JPH0473523B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、特にモアレトポグラフイに代表さ
れるような、縞を利用した３次元計測に関するも
のである。

（従来技術とその問題点） モアレトポグラフイは、物理面上に縞模様を投
影し、物体の形状により変型した縞模様と基準の
縞模様とを重ね合わせ、その差周波数として生じ
る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・オプテイツクス」（Applied
Optics）、９巻、1970年、1467〜1472ページに記
載の論文「モアレ・トポグラフイ
（Moire′ Topography）」に述べられている。こ
の方法には、第５図に示すような物体２３の直前
に置いた格子２２を点光源２１によつて照射する
格子照射型と、第６図に示すように光学系の中に
設置した格子２４の像を物体面上に結像させる格
子投影型がある。両方法を比較した場合、操作性
において、後者のほうに柔軟性があり、応用範囲
が広い。格子投影型モアレトポグラフアについて
は、例えば雑誌「アプライド・オプテイツクス
（Applied Optics）22巻、1983年、850〜855ペー
ジに記載の論文「自動３次元トポグラフイにおけ
る移動格子法を用いた投影法モアレ（Projection
Moire′ moving with moving grantings for
antomated ３−Ｄ topography）」に詳しく述
べられている。一般に、モアレ計測では高次のモ
アレ縞が生じるために縞を自動解析する際には、
所望のモアレ縞と分離することが困難であつた。
この高次のモアレ縞を除去するために、観測中に
格子を移動させ高次のモアレ縞を平均化する移動
格子法が開発された。詳しくは例えば前記雑誌
「アプライド・オプテイツクス（Applied
Optics）」９巻、1970年、1467〜1472ページに記
載の論文「モアレトポグラフイ
（Moire′ Topography）」に述べられている。

（発明が解決しようとする問題点） 従来の移動格子法では格子を移動させる機械的
な動作が必要であるために自動計測が難しく高次
のモアレ縞を平均化するために、所望のモアレ縞
のコントラストが低くなる欠点があつた。

（発明の目的） この発明の目的は、格子を移動させることなく
高次のモアレ縞を消去し、自動計測が容易で、か
つ所望のモアレ縞としてコントラストの高いもの
の得られる３次元計測方法を提供することにあ
る。

（問題を解決するための手段） この発明は、変調周波数が一定の正弦波状の強
度変調光で被測定物体上を走査して、物体面上に
縞模様を生成し、物体の形状により変形した縞模
様と前記強度変調光と同一の周波数の正弦波状の
基準縞模様と重ね合わせることを特徴とする３次
元計測方法である。

（作用・原理） ホログラフイツクレーザスキヤナに代表される
ホログラフイツクレーザビーム走査装置において
は、いくつかのホログラムをデイスクの円周上に
配置固定し、それを高速回転することによりレー
ザビームを走査する。ホログラフイツクレーザス
キヤナの前置光学系において、走査ビームが物体
面上で走査方向に収束、副走査方向に発散するよ
うに調整すれば、副走査方向のビーム幅により、
走査長として決められ長さを一面に走査する。こ
の時、レーザを変調することにより走査方向に縞
模様を作製できる。従来用いられている振幅透過
率が０または１の矩形状の格子を考える。次のよ
うな周期関数ｆ(x)を定義する。

ｆ(x)＝１ （4n−１）Π／２＜ｘ＜（4n＋１）
Π／２ ０ ｘ＝±（2n−１）Π／２（ｎ：整数） −１ （4n＋１）Π／２＜ｘ＜（4n＋３）Π／２ …(1) (1)式をフーリエ級数に展開すると ｆ(x)＝４／Π_∞ 〓ⁿ⁼¹ （−１）^n-1cos｛（2n−１）ｘ｝／2n−１ …(2) となる。(2)式により、白黒比に１：１の単純矩形
状格子の振幅透過関数は Ｖ（ｘ，ｙ）＝１／２［１＋４／Π_∞ 〓 〓ⁿ⁼¹ （−１）ⁿcos｛（2n−１）2Π（μx＋vy）／2n−１
］…(3) である。(3)式で、μ，ｖはそれぞれｘ方向、ｙ方
向の空間周波数を表わす。(3)式をフーリエ変換す
ると Ａ（ｘ，ｙ）＝１／２∫∫^∞ _-∞［１＋４／ｎ_∞ 〓 〓ⁿ⁼¹ （−１）^n-1cos｛（2n−１）2Π（μx＋vy）／2n−
１］×exp｛2Πi／λf（xξ＋yη）｝dxdy ＝［１／２δ（ｘ，ｙ）＋１／Π｛δ（ｘ−λfμ，
ｙ−λfv）＋δ（ｘ＋λfμ，ｙ＋λfv）｝］ −１／3Π｛δ（ｘ−3λfμ，ｙ−3λfv）＋δ（ｘ＋
3λfμ，ｙ＋3λfv）｝ ＋１／5Π｛δ（ｘ−5λfμ，ｙ−5λfv）＋δ（ｘ＋
5λfμ，ｙ＋5λfv）｝…］（λf）²…(4) となる。ただし、λは波長、ｆはフーリエ変換レ
ンズの焦点距離を表わす。(4)式の第２項は±１次
のモアレ縞を表わし、第３項以降は、不要な高次
のモアレ縞を表わす。

