JP6253221B2 - 接合継ぎ目を監視する光学測定装置、ならびに同測定装置を備える接合ヘッド及びレーザ溶接ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、接合継ぎ目を監視する光学測定装置、ならびに同測定装置を備える接合ヘッド及びレーザ溶接ヘッドに関する。

接合ヘッドは、ワークピース内の間隙、又は２つのワークピース間を接合することに利用でき、この接合処理によって接合継ぎ目が作製される。接合処理を目的として、レーザ溶接ヘッドを利用することができ、ワークピースは、例えば、ワークを溶接又ははんだ付けして、間隙を接合するレーザビームを用いて加工される。また、ガス金属アーク溶接ヘッドを利用して、ワークピース内の間隙を接合することができる。最後に、接合すべきワークピースを、一方のワークピースに塗布された接着ビードを用いて接着することも可能であり、この接着ビードにより、もう一方のワークピースとの接着が為される。これら全ての処理において、作製された溶接継ぎ目又ははんだ付け継ぎ目の品質を監視する必要がある。したがって、レーザ等を用いて形成される溶接接続、金属不活性ガス接続、又は金属活性ガス接続は、全面検査の対象でなければならない。更に、接着ビードには、接着前の検査が行われる。肉盛溶接部は、更なる加工の前に検査されなければならない。製造速度の高速化と、誤差許容値の厳格化とが相まって、接続部を高速且つ非接触で測定及び検査できる光学測定及び検査システムが利用されるようなっている。

下記特許文献１は、互いに連結されたワークピース部品が、センサユニットから所定の距離で、案内ユニットを利用して保持される検査装置を開示している。継ぎ目調査ユニットは、光センサを含み、その光センサの測定領域内に継ぎ目が配置される。また、前記検査装置は、センサの下流に接続されて、継ぎ目の位置についての情報を提供する評価ユニットも含む。

ＣＭＯＳマトリクスカメラとして実現でき、測定領域が、実質的に継ぎ目の幅に合わせて調整される２Ｄセンサは、継ぎ目の位置についての情報に応じて、２Ｄセンサの測定領域の中心と継ぎ目の中心とが一致するように、アクチュエータを利用して位置決めされる。また、継ぎ目の位置についての情報に応じて、３Ｄ継ぎ目輪郭センサが、継ぎ目の中心と測定領域の中心とが一致するようにアクチュエータによって位置決めされる。この場合、３Ｄ継ぎ目輪郭センサは、光ビーム三角測量法と組み合わされた光切断処理に従って動作する。

下記特許文献２は、加工ヘッド内に異なる複数のセンサを組み込む実施例を開示している。この場合は、第１ワークピース領域が、加工前に第１センサにおいて画像化され、第２ワークピース領域の画像が、加工ヘッドによる加工後に第２センサにおいて画像化される。両方のセンサが三角測量ラインの画像を取り込み、下流の処理ユニットがその画像を評価する。したがって、作業は、加工前、すなわち接合位置の取り込み前、及び加工後、すなわち溶接又ははんだ付け継ぎ目の画像データの同時評価中に複数のセンサを用いて実行される。この場合、各センサは、それぞれ独自の物体領域を記録し、その後でこれらの記録が互いに独立して評価される。

下記特許文献３は、レーザ加工処理中にワークピースから放出された放射の空間分解評価を開示しており、この評価では、異なる波長領域に対してそれぞれ異なるセンサが利用される。

したがって、三次元測定と組み合わせて行う、接合継ぎ目内の非常に小さい局部障害の障害検出を前進速度から独立して行うためには、まず、局部障害を捉えて継ぎ目の長さ及び位置を測定し、更に、隆起、窪み、及び省略可能である端縁のずれ等、接合継ぎ目の幾何学的データを特定して、ＩＳＯ範囲に準拠していることを確認しなければならない。このため、接合継ぎ目の継ぎ目容積を更に測定する必要がある。これは、単独の測定値、例えば、窪みは、継ぎ目の断面について何の情報も提供しないためである。また、接続位置の周囲でワークピースを測定する必要がある。

幾何学的データの測定には、接合継ぎ目の高速３Ｄ測定が必要であり、局部障害の特定には、極めて高い解像度、及び高速の同時対物移動を用いたグレースケール画像の評価が必要である。

三角測量ラインを利用して物体領域を取り込み、例えば、溶接加工の後で、加工された物体領域を取り込むためには、全く異なるセンサ及び画像特性が必要である。三角測量を利用して溶接継ぎ目を高速走査し、同様の入射光を利用してこの走査領域を記録するには、異なるデータ転送速度とセンサ特性とが必要とされる。

独立して考察される２つの方法の場合、表面の最適な空間表現というものは存在しない。取得されるのは、表面のテクスチャを視覚化した二次元画像、又はテクスチャについての情報を含まないトポグラフ画像のいずれかである。

ドイツ特許公開第１９５ ０５ ８３２号明細書 国際公開第２００５／０９５０４３号明細書 米国特許公開２０１０／０１３４６２８号明細書

したがって、本発明は、接合継ぎ目を監視する光学測定装置において、接合継ぎ目の高速３Ｄ測定と、極めて高い解像度及び高速の同時対物移動を用いた局部障害の特定とを共に実現する光学測定装置、及びこのような測定装置を備える接合ヘッド又はレーザ溶接ヘッドを開発するという目的に基づく。

