JP2005537474A - 走査方法 - Google Patents

Abstract

物体の走査方法を開示する。この方法は、プローブおよびサンプルホルダを有し、該サンプルホルダがプローブに対して相対回転可能である走査装置を用意する工程と、走査の開始および／または終了を示すための第１の特徴部を提供する工程と、該第１の特徴部を認識し、そのときに走査装置が走査を開始または終了する準備が整うようにする工程と、を具える。走査装置が第１の特徴部を具えた固定の係止部を有していてもよいし、あるいは、第１の特徴部が走査装置上、または物体上に設けられていてもよい。例えば走査装置または物体上に配置される第２の特徴部が設けられていてもよい。ここで、第１の特徴部は走査の開始を、第２の特徴部は走査の終了を示すものとすることができる。また、物体走査装置についても開示する。

Description

本発明は、物体走査方法に関するものである。

環状または螺旋状の走査を伴う一方法では、手動で決定した位置にて走査を開始し、物体の遠方端に到達したとき、おそらくは回転軸に達したと判定されたときに走査を終了する。この方法には、物体全体の表面の走査を確実に行うために複雑な設定を要し得るものであり、時間がかかるという問題がある。

本発明の第１の形態では、プローブおよびサンプルホルダを有し、該サンプルホルダが前記プローブに対して相対回転可能である走査装置を用意する工程と、
走査の開始および／または終了を示すための第１の特徴部を提供する工程と、
該第１の特徴部を認識し、そのときに前記走査装置が前記走査を開始または終了する準備が整うようにする工程と、
を具えた物体走査方法を提供する。

前記第１の特徴部は、走査装置に設けられた、またはこれに接続された制御装置によって認識される。

好適実施形態においては、前記走査装置は前記プローブおよびサンプルホルダ間の既知の関係すなわち相対位置を定義する固定の係止部を有している。好ましくは、前記固定の係止部が前記第１の特徴部を具えている。従って、走査装置が固定の係止部にあるとき、第１の特徴が認識され、すなわち固定の係止部が走査の開始または終了を定める。

一実施形態においては、走査の完了後または、走査装置がオンとなって固定係止部が走査の開始を示すときに、固定係止部に戻される。この実施形態では、サンプルがサンプルホルダに配置されると、第１の特徴の認識を行うために、走査装置の各部が固定係止部にあることの確認（verification）を必要とするだけである。

第１の特徴が走査の開始を示し、そして第１の特徴の確認に応じて走査装置が走査を開始する準備ができると、本方法は好ましくはさらに、前記走査の終了を示すための第２特徴部を提供する工程と、該第２の特徴部を認識し、そのときに前記走査装置が前記走査を終了する準備が整うようにする工程とを具える。

本発明に係る方法は、走査の開始および終了を自動で決定できるようにし、これによって半自動または無人の操作を可能にして、走査プロセスで用いられるモータ駆動を自動的に起動／停止できるようにするものである。

本発明の第２の形態では、プローブおよびサンプルホルダを有し、該サンプルホルダが前記プローブに対して相対回転可能である走査装置と、
前記プローブおよび前記サンプルホルダ間の相対運動を制御するとともに、第１の特徴部を認識し、当該認識に基づいて前記走査装置が走査を開始および／または終了するようにする制御装置と、
を具えた物体走査装置を提供する。

好ましくは、制御装置は前記第１の特徴を認識するコンピュータプログラムを含んでいる。

本発明の第３の形態では、プローブおよびサンプルホルダを有し、該サンプルホルダが前記プローブに対して相対回転可能である走査装置に用いられるコンピュータプログラムを提供する。該コンピュータプログラムは第１の特徴を示す認識情報を含み、これによってコンピュータプログラムは走査手順からのデータを認識情報と比較し、当該データが認識情報と実質的に一致したとき、プログラムは走査の開始または終了を知らせる。

認識情報は、プローブ先端とある平面内の表面との間で生じる接触、または規定の座標へのプローブ先端の到達、またはある輪郭（profile）を表すプローブ先端の運動のように、単純なものとすることができる。

