JP2000009445A

JP2000009445A - モアレ装置

Info

Publication number: JP2000009445A
Application number: JP10175718A
Authority: JP
Inventors: Fumio Kobayashi; 富美男小林; Shinichi Matsuda; 信一松田
Original assignee: Fuji Photo Optical Co Ltd
Current assignee: Fujinon Corp
Priority date: 1998-06-23
Filing date: 1998-06-23
Publication date: 2000-01-14

Abstract

(57)【要約】【目的】フリンジスキャン機能を備えた格子投影型の
モアレ装置において、投影格子の近接位置に所定の固定
格子を配置してモアレ縞を形成し、このモアレ縞の変化
を利用して投影格子の移動量を算出することにより、フ
リンジスキャン精度の向上を図る。【構成】投影光学系の投影格子４０に近接する位置
に、該投影格子４０と同一ピッチの固定格子１０２を交
差角５°で配置する。これら両格子により形成されるモ
アレ縞は投影格子４０の移動に伴って変化するので、こ
の変化を検出することにより投影格子４０の移動量を算
出する。モアレ縞の変化の検出は、固定格子１０２に近
接配置されたフォトセル１０４によりモアレ縞の照度を
検出することにより行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、いわゆる格子投影
型のモアレ装置に関するものであり、特にフリンジスキ
ャン機能を備えたモアレ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、被測定体の立体形状情報の取
り込みを短時間で容易に行うための装置としてモアレ装
置が知られている。モアレ装置としては格子照射型のも
のと格子投影型のものとがあるが、後者は前者のような
基準格子が不要なため被測定体の測定自由度が大きなも
のとなる。

【０００３】上記格子投影型モアレ装置は、互いに平行
な光軸を有する投影光学系および観測光学系を備えてお
り、投影光学系により投影格子の像を被測定体上に投影
させるとともに、観測光学系により被測定体上に形成さ
れた変形格子像を観測用基準格子上に結像させ、これに
より生じるモアレ縞を観測するように構成されている
が、その際、投影格子を両光軸と直交する平面内で両格
子の格子線と直交する方向に移動させるフリンジスキャ
ンを行うようにすれば、投影格子の移動に対するモアレ
縞の変化の方向性を観測することにより被測定体の凹凸
判定を行うことが可能となる（特願平10-32214号明細
書）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記フリンジスキャン
はパルスモータ等の駆動手段により行われるが、この駆
動はオープンループで行われているため、フリンジスキ
ャン精度の信頼性が十分でなく、改善が望まれる。

【０００５】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであって、フリンジスキャン機能を備えた格子投
影型のモアレ装置において、フリンジスキャン精度の向
上を図ることができるモアレ装置を提供することを目的
とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明のモアレ装置は、
投影格子の近接位置に所定の固定格子を配置してモアレ
縞を形成し、このモアレ縞の変化を利用して投影格子の
移動量を算出する構成を採用したものである。

【０００７】すなわち、本発明は、互いに平行な光軸を
有する投影光学系および観測光学系を備え、前記投影光
学系により投影格子の像を被測定体上に投影させるとと
もに、前記観測光学系により前記被測定体上に形成され
た変形格子像を観測用基準格子上に結像させ、これによ
り生じるモアレ縞を観測するように構成され、前記投影
格子を前記両光軸と直交する平面内で前記両格子の格子
線と直交する方向に移動させるように構成されたモアレ
装置において、前記投影格子に近接する位置に該投影格
子と同一ピッチの固定格子を配置してこれら両格子によ
りモアレ縞を形成し、前記投影格子の移動に伴う該モア
レ縞の変化を検出することにより前記投影格子の移動量
を算出するように構成されていることを特徴とするもの
である。

【０００８】また、前記固定格子の格子線が、前記投影
格子の格子線と交差するように形成されていることを特
徴とするものである。

【０００９】また、前記モアレ縞の変化の検出を、単一
点の照度検出により行うように構成されていることが好
ましい。

【００１０】さらに、前記モアレ縞の変化の検出が、複
数の照度検出手段を用いて行うように構成されているこ
とが好ましい。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて、本発明の実
施の形態について説明する。

