JP2005510697A - 立体物形状検出方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

本発明の目的は、これまで知られた方法よりもかなり短い測定時間で達成できる立体物の形状検出方法（立体物形状測定方法）およびその装置を提供するところにある。それにより、高速で動く物体や高速で変化する物体の立体形状検出が可能となる。本発明によると、測定物で散乱および／または反射および／または放射する光の伝達時間は、光強度変調としてコード化され、光強度または光強度分布が測定される。測定物の立体形状は、光強度分布測定値に基づき決定される。

Description

本発明は、立体物の形状検出（立体物形状測定）方法及びその装置に関するものである。

多くの工業生産の分野、特に品質管理の分野において、物体の形状検出方法が用いられている。その物体の幾何学的データは、適切な測定装置の補助によりコンピュータの数値データに変換される。それから、プログラムにより寸法やその他のパラメータが制御される。

物体の形状を検出する場合、種々の機械的・光学的方法が知られている。まず、機械的方法の場合は、通常、一点毎に測定対象物のデータが収集され、その一連の一点毎の測定結果により測定物の立体的形状が求められる。しかし一方で、測定物への機械的接触が必要であることが不利な点である。また他方、高精度測定の場合は測定時間がかなり長くなることも不利な点である。光学的方法の場合は、接触なしに測定できるので、物体に機械的な作用を与えずに実行できることが大きな利点である。このため、物体測定による当該物体の機械的な変形は排除されることになる。特にこの光学的形状検出方法は、弾性体のように物体の表面が変形しうる場合に有利である。

さらに、非接触形状検出方法の利点は、かなり多数の物体ポイント（よって小さな表面要素）を同時に検出できることにある。これにより、測定時間は機械的測定方法と比較してかなり短くなる。さらに、高さを含む構造を測定できるが、これは機械的測定方法ではかなり困難なものである。

よく知られた光学的形状検出方法は、概して三角測量法や干渉法に基づくものである。

三角測量法の場合、測定物の表面に光ポイントを投射するとともに、それを照光方向より離間した方向から観察する。投射ポイントの座標は、離間した光線投射方向と観察ポイント方向とから計算される。この方法は、かなり正確で明確なものである。しかし、測定物の表面を一点毎に測定しなければならないので、完全な物体形状を検出するにはかなりの時間が必要となる。また、この方法では動いている物体や変化する物体を検出することができないので、不利である。三角測量法をさらに発展させた方法には、ライトセクション法（ｌｉｇｈｔ ｓｅｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）やストリップ投射法（ｓｔｒｉｐ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ）がある。

ライトセクション法は、一点ではなく、光のラインを測定物の表面に投射するものである。このラインを照光方法から離間した方向からカメラで観察し、座標を決定する。上記の三角測量法と同様の方法で、照射ポイントの空間座標が得られる。このライトセクション方法は、一点毎の三角測量法よりも高速であるが、より広い面積を同時に検出できるその他の方法よりは低速である。

ストリップ投射法は、ライトセクション法をさらに発展させた方法であり、測定物の表面に同時に複数のラインを投射するものである。これらラインの強度は横方向において周期的に変化し、それぞれのラインは観察カメラで識別可能である。この方法は、同時により広い面積で検出できるので、ライトセクション法よりも高速である。しかし、強度が同じラインは識別できない。したがって、明確な測定特性の少なくとも一部は失われることになる。より正確な測定方法のためには、例えば白色光干渉分析法等の干渉法がよく用いられる。

しかし、上記のすべての方法では、測定時間が通常何秒もかかり、より高精度測定の場合は何分もかかることが不利である。可能な最短測定時間は、評価アルゴリズムの速度により限定されるのではなく、むしろ必要な複数の光学的測定方法により限定されるものである。

そこで、本発明の目的は、かなり短い測定時間、特に従来技術よりも明らかに短い測定時間を可能とする光学的立体形状検出（測定）装置および光学的立体形状検出（測定）方法を提供することにある。これにより、素早く動く立体物や変化する立体物の形状検出が可能になる。

