JP2005106820A - 光沢面測定のための協調偏光 - Google Patents

Abstract

【課題】 光沢面を有する物体（１０６）を走査するための光学計測システムを提供する。
【解決手段】 光学計測システムは、物体の表面に向かって構造化光パターン（Ｌ）を放射するように構成され且つ適合された少なくとも１つの光源（１０２）と、光パターンが通過するように光源と物体との間に配置され、光パターンの偏光面及び偏光角のうちの少なくとも一方を変化させるように構成され且つ適合された少なくとも１つの第１の偏光子（１０８）と、物体の画像を撮影するように構成され且つ適合された少なくとも１つのカメラ（１２４ａ〜１２４ｃ）と、カメラと物体との間に配置され、固定された向きを有する少なくとも１つの第２の偏光子とを含む。
【選択図】 図４

Description

本発明は光学計測システム及びその方法に関し、特に、センサ及び／又は走査されるべき物体が走査プロセスを実行しているときに同時に偏光角が変化するように、照明ビームの協調偏光を行う新規な光学計測システム及びその使用方法に関する。

光学的計測においては、相互反射（すなわち、二重はね返り反射又は二次反射）が光沢のある物体の表面測定に重大な問題を引き起こしている。凹面の間又は互いにほぼ直角に位置している表面の組み合わせの間に起こりうる鏡面反射のために、真の望ましいレーザー線が相互反射線によって掩蔽されることが多い。そのような掩蔽が起こるために、最初に表面を散乱性の高い材料（例えば、粉末など）で被覆することなく、あるいは、最初に次反射及び／又は鏡面反射を発生する領域に向かう光を阻止するために特定部品用マスク又は特定レーザー線向けマスクを配置することなく、複雑な表面構造を持つ光沢面を測定することは非常に困難になる。

相互反射がないように散乱性の高い材料で走査されるべき面を被覆すること、又は相互反射がないように個別の領域を別個に被覆するためにマスクを使用することにより、走査／検査プロセスに過程が追加されることになり、その結果、検査プロセスと関連する費用が増大し、検査プロセス全体の速度も低下する。

従って、相対的に光沢のある面を測定（すなわち、走査、検査など）するための改善されたシステム及び方法が必要とされている。

本開示は、光沢面を有する物体を走査するための光学計測システムを提供する。本開示の１つの面によれば、光学計測システムは、物体の表面に向かって構造化光パターンを放射するように構成され且つ適合された少なくとも１つの光源と、光パターンが通過するように光源と物体との間に配置され、光パターンの偏光面及び偏光角のうちの少なくとも一方を変化させるように構成され且つ適合された少なくとも１つの第１の偏光子と、物体の画像を撮影するように構成され且つ適合された少なくとも１つのカメラと、カメラと物体との間に配置され、固定された向きを有する少なくとも１つの第２の偏光子とを含む。

本開示の別の面によれば、光沢面を有する物体に対して光学的計測を実行する方法が提供される。方法は、光学計測システムを設ける過程を含む。光学計測システムは、物体に向かって光パターンを放射する少なくとも１つの光源と、光源と物体との間に動作自在に配置され、光パターンの偏光面及び偏光角のうちの少なくとも一方を変化させることが可能である少なくとも１つの第１の偏光子と、物体の画像を捕捉する少なくとも１つのカメラと、カメラと物体との間に固定配置された少なくとも１つの第２の偏光子とを含む。方法は、第１の偏光子を通して物体の表面に向かって光パターンを放射する過程と、第１の偏光子を回転させる過程と、カメラを使用して、画像が第２の偏光子を通して捕捉されるように、物体の少なくとも１つの画像を捕捉する過程とを更に含む。

本発明の上記の特徴及び利点は添付の図面と関連して提示される以下の詳細な説明を検討することにより明白になるであろう。図面中、いくつかの図を通して同じ要素は同じ図中符号により指示される。

