JPH04220509A - 物体表面を無接触で測定する方法および装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、物体表面へ投写される
ストライプパターンを用いて物体表面を測定するための
方法であって、該ストライプパターンをカメラにより撮
影して評価するようにし、この場合、測定領域をカメラ
軸の方向へ拡張するために、種々の異なる周期性を有す
る構造を評価するようにした物体表面の測定法に関する
。

【０００２】

【従来の技術】物体表面の著しく大きい領域をそのＸ−
，Ｙ−およびＺ−座標に関して、プロジェクタまたは投
影器により、規則的な大抵は格子状の構造を物体へ照射
することにより、同時に測定する種々の方法が知られて
いる。この種の装置として、“モアレ・トポグラフィ”
という名称の下に、公知の方法の各種の変形がある。こ
の方法の場合、同じ間隔周期の格子を光が２回通過する
ことにより生ずるいわゆるモワレ効果が、当該の被測定
物体表面の高さ情報を得るために、用いられる。

【０００３】例えば刊行物「Ｔａｋａｓａｋｉ　ｉｎ　
Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｏｐｔｉｃｓ　６（１９７０），第１
４６７頁」の“Ｓｃｈａｔｔｅｎｗｕｒｆ”モアレ法に
は、検査されるべき物体表面をそれの前に置かれた振幅
格子を介して、できるだけ点状の光源により照射する構
成が示されている。このように構造化されて照射された
表面は、次に対物レンズから、しかももう一度同じ格子
を通過して受像面へ結像される。この場合、照射ビーム
と結像ビームは角度αを成す。物体表面へ照射される格
子は表面形状に応じて変形されるため、モアレ効果にも
とづいて輪郭線が現われる。この輪郭線が被測定物体の
各点の奥行きに関する情報を与える。これらの輪郭線は
、照射に用いられる格子そのものの基本間隔周波数が、
結像の場合にはもはや解像されないかまたは“光路が平
均されて”しか得られない。その理由は撮影中に１つの
または複数個の格子全周期だけずらされるからである。

【０００４】モアレ・トポグラフィ法のもう一つの変形
構成はいわゆるプロジェクション・モアレ法（Ｐｒｏｊ
ｅｋｔｉｏｎ−Ｍｏｉｒｅ−Ｖｅｒｆａｈｒｅｎ）であ
る。この方法の場合、投写レンズの照射ビーム路におけ
る１つの格子が物体表面へ結像されて、さらにこの物体
表面が対物レンズを通って、使用される撮影カメラの前
方の第２の格子へ結像される。この種の方法は例えばヨ
ーロッパ特許第ＥＰ−Ｂ１−０１２１３５３号に示され
ている。この変形方法においても、両方の格子−投写用
格子および、結像用格子−を格子の規則性を平均化する
ために、かつこの場合にモアレ効果にもとづいて生ずる
輪郭線ないし空間におけるその位置を変化することなく
、格子規則性を平均化する目的で、撮影中に同期化して
移動させることも可能である。この場合に前提とされて
いることは、格子が同じ値の格子定数を有することおよ
び、投写レンズと対物レンズの焦点距離が等しいことで
ある。さらにこの特許明細書に示されていることは、測
定ビーム路に対称的に２つの投写器が両側に等間隔でか
つ等しい投写角度の下に、設けられることである。その
目的は両側の投写により重畳されてさらに互いに相続く
格子パターンを発生させて、これにより測定の際の影の
問題を、著しく歪まされた物体表面から、除去するため
である。モアレ・トポグラフィ法の第３の公知の変形に
おいては、撮影カメラの前方の第２の格子が省略される
。それに代えてこの場合は撮影カメラの水平走査線のパ
ターンがまたはＣＣＤカメラのピクセル周期がデコーダ
格子の機能を引き受ける。このいわゆる“走査式”モア
レ法（“Ｓｃａｎｎｉｎｇ”Ｍｏｉｒｅ　Ｖｅｒｆａｈ
ｒｅｎ）は例えば刊行物「Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｏｐｔｉｃ
ｓ，Ｖｏｌ．１６，Ｎｏ８（１９７７），２１５２頁に
示されている。

【０００５】前述のモアレ・トポグラフィ法のほかに、
カメラの前面に第２の格子を用いることなく、高さの情
報を物体表面上のストライプパターンの変形から直接算
出する構成も知られている。この種のいわゆる“ストラ
イプ投光法”“Ｓｔｒｅｉｆｅｎｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ
ｓｖｅｒｆａｈｒｅｎ”は例えばヨーロッパ特許第ＥＰ
−Ａ２−０２６２０８９号、米国特許第４６４１９７２
号、米国特許第４４８８１７２号および米国特許第４４
９９４９２号の各公報に示されている。