この目的は、請求項の前提事項とともに、本発明の請求項１（方法クレーム）に記載の特徴事項や、請求項１８（装置クレーム）に記載の特徴事項により実現される。この目的に応じた発展形態は、従属請求項に含まれている。

本発明に特有の利点は、本発明の立体形状検出方法・装置において、数ミリ秒あるいはサブピコ秒というかなり短時間の測定時間を実現できるところにある。このためには、測定対象物により散乱および／または反射および／または放射される光の伝達時間を光強度変調としてコード化し、光強度または光強度分布を測定する。この光強度分布の測定値から、立体物の形状が求められる。その際、光の伝達時間を光強度変調としてコード化するとともに光強度または光強度分布を測定する前に、測定対象物は適切な光源により照射される点が有利である。その光源としては、パルスレーザが好適である。光強度変調としての光伝達時間のコード化は、光の吸収・反射・伝達および／または偏光状態を時間に応じて変化させる少なくとも一つのコンバータによってなされる。それにより、その後コンバータを通過する光経路の光はその吸収・反射・伝達および／または偏光状態が変化し、その分だけ異なった光強度変調となる。この光強度分布から、光の伝達時間を推測できる。そしてこの光の伝達時間から、立体物の形状を推測できる。例えば測定物表面にて種々異なった反射角度で照射光を反射する場合、この反射光分布は、光線ディバイダによる第２光線経路を通じて検出される。コンバータを経由した測定光強度とコンバータ経由なしの光線経路の光強度分布とに適切な数学的演算（除算等）をなし、これから物体の三次元的高さあるいは物体の表面輪郭が（無次元）分布として得られる。この分布から光の伝達時間が決定され、よって物体の三次元的形状が決定される。

コンバータは、色素、色素溶液、光学フィルタおよび／または半導体スイッチで構成される非線形吸収体である。好適な実施例の変形例として、トリフェニルメタン色素が色素として用いられる。半導体スイッチは、ＧａＡｓ構造が好ましい。さらに、コンバータは、例えばカーセルやポッケルスセル等の光学ゲートでもよい。光強度を計測するには、好ましい実施例の変形例として、ＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラを用いてもよい。さらに、本発明による装置は、鏡ならびに／もしくは一部透明な鏡、光学結像システムおよび／または光学ゲートで構成することもできる。

以下、少なくとも一部が図面に示された実施例に基づき本発明をより詳細に説明する。

図１は、本発明による二つの測定チャンネルを備えた光学的形状検出装置の概略図である。測定対象物１０は、フェムト秒レーザ１４で照射される。その際、レーザ１４の光は光線ディバイダ１６で分けられ、測定物１０に導かれる。別の照射部分は、この光線ディバイダ１６を通過して、高反射鏡２０を経て適当に遅延しつつ向きを変え、強度コード化用のコンバータ１２に導かれる。このコンバータ１２は、非線形で高速切替の光学フィルタである。かかるフィルタは、例えばＲＧシリーズ（ドイツのショット（Ｓｃｈｏｔｔ）社）から入手可能である。測定物で散乱する光は、レンズシステム１８の援助により、励起して体積が白色化した非線形吸収体（コンバータ１２）に導かれる。このコンバータ１２を通過した後、測定物１０の散乱光は、ＣＣＤカメラ２６の表面に設けたレンズシステム２２で撮像される。その結果、測定物１０で散乱する光は、ＣＣＤカメラ２６で観察されることになる。この散乱光は、光の伝達時間の関数としての非線形吸収体（コンバータ１２）の非線形特性曲線で光強度変調される。コンバータ１２（ＲＧフィルタ）を用いた場合、吸収回復時間は、遅延時間の関数（したがって測定物形状の関数）としての対数関数的スケールで強度がコード化されるような結果となる。非線形吸収体（コンバータ１２）で光強度がコード化されるが、この光の強度分布の結果、画像がＣＣＤカメラ２６に生じる。第１測定物は、照射光を立体物表面にて種々の方向に（種々の反射角度で）反射するので、この反射光は、光線ディバイダ３２・高反射鏡３０・レンズシステム２４の背後にある第２ＣＣＤカメラ２８に記録され、あるいは第２照射による反射光がコンバータなしの（例えばコンバータ１２を取り外すか、光線を適当に導き直す）カメラ２６に記録される。測定物１０の高さ輪郭は、ＣＣＤカメラ２６で測定されたコンバータ１２背後の光強度を、ＣＣＤカメラ２６で測定されたコンバータ１２除去後の第２光強度分布で除算することにより得られる。あるいは、第２光強度分布（コンバータ１２を通る光経路を経由しない）は、第２ＣＣＤカメラ２８で測定することもできる。高さ輪郭の均等化は、非線形吸収体（コンバータ１２）の白色化持続時間の関数としての強度コード化の対数補正後になされる。

