JP6748520B2 - Calibration tool manufacturing method and three-dimensional measuring apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、校正具の製造方法及び三次元測定装置に係り、さらに詳しくは、光学式三次元測定装置の光学パラメータを校正するための校正具の製造方法と三次元測定装置の改良に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a calibrator and a three-dimensional measuring device, and more particularly, to a method for manufacturing a calibrator for calibrating optical parameters of an optical three-dimensional measuring device and an improvement in the three-dimensional measuring device.
三次元測定装置は、測定対象物の形状や寸法を三次元的に測定する測定器であり、三角測距の原理等を利用して、三次元空間における多数の測定点の位置情報からなる点群データを取得することができる。例えば、ステージ上に載置された測定対象物に対し、縞状のパターン光を投影し、この状態でステージ上の測定対象物がカメラにより撮影される。測定対象物の高さ情報は、撮影画像を解析し、パターンのずれやゆがみ具合から求められる。 A three-dimensional measuring device is a measuring instrument that three-dimensionally measures the shape and dimensions of an object to be measured, and uses the principle of triangulation etc. to make points that consist of position information of many measuring points in a three-dimensional space. Group data can be acquired. For example, the striped pattern light is projected onto the measurement target placed on the stage, and the measurement target on the stage is photographed by the camera in this state. The height information of the object to be measured is obtained from the pattern deviation and the degree of distortion by analyzing the photographed image.
ステージ上の測定対象物に測定光を照射するプロジェクタと、測定対象物により反射された測定光を受光して撮影画像を生成するカメラとを備える光学式の三次元測定装置では、各種の光学パラメータに基づいて、測定点の位置情報が求められる。例えば、レンズの焦点距離及び歪み、カメラとプロジェクタとの相対位置、受光軸とステージ又は投光軸との角度、レンズと撮像素子との相対位置等が光学パラメータとして用いられる。このため、正確な位置情報を得るには、製造時や組立時のばらつきを考慮すれば、実際に出来上がった装置で光学パラメータを測定又は推定する必要があり、その作業が校正(キャリブレーション)と呼ばれる。 In an optical three-dimensional measuring device including a projector that irradiates a measurement object on the stage with measurement light and a camera that receives the measurement light reflected by the measurement object and generates a captured image, various optical parameters are used. Based on, the position information of the measuring point is obtained. For example, the focal length and distortion of the lens, the relative position between the camera and the projector, the angle between the light receiving axis and the stage or the light projecting axis, the relative position between the lens and the image sensor, and the like are used as optical parameters. Therefore, in order to obtain accurate position information, it is necessary to measure or estimate the optical parameters with a device that is actually completed, considering variations during manufacturing or assembly, and the work is called calibration. be called.
三次元測定装置の校正には、既知のパターンや形状を有する校正具が用いられる。校正具を校正対象の三次元測定装置により測定対象物として測定し、得られた寸法値と、校正具について予め測定された校正用の寸法値とを比較して光学パラメータが校正される。通常、校正用の寸法値は、校正対象の三次元測定装置よりも高精度な装置、例えば、画像測定器等によって測定される。 A calibration tool having a known pattern or shape is used for the calibration of the three-dimensional measuring device. The calibrator is measured as an object to be measured by the three-dimensional measuring device to be calibrated, and the obtained dimensional value is compared with the calibrated dimensional value previously measured for the calibrator to calibrate the optical parameter. Usually, the dimension value for calibration is measured by a device having higher accuracy than the three-dimensional measuring device to be calibrated, such as an image measuring device.
従来の三次元測定装置では、校正具と校正用の寸法値とが個別に管理される。このため、校正用の寸法値を取り違え、或いは、紛失してしまうという問題があった。例えば、校正用の寸法値は、光ディスク等の記録媒体に記録して保管される。このため、種類の異なる複数の校正具を使用するユーザが記録媒体を取り違える恐れがあった。 In the conventional three-dimensional measuring device, the calibration tool and the dimension value for calibration are individually managed. Therefore, there is a problem that the dimensional value for calibration is mistaken or lost. For example, the dimension value for calibration is recorded and stored in a recording medium such as an optical disk. For this reason, there is a possibility that a user who uses a plurality of calibrating tools of different types may mix recording media with each other.
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、校正具の製造ばらつきに影響されることなく、光学パラメータの校正を行うことができる校正具の製造方法を提供することを目的とする。また、校正用の寸法値の取り違えや紛失を防止することができる校正具の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a calibration tool that can calibrate optical parameters without being affected by manufacturing variations in the calibration tool. .. Moreover, it aims at providing the manufacturing method of the calibrating tool which can prevent a mistake in the dimensional value for calibration, or loss.
また、本発明は、校正具の製造ばらつきに影響されることなく、光学パラメータの校正を行うことができる三次元測定装置を提供することを目的とする。また、校正具から光学読取コードを読み取って校正用の寸法値を取得することができる三次元測定装置を提供することを目的とする。 It is another object of the present invention to provide a three-dimensional measuring device that can calibrate optical parameters without being affected by manufacturing variations of calibrators. Moreover, it aims at providing the three-dimensional measuring device which can read the optical reading code from a calibration tool and can acquire the dimension value for calibration.
本発明の第1の態様による校正具の製造方法は、光学式三次元測定装置の光学パラメータを校正するための校正具の製造方法であって、前記校正具に設けられた測定用の平面上に複数の特徴マークを形成するマーク形成ステップと、前記複数の特徴マークについて寸法測定を行い、複数の寸法値からなる校正情報を生成する校正情報生成ステップと、前記校正情報を光学読取コードに変換するコード変換ステップと、前記校正具に前記光学読取コードを配置するコード配置ステップとを備える。 A method for manufacturing a calibration tool according to a first aspect of the present invention is a method for manufacturing a calibration tool for calibrating an optical parameter of an optical three-dimensional measuring apparatus, wherein the calibration tool is provided on a plane for measurement. A mark forming step for forming a plurality of characteristic marks on the same, a calibration information generating step for measuring dimensions of the plurality of characteristic marks and generating calibration information consisting of a plurality of dimension values, and converting the calibration information into an optical reading code. And a code arranging step for arranging the optical reading code on the calibrator.
この様な構成によれば、校正具に複数の特徴マークを形成した後にこれらの特徴マークについて寸法測定を行い、校正情報を生成するため、校正具の製造ばらつきに影響されることなく、光学パラメータの校正を行うことができる。また、校正情報を光学読取コードに変換して校正具に配置するため、校正用の寸法値の取り違えや紛失を防止することができる。 According to such a configuration, since a plurality of characteristic marks are formed on the calibration tool and the dimension measurement is performed on these characteristic marks to generate the calibration information, the optical parameters are not affected by the manufacturing variation of the calibration tool. Can be calibrated. Further, since the calibration information is converted into an optical reading code and placed on the calibrating tool, it is possible to prevent dimensional values for calibration from being mistaken or lost.
本発明の第2の態様による校正具の製造方法は、上記構成に加え、前記マーク形成ステップが、印刷により前記特徴マークを前記校正具上に形成するステップであるように構成される。この様な構成によれば、校正具の製造時における印刷誤差の影響を受けることなく、光学パラメータの校正を行うことができる。また、各特徴マークの高さを容易に均一化することができる。 The method for manufacturing a calibration tool according to the second aspect of the present invention is configured such that, in addition to the above configuration, the mark forming step is a step of forming the characteristic mark on the calibration tool by printing. With such a configuration, it is possible to calibrate the optical parameters without being affected by a printing error when the calibrator is manufactured. Further, the height of each feature mark can be easily made uniform.
本発明の第3の態様による校正具の製造方法は、上記構成に加え、前記マーク形成ステップが、円板状の前記校正具上に前記特徴マークを形成するステップであり、前記コード配置ステップが、前記特徴マークの形成領域よりも外側に前記光学読取コードを配置するステップであるように構成される。この様な構成によれば、校正精度の低下を抑制しつつ、校正具から特徴マークを読み取る読取手段を用いて光学読取コードを読み取らせることができる。 In the calibration tool manufacturing method according to the third aspect of the present invention, in addition to the above configuration, the mark forming step is a step of forming the characteristic mark on the disc-shaped calibration tool, and the code arranging step is , The step of disposing the optical reading code outside the area where the characteristic mark is formed. With such a configuration, the optical reading code can be read by using the reading unit that reads the characteristic mark from the calibrating tool while suppressing the deterioration of the calibration accuracy.
