JP2010537218A

JP2010537218A - Ｌｃｄを利用した３次元形状測定装置

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Publication number: JP2010537218A
Application number: JP2010522794A
Authority: JP
Inventors: パク，ヘイ−ジェ; リ，イル−ホァン; チョイ，スーン−ミン; リ，ジョン−ホ
Original assignee: SNU Precision Co Ltd
Current assignee: SNU Precision Co Ltd
Priority date: 2007-08-31
Filing date: 2008-08-11
Publication date: 2010-12-02
Also published as: US20110279670A1; CN101802545B; CN101802545A; TW200909769A; WO2009028811A1; KR100947463B1; KR20090022819A; WO2009028811A8; TWI386620B

Abstract

【課題】正弦波縞を測定物に形成させて、前記正弦波縞による測定物の画像情報をカメラで取得した後、これを分析して測定物の形状を測定する３次元形状測定装置を提供すること。
【解決手段】前方に光を照射する光源と、該光源の前方に位置し、コンピュータのパルス信号に応じて種々の位相と多様な周期の正弦波縞を発生させるＬＣＤパネルと、該ＬＣＤパネルの前方及び後方に位置する偏光板と、前記ＬＣＤの前方に位置し、所定距離離隔し、前記ＬＣＤから発生した正弦波縞を測定物に結像させる第１の結像レンズと、前記光源、前記ＬＣＤパネル、前記偏光板、及び前記第１の結像レンズが固定的に支持されるハウジングとを備えるＬＣＤプロジェクターを有することを特徴とする。
【選択図】図７

Description

本発明は、液晶表示装置（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＤｉｓｐｌａｙ；以下、ＬＣＤとする）を利用した３次元形状測定装置に関し、より詳細には、正弦波縞を測定物に形成させて、前記正弦波縞による測定物の画像情報をカメラで取得した後、これを分析して測定物の形状を測定する３次元形状測定装置に関する。

一般に、モアレ干渉縞を用いた３次元形状測定装置とは、検査しようとする測定物の表面に一定の形態を有する光を照射して現われる格子模様と基準になる格子模様とを重ね合わせてモアレ干渉縞を形成し、この干渉縞を測定及び解析して、物体表面の高さに対する情報を得る装置をいう。このような測定方法は、測定物の３次元形状を簡単かつ速く得ることができるので、医学、産業分野で広く使用されている。

このようなモアレ干渉縞を用いた３次元形状を測定する方式としては、大別して投影式及び映像式がある。映像式は、レンズを用いずに、測定物の表面に現われる格子模様の映像から生成されたモアレ縞を用いて測定物の表面形状を測定する方式であり、投影式は、レンズを用いて測定物に投影した格子のイメージから生成されたモアレ縞を用いて測定物の表面形状を測定する方式である。

図１は、映像式測定装置を概略的に示している。同図に示すように、映像式測定装置は、光源１００から出た光が格子１０３を通過して測定物Ｐの表面に格子状の映像が生じるか、または、タルボ（ｔａｌｂｏｔ）効果によって格子状のイメージが生じる。ここで用いられる格子１０３は、透過する光の強度を変化させる機能を果たす。前記格子１０３の映像イメージと格子自体の模様とが合成されてモアレ縞が生じ、このように生成されたモアレ縞を映像式モアレという。このモアレ縞を２次元画像感知素子配列を利用して測定するが、このとき、モアレ縞の位相を計算するためには、位相遷移された複数個のモアレ縞が必要である。

位相遷移されたモアレ縞を得るために、前記格子１０３を駆動手段Ｄによって測定物Ｐの方に向けてまたは測定物Ｐから遠ざかる方向に移動させる。すると、前記格子１０３の移動によって干渉縞の位相が変わるので、３個以上の位相遷移されたモアレ縞を得ることができる。このように、前記格子１０３を移動させて生じた位相遷移されたモアレ縞は、結像レンズ１０９によって画像感知素子１１０に結ばれる。前記画像感知素子１１０によって位相遷移されたモアレ縞のイメージ測定と前記格子１０３の移動とを順次繰り返す。ここから得た複数個の位相遷移されたモアレ縞を用いて、既に公知された解析方法によって物体の３次元形状情報を得ることができる。

しかし、このような映像式測定装置は、設備が簡単な長所があるが、格子の映像を用いなければならないため、格子模様と測定物とを十分に接近させることができる場合にのみ適用することができるという短所がある。

