JPH09257436A - パターン投影装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 異物の結像が形状計測に与える悪影響を大幅
に軽減するとともに画像の明るさムラを大幅に改善し、
精度の高い形状計測を行うことのできる形状計測用のパ
ターン投影装置を提供する。 【解決手段】 表面が平坦な２枚の板状透明物体を、そ
れぞれの透明物体の外側の面が投影パターンの印刷面か
ら十分離れるように投影パターンが印刷された投影フィ
ルムのフィルム面を挟んで相対して配置し、両透明物体
と投影フィルムの間は清浄に密閉するとともに、両透明
物体よりも光源に近い位置に所定の透過率分布をもつ透
過率分布フィルターを配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は物体表面にパターン
を投影し投影されたパターンを投影方向と異なる方向か
ら撮像し、得られた画像を処理することによって物体の
３次元的な形状を計測する形状計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】物体表面にパターンを投影し投影された
パターンを投影方向と異なる方向から撮像し、得られた
画像を処理してパターンの変形量から物体の３次元的な
形状を求める形状計測原理は公知であり、処理の高速化
や精度の向上を目的とした工夫が数多くなされている。
本出願人も先に縞パターンを用いた形状計測装置につい
て提案した（特開平０７−６３５２７号公報）。この出
願に関わる装置の構成を図６に示す。図６において、縞
の次数を判別可能なように特徴づけられた縞パターンが
パターン投影装置１２により計測物体１１に投影され、
テレビカメラ１３により撮像され図６（ａ）に示す計測
物体の縞画像が得られる。この計測物体の縞画像と予め
画像メモリー１４に記録されていた図６（ｂ）に示す参
照平面（図示せず）の縞画像とは、信号処理装置１５に
より同一走査線、同一次数の縞同士で走査線方向の位置
が比較され、計測物体１１の３次元形状が算出される。

【０００３】この装置構成において、パターン投影装置
１２は具体的には図７に示すように、スライドプロジェ
クターと同一構造のものである。図７において、２はコ
ンデンサーレンズで光源ランプ１から出た光を効率的に
集光し投影フィルム３に入射させる働きをする。投影フ
ィルム３上に印刷されている投影パターンは、コンデン
サーレンズ２を通った光により照射され、結像レンズ７
により計測物体１１上に結像する。このようにして計測
物体１１上にパターンが投影される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図７に示したパターン
投影装置を用いてパターンを計測物体に投影し形状計測
を行う場合、以下に述べるような問題があった。まず第
１の問題は、投影フィルムにゴミ等の異物が付着した場
合、この異物が物体上に投影結像され、計測に悪影響を
与えるという問題である。特開平０７−６３５２７号公
報の装置の場合を例に以下に図８を用いて具体的に説明
する。

【０００５】図８（ａ）は異物の付着がない場合の計測
物体の縞画像である。投影フィルムに異物が付着した場
合、異物の部分は光が遮られ暗くなって結像し縞画像は
図８（ｂ）のようになる。白い縞に黒くはみ出している
部分が異物の像である。縞の走査線方向の位置は白縞
（明部）の中央位置、黒縞（暗部）の中央位置、あるい
は明暗の境界位置のいずれかで求めるのが普通であり、
以下明暗境界位置で求める場合を例に説明する。縞の位
置を白縞或いは黒縞の中央位置として求める場合でも全
く同様である。異物の付着がない正常な場合に走査線ｐ
上の明暗境界Ｐ点は異物の付着があるとＰ′点として計
測されるので、この場合は縞の位置を誤って計測し形状
計測精度が低下することになる。次に、走査線ｑ上にあ
り正常ならばＱ点として計測されるはずの明暗境界は、
異物の付着により図６（ｂ）では該当する明暗境界とし
て見つけることができず、この場合は計測エラーを生じ
ることになる。このように投影フィルムに付着した異物
の像は計測誤差や計測エラーを引き起こしてしまう。

