JP2022537294A - 加工物表面のｏｃｔ走査領域を表示するための、及び／又は表面特徴を測定するための方法並びに関連するｏｃｔシステム - Google Patents

Abstract

加工物表面のＯＣＴ走査領域を表示するための、及び／又は表面特徴を測定するための方法並びに関連するＯＣＴシステムを提供する。加工物表面（２）を光学的に走査することにより、加工物表面（２）の高さプロファイル（２８）を記録するための、光コヒーレンス断層撮影機（５）を含むＯＣＴシステム（１）は、加工物表面（２）の画像（２３）を記録するためのカメラ（４）と、加工物表面（２）の記録された画像（２３）及び記録された高さプロファイル（２８）を一緒に、とりわけ重ね合わされた方式で表示するためのディスプレイ（２４）とを含む。

Description

本発明は、加工物表面の光学走査領域を表示するための、及び／又は表面特徴を測定するための方法並びにまたこの方法を実行するのに適したＯＣＴシステムに関する。

光コヒーレンス断層撮影法（ＯＣＴ）を用いた撮像方法が従来技術で知られている。加工物の三次元プロファイル画像は、特に狭視野スキャナを使用してＯＣＴによって記録され得る。ＯＣＴ走査と呼ばれるこの画像記録は、加工物の表面に沿って様々な幾何学的形状で、とりわけ線状に（線走査）行われる。有用な分解能及び視野でかかるプロファイル画像を生成するために、数百ミリ秒の高時間消費を伴う比較的多数のＯＣＴ走査を行う必要がある。線走査は、広い面積にわたって構成する必要がある。更に、加工物表面の面内の加工物に対する、ＯＣＴ走査を行うための光コヒーレンス断層撮影機の正しい位置決めは、走査プロセスの開始時に未知であることが多い。位置決めを決定することは、同様に高時間消費を伴う多数のＯＣＴ走査を必要とする。ＯＣＴ走査によって生成されるプロファイル画像は、多くの場合に困難を伴ってのみ加工物の領域に割り当てることができる。

本出願人によって公開された論文（非特許文献１）は、低コヒーレンス干渉法に基づく３Ｄ撮像技法形式のＯＣＴ走査を記載している。処理レーザビームと同軸上でＯＣＴ測定ビームが処理光学ユニット内に結合され、検査される表面の高さ情報をもたらす。処理光学ユニットに固定された狭視野スキャナによってＯＣＴ測定ビームが偏向される場合に追加情報が得られる。この論文は、例えば、溶接プロセス中の溶接の深さを観察すること、遠隔レーザ溶接中の高精度のシームガイダンス及びリアルタイムのプロセスの視覚化並びに三次元内で接触ピン（ヘアピン）を位置特定して、処理レーザビームをそれに応じて位置決めすること等、ＯＣＴプロセス制御のための様々な応用を更に記載している。

"Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｌａｓｅｒ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｖｉａ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ"ｂｙ Ｆ．Ｄｏｒｓｃｈ，Ｗ．Ｄｕｂｉｔｚｋｙ，Ｊ．－Ｐ．Ｈｅｒｍａｎｉ，Ａ．Ｈｒｏｍａｄｋａ，Ｔ．Ｈｅｓｓｅ，Ｔ．Ｎｏｔｈｅｉｓ，ａｎｄ Ｍ．Ｓｔａｍｂｋｅ．Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ １０９１１，Ｈｉｇｈ－Ｐｏｗｅｒ Ｌａｓｅｒ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｓ，ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ＶＩＩＩ，１０９１１０Ｇ（２７ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０１９）

本発明の目的は、より少数のＯＣＴ走査、より少ない時間消費及びＯＣＴ走査の位置決めのより高速な決定と共に実行することができる、加工物表面のＯＣＴ走査領域を表示するための、及び／又は表面特徴を測定するための方法を明記することである。本発明の更なる目的は、その方法を実行するのに適したＯＣＴシステムを明記することである。

