JPH03183904A - 物体の形状の検知 - Google Patents

物体の形状の検知

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JPH03183904A
JPH03183904A JP1292100A JP29210089A JPH03183904A JP H03183904 A JPH03183904 A JP H03183904A JP 1292100 A JP1292100 A JP 1292100A JP 29210089 A JP29210089 A JP 29210089A JP H03183904 A JPH03183904 A JP H03183904A
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JP
Japan
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image
diffraction grating
imaging system
forming
diamond
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JP1292100A
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English (en)
Inventor
Martin P Smith
マーティン　フィリップ　スミス
Robin W Smith
ロビン　ウィンクリフ　スミス
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Anstalt Gersan
Original Assignee
Anstalt Gersan
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G01B11/2518—Projection by scanning of the object
    • G01B11/2522—Projection by scanning of the object the position of the object changing and being recorded

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Investigating Materials By The Use Of Optical Means Adapted For Particular Applications (AREA)
  • Lenses (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)

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】 （産業上の利用分野） 本発明は物体の像を形成する方法に関する。該物体の一
部は他の部分と比べて像形成システムから実質的に遠く
離れている。
（発明の背景） 建物を撮影する場合に最初に生じる問題は、修正なしで
は建物の頂部が余りにも小さく尖って見えることである
。本発明は、汎用的なものであるが、特に、物体上に入
射ビームを走査または投射することにより、物体の形状
を検知することに応用し得る。ここで、入射ビームは該
ビームに沿って見ると細長くて幅が狭く、それによって
該ビームはある線に沿って物体に投射される。線繊は入
組ビームの・Ｉ’　＋ｆｉｉに対し−Ｃ実質的な角度を
なすある軸に沿って像が形成される（ビームの平面はビ
ームの最小寸法に垂直な平面である）。言い換えれば、
連続的であるかまたは走査されるかの何れであれ、物品
上に入射する薄いシート状の光（幅の狭いビーム〉を用
いて、形状が検知される；ビームの軸から離れて、すな
わち片側から観察することにより物体の断面形状または
輪郭を知ることができる。物体自体はビームに対して回
転することができるので、その表面全体が観察される像
形成システムは、ビームが物品に投射される点の像を形
成するのに用いられる。このような方法は、　ＧＯＡ−
２１０３３５５（米国特許第４．５２９．３０５号と同
等）に開示されている。通常、可視光が用いられるが、
少なくとも理論的には赤外光または紫外光などの他の光
を用いることができる。
本発明は、任意の適切な物体および断面形状に（例えば
１機械部品の断面形状／輪郭測定に）用いることができ
る。本発明は、特に、スクリューギヤー、タービンブレ
ードおよびプラスチックの金型のように、マイクロメー
ターを用いる測定が困難な物体および非接触法を必要と
するこわれやすい物体に対して有用である。しかし１本
発明は。
宝石（特にダイヤモンド）用に開発され、特に（四部を
有する大型の石（例えば、　１０ｃｔ　（２ｇ）程度よ
り大きい重量のもの）に適している。本発明は。
装着され、かつ回転される物体の形状を決定するのに用
いることができる。
一般に、物体を幾何学的に再現する像を得るには、像形
成システムの対物レンズは物体の垂線に対して傾斜して
いなければならず、また像形成平面は対物レンズに対し
て、および物体の垂線に対して傾斜していなければなら
