JP3831089B2

JP3831089B2 - 3D shape measuring device using lattice pattern projection method

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Publication number: JP3831089B2
Application number: JP24527297A
Authority: JP
Inventors: 宏夫藤田; 徹吉澤; 幸利大谷
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 1997-09-10
Filing date: 1997-09-10
Publication date: 2006-10-11
Anticipated expiration: 2017-09-10
Also published as: JPH1183454A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は格子パターン投影法を原理とする３次元形状測定装置に関し、特に、物体に投影する格子パターンを液晶素子で作成するときの構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、３次元形状測定のニーズが高まり、特に光学的手段を用いた測定器が望まれている。凹凸の高さ範囲がミクロンメートル（μｍ）領域の場合は、レーザ光を用いた干渉計が多く用いられている。しかし、高さがミリメートル（ｍｍ）領域近くになってくると、干渉縞が密集して干渉縞の解析が困難になるという問題点が生じ、レーザ干渉計が適用されなくなってくる。ｍｍ領域以上での３次元形状測定では、レーザ干渉計と同じく、広がりのある対象物を線あるいは面でとらえるエリア計測法が測定時間、自動計測化の面から有利である。エリア計測法の代表的なものは、モアレ縞による等高線計測法、スリット状のレーザ光を走査する光切断法、白黒の格子模様の直線状の縞を投影する格子パターン投影法などである。この中でも、格子パターン投影法は構成が簡素なこと、測定精度が高いことなどから注目されている。本発明は格子パターン投影法の構成に関する。
【０００３】
図２に格子パターン投影法による従来の３次元形状測定装置の構成例を示す。投影部２１はハロゲンランプなどの照明用光源と投影光学系から構成され、白色光がその前面に置かれた格子２２を照射する。格子２２は一定のピッチと形状の白黒模様をもつ多数の直線状パターンから構成されており、そのパターンが投影光学系で拡大され、白黒の格子縞（格子パターン）として形状が測定される物体２３の表面に投影される。物体２３の表面には物体２３の凹凸度合いに応じて変形（湾曲）した変形格子パターン（変形格子縞）２４ができ、凹凸が小さい場合は格子縞の変形が小さく（直線に近い）、凹凸が大きいと格子縞の変形が大きくなる。この変形格子パターン２４を、投影方向とは異なる角度方向から、ＣＣＤカメラからなる格子縞検出部２５で２次元画像として検出する。
【０００４】
検出された２次元画像は物体２３の凹凸情報を含んでいる。物体２３の凹凸の大きさは、変形格子パターン２４が基準となる直線縞からどれだけ離れているかを検出することで評価できる。そこで、パーソナルコンピュータなどのデータ処理部２６により、２次元画像の各画素ごとの座標ｐ（ｘ、ｙ）での格子縞の変形を全画素について解析し、物体２３の３次元座標Ｐ（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を決定する。このときのデータ処理は、投影部２１、物体２３、格子縞検出部２５の相互の距離と見込み角度の関係から定まる三角測量法の原理によって行う。
【０００５】
以上の格子パターン投影法を用いた３次元形状測定装置では、変形格子縞２４は物体２３の凹凸形状に応じて変形するため、凹凸の程度に応じた形状とピッチをもった格子パターンを物体２３に投影する必要がある。凹凸が大きい場合は格子パターンのピッチが大きく、凹凸が小さいほど格子パターンのピッチは小さいことが望ましい。また、格子パターンの強度分布も後述する位相シフト法にとって重要である。そのため、格子２２の形状とピッチ、及び強度分布特性が３次元形状測定の高精度化と高信頼化にとって重要である。従来から最も一般に用いられていた格子２２は、主として、一定の形状とピッチ（共に固定）をもった白黒の二値強度から構成していた。そこで、形状、ピッチの異なる格子を数種類用意しておき、物体２３の凹凸度合いに応じて格子を選択して使用していた。
【０００６】
前述の白黒二値格子を用いる場合よりも高精度な３次元形状測定のためには、正弦波状に強度が変化する正弦波格子を用いた位相シフト法が有効である。これは、レーザ干渉計で用いられている技術であって、正弦波的な強度分布を有する格子パターンを物体２３に投影し、正弦波格子の位相をπ／２ピッチ毎にシフトさせ、投影された各位置での強度分布を周期的に変化させる技術である。このとき、位相が異なる４枚の２次元画像を検出し、それらの画像の強度分布を解析して凹凸形状を検出するという方法である。この位相シフト法を格子パターン投影法に応用した技術は、小松原、吉澤による下記論文、”縞走査を導入した格子パターン投影法：精密工学会誌５５／１０／１９８９（１８１７−１８２２）”、及び、”縞走査を導入した格子パターン投影法（第２報）：精密工学会誌５８／７／１９９２（１１７３−１１７８）”に詳細に示されている。
【０００７】
上記の正弦波格子による位相シフト法において、正弦波格子の作成には以下の二種類の方法が多く使われていた。第一は、前述した強度が二値的（白黒）に変化する格子を利用する方法である。格子２２が二値強度から構成されていても、ランプで照明された格子２２が物体２３の面上に作る格子パターンは、回折作用などによって、ステップ的に強度が変化するエッジ部付近で強度がぼける現象がある。このときは、変形格子縞２４の強度は疑似的な正弦波になる。さらには、格子パターンに焦点ズレを与えることでも疑似的な正弦波を作成することができる。この二値強度をもつ格子は、フィルムやガラス基板に二値強度格子を直接に印刷する方法、あるいは液晶素子を用い、透過光強度を電気的にＯＮ／ＯＦＦ制御して二値格子を作成する方法がとられていた。正弦波格子を作成する第二の方法は、正弦波状に強度が変化するパターンをフィルムやガラス基板に直接に印刷するものであって、一定のピッチと形状をもった正弦波格子が作成される。最近では、液晶式ビデオプロジェクターを用いる方法も用いられてきた。これは、マトリックス型に構成された液晶駆動電極に正弦波が得られるような電気信号を印加して正弦波格子を作成するものである。
【０００８】
正弦波格子の位相シフトは次の方法が用いられている。フィルムに作られた格子の場合は、モーター、アクチュエータなどの外部移動手段により、格子２２を所定のピッチ（例えば格子の一周期の１／４の長さ）毎に機械的に移動し、物体２３の面上の各位置での格子パターン強度を周期的に変化させることで位相シフトを行っていた。液晶素子を用いて格子２２を作成する場合は、二値強度で格子縞を作成する場合も、液晶ビデオプロジェクターで正弦波格子縞を作成する場合も、共に液晶素子の各画素の強度を電気信号で順次変調させることで位相シフトを行っていた。例えば、格子パターンの一周期を４分割して、π／２ピッチごとに強度を変化させて４枚の２次元画像を検出していた。なお、この位相シフト法は、格子パターンの一周期を３分割することで２π／３ピッチごとに位相をシフトさせ、３枚の２次元画像を検出する方法も用いられている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
フィルム、ガラス基板などに格子２２を作成する場合は、格子パターンの形状やピッチ、強度分布は固定である。精度のよい３次元形状測定のためには、物体２３の凹凸に応じた形状、ピッチをもつ格子パターンを投影する必要がある。しかし、フィルムなどに書き込んだ格子では、格子のピッチなどを可変することができない。そのため、ピッチ、形状などが異なる多数の格子を予め何種類か準備しておき、測定する物体に応じて使い分ける必要があった。そのため、操作性が悪く、測定時間が長い、などの使用上の問題点があった。
【００１０】