【０００６】モアレ・トポグラフィ法の場合もストライ
プ投写法の場合も必要とされることは、座標測定値への
ストライプパターンないし輪郭線の定量的な評価のため
には、物体表面におけるストライプ装置の周期的な輝度
変化を測定することである。このことは通常は位相測定
と称せられる。この場合さらに設けられていることは、
投写格子の位置を測定中に複数個のステップで例えば９
０゜または１２０゜の位相変化に相応する固定量だけ変
化させることである。

【０００７】しかし公知の方法ではそのままでは、例え
ばこの物体が非一様性を例えばエッジおよび段を有する
時は、工場での製造の領域から著しく大きい物体を十分
に正確に測定することができない。それは下記の状態に
原因がある：投写および観測が中央のパースペクティブ
の配置から行なわれるために、相続く輪郭線の間隔は一
定ではなく、物体の凹欠の増加と共に、増加することで
ある。そのため少なくとも１つの点における物体表面の
「絶対的な（ａｂｓｏｌｕｔｅｎ）」間隔を知らないと
、一定の表面のプロフィルに関する情報を得ることもで
きない。 しかし現行の位相測定法は物体間隔をモジュロ２πだけ
で算出している、即ちこの測定法はストライプの配列順
序を示す数の範囲内での相対値しか供給しない。そのた
めこれらの位相測定法によっては、エッジおよび段によ
り生ずる、評価されるべき周期的な機能の跳躍的個所を
除去することもできない。

【０００８】この問題点を解決する目的で既に提案され
ていることは、互いに著しく異なるストライプ周期を有
する複数個のストライプパターンを被測定物体上へ投写
して、この著しく長いストライプ周期を用いて、ストラ
イプ位相の明瞭な領域を拡張することである。この目的
で米国特許第４４８８１７２号公報に、第２のプロジェ
クタを設けて、このプロジェクタが、８倍長い周期を有
する第２のストライプパターンを投写する構成である。 しかし評価のためには、投写のために用いられる格子を
別のプロジェクタにおける格子よりも８倍高い速度で移
動させなければならない。この場合、両方の格子の相互
の固定の３次元の配属関係−ストライプパターンの投写
のために用いられる−が失なわれてしまう。しかしこの
配属関係は、高い精度での測定を行なうべき時は、重要
である。

【０００９】これに対してヨーロッパ特許第ＥＰ−Ａ２
−０２６２０８９号公報に示された装置においては、２
つの異なるストライプパターンが次のようにして発生さ
れる。即ち等しい周期の２つの格子を上下に配置してさ
らに異なる量で互いに旋回するようにし、その結果、こ
れから生じて物体上へ投写される、互いに著しく異なる
周期性のモアレストライプパターンを有するようにした
のである。その欠点は特に次の点にある、即ち異なる周
期のストライプパターンを発生する目的で、格子を機械
的に移動させ、そのためストライプパターンをビデオの
クロックで迅速に相次いで投写することができないこと
にある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、一義
的な絶対的な距離測定を測定領域全体において保証し、
さらに高い測定精度ならびに高い測定速度により特徴づ
けらられる冒頭に述べた形式の方法および装置を提供す
ることである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この課題は請求項１の特
徴部分に示された構成により解決されている。

【００１２】等しいまたはわずかに互いに異なるストラ
イプ周期を有する複数個のストライプパターンを投写し
て、さらにストライプパターンこの間の干渉周波数を評
価する構成により、次のことが可能となる。即ち投写の
ために用いられる格子をこの格子が位相測定のためにま
たは別の理由により運動させる時でも、固定の３次元の
配属関係に保持することが可能となる。例えば全部の格
子を１つの共通の支持体上へ取り付けることができる。 このことは距離測定の精度を向上させる、何故ならば格
子間の相対位置が周囲からの外乱により影響されないか
らである。

【００１３】例えば時分割多重方式でまたは色の異なる
パターンの投写によりカメラで撮影する場合に、ストラ
イプパターンを互いに別個に画像処理計算器へ導びくよ
うにし、次に異なる実効波長の干渉周波数をはじめて計
算器において即ちストライプ位相の差からストライプパ
ターンを形成するのである。この場合、投写されたスト
ライプパターンの強度は互いに重ならない、その結果、
それぞれの１つの格子に配属されているストライプが一
義的に識別されて個々に評価できる、即ちその位相が正
確に測定できる。

【００１４】同じ周期の３つの格子を種々の異なる角度
で物体上へ投写すると有利である。このようにして、異
なる格子定数を有する格子を必要とすることなく、著し
く異なる実効波長を有する２つの干渉周波数を各２つの
投写されたストライプパターンの位相差から形成するこ
とができる。２つの格子の間の投写角度を２つの別の格
子の投写角度よりも小さく維持するだけで十分である。 この場合、評価されるべき干渉周波数が、投写角度との
比を形成する実効波長を有する。

