JP2008170280A - 形状測定装置及び形状測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】投影光学系及び結像光学系におけるディストーション等の影響を軽減し、計測精度が高い三次元形状測定装置を提供する。
【解決手段】投影対象に所定の投影パターンを投影する投影部と、パターンの投影された前記投影対象を撮像する撮像部と、前記投影対象に対する前記撮像部の光軸方向の相対位置を調整する位置調整部と、平面形状を有する校正用プレートに前記投影パターンを投影し、前記撮像部により撮像されたプレート撮像画像から、光軸方向の位置毎にデータを記憶する校正データ記憶部と、被検査物にパターンを投影し、撮像された被検物撮像画像から前記被検物の光軸方向の高さを演算する形状演算部と、前記形状演算部により得られた前記高さ毎に、記憶された前記校正データを用いて、前記高さを演算するのに用いた前記被検物撮像画像のデータを校正し、校正画像を取得する校正画像取得部とを備えることを特徴とする形状測定装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、パターン投影により被検物の３次元形状を測定する装置及びその方法に関する。

工業製品等の物体の表面形状を測定する技術は従来から種々提案されており、その一つに光学式の三次元形状測定装置がある。光学式の三次元形状測定装置も種々の方式、構成のものがあるが、被検物に所定の投影パターン（縞模様や、格子模様）を投影して被検物を撮像し、その撮像画像から各画像位置（各画素）での縞の位相を求めて各画像位置の高さを算出し、被検物の三次元表面形状を測定するものがある（特許文献１参照）。

このような装置においては、例えば、被検物の表面に縞パターンからなる投影パターンを投影し、投影方向と異なる角度から被検物に投影された縞パターンを撮像し、撮像された被検物表面の撮像画像より縞パターンの位相分布を算出し、三角測量の原理等を用いて被検物表面の三次元形状を求めるように構成されている。

その構成例を図３に示しており、光源５１からの光が縞模様の投影パターンマスク５２及び投影レンズ５３を通して被検物５４の表面に投影される。被検物５４の表面に投影された投影パターンマスク５２の縞模様は、被検物５４の表面三次元形状に応じて変形され、このように変形された被検物５４の表面のパターンを投影方向と異なる角度から撮像レンズ５５を介して撮像装置５６（例えば、ＣＣＤセンサ）により撮像されて、演算処理装置５７に送られ、ここで撮像画像データの演算処理が行われる。演算処理装置５７においては、このように撮像された被検物表面の撮像画像データより縞パターンの位相分布を算出し、三角測量の原理等を用いて被検物表面の三次元形状を求める演算処理が行われる。

特開２０００−９４４４号公報

ところで、上述の三次元測定では、投影光学系及び結像光学系において、投影レンズ及び撮像レンズを介していることによるディストーションの影響又はテレセントリック光学系のずれの影響、もしくはコマ収差の影響等により、撮像パターンが投影パターンから乖離するという問題がある。当然ながらこのような撮像パターンを用いて三次元測定を行った場合、その測定結果が誤差を有することになる。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、投影光学系及び結像光学系における上記のような影響を受けることがないようにして正確な三次元形状測定を行うことができるような測定装置及び測定方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決して目的を達成するため、本発明に係る形状測定装置は、投影対象に所定の投影パターンを投影する投影部と、前記投影パターンが投影された前記投影対象を撮像する撮像部と、前記投影対象に対する前記撮像部の光軸方向の相対位置を調整する位置調整部と、前記投影部により平面形状を有する校正用プレートに前記投影パターンを投影し、前記撮像部により撮像されたプレート撮像画像から、光軸方向の位置毎に対する校正データを記憶する校正データ記憶部と、前記投影部により被検物に前記投影パターンを投影し、前記撮像部により撮像された被検物撮像画像から前記被検物の光軸方向の高さを演算する形状演算部と、前記形状演算部により得られた前記高さ毎に、前記校正データ記憶部により記憶された前記校正データを用いて、前記高さを演算するのに用いた前記被検物撮像画像のデータを校正し、校正画像を取得する校正画像取得部とを備える。

