JPH0330802B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 この発明は色を使い、表面の反射率並びに粗さ
に比較的影響されずに、表面の輪郭を測定する方
法並びに装置に関する。

発明の背景 光学式３角測量によつて表面の輪郭の正確な知
識が得られることは前から判つている。この基本
的な考えが第１図に示されている。表面と交わる
ペンシル形入射光線の観測点での変化（δ）か
ら、基準面（ｚ＝０）に体する表面の位置変化
（Δz）を計算することが出来る。即ち δ＝ΔzMsinθ ここでＭは光学的な倍率、 θは視差角、 Δzは表面位置の変化、 δは観測点の位置変化である。

この考えが種々の測定用感知装置に用いられて
いるが、いろいろな欠点がある。この測定では一
度に１点しか測定できず、最高速度は毎秒10000
点である。入射光線を正確に走査しなければなら
ない。幾つかの入射光線を用いれば、更に早い走
査速度を達成することが可能であるが、その場合
どの反射光線が感知装置配列に入つたかはつきり
しない曖昧さが残る。その測定結果は、表面の反
射率の影響を受けるが、これは金属表面では何桁
にもわたつて変化し得る。

表面地形学を使う時、視差写真法（写真測量
法）を使えば、これらの難点の内の最初の難点は
克服される。この場合、表面の２つの視野の内の
一方にある各点は、他方の視野にある対応する近
傍と相関している。相関ピークを突き止めれば、
２つの視野の間の変位を計算することが出来、こ
れによつて表面の輪角が得られる。この方式は、
相関が普通は費用がかかり、像に相関しない雑音
がある場合、或る程度の曖昧さを招き易いという
欠点がある。

関連のある最後の方式が所謂モアレ像干渉縞方
式である。測定しようとする面に棒形パターンを
投射する。同様な棒形マスクを介してこの表面を
観察する。こうすると、表面の輪郭の変化を表わ
す干渉縞が得られる。その欠点は、横方向の分解
能が棒形パターンの間隔を越えることが出来ない
ことである。更に、表面の反射率の変化が縞の形
成に干渉する。

発明の要旨 波長のレツテルをつけた視差方法は、反射性物
体の表面上に、（紫外線領域、可視領域又は赤外
線領域にある）少なくとも２つの波長又は波長帯
の光を持つ有色パターンを投射することを含む。
このパターンが明確に限定された空間的な変化を
定め、この為、物体表面の輪郭の変化による反射
光の移動は容易は検出することが出来る。異なる
波長を使うことにより、移動が輪郭の偏差に対応
するという点で、表面の反射率の変化に影響され
なくなる。光源から同じエネルギを持つ波長帯を
抽出することによつて形成された相補的な有色パ
ターンを使うことが好ましい。投射パターンに於
ける各点の位置は、この表面に入射した各々の波
長のエネルギの相対的な量によつて一意的に同定
される。深さに対する感度を持たせる為、エネル
ギの変化は急峻にすべきである。周期的な鋸歯状
又は余弦状の光の透過によつてこの条件が充たさ
れる。

波長をレツテルに使うことにより、移動が直接
的に同定される。反射光が所定の視差角で感知さ
れ、相異なる波長又は波長帯が別々に検出され、
物体の表面から基準までの深さに応じて、検出器
配列上のその位置を変える。各々の波長帯の検出
された光強度に対応して別々の感知信号が発生さ
れる。感知信号が信号処理装置の有色パターン分
離回路（減結合回路）で組合され、表面の反射率
並びに粗さの変化に実質的に無関係な正規化信号
が抽出される。基準に対する正規化信号の移相を
決定し、これから表面の輪郭を作像し得る様な深
さデータが決定される。

ここで詳しく説明する光学式感知装置が送光器
を持ち、この送光器は多重スペクトル・ランプ、
可視及び赤外線波長帯を抽出するダイクロイツ
ク・ミラー、集光レンズ、及び棒形パターンを持
つていて、各波長帯を組合せ、周期的な相補的な
有色パターンを投射するパターンつきミラーを持
つている。受光器が、反射光から可視及び赤外線
波長帯を抽出するダイクロイツク・フイルタ、及
び別々の線形フオトダイオード検出器配列を持つ
ている。正規化信号は式（Va′／Va−Vb′／Vb）
から計算される。ここでVa′及びVb′は感知信号
Va及びVbの第１次微計数である。ピーク及びゼ
ロ検出器と補間器とが周期的に移相を決定し、こ
の移相に対応して深さデータが発生される。

実施例の説明 あらゆる視差３角測量方式の主な難点は、投射
された光パターン並びに感知された光パターンに
於ける整合する点を突きとめることである。１点
の場合、この問題はないが、この代りに測定速度
を犠牲にしなけければならない。波長レツテル方
式が第２図に示されているが、これは（どの反射
光線が感知装置配列に入つたかの）曖昧さを伴わ
ずに、幾つかの点を並行して発生する。図では、
２つの入射光線Ｌ及びL′が示されている。光線は
異なる色（例えば青及び赤）を与えることによつ
て、別異とされ、反射光線Ｒ及びR′が対物レン
ズ２０によつて検出器配列２１に集束される。検
出器が色分離フイルタを持つ２つの配列で構成さ
れていれば、この時スポツト像も別異なものとな
る。別の利点、即ち反射率の変化に影響されない
ということが容易に得られる。色が関心のあるパ
ラメータであり、これは信号の絶対レベルと無関
係に、２つの検出器信号から取出すことが出来
る。そこで残る唯一の望ましくない感度は、測定
する表面の、色の変化に対する感度である。これ
は一般的に波長に対する反射性が一様である翼部
品の様な多くの物体にとつてはあまり問題になら
ない。いずれにせよ、色による変化は反射率の変
化程頻繁に起らないし、また予測も容易である。
この考えは２種類又は更に多くの色に対して有効
であり、或いは波長の連続的な変化に対しても有
効である。

