JP2015534086A - フレネル回折の境界プロファイルを評価する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、物体、特にストランドの少なくとも１つの縁部の位置を測定する方法に関する。この方法は、少なくとも１つの干渉性光源からの光を用いて物体を照射し、複数の回折境界線が物体によって生じる陰影の両方の幾何学的な境界線に発生し、少なくとも１つの光センサを使用して、少なくとも１つの回折境界線の空間強度プロファイルを記録し、少なくとも１つの記録された強度プロファイルを位置に応じて微分し、二乗の位置軸上にプロットし、当該位置に微分され二乗の位置軸上にプロットされた少なくとも１つの記録された強度プロファイルを、少なくとも１つの周期的な基準強度プロファイルと比較し、終了した比較を基づいて物体の少なくとも１つの縁部の位置を測定する。【選択図】図１

Description

本発明は、物体、特にストランドの少なくとも１つの縁部の位置を測定する方法に関する。

このようなストランドは、例えば、導体および導体を包囲している絶縁体を有するケーブルである。この種のストランドの、特に位置または直径を決定するために当該ストランドを測定する必要がある。ストランド状の物品の光学測定が、例えば欧州特許第ＥＰ０９２４４９３Ｂ１号から知られており、好ましくはレーザ・ダイオードからの干渉性単色光（coherent monochromatic）を使用して、測定されるストランドの陰影を結像光学系なしで光センサ上に投影する。結像光学系を使用して機能する測定方法と比較すると、同程度に小さな寸法の装置でこの方法を使用して高精度の測定が可能である。光源の干渉性単色放射（coherent monochromatic radiation）により、ストランドの幾何学的陰影境界域に回折境界線が生じる。これらの幾何学的陰影境界域は、記録された回折境界線から測定可能である。例えば、このことは、回折理論から公知の基準回折パターンとの比較によって可能である。この基準パターンの自由パラメータ、特に拡張および局所的なズレは、基準回折パターンと測定された回折境界線の強度プロファイルとの間に最適な相関が生じるまで、変化する。しかし、計算処理上この相関は比較的強いので、代替として、回折境界線の特性特徴点の位置、例えば局所的強度の最大値および最小値を評価し、幾何学的陰影境界線の位置をそこから割り出すことができる。

欧州特許第ＥＰ０９２４４９３Ｂ１号

上述のように、計算処理上相関方法が極めて強いので、回折境界線の特性特徴点を評価するのが速くなり、ほとんどの応用において顕著な測定精度を得る。しかしながら、分析が限られた数の回折境界線の特性特徴点に制限されるので、これらの特性特徴点が乱れると誤った結果が生じる可能性がある。例えば、これは、光学システムの重大な汚染による場合または透明か極めて薄いストランドの測定による場合の可能性がある。したがって、測定する透明材料を透過する光の部分によって、回折境界線が乱れる可能性があり、結果として、特性特徴点も乱れる可能性がある。極めて薄いストランドの場合、両方の回折境界線の相互干渉によって乱れる可能性がある。

したがって、記載されている従来技術に基づいて、本発明の目的は、回折境界線が乱れる場合でさえ高信頼性の測定結果をもたらし、そうすることによって測定評価速度が速くなる、最初に指定されたタイプの方法を提供することである。

本発明は、独立請求項１、２、および３によって、本目的を解決する。有利な実施形態は、従属請求項、明細書、および図面に見られる。

本発明は、第１の態様にしたがって、物体、特にストランドの少なくとも１つの縁部の位置を測定する方法によって本目的を解決する。この方法は、以下のステップを含む：
少なくとも１つの干渉性光源からの光を物体に照射し、複数の回折境界が、物体によって生じる陰影の両方の幾何学的な境界に発生し、
少なくとも１つのシングルライン光センサまたはマルチライン光センサを使用して、少なくとも１つの回折境界の空間強度プロファイルを記録し、
少なくとも１つの記録された前記強度プロファイルを位置に応じて微分し、二乗の位置軸上にプロットし、
位置に応じて微分され二乗の位置軸上にプロットされた少なくとも１つの記録された前記強度プロファイルを、少なくとも１つの周期的な基準強度プロファイルと比較し、
終了した前記比較に基づいて物体の少なくとも１つの縁部の位置を測定する。

本発明は、第２の態様にしたがって、物体、特にストランドの少なくとも１つの縁部の位置を測定する方法によって本目的を解決する。この方法は、以下のステップを含む、
少なくとも１つの干渉性光源からの光を用いて物体を照射し、複数の回折境界線が、物体によって生じる陰影の両方の幾何学的な境界線に発生し、
少なくとも１つのシングルライン光センサまたはマルチライン光センサを使用し、少なくとも１つの回折境界線の空間強度プロファイルを記録し、
少なくとも１つの記録された前記強度プロファイルを位置に応じて微分し、
前記位置で微分された少なくとも１つの記録された強度プロファイルを、当該位置に対して実質的に逆線形依存度を備えた周期を有する場合、周期的な関数から生じる少なくとも１つの基準強度プロファイルと比較し、
終了した前記比較を基づいて物体の少なくとも１つの縁部の位置を測定する。

本発明は、第３の態様にしたがって、物体、特にストランドの少なくとも１つの縁部の位置を測定する方法によって本目的を解決する。この方法は、以下のステップを含む、
少なくとも１つの干渉性光源からの光を用いて物体を照射し、複数の回折境界線は、物体によって生じる陰影の両方の幾何学的境界線に発生し、
少なくとも１つのシングルライン光センサまたはマルチライン光センサを使用し、少なくとも１つの回折境界線の空間強度プロファイルを記録し、
少なくとも１つの記録された前記強度プロファイルを、当該位置に応じて実質的に逆線形依存度を備えた周期を有し、かつ周期的な関数を位置に応じて積分する場合、周期的な関数から生じる少なくとも１つの基準強度プロファイルと比較し、
終了した前記比較に基づいて物体の少なくとも１つの縁部の位置を測定する。

