JP2007139776A - 光学式エッジ急変部ゲージ - Google Patents

Abstract

【課題】手早く、正確に検査できる光学式エッジ急変部ゲージを提供する。
【解決手段】プロジェクタ２０が、第１の光軸４４に沿って構造光パターン４６を表面８０上に投射する。プロジェクタ２０に付属したビュアー５０が、第２の光軸５４に沿って表面８０から構造光パターン４６の反射を受け、また二次元スナップショットをデジタル化する。ビュアー５０にインタフェース接続されたコンピュータ６１が、デジタル化スナップショットを受けかつ該デジタル化スナップショットを解析して表示及び検査のために表面を数学的にモデル化する。プロジェクタ及び付属ビュアーは、ハンドグリップ６６とスナップショットを開始するトリガボタン６８とを備えた手持ち式ユニットとして設計される。手持ち式ユニット上に配置されたガイド先端部が、２つの光軸４４、５４のそばで共通視野まで延長して該ユニットを位置決めする。
【選択図】図１

Description

本発明は、総括的には光学ベースの測定の分野に関し、より具体的には、製造部品におけるエッジ急変部を輪郭付けするのに使用することができるように、表面上に光学的に投射されたフリンジパターン（縞模様）を使用して三次元（３−Ｄ）測定値を得ることに関する。

タービン翼形部、圧縮機ファン、ブレード根元などのような様々な用途のための機械加工部品は、応力集中の回避又は低減を含む特定の機械的特性を達成するような形状にされたエッジを有する場合がある。例えば、面取り部、ベベル、フィレット及び他の部品特徴形状部に見ることができるようなエッジ鋭利部を生じる可能性がある特徴形状部及び／又は幾何学的な不連続部は、本説明の関連ではエッジ急変部と呼ぶことにする。

製造品質の管理又は部品摩耗の測定のいずれかのためにエッジ急変部を検査することは、時間がかかりかつ煩わしいものになっている。これまでの実施方法では、エッジ急変部は、エッジのワックス又は軟金属インプレッションを使用して測定されてきた。次に、インプレッションは、スタイラス型又はトレーサ型の機械ゲージを使用して測定されるか、或いはエッジのラインに垂直な平面において薄切りにして光学コンパレータを使用して検査される。この方法は一般的に、正確なエッジ急変部のレプリカを製作する上での難しさ及び正確な断面マッピングを得る上での難しさのために時間がかかりかつ正確なものではない。

一般的に、構造光パターンを使用して非接触３Ｄ表面輪郭付けを実行するための公知の装置は、それら装置には可搬性がないこと及びそのような装置の操作に関連する難しさのために製造環境において迅速な測定を行うには使い易いものではなかった。例えば、そのような装置の重量及び寸法では一般的に、製造工場フロアの多数の場所に位置することになる多数の部品を点検要員が手早くかつ正確に検査するのを可能にする助けにならない。
米国特許第５，８３５，２１８号公報 米国特許出公開願第１１／２７４，５７９号公報 米国特許第６，６３９，６８５Ｂ１号公報 米国特許第６，９１２，８８８Ｂ２号公報 米国特許第６，９１０，２７８Ｂ２号公報 米国特許第６，８７３，４２１Ｂ２号公報 米国特許第６，８４１，７８０Ｂ２号公報 米国特許第６，８２５，９３７Ｂ１号公報 米国特許第６，７８８，２１０Ｂ１号公報 米国特許第６，６３６，２５５Ｂ１号公報 米国特許第６，６０３，１０３Ｂ１号公報 米国特許第６，４３８，２７２Ｂ１号公報 米国特許第６，２５２，６２３Ｂ１号公報 米国特許第６，２２９，９１３Ｂ１号公報 米国特許第６，０８４，７１２号公報 米国特許第６，０４０，９１０号公報 米国特許第５，８２５，４９５号公報 米国特許第５，６３６，０２５号公報 米国特許第５，１８９，４９３号公報 米国特許第５，０６９，５４８号公報 米国特許第４，９８４，８９３号公報 米国特許第４，９８３，０４３号公報 米国特許第４，６４１，９７２号公報 DEGRIECK, J.; PAEPEGEM, W. VAN; and BOONE, P., "Application of Digital Phase-Shift Shadow Moire to Micro Deformation Measurements of Curved Surfaces", Optics and Lasers in Engineering, 2001, Vol.36, pp. 29-40

