JP2018506725A - 光学式3次元スキャナ及びその使用方法 - Google Patents
光学式3次元スキャナ及びその使用方法 Download PDFInfo
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Abstract
光学式スキャナは、ハウジング内に位置する光源を備える。開口を有するレチクルは、光源から放射された第1の光ビームを受光するようにハウジング内に配置されている。レチクルは、開口を介して第2の光ビームを透過させるように構成されている。ミラーは、レチクルを透過した第2の光ビームを受光し、ハウジングの第1の窓を介して物体の対象表面上へと第2の光ビームを反射するようにハウジング内に配置されている。受光器は、ハウジングの第2の窓を介して物体の対象表面からの第3の光ビームを受光するように構成されており、1つ以上の光位置の値を取得して物体の対象表面のパラメータを決定するように構成されている。光学式スキャナを利用する物体の3次元像の生成方法も開示される。
Description
本出願は、2015年1月30日に出願された米国仮特許出願第62/110,155号及び2015年4月21日に出願された米国仮特許出願第62/150,705号の利点を主張するものであり、これらの仮特許出願は共に、その全体が参照によって本明細書に組み込まれる。
分野
本技術は、全体として光学式走査装置及び方法に関し、より具体的には、高速、高精度の3次元光学式スキャナ及びその使用方法に関する。
本技術は、全体として光学式走査装置及び方法に関し、より具体的には、高速、高精度の3次元光学式スキャナ及びその使用方法に関する。
背景
ほとんど全ての製造物は、その作製後に検査を行う必要がある。多くの場合、触覚検出装置を利用して検査に必要な測定を行う。しかしながら、触覚検出装置の場合、複雑な装置、特に、多くの精密表面、または触覚プローブが容易に達することができない表面を有する装置を正確に測定する能力が低い場合がある。様々な光学式装置が、製造中または製造後の検査のために開発されてきた。これらの光学式装置の多くは、部品の表面を走査し、限定的な距離にわたる部品の表面プロファイル、または部品の表面領域を決定することが可能である。
ほとんど全ての製造物は、その作製後に検査を行う必要がある。多くの場合、触覚検出装置を利用して検査に必要な測定を行う。しかしながら、触覚検出装置の場合、複雑な装置、特に、多くの精密表面、または触覚プローブが容易に達することができない表面を有する装置を正確に測定する能力が低い場合がある。様々な光学式装置が、製造中または製造後の検査のために開発されてきた。これらの光学式装置の多くは、部品の表面を走査し、限定的な距離にわたる部品の表面プロファイル、または部品の表面領域を決定することが可能である。
例えば、図1に示す従来技術の光学式スキャナ1について考察する。スキャナ1は、送りねじ11に連結された第1のモーター10とねじ込みカプラ12とからなり、次いで、このねじ込みカプラは、第2のモーター7とポリゴンミラー6に連結されている。スキャナ1は、レーザー21、集束レンズ19及び画像センサ3も備える。これらの構成要素の全ては、ハウジング2内に収納されている。動作の際、第1のモーター10は、ねじ込みカプラ12、第2のモーター7及びポリゴンミラー6を軸22に沿って横方向に平行移動させる。加えて、第2のモーター7は、ポリゴンミラー6を軸22の周りに回転させ、軸22の周りのポリゴンミラー6の角度方向は、角度エンコーダ8によって測定される。レーザー21は、励起されると、回転しているポリゴンミラー6に入射するレーザービーム20を放射し、その反射ビーム23が窓13を介してハウジング2を出射する。次いで、反射ビーム23は、表面形状を測定すべき被検査物15に入射する。
第1のモーター10及び第2のモーター7が作動すると、反射ビーム23は、被検査物15の対象領域上にラスターパターン(図示せず)を描く。次いで、被検査物15上のラスターパターンから反射した反射光18は、画像センサ3の位置4の焦点に反射光18を集める集束レンズ19を通過する。焦点位置4に加え、第2のエンコーダ8を介して第2のモーター7の回転位置を、第1のエンコーダ16を介して第1のモーター10の回転位置を知ることにより、当技術分野において周知の三角測量アルゴリズムを適用することによってラスター上の各位置について検査表面15の高さ「HPO」を計算することができる。
従来技術にはいくつかの限界がある。第一に、レーザーを光源として使用するが、これにより、レーザー光線に存在する高レベルの干渉性に起因したスペックルノイズが生じる。このスペックルノイズにより、最終的には画像センサ3によって生成された信号の信号対雑音比が低下し、位置4の不確定性の度合いが増大し、最終的には高さHPOの不確定性の度合いが増大する。第二に、被検査物15全体に走査される光の点は、非偏心の楕円形断面または更には円形断面を有する。このような断面の場合、被検査物15上の点の真の位置に関する情報が最小となり、被検査物の狭い周辺部分−及び画像センサ3上の見かけの位置−が、被検査物15内に、またはその表面に存在する欠陥、汚損、基準マークなどによって失われる可能性がある。第三に、三角測量アルゴリズムの正確さは、第1のエンコーダ8、第2のエンコーダ16、及びポリゴンミラー6の表面精度の電子的・光学的・機械的許容差に依存するが、これらの全ては、正確な調整を行うことが困難または不可能である。第四に、2つの電気モーター7及び10が使用されるため、スキャナ1は相当量の電力を消費する。これにより、スキャナの内部が加熱され、その結果、ハウジング2の熱膨張係数(coefficient of thermal expansion:CTE)がゼロではないためにスキャナの内部構成要素がずれる。特に、画像センサ3及び集束レンズ19のずれにより、焦点位置4が誤った位置に置かれ、従ってHPOの算出に誤りが生じる。最後に、先と同様にモーター7及び10が使用されるため、スキャナ1は、コンパクトではなくなり、モーターの寿命が限られているために信頼性が低くなる。
概要
光学式スキャナは、ハウジング内に位置する光源を備える。開口を有するレチクルは、光源から放射された第1の光ビームを受光するようにハウジング内に配置されている。レチクルは、開口を介して第2の光ビームを透過させるように構成されている。ミラーは、レチクルを透過した第2の光ビームを受光し、ハウジングの第1の窓を介して物体の対象表面上へと第2の光ビームを反射するようにハウジング内に配置されている。受光器は、ハウジングの第2の窓を介して物体の対象表面からの第3の光ビームを受光するように構成されており、1つ以上の光位置の値を取得して物体の対象表面のパラメータを決定するように構成されている。
光学式スキャナは、ハウジング内に位置する光源を備える。開口を有するレチクルは、光源から放射された第1の光ビームを受光するようにハウジング内に配置されている。レチクルは、開口を介して第2の光ビームを透過させるように構成されている。ミラーは、レチクルを透過した第2の光ビームを受光し、ハウジングの第1の窓を介して物体の対象表面上へと第2の光ビームを反射するようにハウジング内に配置されている。受光器は、ハウジングの第2の窓を介して物体の対象表面からの第3の光ビームを受光するように構成されており、1つ以上の光位置の値を取得して物体の対象表面のパラメータを決定するように構成されている。
物体の3次元像の生成方法は、光学式スキャナを提供する工程を含む。光学式スキャナは、ハウジング内に位置する光源を備える。開口を有するレチクルは、光源から放射された第1の光ビームを受光するようにハウジング内に配置されている。レチクルは、開口を介して第2の光ビームを透過させるように構成されている。ミラーは、レチクルを透過した第2の光ビームを受光し、ハウジングの第1の窓を介して物体の対象表面上へと第2の光ビームを反射するようにハウジング内に配置されている。受光器は、ハウジングの第2の窓を介して物体の対象表面からの第3の光ビームを受光するように構成されている。受光器は、1つ以上の光位置の値を取得して物体の対象表面のパラメータを決定するように構成されている。光学式スキャナは、物体に対して位置決めされている。第3の光ビームは、対象表面から受光器によって受光される。物体の対象表面のパラメータは、対象表面からの受光した第3の光ビームに基づいて決定される。
本技術は、狭窄空間に位置する表面を測定するのに適したコンパクトな光学式スキャナを有利に提供する。スキャナは、十字線レチクルに照射する光源からなり、次いで、十字線像を表面全体に走査させる微小電気機械システム(micro−electrical−mechanical system:MEMS)ミラーを介して、対象表面上にレチクルが画像化される。表面全体の十字線走査によって反射または散乱された光は、次いでテレセントリックレンズによって画像センサ上に集光され、画像化される。画像センサの十字線画像は、次いで読み出され、十字線の中心の位置(すなわち、2本の腕が交差する位置)を見出すためにデジタル的に処理される。その位置、及びMEMSミラーの角度方向を知ることにより、被検査物の高さを三角測量アルゴリズムによって計算することができる。表面全体に十字線を走査し、3D空間内のその位置を計算することにより、表面のマップを迅速に作成することができる。
詳細な説明
本技術の例示的な光学式走査システム30を図2〜4に示す。光学式走査システム30は走査ヘッド31を含む。この走査ヘッドは、光源32、基板34を有するレチクル36、迷光バッフル38、投影レンズ40、全内部反射(total internal reflecting:TIRing)直角プリズム42、MEMSミラー46を有するMEMS装置44、第1の窓48、第2の窓54、テレセントリック撮像レンズの第1のレンズ素子56、折り返しミラー58、テレセントリックレンズと連動する開口絞り60、テレセントリック撮像レンズの第2のレンズ素子62、光フィルタ64、画像センサ66及び筐体70を備えることができる。ただし、走査ヘッド31は、他の構成において他の数及び種類の構成要素を備えることができる。
本技術の例示的な光学式走査システム30を図2〜4に示す。光学式走査システム30は走査ヘッド31を含む。この走査ヘッドは、光源32、基板34を有するレチクル36、迷光バッフル38、投影レンズ40、全内部反射(total internal reflecting:TIRing)直角プリズム42、MEMSミラー46を有するMEMS装置44、第1の窓48、第2の窓54、テレセントリック撮像レンズの第1のレンズ素子56、折り返しミラー58、テレセントリックレンズと連動する開口絞り60、テレセントリック撮像レンズの第2のレンズ素子62、光フィルタ64、画像センサ66及び筐体70を備えることができる。ただし、走査ヘッド31は、他の構成において他の数及び種類の構成要素を備えることができる。
図4の電気ブロック図に示すように、光学式走査システム30は、平行移動ステージ76、回転ステージ78、垂直方向MEMSドライバ80V、水平方向MEMSドライバ80H、画像デジタイザ82、走査管理コンピューティング装置84及び補正用マイクロディスプレイ130を更に含む。ただし、光学式走査システム30は、他の構成において他の数及び種類の構成要素を含むことができる。光学式走査システム30を利用して被検査物51を走査することにより、単なる一例として、被検査物51の検査表面52の表面プロファイルまたは表面形状を測定してもよい。
本技術は、高速、高精度、高分解能の表面プロファイリング方法及びシステムを提供することを含む多くの利点を提供する。この方法及びシステムは、コンパクトであり、かつ狭窄空間環境においてかかる表面を測定することができる。この例示的な技術は、3D光学式スキャナを提供することを含む多くの利点を提供する。このスキャナを利用して、クランクシャフトまたはカムシャフトなどの、長い距離またはプロファイルを数ミクロンの精度の範囲内で測定しなければならない複雑な物体の3Dマップを生成してもよい。加えて、3D光学式スキャナのこの例を小型フォームファクタ設計で構成することにより、かかる複雑な物体の凹部の測定が可能になる。
図2及び3を再度参照すると、走査ヘッド31は、2つの別々の光学サブシステム、すなわち、(1)光源32、基板34を有するレチクル36、迷光バッフル38、投影レンズ40、全内部反射直角プリズム42、MEMSミラー46を有するMEMS装置44及び第1の窓48を備えた放射源アーム(ただし、放射源アームは、他の組み合わせにおいて更なる光学部品類などの他の素子を備えてもよい)、ならびに(2)第2の窓54、テレセントリック撮像レンズの第1のレンズ素子56、折り返しミラー58、テレセントリックレンズと連動する開口絞り60、テレセントリック撮像レンズの第2のレンズ素子62、光フィルタ64及び画像センサ66を備えた撮像アーム(ただし、撮像アームは、他の組み合わせにおいて更なる光学部品類などの他の素子を備えてもよい)を含む。放射源アームは、光学信号を生成し、検査表面52を有する被検査物51にそれを投影し、撮像アームは、当該光学信号の反射を集光し、画像センサ66上にそれを画像化する。また、図2も参照すると、座標系が定義されている。この座標系では、X軸が走査ヘッド31の軸に沿い、Y軸が走査ヘッド31の横方向になり、Z軸が走査ヘッド31を通って上下に伸びるようになっている。
図2を再度参照すると、光源32は、筐体70内に配置された発光ダイオード(LED)を含む。ただし、単なる一例として半導体レーザーなどの他の光源を利用してもよい。LED光源32は、20nmのオーダーの光学帯域幅を提供する利点があり、従って、低干渉性の光ビームを出力する。このような光ビームにより、最終画像に見られるスペックルが本質的に除去される。
光源32の発光波長は、シリコン画像センサ66の場合の350nmから1100nmまでなどの、画像センサ66が感度を有する任意の波長とすることができる。ただし、500nm未満などのより短い波長で放射するLEDを光源32に利用してもよい。波長が短くなるほど、狭い十字線レチクルをその波長が通過するとき、特に、十字線スリットの幅が10μm未満である場合、小さい回折が生じるという利点がある。更に、光源32のLED発光波長は、それが光フィルタ64の光学通過帯域と一致するようにしなければならず、このフィルタは、補正用マイクロディスプレイ130の発光波長も通さなければならない。すなわち、光源32の発光波長は、補正用マイクロディスプレイ130の発光波長と実質的に一致しなければならない。本技術で使用される非単色の補正用マイクロディスプレイ130の青発光は、450nmから455nmの領域の発光となることが経験的に求められた。光源32は、光学式スキャナ30の小型フォームファクタに物理的に寄与するように物理的に小さく、20°未満の狭い角度の発光範囲を有する。そのため、レチクル36が完全に満たされることは全くないが、それによって透過率が低下し、かつ光学的な効率が低下する。ただし、光源32は他のパラメータを有してもよい。光源32のための適切なLED光源の1つの例は、453nmの有力な発光波長を有するOSRAM Opto Semiconductors(ミュンヘン、ドイツ)からのLD CN5M LEDである。ただし、他の供給元からの他の光源を同様に利用することができる。
