测量方法、测量装置、测量程序以及记录有测量程序的计算机可读记录介质的制作方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种能够以非接触方式，且高速、高精度地对大型构造物或工业制品、 片状构造物、人体或动植物、自然造型物等具有三维表面形状的测定对象物的表面的三维 形状进行测量的三维形状测量装置。此外，也可以使用于非接触的振动面位置测量或位移 分布测量。
【背景技术】
[0002] 将格子图案投影到测量对象物上，通过求出对投影到测量对象物上的格子图案进 行拍摄而得的格子图案图像的每个像素的相位，进行三维形状测量的格子投影法是公知 的。
[0003] 图6是表示基于一维格子投影法的形状测量装置的光学系统的例子。
[0004] 其是相对于基准面，照相机镜头的中心和投影仪的光源的高度相同，照相机拍摄 面和格子面与基准面平行的莫尔拓扑法的光学系统。在莫尔拓扑法中，在图6的W位置能够 将白线作为等高线进行拍摄，在B的位置能够将黑线作为等高线进行拍摄。
[0005] 在格子投影法中，通过对格子的相位进行解析而能够高精度地对其变形进行解 析，能够高精度地测量面外变形和三维形状。作为现有的相位解析法，使用相移法或傅里叶 变换法。
[0006] 现有技术文献
[0007] 非专利文献
[0008] 非专利文献1:新井泰彦，倉田忠雄，縞走査干渉計(7)手法K上?高速如Ο高精度 疔乇7 、、歹 7，法，光学，Vol. 15，Νο· 5,402-406(1986) ·
[0009] 非专利文献2:森本吉春，藤垣元治，米山聡:Ρ法·格子法匕上0形状?变形 計測幻最近(7)研究，非破壊検査，52-3(2003)，116-121.
[0010] 非专利文献3:李志遠，森本吉春，藤垣元治，f ^ ^夕、'壬7レ法Κ上§構造物 仍非接触变位分布計測.日本工業出版検査技術，14(5)，（2009)，1-6
[0011 ] 非专利文南犬4:Takeda，M.and Mutoh，K.，Fourier transform profilometry for the automatic measurement of 3-D object shapes，Applied Optics，22-24，3977-3982 (1983).
[0012] 非专利文献5 :Morimoto，Y ·，Seguchi，Y · and Higashi，T ·，Two-dimensional Moire Method and Grid Method Using Fourier Transform Experimental Mechanics, Vol.29, No.4,399-404(1989).
[0013] 非专利文献6:藤垣元治，森本吉春，全空間亍一罗少化手法格子投影三次 元形状計測，実験力学，8-4，92-98 (2008) ·
【发明内容】
[0014] 发明要解决的课题
[0015] 在格子投影法和莫尔法中，通过对格子的相位进行解析，能够高精度地解析对象 的变形，能够进行面内变形和三维形状的高精度的测量(非专利文献1、2)。作为现有的相位 解析法，使用相移法或傅里叶变换法。其中，采样莫尔法(非专利文献3)和傅里叶变换法(非 专利文献4、5)能够通过1幅图像对相位进行解析，因此对运动物体等的解析有用。
[0016] 为了实时测量运动物体，需要高速地进行计算，尽量通过较少的图像数据进行相 位计算为较佳。然而，采样莫尔法使用2个周期的数据来进行相位计算，傅里叶变换法使用 所有像素的数据来进行相位解析，无法通过较少的图像数据进行运动图像中的测量。
[0017] 用于解决课题的手段
[0018] 本发明是通过傅里叶变换等对格子1个周期量的图像数据解析相位的新的格子投 影法。由此，能够根据1幅图像高速地解析相位分布，也能够进行运动图像的解析。
[0019]发明效果
[0020] 本发明的特征如以下所示。
[0021] (1)因为是基于相位解析的测量，因此精度良好。
[0022] (2)能够通过1幅图像进行相位解析，因此能够进行运动物体的形状测量。
[0023] (3)通过傅里叶变换仅提取频率1，因此也可以不投影具有准确的余弦波的亮度分 布的格子。
[0024] (4)此外，通过傅里叶变换仅提取频率1，因此能够自动地删除在高频部分出现的 噪声，因此抗噪性强。
[0025] (5)处理简单，能够高速地进行处理。
[0026] (6)计量长度为N像素，比采样莫尔法短。一般，计量长度也比数字图像相关法短。
[0027] (7)在采样莫尔法中，通过直线插补生成了莫尔条纹，但本发明与余弦波取得了相 关，因此精度更尚。
【附图说明】
[0028]图1是莫尔拓扑法的光学系统的说明图。
[0029] 图2A是照相机拍摄面的1个像素看到的物体的相位与基准面的相位的关系的说明 图。
[0030] 图2B是照相机拍摄面的1个像素看到的物体的相位与基准面的相位的关系的说明 图。
[0031] 图3是实施例1的装置整体的结构。
