JPH10503014A - 突起および凸面の光学的2次元および3次元測定 - Google Patents

突起および凸面の光学的2次元および3次元測定

Info

Publication number
JPH10503014A
JPH10503014A JP8504909A JP50490996A JPH10503014A JP H10503014 A JPH10503014 A JP H10503014A JP 8504909 A JP8504909 A JP 8504909A JP 50490996 A JP50490996 A JP 50490996A JP H10503014 A JPH10503014 A JP H10503014A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
optical
observation
light
illumination
detector
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP8504909A
Other languages
English (en)
Inventor
スレッテモエン,グドムン
Original Assignee
スレッテモエン,グドムン
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by スレッテモエン,グドムン filed Critical スレッテモエン,グドムン
Publication of JPH10503014A publication Critical patent/JPH10503014A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/2433Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures for measuring outlines by shadow casting

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

(57)【要約】 あらゆる形状および深さの物体の寸法を測定するための方法および装置。この装置は、少なくとも、光学フィルター(4)を有する照明システム(1)、マニピュレータユニット(5、6)、および光学フィルター(9)を有する観測システムを含んでいる。これらの光学フィルター(4、9)は、この物体を通過してこの物体に影響されない光の殆どを遮断するように設計されている。このマニピュレータユニットは、測定の間に、この物体を1つ以上の固定回転中心周りに回転させるか、1つ以上の既知の回転経路に追従させるか、またはこの観測光学系の全部若しくは一部を照明光学系の全部若しくは一部に従って結合して運動させるか変更して実施して、その結果、照明手段と観測手段が互いに完全に若しくは部分的にロックされ、この物体に対して変えられるかのどちらかになっている。

