JPH05209728A - 物体表面を3次元で光学的に測定する方法および装置 - Google Patents

物体表面を3次元で光学的に測定する方法および装置

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JPH05209728A
JPH05209728A JP4242003A JP24200392A JPH05209728A JP H05209728 A JPH05209728 A JP H05209728A JP 4242003 A JP4242003 A JP 4242003A JP 24200392 A JP24200392 A JP 24200392A JP H05209728 A JPH05209728 A JP H05209728A
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JP
Japan
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camera
stripe
phase
projector
calculated
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JP4242003A
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English (en)
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Albrecht Hof
ホーフ アルブレヒト
Adalbert Hanssen
ハンセン アーダルベルト
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Carl Zeiss SMT GmbH
Carl Zeiss AG
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Carl Zeiss SMT GmbH
Carl Zeiss AG
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Publication date
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    • 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
    • G01B11/25Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G01B11/2545Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object with one projection direction and several detection directions, e.g. stereo
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
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    • G06T7/50Depth or shape recovery
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 本発明は、プロジェクタがストライプパター
ンを物体表面上へ投写し、投写された同じストライプパ
ターンを2つのビデオカメラで撮影し、該ビデオカメラ
に後置接続された評価用計算器において物体表面のトポ
グラフィを算出する形式の、物体表面を3次元で光学的
に測定する方法および装置に関する。 【構成】 各々のカメラのカメラ像から互いに別個に、
撮影されたパターンのストライプ位相を算出し、さらに
算出された、両方のカメラのストライプ位相の組み合わ
せから、大きい測定範囲内で一義的に定まる対象の座標
を算出する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、プロジェクタがストラ
イプパターンを物体表面上へ投写し、投写された同じス
トライプパターンを2つのビデオカメラで撮影し、該ビ
デオカメラに後置接続された評価用計算器において物体
表面のトポグラフィを算出する形式の、物体表面を3次
元で光学的に測定する方法および装置に関する。
【0002】この種の方法と所属の測定装置はOptical
Engineering,Vol. 24(1985)、966における
論文に示されている。この場合中間スペースにおいて、
大きい暗い細い明るいストライプを有するパターンが測
定物体上へ投写される。物体において変形されたストラ
イプパターンが2つのカメラにより撮影されて輝度スト
ライプが評価される。第2カメラは、時間的に相続く基
