JPH08505703A - 物体表面の特性を決定する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 物体表面の特徴の決定方法であって、光源からの輻射を入射ビームに用いて関心がある表面を照射する照射方法と、物体表面により前記ビームから散乱された輻射を検出器によって検出する検出方法と、検出器により検出された像をディジタル化し解析する解析方法とを含み、その検出器は物体表面と光源に対して事前に定義された位置に置かれており、その入射ビームは断面内に２次元の包絡線と、その包絡線内に特定の強度構造を持ち、しかもその構造にはビーム構造の要素に関する情報を与える一方向以上に走る多数の縁があり、その像の解析では散乱された輻射強度の形状と構造を２次元解析して、入射ビーム強度の形状と構造が物体表面での散乱で変化した状況に関して情報を与える決定方法。

Description

【発明の詳細な説明】 物体表面の特性を決定する方法 本発明は、物体表面の特性の決定方法に関し、特に表面の方向、距離、変位、 形状、または壁、角、穴など表面上の不連続性の存在を１つまたは複数の項目、 遠隔から非接触で決定する方法に関する。 ロボットによる溶接やレーザによる材料処理など多くの産業の用途では、処理 ヘッドまたは熱源を物体の処理表面に対して一定の距離と方向に保つ必要がある 。これは、ロボット装置が表面の輪郭をトレースするよう人間が教示してプログ ラムすることで時として達成される。しかし、遠隔処理が必要な場合、すなわち 核物質の処理プラントを運転、修理、または撤去する場合には、表面の輪郭をセ ンサ付きロボットで検出する必要がある。このような検出が特に困難なのは、物 体に角、鋭利な屈曲部、および鉛直壁があり不規則なときである。表面の輪郭プ ロファイルを検出する従来の技術では、ＬＶＤＴ（線形変数型微分変換器）や線 形抵抗型ポテンシオメータなどの位置センサに接続した触覚プローブを使用する か、容量型（金属面専用）、誘導型（金属面専用）、および光電型のセンサなど 非接触型の 近接スイッチまたは近接センサを使用している。最近では、ダイオード・レーザ による三点測量をＰＳＤ（位置感知装置であり、通常は線形な光電センサからな るアレイ）と併用している。これらの装置はどれも、物体表面に直接接触させる か表面のごく近くに置く必要がある。しかし、これらの装置のいずれを使用して も、表面の方向についての情報を得ることはない。実際、大半の装置が持つ精度 は、表面の方向と物質の性質に影響を受ける。例えば、ロボットを使用したレー ザによる材料処理では、ビームが表面に入る方向によって、ビームの吸収に影響 が出る可能性がある。従って、表面の情報を知らなければ処理の質を一貫して保 ち続けることはできない。そのうえ、鋭利な角、穴、および壁がある場合には、 表面から近距離で近接センサをフィードバックしながらロボット運動を制御する には危険が伴う可能性がある。 従来の技術では、物体の調査表面で反射されるか、この表面から散乱される輻 射光ビームの性質の変化を検出する多数の配置方法が記載されている。物体の表 面に形成される光学像は、線状の１次元像かリング状の単純な２次元像のいずれ かで構成されている。その結果、適切な制御情報をこのような像から得 ることはできない。これらの従来の技術に記載された配置方法では、外部から光 を照射する影響は考慮されていない。 特に英国特許第２２４１０６１Ａ号は、１本または複数本のビームを回転して いる物体に射影する手法を記載したものである。このビームの実体は１本または 複数本からなる１次元の縞であるため、表面の特定領域における方向などの情報 が獲得されることはなく、情報を獲得することもできない（ビームを相対的に移 動させて繰り返し走査すれば可能）。 英国特許第２１０４６５２Ａ号は、物体の先端や継ぎ目を溶接中に認識するこ とができる方法を開示したものである。この特許では、光が並行な線状のグリッ ドとなって物体から反射する。それぞれの線どおしには重なりがない。従って、 光の構造は正確な２次元状でなく、表面の方向を入射点で得るために使用するこ とはできない。そのうえ、加工品の形状を認識する分解能は射影したグリッド線 の間隔に依存する。