JPS604402B2 - 表面形状測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は表面の形状を測定する為の装置に関する。

従来、物の表面を三次元的に正確に測定することは、特
に該表面が単純な回転面と異る場合に極めて困難であっ
た。

最近、表面の形状を測定する種々の方法が詠みられ、そ
の１つはモアレ縞方式を用いるものである。

この先行技術は、交互の透明な線と不透明な線とから成
る格子を測定すべき表面に近づけ、平行な光東を該格子
を通じて被測定表面に投射するものである。表面の形状
のため、格子の不透明部の被測定表面上の影は光東に対
し斜の方向から見た時直線ではなく、該表面の形状を表
わす様に曲つている。上記格子を通して該表面を見ると
、表面の影の暗い部分は格子と作用して明暗のモアレ縞
のパターンを形成し、各々の縞は被測定表面の、格子か
ら所定距離離れている１つの等高線を表わす。この既知
の方法は成功したものであるが、しかし実用上種々の欠
点がある。

第１に、格子を被測定表面に非常に近づけることは必し
も容易ではなく、この先行技術の方法では格子を良結果
が得られるように位置決めする必要がある。第２にモア
レ綿のパターンは格子自身の明暗パターンにより、不明
瞭となりｔそのためモアレ続パターンで正確な測定を行
うことは困難である。第３に、従来は表面形状のこのよ
うな視覚的な効果を形状をあらわす数値に変換すること
が不可能であった。格子を物理的に被測定表面の近くに
置く代りに、該表面自体の上に格子の投影像を形成する
ことが可能であろうということも先行技術で提案され、
又第１の格子と平行な今一つの同一の格子を硯像系に用
いてモアレ線パターンを作ることも提案された。これは
第１の欠点を解決するが、第２又は第３の欠点を解決す
ることは全くできない。本発明は、モアレ織を利用して
物体の表面形状を測定するための装置において、所要の
情報を得るために格子を通して被測定表面を見る必要が
無く、且被測定面の形状を定める点の座標の数値をＺ得
ることができる装置とを提供することを目的とする。本
発明は、モアレ綿を利用して物体の表面形状を測定する
ための装置において、１つの基準平面に結像した平行な
直線の明暗の縞から成る像で被Ｚ測定表面を照明し、そ
れによって、該表面にその表面の形状により歪曲された
縞のパターンを形成するための照明装置と「モアレ格子
を介することなく直接上記歪曲線パターンを撮擬し、撮
像管の走査によって、上記歪曲縞パターンを横切る走査
路に沿う照明の変化に対応する電気的出力を得るテレビ
ジョンカメラと、該カメラの出力に応答して上記走査路
に沿う最高照度位置および最低照度位置を検出する検出
装置と、該検出装置に応答して、上記最高又は最低照度
位置を計数し「それによって該位置の上記基準平面から
の距離を算出する装置とから成る表面形状測定装置を提
供するものである。

上記の走査路は上記の歪曲されていない縞に対し平行な
線から成るものでよい。

被測定表面を照明する直線の縞は該表面の近くに置いた
格子、該表面に結像した格子像「その他レーザービーム
の干渉のような手段の何れでも作ることができる。

本発明の装置の出力は、走査装置の口径が上記の照明の
１つの不透明部と透明部の合計の幅の１／２に等しいと
き最も望ましいものであることがわかった。

本発明の装置の低速走査テレビジョンカメラの出力は、
表面形状の完全な謙取を与えるコンピュータープロセシ
ングに適している。

以下図面を参照しつ）、本発明の実施例を説明する。

第１図において、表面の測定を行う被測定物はガスター
ビンェンジンの羽根１０である。

該羽根に所要の縞パターンを与えるため〜水銀アーク灯
亀１を備え、その光が集光レンズ１２を通り、更にモア
レ格子１３を通るようにする。この実施例では、モアレ
格子１３は交互の不透明部および透明部から成り、その
各々は０．１２７側（１／２００）ィンチ）の幅の直線
であり、従って格子間隔は０．２５４側（１／１００イ
ンチ）である。この様にして出来た格子像を投影レンズ
１４を通して投影し格子１３の像を羽根１０の表面付近
に１５に示すように結像させる。投影レンズ１４は格子
の良好な像が羽根の被測定面全体に生じることが出来る
ような橋点深度を有する。上述の格子は規則的な間隔を
有するが、光学系の幾何学的条件によっては被測定物上
に規則的な像を作るために不規則な格子を用いることが
要求される場合もある。図示の実施例では、格子の異つ
た部分は拡大率が異るから、規則的な像を与えるために
不規則な格子を用いるかＬ或いは、不規則な像とその為
の複雑さを甘受することが必要である。以下の説明では
、格子像は規則的で格子間隔は０．２５４側（１／１０
０インチ）のものと仮定する。この投影系は羽根の表面
に明暗のパターンを与える。