【００１５】さらに同じ周期の格子は著しく簡単に製造
できる、例えば１つの製造工程において１つの共通の格
子支持体上に相並んで取り付けられる。これらの格子は
好適に同じ面に設けられる、その結果、ストライプパタ
ーンの評価のために必要とされる算出過程が簡単化され
る。

【００１６】しかし著しく大きい波長を有する干渉周波
数を、互いにわずかに異なる周期を有する２つの格子を
投写することもできる。この目的で２つのプロジェクタ
を設けて、さらに所定の相互の角度で設けられている両
方のプロジェクタの各々により、その都度に、わずかに
異なる周期を有する両方の格子を色によりまたは偏光光
学的に別個に投写すると好適である。この場合、第３の
投写光学装置が省略される。

【００１７】

【実施例】次に本発明の方法および装置を図面を用いて
説明する。

【００１８】図１の図面に示されている構成体は、実質
的に３つのプロジェクタから構成されている。これらの
プロジェクタは、投写光学装置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３および
、それぞれ等しい格子間隔周期を有する３つの格子Ｇ１
，Ｇ２，Ｇ３を備えている。これらの格子は間隔ａをお
いて投写光学装置Ｐ１〜Ｐ３の後方に配置されている。 カメラセンサＫは、その前方に配置された観測用対物レ
ンズＢｏと共に、プロジェクタＰ１とＰ２の間に配置さ
れている。この場合、カメラセンサＫは、観測用対物レ
ンズＢｏの後方に間隔ａｋで配置されている。プロジェ
クタＰ１とＰ２は著しく大きい角度α１の下に例えば３
０゜で互いに見込むようにされている。他方、隣り合っ
て配置されているプロジェクタＰ２とＰ３は著しく小さ
い角度α２を例えば０．５゜を見込むようにされている
。この配置により、一定の位相差の２組の平面が定めら
れる、即ち両方のプロジェクタＰ１とＰ２のまたはＰ１
とＰ３のストライプパターンの位相差が、ならびにプロ
ジェクタＰ２とＰ３の両方のストライプパターンの位相
差が定められる。この場合、両方の組にＺ方向において
、異なる実効波長λｅｆｆを配属させることができる。 この実効波長λｅｆｆは、格子Ｇ１，Ｇ２およびＧ３の
格子定数によりおよびそれぞれのプロジェクタの投写軸
の間の角度α１，α２により、定められかつ依存する。

【００１９】何故ならば格子Ｇ１〜Ｇ３の格子定数は等
しいため角度α１およびα２だけに依存するからである
。次に３つのプロジェクタＰ１，Ｐ２，Ｐ３により投写
されるストライプパターンから、被検物体の座標ｘ，ｙ
およびｚを、物体表面の個々の点に対して算出する式を
導出する。この目的で前提とされることは、投写対物レ
ンズの投写の中心Ｚ１，Ｚ２およびＺ３を、Ｘ方向に延
在する直線上に位置させること、および３つの格子Ｇ１
〜Ｇ３を等しい間隔ａでこれらの直線の後方に配置する
ことである。格子は、例えば第４図に示されている様に
、共通の支持体Ｗの上に設けられており、さらに共にＣ
ＣＤカメラＫに対して直線Ｘの方向へばねスライダを用
いて遊びなしに移動可能である。この支持体は、ガラス
からまたは、熱膨張係数の小さい物質たとえばＺｅｒｏ
ｄｕｒから形成される。カメラの光感面は即ちＣＣＤセ
ンサは、間隔ａｋをおいて観測用対物レンズＢｏの後方
に配置されている。

【００２０】前述の構成によりこの測定装置の幾何学的
寸法が実質的に定められる。例えば一例として点Ｘ，ｙ
＝Ｏ，Ｚに投写された格子位置ＸＰ１，ＸＰ２，ＸＰ３
は、ビデオカメラＫにより例えばＣＣＤカメラにより観
測される。カメラの観測対物レンズＢｏの中心Ｘｏｋが
、プロジェクタＰ１〜Ｐ３により前もって定められる座
標系の原点を定める。

【００２１】相似三角形の考察によりプロジェクタに対
しては次の式が得られる。

【００２２】

【数１】

【００２３】さらにカメラに対しては次の式が得られる
。

【００２４】

【数２】

【００２５】カメラの式（４）とプロジェクタの式（１
）（２）（３）との組み合わせにより、次の式が得られ
る。

【００２６】

【数３】

【００２７】この場合、差（Ｘｏｐｉ−Ｘｐｉ，ｉ＝１
．．．３）はストライプ周期Ｐの（ｎｉ＋δｉ）倍とし
て表わされている。この場合、ｎｉは自然数の１つの要
素であり、ｎｉ＜１である。

