JPH04252907A - 立体形状計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、物体表面の立体的な形
状を非接触で且つ、光学的に計測する装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、物体の立体形状を計測する方法と
して格子パタ−ン投影方式が利用されてきた。この方式
は、物体表面に投影した格子パタ−ンを投影方向とは異
なる方向から観察し、物体の表面形状により変形した格
子パタ−ンから三次元座標値を計算するものである。

【０００３】然し乍ら、格子パタ−ン投影方式には、次
の問題点がある。 １）格子線上のみの座標値しか求められず、計測密度が
低い。 ２）物体表面の色や模様による影響を受け、計測誤差が
発生する。 そこで、この問題を解決する方法として、Ｊ．Ｈ．ｂｒ
ｕｎｉｎｇ　他著「Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｗａｖｅｆｒｏｎ
ｔ　Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅ
ｒ　ｆｏｒ　ＴｅｓｔｉｎｇＯｐｔｉｃａｌ　Ｓｕｒｆ
ａｃｅ　ａｎｄ　Ｌｅｎｓｅｓ」　［Ａｐｐｌｉｅｄ　
Ｏｐｔｉｃｓ．　第１８巻、２６９８−２７０７頁（１
９７４年）］に示されている位相シフト法、又は、縞走
査と呼ばれる方式を導入した計測方法が報告されている
。

【０００４】この方法は、非測定物上に正弦波状の明る
さ（以下”強度”と称す）分布をもつ格子パタ−ンを投
影して、その格子パタ−ンを格子長手方向に垂直な方向
（以下”格子垂直方向”と称す）に格子ピッチ１／Ｎず
つ移動（以下”位相シフト”と称す）させて撮像したＮ
枚の格子像から、明るさで識別できる格子像変形を、格
子パタ−ンの位相値で表される格子像変形に、変換する
ものである（以下”位相像”と称す）。

【０００５】画像上の点（ｘ，ｙ）の位相値Φ（ｘ，ｙ
）は次式により求められる。

【数１】 但し、 Ｉｉ（ｘ，ｙ）：ｉ番目の投影像強度 δｉ：ｉ番目の位相シフト量

【０００６】例えば、格内他著「しま走査干渉縞投影法
による３次元形状計測」［精密工学会誌　　Ｖｏｌ．５
５　Ｎｏ．１　１４１−１４５頁（１９８９年）］では
、投影する格子パタ−ンとしてレ−ザ光を用いた干渉縞
を用い、参照ミラ−を圧電素子を用いて平行移動するこ
とで干渉縞を移動させ、位相シフト法を適用して干渉縞
の投影像の位相像を求めて形状を求める方法を報告して
いる（以下”第１の方法”と称す）。

【０００７】又、小松原らは、「縞走査を導入した格子
パタ−ン投影法」［精密工学会誌ｖｏｌ．５５　Ｎｏ．
１０　１−６頁（１９８９年）］において、干渉縞の代
わりに液晶格子の格子パターンを投影し、位相シフト法
により格子パターンの位相像を求め、形状を求める方法
（以下”第２の方法”と称す）を報告している。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】然し乍ら、上記方法で
は以下に示す問題がある。先ず、格子移動手段について
、 １）圧電素子の伸縮量は０．１ｍｍ程度と小さく例えば
、ガラス板に金属皮膜をコーテングした実体格子で格子
寸法が、０．１ｍｍを越える場合には使用できない。 ２）格子垂直方向に移動させる時に振動が発生し、格子
移動、停止、撮像の一連の画像取り込みを高速で行なえ
ない。 ３）液晶格子は機械的可動部がないので振動の発生はな
いが、液晶表面には本来のパターンとは別にパターン分
離用の透明な不感帯（幅３０μｍ）があり、格子寸法を
小さくできない、同寸法の実体格子と比べると計測精度
が劣る。 ４）液晶のパターン変化時間は最速でも５０ｍｓｅｃ程
度であり、一連の画像取り込みを高速に行なうには限界
がある。

