JPH0814882A - 表面形状３次元計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 安価で計測精度の高い表面形状３次元計測装
置の提供。 【構成】 光を放出する光源1 と、一定間隔のピッチか
らなる格子3 と、格子を通過した光を計測対象物体2 の
表面に少しピントのずれた縞画像として投影するよう位
置を少しずらした投影レンズ4 と、計測対象物体表面の
縞画像を撮影する撮影レンズ6 と、撮影レンズで撮影し
た縞画像を入力するＣＣＤカメラ7 と、ＣＣＤカメラの
映像より計測対象物体の表面形状を演算して求める制御
部8 と、を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、非接触で計測対象物体
の表面形状を求める表面形状３次元計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、機械部品や接点等の電気部品の表
面を非接触で高精度に計測する方法として、三角測量の
原理を応用した光触針を計測ヘッドとし、ＸＹテーブル
の上に計測対象物体を設置して、このＸＹテーブルを駆
動することにより表面形状を計測するものや、走査型電
子顕微鏡を用いて電子ビームを計測対象物体面にあて、
反射したビームを複数のセンサーで捕らえて演算により
形状に直す方法がある。

【０００３】しかし、三角測量の原理を応用したもの
は、ＸＹテーブルのスキャニングに時間を要するため実
用にならない場合があり、走査型電子顕微鏡を用いたも
のは、計測対象物体の前処理として蒸着が必要なため、
厳密には非接触とは言えず、計測対象物体が使用できな
くなることがある。

【０００４】そこで、特開平４−２７８４０６に示すよ
うに、計測対象物体の表面に対し斜め方向に位置する光
源より格子を投影し、物体の表面にできた縞画像の明度
を格子の投影方向とは別の角度から計測する変形格子投
影法を用い、その縞画像を演算処理することにより、物
体の３次元の表面形状を求める縞走査法がある。この変
形格子投影法、縞走査法を用いた計測装置は、図４に示
すように、光を放出する光源1 と、一定間隔のピッチか
らなる格子3 と、格子3 を通過した光を計測対象物体2
に縞画像として投影する投影レンズ4 と、計測対象物体
2 の表面の縞画像を撮影する撮影レンズ6 と、撮影レン
ズ6 で撮影した縞画像を入力するＣＣＤカメラ7 と、Ｃ
ＣＤカメラ7 の映像より計測対象物体2 の表面形状を演
算して求める制御部8 とを有している。この計測装置
は、凹凸のない平板に縞画像を投影すると、ＣＣＤカメ
ラ7 に正弦波形の映像が入力されるものであり、その正
弦波形からのずれより凹凸を有する物体の３次元の表面
形状を求めている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述した変形格子投影
法、縞走査法を用いた表面形状３次元計測装置は、投影
レンズ、撮影レンズの歪み等の影響により、凹凸のない
平板に縞画像を投影する場合でも、ＣＣＤカメラ上では
正弦波形から多少ずれた波形を示す。このずれにより、
物体の表面形状の測定に際し誤差が生じ、計測精度が低
下する。このため、凹凸のない平板に縞画像を投影した
ときにＣＣＤカメラ上において正弦波形となるような強
度分布を有した液晶パネルを、格子に変えて設置するこ
とが考えられる。しかし、この液晶パネルは、高価であ
る。

【０００６】また、計測対象物体の色の分布や光の当た
り方により測定誤差を生じることがある。例えば、計測
対象物体の研削時に生じた筋が誤差となる。この場合
は、凹凸のない平板に縞画像を投影する際、ＣＣＤカメ
ラ上では正弦波形に細かい振動波が重畳した波形とな
り、そのため、物体の表面形状の測定に際し、計測精度
が低下する。

【０００７】本発明は、かかる事由に鑑みてなしたもの
で、その目的とするところは、安価で計測精度の高い表
面形状３次元計測装置を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】かかる課題を解決するた
めに、請求項１記載の表面形状３次元計測装置は、光を
放出する光源と、一定間隔のピッチからなる格子と、格
子を通過した光を計測対象物体に縞画像として投影する
投影レンズと、計測対象物体表面の縞画像を撮影する撮
影レンズと、撮影レンズで撮影した縞画像を入力するＣ
ＣＤカメラと、ＣＣＤカメラの映像より計測対象物体の
表面形状を演算して求める制御部と、を有する表面形状
３次元計測装置において、前記ＣＣＤカメラに、ピント
の少しずれた縞画像が入力されるような構成としてい
る。

【０００９】また、請求項２記載の表面形状３次元計測
装置は、請求項１記載の投影レンズを、計測対象物体表
面にピントの少しずれた縞画像を投影するよう位置を少
しずらした構成している。

