(57)【要約】物体（１）の絶対座標を測定する方法において、物体（１）に、投影格子（２）を通して光（３）を当てる。物体（１）により反射した光（４）は、センサ（５）に記録される。センサ（５）に撮影された画像が測定される。そのような方法を改良するため、投影格子（２）は、第１の格子ベクトル（Ｇ1）を有する第１の格子と、第１の格子ベクトルとは異なる第２の格子ベクトル（Ｇ2）を有する第２の格子とを備えている。センサ（５）は、第１および第２の格子からセンサ（５）に達する基底ベクトル（ｂ）の該基底ベクトルに対応する格子ベクトル（Ｇ1，Ｇ2）上への射影（ｂx，ｂy）の大きさが異なるように、投影格子（２）から距離（ｂ）を置いて配置される。
2005520142.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
投影格子（２）を通して物体（１）に光（３）を当て、
上記物体（１）により反射した光（４）がセンサ（５）に記録され、該センサ（５）に撮影された画像が測定される、物体の絶対座標測定方法であって、
上記投影格子（２）は、第１の格子ベクトル（Ｇ1）を有する第１の格子と、上記第１の格子ベクトルとは異なる第２の格子ベクトル（Ｇ2）を有する第２の格子とを備えており、
上記センサ（５）は、上記第１および第２の格子から上記センサ（５）に達する基底ベクトル（ｂ）の該基底ベクトルに対応する上記両格子ベクトル（Ｇ1，Ｇ2）上への射影（ｂx，ｂy）の大きさが異なるように、上記投影格子（２）から距離（ｂ）を置いて配置されることを特徴とする方法。
【請求項２】
上記センサ（５）と上記第１および第２の格子との間の距離（ｂ）は、上記物体（１）または上記物体の本質的な領域または上記物体の不連続部分が低感度側で測定される格子の１周期によって覆われるように選択されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
上記センサ（５）と上記第１および第２の格子との間の距離（ｂ）は、高感度側で測定される格子の測定が適切な測定精度または最大限の測定精度で行われるように選択されることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
上記センサ（５）と上記第１および第２の格子との間の距離（ｂ）は、上記物体（１）または上記物体の本質的な領域または上記物体の不連続部分が上記第１の格子の第１の数の周期および上記第２の格子の上記第１の数とは異なる第２の数の周期によって覆われるように選択されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の方法。
【請求項５】
上記第１の数と上記第２の数は互いに素であることを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項６】
上記第１の数の上記第２の数に対する比は、非再帰的な数に相当することを特徴とする請求項４または５記載の方法。
【請求項７】
上記センサ（５）と上記第１および第２の格子との間の距離（ｂ）は、低感度側で測定される格子および／または高感度側で測定される格子の１周期が上記センサ（５）上の４個の画素を覆うように選択されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の方法。
【請求項８】
上記格子ベクトル（Ｇ1，Ｇ2）は、互いに直角に配置されることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の方法。
【請求項９】
上記第１および第２の格子は、１個の交差格子によって形成されることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１０】
上記第１および第２の格子は別体であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１１】
複数のセンサ、好ましくは２個のセンサ（１０，１１，１２；１３，１４）が設けられることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１２】
複数の投影格子（８，９）が設けられることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１３】
上記センサによって作成された画像が位相シフトによって測定されることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１４】
色付きの投影格子が使用されることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１５】
上記投影格子を回転させることを特徴とする請求項１ないし１４のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１６】
複数の画像が作成されることを特徴とする請求項１ないし１５のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１７】
