JPH0427482B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は物体表面の凹凸形状の解析のために、
物体表面に格子像を投影し、物体表面の凹凸に応
じて変形を受けた所謂変形格子像を基本入力デー
タとして物体表面に関する三次元形状についての
知見を得るための解析処理装置に係るものであ
る。

一般にモアレトポグラフイーによる物体の表面
形状の解析という場合、その入力データとしては
モアレ縞等高線が利用される。このモアレ縞等高
線は、物体の表面形状によつて変形を受けた所謂
変形格子と、基準格子とを重ね合わせて（数学的
には乗算となる）得られるもので、これを基本入
力データとしても種々の解析が可能である。例え
ば本出願人による特開昭56−101507号の発明はそ
のような解析を半自動的に行なうものとして効果
的である。

すなわち、モアレ縞等高線画像より縞のピーク
あるいは谷を検出し、等高線情報を得る。さらに
それらに高さ情報を付与して３次元情報を得るも
のである。

ところが、このようにモアレ縞等高線を基本入
力データとする解析においては、これを完全自動
化することは極めて困難である。というのは、モ
アレ縞等高線図のみからその凹凸方向に識別する
ことができないため、その情報を外部から新たに
付加させる必要がある。この情報付加作業はその
解析者が計測対象の全体像を予め認識しておれ
ば、前記した発明による方法で比較的容易に入力
できるとは言え、例えば側彎症などの脊柱異常の
早期発見のための集団検診などのように解析対象
の標本数が非常に多い場合などでは、その個々に
ついて外部情報を入力してやる操作は煩しいもの
となつてくる。さらに解析のための基本入力デー
タとしてのモアレ縞等高線が正しい基準面からの
等高線であるか否かの判定も事前に確認しなけれ
ばならず、実用的な面では解決しなければならな
い難点が少なくない。

このような背景から、物体表面の三次元形状解
析のための基本入力データとしてモアレ縞等高線
に代え、変形格子を利用しようということが提案
されている。例えば特開昭52−116263号公報で示
されているような方式、すなわち、仮想基準格子
線上、あるいは位相をずらした場合の仮想基準格
子線上で変形格子像をサンプリングする方式は、
後処理の多様性なども考慮し極めて有効な手段
で、解析処理の全自動化も可能とする。本発明の
目的は上述の特開昭52−116263号公報で明らかと
された解析処理を実現する上で、仮想基準格子に
相当する基準格子を補助格子像から読み取り、設
定し、解析処理の自動化を行ない得る装置を提供
することにある。

以下、本発明装置に関し、添付図面に従つて詳
述する。

第１図は本発明装置の一例を原理的に示す構成
図である。第１図においてＳは光源であり集光レ
ンズを介して格子Ｇの像を投影レンズL₁により
計測すべき物体表面に投影する。投影された格子
像をその投影光軸と異なる光軸に沿つて観察する
と変形格子像としてとらえられる。結像レンズ
L₂は従つてその変形格子像を例えばスクリーン、
ピントガラスなど適宜の結像面Ｐに結像させるこ
とになる。この像はミラー、ハーフミラーによつ
てテレビカメラＴ、検出部１の所定結像面へとも
たらされる。検出部１は後述するように変形格子
像による明暗分布を座標値と共に電気信号として
取り込む機能を有している。本実施例ではこの検
出部１として受光素子を一例に並べた固体撮像素
子を用いているため、その配列方向では自己走査
して配列位置と明暗分布信号とは対応して把握で
きるが、横方向へはこの検出部１の適宜移動走査
させる必要がある。これを行なうのが走査機構部
２であり、その制御はマイクロコンピユータ５の
プログラムに従い、走査制御部７を介して行なわ
れるものとする。こうして検出部１と走査機構部
２は変形格子画面の濃淡像読み取りのための入力
手段を構成しているものである。

上述したように、検出部１からの信号は変形格
子面上の一ラインにおける明暗分布信号でありそ
のライン上の位置情報（Ｖ座標情報）をも含むも
のである。なお、この検出部１で得られる信号と
してはアナログ量で、変形格子上の受光素子は最
低輝度、変形格子相互の中間点の受光素子は最高
輝度、その他の場合にはそれぞれ変形格子への接
近度合で連続的に変化している中間輝度に対応し
た信号出力となつている。こうして得られた検出
部１からの信号は補正部３へと入力される。補正
部３は前記した検出部１で多数縦列配置して用い
られている受光素子の個々の間での感度あるいは
オフセツトの補正装置を備えており、前記検出部
１からの全ての明暗濃度信号を相対的に正しいも
のに補正する。そしてこの補正後の明暗濃度に関
するアナログ信号はデイジタル値に変換され所定
のステツプ量の明暗濃度として処理装置４に入力
される。