Description

【発明の詳細な説明】 突起および凸面の光学的2次元および3次元測定 本発明は、請求項1の前文に開示した種類の寸法測定方法、および請求項2の 前文に開示したような、この方法を実施するための装置に関する。 本発明は、一般的に全ての大きさの物体の寸法を測定するために使うことがで きるが、特に、デシメートルからマイクロメートルの範囲の典型的な大きさの物 体または物体の部分の寸法を測定するのによく適している。それは、測定すべき 寸法の100分の幾つかから1000に付き10分の1の何分の1かまでの範囲 で精密な絶対測定をする際に役に立つ。 この発明は、特に、観測方向にほぼ平行に位置する凸面または面の凸部および 突起部の寸法を測定すべき場合に有利である。そのような面の好例は、線引ダイ ス、ノズル、押し出し成形機、フェルール(ferrules)の内壁、または線、繊維 、切削工具等の外面である。 寸法測定すべき物体は、一般に周囲の空間に対して3次元の境界を有する。寸 法測定は、通常様々な距離および角度量によってこれらの境界の特性を決定する ことを伴う。光結像技術は、物体の像を作る。このプロセスで、多くの3次元情 報が失われるので、我々は主として2次元断面を再現する像を得る。物体の焦点 が外れた部分はぼけるので、これらの部分の寸法を測定することは困難である。 画像処理の観点から見て、像の光強度の幾分険しい段部分を一般的に、所望の寸 法測定のための基準位置として使う。 正確な測定位置を見付けるために、これらの像の段部分を閾値決定またはその 他の更に複雑なアルゴリズムによってデータ処理する。例えば、光強度の変化を 数学的微分の変動によって調べ、続いて重心分解を行うのが普通である。 これらの技術には三つの重大な欠点がある。即ち: (1)観測方向とほぼ平行に位置する面の角度を測定することが困難である; (2)観測方向とほぼ平行に位置する面に沿った位置を測定することが困難であ る; (3)一般的に、光強度の非対称な段部分の位置を測定することは、物体の幾何 学的位置に関する不確実性を意味する。 本発明は、機械的運動によって、特に上述の3点に関して有利になる光結像技 術である。 現在、寸法測定のために利用できる光学的方法および技術には、かなりの選択 対象がある。ここで、最も重要な原理の幾つかを簡単に記述し、それらの利点お よび欠点の幾つかを説明する。 一般に、光学測定器具は、物体の寸法を測定するために非常によく適している のがしばしばであると言うことができる。 最近、比較的精巧な装置を使うことが普通になってきた。これらの幾つかは成 立ち、またはテレビカメラ、ビデオデジタル化電子機器、およびコンピュータと 組合わせた幾分ありきたりの顕微鏡対物レンズ。いくらか大きい物体に対しては 、この顕微鏡対物レンズをマクロまたはズーム結像対物レンズの1つの形式また は他の形式で置換えられる。対物レンズに依って、照明光学系を、直接照明して 反射光で測定するか、背面照明して物体の影像で測定するかによって配列する。 これは、寸法を測定すべき物体の直接像を与える。所望の寸法測定のための測定 位置として使うことができる正確な位置を得るために、次に、これらの像の光強 度の幾分険しい段部分をデータ処理する。これらの技術は、この物体の寸法を測 定すべき部分が、同時に焦点を合わせられる2次元構造であるとき最も良く機能 する。それで、それらは主として観測方向に垂直な2次元で測定する。 3次元全ての寸法測定を行う光学測定器具もある。これらは、二つの主要原理 に従って分類することができ、その一つは、三角測量式測定であり、他は、時間 遅延測定である。 三角測量式測定は、更に下位グループに分類することができる。この三角測量 角は、物体を幾つかの角度から照明することによって、物体を幾つかの角度から 観測することによって、またはこれらの方法の組合せによって作る。 時間遅延測定は、音響測深器測定に相当する測定、または光の干渉性の限界の 変化若しくは周期的変化を利用する測定に基づく。 大抵の現在の三角測量技術は、多かれ少なかれ拡散面からの反射に基づき、そ れらは、鏡面に対しては満足に機能しない。鏡面反射光に基づく変形は、表面に 平行な入射に対しては不満足である。 特に言及したい一つの変形がある。それは、線引ダイスの3次元形状を測定す るために使われている(“小さい線引ダイスの干渉計式検査”エス.ジェー.ベ ネット、オプティカル コミュニケーション、第1巻、第5号、11/12月1 969年)。孔を通して可干渉光を向ける。ある光は直接通過し、ある光は線引 ダイスの内壁で反射される。この直接光と反射光が干渉し、周期的干渉縞がこの 線引ダイスの形状を表す。問題は、この技術が場所を変えた干渉縞を作るかもし れないことで、これは周期的干渉パターンでは見られない。物体の縁の影像での 測定に基づく変形は、正しい方向の一歩であるが、この測定問題を解決するため にそれだけで十分ではない。 音響探深器の原理に基づく時間遅延測定は、ピコセコンドの範囲の時間遅延を 分解しなければならない。今日、これらの解決法は、コストがかかりすぎる。干 渉性の変化と反射光の利用に基づく時間遅延測定も、鏡面の方への表面に平行な 入射に対しては不適当である。この幾何学的構成では、感度が不満足である。 本発明によれば、上記の問題を回避する方法および装置が得られる。この方法 の特徴は、請求項1から明白であり、この装置の特徴は、請求項2から明白であ る。この装置の更なる特徴は、追加の従属請求項に記載されている。 以下に、図面を参照してこの発明を更に説明する。 