物体（１）上に投影格子（２）を投影させる投影光学系と、
上記物体（１）が反射した光を記録するセンサ（５）を有するセンサ光学系とを備えた、物体の絶対座標測定装置であって、
上記投影格子（２）は、第１の格子ベクトル（Ｇ1）を有する第１の格子と、上記第１の格子ベクトルとは異なる第２の格子ベクトル（Ｇ2）を有する第２の格子とを備えており、
上記センサ（５）は、上記第１および第２の格子から上記センサ（５）に達する基底ベクトル（ｂ）の該基底ベクトルに対応する上記両格子ベクトル（Ｇ1，Ｇ2）上への射影（ｂx，ｂy）の大きさが異なるように、上記投影格子（２）から距離（ｂ）を置いて配置されていることを特徴とする装置。
【請求項１８】
請求項２ないし１６の１つまたは複数の特徴部分によって特徴付けられる請求項１７記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投影格子を通して物体に光に当て、物体から反射した光がセンサに記録され、センサに撮影された画像が測定される、物体の絶対座標測定方法に関する。また、本発明は、投影格子を物体上に投影させる投影光学系と、物体が反射した光を記録するセンサを有するセンサ光学系とを備えた、物体の絶対座標測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
物体または物体表面の絶対座標を測定可能な方法および装置は既に公知である。エリアセンサ、特にＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサがこの目的で使用されている。
【０００３】
物体表面の三次元形状は、モアレ技術および投影された輪郭線を用いて測定することができる。コンピュータを用いて、例えばいわゆる位相シフト法によって、等高線画像を測定することができる。この構成では、順次位相シフトされた画像、すなわち、センサによって記録された画像を、ビデオカメラを用いて、いわゆる時間位相シフト法によりコンピュータに読み込ませることができる。フーリエ数値表現を用いて等高線画像を処理することも可能である。測定は、１個の等高線画像のみ、すなわち、１個のセンサ画像または１個のビデオ画像のみを必要とする他の技術によっても可能である。その例は、独国特許出願公告第３９０７４３０Ｂ１号および独国特許出願公告第３８４３３９６Ｂ１号に示されている。
【０００４】
しかしながら、モアレ技術は、物体表面の相対的な形状を示すに過ぎない。一般的に言えば、この技術は、等高線画像からセンサまたはカメラと物体との絶対距離を測定することには適していない。したがって、上記の技術と方法によれば、物体表面の絶対座標を測定することは不可能である。
【０００５】
しかしながら、物体の絶対寸法、または、段状の断面における物体の高さを測定するためには、このような物体の絶対座標が必要である。等高線画像には表示尺度に関する情報が何も含まれていないので、絶対座標を測定するためには、等高線画像では理解し得ない追加の情報が必要である。
【０００６】
この追加情報は、距離センサ、等高線間隔の変更、あるいは物体またはカメラの移動によって入手することができる。しかしながら、そのためには多くの物の移動が必要であり、ひいては、実験装置の安定した構成および大量の時間も必要となる。ある程度の精度を達成しようとすれば、機械経費が非常に高くなる。
【０００７】
独国特許出願公開第４０１１４０６Ａ１号には、モアレ技術によって被検物体の三次元座標を定量的に絶対測定する方法および装置が記載されている。この方法では、校正用物体および／または被検物体の変位距離が、格子（投影格子および基準格子）の平面に対して垂直方向に計測される。欧州特許出願公開第０３４３３６６Ａ号から、モアレ技術が同様に適用された別の方法が公知である。
【０００８】
米国特許第４８０２７５９Ａ号から、投影格子を通して光が投影され、その投影格子が物体上に画像化される、物体の点座標測定方法が公知である。物体上に投影格子の画像として得られるパターンが、平面状の局所解像センサ上に画像化される。物体の点座標は、投影格子およびセンサを始点として、上記点を三角測量することによって測定される。しかしながら、この方法では、センサ画像が１個しか撮影されない。この方法の実施には、基準線の同定が必要である。
【０００９】
三角測量法を使用する別の装置は、欧州特許出願公開第０１８１５５３Ａ号から公知である。
【００１０】
米国特許第４５６４２９５Ａ号には、物体上に格子が投影され、その後、この物体は画像化され、その上に基準格子（モアレ）が重ね合わされる方法が開示されている。測定のため、基準格子が移動させられるか、あるいは、投影格子および基準格子が同時に移動させられ、その結果、物体上に固定の等高線が発生する。
【００１１】
米国特許第４６４１９７２Ａ号から、物体上に正弦波格子が投影され、その物体がある角度で観測される方法が公知である。測定は、位相シフト技術を用いて行われる。三角測量による測定は行われない。
【００１２】
米国特許第４３４９２７７号には、物体上に、少なくとも２種類の波長で色付きの格子が投影される方法が開示されている。画像化は、波長選択用のカラーフィルタを用いて２個のダイオードアレイ上に対して行われる。交互に配置された色違いの等間隔格子が平行に投影される。測定は、各色の強度の比率に関して行われる。
