【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物体の形状及び変形量を計測する非接触形状計測装置に関し、特に、位相をシフトしながら物体に投影された格子を用いる形状計測方法によってテレビカメラのフレームレート（１／３
０秒）の間に撮影された格子画像からリアルタイムに形状を表す等高線画像及び変形量を表す等変位線画像を得ることができる実時間形状計測用ＣＣＤカメラと、このような実時間形状計測用ＣＣＤカメラを使用する実時間等高線表示方法及び実時間等変位線表示方法と、実時間等高線表示システム及び実時間等変位線表示システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】非接触で物体の３次元形状計測を行う従来の方法としては、物体に投影された格子の歪みを解析する方法がよく用いられていた。 物体に等ピッチの格子を投影し別の方向からテレビカメラで撮影すると、物体の形状に応じて歪んだ格子画像が得られる。 この画像から形状分布を得る方法として、走査モアレ法やフーリエ変換モアレ法／格子法などの位相解析法が開発されている。 変位分布を表示するには、まず変形前後の形状データを計測し、その差として変位量を算出して表示する方法がこれまで多く用いられていた。

【０００３】走査モアレ法は、格子画像を等ピッチごとに間引くことで等高線を意味するモアレ縞を得る方法である。 この方法は単純な画像処理で実現できるため、非常に高速に結果を得ることができるが、ノイズの多い等高線画像となってしまう欠点がある。 フーリエ変換モアレ法／格子法などの位相解析法では、精度のよい計測が可能であり、変位量も算出することができるが、処理に時間がかかるという欠点がある。

【０００４】上述した欠点を克服し、物体の形状を表す等高線画像と、変形量を表す等変位線画像とをリアルタイムに得るための従来の方法としては、例えば、本発明者等を含む金汪根、藤垣元治及び森本吉春による「位相シフト走査モアレ法によるノイズのない等高線・等変位線表示システムの開発」第２回知能メカトロニクスワークショップ、精密工学会、１９９７年、２９〜３４ページと、特許第２９０３１１１号「形状変形計測方法」とにおいて記載されている位相シフト走査モアレ方法がある。 この方法では、連続的に位相をシフトしながら物体に投影された格子を撮影した複数枚の画像から、高分解能の等高線画像及び等変位線画像を得ていた。

【０００５】従来の位相シフト走査モアレ法においては、物体に投影した格子を、投影格子の位相シフト回数分だけ撮影し、撮影された複数の画像からそれぞれの位相シフト量に応じた画素の輝度データを抽出し、重ね合わせることで等高線画像又は等変位線画像を得ていた。
この従来の方法によって実時間において等高線画像や等変位線画像を得る場合、投影格子の位相シフトをＣＣＤ
のフレーム撮影時間ごとに１回行い、撮影された画像をメモリに順次記憶していく。 １周期分の位相シフトが完了した後は、メモリに記憶しておいた直前の１周期分の位相シフト画像から上記のように位相シフト量に応じた画素の輝度データをそれぞれ抽出し、重ね合わせることで等高線画像又は等変位線画像を得る。 等高線画像を得る場合、抽出する画素は、投影格子と同じピッチで、幅が１画素の等間隔の格子状の画素の並びである。 この抽出する位置を、位相シフト量が増えるごとに１列ずつ移動させる。 等変位線画像を得る場合、抽出する画素は、
投影格子の位相シフト量と、予め求めておいた変形前の物体への投影格子の位相値とが一致している画素である。

【０００６】このように、１フレームの撮影を行うたびに直前の１周期分の位相シフト画像を用いて等高線画像又は等変位線画像を得ることができるため、毎フレームごとに結果が得られることになる。 ここでは、撮影のフレーム時間ごとに結果が得られることを実時間と呼んでいる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述したような従来の位相シフト走査モアレ法では、実時間で結果を得ることはできるが、過去に撮影した複数枚の画像を用いるため、物体が動く場合には誤差が大きくなってしまうという欠点があった。

【０００８】上述したことを鑑み、本発明の目的は、位相シフト走査モアレ法によって物体が動く場合でも小さい誤差で等高線画像又は等変位線画像を実時間で得ることができる実時間形状計測用ＣＣＤカメラを提供することである。 本発明の他の目的は、このような実時間形状計測用ＣＣＤカメラ使用する実時間等高線表示方法とこのような方法を実行するシステムとを提供することである。 本発明のさらに他の目的は、このような実時間形状計測用ＣＣＤカメラを使用する実時間等変位線表示方法とこのような方法を実行するシステムとを提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明による実時間形状計測用ＣＣＤカメラは、ＤＭＤと、前記ＤＭＤの表面に物体の像を結像する第１レンズと、ＣＣＤと、前記ＤＭ
Ｄの表面に反射された像をさらに前記ＣＣＤに結像する第２レンズとを具えることを特徴とする。

