KR101762664B1

KR101762664B1 - 원통체의 기하학적 프로파일 형상을 측정하는 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101762664B1
Application number: KR1020127025421A
Authority: KR
Inventors: 게르트-요아킴 뎁페; 노벌트 쇼나르츠; 홀거 브라우어; 욘 윈켈스
Original assignee: 잘쯔기터 만네스만 리네 피페 게엠베하
Priority date: 2010-03-11
Filing date: 2011-02-02
Publication date: 2017-07-28
Also published as: RU2523092C2; JP2013522580A; US20130063590A1; US9134116B2; EP2545340A1; CA2791913A1; WO2011110144A1; JP5771632B2; KR20130052548A; DE102010011217A1; RU2012143402A; EP2545340B1; CA2791913C

Abstract

본 발명은 2차원 광섹션 방법을 사용하여 측정 대상물로서 원통체의 기하학적 프로파일 형상을 측정하는 방법에 관한 것으로, 팬(fan)형 레이저 리인이 적어도 하나의 레이저로 원통체의 표면에 광섹션 라인으로 이미지화되고, 원통체의 표면에서 반사된 빔은 적어도 하나의 면적 이미지화 카메라로 기록되며, 레이저와 카메라는 원통 축선과 정렬되는 법평면에서 삼각 측량 각으로 배치된다. 본 방법에 따르면, 기하학적 프로파일 형상을 측정하기 위해, 레이저는 법평면에서 벗어나게 원통 축선 주위로 선회되며, 법평면에 대한 각도는 면적 이미지화 카메라의 광축이 원통 표면에 대한 반사 빔의 조각(glancing angle) 범위내에 있도록 선택된다.

Description

원통체의 기하학적 프로파일 형상을 측정하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR MEASUREMENT OF THE PROFILE GEOMETRY OF CYLINDRICAL BODIES}

본 발명은 특허 청구범위 제 1 항의 전제부에 따른 구형 곡면체, 특히 원통체의 기하학적 프로파일 형상을 측정하는 방법 및 이 방법을 실시하기 위한 제 3 항에 따른 장치에 관한 것이다.

본 발명은 특히 광학식 프로파일 측정에 관한 것으로, 이러한 측정은 공지된 2차원 삼각 측량 방법으로서 레이저 섹션 방법을 사용하여 비접촉식으로 실시된다.

예컨대 관과 같은 측정 대상물의 3차원 "전체 프로파일"은 센서와 측정 대상물이 서로에 대해 움직일 때 연속적으로 포착된 2차원 "프로파일 섹션"을 결합하여 구성될 수 있다.

본 발명에서 고려되는 프로파일 측정은 그의 일차원적 실시에 있어서 공지된 점 삼각 측량(point triangulation)에 기초한 것으로, 여기서는 레이저와 선형 위치 감지 검출기가 삼각 측량 센서를 형성하게 된다. 레이저 빔 축선과 검출기의 광축은 이하 "법평면(normal plane)" 이라고 하는 평면에 걸쳐 있으며 삼각 측량 각을 포함한다. 레이저 빔의 방향으로 센서로부터 측정 대상물 까지의 거리는 통상적으로 측정 변수를 구성한다. 이 방법은 예컨대 DE 40 37 383 A1 에 소개되어 있다.

2차원식 점 삼각 측량을 확장하는 것이 본 발명이 주재이다. 일반적으로 알려져 있는 이 광섹션 방법에서, 점형 레이저 빔은 레이저 빔 팬(fan)으로 대체되고, 일차원 선형 검출기는 2차원 면적 검출기로 대체된다.

공지된 방법에서, 상기 확장은 상기 법평면에 대해 직교하여 또한 대칭적으로 행해진다. 측정 대상물 상의 각 측정장(measurement field)은 대물 렌즈에 의해 검출기 상으로 이미지화되며, 대물 렌즈와 검출기는 2차원 작동식 면적 이미지화 카메라를 형성한다.

레이저 빔 팬은 일반적으로 점형 레이저 빔 출구 앞에 장착되는 회절 광학 기구에 의해 발생되며, 그래서 측정 대상물 상에 "광섹션 라인" 이라고 하는 라인을 생성하게 된다.