【００１３】
三角測量に基づくいくつかの方法では、格子縞の投影光を空間内の一平面として観察する符号化光投射が使用されている。物体に反射して所定のセンサ要素に達した光は、直線の形で観測される。カメラで観測される物点は、センサ要素と観測光面とが形成する直線の交点から算出される。観測光面の同定は、いわゆる符号化光投射を用いた符号化によって実現される。この場合、投影された２値パターンのシーケンスによって、投影面の絶対符号化を行うことができる。さらに、位相シフトを行うことにより、精度を向上させることができる。
【００１４】
光面の絶対符号化は、投影された格子の色情報によって実現することもできる。しかしながら、物体の色特性への依存を伴うという点でトレードオフが存在する。同様に、局所符号化を伴うパターン、例えば、２値パターンまたは色パターンも使用可能である。この方法では、センサ画像内で隣接する画像要素が観測され、近傍観測によって投影光面の同定が達成される。
【００１５】
米国特許第４８０２７５９号には、投影格子を通して放射された光を物体に当て、物体から反射した光がセンサに記録される、物体の座標測定方法が開示されている。
【００１６】
米国特許第４３３５９６２号から、投影格子を通して放射された光を物体に当て、物体から反射した光がセンサに記録される、物体の座標測定方法が公知である。絶対座標は、撮像空間の縁に位置する平坦な基準板によって測定することができる。
【００１７】
独国特許第１９６３７６８２号には、３個のセンサが使用可能な物体の絶対座標測定方法が開示されている。
【００１８】
欧州特許出願公告第０５３４２８４Ｂ１号から、投影格子を通して物体に光を当て、上記物体により反射した光がセンサに記録され、該センサに撮影された画像が測定される、物体の絶対座標測定方法が公知であり、この方法では、投影格子およびセンサの最初の位置で最初の撮像と測定が行われ、続いて、投影格子および／またはセンサが所定の角度だけ回転させられ、センサによる次の撮像と測定が行われる。物体の絶対座標は、これら測定から求められる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
物体の絶対座標を測定する改良型の装置と改良型の方法を提案することが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明によれば、この目的は、投影格子が、第１の格子ベクトルを有する第１の格子と、上記第１の格子ベクトルとは異なる第２の格子ベクトルを有する第２の格子とを備えること、およびセンサが、上記第１および第２の格子から上記センサに達する基底ベクトルの該基底ベクトルに対応する上記両格子ベクトル上への射影の寸法が異なるように、上記投影格子から距離を置いて配置されることで達成される。
【００２１】
投影格子は、スライド、ガラス板または同様のものに設けることが可能であり、１つまたは複数の光源を用いて１個または複数のレンズを介して物体上に投影させることができる。しかしながら、コヒーレント光の放射による重畳（干渉）によって、あるいは他の何らかの方法で生成することも可能である。
【００２２】
縞模様の投影を伴う三次元計測の場合、基底の長さの増加、ひいては三角測量角の増加とともに感度が上昇する。この点に関して、「基底」という言葉は、各格子からセンサまでのベクトルを指す。三角測量角は、物点から各格子までの直線と物点からセンサまでの直線との間の角度である。感度は、基底ベクトル、すなわち、各格子からセンサまでのベクトルの該ベクトルに対応する格子ベクトルへの射影によって求められる。上記センサが、上記第１の格子から上記センサに達する基底ベクトルの上記第１の格子ベクトルへの射影の大きさと上記第２の格子から上記センサに達する基底ベクトルの上記第２の格子ベクトルへの射影の大きさとが異なるように、投影格子から離れて配置されることによって、それぞれ対応する感度も異なる。基底ベクトルをそれぞれ選択するようにして各感度が選択されることにより、物体の絶対座標を測定することができる。特に、第１および第２の格子からセンサまでの基底ベクトル、ひいては両方の感度を選択することができるので、物体の絶対座標を測定するためにセンサまたはカメラでたった１つの画像を撮影するだけでよい。これにより、静止状態の不変の格子であれば、１つの画像で物体の絶対座標を測定することができる。本発明にかかる方法および装置は、色付き格子やカラーカメラを必要とせず、物体の色には依存しない。
【００２３】
本発明によれば、特に、直接位相シフトアルゴリズムを使用し、たった１つの画像で、感度選択自由な２個の位相画像を生成可能な格子投影方法を実行することができる。
【００２４】
本発明は、基底ベクトルの格子ベクトルへの射影が、基底長さの増大とともに上昇する感度に影響を及ぼすという認識に基づいている。基底ベクトルをしかるべく選択することにより、第１の格子からセンサに至る基底ベクトルの第１の格子ベクトルへの射影が第２の格子からセンサに至る基底ベクトルの第２の格子ベクトルへの射影と異なるという状況を実現することが可能になり、この結果、複数の感度を得ることができる。特に、自由に選択可能な独立した２個の感度を得ることができる。
