非接触三维形状测定方法及装置制造方法及图纸

一种边使相位移位边从不同于投影方向的其它方向来观测投影到测定对象的光栅图形，以此来解析按测定对象的形状来变形的光栅图像的对比度，由此来获取形状的非接触三维形状测定方法，其中，使投影侧及摄像侧的焦点连续移位，以扩大深度方向的测定范围，由此可在短时间内对大测定范围的三维形状进行非接触测定。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种边使相位移位边从不同于投影方向的其它方向来观测投影到测定对象的光栅图形，以此来解析按测定对象的形状来变形的光栅图像的对比度，由此来获取形状的非接触三维形状测定方法及装置。尤其涉及适用于基于设计形状数字化的CAD开发以及用于试制和批量产品的形状精度评估(逆向工程设计)的非接触数字器的、可在短时间内对实物大的汽车等大测定范围的三维形状进行非接触测定的非接触三维形状测定方法及装置。
技术介绍
作为在短时间内对三维形状进行非接触测定的技术，如特开平10-246612号公报(专利文献1)、美国专利第5175601号说明书(专利文献2)、美国专利第5319445号说明书(专利文献3)中的记载所示，有一种利用了莫阿形貌学的莫阿法，其将光栅状图形投影到测定对象，根据按测定对象各部的高度分布来变形的光栅图像来测定三维形状。该莫阿法有光栅摄影型和实体光栅型两种，在光栅摄影型中，如图1所示，将投影用和观察用的2个光栅G1、G2配置到投影透镜L1和摄像透镜L2之前，由透镜L1将光栅G1投影到测定对象，通过透镜L2，使根据物体形状来变形的光栅线在一个光栅G2上成像，在距离基准面规定的距离h1、h2、h3、...的位置上形成条纹等高线，在实体光栅型中，如图2所示，在基准面上配置1个大光栅G，在投影透镜L1的位置上配置点光源S，在摄像透镜L2的位置上配置观察眼e，使基于光栅G的光源S的阴影落到测定对象上，形成根据物体形状来变形的光栅G的阴影，通过光栅G，由观察眼e观察这一现象，由此来观察由该光栅G与变形光栅的阴影所产生的莫阿条纹。此外特开2002-267429号公报(专利文献4)称对实体光栅型莫阿法可适用相位移位法。另一方面，殿冈雅仁等6人提交的「基于采用了光栅图形投影法的相位及对比度检测的表面形状计测」(精密工学会志，社团法人精密工学会，平成12年1月，第66卷第1号，P132-136(非专利文献1))一文中，记载了一种图3所示的使相位移位与光栅图形投影相组合的非接触形状测定方法。该方法采用以下过程来测定形状。(1)比如用照明灯10，对配置到投影透镜14前面的光栅滤光器12进行照明，由此从不同于摄像光学系统(摄像透镜20)的焦点位置的位置，将光栅图形投影到测定物件8。(2)由光栅移位机构16，使光栅滤光器12向箭头A所示的横向移动(相位移位)，并将通过摄像透镜20由摄像元件22获得的图像的像素浓淡变化转换为正弦波形状。(3)按每个相等间隔的相位移位量，来摄制多个图像。(4)计算各像素的相位及对比度。(5)使测定物件8的位置向高度方向(或焦点方向等)逐步移动，重复(2)～(4)。测定物件8的位置最低移动2次。(6)求出具有各像素最大对比度的聚焦位置，并求出条纹级数。(7)选择各像素处于最大对比度时的相位，求出相位分布。(8)计算与基准相位的相位差。(9)利用相位差及条纹级数，来计算深度方向的距离(高度)。然而在专利文献1～4中，如图4所示，由于每当相位变化2π时，便重复同一输出，因而只由相位移位，不能特定所映现出的是投影光栅的第几条线，不能决定条纹的级数。因而测定范围被限定于A、B、C、D、...的任意一个，当使测定范围处于1个条纹级数以内后，光栅间隔将扩大，测定精度下降。反之，如果缩小光栅间隔来确保高精度，则深度方向的测定范围将缩小。此外存在着与对焦的像素相比，其焦点偏焦的像素的测定精度下降等问题点。另一方面，在非专利文献1中，在测定步骤数较少的场合下，由于在求算最大对比度时所进行的高斯函数匹配时会发生误差，因而处于步骤与步骤之间的点的精度将下降。尽管通过增加移动次数可减少该误差，但同时测定时间将增大。此外由于移动测定物件，或者移动照明光学系统及摄像光学系统，因而装置将变得复杂。另外，虽然深度方向的测定范围可通过增加步骤数来扩大，但存在着对测定时间及装置方面有制约等问题点。
