(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元の整形体（２０）を監視するシステム（１０）に於て、
格子パターンを持つ３次元の整形体（２０）のモデル（１４）を作成する計算機（１２）と、
格子パターンの計算機によって作成されたモデル（１４）の画像を投影する第１の投影器（１６）と、
格子パターンの計算機によって作成されたモデル（１４）の画像を投影する第２の投影器（１８）と
を有し、
第１の投影器（１６）及び第２の投影器（１８）は重なり合う投影空間を持ち、
更に、格子パターンの計算機によって作成されたモデル（１４）の画像を実時間で第１の投影器（１６）及び第２の投影器（１８）に対して変換する手段（１２）を有していて、
前記変換する手段（１２）は、第１の投影器（１６）及び第２の投影器（１８）から投影される画像に対し、格子パターンの計算機によって作成されたモデル（１４）上の４つのデータ（Ｐ’１、Ｐ’２、Ｐ’３、Ｐ’４）点並びに整形体（２０）の現物上の対応する４つのデータ点（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４）を任意に選択し、Ｔ１をモデル（１４）の空間Ｘｍから現物空間の変換、Ｔ２を現物空間から各投影器（１６、１８）の空間Ｘｉへの変換として、前記現物上の４つのデータ点及び格子パターンのモデル（１４）の４つのデータ点の対応するデータ点の組（Ｐ１及びＰ’１、Ｐ２及びＰ’２、Ｐ３及びＰ’３、Ｐ４及びＰ’４）のそれぞれについて、Ｘｉ＝Ｔ２×Ｔ１×Ｘｍを解くことにより、各投影器（１６、１８）の空間Ｘｉにおける対応する画像となるように、格子パターンの計算機によって作成されたモデル（１４）を変換して、格子パターンの計算機によって作成されたモデル（１４）と整形体（２０）の現物との間で座標変換を行ない、格子パターンの計算機によって作成されたモデル（１４）上にある個々のデータ点を第１の投影器（１６）及び第２の投影器（１８）に写像し、格子パターンの計算機によって作成されたモデル（１４）の画像を第１の投影器（１６）及び第２の投影器（１８）から整形体（２０）の現物に投影することを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記変換する手段が座標変換から変換行列を導き出す請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
第１の投影器及び第２の投影器が何れも、光ビームを放出する光源と、前記光ビーム並びに格子パターンの計算機によって作成されたモデルの画像を受取る投影段と、格子パターンの計算機によって作成されたモデルの画像を整形体の現物に差向ける光学手段とで構成されている請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項４】
格子パターンを持つ３次元の整形体（２０）のモデル（１４）を作成する計算機（１２）と、格子パターンの計算機によって作成されたモデル（１４）の画像を投影する第１の投影器（１６）と、格子パターンの計算機によって作成されたモデル（１４）の画像を投影する第２の投影器（１８）とを有すると共に前記第１の投影器（１６）及び第２の投影器（１８）が重なり合う投影空間を持つシステム（１０）を用いて、３次元の整形体（２０）を監視する方法であって、
第１の投影器（１６）及び第２の投影器（１８）から投影される画像に対し、格子パターンの計算機によって作成されたモデル（１４）上の４つのデータ点（Ｐ’１、Ｐ’２、Ｐ’３、Ｐ’４）並びに整形体（２０）の現物上の対応する４つのデータ点（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４）を任意に選択し、
Ｔ１をモデル（１４）の空間Ｘｍから現物空間の変換、Ｔ２を現物空間から各投影器（１６、１８）の空間Ｘｉへの変換として、前記現物上の４つのデータ点及び格子パターンのモデル（１４）の４つのデータ点の対応するデータ点の組（Ｐ１及びＰ’１、Ｐ２及びＰ’２、Ｐ３及びＰ’３、Ｐ４及びＰ’４）のそれぞれについて、Ｘｉ＝Ｔ２×Ｔ１×Ｘｍを解くことにより、各投影器（１６、１８）の空間Ｘｉにおける対応する画像となるように、格子パターンの計算機によって作成されたモデル（１４）を変換して、格子パターンの計算機によって作成されたモデル（１４）と整形体（２０）の現物との間で座標変換を行ない、
