JP2009186368A - Shape measuring apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、形状測定装置に関するものである。 The present invention relates to a shape measuring apparatus.
従来、非接触三次元形状測定においては、特開平7−260444号公報(特許文献1)に記載されているようなスリット光投影方式の光切断方式による方法が一般的に行われている。この方法においては、スリット光の投光器とカメラが一体になっており、スリット光の照射面(測定の基準となる仮想された平面で切断面と呼ばれることがある)に対し垂直な面内でカメラの光軸がスリット光の照射方向と所定の角度をなすように配置されている。 Conventionally, in the non-contact three-dimensional shape measurement, a method based on a light cutting method of a slit light projection method as described in JP-A-7-260444 (Patent Document 1) is generally performed. In this method, the slit light projector and the camera are integrated, and the camera is within a plane perpendicular to the slit light irradiation surface (which may be referred to as a cut surface in an imaginary plane serving as a measurement reference). These optical axes are arranged so as to form a predetermined angle with the irradiation direction of the slit light.
スリット光は被検物体の表面で反射及び/又は散乱され、被検物体表面のスリット光の像が前記カメラで撮像される。このときカメラの光軸がスリット光の照射方向と角度をなしているために、被検物体のスリット光源からの距離に応じて、スリット光が被検物体と交差する点が異なって観測され、従って撮像される位置が異なる。このスリット像の位置のずれから被検物体上の点の高さ情報を計算することができる。スリット光源とカメラの位置を、一体として、被検物体に対し相対的に動かして被検物体全体の三次元的な形状を得ることができるようになっている。 The slit light is reflected and / or scattered on the surface of the test object, and an image of the slit light on the surface of the test object is captured by the camera. At this time, since the optical axis of the camera is at an angle with the irradiation direction of the slit light, the point at which the slit light intersects the test object is observed differently according to the distance from the slit light source of the test object, Therefore, the imaged positions are different. The height information of the point on the test object can be calculated from the displacement of the position of the slit image. The position of the slit light source and the camera can be moved as a unit relative to the test object to obtain a three-dimensional shape of the entire test object.
一般には、スリット光はある幅を有し、それによって、撮像されるスリット光の像が撮像素子の複数の画素にまたがることになり、どの画素が、真にスリット光が被検物体と交差する点を示しているのか分からない。これに対処するために、スリット光の長手方向に垂直な方向にスリット光投影器とカメラを一体にして移動させて、カメラの画素が受光する光量が最大となる位置が被検物体の表面の位置(スリット光と被検物体の交点)を示すものとして、被検物体の形状を算出するようにしている。
ところが、上述のようにスリット光投影器とカメラを一体にして被検物体を走査していくと、カメラの画素は被検物体上の点を次々にずらして見ていくことになる。このため、被検物体に反射率やテクスチャなど表面の状態の異なる部分があると光量の変化が発生してしまう。また、CCDやCMOSなどの撮像素子では各画素間の感度は厳密に一定とは限らずばらつきがある。 However, when the object to be scanned is scanned with the slit light projector and the camera integrated as described above, the pixels of the camera shift the points on the object to be examined one after another. For this reason, if there is a portion with a different surface state such as reflectance or texture on the object to be examined, a change in the amount of light occurs. In addition, in an image sensor such as a CCD or CMOS, the sensitivity between pixels is not always strictly constant but varies.
このため、上記のようにスリット光の長手方向に垂直な方向にスリット光投影器とカメラを一体にして移動させ、カメラの画素が受光する光量が最大となる位置が被検物体の表面の位置であるとする方法では、被検物体の表面に光学的状態の異なる部分があると光量が最大となる位置が誤って検出されてしまい、検出誤差となるという問題がある。 For this reason, as described above, the slit light projector and the camera are moved together in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the slit light, and the position where the amount of light received by the pixel of the camera becomes the maximum is the position of the surface of the test object. However, if there is a portion with a different optical state on the surface of the object to be examined, the position where the light quantity is maximum is erroneously detected, resulting in a detection error.
そこで、特許3282331号公報(特許文献2)で開示されているように、被検物体と撮像カメラの位置を固定にしてスリット光の投光角度を変化させて被検物体からの散乱光の最大値を求めるようにする方法がある。ところが、スリット光の投光角度の設定誤差があると、被検物体までの距離に応じて検出感度が異なってしまうという問題がある。又、撮像カメラに深い焦点深度が要求されるが、焦点深度を深くすると高い解像力の撮像光学系を用いることができないため、高精度化するのに障害となってしまうという問題点がある。 Therefore, as disclosed in Japanese Patent No. 3282331 (Patent Document 2), the position of the test object and the imaging camera is fixed, and the projection angle of the slit light is changed to maximize the scattered light from the test object. There is a way to get the value. However, if there is an error in setting the projection angle of the slit light, there is a problem that the detection sensitivity varies depending on the distance to the object to be detected. In addition, the imaging camera is required to have a deep depth of focus. However, if the depth of focus is increased, an imaging optical system with high resolving power cannot be used, which causes a problem in increasing accuracy.
