知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
▶ ディーダブリュー・フリッツ・オートメーション・インコーポレイテッドの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-02-09
(45)【発行日】2024-02-20
(54)【発明の名称】非接触光学測定装置および交換可能光プローブ
(51)【国際特許分類】
G01B 11/24 20060101AFI20240213BHJP
【ＦＩ】
G01B11/24 A
【請求項の数】
17
(21)【出願番号】P 2022517508
(86)(22)【出願日】2020-09-18
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-11-24
(86)【国際出願番号】 US2020051475
(87)【国際公開番号】W WO2021055736
(87)【国際公開日】2021-03-25
【審査請求日】2022-05-10
(31)【優先権主張番号】62/902,311
(32)【優先日】2019-09-18
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】520284388
【氏名又は名称】ディーダブリュー・フリッツ・オートメーション・インコーポレイテッド
【住所又は居所原語表記】９６００ ＳＷ Ｂｏｅｃｋｍａｎ Ｒｏａｄ，Ｗｉｌｓｏｎｖｉｌｌｅ ＯＲ ９７０７０ Ｕ．Ｓ．Ａ
(74)【代理人】
【識別番号】100147485
【弁理士】
【氏名又は名称】杉村 憲司
(74)【代理人】
【識別番号】230118913
【弁護士】
【氏名又は名称】杉村 光嗣
(74)【代理人】
【識別番号】100147692
【弁理士】
【氏名又は名称】下地 健一
(72)【発明者】
【氏名】ショーン エイ ボーリング
(72)【発明者】
【氏名】バスカー ラマクリシュナン
(72)【発明者】
【氏名】デレク グラハム アキ
(72)【発明者】
【氏名】クリス バーンズ
【審査官】飯村 悠斗
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１３－２４６１７３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１９－５２２２１３（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１８／００１７４９９（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０２０－０８５７１７（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｂ １１／００－１１／３０
２１／００－２１／３２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
光源から放射され、ワークピース表面により反射されて分光センサ上に入射する光の構成可能な光伝搬経路に基づいて、異なる幾何学的ワークピースの特徴を検出または測定する非接触光学測定装置であって、光軸に沿って向けられたコリメートされた光を確立するために、前記光源から放射された前記光をコリメートするように構成されたコリメータと、
前記光軸の周りにバランスのとれた回転力を与える対称的な直接駆動機構を使用して、前記光軸の周りに回転運動を生じさせるように構成された回転運動ステージと、
前記回転運動ステージにより与えられた制御可能な回転量を追跡するように構成された回転運動センサと、
交換可能光プローブのセットの任意の選択された部材を前記回転運動ステージに着脱自在に取り付けるための共通インターフェイスとして機能する取り付け装置であって、それにより前記制御可能な回転量が前記選択された部材のプローブ光学構成に与えられるときに、前記コリメートされた光の反射部分が前記分光センサに対して向けられるように、対応する伝搬経路に沿って前記コリメートされた光を構成可能に方向付ける取り付け装置と、を備える、非接触光学測定装置。
【請求項2】
請求項１に記載の非接触光学測定装置であって、交換可能光プローブの前記セットを更に備え、前記セットの各部材は、前記セットの他の部材のものとは異なる対応するプローブ光学構成を含む、非接触光学測定装置。
【請求項3】
