JP2009098044A - 形状測定装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】スリット光を用いた三角測量において、被検物によってスリット光が正反射された場合においても、被検物の形状を部分的に欠落することなく測定する。
【解決手段】
この３次元形状測定装置１０は、第１投光部１１、第２投光部１２、撮像部１３、および画像処理部１４を備える。第１投光部１１と第２投光部１２とは、異なる照射角で被検物１を照射するので、一方からのスリット光が正反射したとしても、それと同時に他方からのスリット光が正反射することはない。よって、正反射が生じていない方の投光部の照射光の反射光を撮像した画像を採用し、被検物１の３次元形状を解析する。本発明は、スリット光を用いた三角測量により被検物の３次元形状を測定する測定装置に採用することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、形状測定装置に関し、特に、スリット光を用いた三角測量により被検物の形状を測定する場合に用いて好適な形状測定装置に関する。
従来、スリット光を用いた三角測量により被検物の形状を測定する方法（以下、従来方法と称する）が存在する（例えば、特許文献１参照）。
従来方法では、投光装置により、第１の方向から被検物に対してスリット光を照射し、投光装置と所定の距離（基線長）だけ離れた位置に設けられた撮像装置により、被検物の表面で反射されたスリット光の反射光を撮像する。撮像された画像上では、被検物の平らな部分においてはスリット光が直線となるが、凹凸がある部分においてはその凹凸の程度に応じた曲線となる。そこで、当該画像を解析することにより、被検物のスリット光が照射されている範囲の形状を測定し、さらに、被検物を移動させてスリット光をスキャンすることにより、被検物全体の３次元形状を測定するようになされている。
特開平１１−３４４３２１号公報
ところで、上述した従来方法の場合、被検物の素材、表面形状等によっては、照射されたスリット光が撮像装置に正反射してしまい、スリット光が照射された状態の被検物を適切に撮像することができないことがある。このような場合、当然ながら被検物のスリット光を正反射してしまう部分の形状を測定できない（被検物の測定が部分的に欠落してしまう）ことになる。
また、上述した従来方法において、被検物が拡散反射の弱い金属であったり、黒色の物体であったりした場合、光源としてレーザ光を用いる場合があるが、この場合、レーザ光によって発生されるスペックルノイズにより、測定に悪影響を与えてしまうことがあった。
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、被検物によってスリット光が正反射された場合においても、被検物の形状を部分的に欠落することなく測定できるようにするものである。
本発明の第１の形状測定装置は、スリット光を用いた三角測量により被検物の形状を測定する形状測定装置において、前記被検物に対してそれぞれ異なる方向に配置され、固定された照射角でスリット光を照射する複数の照射手段と、前記被検物に対する前記複数の照射手段のいずれの方向とも異なる方向に配置され、各照射手段によってスリット光が照射された前記被検物を、それぞれの照射手段に対応する複数の画像として撮像する撮像手段と、前記照射手段の固定された照射角と、前記撮像手段と前記照射手段との間の固定された基線長とに基づき、前記撮像手段によって撮像された前記複数の画像を解析し、前記撮像手段から前記被検物までの距離を演算する演算手段とを備えることを特徴とする。
本発明の第２の形状測定装置は、スリット光を用いた三角測量により被検物の形状を測定する形状測定装置において、前記被検物に対してそれぞれ異なる方向に配置され、スリット光を照射する複数の照射手段と、前記被検物に対する前記複数の照射手段のいずれの方向とも異なる方向に配置され、各照射手段によってスリット光が照射された前記被検物を、それぞれの照射手段に対応する複数の画像として撮像する撮像手段と、前記照射手段の照射角を調整する調整手段と、前記調整手段によって調整された前記照射手段の前記照射角と、前記撮像手段と前記照射手段との間の固定された基線長とに基づき、前記撮像手段によって撮像された前記複数の画像を解析し、前記撮像手段から前記被検物までの距離を演算する演算手段とを備えることを特徴とする。