上記のような映像式測定装置の問題点を解決するために、投影式測定装置が好まれている。

図２は、投影式測定装置を概略的に示している。同図に示すように、投影式モアレ測定装置は、光源１１１から照射された光が第１の格子１１２を通過しつつ形成されたイメージを第１の結像レンズ１１３によって測定物Ｐに結像させ、この測定物Ｐのイメージを第２の結像レンズ１１４によって第２の格子１１５に結像させる。そして、第２の格子１１５に結像されたイメージと第２の格子１１５自体のイメージとを第３の結像レンズ１１６によって画像感知素子１１７に結像させてモアレ縞を得るようになる。

このような投影式モアレ測定装置では、前記第１の格子及び第２の格子を駆動手段によって上下方向に移動させつつ、位相遷移されたモアレ縞を得る。そして、ここから得た位相遷移された信号を公知された解析方法によって解析することにより、測定物の３次元形状情報を得ることができる。

ところが、測定物に結像された格子模様を第２の格子に結像させてモアレ縞を生成し、この縞をさらに画像感知素子に結像させるために、高価の精密光学系が必要であるため、投影式測定装置で要求される第２の結像レンズ及び第２の格子が必要ない、単純化したシステムが求められていた。

これにより、投影式測定装置を最も単純化させるために、構造化された形態のパターンを測定物に投影させて形状を測定する構造化されたパターン投影方式の装置が提案された。

図３は、構造化されたパターン投影方式が適用された投影式測定装置を概略的に示している。同図に示すように、光源１１２から照射された光が格子１２１を通過しつつ形成されたイメージを第１の結像レンズ１２２によって測定物Ｐに結像させ、前記格子１２１が投影された測定物Ｐのイメージをさらに第２の結像レンズ１２４によって画像感知素子１２７に結像させることにより、格子が投影された測定物Ｐの画像を得る。ここで、３次元形状抽出のために、格子１２１を水平移動させることにより、種々の位相の投影格子画像を得ることができる。また、格子１２１は、他の周期を有する格子として交替可能に構成されている。

一方、前記２つの結像レンズは、移動が可能なように設置されることにより、種々の位相の投影格子画像を得ることができる。すなわち、格子１２１の移動または結像レンズの移動を介して種々の位相の投影格子を得ることができるものである。

このような測定装置では、第１の結像レンズ１２２で格子１２１のイメージを測定物Ｐに結像させた後、測定物Ｐに結像された画像を画像感知素子１２７で測定した後、この画像とコンピュータで生成させた基準格子からモアレ縞を生成させて３次元形状を測定する。

ところが、格子１２１を水平移動させることにより、前記格子１２１が移動された後、第１の結像レンズ１２２を介して測定物Ｐに格子１２１のイメージを形成させるためには、第１の結像レンズ１２２を前記格子パターンの変位に対応するように移動させなければならないという不便があった。

また、測定物Ｐに結像された格子イメージは、その後、画像感知素子１２７で取得することになるが、画像感知素子１２７に前記結像イメージを正確に結像させるためには、前記格子１２１から測定物Ｐまでの光学的移動距離は、前記測定物Ｐに結像された格子イメージから画像感知素子１２７までの光学的移動距離と対応するように形成されなければならなかった。

しかし、格子が水平に移動されなければならず、これによる第１の結像レンズの移動及び第２の結像レンズの移動によって光学的移動距離を正確に合わせることが難しいという問題があった。

したがって、本発明の目的は、格子を移動及び交替せずとも種々の位相と多様な周期の正弦波縞を測定物に形成させることができるＬＣＤを利用した３次元形状測定装置を提供することにある。

また、本発明の目的は、結像レンズを移動せずとも測定物に種々の位相の正弦波縞を形成させることができるＬＣＤを利用した３次元形状測定装置を提供することにある。

さらに、本発明の目的は、正弦波縞を測定物に極めて容易に伝達し、結像されたイメージを極めて容易に取得するために、レンズシステムをさらに含んでいる３次元形状測定装置を提供することにある。

そこで、上記の目的を達成するための本発明のＬＣＤを利用した３次元形状測定装置は、正弦波縞を測定物に生じさせて、前記正弦波縞による測定物の画像情報をカメラで取得した後、これを分析して測定物の形状を測定する３次元形状測定装置であって、前方に光を照射する光源と、該光源の前方に位置し、コンピュータのパルス信号に応じて複数の位相と複数の周期の正弦波縞を発生させるＬＣＤパネルと、該ＬＣＤパネルの前方及び後方に位置する偏光板と、前記ＬＣＤの前方に位置し、所定距離離隔し、前記ＬＣＤから発生した正弦波縞を測定物に結像させる第１の結像レンズと、前記光源、前記ＬＣＤパネル、前記偏光板、及び前記第１の結像レンズが固定的に支持されるハウジングとを備えるＬＣＤプロジェクターを有することを特徴とするＬＣＤを利用した３次元形状測定装置を解決手段として提示する。

