JPH1123238A

JPH1123238A - ３次元の整形体を測定並びに監視するシステム

Info

Publication number: JPH1123238A
Application number: JP10112594A
Authority: JP
Inventors: Weiping Wang; ウェイピング・ワング; Michael Evans Graham; マイケル・エヴァンズ・グレイアム; John Knox Hinds; ジョン・ノックス・ハインズ; Garth M Nelson; ガース・エム・ネルソン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1997-04-25
Filing date: 1998-04-23
Publication date: 1999-01-29
Anticipated expiration: 2018-04-23
Also published as: US5857032A; JP4137225B2; EP0874332A3; EP0874332A2

Abstract

(57)【要約】【課題】３次元の整形体を直接的に測定並びに監視する
ためのシステムを提供する。【解決手段】物体の計算機モデル１４の投影を用い
て、３次元の整形体２０を測定並びに監視するシステム
１０であり、３次元の整形体の計算機モデル１４は格子
パターンの形をしている。格子パターンの計算機モデル
１４の画像が、二重投影システム１６及び１８から２つ
の方向に、物体２０の現物上に同時に投影される。計算
機モデル１４と物体２０の現物との間に変化があれば、
その変化が、現物２０上での２つの投影の干渉パターン
３６によって直接的に物体２０上で強調される。物体２
０の現物上での干渉パターン３６の数を計数する事によ
り、この変化が定量化される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の分野】この発明は全般的に３次元の整形体を測
定並びに監視する事、更に具体的に云えば、整形体の計
算機モデルの投影を用いて、３次元の整形体を測定並び
に監視する事に関する。

【０００２】

【発明の背景】ゲージ及びダイアル指示計器は、簡単な
形をした物体を測定するのに使われてきた伝統的な道具
である。然し、ゲージ及びダアヤル指示計器は、複雑な
３次元の整形体を測定するのにあまり役立たない。注文
製の形板が、複雑な３次元の整形体を測定するために使
われてきた１形式の道具である。注文製の形板は、整形
体の断面形を調べる事により、３次元の複雑な整形体を
測定する。注文製の形板を使って複雑な３次元の整形体
を測定する事に伴う問題は、形板が高価である事があ
り、整形体を測定して結果を解釈するには、相当の腕を
必要とする事である。計算機制御の座標測定機（ＣＣ
Ｍ）は、複雑な３次元の整形体を測定するために使われ
てきた別の形式の道具である。ＣＣＭは、整形体の寸法
を測定する事により、複雑な３次元の整形体を測定す
る。特に、ＣＣＭは、機械的なプローブ又はレーザ距離
検出器を使って、物体を探査して座標を記録するように
プログラムされている。典型的には、ＣＣＭは長ったら
しいプログラミング、探査サイクル及び設定を必要とす
る。こういう制約のために、加工、整形又はその他のプ
ロセスの設備に取付けられるプロセス上の部品を測定並
びに監視するのにＣＣＭを使う事は出来ない。プロセス
上の部品をプロセスから取外し、この部品を測定するよ
うにＣＣＭを設定し、部品を再びプロセスに戻して装填
するのに費やされる時間のため、製造の作業の流れが中
断されて手に負えない。投影モアレ・システムは、プロ
セス上の部品の測定並びに監視に使われてきた一形式の
道具である。こういうシステムでは、プロセス上の部品
の格子画像がフィルムに記録され、部品と画像の間の違
いが一連のモアレ縞となってフィルム上に現れる。然
し、プロセス上の部品の測定並びに監視に投影モアレ・
システムを使う事に伴う問題は、こういうシステムは、
プロセス上の部品の現物で、このフィルム上の違いを直
接的に目に見えるようにする事が出来ない事である。従
って、特に従来の接触型の測定道具又は投影モアレ・シ
ステムを使うのが現実的でないような製造プロセスで、
３次元の整形体を直接的に測定並びに監視するための更
に良い道具の必要がある。

