JP3996560B2 - Object shape measuring device - Google Patents

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Description

本発明は、測定物体に照射パターンを照射し、測定物体から反射する反射撮像パターンを撮像することにより、測定物体の形状測定を非接触で行なう物体形状測定装置に関する。   The present invention relates to an object shape measurement apparatus that performs measurement of a shape of a measurement object in a non-contact manner by irradiating a measurement object with an irradiation pattern and imaging a reflection imaging pattern reflected from the measurement object.

測定物体にプロジェクタから照射光パターンを照射し、測定物体からの反射光パターンをカメラで撮像し、反射光パターンの照射光パターンからのずれ変形に基づいて、測定物体の形状測定を非接触で行なうパターン投影法による三次元計測が知られている。
ポターン投影法としては、照射光パターンに位相の異なる正弦波状の光量分布を有する縞パターンを使用する縞走査法がよく用いられるが、この縞走査法については、後記する非特許文献1に原理が説明されている。
非特許文献1の記載によると、x軸方向の照度変化I(x)がI(x)=A(x)+B{φ(x)+φo}となる照射パターンを測定物体に照射した場合に、φo=0、π/2、3π/2に対応する照射パターンのカメラが撮像する測定物体からの反射撮像パターンの光量分布を、Io、I1、I2、I3とし、関数tanの逆関数をatanとして、位相分布φ(x)は、(1)式で表される。
Irradiate the measurement object with the irradiation light pattern from the projector, capture the reflected light pattern from the measurement object with a camera, and measure the shape of the measurement object in a non-contact manner based on the displacement of the reflected light pattern from the irradiation light pattern. Three-dimensional measurement by the pattern projection method is known.
As the pattern projection method, a fringe scanning method using a fringe pattern having a sinusoidal light amount distribution with different phases as the irradiation light pattern is often used. The principle of the fringe scanning method is described in Non-Patent Document 1 to be described later. Explained.
According to the description of Non-Patent Document 1, when the measurement object is irradiated with an irradiation pattern in which the illuminance change I (x) in the x-axis direction is I (x) = A (x) + B {φ (x) + φo}, The light quantity distribution of the reflected imaging pattern from the measurement object imaged by the camera with the irradiation pattern corresponding to φo = 0, π / 2, 3π / 2 is Io, I1, I2, I3, and the inverse function of the function tan is atan. The phase distribution φ (x) is expressed by equation (1).

φ(x)=atan{(I3(x)−I1(x))/(Io(x)−I2(x)}
・・・(1)
φ (x) = atan {(I3 (x) −I1 (x)) / (Io (x) −I2 (x)}
... (1)

(1)式においてφ(x)はプロジェクタの照射角度に対応するが、φとしては各領域ごとに0から2πの値をとるので、このままでは照射角度と1対1に対応付けることはできず、領域番号をLid(1、2、・・m−1)、測定領域での大域位相をφgとして、(2)式で大域位相φgと照射角度との対応付けが可能になる。   In the equation (1), φ (x) corresponds to the irradiation angle of the projector. However, since φ takes a value from 0 to 2π for each region, it cannot be associated with the irradiation angle in a one-to-one manner. Assuming that the region number is Lid (1, 2,..., M−1) and the global phase in the measurement region is φg, the global phase φg and the irradiation angle can be associated with each other using equation (2).

φg=φ+2πLid ・・・(2)         φg = φ + 2πLid (2)

(2)式のφgから反射撮像パターンの各画素ごとに、プロジェクタからの照射角度αを知ることができ、カメラの各画素ごとの入射光の入射角度βと、予め設定されるカメラ及びプロジョクタの光学中心間距離Lに基づいて、三角測量の原理から、(3)式によって測定物体の撮像画像の各画素ごとの測定物体表面とカメラの光学中心間の距離zが測定される。   The irradiation angle α from the projector can be known for each pixel of the reflection imaging pattern from φg in the expression (2), the incident angle β of the incident light for each pixel of the camera, the preset camera and projector Based on the distance L between the optical centers, the distance z between the measurement object surface and the optical center of the camera for each pixel of the captured image of the measurement object is measured by the equation (3) from the principle of triangulation.

z=L/(tanα+tanβ) ・・・(3)         z = L / (tan α + tan β) (3)

縞走査法では領域番号Lidは、撮像パターンからは知ることはできないので、位相不定のφからφgを求めるために、アンラッピングと呼ばれる処理が施される。このアンラッピング処理としては、特定の縞にマーカを付したり、縞の空間周波数に制限を付けフーリエ変換を利用したり、隣接周期間で位相の連続性を仮定するなどの方法が採用されている。   In the fringe scanning method, the region number Lid cannot be known from the imaging pattern, and therefore a process called unwrapping is performed to obtain φg from φ having an indefinite phase. As this unwrapping process, methods such as attaching markers to specific fringes, limiting the spatial frequency of fringes and using Fourier transform, and assuming phase continuity between adjacent periods are adopted. Yes.

ところで、パターン投影法で物体の形状測定を行なう場合には、図7に示すように、プロジェクタ2からの照射光を測定物体1に照射して、測定物体1のA点からの反射撮像パターンを撮像する場合、例えば、プロジェクタ2からの照射光が測定物体1のA点の近傍のB点で多重反射し、測定物体1のA点には、本来の照射光IioとB点での反射光が多重散乱光Iimとして入射することになる。このために、測定物体1のA点からは、照射光Iioと多重散乱光Iimに基づく反射撮像パターン光Iro+Irmがカメラ8に入射し、この反射撮像パターン光に基づいた撮像画像が得られる。
このようにして、測定点周辺の反射光が積分された多重散乱光が含まれると、撮像画像分布が平滑化されることになり、空間周波数に関する一種のローパスフィルタとして機能するので、繰り返し光パターンからなる照射パターンを照射すると、空間周波数が高いほどなまり易くなり、正弦波パターンを照射する縞走査法の場合には、多重散乱光の重畳によって、ピークとボトムの光量差が減少し、観察される撮像画像のコントラストが劣化する。
By the way, when measuring the shape of an object by the pattern projection method, as shown in FIG. 7, the irradiation light from the projector 2 is irradiated onto the measurement object 1, and the reflection imaging pattern from the point A of the measurement object 1 is obtained. In the case of imaging, for example, the irradiation light from the projector 2 is multiple-reflected at a point B near the point A of the measurement object 1, and the original irradiation light Iio and the reflected light at the point B are reflected at the point A of the measurement object 1. Is incident as multiple scattered light Iim. For this reason, from the point A of the measurement object 1, the reflected imaging pattern light Iro + Irm based on the irradiation light Iio and the multiple scattered light Iim is incident on the camera 8, and a captured image based on this reflected imaging pattern light is obtained.
In this way, when multiple scattered light obtained by integrating the reflected light around the measurement point is included, the captured image distribution is smoothed and functions as a kind of low-pass filter related to spatial frequency. When the irradiation pattern consisting of the above is irradiated, the higher the spatial frequency is, the easier it is to reduce. The contrast of the captured image deteriorates.

ところで、(1)式によりすでに説明したように、背景光を除いた光量分布Pa=I3−I1、Pb=Io−I2とし、φ(x)=atan(Pa/Pb)から照射角度αが演算されるが、正弦波のコントラストが低下すると、PaとPbの絶対値が減少する。
一方、カメラの光量感度は有限なので、Pa、Pbは量子化されて測定され、Pa、Pbの絶対値が小さくなると情報量が減少し、位相分布φ(x)の信頼度が低下し、測定物体の計測誤差が増大する。
この問題を解決するために、後記する特許文献1には、パターン投影法として空間コード化法を用いた場合に、測定空間に割り当てられた空間コードが、一定の規則のもとに変化することに基づき、或る空間コードに対して隣接する空間の空間コードを予想することにより、多重反射の影響を検出する三次元形状の計測方法が開示されている。
この特許文献1の方法では、空間コード増減抽出工程を設けることにより、予め予想される増減から所定値を越えてずれて計測される空間コードを、多重反射の影響を受けたとして除去している。
また、後記する特許文献2には、同様にしてパターン投影法として空間コード化法を用い、得られる撮像画像のパターンと、所定の基準パターンとの光量差を取った差分画像が、予め設定した閾値を越えるかどうかで光量ノイズを判断する画像ノイズ検出装置が開示されている。
By the way, as already explained by the equation (1), the light quantity distribution Pa excluding the background light is Pa = I3−I1 and Pb = Io−I2, and the irradiation angle α is calculated from φ (x) = atan (Pa / Pb). However, when the contrast of the sine wave decreases, the absolute values of Pa and Pb decrease.
On the other hand, since the light quantity sensitivity of the camera is finite, Pa and Pb are quantized and measured. When the absolute values of Pa and Pb are reduced, the information amount is reduced, and the reliability of the phase distribution φ (x) is lowered, and the measurement is performed. The measurement error of the object increases.
In order to solve this problem, Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-228561, which will be described later, shows that when a spatial coding method is used as a pattern projection method, a spatial code assigned to a measurement space changes under a certain rule. Based on the above, there is disclosed a three-dimensional shape measurement method for detecting the influence of multiple reflections by predicting a spatial code in a space adjacent to a certain spatial code.
In the method of Patent Document 1, by providing a spatial code increase / decrease extraction step, a spatial code measured by deviating from a predetermined increase / decrease beyond a predetermined value is removed as being affected by multiple reflections. .
Similarly, in Patent Document 2 to be described later, a difference image obtained by using a spatial encoding method as a pattern projection method and taking a light amount difference between a pattern of a captured image obtained and a predetermined reference pattern is set in advance. An image noise detection apparatus that determines light amount noise based on whether a threshold value is exceeded is disclosed.

前述した特許文献1に開示されている三次元形状の計測方法は、空間コード化法でのコードを予想し、予想からのずれに基づいて多重反射の影響を検出する空間コード法以外のパターン投影法に適用することはできない。
また、前述した特許文献2の開示では、差分画像が示すのは光量であり、光量の絶対値そのものは、測定物体の反射率などの計測条件に大きく依存し、多重反射の影響に基づく信頼性の判定には向いていない。
吉沢 徹 編「光三次元計測」新技術コミュニケーションズ 特開2000−193438号公報 特開平7−225834号公報
The three-dimensional shape measurement method disclosed in Patent Document 1 described above is a pattern projection other than the spatial code method that predicts a code in the spatial coding method and detects the influence of multiple reflection based on deviation from the prediction. It cannot be applied to the law.
Further, in the disclosure of Patent Document 2 described above, the difference image indicates the light amount, and the absolute value of the light amount itself depends greatly on measurement conditions such as the reflectance of the measurement object, and is based on the influence of multiple reflection. It is not suitable for the judgment.
Edited by Toru Yoshizawa “Three Dimensional Measurement” New Technology Communications JP 2000-193438 A Japanese Patent Laid-Open No. 7-225834

本発明は、前述したようなこの種のパターン投影法による物体形状測定装置の動作の現状に鑑みてなされたものであり、その目的は、多重反射の影響を受けて計測される測定物体の形状測定データの信頼性を、各種のパターン投影法に適確に対応した状態で高精度に検出可能な物体形状測定装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of the current state of operation of an object shape measuring apparatus using this kind of pattern projection method as described above, and its purpose is to measure the shape of a measurement object measured under the influence of multiple reflections. An object of the present invention is to provide an object shape measuring apparatus capable of detecting the reliability of measurement data with high accuracy in a state in which the reliability of measurement data is appropriately compatible with various pattern projection methods.

