(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の反射表面と第２の反射表面とを包含する少なくとも部分的に透明な対象物のプロフィルを測定する方法であって、
（ａ）少なくとも２つの異なる光の強度から成るパターンが相互に隣接して繰り返し配置されて構成されている所定のパターンを測定すべき対象物の上に向けて投射する工程であって、このパターンが前記第１の反射表面上にパターンの第１鏡像を生成しかつ前記第２の反射表面上にパターンの第２鏡像を生成するようにする投射工程と、
（ｂ）少なくとも１つのカメラのような手段を用いて前記対象物の少なくとも１つの領域を観察し、この観察された領域が前記パターンの第１鏡像の一部と前記パターンの第２鏡像の一部とを包含するようにする観察工程と、
（ｃ）前記観察された領域の出力データを評価し、前記パターンの方向における前記対象物のプロフィルにおける変化を決定する評価工程とを包含し、この評価工程では前記出力データを前記第１鏡像に割り当てられるデータと前記第２鏡像に割り当てられるデータとに分離し、前記第１の反射表面に対するプロフィルの変化と前記第２の反射表面に対するプロフィルの変化とを決定するようになっていることを特徴とする測定方法。
【請求項２】
前記少なくとも１つのカメラは前記パターンの第１鏡像と第２鏡像とで構成される結果の画像を記録するようにセットされる請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも１つのカメラはミラーを介して前記パターンの鏡像を観察するようになっている請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記少なくとも１つのカメラは、ライン状に走査するカメラとマトリックスカメラとを包含するグループから選択される請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記パターンは平行で交互に明及び暗の帯で構成されている請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記パターンは第１の明るさと第２の明るさとを有する正方形に配置されている請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記パターンは時間的に不連続に生成される請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記カメラと前記パターンを生成するための手段とは１つの物理的ユニット内に収容されている請求項１記載の方法。
【請求項９】
単一の観察工程の繰り返しの結果として生じる３次元的表現が前記評価工程から生成されるようになっている請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記パターンと前記鏡像の間の一方の光学軸と、前記鏡像と前記カメラとの間の他方の光学軸は表面に垂直な方向を含んでいる請求項１記載の方法。
【請求項１１】
前記パターンと前記鏡像の間の一方の光学軸と、前記鏡像と前記カメラとの間の他方の光学軸が、両方の光学軸が９０度以下の角度で交わるように配置される工程を含んでいる請求項１記載の方法。
【請求項１２】
前記評価工程は、第１と第２の測定ポイント間の角度プロフィルを次々に集積していくことから成り、これにより２つの測定ポイント間の各ポイントでの幾何学的位置を検出できるようになっている請求項１記載の方法。
【請求項１３】
前記評価工程は、前記第１の反射表面又は前記第２の反射表面の少なくとも１つの局地的傾斜と理想的表面の局地的傾斜との間の不一致を計算することから成る請求項１記載の方法。
【請求項１４】
測定すべき対象物の前記表面は本質的に平坦であり、前記評価工程はその平坦さから局地的な不一致を計算することから成る請求項１記載の方法。
【請求項１５】
前記評価工程は、前記鏡像の撓みを理想表面に関して計算する工程と、その計算された撓みに基づいて測定表面の傾斜を検出する工程とを包含する請求項１記載の方法。
【請求項１６】
前記評価工程は、観察された領域上の表面のプロフィルを検出するために、検出された傾斜の値を積分する工程を包含する請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記評価工程は、観察された領域上の表面の波形を検出するために、検出された傾斜の値を微分する工程を包含する請求項１５記載の方法。
【請求項１８】
第１の反射表面と第２の反射表面とを包含する少なくとも部分的に透明な対象物のプロフィルを測定する方法であって、
（ａ）少なくとも２つの異なる光の強度から成るパターンが相互に隣接して繰り返し配置されて構成されている所定のパターンを測定すべき対象物の上に向けて投射する工程であって、このパターンが前記第１の反射表面上にパターンの第１鏡像を生成しかつ前記第２の反射表面上にパターンの第２鏡像を生成するようにする投射工程と、
（ｂ）少なくとも１つのカメラのような手段を用いて前記対象物の少なくとも１つの領域を観察し、この観察された領域が前記パターンの第１鏡像の一部と前記パターンの第２鏡像の一部とを包含するようにする観察工程と、
（ｃ）前記観察された領域の出力データを評価し、前記パターンの方向における前記対象物のプロフィルにおける変化を決定する評価工程とを包含し、
少なくとも１つの追加カメラが前記少なくとも１つのカメラと同じ領域を観察し、前記少なくとも１つのカメラは前記第１と第２の反射表面の一方における鏡像を観察するようにセットされ、前記追加のカメラは前記第１と第２の反射表面の他方における鏡像を観察するようにセットされていることを特徴とする測定方法。
【発明の詳細な説明】
説明
技術分野
本発明は、対象物の反射表面のプロフィル（経路）を測定する方法であって、少なくとも２つの異なる光の強度から成る所定のパターンを計測すべき表面上に投射する工程と、少なくとも１つのカメラのような手段を用いて前記表面の少なくとも１つのセクションを観察する工程と、前記カメラのデータに基づいて前記観察されたセクションを評価する工程とを包含している。本発明はさらに、対象物の反射表面のプロフィル及び他の特性を検出するための装置であって、光のパターンを生成するための手段と、前記表面の少なくとも１つのセクションを観察するための少なくとも１つのカメラとを備えている。
従来の技術