本発明の第３の形状測定装置は、スリット光を用いた三角測量により被検物の形状を測定する形状測定装置において、前記被検物に対してそれぞれ異なる方向に配置され、スリット光を照射する複数の照射手段と、前記被検物に対する前記複数の照射手段のいずれの方向とも異なる方向に配置され、各照射手段によってスリット光が照射された前記被検物を、それぞれの照射手段に対応する複数の画像として撮像する撮像手段と、前記照射手段を移動させることにより、前記撮像手段と前記照射手段との間の基線長を変更する変更手段と、前記照射手段の固定された照射角と、前記変更手段によって変更された前記撮像手段と前記照射手段との間の前記基線長とに基づき、前記撮像手段によって撮像された前記複数の画像を解析し、前記撮像手段から前記被検物までの距離を演算する演算手段とを備えることを特徴とする。
本発明によれば、被検物の形状を部分的に欠落することなく測定することが可能となる。
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態である３次元形状測定装置の構成例を示している。この３次元形状測定装置１０は、スリット光を用いた三角測量により被検物１の３次元形状を測定するものである。
この３次元形状測定装置１０において、第１投光部１１は、内蔵された光源によって発生される照射光をスリット光に整形し、固定角θ1の照射角で被検物１を照射する。第２投光部１１は、内蔵された光源（第１投光部１１に内蔵された光源とは、強度や波長（色）が異なる）によって発生される照射光をスリット光に整形し、固定角θ2の照射角で被検物１を照射する。なお、第１投光部１１から照射されるスリット光のパターンと、第２投光部１２から照射されるスリット光のパターンとは異なるものとする。
このように、第１投光部１１と第２投光部１２が異なる照射角で被検物１を照射するので、第１投光部１１と第２投光部１２の一方からのスリット光が正反射したとしても、それと同時に他方からのスリット光が正反射することを防止できる。
なお、第１投光部１１の光源と第２投光部１２の光源は、例えば、一方をレーザ光、あるいはよりコヒーレンスの低いSLD(Super Luminescent Diode)、他方をLED(Light Emitting Diode)とすることができる。
撮像部１３は、第１投光部１１と第２投光部１２とから固定長の距離（基線長Ｌ1，Ｌ2）だけ離れた位置に設けられている。撮像部１３は、正対するスリット光が照射された被検物１を撮影し、すなわち、被検物１によって反射されたスリット光の反射光を撮像し、撮像した画像を画像処理部１４に供給する。画像処理部１４は、撮像部１３から供給された画像（後述する第１および第２画像）を解析することにより、被検物１の３次元形状を算出する。なお、この解析方法については、例えば特許文献１と同様の方法を用いることができる。
制御部１５は、第１投光部１１および第２投光部１２によるスリット光の照射タイミングを制御するとともに、画像処理部１４による画像の解析を制御したり、ステージ移動部１７によるステージ１６の移動タイミングを制御したりする。
被検物１が載置されるステージ１６は、ステージ移動部１７によって１軸上を移動する。ステージ１６には、被検物１の手前（撮像部１３側）に、完全拡散面を有する、例えば半円筒形状（かまぼこ形状）の反射部材１８も載置される。反射部材１８は、撮像部１３側から見たとき、被検物１と同程度以上の横方向の長さを有していることが望ましい。
図２は、撮像部１３の詳細な構成例を示している。撮像部１３において、被検物１からの反射光は、撮影レンズ２１を介してハーフプリズム２２に入射される。ハーフプリズム２２は、入射光（被検物１からの反射光）の光路を２分割し、一方を光学フィルタ２３に入射させ、他方を光学フィルタ２５に入射させる。
光学フィルタ２１は、ハーフプリズム２２によって分割された入射光（被検物１からの反射光）のうち、第２投光部１２の光源によって発生された光を遮断し、それ以外の光を透過させ、第１撮像素子２４に入射させる。
光学フィルタ２５は、ハーフプリズム２２によって分割された入射光（被検物１からの反射光）のうち、第１投光部１１の光源によって発生された光を遮断しそれ以外の光を透過させ、第２撮像素子２６に入射させる。
