(57)【要約】【課題】従来技術の問題を解決する非接触、高速、高分解能、計測用のボア撮像システムを提供する。【解決手段】ボア撮像システムは、読み出し画素セットを有する光検出器と、ボア表面から光検出器に画像光を伝送するボア表面撮像機構と、を備えている。ボア表面撮像機構は、撮像領域から生じてレンズ機構を通過する光を受光するように第１の形状に配置された入力端と、画像光を読み出し画素セットに伝送するように第２の形状に配置された出力端とを有する複数の光ファイバを含む画像の幾何形状を変換するファイババンドルを備えている。出力端又は読み出し画素セットは、読み出し画素セットの少なくとも２５％が伝送された画像光を受光するように構成されている。これによって、特別な光検出器の構成を用いることなく、ボアスコープにおいて、高画像データレート及び良好な画像分解能を提供することができる。【選択図】図１
2020109408.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
読み出し画素セットを備える光検出器と、
ボア表面上の撮像領域から生じる画像光を前記光検出器に伝送するように構成されたボア表面撮像機構であって、前記撮像領域が、ボアの軸方向Ｚに沿った比較的小さい画像寸法と、前記ボアの前記軸方向を横断する方向に沿った比較的大きい画像寸法と、によって特徴付けられる形状を有する、ボア表面撮像機構と、
を備えるボア撮像システムにおいて、
前記ボア表面撮像機構が、
入力端及び出力端を有する複数の光ファイバを含む画像の幾何形状を変換するファイババンドルであって、前記入力端が、前記撮像領域の形状にほぼマッピングされる入力形状に構成され、前記軸方向にマッピングされる第１の方向に沿った比較的小さい入力寸法と、前記第１の方向を横断する第２の方向に沿った比較的大きい入力寸法と、を含む、ファイババンドルと、
前記入力端と前記ボア表面との間の光路に沿って位置付けされたレンズ機構と、
を備え、
前記入力端が、前記撮像領域から生じて前記レンズ機構を通過する前記画像光を受光するように配置され、
前記出力端が、前記画像光を出力光路に沿って前記読み出し画素セットに伝送するように配置され、（ａ）前記出力端又は（ｂ）前記読み出し画素セットの少なくとも一方が、前記読み出し画素セットの少なくとも２５％が前記伝送された画像光を受光するように構成されている、ボア撮像システム。
【請求項２】
前記読み出し画素セットの少なくとも５０％が前記伝送された画像光を受光する、請求項１に記載のボア撮像システム。
【請求項３】
前記読み出し画素セットの少なくとも７５％が前記伝送された画像光を受光する、請求項１に記載のボア撮像システム。
【請求項４】
前記出力光路が、前記出力端を前記読み出し画素セット上に結像させるリレーレンズ機構を備える、請求項１に記載のボア撮像システム。
【請求項５】
前記出力端が前記読み出し画素セットに近接して又は当接して位置付けられ、前記出力光路がレンズを備えていない、請求項１に記載のボア撮像システム。
【請求項６】
各出力端が、前記読み出し画素セットにおける画素の中心間距離の少なくとも２倍である最小寸法を有する、請求項５に記載のボア撮像システム。
【請求項７】
前記読み出し画素セットの画素を前記撮像領域の整然と配置された画像に寄与する各位置にマッピングする検出処理部を更に備える、請求項１に記載のボア撮像システム。
【請求項８】
前記読み出し画素セットが前記光検出器における全画素数のうちのサブセットである、請求項１に記載のボア撮像システム。
【請求項９】
前記読み出し画素セットが矩形の形状を有する、請求項１に記載のボア撮像システム。
【請求項１０】
前記出力端が密接に並べられた配置に構成されている、請求項１に記載のボア撮像システム。
【請求項１１】
前記入力端が、前記軸方向を横断する前記方向に沿って前記画像光を受光するように配置されている、請求項１に記載のボア撮像システム。
【請求項１２】
前記入力端が、前記ボア表面にほぼ垂直な方向に沿って前記画像光を受光するように配置されている、請求項１に記載のボア撮像システム。
【請求項１３】
前記複数の光ファイバの直径が４０μｍ未満である、請求項１に記載のボア撮像システム。
【請求項１４】
前記レンズ機構が、マイクロレンズアレイ、又は軸方向の面内に焦点を結ぶように構成された一定断面の環状レンズの一方を備える、請求項１に記載のボア撮像システム。
【請求項１５】
前記入力端が円形に配置されている、請求項１に記載のボア撮像システム。
【請求項１６】
前記レンズ機構がパノラマレンズを備える、請求項１に記載のボア撮像システム。
【請求項１７】
前記レンズ機構が、前記軸方向を横断する前記方向に沿って前記画像光を入力し、前記画像光を偏向させ、前記画像光をパノラマ出力方向に沿って出力する、請求項１６に記載のボア撮像システム。
【請求項１８】
