JP7022661B2 - Shape measuring device and shape measuring method - Google Patents
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Description
この発明は、物体の形状を非接触で測定する形状測定装置および形状測定方法に関するものである。 The present invention relates to a shape measuring device and a shape measuring method for measuring the shape of an object in a non-contact manner.
金属製部品、樹脂製部品やゴム製部品などの立体的な物体の三次元形状を非接触で測定する技術として、光を利用したものが多用されている。その一例として、特許文献1では、実体格子型のシャドーモワレ法により物体の三次元空間座標を求める形状測定方法が記載されている。この形状測定方法では、格子パターンを有する格子プレートが物体の近傍に配置され、ハロゲンランプなどの光源から出射した照明光が格子プレートを介して物体に照射される。これによって物体の表面に格子模様が投影される。また、格子パターンと格子模様とにより生じるモワレ縞をカメラなどの撮像部により撮像し、その撮像結果から物体の三次元空間座標を求めている。
As a technique for measuring the three-dimensional shape of a three-dimensional object such as a metal part, a resin part, or a rubber part in a non-contact manner, a technique using light is often used. As an example,
上記したシャドーモワレ法を用いた形状測定技術、あるいはシャドーモワレ法に位相シフトを組み合わせた形状測定技術によれば、格子パターンの格子ピッチおよび撮像部の分解能などを適正化することで物体の形状測定を良好に行うことができる。しかしながら、これらの形状測定技術は必ずしも万能であるとは言えず、例えば段付き歯車のように比較的大きな段差部位を有する物体については正確な形状測定が難しいという問題を有していた。 According to the shape measurement technology using the shadow moiré method described above, or the shape measurement technology that combines the shadow moiré method with phase shift, the shape of an object is measured by optimizing the grid pitch of the grid pattern and the resolution of the image pickup unit. Can be done well. However, these shape measurement techniques are not always universal, and have a problem that accurate shape measurement is difficult for an object having a relatively large step portion such as a stepped gear.
この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、物体が段差部位を有する場合であっても、当該物体の形状を正確に測定することができる形状測定装置および形状測定方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a shape measuring device and a shape measuring method capable of accurately measuring the shape of an object even when the object has a step portion. And.
この発明の一態様は、物体の形状を非接触で測定する形状測定装置であって、物体から第1の方向に離間して配置され、空間コード化法に基づいて設定されるパターン画像を含む第1波長帯域のパターン光を物体に向けて出射する投影部と、物体から第1の方向に離間して配置され、第1波長帯域と異なる第2波長帯域の照明光を物体に向けて出射する光源部と、第1の方向において物体と光源部および投影部との間に配置され、第1波長帯域の光については全部を透過させ、第2波長帯域の光については一部を遮光して格子パターンを形成する格子プレートと、格子プレートを介して物体を撮像可能に設けられ、パターン光の照射によりパターン画像が投影された物体を撮像してパターン投影画像を取得し、照明光の照射により格子パターンに対応する格子模様が投影された物体を撮像することで物体の像と格子パターンの像を重ねて生じるモワレ縞画像を取得する撮像部と、撮像部により撮像されたモワレ縞画像およびパターン投影画像に基づいて物体の三次元空間座標を求める制御部とを備えることを特徴としている。 One aspect of the present invention is a shape measuring device that measures the shape of an object in a non-contact manner, and includes a pattern image that is arranged apart from the object in a first direction and is set based on a spatial coding method. A projection unit that emits pattern light in the first wavelength band toward an object and an illumination light in a second wavelength band that is arranged apart from the object in the first direction and is different from the first wavelength band are emitted toward the object. It is arranged between the light source unit and the object, the light source unit, and the projection unit in the first direction, and transmits all the light in the first wavelength band and shields a part of the light in the second wavelength band. A lattice plate that forms a lattice pattern and an object that can be imaged through the lattice plate are provided, and an object on which a pattern image is projected by irradiation with pattern light is imaged to acquire a pattern projection image, and irradiation with illumination light is performed. An image pickup unit that acquires a moire fringe image generated by superimposing an image of an object and an image of a grid pattern by imaging an object on which a grid pattern corresponding to the grid pattern is projected, and a moire fringe image captured by the image pickup unit. It is characterized by including a control unit that obtains three-dimensional spatial coordinates of an object based on a pattern projection image.
また、この発明の他の態様は、物体の形状を非接触で測定する形状測定方法であって空間コード化法に基づいて設定されるパターン画像を含む第1波長帯域のパターン光を物体の表面に照射してパターン画像を投影するとともに、パターン画像が投影された物体を撮像してパターン投影画像を取得する第1形状測定工程と、第1波長帯域と異なる第2波長帯域の照明光を格子パターンを介して物体の表面に照射して格子模様を投影するとともに、格子模様が投影された物体を撮像して物体の像と格子パターンの像を重ねて生じるモワレ縞画像を取得する第2形状測定工程と、モワレ縞画像およびパターン投影画像に基づいて物体の三次元空間座標を求める座標確定工程とを備えることを特徴としている。 Further, another aspect of the present invention is a shape measuring method for measuring the shape of an object in a non-contact manner, in which a pattern light in a first wavelength band including a pattern image set based on a spatial coding method is applied to the surface of the object. The first shape measurement step of irradiating the object to project the pattern image and acquiring the pattern projection image by imaging the object on which the pattern image is projected, and the grid of the illumination light in the second wavelength band different from the first wavelength band. A second shape that illuminates the surface of an object through a pattern to project a lattice pattern, and also captures the object on which the lattice pattern is projected to acquire a moire fringe image generated by superimposing the image of the object and the image of the lattice pattern. It is characterized by including a measurement step and a coordinate determination step of obtaining three-dimensional spatial coordinates of an object based on a moire fringe image and a pattern projection image.
