JP4486320B2 - ３次元測定システムにおけるセンサ位置合わせ方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、航空機エンジン及びこれに類するものに使用されるタービンブレードのような３次元（３Ｄ）物体の物理的特性の測定に関し、より具体的には、光線のビデオ・データ及び干渉計を使用するそのような試験において使用される構造化光３次元（３Ｄ）測定システムの位置合わせを点検するための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複雑な外表面又は輪郭を有するタービンブレードのような物体の試験においては、従来のハードゲージ技術を用いるよりも光ゲージ試験方法を用いる方が有利である。この光ゲージ試験方法は、Intelligent Automation社から入手可能な４ＤＩ光システムのような構造化光システムの使用を含む。部品を評価してその合否を判定するために最も正確なデータを得るためには、採用される構造化光システムは適正に配置されかつ位置合わせされなくてはならない。例えば、構造化光システムによって物体上に投射される光の線幅における僅かな変動が、試験結果に重大な影響を及ぼして、本来合格であるべき部品を不合格にし、或いは不合格であるべき部品を合格にすることがある。システム内の光学窓が適正に位置合わせされていない場合にも、同様な問題が生じる。
【０００３】
これまで被試験部品に対する構造化光システムの位置合わせは、位置合わせが適正となる時を技術者が目視で求めることにより手動的になされてきた。本発明は光学窓をチェックして該光学窓が正しく位置合わせされた時を求めるような試験用配置の方法に関するものである。構造化光システムから投射される光線もまた、検査され、それら光線が一定であり、有効な試験データを得るために必要な規格内にあることが保証される。
【特許文献１】
特開平０４−０９５８１２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
簡潔に述べると、本発明は、光ゲージ法を用いて物体を試験するための構造化光システムを配置しかつ位置合わせする方法に向けられている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この方法は、先ず始めに構造化光システムを固定具内又は固定具上に取り付けられた試験片に位置合わせすることを含む。次に構造化光システムにより発生された一連の光ストライプが、試験片上に投射される。試験片の所定区域から反射された光ストライプの画像が、該光ストライプの質を求めるために捕捉され、処理され、かつ精査される。精査される反射光ストライプの特性には、様々な区域の長さに沿った該ストライプの幅（ピクセルで表される）と光強度の分布とが含まれる。ピクセル幅が所定限度内にない場合又は強度分布が正規分布でない場合には、試験用配置は位置合わせし直され、この過程が反復される。
【０００６】
構造化光システムを被試験物体固定具と位置合わせさせることに加えて、捕捉され処理された画像の質を確認するために画像形成システムも検査される。或る区域上に投射された光線の形状及び位置が該区域の長さに沿って変化する場合、このことは視界装置が正しく焦点合わせされていないことを表している。更に、画像の質も精査される。もし必要ならば、画像形成システムは、システムを構成している様々な視界窓及びフィルタを調整することにより焦点合わせし直されて、更なる評価が行なわれる。
【０００７】
最後に試験設備の温度及び湿度が、該温度及び湿度のいずれかが極値化することにより様々な試験用構成要素の性能が影響を受けることのない最適な試験環境を得るように制御される。
【０００８】
本発明の上記及びその他の目的、特徴、及び利点、そしてまた本発明の現時点で好ましい実施形態は、添付の図面を参照しながら以下の説明を読むことにより一層明らかになるであろう。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図面の幾つかの図全体を通じて、対応する参照符号は対応する部品を表す。
【００１０】
以下の詳細な記述は、本発明を例示的に説明したものであって、本発明を限定するものではない。この記述は、当業者が本発明を実施し、これを使用することを明確に可能とし、本発明を実施する上で現時点で最良と思われるものを含む本発明の幾つかの実施形態、適用、変更、変形、及び使用法を説明している。
【００１１】
