JPH10197225A - 3次元物体形状計測装置 - Google Patents
3次元物体形状計測装置Info
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- JPH10197225A JPH10197225A JP9003892A JP389297A JPH10197225A JP H10197225 A JPH10197225 A JP H10197225A JP 9003892 A JP9003892 A JP 9003892A JP 389297 A JP389297 A JP 389297A JP H10197225 A JPH10197225 A JP H10197225A
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- Japan
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- dimensional
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 構成が簡易で、安全面を考慮に入れた3次元
物体形状計測装置を提供する。 【解決手段】 光源1から出射された光ビームは、コリ
メーティングレンズ2でコリメートされた後、2次元ス
キャナ3によって2次元的に走査され、f・θレンズ4
によって物体5上に縞模様を描画する。物体5面上にで
きた縞模様は、TVカメラ10によって観測され、画像
処理装置11に転送される。画像処理装置11には、そ
れぞれの縞模様に対応する基準の縞状パタンが入力され
ており、物体面で変形した縞模様との間のモアレ縞を抽
出する。このモアレ縞を演算制御装置9によって解析す
ることによって、物体5の表面の等高線を求めることが
できる。方向とピッチの異なる縞模様を少なくとも2
回、物体に描画することによって、階段状の物体や任意
の大きさの物体の3次元形状を容易に計測する。
物体形状計測装置を提供する。 【解決手段】 光源1から出射された光ビームは、コリ
メーティングレンズ2でコリメートされた後、2次元ス
キャナ3によって2次元的に走査され、f・θレンズ4
によって物体5上に縞模様を描画する。物体5面上にで
きた縞模様は、TVカメラ10によって観測され、画像
処理装置11に転送される。画像処理装置11には、そ
れぞれの縞模様に対応する基準の縞状パタンが入力され
ており、物体面で変形した縞模様との間のモアレ縞を抽
出する。このモアレ縞を演算制御装置9によって解析す
ることによって、物体5の表面の等高線を求めることが
できる。方向とピッチの異なる縞模様を少なくとも2
回、物体に描画することによって、階段状の物体や任意
の大きさの物体の3次元形状を容易に計測する。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は形状計測装置に関
し、特に、モアレトポグラフィに代表されるような、縞
を利用した3次元物体形状計測装置に関する。
し、特に、モアレトポグラフィに代表されるような、縞
を利用した3次元物体形状計測装置に関する。
【0002】
【従来の技術】周知のように、モアレトポグラフィと
は、物体面上に縞状パタンを投射し、物体の形状により
変形した縞模様と基準の縞模様とを重ね合わせ、それの
差周波数として生じる等高線を表わすモアレ縞を解析す
ることにより、物体の形状を測定する方法である。詳し
くは、例えば、雑誌「アプライド・オプティックス(Ap
lied Optics )」、9巻、1970年、1667頁〜1
472頁に記載の論文「モアレ・トポグラフィ(Moire
Topography)」に述べられている。この方法には、図4
および図5に示す2つの型がある。
は、物体面上に縞状パタンを投射し、物体の形状により
変形した縞模様と基準の縞模様とを重ね合わせ、それの
差周波数として生じる等高線を表わすモアレ縞を解析す
ることにより、物体の形状を測定する方法である。詳し
くは、例えば、雑誌「アプライド・オプティックス(Ap
lied Optics )」、9巻、1970年、1667頁〜1
472頁に記載の論文「モアレ・トポグラフィ(Moire
Topography)」に述べられている。この方法には、図4
および図5に示す2つの型がある。
【0003】1つは、図4に示すように、物体23の直
前に置いた格子22を点光源21によって照射する格子
照射型である。もう1つは、図5に示すように、格子2
4の像を物体面上に結像させる格子投影型である。両方
法を比較した場合、走査性において、後者の方に柔軟性