平坦又は屈曲した対象物の表面のプロフィルを測定するための多くの走査（スキャン）方法が実際に知られており、いくつかの方法では、走査するエレメントが測定されるべき対象物に接触して動かされ、かつ数学的論理的ユニットを供給し、実行されるべき移動に対応する信号を発生させ、これらの数学的論理的ユニットはこの信号を局地的な分離（セパレーション）を検出するために使用し、多数のかかる測定手段を用いて対象物の表面のプロフィルに関する陳述を作成する。かかる測定方法及び協働する装置の使用は複雑となる。なぜなら、測定すべき対象物が敏感であることを考慮するならば、測定用のプローブ（探触針）はきわめてゆっくりと延伸しなければならず、そうでないと対象物の表面に破損（例えば、引っかき傷や段差）を生じさせることになる。さらに、かかる技術を使用するための温度範囲は極端に限定される。かくして、かかる触覚式の測定方法は非接触式の測定方法に比べて劣ったものとなる。
１９９５年１１〜１２月発行のＭＳＲマガジンの１６〜１８頁に記載されたケルナー・ケイ氏らによる「大面積対象物の平坦度測定」と題する論文には、薄いガラスの平坦度を測定するための光学的測定方法が記載されている。このケースでは、光源に基づき、ライン状のグリッドが薄いガラス板にシャープに画像化され、光学的軸線は薄いガラス板に垂直に対して大きな角度（８４°）をなしている。この画像は、ＣＣＤライン状走査カメラを用いて大きな角度から観察され、その観察から、薄いガラスの高さ及び／又は平坦度についての情報が相評価アルゴリズムの手段によって計算される。第１の画像化段階は、投射の光学的方向におけるライン状グリッドと薄いガラス板との間に供給され、第２の画像化段階は反射の光学的方向における薄いガラス板とライン状走査カメラとの間に供給される。第１の画像化段階はライン状グリッドのラインパターンをガラスの正面に画像化し、一方第２の画像化段階は画像のシャープな表現をライン状走査カメラ上に画像化する。これら公知の方法は多くの不充分な点を有する。第１に、構成要素の幾何学的配置が複雑である。なぜなら、画像化段階からの光学的軸線が、非常に平坦な角度で薄い板状のガラスに衝突するからである。ライン状グリッドから出現する光は、第１の画像化段階を経て、ガラス板上に画像化される。ライン状グリッド自身は光学的軸線に対し傾斜しているので、ライン間の距離が異なってくることになる。薄いガラス板は現在測定中であり一定とはみなされないので、薄いガラス板の位置に小さな変更が加えられると、全体の装置が再調整されなければならない。しかしながら、少なくとも計算された値は厳密なエラーの許容誤差に支配されることになる。理想的に平坦な表面の測定すべき平坦度に非常に小さな不一致があっただけでも、ライン状グリッドの画像には厳密なねじれが生じることになり、装置の解像度が限定される。さらに、かかる装置は大量のスペースを占有し、かかる装置がオンライン測定に使用される場合には、高いスペースコストが必要となる。スペースの問題は、特にかかる装置が再設置された後でも発生することになる。最後に、ライン状走査カメラは漂遊光に非常に敏感であり、その結果コストのかかるスクリーニングが必要になる。その理由は、画像がカメラ上にシャープに生成され、カメラがガラス表面に対して角度をなして配置されていることによる。なぜなら、そうでないと測定点が視界の外になってカメラが他の光（及びその変化）によっても影響を受けるからである。測定方法を評価するために、画像化条件が知られ考慮されなければならない。もしも誰かが公知の技巧を用いて３次元の測定を実行したいと望むならば、このことは、ガラス板をカメラが観察している画像セクションと相対的に動かして、多数の測定方法を連続して実行することによってのみ達成できる。この技巧は同時に表面上の多数の点で測定方法を実行するようには設計されていない。なぜなら、ライン状グリッドのシャープな画像は１つのセクションだけに生成されるからである。その結果、正確な測定方法には１分乃至数分というオーダーを必要とする。画像化されたパターンはもはや比較的大きな半径を有する表面を測定するためには評���されない。
ＵＳ−Ａ−（米国特許）５１１０２００号は、人間の角膜を観察し測定するための方法と装置について述べている。このケースでは、点灯されたリングの反射のビデオ画像が、画像の輝きにおける不連続性を追求し、角膜の輪郭を検出するために検査される。しかしながら、この方法は、移動するコンベアベルトのような動く対象物には適していない。なぜなら、同時に多数の変化が発生した時には評価が不可能になるからである。さらに、この方法は同様に光を多数回にわたって反射するような、例えばガラスの鏡板の２つの表面のような対象物を評価する場合には適していない。また、公知の方法は表面の平坦度の不一致を検出することはできない。最後に、公知の方法は非常に時間がかかるものであり、工業的な使用には適していない。
ＤＥ−Ａ−（ドイツ特許）４４０１５４１号は、同様に角膜の表面構造を検出するための方法を述べている。このケースでは、孔のあいたシャッターの後部に配置されたカメラが光放出ダイオード（これが半径可変の円形通路に沿って移動する）から放出されかつ網膜の表面から反射される光を検出する。網膜の局所的欠陥は、反射光の円形形状の不一致から検出される。反射が相互に出現しあるいは中断される場合には、観察は中断しながら、一定時間、すなわちこれらの反射が光放出ダイオードの各出力半径と協働するような時間にわたって実行される。公知の方法は、時間がかかるものであり、それゆえ工業的なスケールで実行することはできない。それはまた二重に反射するような材料には適していない。さらに、測定すべき対象物の移動を光源の移動上に二重焼付けすることも不可能である。
発明についての説明
本発明は、シンプルなデザインで正確に用いることが可能な技巧（それぞれ方法及び装置）を提供することを目的としている。
この目的は、請求項１に記載したように、そのパターンが反射表面上に鏡像を生成し、観察されたセクションがそのパターンの前記鏡像のセクションから成り、カメラが光のパターンの鏡像上に焦点を結ぶようにセットされていることにより、達成される。
本発明による技巧は、特に対象物、すなわち特定の波長の光に対して少なくとも部分的に透明でかつこの光を前記表面の後部に配置された少なくとも１つの追加表面上で反射するような材料で構成された対象物の反射表面のプロフィルを測定することを可能にする。かかる対象物の例としては、ガラス板、プラスチックシート、透明なコーティングが施された反射表面、ラミネートされた車の窓パネルなどがある。少なくとも２つの表面からの相互に二重焼付けされた反射は有利な方法で分離され、これまでになかった正確さで測定される。
