JP3997751B2 - ３次元形状計測装置および３次元形状計測方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は立体の３次元形状を計測する装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、従来の光切断法を用いた３次元形状計測装置の一例である特開平６−３２３８２０号公報に示される構成図である。図４に示す従来の光切断法を用いた３次元形状計測装置は、計測対象２０１と、計測対象２０１の姿勢を変更するステージ２００と、計測対象２０１にスリット光２０３を照射するスリット光源２０２と、計測対象表面に貼り付けられたスリット光２０３を反射しないマーク２０８と、スリット光２０３によって計測対象２０１の表面上に形成された光切断線２０５を撮像するテレビカメラ２０４と、テレビカメラ２０４の画像から得られた計測対象２０１の形状データを用いて、ステージ２００から得られた計測対象の姿勢データとテレビカメラ２０４から得られたスリット光２０３のマーク２０８による切れ目に基づいて複数の姿勢状態における計測対象２０１の３次元形状データを合成するデータ処理装置２０７とで構成されている。
【０００３】
次に、従来の光切断法を用いた３次元形状計測装置の動作について説明する。スリット光源２０２から出射されたスリット光２０３は、計測対象２０１の表面で光切断線２０５を形成する。テレビカメラ２０４で光切断線２０５を撮像し、テレビカメラ２０４の画面座標系における光切断線２０５の像の２次元画像データを、ステージ２００から得た変換位置データを用いて、スリット光２０３面を含む測定座標系における光切断線２０５の２次元形状データに変換する。
【０００４】
これら２次元形状データを合成することで計測対象２０１の各姿勢状態における３次元形状データを得る。次に、テレビカメラ２０４がマーク２０８を撮像できる範囲内で計測対象２０１の姿勢をステージ２００により変更する。マーク２０８の位置から計測対象２０１の各姿勢データを求め、各姿勢状態における計測対象２０１の各計測方向についての３次元形状データを合成することを特徴とする。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の３次元形状計測方法において、計測対象の表面の起伏が大きい場合に、テレビカメラから計測対象の表面上に形成された光切断線を撮像した時、テレビカメラと光切断線との間に突起部があれば、光切断線一部が撮像できず、計測対象の正確な形状を得ることができない。
【０００６】
或いはデータ処理装置が光切断光のうち撮像できなかった部分をスリット光を反射しないマークであると判断し、２次元形状データの合成ができない。つまり従来技術の第１の問題点は、計測対象の表面の起伏が大きい時に、形状データを得ることができない場合があることである。
【０００７】
また、計測対象に異物を取り付けられない場合や、計測対象がごく微細な場合には、計測対象の姿勢データを得る為のスリット光を反射しないマークを計測対象に設置することができず、２次元形状データの合成を行うことができない。つまり従来技術の第２の問題点は、マークを取り付けることができない場合に、形状の計測ができないことである。
【０００８】
本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を解消して計測対象の３次元形状を計測することのできる装置及び方法を提供する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様に係わる３次元形状計測装置は、計測対象の表面形状を表す３次元位置データを取得する計測装置であって、
基準面上に置かれた前記計測対象の距離を計測する１次元位置計測器と、
前記１次元位置計測器と前記計測対象との距離を平面に沿って相対的に走査する為のＸＹステージ手段と、
前記ＸＹステージ手段を前記計測対象が置かれた前記基準面の法線に対して所定の角度に傾ける第１の手段と、
前記第１の手段の回転中心点を中心として該第１の手段を前記計測対象が置かれた前記基準面に対して垂直な軸回りの回転をする第２の手段と、
前記１次元位置計測器と前記計測対象との距離を前記ＸＹステージ手段で相対的に走査して得られる各ＸＹ位置における距離のデータを形状データとして出力する形状データ計測手段と、
該形状データを受けて該形状データが前記第１の手段が傾斜しない状態で得られた形状データであった場合にはそのまま変換済み形状データとして出力し、前記第１の手段が傾斜した状態で得られた形状データであった場合には座標変換を行い前記第１の手段を傾斜させない状態で得られた形状データと同一座標系に変換して変換済み形状データとして出力する形状データ変換手段と、
前記第１の手段を傾斜しない状態で得られた形状データと前記第１の手段を傾斜した状態で得られた変換済み形状データを受けてこれらを合成し計測対象の３次元形状データとして出力する形状データ合成手段と、
前記３次元形状データを受けて計測対象の形状を表示する形状データ表示手段とを備え、
前記形状データ合成手段は、
前記第１の手段を傾斜しない状態で得られた前記形状データの計測対象の基準面からの高さに対して、前記第１の手段を傾斜した状態で得られた前記変換済み形状データの計測対象の基準面からの高さが一致するようにこの変換済み形状データの高さにオフセットをかけ、
前記第１の手段を傾斜しない状態で得られた前記形状データの計測対象の所定方向の側面位置と、前記第１の手段を傾斜した状態で得られた前記変換済み形状データの計測対象のこの所定方向の側面位置が一致するように、この変換済み形状データをこの所定方向に平行移動させることを特徴とする。
ここで、前記形状データ合成手段は、前記第１の手段を傾斜した状態で得られた前記変換済み形状データの高さにオフセットをかけるときに、前記第１の手段を傾斜しない状態で得られた前記形状データの計測対象の高さの所定割合以上の高さである高さデータの平均値に、この変換済み形状データの計測対象の高さの所定割合以上の高さである高さデータの平均値が一致するように、この変換済み形状データの高さにオフセットをかけることができる。
また、前記形状データ合成手段は、前記第１の手段を傾斜した状態で得られた前記変換済み形状データのうち、第１の所定高さ以上、第２の所定高さ未満である高さデータを有効とすることができる。
この場合、前記形状データ合成手段は、前記有効とした前記変換済み形状データの高さデータを前記第１の手段を傾斜しない状態で得られた前記形状データに重ね合わせ、同一ＸＹ位置に対しデータが２つ以上存在する場合にはその平均をとることで、計測対象の３次元形状データを得ることができる。
【００１０】
ここで、前記第１の手段はθｘ傾斜ステージであり、前記第２の手段はθｚ回転ステージであることが好ましい。この場合、前記θｘ傾斜ステージは計測対象の姿勢を任意の角度に調整可能なθｘ傾斜ステージであり、前記θｚ回転ステージは計測対象の姿勢を任意の角度に調整可能なθｚ回転ステージであることができる。
【００１１】
あるいは、前記第１および第２の手段は前記ＸＹステージを計測対象を中心とする球面上で任意の位置に移動させることが可能な球状ガイドであることができる。この場合、前記球状ガイドは計測対象の姿勢を任意の角度に調整可能な球状ガイドであることができる。
【００１２】
また、前記ＸＹステージ手段は前記１次元位置計測器を搭載して走査するＸＹステージであることが好ましい。あるいは、前記ＸＹステージ手段は前記計測対象を搭載して走査するＸＹステージであることが好ましい。
【００１３】
本発明の別の態様に係わる３次元形状計測方法は、計測対象の形状を計測する計測方法であって、
１次元位置計測器を用いて基準面上に置かれた計測対象の基準面に対して鉛直上方からの形状データを計測し上方データとするステップと、
θｘステージにて前記１次元位置計測器の計測角度を斜方に変更するステップと、