以下、図面を参照し、例示のために用いて本発明を詳細に説明する。

図１は走査装置２１を示し、ベース２２と、ＬＶＤＴプローブ２４が取り付けられる背部２３とを有している。プローブは走査端２５を有し、これは文字ａで示す軸に沿って移動可能となっており、本例では軸ａは鉛直軸ｚに対して４５度をなしている。ベース２２にはサンプルホルダ２６が取り付けられ、その上に物体２７を走査のために配置可能である。サンプルホルダ２６への取り付けに先立って、物体２７を取付具２９に配置するようにしてもよい。プローブ２４およびサンプルホルダ２６は軸ｚに沿って相対移動可能であり、サンプルホルダ２６は軸ｚの周りに回転可能である。走査装置２１はプローブ２４およびサンプルホルダ２６の相対移動を制御するための制御装置１０を含んでいる。

一実施形態においては、開始（すなわち第１）の特徴はサンプルホルダによって提供され、またはその上に提供されており、例えばサンプルホルダ２６の側面２６Ａに備えられる。取付具２９が用いられる場合には、側面２９Ａおよび上面２９Ｂが第１の特徴を提供するようにしてもよい。これらの場合、サンプルホルダ２６および取付具２９が円形断面を有しているのであれば、ｚ軸およびａ軸の双方に沿って個々の特徴が位置する部位に設置できるようにすることが有効である。これは、次にはプローブ端２５が第１の特徴に向けて迅速に移動し、予期された座標でのプローブ端のたわみに応じて開始の特徴を認識できるようにするものであり、そしてプローブの移動は、所定の走査ルーチンに従って可能な動きを中断したか、または変化させたものとなる。動きを止めることは、特徴が発見されたことを操作者がダブルチェックできるようにするものであり、または温度条件のような外部からの影響の安定化を許容するものである。

走査装置は、固定の係止部にあるときにプローブが自動的に開始の特徴部に接するよう設計されていることが有効である。装置は走査終了で固定の係止部に戻るようプログラムされている。そして、この係止部でプローブ先端部およびサンプルホルダの相対位置が操作され、取付具またはサンプルがサンプルホルダに配置されたときにプローブ先端部が第１の特徴部またはその上に位置して、走査開始の準備が整うようになっている。サンプルホルダ上への取付具またはサンプルの配置を容易にするために、プローブをサンプルホルダから後退させておくか、またはサンプルをサンプルホルダ上の所定位置に摺動させておく。走査が開始されると、鉛直方向に移動可能な装置の部分の位置がプローブ先端部の読みとともに確認される。これらの読みが双方とも、プローブ先端部が第１特徴部に接触していることを示しているのであれば、装置は物体の走査を開始する準備が整ったことになる。

走査が開始されると、サンプルホルダおよびプローブはｚ軸に沿って相対移動する。サンプルが走査されるまで、プローブはサンプルの表面に沿って螺旋状経路をたどる。このポイントで何の抵抗にもあわなければ、プローブ先端部はサンプルホルダの回転軸に向けて移動する。よって、プローブのサンプルホルダの回転軸（ｚ）への到達をもって第２の特徴部を定義することができる。

あるいは、開始の特徴部はサンプルによって提供されるものでもよい。図４を参照するに、サンプル３０は中実のものであって、すなわち中空のものではない。この場合、開始の特徴部３２はサンプルの表面によって提供され、これはサンプルホルダまたは取付具（不図示）から遠い位置である。サンプルはサンプルホルダの回転軸上のほぼ中心に配置されることが好都合である。プローブ先端部は単に、回転軸上、サンプルホルダの上の設定高さの位置に位置づけられる。プローブ先端部および／またはサンプルホルダは、先端部がサンプルに接触するまで、互いに向けて移動する。この接触によって、サンプルホルダの回転軸上でプローブ先端部のたわみが生じて第１の特徴を表し、これによって開始の特徴部が認識され、プローブは走査開始の準備が整う。

さらなる実施形態では、開始の特徴部はサンプルホルダ上の設定高さ（すなわち座標）に設けられる。この実施形態では、サンプルとプローブ先端部との接触に先立って走査を開始することで、接触ポイント（設定高さ）直近の位置にプローブおよびサンプルホルダを迅速に相対移動させることができるようになるとともに、急速移動しながら表面と接触する場合に生じ得るダメージからプローブを保護することができるようになる。

