JP6291418B2 - 光学測定用配置および関連方法 - Google Patents

Description

本発明は、概括的には、光学素子に関する。詳細には、排他的ではないが、本発明は、対象物体のトポグラフィを確定する光学測定に関する。

さまざまな対象物に関連する大きい曲率の表面のトポグラフィを測定することは、多くの場合、困難であることが分かってきた。伝統的な光学的方法は、平坦表面に限定される。小さくかつ平坦な表面では、例えば、干渉計を使用することができるが、これらは、高価で、多くの時間を必要とし、提供される精度が不適格である。

対象物体との物理的接点を取り入れたさまざまな方法は、同様に時間がかかる場合が多く、質の低い水平解像度しか提供できず、分析中に、潜在的に繊細な表面にひっかき傷またはその他の損傷を与えることさえある。そのような欠点は、一般的に適用される逐点走査法を考えればかなり理解し易い。代替的な機械的視覚ベースのものも、特に光沢面に関しては、うまく機能しない。

大きい曲率の光沢がある対象物の形状測定には、実際のところ一般的には、控え目に言っても労力を要する。現在では、例えば光沢がある対象物の品質管理などは、明るい照明下での目視検査を利用しながら手動で行なわれている。そのような検査の結果は、担当している特殊な人間の検査官の専門知識に大きく依存しており、時間および製造工程自体に伴って変わる。手動検査を利用すると、かなり漠然とした定性的結果しか得ることはできない。より特性を決定付ける、または少なくともより正確な、欠陥または三次元形状を示す数値は、事実上わからないままである。しかし、多くの光沢がある製品は、高品質または『ハイエンド』製品とみなされ、そのため、たとえ微小な欠陥であっても、製造中またはその後すぐに、確認されることが望ましいはずである。

光沢面を追跡する１つの光学的方法は、平坦なデジタルディスプレイ（例えばＴＦＴモニタ）およびカメラの使用に基づく。ディスプレイは、縞パターンを示すように調整することができ、カメラは、試験済みの表面を経て反射されるパターンを観察し得る。オリジナルのものと反射したものとの間のパターンの位相変化に関して分析することで、適切な精度をもって、かつ適切な総実行時間で、表面の傾きを明らかにすることができるが、対象物の適用可能な最大曲率は、かなり限定的なままである、すなわち、適切な精度の包括的な解析結果を取得するのに、対象物は、比較的に、さらに平坦である必要がある。

本目的は、１つ以上の前述の課題を少なくとも軽減することであり、かつ随意的に光沢面を有する対象物体の形状を測定するための配置および関連方法を提供することである。

本目的は、随意的に光沢がある対象物体の、表面形状および／または表面欠陥などの表面を光学的に測定するための配置のさまざまな実施形態によって達成され、配置は、

−対象物体を少なくとも部分的に、好ましくは実質的に少なくとも半球状に包囲するように構成される、中空の、好ましくは曲線状の表面形状を画定する、拡散性の、半透明の照明構造であって、表面には、少なくとも２つの、好ましくは実質的にピンホール状であり、かつ随意的にレンズが設けられたアパーチャがさらに設けてある、照明構造と、

−照明構造の表面を経て対象物体を照明する拡散性照明構造に光学的に接続された、いくつかの光源と、

−前述の少なくとも２つのアパーチャの内の１つを経て対象物体を撮像するようにそれぞれ構成された、少なくとも２つの撮像装置と、

−所定の照明パターンの画像系列を照明構造の表面上に形成して、表面を経て投射される前述のパターンで対象物体を照明する光源の数を指示し、少なくとも２つの撮像装置にそれぞれの照明パターンに関する対象物体の画像を取得するように命令し、かつ利用した前述のパターンおよび取得した画像を利用することによって、対象物体の所定の表面関連の特性を導出するように構成される、制御実体と、を備えている。

１つの実施形態では、配置、特に例えばその制御実体は、２つの撮像装置のそれぞれからの撮像要素を含む、画素、対などの撮像要素の決定によって、対象物体の表面要素の位置および／または向きを確定するのに、複数の画像の画像データを適用するように構成されていてもよく、表面要素は、照明構造の２つの光伝送表面箇所を考慮した撮像要素および表面要素から反射された関連光線の両方に対して鏡角度にある。

したがって、配置は、求めた鏡角度に基づいて、表面要素の実際の向きを導き出すように構成されていてもよい。

随意的に、配置は、前述の撮像要素対および２つの撮像装置間のさまざまな撮像要素の関係に関する較正情報に基づいて、対象物体の表面要素の位置を確定するようにさらに構成されていてもよく、前述の情報は、交差箇所などの撮像装置の撮像要素間の潜在的光線交点についての知識を示せば好ましい。

別の、補足的または代替的のいずれかである実施形態では、配置は、

第１の撮像装置の、画素などの第１の撮像要素に関する、取得した複数の画像の画像データに基づく、照明構造の対応する第１の光伝送表面箇所であって、前述の第１の光伝送表面箇所は、光を、対象物体の実際の鏡映表面要素を経て第１の撮像要素に供給する、第１の光伝送表面箇所と、

前述の第１の撮像要素および前述の照明構造の関連する第１のアパーチャを利用して、それぞれが、特定の向きを有しており、かつ前述の第１の表面箇所および前述の第１の撮像要素に対して鏡角度にある、複数の潜在的表面要素を画定する第１の線であって、前述の複数の潜在的表面要素は、前述の実際の鏡映表面要素をさらに含有している、第１の線と、

取得した複数の画像の画像データに基づく、対応する、照明構造の第２の光伝送表面箇所を備えた、第２の撮像装置の、画素などの第２の撮像要素であって、第２の画像要素および照明構造の関連する第２のアパーチャは、前述の複数の潜在的表面要素の１つに第１の線との交点を有し、さらに、前述の第２の表面箇所および前述の第２の撮像要素に対して鏡角度にある、第２の線を画定しており、したがって、前述の複数の潜在的表面要素の前述の１つは、その向きを含む前述の実際の鏡映表面要素を表示している、第２の撮像要素と、

