JP2006105983A - 物体の形状測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】３次元干渉縞投影方法を改良する。
【解決手段】本発明の一態様による、物体（１２）の形状を測定するシステム（１０）が提供される。このシステムは、基準マークを有する干渉縞パターン（１８）を物体（１２）上に投影するように動作可能な投影システム（１４）を備える。このシステムはさらに、物体（１２）によって変調された干渉縞パターンの画像（２０）を取得するように動作可能な画像処理システム（２６）を備える。画像処理システム（２６）はさらに、干渉縞パターンの画像内の基準マークを同定するように動作可能であり、この基準マークに基づき物体（１２）の形状を構築する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に光学的計測学に関し、より詳しくは、符号化された干渉縞パターンを使用する３次元形状測定技術に関する。

計測学は測定の科学であり、製造の重要な一態様である。３次元物体の非接触形状測定は、計測学の重要な一態様であり、光学的方法はこの分野で重要な役割を果す。光学的３次元形状測定技f術は、大まかに２つの技術、走査技術および非走査技術に分類することができる。走査技術の一例は、レーザレーダである。この技術では、レーザビームで物体の表面上を走査することによって、レーザレーダが物体の形状を検出する。物体からの反射光は次いで物体のモデルを作り出すのに使用される。レーザレーダなどの走査方法は、物体の全表面をカバーするため１次元または２次元の走査を必要とするので通常時間がかかる。

３次元表面測定の非走査技術は通常、走査技術より速い。さらに、３次元輪郭情報を検索する画像処理は、比較的単純である。非走査技術の一例は、干渉縞投影法である。この干渉縞投影法は、測定すべき物体上に干渉縞パターンを投影することによって３次元形状測定を行う方法である。カメラ、または何か他の画像検出装置が、変調された干渉縞パターン、すなわち物体の表面から投影される干渉縞パターンの画像を取得する。これらの画像は、次いで物体の３次元形状を構成するように処理される。

この干渉縞投影方法は、（１つの測定で数メートル内の）大きな物体および（マイクロメータ規模の）小さな物体の両方に使用することができる。位相シフト技術も干渉縞検出方法に使用することができる。位相シフト技術の利点のうちのいくつかには、波長の１／１０００程度の高測定精度、高速測定能力、および低いコントラストの干渉縞から良好な結果が得られることがある。位相シフト技術では、カメラによって取得された変調された干渉縞パターンの画像から位相マップを形成するために複数のアルゴリズムが使用される。通常は、連続的な位相マップ、およびその結果、３次元形状を得るためには、位相ラップ（ｗｒａｐｐｉｎｇ）またはアンラップ（ｕｎｗｒａｐｐｉｎｇ）を行わなければならない。伝統的な位相シフト測定システムは、０から３６０度の反復位相値によってラップされた位相マップを得ている。しかしながら、位相マップには開始点または終了点は存在せず、それがモデリング処理を完了させることをほとんど不可能にしている。
特開２００１−２２７９２７号公報

したがって、非走査技術を使用する非接触３次元形状測定方法の測定精度を高める改良された方法が求められている。より詳細には、上記で説明した問題に対処する３次元干渉縞投影方法を改良することが求められている。

手短に言えば、一実施形態によれば、本技術は物体の形状を測定するシステムを提供する。このシステムは、基準マークを有する干渉縞パターンを物体上に投影するように動作可能な投影システムを備える。このシステムはさらに、物体によって変調された干渉縞パターンの画像を取得するように動作可能な画像処理システムを備える。この画像処理システムはさらに、干渉縞パターンの画像中の基準マークを同定し、その基準マークに基づいて物体の形状を構築するように動作可能である。

別の態様によれば、本技術は、物体の形状を測定する方法を提供する。この方法は、マークを有する符号化された干渉縞パターンを物体上に投影する方法を含む。次いで、このマークは、物体によって変調された、符号化された干渉縞パターンの位相ラップされた画像中で同定される。この方法はさらに、このマークを絶対座標系用の基準点として使用する位相ラップされた画像用の絶対座標系を形成することを含む。

