JP2009509131A - 固体の表面形状を非接触で動的に検出する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、固体（１）の表面形状（Ｐ）を非接触で動的に検出する方法に関し、レーザ装置（２）によって生成されかつ少なくとも１つの線光帯（３）を形成するよう拡張された少なくとも１つの光ビームが、動いている固体（１）の表面に投射され、固体の表面によって反射した光（ＲＬ）は画像装置（５）内の平面受光素子（６）に集束される。画像装置（５）の光軸（Ａ-Ａ）は、レーザ装置（２）の投射方向に対して固定された三角測量角度（φ）にあり、そして画像装置（５）内の集束レンズ（４）がレーザ装置（２）からの光ビームから固定された基本距離（Ｂ）に配置されている。反射した光（ＲＬ）は、平面受光素子（６）により検出される。平面受光素子（６）によってもたらされた信号が、幾何学的な関係により表面形状（Ｐ）の測定値を得るために三角測量角度（φ）および基本距離（Ｂ）に従って、さらに固体（１）の移動速度に従って求められた補正値と合わせて、データ処理装置内で使用される。そして、前記測定値は、プロフィログラム（ＰＧ）として記憶される。公知の方法を簡単にし、その性能を高めるために、初期の時点ｔ_０で、レーザ装置からの距離、この距離の時間変動および／または光強度の分布などの固体の初期状態を測定し、その後、これらの初期状態から、平面受光素子（６）から出力された信号が表面形状（Ｐ）の測定値を得るよう選択される検出時点ｔ_{ｆｌａｓｈ}を判定するようになっている。これらの処理は、主として、デジタル信号プロセッサが信号評価（１０４）に使用される受信ループ（１００）内で実施される。
【選択図】 図４

Description

本発明は、固体、特に動いている固体の表面形状（profile）を非接触で動的に検出する方法に関する。レーザ装置から線光帯を形成するよう拡がるレーザビームが固体の表面のある領域に投射される。そして、当該投射領域から反射した光は、レーザ装置の投射方向に対して固定された三角測量角度(fixed triangulation angle)にある光軸と、レーザ装置からのレーザビームからの基本距離との交点に中点が固定して配置されている集束レンズを有する画像装置の平面受光素子内に集束され、当該平面受光素子により、特に固体の移動速度に比べて高い周波数において検出される。この平面受光素子によって出力された信号は、幾何学的な関係により表面形状の測定値を得るために、三角測量角度および基本距離の関数としてデータ処理装置内で使用される。そして、前記測定値は、プロフィログラム(profilograms)として記憶される。

固体の表面形状の検出、つまり表面のプロフィログラムを得ることは公知である。そのような検出は、触覚的（接触的）な方法であるいは非接触な他の方法で行うことができる。たとえば、固体の表面形状の静的検出のための最近の様々な種類の光学方法が、「Bildverarbeitung und optische Messtechnik（Image processing and optical measurement techniques）（画像処理および光学測定技術）」(Munich:Franzis', 1993年、第6章)と題された、ベルント・ブロイクマン（Bernd Breuckmann）による専攻論文に「トポメトリック三次元測定学(topometric 3D metrology)」という用語で記載されている。

レーザ三角測量から開発された方法は公知であり、前記専攻論文にも同様に記載されている。これによれば、レーザ光ビームは、線光帯、いわゆる光断面を形成するよう拡げられる。ドイツ特許出願公開第103 13 191 号明細書では、最初に述べたタイプの一方法について開示している。これによれば、特に鉄道車両車輪の磨耗を測定するために、このような光断面が、固体、特に動いている固体の表面形状を非接触で動的に検出するのに使用される。この場合、たとえばビデオカメラなどの平面検出器が反射光を検出するために使用される。

しかし、実際には、測定される表面の動きや存在する曲率により、歪みが生じるという問題がある。そのため、得られる測定値は補正されなければならない。さもなければ、実体に合った測定値を得ることができない。

この場合、測定値の検出時点も、重要な役割がある。何故なら、この検出時点を間違って選択すると、補正後にもはや利用不可能な測定値となるからである。そのため、この検出時点の測定に関する特別な方法がドイツ特許出願公開第103 13 191号明細書に開示されている。この先行技術によれば、回転する固体のプロフィログラムは、２つの端面および外周面から同時に測定される３つの構成要素（コンポーネント）のプロフィログラムから得られる。この個々の構成要素のプロフィログラムの検出時点は、当該検出時点で測定される測定値が少なくとも３つの測定値の最大値であるとの仮定の元で選択される。これらの少なくとも３つの測定値は、前記２つの端面の内の１方の端面における半径を有する円弧上にあり、線光帯のそれぞれの長さから同一方向においてかつ連続する時点でそれぞれ測定される。さらに、それぞれの場合において、前記円弧の弦の長さの半分の長さに対応する。

本発明の目的は、最初に述べたタイプの固体の表面形状を非接触で動的に検出する方法を提供することである。これにより、短い測定時間が可能となり、厳しい動作条件においても高い測定精度が保証され、同時に、測定値の最適検出時点を簡単に判断することができるとともに高度な性能を有することができる。

本発明によれば、前記目的は、固体の初期状態、特に、レーザ装置からの距離、この距離の時間変動、および／または光強度の分布を、初期の時点で測定し、その後、平面受光素子によって出力される信号が表面形状の測定値を得るために選択される検出時点を初期状態から判定（測定）する方法により達成される。

