【０００１】
【産業上の利用分野】
本考案は、表面の形状や輪郭、又は組織を確認するための計測を行う装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
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損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（ｐｅｒｓｐｅｘ）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。
【０００３】
【考案が解決しようとする課題】
本考案は、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。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本考案においては、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ヘ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焦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。
【０００５】
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、各々が束の端癒において露出した一端を有していて集光要素の各々の一つを構成する。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有しかつ他端はビームスプリッ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。
【０００６】
本考案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。
本考案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、
【０００７】
【実施例】
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１０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１２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１１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０．５ｍｍの同じ径である。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。
【０００８】
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、ビームスプリッタ１８のビーム分割面１８’における光ファイバ１９の端面１９’の像がファイバ束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１９’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。
【０００９】
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。
【００１０】
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、レンズユニット１２は平面ＬＬ内にありかつ焦点Ｆ及びＦ’を有する焦点距離ｆ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Ｓ０である場合、レンズは距離Ｓ１の処で像Ｉ１を形成する。この場合、
１／Ｓ１＝１／Ｓ０＋１／ｆ … （１）
である。
【００１１】
表面２１が、像Ｉ１よりも距離Ｘ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Ｉ１を形成するようにレンズにより焦点合せされた光は表面２１で反射されて、あたかも光が像Ｉ１の虚像Ｉ１’から発したかのごとくレンズへ入射し、虚像Ｉ１’はレンズから距離Ｓ１＋２Ｘだけ離れた処にある。レンズは虚像Ｉ１’の別の像Ｉ２を形成する。この像Ｉ２はレンズから距離Ｓ２だけ離れた処にある。ここで、
１／Ｓ２＝１／（Ｓ１＋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Ｘ０は、
Ｘ０＝Ｓ０−Ｓ２ … （３）
となる。
上式（３）に上式（１）及び（２）から求められたＳ０及びＳ２を代入すると
Ｘ０＝２Ｘｆ２／（Ｓ１−ｆ）・（Ｓ１＋２Ｘ−ｆ） … （４）
が求められる。
対象０の高さ、像Ｉ１（及びＩ１’）の高さ及び像Ｉ２の高さをそれぞれｈ０，ｈ１及びｈ２とすると、
ｈ／（Ｓ１−ｆ）＝ｈ０／ｆ
及び ｈ２／（Ｓ２）＝ｈ１／（Ｓ１＋２Ｘ）
上式より ｈ２＝ｈ０（Ｓｌ−ｆ）Ｓ２／ｆ（Ｓ１＋２Ｘ）
が求められる。式（２）から求められたＳ２を代入すると、
ｈ２＝ｈ０（Ｓ１−ｆ）／（Ｓ１＋２Ｘ−ｆ） … （５）
となる。
【００１２】
式（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Ｓ０（従ってＳｌも）固定値だからである。また、像Ｉ１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１０が位置決めされる場合には、Ｘ０＝０及びｈ２＝ｈ０となり、このことは像Ｉ２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から（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Ｉ２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Ｉ２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１３’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。
【００１３】
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Ｉ２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Ｉ１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も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Ｉ２は、レンズユニット１２により形成された虚像Ｉ’ではなく表面２１それ自身の点状の不鮮明な像となる（この場合、像Ｉ’の距離（Ｓ１＋２Ｘ）ではなく物体までの距離（Ｓ１＋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、Ｘ０及びＨ２に対応する式、すなわち像Ｉ２の位置と高さが得られる。従って、
Ｘ０＝Ｘｆ２／（Ｓ１−ｆ）・（Ｓ１＋Ｘ−ｆ） … （６）
及び
ｈ２＝｛Ａ・Ｆ・Ｘ＋ｈ０Ｓ１（Ｓ１−ｆ）｝／Ｓ１（Ｓ１＋Ｘ−ｆ）… （７）
となる。
ここで、Ａはレンズユニット１２の口径である。この場合には、また、Ｘ＝０のとき、Ｘ０＝０及びｈ２＝ｈ０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Ｉ１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。
【００１４】
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Ｐ１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聞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。
【００１５】
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Ｐ２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ことができる。
【００１６】
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じ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。Ｐ１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々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Ｐ１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ことより、最少限にすることができる。
【００１７】
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。
【００１８】
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、より複雑な装置では、ファイバ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、この図では同じ部品は図１と同じ参照符号で表示されている。中央ファイバ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からの光を捕捉する。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。
【００１９】
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ブロッ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焦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。
【００２０】
検出器アレイ３２の全てのセルからの出力はフレームストア（ｆｒａｍｅ ｓｔｏｒｅ）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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本考案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である。
【図２】図１に示されたプローブに設けられる光フライバの束の端部を拡大して示した図である。
【図３】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である。
【図４】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である。
【図５】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である。
【図６】本考案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。
【符号の説明】
１０ 光学プローブ １１ ハウジング
１２ レンズユニット １３ 光ファイバ束
１３’ 端面 １４ 光ファイバ
１８ ビームスプリッタ １９ 光ファイバ
１９’ 端面 ２０ レーザーダイオード
２１ 表面 ２２、２３、２３ａ 検出器
２７ 処理回路 ２８ ファイバ
２９ 検出器[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to an apparatus for performing measurement for confirming the shape, contour, or tissue of a surface.
