JPH06509416A - 表面計測のためのプローブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 表面計測のためのプｌコープ 本発明は、表面の形状や輪郭、又は組織をｆＩｔ＝するための計測を行う装置に 関する。

従来から、表面の形状の計測は、検査されるべき表面と接触しかつ不正確な結果 を伴う本来的に遅い作動で空間解像力に限りがある機械的センサ又はプローブに より行われていた。従って、表面の形状の計測において光学的センサを使用する 提案や試みが種々なされている。一般的に光学的センサは機械的プローブより速 い速度で作動でき、更には、表面と機械的な接触をすることがなく、従って、プ ローブ及び表面は１員傷又は変形のおそれがない。しかしながら、光学的プロー ブ（ファイバー光学プローブを含む）は広く使用されていない。これは、基本的 には公知の種々の光学的プローブの性能は検査される表面の反射性、散乱性及び 表面組織の特性の多様性に強く影響されるからである。このことにより、光学的 プローブの適用範囲は厳しく制限される。即ち、黒色もしくは高い光沢を有する マット、又はパースペックス（ρｅｒｓｐｅｘ）もしくはナイロンのような材質 の表面の計測において、光学的プローブを使用しようとした場合に問題となる。

本発明は、光ファイバ又は同等の光学プローブを備え、表面の形状、輪郭又は組 織を確定するように計測を行い、かつその性能が表面の反射性とは無関係に広範 囲な計測に適した装置を提供することを目的とする。

本発明においては、プローブと、検査すべき表面の方向へ及びその表面から離間 する方向へプローブを動かしかつその動作を監視する手段とを備えた表面計測装 置を提供する。ここで、プローブは集光平面に配置された複数の接近した集光要 素と、プローブの動きにより前記表面に対して可動な映像平面に、前記集光要素 の鮮明に蜆点合せされた像を結ぶように位置決めされたレンズ手段と、レンズ手 段が集光要素の一つの要素の映像平面の像と合致した映像平面上に、その点状の 像を形成するように配置された照明手段と、集光要素の前記一つの要素の入射光 及び集光要素の周辺の要素の入射光を計測する手段とを備えている。

かかる装置の一実施例において、７本の光ファイバの束を内蔵し、この光ファイ バは、各々が束の端面において露出した一端を有していて集光要素の各々の−つ を構成する。更に光ファイバは他端において、ファイバの露出した端部の入射光 を計測するためのフォトダイオード又は他の光検知手段に接続する。ファイバは 、その一端が集光要素の一つの要素を構成していて、それぞれ光検知手段及びレ ーザーダイオードのような発光源へ連結されることにより、ファイバの一端が照 明手段を構成するようにしてもよい、別の構成として、レンズ手段と、集光要素 が配設された集光平面との間に、照明手段を物理的に分離することができるビー ムスプリッタを介在させて、例えばレーザダイオードに連結された一端を存しか つ他端はビームスプリンタの像が集光要素の一つの要素に重なるように位置決め された光ファイバを構成してもよい。

本発明による装置の他の実施例において、集光要素はソリッドステートのカメラ の検出器アレイに設けられた個々の検出セルで構成されている。かかるアレイの 検出セルは、各々が中央セルと複数の周辺セルとを有する群に組織されていても よく、また、照明手段は背後から照らされる適当に配置された穴を有するスクリ ーンであってもよい、従って、スクリーンは検出器アレイとレンズ手段の間に配 置されたビームスプリッタに対して配設されてビームスプリッタの照らされた穴 の像がそれぞれの群の中央セルと合致するようにしてもよい。

本発明は添付図面を参照することにより以下の好適実施例の説明からより明確に 理解されるであろう。ここで、 図１は、本発明による装置のプローブを図解的に示した図であって、形状又は輪 郭が本装置により計測される表面上に位置決めされた状態を示したもの、図２は 、図１に示されたプローブに設けられる光ファイバの束の端部を拡大して示した 図、 図３は、図１に示されたプローブによる光学像の形成に関連する光線の経路を示 した図、 図４は、図１に示されたプローブに設けられる光ファイバの束の端部における分 光に関する曲線を示した図、 図５は、図１に示されたプローブに類似しているがそれを修正したプローブを備 える装置を図解的に示した図、 図６は、本発明による装置の一実施例を図解的に示した図であって、検出セルに 関連して光ファイバの代りに、多数の独立した検出セルを有するソリッドステー ト式のカメラ検出器を有するプローブを備えた装置を示したものである。

