JP2007121294A - 物体を検査する方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】物体を検査する方法を提供すること。
【解決手段】物体（１２）を検査する方法（３８）に、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）デバイスおよびＬＣＯＳ（ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎ）デバイスのうちの少なくとも１つから光を発すること（４０）と、ＬＣＤデバイスおよびＬＣＯＳデバイスのうちの少なくとも１つから発した光を位相シフトすること（４２）と、位相シフトされた光を物体の表面に投影すること（４４）と、物体表面から反射された光を撮像センサ（２４）を用いて受け取ること（４６）と、物体の少なくとも一部の検査を容易にするために撮像センサによって受け取られた光を分析すること（５０）とが含まれる。
【選択図】図１

Description

本願は、全般的には物体の検査に関し、より具体的には、光測定システムを使用して物体を検査する方法および装置に関する。

物体は、時々、たとえば物体の全体または一部のサイズおよび／または形状を判定するために、ならびに／あるいは物体の欠陥を検出するために、検査される。たとえば、タービンブレードまたはコンプレッサブレードなどのガスタービンエンジン構成要素が、エンジンに誘導される振動応力、機械的応力、および／または熱応力によって引き起こされる可能性がある疲労亀裂を検出するために検査される。さらに、たとえば、一部のガスタービンエンジンブレードが、プラットフォーム方位、輪郭断面、スタッキング軸に沿ったそりおよびねじり、厚さ、および／または所与の断面での弦長などの変形について検査される。経時的に、１つまたは複数の欠陥を有する物体の継続動作は、物体の性能を低下させ、かつ／またはたとえば亀裂が物体を介して伝搬する時などの物体の故障につながる場合がある。したがって、できる限り早期に物体の欠陥を検出することが、物体の性能を高め、かつ／または物体故障を減らすのを容易にする可能性がある。

物体の検査を容易にするために、少なくともいくつかの物体が、構造光パターンを物体の表面に投影する光測定システムを使用して検査される。光測定システムは、物体の表面から反射された構造光パターンを撮像し、次に、反射された光パターンの変形を分析して、物体の表面特徴を計算する。より具体的には、動作中に、検査される物体が、通常は試験用治具に結合され、光測定システムの近くに位置決めされる。次に、放たれた光が検査される物体を照らすように、光源がアクティブ化される。しかし、物体の結果のイメージに、放たれた光の複数バウンス反射（ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｂｏｕｎｃｅ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）によって引き起こされるノイズが含まれる場合がある。そのようなノイズは、低い撮像品質および悪い測定結果をもたらし、おそらくは物体の表面特徴の不正な解釈につながる可能性がある。たとえば、物体の多彩な表面から反射される光が、複数バウンス反射を引き起こす場合がある。さらに、たとえば、複数バウンス反射が、物体と、試験用治具の光源によって照らされた部分との間の相互反射によって引き起こされる場合がある。たとえば、複数バウンス反射は、試験用治具が物体に反射を投げる形状または仕上げを有する場合、および／または物体が試験用治具のイメージを反射する比較的鏡面様の仕上げを有する場合に、引き起こされる可能性がある。
米国特許第６，８７６，４５９号公報

一態様で、物体を検査する方法が提供される。この方法は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）デバイスおよびＬＣＯＳ（ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎ）デバイスのうちの少なくとも１つから光を発することと、ＬＣＤデバイスおよびＬＣＯＳデバイスのうちの少なくとも１つから発した光を位相シフトすることと、位相シフトされた光を物体の表面に投影することと、物体表面から反射された光を撮像センサを用いて受け取ることと、物体の少なくとも一部の検査を容易にするために撮像センサによって受け取られた光を分析することとを含む。

もう１つの態様で、物体を検査する方法が提供される。この方法は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）デバイスおよびＬＣＯＳ（ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎ）デバイスのうちの少なくとも１つから光の第１正弦波縞パターンを発することと、ＬＣＤデバイスおよびＬＣＯＳデバイスのうちの少なくとも１つから光の第２正弦波縞パターンを発することであって、第２正弦波縞パターンが、第１正弦波縞パターンに関して位相シフトされている、発することと、第１正弦波縞パターンおよび第２正弦波縞パターンを物体の表面に投影することと、物体表面から反射された光を撮像センサを使用して受け取ることと、物体の少なくとも一部の検査を容易にするために撮像センサによって受け取られた光を分析することとを含む。