前記目的を達成するために、請求項1記載の発明は、繰り返し光パターンからなる照射パターンを測定物体に照射する照射手段と、該照射手段と異なる位置に配設され、前記照射パターンが前記測定物体で反射して得られる反射撮像パターンを撮像する撮像手段と、該撮像手段が撮像する反射撮像パターンに基づいて、前記測定物体の表面形状を演算する形状演算手段とを備えた物体形状測定装置において、前記照射パターンの光量分布の下限値をPlb、前記照射パターンの光量分布の上限値をPubとし、前記照射パターンの光量をIaとして、前記測定物体の測定信頼度を示すコントラスト比RをIa/(Pub−Plb)により演算する信頼度演算手段と、前記形状演算手段が演算する表面形状データと前記信頼度演算手段が演算するコントラスト比データとを出力するデータ出力手段とを有することを特徴とするものである。   In order to achieve the object, the invention according to claim 1 is provided with an irradiation unit that irradiates a measurement object with an irradiation pattern composed of a repeated light pattern, and the irradiation pattern is disposed at a position different from the irradiation unit. An object shape measuring apparatus comprising: an imaging unit that captures a reflected imaging pattern obtained by reflection by an object; and a shape calculating unit that calculates a surface shape of the measurement object based on the reflected imaging pattern captured by the imaging unit , The lower limit value of the light amount distribution of the irradiation pattern is Plb, the upper limit value of the light amount distribution of the irradiation pattern is Pub, the light amount of the irradiation pattern is Ia, and the contrast ratio R indicating the measurement reliability of the measurement object is Ia / (Pub-Plb) reliability calculation means, surface shape data calculated by the shape calculation means and the reliability calculation means It is characterized in that it has a data output means for outputting the contrast ratio data.

このような手段によると、照射手段によって、繰り返し光パターンからなる照射パターンが測定物体に照射され、照射手段と異なる位置に配設された撮像手段によって、照射パターンが測定物体で反射して得られる反射撮像パターンの撮像が行なわれ、形状演算手段によって、撮像手段が撮像する反射撮像パターンに基づいて、測定物体の表面形状の演算が行なわれるが、照射パターンの光量分布の下限値をPlb、照射パターンの光量分布の上限値をPub、照射パターンの光量をIaとして、信頼度演算手段によって、測定物体の測定信頼度を示すコントラスト比Rが、Ia/(Pub−Plb)に基づいて演算され、データ出力手段によって、形状演算手段が演算する表面形状データと信頼度演算手段が演算するコントラスト比データとが出力されるので、多重反射の影響を受けて計測される測定物体の形状測定データの信頼性を、各種のパターン投影法に広く適確に対応した状態で高精度に検出し、撮像画像の画素ごとに適確に把握する。   According to such means, the irradiation object is irradiated with an irradiation pattern composed of a repeated light pattern by the irradiation means, and the irradiation pattern is obtained by being reflected by the measurement object by the imaging means arranged at a position different from the irradiation means. The reflection imaging pattern is imaged, and the shape calculation means calculates the surface shape of the measurement object based on the reflection imaging pattern imaged by the imaging means. The lower limit value of the light distribution of the irradiation pattern is Plb, and the irradiation is performed. Assuming that the upper limit value of the light quantity distribution of the pattern is Pub and the light quantity of the irradiation pattern is Ia, the reliability calculation means calculates the contrast ratio R indicating the measurement reliability of the measurement object based on Ia / (Pub−Plb). Surface shape data calculated by the shape calculation means and contrast ratio data calculated by the reliability calculation means by the data output means Therefore, the reliability of the shape measurement data of the measurement object measured under the influence of multiple reflections is detected with high accuracy in a state that corresponds widely and accurately to various pattern projection methods, and the captured image Accurately grasp for each pixel.

同様に前記目的を達成するために、請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明において、A、B、φcを定数、φを0〜2π範囲の位相、初期位相をφoとして、照射パターンの光量分布IがI=A+Bcos(φ+φo)、前記照射パターンの光量分布の下限値PlbがPlb=A−B、前記照射パターンの光量分布の上限値PubがPub=A+Bであり、φo=0、π/2、π、3π/2の前記照射パターンの光量分布Iを、それぞれPpc、Pns、Pnc、Ppsとし、tan関数の逆関数をatan、測度関数をφとして、形状演算手段による測定物体の表面形状の演算が、φ=atan{(Pps−Pns)/(Ppc−Pnc)}+φcに基づいて行なわれ、信頼度演算手段によるコントラスト比Rの演算が、R={cos(φ+φo)(Ppc−Pnc)+sin(φ+φo)(Pps−Pns)}/(Pub−Plb)に基づいて行なわれることを特徴とするものである。   Similarly, in order to achieve the object, the invention according to claim 2 is the irradiation according to claim 1, wherein A, B, and φc are constants, φ is a phase in a range of 0 to 2π, and an initial phase is φo. The light quantity distribution I of the pattern is I = A + Bcos (φ + φo), the lower limit value Plb of the light quantity distribution of the irradiation pattern is Plb = A−B, the upper limit value Pub of the light quantity distribution of the irradiation pattern is Pub = A + B, and φo = 0. , Π / 2, π, 3π / 2, the light quantity distribution I of the irradiation pattern is Ppc, Pns, Pnc, Pps, the inverse function of the tan function is antan, the measure function is φ, and the measurement object by the shape calculation means Is calculated based on φ = atan {(Pps−Pns) / (Ppc−Pnc)} + φc, and the calculation of the contrast ratio R by the reliability calculation means is R = {cos (φ + φ ) (And is characterized in Ppc-Pnc) + sin (φ + φo) (Pps-Pns)} / (be performed based on Pub-Plb).

このような手段によると、光量分布IがI=A+Bcos(φ+φo)でφoが0、π/2、π、3π/2に対応する4種の繰り返しパターンが、照射パターンとして測定物体1に照射され、多数の照射パターンを使用することにより、測定物体に対して高精度の測定を行なって、請求項1記載の発明での作用が実行される。   According to such means, the measurement object 1 is irradiated with four kinds of repeated patterns corresponding to the light quantity distribution I = I + A + Bcos (φ + φo) and φo of 0, π / 2, π, 3π / 2 as irradiation patterns. By using a large number of irradiation patterns, the measurement object is measured with high accuracy, and the operation of the invention according to claim 1 is executed.

同様に前記目的を達成するために、請求項3記載の発明は、請求項1記載の発明において、A、B、φcを定数、φを0〜2π範囲の位相、初期位相をφoとして、照射パターンの光量分布IがI=A+Bcos(φ+φo)、前記照射パターンの光量分布の下限値PlbがPlb=A−B、前記照射パターンの光量分布の上限値PubがPub=A+Bであり、φo=0、π/2、πの前記照射パターンの光量分布Iを、それぞれPpc、Pns、Pncとし、tan関数の逆関数をatan、測度関数をφとして、形状演算手段による測定物体の表面形状の演算が、φ=atan{(Pnc−Pns)/(Ppc−Pns)}+φcに基づいて行なわれ、信頼度演算手段によるコントラスト比Rの演算が、R=[cos(φ+φo)(Ppc−Pnc)+2sin(φ+φo){(Pub+Plb)/2Pns]/(Pub−Plb)に基づいて行なわれることを特徴とするものである。   Similarly, in order to achieve the object, the invention according to claim 3 is the irradiation according to claim 1, wherein A, B, and φc are constants, φ is a phase in the range of 0 to 2π, and an initial phase is φo. The light quantity distribution I of the pattern is I = A + Bcos (φ + φo), the lower limit value Plb of the light quantity distribution of the irradiation pattern is Plb = A−B, the upper limit value Pub of the light quantity distribution of the irradiation pattern is Pub = A + B, and φo = 0. , Π / 2, π of the irradiation pattern light quantity distribution I is Ppc, Pns, Pnc respectively, the inverse function of the tan function is antan, the measure function is φ, and the shape calculation means calculates the surface shape of the measurement object. , Φ = atan {(Pnc−Pns) / (Ppc−Pns)} + φc, and the calculation of the contrast ratio R by the reliability calculation means is R = [cos (φ + φo) (Ppc−Pn). c) + 2sin (φ + φo) {(Pub + Plb) / 2Pns] / (Pub−Plb).

このような手段によると、光量分布IがI=A+Bcos(φ+φo)でφoが0、π/2、πに対応する3種の繰り返しパターンが、照射パターンとして測定物体1に照射され、請求項2記載の発明よりも少ない照射パターン数を使用することにより、請求項1記載の発明での作用を、測定物体に対する高精度の測定を必要な測定時間を短縮して実行する。   According to such means, the measurement object 1 is irradiated with three types of repeating patterns corresponding to the light quantity distribution I = I + A + Bcos (φ + φo) and φo of 0, π / 2, and π, as claimed in claim 2. By using a smaller number of irradiation patterns than in the described invention, the operation of the invention described in claim 1 is performed with high-accuracy measurement on the measurement object while reducing the necessary measurement time.

同様に前記目的を達成するために、請求項4記載の発明は、請求項1記載の発明において、A、B、φcを定数、φを0〜2π範囲の位相、初期位相をφoとして、照射パターンの光量分布IがI=A+Bcos(φ+φo)、前記照射パターンの光量分布の下限値PlbがPlb=A−B、前記照射パターンの光量分布の上限値PubがPub=A+Bであり、φo=0、π/2の前記照射パターンの光量分布Iを、それぞれPpc、Pnsとし、tan関数の逆関数をatan、測度関数をφとして、形状演算手段による測定物体の表面形状の演算が、φ=atan[{(Pub+Plb)/2Pns}/{Ppc−(Pub+Plb)/2}]]+φcに基づいて行なわれ、信頼度演算手段によるコントラスト比Rの演算が、R=2[cos(φ+φo){Ppc(Pub+Plb)/2}+sin(φ+φo){(Pub+Plb)/2}−Pns]/(Pub−Plb)に基づいて行なわれることを特徴とするものである。   Similarly, in order to achieve the object, the invention according to claim 4 is the irradiation according to claim 1, wherein A, B, and φc are constants, φ is a phase in a range of 0 to 2π, and an initial phase is φo. The light quantity distribution I of the pattern is I = A + Bcos (φ + φo), the lower limit value Plb of the light quantity distribution of the irradiation pattern is Plb = A−B, the upper limit value Pub of the light quantity distribution of the irradiation pattern is Pub = A + B, and φo = 0. , Π / 2, the light quantity distribution I of the irradiation pattern is Ppc and Pns, the inverse function of the tan function is antan, the measure function is φ, and the calculation of the surface shape of the measurement object by the shape calculation means is φ = atan [{(Pub + Plb) / 2Pns} / {Ppc− (Pub + Plb) / 2}]] + φc, and the calculation of the contrast ratio R by the reliability calculation means is R = 2 [cos ( φ + φo) {Ppc (Pub + Plb) / 2} + sin (φ + φo) {(Pub + Plb) / 2} −Pns] / (Pub−Plb).

このような手段によると、光量分布IがI=A+Bcos(φ+φo)でφoが0、π/2に対応する2種の繰り返しパターンが、照射パターンとして測定物体1に照射されるので、請求項3記載の発明よりも少ない照射パターン数を使用することにより、測定物体に対する高精度の測定を測定時間をさらに短縮して、請求項1記載の発明での作用が実行される。   According to such means, the measurement object 1 is irradiated as the two repetitive patterns corresponding to the light amount distribution I = I + A + Bcos (φ + φo), φo = 0, and π / 2. By using a smaller number of irradiation patterns than that described in the invention, the measurement time can be further shortened for highly accurate measurement on the measurement object, and the operation of the invention described in claim 1 is executed.

同様に前記目的を達成するために、請求項5記載の発明は、請求項1記載の発明において、照射パターンが複数のスリットに対する光走査で得られ、A、Bを定数として前記照射パターンの光量が、スリットのない部分で前記照射パターンの光量分布の下限値Plb=A−B、スリット部分で前記照射パターンの光量分布の上限値Pub=A+Bとなり、形状演算手段による測定物体の表面形状の演算が、スリットパターンに対する光量分布Psに基づいて行なわれ、信頼度演算手段によるコントラスト比Rの演算が、R={2Ps−(Pub+Plb)}/(Pub−Plb)に基づいて行なわれることを特徴とするものである。   Similarly, in order to achieve the above object, according to a fifth aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the irradiation pattern is obtained by optical scanning with respect to a plurality of slits, and A and B are constants, and the light quantity of the irradiation pattern. Is the lower limit value Plb = A−B of the light amount distribution of the irradiation pattern in the portion without the slit, and the upper limit value Pub = A + B of the light amount distribution of the irradiation pattern in the slit portion, and the calculation of the surface shape of the measurement object by the shape calculating means Is performed based on the light quantity distribution Ps with respect to the slit pattern, and the calculation of the contrast ratio R by the reliability calculation means is performed based on R = {2Ps− (Pub + Plb)} / (Pub−Plb). To do.