【００２８】２つのプロジェクタのストライプパターン
の間の関係を考察して、さらに差を作ると、（５）（６
）（７）から次の式が得られる。

【００２９】

【数４】

【００３０】この場合、Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３は装置の定数
であり、Ｎ１＝ｎ１−ｎ２，Ｎ２＝ｎ１−ｎ３，Ｎ３＝
ｎ２−ｎ３およびΔ１＝δ１−δ２，Δ２＝δ１−δ３
，Δ３＝δ２−δ３である。

【００３１】式（１１），（１２），（１３）は、ＸＹ
平面に並行に設けられているそれぞれ２つのプロジェク
タの間の、位相差（Ｎｉ−Δｉ）が一定の平面を表わす
。 これらの平面はカメラの観測個所（Ｘｋ，Ｙｋ）には依
存しない。測定の目的で整数（Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３）およ
び少数部分（Δ１，Δ２，Δ３）が測定される。

【００３２】式（１１），（１２）および（１３）によ
り示された位相差の等しい面へ、位相差の異なる実効波
長（λｅｆｆ）が配属される。プロジェクタＰ１とＰ２
の組み合わせから得られる式（１１）および、プロジェ
クタＰ１とＰ３の組み合わせから得られる式（１２）に
対しては、著しく短かい実効波長が設けられる。他方、
式（１３）により表わされた、両方のプロジェクタＰ２
とＰ３の組み合わせの場合に対しては、比較的大きい波
長（λｅｆｆ）を配属することができる。重要なことは
種々異なる実効波長を、プロジェクタの間の角度α１，
α２にわたり高い安定性で設定調整可能とすることであ
る。

【００３３】計算器において測定を評価するために、式
（１１），（１２）および（１３）がもういちど次のよ
うに変形される。

【００３４】

【数５】

【００３５】画点の座標ｘ，ｙおよびｚの完全な測定の
目的で、この図面に垂直の面の座標ｘおよびｙが、図面
の相似関係から、次のように算出される。

【００３６】

【数６】

【００３７】評価の目的で、３つのプロジェクタＰ１〜
Ｐ３により時分割多重作動の形式で投写されたストライ
プパターンが、カメラＫの対物レンズＢｏを通過して撮
影されて、異なる画像メモリの中へ別個に読み込まれる
。次に物体の座標ｘ，ｙ，ｚの算出が、前述の式による
以下で図５ａと図５ｂを用いて示される様に、ハードウ
ェアとして構成された画像処理計算器において行なわれ
る。この計算器は画像データをビデオ実時間で処理する
。この目的でこの計算器は、部分的に並列のデータ路も
有するパイプライン構造体の形式で構成されている。 この計算器は、公知の、ノイマン方式により得られる例
えば市販のプロセス計算器を備えたホスト計算器により
制御される。この評価計算器の詳細に説明するために、
図５ａおよび図５ｂが用いられる。ここにはブロック図
でこの計算器が示されている。

【００３８】これらの図面には、３つの異なる機能ユニ
ット群がＡ，Ｂ，Ｃで示されている。機能ユニット群Ａ
は、外部のセンサへのインターフェースを即ちこの装置
の制御部へのインターフェースを、構成する。このイン
ターフェースは、カメラＫの信号をビデオの実時間でデ
ィジタル化するアナログ／ディジタル変換器１２を含む
。この場合、増幅係数はフォトダイオード１３の出力信
号に依存する。そのためビデオ信号は、せん光ランプと
して構成される光源Ｌ１〜Ｌ３（図３および図４参照）
の種々異なる輝度特性へ即ち異なるエネルギーへ、適合
調整することができる。これらの閃光ランプは格子Ｇ１
〜Ｇ３の照射のために用いられる。閃光ランプＬ１〜Ｌ
３を制御する目的で、インターフェースブロックＡは、
カメラＫと同期化されているトリガ回路３１を含む。イ
ンターフェースブロックＡはさらにモータのための制御
電子装置３２を含む。このモータによりカメラＫの対物
レンズＢｏが、種々異なる物体領域−第２に矢印Ｐｆ２
で示されている−へシャープに設定調整できる。閃光の
順序および対物レンズの位置調整は、図５には示されて
いない通常のホスト計算器の、設定されている測定プロ
グラムにより制御される。このことは矢印“ホスト”で
記号化されている。この記号化は、図５ａおよび図５ｂ
の回路において、別の個所でも示されている。