【０００９】更に、位相像から形状、即ち、三次元座標
値を求める演算について、 ５）格子パターンの識別を行なう必要があるにも係らず
、上記報告ではなんら述べられていない。即ち、数式（
１）に与える画像の強度分布は格子のピッチを一周期と
する正弦波状の繰返し分布を持ち、位相像は格子の半分
を一周期とする分布を持つ。　　投影する縞の周期が、
一周期以内であれば位相像は２周期以内であり、その判
別も容易であるが、格子パターンを投影する第２の方法
では、投影縞の強度分布は正確な正弦波状にならず、格
子パターン数を増す必要があり、撮像側から観察したと
きの投影縞の識別が困難になってくるという問題である
。例えば、被測定物の位置ぎめ度合いなどが原因で、高
さが全体に渡って変わるなどの場合は投影縞が平行移動
し、更に、その平行移動量が投影縞ピッチの一周期以上
に及ぶ時は、移動量を求めることは不可能で計測結果に
は歪などの誤差を含むものとなる。

【００１０】従って、本発明は機械的振動を伴わないで
格子を格子垂直方向に高速移動させる位相シフト手段を
提供し、格子移動、停止、撮像の一連の画像取り込みを
最小の時間で実現し、かつ、撮像面に表れる格子パター
ン数が多くなって、位相像の周期パターンが多い場合で
も高精度で形状計測することの出来る計測装置を提供す
ることを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】以上の問題点を解決する
ために、本発明は、第一に、格子パターン面は同一平面
内にあって各々の実体格子は必要周期密度の格子を持ち
、且つ、格子長手方向は平行で格子垂直方向にあっては
位相シフト量に相当する量だけ一方向にずらして固定し
ている必要枚数の実体格子ユニット（以下”位相シフト
格子”と称す）と、

【００１２】第二に、格子パターン面は第一の位相シフ
ト格子のパターン面に平行で、一周期、或いは、数周期
程度の粗の密度の格子を持ち格子長手方向は第一の格子
長手方向に平行に固定してある実体格子であって（以下
”位相識別格子”と称す）、

【００１３】第三に、第一と第二からなる格子ユニット
をその位置関係を保ったまま格子長手方向に定速で走査
させることによって、上記目的を達成したものである。

【００１４】格子ユニット走査方向は格子長手方向に平
行であるため、各々の実体格子の大きさより小さい範囲
で投影縞を観察すれば、格子ユニットは走査中であって
も格子像はあたかも停止しているように作用する。そし
て、格子移動は、投影に割り当てられている実体格子が
位相シフト量だけずれた次の実体格子に変わる事によっ
て実現でき、従って、実体格子を定速で走査させている
ため余分な加減速がかからず振動が発生しない。更に、
投影縞ピッチの周期以上の平行移動がある場合でも、本
発明では位相シフト格子と連動して移動する位相識別格
子の投影像を用いて位相シフト格子が動いた量を検出で
き、位相シフト格子の対応ずけを誤る事が無く、従って
、正確な計測が可能となる。

【００１５】

【実施例】本発明の実施例を図１から図４を用いて説明
する。図２は本発明の構成を示している。撮像レンズ３
を持つＩＴＶ１は、その光軸９（以下”撮像光軸”と称
す）が被測定物の３次元座標計（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のＺ軸と
一致し、且つ、撮像面２が撮像光軸９と垂直に交わるよ
うに固定する。Ｘ軸の方向は図１の誌面にたいして上向
きである。

【００１６】投影レンズ５の光軸１０（以下”投影光軸
”と称す）はＹＺ平面内にあって、原点Ｏを通り撮像光
軸９とは異なる方向、即ち、ＸＹ平面となす角度がβで
傾いている。更に、投影光軸上の位置は、格子ユニット
の格子垂直方向強度が正弦波状に分布するデフォーカス
結像位置とする。これは、前述の位相シフト方法を用い
るためである。　　尚、投影縞は光の回折などの影響で
なまっており、格子ピッチが０．１ｍｍ程度に小さい場
合は合焦点結像位置でもかまわない。

【００１７】ＩＴＶ１は画像処理装置８に接続されてお
り、投影縞の位相シフトを行う毎に撮像した計Ｎ枚の画
像を記憶する。投影縞の位相シフト動作を行う実施例を
図１に示す。説明のため位相シフト回数は４回としてい
るが、シフト回数の制限を示すものではない。　　位相
識別格子１１は投影光軸１０上にその境界線１２が来る
ように上半分が透明で下半分が不透明なパターンであり
、ガラス平行基板に金属皮膜をコーティングした実体格
子を用いている。格子パターン面は位相シフト格子１３
のパターン面と平行で、その境界線１２の方向、即ち、
格子長手方向は位相シフト格子の格子長手方向と平行に
なるように、直動案内ユニット１４に固定している。

