JP2006300949A - 物体の３次元光学測定のための装置のための投射器 - Google Patents

Abstract

【課題】測定の質を変えずに、より費用対効果の高い製造を確実にする。
【解決手段】構造光を投射するために、照明ユニット４と、前記投射パターンを設けられているキャリア１を有し、物体６に投射されている複数の投射パターン２の像を、取得し、評価するトポメトリックな測定法に補助されて物体６の３次元光学測定を行なうための装置のための投射器において、投射パターン２は、反復されている幾何学的な個々の構造の形態で、前記キャリア１上に配置され、また、これら投射パターン２が配設されたこのキャリア１は、動作及び照明の間に、前記投射パターン２の選択された領域が、前記照明ユニット４と物体６との間でビーム経路７の中へと移動され、縞の形状のパターンが、動きによる不鮮明さにより、前記物体６に投影されるように可動に配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、物体に投射されている投射パターンの像が取得され評価されるトポメトリック測定法の補助を受けた、物体の３次元光学測定のための装置(arrangement)のための投射器に関する。この投射器は、構造光(light structure)を投射するために、照明ユニットと、投射パターンを設けられているキャリアとを有している。

ストライププロジェクション(stripe projection)とも称されるトポメトリの原理を用いて、光学的な３角測量センサにより、物体表面の３次元の光学的な取得を行なうことは、十分によく知られている。この場合、様々な縞状のパターンが測定される物体に投射され、１つ以上のカメラにより観測され、結果として、コンピュータの助けをかりて評価される。

このようなトポメトリックな測定方法の基礎的かつ実際的な適用法は、例えば、非特許文献１に詳細に説明されている。

非特許文献２には、様々な装置の記述があり、これらの装置の助けをかりて測定の手順が実行されることができる。

特許文献１には、例えば、技術的実施の形態が開示されており、この文献の中では、投射される構造光は、キャリアに正しい位相関係で配置されている複数の投射グレーティングにより発生され、このキャリアの直線的な移動により連続的に投射されるようになっている。

さらに、並列して配置されている多くの直線的な平行な溝のグレーティングが、特許文献２に説明されている。キャリアは、規定されたように移動可能である。

特許文献３は、円形のディスク上にらせん状の縞が配置されている配置を開示している。

特許文献４は、同様に、円形のディスクから始めて、円形の縞がここでは必要とされている。円形の縞の中心は、ディスクの回転の中心に位置している。

キャリア上のパターンが縞であることは、これらの文献に共通している。これら縞は、金属層をコーティングされたガラスプレートに露光する既知の方法の助けをかりて、発生されることができる。この方法は、線が密に設けられている両方のグレーティング構造を生じさせるために用いられるだけではなく、例えば、ディタリング法の助けをかりてシヌソイドの輝度曲線を生じさせるためにも用いられることができる。

ディタリング法においては、投射グレーティングのシヌソイドの輝度分布は、例えば、異なる幅の複数の微細な線のうちの各個のグレーティング線の構成成分により近似されている。
ＤＥ ４４ １５ ８３４ Ｃ２ ＥＰ ０ ３７９ ０７９ Ｂ２ ＤＥ １９７ ４３ ８１１ Ａ１ ＵＳ ４ ８７１ ２５６ Ｂｅｒｎｄ Ｂｒｅｕｃｋｍａｎｎの"Ｂｉｌｄｖｅｒａｒｂｅｉｔｕｎｇ ｕｎｄ ｏｐｔｉｓｃｈｅ Ｍｅｓｓｔｅｃｈｎｉｋ ｉｎ ｄｅｒ ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｌｌｅｎ Ｐｒａｘｉｓ"（工業の実際における画像処理と光学的測定学）、１９９３、Ｆｒａｎｚｉｓ―Ｖｅｒｌａｇ ＧｍｂＨ、Ｍｕｎｉｃｈ Ｒｅｉｎｈａｒｄ Ｗ． Ｍａｌｚの"Ｃｏｄｉｅｒｔｅ Ｌｉｃｈｔｓｔｒｕｎｋｔｕｒｅｎ ｆｕ¨ｒ ３−Ｄ−Ｍｅｓｓｔｅｃｈｎｉｋ ｕｎｄ Ｉｎｓｐｅｋｔｉｏｎ"（３−Ｄ測量学及び検査のためのコード化された構造光）、Ｒｅｐｏｒｔｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｆｏｒ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｏｐｔｉｃｓ ｏｆ Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ、Ｊａｎｕａｒｙ １９９２

改良された投射器を提供し、この投射器の助けをかりて、測定の質を変えずに、キャリアのより単純な構造により、より費用対効果の高い製造を確実にすることが、本発明の目的である。さらに、目標は、非常に高い測定率(measurement rate)を達成することである。

