JPH0153721B2

JPH0153721B2 -

Info

Publication number: JPH0153721B2
Application number: JP57155299A
Authority: JP
Inventors: Koruto Hansuuerudoman
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1981-10-09
Filing date: 1982-09-08
Publication date: 1989-11-15
Also published as: JPS58122409A; DE3170315D1; EP0076866A1; EP0076866B1

Description

【発明の詳細な説明】本発明は光セクシヨニング法及びその方法を実
施するための構成に関する。

光セクシヨニング法は表面の粗さ及び構造を試
験する公知の方法である。そのために、試験され
るべき表面に主の線状の構造（単一の光帯又は
明／暗の縞状パターン）を投影し、投影方向に対
して角度αでそれを観察する。このようにして作
られた像の縞状パターンの歪みから、縞状パター
ンの投影された表面の形状が導かれる。この方法
において、例えば表面の非平坦性、傾き、縁等を
決定する事ができる。

光セクシヨニング法によつて検知できる物体の
深さ範囲は、投影された構造のフイールドの深さ
によつて制限される。評価において得られる深さ
の分解能は非平坦性によつて生じる線構造の最小
の横変位に、投影方向と観察方向との間の角度α
のタンジエントを乗じたものによつて決定され
る。一般にこの角度αは、像のフイールドの深さ
が有効に利用され物体における影領域が小さく保
たれるように、小さく保たれなければならないの
で、深さの分解能は常に横分解能よりも小さい。
厚い構造の物体の場合、投影された構造は比較す
ると大きくなければならず、従つてそれは結果と
して得られた像上になお認めることができる。し
かしながら、多くの場合に大きな面積の線構造
は、結果的な像において密接した線を生じ、従つ
て物体形状は一意的に決定され得ない。

従つて本発明の目的は、深さの分解能が非常に
高い前述の種類の光セクシヨニング法を提供する
事である。

ここで提案する、互いに移相されたスペクトル
的に符号化された投影パターンを用いた補間的光
セクシヨニング法は、非常に正確な実時間的な表
面形状の決定を可能にする。適当な符号化手段を
与えれば、この方法は照明の型及び試験すべき物
体の固有の色彩に独立である。表面形状の記録
（例えば等高線像の生成）に加えて、この方法は
その高い動作速度により例えば産業用ロボツトに
関連して物体検出に用いる事ができる。

本発明を実施する方法を図面を参照しながら以
下詳細に説明する。

この位相感受性光セクシヨニング法によれば、
各々正弦波的な空間的輝度分布を有しスペクトル
的符号化によつて互いに区別される３つの縞状パ
ターンが被試験表面に投影される。これら３つの
縞状パターンは、互いに±120゜変位するように配
置される。被試験表面に投影されたこの縞状パタ
ーンは投影方向に対してαの角度で観測され、３
つのスペクトル帯の各強度が像フイールドの各点
で測定される。３つの正弦的格子の互いの相対的
な変位は既知（即ち±120゜）なので、各像点の相
対的な（空間的）位相は３つの測定点から明瞭に
決定され、乱れのない表面の場合に存在すべき公
称的位相と比較される。相対的な位相は公知のビ
デオ技術手段によつて非常に容易に決定できる。

位相感受性光セクシヨニング法の詳細を以下第
１図に示す構成によつて説明する。光源１００は
コンデンサ・レンズ１０１を経て縞フイルタ１０
２を照明する。その縞はこの例では図の面に垂直
に配置されている。通常の光セクシヨニング法の
場合、この縞フイルタは代りに不透明領域及び透
明領域から形成される。結像レンズ１０３は、縞
フイルタを被試験表面１０４上に結像させる。こ
の例では表面１０４は結像系の軸に垂直に（そし
て図の面に垂直に）配置されている。投影された
縞状パターンは、投影方向に関してαの角度で観
測され、TVカメラ１０６の感光面に投影されビ
デオ・モニタ１１７に表示される。

もし表面１０４に例えば深さ△ｈの凹部１０５
があれば、乱れのない面１０４の点Ｐ上に投影さ
れた縞はTVカメラの像において△ｘ変位してい
るように見える。但し△ｘ＝△ｈ・tanαである。
従つて深さ△ｈは像の横変位△ｘから決定でき
る。