があり、応用範囲が広い。格子投影型モアレトポグラフ
ィについては、例えば雑誌「アプライド・オプティック
ス(Aplied Optics )」、22巻、1983年、850
頁〜855頁に記載の論文「自動3次元トポグラフィに
おける移動格子法を用いたモアレ投影法(Projection q
Morie with moving grating for autometed 3-D topog
raphy )」に詳しく述べられている。
前に置いた格子22を点光源21によって照射する格子
照射型である。もう1つは、図5に示すように、格子2
4の像を物体面上に結像させる格子投影型である。両方
法を比較した場合、走査性において、後者の方に柔軟性
があり、応用範囲が広い。格子投影型モアレトポグラフ
ィについては、例えば雑誌「アプライド・オプティック
ス(Aplied Optics )」、22巻、1983年、850
頁〜855頁に記載の論文「自動3次元トポグラフィに
おける移動格子法を用いたモアレ投影法(Projection q
Morie with moving grating for autometed 3-D topog
raphy )」に詳しく述べられている。
【0004】上述した従来の3次元物体形状計測方法で
は、発生する格子の方向はいつも一定である。ところ
が、図2に示すような物体23の形状を計測する場合に
は、物体が階段状になっている場所で、等高線モアレ縞
の次数を判断できなくなる。また、投影光学系と撮像系
によって、計測できる物体の大きさが決められている。
は、発生する格子の方向はいつも一定である。ところ
が、図2に示すような物体23の形状を計測する場合に
は、物体が階段状になっている場所で、等高線モアレ縞
の次数を判断できなくなる。また、投影光学系と撮像系
によって、計測できる物体の大きさが決められている。
【0005】これを解決するために、特開昭61−26
0107号公報(以下、先行技術文献と呼ぶ)には、縞
状パターンを縞の方向を変えて少なくとも2回被測定物
体に投影することにより、階段状の物体においても等高
線モアレ縞の次数を判断することを可能とした「3次元
計測方法および装置」が開示されている。この先行技術
文献では、ホログラフィックレーザスキャナの前置光学
系において、走査ビームが物体の面上で走査方向に収
束、副走査方向に発散する様に調整すれば、副走査方向
のビーム幅により、走査長として決められた長さを一面
に走査する。この時に、前置光学内部に光空間変調器を
置き、光透過率を0または1にすることにより、縞状の
パターンができる。これをスキャナで走査することによ
り、物体の面に縞模様を発生することができる。前述し
たように、モアレトポグラフィでは格子を用いて階段状
の物体に段差に平行な縞模様を投影すると、段差のある
位置で等高線が不連続となり、次数の判定ができなくな
る。しかし方向の異なる縞を少なくとも2回物体に投影
することにより、次数の判定が常に可能となり、物体の
形状を測定できる。
0107号公報(以下、先行技術文献と呼ぶ)には、縞
状パターンを縞の方向を変えて少なくとも2回被測定物
体に投影することにより、階段状の物体においても等高
線モアレ縞の次数を判断することを可能とした「3次元
計測方法および装置」が開示されている。この先行技術
文献では、ホログラフィックレーザスキャナの前置光学
系において、走査ビームが物体の面上で走査方向に収
束、副走査方向に発散する様に調整すれば、副走査方向
のビーム幅により、走査長として決められた長さを一面
に走査する。この時に、前置光学内部に光空間変調器を
置き、光透過率を0または1にすることにより、縞状の
パターンができる。これをスキャナで走査することによ
り、物体の面に縞模様を発生することができる。前述し
たように、モアレトポグラフィでは格子を用いて階段状
の物体に段差に平行な縞模様を投影すると、段差のある
位置で等高線が不連続となり、次数の判定ができなくな
る。しかし方向の異なる縞を少なくとも2回物体に投影
することにより、次数の判定が常に可能となり、物体の
形状を測定できる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上述した先行技術で
は、光源から出射した光ビームを走査して物体面上に縞
模様のパタンを描画するためのスキャナ(走査手段)と
して、ホログラフィックレーザスキャナを採用してい
る。しかしながら、ホログラフィックレーザスキャナそ
れ自体は1次元スキャナであるため、物体面に縞模様を
発生するためには、ホログラフィックレーザスキャナの
前段に1次元光空間変調器を含む前置光学系を設ける必