したがって、本発明によれば、迅速に測定値を検出することができる。何故なら、初期状態から検出時点を測定するには、初期状態、すなわち現在記録する必要がある１組の測定値のみを検出する工程と、検出時点を判定（測定）する工程の２つのステップのみでよく、公知の方法のような、３つの測定値を記録する工程と、これらの測定値を比較する工程と、最大値を選択する工程とから成る３つの基本ステップがもはや必要でないことを意味するからである。

装置に関しては、ハードウェアの費用が削減されるという利点を有する。何故なら、３．５ｍ／秒未満の固体の並進運動(translational movement)速度の場合には、高速カメラを使用する必要がないからである。また、高速カメラを使用する場合でも、固体の非常に高速の並進運動を測定できるからである。したがって、本発明によれば、最大速度で駆動しているＩＣＥの鉄道車両車輪の表面形状の判断を行うことが可能となる。その上、正確な測定には、１つの拡げられた光帯のみで十分である。したがって、ハードウェアの費用が削減されることに加えて、測定装置を設定し較正する時間も実質的に減少する。

この場合、初期状態から検出時点を判定（測定）することは、特に、既存のデータ処理装置内に統合されるデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を用いて行うことができる。

本発明のさらに好ましい設計が従属請求項および以下の詳細な説明に含まれている。

添付図面に例示されている実施形態を用いて、本発明についてより詳細に説明する。

図面の様々な図における同一の部品には、常に同じ参照符号が付されており、したがって、一般に、それぞれの場合について一回のみ記述されている。

まず図１の測定物体に関する二次元図に示されているように、本発明による方法が基づく原理に従って、速度ｖで動いている固体１に、レーザ装置２から放射される光ビームは、ビームの幅ｂが、深さまたは表面形状の高さｚの最大限測定可能な値（最大値）ｚ_ｍａｘと最小限測定可能な値（最小値）ｚ_ｍｉｎとの間の差にあたる測定範囲Ｄ_Ｚ内の所定の範囲内にあるように、光学機器（図示せず）によって集束される。この場合、光ビームは、図２の三次元図で示されているように、光帯３を形成するように拡げられる。

測定点は、固体１の表面と光帯３との衝突位置（光帯３が固体１の表面に当たる位置）ｚ_Ａであり、そこにおける拡散光（反射光ＲＬ）の散乱によって形成される。この測定点は、レーザ装置２の光軸Ｏ−Ｏによって決定される入射方向からそれた方向から認識することもできる。

ここで、測定点が三角測量角度Φで画像装置５の集束レンズ４を経由して、平面受光素子６に画像（結像）されると、該平面受光素子６上の画像点（結像点）の位置ｘ_Ａは、最小値ｚ_ｍｉｎと最大値ｚ_ｍａｘとの間の衝突位置ｚ_Ａに従って設定される。この場合、三角測量角度（φ）は、１５〜４０°の範囲内であることが好ましく、２０〜３０°の範囲内であることがより好ましい。

この場合、本発明による方法に使用される装置の装備（setup）の配置関係は、不変に設定された三角測量角度Φと共に、（レーザ装置２の光軸Ｏ−Ｏによって規定された）レーザ装置２からの光帯３の位置に対する画像装置５の集束光学機器（集束レンズ）４の光軸Ａ−Ａの固定された基本距離Ｂとによって決定される。この場合、基本距離Ｂは、３０〜４５０ｍｍの範囲内、特に６０〜２７０ｍｍの範囲内にあることが好ましい。

三角法の関係を適用することにより、測定された画像点位置ｘ_Ａは、等式
ｚ_Ａ＝Ｈ／（１−Ｂ／ｘ_Ａ）（１）
に従って、レーザ装置２から衝突位置ｚ_Ａの距離、つまり、レーザ装置２から固体１の表面までの距離を測定するのに使用される。ここで、Ｈとは、図１に例示されているように、画像装置５の平面受光素子６から集束レンズ４の中心までの距離（すなわち、衝突位置ｚ_Ａから平面受光素子６までの高さと、衝突位置ｚ_Ａから画像装置５の集束レンズ４の中点までの高さの差に相当する距離）である。

この場合、相対測定精度ｄｚ_Ａ／ｚ_Ａは、
ｄｚ_Ａ／ｚ_Ａ＝１／（１−ｘ_Ａ／Ｂ）＊ｄｘ_Ａ／ｘ_Ａ （２）
となる。ここで、画像点位置ｘ_Ａの相対解像度ｄｘ_Ａ／ｘ_Ａは、反射光ＲＬが画像ピックアップ要素（平面受光素子）６によって受信される周波数ｆに対する固体の速度ｖに依存する。また信号ノイズおよび平面受光素子６の種類にも依存する。この場合、等式（２）の変数ｄｚ_Ａは、測定精度の絶対値である。

解像度を上げるために、表面形状の最終測定値ｚ_Ｂ（図１および図２にＰで表されている）は、測定値ｚ_Ａと、固体１の移動速度ｖ、特に、移動速度ｖに比例するベクトル因子および／または加数に従って決まる補正値Ｋｖとを組み合わせることによって得られる。ここで、移動速度ｖと反射光ＲＬの検出周波数ｆとを相関的に組合せるのは、移動速度ｖに従って決まる補正値Ｋｖを求めるために行われる。なお、反射光ＲＬが前記受光素子６により検出される周波数（検出周波数）ｆは、２５Ｈｚ〜１００ｋＨｚの範囲内であることが好ましく、１〜１０ｋＨｚの範囲内であることがより好ましい。