幾何学的な陰境界線は、物体の位置に応じて直接的な情報を示す。ここで、物体の位置を測定することは、例えば、物体の１つの縁部のみの位置を測定することをも含む。本発明は、欧州特許第ＥＰ０９２４４９３Ｂ１号から基本的に周知である測定用セットアップを使用する。物体、すなわち、ストランドは断面がほぼ円状であってもよい。当該ストランドは、ケーブルであってもよく、特に、少なくとも１つの導体および導体を包囲する少なくとも１つの絶縁体クラッドを備えたケーブルであってもよい。ここで、少なくとも１つの干渉性光源が、特に単色光も放射可能である。光源は、レーザ、特に、ダイオード・レーザであってもよい。光センサは、例えば、ＣＣＤセンサまたはＣＭＯＳセンサ、特に、ＣＣＤセンサまたはＣＭＯＳラインセンサであってもよい。

本発明によると、干渉性光源の場合、物体の後ろにさほど大きく離れずに配置されているセンサに現れる光強度のフレネル回折プロファイルを評価する。この回折プロファイルを、フレネル積分を使用して、数学的に記載することができる。しかし、回折境界基準強度プロファイルは、これらを簡単に計算される非公開の分析解決策は存在しない。すでに述べたように、相関法は、欧州特許第ＥＰ０９２４４９３Ｂ１号から周知であり、測定された回折境界プロファイルが基準プロファイルと比較される。しかし、この方法は、極めて多くの基準プロファイルを保存しなければならないので、ミクロン以下の範囲では測定精度に関しては非実用的である。

本発明によると、物体の位置は、少なくとも１つの記録された強度プロファイルと少なくとも１つの基準強度プロファイルとの比較または相関に基づいて測定される。特定の幾何学的な陰影境界線および物体の特定の位置を、例えば実験に基づいて、基準強度プロファイルに割り当てることができる。本発明の３つの態様はすべて、記録された回折境界プロファイルの周期が逆線形を有するという一般的な認識、あるいは使用するセンサの座標位置に対するほぼ逆線形依存度に基づくものである。したがって、周期は、１／（χ−χ_ｇｅｏ）で減少する、但し、χは位置であり、χ_ｇｅｏは幾何学的な陰影境界線の位置である。したがって、測定された強度プロファイルは、座標位置に対するそれらの周期のこのような逆線形、またはほぼ逆線形の依存度を有する基準強度プロファイルと比較可能である。位置座標χを、特に、基準強度プロファイルの関数の引数で二乗する。

さらに、本発明の３つの態様はすべて、以下の一般的な認識に基づいている。すなわち、特に正弦関数に極めて近似している周期的な関数が、一方で位置について微分するか導出することによって、他方で二乗されたｘ軸上にプロットすることによって、縁部で生じる記録された回折境界プロファイルＩ（χ）から作成されることができる。後者の操作（二乗された位置軸上へのプロッティングによって周期プロファイルを得ること）は、位置χが周期関数dI/dx=F(V(x))の引き数で二乗されて現れることを示しており、したがって、以下は、以下の式が当てはまる：Ｖ（χ）＝χ²
したがって正弦関数を使用する近似法によって、以下が縁部での導出された回折境界プロファイルに当てはまる：

したがって、それに応じて正弦関数を使用することで、基準プロファイルＩ_Ｒｅｆ（χ）を作成し、記録された強度プロファイルと極めてよく対応する。この目的のために、位置ｘは、正弦関数の引数で二乗され、ついで、関数値は位置にわたって積分される：

本発明の第１の態様によると、２つの上述の演算（位置についての微分と、二乗された位置軸上へのプロット）が、記録された強度プロファイルに使用され、これは、周期関数（例えば正弦関数）と直接比較される。本発明の第２の態様によると、２つの演算のうちの１つ目、すなわち、位置についての微分が、記録された強度プロファイルに使用される。このようにして得られた強度プロファイルは、例えば正弦関数から結果として基準強度プロファイルと比較され、引数の位置ｘが二乗される。この場合において、基準強度プロファイルは、その周期が位置に対して逆線形の依存度を有するプロファイルである。第２の態様に対して、本発明の第３の態様によると、位置についての記録された強度プロファイルの微分が、基準強度プロファイルの作成によって、位置にわたる積分と置き換わる。したがって第３の態様では、基準強度プロファイルが式（１）に対応して生成される。本発明のこれらの３つの態様は、図６から図８を参照して以下により詳細に記載する。

３つすべての態様が同じ認識に基づいていることは、有意である。違いは、単に、比較前に測定された強度プロファイルが、演算、特に数値演算を受けるかどうか、およびどの程度まで受けるかどうかである。ついで、比較に使用される基準強度プロファイルがそれに応じて選択される。理解されたいのは、特に本発明の第２および第３の態様では、基準強度プロファイルが第１および第２の演算のために１つまたは両方が逆数化される必要は実際にはないということである。それよりも、これらは、本発明による方法のための格納された基準プロファイルとしてすでに存在していてもよい。しかし、これらは、周期関数、例えば周期正弦関数を想定すると、１つまたは両方の数学的逆数機能を加えることに起因する機能に対応する。さらに理解されるのは、１つ以上、特に３つすべての態様による本発明の方法ステップの１つまたはすべてが平行して、すなわち、部分的あるいは完全に同時に行われてもよいことである。