この目的は、加工物表面の光学走査領域を表示するための方法であって、以下の方法ステップ：
－ 加工物表面の画像を記録するステップと、
－ 光コヒーレンス断層撮影機によって加工物表面を光学的に走査することにより、加工物表面の高さプロファイルを記録するステップと、
－ 加工物表面の記録された画像及び記録された高さプロファイルを一緒に、とりわけ重ね合わされた方式で表示するステップと
を含む方法により、本発明に従って実現される。

とりわけ光領域内で動作するカメラによって記録される二次元画像上において、加工物表面の特徴を従来の画像処理プログラムによって測定することができる。加工物表面の領域のＯＣＴ走査に加えて、反射光画像処理が行われる。加工物表面のＯＣＴ走査は、選択された画像抜粋と一緒に、具体的には互いに重ね合わされた方式で表示される。記録された画像とＯＣＴ走査との重ね合わせによって生成される三次元プロファイル画像は、比較的簡単に解釈することができる。ＯＣＴ走査は、特に加工物表面から測定したときの高さ方向の加工物表面の特徴の位置及び／又は向きを把握することを可能にする。記録された画像内に高さプロファイルを直接挿入することは、加工物の表面構造のより優れた理解を可能にする。ＯＣＴは、光領域のために設計されるカメラと異なる波長を使用し、これは、画像記録から得られる情報及びＯＣＴ走査から得られる情報を割り当てることを可能にする。本発明によるＯＣＴ走査方法により、レーザ溶接プロセス中にとりわけ加工物の表面においてピン電極の対を正確に位置特定し、その高さ及び距離を決定することができる。

特に好ましくは、画像抜粋は、加工物表面の表示画像内で選択され、光コヒーレンス断層撮影機によって後に走査される加工物表面の領域は、前記画像抜粋に限定される。加工物表面の領域の反射光画像処理がＯＣＴ走査前に行われる。画像記録に基づき、ユーザは、加工物表面の特徴に対してＯＣＴ走査を実行するべきであるかどうかを決めることができる。従って、必要なＯＣＴ走査の回数を減らすことができる。ＯＣＴ走査のオフセット点を把握し、且つ走査領域を画定するために画像処理プログラムを使用することができる。加工物に対する光コヒーレンス断層撮影機の正確な位置決めであって、特に画像処理のためのプログラムによって計算される位置決めをＯＣＴ走査前に行うことができる。カメラの視野外にＯＣＴビームを位置決めするが、それでもカメラ画像からその位置を把握することも想定され得る。

好ましくは、画像抜粋は、表示画像上においてグラフィカルに、とりわけマウスによって又はピンチズーム機能によって直接選択される。このグラフィカルサポートは、ＯＣＴ高さ測定を行うことを目的とする領域の迅速且つ正確な指示を可能にする。

更に優先して、画像は、光コヒーレンス断層撮影機の測定アームに対して同軸上で記録される。この測定は、画像記録からのデータと、ＯＣＴ走査からのデータとを比較的簡単に組み合わせることを可能にする。

更なる態様では、本発明は、加工物表面の表面特徴を測定するための方法であって、以下の方法ステップ：
－ 加工物表面の画像を記録するステップと、
－ 記録された画像に基づいて、測定される少なくとも１つの表面特徴を決定するステップと、
－ 決定された少なくとも１つの表面特徴を測定するために、決定された少なくとも１つの表面特徴の位置において、光コヒーレンス断層撮影機によって加工物表面を光学的に走査することにより、加工物表面の高さプロファイルを記録するステップと
を含む方法にも関する。

本発明によれば、測定される１つ又は複数の表面特徴は、加工物表面の画像に基づいて決定され、高さに関して表面特徴を測定するために、決定された表面特徴の位置においてＯＣＴ走査が後に行われる。この場合、測定される少なくとも１つの表面特徴を、記録された画像に基づいて、画像処理設備によって自動化された方式において、又は表示画像に基づいて、上記のように手動で決定することができる。