次の工程として、波長の簡単な空間的な変化を
考える。２種類の別異の波長λ₁及びλ₂が照明源に
用意されていて、第３図に示す様にこれらが組合
されたと仮定する。２つの波長のエネルギの和は
一定（P〓₁＋P〓₂＝ｋ、ｋ：定数）であると仮定す
る。比P〓₁／（合計エネルギ）（即ち、P〓₁／P〓₁＋P
〓₂ ＝P〓₁／ｋのこと）又はP〓₂／（合計エネルギ）（即 ち、P〓₂／P〓₁＋P〓₂＝P〓₂／ｋのこと）は連続的に可
変で あつて直線的である。光パターン内の各点の位置
は、表面に入射した各々の波長のエネルギの相対
的な量によつて一意的に同定される。検出器配列
が一方の波長にだけ感度を持つと仮定すると、検
出された光信号の比を計算して、色の位置を一意
的に定めることが可能である。信号の差と和との
比（P〓₁−P〓₂）／（P〓₁＋P〓₂）は、前述の比の空
間的な変化に直接的に関係する。これを示す一番
簡単な方法は次の通りである。

P〓₁＝kx／Ｗ P〓₂＝ｋ（１−ｘ／Ｗ） P〓₁＋P〓₂＝ｋ P〓₁−P〓₂／P〓₁＋P〓₂＝2x／Ｗ−１ ここで、 ｋ：定数 ｘ：位置（第３図参照） Ｗ：最大幅（第３図参照） 最後の式の左変は波長エネルギの差と和との比
を表わす。この差と和との比は、送りこまれたの
ではなく、受取つた光エネルギを表わし、正規化
信号と呼ばれている。正規化信号Vnが第４図に
示されており、測定しようとする輪郭の表面が平
坦であるとすれば、直線になる。表面に階段状の
変化があると、この波形が或る分だけ遅延する。

従つて、各波長のエネルギの特定の比の偏差並
びに感知装置に於ける位置が、直接的に表面位置
の変化に通ずる。照明はエネルギ比を連続的に変
えるので、感知装置内の各点の輪郭を測定するこ
とが出来る。重要な特徴は、同様な数学的な取扱
いによつて、正規化信号が表面反射率に無関係で
あることを示すことが出来、この為、この反射率
並びに表面の粗さの変動が、この結果得られる移
動の測定値に影響しない。これは、反射率が波長
に無関係であると仮定している。反射率は差及び
和の両方の項に現われるので、比をとると、相殺
される。

各波長エネルギの１個の直線的な傾斜関数の変
化を利用した波長レツテル方式には、両方共充た
することの出来ない２つの拘束がある。直線的な
変化が欲しいし、輪郭の変化に対する高い感度も
欲しいが、両者は両立しない。輪郭の変化に対す
る高い感度は、高い勾配を必要とするが、その場
合、或る時に測定し得る最大幅Ｗは小さくなる。
第５図の鋸歯状又は２等辺３角形形光透過パター
ンは深さに対する良好な感度を持ち、一度に一層
大きな視野をカバーすることが出来る。これは周
期的な相補的な有色パターンである。ことごとく
の点ｘで、送込まれる合計エネルギ（P〓₁＋P〓₂）
は一定である。この周期をどの位密にすることが
出来るかには限界があり、曖昧さの問題が再び起
るので、周期をあまり短くすることは出来ない。
受取つた光パターンで、ピークが輪郭の変化に応
答して移動し、周期が短かすぎると、ピークが交
差し始める。他方、急峻な勾配が望ましいのであ
るから、周期を大きくし過ぎるべきではない。そ
こで、曖昧さと深さの感度の折合いになり、この
ことを念頭において、送込まれる鋸歯状の光パタ
ーンの勾配の急峻さが選択される。相補的な鋸歯
状の有色パターンを実現することは出来るが、レ
ーザ光源によつて発生される様な十分コリメート
された光ビームを必要とすることがある。

光学式感知装置の望ましい実施例が第６図に示
されている。この感知装置は金属の表面、金属の
表面を検査する為の条件、特に航空機用エンジン
の翼形部品又はタービン羽根に関する輪郭の測定
の精度に従つて、多数の特定の性能目標を達成す
る様に開発された。この方式は数多くの反射面に
適用することが出来、この感知装置は輪郭を測定
する問題に対する全般的な解決策を表わす。表面
の輪郭を決定すれば、凹み、破損、刻み目、歯形
及び変色の様な表面の局部的な偏差を探すことが
出来る。性能目標というのは、１吋（25.4mm）の
視野にわたつて、表面の輪郭の0.001吋（0.03mm）
の変化を検出したいと云うことである。0.010吋
（0.25mm）という小さい横方向の寸法を持つ表面
欠陥も検出したい。部品の表面の反射率は、被覆
及び表面仕上げの為に、１桁も変化することがあ
る。10⁶画素／秒の感知装置のデータ速度を発生
すべきである。波長レツテル方式を実現するこの
光学式感知装置は、これら全ての仕様に合う。

