JP2002500369A

JP2002500369A - デジタル・ビデオ投影システムを使用して三次元表面輪郭描画を行う方法および装置

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Publication number: JP2002500369A
Application number: JP2000526877A
Authority: JP
Inventors: ペイセンエスヒューアン; フーペンチアン
Original assignee: ザリサーチファウンデーションオブステイトユニヴァーシティオブニューヨーク
Priority date: 1997-12-31
Filing date: 1998-12-31
Publication date: 2002-01-08
Also published as: AU2100199A; WO1999034301A1; CA2316838A1; EP1042718A4; WO1999034301A9; EP1042718A1

Abstract

(57)【要約】三次元表面輪郭描画方法は、フルフィールド・フリンジ投影技術に基づいている。デジタル・ビデオ投影システム（１８）が用いられ、対象物(１２)上へデジタル的に創作したフリンジ・パターンを投影する。対象物表面（１４）の幾何学的形状によってゆがめられたフリンジ・パターンを、次に、高解像度ＣＣＤカメラ（２０）によってキャプチャする。輪郭描画解像度を高めるために、純粋にソフトウェアベースのデジタル移相技術を用いる。この技術により、従来の移相法で必要としている精密位置決めシステムが不要となる。表面（１４）は、位相重ね・位相重ね解除アルゴリズムを適用することによって再構築される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本願は、１９９７年１２月３１日に出願された合衆国仮出願６０／０７０１３
８の利益を主張する。

【０００２】（行政権の提示）本発明は、全米科学財団によって与えられた認可番号ＤＭI９７１３８９５の下に政府の援助でなされたものである。政府は、本発明に特定の権利を有する。

【０００３】（発明の背景）本発明は、全般的に三次元表面輪郭描画のための方法と装置に関する。特に、本
発明は、三次元表面輪郭描画においてデジタル的にフリンジ・パターンを生成す
るデジタル・ビデオ投影システムを使用する。

【０００４】三次元表面輪郭描画技術は、設計および製造に多くの用途を有する。たとえば
、表面輪郭描画を用いて、製造中あるいは製造後に設計仕様について寸法および
幾何的形状をチェックする必要がある工業部品の点検を行うことができる。これ
らの技術は、また、或る物理的な部品からコンピュータ利用設計（ＣＡＤ）モデ
ルを構成する必要があるリバース・エンジニアリングにおいても使用できる。近
年、階層化製造概念に基づく迅速な試作技術が確立されており、ＣＡＤモデルか
ら直接的に物理的概念のモデル、機能部品およびツーリングを迅速に製作するこ
とができる。表面輪郭描画技術は、ＣＡＤモデルが利用できない手作りモデルま
たは部品から物理的な部品、ツーリングを構築することを含むように現行迅速試
作システムの能力を延ばす助けともなり得る。表面輪郭描画技術は、また、迅速
試作プロセスにプロセス点検またはポスト・プロセス点検を導入することによっ
て、構築されたモデルの精度を向上する助けともなり得る。

【０００５】多くの光学的三次元輪郭描画方法が開発されており、この技術分野では周知で
ある。これらの方法は、一般的に、２つのグループに分類することができる。す
なわち、スキャン式と非スキャン式の像形成技術である（Bieman, Leonard H.,
"Survey of design considerations for 3-D imaging systems", Proc. SPIE, V
ol. 1005, 138-144 (1998)）。スキャン式技術は、ポイント三角測量法（Blais,
F. and Rioux, M., "BIRIS: a simple 3-D sensor", Proc. SPIE, Vol. 723, 2
35 (1986)）、レーザー・レーダー法（Svetkoff, D.J., Leonard, P.F., and Sa
mpson, R.E., "Techniques for real-time, 3-D feature extraction using ran
ge information", Proc. SPIE, Vol. 521, 302 (1984)）、構造化ライン法に代表される。ポイント三角測量法および構造化ライン法が三角測量原理に基づいて
いるのに対し、レーダー法は、パルス化したレーザーまたは変調したレーザーの
いずれかの移動時間または位相の測定に基づいている。これらの技術は、すべて
、対象物の全表面をカバーするにはレーザーの一次元または二次元のスキャニン
グを必要とする。これによれば、一般に、システムがより複雑となり、測定に時
間がかかる。

【０００６】代表的な非スキャン式技術としては、ステレオ・ヴィジョン法とモアレ干渉法
がある。ステレオ・ヴィジョン法は、２つの異なったパースから１つのシーンを
見て、次いで両方のイメージに共通の特徴を置くことによって対象物の三次元情
報を得る。(Hobrough, G. and Hobrough, T., "Stereopsis for robots by iter
ative stereo image matching", Proc. SPIE, Vol. 449, 62 (1983))。画像処理
はコンピュータ的には強烈なものであり、高速三次元輪郭描画には不適である。

【０００７】モアレ干渉法は、三次元表面輪郭描画のために最も普通に用いられている技術
の１つである。他の技術と比較して、このモアレ干渉法は、対象物全表面をカバ
ーするようにスキャニングする必要がなく、三次元輪郭情報を抽出する画像処理
が比較的単純であるという事実により、測定が高速で行えるという主要な利点を
有する。モアレ輪郭描画技術は、シャドウ・モアレ（Chiang, F. P., "Moire Me
thods for Contouring, Displacement, Deflection, Slope, and Curvature", P
roc. SPIE, Vol. 153, 113-119 (1978)）と、投影モアレ（Khetan, R. P. and F
. P. Chiang, "On the theory of two projection moire methods", Univ. Of I
ll, at Chicago press, 8, 16-18 (1977); Halioua, M., Krishnamurthy, R. S.
, Liu, H., and Chiang, F. P., "Projection moire with moving gratings for
automated 3-D topography", Appl. Opt. 22, 850-855 (1983)）とに分類できる。シャドウ・モアレが照明、観察の両方に対して同じ格子を使用するのに対し
、投影モアレは別々の格子を使用する。別の表面輪郭描画技術としては、１つの
格子だけを使用し、三角測量によって表面高さを測定するフリンジ投影がある。

【０００８】シャドウ・モアレの利点は、格子が平らであり、その周期が既知であるため、
モアレ・パターンから量的輪郭情報を得るのが容易であるということである。し
かしながら、大きな対象物の輪郭描画はむずかしい。というのは、対象物とほぼ
同じサイズを有する格子を使用しなければならないからである。大きい格子は作
るのが困難であるし、モビリティの点で制限がある。

【０００９】投影モアレ法およびフリンジ投影法は、大きい対象物を輪郭描画できるという
点ならびに測定解像度を高めるように位相測定技術を容易に実行できるという点
で有利である。これらの方法の主たる限界は、量的高さ情報を得ることに伴う退
屈さである。この限界は、投影幾何学形状および倍率ファクタの両方を較正する
必要があるためにある。

【００１０】輪郭描画解像度を高めるために、干渉計測定法において開発された移相技術が
、三次元表面輪郭描画のためのモアレ法およびフリンジ投影方法において広く採
用され、使用されてきた。モアレ、フリンジ投影輪郭描画法の解像度は、対象物
に投影されるフリンジの密度に依存する。一般的には、高いフリンジ密度は高い
解像度を意味する。しかしながら、あまりに密度の高いフリンジはカメラによっ
て解像することができないので、適用し得るフリンジ密度には限界がある。この
ジレンマを解決するために、光学的輪郭描画用途において移相技術が開発され、
広く使用されてきた（Halioua, M. and Liu, H. -C., "Optical Three-Dimensio
nal Sensing by Phase Measuring Profilometry", Opt. Lasers Eng., 11(3), 1
85-215 (1989); Moore, D.T. and Truax, B.E., "Phase-Locked Moire Fringe A
nalysis for Automated Contouring of Diffuse Surfaces", Appl. Opt., 18(1)
, 9 1-96 (1979); Srinivasan, V. H., Liu, H. -C., and Halioua, M., "Autom
ated Phase-Measuring Profilometry of 3-D Diffuse Objects", Appl. Opt., 2
3(18), 3015-3018 (1984); Srinivasan, V. H., Liu, H. -C., and Halioua, M.
, "Automated Phase-Measuring Profilometry of 3-D Diffuse Objects", AppI.
Opt., 24(2), 185-188 (1985); Boehnlein, A.J. and Harding, K.G., "Adapta
tion of a Parallel Architecture Computer to Phase Shifted Moire Interfer
ometry", Proc. SPIE, Vol. 728, 183-193 (1986); Kujawinska, M., "Use of P
hase-Stepping Automatic Fringe Analysis in Moire Interferometry", Appl.
Opt. 26(22), 47 12-4714 (1987); Toyooka, S. and Iwaasa, Y., "Automatic P
rofilometry of 3-D Diffuse Objects by Spatial Phase Detection", App1. Op
t.,25(l0), 1630-1633 (1986)）。移相は、高密度フリンジの使用を必要とせずに測定解像度を劇的に高める。普通の移相は、一連の移相フリンジ・パターンを
創り出すのに機械的に格子を変位させることによって行われる。移相フリンジ・
パターンは、次に、この技術分野では周知のアルゴリズムを使用して、イメージ
の各ピクセルの位相を抽出するように処理される。