一方、正弦波状の単純格子の振幅透過関数は、 V′（ｘ，ｙ）＝１／２［１＋cos｛2Π（μx＋vy）｝］
…(5) である。(5)式をフーリエ変換すると A′（ｘ，ｙ）＝１／２∫∫^∞ _-∞［１＋cos｛2Π（μx
＋vy）］×exp｛2Πi／λf（xξ＋yη）｝dxdy ＝｛１／２δ（ｘ，ｙ）＋１／４δ（ｘ−λfμ，ｙ
−λfv）＋１／４δ（ｘ＋λfμ，ｙ＋λfv）｝（λf）
²…(6) (6)式は(4)式と比較して、高次のモアレ縞の生じ
ないことがわかる。以上の議論は一般の格子につ
いても成立する。従つて、レーザを正弦波状に変
調して物体に投影することにより、高次のモアレ
縞の生じない計測を実現できる。

（実施例） 第１図は、半導体レーザ１とホログラフイツク
レーザスキヤナ４によつて構成されるモアレトポ
グラフイに、この発明の方法を適用した一実施例
である。半導体レーザ１から発振された光は、コ
リメーテイングレンズ２によつてコリメートされ
た後、円筒レンズ３により楕円ビームに変換され
た後、ホログラフイツクレーザスキヤナ４のホロ
グラムレンズ５によつて、物体６を走査する。こ
の時、第２図に示すタイミングチヤートのように
エンコーダ１２によつて、スキヤナの回転周期信
号ａをGP−IBインタフエイスを有するマイコン
などの演算制御装置１１に取り入れる。演算制御
装置１１はエンコーダ出力同期信号ａを受けて、
例えば、GP−IBインタフエイスを有するフアン
クシヨンジエネレータなどの波形形成装置１０に
対して決められた周波数の正弦波ｃを出力するよ
うに制御信号ｂを送る。決められた周波数は、ス
キヤナの回転速度をWrpm、スキヤナに配置され
ているレンズの数をｎ、物体面に走査したい縞の
数をｔとしたとき、（ｎ＋ｗ）／60Hzとなる。波
形形成装置１０の出力信号ｃは、増幅器９により
半導体レーザ１を駆動するのに十分な電流ｄにさ
れた後レーザを正弦波状に変調する。波形形成装
置の出力例を第３図に示す。物体面で変型した正
弦波状の縞を光の蓄積できるTVカメラで撮像す
る。複数のフレームメモリとGP−IBインタフエ
イスを有し、画像間の積算、加減算機能を有する
多階調の画像処理装置８に、あらかじめ波形形成
装置１０によつて発生した信号に対応する縞模様
を演算制御装置１１より入力しておき、TVカメ
ラ７によつて撮像した画像と重ね合わせることに
より、モアレ縞を発生させる。画像処理装置８に
あらかじめ入力しておく縞模様の例を第４図に示
す。画像の四則演算とは画像の階調をデジタル表
現し、ドツト毎に階調の演算をおこなうことであ
る。縞に中間調が存在するためモアレ縞にも中間
調があり、画像処理装置として、多階調の演算の
できるものが必要である。この画像処理装置で、
作用・原理の項で説明した演算を行いモアレ縞を
生成する。

（発明の効果） 以上詳述したように、この発明の３次元計測方
法によれば、従来の格子移動法のように、格子を
移動させることなく、高次のモアレ縞として、コ
ントラストの高いものが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例を示す図、第２
図はシステムの信号のタイミングチヤートを示す
図、第３図は実施例における半導体レーザに注入
する電流波形を示す図、第４図は実施例におい
て、画像処理装置に記憶させる基準縞の濃度分布
の例を表わす図、第５図は格子照射型モアレトポ
グラフイの従来例を示す図、第６図は格子投影型
モアレトポグラフイの従来例を示す図である。 図において、１…半導体レーザ、２…コリメー
テイングレンズ、３…円筒レンズ、４…ホログラ
フイツクレーザスキヤナ、５…ホログラムレン
ズ、６…物体、７…TVカメラ、８…画像処理装
置、９…増幅器、１０…波形形成装置、１１…演
算制御装置、１２…エンコーダ、２１…光源、２
２…格子、２３…物体、２４…格子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 変調周波数が一定の正弦波状の強度変調光で
   被測定物体上を走査して、物体面上に縞模様を生
   成し、物体の形状により変形した縞模様と前記強
   度変調光と同一の周波数の正弦波状の基準縞模様
   とを重ね合わせることを特徴とする３次元計測方
   法。