JP2949600B2 - 結像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 この発明は、ロボットアームを案内するのに適した結
像装置に関し、特に、溶接ロボットにより行なわれる自
動溶接において溶接トーチを支持するアームに関する。
この装置は、自動切断機の動作を案内するのに使うこと
も出来るものである。

背景技術 溶接ロボットにおいてロボットアームを案内するため
には、溶接されるべきシーム（継ぎ目）を溶接電極に対
して相対的に位置させる必要がある。継ぎ目が存在する
標的面のトポロジーに関する３次元情報を得れば、その
面について遥かに多くの情報を得ることが可能になると
共に、大きな融通性が溶接ロボットに与えられることに
なるので、望ましい。

標的面について３次元情報を得ることの出来る結像装
置が米国特許第４、501、950号においてキャタピラー・
トラクター社により提案されている。この文献におい
て、開示された結像装置は、入射レーザービームをビー
ム・ガイドに向けるように配設されたレーザービーム源
を支持する支持構造を備えており、これによりレーザー
ビームは標的面上の円形経路を通るように向けられる。
該ビーム・ガイドは、レーザービームにより照明される
標的面の像を見るために入射レーザービームと同期して
回転する窓も備えている。この窓は、該ビーム・ガイド
の受光部分の一部分を形成し、この部分は、該ビーム・
ガイドの回転軸に沿って伸びるチャンバの中へ像を反射
させ、その像を該チャンバを通して向けるように配設さ
れたミラー又はプリズムの組立体を含む。ドーブプリズ
ムは、該チャンバ内に取り付けられ、該ビーム・ガイド
の副組立体により支持されて、ビーム・ガイドの投射部
分と同じ方向に、半分の速度で回転する。よって、像
は、該ドーブプリズムを通るとき、該支持構造に関して
『減回転（de−rotated）』させられる、該ドーブプリ
ズムから出るとき、像は、該チャンバ内の開口部より上
に固定されているカメラ組立体の中に向けられる。

この発明のカメラ組立体は、その『減回転』させられ
た像を１次元センサー・アレイ上に向ける収束レンズ装
置を含む。このセンサー・アレイは、レーザービームが
当る線形位置を検知し、この情報をデータ処理装置に送
るために電気信号に変換する。この情報は、円形経路上
のレーザービームの位置に対応する光ガイドの角度方位
と関連して処理される。その角度方位に関する情報は、
実質的に在来のトランスデューサから得られる。

ロボットアームの端に位置する結像装置が出来るだけ
軽くて小型であることが極めて望ましいことは理解され
よう。しかし、溶接作業中の非常に過酷な条件に耐える
ことが出来る様に、頑丈でなければならないという矛盾
する要求にも答えなければならない。光学装置、特に光
ガイド、の品質は、送信のロス及び歪の結果として結像
装置の動作に極めて大きな影響を及ぼす。

これらの問題の幾つかは、像の光学的『減回路』を省
略し、代わりに２次元光センサーを使い、前述の米国特
許において示唆されている様にコンピューターによって
像を『減回転』させるための適当なプログラムを工夫す
ることによって、軽減することが出来る。しかし、得ら
れる情報を処理する困難、及び特に多重反射問題に対す
る緩和の喪失は、しばしば、この方策の利点より重大で
ある。

米国特許第４、501、950号に従って構成された結像装
置は複雑であるので、大きく、重く、組み立てにくく、
高価で、頑丈さが不足している。従って、従来技術の結
像装置の融通性は極めて限られている。

発明の開示 本発明装置は光ビーム源、ビーム・ガイド及びカメラ
組立体を支持する支持構造を有し、前記光ビーム源は、
射出光ビームを前記ビーム・ガイドに向けるように配設
されており、前記ビーム・ガイドは、射出ビームを標的
面上に投射して前記標的面上の無端経路の周囲を掃引さ
せ、その射出ビームによって照明される経路の部分から
戻ってくる光を受け取るために前記無端経路周囲を同期
して走査し、戻ってくる光を、前記カメラ組立体に設け
られている光センサー上に向けるようになっている結像
装置であって、前記ビーム・ガイドは回転可能なプリズ
ム手段を有し、このプリズム手段は、前記無端経路周囲
を掃引させるようにビームを向けるためにこのプリズム
手段が回転させられるときにそのプリズム手段の伝送要
素の相対的に傾斜した面を通して射出ビームが伝送され
るように配設される一方、そのビームにより照明される
前記経路の部分から戻ってくる光を前記光センサー上に
向けるようにこのプリズム手段が回転させられるとき
に、その戻ってくる光がプリズム手段の受光要素の相対
的に傾斜した面の通して受光されるようになっていると
ともに、前記伝送要素及び受光要素のそれぞれの傾斜面
は互いに平行であることを特徴とするものである。