この目的は、始めに述べられたタイプの投射器の補助を受けて達成される。投射パターンは、キャリア上に反復される幾何学的な個々の構造の形態で配置され、投射パターンを与えられているキャリアは、動かされている間と照明の間、投射パターンの選択された領域が、照明ユニットと物体との間のビーム経路の中へと移動され、縞の形状のパターンは、動きによる不鮮明さにより(by means of the movement unsharpness)物体に投影されるように、可動に配置されているからである。

ディタリング法と対照的に、本発明に係る投射器においては、キャリア上の投射パターンが用いられ、これらは、これら自身、例えば、三角形、円、菱形又はサイン波のような互いに積み重ねられているように配置されている、反復し塗りつぶされた個々の構造から再び組み立てられている。

この場合、キャリアは、照明時間の間、動作を実行し、この結果、投射窓を横切る複数の個々の構造を生じるように、投射器に取り付けられている。

この場合、投射器は、構造のサイズと動きの速さとを、動きによる不鮮明さのために、縞になったパターンがカメラに浮かび上がるように選択することにより設定されている。カメラの露出時間は、また、この目的に適当に適合されなければならない。したがって、物体に投射され取得される像が、キャリアが動いている時、露出時間内で変化しない各場合において、多くの個々の構造は、連続的に配置されている。

もし、縞が移動され、又は、これら縞の幅が変化されるならば、様々な領域がキャリア上に適用され、これら領域の中では、個々の構造は、位置並びに／もしくは幅を変えている。

このように、露出又は像の取得が、所望の投射パターンと同期化されていることだけが、この方法の実行の間に確実にされる必要がある。キャリア自身の移動の速度は、測定精度に全く影響を与えない。

キャリアが、ぴたりと止まっている時、複数の個々の構造は、例えば、投射パターンとして検出されることができる。これら構造は、停止状態の間は、縞の投射原理を用いる測定のためには用いられることができない。一度でも取得の間にパターンが動いたならば、動きによる不鮮明さのために、必要とされる複数の縞が現れる。

本発明は、個々の構造を適当に適合させることにより、複数の縞の所望の強度分布を非常に容易に与えることができる。したがって、既知のディタリング法の場合のように高精度で高価な構造を製造する必要はない。加えて、キャリアの動きは、測定の間に、停止される必要がない。これにより、短い観測時間が可能である。

キャリアは、投射器の中に、キャリアの直線的な移動が結果として生じるように、可動に配置されることができる。投射パターンは、その結果、対応して直線的に整列されている。

代わりの実施の形態において、キャリアは、投射器の中に、キャリアの回転運動が結果として生じるように、可動に配置される。投射パターンは、その結果、対応して円形に整列されている。この配置は、中断すなわち停止時間無しで測定できるという有利な点がある。

投射器を同期化するために、１つの標識に割り当てられている１つの投射パターンが照明ユニットと物体との間のビームの経路内で整列されている時に、照明並びに／もしくは取得が結果として生じるように、照明ユニット並びに／もしくは少なくとも１つの観測カメラを始動させるために、複数の標識が、キャリアに配置されていると、特に、有利である。

対応する投射パターンが、照明ユニットと物体との間のビームの経路の中に整列されている時に、照明並びに／もしくは取得が、結果として生じるように、照明ユニット並びに／もしくは観測カメラを始動させるために、投射キャリアの移動モータに結合されている符号器を設けることも可能である。

自動化し、短い観測時間を達成するために、キャリアの動きが結果として連続的に生じるならば有利である。

多様な変形例が個々に又は投射パターンの形態との組合せで考えられる。投射パターンが、シヌソイドの弧の下が暗い色の領域になっている複数のシヌソイドの曲線の形状、ガウス関数の釣鐘の下が暗い色の領域になっている複数のガウス関数の曲線の形状、放物線の断片の下が暗い色の領域になっている複数の放物線様の曲線の形状、スパイクの下の領域が暗い色の領域になっているスパイク状の曲線の形状、互いに並列されて並べられている複数の塗りつぶされた円、互いに並列されて並べられている複数の塗りつぶされた楕円、互いに並列されて並べられている複数の塗りつぶされた菱形、互いに並列されて並べられている複数の塗りつぶされた三角形、並びに／もしくは、互いに並列されて並べられている複数の塗りつぶされた多角形を示すならば、有利である。

