JPH06249624A

JPH06249624A - ３次元表面形状測定装置

Info

Publication number: JPH06249624A
Application number: JP3563493A
Authority: JP
Inventors: Emu Fuitsutsu Jiyon; エムフィッツジョン
Original assignee: Opton Co Ltd
Current assignee: Opton Co Ltd
Priority date: 1993-02-24
Filing date: 1993-02-24
Publication date: 1994-09-09
Anticipated expiration: 2021-05-31
Also published as: JP3781438B2

Abstract

(57)【要約】【目的】高速で測定物の表面部分のＸＹＺ座標データ
を集積し、寸法測定や表面検査、リバースＣＡＤ機能を
実行する。【構成】測定物１の表面部分をフリンジパターンを伴
って投影する投影器４と、表面部分からの反射光を受け
取るカメラユニット２、３を備え、カメラユニット２の
視軸は投影器４の視軸に対して１９゜から９０゜の角度
であり、カメラユニット３はカメラユニット２の視軸と
少なくとも３゜離れている。またカメラユニット２は受
け取った反射光を表す第一電気信号を送り、カメラユニ
ット３は受け取った反射光を表す第二電気信号を送る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＸＹＺ座標データ集積
装置及びシステムに関する。データ集積速度や機械的信
頼性の欠如、装備コストの問題により、従来技術では達
成できなかったような種々の重要な表面検査機能及びリ
バースコンピュータエイデッドデザイン（以下リバース
ＣＡＤと略す）機能を有する３次元表面形状測定装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のＸＹＺ座標データ集積システム
は、座標軸測定器（以下ＣＭＭと略す）を用いた一点接
触プローブ型が一般的であった。このＣＭＭシステムの
場合、一つのＸＹＺ座標データを得るためには、ＸＹＺ
座標の広範囲にわたりプローブを機械的に移動させて測
定部分に接触させなければならない。さらに速度上の制
約として、プローブを軽く接触させるためにその機械的
ユニットの動きを接触点間で加速及び減速させる必要が
ある。速度を向上させようとすると、機械的摩耗や衝撃
その他の信頼性上の問題を防ぐためより複雑で高価な機
械的ユニットを用いらなければならない。その他、三角
測量の理論に基づく一点非接触型プローブが開発され、
これによりプローブが測定部分に接触する必要はなくな
ったが、測量箇所データを集積するため広範囲にわたり
プローブを機械的に動かす必要性は依然として残ってい
る。

【０００３】その他のＸＹＺ座標データシステムとして
は、米国特許４、８９５、４３４号に記載されているよ
うなレーザー光線走査技術が挙げられる。このシステム
によれば、例えばＣＣＤビデオカメラのような映像セン
サが測定部分の範囲を写す。そしてオフセットアングル
のレーザー光線をカメラの検査範囲に機械的に掃引す
る。こうして多数の画像が集積されてデータ処理が行わ
れ、ＸＹＺ座標の測定表面に関する情報が得られる。レ
ーザー光線が機械的に走査し画像が集積されている間、
カメラは測定部分に対し一定の時間静止していなければ
ならない。一般に一秒間あるいはそれ以上経過してデー
タが集積されると、次に配置ユニットがカメラと相対的
な測定部分の位置を、あるいは測定部分と相対的なカメ
ラの位置を再配置する。更にセンサ技術を開発すること
により、レーザー光線による機械的走査の必要性がなく
なった。特に、エレクトロ−オプティカル・インフォメ
ーション・システムズ・インコーポレイテッドにより製
造されたイーオーアイエス・エムケー・セブン（ＥＯＩ
ＳＭＫＶＩＩ）によれば、線形の光線アレイ、即ち
線形のフリンジパターンを測定部分に投影し、カメラで
写す。その場合、カメラが適切な光学的被写界深度（ｄ
ｅｐｔｈｏｆｆｉｅｌｄ）でＸＹＺ座標データを集
積するために、少なくとも二つのフリンジパターンを順
に投影しなければならない。第二フリンジパターンは、
光学的投影器のフリンジパターンを機械的に変化させた
り、第二の投影器を用いることにより形成可能である。
この第二のフリンジパターンは第一フリンジパターンに
続くものであり、カメラが測定部分に対し数分の一秒間
ほど静止するだけでよい。これら全ての応用例は、機械
的配置装置を測定ポイント間あるいはカメラの視界（ｆ
ｉｅｌｄｏｆｖｉｅｗ）間に設置することにより高
精度の加速及び減速を可能にしているが、この配置装置
の加速及び減速は処理時間の遅れの原因となっている。

【０００４】システムレベルでは、全体的な機能の速度
を速める方法として、小量のデータ集積の場合にデータ
を「薄くする」方法がある。しかしながらこの方法を用
いると、データ集積システムを詳細な表面の特徴及びき
ずが測定される表面検査、及び広範囲の表面が詳細に測
定され記憶されるリバースＣＡＤ操作に利用しにくくな
る。

【０００５】固定された投影パターンを使用する高速３
次元（以下３Ｄと略す）表面マッピングセンサの最も大
きな問題は、広範囲なＺ軸域（便宜上この用語を用い
る。このＺ軸域は測定される表面に対しほぼ直角をな
す）上において正確であるのみならず、Ｘ軸及びＹ軸
（測定される表面とほぼ接する近接の軸）上においても
高度な空間的解像度であるようなＸＹＺ座標表面マップ
を形成することができるかどうかという点にある。しか
しながら従来技術、例えば陰影モアレ法（米国特許３，
６２７，４２７；４，５７７，９４０；４，５２５，
８５８；及び４，９３９，３８０）や、投影モアレ法
（米国特許４，２１２，０７３；３，９４３，２７
８；４，８５０，６９３；及び４，８７４，９５
５）や、投影フリンジモアレ法（米国特許４，０７０，
６８３；４，８６７，５７０；及び４，８４２，４
１１）では、この点を効果的に解決できない。高度なＸ
Ｙ軸空間解像度を達成できそうな移相モアレ法の基本方
法も適当ではない。なぜなら格子パターンの場合フリン
ジ期間（ｆｒｉｎｇｅｐｅｒｉｏｄ）の間何度も移相
しなければならないため処理時間がかかり、比較的長い
間測定部分を静止させなければならないからである。固
定フリンジモアレ法（陰影型及び投影型、またカメラ光
学的参照格子を備えるもの及び備えないものを含む）を
利用すれば、もしフリンジパターンが高密度であればＸ
Ｙ軸において高い表面マップ空間解像度でありＺ軸にお
いて正確であるマップが実現可能である。原則的には、
フリンジ方向（Ｙ軸方向）の空間的解像度はＣＣＤイメ
ージカメラのピクセルサイズと同じである。フリンジパ
ターンと直角方向（Ｘ軸方向）の空間的解像度は、投影
されたパターン（複数の基本周波数よりなる複合フリン
ジパターンを含む）の最高基本周波数により設定された
ナイキスト限界（Ｎｙｑｕｅｓｔｌｉｍｉｔ）により
決定される。フリンジパターンの画像コントラストが光
学システム内に維持される限り、フリンジパターンが高
密度となれば多くの測定上の利点が得られる。即ち、
（１）Ｘ軸においてより高い表面マップ空間的解像度が
得られること（２）Ｚ軸においてより高い測定感度及
び解像度が得られること（３）ＸＹ座標におけるより
小さな表面パッチ部分が測定可能であることである。ま
たこの高密度のパターンの欠点は、Ｚ軸における動的測
定範囲がフリンジパターンの間隔により限定されること
である。Ｚ座標において表面高さが変化するに従い、フ
リンジパターンのカメラ視界も変化する。フリンジパタ
ーンの基本周波数が完全に１サイクル変化すると、表面
位置についての情報が失われる。これはモアレ法及び干
渉計によるフリンジパターン処理において「２π問題」
として知られており、Ｚ軸の動的測定範囲をほぼ１フリ
ンジパターンサイクルの間隔に限定する。前記の従来技
術を含む多くの技術を用いてこの問題を解決しようと試
みたが、何れの方法によっても、高速のＸＹＺ座標表面
測定及びマッピングを行うと同時に高密度のフリンジパ
ターンにおける上記のような利点も実現するという、本
発明の効果を達成できたものはなかった。

