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JP2008281491A - Shape measurement method and shape measuring device using a number of reference planes - Google Patents

Shape measurement method and shape measuring device using a number of reference planes Download PDF

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JP2008281491A
JP2008281491A JP2007127229A JP2007127229A JP2008281491A JP 2008281491 A JP2008281491 A JP 2008281491A JP 2007127229 A JP2007127229 A JP 2007127229A JP 2007127229 A JP2007127229 A JP 2007127229A JP 2008281491 A JP2008281491 A JP 2008281491A
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吉春 森本
Toru Matsui
徹 松井
Yasuhiro Matsunaga
康寛 松永
Kotaro Murata
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a shape measurement method and a shape measuring device capable of precisely measuring a shape in a lattice in which luminance distribution is not in a cosine wave and a lattice having an unequal interval by utilizing a number of reference planes for the projection of the lattice. <P>SOLUTION: The shape measuring device comprises: a reference flat plate 11 including the reference plane 12; a stage 13 for moving the reference flat plate 11 in the direction of a normal line; a projector 14 for projecting a lattice pattern at each position of translation; a camera 15 for obtaining a first photographed image obtained by photographing the lattice formed on the reference plane 12 at each position, a second photographed image obtained by photographing the projection lattice of the reference plane 12 at each position, and a third photographed image obtained by photographing the lattice projected on a sample object 17; and an analyzer 16 for analyzing the lattice of the first photographed image and the projection lattice of the second photographed image for each pixel, forming a table for allowing space coordinates comprising the amount of travel of the reference plane 11 and the two-dimensional coordinates of the lattice to correspond to a phase θ in the projection lattice, and obtaining the space coordinates of the sample object 17, based on the table and the third photographed image. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、物体や人体等の試料物体の形状計測を非接触かつ高精度で行い得る多数の基準面を用いた形状計測方法および多数の基準面を用いた形状計測装置に関するものである。   The present invention relates to a shape measurement method using a large number of reference surfaces and a shape measurement apparatus using a large number of reference surfaces, which can perform shape measurement of a sample object such as an object or a human body with high accuracy without contact.

非接触式3次元形状計測方法の従来技術としては、例えば以下に説明する従来技術1および従来技術2がある。   As a conventional technique of the non-contact type three-dimensional shape measuring method, there are, for example, a conventional technique 1 and a conventional technique 2 described below.

従来技術1(特許文献1参照)は、カメラを用いた形状計測装置において、カメラまたはプロジェクタのレンズ収差の影響を受けない高精度な形状計測を行うことを目的としており、格子模様が描かれた基準平板の画像からカメラまたはプロジェクタのレンズ中心座標を算出するのではなく、基準面に固定された2次元格子から、カメラの画素毎の視線が通る光路と、プロジェクタから投影される光の光路とをそれぞれ全て求めて、それら光路の交点として空間座標を算出する形状計測方法およびその方法に用いる形状計測装置である。   Prior art 1 (see Patent Document 1) is intended to perform highly accurate shape measurement without being influenced by lens aberration of a camera or projector in a shape measurement device using a camera, and a lattice pattern is drawn. Rather than calculating the lens center coordinates of the camera or projector from the image of the reference plate, the optical path through which the line of sight for each pixel of the camera passes from the two-dimensional grid fixed to the reference plane, and the optical path of the light projected from the projector Is a shape measuring method and a shape measuring device used in the method for calculating spatial coordinates as intersections of the optical paths.

従来技術2(特許文献2参照)は、従来時間を掛けて解析していた形状計測やレーザの干渉縞を利用した微小変形計測をリアルタイムで計測結果が得られるようにして、振動している物体や動いている物体の動的な変化をその場で観察できるようにすることを目的としており、格子模様が4/30秒で1周期分移動するように連続的に位相シフト行いながらCCDカメラで1/30秒毎に1枚の画像を撮影して合計4枚撮影し、それらの画像から位置分布を求める方法である。   Prior art 2 (see Patent Document 2) is a vibrating object that obtains measurement results in real time for shape measurement and analysis of minute deformation using laser interference fringes that have been analyzed over time. The purpose is to make it possible to observe dynamic changes of moving objects on the spot, with a CCD camera while continuously shifting the phase of the lattice pattern for one period in 4/30 seconds. In this method, one image is taken every 1/30 seconds, a total of four images are taken, and the position distribution is obtained from these images.

特許第2913021号公報Japanese Patent No. 2913021 特許第3265476号公報Japanese Patent No. 3265476

上記従来技術1の非接触式3次元形状計測方法は、プロジェクタからx方向の格子およびy方向の格子の両方を別々に投影する必要があるため、格子の投影に時間が掛かってしまうとともに、座標計算が複雑であるため、座標計算に多大な時間が掛かってしまう。   In the non-contact type three-dimensional shape measuring method of the prior art 1, since it is necessary to project both the x-direction grid and the y-direction grid separately from the projector, it takes time to project the grid, and the coordinates Since the calculation is complicated, the coordinate calculation takes a long time.

上記従来技術2の非接触式3次元形状計測方法に用いている位相シフト法では、撮影された格子が余弦波状の輝度分布を持っていると仮定して位相値を求めている。しかし、実際の格子画像においては、プロジェクタによって投影された格子の輝度分布は余弦波状からずれている場合が多く、液晶プロジェクタによる格子投影の場合は、液晶の入力値と表示される濃度(透過率)との関係が非線形であるため、輝度分布が余弦波からずれてしまう。フィルムに格子を焼き付けたものを使う場合も精度良い余弦波状の輝度分布を作成することは実際には困難である。また、ガラス基板上に余弦波状の格子を作成することも困難である。ガラス基板上に矩形波状の格子を作成して、それを焦点をずらせて投影することによって余弦波状の格子に近いパターンを投影する方法もあるが、精度良い余弦波状にはならず、また、プロジェクタからの距離によっても輝度分布が変化する。
この従来技術2の非接触式3次元形状計測方法は、計測すべき試料物体に対して余弦波状の格子を投影して計測を行う格子投影方法であり、この方法では試料物体の高さを算出する際に、投影された格子のピッチを縦方向もしくは横方向に等間隔かつ余弦波分布に変化させなければならないため、焦点ずれなどで投影した格子の輝度分布が理想的な分布からずれた場合には格子が等間隔かつ余弦波分布に変化せず、計測の誤差が大きくなってしまうため、算出式を投影された格子に合うように複雑にしなければならず、座標計算が複雑化するため座標計算に多大な時間が掛かってしまう。
図22(a)は従来技術2の非接触式3次元形状計測方法における余弦波状格子およびゆがんだ格子の輝度分布を例示する図であり、図22(b)は図22(a)のそれぞれの輝度分布から位相シフト法によって得られた位相値の分布を例示する図である。図22(a),(b)から、余弦波状の格子の場合は横軸の位相と算出された縦軸の位相とはほぼ同一の値が得られるが、余弦波からずれた輝度分布を持つ格子の場合は、算出された位相分布に誤差が発生することがわかる。
In the phase shift method used in the non-contact type three-dimensional shape measurement method of the prior art 2, the phase value is obtained on the assumption that the photographed grating has a cosine wave-like luminance distribution. However, in an actual grid image, the brightness distribution of the grid projected by the projector often deviates from the cosine wave, and in the case of grid projection by a liquid crystal projector, the input value of the liquid crystal and the displayed density (transmittance). ) Is nonlinear, the luminance distribution deviates from the cosine wave. It is actually difficult to create an accurate cosine wave-like luminance distribution even when using a film with a grid burned. It is also difficult to create a cosine wave lattice on the glass substrate. There is also a method of projecting a pattern close to a cosine wave lattice by creating a rectangular wave lattice on the glass substrate and projecting it with the focus shifted, but it does not become a cosine wave shape with high accuracy, and the projector The luminance distribution also changes depending on the distance from.
The non-contact type three-dimensional shape measurement method of the prior art 2 is a lattice projection method in which measurement is performed by projecting a cosine wave-like lattice onto a sample object to be measured. In this method, the height of the sample object is calculated. When the pitch distribution of the projected grating has to be changed to the cosine wave distribution at equal intervals in the vertical or horizontal direction, the projected grid luminance distribution deviates from the ideal distribution due to defocusing etc. Since the grid is not evenly spaced and the cosine wave distribution does not change, and the measurement error increases, the calculation formula must be complicated to match the projected grid, and the coordinate calculation is complicated. Coordinate calculation takes a lot of time.
FIG. 22A is a diagram illustrating the luminance distribution of a cosine wave lattice and a distorted lattice in the non-contact type three-dimensional shape measurement method of the prior art 2, and FIG. 22B is a diagram illustrating each of the luminance distributions of FIG. It is a figure which illustrates distribution of the phase value obtained by the phase shift method from luminance distribution. 22 (a) and 22 (b), in the case of a cosine wave-like grating, the horizontal axis phase and the calculated vertical axis phase have substantially the same value, but have a luminance distribution shifted from the cosine wave. In the case of a grating, it can be seen that an error occurs in the calculated phase distribution.

本発明は、基準面を含む基準平板をその放線方向に微小量ずつ平行移動させたときの多数の基準面を2次元パターンの形成や空間を分割して数値化できるパターンの投影に利用することにより、投影するパターンの輝度分布が余弦波状でなくても、投影するパターンのピッチが不等間隔であっても、精度良く形状計測を行い得る、多数の基準面を用いた形状計測方法および形状計測装置を提供することを目的とする。   The present invention uses a large number of reference planes when a reference flat plate including a reference plane is translated by a minute amount in the direction of the ray in projection of a pattern that can be digitized by forming a two-dimensional pattern or dividing a space. Therefore, even if the luminance distribution of the pattern to be projected is not cosine-like, even if the pitch of the pattern to be projected is unequal, the shape measurement method and shape using a large number of reference planes can be measured with high accuracy. It aims at providing a measuring device.

上記目的を達成するため、本発明の多数の基準面を用いた形状計測方法は、2次元パターンが形成される基準面を含む基準平板を該基準平板の法線方向に微小量ずつ平行移動させる第1工程と、前記平行移動の各位置において、前記基準面にそれぞれ形成される2次元パターンを撮影して第1撮影画像を得る第2工程と、前記平行移動の各位置において、前記基準面に投影した、空間を分割して数値化できるパターンを撮影して第2撮影画像を得る第3工程と、前記第1撮影画像の前記2次元パターンおよび前記第2撮影画像の前記空間を分割して数値化できるパターンの解析をそれぞれ画素毎に行うことにより、前記基準平板の移動量と前記2次元パターンの2次元座標とから成る空間座標と前記空間を分割して数値化できるパターンの位相とを1対1で対応付けたテーブルを形成する第4工程と、試料物体に投影した、前記空間を分割して数値化できるパターンを撮影して第3撮影画像を得る第5工程と、前記テーブルと前記第3撮影画像とに基づいて当該試料物体の空間座標を求める第6工程と、を行うことを特徴とする。   In order to achieve the above object, the shape measuring method using a large number of reference surfaces of the present invention translates a reference plate including a reference surface on which a two-dimensional pattern is formed by a minute amount in the normal direction of the reference plate. A first step, a second step of obtaining a first photographed image by photographing a two-dimensional pattern formed on the reference surface at each position of the parallel movement, and the reference surface at each position of the parallel movement. A third step of capturing a pattern that can be digitized by dividing the space projected onto the second captured image, and dividing the two-dimensional pattern of the first captured image and the space of the second captured image. By analyzing the pattern that can be digitized for each pixel, the position of the pattern that can be digitized by dividing the space and the space coordinates composed of the movement amount of the reference plate and the two-dimensional coordinates of the two-dimensional pattern. A fourth step of forming a table in which one-to-one correspondence is established, a fifth step of obtaining a third photographed image by photographing a pattern projected onto a sample object and dividing the space into a numerical value, And a sixth step of obtaining a spatial coordinate of the sample object based on the table and the third photographed image.