請求項１に記載の非接触光学測定装置であって、前記分光センサは、前記回転運動ステージにより与えられた前記制御可能な回転量に反応して回転不能である、非接触光学測定装置。
【請求項4】
請求項１に記載の非接触光学測定装置であって、前記制御可能な回転量は、３６０°以上の自由回転を含む、非接触光学測定装置。
【請求項5】
請求項１に記載の非接触光学測定装置であって、処理装置を更に含み、前記処理装置は、前記回転運動センサからの位置情報および前記分光センサからの分光情報に基づいて、幾何学的表面の画像または点群を生成する、非接触光学測定装置。
【請求項6】
請求項５に記載の非接触光学測定装置であって、回転および分光情報は、交換可能光プローブの前記セットの異なる部材を使用して、連続して取得される、非接触光学測定装置。
【請求項7】
請求項１に記載の非接触光学測定装置であって、前記取り付け装置はキネマティックマウントを備える、非接触光学測定装置。
【請求項8】
請求項１に記載の非接触光学測定装置であって、前記取り付け装置は、磁気、機械的、または真空カップリングを備える、非接触光学測定装置。
【請求項9】
請求項１に記載の非接触光学測定装置であって、交換可能光プローブの前記セットの部材を更に備え、前記部材は、前記コリメートされた光と前記反射部分とが前記光軸に沿って整列された伝搬経路を共有する軸方向に整列されたプローブ光学構成を有する、非接触光学測定装置。
【請求項10】
請求項１に記載の非接触光学測定装置であって、交換可能光プローブの前記セットの部材を更に備え、前記部材は、前記コリメートされた光を前記光軸に対してある角度で向けるミラーを有する、非接触光学測定装置。
【請求項11】
請求項１０に記載の非接触光学測定装置であって、プローブ測定スポットの線形走査と、測定される前記ワークピース表面の線形運動とに反応して、平面形状を測定するように構成されたｆシータレンズを更に備える、非接触光学測定装置。
【請求項12】
請求項１に記載の非接触光学測定装置であって、交換可能光プローブの前記セットの部材を更に備え、前記部材は、前記コリメートされた光の伝搬経路および前記反射部分の伝搬経路が互いに横方向にオフセットされるように、横方向にオフセットされたプローブ光学構成を有する、非接触光学測定装置。
【請求項13】
請求項１２に記載の非接触光学測定装置であって、前記横方向にオフセットされたプローブ光学構成は、プローブ測定スポットの調整された円形走査と、測定される前記ワークピース表面の線形運動と、に反応して、平面形状を測定するように構成された２つの連続する９０°の反射を含む、非接触光学測定装置。
【請求項14】
請求項１２に記載の非接触光学測定装置であって、前記コリメートされた光を前記光軸に対してある角度で向けるミラーを更に備え、交換可能光プローブの前記セットの前記部材は、プローブ測定スポットの調整された円形走査と、測定される前記ワークピース表面の線形運動と、に反応して、円筒面形状を測定するように構成された、非接触光学測定装置。
【請求項15】
請求項１０または１４に記載の非接触光学測定装置であって、前記角度は９０°である、非接触光学測定装置。
【請求項16】
請求項１に記載の非接触光学測定装置であって、前記回転運動ステージはエアベアリングを含む、非接触光学測定装置。
【請求項17】
請求項１に記載の非接触光学測定装置であって、前記回転運動センサは光学エンコーダを含む、非接触光学測定装置。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の参照】
【0001】
本出願は、２０１９年９月１８日に出願された米国仮特許出願第６２／９０２，３１１号の優先的利益を主張するものである。米国仮特許出願第６２／９０２，３１１号は、その全体が参照により本明細書に組み込まれている。
【技術分野】
【0002】
本開示は、一般に、メトロロジ装置に関し、より詳細には、寸法測定、表面粗さ測定、および幾何学的特徴の走査を含む多様な検査タスクのための非接触光学測定装置に関する。
【背景技術】
【0003】
Castoreの米国特許第５，７８１，２９７号は、距離測定用の混合型周波数振幅変調光ファイバヘテロダイン干渉計を記載する。周波数変調されたレーザダイオードからのビームは、基準ビームと目標ビームとに分割される。閉ループ制御システムは、基準ビームの振幅を変調し、目標リターンビームと基準ビームとにおけるパワーの間のバランスを維持する。これにより、センサは、反射率が大きく変化するターゲットで、目標ビームのターゲットへの入射角の広い範囲にわたって動作することができる。基準ビームおよび目標リターンビームは、ビート波を生成する検出器で干渉する。ビート周波数は、センサからターゲットへの距離に線的に相関する。ビート波の周波数は高精度に決定される。そのため、位置が高精度で与えられる。