フィルムなどで作成した正弦波格子の位相シフトをさせるとき、格子２２をアクチュエータなどを用いて機械的に移動させる必要がある。１回の形状測定につき、この移動を２〜３回程度行うために測定時間が長くなり、リアルタイム的な測定ができなくなるという問題点がある。特に動きのある物体の場合は測定不能になってしまう。また、位相シフトの場合は格子２２を正確にπ／２ピッチ、あるいは２π／３ピッチで移動させる必要がある。特に、格子２２のピッチが短い場合、移動精度、移動分解能が共に高いアクチュエータが必要となる。そのために、装置コストが高くなること、装置が大きくなることなどの問題点がある。
【００１１】
液晶素子で二値強度パターンの格子２２を作成する場合は、３次元形状の測定精度が低下するという問題がある。回折作用などによってエッジ部付近にボケが生じた効果で疑似的な正弦波格子が作成されたとしても、パターン中央部付近の強度は二値的であるため、正常な正弦波格子に対して高調波成分が発生してしまう。そのため、位相シフトさせた後の２次元画像のデータ処理で形状誤差が発生する。また、焦点ハズレを与えたときは格子パターンのコントラスト特性が低下し、ＣＣＤカメラによる画像検出のＳ／Ｎ比が低下する。液晶ビデオプロジェクターで正弦波パターンを作成した場合は、マトリックス状の電極構成のため各画素が点状に分布している。そのため、特に格子パターンのｙ軸方向の不連続性が強調され、３次元形状を連続的に検出できない。さらには、マトリックス駆動では多数の電圧レベルで液晶駆動信号を作成するため、駆動回路が複雑になると共に、精度のよい正弦波が作成できない。以上のことから、液晶素子による従来の格子の作成では、測定精度と信頼性の低下という大きな問題点があった。
【００１２】
以上の諸課題を解決するため、本発明は物体に投影する格子パターンを液晶素子を用いて作成するとき、格子パターン形状、パターンピッチが自在に変えられると共に、精度のよい正弦波強度分布をもった格子を作成する構成に関するもので、装置の構成が簡素で高精度、汎用性に富んだ３次元形状測定機を実現することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明における格子パターン投影法を用いた３次元形状測定装置は、液晶素子からなる格子と、格子パターンを形成するための液晶ドライバー及び液晶駆動信号作成部と、前記格子パターンを制御する処理制御部とを備え、該処理制御部は格子分割設定部と格子強度設定部と位相シフト設定部とで構成されている。更に、前記液晶素子に一定のピッチと幅を有するストライブ状の電極をＮ本形成し、３あるいは４の倍数の電極数ｎで前記ストライブ状電極をＮ／ｎ個のグループに分割し、各々のグループごとに正弦波状の強度分布を有する格子を１本ずつ作成し、前記電極数ｎに応じて前記正弦波の一周期をｎ等分に分割し、該分割された各々の領域の正弦波の振幅と、該正弦波のバイアス強度との和の強度に対応する液晶駆動信号を前記ストライブ電極の各々に印加して正弦波強度分布を有する格子パターンをＮ／ｎ本発生させると共に、該格子パターンの一周期を３あるいは４分割した周期を単位とし、前記ストライブ電極に印加する前記の液晶駆動信号の電圧印加の配列を順次変化させ、前記格子パターンの位相を２π／３、あるいはπ／２ピッチごとにシフトさせる構成とし、前記電極数ｎを変化させることによって測定される物体の表面形状に適する格子パターンを形成するように構成されている。
【００１４】
更に、スタティック型の駆動法により前記ストライブ電極に印加する前記の液晶駆動信号を作成するとき、前記Ｎ本のストライブ電極と対向した共通電極に印加する一定の周期を有する二値の強度レベルからなるデューティ比が５０％の基準信号に対して、該基準信号と同じ周期とデューティ比をもち、二値の強度レベルを有する信号を作成して前記基準信号との間の位相を変化させ、前記基準信号の半周期の期間に対して逆の位相となる期間の割合を前記の正弦波の振幅とバイアス強度の和の強度に応じて制御し、前記の和の強度に対応した液晶駆動実効電圧を発生させて正弦波強度分布を有する格子パターンを作成する構成である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明は、液晶素子を用いて正弦波状の強度分布をもつ格子パターンを作成する構成に関する。一定の幅とピッチを有する多数のストライブ電極を形成し、３あるいは４の倍数の電極数を一単位としてストライブ電極をいくつかのグループに分割し、各グループ当たりで１本の正弦波格子を作成する。ただし、上記の分割という意味は幾何学的な分割ではなく、電気的な分割である。このとき、正弦波の振幅成分とバイアス成分、及び格子パターン形状が共に可変な正弦波強度の格子パターンを作成する。３の倍数の場合、正弦波の一周期を６、９、１２などに分割し、４の倍数の場合は、同じく８、１２、１６などに分割する。例えば、ストライブ電極を総数で１００８本形成したとき、１２本の電極を一単位として１本の正弦波格子を作成する場合、全体で８４本の格子パターンが作成できる。このようにして、正弦波の一周期の分割数を変えることにより、正弦波格子のピッチ、パターン幅、格子パターンの本数などを自在に可変する。
【００１６】
液晶素子で正弦波格子を作成する場合は、位相シフトが重要である。正弦波格子を前記の３の倍数の電極数を一単位として分割する場合は、正弦波の一周期を３分割することができる。４の倍数の場合は、同じく４分割できる。３分割の場合は２π／３ピッチの位相シフトで、３枚の画像から３次元形状を測定する。４分割の場合はπ／２ピッチでの位相シフトで、４枚の画像から３次元形状を測定する。このとき、各ストライブ電極を駆動する駆動信号の電圧印加の順序を時間的に変化させることで位相シフトを行う。
【００１７】
ストライブ電極に駆動信号を供給して正弦波格子を作成する場合は、スタティック型の駆動が有利である。スタティック駆動では、各ストライブ電極を独立に駆動するため、各電極に任意の駆動電圧を印加でき、高コントラストの格子パターンが作成できる。ツイストネマチック（ＴＮ）液晶の場合、各電極に印加された液晶駆動実効電圧の大きさに応じて液晶分子が変形し、光透過強度特性（コントラスト）が決まる。そこで、ＴＮ液晶を用いて正弦波格子を作成するとき、前述の電極分割数に応じて分割された各領域での正弦波の振幅とバイアス強度との和の強度に対応する実効電圧が得られるように、ストライブ電極に印加する駆動信号を作成する。このとき、正弦波の振幅とバイアス強度を個別に設定することで、物体面上に投影した格子パターンの背景の明暗と共にコントラストを個別に自在に設定する。
【００１８】
スタティック駆動での正弦波格子の作成では、ストライブ電極と対向した位置に設けた共通電極の駆動信号である、一定の周波数で二値の強度レベルを有する基準信号に対して、それと同一周波数をもち、二値強度レベルで位相が異なる信号をストライブ電極に印加する。このとき、分割された各領域での正弦波強度に応じて基準信号に対する位相を変化させるが、基準信号とストライブ電極駆動信号が逆位相となる期間の長さで液晶間にかかる実効電圧が決まる。そこで、逆位相の期間を正弦波強度の大きさに応じて変えることで正弦波格子を作成する。
【００１９】
【実施例】
図１に本発明による格子パターン投影法を用いた３次元形状測定装置の構成ブロック図を示す。投影部１１はハロゲンランプなどの照明用光源と投影光学系から構成され、白色光がその前面に置かれた格子１２を照射する。格子１２は液晶素子から構成され、液晶素子の一方のガラス基板は１本の共通電極、対向するガラス基板は一定のピッチ、形状をもつＮ本のストライブ状（直線状）の電極パターンから構成される。すなわち、格子１２はスタテイック型の電極構造である。格子１２は投影部１１で照明され、格子１２のパターンが拡大されて形状が測定される物体１３に投影される。物体１３の表面にできた変形格子縞１４は、物体１３の凹凸の度合いに応じて変形（湾曲）する。この変形格子縞１４を投影方向とは異なる角度方向に設けたＣＣＤカメラからなる格子縞検出部１５で２次元画像として検出する。
【００２０】
本装置は格子１２の制御を行う処理制御部１８と変形格子縞１４の２次元画像処理を行うデーター処理部１６とを備えている。データー処理部１６における画像検出部１００は、変形格子縞１４の２次元画像の強度をＡ／Ｄ変換してメモリー回路に記憶する。画像処理部１０５は、２次元画像を三角測量の原理で画像処理し、３次元形状を算出する。本発明は液晶素子を用いて正弦波強度をもつ格子パターン（格子縞）を作成する構成で、特に、投影する格子パターンの形状、強度レベルなどの作成条件を処理制御部１８に入力することで、自在な形状と強度をもった格子１２を作成する。処理制御部１８による格子１２の制御を以下に説明する。格子分割設定部１１０は正弦波の一周期をｎ等分に分割するための分割条件を設定する。このとき、３あるいは４の倍数となる数ｎの電極数を一つの単位としてＮ本のストライブ電極をＮ／ｎ個のグループに分割する。このとき、ｎ本の電極数で１本の正弦波格子を作成するため、全部でＮ／ｎ本の正弦波格子縞を作成する。