【０００３】

【発明の要約】この発明は、３次元の整形体の計算機モ
デルの投影を使う事により、従来の接触型測定道具及び
投影モアレ・システムによる制約を乗り越える。計算機
モデルは、計算機支援設計（ＣＡＤ）データか、又はＸ
線或いは磁気共鳴作像（ＭＲＩ）装置から得られる３次
元の計算機式断層写真法（ＣＴ）の画像データのような
その他のディジタル化した形式を使う事により、数式の
形で作成されるのが典型的である。この発明では、３次
元の整形体の計算機モデルが複数個の格子パターンの形
をしている。格子パターンの計算機モデルの画像が、２
つの投影器により、２つの方向から同時に物体の現物上
に投影される。計算機モデルと物体の現物との間に変化
があれば、その変化は、格子パターンの計算機モデルの
画像の２つの投影の干渉パターンにより、直接的に物体
上で強調される。物体の現物上の干渉パターンの数を計
数する事により、この変化が定量化される。この発明
は、加工作業並びに複合組合わせ作業のような製造プロ
セスに特に適しており、そういう場合、作業の流れを中
断せずに、変化を素早く検出して是正する事が出来る。
この発明は外科手術にも良く適している。その場合、内
部器官の画像を直接的に手術の場所で投影し、手術を行
う医師の助けとして使う事が出来る。

【０００４】従って、この発明では、３次元の整形体を
監視する方法とシステムが提供される。この発明では、
計算機によって、３次元の整形体のモデルを作成する。
３次元の整形体のモデルは複数個の格子パターンを持っ
ている。第１の投影器が格子パターンの計算機によって
作成されたモデルの画像を投影する。第２の投影器が、
格子パターンの計算機によって作成されたモデルの画像
を投影する。第１の投影器及び第２の投影器は重なり合
う投影空間を有する。変換手段が、実時間で、格子パタ
ーンの計算機によって作成されたモデルの画像を第１の
投影器及び第２の投影器に対して変換する。この変換手
段は、格子パターンの計算機によって作成されたモデル
上にある個々のデータ点を突き止め、これらのデータ点
を第１の投影器及び第２の投影器に写像する事によっ
て、画像を第１の投影器及び第２の投影器に対して変換
し、格子パターンの計算機によって作成されたモデルの
画像が、第１の投影器及び第２の投影器から物体の現物
上に投影される。第１の投影器及び第２の投影器から投
影された、格子パターンの計算機によって作成されたモ
デルの画像を物体の現物と比較する。その後、現物上
の、格子パターンの計算機によって作成されたモデルの
投影された画像の間の変化があれば、それを判定する。

【０００５】

【発明の詳しい説明】図１はこの発明による３次元の整
形体を測定並びに監視するシステム１０を示す。システ
ムは、３次元の整形体の計算機モデル１４を作成する計
算機１２を含む。３次元の整形体のモデルは、その物体
の幾何学的な情報を含んでいて、複数個の格子パターン
の形をしている。格子パターンのモデルは、ＩＧＥＳフ
ァイルのような商業的な標準の計算機支援設計（ＣＡ
Ｄ）データに基づいている。格子は、モデルの表面と一
連の平行な平面とを交差させる事によって、計算機に取
込む。計算機が、格子パターンのモデルを、重なり合う
投影空間を持つ第１の投影器１６及び第２の投影器１８
に対して変換する。格子パターンの計算機モデルの画像
が、３次元の整形体の現物２０上に、第１の投影器１６
及び第２の投影器１８から同時に投影される。現物２０
上にある特徴２２（即ち、面、縁など）の形状が、計算
機モデルと同じであれば、第１の投影器１６及び第２の
投影器１８からの投影が、その特徴と一致する。然し、
第１の投影器１６及び第２の投影器１８からの投影が特
徴２２と一致しないと、夫々第１の投影器及び第２の投
影器からの投影２４及び２６が互いに干渉すると共に、
現物上に直接的にある特徴と干渉する。特徴２２が計算
機モデル１４と異なる区域が、干渉のパターン又は輪郭
となって現れる。計算機モデルと現物上の特徴との間の
違いが、干渉パターンの数を計数する事によって定量化
される。

