JPH07174533A - 非接触立体測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】高精度の非接触立体測定を廉価で調整作業が簡
単な装置で可能にする。 【構成】点光源列５からの放射光を合焦面４及び遮光格
子２を介してレンズ１に入射させ、レンズ１は入射光を
撮像面３に導く。遮光格子２によって、撮像面３上には
厳密な位置調整をすることなくモアレ縞７が生じる。こ
のモアレ縞７は合焦面４上に配置する被測定物の歪によ
って変形する。このモアレ縞の変形によって被測定物の
表面歪を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】［発明の目的］

【産業上の利用分野】本発明は、被測定物の表面歪の測
定に好適な非接触立体測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、３次元計測の一方法としてモアレ
縞を利用した方法が用いられることがある。モアレ縞は
規則的な模様を重ねたり、規則的な模様を規則的に標本
化することによって観測することができる元の模様とは
異なった縞模様である。例えば、直線格子の影を対象物
に投影すると、格子線の影は物体の形状に応じて変形す
る。物体上の影と直線格子とを重ね合わせることで、影
と直線格子との干渉によるモアレ縞を観測することがで
きる。光学系を適宜配置することにより、モアレ縞は物
体の等高線に対応した画像となる。モアレトポグラフィ
は、モアレ縞によって対象物体の等高線画像を得る非接
触立体測定法である。

【０００３】図８はモアレトポグラフィの１方法である
格子照射型モアレトポグラフィを用いた従来の非接触立
体測定装置を示す説明図である。図８は「画像解析ハン
ドブック」（高木、下田、東京大学出版会、1991.1.17
）にて記載されたものである。この装置は、被測定物
の表面歪を０．１ｍｍオーダーの分解能で測定可能で、
且つ比較的廉価に構成することができる。

【０００４】被測定物体50の直前に平行等間隔の直線格
子（基準格子）51を配置する。点光源52からの照明光53
を直線格子51を介して被測定物体50に照射する。放射状
の照明光53は基準格子51の間隙を通過して被測定物体50
に到達すると共に基準格子51に遮蔽されて、被測定物体
50上には格子状の影が写しだされる。

【０００５】いま、観測点54から直線格子51を介して被
測定物体50上の影を観測するものとする。点光源52から
の照明光53は被測定物体50上で散乱する。被測定物体50
上の散乱光のうち直線格子51の間隙を通過した光のみが
反射光55として観測される。つまり、観測点54からは照
明光50と反射光55との交点によってできる平面（モアレ
面）、即ち、観測点54からの距離（被測定物体50の高
さ）がｌ1 ，ｌ2 ，…，ｌn において被測定物体50上で
反射した光のみが反射光55として観測されることにな
る。そして、他の高さの部分（点光源52からの距離がｌ
1 〜ｌ2 ，ｌ2 〜ｌ3 ，…，ｌn-1 〜ｌn の部分）が影
として観測される。即ち、観測点54から基準格子51を介
して被測定物体50上の影を観測することにより、被測定
物体50の等高線が基準格子51と影との干渉によるモアレ
縞として得られる。

【０００６】ここで、点光源52と観測点54とはいずれも
基準格子51からの距離がａの位置に配置しており、点光
源52と観測点54との間の距離をｂとし、格子間隔をｐと
し、観測点54からｎ次のモアレ面（ｎ番目の明るい縞に
対応する面）までの距離をｌn とすると、下記式（１）
が成立する。 （ｌn −ａ）／ｌn ＝ｎｐ／ｂ ｌn ＝ａｂ／（ａ−ｎｐ） …（１） ところで、図８の装置は廉価に構成することができる
が、被測定物体と直線格子との厳密な位置決めが必要で
ある。被測定物体の等高線に対して直線格子を平行に配
設しなければならず、例えば、０．１ｍｍの等高線を得
るためには、０．１ｍｍの誤差範囲内で直線格子を平行
に配設する必要がある。このため、調整作業が煩雑であ
るという欠点があった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように、上述した
従来の非接触立体測定装置においては、厳密な位置決め
が必要であり、調整作業が煩雑であるという問題点があ
った。