원통형 측정 대상물, 예컨대 관(반드시 관일 필요는 없음)에 상기 방법을 적용하면, 광섹션 라인은 일반적으로 관 축선에 수직하게 배향된다. 관이 길이 방향 축선의 방향로 이동되거나 또는 센서가 따라서 움직이면, 관의 기하학적 형상의 3차원 프로파일이 전술한 바와 같이 연속적인 측정으로 포착될 수 있다.

광섹션 측정을 전술한 방식과 배치로 적용하면, 측정 대상물의 기하학적 형상으로 인해 야기되는 단점이 뚜렷히 나타나는데, 그리 하여 프로파일의 정확한 결정이 어느 정도 불가능하게 된다.

도 1 은 원통형 관에 대한 종래의 2차원 광섹션 측정을 도시한다. 이 측정은 검출기에 이미지화되는 측정 대상물(4)의 표면의 이미지를 사용하며, 상기 검출기는 카메라(3)로 구성되며, 표면은 레이저(1)에서 나와 투사되는 팬(fan)형 레이저 라인(2)으로 비춰진다.

도면의 좌측에 있는 이미지는 측정 대상물(4)의 길이방향 축선에 대해 종단면으로 개략적으로 본 것을 나타내고, 우측에 있는 이미지는 측정 대상물의 길이방향 축선에 대해 횡단면으로 개략적으로 본 것을 나타낸다. 이리 하여 레이저(1) 및 카메라(3)의 광섹션 배치는 측정 대상물의 길이 방향 축선과 정렬되는 법(normal) 평면내에 있게 되고, 레이저(1)의 레이저 빔 팬(5)의 축선과 카메라(3)의 광축(6) 사이의 각은 종단면에서 볼 때 삼각측량 각이다.

이 구성의 단점은, 대상물 표면으로부터 후방 산란되는 레이저 빔 에너지의 비교적 적은 부분만 이 평가를 위해 카메라(3)에 도달하게 된다는 것이다. 특히, 동적 측정을 할 때는 노출 시간 간격 당 에너지가 관련되는데, 이는 카메라(3)와 측정 대상물(4) 사이의 빠른 싱대 운동 및 이에 따른 필연적으로 짧은 노출 시간의 경우에 중요하며 또한 심지어 3차원 프로파일 측정을 불가능하게 할 수도 있다.

원통형에 적용될 때, 공지된 방법을 사용한 측정의 이 단점은 레이저 빔(2)의 팬형 확장으로 인한 각도 조건에 의해 커지게 되며 그래서 특히 측정장의 가장자리 영역에서 영향을 주게 되는데, 특히 이 가장자리 영역에서는 후방 산란된 레이저 에너지의 더욱더 적은 부분이 표면의 곡률로 인해 카메라(3)에 포착된다.

이미지화되는 광섹션 라인의 가장자리 영역에서 강도(intensity)가 저하되면, 측정 신호의 평가에 있어서 신호/잡음 비에도 불리하고 또한 그래서 결국 신호의 측정 정확성에도 불리하게 된다.

일반적으로 레이저 출력의 증가는 신호/잡음 비를 개선하지만, 이 출력 증가는 불리하게도 레이저 및 레이저 안전을 위한 복잡성을 증가시키게 된다.

카메라의 노출 시간을 늘리는 것이 주로 가능하지만, 이는 증가하는 움직임의 흐림(blur) 때문에 센서와 측정 대상물 사이의 상대 운동이 빠를 때는 배제된다.

원리적으로, 측정 대상물 표면의 전형적인 산란 특성의 경우에 카메라의 더 가파른 시야각(즉, 더 가파른 삼각 측량 각)을 사용할 수 있는데, 하지만 이는 특히 측정 해상도를 감소시키게 된다.

그러나, 전술한 세개의 방안은 이지미 획득 중에 불균일한 강도 분포의 문제를 해결하지 못하며, 적절한 에지 강도(edge intensity)가 존재하면 중심 영역이 과도하게 노출될 위험이 있게 된다.

그래서, 본 발명의 목적은, 구형체, 특히 원통체의 2차원 광섹션 방법을 이용하여 측정 대상물의 기하학적 프로파일 형상을 측정하는 방법으로서, 전술한 단점들을 극복할 수 있는 실시 용이한 측정 방법을 제공하는 것이다. 다른 목적은 상응하는 장치를 제공하는 것이다.

상기 목적은 청구항 1 의 전제부와 특징부에 따라 달성된다. 유리한 개선점들은 종속 청구항들에 기재되어 있다.