[0002]
[Prior art]
Traditionally, the measurement of the shape of a surface has been performed by a mechanical sensor or probe that contacts the surface to be inspected and has inherently slow operation and limited spatial resolution with inaccurate results. Accordingly, there have been various proposals and attempts to use an optical sensor in measuring the shape of the surface. In general, optical sensors can operate at higher speeds than mechanical probes, and furthermore, make no mechanical contact with the surface, so that the probe and the surface are not likely to be damaged or deformed. However, optical probes (including fiber optic probes) are not widely used. This is basically because the performance of various known optical probes is strongly influenced by the variety of reflectivity, scattering and surface texture properties of the surface being examined. This severely limits the applicability of the optical probe. That is, there is a problem when an optical probe is used to measure the surface of a material such as a mat having a black or high gloss, or a material such as perspex or nylon.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention provides an apparatus that includes an optical fiber or equivalent optical probe, performs measurements to determine the shape, contour, or tissue of a surface, and whose performance is suitable for a wide range of measurements regardless of the reflectivity of the surface. The purpose is to provide.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides a surface measurement device comprising a probe and means for moving the probe toward and away from the surface to be inspected and monitoring its operation. Here, the probe focuses a sharply focused image of the light-collecting element on a plurality of closely-spaced light-collecting elements arranged in the light-collecting plane and on an image plane movable with respect to the surface by movement of the probe. Lens means positioned in such a manner; and illuminating means arranged such that the lens means forms its point-like image on an image plane coincident with the image plane image of one of the light-collecting elements; Means for measuring the incident light of the one element of the optical element and the incident light of elements surrounding the light condensing element.
[0005]
One embodiment of such an apparatus incorporates a bundle of seven optical fibers, each having one end exposed at the end of the bundle to constitute one of each of the light collection elements. . Further, the optical fiber is connected at the other end to a photodiode or other light sensing means for measuring incident light at the exposed end of the fiber. One end of the fiber constitutes one element of the light-collecting element, and is connected to a light source such as a light detecting means and a laser diode, so that one end of the fiber constitutes an illuminating means. Is also good. Alternatively, a beam splitter capable of physically separating the illumination means is interposed between the lens means and the light-collecting plane on which the light-collecting element is disposed, and is connected to, for example, a laser diode. The optical fiber may have one end and the other end is positioned such that the image of the beam splitter overlaps one of the focusing elements.
[0006]
In another embodiment of the device according to the invention, the light-collecting element comprises individual detection cells provided in a detector array of a solid-state camera. The detection cells of such an array may be organized in groups, each having a central cell and a plurality of peripheral cells, and the illuminating means may be a screen having suitably arranged holes illuminated from behind. Good. Thus, a screen may be provided for the beam splitter located between the detector array and the lens means so that the image of the illuminated hole of the beam splitter matches the central cell of each group.
The present invention will be more clearly understood from the following description of the preferred embodiments with reference to the accompanying drawings. here,
[0007]
【Example】
The optical probe is illustrated schematically in FIG. 1 and is generally designated by the reference numeral 10 and has a mechanical housing 11 having a front wall on which a lens unit 12 is mounted. Although the lens unit 12 is illustrated as if it is constituted by a pair of lenses 12a and 12b, it can be regarded as constituting one lens. Further, as shown in FIG. 2, inside the housing 11, one central fiber 14 having a basically circular cross section and six cross sections uniformly arranged in a hexagon around the fiber 14 have a circular cross section. One end of an optical fiber bundle 13 constituted by the outer fiber 15 is mounted. All of these fibers are the same diameter of 0.5 mm. As shown in FIG. 2, the fiber is a polymer Eska fiber with the end face 13 ′ of the bundle 13 exposed and embedded in a bonding material 16 of an adhesive or cement part surrounded by a ferrule 17. It is rare.