更なる態様では、本発明は、加工物表面を光学的に走査することにより、加工物表面の高さプロファイルを記録するための、光コヒーレンス断層撮影機を含むＯＣＴシステムであって、加工物表面の画像を記録するためのカメラを含み、及び加工物表面の記録された画像及び記録された高さプロファイルを一緒に、とりわけ重ね合わされた方式で表示するためのディスプレイを含み、且つ／又は記録された画像に基づいて、測定される少なくとも１つの表面特徴を決定するための画像処理設備を含むＯＣＴシステムにも関する。ＯＣＴシステムは、好ましくは、レーザ処理光学ユニット上、とりわけ処理レーザビームのレーザスキャナ上に搭載される。

好ましくは、撮像システムは、表示画像内で画像抜粋を選択するための選択装置と、光コヒーレンス断層撮影機によって走査される加工物表面の領域を、選択された画像抜粋に限定するコントローラとを含む。

処理光学ユニットのビーム経路内にカメラが装備され、そのカメラ画像に基づいて、画像処理によってオフセット点及びＯＣＴ走査の領域を画定することができる。ユーザは、その後、前記ユーザにとってのＯＣＴ高さ測定に関する関心領域を表示カメラ画像内でグラフィカルに正確に画定することができる。かかる撮像システムは、加工物表面の三次元プロファイル画像を作成するのに必要なＯＣＴ走査の回数を減らすことを可能にする。とりわけ、カメラは、光コヒーレンス断層撮影機の測定アームに対して同軸上で加工物表面に向けられる。

好ましくは、選択装置は、表示画像内の画像抜粋をグラフィカルに選択するための入力手段を有し、それにより画像抜粋の迅速且つ正確な入力が可能になる。選択装置は、入力手段として、マウス又は好ましくはディスプレイのタッチ式のタッチ画面を有することができ、このタッチ式画面上で所望の画像抜粋が選択される。位置を正確に入力するために、インクリメントありの／なしの数値パネルによってマウス／タッチ入力をより正確にすることもできる。

本発明の内容の更なる利点及び有利な構成を説明、図面及び特許請求の範囲から推論することができる。同様に、上述の及び更に説明する特徴は、各事例においてそれ自体で又は所望の任意の組み合わせにおける複数のものとして使用することができる。図示及び説明する実施形態は、網羅的な列挙として理解すべきではなく、むしろ本発明を概説するための例示的特徴のものである。

本発明によるＯＣＴシステムの概略図を示す。 選択された画像抜粋を有するＯＣＴシステムのディスプレイの概略図を示す。 本発明によるＯＣＴシステムの改変形態を示す。 本発明によるＯＣＴシステムの改変形態を示す。

図１に概略的に示すＯＣＴシステム１は、加工物３の表面２の領域を光学的に走査する役割を果たし、加工物表面２の画像を記録するためのカメラ４及び加工物表面２を光学的に走査するための光コヒーレンス断層撮影機５を含む。レーザ源６が処理レーザビーム７を発生させ、処理レーザビーム７は、処理レーザビーム７を、加工物表面２上において、二次元で又はレーザスキャナ８がＺ軸を有する場合には代わりに三次元で偏向させるために、レーザスキャナ８によって加工物３上に導かれる。

光コヒーレンス断層撮影機５は、ＯＣＴビーム１０を発生させるためのＯＣＴ光源（例えば、超放射発光ダイオード）９、ＯＣＴビーム１０を測定ビーム１２及び参照ビーム１３に分割するためのビームスプリッタ１１を公知の方式で有する。測定ビーム１２が測定アーム１４に送られ、加工物表面２上に当たり、加工物表面２において測定ビーム１２が少なくとも部分的に反射され、この方向に非透過的又は部分的に透過的であるビームスプリッタ１１に再び導かれる。参照ビーム１３が参照アーム１５に送られ、参照アーム１５の終端のミラー１６によって反射される。反射された参照ビームも同様にビームスプリッタ１１に再び導かれる。加工物表面２に関する高さ情報及び／又は加工物３内への処理レーザビーム７の現在の侵入深さを把握するために、参照アーム１５の長さを考慮に入れ、反射される２つのビームの重ね合わせが最後に空間分解検出器（ＯＣＴセンサ）１７によって適切に検出される。この方法は、光波の干渉の基本原理に基づき、測定ビーム軸に沿ったマイクロメートル範囲内の高差を検出できるようにする。加工物表面２上で測定ビーム１２を二次元に偏向させ、それにより例えば平行線スキャナを用いて加工物表面２の領域を走査するために、測定アーム１４に隣接してＯＣＴ（狭視野）スキャナ１８が続く。加工物３上に測定ビーム１２を導くために、測定ビーム１２は、処理レーザビーム７のビーム経路内に配置されるミラー１９によってレーザスキャナ８内に結合される。