前記入力端が前記パノラマ出力方向に沿って前記画像光を受光するように配置されている、請求項１６に記載のボア撮像システム。
【請求項１９】
前記パノラマ出力方向が前記軸方向とほぼ平行である、請求項１６に記載のボア撮像システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にボア検査システムに関し、より具体的にはボア撮像システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばエンジンのシリンダボア（ｃｙｌｉｎｄｅｒ  ｂｏｒｅ）のようなボアの内部を撮像するためのボア表面撮像機構を用いた様々なボア撮像システムが既知である。例示的なボア検査システムは、米国特許第４，８４９，６２６号（「６２６号特許」）、７，６３６，２０４号（「２０４号特許」）、８，３３４，９７１号（「９７１号特許」）、８，５７０，５０５号（「５０５号特許」）、及び米国特許出願第２０１３／０１１２８８１号に開示されている。このようなボア撮像システムは、形状の誤差又は表面の欠陥を検査するために、ボア内部の３６０度のビュー（パノラマビュー及び／又はパノラマ画像とも呼ばれる）を提供するように構成することができる。そのようなシステムの中には高分解能の光学部品を用いるものがある。いずれの場合であっても、そのようなシステムは、画素信号又は検出要素信号をボア内部の座標にマッピングするための信号処理を用い得る。そのようなシステムのいくつかにおいては、ボアのほぼ環状の部分のパノラマ画像を、この環状部分の形状に対応した円形パターンで２次元（２−Ｄ）矩形撮像アレイ上に投影することができる。この円形又は環状の画素は比較的大きい画素セット（例えば矩形撮像アレイの大部分）に及び得るが、実際に撮像するのはその画素セットの比較的小さい部分のみである（例えば矩形撮像アレイ内の環状の画像パターン）。典型的な撮像アレイは、環状画像パターンの内側又は外側の画素がボアの検査には関係ない場合であっても、円形部又は環状部によってカバーされる画素の各々を読み出さなければならない。無関係の画素を連続的に読み出すには時間がかかるため、そのようなボア撮像システムを用いてボアを検査する速度は制限される。一部のシステム（例えば６２６号特許に開示されたもの等）は、光ファイバ撮像経路を用い、各ファイバの経路を対応する光検出器に向かうように形成している。しかしながら、そのようなシステムの構成においても速度は制限され、更に、所与のシステムを用いて検査することができるボアサイズ範囲に関して分解能及び／又は汎用性を制限する撮像制限がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述の問題を解決する非接触、高速、高分解能、計測用のボア撮像システムが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
開示されるボア撮像システムは、読み出し画素セットを備える光検出器と、ボア表面上の撮像領域から生じる画像光を光検出器に伝送するように構成されたボア表面撮像機構であって、撮像領域が、ボアの軸方向Ｚに沿った比較的小さい画像寸法と、ボアの軸方向を横断する方向に沿った比較的大きい画像寸法と、によって特徴付けられる形状を有する、ボア表面撮像機構と、を備えている。ボア表面撮像機構は、入力端及び出力端を有する複数の光ファイバを含む画像の幾何形状を変換するファイババンドルと、ファイバ端部とボア表面との間の光路に沿って位置付けされたレンズ機構（１つ又は複数のアパーチャを備え得る）と、を備えている。入力端は、撮像領域の形状にほぼマッピングされる入力形状に構成され、軸方向にマッピングされる第１の方向に沿った比較的小さい入力寸法と、第１の方向を横断する第２の方向に沿った比較的大きい入力寸法と、を含む。入力端は、撮像領域から生じてレンズ機構を通過する画像光を受光するように配置されている。画像の幾何形状を変換するファイババンドルの出力端は、画像光を読み出し画素セットにリレー又は伝送するように、読み出し画素セットの共役面に又はその近傍に配置されている。（ａ）出力端又は（ｂ）読み出し画素セットの少なくとも一方は、読み出し画素セットの少なくとも２５％が伝送された画像光を受光するように構成されている。様々な実施形態において、このようなシステムは、有意義な画像データのための高スループットレートを与えると共に、ある範囲にわたるボアサイズを高分解能で測定することに関して汎用性の高い計測用撮像構成を提供する。様々な実施形態において、これらの利点は、特別な光検出器の構成を用いることなく達成可能である。様々な実施形態において、比較的大きい画像寸法によってボア周囲の３６０度をカバーすることができる。様々な実施形態において、本明細書に開示する特徴により、撮像領域をボアに沿って軸方向に前例のない速度でスキャンすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