【０００６】前記の従来技術により２π問題及びＺ軸の
動的範囲の問題を解決する方法の概略は以下の通りであ
る。まず、連続的に異なったフリンジパターンを投影す
ることにより、２πの曖昧性を軽減する方法がある。し
かしながらこの方法は、データを集積しセンサに対して
測定部分を静止させるためにある程度の時間が必要であ
るという点において、移相モアレ法と同様の問題があ
る。固定されたパターン技術においては、フリンジをコ
ード化したり、基本フリンジパターンにさらに低い周波
数のフリンジパターンを付加したり、あるいは２πの曖
昧性を取り除くために特殊な「識別」加工をパターンに
施すという方法が一般的である。これらの技術はそれぞ
れＺ軸動的測定範囲を拡大するが、「他にはない」高密
度フリンジパターンの効果を喪失する。これらの技術に
よりＺ軸の測定精度を維持するためには、変形パターン
により生じる潜在的雑音またはエラーを軽減するより広
範囲の画像フィルター処理が必要である。従って、測定
可能なＸＹ座標における表面パッチがその他の場合より
大きくなる。その結果、コーナー半径、エッジ輪郭、帯
状部分、きず、鋸歯状部分などの細密な高速３Ｄ測定が
必要である場合、これらの技術はあまり有用ではない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の従来
技術における諸問題を解決するためになされたものであ
り、測定が行われている間センサを測定部分に対して静
止させることなくＸＹＺ座標データをカメラの視界内に
集積することが可能な３Ｄ測定システムを提供すること
を目的としている。また本発明はＸＹＺ座標データを作
成する際に配置装置を機械的に動かす必要がないので、
静止状態での測定も可能である。

【０００８】また本発明は、配置装置の加速及び減速を
不必要にし、高速な配置装置を簡単な機械的構造で形成
することも目的としている。その結果、高い信頼性があ
り、簡単で安価な配置装置が得られる。さらに本発明
は、既存のＣＡＤソフト及びメニューを利用して操作者
が直接的に操作することによりデータを操作したりデー
タをＣＡＤデータファイルに変換したりする（いわゆる
リバースＣＡＤ機能）際に便利なように、データを作成
することも目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段及び作用】以上の目的を達
成するために本発明は、少なくとも二つの電気信号から
測定物の表面を決定するために使用される３次元表面形
状測定装置において、少なくとも測定物の表面部分を少
なくとも一つのフリンジパターンを伴って照射する少な
くとも第一照射手段と、前記表面部分から反射した照射
光を受取る少なくとも二つの手段とを備え、該少なくと
も二つの手段の各々が前記第一照射手段に対して一定の
空間的配置を有し、その第一手段は前記第一照射手段の
視軸に対して第一角度をなす視軸を有し、その第二手段
は前記第一照射手段の視軸に対し第二角度をなす視軸を
有し、前記第二角度は前記第一角度とは異なり、前記第
一手段は受け取った反射光を表す第一電気信号を送り、
前記第二手段は受け取った反射光を表す第二電気信号を
送ることを要旨とする。

【００１０】前記構成を有する本発明は、第一手段及び
第二手段である二台のカメラをそれぞれ異なった位置に
設置して同時に写し、高密度フリンジパターンを記憶さ
せる。各カメラはそれぞれ異なった既知のジオメトリー
で第一照射手段である投影器に（従って互いに）参照
（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）されているので、Ｚ軸測定範囲
における２πの曖昧性は解決できる。測定部分をセンサ
に対して静止する必要はないので、高速測定が可能であ
るだけでなく、高密度モアレフリンジパターンの全ての
利点が得られる。

【００１１】モアレ処理法の理論に基づく本発明はさら
に、体積測定法または写真測量法に基づいた二台（また
はそれ以上）のカメラによる表面マッピングシステムが
有する、ＸＹ空間解像度の限界を克服することができ
る。この体積測定法及び写真測量法は、３Ｄ表面上の
「識別可能な」点を写し、カメラが互いを参照する方法
や各カメラ内で画像化された共通の点のパララックス差
を知ることにより、これらの識別可能な点のＸＹＺ座標
を測定するものである。滑らかな表面の場合適切な識別
可能な点がない可能性があるので、投影器が表面上の点
に光学的に「タグ」を付け、それをカメラが写す場合も
ある。この投影されたタグ付きの点は、体積測定法また
は写真測量法の処理に使用される「共通」の点を選択す
る際に混乱されないよう、通常十分間隔があけられてい
る。その結果、このようにして得られたＸＹＺ座標表面
マップのＸＹ座標空間解像度は、本発明に基づき高密度
フリンジパターンから得た解像度よりかなり低密度とな
る。またいずれのカメラに対する投影器の既知のジオメ
トリー的位置も、体積測定処理の一部として利用できな
い。

【００１２】ウッドの米国特許４，８４２，４１１は、
二台のカメラと一台のフリンジパターン投影器を備え、
測定部分の３Ｄ表面を測定する体積測定センサを開示し
ている。しかしながら、カメラに対する投影器ユニット
のジオメトリー的配置はフリンジの体積測定処理には使
用できない。従って、フリンジパターンの周期は、フリ
ンジ処理の際の混乱を回避する、即ち２π問題を回避す
るためかなり長い。よってウッドの体積測定センサが二
台のカメラを使用してはいるものの、二台またはそれ以
上の各々のカメラに対する投影器のジオメトリー配置を
利用した本発明の方が、高い表面マップＸＹ解像度を得
ることができる。

【００１３】本発明のその他の利点としては、体積測定
法よりも多くの表面データポイントが処理でき、それに
より最適な回帰分析処理に基づくより正確な表面マップ
が得られる。本発明のある程度根幹をなすのは、センサ
ヘッド及びデータ集積方法である。単一の投影器により
測定部分に線形フリンジパターンを投影するのが最も簡
単な方法であるが、本発明ではフリンジ投影器及びセン
サであるＣＣＤカメラ部に特殊な光学的技術を用い、画
像コントラストを向上させてより高密度なフリンジパタ
ーンを得る。さらに、少なくとも二個以上の固体ＣＣＤ
カメラを用いて、投影器の視軸（ｌｉｎｅｏｆｓｉ
ｇｈｔ；ＬＯＳ）と相対的にそれぞれ異なる方向からフ
リンジパターンを写す。便宜上、この第一のセンサを精
密カメラと称し、三角測量法の基準に基づいて投影器の
視軸に対し通常１５゜から９０゜の間とする。第二のカ
メラは、その光学的視軸が精密カメラの光学的視軸また
は投影器の光学的視軸のいずれとも完全に一致しないこ
とを条件に、任意の別の方向からほぼ同じ表面範囲を写
す。通常３゜以上異なっていればよい。便宜上、第二の
カメラを粗目カメラと称す。これら二つのカメラから得
たデータにより、センサヘッドの測定容量内の明瞭なＸ
ＹＺ座標データパターンが得られる。この測定容量は通
常カメラの視界（ｆｉｅｌｄｏｆｖｉｅｗ；ＦＯ
Ｖ）であり、カメラの光学的被写界深度のほぼ半分であ
る。第三のカメラは、精密カメラの光学的被写界深度の
全体を測定するようさらに別の角度で設置されている。
現存のビデオフレーム捕獲器（ｖｉｄｅｏｆｒａｍｅ
ｇｒａｂｂｅｒ；ＶＦＧ）により、画像のデジタル化
及び集積が同時に可能である。さらに、現在測定システ
ムに使用されているほとんどのＣＣＤセンサは電気シャ
ッタも備えられており、測定物を１ミリセカンド以下で
「即時に」写すことができる。この場合シャッタ時間が
短いため光の強度が不十分なので、ストロボ光照明器が
投影器に用いられる。この方法で１０マイクロセカンド
の光パルスのストロボ光が得られる。白昼下の操作で
も、整合した細い帯状の光学的スペクトルフィルターを
カメラの前に設置した投影器と共に、（光学ファイバー
素子を介して）レーザー装置を使用することができる。
光学ファイバー素子は、レーザー光が測定部分から反射
する時それ以上視準せず目に危険でないよう、効果的に
レーザー光を分散させる。

【００１４】ＸＹＺ座標データ処理のため画像を仮想上
即時に集積するこの方法により、カメラを測定部分に対
して静止または固定位置に配置するセンサ配置装置は不
必要となる。従って、測定部分とセンサヘッドの両方あ
るいは何れか一方は、機械的加速及び減速機能に伴う時
間的制約を受けずに、高速データ適用範囲において連続
的に再配置及び移動可能である。さらに、配置装置に必
要な機械設備も、センサヘッドの測定容量及び視界が大
きいため、かなり省略できる。特に、標準的な線型及び
回転型エンコーダまたはその他の３Ｄ記録装置を用いて
機械的位置を記録する限り、データ集積中の正確な機械
的位置は重要ではない。線型及び回転型エンコーダから
の配置装置についての出力、または３Ｄ記録装置からの
配置装置についての出力は、カメラのデータ集積と同時
にコンピュータ処理システムに送られる。これにより、
カメラのＸＹＺ座標から、全体座標系あるいは部分座標
系に正しく座標変換することができる。また機械的正確
さ、繰り返し、解像が厳密でなくとも良いので、測定シ
ステムの機械部分が簡略で安価となり、同時に高速化が
可能である。