分析的観点から見ると、光は粒子又は波として概念化できるであろう。しかし、二重反射及び／又は相互反射の問題を検討する場合、光の波に似ているという面を考えるのが有用である。従って、光が波として進むと仮定すると、正面から見たとき、光の光子は１つの特定の平面を進む。すなわち、光子は上下、左右又はその間の任意の角度を成して進む。それらの特定の平面を「偏光角」という。光子の群は、いずれも、様々に異なる偏光角の無作為の組み合わせを有することができる。当該技術においては知られているように、光子の偏光角を整列させることができるいくつかの事象があり、あるいは、例えば、偏光レンズの使用によってある偏光角を有する光子を除外させることもできる。

まず、図１〜図３を参照すると、反射面又は光沢面を有する物体を走査するための、従来の技術に従った光学計測システムがその全体を図中符号１０により示されている。図１〜図３に示すように、光学計測システム１０は、少なくとも１本のレーザービーム「Ｌ」を送り出すように構成され且つ適合された少なくとも１つのレーザー源１２（例えば、ダイオードレーザー）を含む。レーザービーム「Ｌ」は円筒形棒レンズ１４によりコリメートされ、ストライプ「Ｓ」として拡張された後、観測（例えば、走査）されるべき物体１６の表面に投射される。第１の直線偏光子１８は、偏光面及び／又は偏光角を制御するために、コリメータ光学系２０と棒レンズ１４との間に配置されている。特に、少なくとも１つの光源１２、好ましくはレーザー源は１つの直線段位置に沿って第１の一連の構造化光パターン（例えば、レーザービーム）「Ｌ_ａ〜ｄ ^１」を発射し且つ／又は物体１６の面１６ａ及び面１６ｂに到達することができる。表記「ａ〜ｄ」は、レーザー源１２がある１つの時点で２本以上のビームを放射できることを意味し、表記「１」はレーザー源１２が第１の段位置「１」で第１の一連のレーザービームを放射し且つ／又は物体１６の第１の面１６ａに到達できることを意味している。レーザー源１２は、異なる段位置「２」で放射され且つ／又は物体１６の第２の、すなわち、異なる面１６ｂに到達する第２の一連のレーザービーム「Ｌ_ａ〜ｄ ^２」を更に放射することができる。

光学計測システム１０は、カメラ２４の前方に配置された第２の直線偏光子２２を更に含む。光学計測システム１０は、レーザー源１２の強烈な鏡面反射によるカメラ２４の損傷の危険を軽減するためのＮＤフィルタ２６を更に含むことができる。加えて、光学計測システム１０は、望ましくない波長の伝達を阻止するためにカメラ２４に装着される赤外線フィルタ２８を更に含むことができる。

動作中、各レーザービーム「Ｌ」が物体１６に当たった後、各レーザービーム「Ｌ」は物体１６から発する散乱ビーム３０と、二次反射ビーム又は相互反射ビーム３２とに分割される。その後、カメラ２４が部品画像を収集する前に、第２の直線偏光子２２は複数の異なる角度（すなわち、０°、４５°、９０°及びその間の任意の角度）のうちの１つの角度に回転される。第２の直線偏光子２２は、散乱ビーム３０の偏光角とは異なる偏光角を有するレーザービーム（例えば、二次反射ビーム又は相互反射ビーム）を除去することを意図されている。偏光子２２を複数の異なる角度に回転させ、それぞれの角度で画像を撮影することにより、物体１６の強さプロファイルが作成される。

要するに、従来の技術によれば、使用中、第１の直線偏光子１８は固定された偏光角に維持されるが、第２の直線偏光子２２は、カメラ２４が偏光子２２の複数の異なる向きで複数の画像を撮影できるように複数の異なる偏光角に回転される。