従って、前述の欠点が生じないエッジ急変部ゲージを提供することが望ましい。

末尾の図を構成している図面と共に以下の説明において、本発明の態様を説明する。

本発明の例示的な実施形態によると、図１は、手持ち式プロジェクタ２０及び付属ビュアー５０の概略図を示す。プロジェクタは、バッテリ又は電気コンセントへのコード接続のような電源２４を備えた、発光ダイオード（ＬＥＤ）のような光源２２を有する。プロジェクタ２０は、集光アパーチャ３０を備えた集光レンズ２８とイメージングアパーチャ４０を備えたイメージングレンズ４２とを有することができる光学系（システム）を含む。不透明と透明の交互する領域を有する回析格子３４が、イメージングレンズの焦点面に又はその近傍に取付けられる。図２に示すように、Ｒｏｎｃｈｉ（ロンチ）罫線を使用することができる。この回析格子３４は、図３に示すように構造光パターン４６を表面８０上に投射する。

光源２２は、発散光線２６を発生させ、発散光線は集光レンズ２８によって集められかつ配向されて集収光線３２になる。これらの光線は、ビームの一部を遮断する回析格子３４を通過し、構造光パターン４６が形成される。例えば、ロンチ回析格子を使用する場合には、これにより、プレーナビームの投射が生じる。光の強さは、これらのビームに垂直なライン上で基本正弦波成分３６と高調波成分３８とを有する方形波形として変化し、これらの基本正弦波成分３６と高調波成分３８とが方形波における強さの鮮明な変化を定める。高調波成分３８は、回析格子によって周波数と共に増大する角度に回析され、従ってイメージングアパーチャ４０によって取り除くことができる。これにより、そうでなければ交差高調波によって表面８０上に出現することになる余分な干渉パターンが取り除かれる。イメージングアパーチャ４０は、例えばロンチラインに平行なスリットを含むことができる。

ビュアー５０は、プロジェクタ２０に取付けられ（付属し）、プロジェクタ光軸４４とは平行でない光軸５４を有する光学装置５２を含む。ビューイングシステム５０内のデジタルカメラ要素５７は、電荷結合素子アレイのような画像センサ５８と、アナログ・デジタル変換器５９と、デジタルカメラの分野に精通した者には分かるような他の電子機器を含むことができる。これらの要素は、ビューイング光パス５４に沿って見られるような、表面８０からの構造光パターンの拡散反射４６の画像をデジタル化する。カメラ電子機器は、内部バッテリ（図示せず）及び後で処理するためにデータを記憶するメモリ（図示せず）に接続することができ、或いはこれらのカメラ電子機器は、コンピュータ入力装置の分野では公知のユニバーサル・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を介して有線又は無線手段によって外部コンピュータ６１に接続することができる。デジタルカメラの分野では公知のように、コンピュータインタフェース回路をカメラの電子機器内に含むことができる。

この図示した実施形態では、手持ち操作のために、１つ又はそれ以上のハンドグリップ６６をプロジェクタ及び／又はビュアーのあらゆる所望の領域に取付けることができる。デジタルカメラの分野では公知のように、スナップショットを開始するためにトリガボタン６８を設けることができる。デジタルスナップショットの取得は、僅か数ミリセカンドで行うことができ、従って比較的長い時間にわたる実質的な安定は必要でない。別の実施形態（図示せず）では、ロボットによる組立及び検査の分野では公知の自動操作のために、ゲージ組立体をロボットアームに取付けることができる。手持ち操作の場合には、光パス４４、５４のそば又はその周りでガイド先端部７０をビューイングシステム５０の前方に延長して、表面が光軸４４、５４の交差位置に十分に近接しかつプロジェクタとビュアーとの共通視野内に位置するように該表面８０からある距離に急変部ゲージユニットを安定させかつ位置決めすることができる。

ビュアー光学装置５２は、９０度又はそれ以上のエッジの周りを見るように最適化された視野を備えたものとして設計することができる。タービン構成部品のエッジ急変部解析のための好適なビュアー光学仕様の実例は、次の通りとすることができる。すなわち、
＊視野＝約３．５ｍｍ平方
＊被写界深度＝５０％のコントラスロス以下で２ｍｍ又はそれ以上
＊空間分解能＝２％の歪以下で０．００５ｍｍ又はそれ以下
＊深さ分解能＝０．００５ｍｍ
プロジェクタ及びビュアー光学装置のいずれか又は両方が、光又は画像フィールドの一様性を向上させかつ／又はエッジ表面への光学的なアクセスを向上させ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含むことができることは、当業者には分かるであろう。当業者には分かるように、テレセントリックレンズ系は、表面に対する全てのビューを実質的に平行にする。ビュアーのケースでは、これは、エッジ急変部の２つの側面からの光のより一様な収集をもたらすことになる。光の一様性を向上させるように構成された光学系の実施例には、エッジの２つの側面に対して照明をより一様に配向するように配置されたミラーシステムを含むことができる。