このとき、前記第１の結像レンズが前記ＬＣＤから所定距離離隔するように前記ハウジングの内側に溝が形成してあることが好ましい。

また、光源が設けられる光源用ハウジングと、前記ＬＣＤが設けられるＬＣＤ用ハウジングと、前記第１の結像レンズが設けられるレンズ用ハウジングとの３つの部分に、前記ハウジングが分けられていることが製造工程上の利点があることから好ましい。

また、前記ＬＣＤパネルは、結合部材によって結合されてＬＣＤ用ハウジングの後面に結合されることが好ましい。

一方、前記ＬＣＤプロジェクターから測定物までの光学的移動距離は、測定物から測定物の画像情報を取得するカメラまでの光学的移動距離と対応することが、カメラが測定物の画像情報を正確に取得できることから好ましい。

このとき、前記ＬＣＤプロジェクターから発生した正弦波縞を測定物に伝達し、前記正弦波縞による測定物の画像情報をカメラに伝達するレンズシステムをさらに備えることが好ましい。

また、前記レンズシステムは、２つの鏡筒を有したステレオ型レンズシステムでありうる。

また、前記レンズシステムは、ズームレンズを用いて様々な倍率で調整されることができる。

前記解決手段として提示された本発明に係るＬＣＤを利用した３次元形状測定装置によれば、格子を移動せずとも種々の位相と多様な周期の正弦波縞を測定物に形成させることができるという効果がある。

また、結像レンズを移動せずとも測定物に種々の位相の正弦波縞を形成させることができるという効果がある。

なお、レンズシステムをさらに備えることにより、正弦波縞を測定物に極めて容易に伝達し、結像されたイメージを極めて容易に取得できるという効果がある。

さらに、多様な周期の模様投影を介して広範な高さの測定物も測定できるという効果がある。

映像式測定装置の概略図である。投影式測定装置の概略図である。構造化されたパターン投影方式が適用された投影式測定装置の概略図である。本発明に係るＬＣＤを利用した３次元形状測定装置の概略図である。本発明に係るＬＣＤプロジェクターのハウジングの分解斜視図である。本発明に係るＬＣＤプロジェクターの分解横断面図である。本発明に係るＬＣＤプロジェクターの分解縦断面図である。本発明に係るＬＣＤプロジェクターの結合縦断面図である。

以下、図面を参照して本発明に係るＬＣＤを利用した３次元形状測定装置の実施形態について詳しく説明する。

図４は、本発明に係るＬＣＤを利用した３次元形状測定装置を概略的に示している。同図に示すように、本発明に係るＬＣＤを利用した３次元形状測定装置は、ＬＣＤプロジェクター１０、全反射ミラー２０、レンズシステム３０、第２の結像レンズ４０、及びカメラ５０で構成される。

まず、ＬＣＤプロジェクター１０を説明する。図５は、本発明に係るＬＣＤを利用した３次元形状測定装置のＬＣＤプロジェクターハウジングの斜視図である。同図に示すように、ＬＣＤプロジェクターのハウジング１１は、円筒状でなされており、光源が設けられる光源用ハウジング１１ａ、ＬＣＤが設けられるＬＣＤ用ハウジング１１ｂ、及び第１の結像レンズが設けられるレンズ用ハウジング１１ｃの３つの部分に区分されており、所定のねじなどで結合されることができる。

光源用ハウジング１１ａは、光源の光が前方に照射され得るように中空状の管体で形成されており、後述のＬＣＤ用ハウジングのＬＣＤパネルの結合のために部分切取された切取溝１１ａ'が形成されている。

ＬＣＤ用ハウジング１１ｂは、上述した光源用ハウジング１１ａの前方に結合し、後述の光源１２から照射された光がＬＣＤパネル１３を経由して前方に照射され得るように中央領域にホール１１ｂ'が形成されている。

レンズ用ハウジング１１ｃは、上述したＬＣＤ用ハウジング１１ｂの前方に結合し、前方の内側に後述の第１の結像レンズ１５が結合され得るレンズ用溝１１ｃ'が形成されている。