光学プローブは図１に図解して示されかつ全体が参照符号ｌＯにより表示されて おり、レンズユニット１２が装着された前壁を有する機械的なハウジング１１を 有する。レンズユニット２は一対のレンズ１２ａ及び１２ｂで構成されるかのよ うに図示されているが、１つのレンズを構成するものとして見なすことができる 。また、図２に示すように、ハウジングｌｌ内には、基本的に断面が円形の１本 の中央ファイバ１４とファイバ１４の周りに一様に六角形に配列された６本の断 面が円形の外側ファイバ１５とで構成される光ファイバ束１３の一端が装着され ている。これらファイバの全部は０．５鵬の同し径である０図２に示す通り、フ ァイバは、束１３の端面１３′が露出されていて、ポリマーのＥｓｋａファイバ でありかつ周囲が輪金１７で囲まれた接着部又はセメント部の固着材１６内に埋 込まれている。

ビームスプリッタ１８が、ハウジング内で、レンズユニット１２とファイバ束の 端面１３’の間に装着されており、更に、光ファイバ１９が、ビームスプリンタ １８のビーム分割面１８′における光ファイバ１９の端面１９′の像カファイハ 束１３の端面１３’におけるファイバ１４の端面と合致するように装着されてい る。

端面１９′から離間したファイバ１９の端部は、光源に連結されており、この光 源はレーザーダイオード２０であってもよい。光源からの光はファイバの端面１ ９′から出てビームスプリッタ１８で反射され、そしてあたかもファイバ１４か ら発光したかの如く、レンズユニット１２を通過して、検査される面２１に点状 に照射される。照射された点からの光は、再びレンズユニット１２を通過しビー ムスプリッタ１８を通り、束１３の端面１３′に入射し、以下に説明するように 、束の中央ファイバ１４及び他のファイバ１５へと入る。この光を検出するため 、ファイバ１４は端面１３’から離間した端部が光検出器２２に連結され、ファ イバ１５は同様に光検出器２３に連結される。

ビームスプリッタ１８及びファイバ１９は、あたかもファイバ１４から投光され たかの如く、光をシステム内に投光するが、別の但し同等の配列のものとして、 レーザーダイオード２０はファイバ１４に連結されていて、ファイバ１４がシス テム内に光を投光しかつ背後の光を受光するようにしてもよい。かかる代案にお いては、ビームスプリッタ１８及びファイバ１９は不要となる。この場合、公知 のように、ファイバ１４をレーザーダイオード２０及び光検出器２２の双方へ連 結する接続器を備える必要がある。しかし、ビームスプリッタを不要としたこと により、この代案のものはプローブをより少さくかつ安価にすることができるた め、実用面でかなりの利点をもたらす。

図１に示されたプローブの光学的な作用について図を参照して説明する。図３に おいて、レンズユニノ）１２は平面１−Ｌ内にありかつ焦点Ｆ及びＦ′を有する 俟点距Ｉｆの薄いレンズで表わされ、符号０はファイバ束１３の端面１３’の対 象である。対象０までの距離が３０である場合、レンズは距ｍ　ｓ　＋の処で像 １１を形成する。この場合、 表面２１が、像［、よりも距ＭＸだけレンズ面ＬＬから離れ、かつ表面２１が鏡 面反射するものと仮定すると、像１１を形成するようにレンズにより無点合せさ れた光は表面２１で反射されて、あたかも光が像Ｉ、の虚像１＋’から発したか のごとくレンズへ入射し、虚像Ｉｔ’はレンズから距離ｓ＋　＋２Ｘだけ離れた 処にある。レンズは虚像Ｉ＋’の別の像Ｉ２を形成する。この像■２はレンズか ら距ＭＳ、たけ離れた処にある。ここで、１／５２＝１／　（Ｓ、＋２Ｘ）−１ ／ｆ　−−−（２）となり、従って、ファイバ束１３の端面１３’からの距離Ｘ ０は、上式（３）に上式（１）及び（２）からめられたＳｏ及びＳ２を代入する とＸ、＝２Ｘ　ｆ”／　（Ｓ、−ｒ）−（Ｓ、＋２Ｘ−ｆ）　−−（４）がめら れる。

