JPH04220510A - 物体表面を非接触形式で測定する方法および装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、物体表面へ投写される
ストライプパターンを用いて物体表面を測定するための
方法であって、該ストライプパターンをカメラにより撮
影して評価するようにし、この場合、測定領域をカメラ
軸の方向へ拡張するために、種々の異なる周期性を有す
る構造体を評価するようにした物体表面の測定法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】物体表面の著しく大きい領域をそのＸ−
，Ｙ−およびＺ−座標に関して、プロジェクタまたは投
影器により、規則的な大抵は格子状の構造体を物体へ照
明することにより、同時に測定する種々の方法が知られ
ている。この種の装置として、“モアレ・トポグラフィ
”という名称の下に、公知の方法の各種の変形がある。 この方法の場合、同じ間隔周期の格子を光が２回通過す
ることにより生ずるいわゆるモワレ効果が、当該の物体
表面の高さ情報を得るために、用いられる。

【０００３】例えば刊行物「Ｔａｋａｓａｋｉ　ｉｎ　
Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｏｐｔｉｃｓ　６（１９７０），第１
４６７頁」に“Ｓｃｈａｔｔｅｎｗｕｒｆ”モアレ法に
は、検査されるべき物体表面をそれの前に置かれた振幅
格子を介して、できるだけ点状の光源により照射する構
成が示されている。このような構成で照射された表面は
、次に対物レンズから、しかももう一度同じ格子を通過
して受像面へ結像される。この場合、照射ビームと結像
ビームは角度αを見込む。物体表面へ照射される格子は
表面形状に応じて変形されるため、モアレ効果にもとづ
いて輪郭線が現われる。この輪郭線が被測定物体の各点
の凹凸に関する情報を与える。これらの輪郭線は、照射
に用いられる格子そのものの基本間隔周波数が、結像の
場合にはもはや解像されないかまたは“光路が平均され
て”しか得られない。その理由は撮影中に１つのまたは
複数個の格子周期だけずらされるからである。

【０００４】モアレ・トポグラフィ法のもう一つの変形
構成はいわゆるプロジェクション・モアレ法（Ｐｒｏｊ
ｅｋｔｉｏｎ−Ｍｏｉｒｅ−Ｖｅｒｆａｈｒｅｎ）であ
る。この方法の場合、投写レンズの照射ビーム路におけ
る１つの格子が物体表面へ結像されてさらにこの物体表
面が対物レンズを通って、使用される撮影カメラの前方
の第２の格子へ結像される。 この種の方法は例えばヨーロッパ特許第ＥＰ−Ｂ１−０
１２１３５３号に示されている。この変形方法において
も、両方の格子−投写用格子および、結像用格子−を格
子の規則性を平均化するために、かつこの場合にモアレ
効果にもとづいて生ずる輪郭線ないし空間におけるその
位置を変化することなく、格子規則性を平均化する目的
で、撮影中に同期化して移動させる。この場合に前提と
されていることは、格子が同じ値の格子定数を有するこ
とおよび、投写レンズと対物レンズの焦点距離が等しい
ことである。さらにこの特許明細書に示されていること
は、測定ビーム路に対称的に２つの投写器が両側に等間
隔でかつ等しい投写角度の下に、設けられることである
。その目的は両側の投写により重畳されてさらに互いに
相続く格子パターンを発生させて、これにより測定の際
の影の問題を、著しく歪まされた物体表面から、除去す
るためである。モアレ・トポグラフィ法の第３の公知の
変形においては、撮影カメラの前方の第２の格子が省略
される。それに代えてこの場合は撮影カメラの水平走査
線のパターンがまたはＣＣＤカメラのピクセル周期がデ
コーダ格子の機能を引き受ける。このいわゆる“走査式
”モアレ法（“Ｓｃａｎｎｉｎｇ”Ｍｏｉｒｅ　Ｖｅｒ
ｆａｈｒｅｎ）は例えば刊行物「Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｏｐ
ｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．１６，Ｎｏ８（１９７７），２１５
２頁に示されている。

【０００５】前述のモアレ・トポグラフィ法のほかに、
カメラの前面に第２の格子を用いることなく、高さの情
報を物体表面上のストライプパターンの変形から直接算
出する構成も知られている。この種のいわゆる“しま投
光法”“Ｓｔｒｅｉｆｅｎｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎｓｖｅ
ｒｆａｈｒｅｎ”は例えばヨーロッパ特許第ＥＰ−Ａ２
−０２６２０８９号、米国特許第４６４１９７２号、米
国特許第４４８８１７２号および米国特許第４４９９４
９２号の各公報に示されている。

【０００６】モアレ・トポグラフィ法の場合もストライ
プ投写法の場合も必要とされることは、座標測定値への
ストライプパターンないし輪郭線の定量的な評価のため
には、物体表面におけるストライプ装置の周期的な輝度
変化を測定することである。このことは通常は位相測定
と称せられる。この場合さらに設けられていることは、
投写格子の位置を測定中に複数個のステップで例えば９
０゜または１２０゜の位相変化に相応する固定量だけ変
化させることである。

【０００７】しかし公知の方法ではそのままでは、例え
ばこの物体が非一様性を例えばエッジおよび段を有する
時は、工場での製造の領域から著しく大きい物体を十分
に正確に測定することができない。それは下記の状態に
原因がある：投写および観測が中央のパースペクティブ
の配置から行なわれるために、相続く輪郭線の間隔は一
定ではなく、物体の凹欠の増加と共に、増加することで
ある。そのため少なくとも１つの点における物体表面の
「絶対的な（ａｂｓｏｌｖｔｅｎ）」間隔を知らないと
、一定の表面のプロフィルに関する情報を得ることもで
きない。 しかし現行の位相測定法は物体間隔をモジュロ２πだけ
で算出している、即ちこの測定法はストライプの配列順
序を示す数内での相対値しか供給しない。そのためこれ
らの位相測定法によっては、エッジおよび段により生ず
る、評価されるべき周期的な機能の跳躍的個所を除去す
ることもできない。