【００１０】ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏ−ｍ
ｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）は、画素ごとにオン／オフを高速に制御できる反射ミラーとして、これまでプロジェクタとして用いられてきた。 本発明では、ＤＭＤとＣ
ＣＤカメラを組み合わせることで、ＣＣＤカメラの画素ごとに高速のシャッタを取り付けるのと同様の効果を得ている。 図１は、ＤＭＤの基本的動作を説明する図である。 ＤＭＤは、縦横にＤＭＤが並べられた構造をしている。 画素の数は縦横にそれぞれ数百〜１千画素程度のものが造られている。 図１は、ＤＭＤ素子を側面から見た図であり、実際よりも画素数を減らして図式的に示している。 図１において、各ＤＭＤ画素は、入力されるオン／オフ信号に応じて、オンの時は下向きに、オフの時は上向きになるように向きを変える。 ここでは、ＤＭＤ正面からの入射光に対するオンの時の反射光の向きをＤＭ
Ｄ反射角と呼ぶ。 ＤＭＤ正面から入射した光は、ＤＭＤ
画素の向きに応じて上方向又は下方向に反射される。 したがって、入射光のうち、一部だけをオン／オフパターン信号によって選択的に取り出すことができる。 一般的なＤＭＤプロジェクタもこのような性質を利用している。

【００１１】本発明による等高線画像撮影方法は、前記実時間形状計測用ＣＣＤカメラを使用し、格子を試料物体に位相シフトしながら投影し、前記ＣＣＤで１フレーム撮影する間に前記ＤＭＤの各ミラーのオン／オフを前記投影格子の位相シフト量に応じて制御しながら撮影することを特長とする。 本発明による等高線画像撮影システムは、前記実時間形状計測用ＣＣＤカメラと、格子を試料物体に位相シフトしながら投影する手段とを具え、
前記実時間形状計測用ＣＣＤカメラを、前記ＣＣＤで１
フレーム撮影する間に前記ＤＭＤの各ミラーのオン／オフを前記投影格子の位相シフト量に応じて制御するように構成したことを特長とする。 ＤＭＤと組み合わされたＣＣＤカメラを用いることで、位相をシフトしながら投影された格子を用いる形状計測方法において、形状を表す等高線画像を撮影フレームごとに得ることができる。

【００１２】本発明による等変位線画像撮影方法は、前記実時間形状計測用ＣＣＤカメラを使用し、格子を試料物体に位相シフトしながら投影し、予め求めておいた物体の変形前の位相分布を元に、前記ＣＣＤで１フレーム撮影する間に前記ＤＭＤの各ミラーのオン／オフする画素を投影格子の位相シフト量に応じて制御しながら撮影することを特徴とする。 本発明による等変位線画像撮影システムは、前記実時間形状計測用ＣＣＤカメラと、格子を試料物体に位相シフトしながら投影する手段とを具え、前記実時間形状計測用ＣＣＤカメラを、予め求めておいた物体の変形前の位相分布を元に、前記ＣＣＤで１
フレーム撮影する間に前記ＤＭＤの各ミラーのオン／オフする画素を投影格子の位相シフト量に応じて制御するように構成したことを特徴とする。 ＤＭＤと組み合わされたＣＣＤカメラを用いることで、位相をシフトしながら投影された格子を用いる形状計測手法において、変形量を表す等変位線画像を撮影フレームごとに得ることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】図２は、本発明による実時間形状計測用ＣＣＤカメラの一実施形態の構成を示す図である。 実時間形状計測用ＣＣＤカメラ１は、ＤＭＤ１１
と、ＣＣＤ１２と、第１レンズ１３と、第２レンズ１４
とを具える。 撮影対象物体の像を第１レンズ１３によってＤＭＤ１１の素子表面に結像させる。 このとき、ＤＭ
Ｄ１１と第１レンズ１３のレンズ面とを互いに平行になるように配置する。 ＤＭＤ１１の表面の各ＤＭＤ画素には、結像の位置関係となる対象物体表面の１点から出た光が到達することになる。 次に、ＤＭＤ１１の表面とＣ
ＣＤ１２の表面が結像の位置関係となるように第２レンズ１４を配置する。 このとき、ＤＭＤ１１と、ＣＣＤ１
２と、第２レンズ１４とを、互いに平行になるように配置し、さらに、ＤＭＤ反射角のあおりを付けた光学系となるようにする。 このように配置することによって、オンの信号を受けているＤＭＤ画素に到達した光は、ＣＣ
Ｄ１２方向に反射され、第２レンズ１４によってＣＣＤ
１２の対応する画素に結像することになる。 すなわち、
撮影対象物体の像は、いったんＤＭＤ１１の表面に結像し、オンになっているＤＭＤ画素で反射されて再度ＣＣ
Ｄ１２の表面に結像することになる。

