JP2012521005A - 光学式ゲージ及び３次元表面プロファイル測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】３次元表面プロファイル測定のための小視野を有する光学式ゲージ（１０）は、光源（２２）と、照射光路に沿って光を誘導する照射光学系（２８、３０、４２）とを有するプロジェクタ（２０）を含む。光学格子装置（３４）は、照射光路に配置され、構造化光パターン（４６）を照射するために照射光の分布を変更する。移相装置（４７）は、前記被測定表面（８０）上の所望の位相ずれを伴う少なくとも３つの位置へ構造化光パターンを移動する。ビューア（５０）は、照射光路と平行ではない観察光路を有する観察光学系と、前記表面からの構造化光パターンの拡散反射の画像を感知する光感知アレイ（５８）と、画像を記録するカメラ（５７）とを含む。光学式ゲージは、カメラと通信するデータ入力部と、画像から得られる表面輪郭情報に基づいてプロファイリング対象表面をモデル化するプロセッサとを具備するコンピュータ（６１）をさらに含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に測定装置及び測定方法の分野に関し、特に光学式ゲージ及び３次元（３Ｄ）表面プロファイル測定方法に関する。

光学式ゲージは、表面に接触させずに表面の測定に使用できる。かかる光学式ゲージは、被検査表面に光パターンを照射する照明装置と、表面から反射される光パターンの変形を観測して記録するカメラとを含んでいてもよい。この分野では、光学式ゲージの精度をさらに向上させ、様々な形態の測定に光学式ゲージを使用できるようにすることが絶えず求められている。

米国特許出願公開第２００７／１０９５５８号明細書

本発明の１つの態様は、３次元（３Ｄ）表面プロファイル測定のための小視野を有する光学式ゲージに存する。光学式ゲージは、光源と、照射光路に沿って光源からの光を誘導する照射光学系とを有するプロジェクタを含む。光学格子装置は、照射光路に配置され、構造化光パターンを照射するために照射光路を変更する。移相装置は、前記被測定表面上の構造化光パターンの所望の位相ずれを伴う少なくとも３つの位置へ前記パターンを移動する。ビューアは、照射光路と平行ではない観察光路を有する観察光学系と、観察光路に配置されて前記表面からの構造化光パターンの拡散反射の画像を感知する光感知アレイと、観察光路に配置されて画像を記録するカメラとを含む。光学式ゲージは、カメラと通信するデータ入力部と、画像から得られる表面輪郭情報に基づいてプロファイリング対象表面をモデル化するプロセッサとをさらに含む。

本発明の別の態様は、表面上の小さな特徴形状を測定する３次元表面プロファイル測定方法に存する。本方法は、構造化光パターンを照射することと、前記被測定表面上の所望の位相ずれを伴う少なくとも３つの位置へ構造化光パターンを移動することと、少なくとも３つの構造化光パターンに従って前記表面から反射される少なくとも３つの画像を記録することと、前記少なくとも３つの画像に従って前記表面を３次元プロファイリングすることとを含む。

本発明の上記その他の特徴、態様及び利点については、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を参照することよって、理解を深めることができるであろう。図中、同一の符号は同じ部材を示す。
図１は、本発明の例示的な一実施形態に係る光学式ゲージを示す概略図である。 図２は、図１に示す光学式ゲージで利用される三角形関係及び配置関係を示す図である。 図３Ａ〜図３Ｃは、光学式ゲージで観測される１組３枚の連続画像の一例を示す図である。 図４は、図３Ａ〜図３Ｃの画像に基づく被測定表面上の関心領域の３次元（３Ｄ）マッピングの一例を示す図である。 図５は、表面上の関心領域内のポイントの深度評価のための基準平面を示す図である。 図６は、図５の表面の関心領域の視覚解析結果を示す図である。