撮像装置の第１の撮像要素、第２の撮像要素および関連する相互の較正情報を利用する実際の鏡映表面要素の位置と、を確定するように構成されている。

随意的に、配置は、前述の要素の表面法線の表示を利用する前述の実際の鏡映表面要素を含む、潜在的表面要素の向きをモデル化するおよび／または表示するように構成されていてもよい。

別の、補足的または代替的のいずれかである実施形態では、少なくとも１つの撮像装置は、カメラを含んでおり、カメラが、感光型放射線センサ表面またはセンサマトリックスを含んでいれば好ましい。例えば、ＣＭＯＳ（相補的金属酸化物半導体）またはＣＣＤ（電荷結合デバイス）技術ベースの解決策を利用してもよい。確定され得る測定波長は、シナリオを使用し、具体的には、適用可能な光源／撮像装置はそれに対応して選択される。

さらに別の、補足的または代替的のいずれかである実施形態では、少なくとも１つの光源は、照明構造に、随意的に一体化されて、物理的に接続されている。随意的には、少なくとも１つの光源は、照明構造に少なくとも部分的に埋め込まれていてもよい。射出成形などの適切な成形技術を、この目的で利用してもよい。照明構造は、前述の少なくとも１つの光源の少なくとも一部を収容する、スロットなどのいくつかの所定の表面形態を備えていてもよい。

さらに別の、補足的または代替的のいずれかである実施形態では、少なくとも１つの光源は、ＬＥＤチップまたはＬＥＤパッケージなどのＬＥＤ（発光ダイオード）を含んでいる。代替的にまたは追加的に、少なくとも１つの光源は、いわゆるデータプロジェクタ装置またはスライド投射装置などのプロジェクタ装置を含んでいてもよい。

別の、補足的または代替的のいずれかである実施形態では、単独のまたは対象物体用の担体表面を備えた照明構造は、球形状、ドーム形状、半球形状、円錐形状、円すい台形状および円筒形状から成る群から選択される少なくとも１つの形状を実質的に画定している。

別の、補足的または代替的のいずれかである実施形態では、少なくとも１つの光源は、電圧または電流制御、パルス幅制御、および／またはパルス密度変調制御を働かせることで制御される。

別の、補足的または代替的のいずれかである実施形態では、照明構造の材料は、プラスチックおよび／またはガラスを備えている。

別の、補足的または代替的のいずれかである実施形態では、配置は、表面向きまたは表面ノーマルオリエンテーションなどの測定された表面特性の剥離、表面向き、表面形状、表面寸法、および対象物体またはその一部の寸法、大きさ又は体積から成る群から選択される、対象物体の少なくとも１つの表面関連特性を確定するように構成されている。そのような剥離などの特性は、例えば、表面欠陥を表すことができる。

別の、補足的または代替的のいずれかである実施形態では、配置は、直線的強度傾斜または正弦的に変化する強度を備えた正弦波縞パターンなどの正弦波パターンを含む、少なくとも１つの照明パターン（画像）を適用するように構成されている。照明構造上に形成されるパターンは、周期的であり、かつ複数の周期を含有していて、その総数は、随意的に、約１０周期から数百周期までの範囲に入れば好ましい。

別の、補足的または代替的のいずれかである実施形態では、配置は、一連の少なくとも４つの、好ましくは少なくとも６つの照明パターンを適用して、所望の表面特性を確定するために、少なくともそれぞれの数の画像を取得するように構成されている。

別の、補足的または代替的のいずれかである実施形態では、少なくとも１つの撮像装置は、照明構造と一体化されていて、随意的に取り外し可能にそこに取り付けられている。一体化によって、例えば、実際の測定前にとられる、必要な較正動作を容易にすることができる。

別の態様では、対象物体の表面を光学的に測定する方法は、

−対象物体を少なくとも部分的に、好ましくは実質的に少なくとも半球状に包囲するように構成される、中空の、好ましくは曲線状の表面形状を画定する、拡散性の、半透明の照明構造を取得することであって、表面には、少なくとも２つの、好ましくは実質的にピンホール状であり、かつ随意的にレンズが設けられたアパーチャがさらに設けてあり、いくつかの光源が、照明構造の表面を経て対象物体を照明する照明構造に光学的に接続されている、拡散性の、半透明の照明構造を取得することと、

−前述の少なくとも２つのアパーチャの内の１つを経て対象物体を撮像するようにそれぞれ構成された、少なくとも２つの撮像装置を取得することと

−所定の照明パターンの画像系列を照明構造の表面上に形成して、表面を経て投射される前述のパターンで対象物体を照明する光源の数を制御し、少なくとも２つの撮像装置にそれぞれの照明パターンに関する対象物体の画像を取得するように命令することと、

−利用した前述のパターンおよび取得した画像を利用することで、対象物体または少なくともその一部の、形状および／または寸法などの所定の表面関連の特性を導出することと、を備えている。

配置のさまざまな実施形態に関して先に提示した考慮事項は、当業者であれば理解されるように、必要な変更を加えることで方法の実施形態に柔軟に適用することができる。

本発明の有用性は、実施形態によって異なる複数のさまざまな問題に起因するものである。考案した解決策によって、蛇口、磁器、食器類、ガラス、鏡および例えばクロムめっき面、ラッカー塗装面または塗装面などのさまざまなその他のもの、などのさまざまな光沢品目および関連する表面の三次元形状、向きおよび寸法を測定することが可能になる。小さな剥離／欠陥でさえも、検出することができる。

提供する技術的な配置によって、形成したさまざまな照明パターンを、さまざまな対象物体の光沢（鏡）表面および散乱（拡散）表面の両方に関するさまざまな測定方法で使用することがさらに可能になる。側光的な撮像の開発によって、艶消の、すなわち散乱性の強い表面でさえも、分析することができ、例えば、表面欠陥も、本発明に関連して検出され得る。測定は、達成される精度が優れており、その結果は、一般的に非常に信頼性が高いものである。