準座標と測定物体とが測定されなければならないのを、
回避すべきである。カメラ読出しの同期化に関して問題
が生じないようにする目的で、両方のカメラは物体を同
一カメラターゲットとして結像する。この場合の欠点は
物体表面が、測定の行われない著しく幅の広い中間スペ
ースの間に存在する明るいストライプに沿ってしか測定
されないことである。そのため物体表面のトポグラフィ
の完全な検出のためには相次いでパターンを変位させる
ことにより8回の測定を実施しなければならない。さら
に被検表面に垂直の相対測定解像度50/1(測定領域
/測定解像度)は著しく小さい。
【0003】ヨーロッパ特許出願公開公報第01824
69号およびドイツ連邦共和国特許出願公開公報第32
28753号に、いわゆるストライププロジェクション
装置が示されている。この場合、正弦波状の輝度パター
ンが物体表面へ投写されさらにこのパターンがその都度
に唯1つのカメラにより撮影される。時間的に相続く3
つのまたは4つの像が撮影される。この場合、パターン
は像の撮影の間にストライプ周期の3分の1または4分
の1だけシフトされる。ストライプパターンの評価は、
シフト干渉形技術による公知のアルゴリズムにより、行
われる。このアルゴリズムによりストライプシフトは約
2π/100へ定められる。欠点は、位相評価が1つの
ストライプ次数内でしか、一義的な測定結果を与えない
ことである。この問題を解決するためにヨーロッパ特許
出願公開公報に、同じく干渉形技術において公知のいわ
ゆる跳躍位置除去が実施される。この跳躍位置除去は、
表面が一様でかつスタート点が既知であることが、前提
される。移行する測定値の場合は、この方法は正しくな
い測定値を算出し、次にさらにエラーが続く。その結
果、測定結果の中に大きなエラーが生ずる。この方法
は、測定物体そのものが一様でない時は役に立たない。
【0004】一義性範囲を拡大する目的でドイツ連邦共
和国特許出願公開第3328753号公報に、2つのス
トライプパターンを投写する構成が示されている。この
場合、一方のストライプパターンは他方のストライプパ
ターンの8倍の幅の周期を有する。しかしパターンの位
相シフトの場合、これは異なる速度で運動する、ないし
異なる区間だけストライプ方向に垂直にシフトする。こ
れにより、装置に固定された座標系に関して、ストライ
プパターンの相対的な次数が簡単に失われる。
【0005】ヨーロッパ特許出願公開公報第00768
66号に、同時に3つの色により符号化された、それぞ
れ互いに120°だけ位相シフトされたパターンを物体
に投写する構成が示されている。物体表面により変形さ
れた格子パターンは、色によりそれらの符号化に応じ
て、所属の3つの色選択カメラにより撮影される。これ
により同時にパターンが、3つの異なる位相位置におい
て検出される。その結果、機械的なシフトを必要とする
ことなく、位相シフトアルゴリズムによる評価が行え
る。しかし一義性範囲の拡大化はこれらの3つのカメラ
により達成されない。
【0006】ドイツ連邦共和国特許出願公開公報に示さ
れている測定装置においては、3つのプロジェクタカメ
ラ装置が互いに120°の角度で、測定空間の中心に配
置されている。各々のカメラが、所属のプロジェクタか
ら発生されるパターンの像を検出する。3つのプロジェ
クタカメラ装置の使用は、測定空間中に置かれた測定物
体の全部の表面を測定するために、用いられる。プロジ
ェクタの光軸の方向における一義性範囲の拡大化は、こ
れによって達成されない。
【0007】米国特許第4937445号に示されてい
る装置においては、ストライプパターンが物体表面へ投
写され、さらにこのストライプパターンが2つのCCD
カメラで撮影される。両方のCCDカメラはストライプ
プロジェクタの投写中心から日等しい間隔で設けられて
いて、物体へ投写された種々のストライプの像をその都
度に撮影する。この場合、2つのライン形像センサの使
用は、各々の像センサに結像されるストライプの個数を
半減するために用いられるだけである。像センサの評価
は冒頭に引用された刊行物の技術と同様に、即ち投写さ
れたストライプの横方向の位置を測定することにより、
行われる。この場合、ストライプ位相は算出されない。
【0008】さらにWO−9109273号に示されて
いるフォトグラム技術による測定装置においては、3つ
のカメラが測定物体の像を撮影してこの測定物体の像に
同時に基準パターンが重畳される。しかしこの場合、物
体へストライプパターンが投写されず、ストライプ位相
もビデオ画像から算出されない。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、わず
かな装置技術費用で、高い奥行解像度でかつ同時に大き
い一義性範囲で、物体表面の3次元的測定法を可能にす
る方法と装置を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】この課題は本発明によ