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、簡単な構成により、被検物体の表面に光学的に異質な部分があっても、正確に被検物体の形状測定ができる形状測定装置を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and with a simple configuration, even if there is an optically heterogeneous portion on the surface of the object to be measured, the shape measuring device can accurately measure the shape of the object to be tested. It is an issue to provide.
前記課題を解決するための第1の手段は、被検物に所定の照射パターンを有する照明光を照射する照明光学系と、前記照明光学系と異なる光軸を有し、前記被検物からの光を撮像素子の撮像面に結像させる少なくとも物体側テレセントリックな撮像光学系と、前記撮像素子からの信号を用いて前記被検物の形状を算出する演算部とを備えた形状測定装置であって、前記照明光学系と前記撮像光学系とは、相対的位置関係を同一に保ったまま、前記撮像光学系の光軸方向に移動可能とされていることを特徴とする形状測定装置である。 A first means for solving the problem includes an illumination optical system that irradiates an object with illumination light having a predetermined irradiation pattern, an optical axis different from the illumination optical system, and A shape measuring device comprising at least an object-side telecentric imaging optical system that forms an image on the imaging surface of the imaging device, and an arithmetic unit that calculates the shape of the test object using a signal from the imaging device The illumination optical system and the imaging optical system can be moved in the optical axis direction of the imaging optical system while maintaining the same relative positional relationship. is there.
前記課題を解決するための第2の手段は、前記第1の手段であって、前記形状計算装置は、前記照明光学系と前記撮像光学系が移動する際に、前記撮像素子の各画素の出力の強さを検出し、各画素について、各々、その出力が最大となったときの、前記照明光学系と前記撮像光学系の位置を基に、光軸方向の高さ(位置)情報を算出し、前記被測定物体の形状を算出するものであることを特徴とするものである。 The second means for solving the problem is the first means, and the shape calculation device is configured to detect each pixel of the imaging element when the illumination optical system and the imaging optical system move. Based on the position of the illumination optical system and the imaging optical system when the output is maximum for each pixel, the height (position) information in the optical axis direction is detected for each pixel. And calculating the shape of the object to be measured.
前記課題を解決するための第3の手段は、前記第1の手段又は第2の手段であって、照射される前記照射パターンと前記撮像光学系の撮像面が、撮像光学系を介してシャインプルーフの条件を満たしていることを特徴とするである。 A third means for solving the problem is the first means or the second means, wherein the irradiation pattern to be irradiated and the imaging surface of the imaging optical system are shine via the imaging optical system. It is characterized by meeting the proofing conditions.
前記課題を解決するための第4の手段は、前記第1の手段から第3の手段のいずれかであって、前記照射される照射パターンを形成する光束は、前記照明光学系の光軸と前記撮像光学系の光軸とを含む平面に垂直な方向に断面の長さ方向を有するスリット状の光束、又は、前記照明光学系の光軸と前記撮像光学系の光軸とを含む平面に垂直な方向に断面の長さ方向を有し、且つ、前記照明光学系の光軸に垂直な方向に間隔を開けて並んだ、複数のスリット状の光束であることを特徴とするものである。 A fourth means for solving the problem is any one of the first to third means, and a light beam forming the irradiated irradiation pattern is an optical axis of the illumination optical system. A slit-shaped light beam having a cross-sectional length direction in a direction perpendicular to a plane including the optical axis of the imaging optical system, or a plane including the optical axis of the illumination optical system and the optical axis of the imaging optical system A plurality of slit-shaped light beams having a length direction of a cross section in a vertical direction and arranged at intervals in a direction perpendicular to the optical axis of the illumination optical system. .
本発明によれば、簡単な構成により、被検物体の表面に光学的に異質な部分があっても、正確に被検物体の形状測定ができる形状測定装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a shape measuring apparatus that can accurately measure the shape of a test object even if there is an optically different portion on the surface of the test object with a simple configuration.