格子パターンの計算機によって作成されたモデル（１４）上にある個々のデータ点を第１の投影器（１６）及び第２の投影器（１８）に写像し、格子パターンの計算機によって作成したモデル（１４）の画像を第１の投影器（１６）及び第２の投影器（１８）から整形体（２０）の現物に実時間で投影する
ことを含む、方法。
【請求項５】
前記変換するときに座標変換から変換行列を導き出すことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記任意に選択される整形体（２０）の現物上の４つのデータ点として、マークを付けられた４つのデータ点を選択することを特徴とする請求項４又は５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
この発明は全般的に３次元の整形体を測定並びに監視する事、更に具体的に云えば、整形体の計算機モデルの投影を用いて、３次元の整形体を測定並びに監視する事に関する。
【０００２】
【発明の背景】
ゲージ及びダイアル指示計器は、簡単な形をした物体を測定するのに使われてきた伝統的な道具である。然し、ゲージ及びダアヤル指示計器は、複雑な３次元の整形体を測定するのにあまり役立たない。注文製の形板が、複雑な３次元の整形体を測定するために使われてきた１形式の道具である。注文製の形板は、整形体の断面形を調べる事により、３次元の複雑な整形体を測定する。注文製の形板を使って複雑な３次元の整形体を測定する事に伴う問題は、形板が高価である事があり、整形体を測定して結果を解釈するには、相当の腕を必要とする事である。計算機制御の座標測定機（ＣＣＭ）は、複雑な３次元の整形体を測定するために使われてきた別の形式の道具である。ＣＣＭは、整形体の寸法を測定する事により、複雑な３次元の整形体を測定する。特に、ＣＣＭは、機械的なプローブ又はレーザ距離検出器を使って、物体を探査して座標を記録するようにプログラムされている。典型的には、ＣＣＭは長ったらしいプログラミング、探査サイクル及び設定を必要とする。こういう制約のために、加工、整形又はその他のプロセスの設備に取付けられるプロセス上の部品を測定並びに監視するのにＣＣＭを使う事は出来ない。プロセス上の部品をプロセスから取外し、この部品を測定するようにＣＣＭを設定し、部品を再びプロセスに戻して装填するのに費やされる時間のため、製造の作業の流れが中断されて手に負えない。投影モアレ・システムは、プロセス上の部品の測定並びに監視に使われてきた一形式の道具である。こういうシステムでは、プロセス上の部品の格子画像がフィルムに記録され、部品と画像の間の違いが一連のモアレ縞となってフィルム上に現れる。然し、プロセス上の部品の測定並びに監視に投影モアレ・システムを使う事に伴う問題は、こういうシステムは、プロセス上の部品の現物で、このフィルム上の違いを直接的に目に見えるようにする事が出来ない事である。従って、特に従来の接触型の測定道具又は投影モアレ・システムを使うのが現実的でないような製造プロセスで、３次元の整形体を直接的に測定並びに監視するための更に良い道具の必要がある。
【０００３】
【発明の要約】
この発明は、３次元の整形体の計算機モデルの投影を使う事により、従来の接触型測定道具及び投影モアレ・システムによる制約を乗り越える。計算機モデルは、計算機支援設計（ＣＡＤ）データか、又はＸ線或いは磁気共鳴作像（ＭＲＩ）装置から得られる３次元の計算機式断層写真法（ＣＴ）の画像データのようなその他のディジタル化した形式を使う事により、数式の形で作成されるのが典型的である。この発明では、３次元の整形体の計算機モデルが複数個の格子パターンの形をしている。格子パターンの計算機モデルの画像が、２つの投影器により、２つの方向から同時に物体の現物上に投影される。計算機モデルと物体の現物との間に変化があれば、その変化は、格子パターンの計算機モデルの画像の２つの投影の干渉パターンにより、直接的に物体上で強調される。物体の現物上の干渉パターンの数を計数する事により、この変化が定量化される。この発明は、加工作業並びに複合組合わせ作業のような製造プロセスに特に適しており、そういう場合、作業の流れを中断せずに、変化を素早く検出して是正する事が出来る。この発明は外科手術にも良く適している。その場合、内部器官の画像を直接的に手術の場所で投影し、手術を行う医師の助けとして使う事が出来る。
【０００４】