前記計測対象の斜方からの形状データを計測し、その方向から計測可能な計測対象の上面及び側面の形状データを有効データとして第１の斜方データとするステップと、
θｚ回転ステージにて前記１次元位置計測器の測定方向を変更するステップと、
θｚ回転ステージにて１次元位置計測器の測定方向を変更する前記ステップと、計測対象の斜方からの形状データを計測する前記ステップとを所定測定方向について行い、各々で得られた斜方データを第１〜ｎの斜方データとするステップと、
前記第１〜ｎの斜方データを前記上方データと同じ座標系、測定格子点間隔に変換して第１〜ｎの変換済み斜方データとするステップと、
前記上方データの前記計測対象の基準面からの高さに対して、前記第１〜ｎの変換済み斜方データの前記計測対象の基準面からの高さが一致するように、前記第１〜ｎの変換済み斜方データの各点の基準面からの高さにオフセットをかけるステップと、
前記上方データの前記計測対象の所定方向の側面位置と、前記第１〜ｎの変換済み斜方データの前記計測対象の側面位置が一致するように、前記第１〜ｎの変換済み斜方データを前記所定方向に平行移動させるステップと、
前記第１〜ｎの変換済み斜方データの計測対象の第１の所定高さ以下かつ第２の所定高さ以上のデータを有効とするステップと、
前記第１〜ｎの変換済み斜方データのうち有効なデータを前記上方データに重ね合わせ、同一ＸＹ位置に対しデータが２つ存在する場合はその平均値をとり、前記計測対象の３次元形状データとするステップとを備えることを特徴とする。
ここで、前記上方データの前記計測対象の高さに対して、第１〜ｎの変換後の斜方データの前記計測対象の高さが一致するように、前記第１〜ｎの変換後の斜方データの高さを調整するステップにおいて、前記基準面を基準とした前記計測対象の高さに対して、高さデータが所定割合以上である前記上方データの平均値と高さデータが所定割合以上である前記第１〜ｎの変換後の斜方データの平均値が一致するように前記第１〜ｎの変換後の斜方データの高さを調整することができる。
【００１４】
本発明のまた別の態様に係わる３次元形状計測方法は、計測対象の形状を計測する計測方法であって、
１次元位置計測器を用いて基準面上に置かれた計測対象の基準面に対して鉛直上方からの形状データを計測し上方データとするステップと、
θｘステージにて前記１次元位置計測器の計測角度を斜方に変更するステップと、
前記計測対象の斜方からの形状データを計測し、その方向から計測可能な計測対象の上面及び側面の形状データを有効データとして第１の斜方データとするステップと、
θｚ回転ステージにて前記１次元位置計測器の測定方向を変更するステップと、
θｚ回転ステージにて１次元位置計測器の測定方向を変更する前記ステップと、計測対象の斜方からの形状データを計測する前記ステップとを所定測定方向について行い、各々で得られた斜方データを第１〜ｎの斜方データとするステップと、
前記第１〜ｎの斜方データを前記上方データと同じ座標系、測定格子点間隔に変換して第１〜ｎの変換済み斜方データとするステップと、
前記上方データの前記計測対象の基準面からの高さに対して、前記第１〜ｎの変換済み斜方データの前記計測対象の基準面からの高さが一致するように、前記第１〜ｎの変換済み斜方データの各点の基準面からの高さにオフセットをかけるステップと、
前記上方データの前記計測対象の所定高さ以上であるデータの重心位置と、前記第１〜ｎの変換済み斜方データの前記計測対象の所定高さ以上であるデータの重心位置とが一致するように、前記第１〜ｎの変換済み斜方データを平行移動させるステップと、
前記第１〜ｎの変換済み斜方データの計測対象の第１の所定高さ以下かつ第２の所定高さ以上のデータを有効とするステップと、
前記第１〜ｎの変換済み斜方データのうち有効なデータを前記上方データに重ね合わせ、同一ＸＹ位置に対しデータが２つ存在する場合はその平均値をとり、前記計測対象の３次元形状データとするステップとを備えることを特徴とする。
【００１５】
この場合、前記上方データの前記計測対象の高さに対して、第１〜ｎの変換後の斜方データの前記計測対象の高さが一致するように、前記第１〜ｎの変換後の斜方データの高さを調整するステップにおいて、前記基準面を基準とした前記計測対象の高さに対して、高さデータが所定割合以上である前記上方データの平均値と高さデータが所定割合以上である前記第１〜ｎの変換後の斜方データの平均値が一致するように前記第１〜ｎの変換後の斜方データの高さを調整することができる。
【００１６】
本発明のまた別の態様に係わる３次元形状計測方法は、計測対象の形状を計測する計測方法であって、
１次元位置計測器を用いて基準面上に置かれた計測対象の基準面に対して鉛直上方からの形状データを計測し上方データとするステップと、
θｘステージにて前記１次元位置計測器の計測角度を斜方に変更するステップと、
前記計測対象の斜方からの形状データを計測し、その方向から計測可能な計測対象の上面及び側面の形状データを有効データとして第１の斜方データとするステップと、
θｚ回転ステージにて前記１次元位置計測器の測定方向を変更するステップと、
θｚ回転ステージにて１次元位置計測器の測定方向を変更する前記ステップと、計測対象の斜方からの形状データを計測する前記ステップとを所定測定方向について行い、各々で得られた斜方データを第１〜ｎの斜方データとするステップと、
前記第１〜ｎの斜方データを前記上方データと同じ座標系、測定格子点間隔に変換して第１〜ｎの変換済み斜方データとするステップと、
前記上方データの前記計測対象の基準面からの高さに対して、前記第１〜ｎの変換済み斜方データの前記計測対象の基準面からの高さが一致するように、前記第１〜ｎの変換済み斜方データの各点の基準面からの高さにオフセットをかけるステップと、
前記上方データの所定割合の高さ位置における前記第１〜ｎの変換済み斜方データに対応する方向の側面形状の輪郭と、前記第１〜ｎの変換済み斜方データの側面形状の輪郭を抽出するステップと、
前記第１〜ｎの変換済み斜方データの側面形状の輪郭が前記上方データの側面形状の輪郭に最も一致するそれぞれの並行移動量を最小二乗法により求めるステップと、
前記第１〜ｎの変換済み斜方データを、それぞれに対応する並行移動量で並行移動させるステップと、
前記第１〜ｎの変換済み斜方データの計測対象の第１の所定高さ以下かつ第２の所定高さ以上のデータを有効とするステップと、
前記第１〜ｎの変換済み斜方データのうち有効なデータを前記上方データに重ね合わせ、同一ＸＹ位置に対しデータが２つ存在する場合はその平均値をとり、前記計測対象の３次元形状データとするステップとを備えることを特徴とする。
ここで、前記上方データの前記計測対象の高さに対して、第１〜ｎの変換後の斜方データの前記計測対象の高さが一致するように、前記第１〜ｎの変換後の斜方データの高さを調整するステップにおいて、前記基準面を基準とした前記計測対象の高さに対して、高さデータが所定割合以上である前記上方データの平均値と高さデータが所定割合以上である前記第１〜ｎの変換後の斜方データの平均値が一致するように前記第１〜ｎの変換後の斜方データの高さを調整することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
図１は本発明の第１の実施の形態を示す構成図であり、（Ａ）は一部断面を含む側面図、（Ｂ）上面図である。また、図３は本発明の第１の実施の形態において、計測対象の３次元形状を計測する方向を示す模式図である。
【００１９】