本発明のこれらのおよび他の特徴、態様および利点は、添付の図面を参照して、以下の詳細な説明を読むとき、より良く理解されるであろう。図面を通して同じ記号は同じ部品を示す。

本技術は、一般に物体の形状を測定し、工業的用途のための有用な画像およびデータを発生させる符号化された干渉縞投影技術に対するものである。これらの技術は、符号化された干渉縞パターンを物体上に投影し、物体の３次元形状を再構築するために、投影された符号化された干渉縞パターンの１つまたは複数の画像を処理することを使用する。本技術は、機密保持の目的で人間の同定を確定するための生体走査などの、別の分野にも適用することができる。

次いで図面に移り、最初に図１を参照すると、符号化された干渉縞投影測定システム１０の例示的一実施形態が提供されている。

この符号化された干渉縞投影測定システム１０は、３次元物体１２の形状を測定するように動作可能である。図示の符号化された干渉縞投影測定システム１０は、符号化された干渉縞投影装置１４および画像化装置１６を備える。この符号化された干渉縞投影装置１４は、符号化された干渉縞パターン１８を物体１２上に投影するように動作可能である。この干渉縞パターンは、識別可能な形体またはマークを伴って符号化されている。このマークは、物体１２に投影できる、分離したマーク、特有の干渉縞パターン、または何か別の種類の基準点識別子であることができる。さらに、この符号化された干渉縞投影装置１４は、符号化された干渉縞パターンを位相シフトするように動作可能である。この符号化された干渉縞投影装置１４は、様々な位相シフトを伴う符号化された干渉縞パターンを物体１２上に投影するように動作可能な、干渉計、回析格子システム、ホログラフィック回折格子システム、デジタル干渉縞投影システム、または何か他の種類の投影システムを備えることができる。

符号化された干渉縞投影測定システム１０の画像化装置１６は、物体１２によって変調された符号化された干渉縞パターン２０を検出するように動作可能である。この画像化装置１６は、電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラまたは相補形金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）カメラとすることができる。さらに、このカメラはデジタルまたはアナログタイプであることができる。この実施形態では、符号化された干渉縞投影測定システム１０は、符号化された干渉縞投影装置１４および画像化装置１６の動作を制御するように動作可能な制御システム２２も備える。

画像化装置１６と画像処理システム２６の間のインターフェースとして働く画像インターフェース２４が設けられている。この画像インターフェース２４は、一連の多くのこまからアナログまたはデジタルのビデオ情報の単一のデジタルのこまを記録するように動作可能なこま採集手段（ｇｒａｂｂｅｒ）であることができる。この画像インターフェース２４は、画像化装置１６から信号を受信し、その信号をこまに変換することができる。このこまは次いで、画像処理システム２６に供給される。画像処理システム２６は、物体１２の位相マップまたは位相ラップされた画像を形成するために、１つまたは複数の画像を処理するように動作可能である。この画像処理システム２６は、全てのカメラピクセルに対して位相値を計算する。この位相マップは、物体１２の形状を再構築するためにアンラップされる。

画像処理システム２６および制御システム２２は、オペレータワークステーション２８、または同様なコンピュータデバイスに接続することができる。画像処理システム２６は、オペレータワークステーション２８から命令および画像化パラメータを受け取るように構成することができる。オペレータワークステーション２８は、キーボード、マウス、および他のユーザー対話装置（図示せず）などの入力装置を備えることができる。オペレータワークステーション２８は、物体の形状を測定し、システムレベルの構成変更を効果的にもたらすための様々な設定をカスタマイズするために使用することができる。したがって、それによりオペレータはオペレータワークステーション２８を介してシステム１０を制御することができる。