次に図４及び図５を参照すると、本発明の一実施例に従った光学計測システムがその全体を図中符号１００で示されている。図４及び図５に示すように、光学計測システム１００は、光パターン「Ｌ」、好ましくはレーザービームを送り出すように構成され且つ適合された少なくとも１つの光源１０２、好ましくはレーザー源を含む。レーザービーム「Ｌ」は円筒形棒レンズ１０４によりコリメートされ、ストライプ「Ｓ」として拡張された後、撮影及び／又は走査されるべき物体１０６に投射される。光学計測システム１００は、偏光面及び／又は偏光角を制御するためにレーザービーム「Ｌ」が通過するようにレーザー源１０２と棒レンズ１０４との間に配置された第１の偏光子１０８を含む。レーザービーム「Ｌ」の偏光面及び／又は偏光角を変化させるために、第１の偏光子１０８は、例えば、モータ駆動ロータ（図示せず）を介して回転自在である。第１の偏光子１０８はレーザービーム「Ｌ」により規定される軸に関して（矢印「Ａ」により指示するように）回転自在である。第１の偏光子１０８は直線偏光子、円偏光子及び楕円偏光子を含むが、それらに限定されない。第１の偏光子１０８は液晶などの位相変調器、及び電圧の異なる度合の送信に異なる度合の位相遅延を加えることができる電気光学又は光弾性変調器により駆動可能であると考えられる。

光学計測システム１００は、物体１０６の複数の画像の撮影及び／又は読みを行なうように配置され且つ向きを規定された複数のカメラ１２４ａ〜１２４ｃを更に含む。図４には３つのカメラ１２４ａ〜１２４ｃが示されているが、任意の数のカメラ（例えば、１つ、２つ、４つ、５つなど）を含むことは本発明の趣旨の範囲内に入ると考えられる。各々のカメラ１２４ａ〜１２４ｃは、対応するカメラ１２４ａ〜１２４ｃと物体１０６との間に配置された対応する第２の偏光子１２２ａ〜１２２ｃを含む。特に、第２の偏光子１２２ａ〜１２２ｃの各々は対応するカメラ１２４ａ〜１２４ｃの視線及び／又は光学的視野の中に配置されている。第２の偏光子１２２ａ〜１２２ｃは、それぞれ、固定された角位置及び互いに対して異なる角位置に維持されている。このように、第２の偏光子１２２ａ〜１２２ｃの各々は特定の所定の偏光角（例えば、図５の「Θ_Ｃ ^Ｉ〜Ｖ」）に対して物体１０６から反射されたレーザービーム「Ｌ」を除去（すなわち、偏光）する。３つのカメラ１２４ａ〜１２４ｃが示されており、従って、偏光角「Θ_Ｃ ^{Ｉ〜ＩＩＩ}」を有する３つの第２の偏光子１２２ａ〜１２２ｃのみが必要とされているが、レーザービームごとに少なくとも５つまでのカメラを設けることができ、従って、偏光角「Θ_Ｃ ^Ｉ〜Ｖ」を有する５つの第２の直線偏光子が必要であると考えられる。各第２の偏光子１２２ａ〜１２２ｃは直線偏光子、円偏光子及び楕円偏光子を含むが、それらに限定されない。

従って、使用中、第１の偏光子１０８の各々の偏光角に対してレーザー源１０２により発生されるレーザービーム「Ｌ」ごとに（例えば、「Ｌ_ａ〜ｄ」）、カメラ１２４ａ〜１２４ｃは対応する第２の偏光子１２２ａ〜１２２ｃを介して物体１０６の画像及び／又はスキャンを撮影する。カメラ１２４ａ〜１２４ｃにより撮影される各画像は散乱ビームの画像及び相互反射ビームの画像を含む。画像はこの後に組み合わされ、物体１０６の強さプロファイルが生成され、物体１０６に関する位相情報及び物体１０６の偏光度に関する情報が作成される。特に、画像は、散乱ビームの強さを増幅し且つ相互反射ビームの強さを低減するように組み合わされる。

カメラ１２４ａ〜１２４ｃはレーザー源１０２の一方の側、すなわち、図４に示すように左側に配置されるように示されているが、カメラをレーザー源１０２の両側に配置すること及び／又は全てレーザー源１０２の右側に配置することは本発明の趣旨の範囲内に入ると考えられる。