点線は、光学−機械的装置の延在された光軸を示す。照明系は、光源2および 光学フィルター4を有する結像系3から成る。 光源2からの光は、フィルター4によって濾光され、結像系3の残りの部分に よって平行にされる。 この実施例では、簡単にするために、フィルター4を単純な開口であると仮定 する。平行になった光は、寸法を測定すべき物体5に当るかまたは通過する。 この例では、物体5が内部線引孔をもつ線引ダイスであること(曲線によって 表された)を示唆するが、それは、光軸を横切って張った線材/糸、または任意 の幾何学的形状の一般的物体であっても同様によい。 線引ダイスは、線材を作るための工具である。線引ダイスの孔は、典型的には 孔形が10マイクロメートルから数センチまでの範囲にある。我々は、この線引 孔の直径寸法、楕円度および深さ方向輪郭を精密に測定することに関心がある。 測定データは、回転テーブル6により物体5を回転することと、物体5を画像記 録検出器7上に結像することの組合せによって集める。 結像は、光学フィルター9を含む結像系8によって行う。結像系8、フィルタ ー9および検出器7の組合せを観測系10と呼ぶ。光学フィルター9は、フィル ター4の像に、またはその近くに置く。回転テーブル6は、この物体を二つの軸 の周りに回転し、それらの軸は、互いにおよび光軸と交差し、この光軸に垂直で ある。回転テーブル6の与えられた角度に対し、光は、物体5のある位置に接す るかまたは平行である。 この光学フィルターは、物体5のこれらの位置に接してフィルター9を通る光 が、検出器7によってこの像のこれらの接点を明白に開示するように作る。これ は、このフィルターが事実上これらの接点の像を強調することとこれらの像点が どこにあるかを明白に開示することの両方の光学的前処理を実行するので、生じ る。これは、物体を通過し、物体によって影響されない光の大部分を阻止するよ うに、光学フィルターを設計することによって達成される。 そのような幾何学構成の簡単な例は、単純な開口として形成したフィルター4 、および中央に遮断円盤のあるリング開口として作ったフィルター9である。 結像検出器7は物体5の前処理した画像をパーソナルコンピュータの中のデジ タル化電子機器に伝達するTVカメラであってもよい。そのような画像は、1回 の測定の測定データを含んでいる。 完全な測定手順は、回転テーブル6によって物体5の角度を繰返し変えること にある。これは、1組の接点を与え、計算によって物体6の3次元全ての輪郭線 を作成することができる。 この例では、これらの計算をパーソナルコンピュータで行う。 もし、この物体5がその直径寸法、楕円度および深度プロファイルを見付ける べき線引ダイスであるなら、二つの輪郭線を見付けることが必要だろう。直径寸 法と楕円度を提供する輪郭線は、光軸に垂直な平面と線引孔の最小開口を形成す る孔の壁の部分との間の領域によって与えられるだろう。深さ方向輪郭を提供す る輪郭線は、軸対称線を横断する平面とこの孔の壁そのものとの間の領域によっ て与えられるだろう。 本発明は、このように、安定した光学的回折プロセスと安定した機械的回転運 動を有利な光学的濾光と組み合せることによって、効果的な光学−機械的前処理 を実行する。 回折プロセスは、たとえ回折する物体が非常に違ったとしても殆ど変らない回 折像を作る影像による幾何学的構成および光学フィルターが選ばれているので、 安定である。この回折像も、たとえ結像検出器7が焦点の外れている像点を登録 したとしても、比較可能な結像技術より安定である。回転テーブル6の機械的回 転運動は、回転中心を安定に保ち、異なる回転角に対する測定を結合することが できるようにしなければならない。このようにして、この物体の求める寸法を3 次元空間に精密に見出すことができる。像を効果的に前処理するので、当該測定 アルゴリズムが、現在の技術が提供するもののより正確な寸法データを与えるだ ろう。 もし、光学フィルター9を、物体5によって影響されない光を遮断する円形対 称帯域フィルターとして作ったなら、この物体の接点の像は、二つの強烈に明る い線に囲まれた暗い線になるだろう。従来の技術が与えるように、明るい領域か ら暗い領域へ非対称に移り変るのではなく、暗い線と明るい線は、接点の像があ るところをよく示す。従来技術のアルゴリズムでは、光分布について仮定をしな ければならず、それはある場合に間違いかも知れない。この発明による光分布は 、対称かほぼ対称で、被写界深度が深く、それでそのような系統誤差に影響され ることが少ないだろう。 機械的回転は、照明システム1と観測システム10を固定して取付けた回転テ ーブル11によって行ってもよい。その場合、ユニット6が、代りに物体5用の 静止プラットホームになるだろう。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE, DK,ES,FR,GB,GR,IE,IT,LU,M C,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF,CG ,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE,SN, TD,TG),AP(KE,MW,SD),AM,AT, AU,BB,BG,BR,BY,CA,CH,CN,C Z,DE,DK,ES,FI,GB,GE,HU,JP ,KE,KG,KP,KR,KZ,LK,LT,LU, LV,MD,MG,MN,MW,NL,NO,NZ,P L,PT,RO,RU,SD,SE,SI,SK,TJ ,TT,UA,US,UZ,VN