【００１０】また、請求項３記載の表面形状３次元計測
装置は、請求項１記載の撮影レンズは、ＣＣＤカメラに
ピントの少しずれた縞画像を入力するよう位置を少しず
らした構成している。

【００１１】

【作用】請求項１記載の構成によれば、ＣＣＤカメラに
入力される縞画像は、ピントが少しずれているために、
縞画像を示す波形がなまり、物体の表面形状を計測する
際の誤差がわかりにくくなる。

【００１２】また、請求項２記載の構成によれば、請求
項１の作用を奏するうえに、物体の表面の縞画像のピン
トをずらすのは投影レンズを動かすだけですむため、構
造が簡単である。

【００１３】また、請求項３記載の構成によれば、請求
項１の作用を奏するうえに、ＣＣＤカメラにピントの少
しずれた縞画像を入力するのは撮影レンズを動かすだけ
ですむため、構造が簡単である。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の第１実施例を図１に基づいて
説明する。図１は本発明のシステム構成図であり、投影
系は計測対象物体の法線に対して一定角度を有するよう
に、また、撮影系は計測対象物体の法線方向に設けられ
ている。

【００１５】1 は光源であり、ランプ1a、レンズ1b、反
射板1cを有して光を放出する。光は後述する格子、投影
レンズを通り、計測対象物体2 の法線に対して一定角度
をもって当てられる。

【００１６】3 は格子であり、一定間隔のピッチからな
る隙間を光が通過するよう構成されている。この格子
は、光が通過する所としない所の２パターンを有するよ
うに、金属、樹脂、木材、あるいは液晶等で形成され
る。

【００１７】4 は投影レンズであり、格子2 を通過した
光を計測対象物体2 の表面に投影し、明暗を有する縞模
様からなる縞画像を形成する。この投影レンズ4 の光軸
は、格子3 に対して垂直になっており、計測対象物体2
の法線に対して一定角度を有している。また、投影レン
ズ4 が計測対象物体2 の表面に投影する縞画像のピント
が少しずれるよう、投影レンズ4 は、ピントの合う焦点
位置より２ｍｍ程度、設置位置をずらしている。5 は計
測台であり、計測対象物体2 を載置する。

【００１８】6 は撮影レンズであり、計測対象物体2 の
表面の縞画像を撮影するものであって、計測対象物体2
の真上に設けられている。ところで、光源1 、格子3 、
投影レンズ4 、計測対象物体2 からなる光軸を投影系、
計測対象物体2 、撮影レンズ6 からなる光軸を撮影系と
呼ぶ。

【００１９】7 はＣＣＤカメラであり、撮影レンズ6 で
撮影した縞画像を映像として入力する。

【００２０】8 は制御部であり、ＣＣＤカメラ7 の映像
より計測対象物体2 の表面形状を演算して求める。この
制御部8 は、カメラコントローラ9 、画像入力ボード1
0、コンピュータ11、テーブルコントローラ12より構成
されており、ＣＣＤカメラ7 に入力された縞画像を、カ
メラコントローラ9 、画像入力ボード10を介してコンピ
ュータ11に入力する。テーブルコントローラ12は、格子
3 の位置をピッチ方向に移動させるものであり、コンピ
ュータ11で制御される。

【００２１】次に、以上の構成を用いた表面形状３次元
計測装置について説明する。光源1を点灯することで、
格子3 、投影レンズ4 を通過した光は、計測対象物体2
の表面に投影系から見て等間隔のピッチで、ピントの少
しずれた縞画像を形成する。それを撮影レンズ6 で撮影
系から観察することにより、計測対象物体2 の表面の凹
凸に応じた変形格子からなる縞画像を撮影することがで
きる。これが、変形格子投影法である。その縞画像の画
素データを、ＣＣＤカメラ7 、カメラコントローラ9 、
画像入力ボード10を経て、コンピュータ11に入力したあ
とで、テーブルコントローラ12により格子3 を格子の１
／４ピッチだけピッチ方向に移動させる。そして上記と
同様に縞画像を撮影する。これを４回繰り返し、４種類
の縞画像（縞画像１、縞画像２、縞画像３、縞画像４）
を画素データとしてコンピュータ11に入力する。

【００２２】計測対象物体2 の任意の位置での各縞画像
の画素の光強度をＩ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４とすると、任
意の位置の位相φは、次の式で求められる。

【００２３】 φ＝ｔａｎ^-1（（Ｉ２−Ｉ４）／（Ｉ１−Ｉ３）） このデータを計測対象物体の表面全体にわたってつなぎ
合わせることで、全体の形状データが得られる。なお、
以上のような演算をすることを縞走査法と呼ぶ。従っ
て、以上により求められた形状データより、計測対象物
体の３次元表面形状が求められる。