光源32は、ハウジング70内に固定的に配置されている。それにより、光源32は、ハウジング70内で空間的にも角度的にも静止した状態を保つ。光源32によって生成される光は、連続波ビームであってもよいが、他の種類または数の光ビームを使用してもよい。例えば、光源32によって放射される光はパルス状であってもよく、このパルス状の光は、測定すべき光を背景光から区別するために光センサまたは画像センサ66によって利用されてもよい。また、光源32から放射される光の振幅を、検査表面52の反射性及び表面の質感に基づいて調節できるようにしてもよい。ただし、光源32の他の特徴を、マップが作成されているとき、検査表面52に関連した他の要因に基づいて調節できるようにしてもよい。
別の例において、半導体レーザーを光源32として利用することができる。一例として、レーザー光源は、走査ヘッド31の小型フォームファクタに寄与するように直径約5.6mmのハウジング内に収納されてもよい。レーザーアセンブリは、レーザーからの出力光が平行化され、直径100μm未満となるように集束レンズ及び開口を更に含んでもよい。ただし、光源32は、更なる光学部品類を含んで、後段のレチクル36を決定的に満たし、または完全に満たす拡散ビームなどの更なる特徴を光ビームに与えてもよい。レーザー光源は、350nmから1100nmまでの範囲の光、または600nmから670nmまでの範囲の赤色光もしくは420nmから500nmまでの範囲の青色光などの可視光などの、画像センサ66が感度を有する光を放射することができる。ただし、この光源は、単なる一例として、赤外線の光または1310〜1550nmの範囲の目にとって本質的に安全な光を放射してもよい。一例として、レーザー光源は、3D光学式スキャナ30がCDRHクラスII装置であるように、またはそれよりも安全であるように利用されてもよい。
差し当たって図4を参照すると、LEDなどの光源32はドライバ29に電気的に接続されており、更にこのドライバはD/A変換器27に接続されている。ドライバ29は、基本的には、D/A変換器27による電気的な電圧出力に応答して光源32に電力を供給し、またはそれを駆動するための特定の電流を出力するトランスコンダクタンス増幅器である。D/A変換器27の出力電圧は、通常0.0(完全なオフ)Vから5.0V(光源32の全出力)までの範囲であり、LD CN5M LED光源の全出力電流が、一例として、250mAであるため、このとき、ドライバ29のトランスコンダクタンス利得は20アンペア/ボルトである。ドライバ29の帯域幅を比較的狭くし、数百ヘルツ未満にすることができる。ただし、ドライバ29は、当該ドライバによって生成される出力電流が時間及び温度の変化に対して安定するように良好な熱経時安定性を有する必要がある。
一例において、走査管理コンピューティング装置84は、光源32を駆動する電流(及び従って光源32によって出力される光の量)を制御する。これにより、画像センサ66上の画像の輝度を制御することができる。この輝度は、検査表面52の質感に応じて変化する可能性がある。例えば、検査表面52が光沢のある(すなわち、非常にマイルドな質感を有する)場合、検査表面52から拡散して反射され、走査ヘッド31の撮像アームに入射する光の量は非常に少なくなる。その場合、走査管理コンピューティング装置84は、1つ以上の命令を(D/A変換器27及びドライバ29を介して)光源32に与えて光出力を増加させて、画像センサ66上の画像の輝度を高める。他方、検査表面52が研削されている(すなわち、より強い質感である)場合、検査表面52から拡散的に反射され、走査ヘッド31の撮像アームに入射する光の量はより多くなる。その場合、走査管理コンピューティング装置84は、1つ以上の命令を(D/A変換器27及びドライバ29を介して)光源32に与えて光出力を減少させて画像センサ66上の画像の輝度を弱めるようにすることにより、画像センサ66が画像の十字線部分において飽和しないようにする。
D/A変換器27は、走査管理コンピューティング装置84から1つ以上のデジタル命令を受け取るように構成され、そのデジタル命令に応答してアナログ電気信号を出力する。通常、このアナログ出力信号は電圧であり、良好な時間的特性及び安定特性を有する。走査管理コンピューティング装置84からのデジタル命令は、USBバスなどのシリアルバスまたはパラレルデータバスを介してD/A変換器に送信することができるが、他の通信方法を利用してもよい。D/A変換器27のビットに関する分解能は、一例として、8、10、12、14、16、20または更には24ビットにすることができる。一例において、ビットに関する分解能は12ビットである。この分解能により、コストと分解能の間の良好なトレードオフが実現される。
図2及び図3を再度参照すると、光源32は、LED光源32によって放射された光が基板34上に製造されているレチクル36に直接導かれるように配置されている。基板34は、LED光源32によって放射される光に対して実質的に透過性である。基板34は、堅固でもあり、実質的に光学的に滑らかな入出力面を有し、広範な温度範囲にわたって、かつ走査ヘッド31の寿命を通じて寸法的に安定である。ただし、基板34は他の特徴を有してもよい。基板34は、その上に設けられるレチクル36の材料と親和性を有する材料で構成されている。一例において、基板34は、光透過率を高め、後部に反射される迷光の量を減らすために入力面上に設けられた反射防止膜を有する。反射防止膜は、同じ理由から出力面に設けることもできる。ただし、この反射防止膜は、レチクル36を構成する材料と親和性を有するものとする。一例として、基板34は、ポリマー材料で構成することができ、溶融石英ガラスなども同様に利用することができる。
基板34上に設けられたレチクル36は、図5Cに示すような十字線パターン35(1)などの、検査表面52上にその後投影される透過パターンを除き、LED光源32によって放射された光を通さないが、多種多様なレチクルパターンを使用することができる。このようなレチクルパターンとしては、図5Aに示すような円形または楕円形のドット35(2)、図5Bに示すような円形または楕円形のブルズアイ35(3)、図5Dに示すような中心ドット35(4)を有する十字線、図5Eに示すような市松模様パターン35(5)、図5Fに示すような十字パターン35(6)、図5Gに示すような枠付き十字線35(7)、図5Hに示すような中心が空隙の十字線35(8)、図5Gに示すような円形もしくは楕円形のドットの配列35(9)、図5Hに示すような中央の正方形もしくは長方形35(10)、図5Iに示すような正方形もしくは長方形の配列35(11)、図5Jに示すようなハッシュタグパターン35(12)、図5Kに示すような三角十字線35(13)、図5Lに示すような中央の正方形を有する矩形十字線35(14)、または図5Mに示すような楕円十字線35(15)などがある。ただし、上記のパターンの組み合わせまたは置換からなる他のパターンを同様に利用することができる。
十字線35(1)などの、利用される透過パターンは、そのパターンが検査表面52上に投影され、続いて画像センサ66上に画像化されるとき、パターンの中心の局所化を良好に実現する画像処理アルゴリズムを用いて対にされてもよい。レチクル36の不透明部分は比較的薄いため、レチクル36は、光を反射して検査表面52上のレチクル36の投影像を滲ませる可能性がある側壁を持たない。更に、その不透明部分は、ピンホール及び他の透過性欠陥を持たないようにする必要がある。これらは、所望のパターンの一部であるように現れ、後段の画像処理及び局所化アルゴリズムを混乱させる可能性がある。
レチクル36は、通常、堆積プロセスによって基板34上に設けられる。ただし、他のプロセスを同様に利用することができる。レチクル36の不透明材料は、LED光源32によって放射される光に対して吸収性を有することができ、または反射性を有することができる。吸収性材料により、閃光または画像のコントラスト低下の原因となる迷光が生じにくくなる。
一例として、レチクル36を製造するための材料は、クロムまたは黒クロムとすることができる。ただし、他の材料を同様に利用することができる。一例において、レチクル36を基板34の出力面に設ける代わりに、当該レチクルをむしろ基板34の入力面に設けることができる。あるいは、レチクル36をより厚くして自立させるようにすることができ、それにより基板34を除くことができる。
レチクル36とMEMSミラー46の間の光学経路に迷光バッフル38を設けることにより、投影光(図9の108)がMEMSミラー46を完全に満たさないようにする。その理由としては、MEMS装置44に達し、MEMSミラー46に入射しない光によって迷光が発生し、それによって閃光が生じ、または検査表面52上の十字線像のコントラストが低下する可能性があるためである。このように、一例として、迷光バッフル38は、その開口が光源32の軸72を実質的に中心とした状態で、投影レンズ40の直前に配置することができる。ただし、迷光バッフル38は、投影レンズ40の直後または直角プリズム42の直後に設けることもできる。
迷光バッフル38は、Z方向よりY方向が広くなっている、形状が楕円形の開口を有しており、この迷光バッフルを通過する光(図9の106)がMEMSミラー46において円形の断面形状となり、それによって光がMEMSミラー46を少しばかり不完全に満たすようになっている。ただし、この開口は、多角形などの他の形状を有してもよい。この例において、Y方向の楕円の長軸は4.2mmであり、Z方向の短軸の長さは3.4mmである。ただし、他の軸長を利用することができる。迷光バッフル38は、基板34及びレチクル36と同様に透明な基板及び不透明なコーティングから作ることができるが、迷光バッフル38の光学的・機械的許容差がレチクル36より決定的ではないため、迷光バッフル38は、ポリマーまたは板金などの、任意の自立型の不透明材料から作ることができる。ただし、開口は、良好な正確さで材料に切り込み、または打ち抜くことができるものとする。
直角プリズム42は、投影光ビーム(図9の106)の光学経路内に配置され、投影光ビームを反射するミラーとして作用する。すなわち、光は、直角プリズム42の短辺に入射し、続いて直角プリズム42の斜辺に入射する。その後、光は全内部反射(TIR)を受け、直角プリズム42の第2の短辺に反射され、その後、光は直角プリズム42を出射する。直角プリズム42は、BK7ガラスまたは溶融石英ガラスといったガラスなどの、LED光源32によって放射される光に対して透過性である任意の材料から作ることができ、所望の幾何学的形状に機械加工し、研磨することができる。ただし、ポリマーなどの他の材料を利用してもよい。
直角プリズム42の入出力面のサイズは、投影光ビームの全断面積を受容する程度に大きくなければならない。このサイズは、迷光バッフル38の開口のサイズによって制限され、上記の楕円形開口は、上述したように4.2mm及び3.4mmの長短の軸を有する。これらの寸法を前提として、一例において、直角プリズム42は5mm×5mmの短辺サイズを有する。例えば、直角プリズム42は、OptoSigma(サンタアナ、カリフォルニア、米国)からのRPB1−05−550直角プリズムであってもよいが、他の直角プリズムを利用してもよい。
直角プリズム42は、45°−90°−45°の公称プリズム角度を有するが、このプリズムは、直角プリズムである必要はなく、斜辺においてTIRが維持される限り、40°−100°−40°など代替の角を有することができる。反射防止(antireflective:A/R)コーティングが、直角プリズム42の入出力面の両方に設けられており、十字線35(1)の不要なゴースト像を検査表面52上に生じさせる可能性がある投影光ビームの望ましくない光反射を防ぐようにしている。別の例において、直角プリズム42は、第一の表面鏡(または第一の表面に良好なA/Rコーティングを施した第二の表面鏡)と交換することができる。
MEMS装置44は、静電アクチュエータ(図示せず)及びこの静電アクチュエータによって生成された静電場に応答して旋回点の周りに回転するMEMSミラー46を含む。すなわち、一対の印加電圧に応答して、MEMSミラー46は、MEMS装置44の2つの別々の軸の周りに回転するように作ることができる。MEMSミラー46の角度方向を制御し、MEMSミラー46の角度方向を急速に変化させることが可能であるため、投影されたLED光(図9の108)がMEMSミラー46から反射されるときにその光を走査することが可能となる。この反射された走査投影光(図9の110)は、その後、MEMSミラー46の変化中の角度方向に従って対象表面52全体に走査される。
MEMS装置44は、様々な回転ミラーサイズ、走査速度、走査共振周波数及び走査出力で利用可能である。更に、MEMS装置44は、好適な周波数で−一方または両方の軸において−走査ミラー44が振動または共振する共振モードで作動することができ、あるいはこのMEMS装置は、ポイントツーポイントモードで作動することができる。このモードの場合、垂直方向MEMSドライバ80Vまたは水平方向MEMSドライバ80H及び走査管理コンピューティング装置84によってステップアンドリピートモードの特定の位置にMEMSミラー46の角度方向が指示される。フィードバック機構(図示せず)を設けて、MEMSミラー46の正確な角度方向を確認することができ、またはこのMEMSミラーは、フィードバック機構の利点に関係なく作動することができ、その代わりに位置決め用の所定の補正パラメータに依存する。
MEMSミラー46は、概ね円形の周辺部を有し、Mirrorcle Technologies(リッチモンド、カリフォルニア、米国)からの直径0.8mmから5.0mmまでのものが利用可能である。ただし、他の供給元からの他のミラーサイズを利用してもよい。一例において、MEMS装置44の位置における投影光のビームの幅よりわずかに広い4.2mmの直径を有するMEMSミラー46を利用してもよい。4.2mmの直径のMEMSミラー46は、質量が十分小さくなって、良好な時間的特性及び直線性を呈する。
MEMS装置44は、LCC20を含むいくつかの無鉛チップキャリア(Leadless Chip Carrier:LCC)パッケージで利用可能であり、このパッケージは、ハウジング70内に収まるように十分小さくコンパクトである。全般的に、透明なガラス窓(図示せず)をMEMSミラー46のすぐ前のMEMS装置44に設けて、壊れやすいMEMSミラー46及び静電アクチュエータを、塵及びMEMS装置44に損傷を引き起こす可能性がある物体との偶発的な接触から保護する。しかしながら、このガラス窓により、スキャナの性能を損なう可能性がある迷光及びゴースト反射が生じる恐れがある。その場合、MEMS装置からガラス窓を取り除くこと(特に、ハウジング70がMEMS装置44を塵及び偶発的な接触から保護できる場合)、または少なくとも、窓の一方もしくは両方の側面上にA/Rコーティングを設けることが最良である。