図１を参照すると、複雑な表面輪郭を有する翼形部Ａ又はこれと同様な部品を光ゲージ試験するために使用される構造化光システム１０のための試験装置は、その上に翼形部が取り付けられる支持台又は固定具１２を含む。固定具は６つの自由度を有する可動固定具とすることができ、部品はどのような所望の配向にも動かすことができる。部品の合否を試験するために、レーザ光投射器１４から物体上にレーザ光が投射され、その物体からの光反射が画像形成システム１５を用いて取得される。画像形成システム１５は、１つ又はそれ以上のカメラ１６を含む。これらの画像形成システム、該システムに内蔵された窓１６ｗ及び偏光器１６ｐと、これらに関連した電子装置とを含む。カメラによって取得された画像はデジタル画像に変換され、該デジタル画像はプロセッサ１８によって処理される。画像形成システムは更に、スキャナ１７を含む。物体の合否を判定するために、プロセッサは、部品から取得された試験データを較正されたアーチファクト又はこれに類する装置からの対応するデータと比較する。試験過程を制御するために、制御装置２０が使用される。
【００１２】
図１に示すように、投射器１４は、図面にＬ１〜Ｌｎで表された一連の光ストライプで物体を照射する。図示した光線よりも多数又は少数の光線を使用してもよいことは当業者には明らかであろう。同様に、図１には３つのカメラ１６ａ〜１６ｃが示されており、これらのカメラは、異なる角度から部品の画像を取得するように、その部品の周りに配置される。物体を見るために使用される画像形成システムもまた、より多数又は少数のカメラを利用することができる。
【００１３】
プロセッサ１８で分析するための最も正確なデータを得るために、試験装置は、部品試験に先立って、部品Ａの代わりに試験用標本を用いて較正される。この較正は、装置を構成する各サブシステムつまり構成要素と該装置全体の点検を含む。試験室の温度及び湿度が指定限度内になるように、環境制御装置（図示せず）が調整される。温度及び湿度は、部品の試験中ずっとモニタされ、該温度及び湿度が確実に限度内に維持されるように適切な調整が行なわれる。
【００１４】
部品に投射されるレーザ光ストライプは、画像の質を判定するために評価される試験画像の全長にわたって一定の光線幅を持たなければならない。光線の中心性及び光線の幅にわたる光強度も重要である。レーザ光投射器１４に関して言えば、その重要な因子はドリフトである。好ましくは、ドリフトは、０．２５ｍｒａｄより小さくすべきである。ドリフトは、物体領域（つまり、照射されている部品上の区域又は領域）にレーザダイオード（スラブダイオード）の出力を集束させることにより制御できる。ダイオードは、部品を越えて約１ｍの点に焦点を合わせるのが好ましい。実施に際しては、ダイオードは先ず部品上に焦点を合わせられ、次に所望の光線幅（ｍｒａｄ単位で測定される）を得るために僅かに回転させられる。
【００１５】
所望の点に焦点を合わせることは、多くの方法で達成できる。例えば１つの方法は、固定具に取り付けられた試験片に投射器１４を近づけたり、又は遠ざけたりすることである。あるいは、投射器１４に対して試験片を動かすように、固定具１２を調整することもできる。もう１つの方法は、例えば拡大レンズを使用してレーザ光が投射される領域の拡大視野を得ることである。拡大レンズは、焦点サイズを測るためにレンズ上に付された目盛りを有する。この方法においては、レーザ光が投射される表面は、好ましくは黒色面である。光が焦点を結ぶ点に向けられたレンズを持たないビデオカメラを使用する方法もある。第３の方法は、携帯式のレーザスポット・プロファイラを使用する方法である。
【００１６】
採用される方法のいかんに拘わらず、各々の光線Ｌ１〜Ｌｎの幅は、試験片の所定の区域Ｓ（図１参照）において図２に示すようになる。各々のストライプ又は光線について、該光線の幅ｗ１、ｗ２、・・・ｗｎは、該区域の長さに沿って測定される。幅は典型的には（Ｘ）ピクセルと（Ｙ）ピクセルとの間であり、各々の光線の幅は、区域Ｓにわたって実質的に一定である。全ての光線の幅が図２に示すように同一である必要はないが、実際には全ての光線は実質的に同一の幅を有するであろう。
【００１７】
