JPH09507293A

JPH09507293A - 形状測定システム

Info

Publication number: JPH09507293A
Application number: JP7517532A
Authority: JP
Inventors: シー．ハル−アレン，グレゴリー
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1993-12-21
Filing date: 1994-12-21
Publication date: 1997-07-22
Also published as: EP0736167B1; DE69417262T2; WO1995017644A1; EP0736167A1; DE69417262D1; US5436462A

Abstract

(57)【要約】エレクトロピック(electropic)形状測定法は、モアレ干渉縞を使用して、物体の表面上の形状情報を発生させる。干渉したコヒーレントビームは、縞パターンとして上記物体表面上の像を発生させるようになっている。上記表面は、高分解能カメラで観測されており、フレームグラッバとコンピュータによってディジタル化される。参照パターンは、ソフトウエア的に発生され、かつ、これがディジタル化された物体表面からの信号と混合される。この様にして混合された信号は、フィルタ処理によって、キャリア周波数の信号が除去されて、上記表面形状を表したビート周波数を有する信号を出力するようになっている。

Description

【発明の詳細な説明】形状測定システム技術分野本発明は、光学的計測法に関し、より詳細には、モアレ干渉法を用いた形状測定システムに関するものである。背景技術表面計測システムは、一般に良く知られており、工業的及び科学的な応用用途が見いだされている。例えば、ジェットエンジンのタービンブレードは、多くの複雑な形状を有しており、この形状は、多数の冷却ホールパターンを有している。またその表面形状は、特に厳密性が要求される。表面形状を正確に測定するための検査法は、現在では、市販の座標測定装置(CMMs)を使用して行われている。これらのシステムでは、精密並進機構に取り付けられた接触式のプローブデバイスを使用して、検査される部品の限られた数のポイントについて測定を行う。通常は、この部品は固定されており、上記プローブが移動するようになっている。このプローブ位置を正確に保持し続けるためには、非常に大きな注意を要する。上記検査工程は、ポイントからポイントへと連続して行われる工程であるため、比較的ゆっくりと行われる。既知の比較的速度の速いADAM機械の精度は、約０．０６２５平方インチの表面積につき約２milsである。ただしさらに遅いCMMユニットでは、一点あたり約０．５milの精度が達成されている。上記した部品の複雑さと検査に要する時間が増加すると、それに続いた製造プロセスを制約する。光学的計測技術は、通常、上記検査工程の速度を増大させる方法である。これは、上記光学的計測方法が、本来１次元又は２次元的に行うことができ、セグメントの全ラインや、ブレード上のエリアパッチを一度に観測することができるためである。上記したような実測速度によれば、上記した全表面形状を決定することが可能となり、制約の多い接触式のプローブや連続的にポイントからポイントへと測定を行う他のシステムに比べて、より完全な検査が可能となる。しかしながら今日まで、このために使用可能な光学的システムは精度が悪く、さらには、製品検査のために要求される耐久性を有していなかった。上記用途に良好に用いられる光学的技術の一つとして、モアレ干渉法を挙げることができる。モアレパターンは、グレーティング、スクリーン、又は規則的に離間したパターンが互いに重なり合わされて干渉した場合に得られる強度パターン（フリンジ）である。この様な干渉フリンジは、二つの干渉パターンの周波数が互いにほぼ等しい場合に最も顕著に観測される。通常の例としては、二つの分離したスクリーンウインドウを通して見る場合のシマリング(shimmering)現象やテレビスクリーンにおいて見られるシマリング縞を挙げることができる。この場合、上記縞の空間周波数が、ＴＶカメラのピクセル周波数、すなわち画素周波数に互いに近づいて来るとモアレパターンが現れるようになっている。モアレ形状測定技術は極めて複雑な表面を正確に形状測定するために使用されている。しかしながら、上記技術には、これまでいくつかの原理的な欠点があった：１）上記測定システムは大斜面の測定には適さないこと；２）グリッドの大きさと、見込み角によって、上記物体のサイズが著しく制限されてしまうこと；及び、３）混合効率(mixing efficiency)が、上記物体と上記グリッドとに同時に焦点をあわせる必要があるためカメラ性能に依存してしまうことである。モアレシステムは、上記した参照グリッドと上記物体画像との位置決めに要求される許容限界が狭いため、これまでは、高生産性の計測装置には用いられてこなかった。モアレ干渉法を使用し、かつ、光学的な位置決めや被写界深度などによって制限を受けず、さらに、物体の表面形状を実測し、かつ、正確に測定することのできる光学的計測システムが望まれていた。