ない。このような配置は、写真術においては周知である
。カメラに傾動ベローズを用いる場合には、シャイムプ
ルーグ（Ｓｃｈｅｉｍｐｆ　ｌｕｇ）の条件により、像
平面の角度が決まる１、この像形成方式には問題がある
。光は大きな入射角で像形成システムに入射し１反射に
よって大部分が失なわれる。また、システムの持つ光学
上の制約のために９倍率を変化させること（例えば、ダ
イヤモンドの凹部を詳細ｉこ調べる際に必要となる倍率
の変更）が困難である。
（発明の構成） 本発明によれば、物体の像は目折格子手段上に形成され
３回折格子は像形成システムを用いて検視される。さら
に詳しくは、入射ビームは、該入射ビームに沿って見る
と細長くて幅が狭く、ある線に沿って物体に当たるよう
に走査または投射され得る。この線の像は、入射ビーム
の平面に対して実質的な角度をなす軸に沿って形成され
る。本発明は、物体の像を形成する装置にも関する。該
装置は９回折格子手段と１回折格子手段上に物体の像を
形成する第１の像形成システムと第１の像（すなわち９
回折格子手段上の像）の像を形成する第２の像形成シス
テムとを有する。
本発明は１反射または屈折した光を像形成システムへ通
過させる指向性スクリーンとして１回折格子（または同
等のもの）を用いる。回折格子は方向の可変な鏡の機能
を持ち、適切な像形成システムは回折格子の後方で用い
られ得る。
通′、（：ζ′、物体の像（よ、　１ｉＪＩ　４Ｊｉ格
〕′上に形成される。
通常用いられるのは回折格子の■次ビームである。
回折格子は１反射または透過回折されたビームが最後の
像形成システムに対して正確な角度をなすように、方向
を定められる。回折格子は１通常。
最後の像形成システムに対して垂直である。回折格子に
対する入射円錐角は１回折角よりも小さくなければなら
ない。光の大部分（例えば、８０〜９０％）が例えば１
次ビー１、となるように配置されブレーズ（ｂｌａｚｅ
）または同調（ｔｕｎｅ）された回折格子を用いること
ができる。２次、３次、または４次ビームを得るために
ブレーズすることもできる。
回折格子を用いれれは、像形成システムへの入射を垂直
にすることができるので、より多くの光を像形成システ
ムへ通過させ得る。したがって。
了パーチャを最大にすることができ１反射による著しい
損失が回避される。回折格子は収差を生じることなく同
じ像の品質を維持する。さらに９倍率は単にレンズ系を
交換するだけで簡単に変える２−とができる。あるいは
、ズームを用いることができる。像のサイズまたは解像
度（あるいはその両方）を変えることもできる。
適切な仕様の回折格子または同等品を用いることができ
る。回折格子はホロクラフィー用のものでも良い。回折
格子と実質的に同じかまたは実際上同じ効果を有する装
置も、それが適切な像を形成するのに充分な平面性を有
する限り、用いることができる。回折格子または同等品
における間隔のピッチは、検査される物体に必要な解像
度よりも小さくなければならない。例えば、高解像度の
検査用には解像度が１０μの格子が用いられ、低解像度
の検査用には解像度が５０μの格子が用いられる。
いずれの適切な光学的技法も用いることができる。例え
ば、物体からの光は、同時に複数の分析（別々のビーム
による異なる分析）に供することができる。これらの複
数の分析は１例えば、２つまたはそれ以−Ｌの波長を用
いた２つまたはそれ以上の像形成システム、あるいは１
つまたはそれ以上のビームスプリッタ−１ならびに２つ
またはそれ以上の回折格子を用いて（例えば、可視光お
よび近赤外光を用いて）実施することができる。
いかなる適切な光も使用することができる。好ましい光
は、近赤外光および可視光である。
（実施例） 本発明は、ダイヤモンドの形状を求める場合の光学系模
式図である添付の図面を参照して、下記の実施例によっ
て詳述される。
ダイヤモンド１はトップ２に取付けられている。
トップ２は、互いに直交する３つの軸のいずれかの回り
にダイヤモンド１を移動させることのできる機構３によ
り支持されている。ダイヤモンド１は光源４により照明
される。光源４は入射ビームを発生する。入射ビームは
該ビームに沿って見ると細長くて幅が狭いか、またはあ
る線に沿って走査されるスポットの形状を有する。いず
れの場合にも、ビームはある線に沿ってダイヤモンド１
に投射される。入射ビームの平面に対して実質的な角度
αをなす軸に沿って、この線の像を形成させることによ
り、ダイヤモンド１の線絵に沿った形状または輪郭を知
ることができる。この技法は６Ｂ八−２１０３３５５１
こ３己載されている。
」１記の線の形状を調べるには、２つの像形成システム
が用いられる。第１の像形成システムは。
アパーチャアを介して設けられた２つのレンズ５および
６で表される。この像形成システムは線の像（すなわち
、調べるべき物体の像）を回折格子８上に形成する。回
折格子８は第１の像形成システムのレンズ５および６の
光学軸に対して、シャイムプルーグ（Ｓｃｈｅｉｍｐｆ
　ｌｕｇ）の条件により決まるある角度をなす。また１
回折格子８への入射角は。
回折格子８の１次ビームに対応している。回折格子８上
の像はレンズ９で表される第２の像形成シ０ ステムによって検視される。その像は検出器■０上に形
成される。検出器１０としては１例えばＴＶカメラまた