上述したように、MEMS装置44内のMEMSミラー46は、2つの軸で回転することができる。図4を参照すると、水平方向ドライバ80Hは、MEMS装置44の左右アクチュエータに電気的に接続されており、MEMSミラー46を左右方向(すなわち、図11のθ方向)に回転させる。同様に、垂直方向ドライバ80Vは、MEMS装置44の上下アクチュエータに電気的に接続されており、MEMSミラー46を上下方向(すなわち、図11のφ方向)に回転させる。
特に、Mirrorcle A7B2.1アクチュエータの場合、70Vのバイアス電圧を印加することによってMEMSミラー46が所与の軸に対してその角度範囲の中心に回転し、0Vの電圧を印加することによってMEMS装置44の静電アクチュエータがMEMSミラー46を−4.86°まで回転させ、140Vの電圧を印加することによってMEMS装置44の静電アクチュエータがMEMSミラー46を+4.86°まで回転させる。垂直方向ドライバ80V及び水平方向ドライバ80Hは、これらの電圧、すなわちA7B2.1アクチュエータの場合の0〜140Vを、垂直方向D/A変換器79V及び水平方向D/A変換器79Hからそれらのドライバに入力された電圧に従って線形に発生させる。すなわち、垂直方向ドライバ80V及び水平方向ドライバ80Hは、例えば、それらの各D/A変換器(79V及び79H)から0.0Vから5.0Vまで信号を入力として受け入れ、0.0Vから140Vまでの信号を出力する線形増幅器である。このように、垂直方向ドライバ80V及び水平方向ドライバ80Hの電圧利得は、この例において140.0/5.0=28である。
垂直方向ドライバ80V及び水平方向ドライバ80Hの増幅器は、0.0Hz(すなわち、DC入力電圧に対応することができる)を含む帯域幅を有し、内蔵ローパスフィルタによって帯域幅が制限される。このローパスフィルタは、垂直方向ドライバ80V及び水平方向ドライバ80Hの出力ノイズを減少させるように機能することができるが、更に重要なことに、このフィルタリングは、MEMSミラー46がその角度位置を即座に変化させるように指示されたときに受けるリンギングを制限することができる。垂直方向ドライバ80V及び水平方向ドライバ80Hと一体化された6次ベッセルローパスフィルタは、MEMSミラー46の動作をほぼ決定的に減衰させることが分かっているため、リンギングを制限する。ただし、他のローパスフィルタの種類及び次数も同様に機能する。垂直方向ドライバ80V及び水平方向ドライバ80Hのドライバ内の増幅器の応答は極めて線形であり、垂直方向A/D変換器79V及び水平方向A/D変換器79Hによる電圧出力に対して正確な比率でMEMSミラー46が角度を変えるようになっている。そのため、MEMSミラー46の正確な角度位置は既知である。あるいは、MEMSミラー46の角度変動は、垂直方向A/D変換器79V及び水平方向A/D変換器79Hによる電圧出力の関数として測定され、正確な走査を行うことが可能となる前に補正される。
MEMSミラー46から反射した投影光110は、ハウジング70の開口に設けられている第1の窓48を通過する。ハウジング70は、第1の窓48及び第2の窓54と共に、走査ヘッド31を含む電気的、光学的及び機械的構成要素の全てを形の上で覆い、囲んでおり、更に、外部環境からこれらの構成要素を密封して、浮遊塵埃、油、蒸気、煙などが、走査ヘッド31に入って走査ヘッド31内の各表面に定着するか、さもなければこれらの表面を汚染することができないようにしている。第1の窓48は、この環境的な密封機能に寄与しつつ、投影光110が、比較的減衰されず、かつ光学的に歪曲することも収差を含むこともなく通過することも可能にする。
第1の窓48は、その入力面と出力面の両方が平面であり(すなわち、両面共に光屈折力を有する必要がない)、そのため出射光線の方向が窓に入射する光線と同じである。第1の窓48は、投影光110の実質的に全てがMEMSミラー46の全範囲にわたってハウジング70を形の上で出射できるように十分な幅を有しており、投影光110が被検査物51の表面52全体を走査できるようにしている。第1の窓48はガラスで構成されているが、いくつかの例においてポリマーを利用してもよい。一例において、第1の窓48は溶融石英から作られている。溶融石英は熱膨張係数(CTE)が小さいが、この熱膨張係数はハウジング70の小さいCTEと一致する。更に、第1の窓48の外面は、定期的にクリーニングする必要があるため、ガラスまたは溶融石英には偶発的な擦り傷及び損傷が付きにくくなる。
一例において、第1の窓48の少なくとも内面は、フレネル反射を最小化し、かつ窓を通過する投影光110の量を最大にするためにA/Rコーティングされている。別の例において、第1の窓48の外面もA/Rコーティングされている。ただし、このコーティングは、定期的なクリーニングに耐える程度に機械的に強固であるものとする。第1の窓48のA/Rコーティングは、光源32によって放射される波長ならびに第1の窓48の入射面及び出射面における投影光110の入射角に対して最適化されている。
走査ヘッド31の設計は、測定すべき検査表面52を有する特定の被検査物51に合わせて調整されてもよい。一例として、被検査物51は、形状を正確に測定すべき表面52を有する任意の固体物体とすることができる。検査表面52の質感は、研磨されたもの、けば仕上げされたもの、ピクセル化されたもの(すなわち、添加剤または3D印刷プロセスによって作られたもの)研削されたもの、鋸挽きされたもの、波打っているもの、ホーニング仕上げされたもの、鋳造されたもの、艶出しされたもの、エッチングされたもの、または0.001%などの、光入射のうちの少なくとも非常に小さい割合を検査表面52上に拡散的に散乱させる任意の他の質感とすることができる。
被検査物51の材料には、ガラス、ポリマー、金属及び木が含まれてもよいが、他の材料も同様に好適である。典型的な被検査物51は、プロペラ、タービン羽根、カムシャフト及びクランクシャフトなどの、測定すべき表面の形状が複雑な被検査物であり、被検査物51の他の部分によって隠されているために形状を測定することができない窪みまたは凹部を有する場合があり、あるいはクランクシャフトを用いた場合など、到達するのが困難な検査表面52を有する場合がある。ただし、本技術を使用して、他の特徴を有する被検査物51を測定してもよい。
図6は、本技術を使用して測定され得る典型的な内燃機関のクランクシャフト90を示す。クランクシャフト90は主軸受ジャーナル98、ピンジャーナル面95を有するピンジャーナル94、平衡錘96及び接続ウェブ92を備える。図7は、平衡錘96、ジャーナル面95を有するピンジャーナル94及び逃げ溝97を示すクランクシャフト90のピンのより詳細な図面である。逃げ溝97は、クランクシャフト90の信頼性にとって決定的に重要である。これは、この逃げ溝が、ピンジャーナル94と接続ウェブ92の間の交差部分でクランクシャフトに生じる応力を分散させるためである。このように、逃げ溝97の位置、深さ及び半径は、厳格な許容差に合わせて製造しなければならず、逃げ溝97の位置、深さ、半径及び他のパラメータが測定可能であることは、クランクシャフト90が正確に製造され、エンジンに取り付けられるときに確実に動作することを保証するのに重要である。残念なことに、逃げ溝97は、少なくとも以下の2つの理由のために測定するのが困難である。それは、第一に、接続ウェブ92内に逃げ溝が伸長する可能性があり、その場合、逃げ溝は、従来の触覚的及び光学的な(影絵による)方法を用いて検査することができない窪んだ凹部となることであり、第二に、2つの接続ウェブ92の間の小さい空間に大きな測定プローブを挿入するのが困難なことである。
図8は、本技術の走査ヘッド31を、光学式走査システム30が逃げ溝97の位置、方向、半径及び他の形状的な特徴を測定可能な方向においてクランクシャフト90の平衡錘96と接続ウェブ92の間の空間にどのように挿入することができるかを示す。走査ヘッド31の長軸−図示されていないが、紙の平面に出入りするように方向付けられている−が接続ウェブ92の平面と平行であり、走査ヘッド31が接続ウェブの間に無理なく適合するように走査ヘッド31の直径が接続ウェブ92の間の空間の幅より小さいことに注意されたい。走査ヘッド31は、横から(すなわち、Y及びZ軸に)、縦向きに(すなわち、X方向に)、かつ回転して(すなわち、X軸の周りに)配置されるため、投影光110は、接続ウェブ92の角にもピンジャーナル94の角にも当たることなく照明位置112において逃げ溝97を照らすことが可能である。照明位置112は、レチクル36の十字線35(1)の像であることに注意されたい。
照明位置112において投影光から拡散的に反射された光の一部は、ハウジング70の第2の開口に設けられた第2の窓54を介して走査ヘッド31に再度入射する。ハウジング70は、第1の窓48及び第2の窓54と共に、走査ヘッド31を含む電気的、光学的及び機械的構成要素の全てを形の上で覆い、囲んでおり、更に、外部環境からこれらの構成要素を密封して、浮遊塵埃、油、蒸気、煙などが、走査ヘッド31に入って走査ヘッド31内の各表面に定着するか、さもなければこれらの表面を汚染することができないようにしている。第2の窓54は、この環境的な密封機能に寄与しつつ、拡散反射光114が、比較的減衰されず、かつ光学的に歪曲することも収差を含むこともなく通過することも可能にする。
第2の窓54は、その入力面と出力面の両方が平面であり(すなわち、両面共に光屈折力を有する必要がない)、そのため出射光線の方向が窓に入射する光線と同じである。第2の窓54は、溶融石英などのガラスから作られているが、ポリマーなどの他の材料を利用してもよい。特に、溶融石英から作られた第2の窓54は、熱膨張係数(CTE)が小さく、この熱膨張係数はハウジング70の小さいCTEと一致する。更に、第2の窓54の外面は、定期的にクリーニングする必要があるため、ガラスまたは溶融石英などのより硬質な材料には偶発的な擦り傷及び損傷が付きにくくなる。
一例において、第2の窓54の少なくとも内面は、フレネル反射を最小化し、かつ窓を通過する拡散反射光114の量を最大にするためにA/Rコーティングされている。別の例において、第2の窓54の外面もA/Rコーティングされている。ただし、このコーティングは、定期的なクリーニングに耐える程度に機械的に強固であるものとする。A/Rコーティングは、光源32によって放射される波長ならびに第2の窓54の入射面及び出射面における拡散反射光114の入射角に対して最適化されている。
わずかな導波性が第1の窓48に生じるため、第1の窓48の極めて小さい割れ目により、投影光110の一部が、第1の窓48の入射面と射出面の間で全内部反射(TIR)する向きを変える場合、第1の窓48と第2の窓54は、光吸収性材料によって分離された別々の光学要素でなければならない。さもなければ、窓の中の全内部反射する導波光は、撮像経路の領域内の窓に非常に小さい割れ目があることにより、走査ヘッド31の撮像経路の窓の外に(再度)向きを変える可能性がある。このように向きが変わった光は、迷光であるため、その後、テレセントリックの第1のレンズ素子56を介して撮像経路に入射する可能性があり、画像センサ66上の十字線の画像のコントラストまたは信号対雑音比(signal−to−noise−ratio:SNR)を低下させる恐れがある。
第2の窓54を通過する反射光114は、次いで、テレセントリック撮像レンズに入射する。このレンズは、第1のレンズ素子56、開口絞り60及び第2のレンズ素子62を含む。テレセントリックレンズは、検査表面52に投影された十字線35(1)の像を画像センサ66上に作成する。画像センサ66上の十字線像は良好な忠実度を有する。すなわち、その像には、滲みも収差もなく、樽型歪み及び糸巻型歪みが実質的に存在せず、像のサイズは、検査表面52と走査ヘッド31の間の距離「H」が変化しても変化してはならない。実際、テレセントリックレンズは、像のサイズが物体距離の関数として変化しないレンズである。背面焦点距離(この場合、レンズ素子262と画像センサ66の間の距離)が変化したときに像のサイズも変化しない場合、そのレンズは二重テレセントリックであると言われる。
像のサイズが物体距離HOHと共に変化しないことは重要である。これは、十字線が検査表面52上で相当な幅を占めており、この検査表面にわたって距離HOHが、特に逃げ溝97を測定するとき、数ミリメートル変化する可能性があるためである。レンズが物体空間においてテレセントリックではない場合、逃げ溝97の検査表面52上の十字線の像が画像センサ66上で歪み、画像処理タスクがはるかに困難なものとなる。
画像センサ66上の像のサイズが背面焦点距離と共に変化しないことは、走査ヘッド31が暖められて伸長するときに背面焦点距離が変化する可能性があるために重要でもある。このことは、特に画像センサ66付近の領域において問題となる恐れがある。というのも、この画像センサは、最大2ワットの電力を動作中に消費し、プロセス内で多量の熱を生成する可能性があるためである。テレセントリックレンズの拡大率は、検査表面52上の十字線35(1)のサイズ及び画像センサ66のサイズに応じて、−0.2から−2.0までとすることができる。ただし、−1.0により近い拡大率を有するレンズは、設計、製造及び組み立てがより容易である。光学歪み及び非テレセントリシティの大部分は良好な設計の実践によってレンズから排除することができるが、一部の除去できない歪み及び非テレセントリシティが残存する。この歪み及び非テレセントリシティは、図14に関連して後述するようにレンズ補正プロセスによって排除しなければならない。
この例において、第1のレンズ素子56及び第2のレンズ素子62は、両方共に正レンズであるため、製造が容易である。この製造は、注射成形プロセス(ポリマー材料の場合)、ダイヤモンド切削、精密成形(ガラス材料の場合)、磁性流体研磨(magneto−rheological finishing:MRF)プロセス、または任意の他のレンズ製造プロセスとすることができる。第1のレンズ素子56及び第2のレンズ素子62のそれぞれの2つの光学面のうち、一方または両方を非球面とすることも、代わりに球面とすることも可能であり、あるいはそれらの光学面のどちらも非球面としないことも、その代わりに球面としないことも可能である。
