JPH01502535A - 円筒物体の光学検査システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 円筒物体の光学検査システム 序説 この発明は表面傷を見出すようにした円筒物体の光学検査システムに関する． “円筒”なる用語は最も広い数学的意味で用いられ、断面は如何なる閉じた曲線 でもよく、また物体は直線、曲線、トロイダル或は他の形状であってもよい．よ り特別には、本発明は０リングの検査に向けられる． 背景 “０リング”は一般に円形断面のモールドされた弾性シールを指称するものとし て理解ざれている名前である。Ｏリングはプラスマイナス０．０５ｍｍ　（０． ００２インチ）の寸法許容誤差でつくられ、またシールをつくるべくこのＯリン グを保持する部品も適切な圧縮をつくり出すために同様な許容誤差とされかつ設 計される。１０万ドル或はそれ以上もする装置の寿命はこのタイプのシールに依 存している．このタイプの応用では、各Ｏリングは取付け前に、切欠き、クラン ク、引きちぎれ、流れ跡、たわみ、過剰トリミング、ばり、異物混入、ミスマッ チ、へこみ、充てん不足、芯ずれ、型割線へこみ、型割線突起などのあらゆる欠 陥を除去するために個々に検査される。

現在、重要な応用においてはＯリングは拡大鏡を用いて人為的に目視検査されて いる．本発明の目的は十分な速度で自動検査を行い、これにより単一の装置で年 間２，　０００，　０００個以上の０リングの検査を可能とすることである。

発明の要約 本発明によれば、０リングの表面を横切って光トレース（線：ｔｒａｃｅ）が投 影される。これは固定線であっても移動点によって描かれる線であってもよい、 レーザは便利な光源を提供する。

一実施例によれば、光ビームはその焦点が０リングの表面上に結ばれて点を形成 し、この点は表面上を前後に走査される。第２の実施例においては円筒形レンズ が使用されて静止非走査線を形成する。これらは各々ある種の有利性を有する。

走査の有利性は、レーザビームの全強度が傷の発見に利用されることである。非 走査線を利用する有利性は、表面がいかに速く移動しようとも表面上で照射から 外れる部分が決して生じないことである。

０リング表面から散乱された光はレンズによって集められ、レンズは２つのマス ク上に線画像を形成する。マスクは投影された線画像に一致するような形状を有 する。もし表面が完全であれば、線は全部２つのマスク上に載るであろう０片方 のマスクは凸面の端縁を有する。もし表面上に突起があると、この突起から反射 された光はマスクを超えて伸長して光検出器により記録されよう、他方のマスク は凹面であり、もし０リング内に（ぼみがあればこのくぼみは光の線をマスクの 内部へ伸長させて同様に光検出器により記録されよう、光検出器はたとえば光増 倍管またはシリコン電池でよい、初期の頃のテストでシリコンは十分な感度を示 さなかったようであるので現在は光増倍管が好んで用いられる。０リングの全周 をカバーするのに十分な数のレーザおよびマスクの系が設けられる。各セットは １２０度を十分にカバーするので各検査ステーションには３セントのレーザ・マ スクを使用すればよいことが実際にわかった。０リングをその中心軸のまわりに 回転することにより全表面の走査が可能である。

レーザとマスクとの適切な心合せを維持するために補助の光学系が使用される。

図面の簡単な説明 図面において： 第１図は部品の略配置図； 第２ａ図および第２ｂ図は第１図の配置内で使用される代表的なマ入りの略図； 第３ａ図、第３ｂ図、および第３Ｃ図は心合せセンサ配列の略図； 第４Ｗ！Ｊは第３ａ図、第３ｂ図、および第３Ｃ図に示す心合せセンサを示した 光レシーバ系の略図； 第５図は位置ぎめ（心合せ）サーボミラーを示した光伝送系の略図； 第６ａ図、第６ｂ図、および第６Ｃ図は探傷器センサを用いたビーム心合せの略 図； 第７図はコンピュータシステムが調節モータの位置を設定するために入力データ を取入れる方法を示す流れ図；第８図は探傷器センサを用いて適切な画像位置を 設定するために用いられる論理の流れ図；および 第９図は心合せセンサ配列を用いて適切な画像位置を設定するために用いられる 論理の流れ図である。