モワレ縞画像に基づく物体の形状測定(シャドーモワレ法)では、第1の方向において物体の表面が大きく変動する部分(つまり段差部分)が存在する物体の表面を高精度に測定することが難しかった。これに対し、シャドーモワレ法に対してパターン画像に基づく空間コード化法を組み合わせることで物体の三次元空間座標が良好に求められる。 In the shape measurement of an object based on a moire fringe image (shadow moire method), it was difficult to measure the surface of an object with high accuracy in which a portion (that is, a step portion) where the surface of the object fluctuates greatly in the first direction exists. .. On the other hand, by combining the shadow moiré method with the spatial coding method based on the pattern image, the three-dimensional spatial coordinates of the object can be satisfactorily obtained.
以上のように、シャドーモワレ法と空間コード化法とを組み合わせて物体の三次元空間座標を求めているため、段差部位を有さない物体はもちろんのこと、段差部位を有する物体についても当該物体の形状を正確に測定することができる。 As described above, since the three-dimensional spatial coordinates of the object are obtained by combining the shadow moire method and the spatial coding method, not only the object having no step portion but also the object having the step portion is the object. The shape of the object can be measured accurately.
図1は本発明に係る物体の形状測定装置の第1実施形態を示す図である。この形状測定装置1Aは、例えば段付き歯車のように比較的大きな段差部位Waを有する物体Wを静止させた状態で物体Wの形状を測定する装置である。以後の説明のために、図1に示すようにXYZ座標軸を設定する。ここでXY平面が水平面であり、Z軸は鉛直軸と一致する。また、Z軸における正方向は鉛直上向き方向である。 FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of an object shape measuring device according to the present invention. This shape measuring device 1A is a device that measures the shape of an object W in a state where an object W having a relatively large step portion Wa such as a stepped gear is stationary. For the following description, the XYZ axis is set as shown in FIG. Here, the XY plane is a horizontal plane, and the Z axis coincides with the vertical axis. Further, the positive direction on the Z axis is a vertically upward direction.
形状測定装置1Aは、測定対象となる物体Wを静止状態で保持する保持部2を有している。この保持部2からは鉛直方向Zに柱状部材3が立設され、柱状部材3の上端部に対して測定ヘッド4がZ方向に昇降自在に取り付けられるとともに、柱状部材3の中間部に対して格子プレート5がZ方向に昇降自在に取り付けられている。これら測定ヘッド4および格子プレート5は昇降部6と接続されている。そして、装置全体を制御する制御部10からの昇降指令に応じて昇降部6が作動することで、鉛直方向Zにおける物体Wの寸法、つまり物体高さに応じて測定ヘッド4および格子プレート5が一体的に昇降し、物体Wの直上位置に格子プレート5が位置決めされる。また、格子プレート5の位置決めが完了した後で測定ヘッド4に内蔵されるプロジェクター、光源部および撮像部により第1形状測定工程および第2形状測定工程がそれぞれ実行される。なお、第1形状測定工程および第2形状測定工程がそれぞれ本発明の「第1形状測定処理」および「第2形状測定処理」の一例に相当している。
The shape measuring device 1A has a
図2は測定ヘッドの内部構造を模式的に示す図である。測定ヘッド4に内蔵されるプロジェクター7、光源部8および撮像部9はいずれも物体Wから(+Z)方向に離間して配置されており、格子プレート5を挟んで物体Wの表面と対向している。これらのうちプロジェクター7は空間コード化法に基づいて設定されるパターン画像を含む第1波長帯域λ1のパターン光L1を物体Wに向けて出射する。パターン光L1は図2の(a)欄に示すように第1形状測定工程において格子プレート5を介して物体Wに照射される。なお、本実施形態では、上記パターン画像としてグレイコードを用いており、プロジェクター7が本発明の「投影部」の一例に相当している。
FIG. 2 is a diagram schematically showing the internal structure of the measuring head. The
また、光源部8はX方向に互いに所定間隔だけ離間しながら一列に配列された3つの光源81~83を有している。光源81~83はLED(Light Emitting Diode)やLD(Laser Diode)などで構成された点光源であり、いずれも第2波長帯域λ2(≠λ1)の照明光L2を発光可能となっている。例えば第1波長帯域λ1および第2波長帯域λ2をそれぞれ「赤色の波長帯域」および「青色の波長帯域」とすることができる。
Further, the
光源81~83はそれぞれ独立して制御部10からの点灯指令に応じて点灯および消灯可能となっている。そして、第2形状測定工程では、図2の(b)欄に示すようにX方向において最上流に位置する光源81が一定時間だけ点灯する。すなわち、照明光L2が格子プレート5を介して物体Wに照射された後で光源81は消灯される。これに続いて、光源82、83がこの順序で光源81と同様に一定時間だけ点灯した後で消灯される。