図１を参照すると、本発明の第１の実施の形態の３次元形状計測装置は、基準面１６上の計測中心点１７に置かれた計測対象７との距離を計測するレーザ変位計（レーザ測長計）１と、レーザ変位計１を平面に沿って走査する為のＸＹステージ２と、ＸＹステージ２を基準面１６の法線に対して計測中心１７を中心に所定の角度に傾けるθｘ傾斜ステージ３と、基準面１６上にスペーサ６を介して設定されたベース５上に設けられ、計測中心点１７を中心としてθｘ傾斜ステージ３を基準面１６の法線まわりでで回転させるθｚ回転ステージ４と、レーザ変位計１をＸＹステージ２で走査して得られる各ＸＹ位置における距離のデータである位置データ１２を受けて形状データ１３として出力する形状データ計測手段８と、形状データ１３を受けて形状データ１３がθｘ傾斜ステージ３が傾斜しない状態で得られた形状データであった場合には何も処理をしないで変換済み形状データ１４として出力し、θｘ傾斜ステージ３が傾斜した状態で得られた形状データであった場合には座標変換を行いθｘ傾斜ステージ３を傾斜させない状態で得られた形状データと同一座標系に変換して変換済み形状データ１４として出力する形状データ変換手段９と、θｘ傾斜ステージ３を傾斜しない状態で得られた形状データ１３とθｘ傾斜ステージ３を傾斜した状態で得られた変換済み形状データ１３を受けてこれらを合成し前記計測対象７の３次元形状データ１５として出力する形状データ合成手段１０と、３次元形状データ１５を受けて計測対象７の形状を表示する形状データ表示手段１１とを含んで構成される。
【００２０】
このように構成された第１の実施の形態の３次元形状計測装置の動作について説明する。
【００２１】
基準面１６上の計測中心点１７に設置された計測対象７に対して、まずレーザ変位計１をＸＹステージ２で計測中心点１７を中心として基準面１６に並行な面内で走査し、形状データ計測手段８は計測対象７及びその周辺の位置データを受けて、これを上方データとする。
【００２２】
次にθｘ傾斜ステージ３によりレーザ変位計１をＸＹステージ２ごと所定角度まで傾斜させる。この時、レーザ変位計１の計測位置の方向は計測中心点１７を向いている。この状態で、レーザ変位計１をＸＹステージ２で計測中心点１７を中心として走査し、形状データ計測手段８は計測対象７及びその周辺の位置データを受けて、これを第１の斜方データとする。
【００２３】
次に、この状態で、θｚ回転ステージ４によりレーザ変位計１とＸＹステージ２とθｘ傾斜ステージ３ごと所定角度まで回転させ、レーザ変位計１をＸＹステージ２で計測中心点１７を中心として走査し、形状データ計測手段８は計測対象７及びその周辺の位置データを受けて、第２の斜方データとする。
【００２４】
さらにθｚ回転ステージ４を所定角度間で回転させ、計測対象７及びその周辺の位置データを取得する動作を繰り返し、形状データ計測手段８が第ｎの斜方データまで受け終えた後に形状データ１３として出力する。
【００２５】
形状データ変換手段９は形状データ１３を受けて、第１〜ｎの斜方データの座標系・計測格子点間隔を上方データと同一になるように変換し、これらを第１〜ｎの変換後の斜方データとして出力する。
【００２６】
従来の３次元形状計測方法の場合では、計測対象７の表面に大きな起伏が有り、計測対象７の側面を照射するスリット光が起伏の陰にかくれてテレビカメラで撮像できない場合には、その箇所の形状データが欠落し、正確な形状データを得ることができなくなるだけでなく、形状データの欠落部分をマークであると判断して誤った位置でデータの合成を行ってしまう。
【００２７】
そこで本発明においては、従来技術のマークの位置で形状データを合成する代わりに、形状データ合成手段１０が変換済み形状データ１４を受けて、第１〜ｎの変換後の斜方データのそれぞれが上方データの外形に最も一致するように、形状データの上面高さと側面の輪郭形状を基準に合成し、３次元形状データ１５を出力する。
【００２８】
合成の方法においては、まず、形状データの高さ方向の位置調整では、上方データと第１〜ｎの変換後の斜方データのうち、計測対象の高さの所定割合以上の高さである高さデータの平均値をそれぞれ算出する。
【００２９】
上方データの計測対象の高さの所定割合以上の高さである高さデータの平均値に第１〜ｎの変換後の斜方データの計測対象の高さの所定割合以上の高さである高さデータの平均値が一致するように、第１〜ｎの変換後の斜方データの全体の高さをオフセットさせる。
【００３０】
次に、第１〜ｎの変換後の斜方データの計測対象の側面形状と、第１〜ｎの変換後の斜方データの計測方向に対応する方向の上方データの計測対象の側面形状について、側面形状が最もよく合致する第１〜ｎの変換後の斜方データのそれぞれの平行移動量を最小二乗法により求め、平行移動させる。次に第１〜ｎの変換済み斜方データの計測対象の所定高さ以下かつ基準高さ以上のデータを有効とし、第１〜ｎの変換済み斜方データのうち有効なデータを上方データに合成する。
【００３１】
最後に、形状データ表示手段１１は３次元形状データ１５を受けて、計測対象７の３次元形状データを出力することで、３次元形状計測データを得ることを可能にする。
【００３２】
尚、レーザ変位計１は、計測対象に接触する接触型変位計でも良い。また、θｘ傾斜ステージ３とθｚ回転ステージ４の代わりに、ＸＹステージ２を球面上で任意の位置に移動させることが可能な球状ガイドを用いても良い。
【００３３】
また、θｘ傾斜ステージ３と前記θｚ回転ステージ４や、球状ガイドの代わりに、計測対象の姿勢を任意の角度に調整可能なθｘ傾斜ステージとθｚ回転ステージを用いても良い。
【００３４】
また、球状ガイドの代わりに、計測対象の姿勢を任意の角度に調整可能な球状ガイドを用いても良い。また、レーザ変位計１を走査するＸＹステージ２の代わりに、計測対象７を平行移動させるＸＹステージを用いても良い。
【００３５】
さらに、形状データ計測手段８と、形状データ変換手段９と、形状データ合成手段１０と、形状データ表示手段１１には、パソコンやロジック回路を用いても良い。
【００３６】
図２は、本発明の第２の実施の形態の３次元形状計測方法を示すフローチャートである。図２を参照すると、本発明の第２の実施の形態は、第１のステップ１０１で基準面上の前記計測中心点に設置された計測対象に対して、レーザ変位計をＸＹステージで計測中心点を中心として基準面に並行な面内で走査し、計測対象およびその周辺の位置データを取得して、これを上方データとする。次に第２のステップ１０２でθｘ傾斜ステージによりレーザ変位計をＸＹステージごと所定角度まで傾斜させる。この時、前記レーザ変位計の計測位置の方向は前記計測中心点を向いている。
【００３７】
この状態で、第３のステップ１０３でレーザ変位計をＸＹステージで計測中心点を中心として走査し、計測対象及びその周辺の位置データを取得して、これを第１の斜方データとする。この状態で、第４のステップ１０４でθｚ回転ステージによりレーザ変位計とＸＹステージごとθｘ傾斜ステージを所定角度まで回転させる。
【００３８】
第５のステップ１０５で、θｚ回転ステージにて１次元位置計測器の測定方向を変更する第４のステップ１０４と、計測対象の斜方からの形状データを計測する第３のステップとを複数回所定測定方向について行い、各々で得られた斜方データを第１〜ｎの斜方データとする。
【００３９】
第６のステップ１０６で、第１〜ｎの斜方データの座標系・計測格子点間隔を前記上方データと同一になるように形状データ変換手段を用いて変換し、これらを第１〜ｎの変換後の斜方データとする。
【００４０】
第７のステップ１０７で、上方データの計測対象の基準面からの高さに対して、第１〜ｎの変換後の斜方データの計測対象の基準面からの高さが一致するように第１〜ｎの変換後の斜方データの高さにオフセットをかける。
【００４１】
第８のステップ１０８で、上方データの計測対象の所定方向の側面位置と、第１〜ｎの変換後の斜方データの計測対象の前記所定方向の側面位置が一致するように、第１〜ｎの変換後の斜方データを前記所定方向に平行移動させる。
【００４２】
第９のステップ１０９で、第１〜ｎの変換後の斜方データのうち、計測対象の側面データに相当する、第１の所定高さ以上、第２の所定高さ未満である高さデータを有効とする。
【００４３】