【０００８】もう一つの問題点として、前述の位相測定
法の場合は被測定物体の表面へ投写されるストライプが
移動されることである。このことによりストライプと即
ち輪郭線と、装置に固定されている座標系との対応関係
が失なわれてしまう。しかし格子の種々の桁における測
定値の連続性は、格子の位置も格子周期の少数部分にい
たるまでの桁において絶対値が既知の時にだけに、必要
とされる高い精度で可能となる。しかしこのことは次の
ことを意味する。即ち格子の移動を高い精度で測定しな
ければならない−このことは著しく大きい費用によって
だけ可能となる−か、または２つの位置−これらの間で
変位がなされる−が、できるだけ正確に維持されること
を意味する。しかしこのことは簡単には実施できない、
何故ならば測定されるべき表面のまたは測定装置の小さ
い振動が即ち両者の間の相対位置が、もはや制御できな
い位相変化を生ぜさせてしまい、これが測定結果の品質
を低下させるからである。

【０００９】深い奥行きを有する物体を微細に解像すべ
き時は、種々の奥行き領域の上を追従フォーカシングす
る必要がある。しかしこの公知の方法はそのまま適用で
きない、何故ならばフフォーカシング装置の運動中に、
走査格子またはカメラに対する回避できない小さい横方
向の被測定物体像のずれが現われて、このずれがストラ
イプ線の輪郭線の被測定位相を変化させるからである。 そのため種々異なるフォーカシングの場合に測定される
物体部分は、もはやエラーなしに互いに相続くことがな
い。

【００１０】さらにこの公知の方法は動作が著しく緩慢
である、何故ならば位相測定に対してその都度に複数個
の、少なくとも３つの相続く像を撮影しなければならな
いからである。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、高い
測定精度と、障害となる外乱に対して測定がほとんど応
動しないことにより特徴づけられる、冒頭に述べた形式
の方法および装置を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この課題は請求項１の特
徴部分に示された構成により解決されている。即ち−同
じ間隔周期の少なくとも２つのストライプパターンを所
定の角度の下に互いに傾けて投写するようにし、−両方
のストライプパターンを互いに別個に検出してさらに第
１ステップにおいて物体の点に対する両方のストライプ
パターンの位相を測定することにより、処理するように
し、カメラの軸方向における物体の点の距離を、両方の
ストライプ装置をカメラに対して変位させる場合も、空
間的に定められる、物体の各点に対する両方のパターン
のストライプの仮想面の位相差から、計算器において測
定するのである。

【００１３】同じ間隔周期を有する、傾斜されて投写さ
れる２つのストライプパターンを別個に検出することに
より、はじめて計算器の中に、被検査表面の高さに関す
る情報を得るために評価される干渉周波数が、形成され
る。この干渉周波はカメラと格子との間の相対位置に依
存しない。何故ならば投写されたストライプ装置の位相
の間の一定の差の場所は、空間の中に固定的に設けられ
る輪郭面を、いずれにせよ両方の投写格子の相互の位相
が互いに１回固定的に設定調整されている限り、示すか
らである。そのため例えば、位相測定の目的でまたは残
留エラーを除去するために共通に、−この場合、評価さ
れるべき、干渉周波の輪郭も一緒に変位させることなく
−カメラに対して任意の量だけ変位させることができる
。即ち位相測定技術と輪郭面の位置とが互いに減結合さ
れる。相応に、障害となる外乱−これにより格子に対す
るカメラの位置が変化される−が、例えば測定装置の振
動のような外乱が位相測定に対しても作用しなくなる。 そのためカメラを異なる物体領域へ連続的にフォーカシ
ングする（奥行きの解像度の向上）ことが可能となる。 この場合、位相測定がしたがってこれから導出される、
測定されるべき物体に関する高さ情報が品質低下される
ことがない。さらに複数個の画像の撮影の間に、格子を
共通に変位させてさらに物体の種々異なる部分を最適に
照明できる。これにより光測定のダイナミック動作が向
上される。

【００１４】反対に両方の投写格子−これらはこの方法
の場合はＺ座標系だけを固定する−は、両方の格子を簡
単に同じ支持体上へ被着することにより、簡単な手段で
一定に保持される。

【００１５】評価されるべき位相差は上述の様に投写格
子の共通の運動の場合さえも、位相差を、各々の点に対
する格子運動の間中も複数個のビデオ画像にわたり累算
することができる。平均化のこの形式に対して各々のビ
デオ画像が寄与する。そのためこの評価法は著しく迅速
にかつ正確に、冒頭に述べた公知の方法と対比される。

【００１６】両方のストライプパターンは、時間的に相
次いで投写されて時分割多重作動の形式で評価すること
ができる。しかし異なる色を有するストライプパターン
を投写して、次にこれらのストライプパターンを同時に
カラーディバイダを介して別個に複数個のカメラで検出
して評価することもできる。

【００１７】２つだけでなく３つまたはそれより多くの
プロジェクタを設け、この場合、プロジェクタのうちの
２つのプロジェクタ間の角度を他の２つのプロジェクタ
間の角度よりも小さくすると、著しく有利である。この
様にして著しく異なる間隔周期を有する２つの干渉周波
が、それぞれ２つの投写されるパターンのその都度の位
相差から形成される。これにより測定の一義性の領域が
、種々の格子定数を有する格子をこの目的で使用するこ
となく、拡張される。

