JP5995484B2 - 三次元形状測定装置、三次元形状測定方法、及びプログラム - Google Patents
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Description
この技術において重要な要素は、投影したパターン光を撮像し、撮像した画像の中における、マーカーの位置を正確に算出することである。
例えば、非特許文献1には、相補パターン投影法と呼ばれるものの原理が紹介されており、特許文献1においても同じ方法が用いられている。
相補パターン投影法とは、具体的には、明暗が相互に反転しており、被検面上に相補的な照度分布を形成する二種類のパターン光を被検面に投影し、それらのパターン光の明暗が交差する点をマーカーとして利用するものである。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、被検物に対して投影した、明暗が相互に反転している二種類のパターン光の明暗が交差する点を、環境光に変化があっても正確に検出できるようにすることを目的とする。
(第1の実施形態)
まず、第1の実施形態について説明する。
図1は、三次元形状測定装置の代表的な構成の一例を示す図である。
図1において、投影部1は、液晶パネル3と、液晶パネル3を照明する照明部2と、液晶パネル3の像を、被検面6の近傍に配置された被検物7上に投影する撮像光学系4と、を有する。
投影部1は、後述する投影撮像制御部20からの指令によって、所定のパターン光を被検物7上に投影する(図1の投影光速5を参照)。
撮像部8は、後述する投影撮像制御部20からの指令によって、撮像動作を行い、撮像素子10上の輝度分布を、撮像素子10で離散的にサンプリングされた階調分布として、後述する階調交点算出部21に出力する(図1の撮像光速11を参照)。
投影撮像制御部20は、投影部1に対して、所定のタイミング又はユーザにより指示されたタイミングで、所定のパターン光を被検物7に投影することを指示すると共に、撮像部8に対して、被検物7上のパターン光を撮像することを指示する。
階調交点算出部21は、被検物7上に2種類のパターン光が投影された際の輝度分布の交点を算出する。
三次元形状導出部22は、階調交点算出部21により算出された交点をマーカーとし、2種類のパターン光が投影された際の輝度分布に基づいて、被検物7の三次元形状を導出する。尚、被検物7の三次元形状を導出する手法は、公知の技術で実現されるので、ここでは、その詳細な説明を省略する。
投影撮像制御部20は、少なくとも二種類のパターン光A、Bを順番に投影することを、投影部1に対して指示する。そうすると、投影部1は、投影が指示されたパターン光A、Bを被検物7に投影する。そして、投影撮像制御部20は、パターン光A、Bが投影された被検物7の撮像を、撮像部8に対して指示する。そうすると、撮像部8は、パターン光A、Bが投影されたときの被検物7の撮像をそれぞれ行う。
本発明においては、相補なパターン光とは、同じ照度分布の周期的パターンが半位相(半周期)ずれたものを指している。
図3において、実線がパターン光Aの照度分布を示し、破線がパターンAとは相補な関係にあるパターン光Bの照度分布を示す。前述したように、2つのパターン光A、Bは、それぞれ周期的に明暗を繰り返しており、明部と暗部とが入れ替わる、いわゆる半位相ずれた関係を有する。
図4は、そのような高周波成分が欠落したパターン光の照度分布の一例を示す図である。図4に示す照度分布は、図3における照度分布から、高周波成分を欠落させて結像することで形成される。
次に、被検物7上にパターン光A、Bを投影した場合に撮像される画像の輝度分布について説明する。
図6は、投影部1によって一様な照度の照明光を投影した場合に得られる被検物7の輝度分布の一例を示す図である。図6〜図8において、縦軸は、被検物7の画像の輝度に相当し、横軸は、投影対象である被検物7上の位置を示す。 図6〜図8における輝度分布の変化は、被検物7の表面の反射率に起因するものである。
図9は、相補なパターン光の投影のみにより得られる被検物7の輝度分布(図7)に、外光のみによる被検物7の輝度分布(図8)を加算した輝度分布を示す図である。
図9において、実線は、図7に示すパターン光Aの投影により得られた被検物7の輝度分布(実線)に、図8に示す実線の輝度分布(パターン光Aを投影したときの外光による被検物7の輝度分布)が加わったものである。一方、破線は、図7に示すパターン光Bの投影により得られた被検物7の輝度分布(破線)に、図8に示す破線の輝度分布(パターン光Bを投影したときの外光による被検物7の輝度分布)が加わったものである。