【００１１】移相イメージは、一般に、格子を機械的に並進させることによって得られる。
欠点は、システムへの可動部品の導入のためにシステムが複雑になり、そして、
機械的なエラーにより移相が不正確になる可能性があるということである。従来
の移相技術に伴う問題のいくつかを除くために、移相・論理モアレ（ＰＳＡＬＭ
）法が提案された（Asundi, A., "Projection moire using ＰＳＡＬＭ", Proc.
SPIE, Vol. 1554B, 257-265 (1991)）。ＰＳＡＬＭ法は１つの格子だけを使用し、他の格子はコンピュータ内のソフトウェアによって生成される。移相済みの
モアレ・フリンジは、対象物のイメージおよびソフトウェア生成格子についての
論理計算から得られる。可動部品がまったく不要なので、この技術は輪郭描画シ
ステムをかなり単純化する。この技術に伴う問題は、輪郭描画結果が表面反射率
変化および既存の表面マークのためにエラーを含みやすいということにある。輪
郭描画システムを単純化する他の試みとしては、投影システムとして液晶ディス
プレイ（ＬＣＤ）パネルを使用することがある（Asundi, A., "Fringe Analysis
in Moire Interferometry", Proc. SPIE, Vol. 1554B, 472-480 (1991); Arai,
Yasuhiko, Yekozeki, Shunsuke, and Yamada, Tomoharu, "3-D automatic prec
ision measurement system by liquid crystal plate on moire-topography", P
roc. SPIIE,Vol. 1554B, 266-274 (1991)）。フリンジ・パターンの生成および移相をソフトウェアによって行う場合、システムが融通的となり、単純となる。
しかしながら、ＬＣＤパネルのイメージ輝度、コントラストが低いために（Sans
oni, G., Docchio F., Minoni U., and Bussolati C., "Development and chara
cterization of a liquid crystal projection unit for adaptive structured
illumination", Proc. SPIE, 1614, 78-86 (1991)）、対象物から反射してきたフリンジ・パターンの品質が劣っており、表面輪郭情報を抽出する際にエラーが
生じる。この理由のために、任意意味のある輪郭描画は小さい対象物についてし
か行われない。

【００１２】移相技術に関連した他の伝統的な問題は、−π／２とπ／２の間の値のみを有
するアーク・タンジェント関数を使用する位相抽出プロセスによって生じるモジ
ューロ２π曖昧性である。訂正を行っても、位相算出範囲は０〜２πまで広がり
得るが、絶対位相はまだ発見され得ない。このことは、対象物表面が不連続な特
徴を有する場合、たとえば、階段状のジャンプを有する場合で、高さ変化によっ
て２πを上回る位相変化が生じる場合、位相抽出プロセスは正しい高さ情報を提
供することができないことを意味する。したがって、従来の移相技術は、通常、
不連続な幾何学的形状の特徴を有する表面を測定するのには適用できない。この
問題を除くために、新しい技術、すなわち、フィールド・シフト・モアレ法が提
案された（Boehnlein, Albert, and Harding, Kevin G., "Field shift moire,
a new technique for absolute range measurement", Proc. SPIE, Vol. 1163,
2-9 (1989)。フィールド・シフト・モアレ法は、格子および光源を含めて投影シ
ステム全体をシフトして一連のフィールド・シフトされたイメージをキャプチャ
する。適正な数学的な操作によれば、フリンジ順序および各ピクセルの位相の両
方が抽出され、不連続な特徴を有するプリズム対象物の場合でも、表面輪郭の絶
対測定値を生成することができる。しかしながら、問題は、正確な段階を踏んで
投影システム全体をシフトする必要があるということである。この場合、従来の
格子シフト操作技術よりもシステムがかなり複雑となる。

【００１３】移相を使用するとき、少なくとも３つのイメージ（各々、必然的に移相がある
）を採用して対象物の輪郭を再構築しなければならない。伝統的に、これらの移
相イメージは逐次的に採用され、これが技術を静止対象物の輪郭描画だけに限定
する。多くの工学技術用途において、準安定状態または動的な変化の下にある対
象物の三次元表面輪郭描画は、対象物に関する極めて重要な情報を提供する。こ
のような用途においては、対象物の三次元表面輪郭を迅速にキャプチャすること
が必要になる。解像度をそのままに保ちながら輪郭描画速度をブーストする手段
としてカラーを使用することについてのいくつかのリポートがこれまでにあった
。K.G. Harding "Color encoded moire contouring", SPIE Proc. Vol. 1005 Op
tics、Illumination, and Image Sensing for Machine Vision III, 169-178 (1
988)およびヨーロッパ特許EP0076866である。Hardingは、カラー符号化されたフ
リンジ・パターンによって照明された対象物のただ１回のスナップ・ショットか
ら対象物の三次元表面輪郭を検索するカラー符号化式モアレ技術を提案している
。輪郭描画速度は、カメラのフレーム率だけによって制限される。しかしながら
、Polaroidフィルムで生成されたカラー符号化されたフリンジ・パターンのコン
トラスト比が劣っていたので、実際の対象物輪郭描画はまったく試みられなかっ
た。

【００１４】ヨーロッパ特許EP0076866は、互いに相対的に１２０度ずつ移相されているパターンを有する対象物上に３つのカラー符号化されたパターンを同時に投影する
ことを開示している。対象物表面によって変形させられた格子パターンは、３台
の関連したカラー感度カメラによって、これらのカラー符号化に対応して記録さ
れる。これの結果として、パターンが３つの異なった位相関係で同時に記録され
、機械的なシフト操作を必要とせずに移相アルゴリズムに基づく評価を実施する
ことができる。

【００１５】上記の方法および装置の各々は、三次元像形成において使用できないという固
有の欠点を有する。本発明の一目的は、このような欠点を克服し、三次元表面輪
郭描画のための改良した方法および装置を提供することにある。

【００１６】（発明の概要）本発明は、三次元表面輪郭描画のための方法および装置である。本発明は、表
面輪郭描画においてフリンジ・パターンを投影するデジタル・ビデオ・プロジェ
クタを使用する。

【００１７】幾何学的形状を構成している表面を有する対象物の三次元表面輪郭を描画する
方法は、複数のデジタル的に解釈可能な移相フリンジ・パターン信号を生成する
ことを包含し、各信号は、別々の位相角度で生成される。次に、信号は、対象物
の表面上へ投影される光学的に移相されたフリンジ・パターンに変換される。対
象物の幾何学的形状は、フリンジ・パターンをゆがめる。各ゆがめられたフリン
ジ・パターンの反射が、個々に検索される。ゆがめられたフリンジ・パターンは
結合されて位相重ねイメージを生成する。位相重ねイメージは、対象物の表面を
再構築するように分離される。

【００１８】対象物の三次元表面輪郭を描画する装置は、複数のデジタル的に解釈可能な移
相フリンジ・パターン信号を生成し、各信号を別々の位相角度で発生するフリン
ジ・パターン生成器を包含する。デジタル・ビデオ・プロジェクタが、フリンジ
・パターン生成器から信号を受け取る。デジタル・ビデオ・プロジェクタは、こ
れらの信号を光学フリンジ・パターンに変換し、対象物の表面へフリンジ・パタ
ーンを投影する。フリンジ・パターンは、対象物の幾何学的形状によってゆがめ
られ、光学検索装置がゆがめられたフリンジ・パターンの反射を検索する。イメ
ージ生成器が、ゆがめられたフリンジ・パターンを結合し、対象物の表面を再構
築する。