本発明の多数の基準面を用いた形状計測方法の好適例としては、前記テーブルの要素を基準面毎に作成しておき、基準面の間の位相に対する空間座標を求める際には、当該位相に近い値を持つテーブルの要素を用いて所定の数式により補間した空間座標を算出すること、前記テーブルの要素を基準面の間隔よりさらに細かく設定しておき、該細かく設定した要素毎に、位相に対する空間座標を当該位相に近い値を持つテーブルの要素を用いて所定の数式により補間した空間座標として予め算出しておき、算出結果を各要素の値とするテーブルを作成しておくこと、前記空間を分割して数値化できるパターンは、等間隔格子であること、および、前記空間を分割して数値化できるパターンは、放射状格子を含む不等間隔格子であること、がある。   As a preferred example of the shape measuring method using a large number of reference planes of the present invention, when the table elements are created for each reference plane and the spatial coordinates for the phase between the reference planes are obtained, the phase Calculating spatial coordinates interpolated by a predetermined mathematical formula using table elements having values close to, and setting the table elements more finely than the reference plane spacing, and for each of the finely set elements, the phase Preliminarily calculated as spatial coordinates interpolated by a predetermined formula using an element of a table having a value close to the phase, and creating a table with the calculation result as the value of each element, The pattern that can be digitized by dividing the space may be an equidistant lattice, and the pattern that can be digitized by dividing the space may be an unequally spaced lattice including a radial lattice.

上記目的を達成するため、本発明の多数の基準面を用いた形状計測装置は、2次元パターンが形成される基準面を含む基準平板と、前記基準平板を該基準平板の法線方向に微小量ずつ平行移動させるステージと、前記平行移動の各位置において、前記基準面に空間を分割して数値化できるパターンを投影する投影装置と、前記平行移動の各位置において、前記基準面にそれぞれ形成される2次元パターンを撮影した第1撮影画像と、前記基準面に投影した、空間を分割して数値化できるパターンを撮影した第2撮影画像とを得るとともに、試料物体に投影した、前記空間を分割して数値化できるパターンを撮影して第3撮影画像を得る撮影装置と、前記第1撮影画像の前記2次元パターンおよび前記第2撮影画像の前記空間を分割して数値化できるパターンの解析をそれぞれ画素毎に行うことにより、前記基準平板の移動量と前記2次元パターンの2次元座標とから成る空間座標と前記空間を分割して数値化できるパターンの位相とを1対1で対応付けたテーブルを形成するとともに、前記テーブルと前記第3撮影画像とに基づいて当該試料物体の空間座標を求める解析装置と、を備えることを特徴とする。   In order to achieve the above object, a shape measuring apparatus using a large number of reference surfaces according to the present invention includes a reference flat plate including a reference surface on which a two-dimensional pattern is formed, and the reference flat plate in a direction normal to the reference flat plate. A stage that translates by an amount, a projection device that projects a pattern that can be digitized by dividing a space on the reference plane at each position of the translation, and a projection that is formed on the reference plane at each position of the translation A first photographed image obtained by photographing a two-dimensional pattern to be obtained, and a second photographed image obtained by photographing a pattern that can be digitized by dividing the space, projected onto the reference plane, and projected onto a sample object. An imaging device that obtains a third photographed image by photographing a pattern that can be digitized by dividing the two-dimensional pattern of the first photographed image and the space of the second photographed image. By analyzing each pattern for each pixel, a pair of spatial coordinates composed of the movement amount of the reference plate and the two-dimensional coordinates of the two-dimensional pattern and the phase of the pattern that can be digitized by dividing the space are paired. And an analysis device that forms a table associated with 1 and obtains spatial coordinates of the sample object based on the table and the third photographed image.

本発明の多数の基準面を用いた形状計測装置の好適例としては、前記解析装置は、前記テーブルの要素を基準面毎に作成しておき、基準面の間の位相に対する空間座標を求める際には、当該位相に近い値を持つテーブルの要素を用いて所定の数式により補間した空間座標を算出すること、前記解析装置は、前記テーブルの要素を基準面の間隔よりさらに細かく設定しておき、該細かく設定した要素毎に、位相に対する空間座標を当該位相に近い値を持つテーブルの要素を用いて所定の数式により補間した空間座標として予め算出しておき、算出結果を各要素の値とするテーブルを作成しておくこと、前記投影装置は、投影される前記空間を分割して数値化できるパターンが等間隔のパターンであること、前記投影装置は、投影される前記空間を分割して数値化できるパターンが放射状格子を含む不等間隔のパターンであること、前記投影装置は、前記空間を分割して数値化できるパターンを焦点ずれさせて投影する投影装置であること、前記投影装置は、液晶プロジェクタまたはDMDプロジェクタであること、および、前記投影装置は、前記空間を分割して数値化できるパターンを投影する際に所定シフト量ずつ位相シフトを行い得る投影装置であり、前記撮影装置は、前記位相シフトに同期して前記第2撮影画像を撮影し得る撮影装置であること、がある。
[発明の効果]
As a preferred example of the shape measuring apparatus using a large number of reference planes according to the present invention, the analysis apparatus creates the table elements for each reference plane and obtains spatial coordinates for the phase between the reference planes. Calculating spatial coordinates interpolated by a predetermined mathematical expression using table elements having values close to the phase, and the analysis apparatus sets the table elements more finely than the interval between reference planes. For each of the finely set elements, the spatial coordinates for the phase are calculated in advance as spatial coordinates interpolated by a predetermined mathematical expression using the elements of the table having values close to the phase, and the calculation result is calculated as the value of each element. The projection device is configured to divide the projected space into a digitized pattern, and the projection device is configured to project the space to be projected. The pattern that can be divided and digitized is a pattern of unequal intervals including a radial grid, the projection device is a projection device that projects the pattern that can be digitized by dividing the space and defocused, The projection device is a liquid crystal projector or a DMD projector, and the projection device is a projection device capable of performing a phase shift by a predetermined shift amount when projecting a pattern that can be digitized by dividing the space, The imaging apparatus may be an imaging apparatus that can capture the second captured image in synchronization with the phase shift.
[The invention's effect]

本発明の多数の基準面を用いた形状計測方法によれば、上記第1工程〜第6工程を行うことにより、基準面を含む基準平板をその放線方向に微小量ずつ平行移動させたときの多数の基準面を2次元パターンの形成や空間を分割して数値化できるパターンの投影に利用するので、投影するパターンの輝度分布が余弦波状でなくても、投影するパターンのピッチが不等間隔であっても、精度良く形状計測を行い得る、多数の基準面を用いた形状計測方法を提供することができる。   According to the shape measuring method using a large number of reference surfaces of the present invention, when the above-mentioned first to sixth steps are performed, the reference flat plate including the reference surface is translated by a minute amount in the normal direction. Since many reference planes are used for the formation of two-dimensional patterns and the projection of patterns that can be digitized by dividing the space, the pitch of the projected pattern is not evenly spaced even if the luminance distribution of the projected pattern is not cosine-like Even so, it is possible to provide a shape measuring method using a large number of reference planes that can accurately measure the shape.

本発明の多数の基準面を用いた形状計測装置によれば、2次元パターンが形成される基準面を含む基準平板と、前記基準平板を該基準平板の法線方向に微小量ずつ平行移動させるステージと、前記平行移動の各位置において、前記基準面に空間を分割して数値化できるパターンを投影する投影装置と、前記平行移動の各位置において、前記基準面にそれぞれ形成される2次元パターンを撮影した第1撮影画像と、前記基準面に投影した、空間を分割して数値化できるパターンを撮影した第2撮影画像とを得るとともに、試料物体に投影した、前記空間を分割して数値化できるパターンを撮影して第3撮影画像を得る撮影装置と、前記第1撮影画像の前記2次元パターンおよび前記第2撮影画像の前記空間を分割して数値化できるパターンの解析をそれぞれ画素毎に行うことにより、前記基準平板の移動量と前記2次元パターンの2次元座標とから成る空間座標と前記空間を分割して数値化できるパターンの位相とを1対1で対応付けたテーブルを形成するとともに、前記テーブルと前記第3撮影画像とに基づいて当該試料物体の空間座標を求める解析装置とを備えるように構成したので、投影するパターンの輝度分布が余弦波状でなくても、投影するパターンのピッチが不等間隔であっても、精度良く形状計測を行い得る、多数の基準面を用いた形状計測方法を提供することができる。   According to the shape measuring apparatus using a large number of reference surfaces of the present invention, a reference flat plate including a reference surface on which a two-dimensional pattern is formed, and the reference flat plate are translated by a minute amount in the normal direction of the reference flat plate. A stage, a projection device that projects a pattern that can be digitized by dividing a space on the reference plane at each position of the parallel movement, and a two-dimensional pattern formed on the reference plane at each position of the parallel movement A first photographed image obtained by photographing the image and a second photographed image obtained by photographing the pattern that can be digitized by dividing the space and projected on the reference plane, and the numerical value obtained by dividing the space projected on the sample object. An imaging device that captures a pattern that can be converted into a third captured image, and a solution of the pattern that can be digitized by dividing the two-dimensional pattern of the first captured image and the space of the second captured image For each pixel, one-to-one correspondence between the spatial coordinates composed of the movement amount of the reference plate and the two-dimensional coordinates of the two-dimensional pattern and the phase of the pattern that can be digitized by dividing the space. And the analysis device for obtaining the spatial coordinates of the sample object based on the table and the third photographed image, the luminance distribution of the pattern to be projected is not cosine wave-like In addition, it is possible to provide a shape measuring method using a large number of reference planes that can accurately measure the shape even when the pitch of the pattern to be projected is unequal.

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づき詳細に説明する。
まず、本発明の形状計測方法に用いる「多数の基準面を用いた校正(キャリブレーション)手法」について説明する。
格子投影方法による3次元形状計測における校正方法の従来手法は、ワールド座標系とカメラ座標系およびプロジェクタ座標系とを関連付けるための行列の各要素を求めることであったが、この従来手法は基本的にレンズの歪曲収差が無いピンホールモデルを用いているため、実際にはレンズ収差による誤差が含まれる結果となり、高精度な形状計測は期待できない。また、座標計算も複雑であり、多大な計測時間が必要になる。
本願の発明者らは、格子投影方法による形状計測方法の1つとして、撮像素子の画素毎にキャリブレーションを行うことで、レンズ収差によるゆがみや光学系の幾何学的パラメータの実測誤差などの種々の誤差要因を排除して計測精度を向上させる形状計測方法を提案しており、その考え方を格子投影による形状計測や位相シフトデジタルホログラフィによる微小変形・ひずみ計測に適用してきた。画素毎にキャリブレーションを行う方法は、最近の画像計測で用いられ始めており、デジタル画像相関法による変形計測にも適用されている。
本発明の形状計測方法に用いる「格子投影形状計測における多数の基準面を用いた校正手法」では、空間座標のz方向(基準平板の法線方向)に基準平板を微小量ずつ平行移動させながら、各位置において基準面上の投影格子の位相分布を求め、それからカメラの撮影画像の1画素毎に位相とz座標とを1対1で対応付けたテーブルを作成する。その際、基準面に格子が表示できる特殊な液晶パネルを用いることで、z座標と同様に空間座標のx座標およびy座標についても位相と1対1で対応付けるテーブル化を行う。このキャリブレーション手法により、レンズの歪曲収差の影響や投影格子の輝度むらによる位相誤差の影響の無い精度の良い形状計測が容易に実現できる。また、空間座標の計算時間もほとんど掛からないため、リアルタイム形状計測も実現できるようになる。
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
First, the “calibration method using a large number of reference surfaces” used in the shape measuring method of the present invention will be described.
The conventional method of the calibration method in the three-dimensional shape measurement by the grid projection method is to obtain each element of the matrix for associating the world coordinate system with the camera coordinate system and the projector coordinate system. Since a pinhole model without lens distortion is used, an error due to lens aberration is actually included, and high-precision shape measurement cannot be expected. Moreover, coordinate calculation is also complicated and requires a lot of measurement time.
The inventors of the present application, as one of the shape measurement methods based on the lattice projection method, perform various calibrations for each pixel of the image sensor, thereby causing various distortions such as distortion due to lens aberration and measurement errors in geometric parameters of the optical system. We have proposed a shape measurement method that improves the measurement accuracy by eliminating the above error factors, and applied this concept to shape measurement by grid projection and micro deformation / strain measurement by phase shift digital holography. A method of performing calibration for each pixel has begun to be used in recent image measurement, and is also applied to deformation measurement by a digital image correlation method.
In the “calibration method using a large number of reference planes in lattice projection shape measurement” used in the shape measurement method of the present invention, the reference plate is moved in parallel in the z direction of the spatial coordinates (normal direction of the reference plate) by a minute amount. Then, the phase distribution of the projection grating on the reference plane is obtained at each position, and then a table in which the phase and the z coordinate are associated one by one for each pixel of the captured image of the camera is created. At that time, by using a special liquid crystal panel capable of displaying a lattice on the reference plane, the x-coordinate and y-coordinate of the spatial coordinate are tabulated in a one-to-one correspondence with the phase as well as the z-coordinate. By this calibration method, accurate shape measurement without the influence of the distortion of the lens and the influence of the phase error due to the luminance unevenness of the projection grating can be easily realized. In addition, since it takes almost no time for calculating spatial coordinates, real-time shape measurement can be realized.