【００１４】図３は、ＤＭＤのオン／オフパターンと撮影される画像との関係を示す図である。 図３ａは、撮影対象のパターンの一例を示す。 わかりやすくするために、画素数を減らして図式的に示す。 まず、ＤＭＤ画素がすべてオンの場合、撮影対象の像はそのままＣＣＤで撮影される。 ＤＭＤ画素がすべてオフの場合、ＣＣＤには何も撮影されない。 一部のＤＭＤ画素がオンで、他のＤＭＤ画素がオフの場合、オフの画素は撮影されず、オンの画素のみが撮影される。

【００１５】図４は、本発明による等高線画像撮影方法を実行する実時間等高線表示システムの構成を示す図である。 本システムは、実時間形状計測用ＣＣＤカメラ１
と、格子投影プロジェクタ２と、コントローラ３とを具える。 実時間形状計測用ＣＣＤカメラ１は、図２に示すものと同様のものである。 格子投影プロジェクタ２は、
等間隔の格子パターンを、レンズ２１を介して物体に投影する機能を有する。 投影する格子の位相を、位相シフト信号に応じて変化させる。 位相を変化させる方法のひとつとして、投影格子のフィルムを移動する方法がある。 実時間形状計測用ＣＣＤカメラ１の第１レンズ１３
及び第２レンズ１４のレンズ面と投影格子プロジェクタ２のレンズ２１のレンズ面とを、互いに平行でかつｚ方向の位置が同一になるように配置する。 コントローラ３
の第１出力部を実時間形状計測用ＣＣＤカメラ１に接続し、コントローラ３の第２出力部を格子投影プロジェクタ２に接続する。 コントローラ３は、第１出力部からオン／オフパターン信号を実時間形状計測用ＣＣＤカメラ１のＤＭＤ１１に供給し、第２出力部から位相シフト信号を格子投影プロジェクタ２に供給する。

【００１６】図５は、このようなＤＭＤ画素のオン／オフパターンの時間変化を示す図である。 この図において、ＣＣＤ１２のフレーム撮影時間は１／３０秒とし、
１周期の位相シフト回数を６回とした場合の時刻と、オン／オフパターン信号と、位相シフトとの関係を示す。
なお、フレーム撮影時間とは、ＣＣＤ１２が電荷を蓄える時間のことであり、この時間内にＣＣＤ１２の各画素に到達した光の強度の時間積分値がその画素の輝度として蓄えられることになる。 オン／オフパターン信号と位相シフト信号とは、コントローラによって同期して変化し、図５に示すように、投影格子の位相シフト量が増えるごとにＤＭＤ画素のオンの位置を右方向に１列ずつ移動する。 このようにすると、ＣＣＤ１２のフレーム撮影時間（１／３０秒）内に、１周期分の位相シフトが順次行われ、位相シフト量に応じて抽出された画素の光だけがＣＣＤ１２の各画素上に到達し、そこでフレーム撮影時間の時間積分が行われることによって合成されたものがＣＣＤ１２で撮影されることになる。 すなわち、１周期分の位相シフト走査モアレ法が１フレーム時間内に行われることになる。 したがって、ＣＣＤ１２にはフレーム撮影時間ごとに等高線が撮影されることになる。 １フレームごとに等高線を撮影するため、従来の複数枚の画像を用いる方法と比べて、物体の動きによる誤差が大きく軽減される。

【００１７】図６は、本発明による等変位線画像撮影方法を実行する実時間等変位線表示システムの構成を示す図である。 本システムは、実時間形状計測用ＣＣＤカメラ１と、格子投影プロジェクタ２と、コントローラ３'
と、位相算出回路４と、位相メモリ５とスイッチ６とを具える。 実時間形状計測用ＣＣＤカメラ１は、図２及び図４に示すものと同様のものであり、格子投影プロジェクタ２は、図４に示すものと同様のものである。 格子投影プロジェクタ２及び実時間形状計測用ＣＣＤカメラの配置と、これらとコントローラ３'との接続は、図４に示す実時間等高線表示システムと同様である。 実時間形状計測用ＣＣＤカメラ１の出力部を、スイッチ６を経て位相算出回路４の第１入力部に接続する。 また、位相算出回路４の第２入力部を、コントローラ３'の第２出力部に接続し、位相シフト信号を入力する。 位相算出回路４は、供給された格子画像及び位相シフト信号から特徴量抽出法により位相分布を算出する。 特徴量抽出法は、
特許第２９０３１１１号（形状変形計測方法）に記載されているように、１周期分の位相シフトされた複数枚の画像から、各画素について輝度が最高になるときの位相シフト量を該画素の位相値として求める方法である。 位相算出回路４の出力部を位相メモリ５の入力部に接続し、前記算出された位相分布を位相メモリ５に記憶する。 位相メモリ５の出力部をコントローラ３'の入力部に接続し、随時、前記位相分布を供給する。

