測位置での対向する２つのエッジ部分からモアレ縞の画像を取り込み平均化することで計測誤差が起こりにくするための設定、計測面の傾きを補正するための任意の領域の設定等である。
【００２８】
（ニ）次に、ステップＳ１０４において、制御ボード６２からシフト信号ＳＳが出力され、移動手段８０に入力される。入力されたシフト信号ＳＳによって、移動手段８０に載置された被計測物体５０は、所望の位置に配置される。そして、制御ボード６２からステージ制御信号ＰＳが出力され、駆動部４２に入力される。ステージ制御信号ＰＳを入力された駆動部４２は、Ｚ軸ステージ４５を制御し、駆動することができる。そこで、格子３０を移動することで、突起５１の上端面が図４に示すように、対向する２箇所のエッジ部分に計測点を持つように、第１光源１０ａ及び第２光源１０ｂからの光を照射可能なように設定される。
【００２９】
（ホ）次に、ステップＳ１０５において、第１光源１０ａから照射光が出射され、それぞれ第１コリメータレンズ１１ａに入射する。第１コリメータレンズ１１ａに入射した光は、それぞれＹ軸方向へ延びる線状の平行光となり格子３０に入射する。格子３０に照射された線状の平行光の内、格子３０の遮光部に遮られなかった平行光によって、突起５１のモアレ縞が形成される。
【００３０】
（ヘ）次に、ステップＳ１０６において、制御ボード６２からシャッター信号ＦＣが出力され、カメラ２０ａに入力される。カメラ２０ａにシャッター信号ＦＣが入力されると、カメラ２０ａのシャッターが開き、受光レンズ２１で集光された突起５１の上端面の左側のエッジにおける計測点により生じるモアレ縞の画像が複数取り込まれる。
【００３１】
（ト）次に、ステップＳ１０７において、左側エッジからのモアレ縞の画像はカメラ２０ａから画像アナログ信号ＧＡ（Ｌ）として出力され、画像取り込みボード６３に入力される。画像アナログ信号ＧＡ（Ｌ）は、画像取り込みボード６３でデジタル信号化され、画像デジタル信号ＧＤ（Ｌ）として出力され、画像処理部６０に入力される。入力された画像デジタル信号ＧＤ（Ｌ）は、画像処理部６０内の補助記憶装置に保存される。更に、被計測物体５０に計測点があるか判断され、ある時はステップＳ１０４に戻る。
【００３２】
（チ）再び、ステップＳ１０５に戻り、第２光源１０ｂから照射光が出射され、それぞれ第２コリメータレンズ１１ｂに入射する。第２コリメータレンズ１１ｂに入射した光は、それぞれＹ軸方向へ延びる線状の平行光となり格子３０に入射する。格子３０に照射された線状の平行光の内、格子３０の遮光部に遮られなかった平行光によって、突起５１のモアレ縞が形成される。
【００３３】
（リ）次に、ステップＳ１０６において、制御ボード６２からシャッター信号ＦＣが出力され、カメラ２０ａに入力される。カメラ２０ａにシャッター信号ＦＣが入力されると、カメラ２０ａのシャッターが開き、受光レンズ２１で集光された突起５１の上端面の右側のエッジにおける計測点により生じるモアレ縞の画像が複数取り込まれる。
【００３４】
（ヌ）次に、ステップＳ１０７において、右側エッジからのモアレ縞の画像はカメラ２０ａから画像アナログ信号ＧＡ（Ｒ）として出力され、画像取り込みボード６３に入力される。画像アナログ信号ＧＡ（Ｒ）は、画像取り込みボード６３でデジタル信号化され、画像デジタル信号ＧＤ（Ｒ）として出力され、画像処理部６０に入力される。入力された画像デジタル信号ＧＤ（Ｒ）は、画像処理部６０内の補助記憶装置に保存される。更に、被計測物体５０に計測点があるか判断される。左側エッジと右側エッジの２点計測の場合は、更なる計測点がないので、ステップＳ１０８に進む。
【００３５】
（ル）次に、ステップＳ１０８において、左側エッジからの画像デジタル信号ＧＤ（Ｌ）及び右側エッジからの画像デジタル信号ＧＤ（Ｒ）は、画像処理部６０で平均かの処理がなされ、代表計測値を算出する。算出された代表計測値が突起５１の先端部位置の計測結果として扱われる。そして、画像処理部６０は代表計測値を基に被計測物体５０の３次元計測データを算出する。
【００３６】
（ヲ）最後に、ステップＳ１０９において、ステップＳ１０８で得られた３次元計測データが画像処理部６０の補助記憶装置に保存される。
【００３７】
突起５１の上端面の表面に凹凸を有する場合であっても、図４に示すように円柱の先端部のエッジは常に円弧状のトポロジーである。本発明の第１の実施の形態に係る３次元計測装置及び３次元計測方法によれば、突起の先端部のエッジからのモアレ縞を測定しているので、突起５１の上端面の表面がランダムな凹凸を有する場合であっても、常に一定のモアレ縞を得ることが可能である。つまり、突起５１の上端面表面に予期しない凹凸を有している場合であっても、上端面表面のモホロジーの不均一性に影響を受けることなく、３次元計測が可能となる。
【００３８】
更に、本発明の第１の実施の形態に係る３次元計測装置及び３次元計測方法においては、突起の先端部のエッジを互いに対向する２箇所計測して、２箇所の平均値を先端部位置の代表計測値とすることで、測定精度の高いピン形状の上端面の３次元計測ができる。つまり、第１線状照射系１ａ及び第２線状照射系１ｂの２つの照射系からの２つの光を用いることで、被計測物体５０に存するピン形状の突起５１のエッジを異なる角度から計測している。例えば、突起５１が左側若しくは右側に傾斜（屈曲）している場合であっても、下側に位置するエッジからの画像データと上側に位置するエッジからの画像データとの平均値を代表計測値とすることで、正確な測定値を得ることが可能となる。この結果、上端面の表面に凹凸を有し、且つ先端部が屈曲した突起５１であっても、精度の高い３次元計測が可能となる。
【００３９】
（第２の実施の形態）
第１の実施の形態に係る３次元計測装置においては、第１線状照射系１ａ及び第２線状照射系１ｂの２つの線状照射系が用いられていた。本発明の第２の実施の形態に係る３次元計測装置は、図５に示すように、光源１０及びコリメータレンズ１１からなる単一の線状照射系が用いられている。更に、被計測物体５０が回転板（ターンテーブル）９１の上に載置されている点が第１の実施の形態に係る３次元計測装置と異なる。他は第１の実施の形態に係る３次元計測装置と同様であるので重複した記載は省略する。
【００４０】
以下に、本発明の実施の形態に係る３次元計測方法を図５を参照しながら図６のフローチャートにより説明する。
【００４１】
（イ）まず、ステップＳ２０１において、３次元計測に用いる格子３０や被計測物体５０等を用意し、被計測物体５０を移動手段８０ａの上に配置された回転板９１に載置する。ここで、画像処理部６０から制御信号ＣＳが出力され、制御装置６１内の制御ボード６２に入力される。
【００４２】
（ロ）次に、ステップＳ２０２において、制御ボード６２から輝度信号ＬＣが出力され、光源駆動回路７０に入力される。輝度信号ＬＣは、光源１０から出射される光の光強度を調整するための信号である。突起５１の複数のエッジ部分から反射光が得られるように考慮し、光源１０から出射される光が、輝度信号ＬＣにより最適な光強度に調整される。
【００４３】