このようなシステムは、オンラインの３次元トレースにより 方向を制御する場合よりも、領域の形状認識または継ぎ目や先端などの特徴の位 置決めに適している。そのうえ、アーク灯の光が検出システムに及ぼす影響で、 リアル・タイム用の装置・アプリケーション を阻害する場合もある。このシステムは、加工品面にあるスポットのｘ−ｙ座標 での方向、位置、および近傍の幾何形状など多数の情報を一度に与えることがで きない。 国際公開第９００９５６０号は、レーザ光を格子と凸レンズの中を通過させる ことで、光の並行なグリッド線である２本の円柱を物体表面の異なる領域に射影 する配置方法を記載したものである。このとき、表面の情報は１台のＣＣＤカメ ラにより取得する。ＣＣＤカメラを使用するため、比較する２本の円柱のサイズ が異なっていてもよい。この配置方法でも、物体表面の絶対位置も表面方向の情 報も決定することができない。 国際公開第８８０５９０４号は、１本の光線または並行な多数の光線が物体の 表面から反射される配置方法を記載したものである。この方法でも、表面の距離 、表面の方向、および近傍の情報を一度に、すなわち同じ光ビームから与えるこ とができない。 米国特許第５１５０２５４号は、内視鏡の先端を使用して従来の方法で物体の 表面に照射する装置を記載したものである。先端は、物体のごく近くに配置しな ければならない。この装置では、表面の位置と方向の情報を得ることができない 。 米国特許第４８４２４１１号は、並行な光ビームの列を物体の表面に射影する 配置方法を記載したものである。この方法では、射影された線ではさまれた点に おける表面の情報も、表面の位置と方向の情報も得ることができない。 米国特許第４４１１５２８号は、リング状の光ビームを凸レンズの中を通過さ せてから物体に射影することで、物体の表面に射影されたリング像のサイズ（距 離によって変化）を測定可能な装置を記載したものである。反射像を検出するＣ ＣＤカメラは、光源と同軸上にある。この測定は像のサイズに依存するため、表 面の反射率と色彩に依存する。つまり像が同じ距離にあっても、明るい表面はよ り大きな像を与え、暗い表面はより小さな像を与える。 本発明は、関心がある物体表面の距離、変位、方向、および形状などの情報を 角、穴、および壁の存在情報とともに決定する新アプローチを提示する。 本発明によれば、物体表面の性質を決定する以下の方法が提供される。この方 法は、光源からの輻射を入射ビームに用いて関心がある表面を照射する照射方法 と、物体の表面により前記ビームから散乱された輻射を検出器によって検出する 検出方法 と、検出器により検出された像をディジタル化し解析する解析方法とからなる。 その検出器は物体の表面と光源に対して事前に定義された位置に置かれており、 その入射ビームは断面内に２次元の包絡線と、その包絡線内に特定の強度構造を 持ち、しかもその構造にはビーム構造の要素に関する情報を与える一方向以上に 走る多数の縁がある。その像の解析では散乱された輻射強度の形状と構造を２次 元解析して、入射ビーム強度の形状と構造が物体の表面での散乱で変化した状況 に関して情報を与える。 本発明の他の特徴によれば、最初の特徴を持つ方法を実行する装置の配置手段 が提供される。この配置手段は、構造のある強度の断面を持つ前記入力ビームか らなる出力ビームを発生する発生手段と、前記の散乱された輻射からなる輻射を 検出し、しかもその散乱された輻射の強度プロファイルを表す信号を提供する手 段である検出器と、輻射を散乱した物体表面の２次元像を形成、解析する前記信 号をディジタル化し解析する信号プロセッサとからなる。 入射ビームは、レーザまたは他の光の並行ビームを含んでいてもよい。このレ ーザは、固体素子タイプでもガス・タイプで も他のタイプでもよい。構造がある断面またはトレース形状は、十字、円の中の 十字、矩形の中の十字、多数の矩形からなるグリッド、１個の大きな円に含まれ た多数の小さな円、同心円、小さな円が入った円の中の十字、または他の特有な 構造など意図的に適用された構造からなる。 出力ビームの発生手段は、輻射ビーム、すなわちレーザに加えて、光源、ビー ム・エキスパンダ、またはビーム分散器／積分器、またはこれらすべてだけでな く、適切な形状（複数可）を出力ビームの断面構造に与える開口を含んでいても よい。 