JPH05172541A

JPH05172541A - モアレ輪郭作像装置

Info

Publication number: JPH05172541A
Application number: JP3349323A
Authority: JP
Inventors: Kevin G Harding; ジョージハーディングケビン
Original assignee: IND TECHNOL INST
Current assignee: IND TECHNOL INST
Priority date: 1990-11-02
Filing date: 1991-11-01
Publication date: 1993-07-09
Also published as: US5189493A; DE4136002A1

Abstract

(57)【要約】【目的】照明及び観察光学ビーム経路の両方が共通の
主レンズ及び光学格子を通過する小さい視野モアレ作像
のためのモアレ輪郭作像装置を提供する。そのような共
通の光学要素の使用は観察及び照明経路中の別個の光学
要素間の倍率及び焦点距離及びその他の不整合が回避さ
れるので光学的安定性及び精度を改善する。【構成】装置は耐久性を高めた細長いハウジング１４
中に組込まれている。装置はモアレ位相転位を生じるた
めに格子を並進させるため又はモアレ視野転位を提供す
るために装置のフオールディングミラーを並進させるた
めの機構を組入れている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、加工物の輪郭を評価す
るための光学装置に関し、且つ特にモアレ原理を使用し
且つ位相転位又は視野転位分析を可能にする光学装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】モアレ原理を使用する光学輪郭装置はか
なり長い間使用されている。該装置の１つの形式では、
格子のような既知の周期的な模様が評価される表面上へ
投射され、表面によって変形され照明方向から傾いた方
向から撮られた格子の像がプロファイルを決定するため
に分析される。変形された格子像は多くの場合格子変形
を増幅する整合された基準格子上へ重畳され、よく知ら
れたモアレ縞模様を生じる。そのような縞模様は観察者
又は自動化された装置によって表面輪郭として容易に解
釈される。その結果できた縞模様は、物体の配向、剛体
変位、部品上の色又はしるしと無関係である同等の深さ
変化の線である。モアレ模様を提供する典型的なアプロ
ーチは、照明及び観察装置の光学経路中にそれぞれ位置
決めされた別々の投射及び基準格子を使用することであ
る。同様に、格子の集束された像を物体上へ投射するた
め及びその像を像検知器又は接眼レンズ上へ集束するた
めに別々の主レンズが使用される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】現在のモアレ輪郭装置
は満足に動作しているが、別々の格子及び主レンズの使
用は多くの欠点を生じている。例えば、物体及び検知器
上での２つの格子の倍率の僅かな差がモアレ干渉模様に
加工物の輪郭と無関係な変化を生じる。そのような倍率
の誤差が存在する時、加工物が正当に平坦である時で
も、投射格子及び基準格子の部分の変位のために縞模様
が差によって生じる。同様に、２つの主レンズの焦点及
び／又は整合の僅かな差は像のゆがみを生じさせる。ま
た、別々の主レンズ及び格子の使用は、これらの要素間
の微小な相対運動でさえ像のゆがみを生じさせることが
あるので安定性の問題を生じる。高価な光学機器を購入
した時でも、倍率及び焦点距離に関して正確に整合され
た２つのレンズを得ることは困難である。上述した欠点
に加えて、別々のレンズ及び格子要素の条件は、これら
の要素が別々に購入され、取付けられ、装備され且つ整
合されねばならないので作像装置のコストを更に増す。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は従来技術の設計
の上述した欠点を克服するモアレ輪郭作像装置又はカメ
ラに関する。本発明の利点は第一に、改善された安定性
及び光学性能のために投射及び観察光学経路の両方のた
めに単一の光学格子及び主レンズを使用することによっ
て達成される。本発明に従う光学装置は、照明ビーム光
線経路が観察光線経路に対して傾斜されており、その両
方が共通の格子及び主レンズを通過することを特徴とす
る。２つのビームの傾斜のため、評価される物体が置か
れる焦点平面上で両ビームが収斂するようにビームの一
方が再方向付けされねばならない。添付図面に示した本
発明の実施例に従えば、照明光学経路はフォールディン
グミラーによって反射され、それを観察光学経路で評価
される物体上で収斂させる。更に組入れられた本発明
は、装置内の迷光の問題を減らすことによってその簡単
性、耐久性及び作られた像の明確性を向上することを特
徴とする。