（ハ）次に、ステップＳ２０３において、３次元計測を行う計測環境が画像処理部６０に設定される。画像処理部６０における処理は、同じ計測位置でのモアレ縞の画像を、回転板（ターンテーブル）９１の回転角に応じて、複数回取り込み平均化する平均化回数の設定、計測面の傾きを補正するための任意の領域の設定等である。例えば、回転角１２０°毎に計測すれば、突起５１の３回対称となる３つのエッジ部分からのデータが取り込まれ、３点の平均を取ることにより、より高精度な測定が可能になる。
【００４４】
（ニ）次に、ステップＳ２０４において、制御ボード６２からシフト信号ＳＳ１が出力され、移動手段８０ａに入力される。入力されたシフト信号ＳＳ１によって、移動手段８０に載置された被計測物体５０は、所望の位置に配置される。そして、制御ボード６２からステージ制御信号ＰＳが出力され、駆動部４２に入力される。ステージ制御信号ＰＳを入力された駆動部４２はＺ軸ステージ４５を制御し、駆動することができる。そこで、格子３０を移動することで、突起５１の上端面のエッジに計測点を持つように光を照射されるようになる。
【００４５】
（ホ）次に、ステップＳ２０５において、光源１０から照射光が出射され、それぞれコリメータレンズ１１に入射する。コリメータレンズ１１に入射した光は、それぞれＹ軸方向へ延びる線状の平行光となり格子３０に入射する。格子３０に照射された線状の平行光の内、格子３０の遮光部に遮られなかった平行光によって、突起５１のモアレ縞が形成される。
【００４６】
（ヘ）次に、ステップＳ２０６において、制御ボード６２からシャッター信号ＦＣが出力され、カメラ２０ａに入力される。カメラ２０ａにシャッター信号ＦＣが入力されると、カメラ２０ａのシャッターが開き、受光レンズ２１で集光された突起５１の上端面の第１計測点により生じる第１モアレ縞の画像が取り込まれる。
【００４７】
（ト）次に、ステップＳ２０８において、第１モアレ縞の画像はカメラ２０ａから第１画像アナログ信号ＧＡ（１）として出力され、画像取り込みボード６３に入力される。第１画像アナログ信号ＧＡ（１）は、画像取り込みボード６３でデジタル信号化され、第１画像デジタル信号ＧＤ（１）として出力され、画像処理部６０に入力される。入力された第１画像デジタル信号ＧＤ（１）は、画像処理部６０内の補助記憶装置に保存される。
【００４８】
（チ）更に、被計測物体５０に計測点があるか判断され、ある時はステップＳ２１７に進む。ステップＳ２１７において、制御ボード６２から、例えば、１２０°回転のシフト信号ＳＳ２が出力され、回転板９１に入力される。回転板９１にシフト信号ＳＳ２が入力されると、回転板９１は、例えば時計回り方向に１２０°回転し、先に計測したエッジ位置から１２０°回転したエッジに計測点の中心点を移動する。そして、ステップＳ２０５に戻る。
【００４９】
（リ）次に、ステップＳ２０５において、光源１０から再び照射光が出射され、格子３０に入射する。格子３０に照射された線状の平行光の内、格子３０の遮光部に遮られなかった平行光によって、突起５１の１２０°回転したエッジからのモアレ縞が形成される。次に、ステップＳ２０６において、制御ボード６２からシャッター信号ＦＣが出力され、カメラ２０ａに入力される。カメラ２０ａにシャッター信号ＦＣが入力されると、カメラ２０ａのシャッターが開き、１２０°回転したエッジ（第２計測点）により生じる第２モアレ縞の画像が取り込まれる。次に、ステップＳ２０８において、第２モアレ縞の画像はカメラ２０ａから第２画像アナログ信号ＧＡ（２）として出力され、画像取り込みボード６３に入力される。第２画像アナログ信号ＧＡ（２）は、画像取り込みボード６３でデジタル信号化され、第２画像デジタル信号ＧＤ（２）として出力され、画像処理部６０に入力される。入力された第２画像デジタル信号ＧＤ（２）は、画像処理部６０内の補助記憶装置に保存される。
【００５０】
（ヌ）更に、被計測物体５０に計測点があるか判断され、ステップＳ２１７において、制御ボード６２から、更に１２０°回転のシフト信号ＳＳ２が出力され、回転板９１に入力される。回転板９１にシフト信号ＳＳ２が入力されると、回転板９１は、更に１２０°回転し、先に計測したエッジ位置からから更に１２０°回転したエッジに計測点の中心点を移動する。そして、ステップＳ２０５に戻る。
【００５１】
（ル）次に、ステップＳ２０５において、光源１０から再び照射光が出射され、格子３０に入射する。格子３０に照射された線状の平行光の内、格子３０の遮光部に遮られなかった平行光によって、突起５１の更に１２０°回転したエッジからのモアレ縞が形成される。次に、ステップＳ２０６において、制御ボード６２からシャッター信号ＦＣが出力され、カメラ２０ａに入力される。カメラ２０ａにシャッター信号ＦＣが入力されると、カメラ２０ａのシャッターが開き、更に１２０°回転したエッジ（第３計測点）により生じる第３モアレ縞の画像が取り込まれる。次に、ステップＳ２０８において、第３モアレ縞の画像はカメラ２０ａから第３画像アナログ信号ＧＡ（３）として出力され、画像取り込みボード６３に入力される。第３画像アナログ信号ＧＡ（３）は、画像取り込みボード６３でデジタル信号化され、第３画像デジタル信号ＧＤ（３）として出力され、画像処理部６０に入力される。入力された第３画像デジタル信号ＧＤ（３）は、画像処理部６０内の補助記憶装置に保存される。更に、被計測物体５０に計測点があるか判断され、３つの計測点を終了した判断されれば、ステップＳ２０９に進む。
【００５２】
（ヲ）次に、ステップＳ２０９において、第１画像デジタル信号ＧＤ（１），第２画像デジタル信号ＧＤ（２）及び第３画像デジタル信号ＧＤ（３）から平均値が算出される。即ち、画像処理部６０で第１画像デジタル信号ＧＤ（１），第２画像デジタル信号ＧＤ（２）及び第３画像デジタル信号ＧＤ（３）の平均値が、代表計測値として算出される。算出された代表計測値が突起５１の先端部位置の計測結果として扱われる。
【００５３】
（ワ）最後に、ステップＳ２１０において、ステップＳ２０９で得られた３次元計測データが画像処理部６０の補助記憶装置に保存される。
【００５４】
第１の実施の形態で説明したように、突起５１の上端面の表面に凹凸を有する場合であっても、円柱の先端部のエッジは常に円弧状のトポロジーである。本発明の第２の実施の形態に係る３次元計測装置及び３次元計測方法によれば、突起の先端部のエッジからのモアレ縞を測定しているので、突起５１の上端面の表面がランダムな凹凸を有する場合であっても、常に一定のモアレ縞を得ることが可能である。つまり、突起５１の上端面の表面に予期しない凹凸を有している場合であっても、上端面の表面のモホロジーの不均一性に影響を受けることなく、精度の高い３次元計測が可能となる。
【００５５】
更に、本発明の第２の実施の形態に係る３次元計測装置及び３次元計測方法によれば、線状照射系が１つであっても、先端部のエッジを複数箇所計測して、複数箇所の平均値を先端部位置の代表計測値とすることができる。線状照射系が１つで良いので、第１の実施の形態に比し、光源のメンテナンスや照射系の調整が容易である。
【００５６】
なお、上記の例では１２０°づつ回転した３点の平均値を求めたが、１８０°づつ回転して２点の平均値を求めても良く、９０°ずつ回転して４点の平均値を求めても良く、更に他の複数の平均値を求めても良い。