本発明は、以下で、添付されている図面の助けをかりて、例として、より詳細に説明されている。

図１は、投射器の実施形態を側面図で示している。この投射器は、直線的に移動可能で、プロジェクタの中に配置され、表面に投射パターン２を備えたキャリア１を有している。このキャリア１の境界にある投射窓３が、キャリア１がこの投射窓３を通過して動かされるにつれて、投射パターン２の小区域を照明するために、投射器の中に設けられている。この目的のために、照明ユニット４が、レンズ装置５を配置されて投射窓３及び物体６と、投射パターン２の小区画が、物体６に投射されるように、整列されている。したがって、投射パターン２の小区画のための投射窓３は、照明ユニット４と物体６との間のビーム経路６内に位置している。この場合、レンズ装置５は、投射光線を物体６へ拡散(fan out)させるように設けられている。投射パターン２が投射された物体６の像は、観測カメラにより取得され、コンピュータの補助を受けて既知の方法で評価されている。評価方法それ自身は、本発明の主題ではなく、以下でより詳細には説明されない。トポメトリック(topometric)測定法は、十分に知られている。

図２は、どのようにシヌソイドの輝度曲線が、既知のディタリング(Dittering)法の補助を受けて生成されるのかを概略的に示している。この方法においては、シヌソイドの輝度曲線が、例えば、投射の際に発生されるように、次には、細さと間隔とが選択された複数の細い線から投射パターンの個々の投射線は、それぞれ集められている。

図３ａは、キャリアに適用される例示的な投射パターン２を示している。複数の暗い色の完全なサイン波が、互いに積み重なるように配置されて見られる。このサイン波の上方の領域は、対照的に、透明である。

図３ｂに描かれているように、縞のある構造が、キャリア１が動くにつれて、投射器により露光されている間、物体６に浮かび上がる。

図４は、個々に用いられ、又は、必要に従って組み合わせて用いられることができる、投射パターン２のための可能な構造の選択を示している。暗い色の完全なサイン波に対する、図３ａに示されている例に同様に、複数の対応するパターンの曲線、総じて、投射パターン２の変形ａ）乃至ｈ）が、互いに積み重なるようにキャリア１に適用されている。

例として、図４は、考えられる個々の構造の選択を示している。特に、
ａ）塗りつぶされた完全なサイン波
ｂ）塗りつぶされたガウス関数の釣鐘形
ｃ）塗りつぶされた放物線
ｄ）塗りつぶされたスパイク
ｅ）塗りつぶされた円
ｆ）塗りつぶされた楕円
ｇ）塗りつぶされた菱形
ｈ）塗りつぶされた三角形
投射器の直線的な移動のためのキャリア１の実施の形態が、上面図で図５で見られる。複数の集積されたサイン波が、例えば、互いに積み重なるように投射パターン２として適用されている。露光段階(phase)の間、キャリア１を移動させることにより、物体６に投射されている投射パターン２は、非常に不鮮明になり、複数の縞が、像の中に見えるようになる。結果として、投射パターン２は、投射窓３よりも大きなデザインでなければならない。

投射器における直線的な移動のためのキャリア１の他の実施形態が、図６に上面図で見られる。キャリア１が移動されるにつれて、投射窓２ａの様々な小区画が、連続的に投射窓３の中へと移動される。移動が続くにつれて、他の投射パターン２ｂの様々な小区画が、しばらくして投射窓３の中へと移動される。この場合、投射パターン２ｂは、選択されたトポメトリック測定法に従って、投射パターン２ａを投射するために調整された移動された縞のある構造を、投射に際して生じるように構成されている。

円形のキャリア１、すなわちディスク、を備えた投射器の実施の形態が、図７に側面図で見られる。キャリア１は、照明ユニット４とレンズ装置５との間のビーム経路７の中の回転軸８の回りに回転することができるように、配置されていることは明確になっている。再び、投射器は、投射パターン２の小区画が物体６に投射されるように、整列されている。このディスクの回転する動きのために、投射パターン２の複数の個々の構造は、投射窓３を横切り、物体６と、所望の動きと不鮮明さ(unsharpness)とを備えた縞のあるパターンとして物体６から得られる像の中とに投影される。

キャリア１の円形の実施の形態、すなわちディスク、は、図８ａに上面図で見られる。複数の投影パターン２は、このディスク１上の円形のトラックに配置されている。このディスクが、このディスクの回転軸８の回りに回転するにつれて、投射パターン２が、連続的に、照明ユニット４と物体６との間のビーム経路７の中の観測窓３の中へと、動かされる。投射パターン２の個々の構造は、中心がこのディスクの回転点８にある、円形のトラックにある。

図８ｂは、拡大して図８ａの小区画を示している。投射窓３は、キャリア１の上での回転する動きの間にこの投射窓３の下に動かされている投射パターン２と共に、ここでは、十分にはっきりと見える。