【０００５】また、本発明のモアレ輪郭作像装置は、位
相転位又は視野転位のいずれかの形式のモアレ分析を容
易に提供するようになっている。もし本発明の装置の照
明及び観察光学経路のための格子が転位されるならば、
モアレ像が観察視野にわたって位置の多数の位相で提供
される位相転位が生じる。作用はモアレ干渉模様を観察
視野にわたって走査させることである。視野転位分析は
格子を物理的に移動する並進機構を提供することによっ
て提供される。

【０００６】また、本発明のモアレ作像装置は視野転位
モアレ分析を提供するために容易に使用されるようにな
っている。この作用はフォールディングミラーを直線並
進装置の使用によってミラー表面に対して垂直に並進さ
せることによって生じる。視野転位では、レンズ及び投
射格子の両方が一緒に移動され、従って照明ビーム経路
又は観察ビーム経路のいずれかの投射点が変化する。位
相転位と同様に、視野転位は表面輪郭の絶対測定を提供
する可能性を提供する。１９９０年８月８日に出願され
た「視野転位モアレ装置」と題する出願第５６４，１０
４号（本発明の譲受入に譲渡）に、視野転位モアレ評価
方法が説明されている。この関連した出願はここに参考
として組入れられる。

【０００７】本発明の追加の利益及び利点は、添付図面
と関連した好適な実施例の以下の説明及び特許請求の範
囲から本発明が関係する当業者に明らかになろう。

【０００８】

【実施例】モアレ輪郭カメラが図１に示されており且つ
そこで参照数字１０によって全体的に指示されている。
図１では、任意の加工物１２の表面形状を特徴付けるた
めに使用されるカメラ１０が図示されている。図示した
ように、装置１０は観察端１６を有する細長いハウジン
グ１４を含み、他端はビデオカメラ１８を装着してい
る。装置の光源はオン／オフスイッチ２２及び光強さ制
御装置２４を有する別個のハウジング２０中に取付けら
れている。遠隔光源の使用は光学装置を全体長さでより
短くする。ハウジング２０内の内部光源は以下で詳細に
より良く説明されるように加工物１２の照明を提供する
光学繊維ケーブル２６へ結合されている。ハウジング１
４内の内部光源は例えば高い光強さの発光ダイオードの
形態でも使用されることができることが企図される。検
知される像に関係した信号はケーブル２８を通して適当
なビデオ監視装置又は他の像処理装置（図示せず）へ結
合される。胴又はフレーム３０が装置を使用中に安定さ
せるために設けられることができる。

【０００９】次に図２を参照して、モアレ輪郭カメラ１
０を構成する内部要素を詳細に説明する。カメラハウジ
ング１４は観察端１６を画成する端において開いた概ね
細長い管状構造である。繊維ブラケット３６はケーブル
２６をハウジング１４の側部へ取付け、光線を装置中へ
注入する。取付台３８は種々の光学要素を取付けるため
にハウジング１４内で剛固に固定されている。直角プリ
ズム４０が光遮蔽体４２上に取付けられ、該光遮蔽体は
取付台３８に剛固に固定されている。加えて、視準レン
ズ４４及び集光レンズ４６を含む一対のレンズが照明光
線経路中に配置され、それにより光線がハウジング３４
中へ注入され且つプリズム４０によって反射された時に
ビームがレンズ４４及び集光レンズ４６を通過する。視
準レンズ４４は装置中への光の伝達を高めるために設け
られ、集光レンズ４６は光源の像を主レンズ５２の有効
口径において再現する。図から明らかなように、光線４
８で示した照明光線経路は装置の光学軸線４９に対して
傾斜している。また、格子５０は照明光線経路４８が格
子５０を通過するような位置で取付台３８に締着されて
いる。照明光線ビームが前進する時、それは主レンズ５
２を通過し、次にミラー５４に当たり且つ光学軸線４９
の方へ反射される。照明光線経路４８内の光学要素は格
子５０の像を像平面５６上へ集束させ、そこに評価され
る加工物１２が評価中配置される。

【００１０】像平面５６において加工物１２から反射さ
れた光線ビームは、装置の光学軸線４９と一致又は殆ど
一致する観察光学経路５８に沿って移動する。この光線
経路は主レンズ５２を再び通過し、その後格子５０及び
視野レンズ６０を通過し、該視野レンズは主レンズの口
径をビデオカメラレンズ６２上へ作像する。ビデオカメ
ラレンズ６２を取付けるために延長リング６８が設けら
れている。最後に、観察光線経路は副レンズ６２を通過
し且つビデオカメラ１８の像平面上に集束されるように
なる。図に示したように、主レンズ５２は便宜的には合
くぎ６６によって取付台３８に対して支持されたレンズ
マウント６４に取付けられている。