輪郭付けされるエッジは、ビューイングシステム光軸にほぼ垂直な角度でかつ照明システムからの正反射から遠のく方向に配向されて、あらゆる正反射光による干渉がない状態で拡散反射光を見るようにすることができる。しかしながら、視野角度の正確な配向は、装置の操作にとって絶対必要なものではない。

図１に示すように、回析格子３４は、プロジェクション光軸４４に対して傾斜して配置されて、表面８０の配向を考慮した状態で、輪郭付けされる領域においてある平均深さで該表面８０と交差する回析格子画像の焦点面を得ることができる。輪郭付けされるエッジは、光パターンのラインが該エッジに沿うのではなく該エッジと交差するように配向することができるのが好ましい。しかしながら、パターン形状は満足な操作のためにはエッジラインに垂直である必要はない。

ビューイングシステム５０内にサブ回折格子（図示せず）を付加した状態で、このシステムと共に、モアレ干渉法を使用することができる。モアレ干渉法に関する背景情報を望む読者は、米国特許第５，８３５，２１８号（Ｋ．Ｈａｒｄｉｎｇ）を参照されたい。コンピュータ６１は、例えば位相シフト解析のような様々な公知の解析法又は処理法を実行することができる。当業者には分かるように、位相シフト解析は、その各々がパターンの小さな移動すなわち位相シフトを有する３つ又はそれ以上の周期パターンの画像の組合せを使用して、画像内の各ポイントにおいてパターンの有効位相を算出し、次にこの情報を使用して部品表面の全体形状を算出する。これもまた当業者には分かるように、このような位相シフト解析は、バイアスフリンジパターンによって単一の画像に対して実行し、次にこのバイアスフリンジパターンを数学的にシフトさせて同一の解析を実行することができる。

使用することができる付加的な例示的解析又は処理法には、フーリエ形状測定法、すなわち表面上に投射した周期パターン内のねじれを使用して表面輪郭を測定する数学的解析法が含まれる。当業者には分かるように、フーリエ形状測定法は、デジタル化した構造光画像によって得られた輪郭情報に基づいて表面を数学的にモデル化するのに使用することができる。この方法は、二次元高速フーリエ変換を伴うフーリエ解析を使用して湾曲表面上の局所的傾斜を求める。これは、表面のｘ、ｙ、ｚ座標系をねじれパターンが重ねられている単一の画像から生成するのを可能にする。

使用することができる付加的な例示的解析又は処理法には、当業者にもよく知られた光学式三角測量法が含まれる。一般に、三角測量は、対象物までの距離を角度的な相互関係に基づいて算出する測定法である。光学式三角測量は、距離又は範囲情報を測定される表面の２Ｄ画像上の各ポイントと関連させるように使用して、第三次元すなわちｚ座標が得られる。距離情報を算出するために、表面上に投射された構造光パターンの変化量が、ある基準状態での同一のパターンに対して解析される。

光学式三角測量法は、表面に対するある角度で該表面に衝突する光のビームを使用する。表面までの距離が変化すると、この光の所定の反射スポットが表面上の異なる位置に移動することになる。この作用により、ビームの入射角度以外のある角度で表面を見ているように見える。プレーナビームを投射することにより、スポットの代わりに表面上のラインが照明され、恰もプレーナビームによって一部が切断されたかのように表面をトレースした連続する一連の照明ポイントが形成される。従って、光のプレーナビームにより、ビュアーの視点から見ると、プレーナビームの平面の外側に表面の輪郭が形成されることになる。

次に、使用した特定の処理法には関係なく、作成数学モデルにより、部品仕様と比較するためのエッジのラインと垂直な表面セクションの輪郭を生成して製造部品を検査するようにすることができる。

関心があるあらゆるセクションに沿った輪郭は、３Ｄコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）プログラムの分野では公知の数学モデルによりあらゆる角度で得ることができる。そのような輪郭は、図４及び図５で示すように、コンピュータディスプレイ６２上に表示することができ、また／又は仕様に対する一致を自動的に解析することができる。曲率半径４９は、公式に適合した既知の円弧によるモデル化したフィレット輪郭から算出しかつ図５に示すように表示することができ、及び／又は特定の曲率半径は、比較のために輪郭上に文字として又は図式として表示することができる。ほぼ正確なモデリングを視覚的に確認するために、モデル化した表面の拡大３Ｄワイヤフレームビューを表示することもできる。エッジ急変部の１つ又はそれ以上の幾何学的パラメータを自動方式で定量的に特徴づけるための革新的なコンピュータ実行方法に関しての背景情報を望む読者は、米国特許出願第１１／２７４，５７９号（Ａｔｔｏｒｎｅｙ Ｄｏｃｋｅｔ 第１７９８７２−１（３４４４６））を参照されたい。