カメラ４は、好ましくは、測定ビーム１２に対して又は非偏向測定ビーム１２の零点位置に対して同軸上に向けられ、従って光コヒーレンス断層撮影機５及び処理レーザビーム７と同軸上で加工物３を見る。加工物表面２から到来する光は、測定ビーム１２のビーム経路内に配置されるミラー２０によってカメラ４に供給され、前記ミラーは、この方向に透過的である。加工物３の反射光照射のために、光軸に対して同軸上、又は零点位置の軸に対して同軸上、又は光軸若しくは零点位置の軸に関して横方向の照明設備２２に対して同軸上のリング照明設備２１は、ここでは専ら例としてレーザスキャナ８に配置される。

反射光を用いてカメラ４によって記録されるカメラ画像２３は、画面形式のディスプレイ２４上に表示される。選択装置２５により、図２に示すように、ユーザは、加工物表面２の高さ測定に関して関心のある画像抜粋２６を表示カメラ画像２３内でグラフィカルに選択し、そのためにカメラ画像２３内の所望の画像抜粋２６に印付けすることができる。タッチ式画面の場合、ピンチズーム機能によって表示画像２３上で画像抜粋２６をグラフィカルに直接選択するために、選択装置２５は、例えば、マウス又はタッチ式画面として実装することができる。位置を正確に入力するために、インクリメントありの／なしの数値パネルによってマウス／タッチ入力をより正確にすることもできる（加工物３に対するＸ、Ｙの位置及び角度）。

選択された画像抜粋２６は、ディスプレイ２４上でグラフィカルに拡大するか、縮小するか又は移動させることができる。次いで、コントローラ２７は、光コヒーレンス断層撮影機５によって走査される加工物表面２の領域を、その選択された画像抜粋２６に限定する。より正確には、選択された画像抜粋２６に基づく（反射光）画像処理により、コントローラ２７は、ＯＣＴスキャナ１８のオフセット値、即ち測定ビーム１２の非偏向零点位置からの測定ビーム１２の変位を把握する。従って、カメラ画像２３は、ＯＣＴ走査のより正確な位置決めを可能にし、そのジオメトリ（１つの線、複数の線又は代わりに他のジオメトリ）は、選択された画像抜粋２６に基づいてコントローラ２７によってプログラムされる。加工物表面２を時間ノンクリティカルＯＣＴ走査によって高さ方向（ｚ方向）に測定することができるように、画像処理がＯＣＴスキャナ１８を位置決めする。コントローラ２７の画像処理にＯＣＴセンサ１７を組み込むことは、画像処理の利点をＯＣＴセンサ１７の利点と組み合わせることを可能にする。

ディスプレイ２４上において、加工物表面２の選択領域２６の高さプロファイル２８であって、ＯＣＴセンサ１７によって得られる高さプロファイル２８を、カメラ画像２３の選択された画像抜粋２６内に直接挿入するか、又は選択された画像抜粋２６上に直接重ね合わせることができ、それによりユーザによる加工物表面２の光学的評価が改善される。

選択された画像抜粋２６のみに対する上記の手順の代わりに、代替的に、高さプロファイル２８は、カメラ４によって記録される加工物表面２の全領域内で記録し、重ね合わされた方式でディスプレイ２４上に表示することができる。カメラ４の視野外にＯＣＴビーム１２を位置決めするが、それでもカメラ画像２３からその位置を把握することも想定され得る。

図３に示すＯＣＴシステム１は、ここで、単に処理レーザビーム７のビーム経路内にレーザスキャナが配置されていない、即ち処理光学ユニットが固定光学ユニットとして実装される点で図１と異なる。

