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公開番号2025127416
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-09-01
出願番号2024066447
出願日2024-04-16
発明の名称3次元形状計測方法
出願人株式会社レイマック
代理人個人
主分類G01B 11/25 20060101AFI20250825BHJP(測定;試験)
要約【課題】画素ごとに位相-座標テーブルを参照して位相シフト法を用いた高速な3次元形状計測が可能な3次元形状計測方法を提供する。
【解決手段】この3次元形状計測方法は、投影部2と所定個の画素を有し物品Mを撮影して撮影画像を得る撮影部3と支持体4とを備える3次元計測装置1を用いて、校正時には、z軸方向の各位置において、位相シフト法を用いて画素ごとの位相値を導出しその位相値とz軸座標値を1対1で対応付けた位相-座標テーブルを作成し、かつ、ピンホールカメラモデルのカメラパラメータを校正し、3次元形状計測時には、撮影画像から位相シフト法を用いて画素ごとの位相値を導出し、その位相値に対応するz軸座標値を位相-座標テーブルを参照して導出し、かつ、校正したカメラパラメータのピンホールカメラモデルにより画素ごとにz軸座標値に対応するx軸、y軸座標値を算出することにより、該計測物品の3次元形状の計測を行う。
【選択図】図8
特許請求の範囲【請求項１】
順次所定角度ずつ位相がシフトした縞パターンを物品に投影する投影部と、
所定個の画素を有し前記物品を撮影して撮影画像を得る撮影部と、
前記投影部と前記撮影部が固定される支持体と、
を備える３次元計測装置を用いて、
校正時には、
任意の箇所のｘ軸、ｙ軸座標値が特定可能な２次元パターンが表示される表面と無地の表面を切り換えることができる校正用物品を前記物品として用い、
前記支持体又は前記校正用物品が所定のｚ軸方向の複数個の位置に移動した各位置において、前記縞パターンの各々が前記校正用物品の前記無地の表面に投影された１組の前記撮影画像から位相シフト法を用いて前記画素ごとの位相値を導出しその位相値とｚ軸座標値を１対１で対応付けた位相－座標テーブルを作成し、
複数個の位置において、前記校正用物品の前記２次元パターンが表示される表面の撮影画像上で複数個の座標値抽出点のＸ軸、Ｙ軸座標値を抽出し、
前記複数個の座標値抽出点のＸ軸、Ｙ軸座標値とピンホールカメラモデルで算出したＸ軸、Ｙ軸座標値の誤差を小さくするように、該ピンホールカメラモデルのカメラパラメータを変数とする反復法を行うことによって該カメラパラメータを校正し、
３次元形状計測時には、
計測物品を前記物品として用い、
前記支持体の前記ｚ軸方向の位置を固定して、前記縞パターンの各々が投影された前記計測物品の１組の前記撮影画像から位相シフト法を用いて前記画素ごとの位相値を導出し、その位相値に対応するｚ軸座標値を前記位相－座標テーブルを参照して導出し、かつ、校正した前記カメラパラメータの前記ピンホールカメラモデルにより前記画素ごとにｚ軸座標値に対応するｘ軸、ｙ軸座標値を算出することにより、該計測物品の３次元形状の計測を行う３次元形状計測方法。
続きを表示（約 550 文字）【請求項２】
請求項１に記載の３次元形状計測方法において、
前記投影部は、各々の点灯及び光の放射強度が制御され一列に並んだ複数個の光源及びそれらからの光を縞パターンにして通過させる縞パターン形成光学素子を有し、前記複数個の光源の各々が順次点灯することにより順次所定角度ずつ位相がシフトした縞パターンを物品に投影し、
前記校正時と前記３次元形状計測時には、ｚ軸方向を略鉛直方向とする３次元形状計測方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の３次元形状計測方法において、
前記校正用物品は、前記２次元パターンが表示される表面と前記無地の表面をスライドさせて切り換えることができる平板、又は任意の箇所のｘ軸、ｙ軸座標値が特定可能な２次元パターンが表示される表面の平板と無地の表面の平板を切り換えることができるもの、又は任意の箇所のｘ軸、ｙ軸座標値が特定可能な２次元パターンが表示される表面と無地の表面を表裏に有する平板、である３次元形状計測方法。
【請求項４】
請求項２に記載の３次元形状計測方法において、
前記校正用物品は、物品検査ラインに配置されており、前記計測物品は、該物品検査ラインに配置されている３次元形状計測方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、位相シフト法を用いた３次元形状計測方法に関する。
続きを表示（約 2,500 文字）【背景技術】
【０００２】
物品の３次元形状を非接触で計測するものとして、位相シフト法を用いた３次元形状計測方法が知られている。この３次元形状計測方法では、正弦波状に変化する縞パターンを物品の表面に投影部で投影しそれを撮影部で撮影するプロセスを、順次縞パターンの位相を所定角度（例えば、π／２或いは２π／３など）ずつシフトさせて１組（例えば、４枚或いは３枚など）の撮影画像を得る。そして、１組の撮影画像の画像処理を行って画素ごとに位相値を導出しその位相値に対応する３次元座標値を導出することにより、物品の３次元形状の計測が行われる。
【０００３】