本発明の他の特徴は、光ビーム源、ビーム・ガイド及
びカメラ組立体を支持する支持構造を有し、前記光ビー
ム源は、射出光ビームを前記ビーム・ガイドに向けるよ
うに配設されており、前記ビーム・ガイドは、射出ビー
ムを標的面上に投射して前記標的面上の無端経路の周囲
を掃引させ、その射出ビームによって照明させる経路の
部分から戻ってくる光を受け取るために前記無端経路周
囲を同期して走査し、戻ってくる光を、前記カメラ組立
体に設けられている光センサー上に向けるようになって
いる結像装置であって、前記ビーム・ガイドはレンズ手
段に結合された回転可能なプリズム手段と光学的に等価
な回転可能な光学手段を有し、この光学手段は、この光
学手段が回転させられるときにその光学手段の伝送要素
を通して射出ビームが伝送されて前記無端経路の周囲を
掃引るとともにそのビームを標的面上に集束させ、その
ビームにより照射される前記経路の部分から戻ってくる
光を、前記光学手段がが回転させられるときに、その戻
ってくる光を平行にしてセンサーへ向けるように前記光
学手段の受光要素を通して受光されるようになっている
ことを特徴とするものである。

本発明の好適な特徴と、随意の特徴とは、以下の記述
と、本明細書に付属する請求項とから明らかとなろう。

図面の簡単な説明 ここで、添付図面を参照して、本発明に従って構成さ
れた結像装置の実施例を、例示のみを目的として説明す
る。

図１は、該結像装置の第１の実施例の断面図である。

図２は、この第１実施例に使われているプリズム手段
の斜視図である。

図３は、図２に示されているプリズム手段のためのカ
ウンタ・バランスの斜視図である。

図４は、第１実施例から投射されたビームが通る経路
の略図である。

図５は、第１実施例の視野を示す図である。

図６は、第１実施例のカメラ組立体に使われる光セン
サーの平面図である。

図７は、該結像装置の解像度を向上させるためにペリ
スコープ・プリズムを使う本発明の第２の実施例の光学
構成要素の断面図である。

図８は、無端経路の中心を変位させるために非対称凸
スタンドオフ・レンズを使う本発明の第３実施例の光学
構成要素の断面図である。

図9A及び9Bは、それぞれ、投射要素及び受光要素が別
々のウェッジ・プリズムにより提供される該結像装置の
第４実施例の光学構成要素の断面図及び平面図である。

図10Aないし10Dは、無偏光光と円偏光光とを使って、
90度Ｖ型断面溶継ぎ目上の投射ビームの経路と、測定さ
れたレンジ情報と、受光された像の強度のグラフとを示
す。

図11Aないし11Cは、標的面を照明して、偏光した光の
中の標的面を見るために該結像装置に包含されることの
出来る光学装置の副組立体を示す。

図12は、ジグ内に支持された複雑な重ね継じ目とグラ
フとを示し、このグラフは、測定されたレンジ情報と、
図11に示されている副組立体を使う結像装置が該ジョイ
ントを走査するときに受光される像の強度をの示す。

図13は、60度Ｖ型継ぎ目とグラフとを示し、このグラ
フは、測定されたレンジ情報と、円偏光光と図11に示さ
れている副組立体とを使って受光された像の強度とを示
す。

発明を実施する最良の態様 図１ないし図３を参照すると、該結像装置の第１の実
施例は、円筒状ハウジング１により提供される支持構造
と、レーザー２により提供される光ビーム源と、光ガイ
ド（更に後述する）と、カメラ組立体３とから成る。レ
ーザー２は、コリメーター付きのレーザー・ダイオード
であるのが好都合である。スキャナの信号体雑音比（S/
N）がもともと良好で、前記の構成の光学的効率が良い
ことは、低パワー（例えば5mW）のレーザー・ダイオー
ド２を必要とするに過ぎないことを意味する。カメラ組
立体３は、適当なレンズ・システムを備えており、これ
は、例えば、カメラ・レンズ26と干渉フィルター27とか
ら成っていて、軸４に平行に戻ってくる光を受けるよう
に配設されている。

レーザー２のコリメータは、固定して装置され、ハウ
ジング１の中央縦軸４から半径方向に離間しており、入
射光ビームＩを軸４に平行ビーム・ガイドの中へ投射す
るように配置されている。

ビーム・ガイドは、ハウジング１の前端に取り付けら
れており、円筒状外周と軸方向に伸びる穴とを備えたウ
ェッジ・プリズムから成っており、これによりプリズム
５は、軸方向に伸びる駆動シャフト６上で軸４の回りに
回転するように装置される。駆動シャフト６は、ハウジ
ング１の後端に向かって伸び、それで駆動モーター７に
結合される。プリズム５を釣り合わせるために（そのサ
イズをなるべく小さくするために）黄銅などの重金属か
ら作られた非対称カウンターバランス・リング８がプリ
ズム５の外周の回りに設けられ、該組立体が使用中に滑
らかに回転することを可能にする。プリズム５とカウン
ターバランス・リング８との斜視図がそれぞれ図２及び
３に示されている。