上述した形状寸法、特に、基本距離Ｂ、三角測量角度Φ、および／または光帯３が投射される固体１の表面の領域から画像装置５またはレーザ装置２の平均動作距離（図１に長さＬで例示されている）を変えることにより、装備の幾何学的変数を適切に選択して、測定範囲Ｄｚ、および測定精度ｄｚ_Ａ／ｚ_Ａと測定範囲Ｄｚの解離を自由に設定することができる。この場合、図１に示されるように、個々の装置は、必ずしも共通のハウジング７に収容される必要はない。この場合、測定範囲Ｄｚを拡大すると、測定精度が減少する。またその逆も同様である。平均動作距離Ｌは、ここでは、２０〜６５０ｍｍの範囲内、特に１５０〜３５０ｍｍの範囲内であることが好ましい。

本発明によれば、例示されている設計においては、高速カメラを平面受光素子６として使用する必要がない。むしろ、約６０画像／秒よりはるかに少ない画像記録頻度（フレームレート）を有するカメラであっても約４ｍ／秒までの移動速度には十分である。前述したように、解像度は、測定範囲、つまり測定範囲Ｄｚの大きさに依存する。そのため、本発明による方法を行う装置の寸法を決めるにあたっては、測定範囲Ｄｚが重要であり、検出するカメラヘッドの数が、要求されるまたは選択された解像度に直接依存することである。なお、固体の並進速度ｖは４．０ｍ/秒より大きいことが好ましい。

図２に例示されているように、これまで二次元のみで見てきたシステムを、三次元の固体１のトポグラフィを記録するために、三次元で見ることとする。つまり、光帯３を形成するために拡げられたレーザビームを使用して、作業が行われる。いわゆる「光切断法」が使用される。反射光ＲＬが、平面受光素子６、およびＰＣのようなデータ処理装置（図示せず）によって検出された後、表面形状Ｐの測定値が、平面受光素子６によって出力された信号、および三角測量角度Φと基本距離Ｂとを考慮することにより求められる。そして、前記測定値は、プロフィログラムＰＧとしてデータ処理システム内に記憶される。このようなプロフィログラムＰＧは、図２の概略図に、平面受光素子６上に示されたポリラインで表されている。

たとえば、３００ｍｍの線長ＬＢ（図２）および１．５ｍｍの線幅ｂ（図１）を有する記号Ｌ２００で示されている市販の線形レーザが、光帯３を固体１の表面に投射するレーザ装置２として使用される。なお、光帯３の線長ＬＢは、５０〜７５０ｍｍの範囲内であることが好ましく、２００〜４００ｍｍの範囲内であることがより好ましい。また、光帯３の線幅ｂは、０．３〜６．５ｍｍの範囲内であることが好ましく、０．８〜２．２ｍｍの範囲内であることがより好ましい。

本発明による方法を適用するための図３に例示されているプログラムフローチャートは、特に、鉄道車輪のような鉄道車両１０の車輪の表面形状Ｐを非接触で検出する方法を示す。このような車輪は、図４に鉄道車両１０として例示されている（参照符号１ａが付されている）。

プログラムフローチャートは、特に固体１または１ａの表面形状Ｐの動的検出のための受信ループ１００を含んでいる。この受信ループ１００は、図３に参照符号９５が付されたボックスで表されているシステム起動処理が完了した後に、サーバからのリクエスト９０を受信することにより稼動する。このシステム起動処理には、鉄道車両１０用の交通信号灯を作動させること、平面受光素子６における画像取り込みのためのトリガーを作動させること、およびレーザ装置２のスイッチをＯＮとすることなどが含まれる。

レーザ距離センサ１０１、特に平面受光素子６は、距離信号１０３を提供するという特定の目的を有する信号処理１０２の後に、受信ループ１００内で使用される。すなわち、初期の時点ｔ_０において、レーザ装置２からの距離や、光強度の分布や、（必要な場合には）この距離における時間変動(temporal variation in this distance)のような固体１、１ａの初期状態についての判断がなされる。前記距離における時間変動は、時間に対する経路の第１の導関数（微分関数）として、また加速された運動の場合には時間に対する経路の第２の導関数（微分関数）として、受信ループ１００内で使用される。

次いで、「信号評価」１０４の方法ステップにおいて、初期状態、特に距離信号１０３は、平面受光素子６から出力された信号が表面形状Ｐの測定値ｚ_Ｂを得る目的で選択される検出時点ｔ_{ｆｌａｓｈ}を判定（測定）するのに使用される。つまり、詳細に言えば、トリガーパルス１０５が、平面受光素子６（たとえばカメラ）に出力され、その結果、画像の取り込み１０６が検出時点ｔ_{ｆｌａｓｈ}で実行される。この場合、初期状態から判定（測定）された検出時点ｔ_{ｆｌａｓｈ}は、初期の時点ｔ_０における最大限可能な時間近接度基準(the criterion of greatest possible temporal proximity)を用いて判定（測定）されるべきである。何故なら、この場合、初期の時点ｔ_０において存在する信号と検出時点ｔ_{ｆｌａｓｈ}において存在する信号とは、信号評価で好ましい方法において、若干異なるからである。