본 발명의 교시에 따르면, 기하학적 프로파일 형상은 레이저를 법평면으로 부터 멀어지게 원통 축선 주위로 선회시켜 측정되며, 법평면에 대한 각도는 면적 이미지화 카메라의 광축이 원통 표면에 대한 반사 빔의 조각(glancing angle) 범위내에 있도록 선택된다.

본 발명은 측정 대상물의 기하학적 특성을 고려하여 기록 카메라와 레이저 빔 팬의 신규한 공간적 배치로 종래 방법의 상기 단점들을 쉽게 극복할 수 있다.

이제, 제안된 혁신적인 기술을 기하학적 원통형의 측정 대상물에 대해 예시적으로 설명할 것인데, 하지만 이는 다른 기하학적 구형, 예컨대 플랭크(flank) 프로파일에도 동등하게 적용될 수 있다.

광섹션 방법에 관한 종래의 실시 형태에서는 레이저와 카메라가 원통 축선과 정렬되는 상기 법평면내에 배치되지만, 제안된 혁신적인 기술에 따르는 레이저는 이 법평면에서 벗어나게 원통 축선 주위로 의도적으로 선회되어, 레이저가 소정의 각도로 표면을 비추게 된다.

유리하게도, 레이저와 카메라는, 원통 표면에 대한 기록각이 레이저 빔 팬의 축선과 기록 카메라의 광축의 배치에 대한 조각 범위내에 있도록 배치된다.

상기 조각은 일반적으로 이상적인 거울 반사를 나타내지 않는 무딘 표면이 어떤 각도에서 빛의 향상된 반사를 보이는, 즉 표면들이 "빛나는" 각을 의미한다. 공지된 측정 기술과는 달리, 이제 이 효과는 레이저를 법평면에서 벗어나게 의도적으로 선회시켜 측정 대상물의 임계 가장자리 영역으로부터 레이저 빔의 카메라 안으로의 반사를 증대시키는데 사용된다.

도 1 은 원통형 관에 대한 종래의 2차원 광섹션 측정을 도시하는 종단면도와 횡단면도이다.
도 2 는 본 발명에 있어서, 측정장이 법평면에 대한 대칭인 전형적인 경우에 두개의 레이저가 대칭적인 배치로 사용되는 것을 나타내는 횡단면도이다.

측정장이 법평면에 대칭인 전형적인 경우에, 두개의 레이저가 유리하게는 대칭적인 배치로 사용된다(도 2 참조).

원통의 원주상에 있는 광섹션 라인의 길이가 동일할 경우, 도 2 의 횡단면도에서 보는 바와 같이, 제안된 신규한 배치의 결과로 더 큰 획득 영역, 즉 프로파일 측정 범위가 얻어진다. 본 발명에 따르면, 레이저(1, 1')는 삼각 측량 각(법평면 상으로 투사된) 및 그래서 또한 프로파일 측정의 거리 해상도를 유지하면서 법평면에서 벗어나게 원통 축선 주위로 선회된다.

측정 대상물(4)의 표면상으로 투사되는 레이저 라인(2')의 두 부분으로부터 연속적인 광섹션 라인을 결합하면, 그 두 부분은 서로 정렬된 직선으로 되며, 표면에서 반사되는 빔은 레이저(1, 1') 사이에 설치된 카메라(3)에 포착되고 계속해서 평가부(여기서는 미도시)에 전달된다.

두개의 레이저가 카메라가 위치되는 법평면의 양측에 배치되는 구성은, 원통의 전체 원주를 포착할 수 있는 다중 채널 배치로의 확장에도 유리한 것으로 입증되었다. 동일한 수의 카메라와 레이저 빔 팬이 사용된다. 필요한 채널의 수는 각 개별적인 상황의 경우 원통 표면의 반사도, 레이저 출력 및 (필요한) 노출 시간을 함께 고려하여 결정된다.