り、次のようにして解決されている。
【0011】各々のカメラのカメラ像から互いに別個
に、撮影されたパターンのストライプ位相を算出し、さ
らに算出された、両方のカメラのストライプ位相の組み
合わせから大きい測定範囲内で一義的に定まる対象の座
標を算出するように構成したのである。
【0012】各々のカメラにより撮影されたストライプ
パターンのストライプ位相の算出は、干渉計技術により
公知の位相シフトアルゴリズムにより、行える。この場
合、ストライプパターンは複数回、相次いで位相がシフ
トされて測定物体へ投写されて、その都度に両方のカメ
ラにより、物体表面で変形されたストライプパターンの
像が撮影される。しかしストライプ位相を個々のビデオ
画像から算出することもできる。相応のアルゴリズム
は、例えば Optical Engineering,23巻(198
4)、391頁に、または本出願人による先行の出願、
ファイル番号第P4014019.9号に示されてい
る。
【0013】別個のカメラにより撮影されたパターンの
ストライプ位相を組み合わせるために、次のように処理
される:まず第1のカメラの画点におけるストライプ位
相から始めて、全部の可能な座標解の集合を定める。こ
れらの座標解は測定空間内の同じストライプ位相を有す
る、しかし異なるストライプ次数を有する点である。こ
れらの座標解は、第1カメラの対物レンズの像の中心に
より、およびカメラセンサ上の画点の位置の像の中心に
より定められる直線上に存在する。この直線上のこれら
の座標解の位置は、所属の測定装置の幾何学的構造によ
り定められる。通常は、この算出されらストライプパタ
ーンに複数個の座標解が所属する。両方のカメラの相対
的な配置および両方のカメラの像の間隔から、例えばカ
メラ対物レンズからのカメラセンサの間隔から、各々の
座標解に対して、所属の画点が第2カメラで定められ
る。第2のカメラによるこれらの画点のうちの1つまた
は複数個がカメラセンサの光感ピクセル上に存在しない
場合は、即ちこの主の画点に対してまだストライプ位相
が算出されていない時は、この画点に所属するストライ
プ位相は、隣り合うカメラピクセルにおいて測定された
位相値の補間により算出される。この補間の場合、隣り
合うカメラピクセル間のストライプ位相の次数跳躍を考
慮することもできる。以後の評価のために有利に、第2
カメラによる座標解に所属する各々の画点に対して、お
よびここで測定されたないし補間されたストライプ位相
に対して、第2組の座標解が算出される。この第2組の
座標解の算出は、第1の座標解の算出と同様に行われる
が、しかし第2のカメラにより撮影されたストライプパ
ターンのストライプ位相を用いて行われる。これらの2
組の座標解から次に相互の間隔の値が最小の座標対が選
出される。理想的な場合はこの間隔はゼロであり、その
ため両方の選出された座標解は、物体表面の所期の座標
を表わす。両方の選出された座標解が等しくない時は、
両方の座標解が、所期の測定解像度以内の物体表面上の
座標を示す。選出された対のうち、プロジェクタのスト
ライプ方向を横切る方向の間隔が大きい方のカメラから
送出される座標解が最終的な測定値である。
【0014】他方、著しく有利な実施例の場合、第2の
組の座標解の算出が省略される。それに代えて、第1の
座標解に所属する、第2カメラの所属の画点におけるス
トライプ位相と、第1カメラの所属の画点におけるスト
ライプとの位相の差が算出されて、差の値が最小であ
る、第2カメラの画点が選出される。
【0015】本発明の方法を実施する装置は1つのスト
ライププロジェクタと、物体表面へ投写される同じスト
ライプパターンを記録する少なくとも2つのビデオカメ
ラと、このビデオカメラに後置接続された評価計算器を
有する。この場合、第1カメラの対物レンズはプロジェ
クタの対物レンズの著しく近傍に配置される。他方、第
2カメラの対物レンズはプロジェクタの対物レンズから
著しく離して有利には複数倍だけ離して配置されてい
る。第1カメラの対物レンズの間隔は次のように選定で
きる、即ち測定空間における各々の点に対して所属の、
このカメラにより撮影されたストライプ位相が同じスト
ライプ次数内にあるように選定できる。このストライプ
位相と既知のストライプ次数から、次に物体座標が一義
的にしかしまだ不正確に算出される。第2カメラの対物
レンズはプロジェクタから複数倍大きい間隔で配置され
ている、カメラの対物レンズの物体側の主点とプロジェ
クタの間隔が常に基準となる。第2カメラのストライプ
位相は著しく正確なしかし多義的な測定値を形成する。
この測定値の次数は第1カメラによる大きな測定値によ
り定められている。
【0016】選択的な実施例の場合、両方のカメラ対物
レンズは次のように配置されている。即ちそれらの間の
間隔の値の差が投写対物レンズへの間隔−この場合も対
物レンズの物体側の主点間の間隔のことであるーに比べ
て小さくなるように、例えば両方の対物レンズが密に相