詳細な説明 第１図を参照すると、０リングの一部分が２で示されている。

レーザ４は光ビーム６をＯリング２の半径方向を向き光が０リングに衝当した点 に投影する。それは走査器７によりＯリングの表面を横切って走査される。０リ ングはリレーレンズ８により画像化される０画像寸法はズーム１０により制御さ れる０周知ノヨウに、ズームレンズは系の焦点距離を変えるために市販のマイク ロプロセッサ制御モータ駆動トランスレータ５４を用いて相互にＯｉ１節される ２つ以上のレンズ部品を含む、線の画像はビームスプリンタ１２よりマスク１４ および１６に誘導される。検出器１８はマスク１４の背後に配置され、検出器２ ０はマスク１６の前後に配置される。検出器からの出力はマイクロプロセッサシ ステムに供給され、マイクロプロセッサシステムは信号を分析し、画像の位置を 制御して表面の傷の状態を判定する。

マスク１４および１６が第２ａ図および第２ｂ図に示されている。

マスク１４は凸端縁２４を含む、マスク１６は口端縁２８を含む、第２ａ図はも し完全な面がレーザ光ビーム６により走査されたときに現わす状態を示す、第２ ｂ図はへこみ形の傷を有する表面が走査されたときに現わす状態を示す、各場合 において、走査される光の点の径路が表面を横切るときの光トレースの画像は３ ０で示される。第２ａ図において線３０はマスク１４および１６上に存在する。

光は遮断されて検出器まで到達しないことが理由で、第２ａ図において■で表示 された電圧に示すように検出器１８および２０の応答は一定である。第２ｂ図に おいて、３０′で末されたへこみはマスク１４上に落ちる。したがって検出器１ ８の応答は依然として一定のままである。しかしながら、へこみ３０′は凹面形 マスク１６の外側に伸長する。したがって検出器２０は第２ｂ図においてｔ（ｆ ）で示すように「ブリップ（山形パルス）」を示し；両図においてｔｓは走査の 時間を示す、０リングはその中心軸のまわりに回転され、したがって表面の次に 続く部分がレーザ・ビーム６により走査される。

第１図に示す各光学系は周囲の１２０°をカバー可能であり、したがって全周を カバーするためには最小３つの光学系が必要である。上記の傷の形のほかに他の 形のものも、２つのチャネル（検出器１８および２０）内および１００％検査を 行うために周囲に設けられた他の系の２つのチャネル内に発生した信号の分析に より識別可能である。マスクは与えられた円環体直径を有するＯリングと固定さ れた光学倍率とに合わせて作られている。

他の直径を有するＯリングにも通力させるためにはマスクかまたは倍率のいずれ かを変更しなければならない、後者のほうがより実用的である。第１図に示すよ うに、倍率の変更を可能とするためにズームレンズ１０が設けられている。ズー ムレンズの調節可能部品の位置は第７図に示すようにコンピュータの制御により 独立かつ同時に変更可能である。ある直径から他の直径への変更はキーボード入 力により行ってもよい、さらに、オーバーサイズまたはアンダーサイズの０リン グは２つのチャネルの一方または他方に持続性のある信号を発生するのでキーボ ードの介在なしに系が自動的に倍率をｍｓすることも可能であり、この調節は第 ８図および第９図の流れ国内に示すようにＯリングの直径が公差内にあるかまた は公差外かに関する指示とじても利用可能である。

特徴的性質が系内に組込まれて系の心合せを維持している。

われわれの好ましい実施例は第６ａ図、第６ｂ図、および第６ＣｒｆｌＪにより 理解されよう、この方法は走査される光のトレースを必要とする。第６ａ図にお いて、光トレースの画像３ｏはマスク１４によっては遮断されないがマスク１６ により遮断される。検出器１８、第４図、は対称軸５０の両側に現れる信号を発 生するが、検出器２０によっては発生されない。この信号のアンバランスはミラ ー４２、第５図、を増分ずつ回転させるのに使用され、ミラー４２は検出器１８ および２ｏがらの信号が等しくなるまで回転を継続する。信号が等しくなったと き光のトレース３０が両方のマスク１４および１６により遮断される。検出器１ ８および２０からの残留信号はメイントレース３０に付属するハロ（収差フレヤ ）のために低い光レベルである。これらの残留信号は光トレースの位置を対称軸 ５０および５２に沿って維持するための基準を提供する。

画像位置を維持するための自動マイクロプロセッサ制ｍ調節の流れ図が第８図に 示されている。対称軸に直角な方向の心合せは第６ｂ図および第６ｃ図に示すよ うに信号の一時的位置を基礎にしている。第６ｂ図は光トレースが軸５０および ５２の右へ移動されたときの状態を示す、マスク１４に付属する検出器１８は軸 ５０の右へ信号を発生し、一方マスク１６に付属する検出器２ｏは軸５２の左へ 信号を発生する。この信号の組合せはミラー３８の増分運動を開始するのに使用 され、運動が完了するとその結果光トレースは対称軸上に位置することになる。