図２は、第１測定物の写真画像である。これは、キュベット容器に用いるテフロンストッパである。このストッパの長さは、約１０ｍｍである。

図３は、本発明の方法で測定後に計算した第１測定物の高さ輪郭を示す図である。高さ輪郭の縮尺は、実際の値とは異なる。すなわち、実際のＸ方向の全長は約１０ｍｍであり、Ｙ方向は約７．５ｍｍである。図２に示す視点からの単一照射のみを使用した場合は、本発明の方法によりストッパの直径のみが測定される。ストッパの背景は、ＣＣＤカメラのノイズによって生じたものである。

図４は、グレーイメージでコード化した第２測定物の測定光強度分布図である。

本発明の方法に特有の特徴は、特にサブナノ秒レンジの時間分解、キロヘルツレンジの反復率、相対精度１／１０００以上の高速移動の対象物を測定できるところにある。

測定する場合には、複数の使用コンバータを電子的に起動し、より高精度測定の場合には光学的に起動する。正確さのための必要条件は、あまり高度なものは要求されない。なぜなら、測定は、伝達変化効果（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｃｈａｎｇｅ ｅｆｆｅｃｔ）（あるいは反射／偏光変化効果）のエッジにあるので、測定のために所定の時間間隔を常に得られるからである。その際、伝達変化効果（あるいは反射／偏光変化効果）の立ち下がりエッジ（ｆａｌｌｉｎｇ ｅｄｇｅ）のみならず、立ち上がりエッジ（ｒｉｓｉｎｇ ｅｄｇｅ）を使用することも原則として可能である。図２〜図７の実施例においては、立ち下がりエッジを用いている。

最も簡単なケースにおいては、非線形吸収体を周知の吸収回復時間で用いる。この吸収体は、対応する励起光、好ましくはパルスレーザにより白色化される。励起光は、測定の光と同期する。これにより、測定物で散乱および／または反射および／または放射する光の時間依存伝達減衰が生じる。

そのような非線形吸収体は、例えばＲＧシリーズ（ドイツのショット社）から入手可能な高速切換光学フィルタを基に、適切な色素（例えばトリフェニルメタン色素）あるいは適切な半導体スイッチにより実現される。本発明による処理方法は一連の構成部品を使用可能なので、経済的である。ＣＣＤカメラにより光強度分布の評価するにあたっては、ＣＭＯＳカメラの対数特性曲線が提示される。このＣＭＯＳカメラにより、非線形吸収体の特性曲線を利用することが可能となる。測定の正確さは、照射又はコンバータ伝達輪郭が不均一であるために限定されてしまうが、参照チャンネルや参照測定によりかなり高めることができる。さらに、種々のコンバータを同時にあるいは順に異なった測定チャンネルで使用すると、測定精度を高めることになる。適切な装置（レゾネータ等）により、低速なコンバータをそれぞれ作動させた後に、より高速なコンバータを複合的に起動させることもできる。それにより、より広い測定範囲にわたり高精度な測定が可能となる。

異なった視点での測定方法による測定結果は統合され、立体的に測定された対象物の数学的記述は、例えばＣＡＤ形式に変換される。本発明によると、所定の深さ範囲のみで立体形状検出がなされるように、ゲートを測定装置に配置することもできる。この方法により、例えば散乱する測定物内の形状検出を実行できる。これは、特に生物学的および／または医学的に適用する場合に有利である。