前記校正データ記憶部は、前記プレート撮像画像の撮像されたパターンの位相と理論上の位相の差分を前記校正データとして記憶することように構成されることが好ましい。

前記校正データ記憶部は、記憶された前記校正データを、光軸方向の各位置において共通する共通校正データと、光軸方向の各位置に依存する依存校正データとに分割し、前記校正画像取得部は、前記共通校正データを用いて前記投影パターンを校正するパターン校正部と、前記被検物に前記パターン校正部により校正された校正投影パターンを投影し、前記撮像部により撮像された撮像画像を用いて、前記形状演算部により前記被検物の光軸方向の高さを演算し、前記高さ毎に、前記依存校正データを用いて前記撮像画像の位相を校正する画像校正部とを備えるように構成されることが好ましい。

前記校正データ記憶部は、前記校正用プレートの面内に投影された光の反射光の均一性を保つとともに、前記校正用プレートを投影光軸と撮像光軸によって作られる面の垂線を回転中心として傾斜させることにより、前記校正データを取得するように構成されることが好ましい。

また、本発明に係る形状測定方法は、投影対象に所定の投影パターンを投影する投影部と、前記投影パターンが投影された前記投影対象を撮像する撮像部と、前記投影対象に対する前記撮像部の光軸方向の相対位置を調整する位置調整部とを備えた形状測定装置を用いて被検物の三次元形状を測定する方法であって、前記位置調整部により平面形状を有する校正用プレートを前記投影部に対して複数の光軸方向の位置に位置させて、前記投影部により前記校正用プレートに前記投影パターンを投影し、前記撮像部により撮像されたプレート撮像画像を、光軸方向の位置毎に取得するステップと、前記プレート撮像画像から、光軸方向の位置毎に校正データを取得するステップと、前記投影部により前記被検物に前記投影パターンを投影するステップと、前記投影部により前記被検物に投影された前記投影パターンを、前記撮像部により撮像して被検物撮像画像を取得するステップと、前記被検物撮像画像から前記被検物の光軸方向の形状高さを演算し、前記形状高さ毎に、前記被検物撮像画像の校正に用いる校正データを決定するステップと、前記形状高さ毎に決定した前記校正データを用いて、前記被検物撮像画像を校正し、校正画像を取得するステップとを有し、前記校正画像から前記被検物の三次元形状を求める。

前記校正データを取得するステップは、前記プレート撮像画像の撮像されたパターンの位相と理論上の位相の差分を前記校正データとして取得するように構成されることが好ましい。

前記校正データが取得されると、前記校正データを、光軸方向の各位置において共通する共通校正データと、光軸方向の各位置に依存する依存校正データとに分割するステップと、前記共通校正データを用いて前記投影パターンを校正するステップと、前記投影部により前記被検物に校正された校正投影パターンを投影し、前記撮像部により撮像して撮像画像を取得するステップと、前記撮像画像から前記被検物の光軸方向の高さを演算し、前記高さ毎に、前記撮像画像の校正に用いる依存校正データを決定するステップと、前記形状高さ毎に決定した前記依存校正データを用いて、前記撮像画像を校正し、校正画像を取得するステップとを有することように構成されることが好ましい。

前記校正データを取得するステップは、前記校正用プレートの面内に投影された光の反射光の均一性を保つとともに、前記校正用プレートを投影光軸と撮像光軸によって作られる面の垂線を回転中心として傾斜させることにより、前記校正データを取得するように構成されることが好ましい。

以上説明したように構成される本発明によれば、校正用プレートを用いて投影光軸方向の位置毎に校正データを取得し、投影光軸方向の位置毎に撮像画像を校正し、三角測量の原理に基づいて被検物の三次元形状を求める構成であり、投影光学系及び結像光学系におけるディストーション等の影響を軽減し、計測精度が高い三次元形状測定装置を提供することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。本発明に係る三次元形状測定装置の概略構成を図１に示しており、まず、この形状測定装置について、図１（Ａ）を参照して説明する。