このような手段によると、照射パターンが複数のスリットに対する光走査で得られ、A、Bを定数として照射パターンの光量が、スリットのない部分で照射パターンの光量分布の下限値Plb=A−B、スリット部分で照射パターンの光量分布の上限値Pub=A+Bとなり、形状演算手段による測定物体の表面形状の演算が、指定したスリット位置に基づいて行なわれ、信頼度演算手段によるコントラスト比Rの演算が、R={2Ps−(Pub+Plb)}/(Pub−Plb)に基づいて行なわれ、光量が明暗の2値のために、多重反射の影響を受けにくい状態で、請求項1記載の発明での作用が実行される。   According to such a means, the irradiation pattern is obtained by optical scanning with respect to a plurality of slits, and the light quantity of the irradiation pattern with A and B as constants is the lower limit value Plb = A−B of the light distribution of the irradiation pattern in the portion without the slit. The upper limit value Pub = A + B of the light distribution of the irradiation pattern at the slit portion, and the calculation of the surface shape of the measurement object by the shape calculating means is performed based on the designated slit position, and the contrast ratio R is calculated by the reliability calculating means. Is performed based on R = {2Ps− (Pub + Plb)} / (Pub−Plb), and the amount of light is two values of brightness and darkness, and is not easily affected by multiple reflections. The action is executed.

同様に前記目的を達成するために、請求項6記載の発明は、請求項1記載の発明において、照射パターンの光量分布が、空間コード化法で用いられるA、Bを定数とするA−BとA+Bの2値矩形波分布であり、前記照射パターンの光量分布の下限値PlbがA−B、前記照射パターンの光量分布の上限値PubがA+Bであり、形状演算手段による測定物体の表面形状の演算が、照射パターンの1レベル部と0レベル部に対する光量分布Pscから得られる空間コードに基づいて行なわれ、信頼度演算手段によるコントラスト比Rの演算が、R={2Psc−(Pub+Plb)}/(Pub−Plb)に基づいて行なわれることを特徴とするものである。   Similarly, in order to achieve the object, the invention according to claim 6 is the invention according to claim 1, in which the light quantity distribution of the irradiation pattern is A-B in which A and B used in the spatial coding method are constants. And A + B binary rectangular wave distribution, the lower limit value Plb of the light quantity distribution of the irradiation pattern is A−B, the upper limit value Pub of the light quantity distribution of the irradiation pattern is A + B, and the surface shape of the measurement object by the shape calculating means Is calculated based on the spatial code obtained from the light quantity distribution Psc for the 1-level portion and the 0-level portion of the irradiation pattern, and the contrast ratio R is calculated by the reliability calculating means R = {2Psc− (Pub + Plb)} / (Pub−Plb) is performed.

このような手段によると、照射パターンの光量分布が、空間コード化法で用いられるA、Bを定数とするA−BとA+Bの2値矩形波分布であり、照射パターンの光量分布の下限値PlbがA−B、照射パターンの光量分布の上限値PubがA+Bであり、形状演算手段による測定物体の表面形状の演算が、照射パターンの1レベル部と0レベル部に対する光量分布Pscから得られる空間コードに基づいて行なわれ、信頼度演算手段によるコントラスト比Rの演算が、R={2Psc−(Pub+Plb)}/(Pub−Plb)に基づいて行なわれ、光量が明暗の2値のために、多重反射の影響を受けにくい状態で、請求項1記載の発明での作用が実行される。   According to such means, the light quantity distribution of the irradiation pattern is a binary rectangular wave distribution of AB and A + B with A and B used as constants in the spatial coding method, and the lower limit value of the light distribution of the irradiation pattern Plb is A−B, the upper limit value Pub of the light amount distribution of the irradiation pattern is A + B, and the calculation of the surface shape of the measurement object by the shape calculating means is obtained from the light amount distribution Psc for the 1 level portion and the 0 level portion of the irradiation pattern. The contrast ratio R is calculated based on the space code, and the contrast ratio R is calculated based on R = {2Psc− (Pub + Plb)} / (Pub−Plb). Then, the operation according to the first aspect of the present invention is performed in a state in which it is hardly affected by the multiple reflection.

同様に前記目的を達成するために、請求項7記載の発明は、請求項1記載の発明において、データ出力手段が、信頼度演算手段が演算するコントラスト比が予め設定される基準値を下回った測定座標に対しては、形状演算手段の演算した表面形状データと対応するコントラスト比データの出力を禁止することを特徴とするものである。   Similarly, in order to achieve the above object, according to a seventh aspect of the invention, in the first aspect of the invention, the data output means has a contrast ratio calculated by the reliability calculation means lower than a preset reference value. For measurement coordinates, the output of contrast ratio data corresponding to the surface shape data calculated by the shape calculation means is prohibited.

このような手段によると、データ出力手段が、信頼度演算手段が演算するコントラスト比が予め設定される基準値を下回った測定座標に対しては、形状演算手段の演算した表面形状データと対応するコントラスト比データの出力を禁止するので、測定物体の信頼性の高い形状測定データが抽出検出される。   According to such means, the data output means corresponds to the surface shape data calculated by the shape calculating means for the measurement coordinates in which the contrast ratio calculated by the reliability calculating means falls below a preset reference value. Since the output of the contrast ratio data is prohibited, highly reliable shape measurement data of the measurement object is extracted and detected.

同様に前記目的を達成するために、請求項8記載の発明は、請求項1記載の発明において、データ出力手段が、信頼度演算手段が演算するコントラスト比データと形状演算手段の演算する表面形状ダータに対して、サンプリング出力を行なう場合は、サンプリング点の座標を近傍座標にコントラスト比で重み付け平均した座標とし、サンプリング点のコントラスト比を近傍座標のコントラスト比の平均値とすることを特徴するものである。   Similarly, in order to achieve the object, the invention according to claim 8 is the invention according to claim 1, in which the data output means calculates the contrast ratio data calculated by the reliability calculation means and the surface shape calculated by the shape calculation means. When sampling data is output to the data, the coordinates of the sampling points are the coordinates obtained by weighting and averaging the coordinates of the neighboring points with the contrast ratio, and the contrast ratio of the sampling points is the average value of the contrast ratio of the neighboring coordinates. It is.

このような手段によると、データ出力手段が、信頼度演算手段が演算するコントラスト比データと形状演算手段の演算する表面形状データに対して、サンプリング出力を行なう場合は、サンプリング点の座標を近傍座標にコントラスト比で重み付け平均した座標とし、サンプリング点のコントラスト比を近傍座標のコントラスト比の平均値とするので、測定物体の形状測定データのサンプリング出力に際して、サンプリング点と近傍点との測定信頼度に基づく演算により、サンプリング出力の測定信頼度が高められる。   According to such means, when the data output means performs sampling output on the contrast ratio data calculated by the reliability calculation means and the surface shape data calculated by the shape calculation means, the coordinates of the sampling points are set to the neighboring coordinates. Since the contrast ratio at the sampling point is the average value of the contrast ratio of the neighboring coordinates, the measurement reliability between the sampling point and the neighboring point is used when sampling the shape measurement data of the measurement object. Based on the calculation, the measurement reliability of the sampling output is increased.

請求項1記載の発明によると、多重反射の影響を受けて計測される測定物体の形状測定データの信頼性を、各種のパターン投影法に広く適確に対応した状態で高精度に検出し、撮像画像の画素ごとに適確に把握することが可能になる。   According to the first aspect of the invention, the reliability of the shape measurement data of the measurement object measured under the influence of multiple reflection is detected with high accuracy in a state that corresponds widely and accurately to various pattern projection methods, It becomes possible to accurately grasp each pixel of the captured image.

請求項2記載の発明によると、光量分布IがI=A+Bcos(φ+φo)でφoが0、π/2、π、3π/2に対応する4種の繰り返しパターンが、照射パターンとして測定物体1に照射されるので、多数の照射パターンを使用することにより、測定物体に対して高精度の測定を行なって、請求項1記載の発明で得られる効果を実現することが可能になる。   According to the second aspect of the present invention, four types of repetitive patterns corresponding to the light amount distribution I of I = A + Bcos (φ + φo) and φo of 0, π / 2, π, 3π / 2 are applied to the measurement object 1 as irradiation patterns. Since it is irradiated, by using a large number of irradiation patterns, it becomes possible to measure the measurement object with high accuracy and realize the effect obtained by the invention of claim 1.

請求項3記載の発明によると、光量分布IがI=A+Bcos(φ+φo)でφoが0、π/2、πに対応する3種の繰り返しパターンが、照射パターンとして測定物体1に照射されるので、請求項2記載の発明よりも少ない照射パターン数を使用することにより、請求項1記載の発明で得られる効果を、測定物体に対する高精度の測定に必要な測定時間を短縮して実現することが可能になる。   According to the third aspect of the present invention, the measurement object 1 is irradiated with three kinds of repeated patterns corresponding to the light amount distribution I = I + A + Bcos (φ + φo) and φo of 0, π / 2, and π as the irradiation pattern. By using a smaller number of irradiation patterns than the invention according to claim 2, the effect obtained by the invention according to claim 1 can be realized by reducing the measurement time required for highly accurate measurement on the measurement object. Is possible.

請求項4記載の発明によると、光量分布IがI=A+Bcos(φ+φo)でφoが0、π/2に対応する2種の繰り返しパターンが、照射パターンとして測定物体1に照射されるので、請求項3記載の発明よりも少ない照射パターン数を使用することにより、測定物体に対する高精度の測定を測定時間をさらに短縮して、請求項1記載の発明で得られる効果を実現することが可能になる。   According to the fourth aspect of the present invention, since the two repetitive patterns corresponding to the light quantity distribution I of I = A + Bcos (φ + φo) and φo of 0, π / 2 are irradiated to the measurement object 1 as the irradiation pattern, By using a smaller number of irradiation patterns than in the invention described in Item 3, it is possible to further reduce the measurement time for highly accurate measurement on the measurement object and realize the effect obtained by the invention described in Item 1. Become.

請求項5記載の発明によると、照射パターンが複数のスリットに対する光走査で得られ、A、Bを定数として照射パターンの光量が、スリットのない部分で照射パターンの光量分布の下限値Plb=A−B、スリット部分で照射パターンの光量分布の上限値Pub=A+Bとなり、形状演算手段による測定物体の表面形状の演算が、指定したスリット位置に基づいて行なわれ、 信頼度演算手段によるコントラスト比Rの演算が、R={2Ps−(Pub+Plb)}/(Pub−Plb)に基づいて行なわれ、光量が明暗の2値のために、多重反射の影響を受けにくい状態で、請求項1記載の発明で得られる効果を実現することが可能になる。   According to the invention described in claim 5, the irradiation pattern is obtained by optical scanning with respect to a plurality of slits, and the light quantity of the irradiation pattern with A and B as constants is the lower limit value Plb = A -B, the upper limit value Pub = A + B of the light distribution of the irradiation pattern at the slit portion, and the calculation of the surface shape of the measurement object by the shape calculating means is performed based on the designated slit position, and the contrast ratio R by the reliability calculating means The calculation according to claim 1 is performed based on R = {2Ps− (Pub + Plb)} / (Pub−Plb), and the amount of light is light and dark so that it is not easily affected by multiple reflections. The effect obtained by the invention can be realized.