処理装置４は入力された変形格子による明暗デ
イジタル信号を一時蓄積する機能をもち、走査制
御部７で得られる走査位置情報（Ｈ座標情報）に
応じてマイクロコンピユータ５のプログラムによ
り、その蓄積情報をマイクロコンピユータ５に供
出する。さらに処理装置４はマイクロコンピユー
タ５にトータル的に記憶された情報のうち必要に
応じて適宜のものを抽出処理し、これをCRT６
に表示することができる。

マイクロコンピユータ５は処理装置４からの明
暗デイジタル信号をそのＶ座標と共に記憶し、さ
らに走査制御部７からのＨ座標値をも記憶してい
る。

以上の基本的構成によれば、変形格子という基
本入力データから計測物体表面の凹凸情報も含め
て各種のデータを自動的に読み取り、処理を加
え、記憶蓄積することができると共に種々の形態
でこの情報を引き出しさらに処理を加えることも
できる。この場合、特開昭52−116263号公報に開
示されている方法においては、あらかじめ仮想格
子線を設定しておくことが必要となるが、本発明
においては同一画面上に撮像される補助格子と変
形格子の像より、その補助格子部分について、明
暗濃度分布信号を読取り、濃淡の山あるいは谷の
位置を検出し、特開昭52−116363号公報における
仮想格子線に相当する基準格子を設定することが
できる。例えばモアレ縞等高線を得る場合で変形
格子（実際にはマイクロコンピユータ５に記憶さ
れているデータ）に重ね合わせるべき基準格子を
どのようなものにするも可能となる。すなわち座
標値と共に記憶された変形格子に基く明暗分布デ
ータに対し、CRT６による表示のための走査線
について所定間隔毎の走査線を基準格子と仮想
し、その走査線上での変形格子データを抽出して
表示すればモアレ縞等高線が得られることにな
る。この時、走査線の前記所定間隔、すなわち格
子ピツチを変化させてみたり、ピツチを変えずに
その位相をずらしたりすることも、記憶装置によ
り変形格子像を読み取るときにコンピユーターか
らのアドレスを変更することだけで、電気的に容
易に行うことができる。このことは一つの変形格
子像から基準平面を変換したりなど用途に応じた
種々のモアレ縞等高線を得ることができることを
意味する。その他所望切断線での断面形状や鳥瞰
図をもCRT６を介して観察できるものである。

以上のような構成による本発明装置の一実施例
に用いられる部分的構成の具体的一例をさらに以
下に詳述する。

第２図は第１図における検出部１に関して図示
したもので、１０は受光素子Ｐを多数縦列配置し
た一次元の固体イメージセンサから成るセンサア
レイである。発明者らが実機化した例では受光素
子数は1726個でそのピツチは15μのものである。
センサアレイ１０は各受光素子で検出した明暗の
濃度情報を時系列信号として供出するので、ここ
からの出力はＶ方向での位置情報をも含むもので
ある。このセンサアレイ１０をＨ方向に走査し、
各走査位置でその出力を得る時、Ｈ方向での走査
位置情報をも加味して情報記憶すれば、変形格子
像２０を電気信号として取り込み得る。第３図
Ａ，Ｂ，Ｃはそれぞれ第２図破線部Ａ，Ｂ，Ｃで
のセンサアレイ出力を模式的に示したものであ
る。これらのパルスの大きさは変形格子の明暗濃
度に対応しており、パルス数はセンサアレイを構
成する受光素子の数に対応している。なお、セン
サアレイ１０のＨ方向への走査動作時において、
そのＨ方向への例えばＡ，Ｂ，Ｃの各指定位置へ
の移動中（高速）にも、つなぎに必要な特定の受
光素子出力を継続して拾つてゆくもので、Ｈ方向
の位置情報をセンサアレイ１０の出力と共に取り
込んでゆく。このつなぎラインは例えば第２図一
点鎖線のように設定されることになる。