図10において、実線は、パターン光Bを投影した場合に得られる被検物7の輝度分布から、パターン光Aを投影したときの外光による被検物7の輝度分布を減じたものである(図7の破線の輝度分布から実線の輝度分布を減じたものである)。一方、破線は、パターン光Bを投影したときの外光による被検物7の輝度分布から、パターン光Aを投影したときの外光による被検物7の輝度分布を減じたものである(図9の破線の輝度分布から実線の輝度分布を減じたものである)。
尚、図7では、外光が含まれない場合の輝度分布を示した。パターン光Aを投影したときとパターン光Bを投影したときとで同量の外光が含まれている場合、即ち外光の時間変動が無い場合には、図7に示す輝度分布の差分をとることにより、外交成分は相殺され、その結果は、図10に示す実線と等しくなる。
図12は、図9に示した輝度分布であって、パターン光Aを投影した場合の被検物7の輝度分布(実線)と、その表示区間(所定範囲)における平均値とを示す図である。図12において、当該平均値は105.6である。
パターン光Aを投影した場合の被検物7の輝度分布の平均値と、パターン光Bを投影した場合の被検物7の輝度分布の平均値には、25.1(130.7−105.6)の差が発生している。
そこで、前述した平均値の差をなくす(0(ゼロ)にする)ためには、その差に等しい外光分布を、パターン光A、Bを投影した場合の被検物7の輝度分布の何れかに加減(加算または減算)すればよい。
外光成分のみの被検物7の輝度分布は、図13に示した分布を維持しつつ時間と共に変動するとする。そうすると、前述した平均値の差(=25.1)を0(ゼロ)にするために、パターンAを投影した際の被検物7の輝度分布とパターンBを投影した際の被検物7の輝度分布とで等しい平均値になるようにする。そのために、図13に外光による輝度分布を縮小して、図11に示したパターン光Bによる輝度分布から減ずる。
ここで、25.1/83.3=0.30であるから、図11に示したパターン光Bによる輝度分布から、図13に示した外光による輝度分布(破線)に0.30を乗じたものを減ずる。
図14は、このようにして算出された、パターン光Bによる補正後の輝度分布の一例を示す図である。図14の一点鎖線に示すように、パターン光Bによる補正後の輝度分布の平均値は、パターン光Aによる輝度部プログラムの平均値(図12の一点鎖線を参照)と等しくなっている。
図15は、相補なパターン光による輝度分布の差分の一例を示す図である。図15において、実線は、相補なパターン光の間で外光成分に差が無い場合、又は外光が無い場合を示し、図10に示した実線に等しい。一方、破線は、相補なパターン光の間で外光成分に差が生じた場合であって、本実施形態の手法を適用した場合を示し、図12に示したパターン光Aによる輝度分布と図14に示したパターン光Bによる補正後の輝度分布との差分の分布である。尚、図15では、0点をよぎる位置の差が判りやすいように、便宜上、実線、破線とで符号が逆転するようにプロットしている。
図15に示すように、図10に示した本実施形態の手法を適用しない場合(パターン光Bによる輝度分布を補正しない場合)の差分の分布に対して、パターン光Aによる輝度が0となる位置との差が大幅に小さくなることが分かる。
まず、ステップS1601において、投影部1は、投影撮像制御部20からの指令により、パターン光Aを、第1のパターン光の一例として被検物7上に投影する(第1の投影を行う)。
次に、ステップS1602において、撮像部8は、投影撮像制御部20からの指令により、撮像動作を行い、パターン光Aが投影された被検物7の輝度分布L1を、第1の輝度分布の一例として取得する(第1の輝度分布取得を行う)。
次に、ステップS1604において、撮像部8は、投影撮像制御部20からの指令により、撮像動作を行い、パターン光Bが投影された被検物7の輝度分布L2を、第2の輝度分布の一例として取得する(第2の輝度分布取得を行う)。
次に、ステップS1606において、階調交点算出部21は、パターン光Aが投影された被検物7の輝度分布L1の平均値Ave(L1)を算出する。
次に、ステップS1607において、階調交点算出部21は、パターン光Bが投影された被検物7の輝度分布L2の平均値Ave(L2)を算出する。
次に、ステップS1609において、階調交点算出部21は、被検物7の輝度分布L2の平均値Ave(L2)から被検物7の輝度分布L1の平均値Ave(L1)を減算して、これらの差分e(=Ave(L2)−Ave(L1))を算出する。
次に、ステップS1610において、階調交点算出部21は、被検物7の輝度分布L1、L2の平均値の差分eを、外光成分のみの被検物7の輝度分布L0の平均値Ave(L0)で割って、外光の成分差η(=e/Ave(L0))を算出する。
次に、ステップS1612において、階調交点算出部21は、被検物7の輝度分布L1と、被検物7の輝度分布の補正値L2´との交点Pを算出する(交点導出を行う)。