この形状測定装置は、光源１と、光源１からの光に縞模様を与えるための投影パターンマスク２と、投影パターンマスク２を通過した光源１からの光を被検物２０の表面に投影させる投影レンズ（群）３とからなるパターン投影部と、被検物２０からの反射光を撮像レンズ（群）４を介して撮像する撮像装置５からなる撮像部と、を有して構成される。

パターン投影部において、投影パターンマスク２は例えば液晶素子により構成され、投影パターン発生装置６により任意の形状及びピッチのパターン（本実施形態では、正弦波状の縞パターンを生成する）を生成できる。これにより、光源１からの光をこの投影パターンマスク２を通過させ、投影レンズ３により集光させ、被検物２０の表面に投影パターンマスク２により形成された所望の投影パターンを投影させることができる。

撮像部は、被検物２０からの反射光を撮像レンズ４を介して被検物２０を撮像する撮像装置５（例えば、ＣＣＤカメラ）を備えている。撮像装置５により撮像された被検物２０の画像データは、演算処理装置７に送られ、ここで以下に説明する画像演算処理がなされ、被検物２０の表面形状測定が行われる。なお、パターン投影部、撮像部は一つのフレームにより一体に固定されて構成されるが、被検物２０は図示しない支持台上に載置され、この支持台を、パターン投影部、撮像部を一体に結合したフレームに対して投影光軸方向に相対移動させる位置調整器（図示せず）が設けられている。このため、位置調整器によりパターン投影部、撮像部に対して被検物２０を投影光軸方向に相対移動させる光軸方向位置調整が可能となっている。

演算処理装置７は、理論上得られる位相と撮像装置５により得られた撮像画像の撮像パターンの位相の差分を投影光軸方向の位置毎に校正データとして記憶する校正データ記憶部８と、投影光軸方向の各位置において共通する共通校正データを用いて前記投影パターンマスク２を校正するパターン校正部９と、被検物２０の投影光軸方向の形状高さ毎に、投影光軸方向の各位置に依存する依存校正データを用いて撮像画像の位相を校正する画像校正部１０と、撮像装置５により撮像された被検物２０の画像データから被検物２０の投影光軸方向の高さ形状を演算する形状演算部１１とを備えている。

以上のように構成された表面形状測定装置を用いて被検物２０の表面形状を測定する方法を、図２のフローチャートを参照して以下に説明する。

この測定に際しては、まず図１（Ｂ）に示すように、平面形状を有する校正用プレート３０を支持台上に載置させる。校正用プレート３０を位置調整器により所定の投影光軸方向の位置（以下、第一Ｚ位置Ｚ１と言う）に位置させる（ステップＳ１）。この状態で光源１からの光を投影パターンマスク２（正弦波状の縞パターン）及び投影レンズ３を介して校正用プレート３０に照射させて校正用プレート３０の表面に投影パターンを投影する。このように投影されて校正用プレート３０から反射する光は撮像レンズ４を介して集光され、撮像装置５により校正用プレート表面に投影された投影パターンを撮像する（ステップＳ２）。

撮像装置５により得られたプレート撮像画像は、演算処理装置７に送られる。演算処理装置７内の校正データ記憶部８において、理論上得られる位相と前記プレート撮像画像の撮像パターンの位相の差分を校正データ（第一Ｚ位置Ｚ１における校正データ）として得る（ステップＳ３）。