このようにデータとして蓄積された変形格子か
らモアレ縞等高線を得るための処理の一例を第４
図をもとに説明する。第４図において４０はセン
サアレイ、４５は変形格子像である。すでに述べ
たように、単に変形格子からそのデータを取り込
むだけであれば第２図のように操作させれば足り
るが、これからモアレ縞等高線を得ようとする際
にはまず基本的なモアレ縞等高線のために基準格
子が必要となる。このための基準格子は、変形格
子を得るために計測物体の表面に投影した投影格
子と等価なものにする必要がある。従つて例えば
第２図の構成によつて変形格子のデータを蓄積し
ておいたとしても、この基準格子情報を外部入力
としてやる必要がある。投影格子の格子定数等が
常に一定であれば前もつて入力しておけばよい
が、やはり機器の汎用性、付加価値を考慮する
と、種々の投影格子にも対応できるようにするの
が得策である。このために本発明装置では次のよ
うな手法をとることを可能としている。

すなわち、第４図において、センサアレイ４０
が検出動作する変形格子の像面に、４６で示した
ように指標を表示しておくものである。この指標
４６は例えば次のようにして得られる。第５図に
おいて、投影用格子５２は集光レンズ５１を介し
て光源５０で照明され、その格子像は投影レンズ
５３によつて物体Ｏの表面に投影される。この物
体Ｏの表面上ではその投影格子像は変形格子とし
て図示せぬ結像光学系により撮影されたりするこ
とになる。この時物体Ｏの周囲５５で示すような
基準平面板を配置し、ここにも投影用格子５２の
像が投影されるようにしておく。この結果この像
を図示せぬ結像系において前記変形格子と共に観
察すると、基準平面板５５上の格子像がそのまま
変形格子像に対する基準平面の情報そのものとな
つているものである。あるいは第６図に示すよう
な構成をとつてもこのような指標が得られる。第
６図は結像光学系であり、図中左方には変形格子
像があるものとする。その変形格子像は結像レン
ズ６１を介して結像面６２に結像されることにな
るが、この結像面６２の周囲すなわち結像された
変形格子と干渉しない領域に補助格子６３を配置
しておくものである。この補助格子６３は物体表
面が平面である場合の結像面６２での投影格子像
と等しい格子定数のものとする。なお投影光学系
及び結像光学系が等価である装置にあつては、投
影用格子と等しい格子を第６図の補助格子６３と
して用いることができることは言うまでもない。
結像面６２の変形格子像及び補助格子６３は集光
レンズ６４を介した後、さらにレンズ６５により
適査の解析面６６へと結像される。従つて解析面
６６では図示のような変形格子像と補助格子像と
が同一面上に形成される。なお解析面に代え写真
フイルムなどの感光面を配置し、これを写真記録
してもよい。この場合の解析はその写真撮影され
たものについて行なわれることとなる。

このようにして変形格子と共に基準平面情報を
もつ指標が付加されていると、第４図に示した構
成からそのモアレ縞等高線を得るための処理が極
めて容易化される。すなわち第４図においてセン
サアレイ４０で変形格子データを取り込む際に破
線Ｋの位置で指標４６の情報、すなわち変形格子
に重ね合わせる仮想の基準格子データをも取り込
んでおくと、これらの情報から基準平面に対する
モアレ縞等高線を一義的に得ることができること
になる。そして第５図、第６図のようにして指標
４６が付加されるなら、どのような投影格子に対
しても第４図のデータ取り込み処理をそのまま用
いることが可能であり、モアレ縞等高線の作成に
必要なデータ取り込み、処理は完全に自動化でき
ることになる。

さらにセンサアレイ４０でＭ位置での指標４
６′のデータを取り込んでおけば、変形格子像の
センサアレイ４０に対する角度のズレを検出する
こともでき、誤つた解析を未然に防止することも
できることになる。なお、指標４６，４６′とし
ては必ずしも本発明装置においてのみ効果がある
というものではなく、一般に変形格子から後処理
でモアレ縞等高線を得ようとする場合にも有効で
あり、基準格子のピツチの確認、変形格子に対す
る基準格子の角度調整あるいはその確認等、利用
価値が高い、また、基準面が平面に限定されてい
る場合には、これまでの実施例で述べたように変
形格子の両側に多数本付設しておくことは必ずし
も要件ではなく、例えば第７図ａ，ｂに示した７
０，７０′あるいは７１のように変形格子と干渉
しない適宜のところに最底１ピツチ情報を含むと
共に基準ラインが特定でき得れば足りる。