周期関数、例えば正弦関数は、他の関数よりも評価するのに極めて容易であり、特に透明であるか極めて薄い物体の場合、少なくとも１つの記録された強度プロファイルが、周期基準強度プロファイル、特に正弦基準強度プロファイルと比較されるか、あるいは相関している。特に、最初に記録された強度プロファイルに重大な乱れがある場合、評価を複雑にし、あるいは不可能にさえするであろうが、位置に対して強度プロファイルの第１の微分を使用して、二乗された位置軸上にプロットすることによって、正弦プロファイルに極めて近似しているプロファイルが生成可能となる。大きく乱れた記録回折境界プロファイルが存在する場合でさえ、位相整合および周波数などのこの正弦プロファイルの必須情報を抽出可能である。前述のように、本発明は、縁部のフレネル回折パターンにおける強度変動の周期が、位置で、特に幾何学的な陰影境界線への距離で逆数を線形に変更するという認識に基づく。この認識に基づいて、相関に必要とされる基準輪郭を生成することが実行時に可能である。したがって、この相関は、離散的な縁部位置のために前もって記憶される基準プロファイルに密接に結びつかず、むしろ、任意の縁部位置への必要な位置精度によって行われることができる。これによって、直径を測定する所望の高い測定精度を得ることができる

回折境界基準プロファイルは、理論的に正確なプロファイルに極めて近似しており、（実行時に）生成可能であり、以下の等式が位置についての光強度Ｉの導出に使用される：

但し、Ｔは周期であり、χ_ｇｅｏは、物体によって生じる陰影の幾何学な的陰影境界線の位置である。位置依存性周期Ｔ（Δｘ）に関して、以下が当てはまる：
Ｔ（Δｘ） = Ｔ_０／（χ−χ_ｇｅｏ）
但し、Ｔ_０は定数であり、後述する。

測定された強度プロファイルと比較される基準強度プロファイルが得られ、例えば、このプロファイルは等式（２）に従って数学的に積分される。このようにして従来技術よりも簡単で速い方法で評価を行うことができる。特に回折境界線が乱れる場合においても、このことは確かであり、例えば透明のストランドまたは極めて薄いストランド（直径が１ｍｍ未満、特に０．５ｍｍ未満）の場合でも生じる。

ケーブルを製造する間、例えば押出し処理を使用して、絶縁被覆が電気導体に加えられる。そうすることで、高生産速度が得られる。物体の位置を確認することは通常必要であり、したがって、絶縁体が適切に加えられていることを確認することも必要である。この確認は、製造中にオンラインで好ましくは行われる。特に、物体は、その長手方向に沿って運搬可能であり、その間、物体の位置は連続的に測定される。したがって、本発明によれば、物体を連続的に照射し、回折境界線の強度プロファイルを記録し、回折境界線の強度プロファイルを評価する。したがって、位置および／または直径のオンラインでのモニタリングが可能となる。例えば、定期的に、あるいは可能な限り連続的に、本発明による強度プロファイルを測定し評価することができる。

さまざまなタイプの情報が、本発明による比較を使用して取得可能である。例えば、物体の直径を測定するために、物体によって生じる陰影の両方の幾何学的な陰影境界線を測定することができる。物体は、光を照射された時に陰影を放つ。照射される物体により生じる、特にその長手方向に垂直である２つの陰影境界線は、物体の直径に関する重要な情報を提供する。回折効果のため、幾何学的な陰影境界線は、光センサに直接読み込まれることはできないが、本発明による方法において評価されなければならない。幾何学的な陰境界線は、いずれの場合も回折境界線から検出可能である。物体の照射によって生じる両方の回折境界線が評価されると、両方の幾何学的な陰影境界線またはそれぞれそれらの位置を測定することができる。基本的に、照明された物体の２つの回析縁部の２つの回折境界線を、別々に、あるいは共に評価可能である。特に、いずれの場合も、回折境界線と対応する基準強度プロファイルとの相関または比較が行われてもよい。あるいは、度量衡学的に記録された２つの回折境界線が、物体の両方の縁部の対応する基準強度プロファイルと相関され、あるいはともに比較されてもよい。

以下の数学的近似法は、記録された回折境界プロファイルの位置についての微分に対して行うことができる：

但し、
Ｉ：光強度
Ａ：振幅係数
χ：位置軸（位置）
χ_ｇｅｏ：幾何学的陰影境界線
Ｔ_０：正弦プロファイルの周期。

この周期Ｔ_０は、測定空間における物体の回析縁部の位置によって決まる。例えば、位置に応じて測定された回折境界プロファイルＩの微分を、自由パラメータＴ_０およびχ_ｇｅｏが変化する式（２）による基準正弦プロファイルと相関させることによって、幾何学的な陰境界線χ_ｇｅｏおよび周期Ｔ_０を測定することができる。したがって、二次元の相関は、行われなければならない。

位置依存性周波数ｆ ＝ １／Ｔ_０（χ−χ_ｇｅｏ）を導入すると、幾何学的な陰影境界線χ_ｇｅｏは、正弦プロファイルの位相シフトφと解釈されることができる：

周波数ｆ＝１／Ｔ_０および記録された回折境界プロファイルの位相シフトφが測定されると、このことによって、一方では幾何学的な陰影境界線の位置χ_ｇｅｏを直接決定し、他方では測定空間で回折が生じている物体の位置を決定する。この評価が両方の記録された回折境界線に行われると、ついで、これから、測定空間における物体の直径および物体の位置を測定することができる。

