JP4188558B2 - レーザ走査方法およびシステム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する分野】
(技術分野)
本出願は、１９９７年１１月１４日出願の特許出願第０８／９７０４７８号の一部継続出願である。
【０００２】
本発明は、対象物の輪郭を決定するためのレーザ走査方法およびシステムに関する。
【０００３】
【従来の技術】
(背景技術)
例えば２フィート×２フィート（約６１ｃｍ×６１ｃｍ）あるいはそれ以上の大きな部品を高い寸法精度で作る工業行程はたくさんある。例えばコンピュータ制御レーザ切断機やスタンピング機は、±０．００４インチ（０．１ｍｍ）の寸法精度で大きな金属板部品を製造できる。かかる大部品は、所定の寸法精度を有するか否かを検査し確認しなければならない。
【０００４】
大部品の測定における人為ミスを避けるため、従来から固体撮像素子ＣＣＤカメラ技術を使った自動検査システムが使われてきた。しかしながら固体ＣＣＤ撮像技術を使って大部品の寸法精度を検査するシステムは、いくつかの欠点を持つ。すなわち従来の検査システムは、高価であり時間を要する。
【０００５】
レーザは、対象物や周囲領域からのアナログ信号を捕捉するシステムに使われている。このシステムは、基本的にＣＣＤカメラのように動作する。
【０００６】
またレーザは、部品を配置する際に境界やテンプレートを投影することにも使われている。しかしながらレーザは、部品の寸法輪郭を決定しその部品の寸法精度を検査することには使われていない。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
(発明の開示)
本発明が開示する方法および実施例は、対象物とその対象物の下にある表面にレーザビームを投射する。前記表面は、対象物とは異なってレーザビームを反射するよう構成する。レーザビームは対象物と表面とで反射され、反射ビームは捕捉される。制御器は、反射ビームが対象物からか表面からかを決定する。レーザビームによって前記表面を連続的に走査することにより、対象物の輪郭を正確に決定する。
【０００８】
好適方法において、対象物と表面とをレーザビームで粗走査し、対象物の概略輪郭を決定し、対象物の輪郭の開始点を決定する。次にその開始点から対象物の概略輪郭に沿って精細走査を実行する。
【０００９】
好適実施例において、レーザ走査システムは、透明支持体をさらに含む。この透明支持体は、前記表面から所定距離に対象物を支持することにより、走査解像度を上げ精度を向上する。
【００１０】
本発明のシステムは、前記表面に対するレーザ投射機の３次元位置と向きとを正確に特定できなければならない。実際の３次元位置と向きとを特定するには、既知の方法を利用することができる。
【００１１】
本発明のレーザ走査方法および実施例は、板打ち抜き部品等の部品の正確な輪郭を決定するために使用できる。部品が所定の寸法精度を有しているかを確認するための検査にも使用できる。
【００１２】
本発明の前記およびその他特徴は、以下の説明および図面で明らかにする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
(発明を実施するための最良の形態)
図１は、本発明の第１実施例に基づくレーザ走査システム２０を示す。このシステムは、部品または対象物２２の輪郭を決定する。レーザ走査システム２０は、レーザ投射機２４を含む。レーザ投射機２４はレーザビーム２６を投射する。対象物２２は、表面２８に置く。表面２８は、逆反射材料で被覆することが好ましい。逆反射材料は、例えば３Ｍスコッチライト「エンジニアリンググレード」逆反射シート３２９０である。しかしながら当業者には明らかなように、表面２８は、対象物２２とは異なってレーザビーム２６を反射できればどのような表面でも構わない。レーザ投射機２４は、安定した支持構造３０に取り付ける。当業者には明らかなように、レーザ投射機２４の取り付けには、ずれが少なく強い振動を生じない手段ならばどのようなものを用いても構わない。例えば天井からつり下げても良い。６０度の走査角度を有するレーザ投射機２４を６フィート（１８３ｃｍ）の高さからつり下げた場合、約７フィート×７フィート（２１３ｃｍ×２１３ｃｍ）の走査領域と１走査ステップあたり約０．００２インチ（約０．０５ｍｍ）の解像度を提供できる。