図６及び図７を参照すると、本発明の別の実施例に従った光学計測システムがその全体を図中符号２００で示されている。光学計測システム２００は光学計測システム１００に類似しており、構成及び動作の相違点を識別するために必要な範囲に限ってシステム２００を詳細に説明する。

光学計測システム２００は、物体１０６に向かってそれぞれ対応するレーザービーム「Ｌ^１〜３」を送り出すように構成され且つ適合された複数のレーザー源２０２ａ〜２０２ｃを含むか、あるいは、光学計測システム２００は、異なる位置に向かってそれぞれ１本ずつ複数のレーザービーム、例えば、「Ｌ^１〜３」を送り出すように構成され且つ適合された単一のレーザー源を含むことができる。光学計測システム２００は、それぞれ対応するレーザー源２０２ａ〜２０２ｃと物体１０６との間にそれぞれ１つずつ動作自在に配置された複数の第１の偏光子２０８ａ〜２０８ｃを更に含む。第１の偏光子２０８ａ〜２０８ｃは、それぞれ対応するレーザービーム「Ｌ^１〜３」が通過するように位置決めされている。第１の直線偏光子２０８ａ〜２０８ｃの各々は、対応するレーザービーム「Ｌ^１〜３」の偏光面及び／又は偏光角を変化させるために回転自在である。

光学計測システム２００は、物体１０６の複数の画像の撮影及び／又は読みを行なうようにそれぞれ位置決めされ且つ向きを規定された複数のカメラ１２４ａ〜１２４ｃを含む。特に、図６に示すように、カメラ１２４ａ〜１２４ｃは対応するレーザー源２０２ａ〜２０２ｃに対して設けられている。光学計測システム２００は対応するカメラ１２４ａ〜１２４ｃ（と物体１０６と）の間に配置された第２の偏光子１２２ａ〜１２２ｃを含む。各第２の偏光子１２２ａ〜１２２ｃは対応するカメラ１２４ａ〜１２４ｃの視線及び／又は視野の中に位置決めされている。第２の偏光子１２２ａ〜１２２ｃは固定された角位置及び互いに対して異なる角位置、例えば、図７の「Θ^{Ｉ〜ＩＩＩ}」に維持されている。

使用中、第１の偏光子２０８ａ〜２０８ｃが回転されている間、各カメラ１２４ａ〜１２４ｃはレーザー源２０２ａ〜２０２ｃの対応するレーザービーム「Ｌ^１〜３」ごとに少なくとも１つの画像を捕捉する。カメラ１２４ａ〜１２４ｃにより捕捉された画像は、その後、組み合わされて、物体１０６の強さプロファイルが生成され、物体１０６に関する位相情報及び物体１０６の偏光度に関する情報が作成される。各第１の偏光子２０８ａ〜２０８ｃは互いに比較して、また、隣接する偏光子２０８ａ〜２０８ｃと比較して異なる偏光角に向きを定められていると考えられる。

図８及び図９を参照すると、画像空間において位相情報をどのようにして補間できるかが示されている。特に、図８において、走査プロセスの開始時、第１のレーザービーム「Ｌ_１１」に対応するカメラ偏光角「Θ^Ｉ」では位相情報は利用不可能である。しかし、「Θ^Ｉ」における位相情報に関する近似値に到達するために、レーザービーム「Ｌ_{１１〜１６}」、特にレーザービーム「Ｌ_１１」及び「Ｌ_１２」が補間される。従って、図９に示すように、「Θ^Ｉ」においてレーザービーム「Ｌ_１１」から位相情報を収集することができる。特に、ある特定の場所の強さ及び位相情報はレーザービーム「Ｌ_{１１〜１６}」ごとに１つの画像を捕捉し、次に、捕捉された画像から情報を補間することにより判定されることが可能である。