本発明の第4の態様による三次元測定装置は、測定対象物にパターンを有する測定光を照射する投光部、及び、前記測定対象物により反射された前記測定光を受光して受光量を表す受光信号を生成する受光部を含むヘッド部と、光学パラメータを校正するための校正情報を保持する校正情報記憶手段と、前記受光信号及び前記校正情報に基づいて、前記測定対象物の立体形状を表す点群データを生成する点群データ生成手段と、測定箇所の指定を受け付け、前記点群データに基づいて、前記測定箇所の寸法値を算出する寸法算出手段と、校正具に配置された光学読取コードをデコードし、校正用の寸法値を取得するコード読取手段と、前記校正用の寸法値、及び、前記校正具を前記測定対象物として算出された寸法値に基づいて、前記校正情報を更新する校正手段とを備える。前記校正具には、測定用の平面が設けられ、前記平面上に複数の特徴マークが形成され、前記校正手段は、前記校正具の前記複数の特徴マークについて算出された複数の寸法値を前記校正用の寸法値と比較した比較結果に基づいて、前記校正情報を更新する。 A three-dimensional measuring apparatus according to a fourth aspect of the present invention provides a light projecting unit that irradiates a measurement object with measurement light having a pattern, and receives the measurement light reflected by the measurement object to determine a received light amount. A head unit including a light receiving unit that generates a received light signal that represents, a calibration information storage unit that holds calibration information for calibrating optical parameters, and a three-dimensional shape of the measurement target based on the received light signal and the calibration information. The point cloud data generating means for generating the point cloud data representing the point, the dimension calculation means for accepting the designation of the measurement point and calculating the dimension value of the measurement point based on the point cloud data, and the calibration tool are arranged. Code reading means for decoding the optical reading code to obtain the dimension value for calibration, the dimension value for calibration, and the calibration information based on the dimension value calculated with the calibration tool as the measurement object. And proofreading means for updating. The calibration tool is provided with a plane for measurement, a plurality of feature marks are formed on the plane, the calibration means, a plurality of dimension values calculated for the plurality of feature marks of the calibration tool The calibration information is updated based on the result of comparison with the dimension value for calibration.
この様な構成によれば、受光部からの受光信号と校正情報とに基づいて点群データを生成するため、製造時や組立時のばらつきに影響されることなく、正確な位置情報を取得することができる。また、校正具から校正用の寸法値を読み取って校正情報を更新するため、校正具の製造ばらつきに影響されることなく、光学パラメータの校正を行うことができる。また、校正具に配置された光学読取コードをデコードするため、校正具から光学読取コードを読み取って校正用の寸法値を取得することができる。 According to such a configuration, since the point cloud data is generated based on the light receiving signal from the light receiving unit and the calibration information, accurate position information can be acquired without being affected by variations in manufacturing and assembly. be able to. Further, since the calibration dimension value is read from the calibration tool and the calibration information is updated, the optical parameters can be calibrated without being affected by manufacturing variations of the calibration tool. Further, since the optical reading code arranged on the calibration tool is decoded, the optical reading code can be read from the calibration tool to obtain the dimensional value for calibration.
本発明の第5の態様による三次元測定装置は、上記構成に加え、前記コード読取手段が、前記受光部からの前記受光信号に基づいて、前記光学読取コードをデコードするように構成される。この様な構成によれば、校正具から光学読取コードを読み取るための受光部を測定用の受光部とは別個に設ける場合に比べ、装置の構成を簡素化することができる。 In the three-dimensional measuring apparatus according to the fifth aspect of the present invention, in addition to the above configuration, the code reading unit is configured to decode the optical read code based on the light receiving signal from the light receiving unit. With such a configuration, the configuration of the device can be simplified as compared with the case where the light receiving unit for reading the optical reading code from the calibration tool is provided separately from the measurement light receiving unit.
本発明の第6の態様による三次元測定装置は、上記構成に加え、前記コード読取手段が、前記投光部から均一な測定光が前記校正具に照射された際の前記受光信号に基づいて、前記光学読取コードをデコードするように構成される。この様な構成によれば、校正具から光学読取コードを読み取るための投光部を測定用の投光部とは別個に設ける場合に比べ、装置の構成を簡素化することができる。 In the three-dimensional measuring apparatus according to the sixth aspect of the present invention, in addition to the above configuration, the code reading unit is based on the received light signal when the measuring tool is irradiated with uniform measuring light from the light projecting unit. , Configured to decode the optical read code. With such a configuration, the configuration of the device can be simplified as compared with the case where the light projecting unit for reading the optical reading code from the calibration tool is provided separately from the light projecting unit for measurement.
本発明の第7の態様による三次元測定装置は、上記構成に加え、外乱光が測定領域に進入するのを遮断する遮光手段を更に備える。この様な構成によれば、測定精度が外乱光の影響によって低下するのを防止することができる。 The three-dimensional measuring apparatus according to the seventh aspect of the present invention further includes, in addition to the above configuration, a light blocking unit that blocks ambient light from entering the measurement region. With such a configuration, it is possible to prevent the measurement accuracy from decreasing due to the influence of ambient light.
本発明の第8の態様による三次元測定装置は、上記構成に加え、前記測定対象物が載置される載置面を有するステージと、上下方向の回転軸を中心として前記ステージを回転可能に保持するステージ保持部と、前記投光部及び前記受光部の光軸が前記回転軸に対して傾斜する状態で、前記ヘッド部と前記ステージ保持部とを固定的に連結する連結部と、前記ステージを回転させることにより、撮像アングルを切り替える回転駆動手段と、前記撮像アングルが互いに異なる複数の前記点群データを合成し、合成点群データを生成する点群合成手段とを更に備える。 The three-dimensional measuring apparatus according to an eighth aspect of the present invention, in addition to the above configuration, allows a stage having a placement surface on which the measurement object is placed and the stage to be rotatable about a vertical rotation axis. A stage holding part for holding, a connecting part for fixedly connecting the head part and the stage holding part in a state where the optical axes of the light projecting part and the light receiving part are inclined with respect to the rotation axis, Rotation driving means for switching the imaging angle by rotating the stage, and point cloud synthesizing means for synthesizing the plurality of point cloud data having different imaging angles and generating synthetic point cloud data are further provided.
この様な構成によれば、投光部及び受光部の光軸がステージの回転軸に対して傾斜する状態でヘッド部とステージ保持部とが固定的に連結されるため、ステージを回転させて撮像アングルを切り替えることにより、測定対象物の側面や背面を撮影することができる。また、撮像アングルが異なる複数の点群データを合成することにより、より死角の少ない合成点群データを取得することができる。 With such a configuration, the head unit and the stage holding unit are fixedly connected in a state in which the optical axes of the light projecting unit and the light receiving unit are inclined with respect to the rotation axis of the stage, so that the stage is rotated. By switching the imaging angle, it is possible to photograph the side surface or the back surface of the measurement target. Further, by combining a plurality of point cloud data having different imaging angles, it is possible to obtain combined point cloud data with a smaller blind spot.
本発明の第9の態様による三次元測定装置は、上記構成に加え、前記校正具が、平板状であり、前記ステージが、前記回転軸に対して前記載置面を傾斜させる姿勢調整手段を有するように構成される。この様な構成によれば、校正具をステージの載置面に載置することにより、校正具を受光部に正対させることができる。 In the three-dimensional measuring apparatus according to the ninth aspect of the present invention, in addition to the above configuration, the calibration tool has a flat plate shape, and the stage includes attitude adjusting means for inclining the mounting surface with respect to the rotation axis. Configured to have. According to such a configuration, by mounting the calibration tool on the mounting surface of the stage, the calibration tool can be directly opposed to the light receiving section.
本発明の第10の態様による三次元測定装置は、上記構成に加え、前記撮像アングルが互いに異なる複数の前記点群データに基づいて、前記校正具の反りを検出する反り検出手段を備え、前記校正手段が、前記反りの検出結果を用いて、前記複数の特徴マークについて算出された複数の寸法値を補正するように構成される。この様な構成によれば、校正具の反りによる寸法誤差を補正するため、校正精度を向上させることができる。 The three-dimensional measuring apparatus according to a tenth aspect of the present invention includes, in addition to the above configuration, a warp detection unit that detects a warp of the calibration tool based on the plurality of point group data having different imaging angles, The calibrating unit is configured to correct the plurality of dimension values calculated for the plurality of characteristic marks using the warpage detection result. According to such a configuration, the dimensional error due to the warp of the calibration tool is corrected, so that the calibration accuracy can be improved.
本発明によれば、校正具の製造ばらつきに影響されることなく、光学パラメータの校正を行うことができる。特に、校正用の寸法値の取り違えや紛失を防止することができる校正具の製造方法を提供することができる。また、校正具から光学読取コードを読み取って校正用の寸法値を取得することができる三次元測定装置を提供することができる。 According to the present invention, optical parameters can be calibrated without being affected by manufacturing variations of calibrators. In particular, it is possible to provide a method for manufacturing a calibrating tool that can prevent dimensional values for calibration from being mixed up or lost. Further, it is possible to provide a three-dimensional measuring device capable of reading the optical reading code from the calibration tool and acquiring the dimension value for calibration.
まず、本発明による三次元測定装置の概略構成について、図1〜図6を用いて以下に説明する。 First, the schematic configuration of the three-dimensional measuring apparatus according to the present invention will be described below with reference to FIGS.