プリズム５は、これに入射するレーザービームＩが常
にその傾斜面９及び10を通して伝送され、従って、該プ
リズムを通過するビームＩが軸４に平行な経路から偏向
されることとなる様に配設されている。該ビームの偏向
角の大きさは一定で、プリズム５の軸４に関してのプリ
ズム角度と姿勢とに依存することが容易に理解されよ
う。しかし、該ビーム偏向の方向は（軸４の周囲の）プ
リズム５の角度方位に依存し、これは、ビームＩが何時
でも通過している該プリズムの要素の角度方位を制御す
る。従って、プリズム５を回転させることにより、該角
度方位は、その各回転にわたって周期的に変化し、回転
するプリズム５から投射されるビームＰを円錐面の回り
に絶え間なく掃引させる（図４から最も良く分かるよう
に）。ビームＰは、標的面に入射するとき、掃引するに
従って無端経路Ｅの部分部分を漸進的に照明する。プリ
ズム５は、一般的には、毎秒10ないし50回転で回転させ
られて、ビームＰを同じ速度でその無端経路の回りに掃
引させる。

ビーム・ガイドには、固定して取り付けられたスタン
ドオフ・レンズ11も含まれており、これは、標的面上の
公称範囲ＤへビームＰの平行光線を収束させるように配
設されている。スタンドオフ・レンズ11は、対称軸を有
し、この軸がハウジング１の軸４と一致する様に配置さ
れている。

標的面に入射するビームＰは、その面の性質に従って
（即ち、それが鏡のようであるが、反射鏡上であるか、
又はランバート面であるかによって）反射され及び／又
は散乱される。この反射又は散乱された光は、該ビーム
によって照明される面の像を運び、該結像装置による該
像の操作についての以下の記述は、この光の操作を指す
ものであると理解されよう。

像を見るためには、ビームによって瞬間的に照明され
た標的面を走査する必要がある。これは、ビームＩが投
射された部分の正反対の位置のプリズム５の別の部分を
通して受光する様にカメラ組立体３を取り付けることに
より達成される。よって、ビームＰが無端経路Ｅの周囲
を進む時、カメラ組立体３はスタンドオフ・レンズ11
と、プリズム５のこの別の部分とを通して像を受け取
る。この部分の面10及び９を通して伝送される過程で、
ビームＩが投射された部分の効果が反転されて、像は減
走査（de−scanned）される。そのため像は、無端の２
次元（実際の目的）経路の回りを進まず、結像装置と標
的面との間の距離に従って１次元の又は線形の光源12の
長さに沿って線形に変位する殆ど大きさのないスポット
として取り扱うことができる。

解説を簡単にするために、それを通してビームＩを投
射するところのプリズム５の部分は伝送要素と呼ばれ、
戻ってくる光をそれを通して受け取るところのプリズム
５の部分は受光要素と呼ばれる。

よって、反射特性によってビームの走査及び減走査の
両方を行なうので、ビーム・ガイドは単純にプリズムを
回転させるのに対して、例えば上記したものなどの従来
技術の結像装置の場合は、この効果を達成するために遥
かに複雑なプリズム及び／又は鏡の装置に依存する。こ
の様に構成されたビーム・ガイドは、従来技術のビーム
・ガイドより遥かに簡単で、コンパクトにすることが出
来る。更に、このビーム・ガイドは、同等の従来技術結
像装置に使われるビーム・ガイドにより相当安価に、高
い光学性能（即ち、最小限の歪と光ロス）を持つ様に作
ることが出来る。

光センサー12は、像が面上に投射される位置を示す電
気信号を生成する在来の光学電子装置である。これらの
信号は、プリズム５の瞬時角度方位を示すデータをも受
信するデータ処理装置（図示せず）に送られる。プリズ
ム５の瞬時角度方位、経路Ｅの回りを進行中の投射され
たビームの位置の示すことが理解されよう。結像装置か
らの標的面の（軸４に沿っての）距離と、軸４に垂直な
平面内にあるビームに照明される２次元の面の部分の位
置とが決定され、従って、結像装置に関しての３次元に
おける像の位置を決定する。この情報は、面のトポグラ
フィーを決定するために充分な数の像サンプルについて
積分することが出来る。

プリズム５の角度方位を決定するためにいろいろな装
置を使うことが出来るが、その中には、シャフト・エン
コーダ／レゾルバ（図示せず）を使うことが含まれ、或
は、線形センサー12からの信号をプリズム５の回転によ
り起動されるトリガーに応じて線形センサー12からの信
号をサンプリングすることが出来る。

図５は、結像装置が経路Ｅの周囲を走査するときの光
センサーの視野を示す（それが標的面に関して不動に保
たれると仮定する）。このセンサーの視野は、回転せ
ず、同じ方位を保ちながら円形経路の周囲を変位する。
これは、視野が中央軸の回りを回転する上記の従来技術
とは対照的である。

図１から分かるように、線形センサー12は、被写界深
度を深くするために軸４に関して傾斜している。この角
度は、レーザービームＰの視線に沿う全ての点をセンサ
ー12上に収束させることが出来るように、周知のシャイ
ムプフルグ（Scheimpflug）条件を満たすために選ばれ
る。この結像装置は、光ビームの中央の光線が無限遠に
収束し、センサー12の中心がレンズ11の焦点となるよう
に構成されている。