提供する配置は、製造するのに入手しやすい価格であり、安価入手可能である試験済みの、容易に入手可能なハードウェアを、それとともに利用することができる。ハードウェア制御および画像解析に関連する手順は共に、迅速であり、かつ特別なハードウェアも必要としない。マイクロコントローラ、マイクロプロセッサおよび／またはＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）などの普通の演算要素を、適切な単一または複数の外部メモリーチップまたは内蔵メモリと共に適用することができる。例えば、現代のラップトップまたはデスクトップコンピュータを、配置を制御する、および／または取得した画像を分析するように構成してもよい。

本明細書における「いくつかの」という表現は、１から始まる任意の正整数、例えば１、２、または３などを意味している。

本明細書における「複数の」という表現は、２から始まる任意の正整数、例えば２、３、または４などを意味している。

本明細書における「表面要素」という用語は、提案する光学測定配置によって検査される対象物体の表面の地点または区域を意味することができる。したがって、表面要素は、測定の観点から、対象物体が、少なくとも論理上形成されていると考えられる基本単位を表すことができる。多くの測定では、当該表面要素の箇所および向きは共に、測定者のためのものである。表面要素の寸法または大きさは、適用する撮像装置の解像度、光源の間隔および性質、照明構造の構成などを含む全体的な測定配置の解像度に応じて変えることができる。

本明細書における「実質的にピンホール状のアパーチャ」という用語は、ピンホールまたはそれより幾分大きい程度であれば好ましいアパーチャを意味している。アパーチャは、例えば、約数百マイクロメータ以下の大きさのものであってもよい。アパーチャには、随意的に、レンズ、すなわち、本発明の少なくとも１つの実質的なピンホールアパーチャを実施するのに利用し得る小さいアパーチャを備えたレンズなどの、光学要素を付加することができる。例えば、レンズを適用することで、そうしない場合には、撮像装置のセンサにとって不十分である、アパーチャが提供する露光量を補うことができる。レンズに設けられるアパーチャは、約数ミリメートル以下（直径）の大きさのものであれば好ましい。

本明細書で使用する用語「１つの（定冠詞）（“ａ”、“ａｎ”）」は、１つ以上と定義される。

本発明のさまざまな異なる実施形態を、従属請求項においてさらに開示する。

以下、添付図面を参照しながら、本発明についてより詳細に説明する。

本発明による配置の実施形態の基本原理を説明する。 本発明による配置の実施形態のさまざまな要素を説明する。 本発明のさまざまな実施形態に関連した、実行可能な角度定義および計算の１つの例を示す。 本発明による表面測定の実施形態の手順を説明する。 表面測定の前述の実施形態の別の態様を説明する。 本発明による対象物体の表面を測定する方法の実施形態の流れ図である。 より詳細な、図２の実施形態と概ね類似した配置の実施形態を説明する。 撮像に適用可能なピンホール光学素子の実施形態を説明する。 ピンホール光学素子に関連して適用可能なレンズ構成の１つの実施形態をさらに説明する。

図１では、基本的にドーム構造である、照明構造の実施形態１０２を示しており、多数の埋め込まれたまたは少なくとも光学的に接続された光源が発する光を、普通のテーブルまたは薄板などの所定の担体表面に配置され、かつ照明構造１０２が、ほぼ半球状に、すなわち担体表面の位置より上方で包囲した、基本的に自由造形の対象物体または『試料』１０６に向かって投射している。いくつかの他の実施形態では、照明構造の種類に応じて、対象物１０６を、例えば紐から懸下する、または取り付け台などの特定の支持構造物で支持する場合もある。

対象物１０６は、照明構造１０２に対してほぼ中央に置かれている。照明構造１０２は、通常、図に示すように対称形状を有していてもよい。２台の感光型センサ装置、または多くの実施形態でのデジタルカメラなどの『撮像装置』１０４は、光源が発し、試料１０６が構造１０２に向けて反射して戻す光線を取り込むように、照明構造１０２に対して配置されている。好都合なことに、撮像装置１０４は、さまざまな角度から同じ試料区域（または試料空間）を撮像するように整列されている。例えば、アパーチャと呼ばれる小さな開口が、構造１０２に設けてあって、それを通して撮像装置１０４に向けて光を伝送することが可能になっている。

撮像装置１０４は、多くの場合『画素』と呼ばれる複数の撮像要素の実質的に平面的な感光型マトリックスをそれぞれが含有し得る。マトリックスは、例えば、１０００×１０００ピクセル以上を含有し得る。

いくつかの他の実施形態では、単一の筐体または単一のホスト装置が、本発明の観点から、複数のカメラセンサなどの複数の撮像装置１０４を含有している場合がある。

構造１０２が発する、および試料１０６の表面から反射して、構造１０２に向けて、特に付帯する撮像装置１０４に向けて戻されるさまざまな光線は、説明の便宜上、図中では実線および点線で示している。

実質的に照明構造１０２に面する試料１０６の上面に明示的に特定された点ｅ、ａ、ｂなどの、基本的に全てまたは少なくともほとんどの点は、照明構造と撮像装置１０２の感光型センサ表面との間で伝搬される光線の認識および分析を経て、配置によって測定され得、この伝搬は、試料１０６の表面での反射現象を含んでいる。

形状検知に適用できるように、試料１０６の表面が提供する反射率は、鏡面反射性である、または少なくとも十分に鏡面反射性を有する構成要素を備えていれば好ましい。それは、拡散性構成要素を含有していてもよい。強く散乱する表面（艶消し表面）であっても、以下に示す配置によって、限定的な意味で分析することができる。

図２は、形状測定および／または寸法測定などの光学測定を実施するために提案された配置の実施形態についてのより詳細な図を表す。

潜在的に大きい曲率の試料２０６は、例えば、平滑で均一なプレート（例えばワークトップ表面）で提供され得る担体表面２１２の上に配置される。照明構造２０２は、それと担体表面２１２との間にある試料２０６をほぼ包囲する実質的なドーム形の形態を備えている。この形態は、半透明の、拡散性（半透明の）材料を含有していれば、またはそれから成っていれば好ましい。随意的に、ＬＥＤマトリックスとして少なくとも機能的に構成される、ＬＥＤ２０８などの複数の光源が、照明構造２０２と光学的に接続されるように配置されているので、所望の照明パターンが、確定され、その後の撮像のため、構造２０２によって試料２０６に向けて運ばれ得る。