【００１９】本発明の好ましい実施例においては、少なくとも３つの移相フリンジ・パター
ンが、１２０度に分離してせいせいされる。移相フリンジ・パターンは、逐次的
に投影され得る。好ましくは、移相フリンジ・パターンの逐次的投影は、輪郭描
画速度を増大させるために同期化される。輪郭描画速度は、移相フリンジ・パタ
ーンをカラー符号化することによって、ほぼ同時に複数の移相フリンジ・パター
ンを投影することによっても高められ得る。フリンジ・パターン生成器は、フリ
ンジ・パターンを生成するように構成した回路であってもよい。フリンジ・パタ
ーン生成器は、イメージ生成器内に設置してもよい。フリンジ・パターン生成器
は、また、位相角度をシフトするための機械的な移相器を包含していてもよい。
好ましくは、フリンジ・パターン生成器は、位相角度をデジタル的にシフトする
。好ましくは、多数の移相フリンジ・パターンがある場合、移相フリンジ・パタ
ーンは、その数で３６０度を割った商ずつ分離される。本発明の結果として、三
次元表面輪郭描画のための方法と装置は、提供される。

【００２０】本発明の結果として、三次元表面輪郭描画の方法および装置が得られる。特別
な利点は、フリンジ・パターンがデジタル的に生成され、デジタル・ビデオ・プ
ロジェクタにより投影されるため、フリンジ・パターンが予想外に高い輝度およ
びコントラスト比を有するということである。それに加えて、フリンジ・パター
ンがデジタル的に生成されるので、任意の横断面輝度プロファイル、間隔を有す
るフリンジを生成できる。さらに、このデジタル的に制御される移相技術は、よ
り高い輪郭描画精度に変換する格子あるいは他の光学的成分を物理的にシフトす
る従来からのの必要性を除く。さらに、こうして、フリンジ・パターンを種々の
用途のためにカラー符号化するのが容易になる。

【００２１】本発明のより良く理解して貰うために、以下、添付図面に関連して行う以下の
説明を参照されたい。発明の範囲は添付の特許請求の範囲に記載する。

【００２２】本発明の好ましい実施例が説明のために選んであり、添付図面に示してある。

【００２３】（発明の詳細な説明）まず図１を参照して、ここには、本発明による表面輪郭描画装置１０が示して
ある。表面輪郭描画装置１０は、フリンジ・パターン生成器１６、デジタル・ビ
デオ・プロジェクタ１８、光学検索装置２０、イメージ生成器２２を包含する。

【００２４】フリンジ・パターン生成器１６は、デジタル的に解釈可能なフリンジ・パター
ン信号を生成し、このデジタル的に解釈可能なフリンジ・パターン信号をデジタ
ル・ビデオ・プロジェクタ１８が受け取って光学フリンジ・パターンへ変換する
。フリンジ・パターン生成器１６は、この技術分野で知られているような正弦波
パターン、バイナリ構造化ライン・パターンおよび円形パターンを含む任意タイ
プの光学フリンジ・パターンを生成するようにデジタル的に解釈可能なフリンジ
・パターン信号を生成することができる。最も重要な点として、フリンジ・パタ
ーン生成器１６は、複数のデジタル的に解釈可能な移相フリンジ・パターン信号
を生成し、位相角度をデジタル的にシフトすることによって格子を機械的にシフ
トする従来の方法を使用することなく、複数の光学移相フリンジ・パターンを生
成することができるのである。たとえば、フリンジ・パターン生成器１６は、任
意適当なコンピュータ、プロセッサ（たとえば、デジタル信号プロセッサ、マイ
クロプロセッサなど）、マイクロコントローラまたはここでの教示に従って較正
した回路であってもよい。フリンジ・パターン生成器１６としてコンピュータを
使用して本発明者等が行った実験において、本発明者等は、コンピュータで信号
を生成するための、Visual Basicで、また、Visual C++でウィンドウズベース・
プログラムを開発した。この実験では、本発明者等は、フリンジ・タイプ、輝度
プロファイル、間隔、位相およびカラーを修正するためのインタフェースとして
、キーボードおよびビデオ・モニタを使用した。フリンジ・パターン生成器は、
特殊な工業用途に仕立てた組み込み回路も使用できる。

【００２５】次に図２を参照して、ここには、フリンジ・パターン生成器１６で使用するア
ルゴリズムを説明するフローチャートが示してある。本質的に、フリンジ・パタ
ーン生成器１６は、デジタル・ビデオ・プロジェクタ１８の各ピクセルにたいし
て輝度（I）およびカラーを割り当てる。入力ブロック２３を参照して、最初に、位相角度Δ、ピッチｐ、カラー、そして、フリンジ・パターンを投影するため
のデジタル・ビデオ・プロジェクタのピクセル・アレイｍ×ｎを選ぶ。フリンジ
・パターンのカラー符号化が要求される場合、輝度は、ブロック２５に示すよう
に決定する。ここにおいては、I_r(x)、I_g(x)、I_b(x)は、ピクセルの各ラインまたは円に割り当てられたレッド、グリーン、ブルーの輝度である。ここで、I_r(x
)、I_g(x)、I_b(x)が各々２π／３または１２０度ずつ移相されていることに注目されたい。正弦波フリンジ・パターンについての数式が、他の輝度プロファイル
を有するフリンジ・パターン、たとえば、三角形のフリンジ・パターンも同様に
使用できるので、ブロック２５にほんの一例として示してある。ただ１つのカラ
ー・フリンジ・パターンを生成しようとしている場合には、輝度プロファイルが
次に決定される。ここで再び、ほんの一例として、ブロック２７、２９、３１は
、それぞれ、正弦波、三角形、バイナリの輝度プロファイルのための数式を含ん
でいる。これらの数式は、当業者が普通に使用しているものである。ブロック３
３、３５、３７は、それぞれ、レッド、グレイスケール、グリーンのフリンジ・
パターンを生成する例を示している。他のカラーのフリンジ・パターンは、同様
の方法で生成することができる。フリンジ・タイプが次に選ばれる。ブロック３
９、４１に示すように、フリンジ・パターンは、一般的には線形あるいは円形で
あるが、任意所望の形で配置することもできる。各ピクセルに輝度およびカラー
を割り当てるプロセスは、アレイｍ×ｎが完成するまで繰り返される。

【００２６】上述したようにフリンジ・パターン生成器１６でデジタル的に移相を行うが好
ましいが、本発明の別の実施例においては、装置は、さらに、位相角度をシフト
する機械的な移相器を包含してもよい。従来の機械的移相器は、一般的に、像形
成されつつある格子または対象物を並進させたり、投影されたフリンジ・パター
ンを屈折させるガラス製のプレートを回転させたりするのにモータを包含する。
機械的移相器の例は、Halioua等の米国特許第４，６４１，９７２号、Langeの米
国特許第４，９８４，８９３号およびHuber等の米国特許第５，５６１，５２６号に見出される。これらの米国特許は、参考資料として、ここに援用する。

【００２７】次に図１を参照して、ここに示すデジタル・ビデオ・プロジェクタ１８は、フ
リンジ・パターン生成器１６によって生成されたデジタル的に解釈可能なフリン
ジ・パターン信号を受け取り、この信号を光学フリンジ・パターンに変換し、そ
れを対象物１２の表面１４上へ投影する。移相フリンジ・パターンの例が、図６
Ａ、６Ｂおよび６Ｃに示してある。これらの移相フリンジ・パターンは、それぞ
れ、０度、１２０度および−１２０度の位相角度を有する。投影されたフリンジ
・パターンは、次に、対象物１２の幾何学的形状によってゆがめられる。好まし
くは、デジタル・ビデオ・プロジェクタ１８は、Texas Instruments Incorporat
edによって最近開発された「デジタル・マイクロミラー装置(ＤＭＤ)でのデジタ
ル光処理(DLP)技術」を使用する。（Gove, R.J., "ＤＭＤ Display Systems: Th
e Impact of an All-Digital Display", Society for Information Display Int
ernational Symposium (1994); Hombeck, Larry, J., "Deformable-Mirror Spac
ial Light Modulators", Proc. SPIE, Vol. 1150 (1989); Hornbeck, Larry, J.
, "Current status of the digital micromirror device (ＤＭＤ) for project
ion television applications", IEDM 15.1.1 (1993); Hornbeck, Larry, J., "
Digital Light Processing and MEMS: Timely Convergence for a Bright Futur
e", available at http:／／www.ti.com (1996); Monk, D., "Digital Micromir
ror Device Technology for Projection Displays", EID Exhibition & Confere
nce (Sandown, UK 1994); Sampbell, J.B., "The digital micromirror device"
, Proceedings of the 7th ICSS&A (Yokohama, Japan 1993); Sampbell, J.B.,
"An Overview of the performance Envelope of Digital Micromirror Device B
ased projection Displays", SID Digest, 669-672 (1994); and Younse, J.M.,
"Mirror on a chip, IEEE Spectrum. 30(11), 27 (1993)）。これらの文献は、
すべて、参考資料としてここに援用する。「デジタル・マイクロミラー装置(ＤＭＤ)でのデジタル光処理(DLP)技術」は、三次元表面像形成において使用される
とき、高い輝度、コントラスト比および画質の利点を提供する。図３〜５を参照
しながらＤＬＰ技術を以下に簡単に説明する。