<三次元測定装置1>
図1は、本発明の実施の形態による三次元測定装置1の一構成例を示したシステム図である。この三次元測定装置1は、測定対象物Wの形状を光学的に測定する測定器であり、測定部2、コントローラ4及び情報処理端末5により構成される。
<3D measuring device 1>
FIG. 1 is a system diagram showing a configuration example of a three-dimensional measuring apparatus 1 according to an embodiment of the present invention. The three-dimensional measuring device 1 is a measuring device that optically measures the shape of the measuring object W, and includes a measuring unit 2, a controller 4, and an information processing terminal 5.
<測定部2>
測定部2は、ステージ21上の測定対象物Wに可視光からなる測定光を照射し、測定対象物Wにより反射された測定光を受光して撮影画像を生成する計測ユニットであり、ヘッド部20、ステージ21、ステージ保持部22、回転駆動部23及び制御基板27により構成される。
<Measurement unit 2>
The measurement unit 2 is a measurement unit that irradiates the measurement object W on the
ヘッド部20は、測定対象物Wにパターンを有する測定光を照射する投光部24と、測定対象物Wにより反射された測定光を受光して受光量を表す受光信号を生成する受光部25と、テクスチャ照明出射部26とにより構成される。
The
ステージ21は、測定対象物Wが載置される載置面を有する作業台である。このステージ21は、円板状のステージプレート211と、ステージプレート211を支持するステージベース212とにより構成される。
The
ステージプレート211は、中央付近で折り曲げて固定することができ、測定対象物Wを受光部25に正対させるための傾斜台として機能させることができる。ステージ保持部22は、ステージ21上の測定対象物Wに対する撮像アングルを調整するために、ステージ21を回転可能に保持する。回転駆動部23は、ステージ21を回転させることにより、撮像アングルを切り替える。
The
受光部25は、ステージ21上の測定対象物Wを撮影する固定倍率のカメラであり、受光レンズ251及び撮像素子252により構成される。撮像素子252は、受光レンズ251を介して測定対象物Wからの測定光を受光して受光量を表す受光信号を生成する多数の受光素子からなり、受光信号から撮影画像が生成される。撮像素子252には、例えば、CCD(Charge Coupled Devices:電荷結合素子)、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor:相補型金属酸化物半導体)などのイメージセンサが用いられる。この撮像素子252は、例えば、モノクロイメージセンサである。
The
投光部24は、ステージ21上の測定対象物Wに測定光を照射する照明装置であり、投光用光源241、コレクタレンズ242、パターン生成ユニット243及び投光レンズ244により構成される。投光用光源241には、例えば、単色の光を生成するLED(発光ダイオード)又はハロゲンランプが用いられる。色収差補正等が容易であることから、白色光源を用いる場合に比べ、単色の投光用光源241を用いる方が有利である。また、波長は短い方が形状測定の解像度を上げるのに有利であることから、青色の光源、例えば、青色LEDを投光用光源241として用いることが好ましい。ただし、撮像素子252が良好なS/Nで受光することができる波長が選択される。
The
なお、単色の投光用光源241を使用する場合、撮像素子252がカラーイメージセンサであれば、RGの受光素子が利用できないため、Bの受光素子のみの利用となり、利用できる画素数が減ることになる。従って、画素サイズや画素数をそろえた場合、撮像素子252には、モノクロイメージセンサを用いる方が有利である。
When the
投光用光源241から出射された光は、コレクタレンズ242を介してパターン生成ユニット243に入射する。そして、パターン生成ユニット243から出射された測定光は、投光レンズ244を介してステージ21上の測定対象物Wに照射される。
The light emitted from the light projecting
パターン生成ユニット243は、構造化照明用のパターン光を生成するための装置であり、均一な測定光と、二次元パターンからなる測定光とを切り替えることができる。パターン生成ユニット243には、例えば、DMD(Digital Micromirror Device)又は液晶パネルが用いられる。DMDは、多数の微小なミラーが2次元状に整列配置され、各ミラーの傾きを制御することにより、画素ごとに明状態と暗状態とを切り替えることができる表示素子である。
The
三角測距の原理を利用して測定対象物Wの立体形状を測定するための構造化照明法には、正弦波位相シフト法、マルチスリット法、空間コード法等がある。正弦波位相シフト法は、測定対象物Wに正弦波状の縞パターンを投影し、正弦波の周期よりも短いピッチで縞パターンを移動させるごとに撮影画像を取得する照明法である。各撮影画像の輝度値から各画素における位相値を求めて高さ情報に変換することにより、三次元形状データが求められる。 The structured illumination method for measuring the three-dimensional shape of the measuring object W using the principle of triangulation includes a sinusoidal phase shift method, a multi-slit method, a spatial code method, and the like. The sine wave phase shift method is an illumination method in which a sine wave-shaped stripe pattern is projected on the measurement target W and a captured image is acquired every time the stripe pattern is moved at a pitch shorter than the cycle of the sine wave. The three-dimensional shape data is obtained by obtaining the phase value at each pixel from the brightness value of each captured image and converting it into height information.
マルチスリット法は、測定対象物Wに細線状の縞パターンを投影し、縞と縞との間隔よりも狭いピッチで縞パターンを移動させるごとに撮影画像を取得する照明法である。各撮影画像の輝度値から各画素における最大輝度の撮影タイミングを求めて高さ情報に変換することにより、三次元形状データが求められる。 The multi-slit method is an illumination method in which a thin line-shaped stripe pattern is projected on the measuring object W and a captured image is acquired each time the stripe pattern is moved at a pitch narrower than the interval between stripes. The three-dimensional shape data is obtained by obtaining the photographing timing of the maximum luminance in each pixel from the luminance value of each photographed image and converting it into height information.
空間コード法は、測定対象物Wに対し、白黒のデューティ比が50%であり、縞パターンの幅が異なる複数の縞パターンを順次に投影し、撮影画像を取得する照明法である。各撮影画像の輝度値から各画素におけるコード値を求めて高さ情報に変換することにより、三次元形状データが求められる。 The space code method is an illumination method in which a plurality of striped patterns having a black-and-white duty ratio of 50% and different striped pattern widths are sequentially projected onto a measurement target W to acquire a captured image. The three-dimensional shape data is obtained by obtaining the code value in each pixel from the brightness value of each captured image and converting the code value into height information.
パターン生成ユニット243では、上述した縞パターンを二次元パターンとして生成することができる。この三次元測定装置1では、マルチスリット法と空間コード法とを組み合わせることにより、高分解能かつ高精度に三次元形状データが取得される。
The
また、この三次元測定装置1では、受光部25を挟んで2つの投光部24が左右対称に配置されている。各投光部24の投光軸J2及びJ3は、三角測距の原理を利用するために、受光部25の受光軸J1に対して傾斜している。この投光部24では、投光用光源241、コレクタレンズ242及びパターン生成ユニット243の光軸に対し、投光レンズ244を受光軸J1側にオフセットさせることにより、投光軸J2及びJ3を傾斜させている。この様な構成を採用することにより、投光部24全体を傾斜させる場合に比べ、測定部2を小型化することができる。
In addition, in the three-dimensional measuring apparatus 1, the two light projecting
テクスチャ照明出射部26は、測定対象物Wの色や模様を表面テクスチャ情報として検知するための可視光からなる均一な照明光をステージ21上の測定対象物Wに向けて出射する。このテクスチャ照明出射部26は、投光軸が受光部25の受光軸J1と略平行であり、受光部25の受光レンズ251を取り囲むように配置される。このため、投光部24からの照明と比べて測定対象物W上での影ができにくく、撮影時の死角が少なくなる。
The texture
制御基板27は、回転駆動部23を制御する制御回路、投光部24の投光用光源241及びパターン生成ユニット243を駆動する駆動回路、受光部25の撮像素子252からの受光信号を処理する処理回路等が設けられた回路基板である。
The
<コントローラ4>
コントローラ4は、測定部2用の制御装置であり、テクスチャ照明用の照明光を生成するテクスチャ光源41と、テクスチャ光源41用の駆動回路等が設けられた制御基板42と、測定部2内の各デバイスに電力を供給する電源43とにより構成される。テクスチャ光源41は、撮影画像からカラーのテクスチャ画像が得られるようにするために、例えば、R(赤)、G(緑)、B(青)の各色の照明光を順次に点灯する。撮像素子252がモノクロイメージセンサであることから、テクスチャ光源41に白色光源を用いてテクスチャ情報を取得する場合、カラー情報を取得することができない。このため、テクスチャ光源41ではRGBを切り替えて照明している。
<Controller 4>
The controller 4 is a control device for the measurement unit 2, and includes a
なお、モノクロのテクスチャ画像で十分な場合は、テクスチャ光源41に白色光源、例えば、白色LEDを用い、或いは、RGBの単色光を同時に照射する光源を用いても良い。また、測定精度の低下をある程度許容する場合には、撮像素子252にカラーイメージセンサを用いても良い。照明光は、ライトガイド3を介して測定部2のテクスチャ照明出射部26に伝送される。制御基板42及び電源43は、測定部2の制御基板27に接続されている。
If a monochrome texture image is sufficient, a white light source such as a white LED may be used as the
<情報処理端末5>
情報処理端末5は、測定部2を制御し、撮影画像の画面表示、寸法測定のための設定情報の登録、三次元形状データの生成、測定対象物Wの寸法算出等を行う端末装置であり、表示部51、キーボード52及びマウス53が接続されている。表示部51は、撮影画像や設定情報を画面に表示するモニタ装置である。キーボード52及びマウス53は、ユーザが操作入力を行う入力装置である。この情報処理端末は、例えば、パーソナルコンピュータであり、測定部2の制御基板27に接続されている。
<Information processing terminal 5>
