JP2012013593A - ３次元形状測定機の校正方法及び３次元形状測定機 - Google Patents

Abstract

【課題】ライン光照明系の歪みが高精度に校正するための３次元形状測定機の校正方法、及び、この校正方法により校正された３次元形状測定機を提供する。
【解決手段】被検物１７にライン光を投影する照明部であるライン光投影装置１６と、被検物１７上に投影されたライン光の像を取得する撮像部である測定カメラ１１と、を有し、前記像から被検物１７の３次元座標を算出する３次元形状測定機１において、３次元座標に含まれるライン光投影装置１６の歪みを校正する３次元形状測定機１の校正方法であって、ライン光投影装置１６の光軸に対して略垂直に拡散面２１ａを配置するステップと、ライン光投影装置１６部により拡散面２１ａにライン光を照射して測定カメラ１１でライン光の像を取得するステップと、取得した像から３次元座標を校正する補正データを算出するステップと、を有する。
【選択図】図５

Description

本発明は、３次元形状測定機の校正方法及びこの校正方法により校正された３次元形状測定機に関する。

従来技術で構成する光切断方式の３次元形状測定機において、その要求される測定精度が数１００μｍ程度である場合には、光切断線を理想的な曲がりのないトレース面として扱うことで十分その目的を達成することができた。

特開２００７−２９２６１９号公報

しかしながら、より高精度な３次元形状測定機を構成するためには、そのライン光照明系の投影レンズの収差、点光源の特性、或いは照明光軸の曲がりその他によって複雑な曲面を描き、これらが被検物に照射され光切断線を構成した場合に誤差を生じ、正確な空間座標の測定を行うには不十分であった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、ライン光照明系の歪みが高精度に校正するための３次元形状測定機の校正方法、及び、この校正方法により校正された３次元形状測定機を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る３次元形状測定機の校正方法は、被検物にライン光を投影する照明部と、この照明部の光軸と異なる方向から被検物上に投影されたライン光の像を取得する撮像部と、を有し、ライン光の像から被検物の３次元座標を算出する３次元形状測定機において、３次元座標に含まれる照明部の歪みを校正するものであって、照明部の光軸に対して略垂直に拡散性を有する面を配置するステップと、照明部により拡散性を有する面にライン光を照射して撮像部でライン光の像を取得するステップと、取得した像から３次元座標を校正する補正データを算出するステップと、を有する。

このような３次元形状測定機の校正方法において、拡散性を有する面を配置するステップは、配置された拡散性を有する面の設置姿勢を測定し、また、補正データを算出するステップは、設置姿勢を用いて補正データを算出することが好ましい。

また、このような３次元形状測定機の校正方法において、ライン光の像を取得するステップは、ライン光を照射した状態で、拡散性を有する面を光軸に沿って移動させて、所定のピッチ毎に撮像部により像を取得し、補正データを算出するステップは、複数の像からライン光の３次元トレース面を作成し、この３次元トレース面から補正データを算出するように構成されることが好ましい。

また、このような３次元形状測定機の校正方法は、３次元トレース面を補間処理した結果から、撮像部が有する撮像素子の画素中心と歪みが校正がされた３次元座標とを対応付ける補正テーブルを生成するステップをさらに有することが好ましい。

また、本発明に係る３次元形状測定機は、被検物にライン光を照射する照明部と、この照明部に対する相対位置が固定され、被検物上に投影されたライン光の像を取得する撮像素子を有する撮像部と、上述の３次元形状測定機の校正方法により生成された補正テーブルを有し、像を検出した撮像素子の画素中心からライン光が照射された被検物の３次元座標を算出する制御装置と、を有する。

本発明に係る３次元形状測定機の校正方法を以上のようにすると、ライン光照明系（照明部）の歪みを高精度に校正することができ、これにより被検物の３次元座標を高精度かつ高速に測定することができる３次元形状測定機を提供することができる。