【００１８】パターン装置をテレセントリックに投写す
ると好適である、何故ならば同じ位相差の輪郭面の距離
は一定のままだからである。同様のことがカメラの観測
ビームに対して当てはまる。さらに種々異なる物体部分
へのフォーカシング中に、画像側のテレセンターの光路
において画像量が変化することがない。

【００１９】この装置において使用されるパターン支持
体は有利に、正弦波状のまたは余弦波状の伝送特性を有
する格子である。そのため物体表面に正弦波状の強度を
有するストライプが形成され、その位相が良好に正確に
評価される。

【００２０】しかし物体表面の近似的に正弦波状の強度
分布は、方形の格子を用いても例えば次のようにして形
成される、即ち格子をフォーカシングして投射するかま
たは投写対物レンズのフーリエ平面において例えばひと
みにおいてスリットしぼりを配置したことにより、形成
することができる。

【００２１】パターン支持体（格子）は好適に、小さい
温度膨張係数を有する１つの共通の支持体上に被着して
、さらに例えばばねシーソーを介して格子面においてカ
メラに対して可動に懸架される。これにより外乱に対し
て著しく応動しない構成が得られる。

【００２２】

【実施例】図１の実施例においてＰ１およびＰ２で２つ
のプロジェクタの光学装置を示す。２つの光源Ｌ１，Ｌ
２により照射される、プロジェクタ中に設けられている
格子Ｇ１およびＧ２が、この光学装置により、測定され
るべき物体Ｏへ投写される。格子Ｇ１およびＧ２は同じ
格子定数を有していて、１つの平面において間隔ａをお
いて、光学装置Ｐ１およびＰ２の投写の中心の後方に配
置されている。格子の上へ、正弦波状の強度経過を有す
るストライプパターンが被着されている。

【００２３】本来の測定容積室−ここで投写ビームが交
差するようにし、さらに測定されるべき物体Ｏも設けら
れている−において、ここへ投写される、両方のプロジ
ェクタＰ１およびＰ２のストライプパターンの間の位相
差一定の面が定められる。これらの面は、図示されてい
る実施例においては平面であり、Ｅｉ〜ＥＮで示されて
いる。しかしこれらの面は実際には見えない、何故なら
ば両方の格子Ｇ１およびＧ２のストライプパターンがプ
ロジェクタから交番的に即ち時間的に相次いで投写され
るからである。

【００２４】両方のプロジェクタＰ１とＰ２の間に、カ
メラ光学装置ＢｏおよびカメラセンサＫから成るビデオ
カメラが設けられている。このカメラは両方のプロジェ
クタＰ１およびＰ２のストライプパターンを撮影する。 相次いで投写される、不規則な物体表面Ｏにより変形さ
れている。

【００２５】カメラ信号の評価の動作を、図２に示され
た簡単化されたブロック図を用いて説明する。この図に
おいて、ＣＣＤカメラ１の出力側がアナログ／ディジタ
ル変換器２を介して画像メモリ３へ導びかれている。こ
の画像メモリは、相次いで投写されるストライプパター
ンの画像を一時記憶する。この画像メモリはバッファメ
モリとしてだけ用いられるものであり、後置接続された
電子装置が十分迅速に動作する時は省略される。

【００２６】ディジタル形式のビデオ信号は次に並列に
、２つのコンボルーションユニット４ａおよび４ｂへ導
びかれる。これらのコンボルーションユニットは個々の
画点の近傍から、それぞれこれらの画点におけるストラ
イプ位相の正弦および余弦を算出する。相応のアルゴリ
ズムは、例えば刊行物「Ｏｐｔｉｃａｌ　　Ｅｎｇｉｎ
ｅｅｒｉｎｇ，Ｖｏｌ．２３，Ｎｏ．（Ｊｕｌｙ／Ａｕ
ｇｕｓｔ　　１９８４）、第３９１頁〜第３９５頁」に
示されている。

【００２７】ストライプ位相の余弦および正弦に相応す
る信号は次にユニット５の入力側ＡおよびＢへ導びかれ
る。このユニットは余接Ａ／Ｂを介してストライプ位相
φを、ユニット６を用いて算出する。このユニットの中
には位相値φがルックアップテーブル中に余接の関数と
してファイルされている。

【００２８】ユニット５の出力側は、カメラ１と同期化
されているマルチプレクサ１２を介して交番的に、２つ
の並列に接続された画像メモリ７ａおよび７ｂに接続さ
れる。この画像メモリの中へ別々に、プロジェクタＰ１
を介して投写されたストライプパターン７ａの全部の画
点に対する位相値φ１と、プロジェクタＰ２を介して投
写されたストライプパターン７ｂが、別個に読み込まれ
て一時記憶される。両方の画像メモリ７ａおよび７ｂは
さらに減算段８と接続されている。ここで次のステップ
において、両方のストライプパターンの位相φ１とφ２
との差Δφが、個々の画点に対して形成されてもう一つ
の画像メモリ９へ導びかれる。この画像メモリの中に位
置固定された位相差Δφがファイルされている。このΔ
φは物体距離Ｚに対する直接の尺度である。バッファメ
モリ９はディジタル／アナログ変換器１０を介してモニ
タ１１の入力側と接続されている。このモニタ上へ結果
が表示される。同じ位相差の複数個の点が等高線を形成
する。この等高線の形状が物体表面の状態を表わす。