[多数の基準面を用いた校正手法の原理]
形状計測における校正の考え方を従来手法とは大きく変えて、本発明では、投影された格子の位相と3次元座標との対応関係をカメラ(撮影装置)の画素毎に求めておくことを校正と呼ぶ。校正を行うことができれば、試料物体に投影された格子の位相が得ることにより、即座に3次元座標を得ることができる。
図1は本発明における多数の基準面を用いた校正手法の原理を示す図である。z軸に垂直に設置された基準面をz軸方向に少しずつ平行移動させる。カメラ(撮影装置)およびプロジェクタ(投影装置)は基準面の上方に固定しておく。プロジェクタからは2次元パターンである格子が基準面に投影される。このとき、投影される格子は等間隔である必要は特にない。投影される格子の位相は位相シフト法によって容易に算出することができる。カメラのある1画素は図1に示す直線L上の点を撮影しているものとする。その画素は、基準面R,R,R,・・,Rに応じて、それぞれ点P,P,P,・・,Pを撮影することになる。それぞれの点における位相θ,θ,θ,・・,θは、位相シフト法によって求めることができる。
[Principle of calibration method using multiple reference planes]
In the present invention, the concept of calibration in shape measurement is greatly changed from the conventional method, and in the present invention, the correspondence between the phase of the projected grating and the three-dimensional coordinates is obtained for each pixel of the camera (imaging device). Call. If calibration can be performed, three-dimensional coordinates can be obtained immediately by obtaining the phase of the grating projected onto the sample object.
FIG. 1 is a diagram showing the principle of a calibration method using a large number of reference surfaces in the present invention. A reference plane installed perpendicular to the z-axis is translated little by little in the z-axis direction. The camera (photographing device) and the projector (projection device) are fixed above the reference plane. From the projector, a grid that is a two-dimensional pattern is projected onto the reference plane. At this time, the projected grids need not be evenly spaced. The phase of the projected grating can be easily calculated by the phase shift method. It is assumed that one pixel of the camera is shooting a point on the straight line L shown in FIG. The pixel is, the reference plane R 0, R 1, R 2 , ··, according to R N, respectively point P 0, P 1, P 2 , ··, it will shoot P N. The phases θ 0 , θ 1 , θ 2 ,..., Θ N at each point can be obtained by the phase shift method.

図2は本発明における1画素の撮影ラインLと基準面上のx,y,z座標との関係を示す図である。カメラのある1画素が撮影している各基準面上の点P,P,P,・・,Pについては、基準面に形成された2次元状のパターンからx座標およびy座標を得て、基準面の位置からz座標を得る。基準面に形成される2次元状のパターンとしては、そのパターンからx座標およびy座標が得られるようなパターンが必要である。
2次元状のパターンとして2次元格子を用いる場合には、その2次元格子のx方向およびy方向の位相値をそれぞれ求め、さらに位相接続を行うことによって、各点におけるx座標およびy座標をそれぞれ得ることができる。なお、「位相接続」の詳細については、特許第3281918号公報を参照のこと。
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the photographing line L of one pixel and the x, y, z coordinates on the reference plane in the present invention. For the points P 0 , P 1 , P 2 ,..., P N on each reference plane captured by one pixel of the camera, the x and y coordinates are obtained from the two-dimensional pattern formed on the reference plane. To obtain the z coordinate from the position of the reference plane. As the two-dimensional pattern formed on the reference surface, a pattern that can obtain the x coordinate and the y coordinate from the pattern is necessary.
When a two-dimensional lattice is used as a two-dimensional pattern, the phase values in the x and y directions of the two-dimensional lattice are obtained, and further, phase connection is performed, so that the x coordinate and y coordinate at each point can be determined. Obtainable. For details of “phase connection”, refer to Japanese Patent No. 3281918.

2次元格子パターンからx方向およびy方向の位相値を得る手法の1つにフーリエ変換格子法がある。また、基準面として表面に光拡散板を貼り付けた液晶パネルを用いることで、格子パターンを基準面上に表示することができ、格子パターンを撮影した画像から位相シフト法によって位相分布を求める手法もある。なお、位相シフト法以外の格子の位相を求める方法としては、フーリエ変換縞パターン解析法(「Takeda, M. and Mutoh, K., Fourier transform profilometry for the automatic measurement of 3-D object shapes, Applied Optics, Vol. 22, No. 24, 3977-3982(1983) 」を参照のこと)がある。
このようにすることで、各基準面の位置毎に、投影格子の位相θに対する3次元座標(x,y,z座標)がそれぞれ画素毎に得られることになる。投影格子の位相θは、基準面の位置でしか得られないが、必要に応じて基準面の間隔を小さくして、その間を補間することで、全ての位相に対する3次元座標を精度良く求めることができる。
One method for obtaining phase values in the x and y directions from a two-dimensional lattice pattern is the Fourier transform lattice method. Also, by using a liquid crystal panel with a light diffusing plate attached to the surface as a reference surface, the lattice pattern can be displayed on the reference surface, and the phase distribution method is used to obtain the phase distribution from the image obtained by capturing the lattice pattern There is also. In addition to the phase shift method, the method for obtaining the phase of the grating is the Fourier transform fringe pattern analysis method (“Takeda, M. and Mutoh, K., Fourier transform profilometry for the automatic measurement of 3-D object shapes, Applied Optics , Vol. 22, No. 24, 3977-3982 (1983)).
In this way, for each position of each reference plane, three-dimensional coordinates (x, y, z coordinates) with respect to the phase θ of the projection grating are obtained for each pixel. The phase θ of the projection grating can be obtained only at the position of the reference plane, but the three-dimensional coordinates for all phases can be obtained with high accuracy by reducing the interval between the reference planes as necessary and interpolating between them. Can do.

[液晶ディスプレイを用いた基準平板]
上述した校正手法では、基準面に形成された2次元状のパターンが必要になる。平板に2次元格子パターンを描くことにより基準面に2次元状のパターンを形成する手法も有効ではあるが、フーリエ変換格子法を用いる場合は周囲で誤差が大きくなる問題がある。さらに、基準面上に濃淡のパターンが描かれることによって、格子投影をする場合に、基準面内の位置によって投影格子の位相の精度にばらつきが生じる欠点がある。そこで、本発明では、液晶ディスプレイを用いることで、精度良くx方向およびy方向の位相値をそれぞれ求めることができ、さらに投影格子の位相も精度良く得ることができる基準平板を用いている。この基準平板は、位相シフト法によって位相解析を行うことで、各画素のx座標およびy座標を精度良く求めることができる。さらに投影格子に対して、基準面内の位置によって投影格子の位相の精度にばらつきが生じないようになる。
なお、「位相解析」の詳細については、「藤垣元治、光学的全視野計測における位相解析技術、システム/制御/情報, Vol.48, No. 12, 495-503(2004)」を参照のこと。
[Reference plate using liquid crystal display]
The calibration method described above requires a two-dimensional pattern formed on the reference surface. Although a method of forming a two-dimensional pattern on the reference surface by drawing a two-dimensional lattice pattern on a flat plate is effective, there is a problem that an error increases in the surroundings when the Fourier transform lattice method is used. Furthermore, there is a disadvantage that the accuracy of the phase of the projection grating varies depending on the position in the reference plane when the grid projection is performed by drawing a shading pattern on the reference plane. Therefore, in the present invention, by using a liquid crystal display, a reference plate that can accurately obtain the phase values in the x direction and the y direction and can obtain the phase of the projection grating with high accuracy is used. This reference flat plate can obtain the x coordinate and y coordinate of each pixel with high accuracy by performing phase analysis by the phase shift method. Further, the phase accuracy of the projection grating does not vary with respect to the projection grating depending on the position in the reference plane.
For details on “phase analysis”, see “Motoharu Fujigaki, Phase Analysis Technology in Optical Whole-Field Measurement, System / Control / Information, Vol.48, No. 12, 495-503 (2004)”. thing.

図3(a),(b)はそれぞれ、液晶ディスプレイを用いた基準平板および基準平板が取り付けられるステージを用いる本発明の形状計測装置の構成を示す図である。液晶ディスプレイ1の表面には光拡散板2が貼り付けられており、液晶パネル1aに表示された画像をバックライト光源3からの照明光4によって光拡散板2に背面から投影する構造になっている。液晶ディスプレイ1は、z方向に移動する移動ステージ5上に、ディスプレイ表面がz軸に対して垂直になるように取り付けられている。移動ステージ5は、コンピュータ(解析装置)6からの移動ステージ制御信号によってz方向の位置を制御されている。
図3(b)にはプロジェクタ(投影装置)7から格子(投影格子ともいう)を投影している様子を示している。プロジェクタ7から投影する格子を撮影する場合には、液晶パネル1aには黒パターンを基準面表示画像として表示することによって、バックライト光源3からの照明光4を遮断する。プロジェクタ7からは投影画像として格子画像を投影し、カメラ(撮影装置)8で撮影する。プロジェクタ7から投影された投影格子は、光拡散板2の表面に投影される。したがって、光拡散板2の表面が基準面となる。移動ステージ5を用いて基準面2の位置をz,z,z,・・,zに移動し、それぞれの位置において投影格子の位相解析を行うことで、カメラ8で撮影される画像の画素毎にそれぞれの位置に対する位相θ,θ,θ,・・,θを得ることができる。
FIGS. 3A and 3B are diagrams showing the configuration of the shape measuring apparatus of the present invention using a reference plate using a liquid crystal display and a stage to which the reference plate is attached. A light diffusing plate 2 is attached to the surface of the liquid crystal display 1, and an image displayed on the liquid crystal panel 1a is projected onto the light diffusing plate 2 from the back by illumination light 4 from the backlight light source 3. Yes. The liquid crystal display 1 is mounted on a moving stage 5 that moves in the z direction so that the display surface is perpendicular to the z axis. The position of the moving stage 5 is controlled in the z direction by a moving stage control signal from a computer (analyzer) 6.
FIG. 3B shows a state in which a grid (also called a projection grid) is projected from the projector (projection device) 7. When photographing the grid projected from the projector 7, the illumination light 4 from the backlight source 3 is blocked by displaying a black pattern as a reference plane display image on the liquid crystal panel 1 a. A grid image is projected as a projection image from the projector 7 and photographed by a camera (photographing device) 8. The projection grating projected from the projector 7 is projected onto the surface of the light diffusion plate 2. Therefore, the surface of the light diffusing plate 2 becomes a reference plane. The position of the reference surface 2 by using a moving stage 5 z 0, z 1, z 2, move ... and z N, by performing a phase analysis of the projected grid at each location, is captured by the camera 8 phase theta 0 for each position for each pixel of the image, theta 1, theta 2, can be obtained ..., a theta N.