本発明の態様はまた、コンピュータ可読媒体上のコンピュータ可読コードとして具現化することができる。コンピュータ可読媒体は、データを記憶することができるあらゆるデータ記憶装置とすることができ、その後にデータはコンピュータシステムによって読取ることができる。コンピュータ可読媒体の実施例には、読取り専用メモリ、ランダムアクセスメモリ、ＣＤ−ＲＯＭ、磁気テープ、光学式データ記憶装置が含まれる。コンピュータ可読媒体はまた、コンピュータシステムに結合されたネットワークを介して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分散配置させることができる。

前述の仕様に基づいて、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、ハードウェア或いはそれらのあらゆる組合せ又はサブセットを含むコンピュータプログラミング法又はエンジニアリング法を使用して実施することができる。コンピュータ可読コード手段を有するあらゆるそのような得られたプログラムを１つ又はそれ以上のコンピュータ可読媒体内に具現化すなわち設け、それによって本発明によるコンピュータプログラムプロダクトすなわち製品を製作することができる。コンピュータ可読媒体は、例えば固定（ハード）ドライブ、小型ディスク、光学式ディスク、磁気テープ、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）のような半導体メモリなどとすることができ、若しくはインターネット或いは他の通信ネットワーク又はリンクのようなあらゆる送信／受信媒体とすることができる。コンピュータコードを含む製品は、１つの媒体によりコードを直接実行することによって、１つの媒体から他の媒体にコードをコピーすることによって、或い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製作しかつ／又は使用することができる。本発明を製作、使用又は販売するための装置は、１つ又はそれ以上の処理システムとすることができ、処理システムは、それに限定されないが、特許請求の範囲に記載した本発明を具現化する、中央処理装置（ＣＰＵ）、メモリ、記憶装置、通信リンク及び装置、サーバ、Ｉ／Ｏデバイス、若しくは、ソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア或いはそれらのあらゆる組合せ又はサブセットを含む該処理システムのあらゆるサブ構成要素を含むことができる。

ユーザ入力は、それによって人がコンピュータにデータを入力することができるキーボード、マウス、ペン、音声、タッチスクリーン、又はアプリケーションプログラムのような他のプログラムを通して行うことを含む他のあらゆる装置から受けることができる。

コンピュータサイエンスの技術に精通した者は、説明した通りに作成したソフトウェアを適切な汎用又は専用コンピュータハードウェアと組合せて本発明の態様を具現化するコンピュータシステム又はコンピュータサブシステムを容易に製作することができるであろう。

本明細書では本発明の様々な実施形態を示しかつ説明してきたが、このような実施形態は、単に実施例としてのみ示していることは明らかであろう。本明細書において本発明から逸脱することなく数多くの変形、変更及び置換えを行うことができる。従って、本発明は、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲によってのみ限定されることを意図している。

本発明の例示的な実施形態による手持ち式エッジ急変部ゲージの概略図。 ロンチラインの例示的な光学回折格子の概略図。 例示的な構造光パターンを反射する表面の斜視図。 表面のエッジと垂直な平面上における、図２の表面の断面輪郭表示。 エッジ輪郭に適合する円弧によって算出したエッジフィレット円弧を有する、図４におけるのと同様な断面輪郭表示。

符号の説明

２０ 手持ち式プロジェクタ
２２ 光源
２４ 電源
２６ 発散光線
２８ 集光レンズ
３０ 集光アパーチャ
３２ 集収光線
３４ 回折格子
３６ 正弦波成分
３８ 高調波成分
４０ イメージングアパーチャ
４２ イメージングレンズ
４４、５４ 光軸
４６ 光パターン
４８ 輪郭
４９ 曲率半径
５０ ビュアー
５２ 光学装置
５４ 光軸
５６ ビューイング光パス
５７ デジタルカメラ要素
５８ 画像センサ
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
６２ コンピュータディスプレイ
６４ ブラケット
６６ ハンドグリップ
６８ トリガボタン
７０ ガイド先端部
８０ 表面

Claims (10)