本システムは、上記目的のために開発されたものである。発明の開示本発明の目的は、物体の表面形状を測定するためにモアレ干渉法を使用するシステムを提供することにある。本発明の他の目的は、無限の被写界深度を有する上記タイプのシステムを提供することにある。また、本発明は、表面イメージを含んだ干渉パターンによるビート周波数を、コンピュータによって信号処理する上記タイプのシステムを提供することにある。本発明の別の目的は、さらに、在来の形状測定システムを代替え可能で、時間的に効率よくかつ、コスト効率の良い上記タイプのシステムを提供することにある。本発明の別の目的は、生産性が高く、高精度で、信頼性が高く、かつ、部品サイズと部品形状とに柔軟に対応できる上記タイプのシステムを提供することにある。さらに、本発明の目的は、物体表面を不連続的にトポグラフィー測定するシステムではなく、連続的測定を行うことのできる上記タイプのシステムを提供することにある。本発明の別の目的は、上記物体の物理的配置に対する制限が厳しくなく、かつ、操作に対して熟練性が必要とされない上記タイプのシステムを提供することにある。さらに本発明の目的は、位相変調干渉法を使用した上記タイプのシステムを提供することを目的としている。本発明によれば、物体の表面形状を測定するためのシステムは、光線で上記物体表面を照射するための装置を有しており、さらに、上記光線の断面強度は、低強度領域が参照空間周波数で周期的に繰り返すようにされている。また、上記物体表面から反射され、かつ、物体の空間周波数に対応した間隔の低強度領域を有する像を受け取るための装置が備えられている。また、上記反射物体像に等価なディジタル信号を与えるため、ディジタル回路が備えられている。この装置は、上記反射物体像ディジタル信号を、参照空間周波数で周期的に低強度領域が離間しているパターンを有する参照信号と混合して、合成画像信号を発生する。また、上記装置には、上記合成画像信号からビート周波数の低強度領域を有する強度パターン信号を抽出するための装置と、上記ビート周波数パターンに対応した出力信号を発生させる装置とを有している。図面の簡単な説明図１は、既知の光学システムで構成されたモアレ干渉縞を概略的に示した図である。図２は、図１の光学システムとは別の光学システムによって形成されたモアレ干渉縞を模式的に示した図である。図３は、モアレ干渉縞を発生させるために使用する既知の光学システムを模式的に示したものである。図４は、本発明によって得られる光学システムを概略的に示した図である。図５は、図４のシステムによって実行されるアルゴリズムをダイアグラムとして示した図である。図６は、図４のシステムによって、平坦な面を測定する際に発生する像を簡略化して示した図である。図７は、図４のシステムによって、ジェットエンジンのタービンブレードを測定した際に発生する像を、簡略化して示した図である。図８は、図４のシステムによって、ジェットエンジンのタービンブレード内のホールを示した像を簡略化して示した図である。図９は、図４の位相変調干渉法を用いてジェットエンジンタービンブレードの表面を計算させた場合に得られるダイアグラムを示した図である。図１０は、物体の一点から完全な表面形状が形成されるまでの図４に示したシステムとは別のシステムを概略的に示した図である。図１１は、本発明により得られるシステムによって測定されたジェットエンジン用タービンブレードの断面図のダイアグラムを示した図であり、この際、いくつかの干渉縞が互いに連結するようにされている。発明の最良の実施態様モアレトポグラフィーは、形状マッピング技術であり、物体に回折格子を近接させて配置し、上記回折格子を通して上記物体上の陰影を観測するようになっている。得られるモアレフリンジは、所定の幾何学的条件において、上記物体の形状ラインシステムに対応したものとなっている。上記モアレフリンジの波長は、上記回折格子周期と見込み角との関数となっている。図１に示す、モアレパターン１０は、空間周波数と、角度とが互いに僅かに異なっている２つのパターン１２，１４を有する透明支持体を重ね合わせて得たものである。図２のパターン１６は、これよりも僅かに複雑な混合が行われている。この際には、パターン１８は、パターン２０に比べて上部から下部へとその空間周波数が変化するようにされている。上記パターン１０，１６は、光学システム２２によって形成されており、この光学システム２２は、コリメーティングレンズ２８にビーム２６を照射するための光源２４を有している。平行ビームは、試験体３２へと照射される前に、参照グリッド３０を通過する。反射されたビームは、強弱のついたパターン３４を有しており、このパターンは、上記試験体の表面形状を示していて、このビームが上記参照グリッドを再度通って通過して行き、その後、観測システム３６へと導入される。本発明により提供される形状測定システムは、ジェットエンジンブレード形状といった特殊な物体を測定する、より迅速かつ正確な方法を提供するものである。