本発明の一実施形態に従って、図１は、小視野を有する手持ち型光学式ゲージ１０の一例を示す。光学式ゲージ１０は、表面８０の腐食、孔食などの小さな形状特徴の３次元測定又はエッジの測定に使用される。図１に示す光学式ゲージ１０の一例は腐食ゲージ１０である。腐食ゲージ１０は、被測定表面８０の小視野に光束を照射するプロジェクタ２０と、表面８０の小視野から反射される変形画像を観測して記録するビューア５０とを含む。

プロジェクタ２０は発光ダイオード（ＬＥＤ）などの光源２２を有し、光源２２はバッテリなどの電源２４又はコンセントに接続するコードを有する。プロジェクタ２０は光学系を備えており、集光開口３０を有する集光レンズ２８と、結像開口４０を有する結像レンズ４２とを含んでいてもよい。結像レンズ４２の焦点面又はその付近に、不透明領域と透明領域とを交互に出現させる格子３４が取り付けられる。ロンキールーリング格子を使用してもよい。格子３４を介して、被測定表面８０に構造化光パターン４６を照射する。以下でさらに詳しく説明する通り、腐食ゲージ１０は、表面８０に構造化光パターン４６を照射する際にパターンの場所で所望の位相ずれ距離を伴う少なくとも３つの位置へ光パターン４６を移動する移相装置４７をさらに含む。

光源２２は発散光束２６を発生し、発散光束２６は集光レンズ２８で収束光束３２へと変換される。収束光束３２は格子３４を通過する。格子３４は光束の一部を遮光して、構造化光パターン４６を形成する。例えば、ロンキー格子を使用する場合、格子を通過することによって平面光束が照射される。平面光束に対して垂直でかつ構造化光パターンの方向と平行な線上で、光の輝度は、正弦波成分３６及び高調波成分３８を含む方形波として変化し、高調波成分３８は急激な変化を定義する。高調波成分３８は、格子によって周波数に伴って増加する角度に回折されるので、結像開口４０で高調波成分３８を除去できる。高調波成分を除去しないと、高調波の交差によって余分な干渉パターンが表面８０に現れてしまうが、高調波成分の除去によって上述の通りかかる干渉パターンは除去される。結像開口４０は例えばロンキー線と平行なスリットを含んでいてもよい。

ある特定の実施形態では、移相装置４７は、構造化光パターン４６を表面８０へ偏向するミラー４８と、表面８０上の所望の位相ずれ距離を伴ういくつかの位置へ構造化光パターン４６を移動するようにミラー４８を電子的に傾斜させる傾斜装置４９とを含む。傾斜装置４９は高分解能の圧電アクチュエータ４９であってもよい。

上記の構成ではミラー４８を傾斜させることによって照射パターンの移相を実現しているが、ミラー４８の並進運動、ロンキー格子３４の並進運動、あるいはプリズム又は傾斜ミラーを使用する光束の屈折を含むいくつかの方法によっても移相を実現できることは当業者には明らかであろう。

ビューア５０はプロジェクタ２０に装着される。ビューア５０は、プロジェクタの光軸４４と平行ではない光軸５４を有する１対の光学レンズ５２を具備する。デジタルカメラ要素５７は、観察光路５６に沿って観察される表面８０からの構造化光パターンの拡散反射４６から成る画像をデジタル化する。デジタルカメラの分野の当業者には周知のように、デジタルカメラ要素５７は、電荷結合素子アレイなどのイメージセンサ５８、アナログ／デジタル変換器５９及び他の電子素子を具備していてもよい。カメラの電子回路は内部バッテリ及び後の処理に備えてデータを記憶するメモリ（図示せず）に接続してもよいが、コンピュータ入力装置の分野で周知の通りユニバーサルシリアルバスインタフェースなどのインタフェース回路６０を介して有線手段又は無線手段によって外部コンピュータ６１に接続してもよい。デジタルカメラの分野で周知の通り、コンピュータインタフェース回路をカメラの電子回路に含めてもよい。