【００２８】次に図３を参照して、ここに示すデジタル・マイクロミラー装置（ＤＭＤ）２
４は、小さい正方形のアルミニウム製ピクセル・ミラー２６のアレイからなる上
面を有するデジタル光スイッチ集積回路である。ＤＭＤ２４の各ピクセル・ミラ
ー２６は、図４に示すように、投影レンズ２８のアパーチャの内外へ入射光を反
射するようにデジタル的に制御され得る。「Digital Light Processing and MEM
S: Timely Convergence for a Bright Future」から採用した図４は、ミラーの光学切り替え作用を説明している。ピクセル・ミラー２６がそのオン状態、すな
わち、＋１０度に回転すると、照明器３２からの光３０が投影レンズ２８内へ向
けられ、ピクセル３４が投影スクリーン３６上に明るく現れる。ピクセル・ミラ
ー２６がそのオフ状態、すなわち、−１０度に回転すると、照明器３２からの光
３０は投影レンズ２８から離れる方向に向けられ、ピクセル３４が暗く見える。
各ピクセル・ミラー２６は、１秒当たり１，４００回より多い回数で切り替える
ことができる。そして、投影レンズ２８の内外への急速な光方向付けを行う２５
６個のグレイ・レベルの可能性を生じる。

【００２９】また「Digital Light Processing and MEMS: Timely Convergence for a Brig
ht Future」から採用した図５を次に参照して、ここには、代表的なＤＬＰ投影システム３８の一例が示してある。ＤＬＰ投影システム３８は、好ましくはメタ
ルハライドランプである照明器３２を包含する。照明器３２は、光を収集し、回
転カラー・ホイール４２上で光を像形成するコンデンサ・レンズ４０を通過する
白色光を発生する。カラー・ホイール４２は、一般に、少なくともレッド、グリ
ーン、ブルーの部分に分割してあり、これらのカラー部分を使用してカラー化し
た光の成分を投影し、１６，０００，０００個のカラーを発生することができる
。第２レンズ４４が、カラー・ホイール４２を通過する光を集め、ＤＭＤ２４の
表面を均一に照らす。ＤＬＰ回路基板４６によって制御されるＤＭＤ２４の各ピ
クセル・ミラー２６の回転状態（+１０度または−１０度）に応じて、光は投影レンズ２８内へあるいはそこから離れる方向へ向けられる。次に、投影レンズ２
８が投影スクリーン３６上へ拡大イメージを投影する。ＤＬＰ技術を使用する様
々なデジタル・ビデオ・プロジェクタ１８が現在市販されている。製造業者のい
くつかは、Davis North America, Inc、NEC Technologies Inc.、CTX Opto Inc.
、In Focus Systemsである。ここに記載する実験においては、本発明者等は、In
Focus Systems, Wilsonville, Oregonによって製造されたLitePro 620を使用し
た。

【００３０】次に図１を参照して、ここに示す光学検索装置２０は、対象物１２の表面から
のゆがめられたフリンジ・パターンの反射を検索する。光学検索装置２０は、デ
ジタル・ビデオ・プロジェクタ１８と異なった角度で、対象物１２の表面１４に
対して合焦され、ゆがめられたフリンジ・パターンの反射を検索する。光学検索
装置２０は、任意の電子カメラでよい。たとえば、ＣＣＤ、ＣＭＯＳまたはビデ
ィコン・カメラまたはフィルムであってよい。好ましくは、光学検索装置２０は
、電荷結合素子（ＣＣＤ）である。ここでの教示に従って使用するのに適したカ
メラは、同時に４，０００，０００を超えるデータ・ポイントの測定を行える２
０２９（Ｈ）×２０４８（Ｖ）ピクセルの電荷結合素子アレイを有するKodak Me
gaplus Model 4.2iである。

【００３１】イメージ生成器２２は、ゆがめられた移相フリンジ・パターンを結合し、対象
物１２の表面１４を再構築する。たとえば、イメージ生成器２２は、任意適当な
コンピュータ、プロセッサ（たとえば、デジタル信号プロセッサ、マイクロプロ
セッサ等）、マイクロコントローラまたはここでの教示に従って構成した回路で
あり得る。図１に仮想線で示すように、イメージ生成器２２およびフリンジ・パ
ターン生成器１６は同じハウジング内に、たとえば、コンピュータ内に設置し得
る。対象物の表面の再構築は、移相干渉計測定法から知られる従来のアルゴリズ
ムのうちの任意のものを使用し、まず、移相フリンジ・パターンからの情報を結
合して位相重ねイメージを獲得し、次いで、位相重ねイメージを分解し、対象物
１２の表面１４を再構築することによって行われる。図６Ａ、６Ｂおよび６Ｃに
示す移相イメージから生成した位相重ねイメージの一例が図８に示してある。

【００３２】まず、イメージ生成器２２は、生成しようとしているイメージの各ピクセルの
位相を抽出する。この移相を得るためのアルゴリズムは、種々のものがこの技術
分野では周知である。このようなアルゴリズムとしては、３ステップ・アルゴリ
ズム（Gallagher, J. E. and Herriott, D.R., "Wavefront measurement", U.S.
Patent 3,694,088 (1972); Creath, K. "Phase-Measurement Interferometry T
echniques", in Progress in Optics. Vol XXVI, E. Wolf, Ed., Elsevier Scie
nce Publishers, Amsterdam, 1988, pp. 349-393）、４ステップ最小二乗法アル
ゴリズム（Bruning, J. H., Herriott, D.R., Gallagher, J.E., Rosenfeld, D.
P., White, A. D., and Brangaccio, D. J., "Digital Wavefront Measuring In
terferometer for Testing Optical Surfaces and Lenses", Appl. Opt., 13, 2
693 (1974); Greivenkamp, J. E., "Generalized Data Reduction for Heterody
ne Interferometry", Opt. Eng., 23, 350 (1984)）、Carre法アルゴリズム（Ca
rre, P., "Installation et Utilization du Comparateur Photoelectrique et
Interferentiel du Bureau International des Poids de Measures", Metrologi
a 2, 13 (1996)）、平均化３＋３アルゴリズム（Schwider, J. Burow, R., Elss
ner, K. E., Grzanna, J., Spolaczyk, R., and Merkel K., "Digital Wavefron
t Measuring Interferometry: Some Systematic Error Sources", Appl. Opt.,
22, 3421 (1983); Wyant, J.C. and Prettyjohns, K. N., "Optical Profiler U
sing Improved Phase-Shifting Interferometry", U.S. Pat. 4,639,139 (1987)
）、Hariharan法アルゴリズム（Hariharan. P., Oreb, B. F., and Eiju, T., "
Digital Phase-Shifting Interferometry: A Simple Error-Compensating Phase
Calculation Algorithm", Appl. Opt., 26, 2504 (1987)、２＋１アルゴリズム
（Angel, J. R. P. and Wizinowich, P. L., "A Method of Phase-Shifting in
the Presence of Vibration", European Southern Observatory Conf. Proc., 3
0, 561 (1988); Wizinowich, P. L., "System for Phase-Shifting Interferome
try in the Presence of Vibration", Proc. SPIE, 1164, 25 (1989); Wizinowi
ch, P. L., "Phase-Shifting Interferometry in the Presence of Vibration:
A New Algorithm and System", Appi. Opt., 29, 3271 (1990)）がある。位相角
度を得るための上述の文献は、参考資料としてここに援用する。

【００３３】３ステップ・アルゴリズムにおいては、３つの移相パターンが生成され、各移
相パターンは別々の位相角度で生成される。好ましくは、移相パターンは、１２
０度（２π／３）ずつ分離している。Δ₁、Δ₂、Δ₃が別々の位相角度を表している場合、３つのパターンにおける各ピクセルの輝度は次のように表すことがで
きる。