【００１８】位相シフト格子は等幅（Ｐ／２で示す寸法
）、等ピッチ（Ｐで示す寸法）の透明部と不透明部のガ
ラス平面基板に金属皮膜をコーティングした実体格子を
４枚用い、各々の格子パターン面は同一平面内にあり、
格子長手方向は平行で、格子垂直方向においては各々位
相シフト量に相当する量ずつずらして直動案内ユニット
１４に固定している。位相識別格子と位相シフト格子の
位置関係が変わることはない。直動案内ユニット１４は
、格子長手方向に高精度且つ極めてスムーズに走査が可
能であり、直動案内ユニットの駆動源は図示していない
が何を用いてもよい。

【００１９】尚、本実施例のように同一プロセス条件で
製作した４枚の実体格子を位相シフト量ずつずらして固
定してもよいし、予めパターンをずらして設計した原図
を用いて、１枚のガラス基板に一度にコーティングした
ものでもよい。次に、図１を用いて格子の変化する様子
を説明する。（ａ）は位相識別格子の中心と投影光軸１
０が一致した状態である。被測定物表面４には透明部に
対応する高強度部と不透明部に対応する低強度部の極め
て単純な格子像が投影される。（ｂ）は位相シフト格子
の第１の実体格子（イ）の中心が投影光軸１０と一致し
た状態を示す。被測定物表面にはたくさんの縞が投影さ
れており単独では実体格子の格子と被測定物の格子像を
一義的に対応ずけることはできない。（ｃ）は（ｂ）よ
りも１／４周期ずれた格子パターンが投影光軸１０と合
致した状態を、同様に、（ｄ），（ｅ）も１／４周期ず
つずれた状態を示している。

【００２０】次に、位相識別格子の果たす役割を図３を
用いて説明する。図３（ａ）は位相識別格子１１の投影
像を撮像した結果であり、横軸はＩＴＶのｙ軸、即ち、
三次元座標のＹ軸を、縦軸は取り込んだ画像の強度を表
している。不透明部は強度が小さく、透明部は強度が大
きい。強度が変化しているＣ点は位相識別格子１１の境
界線１２に相当する位置（以下”境界線位置”と称す）
である。デフォーカス像であるため、その変化度合いは
非常にゆるやかであるが、ｙ軸方向に微分処理を行えば
図３（ｂ）を得て、Ｃ点を検出することができる。

【００２１】図３（ｃ）から（ｆ）は、位相シフト格子
の投影像を撮像した結果で、図３（ｃ）は図１に示す位
相シフト格子のうちの実体格子（イ）の投影像であり、
以下同様に、図３の（ｄ），（ｅ），（ｆ）は図１の（
ロ），（ハ），（ニ）に対応している。１／４周期ずつ
ずれた投影像である。図３は説明のため被測定物の表面
は平面であるとしているが、実際には被測定物表面形状
に応じてこの分布は複雑に変化し単独では格子の識別、
例えば、どの格子像が位相シフト格子の中心にあるもの
なのかを見つけることはできない。

【００２２】この４枚の投影像（ｃ）から（ｆ）を前述
の数式（１）に代入して図３の（ｇ）に示す位相像が得
られる。縦軸は図３（ｃ）から（ｆ）の格子投影像の周
期の半分を一周期とする位相値に変わる。図３（ｃ）か
ら（ｆ）が連続した繰返し分布であるのに対して図３（
ｇ）は不連続点を伴う繰返し分布となる。そこで、連続
した位相値分布にするために、被測定物が滑らかに変化
する表面をしているものと仮定して不連続点が表れる毎
にπを加減算して連続な分布に修正する必要がある。 この修正において、本発明では投影光軸１０を原点とす
る分布にすることを目的に先に求めた境界線位置Ｃ点を
使用する。即ち、位相識別格子の境界線１２は投影光軸
１０上にあり、位相シフト格子１３と位相識別格子１１
の位置関係は固定であることから、境界線位置Ｃ点は位
相シフト格子１３の分布上の位置にもそのままあてはま
る。従って、境界線位置Ｃ点で位相値を原点とする連続
した位相値分布にすれば、正確に投影光軸１０を原点と
する位相値分布となる。尚、境界線位置Ｃ点の検出精度
は、位相像の算出精度に比べて低い。このため、境界線
位置Ｃ点上に表われた位相像の一周期部分１５を取りだ
し（以下”投影光軸位相”と称す）、投影光軸位相１５
から更に正確な投影光軸位置Ｄ点１６を検出している。