第1のレンズ素子56及び第2のレンズ素子62の中心厚は、一例として、1.0mmから10mmまでとすることができる。第1のレンズ素子56及び第2のレンズ素子62の直径は、一例として、5mmから20mmまでとすることができる。一例において、第1のレンズ素子56及び第2のレンズ素子の2つの光学面のそれぞれはA/Rコーティングされており、それらの光学面を通過する像の光116、118、120及び122の量を最大にし、かつ、ゴースト像を生じさせるか、さもなければ画像センサ66上の十字線像の忠実度(コントラストを含む)を低下させる可能性がある迷光を最小にするようになっている。第1のレンズ素子56及び第2のレンズ素子62は、BK7ガラスまたは溶融石英などのガラスによって形成することができる。ただし、アクリル、ポリカーボネート、またはポリスチレンといったポリマーなどの他の材料を利用してもよい。この例において、第1のレンズ素子56及び第2のレンズ素子62は、溶融石英から製造されるが、これは、そのCTEが小さく、かつ光学特性が優れているためである。
テレセントリックレンズの開口絞り60は、収差を多く含む光線が画像センサ66の像平面に到達するのを防ぎ、テレセントリックレンズのテレセントリシティ特性を作り出す。一般に、開口絞り60の開口が小さくなるほど、レンズは良好に動作する。ただし、より少ない光がより小さい開口を介して伝播し、画像センサ66上の像平面に像がよりかすかに現れる。2.0mmの開口直径は、一例として適切であるが、0.3mmから5.0mmまでの開口直径も同様に機能することができる。
開口絞り60は、金属またはポリマーなどの不透明材料から構成され、理想的には黒く塗られるか、さもなければ光を吸収させて、迷光を生成する可能性がある反射を減少させる。一例において、開口絞り60は、アルミニウムなどの薄い板金から作られ、この板金は、その後、光吸収性が高くなるように黒アルマイト処理される。開口絞り60は、テレセントリックレンズの全幅にわたって実質的に広がっており、望ましくない光線が、開口絞り60をよける可能性もなく、画像センサ66に到達するための代替経路を有することもないようにしている。
次いで、テレセントリックレンズを通過する光122は、画像センサ66に到達する前に光フィルタ64を通過しなければならない。光フィルタ64は、光源32によって放射される光の波長を除いて画像センサ66が感度を有する光の全ての波長を実質的に遮断するバンドパスフィルタである。このようにして、光源32によって放射された光からなる十字線像35(1)が画像センサ66に到達することを可能にしつつ、筐体70の外で生じ、第2の窓54を介して走査ヘッド31に入射した後に開口絞り60を通過する好ましくない環境光が画像センサ66に到達しないようにする。ただし、上記の好ましくない環境光は、光源32によって放射される波長以外の波長で構成されている。これらの好ましくない環境光信号を遮断することにより、画像センサ66上の十字線像35(1)のコントラスト及びSNRが向上し、不要な閃光及び迷光線が遮断され、像が損なわれないようになる。
光フィルタ64は、少なくとも50%の通過帯域透過率を有するが、光フィルタ64は、少なくとも70%または少なくとも90%lの通過帯域透過率を有してもよい。通過帯域の全幅半値(full−width half−maximum:FWHM)幅は、2nmから50nmまでとすることができるが、10nmから20nmまでの範囲を利用して、光源32の発光波長の中央に合わせてもよい。光フィルタ64は、画像センサ66の短い方の波長の限界に至るまで光の少なくとも99.99%を遮断する必要がある。一例として、画像センサ66がシリコンから作られているため、その波長は約350nmである。光フィルタ64は、画像センサ66の長い方の波長の限界に至るまで光の少なくとも99.99%を遮断する必要がある。一例として、画像センサ66がシリコンから作られているため、その波長は約1100nmである。
光フィルタ64は、光が実質的にテレセントリックである撮像アームの部分に配置する必要があるため、光の入射角は、可能な限り0度に近い。1つの位置は、第2の窓54またはその付近にある、第1のレンズ素子56の正面である。実際には、光フィルタ66は、第2の窓54の中に組み込むこともできる。光フィルタ66の第2の位置は、図10に当該光フィルタを示した箇所であり、画像センサ66のすぐ前である。一例において、光フィルタ64は、画像センサ66の入力面に直接接合することができる。このことには、1)光フィルタ64の出力面及び画像センサ66の入力面からのフレネル反射を実質的に除去する、2)光フィルタ64の機械的な装着を簡単にする、及び3)画像センサ66に到達する前に光フィルタ64の周囲を迷光が通る可能性を排除するという利点がある。一例において、光フィルタ64は、ニュートン、NY、米国のThorlabs社からのMF445−45−9MM−SPであるが、他の光フィルタを利用してもよい。
その後、光フィルタ64を通過する光は画像センサ66に到達する。この画像センサは、これに入射した像を電子信号に変換し、この信号は、続いて画像デジタイザ82によってデジタル形式に変換される。一例において、画像センサ66は、フォトダイオードのアレイを含む。これらのフォトダイオードのそれぞれは、変換後の画像の1つの画素を構成する。画像センサ66は、250,000画素から25,000,000画素までの解像度を有することができる。ただし、VGA解像度(640×480もしくは307,200画素)またはSVGA解像度(800×600もしくは480,000画素)を有する画像センサ66により、解像度と画像処理の複雑さ及び時間との間の良好なトレードオフが実現される。
この例において、画像センサ66は、カラー画像センサではなく単色画像センサであるが、これは、画像センサに入射する像の光が実質的に単色であるためである。ただし、他の例においてカラー画像センサを使用してもよい。画像センサ66のフレームレートは、毎秒10フレームから100フレームまでである。フレームレートがより遅くなると、光学式走査システム30の測定速度に対するボトルネックが現れる場合があり、他方、フレームレートがより高くなると、MEMS装置44などの光学式走査システム30内の他の速度的なボトルネックまたは走査管理コンピューティング装置84内で実行されている画像処理アルゴリズムの処理速度のために、システム性能の向上を伴うことなく画像センサ66のコストが不必要にも上昇する。
画像センサ66の有効領域のサイズは、1mm×1.5mmから最大10mm×15mmまでとすることができる。ただし、検査表面52上の十字線走査領域の範囲とほぼ同じサイズの場合、テレセントリックレンズの拡大率が約−1.0となるまで駆動される。この拡大率は、先に述べたように、レンズの設計、製造及び組み立てがより容易となる拡大率である。一例において、画像センサ66は、CMOSIS(アントワープ、ベルギー)からのCMV300であり、このセンサは、4.795×3.611mmの有効領域にわたって488×648(316,224)画素を有する。ただし、他の画像センサを利用してもよい。CMV300は、700mWに過ぎない電力も消費し、そのため走査ヘッド31の内部発熱が最小になり、60dBのダイナミックレンジを有し、画像デジタイザ82はこれに組み込まれる。
別の例において、レチクル36が、十字線35(1)(図5C)と同様の腕を有しておらず、その代わりに円形または楕円形のドット35(2)(図5A)と同様の中心透過開口を有する開口を有する場合、象限検出器または位置検出デバイス(position sensing device:PSD)などの光検出器を画像センサの代わりに使用してもよい。単なる一例として、光センサは、4つの側面のそれぞれに電極を有するシリコンチップで構成されたフォトダイオードを含むPSDであってもよい。この例において、電極による光電流出力の量は、電極に対するPSD上の像点の近接度に比例する。PSDは、4mm×4mmの有効領域を有してもよい。単なる一例として、PSDは、On−Trak Photonicsによって製造されたモデル番号2L4SPであってもよいが、他の種類の光センサを利用してもよい。
4分割センサまたはPSDは、トランスインピーダンス増幅器及びアナログ−デジタル変換器によって走査管理コンピューティング装置84に接続されてもよい。トランスインピーダンス増幅器は、4分割センサまたはPSDから受信した信号をアナログ−デジタル変換器に対応した電圧まで増幅する。一例において、トランスインピーダンス増幅器は、PSDの4つの電極のそれぞれに対応する4つの入力チャネル及び各軸に対応する2つの出力チャネルを含む。アナログ−デジタル変換器は、トランスインピーダンス増幅器の出力チャネルによって生成されたアナログ電圧を走査管理コンピューティング装置84によって読み込まれ得るデジタル信号に変換する。ただし、アナログ−デジタル変換は、ローカルプロセッサによって直接実行されてもよい。
ハウジング70は、走査ヘッド31を含む構成要素を囲むために使用される。これらの内部走査ヘッド31の構成要素は、ハウジング70に直接載置することができ、あるいは、ハウジング70に取り付けられるフレームまたは他の半組立部品に内部構成要素の一部または全てを載置することができる。ハウジング70は、25mm未満、または好ましくは18mm未満の断面直径を有する、実質的に円筒形状とすることができ、その結果、図8に図示されているように、クランクシャフト90のウェブ92の間の空間などの狭い溝に当該ハウジングを適合させることができる。ハウジング70の長さは、クランクシャフト90を測定するときに比較的制約されない。ただし、他の被検査物51は、長さ(X軸)寸法の制約を課す場合があり、そのためハウジングの長さも同様に最小限に留める必要がある。単なる一例として、ハウジング70は、250mm未満または200mm未満の長さを有してもよい。ハウジング70の断面は、実質的に円形となるように描かれている。ただし、この断面を、楕円形、矩形または更には台形にとして、測定表面52の制約された位置に走査ヘッド31が容易に接近しやすくすることができる。
ハウジング70は、アルミニウムまたは別の金属などの硬質材料から作られているが、ポリマーまたはセラミック材料を利用してもよい。特に、ある特定の新型セラミックまたは炭素繊維などのCTEが小さい材料により、内部走査ヘッド構成要素の有用な光学的・機械的許容差が実現される。ハウジング70のための1つの例示的な材料は、エルブリッジ、NY、米国のAllred&Associates社の事業部からのDragonPlate炭素繊維チューブである。DragonPlate炭素繊維材料は、15.975mmの内径及び18.415mmの外径を有するチューブに利用可能である。この内径は、走査ヘッド31の内部部品が適合する程度に大きく、この外径は、実質的に全ての自動車用クランクシャフト90のウェブ92の間に適合する程度に小さい。更に、炭素繊維材料は、通常、色が黒い。これにより、ハウジング70内に存在し得る不要な迷光が有利に吸収され、低減される。
ハウジング70は、2つの窓穴を有し、一方は第1の窓48であり、もう一方は第2の窓54である。ハウジング70の2つの端部は、エンドキャップ(図示せず)で覆われており、このエンドキャップは、電線を通過させることが可能な更なる穴を有することができる。エンドキャップにより、走査ヘッド31をそのステージングに容易に装着させることもできる。いずれにしても、ハウジング70に関連した穴、窓、エンドキャップなどの全ては、一例として、気密封止などで密封されなければならない。その結果、ハウジングが気密ハウジング70として密封されるため、汚れ、塵、油、溶媒及び他の浮遊汚染物質がハウジング70に入り、走査ヘッド31の光学構成要素を汚損することがなくなる。
次に図4を参照すると、光学式走査システム30のいくつかの電子サブシステムがあり、それらは走査ヘッド31のハウジング70の外部に位置し得る。例えば、LEDドライバ29は、公称量かつ安定した量の電子電流をLED光源29に供給するために使用されるが、ハウジング70の外部に位置しているため、LEDドライバが生成する熱によって走査ヘッド31が加熱されない。LEDドライバ29は、走査管理コンピューティング装置84からデジタル命令を受け入れるD/A変換器27からアナログ電圧コマンド信号を受け入れる。ただし、LEDドライバ29は、デジタル信号を直接受け入れることができる。
LEDドライバ29の出力が電流であり、その入力が電圧であるため、LEDドライバ29は、基本的にはトランスコンダクタンス増幅器である。LEDドライバ29は、電流ゼロから−その場合、LED光源32はオフである−LED光源の損傷閾値の直前の量まで、LED光源32に電流を供給する。この損傷閾値は、通常、数百ミリアンペアである。この特定の例において、LEDドライバ29は、ボーデンハイム、ドイツのiC−Hausによって製造されたLED/レーザーダイオードドライバIC−WKNなどのシングルチップソリューションである。ただし、他の種類及び/または数の他のドライバを利用してもよい。
走査管理コンピューティング装置84は、アナログ−デジタル変換器、シリアルバス、汎用入出力ピン、RAM及びROMなどの様々なオンボードハードウェア機能を有する高集積マイクロコントローラ装置である。ただし、走査管理コンピューティング装置84は、パーソナルコンピュータ、デジタルシグナルプロセッサ(digital signal processor:DSP)または更にはフィールドプログラマブルゲートアレイ(field programmable gate array:FPGA)とすることができる。更に、D/A変換器27、79V及び79Hの一部または全てを走査管理コンピューティング装置84のハードウェアに組み込むことができる。
光学式走査システム30の走査管理コンピューティング装置84は、本明細書において一例として説明及び図示されているような本技術の1つ以上の態様のために記憶命令のプログラムを実行する。ただし、他の種類及び/または数の処理装置及び論理を使用することができ、ローカルプロセッサは、他の数及び種類のプログラムされた命令を実行することができる。別の実施形態において、走査管理コンピューティング装置84は、光学式走査システム30とは別個に位置してもよい。走査管理コンピューティング装置84は、シリアルデータバスを介するなどして、他のコンピューティング装置と更に通信してもよい。ただし、走査管理コンピューティング装置84は、他の種類及び数の通信ネットワークを介して通信してもよい。
光学式スキャナ30の走査ヘッド31は、クランクシャフト90のピンの間に適合するように構成されている。図6に示すように、クランクシャフト90は、ジャーナル面94を有するピンジャーナル95、主ジャーナル98、主ジャーナル98とピンジャーナル95を接続するウェビング92、及び平衡錘96を備える。クランクシャフト90は、通常、多くの(直線、角度、表面及び空間の)限界寸法及び許容差を有し、これらの寸法のそれぞれは、正確に測定される必要がある。
図7を参照すると、クランクシャフト90のピンジャーナル95は、ピンジャーナル95がウェビング92と整合する箇所にある応力除去用逃げ溝97を有することができることが示されている。応力除去用逃げ溝97の半径は、クランクシャフト90の機能にとって決定的な寸法であり、図8には、応力除去用逃げ溝97の半径を測定できるようにするために走査ヘッド31をどのようにウェビング92の間に配置し、角度的に方向付けることができるかが示されている。