すでに述べたように、少なくとも１つの周期基準強度プロファイルは、正弦波基準強度プロファイルであってもよく、それぞれ周期関数は正弦関数であってもよい。こうして特に簡単で高速の評価が可能となる。しかし、少なくとも１つの周期的な基準強度プロファイルが、周期性の矩形、三角形、または台形のプロファイルであり、かつ／または周期関数が周期性の矩形、三角形、または台形の関数であることも可能である。さらに、振幅制限を使用して、基準強度プロファイルと比較する前に、記録された強度プロファイルから２値信号が生成可能である。２値化のために、例えば位置に応じて微分した後、かつ／または二乗された位置軸上にスケーリングの後で、強度閾値を定義することができる。強度信号が閾値を超えている限り、２値強度信号は１に設定され、強度信号が閾値を下回る場合、２値強度信号は０に設定される。このようなディジタル信号は処理しやすいので、このような矩形のプロファイルは、評価を簡略化し促進する。このことは、特にディジタル位相固定回路の処理で当はまる。

本発明による比較の過程で、物体によって生じる陰影のそれぞれの幾何学的な境界線を特徴づける少なくとも１つの記録された強度プロファイルおよび／または少なくとも１つの基準強度プロファイルのパラメータは、互いに比較され、強度プロファイルが最適に一致するまで変化可能である。相関法の目的で、物体によって生じる陰影の幾何学的な境界線を特徴づけるパラメータの変化は、いずれの場合においても、直前の変化で基準強度プロファイルと最適に一致する値から開始してもよい。したがって、この設計によって、いずれの場合においても、最後の測定値において基準強度プロファイルと最も一致するパラメータで比較が開始される。物体の位置および直径、これに伴う強度プロファイルの決定的なパラメータが、後続の測定値間で、特に互いの短い間隔においてほんのわずかに変化するという事実が、ここでは利用される。したがって、比較の出発点は、所望の結果に比較的近い。評価に関連する時間および計算上の費用は、これによって低減可能である。第１の比較については、「最後のパラメータ」が存在しない場合、先に定義された基準値から比較が開始可能である。

特に、少なくとも１つの記録された強度プロファイルおよび／または少なくとも１つの基準強度プロファイルの位相調整が、本発明にしたがって行われる比較の過程において、物体によって生じる陰影のそれぞれの幾何学的な境界線を特徴づけるパラメータとして変更可能である。本発明の第１の態様によると、例えば、正弦関数が生じるまで、位置に応じて微分された記録済み強度プロファイルに基づいて、この変化は起こり得る。上述の等式において、これは、位置軸の起点が幾何学的な陰影境界線に対応する場合である。したがって、位相調整は、幾何学的な陰影境界線に直接に相関する。当該相関を使用することにより、正弦基準プロファイルは、この結果として生じた正弦関数と最適に一致して求めることができる。このことから、幾何学的な陰影境界線の絶対値を測定することができる。また、本発明によって行われる比較の過程において、少なくとも１つの記録された強度プロファイルおよび／または少なくとも１つの基準強度プロファイルの周波数は変更可能である。この周波数は、光センサの測定空間における物体の位置に直接に相関する。

特に、物体の直径を測定するために、幾何学的な陰影境界線と位置、特にセンサからの物体の距離との両方を考慮する必要がある。特に物体が前進する場合、この距離は自然と変動するので、距離を連続的に監視することが必要となる。説明したように、相関を使用して幾何学的な陰影境界線および位置を測定する限り、２次元の比較または２次元の相関を行われなければならない。この相関は、計算処理上比較的強いので、特に生産速度が速い場合において、かなり問題がある。したがって、物体を少なくとも第２の干渉性光源からの光を照射し、その主ビームが第１の干渉性光源の主ビームにほぼ垂直であってもよい。回折境界線は、物体によって生じる陰影の両方の幾何学的な境界線上に第２の干渉性光源によっても生成され、第２の干渉性光源によって生成される少なくとも１つの回折境界線の空間強度プロファイルが、少なくとも１つの第２のシングルライン光センサまたはマルチライン光センサによって記録され、これから、第１の光センサからの物体の距離が測定される。このように、特に第２の光源により生成される回折境界線により、測定空間にある物体の位置を特に容易に測定する。したがって、本発明によって評価される回折境界プロファイルの周波数ｆ＝１／Ｔ_０はすでにわかっている。必要な比較またはそれぞれ必要な相関は、位相シフトまたはそれぞれの幾何学的な陰影境界線に制限される。しかし、これは、それに応じて計算処理上あまり強くない１次元の相関のみである。

位相同期回路（ＰＬＬ）を使用して、少なくとも１つの記録された強度プロファイルを基準強度プロファイルと比較または相関することができる。このような位相同期回路を使用することにより、周期基準プロファイルによって特に正弦波基準プロファイルによって、記録されかつ数学的に処理可能な強度プロファイルの最適な一致を得るために、周波数および／または位相調整の必要な変化を素早く測定することができる。さらなる設計によると、フーリエ解析を使用して、少なくとも１つの記録された強度プロファイルを基準強度プロファイルと比較することができる。

