JP2022548415A - パターンプロジェクタを有するボアスコープ - Google Patents

Abstract

本発明は、ボアスコープ（１）、特に航空機エンジンのボアスコープ検査用のボアスコープ（１）に関する。ボアスコープ（１）は、ボアスコープ開口部に挿入されるように設計されたシャフト（３）の端部にボアスコープ対物レンズとして２つの撮像センサ（１１）を有する電子的な撮像ユニット（１０）を備える。２つの撮像センサ（１１）の互いに対する位置および配向は、三角測量法を使用して３Ｄ情報を把握するのに適したものである。また、２つの撮像センサ（１１）の共通記録領域にパターン（５０）を投影するためのパターンプロジェクタ（２０）が設けられ、パターンプロジェクタ（２０）は透過率の異なる光ファイバ（２２）が統計的に分布した基本的には光学的に結像する導光束（２１）を含み、導光束（２１）の入射面（２３）に光源（２５）が連結され、導光束（２１）の出射面（２４）が２つの撮像センサ（１１）によって撮像される領域に向けられている。

Description

本発明は、ボアスコープに関し、特に航空機エンジンのボアスコープ検査用のボアスコープに関する。

従来技術では、技術機器の直接目視できない部分の検査にボアスコープを使用することが知られている。ボアスコープは、小さな開口部から目的の場所まで導入でき、光学ユニットで直接、またはボアスコープ先端部の適切なセンサーシステムで記録されたビデオ画像の表示によって（ビデオボアスコープとも呼ばれる）、視覚的にアクセスできない領域を見ることができる。ボアスコープのシャフトは、硬質のものや、アクセスしにくい領域にも入りやすくした軟質のものであり得る。

さらに、ボアスコープ先端部に２つの画像センサが配置され、その記録領域が重なることで、同時に記録された画像から三角測量法により３Ｄ情報、特にボアスコープ先端部からの個々の画像点の距離を原理的に求めることができるボアスコープが知られている。対応するボアスコープを使用して異なる位置から取得した３Ｄ情報を、関連する画像情報と合成して３Ｄモデルを作成し、これを使用して記録された対象の詳細な評価を行うことができる。

特にボアスコープで撮像する領域が低コントラストの場合、三角測量によって２つの画像センサの記録画像から３Ｄ情報を取得する際にエラーが発生したり、全く取得できなかったりすることがある。これは、重ね合わせた場合における２つの画像に示された対象点の距離に基づいて画像センサから対象点までの距離を推定するように三角測量によって３Ｄ情報を取得可能とするためには、２つの画像センサで同時に記録された画像上の個々の対象点をそれぞれ一意に特定できる必要があるためである。仮にコントラスト不足で個々の対象点を識別できない場合、３Ｄ情報も取得できない。

従来技術では、記録する面上に個々の点のパターンを投影し、それを三角測量のためのサポ－ト点として使用することが知られている。そして、個々の点に関して確認可能な３Ｄ情報間で補間を行う。この既知の実施形態における３Ｄデータの解像度は、識別可能ではあるが、ボアスコープを使用して航空機エンジンのエンジンブレードを検査する場合などには不十分である。

また、構造光走査によって３Ｄ情報を把握することも知られているが、この場合、ボアスコープと記録する領域の相対的な姿勢や、記録する領域そのものが撮影時間中に変化しないことが絶対条件となる。その結果、特に検査対象が大型の装置では多大な時間がかかる。