前述の態様及び付随する利点の多くは、以下の詳細な説明を添付図面と関連付けて参照することでより良く理解すれば、いっそう容易に認められよう。
【０００６】
【図１】本明細書に開示する原理に従ったボア撮像システムの一実施形態の概略図である。
【図２Ａ】本明細書に開示する原理に従ったボア撮像システムにおいて使用可能なレンズ機構の第１の実施形態の概略図である。
【図２Ｂ】本明細書に開示する原理に従ったボア撮像システムにおいて使用可能なレンズ機構の第１の実施形態の概略図である。
【図３】本明細書に開示する原理に従ったボア撮像システムにおいて使用可能なレンズ機構の第２の実施形態の概略図である。
【図４】本明細書に開示する原理に従ったボア撮像システムの別の実施形態の概略図である。
【図５Ａ】本明細書に開示する原理に従ったボア撮像システムの画像の幾何形状を変換するファイババンドルの出力端の第１の実施形態の概略図である。
【図５Ｂ】本明細書に開示する原理に従ったボア撮像システムの読み出し画素セットの第１の実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
図１は、本明細書に開示する原理に従ったボア撮像システム１００の一実施形態の概略図である。ボア撮像システム１００は、光検出器１１０、ボア表面撮像機構１２０、及び検出処理部１９５を備えている。図１は、この例では円筒形のボアと位置合わせされた円筒形座標Ｚ、Ｒ、及びΦに従って配置されている。光検出器１１０は読み出し画素セット１１１を備えるが、これについては以下で詳述する。ボア表面撮像機構１２０は、入力端１３２（例えば１３２ｎ）及び出力端１３３（例えば１３３ｎ）を有する複数の光ファイバ１３１（例えば１３１ｎ）から成る、画像の幾何形状を変換するファイババンドル（以下、ファイババンドルと呼ぶ）１３０と、入力端１３２ｎ及びボア表面１６０の間の光路に沿って位置付けられたレンズ機構１９０と、を備えている。いくつかの実施形態において、ファイババンドル１３０は約５，０００の光ファイバ１３１を備えることができる。図１に示すボア表面撮像機構１２０の実施形態は、任意選択の概略的に図示したリレーレンズ構成１２５も備え、これは出力端１３３を出力光路に沿って読み出し画素セット１１１上に結像させる。所望の場合、様々な実施形態において、リレーレンズ構成１２５は所望の拡大率もしくは縮小率又は可変倍率を与えることができる。いくつかの実施形態では、リレーレンズ構成１２５を省略することができ、光検出器１１０を出力端１３３に近接して又は当接して位置付けることで、出力端１３３と読み出し画素セット１１１との間の出力光路がレンズを含まないことも可能である。
【０００８】
動作中、ボア表面撮像機構１２０は、ボア表面１６０上の撮像領域１５０から生じる画像光１４０を光検出器１１０に、特に読み出し画素セット１１１に伝送するように構成されている。撮像領域１５０は、ボアの軸方向Ｚに沿った比較的小さい画像寸法δＺと、ボアの軸方向Ｚを横断する方向に沿った比較的大きい画像寸法δΦと、によって特徴付けられる形状を有する。図１に示す実施形態では、画像寸法δΦはボア表面１６０の全周をカバーする。入力端１３２ｎは、撮像領域１５０の形状にほぼマッピングされる入力形状に構成され、軸方向Ｚにマッピングされる第１の方向に沿った比較的小さい入力寸法と、第１の方向を横断する（すなわち撮像領域１５０のボア円周方向に沿ってマッピングされる）第２の方向に沿った比較的大きい入力寸法と、を含む。図示する例では、入力形状は、レンズ機構１９０によって結像される円筒形又はリング形である。図１に示す実施形態において、第１の方向はほぼ軸方向Ｚに沿っており、第２の方向はほぼΦ座標軸に対応する方向に沿っている。入力端１３２ｎは、撮像領域１５０から生じてレンズ機構１９０を通過する画像光１４０を受光するように配置されている。出力端１３３ｎは、例えば上述のようなリレーレンズ構成１２５又は近接した検出器のいずれかを用いて、画像光１７０を出力光路に沿って読み出し画素セット１１１に伝送するように配置されている。様々な実施形態においては、高い画像データスループットを与えるため、（ａ）出力端１３３ｎ又は（ｂ）読み出し画素セット１１１の少なくとも一方は、読み出し画素セットの少なくとも２５％が伝送された画像光１７０を受光するように構成されている。いくつかの実施形態では、読み出し画素セット１１１は、読み出し画素セット１１１の少なくとも５０％が伝送された画像光１７０を受光するように構成されている。いくつかの実施形態では、読み出し画素セット１１１は、読み出し画素セット１１１の少なくとも７５％が伝送された画像光１７０を受光するように構成されている。
【０００９】
