(57)【要約】【課題】３次元光学測定のための装置及び方法【解決手段】物体２に投射された投射パターンの画像が記録及び評価されるトポメトリック測定方法を用いて、物体２の３次元光学測定を行う装置１が開示される。この装置１は、光源を設けたプロジェクタ３と、画像記録ユニット５と、画像評価ユニット６とを有する。プロジェクタ３用の光源はアークランプ４であり、画像記録ユニット５は、画像記録を、アークランプ４の光強度と同期させるように設計されている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体（２）に投射された投射パターンの画像が記録及び評価されるトポメトリック測定方法を用いて物体（２）の３次元光学測定を行う装置（１）であり、前記装置は、光源を設けたプロジェクタ（３）と、画像記録ユニット（５）と、画像評価ユニット（６）とを有する装置であって、
前記プロジェクタ（３）用の前記光源はアークランプ（４）であり、前記画像記録ユニット（５）は、画像記録及び／又は画像評価ユニットを、前記アークランプ（４）の前記光強度と同期させるように設計されている、装置（１）。
【請求項２】
前記画像記録ユニット（５）は、画像記録を前記アークランプ（４）のトリガ信号に応じて同期させるように設計されている、請求項１に記載の装置（１）。
【請求項３】
前記画像記録ユニット（５）と前記プロジェクタ（３）は相互に電気接続しており、また、前記画像記録ユニット（５）のトリガ信号を用いて、前記アークランプ（４）の電流波形を時間毎にトリガリングすることで同期されるように設計されている、請求項１又は２に記載の装置（１）。
【請求項４】
前記アークランプ（４）と前記画像記録ユニット（５）は、外部トリガ信号と同期するように設計されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項５】
前記画像評価ユニット（６）は、光強度の変化を、既知の時間毎の光強度プロファイルに事前に記録された画像記録時間に応じて数学的に補正するように設計されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項６】
前記画像記録ユニット（５）は少なくとも１つのカメラを備えていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項７】
プロジェクタ（３）によって物体（２）に投射された投射パターンの画像が画像記録ユニット（５）によって記録され、画像評価ユニット（６）によって評価されるトポメトリック測定方法を用いて、物体の３次元光学測定を行う方法であって、画像記録及び／又は画像評価を前記プロジェクタ（３）のアークランプ（４）の光強度と同期させることを備える、方法。
【請求項８】
前記アークランプ（４）のトリガ信号に応じて画像記録を同期させることを備える、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記画像記録ユニット（５）のトリガ信号を用いて、前記アークランプ（４）の前記電流波形を時間毎にトリガリングすることで、画像記録を同期させることを備える、請求項７又は８に記載の方法。
【請求項１０】
前記画像記録ユニット（５）を、前記画像記録ユニット（５）及び前記プロジェクタ（３）の外部トリガ信号に応じて前記アークランプ（４）の前記光強度と同期させることを備える、請求項７から９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
既知の光強度プロファイルに事前に時間毎に記録された画像記録時間に応じた、前記光強度の変化を数学的に補正することを備える、請求項７から１０のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体に投射された投射パターンの画像が記録及び評価されるトポメトリック測定方法を用いて、物体の３次元光学測定を行う装置に関し、この装置は、光源を設けたプロジェクタと、画像記録ユニットと、画像評価ユニットとを有する。
【０００２】
本発明はさらに、プロジェクタによって物体に投射された投射パターンの画像が画像記録ユニットによって記録され、画像評価ユニットによって評価されるトポメトリック測定方法を用いて、物体の３次元光学測定を行う方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