対象Ｏの高さ、像Ｉ＋　（及び１１′）の高さ及び像１ｔの高さをそれぞれｈａ 。

ｈｌ及びり、とすると、 ｈ／　（ｓＩ−ｒ）＝ｈａ　／ｒ 及び　ｈｔ／（Ｓり”ｈｌ　／　（Ｓｌ　＋２Ｘ）上式より　ｈｔ　＝ｈｏ　（ Ｓｔ　ｆ　）　Ｓｔ　／　ｆ　（Ｓｌ　＋２　Ｘ）がめられる。式（２）からめ られたＳ８を代入すると、ｈｚ　＝ｈ、　（Ｓ、−ｆ）／　（Ｓ、　＋２Ｘ−ｆ ）　−一直５）となる。

弐（４）及び（５）は距離Ｘに関して像Ｉ２の位置と大きさ、従って、プローブ １０に対する表面２１の位置を定義することがわかる。ｆとｓ、（従ってｓＩも ）固定値だからである。また、像■１が表面２１上に正確に焦点合せされるよう に、すなわちＸ＝０であるようにプローブ１ｏが位置決めされる場合には、Ｘ０ ＝０及びｈｔ＝ｈｅとなり、このことは像■２がファイバ束１３の端面１３’に 形成された像である対象と合致する。従って、光が中央ファイバ１４がら（又は それと等価である図１に示すファイバ１９から）投光された光が表面２１上に像 １．を結ぶ（すなわちＸ＝０）ようにプローブが位置決めされる場合、像■。

を形成するようにレンズを通って反射された光は完全にファイバ束１３の端面１ ３’にあるファイバ１４の端部に焦点合せされ、反射された光のいずれも外側の ファイバ１５の端部には入ることがない。

プローブが表面２１に対して動いた場合は、Ｘ＝０ではなく、像Ｉｇは平面１３ ′には結像されずこの像を形成する光の幾分かは当初の対象０の領域の外側の平 面に入射する。従って、図３に示すように、像Ｉ２の矢印の先端に集められた光 は平面１３′の領域２４に入射する。この領域２４では、光は当初の対象０の対 応する矢印の先端よりもかなり軸方向に離れた処に矢印の先端の不鮮明な像を形 成する。従って、表面２１が、像Ｉ、が形成される位置にない場合には、ファイ バ１４（又は１９）からの光の幾分かは中央ファイバ１４ではなく外側のファイ バ１５へ戻る。このことは図４に示されており、この図において、曲線２５は、 Ｘ＝０のとき、ファイバ１４により受光されかつセンサ２２により検出された光 の強度がいかに大きく、また、プローブ１０が表面２１の方向へ又は表面２１か ら遠ざかったとき、その強度がいかに低下するかを示している。曲線２６は、外 側のファイバ１５に入射しセンサ２３により検出された光は、Ｘ−０に対して最 小（散光がない状態ではゼロ）であり、ｘ＝０の位置の双方の側部で最大値とな り、より大きなＸの正の値及び負の値の処で再び低下する、ことを示している。

上式（４）及び（５）は、表面２１が特別に反射性のある面であるという仮定の ちとに成り立っている。表面２１が光を散乱して反射させるものである場合には 、像りは、レンズユニット１２により形成された虚像１′ではな（表面２１それ 自身の点状の不鮮明な像となる（この場合、像Ｉ′の距Ｍ　（Ｓｌ　＋２Ｘ）で はなく物体までの距離（Ｓｌ　＋Ｘ）で考えることとなる）。かかる場合には、 式（４）及び（５）は最早適用されず、表面２１の位置を定義するＸに関して、 Ｘｏ及びｔｉｔに対応する式、すなわち像Ｉｔの位置と高さが得られる。従って 、Ｘ０＝Ｘｆ”／（Ｓ、−ｒ）−（ＳＩ＋Ｘ−ｆ）　−−−−１６）及び り、＝　ｆＡ−Ｆ　Ｘ＋ｈ、Ｓ、（Ｓ、−ｆ）ｌ／ｓ＋　（Ｓｌ　＋Ｘ−４）こ こで、Ａはレンズユニ７）１２の口径である。この場合には、また、Ｘ＝０のと き、Ｘ、＝Ｏ及びｈｚ＝ｈｏであり、従って、中央ファイバ１４から出た光は、 表面２１がその上に鮮明に結像された像１．を有するように位置決めされたとき 外側ファイバ１５ではなく中央ファイバ１４にのみ再び像を結ぶということが理 解される。Ｘのゼロでない値に対しては、図４の曲線２５及び２６により表わさ れ、同様なことが鏡面反射及び散乱性の反射の中間的な表面２１に対しても成り 立つ。