さらに変形格子から凹凸方向を解析するには次
の手法による。第４図の説明で述べてきたよう
に、指標４６，４６′の利用によつてモアレ縞等
高線が得られるが、次の処理プログラムで指標４
６，４６′で得られた仮想基準格子の位相を縦方
向に１ピツチ内でずらす操作を行なう。この操作
を行なうと、ずらす以前の等高線（第４図のモニ
タ４８内に実線で示す。）とは異なつた高さにあ
る等高線（第４図のモニタ４８内に破線及び一点
鎖線で示す。）が得られるが、仮想基準格子のず
らした方向によつて実線の等高線が破線へとずれ
るか一点鎖線へとずれるかが一義的に決定され
る。この基準格子の位相をずらす操作は、コンピ
ユーター内に記憶されている変形格子像のデータ
を読み出す場合に、メモリのアドレスをずらすこ
とによつて実現される。従つて、仮想基準格子の
ずらし方向を決めておけば、そのずらしによつて
モニタ４８内の実線の等高線が破線側へとずれれ
ばその方向が凸、一点鎖線側へずれればその方向
が凹等と決めることができるので、解析当初にそ
のずらし方向についてのプログラムを組んでおけ
ば以後は何ら新たな情報を加えずとも凹凸データ
を得ることができることになる。

この手法はまたモアレ縞等高線データを高密度
で得ることにも役立つ。すなわち、基本データと
しての変形格子が光学的制約、例えばコントラス
トあるいは光学系解像力の問題から比較的粗いも
のである時には、得られる等高線も粗くなるが、
仮想格子の位相をずらしてその時の等高線情報も
合わせてデータとして取り込めば、等高線情報と
してそれだけ高密度のものが得られることにな
る。従つて標本数が多い場合などでは、断面形状
解析まで行なわず、モアレ縞等高線が高密度化さ
れていれば、そのパターンをモニタ表示するだけ
である程度の判断ができ、詳細な解析の不必要な
ものはそこでチエツクできるものである。

以上に述べてきたように、本発明は変形格子を
基本入力データとして凹凸情報をも含んだ等高
線、断面形状など三次元形状に係る種々の解析を
自動的に行なうことができるものであり、標本数
の多い場合の解析には極めて効果的なものであ
る。また変形格子入力データに指標を付加してお
くことでより確実かつ精度の良い解析を可能と
し、三次元形状解析技術を一段と向上させるもの
である。

なおこれまでに述べた本発明装置の実施例では
検出部として一次元のセンサアレイを用いる例を
示したが、これに代えて三次元の固体撮像素子を
用いたセンサを用い、Ｈ方向の走査をも純電気的
に行ない、そこからＨ方向の走査信号を得て同様
のデータ処理を行なうことも当然に可能であるこ
とは言うまでもねい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の原理構成の一実施例を示
すブロツク図である。第２図は第１図における検
出部の一例およびその機能を説明する模式図であ
る。第３図は第２図における検出部よりの出力波
形図である。第４図は解析処理工程の一例を説明
するための模式図である。第５図、及び第６図は
それぞれ、変形格子に指標を付加形成するための
構成を示す斜視図である。第７図ａ，ｂはそれぞ
れ指標の他の形態を示す模式図である。 Ｓ……光源、Ｇ……投影用格子、L₁……投影
レンズ、L₂……結像レンズ、Ｐ……結像面、１
……入力部、２……走査機構部、３……信号補正
部、４……処理装置、５……マイクロコンピユー
タ、６……表示部、７……走査制御部、１０，４
０……センサアレイ、４６，４６′……指標、Ｐ
……受光素子、４８……モニタ、５２……投影用
格子、５３……投影レンズ、Ｏ……物体、５５…
…基準平面板、６１……結像レンズ、６２……結
像面、６３……補助格子、７０，７０′，７１′…
…指標。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 計測物体表面に格子像を投影し、計測物体表
   面形状により変形された変形格子像と基準面に投
   影したと等価な像を示す補助格子像とを同一画面
   に、互いに干渉し合わないように撮像し、その像
   面を走査し、補助格子像の明暗濃度分布信号と、
   変形格子像の明暗濃度分布信号とを取り込む検出
   部及び走査機構部からなる走査型入力手段と、前
   記走査型入力手段に対し走査信号を供与し、走査
   動作を制御する走査制御手段と、前記走査型入力
   手段からの明暗濃度分布信号と前記走査制御手段
   からの走査信号とを対応させて記憶する記憶手段
   と、前記記憶手段により記憶された走査信号と対
   応させた補助格子像の明暗濃度分布信号に基づく
   基準格子線群信号により、その基準格子線群の線
   上の位置で、走査信号と対応させた変形格子像の
   明暗濃度分布信号を抽出する信号処理手段とを備
   えた変形格子像解析処理装置。