【０００８】本発明は、廉価でしかも厳密な調整作業を
することなく、高精度の立体測定を可能にすることがで
きる非接触立体測定装置を提供することを目的とする。

【０００９】［発明の構成］

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る非接触立体
測定装置は、繰返しパターンの光源列と、この光源列の
放射光が透明の被測定物を介して入射しこの入射光を所
定の撮像面に導く集光部材と、前記光源列と前記撮像面
との間の光路上に配設した繰返しパターンの遮光格子
と、前記撮像面に結像するモアレ縞を観測する観測部と
を具備したことを特徴とするものであり、また、被測定
物として鏡面のものを用いた場合には光源列の放射光を
鏡面の被測定物で反射させた後に集光部材に入射させる
ものである。

【００１１】

【作用】本発明において、撮像面には光源列の繰返しパ
ターンと遮光格子の繰返しパターンとに基づくモアレ縞
が生じる。このモアレ縞は集光部材に入射する被測定物
からの光の入射角度に応じて変形する。即ち、被測定物
の表面歪に基づいて撮像面上のモアレ縞は変形する。こ
のモアレ縞によって被測定物の表面歪を観測する。

【００１２】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例につい
て説明する。図１は本発明に係る非接触立体測定装置の
一実施例を示す説明図である。

【００１３】複数の点光源…，Ｂ0 ，Ｂ1 ，…を所定の
面上に配列して点光源列５を構成する。点光源Ｂi2（ｉ
２は整数）の配列ピッチはｐB である。例えば、図示し
ない光源の直前に遮蔽格子（図示せず）を配設すること
により点光源列５を構成することができる。なお、この
点光源列５は、紙面の鉛直方向に２次元的に分布させて
いるが、鉛直方向に連続した線光源列であってもよい。
点光源列５からの放射光の放射方向には点光源列５が属
する平面に平行に遮蔽格子２及びレンズ１を配設してい
る。

【００１４】遮蔽格子２は遮蔽部６及び透過部…，Ｏ0
，Ｏ1 ，…によって構成しており、透過部Ｏi1（ｉ１
は整数）のピッチはｐO である。点光源列５からの放射
光は遮蔽格子２を通過してレンズ１の入射面に到達する
ようになっている。即ち、本実施例においては、遮蔽格
子２をレンズ１と点光源列５との間に配設している。レ
ンズ１の焦点はＦであり、レンズ１は入射した各点光源
…，Ｂ0 ，Ｂ1 ，…からの放射光を屈折させて撮像面３
に出射する。撮像面３には図示しないＣＣＤの入射面又
は感光シート等を配設するようになっている。

【００１５】レンズ１と点光源列５との間には、レンズ
１の焦点距離ｆとレンズ１から撮像面３までの距離ｃと
によって一意的に定まるレンズ１からの距離ａの位置に
合焦面４が存在する。この距離ａは下記式（２）によっ
て示すことができる。なお、合焦面４上に光を透過する
物体を配置した場合には、この物体を透過した光がレン
ズ１によって屈折して撮像面３に実像として結像するこ
とになる。 １／ａ＋１／ｃ＝１／ｆ ａ＝ｆ・ｃ／（ｃ−ｆ） …（２） 点光源列５の所定の点光源Ｂが放射した光線は、一部が
遮光格子２の遮光部６によって遮断されるが（図１の破
線）、一部は図１の実線に示すように、合焦面４を経て
遮光格子２の透過部Ｏi1を透過してレンズ１に入射す
る。更に、この光線はレンズ１において屈折し撮像面３
に到達する。これにより、撮像面３上には図１に示すよ
うに、明部と暗部とが交互に繰返されるモアレ縞７が現
れる。このモアレ縞７は、合焦面４上にモアレ縞７に対
応するモアレ縞を配置し、遮光格子２が設けられていな
い通常の撮像装置によって撮像した場合に、撮像面に結
像される像と同一である。即ち、撮像面３において観察
すると、モアレ縞７が合焦面４上に存在するように見え
る。