【００１４】
レーザ走査システム２０は、制御器３２を備える。制御器３２は、レーザビーム２６によって対象物２２と表面２８とを走査する。制御器３２は、反射センサ３４を含む。反射センサ３４は、反射ビーム３６を受光する。これら要素は当業者に既知であるため、概略的に図示した。反射ビーム３６を受光すると、制御器３２はそのビーム３６が対象物２２で反射したのか表面２８で反射したのかを決定する。レーザビーム２６で表面２８を連続的に走査すると、対象物２２の輪郭を正確に決定できる。
【００１５】
基本的に制御器３２は、レーザビームが向いている位置を常に把握する。その位置を反射ビームの種類に関係付けることにより、制御器は特定の位置が対象物なのか表面なのかを特定できる。このようにして制御器は、対象物の輪郭を特定する。
【００１６】
好適方法において、レーザビーム２６によって対象物２２と表面２８とを走査する場合、まず対象物２２の概略輪郭を把握するように走査し、対象物２２の輪郭に開始点を決定する。次にその開始点から精細走査を開始する。この精細走査は、対象物２２の概略輪郭に沿ってのみ連続して行う。この方法は、対象物２２の正確な輪郭を決定するための走査時間を減らす。本発明の第１実施例は、対象物２２の輪郭に沿って１秒あたり数百カ所を測定できる。例えば対象物２２の輪郭に沿って０．０１０インチ（０．２５４ｍｍ）毎に測定する場合、１秒毎に約５インチ（１２．７ｃｍ）の輪郭を走査できる。
【００１７】
レーザ走査システム２０は、表面２８に対するレーザ投射機２４の３次元位置および向きを正確に計算する必要がある。実際の３次元位置および向きを計算するには、既知の方法を利用できる。このためレーザ走査システム２０は、少なくとも４個好ましくは８個の較正目標３８を含む。図示の較正目標３８は、フレーム４０を表面２８の外縁に沿って配置することにより形成する。フレーム４０は、複数の開口４２を有する。他の較正技術を使っても良い。複数の開口４２は、フレーム４０の下にある表面２８を露出することにより較正目標３８を形成する。
【００１８】
本発明の第１実施例は、表面と対象物とを隣接配置する。反射表面を使用する場合、該表面からの反射ビームの輝度は、対象物からの反射ビームの輝度に比べ、はるかに大きい。従ってセンサは、反射を特定するための最小値を設定できる。かかるシステムにおけるセンサは、ＯＮ／ＯＦＦスイッチを含むことができる。対象物からの反射はＯＦＦであり、表面からの反射はＯＮである。他の応用例として、反射ビームの階調を特定できるような複雑なセンサを使ってもよい。かかるシステムの場合、表面の反射特性と対象物の反射特性とを大きく異ならせる必要はない。単なる白紙を表面に使用しても、その反射量は対象物の反射量に対して十分な差異を提供できるので、本発明は動作する。
【００１９】
図２は、本発明の好適実施例に基づくレーザ走査システム７０を示す。第１実施例のシステム２０とは異なり、対象物２２は透明支持体７２の上に置く。透明支持体７２は、例えばガラス板であり反射表面２８から所定距離を置いて設ける。本実施例は、高解像度走査を実現できる。すなわち本実施例は、各走査ステップあたり０．００１インチ（０．０２５４ｍｍ）以上の走査解像度が必要な場合に採用する。本実施例は、レーザビーム２６の反射７４を対象物２２の縁部から拡散させ、反射センサ３４がその反射７４を捕捉することを防止する。
【００２０】
前記したように第１実施例は、対象物２２を表面２８に直接乗せる。一般に微粒子逆反射材料は、微小球状ビーズのシートから形成する。例えば３Ｍスコッチライト「エンジニアリンググレード」等の高品質材料の逆反射シート３２９０においては、各ビーズの直径は０．００２〜０．００４インチ（０．０５〜０．１ｍｍ）の範囲である。投射したレーザビーム２６は、そのビーズの内面で反射し、その反射は反射センサ３４によって捕捉される。高解像度走査の場合、ビーズの直径が大きく影響する。そしてビーズ間の状態や空隙は大きなエラーの原因となりうる。プリズム形など他の形状の反射材料も利用可能だが、そのサイズは一般に大きい。また第１実施例においては、対象物２２の縁部におけるレーザビーム２６の反射は、さらに表面２８によって反射されて反射センサ３４に捕捉されるため、レーザ走査システム２０の精度が低下する。