The
このように互いに異なる波長帯域のパターン光L1および照明光L2が格子プレート5に入射されるが、本実施形態では、第1形状測定工程においてパターン光L1の全部を物体Wに投影する一方、第2形状測定工程において第2波長帯域の照明光L2を用いて格子画像を物体Wの表面に投影する必要がある。そこで、本実施形態では、格子プレート5は次のように構成されている。
In this way, the pattern light L1 and the illumination light L2 having different wavelength bands are incident on the
格子プレート5は、図1および図2に示すように、平板基材51と、平板基材51の(+Z)方向側主面上において所定ピッチで相互に離間して設けられて正弦波格子パターン(図5中の符号G)を構成する複数のパターン部材52とを有している。平板基材51はガラス板やプラスチック板などで構成されており、第1波長帯域λ1および第2波長帯域λ2の光を透過させる第1の光学特性を有している。一方、各パターン部材52は、誘電体膜などをパターニングすることで製造されており、図3に示すように、第1波長帯域λ1の光を透過させる一方で第2波長帯域λ2の光を遮光する第2の光学特性を有している。なお、図3中の縦軸および横軸はそれぞれ「透過率」および「波長」を示している。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
このように構成された格子プレート5に対して第1波長帯域λ1のパターン光L1が照射され、パターン光L1はそのまま格子プレート5を通過して物体Wに照射される。これによって、物体Wの表面にグレイコードが投影され、従来より周知の空間コード化法により物体Wの形状を測定可能となっている(第1形状測定工程)。一方、第2波長帯域λ2の照明光L2が格子プレート5に照射されると、照明光L2のうちパターン部材52に照射された光はパターン部材52で遮光され、残りは平板基材51を透過して物体Wに照射される。このため、物体Wの表面には、上記正弦波格子パターン(図5中の符号G)に対応した格子画像が投影される。このように格子プレート5は特定の第2波長帯域λ2に対してのみ透過しない格子として機能する。
The
撮像部9は、モノクロの画像を取得するモノクロ撮像素子91と、物体Wの像をモノクロ撮像素子91の撮像面911(図5参照)に結像する結像レンズ92とを有している。このため、図2の(a)欄に示すように、光源81~83を消灯させた状態で制御部10からの投影指令に応じてプロジェクター7がパターン光L1を物体Wに向けて出射すると、上記したようにグレイコードが物体Wの表面に投影され、その物体Wをモノクロ撮像素子91が撮像する。こうして撮像された画像が本発明の「パターン投影画像」の一例であり、その画像データがモノクロ撮像素子91から制御部10に転送され、空間コード化法により物体Wの形状を測定可能となっている(第1形状測定工程)。
The
一方、プロジェクター7による投影を規制した状態で光源81~83を順次点灯すると、上記したように物体Wの表面に格子画像が投影される。このように格子画像が投影された物体Wを撮像部9は格子プレート5を介して撮像するため、モノクロ撮像素子91に撮像された画像には、格子画像が投影された物体Wの像と正弦波格子パターンの像を重ねて生じるモワレ縞画像が含まれている。この画像データがモノクロ撮像素子91から制御部10に転送され、シャドーモワレ法により物体Wの形状を測定可能となっている(第2形状測定工程)。また、本実施形態は後で詳述するように位相シフトを伴うシャドーモアレ法を実行するために、光源81~83を順次互いに異なるタイミングで発光させることによって物体Wの表面で格子模様を移動させている。そして、このように移動する格子模様が撮像部9で撮像される。
On the other hand, when the
制御部10は、CPU(Central Processing Unit)やRAM(Random Access Memory)等で構成されたコンピュータを有している。そして、制御部10は、上記したように装置各部の動作を制御してグレイコードが投影された物体Wの表面を撮像してパターン投影画像を取得する(第1形状測定工程)と、光源81~83の点灯切替に応じて物体Wの表面で格子模様を光源81~83の配列方向に移動させつつモワレ縞画像を取得する(第2形状測定工程)とを連続的に実行する。また、こうして得られた画像(=パターン投影画像+モワレ縞画像)に基づいて制御部10は物体Wの三次元空間座標を確定する(座標確定工程)。このような第1形状測定工程、第2形状測定工程および座標確定工程の実行について図4および図5を参照しつつ説明する。
The
図4は図1に示す形状測定装置による形状測定動作を示すフローチャートである。また、図5は形状測定動作を模試的に示す図である。形状測定装置1Aでは、測定対象となる物体Wが保持部2に保持されると、第1形状測定工程(ステップS1)、第2形状測定工程(ステップS2)および座標確定工程(ステップS3)をこの順序で実行する。
FIG. 4 is a flowchart showing a shape measuring operation by the shape measuring device shown in FIG. Further, FIG. 5 is a diagram simulating the shape measurement operation. In the shape measuring device 1A, when the object W to be measured is held by the holding
第1形状測定工程では、光源81~83を消灯させた状態のままプロジェクター7がグレイコードを含む第1波長帯域λ1のパターン光L1を物体Wに向けて出射し、格子プレート5を介して物体Wに照射する。これによって、物体Wの表面にグレイコードが投影される(ステップS1-1)。このとき、パターン光L1は波長帯域λ1の光であるため、正弦波格子パターンGの影響を受けることなく、図5の(a)欄に示すように格子プレート5をそのまま通過して物体Wの表面に照射される。
In the first shape measurement step, the