図4(a),(b)はそれぞれ、本発明の形状計測装置の基準平板の基準面へ格子画像を表示する様子を説明するための図である。プロジェクタ7には投影画像として黒パターンを入力することで、プロジェクタ7からの光が基準面2に到達しないようにする。液晶パネル1aには基準面2への表示画像として、図4(a)の場合はx方向の格子画像を表示し、図4(b)の場合はy方向の格子画像を表示する。バックライト光源3から出た照明光によって、液晶パネル1aに表示された格子画像が液晶パネルに貼り付けられた光拡散板2に背面から投影される。投影された画像は、光拡散板2に内部を散乱しながら透過し、光拡散板2の表面、すなわち基準面に表示される。したがって、カメラ8によって基準面2に表示された格子画像を撮影することができる。
移動ステージ5を用いて基準面2の位置をz,z,z,・・,zに移動し、それぞれの位置においてx方向およびy方向の格子の位相解析を行い、その位相に対して位相接続を行い、さらに、位相接続された位相からx座標またはy座標への換算を行うことで、カメラ8により撮影される画像の画素毎にそれぞれの位置に対するx座標x,x,x,・・,xおよびy座標y,y,y,・・,yを得ることができる。
4 (a) and 4 (b) are diagrams for explaining how the lattice image is displayed on the reference plane of the reference flat plate of the shape measuring apparatus of the present invention. By inputting a black pattern as a projection image to the projector 7, the light from the projector 7 is prevented from reaching the reference plane 2. In the liquid crystal panel 1a, as a display image on the reference plane 2, a lattice image in the x direction is displayed in the case of FIG. 4A, and a lattice image in the y direction is displayed in the case of FIG. The lattice image displayed on the liquid crystal panel 1a is projected from the back onto the light diffusion plate 2 attached to the liquid crystal panel by the illumination light emitted from the backlight light source 3. The projected image is transmitted through the light diffusing plate 2 while being scattered inside, and is displayed on the surface of the light diffusing plate 2, that is, the reference plane. Therefore, the grid image displayed on the reference plane 2 by the camera 8 can be taken.
The position of the reference surface 2 by using a moving stage 5 z 0, z 1, z 2, ··, navigate to z N, performs a phase analysis of the x and y directions of the grating at each location, to the phase Then, phase connection is performed, and further, conversion from the phase connected to the x coordinate or y coordinate is performed, so that the x coordinate x 0 , x 1 for each position of each pixel of the image captured by the camera 8 is obtained. , x 2, ..., x N and y-coordinate y 0, y 1, y 2, can be obtained ..., the y N.

以上の手順を整理すると、次のようになる。
1 基準面を所定の位置に移動させる。
1-1 基準面の表示画像を黒パターンにする。
1-2 プロジェクタから格子画像を投影する。
2 位相シフトしながら複数毎撮影し、位相シフト法によって画素毎に位相を求める。
2-1 プロジェクタへの投影画像を黒パターンにする。
2-2 基準面の表示画像をx方向の格子にして液晶パネルに表示する。
2-3 位相シフトしながら複数毎撮影し、位相シフト法によって画素毎に位相を求める。
3 位相接続を行う。
4 位相とx座標との換算を行う。
4-1 基準面の表示画像をy方向の格子にして液晶パネルに表示する。
4-2 位相シフトしながら複数毎撮影し、位相シフト法によって画素毎に位相を求める。
5 位相接続を行う.
6 位相とy座標との換算を行う。
7 基準面を微小量移動させて、上記1以降を繰り返す。
The above procedure is organized as follows.
1 Move the reference plane to a predetermined position.
1-1 Change the reference surface display image to a black pattern.
1-2 Project a grid image from the projector.
2. Shoot multiple images while shifting the phase, and obtain the phase for each pixel using the phase shift method.
2-1 Make the projected image on the projector a black pattern.
2-2 Display the reference plane display image on the LCD panel as a grid in the x direction.
2-3 Shoot multiple images while shifting the phase, and obtain the phase for each pixel using the phase shift method.
3 Make a phase connection.
4 Convert the phase and x coordinate.
4-1 Display the reference plane display image on the liquid crystal panel as a grid in the y direction.
4-2 Shoot multiple images while shifting the phase, and obtain the phase for each pixel using the phase shift method.
5 Perform phase connection.
6 Perform phase and y coordinate conversion.
7 Move the reference plane by a small amount and repeat step 1 and subsequent steps.

[試料物体の空間座標を得る方法]
上述した校正手法によって、位相θ,θ,θ,・・,θと、x座標x,x,x,・・,x、y座標y,y,y,・・,yおよびz座標z,z,z,・・,zとの関係が画素毎にそれぞれ得られる。それらの関係は、図5(a)〜(c)に示すようになる。
図6は本発明の形状計測装置において基準面Rと基準面Rとの間に試料物体9を設置した状態を示す図である。この状態では、試料物体9には校正のときと同一の格子が投影されるため、直線L上を撮影する画素の場合は、物体上の点Pを撮影することになり、点Pに投影されている格子の位相θP がその画素の位相として得られることになる。
まず、図6に示すように、位相θP に対応するx座標xPは、位相θP を間に持つ前後の位相θi およびθi+1と、それに対応するx座標xiおよびxi+1を用いて、式(1)で求めることができる。同様に、y座標については、y座標yiおよびyi+1 を用いて、式(2)で求めることができ、z座標については、z座標ziおよびzi+1 を用いて、式(3)で求めることができる。ここで、θ=θP とする。また、θi+1qi+1<θi となる場合(例えば、図5(a)〜(c)でi=3のような場合)には、θi+1に2πを加えて、式(1)、式(2)および式(3)を用いる。
[Method of obtaining spatial coordinates of sample object]
By the above-described calibration method, the phases θ 0 , θ 1 , θ 2 ,..., Θ N and the x coordinates x 0 , x 1 , x 2 , ..., x N , y coordinates y 0 , y 1 , y 2 , · ·, y N and z-coordinate z 0, z 1, z 2 , ··, the relationship between the z N is obtained respectively for each pixel. Their relationship is as shown in FIGS.
6 is a diagram showing an installed state of the sample object 9 between the reference plane R 0 and the reference surface R N in the shape measuring apparatus of the present invention. In this state, since the same lattice as that at the time of calibration is projected onto the sample object 9, in the case of a pixel photographing on the straight line L, the point P on the object is photographed and projected onto the point P. The phase [theta] P of the grating is obtained as the phase of the pixel.
First, as shown in FIG. 6, the phase theta x-coordinate x P corresponding to P includes a phase theta i and theta i + 1 before and after having between the phase theta P, x coordinate x i and x i the corresponding Using +1 , it can be obtained by equation (1). Similarly, the y coordinate can be obtained by the equation (2) using the y coordinates y i and y i + 1 , and the z coordinate can be obtained by using the z coordinates z i and z i + 1. It can be obtained in (3). Here, θ = θ P. When θ i + 1 qi + 1 <θ i (for example, when i = 3 in FIGS. 5A to 5C), 2π is added to θ i + 1 to obtain the equation (1), Formula (2), and Formula (3) are used.

また、式(1),(2),(3)を用いて、予め等間隔の位相θに対応するx座標、y座標、z座標のテーブルをそれぞれ作成しておくこともできる。そうすることによって、試料物体を撮影して得られた位相から即座にその点の空間座標(x座標,y座標,z座標)を得ることが可能になる。
なお、図5(a),(b),(c)のそれぞれにおいて、Kとして示す区間の位相に対しては、その位相を間に持つ前後の位相θ およびθN+1 のうち、θN+1は存在しない。そこで、i=N−1として式(1)、式(2)および式(3)を用いて、位相と空間座標との関係を求める。すなわち、1つ手前の基準面における位相および座標の値を用いて計算する。こうすることによって、0から2πの全ての位相に対して、空間座標を得ることができる。
In addition, by using equations (1), (2), and (3), tables of x, y, and z coordinates corresponding to equally spaced phases θ can be created in advance. By doing so, it is possible to immediately obtain the spatial coordinates (x coordinate, y coordinate, z coordinate) of the point from the phase obtained by photographing the sample object.
In each of FIGS. 5A, 5B, and 5C, with respect to the phase in the section indicated by K, among the front and rear phases θ N and θ N + 1 having the phase therebetween, θ N + 1 does not exist. Therefore, the relationship between the phase and the space coordinates is obtained using Formula (1), Formula (2), and Formula (3) with i = N−1. That is, the calculation is performed using the phase and coordinate values on the previous reference plane. In this way, spatial coordinates can be obtained for all phases from 0 to 2π.

[投影格子の位相接続ができる場合の多数の基準面を用いた校正手法の原理]
投影格子に対して位相接続ができる場合には、基準面の設置範囲を広くすることができる。位相接続を行わない場合には、基準面の設置範囲は位相が2π以上変化しない範囲に限定されていたが、位相接続ができる場合には、位相接続ができる範囲まで広げることができ、それによって大きな凹凸を持つ物体の形状計測が可能になる。
図7は本発明の形状計測装置において位相接続を行う場合の基準面の位置と位相接続された位相φとの関係を示す図である。上述した校正方法と同様に、各基準面の位置毎に、投影格子の位相接続された位相φに対する3次元座標(x,y,z座標)がそれぞれ画素毎に得られることになる。
[Principle of calibration method using multiple reference planes when projection grating phase connection is possible]
When the phase connection can be made to the projection grating, the installation range of the reference plane can be widened. When phase connection is not performed, the installation range of the reference plane is limited to a range where the phase does not change by 2π or more, but when phase connection is possible, it can be expanded to the range where phase connection is possible. The shape of an object with large irregularities can be measured.
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the position of the reference plane and the phase φ connected in phase when phase connection is performed in the shape measuring apparatus of the present invention. Similar to the calibration method described above, for each position of each reference plane, three-dimensional coordinates (x, y, z coordinates) with respect to the phase φ connected in phase to the projection grating are obtained for each pixel.

[投影格子の位相接続ができる場合の試料物体の座標を得る方法]
上述した校正手法によって、位相θ,θ,θ,・・,θと、x座標x,x,x,・・,x、y座標y,y,y,・・,yおよびz座標z,z,z,・・,zとの関係が画素毎にそれぞれ得られる。それらの関係は、図8(a)〜(c)に示すようになる。
図9は本発明の形状計測装置において基準面Rと基準面Rとの間に試料物体9を設置した状態を示す図である。この状態では、試料物体9には校正のときと同一の格子が投影されるため、直線L上を撮影する画素の場合は、物体上の点Pを撮影することになり、点Pに投影されている格子の位相θP がその画素の位相として得られることになる。
まず、図9に示すように、位相θP に対応するx座標xPは、位相θP を間に持つ前後の位相θi およびθi+1と、それに対応するx座標xiおよびxi+1を用いて、式(4)で求めることができる。同様に、y座標については、y座標yiおよびyi+1 を用いて、式(5)で求めることができ、z座標については、z座標ziおよびzi+1 を用いて、式(6)で求めることができる。ここで、φ=φP とする。
[Method for obtaining the coordinates of the sample object when the phase connection of the projection grating is possible]
By the above-described calibration method, the phases θ 0 , θ 1 , θ 2 ,..., Θ N and the x coordinates x 0 , x 1 , x 2 , ..., x N , y coordinates y 0 , y 1 , y 2 , · ·, y N and z-coordinate z 0, z 1, z 2 , ··, the relationship between the z N is obtained respectively for each pixel. Their relationship is as shown in FIGS.
Figure 9 is a view showing an installed state of the sample object 9 between the reference plane R 0 and the reference surface R N in the shape measuring apparatus of the present invention. In this state, since the same lattice as that at the time of calibration is projected onto the sample object 9, in the case of a pixel photographing on the straight line L, the point P on the object is photographed and projected onto the point P. The phase [theta] P of the grating is obtained as the phase of the pixel.
First, as shown in FIG. 9, the phase theta x-coordinate x P corresponding to P includes a phase theta i and theta i + 1 before and after having between the phase theta P, x coordinate x i and x i the corresponding Using +1 , it can be obtained by equation (4). Similarly, the y coordinate can be obtained by the equation (5) using the y coordinates y i and y i + 1 , and the z coordinate can be obtained by using the z coordinates z i and z i + 1. It can be obtained by (6). Here, φ = φ P.