[0008]
A beam splitter 18 is mounted in the housing between the lens unit 12 and the end face 13 ′ of the fiber bundle, and furthermore, an optical fiber 19 is connected to the end face 19 of the optical fiber 19 at the beam splitting face 18 ′ of the beam splitter 18. Is mounted so that the image of ′ coincides with the end face of the fiber 14 at the end face 13 ′ of the fiber bundle 13.
The end of the fiber 19 remote from the end face 19 ′ is connected to a light source, which may be a laser diode 20. Light from the light source exits the end face 19 'of the fiber, is reflected by the beam splitter 18, and passes through the lens unit 12 as if emitted from the fiber 14, and illuminates the surface 21 to be inspected in a point-like manner. You. Light from the illuminated point again passes through the lens unit 12, passes through the beam splitter 18, enters the end face 13 'of the bundle 13, and to the central fiber 14 and other fibers 15 of the bundle, as described below. Enter. To detect this light, fiber 14 is coupled at its end remote from end face 13 'to photodetector 22, and fiber 15 is similarly coupled to photodetector 23.
[0009]
Beam splitter 18 and fiber 19 project light into the system as if projected from fiber 14, but in another, but equivalent, laser diode 20 is coupled to fiber 14, Fiber 14 may project light into the system and receive light behind it. In such an alternative, the beam splitter 18 and the fiber 19 are not needed. In this case, it is necessary to provide a connector for connecting the fiber 14 to both the laser diode 20 and the photodetector 22, as is known. However, by eliminating the need for a beam splitter, this alternative offers significant practical advantages because the probe can be smaller and less expensive.
[0010]
The optical function of the probe shown in FIG. 1 will be described with reference to the drawings. In FIG. 3, the lens unit 12 is represented by a thin lens with a focal length f in the plane LL and having the focal points F and F ′, and the reference numeral 0 is the object of the end face 13 ′ of the fiber bundle 13. If the distance to object 0 is S 0 , the lens forms an image I 1 at distance S 1 . in this case,
1 / S 1 = 1 / S 0 + 1 / f (1)
It is.
[0011]
Assuming that surface 21 is further away from lens surface LL by a distance X than image I 1 and that surface 21 is specularly reflected, light focused by the lens to form image I 1 will be reflected off surface 21. has been, though light 'incident on one of as lenses emitted from the virtual image I 1' the virtual image I 1 of the image I 1 is in a treatment at a distance S 1 + 2X from the lens. Lens to form another image I 2 of the virtual image I 1 '. The image I 2 is the treatment away from the lens by a distance S 2. here,
1 / S 2 = 1 / (S 1 + 2X) −1 / f (2)
Therefore, the distance X 0 from the end face 13 ′ of the fiber bundle 13 is
X 0 = S 0 −S 2 (3)
It becomes.
By substituting S 0 and S 2 obtained from the above equations (1) and (2) into the above equation (3), X 0 = 2Xf 2 / (S 1 −f) · (S 1 + 2X−f) (4) )
Is required.
Assuming that the height of the object 0, the height of the image I 1 (and I 1 ′), and the height of the image I 2 are h 0 , h 1, and h 2 respectively,
h / (S 1 −f) = h 0 / f
And h 2 / (S 2) = h 1 / (S 1 + 2X)
From the above equation, h 2 = h 0 (S 1 −f) S 2 / f (S 1 + 2X)
Is required. Substituting S 2 obtained from equation (2) gives
h 2 = h 0 (S 1 -f) / (S 1 + 2X-f) ... (5)
It becomes.
[0012]
It can be seen that equations (4) and (5) define the position and magnitude of image I 2 with respect to distance X, and thus the position of surface 21 with respect to probe 10. This is because f and S 0 (and therefore S 1 ) are fixed values. Also, if the probe 10 is positioned so that the image I 1 is accurately focused on the surface 21, ie, X = 0, then X 0 = 0 and h 2 = h 0 , it is consistent with the target which is an image where the image I 2 is formed on the end face 13 'of the fiber bundle 13. Thus, the probe is positioned such that the light projected from the central fiber 14 (or equivalently from the fiber 19 shown in FIG. 1) forms an image I 2 on the surface 21 (ie, X = 0). If, it is focused to the end of the fiber 14 on the end face 13 'of the light reflected through the lens completely fiber bundle 13 so as to form an image I 2, both the outer fiber of the reflected light 15 does not enter the end.