図４に示す通り、曲線２５及び２６は、表面２１から異った距離においてプロー ブ１０の２つの位置に対応する２つの点Ｐ＋及びＰ２で交差する。この点でファ イバ１４に入りかつ光検出器２２で検出された光は、ファイバ１５に入りかつ光 検出器２３で検出された光と同等である。光検出器２２と２３の出力信号を比較 により差異又は誤差信号を引き出すことができ、この誤差信号は、プローブを表 面２１の方へ又は表面２１から遠ざかるように動作させかつ特定のＸの値に対応 する一定の距離にプローブを維持するようにモータを制御するために、使用する ことができる。別の駆動手段が表面２１に沿ってプローブを動かすために設けら れる場合には、表面上の線に沿う表面の形状は、プローブを表面を横切る方向に 駆動する間に表面へ向う方向及び表面から遠ざかる方向のプローブの動きを計測 することにより、自動的に走査されることが可能である。

操作の別の態様においては、プローブは表面に向う方向及び表面から離れる方向 に離間した点で反復的に駆動される。この態様ではプローブが表面に接近するご とに検出器２２及び２３からの２つの出力信号は、点Ｐｚに達するとき同じ値と なる。この値は、表面の位置の計測値として又は接近の際の減速の開始のトリガ ー値のいずれかとして使用することができる。従って、検出器の出力が再び等し くなる点Ｐ１では低速となり、表面の位置を計測する際精度を上げて検出するご とができる。

上記の方法又は可能性のある別の方法で本発明のプローブを使用することにより 、計測されるべき表面の反射性及び吸収性の程度には比較的影響を受けない。

これらの特性は中央ファイバ１４及び外側ファイバ１５内へそれぞれ反射される 光の量にはほとんど同し程度しか影響を及ぼさず、重要なことは単にこれらの光 の量の間の比だからである。Ｐｌ及びＰ２は、光検出器２２及び２３が等しい出 力を有する点として考えたが、これらの出力は通常増幅した後比較される。希望 するならば、それらの出力は、２つの曲線２５及び２６の相互に交差する部分を 選定するように別りに選定された増幅要素で増幅してもよい。この方法により、 最大変化率の曲線の部分を選定することができ、それにより高い感度が得られる 。

曲線２５及び２６の相関的な形状、特にＸ方向での曲線２６の２つの最大値間の 距離は、ある範囲において、表面２１の散乱反射の程度に依存し、この原因によ り生ずる誤差に対して生ずる不感性の問題は、希望するならＰｌ及びＰ２の位置 を計測しその平均値、より正確にはそれらの位置のいずれか一方の真の計測値よ りもむしろ２つの計測値の加重平均を計算しかつ使用するごとより、最少比にす ることができる。

装置の解像度はレンズユニットにより生ずる倍率及び光ファイバの断面積に依存 し、そして例えば表面形状又は輪郭及び表面の組織の計測に使用される本発明の 装置は交替可能なレンズユニット及び／又はファイバ束を備えて適当に解像度を 変更させてもよい。

図１のプローブにおいて、外側のファイバ１５の全部により受光された光は単一 の光検出器２３により集計されるが、より復雑な装置では、ファイノ＼１５から の出力は個別に計測されてもよい。図５にはそのような装置が示されており、こ の図では同し部品は図１と同し参照符号で表示されている。中央ファイ％１４は 前述のように光検出器２２に連結されているが外側ファイバ１５の各々は分離し た個々の光検出器２３ａに連結されている。光検出器２２及びその他の全ての光 検出器２３ａの出力は増幅及び処理回路２７に送られる。それに加えて、プロー ブ１１の側部に装着された端部を有するファイバ２８はファイバ２９からの光を ｔｌＩｉ捉する。この光はビームスプリッタ１８により屈折されず、またこの光 は光検出器２９により検出され、同様に回路２７へ送られる基準信号を与える。

回路２７により提供されたデータはデータ捕捉カード３０を介してコンピュータ ３１に伝送される。このコンピュータは適切なパーソナルコンピュータであって もよく、伝送されたデータは、表面２１上でＸ方向及びＹ方向にプローブを動か しかつ表面２１に向う及びそれから遠ざかるＺ方向にプローブを動かす手段（図 示しない）により、カード３０へ供給されるプローブ１０の位置に関するデータ と共に格納され処理される。個々の光検出器２３ａの出力が集計される場合には 、この装置は図１において記載したと同様に作用することができる。しかし、外 側ファイバ１５から得られる情報を解析することを可能としたことにより、局部 的な傾斜と同様に表面２１の高さに関連する情報を個々に集めることも可能とな った。