【００２９】計算器そのものの中で形成される位相差Δ
φは位置固定されているため、Ｚ情報はもはやカメラ位
置により即ちプロジェクタＰ１およびＰ２へのカメラＫ
の位置に依存しない。そのため画像メモリ９の中に、著
しく多くの相次いで撮影されたカメラ画像からの位相差
Δφが収容されてＳ／Ｎ比の改善の目的で平均化される
。 ストライプ画像の撮影中に、物体全体へ次第にシャープ
にセットする目的でカメラを連続的にフォーカシングす
ることができる。しかもこのことにより物体距離に関す
る情報が損なわれることがない。測定過程中に同様に両
方の格子も共通に変位させることができる。その目的は
物体を最適に照射するためである、あるいはこの格子変
位にもとづいてさらに一層正確な位相測定法を評価のた
めに用いることである。

【００３０】図１および図２の実施例にはストライプ位
相−ここではモジュロ２πで算出される−の不明瞭を除
去するための構成は示されていない。この構成は図３〜
図５の実施例において付加的なプロジェクタを用いて、
解決される。

【００３１】図３に示されている構成体は実質的に、プ
ロジェクタＰ１，Ｐ２，Ｐ３およびそれぞれ等しい格子
周期を有する３つの格子Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３から、構成さ
れている。カメラセンサＫは前方にセットされる観測用
対物レンズＢｏと共に、図１に示された場合と同様に、
プロジェクタＰ１とＰ２との間に設けられている。プロ
ジェクタＰ１およびＰ２は著しく大きい角度α１，約３
０゜の下に互いに傾斜されている。他方、両方の相並ん
で設けられたプロジェクタＰ２およびＰ３は著しく小さ
い角度、約０．５゜を見込む。この小さい方の、図面平
面において示されている角度α２は、格子Ｇ２を有する
プロジェクタＰ２を図面平面の上方に設け、さらに格子
Ｇ３を有するプロジェクタＰ３を図面平面の下方に設け
ることにより、実現される。プロジェクタおよび格子を
、格子の分割線に平行に変位させても、このことがカメ
ラＫにより撮影される像の評価へ影響を与えない。図３
の実施例においては投写の中心Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３を、簡
単に示すために一直線上に設けられている。この配置に
より、一定の位相差の２組の平面が定められる、即ち両
方のプロジェクタＰ１とＰ２の位相差が、ならびにプロ
ジェクタＰ２とＰ３の両方のストライプパターンの位相
差が定められる。この場合同じ位相差の相続く面に、Ｚ
方向に、異なる実効波長λｅｆｆを配属させることがで
きる。この実効波長λｅｆｆは、格子Ｇ１，Ｇ２および
Ｇ３の格子定数によりおよびそれぞれのプロジェクタの
投写軸の間の角度α１，α２により、定められかつ依存
する。

【００３２】何故ならば格子Ｇ１〜Ｇ３の格子定数は等
しいため角度α１およびα２だけに依存するからである
。次に３つのプロジェクタＰ１，Ｐ２，Ｐ３により投写
されるストライプパターンから、被検物体の座標ｘ，ｙ
およびｚを、物体表面の個々の点に対して算出する式を
導出する。この目的で前提とされることは、投写対物レ
ンズの投写の中心Ｚ１，Ｚ２およびＺ３を、Ｘ方向に延
在する直線上に位置させること、および３つの格子Ｇ１
〜Ｇ３を等しい間隔ａでこれらの直線の後方に配置する
ことである。格子は、例えば第４図に示されている様に
、１つの共通の支持体Ｗの上に設けられており、さらに
共にＣＣＤカメラＫに対して直線Ｘの方向へばねスライ
ダを用いて遊びなしに移動可能である。この支持体は、
ガラスからまたは、熱膨張係数の小さい物質たとえばＺ
ｅｒｏｄｕｒから形成される。プロジェクタＰ１，Ｐ２
，Ｐ３も、図４に示されていない共通の支持体上に設け
られている。この支持体は格子の支持体と同じ材料から
形成される。両方の支持体の間の十分な熱伝導が、それ
らの間の温度差をわずかにさせることを保証する。これ
により測定精度に対する周囲温度の影響が低減される。 カメラの光感面が即ちＣＣＤセンサが間隔ａｋで観測対
物レンズＢｏの後方に設けられている。

【００３３】前述の構成によりこの測定装置の幾何学的
寸法が実質的に定められる。例えば一例として点Ｘ，ｙ
＝Ｏ，Ｚに投写された格子位置ＸＰ１，ＸＰ２，ＸＰ３
は、ビデオカメラＫにより例えばＣＣＤカメラにより観
測される。カメラの観測対物レンズＢｏの中心Ｘｏｋが
、プロジェクタＰ１〜Ｐ３により前もって定められる座
標系の原点を定める。

【００３４】相似三角形の考察によりプロジェクタに対
しては次の式が得られる。

【００３５】

【数１】

【００３６】さらにカメラに対しては次の式が得られる
。

【００３７】

【数２】

【００３８】カメラの式（４）とプロジェクタの式（１
）（２）（３）との組み合わせにより、次の式が得られ
る。

【００３９】

【数３】

【００４０】この場合、差（Ｘｏｐｉ−Ｘｐｉ，ｉ＝１
．．．３）はストライプ周期Ｐの（ｎｉ＋δｉ）倍とし
て表わされている。この場合、ｎｉは自然数の１つの要
素であり、ｎｉ＜１である。

【００４１】２つのプロジェクタのストライプパターン
の間の関係を考察して、さらに差を作ると、（５）（６
）（７）から次の式が得られる。

【００４２】

【数４】

【００４３】この場合、Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３装置の定数で
あり、Ｎ１＝ｎ１−ｎ２，Ｎ２＝ｎ１−ｎ３，Ｎ３＝ｎ
２−ｎ３およびΔ１＝δ１−δ２，Δ２＝δ１−δ３，
Δ３＝δ２−δ３である。