随意的には、ＬＥＤチップまたはＬＥＤパッケージなどの光源は、照明構造２０２の材料の中に埋め込まれている。光源２０８の少なくとも一部を収容している、例えば適切な成形技術および／または予め刻まれたスロットは、この目的で利用され得る。代替的にまたは追加的に、データプロジェクタまたは例えばスライド投射系を、光源として利用することができる。光源２０８は、照明構造２０２の外側要素および／またはそれとは非接触の要素でもよい。

ＣＭＯＳまたはＣＣＤカメラなどの２つの撮像装置２０４が、照明構造２０２の外側に設けられていて、試料２０６からそれぞれのピンホール２１２を通って反射された光を感知することで試料を撮像する。各撮像装置２０４は、専用のピンホール型の開口を通して試料を撮像するように構成されていれば好ましい。た。いくつかの他の実施形態では、照明構造の関連する視界、構成、寸法、および対象物体の幾何形状の所望の範囲などのさまざまな要因に応じて、さまざまな数の撮像装置２０４、例えば３つの装置を利用することができる。

『Ｅ』２１０は、処理装置２１０ｂ、メモリ２１０ｃおよびＩ／Ｏ要素２１０ａ（例えばデータ転送または通信インターフェイス、ディスプレイ、プリンタまたはプロッタなどのデータ可視化要素、キーボード、マウスなどのデータ入力要素など）のような制御電子装置を意味しており、光源２０８および撮像装置２０４を伴う測定手順を、同期するなど、制御するためのものである。光源制御を伴う照明パターン変更を、撮像装置２０４の撮像動作と同期させて、例えば測定速度を上げることができる。

制御実体２１０は、他の用途にも同様に適するより一般的なコンピュータ装置を構成しても、またはそれから形成されていてもよい。処理装置２１０ｂとして、例えば、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、ＤＳＰ、プログラム可能論理列、またはそれらのいずれかの内の所望のいくつかが挙げられる。メモリ２１０ｃは、例えば、少なくとも１つの専用のメモリーチップまたはプロセッサ２１０ｂ内蔵メモリを備えていてもよい。メモリ２１０ｃは、コンピュータ実行可能命令の形態のコード要素および配置を制御するための関連する他のデータを備えたコンピュータプログラムを収容するように構成され得る。さらに、メモリ２１０ｃを、測定データおよび関連する解析結果を提供するのに利用し得る。コンピュータプログラムは、メモリーカードまたは光ディスクなどの担体媒体上で実施されてもよい。

ＬＥＤ２０８または他の光源の大きさおよび間隔に関して、ＬＥＤなどがより小さいものであり、より密接に配置されれば、原理上では、より精密な照明パターンを、試料２０６上に生成および投射することができる。光源間の理論上の最小距離は、ゼロである。その場合、拡散照明構造を、追加する必要はなく、光源マトリックス自体が、例えば試料を照らすドーム形のディスプレイまたは『照明構造』として機能し得る。しかし、必要な光源、その上必要な配線の数、複雑さおよび結果的に生じる配置の全体価格が大幅に増えるという理由から、そのようなゼロ等間隔は、実際の状況では実行不可能であり得る。

しかし、光源間の間隔が、大きくなると、単一の光源は、それらの点照明性質が原因で、照明パターンおよび撮られた画像で可視的になり得る。このことは、より効果的に拡散する照明構造物質を光源と試料の間に使用して、照明を平滑化することで、概ね解決することができる。例えばＬＥＤ型光源間の適用可能な距離は、多くの実施形態では、例えば約２ｍｍから約１０ｍｍまでの範囲に入り得る。間隔が大きくなると共に、ドームなどの照明構造の拡散力を、増す必要があり得る。照明構造の形状は、撮像される対象物および所望の解決策の他の要因によって、必然的に変化し得る。ドームまたは特別な、例えば半球形態に加えて、完全球体、円筒形、円錐形、または基本的に大部分の任意の自由形態形状を、理論的には利用することができる。

照明構造の寸法は、異なる標本の大きさおよび例えば光源を考慮して拡大縮小可能である。試料全体を一度に測定するために、試料は、すべての撮像装置２０４の視野領域の中に、すなわちカメラ視野の中に、かつ照明構造２０２によって画定される包囲形状の内側に収まるように配置されなければならない。照明構造２０２の材料は、プラスチック、ガラスなど（好ましくは半透明の材料）を含むことができる。

光源２０８が発する光の強度の制御は、例として、例えば電流制御またはより正確なパルス幅またはパルス密度変調を利用することで実現することができる。ＬＥＤなどの光源の特異的制御は、例えば、光源マトリックスの行と列ベースの走査によって柔軟に達成され得る。

図３を参照しながら、画像データを利用する三次元計算の原則を、以下簡潔に概説する。図は、開示する計算法で利用する角度定義αおよびjを特に図解している。

Ｘ軸は、水平軸を意味し、Ｙ軸は、ドーム状照明構造３０２に関して示されたシナリオの垂直軸を意味する。下記表１は、利用する可能性がある照明パターンを記載する。対象物表面（表面要素）からカメラ画素に反射するドーム上の点、すなわち箇所は、異なる照明パターンを使用して例えば６つの画像を撮って計算することができる。パターン１および２は、高さ角αを画定するのに利用することができ、一方で、パターン３から６は、回転角jを画定するのに利用することができる。

高さ角αは、以下の式を用いて画像画素ごとに画定することができる。
α＝（画像１―画像２）／（画像１＋画像２） （１）

０度から１８０度までの回転角jは、以下の式を用いて画像画素ごとに画定することができる。
j＝（画像３―画像４）／（画像３＋画像４） （２）

１８０度から３６０度までの回転角jは、以下の式を用いて画像画素ごとに画定することができる。
j＝（画像５―画像６）／（画像５＋画像６） （３）

異なる数の画像を代替的に使用してもよい。回転角jは、２つの画像を使用して計算されてもよいすなわち潜在的により正確な結果は、例えば最初に０度から９０度の区分を測定し、その後９０度から１８０度の区分が続くように９０度間隔で、ドームを小区分に分けることで実現することができる。