【００１５】センサヘッドの視界が新しい測定位置へ移
動すると、そのデータを標準コンピュータアレイプロセ
ッサにより処理しＸＹＺ座標データを得る。従って、機
械的配置技術が根本的に制約を伴うのと対称的に、本発
明はコンピュータ処理技術に応じた速度でデータ作成及
び測定が可能である。その結果、その他のセンサ及びＸ
ＹＺ座標測定システムに比べ、現在のコンピュータ技術
によってかなり高速で処理及びデータ集積が可能とな
る。将来コンピュータが開発されるに従い、データ集積
のスピードを機械的配置装置のスピードとは無関係によ
り高速にすることができるであろう。

【００１６】本発明により測定部分の大量なＸＹＺ座標
データが短時間で測定できるので、きずの検出あるいは
広範囲な測定部分上の微細な部分の検出が可能である。
データ密度は通常、ＣＣＤ精密カメラの各ピクセル（検
出器素子）におけるＸＹＺ座標データポイント数であ
る。例えば、５１２Ｘ５１２型ＣＣＤカメラにより、各
検出につき約２５０，０００個のＸＹＺ座標データポイ
ントが得られる。１０２４Ｘ１０２４型ＣＣＤカメラも
現在入手可能であり、各検出につき約１，０００，００
０個のＸＹＺ座標データポイントが得られる。５１２Ｘ
５１２型カメラの測定精度は、光学的視界の１／２００
０から１／５０００までである。１０２４Ｘ１０２４型
ＣＣＤカメラの測定精度は、光学的視界の１／４０００
から１／１０，０００である。さらに高密度の２Ｄ型Ｃ
ＣＤカメラが開発されており、それにより本発明の目的
はより高度に達成できる。線形フリンジパターンのカメ
ラ視界及び投影部分は、カメラ及び投影器の光学素子を
変更することにより簡単に変更可能である。

【００１７】センサヘッド光学素子は、線形フリンジパ
ターンに最適な形となっている。フリンジ方向に沿って
スリット穴が設けられており、その狭い断面幅により投
影されたフリンジパターンの被写界深度を増大する。し
かしながらスリットの長さにより測定容量中に１Ｄディ
フォーカスが維持されるので、投影器内のフリンジパタ
ーンに存在し得る塵粒子の影響は軽減される。これによ
り、円形穴が設けられた投影器よりもより低い性能及び
コストの投影器のフリンジパターンを利用できるだけで
なく、投影器をより厳しい環境下で操作することも可能
である。またこのスリット穴は、円形穴よりも大量の光
学的パワーを伝達できる。

【００１８】センサヘッドの第二（あるいは第三）のＣ
ＣＤカメラを省略するために、線形複合フリンジ並びに
線形及び疑似任意フリンジ加工をパターン内に含有でき
る特殊なフリンジパターンデザインを、この方法に利用
することができる。これらの特殊なフリンジパターン
は、徐々に変化する滑らかな表面の広範囲な測定部分に
主に使用される。

【００１９】本発明はまた、測定部分の形状に従い電気
的にパターンを変化させるＬＣＤ型スクリーンを備え
た、電気光学的フリンジパターン発生器が使用可能であ
る。これらのパターンは、カメラが測定部分に対して静
止している場合単に線形フリンジパターンに変化した
り、あるいは測定表面の特徴（即ち測定表面が滑らかで
あるか複雑な形状であるか）に従い新しいパターンに変
化したりすることができる。

【００２０】本発明はリバースＣＡＤシステムへの新し
いアプローチを提供する。僅かの測定ポイントを長い時
間を費やして集積するのではなく、かなり大量のＸＹＺ
座標データ（メッシュまたは「クラウド」と称す）がモ
アレ法センサ検査ごとにほぼ即時に集積される。本発明
のリバースＣＡＤシステムは、各検査により得られたこ
のデータ「クラウド」を、ＣＡＤシステムに通常使用さ
れる３Ｄ表面表示体、例えばクーンズパッチ（Ｃｏｏ
ｎ’ｓＰａｔｃｈ）、ベジエ表面（ＢｅｚｉｅｒＳ
ｕｒｆａｃｅ）、Ｂ−スプライン（Ｂ−Ｓｐｌｉｎｅ
ｓ）、ナーブズ（Ｎｕｒｂｓ）等に即時に変換する高速
プロセッサを備える。そして得られた３Ｄ表面は再び素
早くＣＡＤモニター上に表示され、操作者がそれを「リ
アルタイム」あるいは「オンライン」で見ることができ
る。これらの３Ｄ表面モデルは位置制御プロセッサに情
報を与えることもでき、これによりモアレ型センサの視
界の軌道及び位置を自動的に計算し、制御できる。

【００２１】このリアルタイムの表示により、操作者は
オンライン操作でＣＡＤパラメータを再設定できるの
で、操作者の使用目的が達成可能となる。それぞれの表
示ごとに、得られたＸＹＺ座標３Ｄ表面モデルがどれほ
ど実際の測定ＸＹＺ座標データに近いかを示す評価番号
が操作者に与えられる。この評価番号により、操作者は
測定部分に対してＣＡＤモデルをどれほど正確にしたい
か技術的決定を下す。本発明では高速で、また高密度で
データを集積するので、操作者はリアルタイムのデータ
表示にインターフェースしてこのリバースＣＡＤ機能を
実施することができる。このシステムは大きく分けて、
自動的にデータを出力する完全自動制御のリバースＣＡ
Ｄ機能を持つ場合と、予め操作者が見て確認する場合と
がある。

【００２２】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。本発明は種々のものに適用可能であるが、図１に
示すような３次元表面形状測定装置に最も適している。

【００２３】二台のカメラを備えた本発明の基本的なモ
アレ法処理技術を図１に示す。３Ｄ測定物体１は、二台
のカメラユニット２、３及び単一フリンジパターン投影
器４に写される。これらの光学的装置は、強固な設置台
５上に設置されており、表面測定工程及びデータ集積工
程の間光学的装置の相対的な配置が維持されている。図
示しない移動装置により、設置台５及び／または測定物
体１を相対的に移動させる。通常オフラインで測定以前
に行う校正や配置により、カメラユニット２、３と投影
器４の相対的なジオメトリー的関係を各々決定する。図
示された各カメラユニット２、３は、イメージレンズ６
及び標準ビデオＣＣＤなどの２Ｄ検出アレイ装置７を備
える。各カメラユニット２、３は参照格子を必要としな
い。図示された投影器４は遠隔白色光源８を備え、この
光源８は光学ファイバー束９を介して光を投影器４へ送
る。光学ファイバー束９はガラスのスライドフリンジパ
ターン１０を照明し、スライドフリンジパターン１０は
測定物体１上の表面パッチ１１上に再び映し出される。
以下、投影器４の光学的構造についてさらに詳細に説明
する。

【００２４】フリンジパターン１０を伴った表面パッチ
１１は、二台のカメラユニット２、３により写される。
スライドフリンジパターン１０は通常ガラス製で、透明
な帯と不透明の帯からなる一連の線形フリンジに形成さ
れ、ロンチ格子（Ｒｏｎｃｈｉｇｒａｔｉｎｇ）とし
て知られている。通常の光学的形状の場合、カメラユニ
ット２の視軸（ＬＯＳ）を検査表面に対しほぼ直角に配
置する。カメラユニット２を精密カメラと呼ぶ。投影器
４の視軸はカメラユニット２の視軸より通常３０゜から
９０゜離れている。カメラユニット３も基本的には同じ
パッチ表面を、投影器４の視軸とカメラユニット２の視
軸とは異なった角度で写す。粗目カメラとなるカメラユ
ニット３は通常、その視軸の角度が投影器４の視軸ある
いはカメラユニット２の視軸から少なくとも３゜以上離
れて配置される。これらのカメラユニット２、３は、通
常遠隔電気サポートユニット１２に接続されている。こ
の遠隔電気サポートユニット１２及び白色光源８によ
り、投影器４及びカメラユニト２、３よりなる小型セン
サが設置台５上で作動する。さらに、電気サポートユニ
ット１２及び光源８からの熱源がセンサから離れて設置
されているので、測定がより正確になり、熱効果による
有害な影響がより軽減される。白色光源８は、ＣＣＤユ
ニットの雑音信号の条件に従い、連続型でもストロボ型
でもよい。ＣＣＤユニットの電気サポートユニット１２
は通常電気シャッタを備え、これによりデータ集積の間
測定部分に対しセンサが移動して画像がぼやけないよう
になっている。画像はさらに、光源８にストロボ白色光
照明器を設置することによりＣＣＤアレイ装置７上に固
定できる。また、光源８は細いスペクトル帯の可視レー
ザー光、例えばＨｅＮｅなどと交換してもよく、これに
より白昼下における測定も可能となる。この場合、カメ
ラユニット２、３はＣＣＤアレイ装置７の前に標準の細
い通過帯域のスペクトルフィルターを備える。光学ファ
イバー束９はレーザーの視準性（ｃｏｌｌｉｍａｔｉｏ
ｎｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ）を効果的に除去し、レーザ
ー光が投影面から乱反射しても目に安全となっている。