【００２５】
従属請求項には、有利な態様が記載されている。
【００２６】
上記センサと上記第１および第２の格子との間の距離は、上記物体または上記物体の本質的な関心領域または上記物体の不連続部分が低感度側で測定される格子の１周期によって覆われるように選択されることが好ましい。これにより、この格子の基底ベクトルは、物体または物体の本質的な関心領域または物体の不連続部分がこの格子の１周期によって覆われるように選択される。この構成は、最大限の対象、すなわち装置の全計測量であっても、物体の最大限の本質的な関心領域であっても、最大限の不連続部分であってもこの格子の１周期で覆われるように選択することができる。しかしながら、調整可能な装置の場合には、上記の条件が物体、その本質的領域またはその不連続部分に当てはまるように基底ベクトルを設定することも可能である。
【００２７】
この有利な態様により、物体、計測総量、物体の本質的領域または物体の不連続部分の点ごとに絶対座標の明確な割当てまたは測定が確実にできるようになる。このことは、物体の表面に亀裂、段部または同様の不連続部分がある場合にも当てはまる。
【００２８】
他方の格子の感度は、適切な測定精度または最大限の測定精度に設定することができる。したがって、さらに別の好ましい改良形態は、上記センサと上記第１および第２の格子との間の距離を、高感度側で測定される格子の測定が適切な測定精度または最大限の測定精度で行われるように選択することを特徴とする。
【００２９】
さらに別の有利な態様では、上記センサと上記第１および第２の格子との間の距離を、上記物体または上記物体の本質的な領域または上記物体の不連続部分が上記第１の格子の第１の数の周期および上記第２の格子の上記第１の数とは異なる第２の数の周期によって覆われるように選択する。
【００３０】
上記第１の数と上記第２の数が互いに素であれば、選択された領域全体にわたって位相が明確に割り当てられ、ひいては絶対座標が明確に測定される。一例では、第１の数は７であり、第２の数は９である。したがって、格子周期の比は、分数有理数に相当する７：９である。
【００３１】
上記第１の数と上記第２の数は、選択された領域が第１および第２の格子の両周期のうなり周波数の１周期によって覆われるように選択することができる。例えば、それは、第１の数が８であり第２の数が９であること、したがって、格子周期の比が８：９であることによって実現させることができる。
【００３２】
さらに別の有利な態様によれば、上記第１の数の上記第２の数に対する比は、非再帰的な数、すなわち、分数によって表せず、例えば指数関数ｅや円周率πなど、小数表現が循環しない数に相当する。非再帰的な数は、数値としては近似化するしかない。第１の数の第２の数に対する比が非再帰的な数に相当する場合、計測量は、理論上では無限である。しかしながら、実用的には、この可能性は計測雑音によって制限される。
【００３３】
さらに別の有利な態様は、上記センサと上記第１および第２の格子との間の距離を、低感度側で測定される格子および／または高感度側で測定される格子の１周期が上記センサ上の４個の画素を覆うように選択することを特徴とする。この場合、非常に単純な測定アルゴリズムとなる。しかしながら、他の態様を効果的に適用させることも可能である。
【００３４】
上記格子ベクトルが互いに直角に配置されると有利である。
【００３５】
上記第１および第２の格子は、１個の交差格子によって形成することができる。この場合、第１の格子と第２の格子が共通の投影格子上に実現される。交差格子が矩形であること、すなわち、両格子ベクトルが互いに直角に配置されていることが好ましい。さらに、両格子ベクトルが同じ値であると有利である。それは、互いに直角に配置された格子ベクトルを有する投影格子の場合に特に有利である。
【００３６】
しかしながら、上記両格子を別体にすることも可能である。投影格子を形成する両格子、すなわち、第１の格子と第２の格子を別体にすること、特に、２つの格子を距離を置いて配置することができる。
【００３７】
さらに別の有利な態様は、複数のセンサを設けることを特徴とする。好ましくは、２個のセンサが使用される。複数のセンサを使用することによって、測定精度の向上を達成することができる。上記センサは、互いに間隔を置いて配置されることが好ましい。異なるセンサは異なる基底ベクトルを有していることが好ましい。しかしながら、複数の基底ベクトルを一直線上、特に、投影格子を通過して延びる一直線上に配置することも可能である。特に有利な態様では、１個の交差格子と２個のセンサを使用することにより、４つの異なる位相画像を得ることができ、複数の位相画像を非常に有利に測定することができる。
【００３８】
さらに別の有利な態様では、複数の投影格子が設けられる。
【００３９】
上記センサによって作成された画像を、位相シフトによって測定することができる。時間位相シフトおよび／または空間位相シフトを適用することができる。
【００４０】