従って、この発明では、３次元の整形体を監視する方法とシステムが提供される。この発明では、計算機によって、３次元の整形体のモデルを作成する。３次元の整形体のモデルは複数個の格子パターンを持っている。第１の投影器が格子パターンの計算機によって作成されたモデルの画像を投影する。第２の投影器が、格子パターンの計算機によって作成されたモデルの画像を投影する。第１の投影器及び第２の投影器は重なり合う投影空間を有する。変換手段が、実時間で、格子パターンの計算機によって作成されたモデルの画像を第１の投影器及び第２の投影器に対して変換する。この変換手段は、格子パターンの計算機によって作成されたモデル上にある個々のデータ点を突き止め、これらのデータ点を第１の投影器及び第２の投影器に写像する事によって、画像を第１の投影器及び第２の投影器に対して変換し、格子パターンの計算機によって作成されたモデルの画像が、第１の投影器及び第２の投影器から物体の現物上に投影される。第１の投影器及び第２の投影器から投影された、格子パターンの計算機によって作成されたモデルの画像を物体の現物と比較する。その後、現物上の、格子パターンの計算機によって作成されたモデルの投影された画像の間の変化があれば、それを判定する。
【０００５】
【発明の詳しい説明】
図１はこの発明による３次元の整形体を測定並びに監視するシステム１０を示す。システムは、３次元の整形体の計算機モデル１４を作成する計算機１２を含む。３次元の整形体のモデルは、その物体の幾何学的な情報を含んでいて、複数個の格子パターンの形をしている。格子パターンのモデルは、ＩＧＥＳファイルのような商業的な標準の計算機支援設計（ＣＡＤ）データに基づいている。格子は、モデルの表面と一連の平行な平面とを交差させる事によって、計算機に取込む。計算機が、格子パターンのモデルを、重なり合う投影空間を持つ第１の投影器１６及び第２の投影器１８に対して変換する。格子パターンの計算機モデルの画像が、３次元の整形体の現物２０上に、第１の投影器１６及び第２の投影器１８から同時に投影される。現物２０上にある特徴２２（即ち、面、縁など）の形状が、計算機モデルと同じであれば、第１の投影器１６及び第２の投影器１８からの投影が、その特徴と一致する。然し、第１の投影器１６及び第２の投影器１８からの投影が特徴２２と一致しないと、夫々第１の投影器及び第２の投影器からの投影２４及び２６が互いに干渉すると共に、現物上に直接的にある特徴と干渉する。特徴２２が計算機モデル１４と異なる区域が、干渉のパターン又は輪郭となって現れる。計算機モデルと現物上の特徴との間の違いが、干渉パターンの数を計数する事によって定量化される。
【０００６】
第１の投影器１６及び第２の投影器１８の両方が、ネットワーク２８を介して計算機１２に接続され、現物２０上に重なり合う投影空間を持つように設定される。第１の投影器１６及び第２の投影器１８は何れも、光ビームを放出する光源３０と、光ビームを受取り、計算機１２からの格子パターンのモデルの画像を現物２０上に転写する投影段３２と、格子パターンの計算機モデルの画像を現物上の特徴２２に差向ける光学手段３４（即ち、レンズ及び鏡のような一連の光学的な装置）とを有する。計算機によって作成されたモデルが格子を持たない場合、各々の投影器は格子パターンを持つモデルを投影するために格子スクリーンを持っていて良い。この発明では、投影器は計算機制御のレーザ・スキャナ又はオーバヘッド・プロジェクタのような光学装置であって良い。計算機制御のレーザ・スキャナを使う場合、投影段３０は光結晶ダイオード（ＬＣＤ）パネルであって良い。オーバヘッド・プロジェクタを使う場合、投影段は平坦な透明スライドであって良い。この発明は計算機制御のレーザ・スキャナに制限されるものではなく、光放出ダイオード（ＬＥＤ）パネル、陰極線管（ＣＲＴ）、不透明な投影器、又は写真スライド・フォルダのようなこの他の計算機制御の装置を使う事が出来る。更に、この発明はオーバヘッド・プロジェクタに制限されるものではなく、スライド投影器のようなこの他の光学装置を使う事が出来る。どの光学装置を使うかに関係なく、プリンタ又はプロッタを使って、格子パターンのモデルのグラフ式ハードコピーを作成し、透明陽画として使う。
【０００７】