また、式(4),(5),(6)を用いて、予め等間隔の位相φに対応するx座標、y座標、z座標のテーブルをそれぞれ作成しておくこともできる。そうすることによって、試料物体を撮影して得られた位相から即座にその点の空間座標(x座標,y座標,z座標)を得ることが可能になる。
なお、図8(a),(b),(c)のそれぞれにおいて、Kとして示す区間の位相に対しては、その位相を間に持つ前後のどちらかの位相が存在しない。そこで、i=0もしくはi=N−1として式(4)、式(5)および式(6)を用いて、位相と空間座標との関係を求める。すなわち、φ より小さいφに対しては0番目および1番目の基準面における位相および座標の値を用いて計算し、φ より大きいφに対しては(N−1)番目およびN番目の基準面における位相および座標の値を用いて計算する。こうすることによって、0から2πの全ての位相に対して、空間座標を得ることができる。
Further, by using the equations (4), (5), and (6), tables of x coordinate, y coordinate, and z coordinate corresponding to the equally-spaced phase φ can be created in advance. By doing so, it is possible to immediately obtain the spatial coordinates (x coordinate, y coordinate, z coordinate) of the point from the phase obtained by photographing the sample object.
In each of FIGS. 8A, 8B, and 8C, there is no phase before or after the phase in the section indicated by K. Therefore, the relationship between the phase and the spatial coordinates is obtained by using Equation (4), Equation (5), and Equation (6) with i = 0 or i = N−1. That was calculated using the values of the phase and coordinates in 0-th and 1-th reference plane for the phi 0 is less than phi, with respect to the phi 0 is greater than phi (N-1) -th and N-th Calculation is performed using the phase and coordinate values on the reference plane. In this way, spatial coordinates can be obtained for all phases from 0 to 2π.

本発明の形状計測方法に用いる「多数の基準面を用いた校正手法」の利点を以下に列挙する。
(1)レンズの歪曲収差によるゆがみの影響を受けずに、精度良く座標値が得られる。
(1a)異なる方向から複数台のカメラで撮影するように構成した場合、得られた座標データを容易に合成することができる。
(1b)全周囲計測を容易に実現することができる。
(1c)異なる方向から複数のプロジェクタで投影された格子を用いて1台のカメラで撮影するように構成した場合、容易に合成が行えるため、影になる部分を少なくすることができる。
(2)格子のピッチが不等間隔であっても計測が可能である。
(2a)放射状の格子や渦巻状の格子を回転させながら投影することで形状計測ができるようになる。
(2b)レーザ干渉縞のように等間隔にならない格子(以下、不等間隔格子という)を用いた形状計測が可能になる。
(2c)投影像がゆがむレンズ系(魚眼レンズなど)を用いた投影手法を用いても精度良く形状計測が可能である。
(3)格子の輝度分布が余弦波状でなくても計測が可能である。
(3a)矩形波状の格子を焦点ずれさせて余弦波に近い輝度分布を持つ格子にして投影しても、精度良く形状計測が行える。
(3b)液晶パネルのように入力値と表示濃度との間が非線形の関係となるようなものを用いて格子投影を行っても、精度良く形状計測が行える。
The advantages of the “calibration method using a large number of reference surfaces” used in the shape measuring method of the present invention are listed below.
(1) A coordinate value can be obtained with high accuracy without being affected by distortion caused by distortion of the lens.
(1a) When configured to shoot with a plurality of cameras from different directions, the obtained coordinate data can be easily combined.
(1b) All-around measurement can be realized easily.
(1c) In the case where a single camera is used to shoot using a grid projected from a plurality of projectors from different directions, the composition can be easily performed, so that the shadowed portion can be reduced.
(2) Measurement is possible even when the pitch of the grating is unequal.
(2a) Shape measurement can be performed by projecting while rotating a radial grid or spiral grid.
(2b) Shape measurement using a grating that is not equally spaced (hereinafter, referred to as non-uniformly spaced grating) such as laser interference fringes becomes possible.
(2c) The shape can be measured with high accuracy using a projection method using a lens system (such as a fisheye lens) that distorts the projected image.
(3) Measurement is possible even if the luminance distribution of the grating is not cosine-like.
(3a) Shape measurement can be performed with high accuracy even when a rectangular wave grating is defocused and projected as a grating having a luminance distribution close to a cosine wave.
(3b) Shape measurement can be performed with high accuracy even when grid projection is performed using a liquid crystal panel that has a nonlinear relationship between the input value and the display density.

[第1実施形態]
図10は本発明の第1実施形態の形状計測方法の実施に用いる形状計測装置の構成を示す図である。本実施形態の形状計測装置は、リアルタイム形状計測装置として構成されており、基準平板11と、基準面12と、ステージ13と、投影装置14と、撮影装置15と、解析装置(例えばパーソナルコンピュータ、以下、PCという)16とを具備して成る。
[First Embodiment]
FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a shape measuring apparatus used for carrying out the shape measuring method according to the first embodiment of the present invention. The shape measuring device of this embodiment is configured as a real-time shape measuring device, and includes a reference flat plate 11, a reference surface 12, a stage 13, a projection device 14, a photographing device 15, and an analysis device (for example, a personal computer, (Hereinafter referred to as PC) 16.

上記基準平板11としては、本実施形態では液晶ディスプレイを用いている。液晶ディスプレイ11の表面には、基準面12となる光拡散板が貼り付けられている。液晶ディスプレイ11は、ステージ13上に設置されている。
上記基準面(光拡散板)12は、基準平板の法線方向(図10のz方向)に垂直になるように、したがって図10のx,y平面と平行な平面上に取り付けられている。上記基準面(光拡散板)12には、後述するようにして、所定の2次元パターン(本実施形態では等間隔格子を用いる)が形成されるとともに、空間を分割して数値化できるパターン(本実施形態では等間隔格子を用いる)が投影される。
なお、本実施形態では、基準平板11として液晶ディスプレイを用いて、校正に用いる画像を撮影する際に基準面(光拡散板)12上に所定の2次元パターン(本実施形態では等間隔格子を用いる)を表示するようにしているが、基準平板11として基準面(光拡散板)12上に所定の2次元パターン(等間隔格子)が固定的に描かれた平板を用いることも可能である。
また、本実施形態では、「空間を分割して数値化できるパターン」として等間隔格子を用いて格子パターンによる位相解析を行うようにしているが、「空間を分割して数値化できるパターン」として「濃淡のパターン」を用いたり(特願2003−328230号公報を参照のこと)、「空間コード」を用いる「空間コード化法」を用いたりすることも可能である。その場合、「空間を分割して数値化した値」は、格子を用いる場合はその位相となり、濃淡のパターンの場合は輝度比となり、空間コード化法の場合は,コード化された値となる。
In the present embodiment, a liquid crystal display is used as the reference flat plate 11. On the surface of the liquid crystal display 11, a light diffusing plate serving as a reference surface 12 is attached. The liquid crystal display 11 is installed on the stage 13.
The reference surface (light diffusing plate) 12 is mounted on a plane parallel to the x and y planes of FIG. 10 so as to be perpendicular to the normal direction (z direction of FIG. 10) of the reference plate. On the reference surface (light diffusing plate) 12, as described later, a predetermined two-dimensional pattern (using an equidistant grid in the present embodiment) is formed, and a pattern (which can be digitized by dividing the space) In this embodiment, an equally spaced grid is used).
In this embodiment, a liquid crystal display is used as the reference flat plate 11, and a predetermined two-dimensional pattern (in this embodiment, an equidistant grid is used on the reference plane (light diffusing plate) 12 when an image used for calibration is taken. However, it is also possible to use a flat plate in which a predetermined two-dimensional pattern (an equidistant lattice) is fixedly drawn on the reference plane (light diffusing plate) 12 as the reference flat plate 11. .
In the present embodiment, phase analysis is performed using a lattice pattern using an equally spaced grid as a “pattern that can be digitized by dividing a space”, but as “a pattern that can be digitized by dividing a space”. It is also possible to use a “shading pattern” (see Japanese Patent Application No. 2003-328230) or to use a “spatial coding method” using a “spatial code”. In that case, the “value obtained by dividing the space into a numerical value” is the phase when using a grid, the luminance ratio for a gray pattern, and the encoded value for the spatial coding method. .

上記ステージ13は、基準平板11を該基準平板の法線方向(図10のz方向)に微小量ずつ平行移動させるものであり、本実施形態では直動ステージを用いている。
上記投影装置(プロジェクタ)14としては、本実施形態では液晶プロジェクタを用いているが、代わりにDMDプロジェクタを用いてもよい。液晶プロジェクタ14は、液晶パネルと、光源と、レンズとから成り、ステージ13のz方向の平行移動の各位置(R,R,・・,R)において、液晶プロジェクタの液晶パネルに表示されたパターン(例えば格子状の濃淡パターン)を基準面12に投影するとともに、液晶プロジェクタに対して所定位置関係に設置した試料物体17に、「空間を分割して数値化できるパターン」として、液晶プロジェクタの液晶パネルに表示されたパターン(例えば格子状の濃淡パターン)を投影する。なお、プロジェクタ14は、「空間を分割して数値化できるパターン」を投影する際に所定シフト量ずつ位相シフトを行い得るプロジェクタであっても、「空間を分割して数値化できるパターン」を焦点ずれさせて投影する投影装置であってもよい。
The stage 13 translates the reference flat plate 11 by a minute amount in the normal direction (z direction in FIG. 10) of the reference flat plate. In this embodiment, a linear motion stage is used.
As the projection device (projector) 14, a liquid crystal projector is used in this embodiment, but a DMD projector may be used instead. The liquid crystal projector 14 includes a liquid crystal panel, a light source, and a lens, and displays on the liquid crystal panel of the liquid crystal projector at each position (R 0 , R 1 ,..., R N ) of the stage 13 in the z-direction translation. The projected pattern (for example, a grid-like light and shade pattern) is projected onto the reference plane 12, and the liquid crystal projector is provided with a liquid crystal as a "pattern that can be quantified by dividing the space" on the sample object 17 placed in a predetermined positional relationship. A pattern (for example, a grid-like shading pattern) displayed on the liquid crystal panel of the projector is projected. Note that the projector 14 focuses on the “pattern that can be digitized by dividing the space” even if the projector can perform phase shift by a predetermined shift amount when projecting the “pattern that can be digitized by dividing the space”. It may be a projection device that projects by shifting.