次に図13を参照すると、走査ヘッド31の装着及びステージングの一方法が示されている。図13において、走査ヘッド31は、左回転ステージ140及び右回転ステージ142の上に装着される。これらのステージは合わせて、X軸周りの角度方向を制御する。左回転ステージ140は、左ステージ装着具144に取り付けられており、右回転ステージ142は右ステージ装着具146に取り付けられている。後部送りねじ148及び前部送りねじ150は、左ステージ装着具144及び右ステージ装着具146を貫通し、それらと連結されている。従って、後部送りねじ148と前部送りねじ150が同期して回転すると、左ステージ装着具144、右ステージ装着具146、及び走査ヘッド31がX軸に沿って平行移動する。後部送りねじ148及び前部送りねじ150は、送りねじモーター(図示せず)に連結されている。このモーターは、装着面158を有するステージ台154に載置されており、この台を別のステージに装着して、走査ヘッド31を被検査物51に関して更なる程度で回転運動または平行移動させることができるが、他の装着構成を利用してもよい。
テレセントリックレンズは、非常に厳格な許容差に合わせて製造し、組み立てることができるが、実際には、レンズの拡大率、歪み及び除去できない非テレセントリシティ特性を測定及び補正して、これらの影響を画像から除去できるようにしなければならない。これらのレンズ特性の3つ全ては、補正パターンを表示可能なピクセル化されたディスプレイ132を有するマイクロディスプレイ130を使用して特徴付けることができる。
例示的な補正方法において、図14から理解できるように、マイクロディスプレイ130は、補正プロセス中、走査ヘッド31の下に配置され、テレセントリックレンズの光軸68が実質的に中心に位置する。テレセントリックレンズを補正するために、正方形パターンなどのドットのパターンをピクセル化されたディスプレイ132に表示させ、続いて画像センサ66に画像を提示する。この画像は、次いで走査管理コンピューティング装置84によって読み出され、処理される。ピクセル化されたディスプレイ132上の枠のサイズを知ることにより、更には画像センサ66上の枠の像のサイズを算出することにより、テレセントリックレンズの拡大率を走査管理コンピューティング装置84によって計算することができる。
ピクセル化されたディスプレイ132に表示される枠パターンのサイズを変えることにより、更には画像センサ上の枠パターンのサイズの変化を算出することにより、テレセントリックレンズの光学歪みを走査管理コンピューティング装置84によって計算することができる。最後に、ピクセル化されたディスプレイ132と走査ヘッド31の間の(Z方向における)距離を変えることにより、更には画像センサ66上の枠パターンのサイズの変化(ピクセル化されたディスプレイ上の枠の像を一定に保っている)を算出することにより、テレセントリックレンズの非テレセントリシティを走査管理コンピューティング装置84によって計算することができる。
補正中、ピクセル化されたディスプレイ132に表示されるパターンは、ドットの配列、楕円、直線、または図5Aから5Mに図示したほぼあらゆるパターンの配置を含むことができる。図15Aは、正方形に配置された点(図5Aのドットに類似している)の配列からなる画像センサ66上の像を示す。他方、図15B及び図15Cは、同様の像を示すが、これらの図では、正方形のサイズをある既知の量だけ増加させている。このようにして、テレセントリックレンズの拡大率及び歪みを測定することができる。ピクセル化されたディスプレイ132の様々な(既知の)高さにてこのプロセスを繰り返すことにより、テレセントリックレンズの非テレセントリシティ特性を決定することができる。補正に使用され得る1つの例示的なマイクロディスプレイ130は、ウェストボロー、マサチューセッツ州、米国のKopin社からのRuby SVGAカラーマイクロディスプレイである。ただし、他のマイクロディスプレイを利用してもよい。
一例において、被検査物51を堅固に装着し、図13に関連して記載されているように走査ヘッド31をステージング装置に装着して、表面51の走査及び測定が可能な位置に走査ヘッド31を容易に配置することができる。あるいは、図16に関連して後述するように被検査物51を回転ステージ及び/または平行移動ステージに装着することができ、走査ヘッド31を所定の位置に堅固に固定することができ、または被検査物51と走査ヘッド31の両方を各種の平行移動ステージ及び回転ステージに載置して所望の検査形状に対応させることができる。走査ヘッド31を高性能ステージングに載置する場合、MEMS装置44及びそのMEMSミラー46を固定ミラーと交換し、そのステージングによって走査ヘッド31を全体として移動させることによって、MEMSの走査動作を模倣することができる。あるいは、被検査物51を、干渉計による計測及びフィードバックによって得られるステージングなどの高性能ステージングに載置する場合、MEMS装置44及びそのMEMSミラー46を固定ミラーと交換することができ、そのステージングを用いて被検査物51を移動させることによって、MEMSの走査動作を模倣する。
被検査物51のための1つの可能なステージングを図16に示す。図中、被検査物はクランクシャフト90である。図16に示すように、走査ヘッド31を、X軸の周りの走査ヘッド31の角度方向を与える左回転ステージ140及び右回転ステージ142に載置する。走査ヘッド31は、照明位置112に投影光110を放射するように示されており、反射光114は、走査ヘッドに再度入射するように示されている。主ジャーナル98及びピンジャーナル94を備えたクランクシャフト90をその軸に関して回転ステージ180に載置する。このステージは、Y軸の周りに当該クランクシャフトを回転させる。回転ステージ180は、クランクシャフト90をX、Y及び方向のいずれかまたは全てに平行移動可能な平行移動ステージ182に載置するようにも示されている。平行移動ステージ182が、干渉計による計測及びフィードバックによって得られる精度及び繰り返し性などの、良好な精度及び繰り返し性を有する場合、平行移動ステージ182によってクランクシャフト90を走査ヘッド31の視野全体にわたって走査させることができ、走査用MEMSミラー46を、走査ヘッド31のハウジング70内に堅固に装着されているミラーと交換することができる。
大部分のクランクシャフト90、特に自動車用クランクシャフトに共通する1つの特徴は油孔93である。この油孔は、主ジャーナル98とピンジャーナル94の間のクランクシャフト内に穿孔されて、それらの表面の間の潤滑油の流れを促進する孔である。図18に示すように、クランクシャフト90のジャーナルを通して穿孔された油孔93には円錐形の面取り91も形成されており、ここで油孔93がジャーナル面と交差する。面取り91は、油の流れも促進するが、油孔の穿孔作業から生じるバリも除去しなければならない。クランクシャフト90の大部分の特徴と同様に、面取り91の深さ、幅及び位置を測定しなければならない。
しかしながら、図18において更に示すように、投影光110は、面取り91の近端107と実質的に平行である。これにより、走査ヘッド31によって近端107の表面を測定することができなくなる。1つの対応策は、面取り91の形状の大部分を可能な限り測定し、次にZ軸の周りに走査ヘッド31を180度反転させ、続いて面取り91の大部分を可能な限り再測定した後、2つの不完全な形状図を合わせてスティッチングして面取り91の完全な形状プロファイルを得るものである。しかしながら、走査ヘッド31を反転する動作には広角ステージングが更に必要となる。このステージングには費用がかかる可能性があり、更に、形状のスティッチ・アルゴリズムは、問題を伴う可能性があり、不正確となる恐れがある。
油孔の面取り91の全表面プロファイルを測定する代替的な方法を図19に示す。図19に示した走査ヘッド231の実施形態には、2つの放射源アーム−右放射源アーム及び左放射源アーム−及び1つの光軸60に沿った1つの撮像アームがあるが、これは、折り返しミラー58が除かれているためである。走査ヘッド231の左放射源アームは、先に記載したような走査ヘッド31の放射源アームと実質的に同一であり、他方、走査ヘッド231の右放射源アームは左放射源アームの鏡像である。この構成には、付随するD/A変換器と共に、更なる一式のMEMSドライバ(図4の80V及び80H)及び更なるLED光源ドライバ(図4の29)も必要となることに注意されたい。この構成により、油孔の面取り91を投影光110L及び投影光110Rによって完全に照射することができる。というのも、投影光の両方のビームと平行になる面取り91の部分がないためである。
多くのクランクシャフト90、特に自動車用クランクシャフトに関して共通の別の特徴は逃げ溝97である。図20に示すように、走査ヘッド31によって放射された投影光110は、照明位置112の逃げ溝97に入射する。しかしながら、投影光110は、逃げ溝97の内側面113と実質的に平行になる可能性があり、または逃げ溝97の内側面113は、表面94の影になる可能性がある。更に、内側面113の照射、走査及び測定を可能にする位置に走査ヘッド31を再配置することができない。
逃げ溝97の内側面113を測定する代替方法を図21に示す。図21に示した例において、直角プリズム111は、プリズム111の斜辺から投影光110が全内部反射するように第1の窓48及び第2の窓54に接着されている。反射された投影光110Aは、次いで逃げ溝97に導かれ、内側面がもはや表面94の影でもなく、反射された投影光110Aと内側面113が平行に近くなることもない。この例の1つの変形は、第1の窓48及び第2の窓54に直角プリズム111を接着するのではなく、その代わりに窓を除き、それらの位置に直角プリズム115を設けたものである。直角プリズム115を介して放射源アームから撮像アームに光が伝わらないようにするため、直角プリズム115を2つのプリズムに分割して、一つ目を第1の窓48の位置に、二つ目を第2の窓54の位置に配置することができる。
次に、光学式走査システム30の例示的な動作を図4、9及び10を参照して説明する。3D表面プロファイル測定を開始するため、走査管理コンピューティング装置84は、1つ以上の命令を平行移動ステージ76及び回転ステージ78に与えて、測定すべき検査表面52に隣接する測定位置に走査ヘッド31を位置付ける。被検査物51もそのステージングに設け、方向付けて、走査ヘッド31の配置を容易にし、検査表面52の測定を最適化できるようにする。
測定動作には以下の3つのモードがある。1)MEMSミラー46が、検査表面52全体に投影光110を走査させる;2)投影光110が実質的に静止し、被検査物51がそのステージング(図16の180及び182)によって移動して、静止した投影光の下で検査表面52が等しく走査されるようにする;または3)被検査物51と投影光110の両方が静止し、検査表面52のプロファイルの測定が、投影光110によって検査表面52に投影されたレチクルパターンの画像を処理することによって行われる。一般に、2つの走査測定モードでは、より高い精度の表面測定値がより高い解像度で得られるのに対し、非走査モードでは、実装のコストが非常に安くなる。
MEMSミラー46の走査モードにおいて、被検査物51が適切に配置され、走査ヘッド31がその測定位置に来た後、走査管理コンピューティング装置84は、D/A変換器27に1つ以上の命令を発行し、このD/A変換器は、LEDなどの光源32に電力を供給するためにLEDドライバ29にアナログ電子信号を出力し、その時点で光源32が光102を放射し始める。
その後、放射光102が入射し、レチクル36の透過パターンを決定的に満たし、または完全に満たす。透過光104は、レチクル36を通過する光であり、一例として図5Aから5Mのパターンなどのパターンを有する。このパターンは、当該パターンを検査表面52の後段の像において識別できるように透過光において符号化されている。透過光104は、レンズ開口38を決定的に満たし、または完全に満たす。その後、楕円形の開口38を通過する透射光104は、投影レンズ40に入射する。投影レンズ40は、レチクル36のパターンの投影像を検査表面52上に作成する。
投影レンズ40を介して出射する光106の実質的に全ては、直角プリズム42の短辺に入射する。次いで、光106は、直角プリズム42の第1の短辺によって屈折してプリズムに入射し、その後、この光は、直角プリズム42の斜辺に入射するようになる。直角プリズム42の斜辺に入射する光は、全反射プロセスで反射され、直角プリズム42の第2の短辺に反射され、その後、この光は、第2の短辺によって屈折してプリズム光108となる。
その後、プリズム光108は、この例においては投影光110を走査するためのMEMSミラー46に入射する。ただし、投影光110が静止している他の例において静止ミラーを利用してもよい。プリズム光108は、MEMSミラー46を不完全に満たす。というのも、MEMSミラー46を外れた光があると、それがMEMS装置44に入射し、迷光として反射され、検査表面52に投影されるレチクル像の質を劣化させるためである。開口38は、プリズム光108がMEMSミラー46を不完全に満たすことを確実なものとするようにサイズ設定され、位置付けられている。
この例では、投影光110が検査表面52全体を走査し、この走査はMEMSミラー46の回転によって行われる。投影光110の走査を行うため、走査管理コンピューティング装置84は、D/A変換器79V及び79Hの一方または両方に1つ以上のデジタル命令を発行する。次いで、これらのD/A変換器は、垂直方向MEMSミラードライバ80V及び水平方向MEMSミラードライバ80Hの入力に送られるアナログ電子信号をそれぞれ出力する。これらのアナログ電子信号の変化により、垂直方向MEMSミラードライバ80V及び水平方向MEMSミラードライバ80Hの出力電圧がそれに応じて変化し、これらの出力電圧がMEMS装置44の静電アクチュエータに伝わるため、MEMSミラー46は、その電圧に従って当該ミラーの垂直軸及び水平軸の周りに回転する。このようにして、MEMSミラー46の角度方向を走査管理コンピューティング装置84の制御下で変化させる。
MEMSミラー46は、静止したプリズム光108を反射して走査投影光110にする。次いで、投影光110は、第1の窓48を通過し、続いて検査表面52上の照明位置112の焦点に実質的に達する。すなわち、MEMSミラー46は、表面測定プロセス中、レチクル36の投影パターンによって検査表面52全体を走査させる。別の例において、投影光110は、走査を行わずに静止しており、レチクル36の投影パターンも同様に空間に静止している(走査ヘッド31も空間に静止しているものとする)。