３次元形状測定機の構成を示す説明図である。 ３次元形状測定のための構成を示す説明図である。 基準格子による撮像系の補正方法を説明するための説明図であり、（ａ）は照明系及び撮像系と基準格子との関係を示し、（ｂ）は基準格子を示す。 拡散版を移動し測定カメラ指定ピッチ分の画像を取得するときの構成を示す説明図である。 照明系補正データの作成手順を示すフローチャートである。 撮像面とライン光の像との関係を示す説明図である。 補正テーブル作成処理の詳細を示すフローチャートである。 撮像系スクリーン座標と基準格子面との関係を示す説明図である。 ライン光トレース面を説明するための説明図である。 補正テーブルを説明するための説明図であって、（ａ）はスクリーン座標から３次元座標を求めるためのデータ処理を示し、（ｂ）はピークが或る位置と、そのピークを挟む２つの画素との関係を示す説明図。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。まず、図１及び図２を用いて、光切断方式の３次元形状測定機の撮像系にＣＣＤ等の撮像素子を有する測定カメラを使用して計測を行う場合の装置構成例について説明する。この３次元形状測定機１は、例えば、ステージ上に載置された被検物１７の形状を測定する形状測定部２と、この形状測定部２から出力される角度情報及び測定情報に基づいて被検物１７に関する形状情報を算出する制御装置７と、算出された形状情報を、例えば、３次元画像にして出力するための表示装置８と、を有して構成される。なお、被検物１７は、ステージ上に載置されていなくても測定可能である。

形状測定部２は、複数のアーム部３ａを複数の関節部（接続部）３ｂで接続した多関節構造の移動機構部３と、この移動機構部３の先端部（最も先端側に位置するアーム部３ａの先端部）に対して取付部４を介して着脱可能に構成されたプローブ５と、移動機構部３の基端部（最も基端側に位置するアーム部３ａの基端部）が取り付けられた基台６と、を有して構成される。なお、関節部３ｂは、アーム部３ａ同士を繋ぎ、一方のアーム部３ａに対して他方のアーム部３ａを回転させる（揺動させる）ものや、基台６に対して基端側のアーム部３ａを接地面に垂直方向の軸を中心に回転させるもの、若しくは、取付部４に取り付けられたプローブ５を、先端側のアーム部３ａに対して揺動させたり、回転させたりするものがある。また、関節部３ｂの回転軸の各々には、基台６や基端側に位置するアーム部３ａに対して、この関節部３ｂに接続された先端側に位置するアーム部３ａ若しくはプローブ５のなす角度を検出するためにその回転軸の回転量を計測するエンコーダ（角度情報検出部）が取り付けられており、これらのエンコーダによる計測値（以下、「角度情報」と呼ぶ）は、制御装置７に出力される。

一方、プローブ５には、図３に示すように、レーザーダイオード等の光源、及び、この光源から放射された光をシリンドリカルレンズ等のトーリックレンズ光学系によりライン光としてステージ上の被検物１７に照射するライン光形成光学系（照明系）を有するライン光投影装置（照明部）１６と、被検物１７に投射されたライン光による光切断線１８の像を結像する撮像光学系、及び、この像を検出する撮像素子（ＣＣＤ）を有する測定カメラ（撮像部）１１と、が設けられている。

ここで、アーム部３ａの長さ等の情報は既知であるため、制御装置７は、エンコーダから出力された角度情報に基づいて、基台６や基端側に位置するアーム部３ａに対する、先端側に接続されたアーム部３ａ若しくはプローブ５の角度を算出することにより、プローブ５の空間上の３次元座標（空間座標）を求めることができる。また同様に、プローブ５におけるライン光投影装置１６や測定カメラ１の位置（座標）も既知であるため、制御装置７は、三角測量の原理に基づいて測定カメラ１１で取得された測定情報（光切断線１８の像）を処理することにより、測定カメラ１１で撮像できる範囲内にある被検物１７の形状（光切断線１８が投影されている被検物１７の形状）を演算して求めることができる。なお、制御装置７は、画像入力装置１２，画像メモリ１３、画像処理装置１４及び画像記憶装置１５を有しており、測定カメラ１１で撮像された画像は、画像入力装置１２を介してデジタル画像化され、画像メモリ１３に格納される。また、測定カメラ１１のＣＣＤ画素位置と光切断線位置との対応を精密に求めるため、画素間補間処理を画像処理装置１４にて行い、画素間隔以下（サブピクセル）での値を算出する。また、この３次元形状測定機１は、補正データ取得のために連続的に取得した画像を格納する画像記憶装置１５を備えている。