第６図で、感知装置は送光器２２及び受光器２
３で構成される。視差角は慎重に選ぶが、26°が
良好な折合いである。この角度の時、輪郭の変化
に対する適切な感度が得られると共に、表面の粗
さの局部的な変動に対する感度が減少する。光源
２４はタングステン白熱灯であり、これは可視及
び赤外線領域の光を発する多重スペクトル源であ
る。光の赤外線部分（λ＞8000Å）が利用し得る
エネルギの約50％を表わし、最大の照明効率を達
成する為に、このエネルギを使わなければならな
い。橢円反射器２５は源から放出された全ての波
長を反射する様に選ばれる。タングステン灯のス
ペクトル分布は、容易に入手し得るダイクロイツ
ク反射器によつて、相等しい２つの波長帯に好便
に分割することが出来、両方の波長帯のエネルギ
が等しいことが望ましい。第７図はタングステン
光源の分布を示すが、波長帯が利用し得る光学
波方式によつて分離することが出来ること、並
びにエネルギが相等しいことという条件を充た
す様な、可視領域と赤外線領域の両者の選び方が
数多くある。もう１つの条件は、光源及び検出器
がよく釣合つていること（即ち、光源より出る波
長に対して良好の感度を有していること。）であ
る。タングステン灯からのエネルギ分布は固体検
出器と良く合つている。

第６図のダイクロイツク・ミラー２６がIRス
ペクトル成分を反射し、可視成分を透過する。第
２のダイクロイツク・ミラー２７は光吸収性の裏
当て２８を持ち、抽出されたIR波長帯だけを非
球面集光レンズ２９に反射する。可視光が光吸収
性の裏当て３１を持つ別のダイクロイツク・ミラ
ー３０によつて反射され、抽出された可視波長帯
が非球面集光レンズ３２を通過する。パターンつ
きミラー３３は一方の面に、第８図に詳しく示す
様な棒形パターン３４を持つている。棒３４は同
じ幅で、互いに等間隔であり、メタライズした縞
にすることが出来る。IR帯が第６図で棒の間の
空間を透過し、可視帯が棒によつて反射される。
IR帯及び可視帯が交互になり、光を刷り合せに
して、同じ方向に投射する。対物レンズ３５が相
補的な有色パターン３６を翼形部品３７の表面に
集束する。

送込まれた相補的な有色パターンが第１０図に
示されている。この図で、可視帯及びIR帯の波
形が余弦状であり、一定の振幅を持ち、180°位相
がずれていることが認められる。棒形パターン３
４によつて投射される光パータンは矩形波にな
り、可視及びIR帯の縞が交互に来る様に思われ
るが、非球形レンズ２９，３２の拡がり作用によ
り、実際には２つの帯の余弦波の分布が発生す
る。投射器の光学系が円形の照明パターンを発生
するが、パターンの利用し得る部分は長さ１吋、
幅0.125吋を持つ中心の矩形である。第１０図で、
投射された有色パターンの各々の波長のエネルギ
が、連続的に変化し、波長全体のエネルギはどの
点でも略一定である。鋸歯状の照明の場合と同じ
く、投射されたパターン内の各点の位置は、表面
に入射した各々の波長のエネルギの相対的な量に
よつて一意的に同定される。相補的な有色パター
ンは単に照明を供給するだけではない。これは、
更に投射光学系によつて信号が送出されるからで
ある。

受光器２３が対物レンズ３８と、IR反射用ダ
イクロイツク・ミラー３９を持ち、これは反射さ
れた光パターンの可視波長帯を透過する。この波
長帯が可視帯域フイルタ４０を通過し、線形フオ
トダイオード配列４１によつて感知される。この
配列の個別の素子が検出された光強度に対応する
感知信号を発生する。IR波長帯がIR帯域フイル
タ４２に反射され、第１の配列４１に対して直交
し且つそれと整合した第２の線形フオトダイオー
ド配列４３によつて感知される。第９図は別々の
検出器配列４１，４３と、パターンつきミラー３
３及び集光レンズ２９，３２に対するそれらの関
係（第８図をも参照）を示している。両方の検出
器配列は512個のダイオードを持つていて、所要
の視野を実現するが、1MHzのクロツク速度で電
気的に走査されるレジコン・コーポレーシヨン
（Reticon Corp.）の線形ダイオード配列走査器
の様な市場で入手し得る部品である。配列の素子
をラスター走査式に逐次的に標本化し、個別のフ
オトダイオードがその素子に入射した光に比例す
るアナログ信号を発生する。別々の可視及びIR
感知ビデオ信号が発生される。

走査を行う時、翼形部品３７及び光学式感知装
置２２，２３が相対的に移動して、部品の全ての
表面を走査する。部品の１端を機械的に締付け、
その後他端を締付けて、部品全体にわたる輪郭デ
ータが得られる様にする。有色照明パターンは常
に表面に対して略法線方向に入射し、送光器及び
受光器２２，２３は相対的に固定して、視差角は
変えない。表面の深さの変化により、送りこまれ
た光パターンと受取られた光パターンの間に対応
する位相変化が生ずる。受光器では、可視及び
IR波長帯は、部品の表面の基準面に対する深さ
に応じて、検出器配列４１，４３上で位置を変え
る。この基準面は光学式感知装置内にある。（単
色光を使用する第１図の実施例においては、基準
面（ｚ＝０）に対しての表面位置の変化（Δz）
を測定すること示している。同様にこれら感知装
置でも、公知の基準面からの変化を測定してい
る。）第１１図及び第１２図は輪郭の変化による、
可視及びIRの検出された光又は受取つたエネル
ギ波形のピークの変化を示す。この変化は任意の
所定の位置で、両方の波形で同じである。（両波
長帯のエネルギは第１０図に示す様に同じであ
り、受取つた両波形の所定の位置ｘにおける変位
も同じになる。）両矢印は他のｘ位置に於けるピ
ークの変化がそれらの点に於ける輪郭の変化に関
することを示している。