そして、従来より周知の空間コード化法、例えば電子通信学会論文誌1985年3月Vol.J68-D No.3の369~371頁に記載された空間コード化法により物体Wの点Pの三次元座標(X,Y,Z)を測定する。すなわち、パターン光L1では、複数の投影光が一定の広がりを持って物体Wに向けて照射されており、パターン光L1を細かい扇状領域(同図の(a)欄では、そのうちの一つにドットが付されて図示されている)に分割し、こうして形成された各空間をコード化する、つまり各空間に対して投影光コードを与える(ステップS1-2)。そして、物体Wの点PのX座標およびY座標について、投影されたモノクロ撮像素子91の撮像面911上の座標C(x,y)から得られる、撮像部9から見た点Pの方向、つまり鉛直方向Zに対する角度θを算出する(ステップS1-3)。また、上記座標C(x,y)のグレイコードの明暗パターン(投影光コード)から扇状領域を特定し、当該扇状領域内の投影光の点Pへの照射方向、つまり鉛直方向Zに対する角度ψを算出する(ステップS1-4)。さらに、三角測量の原理により鉛直方向Zにおける点PのZ軸座標を算出する(ステップS1-5)とともに、点PのX座標およびY座標を算出する(ステップS1-6)。こうして算出された点Pの三次元位置、つまり三次元座標P(X,Y,Z)は制御部10のメモリに記憶される。なお、本実施形態では、三次元座標の原点は結像レンズ92の主点Oに設定されている。
Then, a well-known spatial coding method, for example, a journal of the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, March 1985, Vol. J68-D No. The three-dimensional coordinates (X, Y, Z) of the point P of the object W are measured by the spatial coding method described on pages 369 to 371 of 3. That is, in the pattern light L1, a plurality of projected lights are irradiated toward the object W with a certain spread, and the pattern light L1 is assigned to a fine fan-shaped region (in the column (a) of the figure, one of them). It is divided into (shown with dots), and each space thus formed is coded, that is, a projected light code is given to each space (step S1-2). Then, with respect to the X and Y coordinates of the point P of the object W, the direction of the point P as seen from the
こうして空間コード化法による物体Wの形状測定、つまり第1形状測定工程(ステップS1)が完了すると、位相シフトを伴うシャドーモアレ法、例えば特許文献1に記載の方法で物体Wの点Pの三次元座標(X,Y,Z)を測定する(第2形状測定工程:ステップS2)。すなわち、プロジェクター7からのパターン光L1の出射を停止する一方で、図5の(b)欄に示すように光源81が点灯されて第2波長帯域λ2の照明光L2が物体Wに向けて出射され、正弦波格子パターンGに対応した格子画像が物体Wの表面に投影される(ステップS2-1)。そして、モノクロ撮像素子91が格子プレート5を介して格子模様が投影された物体Wを撮像する。これは、ステップS2-2で全ての光源81~83について物体Wの撮像が完了したことを確認するまで、光源の発光のタイミングを異ならせながら物体Wの撮像が繰り返される。より具体的には、光源81の消灯に続いて光源82を点灯し、光源81の点灯時と同様に格子プレート5を介して格子模様が投影された物体Wを撮像する。さらに、さらに、光源82の消灯に続いて光源83を点灯し、光源81、82の点灯時と同様に格子プレート5を介して格子模様が投影された物体Wを撮像する。
When the shape measurement of the object W by the space coding method, that is, the first shape measurement step (step S1) is completed in this way, the shadow moire method accompanied by a phase shift, for example, the method described in
そして、全ての光源81~83について物体Wの撮像が完了したことを確認する(ステップS2-2で「YES」)と、物体Wの点P(X,Y,Z)についてモノクロ撮像素子91の撮像面911上の座標C(x,y)から位相値φ(x,y)を算出する(ステップS2-3)。同(b)欄では、正弦波格子パターンGの格子面と撮像部9の光軸OAとの交点を原点としている。
Then, when it is confirmed that the imaging of the object W is completed for all the
ここで、位相値φ(x,y)は、測定対象となる物体Wの形状が連続的に変化している場合や段差部位Waが正弦波格子パターンGを構成するパターン部材52の1ピッチ以内となっている場合には、単純に2πを加算すればよいが、1ピッチ以上の段差を持つ場合には、位相の飛びが2πの何倍に相当する、つまり縞次数n(x、y)を求める必要がある。
Here, the phase value φ (x, y) is within one pitch of the
そこで、本実施形態では、座標確定工程(ステップS3)を実行する。この座標確定工程では、第1形状測定工程(ステップS1)で求めた点Pの三次元座標(X,Y,Z)に基づいて縞次数n(x、y)を決定する(ステップS3-1)。そして、その縞次数n(x、y)によりアンラッピング処理を行い、それによって算出された三次元座標(X,Y,Z)を点Pの三次元位置とする(ステップS3-2)。 Therefore, in the present embodiment, the coordinate determination step (step S3) is executed. In this coordinate determination step, the fringe order n (x, y) is determined based on the three-dimensional coordinates (X, Y, Z) of the point P obtained in the first shape measurement step (step S1) (step S3-1). ). Then, the unwrapping process is performed by the fringe order n (x, y), and the three-dimensional coordinates (X, Y, Z) calculated by the unwrapping process are set as the three-dimensional position of the point P (step S3-2).