[0013]
If the probe is moved relative to the surface 21, the X = 0, not the image I 2 is outside of some region of the original target 0 of the light forming the image is not focused in the plane 13 ' Incident on the plane of. Accordingly, as shown in FIG. 3, the light collected in the tip of the arrow of the image I 2 is incident on the area 24 of the plane 13 '. In this region 24, the light forms a blurred image of the arrow tip where it is significantly axially farther away than the corresponding arrow tip of the original object 0. Thus, the surface 21, if not in a position where the image I 1 is formed, some of the light from the fiber 14 (or 19) is returned to the outside of the fiber 15 rather than the center fiber 14. This is illustrated in FIG. 4, where curve 25 shows how large the intensity of light received by fiber 14 and detected by sensor 22 when X = 0, and that probe 10 It shows how its strength decreases when moving away from surface 21 in the direction of 21. Curve 26 shows that the light incident on the outer fiber 15 and detected by the sensor 23 is minimal (zero in the absence of diffused light) for X = 0 and maximal on both sides of the X = 0 position. , Indicating that the value decreases again at larger positive and negative values of X.
Equations (4) and (5) above hold under the assumption that surface 21 is a particularly reflective surface. If the surface 21 scatters and reflects light, the image I 2 is not a virtual image I ′ formed by the lens unit 12, but a point-shaped unclear image of the surface 21 itself (in this case, , Not the distance of the image I ′ (S 1 + 2X) but the distance to the object (S 1 + X)). In such a case, equation (4) and (5) is no longer applied, the X that defines the position of the surface 21, expression corresponding to X 0 and H 2, that is, the position and height of the image I 2 is obtained Can be Therefore,
X 0 = Xf 2 / (S 1 −f) · (S 1 + X−f) (6)
And h 2 = {A · F · X + h 0 S 1 (S 1 -f)} / S 1 (S 1 + X-f) ... (7)
It becomes.
Here, A is the aperture of the lens unit 12. In this case, also, when X = 0, X 0 = 0 and h 2 = h 0 , so that the light emerging from the central fiber 14 has an image on which the surface 21 is sharply imaged. It will be appreciated that when positioned to have I 1 , only the center fiber 14 is imaged again, not the outer fiber 15. For non-zero values of X, represented by curves 25 and 26 in FIG. 4, the same holds for intermediate surfaces 21 of specular and diffuse reflection.
[0014]
As shown in FIG. 4, curves 25 and 26 intersect at two points P 1 and P 2 corresponding to the two positions of probe 10 at different distances from surface 21. At this point, light entering fiber 14 and detected by photodetector 22 is equivalent to light entering fiber 15 and detected by photodetector 23. The output signals of photodetectors 22 and 23 can be compared to derive a difference or error signal that causes the probe to operate toward or away from surface 21 and to a particular value of X. It can be used to control the motor to maintain the probe at a corresponding fixed distance. If another driving means is provided to move the probe along the surface 21, the shape of the surface along a line on the surface may be such that the probe is driven in a direction transverse to the surface and in a direction toward and away from the surface. It can be scanned automatically by measuring the movement of the probe in the direction away from it.
[0015]
In another aspect of the operation, the probe is repeatedly driven at points spaced toward and away from the surface. Two output signals from the detectors 22 and 23 each time the probe is close to the surface in this embodiment, the same value when it reaches the point P 2. This value can be used either as a measure of the position of the surface or as a trigger value for the start of deceleration on approach. Thus, the output of the detector becomes slow in terms P 1 again equal, it can be detected by increasing the accuracy when measuring the position of the surface.
[0016]
By using the probe of the invention in the manner described above or possibly another way, the degree of reflectivity and absorbency of the surface to be measured is relatively insensitive. These properties affect the amount of light reflected into the central fiber 14 and the outer fiber 15, respectively, almost to the same extent, importantly simply because of the ratio between these amounts of light. P 1 and P 2 is considered as the point where the photodetectors 22 and 23 have equal output, these outputs are compared after normal amplification. If desired, their outputs may be amplified with separately selected amplification elements to select the mutually intersecting portions of the two curves 25 and 26. In this manner, the portion of the curve with the maximum rate of change can be selected, thereby obtaining high sensitivity.