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1. あらゆる形状および深さの物体の寸法を測定するための方法であって、 一つの測定手順中の各測定値がこの物体を通過した光パターンの特有の複合的空 間特性によって決定される方法に於いて、 照明方向および観測方法を完全にまたは部分的に一緒に固定し且つ前記物体に 対して変えること、 照明方向および観測方法を前記物体に対して一つの測定手順中少なくとも1回 変更すること、ここに前記物体の光学系に対する位置は既知であるかまたは一つ 以上の回転中心に対して固定されている、 pを検出器素子の大きさ、λを光の平均波長とするとき、20p/λから2p /λの範囲の像側のFナンバによって検出する前に、照明光学系および観測光学 系によって光学的濾光を実施すること、 前記光学的濾光は、光が前記物体に接するところで、該物体の位置の像周りの 光分布を完全にまたは部分的に対称にすること、並びに 光が前記物体に接するところから得た物体の点の位置を一つの測定手順中少な くとも二つの測定値に基づいて計算すること、 を特徴とする方法。 2. あらゆる形状および深さの物体を測定するために請求項1による方法を 実施するための装置であって、少なくとも、光学フィルターを有する照明系、マ ニピュレータ装置、および光学フィルターを有する観測系を含む装置に於いて、 前記光学フィルターが、像側の光開口が円筒形対称で、像側で20p/λから2 p/λの範囲のFナンバになる最大直径を有し、前記物体を通過して該物体に影 響されない光の殆どを遮断するように設計されていること、 前記マニピュレータ装置が、測定の間に、前記物体を一つ以上の固定回転中心 周りに回転させるか一つ以上の既知の回転経路に追従させるか、または前記観測 光学系の全部若しくは一部を、照明光学系の全部若しくは一部に従って連結運動 若しくは変更して実施して、照明方向と観測方向が互いに完全に若しくは部分的 にロックされ且つ前記物体に対して変えられるかのどちらかになっていること、 を特徴とする装置。 3. 請求項2による装置に於いて、前記照明系の光学フィルターの境界が光 源それ自体、単純な開口、または光学的に透過若しくは反射する画像特性を有す る表面上の金属性若しくは誘電性の格子であることを特徴とする装置。 4. 請求項2による装置に於いて、前記観測系の光学フィルターの境界が単 純な開口、または光学的に透過若しくは反射する画像特性を有する表面上の金属 性若しくは誘電性の格子であることを特徴とする装置。 5. 請求項2による装置に於いて、前記光学フィルターが互いの頂部上にま たは互いに接近して結像される、完全にまたは部分的に相補の開口を形成するこ とを特徴とする装置。 6. 請求項2による装置に於いて、前記マニピュレータ装置が、前記物体を 光軸と概略垂直であり且つ前記観測系の観測体積の近傍かその範囲内にある回転 軸の周りに回転するように配設された回転テーブルであることを特徴とする装置 。 7. 請求項2による装置に於いて、前記マニピュレータ装置が、前記照明系 と前記観測系を光軸と概略垂直であり且つ該観測系の観測体積の近傍かその範囲 内にある回転軸の周りに回転するように配設された回転テーブルであることを特 徴とする装置。 8. 請求項2による装置に於いて、前記マニピュレータ装置が、前記照明系 と前記観測系の部品を回転して、照明方向と観測方向を光軸と概略垂直であり且 つ該観測系の観測体積の近傍かその範囲内にある回転軸の周りに回転するように できる可動または回転テーブルであることを特徴とする装置。 9. 請求項2による装置に於いて、前記マニピュレータ装置が、最少限、こ の物体かまたは光源、鏡、レンズ、プリズム、開口若しくは検出器のうちの少な くとも一つかのどちらかを変位または回転する、電気モータ、空気圧モータ、圧 電並進器/回転子または音響−光学的偏向器を含むことを特徴とする装置。 10. 請求項2による装置に於いて、前記マニピュレータ装置が、選択また は調節すべき光源か、LCD調節器かのどちらか、および調節すべき検出器、選 択すべきLCD調節器または検出器組立体を含むことを特徴とする装置。 11. 請求項2、請求項9および請求項10による装置に於いて、前記調節 できる光源または選択すべき光源がレーザ、光ダイオード、熱源または電子フラ ッシュのどれかであることを特徴とする装置。 12. 請求項2および請求項10による装置に於いて、前記調節できる検出 器または選択すべき検出器組立体が、自動掃引面積若しくは線カメラの少なくと も一つ、または位置感応検出器若しくは読取りアレー検出器の少なくとも一つの いずれかから成ることを特徴とする装置。
JP8504909A 1994-07-20 1994-07-20 突起および凸面の光学的2次元および3次元測定 Pending JPH10503014A (ja)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/NO1994/000129 WO1996002806A1 (en) 1994-07-20 1994-07-20 Optical two- and three-dimensional measuring of protrusions and convex surfaces