投影法は羽根に対し傾斜した角度をなしており、従って
、格子像の直線パターンが羽根の表面の形状に応じて歪
曲することは明らかである。以上のように照明した表面
をレンズ１６を通して見る。レンズ１６はこの場合は、
低速走査テレビジョンカメラの対物レンズである。この
レンズは羽根表面の像をヴィディコン管のスクリーン１
７上に作るようになされている。第２図は光導電材料の
スクリーン１７を有するヴィディコン管２０の一部を示
す。

普通そうであるように、スクリーン１７に静電荷を与え
、該スクリーンに投射した光の明るさに応じて該静電荷
が弱まるようになされている。電子ビーム２１でスクリ
ーンの平行な線上を走査し、該電子の電流はスクリーン
上の電荷に関係して、従って該スクリーンに投射する光
の明るさに関係して変動する。略連続的な出力が２２に
生じるが、任意の点の像の明るさを直接表わすことに対
する近似はヴィディコン管の解像力に主として左右され
、ヴィディコン管の解像力は電子ビームの焦点合わせの
正確さに左右される。本実施例では、電子ビームは格子
１３の像１５の線に平行な線に沿ってスクリーンを走査
するようになされている。これは格子１３と同じ格子を
通して羽根の表面の像を見るのと同じ効果を有する。何
故ならば、格子を通して羽根の表面を視た場合、羽根の
表面の直線状の細帯が見え、テレビジョンカメラは、電
子ビームで羽根の表面の像の直線上の紬帯を走査するか
らである。従ってテレビジョンカメラから得られる出力
は被測定面の一遍の走査の形態を取り、この走査は格子
パターンのモアレ綿を示し、該縞の各々は此の場合像１
５の平面である規準平面からの距離を示す。従って１本
の線の走査は、走査した特定の線に沿った羽根の表面の
状を示すために用いることが出来る。羽根の表面全部を
隣接する多数の線で走査することにより該表面の形状の
全体の姿を作り上げることができる。走査装置の口径と
して種々の値のものを有する走査系を用いて利用可能な
出力を生ずることができるが、この口径の寸法には或る
制限がある。

口径が格子間隔の１／２か又はその奇数倍であると、解
像力は良いが該倍数が増加するに従いコントラストが悪
くなる。口径が格子間隔に等しいかその倍数であるとき
は、出力は零であり、その両極端の間で解像力は口径の
寸法により連続的に変化する。従って、この口径はモア
レ格子の格子間隔の１／２（隣接する不透明部と透明部
の合計の１／２）に等しい時最も望しし、ことが明らか
である。此の場合、口径は０．１２７伽（１／２００イ
ンチ）に等しい時、最も良い結果が得られる。

この口径を用いると、第１図に示す上述の系を用いた場
合のテレビジョンカメラの出力は第３図に示すとおりで
ある。走査が示す多数の山は各々格子パターンの明部に
相当する。各々の山および谷は、羽根表面の、格子像１
５により形成された規準平面から既知距離だけ離れてた
位置を示すから、この出力は走査に沿う羽根表面の形状
の論取りを与える為に用いることができる。テレビジョ
ンカメラの出力はコンピューターの入力として用い得る
ディジタル情報に変換するのに通した形態のものであり
、多数の隣接する線則ち隣接するコンターの走査を行う
ことにより、コンピューターが被測定表面の形状を完全
に測定するようにすることが可能である。

第１図でヴィデイコン管２０からの信号をコンピュ−タ
ー２３に送り該コンピューターで計算を行うように図示
されている。こ）に説明した実施例では、テレビジョン
カメラを低速走査することによりディジタル値に変換す
るのに非常に適した出力を得るが、どのような走査カメ
ラでも用い得ることは明白である。第３図から、カメラ
から得た出力は走査の間に間隔を置いた多数の山および
谷を含むことがわかる。