上記撮影装置15としては、本実施形態ではカメラ(例えばCCDカメラ)を用いている。上記撮影装置15は、図10に示すように基準面12の正面に設置されており、ステージ13のz方向の平行移動の各位置において、基準面12にそれぞれ形成される2次元パターンを撮影した第1撮影画像に対応する第1撮影画像信号と、基準面12に投影した、空間を分割して数値化できるパターンを撮影した第2撮影画像に対応する第2撮影画像信号とをPC16に入力するとともに、試料物体17に投影した、前記空間を分割して数値化できるパターンを撮影した第3撮影画像に対応する第3撮影画像信号をPC16に入力する。なお、位相シフトを行いながら、空間を分割して数値化できるパターンを撮影して第2撮影画像を得る際には、カメラ15は、前記位相シフトに同期して第2撮影画像を撮影するものとする。また、試料物体17を撮影する際には、基準面12をカメラ15に対して遠ざかるように後方に移動させるものとする。   In the present embodiment, a camera (for example, a CCD camera) is used as the photographing device 15. The imaging device 15 is installed in front of the reference surface 12 as shown in FIG. 10, and images a two-dimensional pattern formed on the reference surface 12 at each position of the stage 13 in the z-direction translation. A first photographic image signal corresponding to the first photographic image and a second photographic image signal corresponding to the second photographic image projected on the reference plane 12 and obtained by photographing a pattern that can be digitized by dividing the space are input to the PC 16. At the same time, a third photographed image signal corresponding to a third photographed image obtained by photographing the pattern that can be digitized by dividing the space projected onto the sample object 17 is input to the PC 16. Note that when obtaining a second photographed image by capturing a pattern that can be digitized by dividing the space while performing phase shift, the camera 15 captures the second photographed image in synchronization with the phase shift. And Further, when the sample object 17 is photographed, the reference plane 12 is moved backward so as to move away from the camera 15.

上記解析装置16としては、本実施形態ではパーソナルコンピュータ(以下、PCという)を用いている。PC16は、画像投影のために投影画像信号(例えば投影格子画像信号)をプロジェクタ14に入力し、ステージ13のz方向位置制御のためにステージ制御信号をステージ13に入力し、所定の2次元パターン(本実施形態では等間隔格子を用いる)の表示のために生成した表示画像信号(等間隔格子画像信号)を液晶ディスプレイ11に入力し、カメラ15から撮影画像信号(第1撮影画像信号、第2撮影画像信号、第3撮影画像信号)を入力される。   As the analysis device 16, a personal computer (hereinafter referred to as a PC) is used in the present embodiment. The PC 16 inputs a projection image signal (for example, a projection grid image signal) to the projector 14 for image projection, inputs a stage control signal to the stage 13 for controlling the position of the stage 13 in the z direction, and a predetermined two-dimensional pattern. A display image signal (equal interval grid image signal) generated for displaying (equal interval grid is used in the present embodiment) is input to the liquid crystal display 11, and a captured image signal (first captured image signal, no. 2 shot image signals and 3rd shot image signals).

図11は第1実施形態の形状計測装置の解析装置16の構成を示す機能ブロック図である。解析装置16は、校正処理部21と、連続撮影部22と、実時間解析部23と、精密解析部24とから成る。   FIG. 11 is a functional block diagram showing the configuration of the analysis device 16 of the shape measuring apparatus according to the first embodiment. The analysis device 16 includes a calibration processing unit 21, a continuous photographing unit 22, a real time analysis unit 23, and a precision analysis unit 24.

上記校正処理部21では、校正の作業を行う。基準平板として液晶ディスプレイ11を用いた基準面12に表示する表示画像や、プロジェクタ14から投影する投影画像(例えば格子画像)を生成したり、ステージ13へのステージ制御信号を生成したりする。これらを所定のタイミングに合わせて出力して、カメラ15によって基準面12の画像を撮影する。カメラ15によって撮影された撮影画像から画素毎に位相解析を行って投影格子の位相θを得たり、基準面12に表示された格子の位相からx座標およびy座標をそれぞれ得たりする。z座標に関しては、基準面12が移動する位置(基準平板11の移動量)がz座標に対応するため、その値を用いる。これらから、等間隔に位相を分割したときのx座標,y座標,z座標をそれぞれ補間により算出することで、位相と空間座標とを1対1で対応付けたテーブル(位相−座標テーブル)を作成し、作成した位相−座標テーブルを記憶装置(例えばハードディスク)へ保存する。   The calibration processing unit 21 performs calibration work. A display image to be displayed on the reference surface 12 using the liquid crystal display 11 as a reference plate, a projection image (for example, a lattice image) projected from the projector 14, or a stage control signal to the stage 13 is generated. These are output at a predetermined timing, and an image of the reference plane 12 is taken by the camera 15. The phase analysis is performed for each pixel from the captured image captured by the camera 15 to obtain the phase θ of the projection grating, and the x coordinate and the y coordinate are respectively obtained from the phase of the grating displayed on the reference plane 12. Regarding the z coordinate, since the position (the amount of movement of the reference flat plate 11) where the reference plane 12 moves corresponds to the z coordinate, the value is used. From these, a table (phase-coordinate table) in which a phase and a spatial coordinate are associated with each other one by one by calculating the x coordinate, the y coordinate, and the z coordinate when the phase is divided at equal intervals by interpolation. The created phase-coordinate table is stored in a storage device (for example, a hard disk).

上記連続撮影部22では、試料物体17の形状計測をリアルタイムに行うために、DMA転送を用いてカメラ15で撮影された全ての撮影画像をリングメモリに記録する。このとき、プロジェクタ14には、撮影のタイミングに合わせて空間を分割して数値化できるパターン画像(例えば格子画像)を位相シフトさせながら投影画像として入力する。リングメモリに保存された時系列の撮影画像は、計測終了後に精密解析を行うために記憶装置(例えばハードディスク)へも保存される。   In the continuous photographing unit 22, in order to measure the shape of the sample object 17 in real time, all photographed images photographed by the camera 15 using DMA transfer are recorded in a ring memory. At this time, a pattern image (for example, a lattice image) that can be digitized by dividing the space in accordance with the timing of shooting is input to the projector 14 as a projection image while phase-shifting. The time-series captured images stored in the ring memory are also stored in a storage device (for example, a hard disk) for precise analysis after the measurement is completed.

上記実時間解析部23では、連続撮影部22のリングメモリから最新の連続する4フレームの画像I,I,I,Iを取り出してバッファメモリに格納する。それぞれの画像から1画素ずつI−IおよびI−Iを求め、それぞれの結果から位相解析テーブルを用いて位相θを求める。得られた位相θから、校正処理部21で作成した位相−座標テーブルを用いて、x座標またはy座標と、z座標とを求め、表示画像処理を行って、z座標の分布をモニタに表示する、もしくは、x座標,y座標,z座標を用いて立体画像(3D画像)をモニタに表示する。この一連の処理が終了すると、再度実時間解析部23の処理の始めに戻り、再度同一内容の処理を繰り返す。 The real-time analysis unit 23 extracts the latest four consecutive frames I 0 , I 1 , I 2 , and I 3 from the ring memory of the continuous shooting unit 22 and stores them in the buffer memory. From each image, I 2 -I 0 and I 3 -I 1 are obtained for each pixel, and the phase θ is obtained from each result using the phase analysis table. From the obtained phase θ, the x-coordinate or y-coordinate and the z-coordinate are obtained using the phase-coordinate table created by the calibration processing unit 21, display image processing is performed, and the distribution of the z-coordinate is displayed on the monitor. Alternatively, a stereoscopic image (3D image) is displayed on the monitor using the x coordinate, the y coordinate, and the z coordinate. When this series of processes ends, the process returns to the beginning of the process of the real-time analysis unit 23 again, and the process of the same content is repeated again.

上記精密解析部24では、連続撮影部22で保存された時系列の撮影画像に対して順に連続する4フレームの画像I,I,I,Iを取り出してバッファメモリに格納する。それぞれの画像から1画素ずつI−IおよびI−Iを求め、それぞれの結果から位相解析テーブルを用いて位相θを求める。得られた位相θから、校正処理部21で作成した位相−座標テーブルを用いて、x座標と、y座標と、z座標とをそれぞれ求め、記憶装置(例えばハードディスク)に形状計測結果として保存する。精密解析部24では、実時間解析部23とは異なり、全フレームに対して時系列の形状計測結果が得られる。 The precision analysis unit 24 extracts four frames of images I 0 , I 1 , I 2 , and I 3 that are sequentially sequential with respect to the time-series captured images stored in the continuous imaging unit 22 and stores them in the buffer memory. From each image, I 2 -I 0 and I 3 -I 1 are obtained for each pixel, and the phase θ is obtained from each result using the phase analysis table. From the obtained phase θ, the x-coordinate, the y-coordinate, and the z-coordinate are obtained using the phase-coordinate table created by the calibration processing unit 21, and stored as a shape measurement result in a storage device (for example, a hard disk). . Unlike the real-time analysis unit 23, the precision analysis unit 24 obtains time-series shape measurement results for all frames.

[校正および形状計測結果]
まず、基準面をz=0mmから19.8mmまでの範囲において、0.2mm間隔で100個所の位置に移動して、それぞれに位置において投影格子の位相と空間座標との対応関係を画素毎に求めた。このようにして得られた投影格子の位相と空間座標との対応関係を基にして、位相2π/100毎に、投影格子の位相とx,y,z座標との対応関係を示す位相−座標テーブルを画素毎に作成した。
次に、試料物体17として中央部が断面台形状に盛り上がった試料物体を用意して、上述したようにして、試料物体17のリアルタイム形状計測を行った。そして、試料物体17の撮影画像と位相−座標テーブルとに基づいて試料物体17の空間座標(x,y,z)を求めた。
[Calibration and shape measurement results]
First, the reference plane is moved to 100 positions at intervals of 0.2 mm in the range from z = 0 mm to 19.8 mm, and the correspondence between the phase of the projection grating and the spatial coordinates at each position is changed for each pixel. Asked. The phase-coordinate indicating the correspondence between the phase of the projection grating and the x, y, z coordinates for each phase 2π / 100, based on the correspondence between the phase of the projection grating obtained in this way and the spatial coordinates. A table was created for each pixel.
Next, a sample object whose central portion was raised to have a trapezoidal cross section was prepared as the sample object 17, and the real-time shape measurement of the sample object 17 was performed as described above. Then, the spatial coordinates (x, y, z) of the sample object 17 were obtained based on the captured image of the sample object 17 and the phase-coordinate table.

図12は第1実施形態のリアルタイム形状計測において試料物体17に投影された格子を示す図面代用写真である。図13は第1実施形態のリアルタイム形状計測において試料物体17に投影された格子の位相分布を示す図面代用写真である。図14は第1実施形態の試料物体17のリアルタイム形状計測の計測結果のz座標の分布を示す図面代用写真である。図15は第1実施形態のリアルタイム形状計測により得た試料物体17の中央部の断面形状を示す図である。
以上の計測結果から、試料物体17の中央部(台形の上段部)のz座標分布平均と、試料物体17の周辺部(台形の左右下段部)のz座標分布平均との差を求め、z座標分布平均差分値と実際の高さとを比較してz座標計測の平均誤差を求めた結果、0.015mmとなった。また、試料物体17の中央部のz座標分布の標準偏差を求めた結果、0.086mmとなった。この結果より、本発明の第1実施形態の形状計測手法によって十分良い精度で形状計測が行うことができていることが確認できた。
FIG. 12 is a drawing-substituting photograph showing a lattice projected onto the sample object 17 in the real-time shape measurement of the first embodiment. FIG. 13 is a drawing-substituting photograph showing the phase distribution of the grating projected onto the sample object 17 in the real-time shape measurement of the first embodiment. FIG. 14 is a drawing-substituting photograph showing the distribution of z coordinates of the measurement result of the real-time shape measurement of the sample object 17 of the first embodiment. FIG. 15 is a diagram showing a cross-sectional shape of the central portion of the sample object 17 obtained by the real-time shape measurement of the first embodiment.
From the above measurement results, the difference between the average z coordinate distribution of the central portion (upper part of the trapezoid) of the sample object 17 and the average z coordinate distribution of the peripheral part (left and right lower parts of the trapezoid) of the sample object 17 is obtained. The average error of the z coordinate measurement was calculated by comparing the coordinate distribution average difference value with the actual height, resulting in 0.015 mm. In addition, the standard deviation of the z coordinate distribution at the center of the sample object 17 was determined to be 0.086 mm. From this result, it was confirmed that the shape measurement could be performed with sufficiently good accuracy by the shape measurement method of the first embodiment of the present invention.