図４に示すＯＣＴシステム１は、ここで、単に測定ビーム１２のビーム経路内にＯＣＴ（狭視野）スキャナが配置されていない点で図１と異なり、レーザスキャナ８は、高さプロファイル２８を作成するために加工物表面２上の測定ビーム１２の移動を行う。

加工物表面２の関心のある表面特徴を測定するために以下の手順を採用する：まず、加工物表面２の画像をカメラ４によって記録し、測定される１つ又は複数の表面特徴を、記録されたカメラ画像２３に基づいて後に決定する。この決定は、記録されたカメラ画像２３に基づいて、画像処理設備によって自動化された方式において、又は表示画像２３に基づいて、上記のように手動で行うことができる。その後、決定された表面特徴を高さに関して測定するために、決定された表面特徴の位置において、光コヒーレンス断層撮影機５によって加工物表面２を光学的に走査することにより、加工物表面２の高さプロファイル２８を記録する。

本発明によるＯＣＴ走査方法の１つの応用は、例えば、個々の部品を互いにレーザ溶接する前に３Ｄ位置特定することである。

電動機内の固定子を形成するために、絶縁材料から形成される固定子ケージを設けることが知られており、導電性材料、好ましくは銅で構成されるいわゆるヘアピン（ピン電極）が前記固定子ケージ内に導入される。ヘアピンは、例えば、クリップ形状の様式で又は線形に実装することができ、固定子ケージ内に導入された後、互いに並列に且つ固定子又は固定子ケージ内の電動機のほぼ軸方向に存在する。固定子ケージの周縁部の周りにおいて、複数のかかるヘアピンが固定子ケージ内に導入され、前記ヘアピンは、搭載中又は製造中、最初に互いに機械的及び電気的に接続されていない。固定子ケージ内に導入された後且つ可能な整形及び／又は短縮並びに可能な前処理、例えば任意の被膜の除去後、例えば溶接によって完全な固定子巻線を形成するように、ヘアピンの個々の自由端は、好ましくは、対で結合される。この結合プロセスは、ヘアピンの個々の対の自由端間で機械的接続及び導電性接続の両方をもたらし、それにより、導入後、最初に個別に存在していたヘアピンがここで接続される。ヘアピンを結合することは、機械的及び電気的に相互接続された連続固定子巻線を形成できるようにする。

本発明によるＯＣＴ走査方法により、レーザ溶接プロセス中に溶接されるヘアピンの対を正確に位置特定することができ、レーザビームをそれに応じて方向付けるためにヘアピンの高さ及び距離を決定することができる。例えば、溶接されるヘアピン間の隙間又は傾き等、関心のある他の幾何学的特性も事前に測定し、その後、適切な場合にはレーザ溶接中に付随して考慮に入れることができる。溶接後、品質保証のために、例えばレーザ溶接されたヘアピンの対の溶着ビードを決定するために撮像システムを使用することができる。

１ ＯＣＴシステム
２ 加工物表面
３ 加工物
４ カメラ
５ 光コヒーレンス断層撮影機
６ レーザ源
７ 処理レーザビーム
８ レーザスキャナ
９ ＯＣＴ光源
１０ ＯＣＴビーム
１１ ビームスプリッタ
１２ 測定ビーム
１３ 参照ビーム
１４ 測定アーム
１５ 参照アーム
１６ ミラー
１７ 空間分解検出器
１８ ＯＣＴスキャナ
１９ ミラー
２０ ミラー
２１ リング照明設備
２２ 照明設備
２３ カメラ画像
２４ ディスプレイ
２５ 選択装置
２６ 画像抜粋
２７ コントローラ
２８ 高さプロファイル

Claims (14)