The information processing terminal 5 is a terminal device that controls the measuring unit 2 and performs screen display of a captured image, registration of setting information for dimension measurement, generation of three-dimensional shape data, dimension calculation of the measurement object W, and the like. A
図2は、図1の測定部2の一構成例を模式的に示した説明図である。この測定部2は、撮影倍率が互いに異なる2つの撮像部25a及び25bを備えるヘッド部20と、上下方向の回転軸J4を中心としてステージ21を回転可能に保持するステージ保持部22と、ヘッド部20及びステージ保持部22を連結する連結部28とにより構成される。
FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing a configuration example of the measuring unit 2 in FIG. The measuring unit 2 includes a
連結部28は、投光部24の投光軸J2及びJ3と、撮像部25a及び25bの受光軸J11及びJ12とが回転軸J4に対して傾斜する状態で、ヘッド部20とステージ保持部22とを固定的に連結する。このため、ステージ21と撮像部25a及び25bとの相対的な位置関係が一定であり、ステージ21の回転角が互いに異なる複数の撮像アングルについて、点群データの連結合成が容易である。
The connecting
撮像部25aは、低倍率の受光部25である。撮像部25bは、撮像部25aよりも高倍率の受光部25である。撮像部25a及び25bは、測定対象物全体の三次元形状データが得られるようにするために、いずれもステージ21の回転軸J4に対して受光軸J11及びJ12が傾斜するように配置されている。
The
例えば、回転軸J4に対する受光軸J11及びJ12の傾斜角は、45°程度である。また、撮像部25bは、焦点位置FPがステージ21の回転軸J4上において撮像部25aの焦点位置FPよりも下側となるように、撮像部25aの下方に配置され、受光軸J12は、受光軸J11と略平行である。
For example, the inclination angle of the light receiving axes J11 and J12 with respect to the rotation axis J4 is about 45°. Further, the
この様な構成を採用することにより、撮像部25aの測定可能領域R1と撮像部25bの測定可能領域R2とをステージ21上に適切に形成することができる。測定可能領域R1及びR2は、いずれもステージ21の回転軸J4を中心とする円柱状の領域であり、測定可能領域R2は、測定可能領域R1内に形成される。
By adopting such a configuration, the measurable region R1 of the
図3のステップS101〜S113は、三次元測定装置1における寸法測定時の動作の一例を示したフローチャートである。まず、三次元測定装置1は、ステージ21上に載置された測定対象物Wを受光部25により撮影して撮影画像を表示部51に表示し、投光照明の明るさ調整を行う(ステップS101)。この明るさ調整は、投光部24から均一な測定光を照射し、或いは、パターン光からなる測定光を照射して行われる。
Steps S<b>101 to S<b>113 of FIG. 3 are a flowchart showing an example of the operation of the coordinate measuring apparatus 1 at the time of dimension measurement. First, the coordinate measuring apparatus 1 photographs the measuring object W placed on the
次に、三次元測定装置1は、テクスチャ照明に切り替えて撮影画像を取得し、表示部51に表示してテクスチャ照明の明るさ調整を行う(ステップS102)。この明るさ調整は、テクスチャ照明出射部26からR(赤)、G(緑)、B(青)の各色の照明光を順次に照射し、或いは、同時に照射して行われる。ステップS101とステップS102とは、順序を入れ替えても良い。
Next, the three-dimensional measuring apparatus 1 switches to texture illumination, acquires a captured image, displays it on the
三次元測定装置1は、照明条件が確定されるまで、ステップS101及びS102の処理手順を繰り返し、照明条件の確定後、ユーザにより測定開始が指示されれば(ステップS103)、投光部24からパターン光を投影し(ステップS104)、パターン画像を取得する(ステップS105)。このパターン画像は、ステージ21上の測定対象物Wが撮影された撮影画像である。パターン光の投影及び撮影画像の取得は、パターン生成ユニット243と受光部25とを同期させて行われる。
The three-dimensional measuring apparatus 1 repeats the processing procedure of steps S101 and S102 until the illumination condition is determined, and after the illumination condition is determined, if the user instructs to start the measurement (step S103), the
次に、三次元測定装置1は、テクスチャ照明に切り替えてテクスチャ画像を取得する(ステップS106,S107)。このテクスチャ画像は、R(赤)、G(緑)、B(青)の各色の照明光を順次に照射させて取得された複数の撮影画像を合成することによって得られる。連結測定時には、ステージ21を予め指定された複数の撮像アングルに順次に切り替えながら、ステップS104からステップS107までの処理手順が繰り返される(ステップS108)。
Next, the coordinate measuring apparatus 1 switches to texture illumination and acquires a texture image (steps S106 and S107). This texture image is obtained by sequentially irradiating R (red), G (green), and B (blue) illumination lights of respective colors to synthesize a plurality of captured images. At the time of connection measurement, the processing procedure from step S104 to step S107 is repeated while sequentially switching the
次に、三次元測定装置1は、ステップS105において取得されたパターン画像を所定の計測アルゴリズムにより解析し、三次元形状データを生成する(ステップS109)。この三次元形状データの生成ステップでは、撮像アングルが異なる複数の撮影画像から求めた三次元形状データが必要に応じて合成される。そして、三次元測定装置1は、生成された三次元形状データにテクスチャ画像をマッピングし(ステップS110)、測定対象物Wの立体形状として表示部51に表示する(ステップS111)。
Next, the three-dimensional measuring apparatus 1 analyzes the pattern image acquired in step S105 by a predetermined measurement algorithm to generate three-dimensional shape data (step S109). In the step of generating the three-dimensional shape data, the three-dimensional shape data obtained from a plurality of photographed images having different image pickup angles are combined as necessary. Then, the three-dimensional measuring apparatus 1 maps the texture image on the generated three-dimensional shape data (step S110) and displays it on the
三次元測定装置1は、所望の測定箇所について、三次元形状データが得られるまで、撮像アングルや撮影条件等を変更しながらステップS101からステップS111までの処理手順を繰り返し(ステップS112)、所望のデータが得られ、ユーザによりデータ解析が指示されれば、寸法測定用のアプリケーションプログラムにより、三次元形状データのデータ解析を行い、測定対象物Wの寸法を算出する(ステップS113)。 The three-dimensional measuring apparatus 1 repeats the processing procedure from step S101 to step S111 while changing the imaging angle, the shooting condition, and the like until the three-dimensional shape data is obtained for the desired measurement location (step S112), and the desired measurement location is obtained. When the data is obtained and the user instructs the data analysis, the dimension measurement application program analyzes the data of the three-dimensional shape data and calculates the dimension of the measurement object W (step S113).
図4のステップS201〜S211は、図3のステップS101(投光照明の明るさ調整)について、詳細動作の一例を示したフローチャートであり、三次元測定装置1の動作が示されている。まず、三次元測定装置1は、左側の投光部24を点灯し(ステップS201)、ユーザによる明るさの調整を受け付ける(ステップS202)。 Steps S201 to S211 in FIG. 4 are flowcharts showing an example of detailed operation regarding step S101 (brightness adjustment of the floodlight) in FIG. 3, and the operation of the coordinate measuring apparatus 1 is shown. First, the three-dimensional measuring apparatus 1 turns on the left light projecting unit 24 (step S201), and receives the brightness adjustment by the user (step S202).
次に、三次元測定装置1は、ユーザによる撮影倍率の選択を受け付け、撮影倍率が変更されれば、対応する撮像部25a又は25bに切り替える(ステップS203)。このとき、三次元測定装置1は、所望の測定箇所に照明が当たっていなければ、ユーザ操作に基づいてステージ21を回転させることにより、測定対象物Wの位置及び姿勢の調整を行う(ステップS204,S205)。位置及び姿勢の調整は、左右の投光部24を同時に点灯させて行っても良い。
Next, the coordinate measuring apparatus 1 receives the selection of the photographing magnification by the user, and if the photographing magnification is changed, switches to the corresponding
そして、三次元測定装置1は、測定箇所の明るさが適切でなければ、ユーザによる明るさの調整を再度受け付ける(ステップS206,S207)。三次元測定装置1は、ユーザにより設定終了が指示されるまで、ステップS203からステップS207までの処理手順を繰り返す(ステップS208)。 Then, the three-dimensional measuring apparatus 1 accepts the brightness adjustment by the user again if the brightness of the measurement location is not appropriate (steps S206 and S207). The three-dimensional measuring apparatus 1 repeats the processing procedure from step S203 to step S207 until the user instructs to end the setting (step S208).