【０００６】第１の投影器１６及び第２の投影器１８の
両方が、ネットワーク２８を介して計算機１２に接続さ
れ、現物２０上に重なり合う投影空間を持つように設定
される。第１の投影器１６及び第２の投影器１８は何れ
も、光ビームを放出する光源３０と、光ビームを受取
り、計算機１２からの格子パターンのモデルの画像を現
物２０上に転写する投影段３２と、格子パターンの計算
機モデルの画像を現物上の特徴２２に差向ける光学手段
３４（即ち、レンズ及び鏡のような一連の光学的な装
置）とを有する。計算機によって作成されたモデルが格
子を持たない場合、各々の投影器は格子パターンを持つ
モデルを投影するために格子スクリーンを持っていて良
い。この発明では、投影器は計算機制御のレーザ・スキ
ャナ又はオーバヘッド・プロジェクタのような光学装置
であって良い。計算機制御のレーザ・スキャナを使う場
合、投影段３０は光結晶ダイオード（ＬＣＤ）パネルで
あって良い。オーバヘッド・プロジェクタを使う場合、
投影段は平坦な透明スライドであって良い。この発明は
計算機制御のレーザ・スキャナに制限されるものではな
く、光放出ダイオード（ＬＥＤ）パネル、陰極線管（Ｃ
ＲＴ）、不透明な投影器、又は写真スライド・フォルダ
のようなこの他の計算機制御の装置を使う事が出来る。
更に、この発明はオーバヘッド・プロジェクタに制限さ
れるものではなく、スライド投影器のようなこの他の光
学装置を使う事が出来る。どの光学装置を使うかに関係
なく、プリンタ又はプロッタを使って、格子パターンの
モデルのグラフ式ハードコピーを作成し、透明陽画とし
て使う。

【０００７】この発明では、現物２０は何ら特別の設定
或いは格子パターンの計算機によって作成されたモデル
１４との位置合せを必要としない。特に、格子パターン
の計算機によって作成されたモデル１４及び現物が、計
算機１２によって実時間で行われる空間変換によって結
合される。この変換では、格子パターンのモデル上にあ
る個々のデータ点が第１の投影器１６及び第２の投影器
１８に写像され、格子パターンのモデルの画像が両方の
投影器から現物２０の特徴上に投影されるようにする。
この空間変換が図２に示す統一座標系を用いる。

【０００８】

【数１】

【０００９】

【数２】

【００１０】行列の乗算を実施すると次の４つの方程式
が得られる。ａ₁₁ｗ₁ｘ₁＋ａ₁₂ｗ₁ｙ₁＋ａ₁₃ｗ₁ｚ₁＋ａ₁₄ｗ₁＝ｗ₁′
ｘ₁′ ａ₂₁ｗ₁ｘ₁＋ａ₂₂ｗ₁ｙ₁＋ａ₂₃ｗ₁ｚ₁＋ａ₂₄ｗ₁＝ｗ₁′
ｙ₁′ ａ₃₁ｗ₁ｘ₁＋ａ₃₂ｗ₁ｙ₁＋ａ₃₃ｗ₁ｚ₁＋ａ₃₄ｗ₁＝ｗ₁′
ｚ₁′ ａ₄₁ｗ₁ｘ₁＋ａ₄₂ｗ₁ｙ₁＋ａ₄₃ｗ₁ｚ₁＋ａ₄₄ｗ₁＝ｗ₁′ 同様にＰ₂及びＰ₂′と、Ｐ₃及びＰ₃′と、Ｐ₄及びＰ₄′
に対し、下に示すように、更に１２個の方程式が得られ
る。