第１撮像素子２４は、光学フィルタ２３を透過した光を光電変換することにより第１画像を生成して、画像処理部１４に供給する。第２撮像素子２６は、光学フィルタ２５を透過した光を光電変換することにより第２画像を生成して、画像処理部１４に供給する。
なお、ハーフプリズム２２、並びに光学フィルタ２３および光学フィルタ２５を用いる代わりに、ダイクロックプリズムを用いてもよい。
また、撮像部１３からハーフプリズム２２、光学フィルタ２３および２５、並びに第２撮像素子２６を省略するとともに、第１投光部１１と第２投光部１２が交互にスリット光を照射するようにし、第１撮像素子２４により、第１画像と第２画像の両方を撮像するようにしてもよい。
次に、図１に示された３次元形状測定装置１０による３次元形状測定処理について、図３のフローチャートを参照して説明する。
なお、この３次元形状測定処理が開始されるとき、被検物１が載置されたステージ１６は所定の初期位置に移動されているものとする。
ステップＳ１において、制御部１５は、第１投光部１１の固定の照射角θ1（撮像部１３と第１投光部１１を結ぶ線と、第１投光部１１の投光方向とのなす角）、第２投光部１２の固定の照射角θ2（撮像部１３と第２投光部１２を結ぶ線と、第２投光部１２の投光方向とのなす角）、第１投光部１１と撮像部１３の固定の距離（基線長）Ｌ1、および第２投光部１２と撮像部１３の固定の距離（基線長）Ｌ2を、例えば内蔵するメモリから読み出して（取得して）画像処理部１４に供給する。
ステップＳ２において、第１投光部１１および第２投光部１２は、制御部１５からの制御に従い、それぞれスリット光を被検物１に照射する。そして、スリット光が照射された被検物１が、換言すれば、被検物１からの反射光が撮像部１３によって撮像される。
すなわち、ステップＳ３において、撮像部１３の第１撮像素子２４は、第１投光部１１からのスリット光に基づく第１画像を生成して画像処理部１４に供給し、撮像部１３の第２撮像素子２６は、第２投光部１２からのスリット光に基づく第２画像を生成して画像処理部１４に供給する。
ステップＳ４において、画像処理部１４は、第１画像および第２画像の双方において正反射あるいは光量不足などにより被検物１の形状解析に利用できない部分と、被検物１の形状解析に利用できる部分（測定可能な部分）を確認し、第１画像および第２画像の双方で共通して測定可能な部分については、第１画像を採用し、第１画像または第２画像の一方のみで測定可能な部分については、当該一方の画像（第１画像または第２画像）を採用し、被検物１のスリット光が照射されている箇所の形状を演算する。なお、この解析においては、ステップＳ１で制御部１５から供給された第１投光部１１の固定の照射角θ1、第２投光部１２の固定の照射角θ2、第１投光部１１と撮像部１３の固定の距離（基線長）Ｌ1、および第２投光部１２と撮像部１３の固定の距離（基線長）Ｌ2が利用される。
ステップＳ５において、制御部１５は、被検物１の全体に対してスリット光を照射し、その形状を演算したか否かに基づき、測定を終了するか、または継続するかを判定し、測定を継続すると判定した場合、処理をステップＳ６に進め、ステージ移動部１７を制御してステージ１６を所定の幅だけ移動させる。この後、処理はステップＳ４に戻り、ステップＳ４以降の処理が繰り返される。そして、ステップＳ５において、測定を終了すると判定された場合、この３次元形状測定処理は終了される。
なお、上述した３次元形状測定処理においては、第１投光部１１および第２投光部１２が同時にスリット光を照射するようになされているが、当初は第１投光部１１または第２投光部１２の一方（例えば、第１投光部１１）だけがスリット光を照射するようにし、その反射光を撮像した画像（いまの場合、第１画像）に正反射などの不具合が生じていなければ、その画像を採用するようにし、その画像に正反射などの不具合が生じているときのみ、第１投光部１１または第２投光部１２の他方（いまの場合、第２投光部１２）からスリット光を照射し、その反射光を撮像した画像（いまの場合、第２画像）を採用するようにしてもよい。
また、第１投光部１１および第２投光部１２が同時にスリット光を照射するようになされていることを利用し、被検物１の拡散反射が弱い場合には第１画像と第２画像を合成して解析するようにしてもよい。