技术实现思路
本专利技术旨在解决上述以往所存在的问题，其课题是用可小型化的单纯构成，扩大深度方向的测定范围，在整个测定范围内实现高精度测定。本专利技术利用一种边使相位移位边从不同于投影方向的其它方向来观测投影到测定对象的光栅图形，以此来解析按测定对象的形状来变形的光栅图像的对比度，由此来获取形状的非接触三维形状测定方法，使投影侧与摄像侧的焦点连续移位，扩大深度方向的测定范围，以此来解决上述课题。本专利技术的这种边使相位移位边从不同于投影方向的其它方向来观测投影到测定对象的光栅图形，以此来解析按测定对象的形状来变形的光栅图像的对比度，由此来获取形状的非接触三维形状测定装置具有边使焦点及相位移位，边将光栅图形投影到测定对象的单元；边使焦点移位，边输入投影到测定对象的图形的图像数据的单元；对所输入的图像数据进行处理，并作成三维图的单元，由此来解决上述课题。此外作成上述三维图的单元包括从焦点中心来决定条纹级数，展开相位，并计算相位的绝对值的单元；计算条纹级数的光栅面与摄像点的表极线的交点的三维位置的单元。此外，具有校正投影光学系统与摄像光学系统的畸变(distortion)的单元。此外将投影光学系统与摄像光学系统搭载于一个移位机构中，并按Z轴方向来驱动。在本专利技术中，为了使光栅的条纹级数的决定成为可能，并在保持高精度的同时来扩大深度方向的测定范围，对焦点移位进行了组合。根据本专利技术，从焦点中心来求出光栅图形的条纹级数，展开相位，并求出深度(Z)方向的绝对值，同时使焦点连续地移位，因而可维持高精度，同时显著扩大深度方向的测定范围。此外由于从按每个像素来对焦时的相位来计算三维坐标值，因而可在所有的测定点对焦的状态下，求出坐标值，在XY方向也可进行高精度的测定。附图说明通过参阅附加了附图的下述专利技术说明，可更晓喻本专利技术的上述目的、特性和优点以及其它目的及优点，附图中的相同参考符号表示相同或相类似的部分。图1是表示传统的光栅投影型莫阿法的测定原理的光路图。图2是表示传统的实体光栅型莫阿法的测定原理的光路图。图3是表示基于传统的光栅图形投影+相位移位的非接触形状测定法原理的斜视图。图4是同专利技术的光路图。图5是表示本专利技术的测定原理的斜视图。图6是表示基于本专利技术的测定过程的流程图。图7是表示本专利技术中某像素的浓淡波形示例的定时图。图8是表示同专利技术焦点与相位的关系的光路图。图9是表示同专利技术光栅面与表极线的交点的斜视图。图10是表示同专利技术图像数据输入过程的流程图。图11是表示同专利技术像素的扫描方法的附图。图12是表示同专利技术三维图作成过程的流程图。图13是表示同专利技术偏移成分及波动成分的除去过程一例的流程图。图14是表示同专利技术偏移成分及波动成分的除去过程的其它示例的流程图。图15是表示同专利技术焦点中心计算过程的流程图。图16是表示同专利技术相位计算过程的流程图。图17是表示同专利技术详细内容的附图。图18是表示同专利技术相位展开过程的流程图。图19是表示同专利技术三维位置计算过程的流程图。图20是表示同专利技术畸变校正原理的斜视图。图21是表示具体实施例系统构成的附图。图22是表示实施例中所采用的测定头的构成的剖面图。图23是沿着图22的XXIII-XXIII线的横剖面图。图24是表示实施例中测定状态的斜视图。图25是表示测定物件的附图。图26是表示采用了焦点深度无限大的针孔光学系统时的光栅投影图像的附本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非接触三维形状测定方法，是一种边使相位移位边从不同于投影方向的其它方向来观测投影到测定对象的光栅图形，以此来解析按测定对象的形状来变形的光栅图像的对比度，从而获取形状的非接触三维形状测定方法，其特征在于：使投影侧与摄像侧的焦点连 续移位，扩大了深度方向的测定范围。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：吉田博行，
申请(专利权)人：株式会社三丰，
类型：发明
国别省市：JP[日本]