要がある。従って、構成が複雑になるという欠点があ
る。また、光源として使用する半導体レーザとしては、
人間の目に対する安全面を考慮して選択するのが好まし
い。
は、光源から出射した光ビームを走査して物体面上に縞
模様のパタンを描画するためのスキャナ(走査手段)と
して、ホログラフィックレーザスキャナを採用してい
る。しかしながら、ホログラフィックレーザスキャナそ
れ自体は1次元スキャナであるため、物体面に縞模様を
発生するためには、ホログラフィックレーザスキャナの
前段に1次元光空間変調器を含む前置光学系を設ける必
要がある。従って、構成が複雑になるという欠点があ
る。また、光源として使用する半導体レーザとしては、
人間の目に対する安全面を考慮して選択するのが好まし
い。
【0007】したがって、本発明の目的は、構成が簡易
な3次元物体形状計測装置を提供することにある。
な3次元物体形状計測装置を提供することにある。
【0008】本発明の他の目的は、安全面を考慮に入れ
た3次元物体形状計測装置を提供することにある。
た3次元物体形状計測装置を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明の3次元物体形状
計測装置は、光源と、前記光源から出射した光ビームを
2次元的に走査する走査手段と、前記走査手段によって
走査された光を集光するためのビーム集光手段と、物体
を撮像するための撮像手段と、前記撮像手段によって撮
像された画像を格納するための画像メモリを含み、画像
間の処理を行う画像処理手段と、を有することを特徴と
する。
計測装置は、光源と、前記光源から出射した光ビームを
2次元的に走査する走査手段と、前記走査手段によって
走査された光を集光するためのビーム集光手段と、物体
を撮像するための撮像手段と、前記撮像手段によって撮
像された画像を格納するための画像メモリを含み、画像
間の処理を行う画像処理手段と、を有することを特徴と
する。
【0010】上記3次元物体形状計測装置において、前
記走査手段としては、例えば、ガルバノミラーを使用で
きる。また、前記光源から出射される光の波長は、1.
55μm±0.1μmであることが好ましい。さらに、
前記ビーム集光手段が、焦点距離可変のレンズから構成
されていることが望ましい。
記走査手段としては、例えば、ガルバノミラーを使用で
きる。また、前記光源から出射される光の波長は、1.
55μm±0.1μmであることが好ましい。さらに、
前記ビーム集光手段が、焦点距離可変のレンズから構成
されていることが望ましい。
【0011】
【作用】ガルバノミラーに代表される2次元スキャナを
用いると、光源から出射した光ビームを2次元的に、自
由に走査することができる。この2次元スキャナを用い
て光ブームを走査することによって、物体上に任意のピ
ッチと方向とをもった縞模様のパタンを発生(描画)さ
せることができる。
用いると、光源から出射した光ビームを2次元的に、自
由に走査することができる。この2次元スキャナを用い
て光ブームを走査することによって、物体上に任意のピ
ッチと方向とをもった縞模様のパタンを発生(描画)さ
せることができる。
【0012】モアレトポグラフィ法では、格子22を用
いて、階段状の物体に図2に示すような方向の縞模様3
0を投影すると、段差のある位置で等高線が不連続とな
り、次数の判定ができなくなる。この際、図3に示すよ
うに、段差に平行でない縞31を描画すると、等高線が
連続になるため、次数の判定が可能になる。また、描画
した縞模様のピッチによって、等高線の間隔が決まる。
大きな物体には荒い縞を、小さい物体や複雑な形状をも
つ物体には、細かい縞を描画することが望ましい。測定
前の段階では、段差の有無、段差の方向、物体の大きさ
などが不明である。しかしながら、方向の異なる比較的
荒い縞を、少なくとも2回物体に描画することにより、
それぞれの測定で等高線が不連続となる段差は、他の方
向の測定で段差にならない。また、物体の大きさや、複
雑な構造の有無を知ることもできる。この情報を元に、
縞模様のピッチや方向を変化させ、物体の詳細な形状を
測定することが可能である。
いて、階段状の物体に図2に示すような方向の縞模様3
0を投影すると、段差のある位置で等高線が不連続とな
り、次数の判定ができなくなる。この際、図3に示すよ
うに、段差に平行でない縞31を描画すると、等高線が
連続になるため、次数の判定が可能になる。また、描画
した縞模様のピッチによって、等高線の間隔が決まる。
大きな物体には荒い縞を、小さい物体や複雑な形状をも
つ物体には、細かい縞を描画することが望ましい。測定