第２の特徴部は走査の終了を示すものであり、サンプルホルダ、取付具またはサンプルによって提供される。ある座標への到達、またはある特徴的な形状を表すプローブによって、第２の特徴部が認識されると、プローブは迅速に待機位置に移動し、さらなる指示を待つ。

走査がサンプル頂部またはその近傍で開始されると、走査の間プローブはサンプルホルダに向かって移動する。サンプル、取付具またはサンプルホルダがある特徴的な輪郭を有していれば、これを第２の特徴部として使用することも可能である（より詳細な説明のために図２を参照されたい）。

例えば、サンプルホルダが既知の直径を有しているのであれば、この直径に関連するａ軸座標への到達をもって第２の特徴とすることができる。サンプルホルダまたは取付具に対しリップのような実際の物理的特徴を設けて、より複雑な第１特徴点を作り、特徴点の認識をより確実に行うようにすることもできる。

あるいは、第２の特徴部のために基準係止部が用いられてもよい。走査の開始前に、走査終端でのプローブおよび物体のｚ方向における相対位置が定められる。次にプローブは、開始位置に復帰するか、または走査始端を発見するよう指示される。そして走査終端のｚ軸位置（走査完了ポイントである）に到達するまで、物体が走査される。

取付具が用いられる場合には、サンプルが十分に取付具から突き出ており、所要のサンプル表面の全体が走査できるようになっていることが重要である。

図２は本発明実施形態の様々な工程を詳細に示す流れ図である。

走査プロセスの始端は、図１について上述したような位置にある（１００）。

走査が開始されると（２００）、プローブおよび物体は走査ラインに沿って相対移動する。走査によってデータが選択され（３００）、データをストアすることができる（４００）。次に、選択されたデータが解析され（５００）、基準ないし認識情報と比較される（６００）。当該情報は走査終了（７００）を判定するためのものである。基準値に達するまで、走査およびデータ収集を継続する（８００）。基準値に達すると、制御装置は第２の特徴を認識し、走査終了の準備が整う。これらの工程は走査装置内で、または分離したコントローラ内で実行される。

第１の特徴部であるサンプルホルダから離れたサンプル表面に関して本実施形態を説明すると、始端はサンプルホルダ２６の回転中心上にあるものとして定義される。当業者であれば、上記した始端位置以外のものに置換できることを理解できよう。

適切な精度をもって物体２７を回転中心にアライメントさせておくべきである。プローブは最も精度が高くなり得るゾーンを有し、その動きの制限から離れる傾向があること；走査量から３次元モデルにデータポイントを変換する手段はしばしば、参照用に回転軸を用いることで、選択されたデータの解析を簡単化すること；および、サンプルホルダ上での物体の安定性が増すこと、による。例えば目視で物体を中心に位置付けた場合など、ある程度のミスアライメントがあっても、結果の精度には確かに影響がない。しかし物体がサンプルホルダの周縁に近く配置されることは好ましくない。

走査終端を決定するための一実施形態の目的に対し、回転軸に沿った絶対位置は重要ではないが、この軸上の異なるデータ要素の関係は後述するように重要である。

次に、物体２７の走査を開始する（２００）。走査を通じて取得される様々なデータポイントが所定の要求に基づいて選択され（３００）、解析される。当該選択データ（３００）は、走査が完了するまで一時的にストアしておくことができる。開始ポイントがｚ軸に垂直な平面にある円の中心として考慮されるのであれば、例えばその円の周りの回転角１０度毎にデータポイントを選択することができる。しかし必要であれば、角度毎のデータポイントを増やすようにしてもよい。すなわち角度あたり２つのデータポイントとするようにしてもよい。理論上は、走査を通じて取得したデータのすべてが選択され得るが、しかしこれは、走査の終端に達したことの判定を行うための処理時間を増大させるものとなる。

走査を継続すると、同一方向についてのデータ点が互いに関連してストアされ、ｚ軸に沿ったそれらの相対位置が維持される。これは例えば、一側部に沿った方向と他側部に沿ったデータ収集の順序とのテーブルとなり得る。このようにして、複数のスプラインのデータが生成される。

データポイントがストアされるとこれらが解析され（５００）、セット内の先のデータと比較されて、基準値に達したかが判定される（６００）。走査プロセスを通じてこれを行うことで、データについて後処理を行うことなく、走査の終端を自動判定できるようになる。セット内のデータのすべては一方向にあるものであるので、データポイントの（ｘ，ｙ）座標をその方向における原点からの距離（半径方向距離）に変換することができる。距離の読みが変化したとき、または距離が一定となった場合でも、これは走査終端に到達したかの判断基準として用いられる。