さらに、正弦波縞照明パターンを用いて、反射点を高精度に計算することができる。前例と同様に、高さ角αを最初に計算し、次いで回転角jを計算する。

高さ角αを確定するために、数周期の正弦波縞パターンから成る照明または『点灯』、パターンを、実際にドーム上に形成することができる。ドーム上に形成される正弦周期の数は、ドームの大きさ、照明されるセクター、ＬＥＤ、またはより一般的な光源間隔によって決まるが、所望の精度は、例えば、約１０周期から約１００周期までの範囲に含まれ得る。ドーム上の正弦波パターンは、対象物体の試験済みの反射表面を経て撮像される。反射点の位相を計算するのに、正弦パターンのさまざまな位相シフトを備えた３つ以上の画像が、一般的には必要である。この計算に、よく知られた位相シフト計算法を利用してもよい。位相は、ドーム上の位置と一部直線的に関連する。位相シフト計算法の結果は、−πとπの間に限定されるので、直線的に変化する強度パターンと関連する結果が、関連周期を画定するのに必要とされる。

例えば、ドーム表面上に２０正弦周期がある場合、高さ角αが０度から９０度まで変化すると、位相は―πからπまで２０回変化し、各周期は、４．５度セクターに反応する。直線的に変化する強度画像からの角度結果を用いて、正弦パターン結果がどの４．５度セクターに属するのかを判定することができる。

回転角jは、ほぼ同様に計算することができる。

さまざまな数の正弦縞パターン／画像を、実施形態に応じて利用してもよく、位相シフト計算は、３つ以上のパターン／画像に関連して使用することができ、そして、フーリエ変換ベース計算は、１つの縞パターン／画像に関連して使用することができる。

いくつかの実施形態では、角度計算結果を、欠陥検出に利用することができる。例えば光沢面に欠陥がある場合、監視している表面角度に顕著な変化が現れる可能性がある。これは、角度マップから検出することができる。例えば、隣接するまたは近くの表面要素間の有効な角度相違に関する所定の閾値を越えた変化を、探知することができる。

上記のおよび／または他の代替照明パターンを利用することによって、さまざまな撮像装置の画素などの撮像要素と、照明構造の内側表面の、表面箇所、すなわち『点』との間の対応を割り付けることができる。撮像装置の画素および照明構造の対応箇所、すなわち光の対応する伝送点は、対象物体の表面要素に、複数の理論上の角度（向き）／高さ（距離）の組み合わせを画定し、それらから、少なくとも１つの他の撮像装置によって提供される情報を利用して、正しい１つを推論する。それについて、以下でより詳細に説明する。結果的に、全体の測定された表面を構成している表面要素の箇所および向きを確定することができる。

図４ａおよび４ｂでは、本発明による表面測定の実施形態の手順の背後にある論理をさらに詳細に説明する。両図とも、利用される根本的な幾何学原理の理解を容易にする説明的なテキスト注釈をほとんど含んでいない。

図５は、測定および関連タスクを実行する対応方法の実施形態の流れ図である。５０２では、対象物体から測定される表面特性および対象物体自体の性質（光沢、艶消、形状、寸法など）に基づいて、測定設定を最初に決定する。それに応じて、５０４では、照明構造、例えば半球ドームまたは完全球面構造、ＬＥＤなどの関連光源、少なくとも２つのデジタルカメラ装置などの撮像装置、などの必要な装置、および適切なＩ／Ｏ電子機器を備えたコンピュータなどの制御／分析装置を、例えば、サードパーティ製構成要素の獲得によって、および／または社内製造に基づいて取得する。

一般的には、対象物体の対象表面の三次元形状は、カメラなどの撮像装置を２個以上利用して、数値的に測定することができる。しかし、最初に、相対的な幾何形状、向きおよびカメラの対応画素を較正する必要がある。これは、方法項目５０６で行なわれ、例えばさまざまな位置に周知の寸法を備えたチェス模様または他のパターンを撮像し、かつカメラパラメータおよびカメラの画素対ごとの交線を計算することによって、例えば一般の立体カメラ較正方法を利用する。これらの交線は、画素対の組み合わせごとに距離を画定するものである。

５０８および５１０では、複数の照明パターン、すなわち系列を、光源および照明構造によって形成し、対応する反射パターンをカメラでそれぞれ取り込む。光源およびカメラ（または他の撮像装置）は、すべての所望のカメラが各所定の照明パターンに関して少なくとも１つの画像を得るように、好ましく同期しなければならない。照明パターンの数および性質は、利用する照明構造および光源、カメラ、測定される対象物および本明細書に記載するように行なわれる測定の種類によって決まる。項目５０８、５１０の反復性性質（すなわちパターンの照明、パターンを撮像すること、次のパターンへの切り換えなど）は、点線のループバック矢印形状で示される。

具体的には、図４ａおよび４ｂに関連した、方法および関連する論理の分析項目５１２に関して、カメラなどの撮像装置は、簡潔にするために、本明細書では理想点アパーチャカメラとして扱っている。

カメラＣ１画素Ｃ１（ａ，ｂ）４０４に関する角度情報ｐ＝α（ａ，ｂ）およびｑ＝j（ａ，ｂ）は、ドーム表面上の点Ｄ（ｐ，ｑ）４０８に対応しており、ドーム表面は、表面点Ｓ（ｘ，ｙ）、すなわちまたは平面的な『表面要素』４０６（ｘ、ｙは、対象物体用のテーブル表面などの平面的な担体表面によって画定される、またはそれと少なくとも平行である、平面上の座標を意味する）を経由してＣ１（ａ，ｂ）４０４に反射する。