前の段階では、段差の有無、段差の方向、物体の大きさ
などが不明である。しかしながら、方向の異なる比較的
荒い縞を、少なくとも2回物体に描画することにより、
それぞれの測定で等高線が不連続となる段差は、他の方
向の測定で段差にならない。また、物体の大きさや、複
雑な構造の有無を知ることもできる。この情報を元に、
縞模様のピッチや方向を変化させ、物体の詳細な形状を
測定することが可能である。
【0013】初めに行なう2回の測定では、第1回目の
測定において、例えば図2の方向の縞を物体に描画し、
第2回目の測定において、例えば図3のように、第1回
目の測定の締の方向から90°異なる方向の縞を物体に
描画することで、一方の測定で不足している情報を、他
方で補うことができる。物体上で変形した縞模様は、画
像メモリ内部の計算機によって作製された仮想の縞模様
と重ね合わせ、画像演算によってノイズのないモアレ縞
を発生させることができる。このモアレ縞を解析して、
物体の形状を認識することができる。
測定において、例えば図2の方向の縞を物体に描画し、
第2回目の測定において、例えば図3のように、第1回
目の測定の締の方向から90°異なる方向の縞を物体に
描画することで、一方の測定で不足している情報を、他
方で補うことができる。物体上で変形した縞模様は、画
像メモリ内部の計算機によって作製された仮想の縞模様
と重ね合わせ、画像演算によってノイズのないモアレ縞
を発生させることができる。このモアレ縞を解析して、
物体の形状を認識することができる。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。図1に本発明の一実
施の形態による3次元物体形状測定装置の構成を示す。
図示の3次元物体形状測定装置は、光源1と、コリメー
ティングレンズ2と、2次元スキャナ3と、f・θレン
ズ4と、光源駆動装置6と、スキャナ制御装置7と、焦
点距離制御装置8と、演算制御装置9と、TVカメラ1
0と、画像処理装置11とを有する。
て図面を参照して詳細に説明する。図1に本発明の一実
施の形態による3次元物体形状測定装置の構成を示す。
図示の3次元物体形状測定装置は、光源1と、コリメー
ティングレンズ2と、2次元スキャナ3と、f・θレン
ズ4と、光源駆動装置6と、スキャナ制御装置7と、焦
点距離制御装置8と、演算制御装置9と、TVカメラ1
0と、画像処理装置11とを有する。
【0015】光源1は人間の目に対して安全な1.55
μm帯の波長の光を発振する半導体レーザからなる。コ
リメーティングレンズ2は光源1から出射された光ビー
ムをコリメートする。2次元スキャナ3は例えばガルバ
ノミラーからなり、コリメーティングレンズ2でコリメ
ートされた光を2次元的に走査する。f・θレンズ4は
焦点距離を変化させることができるレンズであって、2
次元スキャナ3で走査された光を集光して、物体5上に
縞模様を描画する。光源駆動装置6は光源1を駆動し、
スキャナ制御装置7は2次元スキャナ3を制御し、焦点
距離制御装置8はf・θレンズ4の焦点距離を変化させ
る。これら光源駆動装置6、スキャナ制御装置7および
焦点距離制御装置8はGP−IB(general purpose in
terfacebus )インタフェイスを有するファンクション
ジェネレータなどで構成できる。すなわち、光源駆動装
置6は光源1に印加する電圧でよって電源1のオン・オ
フを制御し、スキャナ制御装置7は2次元スキャナ3に
印加する電圧によって2次元スキャナ3を制御し、焦点
距離制御装置8はf・θレンズ4に印加する電圧によっ
て焦点距離を可変する。演算制御装置9はたとえばパー
ソナルコンピュータで構成され、光源駆動装置6、スキ
ャナ制御装置7および焦点距離制御装置8を制御する。
TVカメラ10は物体5上にできた縞模様のパタンを撮
像する。画像処理装置11はGP−IBなどのインタフ
ェイス(図示せず)とTVカメラ10によって撮像され
た画像を格納するための画像メモリ(図示せず)とを有
し、画像間の積算、加減算の機能をもつ。
μm帯の波長の光を発振する半導体レーザからなる。コ
リメーティングレンズ2は光源1から出射された光ビー
ムをコリメートする。2次元スキャナ3は例えばガルバ
ノミラーからなり、コリメーティングレンズ2でコリメ
ートされた光を2次元的に走査する。f・θレンズ4は
焦点距離を変化させることができるレンズであって、2
次元スキャナ3で走査された光を集光して、物体5上に
縞模様を描画する。光源駆動装置6は光源1を駆動し、
スキャナ制御装置7は2次元スキャナ3を制御し、焦点
距離制御装置8はf・θレンズ4の焦点距離を変化させ