【００１１】モアレ評価中、発生したモアレ縞模様の感
度は、閉塞角度（ｏｃｃｌｕｓｉｏｎａｎｇｌｅ）と
も称せられる角度αとして図２に示した照明及び観察光
学経路４８及び５８間の傾斜角度を含む多くのファクタ
ーの関数である。加えて、この感度は加工物上での格子
間隔の関数である。よく知られたモアレ輪郭原理に従え
ば、縞間隔を、それ故輪郭感度を減らす１つの方法は閉
塞角度を増すことである。本発明に従うモアレ輪郭カメ
ラ１０の設計は約２０度の閉塞角度を採用することであ
り、それは縞間隔の所望のレベルを提供すると同時にお
よそ６０度の視野角度を有する主レンズ５２として通常
の在庫品のレンズの使用を可能にするために充分大きい
と考えられた。より大きい閉塞角度を提供するために、
特殊化されたレンズが極端に広い角度能力を有する主レ
ンズ５２として設けられねばならないことがあり得る。

【００１２】照明及び観察光線経路の両方の光学軸線が
両方共に長手方向軸線４９に沿ってこの設計と一致又は
殆ど一致し、それ故焦点の正確な一致が共通の主レンズ
５２を用いることによって提供されることができること
は注目すべきである。像縁部のゆがみを回避するため
に、本発明者は装置の動作が装置の光学軸線との平行に
非常に近づけて設定されねばならないミラー５４の平面
の配向に非常に敏感であることを見つけた。

【００１３】本発明に従うモアレ輪郭カメラ１０は、ハ
ウジング１４内の望ましくない反射迷光がビデオカメラ
１８によって検知される像の品質を害する作用を減らす
ことを意図した向上を含む。図２を参照すると、照明光
線経路４８に沿う光線が主レンズ５２に当たる際に、光
源の第１の表面反射を視野レンズ６０上へ戻し、その後
ビデオカメラ１８へ戻すことができたことは明らかであ
る。現在入手可能なレンズ用反射防止皮膜が非常に有効
であるが、該皮膜は入射光線の０．５〜１パーセントの
オーダーの反射レベルを依然として許す。この強さは微
小であり且つ無視し得ると考えられるが、カメラ１０の
動作中、加工物１２上へ提供される照明光線のはるかに
少ないパーセントが実際に装置を通して反射され、それ
故主レンズ５２の裏側表面からのこの望ましくない反射
のレベルは明確性及びコントラストの大きな損失を構成
することがある。そのような望ましくない反射迷光の作
用を減らす手段として、集光レンズ４６及び照明光線経
路４８は図２の紙面で示される平面から角度を付けら
れ、それにより照明光学経路４８及び観察光学経路５８
は共通の平面にない。この僅かな軸線をずらした配向に
よって、主レンズ５２の裏側表面から反射する光源の像
は視野レンズ６０上でその中心軸線の外側の位置に向け
られる。視野レンズ６０の像領域は主レンズ５２からの
光源反射の円形区域の内側であり、それ故反射された光
線はビデオカメラ１８で見えない。

【００１４】本発明の詳細な説明を補足する手段とし
て、本発明の好適な実施例の重要な光学要素に関する特
別の情報を列挙する次の表を提供する。

【００１５】要素番号要素名説明１４ハウジング４”１ＤＰＶＣ４０プリズム１０ｘ１０ｘ１４ｍｍ９０度＃Ｂ３２，５４４／エドムンド・サイエンティフィック４４視準レンズ直径１２ｍｍ焦点距離３６ｍｍ＃Ｂ３２，８８７／エドムンド・サイエンティフィック４６集光レンズ直径１２ｍｍ焦点距離３６ｍｍ＃Ｂ３２，８８７／エドムンド・サイエンティフィック５０格子３００線／インチ＃Ｂ３２，５４４／エドムンド・サイエンティフィック５２主レンズ４０ｍｍ−ｆ４＃７７．０４０．０１／ローデンストック５４ミラー３８ｘ１５０ｍｍ＃Ｂ３２，４４２／エドムンド・サイエンティフィック６０視野レンズ＃Ｂ３２，８８７／エドムント・サイエンテヘフィック６２副レンズ５０ｍｍＦ／１．４ノーマン・カメラ６８レンズマウント＃２７１２ノーマン・カメラ