各々の光線Ｌ１〜Ｌｎの中心は、０．０７ピクセル以下（＜０．０７ｐｉｘｅｌｓ）の標準偏差を有するのが好ましい。現時点で入手可能なレーザの場合、光線中心に対するノイズの影響は０．１１から０．０９ピクセル（ｐｉｘｅｌｓ）までの程度である。スラブダイオードの場合には、ノイズは０．０６ピクセル（ｐｉｘｅｌｓ）又はそれ以下である。投射器１４内にスラブダイオードを使用するとノイズが減少し、偏光器を使用する場合の出力が増大するという利点を有する。出力レベルが高くなると、部品の一層明るい部分からより良好な信号が得られる。光線の中心性と対称性とを検査するために、照射された試験片の画像が撮られてデジタル形式に変換される。光線の幅に含まれるピクセルの数が、光線の長さに沿った異なるセグメントにおいて計数される。全ての非対称要素を見出し、光線の中心における該光線の標準偏差値を求め、かつ１０点のセグメント毎に計算された標準偏差値の平均を求めるために、度数分布図が作成され調べられる。この標準偏差値の平均は、光ゲージ試験作業に適合させるために行われる。
【００１８】
次に、図３に示すように、各々の光線についての強度プロフィールが吟味される。合格となるためには、プロフィールは図３の上方のグラフのような正規分布を示すべきである。光線が部品上に適切に投射されていない場合には、下方のグラフで示すのと同様な正規分布ではない強度プロフィールを生じるであろう。光線幅が一定でないか、あるいは強度プロフィールが正規分布になっていない場合には、システムに対して調整が行われ、もう一度較正点検が行なわれる。
【００１９】
所望の焦点合わせ（光線幅及び強度プロフィール）が達成されたら、レーザはそのままにしておき、光線幅が所定の期間モニタされて、該光線幅が変化する（ドリフトする）か否かが判定される。場合によっては、１週間又はそれ以上の期間ドリフトがモニタされる。
【００２０】
次にカメラ１６は、一般的に５０〜５５ｄＢ程度の信号対ノイズ比を備える市販の入手可能なカメラである。該カメラは１００〜１２５のグレースケールレベルを識別する能力を備える。図４に示すように、各々のカメラを検査するために、較正光源Ｃ（例えば発光ダイオード源）が、グレースケールの段階尺度を見る各々のカメラ１６から一定の距離ｄだけ離して配置される。得られたグレースケール出力は次にデジタル値に変換され、カメラは任意のグレースケール値に対して同一レベルの出力を示すように調整される。グレースケール値は、グレースケールレベルの１段階毎の変化に対して一定であるべきであるから、或るグレースケール値から他のグレースケール値への段階変化に対して見られる変化量のどんな変動も、カメラの利得に対する調整を必要とすることになる。修正及び調整が行なわれた後、カメラは中央点付近の約１２５グレースケール値について点検される。この値に対する出力値は、およそ０．５Ｖであるべきである。試験片上の一様な領域については、その領域に対するグレースケール値の変動が＋／−１レベル以内であるべきである。
【００２１】
場合によっては、位置合わせ過程中に明白なリップルノイズがセンサで観察されることもある。このリップルは、全てのカメラ１６に見られる一様なリップルであって、画像とは無関係であることがこれまでの経験から分かっている。ノイズ源は、カメラ、多重ボード（図示せず）、又は電源その他（これも図示せず）のような関係電子装置による可能性がある。リップルが観察された場合にそれを排除する最も簡単な方法は、ノイズが現れるまで構成要素（カメラ、ボード、電源）に対する給電を１つずつ遮断してみることである。これとは別に、ビデオ試験装置を使用してシステムを検査することができる。
【００２２】
窓及び偏光器を含む画像形成システムの光学要素に関して言えば、偏差は１インチ当たり１波長以下（＜１波長）であるべきである。システムの光学要素を検査するために、平行ビームを窓／偏光器に当て、剪断プレートを使用して波面エラーを観察することによって、透過波面を検査することができる。これとは別に、ロンキー判定（１つを入力側に、他方を光学要素の直後に）を使用すると、波面における総エラーが示されることになる。
【００２３】
デスペックリング機能を提供するスキャナ１７のドリフトは０．２５ｍｒａｄ以下（＜０．２５ｍｒａｄ）であり、位置合わせは０．５ｍｒａｄであるべきである。適正な位置合わせを行なうために、反射されたレーザ光線の線幅と対称性とを観察するために、リアルタイム・ビデオフィードバックが使用される。これは、位置合わせ顕微鏡に取り付けられたカメラを使用して、標準２５ｍｍｃ−マウントレンズにより生じた像を見ることによって行われる。
【００２４】
これまで、カメラ１６の焦点合わせは目視によって行なわれてきた。この方法の欠点は、それが画像における拡大に顕著な変動を許すということである。本発明によれば、カメラは方形パターンを見るために使用される。カメラが焦点合わせられると、パターンの縁部からのピクセルの数、つまりカメラ視界の７５％のピクセルの数が計数される。この計数は、この過程を完了したとき全てのカメラについて、１ピクセル以内であるべきである。
【００２５】