【００２１】
図２の実施例のレーザ走査システム７０では、レーザビーム２６は透明支持体７２の焦点７６に集束する。このためレーザビーム２６は、反射表面２８では焦点がぼけ、多くの反射ビーズによって反射される。これは光学的に各ビーズの有効サイズを小さくする。レーザ投射機２４と透明支持体７２間の距離と、透明支持体７２と反射表面２８間の距離とは、それらを変化させることによりシステム７０の走査解像度を調整できる。例えばレーザ投射機から５ｍｍのレーザビームを投射しそれを対象物に集束させる。この対象物は、レーザ投射機から５フィート（１５２ｃｍ）下方に置く。そして反射表面は対象物から１フィート（３０ｃｍ）下方に置く。この場合レーザビームは反射表面において１ｍｍ以上の直径に焦点がぼける。このためレーザビームは、１５〜２０個のビーズに渡って広がるため走査解像度が向上する。さらに本実施例では、対象物２２の縁部におけるレーザビーム２６の反射７４は反射センサ３４から離れて拡散し、システム７０の精度が向上する。
【００２２】
図３は、コンピュータディスプレイ５０を示す。このディスプレイは、決定した部品の輪郭を表示している。オペレータは、コンピュータのマウス等の移動または特定装置を使用し、輪郭上に点５４および５６等の２点を特定する。既知の数学的技術を使うことにより、システムは、２点５４および５６間の寸法を提供する。さらに当該部品の全寸法も既知の数学的技術を利用して決定できる。
【００２３】
図４は、投射機６０によって部品６５の長辺６２および６４を特定するシステムを示す。これら長辺は、距離ｄだけ離れている。本システムは、両辺６２および６４間の距離ｄを決定し、それを６６で示すように表示できる。これによりオペレータは、コンピュータへ行くことなく、現場で正確な寸法を確認できる。同様の検査を対象部品の各位置で連続的に行うことにより、作業員は現場で容易に品質制御検査を実行できる。
【００２４】
本発明には多くの応用が考えられる。基本的な応用は、部品、特に平面または２次元部品に対して品質制御検査を行うことである。１つの応用例は、寸法を測定した後、それらと記憶したＣＡＤシステムデータとを比較する。他の応用例は、部品の形状および寸法のリバースエンジニアリングを行う。さらに他の応用例は、寸法が不明な部品の寸法を決定する。
【００２５】
本発明の第１実施例は、２次元対象物の輪郭を６５５３６×６５５３６ピクセルの解像度で決定できる。当業者には明らかなように、レーザ投射機２４は、他の有用な情報を表示するためにも利用できる。例えばレーザビーム２６は、対象物２２上のバリにハイライトを当てることができる。すなわち走査によって部品に欠陥を見つけると、レーザはその欠陥に光を当ててその欠陥の特定を助ける。ＣＡＤファイルが利用可能であれば、レーザビーム２６は、対象物２２と比較すべく実際のＣＡＤデータを投影し、あるいは対象物２２の許容値を超えている部分にハイライトを当てる。当業者には明らかなように、アナログ電圧をサンプルすることにより階調画像を捕捉できるため、紙、青焼き、写真画像等の表面を効果的に走査できる。
【００２６】
本発明の実施例を説明してきたが、当業者には明らかなように、本発明はその範囲を逸脱せずに変更が可能である。従って本発明の実際の範囲および内容は、請求の範囲に基づき決定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例に基づくレーザ走査システムを示す斜視図である。
【図２】 本発明の好適実施例に基づくレーザ走査システムを示す斜視図である。
【図３】 本発明の一応用例を示す図である。
【図４】 本発明の他の応用例を示す図である。

Claims (13)

1. （１）レーザビームを投射するレーザ投射機を提供する段階と、
   （２） 対象物の下に逆反射表面を提供する段階と、
   （３） 前記レーザビームによって前記対象物と前記逆反射表面とを走査する段階と、