次に、三次元測定装置1は、ユーザにより設定終了が指示されれば、ユーザにより指定された照明条件を設定情報として登録し、右側の投光部24に切り替えて(ステップS209)、ユーザによる明るさの調整を受け付ける(ステップS210)。三次元測定装置1は、ユーザにより設定終了が指示されるまで、ステップS210の処理手順を繰り返し、ユーザにより設定終了が指示されれば、ユーザにより指定された照明条件を設定情報として登録し、この処理を終了する(ステップS211)。
Next, when the user gives an instruction to end the setting, the three-dimensional measuring apparatus 1 registers the illumination condition designated by the user as the setting information, and switches to the
図5のステップS301〜S313は、図3のステップS102(テクスチャ照明の明るさ調整)について、詳細動作の一例を示したフローチャートであり、三次元測定装置1の動作が示されている。まず、三次元測定装置1は、テクスチャ照明を点灯し(ステップS301)、ユーザによる明るさの調整を受け付ける(ステップS302)。三次元測定装置1は、測定箇所の明るさが適切でなければ(ステップS303)、ステップS302の処理手順を繰り返し、ユーザによる明るさの調整を再度受け付ける。 Steps S301 to S313 in FIG. 5 are flowcharts showing an example of detailed operation regarding step S102 (brightness adjustment of texture illumination) in FIG. 3, and the operation of the coordinate measuring apparatus 1 is shown. First, the three-dimensional measuring apparatus 1 turns on the texture illumination (step S301) and receives the brightness adjustment by the user (step S302). If the brightness of the measurement location is not appropriate (step S303), the three-dimensional measuring apparatus 1 repeats the processing procedure of step S302 and accepts the brightness adjustment by the user again.
次に、三次元測定装置1は、ユーザによるテクスチャ画像の画質の選択を受け付け(ステップS304)、通常画質が選択されれば、通常画質を指定し、ユーザにより指定された照明条件及び撮影条件を設定情報として登録し、この処理を終了する(ステップS313)。 Next, the coordinate measuring apparatus 1 accepts the selection of the image quality of the texture image by the user (step S304), and if the normal image quality is selected, the normal image quality is designated, and the illumination condition and the shooting condition designated by the user are set. It is registered as setting information, and this processing ends (step S313).
一方、三次元測定装置1は、ユーザによりフルフォーカス画質が選択されれば、フルフォーカス画質を指定する(ステップS305,S306)。フルフォーカス画質は、深度合成処理により得られる画質であり、焦点位置を異ならせながら取得された複数の撮影画像を合成することにより、画像全体においてピントの合った画像が得られる。 On the other hand, if the user selects the full focus image quality, the coordinate measuring apparatus 1 specifies the full focus image quality (steps S305 and S306). The full-focus image quality is an image quality obtained by depth combination processing, and by combining a plurality of captured images acquired while changing the focal position, an image in focus on the entire image can be obtained.
そして、三次元測定装置1は、ユーザによりHDR(ハイダイナミックレンジ)画質が選択されれば、HDR画質を指定する(ステップS307,S308)。HDR画質は、露光時間を異ならせながら取得された複数の撮影画像を合成することにより、ダイナミックレンジの広い画像が得られる。 Then, the three-dimensional measuring apparatus 1 specifies the HDR image quality if the user selects the HDR (high dynamic range) image quality (steps S307 and S308). With regard to HDR image quality, an image with a wide dynamic range can be obtained by synthesizing a plurality of captured images acquired with different exposure times.
次に、三次元測定装置1は、ユーザによりテクスチャ画像の確認が指示されれば(ステップS309)、ユーザにより指定された照明条件及び撮影条件に基づいて、撮影画像を取得し(ステップS310)、テクスチャ画像を作成して表示部51に表示する(ステップS311)。 Next, when the user gives an instruction to confirm the texture image (step S309), the three-dimensional measuring apparatus 1 acquires a captured image based on the illumination condition and the capturing condition specified by the user (step S310), A texture image is created and displayed on the display unit 51 (step S311).
三次元測定装置1は、ユーザにより設定終了が指示されるまで、ステップS305からステップS311までの処理手順を繰り返し、ユーザにより設定終了が指示されれば、ユーザにより指定された照明条件及び撮影条件を設定情報として登録し、この処理を終了する(ステップS312)。 The three-dimensional measuring apparatus 1 repeats the processing procedure from step S305 to step S311 until the user instructs the end of the setting, and when the user instructs the end of the setting, the lighting condition and the photographing condition designated by the user are set. It is registered as the setting information, and this process ends (step S312).
図6のステップS401〜S413は、図3のステップS113(データ解析)について、詳細動作の一例を示したフローチャートであり、三次元測定装置1の動作が示されている。まず、三次元測定装置1は、ユーザ操作に基づいて、三次元形状データを所定のデータ形式で読み込み、測定対象物Wの立体形状を表示部51に表示する(ステップS401,S402)。 Steps S401 to S413 in FIG. 6 are flowcharts showing an example of detailed operation regarding step S113 (data analysis) in FIG. 3, and the operation of the coordinate measuring apparatus 1 is shown. First, the three-dimensional measuring apparatus 1 reads three-dimensional shape data in a predetermined data format based on a user operation, and displays the three-dimensional shape of the measurement object W on the display unit 51 (steps S401 and S402).
次に、三次元測定装置1は、ノイズの除去、穴埋め、不要データの削除等の前処理を行い(ステップS403)、ユーザによる表示倍率及び姿勢の調整を受け付ける(ステップS404)。 Next, the three-dimensional measuring apparatus 1 performs preprocessing such as noise removal, hole filling, and unnecessary data deletion (step S403), and accepts the user's adjustment of the display magnification and posture (step S404).
次に、三次元測定装置1は、表示中の立体形状上において、測定箇所の幾何要素を抽出するための点群の指定を受け付ける(ステップS405)。そして、三次元測定装置1は、幾何要素について、形状種別の指定を受け付ける(ステップS406)。形状種別には、点、線、円、面、球、円筒、円錐等がある。ステップS405とステップS406とは、順序を入れ替えても良い。 Next, the three-dimensional measuring apparatus 1 accepts designation of a point group for extracting geometrical elements at measurement points on the three-dimensional shape being displayed (step S405). Then, the coordinate measuring apparatus 1 receives the designation of the shape type of the geometric element (step S406). Shape types include points, lines, circles, surfaces, spheres, cylinders, cones, and the like. The order of step S405 and step S406 may be exchanged.
三次元測定装置1は、全ての幾何要素について、点群及び形状種別の指定が完了するまで、ステップS405及びS406の処理手順を繰り返し(ステップS407)、点群及び形状種別の指定が完了すれば、ユーザによる幾何要素の選択を受け付ける(ステップS408)。そして、三次元測定装置1は、選択された幾何要素について、寸法種別の選択を受け付ける(ステップS409)。寸法種別には、距離、角度、幾何公差、直径等がある。ステップS408とステップS409とは、順序を入れ替えても良い。 The three-dimensional measuring apparatus 1 repeats the processing procedure of steps S405 and S406 until designation of the point cloud and shape type is completed for all geometric elements (step S407), and when designation of the point cloud and shape type is completed. , The selection of the geometric element by the user is accepted (step S408). Then, the coordinate measuring apparatus 1 receives the selection of the dimension type for the selected geometric element (step S409). The dimension types include distance, angle, geometrical tolerance, diameter, and the like. The order of steps S408 and S409 may be interchanged.
次に、三次元測定装置1は、選択された幾何要素について、点群に基本形状をフィッティングさせることによって幾何要素を特定し、幾何要素間の寸法値を算出する(ステップS410)。次に、三次元測定装置1は、寸法値を測定対象物Wの立体形状上の測定箇所に対応づけて表示する(ステップS411)。三次元測定装置1は、所望の測定箇所が他にもあれば、ステップS408からステップS411までの処理手順を繰り返し(ステップS412)、所望の測定箇所が他になければ、測定結果を出力してこの処理を終了する(ステップS413)。 Next, the three-dimensional measuring apparatus 1 specifies the geometric element by fitting the basic shape to the point group for the selected geometric element, and calculates the dimension value between the geometric elements (step S410). Next, the three-dimensional measuring apparatus 1 displays the dimension values in association with the measurement points on the three-dimensional shape of the measurement object W (step S411). If there are other desired measurement points, the three-dimensional measuring apparatus 1 repeats the processing procedure from step S408 to step S411 (step S412). If there are no other desired measurement points, the measurement result is output. This process ends (step S413).
次に、本発明による三次元測定装置1のさらに詳細な構成について、図7〜図18を用いて以下に説明する。 Next, a more detailed configuration of the three-dimensional measuring apparatus 1 according to the present invention will be described below with reference to FIGS.