並んで配置できるように選定できる。より多くに計算費
用が必要とはされるが、同時に照射光の問題が回避され
る、何故ならば照射方向と両方の観察方向との間の角度
が近似的に等しいからである。
【0017】簡単な変形実施例においてはプロジェクタ
はRonchi格子を含む。しかしストライプパターンは干渉
計技術で発生することもできる。 評価の場合に必要とされる計算費用は、対物レンズの測
定物体側の主点が1つの平面に存在しさらに投写格子と
カメラのセンサ表面がこれに平行な平面に存在する時
は、著しくわずかになる。
【0018】もう1つの実施例の場合、両方の光軸は測
定空間のほぼ中央における1点で交差する。この場合、
対物レンズの光軸がカメラターゲットとほぼ中心で交差
する市販のビデオカメラを使用できる。もちろん完全な
公式はApplied Optics,第16巻、2152頁(197
7)に示されている。
【0019】次に本発明の詳細な図面を用いて説明す
る。
【0020】
【実施例】図1における測定装置は、1つの投写対物レ
ンズ0ならびに2つのカメラを有するストライププロジ
ェクタを有する。それらのうちここでは対物レンズ1,
2とセンサ面K1,K2だけが示さている。説明を簡単に
するために投写格子とカメラチップに対して“投写平
面”という用語を用いて、これらを0でプロジェクタ
を、1と2でカメラを示す。以下の説明のために記入さ
れた座標系を用いる:3つの対物レンズ0,1,2の主
点は平面Z=0に存在する。それらの座標は(0,0,
0)(プロジェクタ)、(XPi,YPi,O)(i=
1,2カメラ)である。主作用を間隔XPiが、即ち格
子平面における格子線を横切るような方向成分が行わせ
る。Z平面に平行に投写格子GとカメラチップK1,K2
が、全部で3つの開口円すい体が測定空間を被うよう
に、取り付けられている。対象Objは測定空間中に存
在する。後方(測定物体とは反対側)の主点から投写平
面への間隔はaiである。図面において対物レンズは簡
単化のため計算も相応に実施される。ゼロに等しくない
主点間隔を有する対物レンズを用いる場合は、相応の投
写平面を主点間隔だけずらして取り付けて、さらに横方
向のずれも後方の主点により考慮する必要がある。スト
ライプはY方向へ即ち図面平面に垂直に走行する。この
ことについてはカメラのスリットと同様である。投写平
面上に局所座標(Xi,Yi)i=0..2(下付きの
iでない)を用いる。それらのゼロ点(XPi,YP
i,−ai)は装置座標系の中にある。投写格子上のス
トライプ間隔はg0とし、カメラのスリット間隔はg1
よびg2 とする。簡単化のため各所座標系の原点座標に
おいてはストライプ位相はそれぞれゼロとする。図1に
おいて測定装置は、全部のY座標がゼロであるXZ平面
において示されている。以下の考察が示すように、対物
レンズの座標X≠0も測定される。
【0021】測定空間中に点(X,Y,Z)を選定す
る。投写格子上へのこの点の像の位置は式(1)で示さ
れ、さらにカメラ上へのこの点の像は式(2)で示され
る。
【0022】
【数1】
【0023】
【数2】
【0024】差は式(3)で示される。
【0025】
【数3】
【0026】これらの差は、プロジェクタとカメラの配
置が選定されている場合、Zだけに依存しXとYには依
存しない。被減数は観測されたストライプ位相とストラ
イプ次数から成る。この被減数は、投写格子上へ等級付
けされた、所属のゼロ位置XPiのカメラピクセルのス
リット間隔である。差は式(4)で示される。ただしO
≦di<1である。
【0027】
【数4】
【0028】左辺はここからの位相差であり、さらにd
iはプロジェクタとi番目のカメラとの間のうなりの位
相である。これとは異なり、非整数部分フラクト(X0
/g0)をストライプ位相と称する。これは位相測定の
第1の結果である。最後の両方の等式の右辺を等しいと
おくと、式(5)または式(6)が得られる。
【0029】
【数5】
【0030】
【数6】
【0031】ストライプ位相の測定およびピクセル座標
の考慮によりd1とd2だけを測定できる。XP1を相応
に小さく選定すると、d1は測定空間全体にわたり0か
ら1へだけ変化する、即ち範囲は式(7)から式(8)
まで延在する。
【0032】
【数7】
【0033】
【数8】
【0034】図2はプロジェクタ(O,P)と、X方向
へこれの近傍に存在するカメラ(1,B1 )の場合の状
態を示す。扇状の線は投写格子の光路である。即ちカメ
ラ上でa0/g0=ai/giを有する仮想の格子の光路
である。水平線は、測定空間の後端(Zh)に相応する
次数n1 =2を有する、および前端(Zv)に体するn
1=3を有する同じ位相差の個所を示す。破線の水平線
はd1=0.5を有するZ平面を示す。
【0035】a1=a0=a0により前述の式が、式
(9)で示されるように簡単に誘導できる。
【0036】
【数9】
【0037】図3はプロジェクタ(O,P)とカメラ