直角プリズム42を走査ヘッド31の放射源アームから除外し、光106の異なる入射角に対応するようにMEMS装置44の角度位置を変えることが可能である。しかしながら、図11に関連して後で明らかになるように、MEMSミラー46に対する入力光の入射をできる限り垂直にすることにより、検査表面52において公称走査パターン幅を生じさせるためにMEMSミラー46が受ける必要のある角度θの回転変動を抑制するようにすることが極めて望ましい。直角プリズム42が含まれていることにより、光106は、上方に導かれ、MEMSミラー46に入射するときには垂直から数十度に過ぎない方向になる。直角プリズム42がないと、MEMSミラー46に対する光の入射が垂直から70°〜80°となり、MEMSミラー46は、検査表面52上で同一の走査範囲を得るために非常に大きい角度にわたって回転する必要がある。
この例において、レチクル36のパターンは、図5Cに示した十字線パターンであるが、他のパターンのいずれを利用してもよい。検査表面52が平面である場合、十字線パターンの像も、十字線の腕が直線であり、かつ歪んでいない十字線となる。実際には、この状況において、十字線の像は、レチクル36の十字線の開口と基本的には同じであり、投影レンズ40によって定められる光学系の拡大率によって変化するのみである。この拡大率は、単なる一例として、−0.4から−4.0までとすることができる。しかしながら、例えば、検査表面52が逃げ溝97である場合、投影された十字線の像は逃げ溝97の曲率に従って歪む。図17A、17B及び17Cは、逃げ溝97に投影された十字線の像である。図中、MEMSミラー46は、そのθ方向に−1.0°、0.0°及び1.0°回転した。図17A、17B及び17Cに示すように、十字線の水平弧は、検査表面52の曲率に従って曲がっており、検査表面52の曲率が大きくなるほど、水平十字線に存在する湾曲が大きくなる。実際には、十字線の曲率の程度を計算することにより、走査を行う必要なく検査表面52の曲率の計算が可能となる。
検査表面52上の照明位置112の光は、その後、反射光114として検査表面から反射される。反射光114の一部は、第2の窓54に入射し、この窓を通過する。そこで、この光は、続いて第1のレンズ素子56に入射することになる。次いで、第1のレンズ素子56は、反射光を屈折させ、透過させて、続いてミラー58に入射する光116にする。次いで、ミラー58は、光軸68に沿った実質的に縦の方向に光116を反射する。その後、この光は、続いて開口絞り60に遭遇する。
この例において、ミラー58は、45度の角度で設けられ、配置されている。それにより、テレセントリックレンズの像の光は、90度反射され、走査ヘッド31の軸と実質的に平行な方向になる。このようにして、走査ヘッド31がZ軸にむやみに遠くに広がらず、被検査物51の狭い凹部に適合できるように走査ヘッド31を小さくコンパクトにすることができる。反射光118には、収差を多く含む光線及び非テレセントリックである光線を含む多種多様な光線が含まれる。開口絞り60は、これらの望ましくない光線の大部分を遮断してそれらが画像センサ66の後段の像平面に到達しないようにしており、従って、これらの望ましくない光線により、画像センサ66上に形成される十字線の画質が劣化しない。
その後、開口絞り60の開口を通過する光線120は、第2のレンズ素子62に入射する。このレンズ素子は、光を再屈折させ、透過させて光束122を出力する。光束122は、ここではテレセントリックとすることもでき、光フィルタ64に入射する。このフィルタは、光源32によって放射される波長以外の波長を有する光束122の光線を遮断する。このようにして、第2の窓54を介して走査ヘッド31に入射する迷光、例えば、頭上の部屋照明は、光フィルタ64によって実質的に遮断され、画像センサ66の後段の像平面に到達しないようになる。従って、これらの望ましくない光線により、画像センサ66上に形成される十字線の画質が劣化しない。
次いで、光フィルタ64を通過する光束122の光線は、続いて画像センサ66に入射する。その後、検査表面52上に形成される十字線像の高品質な像が画像センサ66上に形成される。次いで、画像センサ66は、その入力面上に形成された光学像を像の電子的表現に変換してからそれを画像デジタイザ82に出力し、この画像デジタイザは、続いてそれをデジタル形式に変換する。これは、その後、走査管理コンピューティング装置84の入力に送られる。次いで、走査管理コンピューティング装置84は、走査式測定方法の場合、十字線の腕が交差する位置を計算し、または非走査式測定方法の場合、十字線の腕の曲率を解析して検査表面52の曲率を決定する。
走査の例として、走査管理コンピューティング装置84は、(D/A変換器79V及び79Hを介し、垂直方向MEMSドライバ80V及び水平方向MEMSドライバ80Hを介して)MEMSミラー46をその次の走査位置に回転させるために命令をここで与え、または、平行移動ステージ76及び/もしくは回転ステージ78を介して被検査物をその次の測定位置に移動させるために1つ以上の命令を与える。このステップアンドリピートプロセスは、被検査物51の全ての検査表面52が走査されるまで繰り返される。
本技術の重要な構成要素は、画像センサ66上の十字線の交差点の位置の情報及び走査用MEMSミラー46の角度方向の情報から検査表面52上の3D検査点の位置を算出することである。次に、これについて図11及び図12を参照して説明する。
図11は、光線がMEMSミラー46から反射するときの当該光線の形状を示す。特に注目されるのは、光108が直角プリズム42を出射し、MEMSミラー46に入射することを表すベクトルI、MEMSミラー46の表面に垂直であるベクトルN、及び投影光110がMEMSミラー46から反射されることを表すベクトルRである。図11においては、X軸に沿ったベクトルNの方向余弦であるAN、Y軸に沿ったベクトルNの方向余弦であるBN、及びZ軸に沿ったベクトルNの方向余弦であるCNも定義される。図11においては、ベクトルIとベクトルNの間の角度である角度α、MEMS装置44の垂直軸の周りのMEMSミラー46の回転角である角度θ(このミラーは、更にZ軸からY軸の周りに回転する)、及びY軸の周りのMEMSミラー46の回転であるφも定義される。
MEMSミラー46の角度θ及びφは、MEMS装置44の補正情報により、更には水平方向ドライバ80H及び垂直方向ドライバ80VによってMEMS装置44に印加された動作電圧の情報により、光学式スキャナ30によって事前に知られている。この情報から、MEMSミラー46の法線ベクトルの方向余弦AN、BN及びCNを計算することができ、検査表面52上の十字線の位置(すなわち、十字線像の各線が交差する箇所)を、画像センサ66上の十字線の測定後の位置(すなわち、十字線像の各線が交差する箇所)からの入力を用いて計算することができる。
ベクトルIは方向余弦AI、BI及びCIを有し、ベクトルRは方向余弦AR、BR及びCRを有することに注意されたい。ベクトルIは、MEMSミラー46に対する光線の入射を表しており、実質的にX−Z平面にあるため、BIはゼロであり、以下の解析において考察から除くものとする。ベクトルIがZ軸となす角度(通常は10°)をφIが表す場合、AI=sin(φI)であり、CI=cos(φI)である。座標系の原点は、ベクトルI、N及びRがMEMSミラー46の中心と交差する箇所であることに注意されたい。また、ベクトルIの大きさが1.0であり、ベクトルN及びRの大きさも同様に1.0であることにも注意されたい。検査によって、ベクトルNの方向余弦は、AN=cos(θ)sin(φ)、BN=sin(θ)及びCN=−cos(θ)sin(φ)となる。
解析のこの時点で、ベクトルI及びベクトルNの成分は既知であり、ベクトルRの成分を決定しなければならない。ベクトルRには、その計算を規定する以下の2つの制約がある。1)ベクトルIとベクトルNの間の角度αは、ベクトルNとベクトルRの間の角度と同一でなければならない。換言すれば、それらの内積は同一でなければならない。すなわち、I・N=N・Rである。第二に、3つのベクトルI、N及びRの全ては、同一の幾何学的平面内になければならない。この幾何学的平面は、その法線ベクトルPによって定義され、このベクトルは、任意の2つのベクトルの外積によって知ることができる。換言すれば、ベクトルP=I×Nであり、P=N×Rであり、従ってI×N=N×Rである。内積の式I・N=N・Rを書き直すと、ベクトルの成分に関して、AIAN+CICN=ARAN+BRBN+CRCNが得られる。CRについて解くと、CR=(AIAN+CICN−ARAN−BRBN)/CNとなる。P=N×RからベクトルPの各成分は、AP=BNCR−BRCN、BP=ARCN−ANCR及びCP=ANBR−ARBNとなる。同様に、P=I×NからベクトルPの各成分は、AP=−BNCI、BP=ANCI−AICN及びCP=AIBNとなる。2つの異なる外積から分かったPの3つの成分は同一でなければならないことに注意されたい。2つのCPの式を等しく置くと、ANBR−ARBN=AIBNが得られ、そこからAR=(ANBR−AIBN)/BNとなる。同様に、2つのAPの式を等しく置くと、AP=BNCR−BRCN=−BNCIが得られ、そこからBR=(BNCI+BNCR)/CNとなる。
AR及びBRの各式をCRに挿入して簡単にすると、CR=AIANCN+CICN 2−AN 2CI+ANAICN−BN 2CIが得られる。次いで、この結果をBRの式に挿入することができ、その結果をARの式に挿入してベクトルRのこれらの最終的な2つの成分を知ることができる。
次に図12を参照すると、この図は、走査ヘッド31における撮像アームの断面表現であるが、折り返しミラー58の除去によって簡素化されており、画像センサ266、検査表面252及び代表的な光線を示す。この光線は、検査表面252上の物体位置270で始まる物体空間側光線272、開口絞り259の開口260を通過する内部光線274、及び像位置278において画像センサ266に入射する像光線276からなる。レンズが物体空間においてテレセントリックであるため、物体光線272はレンズ軸268と実質的に平行であることに注意されたい。また、レンズが像空間においてテレセントリックであるため、像光線276はレンズ軸268と実質的に平行であることにも注意されたい。
動作中、画像センサ266が読み出され、像位置278の座標(XI、YI)を見出すために走査管理コンピューティング装置84によって画像が処理される。次いで、撮像アームレンズの既知の拡大率Mから物体位置270の座標(XO、YO):XO=XI/M及びYO=YO/Mを見出すのは簡単なことである。位置(XO、YO)は、1)投影十字線の2本の線が交差する箇所であり、2)図11のベクトルRが検査表面252または52と交差する箇所であることに注意されたい。良好に補正されたシステムにおいて、座標XIとXOの両方は、座標系の原点に対して正確に知られている。XOを知ることにより、ベクトルRの実際の長さを算出することが可能となるが、これは、ベクトルRが位置270で終わっているためである。この長さは、LR=(XO−0.0)/ARである。ZO=CRLRであるため、ここから、物体位置270の3D位置のうち、最終的な未知の座標ZOを見出すのは簡単なことである。
検査表面52または252の3D走査中、MEMSミラー46がこれに印加された動作電圧に応答して回転する場合、上記の数値演算を適用して走査の各位置について物体位置270を計算しなければならない。すなわち、MEMSミラー46の各走査位置について、MEMSミラー46の法線ベクトルNの成分AN、BN、CNを計算し、反射され、投影された光110の成分AR、BR、CRを計算し、画像センサ66または266上の十字線の位置(XI、YI)を計算し、その後、検査表面52上の3D位置の座標(XO、YO)を計算し、反射された投影光110のビームの長さを計算しなければならず、そこから、検査表面52上の3D位置の座標ZOを計算する。
あるいは、MEMSミラー46を固定された静止ミラーと交換し、走査ヘッド31に対して検査表面252または52を移動させることによって走査を行う場合、この例において、この走査ヘッドは静止しており、上記の数学的プロセスは単純化される。これは、ベクトルNの方向余弦が走査プロセス中に変化しないためである。この場合、検査表面252または52の各位置について、画像センサ66または266上の十字線の位置(XI、YI)を計算し、その後、検査表面252または52上の3D位置の座標(XO、YO)を計算し、反射された投影光110のビームの長さを計算しなければならず、そこから、検査表面252または52上の3D位置の座標ZOを計算する。
しかしながら、走査ヘッド31が3D走査の一部として移動する場合、検査表面52が移動するかどうかに関わらず、光学ヘッドを出射する投影光110のビームの方向比AE、BE、CEを計算しなければならない。すなわち、光学ヘッド31の各走査位置について、投影光110のビームの成分AE、BE、CEを計算し、画像センサ66または266上の十字線の位置(XI、YI)を計算し、その後、検査表面52上の3D位置の座標(XO、YO)座標を計算し、出射する投影光110の長さを計算しなければならず、そこから、検査表面52上の3D位置の座標ZOを計算する。
最後に、検査表面52の3D形状測定中に走査が行われない場合、上記のベクトル演算を行う必要はない。というのも、画像センサ66上の(レチクル36のパターンと比較した)像の偏差に検査表面52の表面形状が本質的に含まれるためである。
上述したように、テレセントリックレンズを良好に補正した場合、上記演算は、物体位置(XO、YO、ZO)の正確な予測を提供するのみである。特に、走査管理コンピューティング装置84上で実行される画像処理ソフトウェアによって像位置(XI、YI)を正確に計算することができるが、XO=XI/M及びYO=YI/Mの正確な値を見出すには、拡大率Mが、正確に分かっており、テレセントリックレンズの視野全体で変化せず、更にテレセントリックレンズと検査表面52の間の距離によって変化もしないことが前提となる。
しかしながら、全般的に、拡大率は、テレセントリックレンズの「設計拡大率」とはわずかに異なり、拡大率は、光学歪み(例えば、除去できない樽型もしくは糸巻型歪み、またはそれらの組み合わせ)のためにテレセントリックレンズの視野全体で変化し、拡大率は、検査表面52とテレセントリックレンズの間の距離に従ってわずかに変化する(すなわち、テレセントリックレンズは、その動作範囲または被写界深度にわたり、物体空間において除去できない非テレセントリック挙動を呈する)。幸いにも、拡大率のこれらの変化の全ては、後述するようにマイクロディスプレイ系補正装置によって量子化することができ、それらの影響は、(XO、YO)を(XI、YI)から計算するときに打ち消される。