第６ｃ図に示すように光トレースの画像が反対方向に移動すると、異なるセット のエラー信号が発生し、この信号はミラー３８の増分回転を反対方向に開始させ るのに用いられ、この回転は対称が得られるまで継続される。傷の信号は振幅が 大きく、発生時間が短かく心合せ系の操作によってもゼロにできないという事実 により、傷の信号は心合せ信号から区別可能である。

系の心合せを維持する代替方法は３つの線形位置検出器の使用からなり、検出器 上に「走査線」が画像化される。このような検出器３１の１セツトが第３図に示 され、３２．３４および３６で表示される。シリコン検出器技術に基づく線形位 置検出器は数社から市販されている。これらの検出器からの信号は検出器の一端 から線トレースの重心が落ちる点までの距離に比例する。０リングの軸に沿った レーザ線の位置を検知するのに中央の検出器が使用される。３つの異なる状態が 第３図に示され、画像位置を維持するための自動マイクロプロセッサ制御調節が 第９図に示されている０点線は、もしＯリングが完全でありかつ系が完全に心合 せされたならば光トレースが落ちるであろう場所を表示する基準を提供する。第 ３ａ図においては、系はよく心合せされ、倍率またはＯリング直径はそれがある べき大きさよりわずかに小さいだけである。第３ｂ図においては、系は一方向に はよく心合せがなされているがＯリング直径または垂直方向心合せが不良である 。このような状態は心合せ不良と解釈され、自動修正が開始されてレーザ線の画 像を予想位置に移動するであろう０次にもし倍率が正しくなければ、トレースの 端部は理想線上にのらないので倍率の修正が開始されよう、第３ｃ図においては 、系は他の方向に心合せが不良であり、センサ３２および３６内に発生される信 号は修正を開始するのに使用されよう。

この横方向修正は心合せミラー３８、第４図、の位置により制御される。この図 は心合せ検出器３１の位置を示す、ビーム・スプリンタ・ミラー４０は心合せ検 出器３１に光を導くのに使用され、一方さらに光をマスクの方へ通過させる。第 １図に示したように、ズームレンズ１０により拡大される一次画像を形成するた めにリレーレンズ８が使用される。われわれが取扱った特定の実施例においては 、リレーレンズ８は０．５×の倍率で画像を形成し、ズームレンズの倍率は１０ ×から４５×の範囲であり、この結果５×から２２．５Ｘの範囲の総合倍率が与 えられる。ズーム運動は、その上にズームレンズｌＯの２つの部品が装着されて いる２つのマイクロプロセッサ制御モータ駆動トランスレータ５４の運動により 実行される。心合せ検出器３１はズームレンズからマスク１４および１６と同じ 光学距離を有するように配置される。

第５図はレーザ光がそれにより０リングに照射される光伝送系を示す、心合せセ ンサ３１により、または検出器１８および２０からの信号により制御されるサー ボ位置ぎめミラー４２は、走査線を視野の中央に移動するように作動する。これ はＯリングの弯曲または振れを補償する０次にビームはレンズ４４を通過して共 振走査ミラー７まで到達し、ビームは前に説明したように０リングを横切ってビ ームを掃引させる。われわれのこの好ましい実施例においては、これは２　ＫＨ ｚの速度である。したがって２インチ／秒の速度で移動するＯリング表面に対し ては次の掃引は、００１インチだけ離れている。０リングはたとえばスピンドル ４６により回転される。

第１図および第５図の系により提供される走査点照射の代りに静止した光トレー スを用いることが望ましいときは、光の線を投影するようにレンズ４４は円筒形 に作られる。共振走査ミラー７は静止形であるが調節が可能なミラーに置換され るか、または代替方法として、この場合円筒形であるレンズ４４の焦点が０リン グ２上に直接結ばれるものでもよい。