【００２１】
格子強度設定部１２０は、正弦波の一周期がｎ分割されたときの正弦波強度に関するデータを作成、記憶する。ｎは変数であるため、分割された強度データは可変となる値である。正弦波の強度はバイアス強度と振幅によって決まる。バイアス強度とは正弦波の振幅が０の場合の直流的なオフセット強度で、投影された格子パターンの背景の明るさを表す。振幅は正弦波の大きさで、投影された格子パターンの明部と暗部の間のコントラストを表す。そこで、正弦波の一周期をｎ分割したとき、分割された各々の領域の正弦波の振幅とバイアス強度の和の強度を計算し、ｎ個の強度データを数値配列情報としてメモリー回路に記憶する。
【００２２】
位相シフト設定部１３０は、正弦波格子の強度分布の位相を設定する。ｎ本の電極数で１本の正弦波格子を作成する際、ｎが３の倍数の場合は２π／３、ｎが４の倍数の場合はπ／２のピッチで正弦波強度の位相をシフトさせる。位相シフトでは正弦波の強度データの値そのものは変化せず、各ストライブ電極に印加する電圧の印加順序を変えるだけでよい。
【００２３】
以上で正弦波格子の作成と位相シフトを与える条件が設定でき、メモリー回路に記憶した正弦波強度データをもとにして、液晶駆動信号作成部１７で液晶素子を駆動する信号を作成する。ＴＮ液晶の場合、共通電極とストライブ電極の間に加わる実効電圧に応じて液晶の光透過特性が決まる。そこで、処理制御部１８で作成された正弦波強度データから、正弦波強度に対応した実効電圧値が得られるような駆動信号を作成する。液晶素子はスタティック駆動を行うため、液晶駆動信号は二値の強度レベルをもったパルス信号である。一方の共通電極に印加する共通信号に対して、ストライブ電極に印加する信号の位相を変えることで実効電圧を変化させる。ここで作成された駆動信号を液晶ドライバー１７５に印加し、液晶素子から成る格子１２を駆動して正弦波格子パターンを発生させる。
【００２４】
図３にストライブ電極を示して、グループ分割について説明する。ストライブ電極３１は、一定の幅をもった電極３２（黒で表示）と隙間部３３（白で表示）があり、電極３２がＮ本形成されている。電極３２の幅をｗ、電極間の隙間幅をｔとしたとき、電極ピッチはｗ＋ｔである。ここで、３あるいは４の倍数となる数ｎの電極数を一つの単位としてＮ本のストライブ電極をＮ／ｎ個のグループに分割し、各グループごとに１本の正弦波格子を作成する。すなわち、ｎ本の電極から正弦波強度分布をもった格子を１本作成する。ここで、例えば、格子分割設定部１１０でｎ＝１２を入力して正弦波の一周期を１２分割し、格子強度設定部１２０で１２分割された各領域についての正弦波強度を計算する。
【００２５】
この正弦波格子の作成において、電極３２の幅ｗに対する隙間部３３の幅ｔが重要である。電極３２の各々には正弦波の強度に対応した電圧が印加されるが、隙間部３３には電圧が印加されない（ただし、横電界効果で多少の電界は存在する）。本発明による正弦波格子は離散的な強度をもつため、隙間部３３での強度の変調を少なくすることが重要である。そのためには、隙間部３３の幅はできるだけ狭いことが必要である。例えば、電極幅ｗを４０μｍとしたとき、隙間幅ｔは５μｍ以下が望ましい。このように、正弦波格子が離散的な強度から成り立っていても、白色光で格子１２を照明したとき、回折効果により隙間部３３での強度の変調が少なくなり、強度の包絡線が正弦波状になる。この場合は従来例のように焦点位置ズレを行わせる必要はない。実験では、ｎ＝１２で十分な精度の正弦波ができることが確認されている。
【００２６】
図４で正弦波の一周期をｎ分割したときの強度の設定を説明する。正弦波の二周期を示している。正弦波４１は、直線４２で示す強度が０と、直線４３で示す飽和強度の間の強度レベルをとり、振幅がａで、強度０の基準に対するバイアス強度がｂである。バイアス強度ｂは振幅ａが０の場合の、直流的なオフセット強度である。飽和強度は明るさが最大となる強度である。強度が低いときは暗レベル、強度が高いときは明レベルの格子パターンとなる。したがって、振幅ａとバイアス強度ｂを個別に設定することにより、格子縞の明暗レベル（コントラスト）を自在に可変できる。正弦波の一周期をｎ分割したときの要素４４の強度は、分割された各領域の面積に相当する積分強度、あるいは各領域の中央部の高さに相当する平均強度と、バイアス強度との和の強度で表すことができる。
【００２７】
図５に正弦波の一周期を１２分割したときの強度の計算例を示す。例として、振幅とバイアス強度の和の強度を８ｂｉｔのディジタル強度（Ｄ０〜Ｄ２５５）で表す場合を説明する。強度が０の場合がＤ０で、飽和強度の場合がＤ２５５である。正弦波の強度幅Ｄ２５５に対し、振幅がＤ１７０、バイアス強度がＤ６０の例を示す。図５では強度に応じてグレイレベルの階調を付けている。また、一周期を１２分割した各々の要素番号（１〜１２）における強度値を示す。この強度値の配列を｛ｐ｝で示すと、１番目、２番目の要素がＤ６０、Ｄ８４であり、１２番目の要素がＤ６０である。以上の強度計算を図１の格子強度設定部１２０にて行い、この強度値に応じた液晶駆動信号を作成する。なお、図５に示した強度値は各領域の面積に対応した積分強度値である。
【００２８】
図６に正弦波格子を作成するときの駆動信号の例を示す。図３に示した電極構造から、各電極の縦方向は均一な強度であるから、スタティック型の駆動が有利である。スタティック駆動は、ストライブ電極の各々を個別に駆動するため、各電極に任意の電圧を印加することができ、高コントラストの駆動が可能である。共通信号６１は、ストライブ電極を形成するガラス基板と対向するガラス基板に形成された共通電極を駆動する信号で、その一周期が２Ｔ、二値の強度レベル０とＶをもつデューティ比が５０％（ＨレベルとＬレベルの期間が等しい）の信号である。信号６２と信号６３は、各ストライブ電極を駆動する信号で、共通信号６１と同じ周期と電圧レベルをもち、位相のみが異なる信号である。ここで、信号６２は正弦波強度を小さくする信号、信号６３は正弦波強度を大きくする信号である。信号６４と信号６５は、液晶の対向する電極間にかかる電圧の大きさを表す実効電圧であり、電極間信号６４と６５は、駆動信号６２と６３に各々対応している。
【００２９】
ＴＮ液晶の場合、電極間にかかる電圧（実効電圧）で光透過強度が決まり、実効電圧が大きいほど液晶分子の変形が大きくなって明るい状態（光透過が大）になる。そこで、投影する正弦波の強度に応じた実効電圧が得られるように液晶駆動信号を構成する必要がある。ストライブ電極駆動信号６２と６３において、共通信号６１の半周期あたりで逆位相となる期間ｔ１、ｔ２で実効電圧が決まる。信号６２は、図５に示した正弦波強度がＤ８４（２番目と１１番目の電極）を、信号６３は同じくＤ２０８（５番目と８番目）を作成するものとする。基準信号６１と完全な逆位相となる信号の場合に最も明るいＤ２５５の強度が得られるため、ｔ１＝８４Ｔ／２５５、ｔ２＝２０８Ｔ／２５５の関係で逆位相となる期間を設定すればよい。したがって、メモリー回路に記憶されている正弦波のディジタル強度に応じて逆位相期間を設定して実効電圧を決定する。なお、本例では共通信号６１とストライブ電極駆動信号６２、６３は同じ電圧レベルとなる例で示したが、共に二値強度であれば、互いの電圧レベルは異なっていてもよい。
【００３０】
格子パターン投影法は、物体の凹凸によって変形した変形格子縞の直線からの湾曲の度合いを検出する。この湾曲の大きさは格子パターンの隣り合った暗部間の距離から求める。そのため、隣り合った縞と縞の間の凹凸形状を細かく測定するためには、暗部と暗部の間の測定点の密度を高くする必要がある。さらには、投影した照明光の強度ムラや物体に最初から付いている模様（ノイズとなる）などの影響を取り除く必要がある。これらの目的のために、正弦波格子の位相シフト（縞走査）が有効である。すなわち、投影格子縞の周期は固定しておき、その周期内で各位置での強度分布を１／３、あるいは１／４周期で変化させる。このために、前述したストライブ電極のグループ分割において、ｎが３の倍数の場合は１／３周期（２π／３ピッチ）、ｎが４の倍数の場合は１／４周期（π／２ピッチ）の位相シフトを行う。
【００３１】