図7は、図1の測定部2に設けられた遮光カバー61及び62と、載置面213を傾けることができるステージプレート211とを示した図である。図中には、測定部2の右側面が示されている。
FIG. 7 is a diagram showing the light-shielding covers 61 and 62 provided in the measurement unit 2 of FIG. 1 and the
ステージプレート211は、中央付近で屈曲させることにより、載置面213を回転軸J4に対して傾斜させることができる。また、載置面213を傾斜させた状態で、ステージプレート211をステージベース212に対して固定することができ、測定対象物Wの姿勢を調整することができる。
By bending the
例えば、ステージプレート211は、載置面213を水平面に対して傾斜角θ1=45°程度傾けた状態で固定することができる。受光部25の受光軸J1は、回転軸J4に対して傾斜角θ2=45°程度傾斜している。このため、ステージプレート211上で測定対象物Wが受光部25に正対している状態からステージ21を回転させて撮像アングルを切り替えれば、測定対象物Wの側面を撮像することができる。
For example, the
遮光カバー61は、測定領域の上面を覆うための樹脂製のシェード部材であり、ステージ21に対向するように配置される。この遮光カバー61は、連結部28に対し、着脱可能に装着されている。遮光カバー62は、測定領域の側面を覆うための布製のシェード部材であり、遮光カバー61の外縁に沿って配置される。この遮光カバー62は、遮光カバー61に対し、着脱可能に装着され、蛇腹状に折り畳んで収納することができる。
The
遮光カバー62を下方に展開させることにより、ステージ21上の測定領域の上面、左右の側面及び前面が遮光カバー61及び62によって覆われ、外乱光が測定領域に進入するのを防止することができる。
By unfolding the light-shielding
<校正具7>
図8は、校正具7の一構成例を示した平面図である。図中には、校正具7の前面が示されている。図9は、図8の校正具7をA−A切断線により切断した場合の切断面を示した断面図である。図10は、図9のシリコン基板70の一部を拡大して示した断面図である。
<
FIG. 8 is a plan view showing a configuration example of the
校正具7は、三次元測定装置1の光学パラメータを校正するための検査装置であり、測定用の平面が前面に設けられ、前記平面上に複数の特徴マーク8が形成される。この校正具7は、円板状であり、シリコン基板70、基板ホルダ71、光学読取コード72,73、緩衝材75及びベース部材76により構成される。
The
シリコン基板70は、平面度が高い平面を形成するための基材であり、シリコンウエハからなる。このシリコン基板70は、略円形の平板であり、一方の主面に多数の特徴マーク8が形成されている。シリコン基板70の直径は、受光部25の視野をカバーできるサイズ、例えば、300mm程度である。なお、シリコンウエハ以外の半導体ウエハを校正具7の基材に用いてもよい。また、表面を研磨することによって数μm以下の平面度を達成することができれば、ガラス、セラミック、金属を校正具7の基材に用いてもよい。
The
特徴マーク8は、印刷によりシリコン基板70上に形成される校正用の読取オブジェクトである。特徴マーク8は、例えば、サイズが異なるドットからなる。この特徴マーク8は、黒色の下地層9上に白色のドットが形成されている。下地層9は、シリコン基板70の主面全体にべた塗りされたインク膜である。各ドットは、円形状であり、格子状に配置されている。このドットは、下地層9に重畳させて形成されたインク膜からなる。特徴マーク8及び下地層9は、インク膜の厚さを正確に制御することができる高精度印刷により形成される。例えば、インク膜の厚さは、1μm程度である。
The
シリコン基板70は、緩衝材75を介してベース部材76に固定される。ベース部材76は、例えば、円板状の金属プレートからなる。緩衝材75は、振動や衝撃が伝わらないようにシリコン基板70を支持する支持部材であり、例えば、スポンジ状の樹脂からなる。シリコン基板70は、背面の周縁部が接着剤を用いて緩衝材75に接着されている。
The
基板ホルダ71は、緩衝材75及びベース部材76を介してシリコン基板70を保持するための保持部材である。この基板ホルダ71は、円環状の樹脂部材からなり、内周縁部がシリコン基板70の前面の周縁部と対向し、外周縁部がベース部材76の周縁部に固定されている。基板ホルダ71は、ベース部材76にねじ止めされている。
The
基板ホルダ71の内周縁部とシリコン基板70との間には、間隙が設けられており、基板ホルダ71からシリコン基板70に応力が付加されるのを防止し、シリコン基板70に反りが生じるのを抑制することができる。
A gap is provided between the inner peripheral edge of the
光学読取コード72及び73は、校正情報を符号化して得られる光学読取可能なオブジェクトである。校正情報は、シリコン基板70上の複数の特徴マーク8について測定された複数の寸法値からなる。寸法値には、例えば、各特徴マーク8のサイズと、シリコン基板70の主面内における中心点の位置座標と、主面からの高さとが含まれる。
The
この光学読取コード72及び73は、QRコードやデータマトリクスコード等の2次元コードであり、校正具7の周縁部、すなわち、基板ホルダ71に配置されている。光学読取コード72及び73を校正具7の中央部に配置する場合に比べ、校正精度の低下を抑制することができる。
The
具体的には、光学読取コード72及び73を印刷したシート状の部材が基板ホルダ71の前面に貼付される。つまり、光学読取コード72及び73は、特徴マーク8と同じ面に配置される。また、シート状の部材には、汚れや傷が付くのを防止するために、ラミネートフィルム等の透明な保護シートが貼付される。
Specifically, a sheet-shaped member on which the
この校正具7では、校正情報が4つに分割され、サイズが異なる光学読取コード72及び73に変換されている。2つの光学読取コード73は、いずれもサイズが光学読取コード72よりも大きく、係合部74を挟むように係合部74の近傍に配置されている。2つの光学読取コード72は、係合部74に対し、光学読取コード73よりも遠い位置にそれぞれ配置されている。なお、光学読取コード72及び73は、バーコード等の1次元コードであってもよい。
In the
係合部74は、校正具7を測定部2のステージ21に対して位置決めするための突出部であり、基板ホルダ71に設けられている。この係合部74は、基板ホルダ71の外縁の一部を外側に向かって突出させた形状からなり、後述するステージプレート211の凸部と係合する。
The
図11のステップS501〜S504は、校正具7の製造工程の一例を示したフローチャートである。まず、校正具7に設けられた測定用の平面上に複数の特徴マーク8が印刷により形成される(ステップS501)。このステップS501では、円板状のシリコン基板70上に黒色の下地層9を形成した後、大小のドットからなるドットパターンが下地層9上に形成される。
Steps S501 to S504 of FIG. 11 are a flowchart showing an example of the manufacturing process of the
次に、校正具7上の複数の特徴マーク8について寸法測定を行い、複数の寸法値からなる校正情報が生成される(ステップS502)。寸法測定は、ドットパターンの印刷精度よりも高い精度の測定器、例えば、画像測定器を用いて行われる。次に、校正情報を光学読取コード72及び73に変換した後(ステップS503)、校正具7に光学読取コード72及び73が配置される(ステップS504)。光学読取コード72及び73は、特徴マーク8の形成領域よりも外側に配置される。
Next, the dimension measurement is performed on the plurality of
この様な構成を採用することにより、校正具7に複数の特徴マーク8を形成した後にこれらの特徴マーク8について寸法測定を行い、校正情報を生成するため、校正具7の製造ばらつきに影響されることなく、光学パラメータの校正を行うことができる。また、校正情報を光学読取コード72及び73に変換して校正具7に配置するため、校正用の寸法値の取り違えや紛失を防止することができる。
By adopting such a configuration, since a plurality of
また、校正具7の製造時における印刷誤差の影響を受けることなく、光学パラメータの校正を行うことができる。また、各特徴マーク8の高さを容易に均一化することができる。さらに、光学読取コード72及び73を校正具7の周縁部に配置することにより、校正精度の低下を抑制しつつ、校正具7から特徴マーク8を読み取る読取手段を用いて光学読取コード72及び73を読み取らせることができる。
Further, the optical parameters can be calibrated without being affected by the printing error in manufacturing the
図12は、図7のステージプレート211に設けられた校正具位置決め用の凸部214を示した図である。図中には、ステージプレート211の上面が示されている。ステージプレート211には、校正具7を位置決めするための2つの凸部214が設けられている。この凸部214は、ステージプレート211の周縁部に形成された傾斜面から上方に向かって突出する円柱状の突起からなる。
FIG. 12 is a view showing a
ステージプレート211を屈曲させた状態で校正具7を配置し、係合部74を凸部214間に挿入することにより、校正具7が受光部25に正対するように位置決めすることができる。また、校正具7をステージプレート211の載置面213に載置することにより、校正具7を受光部25に略正対させることができる。
By arranging the
図13及び図14は、校正具7がステージプレート211上に配置された測定部2を示した図である。図13には、ステージプレート211を上方から見た場合が示されている。図14には、ステージプレート211を側方から見た場合が示されている。 13 and 14 are diagrams showing the measuring unit 2 in which the
光学パラメータの校正時には、図8〜10に示した校正具7が測定部2のステージプレート211上に配置される。校正具7は、ステージベース212に対して載置面213を傾けた状態で固定されたステージプレート211上に、測定用の平面を上方に向けた状態で配置される。 When the optical parameters are calibrated, the
校正具7の係合部74をステージプレート211の凸部214と係合させることにより、傾斜面(測定用の平面)の中心線に関し、光学読取コード72及び73が左右対称に配置される。また、校正具7が屈曲させた状態のステージプレート211上に配置されるため、測定用の平面に対し、ステージ21の回転軸J4と受光部25の受光軸J1とは、直角とは若干異なる角度で交差している。 By engaging the engaging
<情報処理端末5>
図15は、図1の情報処理端末5内の機能構成の一例を示したブロック図である。この情報処理端末5は、測定制御部10、点群データ生成部11、校正情報記憶部12、点群記憶部13、表示制御部14、寸法算出部15、コード読取部16、校正部17、点群合成部18及び反り検出部19により構成される。
<Information processing terminal 5>
FIG. 15 is a block diagram showing an example of a functional configuration in the information processing terminal 5 of FIG. The information processing terminal 5 includes a
測定制御部10は、キーボード52又はマウス53によるユーザ操作に基づいて、回転駆動部23を制御して撮像アングルを調整し、投光部24による測定光の照射を制御する。
The
点群データ生成部11は、受光部25からの受光信号と、校正情報記憶部12内に保持された校正情報とに基づいて、測定対象物Wの立体形状を表す点群データを生成し、点群記憶部13内に格納する。校正情報は、各種の光学パラメータを校正するための複数の校正用の寸法値からなる。点群データは、三次元空間における多数の測定点の位置情報からなり、測定対象物Wに測定光として投影される縞パターンを移動させるごとに取得した複数のパターン画像から作成される。