【００２５】図１に示されているように、カメラユニッ
ト２、３の各ＣＣＤアレイ装置７上にほぼ即時に記憶さ
れた画像は独立のデジタル化装置１３または共通のデジ
タル化装置に電気的に送られ、これらのデジタル化装置
１３はデジタル化されたデータをデジタル画像記憶装置
１４及び／または高速コンピュータプロセッサ１５に送
る。このコンピュータ構造により、高速プロセッサ１５
が画像集積速度で処理するとコンピュータ動力が不足で
ある場合に、高速データ速度で二台のカメラの連続的な
デジタル画像を記憶することが可能である。現在の技術
により、プロセッサ１５の処理速度が絶えず高速化して
いるので、画像記憶装置１４の容量は重要ではない。こ
の高速コンピュータプロセッサ１５の出力は、センサ座
標上のｘ _c，ｙ_c，ｚ_cデータである。このデータはさら
に全体座標プロセッサ１６により部分（または全体）Ｘ
ＹＺ座標系に変換される。このプロセッサ１６にはセン
サ及び／または部分配置装置１７からのデータが入力さ
れる。プロセッサ１６からの出力はデータ記憶ユニット
１８及び／または応用プロセッサ１９に送られる。この
応用プロセッサ１９はシステム応用ごとに異なり、３Ｄ
形状を寸法的に有効にし、表面検出やしわの検出、リバ
ースＣＡＤ機能を実行する。

【００２６】検査範囲である表面パッチ１１上に投影さ
れた高解像度のフリンジパターンは、高精度で高解像度
のＸＹＺ座標マップを形成する。カメラユニット３はそ
の同じパターンを写し、カメラユニット２がさらに同じ
パターンを写して個々にフリンジパターンの位置を決定
することにより、標準的な単一カメラによるモアレ技術
の限界を克服している。固定されたフリンジパターン技
術の独特な点は、カメラユニット検出器の大きさと相対
的に、ＸＹＺ座標表面マップの高空間解像度が線形フリ
ンジ束の方向に沿って得られることである。フリンジパ
ターンと交わる空間解像度が比較的小さいのは、関連す
る空間周波数がナイキスト基準として示される基本投影
フリンジパターン周波数の原則により制限されるからで
ある。

【００２７】以下、図１に示す複数のカメラを用いた装
置により「２π問題」を解決する方法について述べる。
この方法のフローチャートを図９に示す。投影モアレシ
ステムがカメラＡとＢ、及び単一投影器からなるものと
する。各カメラが共通の測定表面から得る位相マップ
を、

【００２８】

【数１】

【００２９】とする。ｉ_a、ｊ_a及びｉ_b、ｊ_bはそれぞれ
カメラＡ、Ｂのカメラピクセル（イメージ素子、検出器
位置など）値である。位相値φ_a及びφ_bはラジアン表示
で、投影位相パターンについて各カメラが写した移動量
を表す。２π値はカメラが写した完全なフリンジ移動に
関連するもので、事実フリンジ移動は多く起こってい
る。一般に、各カメラＡ、Ｂから最初に算出される原展
開位相（ｒａｗｕｎｆｏｌｄｅｄｐｈａｓｅ）はδ
φ_a及びδφ_bであり、それぞれφ_a及びφ_bとの関係は以
下の等式の通りである。

【００３０】

【数２】

【００３１】この式において、Ｎ_a及びＮ_bは整数であ
る。これらの正しい値を選択すること、即ち「２π問
題」は、実際的なモアレ法センサシステムの設計におい
て鍵となる。η_a及びη_bはδφ_a値及びδφ_b値が発生す
る際の「雑音」の原因となる。これらの標準的な偏差σ
_a及びσ_bは、通常２πのほんの一部である（例えばσ_a
＝σ_b≒２π／１００）。

【００３２】本発明の複数のカメラを用いた装置におい
て、全てのカメラと投影器のジオメトリー的関係は既知
である。各カメラはそのｉ、ｊ、φの値をそれぞれ、部
分あるいは全体座標系に基づきｘ、ｙ、ｚ値にマッピン
グする。カメラＡについては、

【００３３】

【数３】

【００３４】であり、カメラＢについては、

【００３５】

【数４】

【００３６】となる。この計算において、写される表面
はＺ軸方向に対して垂直ベクトルを本来有する（詳しく
はＺ軸に対し±４５゜以内）ことが仮定される。また、

【００３７】

【数５】

【００３８】の関係式が成り立つので、Ｎ_aとＮ_bとは相
関することがわかる。ここにおいて、δφ_a及びδφ_bの
原位相の測定から個々にＮ_a（及びＮ_b）を決定する方法
が得られる。（５）の式は次のような多項式に書き換え
られる。

【００３９】

【数６】

【００４０】但しａの係数はｉ_a及びｊ_aの関数であり、
ｂの係数はｉ_b及びｊ_bの関数である。ほとんどの実際の
センサ測定の非線形期間は通常短い（但しａ₂＜＜ａ₁、
ｂ₂＜＜ｂ₁、またφ_a及びφ_bが数百ラジアンの最大値を
とる）。従って等式（６）から得られる線形の関係は以
下のように表される。

【００４１】

【数７】

【００４２】Ｎ_a ^*及びＮ_b ^*を、等式（２）の関係を用い
て等式（７）に対する解となり得そうな真の整数（通常
未知である）とすると、次のように書き換えられる。

【００４３】

【数８】

【００４４】ノイズ期間、即ちη_a及びη_bは、２πより
もかなり短い必要がある。正確な条件については後に記
載する。ここで複数カメラにおける２π問題は、同様の
関係を満たすその他のＮ_a及びＮ_bが存在するかどうか判
断できるまでに軽減される。これは以下のように表すこ
とができる。

【００４５】

【数９】

【００４６】これは以下のように書き換えられる。

【００４７】

【数１０】

【００４８】但し

【００４９】

【数１１】

【００５０】この複合ノイズη_cは、以下の標準偏差を
有する。

【００５１】

【数１２】

【００５２】但しσ_a＝σ_b＝σの条件が各々のカメラノ
イズ源に対し仮定される。精密カメラ、即ちカメラＡに
対して適切な可変範囲の拡張が可能かどうかの判断、つ
まりカメラＡが、

【００５３】

【数１３】

【００５４】のようなＮ_a値の範囲で明白に機能するこ
とが可能かどうかの判断は、ｂ₁／ａ₁の比率が鍵とな
る。但し通常はＮ_max＝５である。しかしながらこのｂ₁
／ａ₁の比率は、カメラＡ及びカメラＢが投影器に対し
どのように配置されているかに左右される。近似値とし
ては、この関係は

【００５５】

【数１４】

【００５６】

【数１５】

【００５７】または

【００５８】

【数１６】

【００５９】但し、α_p＝Ｚ軸に対する投影器の角度 α_A＝Ｚ軸に対するカメラＡの角度 α_B＝Ｚ軸に対するカメラＢの角度Ｐ₀＝測定部分空間におけるフリンジパターン期間であ
る。

【００６０】一般的なセンサとしては、α_P＝３０゜及
びα_A＝０゜（精密カメラはＺ軸に沿って整列されてい
る）であり、粗目カメラ即ちカメラＢの角度α_Bは０゜
から３０゜の間である。もしα_B＝２７゜（カメラＢが
投影器の付近）であれば、ｂ₁／ａ₁≒１１である。もし
α_B＝３゜（カメラＢがカメラＡの付近）であれば、ｂ₁
／ａ₁≒１．１である。ｂ₁／ａ₁の正確な比率は校正工
程から得られる。ｂ₁／ａ ₁が許容範囲の比率であるか否
かは、等式（１０）のノイズがない場合、即ち

【００６１】

【数１７】

【００６２】が、Ｎ_aの関連範囲においてδＮ_a＝δＮ_b
＝０以外のδＮ_a及びδＮ_bの解の整数を有するか否かに
よる。いま、比率を

【００６３】

【数１８】

【００６４】とする。但しＤＥＮはｂ₁／ａ₁の最少公分
母とする。すると０でない最近似の整数の解は、

【００６５】

【数１９】

【００６６】となる。もしＮＵＭ≧２Ｎ_max＋１なら
ば、ノイズなしの条件のための望ましい精密カメラの範
囲（−Ｎ_max≦Ｎ_a≦Ｎ_max）において唯一の解が存在す
る。位相測定ノイズ（標準偏差σ）が存在する実際の測
定上の条件においては、ＤＥＮ値は以下の関係を満たさ
なければならない。