ここで、初期状態（距離信号１０３）から検出時点ｔ_{ｆｌａｓｈ}の判定（測定）は、特に、既存のデータ処理装置内に統合されることが好ましいデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）によって行われる。状況によっては、レーザ距離センサ１０１がデジタル信号を供給しない場合に、アナログ／デジタル変換器を上流に接続することが必要となる。

その正確な予測可能性、および所望のオペレーションを実行するために必要な時間が非常に短いことにより、特に、信号のリアルタイム処理（つまり連続処理）には、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）が必須となる。信号評価１０４にこれを使用することにより、データ移動、記憶、および／または価値テストのようなデータ操作、並びに加算および乗算のような数学計算の両方に関して、デジタル信号の形態で存在するデータの最適処理が可能となる。したがって、数学計算については、信号評価１０４において、フィルタリング、フォールディング、および数ミリ秒の範囲内でフーリエ、ラプラス、および／またはｚ変換を行うことができる。データ操作については、データ記憶または長距離データ伝送の前に、ＤＳＰを用いて、非常に効率的なデータ圧縮（これも同様に数ミリ秒の範囲内の）が可能である。

たとえば、固体１、１ａの個々の小領域は、動的表面形状検出に特に関連するので、これらの小領域の速度は検出時点ｔ_{ｆｌａｓｈ}を測定するために好適に使用することができる。そのため、それらの小領域の速度が初期状態に属することで直接測定により検出不要な場合あるいはその速度が不変に定められているかまたは不変に設定されている場合には、ＤＳＰを使用することにより、レーザ装置２からの固体１、１ａの距離における時間変動を初期状態から測定することが可能となる。

素早い信号処理を行うためには、すなわち初期の時点ｔ_０と検出時点ｔ_{ｆｌａｓｈ}との時間近接度を高めるためには、初期の時点ｔ_０で固体１、１ａの初期状態を測定する際に、平面受光素子６によって出力された信号を２進化マスク(binary coded mask)のようなパターンを得るために用いることが好ましい。この場合、検出時点ｔ_{ｆｌａｓｈ}は、このパターンが存在するかどうかを基準として、すなわちそのパターンが存在することが認識されてことを基準として、決めることが好ましい。

この場合、このパターンを得て、当該パターンを認識するために、初期の時点ｔ_０および／または検出時点ｔ_{ｆｌａｓｈ}において、固体１、１ａに存在する光強度の分布（特に、透明度が分布した形態における光強度の分布）がヒストグラムで検出されることが効果的なやり方である。このヒストグラム（すなわち、光強度の分布）は、好ましくは、ルックアップテーブル（ＬＵＴ）を用いて、画像変換される。この画像変換では、特に、ラプラス変換を用いて行われるハイパスフィルタリングのような閾値オペレーションがなされることが好ましい。ここで、ルックアップテーブル（ＬＵＴ）とは、画像処理において一般的な技術であり、複数の出力値を有するフィールドのインデックス数の関連付けされて連結された構造として理解されたい。いわゆるカラーマップまたはパレットが、公知のＬＵＴの一例である。これは、色および強度値を、限られた数のカラーインデックス（通常２５６）に割り当てるのに使用されている。本発明では、以上のような検出された光強度の分布を変換する複数のルックアップテーブルが、対応する時点ｔ_０で初期状態に動的に適応されるようにすることができる。したがって、このような信号処理は、たとえば、屋内照明による照明条件の変動や屋外における雪などの季節的な影響や太陽の位置のような不規則に変動する環境条件や常時存在する環境条件に最適な形で対処することができる。

アルファチャンネル(alpha channel)、好ましくは２進アルファチャンネルは、前述したパターン、特に２進化マスクの取得および認識をするために使用される。アルファチャンネル（αチャンネル）とは、ここでは、画像処理の分野におけるデジタル画像において、通常使用される３つのカラーチャンネルとは別に存在し、カラー空間内で符号化されたカラー情報に加えて個々の画素の透明度を記憶するチャンネルと理解されたい。たとえば、このために１画素に対して１バイトを与えることができる。この結果、上述したように、２^８＝２５６のレベル（階調）で光強度を表すことができる。２進アルファチャンネル(binary alha channel)は、透明度の符号化に対して１ビットのみを使用する最小アルファチャネルである。したがって、画素が完全に透明である（ブラック）か、または完全に不透明である（ホワイト）かということのみを特定することができる。

例として上述した手順のモードの変形例または補完例では、認識パターンを抽出し認識するために、通常「インテリジェント画像処理」という名で呼ばれる他の方法を利用することができる。特に、いわゆる画像のシャープニングまたはクロム効果のようなフィルタオペレーションを利用することができる。

画像取り込み１０６が検出時点ｔ_{ｆｌａｓｈ}で行われた場合には、画像マトリクス１０７が、トリガーパルス１０５後の最初の完全な画像として検出される。そして、取得された画像は、記憶手段１０８に送られる。この場合、タイマのリセット１０９が同時に行われる。受信ループ１００に示されているように、上述した一連の動作が繰り返し実行される。