【００１２】図１は、本発明の一実施形態に係るモアレ
装置が組み込まれた３次元イメージスキャナを示す斜視
図である。

【００１３】図示されるように、この３次元イメージス
キャナ１０は、モアレ装置（測定ヘッド）１２と、電源
機器駆動部１４と、制御部１６と、表示部１８とを備え
てなり、モアレ装置１２において被測定体２の立体形状
情報および模様（テクスチャ）情報を取り込み、これら
立体形状情報および模様情報を、電源機器駆動部１４を
介して制御部１６へ出力し、制御部１６において立体形
状情報と模様情報とを合成処理して被測定体２の３次元
イメージを生成し、これを表示部１８に表示するように
なっている。制御部１６には、キーボード２０およびマ
ウス２２が接続されており、これらを操作することによ
り、表示部１８における３次元イメージの表示角度の変
更等その表示内容の切換え操作を行うことができるよう
になっている。

【００１４】モアレ装置１２における立体形状情報の取
り込みは、格子投影型モアレトポグラフィを利用して行
うようになっている。図１において、モアレ装置１２の
前方に２点鎖線で示す格子面Ｐｇが、格子投影型モアレ
トポグラフィにおける仮想基準格子面である。

【００１５】図２は、モアレ装置１２の外観を示す斜視
図であり、図３は、モアレ装置１２の内部構造を示す斜
視図である。

【００１６】これらの図に示すように、このモアレ装置
１２は、ケーシング２４内に、投影光学系２６、観測光
学系２８および被測定体照明系３０が設けられてなって
いる。

【００１７】投影光学系２６は、投影用ランプ３２、熱
線カットフィルタ３４およびコンデンサレンズ３６から
なる格子照明系３８と、投影格子４０と、投影レンズ４
２とを備えてなり、一方、観測光学系２８は、撮影レン
ズ４４と、観測用基準格子４６と、フィールドレンズ４
８、折り返しミラー５０およびＣＣＤカメラ５２からな
るテレビ光学系５４とを備えてなっている。

【００１８】投影レンズ４２および撮影レンズ４４は、
ケーシング２４の前面に、その各光軸Ａｘ１およびＡｘ
２が互いに平行となるようにして取り付けられている。

【００１９】格子照明系３８は、光軸Ａｘ１に対して左
斜め後方から投影格子４０を照射するように配置されて
おり、その投影用ランプ３２の像は、投影レンズ４２の
入射瞳位置に略結像されるようになっている。コンデン
サレンズ３６は、投影格子４０を十分カバーする大きさ
を有している。

【００２０】一方、観測用基準格子４６ならびにテレビ
光学系５４のフィールドレンズ４８および折り返しミラ
ー５０は、光軸Ａｘ２上に配置されており、ＣＣＤカメ
ラ５２は、光軸Ａｘ２に対して折り返しミラー５０によ
り直角に折り返された光軸上に配置されている。フィー
ルドレンズ４８は、観測用基準格子４６を透過した光束
をもれなくＣＣＤカメラ５２に入射させるように配置さ
れている。

【００２１】投影格子４０および観測用基準格子４６
は、いずれも互いに等しいピッチで上下方向に延びる格
子線を有しており、光軸Ａｘ１およびＡｘ２と直交する
同一平面内に設けられている。そして、投影格子４０
は、該投影格子４０の像が仮想基準格子面Ｐｇ（図１参
照）に結像されるよう、仮想基準格子面Ｐｇと共役の位
置関係で配置されており、一方、観測用基準格子４６
も、仮想基準格子面Ｐｇの像が観測用基準格子４６に結
像されるよう、仮想基準格子面Ｐｇと共役の位置関係で
配置されている。

【００２２】図４は、モアレ装置１２の格子投影型モア
レ装置としての機能を説明する平面図である。

【００２３】図示されるように、このモアレ装置１２に
おいては、投影光学系２６により投影格子４０の像を被
測定体２上に投影させるとともに、観測光学系２８によ
り被測定体２上に形成された変形格子像を観測用基準格
子４６上に結像させ、これにより生じるモアレ縞を観測
するように構成されている。