【００３４】（１）（２）（３）ここで、I'(x,y)は平均輝度、I"(x,y)は輝度変調、φ(x,y)は決定しようとしている位相である。φ(x,y)について上記３つの式を同時に解くと、以下の解が得られる。

【００３５】（４Ａ） Δ₁=−１２０、Δ₂=０およびΔ₃=１２０と共に１２０度の移相（Δ）を使用す
ることよって、式は次のように短縮できる。（４Ｂ） (I₁-I₃)および(2I₂-I₁-I₃)のサインが既知の場合、上記の式は、各ピクセルのと
ころでいわゆるモジューロ２π位相を与え、値が０〜２πとなる。ひとたび各ピ
クセルについてφ(x,y)が決定されたならば、鋸歯状の位相重ねイメージを生成することができ、最高グレイ・レベルは２πの位相に対応し、最低のグレイ・レ
ベルは０に対応する。３つより多い移相パターンを生成し、各ピクセルについて
φ(x,y)を決定する際に使用することができる。一般に、これはより高い精度に通じる。しかしながら、このトレードオフは、イメージ検索、イメージ処理の両
方において処理時間を長くする。それに加えて、平均輝度I'(x,y)、輝度変調I"(
x,y)およびデータ変調γ(x,y)は、次のようにして導くこともできる。

【００３６】（５）（６）（７）データ変調γ(x,y)は、各ピクセルのところでデータの品質を点検するのに使用できる。１に近いデータ変調は良好であるが、ゼロに近いデータ変調は悪く、フ
リンジが洗い流されたか、飽和したか、焦点外れとなったか等を意味する。ある
いは、Gallagher等の米国特許第３，６９４，０８８号（参考資料としてここに援用する）に示唆されているように、位相、平均輝度、輝度変調およびデータ変
調についての式（１）〜(３)の解をフーリエ係数によって決定してもよい。

【００３７】イメージ生成器２２は、標準の位相重なり解除アルゴリズムを用いて位相重ね
イメージから高さ情報を抽出する。位相重ねイメージの重なりを解除するための
アルゴリズムは、この技術分野では種々のものが周知である。位相重ねイメージ
の重なりを解くための一般的な方法が、"Phase Shifting Interferometry", in
Optical Shop Testing, by J.E. Greivenkamp and J.H. Bruning, 2d Ed., Dani
el Malacara, John Wiley & Sons (1992) at pages 55 1-553に記載されている。それに加えて、Boehnlein等の米国特許第５，３０７，１５２号（参考資料として本願明細書で援用する）が、９０度の移相を持って式（４Ａ）で生成された
位相重ねイメージの重なりを解くためのアルゴリズム（第７欄、第７行〜第８欄
、第４３行）を開示している。

【００３８】本発明者等の行った実験においては、まず、２π不連続性が次のようにして水
平方向で除かれる。（８）ここで、kは、不連続性を除くために加える必要のある２πの数である。数値kは
、表面の幾何学的形状に応じて正ともなり、負ともなる。位相重ねイメージに式
(８)を適用すると、高さとは無関係の一連の水平方向表面プロファイルが得られ
る。連続面を形成するためには、水平方向表面プロファイルの高さ関係を決定す
る必要がある。ピクセル数がＭ×Ｎであると仮定するならば、これを行うために
次のようにして中間列について垂直方向に２π不連続性を除く。

【００３９】（９）ここで、ｌは垂直方向に不連続性を除くために加える必要のある２πの数である
。中間列垂直方向プロファイルは、式(８)で生成した水平方向プロファイル列に
ついての高さ関係を与える。最終的な表面輪郭は、以下の式によって得ることが
できる。（１０）ここで、（１１）（１２）は、それぞれ、中間行、中間列の勾配である。これらの勾配は、表面輪郭の傾き
を除くためにこの式に含ませる。

【００４０】上記のアルゴリズムは、対象物がイメージ全体を占めていると仮定している。
対象物が図６Ａ、６Ｂ、６Cに示すようにイメージのほんの一部を占めているだけの場合、マスクを生成し、図７に示すようにバックグラウンドにあるノイズを
除去して対象物の境界を定める。図７におけるマスクは、３の反射してきた移相
フリンジ・パターンの平均をとり、この平均値を２０のグレイ・レベルで二値化
することによって生成された。このアルゴリズムは、対象物の境界内だけで位相
の重なりを解くように修正される。

【００４１】以下、ダミー面の再構築を示している図６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、７、８を参照しな
がら、図１に示す本発明の実施例の動作を本発明の方法と一緒に説明する。まず
、デジタル的に解釈可能なフリンジ・パターン信号を、フリンジ・パターン生成
器１６で生成する。この信号を、光学移相フリンジ・パターンに変換してから、
図６Ａに示すように像形成されつつある対象物１２の表面１４上へ投影する。フ
リンジ・パターンは、対象物の幾何学的形状によってゆがめられる。そして、こ
のゆがめられたフリンジ・パターンの反射が光学検索装置２０によって検索され
、光学検索装置２０がこの反射をイメージ生成器２２に転送する。光学検索装置
２０が反射を検索した後に位相角度がシフトされ、このプロセスが繰り返される
。一般には、上記の３ステップ・アルゴリズムを使用するとき、全部で３つの移
相信号が生成される。図６Ａ、６Ｂ、６Ｃの位相角度は、１２０度ずつ分離して
いる。イメージ生成器２２は、上記の通りにイメージの各ピクセルの位相を抽出
することによって、ゆがめられたフリンジ・パターンを結合し、図８に示すよう
に位相重ねイメージを生成する。図８に示す位相重ねイメージを生成する際、図
７に示すように対象物の境界にマスクをかけることによって、バックグラウンド
のノイズを除去した。ひとたび位相重ねイメージを生成したならば、イメージ生
成器２２は位相重ねイメージの重なりを解くことによって対象物１２の表面１４
を再構築する。

【００４２】本発明の別の実施例においては、移相フリンジ・パターンは、カラー符号化さ
れ、ほぼ同時に投影される。カラー符号化を使用している本発明者等の最初の実
験は、１９９８年９月２９日に発行されたSPIE Proceedings Vol. 3407, Paper
No.: 3407-66, pp.477-482 entitled "Color-encoded fringe projection and p
hase shifting for 3D surface contouring"に記載されている。この文献の開示
内容は、参考資料として、本願明細書に援用する。本発明のこの実施例は図１０
〜１３を参照しながら説明する。これらの図は、頭部のプラスタ・スカルプチャ
の三次元表面輪郭を再構築する際に生成されたイメージを示す。

【００４３】次に図１を参照して、この本実施例においては、フリンジ・パターン生成器１
６は、ほぼ同時に、カラー符号化された複数のデジタル的に解釈可能な移相フリ
ンジ・パターン信号を生成する。３ステップ・アルゴリズムを位相重ねするため
に使用するときには、３つの信号を生成するのが好ましい。信号は情報で符号化
し、光学フリンジ・パターンが１２０度ずつ移相され、各々が別々のカラー、た
とえば、レッド、グリーン、ブルーを有する。本質的には、フリンジ・パターン
生成器１６は、３つの重畳した移相パターンの情報を含む信号を生成するが、イ
メージ再構築のために別の移相を識別するためにカラー符号化する。

【００４４】デジタル・ビデオ・プロジェクタ１８は、重畳されたカラー符号化信号を受け
取り、この信号をカラー符号化光学フリンジ・パターンに変換し、それを図１０
に示すように対象物の表面１４上へ投影する。図１０に示すフリンジ・パターン
は、図１１A、１１Ｂ、１１Cに示す３つの移相成分を含んでいる。現在市販され
ているデジタル・ビデオ・プロジェクタを使用する際、カラーは３の異なった機
構によって加えられることが可能である。プロジェクタが図５を参照しながら先
に説明したようなＤＭＤチップを１つだけを有する場合、カラーは、回転ＲＧＢ
カラー・ホイールを使用して加えられる。２つのＤＭＤチップを有するプロジェ
クタでは、１つのチップがレッド専用とし、他のチップはグリーン、ブルー専用
とする。イエロー、マゼンタのフィルタを有するカラー・ホイールを用いて連続
するレッド・ビームとグリーン、ブルー交互のビームを得ることができる。３チ
ップ・プロジェクタでは、ＤＭＤチップは、レッド、グリーン、ブルー専用とな
る。予想通りに、３チップ・システムは最高の光効率を与えるが、また、最も高
価でもある。３チップ・プロジェクタを使用する場合、図１１A、１１Ｂ、１１C
に示す３つの移相成分は、実際に、同時に投影され得る。回転カラー・ホイール
を使用するシングルチップ・プロジェクタを使用する場合には、３つの移相成分
は同時に投影されるが、各成分は間欠的に投影される。間欠的投影は、回転カラ
ー・ホイールを通過しつつある光に関して回転カラー・ホイールの位置に依存す
る。