一点ずつ分析するといった時間のかかる従来法に、光学的技術を使用することによって、より高いサンプリング能力を付与することができる。本発明によって提供される形状測定システム３８は、一つのパターンをグリッドを通して検出するのではなく、２つのパターンを電気的に混合するようになっている。図４では、ヘリウムネオンレーザ４０からコヒーレント単色光４０が照射されている。このレーザビームは、好ましくは改良したマッハ−ツエンダ型干渉計４２を通して、オフセットしかつ互いに交差した２つのビームとされている。上記２つのビームは、所定の角度で重なり合うようにされている経路を互いに進行するため、互いに強めあったり弱めあったりして干渉し、正弦曲線状に変化する強度分布を発生させるようになっている（すなわち、直線的で平行なフリンジである）。その後、上記各ビームは、再度混合されて縞のある断面強度パターン（すなわち、進行方向に沿って直線状の明部と直線状の暗部とが交番的になっているパターンである。）を有する干渉ビームとして出力される。上記フリンジの空間周波数は、カメラの分解能の限界になるように調節されている（物体上で約３０フリンジ／インチ）。物体全体を照射するようにビームイクスパンダ４８によって上記干渉レーザビームを広げ、対応する縞状パターン４４を試験物体４６の表面上に形成する。上記物体上の縞の空間周波数は、上記光線の波長と上記物体を観測する際の角度の双方の関数となっており、上記干渉ビーム縞の上記空間周波数に対して、所定の分だけ変位している物体に等価な空間周波数を与えるようになっている。上記干渉計内の２つの調節可能なミラー５０，５２は、ライン間隔とラインの配向とを制御するようになっている。複数の上記フリンジは、上記表面上に像を形成していない。そのかわり、上記物体表面上では、２つのビームの間で互いに干渉が起きている。従って、上記物体の深度が変化してもパターンの焦点がずれてしまうことがない。縞状パターンを有する上記物体は、所定の角度から高分解能ビデオカメラ５４によって検出され、既知のフレームグラッバ(frame grabber)ハードウエア、ソフトウエアを用いてディジタル化される。これらはすべてが、ビデオプロセッサ５６の一部とされている。上記フレームグラッバは、一度に特定部分の上記参照パターンを有する上記物体部分の像に対応したディジタル化信号セットを発生させる。また、上記ビデオプロセッサ内には、コンピュータが備えられている。このためのコンピュータとしては、ディジタルイクイップメント社(Digital Equip ment Co.)から市販されているマイクロバックス(Microvax)ミニコンピュータが好ましい。この他にも、通常のハードウエアとソフトウエアとが、本明細書中で詳細に述べる機能を実行させるため用いられている。ソフトウエアアルゴリズムによる画像イメージの混合、処理については後に詳述する。モニタ５８は、上記 CCDカメラの出力と、上記参照パターンと、処理された干渉図形や得られた所望のデータとを表示する。これとは別のモニタ（図示せず）は、上記処理を施された干渉縞を表示させるために備えられている。上記各光学機器を安定に取り付けるために、機械的プラットフォームを使用しているが、これらについては図示してはいない。上記物体は、コンピュータ制御された精密エアベアリングプラットフォーム６０にステップ的に回転するように取り付けられており、全表面形状が測定可能となっている。上記プラットフォームは、また、必要に応じて上記部品を上下させるようになっている。本システムの効果は、上記物体について記録された像とコンピュータによって発生させた参照パターンとを混合することができることにある。上記モアレフリンジの等価波長は、その一部に参照干渉計波長を基準としているため、上記参照グリッドをコンピュータにより発生させることで、上記等価波長を正確に制御することができるようになっている。また、上記物体の深度には依存しないのは、上記各ビームが重ね合わされる限り同等の上記レーザ干渉パターン発生するためである。本明細書中で詳細に説明するが、ソフトウエア的に発生されたモアレフリンジを好適に用いることができ、また、このモアレフリンジは、計算どうりの挙動をさせることができる。シグナル処理によって、上記モアレキャリア周波数を上記したビート周波数が妨げられないように除去することができる。処理されたフリンジは、市販のフリンジ中心出しプログラム(fringe centroiding program)によって、繰り返し検出が行える十分なS/N比を有している。好適なシステム分解能は、等価波長（λeq）が０．１から０．５インチ範囲では、λqp＝０．１９２インチにおいて約０．１９milsである。解像力は、使用している上記ビデオカメラの解像力によって制限される。これは上記した物体上において上記カメラが上記フリンジを解像する能力で上記当価波長が制限を受けることによるためである。より高い密度のカメラ画素アレイと、より良好な光学的機器とを用いれば、等価波長としては、０．０２インチを得ることができる。本発明は、従来の標準的なモアレ測定機器に付随していた上記アライメントと位置決めの困難さを改善するものである。表Ｉに示す結果は、等価波長が、λeq＝０．