【００５７】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係る３次元計測装置は、図７に示すように、単一の線状照射系１ｓのみを有する点が第１の実施の形態に係る３次元計測装置とは異なる。そして、本発明の第３の実施の形態に係る３次元計測装置は、図７に示すように、照射系移動手段９０を有し、この照射系移動手段９０が、線状照射系１ｓを移動するように構成している点が第１の実施の形態に係る３次元計測装置とは異なる。照射系移動手段９０は、格子の中心において格子面に垂直な回転軸を有する回転板（ターンテーブル）を用いて、１８０°回転する方式が採用で来る。直線上を移動する照射系移動手段９０でも良いが、この場合は、格子面に対する照射角度の調整が移動の度に必要になる。
【００５８】
本発明の第３の実施の形態に係る３次元計測装置においては、単一の線状照射系１ｓ照射系移動手段９０を用いて、図１及び図２で示した第１線状照射系１ａの位置から第２線状照射系１ｂの位置に移動し、それぞれの位置で光を格子３０に照射しモアレ縞を形成する。このため、第１の実施の形態と同様に、突起の先端部のエッジを互いに対向する２箇所計測して、２箇所の平均値を先端部位置の代表計測値とすることができるので、測定精度の高いピン形状の上端面の３次元計測ができる。そして、突起の上端面の対向する２箇所のエッジからの画像データの平均値を先端部位置の代表計測値とすることで、第１の実施の形態と同様に、測定精度の高い３次元計測ができる。又、突起の上端面の表面がランダムな凹凸を有し、且つ傾斜や屈曲をしていても、上端面の表面のモホロジーや傾斜に影響を受けることなく、３次元計測が可能となる。
【００５９】
この様に、単一の線状照射系１ｓであっても、照射系移動手段９０を備えることにより、第１の実施の形態に係る３次元計測装置の第１線状照射系１ａ及び第２線状照射系１ｂの２つの線状照射系と等価な機能を持たせることが可能である。そして、単一の線状照射系１ｓのみを有すれば良いので、第１の実施の形態に比し、光源のメンテナンスや照射系の調整が容易である利点を有する。
【００６０】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１〜第３の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。
【００６１】
例えば、本発明の第１の実施の形態に係る３次元計測装置において、第１及び第２の線状照射系を備えるようにし、突起の先端部のエッジを互いに対向する２箇所計測して、２箇所の平均値を先端部位置の代表計測値した。又、第２の実施の形態に係る３次元計測装置においては、第１及び第２の線状照射系を備える変わりに、被計測物体を回転し、第３の実施の形態に係る３次元計測装置においては、単一の線状照射系を移動して、異なる方向から格子に平行光を照射し、それらの複数の測定値の平均値を先端部位置の代表計測値とした。しかしながら、突起の方向性が揃っている場合や、比較的低い測定精度しか要求されていない場合は、単一の線状照射系で、一方のエッジからのデータのみを得て、これを代表計測値としても構わない。
【００６２】
第１の実施の形態において、「線光源」としての第１光源１０ａ及び第２光源１０ｂは、例えば、蛍光放電管、低圧水銀灯、キセノンランプ等のＹ軸方向へ延びる柱状の光源を単色光源とするためにフィルターや分光器を介して用いる場合を例示したが、線光源としては種々の態様が可能である。図８に示すように、発光ダイオード若しくは半導体レーザ等の点光源１０ｉ−１，１０ｉ，１０ｉ＋１，・・・・・をＹ軸方向に光源台１３に密接して設置した光源１０ｃを使用しても構わない。発光ダイオードや半導体レーザは単色光源であるので、単色光源とするためのフィルターや分光器は不要である。図８に示す光源１０を３次元観測に用いると、突起５１の先端部のエッジ部分の計測点は、図９のようにそれぞれの点光源１０ｉ−１，１０ｉ，１０ｉ＋１，・・・・・の象が投影される。しかし、点光源１０ｉ−１，１０ｉ，１０ｉ＋１，・・・・・の象が投影されても、３次元計測方法は線光源を用いているときと同様の方法で行うことができる。コリメータレンズの形状を点光源１０ｉ−１，１０ｉ，１０ｉ＋１，・・・・・の位置を考慮して設計するような工夫をすることにより、点光源１０ｉ−１，１０ｉ，１０ｉ＋１，・・・・・の象が投影される影響は小さくできる。
【００６３】
この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によってのみ限定されるものである。
【００６４】
【発明の効果】
本発明によれば、上端面の形状のモホロジーの影響を受けない、測定精度の高い３次元計測装置及び３次元計測方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る３次元計測装置を示す概念図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る３次元計測装置の具体的な概略図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る３次元計測装置を用いた３次元計測方法のフローチャートである。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る３次元装置により計測される被計測物体の先端部近傍の概略図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る３次元計測装置の具体的な概略図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る３次元計測装置を用いた３次元計測方法のフローチャートである。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係る３次元計測装置を示す概念図である。
【図８】本発明の他の実施の形態に係る光源の図である。
【図９】図８の光源により計測される被計測物体の先端部近傍の概略図である。
【符号の説明】
１…線状照射系
１ａ…第１線状照射系
１ｂ…第２線状照射系
２…受光部
４…格子位置制御部
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…光源
１０ｉ…点光源
１１ａ…第１コリメータレンズ
１１ｂ…第２コリメータレンズ
１３…光源台
２０…イメージセンサ
２０ａ…カメラ
２１…受光レンズ
３０…格子
３１…受光部
４１…移動機構
４２…駆動部
４３…制御システム
４５…Ｚ軸ステージ
５０，５０ａ…被計測物体
５１…突起
６０…画像処理部
６１…制御装置
６２…制御ボード
６３…画像取り込みボード
７０…光源駆動回路
８０，８０ａ…移動手段
９０…照射系移動手段
９１…回転板
【発明の属する技術分野】
本発明は、被計測物体の表面を計測する３次元計測装置及び３次元計測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な工業部品等の非接触の３次元計測装置として、安価、且つ高精度な計測結果を得られる光切断法が最も頻繁に使用されている。しかし、光切断法は２次元的な走査を行うために、撮像時間が長くなる。そのため、生体のような被計測物体を固定することが難しい計測には向かない。又、光切断法の装置は目に対して有害なレーザ光線を使用するため、美容分野において主な計測部位となる生体顔面部に使用するには問題がある。そこで、生体に対して無害な白色光源を用いて高速、且つ高精度に計測を行えるモアレトポグラフィが注目されている。モアレトポグラフィは、モアレ縞によって対象物体の等高線画像を得る非接触の３次元計測法である。