次に、図４は、本発明の第２の実施の形態である３次元形状測定装置の構成例を示している。この３次元形状測定装置３０は、図１の３次元形状測定装置１０と同様、スリット光を用いた三角測量により被検物１の３次元形状を測定するものである。
３次元形状測定装置３０の構成要素のうち、図１の３次元形状測定装置１０と共通するものについては、同一の符号を付しているので、その説明については省略する。
３次元形状測定装置３０は、図１の３次元形状測定装置１０に比較し、第１照射角調整部３１および第２照射角調整部３２が設けられており、第１照射角調整部３１により第１投光部１１の照射角が、第２照射角調整部３２により第２投光部１２の照射角が可変である点が異なる。また、ステージ１６が移動されない点が異なる。すなわち、被検物１を移動させる代わりに、スリット光を移動させるようになされている。なお、スリット光の移動の目安にはステージ１６に載置された反射部材１８を用いる。
また、３次元形状測定装置３０は、図１の３次元形状測定装置１０の制御部１５および画像処理部１４それぞれの代わりに、制御部３３または画像処理部３４が設けられている。
制御部３３は、第１投光部１１および第２投光部１２によるスリット光の照射タイミングを制御するとともに、第１照射角調整部３１および第２照射角調整部３２を制御する。また、画像処理部３４による画像の解析を制御する。画像処理部３４は、第１画像または第２画像を解析する他、第１画像上および第２画像上における反射部材１８の所定の位置にスリット光が照射されているか否かを判定するようになされている。
次に、３次元形状測定装置３０による３次元形状測定処理について、図５のフローチャートを参照して説明する。
なお、この３次元形状測定処理が開始されるとき、反射部材１８の所定の場所（例えば、左端）が制御部３３により、測定位置に指定されているものとする。
ステップＳ１１において、制御部３３は、第１投光部１１と撮像部１３の固定の距離（基線長）Ｌ1、および第２投光部１２と撮像部１３の固定の距離（基線長）Ｌ2を、例えば内蔵するメモリから読み出して（取得して）画像処理部３４に供給する。
ステップＳ１２において、第１投光部１１および第２投光部１２は、制御部３３からの制御に従い、それぞれスリット光を照射する。撮像部１３は、正対する被検物１と反射部材１８を撮像する。ただし、このとき、被検物１と反射部材１８にスリット光が照射されているとは限らない。撮像部１３では、第１撮像素子２４により第１画像が生成されて画像処理部３４に供給され、第２撮像素子２６により第２画像が生成されて画像処理部３４に供給される。
ステップＳ１３において、画像処理部３４は、第１画像を監視し、制御部３３によって指定された反射部材１８上の測定位置に、第１投光部１１から照射されたスリット光が照射されているか否かを判定し、この判定結果を、随時、制御部３３に通知する。制御部３３は、画像処理部３４によって、第１画像の反射部材１８上の測定位置に、第１投光部１１から照射されたスリット光が照射されたと判定されるまで、第１照射角調整部３１を制御して第１投光部１１の照射角を調整させる。そして、第１投光部１１から照射されたスリット光が測定位置に照射されたと判定されたときの照射角θaを画像処理部３４に供給する。
ステップＳ１３と同様に、ステップＳ１４おいて、画像処理部３４は、第２画像を監視し、制御部３３によって指定されている反射部材１８上の測定位置に、第２投光部１２から照射されたスリット光が照射されているか否かを判定し、この判定結果を、随時、制御部３３に通知する。制御部３３は、画像処理部３４によって、第２画像の反射部材１８上の測定位置に、第２投光部１２から照射されたスリット光が照射されたと判定されるまで、第２照射角調整部３２を制御して第２投光部１２の照射角を移動させる。そして、第２投光部１２から照射されたスリット光が測定位置に照射されたと判定されたときの照射角θbを画像処理部３４に供給する。
ステップＳ１５において、画像処理部３４は、第１画像および第２画像の双方において正反射あるいは光量不足などにより被検物１の形状解析に利用できない部分と、被検物１の形状解析に利用できる部分（測定可能な部分）を確認し、第１画像および第２画像の双方で共通して測定可能な部分については、第１画像を採用し、第１画像または第２画像の一方のみで測定可能な部分については、当該一方の画像（第１画像または第２画像）を採用し、被検物１のスリット光が照射されている箇所の形状を演算する。