散乱された輻射を検出する検出手段は、ビデオ・カメラ（たとえばＣＣＤカメ ラ）のシステムまたは他の周知の２次元光学検出器から構成してもよい。 前記信号プロセッサは、多数のアレイからなる画像プロセッサ、すなわちパラ レル・プロセッサを使用して構成してもよい。このプロセッサの出力は、リアル タイムでディジタル・マイクロプロセッサに転送される。マイクロプロセッサで は、画像を含む情報をまとめて処理、解析する。コンピュータ（マイクロプロセ ッサ）の出力は、画像を目で見える形で表示するディスプレイに使用しても、遠 隔受信器に転送しても、またはこれら 両目的に使用してもよい。 このようなシステムの代わりに、多数のカメラからなるシステムでも、多数の フレーム取り込み装置からなるシステムでも、またはこれら両システムであって もよい。そのような遠隔検出装置やシステムを使用すると、入射ビームの形状と 位置の散乱面による変動をビーム源もビーム検出器も移動させずに解析すること で、検査物体の情報、すなわち物体表面の位置、変位、方向、または形状を与え ることができる。 検出像に周囲の光が当たって生じる影響を減らす目的で、関心がある表面に向 ける出力ビームをパルス単位で印加してもよい。このため、適切な、たとえば矩 形の制御波形をビーム源と検出手段の電源に加てもよく、かつ／あるいは、信号 プロセッサを出力パルスと既知の方法で同期させて変調してもよい。 さらに、カラー・フィルタを使用して、検出手段により検出される輻射にフィ ルタをかけてもよい。これは、関心がある表面で反射した後の出力ビームを発生 する手段から出る輻射だけを検出するためである。 本発明は、ロボットによる自動３次元表面処理、建築工事における表面探査、 地理学や宇宙での応用、または生産ラインで の製造部品の自動品質管理を含む広範な多数の用途へ便宜的に使用してもよい。 本発明は遠隔処理操作、すなわち核物質の処理や再処理の施設における保守、修 理、または撤去で特に有用である。ディジタル・コンピュータ（マイクロプロセ ッサ）の出力信号は、フィードバック・ループ型の制御システムでエラー制御信 号として使用してもよい。この信号を使用する目的は、調査中の物体、またはそ れに隣接する手段（表面処理用のレーザ・ビームを発生するレーザ源）のいずれ かを移動させるロボット装置またはマニピュレータの運動を制御するためである 。 出力ビームの発生手段と散乱された輻射を検出する検出手段は、調査する表面 において鋭角（入射と散乱の輻射の経路に沿った角）をなしていることが望まし い。 本発明の動作原理は、以下のとおりである。入射ビームを関心がある物体表面 に開口構造のスポットで照射すると、背景環境、すなわち未照射の表面領域に比 べてあるコントラスト度で像ができる。このビーム像は前記検出器により検出す ることができ、信号プロセッサが検出像をディジタル化、解析、再構築する。入 射する輻射ビームと散乱された輻射ビームの経路がある角度をなす場合、検出器 から見た像は物体表面への射影像と なる。この射影像は、表面から検出器までの距離と配置方法の幾何形状に依存す る。検出像の形と位置は、基準となる平面から受け取る既知の射影像と比較して 解析する。このことにより、表面からの距離、表面の方向と形状など実物の表面 情報を得ることができる。一般に、入射ビーム・スポットの中心点を射影する操 作は、そのスポットが存在する表面の位置または距離の変動だけに依存する。ま た、像の軸方向は表面の方向に依存しており、像の形状は表面の幾何形状に依存 する。 このシステムの顕著な特長の１つは、散乱ビームの検出システム、すなわち検 出器と信号プロセッサを物体から離して配置することができる点である。入射（ レーザ）ビームを使用すれば、ビーム・コリメータの使用時、物体表面に結像し たビーム構造を遠方の場所でさえも比較的一致させることができる。この像は、 ビデオ（ＣＣＤなど）カメラか他の撮像装置、および拡張チューブ付きで焦点距 離の長いレンズを使用して遠隔から検出（またはズームイン）することができる 。 検出システムは遠隔から操作するため、火炎、放射能、煙、壁、障害物など検 出領域近傍に存在しうる危険物を回避するメリットがある。従って、コンピュー タは有用な情報をマニピュ レータ（表面プロファイルに合うよう適切に調整するロボットの処理マシンなど ）に与えることができる。