最後に、ステップS1613において、三次元形状導出部22は、被検物7の輝度分布L1と、被検物7の輝度分布の補正値L2´との交点Pをマーカーとして用いて、被検物7の三次元形状を導出する(三次元形状導出を行う)。
例えば、ステップS1609において、差分e(=Ave(L1)−Ave(L2))を算出する。そして、ステップS1611において、被検物7の輝度分布の補正値L1´(=L1−ηL0)を算出し、ステップS1612において、被検物7の輝度分布の補正値L1´と、被検物7の輝度分布L2との交点Pを算出することができる。
また、ステップS1609において、差分e(=Ave(L1)−Ave(L2))を算出する。そして、ステップS1611において、被検物7の輝度分布の補正値L2´(=L2+ηL0)を算出し、ステップS1612において、被検物7の輝度分布の補正値L2´と、被検物7の輝度分布L1との交点Pを算出することができる。
また、ステップS1609において、差分e(=Ave(L2)−Ave(L1))を算出する。そして、ステップS1611において、被検物7の輝度分布の補正値L1´(=L1+ηL0)を算出し、ステップS1612において、被検物7の輝度分布の補正値L1´と、被検物7の輝度分布L2との交点Pを算出することができる。
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。第1の実施形態では、被検物7の輝度分布L1、L2の平均値Ave(L1)、Ave(L2)が等しくなるように、外光成分のみの被検物7の輝度分布L0に係数を乗じた輝度分布を、被検物7の輝度分布L2から減算する場合を例に挙げて説明した。これに対し、本実施形態では、被検物7の輝度分布L1、L2の差分である差分分布の平均値が0(ゼロ)となるように、当該差分分布に対し、外光成分のみの被検物7の輝度分布L0に係数を乗じた輝度分布を加減する。このように本実施形態と第1の実施形態とでは、被検物7の輝度分布L1、L2の交点を求める際の処理の一部が主として異なる。よって、本実施形態の説明において、第1の実施形態と同一の部分については、図1〜図16に付した符号と同一の符号を付すこと等により詳細な説明を省略する。
まず、ステップS1701において、投影部1は、投影撮像制御部20からの指令により、パターン光Aを、第1のパターン光の一例として被検物7上に投影する(第1の投影を行う)。
次に、ステップS1702において、撮像部8は、投影撮像制御部20からの指令により、撮像動作を行い、パターン光Aが投影された被検物7の輝度分布L1を、第1の輝度分布の一例として取得する(第2の輝度分布取得を行う)。
次に、ステップS1704において、撮像部8は、投影撮像制御部20からの指令により、撮像動作を行い、パターン光Bが投影された被検物7の輝度分布L2を、第2の輝度分布の一例として取得する(第2の輝度分布取得を行う)。
次に、ステップS1705において、撮像部8は、投影撮像制御部20からの指令により、撮像動作を行い、外光(環境光)成分のみの被検物7の輝度分布L0を、第3の輝度分布の一例として取得する(第3の輝度分布取得を行う)。
次に、ステップS1707において、階調交点算出部21は、差分分布Sの平均値Ave(S)を算出する。
次に、ステップS1708において、階調交点算出部21は、外光成分のみの被検物7の輝度分布L0の平均値Ave(L0)を算出する。
次に、ステップS1710において、階調交点算出部21は、差分分布Sから、外光成分のみの被検物7の輝度分布L0に外光の成分差ηを乗じた値を減算して、差分分布の補正値S´(=S−ηL0)を算出する。
次に、ステップS1711において、階調交点算出部21は、差分分布の補正値S´において輝度が0となる点(0点)Qを求める(交点導出を行う)。
最後に、ステップS1712において、三次元形状導出部22は、差分分布の補正値S´において輝度が0となる点(0点)Qをマーカーとして用いて、被検物7の三次元形状を導出する(三次元形状導出を行う)。
本実施形態では、ステップS1706において、パターン光Bが投影された被検物7の輝度分布L2から、パターン光Aが投影された被検物7の輝度分布L1を減算して差分分布Sを算出した。そして、ステップS1710において、この差分分布Sから、外光成分のみの被検物7の輝度分布L0に外光の成分差ηを乗じた値を減算して、差分分布の補正値S´(=S−ηL0)を算出した。しかしながら、被検物7の輝度分布L1、L2の差分である差分分布の平均値が0(ゼロ)となるように、当該差分分布に対し、外光成分のみの被検物7の輝度分布L0に係数を乗じた輝度分布を加減していればよい。すなわち、ステップS1706において、差分分布S(=L1−L2)を求め、ステップS1710において、差分分布の補正値S´(=S−ηL0)を算出するようにしてもよい。