以下、本発明の実施の形態の例を図を用いて説明する。図1は、本発明の実施の形態の第1の例である形状測定装置の光学系の概要を示す図である。測定ヘッド1には、スリット光投影光学系2が配置され、図1の紙面に垂直な方向に光束の長手方向が向くように取り付けられている。そのため図1では照明光は短手方向のみ表現されているので、3で示される直線で表現される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing an outline of an optical system of a shape measuring apparatus which is a first example of an embodiment of the present invention. A slit light projection
スリット投影光学系2は、照明光3は、撮像光学系4〜7の光軸と照明光の光軸を含む平面(図1の紙面)において、撮像光学系4〜7の光軸に対して所定の角度θをなすように測定ヘッド1に取り付けられている。
In the slit projection
撮像光学系は第1レンズ群4と撮像光学系開口絞り5と第2レンズ群6とから構成され、第1レンズ群4の前側焦点位置近傍で、スリット投影光学系2の光軸3と撮像光学系4〜7の光軸とが交差する(スリット投影光学系2の光軸と撮像光学系4〜7の光軸とを含む平面(図1の紙面)に垂直な平面であって、スリット投影光学系2の光軸を含む平面が測定の基準となる平面であり「切断面」と呼ばれることがある)。第1レンズ群4の後側焦点位置に撮像光学系開口絞り5が配置され、物体側テレセントリックになっている。従って、撮像素子7の所定の画素が撮像する点は、第1レンズ群4より被検物体側では、光軸に平行な線上の点となる。すなわち、x−y−z直交座標系をとり、z軸方向を光軸とすると、所定の画素で撮像される被検物体状の点のx座標とy座標は一定となる。
The imaging optical system includes a first lens group 4, an imaging optical
さらに、前述の撮像光学系開口絞り5が前側焦点位置に一致するように第2レンズ群6が配置されて、像側テレセントリックに結像するようになっている。像側テレセントリックにすると、形状の計算が簡単になるが、像側テレセントリックであることは、必ずしも本発明にとって必須の条件ではない。
Further, the
撮像素子7は照明光束3の照射面にシャインプルーフの条件を満たすように撮像光学系4〜7の光軸に対し傾斜させて配置されている。つまり、図1のように、撮像光学系4〜7の光軸に対し、物体面a(図1では紙面に垂直なので線で示されている。)がθだけ傾いているとき、像面をθ’(θ’は、撮像光学系の投影倍率をβとしたときに、tanθ=βtanθ’を満たす角)だけ傾けると、物体面上の点が焦点(ピント)の合っている状態で観察できる。さらに、本実施の形態では両側テレセントリック光学系なので、撮像光学系の投影倍率βは、第1レンズ群4の焦点距離に対する第2レンズ群の焦点距離の比で示される。
The imaging element 7 is disposed on the irradiation surface of the
このようにすると、シャインプルーフの条件が満たされ、被検物体の上にある点と照明光が交わる点は撮像素子面7上で結像することになる。このため、スリット光投影光学系2と撮像光学系4〜7の相対位置を変えなければ撮像光学系の開口絞りの径を大きくとった高解像力の光学系を用いることができ、焦点深度を浅くすることができるので、より高い精度で方向の位置検出ができる。
In this way, the shine proof condition is satisfied, and the point on the object to be examined and the point where the illumination light intersects forms an image on the image sensor surface 7. For this reason, unless the relative position of the slit light projection
本実施の形態においては、上記のスリット投影光学系2および撮像光学系4〜7を測定ヘッド1上に固定配置して、測定ヘッド駆動機構8により撮像光学系の光軸方向に移動させるようにしている。
In the present embodiment, the slit projection
図2に、このようにして被検物体までの距離を測定する原理を示す。測定ヘッド駆動機構8の移動によりスリット光投影光学系2が2a,2b,2c…と移動した位置から、被検物体10を照明するので、被検物体10の表面においては、3a,3b,3c…のように照明光により照射される位置が移動していく。この様子を撮像光学系4〜7で観察すると、前述のように、撮像光学系が前側テレセントリックとなっているので、撮像面7のある画素で撮像される点は、Aに示すように撮像光学系の光軸に平行な線上にある点となる。
FIG. 2 shows the principle of measuring the distance to the test object in this way. Since the
図2においては、スリット光投影光学系2が2bの位置にあるときにちょうど合焦した位置Bで観察されるとする。スリット光投影光学系2が2a、2cの位置にあるときは、ピントのぼけた状態で観測される。
In FIG. 2, it is assumed that the slit light projection
図3に、撮像素子7上の対応画素が受ける受光光量と、スリット光投影光学系の位置の関係を示す。合焦している、スリット光投影光学系が位置2bのときの状態のときに受光光量が最大となる。よって、この状態のときの被検物体までの距離を計算すれば、被検物体までの距離を正確に知ることができる。このようにして、撮像素子7上のすべての画素において受光光量が最大になる位置を検出して、そのときの、スリット光投影光学系の位置より、被検物体10を観察している画素に相当する点の光軸方向の距離を求めることができる。
FIG. 3 shows the relationship between the amount of received light received by the corresponding pixel on the image sensor 7 and the position of the slit light projection optical system. The amount of received light is maximized when the slit light projection optical system is in
本発明の実施の形態の変形例として、スリット光の代わりにパターンを投影してもよい(特許請求の範囲及び課題を解決するための手段では、スリット光も、所定の照射パターンを有する照明光として扱っている)。パターンの例としては、スリット投影光学系2の光軸と撮像光学系の光軸とを含む平面(図1の紙面のような平面)に垂直な方向に長さ方向を有し、且つ、スリット投影光学系2の光軸に垂直な方向に間隔を開けて並んだ、複数のスリット状の光束(縞パターン)を使用することができる。このように複数の縞パターンを使用することにより、一度に複数のスリット光を使用して計測することができ、測定時間を短縮することができる。