第１０のステップ１１０で、第１〜ｎの変換後の斜方データの有効な高さデータを上方データに重ね合わせ、同一ＸＹ位置に対しデータが２つ以上存在する場合にはその平均をとることで、計測対象の３次元形状データを得ることが可能となる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明の第１の効果は、計測対象の表面の起伏が大きい場合でも、計測対象の３次元形状データを得ることができる事である。その理由は、１次元位置計測器を用いて計測対象の斜方から計測することで、計測対象側面の起伏によって測定ポイントを見失うことなく計測することができる為である。
【００４５】
第２の効果は、計測対象に特別な印などを設置することなく、３次元形状データを得ることができることである。その理由は、計測対象の複数方向からの側面形状データの合成を、上方から計測した計測対象の形状を基準として行う為である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す構成図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態を示すフローチャートである。
【図３】本発明の第１の実施の形態において、計測対象の３次元形状を計測する方向を示す模式図である。
【図４】従来技術の３次元形状計測方法の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
１ レーザ測長計（レーザ変位系）
２ ＸＹステージ
３ θｘ傾斜ステージ
４ θｚ回転ステージ
５ ベース
６ スペーサ
７ 計測対象
８ 形状データ計測手段
９ 形状データ変換手段
１０ 形状データ合成手段
１１ 形状データ表示手段
１２ 位置データ
１３ 形状データ
１４ 変換済み形状データ
１５ ３次元形状データ
１０１ 第１のステップ
１０２ 第２のステップ
１０３ 第３のステップ
１０４ 第４のステップ
１０５ 第５のステップ
１０６ 第６のステップ
１０７ 第７のステップ
１０８ 第８のステップ
１０９ 第９のステップ
１１０ 第１０のステップ
【発明の属する技術分野】
本発明は立体の３次元形状を計測する装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、従来の光切断法を用いた３次元形状計測装置の一例である特開平６−３２３８２０号公報に示される構成図である。図４に示す従来の光切断法を用いた３次元形状計測装置は、計測対象２０１と、計測対象２０１の姿勢を変更するステージ２００と、計測対象２０１にスリット光２０３を照射するスリット光源２０２と、計測対象表面に貼り付けられたスリット光２０３を反射しないマーク２０８と、スリット光２０３によって計測対象２０１の表面上に形成された光切断線２０５を撮像するテレビカメラ２０４と、テレビカメラ２０４の画像から得られた計測対象２０１の形状データを用いて、ステージ２００から得られた計測対象の姿勢データとテレビカメラ２０４から得られたスリット光２０３のマーク２０８による切れ目に基づいて複数の姿勢状態における計測対象２０１の３次元形状データを合成するデータ処理装置２０７とで構成されている。
【０００３】
次に、従来の光切断法を用いた３次元形状計測装置の動作について説明する。スリット光源２０２から出射されたスリット光２０３は、計測対象２０１の表面で光切断線２０５を形成する。テレビカメラ２０４で光切断線２０５を撮像し、テレビカメラ２０４の画面座標系における光切断線２０５の像の２次元画像データを、ステージ２００から得た変換位置データを用いて、スリット光２０３面を含む測定座標系における光切断線２０５の２次元形状データに変換する。
【０００４】
これら２次元形状データを合成することで計測対象２０１の各姿勢状態における３次元形状データを得る。次に、テレビカメラ２０４がマーク２０８を撮像できる範囲内で計測対象２０１の姿勢をステージ２００により変更する。マーク２０８の位置から計測対象２０１の各姿勢データを求め、各姿勢状態における計測対象２０１の各計測方向についての３次元形状データを合成することを特徴とする。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の３次元形状計測方法において、計測対象の表面の起伏が大きい場合に、テレビカメラから計測対象の表面上に形成された光切断線を撮像した時、テレビカメラと光切断線との間に突起部があれば、光切断線一部が撮像できず、計測対象の正確な形状を得ることができない。
【０００６】
或いはデータ処理装置が光切断光のうち撮像できなかった部分をスリット光を反射しないマークであると判断し、２次元形状データの合成ができない。つまり従来技術の第１の問題点は、計測対象の表面の起伏が大きい時に、形状データを得ることができない場合があることである。
【０００７】
また、計測対象に異物を取り付けられない場合や、計測対象がごく微細な場合には、計測対象の姿勢データを得る為のスリット光を反射しないマークを計測対象に設置することができず、２次元形状データの合成を行うことができない。つまり従来技術の第２の問題点は、マークを取り付けることができない場合に、形状の計測ができないことである。
【０００８】
本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を解消して計測対象の３次元形状を計測することのできる装置及び方法を提供する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様に係わる３次元形状計測装置は、計測対象の表面形状を表す３次元位置データを取得する計測装置であって、
基準面上に置かれた前記計測対象の距離を計測する１次元位置計測器と、
前記１次元位置計測器と前記計測対象との距離を平面に沿って相対的に走査する為のＸＹステージ手段と、
前記ＸＹステージ手段を前記計測対象が置かれた前記基準面の法線に対して所定の角度に傾ける第１の手段と、
前記第１の手段の回転中心点を中心として該第１の手段を前記計測対象が置かれた前記基準面に対して垂直な軸回りの回転をする第２の手段と、
前記１次元位置計測器と前記計測対象との距離を前記ＸＹステージ手段で相対的に走査して得られる各ＸＹ位置における距離のデータを形状データとして出力する形状データ計測手段と、
該形状データを受けて該形状データが前記第１の手段が傾斜しない状態で得られた形状データであった場合にはそのまま変換済み形状データとして出力し、前記第１の手段が傾斜した状態で得られた形状データであった場合には座標変換を行い前記第１の手段を傾斜させない状態で得られた形状データと同一座標系に変換して変換済み形状データとして出力する形状データ変換手段と、
前記第１の手段を傾斜しない状態で得られた形状データと前記第１の手段を傾斜した状態で得られた変換済み形状データを受けてこれらを合成し計測対象の３次元形状データとして出力する形状データ合成手段と、
前記３次元形状データを受けて計測対象の形状を表示する形状データ表示手段とを備え、
前記形状データ合成手段は、
前記第１の手段を傾斜しない状態で得られた前記形状データの計測対象の基準面からの高さに対して、前記第１の手段を傾斜した状態で得られた前記変換済み形状データの計測対象の基準面からの高さが一致するようにこの変換済み形状データの高さにオフセットをかけ、
前記第１の手段を傾斜しない状態で得られた前記形状データの計測対象の所定方向の側面位置と、前記第１の手段を傾斜した状態で得られた前記変換済み形状データの計測対象のこの所定方向の側面位置が一致するように、この変換済み形状データをこの所定方向に平行移動させることを特徴とする。
ここで、前記形状データ合成手段は、前記第１の手段を傾斜した状態で得られた前記変換済み形状データの高さにオフセットをかけるときに、前記第１の手段を傾斜しない状態で得られた前記形状データの計測対象の高さの所定割合以上の高さである高さデータの平均値に、この変換済み形状データの計測対象の高さの所定割合以上の高さである高さデータの平均値が一致するように、この変換済み形状データの高さにオフセットをかけることができる。