また、本発明による立体形状検出は、二次元的形状検出のためにも実施することができる。二次元形状検出の場合、カメラは、例えば光強度測定結合モードで作動させることができるし、あるいは線形ラインもしくはピンダイオードで置き換えることもできる。一点のみの評価では、除去測定を実施できる。

図５は、第２測定物の写真画像である。これはＣＤを保持するＣＤケースの内側中心部およびその背後にあるチューブクリップである。

図６は、本発明の方法で測定後に計算した第２測定物の高さ輪郭を示す図である。この図において、第２測定物の種々の高さレベルの違いを明白に見て取れる。図６に相当する単一の測定照射を用いて留め具を測定したが、正面のみから照射したので、深さにわたっていない。したがって、図６のＣＤケースの留め具は、Ｚ方向（深さ）に延伸して示されている。さらに別の影響としては、クリップ留め具の尖端の影によりこの領域が測定不能となっている。したがって、ＣＤケースの背後にあるクリップの部分は、立体的輪郭になって現れている。ただし、この部分は実際の状況とは一致するものではない。この影響は、照射を適切にすることで克服できる。とはいえ、この例でも本発明の処理を示せたことになるといえる。また、図３・図４・図７と同様に、図６においても最終的なスケーリング処理はなされていない。にもかかわらず、第２測定物の立体構造が明らかに見て取れる。

図７は、グレーイメージでコード化した第２測定物の測定光強度分布図である。
測定処理の品質は、高品質な構成部品を使用することにより高められる。可能な測定方法により、センチ単位の物体の場合でも深度測定につき１０μｍ未満の正確さで算定できる。

一連の測定速度は、データ評価速度により定まることになる。高速で変化する立体物のリアルタイム測定は、高速なコンピュータで実現できる。

上記の本発明の方法は、多数の分野に適用可能である。例えば、タービンのような高速移動部品の測定や、チップやＤＶＤやＣＤ等のマイクロエレクトロニクスの分野における厳格な品質管理に適用可能である。さらに、光学ガラスの品質管理、液体やガスの流出量測定といった透過材の測定も可能である。また本発明による方法は、対象物断面に分布する一連の光強度を測定できる。したがって、例えばレーザの放射断面輪郭の品質管理もなしうる。

本発明は、本明細書の実施例に限定されるものではない。前記方法および要素の組合せおよび修正することで、本発明の範囲を超えずに実施例を変形しうる。

本発明による光学的形状検出装置の概略図である。 第１測定物の写真画像図である。 本発明の処理方法で測定し計算した第１測定物の高さ輪郭を示す図である。 グレーイメージでコード化した第１測定物の測定光強度分布図である。 第２測定物の写真画像図である。 本発明の処理方法で測定し計算した第２測定物の高さ輪郭を示す図である。 グレーイメージでコード化した第２測定物の測定光強度分布図である。

符号の説明

１０ 測定対象物
１２ コンバータ
１４ パルスレーザ
１６ 光線ディバイダ
１８ レンズシステム
２０ 高反射鏡
２２ レンズシステム
２４ レンズシステム
２６ ＣＣＤカメラ
２８ ＣＣＤカメラ
３０ 高反射鏡
３２ 光線ディバイダ

Claims (26)