【００２３】次に、本方法による、格子移動、停止、撮
像の一連の画像取り込みシーケンスを図４を用いて説明
する。図４（ａ）はＩＴＶ信号の奇数フレーム、（ｂ）
は偶数フレームであり、（ｃ）は奇数フレームの露光タ
イミング、（ｄ），は偶数フレームの露光タイミングで
ある。（ｅ）は格子移動タイミングを、格子パターンが
停止している状態（格子は走査している）の実線と格子
パターンが変化している時の破線を用いて示す。（ｆ）
はＩＴＶ信号の撮像タイミングである。

【００２４】ＩＴＶ信号（ａ），（ｂ）は一画面を奇数
、偶数フレームに分けて出力するインターレス方式であ
り、　　露光は（ｃ），（ｄ）に示すように各々のフレ
ームが３３ｍｓｅｃの時間を要し、しかも１６．５ｍｓ
ｅｃずれている。従って、格子パターンが安定していな
ければならない時間は４９．５ｍｓｅｃとなる。格子移
動を次の露光が始まるまでの１６．５ｍｓｅｃの間で終
わらせると最速の画像取り込みシーケンスを実現できる
。本発明ではそれが可能であって一例を以下に示す。

【００２５】格子パターンの投影使用範囲を４ｍｍとす
ると１６．５ｍｓｅｃで格子パターンを変化させるため
の格子走査速度は下式を満足する速度Ｖであればよい。 ４（ｍｍ）　　／　　１６．５（ｍｓｅｃ）＝２４２（
ｍｍ／ｓｅｃ）　　＝　　Ｖ又、この時の格子長手方向
の長さは図４より一つの格子パターンについては格子移
動時間の４倍であることから２４２（ｍｍ／ｓｅｃ）　
　ｘ　　１６．５（ｍｓｅｃ）　　ｘ　　４ ＝１６ｍｍ となり、位相識別格子１１と４枚の位相シフト格子１３
の、　　計５枚からなる全長は、その５倍の８０ｍｍと
なる。又、画像取り込み時間は １６．５（ｍｓｅｃ）　　ｘ　　５（枚）　　ｘ　　４
＝　　３３０（ｍｓｅｃ） となる。

【発明の効果】本発明によれば下記２点の効果が期待で
きる。 （１）被測定物の位置ぎめ精度に影響を受けずに計測精
度を保てる。 （２）高効率で一連の画像取り込みが行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の格子移動ユニットである。

【図２】本発明の一実施例を示す形状計測装置の概略図
である。

【図３】位相識別格子と位相シフト格子の関係を示す。

【図４】画像取り込みシーケンスを示す。

【符号の説明】

６　　　　格子ユニット ２　　　　撮像面 ９　　　　撮像光軸 １０　　　　投影光軸 １１　　　　位相識別格子 １２　　　　境界線 １３　　　　位相シフト格子 １４　　　　直動案内ユニット

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　格子パターン投影方式に位相シフト方
   式を加えた立体形状計測装置において、第一に、格子パ
   ターン面は同一平面内にあって各々の実体格子は必要周
   期密度の格子を持ち、且つ、格子長手方向は平行で格子
   垂直方向にあっては位相シフト量に相当する量だけ一方
   向にずらして固定している必要枚数の実体格子ユニット
   を有し、第二に、格子パターン面は第一の位相シフト格
   子のパターン面に平行で、一周期或いは、数周期程度の
   粗の密度の格子を持ち格子長手方向は第一の格子長手方
   向に平行に固定してある実体格子を有し、第三に、第一
   と第二からなる格子ユニットをその位置関係を保ったま
   ま格子長手方向に定速で走査させる直動案内ユニットを
   有することを特徴とする立体形状計測装置。