それでは、このような構成の３次元形状測定機１において、照明系の補正を行うための方法について説明する。

（撮像補正データ）
照明系補正データの作成に先立ち、撮像系の歪みを補正するための撮像系補正データが取得済みであり、撮像系の補正機能が有効になっている必要がある。そのため、本実施形態では、光切断プローブ５の照明系に関する補正方式について記述されたものであり、撮像系側の補正については、補正データが取得済みで撮像系の補正が有効に機能していることを前提として説明を行う。撮像系側の補正が実施済みである定義は、例えば、図３に示すように、物体面である光切断面１９に基準格子２０を設置し、この像を測定カメラ１１で撮像した画素位置と、基準格子２０の姿勢であるクロス点を含む面内の３次元座標が補正式、あるいは補正データにより結びついていることとである。ここでは簡略化して、基準物体面座標をＷとし、スクリーン座標（ＣＣＤ画素位置）をＳとし、論理座標変換行列をＴとし、論理物体面と実際に撮像した物体との誤差を反映した行列をＥとすると、次式（１）の関係がある。なお、ここでは、物体面座標として、ライン光投影装置１６の照明光軸方向をＺ軸とし、このＺ軸に垂直な面内で、ライン光が延びる方向をＹ軸とし、このＹ軸に直交する方向をＸ軸とする。同様にスクリーン座標として、測定カメラ１１の撮像光軸に直交する面内で、互いに直交し、かつ、上記Ｘ軸及びＹ軸に対応する方向をそれぞれｘ軸及びｙ軸とする（スクリーン座標は２次元であるため、ｚ軸方向の値は０である）。

以降の説明では、スクリーン座標から基準格子面への変換を、撮像補正関数Ｆを用いて、次式（２）として定義する。

（照明系補正データ取得時の構成）
図４に示すように、プローブ校正を行うためのベースユニット２３上に、校正対象となる光切断プローブ５を固定する。このプローブ５内には、上述のように、ライン光を照射するためのライン光投影装置１６、及び、ライン光の投影により形成される光切断線を撮像計測するための測定カメラ１１が備えられている。また、ベースユニット２３上には、ライン光の照明光軸方向に精密に移動可能な精密移動ステージ２２が設置されている。さらに、精密移動ステージ２２上には、校正用の基準面として平面度が保証された拡散性を有する面である反射拡散面２１ａを持つブロック２１が載置されている。

（補正データ作成手順）
それでは、図５を用いて照明系補正データの作成手順について説明する。なお、ステップＳ１００に示す撮像系の補正データについては、上述のように予め取得されているものとする。

まず最初に、照明光軸と略垂直に配置されたブロック２１の拡散面２１ａにライン光を投影するのに先立ち、拡散面２１ａの傾き（Ｘ軸回転、Ｙ軸回転）を、コリメータ等の計測機器により精密に測定する（ステップＳ１１０）。そして、図６に示すように、拡散面２１ａで反射されたライン光像（光切断線の像）２５が計測カメラ１１の撮像素子の撮像面２４の中心に位置するように、精密移動ステージ２２を移動し、Ｚ軸の原点とする（Ｓ１２０）。なお、この図６の場合、ライン光像２５が延びる方向をｙ軸とし、このライン光像２５のうち、ｙ軸方向略中間部の像が撮像面２４の中心に位置するようにしている。この状態で、精密移動ステージ２２をＺ軸原点から計測カメラ１１の視野相当分の距離（例えば、Ｚ軸の原点を中心に±１０ｍｍ）を所定のステップ（例えば１０μｍ）で移動させ、そのステップ毎に撮像した画像を画像データとして画像記憶装置１５に記憶する（ステップＳ１３０）。

最後に、上記操作により取得された枚数分の画像から、図７に示す手順により補正テーブルの作成を行う（ステップＳ１４０）。まず、図６に示すように、画像（撮像面２４）内の中心部２６において、ライン光の走査線毎に精密なピーク位置２８を、スクリーン座標（図６に示すｘ、ｙ方向）として求めて行く（ステップＳ１４１）。精密なピーク位置の算出方法としては、例えば、画素毎のサンプリングデータ２７を含む走査線方向のデータ列を多項式近似、スプライン補間、あるいはテンプレート相関処理等の一般的な手法により精密に求める。