このように、ＬＣＤプロジェクターのハウジング１１は、３つの部分として各々構成されて結合されることにより、後述の光源、ＬＣＤ、及び第１の結像レンズを容易に設置することができる。

図６は、前記ハウジングに光源、ＬＣＤパネル、及び第１の結像レンズの結合を示した横断面分解図（図５のＡ−Ａ'の断面）であり、図７は、前記ハウジングに光源、ＬＣＤパネル、及び第１の結像レンズの結合を示した縦断面分解図（図５のＢ−Ｂ'の断面）であり、図８は、ＬＣＤプロジェクターの縦断面図を示したものである。

図６に示すように、本発明に係る３つのハウジングは、所定のねじによって結合されることができる。

図７及び図８に示すように、光源１２は、光を前方に照射することができるように光源用ハウジング１１ａの後方に設置される。このとき、光源１２は、光源用ハウジング１１ａに結合され得るように所定の結合手段によって結合されることができる。

ＬＣＤパネル１３は、ＬＣＤ用ハウジング１１ｂの後面に結合されることができ、結合時、結合部材１３ａによって結合支持された状態で後面に結合される。このとき、ＬＣＤパネル１３は、所定の制御部から伝達された信号に応じて種々の位相と多様な周期の正弦波縞を生成することができる。

偏光板１４ａ、１４ｂは、一組で構成され、ＬＣＤパネル１３の前後方に位置するように設けられる。後方側偏光板１４ａは、光源１２から照射された光がＬＣＤパネル１３の前面に照射されるように偏向させる役割を果たし、ＬＣＤパネル１３に対向して結合部材１３ａの後面に結合されることが好ましい。

前方側偏光板１４ｂは、ＬＣＤパネル１３で生成された様々な正弦波縞を測定物によく形成するために、光を所定方向に偏向させる役割を果たし、このために、ＬＣＤパネル１３と対向するようにＬＣＤ用ハウジング１１ｂの前面に設けられる。

第１の結像レンズ１５は、レンズ用ハウジング１１ｃに設けられたレンズ用溝１１ｃ'に合うように嵌合などの結合方式で結合されて、ＬＣＤパネル１３から生成された正弦波縞が測定物に形成され得るように正弦波縞を前方に伝達する役割を果たす。

このとき、ＬＣＤパネル１３は、種々の位相と多様な周期の正弦波縞を発生することができるため、第１の結像レンズ１５は、ＬＣＤパネル１３から所定間隔離隔して固定されることにより、測定物に格子模様が正確に形成されることができる。

また、後述の第２の結像レンズ４０とカメラ５０との間の隔離距離も固定されているため、ＬＣＤパネル１３で生成された正弦波縞の測定物までの光学的移動距離と測定物からカメラまでの光学的移動距離とを、互いに対応するように形成することが正確な測定物の画像情報を取得するのに好ましい。

したがって、本実施例では、レンズ用ハウジング１１ｃの内側に設けられたレンズ用溝１１ｃ'に第１の結像レンズ１５が所定距離離隔して固定され得ることにより、上述したように、２つの光学的移動経路が対応するように容易に調整することができる。

また、ＬＣＤプロジェクターから多様な周期の縞投影を介して測定物の広い幅だけでなく、広範な高さの測定も可能である。

次に、全反射ミラーについて説明する。図４に示すように、全反射ミラー２０は、ＬＣＤプロジェクターの前方に位置し、前記ＬＣＤプロジェクターから照射される光経路を変えることができるように設けられている。

このような全反射ミラー２０が設けられることにより、ＬＣＤプロジェクター１０から測定物Ｐまでの光学的移動経路と前記正弦波縞による測定物Ｐの画像情報とが後述のカメラ５０までの光学的移動経路に対応するように調整することが容易になり、ＬＣＤプロジェクター１０の位置を自由に移動させることができる。

次いで、レンズシステム３０は、２つの鏡筒３１、３２と、鏡筒の前方に位置する対物レンズ３３とで構成されたステレオ型レンズシステムであって、左側鏡筒３１は、ＬＣＤプロジェクター１０から生成された正弦波縞を測定物Ｐに形成させる光の移動経路として用いられ、右側鏡筒３２は、前記正弦波縞により形成された測定物Ｐの画像情報がカメラ５０に取得される光の移動経路として用いられる。

対物レンズ３３は、左側鏡筒３１から伝達された正弦波縞のイメージが測定物Ｐに形成されるように位置し、これと同時に、測定物Ｐに形成された測定物Ｐの画像情報が右側鏡筒３２を介してカメラ５０に移動され得るように位置している。