(2,B2)の場合のこの状態を示す。ここでは式(1
0)であるためZvとZhの間に短い次数が示され、こ
こでは長いうなりは1つの次数を経過する。水平に記入
されているのは、n=10(Zhに相応する)〜n2
15(Zvに相応する)の場合の同じ位相差の線であ
る。式(11)であるため、式(12)となる。
【0038】
【数10】
【0039】
【数11】
【0040】
【数12】
【0041】この式が、前もってZを算出する必要な
く、測定値d1から短いうなりの次数n2を与える。同時
にこの式は、測定空間における一義性を保証する目的
で、xp2の大きさをどのように選定すべきかの指示を
含む:全部のストライプ位相が精度dで求められる時
は、xp2を式(13)で示されるように選定する。
【0042】
【数13】
【0043】n2によりZを次の式(14)により求め
られる。
【0044】
【数14】
【0045】図4と図5は、図1において局所座標x1
を有するカメラ1の上のピクセルに対して、ZvとZh
との間に10の大まかな位置のうちの数個が記入されて
いる。これらの位置は、位相測定が1/10ストライプ
へ正確に動作することを前提とすると、第1のカメラに
より異なるようにできる。短いうなりの次数が変化する
際の離散化ステップの場合、このこともマークされてい
る(n2=12・・14)。測定されるべき対象輪郭
(Obj)の部分及び、カメラ2の上のピクセルxn1
とxn2から始まる光路のうちの2つが記入されてい
る。x1から出発する線は対象と交差する個所で始ま
る。長いうなりの位相を離散的な段階においてだけ例え
ば8ビットにおいて測定するため、所定の点ではなく、
多少大きすぎるz座標を測定する、即ち矢印A1で示さ
れた点を識別する。図示の実施例において第2カメラの
ピクセル光路はちょうどここを通らない。カメラ2の上
の所属の点の位置を算出し、破線の光路を通って、カメ
ラピクセルの間の1つの点(x2,y2)へ達する(図4
にはx2として示されている)。yp1≠yp2の時は、
点i.aならびに2つの線の間だけでなく2つのスリッ
トの間にも存在する。矢印A2は図5において隣の点
(xn1,yn1),(xn2,yn2)及び(xn3,y
3)へ導かれている。これらの点とここに存在する位
相から補間点における位相を算出する。図5においてカ
メラピクセルと、既に次数跳躍分だけ除去された位相測
定値(pn1,pn2,pn3)と、ならびに補間された
値pが示されている。矢印A3は、もしピクセルが個所
(x2,y2)におけるカメラが観察することになる点に
おける位相測定を示す。
【0046】補間を実施する前に、隣合う2つの測定点
の次数跳躍を等しくなるように調整する必要がある、例
えば次の式(15)で示されるプログラムの論理シーケ
ンスで調整する必要がある。
【0047】
【数15】
【0048】このように補正されたpn1・・・pn3
より直線的に補間された位相を式(16)で算出する:
【0049】
【数16】
【0050】補間の場合、負のd2が現れる時は、補間
点における次数が点(xn1,yn1)におけるよりも低
い。n2+d2によりさらに算出するため、負のd2の場
合も正しいz値が現れる。
【0051】3つの隣合う点ではなく、4つの隣合う点
にわたっても補間することができる。この場合、位相測
定値pn4を、上述の跳躍位置を除去する必要がある。
この場合は式(17)で算出される:
【0052】
【数17】
【0053】図1に示された配置の場合、別の観測によ
っても対象座標(x,y,z)へ達する。実際に2つの
短いうなりを有する: 1.プロジェクタとカメラ2との間、 2.両方のカメラの間。
【0054】両方のカメラの間のうなりを次のように理
解することもできる:カメラ1で(x1,y1)において
ストライプ位相p1(x1,y1)が得られる。カメラ2
による点(x2,y2)はピクセルの間に存在する。隣合
うピクセルにおける測定だけが存在する。この場合、対
象上の同じ点が用いられさらに同じパターンが観察され
るため、ここでは同じストライプ位相も存在する。隣合
うピクセルにおけるストライプ位相を用いて、可能な次
数跳躍の考慮の下にx座標(ix2,y2)をカメラ2で
算出する。この場合、補間されたストライプ位相はカメ
ラ1で測定されたストライプ位相と一致する。次に位置
(x,y,z)は(x1,y1)とix2とカメラの位置
から得られる。このようにして点のz座標が求められ
る。この点(x1,y1)を図4における矢印A4が示
す。この手法を実行可能にする目的でストライプ位相を
カメラピクセル毎に1つの次数だけ小さく変化してもよ
い。
【0055】この評価法は、格子が格子線に垂直に複数
回移動される時は、特別に有利である。格子を格子平面
において正確に移動しないと、このことは長いうなりに
影響を与えるが、最終的な位置を与える短いうなりには
影響を与えない。そのため格子の位置定めはより大きい
許容誤差が与えられる。
【0056】図6に図1に示された実施例が詳細に示さ