この目的は、請求項１に係る光学測定装置、請求項１３に係る接合ヘッド、及び請求項１５に係るレーザ溶接ヘッドによって達成される。本発明の有利な実施形態及び発展例は、従属請求項に提示される。

したがって、本発明によれば、ワークピース内の接合領域を監視する光学測定装置が提供され、前記測定装置は、接合対象であるワークピースの方向に光扇（light fan）を投射して、接合対象であるワークピース上の接合領域内に、その接合領域内の接合継ぎ目と交差する三角測量光ラインを生成することに適した第１光源を備える少なくとも一つの光切断装置と、接合対象であるワークピースの接合領域を均一に照光する第２光源を備える照光装置と、を含む。前記光学測定装置は、接合継ぎ目上に投影された三角測量光ラインの空間分解画像を生成する、第１測定ビーム経路を有する第１光センサと、接合継ぎ目の空間分解画像を生成するする、第２測定ビーム経路を有する第２光センサとを更に含む。ここで、第２測定ビーム経路は、第１測定ビーム経路内に同軸結合され、第１光センサの読み取り速度が１ｋＨｚを超える一方で、第２光センサの読み取り速度は５００Ｈｚ未満である。ただし、第１光センサの読み取り速度が３ｋＨｚを超え、第２光センサの読み取り速度が１００Ｈｚ未満であることも好ましい。

このように、本発明によれば、光学測定装置が提供され、この光学測定装置を利用して、ワークピース内の接合継ぎ目、より具体的には溶接継ぎ目を光学的に測定することができ、この測定装置は、オンライン監視、又は形成された接合継ぎ目の事後検査のいずれかに利用される。本発明によれば、光学測定装置は、例えば、本例でのＣＭＯＳカメラ等、２つの空間分解センサを有し、これらのセンサは、それぞれ固有の画像生成特性及び読み取り速度に応じて、２つの異なる目的に合わせて調整される。したがって、第１光センサは、ワークピース上に投影された三角測量光ラインの画像を記録し、第２センサは、接合継ぎ目内の障害の位置を特定するためのグレースケール画像を記録する。２つのセンサのセンサ領域への結像は、共通の対物レンズと、それぞれ個別に対応付けられた接眼レンズとを用いて行われる。これにより、極めて小型で堅牢な測定装置を作製することが可能になり、この装置において、センサは、互いに対して空間的に固定されて、二次元グレースケール値画像及びレーザ三角測量ラインの輪郭を評価することによって、接合継ぎ目の三次元マッピング図を生成するように配置される。

このように、本発明によれば、高解像度と、広い対物視野と、広いダイナミックレンジと、高い物体認識率と、全く異なるセンサ特性を用いた、異なる又は同一の物体領域の評価と、ワークピースの空間特性及びテクスチャ特性の視覚化とを同時に実現できる光学測定装置が作製される。

第１測定ビーム経路が第２測定ビーム経路と同軸結合される簡単な実施例では、第２光センサの第２測定ビーム経路が、第１ビームスプリッタによって、第１光センサの第１測定ビーム経路と同軸結合されて、第１光センサ及び第２光センサが共通の対物レンズを利用すると有利である。

ワークピース及び接合継ぎ目上に投影された三角測量レーザラインの深い焦点深度を実現するためには、第２光センサの検知表面と、少なくとも一つの光切断装置からワークピース上に投影される光扇とが、接合継ぎ目と交差する三角測量光ラインの画像についてシャインプルークの条件を満たすように、互いに整列されると特に有利である。

接合継ぎ目の品質の最適な評価を行うためには、光測定装置が、画像処理ユニットを更に含むと特に有利であり、この画像処理ユニットは、三角測量光ラインの輪郭を評価することによって得られるトポグラフ画像のグリッドモデル上に、第２光センサからの画像データの画像を形成して、三次元接合継ぎ目の算出モデル図を生成する。

第１光センサが線形特性を有し、第２光センサが線形対数特性を有すると更に好ましい。

それぞれの目的に適合する最適な方式で第１光センサ及び第２光センサを調整するためには、第１光センサの検知領域には、第１測定ビーム経路を利用して縮小画像が形成され、第２光センサの検知領域には、第２測定ビーム経路を利用して実質的に等尺の画像が形成されると好都合である。

特に、レーザ溶接加工を監視する際に望ましくない光を遮断する目的については、光学帯域フィルタが、第１光センサ及び第２光センサの上流で、第１測定ビーム経路及び第２測定ビーム経路内に配設されると有利であり、この光学帯域フィルタの通過波長範囲は、光切断装置の第１光源の発光波長及び少なくとも一つの照光装置の第２光源の発光波長に合わせて調整される。

最適に照光して、その結果、接合継ぎ目の表面構造の高解像度を得るには、少なくとも一つの照光装置が、少なくとも一つの第１照光モジュール及び少なくとも一つの第２照光モジュールを含み、少なくとも一つの第１照光モジュールが、対物レンズの光軸に対して小さい角度で接合領域を照光するように構成され、少なくとも一つの第２照光モジュールが、対物レンズの光軸に対して広い角度で照光するように構成されると好都合である。