また、前記形状データ合成手段は、前記第１の手段を傾斜した状態で得られた前記変換済み形状データのうち、第１の所定高さ以上、第２の所定高さ未満である高さデータを有効とすることができる。
この場合、前記形状データ合成手段は、前記有効とした前記変換済み形状データの高さデータを前記第１の手段を傾斜しない状態で得られた前記形状データに重ね合わせ、同一ＸＹ位置に対しデータが２つ以上存在する場合にはその平均をとることで、計測対象の３次元形状データを得ることができる。
【００１０】
ここで、前記第１の手段はθｘ傾斜ステージであり、前記第２の手段はθｚ回転ステージであることが好ましい。この場合、前記θｘ傾斜ステージは計測対象の姿勢を任意の角度に調整可能なθｘ傾斜ステージであり、前記θｚ回転ステージは計測対象の姿勢を任意の角度に調整可能なθｚ回転ステージであることができる。
【００１１】
あるいは、前記第１および第２の手段は前記ＸＹステージを計測対象を中心とする球面上で任意の位置に移動させることが可能な球状ガイドであることができる。この場合、前記球状ガイドは計測対象の姿勢を任意の角度に調整可能な球状ガイドであることができる。
【００１２】
また、前記ＸＹステージ手段は前記１次元位置計測器を搭載して走査するＸＹステージであることが好ましい。あるいは、前記ＸＹステージ手段は前記計測対象を搭載して走査するＸＹステージであることが好ましい。
【００１３】
本発明の別の態様に係わる３次元形状計測方法は、計測対象の形状を計測する計測方法であって、
１次元位置計測器を用いて基準面上に置かれた計測対象の基準面に対して鉛直上方からの形状データを計測し上方データとするステップと、
θｘステージにて前記１次元位置計測器の計測角度を斜方に変更するステップと、
前記計測対象の斜方からの形状データを計測し、その方向から計測可能な計測対象の上面及び側面の形状データを有効データとして第１の斜方データとするステップと、
θｚ回転ステージにて前記１次元位置計測器の測定方向を変更するステップと、
θｚ回転ステージにて１次元位置計測器の測定方向を変更する前記ステップと、計測対象の斜方からの形状データを計測する前記ステップとを所定測定方向について行い、各々で得られた斜方データを第１〜ｎの斜方データとするステップと、
前記第１〜ｎの斜方データを前記上方データと同じ座標系、測定格子点間隔に変換して第１〜ｎの変換済み斜方データとするステップと、
前記上方データの前記計測対象の基準面からの高さに対して、前記第１〜ｎの変換済み斜方データの前記計測対象の基準面からの高さが一致するように、前記第１〜ｎの変換済み斜方データの各点の基準面からの高さにオフセットをかけるステップと、
前記上方データの前記計測対象の所定方向の側面位置と、前記第１〜ｎの変換済み斜方データの前記計測対象の側面位置が一致するように、前記第１〜ｎの変換済み斜方データを前記所定方向に平行移動させるステップと、
前記第１〜ｎの変換済み斜方データの計測対象の第１の所定高さ以下かつ第２の所定高さ以上のデータを有効とするステップと、
前記第１〜ｎの変換済み斜方データのうち有効なデータを前記上方データに重ね合わせ、同一ＸＹ位置に対しデータが２つ存在する場合はその平均値をとり、前記計測対象の３次元形状データとするステップとを備えることを特徴とする。
ここで、前記上方データの前記計測対象の高さに対して、第１〜ｎの変換後の斜方データの前記計測対象の高さが一致するように、前記第１〜ｎの変換後の斜方データの高さを調整するステップにおいて、前記基準面を基準とした前記計測対象の高さに対して、高さデータが所定割合以上である前記上方データの平均値と高さデータが所定割合以上である前記第１〜ｎの変換後の斜方データの平均値が一致するように前記第１〜ｎの変換後の斜方データの高さを調整することができる。
【００１４】
本発明のまた別の態様に係わる３次元形状計測方法は、計測対象の形状を計測する計測方法であって、
１次元位置計測器を用いて基準面上に置かれた計測対象の基準面に対して鉛直上方からの形状データを計測し上方データとするステップと、
θｘステージにて前記１次元位置計測器の計測角度を斜方に変更するステップと、
前記計測対象の斜方からの形状データを計測し、その方向から計測可能な計測対象の上面及び側面の形状データを有効データとして第１の斜方データとするステップと、
θｚ回転ステージにて前記１次元位置計測器の測定方向を変更するステップと、
θｚ回転ステージにて１次元位置計測器の測定方向を変更する前記ステップと、計測対象の斜方からの形状データを計測する前記ステップとを所定測定方向について行い、各々で得られた斜方データを第１〜ｎの斜方データとするステップと、
前記第１〜ｎの斜方データを前記上方データと同じ座標系、測定格子点間隔に変換して第１〜ｎの変換済み斜方データとするステップと、
前記上方データの前記計測対象の基準面からの高さに対して、前記第１〜ｎの変換済み斜方データの前記計測対象の基準面からの高さが一致するように、前記第１〜ｎの変換済み斜方データの各点の基準面からの高さにオフセットをかけるステップと、
前記上方データの前記計測対象の所定高さ以上であるデータの重心位置と、前記第１〜ｎの変換済み斜方データの前記計測対象の所定高さ以上であるデータの重心位置とが一致するように、前記第１〜ｎの変換済み斜方データを平行移動させるステップと、
前記第１〜ｎの変換済み斜方データの計測対象の第１の所定高さ以下かつ第２の所定高さ以上のデータを有効とするステップと、
前記第１〜ｎの変換済み斜方データのうち有効なデータを前記上方データに重ね合わせ、同一ＸＹ位置に対しデータが２つ存在する場合はその平均値をとり、前記計測対象の３次元形状データとするステップとを備えることを特徴とする。
【００１５】
この場合、前記上方データの前記計測対象の高さに対して、第１〜ｎの変換後の斜方データの前記計測対象の高さが一致するように、前記第１〜ｎの変換後の斜方データの高さを調整するステップにおいて、前記基準面を基準とした前記計測対象の高さに対して、高さデータが所定割合以上である前記上方データの平均値と高さデータが所定割合以上である前記第１〜ｎの変換後の斜方データの平均値が一致するように前記第１〜ｎの変換後の斜方データの高さを調整することができる。
【００１６】
本発明のまた別の態様に係わる３次元形状計測方法は、計測対象の形状を計測する計測方法であって、
１次元位置計測器を用いて基準面上に置かれた計測対象の基準面に対して鉛直上方からの形状データを計測し上方データとするステップと、
θｘステージにて前記１次元位置計測器の計測角度を斜方に変更するステップと、
前記計測対象の斜方からの形状データを計測し、その方向から計測可能な計測対象の上面及び側面の形状データを有効データとして第１の斜方データとするステップと、
θｚ回転ステージにて前記１次元位置計測器の測定方向を変更するステップと、
θｚ回転ステージにて１次元位置計測器の測定方向を変更する前記ステップと、計測対象の斜方からの形状データを計測する前記ステップとを所定測定方向について行い、各々で得られた斜方データを第１〜ｎの斜方データとするステップと、
前記第１〜ｎの斜方データを前記上方データと同じ座標系、測定格子点間隔に変換して第１〜ｎの変換済み斜方データとするステップと、
前記上方データの前記計測対象の基準面からの高さに対して、前記第１〜ｎの変換済み斜方データの前記計測対象の基準面からの高さが一致するように、前記第１〜ｎの変換済み斜方データの各点の基準面からの高さにオフセットをかけるステップと、
前記上方データの所定割合の高さ位置における前記第１〜ｎの変換済み斜方データに対応する方向の側面形状の輪郭と、前記第１〜ｎの変換済み斜方データの側面形状の輪郭を抽出するステップと、
前記第１〜ｎの変換済み斜方データの側面形状の輪郭が前記上方データの側面形状の輪郭に最も一致するそれぞれの並行移動量を最小二乗法により求めるステップと、