少なくとも１つの干渉性光源の主ビームが、物体の長手方向にほぼ垂直であってもよい。少なくとも１つの干渉性光源は、実質的に点状であってもよい。代替として、あるいは追加的に、少なくとも１つの干渉性光源は、扇形光線で物体を照明することができる。複数の光源が存在する場合、いかなる場合もこのことはすべての光源に適用可能である。さらに、少なくとも１つの干渉性光源と物体との間に、かつ／または物体と少なくとも１つの光センサとの間に、光放射を変形または偏向させる光学素子が存在しなくてもよい。特に、この設計では、少なくとも１つの干渉性光源と物体との間、かつ／または物体と少なくとも１つの光センサとの間に、結像光学系が存在しない。このことによって、より簡単でコンパクトなセットアップとなると同時に、本発明による評価方法によって、物体の位置および／または直径を高信頼性で測定することができる。

少なくとも１つの光センサは、上述のように、ラインセンサであってもよい。少なくとも１つの光センサは、少なくとも１つの干渉性光源に対向して配置可能である。さらに、少なくとも１つの光センサの測定軸が、少なくとも１つの干渉性光源の主ビームにほぼ垂直であってもよい。ここでは、測定軸は、特にセンサのライン方向によって定められる。当然ながら、マルチラインセンサ（領域アレイ・センサ）の使用もまた可能である。ついで、複数のラインが光源の主ビームに対して垂直に位置合わせされる。領域アレイ・センサでは、各ラインを個々に評価することができる。

物体は、少なくてもある程度は、少なくとも１つの干渉性光源の少なくとも光に対して透明であり得る。また、物体の直径は、１ｍｍ未満であってもよく、好ましくは０．５ｍｍ未満である。上述のように、本発明の評価方法は、従来の評価方法を使用すると誤差が生じる特に透明で極めて薄いストランドで有利である。

本発明の方法は、回折境界線のほぼ全部の情報量だけを使用するので、極めて狭帯域である。最初に述べた回折境界線の乱れは、実際には、分析の結果、特に幾何学的な陰影境界域の評価に影響がなく、あるいは軽微に影響するだけである。というのは、乱れの周波数スペクトルは、主に本発明による評価によって提供される狭帯域フィルタの外側にあるためである。本発明の方法では、陰影境界線の測定と、それを用いた直径の測定とが極めて正確であり、従来技術よりも乱れにくい。測定精度および信頼性が増大する。さらに、このような評価方法の適用範囲は、特に、例えばガラス・ファイバー、バーおよびホースなどの透明製品を測定することにも拡大される。

本発明の例示的な実施形態は、図面を使用してより詳細に以下に説明する。図面は、以下において概略的に示すものである。

本発明による方法を行う測定装置の図である。 図１による光センサの強度プロファイルを理想的に示す図である。 本発明による評価方法を示す３つのグラフである。 本発明による位相同期回路の概略図である。 本発明による方法を行う装置のさらなる設計を示す図である。 本発明の第１の態様を示す概略図である。 本発明の第２の態様を示す概略図である。 本発明の第３の態様を示す概略図である。

図において、同じ参照番号は、特に明記しない限り同じ物体を示す。図１は、ストランド１０、例えばケーブル１０の断面を示し、ストランド１０は、図面に垂直に延び、例えば毎秒１０ｍｍで、最大でも毎秒３０ｍで運搬される。ケーブルを製造し、それを供給する装置は図示されていない、というのは、これは当業者に知られているからである。ストランド１０は、直径が１ｍｍ未満であってもよく、好ましくは０．５ｍｍ未満であってもよい。ストランド１０が透明のストランド１０であってもよい。

図１では、点状の光源１２が、ストランド１０の左側に見られる。これは、例えば赤外線を発生させるレーザ・ダイオードであってもよい。この光源１２は、光源１２から照射される扇形の光線１４によって形成される測定面で特に点状である。光源１２、特にレーザ・ダイオード１２のこの平面における活動領域の範囲は、可能な限り小さくてもよい。これに対して垂直に、すなわち、ストランド１０の長手方向軸に対して平行に、光源１２の光学活動領域の範囲がより大きくてもよく、たとえば０．５ｍｍである。

ストランド１０の光源１２と対向する側に、例えばＣＣＤラインセンサ１６などの光センサ１６が示されている。その長手方向軸は、センサのラインによって形成され、画像平面に位置し、光源１２の主ビームに対して垂直に走る。このセンサ１６の個々のセンサ素子１８が、光源１２から放射されるレーザ光線を記録するために形成される。光源１２からの扇形光線１４によって照射されるストランド１０は、陰影をラインセンサ１６上に形成し、その範囲はストランド１０の直径を表す。しかし、扇形に広がる光路のために、陰影の範囲はストランド１０の直径と等しくならない。したがって、ストランド１０の長手方向軸からラインセンサ１６への距離は、評価により、かつ、測定された陰影の範囲を因数と乗算する方法で考慮しなければならず、因数は、特に１未満であり、インターセプト定理により導出される。疑似陰影開口部がストランド断面の中央点に対して光源１２とストランド１０との間の距離によっても変化するので、この依存度もまた考慮しなければならない。

この光源１２、特にレーザ・ダイオード１２が、干渉性単色光を放射する。干渉性単色光は、ストランド１０の外端縁で回折する。これは、図２において理想的に示すように、光センサ１６上に強度プロファイルをもたらす。図２に示す位置軸ｘは左から右に、図１の頂部から底部まで走る。ストランド１０によって形成される幾何学的陰影プロファイルは、回折なしで現れるであろうが、図２に破線を用いて符番２０で示されている。このように形成された幾何学的陰影境界域χ_ｇｅｏは、回折によって、光センサ１６に直接に測定されることができない。強度の最大値および最小値が緩やかに減少し互いに交互に続く強度プロファイルは、幾何学的陰影境界域χ_ｇｅｏの左側または右側に、幾何学的陰影領域内に偏向する光と一緒に記録される。実行時の差異（干渉）から生じるこのパターンは、回折境界２２と呼ばれる。個々の光線が重畳することにより生じる最大値は、２４で指定され、消滅することにより生じる最小値は、２６で指定されている。最大値２４および最小値２６がともに続く周波数は、ストランド１０の回析縁部とセンサ１６の測定面との間の距離によって決まる。強度プロファイルは、測定する物体なしで現れる中央レベル２８を中心として回折境界２２内で変化する。