【００１６】ここで、点光源列５から合焦面４までの距
離をｂとし、合焦面４から遮光格子２までの距離をｄと
すると、ｂ，ｐO ，ｐB は下記式（３）に示す関係を有
する。但し、ｎ，ｍは自然数である。 ｍ・ｄ・ｐB ＝ｎ・ｂ・ｐO …（３） モアレ縞７の明部…、Ｃ-1，Ｃ-2，…は夫々合焦面４の
合焦点…，Ａ1 ，Ａ2，…に対応する。例えば、合焦点
Ａ1 を通過した光線はモアレ縞７の明部Ｃ-1において結
像し、合焦点Ａ2 を通過した光線はモアレ縞の明部Ｃ-2
において結像する。従って、合焦面４に光線を通過させ
る透明板材を配置した場合、この透明板材が光線を屈折
させるとモアレ縞７の明部と暗部とが光線の屈折に応じ
て変形することになる。つまり、透明板材の歪、即ち、
透明板材の傾斜度に基づく光線の屈折をモアレ縞７の変
形によって観測することができる。このように、本実施
例は、光源の格子と光学系の格子とのモアレ縞を立体測
定に用いる点においては、モアレトポグラフィ技術と同
様である。しかし、測定量が物体の傾斜度である点が、
対象物の等高線を得るモアレトポグラフィ（格子照射型
モアレトポグラフィ、格子投影型モアレトポグラフィ及
び走査モアレトポグラフィ）と異なる。

【００１７】モアレ縞７の明部のピッチをｐC とし、合
焦点のピッチをｐA とすると、ピッチｐA ，ｐC は夫々
下記式（４），（５）によって与えられる。 ｐA ＝ｐB ・ｐO ／（ｍ・ｐB ＋ｎ・ｐO ） …（４） ｐC ＝（ｃ／ａ）・ｐA ＝（ｃ／ａ）・ｐB ・ｐO ／（ｍ・ｐB ＋ｎ・ｐO ） …（５） この式（５）から明らかなように、ｍ，ｎが大きな値に
なると、モアレ縞７のピッチｐC は小さくなる。また、
この場合には、モアレ縞７の明暗の差（コントラスト）
も低下する。これらの理由から、ｍ，ｎを１に近い値に
設定したほうがよい。なお、図１はｍ，ｎが１の例を示
している。

【００１８】本実施例においては、式（３）を満足させ
るように、ｂ，ｄ，ｐB ，ｐO を設定するという極めて
簡単な位置調節によって、撮像面３上にモアレ縞７を発
生させることができる。従って、本実施例を実験及び測
定等に利用する場合において、その作業を容易にするこ
とができる。また、遮蔽格子２のパターンと例えば格子
によって形成した点光源列５のパターンとは相似形にす
る必要があるが、そのデザインは自由に設定可能であ
り、井桁槙様又は水玉模様であってもよい。なお、撮像
面３におけるモアレ縞も遮光格子２のパターンと相似形
と成るので、画像処理に適したパターンを選択すれぱよ
い。

【００１９】次に、このように構成された実施例の作用
について図２の説明図を参照して説明する。図２では説
明を簡略化するために、レンズ１と遮蔽格子２とを同一
位置に配置すると共に、点光源列５の点光源Ｂ以外の点
光源からの光線は図示を省略している。

【００２０】合焦面４上に透明板材８を配置する。透明
板材８によって光線の屈折が生じないものとすると、遮
光格子２の透過部Ｏには点光源Ｂからの光線ｒ1 （実
線）が到達する。この光線ｒ1 はレンズ１で屈折して撮
像面３に結像する。この光線ｒ1 によって、撮像面３上
には明部Ｃが生じる。この場合の撮像面３上のモアレ縞
は図２の一点鎖線部10内に示してある。