鏡像（ミラーイメージ）を直接観察することは、カメラだけでなく、カメラにミラーを配置して間接的に観察することもできる。
便宜上、前者のケースでは、一方でパターンと鏡像との間で、他方で鏡像とカメラとの間における光学的軸線（平面）が９０°以下、好適にはもっと小さい角度を含んでいる。２つの光学的軸線は、好適には、それらが平坦表面に対する垂直線の両側で、この垂直線に対する入射角及び反射角と同じ角度を含むように配置され、これらの角度の合計が含まれる角度を与えることになる。この含まれる角度は非常に小さいことが可能であり好適である。パターンとカメラとの間の開き角（平坦表面上での）は、一方でライン状走査カメラと観察された鏡像セクションが配置されている平面と、他方で光のパターンと観察されたセクションが配置されている平面との間の角度である。マトリックスカメラの場合は、対応する角度は各ラインのために相互に接近していることが好適である。
ミラーが配置されることになる第２のケースでは、ミラーは好適にはパラボラ形状のミラーであって、カメラが配置されるポイントにおいて、反射表面とパラボラ形状ミラーとの間の距離に関わりなく、観察されたミラー画像を常にシャープに画像化する。
生成するのが容易なパターンは等間隔で明と暗が交互になった帯である。しかしながら、他の幾何学的に定義された交互に明と暗になるシーケンスをパターンとして用いることも好適である。例えば、２つ以上の異なる強度の光からなる帯（細片）を有するパターンや、チェッカーボード（チェッカー盤）のようなパターンや、直交する陰影の付いたパターン等を用いることができる。１つの特に有利なパターンでは、暗（明）の帯を包含し、これが相互に直角に交差しかつ明（暗）の正方形を包囲し、この正方形の端縁の長さが帯の幅に対応している。
本発明によれば、パターンは反射表面内で直接反射される。測定された２次元又は３次元の反射表面内での平坦性の欠陥（すなわち高さの小さな変化）は鏡像にねじれを引起し、表面内の小さな突起又は段差として、より広いあるいはより狭い鏡像を誘発し、投射された光はより強く圧縮されたり広げられたりする。カメラを用いることにより、鏡像の各ポイントでの明と暗の鏡像における強度変化（及び／又はプロフィル）を正確に検出することが可能になり、これにより輝きの度合いの非常に小さな変化さえも評価することが可能になり、例えば、相違点を理想的な鏡像に対し比較することにより、測定すべき表面における変化に対する結論を引き出すことが可能になる。局所的な傾斜の相違点は、カメラによって観察された明と暗の間隔の寸法の境界が変化したことを基礎として計算される。本発明の装置のシンプルなデザインにより、また本発明の方法のコンパクトでダイレクトな手法により、表面のプロフィルが極端に迅速で信頼性高く記録される。パターンから発射される光は、測定すべき表面に到達する時に平行になる。パターンの明／暗シーケンスは表面で反射される。もしも表面が完全に平坦ならば、これにより、垂直からの横方向オフセットがあまり大きくないという条件下で、鏡像は明／暗パターンに正確に比例することになる。鏡像（距離など）のデザインは知られているので、本発明による配置は、理想画像からの不一致が、垂直表面の記録画像との比較よりもむしろライン状グリッドの知られた寸法に対して計算されることを可能にする。この結果として評価の正確性が改善される。観察された鏡像内での帯のねじれの量が測定され、これは平坦表面に関する傾斜を検出するのに利用され、傾斜を角度として表現できるようになる。かくして、鏡像内での対応する面積要素の傾斜はパターン内の各帯について検出される。もしもこれらの要素が行（積分）内に配置されていれば、表面上の所定のポイント（例えば接触した点）から開始して、傾斜の結果として生じる連続的な高さの増加についての情報が得られ、かくしてプロフィルが「追従」することになる。
表面のプロフィルを測定する非常に興味ある特別なケースは、その平坦度を検出するために平坦な表面を測定する場合である。この情報はプロセス操作を実行する多くのビジネスで必要とされる。本発明による方法と本発明による装置はこのような目的にも適している。原理的には同様な評価が用いられるが、傾斜角における変化がある距離にわたって検出されるようなケースでは、値を限定した分析が好適に実行される。傾斜した表面での表面処理の正確さを、その傾斜表面自身が望ましくない傾斜として評価されることなく、検査することも可能である。これから平均的な傾斜角を引き出すことも可能である。上述した評価プロセスは全ての「連続した」表面、例えば球体の球面の滑らかさを検査するために用いることができる。微分における最小・最大及び変曲点は、指示されたポイントが「滑らかでない」あるいは平坦でないというプロフィルを高い感度で供給する。
パターンは、光源と物理的グリッドとを一方を他方の後部に配置し、かつ多数のＬＥＤ（光放出ダイオード）から成るマトリックス手段によって、適正なコストで製造することができる。
第１の好適な変形によれば、用いられる光のパターンは少なくとも２つの異なる光の強度を有する構造であり、これらの光は規則的かつ交互に配置される。第１の好適な発展例では、最適なコントラストを得るために、不透明（透過性約０％）と透明（透過性約１００％）とが交互になった等距離のラインから成るライン状グリッドが用いられ、光源から発射され透明なラインを通過して平行に反射表面まで通過する光が、光のグリッドを通過するときに不透明なラインで邪魔される光と共に、相互に交代する明と暗のライン又は帯であって表面で反射されるライン又は帯のシーケンスを生成するようになっている。光の透過性は、特定の波長又は波長帯の光に限定できることは自明である。別の例として、代替的で有利な変形例では、光のグリッドを、シーケンス中に２つ以上の異なる透過性、例えば０％−５０％−１００％というような透過性を有するように設計することも可能である。
好適にはライン状走査カメラあるいはマトリックスカメラから成るカメラと、画像との間の距離に依存し、測定された値はカメラ内の各ピクセルについて得られ、鏡像内の観察された暗のライン、あるいは観察された輝きのライン、あるいは２つのライン間の遷移領域内のグレーレベルによって表現される。もしもこれらの測定植が理想画像の値と比較され、（光のプロフィルが第１の近似に対して平行だと仮定し、正確さのロスがないならば第１の仮定が許容可能となり、その結果光のパターン自身との比較が直接実行できるならば）実際のスケールから成る光のパターンから、局所的に定義される不一致が直接得られることになる。これらの不一致は、平坦表面から発生する非常に小さな傾斜であっても正確に計算するために用いることができ、これらは評価ユニット、例えばソフトウエアルーチンを用いてユニット内で検出することができる。このケースでは、観察された明／暗シーケンスの相対的な位置は、表面の配置における傾斜した表面、これはさもなければそれ自身が平坦であるが、かかる表面が測定に反対の影響を与えないように、有利に評価される。