【０００６】第２の問題は、撮像された画像の明るさに
かなり大きなムラがあるという問題である。即ち、図９
に示すように撮像された縞画像は、画面内の位置により
明部でも明るさには大きな違いがある。これは、投影光
の強度分布，テレビカメラの撮像感度分布、さらに物体
表面に対する投影角度と撮像角度の関係や物体表面の反
射特性などの組合せとして生じるものである。明るさム
ラが大きいと、二値化を行う場合には閾値の決定が難し
い、明るい部分では飽和が起き精度が低下するおそれが
ある、暗い部分ではコントラストが不足して縞位置の計
測精度が低下したり、極端な場合にはきれいな明暗の縞
を得ることが困難になる、等の問題が発生する。スライ
ドプロジェクターのように投影された画像を人間が観察
する用途では、異物の結像があってもまた明るさムラが
かなりあっても、それほど気にならないためこれら第
１、第２の問題点はほとんど問題にはされなかった。

【０００７】また、スライドプロジェクターと同一構造
のパターン投影装置を用いた場合、以下に述べるような
付随的な問題もある。即ち、図７のパターン投影装置で
光源ランプ１はかなり発熱するため、冷却用ファン（図
示せず）が必要であり、さらに空気の流通を良くするた
めの空間を確保する必要があるため、パターン投影装置
の小型化は困難である。当然空気は入れ換えなければな
らないため密閉はできない。空気を入れ換えるというこ
とは異物を次々と吸い込むということであり、前に述べ
た第１の問題を増大することにつながる。また、ファン
の振動は投影されるパターン像が振動することにつなが
り、計測精度の低下を引き起こすという第３の問題もあ
る。また、形状計測用途ではパターン投影装置とテレビ
カメラをある位置関係に配置する必要があるが、パター
ン投影装置が小型にできないため位置調整機構の小型化
が難しいという第４の問題もあった。

【０００８】本発明はかかる問題点を解決するためにな
されたもので、本発明の目的は異物の結像が形状計測に
与える悪影響を大幅に軽減するとともに画像の明るさム
ラを大幅に改善し、したがって精度の高い形状計測を行
うことのできる形状計測用のパターン投影装置を提供す
ることである。さらに、本発明の他の目的は、投影され
るパターン像の振動によるぶれを除去し、パターン投影
装置の小型化を実現し、異物の侵入そのものも低減し、
精度、取扱い等で総合的に優れた形状計測用のパターン
投影装置を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明によるパターン投影装置では、表面が平坦な
２枚の板状透明物体をそれぞれの透明物体の外側の面が
投影パターンの印刷面から十分離れるように投影パター
ンが印刷された投影フィルムのフィルム面を挟んで相対
して配置し、両透明物体と投影フィルムの間は清浄に密
閉するか、十分な厚みをもち片側の面に投影パターンが
印刷された表面が、平坦な板状透明物体のパターン印刷
面側に表面が平坦で印刷されていないもう一つの板状透
明物体をその外側の面が印刷面から十分離れるように相
対して配置し、両透明物体間は清浄に密閉するように
し、さらに両透明物体よりも光源に近い位置に所定の透
過率分布をもつ透過率分布フィルターを配置するように
している。

【００１０】このように投影パターンを２枚の板状透明
物体の間に清浄に密閉したので、異物が投影パターンに
直接付着することが防止される。透明物体の外側の面は
投影パターン面から十分離れているので異物が付着して
も計測物体上では異物は実像を結ばないか、或いはピン
トのはずれたぼけた像となり、その影響は大幅に軽減さ
れる。

【００１１】また、透過率分布フィルターにより所定の
光量分布でパターンが投影されるため、撮像された縞画
像の明るさムラが大幅に軽減される。この透過率分布フ
ィルターは計測物体上ではピンボケ状態で投影されるた
め、適度に平滑化され極めて都合が良い。