【００２４】図４において１点鎖線で示す仮想基準格子
面Ｐｇおよび仮想基準格子面Ｐｇと平行な実線で示す複
数の面がモアレ面を形成しており、これら各モアレ面と
被測定体２が交差する曲線に沿ってモアレ縞が形成され
ることとなる。図４には、仮想基準格子面Ｐｇの手前側
にのみ実線でモアレ面を示しているが、仮想基準格子面
Ｐｇの奥側にも複数のモアレ面が形成される。したがっ
て、被測定体２が仮想基準格子面Ｐｇを前後にまたがる
ように配置された場合においてもモアレ縞は形成され
る。

【００２５】図３に示すように、投影格子４０は、格子
送り機構５６に支持されており、格子送り機構５６によ
り光軸Ａｘ１と直交する平面内において水平方向（すな
わち投影格子４０の格子線と直交する方向）に往復移動
せしめられるようになっている。この格子送り機構５６
は、パルスモータを備えたパルスステージで構成されて
おり、投影格子４０を１位相分の長さにわたって往復振
動（フリンジスキャン）させるようになっている。な
お、パルスステージに代えて圧電素子等を用いて往復振
動を行うようにしてもよい。

【００２６】投影格子４０の移動により、投影格子４０
と観測用基準格子４６との間の位相が変化するので、こ
れに伴ってモアレ縞が変化する。そこで、このモアレ縞
の像を制御部１６（図１参照）において１／４位相毎に
サンプリングすることにより、被測定体２の凹凸判定を
行うようになっている。

【００２７】一方、観測用基準格子４６は、格子退避機
構５８に支持されており、格子退避機構５８により光軸
Ａｘ２と直交する平面内において水平方向に移動せしめ
られ、これにより観測光学系２８の光路内に位置するモ
アレ縞観測位置と光路から外れた退避位置とを選択的に
採り得るようになっている。観測用基準格子４６の移動
は、格子退避機構５８においてケーシング２４の右側面
から突出する格子退避ノブ６０を、手動により出し入れ
することにより行われるようになっている。格子退避機
構５８には、観測用基準格子４６が退避位置まで移動し
たとき、これを検出するリミットスイッチ６２が取り付
けられている。

【００２８】被測定体２の立体形状情報の取り込みのた
めのモアレ縞観測は、観測用基準格子４６をモアレ縞観
測位置にセットした状態で行われるが、観測用基準格子
４６を退避位置へ退避させるようにすれば、モアレ縞が
形成されていない被測定体２の２次元画像の撮影を行う
ことが可能となる。そこで、モアレ装置１２において
は、この２次元画像の撮影により被測定体２の模様情報
の取り込みを行うようになっている。

【００２９】図３に示すように、被測定体照明系３０
は、投影光学系２６と観測光学系２８との間に位置する
ようにして設けられている。この被測定体照明系３０
は、照明用ランプ６４と、熱線カットフィルタ６６と、
ケーシング２４の前面に取り付けられたディフューザ窓
６８とからなり、照明用ランプ６４からの光を、熱線カ
ットフィルタ６６およびディフューザ窓６８を介して前
方へ拡散照射するようになっている。

【００３０】照明用ランプ６４は、モアレ縞観測の際に
は非点灯状態にあるが、２次元画像撮影の際には点灯す
るようになっている。また、この点灯動作と連動して格
子照明系３８の投影用ランプ３２が消灯するようなって
いる。この点灯切換えは、リミットスイッチ６２の検出
信号に基づいて行われるようになっている。

【００３１】このように２次元画像撮影の際、投影用ラ
ンプ３２から照明用ランプ６４への点灯切換えが行われ
るのは、照明用ランプ６４を点灯させずに投影用ランプ
３２を点灯させたままの状態で２次元画像撮影を行う
と、投影格子４０の像が形成された状態で被測定体２の
２次元画像を撮影することとなってしまうので、これを
回避するためである。なお、照明用ランプ６４を点灯さ
せれば、投影用ランプ３２を点灯させたままであっても
投影格子４０の像の影響は非常に小さいものとなるの
で、照明用ランプ６４の点灯動作と連動して投影用ラン
プ３２を消灯させることは必ずしも必要ではない。