読み出し画素セット１１１は、光検出器１１０の撮像アレイの全画素数のうちのサブセットとすればよいことは認められよう。例えばいくつかの市販の光検出アレイを、このアレイの全画素より少ない選択された又はアドレス可能な画素サブセットを読み出すように制御又は構成することができる。１つのそのようなデバイスは、Ｔｒｕｅｓｅｎｓｅ  Ｉｍａｇｉｎｇ社（ニューヨーク州ロチェスター）及び他から入手可能な、高フレームレートの部分スキャン動作モードで動作するＫｏｄａｋ  ＫＡＩ−０３４０イメージセンサである。画素サブセットの読み出しは、アレイ全体の読み出しに要するよりも短い時間間隔で実行可能である。いくつかの実施形態では、読み出し画素セット１１１は、撮像アレイの画素の半分未満であり得る。いくつかの実施形態では、読み出し画素セット１１１は、撮像アレイの画素の２５％未満であり得る。いくつかの実施形態では、読み出し画素セット１１１は、撮像アレイの画素の１０％未満であり得る。いくつかのデバイスでは、選択された又はアドレス可能なサブセットは、隣接した画素のブロックであることが望ましい（例えばデバイス動作上の制約のため、又は特定数の画素についての読み出し時間を最短とするため）。そのような場合、出力端１３３は、読み出し画素サブセットの形状とほぼ一致する出力形状ＯＳに配置することが最適であり得る。あるいは出力形状ＯＳは、出力端１３３を読み出し画素セットの望ましい部分上に結像するように選択することで、本明細書に開示する原理に従って有意義な画像データのために効率的に読み出し時間を用いる。
【００１０】
通常、典型的な光ファイバの入力端は開口数が大きい。例えばガラスファイバは、０．１１から０．６５の間の開口数を有し得る。従って、ファイバベースの撮像システムの入力端がボア表面と接触又は近接しない場合、隣接するファイバ間に「クロストーク」が生じ、撮像分解能が損なわれる可能性がある。ボア撮像システム１００では、レンズ機構１９０によって、ボア表面１６０と接触する必要なくボア表面１６０を撮像することができる。特に、例えば米国特許第４，８４９，６２６号に教示されるように、入力端は必ずしもボア表面に近接しない。この特許では、画像を提供するため、ボア表面に接触又は近接するマンドレル上に支持された光ファイバを利用する。このようなボア撮像システムでは、ファイバ端部をボア表面の近傍に、例えば２０〜５０μｍに位置付けなければならないが、高精度の位置合わせは極めて難しい場合がある。位置合わせが行われた場合でも、表面の撮像では横方向の分解能が比較的低いことがある。レンズ機構１９０を用いると、ボア表面１６０からの距離（ｓｔａｎｄｏｆｆ）を拡大し、被写界深度を深くし、位置合わせを容易にし、ある範囲にわたるボアサイズを撮像することが可能となる。
【００１１】
簡略化のため、照明コンポーネントは図１に示していないことは認められよう。ボア撮像システム１００には、ＬＥＤリング等の既知の照明システムが適切であり得る。例示的なＬＥＤリングは、Ｓｃｈｏｔｔ  Ｍｏｒｉｔｅｘ（ＣＡ州サンホゼ）から入手可能である。
【００１２】
図１に示す実施形態において、入力端１３２は、軸方向Ｚを横断する方向に沿って画像光１４０を受光するように配置されている。この方向は、更に具体的には、ボア表面１６０にほぼ垂直な方向Ｒに沿った方向であり得る内側半径方向に沿っている。動作中、ボア表面撮像機構１２０はスキャン方向ＳＤに沿って動くので、入力端１３２及び関連付けられたレンズ機構１９０の光学コンポーネント（以下で更に検討する）は、ボア表面１６０から動作可能な撮像距離又は焦点距離に位置付けられている。
【００１３】
いくつかの実施形態では、リレーレンズ構成１２５は−０．２５の倍率を有し得る。
【００１４】
いくつかの実施形態では、レンズ機構１９０が与える撮像領域１５０の形状の入力寸法δＺは約４０μｍであり得る。撮像領域１５０がボアの全周をカバーする場合、直径８０ｍｍのボアでは入力寸法δΦは約２５０ｍｍとなる。いくつかの実施形態では、撮像領域１５０はボアの全周をカバーしない場合もある。
【００１５】
より小さいファイバを用いて高い撮像分解能を得ることも可能であることは認められよう。いくつかの実施形態では、光ファイバ１３１ｎは直径４０μｍ未満とすることができる。
【００１６】
図１に示す実施形態において、レンズ機構１９０はマイクロレンズアレイを備えることができる。代替的な実施形態では、レンズ機構１９０は、Ｒ−Ｚ面内に光線を集束するように構成された一定断面の環状レンズを備えることができる。
【００１７】
図１に示す実施形態において、入力端１３２は円形に配置されている。いくつかの実施形態において、出力端１３３ｎは、上述した理由で、（例えば図５Ａに示すように）ほぼ矩形である出力形状ＯＳに配置することができる。
【００１８】