なお、この解析においては、ステップＳ１１で制御部３３から供給された第１投光部１１と撮像部１３の固定の距離（基線長）Ｌ1、および第２投光部１２と撮像部１３の固定の距離（基線長）Ｌ2、並びにステップＳ１３で制御部３３から供給された第１投光部１１の照射角θaおよびステップＳ１４で制御部３３から供給された第２投光部１２の照射角θbが利用される。
ステップＳ１６において、制御部３３は、反射部材１８の全域（例えば、左端から右端まで）を測定位置に指定したか否かに基づき、測定を終了するか、または継続するかを判定し、測定を継続すると判定した場合、処理をステップＳ１７に進め、反射部材１８の測定位置を変更する（例えば、所定の幅だけ右側に移動する）。この後、処理はステップＳ１３に戻り、それ以降の処理が繰り返される。そして、ステップＳ１６において、測定を終了すると判定された場合、この３次元形状測定処理は終了される。
なお、上述した３次元形状測定装置３０による３次元形状測定処理においても、第１投光部１１および第２投光部１２が同時にスリット光を照射するようになされているが、当初は第１投光部１１または第２投光部１２の一方（例えば、第１投光部１１）だけがスリット光を照射するようにし、その反射光を撮像した画像（いまの場合、第１画像）に正反射などの不具合が生じていなければ、その画像を採用するようにし、その画像に正反射などの不具合が生じているときのみ、第１投光部１１または第２投光部１２の他方（いまの場合、第２投光部１２）からスリット光を照射し、その反射光を撮像した画像（いまの場合、第２画像）を採用するようにしてもよい。
次に、図６は、本発明の第３の実施の形態である３次元形状測定装置の構成例を示している。この３次元形状測定装置４０は、図４の３次元形状測定装置３０と同様、スリット光を用いた三角測量により被検物１の３次元形状を測定するものである。
３次元形状測定装置４０の構成要素のうち、図４の３次元形状測定装置３０と共通するものについては、同一の符号を付しているので、その説明については省略する。
３次元形状測定装置４０は、図４の３次元形状測定装置３０の第１照射角調整部３１および第２照射角調整部３２それぞれの代わりに、第１投光部移動部４１および第２投光部移動部４２が設けられており、第１投光部移動部４１により第１投光部１１の位置が、撮像部１３と第１投光部１１を結ぶ線に沿って移動されるようになっている。また、第２投光部移動部４２により第２投光部１２の位置が、撮像部１３と第２投光部１２を結ぶ線に沿って移動されるようになっている。すなわち、図４の３次元形状測定装置３０と同様、被検物１を移動させる代わりに、スリット光を移動させるようになされている。
また、３次元形状測定装置４０は、図４の３次元形状測定装置３０の制御部３３の代わりに、制御部４３が設けられている。制御部４３は、第１投光部１１および第２投光部１２によるスリット光の照射タイミングを制御するとともに、第１投光部移動部４１および第２投光部移動部４２を制御する。また、画像処理部３４による画像の解析を制御する。
この３次元形状測定装置４０による３次元形状測定処理は、図４の３次元形状測定装置３０による３次元形状測定処理に比較して、初めに、第１投光部１１および第２投光部１２の固定角である照射角θ1，θ2を取得すること、測定位置にスリット光が照射されるまで照射角を調整するのではなく、第１投光部１１および第２投光部１２の照射角を固定したまま、その位置を移動する、すなわち、基線長Ｌa，Ｌbを調整することが異なる。その他の処理については、同様であるので、その説明は省略する。
以上説明したように、本発明を適用した３次元形状測定装置１０、３０、および４０においては、それぞれ被検物１において、第１投光部１１または第２投光部１２の一方からから照射されるスリット光が撮像部１３に正反射したとしても、他方から照射されるスリット光に基づく画像を解析するので、被検物の形状を部分的に欠落することなく測定できる。
なお、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