1. 加工物表面（２）の光学走査領域を表示するための方法であって、以下のステップ：
   － 前記加工物表面（２）の画像（２３）を記録するステップと、
   － 光コヒーレンス断層撮影機（５）によって前記加工物表面（２）を光学的に走査することにより、前記加工物表面（２）の高さプロファイル（２８）を記録するステップと、
   － 前記加工物表面（２）の前記記録された画像（２３）及び前記記録された高さプロファイル（２８）を一緒に、とりわけ重ね合わされた方式で表示するステップと
   によって特徴付けられる方法。
2. 画像抜粋（２６）は、前記加工物表面（２）の前記表示画像（２３）内で選択され、前記光コヒーレンス断層撮影機（５）によって後に走査される前記加工物表面（２）の前記領域は、前記画像抜粋に限定される、請求項１に記載の方法。
3. 前記画像抜粋（２６）は、前記表示画像（２３）上においてグラフィカルに、とりわけマウスによって、ピンチズーム機能によって又は位置入力によって直接選択される、請求項２に記載の方法。
4. 前記画像（２３）は、前記光コヒーレンス断層撮影機（５）の測定アーム（１４）に対して同軸上で記録される、請求項１～３の何れか一項に記載の方法。
5. 加工物表面（２）の表面特徴を測定するための方法であって、以下のステップ：
   － 前記加工物表面（２）の画像（２３）を記録するステップと、
   － 前記記録された画像（２３）に基づいて、測定される少なくとも１つの表面特徴を決定するステップと、
   － 前記決定された少なくとも１つの表面特徴を測定するために、前記決定された少なくとも１つの表面特徴の位置において、光コヒーレンス断層撮影機（５）によって前記加工物表面（２）を光学的に走査することにより、前記加工物表面（２）の高さプロファイル（２８）を記録するステップと
   によって特徴付けられる方法。
6. 前記測定される少なくとも１つの表面特徴は、前記記録された画像（２３）に基づいて、自動化された方式で決定される、請求項５に記載の方法。
7. 前記測定される少なくとも１つの表面特徴は、前記表示画像（２３）に基づいて手動で決定される、請求項５に記載の方法。
8. 前記測定される表面特徴を有する画像抜粋（２６）は、前記加工物表面（２）の前記表示画像（２３）内で選択され、前記光コヒーレンス断層撮影機（５）によって後に走査される前記加工物表面（２）の領域は、前記画像抜粋に限定される、請求項７に記載の方法。
9. 前記画像抜粋（２６）は、前記表示画像（２３）上においてグラフィカルに、とりわけマウスによって、ピンチズーム機能によって又は位置入力によって直接選択される、請求項８に記載の方法。
10. 加工物表面（２）を光学的に走査することにより、前記加工物表面（２）の高さプロファイル（２８）を記録するための、光コヒーレンス断層撮影機（５）を含むＯＣＴシステム（１）であって、
    － 前記加工物表面（２）の画像（２３）を記録するためのカメラ（４）、
    － 前記加工物表面（２）の前記記録された画像（２３）及び前記記録された高さプロファイル（２８）を一緒に、とりわけ重ね合わされた方式で表示するためのディスプレイ（２４）及び／又は前記記録された画像（２３）に基づいて、測定される少なくとも１つの表面特徴を決定するための画像処理設備
    によって特徴付けられるＯＣＴシステム（１）。
11. 前記表示画像（２３）内又は外で画像抜粋（２６）を選択するための選択装置（２５）と、前記光コヒーレンス断層撮影機（５）によって走査される前記加工物表面（２）の領域を、前記選択された画像抜粋（２６）に限定するコントローラ（２７）とによって特徴付けられる、請求項１０に記載のＯＣＴシステム。
12. 前記選択装置（２５）は、前記表示画像（２３）内又は外で画像抜粋（２６）をグラフィカルに選択するための入力手段を有する、請求項１１に記載のＯＣＴシステム。
13. 前記選択装置（２５）は、入力手段として、前記ディスプレイ（２４）のタッチ式画面であって、前記画面上で前記画像抜粋（２６）が選択される、タッチ式画面又は手動での位置入力のための入力パネルを有する、請求項１２に記載のＯＣＴシステム。
14. 前記カメラ（４）は、前記光コヒーレンス断層撮影機（５）の測定アーム（１４）に対して同軸上で前記加工物表面（２）に向けられる、請求項１０～１３の何れか一項に記載のＯＣＴシステム。

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