以上のことを考慮すると、本発明の光学計測システムは、検査プロセスの速度を低下させることなくレーザービームごとの位相情報を提供するために、第１の偏光子の偏光角とカメラの偏光角との協調運動を可能にする。光学三角解析及び／又は移相解析においては、レーザー源から発するレーザービームの偏光角の協調された変化を、カメラによる画像収集と組み合わせることにより、走査されるべき物体に関する所望の情報を走査されるべき物体により発生される雑音から分離することが可能になる。

本発明の光学計測システムは、光学三角システムにおいて固定された偏光角を有する複数の異なる偏光子を有する複数のカメラの使用及び／又は移相システムにおいて複数のカメラを使用することを更に可能にする。各レーザービームの画像を撮影するために複数のカメラを設けることができると考えられる。

走査を実行するために、走査されるべき物体に沿ってレーザービームを移動させるためにレーザー光源を操作できること、又は走査されるべき物体をレーザービームに対して移動できることは本発明の趣旨の範囲内に入ると考えられる。例えば、物体１０６をコンベヤなどに乗せて直線的に変位させること及び／又は物体１０６をスピンドルなどで回転自在に変位させることは可能である。

更に、第１の直線偏光子の偏光角を制御するために、偏光子を回転台の上に配置することは可能であると考えられる。特に、中心軸に関して回転させることができる単一の偏光子を設け且つ／又は複数の偏光子を支持し、回転及び／又は操作されたときに、選択された偏光子をレーザービームの光路に位置決めするフレームを設けることにより、偏光を変化させることができる。

レーザービームごとに複数の第１の直線偏光子を設けることは可能であり、また、各カメラと物体との間に複数の第２の直線偏光子を設けることは可能であると考えられる。

本発明の好ましい形態及び実施例を図示し、説明したが、先に述べたような本発明の発明概念及び趣旨から逸脱せずに様々な変更及び変形を実施できることは当業者には明白であろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

従来の技術に従った、物体を走査するための光学計測システムの概略斜視図。 図１の従来の光学計測システムの構成要素を示す概略図。 図１及び図２の光学計測システムの概略図。 物体の走査に関連する場合の本開示の１つの面に従った光学計測システムの概略斜視図。 物体の走査に関連する場合の図４の光学計測システムの概略図。 物体の走査に関連する場合の本開示の別の面に従った光学計測システムの概略斜視図。 物体の走査に関連する場合の本開示の別の面に従った光学計測システムの概略図。 走査プロセス中の位相情報の補間を示す概略図。 走査プロセス中の位相情報の補間を示す概略図。

符号の説明

１００…光学計測システム、１０２…光源（レーザー源）、１０４…円筒形棒レンズ、１０６…物体、１０８…第１の偏光子、１２２ａ〜１２２ｃ…第２の偏光子、１２４ａ〜１２４ｃ…カメラ、２００…光学計測システム、２０２ａ〜２０２ｃ…レーザー源、２０８ａ〜２０８ｃ…第１の偏光子、Ｌ…レーザービーム

Claims (14)