参照符号１１０および１１１で表されているボックスに示されている状態チェックは、受信ループ１００内の処理のためのアボート基準(abort criteria)として働く。この場合、ボックス１１０におけるチェックは、タイマが既に１０秒以上動作しているかどうかに関してなされ、一方、ボックス１１１におけるチェックは、鉄道車両１０のすべての車軸が記録されているかどうかに関してなされる。これらの条件の１つが当てはまると、画像形成は停止する（ボックス１１２）。この場合、タイマが既に１０秒以上動作しているかどうかに関するチェックは、固体１または１ａが停止しているかどうかを確認するために行われる。画像形成の停止１１２後、記憶手段１０８に記憶されている画像データが、サーバに送信される（ボックス１１３）。それと同時に、「トリガー用のスイッチを切る」「レーザ装置２のスイッチを切る」、および「鉄道車両１０用の交通信号灯を駆動する」といったシステム停止オペレーションを行うことができる。これらは、参照符号１９５が付されたボックスで表されている。

図４は、本発明による方法の代表的な適用形態である摩耗を測定する例を示している。この例は、レール９上を回転し、かつ並進速度ｖおよび角速度ωで通過する車輪１ａの形態で測定される固体１のために考案された磨耗試験台８を示す斜視図である。この例では、図３、特に受信ループ１００内のプログラムシーケンスに例示されているオペレーションを実施するために、適切なハードウェアを試験台８内に組み込むことができる。これにより、クライアントがトラック（レール）９の近くに位置し、サーバが空間的に離された位置に置かれているクライアントサーバ回路を提供することができる。

図４に示すように、この磨耗試験台８に、固体１の表面にある領域の構成要素のプロフィログラムＰＧとして、２つのプロフィログラムＰＧが提供されることが分かる。このために、本発明によれば、２つの光帯３ａ、３ｂが投射され、各表面形状Ｐが、前記光帯に割り当てられた画像装置５によって測定される。

しかし、既に述べたように、１つの拡がった光帯３だけでも、たとえば参照符号３ａで表されている光帯或いは光帯３ｂだけでも、正確な測定に十分であることに留意されたい。

鉄道車両１０の車輪１ａは、その基本形状が基本的に円筒形または環状である軸対称の固体１を構成し、光帯３ａ、３ｂが投影される領域は、円筒形の固体１または環状の固体１の２つの端面Ｄ_１、Ｄ_２上および外周面Ｍ上にある。

この場合、円筒形の光学機器(cylindrical optics)を使用することにより、各光帯３ａ、３ｂが光帯の幅を広げた状態で固体１の表面の様々な側部を照射するようにすることができる。すなわち、レーザ装置２を適切な位置（距離Ｂ）に配置することにより、図示されているように、それぞれの光帯３ａ、３ｂが固体１の表面の様々な側部Ｄ_１、Ｄ_２、Ｍの１つ以上の部分を照射するようにすることができる。

したがって、図示されている場合において、光帯３ａは、特に、車輪１ａの前端面Ｄ_１および外周面Ｍを照射し、光帯３ｂは、特に、車輪１ａの後端面Ｄ_２および外周面Ｍを照射する。この場合、平面受光素子６が高い画像解像度（高い画素密度）を有していれば、上記式（２）により、大きなビームの拡がりも許容され得る。したがって、光帯３ａ、３ｂに大きな発散角度δ（たとえば、４５°より大きく、好ましくは６０°より大きい発散角度）が与えられたとしても、表面形状Ｐの測定に要求される測定精度は保証される。

ここで、２つの光帯３ａ、３ｂを使用する利点は、以下の通りである。すなわち、本発明では、固体１、１ａの初期状態が初期の時点ｔ_０で測定され、その後、平面受光素子６から出力された信号が表面形状Ｐの測定値ｚ_Ｂを得るために選択される検出時点ｔ_{ｆｌａｓｈ}が初期状態から測定される。そのため、１または複数のレーザ装置２を用いて、外周面Ｍ上の位置を基準にして、光帯３ａ、３ｂを１つの同じ測定場所に同時に或いは時間をずらして投射することができる。これにより、光帯３ａ、３ｂによるシェーディング（すなわち、側方からの照明によるシェーディング）のために検出されない固体１の表面の様々な側部Ｄ_１、Ｄ_２、Ｍの領域を、２つのレーザ装置２を相互に適切な位置に配置することにより、他の各光帯３ｂ、３ａによる検出に利用できるようにすることが可能となる。次いで、このように測定された構成要素のプロフィログラムＰＧは、データ処理装置内に記憶され、全てのプロフィログラムが畳重されて収容される。

図４に示すように、２つの光帯３ａ、３ｂは、全プロフィログラムを測定するために同一投射平面上にない。また、光帯３ａ、３ｂは、車輪１ａの車軸と平行である必要がない。車輪１ａの端面Ｄ_１、Ｄ_２に対する光帯３ａ、３ｂの図示されている割線状の形状(secant-like profile)のような軸平行度から対応する偏差は、表面形状Ｐの測定値ｚ_Ｂが固体１、１ａの表面の領域に従って決まる補正値Ｋｏと組み合わせることによって得られるという事実により保証される。これらの補正値Ｋｏは、特に、固体１、１ａの表面の領域に従って決められまたは設定された係数および／または加数である。

上記のケースで測定された構成要素のプロフィログラムや全プロフィログラムのような測定されたプロフィログラムＰＧは、非摩耗ホイールリム内径Ｄ_ｆｉｘのような長期間不変の永久基本幾何学的変数を参照する（基準とする）ことが好ましい。また、必要であれば、各基準プロフィログラムおよび／または前記測定されたプロフィログラムＰＧと前記基準プロフィログラムとの間の各偏差（磨耗値を表す）も非摩耗ホイールリム内径Ｄ_ｆｉｘのような長期間不変の永久的かつ基本的な幾何学的変数を参照する（基準とする）ことが好ましい。この非摩耗ホイールリム内径Ｄ_ｆｉｘは、一方では、車輪１ａの外周面Ｍで測定された表面形状Ｐの高さの測定値ｚ_Ｂのための基線として用いることができ、他方では、固体１の表面の光帯３または３ａ、３ｂによって照射される領域に従って定められる補正値Ｋｏを決めるのに用いることができる。