ここで、小さい角度で照光する少なくとも一つの第１照光モジュール、及び大きい角度で照光する少なくとも一つの第２照光モジュールは制御装置に接続されると有利であり、この制御装置は、少なくとも一つの第１照光モジュールと少なくとも一つの第２照光モジュールとを異なる期間に別々に駆動することによって、暗視野照明と明視野照明とを交番させる、又は、明視野照明と暗視野照明の光度の相対比率を設定する。

処理において、少なくとも一つの照光装置は、ＬＥＤモジュールとして実施されてパルス方式で動作する少なくとも一つの照光モジュールを含むと有利である。

ここで、少なくとも一つの光切断装置の第１光源は、ダイオードレーザを含むと好都合である。

本発明によれば、更に、本発明に係る測定装置を採用した接合装置を利用してワークピースを接合する接合ヘッドが提供される。

この場合、接合装置は、レーザ溶接装置、ガス金属アーク溶接装置、又は接着ビード装置であると好都合であり得る。

本発明によれば、更に、レーザビームを利用してワークピースを溶接するレーザ溶接ヘッドが提供され、前記レーザ溶接ヘッドは、内部にレーザビームのビーム経路が構成され、接合領域において、接合対象であるワークピースの接合位置にレーザビームを集束させる集束光学系を有するハウジングと、光学測定装置とを含み、少なくとも一つの光切断装置は、接合対象であるワークピース上に投射された光扇が集束光学系の光軸に対して所定の角度になるように、ハウジングに固定的に接続され、第１測定ビーム経路及び第２測定ビーム経路は、第２ビームスプリッタによって、レーザビーム経路内に同軸結合される。

本発明の第１例示的実施形態に係る光学測定装置の極めて簡略な模式図である。 本発明の第２例示的実施形態に係る光学測定装置の極めて簡略な模式図である。 本発明の第１例示的実施形態に係る光学測定装置を備えるレーザ溶接ヘッドの極めて簡略な模式図である。 本発明の第２例示的実施形態に係る光学測定装置を備えるレーザ溶接ヘッドの極めて簡略な模式図である。 ワークピース上の、接合処理中の接合領域を模式的に示す斜視図である。 本発明の一例示的実施形態に係る少なくとも一つの照光装置の極めて簡略な模式図である。

次に、図面に基づいて、本発明について詳しく説明する。

互いに対応する構成要素は、図面の各種の図において同一の参照番号で示す。

本発明の第１例示的実施形態に係る光学装置１００を極めて簡略化した模式図を図１Ａに示す。光学測定装置１００は、ワークピース１６において、被接合領域１２及び接合継ぎ目１４を含む接合領域１０（図３）を接合処理中に監視するために設けられる。ただし、光学測定装置１００は、既に完成した接合継ぎ目１４を検査することにも対応できる。この場合、接合領域１０は接合継ぎ目１４のみを有する。

光学測定装置１００は、接合対象であるワークピース１６の方向に光扇２２を投射して、接合対象であるワークピース１６の接合領域１０内に三角測量光ライン２４を形成することに適した第１光源２０を備える少なくとも一つの光切断装置１８を含み、前述の三角測量光ライン２４は、接合継ぎ目１４を交差する。また、光学測定装置１００は、接合対象であるワークピース１６の接合領域１０を均一に照光する第２光源２８を備える少なくとも一つの照光装置２６を含む。本発明に係る光学測定装置１００は、第１測定ビーム経路３２を介してワークピース１６及び接合継ぎ目１４に照射された光ライン２４の画像を空間分解方式で生成する第１光センサ３０と、第２測定ビーム経路３６を介して、ワークピース１６の表面に接合領域１０、より具体的には接合継ぎ目１４の画像を空間分解方式で生成する第２光センサ３４とを含む。ここで、第１及び第２光センサ３０，３４は、ＣＣＤマトリクスカメラセンサとして、特にＣＭＯＳカメラセンサとして実施されると好ましい。

第１光センサ３０及び第２光センサ３４における画像生成は、これらの第１光センサ３０及び第２光センサ３４で共用して使用される対物レンズ３８を介すると共に、第１光センサ３０の測定方向上流側に配設される第１接眼レンズ４０、及び第２光センサ３４の測定方向上流側に配設される第２接眼レンズ４２を介して行われる。ここで、第２光センサ３４の第２測定ビーム経路３６は、第１ビームスプリッタ４３によって、第１光センサ３０の第１測定ビーム経路３２内に同軸結合される。また、第１光学フィルタ４４及び第２光学フィルタ４６が、第１光センサ３０及び第２光センサ３４の前方にそれぞれ設けられてもよい。これらのフィルタの機能については後で詳細に説明する。ここで、光学フィルタ４４，４６は、各測定ビーム経路３２，３６において、第１ビームスプリッタ４３と、対応する光センサ３０，３４との間に配置することができ、これらの光学フィルタは、第１ビームスプリッタ４３と接眼レンズ４０，４２の間に配置されると好ましい。