【００２１】これに対し、透明板材８によって、光線ｒ
1 が通過する合焦点Ａ近傍において角度αの屈折が発生
するものとすると、透過部Ｏには例えば点光源Ｂからの
光線ｒ2 （破線）が到達する。光線ｒ2 は合焦点Ａ近傍
の合焦点Ａ′から透過部Ｏに入射しており、光線ｒ1 と
レンズ１への入射角が相違し、光線ｒ2 は撮像面３上の
明部Ｃとは異なる位置に到達して明部Ｃ′を結像する。

【００２２】合焦点Ａ，Ａ′間のピッチをｔA とする
と、ピッチｔA は下記式（６）によって表わすことがで
きる。 ｔA ＝（ａ′・ｂ／ａ′＋ｂ）・ｔａｎα …（６） 従って、透明板材８の屈折による明部の移動量ｔC は下
記式（７）で与えられる。 ｔC ＝（ｃ／ａ′）・ｔA ＝（ｂ・ｃ／ａ′＋ｂ）・ｔａｎα …（７） このように、本実施例においては、繰返しパターンの点
光源Ｂからの光線を被測定物である透明板材及び遮光格
子を通過させ、レンズによって撮像面に導いており、簡
単な位置調整を行うだけで撮像面上にモアレ縞を結像さ
せることができる。透明板材の歪は撮像面上のモアレ縞
の歪によって観測することができる。

【００２３】図３は本発明の他の実施例を示す説明図で
ある。本実施例は被測定物として不透明で鏡面の物体の
表面測定を行うためのものである。図３において図１及
び図２と同一の構成要素には同一符号を付して説明を省
略する。図３（ａ）は被測定物である不透明部材に歪が
ない場合を示しており、図３（ｂ）は不透明部材が歪を
有する場合を示している。なお、図３においても、説明
を簡略化するために、レンズ１と遮蔽格子２とを同一位
置に配置すると共に、点光源列５の点光源Ｂ以外の点光
源からの光線は図示を省略している。

【００２４】本実施例は複数の点光源…，Ｂ0 ，Ｂ1 ，
…が所定の面上に配列されて構成される点光源列11を合
焦面４と撮像面３との間に設けた点が図１及び図２の実
施例と異なる。合焦面４上に配置する被測定物は鏡面で
ある。

【００２５】このように構成された実施例においては、
鏡面の不透明部材７を合焦面４に配置する。いま、不透
明部材７が歪を有しておらず、点光源列11の点光源Ｂか
らの光線の反射面が平坦であるものとする。この場合に
は、図３（ａ）に示すように、合焦面４が鏡面で、点光
源Ｂからの光線を全反射するものと考えることができ
る。

【００２６】点光源Ｂからの光線は合焦点…，Ａ1 ，Ａ
2 ，…において全反射し、遮光格子２の透過部…，Ｏ-
2，Ｏ-1，…に到達する。更に、光線はレンズ１によっ
て屈折して、撮像面３上で結像して明部…，Ｃ-1，Ｃ-
2，…を形成する。こうして、撮像面３上にモアレ縞７
が形成される。モアレ縞７は遮光格子２のパターンと同
様の形状のパターンとなる。

【００２７】一方、不透明部材７が歪を有しており、点
光源Ｂからの光線の反射面に凸部が形成されているもの
とする。この場合には、図３（ｂ）に示すように、合焦
面４が一部で凸部を有する鏡面であるものとしてモアレ
縞の歪を考えることができる。なお、この場合には、合
焦面４の凸部による光線の光路長の変化は無視するもの
とする。

【００２８】この凸部によって合焦面４は傾斜し、この
部分において反射した点光源Ｂからの光線は、合焦面４
が平坦な場合に比べて回転する。この回転によって、図
２の実施例における透明板材８による光線の屈折と同様
に、遮蔽格子２の透過部を通過する光線の合焦面４にお
ける反射位置が図３（ａ）の場合と相違し、これらの光
線のレンズ１への入射角が変化する。これにより、レン
ズ１からの出射光は、図３（ａ），（ｂ）に示すよう
に、撮像面３の異なる位置において結像して明部…，Ｃ
-1′，Ｃ-2′，…を形成する。