いくつかの実施形態において、検出処理部１９５は、読み出し画素セット１１１の画素を、撮像領域１５０の整然と配置された画像の各位置にマッピングすることができる。入力端位置及び／又は撮像領域１５０に対応した共役面の画像部分位置と、出力端１３３及び／又は読み出し画素セット１１１の画素との間のマッピング関係は、既知の「較正」、対応付け、又はマッピングプロセスによって決定することができ、例えば、米国特許第６，５８７，１８９号に開示されている。このようなマッピングは、システムの製造時に、又はその他の好都合な時及び場所において実行することができ、それにより得られた関係はシステム内に記憶され、使用中のリアルタイムな対応付けのために用いられる。較正は、必ずしもユーザによって現場で行われるわけではない。いくつかの実施形態では、検出処理部１９５は、撮像領域１５０に対応する画像又は画像データを復元して表示するように構成することができる。
【００１９】
図２Ａ及び図２Ｂは、図１に示したボア撮像システムのレンズ機構１９０として使用可能なレンズ機構２９０の第１の実施形態の概略図である。図２Ａは、（例えば図１に示したファイババンドル１３０と同様の）画像の幾何形状を変換するファイババンドルに含まれる光ファイバ２３１ａに関連付けられた１つの典型的な画像チャネルＩＣ２３０ａのコンポーネントを示す。画像の幾何形状を変換するファイババンドル及び関連付けられたレンズ機構２９０は、複数の同様の画像チャネルを備えている。図２Ａは、画像チャネルＩＣ２３０ａのＲ−Ｚ面に垂直な方向に沿った図を示し、図２Ｂは、軸方向Ｚに平行な方向に沿った２つの隣接する画像チャネルＩＣ２３０ａ及びＩＣ２３０ｂの上面図を示す。画像チャネルＩＣ２３０ａに関連付けられたレンズ機構２９０の部分は、２９０ａと示され、マイクロレンズ２９３ａの前方に位置付けられたアパーチャ２９１ａと、マイクロレンズ２９３ａの後方焦点面に位置付けられたアパーチャ２９２ａと、を備えている。画像チャネルＩＣ２３０ｂに関連付けられたレンズ機構２９０の部分は、２９０ｂと示されている。画像チャネルＩＣ２３０ａは更に、アパーチャ２９２ａに近接して位置付けられた単一ファイバ２３１ａの入力端２３２ａを備えている。マイクロレンズ２９３ａ並びにアパーチャ２９１ａ及び２９２ａは、ボア表面２６０の撮像領域２５０からの名目上平行になった画像光２４０を入力端２３２ａに集束するように構成されている。いくつかの実施形態において、マイクロレンズ２９３ａは−１の倍率を有し得る。これとは逆に、図２Ｂに示すように、アパーチャ２９１ａ及び２９２ａは、視野２５１ａの外側から発する光線２４１等の非平行の光が画像チャネルＩＣ２３０ａに入射するのを阻止するように構成されている。これにより、隣接するファイバによって名目上撮像されるはずである領域からの（例えば画像チャネルＩＣ２３０ｂの視野２５１ｂの領域からの）光がファイバ２３１ａの入力端２３２ａに入射することを防ぎ、従って隣接ファイバ間の「画像クロストーク」が抑えられる。これは、システムの横方向の画像分解能を向上させるものとして理解することができる。また、そのようなレンズ機構では被写界深度が深くなり、ある範囲にわたるボアサイズの計測用の撮像が可能となることは認められよう。
【００２０】
図３は、図１に示したボア撮像システムのレンズ機構１９０として使用可能なレンズ機構３９０の第２の実施形態の概略図である。図３は、（例えば図１に示したファイババンドル１３０と同様の）画像の幾何形状を変換するファイババンドルに含まれる光ファイバ３３１ａに関連付けられた１つの典型的な画像チャネルＩＣ３３０ａのコンポーネントを示す。画像の幾何形状を変換するファイババンドル及び関連付けられたレンズ機構３９０は、複数の同様の画像チャネルを備えている。図３は、画像チャネルＩＣ３３０ａのＲ−Ｚ面に垂直な方向に沿った図を示す。レンズ機構３９０はレンズ機構２９０と同様であるが、リフレクタ３９６ａによって曲げられた光路が設けられている点が異なる。３ＸＸと付番された要素の動作は、図２Ａ及び図２Ｂの同様に付番した要素２ＸＸの説明からの類推によって理解すればよい。図３に示す実施形態において、単一ファイバ３３１ａの入力端はボア表面３６０に対して垂直な向きではない。リフレクタ３９６ａは、マイクロレンズ３９３ａからの光を入力端３３２ａ内に反射させるように構成されている。いくつかの実施形態において、マイクロレンズ３９３ａは−１の倍率を有し得る。いくつかの実施形態において、リフレクタ３９６ａは単体のリフレクタから構成し得る。他の実施形態では、リフレクタ３９６ａは環状リフレクタの一部から成り、これと同様の部分を他の撮像チャネルのために設けることができる。様々な実施形態において、図１から図３に示した様々なコンポーネントを適切な関係で組み立てる及び／又は保持するための組み立て足場を、３Ｄプリンタ等によって製造することができる。
【００２１】