【００４４】式（１１），（１２），（１３）は、ＸＹ
平面に並行に設けられているそれぞれ２つのプロジェク
タの間の、位相差（Ｎｉ−Δｉ）が一定の平面を表わす
。 これらの平面はカメラの観測個所（Ｘｋ，Ｙｋ）は依存
しない。測定の目的で整数（Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３）および
少数部分（Δ１，Δ２，Δ３）が測定される。

【００４５】式（１１），（１２）および（１３）によ
り示された位相差の等しい面へ、位相差の、異なる実効
波長（λｅｆｆ）が配属される。プロジェクタＰ１とＰ
２の組み合わせから得られる式（１１）および、プロジ
ェクタＰ１とＰ３の組み合わせから得られる式（１２）
に対しては、著しく短かい実効波長が設けられる。他方
、式（１３）により表わされた、両方のプロジェクタＰ
２とＰ３の組み合わせの場合に対しては、比較的大きい
波長（λｅｆｆ）を配属することができる。重要なこと
は種々異なる実効波長を、プロジェクタの間の角度α１
，α２にわたり高い安定性で設定調整可能とすることで
ある。

【００４６】計算器において測定を評価するために、式
（１１），（１２）および（１３）がもういちど次のよ
うに変形される。

【００４７】

【数５】

【００４８】画点の座標ｘ，ｙおよびｚの完全な測定の
目的で、この図面に垂直の面の座標ｘおよびｙが、図面
の相似関係から、次のように算出される。

【００４９】

【数６】

【００５０】評価の目的で、３つのプロジェクタＰ１〜
Ｐ３により時分割多重作動の形式で投写されたストライ
プパターンが、カメラＫの対物レンズＢｏを通過して撮
影されて、異なる画像メモリの中へ別個に読み込まれる
。次に物体の座標ｘ，ｙ，ｚの算出が、前述の式による
以下で図５と図６を用いて示される様に、ハードウェア
として構成された画像処理計算器において行なわれる。 この計算器は画像データをビデオ実時間で処理する。こ
の目的でこの計算器は、部分的に並列のデータ路も有す
るパイプライン構造体の形式で構成されている。 この計算器は、公知の、ノイマン方式により得られる例
えば市販のプロセス計算器を備えたホスト計算器により
、制御される。この評価計算器の詳細に説明するために
、図５および図６が用いられる。ここにはブロック図で
この計算器が示されている。

【００５１】これらの図面には、３つの異なる機能ユニ
ット群がＡ，Ｂ，Ｃで示されている。機能ユニット群Ａ
は、外部のセンサへのインターフェースを即ちこの装置
の制御部へのインターフェースを、構成する。このイン
ターフェースは、カメラＫの信号をビデオの実時間でデ
ィジタル化するアナログ／ディジタル変換器１２を含む
。この場合、増幅係数はフォトダイオード１３の出力信
号に依存する。そのためビデオ信号は、せん光ランプと
して構成される光源Ｌ１〜Ｌ３（図３および図４参照）
の種々異なる輝度特性へ即ち異なるエネルギーへ、適合
調整することができる。これらの閃光ランプは格子Ｇ１
〜Ｇ３の照射のために用いられる。閃光ランプＬ１〜Ｌ
３を制御する目的で、インターフェースブロックＡは、
カメラＫと同期化されているトリガ回路３１を含む。イ
ンターフェースブロックＡはさらにモータのための制御
電子装置３２を含む。このモータによりカメラＫの対物
レンズＢｏが、種々異なる物体領域−第２に矢印Ｐｆ２
で示されている−へシャープに設定調整できる。閃光の
順序および対物レンズの位置調整は、図５には示されて
いない通常のホスト計算器の、設定されている測定プロ
グラムにより、制御される。このことは矢印“ホスト”
で記号化されている。この記号化は、図５および図６の
回路において、別の個所でも示されている。

【００５２】Ａ／Ｄ変換器１２を作動するディジタル化
されたビデオ信号は機能ユニット群Ｂにおける、並列に
接続された２つのコンボリューションユニット１４ａお
よび１４ｂの入力側へ導びかれる。これらの両方のユニ
ット１４ａおよび１４ｂはたたみ込み演算を実施する。 その目的は、個々の画点におけるストライプの位相の正
弦または余弦を、これらの画点の近傍における信号の強
度の分布から、測定するためである。相応のアルゴリズ
ムは例えば“Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
”，第２３冊，Ｎｏ．４（７，８月，１９８４年）、第
３９１頁〜第３９５頁に示されている。ユニット１４ａ
および１４ｂの出力側は回路１５へ導びかれており、こ
の回路においてストライプの位相が正弦および余弦から
算出される。この目的で、回路１５に配属されているテ
ーブルの中に余接関数がファイルされている。同時に、
回路１５の中で算出された位相値にもとづいて、妥当で
ない測定値がマスキングされる。妥当でない測定値とは
、強すぎるかまたは弱すぎる照射強度の場合に検出され
た測定値のことであり、したがってそのレベルが所定の
限界値を上回わるかまたは下回わる測定値のことである
。この画像領域をマスキングするマスクは、ｃで示され
た回路部分で測定データ流に並列に、後述のように発生
される。