【００６７】

【数２０】

【００６８】ここで、１／ＤＥＮは等式（１０）の期
間、即ち（ｂ₁／ａ₁）δＮ_bの最少の偏差を指す。この
値はこの等式のノイズ期間よりも大きくなければならな
い。関係式２０は実際にはそれほど制限的ではない。な
ぜなら比率ｂ₁／ａ₁＝ＮＵＭ／ＤＥＮは常に１（ｕｎｉ
ｔｙ）よりも大きい、即ち、

【００６９】

【数２１】

【００７０】または、

【００７１】

【数２２】

【００７２】であるからである。従って、もし位相測定
ノイズがσ＝２π／１００であるならば、−５≦Ｎ_a≦
５の範囲において条件を満たす唯一のセンサの解はＮＵ
Ｍ＝１１である。以下のような様々なカメラＢの角度位
置が可能である。ＤＥＮ＝１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０（またはα_B≒２７゜，２５゜，２２．５゜，２０゜，
１７．５゜，１５゜，１２゜，９゜，６゜，３
゜）前記の例σ＝２π／１００において、カメラＢの位置に
よって決められた可能な整数値がＤＥＮ＝１〜１８であ
るならば、δＮ_a＝ＮＵＭ＝１９（他のプライマリーナ
ンバー）であれば、より広い可変範囲が可能であろう。
この場合、Ｎ_aの範囲は−９≦Ｎ_a≦９である。

【００７３】この方法はさらに、等式（６）が非線形の
場合、及び比率ｂ₁／ａ₁がカメラピクセル位置ｉ_a、
ｊ_a、ｉ_b、ｊ_bにおいてより大きく変化する場合、同様
に利用できる。後者の場合、ｂ₁／ａ₁の変化は公称値の
１／ＤＥＮ期間よりもかなり小さくなければならない
（ノイズ不等式（２０）と同様）。この条件は、関連す
るほとんどのジオメトリックセンサにおいて、不等式
（２０）のノイズ上の制約があっても通常簡単に満たす
ことができる。非線形の場合、Ｎ_a及びＮ_bのとり得る値
は等式（６）から得られ、条件を満たす唯一の解を得る
ため数学的シミュレーションあるいは実験を実施するこ
とが可能である。

【００７４】図２（ａ）は図１の基本形測定システムの
簡単な変形例を示す。図２（ａ）のシステムにおいて、
測定部分の特徴やエッジに対し種々の配列で高空間解像
度が得られる。精密カメラ２１、粗目カメラ２２及び投
影器２４は図１の実施例と同様の機能を果たし、垂直方
向に配列されたフリンジパターン２６を得る。パターン
２６の線形フリンジは精密カメラ２１の視軸と投影器２
４の視軸を含有するジオメトリー的面とほぼ垂直であ
る。また、粗目カメラ２２はこの面内になくてもよい。
従って、水平方向のフリンジパターン３０を投影する投
影器２８を設置することが可能である。任意の一時点で
投影器２４と２８のいずれか一方が作動する。しかしな
がら、カメラ２１及び２２の両方が同時に、垂直方向に
投影されたフリンジ２６と水平方向に投影されたフリン
ジ３０のうちいずれかを写す。投影器光源３２及び３４
に電気ストロボや機械的シャッタを設置し、投影器２４
と２８間の変換を迅速に行うようにしてもよい。水平方
向のほぼ４５゜以内に配列された測定部分のエッジに応
答して、垂直方向のフリンジの投影器２４が選択され、
図２（ｂ）（ｃ）（ｄ）のようなカメラの視界画像が得
られる。垂直方向のほぼ４５゜以内に配列された測定部
分のエッジに応答して、水平方向のフリンジの投影器２
８が選択され、図２（ｅ）（ｆ）のようなカメラ視界画
像が得られる。ＣＣＤ装置であるカメラ２１及び２２の
カメラ視界に含まれる数個のＣＣＤ検出器あるいはピク
セルのみにより、測定される表面に関する高密度なＸＹ
Ｚ座標の情報を得ることが可能である。単一のカメラ及
び投影器を使用する従来のモアレ法を、コード化され
た、あるいは複合のフリンジに使用しても、同じ狭い範
囲内で高解像度を達成することはできない。なぜなら、
前記の２π不明瞭問題を解決するためには広範囲な表面
パッチが必要だからである。同様に、二台のカメラを用
いた体積測定法は、識別可能な点が散在しており高解像
度の表面ＸＹＺ座標データ及び３Ｄマップが得られない
ため、不適当である。

【００７５】図３（ａ）は、一般的な目的に使用される
モアレセンサのさらに別の好適な実施例である。この実
施例の測定システムには、狭い視界（ＮＦＯＶ）表面パ
ッチを写す精密カメラ４１及び粗目カメラ４２に加え、
広い視界（ＷＦＯＶ）の光学カメラ４４が設置され、か
なり広範囲の表面パッチを写すことができる。各投影器
４５及び４６は、二つの並んだフリンジパターンを同時
に写す。垂直フリンジ投影器４５は、図３（ｂ）に示す
ＷＦＯＶパターン４７とＮＦＯＶパターン４８を投影す
る。同様に水平フリンジ投影器４６は、図３（ｃ）に示
すＷＦＯＶパターン４９とＮＦＯＶパターン５０を写
す。これらのパターンのジオメトリー的配置は、狭いパ
ターン４８、５０のうち使用される投影器が写したパタ
ーンの方を、ＮＦＯＶの精密カメラ４１とＮＦＯＶの粗
目カメラ４２が写すように配置される。狭い表面パッチ
やフリンジパターンが、高解像度の表面マップを必要と
しない広範囲の表面を覆うことができても、この場合広
範囲の視界のモアレセンサに付加的な部分的及び／また
はセンサ移動、及びデータ集積の機能が必要になる。し
かし本実施例では、広範囲の投影パターン４７、４９を
写すＷＦＯＶカメラ４４を使用することによりこれを達
成できる。本実施例は高解像度部分を含まない部分的表
面に対し実施されるので、複合フリンジやコード化され
たパターンを測定したり、２π不明瞭問題を避けるため
に輝光線（通常１．５フリンジ幅で、パターン４７中の
線５１及びパターン４９中の線５２として示す）などの
加工を加えたりすることが可能である。この実施に対し
ＷＦＯＶ「粗目カメラ」を付加する必要はない。図３
（ａ）の実施例に、他の装置が検査できるよう測定部分
を全体的に照明するための、光学ファイバーを用いた光
源５３を設置してもよい。光源５３の白色光照明器の光
学的軸がＮＦＯＶ精密カメラ４１の光学的軸と一致する
場合、図３（ａ）に示されたように光源５３が環状であ
る方が望ましい。これにより、モアレ法３Ｄ表面測定技
術とは関係しない標準のエッジ探知装置を利用して、影
部分のエッジ、穴、***などの位置をより正確に知るこ
とができる。白色光源を使用中は、投影器４５及び４６
の電源は切る。

【００７６】図１、２、３（ａ）に示されたモアレセン
サヘッドの重要な物理的特徴は、小型であるということ
であり、単純な機械的構造によって高速で単純な操作が
可能となる。カメラユニットを形成するＣＣＤカメラヘ
ッドや小型のイメージレンズはこの目的に十分適してい
る。標準的技術を利用した投影器では、カメラユニット
による画像集積に必要な十分な解像度、コントラストや
光の強度で高密度なフリンジを投影する機能を果たすた
めに、かなり大きくなる可能性がある。本発明によれ
ば、図４（ａ）に示された小型の光学的装置の投影器に
よってこれらの機能を果たすことが可能である。この装
置の部材を以下説明する。光源６１は光学ファイバー束
６２の端部に位置し、光学ファイバー束６２はさらに遠
隔の電球６３及び電源６４に接続されている。光学ファ
イバー束６２は、電球６３の赤外線熱が投影器に届かな
いようこれを除去する。光源に使用される通常の電球６
３は、光線を光学束接続端部６７に向けて視準する独自
のコンデンサレンズ６５を有する。電源から赤外線熱を
さらに除去するために、光学的フィルター即ち熱ミラー
６８を光学ファイバー束６２の前に設置可能である。

