JPH0473523B2 - - Google Patents

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JPH0473523B2
JPH0473523B2 JP10148385A JP10148385A JPH0473523B2 JP H0473523 B2 JPH0473523 B2 JP H0473523B2 JP 10148385 A JP10148385 A JP 10148385A JP 10148385 A JP10148385 A JP 10148385A JP H0473523 B2 JPH0473523 B2 JP H0473523B2
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striped pattern
grating
topography
moiré
fringes
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/2441Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures using interferometry

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) この発明は、特にモアレトポグラフイに代表さ
れるような、縞を利用した3次元計測に関するも
のである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) The present invention relates to three-dimensional measurement using stripes, particularly as typified by moiré topography.

(従来技術とその問題点) モアレトポグラフイは、物理面上に縞模様を投
影し、物体の形状により変型した縞模様と基準の
縞模様とを重ね合わせ、その差周波数として生じ
るモアレ縞を解析することにより、物体の形状を
測定する方法である。詳しくは、例えば、雑誌
「アプライド・オプテイツクス」(Applied
Optics)、9巻、1970年、1467〜1472ページに記
載の論文「モアレ・トポグラフイ
(Moire′ Topography)」に述べられている。こ
の方法には、第5図に示すような物体23の直前
に置いた格子22を点光源21によつて照射する
格子照射型と、第6図に示すように光学系の中に
設置した格子24の像を物体面上に結像させる格
子投影型がある。両方法を比較した場合、操作性
において、後者のほうに柔軟性があり、応用範囲
が広い。格子投影型モアレトポグラフアについて
は、例えば雑誌「アプライド・オプテイツクス
(Applied Optics)22巻、1983年、850〜855ペー
ジに記載の論文「自動3次元トポグラフイにおけ
る移動格子法を用いた投影法モアレ(Projection
Moire′ moving with moving grantings for
antomated 3−D topography)」に詳しく述
べられている。一般に、モアレ計測では高次のモ
アレ縞が生じるために縞を自動解析する際には、
所望のモアレ縞と分離することが困難であつた。
この高次のモアレ縞を除去するために、観測中に
格子を移動させ高次のモアレ縞を平均化する移動
格子法が開発された。詳しくは例えば前記雑誌
「アプライド・オプテイツクス(Applied
Optics)」9巻、1970年、1467〜1472ページに記
載の論文「モアレトポグラフイ
(Moire′ Topography)」に述べられている。
(Prior art and its problems) Moiré topography projects a striped pattern onto a physical surface, superimposes the striped pattern deformed by the shape of the object and the standard striped pattern, and analyzes the moiré fringes that occur as the difference frequency. This is a method of measuring the shape of an object. For more information, see the magazine ``Applied Optics''.
Optics, Volume 9, 1970, pages 1467-1472, in the article "Moire'Topography". This method includes a grating irradiation type in which a point light source 21 illuminates a grating 22 placed just in front of an object 23 as shown in FIG. There is a grating projection type that forms 24 images on the object plane. When comparing both methods, the latter is more flexible and has a wider range of applications in terms of operability. Regarding grid projection type moiré topography, for example, see the paper "Projection method using moving grid method in automatic three-dimensional topography" published in the magazine "Applied Optics", Vol. 22, 1983, pages 850-855.
Moire′ moving with moving grantings for
antomated 3-D topography). Generally, moiré measurement produces high-order moiré fringes, so when automatically analyzing fringes,
It was difficult to separate the desired moire fringes.
In order to remove these high-order moiré fringes, a moving grid method was developed that averages out the high-order moiré fringes by moving the grating during observation. For more details, please refer to the magazine ``Applied Optics''.
Optics, Volume 9, 1970, pages 1467-1472, in the article "Moire'Topography".

(発明が解決しようとする問題点) 従来の移動格子法では格子を移動させる機械的
な動作が必要であるために自動計測が難しく高次
のモアレ縞を平均化するために、所望のモアレ縞
のコントラストが低くなる欠点があつた。
(Problems to be Solved by the Invention) The conventional moving grating method requires mechanical movement to move the grating, making automatic measurement difficult. The disadvantage was that the contrast was low.

(発明の目的) この発明の目的は、格子を移動させることなく
高次のモアレ縞を消去し、自動計測が容易で、か
つ所望のモアレ縞としてコントラストの高いもの
の得られる3次元計測方法を提供することにあ
る。
(Objective of the Invention) The object of the present invention is to provide a three-dimensional measurement method that eliminates high-order moiré fringes without moving the grating, facilitates automatic measurement, and obtains desired moiré fringes with high contrast. It's about doing.