図７にｎ＝８の場合の１／４周期ごとの位相シフトの例を示す。正弦波７１は初期位相が０の基準である。正弦波７２、７３、７４は位相がπ／２、π、及び３π／２と変わった場合である。位相シフトの場合、図６で示したストライブ電極駆動信号自体は変える必要はなく、その電圧印加の順序を変えるだけでよい。例えば、波形７１において、一周期を４分割した▲１▼、▲２▼、▲３▼、▲４▼の領域に印加する駆動信号の配列が｛ａ、ｂ、ｃ、ｄ｝とする。ただし、ａ，ｂ，ｃ，ｄはそれぞれ二つの強度データをもつ。例えば、波形７４においては配列の順序を変化させて、｛ｂ、ｃ、ｄ、ａ｝の順序で駆動信号を印加することで位相シフトを行わせる。
【００３２】
次に、位相シフトを用いた場合の測定例を説明する。正弦波状の強度分布をもった格子パターンを物体に投影した場合、物体上の点ｘにおける変形格子縞の強度分布Ｉ（ｘ）は下記の式（１）で与えられる。
Ｉ（ｘ）＝Ｂ（ｘ）＋Ａ（ｘ）ｃｏｓ[φ（ｘ）＋α］−−−（１）
ここで、Ｂ（ｘ）はバイアス強度、Ａ（ｘ）は振幅、αは初期位相であり、位相φ（ｘ）が物体の凹凸に応じて変化する。したがって、位相φ（ｘ）がわかれば図１に示した光学的配置から３次元形状が決定できる。図７に示した１／４周期の位相シフトでαを０、π／２、π、３π／２と変化させ、これに対応する強度分布Ｉ₀、Ｉ₁、Ｉ₂、Ｉ₃をもつ４枚の画像を検出する。すると、位相分布φ（ｘ）は下記の式（２）で計算される。
φ（ｘ）＝ａｒｃｔａｎ［（Ｉ₃−Ｉ₁）／（Ｉ₀−Ｉ₂）］−−−（２）
ここで定まる位相φ（ｘ）は０〜２π（あるいは−π〜π）までの値をもち、縞と縞の間の点ｘにおける凹凸形状の変化の大きさに対応する。
【００３３】
図８に位相シフト法を用いたときの位相検出例を示す。変形格子縞の２次元画像を検出し、あるｙ軸のｘ方向に沿った断面の位相の検出例である。図８（ａ）における曲線８１は、式（２）にしたがって計算した位相を示し、図８（ｂ）における曲線８２は、前記位相を連続して接続したものを表している。図８の横軸はＣＣＤカメラの画素位置、縦軸はｒａｄ単位で表した位相である。曲線８１の位相分布図から明かなように、物体の凹凸が激しい場所ではｘ座標の変化に対して位相の変化が大きい（格子縞が密集）。図８に示した凹凸形状の単位は位相であるため、空間座標に変換する必要がある。このときの変換は投影光学系、格子、及びＣＣＤカメラの三者の幾何学的関係から定まる三角測量の原理による変換式から実行できる。なお、この変換式は，従来の技術の項で述べた論文「縞走査法を導入した格子パターン投影法」に述べられているので、本明細書では詳細を省略する。以上述べたごとく、正弦波格子の位相シフトを用いることにより、格子縞の間の凹凸情報を高い空間分解能で検出することができ、３次元形状の測定精度を高めることができる。
【００３４】
【発明の効果】
上記のごとく本発明による３次元形状測定装置は、液晶素子を用いて正弦波の強度分布を有する格子を作成する。Ｎ本のストライブ電極を整数ｎで除算した数のグループに分割し、各グループあたりで１本ずつの正弦波格子を作成する構成であるため、分割数ｎを変えることで、正弦波格子の幅とピッチを自在に可変させることができる。その結果、物体の凹凸形状に合わせた形状の格子パターンを物体に投影でき、測定の精度、信頼性が向上する。さらに、本発明では正弦波のバイアス強度と振幅を個別に設定するため、正弦波格子の強度レベルも自在に可変できる。そのため、物体の明るさ、周囲の明るさに応じた格子パターンを投影でき、検出する変形格子縞のコントラストを高めることができ、Ｓ／Ｎ比のよい２次元画像処理ができる。
【００３５】
正弦波の一周期をｎ分割し、各領域での正弦波強度に対応する実効電圧を液晶に印加するとき、スタテイック型の駆動法で液晶を駆動する。これは共通電極を駆動する基準信号に対して、位相の異なる信号を作成するだけでよいため、駆動回路の構成が簡素で、精度のよい正弦波強度が作成できる。正弦波強度の位相シフトにおいても、駆動信号の電圧印加の配列順序を変えるだけで位相シフトが実現できるため、機械的な駆動部が不要である。さらには、格子の作成から２次元画像処理までをコンピュータ処理で行うため、リアルタイムでの全自動計測が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構成と動作を説明するブロック図である。
【図２】従来の３次元形状測定装置の構成を示す図である。
【図３】本発明のストライブ電極構造を説明する図である。
【図４】正弦波の強度を説明する図である。
【図５】本発明による正弦波の一周期を１２分割したときの強度レベルを説明する図である。
【図６】スタティック駆動による液晶駆動信号の例を説明する図である。
【図７】正弦波の１／４周期での位相シフトを説明する図である。
【図８】位相シフト法を用いた位相検出の例を説明する図である。
【符号の説明】
１１投影部
１２格子
１４変形格子縞
１５格子縞検出部
１６データ処理部
１７液晶駆動信号作成部
１８処理制御部
１１０格子分割設定部
１２０格子強度設定部
１３０位相シフト設定部
１７５液晶ドライバー[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a three-dimensional shape measuring apparatus based on a grid pattern projection method, and more particularly to a configuration for creating a grid pattern to be projected on an object with a liquid crystal element.
[0002]
[Prior art]
In recent years, the need for three-dimensional shape measurement has increased, and in particular, a measuring instrument using optical means has been desired. In the case where the height range of the unevenness is in the micrometer (μm) region, an interferometer using a laser beam is often used. However, when the height is close to the millimeter (mm) region, there is a problem that interference fringes are dense and it becomes difficult to analyze the interference fringes, and the laser interferometer is not applied. In the three-dimensional shape measurement in the mm region or more, an area measurement method that captures a broad object with a line or a surface is advantageous from the viewpoint of measurement time and automatic measurement, as with a laser interferometer. Representative examples of the area measurement method include a contour measurement method using moire fringes, a light cutting method in which a slit laser beam is scanned, and a lattice pattern projection method in which straight stripes of a black and white lattice pattern are projected. Among them, the lattice pattern projection method is attracting attention because of its simple configuration and high measurement accuracy. The present invention relates to a configuration of a lattice pattern projection method.