As a modification of the embodiment of the present invention, a pattern may be projected instead of the slit light (in the claims and the means for solving the problems, the slit light is also illumination light having a predetermined irradiation pattern. Treated as). As an example of the pattern, the slit has a length direction in a direction perpendicular to a plane including the optical axis of the slit projection
縞パターンの代わりに、空間コードを示すような空間コードパターンを使用してもよい。空間コードパターンとは、例えばスリットの幅が異なったり、1つのスリットとみなせるものが複数の小スリットからなり、小スリットの本数が異なっていたりするものである。このような空間コードパターンを使用すると、撮像素子で撮像されたパターンがどの空間コードパターンに対応するかが分かり、計算処理が容易になる。 Instead of the stripe pattern, a spatial code pattern indicating a spatial code may be used. The spatial code pattern is, for example, one having different slit widths, or one that can be regarded as one slit is composed of a plurality of small slits, and the number of small slits is different. When such a spatial code pattern is used, it can be understood which spatial code pattern corresponds to the pattern imaged by the imaging device, and the calculation process is facilitated.
このような複数のパターンを投影する場合には、パターン投影光学系はテレセントリックであることが望ましい。テレセントリックであれば、被検物体に照射される位置によって、パターンの形状が変化しないからである。 When projecting such a plurality of patterns, the pattern projection optical system is preferably telecentric. This is because, if telecentric, the shape of the pattern does not change depending on the position irradiated on the object to be examined.
その一例である本発明の第2の実施の形態である形状測定装置の光学系の概要を図4に示す。撮像系は図1と同じなので、同じ構成要素には同じ符号を付してその説明を省略する。光源21から発した光はコレクタレンズ22で集光され、投影パターンの書かれたマスク23を介して、照明開口絞り24上で像を結ぶように配置されている。照明光絞り24は照明コンデンサレンズ25の前側焦点位置に配置され、投影パターンがテレセントリックに投影される。このため、撮像素子7上の各点で観察されるスリットパターンの間隔は一定になるので、縞パターンの投影でもすべての面で一様な周期で縞が観察され、測定精度が一様になるようにできる。
FIG. 4 shows an outline of the optical system of the shape measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention which is an example thereof. Since the image pickup system is the same as that in FIG. The light emitted from the
このように、本発明の実施の形態によれば、撮像光学系の各画素に対し被検物体の観察している位置が変化しないので、被検物体の表面のテクスチャの影響に関係なく表面の位置検出を行うことができる。また、スリット投影光学系2と撮像光学系を固定した状態で撮像光学系の光軸方向に移動させるだけなので、高精度に測定を行うことができる。
As described above, according to the embodiment of the present invention, since the observation position of the test object does not change with respect to each pixel of the imaging optical system, the surface of the test object is not affected by the influence of the texture of the surface of the test object. Position detection can be performed. In addition, since the slit projection
なお、本実施の形態においては、スリット投影光学系2と撮像光学系は、機械的に測定ヘッドに固定されて一体化されているが、必ずしも機械的に一体化する必要はなく、相対的な位置関係が変わらないような動きが可能とされていればよい。
In the present embodiment, the slit projection
1:測定ヘッド、2:スリット投影光学系、3:スリット光、4:第1撮像レンズ群、5:撮像光学系開口絞り、6:第2撮像レンズ群、7:撮像素子、8:測定ヘッド駆動機構、10:被検物体、21:光源、22:コレクタレンズ、23:投影パターンマスク、24:照明系開口絞り、25:コンデンサレンズ 1: measurement head, 2: slit projection optical system, 3: slit light, 4: first imaging lens group, 5: imaging optical system aperture stop, 6: second imaging lens group, 7: imaging element, 8: measurement head Drive mechanism, 10: object to be inspected, 21: light source, 22: collector lens, 23: projection pattern mask, 24: illumination system aperture stop, 25: condenser lens
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