1. ａ）測定対象物により散乱および／または反射および／または放射される光の伝達時間を光強度変調としてコード化するステップと、ｂ）光強度または光強度分布を測定するステップと、ｃ）測定データを評価し、立体物の形状を決定するステップとで構成されることを特徴とする立体物形状検出方法。
2. 測定対象物は、光の伝達時間を光強度変調としてコード化するとともに光強度または光強度分布を測定する前に、適切な光源により照射されることを特徴とする請求項１に記載の立体物形状検出方法。
3. 光強度変調としての光伝達時間のコード化は、光の吸収・反射・伝達および／または偏光状態を時間に応じて変化させる少なくとも一つのコンバータによってなされることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の立体物形状検出方法。
4. 光伝達時間の光強度変調へのコード化は、色素、色素溶液、光学フィルタおよび／または半導体スイッチで構成される非線形吸収体によりなされることを特徴とする請求項３に記載の立体物形状検出方法。
5. 前記色素は、トリフェニルメタン色素であることを特徴とする請求項４に記載の立体物形状検出方法。
6. 前記半導体スイッチは、ＧａＡｓ構造を有することを特徴とする請求項４に記載の立体物形状検出方法。
7. 光伝達時間の光強度変調へのコード化は、偏光効果に基づき光学ゲートによりなされることを特徴とする請求項３に記載の立体物形状検出方法。
8. 前記光学ゲートは、カーセルやポッケルスセルであることを特徴とする請求項７に記載の立体物形状検出方法。
9. 偏光回転拡散は、使用液体の粘性変化により変化することを特徴とする請求項８に記載の立体物形状検出方法。
10. 前記光源は、パルスレーザ光源であることを特徴とする請求項２に記載の立体物形状検出方法。
11. 前記コンバータがパルスレーザ光源により照射され、その伝達あるいは吸収状態が変化することを特徴とする請求項３〜９に記載の立体物形状検出方法。
12. 前記光強度測定は、ＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラ、ＣＣＤラインカメラ、又はＣＭＯＳラインカメラのフィルムによってなされることを特徴とする請求項１〜１１に記載の立体物形状検出方法。
13. さらに、前記測定物で散乱および／または反射および／または放射する光の一つ以上の測定は、前記コンバータを通る光経路を経由せずになされることを特徴とする請求項１〜１２に記載の立体物形状検出方法。
14. 前記測定データの評価は、光強度変調としての光伝達時間の複数のコード化情報、光強度変調としての光伝達時間のずれ（オフセット）、および光強度測定値に基づきなされ、さらに／または光強度変調としての光伝達時間の複数のコード化情報、および複数の測定チャンネルによる光強度測定値に基づきなされることを特徴とする請求項１〜１３に記載の立体物形状検出方法。
15. 前記測定物で散乱および／または反射および／または放射する光の作用は、測定装置の一つ以上の光学ゲートにより制限されることを特徴とする請求項１〜１４に記載の立体物形状検出方法。
16. 前記評価および／または測定は、一次元または二次元でなされることを特徴とする請求項１〜１５に記載の立体物形状検出方法。
17. 前記測定データの評価は、光強度変調としての光伝達時間の複数のコード化情報および光強度測定値に基づきなされ、複数のコンバータを同時にまたは順に異なったチャンネルにて使用することを特徴とする請求項１〜１６に記載の立体物形状検出方法。
18. 測定物により放射される光の光強度測定ユニットを一つ以上設け、測定データの評価ユニットを一つ以上設けた立体物形状検出装置において、光の吸収・反射・伝達および／または偏光状態を時間に応じて変化させるコンバータを一つ以上設けたことを特徴とする立体物形状検出装置。
19. 前記コンバータは、色素、色素溶液、光学フィルタおよび／または半導体スイッチで構成される非線形吸収体であることを特徴とする請求項１８に記載の立体物形状検出装置。
20. 前記色素はトリフェニルメタン色素であるとともに、前記半導体スイッチは、ＧａＡｓ構造を有することを特徴とする請求項１９に記載の立体物形状検出装置。
21. 前記コンバータは、カーセルやポッケルスセルであることを特徴とする請求項１８に記載の立体物形状検出装置。
22. さらに光源を設けたことを特徴とする請求項１８〜２１に記載の立体物形状検出装置。
23. 前記光源はパルスレーザであることを特徴とする請求項２２に記載の立体物形状検出装置。
24. 前記光強度測定ユニットは、ＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラ、ＣＣＤラインカメラ、又はＣＭＯＳラインカメラであることを特徴とする請求項１８〜２３に記載の立体物形状検出装置。
25. 複数の測定チャンネルを設けたことを特徴とする請求項１８〜２４に記載の立体物形状検出装置。
26. さらに、鏡、一部透明な鏡、光学結像システムおよび／または光学ゲートを設けたことを特徴とする請求項１８〜２５に記載の立体物形状検出装置。

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