   （４） 反射ビームを受け取る段階と、
   （５） 前記反射ビームが前記逆反射表面から反射されたのか前記対象物から反射され
   たのかを決定する段階と、
   （６） 前記段階（５）の決定に基づき前記対象物の輪郭を決定する段階と
   を備えることを特徴とする２次元対象物の輪郭を決定する方法。
2. 前記段階（３）が、前記レーザビームによって前記対象物と前記逆反射表面とを粗走査して前記対象物の輪郭上に開始点を決定する段階を備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記段階（３）が、前記レーザビームによって前記開始点から前記対象物の輪郭に沿って連続的に精細走査を実行する段階を備えることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 制御手段を用いることにより、前記対象物と前記逆反射表面とからの反射ビームの特性を検出し、特定の反射ビームが前記対象物からか前記逆反射表面からかを決定し、前記反射ビームの特性を前記投射したレーザビームの特定の位置に結び付け、特定の場所が前記対象物であるか前記逆反射表面であるかを特定することを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記対象物を前記逆反射表面の上に所定距離だけ離して支持するための透明支持体を提供する段階を前記段階（３）の前に備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. （１）レーザビームを投射するレーザ投射機を提供する段階と、
   （２） 対象物を支持する透明支持体を提供する段階と、
   （３） 前記透明支持体と前記対象物の下に表面を提供する段階と、
   （４） 前記レーザビームによって前記対象物と前記表面とを走査する段階と、
   （５） 反射ビームを受け取る段階と、
   （６） 前記反射ビームが前記表面から反射されたのか前記対象物から反射されたの
   かを決定する段階と、
   （７） 前記段階（６）の決定に基づき前記対象物の輪郭を決定する段階と
   を備えることを特徴とする２次元対象物の輪郭を決定する方法。
7. 前記段階（４）が、前記レーザビームによって前記対象物と前記表面とを粗走査して前記対象物の輪郭上に開始点を決定する段階を備えることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記段階（４）が、前記レーザビームによって前記開始点から前記対象物の輪郭に沿って連続的に精細走査を実行する段階を備えることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記表面が逆反射表面であることを特徴とする請求項６に記載の方法。
10. 制御手段を用いることにより、前記対象物と前記表面とからの反射ビームの特性を検出し、特定の反射ビームが前記対象物からか前記表面からかを決定し、前記反射ビームの特性を前記投射したレーザビームの特定の位置に結び付け、特定の場所が前記対象物であるか前記表面であるかを特定することを特徴とする請求項６に記載の方法。
11. レーザビームを投射するレーザ投射機と、
    対象物を支持する透明支持体と、
    前記透明支持体の下に配置され、前記レーザビームを前記対象物とは異なって反射するように構成された表面と、
    前記レーザビームによって前記対象物と前記表面とを走査し、前記レーザビームが前記表面から反射されたか前記対象物から反射されたかに基づいて前記対象物の輪郭を決定する制御手段とを備えることを特徴とするレーザ走査システム。
12. 前記制御手段が、反射レーザビームを受け取るための反射センサを含むことを特徴とする請求項１１に記載のレーザ走査システム。
13. 前記レーザ走査システムを較正するための複数の較正目標をさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載のレーザ走査システム。

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