以上のように、本実施形態によれば、次のような作用効果が得られる。物体Wの形状が連続的に変化している物体Wや段差部位Waが存在するもののパターン部材52の1ピッチ以内である物体Wについては、シャドーモアレ法に位相シフトを組み合わせることで高い精度で物体Wの形状測定を行うことができる。ここで、1ピッチを超える段差部位Waが物体Wに存在すると、位相のラップ(飛び)が生じるが、本実施形態では空間コード化法により得られる位置情報に基づいてアンラッピング処理を実行している。このため、段差部位Waを有さない物体Wはもちろんのこと、段差部位Waを有する物体Wについても形状測定を高精度に行うことができる。
As described above, according to the present embodiment, the following effects can be obtained. For an object W in which the shape of the object W is continuously changing or an object W in which a step portion Wa exists but is within one pitch of the
また、第2形状測定工程のみを用いて物体Wの形状測定を行うためには、段差部位Waに適合する格子ピッチ(隣り合うパターン部材52のピッチ)を有する格子プレート5に交換して形状測定を行う必要がある。これに対し、本実施形態では、上記したようにパターン画像に基づく空間コード化法を組み合わせることで格子プレート5を変更することなく、物体Wの形状を高精度に測定することができる。
Further, in order to measure the shape of the object W using only the second shape measuring step, the shape is measured by replacing it with a
図6は本発明に係る物体の形状測定装置の第2実施形態を示す図である。この第2実施形態に係る形状測定装置1Bが第1実施形態と大きく相違する点は、コンベア駆動部21によりコンベア22を循環移動させることで物体Wを水平方向Xに搬送させながら物体Wの形状測定を行っている点と、第2形状測定工程において光源81~83を切り替えて位相シフトを行う代わりに物体Wの移動により位相シフトを行っている点であり、その他の構成は基本的に第1実施形態と同様である。この第2実施形態においても、位相シフトを伴うシャドーモアレ法と空間コード化法とを組み合わせているため、段差部位Waの有無を問わず、物体Wの形状測定を高精度に行うことができる。なお、本実施形態では、コンベア22が本発明の「移動部」の一例に相当している。
FIG. 6 is a diagram showing a second embodiment of the object shape measuring device according to the present invention. The major difference between the
また、このように構成された形状測定装置1Bについては、例えば図7に示すように物体Wに傷等の欠陥が無いかどうかを調べる、いわゆる外観検査装置に組み込んでもよい。外観検査装置の一例としては、例えば特開2017-227621号公報に記載されたものがある。この外観検査装置では、鍛造や鋳造などにより製造される金属製品(本発明の「物体」の一例に相当)における欠陥の有無を調べるために、金属製品の外観検査を行って金属製品のうち形状欠陥が含まれる欠陥領域を抽出する。そこで、例えば図7に示すように、外観検査装置100において、物体(金属製品)Wをコンベアなどの搬送機構110により所定方向に搬送しながら外観検査部120による外観検査および形状測定部130による欠陥領域の形状測定を行うように構成してもよい。以下、図7を参照しつつ外観検査装置100の構成および動作について説明する。
Further, the
図7は本発明に係る形状測定装置の第3実施形態を装備する外観検査装置の一例を模式的に示す図である。この外観検査装置100では、外観検査の対象となる物体Wが搬送機構110により水平方向に搬送される。また、物体Wの搬送経路に沿って外観検査部120と形状測定部130とが並設されている。外観検査部120は、物体Wの搬送方向において形状測定部130の上流側(同図における左手側)に配置されている。
FIG. 7 is a diagram schematically showing an example of an appearance inspection device equipped with a third embodiment of the shape measuring device according to the present invention. In the
外観検査部120には、搬送機構110の鉛直上方に撮像カメラ121が配置されている。また、搬送機構110の斜め上方において、2つの照明器具122、123が撮像カメラ121を挟み込むように配置されている。外観検査装置100では、予め良品と判別された物体Wを撮像カメラ121により撮像して取得される参照画像のデータが記憶されている。そして、検査対象となる物体Wが搬送機構110により外観検査部120に搬送されてくると、撮像カメラ121により物体Wを撮像し、その撮像画像と参照画像とを比較して欠陥の有無を判定する。
In the
一方、形状測定部130は物体Wの搬送方向Xにおいて外観検査部120の下流側に設けられている。形状測定部130には、上記実施形態と同様に測定ヘッド4および格子プレート5により物体Wの形状を測定する形状測定ユニット131が搬送機構110の斜め上方に2組設けられている。各形状測定ユニット131に対して図示を省略するロボットアームが接続されており、搬送機構110により外観検査部120から搬送されてくる物体Wに対して任意の姿勢で各形状測定ユニット131による形状測定が実行可能となっている。各形状測定ユニット131は、外観検査部120により見つけ出された欠陥領域と対向するように姿勢制御された状態で、上記実施形態と同様に第1形状測定工程、第2形状測定工程および座標確定工程を実行して欠陥領域の形状を詳細に測定し、その測定結果を出力する。
On the other hand, the