このような３次元形状計測方法の中には、特許文献１や特許文献２などに開示されているように、校正（キャリブレーション）時に撮影画像の画素ごとに位相値に対応する３次元座標値を示す位相－座標テーブルを作成しておいて、３次元形状計測時に位相シフト法などにより画素ごとに位相値を求め位相－座標テーブルを参照して３次元座標値を求めることで、３次元形状計測時に高精度で高速な計測を可能にするものが知られている。この位相－座標テーブルは、２次元格子など任意の箇所のｘ軸、ｙ軸座標値が特定可能な２次元パターンが表示される基準平板をｚ軸方向（基準平板の法線方向）に少しずつ移動させ、ｚ軸方向の各位置において撮影画像の画素ごとのｘ軸、ｙ軸座標値を求め、更に位相シフト法などにより位相値を求めることで、画素ごとに位相値と３次元座標値（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸座標値）を１対１で対応付けたものとすることができる。
【０００４】
なお、上記投影部については、特許文献１に記載されているようなプロジェクタを用いるものや、特許文献２に記載されているような一列に並んだ複数個の光源及びそれらからの光を格子模様（縞パターン）にして通過させる格子模様プレート（縞パターン形成光学素子）を用いるものが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
特開２００８－２８１４９１号公報
特開２０１１－２４２１７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、画素ごとに位相値と３次元座標値（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸座標値）を１対１で対応付けた位相－座標テーブルは、計測する物品の大きさや必要とされる精度などによっては画素の数が多くなることが有るために、データ量が膨大になることが起こる。一方、位相－座標テーブルのデータ量が膨大になると、物品検査ラインに配置された商品（計測物品）の３次元座標値を求めて３次元形状を計測するとき（３次元形状計測時に）、位相－座標テーブルを参照する時間が長くなり、検査において高速性が損なわれることがある。
【０００７】
本発明は、係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、撮影画像の画素の数が多くなっても、画素ごとに位相－座標テーブルを参照して位相シフト法を用いた高速な３次元形状計測が可能な３次元形状計測方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の３次元形状計測方法は、順次所定角度ずつ位相がシフトした縞パターンを物品に投影する投影部と、所定個の画素を有し前記物品を撮影して撮影画像を得る撮影部と、前記投影部と前記撮影部が固定される支持体と、を備える３次元計測装置を用いて、校正時には、任意の箇所のｘ軸、ｙ軸座標値が特定可能な２次元パターンが表示される表面と無地の表面を切り換えることができる校正用物品を前記物品として用い、前記支持体又は前記校正用物品が所定のｚ軸方向の複数個の位置に移動した各位置において、前記縞パターンの各々が前記校正用物品の前記無地の表面に投影された１組の前記撮影画像から位相シフト法を用いて前記画素ごとの位相値を導出しその位相値とｚ軸座標値を１対１で対応付けた位相－座標テーブルを作成し、複数個の位置において、前記校正用物品の前記２次元パターンが表示される表面の撮影画像上で複数個の座標値抽出点のＸ軸、Ｙ軸座標値を抽出し、前記複数個の座標値抽出点のＸ軸、Ｙ軸座標値とピンホールカメラモデルで算出したＸ軸、Ｙ軸座標値の誤差を小さくするように、該ピンホールカメラモデルのカメラパラメータを変数とする反復法を行うことによって該カメラパラメータを校正し、３次元形状計測時には、計測物品を前記物品として用い、前記支持体の前記ｚ軸方向の位置を固定して、前記縞パターンの各々が投影された前記計測物品の１組の前記撮影画像から位相シフト法を用いて前記画素ごとの位相値を導出し、その位相値に対応するｚ軸座標値を前記位相－座標テーブルを参照して導出し、かつ、校正した前記カメラパラメータの前記ピンホールカメラモデルにより前記画素ごとにｚ軸座標値に対応するｘ軸、ｙ軸座標値を算出することにより、該計測物品の３次元形状の計測を行う。
【０００９】
請求項２に記載の３次元形状計測方法は、請求項１に記載の３次元形状計測方法において、前記投影部は、各々の点灯及び光の放射強度が制御され一列に並んだ複数個の光源及びそれらからの光を縞パターンにして通過させる縞パターン形成光学素子を有し、前記複数個の光源の各々が順次点灯することにより順次所定角度ずつ位相がシフトした縞パターンを物品に投影し、前記校正時と前記３次元形状計測時には、ｚ軸方向を略鉛直方向とする。
【００１０】
請求項３に記載の３次元形状計測方法は、請求項１又は２に記載の３次元形状計測方法において、前記校正用物品は、前記２次元パターンが表示される表面と前記無地の表面をスライドさせて切り換えることができる平板、又は任意の箇所のｘ軸、ｙ軸座標値が特定可能な２次元パターンが表示される表面の平板と無地の表面の平板を切り換えることができるもの、又は任意の箇所のｘ軸、ｙ軸座標値が特定可能な２次元パターンが表示される表面と無地の表面を表裏に有する平板、である。
（【００１１】以降は省略されています）

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