【００３２】ケーシング２４の左側面および背面には、
冷却ファン７０、７２が取り付けられており、これによ
り投影用ランプ３２および照明用ランプ６４が発する熱
をケーシング２４の外部へ排出するようになっている。
その際、ケーシング２４内に形成された隔壁７４、７６
により、両ランプ３２、６４が発する熱を冷却ファン７
０へ効率よく導くようになっており、さらに、ＣＣＤカ
メラ５２と隔壁７６との間にもう１つの隔壁７８を形成
して、これら両隔壁７６、７８間に断熱路を形成し、断
熱路内の空気（熱）を冷却ファン７２へ導くようになっ
ている。そして、これにより、両ランプ３２、６４が発
する熱がＣＣＤカメラ５２へ伝わるのを確実に阻止し
て、ＣＣＤカメラ５２を保護するようになっている。

【００３３】図２に示すように、ケーシング２４の上面
における両ランプ３２、６４の上方部位には、冷気吸引
孔８０、８２が形成されており、これにより冷却ファン
７０、７２による排熱効率を高めるようになっている。

【００３４】また、ケーシング２４の右側面には、格子
退避ノブ６０の他に、電源スイッチ８４および通電表示
ランプ８６が設けられており、その内面側には電子基板
８８が設けられている。また、ケーシング２４の右側面
からは、電源および信号用コード９０が延びており、そ
の他端部において、電源用コネクタ９２、制御信号用コ
ネクタ９４およびテレビ信号用コネクタ９６により、電
源機器駆動部１４（図１参照）へ接続されるようになっ
ている。

【００３５】図３において、投影格子４０の投影レンズ
４２側に近接する位置には固定格子１０２が設けられて
おり、さらにこの固定格子１０２の投影レンズ４２側に
近接する位置にはフォトセル１０４が設けられている。
これら固定格子１０２およびフォトセル１０４はケーシ
ング２４に固定されている。

【００３６】図５および６は、固定格子１０２およびフ
ォトセル１０４の配置を示す平面図および側面図であ
る。

【００３７】これらの図に示すように、固定格子１０２
は投影光学系２６の主光線に対して左下に位置する光束
周縁部に配置されている。その際、固定格子１０２は、
その格子線が投影格子４０の格子線と同一ピッチでかつ
僅かな交差角（例えば５°）をなすようにして配置さ
れ、これにより投影格子４０とで図７に示すようなモア
レ縞を形成するようになっている。なお、固定格子１０
２を投影光学系２６の光路内に配置するのは、投影用ラ
ンプ３２からの光をバックライトとして利用するためで
ある。また、光束周縁部に配置するようにしたのは、モ
アレ装置１２本来のモアレ縞解析に影響を及ぼさないよ
うにするためである。したがって光束周縁部であれば、
図示のように主光線の左下である必要はない。

【００３８】図７に示すように、投影格子４０と固定格
子１０２とで形成されるモアレ縞は上下複数段にわたる
明暗の縞となるが、このモアレ縞のピッチδは、図８に
示すように、投影格子４０および固定格子１０２のピッ
チをＰ、投影格子４０と固定格子１０２との格子線交差
角をθとすると、 δ＝Ｐ／｛２ｓｉｎ（θ／２）・ｃｏｓ（θ／２）｝＝
Ｐ／ｓｉｎθ で表わされる。

【００３９】そして、図９に示すように、モアレ縞の照
度を、固定格子１０２に近接して配置されたフォトセル
１０４により検出するようになっている。フォトセル１
０４を固定格子１０２に近接配置するのは、複数のモア
レ縞に跨らないようにして照度検出を行うことにより、
その検出精度を高めるためである。フォトセル１０４に
より検出される照度は、投影格子４０と固定格子１０２
との位置関係によって異なったものとなるので、上記検
出照度により投影格子４０の移動量を検出することがで
きる。