上述の撮像系補正データについて説明した撮像系データの取得済みの定義のとおり、撮像系スクリーン座標と、図８に示す基準格子面２９との関係は、既に補正式、或いは補正データにより結びついている関係にあるので、スクリーン座標を元に基準格子面２９上の３次元座標を算出することが可能である。そこで、撮像系レンズ中心３０と、算出された基準格子面２９上の３次元座標を結ぶベクトルを算出する（ステップＳ１４２）。ここで、撮像系レンズ中心から基準面座標へのベクトルＶは、撮像系レンズ中心の座標をＰとすると、次式（３）で表される。

次に、ステップＳ１１０で行った拡散面２１ａの傾き測定で得られたＸ軸周りの回転３１及びＹ軸周りの回転３２から、論理拡散面３３を定義する（ステップＳ１４３）。具体的には、Ｘ軸周りの回転３１からＸ軸回転行列Ｒ_Xを生成し、また、Ｙ軸周りの回転３２からＹ軸回転行列Ｒ_Yを生成して、論理拡散面３３の面ベクトルＮを次式（４）で定義する（ステップＳ１４３）。

なお、論理拡散面３３の中心座標Ｈは、次式（５）に示すように、精密移動ステージ２２のＺ軸原点から、そのｎ番目の画像取得時のオフセットＺｎで決まる。

また、以上のようにして求められた撮像系レンズ中心から基準面座標へのベクトルＶ、論理拡散面３３の面ベクトルＮ及びこの論理拡散面３３の中心座標Ｈを用いて、拡散面２１ａ上のライン光座標を算出する（ステップＳ１４４）。具体的には、上記レンズ中心３０から基準格子面２９へのベクトルＶと、論理拡散面３３との交点を算出する。この交点は、拡散面２１ａ上でライン光が当たっている３次元座標を示している。撮像系レンズ中心Ｐから延びるベクトルＶが、精密移動ステージ２２の原点からのオフセットＺｎで決まる拡散面中心座標Ｈを含む面Ｎと交差する点Ｍは、次式（６）で定義される。

そして、上述のステップＳ１４１〜Ｓ１４４までの操作を画像枚数×検出されたスクリーン座標分繰り返すことにより、ライン光トレース面３４が形成されることになる（ステップＳ１４５）。このライン光トレース面３４は、実際には３次元座標が集まった点群データである。

最後に、画素毎補正データを作成する（ステップＳ１４６）。上記処理により実際に拡散面２１ａに照射されたライン光の位置が求められたら、実際の補正データ参照時に処理が行いやすい形に整理する目的で、計測カメラ１１の各画素中心のスクリーン座標に対応したライン光トレース面３４の３次元座標を求める。計測カメラ１１のスクリーン座標は、１０２４×１０２４画素の場合、左上を原点に右がＸ＋，下がＹ＋と定義する。例えば、画像の一番上の走査線を表すスクリーン座標Ｙ＝１，Ｘ＝１〜１０２４の１０２４画素に対応したライン光トレース面３４の３次元座標は、図９に示す補間ライン３５に対応して作成される。ライン光が検出されたスクリーン座標Ｓが、撮像系補正関数Ｆにより変換された基準格子面座標Ｗは式（１），（２）より、次式（７）で定義される。

この基準格子面座標Ｗによって決まるＺ座標値Ｗｚをインデックスにして、拡散面２１ａ上の交点Ｍの各座標軸の値を独立した関数によって補間する為に、スプライン補間テーブルＵｘ，Ｕｙ，Ｕｚを作成する。具体的には、次式（８）のように定義される。なお、この式（８）において、交点ＭのＸ座標値をＭｘとし、Ｙ座標値をＭｙとし、Ｚ座標値をＭｚとする。

なお、本実施形態では、補間関数はベーススプラインを使用しているが、その他、３次元スプライン、多項式近次等での一般的な補間でも可能である。

そして、計測カメラ１１の各画素中心スクリーン座標Ｓ′_ij（ｉ，ｊ＝１〜１０２４）に上記補間テーブルを適用した３次元座標Ｗ′ij（ｉ，ｊ＝１〜１０２４）は、次式（９）で表される。