【０００３】
３次元計測技術としてのモアレトポグラフィは、工学、医学、歯学及びファッション関係等の分野で利用されている。モアレトポグラフィによる形状計測には、大別して二つの方法がある。被計測物体の直前に格子を置き、格子の影と直前に置いた格子によりモアレ縞を発生させる方法（格子照射型）と、モアレ格子を被計測物体に投射し、被計測物体の形状により変化した格子の像を、結像レンズにより同じピッチの格子上に結像してモアレ縞を発生させる方法（格子投射型）である。格子照射型は、数１０μｍ程度から数ｃｍの凹凸までの計測に適用される。又、格子投射型は、比較的大きな凹凸（数ｍｍ〜数ｃｍ）の被計測物体を計測するときに適用される。
【０００４】
従来の３次元計測は、位相シフト法による計測において、位相導出を行う際の位相連結の問題を逆正接関数により解決している。（例えば、特許文献１参照。）。又、モアレ縞を形成する格子からの反射を格子の角度を調整し、且つ偏向子を回転することにより、被測定物体からの反射光と基板からの反射回折光を区別して測定しているものもある（例えば、特許文献２参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−１２４５３４公報
【０００６】
【特許文献２】
特開平７−３３２９５６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
例えばピン・グリッド・アレー（ＰＧＡ）のピンの高さを測定することを考える。ＰＧＡのピン形状の上端面は切断加工等の粗い処理が行われている、又は、表面処理を行っていないために上端面では凹凸を有する面であることが普通である。このようなＰＧＡのピン形状を有する被計測物体の３次元計測をモアレトポグラフィで行う場合には、上端面の表面状態（表面モホロジー）が一様でなく、ランダムな凹凸を有する面であるために正確な計測ができない。
【０００８】
更に、被計測物体のピン形状の先端部が屈曲（傾斜）していたりする場合もあり、屈曲した先端部の計測をすることができないときもある。
【０００９】
上記課題を鑑み、本発明はピンの上端面の表面状態（表面モホロジー）が一様でない被計測物体でも、測定精度の高い計測が可能な３次元計測装置及び３次元計測方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第１の特徴は、（イ）Ｙ軸方向に延びるスリットを一定のピッチでＸ−Ｙ平面に配列した格子と、（ロ）格子の面を実質的にＸ−Ｙ平面に平行に保ち、被計測物体に対して格子をＸ−Ｙ平面に直交するＺ軸方向に移動させる格子位置制御部と、（ハ）格子にＹ軸に沿った線状の平行光を出射する線状照射系と、（二）格子を介して被計測物体のモアレ縞の画像を取り込む受光部と、（ホ）受光部に取り込まれたモアレ縞の画像データを３次元計測データに変換する画像処理部とを備える３次元計測装置であることを要旨とする。ここで、Ｘ−Ｙ平面は、互いに直交するＸ−Ｙ−Ｚ座標系におけるＸ−Ｙ平面であり、Ｚ軸はこのＸ−Ｙ−Ｚ座標系におけるＺ軸である。
【００１１】
例えば、円柱状の突起の上端面の表面に凹凸を有する場合のモアレ計測を考えてみる。円柱の先端部のエッジは、上端面の表面にランダムな凹凸を有する場合であっても、常に円柱の上端面と側面との境界が規定する円弧状のトポロジーを与える。本発明の第１の特徴に係る３次元計測装置によれば、格子のスリットの長手の方向（Ｙ軸）に沿った線状の平行光を格子に入射することにより、被計測物体の先端部のエッジからのモアレ縞を得ることが可能である。即ち、突起の先端部のエッジからのモアレ縞を測定することができるので、突起の上端面の表面がランダムな凹凸を有する場合であっても、常に一定のモアレ縞を得ることが可能である。つまり、突起の上端面の表面に予期しない凹凸を有している場合であっても、上端面の表面のモホロジーの不均一性に影響を受けることなく、３次元計測が可能となる。
【００１２】
更に、本発明の第１特徴に係る３次元計測装置において、第１及び第２の線状照射系を備えるようにし、突起の先端部のエッジを互いに対向する２箇所計測して、２箇所の平均値を先端部位置の代表計測値とすれば、測定精度の高いピン形状の上端面の３次元計測ができる。つまり、第１及び第２の線状照射系を用い、異なる方向から２つの光を照射することで、例えば、突起が左側若しくは右側に傾斜（屈曲）している場合であっても、下側に位置するエッジからの画像データと上側に位置するエッジからの画像データとの平均値を代表計測値とすることで、正確な測定値を得ることが可能となる。第１及び第２の線状照射系を備える変わりに、被計測物体を回転しても等価な照射が可能である。更に、単一の線状照射系を移動しても異なる方向から格子に平行光を照射できる。
【００１３】
本発明の第２の特徴は、（イ）Ｙ軸方向に延びるスリットを一定のピッチでＸ−Ｙ平面に配列した格子の面を実質的にＸ−Ｙ平面に平行に保ち、被計測物体に対してＸ−Ｙ平面に直交するＺ軸方向に移動させるステップと、（ロ）格子にＹ軸に沿った線状の平行光を出射するステップと、（ハ）格子を介して被計測物体のモアレ縞の画像を取り込むステップと、（二）画像から３次元計測データに変換するステップとを含む３次元計測方法であることを要旨とする。
【００１４】
本発明の第２特徴に係る３次元計測方法によれば、格子のスリットの長手の方向（Ｙ軸）に沿った線状の平行光を格子に照射しているので、突起の先端部のエッジからのモアレ縞を測定することができる。このため、突起の上端面の表面がランダムな凹凸を有する場合であっても、常に一定のモアレ縞を得ることが可能である。つまり、突起の上端面の表面に予期しない凹凸を有している場合であっても、上端面の表面のモホロジーの不均一性に影響を受けることなく、３次元計測が可能となる。
【００１５】
更に、本発明の第２特徴に係る３次元計測方法において、突起の先端部のエッジを互いに対向する２箇所計測して、２箇所の平均値を先端部位置の代表計測値とすれば、測定精度の高いピン形状の上端面の３次元計測ができる。つまり、異なる方向からの２つの光を用いることで、例えば、突起が左側若しくは右側に傾斜（屈曲）している場合であっても、下側に位置するエッジからの画像データと上側に位置するエッジからの画像データとの平均値を代表計測値とすることで、正確な測定値を得ることが可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明の第１〜第３の実施の形態を説明する。図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なる。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１７】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る３次元計測装置は、図１及び図２に示すように、格子３０と、格子３０をＸ−Ｙ平面に直交するＺ軸方向に移動させる格子位置制御部４と、格子３０に平行光を出射する第１線状照射系１ａ及び第２線状照射系１ｂと、格子３０を介して被計測物体５０のモアレ縞の画像を取り込む受光部２と、制御システム４３とを備える。格子３０は、Ｙ軸方向に延びるスリットを一定のピッチｐでＸ−Ｙ平面に配列している。格子位置制御部４は、格子３０の面を実質的にＸ−Ｙ平面に平行に保ち、被計測物体５０に対して格子３０をＺ軸方向に移動させる。制御システム４３は、格子位置制御部４の動作を制御し、且つ受光部３１に取り込まれた画像を３次元計測データに変換する。