【0004】
Deichmannらの米国特許第７，６２５，３３５号は、寸法が限られる、またはアクセスに制限のある内面または空洞の三次元走査のためのスキャナを記載する。このスキャナは、軸を有するプローブと、少なくとも１つの光源と、プローブの軸の周りに３６０°の走査を実行するように適合された少なくとも１つのカメラと、を含む。スキャナで取得可能な３Ｄスキャンデータを使用して、実際の物体の三次元のレプリカを作成することができる。
【0005】
Bondurantらの米国特許第１０，０３６，６２９号は、光学的なネジのプロファイラを記載する。この光学的なネジのプロファイラは、ＣＣＤイメージャと光学的三角測量とを含み、ネジ山表面の非接触特性評価を実行する。
【0006】
非接触光学測定装置の他の試みには、ケベック州Pointe ClaireのNovacam Technologies Inc.およびドイツ、アーヘンのFionec GmbHなどの試みが含まれる。
【発明の概要】
【0007】
非接触光学測定装置は、光源から放射され、ワークピース表面により反射されて分光センサ上に入射する光の構成可能な光伝搬経路に基づいて、異なる幾何学的ワークピースの特徴を検出または測定する。非接触光学測定装置は、光軸に沿って向けられたコリメートされた光を確立するために、光源から放射された光をコリメートするように構成されたコリメータと、光軸の周りに回転運動を生じさせるように構成された回転運動ステージと、回転運動ステージにより与えられた制御可能な回転量を追跡するように構成された回転運動センサと、交換可能光プローブのセットと、を備える。セットの各部材は、セットの他の部材のものとは異なるプローブ光学構成を含む。制御可能な回転量がプローブ光学構成に与えられるときに、コリメートされた光の反射部分が分光センサに対して向けられるように、対応する伝搬経路に沿ってコリメートされた光を方向付けるように、各部材を回転運動ステージに着脱自在に取り付け可能である。
【0008】
また、小径ボアを含む多様な特徴を検出または測定する光プローブを小型化するための、光ファイバボア検査ツールおよび自由空間光学測定装置も開示される。いくつかの実施形態において、光ファイバボア検査ツールは、カニューレ内部にライトパイプとも称される光ファイバを収容する回転可能な小径カニューレ（すなわち、長い針）を含む。カニューレの遠位端に配置されたミラーは、光がボア表面上に入射するように、カニューレから放射された光を向ける。反射光は、ライトパイプを通って、ライトパイプと光学的に関連付けられたライトフィールドカメラに戻される（例えば、ボアスコープに類似する）。カメラは、受光して、二次元と三次元との両方の情報をキャプチャすることができる。
【0009】
開示されるボア測定方法は、穴の内径（ＩＤ：inside diameter）、表面全体のプロファイルのメトロロジ測定、および表面粗さと仕上げの評価に適している。さらに、いくつかの実施形態において、干渉法を使用して、内面の表面粗さまたは仕上げの品質を取得することもできる。
【0010】
開示される技術は、小さな穴の内部特徴をキャプチャするという利点を提供するものであり、内径ネジを有するものも含めて、６ｍｍより小さい穴およびボアを検査する能力を備える。開示される技術革新が適用可能な、多くの検査用途がある。例えば以下のようなものである。航空宇宙エンジンブレードの冷却穴、医療用ネイルプレート、骨ネジおよび歯科インプラントヘッド上のヘッド駆動プロファイル、燃料インジェクタホールおよび排気マニホールドボア、ステントの内径検査、ガスボックスならびに油およびガス用流体供給システムにおいて使用されたバルブ、ボイラ、半導体機器などである。前述の各用途では、穴の直径が６ｍｍ未満の場合がある。特に、航空宇宙分野および医療分野は、小さな穴が存在するマーケットである。これらの分野において、開示される技術で検査が容易となる。
【0011】
追加の態様および利点は、以下の実施形態の詳細な説明から明らかになる。実施形態の詳細な説明は、添付の図面を参照して進める。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】複合角度の複数の小さなネジ穴を含む骨プレートの斜視図のセットである。
【図2】断面形状、角度、深さ、およびサイズが異なる複数の穴が三次元ボリュームにある航空機エンジンブレードの斜視図である。