[0003]
FIG. 2 shows a configuration example of a conventional three-dimensional shape measuring apparatus using a lattice pattern projection method. The projection unit 21 includes an illumination light source such as a halogen lamp and a projection optical system, and irradiates a grating 22 placed in front of the white light. The grating 22 is composed of a large number of linear patterns having a monochrome pattern with a constant pitch and shape. The pattern is enlarged by the projection optical system, and the shape of the object 23 whose shape is measured as a monochrome grating pattern (grating pattern). Projected on the surface. A deformed lattice pattern (deformed lattice fringes) 24 deformed (curved) according to the degree of unevenness of the object 23 is formed on the surface of the object 23. When the unevenness is small, the deformation of the lattice fringe is small (close to a straight line), and the unevenness is large. The deformation of the checkered pattern is increased. The deformed lattice pattern 24 is detected as a two-dimensional image by a lattice fringe detection unit 25 including a CCD camera from an angle direction different from the projection direction.
[0004]
The detected two-dimensional image includes unevenness information of the object 23. The size of the unevenness of the object 23 can be evaluated by detecting how far the deformed grid pattern 24 is from the reference straight stripe. Therefore, the data processing unit 26 such as a personal computer analyzes the deformation of the lattice pattern at the coordinates p (x, y) for each pixel of the two-dimensional image for all the pixels, and the three-dimensional coordinates P (X, Y) of the object 23. , Z). Data processing at this time is performed according to the principle of the triangulation method determined from the relationship between the distance between the projection unit 21, the object 23, and the lattice fringe detection unit 25 and the expected angle.
[0005]
In the three-dimensional shape measuring apparatus using the above-described lattice pattern projection method, the deformed lattice stripes 24 are deformed according to the uneven shape of the object 23, so that a lattice pattern having a shape and a pitch according to the degree of unevenness is applied to the object 23. It is necessary to project. When the unevenness is large, it is desirable that the pitch of the lattice pattern is large, and the smaller the unevenness, the smaller the pitch of the lattice pattern. The intensity distribution of the grating pattern is also important for the phase shift method described later. Therefore, the shape, pitch, and intensity distribution characteristics of the grating 22 are important for high accuracy and high reliability of the three-dimensional shape measurement. The lattice 22 that has been most commonly used in the past has mainly been composed of black and white binary intensity having a fixed shape and pitch (both fixed). Therefore, several types of lattices having different shapes and pitches are prepared, and the lattices are selected and used according to the degree of unevenness of the object 23.
[0006]
A phase shift method using a sine wave grating whose intensity changes in a sine wave shape is effective for measuring the three-dimensional shape with higher accuracy than the case of using the above-described black and white binary grating. This is a technique used in a laser interferometer, in which a grating pattern having a sinusoidal intensity distribution is projected onto an object 23, and the phase of the sinusoidal grating is shifted every π / 2 pitch and projected. This is a technique for periodically changing the intensity distribution at each position. At this time, four two-dimensional images with different phases are detected, and the uneven distribution is detected by analyzing the intensity distribution of these images. The technique of applying this phase shift method to the lattice pattern projection method is the following paper by Komatsubara and Yoshizawa, “Lattice pattern projection method introducing fringe scanning: Journal of Precision Engineering 55/10/1989 (1817-1822)”, and The method is described in detail in “Lattice pattern projection method in which fringe scanning is introduced (second report): Journal of Precision Engineering 58/7/1992 (1173-1178)”.
[0007]
In the above-described phase shift method using a sine wave grating, the following two methods are often used to create a sine wave grating. The first is a method using a lattice in which the intensity changes binary (black and white). Even if the grating 22 is composed of binary intensity, the intensity of the grating pattern formed on the surface of the object 23 by the grating 22 illuminated by the lamp is in the vicinity of the edge where the intensity changes stepwise due to diffraction action or the like. There is a blurred phenomenon. At this time, the intensity of the deformed lattice fringes 24 becomes a pseudo sine wave. Furthermore, a pseudo sine wave can be created by giving a focus shift to the lattice pattern. This binary intensity grid is created by directly printing a binary intensity grid on a film or glass substrate, or by using a liquid crystal element to control the transmitted light intensity electrically on / off. The method was taken. The second method for creating a sine wave grating is to directly print a pattern whose intensity changes in a sine wave shape on a film or glass substrate, and a sine wave grating having a constant pitch and shape is created. . Recently, a method using a liquid crystal video projector has also been used. In this method, a sine wave grating is created by applying an electrical signal that provides a sine wave to liquid crystal drive electrodes configured in a matrix type.
[0008]
The following method is used for the phase shift of the sine wave grating. In the case of a grating formed on a film, the object 22 is mechanically moved by a predetermined pitch (for example, a length of ¼ of one period of the grating) by an external moving means such as a motor or an actuator. The phase shift is performed by periodically changing the intensity of the grating pattern at each position on the surface. When creating the grid 22 using a liquid crystal element, the intensity of each pixel of the liquid crystal element is sequentially determined by an electrical signal, both when creating a grid pattern with binary intensity and when creating a sinusoidal grid pattern with a liquid crystal video projector. The phase shift was performed by modulating. For example, one period of the lattice pattern is divided into four, and the intensity is changed every π / 2 pitch to detect four two-dimensional images. As this phase shift method, a method of detecting three two-dimensional images by shifting the phase every 2π / 3 pitch by dividing one period of the grating pattern into three is also used.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
When the lattice 22 is formed on a film, a glass substrate, or the like, the shape, pitch, and intensity distribution of the lattice pattern are fixed. For accurate three-dimensional shape measurement, it is necessary to project a lattice pattern having a shape and pitch according to the unevenness of the object 23. However, with a grid written on a film or the like, the pitch of the grid cannot be varied. For this reason, it is necessary to prepare several types of grids having different pitches, shapes, etc. in advance and use them in accordance with the object to be measured. For this reason, there are problems in use such as poor operability and long measurement time.
[0010]
When shifting the phase of a sine wave grating made of a film or the like, it is necessary to mechanically move the grating 22 using an actuator or the like. Since this movement is performed about 2 to 3 times for one shape measurement, there is a problem that the measurement time becomes long and real-time measurement cannot be performed. In particular, in the case of a moving object, measurement becomes impossible. In the case of phase shift, it is necessary to accurately move the grating 22 at a pitch of π / 2 or 2π / 3. In particular, when the pitch of the grating 22 is short, an actuator having high movement accuracy and movement resolution is required. Therefore, there are problems such as an increase in apparatus cost and an increase in the apparatus.
[0011]
In the case of creating a binary intensity pattern grid 22 with a liquid crystal element, there is a problem that the measurement accuracy of a three-dimensional shape is lowered. Even if a pseudo sine wave grating is created by the effect of blurring near the edge due to diffraction action, etc., the intensity near the center of the pattern is binary, so it is higher than the normal sine wave grating. Wave components are generated. Therefore, a shape error occurs in the data processing of the two-dimensional image after the phase shift. Further, when the focus shift is given, the contrast characteristic of the lattice pattern is lowered, and the S / N ratio of image detection by the CCD camera is lowered. When a sine wave pattern is created by a liquid crystal video projector, the pixels are distributed in a dot shape due to the matrix electrode configuration. Therefore, in particular, the discontinuity in the y-axis direction of the lattice pattern is emphasized, and a three-dimensional shape cannot be continuously detected. Furthermore, since the liquid crystal drive signals are generated at a number of voltage levels in the matrix drive, the drive circuit becomes complicated and an accurate sine wave cannot be generated. From the above, the conventional problem of creating a grating by using a liquid crystal element has a big problem that the measurement accuracy and reliability are lowered.