もう１つの態様で、物体を検査する構造光測定システムが、物体の表面に構造光を投影するように構成された、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）デバイスおよびＬＣＯＳ（ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎ）デバイスのうちの少なくとも１つと、ＬＣＤデバイスおよびＬＣＯＳデバイスのうちの少なくとも１つに機能的に接続されたコンピュータとを含む。コンピュータは、ＬＣＤデバイスおよびＬＣＯＳデバイスのうちの少なくとも１つから発する光を位相シフトするように構成される。このシステムは、物体表面から反射された構造光を受け取るように構成された撮像センサをも含む。

図１は、物体１２の複数の表面特徴を測定するのに使用される構造光測定システム１０の例示的実施形態のブロック図である。たとえば、システム１０を使用して、物体１２の表面を検査し、判定することができ、この表面は、物体１２を表すモデルと比較した時に、傾き、曲げ、ねじれ、および／またはたわみなどの特徴を含む場合がある。

この例示的実施形態では、物体１２が、圧縮機またはタービンエンジンで利用されるタービンブレードなどであるがこれに限定されないロータブレードである。したがって、この例示的実施形態では、物体１２に、プラットフォーム１６から外に延びるエーロフォイル１４が含まれる。次の説明は、ガスタービンエンジンブレードの検査を対象とするが、当業者は、検査システム１０を利用して、任意の物体の構造光撮像を改善できることを諒解するであろう。

システム１０に、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）プロジェクタおよび／またはＬＣＯＳ（ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎ）プロジェクタである構造光源２２も含まれる。他のパターンを使用することができるが、いくつかの実施形態で、光源２２は、物体１２に正弦波縞パターンを投影する。システム１０に、物体１２から反射された構造光を受け取る１つまたは複数の撮像センサ２４も含まれる。この例示的実施形態では、撮像センサ２４は、物体１２から反射された構造光を受け取り、これを使用してイメージを作成するカメラであるが、他の撮像センサ２４を使用することができる。１つまたは複数のコンピュータ２６が、撮像センサ２４に機能的に接続されて、これから受け取ったイメージを処理し、モニタ２８は、オペレータに情報を表示するのに利用することができる。一実施形態で、コンピュータ２６に、たとえば、フロッピー（登録商標）ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ、および／またはネットワークもしくはインターネットなどの別のディジタル供給源ならびにこれから開発されるディジタル手段などのコンピュータ可読媒体３２から命令および／またはデータを読み取るための、フロッピー（登録商標）ディスクドライブ、ＣＤ−ＲＯＭドライブ、ＤＶＤドライブ、光磁気ディスク（ＭＯＤ）デバイス、および／またはイーサネット（登録商標）デバイスなどのネットワーク接続デバイスを含むすべての他のディジタルデバイスなどのデバイス３０が含まれる。もう１つの実施形態で、コンピュータ２６は、ファームウェア（図示せず）に保管された命令を実行する。コンピュータ２６は、本明細書で説明する機能を実行するようにプログラムされ、本明細書で使用される用語コンピュータは、当技術分野でコンピュータと称する集積回路に限定されるのではなく、コンピュータ、プロセッサ、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラム可能ロジックコントローラ、特定用途向け集積回路、および他のプログラム可能な回路を幅広く指し、これらの単語は、本明細書で交換可能に使用される。

図２は、物体１２の側面断面図である。動作中に、検査される物体、たとえば物体１２は、試験用治具（図示せず）に結合され、システム１０の近くに位置決めされる。いくつかの実施形態で、物体１２は、光源２２（図１に図示）に関して、ビューを撮像センサ２４（図１に図示）に提示できるようになる方位の角度αを用いて向きを決められ、光源２２および撮像センサ２４によって画定される平面βが物体１２の１つまたは複数の多彩な特徴と実質的に交差するようになっている。たとえば、この例示的実施形態では、エーロフォイル１４およびプラットフォーム１６のそれぞれが、物体１２の多彩な特徴を画定する。