【００３９】Ａ／Ｄ変換器１２を作動するディジタル化
されたビデオ信号は機能ユニット群Ｂにおける、並列に
接続された２つのコンボリューションユニット１４ａお
よび１４ｂの入力側へ導びかれる。これらの両方のユニ
ット１４ａおよび１４ｂはたたみ込み演算を実施する。 その目的は、個々の画点におけるストライプの位相の正
弦または余弦を、これらの画点の近傍における信号の強
度の分布から測定するためである。相応のアルゴリズム
は例えば“Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ”
，第２３冊，Ｎｏ．４（７，８月，１９８４年）、第３
９１頁〜第３９５頁に示されている。ユニット１４ａお
よび１４ｂの出力側は回路１５へ導びかれており、この
回路においてストライプの位相が正弦および余弦から算
出される。この目的で、回路１５に配属されているテー
ブルの中に余接関数がファイルされている。同時に、回
路１５の中で算出された位相値にもとづいて、妥当でな
い測定値がマスキングされる。妥当でない測定値とは、
強すぎるかまたは弱すぎる照射強度の場合に検出された
測定値のことであり、したがってそのレベルが所定の限
界値を上回わるかまたは下回わる測定値のことである。 この画像領域をマスキングするマスクは、ｃで示された
回路部分で測定データ流に並列に、後述のように発生さ
れる。

【００４０】回路１５の出力側は計算段１６（算術論理
ユニット）を介して、３つの並列に接続された画像メモ
リ１７ａ〜ｃへ導びかれている。ここで、３つのプロジ
ェクタＰ１，Ｐ２，Ｐ３から時分割作動形式で相次いで
投写されるストライプパターンの、回路１５において算
出されたストライプの位相δ１，δ２，δ３が、一時記
憶される。別の３つの画像メモリ１８ａ，１８ｂ，１８
ｃの中に補正値がファイルされている。この補正値は較
正過程において得られたものであり、かつこの装置の幾
何光学構成の不完全性に起因する、３つのプロジェクタ
により投写されたパターンのストライプの位相の歪みを
、この補正値が表わす。これらの補正値は計算ユニット
１６において、ストライプの位相δ１，δ，２δ３から
減算される。このようにして補正された位相値は再び画
像メモリ１７ａ，ｂ，ｃの中へ達して、次に第２の計算
ユニット１９においてさらに処理される。この計算ユニ
ットは差Δ１＝δ１−δ２およびΔ２＝δ１−δ３を算
出する。これらの値は式（１１），（１２）および（１
３）による物体距離ｚの算出のために必要とされる。こ
の場合に考慮すべきことは、Δ３が、差Δ２−Δ１とし
て得られることである。

【００４１】計算ユニット１９に加算段Ｓ（図５ｂ参照
）が後置接続されている。この加算段は、計算ユニット
２０と２つのＲＡＭメモリ２１ａ，２１ｂから構成され
ている。これらのメモリ２１ａ，２１ｂにおいて、各々
の画点に対する位相差Δ１およびΔ２が累算される。こ
のことは例えば整数アリスメティックにおいて次のよう
にして行われる。即ち位相差Δ１，Δ２を表わす信号の
８ビットの入力値が、メモリ２２ａ，２２ｂにおける１
６ビットのデータ領域において加算されるようにして、
行なわれる。このようにして、２５５の画像から得られ
る位相差を加算により平均化できるようになり、これに
より位相測定の精度に関連づけて位相差を改善できるよ
うになる。

【００４２】画像メモリ２１ａおよび２１ｂの出力側は
、後続の２つの別の計算ユニット２２ａ，２２ｂへ導び
かれている。これらのユニットの中には別のテーブル（
ルックアップテーブル）に、式（１４），（１５）によ
る物体距離の算出用の式が準備されている。これらの算
出ユニット２２ａ，２２ｂが物体距離ｚのための２つの
値を算出する。この２つの値は後続の算出段２３におい
てもう一度平均化される。後続のディジタル式信号プロ
セッサ２４において、画点の座標ｘ，ｙが式（１６），
（１７）を用いて、ｚに対する測定値にもとづいて、お
よびホスト計算器から入力された装置定数ｘＫ，ｙＫお
よびａＫにもとづいて、算出されて出力ユニット２５へ
導びかれる。