【００４５】カラー符号化されたフリンジ・パターンを使用する場合、光学検索装置２０は
カラー・カメラである。好ましくは、光学検索装置２０は、各ＣＣＤを１つのカ
ラー・チャネルに専用とできるので、高解像度を提供している３ＣＣＤカラー・
ビデオカメラである。光学検索装置は、図１０に示す光学フリンジ・パターンの
反射を検索する。本発明者等の実験においては、１１５２×８６４ピクセルを有
するKodak のデジタル・カメラ(Model DC210)を使用した。このカメラは、フィルタ・アレイ技術に基づいてカラー・イメージを生成し、ピクセルの５０％がグ
リーンについて濾過し、２５％をレッド、ブルー各々について濾過するカラーＣ
ＣＤセンサを有する。人間の目はグリーンに最も敏感であるから、レッドおよび
ブルーについてのピクセルよりもグリーンについて濾過されたピクセルが多くな
っている。カメラによって検索された反射は、Kodak's Easy Pictureソフトウェ
アを使用してイメージ生成器２２に転送した。

【００４６】イメージ生成器２２は、まず、図１０に示す反射を図１１A、１１Ｂ、１１Cに
示すようにそのＲＧＢ成分に分離する。ＲＧＢ成分を獲得した後、ＲＧＢ成分を
、上記の標準の移相重ね・重ね解除アルゴリズムによって結合するが、上述した
ようにカラー・カップリング、カラー輝度について修正を行う。本発明者等の実
験においては、Aldus PhotoStyler画像処理ソフトウェアを使用して反射のＲＧＢ成分を分離した。以下に説明する修正は、本発明者等が実施した特殊な実験に
関する。説明が明らかになるにつれて、当業者であれば、同様の修正が必要であ
るが、発明の特殊な用途に依存することになることを理解できるであろう。

【００４７】カラー符号化技術が反射をＲＧＢ成分に分離するのに必要なので、輪郭描画の
結果は分離の品質次第である。一般的に、すべてのカラー・カメラにおいて、レ
ッド、グリーン、ブルーのチャネルのスペクトルは、通常、若干オーバーラップ
させて、スペクトルでのカラー・ブラインド領域をなくしている。これは、３つ
の移相フリンジ・パターンの完全分離がありそうもないことを意味している。し
かしながら、オーバーラップの程度が一定なので、撮像後にカップリングカップ
リング効果を補正することができる。３つのカラー・チャネル間でカップリング
効果の程度を見つけるために実験を行った。この実験で使用したターゲットは、
平らで白色塗装した発泡板であった。純粋なレッド・グリーン・ブルーのフリン
ジ・パターンを順次に投影する。各カラーについて、３つの移相イメージ（−２
π／３、０、２π／３）を採用し、合計９つのイメージを得た。次に、これらの
イメージをＲＧＢ成分に分離し、合計２７のイメージを得た。これらのイメージ
から、各セットの移相イメージについて、式(６)に従って、輝度変調I"(x,y)を算出した。チャネル間のI"(x,y)値の比は、これらのチャネル間におけるカップリング効果の程度を示した。レッド、グリーンのチャンネル間に強いカップリン
グ効果があるが、グリーン、ブルーのチャネル間のカップリング効果はかなり弱
いことがわかった。レッド、グリーンのチャネル間の強いカップリング効果は、
２つのカラーのスペクトル・オーバーラップのみの原因とはなり得ない。プロジ
ェクタおよびカメラによるカラーゆがみがこのオーバーラップの原因となった可
能性がある。というのは、対象物に投影されたレッドまたはグリーンのフリンジ
・パターンをビデオ・モニタ上のフリンジ・パターンと比較したとき、カラーの
差が見えたからである。このカップリング効果を補正するために、以下の式を使
用して補正済みの輝度を算出した。

【００４８】（１３）（１４）（１５）ここで、I_r(x,y)、I_g(x,y)、I_b(x,y)はオリジナルの輝度であり、I_rc(x,y)、I_gc (x,y)、I_bc(x,y)はそれぞれレッド、グリーン、ブルーのチャネルについての補正輝度であり、ａおよびｂはレッド、グリーンのチャネル間のカップリング効果
を表しており、ｃは０〜２５５の輝度値を保つのに必要なオフセット量である。
グリーン、ブルーのチャネル間のカップリング効果は無視した。実験の結果は、
この補正手段がカップリング効果によって生じたエラーをかなり減らすことを示
した。

【００４９】カラー・チャネル間のカップリング効果に加えて、レッド、グリーン、ブルー
のフリンジ・パターンのイメージ間の輝度アンバランス補正が必要となるかも知
れない。実験においては、レッドが最も弱く、グリーンが最も強かった。３つの
カラーについての入力輝度が同じ（２５５のレベル）であったので、このアンバ
ランスは、大部分、赤色光が不足しているメタルハライドランプを使用したデジ
タル・ビデオ・プロジェクタによって生じたものである。このアンバランスを補
正するために、３つのカラーについてのフリンジ・パターンの振幅を調整した。
２１０に対するグリーン、ブルーのカラーについての振幅を２１０に変え、レッ
ド・カラーについての振幅を２５５に保ったとき、最良の結果を得られることが
わかった。

【００５０】要約すれば、カラー符号化を使用するとき、三次元輪郭を得るには対象物の一
回の反射だけしか必要とせず、したがって、輪郭描画速度が向上する。図１０は
、上述したように３つのカラーについての振幅を調節した場合の、カラー符号化
光学フリンジ・パターンの反射を示している。図１１A、１１Ｂ、１１Cは、カッ
プリング効果を補正する前に図１０から抽出された３つの移相ＲＧＢ成分を示し
ている。図１２は、カップリング効果補正後に生成した位相重ねイメージを示し
ており、図１３は、図１２に示す中央長方形内に囲まれた領域においてのみ重な
りを解いた対象物の再構築三次元イメージを示している。

【００５１】本発明の別の実施例においては、移相フリンジ・パターンの逐次投影を同期化
して輪郭描画速度を高めている。同期化を行うために、図１に示す本発明の装置
は、さらに、イメージ生成器２２にフリンジ・パターン生成器１６を接続する同
期化リンク４８を包含する。この同期化リンク４８は、デジタル的に解釈可能な
フリンジ・パターン信号の初期生成と、各ゆがめられたフリンジ・パターンの反
射の検索との調整を行う接続手段に過ぎないものであってもよい。この接続手段
は、ソフトウェア・ベースであってもよいし、フリンジ・パターン生成器１６ま
たはイメージ生成器２２のいずれかの回路に組み込んだものであってもよい。

【００５２】あるいは、図５に示すようにシングルＤＭＤチップ・デジタル・プロジェクタ
１８の独特な動作原理を使用して同期化を制御してもよい。まず、カラー符号化
した複数のデジタル的に解釈可能な移相フリンジ・パターン信号をフリンジ・パ
ターン生成器l ６で生成する。デジタル・プロジェクタ１８に送られたとき、こ
のカラー符号化されたフリンジ・パターンのＲＧＢ成分は、６０Hzの周波数で、
逐次的に、そして、繰り返し投影されることになる。ここで再び図５を参照して
、プロジェクタのカラー・ホイール４２を外したならば、フリンジ・パターンの
ＲＧＢ成分は、実際に、グレイスケールで投影されることになる。イメージ検索
をこれら３つの成分フリンジ・パターンの投影と同期化することよって、対象物
の３つの移相イメージが非常に短い期間で取り出され、したがって、三次元像形
成速度をかなり向上させることができる。ビデオ率（３０フレーム／秒）で三次
元像形成を実現できるように三次元再構築速度を高めるために、ハードウェア・
ベースの画像処理およびグラフィックス・ディスプレイを使用してもよい。