The point cloud
表示制御部14は、点群記憶部13内の点群データに基づいて、表示部51を制御し、測定対象物Wの立体形状を表示する。例えば、多数の測定点が三次元的に配置されたオブジェクト体を所定の視点から眺めるように、立体形状が表示部51の画面に表示される。画面内における立体形状(オブジェクト体)の位置、視点及び表示倍率は、任意に指定することができる。
The
寸法算出部15は、測定箇所の指定を受け付け、点群記憶部13内の点群データに基づいて、測定箇所の寸法値を算出する。表示制御部14は、寸法算出部15により算出された寸法値を立体形状に対応づけて表示する。
The
点群合成部18は、撮像アングルが互いに異なる複数の点群データを合成し、合成点群データを生成する。複数の撮像アングルで求められた複数の点群データを合成することにより、より死角の少ない合成点群データが得られる。この様な連結測定のためのアングル範囲や撮像アングルは、予め指定される。
The point
コード読取部16は、校正具7に配置された光学読取コード72及び73をデコードし、校正用の寸法値を取得する。このコード読取部16は、受光部25からの受光信号に基づいて、光学読取コード72及び73をデコードする。具体的には、ステージ21上に測定対象物Wとして載置された校正具7に対し、投光部24から均一な測定光を照射して取得した撮影画像から光学読取コード72及び73が読み取られる。
The
この様な構成を採用することにより、校正具7から光学読取コード72及び73を読み取るための受光部を測定用の受光部25とは別個に設ける場合に比べ、装置の構成を簡素化することができる。また、投光部24から均一な測定光が校正具7に照射された際の受光信号に基づいて、光学読取コード72及び73をデコードするため、校正具7から光学読取コード72及び73を読み取るための投光部を測定用の投光部24とは別個に設ける場合に比べ、装置の構成を簡素化することができる。なお、投光部24からパターン光を照射して取得される複数のパターン画像を合成した合成画像から光学読取コード72及び73を読み取ってもよい。
By adopting such a configuration, the configuration of the device can be simplified as compared with the case where a light receiving unit for reading the
校正部17は、校正用の寸法値と、校正具7を測定対象物Wとして算出された寸法値とに基づいて、校正情報記憶部12内の校正情報を更新する。この校正部17は、校正具7の複数の特徴マーク8について算出された複数の寸法値を校正用の寸法値と比較した比較結果に基づいて、校正情報を更新する。具体的には、ステージ21上に測定対象物Wとして載置された校正具7に対し、縞パターンを投影して取得した複数のパターン画像から寸法算出部15により算出された特徴マーク8についての複数の寸法値(実測値)と、コード読取部16により取得された校正用の寸法値とが比較される。
The calibration unit 17 updates the calibration information in the calibration information storage unit 12 based on the dimension value for calibration and the dimension value calculated with the
光学パラメータの校正処理は、所定のアルゴリズムに従って行われる。例えば、ステージ21の回転位置が異なる複数の撮像アングルでパターン画像が取得され、校正具7の立体形状を表す点群データが生成される。具体的には、予め定められた5つの撮像アングルでパターン画像が取得される。
The optical parameter calibration process is performed according to a predetermined algorithm. For example, pattern images are acquired at a plurality of imaging angles at which the rotation position of the
校正時の撮像アングルには、光学読取コード72又は73が読み取り易い回転位置を含むことが望ましい。例えば、光学読取コード72又は73が最も大きく撮像される回転位置、或いは、傾かずに正対する回転位置、或いは、コード全体が均一に照明される回転位置を含むことが望ましい。
It is desirable that the imaging angle at the time of calibration includes a rotational position where the
この三次元測定装置1では、校正具7が受光部25に略正対する回転位置と、この回転位置を挟んで右側に回転させた2つの回転位置と、左側に回転させた2つの回転位置とが指定される。係合部74よりも右側の光学読取コード72及び73は、右側に回転させた2つの回転位置に対応する撮像アングルで撮影される。一方、係合部74よりも左側の光学読取コード72及び73は、左側に回転させた2つの回転位置に対応する撮像アングルで撮影される。5つの回転位置は、概ね等間隔である。
In this three-dimensional measuring apparatus 1, the
校正対象の光学パラメータには、受光レンズ251、コレクタレンズ242又は投光レンズ244の焦点距離及び歪み、受光部25(カメラ)と投光部24(プロジェクタ)との相対位置、受光軸J1とステージ21又は投光軸J2,J3との角度、受光レンズ251と撮像素子252との相対位置、コレクタレンズ242又は投光レンズ244と投光用光源241との相対位置等がある。
The optical parameters to be calibrated include the focal length and distortion of the
受光部25に関する光学パラメータは、主に、各特徴マーク8のサイズ及び位置に基づいて校正される。一方、受光部25及び投光部24の相対位置や、受光軸J1及び投光軸J2,J3の角度は、主に、校正具7の測定用の平面の見え方に基づいて校正される。
The optical parameters of the
反り検出部19は、撮像アングルが互いに異なる複数の点群データに基づいて、校正具7の反りを検出し、検出結果を校正部17へ出力する。
The warp detection unit 19 detects the warp of the
校正部17は、反り検出部19による反りの検出結果を用いて、複数の特徴マーク8について算出された複数の寸法値を補正する。光学パラメータの校正処理は、補正後の寸法値を用いて行われる。この様な構成を採用することにより、校正具7の反りによる寸法誤差を補正するため、校正精度を向上させることができる。
The calibration unit 17 corrects the plurality of dimension values calculated for the plurality of
図16は、図15の情報処理端末5における校正時の動作の一例を示した図であり、表示部51に表示される操作画面30が示されている。操作画面30は、光学パラメータの校正時に表示されるモニタ画面であり、画像表示領域31には、受光部25により撮影された撮影画像が表示される。
FIG. 16 is a diagram showing an example of the operation at the time of calibration in the information processing terminal 5 of FIG. 15 , and the
ステージプレート211の載置面213を傾斜させ、この載置面213上に校正具7を設置し、そして、遮光カバー62を下方に展開させた後、操作画面30内の校正ボタン32を操作すれば、校正処理を開始させることができる。
After tilting the mounting
図17は、図15の情報処理端末5における校正時の動作の一例を示した図であり、異なる3つの撮像アングルに対応するステージ21の回転位置が示されている。図中の(a)には、ステージ21を正対位置から30°程度右方向に回転させた場合の回転位置が示され、(b)には、ステージプレート211を受光部25に略正対させた場合の回転位置が示され、(c)には、ステージ21を正対位置から30°程度左方向に回転させた場合の回転位置が示されている。 FIG. 17 is a diagram showing an example of the operation at the time of calibration in the information processing terminal 5 of FIG. 15, and shows the rotational position of the
ステージ21を正対位置から30°程度右方向に回転させることにより、測定用の平面の中心線よりも右側に配置された光学読取コード72及び73が手前側に移動する。この様な回転位置に対応する撮像アングルで校正具7を撮像することにより、測定用の平面の中心線よりも右側に配置された光学読取コード72及び73が読み取られる。一方、ステージ21を正対位置から30°程度左方向に回転させることにより、測定用の平面の中心線よりも左側に配置された光学読取コード72及び73が手前側に移動する。この様な回転位置に対応する撮像アングルで校正具7を撮像することにより、測定用の平面の中心線よりも左側に配置された光学読取コード72及び73が読み取られる。By rotating the
校正具7が載置されたステージ21は、校正具7の測定用の平面が回転軸J4に対して非直交である状態で回転するため、ステージ21の回転位置を調整することにより、測定用の平面に対する撮像アングルを切り替えることができる。 Since the
複数の撮像アングルで校正具7を認識し、光学パラメータの校正を行う場合、校正具7の測定用の平面がステージ21の回転軸J4と非直交であり、かつ、受光部25の光軸J1とは略正対することにより、ステージ21の回転に伴い、校正具7の測定用の平面に対する撮像アングルを変更することができるとともに、受光部25が校正具7の測定用の平面を精度よく認識することができる。 When the
図18のステップS601〜S610は、図15の情報処理端末5における校正時の動作の一例を示したフローチャートである。まず、情報処理端末5は、投光部24を制御して均一な測定光をステージ21上の校正具7に照射し(ステップS601)、受光部25から撮影画像を取得する(ステップS602)。
Step in Figure 18 S601~S610 is a flowchart showing an example of operation during the calibration in the information processing terminal 5 of Figure 15. First, the information processing terminal 5 controls the
次に、情報処理端末5は、投光部24を制御してパターン光をステージ21上の校正具7に照射し(ステップS603)、受光部25からパターン画像を取得する(ステップS604)。パターン画像は、縞パターンを移動させるごとに取得される。
Next, the information processing terminal 5 controls the
次に、情報処理端末5は、取得した複数のパターン画像に基づいて点群データを生成する(ステップS605)。ステップS601からステップS605までの処理手順は、撮像アングルを切り替えながら繰り返される(ステップS606,S607)。情報処理端末5は、予め定められた複数の撮像アングルについて点群データが生成されれば、均一な測定光による撮影画像から光学読取コード72及び73を切り出してデコードし、校正用の寸法値を取得する(ステップS608)。
Next, the information processing terminal 5 generates point cloud data based on the acquired plurality of pattern images (step S605). The processing procedure from step S601 to step S605 is repeated while switching the imaging angle (steps S606 and S607). When the point cloud data is generated for a plurality of predetermined imaging angles, the information processing terminal 5 cuts out and decodes the