理想的構成では、レーザー・スポットは標的上に正確
に円形の経路を描き、線形センサー上の対応する像位置
は標的のレンジを示し、これはプリズム走査角度から独
立している、即ち、センサー軸４に垂直な平面を見る
時、プリズムが回転するに従って一定の信号レベルが感
知されるべきである。標的の距離が変化する時、信号レ
ベルにも対応する変化がある。実際には、この状態は、
上記結像装置については厳密には満たされないけれど
も、適当な光学設計により、これらの収差及びその他の
収差を最小限に保つことが出来る。

図６は、いろいろな標的の距離についてプリズムの回
転を通して像スポット位置がどのように変化するかを示
す。スポット位置はｘ方向及びｙ方向の両方に運動する
ことに注意しなげればならない（この運動の程度は、特
にセンサーの幅を横切る方向の偏差は、図面において誇
張されている）。実際には、この偏差の大きさは、像ス
ポット自体のサイズと同等となる点まで小さくすること
が出来る。また、この偏差の大きさは、最大精度が要求
される公称標的距離に対応する該検出器の中心で非常に
小さくすることが出来る（そして、継ぎ目トラッキング
中の溶接継手の代表的位置に対応する）。このために、
センサー信号をレンジに変換する較正手続きは、プリズ
ム方位も考慮しなければならない。

これらの変化を最小限にするのに、下記の他の二つの
要素が重要である。

１） プリズムの傾斜面を、１面に入るビーム及び他の
面から出るビームと対称となるようにすることにより、
プリズム５の方位を、その面の各々を通過するビームの
屈折角度を最小限にする（よって各面を通じての屈折角
度は同一となる）。このことは、（図に示されているよ
うに）プリズムの１面が他の面よりは軸４に対して大き
く傾くことを意味する。

２） 収差を最小限にするために、球面レンズよりも非
球面スタンドオフ・レンズ11を作う方が好都合である。

上記した実施例は単純でコンパクトであるけれども、
いろいろな代替構成を使えることが理解されるであろ
う。例えば、プリズム５は、ハウジング１の内部に係合
するベアリングに取り付けることが出来るとともに、駆
動モーターのローターとして形成し、ステーターを駆動
シャフト６の回りに延在させることが出来る。

スタンドオフ・レンズは、上記したように単一の凸レ
ンズでもよいが、収差を小さくするために非球面レンズ
であるのが好都合である。このレンズは、対称軸が結像
装置の軸と一致するように対称となっていることが出来
る。スタンドオフ・レンズ11が対称であるときには、レ
ンズ11とウェッジ・プリズム５を単一の光学要素として
組み合わせることが出来る。そのような組み合わせ光学
要素は、実際上は、それ自身の光軸からオフセットした
軸の回りに回転するように装置されたレンズであり、そ
の公称レンジでの無端経路Ｅの半径は、このオフセット
距離と等しい。従って、この明細書で使われる『プリズ
ム』及び『プリズム手段』という用語は、回転するとき
に、それを通るビームを屈折させてそれを、無端経路の
回りに掃引させるような、上記したような光学要素を包
含するものと理解されるべきである。

他の構成（図示せず）では、プリズム５は背中合わせ
に取り付けられた１対のウェッジ・プリズムからなるの
で、その背中合わせプリズムの相対的回転によって実効
プリズム角度を変えることが出来る。これは、走査角
度、即ち投射されたビームと軸４との間の角度を、プリ
ズムを異なるプリズム角度を持つ他のプリズムプリズム
と交換することなく、変更する方法を提供するものであ
る。プリズム角度がその２個のプリズムの相対的回転に
よりセットされた後は、それらの互いに固着されて、図
示されているウェッジ・プリズム５と同様にして軸４の
回りに一体として回転する。

本結像装置の解像度は、投射要素と受光要素との間の
距離を大きくすることによって三角測量角度を大きくす
ることにより改善される。これは、より大きな半径のプ
リズム５を設けるとともに、それに対応してレーザー２
及びカメラ組立体３を軸４からよに遠く配置することに
よって達成される。しかし、解像度を向上させるこの方
法には、プリズム５のサイズと重さが大きくなるので、
機械的な欠点がある。環状プリズムを使うことによっ
て、重量の問題を軽減することが出来る。しかし、図７
に示されている、結像装置の第２の実施例は、投射ペリ
スコープ・プリズム及び受光ペリスコープ・プリズム14
を使うことによって、この問題に対する好適な解決策を
提供する。