【００４３】前述の方法により、測定されるべき物体に
関する高さの情報が、ストライプの位相のモジュロ２π
だけに関してだけではなく、絶対値として得られる。

【００４４】前述の評価法は次のことを前提する、即ち
カメラＫから供給される信号が、不足制御または過制御
が生じないように、カメラ特性曲線の直線領域において
発生されることである。さらに前述の方法に対して次の
ことが必要とされる、即ちプロジェクタＰ１，Ｐ２，Ｐ
３から投写される３つのストライプパターンの撮影の連
続中に、シーケンスの３つの全部の画像における位相値
が所定の１つの画点に対して妥当する時にだけ、１つの
位相値がさらに処理されることである。この算出演算は
図５の回路部ｃにおいて実施される。測定値が妥当であ
るか否かは、計算ユニット１５におけるルックアップテ
ーブルＬＵＴの１ビットにおいて、質問される。連続す
る３つのビデオ画像にわたる“アンド”結合は、計算段
２６において、再帰的に接続されているＲＡＭユニット
２７と共働して形成される。後続の計算段２８において
各々の画点における妥当な測定値の個数が算出されて、
さらに後続のＲＡＭユニット２９の中に記憶される。こ
の場合、測定値の個数とは、ビデオ画像の個数−この個
数にわたり位相差が図６の加算ユニットＳにおいて加算
される−のことである。各々の画点に対する妥当な測定
の最小の個数を示す、適切に選定された限界値を設定し
て、次に、妥当な測定の個数がこの限界値を下回わるよ
うな画点が、全部除去される。そして残りの全部の画点
が結果の算出へ関係づけられる。このようにしてこれら
の画点にわたり設けられたデータマスクは、図５におい
て３０で示された四角形により記号化されている。この
マスクにより、表示のために用いられるビデオモニタ４
２が、相応の画点個所において、暗方向へ制御できる。

【００４５】図５および図６に示された、ハードウェア
で実現された評価計算器は、本発明による方法を実施す
るためにカメラの信号を処理することのできる解決手段
を構成する。この解決手段は、ストライプパターンが３
つのプロジェクタＰ１，Ｐ２，Ｐ３により時分割多重形
式で相次いで投写されて、次に画像がカメラＫにより相
次いで撮影されて処理されるように、構成されている。 しかしストライプパターンを例えば異なる色で同時に投
写して、カラーディバイダを介して個別化された３つの
カメラにより同時に撮影することもできる。この場合は
当然、入力チャンネルが即ちＡ／Ｄ変換器１２，コンバ
ルションユニット１４ａ，１４ｂ，計算ユニット１５，
１６−時分割多重作動形式で動作する−が、相応の個数
の３つの部品で、並列に実現する必要がある。このこと
はコストが高くなるがしかし処理周波数における一層大
きい帯域幅も提供する。反対に前述の算出演算は、相応
にプログラミングされ適切に出力のできる、シーケンシ
ャルに動作する従来の構成の計算器にもとづいて進行さ
せることが可能であるが、当然この場合は著しく長い動
作時間を伴なう。そのためこの場合はビデオ信号の実時
間処理が達せられない。

【００４６】前述の実施例の場合はｚの測定は常に２つ
の投写の差として構成されることにより、例えばプロジ
ェクタＰ１とＰ２のまたはＰ２とＰ３のストライプパタ
ーンの差として構成されることにより、格子Ｇ１〜Ｇ３
（第２図参照）を有する支持体Ｗは、信号評価の場合に
得られるｚ値が影響を受けることなく、矢印Ｐｆ１の方
向へ移動できる。この場合、格子支持体Ｗの種々の位置
により複数個の測定を行なうことができる。この測定の
場合に相応に、格子の種々の領域を照射することもでき
る。位相差Δｉに関する、全部の画像にわたる個々の測
定は加算されてさらに平均値が求められる。その結果、
格子の製造精度に起因するまたは評価アルゴリズムの１
回の使用に起因する統計的なエラーが、Ｎの平方根で改
善される。ただしＮは測定の個数である。

【００４７】同時に照射の強度を、値０から飽和まで連
続的に制御することができる。その目的はできるだけ物
体の全部の点−これらの点の反射特性は全部が互いに異
なることがある−の中から使用可能な測定値を得られる
ようにするためである。この場合、図５ａの回路のうち
の部分回路Ｃにおけるマスキング電子装置は、カメラＫ
の非直線領における全部の測定が回避されるように、配
慮する。