５１１インチのときに得られた結果を示している。等価波長を０．０２インチになるように規格化した際の本発明のシステムの能力は、次のように得られる。図５は、本発明で実行されるアルゴリズム６２を簡略化してダイヤグラムとしたものを示している。好適な実施例では、上記カメラ信号は、まずブロック６４においてディジタル化される。通常のフレームグラッバーは、ディジタル化された信号をサンプル（ブロック６６）、上記物体のビデオイメージに対応した信号セットへとサンプルした信号を配列させる。物体の次の信号セットも、この様な方法で発生され、上記コンピュータメモリ中に蓄積される。標準的なモアレシステムで観測されるパターンは、上記コンピュータによって発生されるパターンによって置き換えられる（ブロック６８）。上記物体のディジタル化したビデオイメージは、コンピュータによって発生したパターンと、機械的方法で得られる信号に対応するように結合される。配向、ライン間隔、及び参照パターンの位相は、測定精度、処理効率の向上、種々の物体の幾何学的配置に適応させるように変更することができる。組み合わされた信号セットは、その後、電気的にフィルタされ（ブロック７２）、照射パターンと参照パターンとが取り除かれて、上記参照パターンは、所望の合成波長（典型的には、１０−５００mils）の干渉縞が得られることになる。上記合成された波長は、検査が必要な部品の領域を選択して実行される。フィルタされた信号は、スムージングされ（ブロック７４）、フリンジ中心出し処理が、所望するように上記データに加えられる（ブロック７６）。上記システムは、上記物体表面形状に対応した出力信号を発生させるようになっている（ブロック７８）。本発明では、ソフトウエア的な像混合によるモアレ干渉縞出力は、望ましいモアレ干渉縞パターンの他、上記照射パターンや、上記モアレ干渉パターンを形成する参照パターンをも含有している。しかしながら、干渉縞から表面形状を計算させるための市販のソフトウエアは、単一のパターンが存在することを想定したものである。従って、上記モアレ干渉縞を強調させて、照射パターンや参照パターンを弱めるためには、上記モアレ像に画像処理ソフトウエア的に、フィルター処理を行う必要がある。本発明により、平面から得られるフリンジによるモアレ干渉縞パターンの一例を、図６に示す。干渉縞８０は、物体のパターン８４を有する多重の（又は混合された）正弦パターン８２から形成されいる。この際、上記物体パターンとフレームグラッバーとを有したビデオカメラを使用した。上記したモアレパターンには、明瞭に上記参照パターンが現れており、これはほぼ垂直で、明暗のラインが高い空間周波数で現れているものである。検出された物体パターンは、また、上記したモアレパターンも存在しているが、上記参照パターンよりもコントラストが低いため明瞭ではない。図６ではモアレパターンは、より空間周波数が低い、ほぼ垂直なグレーラインのセット８６で形成されている。モアレフリンジが直線的、かつ、平行で、均等に離間していることは、上記平面が平面であり、カメラに対して垂直になっていることを示している。上記参照パターンと、照射パターンとが上記モアレパターンよりも高い空間周波数を有しているため、上記モアレパターンを画像処理によって抽出するのが容易となっている。上記フィルタリング技術は、“伸長、すなわちディレーション (dilation)”と言われる一般的な非線形モルフォロジフィルタ(morfology filte r)である。この後に、スムージング機能が施されて、図６に示すような結果が得られている。像８８は、１５０ｘ１５０画素の解像力を有しているとともに、２５６階調のグレーダイナミックレンジを有している。また白は、強度の高い部分を示し、黒は、強度の低い部分を示している。使用した伸長フィルタアルゴリズムは、１画素ｘ３画素（高さ１画素ｘ幅３画素）である。このサイズと形状は、除去すべき参照パターンをもとに選択したものであり、この様にすることが効果的であった。伸長処理工程は、この１ｘ３フィルタだけをウインドウとして、１５０ｘ１５０の全像列にわたって処理を進める。このウインドウを使用して、入力された所定画素に中心をあわせ、このウインドウを最大強度、すなわち、選択した画素をその左右の画素に対して最大強度となるようにして、出力画像の画素に対応する値に対応付ける。この様な操作の効果は、上記照射パターンや参照パターンの微細な白線を拡大又は伸長（水平方向へと）する効果を有する。図６に示すように、伸長フィルタを適用した結果、白線９０は、拡大され、暗線９２は、この暗線が消滅するまで縮小することになる。これらのライン幅を予め知ることができれば、必要な反復回数が容易に決定できる。しかしながら、伸長は人為的に導入されるものである。例えば、滑らかに明部−暗部が変化すると僅だがラフに画素化が行われることになる。この様な人為性を排除するために、上記画像信号を、寸法が３画素ｘ３画素の簡単なリニアスムージングフィルタを２度通して、像９４と９６とが得られている。像９６は、高周波数の照射パターンと参照パターンとを含んでおらず、かつ、平滑化されたモアレパターンのみを含んでいる。