請求項6記載の発明によると、照射パターンの光量分布が、空間コード化法で用いられるA、Bを定数とするA−BとA+Bの2値矩形波分布であり、照射パターンの光量分布の下限値PlbがA−B、照射パターンの光量分布の上限値PubがA+Bであり、形状演算手段による測定物体の表面形状の演算が、照射パターンの1レベル部と0レベル部に対する光量分布Pscから得られる空間コードに基づいて行なわれ、信頼度演算手段によるコントラスト比Rの演算が、R={2Ps−(Pub+Plb)}/(Pub−Plb)に基づいて行なわれ、光量が明暗の2値のために、多重反射の影響を受けにくい状態で、請求項1記載の発明で得られる効果を実現することが可能になる。   According to the invention of claim 6, the light quantity distribution of the irradiation pattern is a binary rectangular wave distribution of AB and A + B with A and B used as constants in the spatial coding method, and the light quantity distribution of the irradiation pattern The lower limit value Plb is A−B, the upper limit value Pub of the light distribution of the irradiation pattern is A + B, and the calculation of the surface shape of the measurement object by the shape calculating means is based on the light amount distribution Psc for the 1 level portion and the 0 level portion of the irradiation pattern. The contrast ratio R is calculated based on the obtained space code, and the contrast ratio R is calculated based on R = {2Ps− (Pub + Plb)} / (Pub−Plb). For this reason, it is possible to realize the effect obtained by the invention according to the first aspect in a state in which it is hardly affected by the multiple reflection.

請求項7記載の発明によると、データ出力手段が、信頼度演算手段が演算するコントラスト比が予め設定される基準値を下回った測定座標に対しては、形状演算手段の演算した表面形状データと対応するコントラスト比データの出力を禁止するので、測定物体の信頼性の高い形状測定データを抽出検出することが可能になる。   According to the seventh aspect of the present invention, the surface shape data calculated by the shape calculating means is applied to the measurement coordinates in which the contrast ratio calculated by the reliability calculating means falls below a preset reference value. Since the output of the corresponding contrast ratio data is prohibited, it is possible to extract and detect shape measurement data with high reliability of the measurement object.

請求項8記載の発明によると、データ出力手段が、信頼度演算手段が演算するコントラスト比データと形状演算手段の演算する表面形状データに対して、サンプリング出力を行なう場合は、サンプリング点の座標を近傍座標にコントラスト比で重み付け平均した座標とし、サンプリング点のコントラスト比を近傍座標のコントラスト比の平均値とするので、測定物体の形状測定データのサンプリング出力に際して、サンプリング点と近傍点との測定信頼度に基づく演算により、サンプリング出力の測定信頼度を高めることが可能になる。   According to the invention described in claim 8, when the data output means performs sampling output on the contrast ratio data calculated by the reliability calculation means and the surface shape data calculated by the shape calculation means, the coordinates of the sampling points are set. Since the coordinates obtained by weighting and averaging the neighboring coordinates with the contrast ratio are used, and the contrast ratio of the sampling points is the average value of the contrast ratios of the neighboring coordinates, the measurement reliability between the sampling points and the neighboring points is used when sampling the shape measurement data of the measurement object. The calculation based on the degree makes it possible to increase the measurement reliability of the sampling output.

(第1の実施の形態)
実施例1
本発明の実施例1を、図1ないし図3を参照して説明する。
図1は本実施例の全体構成を示すブロック図、図2は本実施例の撮像光の光量分布とコントラスト比との特性を示す特性図、図3は本実施例の形状測定により得られる撮像画像である。
(First embodiment)
Example 1
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of this embodiment, FIG. 2 is a characteristic diagram showing the characteristics of the light quantity distribution and contrast ratio of the imaging light of this embodiment, and FIG. 3 is an image obtained by shape measurement of this embodiment. It is an image.

本実施例では、図1に示すように、測定対象となる測定物体1に対向して、光源3、液晶パネル5及び結像レンズ6を備え、繰り返し光パターンからなる照射パターンを測定物体1に照射するプロジェクタ2と、結像レンズ10とCCD11を備え、測定物体1からの反射撮像パターンを撮像するカメラ8とが、それぞれの光学中心間距離をLに設定して配設されている。
プロジェクタ2は、光源3からの光を液晶パネル5により、繰り返し光パターンからなる動的照射パターンに変換して測定物体1に照射する機能と、繰り返し光パターンの最大均一光量の上限パターンと最小均一光量の下限パターンとを測定物体1に照射する機能を有している。また、カメラ8は、測定物体1からの反射撮像パターンを結像レンズ10から取込み、CCD11で光電変換して撮像信号として出力する機能を有している。
さらに図1においては、カメラ8の結像レンズ10の光学中心に座標原点が設定され、この座標のx軸上にプロジェクタ2の結像レンズ6の光学中心が位置している。
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the measurement object 1 is provided with a light source 3, a liquid crystal panel 5, and an imaging lens 6 so as to face the measurement object 1 to be measured. A projector 2 that irradiates, and a camera 8 that includes an imaging lens 10 and a CCD 11 and that captures a reflected imaging pattern from the measurement object 1 are arranged with the distance between the optical centers set to L.
The projector 2 uses the liquid crystal panel 5 to convert the light from the light source 3 into a dynamic irradiation pattern composed of repeated light patterns and irradiate the measurement object 1, and the upper limit pattern of the maximum uniform light quantity and the minimum uniform of the repeated light pattern. It has a function of irradiating the measurement object 1 with the lower limit pattern of the amount of light. In addition, the camera 8 has a function of taking a reflected imaging pattern from the measurement object 1 from the imaging lens 10, performing photoelectric conversion by the CCD 11, and outputting it as an imaging signal.
Further, in FIG. 1, the coordinate origin is set at the optical center of the imaging lens 10 of the camera 8, and the optical center of the imaging lens 6 of the projector 2 is located on the x-axis of this coordinate.

プロジェクタ2には、プロジェクタ2の動作を制御するプロジェクタ制御部7が接続され、カメラ8には、カメラ8の動作を制御し撮像信号を取り出すカメラ制御部12が接続され、カメラ制御部12には、撮像信号から測定物体1の形状を演算する形状演算部13と、撮像信号から信頼度を示すコントラスト比を演算する信頼度演算部14とが接続されている。こりらの形状演算部13と信頼度演算部14とには、形状演算部13の出力信号と信頼度演算部14の出力信号とを取込み、必要に応じてデータ処理を施して出力するデータ出力部15が接続され、データ出力部15には、データ出力部15からの出力データがファイル17として格納されるメモリ16が接続されている。
また、本実施例では、照射パターンとして互いにπ/2ずつ位相の異なる正弦波パターンが用いられ、A、B、φcを定数、φを0〜2π範囲の位相、初期位相をφoとして、照射パターンの光量分布Iは、I=A+Bcos(φ+φo)として、φo=0、π/2、π、3π/2の4種の照射パターンが用いられる。
A projector control unit 7 that controls the operation of the projector 2 is connected to the projector 2, a camera control unit 12 that controls the operation of the camera 8 and extracts an imaging signal is connected to the camera 8, and the camera control unit 12 A shape calculation unit 13 that calculates the shape of the measurement object 1 from the imaging signal and a reliability calculation unit 14 that calculates a contrast ratio indicating the reliability from the imaging signal are connected. The data calculation unit 13 and the reliability calculation unit 14 take in the output signal of the shape calculation unit 13 and the output signal of the reliability calculation unit 14, and perform data processing as necessary to output the data. The data output unit 15 is connected to a memory 16 in which output data from the data output unit 15 is stored as a file 17.
Further, in this embodiment, sine wave patterns having different phases by π / 2 are used as irradiation patterns, and A, B, and φc are constants, φ is a phase in the range of 0 to 2π, and an initial phase is φo. In the light quantity distribution I, four types of irradiation patterns of φo = 0, π / 2, π, and 3π / 2 are used as I = A + Bcos (φ + φo).

このような構成の本実施例の測定物体1の形状測定動作を説明する。
プロジェクタ2からは、Sa、Sbを定数として、照射角度φに対して以下の式で示される光強度の正弦波パターンが測定物体1に照射される。
The shape measuring operation of the measuring object 1 of the present embodiment having such a configuration will be described.
The projector 2 irradiates the measurement object 1 with a sinusoidal wave pattern having a light intensity represented by the following expression with respect to the irradiation angle φ, with Sa and Sb as constants.

Spc=Sa+Sbcos(φ+φo) ・・・(4a)
Sns=Sa−Sbsin(φ+φo) ・・・(4b)
Snc=Sa−Sbcos(φ+φo) ・・・(4c)
Sps=Sa+Sbsin(φ+φo) ・・・(4d)
Spc = Sa + Sbcos (φ + φo) (4a)
Sns = Sa−Sbsin (φ + φo) (4b)
Snc = Sa−Sbcos (φ + φo) (4c)
Sps = Sa + Sbsin (φ + φo) (4d)

一方、光量振幅の基準となる下限パターンLB、上限パターンUBの光量は、それぞれ正弦波パターンの光量の下限値と上限値に等しい均一光量で次式のようになる。   On the other hand, the light amounts of the lower limit pattern LB and the upper limit pattern UB, which serve as a reference for the light amount amplitude, are expressed by the following equations with uniform light amounts equal to the lower limit value and the upper limit value of the light amount of the sine wave pattern, respectively.

Slb=Sa−Sb ・・・(5a)
Sub=Sa+Sb ・・・(5b)
Slb = Sa−Sb (5a)
Sub = Sa + Sb (5b)

カメラ8で(4a)〜(4d)に示す照射パターンの測定物体1からの反射光を撮像する場合の撮像光量は、背景光をA、測定物体1の反射率とカメラ8、測定物体1及びプロジェクタ2の幾何学配置に基づく係数をB、照射パターンの空間周波数に基因する多重反射による光量振幅の低下効果のコントラスト係数をC(0≦C≦1)として、以下の式で示される。   When the reflected light from the measurement object 1 having the irradiation patterns shown in (4a) to (4d) is imaged by the camera 8, the imaging light amount is A for the background light, the reflectance of the measurement object 1, the camera 8, the measurement object 1, and A coefficient based on the geometric arrangement of the projector 2 is B, and a contrast coefficient of the effect of lowering the light amount amplitude due to multiple reflection due to the spatial frequency of the irradiation pattern is C (0 ≦ C ≦ 1).

Ppc=A+B・C2cos(φ+φo) ・・・(6a)
Pns=A−B・C2sin(φ+φo) ・・・(6b)
Pnc=A−B・C2cos(φ+φo) ・・・(6c)
Pps=A+B・C2sin(φ+φo) ・・・(6d)
Ppc = A + B · C2 cos (φ + φo) (6a)
Pns = A−B · C2sin (φ + φo) (6b)
Pnc = A−B · C2 cos (φ + φo) (6c)
Pps = A + B · C2sin (φ + φo) (6d)

また、均一光量の下限パターンLBと上限パターンUBは、空間周波数が異なるために、正弦波パターンとは異なるコントラスト係数C1を用いて次式で示される。   Further, since the lower limit pattern LB and the upper limit pattern UB with uniform light quantity have different spatial frequencies, they are expressed by the following equations using a contrast coefficient C1 different from the sine wave pattern.

Plb=A−B・C1 ・・・(7a)
Pub=A+B・C1 ・・・(7b)
Plb = A−B · C1 (7a)
Pub = A + B · C1 (7b)

一方、照射角度を求めるための位相分布φは次式で与えられる。   On the other hand, the phase distribution φ for obtaining the irradiation angle is given by the following equation.

φ=atan{(Pps−Pns)/(Ppc−Pnc)}+φc
・・・(8)
φ = atan {(Pps−Pns) / (Ppc−Pnc)} + φc
... (8)

本実施例においては、(8)式により求めた局所位相から、すでに説明したアンラッピングによって大域位相が求められ、さらに対応する照射角度αが決定される。そして、撮像パターンの結像位置から得られる撮像角度βと カメラ及びプロジョクタの光学中心間距離Lに基づいて、すでに説明した(3)式に基づいて、形状演算部13において、測定物体1の撮像画像の各画素ごとの測定物体表面とカメラ8の光学中心間の距離zが、z=L/(tanα+tanβ)として演算され、演算データはデータ出力部15に入力される。   In the present embodiment, the global phase is obtained from the local phase obtained by the equation (8) by the already described unwrapping, and the corresponding irradiation angle α is determined. Then, based on the imaging angle β obtained from the imaging position of the imaging pattern and the distance L between the optical centers of the camera and the projector, the shape calculation unit 13 captures an image of the measurement object 1 based on the already described equation (3). A distance z between the measurement object surface for each pixel of the image and the optical center of the camera 8 is calculated as z = L / (tan α + tan β), and the calculation data is input to the data output unit 15.