【００１２】また、本発明による他のパターン投影装置
では、パターン投影装置を光源ランプ、冷却ファン等か
らなる光源ランプ箱と投影光学系からなる投影ヘッドと
に分離し、両者を光ファイバーで結び、光ファイバーで
導いた光を投影ヘッドの光源として用いるようにしてい
る。このようにすると投影ヘッドは内部での発熱がなく
冷却が不要なため、大幅に小型化することが可能とな
る。また、空気を入れ換える必要もないので密閉が可能
になり、異物の流入そのものを防ぐことが可能になり、
前に述べた透明物体の働きと組み合わせれば異物の結像
がもたらす悪影響を完全にといって良いほど防ぐことが
できるようになる。さらに、ファンの振動もないので投
影されたパターンがぶれることもなくなり、正確な計測
ができるようになる。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について図面
に基づいて説明する。図１において、光源ランプ１の光
がコンデンサーレンズ２により集光され投影フィルム３
を照射し、投影フィルム３上に印刷されている投影パタ
ーンが結像レンズ７により計測物体（図示せず）上に結
像されることは、従来の投影装置と同じであるが、図１
に示したように、投影フィルム３を挟んで表面が平坦な
板状透明物体（ガラス、プラスチック等）４ａ，４ｂが
設けられる。ここで両透明物体と投影フィルム３との間
はシール材５により清浄に密閉される。このようにする
と投影パターンの印刷面に異物が付着することはなくな
る。

【００１４】或いは、図２（ａ），（ｂ）に示すように
投影フィルム３をどちらかの透明物体に密着させても良
いし、図１（ｃ）に示すように投影フィルム３を両側の
透明物体で密着させて挟んでも良い。いずれの場合でも
密着させる時は、異物を挟まないように十分注意しなけ
ればならない。このように密着させれば特別なシールを
行わなくても投影フィルム面に異物が付着することはな
い。

【００１５】或いは、別の方法として投影フィルムを設
けずに、投影パターンを透明物体４ａあるいは透明物体
４ｂの内側の面ａに印刷し、図２（ｄ），（ｅ）に示す
ように両透明物体間をシール材５で清浄に密閉するよう
にしても良いし、また、図２（ｆ）のように両透明物体
を直接密着させるようにしても良い。この場合も密着さ
せる時に異物を挟み込むことがないようにしなければな
らないことは言うまでもない。いずれの方法においても
透明物体４ａ，４ｂの外側の面と投影パターンとは十分
離し、異物が透明物体４ａ，４ｂの外側の面に付着して
も計測物体上には明瞭な異物の像ができないようにす
る。このことを図４により以下に説明する。

【００１６】図４において、Ｆ，Ｆ′は結像レンズ７の
焦点で、ａの位置に投影パターンの印刷面があり、その
結像位置がＡであるとする。計測物体には奥行き変化が
あるため、計測面の位置がＡより近くなっても遠くなっ
ても投影されたパターンは少しぼけることになる。奥行
き方向の計測範囲はこのぼけが小さな範囲に取ることに
なる。投影パターン面の位置ａから透明物体４ａ，４ｂ
の外側の面までの光学的距離をそれぞれｄ１，ｄ２とす
ると、透明物体４ａの外側の面の位置はｂに、透明物体
４ｂの外側の面の位置はｃになり、ｂ，ｃの位置に異物
が存在することになる。

【００１７】まず、ｂの位置にある異物の結像について
考える。ｂが結像レンズ７から見て焦点Ｆより外側にあ
る場合（図示せず）は、Ａより結像レンズ７から遠い位
置に実像ができ、計測範囲内にある面上では異物の像は
ぼけることになる。この場合異物が小さければ異物の悪
影響は殆どなくなるが、異物が大きな場合はその影響を
除去しきれない可能性はある。ｄ１をさらに大きくして
図４に示すようにｂが焦点Ｆより結像レンズ７に近い側
にあるようにすると、異物は実像を結ばなくなる。この
場合は、大きな異物が付着しても計測物体上に投影され
たパターンにはその悪影響は全く現れない。このような
状態にするのが最も望ましい。

【００１８】次に、ｃの位置にある異物の結像について
考える。ｃは結像レンズ７から見て焦点Ｆより外側にあ
り、この位置にある異物の実像ができないようにするこ
とはできないので、計測範囲内では異物の像が十分ぼけ
るようにする。ｃは結像レンズ７からみてａよりも遠い
ので、ｃの位置にある異物はＡよりも結像レンズ７に近
いＣの位置に実像を結ぶ。ｄ２を十分大きくとればＣと
Ａを十分離すことができ、したがって、ｃの位置にある
異物の像が計測範囲内にある面に対しては十分ぼけるよ
うにすることができる。この場合大きな異物に対しては
影響を完全に除去できないおそれは残るが、最も数の多
い小さな異物の悪影響は殆ど除去できるので効果は極め
て大きい。