はＣＣＤアレーを用いることができる。この図では、検
出器１０はマイクロプロセッサ−１１に接続されている
。また、マイクロプロセッサ−１１は。
第１および／または第２の像形成システム、機構３およ
び光源４に接続され得る。マイクロプロセッサ−１１は
、ダイヤモンド１が機構３により回転されるにつれて、
そのすべての形状を図形化するために、現在周知の方法
でブロクラミングされる。
ある配置では、光源４は２種類のビームを出射すること
ができる。すなわち１幅１０μ、長さ３ｍｍの高解像度
ビームと１幅５０μ、長さ１０ｍｍの低解像度ビームで
ある。多くのダイヤモンドは、３ｍｍ以上の長さを有す
るので、高解像度ビームはダイヤモンド１の長さ方向の
一部しか照明できない。しかし、光源４は、ビームをダ
イヤモンド■の長さに一致させるために、ある種のズー
ム機構を備えることができる。高解像度と低解像度とを
切り換えるために、第１の像形成システムは、高解像度
ビ１ ムを用いるか低解像度ビームを用いるかにかかわらず５
回折格子８上の像サイズをほぼ同じにする目的で１回折
格子８上の倍率として１：１または２：１あるいは４：
１を選択し得るように配置することができる（またはズ
ームシステムを用いることができる）。また、第２の像
形成システム９に２種類の倍率を与えるか、またはズー
ム機構を装備することも可能である。これらのすべての
方式は、コンピューターのマイクロプロセッサ１１の制
御下に置くことができる。ある自動システムでは、低解
像度ビームの使用は凹部が検出されるまでに限られる。
この光が凹部には入らない場合があるからである。次い
で、マイクロプロセッサ−１１は、凹部を図形化するた
めに、システム全体を高解像度ビーム用に切り換える。
以下に本発明の具体的例について説明する。
用いられる光源は、オムニクローム（Ｏｍｎ　ｉｃｈｒ
ｏｍｅ）製の空冷アルゴンイオン５０ｍ１ｌｌレーザー
（最初の実験に用いられた）、または米国のスペクトラ
・フィジックス（Ｓｐｅｃｔｒａ　Ｐｈｙｓｉｃｓ）製
のｆｌｅＮｅ　１５＋ｙ＋Ｗし２ 一ザーである。アルゴンイオンレーザ−の場合。
好ましい波長は５１４．５ｎｍである。ただし、　　４
８８ｎｍのような他の波長を用いることもできる。ｔｌ
ｅＮｅレーザーが用いられる場合、波長は６３２．８ｎ
ｍである。
レンズ５および６は、スピントラ−・アンド・ホイヤー
社（Ｓｐｉｎｄｌｅｒ　＆　Ｈｏｙｅｒ　Ｇｍｂ）ｌ）
製で品番は３２２２３９である；レンズ５および６の焦
点距離の比は、　　ＩＸ、　　２Ｘ、および３×の倍率
を選ぶために変えることができる。
了パーチャフは、直径が５〜２０ｍｍの可変アイリスで
ある。
回折格子は、アメリカンホログラフィック社（Ａｍｅｒ
ｉｃａｎ　Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ　Ｉｎｃ、）製のホ
ログラフィック格子である。この回折格子は、波長５０
０ｎｍ用（アルゴンイオンレーザ−用）に最適化され、
光束密度が１５００本／ｍｍであり、かつサイズが３０
ｍｍ　ｘ　３０ｍｍ　Ｘ　６　ｍｍのホログラフィック
格子である。ＨｅＮｅレーザーの波長の場合には１回折
点の位置が変化するので、別の回折格子が必要となる。
角度αおよび回折格子の角度位置もまた。使用波長が異
なる３ ので相違する。
像形成システム９のレンズは２つの焦点距離を有する。
すなわち１回折格子８から２４０ｎ＋ｍの位置での１２
０ｍｍ　（倍率は１×）と１回折格子８から６０＋ｎｍ
の位置での６０ｍｍ　（倍率は８×）きである。倍率の
変更は、像形成システムの光路に様々なレンズを入れた
り、あるいは光路からレンズを出したりすることによっ
て行われる。
検出器１０ハＣＣＤＴｖカメラまたハヒジコン（Ｖｉｄ
ｉｃｏｎ）ＴＶカメラである。
各部分の距離はダイヤモンド１からレンズ５までが１４
０ｍｍ　；レンズ５からアパーチャアまでが１４０ｍｍ
　：　７パーチヤ７からレンズ６までが１４０ｍｍ　；
そしてレンズ６から回折格子８までが１４０ｍｍである
。
本発明は、上では単に実施例に基づいて記載されたにす
ぎず１本発明の精神を逸脱することなく改変することが
できる。
（発明の要約） 物体の像を形成し、その形状を検知する本発明の装置で
は、ダイヤモンド、特に凹部を有する大４ きなダイヤモンドの外形を決定するために、細長く幅の
狭いビー１、がダイヤモンド−１１に投射されろ。
この際、ダイヤモンドをビームに垂直な軸の回りに回転
させる。そして、像形成システムを用いることにより、
ビームがダイヤモンドに投射される線の片側から像が形
成される。この像は回折格子上に形成される。回折格子
は、その１次ビームを利用するために、シャイムプルー
グの条件に従って傾斜し−Ｃいる。回折格子上の像は第
２の像形１戊システムを用いて検視される。本発明の装
置によれば、物体から光の捕捉が実質的に改善される。
この装置は、外形を決定するシステム以外のシステムに
も適用され得る。
【図面の簡単な説明】
第１図は物体の形状を検知する本発明の装置の一例を示
す模式図である。 １・・・物体、４・・・光源、５．６・・・レンズ（第
１の像形成システム）、７・・・アパーチャ、８・・・
回折格子、９・・・レンズ（第２の像形成システム）、
１０・・・検出器。 （５