【００４０】図１０は、投影格子４０の移動量とフォト
セル１０４の検出照度（Ｉ）との関係を示すグラフであ
る。

【００４１】図示されるように、投影格子４０の位相が
固定格子１０２と同一になったとき、検出照度（Ｉ）は
最高照度Ｉｍａｘとなり、位相がずれるに従って検出照
度（Ｉ）が直線的に低下し、半ピッチ（Ｐ／２）ずれた
ときに検出照度（Ｉ）は最低照度Ｉｍｉｎとなる。そし
て、さらに位相がずれるに従って検出照度（Ｉ）が直線
的に上昇し、１ピッチ（Ｐ）ずれたときに検出照度
（Ｉ）は再び最高照度Ｉｍａｘとなる。

【００４２】したがって、フォトセル１０４の検出照度
（Ｉ）に基づいて、投影格子４０の移動量を算出するこ
とができる。この移動量算出は制御部１６において行わ
れ、その算出値を格子送り機構５６のパルスモータ駆動
制御の際のフィードバック信号として利用するととも
に、モアレ装置１２におけるモアレ縞解析の際の計算式
の位相として用いるようになっている。

【００４３】そして、このようにすることによりフリン
ジスキャン精度の向上を図ることができ、これによりモ
アレ縞解析の精度を向上させることができる。

【００４４】ところで、フォトセル１０４による観察エ
リアが大きいと、そのエリアの明るさ分布の平均ダイナ
ミックレンジが下がり、明るさ分解能が悪くなる。この
ため本実施形態においては、フォトセル１０４を固定格
子１０２に近接配置するようにしているが、このように
近接配置することは構造上必ずしも容易ではない。

【００４５】そこで、図１１に示すように、固定格子１
０２とフォトセル１０４との間に、これらが共役の位置
関係になるようにしてレンズ１０６を配置すれば、単一
点の照度検出を行うことが可能となり、これにより明る
さ分解能を高めることができる。

【００４６】また、この場合において、図１２に示すよ
うに、フォトセル１０４を上下方向に複数個並列配置す
れば、各フォトセル１０４の照度検出結果を用いること
ができるので、明るさ分解能を一層高めることができ
る。その際、各フォトセル１０４の配置を、図１３に示
すように、同一位相の照度検出が行われないように設定
すれば、その各照度検出結果により投影格子４０の移動
方向の判別を行うこともできる。なお、このように複数
のフォトセル１０４を配置する代わりに、ＣＣＤ等を用
いたラインセンサを設けるようにしてもよい。

【００４７】さらに、図１１に示す構成に代えて、図１
４に示すように、固定格子１０２とレンズ１０６との間
にミラー１０８を配置すれば、レンズ１０６およびフォ
トセル１０４の配置の自由度を高めることができる。

【００４８】また、図１５に示すように、レンズ１０６
とフォトセル１０４の間にミラー１０８を配置し、その
光軸に対して所定角度をなすようにして複数のフォトセ
ル１０４を配置すれば、明るさ分解能の向上および投影
格子４０の移動方向判別を行うことができる。

【００４９】さらにこの場合、図１６に示すように、レ
ンズ１０６およびフォトセル１０４を複数組配置するよ
うにしても、同様の作用効果を得ることができる。

【００５０】なお、上記実施形態においては、投影用ラ
ンプ３２からの光を固定格子１０２照射用のバックライ
トとして利用する構成となっているが、投影用ランプ３
２とは別の光源を用いるようにしてもよい。その際、単
色のフィルタを介装し、観測光学系２８において感度を
持たない波長域の光を固定格子１０２に照射するように
すれば、投影格子４０の一部が他部より明るくなってし
まうのを防止することができる。また、このように単色
のフィルタを介装する代わりにＬＥＤ、ＬＤ等の単一波
長で発光する光源を用いるようにしても同様の作用効果
を得ることができる。

【００５１】なお、上述した実施形態においては、投影
格子４０と固定格子１０２との格子線を所定の角度θで
交差させているが、これら両格子４０、１０２の格子線
を互いに平行とすることも可能である。