これにより、衝突や損傷のリスクをまったく負うこと がなくなる。 検出システムの第２のメリットは、測定が表面物質の特性に依存しない点であ る。従って、用途を変えてもキャリブレーションは不要である。特性に依存しな い理由は、検出された散乱輻射像の要素中の位置と幾何形状の変化で表面のパラ メータや幾何形状が決定するからである。 検出システムの第３のメリットは、物体の検出表面が静止していても運動して いてもよく、生じた像の中で物体表面の位置と幾何形状を定義するために入射ビ ームを走査しなくてもよい点である。そのため、光源と検出器の間で相対運動は 不要である。 検出システムの第４のメリットは、表面の方向を含む表面の位置と幾何形状の データなど多数の情報をシステムから一度に得ることができる点である。グロー バルな領域にわたる表面地形の情報は、物体の至るところを走査して得ることが できる。 検査中の表面は、レーザ・ビーム又は、溶融プールや熱スポットを生み出す他 の熱源で処理されているものでもよい。熱源 については、本特許と同じ出願日であり、本出願人らが出願中の国際特許出願に 記載されているとおりであり、英国特許出願第９３２３０５２．２号で優先権が 主張されている。本特許では、この申請書の内容を引用により合体する。この溶 融プールや熱スポットは輻射を強く発している。そのため本出願人らは、発した 輻射光を散乱レーザ・ビームと同様な方法（後述の第１図に関する例の記載どお り）で検出、ディジタル化、および解析できることを見出した。見いだした手順 により、輻射を発する熱スポットや溶融プールの表面の位置、方向、および距離 に関する情報を得る。この手順で得た情報は、構造があるレーザ・ビームを使用 して本発明に従って得られた情報とコンピュータ上で比較してもよい。信号を溶 融プールや熱スポットから発した輻射から検出、ディジタル化、および解析する と、物体表面を処理しているレーザ・ビームの現在の位置情報を得る。これに対 して、構造があるレーザ・ビームから得る情報は、表面の位置への移動処理に先 だってその位置から得てもよい。 本発明は遠隔処理操作、すなわち核物質の処理や再処理の施設における保守、 修理、または撤去で特に有用である。 ここで本発明の実施例を、添付図を考慮しながら例に従って 記載する。 第１図は、本発明を実施するシステムの図（ブロック図形式の部分あり）であ る。 第２図は、第１図に示されたシステム用のビーム発生器の例を示す側面図であ る。 第３図は、第２図に示されたビーム発生器により発生しうるビーム形状を示す 図である。 第４図は、第１図に示されたシステムにおいて、違った物体の表面の特徴から 得られる像のさまざまな形状を示す図である。 第５図は、第１図に示されたシステムにおいて、物体表面に至る距離の実際の 変位と像の位置変化の幾何関係を示す光線図である。 第６図は、第１図に示されたシステムにおいて、物体表面によるビーム角の変 位と像のサイズ変化の幾何関係を示す光線図である。 第７図は、第１図に示されたシステムにおいて、物体表面の方向の変化と像の 変化の幾何関係を示す光線図である。 第８図は、第１図に示されたシステムにおいて有用なニューラル・ネットワー ク論理を使用して形状を認識するプロセスを 示す流れ図である。 第１図は、表面の方向、変位、および形状を遠隔から検出するシステムを示す 。レーザ源１は、出力ビーム３を与える。出力ビーム３は、関心がある物体の表 面５から情報を収集するために使用する。表面５は出力ビーム３を反射し、その 散乱ビーム７はビデオ・カメラ・システム９により検出する。電源１１はレーザ 源１に電力を供給し、電源１３（電源１１と組み合わせ可能）はカメラ・システ ム９に電力を供給する。カメラ・システム９の出力ビデオ信号は、フレーム取り 込み装置１台とローカルな画像プロセッサ１台からなるユニット１５により取り 込み、マイクロコンピュータ１７によりさらに処理する。マイクロコンピュータ １７の出力は、ディスプレイ・ユニット（図示せず）上に表示しても、遠隔受信 器（図示せず）に転送しても、これら両方を実行してもよい。同期制御装置１９ は、電源１１の出力変調、およびこれによりレーザ源１の出力変調をフレーム取 り込み装置（ユニット）１５と同期させた信号を与える。 第２図は、第１図に示すレーザ源１と場合によって併用する光学配置の一形態 を示す図である。