【００５３】本発明は、また、像形成結果を表示したり、さらに検討したりするためにイメ
ージ生成器２２を出力装置に接続したり、あるいは、それを包含したりすること
も意図している。より具体的に言えば、出力装置は、単に像形成の結果を表示す
るためのビデオ・モニタまたはプリンタを包含するものであってもよい。一方、
本発明を製造中あるいは製造後に設計仕様に適っているかどうかをチェックする
必要がある工業部品の点検に使用する品質管理用途においては、イメージを標準
部品の数学的モデルと比較して製造された部品に欠陥があるかどうか決定するこ
とができる。それに加えて、工業部品が血管を持っていると決定されたときには
、イメージ生成器２２をフリンジ・パターン生成器１６にリンクさせ、デジタル
・ビデオ・プロジェクタ１８が情報を投影するように信号を生成することができ
る。欠陥に関する情報は、たとえば、欠陥の性質、程度、面積を含み得る。この
情報は、種々のやり方で投影することもできる。すなわち、像形成されつつある
部品上の欠陥の位置を投影すること、欠陥を説明するテキストを投影すること、
対象物の表面にカラーを投影すること、そして、ユーザ定義の意味を有するアイ
コンを投影することである。本発明を点検目的のために使うことができる特殊な
例としては、薄板金製造業がある。本発明は、また、種々の位置でクランプ止め
した薄板金部品の組立プロセスでも使用できる。間違ったクランプ止め位置は渦
板金部品に大きい変形を生じさせる原因となり得る。本発明によれば、クランプ
止め後迅速に薄板金部品の変形を点検することができ、その結果を薄板金面に投
影することができる。次いで、最適位置が決まるまでクランプ止め位置を貯節す
ることができる。

【００５４】本発明の別の実施例においては、光学投影フリンジ・パターンは、表面輪郭描
画を向上させるように最適化される。モアレ干渉法またはフリンジ投影法による
表面輪郭描画においては、解像度は、一般的に、対象物表面から反射してきたフ
リンジ・パターンのフリンジ間隔、コントラスに依存する。反映してきたフリン
ジ・パターンにおけるフリンジ間隔およびコントラストが対象物の表面の勾配お
よび反射率に依存するので、投影されたフリンジ・パターンの間隔およびコント
ラストが表面の状態に基づいて最適化され、最適化輪郭描画結果を達成するはず
である。従来の方法においては、間隔およびコントラストは、像形成されつつあ
る表面全体について１つの値を割り当てられる。本発明によれば、像形成されつ
つある対象物は、上述したように、最初に再構築され得る。次に、イメージ生成
器２２が、最初に再構築したイメージに基づいて最適フリンジ間隔、コントラス
を決定し、フリンジ・パターン生成器１６へのリンクを介してフリンジ・パター
ン信号を調整する。次いで、第２の再構築イメージを、調整済みのフリンジ・パ
ターン信号を使用して得る。別の実施例では、イメージ生成器２２は、まず、再
構築イメージを複数の別々の領域に分割する。各領域は、最適表面輪郭描画のた
めに類似したフリンジ・パターンを必要とするという点を特徴とする。次に、イ
メージ生成器２２は、各領域にその最適のフリンジ間隔およびコントラストを割
り当てる。第２再構築イメージを上記の通りに得る。別の実施例においては、イ
メージ生成器２２は、まず、再構築イメージの複製を生成する。再構築イメージ
は、複数の別々の領域に分割する。各領域は、最適表面輪郭描画のために類似し
たフリンジ間隔を必要とするという点を特徴とする。再構築イメージの複製は、
複数の別々の領域に分割する。各領域は、最適表面輪郭描画のために類似したフ
リンジ・コントラストを必要とするという点を特徴とする。次いで、イメージ生
成器２２は、これらの結果を重畳し、表面全体にその最適なフリンジ間隔および
コントラストを割り当てる。第２の再構築イメージは上記の通りに得る。すべて
の実施例における最適化階段は必要に応じて繰り返し得るが、たいていの用途に
ついて繰り返しは一回だけでよいと考えられる。

【００５５】本発明の別の実施例において、フリンジ・パターンは、対象物の表面にある不
連続性と関連した問題を扱うように順序づけされる。１つの方法において、フリ
ンジ・パターンを投影する前に、単一のフリンジをデジタル的に投影し、対象物
の表面を通してスキャンする。スキャニング中、複数の反映イメージを検索し、
不連続性を持つ領域の位置を決める。次に、表面の再構築を、上記の通りに本発
明に従って行うが、１つのフリンジを、不連続性を持つとわかっている各領域を
通じて異なったカラーまたは輝度で符号化する。符号化したフリンジは、こうし
て、残りのフリンジを順序づけるフリンジを参照するのに使用することができる
。フリンジ順序からわかった付加的な情報は、位相の重なりを解く際に使用され
、対象物の表面における任意の不連続性を正しく再構築する。別の方法において
、フリンジ・パターンのフリンジは、すべて、虹に類似するフリンジ・パターン
を形成する複数の異なったカラーでカラー符号化される。虹パターンは、充分な
間隔で周期的に繰り返し、確実に類似したカラーのオーバーラップがなくなるよ
うにすることができる。こうして、各フリンジは、対象物の表面における任意の
不連続性が位相重なり解除中に正しく再構築され得るように、その虹色プロファ
イルを基礎として順序づけることができる。

【００５６】対象物の表面における不連続性と関連した問題を扱う別の方法においては、ま
ず、対象物の表面を通じて単一のフリンジを投影、スキャンすることによって獲
得した複数の反映イメージから、この技術分野では知られている三角測量によっ
て第１の表面輪郭を抽出する。各イメージには１つのイメージしか存在しないの
で、フリンジ順序の混乱もないし、モジューロ２π曖昧性問題もない。三角測量
から得た表面輪郭は正しいが、そのトレードオフは解像度が低くなるということ
である。次に、表面輪郭の高解像度を与える移相法を用いて第２の表面輪郭を得
るが、表面不連続性で正しい高さ情報を抽出することができない。ひとたび両方
の表面輪郭が得られたならば、イメージ生成器が両方のイメージからの情報を結
合し、高解像度ならびに不連続部での正しい高さ情報を有する表面輪郭を得る。

【００５７】本発明の別の実施例においては、フリンジ・パターン生成器１６は、複数のデ
ジタル的に解釈可能な信号を生成するように構成され、その結果、デジタル・ビ
デオ・プロジェクタ１８は、対象物表面上の種々の部位に複数のスポットあるい
は十字カーソルを投影し、レンジ情報を決定する。このレンジ情報を決定する溜
めに、まず、少なくとも３つのスポットまたは十字カーソルを対象物上の別々の
部位へ投影する。スポットまたは十字カーソルの中心は、光学検索装置２０で検
索され、三角測量の原理を用いて、各部位までの距離をイメージ生成器２２によ
って決定する。移相法によって得た表面形状と組み合わせた表面上の少なくとも
３つの部位の距離情報は、スペース内の対象物表面の絶対的な位置、向き、形状
を独自に決定する。この絶対的な位置、向き、形状の測定は、たとえば、異なっ
た角度で測定した対象物表面のパッチを連結してシームレスな３６０度形状を形
成する３６０度対象物表面測定を行う際に、有用である。

【００５８】こうして、本発明の好ましい実施例であると現在考えられるものを説明してき
たが、当業者であれば、発明の趣旨から逸脱することなく変更、修正をなし得る
ものであり、発明の真の範囲内に入るようなすべての変更、修正を本発明で請求
していることは了解できよう。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、いくつかの属性を概略的に示した本発明の表面輪郭描画装置の斜視図
である。

