JPH05501763A - 対象物の３次元形状を光学的にかつ非接触的に測定する装置 - 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】 本発明は、対象物の３次元形状を光学的にかつ非接触的に測定する装置に関し、 間隙方向において光度か正弦的に変化する縞模様ないし線群を含むパターンをそ の対象物上に投射する手段を含む装置に関する。

例えば、ヨーロッパ特許第０１８２４６９号には、間隙方向において光度か正弦 的に変化する一層の直線縞ＩＪｉｅｌｄ　ｏｆ　ｒｅｃｔｉｌｉｎｅａｒ　ｆｒ ｉｎｇｅｓ）を対象物上に投射し、その対象物上の像を光検出器上に形成させ、 その光検出器からの信号の位相を測定することにより、その対象物の３次元形状 を測定する基本原理か開示されている。その原理の実現のために、まず第１のパ ターンを使用して、各群毎に２π／ｎずつ位相をずらしなからｎ群の縞模様を対 象物上に投射し、次いて、ピッチの異なる縞模様を存する第２のパターンを使用 して同様に各群毎に２π／ｎずつ位相をずらしてｎ群の縞模様を対象物上に投射 する。それによって、第１のパターンを使用して得られた位相測定値に関する２ にπ（ｋは整数）の不確定性の問題か解決する。

従来の３次元形状測定方法において、前記一群の直線縞は、スライド用反転フィ ルム等の上に一層の平行線パターンかそれら線群に垂直な方向すなわち間隙方向 においてフィルムの光透過性か正弦的に変化するように形成されて成る。そして 、そのパターンを２π／ｎの位相変位に対応するｎ個の異なる距離たけ横方向に 移動させる手段と、位相測定に関する２にπの不確定性を除くためにそのパター ンを変更する手段とか使用される。ところで、上記のような３次元形状測定は、 その利用目的に適した時間内に行われる必要かあり、それらの利用態様の中には かなり短い時間を要求するものかある。従って、上記したパターンの移動と変更 のための手段にはできる限り高い精度、迅速性、信頼性かめられる。

本発明の目的は、これらの諸要件を満たす３次元形状測定装置を提供することで ある。

上記目的を達成するために本発明は、対象物の３次元形状を光学的にかつ非接触 的に測定する装置であって、間隙方向において光度か正弦的に変化する縞模様な いし線群を含むパターンの像を対象物上に投射する投射手段と、その投射手段の 光軸と前記パターンの縞模様ないし線群の延びる方向とにそれぞれに垂直な方向 にそのパターンを移動させるカム手段とを含み、さらに、前記光軸に垂直な同一 面内に設けられ、それぞれピンチの異なる縞模様ないし線群を有し、かつ、その 光軸に垂直であってかつその縞模様ないし線群か延びる方向に平行な方向におい て可動支持手段により支持、案内されて並行移動する少なくとも２つのパターン と、前記支持手段を駆動して不連続的に往復移動させることにより前記少なくと も２つのパターンの各々を順次前記光軸上に中心決めするモータ手段とを含むこ とを特徴とする装置を提供する。

本装置においては、３次元形状の測定口ために対象物上に投射されるピッチの異 なる複数のパターンを変更する操作か、垂直支持手段のかなり短いストロークの 並行移動によって極めて迅速に行われる。

本発明の有利な特徴によれば、前記少なくとも２つのパターンの各々か、前記カ ム手段か作用する方向と逆方向にそのパターンを付勢する案内および復帰手段を 成す２つの平行な弾性変形性プレートを介して、前記可動支持手段に支持される 。

複数のパターンを可動支持手段上に支持するためのこれらの手段は、同時に、そ れらパターンの案内および復帰手段としても作用し、それにより本発明装置の構 造および作動か一層簡易なものとされている。

本発明の他の特徴によれば、前記カム手段か、共通のモータ手段によって前記光 学軸に平行な各軸の回りて回転させられる複数のカムを含み、その各カムかそれ に対応する前記パターンに作用する。