投射ペリスコープ・プリズム13は投射要素とスタンド
オフ・レンズ11′との間に固定して取り付けられてお
り、受光ペリスコープ・プリズム14はスタンドオフ・レ
ンズ11と受光要素との間に固定して取り付けられてい
る。場所を別として、ペリスコープ・プリズム13及び14
は同一であり、軸４に実質的に垂直に位置する対向する
面の第１の対と、軸４に対して傾斜した対向する面の第
２の対とを各々有する平行６面体から成る。したがって
軸に垂直で、プリズム５から離間している面13A及び14A
間の距離は、軸に垂直でプリズム５に近い面13B及び14B
の間の距離より大きい。投射ペリスコープ・プリズム13
の傾斜面の傾斜は、投射されたビームＰ′を偏向させて
ビームＰを実質的に平行なコースに戻す前に、ビームＰ
の向きを変えて軸４から半径方向に遠ざげる。像に対す
る受光ペリスコープ・プリズム14の効果は、正反対であ
る。これは、回転する質量を大きくする危険をおかさず
に投射要素と受光要素との間の距離を増大させる効果を
有する。ハウジング１とプリズム５の軸も小さくするこ
とが出来る。更に、ペリスコープ・プリズム13及び14、
並びに必然的に大きくされたスタンドオフ・レンズ11′
は、第１実施例について説明したスタンドオフ・レンズ
11と便利に置換することの出来る単一の随意的なモジュ
ールとして設けられることが出来る。

人間の目には見えない周波数でビームを放射するレー
ザーを使うことが時には必要になる。これにより、標的
の面がスタンドオフ・レンズの公称焦点にあるように結
像装置を位置決めするときに困難が生じる。この問題を
克服するために、図８に示されている第３の実施例は、
主レーザービームＩに平行な可視レーザービームＶを投
射する第２のレーザービーム源15を取り付けられてい
る。結像装置の焦点合わせを容易にするとともに、可視
レーザーは、より強力で潜在的に危険な主レーザーの存
在に関して警告を与える。

図８は、非対称スタンドオフ・レンズ11″の使用も示
しており、その光軸16は結像装置の軸４からオフセット
している。これは、レンズ11″の軸16を中心とし続ける
経路Ｅの中心を変位させるという効果を有する。これ
は、例えば、センサーと溶接装置との間のリード距離を
変えるために、本装置によって走査される標的面の領域
を変えるために使うことが出来る。

図9A及び9Bに示されている第４の実施例は、単一のプ
リズム５を２個の同一のウェッジ・プリズム17及び18と
置き換えることにより結像装置の幅を小さくする方法を
示す。これらのプリズムの各々は、円筒状外周を有し、
構造を釣り合わせて滑らかに回転出来る様にするために
カウンターバランス・リング19及び20をそれぞれ備えて
いる。各カウンターバランス・リング19、20の外周面
は、ボールベアリング21、22の一つのレースを構成して
おり、これによって各プリズムがハウジング１′に回転
可能に装置される。外側に歯を有する環状歯車23及び2
3′がリング19及び20に設けられていて、駆動シャフト
６に回転するように取り付けられた中央歯車23とかみ合
っており、駆動シャフト６の回転によってプリズム17及
び18の各々が正確に同じ速度で同じ方向に駆動されるよ
うになっている。プリズム17の回転軸は軸４に関してプ
リズム18の回転軸と直径方向で対称であり。プリズム17
及び18は、プリズム17の各傾斜面がプリズム18の対応す
る面に平行になるように取り付けられている。よって、
レーザー源２がプリズム17を通してレーザービームＰを
投射するように配置されていて、カメラ組立体３がプリ
ズム18を通して像を受け取るように配置されているとき
には、プリズム17は投射要素となっていて、プリズム18
は受光要素となっている。プリズム17及び18の軸を軸４
に関して相互に直径方向に対向するように配置する必要
はないことが理解されよう。

スタンドオフ・レンズ11は、好ましくは、その重量を
最小限にするために（図9Bに示されているように）この
実施例のハウジングの前端25に一致する形状の外周を有
する。装置の重量を軽くするために、同様の形状のスタ
ンドオフ・レンズを図７に示されている実施例にも使う
ことが出来る。

全ての実施例で、ビーム・ガイド構成要素を、図１に
示されているように、ハウジング１の前に装置された犠
牲的な透明窓28によって保護することができる。その装
置は、窓28を容易に交換できるようになっている。冷却
空気を窓28の上を通すために空気供給装置（図示せず）
を設けることも出来る。

本結像装置の、前述した実施例は、多数の標的面のト
ポロジーを決定するために信頼できるデータを作ること
が出来るが、一般に或るトポロジー及び表面特性に起因
して、紛らわしいデータを作る状況が幾つかある。下記
の装置は、そのような状況に対処し、或は少なくともそ
れを識別する手段を提供するために、前述の実施例に設
置するこが出来る。

これらの結像問題の性質を理解するために、表面から
の光の散乱のプロセスに存する基本的物理についての
（非常に単純化された）説明を考察する必要がある。次
の二つの基本的プロセスが関係している。

１） ランバート散乱 この場合、レーザービームからのフォトンはランダム
な方向に散乱される。このような散乱は、一般に、解釈
しやすい良好な品質の像を生じさせる。低光沢の紙、
布、皮革、及び、光沢のない金属などの艶消し面は、ラ
ンバート散乱にほぼ近い散乱を生じさせる。

２） 鏡面反射 この場合には、フォトンは、表面から非常に特別の方
向に反射される。鏡は、殆ど完全な鏡面反射体である。
溶接プロセスで遭遇する表面の多くは、本来鏡面的であ
る。鏡面反射の高度に方向的な性質は、視覚センサーに
ついての問題を生じさせる。検出器に戻ってくる信号の
強度（即ち像の強さ）は、走査の中で大きく変化するこ
とがある。金属面が明るいほど、問題が悪化する。一般
に、表面の粗さは、注意すれば検出できる少量の散乱が
発生するような程度である。