(問題を解決するための手段) この発明は、変調周波数が一定の正弦波状の強
度変調光で被測定物体上を走査して、物体面上に
縞模様を生成し、物体の形状により変形した縞模
様と前記強度変調光と同一の周波数の正弦波状の
基準縞模様と重ね合わせることを特徴とする3次
元計測方法である。
(Means for Solving the Problem) This invention scans an object to be measured with sinusoidal intensity-modulated light having a constant modulation frequency to generate a striped pattern on the object surface, which is deformed depending on the shape of the object. This three-dimensional measurement method is characterized in that the striped pattern is superimposed on a reference striped pattern in the form of a sine wave having the same frequency as the intensity modulated light.

(作用・原理) ホログラフイツクレーザスキヤナに代表される
ホログラフイツクレーザビーム走査装置において
は、いくつかのホログラムをデイスクの円周上に
配置固定し、それを高速回転することによりレー
ザビームを走査する。ホログラフイツクレーザス
キヤナの前置光学系において、走査ビームが物体
面上で走査方向に収束、副走査方向に発散するよ
うに調整すれば、副走査方向のビーム幅により、
走査長として決められ長さを一面に走査する。こ
の時、レーザを変調することにより走査方向に縞
模様を作製できる。従来用いられている振幅透過
率が0または1の矩形状の格子を考える。次のよ
うな周期関数f(x)を定義する。
(Operation/Principle) In a holographic laser beam scanning device such as a holographic laser scanner, several holograms are arranged and fixed on the circumference of a disk, and the laser beam is scanned by rotating them at high speed. . If the front optical system of a holographic laser scanner is adjusted so that the scanning beam converges in the scanning direction on the object plane and diverges in the sub-scanning direction, the beam width in the sub-scanning direction
The length determined as the scan length is scanned over the entire surface. At this time, a striped pattern can be created in the scanning direction by modulating the laser. Consider a conventionally used rectangular grid with amplitude transmittance of 0 or 1. Define the following periodic function f(x).

f(x)=1 (4n−1)Π/2<x<(4n+1)
Π/2 0 x=±(2n−1)Π/2(n:整数) −1 (4n+1)Π/2<x<(4n+3)Π/2 …(1) (1)式をフーリエ級数に展開すると f(x)=4/Πn=1 (−1)n-1cos{(2n−1)x}/2n−1 …(2) となる。(2)式により、白黒比に1:1の単純矩形
状格子の振幅透過関数は V(x,y)=1/2[1+4/Π 〓 〓n=1 (−1)ncos{(2n−1)2Π(μx+vy)/2n−1
]…(3) である。(3)式で、μ,vはそれぞれx方向、y方
向の空間周波数を表わす。(3)式をフーリエ変換す
ると A(x,y)=1/2∫∫ -∞[1+4/n 〓 〓n=1 (−1)n-1cos{(2n−1)2Π(μx+vy)/2n−
1]×exp{2Πi/λf(xξ+yη)}dxdy =[1/2δ(x,y)+1/Π{δ(x−λfμ,
y−λfv)+δ(x+λfμ,y+λfv)}] −1/3Π{δ(x−3λfμ,y−3λfv)+δ(x+
3λfμ,y+3λfv)} +1/5Π{δ(x−5λfμ,y−5λfv)+δ(x+
5λfμ,y+5λfv)}…](λf)2…(4) となる。ただし、λは波長、fはフーリエ変換レ
ンズの焦点距離を表わす。(4)式の第2項は±1次
のモアレ縞を表わし、第3項以降は、不要な高次
のモアレ縞を表わす。
f(x)=1 (4n-1) Π/2<x<(4n+1)
Π/2 0 x=±(2n-1)Π/2 (n: integer) -1 (4n+1)Π/2<x<(4n+3)Π/2...(1) Expand formula (1) into a Fourier series Then, f(x)=4/Π n=1 (-1) n-1 cos {(2n-1)x}/2n-1...(2). According to equation (2), the amplitude transmission function of a simple rectangular grid with a black-to-white ratio of 1:1 is V(x,y)=1/2[1+4/Π 〓 〓 n=1 (-1) n cos {( 2n−1) 2Π(μx+vy)/2n−1
]…(3). In equation (3), μ and v represent spatial frequencies in the x direction and y direction, respectively. When formula (3) is Fourier transformed, A(x,y)=1/2∫∫ -∞ [1+4/n 〓 〓 n=1 (-1) n-1 cos {(2n-1) 2Π(μx+vy )/2n−
1]×exp{2Πi/λf(xξ+yη)}dxdy = [1/2δ(x,y)+1/Π{δ(x−λfμ,
y−λfv)+δ(x+λfμ,y+λfv)}] −1/3Π{δ(x−3λfμ,y−3λfv)+δ(x+
3λfμ,y+3λfv)} +1/5Π{δ(x-5λfμ,y-5λfv)+δ(x+
5λfμ,y+5λfv)}...](λf) 2 ...(4) However, λ represents the wavelength, and f represents the focal length of the Fourier transform lens. The second term in equation (4) represents ±1-order moire fringes, and the third and subsequent terms represent unnecessary higher-order moire fringes.