この態様もまた測定の迅速化に寄与する。

さらに好ましい態様において、前記各カムか、前記光学軸に平行な軸の回りて回 動するロッカを介して、それに対応する前記パターンに作用し、その口νカかそ れを作用状態と非作用状態とする制置手段に関連付けられる。

このロッカは、対応するパターンの移動精度をカムの加工精度に比較して向上さ せるレバーアーム（ｌｅｖｅｒ　ａｒｍ　）機能を有する。

次に本発明の実施例を、図面を参照しつつ詳細に説明する。それにより本発明は 一層明瞭に理解され、上記以外の他の特徴、詳細、利点か明らかとなるであろう 。

図１は、対象物の３次元形状を一層の直線縞を投射することによって測定する基 本原理を示す略図である。

図２は、パターンの移動および変更のための本発明による手段を示す平面略図で ある。

図１は、対象物の３次元形状を、その対象物に投射された光画像であって間隙方 向において光度か正弦的に変化する一層の直線縞の位相を分析することによって 測定する基本原理を示す略図である。

図１において、参照符号１０は形状の測定を行うべき対象物の表面を示し、この 表面１０上に平行な線群ないし縞模様１４から成るパターン１２の像か投射され る。この像の光度は、線群１４か延びる方向に直角な方向の空間において正弦的 に変化する。パターン１２は例えばスライド用の反転フィルム上に形成され、そ のようにすればパターン１２の像を対象物の表面１０上に形成するために従来の プロジェクタを使用することができる。このプロジェクタは、図１においては光 学系１６として略して示されている。対象物の表面１０か平坦でない場合には、 パターン１２の線群Ｉ４の画像１８はもはや直線にも平行にもならず、表面ｌＯ の起伏によって変形する。つまり、その変形が対象物の起伏を表している。

光学系２０は、対象物の表面ＩＯの像１８をＣＣＤ型等の一層の光検出器２２上 に形成する。光検出器２２は、電子信号取得手段とその信号を処理するためのコ ンピュータ手段とに関連付けられている。そのために、例えば、ＣＣＤビデオカ メラかマイクロコンピュータと組み合わされて使用され得る。

光検出器２２の各検出素子によって検出される光信号の位相を分析することによ り、基準面に対するＺ軸についての表面１０上の各点の座標を決定することがで きる。前記のように、この測定は、ｎ群の縞模様を対象物上に順次投射すること によって行われる。その際に、ｎ群の縞模様は各群毎に２π／ｎずつ位相がずら される。ｎは例えば４とされ、その場合、光検出器２２の出力からは以下の式で 表わされる信号か取り出される（ただし換算係数（ｓｃａｌｅ　ｆａｃｔｏｒｓ 　）は無視する）。

１０＝ｌ＋ｃｏｓφ １１　＝Ｉ＋ｓ　ｉｎφ こうして各光検出素子２２からの信号の位相か２πをモジューロ（ｍｏｄｕｌｏ ）として以下の式によって与えられる。

φ＝ａｒｃ　ｔａｎ　Ｃ（Ｉｌ−１＋　）／　（Ｉｏ　−Ｉｔ　））位相の値に 関する２にπの不確定性は対象物の表面１０に前記縞模様１４のピンチと異なる （例えばそれより大きな）ピッチを有する別の一層の縞模様を投射讐ることによ −て解決し得る。これは、第一の・くターン１２の代わりに第２の・くターンを 使用することによって実現することかできる。

図２には、本発明に従うパターンの移動と変更のための手段か概略的に示されて いる。

それらの手段は従来型のスライドプロジェクタ（図示せず）と関連付けら札プレ ート２４上に設けられている。プレート２４は、その切り欠き乃至スロット２６ か、図の紙面に垂直なプロジェクタの光軸２８上に中心決めされる。