【００１１】ａ₁₁ｗ₂ｘ₂＋ａ₁₂ｗ₂ｙ₂＋ａ₁₃ｗ₂ｚ₂＋ａ
₁₄ｗ₂＝ｗ₂′ｘ₂′ａ₂₁ｗ₂ｘ₂＋ａ₂₂ｗ₂ｙ₂＋ａ₂₃ｗ₂ｚ
₂＋ａ₂₄ｗ₂＝ｗ₂′ｙ₂′ ａ₃₁ｗ₂ｘ₂＋ａ₃₂ｗ₂ｙ₂＋ａ₃₃ｗ₂ｚ₂＋ａ₃₄ｗ₂＝ｗ₂′
ｚ₂′ ａ₄₁ｗ₂ｘ₂＋ａ₄₂ｗ₂ｙ₂＋ａ₄₃ｗ₂ｚ₂＋ａ₄₄ｗ₂＝ｗ₂′ ａ₁₁ｗ₃ｘ₃＋ａ₁₂ｗ₃ｙ₃＋ａ₁₃ｗ₃ｚ₃＋ａ₁₄ｗ₃＝ｗ₃′
ｘ₃′ ａ₂₁ｗ₃ｘ₃＋ａ₂₂ｗ₃ｙ₃＋ａ₂₃ｗ₃ｚ₃＋ａ₂₄ｗ₃＝ｗ₃′
ｙ₃′ ａ₃₁ｗ₃ｘ₃＋ａ₃₂ｗ₃ｙ₃＋ａ₃₃ｗ₃ｚ₃＋ａ₃₄ｗ₃＝ｗ₃′
ｚ₃′ ａ₄₁ｗ₃ｘ₃＋ａ₄₂ｗ₃ｙ₃＋ａ₄₃ｗ₃ｚ₃＋ａ₄₄ｗ₃＝ｗ₃′ ａ₁₁ｗ₄ｘ₄＋ａ₁₂ｗ₄ｙ₄＋ａ₁₃ｗ₄ｚ₄＋ａ₁₄ｗ₄＝ｗ₄′
ｘ₄′ ａ₂₁ｗ₄ｘ₄＋ａ₂₂ｗ₄ｙ₄＋ａ₂₃ｗ₄ｚ₄＋ａ₂₄ｗ₄＝ｗ₄′
ｙ₄′ ａ₃₁ｗ₄ｘ₄＋ａ₃₂ｗ₄ｙ₄＋ａ₃₃ｗ₄ｚ₄＋ａ₃₄ｗ₄＝ｗ₄′
ｚ₄′ ａ₄₁ｗ₄ｘ₄＋ａ₄₂ｗ₄ｙ₄＋ａ₄₃ｗ₄ｚ₄＋ａ₄₄ｗ₄＝ｗ₄′

【００１２】

【数３】

【００１３】変換行列は、従来のシステムで必要であっ
たように、格子パターンのモデル内にあるモデルの個別
の特徴又はその他の幾何学的な画像の特性の場所を精密
に整合させ且つ設定するという時間のかかる工程をなく
す。システム１０の設定は、２台の投影器の動作範囲内
に現物２０を配置する事によって行われる。必要であれ
ば、第１の投影器１６及び第２の投影器１８の両方にあ
る光学手段３４を調節して、現物が２台の投影器からの
投影の被写界深度内に位置決めされるようにする。特に
現物上の４点（Ｐ₁、Ｐ₂ 、Ｐ₃ 、Ｐ₄）は、確認しやす
いように選択し、マークを付ける。

【００１４】

【数４】

【００１５】現物２０の形状が格子パターンの計算機モ
デルの形状と同じであれば、第１の投影器１６及び第２
の投影器１８から投影された２つの画像が、現物上で正
確に重畳される。そうでなく、現物と格子パターンのモ
デルが異なっていれば、第１の投影器１６及び第２の投
影器１８の両方から投影された画像が互いに干渉する。
第１の投影器１６及び第２の投影器１８からの格子パタ
ーンのモデルの投影の間に干渉があると、計算機モデル
と現物との間の違いが強調される。図４は、第１の投影
器及び第２の投影器からの、ファンの羽根のような現物
の特徴に対する格子パターンの計算機モデルの投影を示
す。この投影は、密実なモデルの表面を現物上の１組の
並行で等間隔の平面で切断する事によって作成された一
連の曲線の形をしている。投影Ａは、第１の投影器１６
からの格子パターンのモデルの投影であり、投影Ｂは、
第２の投影器１８からの格子パターンのモデルの投影で
ある。投影Ａ及びＢが格子パターンの同じモデルに基づ
いているが、図４に示した違いは、現物２０の特徴２４
上での第１の投影器１６及び第２の投影器１８の投影角
度の違いによるものである。