図７には、ジェットタービンブレードの干渉縞に、この画像処理を施した実施例を示す。このブレードからサンプルされた信号セットは、像９８を形成し、この画像は、参照パターンと混合されて干渉縞１００を形成する。上記干渉縞信号セットは、フィルタプログラムを通されて、像１０２を発生させる。拡大されたモアレパターンは、ここで曲線１０４で略図として示されている曲線のセットとされる。この曲面は、試験体であるブレード領域の３−Ｄ表面形状を現した形状である。本発明は、また、図８に示すように、表面特性を検出することができる。図８では上記入力物体像は、１０６として示されており、また画像１０８は上記モアレ干渉縞に対応している。モアレフリンジ像１１０には、垂直方向に小さな暗部１１２のセットが明らかに観測され、これは、何もなければ本来観測されない像である。従ってこれらの領域は、上記タービンブレードのホールの位置に対応している。さらに、しきい値化(thresholding)や、ヒストグラムイコライゼーション法(histogram equalization)等の画像処理を上記モアレパターンに施すと、最適化されたものとは決していえないものの、より高いコントラストで像１１４としてホール１１６が検知されるようになる。通常目的の市販の画像処理ソフトウエアは、上記信号処理のためにある程度使用可能である。しかし、市販ソフトウエアの入出力(I/O)速度特性では、上記装置と上記ソフトウエアの特性との有効性を減じてしまうことになる。このために必要となる操作は、ほとんどの部分では複雑ではないため、上記ホストコンピュータの特性を考慮に入れて特別のルーチンを作成することができ、（数値演算用コプロセッサ、整数演算用コプロセッサ、または、浮動小数点コプロセッサ、画像フィルタ用ハードウエア等）、これらを用途に応じて用いることができる。モアレ干渉フリンジは、画像処理によって干渉縞から抽出され、照射された上記物体の３次元表面輪郭についての情報を含んだものとなっている。干渉フリンジから上記表面輪郭の計算は、波長の１／１０００で表面変動を検出するような光学式試験法でも通常に使用されている。上記等価モアレ波長により上記方法を較正することにより、３−Ｄ表面形状が、上記モアレパターンから同一の分解能で計算できる。干渉縞から表面形状を計算するために通常用いられている２つの方法は、フリンジ中心出し(fringe centroiding)と位相測定干渉法 (phase measurement interferometry;PMI)である。フリンジ中心出しは、上記した２つの表面計算方法のうち、より簡単なものであり、これは、上記３−Ｄ表面形状を計算させるために、一つの干渉パターンを使用する。所定の干渉パターンにおいて、上記アルゴリズムは、暗部フリンジ又は明部フリンジのそれぞれについて、強度中心(centroid)を計算する。各フリンジについて上記パターンの一端から他端へとフリンジの中心に沿って連結し、一つ一つ直線によって近似させたラインセグメントのセットをフリンジ形状を連結して、結果が得られるようになっている。この様にして拡大したしたフリンジは、１つの等価波長での上記物体表面の高度差に対応したフリンジとなる。従って、この様にして抽出したフリンジは、２−Ｄ画像空間から実体的な３−Ｄ画像空間へと容易にマップ化することができる。上記３−Ｄ空間のフリンジは、測定した３−Ｄ表面である試料、すなわち等価形状を示したラインを表示している。種々の補間法が及び表面フィッティング技術をその後に使用しても良く、上記フリンジサンプル又は、フリンジサンプル間を補間して表面をフィッティングすることができる。これによって、均一なサンプル間隔で上記全表面の３−Ｄ形状が得られる。図６に示すジェットエンジンタービンブレード部分について、計算された上記表面を例示するものとして、曲線１０４を示す（図中の単位はインチである）。この場合には、単純なリニア補間法を用い、上記フリンジ間の領域をつないでいる。図では、計算した上記表面は僅かに波打っていることが示されている。これは、本方法の固有の問題を示している。上記全表面形状を、離間したデータ（フリンジから）から計算させているので、正確さには欠けている。これは、ノイズによる上記フリンジ中心の位置決めの僅かな誤差により、上記全表面形状の誤差として得られてしまうためである。位相測定干渉法(PMI)、は、よりさらに正確で、再現性の良い技術であり、これは、フリンジだけではなく、さらに入力像における強度の高い全てのサンプルのみを使用し、補間法を全く必要としない。この方法は、光学計測法において、多年にわたって良好に用いられてきてるものであり、本発明ににおいても、PMI 法をモアレ干渉法に使用することができる。上記PMI法の性質は、全く符号の不正確さが無く、上記ビデオイメージにおけるいかなるポイントにおいても、データ取得を可能とするとともに、測定がフリンジコントラスト又は、上記領域を横切って照射が変動すること等には影響されずに行えることを挙げることができる。また、上記工程は、自動化できるとともに、極めて迅速に行うことができる。 