【００１９】以上述べたように表面が平坦な板状透明物
体４ａ，４ｂで投影パターンを間に異物がないように清
浄に密閉して挟み、両透明物体の外側の面と投影パター
ンとの距離が十分離れるようにすれば、異物付着の影響
を大幅に軽減することが可能となる。

【００２０】さらに、図１において、透明物体４ｂより
光源側の位置に透過率分布フィルター６が設けられてい
る。例えば、従来の投影装置で図７に示したようなムラ
のある縞画像が得られるような場合に、図５に示すよう
な透過率分布をもつフィルター６を用いて、投影光の周
辺部が明るくなるようにしてパターンを投影すると、ほ
ぼ均一な明るさ分布をもつ縞画像を得ることができるよ
うになる。このようにして画像の明るさがほぼ均一にな
ると、光源ランプの光量調節やテレビカメラの絞り調
節、ゲイン調節等を適正にすれば全面にわたって適度な
明暗コントラストを実現できるようになるので、二値化
等の処理が容易になるだけでなく、部分的な飽和やコン
トラスト不足に起因する計測精度低下を防止することが
できる。

【００２１】透過率分布フィルター６は例えば、コンピ
ューター画面上に描かせた濃淡画像を透明シートにモノ
クロ印刷させる方法、あるいは半透明シートの重ね合わ
せ枚数を部位により変える方法等により安価に作成する
ことができるが、このような安価な方法で作成した透過
率分布フィルターは透過率に細かなピッチのムラがあっ
たり階段状に変化したりして、十分に滑らかな変化を実
現できないのが普通である。しかしながら、本発明では
図１に示したように透過率分布フィルター６を透明物体
４ｂより光源側に配置したため、既に述べたようなぼけ
の効果により細かいピッチのムラや階段状の変化が計測
範囲内では適度に平滑化され、所定の強度分布の形がほ
ぼ保たれた滑らかな照明強度分布が得られるようにな
る。

【００２２】また、透過率分布フィルター６に付着する
異物の像も十分にぼけるため悪影響は殆ど生じない。透
過率分布フィルター６を透明物体４ａより結像レンズ側
に配置した場合は虚像となるため、所望の強度分布を実
現することはできない。このように透過率分布フィルタ
ー６を透明物体４ｂよりも光源側に配置することによっ
て安価な方法で作成したフィルターで十分な効果をあげ
ることができるようになる。

【００２３】尚、例えば計測面が平面に近くパターンの
投影を計測面に対して斜めから行うような場合には、図
４における結像面Ａを計測面に近づくように傾け計測面
全面で投影のピントが良く合うようにするために、投影
パターンの印刷面ａを光軸に対して垂直でなくある程度
傾けることが従来から行われている。本発明の投影装置
において同じことを行うには、投影パターンを挟み込ん
だ透明物体４ａ，４ｂを一体のものとして傾けるように
すれば良い。透過率分布フィルター６は、もともとピン
トが外れるようにしてあり、その位置の厳密性は必要で
ないので傾ける必要はないが、透明物体４ａ，４ｂと一
緒に傾けても勿論構わない。

【００２４】次に、本発明の他の実施の形態について説
明する。図３において、８は光源ランプ箱であり光源ラ
ンプ、冷却ファン（共に図示せず）等が内蔵されてい
る。光源ランプから出た光は、効率的に集光され光ファ
イバー９の端面に入射し、光ファイバー９のもう一つの
端面から出てコンデンサーレンズ２に入射する。

【００２５】即ち、図１における光源ランプ１の代わり
に、同じ位置に光ファイバー９の端面が配置されてい
る。図３において、コンデンサーレンズ２から左側の部
分は図１の場合と全く同じであり、透明物体４ａ，４ｂ
の効果により異物の結像の影響が大幅に軽減されるこ
と、及び透過率分布フィルター６により均一な明るさの
縞画像が得られることも同じである。いうまでもなく、
投影パターン及び透明物体の構造は、図２（ａ），
（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ），（ｆ）のようになっ
ていても構わない。