れている。投与対物レンズ0とカメラ対物レンズ1,2
が示されている。格子Gの線はY方向へ走行する。対物
レンズ0,1,2は、熱膨張率の小さい材料(例えばZe
rodurまたはインバール)から成る支持体(14)に取
り付けられている。この同じ支持体14は、カメラチッ
プに対するスペーサとしても、および格子Gをその平面
において変位可能に支承する平行四辺形7に対するスペ
ーサとしても、用いられる。
【0057】格子Gは監視されて、ステップモータによ
り制御されるマイクロメータねじ8により駆動される。
マイクロメータねじにおけるステップモータ9はコンピ
ュータ10により制御される。カメラチップK1,K2
相応のインターフェースを介して、同じくコンピュータ
10の中に取り付けられている画像処理装置11と接続
されている。位相測定は、例えば位相シフトによる公知
の4点アルゴリズムにより行なわれ、さらに残留位相を
1/256の整数倍で与える。以後の評価は前述の手法
に従う。測定結果は続いてプロッタ12の上にまたはビ
デオモニタ13の上に表示される。
【0058】図7は、Ronchi格子Gを有するプロ
ジェクタP1と、所属のカメラチップK3,K4を有する
両方の観察カメラB3,B4から構成される装置を示す。
プロジェクタはスリット絞りを有する。このスリット絞
りは、投与される格子像の強度経過が実質的に正弦波状
であるように、作動する。測定対象側の主点は図面平面
におけるx軸上に存在する。x軸のゼロ点はP1の主点
におく。図面を複雑にしないために、対物レンズは主点
と共にだけ示されている。破線の光軸は、これが測定空
間の中央における点Mにおいて交差する。この場合、投
与格子はプロジェクタの光軸に垂直に位置する。カメラ
チップは所属の光軸に垂直に位置する。そのためカメラ
チップをずらして取り付ける必要はなく、光軸がチップ
を実質的に中央で交差する通常の装置を用いる。格子G
の線は図面平面に垂直に走行し、同じくカメラチップの
スリットと共働する。この装置の場合、対物レンズのゆ
がみによる問題はわずかしかない。もちろん同じうなり
位相の面はもはやZ方向における平面ではなく、図面平
面に垂直に、点線にわたる円筒状の面である。この場合
この点線の曲線がもとの尺度で示されているのではな
く、実際に走行するよりも著しく拡大された間隔で示さ
れている。Wで示されている広い点間隔の曲線におい
て、プロジェクタとカメラB4との間のうなり時相は、
およびEで示された狭い点間隔の曲線の上方ではプロジ
ェクタとカメラB3との間のうなり位相は、それぞれち
ょうど1周期である、即ちうなり位相は値1を有する。
この曲線は、Idesawa他、Scanning m
oiremethod and automatic
measurement of 3−D shape
s,Appl. Optics Vol.16.No.
8(1977),2152−2162に記載されてい
る。B4はB3からよりもP1から離れているため、狭い
点間隔の面は広い点間隔の面よりも密に隣合う。この構
成により次のことを可能とする、即ちB3とB4による位
相測定からZ方向における複数個のこの種の面にわたる
1つの範囲を一義的に被うことを可能とする。B4だけ
によっても、2つの隣合う狭い点間隔の曲線に相応する
深度において一義的に測定することも可能である。
【0059】測定値の評価の目的でB4によるカメラピ
クセル(x1,y1)におけるストライプ位相から、式
(18)によりうなり位相を算出する。
【0060】
【数18】
【0061】座標、幾何学的間隔ならびに格子周期の記
号は、図1におけるそれに相応する。多義性のz′kを
算出する目的で、Idesawaの式が用いられ、この
ばあい、Kはそれぞれの次数である。z′kのために
x′kとy′kを算出する。(x′k,y′k,z′
k)から(x2k,y2k)を算出する場合、カメラチッ
プの方向定めも考慮する必要がある。次に隣合うピクセ
ル(x2k,y2k)を用いて、(x2k,y2k)の場合
のストライプ位相p2kを補間する。(p2k−p1)の
値が最小となる場合の同じkが正しい次数である。所属
の値(x′k,y′k,z′k)は、B4で見る点
(x1,y1)の座標である。
【0062】図7の実施例は、X方向に狭い間隔で相並
んで配置されたカメラの間の長いうなりを大まかな位置
を求めるために、及びカメラの1つと広い間隔のプロジ
ェクタとの間の短いうなりを微測定のために用いる。こ
のことは、両方の観察方向に対して同じような照射状態
が形成される利点を有する。測定されるべき部分が光る
と、測定前にこの部分を、照射部材がもはや障害を受け
ないように、旋回することができる。
【0063】この利点を得る目的で、要求されるX方向
へのわずかな変位のため、Y方向への変位を、カメラ対
象が邪魔にならないように、行なう。しかしこの場合、
カメラチップが、計算の手数を小さく維持されるよう