The relative shape of the curves 25 and 26, in particular the distance between the two maxima of the curve 26 in the X-direction, depends, to a certain extent, on the degree of scattered reflection of the surface 21 and for errors caused by this cause. resulting insensitivity problems, a weighted average of P 1 and position is measured and the average value of P 2, and more precisely two measurements rather than one of the true measured values of those positions if desired Can be minimized by calculating and using
[0017]
The resolution of the device depends on the magnification produced by the lens unit and the cross-sectional area of the optical fiber, and for example, the device of the present invention used for measuring the surface shape or contour and the texture of the surface may be replaced by an interchangeable lens unit and / or fiber bundle. And the resolution may be changed appropriately.
[0018]
In the probe of FIG. 1, the light received by all of the outer fibers 15 is aggregated by a single photodetector 23, but in more complex devices, the output from the fibers 15 may be measured separately. . FIG. 5 shows such a device, in which the same parts are designated by the same reference numerals as in FIG. The central fiber 14 is connected to the photodetectors 22 as described above, but each of the outer fibers 15 is connected to a separate individual photodetector 23a. The outputs of photodetector 22 and all other photodetectors 23a are sent to amplification and processing circuit 27. In addition, fiber 28 having an end mounted on the side of probe 11 captures light from fiber 29. This light is not refracted by the beam splitter 18 and this light is detected by a photodetector 29 to provide a reference signal that is also sent to a circuit 27. The data provided by circuit 27 is transmitted to computer 31 via data acquisition card 30. The computer may be a suitable personal computer, the transmitted data moving the probe in the X and Y directions on the surface 21 and means for moving the probe in the Z direction towards and away from the surface 21 (not shown) ) Is stored and processed together with the data on the position of the probe 10 supplied to the card 30. If the outputs of the individual photodetectors 23a are aggregated, the device can work as described in FIG. However, having made it possible to analyze the information obtained from the outer fiber 15 has also made it possible to collect information relating to the height of the surface 21 as well as local tilts individually.
[0019]
In another variant of the invention, the probe according to the invention comprises a plurality of fiber bundles, each having a light source, so that an equivalent set of measurements is obtained simultaneously from different parts of the surface 21. In yet another variation, as illustrated schematically in FIG. 6, the optical fibers 14 and 15 are replaced by a solid state camera detector array 32 having a number of individual detector cells arranged in rows and columns. I have. The detector cells are organized into groups, each having one central cell and a plurality of peripheral outer cells. For example, each set may be composed of 3 × 3 block cells having one central cell surrounded by eight outer cells. The illumination array 33 provides an illuminated point-like pattern on the surface 21 to be inspected via the beam splitter 18 and the lens unit 12, such that said point is sharply focused on the surface. When the surface is positioned at the center, only the center cell of the group of the detection array 32 is sharply imaged, and not the outer cells.
[0020]
Outputs from all cells of the detector array 32 are converted to digital signals using a frame store 34 and transmitted to a computer 35 capable of analyzing the data and a contour map or other representation of the surface 21 (e.g., (Such as a perspective map).
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagrammatic view of a probe of an apparatus according to the present invention, in which a shape or contour is positioned on a surface measured by the apparatus.
FIG. 2 is an enlarged view showing an end portion of a bundle of optical fryers provided in the probe shown in FIG. 1;
FIG. 3 is a diagram illustrating light ray paths related to the formation of an optical image by the probe illustrated in FIG. 1;
FIG. 4 is a diagram illustrating a curve related to spectral distribution at an end of a bundle of optical fibers provided in the probe illustrated in FIG. 1;
5 schematically shows an apparatus with a probe similar to, but modified to, the probe shown in FIG. 1;
FIG. 6 schematically shows an embodiment of the device according to the present invention, wherein a solid-state camera detector having a number of independent detection cells instead of optical fibers in connection with the detection cells. 1 shows an apparatus provided with a probe having the following.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Optical probe 11 Housing 12 Lens unit 13 Optical fiber bundle 13 'End surface 14 Optical fiber 18 Beam splitter 19 Optical fiber 19' End surface 20 Laser diode 21 Surface 22, 23, 23a Detector 27 Processing circuit 28 Fiber 29 Detector