このように図7に示す外観検査装置100によれば、物体Wの表面に存在する欠陥領域を見つけ出し、その詳細な形状測定を行うことが可能となっており、物体Wの検査を高精度に行うことができる。なお、図7に示す外観検査装置100では、外観検査部120で検査された時の姿勢のまま物体Wを搬送機構110により形状測定部130に搬送しているが、外観検査部120と形状測定部130との間に物体Wの姿勢を調整する、例えば物体Wを反転させる反転機構(図示省略)を設けてもよく、これによって形状測定部130により測定可能となる範囲を広げることができる。
As described above, according to the
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば本実施形態では、モノクロ撮像素子91を用いて第1形状測定工程(ステップS1)と第2形状測定工程(ステップS2)とをこの順序で実行しているが、これらの順序を逆転させてもよい。また、モノクロ撮像素子91の代わりに、カラーCCDやカラーCMOSなどのカラー撮像素子を用いることで第1形状測定工程(ステップS1)と第2形状測定工程(ステップS2)とを同時に行ってもよく、この場合、形状測定に要する時間を短縮することができる。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made other than those described above as long as the present invention is not deviated from the gist thereof. For example, in the present embodiment, the first shape measurement step (step S1) and the second shape measurement step (step S2) are executed in this order using the
また、第1形状測定工程(ステップS1)と第2形状測定工程(ステップS2)とを同時に行うために、モノクロ撮像素子91の代わりに、図8に示すように、2つのモノクロ撮像素子93、94と、ダイクロイックミラーなどの色分離素子95とを設けてもよい(第4実施形態)。
Further, in order to simultaneously perform the first shape measurement step (step S1) and the second shape measurement step (step S2), instead of the
図8は本発明に係る物体の形状測定装置の第4実施形態を示す図である。この第4実施形態では、第1形状測定工程(ステップS1)と第2形状測定工程(ステップS2)とを同時に行う際には、第1波長帯域λ1の光と第2波長帯域λ2の光と撮像部9に入射されるが、本実施形態では結像レンズ92の出射側に色分離素子95が配置されている。この色分離素子95は第1波長帯域λ1の光を反射して第1モノクロ撮像素子93に導光するとともに第2波長帯域λ2の光をそのまま透過させて第2モノクロ撮像素子94に導光する。したがって、第1モノクロ撮像素子93で第1波長帯域の光を受光して第1形状測定工程(ステップS1)と第2モノクロ撮像素子94で第2波長帯域の光を受光して第2形状測定工程(ステップS2)とを同時に実行可能となっており、形状測定に要する時間を短縮することができる。
FIG. 8 is a diagram showing a fourth embodiment of the object shape measuring device according to the present invention. In this fourth embodiment, when the first shape measurement step (step S1) and the second shape measurement step (step S2) are performed at the same time, the light in the first wavelength band λ1 and the light in the second wavelength band λ2 are used. Although it is incident on the
また、上記実施形態では、第2形状測定工程(ステップS2)を実行するために、3つの光源81~83として点光源を用いているが、線光源を用いてもよい。また、光源の個数は「3」に限定されるものではなく、4以上であってもよい。
Further, in the above embodiment, in order to execute the second shape measurement step (step S2), a point light source is used as the three
また、第2形状測定工程(ステップS2)では位相シフトを併用しているが、位相シフトの併用は形状測定の精度を高める上で好適であるが、本発明の技術的特徴のひとつである空間コード化法との組み合わせにとって必須構成ではなく、あくまで任意構成である。 Further, in the second shape measurement step (step S2), the phase shift is also used, and the combined use of the phase shift is suitable for improving the accuracy of the shape measurement, but the space is one of the technical features of the present invention. It is not an essential configuration for the combination with the coding method, but an arbitrary configuration.
この発明は、物体の形状を非接触で測定する形状測定技術全般に適用することができる。 The present invention can be applied to all shape measuring techniques for measuring the shape of an object in a non-contact manner.