オペレータワークステーション２８はさらに、表示モジュール３０およびプリンタモジュール３２に接続することができる。表示モジュール３０は、物体の３次元形状を表示するように構成することができる。プリンタモジュール３２は、画像のハードコピーを作るために使用することができる。さらに、オペレータワークステーション２８は、画像を保管するために画像保管システム（ｐｉｃｔｕｒｅ ａｒｃｈｉｖｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）（ＰＡＣＳ）３４に接続することができる。このＰＡＣＳは、異なる場所の人たちが画像および画像データにアクセスできるように、ネットワークを介して内部ワークステーション３６および／または外部ワークステーション３８に接続することができる。この符号化された干渉縞投影測定システム１０は、内部ワークステーション３６を介して、内部データベース４０にデータを送ったり、データベースからデータを受け取ることもできる。同様に、システム１０は、外部ワークステーション３８を介して、外部データベース４２にデータを送ったり、データベースからデータを受け取ることもできる。この分野の技術者には当然分かるように、システム１０は、物体の形状を測定するのに使用し、または物体の測定された形状を既存のデータベースと比較するのに使用することのいずれも可能である。

図２を全体的に参照すると、干渉計４４が、符号化された干渉縞パターンを発生させるように動作可能な符号化された干渉縞投影画像システムの一例として設けられている。この干渉計４４は、干渉縞パターンを発生させるための２つの光ビームを結合させるように構成される。干渉計４４は、光源４６、コリメーテングレンズ４８、ビームスプリッタ５０、折り返しミラー５２、および平面ミラー５４を備える。光源４６は、光ビーム５６を発生させるように動作可能である。図示のように、ビームスプリッタ５０がほぼ４５度の角度で配置され、光のほぼ半分を反射し残りの光を透過させる材料で被覆されている。光ビーム５６は、コリメーテングレンズ４８を通過しビームスプリッタ５０に向かって移動する。光源４６からの光ビーム５６は、光の第１の部分５８が折り返しミラー５２に向かって反射される。光の第２の部分６０は、ビームスプリッタ５０を通過し、平面ミラー５４に向かって伝達される。折り返しミラー５２は、分割部６２および互いにある角度に保持された２つの区画６４および６６を有する。光の第１の部分５８は、折り返しミラー５２によって反射され、光の第２の部分６０は、平面ミラー５４によってビームスプリッタ５０に向かって引き返して反射される。第１の部分５８の反射されたビーム６８および光の第２の部分６０の反射されたビーム７０は、ビームスプリッタ５０のところで互に干渉し、干渉縞パターン７２を形成する。移動ミラー５２の分割部６２が干渉縞パターン７２に生成させるべきマークを生じさせる。折り返しミラー５２または平面ミラー５４の半波長距離だけの位置の移動が、干渉縞パターンに１干渉縞単位の移動を生じさせる。この方法は、位相移動技術に応用される。

図３を全体的に参照すると、回析格子システム７４が、符号化された干渉縞パターンを発生させるように動作可能な干渉縞投影システムの別の例として提供されている。回析は、伝播する波の波頭が傷害物の近傍で曲がる現象である。回析格子は、回析を使用して光を分光するために使用する１組の平行なスリットである。回析格子システム７４では、光源７６およびコリメーテングレンズ７８が、光８０を回析格子８２に向けるために設けられている。回析格子８２は、反射式の、または図示のように透明な基板であり、細かな、平行な、等間隔の溝の配列を備える。これらの溝が、回析および相互干渉を生じさせ、結果として最終的に干渉縞パターン８４が得られる。典型的な回析格子では、全ての溝またはスリットは平行であり、かつ等しい分布をしている。結果として、生成される干渉縞パターンの線は、平行かつ等分である。しかしながら、この実施形態では、この溝は等しい分布で設けられない。したがって、干渉縞パターンの線も、等しい分布で生じない。

図４を一般的に参照すると、符号化された干渉縞パターン８６の一例が提供されている。それは、明るい干渉線８８、暗い干渉線９０およびマーク９２として働くより狭く暗い線９２を有する。マーク９２は、それによって干渉縞パターン８６の基準点として働く。そうでない場合は、干渉縞パターン８６は、１連の平行な線以外の何物でもないように見えるであろう。