前記第１〜ｎの変換済み斜方データを、それぞれに対応する並行移動量で並行移動させるステップと、
前記第１〜ｎの変換済み斜方データの計測対象の第１の所定高さ以下かつ第２の所定高さ以上のデータを有効とするステップと、
前記第１〜ｎの変換済み斜方データのうち有効なデータを前記上方データに重ね合わせ、同一ＸＹ位置に対しデータが２つ存在する場合はその平均値をとり、前記計測対象の３次元形状データとするステップとを備えることを特徴とする。
ここで、前記上方データの前記計測対象の高さに対して、第１〜ｎの変換後の斜方データの前記計測対象の高さが一致するように、前記第１〜ｎの変換後の斜方データの高さを調整するステップにおいて、前記基準面を基準とした前記計測対象の高さに対して、高さデータが所定割合以上である前記上方データの平均値と高さデータが所定割合以上である前記第１〜ｎの変換後の斜方データの平均値が一致するように前記第１〜ｎの変換後の斜方データの高さを調整することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
図１は本発明の第１の実施の形態を示す構成図であり、（Ａ）は一部断面を含む側面図、（Ｂ）上面図である。また、図３は本発明の第１の実施の形態において、計測対象の３次元形状を計測する方向を示す模式図である。
【００１９】
図１を参照すると、本発明の第１の実施の形態の３次元形状計測装置は、基準面１６上の計測中心点１７に置かれた計測対象７との距離を計測するレーザ変位計（レーザ測長計）１と、レーザ変位計１を平面に沿って走査する為のＸＹステージ２と、ＸＹステージ２を基準面１６の法線に対して計測中心１７を中心に所定の角度に傾けるθｘ傾斜ステージ３と、基準面１６上にスペーサ６を介して設定されたベース５上に設けられ、計測中心点１７を中心としてθｘ傾斜ステージ３を基準面１６の法線まわりでで回転させるθｚ回転ステージ４と、レーザ変位計１をＸＹステージ２で走査して得られる各ＸＹ位置における距離のデータである位置データ１２を受けて形状データ１３として出力する形状データ計測手段８と、形状データ１３を受けて形状データ１３がθｘ傾斜ステージ３が傾斜しない状態で得られた形状データであった場合には何も処理をしないで変換済み形状データ１４として出力し、θｘ傾斜ステージ３が傾斜した状態で得られた形状データであった場合には座標変換を行いθｘ傾斜ステージ３を傾斜させない状態で得られた形状データと同一座標系に変換して変換済み形状データ１４として出力する形状データ変換手段９と、θｘ傾斜ステージ３を傾斜しない状態で得られた形状データ１３とθｘ傾斜ステージ３を傾斜した状態で得られた変換済み形状データ１３を受けてこれらを合成し前記計測対象７の３次元形状データ１５として出力する形状データ合成手段１０と、３次元形状データ１５を受けて計測対象７の形状を表示する形状データ表示手段１１とを含んで構成される。
【００２０】
このように構成された第１の実施の形態の３次元形状計測装置の動作について説明する。
【００２１】
基準面１６上の計測中心点１７に設置された計測対象７に対して、まずレーザ変位計１をＸＹステージ２で計測中心点１７を中心として基準面１６に並行な面内で走査し、形状データ計測手段８は計測対象７及びその周辺の位置データを受けて、これを上方データとする。
【００２２】
次にθｘ傾斜ステージ３によりレーザ変位計１をＸＹステージ２ごと所定角度まで傾斜させる。この時、レーザ変位計１の計測位置の方向は計測中心点１７を向いている。この状態で、レーザ変位計１をＸＹステージ２で計測中心点１７を中心として走査し、形状データ計測手段８は計測対象７及びその周辺の位置データを受けて、これを第１の斜方データとする。
【００２３】
次に、この状態で、θｚ回転ステージ４によりレーザ変位計１とＸＹステージ２とθｘ傾斜ステージ３ごと所定角度まで回転させ、レーザ変位計１をＸＹステージ２で計測中心点１７を中心として走査し、形状データ計測手段８は計測対象７及びその周辺の位置データを受けて、第２の斜方データとする。
【００２４】
さらにθｚ回転ステージ４を所定角度間で回転させ、計測対象７及びその周辺の位置データを取得する動作を繰り返し、形状データ計測手段８が第ｎの斜方データまで受け終えた後に形状データ１３として出力する。
【００２５】
形状データ変換手段９は形状データ１３を受けて、第１〜ｎの斜方データの座標系・計測格子点間隔を上方データと同一になるように変換し、これらを第１〜ｎの変換後の斜方データとして出力する。
【００２６】
従来の３次元形状計測方法の場合では、計測対象７の表面に大きな起伏が有り、計測対象７の側面を照射するスリット光が起伏の陰にかくれてテレビカメラで撮像できない場合には、その箇所の形状データが欠落し、正確な形状データを得ることができなくなるだけでなく、形状データの欠落部分をマークであると判断して誤った位置でデータの合成を行ってしまう。
【００２７】
そこで本発明においては、従来技術のマークの位置で形状データを合成する代わりに、形状データ合成手段１０が変換済み形状データ１４を受けて、第１〜ｎの変換後の斜方データのそれぞれが上方データの外形に最も一致するように、形状データの上面高さと側面の輪郭形状を基準に合成し、３次元形状データ１５を出力する。
【００２８】
合成の方法においては、まず、形状データの高さ方向の位置調整では、上方データと第１〜ｎの変換後の斜方データのうち、計測対象の高さの所定割合以上の高さである高さデータの平均値をそれぞれ算出する。
【００２９】
上方データの計測対象の高さの所定割合以上の高さである高さデータの平均値に第１〜ｎの変換後の斜方データの計測対象の高さの所定割合以上の高さである高さデータの平均値が一致するように、第１〜ｎの変換後の斜方データの全体の高さをオフセットさせる。
【００３０】
次に、第１〜ｎの変換後の斜方データの計測対象の側面形状と、第１〜ｎの変換後の斜方データの計測方向に対応する方向の上方データの計測対象の側面形状について、側面形状が最もよく合致する第１〜ｎの変換後の斜方データのそれぞれの平行移動量を最小二乗法により求め、平行移動させる。次に第１〜ｎの変換済み斜方データの計測対象の所定高さ以下かつ基準高さ以上のデータを有効とし、第１〜ｎの変換済み斜方データのうち有効なデータを上方データに合成する。
【００３１】
最後に、形状データ表示手段１１は３次元形状データ１５を受けて、計測対象７の３次元形状データを出力することで、３次元形状計測データを得ることを可能にする。
【００３２】
尚、レーザ変位計１は、計測対象に接触する接触型変位計でも良い。また、θｘ傾斜ステージ３とθｚ回転ステージ４の代わりに、ＸＹステージ２を球面上で任意の位置に移動させることが可能な球状ガイドを用いても良い。
【００３３】
また、θｘ傾斜ステージ３と前記θｚ回転ステージ４や、球状ガイドの代わりに、計測対象の姿勢を任意の角度に調整可能なθｘ傾斜ステージとθｚ回転ステージを用いても良い。
【００３４】
また、球状ガイドの代わりに、計測対象の姿勢を任意の角度に調整可能な球状ガイドを用いても良い。また、レーザ変位計１を走査するＸＹステージ２の代わりに、計測対象７を平行移動させるＸＹステージを用いても良い。
【００３５】
さらに、形状データ計測手段８と、形状データ変換手段９と、形状データ合成手段１０と、形状データ表示手段１１には、パソコンやロジック回路を用いても良い。
【００３６】
図２は、本発明の第２の実施の形態の３次元形状計測方法を示すフローチャートである。図２を参照すると、本発明の第２の実施の形態は、第１のステップ１０１で基準面上の前記計測中心点に設置された計測対象に対して、レーザ変位計をＸＹステージで計測中心点を中心として基準面に並行な面内で走査し、計測対象およびその周辺の位置データを取得して、これを上方データとする。次に第２のステップ１０２でθｘ傾斜ステージによりレーザ変位計をＸＹステージごと所定角度まで傾斜させる。この時、前記レーザ変位計の計測位置の方向は前記計測中心点を向いている。