ところで、撮像により観察されるパターンの振幅は、係数Bとコントラスト係数Cとの積に対応し、以下の式のように表される。   By the way, the amplitude of the pattern observed by imaging corresponds to the product of the coefficient B and the contrast coefficient C, and is expressed as the following equation.

B2a=B・C2=(Ppc−Pnc)/2cos(φ+φo)
・・・(9a)
B2b=B・C2=(Pps−Pns)/2sin(φ+φo)
・・・(9b)
B1=B・C1=(Pub−Plb)/2 ・・・(10)
B2a = B · C2 = (Ppc−Pnc) / 2cos (φ + φo)
... (9a)
B2b = B · C2 = (Pps−Pns) / 2sin (φ + φo)
... (9b)
B1 = B · C1 = (Pub−Plb) / 2 (10)

(9a)(9b)式において、正弦波パターンに対する振幅B2a、B2bは同じ量であるが、このままでは、分母のcosとsinの値によっては不定値となることがあるので、このことを避けるために、Aの二乗をA∩2と記載することにして、B2a、B2bにそれぞれ{cos(φ+φo)}∩2、{sin(φ+φo)}∩2の重み付けをした和を次式で改めてB2とする。   In Equations (9a) and (9b), the amplitudes B2a and B2b for the sine wave pattern are the same amount. However, in this state, depending on the values of cos and sin in the denominator, the values may be indefinite, so this is avoided. And the sum of weights of {cos (φ + φo)} ∩2 and {sin (φ + φo)} ∩2 for B2a and B2b, respectively, is changed to B2 To do.

B2=B2a{cos(φ+φo)}∩2+B2b{sin(φ+φo)∩2
=cos(φ+φo)(Ppc−Pnc)/2
+sin(φ+φo)(Pps−Pns)/2
・・・(11)
B2 = B2a {cos (φ + φo)} ∩2 + B2b {sin (φ + φo) ∩2
= Cos (φ + φo) (Ppc−Pnc) / 2
+ Sin (φ + φo) (Pps−Pns) / 2
(11)

この場合、多重反射光量がなければB1とB2は等しいが多重反射の影響でB1>B2となるので、B1とB2の比がコントラストR=B2/B1になり、次式で与えられる。   In this case, B1 and B2 are equal if there is no amount of multiple reflections, but B1> B2 due to the influence of multiple reflections. Therefore, the ratio of B1 and B2 is contrast R = B2 / B1, and is given by the following equation.

R={cos(φ+φo)(Ppc−Pnc)+sin(φ+φo)(Pps
−Pns)}/(Pub−Plb) ・・・(12)
R = {cos (φ + φo) (Ppc−Pnc) + sin (φ + φo) (Pps
-Pns)} / (Pub-Plb) (12)

カメラ8の撮像角度(CCD11上の結像位置)に対するPpc、Pns、Pnc、Pps、Plb、Pubは、図2(a)に示すようになるが、Pub、Plbは、均一な照射光量に測定物体1の反射率がかけられて撮像されるので、本来は直線ではないが、同図では簡単のためにPub、Plbを直線にしている。また、Pub、Plbは多重反射の影響が小さいが、照射パターンは空間周波数が高いほど多重反射の影響によりコントラスト係数が減少し、カメラ8から見ると、図2(a)に示すように、点線で示した包絡線Ena1、Enb1間の幅が、PubとPlb間の幅よりも小さくなる。
信頼度演算部14では、(12)式によってコントラスト比Rを演算し、演算データはデータ出力部15に入力される。演算されるコントラスト比Rは、図2(b)に示すようになり、この場合は撮像角度の大きい部分で多重反射の影響が大きく、コントラストRが小さくなっている。
Ppc, Pns, Pnc, Pps, Plb, and Pub with respect to the imaging angle of the camera 8 (image forming position on the CCD 11) are as shown in FIG. 2 (a), but Pub and Plb are measured to have a uniform irradiation light amount. Since the image of the object 1 is multiplied by the reflectance, it is not originally a straight line, but in the figure, for simplicity, Pub and Plb are straight lines. Further, Pub and Plb are less affected by multiple reflection, but the irradiation pattern of the irradiation pattern decreases as the spatial frequency increases due to the influence of multiple reflection. When viewed from the camera 8, as shown in FIG. The width between the envelopes Ena1 and Enb1 indicated by is smaller than the width between Pub and Plb.
The reliability calculation unit 14 calculates the contrast ratio R by the equation (12), and the calculation data is input to the data output unit 15. The calculated contrast ratio R is as shown in FIG. 2 (b). In this case, the influence of multiple reflection is large at a portion where the imaging angle is large, and the contrast R is small.

本実施例で、測定物体を白色の発泡スチロール製の顔模型とし、白色板を背景にして撮像して得られた撮像画像IMとコントラスト比を演算した結果とは図3に示すようになり、白色がコントラスト比1に黒色がコントラスト比0に対応し、完全に黒色の部分は反射光量が小さく測定できなかった部分であり、セル数u、vはCCD11の画素位置を示している。図3で照射パターンの周期で見られる縞は、照射した正弦波パターンと、真の正弦波パターンとのずれを示し、この縞の発生のないように修正することは可能である。
図3では、目の周辺、鼻の下、上顎、喉下側では多重反射の影響が大きいために、撮像画像が暗くなっており、撮像画像では得られる全ての空間座標について、それぞれコントラスト比を演算して信頼度の判定を行なうことができる。
In this example, the measurement object is a white polystyrene foam face model, and the captured image IM obtained by imaging with a white plate as a background and the result of calculating the contrast ratio are as shown in FIG. Corresponds to a contrast ratio of 1 and black corresponds to a contrast ratio of 0. The completely black portion is a portion where the amount of reflected light is small and cannot be measured, and the number of cells u and v indicate the pixel position of the CCD 11. The fringes seen in the period of the irradiation pattern in FIG. 3 show a deviation between the irradiated sine wave pattern and the true sine wave pattern, and it is possible to correct the fringes so that they do not occur.
In FIG. 3, since the influence of multiple reflections is large around the eyes, under the nose, upper jaw, and under the throat, the captured image is dark, and the contrast ratio is set for each of the spatial coordinates obtained in the captured image. The reliability can be determined by calculation.

図1のデータ出力部15からは、形状演算部13によって(3)式に基づいて演算された各画素のx、y、z座標データに、信頼度演算部14によって(12)式に基づいて演算されたコントラスト比データをそれぞれ付加した点群データがメモリ16に出力される。 この場合、必要に応じてユーザが選択することによって、コントラスト比に所定の閾値を予め設定し、データ出力部15からは、閾値を越えるコントラスト比のx、y、z座標データのみが出力される。例えば、図3に示す測定物体の測定の場合には、必要精度と実測形状との比較によると、閾値を0.2とすれば条件を満足すると判定された。   From the data output unit 15 of FIG. 1, the x, y, z coordinate data of each pixel calculated by the shape calculation unit 13 based on the equation (3), and the reliability calculation unit 14 based on the equation (12). Point cloud data to which the calculated contrast ratio data is added is output to the memory 16. In this case, when the user selects as necessary, a predetermined threshold value is preset for the contrast ratio, and only x, y, z coordinate data having a contrast ratio exceeding the threshold value is output from the data output unit 15. . For example, in the case of the measurement of the measurement object shown in FIG. 3, it was determined that the condition was satisfied if the threshold value was set to 0.2, according to the comparison between the required accuracy and the actually measured shape.

また、全点群データからサンプリング出力を行なう場合には、出力するサンプリング点数と重み付けの近傍点数Nを指定し、点群データのサンプリング位置を、測定物体1の形状曲率の大きい部分では密に選択し、形状曲率の小さい部分では粗く選択して初期のサンプリング位置(座標番号)を定める。次いで、サンプリング位置の近傍のN個の座標に対して(13)式に基づき、コントラスト比で重み付け平均化処理してサンプリング出力を行なう。
即ち、k番目の測定座標(x、y、z座標の3成分を持つベクトル)をr_k、k番目の測定座標のコントラスト比をR_k、サンプリング点の位置番号をiとして、iの近傍の位置番号jに対して次式に基づいて重み付け平均化演算が行なわれ、正確なサンプリング座標は、r_iから、信頼度の高い座標側にずれることになる。
Also, when sampling output is performed from all point cloud data, the number of sampling points to be output and the number N of neighboring points for weighting are designated, and the sampling position of the point cloud data is selected closely in the portion where the shape curvature of the measuring object 1 is large. The initial sampling position (coordinate number) is determined by selecting coarsely in a portion having a small shape curvature. Next, N coordinates in the vicinity of the sampling position are subjected to weighted averaging processing with a contrast ratio based on equation (13), and sampling output is performed.
That is, assuming that the kth measurement coordinate (a vector having three components of x, y, and z coordinates) is r_k, the contrast ratio of the kth measurement coordinate is R_k, the position number of the sampling point is i, and the position number near i. A weighted averaging operation is performed on j based on the following equation, and the accurate sampling coordinates are shifted from r_i to the coordinate side with high reliability.

r_i=(Σr_jR_j)/(ΣR_j) ・・・(13)         r_i = (Σr_jR_j) / (ΣR_j) (13)

このようにして、本実施例によると、プロジェクタ2によって、光量分布IがI=A+Bcos(φ+φo)でφoが0、π/2、π、3π/2に対応する4個の繰り返しパターンからなる照射パターンが測定物体1に照射され、カメラ8によって撮像される撮像パターンの光量分布をPpc、Pns、Pnc、Ppsとし、照射パターンの光量分布の上限値をPub、下限値をPlbとして、位相分布φが、atan{(Pps−Pns)/(Ppc−Pnc)}+φcで、測定物体表面とカメラ8間の距離zが、z=L/(tanα+tanβ)で演算され、信頼度演算部14によって、コントラスト比Rが、R={cos(φ+φo)(Ppc−Pnc)+sin(φ+φo)(Pps−Pns)}/(Pub−Plb)に基づいて演算されるので、多重反射の影響を受けて計測される測定物体の形状測定データの信頼性を、各種のパターン投影法に広く適確に対応した状態で高精度に検出し、撮像画像の画素ごとに適確に把握することが可能になる。   In this way, according to the present embodiment, the projector 2 irradiates the light amount distribution I consisting of four repetitive patterns corresponding to I = A + Bcos (φ + φo) and φo of 0, π / 2, π, 3π / 2. A pattern is irradiated onto the measurement object 1 and the light quantity distribution of the imaging pattern picked up by the camera 8 is Ppc, Pns, Pnc, Pps, the upper limit value of the irradiation pattern light quantity distribution is Pub, the lower limit value is Plb, and the phase distribution φ Is atan {(Pps−Pns) / (Ppc−Pnc)} + φc, and the distance z between the measurement object surface and the camera 8 is calculated by z = L / (tan α + tan β). The ratio R is calculated based on R = {cos (φ + φo) (Ppc−Pnc) + sin (φ + φo) (Pps−Pns)} / (Pub−Plb). Therefore, the reliability of the shape measurement data of the measurement object measured under the influence of multiple reflections is detected with high accuracy in a state that is widely and accurately compatible with various pattern projection methods, and is suitable for each pixel of the captured image. It becomes possible to grasp accurately.

(第2の実施の形態)
実施例2
本発明の実施例2を説明する。
本実施例では、図1を流用して説明すると、プロジェクタ2からは、光量分布IがI=A+Bcos(φ+φo)でφoが0、π/2、πに対応する3種の繰り返しパターンが、照射パターンとして測定物体1に照射される。
本実施例のその他の部分の構成は、すでに説明した実施例1と同一なので、重複する説明は行なわない。
(Second Embodiment)
Example 2
A second embodiment of the present invention will be described.
In this embodiment, referring to FIG. 1, the projector 2 emits three types of repetitive patterns corresponding to light amount distribution I = I + A + Bcos (φ + φo) and φo of 0, π / 2, and π. The measurement object 1 is irradiated as a pattern.
Since the configuration of the other parts of the present embodiment is the same as that of the first embodiment already described, duplicate description will not be given.