本発明の最も単純な実施例において、上述の先
行技術の縞フイルタは、異なつた色の３つの縞フ
イルタを互い違いに重ねた縞フイルタによつて置
き代えられる。（例えば水平の）Ｘ方向において、
これらのフイルタの各々は対応する光の波長に関
して正弦波的な透過曲線を有する。第２Ａ図は、
第２Ｂ図のＢ（青）、Ｇ（緑）及びＲ（赤）と表示さ
れた３つの波長領域に関する縞格子の光透過Ｔの
空間的変動を示す。考慮している波長域毎に、第
２Ｂ図によるスペクトル透過は単なる吸収フイル
タに対応する。これらの特性を持つ縞フイルタは
例えばカラー透明フイルムを適当に露光する事に
よつて作成してもよい。

表面１０４上の投影された色符号化縞フイルタ
はTVカメラ１０６によつて感知され、二色性ビ
ーム・スプリツタ１０８，１０９によつて、縞パ
ターン１０２を構成するスペクトル帯Ｂ，Ｇ及び
Ｒに分割される。二色性ビーム・スプリツタ１０
８の透過係数Ｔ（ここで透過係数とは光の透過率、
すなわち反射せずに通過する光の割合のことであ
り、例えばある波長において透過係数＝１である
とすれば当波長の光は100％透過することを示す。
０であれば100％反射するということである。）は
第２Ｄ図に示すような曲線を有し、ビーム・スプ
リツタ１０９の透過係数Ｔは第２Ｃ図に示すよう
な曲線を有する。適当な位置の反射鏡１１０，１
１１で反射した後、３つの色部分Ｒ，Ｇ，Ｂはカ
メラ管１１２，１１３，１１４に到達し、それに
よつて像点の各スペクトル強度が決定される。こ
れら３つの強度値の各々は、相対的位相シフトが
既知（即ち±120゜）の３つの正弦的関数の１つに
対応するので、正弦的関数の絶対的位相Ψを決定
することができる。これらは次のように書かれ
る。

Ｒ＝Ｍ＋Ａ・sinΨ Ｇ＝Ｍ＋Ａ・sin（Ψ−120゜）Ｂ＝Ｍ＋Ａ・sin（Ψ＋120゜）但しＭは正弦的関数の平均値、Ａは振幅であ
る。位相Ψは縞フイルタの位置座標と一意的な相
関を有する。

三角関数の関係式、及び、Ｍ＝１／３（Ｒ＋Ｇ＋Ｂ）Ａ・sinΨ＝Ｒ−ＭＡ・sin（Ψ＋120゜）＝Ｂ−ＭＡ・sin（Ψ−120゜）＝Ｇ−Ｍを用いれば所望の位相Ψに関して次式が得られ
る。

tanΨ＝√３（Ｇ−Ｍ）＋（Ｂ−Ｍ）／（Ｂ
−Ｍ）−（Ｇ−Ｍ）ビデオ信号が処理される時、伝送に関するビデ
オ標準に従つて値Ｍ及びＧ−Ｍ、Ｂ−Ｍも作られ
る（いわゆるＹ信号即ち輝度信号Ｒ＋Ｂ＋Ｇ並び
にＢ−Ｙ及びＲ−Ｙの線型結合から作られる色度
信号）。

表面１０４の被走査像の各像点x₀の位相Ψはこ
のようにして何の困難もなく標準的なTV回路１
１５及び１１６において作られ、従つて像点の各
位相はモニタ１１７上に表示できる。もし像点の
位相が、例えば像点が表面の凹部１０５に位置す
る時に基準点に関して変化すれば、位相の変化か
ら高さの変化△ｈを導く事ができる。ビデオ技術
信号処理に用いられる回路の詳細は例えば欧州特
許出願第811025535号に説明されている。

縞フイルタ１０２の３つの成分の正弦波的変調
は、各縞の間の非常に微細な補間を可能にするの
で、この光セクシヨニング法は深さにおいて高い
分解能を保証する。像全体の相対的位相の点毎の
決定及び各点の位相関係の視覚的表示は上述の
TV技術手段によつて非常に迅速に行なわれるの
で、実時間的な評価が可能である。