次に、校正用プレート３０を位置調整器により投影光軸方向の第一Ｚ位置Ｚ１と異なる位置（第二Ｚ位置Ｚ２）に位置させる（ステップＳ４）。そして、第一Ｚ位置Ｚ１のときと同様にして、投影パターンマスク２の位相とプレート撮像画像（校正用プレート３０を第二Ｚ位置Ｚ２に位置させて撮像装置５により得られた撮像画像）の位相の差分を校正データ（第二Ｚ位置Ｚ２における校正データ）として得る（ステップＳ５）。

さらに、校正用プレート３０を位置調整器により複数の投影光軸方向の位置に位置させ（被検物２０の投影光軸方向の形状高さをカバーできる範囲において被検物２０の投影光軸方向の形状高さに対して小さい間隔で複数位置させる）、上記と同様にして、プレート撮像画像（校正用プレート３０を複数の投影光軸方向の位置に位置させて、その位置毎に撮像装置５により得られた各撮像画像）の撮像パターンの位相の誤差を校正データ（投影光軸方向の各位置における校正データ）として得る（ステップＳ６）。

なお、校正データの取得は、被検物２０の投影光軸方向の形状高さをカバーすることができる範囲において、被検物２０の投影光軸方向の形状高さに対して十分に小さな間隔で等間隔に校正データを取得することが望ましい。また、校正用プレート３０の面内において、投影された光の反射光の均一性が保たれている場合には、校正プレート３０を投影光軸と撮像光軸によって作られる面に対して傾斜させることにより、校正用プレート３０を位置調整器により複数の投影光軸方向の位置に位置させることなく、一度に投影光軸方向の各位置における校正データを取得することができる。

さらに、校正プレート３０を形状測定装置に挿抜可能に設置することにより、装置の構成要素（例えば、照明ランプ、対物レンズ等）が変化する度に、もしくは定期的に校正データの再取得が可能である。

投影光軸方向の各位置における校正データは、投影光軸方向の各位置において共通する校正データ（以下、Ｚ位置共通校正データと言う）と、投影光軸方向の各位置に依存する各校正データ（以下、Ｚ位置依存校正データと言う）に、以下に説明するように分割することができる（ステップＳ７）。

例えば、本実施形態においては３次までの成分を補正する（一般に、高次になるほど誤差成分としては小さくので本実施形態では３次までの成分を補正する）。投影光軸方向の各位置における校正データは、前記プレート撮像画像の画素毎の測定値から、例えば最小２乗法によってフィッティングして３次式を求める。投影光軸方向の各位置における３次式（校正データ）の各係数を平均して得られた校正データをＺ位置共通校正データとして求め、投影光軸方向の各位置における３次式（校正データ）の各係数と前記Ｚ位置共通校正データの各係数の差分をして得られた校正データを投影光軸方向の位置毎のＺ位置依存校正データとして求める。

ここで、投影光軸方向の各位置における校正データをＺ位置共通校正データと、Ｚ位置依存校正データに分割するのは、校正データを圧縮することが大きな目的であり、各レンズのディストーションによる測定誤差成分はＺ位置に依存せず、投影部及び撮像部におけるテレセントリック光学系のずれ及びコマ収差による測定誤差成分はＺ位置に依存するという傾向がある。

次に、上記で得られた投影光軸方向の各位置における校正データを用いて被検物２０の形状測定を行う手順について説明する。

校正データ記憶部８により得られた投影光軸方向の各位置における校正データは、演算処理装置７内のパターン校正部９及び画像校正部１０に送られる。演算処理装置７内のパターン校正部９において、前記Ｚ位置共通校正データを用いて投影パターンマスク２の位相を校正する（ステップＳ８）。

そして、図１（Ａ）に示すように、被検物２０を支持台上に載置させる。光源１からの光を校正投影パターンマスク２（Ｚ位置共通校正データを用いて校正した投影パターンマスク２）及び投影レンズ３を介して被検物２０に照射させて被検物２０の表面に校正投影パターンマスク２を投影する。このように投影されて被検物２０から反射する光は撮像レンズ４を介して集光され、撮像装置５により被検物表面に投影された校正投影パターンマスク２を撮像する（ステップＳ９）。