次に、情報処理端末5は、点群データに基づいて、校正具7の複数の特徴マーク8の寸法値を算出する(ステップS609)。情報処理端末5は、複数の特徴マーク8について、寸法値の実測値を校正用の寸法値と比較し、その比較結果に基づいて、校正情報を更新し、この処理を終了する(ステップS610)。
Next, the information processing terminal 5 calculates the dimension values of the plurality of
本実施の形態によれば、受光部25からの受光信号と校正情報とに基づいて点群データを生成するため、製造時や組立時のばらつきに影響されることなく、正確な位置情報を取得することができる。また、校正具7から校正用の寸法値を読み取って校正情報を更新するため、校正具7の製造ばらつきに影響されることなく、光学パラメータの校正を行うことができる。また、校正具7に配置された光学読取コード72及び73をデコードするため、校正具7から光学読取コード72及び73を読み取って校正用の寸法値を取得することができる。
According to the present embodiment, since the point cloud data is generated based on the light reception signal from the
なお、本実施の形態では、ヘッド部20が1つの受光部25と2つの投光部24とを備える場合の例について説明したが、本発明は、ヘッド部20の構成をこれに限定するものではない。例えば、ヘッド部が1つの受光部25と1つの投光部24とを備え、或いは、ヘッド部が2つの受光部25と1つの投光部24とを備える場合にも本発明は適用可能である。
In the present embodiment, an example in which the
また、本実施の形態では、ヘッド部20とステージ保持部22とが固定的に連結される場合の例について説明したが、ヘッド部20とステージ保持部22とが分離可能であってもよい。
Further, in the present embodiment, an example in which the
1 三次元測定装置
2 測定部
20 ヘッド部
21 ステージ
211 ステージプレート
212 ステージベース
213 載置面
214 凸部
22 ステージ保持部
23 回転駆動部
24 投光部
25 受光部
25a,25b 撮像部
26 テクスチャ照明出射部
27 制御基板
28 連結部
3 ライトガイド
4 コントローラ
41 テクスチャ光源
42 制御基板
43 電源
5 情報処理端末
51 表示部
52 キーボード
53 マウス
61,62 遮光カバー
7 校正具
70 シリコン基板
71 基板ホルダ
72,73 光学読取コード
74 係合部
75 緩衝材
76 ベース部材
8 特徴マーク
9 下地層
10 測定制御部
11 点群データ生成部
12 校正情報記憶部
13 点群記憶部
14 表示制御部
15 寸法算出部
16 コード読取部
17 校正部
18 点群合成部
19 反り検出部
J1,J11,J12 受光軸
J2,J3 投光軸
J4 回転軸
W 測定対象物
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Three-dimensional measuring device 2 Measuring
Claims (6)
回転軸を中心として前記ステージを回転可能に保持するステージ保持部と、
測定対象物にパターンを有する測定光を照射する投光部、及び、前記測定対象物により反射された前記測定光を受光して受光量を表す受光信号を生成する受光部を含むヘッド部と、
前記ヘッド部の光学パラメータを校正するための光学パラメータ用校正情報を保持する校正情報記憶手段と、
前記受光信号及び前記光学パラメータ用校正情報に基づいて、前記測定対象物の立体形状を表す点群データを生成する点群データ生成手段と、
測定箇所の指定を受け付け、前記点群データに基づいて、前記測定箇所の寸法値を算出する寸法算出手段と、
複数の特徴マークが形成された測定平面を有する校正具を、該測定平面を前記回転軸に傾斜させた状態で回転させることにより複数の撮像アングルで取得される、該測定平面の点群データに基づいて、該校正具の反りを検出する反り検出手段と、
前記校正具に配置された光学読取コードをデコードし、該校正具用の校正情報を取得するコード読取手段と、
前記校正具用の校正情報、及び、前記校正具の測定平面に形成された複数の特徴マークから算出された寸法値に基づいて、前記光学パラメータ用校正情報を更新する校正手段とを備え、
前記校正手段は、前記反り検出手段による反りの検出結果を用いて、前記複数の特徴マークから算出された寸法値を補正し、前記補正された寸法値を前記校正具用の校正情報と比較した比較結果に基づいて、前記光学パラメータ用校正情報を更新することを特徴とする三次元測定装置。 A stage having a mounting surface on which the measuring object is mounted,
A stage holder for rotatably holding the stage about a rotation axis;
A light projecting unit that irradiates a measurement object with a measurement light having a pattern, and a head unit that includes a light receiving unit that receives the measurement light reflected by the measurement object and generates a light reception signal indicating a light reception amount,
Calibration information storage means for holding calibration information for optical parameters for calibrating the optical parameters of the head section ,
Point cloud data generation means for generating point cloud data representing the three-dimensional shape of the measurement object based on the received light signal and the calibration information for optical parameters ,
Accepting designation of the measurement point, based on the point cloud data, a dimension calculation means for calculating the dimension value of the measurement point,
To the point cloud data of the measurement plane, which is acquired at a plurality of imaging angles by rotating a calibration tool having a measurement plane on which a plurality of feature marks are formed, with the measurement plane being inclined with respect to the rotation axis. Based on the warp detection means for detecting the warp of the calibration tool,
Decoding the optical reading code placed on the calibration device, a code reading unit obtains calibration information for the calibration tool,
Calibration information for the calibration tool, and, on the basis of the dimension value calculated from a plurality of feature marks formed in the measurement plane of the calibration tool, Bei example and calibration means for updating the calibration information for the optical parameters,
The calibration means corrects the dimension value calculated from the plurality of characteristic marks by using the warp detection result by the warp detection means, and compares the corrected dimension value with the calibration information for the calibration tool . A three-dimensional measuring apparatus, wherein the calibration information for optical parameters is updated based on a comparison result.
前記ステージを回転させることにより、撮像アングルを切り替える回転駆動手段と、
前記撮像アングルが互いに異なる複数の前記点群データを合成し、合成点群データを生成する点群合成手段とを更に備えることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の三次元測定装置。 In a state in which the optical axis of the light projecting unit and the light receiving portion is inclined with respect to the rotation axis, and a coupling portion that fixedly couples the said head portion said stage holding portion,
By rotating the stage, a rotation driving unit that switches the imaging angle,
The three-dimensional measurement according to any one of claims 1 to 4 , further comprising a point cloud synthesizing unit that synthesizes a plurality of the point cloud data having different imaging angles and generates synthetic point cloud data. apparatus.
前記ステージは、前記回転軸に対して前記載置面を傾斜させる姿勢調整手段を有することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の三次元測定装置。 The calibration tool is a flat plate,
The three-dimensional measuring device according to any one of claims 1 to 5, wherein the stage has a posture adjusting means for inclining the mounting surface with respect to the rotation axis.
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