【図3】一実施形態による、円筒形の側壁を測定するための４５°ミラーチップを含む光ファイバボア検査ツールのハイブリッドブロック図および側面図である。
【図4】一実施形態による、交換可能光プローブのセットで構成可能な非接触光学測定装置のブロック図である。
【図5】一実施形態による、プローブチップ内の光学アセンブリの注釈付き側面図である。
【図6】一実施形態による、注釈付きのシステムブロック図である。
【図7】一実施形態による、第１交換可能光プローブで構成された非接触光学測定装置の等角図である。
【図14】リングギアの検査を行う第３交換可能光プローブの上面図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
【0014】
図３は、検査中のボア７６または他の開口を画定する円筒形の側壁６６の内面６４に対してレーザビーム６２を印加するように構成された光ファイバボア検査ツール６０を示す。例えば、いくつかの実施形態によれば、内面６４は、ステントにより画定された管の一部とすることができる。
【0015】
光ファイバボア検査ツール６０は、回転可能で、拡張可能で、交換可能である光プローブアセンブリ８０を含む。いくつかの実施形態において、光プローブアセンブリ８０は、内部９０を有するカニューレ８８を含む。内部９０を通って、レーザビーム６２が、カニューレ８８の近位端９２および遠位端９４から伝えられる。カニューレ８８は、任意選択で光ファイバ（図示せず）を収容する。光ファイバは、レーザビーム６２をガイドし、側壁６６の内面６４から反射された光を受光する。
【0016】
図３に示す例では、ミラー１１０などの光学系は、レーザ源およびコリメーションモジュール（例えば、図６参照）により軸方向に放射された光を内面６４に向けて横方向に方向を変えるように、遠位端９４に取り付けられている。内面６４により反射された光は、次いで、ミラー１１０により軸方向に沿って方向を変えて戻される。
【0017】
受光され、方向を変えられた光は、光ファイバを通ってカニューレ８８の近位端９２に向かって伝搬する。その時点で、光は光センサ１２０でキャプチャされる。他の実施形態において、光ファイバは、自由空間、自由空間光学系、複数の光ファイバ、またはこれら３つの組み合わせにより置換される。
【0018】
センサ１２０に適するセンサに関して、いくつかの実施形態は、干渉計センサを含むことができる。したがって、レーザビーム６２における位相変化を使用して、ミラー１１０の位置から内面６４まで測定するような、幅距離測定値（すなわち、内径（ＩＤ）測定値）を取得する。他の実施形態において、図５および図６を参照して後に説明するように、多様な技術（例えば、コノスコピックホログラフィー、低コヒーレンス干渉計（ＬＣＩ：low coherence interferometer）、クロマチック共焦点など）を使用して、穴および他の幾何学的特徴を測定することができる。
【0019】
別の実施形態によれば、光スイッチが装備される。光スイッチの入力側に結合された光ファイバにより、２つ以上のセンサを順次切り替え可能とし、２つ以上の測定技術（例えば、ＬＣＩ、クロマチック共焦点、または他のタイプ）を配置することができる。これにより、スイッチの出力側の共通の光コリメーションモジュールに適切な技術を選択できる。
【0020】
内面６４の（いくつかの実施形態では、任意の糸を含む）のプロファイルの寸法を測定するために、カニューレ８８は回転可能であり、拡張可能である。当業者は、アセンブリ８０と内面６４との間の相対運動を達成するための様々な技術があることを理解する。例えば、回転は、回転アクチュエータシステム１３０で達成される。一実施形態において、モータ１３２は、第１歯車１３６を回転させる。第１歯車１３６は、第２歯車１４０と噛み合い、回転運動を第２歯車１４０に伝達する。第２歯車１４０は、カニューレ８８に結合されて回転を与える。回転量は、回転または弧状距離のいずれかに関して符号化される。そのため、情報を、内面６４上の特徴の方位角位置に対して正確にマッピングすることができる。同様に、リニアステージ１５０により、カニューレ８８が伸長および収縮する。線形運動の量はまた、内面６４から検出または測定された特徴の縦方向の位置をマッピングするために符号化される。回転運動および線形運動が同時に適用される場合（例えば、光プローブアセンブリ８０の挿入中または抽出中）、螺旋検査が実行される。
【0021】