【００２９】図３（ｂ）に示すように、合焦点Ａ1 〜Ａ
4 の間で反射した光線によるモアレ縞は、他の部分より
も明部のピッチが狭い。即ち、不透明部材７の表面が凸
状である場合には、この部分の反射光によるモアレ縞は
密となり、凹状の表面からの反射光によるモアレ縞は粗
となる。これにより、被測定物である不透明部材の表面
測定が可能である。

【００３０】更に、本実施例においては、図１及び図２
の実施例よりも高精度であるという利点がある。いま、
図３（ｂ）において凸部の所定の点における傾斜角度を
βとすると、光のテコの原理により、この点における光
線の回転角度は２βとなる。従って、この回転によるモ
アレ縞の明部の変位量ｔC は上記式（７）のαに２βを
代入した下記式（８）によって与えられる。 ｔC ＝（ｂ・ｃ／ａ′＋ｂ）・ｔａｎ（２β） …（８） このように、本実施例においては、モアレトポグラフィ
の原理を用いた図１及び図２の実施例による効果の外
に、光のテコの原理も用いることにより、被測定物の僅
かな傾斜を撮像面上にモアレ縞の大きな変位として高精
度に検出することができるという効果を有する。

【００３１】なお、上記各実施例においては、遮光格子
をレンズ１と点光源列５との間又はレンズ１と同一位置
に配置した例を示したが、遮光格子をレンズ１と撮像面
３との間に配置しても同様の効果を得ることができる。
図４はこの例を示しており、遮光格子12はレンズ１と撮
像面３との間に配置している。他の作用及び効果は図１
と同様である。

【００３２】図５は本発明の他の実施例を示す斜視図で
ある。本実施例は本発明を磁気テープの表面に発生する
僅かな座屈シワを非接触で測定する装置に適用したもの
である。

【００３３】Ｓガイド21、Ｃガイド22及びＴガイド23は
図示しない台上に植設している。これらのガイド21，2
2，23の円周面に摺接させて磁気テープ24をローディン
グする。磁気テープ24は図示しない走行手段によって、
ガイド21，22，23にガイドされながら図の矢印方向（水
平方向）に走行する。

【００３４】出射面が磁気テープ24の表面（磁性面）に
臨んだコールドライト25を配設する。このコードルライ
ト25の出射面には光源格子として図６に示す格子模様を
施したマイラシート26を配設する。コールドライト25及
びマイラシート26によって点光源列27を構成する。な
お、点光源列27の光軸は磁気テープ24の表面に垂直な方
向に５度傾斜している。

【００３５】一方、ＣＣＤカメラ28は、光軸を磁気テー
プ24の表面に垂直な方向に対して、点光源列27の反対側
に５度傾斜させて配置しており、点光源列27の放射光の
磁気テープ24による反射光を入射するようになってい
る。ＣＣＤカメラ28の入射面にはマイラシート26と同一
の格子模様の遮光格子シート29を配設している。ＣＣＤ
カメラ28は入射面と図示しない撮像面との間に図示しな
いレンズを有している。磁気テープ24の表面は鏡面性を
有しており、図３の合焦面４と同様に考えることができ
る。なお、磁気テープ24の表面からマイラシート26まで
の距離ｂは約５０ｍｍであり、磁気テープ24の表面から
遮光格子シート29までの距離ａ′は約８０ｍｍである。

【００３６】このように構成された実施例においては、
Ｓガイド21をＣガイド22の植設方向（鉛直方向）に変位
量ｚで下降変位させて磁気テープ24を座屈させる。これ
により、磁気テープ24の表面には座屈シワ30が発生す
る。Ｃガイド22の周辺部31に発生した座屈シワ30及び弛
みは、モアレ縞の変形としてＣＣＤカメラ28によって撮
像する。図７はＣＣＤカメラ28が撮像した写真を示す図
である。図７（ａ）乃至（ｆ）は夫々下降変位量ｚが
０．００ｍｍ，０．２５ｍｍ，０．５０ｍｍ，０．６０
ｍｍ，０．６５ｍｍ，０．７０ｍｍの場合を示してい
る。