テレセントリックレンズの拡大率をその視野及び被写界深度にわたって補正するため、走査ヘッド31は、ピクセル化されたディスプレイ132の像が画像センサ66の実質的に中心に配置されるようにマイクロディスプレイ130上に配置され、走査ヘッド31とピクセル化されたディスプレイ132との間の距離は、その実用被写界深度の最も外側の範囲にある。補正プロセスの開始時において、ピクセル化されたディスプレイ132の画素ピッチは、例えば、座標測定機(coordinate measurement machine:CMM)を用いた、当該ディスプレイの製造方法によって、または直接測定によって周知であることに注意されたい。
次に、小さい四角の四隅にある同一グループの画素(画像センサ66上のその像を図15Aに示す)などの、画素の既知のパターンをピクセル化されたディスプレイ132に呼び出し、4つの有効なグループのそれぞれの拡大率を、走査管理コンピューティング装置84上で実行中のソフトウェアによって算出し、拡大率の値を後で処理できるように記憶する。
次に、中型の四角の四隅にある同一グループの画素(画像センサ66上のその像を図15Bに示す)などの、画素の別の既知のパターンをピクセル化されたディスプレイ132に呼び出し、4つの有効なグループのそれぞれの拡大率を算出し、後で処理できるように記憶する。
最後に、大きい四角の四隅にある同一グループの画素(画像センサ66上のその像を図15Cに示す)などの、画素の別の既知のパターンをピクセル化されたディスプレイ132に呼び出し、4つの有効なグループのそれぞれの拡大率を算出し、後で処理できるように記憶する。補正中のレンズの歪み及び非テレセントリシティ特性がレンズの軸に関して略対称であるため、レンズの歪み及び非テレセントリシティ特性を、補間を使用することにより、全ての物体平面にわたって−この物体距離において−ここで決定することができる。
次に、200μmなどのわずかな量だけ走査ヘッド31を下げることにより、走査ヘッド31とマイクロディスプレイ130の間の距離が短くなる。ピクセル化されたディスプレイ132上に3つの異なる大きさのドットパターンを表示するプロセスを繰り返し、この物体平面の位置におけるレンズの拡大率の変化を再度測定し、後で使用できるように記憶する。レンズとマイクロディスプレイ130の距離を短くする(更にはドットを表示し、拡大率を測定する)プロセスを、テレセントリックレンズの実用被写界深度の最も内側の範囲に対応する、走査ヘッド31とピクセル化されたディスプレイ132との間の距離を上限として拡大率が特徴付けられるまで繰り返す。この補正プロセスが完了した時、レンズの正確な拡大率は、その全ての視野にわたって、かつその全ての焦点深度にわたって(離散的な標本点間の補間を使用することにより)既知となっている。次いで、補正済みの拡大率データを、上述したような(XI、YI)からの(XO、YO、ZO)の決定に適用する。ただし、他の補正方法を利用してもよい。
従って、本技術により、クランクシャフトまたはカムシャフトなどの複雑な物体に対して非常に正確な3Dマップを形成することができる。スキャナの精度は、5μmまたはそれよりも良好とすることができる。被検査物の表面は、毎秒1cm2の速度で測定することができる。標本点密度は、10,000点/cm2とすることができる。この密度は、測定中の物体上で走査距離100μm毎の標本に対応する。
このように本発明の基本概念を説明してきたが、前述の詳細な開示が、単なる一例として提示されるように意図され、限定されるものではないことは当業者にとってむしろ明らかであろう。本明細書において明示的に述べられてはいないが、各種の変更、改良及び修正が行われ、当業者に想起されよう。これらの変更、改良及び修正は、ここに示唆されるように意図され、本発明の思想及び範囲内に含まれる。従って、本発明は、以下の特許請求の範囲及びそれとの均等物によってのみ限定される。
Claims (65)
- ハウジング内に位置する光源と、
開口を有するレチクルであって、前記光源から放射された第1の光ビームを受光するように前記ハウジング内に配置されており、かつ前記開口を介して第2の光ビームを透過させるように構成されている、前記レチクルと、
前記レチクルを透過した前記第2の光ビームを受光し、前記ハウジングの第1の窓を介して物体の対象表面上へと前記第2の光ビームを反射するように前記ハウジング内に配置されている、ミラーと、
前記ハウジングの第2の窓を介して前記物体の前記対象表面からの第3の光ビームを受光するように構成されている受光器であって、1つ以上の光位置の値を取得して前記物体の前記対象表面のパラメータを決定するように構成されている、前記受光器と
を備える、光学式スキャナ。 - 前記光源が発光ダイオードである、請求項1に記載の光学式スキャナ。
- 前記光源が半導体レーザーである、請求項1に記載の光学式スキャナ。
- 前記光源がパルス式光源である、請求項1に記載の光学式スキャナ。
- 前記光源が500nm未満の波長を有する、請求項1に記載の光学式スキャナ。
- 前記受光器が撮像レンズを更に備える、請求項1に記載の光学式スキャナ。
- 前記撮像レンズが、物体空間においてテレセントリックである、請求項6に記載の光学式スキャナ。
- 前記光源によって放射された波長の光のみを実質的に透過させるように構成されている光フィルタを更に備える、請求項6に記載の光学式スキャナ。
- 前記物体の前記対象表面上の少なくとも1つの位置に対して撮像レンズの軸が実質的に垂直な状態で、前記撮像レンズが前記ハウジング内に配置されている、請求項6に記載の光学式スキャナ。
- 透過開口パターンを有する前記第2の光ビームを前記ミラー上に投影するように配置されている投影レンズを更に備える、請求項1に記載の光学式スキャナ。
- 前記ハウジングが25mm未満の幅を有する、請求項1に記載の光学式スキャナ。
- 前記開口が、前記第2の光ビームの透過パターンを形成する、請求項1に記載の光学式スキャナ。
- 前記透過パターンが、楕円、直線、または十字線パターンである、請求項1に記載の光学式スキャナ。
- 前記ハウジングが密封されている、請求項1に記載の光学式スキャナ。
- 前記受光器が、少なくともレンズ及び光センサを備える、請求項1に記載の光学式スキャナ。
- 前記光センサが、4分割センサ、画像センサ、または位置検出デバイスのうちの少なくとも1つを含む、請求項15に記載の光学式スキャナ。
- 前記ミラーが、前記ハウジング内に固定的に配置されている、請求項1に記載の光学式スキャナ。
- 前記ハウジングを支持しかつ前記物体に対して移動可能であるように構成されている回転可能なステージを更に備える、請求項17に記載の光学式スキャナ。
- 前記回転可能なステージが、軸に沿って平行移動するように更に構成されている、請求項17に記載の光学式スキャナ。
- 前記回転可能なステージが、3次元像を生成すべく前記物体の全表面領域にわたって前記第2の光ビームを走査するために1回以上の回転または平行移動を行うように構成されている、請求項18に記載の光学式スキャナ。
- 前記ミラーが、前記物体の少なくとも1つの軸に沿って前記第2の光ビームを走査するために回転するように構成されている走査ミラーである、請求項1に記載の光学式スキャナ。
- 前記走査ミラーが微小電気機械式走査ミラーである、請求項21に記載の光学式スキャナ。
- 前記走査ミラーが、前記ハウジング内に、静電的もしくは電磁的に、または静電的かつ電磁的に配置されている、請求項21に記載の光学式スキャナ。
- 前記走査ミラーが、約1000走査/秒の速度で前記物体の少なくとも1つの軸に沿って前記第2の光ビームを走査するために回転するように構成されている、請求項21に記載の光学式スキャナ。
- 前記走査ミラーが、約50走査/秒の速度で前記物体の少なくとも1つの軸に沿って前記第2の光ビームを走査するために回転するように構成されている、請求項19に記載の光学式スキャナ。
- 前記走査ミラーが、ラスターパターンである走査パターンを有するように更に構成されている、請求項21に記載の光学式スキャナ。
- 前記ハウジングを支持しかつ前記物体に対して移動可能であるように構成されている回転可能なステージを更に備える、請求項21に記載の光学式スキャナ。
- 前記回転可能なステージが、軸に沿って平行移動するように更に構成されている、請求項21に記載の光学式スキャナ。
- 前記回転可能なステージが、3次元像を生成すべく前記物体の全表面領域にわたって前記第2の光ビームを走査するために1回以上の回転または平行移動を行うように構成されている、請求項28に記載の光学式スキャナ。
- 前記ハウジング付近に配置されているステージングであって、前記第2のビームが前記物体の前記対象表面上へと反射されるように前記物体を支えるように構成されており、3次元像を生成すべく前記物体の全表面領域にわたって前記第2の光ビームを走査するために1回以上の平行移動を行うように構成されている、前記ステージングを更に備える、請求項1に記載の光学式スキャナ。
- 前記ハウジング内で前記第1の光源の反対側に位置する、第2の光源と、
第2の開口を有する第2のレチクルであって、前記第2の光源から放射された第4の光ビームを受光するように前記ハウジング内に配置されており、かつ前記第2の開口を介して第5の光ビームを透過させるように構成されている、前記第2のレチクルと、
前記第2のレチクルを透過した前記第5の光ビームを受光し、前記ハウジングの第3の窓を介して前記物体の前記対象表面上へと前記第5の光ビームを反射するように前記ハウジング内に配置されている第2のミラーであって、前記受光器が、前記ハウジングの前記第2の窓を介して前記物体の前記対象表面からの第6の光ビームを受光し、1つ以上の光位置の値を取得して前記第3の光ビームと前記第6の光ビームの両方に基づいて前記物体の前記対象表面の前記パラメータを決定するように構成されている、前記第2のミラーと
を更に備える、請求項1に記載の光学式スキャナ。 - 前記ハウジングの前記第1の窓または前記第2の窓のうちの一方に接着された直角プリズムであって、前記直角プリズムを通過する光の全内部反射をもたらすように構成されている、前記直角プリズムを更に備える、請求項1に記載の光学式スキャナ。
- 以下の工程を含む、物体の3次元像を生成する方法:
ハウジング内に位置する光源と、
開口を有するレチクルであって、前記光源から放射された第1の光ビームを受光するように前記ハウジング内に配置されており、かつ前記開口を介して第2の光ビームを透過させるように構成されている、前記レチクルと、
前記レチクルを透過した前記第2の光ビームを受光し、前記ハウジングの第1の窓を介して物体の対象表面上へと前記第2の光ビームを反射するように前記ハウジング内に配置されている、ミラーと、
前記ハウジングの前記第2の窓を介して前記物体の前記対象表面からの第3の光ビームを受光するように構成されている受光器であって、1つ以上の光位置の値を取得して前記物体の前記対象表面のパラメータを決定するように構成されている、前記受光器と
を備えた光学式スキャナを提供する工程;
前記物体に対して前記光学式スキャナを位置付ける工程;
前記受光器により、前記対象表面からの前記第3の光ビームを受光する工程;ならびに
前記対象表面からの受光した前記第3の光ビームに基づいて、前記物体の前記対象表面の前記パラメータを決定する工程。 - 前記光源が発光ダイオードである、請求項33に記載の方法。
- 前記光源が半導体レーザーである、請求項33に記載の方法。
- 前記光源がパルス式光源である、請求項33に記載の方法。
- 前記光源が500nm未満の波長を有する、請求項33に記載の方法。
- 前記受光器が撮像レンズを更に備える、請求項33に記載の方法。
- 前記撮像レンズが物体空間においてテレセントリックである、請求項38に記載の方法。
- 前記光学式スキャナが、前記光源によって放射された波長の光のみを実質的に透過させるように構成されている光フィルタを更に備える、請求項38に記載の方法。
- 前記撮像レンズが、前記物体の前記対象表面上の少なくとも1つの位置に対して撮像レンズの軸が実質的に垂直な状態で前記ハウジング内に配置されている、請求項38に記載の方法。
- 前記光学式スキャナが、透過開口パターンを有する前記第2の光ビームを前記ミラー上に投影するように配置されている投影レンズを更に備える、請求項33に記載の方法。
- 前記ハウジングが25mm未満の幅を有する、請求項33に記載の方法。
- 前記開口が、前記第2の光ビームの透過パターンを形成する、請求項33に記載の方法。
- 前記透過パターンが、楕円、直線、または十字線パターンである、請求項33に記載の方法。
- 前記ハウジングが密封されている、請求項33に記載の方法。
- 前記受光器が少なくともレンズ及び光センサを備える、請求項33に記載の方法。
- 前記光センサが、4分割センサ、画像センサ、または位置検出デバイスのうちの少なくとも1つを含む、請求項47に記載の方法。
- 前記ミラーが、前記ハウジング内に固定的に配置されている、請求項33に記載の方法。
- 前記光学式スキャナが、前記ハウジングを支持しかつ前記物体に対して移動可能であるように構成されている回転可能なステージを更に備える、請求項49に記載の方法。
- 前記回転可能なステージが、軸に沿って平行移動するように更に構成されている、請求項49に記載の光学式スキャナ。
- 3次元像を生成すべく前記物体の全表面領域にわたって前記第2の光ビームを走査するために前記回転可能なステージの1回以上の回転または平行移動を行う工程を更に含む、請求項51に記載の方法。
- 前記ミラーが、前記物体の少なくとも1つの軸に沿って前記第2の光ビームを走査するために回転するように構成されている走査ミラーである、請求項33に記載の方法。
- 前記物体の少なくとも1つの軸に沿って前記走査ミラーを回転させることにより、前記光源によって放射された前記第2の光ビームを前記物体の前記対象表面のある領域にわたって走査する工程を更に含む、請求項53に記載の方法。
- 前記走査ミラーが微小電気機械式走査ミラーである、請求項53に記載の方法。
- 前記走査ミラーが、前記ハウジング内に、静電的もしくは電磁的に、または静電的かつ電磁的に配置されている、請求項53に記載の方法。
- 前記走査ミラーが、約1000走査/秒の速度で前記物体の少なくとも1つの軸に沿って前記第2の光ビームを走査するために回転するように構成されている、請求項53に記載の方法。
- 前記走査ミラーが、約50走査/秒の速度で前記物体の少なくとも1つの軸に沿って前記第2の光ビームを走査するために回転するように構成されている、請求項53に記載の方法。
- 前記走査ミラーが、ラスターパターンである走査パターンを有するように更に構成されている、請求項53に記載の方法。
- 前記光学式スキャナが、前記ハウジングを支持しかつ前記物体に対して移動可能であるように構成されている回転可能なステージを更に備える、請求項53に記載の方法。
- 前記回転可能なステージが、軸に沿って平行移動するように更に構成されている、請求項60に記載の方法。
- 3次元像を生成すべく前記物体の全表面領域にわたって前記第2の光ビームを走査するために前記回転可能なステージの1回以上の回転または平行移動を行う工程を更に含む、請求項61に記載の方法。