【００７７】光学ファイバー束６２から出た光はコンデ
ンサレンズ部材７０へ入る。コンデンサレンズ部材７０
の付近には、フリンジパターンが投影されたガラススラ
イド７１あるいはその他のパターン発生装置が位置して
いる。光は再び光学的画像投影器装置７２に焦点を合わ
す。この画像投影器装置７２はフリンジパターン７１の
焦点を再び測定部分の表面に合わせ、フリンジパターン
７３を形成する。このフリンジパターン７３は、完全に
視準された明るいフリンジ及び暗いフリンジよりなり、
元のフリンジパターン７１から変化していないことが望
ましい。標準的な高密度のフリンジパターンは図４
（ｂ）に示すロンチ格子７４であり、線形で交錯してお
り、等間隔で並んだ透明な帯と不透明な帯よりなる。画
像投影器装置７２内に通常設けられたピンホール穴７５
は様々な機能を果たす。例えば、穴が小さいことにより
投影器が表面に垂直でない場合でも測定部分表面上の焦
点を維持するので、投影されたパターンにおいてより大
きな被写界深度が得られる。さらにピンホール穴７５に
より、パターン中のあらゆる塵やその他の小さな破片を
効果的に除去することができる。このピンホール穴７５
の短所としては、多くの場合大量の光が無駄になること
である。この種の穴が利用されるのであれば、十分な光
学的照射力を保証するためより高出力の光源やより大き
なコンデンサレンズ部材７０を設置する必要がある。し
かしこうしてコンデンサレンズ部材７０を大きくする
と、全体の投影器が大きくならざるを得ない。

【００７８】その他の例として、図４（ｃ）に示すよう
にフリンジパターンの方向にスリット幅のスリット穴７
６を設け、図４（ｄ）に示すようにコンデンサレンズ部
材７０を円筒状に形成した円筒状コンデンサレンズ７７
を設置してもよい。こうした形状であればより多い光量
をシステム中に送ることが可能である。その結果、コン
デンサレンズ及び投影器がより小型になる。スリット穴
７６のスリット長さにより、各フリンジパターンの横断
方向ではなく長さ方向に沿って効果的にディフォーカス
を形成する。従って、スロット幅はピンホール穴７５の
径と同じなので、長い被写界深度が維持される。フリン
ジ方向のディフォーカスにより被写界深度内のフリンジ
の質は劣化しない。１次元ディフォーカスにより、フリ
ンジパターン７１の各フリンジに現れるあらゆる傷やほ
こりが効果的に取り払われるので、投影されたパターン
７３の質はかえって向上する。光学的画像投影器装置７
２が非常に小さい投影パターン７３を投影するように選
択された場合、投影された際のロンチ格子７４の基本的
周波数は、ピンホール径あるいは単一スリット穴の狭い
幅により決められた光学的回折限界値に近づく可能性が
ある。投影線形フリンジパターン７３を形成するためロ
ンチ格子７４を変形すると、コントラストを向上でき
る。この場合、交錯した透明な帯と不透明な帯からなる
標準的ロンチ格子に類似するように変形する。しかしな
がら、等間隔で並べる代わりに、図４（ｅ）に示すよう
に約７５％が不透明な帯で約２５％が透明な帯となるよ
うにフリンジを並べる。標準のロンチ格子に比べこの形
状では光の無駄が大きいが、光が送られる際のコントラ
ストが向上し、またスリット穴７６及び円筒状コンデン
サレンズ７７を使用することによりこれを補うことがで
きる。

【００７９】図５（ａ）は図４（ａ）の投影器の変形を
示し、固定されたフリンジパターンが投影されたガラス
スライド７１（標準的ロンチタイプでも変形ロンチタイ
プでもよい）を液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）あるいはそ
れと同等な電気制御の伝達（または反射）装置８１に取
り替えたものである。このＬＣＤ装置８１は光学的性質
を備えておらず、また標準の固定されたフリンジパター
ンのように直線ではないが、移相モアレ技術及び複数フ
リンジパターン投影技術の両方を実施するため、電気的
にパターンを変化させることが可能である。水平及び垂
直両方の固定されたパターンモアレ技術を可能にするた
め、これらのＬＣＤパターンを固定させることも可能で
ある。例えば、図２（ａ）の水平及び垂直フリンジ投影
器２４、２８は、反射型を含む単一の電気制御されたＬ
ＣＤ投影器８２あるいはその同等物、及び二台のカメラ
ユニット８３、８４と取り替えることができる。垂直フ
リンジパターン対しては、カメラユニット８３が精密カ
メラとなりカメラユニット８４が粗目カメラとなる。水
平フリンジに対しては、カメラユニット８４が精密カメ
ラとなりカメラユニット８３が粗目カメラとなる。投影
器８２の光学的視軸及びカメラユニット８３の光学的視
軸を含むジオメトリー的面は、投影器８２の視軸及びカ
メラユニット８４の視軸を含む面とほぼ垂直をなす面か
ら約３゜引いた位置になければならない。カメラユニッ
ト８３の視軸と投影器８２の視軸の間の角度は通常３０
゜から６０゜であり、同様にカメラユニット８４の視軸
と投影器８２の視軸の間の角度も３０゜から６０゜であ
る。ＬＣＤ８１の変則形（ａｎｏｍａｌｉｅｓ）を補う
ため、図４（ａ）に示された単一スリット穴７６を形成
する。これにより、全ての変則形を各フリンジの方向に
沿って効果的にぼかし、光学的画像投影器装置７２によ
り測定部分表面上に理想的な投影フリンジパターン７３
を再び画像化することが可能となる。

【００８０】本発明の複数カメラによるセンサ技術によ
り、図６、７、８に示す多くの検査システムの機械的構
造が可能である。図６は、測定対象物１００がセンサ１
０２に対し完全に静止している状態を示す。センサ１０
２は適した角度で移動し表面測定を完了する。本発明の
小型センサ装置により、センサ１０２は高速で移動でき
る。測定表面に対し配置装置を停止させずに高速でＸＹ
Ｚ座標表面パッチデータを得ることができるので、表面
マッピング及びデータ集積の速度を大幅に向上すること
が可能である。この結果、ＸＹＺ座標データを分析でき
るＣＡＤエンジニアやその他の操作者が、測定がなされ
ている間オンラインで操作することが可能である。従っ
て、測定時に操作者がオンラインで操作に変更や変形を
施すことができる。図７は、機械的配置装置がセンサユ
ニット１０４と測定部分１０６の間で分割されている測
定システムの変形例を示す。図８は、静止しているセン
サ１１２に対し測定部分１１０のみが移動する測定の変
形例を示す。本発明の各変形例は、本発明の全ての作動
上の基本的性質を備える。

【００８１】本発明は以上に示された例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種
々の変形及び応用が可能である。

【００８２】

【発明の効果】以上説明したように本発明の３次元表面
形状測定装置は、測定中センサを測定部分に対して静止
させることなく、ＸＹＺ座標データをカメラの視界内に
即時に集積することが可能である。また本発明は、配置
装置の加速及び減速が不必要であるため、高い信頼性が
あり、簡単で安価な配置装置にすることができる。さら
に本発明は、ＣＡＤソフト及びメニューを利用して操作
者が直接的に操作するリバースＣＡＤ機能に便利なデー
タを作成することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の３次元表面形状測定装置を示す概略図
である。