図１Ｂに、本発明の第２例示的実施形態に係る光学測定装置２００を極めて簡略化した模式図を示す。この光測定装置２００が本発明の第１例示的実施形態に係る光学測定装置１００と異なるのは、第１光センサ３０の検知領域が第１測定ビーム経路３２に対して垂直に配置されておらず、この検知領域は、むしろ三角測量光ライン２４の画像についてシャインプルークの条件が満たされるように、光学系３８，４３，４０、及び光切断装置１８の光扇２２の向きに合わせて調整される点である。これについても後で詳しく説明する。

本発明によれば、ワークピース１６内の接合領域１０を監視する光学測定装置１００又は２００が提供されるのみならず、本発明に係る光学測定装置１００又は２００を採用した接合ヘッドも提供される。例として挙げると、本発明に係る接合ヘッドは、具体的にはレーザ溶接ヘッド３００（例えば、図２Ａ及び図２Ｂに示したようなもの）、ガス金属アーク溶接ヘッド、又は接着ビードヘッドとして具現できる。一般に、接合ヘッドは、単一のワークピース、又は２つの異なるワークピースの接合継ぎ目を作製することに利用できる各種の装置を意味するものと理解されたい。ここで、接合継ぎ目１４は、複数のワークピースを接続する継ぎ目であり得るが、接着ビードヘッドでは、ワークピースに接着ビードを付着させ、付着処理中に、本発明に係る光学測定装置１００，２００を利用してその接着ビードの品質を検査することも実現可能である。検査後に、付着済みの接着ビードに第２のワークピースを張り付けて、結合対象であるワークピースに押し付けることで、接着結合部が形成される。

図２Ａ及び図２Ｂに、本発明に係る接合ヘッドを極めて単純化した図を示す。この接合ヘッドは、レーザ溶接ヘッド３００として具現され、第１例示的実施形態に係る本発明の光学測定装置１００、又は第２例示的実施形態に係る本発明の光学測定装置２００を利用する。

ワークピース１６において接合位置４８（図３）での溶接工程又ははんだ付け工程を実行できるようにするため、レーザ加工機械から到来するワークレーザビーム５０は、レーザ溶接ヘッド３００のハウジング５２からワークピース１６に向けて送り出され、集束レンズ５４によって、光軸Ｌによって示されるようにワークピース１６上に集束される。接合領域１０内の接合位置４８に集束されたワークレーザビーム５０のレーザ光が、ワークピース１６、又は連結すべき複数のワークピースの材料を溶かし、その結果、ワークピース１６、又は複数の異なるワークピースの溶接を実現できる。ただし、ワークピース１６、又は異なる複数のワークピースのはんだ付けを行うことも可能である。

ワークレーザビーム５０は、光ファイバ５６を通ってレーザ溶接ヘッド３００に送られる。このレーザ溶接ヘッド３００において、光ファイバ５６のファイバ端は、ファイバホルダ５８内で保持される。光ファイバ５６のファイバ端において顕現するレーザビーム５０は、コリメータ光学系６０を用いて平行にされて、第２ビームスプリッタ６２に送られる。この第２ビームスプリッタ６２は、集束レンズ５４の方向にレーザビーム５２を偏向させる。

図２Ａ及び図２Ｂに示した本発明の例示的実施形態において、少なくとも一つの光切断装置１８及び少なくとも一つの照光装置２６は、レーザ溶接ヘッド３００のハウジング５２に取り付けられ、この光切断装置１８は、接合対象のワークピース１６上に投射された光扇２２が集束レンズ５４の光軸Ｌに対して所定の角度になるように、ハウジング５２に固定的に接続されると好ましい。第１光センサ３０の第１測定ビーム経路３２及び第２光センサ３４の第２測定ビーム経路３６は、第２ビームスプリッタ６２によって、ワークレーザビーム５０のビーム経路内に同軸結合される。

図２Ａ及び図２Ｂに示したような光学測定装置１００又は２００を本発明に従ってレーザ溶接ヘッド３００に組み込んだ結果として、接合継ぎ目１４のオンライン監視を実行できるようになる。この接合継ぎ目１４は、本例において、ワークレーザビーム５０によって形成される溶接継ぎ目である。

本発明に係る光学測定装置１００，２００、及びその測定装置を採用した接合ヘッド又はレーザ溶接ヘッド３００は、後述するように、接合継ぎ目１４を検査又は測定することに特に有利に適合する。

本発明に係る光学測定装置１００，２００では、三角測量法による接合継ぎ目１４の三次元測定、及び接合継ぎ目１４の表面の二次元画像形成という２つの光学測定方法が、極めて適切な方式で組み合わされるが、これは、各測定方法に合わせて調整された異なる特性を持つ２つの光センサ（第１光センサ３０及び第２光センサ３４）が、共通の光学系を有するセンサシステム内に収容されるためである。まず、少なくとも一つの光切断装置１８及び第１光センサ３０を備える３Ｄ測定システムについて説明する。