次に、光源２２がアクティブ化され、光を発して物体１２を照らす。撮像センサ２４が、物体１２に投影された、放たれた光パターンのイメージを入手する。しかし、物体１２の結果のイメージに、放たれた光の複数バウンス反射によって引き起こされるノイズが含まれる場合がある。そのようなノイズは、低い撮像品質および悪い測定結果をもたらし、おそらくは物体１２の表面特徴の不正な解釈につながる可能性がある。たとえば、物体１２の多彩な表面（たとえば、エーロフォイル１４およびプラットフォーム１６の交差する表面）から反射される光が、図２に示されているように複数バウンス反射を引き起こす場合がある。直接に反射された光の経路は、時々単一バウンス反射と呼ばれるが、図２ではＳＢとして示されて、複数バウンス反射は、図２ではＭＢとして示されている。さらに、たとえば、複数バウンス反射ＭＢが、物体１２と、試験用治具の光源２２によって照らされた部分との間の相互反射によって引き起こされる場合がある。たとえば、複数バウンス反射ＭＢは、試験用治具が物体１２に反射を投げる形状または仕上げを有する場合、および／または物体１２が試験用治具のイメージを反射する比較的鏡面様の仕上げを有する場合に、作成される可能性がある。

物体の特徴および／または複数バウンス反射ＭＢを識別するために、コンピュータ２６は、機能的に光源２２に接続され、光源２２から発する光を位相シフトするように構成される。より具体的には、コンピュータ２６は、光源２２が発する光のパターンの初期位相を変更し、撮像センサ２４は、その結果の異なる位相のシーケンシャルイメージをキャプチャする。次に、コンピュータ２６は、物体１２から反射された光を分析して、単一バウンスＳＢ光および／または複数バウンスＭＢ光からの反射の識別、表面テクスチャの識別、表面方位の識別、物体１２を製造するのに使用された材料の識別、プラットフォーム方位の判定、輪郭断面の判定、そりの判定、ねじりの判定、厚さの判定、弦長の判定、シムの判定、ならびに／あるいは物体１２のエッジの判定などであるがこれに限定されない物体１２の検査を容易にする。いくつかの実施形態で、コンピュータ２６は、物体１２から反射され撮像センサ２４によって受け取られた光に対して位相ラッピング（ｐｈａｓｅ ｗｒａｐｐｉｎｇ）および／または位相アンラッピング（ｐｈａｓｅ ｕｎｗｒａｐｐｉｎｇ）を実行して、位相マップを判定する。さらに、いくつかの実施形態で、コンピュータ２６は、判定された位相マップを使用して、物体１２の少なくとも一部の、時々３次元点群（ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｐｏｉｎｔ ｃｌｏｕｄ）とも称する３次元形状を計算する。いくつかの実施形態で、システム１０は、それぞれが物体１２に関して異なる向きにされた複数の撮像センサ２４を含んで、物体１２から反射された光を異なる角度３４および３６で受け取るのを容易にする。物体１２の検査を容易にするために、複数の撮像センサ２４のそれぞれが、異なる位相シフトで物体１２から反射された光を受け取ることができ、あるいは、各撮像センサ２４が、異なる位相のイメージのシーケンスを同時に受け取ることができる。たとえば、異なる角度からの複数のイメージは、米国特許第６，８７６，４５９号に記載のエッジ検出方法などであるがこれに限定されない既知のエッジ検出方法を使用する物体１２のエッジの判定を容易にすることができる。

コンピュータ２６を、光源２２から発する光の位相シフトおよび撮像センサ２４によって受け取られた光の分析など、さまざまな機能を実行するものとして本明細書で説明するが、これらの機能のどれであっても、他のコンピュータによって実行できることを理解されたい。たとえば、いくつかの実施形態で、光源２２から発する光の位相シフトが、光源２２の構成要素であるコンピュータ（図示せず）によって実行される。さらに、たとえば、いくつかの実施形態で、撮像センサ２４によって受け取られた光の分析が、光源２２の構成要素であるコンピュータ（図示せず）によって実行される。

図３は、構造光測定システム１０（図１に図示）を使用して物体１２（図１および２に図示）を検査する方法３８の例示的実施形態を示す流れ図である。方法３８に、光源２２から光を発すること４０と、光源２２から発した光を位相シフトすること４２とが含まれる。たとえば、いくつかの実施形態で、光の第１パターンを、光源２２が発し、光源２２が発する光の一連の他のパターンが、第１パターンに関して位相シフトされ、光源２２によって放たれる。いくつかの実施形態で、光源２２から光を発すること４０に、光の正弦波縞パターンを発することが含まれる。さらに、いくつかの実施形態で、光源２２（たとえば、光源２２の構成要素を形成するコンピュータを使用して）が、そこから発した光を位相シフトする（４２）のに使用される。光の位相シフトされたパターンが、物体１２の表面に投影される（４４）。物体１２から反射された光が、撮像センサ２４によって受け取られ（４６）、それから、イメージが、撮像センサ２４および／またはコンピュータ２６を使用して作成される（４８）。その後、イメージを分析して（５０）、単一バウンス反射ＳＢ、複数バウンス反射ＭＢ、および／または物体１２の特徴を識別する（５２）。