これら撮像装置５による撮像は、校正投影パターンマスク２の位相を変えて複数回（例えば、図２における位相１、位相２、位相３）行われて、一組の撮像画像群を得る。このようにして得られた画像データは、撮像装置５から演算処理装置７に送られる。

上記のようにして画像データが送られると、演算処理装置７内の形状演算部１１において、Ｚ位置共通校正データを用いて校正した投影パターンマスク２を投影して得られた被検物撮像画像の位相値により、三角測量の原理を用いて被検物２０の投影光軸方向の形状高さを演算する（被検物２０の仮形状測定を行う）（ステップＳ１０）。

そして、演算処理装置７内の画像校正部１０において、投影光軸方向の位置毎のＺ位置依存校正データを用いて、被検物２０の投影光軸方向の形状高さ毎（Ｚ位置毎）に、被検物撮像画像（Ｚ位置共通校正データを用いて校正した投影パターンマスク２を投影して得られた撮像画像）の位相を校正する（ステップＳ１１）。

ここで、Ｚ位置依存校正データは、投影光軸方向の位置毎（Ｚ位置毎）に求められているので、上記のように、Ｚ位置共通校正データを用いて校正した投影パターンマスク２（校正投影パターンマスク２）を投影して得られた撮像画像から、まず、被検物２０の投影光軸方向の形状高さを演算することが必要である。

さらに、上記のように被検物２０の投影光軸方向の形状高さ毎にＺ位置依存校正データを用いて校正した校正画像の位相値により、三角測量の原理を用いて被検物２０の形状測定を再度行う（ステップ１２）。

以上のようにして、被検物２０に、Ｚ位置共通校正データを用いて校正した投影パターンマスク２（校正投影パターンマスク２）を投影して得られた被検物撮像画像から、被検物２０の投影光軸方向の形状高さ（被検物２０の仮形状測定）を演算し、被検物２０の投影光軸方向の形状高さ毎に、Ｚ位置依存校正データを用いて前記被検物撮像画像の位相を校正して、再度被検物２０の投影光軸方向の形状高さを演算することにより、被検物２０の三次元形状を正確に測定することができる。

したがって、校正用プレート３０を用いて得られた投影光軸方向の位置毎の校正データを用いて、被検物２０に投影パターンマスク２を投影して得られた撮像画像の位相を校正して被検物２０の形状測定を行うため、投影光学系及び結像光学系におけるディストーションの影響又はテレセントリック光学系のずれの影響又はコマ収差の影響等を軽減し、計測精度が高い三次元形状測定装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る三次元形状測定装置の構成を示す概略構成説明図であり、（Ａ）は被検物２０を支持台上に載置した場合、（Ｂ）は校正用プレート３０を支持台上に載置した場合である。 上記本発明に係る形状測定方法を示すフローチャートである。 従来の形状測定装置の構成を示す概略構成説明図である。

符号の説明

１ 光源 ２ 投影パターンマスク
３ 投影レンズ ４ 撮像レンズ
５ 撮像装置 ６ 投影パターン発生装置
７ 演算処理装置 ８ 校正データ記憶部
９ パターン校正部 １０ 画像校正部
１１ 形状演算部 ２０ 被検物
３０ 校正用プレート

Claims (8)