【００４８】図３および図４に本発明の第２の別の実施
例が示されている。図１と同様に図３におけるこの第２
の実施例の簡略図が、この測定装置の基本構成を示す。 この測定装置は実質的に、２つの投写光学装置Ｐ１１と
Ｐ１２および４つの格子Ｇ１１／Ｇ１３およびＧ１２／
Ｇ１４から、構成されている。カメラセンサはここでも
Ｋで示されており、前方にセットされた観測用対物レン
ズＢｏと共に、プロジェクタＰ１１とＰ１２の間に設け
られている。ここに述べられている構成においては、両
方のプロジェクタＰ１１とＰ１２の各々が２つの格子を
有しており、さらに各２つの格子Ｇ１１とＧ１２のなら
びにＧ１３とＧ１４の格子定数が即ち格子間隔周期が、
対毎に等しくされている。反対に１つのプロジェクタの
中の格子Ｇ１１とＧ１３のないしＧ１２とＧ１４の格子
定数は即ち格子間隔周期はわずかに異なるようにされて
いる。例えば格子Ｇ１１，Ｇ１２は２５本の線／ｍｍの
格子定数を有し、格子Ｇ１３，Ｇ１４は２５．５本線／
ｍｍの格子定数を有する。この構成により、互いにわず
かに異なる、一定の位相差の平面が２組定められる、即
ち対毎に相次いで投写される格子Ｇ１１とＧ１２との間
の位相差および、対毎に相次いで投写される格子Ｇ１３
とＧ１４との間の位相差が、定められる。一定の位相差
の、両方の組の平面の間のうなり周波数を観測して、次
にこの位相差に実効波長

【００４９】

【数７】

【００５０】を対応させることができる。この実効波長
は、同じ位相差の面に対応する波長λ１またはλ２より
も著しく大きい。この干渉周波数を評価することにより
、同じ間隔周期の２つの格子Ｇ１１とＧ１２だけにより
動作される場合に現れる位相測定のあいまいさが除去さ
れる。

【００５１】この構成により形成されるストライプパタ
ーンを評価するために用いられる式は、図１を用いて導
出された式から次のようにして簡単に得られる。即ち式
（８）から出発して、両方の格子対Ｇ１１／Ｇ１２およ
びＧ１３／Ｇ１４のために、両方の異なる間隔周期Ｐ１
およびＰ２をこの式に付加するのである。その結果、次
の式が得られる。

【００５２】

【数８】

【００５３】この場合、Ｋは装置定数であり、さらにＮ
１＝ｎ１１−ｎ２１，Ｎ２＝ｎ１２−ｎ２２ならびにΔ
１＝δ１２−δ２２およびΔ２＝δ１２−δ２２である
。

【００５４】これから次の式が得られる。

【００５５】

【数９】

【００５６】この式（２２）は式（２０）または（２１
）と比較して著しく大きい実効波長を有する関数を表す
。物体距離ｚはこれらの式から、図５、図６を用いて説
明されたのと同様に次のようにして求められる。即ち４
つの格子Ｇ１１〜Ｇ１４により投写されたストライプパ
ターンの位相の小数点以下の成分 δ１１，δ１２，δ２１，δ２２ が測定されてさらに式（２２）により評価されることに
より、求められる。

【００５７】重要なことは、４つのストライプパターン
を別個に投写することである。その目的は、カメラセン
サＫの表面に常に明確なストライプパターンが形成され
て評価できるようにし、そのため異なるストライプパタ
ーンの強さが重なり合って評価を妨げないようにするた
めである。この目的で図４に示されているように、両方
の格子Ｇ１１とＧ１３が投写光学装置の後方で第１のビ
ームスプリッタ立方体Ｓ１の面へ被着され、さらに両方
の格子Ｇ１２とＧ１４は投写光学装置Ｐ１２の後方で第
２のビームスプリッタ立方体Ｓ２の面へ被着される。格
子の対Ｇ１１とＧ１３は２つの異なる光源Ｌ１１および
Ｌ１３によりカラーフィルタＦ１１とＦ１３を介して照
射される。その結果、ストライプパターンは異なる色で
形成される。この異なる色はカラーカメラＫにより別個
に処理できる。格子対Ｇ１２，Ｇ１４の分離も２つのラ
ンプＬ１２およびＬ１４により照射されるカラーフィル
タＦ１２およびＦ１４により同様に行われる。

【００５８】前述のカラー符号化とは異なり次の構成も
もちろん可能である、即ち４つの格子を相次いで時分割
多重形式でランプＬ１１〜Ｌ１４の相応の制御により投
写するか、またはストライプパターンの分離を偏光光学
的に実施することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の幾何光学的構成を示す基
本図である。

【図２】図１において簡単に示された装置の実質的な構
成の斜視図である。

【図３】第２の別の実施例の基本構成図である。

【図４】図３において簡単に示された装置の実質的な構
成の斜視図である。

【図５】図３および図４に示された装置の信号評価のた
めに用いられる評価装置の部分回路図である。

【図６】図３および図４に示された装置の信号評価のた
めに用いられる評価装置の部分回路図である。

【符号の説明】

Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４　　プロジェクタ、　　Ｇ１，
Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４　　格子、　　Ｌ１Ｌ２Ｌ３　　光源
、　　Ａ　　インターフェースブロック、　　Ｋカメラ
、　　３１　　トリガ回路、　　３２　　制御電子装置
、　　１２　　Ａ／Ｄ変換器、１４ａ，１４ｂ　　コン
ボルーションユニット、　　Ｂ　　機能ユニット、　　
１５　　回路、　　１７ａ，１７ｂ，１７ｃ　　画像メ
モリ、　　２１ａ，２１ｂ　　画像メモリ、２２ａ，２
２ｂ　　計算ユニット、　　２３　　計算段、　　２４
　　ディジタル信号プロセッサ、　　２５　　出力ユニ
ット、　　２８　　計算段、　　２９　　ＲＡＭユニッ
ト、　　Ｓ　　加算ユニット、４２　　ビデオモニタ