本発明の他の変形例では、本発明によるプローブは、各々が光源を有する複数の ファイバの束を備えており、同等な組の計測値が表面２１の異った部分から同時 に得られる。更に別の変形例では、図６に図解的に示すように、光ファイバ１４ 及び１５が行及び列に並んだ多数の個々の検出セルを有するソリッドステートの カメラの検出器アレイ３２に置き換えられている。この検出セルは、各々が１個 の中央セルと複数の周囲の外側セルを有する群に組織化されている。例えば、８ 個の外側セルにより囲まれた１個の中央セルを有する３×３ブロツクのセルで各 組が構成されていてもよい。照明アレイ３３はビームスプリッタ１８及びレンズ ユニット１２を介して検査されるべき表面２１上に照らし出された点状のパター ンを与え、このパターンは、前記点が表面上に鮮明に角点合せされるように表面 が位置決めされる場合には、検出アレイ３２の群の中央セルにのみ鮮明に結像さ れ外側のセルには結像されない。

検出器アレイ３２の全てのセルからの出力はフレームスドア（ｆｒａｍｅ　５ｔ ｏｒｅ）３４を使用してデジタル信号に変換されて、データを解析できるコンピ ュータ３５に伝送され表面２１の等高線地図又は別の表示（例えば透視図法地図 のような）を提供する。

、ｍ１ｌｌ＋Ｊｌ＋＋＋Ｉｌ＋　ＰＣＴ／ＧＢ　９２１０１３７３国際調査報告

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. １．プローブと、前記プローブを調査される表面の方向へ及び表面から離れる方 向へ動かしかつそのような動きを監視する手段とを備え、前記プローブが、集光 面に配置された複数の接近して設けられた集光要素と、前記プローブを動かすこ とにより、前記表面に対して可動の映像平面に、前記集光要素の鮮明に焦点合せ された像を形成するように位置決めされたレンズ手段と、前記レンズ手段が集光 要素の内の一つの要素の映像平面の像と合致する映像平面に照らし出された点状 の像を形成するように配置された照明手段と、前記集光要素の内の一つの要素及 び集光要素の周辺に配列された要素の入射光を計測するための手段とを備えてい ることを特徴とする表面計測装置。
2. ２．請求項１記載の表面計測装置であって前記プローブが光ファイバの束を内蔵 し、前記光ファイバは各々が前記束の端面に露出された一端部を有しかつそれぞ れのファイバが集光要素を構成し、更に、前記ファイバは他端部において光ダイ オード又は別の光検出器手段に連結されてファイバの露出した一端部の入射光を 計測するようにしたことを特徴とする表面計測装置。
3. ３．請求項２記載の表面計測装置であって、一端部が前記集光要素の内の一つの 要素を構成する一の光ファイバが前記一端部の入射光を計測する手段及び照明源 に連結された他端部を有することにより、前記一端部が照明手段をも構成するこ とを特徴とする表面計測装置。
4. ４．請求項１又は２記載の表面計測装置であって、前記照明手段が前記集光要素 から物理的に分離しており、レンズ手段と集光要素の間にビームスプリッタが介 在し、前記照明手段は、前記ビームスプリッタ内の像が集光要素の内の一つの要 素に重ね合わされるように、位置決めされることを特徴とする表面計測装置。
5. ５．請求項１ないし４のいずれかに記載の表面計測装置であって、複数の同じプ ローブを備えていることを特徴とする表面計測装置。
6. ６．請求項１記載の表面計測装置であって、前記集光要素が、ソリッドステート のカメラの検出器アレイに設けられた個々の検出セルであり、前記検出器アレイ の検出セルが、中央セルと複数の周辺のセルとを各々有する群の中に組織的に配 列されていることを特徴とする表面計測装置。
7. ７．請求項６記載の表面計測装置であって、前記照明手段が背後から投光される 適当に配置された穴を有するスクリーンであり、前記スクリーンはビームスプリ ッタ内の前記投光される穴の像が各々の群の中央セルに合致するように検出器ア レイとレンズ手段との間に設けられたビームスプリッタに関連して配置されてい ることを特徴とする表面計測装置。
8. ８．添付した図面のいずれかに関連して記載された表面計測装置。