本発明の目的は、従来技術に比べて改良され、低コントラスト領域を記録する場合でも、確実かつ高解像度で３Ｄ情報を把握できるボアスコープを提供することである。

この目的は、主請求項に記載のボアスコープによって達成される。従属請求項は、有利な発展に関するものである。

従って、本発明は、ボアスコープ開口部に挿入されるように設計されたシャフトの端部にボアスコープレンズとして２つの撮像センサを有する電子的な撮像ユニットを備え、２つの撮像センサの互いに対する位置および照準（alignmnent）は、三角測量法を使用して３Ｄ情報を把握するのに適したものであり、２つの撮像センサの共通記録領域にパターンを投影するためのパターンプロジェクタが設けられ、パターンプロジェクタは透過率の異なる光ファイバが統計的に分布した基本的には光学的に結像する導光束を含み、導光束の入射面に光源が連結され、導光束の出射面が２つの撮像センサによって撮像される領域に方向付けされている（aligned）ことを特徴とする、特に航空機エンジンのボアスコープ検査用のボアスコープに関する。

ボアスコープで撮像する表面に、本発明に記載のパターンプロジェクタを使用して著しく非対称の詳細パターンを投影し、その結果、表面の個々の点のコントラストが向上し、もともとコントラストの低い表面であっても、２つの撮像センサで記録した画像情報に基づく３Ｄ情報の把握が改善され、あるいはそもそも可能になる。

本発明によれば、光ファイバユニットのような光学的に結像する導光束を使用してパターンを生成し、個々の光ファイバは少なくとも部分的に異なる透過率を有する。個々の導光ファイバが十分に小径である必要はあるが、パターンプロジェクタによって生成された個々のパターンの点が、この導光束の光学的な結像によって、多くの場合は撮像センサの分解能と同等であるが十分に小さな分解能を有することが保証される。

実際の投影パターンは、ここでは主に導光束自体によって生成される。個々の光ファイバが異なる透過率を有し、導光束の中に統計的に（statistically）分布しているという事実によって、光源から入射面に均一な光を導入した場合、出射面ではすでにランダムな光量分布が得られ、その光量分布は出射面が向けられた面ではコントラストの低い面に対する三角測量による３Ｄ情報の把握を精度面で向上させ、コントラストなしの面ではそもそも原理的に３Ｄ情報の把握を可能とするコントラストパターンとなる。この場合、構造光走査と比較して三角測量の速度の利点が非常に大きなものとなる。

光ファイバは光学的結像に必要な統計的分布と小径によって十分に詳細なパターンを投影できるため、ここでは透過率の異なる２種類の光ファイバを使用するだけで十分である。また、一部の光ファイバは透過率が０であってもよい。

個々の光ファイバの透過率の違いは、光ファイバのコアとクラッドの比率（クラッド／コア径比：ＣＣＤＲ）を適切に選択することで達成され得る。光ファイバの内部構造に関わるコアとクラッドの比率により、コアとクラッドを同じ材料にした場合、外径を一定にしたまま光ファイバの透過率を変化させ得る。導光束は、０．５ｍｍから１．１０ｍｍ、好ましくは０．８９ｍｍから０．９０ｍｍの径を有してもよく、および／または６５００本から１００００本、好ましくは７７００本から７９００本の光ファイバを有してもよい。個々の光ファイバの径は、８μｍから１０μｍであり得る。

導光束の径が小さいため、本発明に記載のパターンプロジェクタは、原則としてボアスコープの先端部に、撮像センサとともに無理なく組み込むことができる。特に、公知のボアスコープと比較して、ボアスコープの外径を大きくする必要はない。ここでは、パターンプロジェクタは本発明に従って撮像センサとともにボアスコープの先端部に組み込まれ、パターンプロジェクタおよび撮像センサは撮像センサによって記録されたパターン投影に基づいて三角測量によって３Ｄ情報を把握できるように互いに対して方向付けされている。

原理的には、ボアスコープのシャフトに導光束を通し、導光束の入射面に外部配置した光源を接続できる。ただし、光源はＬＥＤで構成されていることが好ましい。光源にＬＥＤを使用することで、パターンプロジェクタを十分に小型化でき、光源を含めた全体をボアスコープの先端部に配置できる。低発熱で十分な数の光強度のＬＥＤが従来技術から知られており、特にＬＥＤは導光束内に光を結合（coupling）するように設計されていることが好ましく、および／または、良好な光効率に関して選択されていることが好ましい。