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　物体表面へ投写されるストライプパタ
   ーンを用いて物体表面を測定するための方法であって、
   該ストライプパターンをカメラにより撮影して評価する
   ようにし、この場合、測定領域をカメラ軸（Ｚ）の方向
   へ拡張するために、種々の異なる周期性を有する構造を
   評価するようにした物体表面の測定法において、同じ間
   隔周期のまたは互いにわずかに異なる間隔周期の複数個
   のストライプパターン（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３）を投写する
   ようにし、さらにストライプパターンから得られる、異
   なる実効波長による少なくとも２つの干渉周波を評価の
   ために用いるようにしたことを特徴とする物体表面を測
   定する方法。
2. 【請求項２】　　複数個のストライプパターン（Ｇ１，
   Ｇ２，Ｇ３）をカメラにより撮影する場合に互いに別個
   に画像処理計算器へ導びくようにし、さらにストライプ
   装置のストライプの位相（δ１，δ２，δ３）の差（Δ
   １，Δ２，Δ３）を形成することにより、干渉周波を計
   算器において形成するようにした請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】　　同じ間隔周期の３つの格子（Ｇ１，Ｇ
   ２，Ｇ３）を、異なる角度（α１，α２）の下に物体へ
   投写するようにした請求項１記載の方法。
4. 【請求項４】　　３つの格子（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３）を１
   つの共通の平面に設けるようにした請求項３記載の方法
   。
5. 【請求項５】　　ストライプパターンを、同じ間隔周期
   を有する２対の格子（Ｇ１１／Ｇ１２，Ｇ１３／Ｇ１４
   ）により投写するようにし、この場合、これらの格子対
   の間隔周期をわずかに異なるように選定した請求項１記
   載の方法。
6. 【請求項６】　　少なくとも２つのプロジェクタにより
   物体表面を測定する装置であって、該測定装置は少なく
   とも２つのプロジェクタを有しており、該プロジェクタ
   は同じ周期性のストライプパターンを物体（０）の上へ
   投写するようにし、さらに前記測定装置はカメラ（Ｋ）
   を備えており、該カメラにより物体表面の像が撮影され
   るようにし、さらに該カメラに画像処理計算器が後置接
   続されており、該画像処理計算器はカメラ（Ｋ）のビデ
   オ信号から物体表面の個々の点に対する高さの情報（Ｚ
   ）を得るようにした前記の測定装置において、プロジェ
   クタ（Ｐ２，Ｐ３）を、これらがカメラ（Ｋ）の軸と成
   す角度よりも小さい相互間の角度の下に互いに配置した
   ことを特徴とする物体表面の測定装置。
7. 【請求項７】　　少なくとも３つのプロジェクタ（Ｐ１
   ，Ｐ２，Ｐ３）が設けられており、該プロジェクタが同
   じ間隔周期のストライプパターンを投写するようにし、
   さらに投写のために用いられる格子（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３
   ）を１つ共通の支持体（Ｗ）の上にないし基板の上に取
   り付けるようにした請求項６記載の装置。
8. 【請求項８】　　支持体ないし基板がカメラ（Ｋ）の光
   軸に対して相対的に、格子（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３）の平面
   において可動に支承されている請求項７記載の装置。
9. 【請求項９】　　少なくとも２つのプロジェクタにより
   物体表面を測定する装置であって、該測定装置は少なく
   とも２つのプロジェクタを有しており、該プロジェクタ
   は同じ周期性のストライプパターンを物体の上へ投写す
   るようにし、さらに前記測定器はカメラを備えており、
   該カメラにより物体表面の像が撮影されるようにし、さ
   らに該カメラに画像処理計算器が後置接続されており、
   該画像処理計算器はカメラのビデオ信号から物体表面の
   個々の点に対する高さの情報を得るようにした前記の測
   定装置において、両方のプロジェクタの各々が２つの格
   子（Ｇ１１，Ｇ１３／Ｇ１２，Ｇ１４）を、わずかに異
   なる格子間隔周期で別個に投写するようにしたことを特
   徴とする物体表面を無接触で測定する装置。