溶接センサーで遭遇する幾つかの問題は、溶接継目の
性質とビーム角度の選択とに起因して生じる強い鏡面反
射によって引き起こされる。図10は、溶接トーチの移動
方向に添って見た一般的な溶接する継目を状態を示す
が、これはレーザーとカメラとの平面に添っている。Ｖ
−プレプ（Ｖ−prep）として知られるこの継目は、用意
された（切削された）面取りエッジ31及び32をもって突
き当てられて、囲まれたＶ型断面の谷33を形成する２個
の金属板29及び30（これは互いに溶接されるべきもので
ある）で形成される。レーザービームがこの継目の面を
横切って走査すると、検出器の視野が追随する。金属板
29及び30の面は一般的には（酸化、ゴミ、又は錆で）曇
っており、質の良好なランバート信号を与える。しか
し、用意された面取り表面31及び32は鏡面であり、貧弱
な戻り信号を与える。囲まれた90度の谷33は、センサー
に戻る非常に強い二重反射を与えるコーナーリフレクタ
として作用する。

図10Bは、スキャナが図10Aに示されている溶接継目を
横切って走査するときにそのスキャナによって測定され
るレンジ情報がどのように変化するかを示す。図10Cに
は、センサーに戻る信号強度がどのように変化するかを
示す。平らな金属板29及び30から戻ってくる信号29A及
び30Aは強いけれども、走査が面取りエッジ31及び32を
横断するとき、信号31A及び32Aの強度は急激に低下す
る。信号強度のこの低下は数桁にもなることがあって、
その信号を検出することを困難にする。走査がその継目
の中心を横断するとき、戻ってくる二重反射（コーナー
反射）が検出器の狭い視野に入るとき、信号強度33Aの
急激な増大が生じる。この問題に対処するために、レー
ザー２の強度と、センサー12からの信号の利得との両方
を制御して最適の信号の質を与える制御・分析システム
（図示せず）が設けられる。従って、信号強度情報は、
好ましくは１次元位置データとしても監視されるべきで
ある。これを行なう方法は、光センサー12の性質に依存
する。線形位置検知検出器（PSD）を使う場合には（こ
れは好都合な選択肢である）、信号強度情報は自動的に
利用可能である。

線形電荷結合素子（CCD）検出器が使われる場合に
は、別の光検出器（図示せず）によって信号強度を監視
するのが好都合であることが分かる。カメラ組立体３
を、例えば、センサー12が受け取る光が光検出器へも反
射されるように構成することが出来る。

この検出器又はPSDにより生成された戻り信号の（投
射されたビームの強度で除された）強度は、制御・分析
システム（図示せず）に供給されて位置データとともに
分析される。図10Bから分かるように、この強度データ
は、像の解釈に大きな効果を発揮することが出来る特徴
を示す。一般に、像の特徴（エッジ、角、穴など）は、
信号強度の不連続と関連する。

光の偏光を利用することによって溶接継目の性質につ
いての追加の情報を得ることが出来る。ランバート散乱
では、フォトンがランダムな方向及び偏光で散乱される
ので、ビームの偏光の状態は失われる。しかし、鏡面反
射では、ビームの偏光状態についての情報は保存され
る。この場合には、円偏光を使うのが好都合である。

鏡面反射時には、円偏光の向きは反転する（即ち、右
円偏光は左円偏光となる、等々）。このことを利用し
て、鏡面反射状態を識別すると強に、発生する幾つかの
問題を無くし、或は少なくともそれを識別することが出
来る。

図10Dは、90度Ｖ溝溶接継目を横断する走査について
の信号強度プロットを示し、ここでビームの右偏光成分
及び左偏光成分が分離される。平らな金属板29及び30か
らのランバート散乱は、前と同じく信号29B、29C及び30
B、30Cを生じさせ、ランバート散乱はランダムな偏光状
態（左ビーム及び右ビームの各々50％に等しい）を生じ
させるので左成分及び右成分（破線及び連続線でそれぞ
れ示されている）の強度は等しい。面取り面31及び32か
らの信号31B、31C及び32B、32Cは共に弱いけれども、右
信号31B及び32Bは左信号31C及び32Cより強い（向きが反
転したために）。角又は二重反射に対応する中央のピー
ク33Cは、向きが２回反転して、最初に放射されたビー
ムの同じ向きで戻ってくるので、今は左成分上に存在す
るだけである。

図11Aは、結像装置から投射されるレーザービームを
円偏光させる投射副組立体を示す。この副組立体は、レ
ーザー２のコリメータからのビームの経路に取り付けら
れた偏光フィルター41を備えており、これはそのビーム
を直線偏光させる。多数の、例えばレーザーダイオード
などのレーザービーム源は直線偏光ビームを生成するの
で、直線偏光フィルター41は必ずしも必要ではない。こ
の組立体は、その直線偏光ビームの経路に配置された四
分の一波長板39を備えている。四分の一波長板39は、直
線偏光ビームを円偏光ビームに変換する。偏りの向き
（即ち、左又は右）は、周知のように波長板39の向きに
よって制御される。この例として、左向きに偏光したビ
ームを考察する。