図２Ａ、図２Ｂ、及び図３に示すように、少なくとも一つの光扇２２が、少なくとも一つの光切断装置１８によってワークピース１６の方向に投射されて、ワークピース１６上に、接合継ぎ目１４と交差する光ライン２４を投影させる。光パワーが５０ｍＷから１００ｍＷで、波長が６６０ｎｍであるダイオードレーザは、光扇装置１８の第１光源２０として好ましく利用される。本明細書において、第１光学フィルタ４４は、光学帯域フィルタとして具現され、伝播波長通過範囲は、光切断装置１８の第１光源２０の発光波長に合わせて調整される。光学帯域フィルタ４４の波長通過範囲の半値全幅（ＦＷＨＭ：Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ ａｔ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ）は、１００ナノメートル未満であると好ましく、５０ナノメートル未満であると特に好ましく、２０ナノメートル未満であると更に一層好ましい。第１光学帯域フィルタ４４は、ファブリペローフィルタ又はファブリペローのエタロンであると好ましく、このタイプのフィルタでは、特定の周波数範囲の電磁波が通過し、残りの周波数成分は干渉によって相殺される。多重量子井戸構造を持つＡｌＧａＩｎＰレーザダイオードは、６３５ナノメートルから６７０ナノメートルの間の波長領域に発光極大を有しており、このレーザダイオードも第１光源２０の更に他の光源として適している。したがって、例えば、６５８ナノメートルの発光波長、及び６０ｍＷの発光強度を持つレーザダイオードを利用することができる。このように、光学帯域通過部として具現される第１光学フィルタ４４を利用した結果、ワークピース上に投影された三角測量光ライン２４のみが、第１光センサ３０の検知領域に結像され、望ましくない光の影響、特に、ワークレーザビームの反射や、レーザ溶接工程の場合にワークピースに形成される溶融池の反射が概ね排除される。

図１Ａ、図１Ｂ、及び図３に更に示すように、光扇２２の平面は、対物レンズ３８の光軸、又は集束レンズ５４の光軸Ｌと平行ではない。接合処理中、ワークピース表面は、概ねワークレーザビーム５０用の集束レンズ５４の光軸Ｌに対して垂直、又は対物レンズ３８の光軸に対して垂直に保持されるため、ワークピース１６の表面との垂直偏向レベルは、図３に示すように、ワークピース表面上のレーザ光ライン２４の水平偏向に至る。したがって、このいわゆる三角測量法の結果、光扇２２とワークピース表面と間の角度が判れば、ワークピースに複数の平行な光扇を投射することによって、又は走査中に三角測量光ライン２４を利用して高さプロファイルデータを定期的に取り込んでバッファリンクすることによって、接合継ぎ目１４の高さプロファイルを生成することができる。図１Ｂに記載した本発明の実施形態において、第１光センサ３０の検知面は、三角測量光ライン２４が常に検知領域上で合焦して結像するように、光扇２２の平面に合わせて調整される。このことは、光学要素３８、４３、及び４０を考慮することで、第１光センサ３０の検知領域の平面と光扇２２の平面とがいわゆるシャインプルークの条件を満たすことによって達成される。シャインプルークの条件が満たされる、すなわち、所望の物体平面（光扇２２の平面に相当）の画像が最大の鮮明度で形成されるのは、物体平面、対物平面、及び画像平面（第１光センサ３０の検知領域の平面に相当）が共通の線上で交差する場合である。したがって、本発明の第２例示的実施形態に係る測定装置２００の場合、第１センサセンサ３０の検知領域が、接眼レンズ４０に対して若干傾斜して配置されることで、レーザ光ライン２４は、接合継ぎ目１４の高さプロファイルがどのようなものであっても、最適な鮮明度で、第１光センサ３０の検知領域に空間分解方式で結像され、その結果、接合継ぎ目１４の高さプロファイルを更に高い精度で測定することが可能になる。

第１光センサ３０は、一つ以上の三角測量ライン２４を素早く取り込むように、画像記録速度が更に最適化され、その結果、接合継ぎ目１４の高さプロファイルの二次元評価が高速の接合速度で実行可能になる。この場合、第１光センサ３０の読み取り速度は、１ｋＨｚを上回ると好ましく、２ｋＨｚを上回ると更に好ましく、３ｋＨｚを上回るとより一層好ましく、特に、読み取り速度は、最大で３．５ｋＨｚの走査速度である。このため、非常に高速で空間分解を行う第１センサ３０は線形特性を有することが好ましい。レーザライン２４に必要なのは、ほぼ不変の光度で可視化されることのみであるので、レーザライン２４の画像形成に広いダイナミックレンジは必要ないため、前述の特性は、三角測量センサとしての用途に何らかの制約を課すものではない。線形特性を持つセンサの場合、最大で毎秒６００メガバイトのデータ転送速度を実現できる。レーザ溶接の場合の一般的な溶接継ぎ目は、２〜３ｍｍの幅を有する。一般的に利用される三角測量レーザラインは約３０μｍの幅であるため、サイズが３対１に縮小される画像形成で十分である。