この発明では、現物２０は何ら特別の設定或いは格子パターンの計算機によって作成されたモデル１４との位置合せを必要としない。特に、格子パターンの計算機によって作成されたモデル１４及び現物が、計算機１２によって実時間で行われる空間変換によって結合される。この変換では、格子パターンのモデル上にある個々のデータ点が第１の投影器１６及び第２の投影器１８に写像され、格子パターンのモデルの画像が両方の投影器から現物２０の特徴上に投影されるようにする。この空間変換が図２に示す統一座標系を用いる。
【０００８】
【数１】
0004137225.tif 000002
【０００９】
【数２】
0004137225.tif 000003
【００１０】
行列の乗算を実施すると次の４つの方程式が得られる。
ａ11ｗ1ｘ1＋ａ12ｗ1ｙ1＋ａ13ｗ1ｚ1＋ａ14ｗ1＝ｗ1′ｘ1′
ａ21ｗ1ｘ1＋ａ22ｗ1ｙ1＋ａ23ｗ1ｚ1＋ａ24ｗ1＝ｗ1′ｙ1′
ａ31ｗ1ｘ1＋ａ32ｗ1ｙ1＋ａ33ｗ1ｚ1＋ａ34ｗ1＝ｗ1′ｚ1′
ａ41ｗ1ｘ1＋ａ42ｗ1ｙ1＋ａ43ｗ1ｚ1＋ａ44ｗ1＝ｗ1′
同様にＰ2及びＰ2′と、Ｐ3及びＰ3′と、Ｐ4及びＰ4′に対し、下に示すように、更に１２個の方程式が得られる。
【００１１】
ａ11ｗ2ｘ2＋ａ12ｗ2ｙ2＋ａ13ｗ2ｚ2＋ａ14ｗ2＝ｗ2′ｘ2′
ａ21ｗ2ｘ2＋ａ22ｗ2ｙ2＋ａ23ｗ2ｚ2＋ａ24ｗ2＝ｗ2′ｙ2′
ａ31ｗ2ｘ2＋ａ32ｗ2ｙ2＋ａ33ｗ2ｚ2＋ａ34ｗ2＝ｗ2′ｚ2′
ａ41ｗ2ｘ2＋ａ42ｗ2ｙ2＋ａ43ｗ2ｚ2＋ａ44ｗ2＝ｗ2′
ａ11ｗ3ｘ3＋ａ12ｗ3ｙ3＋ａ13ｗ3ｚ3＋ａ14ｗ3＝ｗ3′ｘ3′
ａ21ｗ3ｘ3＋ａ22ｗ3ｙ3＋ａ23ｗ3ｚ3＋ａ24ｗ3＝ｗ3′ｙ3′
ａ31ｗ3ｘ3＋ａ32ｗ3ｙ3＋ａ33ｗ3ｚ3＋ａ34ｗ3＝ｗ3′ｚ3′
ａ41ｗ3ｘ3＋ａ42ｗ3ｙ3＋ａ43ｗ3ｚ3＋ａ44ｗ3＝ｗ3′
ａ11ｗ4ｘ4＋ａ12ｗ4ｙ4＋ａ13ｗ4ｚ4＋ａ14ｗ4＝ｗ4′ｘ4′
ａ21ｗ4ｘ4＋ａ22ｗ4ｙ4＋ａ23ｗ4ｚ4＋ａ24ｗ4＝ｗ4′ｙ4′
ａ31ｗ4ｘ4＋ａ32ｗ4ｙ4＋ａ33ｗ4ｚ4＋ａ34ｗ4＝ｗ4′ｚ4′
ａ41ｗ4ｘ4＋ａ42ｗ4ｙ4＋ａ43ｗ4ｚ4＋ａ44ｗ4＝ｗ4′
【００１２】
【数３】
0004137225.tif 000004
【００１３】
変換行列は、従来のシステムで必要であったように、格子パターンのモデル内にあるモデルの個別の特徴又はその他の幾何学的な画像の特性の場所を精密に整合させ且つ設定するという時間のかかる工程をなくす。
システム１０の設定は、２台の投影器の動作範囲内に現物２０を配置する事によって行われる。必要であれば、第１の投影器１６及び第２の投影器１８の両方にある光学手段３４を調節して、現物が２台の投影器からの投影の被写界深度内に位置決めされるようにする。特に現物上の４点（Ｐ1、Ｐ2 、Ｐ3 、Ｐ4）は、確認しやすいように選択し、マークを付ける。
【００１４】
【数４】
0004137225.tif 000005
【００１５】
現物２０の形状が格子パターンの計算機モデルの形状と同じであれば、第１の投影器１６及び第２の投影器１８から投影された２つの画像が、現物上で正確に重畳される。そうでなく、現物と格子パターンのモデルが異なっていれば、第１の投影器１６及び第２の投影器１８の両方から投影された画像が互いに干渉する。第１の投影器１６及び第２の投影器１８からの格子パターンのモデルの投影の間に干渉があると、計算機モデルと現物との間の違いが強調される。図４は、第１の投影器及び第２の投影器からの、ファンの羽根のような現物の特徴に対する格子パターンの計算機モデルの投影を示す。この投影は、密実なモデルの表面を現物上の１組の並行で等間隔の平面で切断する事によって作成された一連の曲線の形をしている。投影Ａは、第１の投影器１６からの格子パターンのモデルの投影であり、投影Ｂは、第２の投影器１８からの格子パターンのモデルの投影である。投影Ａ及びＢが格子パターンの同じモデルに基づいているが、図４に示した違いは、現物２０の特徴２４上での第１の投影器１６及び第２の投影器１８の投影角度の違いによるものである。
【００１６】
図５は、第１の投影器１６及び第２の投影器１８からの投影の光の格子が現物２０の表面で出会う事を示している。この発明では、第１の投影器１６及び第２の投影器１８からの投影の光の格子の干渉は、格子パターンの計算機モデルがどのくらい良く現物の表面と合っているかを示す。格子パターンの計算機モデル１４が現物の表面と異なる区域が、図５では周期的な構造的な干渉パターン３６として示されている。干渉の周期的な構造的なパターンが、現物の表面上では輪郭の形で現れる。こういう輪郭は、現物２０の表面上での第１の投影器１６及び第２の投影器から投影された光格子の組合わせの結果である。図６は、輪郭を持つ現物上に投影された画像の一例を示す。図６で、現物の特徴は、いくつかの輪郭パターンがある特徴の中心を除いて、格子パターンの計算機モデルと同じである。