【００１６】図５は、第１の投影器１６及び第２の投影
器１８からの投影の光の格子が現物２０の表面で出会う
事を示している。この発明では、第１の投影器１６及び
第２の投影器１８からの投影の光の格子の干渉は、格子
パターンの計算機モデルがどのくらい良く現物の表面と
合っているかを示す。格子パターンの計算機モデル１４
が現物の表面と異なる区域が、図５では周期的な構造的
な干渉パターン３６として示されている。干渉の周期的
な構造的なパターンが、現物の表面上では輪郭の形で現
れる。こういう輪郭は、現物２０の表面上での第１の投
影器１６及び第２の投影器から投影された光格子の組合
わせの結果である。図６は、輪郭を持つ現物上に投影さ
れた画像の一例を示す。図６で、現物の特徴は、いくつ
かの輪郭パターンがある特徴の中心を除いて、格子パタ
ーンの計算機モデルと同じである。

【００１７】格子パターンのモデルと現物との間の変化
は、格子パターンの計算機モデルに対する現物の距離に
基づいている。格子パターンの計算機モデルの投影が、
モデルを１組の平行で等間隔の平面と交差させる事によ
って作成された一連の曲線の形である場合、モデルと現
物との間の距離は、一方の投影器の方向を交差平面と平
行に定める事によって決定する事が出来る。格子パター
ンの計算機モデルと現物の表面上の輪郭との間の距離は
次のように決定される。

【００１８】 δ＝ｎλ ／ｔａｎ α （５）ここで、δは現物の表面上の輪郭の上にある点からの距
離、αは第１の投影器及び第２の投影器の間の角度、λ
は２つの平行平面の間の距離であり、ｎは輪郭の数を表
す整数（即ち１、２、３、．．．）である。一般的に、
システム１０は第１の投影器及び第２の投影器の間の角
度αが一定と仮定されるように設定される。従って、格
子パターンのモデルと現物との間の変化は、現物の表面
上の干渉パターン又は輪郭の数を計数する事によって定
量化される。システムの分解能は、平行平面の距離λを
変える事により、又は第１の投影器及び第２の投影器の
間の角度αを調節する事によって、調節する事が出来
る。

【００１９】現物の特徴が格子パターンの計算機モデル
と異なる場合、モデルが現物に等しくなるか或いは受け
入れられる限界内になるまで、現物を修正する事が出来
る。この発明では、第１の投影器１６及び第２の投影器
１８から投影された画像の間の干渉パターンが、現物の
表面からなくなるまで、現物を修正する。例えば、加工
の製造プロセスでは、観察された変化を計算機制御の機
械に入力し、この機械が生産の変動を補償する。現物上
に投影された輪郭の数が受け入れられる限界内になるま
で、加工の変化を手作業で是正する事も可能である。何
百もの層を手作業でトゥーリング・マシン上に配置する
複合組合わせのような組立作業では、前に述べた従来の
ＣＭＭ方式に頼らずに、この発明によって、オペレータ
による変化又は材料による変化を素早く修正する事が出
来る。この発明は種々の外科手術にも適しており、内部
器官の画像を再生して、皮膚又はその他の組織の可視層
に投影する時、医師が「皮膚を通して」人体を視る助け
にする事が出来る。その結果、外科又はその他の中間の
手順を一層精密に計画し且つ実施する事が出来、こうい
う計画を手術の場所で直接的に投影する事が出来る。こ
の例ではＭＲＩ又はＣＴのような作像源で発生された空
間データを計算機で作成したモデルの代わりに直接的に
使う事が出来る。格子パターンは計算機により、又は投
影スクリーンを使う事によって形成する事が出来る。

【００２０】従って、この発明により、前に述べた目的
並びに利点を十分に満たす物体の計算機モデルの投影を
用いて３次元の整形体を測定並びに監視するシステムと
方法が提供された事は明らかであろう。この発明をいく
つかの実施例について説明したが、この発明の範囲を逸
脱する事なく、当業者には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】