図３に示すグラフを使用して、本発明の評価方法をより詳細に説明する。ここで、図３の上のグラフは、図２からの回折境界線示す。強度Ｉは、特に、光センサ１６によって記録されるので、位置ｘにわたり示されている。ここに示した例では、光センサ１６の測定ラインは、Ｎ＝３００画素である。図３の中央に見られるグラフは、上のグラフの強度プロファイルの位置についての第１の微分を示す。この微分は、ここでは以下の式を使用して微分商として計算された：

この中央のグラフは、線形の位置軸ｘ上にプロットされた位置についての強度の微分を示す。このプロファイルは、二乗されたｘ軸、すなわち（χ−χ_ｇｅｏ）²上にプロットされている。特に、図３における上のグラフにおいてｙ軸にプロットされる強度値は、ｘ縦座標に値が割り当てられており、ｘ縦座標は、いずれの場合も、関数ｄ（χ−χ_ｇｅｏ）²を使用して上のグラフの割り当てられたｘ値に起因する。この結果は、図３の下のグラフに示されているように、ほぼ正弦波の信号プロファイルである。

このことは、幾何学的な陰影境界線χ_ｇｅｏがすでに見つけられた場合にのみ適用され、図３の下のグラフが、起点として幾何学的な陰影境界線χ_ｇｅｏを使用してプロットされる。幾何学的な陰影境界線がまだわからない場合、このことは、一様に、特に本発明による評価の開始時であるが、図３の下のグラフからの結果としての正弦波プロファイルが存在しない。さらには、図３からの下のグラフに従ってプロットされるプロファイルの周波数は、いまだ位置依存度を示すものであり、特に、周波数は場所によって増加する。本発明による評価のために、一般に、図３の下のグラフに従ってプロットされる正弦でないプロファイルのために、（周期）正弦波プロファイルが結果として生じるまで位相シフト（χ−χ_ｇｅｏ）が変化する。必要な位相シフトは、求められている幾何学的な陰影境界線χ_ｇｅｏであるが、まさにこの時点では絶対値としては知られていない。したがって、記録された強度プロファイルと正弦波基準プロファイルとの間に最適な対応がみられるまで、すでに見つけられ図３に示されている正弦プロファイルは、例えば正弦波の基準プロファイルのグループと比較される。ついで、幾何学的な陰影境界線の絶対値も測定される。本発明の評価の過程において、位相シフト（χ−χ_ｇｅｏ）の相関およびシフトが平行して起こる。このことは、以下により詳細に説明する。おそらく、光センサ１６からストランド１０までの距離を知るために、周波数も変更しなければならない。上述で十分に説明した通り、図３の下のグラフに示される強度プロファイルの周波数および位相シフトがわかっている場合、ストランド１０の直径をこれから測定されることができる。

ここで、位相同期回路（ＰＬＬ）を使用して特に簡単な方法で比較する。対応する測定のセットアップが、図４に示されている。乗算器が参照番号３０で示され、ローパスフィルタが参照番号３２で示されている。電圧制御発振器（ＶＣＯ）が参照番号３４で示されている。図４に示される位相同期回路を用いて、記録され数学的に処理された強度プロファイルと正弦波の基準プロファイルとを最適に比較するために、必要な周波数の変化および／または必要な位相のシフトを知られている方法で測定することができる。位相同期回路の関数は、当業者に知られているので、ここではこれを詳細に説明しない。評価をより簡略化するために、図３の下のグラフに示されている信号を矩形プロファイルにディジタル化し、それをディジタル位相同期回路に出力することもまた、可能である。

図５は、本発明による方法を行う装置のさらなる設計を示す。ここでは、第２の干渉性単色の点状光源１２ｂ、たとえばレーザ・ダイオードが示されており、これもまた扇形の光線１４ｂを発生させる。図５において認識できるのは、図５に示される参照番号が３６ｂの光源１２ｂの主ビームが、参照番号３６で示す光源１２の主ビームに垂直であることである。例えば、ＣＣＤラインセンサであってもよい第２の光センサ１６ｂが、第２の光源１２ｂから放射される干渉性単色光を記録する。ここでは、ラインセンサ１６ｂのラインによって形成されている測定軸が、第２の光源１２ｂの主ビーム３６ｂに対して垂直である。この装置を使用することにより、本発明によって、ストランド１０の直径を２つの位置で測定することができるだけでなく、さらに、ストランド１０とラインセンサ１６との距離、またはそれぞれのラインセンサ１６ｂとの距離を測定することができ、この距離は、ストランド１０が前進する場合には自然と変動する。受光用ラインに投影されるストランド陰影の両側における回折境界線の強度プロファイルは、ほぼ対称である。したがって、左または右の回折境界線に互いに鏡像で配置されている特徴点の位置から、投影物体の中心位置を断定することができる。ストランド１０は、この位置とレーザ・ダイオード１２との間の接続線上に配置される。９０度回転した光源１２ｂの測定構成に対して、対応する接続線を引くことができる。２本の線の交点は、測定空間におけるストランド１０の中央位置を示す。したがって、各ラインセンサ１６または１６ｂそれぞれへの距離がわかる。前述したように、この距離が図３の下のグラフに示される強度プロファイルの周波数に直接に関連しているので、図３の下のグラフに示される強度プロファイルの測定構成を用いて、位相シフトのみをさらに測定しなければならない。このことによって、評価が簡略化される。