Claims

2차원 광섹션 방법을 사용하여 측정 대상물(4)로서 원통체의 기하학적 프로파일 형상을 측정하는 방법으로서, 팬(fan)형 레이저 라인(2, 2')이 적어도 하나의 레이저(1, 1')로 상기 원통체의 표면에 광섹션 라인으로 이미지화되고 상기 원통체의 표면에서의 반사 빔은 적어도 하나의 면적 이미지화 카메라(3)에 포착되며, 상기 레이저(1, 1')와 상기 면적 이미지화 카메라(3)는 상기 원통체의 축선과 정렬되는 법평면에서 삼각 측량 각으로 배치되고, 이어서 측정값이 상기 기하학적 프로파일 형상을 나타내기 위해 평가부에 전달되는, 측정 방법에 있어서,
상기 측정 대상물(4)의 기하학적 프로파일 형상을 복수의 레이저(1, 1')를 사용하여 측정하되, 상기 복수의 레이저(1, 1')는 팬(fan)형 레이저 라인(2, 2')을 방출하는 각각의 레이저(1, 1')를 상기 법평면에서 벗어나게 원통 축선 주위로 선회(pivot)시켜 배치하고 ― 여기서, 각각의 레이저(1, 1')는 상기 축선 주위로 선회 가능함 ―, 상기 원통체의 표면을 지향하는 상기 면적 이미지화 카메라(3)의 광축(6)은 상기 반사 빔의 조각(glancing angle) 범위 내에 위치하고, 상기 레이저(1, 1')의 축과 상기 법평면 상에 투사되는 면적 이미지화 카메라(3)의 광축(6)에 의해 정의되는 삼각 측량 각은 상기 복수의 레이저(1, 1') 중 인접한 두 개의 레이저(1, 1')가 그 사이의 상기 법평면을 기준으로 대칭이 되도록 유지되며, 상기 인접한 두 개의 레이저(1, 1')의 팬(fan)형 레이저 라인(2, 2')은 측정 대상물(4)의 표면의 일 라인상에 위치하고 또한 부분적으로 서로 겹치며, 상기 인접한 두 개의 레이저(1, 1')의 팬(fan)형 레이저 라인(2, 2')이 상기 측정 대상물(4)의 표면에서 광섹션 라인으로 이미지화된 후에 상기 측정 대상물(4)의 표면으로부터 반사된 레이저 방사는 상기 인접한 두 개의 레이저(1, 1')의 사이에 있는 상기 법평면 상에 배치된 상기 적어도 하나의 면적 이미지화 카메라(3) 중 하나의 카메라에 의해 검출되는 것을 특징으로 하는, 측정 방법.
삭제
제 1 항에 있어서,
동일한 수의 레이저(1, 1')와 카메라(3)가 측정 대상물(4)의 원주 측정에 사용되는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
제 1 항 또는 제 3 항에 따른 측정 방법을 수행하기 위한 장치로서, 측정 대상물(4) 상으로 팬형 레이저 라인(2)을 투사하는 복수의 레이저(1, 1'), 및 측정 대상물의 표면(4)에서 반사된 레이저 방사를 검출하기 위해 삼각 측량 각으로 배치되는 적어도 하나의 면적 이미지화 카메라(3)를 포함하고, 상기 레이저(1, 1')와 카메라(3)는 기하학적 프로파일 형상을 나타내기 위해 평가부에 연결되는 상기 장치에 있어서,
레이저 빔 팬(5)의 축선은 상기 법평면에서 벗어나게 선회되며 또한 직교로부터 벗어난 각도에서 측정 대상물(4)의 표면 상으로 배향되어, 원통의 표면 영역에 대한 면적 이미지화 카메라(3)의 광축(6)이 반사 레이저 빔의 조각 범위내에 있고,
측정 대상물(4)의 원주 상의 기하학적 프로파일 형상을 측정하기 위해, 복수의 레이저(1, 1')가 측정 대상물의 원주 방향으로 간격을 두고 배치되어 있고,
인접한 두 개의 레이저(1, 1')의 팬(fan)형 레이저 라인(2, 2')은 측정 대상물(4)의 표면의 일 라인상에 위치하고 또한 부분적으로 서로 겹치며,
상기 적어도 하나의 면적 이미지화 카메라(3) 중 하나가 상기 인접한 두 개의 레이저(1, 1') 사이의 법평면 상에 배치되어, 상기 인접한 두 개의 레이저(1, 1')의 팬(fan)형 레이저 라인(2, 2')이 상기 측정 대상물(4)의 표면에서 광섹션 라인으로 이미지화된 후에 상기 측정 대상물(4)의 표면으로부터 반사된 레이저 빔을 검출하는 것을 특징으로 하는 장치.
삭제
제 4 항에 있어서,
동일한 수의 레이저(1, 1')와 카메라(3)가 측정 대상물(4)의 원주 측정을 위해 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.