一方、正弦波状の単純格子の振幅透過関数は、 V′(x,y)=1/2[1+cos{2Π(μx+vy)}]
…(5) である。(5)式をフーリエ変換すると A′(x,y)=1/2∫∫ -∞[1+cos{2Π(μx
+vy)]×exp{2Πi/λf(xξ+yη)}dxdy ={1/2δ(x,y)+1/4δ(x−λfμ,y
−λfv)+1/4δ(x+λfμ,y+λfv)}(λf)
2…(6) (6)式は(4)式と比較して、高次のモアレ縞の生じ
ないことがわかる。以上の議論は一般の格子につ
いても成立する。従つて、レーザを正弦波状に変
調して物体に投影することにより、高次のモアレ
縞の生じない計測を実現できる。
On the other hand, the amplitude transmission function of a sinusoidal simple grating is V' (x, y) = 1/2 [1 + cos {2Π (μx + vy)}]
…(5). When formula (5) is Fourier transformed, A′(x,y)=1/2∫∫ -∞ [1+cos{2Π(μx
+vy)]×exp{2Πi/λf(xξ+yη)}dxdy ={1/2δ(x,y)+1/4δ(x−λfμ,y
−λfv)+1/4δ(x+λfμ,y+λfv)}(λf)
2 ...(6) It can be seen that formula (6) does not produce higher-order moiré fringes compared to formula (4). The above discussion also holds true for general grids. Therefore, by modulating the laser into a sinusoidal waveform and projecting it onto the object, measurement that does not generate high-order moiré fringes can be realized.

(実施例) 第1図は、半導体レーザ1とホログラフイツク
レーザスキヤナ4によつて構成されるモアレトポ
グラフイに、この発明の方法を適用した一実施例
である。半導体レーザ1から発振された光は、コ
リメーテイングレンズ2によつてコリメートされ
た後、円筒レンズ3により楕円ビームに変換され
た後、ホログラフイツクレーザスキヤナ4のホロ
グラムレンズ5によつて、物体6を走査する。こ
の時、第2図に示すタイミングチヤートのように
エンコーダ12によつて、スキヤナの回転周期信
号aをGP−IBインタフエイスを有するマイコン
などの演算制御装置11に取り入れる。演算制御
装置11はエンコーダ出力同期信号aを受けて、
例えば、GP−IBインタフエイスを有するフアン
クシヨンジエネレータなどの波形形成装置10に
対して決められた周波数の正弦波cを出力するよ
うに制御信号bを送る。決められた周波数は、ス
キヤナの回転速度をWrpm、スキヤナに配置され
ているレンズの数をn、物体面に走査したい縞の
数をtとしたとき、(n+w)/60Hzとなる。波
形形成装置10の出力信号cは、増幅器9により
半導体レーザ1を駆動するのに十分な電流dにさ
れた後レーザを正弦波状に変調する。波形形成装
置の出力例を第3図に示す。物体面で変型した正
弦波状の縞を光の蓄積できるTVカメラで撮像す
る。複数のフレームメモリとGP−IBインタフエ
イスを有し、画像間の積算、加減算機能を有する
多階調の画像処理装置8に、あらかじめ波形形成
装置10によつて発生した信号に対応する縞模様
を演算制御装置11より入力しておき、TVカメ
ラ7によつて撮像した画像と重ね合わせることに
より、モアレ縞を発生させる。画像処理装置8に
あらかじめ入力しておく縞模様の例を第4図に示
す。画像の四則演算とは画像の階調をデジタル表
現し、ドツト毎に階調の演算をおこなうことであ
る。縞に中間調が存在するためモアレ縞にも中間
調があり、画像処理装置として、多階調の演算の
できるものが必要である。この画像処理装置で、
作用・原理の項で説明した演算を行いモアレ縞を
生成する。
(Embodiment) FIG. 1 shows an embodiment in which the method of the present invention is applied to a moiré topography composed of a semiconductor laser 1 and a holographic laser scanner 4. The light emitted from the semiconductor laser 1 is collimated by the collimating lens 2 and then converted into an elliptical beam by the cylindrical lens 3. Scan 6. At this time, as shown in the timing chart shown in FIG. 2, the rotation period signal a of the scanner is input by the encoder 12 to the arithmetic and control unit 11, such as a microcomputer having a GP-IB interface. The arithmetic and control unit 11 receives the encoder output synchronization signal a,
For example, a control signal b is sent to a waveform forming device 10 such as a function generator having a GP-IB interface so as to output a sine wave c of a predetermined frequency. The determined frequency is (n+w)/60Hz, where Wrpm is the rotational speed of the scanner, n is the number of lenses arranged in the scanner, and t is the number of stripes to be scanned on the object plane. The output signal c of the waveform forming device 10 is made into a current d sufficient to drive the semiconductor laser 1 by the amplifier 9, and then modulates the laser into a sinusoidal waveform. An example of the output of the waveform forming device is shown in FIG. The sinusoidal stripes deformed on the object plane are imaged with a TV camera that can accumulate light. A striped pattern corresponding to the signal generated by the waveform forming device 10 is created in advance in a multi-gradation image processing device 8 that has a plurality of frame memories and a GP-IB interface and has functions for integrating and adding/subtracting between images. Moiré fringes are generated by inputting the information from the arithmetic and control device 11 and superimposing it on an image captured by the TV camera 7. FIG. 4 shows an example of a striped pattern that is input in advance to the image processing device 8. The four arithmetic operations for images are to digitally represent the gradation of an image and perform gradation calculations for each dot. Since there are intermediate tones in the stripes, there are also intermediate tones in the moiré fringes, and an image processing device that can perform multi-gradation calculations is required. With this image processing device,
Moiré fringes are generated by performing the calculations explained in the section of operation and principle.