[第2実施形態]
本発明の第2実施形態の形状計測方法の実施に用いる形状計測装置としては、第1実施形態と同一構成の形状計測装置を用いる。本実施形態の形状計測装置は、プロジェクタ14から基準面12や試料物体17に投影する「空間を分割して数値化できるパターン」として、本実施形態では不等間隔格子である放射状格子を用いて、試料物体17の形状を計測する形状計測装置として構成されている。
[Second Embodiment]
As a shape measuring device used for carrying out the shape measuring method of the second embodiment of the present invention, a shape measuring device having the same configuration as that of the first embodiment is used. The shape measuring apparatus of the present embodiment uses a radial grid that is a non-uniformly spaced grid in this embodiment as a “pattern that can be digitized by dividing a space” projected from the projector 14 onto the reference plane 12 or the sample object 17. The shape measuring device is configured to measure the shape of the sample object 17.

図16は第2実施形態の形状計測に用いる放射状格子を示す図面代用写真である。この放射状格子は、円板に1ピッチ3°の矩形格子を多数描いて構成されており、本実施形態の形状計測図16に示す放射状格子の一部分だけを使って投影を行った。この放射状格子が描かれた円板を図示しない放射状格子回転投影装置に取り付けて、ステッピングモータを駆動することにより、位相シフトを行った。
上記放射状格子を計測面でぼかして投影して、完全な余弦波ではない格子で計測を行った。試料物体17としては第1実施形態と同一形状の「中央部が断面台形状に盛り上がった試料物体」を用いて、試料物体の中央部の段差(高さ10.00mm)を計測した。基準面としては、z=0mmから19mmまでの範囲において、1mm間隔で20個所に移動してそれぞれの位置で計測を行い、合計20枚の基準面について計測を行った。位相シフトは、π/2ずつ位相を変えた位置で止めて撮影を行って得た4枚の画像による位相シフト法を用いた。なお、格子の投影は、全て同一の放射状格子格子を用いて投影を行い、試料物体の形状計測を行った。
FIG. 16 is a drawing-substituting photograph showing a radial grating used for shape measurement of the second embodiment. This radial grating is constructed by drawing a large number of rectangular gratings with a pitch of 3 ° on a disk, and projection was performed using only a part of the radial grating shown in the shape measurement diagram 16 of the present embodiment. The disk on which the radial grating was drawn was attached to a radial grating rotary projection device (not shown), and the phase shift was performed by driving the stepping motor.
The radial grating was blurred and projected on the measurement surface, and measurement was performed with a grating that was not a perfect cosine wave. As the sample object 17, a step (height 10.00 mm) at the center of the sample object was measured using a “sample object whose center was raised in a trapezoidal cross section” having the same shape as the first embodiment. As the reference plane, in the range from z = 0 mm to 19 mm, the measurement was performed at 20 positions at intervals of 1 mm, and the measurement was performed on a total of 20 reference planes. For the phase shift, a phase shift method using four images obtained by shooting at a position where the phase was changed by π / 2 was used. Note that the projection of the grating was performed using the same radial grating grid, and the shape of the sample object was measured.

[形状計測結果]
図17は第2実施形態の形状計測において試料物体17に投影された放射状格子を示す図面代用写真である。図18は第2実施形態の形状計測において位相シフト法により得られた試料物体17に投影された放射状格子の位相分布を示す図面代用写真である。図19は第2実施形態の試料物体17の形状計測の計測結果のz座標の分布を示す図面代用写真である。図20(a)〜(c)はそれぞれ、図17〜図19の形状計測結果から1ラインを抜き出して示した、格子の輝度分布、位相分布および高さ分布を示すグラフである。図20(a)〜(c)から分かるように、投影する格子が完全な余弦波でなくても計測することができることが確認できた。特に、図20(c)におけるラインCの場合では、格子の輝度分布は台形状になっているにも拘わらず高さ分布では計測できていることが分かる。
[Shape measurement result]
FIG. 17 is a drawing-substituting photograph showing a radial grating projected onto the sample object 17 in the shape measurement of the second embodiment. FIG. 18 is a drawing-substituting photograph showing the phase distribution of the radial grating projected onto the sample object 17 obtained by the phase shift method in the shape measurement of the second embodiment. FIG. 19 is a drawing-substituting photograph showing the distribution of the z coordinate of the measurement result of the shape measurement of the sample object 17 of the second embodiment. FIGS. 20A to 20C are graphs showing the luminance distribution, phase distribution, and height distribution of the grating, which are shown by extracting one line from the shape measurement results of FIGS. As can be seen from FIGS. 20A to 20C, it was confirmed that the measurement can be performed even if the projected grating is not a perfect cosine wave. In particular, in the case of the line C in FIG. 20C, it can be seen that the luminance distribution of the lattice can be measured with the height distribution despite the trapezoidal shape.

図21は第2実施形態の試料物体17の形状計測の計測結果から得た中央1ラインにおける高さを示すグラフである。図21では、試料物体17の中央部(台形の上段部)の上段の点群と試料物体17の周辺部(左右下段部)の近似直線との「点と直線との距離」を求めて、z座標に関する精度を算出した。その結果、当該試料物体の段差が10mmであるのに対し、本実施形態の形状計測では、平均との誤差が0.2mmとなり、標準偏差が0.13mmとなった。この結果より、本発明の第2実施形態の形状計測手法によって十分良い精度で形状計測が行うことができていることが確認できた。   FIG. 21 is a graph showing the height of one central line obtained from the measurement result of the shape measurement of the sample object 17 of the second embodiment. In FIG. 21, the “distance between the point and the straight line” between the upper point group of the central part of the sample object 17 (the upper part of the trapezoid) and the approximate straight line of the peripheral part of the sample object 17 (the left and right lower parts) is obtained. The accuracy with respect to the z coordinate was calculated. As a result, while the step of the sample object was 10 mm, in the shape measurement of this embodiment, the error from the average was 0.2 mm, and the standard deviation was 0.13 mm. From this result, it was confirmed that shape measurement could be performed with sufficiently good accuracy by the shape measurement method of the second embodiment of the present invention.

本発明の多数の基準面を用いた形状計測方法および多数の基準面を用いた形状計測装置は、物体の形状計測(例えば製造業における形状検査)や、人体の形状計測(医療福祉分野、服飾分野)に、好適に用いることができる。   The shape measuring method using a large number of reference surfaces and the shape measuring apparatus using a large number of reference surfaces according to the present invention include object shape measurement (for example, shape inspection in the manufacturing industry) and human body shape measurement (medical welfare field, clothing). Field).

本発明における多数の基準面を用いた校正手法の原理を示す図である。It is a figure which shows the principle of the calibration method using many reference planes in this invention. 本発明における1画素の撮影ラインLと基準面上のx,y,z座標との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the imaging | photography line L of 1 pixel in this invention, and the x, y, z coordinate on a reference plane. (a),(b)はそれぞれ、液晶ディスプレイを用いた基準平板および基準平板が取り付けられるステージを用いる本発明の形状計測装置の構成を示す図である。(A), (b) is a figure which shows the structure of the shape measuring apparatus of this invention using the stage to which the reference | standard flat plate using a liquid crystal display and a reference | standard flat plate are attached, respectively. (a),(b)はそれぞれ、本発明の形状計測装置の基準平板の基準面へ格子画像を表示する様子を説明するための図である。(A), (b) is a figure for demonstrating a mode that a grid image is displayed on the reference plane of the reference | standard plate of the shape measuring apparatus of this invention, respectively. (a)〜(c)はそれぞれ、本発明の形状計測方法に用いる多数の基準面を用いた校正手法により得られる、位相接続を行わない場合の位相θと空間座標(x,y,z)の各座標との関係を示すグラフである。(A) to (c) are obtained by a calibration method using a large number of reference planes used in the shape measurement method of the present invention, and the phase θ and spatial coordinates (x, y, z) when no phase connection is performed. It is a graph which shows the relationship with each coordinate. 本発明の形状計測装置において基準面と他の基準面との間に試料物体を設置した状態を示す図である。It is a figure which shows the state which installed the sample object between the reference plane and the other reference plane in the shape measuring apparatus of this invention. 本発明の形状計測装置において位相接続を行う場合の基準面の位置と位相接続された位相φとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the position of the reference plane in the case of performing phase connection in the shape measuring apparatus of this invention, and phase (phi) connected in phase. (a)〜(c)はそれぞれ、本発明の形状計測方法に用いる多数の基準面を用いた校正手法により得られる、位相接続を行う場合の位相θと空間座標(x,y,z)の各座標との関係を示すグラフである。(A) to (c) are obtained by a calibration method using a large number of reference surfaces used in the shape measuring method of the present invention, and the phase θ and phase coordinates (x, y, z) in the case of phase connection are obtained. It is a graph which shows the relationship with each coordinate. 本発明の形状計測装置において基準面と他の基準面との間に試料物体を設置した状態を示す図である。It is a figure which shows the state which installed the sample object between the reference plane and the other reference plane in the shape measuring apparatus of this invention. 本発明の第1実施形態の形状計測方法の実施に用いる形状計測装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the shape measuring apparatus used for implementation of the shape measuring method of 1st Embodiment of this invention. 第1実施形態の形状計測装置の解析装置の構成を示す機能ブロック図である。It is a functional block diagram which shows the structure of the analyzer of the shape measuring device of 1st Embodiment. 第1実施形態のリアルタイム形状計測において試料物体に投影された格子を示す図面代用写真である。It is a drawing substitute photograph which shows the grating | lattice projected on the sample object in the real-time shape measurement of 1st Embodiment. 第1実施形態のリアルタイム形状計測において試料物体に投影された格子の位相分布を示す図面代用写真である。It is a drawing substitute photograph which shows the phase distribution of the grating | lattice projected on the sample object in the real-time shape measurement of 1st Embodiment. 第1実施形態の試料物体のリアルタイム形状計測の計測結果のz座標の分布を示す図面代用写真である。It is a drawing substitute photograph which shows distribution of the z coordinate of the measurement result of the real-time shape measurement of the sample object of 1st Embodiment. 第1実施形態のリアルタイム形状計測により得た試料物体の中央部の断面形状を示す図である。It is a figure which shows the cross-sectional shape of the center part of the sample object obtained by the real-time shape measurement of 1st Embodiment. 第2実施形態の形状計測に用いる放射状格子を示す図面代用写真である。It is a drawing substitute photograph which shows the radial grating | lattice used for the shape measurement of 2nd Embodiment. 第2実施形態の形状計測において試料物体に投影された放射状格子を示す図面代用写真である。It is a drawing substitute photograph which shows the radial grating | lattice projected on the sample object in the shape measurement of 2nd Embodiment. 第2実施形態の形状計測において位相シフト法により得られた試料物体に投影された放射状格子の位相分布を示す図面代用写真である。It is a drawing substitute photograph which shows the phase distribution of the radial grating projected on the sample object obtained by the phase shift method in the shape measurement of 2nd Embodiment. 第2実施形態の試料物体の形状計測の計測結果のz座標の分布を示す図面代用写真である。It is a drawing substitute photograph which shows distribution of the z coordinate of the measurement result of the shape measurement of the sample object of 2nd Embodiment. (a)〜(c)はそれぞれ、図17〜図19の形状計測結果から1ラインを抜き出して示した、格子の輝度分布、位相分布および高さ分布を示すグラフである。(A)-(c) is a graph which shows the luminance distribution, phase distribution, and height distribution of the grating | lattice which each extracted and showed from the shape measurement result of FIGS. 17-19. 第2実施形態の試料物体の形状計測の計測結果から得た中央1ラインにおける高さを示すグラフである。It is a graph which shows the height in the center 1 line obtained from the measurement result of the shape measurement of the sample object of a 2nd embodiment. (a)は従来技術の非接触式3次元形状計測方法における余弦波状格子およびゆがんだ格子の輝度分布を例示する図であり、(b)は(a)のそれぞれの輝度分布から位相シフト法によって得られた位相値の分布を例示する図である。(A) is a figure which illustrates the luminance distribution of a cosine-wave-like grating | lattice and the distorted grating | lattice in the non-contact-type three-dimensional shape measuring method of a prior art, (b) is a phase shift method from each luminance distribution of (a). It is a figure which illustrates distribution of the obtained phase value.