【００１８】
第１線状照射系１ａは、Ｙ軸方向へ延びる線光源である第１光源１０ａと、第１光源１０ａから出射した照明光をＹ軸方向へ延びる線状の平行光に変換する第１コリメータレンズ１１ａとを備える。第２線状照射系１ｂは、第１線状照射系１ａと同様に、Ｙ軸方向へ延びる線光源である第２光源１０ｂと、第２光源１０ｂから出射した照明光をＹ軸方向へ延びる線状の平行光に変換する第２コリメータレンズ１１ｂとを備える。「線光源」としての第１光源１０ａ及び第２光源１０ｂは、例えば、蛍光放電管、低圧水銀灯、キセノンランプ等のＹ軸方向へ延びる柱状の光源を単色光源とするためにフィルターや分光器を介して用いることが使用可能である。第１線状照射系１ａと第２線状照射系１ｂとは、Ｘ−Ｙ平面に対し異なる方向から線状の平行光を照射する。第１コリメータレンズ１１ａ及び第２コリメータレンズ１１ｂは、例えばＹ軸方向に延びる平凸シリンドリカルレンズ等を用いれば良い。
【００１９】
受光部２は、第１線状照射系１ａ出射されたＹ軸方向へ延びる線状の平行光が、格子３０を通って被計測物体５０の被計測面で反射した格子３０の像と格子３０との重ね合わせにより形成されるモアレ縞の画像を集光するテレセントリックレンズ等の受光レンズ２１と、モアレ縞の画像を取り込むイメージセンサ２０とを備える。
【００２０】
格子位置制御部４は、移動機構４１と、この移動機構４１を駆動する駆動部（ステージコントローラ）４２とを備え、制御システム４３から制御信号等を供給され位置移動を制御される。即ち、制御システム４３は、駆動部４２に制御信号等を供給し、移動機構４１の動作を制御する。移動機構４１は、格子３０の位置をＺ軸に沿って移動するＺ軸ステージ４５を備える。
【００２１】
図１に示す３次元計測装置を、より具体的に図２に示す。制御システム４３は、画像処理部６０と、画像処理部６０に接続された制御装置６１を備える。第１光源１０ａ及び第２光源１０ｂには、それぞれ第１光源１０ａ及び第２光源１０ｂの光強度を調整する光源駆動回路７０が接続されている。Ｚ軸ステージ４５は、これらを駆動させる駆動部４２が接続されている。図示を省略しているが、Ｚ軸ステージ４５の移動位置は、例えばレーザ干渉計等により測定され、制御装置６１にフィードバックされる。或いは位置変化に伴うインダクタンスを測定し電磁制御して、位置制御しても良い。図１に示したイメージセンサ２０は、図２においては、モアレ縞の画像を取り込むカメラ２０ａに内蔵されている。被計測物体５０は、平行移動するベルトコンベア等の移動手段８０に載置される。
【００２２】
画像処理部６０は、出力側が制御ボード６２に接続し、入力側が画像取り込みボード６３にそれぞれ接続されたマイクロプロセッサ若しくはパーソナルコンピュータである。画像処理部６０は、図４に示すように、突起５１の上端面の左右２箇所のエッジからの画像データの平均値を平均し、突起５１の先端部位置の代表計測値とする。即ち、第１線状照射系１ａ及び第２線状照射系１ｂからの平行光に起因して、突起５１の上端面の左右２箇所のエッジから得られたモアレ像から得られる画像データの平均値を突起５１の先端部位置の代表計測値とする。そして、画像処理部６０は、代表計測値からピン形状の突起５１の上端面の３次元計測データに変換する。この様に、本発明の第１の実施の形態に係る３次元計測装置によれば、突起５１の上端面の対向するエッジを２箇所計測して、２箇所の平均値を先端部位置の代表計測値とすることで、ピン形状の突起を有する被計測物体を３次元計測するときに、上端面表面に凹凸を有し、且つ屈曲した突起でも測定精度の高いピン形状の上端面の３次元計測ができる。
【００２３】
制御装置６１は、入力側が画像処理部６０に、出力側が光源駆動回路７０、駆動部４２、カメラ２０ａ及び移動手段８０にそれぞれ接続された制御ボード６２と、入力側がカメラ２０ａに、出力側が画像処理部６０にそれぞれ接続された画像取り込みボード６３とを備える。
【００２４】
以下に、本発明の第１の実施の形態に係る３次元計測方法を図３のフローチャートにより説明する。
【００２５】
（イ）まず、ステップＳ１０１において、３次元計測に用いる格子３０や被計測物体５０等を用意し、被計測物体５０を移動手段８０に載置する。ここで、画像処理部６０から制御信号ＣＳが出力され、制御装置６１内の制御ボード６２に入力される。
【００２６】
（ロ）次に、ステップＳ１０２において、制御ボード６２から輝度信号ＬＣが出力され、光源駆動回路７０に入力される。輝度信号ＬＣは、第１光源１０ａ及び第２光源１０ｂから出射される光の光強度を調整するための信号である。突起５１の対向する２つのエッジ部分からそれぞれ同程度の反射光が得られるように考慮し、第１光源１０ａ及び第２光源１０ｂから出射される光強度が、輝度信号ＬＣにより調整される。
【００２７】
（ハ）次に、ステップＳ１０３において、３次元計測を行う計測環境が画像処理部６０に設定される。画像処理部６０における処理は、同じ計測位置での対向する２つのエッジ部分からモアレ縞の画像を取り込み平均化することで計測誤差が起こりにくするための設定、計測面の傾きを補正するための任意の領域の設定等である。
【００２８】
（ニ）次に、ステップＳ１０４において、制御ボード６２からシフト信号ＳＳが出力され、移動手段８０に入力される。入力されたシフト信号ＳＳによって、移動手段８０に載置された被計測物体５０は、所望の位置に配置される。そして、制御ボード６２からステージ制御信号ＰＳが出力され、駆動部４２に入力される。ステージ制御信号ＰＳを入力された駆動部４２は、Ｚ軸ステージ４５を制御し、駆動することができる。そこで、格子３０を移動することで、突起５１の上端面が図４に示すように、対向する２箇所のエッジ部分に計測点を持つように、第１光源１０ａ及び第２光源１０ｂからの光を照射可能なように設定される。
【００２９】
（ホ）次に、ステップＳ１０５において、第１光源１０ａから照射光が出射され、それぞれ第１コリメータレンズ１１ａに入射する。第１コリメータレンズ１１ａに入射した光は、それぞれＹ軸方向へ延びる線状の平行光となり格子３０に入射する。格子３０に照射された線状の平行光の内、格子３０の遮光部に遮られなかった平行光によって、突起５１のモアレ縞が形成される。
【００３０】
（ヘ）次に、ステップＳ１０６において、制御ボード６２からシャッター信号ＦＣが出力され、カメラ２０ａに入力される。カメラ２０ａにシャッター信号ＦＣが入力されると、カメラ２０ａのシャッターが開き、受光レンズ２１で集光された突起５１の上端面の左側のエッジにおける計測点により生じるモアレ縞の画像が複数取り込まれる。
【００３１】