われわれが構成した特定実施例において使用される特殊部品をここで説明しよう 。

検出器３２．３４および３６として使用可能な位置指示器には２つのタイプがあ る。１つは光検出器の線形配列である。他方は横効果ホトダイオードである。線 形配列は結局単線ビデオ方式である。代表的な配列は中心間距離が５０．８マイ クロメータ離れた２５６．５１２　、または１０２４の要素からなる。線形配列 およびそれらに付属の回路とのコストは横効果ホトダイオードおよびそれらに付 属の回路とのコストの６ないし８倍である。このコストは一般に、多重輝点また は複合パターンが追跡されるべき応用例において正当化される。−例として、画 像によって影をつけられた要素の数をカウントすることにより運動中の円筒形物 体の直径が測定可能である。０リングの測定業務はこのような複雑なことは必要 とせず、横効果ホトダイオードにより提供されるスピードと精度を利用可能であ る０、横効果ホトダイオードは単一要素アナログ装置であり、この装置はそれら に付属の回路と共に１つの電極から光のスポットまでの距離に比例した出力を提 供する。検出器はスポット内に分布された実際の光の重心を見出すので、光のス ポットは鮮鋭に焦点を結ぶ必要はない、したがってわれわれは、横効果ホトダイ オード、とくにユーナイテド・ディスフタ・テクノロジー（Ｕｎｉｔｅｄ　Ｄｅ ｔｅｃｔｏｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）社製検出器、モデルＬＳＣ３０Ｄを使用し た。

Ｏリングの画像を視野の中央に置くために使用されるサーボ走査ミラー４２とし て、われわれはジェネラル・スキャニング・インコーポレーテド（Ｇｅｎｅｒａ ｇ　Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ）社製モデルＧ３２５ＤＴを 使用した。走査ミラー７は画像を０リングの表面を横切って掃引させる。われわ れはジェネラ・スキャニング。

インコーボレーテド社製モデルＧ１０２を利用した。

ズームレンズ組立体内の２つのレンズの各々はそれ自身のポジシ；す上に支持さ れる。各レンズはコンピュータ制御トランスレータを用いて出１マイクロメータ の範囲内に位置ぎめ可能である。われわれはオリール（Ｏｒｉｅｌ）社製小形モ ータ駆動トランスレータ、モデル１８１６２および１８１６３を使用した。

光トレースはその平面に対しある角度をもって見られるの＋画像はだ円形である 。したがって、２つのだ円形マスク２４および２６が使用される。これらのマス クはパラメトリック等式により定義される。

Ｘ＝ＭＲｃｏｓＴ Ｙ＝ＭＲｓｉｎ　Ｔｓｉｎ　Ｆ ここでＦはレーザビームの掃引面または円筒形レンズからの光の投影面と、レシ ーバの中心から視野中心までの線との間の角度、ＲはＯリングの断面半径、およ びＭはレシーバ系の光学倍率である。Ｔは２５度から１５５度まで変化するパラ メトリック変数である。マスクは、長さＭＲの単長軸と長さＭＲｓｉｎＦの準短 軸とを有するだ円形を有する。

トランスミッタレンズ４４は光を０リング上の点（走査系）または線（非走査形 ）に焦点を結ばせる。

われわれはわれわれの発明のいくつかの実施例をかなり詳細に説明したけれども 、種々の変更態様が可能であることは理解されよう、したがってわれわれは、わ れわれの特許が添付の請求の範囲に記載の範囲によってのみ制限されることを希 望する。

所有権または特権が請求される本発明の実施態様は下記のように定義される。

Claims (29)