トポメトリ原理に基づいた光学三角測量センサを用いた、物体表面の３次元光学検出が非常によく知られている。この場合、一例として、被測定物上に異なる細片パターンが投射され、これが１つ以上のカメラで観察され、コンピュータの支援によって評価される。この評価方法は、例えば位相シフト方法、符号化した光アタッチメント、又はヘテロダイン方法である。
【０００４】
これらのトポメトリック測定方法の原理及び実用的な用途は、例えば、１９９３年、ミュンヘン（Ｍｕｎｉｃｈ）にあるフランジス・バーラグ社（Ｆｒａｎｚｉｓ−Ｖｅｒｌａｇ  ＧｍｂＨ）による、「産業的な実施における画像処理及び光計測学」（英語タイトル「Ｉｍａｇｅ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ａｎｄ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ  ｉｎ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｐｒａｃｔｉｃｅ」、独語タイトル「Ｂｉｌｄｖｅｒａｒｂｅｉｔｕｎｇ  ｕｎｄ  Ｏｐｔｉｓｃｈｅ  Ｍｅｓｓｔｅｃｈｎｉｋ  ｉｎ  ｄｅｒ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｌｌｅｎ  Ｐｒａｘｉｓ」）に詳細に説明されている。
【０００５】
このような検査レイアウトを実現可能な手段による様々な装置は以下の文献に説明されている。Ｒｅｉｎｈａｒｄ  Ｗ．Ｍａｔｚ著の「３次元度量衡学及び検査のための符号化した光構造」（英語タイトル「Ｃｏｄｅｄ  Ｌｉｇｈｔ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｆｏｒ  ３−Ｄ  Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ  ａｎｄ  Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ」、独語タイトル「Ｃｏｄｉｅｒｔｅ  Ｌｉｃｈｔｓｔｕｋｔｕｒｅｎ  ｆｕｒ  ３−Ｄ−Ｍｅｓｓｔｅｃｈｎｉｋ  ｕｎｄ  Ｉｎｓｐｅｋｔｉｏｎ」）、「シュトゥットガルト大学・技術光学研究所報告書」（英語タイトル「Ｒｅｐｏｒｔｓ  ｆｒｏｍ  ｔｈｅ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｏｐｔｉｃｓ  ａｔ  Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ」、独語タイトル「Ｂｅｒｉｃｈｔｅ  ａｕｓ  ｄｅｍ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｆｕｒ  Ｔｅｃｈｎｉｓｃｈｅ  Ｏｐｔｉｋ  ｄｅｒ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔａｔ  Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ」）、１９９２年１月。
【０００６】
ストリップ投射を用いた物体の３次元光学測定の測定結果の品質は、投射と周囲の光との間の対比に大きく依存する。
【特許文献１】欧州特許第０７６６９０６号明細書
【非特許文献１】産業的な実施における画像処理及び光計測学（１９９３年、フランジス・バーラグ社）
【非特許文献２】３次元度量衡学及び検査のための符号化した光構造（Ｒｅｉｎｈａｒｄ  Ｗ．Ｍａｔｚ著）
【非特許文献３】シュトゥットガルト大学・技術光学研究所報告書（１９９２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、本発明の「最も重要な」目的は、より優れた対比条件を達成するために比較的光強度の高いプロジェクタを有するトポメトリック測定方法を用いて、物体の３次元光学測定を行うように改良された装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的は、最初に述べたタイプの装置によって達成される。この装置において、プロジェクタ用の光源はアークランプであり、画像記録ユニットは、画像記録及び／又は画像評価ユニットを、アークランプの光強度と同期させるように設計されている。
【０００９】
プロジェクタをアークランプと共に使用することで、従来のプロジェクタと比較して光強度を大幅に増加させ、また、測定の正確性を改善することができる。いくつかの状況においては、環境条件に関連してトポメトリック測定を実行できるようになったことは全く初めてである。