（ト）次に、ステップＳ１０７において、左側エッジからのモアレ縞の画像はカメラ２０ａから画像アナログ信号ＧＡ（Ｌ）として出力され、画像取り込みボード６３に入力される。画像アナログ信号ＧＡ（Ｌ）は、画像取り込みボード６３でデジタル信号化され、画像デジタル信号ＧＤ（Ｌ）として出力され、画像処理部６０に入力される。入力された画像デジタル信号ＧＤ（Ｌ）は、画像処理部６０内の補助記憶装置に保存される。更に、被計測物体５０に計測点があるか判断され、ある時はステップＳ１０４に戻る。
【００３２】
（チ）再び、ステップＳ１０５に戻り、第２光源１０ｂから照射光が出射され、それぞれ第２コリメータレンズ１１ｂに入射する。第２コリメータレンズ１１ｂに入射した光は、それぞれＹ軸方向へ延びる線状の平行光となり格子３０に入射する。格子３０に照射された線状の平行光の内、格子３０の遮光部に遮られなかった平行光によって、突起５１のモアレ縞が形成される。
【００３３】
（リ）次に、ステップＳ１０６において、制御ボード６２からシャッター信号ＦＣが出力され、カメラ２０ａに入力される。カメラ２０ａにシャッター信号ＦＣが入力されると、カメラ２０ａのシャッターが開き、受光レンズ２１で集光された突起５１の上端面の右側のエッジにおける計測点により生じるモアレ縞の画像が複数取り込まれる。
【００３４】
（ヌ）次に、ステップＳ１０７において、右側エッジからのモアレ縞の画像はカメラ２０ａから画像アナログ信号ＧＡ（Ｒ）として出力され、画像取り込みボード６３に入力される。画像アナログ信号ＧＡ（Ｒ）は、画像取り込みボード６３でデジタル信号化され、画像デジタル信号ＧＤ（Ｒ）として出力され、画像処理部６０に入力される。入力された画像デジタル信号ＧＤ（Ｒ）は、画像処理部６０内の補助記憶装置に保存される。更に、被計測物体５０に計測点があるか判断される。左側エッジと右側エッジの２点計測の場合は、更なる計測点がないので、ステップＳ１０８に進む。
【００３５】
（ル）次に、ステップＳ１０８において、左側エッジからの画像デジタル信号ＧＤ（Ｌ）及び右側エッジからの画像デジタル信号ＧＤ（Ｒ）は、画像処理部６０で平均かの処理がなされ、代表計測値を算出する。算出された代表計測値が突起５１の先端部位置の計測結果として扱われる。そして、画像処理部６０は代表計測値を基に被計測物体５０の３次元計測データを算出する。
【００３６】
（ヲ）最後に、ステップＳ１０９において、ステップＳ１０８で得られた３次元計測データが画像処理部６０の補助記憶装置に保存される。
【００３７】
突起５１の上端面の表面に凹凸を有する場合であっても、図４に示すように円柱の先端部のエッジは常に円弧状のトポロジーである。本発明の第１の実施の形態に係る３次元計測装置及び３次元計測方法によれば、突起の先端部のエッジからのモアレ縞を測定しているので、突起５１の上端面の表面がランダムな凹凸を有する場合であっても、常に一定のモアレ縞を得ることが可能である。つまり、突起５１の上端面表面に予期しない凹凸を有している場合であっても、上端面表面のモホロジーの不均一性に影響を受けることなく、３次元計測が可能となる。
【００３８】
更に、本発明の第１の実施の形態に係る３次元計測装置及び３次元計測方法においては、突起の先端部のエッジを互いに対向する２箇所計測して、２箇所の平均値を先端部位置の代表計測値とすることで、測定精度の高いピン形状の上端面の３次元計測ができる。つまり、第１線状照射系１ａ及び第２線状照射系１ｂの２つの照射系からの２つの光を用いることで、被計測物体５０に存するピン形状の突起５１のエッジを異なる角度から計測している。例えば、突起５１が左側若しくは右側に傾斜（屈曲）している場合であっても、下側に位置するエッジからの画像データと上側に位置するエッジからの画像データとの平均値を代表計測値とすることで、正確な測定値を得ることが可能となる。この結果、上端面の表面に凹凸を有し、且つ先端部が屈曲した突起５１であっても、精度の高い３次元計測が可能となる。
【００３９】
（第２の実施の形態）
第１の実施の形態に係る３次元計測装置においては、第１線状照射系１ａ及び第２線状照射系１ｂの２つの線状照射系が用いられていた。本発明の第２の実施の形態に係る３次元計測装置は、図５に示すように、光源１０及びコリメータレンズ１１からなる単一の線状照射系が用いられている。更に、被計測物体５０が回転板（ターンテーブル）９１の上に載置されている点が第１の実施の形態に係る３次元計測装置と異なる。他は第１の実施の形態に係る３次元計測装置と同様であるので重複した記載は省略する。
【００４０】
以下に、本発明の実施の形態に係る３次元計測方法を図５を参照しながら図６のフローチャートにより説明する。
【００４１】
（イ）まず、ステップＳ２０１において、３次元計測に用いる格子３０や被計測物体５０等を用意し、被計測物体５０を移動手段８０ａの上に配置された回転板９１に載置する。ここで、画像処理部６０から制御信号ＣＳが出力され、制御装置６１内の制御ボード６２に入力される。
【００４２】
（ロ）次に、ステップＳ２０２において、制御ボード６２から輝度信号ＬＣが出力され、光源駆動回路７０に入力される。輝度信号ＬＣは、光源１０から出射される光の光強度を調整するための信号である。突起５１の複数のエッジ部分から反射光が得られるように考慮し、光源１０から出射される光が、輝度信号ＬＣにより最適な光強度に調整される。
【００４３】
（ハ）次に、ステップＳ２０３において、３次元計測を行う計測環境が画像処理部６０に設定される。画像処理部６０における処理は、同じ計測位置でのモアレ縞の画像を、回転板（ターンテーブル）９１の回転角に応じて、複数回取り込み平均化する平均化回数の設定、計測面の傾きを補正するための任意の領域の設定等である。例えば、回転角１２０°毎に計測すれば、突起５１の３回対称となる３つのエッジ部分からのデータが取り込まれ、３点の平均を取ることにより、より高精度な測定が可能になる。
【００４４】
（ニ）次に、ステップＳ２０４において、制御ボード６２からシフト信号ＳＳ１が出力され、移動手段８０ａに入力される。入力されたシフト信号ＳＳ１によって、移動手段８０に載置された被計測物体５０は、所望の位置に配置される。そして、制御ボード６２からステージ制御信号ＰＳが出力され、駆動部４２に入力される。ステージ制御信号ＰＳを入力された駆動部４２はＺ軸ステージ４５を制御し、駆動することができる。そこで、格子３０を移動することで、突起５１の上端面のエッジに計測点を持つように光を照射されるようになる。
【００４５】
（ホ）次に、ステップＳ２０５において、光源１０から照射光が出射され、それぞれコリメータレンズ１１に入射する。コリメータレンズ１１に入射した光は、それぞれＹ軸方向へ延びる線状の平行光となり格子３０に入射する。格子３０に照射された線状の平行光の内、格子３０の遮光部に遮られなかった平行光によって、突起５１のモアレ縞が形成される。
【００４６】
（ヘ）次に、ステップＳ２０６において、制御ボード６２からシャッター信号ＦＣが出力され、カメラ２０ａに入力される。カメラ２０ａにシャッター信号ＦＣが入力されると、カメラ２０ａのシャッターが開き、受光レンズ２１で集光された突起５１の上端面の第１計測点により生じる第１モアレ縞の画像が取り込まれる。
【００４７】
（ト）次に、ステップＳ２０８において、第１モアレ縞の画像はカメラ２０ａから第１画像アナログ信号ＧＡ（１）として出力され、画像取り込みボード６３に入力される。第１画像アナログ信号ＧＡ（１）は、画像取り込みボード６３でデジタル信号化され、第１画像デジタル信号ＧＤ（１）として出力され、画像処理部６０に入力される。入力された第１画像デジタル信号ＧＤ（１）は、画像処理部６０内の補助記憶装置に保存される。