したがって、約１０ｍｍのセンサ幅を有する１インチセンサの場合は、１０ｍｍ×１０ｍｍの検知領域に３０ｍｍ×３０ｍｍの対物視野で画像を生成できる。６００ピクセル×１５０ピクセルの関連画像領域（ＲＯＩ：Ｒｅｌｅｖａｎｔ Ｉｍａｇｅ Ｒｅｇｉｏｎ）寸法の場合は、三角測量について最大３．５ｋＨｚの走査速度になる。三角測量ライン２４は、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ（フィールドプログラマブルゲートアレイ））毎に、画像から直接取り出すことができる。このため、トポグラフ画像のみが評価装置に伝送される。したがって、この方式で走査される物体領域は１８ｍｍ×４．５ｍｍである。合計で１０００ピクセルになる第１光センサ３０の全センサ幅を利用することで、幅が３０ｍｍの物体領域を走査及び測定することができる。また、図１Ｂに示した本発明の第２例示的実施形態に係る第１光センサ３０の構成の場合は、シャインプルークの条件が維持されるため、三角測量画像の形成に、深い焦点深度が得られる。

下記において、少なくとも一つの照光装置２６及び第２光センサ３４を備え、接合継ぎ目１４の二次元画像を生成する２Ｄ測定システムについて更に詳しく説明する。

第２光センサ３４は、グレースケール画像の取り込み用に最適化されたグレースケール画像センサであると好ましい。したがって、本発明によれば、１：１の画像比を選択して、第２光センサ３４の検知領域に接合継ぎ目１４の画像を生成するが、この選択は、可能な場合に、接合継ぎ目１４内の小さい障害を検出可能にすることも同様に目的として為される。通常は、５ｍｍ×５ｍｍの対物視野が走査される。第２光センサ３４のデータ転送速度は、検査前進速度、又は接合速度における物体領域の十分な重畳が保証される程度に十分に高速でなければならない。このことは、毎秒２５０ｍｍの検査速度例の場合に、フレームレートが毎秒５０フレームであることを意味する。この場合、第２光センサ３４の読み取り速度は、５００Ｈｚ未満であると好ましく、２００Ｈｚであると更に好ましく、１００Ｈｚ未満であると更に一層好ましい。第２光センサ３４は、線形対数特性を有すると好ましく、これは、その広いダイナミックレンジの結果として、溶接継ぎ目又ははんだ付け継ぎ目の反射特性を最適な方式で十分に発揮するためである。少なくとも一つの照光装置２６による接合領域１０の均一な照光は、発光ダイオードとして具現される第２光源２８を用いて行われることが好ましい。ここで、照射光の入射方向は、対応する用途に応じて調整することができる。発光ダイオード２８の波長は、好ましくは、６２０ナノメートルである。光学帯域通過フィルタとして具現される第２光学フィルタ４６を用いることによって、第２光源２８からのダイオード発光の成分のみが、第２光センサ３４の検知領域に結像する。第１光学フィルタ４４に関する前述の説明は、第２光学フィルタ４６の特性にも当てはまるものとする。高い照明光度を実現するため、少なくとも一つの照光装置２６の第２光源２８は、パルス方式で動作することができ、この目的に合わせて、ＬＥＤモジュールが好ましく利用される。

図４に示すように、４つの照光モジュール又はＬＥＤモジュール２６ａ，２６ａ’，２６ｂ，２６ｂ’を利用して、接合継ぎ目１４を最適に照光することができる。ここで、２つの照光モジュール２６ａ及び２６ａ’は、対物レンズ３８の光軸、すなわち集束レンズ５４の光軸Ｌに対して小さい角度で照光するように設けられ、他の２つの照光モジュール２６ｂ及び２６ｂ’は、対物レンズ３８の光軸、すなわち集束レンズ５４の光軸に対して大きい角度で照光するように設けられる。本明細書において、小さい角度は、１°から４５°の間、特に１°から３０°の間の角度を意味するものと理解されたい。また、大きい角度は、４５°から８９°の間、特に４５°から６５°の間の角度を意味するものと理解されたい。処理において、接合継ぎ目１４は、その輪郭に沿って両側からそれぞれ照光されると好ましい。したがって、一方側において、接合継ぎ目１４は、照光モジュール２６ａによって光軸Ｌに対して小さい角度で照光されると共に、照光モジュール２６ｂによって光軸Ｌに対して大きい角度で照光され、接合継ぎ目１４の他方側において、照光モジュール２６ａ’によって光軸Ｌに対して小さい角度で、照光モジュール２６ｂ’によって光軸Ｌに対して大きい角度で照光されるため、接合継ぎ目１４の最適な照光が実現する。

光軸Ｌに対して小さい角度での第１照光モジュール２６ａ，２６ａ’の出力パワー、及び光軸Ｌに対して大きい角度での第２照光モジュール２６ｂ，２６ｂ’の出力パワーは、制御装置（図示せず）を用いて互いに独立して設定することができる。このため、暗視野照明と明視野照明の切り替えが可能であるが、照明タイプの一方又は他方の割合を相応に大きくすることもできる。

本発明によれば、測定装置１００又は２００は、画像処理ユニットを更に備え、この画像処理ユニットは、三角測量光ライン２４の輪郭を評価することによって取得したトポグラフ画像のグリッドモデル上に、第２光センサ３４から得た画像データの画像を生成して、三次元接合継ぎ目１４の算出モデル図を作成する。この目的を達成するために、既知のマッピング技術を利用できる。したがって、本方法は、二次元情報及び三次元情報の最適な同時表示を実現する。拡張された３Ｄグリッドモデルの図を回転又は変形することによって、空間情報と共に、接合継ぎ目１４の表面を確認して評価することができる。