レーザ源１の出力ビームは、 ビーム・エキスパンダ２１、ビーム分散器／積分器２３、および構造がある開口 ２５を続けて通過してから、構造があるスポット２８を与える構造がある断面か らなる引き延ばされたビーム３ａを形成する。この図では、レーザ源１の出力光 が通過する経路の端を線ｘで示している。 第３（ａ）図に示すとおり、開口２５は円３３中の十字３１からなる光の伝搬 形状２９を持っている。十字３１と円３３はまた、第３（ｂ）図と第３（ｃ）図 に分けて示されている。それゆえ、ビーム３ａはスポット２８に対応する断面を 持ち、このスポット２８は物体の表面５に入射することになる（第１図）。開口 ２５を別の断面形状の伝搬ビームを作る開口と交換することにより、他のビーム 形状を与えてもよい。例えば、矩形の中の十字からなる第３（ｄ）図に示す形状 ３５を使用してもよい。この形状の各要素３６と３８は第３（ｅ）図と第３（ｆ ）図に示されている。他の例、すなわち多数の矩形からなるグリッド、大きな円 に含まれた多数の小さな円、および十字を持つ同心円は、第３（ｇ）図、第３（ ｈ）図、第３（ｉ）図にそれぞれ示されている。 表面（表面５）上のさまざまな特徴が形成するさまざまな像の例がいくつか第 ４図に示されている。これらの例は、第４図 に示す伝搬形状２９が円の中の十字という構造である入射レーザ・ビーム（ビー ム３）により表面（第１図）上に形成された像を示している。 第４図において、１列目はさまざまな特徴を持つ表面に入射するレーザの出力 ビーム３を、２列目はそれぞれの場合に対応する像の形状を示している。第４図 の１列目に示す項目番号は、次の特徴を示す。第４図のキー： 項目番号 図示する特徴 １．表面からの距離の変化 ２．（内側に）傾いた表面 ３．（外側に）傾いた表面 ４．（右側に）傾いた表面 ５．（左側に）傾いた表面 ６．曲線の縁 ７．直線の縁 ８．壁 ９．角 １０．凸な表面 １１．凹な表面 第１図に示すシステムの基本幾何関係と、システムの動作リミットを決定する 因子を以下にまとめる。 （１）像の位置と物体表面の位置／変位の関係：第５図に示すとおり、物体表面 ５に入射する一本のレーザ・ビームＳの位置（例えば、入射ビーム３の中心）は 、距離とともに変化する。物体の表面にあり得る３つの位置５ａ、５ｂ、および ５ｃは、それぞれ（互いに）鉛直距離ｂ１とｂ２だけ離れており、第５図に位置 が示されている。それぞれの場合に表面５に対して角度βで散乱された光線Ｒは 焦点距離ｆのレンズＬで集められ、ビデオ・カメラ・システム９（第１図）の結 像面Ｉに像を形成する。レンズＬは、光線Ｓが表面５ｂを横切る点から距離ｕの 位置にある。また、レンズＬから結像面Ｉまでの距離はｖである。光線Ｓが表面 ５ａと５ｂを横切る点の間隔および光線Ｓが表面５ｂと５ｃを横切る点の間隔は 、散乱された光線Ｒの経路に沿って測定することでそれぞれａ１、ａ２とする。 ビデオ・カメラ・システム９の結像面Ｉにおける像の長さと距離の実際の変位 から作る比（例えば、ｈ１／ｄ１またはｈ２／ｄ２）は、以下の幾何関係から見 出すことができる。つまり、 および、 であるため、撮像システムのゲインは、 である。 （３）式からは、物体表面の変位を入射ビーム３の中心など特定の結像ポイン トの位置変化を通じて得ることができる。（３）式右辺のパラメータは特定のシ ステムでは一定にすることができる。そのため、結像面Ｉに射影された像の位置 は、物体表面の変位に対して線形に変化する。焦点距離の短いレンズを使用する と、検出の分解能が向上する。また、入射ビームと散乱ビームのなす角度を大き くしても分解能が向上する。物体の絶対距離は、レーザの射影角（α）を少し変 化させて像を変位させても得ることができる。（３）式から得られた画像のゲイ ンはｖ／ｕに等しい。ここで、ｕは第５図に示すとおりカメラのレンズＬと物体 の表面５の距離である。ゲインがｖ／ｕに等しいため、物体とカメラの距離は実 際簡単に計算することができる。それゆえ、表面５の反射と材料の特性が検出に 影響することはない。宇宙工学の用途など非常の長距離の検出では、 レーザ・ビームの距離による拡がりが入射レーザ・ビームのスポット像のサイズ を変化させる。サイズの変化は、ビームが伝搬した距離の評価に使用することが できるはずである。 （２）物体の角変位と像の長さ変化の関係：物体表面の方向とその方向の角変位 は、レーザ源１とカメラ・システム９が作る平面にある表面の角度（γ）とこの 平面に垂直な平面にある表面の角度（ω）によって記述することができる。 第６図の参照記号は第５図の記号と同じであり、類似した意味を持っている。 ただし第６図の場合、元の位置に対してそれぞれγ１とγ２の傾角をなす２つの 位置５ｃと５ｄのいずれかを表面５が占めるよう示されている。この場合、入射 ビームは光線Ｓ１、Ｓ２、およびＳ３からなり、これらの光線Ｓ１、Ｓ２、およ びＳ３それぞれが表面５ｄ、５、５ｃで反射して生じる散乱ビームはそれぞれ光 線Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３からなる。結像面Ｉ端の線Ｒ１とＲ３の間隔は、表面 ５ｃ、５、５ｄそれぞれでの反射に対してｄ１、ｄ、およびｄ２である。第６図 に示すとおり、ビーム源１とカメラ・システム９の配置で表面５をカメラ・シス テム９の方に配置を傾けると像の長さが増加し、逆の方に傾けると長さが減少す る。そこで第７図に示すとおり、 水平な表面に射影した像の長さをｈ１、結像面Ｉ上に射影した長さをｄ１とする 。表面５の角度を変位させた後には、表面５に射影した長さとビデオ・カメラ・ システム９に射影した像の長さをそれぞれｈ２、ｄ２とする。このとき、ビーム 源１とシステム９が作る平面内において像の長さと表面５の角変位γの関係は、 以下のように見出すことができる。 （４）式を解くと、ビーム源１とシステム９が作る平面内における表面の角変 位を以下のように見出すことができる。 ビーム源１とビデオ・カメラ・システム９を含む平面に垂直な角変位ωは、ス ポット像主軸の角変位または像の角変化に等しいと証明することができる。 （３）検出の分解能と精度：これは、ビデオ・カメラ・システム９の分解能、レ ンズのタイプ、像のスポット・サイズ、および像の倍率に依存する。一般に、検 出の分解能はレンズの焦点 距離、撮像カメラの分解能、およびビーム源１とカメラ・システム９が作る角度 を大きくすると向上し、像のスポット・サイズを大きくすると低下する。そのた め、カメラ・システム９の分解能を上げ、レンズの焦点距離を長くすると、分解 能は向上する。例えば、７５２×５８２の画素を与えるカメラはテレビ・モニタ 画面全体に７５２×５８２ピクセルの画素を表示するはずである。１０×１０ｍ ｍのスポット・サイズを１４インチの画面上でおよそ３００×３００ピクセルを 占める面積１００ｍｍ²に表示する場合、分解能は１０ｍｍ／３００ピクセル＝ ３３ミクロン／ピクセルとなる。画像の十字の中心だけを向いている２番目のカ メラでは、位置変位の検出にこのような精度が出るはずである。 （４）縁、壁、および角の存在を決定する像の形状解析：第４図から、縁、壁、 および角が存在すると、射影された円形ビームのスポットが大きく歪む可能性が あることがわかる。そこで、歪んだ像を縁がある既知の特徴を持つパターン像と 比較することで、スポット像の範囲内にある壁と角を検出することができる。入 射ビームの構造と像を第４図の項目２９に示すとおり十 字線によって４つの等価な領域に分割するときには、以下の知識ベースのルール （発見的方法）とアルゴリズムを使用した手順により像を自動で認識することが できる。縁と穴： 像の面積が減少しており、十字線が直線または折れ線である場合であって、しか も塗りつぶされた凸な表面と塗りつぶされた像の面積差が正である（像の面積が 内部の穴によって失われていない）場合、縁が存在している可能性がある。それ 以外の場合は１個または複数個の穴が内部にあるので、穴の個数をカウントする 。 失われている領域のサイズを使用すると、像の位置が縁に向いている程度と穴 の平均サイズを決定することができる。中心点から像の縁まで走査する動径方向 の長さは、対照性の解析によって縁の厳密な位置と形状を与える。縁と穴がある だいたいの位置は、区切られた４つの領域の内で面積がより小さいものを特定す ることで得ることができる。壁と角にある壁： 画像のサイズが増加しており、十字線が折れ線である場合であ って、しかも塗りつぶされた凸な表面と塗り つぶされた像の面積差が０（または既知のしきい値）よりも大きい場合、壁が存 在している。 