キャリアが直線状に移動する投射器の実施の形態の側面図を示している。 シヌソイドの輝度曲線を有する既知のディタリング法の助けをかりて生じたパターンの概略的な図示をした投射パターンの断片を示している。 キャリアが停止している場合のシヌソイドのパターンの曲線を有する投射パターンの投射を示している。 キャリアが動いている場合の図３ａの投射パターンの投射を示している。 可能な投射パターンの例示的な選択を図示している。 キャリアの直線的な実施形態の上面図を示している。 横向きに移動されて配置されている複数の投射パターンを有する、キャリアの直線的な実施形態の上面図を示している。 キャリアが回転運動する、本発明に係る投射ユニットの実施形態の側面図を示している。 複数の投射パターンを有するキャリアの円形の実施形態の上面図を示している。 図８ａの拡大された部分の上面図を示している。

符号の説明

１…キャリア、２…投射パターン、３…投射窓、４…照明ユニット、５…レンズ装置、６…物体、７…ビーム経路。

Claims (16)

1. 構造光を投射するために、照明ユニット（４）と、前記投射パターンを設けられているキャリア（１）を有し、物体（６）に投射されている複数の投射パターン（２）の像を、取得し、評価するトポメトリックな測定法に補助されて物体（６）の３次元光学測定を行なうための装置のための投射器において、
   前記投射パターン（２）は、反復されている幾何学的な個々の構造の形態で、前記キャリア（１）上に配置され、また、これら投射パターン（２）が配設されたこのキャリア（１）は、動作及び照明の間に、前記投射パターン（２）の選択された領域が、前記照明ユニット（４）と物体（６）との間でビーム経路（７）の中へと移動され、縞の形状のパターンが、動きによる不鮮明さにより、前記物体（６）に投影されるように可動に配置されていることを特徴とする投射器。
2. 前記キャリア（１）は、このキャリア（１）の直線的な移動が生じるように、構成されていることを特徴とする請求項１に係る投射器。
3. 前記キャリア（１）は、このキャリア（１）の回転運動が生じるように、構成されていることを特徴とする請求項１に係る投射器。
4. 複数の前記投射パターン（２）は、選択された測定法のために必要な動かされた複数の縞、特に、規定された縞の細さと縞の間隔と備えた複数の縞、を生じるように配置されて、前記キャリア（１）に位置していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に係る投射器。
5. 標識に割り当てられている前記投射パターン（２）が、前記照明ユニット（４）と物体（６）との間の前記ビーム経路（７）の中に整列される時に、照明並びに／もしくは取得が生じるように、前記照明ユニット（４）並びに／もしくは少なくとも１つの観測カメラを作動させるために、キャリア（１）に前記標識を有することを特徴とする前記全ての請求項のいずれか１に係る投射器。
6. 対応する前記投射パターン（２）が、前記照明ユニット（４）と物体（６）との間の前記ビーム経路（７）の中に整列されている時に、照明並びに／もしくは取得が生じるように、前記照明ユニット（４）並びに／もしくは観測カメラを始動させるために、符号器が、前記投射器のキャリア（１）の移動モータに結合されていることを特徴とする前記全ての請求項のいずれか１に係る投射器。
7. 前記キャリア（１）の動作は、連続的に生じることを特徴とする前記全ての請求項のいずれか１に係る投射器。
8. 前記投射パターン（２）は、シヌソイドの弧の下が暗い色の領域になっている複数のシヌソイドの曲線の形状を示していることを特徴とする前記全ての請求項のいずれか１に係る投射器。
9. 前記投射パターン（２）は、ガウス関数の釣鐘の下が暗い色の領域になっている複数のガウス関数の曲線の形状を示していることを特徴とする前記全ての請求項のいずれか１に係る投射器。
10. 前記投射パターン（２）は、放物線の断片の下が暗い色の領域になっている複数の放物線様の曲線の形状を示していることを特徴とする前記全ての請求項のいずれか１に係る投射器。
11. 前記投射パターン（２）は、スパイクの下の領域が暗い色の領域になっているスパイク状の曲線の形状を示していることを特徴とする前記全ての請求項のいずれか１に係る投射器。
12. 前記投射パターン（２）は、互いに並列されて並べられている複数の塗りつぶされた円を示していることを特徴とする前記全ての請求項のいずれか１に係る投射器。
13. 前記投射パターン（２）は、互いに並列されて並べられている複数の塗りつぶされた楕円を示していることを特徴とする前記全ての請求項のいずれか１に係る投射器。
14. 前記投射パターン（２）は、互いに並列されて並べられている複数の塗りつぶされた菱形を示していることを特徴とする前記全ての請求項のいずれか１に係る投射器。
15. 前記投射パターン（２）は、互いに並列されて並べられている複数の塗りつぶされた三角形を示していることを特徴とする前記全ての請求項のいずれか１に係る投射器。
16. 前記投射パターン（２）は、互いに並列されて並べられている複数の塗りつぶされた多角形を示していることを特徴とする前記全ての請求項のいずれか１に係る投射器。

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