本発明の第１の実施の形態である３次元形状測定装置の構成例を示すブロック図である。 図１の撮像部の詳細な構成例を示すブロック図である。 図１の３次元形状測定装置による動作を説明するフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態である３次元形状測定装置の構成例を示すブロック図である。 図４の３次元形状測定装置による動作を説明するフローチャートである。 本発明の第３の実施の形態である３次元形状測定装置の構成例を示すブロック図である。
符号の説明
１ 被検物
１０ ３次元形状測定装置
１１ 第１投光部
１２ 第２投光部
１３ 撮像部
１４ 画像処理部
１５ 制御部
１６ ステージ
１７ ステージ移動部
１８ 反射部材
２１ 撮影レンズ
２２ ハーフプリズム
２３ 光学フィルタ
２４ 第１撮像素子
２５ 光学フィルタ
２６ 第２撮像素子
３０ ３次元形状測定装置
３１ 第１照射角調整部
３２ 第２照射角調整部
３３ 制御部
３４ 画像処理部
４０ ３次元形状測定装置
４１ 第１投光部移動部
４２ 第２投光部移動部
４３ 制御部

Claims (7)

  1. スリット光を用いた三角測量により被検物の形状を測定する形状測定装置において、
    前記被検物に対してそれぞれ異なる方向に配置され、固定された照射角でスリット光を照射する複数の照射手段と、
    前記被検物に対する前記複数の照射手段のいずれの方向とも異なる方向に配置され、各照射手段によってスリット光が照射された前記被検物を、それぞれの照射手段に対応する複数の画像として撮像する撮像手段と、
    前記照射手段の固定された照射角と、前記撮像手段と前記照射手段との間の固定された基線長とに基づき、前記撮像手段によって撮像された前記複数の画像を解析し、前記撮像手段から前記被検物までの距離を演算する演算手段と
    を備えることを特徴とする形状測定装置。
  2. スリット光を用いた三角測量により被検物の形状を測定する形状測定装置において、
    前記被検物に対してそれぞれ異なる方向に配置され、スリット光を照射する複数の照射手段と、
    前記被検物に対する前記複数の照射手段のいずれの方向とも異なる方向に配置され、各照射手段によってスリット光が照射された前記被検物を、それぞれの照射手段に対応する複数の画像として撮像する撮像手段と、
    前記照射手段の照射角を調整する調整手段と、
    前記調整手段によって調整された前記照射手段の前記照射角と、前記撮像手段と前記照射手段との間の固定された基線長とに基づき、前記撮像手段によって撮像された前記複数の画像を解析し、前記撮像手段から前記被検物までの距離を演算する演算手段と
    を備えることを特徴とする形状測定装置。
  3. スリット光を用いた三角測量により被検物の形状を測定する形状測定装置において、
    前記被検物に対してそれぞれ異なる方向に配置され、スリット光を照射する複数の照射手段と、
    前記被検物に対する前記複数の照射手段のいずれの方向とも異なる方向に配置され、各照射手段によってスリット光が照射された前記被検物を、それぞれの照射手段に対応する複数の画像として撮像する撮像手段と、
    前記照射手段を移動させることにより、前記撮像手段と前記照射手段との間の基線長を変更する変更手段と、
    前記照射手段の固定された照射角と、前記変更手段によって変更された前記撮像手段と前記照射手段との間の前記基線長とに基づき、前記撮像手段によって撮像された前記複数の画像を解析し、前記撮像手段から前記被検物までの距離を演算する演算手段と
    を備えることを特徴とする形状測定装置。
  4. 前記複数の照射手段は、照射するスリット光のパターン、波長、または強度のうち、少なくとも１つがそれぞれ異なる
    ことを特徴とする請求項１乃至３に記載の形状測定装置。
  5. 前記複数の照射手段によるスリット光の照射タイミングを制御する制御手段を
    さらに備えることを特徴とする請求項１乃至４に記載の形状測定装置。
  6. 前記被検物が載置されるステージを移動させる移動手段を
    さらに備えることを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
  7. 前記ステージには、完全拡散面を有する反射部材も載置される
    ことを特徴とする請求項２または３に記載の形状測定装置。
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