このようなホイールリム内径Ｄ_ｆｉｘを測定するための方法には、一般に知られている様々な方法がある。たとえば、ホイールリム内径Ｄ_ｆｉｘは、プロフィログラムＰＧの検出と同じ方法で、動いている車輪１ａにおいて非接触動的検出によって求められる３つの測定値から測定することができる。この場合、車輪１ａは１方向から測定される。すなわち、各光帯３ａ、３ｂは同じ整列状態となっている。この場合において、前記３つの測定値は、求められるホイールリム内径Ｄ_ｆｉｘを有する円弧上にある３つの測定値であることができる。そしてそれらの測定値は、直交座標の縦座標値として測定され、それぞれが当該円弧の弦の長さの半分を表すように変換される。回転する車輪１ａの非摩耗ホイールリム内径Ｄ_ｆｉｘは、各変換された縦座標値と、これに関連する横座標値と、ホイールリム内径Ｄ_ｆｉｘとを含む連立方程式を解くことにより求めることができる。

この場合、非摩耗ホイールリム内径Ｄ_ｆｉｘの長期間不変の永久的かつ基本的な幾何学的変数の基礎として、（存在する場合には）固体１の技術図面から、または以前行なわれた測定の測定値であって、保存されている測定値を用いることも好ましい。

本発明による方法により、極めて短い測定時間で表面形状Ｐの測定が可能となる。したがって、本発明による方法は、鉄道車両１０が回転しながら進んでいくレール９の両側に配置されたレーザ装置２および画像装置５は、たとえば、５つの基準値（たとえば、１０個の車輪のセット）に対してそれぞれの三次元プロフィログラムを、さらなる処理のために直ちに利用可能なリアルタイムオペレーションにおいて作り出すのに使用することができる。この場合、このように判断されたプロフィログラムＰＧ、２．０ｍｍ未満の解像度ｄｚ_Ａ、特に０．２ｍｍ未満の解像度が、達成される。

本発明は、例示されている実施形態、特に信号評価１０４または信号処理のためにＤＳＰを使用する実施形態、に制限されるものではなく、本発明において同じ効果を有する、すべての手段および対策も保護されるものである。さらに、当業者は、本発明の範囲から逸脱することなく、さらなる好ましい対策により、たとえば、判断されたプロフィログラムＰＧに基づく固体１の処理プロセスを追加することにより、本発明を改良することができる。

たとえば、図４の例では、鉄道車輪１ａに対する上述の試験台８の大きさの関係を変えることができる。また、本発明による方法を使用するために設計された試験台８の大きさは、例示されている靴箱の約２倍の大きさより非常に小さく、かつよりコンパクトにすることができる。したがって、殆どの場合に、トラック（レール９）設備に試験台８を実装する際に、複雑なコンクリート工事を省くことができることができる。

さらに、本発明は、請求項１に定義されている特徴の組合せに制限されるものではなく、全体的に開示されている特定の特徴の他の所望の組合せによっても特徴付けられる。つまり、原則として、請求項１の殆どの個々の特徴が、省略されおよび／または本願の別の箇所に開示されている少なくとも１つの個々の特徴と取り替えられることができる。この点において、請求項１は、本発明を表すための最初の試みに過ぎないことを理解されたい。

本発明による方法の基本原理の例を示す概略側面図である。 本発明による方法の基礎的条件を例示するための原理のさらなる例を示す概略斜視図である。 本発明による方法の適用形態を示すプログラムフローチャートである。 本発明による方法が適用される鉄道車輪などの鉄道車両の車輪のための磨耗試験台を示す斜視図である。

符号の説明

１ 固体
１ａ 車輪
２ レーザ装置
３、３ａ、３ｂ 光帯
４ 集束レンズ
５ 画像装置
６ 平面受光素子
７ ハウジング
８ 磨耗試験台
９ レール
１０ 鉄道車両
９０ サーバからのリクエスト
９５ システム開始
１００ 受信ループ
１０１ レーザ距離センサ
１０２ 信号処理
１０３ 距離信号
１０４ 信号評価
１０５ トリガーパルス
１０６ 画像取り込み
１０７ 画像マトリクス
１０８ 記憶手段
１０９ タイマリセット
１１０、１１１ アボート状態のチェック手段
１１２ 画像記録停止
１１３ サーバへのデータ送信
１９５ システム停止
Ａ−Ａ 光軸
Ｂ 基本距離
ｂ 光帯の幅
Ｄ_ｆｉｘ ホイールリム内径
Ｄ_Ｚ ｚの測定範囲
ｄｚ_Ａ ｚ_Ａの解像度
Ｄ_１、Ｄ_２ 固体の端面
ｆ 周波数
Ｈ 平面受光素子から集束レンズまでの距離
Ｋ_０、Ｋ_ｖ 補正値
Ｌ 平均動作距離
ＬＢ 光帯の線長
Ｍ 固体の外周面
Ｏ−Ｏ 光軸
Ｐ 表面形状
ＰＧ プロフィログラム
ＲＬ 反射光
ｔ_０ 初期時点
ｔ_{ｆｌａｓｈ} 検出時点
ｖ 並進速度
ｘ 長さ座標
ｘ_Ａ 画像点位置
ｘ_ｍａｘ ｘの最大値
ｘ_ｍｉｎ ｘの最小値
ｚ_Ａ 測定値、衝突位置
ｚ_Ｂ 最終測定値、ｚ_Ａからの補正された測定値
ｚ_ｍａｘ ｚの最大値
ｚ_ｍｉｎ ｚの最小値
Φ 三角測量角度
δ 発散角度
ω 角速度