1A,1B…形状測定装置
5…格子プレート
7…プロジェクター(投影部)
8…光源部
9…撮像部
10…制御部
22…コンベア(移動部)
51…平板基材
52…パターン部材
81~83…光源
91…モノクロ撮像素子
93…第1モノクロ撮像素子
94…第2モノクロ撮像素子
95…色分離素子
131…形状測定ユニット(形状測定装置)
G…正弦波格子パターン
L1…パターン光
L2…照明光
λ1…第1波長帯域
λ2…第2波長帯域
W…物体
Wa…段差部位
X…水平方向(第2の方向)
Z…鉛直方向(第1の方向)
1A, 1B ... Shape measuring
8 ...
51 ...
G ... Sine and cosine grid pattern L1 ... Pattern light L2 ... Illumination light λ1 ... First wavelength band λ2 ... Second wavelength band W ... Object Wa ... Step portion X ... Horizontal direction (second direction)
Z ... Vertical direction (first direction)
Claims (8)
前記物体から第1の方向に離間して配置され、空間コード化法に基づいて設定されるパターン画像を含む第1波長帯域のパターン光を前記物体に向けて出射する投影部と、
前記物体から前記第1の方向に離間して配置され、前記第1波長帯域と異なる第2波長帯域の照明光を前記物体に向けて出射する光源部と、
前記第1の方向において前記物体と前記光源部および前記投影部との間に配置され、前記第1波長帯域の光については全部を透過させ、前記第2波長帯域の光については一部を遮光して格子パターンを形成する格子プレートと、
前記格子プレートを介して前記物体を撮像可能に設けられ、前記パターン光の照射により前記パターン画像が投影された前記物体を撮像してパターン投影画像を取得し、前記照明光の照射により前記格子パターンに対応する格子模様が投影された前記物体を撮像することで前記物体の像と前記格子パターンの像を重ねて生じるモワレ縞画像を取得する撮像部と、
前記撮像部により撮像された前記モワレ縞画像および前記パターン投影画像に基づいて前記物体の三次元空間座標を求める制御部と
を備えることを特徴とする形状測定装置。 A shape measuring device that measures the shape of an object in a non-contact manner.
A projection unit that is arranged apart from the object in the first direction and emits pattern light in the first wavelength band including a pattern image set based on the spatial coding method toward the object.
A light source unit that is arranged apart from the object in the first direction and emits illumination light in a second wavelength band different from the first wavelength band toward the object.
Arranged between the object and the light source unit and the projection unit in the first direction, all the light in the first wavelength band is transmitted, and a part of the light in the second wavelength band is shielded. And the lattice plate that forms the lattice pattern,
The object is provided so as to be able to image through the lattice plate, and the object on which the pattern image is projected by irradiation with the pattern light is imaged to obtain a pattern projection image, and the lattice pattern is obtained by irradiation with the illumination light. An imaging unit that acquires a moire fringe image generated by superimposing an image of the object and an image of the lattice pattern by imaging the object on which the lattice pattern corresponding to the above is projected.
A shape measuring device including a control unit for obtaining three-dimensional spatial coordinates of the object based on the moire fringe image captured by the image pickup unit and the pattern projection image.
前記格子プレートは、
前記第1波長帯域および前記第2波長帯域の光を透過させる第1の光学特性を有する平板基材と、
前記第1波長帯域の光を透過させる一方で前記第2波長帯域の光を遮光する第2の光学特性を有し、前記平板基材の一方主面上で互いに離間して設けられて前記格子パターンを構成する複数のパターン部材と
を有する形状測定装置。 The shape measuring device according to claim 1.
The grid plate is
A flat plate substrate having the first optical property of transmitting light in the first wavelength band and the second wavelength band,
It has a second optical property of transmitting light in the first wavelength band while blocking light in the second wavelength band, and is provided on one main surface of the flat plate substrate so as to be separated from each other. A shape measuring device having a plurality of pattern members constituting a pattern.
前記撮像部はモノクロの画像を取得するモノクロ撮像素子で前記物体を撮像し、
前記制御部は、前記パターン光および前記照明光を個別に出射させるとともに、前記パターン光の出射に対応して前記撮像部により前記パターン投影画像を取得する第1形状測定処理を実行し、前記照明光の出射に対応して前記撮像部により前記モワレ縞画像を取得する第2形状測定処理を実行する形状測定装置。 The shape measuring device according to claim 1 or 2.
The image pickup unit captures the object with a monochrome image sensor that acquires a monochrome image, and the image pickup unit captures the object.
The control unit emits the pattern light and the illumination light individually, and executes a first shape measurement process for acquiring the pattern projection image by the image pickup unit in response to the emission of the pattern light, and the illumination. A shape measuring device that executes a second shape measuring process for acquiring a moire fringe image by the imaging unit in response to light emission.
前記撮像部はカラーの画像を取得するカラー撮像素子で前記物体を撮像し、
前記制御部は、前記パターン光および前記照明光を同時に出射させるとともに、前記撮像部により前記パターン投影画像を取得する第1形状測定処理と前記撮像部により前記モワレ縞画像を取得する第2形状測定処理とを同時に実行する形状測定装置。 The shape measuring device according to claim 1 or 2.
