JPS61260108A - ３次元計測方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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ィに代表されるよう
な、縞を利用した３次元計測に関するものである。

（従来技術とその問題点） モアレトポグラフィは、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・オプティックスＪ　（
Ａｐｐｌｉｅｄ　０ｐｔｉｃｓ）。

９巻、　１９７０年、　１４６７〜１４７２ページに記
載の論文「モアレ・トポグラフィ（Ｍｏｉｒ！　Ｔｏｐ
ｏｇｒａｐｈｙ月に述べられている。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によって照射する。

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今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
トポグラフィについては、例えば雑誌「アプライド・オ
プティックス（ＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ）２２巻、
　１９８３年、　８５０〜８５５ページに記載の論文［
自動３次元トポグラフィにおける移動格子法を用いた投
影法モアレ（Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ　Ｍｏ１ｒ６　ｗｉ
ｔｈ　ｍｏｖｉｎｇｇｒａｎｔｉｎｇｓ　ｆｏｒ　ａｎ
ｔｏｍａｔｅｄ　３−Ｄ　ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ）　Ｊ
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った。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・オプティ・ソシ
ス（Ａｐｐｌｉｅｄ　０ｐｔｉｃｓ）　Ｊ９巻、　１９
７０年、　１４６７〜１４７２ページに記載の論文「モ
アレトポグラフィ（Ｍｏｉｒ６Ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ）
　Ｊに述べられている。

（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
なる欠点があった。

（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。

（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。

（作用・原理） ホログラフィックレーザスキャナに代表されるホログラ
フィックレーザビーム走査装置においては、いくつかの
ホログラムをディ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
ラフィックレーザスキャ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。

以下余白 （１）式をフーリエ級数に展開すると 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 である。（３）式で、Ｐ、■はそれぞれＸ方向、Ｘ方向
の空間周波数を表わす。（３）式をフーリエ変換すると
Ｘｔｘｐ（ＣｘＥ、＋ｙ１１））ｄｘｄｙ＝Ｌ会δ（＋
ｙ）”Ａ（δ（Ｘ−λｆｐ、ｙ−λｆｖ）十δ（２＋λ
ｈ、ｙ＋λｆＶ司一−（δ（ニー３入ｆｐ、ｙ−３人ｆ
ｖ）＋８ｃｘ＋３λ／）１．３１　＋３λ／Ｙ））ｎ ・・＋ｎ２　　　　　　　・・・（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。

一方、正弦波状の単純格子の振幅透過関数は、である。

（５）式をフーリエ変換すると（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。従って、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。

（実施例） 第１図は、半導体レーザ１とホログラフィックレーザス
キャナ４によって構成されるモアレトポグラフィに、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、コリメーティングレンズ２によ
っ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、ホログラフィックレーザスキャナ４
のホログラムレンズ５によって、物体６を走査する。こ
の時、第２図に示すタイミングチャートのようにエンコ
ーダ１２によって、スキャナの回転周期信号（ａ）をＧ
Ｐ−ＩＢインタフェ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
ンタフェイスを有するファンクションジェネレータなど
の波形形成装置１０に対して決められた周波数の正弦波
（ｅ）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、スキャナの回転速度をＷｒｐｍ、スキャ
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右カメラ撮像する。複数のフレーム
メモリとＧＰ−ＩＢ不シンタフェイス有し、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によっ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によっ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。

（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。

【図面の簡単な説明】

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ャートを示す図、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
モアレトポグラフィの従来例を示す図、第６図は格子投
影型モアレトポグラフィの従来例を示す図である。 図において １・・・半導体レーザ ２・・・コリメーティングレンズ　３・・・円筒レンズ
４・・・ホログラフィックレーザスキャナ５・・・ホロ
グラムレンズ　６・・・物体７・・・ＴＶ右カメラ　　
　　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・・・
格子工業技１．；τ院長。 亭　　２　　図 亭　３　図 位　　Ｉ 茎　４　　ａ ！ｎ　ｉ ギ　　　５　　　図 季　　　乙　　　図 χ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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。