平坦な壁と角にある壁は、面積を差し引いた後に領域の数をカウントすること で区別することができる（平坦な壁の場合は２、角にある壁の場合は３）。また 壁の位置は、（面積を差し引いた後に）残った領域の幾何中心の場所を見出すこ とで得ることができる。 （５）物体の３次元幾何形状の認識：物体表面のローカルな幾何形状は、第４図 に示すように表面に当てたビーム・スポットの幾何形状から決定することができ る。基準となるいろいろな幾何形状を持つ特徴は、データベースとしてコンピュ ータに保管されている。そこで実像を、保管されている像の特徴と比較すること で、ニューラル・ネットワーク解析とファジー論理から表面の幾何形状を決定す る。例えば円柱状の物体があると、十字線または縁の線が直線ではなく円弧にな るよう像が歪むはずである。このような診断に適したニューラル・ネットワーク が第８図に示されている。 第８図に示すボックスは、以下の条件を表している。第８図用のキー： ボックス番号 条件 ３１ 基準にない形状 ３３ 中心の十字線が曲がっている ３５ 凸表面の面積＞塗りつぶされた像の面積 ３７ 下向きに曲がっている ３９ 縁が曲がった十字と同じ角度で曲がっている ４１ 曲がった軸の長さ＞他の軸の長さ ４３ 凸表面 さらに、第８図でラベルＦＪの入力ボックスは既知のファジー論理による判定 手順を表す。物体のグローバルな幾何形状は、スポット・ビームを走査するかグ リッドのネットワークやラインを使用して決定する。前者の場合はサーボ・シス テムが、後者の場合はグローバルなレーザ・パターンの発生器またはマスクが必 要である。 （６）処理スピード：処理スピードは、カメラの走査スピード、フレームの取り 込みスピード、およびデータ・プロセッサのハードウェア／ソフトウェア上の構 造に依存する。例えば、ＣＣＤカメラの通常の走査スピードは画像が毎秒２５フ レーム 分である。それゆえ、最大処理スピードはこの値（４０ｍｓの更新スピード）に 制約される。そこで画像取り込み装置やカメラを多数使用した並列処理によると 、交互にフレームをサンプルすることでこの制約値をｎ倍だけ増やすことができ る。ただし、ｎはカメラ・システムの数である。 （７）検出範囲：表面の幾何形状が連続して変化している場合、システムがサン プルするすぐ次の位置は、撮像装置のフレーム内に存在する必要がある。例えば 、７５２×５８２の画素を持つサンプリング・スピード２５Ｈｚのカメラを使用 して１４インチのテレビ画面に倍率１０で（または０．５インチのイメージ・セ ンサに倍率０．２４で）表示する場合、物体の表面に当たるサイズ１０ｍｍのス ポットでは、物体の最大変位が４０ｍｓ以内に±１０ｍｍとなるはずである。そ こで物体の表面に自動でピントを合わせるシステムを使用すると、検出範囲が広 がるはずである。 第１図に示すシステム使用の特別な例では、赤色光で７ｍＷのヘリウムネオン ・レーザをビーム・コリメータ（またはビーム・エキスパンダ）、ビーム分散器 ／ビーム積分器、およびパターン発生器（構造があるマスク）と併用して、 構造を持つ光線を関心がある物体に射影した。そしてビデオ・カメラ（モノクロ 型でピクセル数７５２×５８２のＣＣＤカメラＰＵＬＮＩＸ ＴＭ−６２０）を １台、射影されたレーザ・ビームに対してある角度で配置した。このとき、カメ ラをレーザの波長だけに反応させる光学フィルタ（赤色のヘリウムネオン・レー ザに適した６３２．８ｎｍを中心とした狭帯域を持つ）を使用して、背景光が影 響しないようにした。次にビデオ・カメラによる検出像を、パラレル処理ボード （ＣＥＮＴＵＲＩＯＮ）を搭載しスタンドアロン型で多数のアレイからなる画像 プロセッサによりリアルタイムで解析した。その処理情報をさらに解析してディ ジタルでしかもグラフィックの形式で表示するため、シリアル回線（ＲＳ２３２ ）経由でホスト・コンピュータ（ＯＰＵＳ Ｖ ＰＣ ４８６）に転送した。 オンラインのレーザ像によって表面をモニタし制御するシステムを、コンピュ ータのＰＡＳＣＡＬ ６．０によるプログラミング手法によって実現した。メニ ュー駆動型であるキーボードＶＤＵ制御システムを、パラメータの設定、データ のロード／保存、動作の選択、およびディジタルでしかもグラフィック の形式によるリアルタイムなプロセス・パラメータ表示のためにコンピュータへ 実装した。