光プローブアセンブリ８０は、内面６４を検査するためのミラー１１０を含む。しかしながら、別のアセンブリにはそのようなミラーがない。したがって、ボアの底壁面を検査するために、光が、軸方向に放射され、反射される。追加のアセンブリを、アンダーカットの検査など、さらに他の特殊な検査タスクのために使用することができる。
【0022】
いくつかの実施形態において、光プローブアセンブリ８０は、交換可能プローブアセンブリのセットの部材である。例えば、図４は、交換可能光プローブ１６２のセットで構成可能な非接触光学測定装置１６０を示す。交換可能光プローブ１６２は各々が、その機能に特化したマイクロ光学系を有し、光学測定パラメータの構成と、測定部位への異なる物理的なビーム送達伝搬経路と、の両方を可能にする。したがって、光プローブ１６２の異なるものが交換されると、装置１６０は、光源１７０から放射され、ワークピース表面によって反射されて分光センサ１７４（例えば、クロマチック共焦点、ＬＣＩ、および他のタイプのスペクトルセンサ）上に入射する光の構成可能な光伝搬経路１６６に基づいて、異なる幾何学的ワークピースの特徴を検出または測定するように構成されている。
【0023】
いくつかの実施形態において、光源１７０および分光センサ１７４は、集合的にセンサと称される単一のモジュールである。他の実施形態においては、光源１７０および分光センサ１７４は、別個のモジュールである。光源１７０および分光センサ１７４の例は、ドイツ、GaggenauのPrecitec GmbH & Co.KGから入手可能なＣＨＲ ２ ＩＴ ＤＷである。追加の例を図６に示す。他の実施形態においては、レーザ光を使用することができる。
【0024】
光源１７０および分光センサ１７４は、コリメータ１７８から離れて配置され、光ファイバ結合１７６されて、コリメータ１７８と光源１７０および分光センサ１７４との間に比較的狭い赤外線帯域（１．０７ミクロン波長）の光１８０を提供することができる。いくつかの実施形態において、光源１７０および分光センサ１７４は、離れて配置されておらず、コリメータ１７８および図４に示される他の構成要素を備えた共通のハウジング内に存在する。更に他の実施形態では、光ファイバ１７６の代替として、自由空間光学系を使用することができる。光ファイバ１７６の例は、Precitec GmbH & Co.KGから入手可能なシングルモードファイバである。
【0025】
コリメータ１７８は、光源１７０から放射された光１８０を受光し、光軸１９０に沿って向けられたコリメートされた光１８６を形成する。当業者は、コリメートされた光１８６が、例えば、回折に起因してある程度の発散を含み、許容できる発散の量は、所望の用途に応じることを理解する。コリメータ１７８の例は、ニュージャージー州、NewtonのThorlabs, Inc.から入手可能なＦ２６０ ＡＰＣ‐１０６４である。
【0026】
回転運動ステージ１９６は、光軸１９０の周りに回転運動を生じさせるように構成される。換言すると、回転運動はコリメーション空間において与えられ、その後、光１８０はコリメータ１７８によりせん断される。したがって、せん断により、コリメーション空間での完全な３６０°の（またはそれを超える）自由回転が可能である。さらに、回転運動ステージ１９６に固定または取り付け可能な自由空間光学系の観点からは、回転運動センサ２０８（例えば、エンコーダ）が、回転運動ステージ１９６により与えられた制御可能な回転量を（直接的または間接的に）追跡すべく構成されるように、コリメートされたビーム２００が回転する。例えば、追跡は、回転、方位角、またはスペクトルデータが取得された空間位置を導出するために使用可能な、任意の他の形態の位置情報を決定することを含むことができる。
【0027】
交換可能光プローブ１６２のセットの中で、各部材は、コリメートされたビーム２００を、光軸１９０に対してある角度で向け、光軸１９０から横方向にオフセットさせることができるように、または横方向のオフセットと角度を付けることの両方の組み合わせができるように、セットの他の部材のものとは異なるプローブ光学構成２１２を含む。したがって、コリメートされた光の反射部分が分光センサ１７４に向けられるよう、制御可能な回転量がプローブの光学構成に与えられるときに、各プローブ１６２は、コリメートされた光２００を対応する伝搬経路に沿うように方向付ける。したがって、特定の幾何学的特徴の測定は、光軸１９０に対する交換可能光プローブ１６２の精密な動きにより可能になる。
【0028】