【００５３】回路１５の出力側は計算段１６（算術論理
ユニット）を介して、３つの並列に接続された画像メモ
リ１７ａ〜ｃへ導びかれている。ここで、３つのプロジ
ェクタＰ１，Ｐ２，Ｐ３から時分割作動形式で相次いで
投写されるストライプパターンの、回路１５において算
出されたストライプの位相δ１，δ２，δ３が、一時記
憶される。別の３つの画像メモリ１８ａ，１８ｂ，１８
ｃの中に補正値がファイルされている。この補正値は較
正過程において得られたものであり、かつこの装置の幾
何光学構成の不完全性に起因する、３つのプロジェクタ
により投写されたパターンのストライプの位相の歪みを
、この補正値が表わす。これらの補正値は計算ユニット
１６において、ストライプの位相δ１，δ，２δ３から
減算される。このようにして補正された位相値は再び画
像メモリ１７ａ，ｂ，ｃの中へ達して、次に第２の計算
ユニット１９においてさらに処理される。この計算ユニ
ットは差Δ１＝δ１−δ２およびΔ２＝δ１−δ３を算
出する。これらの値は式（１１），（１２）および（１
３）による物体距離ｚの算出のために必要とされる。こ
の場合に考慮すべきことは、Δ３が、Δ２−Δ１から成
る差として得られることである。

【００５４】計算ユニット１９に加算段Ｓ（図６参照）
が後置接続されている。この加算段は、計算ユニット２
０と２つのＲＡＭメモリ２１ａ，２１ｂから構成されて
いる。これらのメモリ２１ａ，２１ｂにおいて、各々の
画点に対する位相差Δ１およびΔ２が累積される。この
ことは例えば整数アリスメティックにおいて次のように
して行われる。即ち位相差Δ１，Δ２を表わす信号の８
ビットの入力値が、メモリ２２ａ，２２ｂにおける１６
ビットのデータ領域において加算されるように、行なわ
れる。このようにして、２５５の画像から得られる位相
差を加算により平均化できるようになり、これにより位
相測定の精度に関連づけて位相差を改善できるようにな
る。

【００５５】画像メモリ２１ａおよび２１ｂの出力側は
、後続の２つの別の計算ユニット２２ａ，２２ｂへ導び
かれている。これらのユニットの中には別のテーブル（
ルックアップテーブル）に、式（１４），（１５）によ
る物体距離の算出用の式が準備されている。これらの算
出ユニット２２ａ，２２ｂが物体距離ｚのための２つの
値を算出する。この２つの値は後続の算出段２３におい
てもう一度平均化される。後続のディジタル式信号プロ
セッサ２４において、画点の座標ｘ，ｙが式（１６），
（１７）を用いて、ｚに対する測定値にもとづいて、お
よびホスト計算器から入力された装置定数ｘＫ，ｙＫお
よびａＫにもとづいて、算出されて出力ユニット２５へ
導びかれる。

【００５６】前述の方法により、測定されるべき物体に
関する高さの情報が、ストライプの位相のモジュロ２π
だけに関してだけではなく、絶対値として得られる。

【００５７】前述の評価法は次のことを前提する、即ち
カメラＫから供給される信号が、不足制御または過制御
が生じないように、カメラ特性曲線の直線領域において
発生されることである。さらに前述の方法に対して次の
ことが必要とされる、即ちプロジェクタＰ１，Ｐ２，Ｐ
３から投写される３つのストライプパターンの撮影の連
続中に、シーケンスの３つの全部の画像における位相値
が所定の１つの画点に対して妥当する時にだけ、１つの
位相値がさらに処理されることである。この算出演算は
図５の回路部ｃにおいて実施される。測定値が妥当であ
るか否かは、計算ユニット１５におけるルックアップテ
ーブルＬＵＴの１ビットにおいて、質問される。連続す
る３つのビデオ画像にわたる“アンド”結合は、計算段
２６において、再帰的に接続されているＲＡＭユニット
２７と共働して形成される。後続の計算段２８において
各々の画点における妥当な測定値の個数が算出されて、
さらに後続のＲＡＭユニット２９の中に記憶される。こ
の場合、測定値の個数とは、ビデオ画像の個数−この個
数にわたり位相差が図６の加算ユニットＳにおいて加算
される−のことである。各々の画点に対する妥当な測定
の最小の個数を示す、適切に選定された限界値を設定し
て、次に、妥当な測定の個数がこの限界値を下回わるよ
うな画点が、全部除去される。そして残りの全部の画点
が結果の算出へ関係づけられる。このようにしてこれら
の画点にわたり設けられたデータマスクは、図５におい
て３０で示された四角形により記号化されている。この
マスクにより、表示のために用いられるビデオモニタ４
２が、相応の画点個所において、暗くなるように制御で
きる。

【００５８】図５および図６に示された、ハードウェア
で実現された評価計算器は、本発明による方法を実施す
るためにカメラの信号を処理することのできる解決手段
を構成する。この解決手段は、ストライプパターンが３
つのプロジェクタＰ１，Ｐ２，Ｐ３により時分割多重形
式で相次いで投写されて、次に画像がカメラＫにより相
次いで撮影されて処理されるように、構成されている。 しかしストライプパターンを例えば異なる色で同時に投
写して、カラーディバイダを介して個別化された３つの
カメラにより同時に撮影することもできる。この場合は
当然、入力チャンネルが即ちＡ／Ｄ変換器１２，コンバ
ルションユニット１４ａ，１４ｂ，計算ユニット１５，
１６−時分割多重作動形式で動作する−が、相応の個数
の３つの部品で、並列に実現する必要がある。このこと
はコストが高くなるがしかし処理周波数における一層大
きい帯域幅も提供する。反対に前述の算出演算は、相応
にプログラミングされ適切に出力のできる、シーケンシ
ャルに動作する従来の構成の計算器にもとづいて、進行
させることが可能であるが当然この場合は著しく長い動
作時間を伴なう。そのためこの場合はビデオ信号の実時
間処理が達せられない。