更に説明を説明する前に、相補的な有色パター
ンを実現する別の方式を説明する。レーザ及びア
ーク灯光源も適している。レーザは略単一波長の
照明を発生し、２つの相異なるレーザが必要であ
る。アルゴン・イオン及びネオジウムYAG形は
所要のエネルギ・レベルを持つているが、アーク
管の励振とそれに伴う複雑な電源を必要とする。
斑点の問題は克服することが出来るが、光源を感
知装置のヘツド集成体内に直接的に取付けるには
物理的にあまりに厄介である。最も容易に入手し
得る、この発明に使う為のアーク源は、インジウ
ム・アルゴン系である。この灯は適当な波長分布
を用い、十分以上の照明エネルギを持つている
が、寿命が不満足であり、冷却する必要がある。
パターンつきミラー３３の代りに、フイルムの空
間的なパターンを用いてもよい。この様なパター
ンを２つ作成し、フイルム・パターンの透過率を
相補的にする。出力ビーム分割器が各波長帯を再
び結合する。次点は、２つのフイルム・パターン
及びビーム分割器を整合させる必要があることで
ある。別の欠点はフイルム自体である。適正な振
幅の変化はフイルムの露出及び現像条件に関係す
るが、これらは制御が難しい。

ミラーのパターンは硝子基板の上にアルミニウ
ム被膜を真空沈積し、次に写真製版技術を使つ
て、被膜を選択的に食刻することによつて作られ
る。個別の線パターンが源−受光器光学系の分解
能より小さい様な規模である場合、関数は線の間
隔並びに幅の空間的な平均値に関係する。鋸歯状
の透過パターンを実現する為にこれを連続的に変
えることは容易である。ダイヤモンド・パター
ン・ミラーは円柱形のレンズ要素を使うことを基
本とする。基本的な考えは、十分にコリメートさ
れたビームをミラー・パターンから透過並びに反
射することである。出て行く混合スペクトルは円
柱形レンズによつて部品の表面で焦点を合せる。
ダイヤモンド・パターンは、円柱の軸線に対して
直交する線内にある全ての光線を一緒にした時、
直線的な鋸歯状の変化を生ずる。この方式は、ミ
ラー・パターンに入射する光線が十分にコリメー
トされていることを必要とし、これはダイヤモン
ド・パターンがレーザ源に最も使い易いことを示
唆している。

第１３図は非接触形輪郭感知装置の簡略ブロツ
ク図である。可視及びIR帯感知信号Va及びVbが
信号処理装置に送られ、この処理装置が実時間
で、10⁶点／秒の速度で、深さ又は輪郭データを
発生する。有色パターン分離回路（減結合回路）
４５が１対の感知信号Va及びVbを組合せ、有色
パターン・データを表面関数データから分離（減
結合）し、表面の反射率及び粗さの変動に実質的
に無関係な１個の正規化信号を抽出する。この正
規化信号が信号形状から輪郭への作動回路４６に
送られる。基準に対する正規化信号のピーク及び
ゼロの移相を決定し、この移送情報を、それから
表面の輪郭を作像することが出来る様な深さ又は
輪郭データに変換する。きず検出器４７はこの発
明の一部分を構成するものではないが、孔、破
損、歯型等の様に、部品を拒否する根拠となる表
面の輪郭の局部的な偏差を確認し且つ同定する。

第１４ａ図に示した好ましいハードウエアを説
明する前に、有色パターン減結合の根本論理を説
明する。

Va＝Aα Vb＝Bβ ここで、Ａ及びＢは表面からの光散乱モデルで
あり、α及びβはレツテル方式のモデルである。
これらの項は局部的に多項式として表わすことが
出来る。

Ａ＝A₀＋A₁x α＝α₀＋α₁x＋α₂x² Ｂ＝B₀＋B₁x β＝β₀＋β₁x＋β₂x² 多項式を掛合せると Va＝A₀α₀＋（A₁α₀＋A₀α₁）ｘ ＋（A₁α₁＋A₀α₀）x² ＋（A₁α₂）x³ Vb＝B₀β₀＋（B₁β₀＋B₀β₁）ｘ ＋（B₁β₁＋B₀β₂）x² ＋（B₁β₂）x³ 上の式はテーラー級数であり、次の様になるこ
とを証明することが出来る。

Va′／Va＝A₁α₀＋A₀α₁／A₀α₀＝A₁／A₀＋α₁／α₀ Vb′／Vb＝B₁β₀＋B₀β₁／B₀β₀＝B₁／B₀＋β₁／β₀ ここでVa′及びVb′は任意選択の点ｘ＝０に於
ける第１次微係数である。

Va′／Va−Vb′／Vb＝（A₁／A₀−B₁／B₀）＋（α₁／α₀
−β₁／β₀） 最初の括弧の項（A₁／A₀−B₁／B₀）は、物体
の測定表面の箇所が同じ（ｘ＝０）なので表面の
反射率並びに粗さ等の光散乱データ（表面関数デ
ータ）が同一となり、ゼロとなる。従つて正規化
信号（Va′／Va−Vb′／Vb）はレツテル方式の
データにより次の様に表わされる。