好ましくは、色付きの投影格子が使用される。これは、特に、センサ画像の測定を位相シフトで行う場合に有利である。
【００４１】
さらに別の有利な態様では、上記投影格子を回転させる。
【００４２】
複数の画像が作成されると有利である。これにより、測定精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
【００４４】
図１に示す装置において、物体１に、投影格子２を通して光３を当てる。物体１で反射した光４が、センサ５、すなわちエリアセンサ、特にＣＣＤセンサによって画像化される。センサ５の画像が測定される（図示せず）。
【００４５】
投影格子２の一態様、すなわち、互いに直角に配置された２種類の格子ベクトルＧ1およびＧ2からなる理想的な正弦波格子を図３に示す。その代わりとして、図４に示す直交格子、すなわち、互いに直角に配置された２種類の格子ベクトルＧ1およびＧ2からなるが、グレースケール値の勾配をもつ局所的に目の粗い正弦波格子を使用することも可能である。図３および図４の格子ベクトルＧ1およびＧ2の量は、いかなる場合でも同一である。
【００４６】
図１に示すように、センサ５は、投影格子２から距離を置いて配置されている。投影格子２からセンサ５に達する基底ベクトルをｂで表す。センサ５は、基底ベクトルｂの第１の格子ベクトルＧ1への射影ｂxが基底ベクトルｂの第２の格子ベクトルＧ2への射影ｂyよりも大きくなるように、投影格子２から距離ｂの地点に配置されている。センサ５上では、ｘ軸方向の測定のベクトルａxは第１の格子ベクトルＧ1と平行または、ほぼ平行であり、ｙ軸方向の測定のベクトルａyは第２の格子ベクトルＧ2と平行または、ほぼ平行である。その場合、両格子縞の情報は、必ず適切に分離できなければならない。基底ベクトルｂを上述したように選択することにより、第１の格子ベクトルＧ1の方向すなわちｘ軸方向の測定が第２の格子ベクトルＧ2の方向すなわちｙ軸方向の測定よりも確実に高感度側で行われる。感度は、基底の長さの増加とともに、すなわち基底ベクトルｂの各格子ベクトルへの射影長の増加とともに、あるいは、物点６から格子２に達する直線（光）３と物点６からセンサ５に達する直線（光）４との間の角度である三角測量角γの増加とともに上昇する。
【００４７】
投影格子２の両格子縞からセンサ５までの距離ｂは、物体１が低感度側で測定される格子縞、すなわち格子ベクトルＧ2を有する格子縞の１周期によって覆われるように選択される。さらに、この距離ｂは、高感度側で測定される格子縞、すなわち格子ベクトルＧ1を有する格子縞の測定が最大限可能な測定精度で行われるように選択される。
【００４８】
２種類の格子縞を有する１個の投影格子の代わりに、互いに別体の複数の格子、例えば、１種類の格子ベクトルＧのみ備えた図２に示す型式の複数の格子を使用することも可能である。これらの格子は、格子ベクトルＧが互いに相違するように配置される。これらの格子は、互いに距離を置いて配置することも可能である。好ましくは、格子ベクトルＧは、互いに直角に配置される。図５は、第１の格子ベクトルＧ1を備えた格子を有する第１の投影器８が存在するとともに、第１の格子ベクトルＧ1に対して直角に配置された第２の格子ベクトルＧ2を有する第２の投影器９が存在し、両投影器８、９が互いに離れて配置されている例を示す。第１の投影器８と第２の投影器９とを結ぶｙ軸上の直線は、第１の投影器８とカメラのセンサ５とを結ぶ直線（この線はｘ軸の一部を形成する）に対して垂直に延びている。
【００４９】
図６に示す態様では、Ｘ−Ｙ座標面の原点に投影器８が位置している。ｘ軸上には、第１のカメラ１０と、第２のカメラ１１と第３のカメラ１２が互いに間隔を置いて配置されている。
【００５０】
図７にかかる変形態様では、Ｘ―Ｙ座標系の原点に投影器８が配置されている。この座標系の第１象限のｙ軸よりもｘ軸寄りに、第１のカメラ１３が配置されている。Ｘ−Ｙ面の第１象限のｙ軸よりもｘ軸寄りには、第２のカメラ１４も配置されている。投影器８、第１のカメラ１３および第２のカメラ１４は、ほぼ一直線上に配置されており、第１のカメラ１３は、投影器８と第２のカメラ１４とを結ぶ直線よりも幾分外側、すなわち幾分ｘ軸寄りに配置されている。
【００５１】
本発明は、ただ１個の画像を撮影するだけで物体の平面絶対座標を計測することができる方法を提供する。これは、静止状態にあり、全く操作を必要としない格子を使用することによって可能となる。公知の「単一画像」方法と異なり、本発明にかかる方法は、色付き格子もカラーカメラも必要としないので、物体の色には左右されない。
【００５２】
格子、例えば図２に示す格子の透過関数は、以下のように記述することができる。
【００５３】
【数１】
2005520142.tif 000003
【００５４】
このとき、格子ベクトルは以下のように示される。
【００５５】
【数２】
2005520142.tif 000004
【００５６】
Ｇ      格子定数
ｒe     格子ベクトル方向の単位ベクトル
Φn     格子の位相
ｒ      格子上のある位置のベクトル
ａ      平均値
ｂ      振幅
ｂ／ａ  コントラスト
＊      スカラー積演算子
【００５７】