PMIは、上記照射光線の波長の１／２５０で光学的表面の品質を決定することができる。図９にも見られるように、試験の際の物体によるいくつかの連続的な干渉縞１１８は、照射された光線の位相差に規定される分だけ食い違いがみられる。１２０では、強度変化アルゴリズムは、画素間の波頭、すなわち、ウエーブフロント（wavefront)の位相差を決定しているとともに、検査する光学的表面についての高解像力のマップを得ている。この技術は、直接的にモアレ干渉法に使用することができる。本発明では、上記物体上のラインパターンを変調させ、既知の差をもった連続フレームを記録する。このアルゴリズムを、その後、概略的には略図１２２で示すような表面の形状を決定するために用いる。相対的な高さ変化は、相対的な位相差から計算される。モアレ干渉法は、２つの正弦的強度パターンが、ある種の方法で結合する際に発生する。この結果得られるモアレ強度パターンは、グレートーンからなり、このグレートーンは、上記２つのパターンの間が強めあったり、弱めあったりして形成されている。光学的干渉法では、２つのビームは、互いに重ね合わされることになる。一方のビームは、通常、参照ビームとして使用され、他方は、試験体の光度変化によって位相が変化するようになっている。この結果、強度変化は、下記式によって示される。上式中、 I_o(ｚ)=高さzの関数である振幅 V=可視性(visibility) Δｚ=二つの光線の光路長差 Δω=２つの光線の光学的周波数差 Δφ=上記２つの光線の位相差 λ=波長である。 Δz、Δω、Δφのいずれが変化しても、強度パターンは変化する。上記強度パターンは、通常ビデオカメラ等によって測定され、解析するために蓄積される。上記諸量のいずれか一つの変化に応じて、上記フィールド中の各画素について光路長差を決定することができる。すなわち、これによって試験物体の形状が決定できることになる。典型的な光学的PMIシステムでは、Δｚのみが、リファレンスアームを変化させることによって既知の量だけ変化される（通常１／４波長づつである）。この結果上式は、全ビデオフィールドについて、下記式のように変形できる。上式中、φは、未知位相であり、Δｚは、光路長の変化分である。下記の４つの束縛条件を使用すると、 I₁(Δz=0) = I₀(1+cosφ) I₂(Δz=1/4) = I₀(1-sinφ) I₃(Δz=1/2) = I₀(1-cosφ) I₄(Δz=31/4) = I₀(1＋sinφ) 式（２）は、下記式のようになる。上記位相は、従って上記フィールドにおける各画素について決定されることになる。隣接した画素間の位相は、光路長差（高さ）に関連している。従って、上記位相マップは、上記全表面の形状を構成するために使用することができる。４つのステップより多く又は少ないステップを必要とする別のアルゴリズムもあるが、これらのアルゴリズムは、特定の用途に応じて使用することもできる。上記モアレ干渉法では、単に、上記物体の位相を正弦的に変調させるばかりではなく、上記波長（すなわち空間周波数）も変調を加えている。この様に波長を変化させることは、上記モアレ形状パターンを向上させることになるが、これは、上記表面を横切る向きの傾斜変化に直接的に関連しているためである。混合される上記２つの“光線”のうちの一つが周波数変調されているので、上記したような単純な関係では表すことができない。しかしながら、上記位相マップ上で同様な方程式のセットを構成することができ、これによって上記形状が決定できる。一つの方法として、上記に示した例とほぼ同様に、膨大な数（Ｎ）の強度パターンを使用して位相を決定することができる。これとは別のシステム１２４では、図１０に示されるように可動の物体用プラットフォームが用いられている。検査される上記物体１２６は、プリズム１３０とミラー１３２と１３４とによって形成される円錐形状をした反射面１２８の中央部に設置され、画像面１３６上に上記試験物体の連続的な像が形成されている。上記システムは、また、有効焦点距離が８０ｍｍ（ｆ／４．５）とｆ／１７．５の共役レンズといった複数のカメラレンズを有する光学アッセンブリ１３８を有している。物体までの全距離は、３００ｍｍであり、その縮小比 (reduction ratio)は、−３である。この像における上記モアレパターンの分析には、図４に示したような一方向から測定するシステムに比べて、より特殊化したソフトウエアが必要とされる。しかしながらこの様なソフトウエアは、当業界においては周知となっている。この別のシステムは、いくつかの干渉縞を“継ぎ合わせる”様な連続的な表面測定をする必要をなくすものである。本発明は、また、上記試験物体の３６０°形状を発生させるため、四方から、サンプルであるエンジンブレードを観測して互いに継ぎ合わせるようにして混合することを可能としている。この様にして、０．３milの精度が達成されている。上記タービンブレードの全表面をマッピングする本発明のシステムの能力は、上記物体の同一のポイントを二つあるいはそれ以上の視野に入れることで、繰り返し測定を行うことができることを可能としている。本システムの能力を示す実施例を図１１に示す。