【００１０】
アークランプは古くから知られており、また、例えばシネマプロジェクタ又はヘッドライト（フラッドライト、灯台）に使用されてきた。アークランプは効率性が非常に高いため、高い光量が可能となる。
【００１１】
アークランプは、小型で、明るい光点（アーク）を有することから、特に優れた焦点特徴を有し、したがってプロジェクタへの使用に特に適している。
【００１２】
しかし、これらのようなアークランプは調整されるべき欠点を有する。このアークランプの２つの電極は、例えば５０〜２００Ｈｚにおいて極性を連続的に反転する。しかしながら、例えば位相シフト方法のようなトポメトリック測定方法を用いた物体の３次元光学測定に使用される測定方法では、測定の最中に、少なくとも２つの個別の画像の間でプロジェクタの光強度が変動しないことが必要である。露光時間中にこのような極性反転が発生する数によっては、１つの画像から次の画像にかけて明度が変化してしまう恐れがある。
【００１３】
さらに、場合によっては未制御状態でアークジャンプが発生し、これの回数も予測できない。アークジャンプにより、全体の明度と、発せられた光の明度分布とに予測できない変化が生じてしまう。
【００１４】
欧州特許第０７６６９０６号明細書は、整流の少し前に余分なパルスを有している交流によってアークランプを動作することで、未制御でのアークジャンプの影響と、これに関連した明度の制御不能な変化とを回避する方法を開示している。
【００１５】
この余分な電流パルスが再び光パルスを生成する際に、この方法で説明されているアークランプでも画像の明度に変化が生じる可能性がある。アークランプの電流強度ダイアグラム、即ち電流波形のどこから露光時間が開始し、時間を経て、どこで終了するかによって、それぞれの画像記録の露光時間の最中に異なる数の光パルスが発生する可能性がある。これにより、いくつかの状況では、測定時における２つの別個の画像の照度の強度の一様性が保証されなくなってしまう。
【００１６】
このため、画像記録とアークランプの光強度との同期が提案される。これにより、アークランプをトポメトリック測定のためのプロジェクタとして、価値のある方法で使用することが初めて無理なく可能になる。
【００１７】
したがって、適当な明るさを有するあらゆるランプを、本発明のために、及び、明度変化の問題を含んだ本発明の目的のために使用でき、さらにこれらのランプは、画像記録及び／又は画像評価の同期によって問題を解決できるアークランプとして用いられる「ものとして」考慮される。これらは特に、周期的に再発生する不均等な明度プロファイルを伴うランプである。
【００１８】
この同期は、画像記録ユニットの露光時間を、アークランプの明度プロファイルに応じてトリガすることで実施できる。即ち、画像記録がアークランプのトリガ信号に応じて同期される。トリガ信号は、電気的又は光学的方法で伝送される。
【００１９】
しかし、反対に、画像記録ユニットのトリガ信号を用いて、アークランプの電流波形を時間をかけて制御してトリガリングを提供することで、画像記録ユニットが画像記録時にアークランプに定義された明度を設定できるようにすることも可能である。
【００２０】
しかしながら、アークランプと画像記録ユニットを、外部トリガ信号を用いて相互に同期し合うようにすることもできる。
【００２１】
画像評価の擬似同期も可能である。発生後、いくつかの状況では画像記録の同期によって補正されなかった光の変化を、分かっている画像記録回数と光強度プロファイルに基づいて数学的に補正することができる。この目的のために、ランプの強度プロファイルにおける露光時間のそれぞれの（未同期の）位置を記録することができる。
【００２２】
本発明のさらなる目的は、物体を３次元光学測定する改良された方法を提供することである。
【００２３】
この目的は、序文で述べたタイプの方法によって、画像記録及び／又は画像評価を、プロジェクタ内のアークランプの光強度と同期させることで達成される。
【００２４】
この方法及び関連する装置によって、連続した画像記録の露光時間において、アークランプの光強度曲線が常に同一の曲線成分を通過することで、例えば、１つの画像につき、常に全く同数のピーク又は光強度ピークが存在するようになる。
【００２５】
この場合には、開始時間は、例えば投射された光構造をアークランプを用いて観察するために使用される、カメラの露光時間のトリガリングによって定義される。
【００２６】