に、並行に方向づけることは、重要である。しかしY方
向への変位の場合、カメラ2によるピクセルは通常はカ
メラ1によるピクセルとは別のY位置を有し、この関係
は、X方向の場合と全く同様に、Zに依存する。適切な
解組み合わせを求める場合、この算出は隣合うわずかな
間隔にわたってだけかつY方向においてだけ、実施しさ
えすればよい。
【0064】この方法を実際に実施する場合、測定装置
の調整エラーを考慮する必要がある。さらに、測定空間
の前端および後端において正確にうなりの次数を有しよ
うとすることは、不必要な制限である。基準測定を実施
し、さらにこの場合に基準位相r1とr2を測定する。算
出を簡単に維持する目的で、測定を好適に、装置のz軸
に垂直に設けられる、間隔Zrの平面において実施す
る。測定されるストライプ位相をP(0≦P<1)とす
ると、n番目の解Znは式(19)により算出される。
【0065】
【数19】
【0066】この場合、r=r1またはr2であり、xp
=xp1またはxp2であり、SはZrの場合の次数を含
む所属の目標位相である。nはどちらのカメラ1,2に
対して算出を実施するかを示す。この式が示すように項
mod(p−r,1)は基準位置においてはゼロであ
り、n=0の場合に正しいZ位置が再現される。
【0067】前述の方法はカメラと投写格子の平行の次
数の場合だけに機能するのではないことは、その動作か
ら簡単に理解できる。まず、カメラをそれらのスリット
と共に格子へ平行に方向づけることは、必ずしも必要と
されない。カメラを90°だけ旋回してから、線も格子
と見なして前述のように動作できる。多くの位相測定ア
ルゴリズムのために、カメラチップ上に45°方向をま
たは他の所定の方向をストライプ方向として設けること
は有利である。相応の座標変換の後にこの方法は正確に
機能する。
【0068】ここに示された、適切な個所におけるカメ
ラの付加による2段階の方法を、多段階の方法へ拡張す
ることができる。同様にもう1つのカメラにより測定対
象を別の面から撮影して測定することもできる。
【0069】図示されたように中央の投写により実施さ
れる方法は、平行投写の場合も有効である。対物レンズ
間隔の役割はここでは投写方向(光軸の間の角度)を定
めるのに役立つ。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施例の幾何学的な簡略図である。
【図2】プロジェクタとBの場合の同じうなり位相の面
によるダイヤグラム図である。
【図3】プロジェクタとB2との場合の同じうなり位相
の面によるダイヤグラム図である。
【図4】両方の位相の組み合わせの場合の算出法を示す
基本図である。
【図5】両方の位相の組み合わせの場合の算出法を示す
基本図である。
【図6】第1実施例の装置の斜視図である。
【図7】第2実施例の基本図である。
【符号の説明】
0,1,2 対物レンズ、 K1,K2 カメラチップ、
Obj 対象、 7,8 マイクロメータねじ、 9
ステップモータ、 10 コンピュータ、11 像処
理装置、 12 プロッタ、 13 ビデオモニタ

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 プロジェクタ(G)がストライプパター
    ンを物体表面へ投写し、投写された同じストライプパタ
    ーンを2つのビデオカメラ(K1,K2;K3,K4 )で
    撮影し、該ビデオカメラに後置接続された評価用計算器
    において該物体表面のトポグラフィを算出する形式の、
    物体表面を3次元で光学的に測定する方法において、各
    々のカメラ(K1,K2;K3,K4)のカメラ像から互い
    に別個に、撮影されたパターンのストライプ位相を算出
    し、さらに算出された、両方のカメラのストライプ位相
    の組み合わせから大きい測定範囲内で一義的に定まる対
    象の座標(Op)を算出することを特徴とする対象表面
    を3次元的に光学的に測定する方法。
  2. 【請求項2】 ストライプ位相を組み合わせるために、
    第1のカメラ(K1,K4 )の1つの画点におけるスト
    ライプ位相から始めて、測定空間中の可能な座標解の集
    合を測定し、さらにこれらの座標解を用いて所属の画点
    を第2のカメラ(K2,K3)で求めるようにした請求項
    1記載の方法。
  3. 【請求項3】 第2カメラの画点におけるストライプ位
    相を、隣り合うカメラピクセルにおけるストライプ位相
    の補間により算出するようにした請求項2記載の方法。
  4. 【請求項4】 補間の前に、隣り合う画点における可能
    な次数跳躍を考慮するようにした請求項3記載の方法。
  5. 【請求項5】 該座標解に所属する、第2カメラ
    (K2,K3)の画点におけるストライプ位相と、第1カ
    メラ(K1;K4)の所属の画点におけるストライプ位相
    との間の差を算出し、さらにこの差が最小となる場合の