本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、まず、以上の実施形態の機能を実現するソフトウェア(コンピュータプログラム)を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給する。そして、そのシステム或いは装置のコンピュータ(又はCPUやMPU等)が当該コンピュータプログラムを読み出して実行する。
Claims (7)
- 明部と暗部とを有する第1のパターンと、前記第1のパターンに対し、明部と暗部との関係が反転した関係にある第2のパターンとを、被検物に投影する投影手段と、
前記被検物を撮像することにより得られる、前記第1のパターンが投影された状態の画像における前記被検物の第1の輝度分布と、前記第2のパターンが投影された状態の画像における前記被検物の第2の輝度分布と、前記第1のパターンおよび前記第2のパターンが投影されない状態の画像における前記被検物の第3の輝度分布とをそれぞれ取得する輝度分布取得手段と、
前記第1の輝度分布、前記第2の輝度分布、および前記第3の輝度分布に基づいて、前記第1の輝度分布が得られたときと前記第2の輝度分布が得られたときとの環境光の輝度の変化分の分布である第4の輝度分布を導出する輝度分布導出手段と、
前記第1の輝度分布と、前記第2の輝度分布と、の交点を導出する交点導出手段と、
前記交点に基づいて、前記被検物の三次元形状を導出する三次元形状導出手段と、を有し、
前記交点導出手段は、前記第4の輝度分布を用いて、前記第1の輝度分布に含まれる環境光による成分と、前記第2の輝度分布に含まれる環境光による成分とを略等しくした状態で、前記第1の輝度分布と、前記第2の輝度分布との交点を導出することを特徴とする三次元形状測定装置。 - 前記交点導出手段は、前記第1の輝度分布の所定範囲における平均値と、前記第2の輝度分布の所定範囲における平均値とが略等しくなるように、前記第1の輝度分布と、前記第2の輝度分布と、の何れか一方に対して、前記第4の輝度分布を加算または減算し、当該加算または減算した後の輝度分布を用いて前記交点を導出することを特徴とする請求項1に記載の三次元形状測定装置。
- 前記第4の輝度分布は、前記第3の輝度分布に係数を乗じた輝度分布であり、
前記係数は、前記第1の輝度分布の所定範囲における平均値と、前記第2の輝度分布の所定範囲における平均値との差分を、前記第3の輝度分布の所定範囲における平均値で割った値であることを特徴とする請求項2に記載の三次元形状測定装置。 - 前記交点導出手段は、前記第1の輝度分布と、前記第2の輝度分布との、所定範囲における差分である差分分布の平均値が略ゼロとなるように、前記差分分布に対して、前記第4の輝度分布を加算または減算し、当該加算または減算した後の差分分布を用いて前記交点を導出することを特徴とする請求項1に記載の三次元形状測定装置。
- 前記第4の輝度分布は、前記第3の輝度分布に係数を乗じた輝度分布であり、
前記係数は、前記差分分布の所定範囲における平均値を、前記第3の輝度分布の所定範囲における平均値で割った値であることを特徴とする請求項4に記載の三次元形状測定装置。 - 明部と暗部とを有する第1のパターンを、被検物に投影する第1の投影工程と、
前記第1のパターンに対し、明部と暗部との関係が反転した関係にある第2のパターンを、前記被検物に投影する第2の投影工程と、
前記被検物を撮像することにより得られる、前記第1のパターンが投影された状態の画像における前記被検物の第1の輝度分布を取得する第1の輝度分布取得工程と、
前記被検物を撮像することにより得られる、前記第2のパターンが投影された状態の画像における前記被検物の第2の輝度分布を取得する第2の輝度分布取得工程と、
前記被検物を撮像することにより、前記第1のパターンおよび前記第2のパターンが投影されない状態の画像における前記被検物の第3の輝度分布とをそれぞれ取得する第3の輝度分布取得工程と、
前記第1の輝度分布、前記第2の輝度分布、および前記第3の輝度分布に基づいて、前記第1の輝度分布が得られたときと前記第2の輝度分布が得られたときとの環境光の輝度の変化分の分布である第4の輝度分布を導出する輝度分布導出工程と、
前記第1の輝度分布と、前記第2の輝度分布と、の交点を導出する交点導出工程と、
前記交点に基づいて、前記被検物の三次元形状を導出する三次元形状導出工程と、を有し、
前記交点導出工程は、前記第4の輝度分布を用いて、前記第1の輝度分布に含まれる環境光による成分と、前記第2の輝度分布に含まれる環境光による成分とを略等しくした状態で、前記第1の輝度分布と、前記第2の輝度分布との交点を導出することを特徴とする三次元形状測定方法。 - コンピュータを、請求項1乃至5の何れか1項に記載の三次元形状測定装置の各手段として機能させることを特徴とするプログラム。
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