【図２】本実施例の二台の投影器の配置及び種々のカメ
ラ視界画像を示す概略図である。

【図３】本実施例の三台のカメラと二台の投影器の配置
及び二台のカメラにより投影された各パターンを示す概
略図である。

【図４】本発明の実施例の投影器の概略図である。

【図５】投影器のその他の実施例の概略図である。

【図６】測定部分が静止しセンサが移動する場合の実施
例の斜視図である。

【図７】測定部分及びセンサが移動する場合の実施例の
斜視図である。

【図８】測定部分が移動しセンサが静止する場合の実施
例の斜視図である。

【図９】「２π問題」を解決する工程を示すフローチャ
ートである。

【符号の説明】

１・・・測定物２、３・・・カメラユニット４・・・投影器１０・・・スライドフリンジパターン１１・・・表面パッチ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも二つの電気信号から測定物の
表面を決定するために使用される３次元表面形状測定装
置において、少なくとも測定物の表面部分を少なくとも一つのフリン
ジパターンを伴って照射する少なくとも第一照射手段
と、前記表面部分から反射した照射光を受取る少なくとも二
つの手段を備え、該少なくとも二つの手段の各々が前記
第一照射手段に対して一定の空間的配置を有し、その第
一手段は前記第一照射手段の視軸に対して第一角度をな
す視軸を有し、その第二手段は前記第一照射手段の視軸
に対し第二角度をなす視軸を有し、前記第二角度は前記
第一角度とは異なり、前記第一手段は受け取った反射光を表す第一電気信号を
送り、前記第二手段は受け取った反射光を表す第二電気
信号を送ることを特徴とする３次元表面形状測定装置。
【請求項２】前記第一照射手段はロンチ格子を有し、
ここを照射光が透過して前記測定物の前記表面部分上に
前記フリンジパターンを形成することを特徴とする請求
項１に記載の３次元表面形状測定装置。
【請求項３】前記第一照射手段は変形ロンチ格子を有
し、ここを照射光が透過して前記測定物の前記表面部分
上に前記フリンジパターンを形成し、前記変形ロンチ格
子は透明な帯と不透明な帯を交互に有し、該不透明な帯
は該透明な帯より幅が広いことを特徴とする請求項１に
記載の３次元表面形状測定装置。
【請求項４】前記不透明な帯は前記透明な帯の約３倍
の幅であることを特徴とする請求項３に記載の３次元表
面形状測定装置。
【請求項５】前記第一照射手段は可変フリンジ格子を
形成する手段を有することを特徴とする請求項１に記載
の３次元表面形状測定装置。
【請求項６】可変フリンジ格子を形成する前記手段が
照射パターンを形成する伝達及び非伝達部分を有する液
晶ディスプレイであることを特徴とする請求項５に記載
の３次元表面形状測定装置。
【請求項７】前記第一手段は精密ビデオカメラであ
り、その前記第一電気信号が前記表面部分上の複数のＸ
ＹＺ座標点に関する情報を少なくとも有し、前記第二手段は粗目ビデオカメラであり、その前記第二
電気信号が前記表面部分上のフリンジパターンの位置を
前記第一手段からの前記情報に基づき個々に決定する情
報を少なくとも有することを特徴とする請求項１に記載
の３次元表面形状測定装置。
【請求項８】前記第一手段が前記表面部分に対しほぼ
垂直に配置され、前記第一角度が１９゜から９０゜まで
の範囲であり、前記第二手段の視軸は前記第一手段の視
軸から少なくとも３゜離れているように配置されること
を特徴とする請求項１に記載の３次元表面形状測定装
置。
【請求項９】前記３次元表面形状測定装置が照射光源
から離れて位置しており、その照射光源は光学ファイバ
ー線を介して前記第一照射手段に接続されていることを
特徴とする請求項１に記載の３次元表面形状測定装置。
【請求項１０】前記第一照射手段が連続的な照射を行
うことを特徴とする請求項１に記載の３次元表面形状測
定装置。
【請求項１１】前記第一照射手段がストロボ照射を行
うことを特徴とする請求項１に記載の３次元表面形状測
定装置。
【請求項１２】前記第一照射手段は細いスペクトル帯
の可視レーザー光を照射し、反射光を受け取る前記少な
くとも二つの手段はそれぞれ細い通過帯域のスペクトル
フィルターを有することを特徴とする請求項１に記載の
３次元表面形状測定装置。
【請求項１３】前記第一照射手段がストロボ白色光照
射器を有することを特徴とする請求項１に記載の３次元
表面形状測定装置。
【請求項１４】前記３次元表面形状測定装置が前記測
定物の前記表面部分を少なくとも一つのフリンジパター
ンを伴って照射する第二照射手段を備え、該第二照射手
段は前記第一照射手段の視軸と異なる配置の視軸を有
し、前記第一照射手段は垂直なフリンジパターンを投影
し、前記第二照射手段は水平なフリンジパターンを投影
し、前記垂直及び水平なフリンジパターンは前記表面部
分に交互に投影されることを特徴とする請求項１に記載
の３次元表面形状測定装置。
【請求項１５】反射光を受け取る前記少なくとも二つ
の手段の視界における水平方向の約４５゜以内に配置さ
れた前記表面部分の部分エッジに応答して、前記第一照
射手段を選択する手段と、反射光を受け取る前記少なくとも二つの手段の視界にお
ける垂直方向の約４５゜以内に配置された前記表面部分
の部分エッジに応答して、前記第二照射手段を選択する
手段を備えることを特徴とする請求項１４に記載の３次
元表面形状測定装置。
【請求項１６】前記３次元表面形状測定装置は前記測
定物の前記表面部分を少なくとも一つのフリンジパター
ンを伴って照射する第二照射手段を有し、前記第二照射手段は前記第一照射手段の前記視軸とは異
なる配置の視軸を有し、前記第一照射手段は二つの隣合
った垂直フリンジパターンを同時に投影し、前記第二照
射手段は二つの隣合った水平フリンジパターンを同時に
投影し、前記隣合った垂直及び水平フリンジパターンのうち一方
は狭い視界のフリンジパターンであり、他方は広い視界
のフリンジパターンであり、前記３次元表面形状測定装置はさらに反射光を受け取る
第三手段を備え、該第三手段は広い視界のフリンジパタ
ーンを写すために広い視界を有し、前記第一手段及び第
二手段は狭い視界のフリンジパターンを写すために狭い
視界を有することを特徴とする請求項１に記載の３次元
表面形状測定装置。
【請求項１７】前記少なくとも第一照射手段は照射光
線を送る手段と、その照射光線を視準する手段と、視準
された照射光線が透過するフリンジ格子を形成する手段
と、前記表面部分上の前記フリンジパターンの被写界深
度を増大させる手段と、前記フリンジパターンの焦点を
前記表面部分に合わせる手段を備えることを特徴とする
請求項１に記載の３次元表面形状測定装置。
【請求項１８】照射光線を視準する前記手段がコンデ
ンサレンズであることを特徴とする請求項１７に記載の
３次元表面形状測定装置。
【請求項１９】被写界深度を増大させる前記手段がピ
ンホール穴であることを特徴とする請求項１７に記載の
３次元表面形状測定装置。
【請求項２０】照射光線を視準するための前記手段が
円筒状のコンデンサレンズであり、被写界深度を増大さ
せる前記手段が格子を形成する前記手段と平行に配置さ
れたスリット穴であり、前記フリンジ格子が不透明及び
透明のほぼ直線の複数の帯が交互に並んだものであるこ
とを特徴とする請求項１７に記載の３次元表面形状測定
装置。
【請求項２１】フリンジパターンを形成する前記手段
がロンチ格子であることを特徴とする請求項１７に記載
の３次元表面形状測定装置。
【請求項２２】フリンジパターンを形成する前記手段
が不透明な帯と透明な帯とを交互に有する変形ロンチ格
子であり、前記不透明な帯が前記透明な帯よりも幅広い
ことを特徴とする請求項１７に記載の３次元表面形状測
定装置。
【請求項２３】前記不透明な帯の幅が前記透明な帯の
幅の３倍であることを特徴とする請求項２２に記載の３
次元表面形状測定装置。
【請求項２４】フリンジパターンを形成する前記少な
くとも一つの手段が、種々の照射パターンを形成する伝
達部分と非伝達部分とを有する液晶ディスプレイである
ことを特徴とする請求項１７に記載の３次元表面形状測
定装置。
【請求項２５】前記３次元表面形状測定装置は前記少
なくとも第一照射手段と反射光を受け取る前記二つの手
段を前記測定物の位置に対して静止位置に支持する手段
を有し、前記測定物は移動可能であることを特徴とする
請求項１に記載の３次元表面形状測定装置。
【請求項２６】前記３次元表面形状測定装置は前記少
なくとも第一照射手段及び反射光を受け取る前記少なく
とも二つの手段を前記測定物と相対的に移動させる手段
を有し、前記測定物は静止していることを特徴とする請
求項１に記載の３次元表面形状測定装置。
【請求項２７】前記３次元表面形状測定装置は前記少
なくとも第一照射手段及び反射光を受け取る前記少なく
とも二つの手段と相対的に前記測定物を移動させる手段
を有し、さらに前記３次元表面形状測定装置は前記少な
くとも第一照射手段及び反射光を受け取る前記少なくと
も二つの手段を移動させる手段を有することを特徴とす
る請求項１に記載の３次元表面形状測定装置。
【請求項２８】測定物の表面を少なくとも二つの電気
信号から決定するための３次元表面形状測定装置におい
て、測定物の少なくとも表面部分を二つの隣合った垂直なフ