【００３７】
この状態で、第３のステップ１０３でレーザ変位計をＸＹステージで計測中心点を中心として走査し、計測対象及びその周辺の位置データを取得して、これを第１の斜方データとする。この状態で、第４のステップ１０４でθｚ回転ステージによりレーザ変位計とＸＹステージごとθｘ傾斜ステージを所定角度まで回転させる。
【００３８】
第５のステップ１０５で、θｚ回転ステージにて１次元位置計測器の測定方向を変更する第４のステップ１０４と、計測対象の斜方からの形状データを計測する第３のステップとを複数回所定測定方向について行い、各々で得られた斜方データを第１〜ｎの斜方データとする。
【００３９】
第６のステップ１０６で、第１〜ｎの斜方データの座標系・計測格子点間隔を前記上方データと同一になるように形状データ変換手段を用いて変換し、これらを第１〜ｎの変換後の斜方データとする。
【００４０】
第７のステップ１０７で、上方データの計測対象の基準面からの高さに対して、第１〜ｎの変換後の斜方データの計測対象の基準面からの高さが一致するように第１〜ｎの変換後の斜方データの高さにオフセットをかける。
【００４１】
第８のステップ１０８で、上方データの計測対象の所定方向の側面位置と、第１〜ｎの変換後の斜方データの計測対象の前記所定方向の側面位置が一致するように、第１〜ｎの変換後の斜方データを前記所定方向に平行移動させる。
【００４２】
第９のステップ１０９で、第１〜ｎの変換後の斜方データのうち、計測対象の側面データに相当する、第１の所定高さ以上、第２の所定高さ未満である高さデータを有効とする。
【００４３】
第１０のステップ１１０で、第１〜ｎの変換後の斜方データの有効な高さデータを上方データに重ね合わせ、同一ＸＹ位置に対しデータが２つ以上存在する場合にはその平均をとることで、計測対象の３次元形状データを得ることが可能となる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明の第１の効果は、計測対象の表面の起伏が大きい場合でも、計測対象の３次元形状データを得ることができる事である。その理由は、１次元位置計測器を用いて計測対象の斜方から計測することで、計測対象側面の起伏によって測定ポイントを見失うことなく計測することができる為である。
【００４５】
第２の効果は、計測対象に特別な印などを設置することなく、３次元形状データを得ることができることである。その理由は、計測対象の複数方向からの側面形状データの合成を、上方から計測した計測対象の形状を基準として行う為である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す構成図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態を示すフローチャートである。
【図３】本発明の第１の実施の形態において、計測対象の３次元形状を計測する方向を示す模式図である。
【図４】従来技術の３次元形状計測方法の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
１ レーザ測長計（レーザ変位系）
２ ＸＹステージ
３ θｘ傾斜ステージ
４ θｚ回転ステージ
５ ベース
６ スペーサ
７ 計測対象
８ 形状データ計測手段
９ 形状データ変換手段
１０ 形状データ合成手段
１１ 形状データ表示手段
１２ 位置データ
１３ 形状データ
１４ 変換済み形状データ
１５ ３次元形状データ
１０１ 第１のステップ
１０２ 第２のステップ
１０３ 第３のステップ
１０４ 第４のステップ
１０５ 第５のステップ
１０６ 第６のステップ
１０７ 第７のステップ
１０８ 第８のステップ
１０９ 第９のステップ
１１０ 第１０のステップ
Claims (16)
- 計測対象の表面形状を表す３次元位置データを取得する３次元形状計測装置であって、
基準面上に置かれた前記計測対象の距離を計測する１次元位置計測器と、
前記１次元位置計測器と前記計測対象との距離を平面に沿って相対的に走査する為のＸＹステージ手段と、
前記ＸＹステージ手段を前記計測対象が置かれた前記基準面の法線に対して所定の角度に傾ける第１の手段と、
前記第１の手段の回転中心点を中心として該第１の手段を前記計測対象が置かれた前記基準面に対して垂直な軸回りの回転をする第２の手段と、
前記１次元位置計測器と前記計測対象との距離を前記ＸＹステージ手段で相対的に走査して得られる各ＸＹ位置における距離のデータを形状データとして出力する形状データ計測手段と、
該形状データを受けて該形状データが前記第１の手段が傾斜しない状態で得られた形状データであった場合にはそのまま変換済み形状データとして出力し、前記第１の手段が傾斜した状態で得られた形状データであった場合には座標変換を行い前記第１の手段を傾斜させない状態で得られた形状データと同一座標系に変換して変換済み形状データとして出力する形状データ変換手段と、
前記第１の手段を傾斜しない状態で得られた形状データと前記第１の手段を傾斜した状態で得られた変換済み形状データを受けてこれらを合成し計測対象の３次元形状データとして出力する形状データ合成手段と、
前記３次元形状データを受けて計測対象の形状を表示する形状データ表示手段とを備え、
前記形状データ合成手段は、
前記第１の手段を傾斜しない状態で得られた前記形状データの計測対象の基準面からの高さに対して、前記第１の手段を傾斜した状態で得られた前記変換済み形状データの計測対象の基準面からの高さが一致するようにこの変換済み形状データの高さにオフセットをかけ、
前記第１の手段を傾斜しない状態で得られた前記形状データの計測対象の所定方向の側面位置と、前記第１の手段を傾斜した状態で得られた前記変換済み形状データの計測対象のこの所定方向の側面位置が一致するように、この変換済み形状データをこの所定方向に平行移動させることを特徴とする３次元形状計測装置。 - 前記形状データ合成手段は、前記第１の手段を傾斜した状態で得られた前記変換済み形状データの高さにオフセットをかけるときに、前記第１の手段を傾斜しない状態で得られた前記形状データの計測対象の高さの所定割合以上の高さである高さデータの平均値に、この変換済み形状データの計測対象の高さの所定割合以上の高さである高さデータの平均値が一致するように、この変換済み形状データの高さにオフセットをかけることを特徴とする請求項１に記載の３次元形状計測装置。
- 前記形状データ合成手段は、前記第１の手段を傾斜した状態で得られた前記変換済み形状データのうち、第１の所定高さ以上、第２の所定高さ未満である高さデータを有効とすることを特徴とする請求項１または２に記載の３次元形状計測装置。
- 前記形状データ合成手段は、前記有効とした変換済み形状データの高さデータを前記第１の手段を傾斜しない状態で得られた前記形状データに重ね合わせ、同一ＸＹ位置に対しデータが２つ以上存在する場合にはその平均をとることで、計測対象の３次元形状データを得ることを特徴とする請求項３に記載の３次元形状計測装置。
- 前記第１の手段はθｘ傾斜ステージであり、前記第２の手段はθｚ回転ステージであることを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項に記載の３次元形状計測装置。
- 前記θｘ傾斜ステージは計測対象の姿勢を任意の角度に調整可能なθｘ傾斜ステージであり、前記θｚ回転ステージは計測対象の姿勢を任意の角度に調整可能なθｚ回転ステージであることを特徴とする請求項５に記載の３次元形状計測装置。
- 前記第１および第２の手段は前記ＸＹステージを計測対象を中心とする球面上で任意の位置に移動させることが可能な球状ガイドであることを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項に記載の３次元形状計測装置。
- 前記球状ガイドは計測対象の姿勢を任意の角度に調整可能な球状ガイドであることを特徴とする請求項７に記載の３次元形状計測装置。