図５を全体的に参照すると、符号化された干渉縞パターンを使用して３次元の物体の形状を測定する方法が提供されており、全体的に参照番号９３で示されている。この方法では、符号化された干渉縞パターンが、ブロック９４によって示すように生成される。次いで符号化された干渉縞パターンは、ブロック９６によって示すように、様々な位相移動を伴って物体上に投影される。位相移動技術が、０度から３６０度の範囲の、様々な位相移動を伴う符号化された干渉縞パターンを投影するために使用される。ブロック９８によって示すように、物体の表面によって変調された、様々な位相移動を伴う投影された符号化された干渉縞パターンの画像は、画像化装置によって取得される。投影装置がその角度で符号化された干渉縞パターンを投影する角度、および画像化装置がその角度で変調され、符号化された干渉縞パターンの画像を取得する角度は異なる。角度のこの相違を補償するため、変調された干渉縞パターンの画像の座標を変換させることができる。

得られる位相移動画像の数は、変動する可能性がある。典型的には、ブロック１００に示すように、様々な位相角度での位相移動した基準画像を解析することによって、ラップされた位相マップが計算される。ラップされた位相マップは、−πラジアンから＋πラジアンの間の周期的な値を有する。ブロック１０２によって示すように、このラップされた位相マップは、地形を示す位相値の連続した変化を作り出すためにアンラップされる。ラップされた位相マップは、２πラジアンから０または０から２πラジアンの値の飛び越し毎に、２πラジアンを加えるまたは減ずることによってアンラップすることができる。アンラップされた位相マップは、視覚的に等高線地図に似ている。アンラップされた位相マップから、変位の大きさおよび方向の両方を抽出することができる。次いで、ブロック１０４によって示すように、マークがアンラップされた位相マップ内で同定される。絶対値位相マップが、ブロック１０６によって示すように、アンラップされた位相マップ内で同定されたマークに基づき、符号化された干渉縞パターンから生成される。次いで、ブロック１０８によって示すように、いかなるゆがみもなしにモデルを構築するために、または物体の形状を再構築するために、絶対座標系内で座標を計算することができる。

図６を全体的に参照すると、人間１１２の生体走査を行うために使用することができる生体走査システム１１０が示されている。この生体走査システムは、虹彩（目）走査、指紋走査、または人間１１２の同定を行うために使用することができる他の技術であり得る。このシステム１１０は、実質的に図１で論じたシステム１０に似ており、生体走査を行うための方法の段階も図５に説明した方法９３に実質的に似ている。このシステム１１０は、生体情報を取得するため使用すること、または取得された生体情報を既存のデータベースと比較することのいずれにも使用することができる。

また当然分かるように、上記で説明した技術は、これらの方法を実施するための、コンピュータまたは制御器利用方法または装置の形態をとることができる。上記で説明した技術は、物体の形状を測定するための命令を格納したコンピュータプログラムコードの形態で具体化することもできる。このコンピュータプログラムコードは、フロッピー（商標）ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ハードドライブ、または任意の他のコンピュータ読み込み可能な記録媒体などの具体的な媒体として具体化することができる。このコンピュータプログラムコードは、コンピュータまたは制御器に読み込ませ、実行させると、コンピュータは、この技術を実施する装置になる。この開示は、コンピュータプログラムコードまたは信号の形態で具体化することもできる。例えば、記録媒体に記録され、コンピュータまたは制御器に読み込ませ、かつ／または実行させようが、または電気的な配線またはケーブル上で、光ファイバを通して、または電磁気的放射を介して伝達されようが、コンピュータプログラムコードがコンピュータに読み込まれ、実行されるときは、そのコンピュータは本発明を実施するための装置になる。汎用マイクロプロセッサ上で実施されたときは、そのコンピュータプログラムコードのセグメントはそのマイクロプロセッサに指定した論理回路を構成させる。

本明細書で本発明の特定の特徴のみ図示し説明してきたが、この分野の当業者には多くの改変形態および変更が思い浮かぶであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