図示の例では、２つのパターン＋２ａ、１２ｂが可動支持部材３０上によって、 互いに上下になるように支持されている。支持部材３０は、プレート２４に固定 されたスライド３２内を案内されることにより、光軸２８に垂直な鉛直方向にお いて並行移動し得る。支持部材３０はその下端部で、クランク系３４を介して、 プレート２４上に設けられた電気モータ３６の出力軸に連結されている。電気モ ータ３６はステップモータであって、支持部材３０を不連続的に往復移動させる へく制御され、それにより、２つのパターン１２ａ、１２ｂの各々がプロジェク タの光軸２８上に中心決めされる。

各パターン１２ａ、１２ｂは、長方形ないし正方形形状の外枠３８を有する。

各外枠３８は２つの垂直辺部を有し、各垂直辺部にはその中央部に外方に突出す るスタッドないしフィンガ４０か設けられている。各フィンガ４０は、弾性的に 変形し得る懸垂ブレード４２の上端部との保合部を構成する。各懸垂ブレード４ ２はその下端部で、支持部材３０の基底部を成す横断レバーに固定されている。

従って、各パターン１２ａ、１２ｂは、支持部材３０上で２つの弾性変形性ブレ ード４２によって吊り下げられ、それら両懸垂ブレード４２か弾性的に変形して 屈曲することにより、各パターン１２ａ、＋２ｂが、光軸２８と支持部材３０の 移動方向である鉛直方向との両方向に垂直な横方向において移動することを許容 する。

また、長さの異なる互いに平行な２つのアーム４６．４８を有するＵ字部材４４ が、それらアーム４６．４８でパターン１２ａ、１２ｂを支持する（ｂｒａｃｋ ｅｔ）状態で、支持部材３０に固定されている。すなわち、短いアーム４６は下 側のパターン＋２ａの右側垂直辺部に当接することによりその図中右側方向への 移動を制限する一方、長いアーム４８は上側のパターン１２ｂの左側垂直辺部に 当接することによりその図中左側方向への移動を制限する。アーム４６．４８は 対応するパターン！２ａ、１２ｂに当接することにより、下側のパターン１２ａ については対応する懸垂ブレード４２をわずかに左側に付勢し、上側のパターン １２ｂについては対応する懸垂ブレート４２をわずかに右側に付勢する。その結 果、パターン１２ａ、１２ｂと懸垂ブレード４２の横方向の振動か防止される。

さらに、各パターン１２ａ、１２ｂは横移動手段と関係付けられている。その横 移動手段は図の例では、光軸２８に平行な各軸５２の回りに回動可能にプレート ２４上に設けられた２つのチッパないしロッカ５０を含んでいる。各ロッカ５０ はその下端部で、図中鎖線で示されたカム５４の外周部に押圧される一方、その 上端部で対応するパターン１２ａ、１２ｂのフィンガ４０に当接するようになっ ている。

２つのカム５４は、コグベルト５６により、同一方向に同一角速度で回転する一 方、コグベルト５６はプレート２４上に設けられたモータ５８によって駆動され る。

さらに、各ロッカ５０を作用状態と非作用状態とに切り換える手段として、例え ば、そのロッカ５０の回動軸部材５２に固定されたレバー６０か使用される。

各レバー６０はその自由端部て、図中軸線によって略して示される牽引スプリン グ６２に連結されている。プレート２４上に設けられた分極電磁石６４は、励起 電流か流れない状態では、レバー６０をスプリング６２の作用に抗して自身の方 向に引きつけ、それによりレバー６０をロッカ５０とともに、対応するカム５４ と対応するパターン！２ａ、＋２ｂのフィンガ４０から離隔する方向に回動させ る。この非作用状態においては、カム５４の回転は対応するパターン１２ａ、１ ２ｂに伝達されず、ロッカ５０の上端部はそのパターン１２ａ、１２ｂのフィン ガ４０から離れた状態で保持される。他方、電磁石６４に電流か流されてそれが 励起すると、スプリング６２の作用によってレバー６０か回動し、ロッカ５０の 先端部か、対応するカム５４と対応するパターン１２ａ、１２ｂのフィンガ４０ とに当接する。