1. ３Ｄ表面輪郭測定用の光学式エッジ急変部ゲージであって、
   光源（２２）と前記光源からの光を投射光パスに沿って導く投射光学装置とを備えたプロジェクタ（２０）と、
   輪郭付けされる表面上に構造光パターンを投射するように前記投射光パスを修正する該投射光パス内の光学回折格子装置（３４）と、
   前記プロジェクタに付属し、前記投射光パスに平行でないビューイング光パスと、前記表面からの前記構造光パターンの拡散反射の画像を検知する前記ビューイング光パス内の光検知アレイ（５８）と、前記光検知アレイに接続されて前記画像をデジタル化するデジタイザ（５９）とを有するビューイング光学装置を備えたビュアー（５０）と、
   前記デジタイザと通信するデータ入力部と、前記デジタル化反射画像によって与えられた表面輪郭情報に基づいて前記輪郭付けされる表面をモデル化するプロセッサとを備えたコンピュータ（６１）と、
   を含むエッジ急変部ゲージ。
2. 前記ビューイング光学装置が、テレセントリックレンズ系を含む、請求項１記載のエッジ急変部ゲージ。
3. 前記投射光学装置が、テレセントリックレンズ系を含む、請求項１記載のエッジ急変部ゲージ。
4. 前記プロジェクタと前記付属ビュアーとの組合せが、
   手持ち式ユニットを構成し、前記組合せが、
   前記手持ち式ユニットに取付けられて該ユニットを手動的に位置決めするハンドグリップ（６６）と、
   前記光検知アレイ及びデジタイザ回路に電気的に接続されてデジタル画像スナップショットを収集するデジタルカメラ回路（５７）と、
   前記デジタルカメラ回路に電気的に接続されて前記画像スナップショットを開始するトリガボタン（６８）と、
   前記デジタルカメラ回路に接続されて前記デジタル画像スナップショットを前記コンピュータに伝送するコンピュータインタフェース回路（６０）と、をさらに含む、
   請求項１記載のエッジ急変部ゲージ。
5. 前記投射光パスと前記ビューイング光パスとが、ほぼ前記プロジェクタ及びビュアーの共通視野内で互いに交差し、
   該エッジ急変部ゲージが、前記手持ち式ユニットに取付けられたガイド先端部をさらに含み、
   前記ガイド先端部が、前記投射光パスのそばでかつ前記ビューイング光パスのそばで前記共通視野内のエンドポイントまで延びてスナップショット時間の間に前記輪郭付けされる表面に対して該エッジ急変部ゲージを位置決めしかつ安定させる、
   請求項４記載のエッジ急変部ゲージ。
6. 前記光学回折格子装置が、前記投射光パスに対して傾斜して前記プロジェクタ内に取付けられて前記投射光パスと前記ビューイング光パスとのほぼ交差位置におけるかつ前記エッジの頂点とほぼ同一平面になった投射画像焦点面を形成する、請求項５記載のエッジ急変部ゲージ。
7. 第１の光軸に沿って構造光パターンを表面上に投射するプロジェクタ（２０）と、
   前記プロジェクタに付属し、前記第１の光軸と平行でなくかつ該プロジェクタとそれとの共通視野内で該第１の光軸と交差した第２の光軸に沿って前記表面から前記構造光パターンの反射を受け、またトリガ信号が与えられると前記反射の二次元スナップショットをデジタル化するビュアー（５０）と、
   前記ビュアーとインタフェース接続されて前記デジタル化スナップショットを受けるコンピュータ（６１）と、
   前記デジタル化スナップショットを解析しかつ前記表面を数学的にモデル化する前記コンピュータ内のプロセッサと、を含み、
   前記プロジェクタと前記付属ビュアーとが、自由に移動可能な手持ち式組立体を構成し、
   前記トリガ信号を与えるためのトリガボタン（６８）を備えたハンドグリップ（６６）が、前記手持ち式組立体上に配置され、
   前記２つの光軸の隣り合い又は近傍で前記共通視野まで延びて前記表面に対して前記手持ち式組立体を位置決めするガイド先端部（７０）が、該手持ち式組立体上に配置される、
   光学式エッジ急変部ゲージ。
8. 前記構造光パターンが、前記第１の光軸に対して傾斜して前記プロジェクタ内に取付けられて前記エッジの頂点とほぼ同一平面に位置した投射画像面を形成する光学回折格子（３４）によって形成される、請求項７記載のエッジ急変部ゲージ。
9. 前記ビュアーが、テレセントリックレンズ系を含む、請求項７記載のエッジ急変部ゲージ。
10. 前記プロジェクタが、テレセントリックレンズ系を含む、請求項７記載のエッジ急変部ゲージ。
    

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