各々の山および谷は格子の像で形成された基準平面に平
行な仮想平面と被測定面とが交わる点を示している。上
記基準平面と上記仮想平面とは系の幾何学的条件により
決る距離だけの等しい間隔を有する。この幾何学的条件
従って両平面の距離が既知であれば、山又は谷が生じる
被測定面上の各点の規準平面からの距離を走査路に沿っ
て測定することが可能である。この様にして、独特の方
法で被測定面上の各点の三次元的な位置を測定すること
ができるのである。カメラの出力をディジタル情報に変
換し各山および谷のディジタルな座標を与える（但し作
業順序は異ってもよい）コンピュータープログラムを行
うことは比較的容易である。

この情報から、山および谷が生じる被測定面上の各々の
位置の座標を再びコンピューターで導き、走査線に沿う
被測定面のコンターを作っている多数の点の座標を知る
ことができる。場合によっては、山および谷の間隔が広
く、その区域の表面のコンターの測定が不確なものとな
る。

−この場合は、山や谷の間のカメラ出力の形状から更に
情報を得ることができる。走査口径の形状を知れば、山
および谷の間の平面に対する理想的な差異を容易に導く
ことができ、従って測定したグラフと理想平面のグラフ
との差異を知ることができるからこれを用いて、隣接す
る山や谷で決定された点を結ぶ為に実際の表面と理想平
面との偏差を表すグラフを与えることができる。上述の
系に対し種々の改変を行うことができる。

上述の装置はモアレ格子の投影像を用いるが、実際の格
子を被測定面の近くに配置する在来技術を用いることも
勿論可能である。上述の走査系は格子線に平行な直線の
走査路を用いるが、それでも格子の干渉に影響されない
情報を与えることができる。又、投影された格子に平行
な線の中の明るさを示す系として異つたものを用いるこ
とも出来る。例えば、一列のフオトセル又は単一の機械
的に走査されるフオトセルで上誌の出力を得ることがで
きる。上述の実施例や本発明の最も有利な応用は、格子
の歪曲されていない投影像に平行な１本又は複数の線に
沿って被測定面を走査する走査装置を用いるが、異つた
方向の走査や或いは非直線状の走査路に沿う走査でも表
面形状を測定することは可能である。走査路が直線であ
る限りは、格子像の平面から該像に或る角度をなす平面
に規準平面を変えればよいが、走査路が非直線の場合は
、コンピューターによる計算は走査路の複雑さが増すに
従い難しくなる。しかし、場合によっては非直線の走査
を行う方が有利である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による装置の光学系と関連装置を示す図
式図。 第２図は第１図の低速走査テレビジョンカメラのヴィデ
ィコン管の一部の断面図。第３図はガスタービンェンジ
ンの羽根の表面の走査を示すカメラの典型的な出力を示
すグラフ。１０・・・・・・羽根、１１・・・′・・ア
ーク灯、１２・・・・・・集光レンズ、１３・・・・・
・モアレ格子、１４・…・・投影レンズ、１５…・・・
格子像、１６・・・・・・レンズ、１７・・・・・・ヴ
ィディコン管スクリーン、２１…・・・電子ビーム、２
２……出力、２０……ヴイディコン管、２３……コンピ
ューター。 Ｆ′９・フ−Ｆ■．３． Ｆ■．２．

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ モアレ縞を利用して物体の表面形状を測定するため
   の装置において、１つの基準平面に結像した平行な直線
   の明暗の縞から成る像で被測定表面を照射し、それによ
   って、該表面にその表面の形状により歪曲された縞のパ
   ターンを形成するための照明装置と、モアレ格子を介す
   ることなく直接上記歪曲縞パターンを撮像し、撮像管の
   走査によって、上記歪曲縞パターンを横切る走査路に沿
   う照明の変化に対応する電気的出力を得るテレビジヨン
   カメラと、該カメラの出力に応答して上記走査路に沿う
   最高照度位置および最低照度位置を検出する検出装置と
   該検出装置に応答して、上記最高又は最低照度位置を計
   数し、それによって該位置の上記基準平面からの距離を
   算出する装置とから成る表面形状測定装置。