- 前記光学式スキャナが、前記ハウジング付近に配置されているステージングであって、前記第2のビームが前記物体の前記対象表面上へと反射されるように前記物体を支えるように構成されている前記ステージングを更に備え、
前記方法が、3次元像を生成すべく前記物体の全表面領域にわたって前記第2の光ビームを走査するために前記ステージングの1回以上の平行移動を行う工程を更に含む、
請求項33に記載の方法。 - 前記光学式スキャナが、
前記ハウジング内で前記第1の光源の反対側に位置する、第2の光源と、
第2の開口を有する第2のレチクルであって、前記第2の光源から放射された第4の光ビームを受光するように前記ハウジング内に配置されており、かつ前記第2の開口を介して第5の光ビームを透過させるように構成されている、前記第2のレチクルと、
前記第2のレチクルを透過した前記第5の光ビームを受光し、前記ハウジングの第3の窓を介して前記物体の前記対象表面上へと前記第5の光ビームを反射するように前記ハウジング内に配置されている、第2のミラーと
を更に備え、
前記方法が、
前記受光器により、前記ハウジングの前記第2の窓を介して前記物体の前記対象表面からの第6の光ビームを受光する工程;及び
3次元像を生成するために、前記対象表面から受光した前記第3の光ビーム及び受光した前記第6の光ビームに基づいて前記物体の前記パラメータを決定する工程;
を更に含む、請求項33に記載の方法。 - 前記ハウジングの前記第1の窓または前記第2の窓のうちの一方に接着された直角プリズムであって、前記直角プリズムを通過する光の全内部反射をもたらすように構成されている前記直角プリズムを、前記光学式スキャナが更に備える、請求項33に記載の方法。
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2021060214A (ja) * | 2019-10-03 | 2021-04-15 | 株式会社ミツトヨ | 測定装置、及び測定方法 |
JP2022509732A (ja) * | 2018-10-12 | 2022-01-24 | エレクトリック パワー リサーチ インスチテュート インコーポレイテッド | 光学歪曲媒体内の表面特性を測定する方法 |
Families Citing this family (23)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
BR112017021420A2 (ja) * | 2015-06-01 | 2018-07-03 | Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation | An inspection method and a device of a crankshaft |
US20180099761A1 (en) * | 2016-10-10 | 2018-04-12 | The Boeing Company | Real Time Aircraft Stress Monitoring System |
DE102016219955B4 (de) * | 2016-10-13 | 2024-04-25 | Robert Bosch Gmbh | Sendeeinheit zum Ausleuchten einer Umgebung, System und Verfahren zum Erfassen einer Umgebung mittels eines scanbaren Ausleuchtungsmusters |
US10239178B2 (en) * | 2016-10-17 | 2019-03-26 | Virtek Vision International, ULC | Laser projector with dynamically adaptable focus |
US20190005663A1 (en) * | 2017-06-30 | 2019-01-03 | Adcole Corporation | Method for reducing impact of surface texture in an optical scan and devices thereof |
US10701259B2 (en) * | 2017-09-15 | 2020-06-30 | Quality Vision International Inc. | Video measuring system with dual-acting reticle projector for focusing and alignment |
JP2019100954A (ja) * | 2017-12-06 | 2019-06-24 | 株式会社トプコン | レーザスキャナ |
DE102018105132B4 (de) * | 2018-03-06 | 2023-07-13 | Haag-Streit Gmbh | Triangulationsvorrichtung |
CN112243563A (zh) * | 2018-06-26 | 2021-01-19 | 三美电机株式会社 | 旋转往复驱动致动器 |
WO2020021339A2 (en) * | 2018-07-26 | 2020-01-30 | Innoviz Technologies Ltd. | Lidar system having a mirror housing with a window |
CN109584352B (zh) | 2018-08-21 | 2021-01-12 | 先临三维科技股份有限公司 | 三维扫描的图像获取、处理方法、装置以及三维扫描设备 |
US11024669B2 (en) * | 2018-10-24 | 2021-06-01 | Aeva, Inc. | LIDAR system with fiber tip reimaging |
US11762151B2 (en) * | 2018-11-07 | 2023-09-19 | Sharp Kabushiki Kaisha | Optical radar device |
CN113557715B (zh) * | 2019-03-13 | 2022-12-06 | 华为技术有限公司 | 多功能三维扫描器 |
CN109917544A (zh) * | 2019-03-19 | 2019-06-21 | 北京遥感设备研究所 | 一种透射式扫描稳像光学系统 |
KR102212895B1 (ko) * | 2019-03-21 | 2021-02-09 | 한국전자기술연구원 | 송광 모듈 및 그를 갖는 스캐닝 라이다 |
IT201900004197A1 (it) * | 2019-03-22 | 2020-09-22 | St Microelectronics Srl | Modulo elettronico integrato per il rilevamento 3d, e dispositivo di scansione 3d che include il modulo elettronico |
JP7140980B2 (ja) * | 2019-12-13 | 2022-09-22 | ミツミ電機株式会社 | 回転往復駆動アクチュエーター |
US20210228147A1 (en) * | 2020-01-21 | 2021-07-29 | Washington University | Systems and methods for electromyometrial imaging |
JP7484181B2 (ja) * | 2020-01-24 | 2024-05-16 | セイコーエプソン株式会社 | プロジェクターの制御方法、プロジェクター、及び表示システム |
CN113687367A (zh) * | 2020-05-16 | 2021-11-23 | 北醒(北京)光子科技有限公司 | 一种双发射激光雷达 |
CN116324577A (zh) * | 2020-10-15 | 2023-06-23 | 应用材料公司 | 用于光学装置的串列计量系统、设备及方法 |
US20220136817A1 (en) * | 2020-11-02 | 2022-05-05 | Artilux, Inc. | Reconfigurable Optical Sensing Apparatus and Method Thereof |
Family Cites Families (20)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100483867B1 (ko) * | 1996-04-01 | 2005-04-20 | 록히드 마틴 코포레이션 | Adc 오프셋 패턴차 제거 방법 및 장치 |
CN1114090C (zh) * | 2000-05-12 | 2003-07-09 | 清华大学 | 测量物体表面形貌的纹影仪 |
JP2002040136A (ja) * | 2000-07-19 | 2002-02-06 | Denso Corp | 反射測定装置 |
US6798527B2 (en) * | 2001-04-27 | 2004-09-28 | Minolta Co., Ltd. | Three-dimensional shape-measuring system |
US7268345B2 (en) | 2002-04-16 | 2007-09-11 | Schultz Howard J | Optical scanner and method for 3-dimensional scanning |
DE102005002190B4 (de) | 2005-01-17 | 2007-04-12 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Scanner und Verfahren zum Betreiben eines Scanners |
WO2006109308A1 (en) * | 2005-04-12 | 2006-10-19 | Sharon Ehrlich | Real-time imaging method and system using structured light |
DE202006005643U1 (de) * | 2006-03-31 | 2006-07-06 | Faro Technologies Inc., Lake Mary | Vorrichtung zum dreidimensionalen Erfassen eines Raumbereichs |
WO2009016988A1 (ja) | 2007-08-01 | 2009-02-05 | Komatsu Machinery Corp. | 処理装置、センタ穴加工システム、センタ穴位置決定プログラム、及びセンタ穴位置決定方法 |
DE102007060263A1 (de) * | 2007-08-16 | 2009-02-26 | Steinbichler Optotechnik Gmbh | Vorrichtung zur Ermittlung der 3D-Koordinaten eines Objekts, insbesondere eines Zahns |
CA2743664C (en) * | 2007-11-23 | 2015-06-23 | Numeq Inc. | Three-dimensional surface measuring scanner |
US8064068B2 (en) * | 2008-01-25 | 2011-11-22 | Cyberoptics Corporation | Multi-source sensor for three-dimensional imaging using phased structured light |
EP2192463B1 (de) | 2008-11-28 | 2014-03-05 | Klingelnberg AG | Vorrichtung und Verfahren zum Positionieren eines rotationssymmetrischen Präzisionsteiles |
US9113023B2 (en) | 2009-11-20 | 2015-08-18 | Faro Technologies, Inc. | Three-dimensional scanner with spectroscopic energy detector |
EP2654607B1 (en) | 2010-12-21 | 2019-04-24 | 3Shape A/S | Optical system in 3d focus scanner |
JPWO2013080625A1 (ja) * | 2011-11-30 | 2015-04-27 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | ミラーアクチュエータ、ビーム照射装置およびレーザレーダ |
US8520219B2 (en) * | 2011-12-19 | 2013-08-27 | Perceptron, Inc. | Non-contact sensor having improved laser spot |
KR20130103060A (ko) * | 2012-03-09 | 2013-09-23 | 삼성전기주식회사 | 3차원 측정 장치 및 방법 |
JP5642114B2 (ja) * | 2012-06-11 | 2014-12-17 | 株式会社モリタ製作所 | 歯科用光計測装置及び歯科用光計測診断器具 |
WO2014141115A2 (en) * | 2013-03-15 | 2014-09-18 | Primesense Ltd. | Depth scanning with multiple emitters |
-
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2022509732A (ja) * | 2018-10-12 | 2022-01-24 | エレクトリック パワー リサーチ インスチテュート インコーポレイテッド | 光学歪曲媒体内の表面特性を測定する方法 |
JP7242846B2 (ja) | 2018-10-12 | 2023-03-20 | エレクトリック パワー リサーチ インスチテュート インコーポレイテッド | 光学歪曲媒体内の表面特性を測定する方法 |
JP2021060214A (ja) * | 2019-10-03 | 2021-04-15 | 株式会社ミツトヨ | 測定装置、及び測定方法 |
JP7332417B2 (ja) | 2019-10-03 | 2023-08-23 | 株式会社ミツトヨ | 測定装置、及び測定方法 |
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