要するに、本発明の方法は、翼形部及びタービンブレードのような部品を光ゲージ測定する際に使用するための構造化光システムの適正な位置合わせを保証するためのものである。被試験物品に対する試験用構成要素の目視による位置合わせを主とした以前の方法とは異なり、上記に説明したものは構造化された方法であって、この方法においては、それぞれの構成要素はそれらが適正に機能していることを判定するために個々に点検される。個々の構成要素が検査され位置合わせされた後に、統合されたシステムもまた適正に機能していることを確認するために、システム全体の検査が行なわれる。その後はじめて、個々の部品に対して合否試験が開始される。
【００２６】
以上の説明から、本発明の幾つかの目的が達成されまたその他の有利な結果が得られることが分かるであろう。なお、請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 部品を光ゲージ試験するための試験装置についての簡略図。
【図２】 部品に投射された一連のレーザ光ストライプにおける各光線の幅を示す図。
【図３】 レーザ光ストライプの幅にわたる合格及び不合格のエネルギー分布パターンを示す一連のグラフ。
【図４】 試験装置で使用される画像形成システムのカメラを検査するための較正光源の使用法を示す図。
【符号の説明】
１０ 構造化光システム
１２ 固定具
１４ 光投射器
１５ 画像形成システム
１６ カメラ
１６ｗ 窓
１７ スキャナ
１８ プロセッサ
２０ 制御装置
Ａ 翼形部
Ｃ 較正光源
Ｌ１−Ｌｎ 光ストライプ
Ｓ 区域

Claims (11)

1. 一連の光ストライプ（Ｌ１〜Ｌｎ）が構造化光システム（１４）により部品上に投射され、該部品から反射された光が評価のために画像形成システム（１５）により捕捉される、部品（Ａ）を光ゲージ試験するための試験方法において、該部品の合否を評価するための最適情報を得るために該試験方法において使用されるそれぞれの構成要素を配置しかつ位置合わせするための方法であって、
   先ず始めに光投射器（１４）と前記画像形成システムの少なくとも１つのカメラ（１６）とを物体試験片と位置合わせし、
   該試験片上に一連の光ストライプ（Ｌ１〜Ｌｎ）を投射して、該試験片からの光反射の画像を捕捉し、
   該画像を評価して各々の光ストライプの特性を求め、
   前記試験片の区域（Ｓ）であって前記光ストライプの幅がその区域（Ｓ）にわたって実質的に一定となるべき区域（Ｓ）について、該光ストライプの幅を所定の期間モニタし、
   前記モニタされた光ストライプ幅を含む前記光ストライプの特性が前記区域（Ｓ）全体にわたり実質的に一様である場合には、前記試験用配置及び位置合わせを許容し、
   前記特性のうちのいずれかが前記区域全体にわたり実質的に一様でない場合には、前記試験用配置及び位置合わせを修正する、
   段階を含むことを特徴とする方法。
2. 許容できる試験用配置及び位置合わせが達成された後に、前記構造化光システム１０と前記画像形成システム１５とを使用して部品（Ａ）を試験する段階を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記試験用配置及び位置合わせを修正する前記段階が、前記試験片（Ｓ）に対して前記構造化光システム（１０）を位置決めし直すことを含むことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記試験片（Ｓ）が固定具（１２）上に取り付けられており、前記試験用配置及び位置合わせを修正する前記段階が、前記固定具を調整するか又は移動させることにより、前記構造化光システム１０に対して前記試験片（Ｓ）を配向し直すことを含むことを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 一連の光ストライプ（Ｌ１〜Ｌｎ）が構造化光システム（１４）により部品上に投射され、該部品から反射された光が評価のために画像形成システム（１５）により捕捉される、部品（Ａ）を光ゲージ試験するための試験方法において、該部品の合否を評価するための最適情報を得るために該試験方法において使用されるそれぞれの構成要素を配置しかつ位置合わせするための方法であって、
   先ず始めに光投射器（１４）と前記画像形成システムの少なくとも１つのカメラ（１６）とを物体試験片と位置合わせする段階と、
   該試験片上に一連の光ストライプ（Ｌ１〜Ｌｎ）を投射して、該試験片からの光反射の画像を捕捉する段階と、