符号の説明Explanation of symbols

1 液晶ディスプレイ(基準平板)
1a 液晶パネル
2 光拡散板(基準面)
3 バックライト光源
4 照明光
5 移動ステージ
6 コンピュータ(分析装置)
7 プロジェクタ(投影装置)
8 カメラ(撮影装置)
9 試料物体
11 基準平板(液晶ディスプレイ)
12 基準面(光拡散板)
13 ステージ(直動ステージ)
14 投影装置(プロジェクタ;液晶プロジェクタ)
15 撮影装置(カメラ;CCDカメラ)
16 解析装置(パーソナルコンピュータ;PC)
17 試料物体
21 校正処理部
22 連続撮影部
23 実時間解析部
24 精密解析部
1 Liquid crystal display (reference plate)
1a Liquid crystal panel 2 Light diffusion plate (reference plane)
3 Backlight light source 4 Illumination light 5 Moving stage 6 Computer (analyzer)
7 Projector (Projector)
8 Camera (photographing device)
9 Sample object 11 Reference plate (liquid crystal display)
12 Reference surface (light diffusion plate)
13 stages (linear motion stage)
14 Projector (Projector; Liquid crystal projector)
15 Imager (Camera; CCD camera)
16 Analysis device (personal computer; PC)
17 Sample object 21 Calibration processing unit 22 Continuous imaging unit 23 Real-time analysis unit 24 Precision analysis unit

Claims (13)

2次元パターンが形成される基準面を含む基準平板を該基準平板の法線方向に微小量ずつ平行移動させる第1工程と、
前記平行移動の各位置において、前記基準面にそれぞれ形成される2次元パターンを撮影して第1撮影画像を得る第2工程と、
前記平行移動の各位置において、前記基準面に投影した、空間を分割して数値化できるパターンを撮影して第2撮影画像を得る第3工程と、
前記第1撮影画像の前記2次元パターンおよび前記第2撮影画像の前記空間を分割して数値化できるパターンの解析をそれぞれ画素毎に行うことにより、前記基準平板の移動量と前記2次元パターンの2次元座標とから成る空間座標と前記空間を分割して数値化できるパターンの位相とを1対1で対応付けたテーブルを形成する第4工程と、
試料物体に投影した、前記空間を分割して数値化できるパターンを撮影して第3撮影画像を得る第5工程と、
前記テーブルと前記第3撮影画像とに基づいて当該試料物体の空間座標を求める第6工程と、を行うことを特徴とする多数の基準面を用いた形状計測方法。
A first step of translating a reference plate including a reference surface on which a two-dimensional pattern is formed by a minute amount in the normal direction of the reference plate;
A second step of obtaining a first photographed image by photographing a two-dimensional pattern respectively formed on the reference plane at each position of the parallel movement;
A third step of obtaining a second photographed image by photographing a pattern projected on the reference plane, which can be quantified by dividing the space, at each position of the parallel movement;
By analyzing the two-dimensional pattern of the first photographed image and the pattern that can be digitized by dividing the space of the second photographed image for each pixel, the amount of movement of the reference plate and the two-dimensional pattern A fourth step of forming a table in which one-to-one correspondence between spatial coordinates composed of two-dimensional coordinates and pattern phases that can be digitized by dividing the space;
A fifth step of obtaining a third photographed image by photographing a pattern projected onto the sample object and which can be digitized by dividing the space;
A shape measuring method using a number of reference planes, wherein a sixth step of obtaining a spatial coordinate of the sample object based on the table and the third photographed image is performed.
前記テーブルの要素を基準面毎に作成しておき、基準面の間の位相に対する空間座標を求める際には、当該位相に近い値を持つテーブルの要素を用いて所定の数式により補間した空間座標を算出することを特徴とする請求項1記載の多数の基準面を用いた形状計測方法。   When the elements of the table are created for each reference plane and the spatial coordinates for the phase between the reference planes are obtained, the spatial coordinates interpolated by a predetermined formula using the elements of the table having values close to the phase The shape measuring method using a large number of reference planes according to claim 1, wherein: 前記テーブルの要素を基準面の間隔よりさらに細かく設定しておき、該細かく設定した要素毎に、位相に対する空間座標を当該位相に近い値を持つテーブルの要素を用いて所定の数式により補間した空間座標として予め算出しておき、算出結果を各要素の値とするテーブルを作成しておくことを特徴とする請求項1記載の多数の基準面を用いた形状計測方法。   A space in which the elements of the table are set more finely than the interval between the reference planes, and for each of the finely set elements, the spatial coordinates for the phase are interpolated by a predetermined formula using the table elements having values close to the phase. 2. A shape measuring method using a plurality of reference surfaces according to claim 1, wherein a table is prepared in advance as coordinates, and a table in which the calculation result is a value of each element is created. 前記空間を分割して数値化できるパターンは、等間隔格子であることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項記載の多数の基準面を用いた形状計測方法。   The shape measuring method using a large number of reference surfaces according to claim 1, wherein the pattern that can be digitized by dividing the space is an equidistant grid. 前記空間を分割して数値化できるパターンは、放射状格子を含む不等間隔格子であることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項記載の多数の基準面を用いた形状計測方法。   The shape measuring method using a number of reference planes according to any one of claims 1 to 3, wherein the pattern that can be digitized by dividing the space is a non-uniformly spaced grid including a radial grid. 2次元パターンが形成される基準面を含む基準平板と、
前記基準平板を該基準平板の法線方向に微小量ずつ平行移動させるステージと、
前記平行移動の各位置において、前記基準面に空間を分割して数値化できるパターンを投影する投影装置と、
前記平行移動の各位置において、前記基準面にそれぞれ形成される2次元パターンを撮影した第1撮影画像と、前記基準面に投影した、空間を分割して数値化できるパターンを撮影した第2撮影画像とを得るとともに、試料物体に投影した、前記空間を分割して数値化できるパターンを撮影して第3撮影画像を得る撮影装置と、
前記第1撮影画像の前記2次元パターンおよび前記第2撮影画像の前記空間を分割して数値化できるパターンの解析をそれぞれ画素毎に行うことにより、前記基準平板の移動量と前記2次元パターンの2次元座標とから成る空間座標と前記空間を分割して数値化できるパターンの位相とを1対1で対応付けたテーブルを形成するとともに、前記テーブルと前記第3撮影画像とに基づいて当該試料物体の空間座標を求める解析装置と、を備えることを特徴とする多数の基準面を用いた形状計測装置。
A reference plate including a reference surface on which a two-dimensional pattern is formed;
A stage that translates the reference flat plate by a minute amount in the normal direction of the reference flat plate;
A projection device for projecting a pattern that can be digitized by dividing a space into the reference plane at each position of the parallel movement;
A first photographic image obtained by photographing a two-dimensional pattern formed on the reference plane at each position of the parallel movement, and a second photographic image obtained by photographing a pattern projected onto the reference plane and divided into a space. An image capturing apparatus that obtains a third captured image by capturing an image and capturing a pattern that is projected onto the sample object and that can be digitized by dividing the space;
By analyzing the two-dimensional pattern of the first photographed image and the pattern that can be digitized by dividing the space of the second photographed image for each pixel, the amount of movement of the reference plate and the two-dimensional pattern A table is formed in which one-to-one correspondence is made between a spatial coordinate composed of two-dimensional coordinates and a phase of a pattern that can be digitized by dividing the space, and the sample is based on the table and the third photographed image. A shape measuring device using a large number of reference planes, comprising: an analyzing device for obtaining spatial coordinates of an object.
前記解析装置は、前記テーブルの要素を基準面毎に作成しておき、基準面の間の位相に対する空間座標を求める際には、当該位相に近い値を持つテーブルの要素を用いて所定の数式により補間した空間座標を算出することを特徴とする請求項6記載の多数の基準面を用いた形状計測装置。   The analysis device creates an element of the table for each reference plane, and when obtaining a spatial coordinate with respect to a phase between the reference planes, a predetermined mathematical formula is used using an element of the table having a value close to the phase. The shape measurement apparatus using a large number of reference planes according to claim 6, wherein spatial coordinates interpolated by the calculation are calculated. 前記解析装置は、前記テーブルの要素を基準面の間隔よりさらに細かく設定しておき、該細かく設定した要素毎に、位相に対する空間座標を当該位相に近い値を持つテーブルの要素を用いて所定の数式により補間した空間座標として予め算出しておき、算出結果を各要素の値とするテーブルを作成しておくことを特徴とする請求項6記載の多数の基準面を用いた形状計測装置。   The analysis device sets the elements of the table more finely than the interval between the reference planes, and for each of the finely set elements, the spatial coordinates for the phase are determined using a table element having a value close to the phase. 7. A shape measuring apparatus using a large number of reference planes according to claim 6, wherein a space coordinate interpolated by a mathematical formula is calculated in advance, and a table in which the calculation result is a value of each element is created. 前記投影装置は、投影される前記空間を分割して数値化できるパターンが等間隔のパターンであることを特徴とする請求項6〜8の何れか1項記載の多数の基準面を用いた形状計測装置。   The shape using a large number of reference planes according to claim 6, wherein the projection device has a pattern that can be digitized by dividing the projected space, and is a pattern of equal intervals. Measuring device. 前記投影装置は、投影される前記空間を分割して数値化できるパターンが放射状格子を含む不等間隔のパターンであることを特徴とする請求項6〜8の何れか1項記載の多数の基準面を用いた形状計測装置。   9. The plurality of criteria according to claim 6, wherein in the projection device, the pattern that can be digitized by dividing the space to be projected is an unevenly spaced pattern including a radial grid. Shape measuring device using a surface. 前記投影装置は、前記空間を分割して数値化できるパターンを焦点ずれさせて投影する投影装置であることを特徴とする請求項6〜8の何れか1項記載の多数の基準面を用いた形状計測装置。   9. The projection apparatus according to claim 6, wherein the projection apparatus is a projection apparatus that projects a pattern that can be digitized by dividing the space by defocusing the pattern. Shape measuring device. 前記投影装置は、液晶プロジェクタまたはDMDプロジェクタであることを特徴とする請求項6〜8の何れか1項記載の多数の基準面を用いた形状計測装置。   9. The shape measuring apparatus using multiple reference planes according to claim 6, wherein the projection apparatus is a liquid crystal projector or a DMD projector. 前記投影装置は、前記空間を分割して数値化できるパターンを投影する際に所定シフト量ずつ位相シフトを行い得る投影装置であり、前記撮影装置は、前記位相シフトに同期して前記第2撮影画像を撮影し得る撮影装置であることを特徴とする請求項6〜8の何れか1項記載の多数の基準面を用いた形状計測装置。   The projection device is a projection device capable of performing a phase shift by a predetermined shift amount when projecting a pattern that can be digitized by dividing the space, and the imaging device synchronizes with the phase shift. The shape measuring device using a large number of reference planes according to any one of claims 6 to 8, wherein the shape measuring device is a photographing device capable of photographing an image.
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