Va′／Va−Vb′／Vb＝α₁／a₀−β₁／β₀ この方式は、感知信号の差と感知信号の和との
比を計算した前の式よりも更に一般的である。こ
れは、前の場合には、波長帯のエネルギが等しい
と仮定しているからである。上に掲げた式は波長
帯のエネルギが等しくても等しくなくても成立す
る。

第１４ａ図について説明すると、デイジタル形
の可視及びIR帯検出器ビデオ信号Va及びVbが検
出器配列雑音除去回路４８に送られ、そこから記
憶装置母線４９に送られる。両方の検出器配列４
１，４３が高い速度で電気的に走査され、両方の
線の直列データが連続的に有色パターン分離回路
（減結合回路）４５に連続的に送られる。５個の
点又は画素に対するデータが４つの演算装置５０
乃至５３に並列に読出される。４つの演算回路は
全て同一であり、（TRWのTDC109J型の様な）
大規模集積掛算器−累算器チツプ、及び５個の点
の各々に対する一組の係数を貯蔵する記憶装置を
用いて実現される。余弦波の任意の所定の部分が
２次多項式によつて近似される。（５個の点のデ
ータとは、任意に選択されたデータ個数である。
２乗の項をもつ２次多項式によつて余弦波の一部
分が近似されるとの仮定は、適切なものである。）
演算装置が、所定の画素の周りの多数の点に対し
て最小自乗になる多項式を計算する。第１５図の
点１乃至５が感知される典型的なデータである。
余弦波５４を決定する問題は、最小自乗、即ち曲
線と各々のデータ点との間の差の自乗の和が最小
になるものをみつけることである。各々の演算装
置５０乃５３で、貯蔵されている係数に逐次的に
感知された画素データを乗じ、５つの点全部に対
する和を計算する。正規化方程式（Va′／Va−
Vb′／Vb）を参照して、演算装置I_xa及びI_xbが任
意の所定の点に於ける多項式の微係数を計算し、
演算装置I_Ba及びI_Bbが任意の所定の点に於ける多
項式の値を計算する。回路５５及び５６が図示の
割算を行い、減算回路５７が正規化信号Vnを発
生する。これらの演算装置は、直列ラスター走査
式に、相次いで各々の画素位置に適用される。こ
うして得られたI_Ba、I_Bb、I_xa及びI_xbの値が、評価
している画素の周りの最小自乗多項式（予め選ば
れた次数の）所望の関数（値及び微係数）であ
る。

測定している表面が平坦であると仮定すると、
第１６図に破線で示した予想される正規化信号
Vnは周期的な余弦波であり、周期が互いに等し
い。輪郭の変化Δzがあると、検出される余弦波
（実線で示す）に移相を生ずる。余弦波のピーク
並びにゼロに於ける移相は深さ又は輪郭の変化
Δzに比例する。波の正及び負のピークを表わす
記号P⁺及びP^-、及び余弦波のゼロの正の勾配及
び負の勾配を表わすZ⁺及びZ^-が、第１６図に示
されている。もう一度繰返して云うが、正規化信
号Vnは表面の反射率及び粗さの変動に無関係で
ある。

次に第１７図についてピークを検出する数学的
な根拠を説明する。反対向きの勾配を持つ曲線の
２つの側S₁及びS₂がピークの点x₀で出合う。下記
の３つの関数はピークでゼロになる傾向を持ち、
その和はピークで最小になる。

Ｆピーク→０ F1：∂／∂_x（Ｐ（x₀））→０ ピークでは、天辺が平坦であり、大体x₀に於け
る多項式Ｐの偏微分はゼロになる。

F2：Ｐ（S₁（x₀））−Ｐ（S₂（x₀））→０ 両側S₁及びS₂の多項式近似は同じ点を予測す
る。

F3：勾配（Ｐ（S₁））＋勾配（Ｐ（S₂））→０ 両側の勾配は大体等しく、反対である。これら
の３つの関数の多くの点x₀でとつた絶対値の和が
最小になる時、ピークが突止められる。

第１４ｂ図について説明すると、パターン減結
合過程によつて平滑されているが、正規化信号は
依然として局部的な変動及び不規則性を持ち、場
合によつては、虚偽のゼロ及びピークを持つこと
さえある。正規化信号が記憶装置母線６０に送ら
れ、９個一組のデータ点が順次読出され、ピーク
及びゼロ検出器６１に送られる。（９個一組のデ
ータは、任意に選んだ個数であり、更に多くても
少ない。関数F1、F2及びF3の内容及び意義は、
前述のとおりである。）線形演算装置６２乃至６
４は回路５０乃至５３と同一である。それらが関
数F1、F2及びF3を夫々計算し、その絶対値の和
が回路６５で計算されて、選択器６７によつて最
小値検出器６６に送られる。これが、ピーク又は
ゼロが検出されたかどうかを判定する。この判定
は、ピーク検出器の各成分６２乃至６４及びゼロ
検出器の成分６９，７０の出力を比較し、振幅が
小さい方の信号を選択することによつて行われ
る。この信号が最小値になるまで、追跡し、その
点で、ピーク又はゼロが存在すると云うことにす
る。正規化信号の正又は負のピークが確認される
と、フオトダイオード配列の素子（１−512）の
索引番号が記憶装置６８から読出される。