たとえば、単一バウンスＳＢ光からの反射、複数バウンスＭＢ光からの反射、または他の変動が、２つのイメージの間の減算イメージングまたは差分イメージング、イメージのうちのある区域のマスキング、ならびにイメージ情報の相関などであるがこれに限定されない従来のイメージ処理技法を使用して、イメージからたやすく識別され、選択的に抽出される。たとえば、物体１２の複数のイメージが、入手され、共通の基準点を有するように相関されるか、同一の位置および方位からである場合に、ディジタル処理技法が、一方のイメージを他方のイメージから「減算」し、したがって結果の差分イメージを得ることを可能にすることが既知である。この結果の差分イメージには、視野のうちで第１イメージと第２イメージとの間で変化した領域に関する情報だけが含まれる。さらに、物体１２の形状または構成の以前の知識あるいは複数のイメージを用いると、誤った情報または関連しない情報を含むことがわかっているイメージ内の特定の領域を、ディジタルマスクするかさらなる処理からブロックすることができる。たとえば、減算技法を使用すると、イメージのうちで背景を含む領域を、差分イメージで識別でき、その後、これを利用して、後続のまたは現在のイメージの背景領域をマスクアウトすることができる。同様に、既知の情報または複数のイメージを使用して、測定されている物体１２のイメージを、保管された基準イメージに相関させるか見当合わせし、物体１２と物体１２の表現との間の相違の識別を容易にすることができる。

さらに、たとえば、表面テクスチャ、表面方位、および物体１２を製造するのに使用された材料などであるがこれに限定されない物体１２の特徴を、位相シフト技法などであるがこれに限定されない従来のイメージ処理技法を使用して、物体から反射された光によって作成されるイメージからたやすく識別することができる。いくつかの実施形態で、物体１２の特徴の識別に、表面テクスチャの識別、表面方位の識別、物体１２を製造するのに使用された材料の識別、プラットフォーム方位の判定、輪郭断面の判定、そりの判定、ねじりの判定、厚さの判定、弦長の判定、シムの判定、ならびに／あるいは物体１２のエッジの判定が含まれるが、これに限定はされない。

上で説明した構造光測定システム１０は、物体１２のよりすばやく効率的な検査を容易にすることができる。より具体的には、物体１２に投影される光を位相シフトすることによって、物体１２の複数のイメージを分析して物体１２を検査することができる。したがって、複数バウンス反射ＭＢおよび／または物体１２の特徴を、物体１２から反射された光を使用して判定することができる。さらに、構造光測定システム１０は、物体１２の特徴の判定と同時に、複数バウンス反射ＭＢなどであるがこれに限定されないイメージノイズの識別、減少、および／または除去を容易にすることができる。本明細書で説明し、かつ／または図示した方法およびシステムの技術的効果に、物体１２の特徴の判定と同時の、複数バウンス反射ＭＢなどであるがこれに限定されないイメージノイズの識別、減少、および／または除去を容易にすることが含まれる。

本明細書で説明し、かつ／または図示したシステムおよび方法は、ガスタービンエンジン構成要素、より具体的にはガスタービンエンジンのエンジンブレードに関して説明され、かつ／または図示されたが、本明細書で説明し、かつ／または図示したシステムおよび方法の実践は、ガスタービンエンジンブレードにもガスタービンエンジン構成要素全般にも限定されない。そうではなく、本明細書で説明し、かつ／または図示したシステムおよび方法は、すべての物体に適用可能である。

システムおよび方法の例示的実施形態を、本明細書で詳細に説明し、かつ／または図示した。これらのシステムおよび方法は、本明細書で説明した特定の実施形態に限定されるのではなく、各システムの構成要素ならびに各方法の段階を、本明細書で説明した他の構成要素および段階と独立に、別々に利用することができる。各構成要素および各方法段階を、他の構成要素および／または方法段階と組み合わせて使用することもできる。

本明細書で説明され、かつ／または図示されたアセンブリおよび方法の要素／構成要素／などを導入する時に、無冠詞であること又は「前記」、「該」、「その」などの冠詞は、１つまたは複数の要素／コンポーネントなどがあることを示すことを意図している。「備える」、「含む」および「有する」という用語は、包含的なものであり、列挙された要素／構成要素／など以外の追加の要素／構成要素／などがある場合があることを意味することが意図されている。