そのシステムの一例を使用して、表面までの距離、表面の方向、形状 を自動でモニタする方法を決定するとともに、高出力の炭酸ガスレーザによって 階段型サンプルを処理している間に閉ループ型で距離を制御する方法を決定した 。そして、形状因子を像の長軸（運動量が最少の方向）と短軸（それに垂直な方 向）の長さの比として定義し、値を決定した。さらに、４つの可能性（平坦、凸 、凹、および不規則）を持つ幾何因子も決定した。像を良好に検出することがで きるレーザ・ビームに必要な最小強度は、およそ１０Ｗ／ｃｍ²であった。像は 終始バイナリ形式で計算するため、強度を上げると検出の分解能が向上する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ステイーン，ウイリアム・マツクスウエル イギリス国、エル・69・３・ビー・エツク ス、リバプール、ピー・オー・ボツクス・ 147、ユニバーシテイ・オブ・リバプール、 デイパートメント・オブ・メカニカル・エ ンジニアリング気付（番地なし) (72)発明者 モダーン，ピーター・ジユリアン イギリス国、ピー・アール・４・０・エツ クス・ジエイ、ノース・プレストン、ソル ウイツク、スプリングフイールズ・ワーク ス、ブリテイツシユ・ニユクリアー・フユ ールズ、ピー・エル・シー気付（番地な し)

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．物体表面の特徴の決定方法であって、光源からの輻射を入射ビームに用いて 関心がある表面を照射する照射方法と、物体表面により前記ビームから散乱され た輻射を検出器によって検出する検出方法と、検出器により検出された像をディ ジタル化し解析する解析方法とを含み、その検出器は物体表面と光源に対して事 前に定義された位置に置かれており、その入射ビームは断面内に２次元の包絡線 と、その包絡線内に特定の強度構造を持ち、しかもその構造にはビーム構造の要 素に関する情報を与える一方向以上に走る多数の縁があり、その像の解析では散 乱された輻射強度の形状と構造を２次元解析して、入射ビーム強度の形状と構造 が物体表面での散乱で変化した状況に関して情報を与える決定方法。 ２．その入射ビームがレーザ・ビームからなる請求の範囲第１項に記載の方法。 ３．そのビーム断面の形状と構造が、十字、円の中の十字、矩形の中の十字、多 数の矩形からなるグリッド、１個の大きな円に含まれた多数の小さな円、同心円 、または小さな円が入った 円中の十字を含む２次元領域を備える請求の範囲第１項又は第２項に記載の方法 。 ４．その光源により発生するビームがビーム・エキスパンダかビーム分散器／積 分器、またはこれら両方を通過するだけでなく、出力ビームの断面構造に適切な 形状を与える開口をも通過して前記入射ビームを構成する請求の範囲第１項から 第３項のいずれか一項に記載の方法。 ５．散乱された輻射を検出する手段である検出器がビデオ・カメラ・システム１ 台または他の２次元光検出器１台を備える請求の範囲第１項から第４項のいずれ か一項に記載の方法。 ６．ある制御波形を光源への供給電源に適用することで物体の表面に向ける入射 ビームをパルス単位に印加し、かつ検出器の発生する画像信号が対応する参照波 形を参照している請求の範囲第１項から第５項のいずれか一項に記載の方法。 ７．前記表面により散乱された輻射が光学フィルタを通過してから検出器に検出 される請求範囲第１項から第６項のいずれか一項に記載の方法。 ８．溶融プールまたは熱スポットを形成するため前記物体が熱処理され、その溶 融プールまたは熱スポットが発する輻射を検 出器で検出してからディジタル化、解析することで溶融プール像が作成され、か つその溶融プール像が前記光源から出た前記入射ビームの散乱により生じた検出 像の解析結果と比較される請求の範囲第１項から第７項のいずれか一項に記載の 方法。 ９．散乱された輻射による像を検出、ディジタル化、および解析した信号を、物 体または物体を扱う手段を操作するロボット装置またはマニピュレータに適用す る請求の範囲第１項から第８項のいずれか一項に記載の方法。 １０．調査中の物体が核のプラントまたは建設物の部分であり、かつその部分が 遠隔制御環境で運転中、修理中、または撤去中である請求の範囲第１項から第９ 項のいずれか一項に記載の方法。