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH10503014A true JPH10503014A (ja) 1998-03-17

Family

ID=19907749

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP8504909A Pending JPH10503014A (ja) 1994-07-20 1994-07-20 突起および凸面の光学的2次元および3次元測定

Country Status (5)

Country Link
US (1) US5872631A (ja)
JP (1) JPH10503014A (ja)
AU (1) AU7391694A (ja)
DE (1) DE4481037T1 (ja)
WO (1) WO1996002806A1 (ja)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3417377B2 (ja) * 1999-04-30 2003-06-16 日本電気株式会社 三次元形状計測方法及び装置並びに記録媒体
US8643717B2 (en) * 2009-03-04 2014-02-04 Hand Held Products, Inc. System and method for measuring irregular objects with a single camera

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SE215064C1 (ja) *
US3782827A (en) * 1971-08-04 1974-01-01 Itek Corp Optical device for characterizing the surface or other properties of a sample
DE2165693A1 (de) * 1971-12-30 1973-07-12 Siemens Ag Optisches drahtdickenmessgeraet
US4088408A (en) * 1976-11-08 1978-05-09 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Device for measuring the contour of a surface
US4452534A (en) * 1981-09-01 1984-06-05 Gribanov Dmitry D Method of determining geometric parameters of object's surface and device therefor
JPS61170433A (ja) * 1985-01-25 1986-08-01 株式会社ニコン 自動曲率測定装置
US4872757A (en) * 1988-04-20 1989-10-10 Ball Corporation Optical convex surface profiling and gauging apparatus and method therefor

Also Published As

Publication number Publication date
WO1996002806A1 (en) 1996-02-01
DE4481037T1 (de) 1997-05-07
US5872631A (en) 1999-02-16
AU7391694A (en) 1996-02-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5870196A (en) Optical three-dimensional profilometry method based on processing SPECKLE images in partially coherent light, and interferometer implementing such a method
US8319975B2 (en) Methods and apparatus for wavefront manipulations and improved 3-D measurements
Wang et al. 3D measurement of crater wear by phase shifting method
US5076698A (en) Sensing the shape of an object
JP2010038923A (ja) 立体3次元計測システムおよび方法
JP2011503629A (ja) フーリエ変換デフレクトメトリシステム及び方法
AU6499296A (en) Moire interferometry system and method with extended imaging depth
Ishihara et al. High-speed surface measurement using a non-scanning multiple-beam confocal microscope
CN105758381B (zh) 一种基于频谱分析的摄像头模组倾斜探测方法
WO2000029835A1 (en) Non-contact topographical analysis apparatus and method thereof
US11248899B2 (en) Method and apparatus for deriving a topography of an object surface
Zagar et al. A laser-based strain sensor with optical preprocessing
US6950191B2 (en) Method of extracting circular region from fringe image
US9453725B2 (en) Method and apparatus for quantitative measurement of surface accuracy of an area
JPH10503014A (ja) 突起および凸面の光学的2次元および3次元測定
Spagnolo et al. Digital speckle correlation for on-line real-time measurement
US4111526A (en) Rotationally independent optical correlation for position determination
JPH095046A (ja) 立体形状測定装置
EP0890822A2 (en) A triangulation method and system for color-coded optical profilometry
JP3599921B2 (ja) 屈折率分布の測定方法及び装置
JPH0755638A (ja) 光学系の焦点距離測定装置及び測定方法
Heikkinen et al. Self-calibrated defocused speckle imaging for remote surface motion measurements
Leopold Process monitoring of 3D—cutting inserts using optical methods
CN112629422A (zh) 提高散斑法测量精度的误差修正方法及散斑测量方法
Torroba et al. Real time pseudocolour encoding of depth using white light processing