【００３７】図７（ａ）は下降変位量ｚが０．００ｍｍ
であり、座屈シワが生じていない場合のものである。こ
の場合には、図７（ａ）に示すように、モアレ縞のピッ
チが均一である。一方、図７（ｆ）は下降変位量ｚを
０．７０ｍｍに設定した例である。この場合には、図７
（ｆ）に示すように、中央部、上端部及び下端部におい
てモアレ縞が歪んでいる。また、これらの部分のいずれ
もモアレ縞が他の部分よりも粗になっていることから、
磁気テープ24の表面が凹形状に変形していることが分か
る。

【００３８】なお、表面が平面でない部分、例えばガイ
ド21乃至23の位置では、ガイド21乃至23に沿ってハイラ
イト（照明光の照り返しによる光の筋）を観測すること
ができる。このハイライトは磁気テープ24の座屈によっ
ても観測することができるが、肉眼では、図７（ｆ）の
下降変位量ｚ＝０．７０ｍｍの座屈を僅かなハイライト
によって判別することができるのみである。これよりも
小さい座屈は、ハイライトによっても観測することはで
きない。

【００３９】ＣＣＤカメラ28のレンズ面から撮像面まで
の距離（組合わせレンズであるので等価値）ｃを１０ｍ
ｍとすると、モアレ縞の変位量ｔC は下記式（９）によ
って与えられる。 ｔC ＝５０・ｌ０／（８０＋５０）ｔａｎ（２β） ＝３．８ｔａｎ（２β） …（９） 例えば、所定の点における磁気テープ24表面の傾斜角度
βが１度であるものとすると、式（９）からモアレ縞の
変位量ｔC は０．１３ｍｍとなる。この場合には、ＣＣ
Ｄカメラ28として１／３インチＣＣＤを採用すると、そ
の横幅は約５ｍｍであるので、モアレ縞はモニタ画面横
幅の約０．１３／５、即ち、約１／４０だけ移動するこ
とになる。

【００４０】従来、テープジワの測定にはレーザー光等
の点光源を走査させて０．０１ｍｍオーダーの精度で測
定する方法が採用されていた。これに対し、本実施例に
おいては、ＣＣＤカメラ、照射用ライト及び０．１ｍｍ
オーダーのピッチの２枚の格子シートだけの極めて廉価
な装置で僅かなテープシワ及び弛み等を高精度に瞬時に
記録，測定することができる。しかも、測定に厳密な位
置決めをする必要が無く、作業が著しく簡単である。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、廉
価でしかも厳密な調整作業をすることなく、高精度の立
体測定を可能にすることができるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る非接触立体測定装置の一実施例を
示す説明図。

【図２】実施例の作用を説明するための説明図。

【図３】本発明の他の実施例を示す説明図。

【図４】本発明の他の実施例を示す説明図。

【図５】本発明の他の実施例を示す斜視図。

【図６】図５中のマイラシート及び遮光格子を説明する
ための説明図。

【図７】図５中のＣＣＤカメラが撮像した写真を示す
図。

【図８】モアレトポグラフィを説明するための説明図。

【符号の説明】

１…レンズ、２…遮光格子、３…撮像面、４…合焦面、
５…点光源列、７…モアレ縞

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 繰返しパターンの光源列と、 この光源列の放射光が透明の被測定物を介して入射しこ
   の入射光を所定の撮像面に導く集光部材と、 前記光源列と前記撮像面との間の光路上に配設した繰返
   しパターンの遮光格子と、 前記撮像面に結像するモアレ縞を観測する観測部とを具
   備したことを特徴とする非接触立体測定装置。
2. 【請求項２】 繰返しパターンの光源列と、 この光源列の放射光が鏡面の被測定物で反射して入射し
   この入射光を所定の撮像面に導く集光部材と、 前記光源列と前記撮像面との間の光路上に配設した繰返
   しパターンの遮光格子と、 前記撮像面に結像するモアレ縞を観測する観測部とを具
   備したことを特徴とする非接触立体測定装置。
3. 【請求項３】 前記被測定物は、合焦面上に配置するこ
   とを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の非接
   触立体測定装置。