さらに図において直接的にわかるように、光放射を変形または偏向させる光学素子、特に撮像光学素子が、一方では光源１２、１２ｂとストランド１０との間、他方ではストランド１０と光センサ１６、１６ｂとの間に存在しない。それによって、セットアップがさらに簡略化される。

図６は、本発明による方法の第１の態様を概略的に示す。わかるように、例えば図３の上のグラフに示すような測定された回折プロファイルに基づいて本発明による方法が開始される。次のステップでは、位置についての微分が行われ、図３の中央のグラフにも示されているようなプロファイルが結果として生じる。ついで、二乗された位置軸（χ−χ_ｇｅｏ）²にわたりスケーリングが行われ、前述したように、通常最初は、図６に示すか、あるいは図３の下のグラフに示す正弦波プロファイルが存在しない。本発明による評価の過程において、ここでは、最適な相関が得られるまで、正弦波の基準プロファイルが、図６の概略図における、特に測定された回折プロファイルを使用してシフトされた「二乗された位置軸をスケーリングする」ブロックの後で、結果として測定された回折プロファイルと比較される。ここで、前述したように、数学的に処理された測定済の回折プロファイルと最適に一致する周期的な正弦波の基準プロファイルが求められる。同時に、二乗された位置軸のパラメータχ_ｇｅｏが更新される（相関処理における基準プロファイルのゼロ点に応じて）。この相関は、例えば、位相同期回路（ＰＬＬ）を使用して行うことができる。生じた位相シフトは、相関の過程で測定可能である。位相シフトは、前述したように、求められている幾何学的な陰影境界域χ_ｇｅｏに対応する。

図７の概略図は、本発明による方法の第２の態様を示す。わかるように、この方法もまた、図６で説明したように測定された回折プロファイルから開始される。さらにここでもまた、図６で説明したように、位置について最初に微分する。しかし、ここでは、図７に示す本発明による方法の第２の態様では、この微分された測定済回折プロファイルと基準プロファイルとの相関があり、この実施例では、正弦プロファイルがその周期が位置に関して実質的に逆線形に依存するように位置上にプロットされるように示されている。この相関の過程において、測定され数学的に処理された回折プロファイルに最も適合する基準プロファイルが求められる。このことに基づいて、基準プロファイルに関して実験に基づいて測定され記憶された幾何学的な陰影境界線χ_ｇｅｏの絶対値を再び決定することができる。

図８は、本発明による方法の第３の態様を示す概略図である。この方法もまた、上述の図６で説明したように、測定済回折プロファイルで開始される。しかし、図８に示される方法による基準プロファイルは、上述のように数学的に処理されていない。代わりに、この測定済回折プロファイルは、基準プロファイルと直接的に相関している。この基準プロファイルは、その周期が位置に関して逆線形に依存するように正弦プロファイルがプロットされ、位置に関して逆数線形依存度を備えた周期を有するこの正弦プロファイルが位置にわたって積分される。再び、相関の過程において、測定済回折プロファイルと最適に対応する基準プロファイルが求められる。このことから、例えば実験に基づいて基準プロファイルに関して測定され記憶される幾何学的な陰影境界線χ_ｇｅｏの絶対値を再び、測定することができる。

図６から図８から再び明らかとなるのは、本発明の方法の３つの態様が同じ概念に基づくものであるということである。この概念は、２つの演算またはそれぞれそれらの逆数を使用して、正弦プロファイルを測定済回折プロファイルから作成されることができあるいはその逆もまた同じであるという事実に基づく。この基本的な概念は、前述したように、本発明による回折パターンの評価を簡略化し促進する。

Claims (23)