(発明の効果) 以上詳述したように、この発明の3次元計測方
法によれば、従来の格子移動法のように、格子を
移動させることなく、高次のモアレ縞として、コ
ントラストの高いものが得られる。
(Effects of the Invention) As detailed above, according to the three-dimensional measurement method of the present invention, high-contrast images can be obtained as high-order moiré fringes without moving the grating, unlike the conventional grating movement method. is obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は、この発明の一実施例を示す図、第2
図はシステムの信号のタイミングチヤートを示す
図、第3図は実施例における半導体レーザに注入
する電流波形を示す図、第4図は実施例におい
て、画像処理装置に記憶させる基準縞の濃度分布
の例を表わす図、第5図は格子照射型モアレトポ
グラフイの従来例を示す図、第6図は格子投影型
モアレトポグラフイの従来例を示す図である。 図において、1…半導体レーザ、2…コリメー
テイングレンズ、3…円筒レンズ、4…ホログラ
フイツクレーザスキヤナ、5…ホログラムレン
ズ、6…物体、7…TVカメラ、8…画像処理装
置、9…増幅器、10…波形形成装置、11…演
算制御装置、12…エンコーダ、21…光源、2
2…格子、23…物体、24…格子。
FIG. 1 is a diagram showing one embodiment of the present invention, and FIG.
Figure 3 shows a timing chart of system signals, Figure 3 shows the waveform of the current injected into the semiconductor laser in the example, and Figure 4 shows the density distribution of the reference stripes to be stored in the image processing device in the example. FIG. 5 is a diagram showing a conventional example of grating irradiation type moire topography, and FIG. 6 is a diagram showing a conventional example of grating projection type moire topography. In the figure, 1... semiconductor laser, 2... collimating lens, 3... cylindrical lens, 4... holographic laser scanner, 5... hologram lens, 6... object, 7... TV camera, 8... image processing device, 9... Amplifier, 10... Waveform forming device, 11... Arithmetic control device, 12... Encoder, 21... Light source, 2
2... Lattice, 23... Object, 24... Lattice.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 変調周波数が一定の正弦波状の強度変調光で
被測定物体上を走査して、物体面上に縞模様を生
成し、物体の形状により変形した縞模様と前記強
度変調光と同一の周波数の正弦波状の基準縞模様
とを重ね合わせることを特徴とする3次元計測方
法。
1. Scan the object to be measured with sinusoidal intensity modulated light with a constant modulation frequency to generate a striped pattern on the object surface, and then create a striped pattern deformed depending on the shape of the object and the intensity modulated light with the same frequency as the intensity modulated light. A three-dimensional measurement method characterized by overlapping a sinusoidal reference striped pattern.
JP10148385A 1985-05-15 1985-05-15 Three-dimensional measuring method Granted JPS61260108A (en)

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JPS61260108A JPS61260108A (en) 1986-11-18
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