光源の発熱が十分に低いものではない場合、光源に隣接する電子部品を熱的に切り離してもよい。

光源と入射面の間には、例えばプリズムのようなビーム偏向用の光学素子を少なくとも１つ設けてもよい。対応する光学素子により、パターンプロジェクタの設計と寸法をボアスコープの状況に適合させることができる。

代替的または追加的に、例えばストッパーおよび／またはレンズ素子といった少なくとも１つの光学素子がビーム影響用に設けられてもよい。１つ以上のビーム影響用の光学素子によって投影されるパターンの特性に影響を与えることができる。例えば、光源からの光が導光束に入射する前に均一化するためのコリメータ光学ユニットが設けられてもよい。このコリメータ光学ユニットは、光源からの光が導光束に入射する前に導光束の表面全体で可能な限り均一に揃えられるものである。そのため、実質的に個々の光ファイバの透過率の違いだけで投影パターンが生成される。

光源は、原則として撮像センサによって撮像可能な波長域の光を発するように設計される。光源は、特に白色光および／または赤外光を発するように設計され得る。

撮像センサの記録錐（recording cones）は、シャフトに対して所定の視野角で方向付けされていることが好ましい。この視野角が９０°の場合は、撮像ユニットの側方領域を撮像できる。この視野角を９０°からずらすと、ボアスコープの挿入方向において手前の領域（角度範囲３０°～９０°）または奥の領域（角度範囲９０°～１５０°）を撮像できる。しかし、ボアスコープの三角測量のためにそれぞれ視野角の異なる複数組の撮像センサを設けてもよい。特に、２組の撮像センサを設けてもよく、一方の組の両方の撮像センサの記録錐は他方の組の両方の撮像センサの記録錐とはシャフト軸に対して異なる視野角で方向付けされる。この場合、複数のパターンプロジェクタが設けられてもよいし、パターンプロジェクタが撮像センサの組のそれぞれの記録領域にパターンを投影するように構成されてもよい。

撮像ユニットは、カラー画像を撮像するための少なくとも１つの撮像センサを含み得る。ここで、この少なくとも１つの撮像センサによって撮像されたカラー画像は、特にアクティブパターン投影の場合に、三角測量に直接使用できる。ただし、一対の撮像センサで記録されたグレースケール画像に基づいて把握された３Ｄ情報に、カラー撮像センサの色情報を付加して、カラー３Ｄ情報またはカラー３Ｄモデルを取得することもできる。グレースケールの撮像センサで３Ｄ情報を把握すると、カラー撮像センサと比較して、同じセンササイズの場合には解像度が高くなるため有利になることがある。この場合、カラー画像の撮像のために色情報を改ざんしないようにパターン投影を一時的に中断することが好ましい。このため、カラー撮像センサの記録領域を一時的に均一に照明するための代替光源を別途用意してもよい。

撮像センサは、ＣＣＤセンサまたはＣＭＯＳセンサが好ましく、グローバルシャッター付きが好ましい。好ましくは、撮像センサは、４００×４００ピクセル～２４００×２４００ピクセルの解像度と、最大２４０記録／秒のフレームレートと、および／または、３０°～１２０°、好ましくは３５°～６５°、さらに好ましくは４０°，５０°，または６０°であっていずれの場合も±５°、好ましくはいずれの場合も±３°である画像フィールド開角度（image field opening angle）を有する。また、対応する撮像センサとの組み合わせにより、特に画像情報の連続記録も可能である。

ボアスコープのシャフトは、硬質または軟質のものであり得る。シャフトが軟質のものである場合、ボアスコープは例えばガイドチューブを介して誘導され得る。この場合、ガイドチューブはボアスコープの一部であってもよいし、別のガイド装置であってもよい。ガイドチューブを用いて、ボアスコープまたは撮像ユニットのボアスコープ検査対象領域内部における基本位置を決定できる。また、シャフトにワイヤープーリを配設することで、シャフトを直接制御することもできる。ただし、フレキシブルシャフトを持つボアスコープを記録したい部位に緩く誘導し、特にボアスコープを引き抜く際に所望の記録を作成することもできる。