本技術の例示的な一実施形態による、符号化された干渉縞投影形状測定システムの図である。 本技術の例示的な一実施形態による、干渉縞投影システムの図である。 本技術の別の一実施形態による、干渉縞投影システムの図である。 本技術の例示的な一実施形態による、符号化された干渉縞パターンの画像の図である。 本技術の例示的な一実施形態による、物体の形状を測定するための方法のブロック図である。 本技術の例示的な一実施形態による、生体走査用の符号化された干渉縞投影システムの図である。

符号の説明

１０ ３次元形状測定システム
１２ ３次元物体
１４ 投影システム
１６ 画像化装置
１８ 干渉縞パターン
２０ 画像
２２ 制御システム
２４ 画像インターフェース
２６ 画像処理システム
２８ ワークステーション
３０ 表示モジュール
３２ プリンタモジュール
３４ ＰＡＣＳ
３８ 外部ワークステーション
４０ 内部データベース
４２ 外部データベース
４４ 干渉計
７４ 回析格子

Claims (10)

1. 基準マークを有する干渉縞パターン（１８）を３次元物体（１２）上に投影するように動作可能な投影システム（１４）と、
   前記３次元物体（１２）によって変調された前記干渉縞パターン（１８）の画像（２０）を取得するように動作可能な画像処理システム（２６）とを備え、前記画像処理システム（２６）は、前記３次元物体（１２）によって変調された前記干渉縞パターンの前記画像中の前記基準マークを同定し、前記３次元物体（１２）の前記形状を再構築するために、前記基準マークを基準点として使用して座標システムを定めるように動作可能である、３次元形状測定システム（１０）。
2. 前記投影システム（１４）が、複数の位相移動を伴う複数の干渉縞パターン（１８）を投影するように動作可能である、請求項１記載のシステム。
3. 前記画像処理システム（２６）が、前記３次元物体（１２）によって変調された、前記基準マークを有する前記干渉縞パターンの画像（２０）を取得するように動作可能であり、前記画像処理システム（２６）が、前記３次元物体（１２）によって変調された、前記基準マークを有する前記干渉縞パターンの画像および前記３次元物体（１２）によって変調された、前記基準マークを有する前記干渉縞パターンを使用して、前記３次元物体（１２）の位相ラップされた画像を発生させるように動作可能である、請求項１記載のシステム。
4. 前記画像処理システム（２６）が、前記位相ラップされた画像の基準マークを同定し、前記基準マークを前記座標システムのための基準点として使用するように動作可能である、請求項３記載のシステム。
5. 前記画像処理システム（２６）が、前記基準マークに基づいた前記座標システムを使用して、前記位相ラップされた画像をアンラップするように動作可能である、請求項４記載のシステム。
6. 前記投影システム（１４）が干渉計を備える、請求項１記載のシステム。
7. 前記投影システム（１４）が回析格子を備える、請求項１記載のシステム。
8. 前記投影システム（１４）がデジタル干渉縞投影システムを備える、請求項１記載のシステム。
9. 前記３次元物体（１２）上に複数の位相移動を伴う、前記基準マークを有する複数の干渉縞パターンを投影するために、前記投影システム（１４）の動作を制御するように構成された制御システム（２２）をさらに備える、請求項１記載のシステム。
10. 基準マークを有する符号化された干渉縞パターン（１８）を物体（１２）上に投影する段階と、
    前記物体（１２）によって変調された、前記基準マークを伴う前記符号化された干渉縞パターンの画像（２０）を取得する段階と、
    前記物体によって変調された、前記基準マークを伴う前記符号化された干渉縞パターンの画像を使用して、前記物体（１２）の位相ラップされた画像を発生させる段階と、
    前記物体（１２）の位相ラップされた画像中で前記基準マークを同定する段階と、
    アンラップされた画像を形成するために、前記基準マークを基準点として使用して、前記物体（１２）によって変調された符号化された干渉縞パターンの位相ラップされた画像をアンラップする段階とを含む、３次元形状を測定する方法。