物体の互いに重なり合う部分を持った４つの画像を、まず上記カメラと干渉計の前でタービンブレードを回転させて記録する。ブレードの特定の高さに対応する各データセットから、それらの断面を切り出す。この各形状は、ソフトウエア的に重ね合わされて断面プロット１４０が形成される。上記ブレードの翼前縁での屈曲した曲面の連続測定を行うために、上記した重なりあった領域を生じさせるような人為的な調節は行ってはいない。上記形状を互いに“継ぎ合わせる” ために使用するソフトウエアは、上記重なり合った像における２点のおよその軸と、傾きとを必要とするだけである。個々の形状における剛体部分のタームについては、その後に上記重なり合った領域でのｒｍｓ分散を最小化させることによって調節する。図１１における重なり合った像についての上記ｒｍｓ分散（再現性は未確認はしていない）は、50m-inである。上記ジェットエンジンタービンブレードの、その断面における最大キャンバと最大厚とを、マイクロメータで測定したものと、本システムで得られたものとを比較した。図１１での上記重なり合った領域の上記エッジにおける再現性不良は、斜めから見た角度における上記フリンジ中心出しソフトウエアによって生じた誤差に起因している。この様な影響はは、この位相測定干渉法を使用することによって排除することができる。また、上記形状の末端の異常なデータを無視してもよい。この様な影響がより確実に発生しないようにすることで、エッジ効果を生じている様な断面データであっても、連続的に全体の物理的寸法及び高周波数の形状といった双方が精度良く測定された断面形状得ることができる。本発明は、好適な実施例をもって説明を行ってきたが、当業者によれば、種々の変更、削除、付加を本発明の趣旨及び範囲内で行うことができることは明らかである。

Claims

【特許請求の範囲】１．物体の表面形状を測定するための方法において、該方法は、参照空間周波数において、低強度の領域が周期的に繰り返された断面強度を有する光ビームを、前記物体表面に照射するステップと、物体の空間周波数に対応した低強度領域を有している前記物体表面から反射される像を受け取るステップと、反射された前記物体像に等価なディジタル信号を発生させるステップと、前記反射された物体像のディジタル画像信号と、参照空間周波数を有する低強度の周期的に離間した領域を有するパターンの参照信号とを混合して、混合画像信号を発生させるステップと、前記混合画像信号からビート周波数のうちの低強度領域を有する強度パターンに対応する信号を抽出するステップと、前記ビート周波数パターンに対応した出力信号を発生させるステップと、を有する物体の表面形状測定方法。２．前記物体を照射するステップは、さらに２つのコヒーレントビームを干渉させるステップを有し、周期的に繰り返す前記低強度領域の被写界深度が無限とされていることを特徴とする請求項１に記載の方法。３．前記物体照射ステップは、さらに、前記物体表面を照射するビームを拡大するステップを有していることを特徴とする請求項１に記載の方法。４．前記物体照射ステップは、さらに、前記物体表面を照射するビームを平行にするステップを有していることを特徴とする請求項１に記載の方法。５．前記混合した画像信号をフィルタして、キャリア周波数に対応する信号を除去するステップを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。６．前記出力信号から、前記物体の表面形状信号の計算を行わせるステップを有していることを特徴とする請求項１に記載の方法。７．複数の混合信号を発生させるステップを有し、かつ、前記混合画像信号セットは、それぞれ前記光線に対して前記物体が異なる位置の画像信号を有していることを特徴とする請求項１に記載の方法。８．前記混合画像信号セットを継ぎ合わせて、前記物体の重ね合わされた画像に対応する単一の混合画像信号を発生させることを特徴とする請求項７に記載の方法。９．前記物体の全外表面の画像を、単一の画像信号セットとして与えるような画像ビームを発生させることを特徴とする請求項１に記載の方法。１０．前記参照空間周波数と物体空間周波数とは、前記ビート周波数よりも高く、かつ、前記フィルタステップは、さらに、非線形モルフォロジカル伸長フィルタを使用して前記混合信号をフィルタするステップと、前記フィルタ信号をスムージングさせるステップとを有していることを特徴とする請求項５に記載の方法。１１．前記出力信号のフリンジ中心出しステップを有し、この強度中心は、それぞれの暗部フリンジと明部フリンジとに沿って計算されて、前記物体の３次元画像に対応する信号を発生させるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の方法。１２．画素列を有する連続したモアレ干渉縞信号セットであって、各干渉縞信号セットは、前記干渉ビームとの間で所定の光路長差を有している干渉縞セットを発生させるステップと、前記干渉縞信号セットの位相差信号セットを画素毎に計算させるステップと、画素毎の位相信号セットから、相対位相変化による前記物体の相対高度変化を示した信号セットの計算を行うステップとを有していることを特徴とする請求項１に記載の方法。