[0032] 图4是映照到照相机拍摄面的格子的影像。
[0033]图5A是格子的处理顺序。
[0034]图5B是格子的处理顺序。
[0035]图5C是格子的处理顺序。
[0036]图6是格子投影法的光学系统(莫尔拓扑法）。
【具体实施方式】
[0037]本发明是通过照相机拍摄物体面的格子并进行解析、测量的方法。不仅可以测量 物体面的高度来测量物体面形状，而且也可以通过用照相机拍摄设置于物体面的格子花纹 来测量物体面的横向位移。
[0038]首先，对测定原理进行说明。
[0039]〈光学系统和坐标〉
[0040]图1、2表示形状测量装置的格子投影机构和测量对象物的说明用概要图。
[0041]首先，在图1中进一步说明莫尔拓扑法的光学系统。
[0042] L表示光源位置，V表示照相机镜头的中心。格子位于从光源位置L起距离d的位置， 1个周期的宽度为P。
[0043]在该光学系统中，相对于基准面，照相机镜头的中心V和投影仪的光源L的高度相 等，照相机拍摄面和格子面与基准面平行。
[0044]物体面位于从光源L离开距离zl的位置，基准面位于从光源L离开距离z2的位置， 格子面位于从光源L离开d的位置。格子面与基准面平行，描绘了周期为p的等间隔的一维格 子线。光源使用点光源，但也可以使用与格子线平行的1行线光源。
[0045] 将包含光源L且与基准面平行的面称为光源面。为了说明，将光源设为原点，取X、 y、z坐标，将与基准面垂直的方向设为z方向。在图1中，下方为z方向的正向。
[0046] 与描绘在格子面上的格子线垂直的方向为X方向，与格子线平行的方向为y方向。 照相机镜头的中心位于光源面内，在X方向离光源L有距离v。照相机拍摄面与基准面和格子 面平行，照相机拍摄面的像素坐标(i，j)的i方向、j方向分别与X方向和y方向一致。
[0047]在该光学系统中，不论物体面和基准面为怎样的高度，照相机拍摄面中的格子1个 周期的图像是相同宽度。因此，若设定成将格子的1个周期映照到数字照相机拍摄面的N像 素中，则无论物体面和基准面为怎样的高度，都将格子1个周期的图像映照到N像素中。若通 过图1说明该现象，则如以下所示。
[0048] 投影的格子1个周期的影子在物体面内为xl，在基准面内为x2。离光源面的距离在 物体面内为zl，在基准面内为z2,在照相机拍摄面内为z3,在格子面内为d。
[0049] 格子1个周期p的影子在物体面内成为对p进行zl/d倍运算而得的xl，在基准面内 成为对P进行z2/d倍运算而得的x2。照相机拍摄面中的大小x4是对xl进行z3/zl倍运算而得 的大小，x5是对x2进行z3/z2倍运算而得的大小，因此x4和x5都是p的z3/d倍。即，映照到照 相机拍摄面的格子的1个周期的大小根据从光源面到格子的距离与从照相机镜头的中心到 照相机拍摄面的距离的比来决定，不会被到物体面或基准面的距离影响。
[0050] 因此，映照到照相机拍摄面的格子的数量始终与照相机拍摄面的像素数成正比， 捕捉格子1个周期的像的照相机的传感器像素数不依赖于测量对象物体的高度而恒定。即， 若设定成将格子1个周期映照到N像素，则在连续的N像素中始终映照有格子1周期量。
[0051] 另一方面，在图1中，如根据x4和x5的位置的偏差判断出的那样，若到物体面或基 准面的距离变化，则格子映照到照相机拍摄面的位置变化。换言之，根据从基准面到物体面 的高度，映照到照相机拍摄面的像素的格子的相位发生变化。
[0052] 根据以上，若进行相位解析，则能够求出其高度。即，若对N像素进行傅里叶变换， 提取具有最大功率谱的频率1，并求出该频率1的相位，则能够测量物体面等的高度。此外， 在进行实际的测定时，也能够根据光学系统预先设定所述频率，根据求出该预先设定的频 率的相位测量物体面等的高度。
[0053] 另外，如上所述，优选的是对镜头的放大率进行调整，以使投影到基准面的格子1 个周期成为数字照相机的N像素。
[0054] 接着，使用图2对求出从基准面到物体面的高度的方法进行说明。
[0055]图2A是对图2B的上部进行放大而得的图。
[0056] 首先，使照相机镜头的中心V位于X轴上的坐标(v，0,0)的位置。即，照相机镜头的 中心V离光源L有距离V。在基准面的点R映照的照相机拍摄面的像素，当放置物体时映照物 体面的点S。在图2中示出了通过该像素和点S、点R的线作为照相机视线。将物体面中的点S 垂直地投影到z轴的点设为点B，将基准面中的点R垂直地投影到z轴的点设为点I。此外，将 从光源的位置L向点R的光通过格子面的点设为点Q，将从光源的位置L向点R的光横切从物 体面的点S垂直地投影到z轴的线的点设为点P。并且，将从光源的位置L向点S光通过格子面 的点设为点G。将z轴和格子面的交点设为点C。点E是格子的原点，将点C与点E之间的距离设 为e。然后，将点I与点B之间的距离，即从基准面到物体面的高度设为h。
[0057] 〈投影格子的相位〉
[0058] 当前，位于z = d的格子的透射率分布Ig是余弦波状，由下式表示。