図４に示す例において、第１ビーム２１４は、（例えば、ボアの深さの測定のために）光軸１９０と同軸である。第２ビーム２１８は、プローブの遠位端に配置された４５°のミラー先端により、９０°で向けられる（例えば、図５、図７、および図８を参照）。第３ビーム２２８は、（例えば、アンダーカットの測定のために）遠位端から上向きの中間角度で向けられる。第４ビーム２３０は、近位端から下向きの中間角度で向けられる。第５ビーム２３６は、近位端から直角で放射される。第６ビーム２４０は、光軸１９０から横方向にオフセットされ、下向きに（または別の角度で）向けられる。回転軸および光軸からの横方向のオフセットは、径方向のオフセットとも称される。
【0029】
いくつかの実施形態において、各タイプのビーム伝搬経路は、異なるプローブにより確立される。別の実施形態において、２つ以上のビームを、その光学系を再構成した後、共通のプローブにより提供することができる。例えば、ミラーを挿入して、ビーム２１４からビーム２１８に変更することができる。さらに、当業者は、ビームという用語が、表面をサンプリングする間に生成される一連のパルスを除外する必要がないことを理解する。
【0030】
取り付け装置２４６は、交換可能光プローブ１６２の任意の選択された部材セットを回転運動ステージ１９６に着脱自在に取り付けるための、共通インターフェイスとして機能する。それにより、個々のプローブチップを、共通の精密なインターフェイスで、（光軸１９０と同軸の）共通の回転運動軸に、磁気または真空カップリングなどの物理的な保持技術を使用して、繰り返し取り付け可能である。共通のインターフェイスにより、多様なプローブチップの自動交換も可能である。
【0031】
いくつかの実施形態において、回転運動ステージ１９６の回転面上の高精度のキネマティックマウントにより、コリメータ１７８に対する光プローブ１６２の回転と、プローブ１６２の自動交換と、の両方が可能である。したがって、交換可能光プローブ１６２のセットの各部材を、回転運動ステージ１９６に、脱着自在に容易に取り付け可能である。正確な取り付けにより、コリメーション空間における回転に加えて、センサ１７４の光軸１９０および回転運動軸に対するプローブの光軸の不整合の悪影響が最小限に抑えられる。
【0032】
図５は、コリメーションモジュールの下流で、所望の測定仕様にしたがってプローブチップ２４２を光学的に構成できる例を示す。例えば、ＬＣＩの場合、これには、プローブチップ内に干渉計の基準脚を形成するためのビームスプリッタとミラー、およびコリメートされたビームを取得してスポットに対して集束させるための球面または非球面集束レンズが含まれよう。クロマチック共焦点には、分散を作り出すために追加の光学系が含まれる場合がある。クロマチック共焦点の場合、プローブチップは、クロマチックレンズと反射素子とを含むことができる。レンズを測定部位の近くのプローブチップに配置することにより、大きな開口数を実現することができる。これにより、スポットサイズをより小さくして分解能を向上させることができる。
【0033】
図６は、非接触光学測定装置１６０をブロック図の形式で示す。簡潔にするために、前述の構成要素の詳細は繰り返されない。プローブ１６２の追加の詳細は、図７～図１５に示される実施形態に関連して注釈が付けられ、説明される。例えば、図７～図１０は、同軸のプローブ軸および方向転換ミラープローブチップを使用して円筒形状を測定するためのプローブ２５０の例を示す。図１１～図１３は、円形走査、および下向きで径方向にオフセットされたプローブ軸を使用して平面形状を測定するためのプローブ２５４の例を示す。図１４は、横方向に向けられて（または角度を付けられて）径方向にオフセットされたプローブ軸を使用して多面的形状を測定するためのプローブ２６０の例を示す。図１５は、線形走査およびガルボ調整可能なプローブチップミラー（例えば、プローブ２５４の変形版）を使用して平面形状を測定するためのプローブ２６８およびｆシータレンズ２７０を含むシステム２６６の例を示す。回転および分光情報が交換可能光プローブ１６２のセットの異なる部材を使用して、連続して取得されるときに、複雑な形状を測定可能である。
【0034】