以下、上記したパターンの移動と変更のための手段の作動を説明する。

図２では、上方のパターン＋２ｂかプロジェクタの光軸２８上に中心決めされて おり、従って、使用可能な状態にある。上パターン１２ｂに対応する電磁石６４ （図中左側のもの）か励起されると対応のロッカ５０（左側のもの）が対応のカ ム５４と上パターン＋２ｂの左側フィンガ４０とに当接する。カム５４か丁度一 回転することにより、上パターン＋２ｂが、図の水平方向において横移動して前 進と復帰とを行う。すなわち、上パターン１２ｂはロッカ５０によって初期位置 から右側方向に移動し、さらに、懸垂ブレード４２による弾性復元力によって初 期位置に復帰する。上パターン１２ｂの前進および復帰移動は対称性を有し、従 って、取得時間（ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｒａｔｅ）は２倍になる。

ロッカ５０はレバーアーム（ｌｅｖｅｒ−ａｒｍ　）効果を有し、従って、カム ５４の加工精度との比較において、カム５４とパターン１２ａ、１２ｂの間のレ ノ（−アーム比の関数として、パターン１２ａ、＋２ｂの移動精度が高められる 。

０ツカ５０か当接するカム５４の外周部は連続的であっても、階段状であっても 何れでもよい。カム５４の各半周がＯ１π／２．π、３π／２の各位相変位に対 応する４つのステージを含むものであってもよいし、その他、０から２πの範囲 て連続的にかつ一定割合て位相を変化させる連続傾斜面（ランプ）を含むものて もあってもよい。何れの場合にも、カム５４の半回転により、ノくターン１２ａ 、＋２ｂによる縞模様が、位相変位Ｏに対応する初期位置からＯ１π／２．π。

３π／２の各位相変位に対応する距離だけ移動する。

パターン１２ｂを対称物の表面ｌＯ上に投射することにより必要な測定が終了す れば、対応する電磁石６４への電流の供給か停止され、左側の口・シカ５０がレ バー６０によって非作用状態に戻される。ついで、電気モータ３６か作動して支 持部材３０を鉛直方向上方に移動させることにより、下方のノくターン１２ａが プロジェクタの光軸２８上に中心決めされる。その状態て、右側の電磁石６４か 励起されることにより、対応するロッカ５０か作用状態となって、対応するカム ５４の回転を下パターン！２ａの横移動に変換する。

一つの具体例において、２つのパターン＋２ａ、＋２ｂとして、線間ピッチか相 当大きく異なるものを使用することができる。その場合、懸垂ブレード４２の屈 曲による側方への移動が大きくなるように、ピッチの大きい方のパターンを支持 部材３０の上方に置くとよい。カム５４は、例えば、−分当たり２回転の角速度 て駆動される。カム５４の１回の回転はパターン！２ａもしくは１２ｂの１回の 前進および復帰移動に対応する。また、支持部材３０の鉛直方向の移動によるパ ターン１２ａ、１２ｂの変更に要する時間は数百ミリ秒である。結局、本発明に よるパターン移動および変更手段を備えた装置を使用して対称物の３次元形状を 測定する場合、必要な信号の取得に要する時間はせいぜい数秒のオーダに過ぎな い。

パターン＋２ａ、＋２ｂの移動にカム５４を使用することにより、ｍｍないしＣ ｍのオーダの移動に対してμｍの精度を得ることができるか、そのような精度は 圧電手段ないしは電気機械的手段を使用することによっては得られない。

当然のことながら、上記手段には種々の変更を成すことかできる。

例えば、各カム５４は、対応するパターン＋２ａ、１２ｂの外枠３８のフィンガ ４０に直接作用するようにしてもよく、そのようにすれば口・ツカ５０の使用を 回避することができる（そのためには、フィンガ４０を長くし、カム５４をフィ ンガ４０と保合可能に配置すればよい）。