[0012]
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention has a lattice pattern shape and pattern pitch that can be freely changed and a highly accurate sine wave intensity distribution when a lattice pattern projected onto an object is created using a liquid crystal element. The object of the present invention is to realize a three-dimensional shape measuring machine with a simple, highly accurate and versatile apparatus.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a three-dimensional shape measuring apparatus using a grating pattern projection method according to the present invention includes a grating composed of liquid crystal elements, a liquid crystal driver and a liquid crystal driving signal generator for forming a grating pattern, A processing control unit that controls the lattice pattern, and the processing control unit includes a lattice division setting unit, a lattice intensity setting unit, and a phase shift setting unit. Further, N strip-like electrodes having a constant pitch and width are formed on the liquid crystal element, and the stripe-like electrodes are divided into N / n groups with the number of electrodes n being a multiple of 3 or 4. One grid having a sinusoidal intensity distribution is created for each group, one period of the sine wave is divided into n equal parts according to the number of electrodes n, and the sine of each of the divided areas is obtained. A liquid crystal driving signal corresponding to the sum of the amplitude of the wave and the bias intensity of the sine wave is applied to each of the stripe electrodes to generate N / n lattice patterns having a sine wave intensity distribution; Using the period obtained by dividing one period of the grid pattern as 3 or 4 as a unit, the voltage application sequence of the liquid crystal drive signal applied to the stripe electrode is sequentially changed, and the phase of the grid pattern is 2π / 3, or π / 2 pitch And a lattice pattern suitable for the surface shape of the object to be measured by changing the number n of electrodes.
[0014]
Further, when the liquid crystal drive signal to be applied to the stripe electrodes is created by a static drive method, a binary intensity level having a certain period to be applied to the common electrode facing the N stripe electrodes. For a reference signal having a duty ratio of 50%, a signal having the same period and duty ratio as the reference signal and having a binary intensity level is generated to change the phase between the reference signal and the reference signal. The ratio of the period having the opposite phase to the half cycle period of the reference signal is controlled according to the sum of the amplitude of the sine wave and the bias intensity, and the liquid crystal driving effective corresponding to the sum intensity In this configuration, a voltage is generated to create a lattice pattern having a sinusoidal intensity distribution.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention relates to a configuration for creating a lattice pattern having a sinusoidal intensity distribution using a liquid crystal element. A large number of stripe electrodes having a certain width and pitch are formed, and the stripe electrodes are divided into several groups with the number of electrodes of multiples of 3 or 4 as one unit, and one sine wave grating is used for each group. Create However, the meaning of the above division is not geometric division but electric division. At this time, a sine wave intensity lattice pattern is created in which both the amplitude component and bias component of the sine wave and the lattice pattern shape are variable. In the case of multiples of 3, one cycle of the sine wave is divided into 6, 9, 12, etc., and in the case of multiples of 4, it is divided into 8, 12, 16 and so on. For example, when 1008 stripe electrodes are formed in total, when one sine wave grating is created with 12 electrodes as a unit, 84 grating patterns can be created as a whole. In this way, by changing the number of divisions in one cycle of the sine wave, the pitch of the sine wave grating, the pattern width, the number of grating patterns, and the like can be freely changed.
[0016]
When creating a sinusoidal grating with a liquid crystal element, phase shift is important. When the sine wave grating is divided with the number of electrodes that is a multiple of 3 as one unit, one cycle of the sine wave can be divided into three. If it is a multiple of 4, it can also be divided into four. In the case of three divisions, a three-dimensional shape is measured from three images with a phase shift of 2π / 3 pitch. In the case of four divisions, a three-dimensional shape is measured from four images with a phase shift at π / 2 pitch. At this time, the phase shift is performed by temporally changing the voltage application sequence of the drive signals for driving the stripe electrodes.
[0017]
When a drive signal is supplied to the stripe electrode to create a sine wave grating, a static type drive is advantageous. In static drive, each stripe electrode is driven independently, so that an arbitrary drive voltage can be applied to each electrode, and a high-contrast lattice pattern can be created. In the case of twisted nematic (TN) liquid crystal, liquid crystal molecules are deformed according to the magnitude of the liquid crystal driving effective voltage applied to each electrode, and the light transmission intensity characteristic (contrast) is determined. Therefore, when creating a sine wave grating using TN liquid crystal, an effective voltage corresponding to the sum of the amplitude of the sine wave and the bias intensity in each region divided according to the number of electrode divisions described above can be obtained. Thus, a drive signal to be applied to the stripe electrode is created. At this time, by individually setting the amplitude and bias intensity of the sine wave, the contrast can be set individually and freely together with the lightness and darkness of the background of the lattice pattern projected onto the object plane.
[0018]
In the creation of a sine wave grating by static drive, the same frequency is applied to a reference signal having a binary intensity level at a constant frequency, which is a drive signal of a common electrode provided at a position facing the stripe electrode. Thus, signals having different phases at the binary intensity level are applied to the stripe electrodes. At this time, the phase with respect to the reference signal is changed according to the sine wave intensity in each of the divided areas, but the effective voltage applied between the liquid crystals is long enough for the period in which the reference signal and the stripe electrode drive signal are in opposite phases. Determined. Therefore, a sine wave grating is created by changing the period of the antiphase according to the magnitude of the sine wave intensity.
[0019]
【Example】
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a three-dimensional shape measuring apparatus using a grid pattern projection method according to the present invention. The projection unit 11 includes an illumination light source such as a halogen lamp and a projection optical system, and white light irradiates a grating 12 placed in front of the projection light. The lattice 12 is composed of a liquid crystal element, and one glass substrate of the liquid crystal element is composed of one common electrode, and the opposing glass substrate is composed of N striped (linear) electrode patterns having a constant pitch and shape. Is done. That is, the grating 12 has a static electrode structure. The grating 12 is illuminated by the projection unit 11, and the pattern of the grating 12 is enlarged and projected onto the object 13 whose shape is to be measured. The deformed lattice stripes 14 formed on the surface of the object 13 are deformed (curved) according to the degree of unevenness of the object 13. The deformed grid pattern 14 is detected as a two-dimensional image by a grid pattern detection unit 15 including a CCD camera provided in an angle direction different from the projection direction.
[0020]
The apparatus includes a processing control unit 18 that controls the lattice 12 and a data processing unit 16 that performs two-dimensional image processing of the deformed lattice stripes 14. The image detection unit 100 in the data processing unit 16 performs A / D conversion on the intensity of the two-dimensional image of the deformed lattice stripes 14 and stores it in the memory circuit. The image processing unit 105 performs image processing on the two-dimensional image based on the principle of triangulation, and calculates a three-dimensional shape. The present invention is a configuration for creating a lattice pattern (lattice stripe) having a sinusoidal intensity using a liquid crystal element, and in particular, by inputting creation conditions such as the shape of a lattice pattern to be projected and an intensity level to the processing control unit 18, A lattice 12 having a free shape and strength is created. The control of the grid 12 by the processing control unit 18 will be described below. The lattice division setting unit 110 sets division conditions for dividing one cycle of a sine wave into n equal parts. At this time, the N stripe electrodes are divided into N / n groups with the number n of electrodes, which is a multiple of 3 or 4, as one unit. At this time, in order to create one sine wave grating with the number of n electrodes, a total of N / n sine wave grating fringes are created.
[0021]
The lattice strength setting unit 120 creates and stores data relating to the sine wave intensity when one cycle of the sine wave is divided into n. Since n is a variable, the divided intensity data is a variable value. The intensity of the sine wave is determined by the bias intensity and amplitude. The bias intensity is a direct current offset intensity when the amplitude of the sine wave is 0, and represents the brightness of the background of the projected grid pattern. The amplitude is the magnitude of a sine wave and represents the contrast between the bright and dark portions of the projected grid pattern. Therefore, when one cycle of the sine wave is divided into n, the sum of the amplitude of the sine wave and the bias intensity in each divided region is calculated, and n pieces of intensity data are stored in the memory circuit as numerical array information. .
[0022]
The phase shift setting unit 130 sets the phase of the intensity distribution of the sine wave grating. When creating a sine wave grating with n electrodes, the phase of the sine wave intensity is shifted at a pitch of 2π / 3 when n is a multiple of 3 and π / 2 when n is a multiple of 4. Let In the phase shift, the value of the intensity data of the sine wave itself does not change, and it is only necessary to change the application order of the voltages applied to the stripe electrodes.