本実施例では、3種の繰り返しパターンから得られる撮像パターンの光量分布Ppc、Pns、Pncは、実施例1と同様に、すでに説明した6(a)、6(b)、6(c)とそれぞれ等しくなり、下限パターンLB、上限パターンUBは、7(a)、7(b)と等しくなる。
本実施例では位相分布φは、φc=(π/4)−φoとして次式で与えられる。
In the present embodiment, the light amount distributions Ppc, Pns, and Pnc of the imaging pattern obtained from the three types of repeated patterns are the same as those in the first embodiment, as described above with 6 (a), 6 (b), and 6 (c). The lower limit pattern LB and the upper limit pattern UB are equal to 7 (a) and 7 (b), respectively.
In this embodiment, the phase distribution φ is given by the following equation as φc = (π / 4) −φo.

φ=atan{(Pnc−Pns)/(Ppc−Pns)}+φc
・・・(14)
φ = atan {(Pnc−Pns) / (Ppc−Pns)} + φc
(14)

また、撮像により観察されるパターンの振幅は、係数Bとコントラスト係数Cとの積に対応し、以下の式のように表される。   Further, the amplitude of the pattern observed by imaging corresponds to the product of the coefficient B and the contrast coefficient C, and is expressed as the following equation.

B2a=B・C2=(Ppc−Pnc)/2cos(φ+φo)
・・・(15a)
B2c=B・C2={(Pub+Plb)/2・Pns}/sin(φ+φo)
・・・(15b)
B1=B・C1=(Pub−Plb)/2 ・・・(16)
B2a = B · C2 = (Ppc−Pnc) / 2cos (φ + φo)
... (15a)
B2c = B · C2 = {(Pub + Plb) / 2 · Pns} / sin (φ + φo)
... (15b)
B1 = B · C1 = (Pub−Plb) / 2 (16)

安定な演算実行のために、B2a、B2cにそれぞれ{cos(φ+φo)}∩2、{sin(φ+φo)}∩2の重み付けをした和をB2として次式が得られる。   In order to perform stable calculation, the following equation is obtained by using B2 as the sum of B2a and B2c weighted by {cos (φ + φo)} ∩2 and {sin (φ + φo)} ∩2, respectively.

B2=B・C2
=B2a{cos(φ+φo)}∩2+B2b{sin(φ+φo)}∩2
=cos(φ+φo)(Ppc−Pnc)/2
+sin(φ+φo)(A−Pns)/2 ・・・(17)
B2 = B ・ C2
= B2a {cos (φ + φo)} ∩2 + B2b {sin (φ + φo)} ∩2
= Cos (φ + φo) (Ppc−Pnc) / 2
+ Sin (φ + φo) (A−Pns) / 2 (17)

また、コントラスト比R=B2/B1は次式で与えられる。   The contrast ratio R = B2 / B1 is given by the following equation.

R=[cos(φ+φo)(Ppc−Pnc)+2sin(φ+φo){(Pub
+Plb)}/2Pns]/(Pub−Plb)
・・・(18)
R = [cos (φ + φo) (Ppc−Pnc) +2 sin (φ + φo) {(Pub
+ Plb)} / 2Pns] / (Pub-Plb)
... (18)

このようにして、本実施例によると、形状演算手段による測定物体の表面形状の演算が、φ=atan{(Pnc−Pns)/(Ppc−Pns)}+φcに基づいて行なわれ、信頼度演算手段によるコントラスト比Rの演算が、R=[cos(φ+φo)(Ppc−Pnc)+2sin(φ+φo){(Pub+Plb)/2Pns]/(Pub−Plb)に基づいて行なわれる。
本実施例のその他の動作は、すでに説明した実施例1と同一なので、重複する説明は行なわない。
Thus, according to the present embodiment, the calculation of the surface shape of the measurement object by the shape calculation means is performed based on φ = atan {(Pnc−Pns) / (Ppc−Pns)} + φc, and the reliability calculation is performed. The calculation of the contrast ratio R by the means is performed based on R = [cos (φ + φo) (Ppc−Pnc) +2 sin (φ + φo) {(Pub + Plb) / 2Pns] / (Pub−Plb).
The other operations of the present embodiment are the same as those of the first embodiment already described, and therefore will not be described repeatedly.

本実施例によると、すでに説明した実施例1よりも少ない照射パターン数を使用することにより、実施例1で得られる効果に加えて、測定物体の形状測定を測定時間を短縮して実行し、測定物体1に対する高精度の形状測定を実現することが可能になる。
本実施例のその他の効果は、すでに説明した実施例1と同一なので重複する説明は行なわない。
According to the present embodiment, by using a smaller number of irradiation patterns than the first embodiment already described, in addition to the effect obtained in the first embodiment, the shape measurement of the measurement object is performed with a reduced measurement time, It becomes possible to realize highly accurate shape measurement for the measurement object 1.
The other effects of the present embodiment are the same as those of the first embodiment already described, and therefore will not be described repeatedly.

(第3の実施の形態)
実施例3
本発明の実施例3を説明する。
本実施例では、図1を流用して説明すると、プロジェクタ2からは、光量分布IがI=A+Bcos(φ+φo)でφoが0、π/2に対応する2種の繰り返しパターンが、照射パターンとして測定物体1に照射される。
本実施例のその他の部分の構成は、すでに説明した実施例1と同一なので、重複する説明は行なわない。
(Third embodiment)
Example 3
A third embodiment of the present invention will be described.
In this embodiment, FIG. 1 will be used to explain. From the projector 2, two types of repetitive patterns corresponding to the light amount distribution I = I = A + Bcos (φ + φo), φo = 0, and π / 2 are used as irradiation patterns. The measurement object 1 is irradiated.
Since the configuration of the other parts of the present embodiment is the same as that of the first embodiment already described, duplicate description will not be given.

本実施例では、2種の繰り返しパターンから得られる撮像パターンの光量分布Ppc、Pnsは、実施例1と同様にすでに説明した6(a)、6(b)とそれぞれ等しくなり、下限パターンLB、上限パターンUBは、7(a)、7(b)と等しくなる。
本実施例では位相分布φは、φc=−φoとして次式で与えられる。
In the present embodiment, the light quantity distributions Ppc and Pns of the imaging pattern obtained from the two types of repeated patterns are equal to 6 (a) and 6 (b) already described in the same manner as in the first embodiment, and the lower limit pattern LB, The upper limit pattern UB is equal to 7 (a) and 7 (b).
In this embodiment, the phase distribution φ is given by the following equation as φc = −φo.

φ=atan[{(Pub+Plb)/2Pns}/{Ppc−(Pub
+Plb)/2}]+φc
・・・(19)
φ = atan [{(Pub + Plb) / 2Pns} / {Ppc− (Pub
+ Plb) / 2}] + φc
... (19)

また、撮像により観察されるパターンの振幅は、係数Bとコントラスト係数Cとの積に対応し、以下の式のように表される。   Further, the amplitude of the pattern observed by imaging corresponds to the product of the coefficient B and the contrast coefficient C, and is expressed as the following equation.

B2d=B・C2={Ppc−(Pub+Plb)/2}/cos(φ+φo)
・・・(20a)
B2c=B・C2={(Pub+Plb)/2−Pns}/sin(φ+φo) ・・・(20b)
B1=B・C1=(Pub−Plb)/2 ・・・(21)
B2d = B · C2 = {Ppc− (Pub + Plb) / 2} / cos (φ + φo)
... (20a)
B2c = B · C2 = {(Pub + Plb) / 2−Pns} / sin (φ + φo) (20b)
B1 = B · C1 = (Pub−Plb) / 2 (21)

安定な演算実行のために、B2d、B2cにそれぞれ{cos(φ+φo)}∩2、{sin(φ+φo)}∩2の重み付けをした和をB2として次式が得られる。   In order to perform stable calculation, the following equation is obtained by setting B2d and B2c as weighted sums of {cos (φ + φo)} ∩2 and {sin (φ + φo)} ∩2, respectively, as B2.

B2=BC2
=B2a{cos(φ+φo)}∩2+B2b{sin(φ+φo)}∩2
=cos(φ+φo){Ppc−(Pub+Plb)/2}
+sin(φ+φo){(Pub+Plb)/2−Pns}
・・・(22)
B2 = BC2
= B2a {cos (φ + φo)} ∩2 + B2b {sin (φ + φo)} ∩2
= Cos (φ + φo) {Ppc− (Pub + Plb) / 2}
+ Sin (φ + φo) {(Pub + Plb) / 2−Pns}
(22)

また、コントラスト比Rは次式で与えられる。   The contrast ratio R is given by the following equation.

R=2[cos(φ+φo){Ppc−(Pub+Plb)/2}+sin(φ+φo){(Pub+Plb)/2}−Pns]/(Pub−Plb)
・・・(23)
R = 2 [cos (φ + φo) {Ppc− (Pub + Plb) / 2} + sin (φ + φo) {(Pub + Plb) / 2} −Pns] / (Pub−Plb)
(23)

このようにして、本実施例によると、形状演算手段による測定物体の表面形状の演算が、φ=atan[{(Pub+Plb)/2Pns}/{Ppc−(Pub+Plb)/2}]+φcに基づいて行なわれ、信頼度演算手段によるコントラスト比Rの演算が、R=2[cos(φ+φo){Ppc−(Pub+Plb)/2}+sin(φ+φo){(Pub+Plb)/2}−Pns]/(Pub−Plb)に基づいて行なわれる。
本実施例のその他の動作は、すでに説明した実施例1と同一なので、重複する説明は行なわない。
Thus, according to the present embodiment, the calculation of the surface shape of the measurement object by the shape calculation means is based on φ = atan [{(Pub + Plb) / 2Pns} / {Ppc− (Pub + Plb) / 2}] + φc. When the contrast ratio R is calculated by the reliability calculation means, R = 2 [cos (φ + φo) {Ppc− (Pub + Plb) / 2} + sin (φ + φo) {(Pub + Plb) / 2} −Pns] / (Pub− Plb).
The other operations of the present embodiment are the same as those of the first embodiment already described, and therefore will not be described repeatedly.

本実施例によると、すでに説明した実施例2よりも少ない照射パターン数を使用することにより、実施例1で得られる効果に加えて、測定物体の形状測定を測定時間をさらに短縮して実行し、測定物体1に対する高精度の形状測定を実現することが可能になる。
本実施例のその他の効果は、すでに説明した実施例1と同一なので重複する説明は行なわない。
According to the present embodiment, by using a smaller number of irradiation patterns than the second embodiment already described, in addition to the effect obtained in the first embodiment, the measurement of the shape of the measurement object can be performed with a further reduction in the measurement time. It becomes possible to realize highly accurate shape measurement for the measurement object 1.
The other effects of the present embodiment are the same as those of the first embodiment already described, and therefore will not be described repeatedly.

(第4の実施の形態)
実施例4
本発明の実施例4を図4を参照して説明する。
図4は本実施例の撮像光の光量分布とコントラスト比との特性を示す特性図である。
(Fourth embodiment)
Example 4
A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing the characteristics between the light quantity distribution of the imaging light and the contrast ratio in this embodiment.

本実施例では、照射パターンが複数のスリットに対する光走査で得られ、A、Bを定数として前記照射パターンの光量が、スリットのない部分で前記照射パターンの光量分布の下限値Plb=A−B、スリット部分で前記照射パターンの光量分布の上限値Pub=A+Bとなり、形状演算手段による測定物体の表面形状の演算が、指定したスリット位置に基づいて行なわれるように構成されている。
また、本実施例では、スリットが複数用いられるので、CCD11上に結像した複数のスリットに対してスリット番号を特定する必要がある。このために、測定物体の表面高さの範囲をスリット幅に対応させて限定することにより、結像時に各スリットに結像範囲の重なりが発生しないように構成されている。
本実施例のその他の部分の構成は、すでに説明した実施例1と同一なので、重複する説明は行なわない。
In the present embodiment, the irradiation pattern is obtained by optical scanning with respect to a plurality of slits, and the light amount of the irradiation pattern is a lower limit value Plb = AB of the irradiation pattern in a portion where there is no slit, where A and B are constants. The upper limit value Pub = A + B of the light amount distribution of the irradiation pattern at the slit portion, and the calculation of the surface shape of the measurement object by the shape calculating means is performed based on the designated slit position.
In this embodiment, since a plurality of slits are used, it is necessary to specify a slit number for a plurality of slits imaged on the CCD 11. For this reason, the range of the surface height of the measurement object is limited to correspond to the slit width, so that the overlapping of the imaging range does not occur in each slit during imaging.
Since the configuration of the other parts of the present embodiment is the same as that of the first embodiment already described, duplicate description will not be given.