1. 光沢面を有する物体（１０６）を走査する光学計測システム（１００）において、
   物体の光沢面に向かって構造化光パターン（Ｌ）を放射するように構成され且つ適合された少なくとも１つの光源（１０２）と、
   光パターンが通過するように前記光源（１０２）と物体（１０６）との間に配置され、光パターンの偏光面及び偏光角のうちの少なくとも一方を変化させるように構成され且つ適合された少なくとも１つの第１の偏光子（１０８）と、
   物体（１０６）の画像を撮影するように構成され且つ適合された少なくとも１つのカメラ（１２４ａ〜１２４ｃ）と、
   前記カメラ（１２４ａ〜１２４ｃ）と物体（１０６）との間に配置され、固定された向きを有する少なくとも１つの第２の偏光子（１２２ａ〜１２２ｃ）とを具備する光学計測システム。
2. 光沢のある物体の表面を走査する光学計測システムにおいて、
   物体の表面に向かって構造化光パターン（Ｌ）を放射するように構成され且つ適合された少なくとも１つの光源（１０２）と、
   前記光源と物体との間に配置され、光ビーム（Ｌ）により規定される軸に関して回転自在である少なくとも１つの第１の偏光レンズ（１０８）と、
   物体の画像を撮影するような向きに配置された少なくとも１つのカメラ（１２４ａ〜１２４ｃ）と、
   各々のカメラと物体との間に配置され、各々が互いに対して固定された向きを有し且つ互いに対して異なる向きを有する少なくとも１つの第２の偏光レンズ（１２２ａ〜１２２ｃ）とを具備する光学計測システム。
3. 前記光源（１０２）はレーザー源である請求項１又は２記載の光学計測システム。
4. 前記第１の偏光子（１０８）は光パターン（Ｌ）により規定される軸に関して回転自在である請求項１から３のいずれか１項に記載の光学計測システム。
5. 各光源（１０２）は物体に向かって少なくとも１本のレーザービーム（Ｌ）を放射するように構成され且つ適合されている請求項１から４のいずれか１項に記載の光学計測システム。
6. 物体（１０６）の画像を撮影するように構成され且つ適合された複数のカメラ（１２４ａ〜１２４ｃ）を更に含む請求項１から５のいずれか１項に記載の光学計測システム。
7. 前記第２の偏光子（１２２ａ〜１２２ｃ）の各々は互いに対して異なる角位置に向けられている請求項１から６のいずれか１項に記載の光学計測システム。
8. 前記第１の偏光子（１０８）及び前記第２の偏光子（１２２ａ〜１２２ｃ）は直線偏光子、円偏光子及び楕円偏光子のうちの少なくとも１つである請求項１から７のいずれか１項に記載の光学計測システム。
9. 画像は物体の強さプロファイルのうちの少なくとも１つとして組み合わされ、物体に関する位相情報を作成し且つ物体の偏光度を作成する請求項１から８のいずれか１項に記載の光学計測システム。
10. 光沢面を有する物体（１０６）に対して光学的計測を実行する方法において、
    物体（１０６）に向かって光パターン（Ｌ）を放射する少なくとも１つの光源（１０２）と、
    前記光源（１０２）と物体（１０６）との間に動作自在に配置され、光パターン（Ｌ）の偏光面及び偏光角のうちの少なくとも一方を変化させることが可能である少なくとも１つの第１の偏光子（１０８）と、
    物体（１０６）の画像を捕捉する少なくとも１つのカメラ（１２４ａ〜１２４ｃ）と、
    前記カメラ（１２４ａ〜１２４ｃ）と物体（１０６）との間に固定配置された少なくとも１つの第２の偏光子（１２２ａ〜１２２ｃ）とを含む光学計測システム（１００）を設ける過程と、
    前記第１の偏光子（１０８）を通して物体（１０６）の表面に向かって光パターン（Ｌ）を放射する過程と、
    前記第１の偏光子（１０８）を回転させる過程と、
    前記カメラ（１２４ａ〜１２４ｃ）を使用して物体（１０６）の少なくとも１つの画像を、画像が前記第２の偏光子（１２２ａ〜１２２ｃ）を通して捕捉されるように捕捉する過程とから成る方法。
11. 前記光学計測システムは複数のカメラ（１２４ａ〜１２４ｃ）を含み、方法は、各々のカメラを使用して物体の複数の画像を捕捉する過程を含む請求項１０記載の方法。
12. 前記カメラ（１２４ａ〜１２４ｃ）から捕捉された画像を物体の表面により発生される雑音から分離された、物体に関する所望の情報として組み合わせる過程を更に含む請求項１０又は１１記載の方法。
13. 位相情報に到達するために画像空間においてレーザービーム（Ｌ）を補間する過程を更に含む請求項１０から１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 前記第１の偏光子（１０８）及び前記第２の偏光子（１２２ａ〜１２２ｃ）の各々は直線偏光子、円偏光子及び楕円偏光子である請求項１０から１３のいずれか１項に記載の方法。

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