点Ｃ１（ａ，ｂ）４０４（および照明構造の関連するアパーチャ）は、Ｓ（ｘ，ｙ）４０６が位置しなければならない線Ｃ１−Ｓ４１０を画定している。このように、線Ｃ１−Ｓ４１０および点Ｄ（ｐ，ｑ）４０８は、鏡角度でＤ（ｐ，ｑ）４０８が発する光をＣ１（ａ，ｂ）４０４に反射する表面要素Ｓ（ｘ，ｙ）４０６用のさまざまな潜在的距離−向きの対を作成する各潜在的距離−向きの対は、さまざまな表面法線ベクトルＳｎ（ｊ，ｋ，ｌ）４０６ａ、すなわち反射面の特徴的向きを有する。

各距離−向きの対（すなわち線Ｃ１−Ｓ４１０の『点』）は、Ｃ２（ｃ，ｄ）４０５としての関連するアパーチャを通じて、論理的にカメラＣ２の１つの画素にさらに対応しており、そのような対が、線グループＣ２−Ｓ４１１（図４ｂ）を確定する。

Ｃ２のセンサマトリックス上のこうした画素ごとに、ドームＤ（ｒ，ｓ）４０９上の鏡面反射（源）点および角度情報ｒ＝α（ｃ，ｄ）およびｓ＝j（ｃ，ｄ）は、測定によって提供されている。測定した反射点は、線Ｃ２−Ｓ４１１およびＣ１−Ｓ４１０の交点での対応する表面の向きを提供する。正確な画素Ｃ２（ｃ，ｄ）４０５、すなわちドームの箇所４０９が光を伝送した画素は、実際には、被測定対象物体の表面要素から反射しており、測定に基づいて、Ｃ１（ａ，ｂ）４０４に基づいて計算されたものよりも、線Ｃ２−Ｓ４１１とＣ１−Ｓ４１０の交点での同じ表面の向きを提供するものである。すなわち、実際の物理表面要素Ｓ（ｘ，ｙ）４０６は、２つの分析光路Ｄ（ｐ，ｑ）−Ｓ（ｘ，ｙ）−Ｃ１（ａ，ｂ）およびＤ（ｒ，ｓ）−Ｓ（ｘ，ｙ）−Ｃ２（ｃ，ｄ）の両方に関して、同じ計算した表面法線ベクトルＳｎ（ｊ，ｋ，ｌ）、すなわち表面の向きを有している。

Ｃ１（ａ，ｂ）４０４およびＣ２（ｃ，ｄ）４０５が解析されると、距離、ひいては対象物体の関連する表面要素の箇所を、利用可能な補正情報を適用して、独自に確定することができる。

前に説明したように、対象物体の各表面要素の箇所および向きの両方を、最終的に確定することができ、類似の手順をすべてのカメラ画素で実行できるように、表面要素からなる総表面を、モデル化して分析することができる。

当業者であれば、照明構造の材料は、好適にある程度拡散しているので、照度差ステレオ測定を利用することが可能であることをさらに理解されるであろう。ドーム状照明構造に関すると、ドームの上半分を、均一な強度で最初に点灯し、その後、テスト表面を撮像し得る。次いで、ドームの残り半分を点灯して、テスト表面を再度撮像し得る。これらの２つの画像の差異は、好都合なことに、被試験対象物および関連表面の潜在的欠陥およびトポロジー（高さ）構造を表している。さらに、２つ以上の照明方向を使用することができる。照度差スレテオ法は、対象物体の散乱性の強い、すなわち『艶消』表面で特に使用することができる。

方法の実行は、項目５１４で終了する。分析は、さらに続けられてもよく、または、例えば、それまでに取得した測定結果を記憶し、転送し、および／またはディスプレイ装置上での再検討用に提供し、または紙に印刷してもよい。

図６は、６０１における、図２の実施形態と概ね類似する実施形態をさらに詳細に示す。さらにここでは、照明パターン、すなわち画像が、球面２０２などの照明構造上に逐次的に形成され（ビデオ系列）、そこから対象物体２０６の表面に向かって投射される。球面２０２などの照明構造は、それによって、例えば時間的に最大限に持続的で、かつ空間的に均一な拡散照明の代わりに画像パターンで試料を照明するディスプレイ要素として利用される。次いで、対象物表面からの対応する（しかし、変形した）画像が、照明パターンの形成と同期して、撮像装置２０４によって取り込まれれば好ましい。そこに誘発されているゆがみの（対象物体の表面に向かって投射される元のパターンと対比した）分析など、取り込み画像を分析することで、欠陥など、表面特性を検出することができる。

撮像装置２０４は、レンズ配置６０４ａ、６０４に設けられた対応するアパーチャ２１２、これがピンホールアパーチャであれば好ましいが、を通して対象物体２０６と光学的に接続される。各レンズ配置６０４ａ、６０４ｂはいくつかのレンズ、例えば２つまたは３つのレンズを含んでいてもよく、それらは、レンズの前にある照明構造２０２のピンホール状のアパーチャ２１２を使用して撮像することができるように構成されている。アパーチャ寸法の大きさは、先に提示した図に従って、数ミリメートル、例えば１ｍｍから２ｍｍまたはそれ未満の直径などでもよい。小さいアパーチャを使用すれば、一般的には、撮像のデッドゾーン（陰影領域）は減る。

図７は、撮像に適用可能なピンホール光学素子の実施形態７０１を示す。当該解決策は、例えば、本発明の先に説明した実施形態に関連して利用することができる。照明構造１０２、２０２は、そこを通して撮像が行なわれるアパーチャ７１２を備えている。対象物体からの光線７０２は、一重レンズまたは二重レンズなどのいくつかのレンズ７０６、７０８に達し、レンズは、直列に整列していれば好ましく、共通の光軸を有していればさらに好ましい。

対象物体と撮像装置との間の光路における第１のレンズ７０６は、例えば約３ｍｍのような数ミリメートルの、小さい直径の方であり、一方で、第２のレンズは、より大きい直径を有している。したがって、第１のレンズ７０６の周辺の機械構造は、（比較的に）小型であり得る。照明構造１０２、２０２の直径は、実施形態によって決まるが、対象物体の特性（寸法など）は、例えば、約４５センチメートルでもよい。適用可能な焦点距離の一例は、例えば撮像される範囲の好適な大きさに応じて、この場合数ミリメートル、例えば約４ミリメートルから７ミリメートルでもよい。