さらにTVカメラ１０６の出力信号は、さらに
別の処理のために（信号線１１８上を）計算機へ
供給し、この情報によつて等高線の発生又は物体
の検出を行なう事ができる。

これまで述べた本発明の例では色Ｒ，Ｇ，Ｂに
よつて区別可能な縞フイルタを用いていたが、そ
の場合TVカメラにおける位相評価が被試験物体
の固有の色によつて影響を受ける可能性がある。
これを取り除くために、３つの空間的に変位した
正弦波的縞状パターン（第３Ａ図）が第２Ｂ図の
ような狭いスペクトル帯によつては区別されず複
数の個々の非常に狭いスペクトル帯（スペクトル
線）によつて区別されるような縞フイルタを用い
る事ができる。そのようなフイルタのスペクトル
透過特性は第３Ｂ図に示されている。即ち第１の
縞状パターンは破線で示した全てのスペクトル線
を含み、第２の縞状パターンは実線で示した全
てのスペクトル線を含み、そして第３の縞状パ
ターンは点破線で示した全てのスペクトル線を
含む。線，及びは各々波長λ₁，λ₂，λ₃…に
接近している。３つの縞状パターンをスペクトル
的に分離するために、TVカメラ１０６中のビー
ム・スプリツタ１０８及び１０９は各々第３Ｃ図
及び第３Ｄ図に示すような透過スペクトルを特た
なければならない。第１のビーム・スプリツタは
スペクトル線を全て反射し、第２のものはスペ
クトル線を全て反射する。

縞フイルタ１０２中の各縞パターンのそのよう
なマルチスペクトル符号化は光くし型フイルタに
よつて行なう事ができる。それらは１つ又はいく
つかの薄い透明層から成る誘導体フイルタであつ
て、その層の厚さが透過のスペクトル位置を決定
し、層の数が透過帯のスペクトル幅を決定する。
第３Ｂ図の透過スペクトルを有し第３Ａ図に従つ
て透過率が空間的に正弦波的に変化する縞フイル
タは厚さが空間的に変化する層を用いて製作でき
る。第４図は所望の特性を有する縞フイルタの空
間座標ｘに関する高さプロフアイル４１を示す。
そのようなフイルタは異なつた隣接領域42、43、
44から構成される。その各々は異なつた厚さ
（d1、d2、d3）を有し、従つて異なつたスペクト
ル帯を透過させ、そしてその幅（b1、b2、b3）
は周期的に増減する。第４図の例では各帯域の幅
（μｍ）は次式によつて決定される。

b1＝1.5＋cosΨ b2＝1.5＋cos（Ψ＋120゜） b3＝1.5＋cos（Ψ−120゜）角度Ψは以前に説明した位相角に対応する。第
４図の例ではこの角度は4πの位相角がｘ方向の
90μｍの経路に対応するように選ばれている。定
数1.5は最小の帯域幅でさえもフオトリソグラフ
イ法によつてなお製造し得るように選ばれる。す
なわち、フオトリソグラフイにより第４図に示す
ような所定幅、所定高さを有するフイルタを作成
する場合、上式のb1〜b3の最小値はcosΨ≧−１
であるから、1.5−１＝0.5となる。従つて、上式
では0.5が最小値となり、0.5μｍがフイルタをフ
オトリソグラフイで作成する時の最小加工幅とな
る。フオトリソグラフイの加工技術の度合により
この値は可変である。帯域の密度（位相間隔2π
当りの数）は、その結果生じる線パターンが被試
験物体上に投影された時にもはや分解され得ない
ようなものである。

異なつたステツプ高を有する干渉フイルタの空
間的透過スペクトルも同様に第４図に示されてい
る。ステツプ高d3に対応する周波数は、厚さd3
の帯域が大きな幅b3を持つ全ての位置において
比較的高い強度で通過する。幅の周期的変動によ
りこの周波数に関して近似的に正弦波的な第４図
の透過曲線が得られる。厚さd2及びd1の他の２
つの帯域に伴う透過曲線４６及び４７も曲線４５
に対して±120゜変位した近似的な正弦波である。