   前記試験片の区域（Ｓ）であって前記光ストライプの幅がその区域（Ｓ）にわたって実質的に一定となるべき区域（Ｓ）について、該光ストライプの幅を所定の期間モニタし、
   該画像を評価して、前記光ストライプの幅にわたって延びるピクセルの数を求めること、各光ストライプの中心を光ストライプの長さ方向の各箇所で求めて光ストライプ毎に中心の偏差を求めること、及び、前記光ストライプの幅にわたる強度分布を求めることを含む、各々の光ストライプの特性を求める段階と、
   前記カメラがグレースケールレベルの範囲内で各グレースケールレベルを識別することができるか否かを判定することを含む、前記部品（Ａ）及び該部品からの反射光の画像を捕捉するために使用される各々のカメラ（１６）を焦点合わせする段階と、
   歪みが存在するか否かを判定して前記画像形成システム（１５）の光学要素（１６ｗ、１６ｐ）を検査する段階と、
   前記モニタされた光ストライプ幅を含む前記光ストライプの特性が前記試験片の区域（Ｓ）全体にわたり実質的に一様であり、前記画像形成システム（１５）内の各々のカメラ（１６）が焦点合わせされており、かつ測定された歪みが実質的に排除されている場合には、前記試験用配置及び位置合わせを許容する段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
6. 前記光ストライプの幅を形成する前記ピクセルの数が前記試験片の区域（Ｓ）の長手方向に沿って実質的に一定であり、前記偏差が標準偏差で０．０７ピクセル以下であり、前記強度分布が正規分布であることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記グレースケールレベルを識別することができるか否かを判定することを、各々のカメラで行うことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 前記グレースケールレベルを識別することができるか否かを判定することが、該カメラから一定距離だけ離して較正光源（Ｃ）を配置し、該光源を該カメラの視界に入れることを含むことを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 一連の光ストライプ（Ｌ１〜Ｌｎ）が構造化光システム（１４）により部品上に投射され、該部品から反射された光が評価のために画像形成システム（１５）により捕捉される、部品（Ａ）を光ゲージ試験するための試験方法において、該部品の合否を評価するための最適情報を得るために該試験方法において使用されるそれぞれの構成要素を配置しかつ位置合わせするための方法であって、
   先ず始めに光投射器（１４）と前記画像形成システムの少なくとも１つのカメラ（１６）とを物体試験片と位置合わせし、
   該試験片上に一連の光ストライプ（Ｌ１〜Ｌｎ）を投射して、該試験片からの光反射の画像を捕捉し、
   前記試験片の区域（Ｓ）であって前記光ストライプの幅がその区域（Ｓ）にわたって実質的に一定となるべき区域（Ｓ）について、該光ストライプの幅を所定の期間モニタし、
   該画像を評価して、前記光ストライプの幅にわたって延びるピクセルの数と、各光ストライプの中心を光ストライプの長さ方向の各箇所で求めて得られる光ストライプ毎の中心の偏差と、前記光ストライプの幅にわたる強度分布とを含む、各々の光ストライプの特性を求め、
   前記モニタされた光ストライプ幅を含む前記光ストライプの特性が前記試験片の区域（Ｓ）全体にわたり実質的に一様である場合には、前記試験用配置及び位置合わせを許容し、
   前記モニタされた光ストライプ幅を含む前記特性のうちのいずれかが前記区域全体にわたり実質的に一様でない場合には、前記試験用配置及び位置合わせを修正する、
   段階を含むことを特徴とする方法。
10. 前記カメラがグレースケールレベルの範囲内で各グレースケールレベルを識別することができるか否かを判定することを含む、前記部品（Ａ）及び該部品からの反射光の画像を捕捉するために使用される各々のカメラ（１６）を焦点合わせする段階と、歪みが存在するか否かを判定して前記画像形成システム（１５）の光学要素（１６ｗ、１６ｐ）を検査する段階とを更に含むことを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 前記所定の期間は１週間以上である、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の方法。

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