画像評価ユニットが、連続した画像記録の光強度の変化を、事前に経時的に光強度プロファイルに記録された画像記録時間に応じて数学的に補正するように設計されていると、特に有利である。これによって、光強度曲線における既知の露光時間の位置を用いて、光強度の変化を補正することが可能になる。
【００２７】
以下の本文で、添付の図面を用いて本発明を例証の方法によりさらに詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
図１は、トポメトリック測定方法を用いて物体２の３次元光学測定を行う装置１の略図を示す。装置１は、選択した投射パターンを物体２に投射するアークランプ４を設けたプロジェクタ３を有する。アークランプ４を使用することで、比較的高い光強度、したがって従来の測定方法よりも優れたコントラスト比が得られる。例証の方法によって、金属蒸気ランプ等をアークランプ４として使用できる。
【００２９】
さらに、画像記録ユニット５が、本質的に知られた方法において、少なくとも１つのカメラの形態にて提供されており、この画像記録ユニット５は、物体２に向けられ、物体に投射パターンを投射した状態で画像を記録するように設計されている。画像記録ユニット５は、物体２のトポメトリック測定を行うべく、記録した画像を評価するために、画像評価ユニット６に接続している。
【００３０】
画像評価ユニット６は、例えば、適切にプログラミングされたコンピュータであってよい。トポメトリック画像評価の方法は十分に周知であるため、さらなる説明は省略する。
【００３１】
プロジェクタ３にアークランプ４を使用することで、測定中にプロジェクタ３の光強度が変動する問題が生じた。
【００３２】
連続した画像記録の明度プロファイルどうしを比較でき、好ましくはこれらが同一となるように、プロジェクタ３の光強度と画像記録ユニット５が相互に対して同期される。
【００３３】
図２は、時間毎のアークランプ４の電流強度波形のグラフを示す。事実上、電流波形は方形波である。整流を行う少し前に追加のパルスが付加される。換言すれば、電流方向の反転を行。これにより、光強度プロファイルがパルスピークに関連してほぼ一様となる。
【００３４】
図３ａは、時間毎の光強度プロファイルと、例証した期間における連続した２つの画像記録１、２とを示す。これは、画像記録１の期間における光強度パルス又はピークと、画像記録２の期間における２つのピークを明瞭に示す。このため、２つの連続した画像における光強度は異なる。
【００３５】
図３ｂは、時間毎の２つの画像記録と類似の光強度プロファイルを示す。これは、第１画像記録１の期間内には光強度パルス又はピークがなく、第２画像記録２の期間内には１つのピークが存在することを明瞭に示している。この場合にも、２つの連続した画像記録の光強度は異なる。
【００３６】
図４ａは、やはり２つの連続した画像記録についての、時間毎の光強度プロファイルを図を示す。しかしながら、ここでは、各画像記録の露光時間と画像記録の開始時間を、時間毎の光強度プロファイルと一致させることで、画像記録をアークランプの光強度と同期させる。
【００３７】
これは、２つの画像記録１、２のそれぞれで、各期間に1つのピークが存在することを明瞭に示している。このため、それぞれの画像記録の光強度を相互に対して比較することができる。
【００３８】
図４ｂは、２つの画像記録１、２に伴う時間毎の光強度プロファイルのグラフを示す。この場合、画像記録は、アークランプ４の電流波形を整流する前に付加されたパルスと同時に開始する。この場合、それぞれの画像記録の期間は、常に、次の整流が開始される前に画像記録が完了するように選択される。
【００３９】
例えば、整流前にアークランプの電流波形に付加された電流パルスを使用して同期が実施される。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】物体の３次元光学測定を行う装置の図を示す。
【図２】整流の少し前に追加のパルスを有する方形波電流波形を設けた、アークランプの電流波形／光強度プロファイルを概略的に示す。
【図３】光強度プロファイル及び画像記録と、異なる露光回数毎のトリガされていない照明時間とを示す略図である。
【図４】光強度プロファイル及び画像記録と、異なる露光回数毎のトリガされた照明時間とを示す略図である。
【符号の説明】
【００４１】
１…装置、２…物体、３…プロジェクタ、４…アークランプ、５…画像記録ユニット、６…画像評価ユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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