第２の好適な変形例では、光のグリッドは十字形のグリッドから成り、このグリッドは本質的にはライン状のグリッドに見え、このグリッド内では例えば不透明なラインも第１のラインの方向に直角に走行している。これにより十字形のグリッドが生成され、その４分の１は光透過性であり、４分の３は光を透過しない。しかしながら、この代わりに、光のグリッド内で光不透過性の長方形によって包囲された光透過性領域を、光と暗の比率が概ね等しくなるような方法で、拡大することも可能である。さらにまた、２つ以上の光透過性を供給することも可能である。このケースでは、平坦なカメラが鏡像を観察するのに用いられ、これはすなわちマトリックスカメラであって、表面の長方形の２次元セクションを観察し、表面での３次元測定（平坦性の不一致個所、傾斜、波形、高さ）が、測定された値から計算されることにより、第１の寸法に対応することを可能にする。この値は、長手方向及び横方向の座標にわたって測定され、表面が３次元の画像によって表現されるようにする。ライン状走査カメラを用いた測定は、２次元的測定、すなわち長さに対するプロフィル、例えばある車両のボディを構成するメタルシートにとって価値のある測定を生成することになる。
第３の変形例によれば、光のグリッドをチェッカーボード構造、すなわち不透明と光透過性の正方形が交互に形成されているような構造としてデザインすることができる。
第４の変形例によれば、上述した変形例で達成される光の強度のシーケンスは、ＬＥＤで構成されるマトリックスによって生成され、これらは同様にしてスポーツアリーナ（運動競技場）内のスタジアムディスプレイにデザインすることができる。
上述した方法の１つの共通した特徴は、観察された鏡像をグリッドの知られた寸法と比較し、観察された不一致を用いて表面が傾斜している角度、例えば平坦表面に対する角度を推論することにある。
反射表面の平坦度及び／又は円滑度及び波形を高度に正確に測定することは、その正確さ及び解像度は再び１０〜５０の要素によって改良されるが、有利な変形例によって達成することができる。すなわち、グリッドの鏡像は同様にライン走査カメラやマトリックスカメラによって観察されるが、パターンの明／暗シーケンス、例えば上述した十字形のような不透明と透明な光グリッドによって生成される好適な等距離の明／暗の組が、各ケースにおいて各寸法ごとにカメラの多数のピクセル上に画像化されるような方法で観察され、この番号がシーケンスの整数倍となる。これにより、カメラの「グリッド」上にモアレフリンジ（モアレ縞）が形成され、相評価方法を用いることにより、平坦度の不一致についての極度に正確な陳述が得られるようになる。評価の間、検出されたモアレ画像はモアレ画像を代表するサイン波（あるいは他の周期的な曲線）に変換され、一方で相シフトが計算されたサイン波の圧縮と膨張を推論するのに用いられ、他方で平坦度のエラーや波形などを推論するのに用いられる。
３個あるいは４個、５個のピクセルに対する明／暗の組の関係は、特に好適である。マトリックスカメラが非常に高コストであることから、明／暗シーケンスについてのピクセルの数を最小化することが好都合である。
例えば、グリッドが明暗の正方形から成るチェッカーボードのようなパターンを有しかつマトリックスカメラを用いるようなケースでは、４つの正方形上に９個のピクセルがあることを意味する。ピクセルは画像上で、理想的なケースとして、１つのピクセルが完全に輝くポイントを観察し、他のピクセルが完全に暗いポイントを観察し、中間のピクセルはグレーのトーンに見える。もしも表面の平坦度に変化が起こると、画像は変化の関数としてシフトされ、ピクセルによって見られる明／暗の値は１つの方向あるいは他方へと特定の量だけシフトされる。この量は，ピクセルが測定しかつ単純な評価方法を用いて、平坦度の表現である角度的なシフトへと復帰させるような強度から特に容易に検出することができる。平坦度に関する情報は、光のグリッドとライン状走査カメラの「グリッド」とが二重焼付けされた結果として生成されるモアレ画像現象のおかげでかなり改良された解像度を用いて検出することができる。
明／暗シーケンスの鏡像をちょうど２つのピクセル上に画像化することも可能であり、その結果、カメラ、特にマトリックスカメラは非常に安価なものとなる。しかしながら、光のグリッドは、ラインのシーケンスが生成され、少なくとも３つの異なる光の強度を有するように繰り返されるように設計されなければならない。この関係はサイン波を検出できるようにし、形成されるモアレフリンジにおける相シフトは、平坦度のエラーを検出するのに用いることができる。
最後に、明／暗シーケンスの鏡像を、特に組（ペア）として、１つのピクセル又は複数のピクセル上に画像化することもできる。しかしながら、その場合３つの記録が必要になり、各場合において、パターンは明／暗シーケンスの３分の１ずつシフトされる。このシフトは、上述したＬＥＤのマトリックスを用いて簡単に達成することができる。
材料が少なくとも部分的に透明で、ガラスの下面と上面で反射された光ビームを別々に測定するようなケースでは、（高さ及び波形の解析に加え）材料の光学的屈折指標（インデックス）を用いて結論を引き出すことも可能であり、そのような測定方法は、さもなければ伝達方法だけに用いることも可能である。かくして、本発明の特に有利な点に基づき、材料の後面から発射される反射であって、この反射のために点灯（照明）されたパターン（及び／又はパターンの点灯部分）が材料を通過している反射を、多数の相互に二重焼付けされた反射から隔離することが可能である。この「後面」からの反射は、弱くなって（例えば反射されない光のロスによって）消滅するので、容易に隔離することができる。しかしながら、後面での反射はさらに、微分された後で、材料の反射光学についての陳述を供給する。