【００５９】前述の実施例の場合はｚの測定は常に、２
つの投写の差として構成されることにより、例えばプロ
ジェクタＰ１とＰ２のまたはＰ２とＰ３のストライプパ
ターンの差として構成されることにより、格子Ｇ１〜Ｇ
３（第２図参照）を有する支持体Ｗは、信号評価の場合
に得られるｚ値が影響を受けることなく、矢印Ｐｆ１の
方向へ移動することができる。この場合、格子支持体Ｗ
の種々の位置により複数個の測定を行なうことができる
。この測定の場合に相応に、格子の種々の領域を照射す
ることもできる。位相差Δｉに関する、全部の画像にわ
たる個々の測定は加算されてさらに平均値が求められる
。その結果、格子の製造精度に起因するまたは評価アル
ゴリズムの１回の使用に起因する統計的なエラーが、ル
ートＮで改善される。ただしＮは測定の個数である。

【００６０】同時に照射の強度を、値０から飽和まで連
続的に制御することができる。その目的はできるだけ物
体の全部の点−これらの点の反射特性は全部が互いに異
なることがある−の中から使用可能な測定値を得られる
ようにするためである。この場合、図５の回路のうちの
部分回路Ｃにおけるマスキング電子装置は、カメラＫの
非直線領における全部の測定が回避されるように、配慮
する。

【００６１】図３および図４に本発明の第２の別の実施
例が示されている。図１と同様に図３におけるこの第２
の実施例の簡略図が、この測定装置の基本構成を示す。 この測定装置は実質的に、２つの投写光学装置Ｐ１１と
Ｐ１２および４つの格子Ｇ１１／Ｇ１３およびＧ１２／
Ｇ１４から、構成されている。カメラセンサはここでも
Ｋで示されており、前方にセットされた観測用対物レン
ズＢｏと共に、プロジェクタＰ１１とＰ１２の間に設け
られている。ここに述べられている構成においては、両
方のプロジェクタＰ１１とＰ１２の各々が２つの格子を
有しており、さらに各２つの格子Ｇ１１とＧ１２のなら
びにＧ１３とＧ１４の格子定数が即ち格子間隔周期が、
対毎に等しくされている。反対に１つのプロジェクタの
内の格子Ｇ１１とＧ１３のないしＧ１２とＧ１４の格子
定数は即ち格子間隔周期はわずかに異なるようにされて
いる。例えば格子Ｇ１１，Ｇ１２は２５本の線／ｍｍの
格子定数を有し、格子Ｇ１３，Ｇ１４は２５．５本線／
ｍｍの格子定数を有する。この構成により、互いにわず
かに異なる、一定の位相差の平面が２組定められる、即
ち対毎に相次いで投写される格子Ｇ１１とＧ１２との間
の位相差および、対毎に相次いで投写される格子Ｇ１３
とＧ１４との間の位相差が、定められる。一定の位相差
の、両方の組の平面の間のうなり周波数を観察すると、
この位相差に次に実効波長

【００６２】

【数７】

【００６３】を対応させることができる。この実効波長
は、同じ位相差の面に対応する波長λ１またはλ２より
も著しく大きい。このうなり周波数を評価することによ
り、同じ間隔周期の２つの格子Ｇ１１とＧ１２だけによ
り動作される場合に現れる位相測定のあいまいさが、除
去される。

【００６４】この構成により形成されるストライプパタ
ーンを評価するために用いられる式は、図１を用いて導
出された式から次のようにして簡単に得られる。即ち式
（８）から出発して、両方の格子対Ｇ１１／Ｇ１２およ
びＧ１３／Ｇ１４のために、両方の異なる間隔周期Ｐ１
およびＰ２をこの式に付加するのである。その結果、次
の式が得られる。

【００６５】

【数８】

【００６６】この場合、Ｋは装置定数であり、さらにＮ
１＝ｎ１１−ｎ２１，Ｎ２＝ｎ１２−ｎ２２ならびにΔ
１＝δ１２−δ２２およびΔ２＝δ１２−δ２２である
。

【００６７】これから次の式が得られる。

【００６８】

【数９】

【００６９】この式（２２）は式（２０）または（２１
）と比較して著しく大きい実効波長を有する関数を表す
。物体距離ｚはこれらの式から、図５を用いて説明され
たのと同様に次のようにして求められる。即ち４つの格
子Ｇ１１〜Ｇ１４により投写されたストライプパターン
の位相の小数点以下の成分 δ１１，δ１２，δ２１，δ２２ が測定されてさらに式（２２）により評価されることに
より、求められる。

【００７０】重要なことは、４つのストライプパターン
が別個に投写することである。その目的は、カメラセン
サＫの表面に常に明確なストライプパターンが形成され
て評価できるようにし、そのため異なるストライプパタ
ーンの強さが重なり合って評価を妨げないようにするた
めである。この目的で図４に示されているように、両方
の格子Ｇ１１とＧ１３が投写光学装置の後方で第１のビ
ームスプリッタ立方体Ｓ１の面へ被着され、さらに両方
の格子Ｇ１２とＧ１４は投写光学装置Ｐ１２の後方で第
２のビームスプリッタ立方体Ｓ２の面へ被着される。格
子の対Ｇ１１とＧ１３は２つの異なる光源Ｌ１１および
Ｌ１３によりカラーフィルタＦ１１とＦ１３を介して照
射される。その結果、ストライプパターンは異なる色で
形成される。この異なる色はカラーカメラＫにより別個
に処理できる。格子対Ｇ１２，Ｇ１４の分離も２つのラ
ンプＬ１２およびＬ１４により照射されるカラーフィル
タＦ１２およびＦ１４により同様に行われる。