[0023]
Thus, conditions for creating a sine wave grating and providing a phase shift can be set. Based on the sine wave intensity data stored in the memory circuit, the liquid crystal drive signal creating unit 17 creates a signal for driving the liquid crystal element. In the case of TN liquid crystal, the light transmission characteristics of the liquid crystal are determined according to the effective voltage applied between the common electrode and the stripe electrode. Therefore, a drive signal is generated from the sine wave intensity data generated by the processing control unit 18 so that an effective voltage value corresponding to the sine wave intensity can be obtained. Since the liquid crystal element performs static driving, the liquid crystal driving signal is a pulse signal having a binary intensity level. The effective voltage is changed by changing the phase of the signal applied to the stripe electrode with respect to the common signal applied to one of the common electrodes. The drive signal created here is applied to the liquid crystal driver 175 to drive the grating 12 composed of liquid crystal elements to generate a sine wave grating pattern.
[0024]
FIG. 3 shows a stripe electrode, and group division will be described. The stripe electrode 31 includes an electrode 32 (displayed in black) having a certain width and a gap 33 (displayed in white), and N electrodes 32 are formed. When the width of the electrode 32 is w and the gap width between the electrodes is t, the electrode pitch is w + t. Here, N stripe electrodes are divided into N / n groups with the number n of electrodes, which is a multiple of 3 or 4, as one unit, and one sine wave grating is created for each group. . That is, one grid having a sinusoidal intensity distribution is created from n electrodes. Here, for example, n = 12 is input to the lattice division setting unit 110 to divide one cycle of the sine wave into 12, and the lattice strength setting unit 120 calculates the sine wave intensity for each of the 12 regions.
[0025]
In creating this sine wave grating, the width t of the gap 33 with respect to the width w of the electrode 32 is important. A voltage corresponding to the intensity of the sine wave is applied to each of the electrodes 32, but no voltage is applied to the gap 33 (however, some electric field exists due to the lateral electric field effect). Since the sine wave grating according to the present invention has a discrete intensity, it is important to reduce intensity modulation in the gap 33. For this purpose, the width of the gap 33 needs to be as narrow as possible. For example, when the electrode width w is 40 μm, the gap width t is desirably 5 μm or less. Thus, even when the sine wave grating is composed of discrete intensities, when the grating 12 is illuminated with white light, intensity modulation in the gap 33 is reduced due to the diffraction effect, and the intensity envelope is sinusoidal. become. In this case, it is not necessary to shift the focal position as in the conventional example. In experiments, it has been confirmed that a sine wave with sufficient accuracy can be obtained at n = 12.
[0026]
The setting of the intensity when one cycle of the sine wave is divided into n will be described with reference to FIG. Two cycles of a sine wave are shown. The sine wave 41 has an intensity level between the intensity indicated by the straight line 42 and the saturation intensity indicated by the straight line 43, the amplitude is a, and the bias intensity with respect to the reference of the intensity 0 is b. The bias intensity b is a direct current offset intensity when the amplitude a is zero. The saturation intensity is an intensity that maximizes brightness. When the intensity is low, the lattice pattern is dark, and when the intensity is high, the lattice pattern is bright. Therefore, by individually setting the amplitude a and the bias intensity b, the brightness level (contrast) of the lattice fringes can be freely changed. The intensity of the element 44 when one period of the sine wave is divided into n is the integrated intensity corresponding to the area of each divided area, or the average intensity corresponding to the height of the central portion of each area, and the bias intensity. It can be expressed by the sum intensity.
[0027]
FIG. 5 shows an example of calculating the intensity when one cycle of the sine wave is divided into twelve. As an example, a case will be described in which the sum of the amplitude and the bias intensity is represented by an 8-bit digital intensity (D0 to D255). The case where the intensity is 0 is D0, and the case where the intensity is saturation is D255. An example in which the amplitude is D170 and the bias intensity is D60 with respect to the intensity width D255 of the sine wave is shown. In FIG. 5, a gray level gradation is given according to the intensity. Moreover, the intensity value in each element number (1-12) which divided | segmented one period into 12 is shown. When the array of intensity values is denoted by {p}, the first and second elements are D60 and D84, and the twelfth element is D60. The above intensity calculation is performed by the lattice intensity setting unit 120 in FIG. 1, and a liquid crystal drive signal corresponding to the intensity value is created. The intensity value shown in FIG. 5 is an integrated intensity value corresponding to the area of each region.
[0028]
FIG. 6 shows an example of a drive signal when creating a sine wave grating. From the electrode structure shown in FIG. 3, since the vertical direction of each electrode has a uniform strength, the static driving is advantageous. In static driving, each stripe electrode is individually driven, so that an arbitrary voltage can be applied to each electrode, and high contrast driving is possible. The common signal 61 is a signal for driving the common electrode formed on the glass substrate opposite to the glass substrate on which the stripe electrode is formed, and its duty cycle having a period of 2T and a binary intensity level of 0 and V is 50. % (H level and L level periods are equal). The signal 62 and the signal 63 are signals for driving each stripe electrode, and have the same cycle and voltage level as the common signal 61 but are different in only phase. Here, the signal 62 is a signal for decreasing the sine wave intensity, and the signal 63 is a signal for increasing the sine wave intensity. The signal 64 and the signal 65 are effective voltages representing the magnitude of the voltage applied between the opposing electrodes of the liquid crystal, and the inter-electrode signals 64 and 65 correspond to the drive signals 62 and 63, respectively.
[0029]
In the case of TN liquid crystal, the light transmission intensity is determined by the voltage (effective voltage) applied between the electrodes, and the larger the effective voltage, the larger the deformation of the liquid crystal molecules and the brighter the state (the greater the light transmission). Therefore, it is necessary to configure the liquid crystal drive signal so as to obtain an effective voltage corresponding to the intensity of the sine wave to be projected. In the stripe electrode drive signals 62 and 63, the effective voltage is determined in the periods t1 and t2 that are in opposite phases around the half cycle of the common signal 61. It is assumed that the signal 62 generates D84 (second and eleventh electrodes) as shown in FIG. 5, and the signal 63 similarly generates D208 (fifth and eighth). Since the brightest D255 intensity is obtained in the case of a signal having a completely opposite phase with respect to the reference signal 61, a period having an opposite phase may be set in the relationship of t1 = 84T / 255 and t2 = 208T / 255. Accordingly, the effective voltage is determined by setting the antiphase period in accordance with the digital intensity of the sine wave stored in the memory circuit. In this example, the common signal 61 and the stripe electrode drive signals 62 and 63 are shown as examples having the same voltage level.
[0030]
The grid pattern projection method detects the degree of curvature of a deformed grid pattern deformed by the unevenness of an object from a straight line. The magnitude of this curvature is obtained from the distance between adjacent dark portions of the lattice pattern. Therefore, in order to finely measure the uneven shape between adjacent stripes, it is necessary to increase the density of measurement points between the dark portions. Furthermore, it is necessary to remove the influence of unevenness of the intensity of the projected illumination light and the pattern (which becomes noise) attached to the object from the beginning. For these purposes, a phase shift (striped scanning) of a sine wave grating is effective. That is, the period of the projected lattice fringes is fixed, and the intensity distribution at each position is changed by 1/3 or 1/4 period within the period. Therefore, in the above-described grouping of the stripe electrodes, when n is a multiple of 3, the period is 1/3 (2π / 3 pitch), and when n is a multiple of 4, the period is 1/4 (π / 2 pitch). ) Phase shift.
[0031]
FIG. 7 shows an example of the phase shift every quarter period when n = 8. The sine wave 71 is a reference whose initial phase is zero. The sine waves 72, 73, and 74 are obtained when the phase is changed to π / 2, π, and 3π / 2. In the case of the phase shift, it is not necessary to change the stripe electrode drive signal itself shown in FIG. 6, and it is only necessary to change the order of voltage application. For example, in the waveform 71, it is assumed that the array of drive signals applied to the areas {circle around (1)}, {circle around (2)}, {circle around (3)}, {circle around (4)} obtained by dividing one period into four is {a, b, c, d}. However, a, b, c, and d each have two intensity data. For example, in the waveform 74, the order of arrangement is changed, and phase shift is performed by applying drive signals in the order of {b, c, d, a}.