したがって、本発明によれば、接合処理中に、被接合領域１２及び接合継ぎ目１４を有するワークピース１６内の接合領域１０を監視する測定装置が作製され、この測定装置において、最適なセンサ特性及び光学画像形成特性の両方が、三角測量用途及びグレースケール画像評価のために一つのセンサシステム内に統合される。可能な限り高速のセンサが三角測量に利用される一方で、可能な限り良好な信号対雑音比と広いダイナミックレンジとを持つセンサがグレースケール画像評価に利用される。非常に小さい障害を可視化できるようにするためには、１：１の画像生成がグレースケール画像に必要とされる。

レーザライン２４は、通常、一般的なピクセルサイズでは集束できないため、三角測量センサは、縮小画像形成が行えればよい。三角測量センサ３０は、３ｋＨｚを超える画像データで動作することができ、グレースケール画像センサは、一般に、１００Ｈｚまでの範囲で動作する。したがって、第１光センサ３０の読み取り速度は、１ｋＨｚを上回ることが好ましく、第２光センサの読み取り速度は、５００Ｈｚ未満であると好ましい。また、本発明の測定装置１００，２００に、互いに異なる第１光センサ３０と第２光センサ３４とを設けたことで、露出時間、ダイナミックレンジ、特性値、及び他のセンサ特性を、それぞれ対応する目的に合わせて調整することができる。

本発明に係る測定装置１００，２００は、複数の適応分野で利用することができる。したがって、測定装置１００，２００を利用して、例えば、溶接端を識別して溶接レーザを案内すること、品質に対する要望が非常に高い場合に、全てのタイプの溶接接合部の品質を検査すること、接着ビードの品質を検査すること、形状を測定して表面を監視すると同時に、表面の組成を検査すること、及びワークピースの２Ｄ及び３Ｄ測定を行うことができる。

ユーザは、この斬新なセンサシステムを用いることによって、一般に認められた光切断方法に係る必要な３Ｄ測定を非常に高い周波数で実行できると共に、グレースケール画像評価を平行して実施することができる。また、前記ユーザは、大きい物体領域を介した三角測量方法を用いて、接合位置４８に隣接した領域を測定することもできる。ユーザは、深い焦点深度を得ると同時に、グレースケール画像の評価に必要な画像鮮明度を得る。データの融合後に、検査対象又は監視対象である接合継ぎ目１４のテクスチャについての最適な空間表現がユーザに提示される。障害の横方向の範囲は、センサ前進速度とは完全に独立している。

１０ 接合領域、１２ 被接合領域、１４ 接合継ぎ目、１６ ワークピース、２０ 第１光源、２２ 光扇、２４ 三角測量光ライン、２６ 照光装置、２６ａ，２６ａ’ 第１照光モジュール、２６ｂ，２６ｂ’ 第２照光モジュール、２８ 第２光源、３０ 第１光センサ、３２ 第１測定ビーム経路、３４ 第２光センサ、３６ 第２測定ビーム経路、３８ 対物レンズ、４０ 第１接眼レンズ、４２ 第２接眼レンズ、４３ 第１ビームスプリッタ、４４ 第１光学フィルタ、４６ 第２光学フィルタ、４８ 接合位置、５０ ワークレーザビーム、５２ ハウジング、５４ 集束光学系、５６ 光ファイバ、５８ ファイバホルダ、６０ コリメータ光学系、６２ 第２ビームスプリッタ、１００，２００ 光学測定装置、３００ レーザ溶接ヘッド、Ｌ 光軸。

Claims (13)