本発明の方法及び／又は装置による測定は、非常に迅速で、その量のオーダーは数ミリ秒である。かくして、材料が「動いて」いる間でも観察し測定することが可能なほど有利であり、例えばロールに巻き付けられたガラスのプラントや反射性スチールのエンドレスローリング等からの出口でも可能である。マトリックスカメラを備えた十字形のグリッドを用いた時には、ビットをパラレルなフォームで読み込むライン状走査カメラと対比し、概して、シリアルなフォームで読み込むことができる点に注目されたい。もしも測定すべき表面の供給レートが高いならば２つの読込プロセス間の時間的間隔が長くなり過ぎるので、ストロボスコープやフラッシュを用いた光のグリッドによって、点灯を短縮することが可能である。一方、もしも表面が静止しているならば、全体表面を走査するためにライン状走査カメラが有利に用いられ、仮想的な３次元での表現が検出できることになる。
その評価ステップは、ライン状走査カメラと測定すべき表面との間の距離はカメラ内のライン上で完全に均一ではないという事実を考慮に入れることが望ましい。なぜなら、ライン状走査カメラは観察すべき鏡像の幅よりも短い幅しか持っていないからである。従って、鏡像の方向において、カメラは一般に非常に小さな開き角を有しているので、ある程度の測定誤差（明確性の欠乏と大きな距離から発生する）を生じることになる。このことは、画像の評価において考慮され、この段階でカメラ上のスケール比率によって本質的に補償される。同様のことは、マトリックスカメラを用いた場合でも、両方の寸法についてあてはまることになる。
本発明の特に好適な発展によれば、透明なミラー材料を用いるのと同様に、例えば陰極線管、ディスプレイ、プレートガラス、ミラー、曲面ガラス、あるいは強化されたりラミネートされた安全ガラス等を用いて測定することができる。これらの材料は、その入射した光をその上面及び下面で反射するという特性を有しており、かくして二重の画像を発射する。上面からの画像は、その強度が一般に下面からの画像よりもいくらか強いので、下面からの二重焼付けされた光をその上に有することになる。従来技術では、できるだけ平坦な入射角を用いて下面からの画像を除去しようと試みていたのに対し、本発明では下面からの画像を評価において考慮させるような手段が好適に設けられている。
これらの手段の第１の変形例では、両方の反射画像がそれらの結果的な強度と共に考慮されるように、カメラ上の画像の表現が焦点を結ばないようにされ、カメラは両方の鏡像からそれぞれ発生する信号を検出するような方法で、上記のことが達成される。このケースでは、ガラスの厚みのために、光の通路が別の長さとなり、その結果、対応したオフセットが発生し、その結果、「ぼやけた」領域として、明領域（透明な帯による二重焼付けされた反射）と暗領域（グリッドの不透明領域の二重焼付けされた反射）の間に形成され、このぼやけた領域内ではガラスの一方の側から暗領域（より正確には暗とは実際に反射を受けてはいないが２つの反射された光の帯によって境界付けられた対応する暗い帯）の反射が、その上に二重焼付けされたガラスの他方の側からの光の領域の反射を有するようになる（反対もまた同様）。これら領域間の距離は、それらが観察される角度に依存し、この角度は知られており、評価において考慮されなければならない。このケースでは、光のグリッド領域が上面で反射される時に、検出された画像の強度が逆のケースにおけるよりもいくらか大きくなる。
この代わりの好適な例として、２つのライン状走査カメラ又はマトリックスカメラをその一方を他方の後部に配置して、これらが好適には同一の画像セクションを観察し、各ケースにおいて１つのカメラが、透明な材料の１つの側から反射された鏡像上にそれぞれ焦点（グリッド上の焦点）を結ぶようにセットされる。それから、対象物の厚みを考慮して、個別の評価が実行される。
２つのカメラを、好適には表面に対して異なる高さ、及び／又は異なる角度で供給することにより、透明及び不透明な両方の表面に対し、画像セクションにおいて観察された明／暗の数の変化が、表面の屈曲（レンズ効果）によって生じたものなのか、それとも反射表面が配置された高さが変化したことによるものかを区別できるようになる（この結果、定義されたパターンと影響される鏡像との間の比例要因となる）。
原理的には、２つの反射を生成するガラスのような材料上で反射信号を分離することが望ましい。これは、「正面」側の表面についての陳述を許容する、より正確な個別の情報から離れて、例えば積分ステップにより、形状についての陳述を生成することが可能になり、「後部」側の表面から反射された測定値の微分により、この微分ステップが各測定された材料のポイントでの反射光学についての陳述を許すことになる。
半反射式のミラーが供給されるならば、同一のセクションにつての特に好都合な観察が可能になり、これは同一のセクションを異なる距離から異なるカメラで観察することを可能にする。例えば、もしも１つの画像セクションで明と暗の帯の数が増加したならば、しかも表面の高さが固定されていれば、これは表面が凹面レンズのように屈曲していることを示す。しかしながら、完全に平坦な表面でパターンとカメラに対する距離が変動にさられていると仮定すると、１つのセクション内で観察された帯の数の増加は、これから生じる延長されたビーム通路の結果として、パターンあるいはカメラまでの距離の増加を指示することになる。対応する状況が、観察された数の一定した減少に対しても適用される。実際、特に測定されるべき表面を有する対象物が動いている時に測定されるならば、両方の影響要因が二重焼付けされるが、もしも高さの変動から生じるエラーが除去できるならば、プロフィルを計算するのに特に有利である。このケースでは、異なる距離から同一の画像セクションをモニターするためのカメラは、対応する異なる孔を有することに注目すべきである。しかしながら、これは表面の高さに不一致が生じたときに、２つのカメラのそれぞれで観察された帯の数が、不一致／距離の割合に比例して変化することを意味する。
それから、２つのカメラによって観察された画像セクションの評価が、完全に観察された帯の数における２つの間での不一致が実際の高さを検出するための第１ステップに用いられるようにして、好適に実行され、そして、検出された高さのために予期される数に関してさらなるステップにおけるカメラの少なくとも１つによって観察される帯の数が、適当な比例要因を考慮して、屈曲度を検出するのに用いられる。