【図１】この発明に従って３次元の整形体を測定並びに
監視するシステムの図。

【図２】この発明で投影変換を実施するために使われる
統一座標系の図。

【図３】この発明で使われる二重投影システム内の一方
の投影器に対して、格子パターンの計算機モデルを現物
と整合させる事を示す図。

【図４】この発明の二重投影システムで第１の投影器及
び第２の投影器から格子パターンの計算機モデルを投影
する事を示す図。

【図５】第１の投影器及び第２の投影器から現物の表面
上に投影された光格子の干渉を示す図。

【図６】第１の投影器及び第２の投影器から現物上に投
影された輪郭を持つ画像の例を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者マイケル・エヴァンズ・グレイアムアメリカ合衆国、ニューヨーク州、スリンガーランズ、クリフトン・ウェイ、31番 (72)発明者ジョン・ノックス・ハインズアメリカ合衆国、ニューヨーク州、グレンヴィル、ヴィア・リノ、２番 (72)発明者ガース・エム・ネルソンアメリカ合衆国、ニューヨーク州、ボールストン・レイク、ハンティングトン・パークウェイ、２番

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】３次元の整形体２０を監視するシステム１
０に於て、格子パターンを持つ３次元の整形体２０のモ
デル１４を作成する計算機１２と、格子パターンの計算
機によって作成されたモデル１４の画像を投影する第１
の投影器１６と、格子パターンの計算機によって作成さ
れたモデル１４の画像を投影する第２の投影器１８とを
有し、第１の投影器１６及び第２の投影器１８は重なり
合う投影空間を持ち、更に、格子パターンの計算機によ
って作成されたモデル１４の画像を実時間で第１の投影
器１６及び第２の投影器１８に対して変換する手段１２
を有していて、格子パターンの計算機によって作成され
たモデル１４上にある個々のデータ点が第１の投影器１
６及び第２の投影器１８に写像され、格子パターンの計
算機によって作成されたモデル１４の画像が第１の投影
器１６及び第２の投影器１８から整形体２０の現物に投
影されるようにされ、更に、第１の投影器及び第２の投
影器１８から投影された格子パターンの計算機によって
作成されたモデル１４の画像を整形体２０の現物と比較
する手段を有していて、該比較する手段は現物２０上
の、格子パターンの計算機によって作成されたモデル１
４の投影された画像の間の変化があれば、それを判定す
る、システム。
【請求項２】前記変換する手段１２が、第１の投影器
１６及び第２の投影器１８から投影される画像に対し、
格子パターンの計算機によって作成されたモデル１４と
整形体２０の現物との間で座標変換を行い、前記変換す
る手段１２は、格子パターンの計算機によって作成され
たモデル１４上の複数個のデータ点並びに整形体２０の
現物上の対応する複数個のデータ点を任意に選択し、整
形体２０の現物からの複数個のデータ点を、格子パター
ンの計算機によって作成されたモデル１４上にある対応
する複数個のデータ点に関係付ける事によって、前記座
標変換を行う請求項１記載のシステム。
【請求項３】前記変換する手段が座標変換から変換行
列を導き出す請求項２記載のシステム。
【請求項４】前記変換行列が、物理的な空間にある整
形体の現物に対し、格子パターンの計算機によって作成
されたモデルを回転させ、倍率をかけ、反射し、剪断す
る請求項３記載のシステム。
【請求項５】第１の投影器及び第２の投影器が何れ
も、光ビームを放出する光源と、前記光ビーム並びに格
子パターンの計算機によって作成されたモデルの画像を
受取る投影段と、格子パターンの計算機によって作成さ
れたモデルの画像を整形体の現物に差向ける光学手段と
で構成されている請求項１記載のシステム。
【請求項６】前記比較する手段は、整形体２０の現物
上の第１の投影器１６から投影された画像と、整形体２
０の現物上の第２の投影器１８から投影された画像の間
の干渉パターン３６を突止める事により、整形体２０の
現物上の、格子パターンの計算機によって作成されたモ
デル１４の投影された画像の間の任意の変化を判定する
請求項１記載のシステム。
【請求項７】整形体２０の現物上の干渉パターン３６
の数を決定する事により、整形体２０の現物上の、格子
パターンの計算機によって作成されたモデル１４の投影
された画像の間の変化を定量化する手段を更に有する請
求項６記載のシステム。
【請求項８】整形体２０の現物上の、第１の投影器１
６から投影された画像及び第２の投影器１８から投影さ
れた画像の間の干渉パターン３６がなくなるまで、整形
体２０の現物を修正する手段を更に有する請求項７記載
のシステム。