図２Ａに示す実施形態において、個々のファイバ（例えば単一ファイバ２３１ａ）は、各入力端（例えば入力端２３２ａ）がＲ方向に外側を向くように曲げることができる。しかしながら、個々のファイバは最小許容曲げ半径を有することがあり、いくつかのボア撮像システム内ではサイズの制約のために小さい曲げ半径を必要とし、個々のファイバをＲ方向に外側を向くように曲げることができない場合がある。プラスチック製光ファイバの典型的な最小曲げ半径は０．４ｍｍであり、これは図２Ａに示す実施形態に適切であり得る。ガラス製光ファイバの典型的な最小曲げ半径は３０ｍｍである。従って、ガラスファイバを利用し得る実施形態では、この設計上の制約を回避し、より小さいボアの検査に適合可能なシステムを提供するため、図３に示す実施形態が有利であり得る。
【００２２】
図４は、更に別の実施形態であるボア撮像システム４００の概略図である。ボア撮像システム４００は、光検出器４１０、ボア表面撮像機構４２０、及び検出処理部４９５を備えている。図４は、ボアの軸に位置合わせされた円筒形座標Ｚ、Ｒ、及びΦに従って配置されている。光検出器４１０は読み出し画素セット４１１を備えている。ボア表面撮像機構４２０は、入力端４３２（例えば４３２ｎ）及び出力端４３３（例えば４３３ｎ）を有する複数の光ファイバ４３１（例えば４３１ｎ）から成るファイババンドル４３０と、入力端４３２及びボア表面４６０の間の光路に沿って位置付けられたレンズ機構４９０と、を備えている。レンズ機構４９０はパノラマレンズを備えている。いくつかの実施形態において、ファイババンドル４３０は約６，０００の光ファイバ４３１を備えることができる。ボア表面撮像機構４２０は、リレーレンズ４２５及び撮像光学部品４３５も備えている。
【００２３】
動作中、ボア表面撮像機構４２０は、ボア表面４６０上の撮像領域４５０から生じる画像光４４０を光検出器４１０に、特に読み出し画素セット４１１に伝送するように構成されている。入力端４３２は、撮像領域４５０から生じてレンズ機構４９０を通過する画像光４４０を受光するように配置されている。更に具体的には、レンズ機構４９０は、軸方向Ｚを横断する方向Ｒに沿って画像光４４０を入力し、画像光４４０を偏向させ、画像光４４０をパノラマ出力方向ＰＯＤに沿ってリレー光学部品４３５へと出力するように構成されている。図４に示す実施形態では、パノラマ出力方向ＰＯＤは軸方向Ｚとほぼ平行である。リレー光学部品４３５は、画像光４４０を縮小して、光ファイバ４３１の入力端４３２に伝送するように構成されている。出力端４３３は、前述のように、例えばリレーレンズ４２５又は近接した検出器のいずれかを用いて、画像光４７０を出力光路に沿って読み出し画素セット４１１に伝送するように配置されている。様々な実施形態においては、高い画像データスループットを与えるため、（ａ）出力端４３３又は（ｂ）読み出し画素セット４１１の少なくとも一方は、読み出し画素セットの少なくとも２５％が伝送された画像光４７０を受光するように構成されている。リレーレンズ４２５は、出力端４３３からの画像光４７０を入力し、画像光４７０を読み出し画素セット４１１へ出力するように構成されている。
【００２４】
いくつかの実施形態においては、動作の間、ボア表面撮像システム４００をスキャン方向ＳＤに沿って動かすことで、軸方向に沿ってボアを対象とした複数の画像を提供する。代替的な実施形態では、ボア表面撮像機構４２０は、ボアに沿って軸方向にシステムの視野及び焦点を曲げる変形可能及び／又は連動可動な複数の撮像要素を備えた複数の画像経路調節要素を備えることで、スキャン方向ＳＤに沿ってボア表面撮像機構４２０全体を動かす必要をなくすことができる。そのようなシステムは、撮像領域４５０を新たに位置付ける際に迅速なスキャン速度又は機械的応答時間を可能とする。最新の光学設計シミュレーションソフトウェア及び／又は光線追跡プログラムを用いて、光学設計の当業者により、そのようなシステムのための様々な構成を実現することができる。
【００２５】
撮像領域４５０は、ボアの軸方向Ｚに沿った比較的小さい画像寸法δＺと、ボアの軸方向Ｚを横断する方向に沿った比較的大きい画像寸法δΦと、によって特徴付けられる形状を有する。図４に示す実施形態では、第１の方向はほぼ軸方向Ｚに沿っており、第２の方向はほぼΦ座標軸に対応する方向に沿っている。入力端４３２は、撮像領域４５０の形状にほぼマッピングされる入力形状に構成されている。入力形状は、図示する実施形態では、レンズ機構４９０によって結像される環状である。
【００２６】
図４において、レンズ機構４９０は反射型であることは理解されよう。屈折型魚眼レンズ等、ボア撮像機構に適した他のタイプのパノラマレンズについては、米国特許第８，３３４，９７１号から理解することができる。
【００２７】