【００１８】まず、変形前の物体に投影された格子の位相分布を求める手順を説明する。 すべてのＤＭＤ画素について、コントローラ３'からのオン／オフパターン信号をオンにする。 このようにすると、図３に関して上述したように、撮影対象の像がそのままＣＣＤ１２で撮影されるので、投影された格子の画像（格子画像）が撮影される。 さらにスイッチ６をオンにすることによって、
前記格子画像が位相算出回路４に入力される。 コントローラ３'がＣＣＤ１２のフレーム撮影時間で１回の位相シフトが行われるような位相シフト信号を出力すると、
１フレームごとに１回ずつ位相シフトされた画像が撮影される。 位相算出回路４は、１周期分の位相シフト信号と格子画像から特徴量抽出法によって投影格子の位相分布を算出し、出力する。 したがって、変形前の物体に対してこの操作を行うことにより、変形前の物体の位相分布が位相メモリ５に記憶されることになる。

【００１９】図７は、このようにして得られた１周期の位相シフト回数を６回とした場合の、物体の変形前の位相分布の例を示す図である。 図７ａは位相分布を濃淡で表現したものであり、図７ｂは各画素ごとの位相シフト量を数値で表したものである。 ここで、位相シフト量とは、位相シフトが行われた回数である。 そのため、図７
の場合は０〜５の値となる。 以上のようにして、まず変形前の物体に投影された格子の位相分布を求め、それを位相メモリ５に格納する。 その後、以下に説明する方法を用いて等変位線の撮影を行う。

【００２０】図８は、図６に示す実時間等変位線表示システムにおけるオン／オフパターンの時間変化を示す図である。 図８は、図５の場合と同様に、ＣＣＤのフレーム撮影時間を１／３０秒とし、１周期の位相シフト回数を６回とした場合の、オン／オフパターン信号と位相シフト信号との関係を時系列的に示したものである。 オン／オフパターン信号と位相シフト信号とを、コントローラ３'によって同期して変化させ、図８に示すように投影格子の位相シフト量に応じて、図７ｂに示す物体の変形前の位相分布の各画素の位相シフト量と一致したＤＭ
Ｄ画素をオンにする。 例えば、位相シフト量が２の場合は、図７ｂにおいて２の値を持つＤＭＤ画素がオンになる。 このようにすると、ＣＣＤ１２のフレーム撮影時間（１／３０秒）内に、１周期分の位相シフトが順次行われ、位相シフト量に応じて抽出された画素の光だけがＣ
ＣＤ１２の各画素上に到達し、そこでフレーム撮影時間の時間積分が行われることによって合成されたものがＣ
ＣＤ１２で撮影される。 すなわち、ＣＣＤ１２にはフレーム撮影時間ごとに等変位線が撮影される。 １フレームごとに等変位線を撮影するため、従来の複数枚の画像を用いる方法に比べて、物体の動きによる誤差が大きく軽減される。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、位相シフト走査モアレ法によって物体が動く場合でも小さい誤差で等高線画像又は等変位線画像を実時間で得ることができる実時間形状計測用ＣＣＤカメラが提供され、さらにこのような実時間形状計測用ＣＣＤカメラ使用する実時間等高線表示方法及び実時間等変位線表示方法と、実時間等高線表示システム及び実時間等変位線表示システムとが提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 ＤＭＤの基本的動作を説明する図である。

【図２】 本発明による実時間形状計測用ＣＣＤカメラの一実施形態の構成を示す図である。

【図３】 ａは撮影対象パターンを表す図であり、ｂはＤＭＤのオン／オフパターンと撮影される画像との関係を示す図である。

【図４】 実時間等高線表示システムの構成を示す図である。

【図５】 ＤＭＤ画素のオン／オフパターンの時間変化を示す図である。

【図６】 実時間等変位線表示システムの構成を示す図である。

【図７】 ａは物体の変形前の位相分布の例を濃淡で表現した図であり、ｂは各画素ごとの位相シフト量を数値で表した図である。

【図８】 実時間等変位線表示システムにおけるオン／
オフパターンの時間変化を示す図である。

【符号の説明】

１ 実時間形状計測用ＣＣＤカメラ ２ 格子投影プロジェクタ ３、３' コントローラ ４ 位相算出回路 ５ 位相メモリ ６ スイッチ １１ ＤＭＤ １２ ＣＣＤ １３ 第１レンズ １４ 第２レンズ ２１ レンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA04 AA53 BB05 DD06 FF01 FF07 HH07 JJ03 JJ26 NN05 NN12 PP22 QQ23 QQ25 RR07 SS13 UU02 UU05 2H041 AA11 AB14 AC06 AZ00 AZ05 5C022 AA01 AB43 AC42 AC51 AC78