図６はまた、回転運動センサ２０８（図５）からの位置情報２７４および分光センサ１７４からの分光情報２７６に基づいて、幾何学的表面の画像または点群（例えば、図９および図１０を参照）を生成するための処理装置２７２を示す。処理装置２７２は、以下のようなものとして具現化することができる。すなわち、離れて配置された汎用コンピュータ、ワークステーション、リアルタイムオペレーティングシステムを実行する組み込み型処理コンピュータ、カスタムＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、ＧＰＵ、または機械可読もしくはコンピュータ可読媒体（例えば、非一時的な機械可読記憶媒体）から命令を読みとり、本明細書に記載の方法のいずれか１つまたは複数を実行するように構成された他の装置である。いくつかの実施形態において、処理装置２７２は、１つまたは複数のプロセッサ（またはプロセッサコア）、１つまたは複数のメモリ／ストレージデバイス、および１つまたは複数の通信リソースを含む。これらの各々は、ネットワークまたはバスを介して通信可能に結合することができる。
【0035】
図７および図８は、プローブ２５０を備えた非接触光学測定装置２８０を示す。図８は、ミラウ（Mirau）基準面２９２を有する集束レンズ２９０と、プローブチップ３１０内の基準ビーム（図示せず）および測定ビーム２１８を形成するためのビームスプリッタ３００と、９０°方向転換ミラー３１４と、を含むプローブ光学構成２８４を示す。９０°方向転換ミラー３１４は、コリメートされた光２００の反射部分３３０（図７）が、離れて配置された分光センサ（図示せず）に向けられるように、ビーム２１８をボア３２６（図９および図１０）の内壁３２０（図７、図９および図１０）に向ける。いくつかの実施形態において、プローブ２５０は、１から３ｍｍのバウンスミラーオプションおよび他の角度をサポートする。ミラー３１４は取り外し可能である。またはミラー３１４の位置は、チップ３１０に沿って、またはチップ３１０と共に調整可能である。したがって、以下の光学パラメータを制御することができる。すなわち、測定範囲、作動距離、およびスポットサイズである。
【0036】
図８はまた、回転運動ステージ１９６が、制御回路（例えば、処理装置２７２、図６）からの信号線３３８により運ばれる制御信号に反応して、エアベアリング３３６（エアスピンドルとも称される）の回転を実行するサーボ回転モータ３３４を含むことを示す。制御信号はまた、モータ３３４の対向する側で相互に角度的に離間された一対の光学エンコーダ３４０により、ステージ１９６から提供される。光学エンコーダ３４０は、GloucestershireのWotton‐under‐EdgeのRenishaw plcから入手可能な、Ａ４Ａ１Ｘ３０Ｄ１０Ｂである。モータ３３４の頂上のエンコーダディスク３４４は、モータ３３４により与えられた制御可能な回転量を追跡するための、検出可能な信号を生成する。エンコーダディスク３４４は、同様にRenishaw plcから入手可能なＡ‐９４０５‐４０５０である。
【0037】
磁気キネマティックマウント３６０は、エアスピンドル３３６上でプローブ１６２を交換するために含まれる。例えば、キネマティックマウント３６０は、３つのツーリングボール３６８を有するキネマティックベース３６４（図７）を含む。３つのツーリングボール３６８は、エアスピンドル３３６の底面３７０の周りに相互に角度的に離間する。キネマティックマウント３６０はまた、キネマティックキャップ３８０を含む。キネマティックキャップ３８０は、プローブ１６２の上面３８６（図８）の周りに同様に相互に角度的に離間する３対の偏心の取り付け合釘３８４を有する。当業者は、別の実施形態において、キネマティックベース３６４がプローブ１６２上に配置され、キネマティックキャップ３８０がエアスピンドル３３６の底面３７０上に配置されてもよいことを理解する。
【0038】
偏心の取り付け合釘３８４の各々は、その長手方向軸を中心に回転可能であり、その偏心を利用して、手動による構成ステップの間に、光学軸および回転軸を位置合わせする。例えば、合釘３８４は、遠位端上のスパナを使用して、それを＋／－１８０°回転させることにより、ツーリングボール３６８上の接触点を上下に０．２ｍｍ調整して、キネマティックベース３６４の頂上のキネマティックキャップ３８０の着座を、改善または調整することができる。
【0039】
オレゴン州、WilsonvilleのDWFritz Automation, Inc.から入手可能な５軸ZeroTouchモーションおよびメトロロジプラットフォームにインストールされると、非接触光学測定装置２８０により、測定ボリューム内部の任意のポイントおよび配向で、６自由度の運動および測定が可能である。測定ボリュームおよび５軸モーションプラットフォームは、本出願人であるDWFritz Automationに譲渡された、Aquiらの米国特許第１０，５９８，５２１号の主題である。したがって、一実施形態によれば、回転運動ステージ１９６のいわゆるガンマ回転軸に結合された直角プローブ２５０は、既存のメトロロジシステムを向上させることができる。