る。これら光源駆動装置6、スキャナ制御装置7および
焦点距離制御装置8はGP−IB(general purpose in
terfacebus )インタフェイスを有するファンクション
ジェネレータなどで構成できる。すなわち、光源駆動装
置6は光源1に印加する電圧でよって電源1のオン・オ
フを制御し、スキャナ制御装置7は2次元スキャナ3に
印加する電圧によって2次元スキャナ3を制御し、焦点
距離制御装置8はf・θレンズ4に印加する電圧によっ
て焦点距離を可変する。演算制御装置9はたとえばパー
ソナルコンピュータで構成され、光源駆動装置6、スキ
ャナ制御装置7および焦点距離制御装置8を制御する。
TVカメラ10は物体5上にできた縞模様のパタンを撮
像する。画像処理装置11はGP−IBなどのインタフ
ェイス(図示せず)とTVカメラ10によって撮像され
た画像を格納するための画像メモリ(図示せず)とを有
し、画像間の積算、加減算の機能をもつ。
【0016】次に、図1に示した3次元物体形状測定装
置の動作について説明する。光源1から出射された光
は、コリメーティングレンズ2でコリメートされた後、
2次元スキャナ3によって2次元的に走査され、f・θ
レンズ4によって物体5上に縞模様のパタンを描画す
る。物体5の面上にできた縞模様のパタンは、TVカメ
ラ10によって観測され、画像処理装置11に転送され
る。画像処理装置11には、あらかじめ演算制御装置9
により、それぞれの縞模様に対応する基準の縞状パタン
が入力されており、物体面で変形した縞模様との間のモ
アレ縞を抽出する。このモアレ縞を演算制御装置9によ
って解析することによって、物体5の表面の等高線を求
めることができる。
置の動作について説明する。光源1から出射された光
は、コリメーティングレンズ2でコリメートされた後、
2次元スキャナ3によって2次元的に走査され、f・θ
レンズ4によって物体5上に縞模様のパタンを描画す
る。物体5の面上にできた縞模様のパタンは、TVカメ
ラ10によって観測され、画像処理装置11に転送され
る。画像処理装置11には、あらかじめ演算制御装置9
により、それぞれの縞模様に対応する基準の縞状パタン
が入力されており、物体面で変形した縞模様との間のモ
アレ縞を抽出する。このモアレ縞を演算制御装置9によ
って解析することによって、物体5の表面の等高線を求
めることができる。
【0017】本発明は上述した実施形態に限定せず、本
発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更・変形が可
能である。
発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更・変形が可
能である。
【0018】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、光源から
出射した光ビームを走査する走査手段として、例えばガ
ルバノミラーからなる2次元スキャナを用いているの
で、光ビームを2次元的に自由に走査することができ
る。すなわち、2次元スキャナを用いて光ビームを走査
することによって、物体上に任意のピッチと方向とをも
った縞模様のパタンを発生(描画)させることができ
る。また、走査手段が2次元スキャナなので、1次元ス
キャナよりも構成が簡易となる。さらに、方向とピッチ
の異なる縞模様のパタンを少なくとも2回、物体上に描
画すれば、階段状の物体や大きさを予測できなかった物
体においても、容易に3次元形状を計測することが可能
となる。
出射した光ビームを走査する走査手段として、例えばガ
ルバノミラーからなる2次元スキャナを用いているの
で、光ビームを2次元的に自由に走査することができ
る。すなわち、2次元スキャナを用いて光ビームを走査
することによって、物体上に任意のピッチと方向とをも
った縞模様のパタンを発生(描画)させることができ
る。また、走査手段が2次元スキャナなので、1次元ス
キャナよりも構成が簡易となる。さらに、方向とピッチ
の異なる縞模様のパタンを少なくとも2回、物体上に描
画すれば、階段状の物体や大きさを予測できなかった物
体においても、容易に3次元形状を計測することが可能
となる。
【図1】本発明の一実施の形態に係わる3次元物体形状
計測装置の構成を示すブロック図である。
計測装置の構成を示すブロック図である。
【図2】階段状物体における計測の不可能な格子の方向
例を示す図である。
例を示す図である。
【図3】階段状物体における計測の可能な格子の方向例
を示す図である。
を示す図である。
【図4】従来の格子照射型モアレトポグラフィを示す図
である。
である。