このように、２つの鏡筒を有したレンズシステムを使用すれば、従来とは異なり、各々個別的に具備しなくてもよいことにより、測定装置の製造原価を下げることができる。

また、レンズシステム３０は、各々の鏡筒にズームレンズを用いて様々な倍率で調整されることもできる。このように、ズームレンズを用いれば、測定物Ｐの大きさ及び形状によって正弦波縞を拡大及び縮小して形成させることもでき、カメラ５０で取得される測定物Ｐの画像情報を拡大及び縮小して取得させることにより、さらに正確な３次元形状を測定できるようになる。

第２の結像レンズ４０は、レンズシステム３０を介して伝達された測定物Ｐの画像情報がカメラ５０に正確に取得され得るように、カメラ５０と所定距離の分だけ離隔して位置する。本実施形態の図面上では、個別的に構成されたように図示されているが、第２の結像レンズと後述のカメラとは、カメラに測定物の画像情報を正確に取得させるために、その離隔距離が一定でなければならないため、一体に形成されることが好ましい。

カメラ５０は、測定物Ｐの画像情報を取得する装置であって、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−ＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）でありうる。

上述したように構成されて、カメラ５０で取得された測定物Ｐの画像情報は、所定の制御部に伝送され、該当プログラムによって分析されて３次元形状を測定するようになる。

本発明の権利範囲は上述した実施形態に限定されるものではなく、添付した特許請求の範囲内で様々な形態の実施形態によって実現できる。特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱することなく、当該発明の属する技術分野における通常の知識を有した者であれば、変形可能な範囲まで本発明の請求の範囲内にあるということが理解できるであろう。

１０ＬＣＤプロジェクター
１１ハウジング
１２光源
１３ＬＣＤパネル
１４ａ、１４ｂ偏光板
１５結像レンズ
２０全反射ミラー
３０レンズシステム
４０第２の結像レンズ
５０カメラ

Claims

正弦波縞を測定物に生じさせて、前記正弦波縞による測定物の画像情報をカメラで取得した後、これを分析して測定物の形状を測定する３次元形状測定装置であって、
前方に光を照射する光源と、該光源の前方に位置し、コンピュータのパルス信号に応じて複数の位相と複数の周期の正弦波縞を発生させるＬＣＤパネルと、該ＬＣＤパネルの前方及び後方に位置する偏光板と、前記ＬＣＤの前方に位置し、所定距離離隔し、前記ＬＣＤから発生した正弦波縞を測定物に結像させる第１の結像レンズと、前記光源、前記ＬＣＤパネル、前記偏光板、及び前記第１の結像レンズが固定的に支持されるハウジングとを備えるＬＣＤプロジェクターを有することを特徴とするＬＣＤを利用した３次元形状測定装置。
前記第１の結像レンズが前記ＬＣＤから所定距離離隔するように前記ハウジングの内側に溝が形成してあることを特徴とする請求項１に記載のＬＣＤを利用した３次元形状測定装置。
光源が設けられる光源用ハウジングと、前記ＬＣＤが設けられるＬＣＤ用ハウジングと、前記第１の結像レンズが設けられるレンズ用ハウジングとの３つの部分に、前記ハウジングが分けられていることを特徴とする請求項２に記載のＬＣＤを利用した３次元形状測定装置。
前記ＬＣＤパネルが、結合部材によって結合されてＬＣＤ用ハウジングの後面に結合されることを特徴とする請求項３に記載のＬＣＤを利用した３次元形状測定装置。
前記ＬＣＤプロジェクターから測定物までの光学的移動距離は、測定物から測定物の画像情報を取得するカメラまでの光学的移動距離と対応することを特徴とする請求項４に記載のＬＣＤを利用した３次元形状測定装置。
前記ＬＣＤプロジェクターから発生した正弦波縞を測定物に伝達し、前記正弦波縞による測定物の画像情報をカメラに伝達するレンズシステムをさらに備えることを特徴とする請求項１または５に記載のＬＣＤを利用した３次元形状測定装置。
前記レンズシステムが、２つの鏡筒を有したステレオ型レンズシステムであることを特徴とする請求項６に記載のＬＣＤを利用した３次元形状測定装置。
前記レンズシステムが、ズームレンズを用いて様々な倍率で調整し得ることを特徴とする請求項７に記載のＬＣＤを利用した３次元形状測定装置。