1. 物体（１０）、特にストランド（１０）の少なくとも１つの縁部の位置を測定する方法であって、以下のステップを含む、
   少なくとも１つの干渉性光源（１２，１２ｂ）からの光を用いて前記物体（１０）を照射し、複数の回折境界線（２２）が前記物体（１０）によって生じる陰影の両方の幾何学的な境界線に発生し、
   少なくとも１つのシングルライン光センサまたはマルチライン光センサ（１６，１６ｂ）を使用し、少なくとも１つの回折境界線（２２）の空間強度プロファイルを記録し、
   少なくとも１つの記録された前記強度プロファイルを位置に応じて微分し、二乗の位置軸上にプロットし、
   前記位置に応じて微分され二乗の位置軸上にプロットされた前記少なくとも１つの記録された強度プロファイルを、少なくとも１つの周期的な基準強度プロファイルと比較し、
   前記終了した比較に基づいて前記物体（１０）の少なくとも１つの縁部の位置を測定する前記方法。
2. 物体（１０）、特にストランド（１０）の少なくとも１つの縁部の位置を測定する方法であって、以下のステップを含む、
   少なくとも１つの干渉性光源（１２，１２ｂ）からの光を用いて前記物体（１０）を照射し、複数の回折境界線（２２）が前記物体（１０）によって生じる陰影の両方の幾何学的な境界線に発生し、
   少なくとも１つのシングルライン光センサまたはマルチライン光センサ（１６，１６ｂ）を使用し、少なくとも１つの回折境界線（２２）の空間強度プロファイルを記録し、
   少なくとも１つの記録された前記強度プロファイルを位置に応じて微分し、
   前記位置で微分された少なくとも１つの記録された前記強度プロファイルを、当該位置に対して実質的に逆線形となる依存度を備えた周期を有する場合、周期的な関数から生じる少なくとも１つの基準強度プロファイルと比較し、
   終了した前記比較に基づいて前記物体（１０）の少なくとも１つの縁部の位置を測定する前記方法。
3. 物体（１０）、特にストランド（１０）の少なくとも１つの縁部の位置を測定する方法であって、以下のステップを含む、
   少なくとも１つの干渉性光源（１２，１２ｂ）からの光を用いて前記物体（１０）を照射し、複数の回折境界線（２２）が前記物体（１０）によって生じる陰影の両方の幾何学的な境界線に発生し、
   少なくとも１つのシングルライン光センサまたはマルチライン光センサ（１６，１６ｂ）を使用し、少なくとも１つの回折境界線（２２）の空間強度プロファイルを記録し、
   少なくとも１つの記録された前記強度プロファイルを、前記位置に応じて実質的に逆線形依存度を備えた周期を有し、かつ周期的な関数を当該位置に応じて積分する場合、当該周期的な関数から生じる少なくとも１つの基準強度プロファイルと比較し、
   前記終了した比較を基づいて前記物体（１０）の少なくとも１つの縁部の位置を測定する方法。
4. 前記物体（１０）が、その長手方向に沿って運搬可能であり、その間、前記物体（１０）の位置が連続的に測定されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記少なくとも１つの周期的な基準強度プロファイルが、正弦波の基準強度プロファイルであり、かつ／または、前記周期関数が正弦関数であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記少なくとも１つの周期的な基準強度プロファイルが、周期性の矩形、三角形、または台形のプロファイルであり、かつ／または、前記周期的な関数が周期性の矩形、三角形、または台形の関数であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記基準強度プロファイルと比較する前に、振幅制限を使用して、前記記録された強度プロファイルから２値信号を生成することを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記比較の過程において、前記物体（１０）によって生じる前記陰影のそれぞれの幾何学的な境界線を特徴づける前記少なくとも１つの記録された強度プロファイルおよび／または前記少なくとも１つの基準強度プロファイルのパラメータが、前記強度プロファイルと比較されて互いに最適に一致するまで変化させることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記物体（１０）によって生じる前記陰影の幾何学的な境界線を特徴づける前記パラメータの変化が、直前の変化で前記基準強度プロファイルと最適に一致している値から開始することを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 前記比較の過程において、前記少なくとも１つの記録された強度プロファイルおよび／または前記少なくとも１つの基準強度プロファイルの位相調整が変化することを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記比較の過程において、前記少なくとも１つの記録された強度プロファイルおよび／または前記少なくとも１つの基準強度プロファイルの周波数が変化することを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記物体（１０）から生じる前記陰影の両方の幾何学的な陰影境界線が測定されることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記物体（１０）の前記少なくとも１つの光センサ（１６，１６ｂ）からの距離が測定されることを特徴とする、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記物体（１０）が少なくとも１つの第２の干渉性光源（１２ｂ）からの光で照射され、その主ビーム（３６ｂ）が前記第１の干渉性光源（１２）の主ビーム（３６）にほぼ垂直であることを特徴とし、回折境界線（２２）が、前記物体（１０）によって生じる前記陰影の両方の幾何学的な境界線上に前記第２の干渉性光源（１２ｂ）によって生成され、前記第２の干渉性光源によって生成される少なくとも１つの回折境界線（２２）の前記空間強度プロファイルが、少なくとも１つの第２のシングルライン光センサまたはマルチライン光センサ（１６ｂ）によって記録されて、前記光センサ（１６）からの前記物体（１０）の距離が測定されることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
15. 位相同期回路（ＰＬＬ）を使用して前記比較が行われることを特徴とする、請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法。
16. フーリエ解析を使用して前記比較が行われることを特徴とする、請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記少なくとも１つの干渉性光源（１２，１２ｂ）の前記主ビーム（３６，３６ｂ）が、前記物体（１０）の長手方向にほぼ垂直であることを特徴とする、請求項１から１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 前記少なくとも１つの干渉性光源（１２，１２ｂ）が実質的に点状であり、かつ／または、前記物体（１０）が扇形の光線（１４，１４ｂ）を用いて照明されることを特徴とする、請求項１から１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 前記少なくとも１つの干渉性光源（１２，１２ｂ）と前記物体（１０）との間に、かつ／または、前記物体（１０）と前記少なくとも１つの光センサ（１６，１６ｂ）との間に、光放射線を変形または偏向させる光学素子が存在しないことを特徴とする、請求項１８に記載の方法。
20. 前記少なくとも１つの光センサ（１６，１６ｂ）が前記少なくとも１つの干渉性光源（１２，１２ｂ）に対向して配置されていることを特徴とする、請求項１から１９のいずれか一項に記載の方法。
21. 前記少なくとも１つの光センサ（１６，１６ｂ）の測定軸が、前記少なくとも１つの干渉性光源（１２，１２ｂ）の前記主ビーム（３６，３６ｂ）にほぼ垂直であることを特徴とする、請求項１から２０のいずれか一項に記載の方法。
22. 前記物体（１０）が、少なくてもある程度は透明であることを特徴とする、請求項１から２１のいずれか一項に記載の方法。
23. 前記物体（１０）の直径が、１ｍｍ未満であり、好ましくは０．５ｍｍ未満であることを特徴とする、請求項１から２２のいずれか一項に記載の方法。

Images