【００２４】このような構成にすることにより、計測対
象物体2 の表面にピントの少しずれた縞画像を形成する
ため、投影レンズ2 の歪みの影響が減少され、凹凸のな
い平板に縞画像を投影したときにＣＣＤカメラ7 上にお
いて正弦波形に近づくために、より正確な計測対象物体
2 の表面形状が求められる。

【００２５】次に、本発明の第２実施例を図２及び図３
に示す。この実施例は、撮影レンズ6 のピントをずらし
たものであり、その点を中心に説明する。

【００２６】撮影レンズ6 は、撮影する計測対象物体2
の表面の縞画像のピントが少しずれるよう、ピントの合
う焦点位置より２ｍｍ程度、設置位置をずらしている。

【００２７】このような構成にすることにより、計測対
象物体2 の表面の色や光の当たり方等によるＣＣＤカメ
ラ7 上で生じる細かい振動波が減少し、また、撮影レン
ズ6の歪みの影響も少なくなるため、凹凸のない平板に
縞画像を投影する際、ＣＣＤカメラ7 上において正弦波
形に近づき、より正確な計測対象物体2 の３次元表面形
状が求められる。

【００２８】図３は、撮影レンズ6 のピントをずらした
場合の計測精度を示すものであり、横軸は撮影レンズ6
の焦点位置からのずれ、縦軸は計測精度（小さい値のほ
うが精度がよい）を示す。この図より、撮影レンズ6 の
ピントの合う焦点位置より２ｍｍ程度、撮影レンズ6 の
位置をずらしたときの計測精度が一番よいことがわか
る。

【００２９】なお、縞画像のピントをずらすために、投
影レンズ4 または撮影レンズ6 の位置をずらしたが、こ
れに限定されるものではなく、格子2 やＣＣＤカメラ7
の位置をずらしたり、投影レンズ4 または撮影レンズ6
をピントの少し合いにくい構造のものにする等、他の構
成も考えられる。また、格子2 は、光が通過する所とし
ない所の２パターンを有するものとしたが、これに限定
されるものではなく、徐々に光の通過量が変化するよう
な液晶パターンで形成してもよい。さらに、４画面利用
の縞走査法について説明したが、特に４画面に限定され
るものではなく、３画面以上で利用することが可能であ
る。また、投影系は計測対象物体2 の法線に対して一定
角度を有するように、また、撮影系は計測対象物体2 の
法線方向に設けたが、これは特に限定されるものではな
い。

【００３０】

【発明の効果】請求項１記載の表面形状３次元計測装置
は、ＣＣＤカメラに入力される縞画像は、ピントが少し
ずれているために、縞画像を示す波形がなまり、物体の
表面形状を計測する際の誤差がわかりにくくなるので、
計測精度が向上する。

【００３１】また、請求項２記載の表面形状３次元計測
装置は、請求項１の効果を奏するうえに、物体の表面の
縞画像のピントをずらすのは投影レンズを動かすだけで
すむため、構造が簡単であり、安価となる。

【００３２】また、請求項３記載の表面形状３次元計測
装置は、請求項１の効果を奏するうえに、ＣＣＤカメラ
にピントの少しずれた縞画像を入力するのは撮影レンズ
を動かすだけですむため、構造が簡単であり、安価とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す表面形状３次元計測
装置のシステム構成図である。

【図２】本発明の第２実施例を示す表面形状３次元計測
装置のシステム構成図である。

【図３】その計測精度を示す図である。

【図４】本発明の従来例を示す表面形状３次元計測装置
のシステム構成図である。

【符号の説明】

1 光源 2 計測対象物体 3 格子 4 投影レンズ 5 計測台 6 撮影レンズ 7 ＣＣＤカメラ 8 制御部 9 カメラコントローラ 10 画像入力ボード 11 コンピュータ 12 テーブルコントローラ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光を放出する光源と、一定間隔のピッ
   チからなる格子と、格子を通過した光を計測対象物体に
   縞画像として投影する投影レンズと、計測対象物体表面
   の縞画像を撮影する撮影レンズと、撮影レンズで撮影し
   た縞画像を入力するＣＣＤカメラと、ＣＣＤカメラの映
   像より計測対象物体の表面形状を演算して求める制御部
   と、を有する表面形状３次元計測装置において、 前記ＣＣＤカメラに、ピントの少しずれた縞画像が入力
   されるよう構成されることを特徴とする表面形状３次元
   計測装置。
2. 【請求項２】 前記投影レンズは、計測対象物体表面
   にピントの少しずれた縞画像を投影するよう位置を少し
   ずらしたことを特徴とする請求項１記載の表面形状３次
   元計測装置。
3. 【請求項３】 前記撮影レンズは、ＣＣＤカメラにピ
   ントの少しずれた縞画像を入力するよう位置を少しずら
   したことを特徴とする請求項１記載の表面形状３次元計
   測装置。