図示される実施形態では、光学式ゲージを手動操作できるように、プロジェクタ２０及び／又はビューア５０のいずれかの所望の領域に１つ以上の握り６６が装着してもよい。デジタルカメラの分野で周知の通り、スナップ撮影を開始するためにスタートボタン６８が設けられてもよい。デジタルスナップ撮影データの収集には数ミリ秒しかかからないので、相対的に長い時間にわたりゲージをほぼ安定させて保持する必要はない。別の実施形態（図示せず）において、ロボット構体及びロボット検査の分野では周知のような自動操作を実行するために、ゲージ構体はロボットアームに装着してもよい。手動操作の場合、表面８０が光軸６４、５４の交差点に十分近接しかつプロジェクタ２０及びビューア５０の共通視野の中に入るように光学式ゲージを表面８０から適切に離間させて安定させかつ位置決めするために、光路４４、５４の脇又はその周囲からビューア５０の前方へガイドチップ７０が延出してもよい。

ビューアの観察光学系５２は、９０°以上のエッジを見渡すために最適化された視野を有するように設計してもよい。タービン部品の表面腐食解析に適するビューア光学系の仕様の一例は次の通りである。
・視野＝１辺約３．５ｍｍの正方形
・被写界深度＝コントラスト損失５０％未満で２ｍｍ以上
・空間分解能＝歪み２％未満で．００５ｍｍ以下
・深度分解能＝．００５ｍｍ。

本発明の表面プロファイル測定方法の一例として、光源２２から放射された均一な光束は格子３４により干渉縞パターンに変調される。干渉縞パターンはミラー４８によって偏向され、照明光路に沿って被測定表面８０に照射される。照射された干渉縞は、表面の幾何学形状に比例する物***相情報を符号化する。観察光路５６において、照明光軸６４とは異なる角度から干渉縞はデジタルカメラ要素５７に結像される。従って、図２に示すように、照明光路と結像光路とは三角形を構成する。

表面の幾何学形状を計算するように２Ｄ変形干渉縞画像から位相マップを取り出すために、３ステップ移相方法を使用する。本実施例の測定方法において、干渉縞を干渉縞周期の１／３移動し、続いて干渉縞周期の２／３移動するために、偏向ミラー４８に圧電アクチュエータ４９を装着する。図３Ａ〜図３Ｃに示すように、３つの画像を取り込むことができる。従って、この３ステップ移相方法を使用して、画素（ｉ，ｊ）の位相φを次のように計算できる。

式中、Ｉ₁、Ｉ₂、Ｉ₃は３つの画像の画素輝度をそれぞれ表す。測定される表面８０の３Ｄ座標は次のように表現される。

式中、大きさｘ及び大きさｙは、Ｘ次元及びＹ次元にそれぞれ沿ったデジタルカメラ要素５７の画素数である。ＦＯＶは校正後の光学系の視野である。Ｃｘ及びＣｙは初期座標である。軸方向距離は、有効波数の傾きを伴う位相値に比例する。図２の三角形関係及び配置関係から、有効波数は−Ｌ／（２πｆｄ）と等しい値まで減少される。尚、Ｌは基準平面と検出器との離間距離であり、ｄは検出器と照射光路との間の横方向距離である。このような方法により、各画素の３Ｄ位置を計算し、その結果、表面８０上の関心領域の３Ｄポイントクラウド、すなわち表面の幾何学形状の３Ｄマッピングを判定し、図４に示すように、その３Ｄマッピングを観測できる。

移相装置４７の利用により、小視野腐食ゲージ１０の分解能は大幅に向上する。他の実施形態では、４ステップアルゴリズム、５ステップアルゴリズム、３＋３アルゴリズム又は二重３ステップアルゴリズムなどの他の移相アルゴリズムが３Ｄプロファイルマッピングに使用してもよい。