図８は、８０１における、ピンホール光学素子および例えば本発明による配置および方法の前述の実施形態に関連して、適用可能なレンズ構成の別の断面説明図（明瞭にするためにアパーチャ７１２に対して図中では拡大してある）を表す。

図は、レンズ配置本体７１４、すなわち単一または複数のレンズを収容する「筐体構造」の斜めの外表面部分７１６を示す。斜縁部は、図に示すように、本体の側面またはレンズ７０６、７０８の光軸と、約４５度の角度などの所定の角度を画定していれば好ましいが、実施形態に応じて、他の構成も可能である。傾斜させることで、レンズ配置のブロッキング効果を最小限に抑えることから、対象に向かう画像パターン投影（および結果的な撮像）へのシャドーイングを減らすことができる。

当業者であれば、本開示および一般知識に基づき、それぞれの個別の使用事例において、あるとすれば、必要な修正、削除および追加を加えながら、添付の請求の範囲に記載する本発明の範囲を実施するために、提供した教示を適用されるであろう。

例えば、いくつかの実施形態では、対象物体のいくつかの部品または部分だけを、全期間に亘って、または１度のどちらかに分析する必要があるかもしれない。このために、照明構造、関連する光源、アパーチャ、および撮像装置は、測定または測定周囲に関してのみ関連部品を覆うように構成され得る。次いで、対象物体の残りの部品／部分は、先に対象物および／または配置を相互に回転させて、新しい部品／部分を照明および撮像要素にさらして測定が続けられる間に測定され得る。

いくつかの使用シナリオでは、実質的に、潜在的に大きい曲率の三次元の対象物の外部表面全体を、一括的に測定しなければならない。この場合、球状の照明構造および関連する全角度取り込み撮像設定などの完全包囲型の測定配置を利用する必要がある。

さらにいくつかの実施形態では、利用される照明構造は、測定の間、物理的に離れていながらも、全体として照明構造を機能的に形成するように構成されるいくつかの部品から形成され得る。

さらに、いくつかの実施形態では、先に言及したように、撮像装置のセンサに十分に光が照射されるように配置するため、好適なピンホール状の単一または複数のアパーチャを、より大きいアパーチャに置換することができる。レンズベースのアパーチャが利用される場合、照明構造の表面は、２ミリメートルまたは３ミリメートル以下など、数ミリメートルの小さめのアパーチャを有していれば好ましいレンズを収容するために、最初に穿孔、または彫刻して、より大きい直径の穴をその中に設けなければならない場合がある。

さらにいくつかの実施形態では、提案された配置および方法を、混合型の対象物／表面、すなわち光沢部分と艶消部分の両方を持つ表面を測定するのに利用することができる。例えば、混合型表面から欠陥を追跡することができる。さまざまな照明モード（パターンを含む）を、所定の基準に従って、取得した最善の結果に基づいて最終的に確定された測定値およびそれぞれの表面要素に利用することができる。

Claims (20)