1. 投影対象に所定の投影パターンを投影する投影部と、
   前記投影パターンが投影された前記投影対象を撮像する撮像部と、
   前記投影対象に対する前記撮像部の光軸方向の相対位置を調整する位置調整部と、
   前記投影部により平面形状を有する校正用プレートに前記投影パターンを投影し、前記撮像部により撮像されたプレート撮像画像から、光軸方向の位置毎に対する校正データを記憶する校正データ記憶部と、
   前記投影部により被検物に前記投影パターンを投影し、前記撮像部により撮像された被検物撮像画像から前記被検物の光軸方向の高さを演算する形状演算部と、
   前記形状演算部により得られた前記高さ毎に、前記校正データ記憶部により記憶された前記校正データを用いて、前記高さを演算するのに用いた前記被検物撮像画像のデータを校正し、校正画像を取得する校正画像取得部と、
   を備える形状測定装置。
2. 前記校正データ記憶部は、前記プレート撮像画像の撮像されたパターンの位相と理論上の位相の差分を前記校正データとして記憶することを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
3. 前記校正データ記憶部により記憶された前記校正データを、光軸方向の各位置において共通する共通校正データと、光軸方向の各位置に依存する依存校正データとに分割し、
   前記校正画像取得部は、前記共通校正データを用いて前記投影パターンを校正するパターン校正部と、前記被検物に前記パターン校正部により校正された校正投影パターンを投影し、前記撮像部により撮像された撮像画像を用いて、前記形状演算部により前記被検物の光軸方向の高さを演算し、前記高さ毎に、前記依存校正データを用いて前記撮像画像の位相を校正する画像校正部とを備えることを特徴とする形請求項１もしくは請求項２に記載の形状測定装置。
4. 前記校正データ記憶部は、前記校正用プレートの面内に投影された光の反射光の均一性を保つとともに、前記校正用プレートを投影光軸と撮像光軸によって作られる面の垂線を回転中心として傾斜させることにより、前記校正データを取得することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の形状測定装置。
5. 投影対象に所定の投影パターンを投影する投影部と、前記投影パターンが投影された前記投影対象を撮像する撮像部と、前記投影対象に対する前記撮像部の光軸方向の相対位置を調整する位置調整部とを備えた形状測定装置を用いて被検物の三次元形状を測定する方法であって、
   前記位置調整部により平面形状を有する校正用プレートを前記投影部に対して複数の光軸方向の位置に位置させて、前記投影部により前記校正用プレートに前記投影パターンを投影し、前記撮像部により撮像されたプレート撮像画像を、光軸方向の位置毎に取得するステップと、
   前記プレート撮像画像から、光軸方向の位置毎に校正データを取得するステップと、
   前記投影部により前記被検物に前記投影パターンを投影するステップと、
   前記投影部により前記被検物に投影された前記投影パターンを、前記撮像部により撮像して被検物撮像画像を取得するステップと、
   前記被検物撮像画像から前記被検物の光軸方向の形状高さを演算し、前記形状高さ毎に、前記被検物撮像画像の校正に用いる校正データを決定するステップと、
   前記形状高さ毎に決定した前記校正データを用いて、前記被検物撮像画像を校正し、校正画像を取得するステップと、
   を有し前記校正画像から前記被検物の三次元形状を求めることを特徴とする形状測定方法。
6. 前記校正データを取得するステップは、前記プレート撮像画像の撮像されたパターンの位相と理論上の位相の差分を前記校正データとして取得することを特徴とする請求項５に記載の形状測定方法。
7. 前記校正データが取得されると、前記校正データを、光軸方向の各位置において共通する共通校正データと、光軸方向の各位置に依存する依存校正データとに分割するステップと、前記共通校正データを用いて前記投影パターンを校正するステップと、前記投影部により前記被検物に校正された校正投影パターンを投影し、前記撮像部により撮像して撮像画像を取得するステップと、前記撮像画像から前記被検物の光軸方向の高さを演算し、前記高さ毎に、前記撮像画像の校正に用いる依存校正データを決定するステップと、前記高さ毎に決定した前記依存校正データを用いて、前記撮像画像を校正し、校正画像を取得するステップとを有することを特徴とする請求項５もしくは請求項６に記載の形状測定方法。
8. 前記校正データを取得するステップは、前記校正用プレートの面内に投影された光の反射光の均一性を保つとともに、前記校正用プレートを投影光軸と撮像光軸によって作られる面の垂線を回転中心として傾斜させることにより、前記校正データを取得することを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の形状測定方法。

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