Claims (28)

1. 動いている固体（１、１ａ）の表面形状（Ｐ）を非接触で動的に検出する方法であって、
   線光帯（３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｃ１、３ｃ２、３ｃ３）を形成するように拡げられたレーザ装置（２）からのレーザビームが前記固体（１、１ａ）の表面のある領域に投射され、そこから反射した光（ＲＬ）は、画像装置（５）に集束するようになっており、
   前記該画像装置（５）は、前記レーザ装置（２）の投射軸（Ｏ−Ｏ）に対して固定された三角測量角度（φ）にある光軸（Ａ−Ａ）を有し、当該光軸（Ａ−Ａ）が前記レーザ装置（２）の投射軸（Ｏ−Ｏ）から固定された基本距離（Ｂ）に位置しており、
   前記反射した光（ＲＬ）は、前記画像装置（５）の平面受光素子（６）によって反射され、
   そして前記平面受光素子（６）によって出力された信号は、前記三角測量角度（φ）および前記基本距離（Ｂ）の関数としてデータ処理装置内で使用され、幾何学的な関係を用いて前記表面形状（Ｐ）の測定値（ｚ_Ｂ）を得るとともに、当該測定値はプロフィログラム（ＰＧ）として記憶される方法において、
   前記固体（１、１ａ）の初期状態としての前記レーザ装置（２）からの距離、この距離の時間変動および／または光強度の分布を、初期の時点（ｔ_０）で測定し、その後、前記平面受光素子（６）によって出力された前記信号が前記表面形状（Ｐ）の前記測定値（ｚ_Ｂ）を得るために選択される検出時点（ｔ_{ｆｌａｓｈ}）を前記初期状態から判定することを特徴とする方法。
2. デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）が、前記平面受光素子（６）から出力された信号に基づいて前記表面形状（Ｐ）の前記測定値（ｚ_Ｂ）を得るために選択される前記検出時点（ｔ_{ｆｌａｓｈ}）を判定するために使用されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記初期状態から判定された前記検出時点（ｔ_{ｆｌａｓｈ}）は、前記初期の時点（ｔ_０）の最大限可能な時間近接度基準を用いて判定されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記初期の時点（ｔ_０）で前記固体（１、１ａ）の前記初期状態を判定するために、前記平面受光素子（６）によって出力された前記信号は、２進化マスクのようなパターンを得るために使用され、前記検出時点（ｔ_{ｆｌａｓｈ}）は、このパターンの存在が認識されていることの基準を用いて決定されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の方法。
5. 前記パターンを得て、当該パターンを認識するために、前記初期の時点（ｔ_０）および／または前記検出時点（ｔ_{ｆｌａｓｈ}）で前記固体上（１、１ａ）に存在する透明性分布の形態における前記光強度の分布がヒストグラムで検出され、さらにルックアップテーブル（ＬＴ）を使用して、画像変換、すなわちラプラス変換を用いて好適に行われるハイパスフィルタリングのような閾値オペレーションがなされることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. ２進アルファチャンネルのようなアルファンチャネルが、前記パターンを得て、それを認識するのに使用されることを特徴とする請求項４または５に記載の方法。
7. 画像のシャープニングまたはクロム効果の作成のようなインテリジェント画像処理方法、すなわちフィルタオペレーションが前記パターンを得て、それを認識するために使用されることを特徴とする請求項４ないし６のいずれかに記載の方法。
8. 前記固体（１、１ａ）は、車輪（１ａ）のような実質的に回転対称体であり、並進運動と同時に回転運動をすることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の方法。
9. 前記表面形状（Ｐ）の前記測定値（ｚ_Ｂ）は、前記固体（１、１ａ）の前記表面の前記領域に従って決められた補正値（Ｋｏ）と合わせて得られることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の方法。
10. 前記固体（１、１ａ）の前記表面の前記領域に従って決められた前記補正値（Ｋｏ）は、前記回転対称体の非摩耗ホイールリム内径（Ｄ_ｆｉｘ）に応じて決まるベクトル因子および／または加数であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 多数の前記プロフィログラム（ＰＧ）は、前記固体（１、１ａ）の前記表面の異なる部分（Ｄ_１、Ｄ_２、Ｍ）にある領域（Ｄ_１／Ｍ、Ｄ_２／Ｍ）に投射される２つの前記線光帯（３、３ａ、３ｂ）を使用することにより、構成要素のプロフィログラムとして測定され、全プロフィログラム（ＧＰＧ）は、これらの構成要素から得られることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の方法。