[0032]
Next, an example of measurement using phase shift will be described. When a lattice pattern having a sinusoidal intensity distribution is projected onto an object, the intensity distribution I (x) of the deformed lattice fringe at a point x on the object is given by the following equation (1).
I (x) = B (x) + A (x) cos [φ (x) + α] −−− (1)
Here, B (x) is the bias intensity, A (x) is the amplitude, α is the initial phase, and the phase φ (x) changes according to the unevenness of the object. Therefore, if the phase φ (x) is known, the three-dimensional shape can be determined from the optical arrangement shown in FIG. With the phase shift of ¼ period shown in FIG. 7, α is changed to 0, π / 2, π, 3π / 2, and the corresponding intensity distribution I ₀ , I ₁ , I ₂ , I _Three Four images having are detected. Then, the phase distribution φ (x) is calculated by the following equation (2).
φ (x) = arctan [(I _Three -I ₁ ) / (I ₀ -I ₂ ]] --- (2)
The phase φ (x) determined here has a value from 0 to 2π (or −π to π), and corresponds to the magnitude of the change in the uneven shape at the point x between the stripes.
[0033]
FIG. 8 shows an example of phase detection when the phase shift method is used. It is an example of detecting a phase of a cross section along the x direction of a certain y axis by detecting a two-dimensional image of a deformed lattice pattern. A curve 81 in FIG. 8A shows the phase calculated according to the equation (2), and a curve 82 in FIG. 8B shows the phase connected continuously. The horizontal axis in FIG. 8 is the pixel position of the CCD camera, and the vertical axis is the phase expressed in rad units. As is clear from the phase distribution diagram of the curve 81, the change in phase is large with respect to the change in the x-coordinate in a place where the unevenness of the object is intense (the lattice fringes are dense). Since the unit of the concavo-convex shape shown in FIG. 8 is a phase, it is necessary to convert it into spatial coordinates. The conversion at this time can be executed from a conversion formula based on the principle of triangulation determined from the geometrical relationship between the projection optical system, the grating, and the CCD camera. This conversion formula is described in the paper “Lattice Pattern Projection Method Introducing the Stripe Scanning Method” described in the section of the prior art, and therefore the details are omitted in this specification. As described above, by using the phase shift of the sine wave grating, it is possible to detect the unevenness information between the lattice fringes with high spatial resolution, and to improve the measurement accuracy of the three-dimensional shape.
[0034]
【The invention's effect】
As described above, the three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention uses a liquid crystal element to create a lattice having a sinusoidal intensity distribution. Since the N stripe electrodes are divided into a number of groups divided by an integer n and one sine wave grating is created for each group, the number of divisions n is changed to change the number of sine wave gratings. The width and pitch can be varied freely. As a result, it is possible to project a lattice pattern having a shape matching the uneven shape of the object onto the object, and the measurement accuracy and reliability are improved. Furthermore, since the bias intensity and amplitude of the sine wave are individually set in the present invention, the intensity level of the sine wave grating can be freely changed. Therefore, a grid pattern according to the brightness of the object and the surrounding brightness can be projected, the contrast of the deformed grid stripe to be detected can be increased, and two-dimensional image processing with a good S / N ratio can be performed.
[0035]
When one cycle of the sine wave is divided into n and an effective voltage corresponding to the sine wave intensity in each region is applied to the liquid crystal, the liquid crystal is driven by a static driving method. This is because it is only necessary to create a signal having a different phase with respect to the reference signal for driving the common electrode, so that the configuration of the drive circuit is simple and an accurate sine wave intensity can be created. Even in the phase shift of the sine wave intensity, the phase shift can be realized only by changing the arrangement order of the voltage application of the drive signals, so that a mechanical drive unit is unnecessary. Furthermore, since the processing from the creation of the lattice to the two-dimensional image processing is performed by computer processing, fully automatic measurement in real time is possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram illustrating the configuration and operation of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a conventional three-dimensional shape measuring apparatus.
FIG. 3 is a diagram illustrating a stripe electrode structure according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating the intensity of a sine wave.
FIG. 5 is a diagram illustrating an intensity level when one cycle of a sine wave according to the present invention is divided into twelve.
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a liquid crystal driving signal by static driving.
FIG. 7 is a diagram for explaining a phase shift in a ¼ period of a sine wave.
FIG. 8 is a diagram for explaining an example of phase detection using a phase shift method;
[Explanation of symbols]
11 Projection unit
12 lattices
14 Deformed plaid
15 Plaid detector
16 Data processing section
17 LCD drive signal generator
18 Processing control unit
110 Grid division setting unit
120 Lattice strength setting part
130 Phase shift setting unit
175 LCD driver

Claims

N stripe-shaped electrodes having a constant pitch and width are formed between a projection unit having a white light source and a projection pattern provided on the surface of the object, which is provided between the projection unit and the object to be measured. A lattice pattern detecting unit including a lattice formed of a liquid crystal element, a CCD camera that detects a lattice pattern that is deformed according to the unevenness of the object and is formed on the surface of the object, and 2 detected by the lattice pattern detection unit. and a data processing unit for analyzing the dimension images, the sinusoidal intensity data to form a grid pattern having a light transmission intensity distribution of sinusoidal said grating on the basis of the object and projecting a grating pattern on the surface of the object In a three-dimensional shape measuring apparatus using a lattice pattern projection method for measuring a three-dimensional shape,
Corresponding to the surface shape of the object to be measured, a liquid crystal driver that generates a lattice pattern on the lattice, a liquid crystal drive signal creation unit that creates a liquid crystal drive signal to be applied to the striped electrodes to generate the lattice pattern to a processing control unit to create a sinusoidal intensity data to form a grid pattern, the processing control unit a constant stripe-shaped N of electrodes having a pitch and width formed in said liquid crystal element A lattice division setting unit that divides N / n groups by a variable n that is a multiple of 3 or 4, and creates one lattice for forming a lattice pattern having a sinusoidal light transmission intensity distribution for each group; , sinusoidal strong intensity of the sine wave grating is the sum of a sine wave strength and the sine wave bias strength of one period is divided into n equal parts by the variable n the divided respective regions of the sine wave Lattice intensity setting unit that stores as data, one cycle of the grating pattern having respective sinusoidal wave shaped light transmission intensity distribution to be generated in the N / n this grid by applying a liquid crystal driving signal to the stripe-shaped electrode 3 or 4 divided cycle unit and sequentially changing the sequence of the voltage application of the liquid crystal driving signal to be applied to the stripe-shaped electrode the phase shifting the phase of the grating pattern every 2 [pi / 3 or [pi / 2 pitch A shift setting unit, which is measured by forming a lattice pattern having a sinusoidal light transmission intensity distribution on the lattice based on the sine wave intensity data formed by the processing control unit and changing the variable n. A three-dimensional shape using a lattice pattern projection method, which measures a three-dimensional shape of an object by projecting a lattice pattern in accordance with the uneven shape of the object on the surface of the object measuring device.

It said liquid crystal driving signal generating unit, with respect to the N number of stripe-shaped electrodes and the facing binary duty ratio of 50% of the reference signal consisting of intensity levels of having a constant period which is applied to the common electrode, the reference A drive signal having the same period and duty ratio as the signal and having a binary intensity level is created , the phase between the drive signal and the reference signal is changed, and the half period of the reference signal is the drive signal is controlled in accordance with the strength before Symbol sinusoidal grating the ratio of the period in which the reverse phase, to create a pre-Symbol crystal driving signal liquid crystal driving effective voltage corresponding to the intensity of the sine wave grating is obtained Te , by applying the liquid crystal drive signal by the liquid crystal driver stripe electrodes of the liquid crystal element, the liquid crystal device driven by static driving method, a grating pattern having a sinusoidal-shaped light transmission intensity distribution 3-dimensional shape measuring apparatus using the grid pattern projection method according to claim 1, characterized in that formed.