添付図面を参照して、有利な実施形態を例として本発明を説明する。

本発明に係るボアスコープの第１の例示的な実施形態のボアスコープ先端部を示す模式図。 本発明に係るボアスコープの第２の例示的な実施形態のボアスコープ先端部を示す模式図。 図１または図２に記載の本発明に係るボアスコープによって投影されたパターンを示す模式図。

図１はボアスコープ１の先端部２を模式的に示しており、この先端部２は例えば航空機エンジンのような技術機器の検査対象部位に導入され得る。ボアスコープ１はワイヤープーリを介して制御可能なフレキシブルシャフト３（図１では単に表示）で構成されており、シャフト３の対称軸はシャフト軸３’を形成している。

シャフト３上のボアスコープ１の先端部２には電子的な撮像ユニット１０が設けられており、撮像ユニット１０はボアスコープ１の使用状態では透明な保護ハウジング４によって囲まれており、保護ハウジング４は図１では単に破線で示されている。

撮像ユニット１０は２つの離間したグレースケールの撮像センサ１１を含み、撮像センサ１１の記録錐は三角測量を使用して２つの撮像センサ１１の重複領域の画像から３Ｄ情報を導出できるように重複する。さらに、カラー画像の撮像センサ１２が設けられており、撮像センサ１２は他の２つの撮像センサ１１の重複領域を同様に撮像する。撮像センサ１２のカラー画像情報を使用して、他の２つの撮像センサ１１を介して取得された３Ｄ情報を色情報で強化できる。これに対応する方法は、従来技術にて知られている。

さらに、撮像センサ１１，１２は、記録錐または記録軸１１’，１２’がシャフト軸３’に対して９０°となる指定された視野角で方向付けされるように配置される。

また、対応する撮像センサ１２によるカラー画像の撮像を可能とするために、代替光源１３としてＬＥＤを設け、このＬＥＤによりカラー画像の撮像のために撮像センサ２３の記録領域を一時的に十分に照明できる。

また、撮像ユニット１０は、三角測量のために設けられた撮像センサ１１の共通の記録領域にパターンを付与するパターンプロジェクタ２０を備える。

パターンプロジェクタ２０は、それぞれが直径約９μｍの約７８００本の光ファイバ２２を有する導光束２１を含む。光ファイバ２２の多さとその直径から、導光束２１は原理的に光学的に結像すると考えられる。導光束２１の光ファイバ２２は、異なる透過率を有し、光ファイバ２２は高い透過率を有する第１のグループに属するか、または著しく低い透過率を有する第２のグループに属するかのいずれかである。対応する光ファイバ２２は統計的に分布しているので、入射面２３に光を一様に導入すると、導光束２１の出射面２４または投影において、図３に例示するようなパターン５０が得られる。ここで、パターン４０の個々の点は、実質的に撮像センサ１１の分解能に対応する。それぞれの光ファイバ２２の透過率のみで、点の明るさが決定される。透過率の異なる個々の光ファイバ２２の統計的分布により、投影パターン５０は非常に非対称で細かいものとなっている。

三角測量のために撮像センサ１１で撮像する面にパターン５０を投影することで、コントラストが加わり、撮像した画像データの個々の画像点またはこれらの画像データにおける投影パターンの点が一意に割り当てられるようになり、その結果、もともとコントラストの低い面でも三角測量による３Ｄ情報の把握が可能になる。

パターン２２の最終的な投影のために、光源２５として表面実装型白色発光ダイオードが設けられ、その光は放射偏向用光学素子２６としてのプリズムを介して導光束２１の入射面２３に結合される。図１に示すように、光源２５と放射偏向用光学素子２６と導光束２１とを配置することにより、撮像ユニット１０の残りの構成要素と比較して構造高さを小さくできると同時に、投影軸２０’を撮像センサ１１，１２の記録軸１１’，１２’と平行に配置できる。