リンジパターンを伴って照射する第一照射手段と、前記測定物の前記表面部分を二つの隣合った水平なフリ
ンジパターンを伴って照射する第二照射手段と、前記表面部分からの反射光を受け取る少なくとも三つの
第一、第二、第三手段とを備え、該少なくとも三つの手
段の各々が前記第一照射手段に対し一定の空間的配置を
有し、その第一手段は前記第一照射手段の視軸に対し第
一角度をなす視軸を有し、その第二手段は前記第一照射
手段の視軸に対し第二角度をなす視軸を有し、前記第二
角度は前記第一角度と異なり、前記第二照射手段の視軸
は前記第一照射手段の視軸と異なった配置であり、前記隣合った垂直及び水平フリンジパターンのそれぞれ
において、一方は狭い視界のフリンジパターンであり他
方は広い視界のフリンジパターンであり、前記少なくとも三つの手段のうちの第三手段は広い視界
のフリンジパターンを写すために広い視界を有し、前記
第一手段及び第二手段は狭い視界のフリンジパターンを
写すためにそれぞれ狭い視界を有し、前記第一手段は受け取った反射光を表す第一電気信号を
送り、前記第二手段は受け取った反射光を表す第二電気
信号を送ることを特徴とする３次元表面形状測定装置。
【請求項２９】前記第一手段は精密ビデオカメラであ
り、その前記第一電気信号が前記表面部分上の複数のＸ
ＹＺ座標点に関する情報を少なくとも有し、前記第二手段は粗目ビデオカメラであり、その前記第二
電気信号が前記表面部分上のフリンジパターンの位置を
前記第一手段からの前記情報に基づき個々に決定する情
報を少なくとも有することを特徴とする請求項２８に記
載の３次元表面形状測定装置。
【請求項３０】前記第一手段が前記表面部分とほぼ垂
直に配置され、前記第一角度が１９゜から９０゜の範囲
内であり、前記第二手段の視軸が前記第一手段の視軸と
少なくとも３゜はなれているように配置されることを特
徴とする請求項２８に記載の３次元表面形状測定装置。
【請求項３１】測定物の表面を少なくとも二つの電気
信号から決定するための３次元表面形状測定装置におい
て、測定物の少なくとも表面部分を少なくとも一つの第
一フリンジパターンを伴って照射する第一照射手段と、前記測定物の前記表面部分を少なくとも一つの第二フリ
ンジパターンを伴って照射する第二照射手段と、前記表面部分からの反射光を受け取る少なくとも二つの
第一、第二手段とを備え、該少なくとも二つの手段の各
々が前記第一照射手段及び第二照射手段に対し一定の空
間的配置を有し、その第一手段は前記第一照射手段の視
軸に対し第一角度をなす視軸を有し、その第二手段は前
記第一照射手段の視軸に対し第二角度をなす視軸を有
し、前記第二角度は前記第一角度と異なり、前記第二照射手段の視軸は前記第一照射手段の前記視軸
と異なり、前記第一手段は受け取った反射光を表す第一電気信号を
送り、前記第二手段は受け取った反射光を表す第二電気
信号を送ることを特徴とする３次元表面形状測定装置。
【請求項３２】前記第一照射手段は垂直フリンジパタ
ーンを投影し、前記第二照射手段は水平フリンジパター
ンを投影し、前記垂直及び水平フリンジパターンは前記
表面部分上に交互に投影されることを特徴とする請求項
３１に記載の３次元表面形状測定装置。
【請求項３３】反射光を受け取る前記少なくとも二つ
の手段の視界における水平方向の約４５゜以内に配置さ
れた前記表面部分の部分エッジに対し、前記第一照射手
段を選択する手段と、反射光を受け取る前記少なくとも二つの手段の視界にお
ける垂直方向の約４５゜以内に配置された前記表面部分
の部分エッジに対し、前記第二照射手段を選択する手段
を備えることを特徴とする請求項３１に記載の３次元表
面形状測定装置。
【請求項３４】前記第一手段は精密ビデオカメラであ
り、その前記第一電気信号が前記表面部分上の複数のＸ
ＹＺ座標点に関する情報を少なくとも有し、前記第二手段は粗目ビデオカメラであり、その前記第二
電気信号が前記表面部分上のフリンジパターンの位置を
前記第一手段からの前記情報に基づき個々に決定する情
報を少なくとも有することを特徴とする請求項３１に記
載の３次元表面形状測定装置。
【請求項３５】前記第一手段が前記表面部分とほぼ垂
直に配置され、前記第一角度が１９゜から９０゜の範囲
内であり、前記第二手段の視軸が前記第一手段の前記視
軸と少なくとも３゜はなれているように配置されること
を特徴とする請求項３１に記載の３次元表面形状測定装
置。
【請求項３６】測定物の表面を少なくとも二つの電気
信号から決定するための３次元表面形状測定装置におい
て、測定物の少なくとも表面部分をフリンジパターンを伴っ
て照射し、照射光線を送る手段と、その照射光線を視準
する手段と、その視準された照射光線が透過するフリン
ジ格子を形成する手段と、前記表面部分上の前記フリン
ジパターンの被写界深度を増大する手段と、そのフリン
ジパターンの焦点を前記表面部分に合わせる手段を有す
る少なくとも第一照射手段と、各々が前記第一照射手段に対して一定の空間的配置を有
し、第一手段は前記第一照射手段の前記視軸に対して第
一角度をなす視軸を有し、第二手段は前記第一照射手段
の前記視軸に対し第二角度をなす視軸を有し、前記第二
角度は前記第一角度とは異なる、前記表面部分から反射
した照射光を受取る少なくとも二つの手段を備え、前記第一手段は受け取った反射光を表す第一電気信号を
送り、前記第二手段は受け取った反射光を表す第二電気
信号を送ることを特徴とする３次元表面形状測定装置。
【請求項３７】照射光線を視準する前記方法がコンデ
ンサレンズであることを特徴とする請求項３６に記載の
３次元表面形状測定装置。
【請求項３８】被写界深度を増大する前記手段がピン
ホール穴であることを特徴とする請求項３６に記載の３
次元表面形状測定装置。
【請求項３９】照射光線を視準する前記手段が円筒状
のコンデンサレンズであり、被写界深度を増大させる前
記手段が格子を形成する前記手段と平行に配置されたス
リットであり、前記フリンジ格子が不透明と透明のほぼ
直線の複数の帯が交互に並んだものであることを特徴と
する請求項３６に記載の３次元表面形状測定装置。
【請求項４０】フリンジパターンを形成する前記手段
がロンチ格子であることを特徴とする請求項３６に記載
の３次元表面形状測定装置。
【請求項４１】フリンジパターンを形成する前記手段
が不透明と透明の帯が交互に並ぶ変形ロンチ格子であ
り、前記不透明な帯の幅が前記透明な帯の幅より広いこ
とを特徴とする請求項３６に記載の３次元表面形状測定
装置。
【請求項４２】前記不透明な帯の幅が前記透明な帯の
幅の約３倍であることを特徴とする請求項３９に記載の
３次元表面形状測定装置。
【請求項４３】測定物の表面を少なくとも二つの電気
信号から決定するための３次元表面形状測定装置におい
て、光を供給する光源手段と、その光源手段から光を受取り
その光の焦点を光学的画像投影器上に再び合わす円筒状
コンデンサレンズ構造と、その円筒状コンデンサレンズ
構造の出力側付近に位置するほぼ平行な線形フリンジパ
ターンを形成するパターン手段と、そのパターン手段と
光学的画像投影器の間に位置し各フリンジパターンの横
断方向ではなく長さ方向に沿ってディフォーカスを形成
するスリット穴手段を有する、測定物の少なくとも表面
部分を少なくとも一つのフリンジパターンを伴って照射
する少なくとも第一照射手段と、前記表面部分から反射した照射光を受取る少なくとも二
つの手段を備え、該少なくとも二つの手段の各々が前記
第一照射手段に対して一定の空間的配置を有し、その第
一手段は前記第一照射手段の視軸に対して第一角度をな
す視軸を有し、その第二手段は前記第一照射手段の視軸
に対し第二角度をなす視軸を有し、前記第二角度は前記
第一角度とは異なり、前記第一手段は受け取った反射光を表す第一電気信号を
送り、前記第二手段は受け取った反射光を表す第二電気
信号を送ることを特徴とする３次元表面形状測定装置。
【請求項４４】測定物の表面を決定する３次元表面形
状測定装置において、測定物の少なくとも表面を少なくとも一つのフリンジパ
ターンを伴って照射する少なくとも第一照射手段により
照射し、各々が前記第一照射手段に対して一定の空間的配置を有
し、精密カメラは前記第一照射手段の前記視軸に対して
第一角度をなす視軸を有し、粗目カメラは前記第一照射
手段の前記視軸に対し第二角度をなす視軸を有し、前記
第二角度は前記第一角度とは異なる、前記表面部分から
反射した照射光を受取る少なくとも二つのカメラを供給
し、測定物の精密カメラと粗目カメラとの関係を示す３次元
部分座標を供給し、前記精密カメラから得たピクセル座標及び位相値の第一
組を出力し、前記粗目カメラから得たピクセル座標及び位相値の第二
組を出力し、各第一組及び第二組はそれぞれのピクセル座標から第一
原展開位相値及び第二原展開位相値を各々取り出し、第一原展開位相値及び第二原展開位相値、並びに第一組
及び第二組のピクセル座標に基づき第一真整数値及び第
二真整数値を算出し、第一真整数値及び第二真整数値に基づき精密カメラの位
相マップを形成し、部分座標系に基づき部分マップ上に位相マップを形成
し、測定物表面部分を表す最終的な３次元座標組を形成
する３次元表面形状測定装置。
【請求項４５】最終的な３次元座標組に基づき測定物
の表面部分の形状を描写するリバースコンピュータエイ
デッドデザイン操作を行う工程を含む請求項４４に記載
の３次元表面形状測定装置。