光又は画界の均一性を改善するようにかつ／又はエッジ面への光学的アクセスを改善するように構成されたテレセントリックレンズ系又は他の光学系をプロジェクタ及びビューアのうちいずれか一方又は双方が含んでもよいことは当業者には明らかであろう。当業者には自明であろうが、テレセントリックレンズ系はすべてのビューを表面とほぼ平行にする。ビューアの場合、これにより、エッジ破損部の両側からの光の収集がより均一になるだろう。さらに、先の例ではミラーの傾斜によって照射パターンを移動していたが、ミラーの並進運動、格子の並進運動、あるいはプリズム又は傾斜ミラーを使用する光束の屈折を含むいくつかの方法によっても照射パターンの移動を実現できることは当業者には明らかであろう。

正反射光からの干渉を受けずに拡散反射光を観察するために、プロファイリング対象表面８０は、観察光学系の光軸に対してほぼ垂直でありかつ照明光学系からの正反射を避けるような角度に向けられてもよい。しかし、厳密な観察角度の向きは装置の動作には重要ではない。

図４の３Ｄポイントクラウドを解析するソフトウェアシステムが開発されている。図５を参照すると、関心領域の３Ｄポイントクラウドの基準平面８１は例えば減衰最小アルゴリズムを使用してフィッティングされる。基準平面８１の各ポイントは次の式に従う。

ＡＸ＋ＢＹ＋ＣＺ＋Ｄ＝０
この式を使用して、３Ｄポイントクラウドの各ポイントは基準平面８１上の対応するポイントと比較され、それにより、対応する深度ΔＨｉ（ｉ＝１，２，３，４…）を計算する。

深度閾値はオペレータによって判定され、ポイントごとの深度ΔＨｉは深度閾値と比較される。ΔＨｉが閾値より大きい場合、対応するポイントは孔食ポイントとして扱われる。すべての孔食ポイントを互いにつなげると、腐食クラスタリングドメインが形成される。関心領域のすべての孔食領域の自動検索にクラスタリングドメイン検索アルゴリズムを採用する。図６に示すように、孔食Ｐ１及びＰ２を定義しかつコンピュータディスプレイによって可視化される。

このようなソフトウェアシステム及び測定方法により、表面８０の関心領域の腐食状態を評価するための種々の検出パラメータを計算できる。例えば、選択された表面のピーク深度であるＰ−Ｄｅｐｔｈ、腐食クラスタリングドメインの数であるＰｉｔ Ｎｕｍｂｅｒ（孔食数）、単位面積当たりの孔食数であるＰｉｔｓ／Ａｒｅａ（孔食／面積）及び腐食面積と関心領域との比である腐食範囲比をすべて容易に求めることができる。

図１に示すように、上記の表面８０の向きを考慮に入れて、プロファイリング対象領域の平均深度で表面８０と交差する格子画像の焦点面を規定するために、格子３４は照射光軸４４に対して傾斜して位置決めしてもよい。プロファイリング対象表面８０は、光パターンの線がエッジに沿って走るのではなく、エッジと交差するような向きに位置するのが好ましい。しかし、適切な動作を実現するためにパターンの輪郭がエッジ線に対して垂直である必要はない。

本発明の態様は、コンピュータ可読媒体に記憶されたコンピュータ可読コードとしてさらに実現できる。コンピュータ可読媒体は、データを記憶できかつ後の時点でコンピュータシステムでデータを読み取ることのできるデータ記憶装置であればよい。コンピュータ可読媒体は、例えば読取り専用メモリ、ランダムアクセスメモリ、ＣＤ‐ＲＯＭ、ＤＶＤ、磁気テープ、光データ記憶装置を含む。コンピュータ可読コードが分散方式で記憶されかつ実行されるように、コンピュータ可読媒体はネットワーク結合コンピュータシステム全体にさらに分散してもよい。