次のことが当てはまる。ｂ＞０かつａ≧ｂかつａ＋ｂ≦１。
【００５８】
縞模様の投影を伴う三次元計測の場合には、基底の長さひいては三角測量角γが増加するにつれて、かつ格子定数が減少するにつれて、感度が上昇する。しかしながら、基底ベクトルの格子ベクトルへの射影のみが感度に関係している。例えば、基底ベクトルが格子ベクトルに対して垂直な場合は、感度は０となる。この点に基づき、例えば直接位相シフトアルゴリズムなどの測定アルゴリズムを用いて、１個の画像で、自由に感度選択可能な２個の位相画像を生成する格子投影方法を構築することができる。
【００５９】
このために、以下の透過関数を有するいわゆる交差格子を使用することができる。
【００６０】
【数３】
2005520142.tif 000005
このとき、
Ｇ1             第１のベクトルである格子ベクトル
Ｇ2             第２のベクトルである格子ベクトル
Ｔ（ｒ）        透過関数
【００６１】
次のことが当てはまる。ｂ＞０かつｃ＞０かつａ≧ｂ＋ｃかつａ＋ｂ＋ｃ≦１。選択された例では、両格子ベクトルは互いに垂直である。
【００６２】
制御変数λを用い、カメラの基底ｂが選択されると、
【数４】
2005520142.tif 000006
【００６３】
格子ベクトルＧ2（第２の格子ベクトルＧ2の量は、第１の格子ベクトルＧ1の量に等しい）を有する第２の格子の感度は、第１の格子の感度よりもｋ倍大きい。２個の異なる格子のカメラ画像すなわちセンサによる撮影画像の測定アルゴリズム、特に位相シフトによる測定は、関連する格子ベクトルＧ1およびＧ2の方向に行われる。
【００６４】
図１に示す例では、投影格子２を備えた投影器が座標の原点に位置している。２個の格子ベクトルＧ1およびＧ2は、それぞれｘ軸上とｙ軸上にある。この座標系において、カメラノード、すなわち、カメラのセンサ５は、以下の局所ベクトルを有している。
【００６５】
【数５】
2005520142.tif 000007
【００６６】
センサ５すなわちＣＣＤチップの縁もｘ軸およびｙ軸に平行に配置されている。図示の実施形態では、両格子の格子定数、投影器の焦点距離およびカメラの焦点距離は、ＣＣＤセンサ上の格子の１周期がｘ軸方向およびｙ軸方向にそれぞれ４個の画素に相当するように選択される。
【００６７】
カメラ画像を測定アルゴリズム、例えば直接位相シフトアルゴリズムを用いてｘ軸方向に測定すると、基底ベクトルのｘ成分、すなわち、基底ベクトルｂの第１の格子の格子ベクトルＧ1への射影ｂxに応じた感度が求められる。測定アルゴリズム、特に直接位相シフトアルゴリズムを用いたｙ軸方向の測定の場合は、基底ベクトルｂのｙ成分、すなわち、基底ベクトルｂの第２の格子の格子ベクトルＧ2への射影ｂyに応じた感度が得られる。これら２つの感度の関係はｂx／ｂyに等しい。このことは、センサ５上の画素群が正方形である場合、すなわち、正方形になるように配置されている場合、および２個の格子ベクトルＧ1およびＧ2の量が同一である場合に当てはまる。画素群が正方形でない場合は、個々の格子の周波数が一致する必要がある。その場合、結果得られる感度は、周波数を一致させるのに必要な係数ｇyおよびｇxを用いて（ｂx＊ｇy）／（ｂy＊ｇx）となる。
【００６８】
それぞれ１個の格子、例えば、物体１を照射するための図２の直線格子を備えた２個の投影器であって、格子ベクトルが互いに異なり、好ましくは図５の態様に示すように互いに垂直である２個の投影器が使用される場合も、同じ結果が得られる。上述したように、基底ベクトルの各格子ベクトルへの射影から各感度が得られる。その測定は、上述の測定と同様である。
【００６９】
それぞれ異なる感度で複数の位相画像を入手する別の選択肢は、図６の例に示すように、１種類の格子ベクトルを有する１個の投影器と、異なる基底ベクトルを有する２個以上のカメラとを用いることからなっている。この例では、格子ベクトルＧを有する格子、例えば図２に示す型式の格子（すなわち、直線格子）を備えた投影器８が使用される。その測定は、少なくとも２個のカメラ、図６に示すこの例では、投影器８からそれぞれ異なる間隔を置いてそれぞれ異なる基底ベクトルを有する３個のカメラを用いて行われる。
【００７０】
さらに、図７に示すように、交差格子を備えた１個の投影器８と２個のカメラ１３、１４を組み合わせることも可能である。これにより、カメラ１３、１４の位置を適切に選択することで、４つの異なる位相画像が得られる。
【００７１】
被測定物体のスペクトル拡散反射率が既知であれば、直接位相シフトの代わりに「色位相シフト」を使用することができる。このために、位相シフトの３個の画像が格子の色チャンネル（例えば、赤、緑、青に相当するＲＧＢ）で分離され、カラーカメラで画像化される。色付き格子、例えばＲＧＢ格子の場合、個々の色付き位相画像間の位相差は１２０度であることが好ましい。このことから、スペクトル拡散反射を考慮した後に位相画像を算出することができる。
【００７２】
センサ画像の測定は、様々な格子について同時に、特に、ビデオクロックパルスあるいはセンサまたはＣＣＤセンサの撮像時間の範囲内で行うことができる。
【００７３】