いくつかの実施形態において、レンズ機構４９０及び撮像光学部品４３５は−０．５の倍率を与えることができる。リレーレンズ４２５は−０．９の倍率を有することができる。撮像領域４５０で４０μｍのサンプリング分解能を用いたボア検査動作において、光ファイバ４３１は２０μｍのコアサイズを有し得る。直径８０ｍｍの典型的なボアの検査では、ファイババンドル４３０は、入力端４３２の近傍で４０ｍｍの幅を有し得る。図４に示す実施形態では、入力端４３２は軸方向Ｚに対向する円形に配置されている。
【００２８】
ボアについて、ストローク値が１６０ｍｍ、軸方向Ｚの入力寸法δＺが０．０４ｍｍ、及び毎秒撮像レートが１，２５０フレームの場合、ボア撮像システム４００は３．２秒でエンジンボアをスキャンすることができる。
【００２９】
図５Ａは、本明細書に開示する原理に従ったボア撮像システム５００の、画像の幾何形状を変換するファイババンドルの出力端の第１の実施形態の概略図である。図５Ａは、ファイババンドル１３０又はファイババンドル４３０と同様であり得るファイババンドル５３０の光ファイバ５３１の出力端５３３を示す。
【００３０】
図５Ｂは、本明細書に開示する原理に従ったボア撮像システム５００の読み出し画素セット５１１の第１の実施形態の概略図である。図５Ｂは、光検出器１１０又は光検出器４１０と同様であり得る光検出器５１０の一部を示し、読み出し画素セット５１１を備えている。
【００３１】
図５Ａ及び図５Ｂに示すように、ファイババンドル５３０の出力端５３３は、読み出し画素セット５１１にマッピングされる出力形状ＯＳに配置されている。出力端５３３は、個々のファイバ５３１を密接に並べたものとして配置すると好都合であるが、この配置は単なる例示であり、限定ではない。従って出力形状ＯＳは、矩形の形状又は外形内に収容された密接配置ファイバを備えている。読み出し画素セット５１１も、出力形状ＯＳに一致する矩形の形状を備える。
【００３２】
出力端５３３は、図５Ａでは簡略化のために１２×１４の小さいグループとして示すことは認められよう。この小さいグループは、上述の原理に従って、読み出し画素セットの形状に対応して配置及び収容された、より多数の光ファイバから成る密接配置バンドルを表すものとして理解され得る。同様に、読み出し画素セット５１１は、図５Ｂでは簡略化のために２４×２４の小さいグループとして示す。この小さいグループは、より多数の光ファイバを表すものとして理解され得る。本明細書に記載する原理に従って構成されたボア撮像システムの更に典型的なアレイは、高分解能の計測用撮像を行うようにより大型であるが、ほとんどの一般的な光検出器よりも画素数が少ない。例えば読み出し画素セット５１１は、より大きい画素アレイの２２４×１６０の画素領域とすることができ、例えば、高フレームレートの部分スキャン動作モードで動作して読み出し画素セットのみを読み出すＫｏｄａｋ  ＫＡＩ−０３４０イメージセンサ等のＣＣＤにより与えられる。しかしながらこの例は単に例示であり、限定ではない。他の実施形態においては、読み出し画素セットは、所望の分解能及び読み出しレートを与えるように選択又は設計された適切な光検出器の全ての画素を含むことができる。
【００３３】
図５Ａ及び図５Ｂに示す実施形態において、各出力端５３３は、読み出し画素セット５１１の画素の中心間距離ｗ2の少なくとも２倍である最小寸法ｗ1を有する。このため、各ファイバ５３１はほぼ４画素に対応する。いくつかの実施形態では、１つのファイバはより多くの画素にマッピングすることができる。例えばいくつかの実施形態では、１つのファイバは６画素にマッピングすることができる。これは、隣接ファイバからのクロストークなしで、少なくとも１つの画素が単一ファイバにより伝えられる画像強度を正確にサンプリングすることを保証するための簡単な手段として、いくつかの実施形態では有利であり得る。
【００３４】
様々な実施形態について図示し記載したが、本開示に基づいて、動作の特徴及びシーケンスの図示し記載した構成における多くの変形が当業者には明らかであろう。従って、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく様々な変更を行い得ることは認められよう。
【符号の説明】
【００３５】
１００，４００，５００  ボア撮像システム
１１０，４１０，５１０  光検出器
１１１，４１１，５１１  読み出し画素セット
１２０，４２０  ボア表面撮像機構
１２５，４２５  リレーレンズ構成
１３０，４３０，５３０  ファイババンドル
１３１，２３１ａ，３３１ａ，４３１，５３１  光ファイバ
１３２，２３２ａ，３３２ａ，４３２  入力端
１３３，４３３，５３３  出力端
１４０，１７０，２４０，４４０，４７０  画像光
１５０，２５０，４５０  撮像領域
１６０，２６０，３６０，４６０  ボア表面
１９０，２９０，３９０，４９０  レンズ機構
１９５，４９５  検出処理部
２４１  光線
２５１  視野
２９１ａ，２９２ａ  アパーチャ
２９３ａ，３９３ａ  マイクロレンズ
３９６ａ  リフレクタ