本発明をさまざまな特定の実施形態に関して説明したが、当業者は、特許請求の範囲の精神および範囲の中で変更を加えて本発明を実践できることを認めるであろう。

構造光測定システムの例示的実施形態を示すブロック図である。 単一バウンス光経路および複数バウンス光経路を示す、検査中の物体を示す側面断面図である。 図１に示された構造光測定システムを使用して物体を検査する例示的方法を示す流れ図である。

符号の説明

１０ 構造光測定システム
１２ 物体
１４ エーロフォイル
１６ プラットフォーム
２２ 光源
２４ 撮像センサ
２６ コンピュータ
２８ モニタ
３０ デバイス
３２ コンピュータ可読媒体
３４ 角度
３６ 角度
３８ 方法
４０ 発する
４２ 位相シフトする
４４ 投影される
４６ 受け取られる
４８ 作成される
５０ 分析される
５２ 識別する

Claims (10)

1. 物体（１２）を検査する方法（３８）であって、
   ＬＣＤデバイスおよびＬＣＯＳデバイスのうちの少なくとも１つから光を発すること（４０）と、
   前記ＬＣＤデバイスおよび前記ＬＣＯＳデバイスのうちの少なくとも１つから発した光を位相シフトすること（４２）と、
   前記位相シフトされた光を物体の表面に投影すること（４４）と、
   前記物体表面から反射された光を撮像センサ（２４）を用いて受け取ること（４６）と、
   前記物体の少なくとも一部の検査を容易にするために前記撮像センサによって受け取られた前記光を分析すること（５０）と
   を含む方法（３８）。
2. 光を発すること（４０）が、前記ＬＣＤデバイスおよび前記ＬＣＯＳデバイスのうちの少なくとも１つから光の正弦波縞パターンを発することを含む、請求項１記載の方法（３８）。
3. 位相シフトすること（４２）が、前記ＬＣＤデバイスおよび前記ＬＣＯＳデバイスのうちの少なくとも１つを使用して、前記ＬＣＤデバイスおよび前記ＬＣＯＳデバイスのうちの少なくとも１つから発する光を位相シフトすることを含む、請求項１記載の方法（３８）。
4. 前記物体表面から反射された光を受け取ること（４６）が、
   第１撮像センサ（２４）を使用して前記物体表面から反射された光を受け取ることと、
   前記物体に関して前記第１撮像センサと異なる向きにされた第２撮像センサを使用して前記物体表面から反射された光を受け取ることと
   を含む、請求項１記載の方法（３８）。
5. 前記撮像センサ（２４）によって受け取られた前記光を分析すること（５０）が、前記第１撮像センサおよび前記第２撮像センサによって受け取られた光を使用して前記物体（１２）のエッジを判定することを含む、請求項４記載の方法（３８）。
6. 前記撮像センサによって受け取られた光を分析すること（５０）が、前記撮像センサ（２４）によって受け取られた光に基づいて複数バウンス反射を識別することを含む、請求項１記載の方法（３８）。
7. 物体（１２）を検査する構造光測定システム（１０）であって、
   前記物体の表面に構造光を投影するように構成された、ＬＣＤデバイスおよびＬＣＯＳデバイスのうちの少なくとも１つと、
   ＬＣＤデバイスおよびＬＣＯＳデバイスのうちの前記少なくとも１つに機能的に接続され、前記ＬＣＤデバイスおよび前記ＬＣＯＳデバイスのうちの前記少なくとも１つから発する光を位相シフトするように構成された、コンピュータ（２６）と、
   前記物体表面から反射された構造光を受け取るように構成された撮像センサ（２４）と
   を含むシステム（１０）。
8. ＬＣＤデバイスおよびＬＣＯＳデバイスのうちの前記少なくとも１つが、前記ＬＣＤデバイスおよび前記ＬＣＯＳデバイスのうちの少なくとも１つから光の正弦波縞パターンを発するように構成される、請求項７記載のシステム（１０）。
9. 前記撮像センサ（２４）が、第１撮像センサであり、前記システムが、さらに、前記物体に関して前記第１撮像センサと異なる向きにされた第２撮像センサを含む、請求項７記載のシステム（１０）。
10. 前記コンピュータ（２６）が、前記物体から反射され前記撮像センサによって受け取られた光を分析するために前記撮像センサ（２４）に機能的に接続される、請求項７記載のシステム（１０）。

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