５個一組のデータ点が演算装置６９に送られ
る。これは演算装置５０，５２と同一である。こ
の演算装置I_Bは、最もよく最小自乗となつた余弦
波を決定する。絶対値回路７０は本質的には整流
器であつて、正規化信号のゼロが同定された時、
最小値検出器６６に出力を送る。信号のゼロに対
応する索引番号が記憶装置６８から読出される。
補間器７１が、ピーク及びゼロの大まかな位置を
決定するピーク及びゼロ検出器６１の並列になつ
ている。この補間器が移相画素区間を32個の部分
に分割し、画素の間のピーク又はゼロを求める。
追加される増分Δ（ゼロ）は、正規化信号V_oを１
次微係数V_o′で除すことによつて計算され、追加
される増分Δ（ピーク）はV_o′を２次微係数V_o″に
よつて除すことによつて計算される。９個一組の
データ点が、演算装置６９と同一の回路７２乃至
７４に並列に供給される。演算装置I_Bが所定の点
に於ける最小自乗法による余弦波を発生し、演算
装置I_xが所定の点に於ける多項式の１次微係数を
発生し、演算装置I_xxがその点に於ける２次微係
数を計算する。図示の割算がブロツク７５，７６
によつて行われ、Δ（ゼロ）又はΔ（ピーク）増分
が選択器７７によつて発生される。

分類器７８が余弦波の４つの類又は特徴P⁺、
P^-、Z⁺及びZ^-（第１６図参照）を同定し、選択さ
れるものはI_B及びI_xの符号に関係する。類情報
（即ち、余弦波の４つの類又は特徴）が選択器７
７に送られ、補間によるゼロ・データ又は補間に
よるピーク・データが輪郭作像装置７９に送られ
る。輪郭作像回路７９は一組の記憶装置を持つて
いて、類が決まると、特定の記憶装置をアクセス
し、移相に対応する深さ又は輪郭データｚを読出
すことが出来る。Z⁺、P⁺、Z^-及びP^-の各々に対
して１つずつ、４個の記憶装置を必要とすること
が、第１８付から判る。この図には４つの類が重
なり合うことが示されている。水平方向の４組の
傾斜関数のどれも、前の傾斜関数が終つた所から
始まつているが、このどの組でも、傾斜関数の番
号は相補的な有色パターンに於ける周期の番号に
対応する。場所を節約する為に、２つしか示して
いない。移相と測定された深さとの間には既知の
関係があり、特定の類及び周期に対して移相が判
れば、深さ又は輪郭データがこの記憶装置に貯蔵
される。索引番号（第１４ｂ図の符号６８参照）
がルツクアツプ・テーブル８０にも送られ、対応
するｘ位置データが読出される。この位置は、レ
ツテル送光器の様な固定の基準枠に対する所定の
レツテルの位置である。輪郭又は深さデータの完
全な同定には、ｘ及びｚの両方の値が必要であ
る。

もとの光信号の形に基づいて、一層洗練された
レツテル構造を定義することにより、更に一般的
な表面再生方法を実施することが出来る。特に、
正規化信号の形が余弦状であれば、単に基準信号
に於ける対応する点の移動を決定することによ
り、信号中の各画素で移相を再生することが出来
る。この過程は信号正規化過程に於ける雑音によ
つて制限される。この雑音が、３つの原因によつ
て入り混む。実施に用いるハードウエア、信号モ
デル及び光学系である。前に示した正規化方式
は、画素レベルで再生する為の適切な信号を発生
することが出来る。ピーク及びゼロ検出方式の代
りに、適当な倍率及び相関回路を用いて、正規化
信号を、平坦な面（ｚ＝０）から得られた基準信
号と釣合せる。この相関には、索引の関数として
振幅を釣合せることが必要であり、その為勾配が
小さいから、信号のピークの所では幾分制限され
る。ピーク検出方式と相関方式との組合せによ
り、幾分平滑する犠牲を払うが、こういう領域で
応答を高めることが出来る。