本発明にかかる方法は、好ましくは互いに垂直になるよう配置された２個の格子ベクトルからなる投影格子を用いて実現可能である。しかしながら、それぞれ（１つの格子ベクトルを有する）１個の縞状格子を備え、好ましくは縞状格子の格子ベクトルが互いに垂直になるよう配置されている２個の投影器を使用することも可能である。別の選択肢は、交差格子を備えた１個の投影器を使用し、画像を複数のカメラで撮影することからなっている。これにより、精度の向上を達成することができる。また、本発明は、それぞれ１個の交差格子を備えた複数の投影器を使用し、１個のカメラで測定を行うことでも実現可能である。これら複数の投影器の投影が互いに異なっていれば、例えば、複数の投影器が順次作動を開始することで測定が時間制御されるという点、あるいは、投影器ごとに異なる色の光または異なる偏光を使用することにより、測定時に様々な投影の識別が可能になるという点で有利である。
【００７４】
測定は、位相シフトアルゴリズムによって、例えば色付き格子による位相シフトによって行うことができる。この場合、各色につき１個の格子が決められており、格子は、互いに１２０度ずれていることが好ましい。少なくとも３個の別々の画像が時間間隔を置いて撮影される時間位相シフトを実行することも可能である。さらに、格子を回転させることも可能であり、格子を様々に回転させて複数の画像を作成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】物体の絶対座標を測定する装置の概略斜視図である。
【図２】１個の格子ベクトルを備えた直線格子を示す説明図である。
【図３】２個の格子ベクトルを備えた直交格子を示す説明図である。
【図４】２個の格子ベクトルを備えた直交格子の変形例を示す説明図である。
【図５】２個の投影器を備えた、物体の絶対座標測定装置の概略上面図である。
【図６】１個の投影器と３個のカメラを備えた図５にかかる装置の変形例を示す図５相当図である。
【図７】１個の投影器と２個のカメラを備えた図５および図６にかかる装置の変形例を示す図５および図６相当図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年12月17日(2003.12.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
投影格子（２）を通して物体（１）に光（３）を当て、
上記物体（１）により反射した光（４）がセンサ（５）に記録され、該センサ（５）に撮影された画像が測定される、物体の絶対座標測定方法であって、
上記投影格子（２）は、第１の格子ベクトル（Ｇ1）を有する第１の格子と、上記第１の格子ベクトルとは異なる第２の格子ベクトル（Ｇ2）を有する第２の格子とを備えており、
上記センサ（５）は、上記第１および第２の格子から上記センサ（５）に達する基底ベクトル（ｂ）の該基底ベクトルに対応する上記両格子ベクトル（Ｇ1，Ｇ2）上への射影（ｂx，ｂy）の大きさが異なるように、上記投影格子（２）から距離（ｂ）を置いて配置されることを特徴とする方法。
【請求項２】
上記センサ（５）と上記第１および第２の格子との間の距離（ｂ）は、上記物体（１）または上記物体の本質的な領域または上記物体の不連続部分が低感度側で測定される格子の１周期によって覆われるように選択されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
上記センサ（５）と上記第１および第２の格子との間の距離（ｂ）は、高感度側で測定される格子の測定が適切な測定精度または最大限の測定精度で行われるように選択されることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
上記センサ（５）と上記第１および第２の格子との間の距離（ｂ）は、上記物体（１）または上記物体の本質的な領域または上記物体の不連続部分が上記第１の格子の第１の数の周期および上記第２の格子の上記第１の数とは異なる第２の数の周期によって覆われるように選択されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の方法。
【請求項５】
上記第１の数と上記第２の数は互いに素であることを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項６】
上記第１の数の上記第２の数に対する比は、非再帰的な数に相当することを特徴とする請求項４または５記載の方法。
【請求項７】
上記センサ（５）と上記第１および第２の格子との間の距離（ｂ）は、低感度側で測定される格子および／または高感度側で測定される格子の１周期が上記センサ（５）上の４個の画素を覆うように選択されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の方法。
【請求項８】
上記格子ベクトル（Ｇ1，Ｇ2）は、互いに直角に配置されることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の方法。
【請求項９】