12. 前記線光帯（３、３ａ、３ｂ）は、前記固体（１、１ａ）の外周面（Ｍ）の位置に対して、同時にまたは時間をずらして投射され、前記２つの線光帯（３、３ａ、３ｂ）の前記初期状態から、前記表面形状（Ｐ）の前記測定値（ｚ_Ｂ）を得るために選択される前記平面受光素子（６）から出力された前記信号に基づいて前記検出時点（ｔ_{ｆｌａｓｈ}）が判定されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記固体（１、１ａ）は、実質的な円筒形または車両車輪のような環状の基本形状を有しており、前記線光帯（３、３ａ、３ｂ）が投射される領域は、前記円筒形の前記固体または環状の前記固体の２つの端面（Ｄ_１、Ｄ_２）および外周面（Ｍ）上にあることを特徴とする請求項１１または１２に記載の方法。
14. 前記プロフィログラム（ＰＧ）および基準プロフィログラム（ＰＧ）は、前記非摩耗ホイールリム内径（Ｄ_ｆｉｘ）のような長期間不変の固定幾何学的基本寸法を参照して作成されることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれかに記載の方法。
15. 起動制御されるＣＣＤカメラのようなデジタル信号を供給する装置が前記平面受光素子（６）として使用されることを特徴とする請求項１ないし１４のいずれかに記載の方法。
16. 前記線光帯（３、３ａ、３ｂ）は、０．３ｍｍ〜６．５ｍｍの範囲内、または０．８ｍｍ〜２．２ｍｍの範囲内の幅（ｂ）を有することを特徴とする請求項１ないし１５のいずれかに記載の方法。
17. 前記線光帯（３、３ａ、３ｂ）は、５０ｍｍ〜７５０ｍｍの範囲内、または２００ｍｍ〜４００ｍｍの範囲内の長さ（ＬＢ）を有することを特徴とする請求項１ないし１６のいずれかに記載の方法。
18. 前記線光帯（３、３ａ、３ｂ）は、４５°より大きいまたは６０°より大きい、発散角度（δ）を有することを特徴とする請求項１ないし１７のいずれかに記載の方法。
19. 前記三角測量角度（φ）は、１５°〜４０°の範囲内、または２０°〜３０°の範囲内の値を有することを特徴とする請求項１ないし１８のいずれかに記載の方法。
20. 前記固体（１、１ａ）の前記表面により反射した前記光（ＲＬ）が前記平面受光素子（６）により検出される周波数（ｆ）は、２５Ｈｚ〜１００ｋＨｚの範囲内、または１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚの範囲内にあることを特徴とする請求項１ないし１９のいずれかに記載の方法。
21. 前記固体（１、１ａ）の並進運動速度（ｖ）は、４．０ｍ／秒より大きいことを特徴とする請求項１ないし２０のいずれかに記載の方法。
22. 前記線光帯（３、３ａ、３ｂ）が投射された後の、前記固体（１、１ａ）の前記表面の領域から、前記レーザ装置（２）のおよび／または前記画像装置（５）の平均動作距離（Ｌ）は、２０ｍｍ〜６５０ｍｍの範囲内、または１５０ｍｍ〜３５０ｍｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１ないし２１のいずれかに記載の方法。
23. 前記画像装置（５）は、さらに、集束レンズ（４）を備えており、当該集束レンズ（４）の中点と、前記レーザ装置（２）の前記光軸（Ｏ−Ｏ）との間の基本距離（Ｂ）は、３０ｍｍ〜４５０ｍｍの範囲内、または６０ｍｍ〜２７０ｍｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１ないし２２のいずれかに記載の方法。
24. 前記表面形状（Ｐ）の前記測定値（ｚ_Ｂ）を得るよう選択される前記平面受光素子（６）によって出力された前記信号に基づく前記検出時点（ｔ_{ｆｌａｓｈ}）の判定は、受信ループ（１００）内で行われ、その実施のためにハードウェア構成要素が、トラック（９）上に設置された試験台（８）内に組み込まれることを特徴とする請求項１ないし２３のいずれかに記載の方法。
25. 前記受信ループ（１００）は、空間的に離れたサーバにあるクライアントサーバ回路のクライアントにおいて、鉄道車両（１０）用の交通信号灯のようなプロセスを作動させること、画像取り込み（１０６）用のトリガーを作動させること、および／または前記サーバからのリクエスト（９０）により稼動するレーザ装置（２）のスイッチのＯＮ・ＯＦＦを実行することを特徴とする請求項２４に記載の方法。
26. 前記測定値（ｚ_Ｂ）または記憶手段（１０８）に記憶されている画像データは、前記表面形状（Ｐ）の前記測定値（ｚ_Ｂ）を得た後、すなわち画像を形成した（１１２）後に、前記サーバに送信される（１１３）ことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
27. アナログ／デジタル変換を含む信号処理（１０２）の後に、レーザ距離センサ（１０１）により前記受信ループ（１００）内に、前記初期状態のための距離信号（１０３）が提供され、該信号から、トリガーパルス（１０５）が前記平面受光素子（６）に出力される前記検出時点（ｔ_{ｆｌａｓｈ}）で信号評価（１０４）により判断され、この結果、前記画像取り込み（１０６）が行われ、画像マトリクス（１０７）が取得され、前記取得された画像が記憶手段（１０８）に送られることを特徴とする請求項２４ないし２６のいずれかに記載の方法。
28. 前記受信ループ（１００）は、アボート基準として、タイマおよび／または多数の所定の測定装置に接続される状態チェック手段（１１０、１１１）を含むことを特徴とする請求項２４ないし２７のいずれかに記載の方法。

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