【図２】図２は、フリンジ・パターン生成器で用いられるアルゴリズムを示すフローチ
ャートである。

【図３】図３は、デジタル・ミラー装置の立面図である。

【図４】図４は、デジタル・ミラー装置切り替え原理を説明する概略図である。

【図５】図５は、ディジタル・ライト処理用投影システムを示す展開斜視図である。

【図６Ａ】図６Ａは、０度の位相角度を有するダミー面に投影されているフリンジ・パタ
ーンを示す図である。

【図６Ｂ】図６Bは、１２０度の位相角度を有するダミー面に投影されているフリンジ・パターンを示す図である。

【図６Ｃ】図６Ｃは、１２０度の位相角度を有するダミー面に投影されているフリンジ・
パターンを示す図である。

【図７】図７は、位相重ねイメージのバックグラウンドにおけるノイズを除去するよう
に生成したマスクを示す図である。

【図８】図８は、図６Ａ、６Ｂおよび６Ｃに含まれる情報から生成された位相重ねイメ
ージを示す図である。

【図９】図９は、図６Ａ、６Ｂおよび６Ｃに示すダミー面の再構築された表面を示す図
である。

【図１０】図１０は、プラスタ・ヘッド・スカルプチャ上へ投影されているカラー符号化
フリンジ・パターンを示す図である。

【図１１Ａ】図１１Aは、−１２０度の位相角度を有する図１０に示すカラー符号化フリンジ・パターンのレッド・チャネルを示す図である。

【図１１Ｂ】図１１Bは、０度の位相角度を有する図１０に示すカラー符号化フリンジ・パターンのグリーン・チャネルを示す図である。

【図１１Ｃ】図１１Cは、１２０度の位相角度を有する図１０に示すカラー符号化フリンジ・パターンのブルー・チャネルを示す図である。

【図１２】図１２は、図１１A、１１Ｂおよび１１Cに含まれる情報から生成された位相重
ねイメージを示す図である。

【図１３】図１３は、図１１A、１１Ｂおよび１１Cに示すプラスタ・ヘッド・スカルプチ
ャの再構築された表面を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ) ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷＦターム(参考） 2F065 AA53 BB05 DD03 EE00 EE03 FF08 GG03 HH06 HH07 JJ03 JJ13 JJ19 JJ26 LL11 NN08 PP23 QQ00 QQ03 QQ16 QQ17 QQ26 QQ42 SS02 SS13 5B057 AA01 BA00 DA01 DB09 DC16

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】対象物の表面に三次元データ支持用フリンジ・パターンを設
ける方法であって、（ａ）デジタル的に解釈可能なフリンジ・パターン信号を生
成する段階と、（ｂ）前記信号を光学フリンジ・パターンに変換する段階と、（
ｃ）前記対象物の前記表面上へ前記フリンジ・パターンを投影する段階とを包含
することを特徴とする方法。
【請求項２】対象物の表面へフリンジ・パターンを投影する装置であって
、デジタル的に解釈可能なフリンジ・パターン信号を生成するフリンジ・パター
ン生成器と、このフリンジ・パターン生成器に接続してあって、前記信号を受け
取り、それを光学フリンジ・パターンに変換し、このフリンジ・パターンを前記
対象物の前記表面へ投影するデジタル・ビデオ・プロジェクタを包含することを
特徴とする装置。
【請求項３】請求項２に記載の、フリンジ・パターンを投影する装置にお
いて、前記フリンジ・パターン生成器が、前記フリンジ・パターンを生成するよ
うに構成した回路であることを特徴とする装置。
【請求項４】請求項２に記載の、フリンジ・パターンを投影する装置にお
いて、前記フリンジ・パターン生成器が、前記フリンジ・パターンを生成するよ
うにプログラムしたコンピュータであることを特徴とする装置。
【請求項５】幾何学的形状を構成している表面を有する対象物の三次元表
面輪郭を描画する方法であって、（ａ）デジタル的に解釈可能なフリンジ・パタ
ーン信号を生成する段階と、（ｂ）前記信号を光学フリンジ・パターンに変換す
る段階と、（ｃ）前記表面上へ前記フリンジ・パターンを投影し、このフリンジ
・パターンが前記対象物の前記幾何学的形状によってゆがめられる段階と、（ｄ
）光学検索装置で前記ゆがめられたフリンジ・パターンの反射を検索する段階と
を包含することを特徴とする方法。
【請求項６】幾何学的形状を構成している表面を有する対象物の三次元表
面輪郭を描画する装置であって、デジタル的に解釈可能なフリンジ・パターン信
号を生成するフリンジ・パターン生成器と、前記フリンジ・パターン生成器に接
続してあって、前記信号を受け取り、光学フリンジ・パターンに変換し、前記フ
リンジ・パターンを前記表面へ投影し、そこで前記フリンジ・パターンが前記対
象物の前記幾何学的形状によってゆがめられるデジタル・ビデオ・プロジェクタ
と、前記ゆがめられたフリンジ・パターンの反射を検索する光学検索装置とを包
含することを特徴とする装置。
【請求項７】幾何学的形状を構成している表面を有する対象物の三次元表
面輪郭を描画する方法であって、（ａ）複数のデジタル的に解釈可能な移相フリ
ンジ・パターン信号を生成する段階と、（ｂ）前記信号を光学的な移相フリンジ
・パターンに変換する段階と、（ｃ）前記表面へ前記フリンジ・パターンを投影
し、前記フリンジ・パターンが前記対象物の前記幾何学的形状によってゆがめら
れる段階と、（ｄ）前記ゆがめられたフリンジ・パターンの各々の反射を個別に
検索する段階と、（ｅ）前記ゆがめられたフリンジ・パターンを結合することに
よって位相重ねイメージを生成する段階と、（ｆ）前記位相重ねイメージの重な
り解除を行うことによって前記対象物の前記表面を再構築する段階とを包含する
ことを特徴とする方法。
【請求項８】請求項７に記載の、三次元表面輪郭を描画する方法において
、少なくとも３つの移相フリンジ・パターンを１２０度ずつ分離して生成するこ
とを特徴とする方法。
【請求項９】請求項７に記載の、三次元表面輪郭を描画する方法において
、前記移相フリンジ・パターンの各々を順次に投影することを特徴とする方法。
【請求項１０】請求項７に記載の、三次元表面輪郭を描画する方法におい
て、前記複数の移相フリンジ・パターンをカラー符号化してほぼ同時に投影する
ことを特徴とする方法。
【請求項１１】幾何学的形状を構成している表面を有する対象物の三次元
表面輪郭を描画する装置であって、複数のデジタル的に解釈可能な移相フリンジ
・パターン信号を生成するフリンジ・パターン生成器であり、前記信号の各々を
別々の位相角度で生成するフリンジ・パターン生成器と、このフリンジ・パター
ン生成器に接続してあり、前記信号を受け取り、光学フリンジ・パターンに変換
し、それらを前記表面上へ投影し、前記フリンジ・パターンが前記対象物の前記
幾何学的形状によってゆがめられるデジタル・ビデオ・プロジェクタと、前記ゆ
がめられたフリンジ・パターンの反射を検索する光学検索装置と、前記ゆがめら
れたフリンジ・パターンを結合し、前記対象物の前記表面を再構築するイメージ
生成器とを包含することを特徴とする装置。
【請求項１２】請求項１１に記載の、三次元表面輪郭を描画する装置にお
いて、前記フリンジ・パターン生成器が、前記フリンジ・パターンを生成するよ
うに構成した回路であることを特徴とする装置。
【請求項１３】請求項１１に記載の、三次元表面輪郭を描画する装置にお
いて、前記フリンジ・パターン生成器が、前記イメージ生成器内に設置してあっ
て、前記フリンジ・パターンを生成するようにプログラムした回路を包含するこ
とを特徴とする装置。
【請求項１４】請求項１１に記載の、三次元表面輪郭を描画する装置にお
いて、前記フリンジ・パターン生成器が、さらに、前記位相角度をシフトする機
械的な移相器を包含することを特徴とする装置。
【請求項１５】請求項１１に記載の、三次元表面輪郭を描画する装置にお
いて、前記フリンジ・パターン生成器が、デジタル的に前記位相角度をシフトす
ることを特徴とする装置。
【請求項１６】請求項１１に記載の、三次元表面輪郭を描画する装置にお
いて、前記移相フリンジ・パターンの各々を順次に投影することを特徴とする装
置。
【請求項１７】請求項１１に記載の、三次元表面輪郭を描画する装置にお
いて、前記複数の移相フリンジ・パターンをカラー符号化し、ほぼ同時に投影す
ることを特徴とする装置。
【請求項１８】請求項１１に記載の、三次元表面輪郭を描画する装置にお
いて、１２０度分離した３つの移相フリンジ・パターンがあることを特徴とする
装置。
【請求項１９】請求項１１に記載の、三次元表面輪郭を描画する装置にお
いて、多数の移相フリンジ・パターンがあり、これらの移相フリンジ・パターン
が、その数で３６０度を割った商の分ずつ分離していることを特徴とする装置。
【請求項２０】請求項１１に記載の、三次元表面輪郭を描画する装置にお
いて、さらに、輪郭描画速度を高めるべく前記イメージ生成器に前記フリンジ・
パターン生成器を接続する同期化リンクを包含することを特徴とする装置。