上記第１および第２の格子は、１個の交差格子によって形成されることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１０】
上記第１および第２の格子は別体であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１１】
複数のセンサ、好ましくは２個のセンサ（１０，１１，１２；１３，１４）が設けられることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１２】
複数の投影格子（８，９）が設けられることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１３】
上記センサによって作成された画像が位相シフトによって測定されることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１４】
色付きの投影格子が使用されることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１５】
上記投影格子を回転させることを特徴とする請求項１ないし１４のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１６】
複数の画像が作成されることを特徴とする請求項１ないし１５のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１７】
物体（１）上に投影格子（２）を投影させる投影光学系と、
上記物体（１）が反射した光を記録するセンサ（５）を有するセンサ光学系とを備えた、物体の絶対座標測定装置であって、
上記投影格子（２）は、第１の格子ベクトル（Ｇ1）を有する第１の格子と、上記第１の格子ベクトルとは異なる第２の格子ベクトル（Ｇ2）を有する第２の格子とを備えており、
上記センサ（５）は、上記第１および第２の格子から上記センサ（５）に達する基底ベクトル（ｂ）の該基底ベクトルに対応する上記両格子ベクトル（Ｇ1，Ｇ2）上への射影（ｂx，ｂy）の大きさが異なるように、上記投影格子（２）から距離（ｂ）を置いて配置されていることを特徴とする装置。
【請求項１８】
上記センサ（５）と上記第１および第２の格子との間の距離（ｂ）は、上記物体（１）または上記物体の本質的な領域または上記物体の不連続部分が低感度側で測定される格子の１周期によって覆われるように選択されていることを特徴とする請求項１７記載の装置。
【請求項１９】
上記センサ（５）と上記第１および第２の格子との間の距離（ｂ）は、高感度側で測定される格子の測定が適切な測定精度または最大限の測定精度で行われるように選択されていることを特徴とする請求項１７または１８記載の装置。
【請求項２０】
上記センサ（５）と上記第１および第２の格子との間の距離（ｂ）は、上記物体（１）または上記物体の本質的な領域または上記物体の不連続部分が上記第１の格子の第１の数の周期および上記第２の格子の上記第１の数とは異なる第２の数の周期によって覆われるように選択されていることを特徴とする請求項１７ないし１９のいずれか１つに記載の装置。
【請求項２１】
上記第１の数と上記第２の数は互いに素であることを特徴とする請求項２０記載の装置。
【請求項２２】
上記第１の数の上記第２の数に対する比は、非再帰的な数に相当することを特徴とする請求項２０または２１記載の装置。
【請求項２３】
上記センサ（５）と上記第１および第２の格子との間の距離（ｂ）は、低感度側で測定される格子および／または高感度側で測定される格子の１周期が上記センサ（５）上の４個の画素を覆うように選択されていることを特徴とする請求項１７ないし２２のいずれか１つに記載の装置。
【請求項２４】
上記格子ベクトル（Ｇ1，Ｇ2）は、互いに直角に配置されていることを特徴とする請求項１７ないし２３のいずれか１つに記載の装置。
【請求項２５】
上記第１および第２の格子は、１個の交差格子によって形成されていることを特徴とする請求項１７ないし２４のいずれか１つに記載の装置。
【請求項２６】
上記第１および第２の格子は別体であることを特徴とする請求項１７ないし２４のいずれか１つに記載の装置。
【請求項２７】
複数のセンサ（１０，１１，１２；１３，１４）が設けられていることを特徴とする請求項１７ないし２６のいずれか１つに記載の装置。
【請求項２８】
複数の投影格子（８，９）が設けられていることを特徴とする請求項１７ないし２７のいずれか１つに記載の装置。
【請求項２９】
上記センサによって作成された画像を位相シフトによって測定するように構成されていることを特徴とする請求項１７ないし２８のいずれか１つに記載の装置。
【請求項３０】
上記投影格子は、色付きの投影格子よりなることを特徴とする請求項１７ないし２９のいずれか１つに記載の装置。
【請求項３１】
上記投影格子は回転可能に構成されていることを特徴とする請求項１７ないし３０のいずれか１つに記載の装置。
【請求項３２】
２個のセンサ（１３，１４）が設けられていることを特徴とする請求項２５記載の装置。
【国際調査報告】
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