４３５  光学部品
ＩＣ２３０ａ，ＩＣ２３０ｂ，ＩＣ３３０ａ  画像チャネル
【図１】
2020109408.tif 000003
【図２Ａ】
2020109408.tif 000004
【図２Ｂ】
2020109408.tif 000005
【図３】
2020109408.tif 000006
【図４】
2020109408.tif 000007
【図５Ａ】
2020109408.tif 000008
【図５Ｂ】
2020109408.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】令和2年4月17日(2020.4.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
読み出し画素セットを備える光検出器と、
ボア表面上の撮像領域から生じる画像光を前記光検出器に伝送するように構成されたボア表面撮像機構であって、前記撮像領域が、ボアの軸方向Ｚに沿った比較的小さい画像寸法と、前記ボアの前記軸方向を横断する方向に沿った比較的大きい画像寸法と、を有する、ボア表面撮像機構と、
を備えるボア撮像システムにおいて、
前記ボア表面撮像機構が、
入力端及び出力端を有する複数の光ファイバを含む画像の幾何形状を変換するファイババンドルであって、前記入力端が、前記撮像領域の形状にほぼマッピングされる入力形状に構成され、前記軸方向にマッピングされる第１の方向に沿った比較的小さい入力寸法と、前記第１の方向を横断する第２の方向に沿った比較的大きい入力寸法と、を含む、ファイババンドルと、
前記入力端と前記ボア表面との間の光路に沿って位置付けされたレンズ機構と、
ボアの軸方向Ｚに沿ってシステムの視野及び焦点を曲げる変形可能及び／又は連動可動な複数の撮像要素を、それぞれ備えた複数の画像経路調節要素と、
を備え、
前記入力端が、前記撮像領域から生じて前記レンズ機構を通過する前記画像光を受光するように配置され、
前記出力端が、前記画像光を出力光路に沿って前記読み出し画素セットに伝送するように配置された、ボア撮像システム。
【請求項２】
前記読み出し画素セットの少なくとも５０％が前記伝送された画像光を受光する、請求項１に記載のボア撮像システム。
【請求項３】
前記読み出し画素セットの少なくとも７５％が前記伝送された画像光を受光する、請求項１に記載のボア撮像システム。
【請求項４】
前記出力光路が、前記出力端を前記読み出し画素セット上に結像させるリレーレンズ機構を備える、請求項１に記載のボア撮像システム。
【請求項５】
前記出力端が前記読み出し画素セットに近接して又は当接して位置付けられ、前記出力光路がレンズを備えていない、請求項１に記載のボア撮像システム。
【請求項６】
各出力端が、前記読み出し画素セットにおける画素の中心間距離の少なくとも２倍である最小寸法を有する、請求項５に記載のボア撮像システム。
【請求項７】
前記読み出し画素セットの画素を前記撮像領域の整然と配置された画像に寄与する各位置にマッピングする検出処理部を更に備える、請求項１に記載のボア撮像システム。
【請求項８】
前記読み出し画素セットが前記光検出器における全画素数のうちのサブセットである、請求項１に記載のボア撮像システム。
【請求項９】
前記読み出し画素セットが矩形の形状を有する、請求項１に記載のボア撮像システム。
【請求項１０】
前記出力端が密接に並べられた配置に構成されている、請求項１に記載のボア撮像システム。
【請求項１１】
前記入力端が、前記軸方向を横断する前記方向に沿って前記画像光を受光するように配置されている、請求項１に記載のボア撮像システム。
【請求項１２】
前記入力端が、前記ボア表面にほぼ垂直な方向に沿って前記画像光を受光するように配置されている、請求項１に記載のボア撮像システム。
【請求項１３】
前記複数の光ファイバの直径が４０μｍ未満である、請求項１に記載のボア撮像システム。
【請求項１４】
前記レンズ機構が、マイクロレンズアレイ、又は軸方向の面内に焦点を結ぶように構成された一定断面の環状レンズの一方を備える、請求項１に記載のボア撮像システム。
【請求項１５】
前記入力端が円形に配置されている、請求項１に記載のボア撮像システム。
【請求項１６】
前記レンズ機構がパノラマレンズを備える、請求項１に記載のボア撮像システム。
【請求項１７】
前記レンズ機構が、前記軸方向を横断する前記方向に沿って前記画像光を入力し、前記画像光を偏向させ、前記画像光をパノラマ出力方向に沿って出力する、請求項１６に記載のボア撮像システム。
【請求項１８】
前記入力端が前記パノラマ出力方向に沿って前記画像光を受光するように配置されている、請求項１６に記載のボア撮像システム。
【請求項１９】
前記パノラマ出力方向が前記軸方向とほぼ平行である、請求項１６に記載のボア撮像システム。
【外国語明細書】
2020109408000001.pdf