【図5】従来の格子投影型モアレトポグラフィを示す図
である。
である。
1 光源 2 コリメーティングレンズ 3 2次元スキャナ 4 f・θレンズ 5 物体 6 光源駆動装置 7 スキャナ制御装置 8 焦点距離制御装置 9 演算制御装置 10 TVカメラ 11 画像処理装置
Claims (4)
- 【請求項1】 光源と、前記光源から出射した光ビーム
を2次元的に走査する走査手段と、前記走査手段によっ
て走査された光を集光するためのビーム集光手段と、物
体を撮像するための撮像手段と、前記撮像手段によって
撮像された画像を格納するための画像メモリを含み、画
像間の処理を行う画像処理手段と、を有することを特徴
とする3次元物体形状計測装置。 - 【請求項2】 前記走査手段がガルバノミラーである、
請求項1に記載の3次元物体形状計測装置。 - 【請求項3】 前記光源から出射される光の波長が、
1.55μm±0.1μmであることを特徴とする請求
項1に記載の3次元物体形状計測装置。 - 【請求項4】 前記ビーム集光手段が、焦点距離可変の
レンズから構成されている請求項1に記載の3次元物体
形状計測装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9003892A JP2939944B2 (ja) | 1997-01-13 | 1997-01-13 | 3次元物体形状計測装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9003892A JP2939944B2 (ja) | 1997-01-13 | 1997-01-13 | 3次元物体形状計測装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH10197225A true JPH10197225A (ja) | 1998-07-31 |
JP2939944B2 JP2939944B2 (ja) | 1999-08-25 |
Family
ID=11569846
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP9003892A Expired - Fee Related JP2939944B2 (ja) | 1997-01-13 | 1997-01-13 | 3次元物体形状計測装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2939944B2 (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20000053779A (ko) * | 2000-04-10 | 2000-09-05 | 김성식 | 2차원 격자무늬를 이용한 3차원 형상측정시스템 |
WO2002075245A1 (en) * | 2001-03-13 | 2002-09-26 | Solutionix Co., Ltd. | Apparatus and method for measuring three dimensional shape with multi-stripe patterns |
KR100856466B1 (ko) | 2008-03-07 | 2008-09-04 | 에이티아이 주식회사 | 스케닝 모아레 측정장치 및 측정방법 |
-
1997
- 1997-01-13 JP JP9003892A patent/JP2939944B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (4)
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---|---|---|---|---|
KR20000053779A (ko) * | 2000-04-10 | 2000-09-05 | 김성식 | 2차원 격자무늬를 이용한 3차원 형상측정시스템 |
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US6914685B2 (en) | 2001-03-13 | 2005-07-05 | Solutionix Co., Ltd. | Apparatus and method for measuring the shape of a three dimensional object using projected multi-stripe patterns |
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