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、像形成システムを用いて物体の像を形成することを
    包含し、該物体の一部が他の部分と比べて該像形成シス
    テムから実質的に遠く離れており、該物体の像が第１の
    像形成システムを用いて回折格子手段上に形成され、該
    回折格子手段が第２の像形成システムを用いて検視され
    る、像形成方法。 ２、次の工程をさらに包含する、請求項１に記載の方法
    ：前記物体上に入射ビームを走査または投射すること；
    ただし、該入射ビームは該入射ビームに沿って見ると細
    長くて幅が狭く、それによって該ビームはある線に沿っ
    て該物体に投射される；および該入射ビームの平面に対
    して実質的な角度をなすある軸に沿って該線の像を形成
    すること。 ３、前記回折格子手段の１次ビームが用いられる、請求
    項１または２に記載の方法。 ４、前記回折格子手段が、前記物体からの光の光学軸に
    対して、シャイムプルーグ条件に従うある角度をなし、
    かつ最終的な像を形成する像形成システムの光学軸に垂
    直である、請求項１から３のいずれかに記載の方法。 ５、前記物体が宝石である、請求項１から４のいずれか
    に記載の方法。 ６、物体の像を形成する装置であって、物体の像を形成
    する像形成システムと、回折格子手段と、該回折格子手
    段上に該物体の像を形成する第１の像形成システムと、
    該回折格子手段上に該像の像を形成する第２の像形成シ
    ステムとを有し、該物体の一部が他の部分と比べて該像
    形成システムから実質的に遠く離れている、像形成装置
    。 ７、前記回折格子手段が、前記第１の像形成システムの
    光学軸に対して、シャイムプルーグ条件に従うある角度
    をなし、かつ前記第２の像形成システムの光学軸に対し
    て垂直である、請求項７に記載の装置。 ８、物体の形状を検知する装置であって、該物体上に入
    射ビームを走査または投射する手段と組み合せて用いら
    れ；ただし、該入射ビームは該入射ビームに沿って見る
    と細長くて幅が狭く、それによって該入射ビームはある
    線に沿って該物体に投射され；該入射ビームの平面に対
    して実質的な角度をなすある軸に沿って該線の像を形成
    する像形成システムと、該像形成システムの前方に設け
    られた回折格子手段とを有する、検知装置。 ９、前記物体上にビームを走査または投射する手段をさ
    らに有し、該ビームが該ビームに沿って見ると細長く幅
    が狭い、請求項７に記載の装置。 １０、前記回折格子手段の１次ビームが用いられる、請
    求項６から９のいずれかに記載の装置。
JP1292100A 1988-11-09 1989-11-09 物体の形状の検知 Pending JPH03183904A (ja)

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GB888826224A GB8826224D0 (en) 1988-11-09 1988-11-09 Sensing shape of object
GB8826224.1 1988-11-09

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EP (1) EP0368647B1 (ja)
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CA (1) CA2002547C (ja)
DE (1) DE68908347T2 (ja)
GB (2) GB8826224D0 (ja)
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