図１を参照するに、走査が物体２７の底部、すなわちサンプルホルダ２６の表面（または取付具２９が用いられているのであればその表面）で開始される場合、各セット内の２つのデータポイントについて距離が一定のままとなったとき、すなわちプローブ先端部２５がポイント２８に到達したときが走査終端の基準となり得る。走査の早い段階で距離が減少し、続いて増加したという事実は、走査終了の判定にとって重要ではない。

走査が物体の頂部で開始される場合には、到達する原点からの最小距離に続いて、２階の連続回転時にデータセットが増大したときが好適な基準となり得る。

走査終了を判定するための基準は、完結した円のいくつかとしてセットされるものでもよい。これらの完結円はｚ軸に垂直な平面にあるものであり、所望の変化または原点からの距離の一貫性を得ているものである。表面の変動に起因して走査が早く終了してしまうことのないようにするためには、少なくとも２つを用いることが確かに推奨される。また、いくつかの物体の非対称性に対しては、距離基準をもつある数のデータセットのコンプライアンスが必要となることを含むように基準を設定することが好適である。例えば、データのセットの９５％が距離基準に達したときとすることができる。そのようにしない場合には、走査が無制限に継続され得るので、マニュアル終了を要することになるからである。

基準に達すると、走査が完了する（７００）。走査終端への到達は、プローブおよびサンプルホルダに対する待機位置への復帰のトリガとして用いることができ、続いて、走査を通じ相対運動を制御していたモータをオフとすることができる。図１の装置２１については、単一のモータによって走査を制御することができるのは勿論であり、この場合はサンプルホルダが走査プロセスを通じて螺旋状経路を描くようにする。あるいは、プローブを完了位置にとどまらせ、走査完了を操作者が確認できるようにしてもよい。

各方向について原点からのデータの距離が変化または一致したことの判定、あるいは、この距離の向きの変化が生じたときの判定を行うための他の実施形態として、情報を各スプラインの勾配の変化を判定するのに用いることができる。他の技術を用いてもよいことは、当業者であれば明らかである。

図３はタービンブレード３０の断面を示しており、これは本発明に係る走査処理を受けるものである。タービンブレード３０が走査されるとき（不図示）、走査の規定原点からの所定方向におけるデータポイントが、走査を通じて取得される全データから選択される。図４を参照するに、これらのデータのスプラインは、走査始端を極にもつ球体上の経線３１のように可視化される。

データ解析によって原点すなわち始端からの距離測定値が生成され、そのデータセットにおける先の測定値および走査終端の基準と比較されて、その終端に達したかが判定される。

不規則な形状を有する物体については、走査を通じてその表面の全部分にアクセスできるように、その物体をサンプルホルダに取り付けることが困難となり得る。これはアンダーカット３４として示されており、ブレード３０のこの部分はプローブ先端部３６によって正確に走査することができない。オーバーハングによって先端部３６の表面への接触が妨げられるからである。

この問題は、例えば表面に窪みがある場合のように、凹入したポイントを持つサンプルにおいても生じる。これは、走査に基づいて製造される物品が不正確となって使用不能になり得るということを意味する。しかしながら、走査を通じて選択データポイントが収集され、例えばスプライン（図４の符号３１を参照）に沿った原点からの距離に変換することによって解析されれば、有意の寸法（プローブ先端部より大である）の凹入ポイントすなわち窪みは走査を通じて確認され、直ちに物体の再アライメントを行うことが可能となる。これは、凹入領域が原点からの距離の減少部分として現われ、多数の選択データポイント、およびサンプルホルダの多数回の回転を生じる可能性があるからである。よって、その領域近傍のデータと比較したとき、不一致が生じ得る。かかる凹入が走査を停止させてしまう可能性は低い。基準は所要のデータ比率未満になるが、それは起こり得る問題として操作者に示すことができるからである。一方法として、モニタにデータのスプラインを可視化し、距離の方向の変化が検出されたときに色を変えることによってこれを実現できる。