1. ワークピース（１６）内の接合領域（１０）を監視する光学測定装置（１００，２００）であって、
   −接合対象であるワークピース（１６）の方向に光扇（２２）を投射して、前記接合対象であるワークピース（１６）上の前記接合領域（１０）内に、その接合領域（１０）内の接合継ぎ目（１４）と交差する三角測量光ライン（２４）を生成することに適した第１光源（２０）を備える少なくとも一つの光切断装置（１８）と、
   −第２光源（２８）を備える照光装置（２６）と、
   −前記接合継ぎ目（１４）に投影された三角測量光ライン（２４）の空間分解画像を生成する、第１測定ビーム経路を有する第１光センサ（３０）と、
   −前記接合継ぎ目（１４）の空間分解画像を生成する、第２測定ビーム経路（３６）を有する第２光センサ（３４）と、を含み、
   前記第２測定ビーム経路（３６）は、前記第１測定ビーム経路（３２）内に同軸結合され、
   前記第１光センサ（３０）および前記第２光センサ（３４）は、共通の対物レンズ（３８）を利用し、
   前記光学測定装置（１００，２００）はさらに、
   −前記接合対象であるワークピース（１６）の前記接合領域（１０）を、前記対物レンズ（３８）の光軸（Ｌ）に対して小さい角度で均一に照光する、少なくとも一つの第１照光モジュール（２６ａ，２６ａ’）と、
   −前記接合対象であるワークピース（１６）の前記接合領域（１０）を、前記対物レンズ（３８）の光軸（Ｌ）に対して大きい角度で均一に照光する、少なくとも一つの第２照光モジュール（２６ｂ，２６ｂ’）と、
   −前記少なくとも一つの第１照光モジュール（２６ａ，２６ａ’）と、前記少なくとも一つの第２照光モジュール（２６ｂ，２６ｂ’）とを異なる期間に個別に駆動することで、暗視野照明と明視野照明とを交番させる、又は明視野照明の光度と暗視野照明の光度の相対比率を設定する、制御装置と、を含み、
   前記照光装置（２６）は、前記少なくとも一つの第１照光モジュール（２６ａ，２６ａ’）と前記少なくとも一つの第２照光モジュール（２６ｂ，２６ｂ’）とを含み、
   前記第１光センサ（３０）の読み取り速度が１ｋＨｚを超え、前記第２光センサ（３４）の読み取り速度が５００Ｈｚ未満である、光学測定装置（１００，２００）。
2. 前記第１光センサ（３０）の読み取り速度が３ｋＨを超え、前記第２光センサ（３４）の読み取り速度が１００Ｈｚ未満である、請求項１に記載の光学測定装置（１００，２００）。
3. 前記第２光センサ（３４）の前記第２測定ビーム経路（３６）は、第１ビームスプリッタ（４３）によって、前記第１光センサ（３０）の前記第１測定ビーム経路（３２）内に同軸結合される、請求項１又は２に記載の光学測定装置（１００，２００）。
4. 前記第２光センサ（３４）の検知表面と、前記少なくとも一つの光切断装置（１８）からワークピースに投影される光扇（２２）とが、前記接合継ぎ目（１４）と交差する三角測量光ライン（２４）の画像についてシャインプルークの条件を満たすように、互いに整列される、請求項１から３のいずれか１つに記載の光学測定装置（１００，２００）。
5. 画像処理ユニットを更に含み、前記画像処理ユニットは、前記三角測量光ライン（２４）の輪郭を評価することによって得られるトポグラフ画像のグリッドモデル上に、前記第２光センサ（３４）からの画像データの画像を形成して、三次元接合継ぎ目（１４）の算出モデル図を生成する、請求項１から４のいずれか１つに記載の光学測定装置（１００，２００）。
6. 前記第１光センサ（３０）は線形特性を有し、前記第２光センサ（３４）は線形対数特性を有する、請求項１から５のいずれか１つに記載の光学測定装置（１００，２００）。
7. 前記第１光センサ（３０）の検知領域には、前記第１測定ビーム経路（３２）を利用して縮小画像が形成され、前記第２光センサ（３４）の検知領域には、前記第２測定ビーム経路（３６）を利用して実質的に等尺の画像が形成される、請求項１から６のいずれか１つに記載の光学測定装置（１００，２００）。
8. 光学帯域フィルタ（４４，４６）が、前記第１光センサ（３０）及び前記第２光センサ（３４）の上流側で、前記第１測定ビーム経路（３２）及び前記第２測定ビーム経路（３６）内に配設され、前記光学帯域フィルタの通過波長範囲は、前記光切断装置（１８）の第１光源（２０）、及び前記少なくとも一つの照光装置（２６）の第２光源（２８）の発光波長に合わせて調整される、請求項１から７のいずれか１つに記載の光学測定装置（１００，２００）。
9. 前記少なくとも一つの第１照光モジュール（２６ａ，２６ａ’）と前記少なくとも一つの第２照光モジュール（２６ｂ，２６ｂ’）は、ＬＥＤモジュールとして具現されてパルス方式で動作する、請求項１から８のいずれか１つに記載の光学測定装置（１００，２００）。
10. 前記少なくとも一つの光切断装置（１８）の前記第１光源（２０）はダイオードレーザを含む、請求項１から９のいずれか１つに記載の光学測定装置（１００，２００）。
11. 接合装置を利用してワークピースを接合する接合ヘッドであって、請求項１から１０のいずれか１つに記載の光学測定装置（１００，２００）を含む、接合ヘッド。
12. 前記接合装置は、レーザ溶接装置（３００）、ガス金属アーク溶接装置、又は接着ビード装置である、請求項１１に記載の接合ヘッド。
13. レーザビーム（５０）を利用してワークピース（１６）を溶接するレーザ溶接ヘッド（３００）であって、
    −内部に前記レーザビーム（５０）のビーム経路が構成され、接合領域（１０）において、接合対象である前記ワークピース（１６）の接合位置（４８）に前記レーザビーム（５０）を集束させる集束光学系（５４）を有するハウジング（５２）と、
    請求項１から１２のいずれか１つに記載の光学測定装置（１００，２００）と、を含み、
    前記少なくとも一つの光切断装置（１８）は、前記接合対象である前記ワークピース（１６）上に投影された光扇（２２）が前記集束光学系（５４）の光軸（Ｌ）に対して所定の角度になるように、前記ハウジング（５２）に固定的に接続され、
    前記第１測定ビーム経路（３２）及び前記第２測定ビーム経路（３６）は、第２ビームスプリッタ（６２）によって、前記光軸（Ｌ）内に同軸結合される、レーザ溶接ヘッド（３００）。

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