【００２６】図３において、発熱源である光源ランプ、
その冷却機構は光源ランプ箱８に設けられ、投影ヘッド
１０には光ファイバー９の端面があるだけである。した
がって、投影ヘッド１０は大幅に小型化することがで
き、投影ヘッドとテレビカメラとの位置関係を調節する
ことも大幅にやりやすくなる。また、投影ヘッド１０は
発熱がないため、密閉が可能で外部からの異物の流入を
防ぐことができ、図１の発明で完全に除去できない恐れ
のあった大きな異物の侵入を防げるので、異物の影響を
ほぼ完全に排除できるようになる。さらに、冷却ファン
の振動は投影ヘッド１０までは伝わらないので投影され
たパターンが冷却ファンの振動でぶれることもない。

【００２７】なお、投影ヘッドが密閉可能になるとはい
っても必要に応じ開けることがあるうえに、わずかの隙
間まで完全に塞ぐことは難しく隙間から小さな異物が侵
入する可能性はあるので、図３に示す発明により図１の
発明の意味がなくなるわけではない。両発明を組合せれ
ば最も高い効果を得ることができる。尚、光ファイバー
を使うとどうしても光量が減少するため、場合によって
は図１の発明だけを用いることも勿論ある。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のパターン
投影装置によれば、異物の計測面への結像、画像の明る
さムラ、振動による投影されたパターンのブレなど形状
計測における精度低下の要因を大幅に改善することがで
き、従来に比べて極めて精度の高い計測ができるように
なる。また、信号処理も容易になるので処理速度も高速
になる。さらに、装置が小型化でき取扱いが容易になる
だけでなく、位置調節機構が小型化できるなど周辺機構
の小型化、低価格化にも大きく寄与することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例を示す概略図。

【図２】本発明において用いる投影パターン及び透明物
体の種々の構造例を示す図。

【図３】本発明の他の実施例を示す概略図。

【図４】本発明の作用を説明するための図。

【図５】透過率分布フィルターの透過率分布の例を示し
た図。

【図６】形状計測装置の例を示した図。

【図７】従来のパターン投影装置を示した図。

【図８】異物付着の影響を説明するための図。

【図９】画像の光量ムラの例を示した図。

【符号の説明】

１ 光源ランプ ２ コンデンサーレンズ ３ 投影フィルム ４ 透明物体 ５ シール材 ６ 透過率分布フィルター ７ 結像レンズ ８ 光源ランプ箱 ９ 光ファイバー １０ 投影ヘッド １１ 計測物体 １２ パターン投影装置 １３ テレビカメラ １４ 画像メモリー １５ 信号処理装置

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 物体表面にパターンを投影し、投影され
   たパターンを撮像して物体の形状を測定するためのパタ
   ーン投影装置において、表面が平坦な２枚の板状透明物
   体を、投影パターンが印刷された投影フィルムのフィル
   ム面を挟んで、かつそれぞれの透明物体の外側の面が投
   影パターンの印刷面から十分離れるように相対して配置
   し、両透明物体と投影フィルムの間は清浄に密閉すると
   ともに、両透明物体よりも光源に近い位置に所定の透過
   率分布をもつ透過率分布フィルターを配置したことを特
   徴とする形状計測用のパターン投影装置。
2. 【請求項２】 物体表面にパターンを投影し、投影され
   たパターンを撮像して物体の形状を測定するためのパタ
   ーン投影装置において、十分な厚みをもち片側の面に投
   影パターンが印刷された表面が平坦な板状透明物体のパ
   ターン印刷面側に、表面が平坦で印刷されていないもう
   一つの板状透明物体をその外側の面が印刷面から十分離
   れるように相対して配置し、両透明物体間は清浄に密閉
   するとともに、両透明物体よりも光源に近い位置に所定
   の透過率分布をもつ透過率分布フィルターを配置したこ
   とを特徴とする形状計測用のパターン投影装置。
3. 【請求項３】 光源は光ファイバーにより導かれた光で
   ある．請求項１又は２記載の形状計測用のパターン投影
   装置。