1. 対象物体の、表面を光学的に測定する配置であって、
   −前記対象物体を少なくとも部分的に、包囲するように構成される、中空の、表面形状を画定する、拡散性の、半透明の照明構造であって、前記表面には、少なくとも２つのピンホール状のアパーチャがさらに設けてある、照明構造と、
   −前記照明構造の前記表面を経て前記対象物体を照明する前記照明構造に光学的に接続された、いくつかの光源と、
   −前記少なくとも２つのアパーチャの内の１つを経て前記対象物体を撮像するようにそれぞれ構成された、少なくとも２つの撮像装置と、
   −所定の照明パターンの画像系列を前記照明構造の前記表面上に形成して、前記表面を経て投射される前記パターンで前記対象物体を照明する光源の数を指示し、前記少なくとも２つの撮像装置にそれぞれの照明パターンに関する前記対象物体の画像を取得するように命令し、かつ利用した前記パターンおよび取得した画像を前記利用することによって、前記対象物体の所定の表面関連の特性を導出するように構成される、制御実体と、を備えており、
   前記２つのアパーチャのうち少なくとも１つが、複数のレンズを備えるレンズ配置に関連しており、
   前記レンズ配置が、前記照明構造に対する前記レンズ配置のシャドーイングの影響を減らすために、斜縁部を備えた本体部を備え、前記本体部は前記アパーチャに面している、配置。
2. ２つの撮像装置（１０４、２０４）のそれぞれからの撮像要素を含む、画素対（４０４、４０５）である撮像要素対の決定によって、前記対象物体の表面要素（４０６）の位置または向きを確定するのに、複数の画像の画像データを適用するように構成されており、前記表面要素が、前記照明構造の２つの光伝送表面箇所（４０８、４０９）を考慮した撮像要素および前記対象物体の前記表面要素から反射された関連光線の両方に対して鏡角度にある、請求項１に記載の配置。
3. 前記撮像要素対の確定の間に求めた前記鏡角度に基づいて前記表面要素（４０６）の前記向き（４０６ａ）を確定するように構成されている、請求項２に記載の配置。
4. 前記撮像要素対および前記２つの撮像装置間のさまざまな撮像要素の関係に関する較正情報に基づいて、前記対象物体の前記表面要素（４０６）の位置を確定するように構成されており、前記情報は、交差箇所又は前記撮像装置のいくつかの基準点からの交点の距離を含む前記撮像装置の前記撮像要素間の潜在的光線交点についての情報を示す、請求項２または３に記載の配置。
5. 第１の撮像装置の、画素である第１の撮像要素（４０４）に関する、取得した複数の画像の画像データに基づく、前記照明構造の対応する第１の光伝送表面箇所（４０８）であって、前記対応する第１の光伝送表面箇所は、光を、前記対象物体の実際の、鏡映表面要素（４０６）を経て前記第１の撮像要素に供給する、第１の光伝送表面箇所と、
   前記第１の撮像要素および前記照明構造の前記関連する第１のアパーチャの利用によって、それぞれが、特定の向き（４０６ａ）を有しており、かつ前記第１の表面箇所および前記第１の撮像要素に対して鏡角度にある、複数の潜在的表面要素を画定する第１の線（４１０）であって、前記複数の潜在的表面要素が、前記実際の鏡映表面要素（４０６）をさらに含有している、第１の線と、
   取得した複数の画像の画像データに基づく、対応する、前記照明構造の第２の光伝送表面箇所（４０９）を備えた、第２の撮像装置の、画素である第２の撮像要素（４０５）であって、前記第２の撮像要素および前記照明構造の前記関連する第２のアパーチャが、前記複数の潜在的表面要素の１つに前記第１の線との交点を有し、さらに、第２の表面箇所および前記第２の撮像要素に対して鏡角度にある、第２の線を画定しており、したがって、前記複数の潜在的表面要素の前記１つは、その前記向きを含む前記実際の鏡映表面要素を表示している、第２の撮像要素と、
   前記配置に関連して前記撮像装置の前記第１の撮像要素、第２の撮像要素および関連する相互の較正情報を利用する前記実際の鏡映表面要素（４０６）の位置と、を確定するように構成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の配置。
6. 少なくとも１つの撮像装置が、ＣＭＯＳ（相補的金属酸化物半導体素子）またはＣＣＤ（電荷結合デバイス）技術ベースのカメラを備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載の配置。
7. 少なくとも１つの光源が、ＬＥＤ（発光ダイオード）チップ、ＬＥＤパッケージ、またはＯＬＥＤ（有機発光ダイオード）を含む他のＬＥＤベースのまたはＬＥＤ関連の光源を包含する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の請求項に記載の配置。
8. 少なくとも１つの光源が、少なくとも部分的に内部に成形されて、前記照明構造と一体化されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の配置。
9. 前記照明構造が、球形状、ドーム形状、半球形状、円錐形状、円すい台形状および円筒形状から成る前記群から選択される少なくとも１つの形状を画定している、請求項１〜８のいずれか１項に記載の配置。
10. 前記レンズ配置が、直列に配置される複数のレンズを備えており、光路において前記複数の内の少なくとも１つの他のレンズ（７０８）の前に配置される、前記複数の内のレンズ（７０６）が、前記他のレンズ（７０８）より小さい直径を有する、請求項１に記載の配置。
11. 少なくとも１つの光源が、パルス幅またはパルス密度変調によって制御される、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の配置。
12. 前記照明構造が、プラスチックまたはガラス材料を含有している、またはそれから成る、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の配置。
13. 前記配置が、表面向き、表面向きの指示の中の、などの、前記測定された表面特性の中の空間的剥離、表面形状、表面寸法、対象物寸法、対象物大きさおよび対象物体積、から成る前記群から選択される、前記対象物体の少なくとも１つの表面関連特性を確定するように構成されている、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の配置。
14. 直線的強度傾斜または正弦的に変化する強度を備えた正弦波縞パターンを備える、照明パターンを適用するように構成されている、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の配置。
15. 一連の少なくとも４つの照明パターンを適用して、前記所望の表面特性を確定するために、少なくともそれぞれの数の画像を、撮像装置ごとに、取得するように構成されている、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の配置。
16. 前記対象物体の散乱表面の、表面傷を潜在的に表す剥離を測定するのに照度差ステレオ照明パターンおよび撮像を適用するように構成される、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の配置。
17. 少なくとも１つの光源としてプロジェクタ装置を備えている、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の配置。
18. 対象物体の表面を光学的に測定する方法であって、
    −前記対象物体を少なくとも部分的に、包囲するように構成される、中空の、表面形状を画定する、拡散性の、半透明の照明構造を取得すること（５０４）であって、前記表面には、少なくとも２つの、ピンホール状の、アパーチャがさらに設けてあり、いくつかの光源は、前記照明構造の前記表面を経て前記対象物体を照明する前記照明構造に光学的に接続されている、拡散性の、半透明の照明構造を取得することと、
    −前記少なくとも２つのアパーチャの内の１つを経て前記対象物体を撮像するようにそれぞれ構成された、少なくとも２つの撮像装置を取得すること（５０４、５０６）と、
    −所定の照明パターンの画像系列を前記照明構造の前記表面上に形成して、前記表面を経て投射される前記パターンで前記対象物体を照明する光源の数を制御すること（５０８、５１０）、および前記少なくとも２つの撮像装置にそれぞれの照明パターンに関する前記対象物体の画像を取得するように命令することと、
    −前記パターンおよび取得した画像を利用して、所定の表面関連の特性を導出すること（５１２）と、を備えており、
    前記２つのアパーチャのうち少なくとも１つが、複数のレンズを備えるレンズ配置に関連しており、
    前記レンズ配置が、前記照明構造に対する前記レンズ配置のシャドーイングの影響を減らすために、斜縁部を備えた本体部を備え、前記本体部は前記アパーチャに面している、方法。
19. 測定配置による対象物体の表面分析に関連して、コンピュータ装置上で動作するとき、請求項１８に記載の制御することおよび導出することの前記項目を実行するように構成されるコード手段を備えている、コンピュータプログラムであって、中空の、曲線状の表面形状を画定する、拡散性の、半透明の照明構造は、前記対象物体を少なくとも部分的に、少なくとも半球状に包囲するように構成されており、前記表面には、少なくとも２つの、ピンホール状のアパーチャがさらに設けてあり、さらに、いくつかの光源は、前記照明構造の前記表面を経て前記対象物体を照明する前記拡散性の照明構造に光学的に接続されており、少なくとも２つの撮像装置は、前記少なくとも２つのアパーチャの内の対応するアパーチャを経て前記対象物体を撮像するように構成されている、コンピュータプログラム。
20. 請求項１９に記載の前記コンピュータプログラムを含有するように構成されている、メモリーカード、メモリースティックまたは光ディスクを包含する、担体媒体。

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