図11Bは、像のカメラ組立体への戻り経路に設置され
た直線偏光フィルター41′と四分の一波長板39′（投射
副組立体の板41及び四分の一波長板39に類似）から成る
受光副組立体（図11Aに示されている投射副組立体と関
連して使われる）を示す。フィルターの向きを適当に選
べば、この組み合わせによって、特定の状態の円偏光だ
けを通過させることが出来る。出て行くレーザービーム
と反射の状態だけを許容するように選ぶことによって、
コーナー反射から生じる信号を大幅に消去することが出
来る。

図12は、２枚の薄いスチール圧縮成形43及び44の間ラ
ップジョイントを含む自動車産業の複雑な溶接例を示
す。この場合には、スチール・シート43及び44自体は光
沢があって鏡のように反射するので、比較的に低い信号
43B、43C及び44B、44Cを与える。このシートの保持する
のに使われる保持治具45は、シート43及び44の間の所望
の溶接継目のそれと類似する外形を持ってはいるけれど
も、使用されて汚れており、ランバート性がはるか強
く、従ってはるかに強い信号45B、45Cを与える。このラ
ップジョイントは、コーナー反射により一層複雑となっ
て、信号強度にピーク１を生じさせる。上側のシート43
の湾曲面も、レーザーが位置P4の近くを通る時に鏡面角
度状態を生じさせる（これは、これは、主ビームから広
がる少量の光のレーザーから放射されて、それ自身の鏡
面角度で強くされるためである）。この結果として信号
強度P2大幅に増大し、P3測定される位置情報が歪む。図
10に関して説明した、或は、ここでP1に存するコーナー
反射状態とは異なって、P4での鏡面反射は単一散乱の結
果として生じるものであり、信号強度P2のピークは（前
のように左成分にではなくて）右成分に発生する。従っ
て、これらの２種類の鏡面ピークを処理するための要件
は異なるので、戻ってくる信号の左成分及び右成分の両
方へのアクセスを持つことが望ましい。

これを達成するための投射副組立体が図11Cに示され
ている。ここでは、投射されるビームは、（１個ではな
くて）２個のレーザー２、２′のコリメータから生成さ
れることが出来る。このビームは、偏光ビーム分割キュ
ーブ46及びプリズム47によって組み合わされる。２個の
レーザー２、２′は、図11Cに示されているように水平
偏光ビームI1及び鉛直偏光ビームI2を生じさせるように
整列している。この組み合わされた出力ビームは、四分
の一波長板39″を通過した後は、２個のレーザー２、
２′のいずれかが使われているかに応じて左円偏光ビー
ム又は右円偏光ビームを生成することが出来る。この場
合には、図11Bに示されている受光副組立体と関連して
使われるとき、該ビームの両方の成分の信号強度を測定
することができる。

実際には、使用されているレーザーの各々で、代替の
サンプルを取ることができ、或は、代わりに、使われて
いるレーザーの各々で完全な走査を行なうことが出来
る。この２成分の強度を比較することにより、観察され
ている面の性質について幾つかの真実を推定することが
出来る。例えば、 １） 若し２成分の強度が同様であれば、その面は恐ら
くランバート性である。

２） 右偏光の信号強度が左信号の信号強度より強けれ
ば、その面は鏡面である。

３） 左信号が右信号より強けれは、その面は鏡面であ
り、コーナー反射状態にある。

４） 右信号が非常に強ければ、そのビームは鏡面角度
に近い。従って、この状態での位置データは信頼できな
い。

図13に示されている溶接継目により他の問題が解説さ
れる。これもＶプレプであるが、ここでは狭角は60度で
ある。この継目は、面取りエッジ31′及び32′が走査さ
れるときにビームが合計３回反射して、入ってくるビー
ムの元の平面に添って戻るという性質を有する。この状
況においては、戻るビームは常に検出器の視野の中に入
り、その結果として、その継目のこの領域にわたって右
偏光ビームについて強い信号を生じさせる。従って、こ
の状況で戻る位置（レンジ）情報は、１次及び３次の反
射経路が一致することになるその継目自体の根33′に近
い場合を除いて、信頼できない。このような状況は解釈
しにくいけれども、この継目の根33′の位置と、平らな
板29′、30′及び面取りエッジ32′、32′の間のコーナ
ーとからその継目プロフィールの形状を或る程度は推定
することが出来る。

ハウジング内に別々に装置されて、標的面上のビーム
・スポットから戻ってくる光を受け取るように配設さ
れ、減走査された像を受け取るためにレーザーからのビ
ームと整列した検出器を各々有する２個（或は、もっと
多くの）カメラによって、鏡面に関する追加の情報を得
ることが出来る。２個のカメラを使う主な目的は、光沢
のある面を見るときに像が鏡面角度に近いという状況に
対処することである。一方のカメラからのデータが悪け
れば、他方が良好なデータを生じさせるべきである；そ
の理由は、異なる位置にあるために、それも鏡面角度に
近いという可能性が小さいからである。