本発明によって、マトリックスカメラにより、少なくとも部分的に反射する対象物の表面を評価することは、評価のために明らかに有利であるが、量があるオーダーを超えた場合には、マトリックスカメラは実際に購入するには高価である。本質的に平坦な材料が測定され、すなわち測定が基本的に平坦度を検査するのであれば、実際のところ同様な評価の有効性は、マトリックスカメラに本発明の特に好適な発展を加え、２つのライン状走査カメラだけを必要とすることで達成できる。このケースでは、２つの光のグリッドの反射が、各ケースにおいて１つのカメラにより、表面上の同一のポイントで観察される。しかしながら、光のグリッドの明／暗シーケンスは、傾斜して、好適には材料の移送方向に対して４５度で配置されており、これを９０度に補足するための角度として、すなわち好適には再び４５度の角度で、その長手方同軸線に対して傾斜している。さらに２つの光のグリッドの斜めの角度は、正確に反対であり、すなわち好適には約９０度で交差しており、かくしてカメラのミラー軸線に対して傾斜している。もしも表面上で反射に（理想的に典型的な）変化が、グリッドの長手方向に対して横方向の表面の方向に反射がたわむような方法で発生したとすると、カメラの１つによって検出された画像は、比例要因によりたわみの方向に対して直角な方向に（三角測量の割合に従って）移動し、他方のカメラはたわみの方向に直角な角度で、これと反対方向への移動を検出する。他の（理想的に典型的な）ケースでは、反射における圧縮や膨張がグリッドの長手方向に検出され、この変化が基礎とするレンズ効果は、前述したような相（フェーズ）を評価することにより検出することができる。両方のカメラは材料の同一セクションを観察しているので、２つの（理想的）不一致タイプは、直接識別され、反射の対応ポイントへと送り返され、表面の「地勢図記録（トポグラフィーレコード）」が可能となる。かかる方法で洗練された装置を用いて連続的な走査を行う時に、表面もまたそのまま静止していられることは自明なことである。本発明によるこの変形は、対象物が測定装置の下側を特にエンドレスに移動するような対象物を測定するのに、特に好適である。
さらに、異なる波長の強度が、特に赤、青、緑の強度のためのカラーカメラによって考慮される時や、異なる色や異なる波長で異なる強度の光を吸収するような色付きのガラスのケースでも、評価は実行可能である。
本発明とその発展例は、平坦ガラスのような平坦な反射表面を測定したり、反射表面、例えば磨いた表面、多次元の球面を有するような例えば自動車の窓パネル、打ち抜かれた部品、陰極線管、反射コーティングで被覆された物体などを測定するのに共に好適であり、いずれのケースでも対象物はロール加工や引き抜き加工やフロートガラスで構成されたものに限られず、アクリルガラスやＰＶＣ等であっても良いことは注目すべきである。
本発明のさらなる有利な発展例は、以下の記述と添付した請求の範囲によって生じる。
本発明は、添付図面に図解された例示的実施態様を参照した以下のテキストによって、さらに詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明の例示的実施態様の概略図である。
図２は本発明による装置の概略正面図である。
図３は図２の装置の概略側面図である。
図４はカメラにより検出されその後処理される信号セクションの概略波形図である。
図５は本発明による装置のさらなる例示態様の概略平面図である。
図６は図５の装置の概略側面図である。
図７は図５及び図６の装置の概略斜視図である。
好適な例示態様の説明
図１乃至図４を参照し、符号１は反射表面のプロフィルを測定するための配置を表している。測定すべき反射表面２は厚さが２．５ｍｍの屈曲したロール加工されたガラスパネルであり、長方形のアウトラインと長手方向の曲り（ベンド）とを有している。光は、ロール加工されたガラスパネル２の上の平面内を延伸する光源３によって、ロール加工されたガラスパネル２の上へと投射され、この光が光のグリッド４を通過する。光のグリッド４は等距離の５ｍｍ幅の帯又はラインで構成され、これらは交互に不透明及び透明になるようにデザインされている。光のグリッド４を通過する平行な光は、かくして（明るい）帯内に配置され、それらはそれぞれ点灯していない（暗、光の強度＝ゼロ）帯によって分離されている。光は、グリッド４を離れる時は平行なので、グリッド４の幅は、本質的にパネル２の幅に対応する幅にわたって延伸し、パネル２が仮想的に完全に点灯した帯と点灯していない帯とでカバーされるようになることを注目すべきである。グリッド４の長さは、すなわち帯に対して横方向でかつ帯の短い端縁に対して平行な量は、約２ｍであり、合計４００の帯（２００の明／暗の組）が横方向に接して配置されている。
パネル２の同一の表面はライン状走査カメラ５に面しており、カメラ５はガラス片２の表面のグリッド４によって生成される鏡像（ミラーイメージ）６のセクションをカバーしている。このセクションは約８０ｃｍである。図１に鎖線で示されるセクション７で指示される観察された鏡像セクションは、本質的にパネル２の表面上の中央に位置決めされ、鏡像６内の明／暗の帯の幅に対して直角に走行している。等距離の帯は評価を単純化しているが、必ずしも本質的なものではない。ライン状走査カメラ５内の各ピクセルは、観察された鏡像６の位置と強度を、高い正確度で検出する。カメラ５の焦点は、この目的のため、グリッド４にセットされる。
しかしながら、ガラスの表面２にある鏡像６を、上述したような直接でなく、例えばミラーを用いて間接的に観察することが可能である。この目的のための間接観察のためのミラー配置は、好適にはパラボラ形のミラーから成る。パラボラ形ミラーは、鏡像６のセクションがカメラ上へと後ろ向きに反射されるような方法で配置される。一方、パラボラ形ミラーで反射された画像は、常にカメラ上に焦点を結ぶようにセットされる。他方で、このセッティングはパラボラ形ミラーとガラス２との距離には無関係に設定されるので、カメラを焦点合わせするための複雑さは、有利に減少させられる。
完全に平坦な表面と仮定すれば、鏡像６は対応するグリッド４に比例するかあるいは同一であり、カメラ５によって検出される。しかしながら、もしもガラス２の表面に平坦度の異なる部分があると、鏡像６はゆがめられ、すなわちカメラ５によって検出される帯はもはや同一の距離間隔ではない。完全に平坦な表面からの不一致は、表面２内の角度の相違として発生し、いわばプロフィルの山と谷となり、その勾配は完全にゼロ（完全に平坦な表面）ではない。測定された表面２の鏡像６は、各ケースにおいて、これらの勾配に比例して反射される。これらの光線の錯行（逸脱）は、反射された鏡像を破壊するものであり、カメラ５によって登録される。光のグリッド４は非常に正確に処理されているので、表面での角度の相違の位置と量は正確に発見できる。発見されたこれらの角度の相違に基づき、表面２の平坦度と波形は平坦な（公称）サンプルに対して計算される。