１３．前記位相差は、 N個の干渉縞を発生させるステップと、下記式（上式中、φは、位相角であり、 Nは、干渉縞の数であり、 nは、任意に選択した画素であり、 Iは、画素nの強度である。）を使用して、位相を計算させるステップとを有していることを特徴とする請求項１２に記載の方法。１４．前記フィルタステップは、しきい値に対して前記画像信号をそれぞれ比較するステップと、この比較により前記しきい値を超えた信号でフリンジに対応した信号を発生するステップとを有することを特徴とする請求項５に記載の方法。１５．前記フィルタステップは、前記信号セット中の前記混合信号を、ヒストグラムイコライゼーションするステップを有していることを特徴とする請求項５に記載の方法。１６．前記フリンジ中心出しステップは、さらに、前記明部フリンジと暗部フリンジとの間の領域で信号値を線形的に補間するステップを有することを特徴とする請求項に記載の方法。１７．物体の表面形状を測定するためのシステムにおいて、該システムは、参照空間周波数において、低強度の領域が周期的に繰り返された断面の強度を有する光ビームを、前記物体表面に照射する手段と、物体の空間周波数に対応した低強度領域を有している前記物体表面から反射される像を受け取る手段と、反射された前記物体像に等価なディジタル信号を発生させる手段と、前記反射された物体像のディジタル画像信号と参照空間周波数を有する低強度の周期的に離間した領域を有したパターンの参照信号とを混合して、混合画像信号を発生させる手段と、前記混合画像信号からビート周波数のうちの低強度領域を有する強度パターンに対応する信号を抽出する手段と、前記ビート周波数パターンに対応した出力信号とを発生させる手段とを有する物体の表面形状測定システム。１８．前記物体を照射する手段は、さらに２つのコヒーレントビームを干渉させる手段を有し、周期的に繰り返す前記低強度領域の被写界深度が無限とされていることを特徴とする請求項１７に記載の方法。１９．前記物体照射手段は、さらに、前記物体表面を照射するビームを拡大する手段を有していることを特徴とする請求項１７に記載の方法。２０．前記物体照射手段は、さらに、前記物体表面を照射するビームを平行にする手段を有していることを特徴とする請求項１７に記載の方法。２１．前記混合した画像信号ををフィルタして、キャリア周波数に対応する信号を除去する手段を有することを特徴とする請求項１７に記載の方法。２２．前記出力信号から、前記物体の表面形状信号の計算を行わせる手段とを有していることを特徴とする請求項１７に記載の方法。２３．複数の混合信号を発生させるステップを有し、かつ、前記混合画像信号セットは、それぞれ前記光線に対して前記物体がその異なる位置の画像信号を有していることを特徴とする請求項１７に記載の方法。２４．前記混合した画像信号の前記セットを継ぎ合わせて、前記物体の重ね合わされた画像に対応する単一の混合画像信号を発生させることを特徴とする請求項１７に記載の方法。２５．前記物体の全外表面の画像を、単一の画像信号セットとして与えるような画像ビームを発生させることを特徴とする請求項１７に記載の方法。２６．前記参照空間周波数と物体空間周波数とは、前記ビート周波数よりも高く、かつ、前記フィルタ手段は、さらに、非線形モルフォロジカル伸長フィルタを使用して前記混合信号をフィルタする手段と、前記フィルタ信号をスムージングさせる手段とを有していることを特徴とする請求項１７に記載の方法。２７．前記出力信号のフリンジ中心出し手段を有し、この強度中心は、それぞれの暗部フリンジと明部フリンジとに沿って計算されて、前記物体の３次元画像に対応する信号を発生させるようになっていることを特徴とする請求項１７に記載の方法。２８．画素列を有する連続したモアレ干渉縞信号セットであって、各干渉縞信号セットは、前記干渉ビームとの間で所定の光路長差を有している干渉縞セットを発生させる手段と、前記干渉縞信号セットの画素位相差信号セットを画素毎に計算させる手段と、画素毎の位相信号セットから、前記相対位相変化による前記物体の相対高度変化を示した信号セットの計算を行う手段とを有していることを特徴とする請求項１８に記載の方法。２９．前記位相差は、 N個の干渉縞を発生させる手段と、下記式（上式中、φは、位相角であり、 Nは、干渉縞の数であり、 nは、任意に選択した画素であり、 Iは、画素nの強度である。）を使用して位相を計算させる手段とを有していることを特徴とする請求項２８に記載の方法。３０．前記フィルタ手段は、しきい値に対して前記画像信号をそれぞれ比較する手段と、この比較により前記しきい値を超えた信号でフリンジに対応した信号を発生させる手段とを有することを特徴とする請求項２１に記載の方法。３１．前記フィルタ手段は、前記信号セット中の前記混合された信号を、ヒストグラムイコライゼーションする手段を有していることを特徴とする請求項２１に記載の方法。３２．前記フリンジ中心出し手段は、さらに、前記明部フリンジと暗部フリンジとの間の領域で信号値を線形的に補間する手段を有することを特徴とする請求項２７に記載の方法。