【特許請求の範囲】
1. １．物体を視野の中で移動させること、前記物体の表面上に光トレースを投影す ること、前記光トレースの画像をもし物体が完全な表面を有していれば前記光ト レースの寸法および形状とに対応する寸法および形状とを有する少なくとも１つ のマスク上に投影すること、および前記マスクを通過する光を検知すること、と からなる円筒形断面を有する物体の表面上の傷の検査方法。
2. ２．前記画像が２つのマスク上に投影され；前記マスクの片方は凸面形であって これにより前記表面上の突起が光のスポットを前記凸面形マスクの先ヘ投影し、 他方のマスクは凹面形であってこれにより前記表面上のヘこみが光のスポットを 前記凹面形マスクを通過させるようにした請求項１記載の方法。
3. ３．前記光トレースが前記物体を横切って前後に走査される光のスポットにより 形成される請求項１記載の方法。
4. ４．前記光トレースが前記表面上に投影される静止した光の線である請求項１記 載の方法。
5. ５．前記光トレースが前記表面を横切って前後に走査される光のスポットである 請求項２記載の方法。
6. ６．前記光トレースが前記表面上に投影される静止した光の線である請求項２記 載の方法。
7. ７．前記物体がＯリングであって前記Ｏリングが前記光トレースの中を通過して 回転される請求項１記載の方法。
8. ８．前記物体がＯリングであって前記Ｏリングが前記光トレースの中を通過して 回転される請求項２記載の方法。
9. ９．前記物体がＯリングであって前記Ｏリングが前記光トレースの中を通過して 回転される請求項３記載の方法。
10. １０．前記物体がＯリングであって前記Ｏリングが前記光トレースの中を通過し て回転される請求項４記載の方法。
11. １１．前記物体がＯリングであって前記Ｏリングが前記光トレースの中を通過し て回転される請求項５記載の方法。
12. １２．前記物体がＯリングであって前記Ｏリングが前記光トレースの中を通過し て回転される請求項６記載の方法。
13. １３．物体の表面上に光トレースを投影するように構成されかつ配置された光投 影手段；前記光トレースの画像を投影するように構成されかつ配置された少なく とも１つのレンズを含む画像化手段；前記光トレースの画像を受取るように前記 レンズの像平面に配置されたマスクであって、もし前記物体の表面に傷がなけれ ば前記光トレースの画像に対応するような寸法と形状とを有する少なくとも１つ のマスク；前記画像化手段から前記マスクを通過してきた光を受取るように配置 された検出器であって、これにより前記物体の表面内の傷が前記検出器内に信号 を形成するような少なくとも１つの検出器；とからなる円筒形物体の表面を検査 する装置。
14. １４．マスクの片方は凸端縁を有し他方は凹端縁を有する２つのマスク；前記凸 端縁を通過してきた光を受取るように配置された検出器および前記凹端縁を通過 してきた光を検出するように配置された検出器；とを含み、これにより、その表 面上に突起を有する物体上の前記光トレースは前記凸面形マスクから光を受取る 検出器内に信号を形成し、その表面上にヘこみを有する物体上の光トレースは前 記凹面形マスクを通過してきた光を受取る検出器内に信号を形成する請求項１３ 記載の装置。
15. １５．前記光投影手段が、レーザ、前記物体の表面上に前記レーザからの光の点 の焦点を結ぶためのレンズ、および前記光の点を前記物体を横切って前後に走査 するための手段、とを含む請求項１３記載の装置。
16. １６．前記光投影手段が、レーザ、前記物体上に前記レーザからの光の点の焦点 を結ぶレンズ、および前記光の点を前記物体を横切って前後に走査するための手 段、とを含む請求項１４記載の装置。
17. １７．前記光投影手段が、レーザ、および前記レーザから光を受取って前記物体 を横切る光の線を投影するように配置された円筒形レンズ、とを含む請求項１３ 記載の装置。
18. １８．前記光投影手段が、レーザ、および前記レーザから光を受取って前記物体 を横切る光の線の焦点を結ぶように配置された円筒形レンズ、とを含む請求項１ ４記載の装置。
19. １９．前記物体がＯリングであって、前記Ｏリングを支持しかつ前記光トレース を通過して前記０リングを回転するための手段を含む請求項１３記載の装置。
20. ２０．前記物体がＯリングであって、前記Ｏリングを支持しかつ前記光トレース を通過してそれを回転するための手段を含む請求項１４記載の装置。
21. ２１．前記物体がＯリングであって、前記Ｏリングを支持しかつ前記光トレース を通過してそれを回転するための手段を含む請求項１５記載の装置。
22. ２２．前記物体がＯリングであって、前記Ｏリングを支持しかつ前記光トレース を通過してそれを回転するための手段を含む請求項１６記載の装置。
23. ２３．前記物体がＯリングであって、前記Ｏリングを支持しかつ前記光トレース を通過してそれを回転するための手段を含む請求項１７記載の装置。
24. ２４．前記物体がＯリングであって、それを支持しかつ前記光トレースを通過し てそれを回転するための手段を含む請求項１８記載の装置。
25. ２５．前記光トレースの画像により操作され、および前記マスクの端縁にごく隣 接して前記光トレースを投影するように前記画像化系を調節すべく構成されかつ 配置された心合せ手段を含む請求項１３記載の装置。
26. ２６．前記心合せ手段が複数の線形位置指示器、および前記線形位置指示器上に 前記画像を投影するための手段、とを含む請求項２５記載の装置。
27. ２７．前記画像化系がズームレンズ、および前記光トレースの画像の寸法を前記 マスクの寸法および位置に一致するように調節するために前記ズームレンズの焦 点距離を調節するための手段、とを含む請求項１３記載の装置。
28. ２８．前記ズームレンズの倍率が前記検出器により受取られた光信号に応答して 自動的に調節される請求項２７記載の装置。
29. ２９．前記光トレースの画像を前記マスクの端縁に接近してかつそれに対し対称 に投影するように前記画像化手段を調節するように構成されかつ配置された心合 せ手段を含む請求項１４記載の装置。