原理的には、同一のルールが曲面（あるいは球面など）に適用される。しかしながら、その評価はより複雑になる。なぜなら、表面全体のプロフィルをカバーしなければならないからである。このため、理想表面と比較して傾斜の逸脱を局地的に分析するだけでは充分ではない。実際、例えば屈曲したロール加工のガラスパネルが支持されている少なくとも２つの固定したポイントに基づいて、傾斜が仮想的な帯ごとに検出されなければならず、このためポリゴンの要素が、帯の幅によって積算された傾斜から得られるようになる。その特定の傾斜による次の要素は、この要素に「適合（フィット）」し、以下同様になる。この評価の結果、測定すべきプロフィル上に多数のポイントが生じる。その後これらのポイントは、グラフのような形での表現において、曲線として表現することができる。それから、全体が検出されたプロフィルのために、３次元の座標を検出することができる。この評価は、１つの方向においてライン状走査カメラによって実行することができ、２つの相互に垂直な方向においてマトリックスカメラによって実行することができる。
角度の相違が測定されるので、平坦度測定のためのプロフィルの計算は、これら（完全な）高さの相違（例えば装置のゼロ位置に関して）を排除する。それらの相違は、シャープな画像を利用する従来の方法を用いて他の平坦な表面が傾斜して配置された結果として、画像のプロフィルを基礎として検出されるであろう。かくして、ガラス２の位置決めの不正確さは、原理的には、測定に悪い影響を及ぼさないという利点がある。評価を含む測定は、非常に短い時間（０．１〜２秒）で実行されるので、表面２のための分析時間間隔は数ミリ秒で充分に後続処理につなげることができ、材料は何の問題もなく測定することができ、それらが、例えばコンベアベルトなどによって、何らかの振動を受けながら搬送されている間でも、悪い影響を受けることはない。
カメラ５によって観察された明／暗の値は、カメラの下流側に連結された評価システム（図示せず）によって評価される。このケースでは、光のグリッド４の間隔の評価が光のグリッド４の参照基準（リファレンス）として用いられ、これが完全に平坦な表面における実際的な鏡像として反射されている。評価システムは、鏡像６内での光のグリッド４からの光の錯行を検出し、これを、測定された表面２が理想表面から逸脱することの原因になるそれぞれの局地的角度を計算するのに使用する。さらに、隣接する帯間で増加する相違を表面上の波形を計算するための基礎として使用することも可能であり、これはしばしばガラスの光学的特性に重要な影響を与え、これにより重要な事項となる。さらに、もしも適当にデザインされた装置が、ロール加工のガラスのライン上に供給されれば、その波形はロール加工されたガラスプラントを制御するのに用いることができる。少なくとも第１の近似（ここで関係のある全て）までは、光はグリッド４からパネル２まで走行するので、参照画像を記録してこれを評価の基礎とする必要がないという利点がある。なぜなら、その代わりにグリッド４の知られた構造（すなわちグリッド４の等距離間隔）を仮定することが可能だからである。これから生じる測定エラーは低いままであり、測定時間は短くなる。
図２及び図３は、図１に示した測定装置に含まれる構成要素の正面と側面を表している。カメラ５とグリッド４は本質的に同一の高さに配置され、比較的鋭い角度である２０度の角度８を含んでいる。図２では、グリッド４はガラス板２に平行でかつわずかに横方向にオフセットしており、すなわち光のビーム（光学軸）は表面２に垂直な線に対しわずかな角度で入射しており、カメラ５は表面２（光学軸）で反射された放出光の延長上にある。図３において、カメラ５により観察された鏡像６のセクションは、カメラ５の開き角（アパーチャ）に依存する。カメラ５により観察されたセクションは、８０個の明／暗の組（ペア）が検出されるように、例えば８０ｃｍに選ばれる。もしも観察された帯の数が増加したり減少したりすると、評価装置は、表面にレンズ（凸面又は凹面）のような対応する屈曲があるものと推論する。平坦度における逸脱は、この屈曲した等高線内でさえも迅速かつ正確に測定することができる。テスト対象物２の表面トポグラフィーは、動く部品を用いることなしに、数ミリ秒で検出することが可能であり、測定の正確さは、波形で０．１と３ミクロン（μｍ）の間、プロフィル又は平坦度では０．０１ｍｍ以下で、測定時間０．１から２秒の間に、８００〜１６００ｍｍの測定長さにわたって測定できる。
実際、カメラ５はグリッドユニット４を備えた共通の組立体として設計されることが有利である。そこでグリッド４は側方にいくらかオフセットされ、正確な反対位置に関して平行に配置され、カメラ５はこれに対応して反対方向にオフセットされ、この結果２つの光学軸が同一の角度になることが望ましい。これにより、数度、例えば５度の鋭い角度が、好適に光学軸間に達成されることになるが、本発明は、開き角が５度以上で９０度以下である場合にも実際に使用可能である。グリッド内のカメラを複数用意し、両方を表面２と垂直に有利に配置することも可能である。
上述した装置が１つの方向におけるプロフィル、すなわち帯の方向に関して横方向、すなわちロール加工されたガラス２の長手方向（曲げ方向）に配置されているプロフィルを検出できることは自明である。本質的に平坦なサンプル、例えば平坦なロール加工ガラスのセクションでその上に装飾がプリントされているようなセクションのケースでは、理想的に平坦なプロフィルと比較して、傾斜の変化が、平坦度を測定するのに用いることができる。長手方向のプロフィルや平坦度のために上述した方法に対応した方法を用いる場合、横方向のプロフィルや平坦度は、ガラス要素２を同じ測定方法、ただし９０度相対回転させた（システム又はガラス要素のいずれかを９０度回転させた配置）方法で測定することにより、検出することもできる。かくして、例えば２つの装置１が一方が他方の後部に配置されかつ相互に９０度回転した位置に配置された装置を、例えばロールガラスの製造のような連続したプロセスにおいても、長手方向及び横方向の平坦度が検出できるように確保するために用いることができる。この代わりに、画像を、ガラス要素２の反射表面上に投射するために、十字形グリッド（２つの、好適には相互に直角方向における明／暗の組）を用いることができ、この画像はマトリックスカメラにより検出される。それから、このプロフィルと長手方向及び横方向における理想的サンプルのプロフィルからの逸脱とを、続けて同時に評価することもでき、この手段により、特に、連続的又は間欠的に搬送される表面２上で容易に測定を実行することができる。