結論として云えば、表面の輪郭を非接触式に測
定する改良された考えを説明した。この発明の新
規な面は、視野内の全ての点に於ける輪郭を決定
することが出来る様にする具体的な方式である。
更に、この測定は表面の反射率並びに粗さに比較
的影響されない。有色照明パターンは紫外線、可
視光又は赤外線で構成することが出来る。この発
明を好ましい実施例について具体的に図示し且つ
説明したが、当業者であれば、この発明の範囲内
で種々の変更が可能であることが理解されよう。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の光学式１点３角測量の基本的な
考えを示す略図、第２図は波長をレツテルとした
視差方法の原理を示す図、第３図ほP〓₁／合計エ
ネルギと位置との間の直線傾斜関数関係を示すグ
ラフ、第４図は輪郭の段による偏差を持つ正規化
線形傾斜関数を示すグラフ、第５図は波長λ₁及び
λ₂に対する相補的な鋸歯状の光透過率を示すグラ
フ、第６図は相補的な有色パターンを発生して、
それを翼形部品に投射し、受取つた夫々の色の波
長帯を別々に検出する光学式感知装置の好ましい
実施例の略図、第７図はタングステン光源のエネ
ルギ分布を示すグラフ、第８図は第６図のパター
ンつきミラーの平面図、第９図は集光レンズ及び
パターンつきミラーに対する２つの線形フオトダ
イオード配列を示す図、第１０図は相補的な余弦
状の可視及びIR光透過を示す波形図、第１１図
及び第１２図は受取つた変位した可視及びIR光
の波形図、第１３図は非接触形輪郭感知装置のブ
ロツク図（きず検出器はこの発明の一部を構成す
るものではない）、第１４ａ図及び第１４ｂ図は
有色パターン分離回路（減結合回路並びに信号形
状から輪郭への作像回路の好ましい実施例の詳し
いブロツク図、第１５図は有色パターン分離回路
（減結合回路）の説明図、第１６図は表面の輪郭
の変化による予想信号からの移相を示す正規化信
号の波形図、第１７図はピーク検出器回路の説明
図、第１８図は移相データｘが判つた場合、深さ
又は輪郭データｚを決定して輪郭の作像を行う様
子を示す図である。 主な符号の説明、２２：送光器、２３：受光
器、４６：作像装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 物体の表面に、少なくとも２種類の異なる波
   長の光で構成された有色照明パターンを投射する
   送光器で物体を走査し、 反射光を既知の視差角で感知すると共に、物体
   の表面から基準までの深さに応じて検出器配列上
   の位置が変わる相異なる波長を別々に検出し、相
   異なる波長の検出された光強度に対応する別々の
   電気感知信号を発生し、 前記感知信号を処理して、それから表面の輪郭
   を決定することが出来る様な深さデータを抽出す
   る工程から成る方法。 ２ 特許請求の範囲１に記載した方法に於て、前
   記有色パターンは、前記表面に入射することごと
   くの波長のエネルギが連続的に変わる様に投射さ
   れる方法。 ３ 特許請求の範囲１に記載した方法に於て、前
   記有色パターンは、前記表面に入射することごと
   くの波長のエネルギの相対的な量が連続的に変わ
   る様に投射され、この為、投射された有色パター
   ンに於ける各点の位置を同定することが出来る様
   にした方法。 ４ 特許請求の範囲３に記載した方法に於て、投
   射パターン内のことごとくの点で、全部の波長の
   合計のエネルギが大体一定である方法。 ５ 特許請求の範囲３に記載した方法に於て、
   各々の波長のエネルギが周期的に変化する方法。 ６ 特許請求の範囲１に記載した方法に於て、前
   記有色パターンが２種類の波長又は波長帯だけの
   光で構成された相補的なパターンである方法。 ７ 特許請求の範囲１に記載した方法に於て、前
   記感知信号の処理は、表面の反射率並びに粗さの
   変動に実質的に無関係な正規化信号を取出すこと
   を含む方法。 ８ 特許請求の範囲７に記載した方法に於て、前
   記信号の処理が、更に、前記正規化信号と基準の
   間の移相を決定し、該移相から前記深さデータを
   求めることを含む方法。 ９ 特許請求の範囲８に記載した方法に於て、前
   記移相が、前記正規化信号のピーク及びゼロを突
   止めることによつて決定される方法。 １０ 夫々連続的なエネルギ変化を持つ、少なく
   とも２種類の異なる波長帯の光で構成された有色
   照明パターンを物体の表面上に投射し、 反射光を所定の視差角で感知すると共に、前記
   物体の表面から基準までの深さに応じて位置が変
   わる前記波長帯を抽出して別々に検出し、各々の
   波長帯の検出された光強度に対応する別々の電気
   感知信号を発生し、 前記感知信号を発生しながら前記投射された有
   色パターンで物体の表面を走査し、 前記感知信号を処理して、表面の反射率並びに
   粗さの変動に実質的に無関係な正規化信号を抽出
   し、該正規化信号を処理して、それから表面の輪
   郭を決定することが出来る様な深さデータを求め
   る工程から成る表面の輪郭を測定する方法。 １１ 特許請求の範囲１０に記載した方法に於
   て、投射される有色パターンが２種類の波長帯の
   光で構成された相補的な有色パターンである方
   法。 １２ 特許請求の範囲１１に記載した方法に於
   て、前記有色パターンが或る視差角で投射され
   て、輪郭の変化に対する感度を最大にすると同時
   に、表面の粗さの関数として反射光の変化を最適
   にする方法。 １３ 特許請求の範囲１１に記載した方法に於
   て、前記有色パターンが、多重スペクトル光源か
   ら放出された波長を光学的に波することによつ
   て前記波長帯を抽出し、空間的なパターンを使つ
   て前記波長帯を再び組合せることによつて発生さ
   れる方法。 １４ 周期的に組合さつてエネルギ比の連続的な
   変化を持つ様な、２種類の異なる波長帯の光で構
   成された相補的な有色パターンを物体の表面上に
   投射する送光器を用いて物体を走査し、 受光器を用いて反射光を所定の視差角で感知