また、スプライン補間関数により求められた画素中心毎の論理拡散面上の３次元座標Ｍ′は次式（１０）で表される。なお、Ｗ′ｚは、Ｗ′のＺ座標値である。

算出された画素中心毎の３次元座標Ｍ′は、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸毎に図１０（ａ）で示されるような画素中心４０に対する空間座標４４が直接参照可能な画面分１０２４×１０２４のテーブル４１，４２，４３として保存され、測定処理時に補正データテーブルとして使用される。

（補正データ参照）
以上のようにして作成されたＸ，Ｙ，Ｚ軸毎の補正データテーブル４１，４２，４３は、測定実行時にライン光が捉えられたスクリーン座標を元に参照され、３次元座標が算出される。今、図１０（ｂ）の２つの画素（スクリーン座標Ｓ１とＳ２）の間の位置Ｓにライン光のピーク位置が検出された場合、補正データテーブル４１，４２，４３からＳ１，Ｓ２に対応した３次元座標Ｍ１，Ｍ２が参照される。これら２つの画素が、Ｘ軸方向に並んでいる場合、そのスクリーンＸ座標をそれぞれＳｘ，Ｓ１ｘ，Ｓ２ｘとすると、対応した３次元座標Ｍは、次式（１１）の内装補間式により算出される。

以上のような手法によると、ライン光により形成された光切断面を忠実に測定、記録し、効率良く補正データ化することで、撮像系の歪みを精密に補正し、正確な空間座標を捉えることが可能となり、精度の高い３次元形状測定機１を構成することが可能となる。また、計測カメラ１１の画素に対応した１対１の補正データテーブル４１，４２，４３を生成することにより、測定実行時に行う複雑な座標変換、補正演算を実施する必要がなくなり、３次元形状測定処理の速度を向上することが可能となる。

１ ３次元形状測定機 ７ 制御装置 １１ 測定カメラ（撮像部）
１６ ライン光投影装置（照明部） １７ 被検物
２１ ブロック ２１ａ 拡散面

Claims (5)

1. 被検物にライン光を投影する照明部と、前記照明部の光軸と異なる方向から前記被検物上に投影された前記ライン光の像を取得する撮像部と、を有し、前記像から前記被検物の３次元座標を算出する３次元形状測定機において、前記３次元座標に含まれる前記照明部の歪みを校正する３次元形状測定機の校正方法であって、
   前記照明部の前記光軸に対して略垂直に拡散性を有する面を配置するステップと、
   前記照明部により前記拡散性を有する面に前記ライン光を照射して前記撮像部で前記ライン光の像を取得するステップと、
   取得した前記像から前記３次元座標を校正する補正データを算出するステップと、を有することを特徴とする３次元形状測定機の校正方法。
2. 前記拡散性を有する面を配置するステップは、配置された前記拡散性を有する面の設置姿勢を測定し、
   前記補正データを算出するステップは、前記設置姿勢を用いて前記補正データを算出するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の３次元形状測定機の校正方法。
3. 前記ライン光の像を取得するステップは、前記ライン光を照射した状態で、前記拡散性を有する面を前記光軸に沿って移動させて、所定のピッチ毎に前記撮像部により前記像を取得し、
   前記補正データを算出するステップは、複数の前記像から前記ライン光の３次元トレース面を作成し、前記３次元トレース面から前記補正データを算出するように構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の３次元形状測定機の校正方法。
4. 前記３次元トレース面を補間処理した結果から、前記撮像部が有する撮像素子の画素中心と前記歪みが校正がされた前記３次元座標とを対応付ける補正テーブルを生成するステップをさらに有することを特徴とする請求項３に記載の３次元形状測定機の校正方法。
5. 被検物にライン光を投影する照明部と、
   前記照明部に対する相対位置が固定され、前記被検物上に投影された前記ライン光の像を取得する撮像素子を有する撮像部と、
   請求項４に記載の３次元形状測定機の校正方法により生成された補正テーブルを有し、前記像を検出した前記撮像素子の画素中心から前記ライン光が照射された前記被検物の３次元座標を算出する制御装置と、を有する３次元形状測定機。

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