かくして、３次元の球体のプロフィルを正確に検出することも可能であり、同様に、そこに発生する勾配の変化を微分によって検出することが可能になる。表面２が平坦ならば、その平坦度は、かくして非常に正確に検出され、表面２が屈曲（あるいは所定の球面を表現）していれば、曲げの品質及び／又は滑らかさは、かくして非常に正確に検出できることになる。
図２に破線で示したように、ガラス板２の特別な特徴の１つは、それが２つの反射を供給すること、すなわちグリッド４は最初にガラス板２の上面で反射され、次に下面で反射されることである。上面で反射されない光ビームだけがガラス板の下面で（部分的に）反射されるので、最初の反射の強度は、第２の反射の強度よりもいくらか大きい。もしもこの方法で生成された鏡像６がある角度から観察されると、これら２つの反射は相互に二重焼付けされる。鏡像６を観察する角度は、カメラ５のコンパクトサイズと、その開き角、及びピクセルからピクセルまでの変化によって、本質的に支配され、この角度のオフセットは評価（角度の関数としての通過長さは画像のビーム比率によって本質的にキャンセルされる）において考慮される。カメラ５の焦点を外すことにより、ガラス２内の２つの鏡像の二重焼付けの結果をいくらか検出することができる。ガラス２の上面から反射された光の強度ｉ１の結果と、ガラスの下面から反射された光の強度ｉ２の結果とが、図４に示されている。ｉ１はｉ２よりも大きいので、結果的な信号は容易に分離でき、上面のプロフィルと下面のプロフィルは（平坦度、波形、曲げ正確度、高さ、厚みなどの値から引き出されるものと同様にして）別々に評価される。
この代わりに、カメラ５の後部に第２のカメラ５’を配置し、２つのカメラのそれぞれを鏡像（すなわちグリッド上）の１つに焦点合わせし、検出されたデータを適当に評価することが可能である。同様に、第３のライン状走査カメラ５”をカメラ５と平行に操作し、この方法で、平行に操作されかつその後のこれらの測定値操作において、狭いゾーン内での多数の測定値を有利に検出することができ、表面領域を走査するために、ライン状走査カメラを用いることもできる。
カメラ５と異なる高さに第２のカメラ５’を配置し、同一の画像セクションを好適に観察するように配置することにより、さらに別の利点がある。上述したように、観察された多数の帯における変化は、レンズ形状を有する表面によって引き起こされる。しかしながら、同じ現象は、何らかの理由により、観察された表面２の高さが変更され、観察された画像セクションが対応して増加した又は減少した数の帯を含む場合には、発生する。カメラ５，５’の異なる高さは、高さのエラーを修正することを容易にし、それらをプロフィルの評価に適当に考慮することを容易にする。
２つの反射を生成する材料の評価のために、特に例えば緑の色付きガラスについて、他の変形を用いることができる。もしも緑のガラスが、グリッドから赤の光と緑の光で照明を受けた（例えば交互に）場合は、この光はガラスにより非常に異なる程度で吸収されるので、下面から反射される光の強度は顕著に異なる。異なる光の波長のために異なる強度によって、ガラスの上面又は下面での反射位置について結論を引き出すことが容易になる。この代わりに、カラーカメラを用いて鏡像６を観察することも可能であり、その結果、赤、青及び緑について検出された強度における突然の変化が、容易に分離され、ガラスの適当な面と協働させることができる。
図５乃至図７を参照することにより、本発明による装置のさらに例示的な態様が詳細に説明される。原理的に、上述した例示態様におけると同様に、同一部品には同一の符号が付してあり、このことは相互に置換されている部品は相互に変更可能であることを意味している。
図５の平面図は、この装置が２つの長いグリッド４ａ、４ｂを有することを示しており、これらは直接側部を並べて配置されている。２つのグリッド４ａ、４ｂは２つの帯を有し、これらはその長手方向に斜めに（前述した例示態様のケースのような直角でなく）走行し、この例では４５度の角度をなしている。２つのグリッド４ａ、４ｂの斜めの角度は、相互に９０度オフセットされている。
２つのカメラ５ａ、５ｂは、同一の画像セクション７を観察し、概ね同一の高さに配置され、グリッド４ａ、４ｂの相互に離れた２つの側の概ね中央に配置されている。観察された対象物は、エンドレスな帯、例えば平坦なガラス、あるいは部分的に反射する部分的に透明なプラスチックシートの帯である。カメラは画像セクション７の方向にわずかに傾斜している。この例示態様における２つのカメラ５ａ、５ｂのそれぞれは、そこから離れて配置されたグリッドの反射を観察する。この代わりに、カメラをグリッドの中間に配置することも可能である。
図７における矢印Ａは、エンドレスな帯の移動（流れ）方向を表示している。図７における符号Ｘは、第１の欠陥タイプを図解しており、これは代表的に矢印Ａの方向に走行し、すなわち、画像セクション７を通過する時に、いくらか下流側（図の左側）に配置された画像のセクションが、カメラ５ａ、５ｂによって最初に記録される。それから、観察された反射が、再び後戻りして、グリッドの最初の領域に戻ってくるまで、他の方向（矢印Ａと反対の方向）へと継続する。このタイプの移動を、図２及び図３のグリッドを用いて検出することはできない。なぜなら、カメラが常に同一の画像を観察しているからである。しかしながら、本発明の装置では、カメラ５ａ（左側）が最初に（非圧縮／非膨張の）グリッド画像内のシフトを検出して、一方の側（例えば矢印Ａの方向に見て右側）、次に反対方向へと、通常の状態を超えて、さらに逆方向のマークへと、再び最初の画像へと後戻りする前の画像を検出する。カメラ５ｂ（図５の右）によって検出された移動の方向は、正確にこれと反対である。かくして、２つのライン状走査カメラと２つのグリッドが、広がり方向に対して横方向の平面内での欠陥を定義するのに良好に用いられることになる。２つのグリッド４ａ、４ｂは、この目的のために、カメラのライン状の広がりとグリッドの長手方向の広がりとの間における、シートの供給方向Ａと、ミラーの軸線との両方に対して、斜めに配置されている帯を備えている。
図７の符号Ｙで示されるタイプの欠陥は、両方のカメラと、観察された画像の圧縮及び膨張によって、信頼高く検出され、相評価方法を用いて上述したようにして検出される。
従って、実際のケースと同様に、タイプＸ及びＹの欠陥が二重焼付けされる表面プロフィル及び平坦プロフィルは、２つのライン状走査カメラを用いて、信頼高くかつ適正コストで検出できることは自明である。
【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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