以上の説明に基づいて、本発明の態様は、コンピュータソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、あるいはそれらすべて又はその一部のあらゆる組み合わせを含むコンピュータプログラミング技術又はエンジニアリング技術を使用して実現してもよい。コンピュータ可読コード手段を有するあらゆるプログラムは１つ以上のコンピュータ可読媒体中で実現又は提供されてもよく、それにより、本発明に係るコンピュータプログラム製品、すなわち製造物品が製造される。コンピュータ可読媒体は、例えば固定（ハード）ディスク、ディスケット、光ディスク、磁気テープ、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）などの半導体メモリ、あるいはインターネット又は他の通信ネットワーク又はリンクなどのあらゆる送受信媒体であってもよい。１つの媒体から直接コードを実行するか、１つの媒体から別の媒体にコードをコピーするか又はネットワークを介してコードを送信することによって、コンピュータコードを含む製造物品が作成及び／又は使用してもよい。

本発明を作成、使用又は販売するための装置は、中央処理装置（ＣＰＵ）、メモリ、記憶装置、通信リンク及び通信装置、サーバ、入出力装置、あるいはソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア又はそれらすべて又はその一部のあらゆる組み合わせを含みかつ特許請求の範囲に記載される発明を実現する１つ以上の処理システムのいずれか一部の構成要素を含む１つ以上の処理システムであってもよいが、それらに限定されない。

ユーザ入力はキーボード、マウス、ペン、音声、タッチスクリーンなどから受信してもよいが、アプリケーションプログラムなどの他のプログラムを介することを含めて、ユーザによるコンピュータへのデータ入力を可能にする他のあらゆる手段から受信してもよい。

本発明の種々の実施形態を図示しかつ説明したが、それらの実施形態が単なる例示にすぎないことは明らかだろう。本発明から逸脱することなく多くの変形、変更及び置き換えが実行してもよい。従って、本発明は添付の特許請求の範囲の趣旨及び範囲によってのみ限定されることを意図する。本明細書において本発明のある特定の特徴のみを例示しかつ説明したが、当業者には多くの変形及び変更が明らかだろう。従って、添付の特許請求の範囲は本発明の真の趣旨の範囲内にあるかかるすべての変形及び変更を含むことを意図すると理解されるべきである。

１０ 光学式ゲージ
２０ プロジェクタ
２２ 光源
２４ 電源
２６ 発散光束
２８ 集光レンズ
３０ 集光開口
３２ 収束光束
３４ 格子
３６ 基本正弦波成分
３８ 高調波成分
４０ 結像開口
４２ 結像レンズ
４４ （プロジェクタの）光軸
４６ 構造化光パターン
４７ 移相装置
４８ ミラー
４９ 傾斜装置（圧電アクチュエータ）
５０ ビューア
５２ 光学レンズ
５４ （ビューアの）光軸
５６ 観察光路
５７ デジタルカメラ要素
５８ イメージセンサ
５９ アナログ／デジタル変換器
６０ インタフェース回路
６１ 外部コンピュータ
６４ 照明光軸
６６ 握り
６８ スタートボタン
７０ ガイドチップ
８０ 表面
８１ 基準平面
Ｐ１ 孔食
Ｐ２ 孔食

Claims (18)