【0040】
図９および図１０は、処理装置２７２（図６）により生成された画像の形態で点群を生成する例を示す。プローブ２５０がボア３２６内部で回転すると、反射光情報２７６（図６）の強度がセンサ１７４によりサンプリングされる。位置情報２７４は、サンプリングされた強度が取得された空間位置を決定するために使用される。当業者は、多様な他の走査または画像キャプチャ技術を使用できることを理解する。ボアおよび他のネジ穴などの、多様な他のタイプの円筒形状を、このような技術を使用して画像化することができる。さらに、プローブに与えられた制御可能な回転量は、いくつかの実施形態において、何らかの検出および測定タスクのための回転を含まない場合があることが理解されよう。例えば、回転する必要のない静的プローブは、ビーム２１４（図４）でボアの深さをチェックするための単一の共焦点センサを含むことができる。
【0041】
図１１および図１２は、プローブ２５４を備えた非接触光学測定装置２８０を示す。プローブ２５４は、光学トレインのコリメートされた領域におけるミラー４０２による２つの連続する９０°反射によって、径方向にオフセットされた０°プローブチップ４００を含む。したがって、ステージ１９６の回転は、円形経路４０４（図１１）をトレースして、部品（例えば、フライカッタ）の動きと組み合わされたときに迅速な二次元走査を可能にする。これにより、測定範囲を通しての直線性を含む、シャドウイングがない、多層厚さの測定能力、スポットサイズがより小さい、およびプローブチップ４００に対するミラー４０２の配置により異なる距離で走査円直径を設定できるなど、二次元レーザ三角測量と比較していくつかの利点が提供される。例えば、多様なスライド可能ミラーおよびチップが想定される。
【0042】
図１３は、二次元走査４１６の例を表す。チップ４００は、その円形ビーム経路上の多様な位置に回転される。一方、表面４２０は、線形運動ステージ（図示せず）上で線形に移動される４２２。点群データの均一性は、プローブチップ４００の非線形角速度と、データ取得のための選択的なトリガと、により制御することができる。回転を介して選択的にトリガすることにより、冗長なデータも回避できる。例えば、円内の数字は、部品が上から下に走査され、プローブが回転するときに、走査された領域が奇数列と偶数列とに分割されたことを表す。選択的にトリガすることにより、上半円を回転しながら奇数列のデータ収集が可能になり、下半円を回転しながら偶数列のデータ収集が可能になる。部品が走査されると、これにより、一定のトリガレートよりも均一な点群密度が得られる。
【0043】
図１４は、プローブ２６０を使用してリングギア４４０を走査する例を示す。プローブ２６０は、プローブ２５４に類似しているが、径方向外向き４４８、内向き、または中間角度での、９０°（または他の角度の）プローブチップを含む。一般に、リングギアを走査する場合、プローブは、圧力角のあるピッチ円上にありプローブの回転軸に平行でない場合がある歯に対して、局所的に垂直に配置される。したがって、複雑な形状を測定するために、２つ以上のプローブチップを配置することができる。
【0044】
図１５は、ｆシータレンズ２７０、キューブビームスプリッタ４７０、基準ミラー４７２、およびプローブ２６８が装備された非接触光学測定装置２８０を含むシステム２６６を使用する、二次元線形走査の例を示す。プローブ２６８は、ｆシータレンズ２７０のバックフォーカスに位置するプローブチップ４７８に、９０°走査ミラー４７６を含む。レンズ２７０は、これにより、１軸ガルバノメータとして機能する。キューブビームスプリッタ４７０は、ビーム４８０を、ミラー４７２の表面から反射された基準脚４８２と、ワークピース表面（図示せず）から反射された測定脚４８６と、に分割する。測定脚４８６は、ワークピース表面の動きと組み合わされると、迅速な二次元走査を可能にする。
【0045】
当業者は、本発明の基礎となる原理から逸脱することなく、上述した実施形態の詳細に対して多くの変更を加えることができることを理解する。したがって、本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその同等物により決定されるべきである。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】