本実施例のスリットによる照射パターンの撮像光量分布は、スリット部では(24a)式により、スリット部以外では(24b)で表される。   The imaging light amount distribution of the irradiation pattern by the slit of this embodiment is expressed by the equation (24a) in the slit portion and (24b) in the portions other than the slit portion.

Ps=A+B・C2 ・・・(24a)
Ps=A−B・C2 ・・・(24b)
Ps = A + B · C2 (24a)
Ps = A−B · C2 (24b)

また、下限パターンLBと上限パターUBは、それぞれすでに説明した(7a)式と(7b)式とで表される。
さらに、本実施例において、撮像パターンの振幅は、スリットパターンのスリット部に対して(25a)式で、均一パターンに対して(25b)で表される。
Further, the lower limit pattern LB and the upper limit pattern UB are expressed by the expressions (7a) and (7b) described above, respectively.
Furthermore, in the present embodiment, the amplitude of the imaging pattern is expressed by the equation (25a) for the slit portion of the slit pattern and by (25b) for the uniform pattern.

B2=B・C2=Ps−(Pub+Plb)/2
・・・(25a)
B1=B・C1=(Pub−Plb)/2 ・・・(25b)
B2 = B · C2 = Ps− (Pub + Plb) / 2
... (25a)
B1 = B · C1 = (Pub−Plb) / 2 (25b)

そして、コントラスト比Rは次式で表される。   The contrast ratio R is expressed by the following equation.

R=B2/B1={2Ps−(Pub+Plb)}/(Pub−Plb)
・・・(26)
R = B2 / B1 = {2Ps− (Pub + Plb)} / (Pub−Plb)
... (26)

本実施例では、図4(a)に示すように、照射パターンの撮像光量分布Psの山部分となるスリット位置に対応する包絡線Ena2と、照射パターンの撮像光量分布Psの谷部分となるスリット以外の部分に対応する包絡線Enb2との差が照射パターンの光量振幅となる。図4(b)に示すように、(26)式に従ってスリット位置で演算したコントラスト比Rは、包絡線Ena2に等しいが、スリット以外の部分では空間周波数の高周波成分は少ないので、包絡線Enb2はPlbにほぼ等しく、この場合はスリット位置でしか形状測定は行なわれないので、コントラスト比Rは(26)式で演算される。
本実施例のその他の動作は、すでに説明した実施例1と同一なので、重複する説明は行なわない。
In this embodiment, as shown in FIG. 4A, the envelope Ena2 corresponding to the slit position that becomes the peak portion of the imaging light amount distribution Ps of the irradiation pattern and the slit that becomes the valley portion of the imaging light amount distribution Ps of the irradiation pattern. The difference from the envelope Enb2 corresponding to the other portion is the light amount amplitude of the irradiation pattern. As shown in FIG. 4B, the contrast ratio R calculated at the slit position according to the equation (26) is equal to the envelope Ena2, but since the high frequency component of the spatial frequency is small in portions other than the slit, the envelope Enb2 is Since the shape measurement is performed only at the slit position in this case, the contrast ratio R is calculated by the equation (26).
The other operations of the present embodiment are the same as those of the first embodiment already described, and therefore will not be described repeatedly.

本実施例によると、照射パターンが複数のスリットに対する光走査で得られ、スリット位置のみで形状測定を行なうことにより光量が明暗の2値となり、多重反射の影響を受けにくい状態で、測定物体の形状測定を信頼度を高めて行なうことが可能になる。
本実施例のその他の効果は、すでに説明した実施例1と同一なので、重複する説明は行なわない。
According to the present embodiment, the irradiation pattern is obtained by optical scanning with respect to a plurality of slits, and by performing shape measurement only at the slit positions, the light quantity becomes a binary value of brightness and darkness, and the measurement object is not easily affected by multiple reflections. It becomes possible to perform shape measurement with high reliability.
The other effects of the present embodiment are the same as those of the first embodiment already described, and therefore will not be described repeatedly.

(第5の実施の形態)
実施例5
本発明の実施例5を図5及び図6を参照して説明する。
図5は本実施例の照射光の光量分布と空間番号との特性を示す特性図、図6は本実施例の撮像光の光量分布とコントラスト比との特性を示す特性図である。
(Fifth embodiment)
Example 5
A fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 5 is a characteristic diagram showing the characteristics of the light quantity distribution of the irradiation light and the space number in this embodiment, and FIG. 6 is a characteristic chart showing the characteristics of the light quantity distribution of the imaging light and the contrast ratio in this embodiment.

本実施例では、照射パターンの光量分布が、空間コード化法で用いられるA、Bを定数とするA−BとA+Bの2値矩形波分布であり、照射パターンの光量分布の下限値PlbがA−B、照射パターンの光量分布の上限値PubがA+Bであり、形状演算手段による測定物体の表面形状の演算が、照射パターンの1レベル部と0レベル部に対する光量分布Pscから得られる空間コードに基づいて行なわれるように構成されている。
本実施例のその他の部分の構成は、すでに説明した実施例1と同一なので、重複する説明は行なわない。
In this embodiment, the light amount distribution of the irradiation pattern is a binary rectangular wave distribution of AB and A + B with A and B used as constants in the spatial coding method, and the lower limit value Plb of the light amount distribution of the irradiation pattern is A-B, the upper limit value Pub of the light amount distribution of the irradiation pattern is A + B, and the calculation of the surface shape of the measurement object by the shape calculating means is obtained from the light amount distribution Psc for the 1 level portion and the 0 level portion of the irradiation pattern It is comprised so that it may be performed based on.
Since the configuration of the other parts of the present embodiment is the same as that of the first embodiment already described, duplicate description will not be given.

本実施例では、図5(a)(b)に示すように、照射角度に対して空間コードを2値化した光量分布の空間コード化パターンを照射するが、例えば4ビットで空間に0から15までの空間番号Lidを対応付ける。図5(a)の場合は、Igoが最低ビット位でIg3が最上ビット位であるが、コード化のビット数を増やすとより細かい空間分解能を得ることができる。
本実施例では、空間周波数の一番高い最低ビット位のIgoのパターンを撮像し、そこからコントラスト比の演算を行なう。最低ビット位のパターンを撮像した撮像角度に対する光量分布は、図6(a)のようになり、多重反射の影響を受けて、最低ビット位のパターン光量は、上限パターンと下限パターンの中間に位置する。
In this embodiment, as shown in FIGS. 5A and 5B, a spatially coded pattern having a light quantity distribution obtained by binarizing the spatial code with respect to the irradiation angle is irradiated. Associate space numbers Lid up to 15. In the case of FIG. 5A, Igo is the lowest bit position and Ig3 is the highest bit position. However, if the number of coding bits is increased, finer spatial resolution can be obtained.
In the present embodiment, an Igo pattern at the lowest bit position having the highest spatial frequency is imaged, and the contrast ratio is calculated therefrom. The light amount distribution with respect to the imaging angle at which the lowest bit pattern is imaged is as shown in FIG. 6A, and the pattern light amount at the lowest bit position is located between the upper limit pattern and the lower limit pattern due to the influence of multiple reflection. To do.

本実施例の空間コードパターンの撮像光量分布Pscは、1レベル部では(27a)式で、0レベル部では(27b)式で与えられる。   The imaging light quantity distribution Psc of the spatial code pattern of this embodiment is given by the equation (27a) at the 1st level portion and by the equation (27b) at the 0th level portion.

Psc=A+B・C2 ・・・(27a)
Psc=A−B・C2 ・・・(27b)
Psc = A + B · C2 (27a)
Psc = A−B · C2 (27b)

nビットのコード化を行なう場合、空間コード化パターン数はn、判別可能な空間コード数は2のn乗で、n=8の場合には空間コード化パターン数は8、空間コード数は256となり、測定範囲を256分割することができる。
また、下限パターンLBと上限パターンUBとは、すでに説明した(7a)式(7b)式でそれぞれ表される。
また、撮像により観察されるパターンの振幅は、スリットパターンのスリット部と均一パターンに対して次式のようになる。
When n-bit coding is performed, the number of spatial coding patterns is n, the number of discriminable spatial codes is 2 to the nth power, and when n = 8, the number of spatial coding patterns is 8, and the number of spatial codes is 256. Thus, the measurement range can be divided into 256 parts.
Further, the lower limit pattern LB and the upper limit pattern UB are respectively expressed by the expressions (7a) and (7b) already described.
Further, the amplitude of the pattern observed by imaging is expressed by the following equation with respect to the slit portion of the slit pattern and the uniform pattern.

B2=BC2=Psc−(Pub+Plb)/2
・・・(28)
B2 = BC2 = Psc− (Pub + Plb) / 2
... (28)

そして、スリット部におけるコントラスト比Rは次式で表される。   And contrast ratio R in a slit part is represented by following Formula.

R=B2/B1={2Psc−(Pub+Plb)}/(Pub−Plb)
・・・(29)
R = B2 / B1 = {2Psc- (Pub + Plb)} / (Pub-Plb)
... (29)

(29)式に基づいて演算したコントラスト比Rは、図6(b)のようになり、撮像角度の大きいところではコントラスト比Rが劣化するので、空間コードの信頼度は低下する。図6(a)の光量が大きく変化する境界位置に対応して、同図(b)のコントラスト比Rが低下しているが、これは照射パターンのエッジがぼけたための影響で、多重反射の発生によるものではない。図6(b)の包絡線Encで示すコントラスト比が多重反射の発生の影響を示している。   The contrast ratio R calculated based on the equation (29) is as shown in FIG. 6B, and the contrast ratio R deteriorates where the imaging angle is large, so the reliability of the spatial code decreases. Corresponding to the boundary position where the amount of light in FIG. 6 (a) changes greatly, the contrast ratio R in FIG. 6 (b) is lowered. This is due to the blurring of the edge of the irradiation pattern. It is not due to the occurrence. The contrast ratio indicated by the envelope Enc in FIG. 6B indicates the influence of the occurrence of multiple reflection.

本実施例によると、照射パターンが空間コード化法に基づき、その光量分布が2値矩形波分布となり、光量が明暗の2値となって多重反射の影響を受けにくい状態となり、測定物体の形状測定を信頼度を高めて行なうことが可能になる。
本実施例のその他の効果は、すでに説明した実施1と同一なので、重複する説明は行なわない。
According to the present embodiment, the irradiation pattern is based on the spatial encoding method, the light amount distribution is a binary rectangular wave distribution, the light amount is light and dark binary, and is not easily affected by multiple reflections, and the shape of the measurement object Measurement can be performed with high reliability.
Other effects of the present embodiment are the same as those of the first embodiment already described, and therefore, a duplicate description will not be given.

本発明は、整形・口腔外科などの医療分野における人体形状計測、紳士・婦人服業界での自動採寸、自動車、カメラ、電気製品などのグレイモデルからの三次元CADデータの計測、美術工芸品の三次元などに利用することができる。   The present invention relates to measurement of human body shape in the medical field such as orthopedics and oral surgery, automatic measurement in the men's and women's clothing industry, measurement of three-dimensional CAD data from gray models such as automobiles, cameras and electrical products, It can be used for 3D.