【００４８】
（チ）更に、被計測物体５０に計測点があるか判断され、ある時はステップＳ２１７に進む。ステップＳ２１７において、制御ボード６２から、例えば、１２０°回転のシフト信号ＳＳ２が出力され、回転板９１に入力される。回転板９１にシフト信号ＳＳ２が入力されると、回転板９１は、例えば時計回り方向に１２０°回転し、先に計測したエッジ位置から１２０°回転したエッジに計測点の中心点を移動する。そして、ステップＳ２０５に戻る。
【００４９】
（リ）次に、ステップＳ２０５において、光源１０から再び照射光が出射され、格子３０に入射する。格子３０に照射された線状の平行光の内、格子３０の遮光部に遮られなかった平行光によって、突起５１の１２０°回転したエッジからのモアレ縞が形成される。次に、ステップＳ２０６において、制御ボード６２からシャッター信号ＦＣが出力され、カメラ２０ａに入力される。カメラ２０ａにシャッター信号ＦＣが入力されると、カメラ２０ａのシャッターが開き、１２０°回転したエッジ（第２計測点）により生じる第２モアレ縞の画像が取り込まれる。次に、ステップＳ２０８において、第２モアレ縞の画像はカメラ２０ａから第２画像アナログ信号ＧＡ（２）として出力され、画像取り込みボード６３に入力される。第２画像アナログ信号ＧＡ（２）は、画像取り込みボード６３でデジタル信号化され、第２画像デジタル信号ＧＤ（２）として出力され、画像処理部６０に入力される。入力された第２画像デジタル信号ＧＤ（２）は、画像処理部６０内の補助記憶装置に保存される。
【００５０】
（ヌ）更に、被計測物体５０に計測点があるか判断され、ステップＳ２１７において、制御ボード６２から、更に１２０°回転のシフト信号ＳＳ２が出力され、回転板９１に入力される。回転板９１にシフト信号ＳＳ２が入力されると、回転板９１は、更に１２０°回転し、先に計測したエッジ位置からから更に１２０°回転したエッジに計測点の中心点を移動する。そして、ステップＳ２０５に戻る。
【００５１】
（ル）次に、ステップＳ２０５において、光源１０から再び照射光が出射され、格子３０に入射する。格子３０に照射された線状の平行光の内、格子３０の遮光部に遮られなかった平行光によって、突起５１の更に１２０°回転したエッジからのモアレ縞が形成される。次に、ステップＳ２０６において、制御ボード６２からシャッター信号ＦＣが出力され、カメラ２０ａに入力される。カメラ２０ａにシャッター信号ＦＣが入力されると、カメラ２０ａのシャッターが開き、更に１２０°回転したエッジ（第３計測点）により生じる第３モアレ縞の画像が取り込まれる。次に、ステップＳ２０８において、第３モアレ縞の画像はカメラ２０ａから第３画像アナログ信号ＧＡ（３）として出力され、画像取り込みボード６３に入力される。第３画像アナログ信号ＧＡ（３）は、画像取り込みボード６３でデジタル信号化され、第３画像デジタル信号ＧＤ（３）として出力され、画像処理部６０に入力される。入力された第３画像デジタル信号ＧＤ（３）は、画像処理部６０内の補助記憶装置に保存される。更に、被計測物体５０に計測点があるか判断され、３つの計測点を終了した判断されれば、ステップＳ２０９に進む。
【００５２】
（ヲ）次に、ステップＳ２０９において、第１画像デジタル信号ＧＤ（１），第２画像デジタル信号ＧＤ（２）及び第３画像デジタル信号ＧＤ（３）から平均値が算出される。即ち、画像処理部６０で第１画像デジタル信号ＧＤ（１），第２画像デジタル信号ＧＤ（２）及び第３画像デジタル信号ＧＤ（３）の平均値が、代表計測値として算出される。算出された代表計測値が突起５１の先端部位置の計測結果として扱われる。
【００５３】
（ワ）最後に、ステップＳ２１０において、ステップＳ２０９で得られた３次元計測データが画像処理部６０の補助記憶装置に保存される。
【００５４】
第１の実施の形態で説明したように、突起５１の上端面の表面に凹凸を有する場合であっても、円柱の先端部のエッジは常に円弧状のトポロジーである。本発明の第２の実施の形態に係る３次元計測装置及び３次元計測方法によれば、突起の先端部のエッジからのモアレ縞を測定しているので、突起５１の上端面の表面がランダムな凹凸を有する場合であっても、常に一定のモアレ縞を得ることが可能である。つまり、突起５１の上端面の表面に予期しない凹凸を有している場合であっても、上端面の表面のモホロジーの不均一性に影響を受けることなく、精度の高い３次元計測が可能となる。
【００５５】
更に、本発明の第２の実施の形態に係る３次元計測装置及び３次元計測方法によれば、線状照射系が１つであっても、先端部のエッジを複数箇所計測して、複数箇所の平均値を先端部位置の代表計測値とすることができる。線状照射系が１つで良いので、第１の実施の形態に比し、光源のメンテナンスや照射系の調整が容易である。
【００５６】
なお、上記の例では１２０°づつ回転した３点の平均値を求めたが、１８０°づつ回転して２点の平均値を求めても良く、９０°ずつ回転して４点の平均値を求めても良く、更に他の複数の平均値を求めても良い。
【００５７】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係る３次元計測装置は、図７に示すように、単一の線状照射系１ｓのみを有する点が第１の実施の形態に係る３次元計測装置とは異なる。そして、本発明の第３の実施の形態に係る３次元計測装置は、図７に示すように、照射系移動手段９０を有し、この照射系移動手段９０が、線状照射系１ｓを移動するように構成している点が第１の実施の形態に係る３次元計測装置とは異なる。照射系移動手段９０は、格子の中心において格子面に垂直な回転軸を有する回転板（ターンテーブル）を用いて、１８０°回転する方式が採用で来る。直線上を移動する照射系移動手段９０でも良いが、この場合は、格子面に対する照射角度の調整が移動の度に必要になる。
【００５８】
本発明の第３の実施の形態に係る３次元計測装置においては、単一の線状照射系１ｓ照射系移動手段９０を用いて、図１及び図２で示した第１線状照射系１ａの位置から第２線状照射系１ｂの位置に移動し、それぞれの位置で光を格子３０に照射しモアレ縞を形成する。このため、第１の実施の形態と同様に、突起の先端部のエッジを互いに対向する２箇所計測して、２箇所の平均値を先端部位置の代表計測値とすることができるので、測定精度の高いピン形状の上端面の３次元計測ができる。そして、突起の上端面の対向する２箇所のエッジからの画像データの平均値を先端部位置の代表計測値とすることで、第１の実施の形態と同様に、測定精度の高い３次元計測ができる。又、突起の上端面の表面がランダムな凹凸を有し、且つ傾斜や屈曲をしていても、上端面の表面のモホロジーや傾斜に影響を受けることなく、３次元計測が可能となる。
【００５９】
この様に、単一の線状照射系１ｓであっても、照射系移動手段９０を備えることにより、第１の実施の形態に係る３次元計測装置の第１線状照射系１ａ及び第２線状照射系１ｂの２つの線状照射系と等価な機能を持たせることが可能である。そして、単一の線状照射系１ｓのみを有すれば良いので、第１の実施の形態に比し、光源のメンテナンスや照射系の調整が容易である利点を有する。