- 前記ＸＹステージ手段は前記１次元位置計測器を搭載して走査するＸＹステージであることを特徴とする請求項１ないし８いずれか１項に記載の３次元形状計測装置。
- 前記ＸＹステージ手段は前記計測対象を搭載して走査するＸＹステージであることを特徴とする請求項１ないし８いずれか１項に記載の３次元形状計測装置。
- 計測対象の形状を計測する３次元形状計測方法であって、
１次元位置計測器を用いて基準面上に置かれた計測対象の基準面に対して鉛直上方からの形状データを計測し上方データとするステップと、
θｘステージにて前記１次元位置計測器の計測角度を斜方に変更するステップと、
前記計測対象の斜方からの形状データを計測し、その方向から計測可能な計測対象の上面及び側面の形状データを有効データとして第１の斜方データとするステップと、
θｚ回転ステージにて前記１次元位置計測器の測定方向を変更するステップと、
θｚ回転ステージにて１次元位置計測器の測定方向を変更する前記ステップと、計測対象の斜方からの形状データを計測する前記ステップとを所定測定方向について行い、各々で得られた斜方データを第１〜ｎの斜方データとするステップと、
前記第１〜ｎの斜方データを前記上方データと同じ座標系、測定格子点間隔に変換して第１〜ｎの変換済み斜方データとするステップと、
前記上方データの前記計測対象の基準面からの高さに対して、前記第１〜ｎの変換済み斜方データの前記計測対象の基準面からの高さが一致するように、前記第１〜ｎの変換済み斜方データの各点の基準面からの高さにオフセットをかけるステップと、
前記上方データの前記計測対象の所定方向の側面位置と、前記第１〜ｎの変換済み斜方データの前記計測対象の側面位置が一致するように、前記第１〜ｎの変換済み斜方データを前記所定方向に平行移動させるステップと、
前記第１〜ｎの変換済み斜方データの計測対象の第１の所定高さ以下かつ第２の所定高さ以上のデータを有効とするステップと、
前記第１〜ｎの変換済み斜方データのうち有効なデータを前記上方データに重ね合わせ、同一ＸＹ位置に対しデータが２つ存在する場合はその平均値をとり、前記計測対象の３次元形状データとするステップとを備えることを特徴とする３次元形状計測方法。 - 前記上方データの前記計測対象の高さに対して、第１〜ｎの変換後の斜方データの前記計測対象の高さが一致するように、前記第１〜ｎの変換後の斜方データの高さを調整するステップにおいて、前記基準面を基準とした前記計測対象の高さに対して、高さデータが所定割合以上である前記上方データの平均値と高さデータが所定割合以上である前記第１〜ｎの変換後の斜方データの平均値が一致するように前記第１〜ｎの変換後の斜方データの高さを調整することを特徴とする請求項１１に記載の３次元形状計測方法。
- 計測対象の形状を計測する３次元形状計測方法であって、
１次元位置計測器を用いて基準面上に置かれた計測対象の基準面に対して鉛直上方からの形状データを計測し上方データとするステップと、
θｘステージにて前記１次元位置計測器の計測角度を斜方に変更するステップと、
前記計測対象の斜方からの形状データを計測し、その方向から計測可能な計測対象の上面及び側面の形状データを有効データとして第１の斜方データとするステップと、
θｚ回転ステージにて前記１次元位置計測器の測定方向を変更するステップと、
θｚ回転ステージにて１次元位置計測器の測定方向を変更する前記ステップと、計測対象の斜方からの形状データを計測する前記ステップとを所定測定方向について行い、各々で 得られた斜方データを第１〜ｎの斜方データとするステップと、
前記第１〜ｎの斜方データを前記上方データと同じ座標系、測定格子点間隔に変換して第１〜ｎの変換済み斜方データとするステップと、
前記上方データの前記計測対象の基準面からの高さに対して、前記第１〜ｎの変換済み斜方データの前記計測対象の基準面からの高さが一致するように、前記第１〜ｎの変換済み斜方データの各点の基準面からの高さにオフセットをかけるステップと、
前記上方データの前記計測対象の所定高さ以上であるデータの重心位置と、前記第１〜ｎの変換済み斜方データの前記計測対象の所定高さ以上であるデータの重心位置とが一致するように、前記第１〜ｎの変換済み斜方データを平行移動させるステップと、
前記第１〜ｎの変換済み斜方データの計測対象の第１の所定高さ以下かつ第２の所定高さ以上のデータを有効とするステップと、
前記第１〜ｎの変換済み斜方データのうち有効なデータを前記上方データに重ね合わせ、同一ＸＹ位置に対しデータが２つ存在する場合はその平均値をとり、前記計測対象の３次元形状データとするステップとを備えることを特徴とする３次元形状計測方法。 - 前記上方データの前記計測対象の高さに対して、第１〜ｎの変換後の斜方データの前記計測対象の高さが一致するように、前記第１〜ｎの変換後の斜方データの高さを調整するステップにおいて、前記基準面を基準とした前記計測対象の高さに対して、高さデータが所定割合以上である前記上方データの平均値と高さデータが所定割合以上である前記第１〜ｎの変換後の斜方データの平均値が一致するように前記第１〜ｎの変換後の斜方データの高さを調整することを特徴とする請求項１３に記載の３次元形状計測方法。
- 計測対象の形状を計測する３次元形状計測方法であって、
１次元位置計測器を用いて基準面上に置かれた計測対象の基準面に対して鉛直上方からの形状データを計測し上方データとするステップと、
θｘステージにて前記１次元位置計測器の計測角度を斜方に変更するステップと、
前記計測対象の斜方からの形状データを計測し、その方向から計測可能な計測対象の上面及び側面の形状データを有効データとして第１の斜方データとするステップと、
θｚ回転ステージにて前記１次元位置計測器の測定方向を変更するステップと、
θｚ回転ステージにて１次元位置計測器の測定方向を変更する前記ステップと、計測対象の斜方からの形状データを計測する前記ステップとを所定測定方向について行い、各々で得られた斜方データを第１〜ｎの斜方データとするステップと、
前記第１〜ｎの斜方データを前記上方データと同じ座標系、測定格子点間隔に変換して第１〜ｎの変換済み斜方データとするステップと、
前記上方データの前記計測対象の基準面からの高さに対して、前記第１〜ｎの変換済み斜方データの前記計測対象の基準面からの高さが一致するように、前記第１〜ｎの変換済み斜方データの各点の基準面からの高さにオフセットをかけるステップと、
前記上方データの所定割合の高さ位置における前記第１〜ｎの変換済み斜方データに対応する方向の側面形状の輪郭と、前記第１〜ｎの変換済み斜方データの側面形状の輪郭を抽出するステップと、
前記第１〜ｎの変換済み斜方データの側面形状の輪郭が前記上方データの側面形状の輪郭に最も一致するそれぞれの並行移動量を最小二乗法により求めるステップと、
前記第１〜ｎの変換済み斜方データを、それぞれに対応する並行移動量で並行移動させるステップと、
前記第１〜ｎの変換済み斜方データの計測対象の第１の所定高さ以下かつ第２の所定高さ以上のデータを有効とするステップと、
前記第１〜ｎの変換済み斜方データのうち有効なデータを前記上方データに重ね合わせ、同一ＸＹ位置に対しデータが２つ存在する場合はその平均値をとり、前記計測対象の３次元形状データとするステップとを備えることを特徴とする３次元形状計測方法。 - 前記上方データの前記計測対象の高さに対して、第１〜ｎの変換後の斜方データの前記計測対象の高さが一致するように、前記第１〜ｎの変換後の斜方デー タの高さを調整するステップにおいて、前記基準面を基準とした前記計測対象の高さに対して、高さデータが所定割合以上である前記上方データの平均値と高さデータが所定割合以上である前記第１〜ｎの変換後の斜方データの平均値が一致するように前記第１〜ｎの変換後の斜方データの高さを調整することを特徴とする請求項１５に記載の３次元形状計測方法。
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