そのような縞フイルタはフオトリソグラフイ的
に製造し得る。そのために１つだけのエツチン
グ・マスクしか必要ではない。このマスクは±
120゜ずれた２つの帯域パターンのエツチング中に
適当に変位させられる。第５図及び第６図には、
被試験物体が光投影手段５０２，６０１、光結像
手段５０４，６０６より小さい場合、大きい場合
の補完的光セクシヨニング法の光学的配置がそれ
ぞれ示されている。被試験物体が大きい時は光投
影を広げるために発散光とする必要がある。

第５図は補間的光セクシヨニング法に関する光
学的配置を示す。ここで被試験物体５０３は光投
影手段５０２及び光結像手段５０４よりも小さな
直径を有する。縞フイルタ５００はKoehler照明
器（結像物５０２中の光源の像）によつて右側か
ら照明される。投影アパーチヤは光学結像手段５
０２の後焦点面のアパーチヤ・ダイアフラム５０
１によつて制限され、物体５０３の表面に平行な
縞が生じる。この場合表面の点の位置と像面５０
６の像点の位相との間に線型関係が存在する。像
面５０６は光学結像手段５０４及びその後焦点に
位置するアパーチヤ・ダイアフラム５０５によつ
て形成される。

第６図は、大きな面積を有する物体６０２につ
いて用いられる補完的光セクシヨニング法に関す
る光学的配置を示す。投影及び結像アパーチヤを
制限せずに、発散的な縞面６０５が得られ、物体
位置と位相との間にはもはや線型関係は存在しな
い。物体表面６０２を一意的に決定するために、
光学結像手段６０６によつて像面６０７に作られ
る各々の縞が識別されなければならない。もし表
面が影帯域を持たなければ、すなわち光路を遮ぎ
り、投影光によつて生ずる縞以外の縞を形成して
しまうような突出部等を有していなければ、例え
ば縞フイルタの縁から縞を計数すれば充分であ
る。一般に最小の可能な連続場において検出され
る各縞又は縞の群が標識されなければならない。
これは例えば白色光成分を変調する事によつて行
なわれる。この目的のために縞フイルタによつて
作られたスペクトルが空間依存性の白色光成分と
重ね合される。最も単純な場合、白色光成分は基
準点から次第に増加して行くようなものである。
もしスペクトル的に符号化された光の位相に加え
て、白色光の強度が測定されるならば、同じ位相
を持つが白色光成分の異なる表面の点を容易に区
別する事ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は位相符号化光セクシヨニング法の構成
を示す図、第２Ａ図は第１図の構成に関する縞フ
イルタのスペクタル透過の空間的変動を示す図、
第２Ｂ図、第２Ｃ図及び第２Ｄ図は縞フイルタ及
びTVカメラの半透鏡のスペクトル透過曲線を示
す図、第３Ａ図乃至第３Ｄ図はマルチスペクトル
符号化を用いた場合の第２Ａ図乃至第２Ｄ図に相
当する図、第４図はマルチスペクトル符号化の場
合の縞フイルタの高さプロフアイルを示す図、第
５図は小さな物体に対して位相敏感光セクシヨニ
ング法を実施するための構成を示す図、第６図は
大きな表面の物体に対して位相敏感光セクシヨニ
ング法を実施するための構成を示す図である。１００……光源、１０２……縞フイルタ、１０
４……被試験面、１０６……TVカメラ。

Claims

【特許請求の範囲】１被試験物体表面の縞状照明を用いる光セクシ
ヨニング法において、空間的強度が正弦波的であり且つ互いに位相が
±120゜変位した３種のスペクトル的に符号化され
た縞パターンを物体表面に投影し、形成された縞
パターンの像において投影方向に対して角度αで
各像点の相対的位相を、スペクトル的に符号化さ
れた縞パターンの各々の強度を測定する事によつ
て決定する事を特徴とする方法。２上記スペクトル的符号化に、光スペクトルの
異なつた狭い帯域の光を用いる、特許請求の範囲
第１項記載の方法。３上記スペクトル的符号化に、干渉フイルタの
マルチ・スペクトル線を用いる、特許請求の範囲
第１項記載の方法。