【００１７】
格子パターンのモデルと現物との間の変化は、格子パターンの計算機モデルに対する現物の距離に基づいている。格子パターンの計算機モデルの投影が、モデルを１組の平行で等間隔の平面と交差させる事によって作成された一連の曲線の形である場合、モデルと現物との間の距離は、一方の投影器の方向を交差平面と平行に定める事によって決定する事が出来る。格子パターンの計算機モデルと現物の表面上の輪郭との間の距離は次のように決定される。
【００１８】
δ＝ｎλ ／ｔａｎ  α                               （５）
ここで、δは現物の表面上の輪郭の上にある点からの距離、αは第１の投影器及び第２の投影器の間の角度、λは２つの平行平面の間の距離であり、ｎは輪郭の数を表す整数（即ち１、２、３、．．．）である。一般的に、システム１０は第１の投影器及び第２の投影器の間の角度αが一定と仮定されるように設定される。従って、格子パターンのモデルと現物との間の変化は、現物の表面上の干渉パターン又は輪郭の数を計数する事によって定量化される。システムの分解能は、平行平面の距離λを変える事により、又は第１の投影器及び第２の投影器の間の角度αを調節する事によって、調節する事が出来る。
【００１９】
現物の特徴が格子パターンの計算機モデルと異なる場合、モデルが現物に等しくなるか或いは受け入れられる限界内になるまで、現物を修正する事が出来る。この発明では、第１の投影器１６及び第２の投影器１８から投影された画像の間の干渉パターンが、現物の表面からなくなるまで、現物を修正する。例えば、加工の製造プロセスでは、観察された変化を計算機制御の機械に入力し、この機械が生産の変動を補償する。現物上に投影された輪郭の数が受け入れられる限界内になるまで、加工の変化を手作業で是正する事も可能である。何百もの層を手作業でトゥーリング・マシン上に配置する複合組合わせのような組立作業では、前に述べた従来のＣＭＭ方式に頼らずに、この発明によって、オペレータによる変化又は材料による変化を素早く修正する事が出来る。この発明は種々の外科手術にも適しており、内部器官の画像を再生して、皮膚又はその他の組織の可視層に投影する時、医師が「皮膚を通して」人体を視る助けにする事が出来る。その結果、外科又はその他の中間の手順を一層精密に計画し且つ実施する事が出来、こういう計画を手術の場所で直接的に投影する事が出来る。この例ではＭＲＩ又はＣＴのような作像源で発生された空間データを計算機で作成したモデルの代わりに直接的に使う事が出来る。格子パターンは計算機により、又は投影スクリーンを使う事によって形成する事が出来る。
【００２０】
従って、この発明により、前に述べた目的並びに利点を十分に満たす物体の計算機モデルの投影を用いて３次元の整形体を測定並びに監視するシステムと方法が提供された事は明らかであろう。この発明をいくつかの実施例について説明したが、この発明の範囲を逸脱する事なく、当業者には種々の変更が可能であることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に従って３次元の整形体を測定並びに監視するシステムの図。
【図２】この発明で投影変換を実施するために使われる統一座標系の図。
【図３】この発明で使われる二重投影システム内の一方の投影器に対して、格子パターンの計算機モデルを現物と整合させる事を示す図。
【図４】この発明の二重投影システムで第１の投影器及び第２の投影器から格子パターンの計算機モデルを投影する事を示す図。
【図５】第１の投影器及び第２の投影器から現物の表面上に投影された光格子の干渉を示す図。
【図６】第１の投影器及び第２の投影器から現物上に投影された輪郭を持つ画像の例を示す。
【図１】
0004137225.tif 000006
【図２】
0004137225.tif 000007
【図３】
0004137225.tif 000008
【図４】
0004137225.tif 000009
【図５】
0004137225.tif 000010
【図６】
0004137225.tif 000011