かかる凹入ポイントが検出された場合には、再アライメントのために走査を停止し、ないしは、走査終端まで発見されない場合には、操作者は結果を速やかにチェックすることによって、再突入のポイントを生じさせて走査を再試行されるようになし、不正確な要素が製造されてしまわないようにすることができる。

図３を参照するに、ブレードの頂部またはその近傍で開始する走査の終端は、次のような基準で定義し得る。すなわち、データセットの９０または９５％が原点からの半径方向距離の最大値を超えた後、一定距離すなわちデータポイントの距離の減少量が漸増してから漸減して、ついにはサンプルホルダの多くの回転に対して定常となることである。このポイントでは、走査はブレードの最下部に到達している。

本発明は、複製物またはそのデジタル表現物を作成する目的のために、いかなる物体の走査にも適用可能であり、例えば、航空宇宙用、輸送用、置換関節（replacement joints）および歯科用商品（dentalware；例えばコーピング（copings））などの医療用、家具用、ボトルなどの収納容器用およびレジャー用品に用いられる物品などが含まれる。

接触型走査装置を用いる例について説明したが、本発明はレーザプローブなど非接触型装置を用いる場合にも等しく適用可能である。この場合は、上記特徴に加えて、周囲の材料に対し異なる光学特性を有するマークを用いることができる。

前述した特徴を使用することによって、時間のかかる難しい機械のセットアップを要さずに、走査手順を自動的に開始させ、さらに自動的に終了させることが可能となる。

本発明の方法に用いて好適な走査装置を示す。 本発明の実施形態に係る様々な工程を示す流れ図である。 本発明によって走査されるのに適した物体の断面図である。 走査からデータがどのように選択されるかを図式的に示している。

Claims (15)

1. プローブ（２４）およびサンプルホルダ（２６）を有し、該サンプルホルダが前記プローブに対して相対回転可能である走査装置（２１）を用意する工程と、
   走査の開始および／または終了を示すための第１の特徴部を提供する工程と、
   該第１の特徴部を認識し、そのときに前記走査装置（２１）が前記走査を開始または終了する準備が整うようにする工程と、
   を具えた物体走査方法。
2. 前記走査装置（２１）は前記プローブ（２４）およびサンプルホルダ（２６）間の既知の関係を定義する固定の係止部を有している請求項１に係る方法。
3. 前記固定の係止部が前記第１の特徴部を具えている請求項２に係る方法。
4. 前記固定の係止部が走査の前記始端を示すものである請求項３に係る方法。
5. 前記第１の特徴部が前記走査装置（２１）に設けられている請求項１または請求項２に係る方法。
6. 前記走査装置がさらに、物体の少なくとも一部を収容するための取付部（２９）を具えている請求項５に係る方法。
7. 前記第１の特徴部が前記物体（２７，３０）に設けられている請求項１または請求項２に係る方法。
8. 前記第１特徴部は前記走査の開始を示し、当該第１特徴部の認識に応じて前記走査装置は走査開始の準備が整うものであり、さらに、
   前記走査の終了を示すための第２特徴部を提供する工程と、
   該第２の特徴部を認識し、そのときに前記走査装置（２１）が前記走査を終了する準備が整うようにする工程と、
   を具えた請求項１または請求項２に係る方法。
9. 前記第２の特徴部が前記走査装置（２１）に設けられている請求項８に係る方法。
10. 前記走査装置（２１）がさらに、物体の少なくとも一部を収容するための取付部（２９）を具えている請求項９に係る方法。
11. 前記第２の特徴部が前記物体に設けられている請求項８に係る方法。
12. 前記第２の特徴部が基準係止部を具えている請求項８に係る方法。
13. 前記走査装置が前記第１特徴部を認識したときに走査が自動で開始または終了する請求項１に係る方法。
14. 前記走査装置が前記第２特徴部を認識したときに走査が自動で終了する請求項１に係る方法。
15. プローブ（２４）およびサンプルホルダ（２６）を有し、該サンプルホルダが前記プローブに対して相対回転可能である走査装置（２１）と、
    前記プローブおよび前記サンプルホルダ間の相対運動を制御するとともに、第１の特徴部を認識し、当該認識に基づいて前記走査装置（２１）が走査を開始および／または終了するようにする制御装置（１０）と、
    を具えた物体走査装置。
    

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