上記したように、ビーム軸と検出器の縦軸とが共面と
なるように各検出器をレーザーからのビームと整列させ
るべきである。

特に溶接ロボットの案内に使われる場合に関して結像
装置を説明した。この結合装置は、この仕事に必要とさ
れる非常に負担の重い動作パラメータと両立するので、
この結像装置は他の多くのアプリケーションにも適す
る。

光ビーム源としては、その単色性の故に、レーザーを
使うのが好都合である。これは、例えば溶接アークから
の干渉する光を、結像装置が受け取る光から容易に濾波
することを可能にするので、その表面が実際上常にレー
ザーからの光で見られることになる。レーザー・ダイオ
ードと、付属のコリメータとは、小型であるので、使う
のに好都合である。

本結像装置は、好ましくは、レーザー駆動と線形セン
サーの出力の質とを保証するのに必要な電子部分だけを
包含する。残余の電子装置は、当該装置上の、スペース
がそんなに貴重ではない場所に収容される。

出射するレーザービームを閉じた経路の周囲に走査さ
せると共に、感知された像を減走査するためにプリズム
を使うので、従来技術に較べると結像装置の構成が大い
に簡単になり、使用される光学システムを最高に活用す
ることによって、設計に固有の収差を最小限にとどめる
ことが出来る。

上記結像装置に使われるビーム・ガイドは単純でコン
パクトであり、レーザー・ダイオードなどのコンパクト
な光源２とコンパクトなカメラ組立体３の使用と組み合
わせると、当該装置は、従来技術装置より小型で軽量と
なると共に、多くの場合に、製造費用が著しく減少す
る。当該装置に使われる光学システムは単純であるの
で、いろいろな装置や素子を付加して、感知された像か
ら更なる情報を抽出することが可能となる。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光ビーム源（２）、ビーム・ガイド及びカ
   メラ組立体（３）を支持する支持構造（１）を有し、前
   記光ビーム源は、射出光ビーム（Ｉ）を前記ビーム・ガ
   イドに向けるように配設されており、前記ビーム・ガイ
   ドは、射出ビームを標的面上に投射して前記標的面上の
   無端円形路（Ｅ）の周囲を掃引させ、その射出ビーム
   （Ｐ）によって照明される円形路（Ｅ）の部分から戻っ
   てくる光を受け取るために前記無端円形路（Ｅ）の周り
   を同期して走査し、戻ってくる光（Ｐ）を、前記カメラ
   組立体（３）に設けられている光センサー（12）上に向
   けるようになっている結像装置において、前記ビーム・
   ガイドは回転可能なプリズム手段（５）を有し、このプ
   リズム手段（５）は、前記無端円形路の周りを掃引させ
   るようにビームを向けるためにこのプリズム手段が回転
   させられるときにそのプリズム手段（５）の伝送要素の
   相対的に傾斜した面（９、10）を通して射出ビーム
   （Ｉ）が伝送されるように配設される一方、そのビーム
   （Ｐ）により照明される前記円形路の部分から戻ってく
   る光を前記光センサー（12）上に向けるようにこのプリ
   ズム手段（５）が回転させられるときに、その戻ってく
   る光がプリズム手段の受光要素の相対的に傾斜した面
   （９、10）を通して受光されるようになっているととも
   に、前記伝送要素及び受光要素のそれぞれの傾斜面は互
   いに平行であることを特徴とする溶接継目を決めるため
   の結像装置。
2. 【請求項２】光ビーム源（２）、ビーム・ガイド及びカ
   メラ組立体（３）を支持する支持構造（１）を有し、前
   記光ビーム源（２）は、射出光ビーム（Ｉ）を前記ビー
   ム・ガイドに向けるように配設されており、前記ビーム
   ・ガイドは、射出ビームを標的面上に投射して前記標的
   面上の無端円形路（Ｅ）の周りを掃引させ、その射出ビ
   ームによって照明される円形路（Ｅ）の部分から戻って
   くる光（Ｐ）を受け取るために前記無端円形路周囲を同
   期して走査し、戻ってくる光（Ｐ）を、前記カメラ組立
   体（３）に設けられている光センサー（12）上に向ける
   ようになっている結像装置であって、前記ビーム・ガイ
   ドはレンズ手段（11）に結合された回転可能なプリズム
   手段（５）と光学的に等価な回転可能な光学手段を有
   し、この光学手段は、この光学手段が回転させられると
   きにその光学手段の伝送要素を通して射出ビーム（Ｐ）
   が伝送されて前記無端円形路の周りを掃引するとともに
   そのビームを標的面上に集束させ、そのビームにより照
   明される前記円形路（Ｅ）の部分から戻ってくる光
   （Ｐ）を、前記光学手段が回転させられるときに、その
   戻ってくる光を平行にしてセンサー（12）へ向けるよう
   に前記光学手段の受光要素を通して受光されるようにな
   っていることを特徴とする溶接継目を決めるための結像
   装置。