図２は、ボアスコープ１の代替的かつ例示的な実施形態を示し、これは図１の例示的な実施形態に概ね対応している。このため、代替的かつ例示的な実施形態の相違点のみを以下に記載し、その他については上記の説明を参照するものとする。

図２に記載の例示的な実施形態の差異は、光源２５を導光束２１の入射面２３に連結することに限定され、それ以外は図１と同様に設計されている。

光源２５としての白色発光ダイオードは、導光束２１の入射面２３に直接向けられ、光源２５と入射面２３の間にはコリメータレンズ素子２７とストッパー２８が設けられている。これらのビーム影響用素子２７，２８により、入射面２３全体にわたって導光束２１への光の均一性が確保される。

１ ボアスコープ
２ 先端部
３ シャフト
３’ シャフト軸
４ 保護ハウジング
１０ 撮像ユニット
１１ 撮像センサ
１１’ 記録軸
１２ 撮像センサ
１２’ 記録軸
１３ 代替光源
２０ パターンプロジェクタ
２０’ 投影軸
２１ 導光束
２２ 光ファイバ
２３ 入射面
２４ 出射面
２５ 光源
２６ プリズム（放射偏向用光学素子）
２７ コリメータレンズ素子（ビーム影響用素子）
２８ ストッパー（ビーム影響用素子）
５０ パターン

Claims (10)

1. ボアスコープ開口部に挿入されるように設計されたシャフト（３）の端部にボアスコープレンズとして２つの撮像センサ（１１）を有する電子的な撮像ユニット（１０）を備え、
   前記２つの撮像センサ（１１）の互いに対する位置および照準は、三角測量法を使用して３Ｄ情報を把握するのに適したものであり、
   前記２つの撮像センサ（１１）の共通記録領域にパターン（５０）を投影するためのパターンプロジェクタ（２０）が設けられ、前記パターンプロジェクタ（２０）は透過率の異なる光ファイバ（２２）が統計的に分布した基本的には光学的に結像する導光束（２１）を含み、前記導光束（２１）の入射面（２３）に光源（２５）が連結され、前記導光束（２１）の出射面（２４）が前記２つの撮像センサ（１１）によって撮像される領域に方向付けされている
   ことを特徴とする、特に航空機エンジンのボアスコープ検査用のボアスコープ（１）。
2. 前記導光束（２１）は、０．５ｍｍから１．１０ｍｍの径を有し、好ましくは０．８９ｍｍから０．９０ｍｍの径を有することを特徴とする、請求項１に記載のボアスコープ。
3. 前記導光束（２１）は、６５００本から１００００本の光ファイバを含み、好ましくは７７００本から７９００本の光ファイバ（２２）を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載のボアスコープ。
4. 前記光ファイバ（２２）のそれぞれは、８μｍから１０μｍの径を有することを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載のボアスコープ。
5. 前記光源（２５）は、少なくとも１つのＬＥＤを含むことを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載のボアスコープ。
6. 少なくとも１つの光学素子は、ビーム偏向用であって好ましくはプリズム（２６）、ならびに／または、ビーム影響用であって好ましくはストッパー（２８）および／もしくはレンズ素子（２７）であり、前記光源（２５）と前記入射面（２３）との間に設けられていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載のボアスコープ。
7. 前記光源（２５）は、白色光および／または赤外光を出力するように設計されていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載のボアスコープ。
8. 前記撮像センサ（１１）の記録錐は、前記シャフト（３）に対して所定の視野角で方向付けされていることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載のボアスコープ。
9. 前記撮像ユニット（１０）は、カラー画像を撮像するための少なくとも１つの撮像センサ（１２）を備えることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載のボアスコープ。
10. 前記シャフト（３）は、フレキシブルシャフトとして設計されていることを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載のボアスコープ。

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