【００１６】本発明の別の実施例として、ビデオカメラ
１８は顧客が装置を通して観察することができる接眼レ
ンズで置き換えることができた。

【００１７】図３及び図４は参照数字８０で全体的に示
された本発明の作像装置の第２の実施例を示す。モアレ
輪郭カメラ８０の多数の構成要素は先の実施例の構成要
素と同じであり、それ故同様な参照数字で示されてい
る。モアレ輪郭カメラ８０はそれが視野転位又は位相転
位評価のいずれかに適合されることで先の実施例と相違
している。

【００１８】典型的な投射モアレ装置では、もし投射格
子又はレンズが観察レンズ又は副親格子に対して移動す
るならば、性質が無作為であり得る誤差が発生される。
しかしながら、１つだけの物理格子５０が本発明のモア
レ輪郭カメラで使用されるので、親及び副親格子の相互
の移動は可能ではないが、それらは一緒に移動すること
ができる。或る場合には、位相転位分析として知られて
いるものを提供するためにモアレ輪郭カメラ８０の格子
５０を移動することが望ましいことがある。位相転位分
析はモアレ像を観察視野にわたって位置の多数の位相で
提供することを必要とする。その作用はモアレ模様を観
察視野にわたって走査させることである。位相転位分析
はその結果できたモアレ模様の自動化された分析のため
に特に適合される。

【００１９】図３及び図４は格子５０の変位が位相転位
を提供するために使用される機構を示す。この実施例の
ために、格子５０の並進に適合する修正された取付台８
２が設けられる。圧電要素、ソレノイド又は他の精密制
御可能な並進要素の形態であり得る並進アクチュエータ
８４が制御棒８６を介して格子５０に連結されている。
アクチュエータ制御装置８８は図４に略図式で図示され
ている。格子５０の並進の方向は、格子によって形成さ
れた格子線に対して垂直であり又は格子線に対して少な
くともｎ角度をなす。位相転位動作を提供する時、モア
レ模様の与えられた位相転位を生ずるために通常の投射
モアレ装置で必要とされるよりも小さい格子５０の移動
が本発明のモアレ輪郭カメラ８０では使用されることが
できる。作像装置８０では、格子５０は格子位相の位置
の所望の変化の二分の一だけ移動され、それは格子の周
期の何分の一かである。アクチュエータ８４を介しての
格子５０の並進は、移動する縞模様の目視のため又は自
動化された分析のために格子が多数の分離した位置で停
止され又は連続状態で移動されることで不連続的である
ことができる。

【００２０】モアレ輪郭カメラ８０はモアレ視野転位と
称せられるものを提供するフォールディングミラー５４
を移動する機構を更に組入れている。ミラー５４及び格
子５０を移動する機構は単一の作像装置８０で図示され
ていいるが、それらは別々の装置に組入れられることが
でき、おそらくそうなっている。しかしながら、図示を
容易にするのために、これらの機構の両方はモアレ輪郭
装置８０中で図示されている。

【００２１】視野転位では、観察及び照明光学経路の相
関関係が移動され、閉塞角度の変化を生じる。モアレ輪
郭カメラ８０では、これはフォールディングミラー５４
を反射ミラー表面の平面に対して垂直な方向へ移動する
ことによって達成される。この並進は、圧電結晶からな
ることができるアクチュエータ、又は他の精密直線並進
装置の使用によって達成される。視野転位は通常の道具
による分析を可能にし、表面輪郭の絶対測定を提供する
可能性を有する。モアレ輪郭カメラ８０の実際の視野転
位はミラー５４の移動の転位の二倍である。投射された
格子像が格子５０に対して拡大される場合、ミラー５４
の運動は装置の倍率によってより大きくなり、同じ位相
転位のために格子の運動が必要とされる。ミラー５４の
より大きな運動は位相転位位置精度をミラーの移動の小
さい誤差によって影響されるだけ低下させることがあ
る。フォールディングミラー５４の並進を制御するアク
チュエータ制御装置９４は略図式で図示されている。格
子５０の並進の場合におけるように、フォールディング
ミラー５４の移動は不連続的又は連続的のいずれかであ
ることができる。

【００２２】上の説明は本発明の好適な実施例を示して
いる。本発明は特許請求の範囲の適正な範囲及び公正な
意味から逸脱せずに修正、変形及び変更を受けることが
できることは理解されよう。