本発明の実施例1の全体構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the whole structure of Example 1 of this invention. 同実施例の撮像光の光量分布とコントラスト比との特性を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the characteristic of light quantity distribution and contrast ratio of the imaging light of the Example. 同実施例での形状測定により得られる撮像画像である。It is the captured image obtained by the shape measurement in the same Example. 本発明の実施例4の撮像光の光量分布とコントラスト比との特性を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the characteristic of the light quantity distribution and contrast ratio of the imaging light of Example 4 of this invention. 本発明の実施例5の照射光の光量分布と空間番号との特性を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the characteristic of light quantity distribution and space number of irradiation light of Example 5 of this invention. 同実施例の撮像光の光量分布とコントラスト比との特性を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the characteristic of the light quantity distribution and contrast ratio of the imaging light of the Example. 従来のパターン測定法の原理を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the principle of the conventional pattern measuring method.

符号の説明Explanation of symbols

1 測定物体
2 プロジェクタ
7 プロジェクタ制御部
8 カメラ
11 CCD
12 カメラ制御部
13 形状演算部
14 信頼度演算部
15 データ出力部
16 メモリ
1 Measurement Object 2 Projector 7 Projector Control Unit 8 Camera 11 CCD
12 Camera Control Unit 13 Shape Calculation Unit 14 Reliability Calculation Unit 15 Data Output Unit 16 Memory

Claims (8)

繰り返し光パターンからなる照射パターンを測定物体に照射する照射手段と、該照射手段と異なる位置に配設され、前記照射パターンが前記測定物体で反射して得られる反射撮像パターンを撮像する撮像手段と、該撮像手段が撮像する反射撮像パターンに基づいて、前記測定物体の表面形状を演算する形状演算手段とを備えた物体形状測定装置において、 前記照射パターンの光量分布の下限値をPlb、前記照射パターンの光量分布の上限値をPubとし、前記照射パターンの光量をIaとして、前記測定物体の測定信頼度を示すコントラスト比RをIa/(Pub−Plb)により演算する信頼度演算手段と、
前記形状演算手段が演算する表面形状データと前記信頼度演算手段が演算するコントラスト比データとを出力するデータ出力手段と
を有することを特徴とする物体形状測定装置。
An irradiating unit that irradiates the measurement object with an irradiation pattern composed of a repeated light pattern; and an imaging unit that is disposed at a position different from the irradiating unit and that captures a reflected imaging pattern obtained by reflecting the irradiation pattern on the measurement object; An object shape measuring apparatus comprising shape calculating means for calculating a surface shape of the measurement object based on a reflection image pickup pattern picked up by the image pickup means, wherein the lower limit value of the light amount distribution of the irradiation pattern is Plb, and the irradiation A reliability calculation means for calculating the contrast ratio R indicating the measurement reliability of the measurement object by Ia / (Pub−Plb), where the upper limit value of the light distribution of the pattern is Pub, the light amount of the irradiation pattern is Ia,
An object shape measuring apparatus comprising: data output means for outputting surface shape data calculated by the shape calculating means and contrast ratio data calculated by the reliability calculating means.
A、B、φcを定数、φを0〜2π範囲の位相、初期位相をφoとして、照射パターンの光量分布IがI=A+Bcos(φ+φo)、前記照射パターンの光量分布の下限値PlbがPlb=A−B、前記照射パターンの光量分布の上限値PubがPub=A+Bであり、
φo=0、π/2、π、3π/2の前記照射パターンの光量分布Iを、それぞれPpc、Pns、Pnc、Ppsとし、tan関数の逆関数をatan、測度関数をφとして、 形状演算手段による測定物体の表面形状の演算が、φ=atan{(Pps−Pns)/(Ppc−Pnc)}+φcに基づいて行なわれ、
信頼度演算手段によるコントラスト比Rの演算が、R={cos(φ+φo)(Ppc−Pnc)+sin(φ+φo)(Pps−Pns)}/(Pub−Plb)に基づいて行なわれることを特徴とする請求項1記載の物体形状測定装置。
A, B, and φc are constants, φ is a phase in the range of 0 to 2π, and the initial phase is φo, the light distribution I of the irradiation pattern is I = A + Bcos (φ + φo), and the lower limit Plb of the light distribution of the irradiation pattern is Plb = A−B, the upper limit value Pub of the light amount distribution of the irradiation pattern is Pub = A + B,
Shape calculation means with the light intensity distribution I of the irradiation pattern of φo = 0, π / 2, π, 3π / 2 as Ppc, Pns, Pnc, Pps, the inverse function of the tan function as atan, and the measure function as φ, respectively Is calculated based on φ = atan {(Pps−Pns) / (Ppc−Pnc)} + φc,
The contrast ratio R is calculated by the reliability calculating means based on R = {cos (φ + φo) (Ppc−Pnc) + sin (φ + φo) (Pps−Pns)} / (Pub−Plb). The object shape measuring apparatus according to claim 1.
A、B、φcを定数、φを0〜2π範囲の位相、初期位相をφoとして、照射パターンの光量分布IがI=A+Bcos(φ+φo)、前記照射パターンの光量分布の下限値PlbがPlb=A−B、前記照射パターンの光量分布の上限値PubがPub=A+Bであり、
φo=0、π/2、πの前記照射パターンの光量分布Iを、それぞれPpc、Pns、Pncとし、tan関数の逆関数をatan、測度関数をφとして、形状演算手段による測定物体の表面形状の演算が、φ=atan{(Pnc−Pns)/(Ppc−Pns)}+φcに基づいて行なわれ、
信頼度演算手段によるコントラスト比Rの演算が、R=[cos(φ+φo)(Ppc−Pnc)+2sin(φ+φo){(Pub+Plb)/2Pns]/(Pub−Plb)に基づいて行なわれることを特徴とする請求項1記載の物体形状測定装置。
A, B, and φc are constants, φ is a phase in the range of 0 to 2π, and the initial phase is φo, the light distribution I of the irradiation pattern is I = A + Bcos (φ + φo), and the lower limit Plb of the light distribution of the irradiation pattern is Plb = A−B, the upper limit value Pub of the light amount distribution of the irradiation pattern is Pub = A + B,
The surface shape of the object to be measured by the shape calculation means, where the light quantity distribution I of the irradiation pattern of φo = 0, π / 2, π is Ppc, Pns, Pnc, the inverse function of the tan function is atan, and the measure function is φ. Is calculated based on φ = atan {(Pnc−Pns) / (Ppc−Pns)} + φc,
The contrast ratio R is calculated by the reliability calculating means based on R = [cos (φ + φo) (Ppc−Pnc) +2 sin (φ + φo) {(Pub + Plb) / 2Pns] / (Pub−Plb). The object shape measuring apparatus according to claim 1.
A、B、φcを定数、φを0〜2π範囲の位相、初期位相をφoとして、照射パターンの光量分布IがI=A+Bcos(φ+φo)、前記照射パターンの光量分布の下限値PlbがPlb=A−B、前記照射パターンの光量分布の上限値PubがPub=A+Bであり、
φo=0、π/2の前記照射パターンの光量分布Iを、それぞれPpc、Pnsとし、tan関数の逆関数をatan、測度関数をφとして、形状演算手段による測定物体の表面形状の演算が、φ=atan[{(Pub+Plb)/2Pns}/{Ppc−(Pub+Plb)/2}]+φcに基づいて行なわれ、
信頼度演算手段によるコントラスト比Rの演算が、R=2[cos(φ+φo){Ppc−(Pub+Plb)/2}+sin(φ+φo){(Pub+Plb)/2}−Pns]/(Pub−Plb)に基づいて行なわれることを特徴とする請求項1記載の物体形状測定装置。
A, B, and φc are constants, φ is a phase in the range of 0 to 2π, and the initial phase is φo, the light distribution I of the irradiation pattern is I = A + Bcos (φ + φo), and the lower limit Plb of the light distribution of the irradiation pattern is Plb = A−B, the upper limit value Pub of the light amount distribution of the irradiation pattern is Pub = A + B,
The calculation of the surface shape of the measurement object by the shape calculation means with the light quantity distribution I of the irradiation pattern of φo = 0, π / 2 as Ppc and Pns, the inverse function of the tan function as atan, and the measure function as φ, φ = atan [{(Pub + Plb) / 2Pns} / {Ppc− (Pub + Plb) / 2}] + φc,
The calculation of the contrast ratio R by the reliability calculation means is R = 2 [cos (φ + φo) {Ppc− (Pub + Plb) / 2} + sin (φ + φo) {(Pub + Plb) / 2} −Pns] / (Pub−Plb) The object shape measuring apparatus according to claim 1, wherein the object shape measuring apparatus is performed based on the above.
照射パターンが複数のスリットに対する光走査で得られ、A、Bを定数として前記照射パターンの光量が、スリットのない部分で前記照射パターンの光量分布の下限値Plb=A−B、スリット部分で前記照射パターンの光量分布の上限値Pub=A+Bとなり、形状演算手段による測定物体の表面形状の演算が、スリットパターンに対する光量分布Psに基づいて行なわれ、信頼度演算手段によるコントラスト比Rの演算が、R={2Ps−(Pub+Plb)}/(Pub−Plb)に基づいて行なわれることを特徴とする請求項1記載の物体形状測定装置。   An irradiation pattern is obtained by optical scanning with respect to a plurality of slits, and A and B are constants, and the light amount of the irradiation pattern is a lower limit value Plb = A−B of the light amount distribution of the irradiation pattern in a portion without the slit, and the slit portion The upper limit value Pub = A + B of the light quantity distribution of the irradiation pattern is obtained, the calculation of the surface shape of the measurement object by the shape calculating means is performed based on the light quantity distribution Ps with respect to the slit pattern, and the contrast ratio R is calculated by the reliability calculating means. 2. The object shape measuring apparatus according to claim 1, which is performed based on R = {2Ps− (Pub + Plb)} / (Pub−Plb). 照射パターンの光量分布が、空間コード化法で用いられるA、Bを定数とするA−BとA+Bの2値矩形波分布であり、前記照射パターンの光量分布の下限値PlbがA−B、前記照射パターンの光量分布の上限値PubがA+Bであり、形状演算手段による測定物体の表面形状の演算が、照射パターンの1レベル部と0レベル部に対する光量分布Pscから得られる空間コードに基づいて行なわれ、信頼度演算手段によるコントラスト比Rの演算が、R={2Psc−(Pub+Plb)}/(Pub−Plb)に基づいて行なわれることを特徴とする請求項1記載の物体形状測定装置。   The light quantity distribution of the irradiation pattern is a binary rectangular wave distribution of AB and A + B with A and B as constants used in the spatial coding method, and the lower limit value Plb of the light quantity distribution of the irradiation pattern is AB. The upper limit value Pub of the light amount distribution of the irradiation pattern is A + B, and the calculation of the surface shape of the measurement object by the shape calculating means is based on the spatial code obtained from the light amount distribution Psc for the 1 level portion and the 0 level portion of the irradiation pattern. 2. The object shape measuring apparatus according to claim 1, wherein the calculation of the contrast ratio R by the reliability calculation means is performed based on R = {2Psc- (Pub + Plb)} / (Pub-Plb). データ出力手段が、信頼度演算手段が演算するコントラスト比が予め設定される基準値を下回った測定座標に対しては、形状演算手段の演算した表面形状データと対応するコントラスト比データの出力を禁止することを特徴とする請求項1記載の物体形状測定装置。   The data output means prohibits the output of contrast ratio data corresponding to the surface shape data calculated by the shape calculating means for measurement coordinates where the contrast ratio calculated by the reliability calculating means falls below a preset reference value. The object shape measuring apparatus according to claim 1. データ出力手段が、信頼度演算手段が演算するコントラスト比データと形状演算手段の演算する表面形状データに対して、サンプリング出力を行なう場合は、サンプリング点の座標を近傍座標にコントラスト比で重み付け平均した座標とし、サンプリング点のコントラスト比を近傍座標のコントラスト比の平均値とすることを特徴とする請求項1記載の物体形状測定装置。


When the data output means performs sampling output on the contrast ratio data calculated by the reliability calculation means and the surface shape data calculated by the shape calculation means, the coordinates of the sampling points are weighted and averaged by the contrast ratio with the coordinates of the sampling points. The object shape measuring apparatus according to claim 1, wherein the coordinates are used, and the contrast ratio of the sampling points is an average value of the contrast ratios of neighboring coordinates.


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