   し、物体の表面から基準までの深さに応答して、
   各々の波長帯に対して１つずつ設けられた１対の
   線形検出器配列上で位置が変わる前記波長帯を抽
   出し且つ別々に検出し、夫々の波長帯の検出され
   た光強度に夫々対応する第１及び第２の電気感知
   信号を発生し、 前記第１及び第２の感知信号を処理して、表面
   の反射率及び粗さの変動に実質的に無関係な正規
   化信号を取出し、該正規化信号を処理して、それ
   から表面の輪郭を決定することが出来る様な深さ
   データを求める工程から成る表面の輪郭を測定す
   る方法。 １５ 特許請求の範囲１４に記載した方法に於
   て、投射される相補的な有色パターンが、１個の
   多重スペクトル光源から前記波長帯を抽出し、該
   波長帯は大体等しいエネルギを持ち、空間的なパ
   ターンを使うことによつて前記波長帯を再び組合
   せることによつて発生される方法。 １６ 特許請求の範囲１４に記載した方法に於
   て、Va′、Vb′を感知信号Va、Vbの第１次微係
   数として、（Va′／Va）−（Vb′／Vb）を計算する
   ことによつて、前記第１及び第２の感知信号が処
   理され、前記正規化信号を取出す様にした方法。 １７ 特許請求の範囲１６に記載した方法に於
   て、前記正規化信号のピーク及びゼロを突止める
   ことによつて、前記正規化信号と基準の間の移相
   を決定し、該移相から深さデータを求めることに
   より、前記正規化信号が処理される方法。 １８ 物体の表面を走査する光学式感知装置を有
   し、 該感知装置は、物体の表面に有色パターンを投
   射する為に組合される少なくとも２種類の波長の
   光を供給する第１の光学装置を持つ送光器を有
   し、更に 前記感知装置が反射光を予定の視差角で感知す
   る受光器を有し、該光学式受信器は前記波長の光
   を抽出する第２の光学装置を持つと共に、表面か
   ら基準までの深さに応じて、その上での前記波長
   の位置が変わる様な検出器配列を含んでおり、該
   検出器配列が各々の波長の検出された光強度に対
   応する別々の電気感知信号を発生し、更に、 それから表面の輪郭を作像することが出来る様
   な深さデータを前記感知信号から取出す信号処理
   装置を有する表面の輪郭を測定する装置。 １９ 特許請求の範囲１８に記載した装置に於
   て、前記有色パターンが前記表面に対して略法線
   方向に投射され、前記視差角が約26°に固定され
   て、局部的な表面の粗さの変動に対する感度を小
   さくした装置。 ２０ 特許請求の範囲１８に記載した装置に於
   て、前記信号処理装置は表面の反射率並びに粗さ
   の変動に実質的に無関係な正規化信号を前記感知
   信号から抽出する為の有色パターン分離回路と、
   前記正規化信号を処理して前記深さデータを求め
   る手段とを有する装置。 ２１ 物体の表面を走査する光学式感知装置を有
   し、 該感知装置は、多重スペクトル光源、該光源か
   ら放出された波長からエネルギが大体等しい２つ
   の波長帯を抽出する第１の装置、及び前記波長帯
   を再び組合せて前記表面上にに周期的な相補的な
   有色パターンを投射する第２の装置を持つ送光器
   を有し、更に 前記感知装置が、反射光を予定の視差角で感知
   すると共に、前記波長帯を分離する第３の装置を
   持つ受光器と、前記物体の表面から基準までの深
   さに応じて、その上での前記波長帯の位置が変わ
   る様な１対の検出器配列とを有し、該検出器配列
   が２つの波長帯の検出された光強度に対応する１
   対の電気感知信号を発生し、更に、 信号処理装置を有し、該信号処理装置は、前記
   感知信号を処理して、表面の反射率並びに粗さの
   変動に実質的に無関係な正規化信号を抽出する有
   色パターン分離回路と、前記正規化信号を処理し
   て、該正規化信号及び基準の間の移相を決定し、
   こうして、それから表面の輪郭を作像することが
   出来る様な深さデータを求める手段とを有する表
   面の輪郭を測定する装置。 ２２ 特許請求の範囲２１に記載した装置に於
   て、前記第１の装置が一組のダイクロイツク・ミ
   ラーを含み、前記第２の装置が各々の波長帯に対
   する集光レンズ及び一方の波長帯を透過させ、他
   方を反射するパターンつきミラーを持つている装
   置。 ２３ 特許請求の範囲２２に記載した装置に於
   て、前記パターンつきミラーが反射材料から成る
   棒形パターンを持つている装置。 ２４ 特許請求の範囲２３に記載した装置に於
   て、前記光源が白熱タングステン灯であり、前記
   波長帯が可視及び赤外線領域である装置。 ２５ 特許請求の範囲２１に記載した装置に於
   て、前記第３の装置がダイクロイツク・ミラー及
   び帯域フイルタを含み、各々の波長帯に１つずつ
   ある検出器配列が線形フオトダイオード配列であ
   る装置。 ２６ 特許請求の範囲２１に記載した装置に於
   て、前記パターン分離回路が、Va′及びVb′を感
   知信号Va、及びVbの第１次微係数として、
   （Va′／Va−Vb′／Vb）を計算して、前記正規化
   信号を求める装置。 ２７ 特許請求の範囲２６に記載した装置に於
   て、前記正規化信号を処理する手段が、前記正規
   化信号及び前記基準の間の各周期に於ける移相を
   求めるピーク及びゼロ検出回路を有し、該検出回
   路に補間器が付設されている装置。 ２８ 特許請求の範囲２７に記載した装置に於
   て、前記ピーク検出機が、そこにピークがある時
   にゼロになるx₀で合さる２つの側S₁及びS₂を持つ
   曲線に対する３つの関数を計算し、３つの関数の
   絶対値を加算し、最小の和が検出された時に出力
   を発生する装置。 ２９ 特許請求の範囲２８に記載した装置に於
   て、前記関数は、x₀に於ける多項式近似の微係数
   がゼロになるもの、両側の多項式近似が同じ点を
   予測するもの、並びに勾配の大きさが大体等し
   く、符号が反対であるものである装置。