【００７１】前述のカラー符号化とは異なり次の構成も
もちろん可能である、即ち４つの格子を相次いで時分割
多重形式でランプＬ１１〜Ｌ１４の相応の制御により投
写するか、またはストライプパターンの分離を偏光光学
的に実施することもできる。

【００７２】前述の実施例においては各々のプロジェク
タに対して個別の光源Ｌ１〜Ｌ３が設けられている。し
かしプロジェクタが個々の光源の光を、相応に制御され
る光学的方向結合器を介して、時間的にシーケンシャル
に案内することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の幾何光学的構成を示す基
本図である。

【図２】図１において簡単に示された装置の実質的な構
成の斜視図である。

【図３】第２の別の実施例の基本構成図である。

【図４】図３において簡単に示された装置の実質的な構
成の斜視図である。

【図５】図３および図４に示された装置の信号評価のた
めに用いられる評価装置の部分回路図である。

【図６】図３および図４に示された装置の信号評価のた
めに用いられる評価装置の部分回路図である。

【符号の説明】

Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４　　プロジェクタ、　　Ｇ１，
Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４　　格子、　　Ｌ１Ｌ２Ｌ３　　光源
、　　Ａ　　インターフェースブロック、　　Ｋカメラ
、　　３１　　トリガ回路、　　３２　　制御電子装置
、　　１２　　Ａ／Ｄ変換器、１４ａ，１４ｂ　　コン
ボルーションユニット、　　Ｂ　　機能ユニット、　　
１５　　回路、　　１７ａ，１７ｂ，１７ｃ　　画像メ
モリ、　　２１ａ，２１ｂ　　画像メモリ、２２ａ，２
２ｂ　　計算ユニット、　　２３　　計算段、　　２４
　　ディジタル信号プロセッサ、　　２５　　出力ユニ
ット、　　２８　　計算段、　　２９　　ＲＡＭユニッ
ト、　　Ｓ　　加算ユニット、４２　　ビデオモニタ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　物体表面へ投写されるストライプパタ
   ーンを用いて物体表面を非接触形式で測定する方法であ
   って、この場合このストライプパターンをカメラＫによ
   り検出しさらに計算器において評価するようにした測定
   法において、−同じ間隔周期の少なくとも２つのストラ
   イプパターン（Ｇ１，Ｇ２）を相互間の所定の角度の下
   に傾むけて投写するようにし、−両方のストライプパタ
   ーンを互いに別個に検出してさらに第１ステップにおい
   て、物体の点に対する両方のストライプパターンの位相
   （φ１，φ２）を測定することにより、処理するように
   し、−カメラの軸方向における物体の点の距離（Ｚ）を
   、両方のストライプ装置をカメラに対して変位させる場
   合も、物体の各点に対する両方のパターンのストライプ
   の、空間的に固定された仮想の位相差（Δφ）から、計
   算器において測定するようにしたことを特徴とする物体
   表面を非接触形式で測定する方法。
2. 【請求項２】　　物体の点に対するストライプの位相差
   （Δφ）を複数個のビデオ画像にわたり加算するように
   した請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】　　少なくとも２つのストライプパターン
   （Ｇ１，Ｇ２）を時間的に相次いで投写して、さらに時
   分割多重の作動形式で評価するようにした請求項１記載
   の方法。
4. 【請求項４】　　異なる色を有する少なくとも２つのス
   トライプパターンを投写するようにし、さらにカラーデ
   ィバイダを介して複数個のカメラにより検出するように
   した請求項１記載の方法。
5. 【請求項５】　　３つまたはそれよりも多くのストライ
   プパターン（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３）を投写するようにし、
   この場合、２つのプロジェクタビーム（Ｐ２，Ｐ３）の
   間の角度（α２）を、別の２つのプロジェクタ（Ｐ１，
   Ｐ２）の間の角度（α１）よりも小さくした請求項１記
   載の方法。
6. 【請求項６】　　ストライプ装置（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３）
   の位相差（Δφ）の加算中に、ストライプ投写の強度を
   またはカメラ（Ｋ）のフォーカシングを変化するように
   した請求項１記載の方法。
7. 【請求項７】　　物体表面を非接触形式で測定する装置
   であって、該測定装置は、−測定されるべき物体（Ｏ）
   の上にストライプパターンを形成するための少なくとも
   ２つのプロジェクタ（Ｐ１，Ｐ２）を備えており、さら
   に−ストライプパターンを検出するためのビデオカメラ
   （Ｋ）を備えており、さらに−撮影されたストライプパ
   ターンを評価するための装置を備えている、前記の測定
   装置において、−プロジェクタ（Ｐ１，Ｐ２）が、同じ
   間隔周期を有するパターン支持体（格子（Ｇ１，Ｇ２）
   ）をそれぞれ含むようにし、さらに−プロジェクタのス
   トライプパターンを互いに区別する装置が設けられてお
   り、−異なるストライプパターンの位相を別個に測定し
   てさらにストライプの位相差（Δφ）を形成する装置を
   、前記の評価装置が含むようにし、さらに−画像メモリ
   （Ｓ）が設けられており、該画像メモリの中に複数個の
   ビデオ画像のストライプ位相（φ）の差（Δφ）が読み
   込まれて累算されるようにしたことを特徴とする物体表
   面を非接触形式で測定する装置。
8. 【請求項８】　　格子（Ｇ１，Ｇ２）が、格子平面にお
   いてビデオカメラに対して可動な１つの共通の支持体（
   Ｋ）の上に設けられている請求項７記載の装置。