1. ３次元表面プロファイル測定のための小視野を有する光学式ゲージにおいて、
   光源と、前記光源から照射光路に沿って光を誘導する照射光学系とを具備するプロジェクタと、
   前記照射光路に配置されて構造化光パターンを照射するために照射光分布を変更する光学格子装置と、
   前記被測定表面上の所望の位相ずれを伴う少なくとも３つの位置へ前記構造化光パターンを移動する移相装置と、
   前記照射光路と平行ではない観察光路を有する観察光学系と、前記観察光路に配置されて前記表面上の小視野からの前記構造化光パターンの拡散反射の画像を感知する光感知アレイと、前記観察光路に配置されて前記画像を記録するカメラとを具備するビューアと、
   前記カメラと通信するデータ入力部と、前記画像から得られる表面輪郭情報に基づいて前記プロファイリング対象前記表面をモデル化するプロセッサとを具備するコンピュータとを具備する光学式ゲージ。
2. 前記移相装置は、前記照射光路に配置されて前記被測定表面へ前記構造化光パターンを偏向するミラーと、前記被測定表面上の所望の位相ずれ距離を伴う少なくとも３つの位置へ前記構造化光パターンを移動するように前記ミラーを回転させる傾斜装置とを有する、請求項１記載の光学式ゲージ。
3. 前記傾斜装置は圧電機械装置である、請求項２記載の光学式ゲージ。
4. 前記移相装置は、前記照射光路にに配置されて被測定表面へ前記構造化光パターンを反射するミラーと、前記被測定表面上の所望の位相ずれ距離を伴う少なくとも３つの位置へ前記構造化光パターンを移動するように前記ミラーを並進運動させる並進運動装置とを有する、請求項１記載の光学式ゲージ。
5. 前記移相装置は、前記照射光路に配置されて被測定表面へ前記構造化光パターンを屈折させるミラーと、前記被測定表面上の所望の位相ずれ距離を伴う少なくとも３つの位置へ前記構造化光パターンを移動するように前記ミラーを傾斜させる傾斜装置とを有する、請求項１記載の光学式ゲージ。
6. 前記移相装置は、前記被測定表面上の所望の位相ずれを伴う少なくとも３つの位置へ前記構造化光パターンを移動するように前記光学格子装置を並進運動させる並進運動装置を有する、請求項１記載の光学式ゲージ。
7. 前記観察光路は前記照射光路に対して垂直である、請求項１記載の光学式ゲージ。
8. 前記観察光学系はテレセントリックレンズ系を具備する、請求項１記載の光学式ゲージ。
9. 前記プロジェクタ、前記移相装置及び前記ビューアを収納する手持ち型装置をさらに含む、請求項１記載の光学式ゲージ。
10. 前記光学格子装置はロンキー格子であり、前記ロンキー格子は前記照射光パターンを複数のパターン化平面光束に変形する、請求項１記載の光学式ゲージ。
11. 前記表面の腐食又は孔食の測定、あるいは表面のエッジの測定に使用される、請求項１記載の光学式ゲージ。
12. 表面上の小さな特徴形状を測定する３次元表面プロファイル測定方法において、
    構造化光パターンを照射することと、
    前記被測定表面上の所望の位相ずれを伴う少なくとも３つの位置へ前記構造化光パターンを移動することと、
    前記少なくとも３つの構造化光パターンに従って前記表面から反射される少なくとも３つの画像を記録することと、
    前記少なくとも３つの画像に従って前記表面を３次元プロファイリングすることと
    を含む方法。
13. 構造化光パターンを照射することは、光源から光パターンを照射することと、格子によって前記光パターンを複数の干渉縞を含む前記構造化光パターンに変調することとを含む、請求項１２記載の３次元表面プロファイル測定方法。
14. 前記被測定表面上の所望の位相ずれを伴う少なくとも３つの位置へ前記構造化光パターンを移動することは、１つの時点で各々が厳密に干渉縞周期の３分の１である３つの位置へ前記構造化光パターンを移動することを含む、請求項１２記載の３次元表面プロファイル測定方法。
15. 得られた前記３つの画像により前記表面上の関心領域の３Ｄポイントクラウドを生成することをさらに含む、請求項１４記載の３次元表面プロファイル測定方法。
16. 前記３Ｄポイントクラウドに対して基準平面を当てはめることをさらに含み、前記３Ｄポイントクラウドの各ポイントは前記３Ｄポイントクラウドの対応するポイントと比較され、それにより、前記ポイントの対応する深度が計算される、請求項１５記載の３次元表面プロファイル測定方法。
17. 深度閾値を判定することをさらに含む、請求項１６記載の３次元表面プロファイル測定方法。
18. 前記ポイントの前記深度を前記深度閾値と比較することと、腐食クラスタリングドメインを自動検索することによって孔食を判定することとをさらに含む、請求項１７記載の３次元表面プロファイル測定方法。