The image pickup unit captures the object with a color image sensor that acquires a color image, and the image pickup unit captures the object.
The control unit simultaneously emits the pattern light and the illumination light, and the first shape measurement process for acquiring the pattern projection image by the image pickup unit and the second shape measurement for acquiring the moire fringe image by the image pickup unit. A shape measuring device that performs processing at the same time.
前記撮像部は、入射してくる光を前記第1波長帯域の光と前記第2波長帯域の光とに分離する色分離素子と、前記色分離素子により分離された前記第1波長帯域の光を受光して前記物体を撮像する第1モノクロ撮像素子と、前記色分離素子により分離された前記第2波長帯域の光を受光して前記物体を撮像する第2モノクロ撮像素子とを有し、
前記制御部は、前記パターン光および前記照明光を同時に出射させるとともに、前記第1モノクロ撮像素子により前記パターン投影画像を取得する第1形状測定処理と、前記第2モノクロ撮像素子により前記モワレ縞画像を取得する第2形状測定処理とを同時に実行する形状測定装置。 The shape measuring device according to claim 1 or 2.
The image pickup unit has a color separation element that separates incident light into light in the first wavelength band and light in the second wavelength band, and light in the first wavelength band separated by the color separation element. It has a first monochrome image pickup element that receives light and captures the object, and a second monochrome image pickup element that receives light in the second wavelength band separated by the color separation element and captures the object.
The control unit simultaneously emits the pattern light and the illumination light, and acquires the pattern projection image by the first monochrome image sensor, and the moire fringe image by the second monochrome image sensor. A shape measuring device that simultaneously executes the second shape measuring process.
前記光源部では、照明光を発光する光源が3つ以上互いに離間して一列に配列され、
前記制御部は、
前記第2形状測定処理において前記3つ以上の光源を互いに異なるタイミングで発光させることで前記物体の表面で前記格子模様を移動させて位相を変化させ、
前記撮像部により撮像された前記パターン投影画像に基づいて前記物体の位置情報を取得し、前記位置情報に基づいて前記位相にアンラッピング処理を施して前記物体の三次元空間座標を確定する形状測定装置。 The shape measuring device according to any one of claims 3 to 5.
In the light source unit, three or more light sources that emit illumination light are arranged in a row so as to be separated from each other.
The control unit
In the second shape measurement process, by causing the three or more light sources to emit light at different timings, the lattice pattern is moved on the surface of the object to change the phase.
Shape measurement that acquires the position information of the object based on the pattern projection image captured by the image pickup unit, unwraps the phase based on the position information, and determines the three-dimensional spatial coordinates of the object. Device.
前記第1の方向と異なる第2の方向に前記物体を移動させる移動部をさらに備え、
前記制御部は、
前記第2形状測定処理において前記第2の方向への前記物体の移動により前記物体の表面で前記格子模様を移動させて位相を変化させ、
前記撮像部により撮像された前記パターン投影画像に基づいて前記物体の位置情報を取得し、前記位置情報に基づいて前記位相にアンラッピング処理を施して前記物体の三次元空間座標を確定する形状測定装置。 The shape measuring device according to any one of claims 3 to 5.
Further provided with a moving portion for moving the object in a second direction different from the first direction.
The control unit
In the second shape measurement process, the lattice pattern is moved on the surface of the object by the movement of the object in the second direction to change the phase.
Shape measurement that acquires the position information of the object based on the pattern projection image captured by the image pickup unit, unwraps the phase based on the position information, and determines the three-dimensional spatial coordinates of the object. Device.
空間コード化法に基づいて設定されるパターン画像を含む第1波長帯域のパターン光を前記物体の表面に照射して前記パターン画像を投影するとともに、前記パターン画像が投影された前記物体を撮像してパターン投影画像を取得する第1形状測定工程と、
前記第1波長帯域と異なる第2波長帯域の照明光を格子パターンを介して前記物体の表面に照射して格子模様を投影するとともに、前記格子模様が投影された前記物体を撮像して前記物体の像と前記格子パターンの像を重ねて生じるモワレ縞画像を取得する第2形状測定工程と、
前記モワレ縞画像および前記パターン投影画像に基づいて前記物体の三次元空間座標を求める座標確定工程と
を備えることを特徴とする形状測定方法。 It is a shape measurement method that measures the shape of an object in a non-contact manner.
The surface of the object is irradiated with the pattern light of the first wavelength band including the pattern image set based on the spatial coding method to project the pattern image, and the object on which the pattern image is projected is imaged. The first shape measurement process to acquire the pattern projection image and
The surface of the object is irradiated with illumination light in a second wavelength band different from the first wavelength band to project a grid pattern, and the object on which the grid pattern is projected is imaged to capture the object. The second shape measuring step of acquiring a moire fringe image generated by superimposing the image of the above and the image of the lattice pattern, and
A shape measuring method comprising: a coordinate determination step of obtaining three-dimensional spatial coordinates of the object based on the moire fringe image and the pattern projection image.
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