【図面の簡単な説明】

【図１】特徴とされる遠隔光源及び加工物と共に図示さ
れた本発明の第１の実施例に従うモアレ輪郭装置の絵画
的図。

【図２】本発明に従うモアレ輪郭装置の内部構成要素を
示す図１の装置の長手方向断面図。

【図３】フォールディングミラー及び格子をいずれをも
並進させる装置を組入れている本発明の第２の実施例に
従うモアレ輪郭装置の長手方向断面図。

【図４】図３の装置の格子並進させるために使用され
る機構をより詳細に示す部分絵画図。

【符号の説明】

１０モアレ輪郭カメラ１２加工物１４、２０ハウジング１６観察端１８ビデオカメラ３８、８２取付台４０直角プリズム４４視準レンズ４６集光レンズ４８照明光線経路４９光学軸線５０格子５２主レンズ５４ミラー５６像平面５８観察光学経路６０視野レンズ６２ビデオカメラレンズ６４レンズマウント８０作像装置８４並進アクチュエータ８６制御棒８８、９４アクチュエータ制御装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光学格子と、主レンズと、前記格子の像が物体焦点平面上へ投射されるように光線
ビームを前記格子及び前記主レンズを通して照明ビーム
経路に沿って投射する光源装置と、前記物体焦点平面から反射された光線が前記格子及び前
記主レンズを通過する観察ビーム経路を画成し、前記物
体焦点平面における物体の輪郭がモアレ縞模様を作るよ
うに前記照明ビーム経路及び前記観察ビーム経路が前記
物体平面において閉塞角度で互いに対して傾斜された観
察光学装置とを含むモアレ輪郭作像装置。
【請求項２】光線を前記ビーム経路の一方に沿って反
射し、前記照明ビーム経路及び前記観察ビーム経路を前
記物体焦点平面に収斂させるミラー装置を更に含む請求
項１に記載されたモアレ輪郭作像装置。
【請求項３】前記閉塞角度を変化するために前記ミラ
ー装置を変位させるミラー並進装置を更に含む請求項２
に記載されたモアレ輪郭作像装置。
【請求項４】前記ミラー並進装置は前記ミラー装置を
前記ミラー装置によって画成された反射平面に対して垂
直な方向へ変位させる請求項３に記載されたモアレ輪郭
作像装置。
【請求項５】前記ミラー並進装置は前記ミラー装置を
２つ又はそれ以上の分離した所定の位置に変位させる請
求項３に記載されたモアレ輪郭作像装置。
【請求項６】前記ミラー並進装置は前記ミラーを変位
範囲に沿って連続的な運動で変位させる請求項３に記載
されたモアレ輪郭作像装置。
【請求項７】前記ミラー装置は前記光源装置からの前
記照明ビームを反射し、前記物体焦点平面において前記
観察ビームとして収斂する請求項２に記載されたモアレ
輪郭作像装置。
【請求項８】前記照明ビーム経路中にある視準レンズ
及び集光レンズをさらに含み、前記視準レンズは前記光
源装置からの光線を集め且つ光線を前記集光レンズへ伝
達し、前記集光レンズは前記光源の像を前記主レンズの
開口上に再現する請求項１に記載されたモアレ輪郭作像
装置。
【請求項９】前記主レンズを作像するために前記観察
ビーム経路に沿ってある視野レンズを更に含む請求項１
に記載されたモアレ輪郭作像装置。
【請求項１０】前記照明ビーム経路及び前記観察ビー
ム経路は前記ビーム経路が前記主レンズを通る時に相対
的角度を画成するように傾斜されている請求項１に記載
されたモアレ輪郭作像装置。
【請求項１１】前記照明ビーム経路及び前記観察ビー
ム経路は共通の平面中になく、それにより前記主レンズ
の第１の表面から反射された前記照明ビーム経路に沿う
光線が前記観察ビーム経路と一致する経路で反射されな
い請求項１に記載されたモアレ輪郭作像装置。
【請求項１２】前記格子及び前記主レンズを越えて前
記観察ビーム経路中に配置され、前記物体を作像するビ
デオカメラを更に含む請求項１に記載されたモアレ輪郭
作像装置。
【請求項１３】前記格子を変位させ、それにより前記
作像装置の観察視野にわたって位置の多数の位相におい
てモアレ像を提供することを可能にする格子並進装置を
更に含む請求項１に記載されたモアレ輪郭作像装置。
【請求項１４】前記格子並進装置は前記格子を画成す
る直線光学要素に対して垂直な方向へ前記格子を直線的
に変位させる請求項１３に記載されたモアレ輪郭作像装
置。
【請求項１５】前記格子並進装置は前記格子を２つ又
はそれ以上の分離した所定の位置に変位させる請求項１
３に記載されたモアレ輪郭作像装置。
【請求項１６】前記格子並進装置は前記格子を変位範
囲に沿って連続的な運動で変位させる請求項１３に記載
されたモアレ輪郭作像装置。