【００５２】

【発明の効果】本発明に係るモアレ装置は、投影格子に
近接する位置に該投影格子と同一ピッチの固定格子を配
置してこれら両格子によりモアレ縞を形成し、投影格子
の移動に伴う該モアレ縞の変化を検出することにより投
影格子の移動量を算出するように構成されている。これ
により、この移動量算出結果をフィードバックしてフリ
ンジスキャン用の駆動手段の制御を行うようにすれば、
フリンジスキャン精度の向上を図ることができる。そし
てこれにより、モアレ縞解析の精度を向上させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係るモアレ装置を備えた
３次元イメージスキャナの全体構成を示す斜視図

【図２】図１に示すモアレ装置の外観を示す斜視図

【図３】図１に示すモアレ装置の内部構造を示す斜視図

【図４】図１に示すモアレ装置の機能を説明するための
平面図

【図５】図３に示すモアレ装置における固定格子および
フォトセルの配置を示す平面図

【図６】図３に示す固定格子およびフォトセルの配置を
示す側面図

【図７】図１に示すモアレ装置において投影格子と固定
格子とで形成されるモアレ縞を示す図

【図８】図７に示すモアレ縞の拡大図

【図９】図３に示す固定格子とフォトセルとの位置関係
を示す図

【図１０】図１に示すモアレ装置の作用を示すグラフ

【図１１】図１に示すモアレ装置の第１の変形例を示
す、図９と同様の図

【図１２】図１に示すモアレ装置の第２の変形例を示
す、図９と同様の図

【図１３】図１に示す第２の変形例の作用を示すグラフ

【図１４】図１に示すモアレ装置の第３の変形例を示
す、図９と同様の図

【図１５】図１に示すモアレ装置の第４の変形例を示
す、図９と同様の図

【図１６】図１に示すモアレ装置の第５の変形例を示
す、図９と同様の図

【符号の説明】

２被測定体１０３次元イメージスキャナ１２モアレ装置（格子投影型モアレ装置）１４電源機器駆動部１６制御部１８表示部２４ケーシング２６投影光学系２８観測光学系３０被測定体照明系３２投影用ランプ３４熱線カットフィルタ３６コンデンサレンズ３８格子照明系４０投影格子４２投影レンズ４４撮影レンズ４６観測用基準格子４８フィールドレンズ５０折り返しミラー５２ＣＣＤカメラ５４テレビ光学系５６格子送り機構５８格子退避機構６０格子退避ノブ６２リミットスイッチ１０２固定格子１０４フォトセル１０６レンズ１０８ミラーＡｘ１、Ａｘ２光軸Ｐ格子線のピッチＰｇ仮想基準格子面 δ モアレ縞のピッチ θ 格子線交差角

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2F065 AA02 AA04 AA09 AA45 AA53 AA56 BB05 BB18 CC21 DD03 FF06 FF07 GG02 GG06 GG07 GG08 GG22 HH02 HH06 JJ01 JJ03 JJ05 JJ18 JJ22 JJ26 LL04 LL10 LL12 LL22 LL63 MM16 PP22 PP23

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに平行な光軸を有する投影光学系お
よび観測光学系を備え、前記投影光学系により投影格子
の像を被測定体上に投影させるとともに、前記観測光学
系により前記被測定体上に形成された変形格子像を観測
用基準格子上に結像させ、これにより生じるモアレ縞を
観測するように構成されており、前記投影格子を前記両
光軸と直交する平面内で前記両格子の格子線と直交する
方向に移動させるように構成されたモアレ装置におい
て、前記投影格子に近接する位置に該投影格子と略同一ピッ
チの固定格子を配置してこれら両格子によりモアレ縞を
形成し、前記投影格子の移動に伴う該モアレ縞の変化を
検出することにより前記投影格子の移動量を算出するよ
うに構成されていることを特徴とするモアレ装置。
【請求項２】前記固定格子の格子線が、前記投影格子
の格子線と交差するように形成されていることを特徴と
する請求項１記載のモアレ装置。
【請求項３】前記モアレ縞の変化の検出を、単一点の
照度検出により行うように構成されていることを特徴と
する請求項１または２記載のモアレ装置。
【請求項４】前記モアレ縞の変化の検出を、複数の照
度検出手段を用いて行うように構成されていることを特
徴とする請求項１〜３いずれか記載のモアレ装置。