また、互いに異なるピッチを存する３つ以上のパターンを単一の可動支持部材３ ０上に設けてもよい。その場合には、支持部材３０はそれによって支持されるパ ターンの数と同じ数の位置の間で移動可能とされ、それにより各ノくターンがプ ロジェクタの光軸２８上に順次位置決めされることになる。ビ・ソチの大きい方 の各パターンは、直ぐ下の大きさのピッチのパターンを使用して得られる位相測 定値に関する２にπの不確定性を除くために利用される。

さらに、各カム５４として、対応するノくターンを一方向とその反対方向の両方 向に能動的に移動させる二重作用型カムを採用することかでき、そのよう（こす れば弾性復帰手段を省略することかできる。

要約 間隙方向において光度か正弦的に変化する縞模様を有するパターンを対象物の表 面上に投射することによりその対象物の３次元形状を測定する装置か、投射光軸 （２８）上に中・し１決めされるパターンを変更する手段（３０，３４，３６） と、各パターン＜１２ａ、１２ｂ）を２π／ｎの位相変位に相当する距離ずつ横 移動させるカム手段（５４）とを含む。

国際調査報告 国際調査報告 ＦＲ９１００５２９ Ｓ＾　４９１８０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．対象物の３次元形状を光学的にかつ非接触的に測定する装置であって、スラ イド用反転フィルム等の上に形成されて間隙方向において光度が正弦的に変化す る縞模様ないし線群を含むパターン（１２）の像を対象物（１０）上に投射する 投射手段（１６）と、該投射手段の光軸（２８）と前記パターンの縞模様ないし 線群の延びる方向とにそれぞれに垂直な方向に該パターンを移動させるカム手段 （５４）とを含み、さらに、前記光軸（２８）に垂直な同一面内に設けられ、そ れぞれピッチの異なる縞模様ないし線群を有し、かつ、該光軸（２８）に垂直で あってかつ該縞模様ないし線群か延びる方向に平行な方向において可動支持手段 （３０）により支持、案内されて並行移動する少なくとも２つのパターン（１２ ａ，１２ｂ）と、前記支持手段を駆動して不連続的に往復移動させることにより 前記少なくとも２つのパターンの各々を順次前記光軸（２８）上に中心決めする モータ手段（３４，３６）とを含むことを特徴とする装置。 ２．前記少なくとも２つのパターンの各々が、前記カム手段（５４）が作用する 方向と逆方向にそのパターンを付勢する案内および復帰手段を成す２つの平行な 弾性変形性ブレード（４２）を介して、前記可動支持手段（３０）に支持される 請求項１の装置。 ３．前記カム手段が、共通のモータ手段（５６，５８）によって前記光学軸（２ ８）に平行な各軸の回りで回転させられる複数のカム（５４）を含み、該各カム がそれに対応する前記パターン（１２ａ，１２ｂ）に作用する請求項１もしくは 請求項２の装置。 ４．前記各カム（５４）が、前記光学軸（２８）に平行な軸（５２）の回りで回 動ずるロッカ（５０）を介して、それに対応する前記パターンに作用し、該ロッ カがそれを作用状態と非作用状態とする制御手段と関連付けられる請求項３の装 置。 ５．前記少なくとも２つのパターン（１２ａ，１２ｂ）の各々が、側辺部にフィ ンガ（４０）を備えたフレーム（３８）を含み、該側辺部フィンガに、該パター ンに対応する前記ロッカ（５０）もしくはカム（５４）が当接する請求項３もし くは請求項４の装置。 ６．前記可動支持手段（３０）が２つの固定された当接部（４６，４８）を含み 、該各当接部が、それに対応する前記カム（５４）がそれに対応する前記パター ン（１２ａ，１２ｂ）を移動させる方向と逆方向において該パターンの移動を制 限し、該パターンの非作用状態において該パターンがそれに対応する各当接部に 対して弾性的に押圧される請求項１〜請求項５の何れかの装置。 ７．前記パターン移動および変更手段のすべてが、前記光学軸（２８）に中心決 めされた切り欠き（２６）を有するプレート（２４）上に設けられる請求項１〜 請求項６の何れかの装置。