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
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Info
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- JPH05501763A JPH05501763A JP3512201A JP51220191A JPH05501763A JP H05501763 A JPH05501763 A JP H05501763A JP 3512201 A JP3512201 A JP 3512201A JP 51220191 A JP51220191 A JP 51220191A JP H05501763 A JPH05501763 A JP H05501763A
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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)
- 【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。
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