【００６０】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１〜第３の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。
【００６１】
例えば、本発明の第１の実施の形態に係る３次元計測装置において、第１及び第２の線状照射系を備えるようにし、突起の先端部のエッジを互いに対向する２箇所計測して、２箇所の平均値を先端部位置の代表計測値した。又、第２の実施の形態に係る３次元計測装置においては、第１及び第２の線状照射系を備える変わりに、被計測物体を回転し、第３の実施の形態に係る３次元計測装置においては、単一の線状照射系を移動して、異なる方向から格子に平行光を照射し、それらの複数の測定値の平均値を先端部位置の代表計測値とした。しかしながら、突起の方向性が揃っている場合や、比較的低い測定精度しか要求されていない場合は、単一の線状照射系で、一方のエッジからのデータのみを得て、これを代表計測値としても構わない。
【００６２】
第１の実施の形態において、「線光源」としての第１光源１０ａ及び第２光源１０ｂは、例えば、蛍光放電管、低圧水銀灯、キセノンランプ等のＹ軸方向へ延びる柱状の光源を単色光源とするためにフィルターや分光器を介して用いる場合を例示したが、線光源としては種々の態様が可能である。図８に示すように、発光ダイオード若しくは半導体レーザ等の点光源１０ｉ−１，１０ｉ，１０ｉ＋１，・・・・・をＹ軸方向に光源台１３に密接して設置した光源１０ｃを使用しても構わない。発光ダイオードや半導体レーザは単色光源であるので、単色光源とするためのフィルターや分光器は不要である。図８に示す光源１０を３次元観測に用いると、突起５１の先端部のエッジ部分の計測点は、図９のようにそれぞれの点光源１０ｉ−１，１０ｉ，１０ｉ＋１，・・・・・の象が投影される。しかし、点光源１０ｉ−１，１０ｉ，１０ｉ＋１，・・・・・の象が投影されても、３次元計測方法は線光源を用いているときと同様の方法で行うことができる。コリメータレンズの形状を点光源１０ｉ−１，１０ｉ，１０ｉ＋１，・・・・・の位置を考慮して設計するような工夫をすることにより、点光源１０ｉ−１，１０ｉ，１０ｉ＋１，・・・・・の象が投影される影響は小さくできる。
【００６３】
この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によってのみ限定されるものである。
【００６４】
【発明の効果】
本発明によれば、上端面の形状のモホロジーの影響を受けない、測定精度の高い３次元計測装置及び３次元計測方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る３次元計測装置を示す概念図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る３次元計測装置の具体的な概略図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る３次元計測装置を用いた３次元計測方法のフローチャートである。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る３次元装置により計測される被計測物体の先端部近傍の概略図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る３次元計測装置の具体的な概略図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る３次元計測装置を用いた３次元計測方法のフローチャートである。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係る３次元計測装置を示す概念図である。
【図８】本発明の他の実施の形態に係る光源の図である。
【図９】図８の光源により計測される被計測物体の先端部近傍の概略図である。
【符号の説明】
１…線状照射系
１ａ…第１線状照射系
１ｂ…第２線状照射系
２…受光部
４…格子位置制御部
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…光源
１０ｉ…点光源
１１ａ…第１コリメータレンズ
１１ｂ…第２コリメータレンズ
１３…光源台
２０…イメージセンサ
２０ａ…カメラ
２１…受光レンズ
３０…格子
３１…受光部
４１…移動機構
４２…駆動部
４３…制御システム
４５…Ｚ軸ステージ
５０，５０ａ…被計測物体
５１…突起
６０…画像処理部
６１…制御装置
６２…制御ボード
６３…画像取り込みボード
７０…光源駆動回路
８０，８０ａ…移動手段
９０…照射系移動手段
９１…回転板
Claims (8)
- Ｙ軸方向に延びるスリットを一定のピッチでＸ−Ｙ平面に配列した格子と、
前記格子の面を実質的にＸ−Ｙ平面に平行に保ち、柱状の物体からなる被計測物体に対して前記格子をＸ−Ｙ平面に直交するＺ軸方向に移動させる格子位置制御部と、
前記格子に対し、Ｙ軸に沿った線状の平行光を出射する線状照射系と、
前記格子を介して前記被計測物体の上端面と側面とがなすエッジ部の複数の位置からのモアレ縞の画像を、同じ計測位置で取り込む受光部と、
前記受光部に取り込まれた前記複数の位置からのモアレ縞の画像データを平均化し、平均値を代表計測値とし、該代表計測値を３次元計測データに変換する画像処理部
とを備えることを特徴とする３次元計測装置。 - 前記線状照射系は複数の線状照射系からなることを特徴とする請求項１に記載の３次元計測装置。
- 前記格子に対し異なる方向から平行光を出射するように前記線状照射系の位置を移動する照射系移動手段を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の３次元計測装置。
- 前記被計測物体は回転板に載置され、回転板の回転により、前記エッジ部の複数の位置からのモアレ縞の画像を取り込むことを特徴とする請求項１に記載の３次元計測装置。
- Ｙ軸方向に延びるスリットを一定のピッチでＸ−Ｙ平面に配列した格子の面を実質的にＸ−Ｙ平面に平行に保ち、柱状の物体からなる被計測物体に対してＸ−Ｙ平面に直交するＺ軸方向に移動させるステップと、
前記格子に対し、Ｙ軸に沿った線状の平行光を出射するステップと、
前記格子を介して前記被計測物体の上端面と側面とがなすエッジ部の複数の位置からのモアレ縞の画像を、同じ計測位置で取り込み、平均化し、平均値を代表計測値とするステップと、
前記画像を３次元計測データに変換するステップ
とを含むことを特徴とする３次元計測方法。 - 前記平行光を出射するステップは、複数の前記線状照射系から出射することを特徴とする請求項５に記載の３次元計測方法。
- 前記平行光を出射するステップは、前記線状照射系の位置を移動して、前記格子に対し異なる方向から平行光を出射することを特徴とする請求項５に記載の３次元計測方法。
- 前記平行光を出射するステップは、前記被計測物体を回転して、前記エッジ部の複数の位置からのモアレ縞の画像を取り込むことを特徴とする請求項５に記載の３次元計測方法。
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