    第2カメラの画点を選出し、さらにこの選出された画点
    におけるストライプ位相から物体表面(Obj)の座標
    (Op)を算出するようにした請求項2から4までのい
    ずれか1項記載の方法。
  6. 【請求項6】 前記の座標解に所属する、第2カメラ
    (K2,K3)での画点におけるストライプ位相から、所
    属の第2の座標解を算出するようにし、さらに第1の座
    標解のうちの1つへ最小の間隔値を有する第2の座標解
    を選択し、この場合、この選択された座標解が物体表面
    (Obj)の上の座標(Op)を表すようにした請求項
    2から6までのいずれか1項記載の方法。
  7. 【請求項7】 物体表面へストライプパターンを投写す
    るためのストライププロジェクタを備え、さらに物体表
    面へ投写された同じストライプパターンのビデオ画像を
    撮影する少なくとも1つの第1および第2ビデオカメラ
    を備え、さらに該ビデオカメラに後置接続される、物体
    表面のトポグラフィを算出するための評価計算器を備え
    ている形式の、物体表面を3次元的に光学的に測定する
    装置において、第1のカメラ(K1 )の光学装置(1)
    がプロジェクタの光学装置(0)から、第2カメラ(K
    2 )の光学装置と該プロジェクタの光学装置(0)との
    間隔より著しく小さい間隔で、配置されていることを特
    徴とする、プロジェクタ表面を3次元的に光学的に測定
    する装置。
  8. 【請求項8】 投写光学装置(0)からの第1カメラ
    (K1)の光学装置(1)の間隔が次のように選定され
    ており、即ち第1カメラ(K1 )により撮影されたスト
    ライプパターンから算出されるストライプ位相が、所定
    の測定空間中の全部の物体座標(Op)に対して一義的
    な大まかな解を与えるよに選定されており、さらに投写
    光学装置(0)からの第2カメラ(K2 )の間隔が次の
    ように選定されており、即ち第2カメラ(K2 )のビデ
    オ画像に所属するストライプ次数が、一義的に第1カメ
    ラ(K1 )のビデオ画像から算出されるように選定され
    ている請求項7記載の装置。
  9. 【請求項9】 物体表面へストライプパターンを投写す
    るためのストライププロジェクタを有し、さらに物体表
    面へ投写された同じストライプパターンのビデオ画像を
    撮影する少なくとも1つの第1および第2ビデオカメラ
    を有し、さらに該ビデオカメラに後置接続される、物体
    表面のトポグラフィを算出するための評価計算器を有し
    ている形式の、プロジェクタ表面を3次元的に光学的に
    測定する装置において、両方のビデオカメラ(K3
    4)の光学装置(B3,B4)がプロジェクタの光学装
    置(P1 )から異なる間隔で配置されており、さらにプ
    ロジェクタ(P1)からのカメラ光学装置(B3,B4
    の間隔の差の値が、各々の間隔よりも著しく小さいこと
    を特徴とする、物体表面を3次元的に光学的に測定する
    装置。
  10. 【請求項10】 両方のカメラ光学装置(B3,B4)が
    密に相並んで配置されている請求項9記載の装置。
  11. 【請求項11】 プロジェクタが投写格子(G)を含
    み、さらにカメラのセンサ面(K1,K2)が1つの共通
    の平面の中に設けられており、さらに測定物体(Ob
    j)と同じ側の、カメラ対物レンズ(1,2)のおよび
    投写対物レンズ(0)の主点(P,B1,B2)が第2の
    平面の中に設けられており、さらに第2の平面が、投写
    格子(G)とカメラのセンサ面(K1,K2)が配置され
    ている平面に平行である請求項7から10までのいずれ
    か1項記載の装置。
  12. 【請求項12】 プロジェクタ(G)とカメラ(K3
    4)が、カメラ光学装置(B3,B4)の光軸と投写光
    学装置(P1 )の光軸が一点(M)において互いに交差
    するように、相互に配置されており、さらに格子(G)
    が投写光学装置(P1)の光軸に垂直に設けられてお
    り、さらにカメラセンサ(K3,K4 )がカメラ光学装
    置(B3,B4)の光軸に垂直に設けられている、請求項
    7から10までのいずれか1項記載の装置。
  13. 【請求項13】 投写されるパターンが同じ幅の明るい
    縞と暗い縞を有している請求項7から12までのいずれ
    か1項記載の装置。
  14. 【請求項14】 輝度パターンが、ストライプ方向を横
    切る方向に正弦波状の強度経過を有している請求項13
    記載の装置。
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