(57)【要約】光学式プロファイラが、対象物体の表面上に光スポットを与えるように構成された光源を含む。レンズと光センサとを含む受光器が、物体の表面からの光を受信して結像するように構成されている。プロファイル測定コンピューティング装置が光センサに結合され、かつプロセッサとプロセッサに結合されたメモリとを含み、プロセッサは、物体の表面上の光スポットについての複数の場所値を、物体の表面からの結像された光に基づいて計算することであって、場所値はそれぞれ、物体の回転軸周りの回転に基づいた角度回転値に対応付けられている、計算すること、を含みかつメモリに記憶されたプログラムされた命令を実行できるように構成されている。物体のプロファイルが、計算された場所値に基づいて生成される。2018523831.tif 000003
2018523831.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物体の表面上に光スポットを与えるように構成された光源と、
レンズと光センサとを含む、前記対象物体の前記表面からの光を受信して結像するように構成された受光器と、
プロセッサと前記プロセッサに結合されたメモリとを含む、前記光センサに結合されたプロファイル測定コンピューティング装置であって、前記プロセッサは、
前記対象物体の前記表面上の前記光スポットについての複数の場所値を、前記対象物体の前記表面からの前記結像された光に基づいて計算することであって、前記複数の場所値はそれぞれ、前記対象物体の回転軸周りの回転に基づいた角度回転値に対応付けられている、前記計算すること、及び
前記対象物体のプロファイルを、前記計算された複数の場所値に基づいて生成すること
を含みかつ前記メモリに記憶されたプログラムされた命令を実行できるように構成されている、前記プロファイル測定コンピューティング装置と
を含む、光学式プロファイラ。
【請求項２】
前記レンズは、物体空間においてテレセントリックであるように構成されている、請求項１に記載の光学式プロファイラ。
【請求項３】
前記対象物体の前記プロファイルの生成に必要な時間は、１００秒未満である、請求項１に記載の光学式プロファイラ。
【請求項４】
前記対象物体の前記表面上の前記光スポットについての前記複数の場所値は、前記対象物体の前記回転軸周りの３６０度の回転にわたって計算される、請求項１に記載の光学式プロファイラ。
【請求項５】
前記対象物体の前記回転軸周りの前記回転は、連続的回転である、請求項１に記載の光学式プロファイラ。
【請求項６】
前記対象物体の前記回転軸周りの前記回転は、０〜３６０度の間で所定の角度値での増分回転である、請求項１に記載の光学式プロファイラ。
【請求項７】
前記対象物体の前記表面上の前記光スポットの幅は、１マイクロメートル〜１０００マイクロメートルである、請求項１に記載の光学式プロファイラ。
【請求項８】
前記場所値はそれぞれ、前記対象物体の前記対象表面上の前記光スポットについての座標のセットである、請求項１に記載の光学式プロファイラ。
【請求項９】
前記光源は、ダイオードレーザまたは発光ダイオードを含む、請求項１に記載の光学式プロファイラ。
【請求項１０】
前記光センサは、四分円センサ、画像センサ、または位置検知装置を含む、請求項１に記載の光学式プロファイラ。
【請求項１１】
前記対象物体の別のプロファイル画像を生成するために前記光源を並進させるように構成された第１の並進ステージ
を更に含む、請求項１に記載の光学式プロファイラ。
【請求項１２】
前記レンズと前記対象物体との間に一定の距離を維持するように前記光源を並進させるように構成された第２の並進ステージ
を更に含む、請求項１１に記載の光学式プロファイラ。
【請求項１３】
少なくとも第２の光源と第２の受光器とを更に含む、請求項１に記載の光学式プロファイラ。
【請求項１４】
前記計算された複数の場所値は、実質的に平面内にある、請求項１に記載の光学式プロファイラ。
【請求項１５】
前記平面は、前記回転軸に実質的に垂直である、請求項１４に記載の光学式プロファイラ。
【請求項１６】
対象物体の表面上に光スポットを与えるように構成された光源と、
少なくとも１つのレンズと光センサとを含む、前記対象物体の前記表面からの光を受信して結像するように構成された受光器と、
前記光センサに結合されたプロファイル測定コンピューティング装置と
を含む光学式プロファイラを、前記対象物体に対して位置決めすること、
前記プロファイル測定コンピューティング装置によって、前記対象物体の前記表面上の前記光スポットについての複数の場所値を、前記対象物体の前記表面からの前記受信された光ビームに基づいて計算することであって、前記複数の場所値はそれぞれ、前記対象物体の回転軸周りの回転に基づいた角度回転値に対応付けられている、前記計算すること、及び
前記プロファイル測定コンピューティング装置によって、前記対象物体のスライスについてのプロファイル画像を、前記計算された複数の場所値に基づいて生成すること
を含む、対象物体のプロファイル画像を生成するための方法。
【請求項１７】
前記レンズは、物体空間においてテレセントリックであるように構成されている、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記対象物体の前記プロファイルの生成に必要な時間は、１００秒未満である、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記対象物体の前記表面上の前記光スポットについての前記複数の場所値を、前記対象物体の前記回転軸周りの３６０度の回転にわたって計算する、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記対象物体の前記回転軸周りの前記回転は、連続的回転である、請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
前記対象物体の前記回転軸周りの前記回転は、０〜３６０度の間で所定の角度値での増分回転である、請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
前記対象物体の前記表面上の前記光スポットの幅は、１マイクロメートル〜１０００マイクロメートルである、請求項１６に記載の方法。
【請求項２３】
前記場所値はそれぞれ、前記対象物体の前記対象表面上の前記光スポットについての座標のセットである、請求項１６に記載の方法。
【請求項２４】
前記光源は、ダイオードレーザまたは発光ダイオードを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２５】
前記光センサは、四分円センサ、画像センサ、または位置検知装置のうちの少なくとも１つを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２６】
前記光源を前記対象物体の前記回転軸に沿って並進させること、及び
前記プロファイル測定コンピューティング装置によって、前記対象物体の別のスライスについての別のプロファイル画像を生成すること
を更に含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２７】
前記レンズと前記対象物体との間に一定の距離を維持するように前記光源を並進させること、及び
前記プロファイル測定コンピューティング装置によって、前記対象物体の別のプロファイル画像を生成すること
を更に含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記光学式プロファイラは、少なくとも第２の光源と第２の受光器とを更に含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２９】
前記計算された複数の場所値は、実質的に平面内にある、請求項１６に記載の方法。
【請求項３０】
前記平面は、前記回転軸に実質的に垂直である、請求項２９に記載の光学式プロファイラ。
【請求項３１】
対象物体の表面上に光スポットを与えるように構成された光源を提供すること、
レンズと光センサとを含む、前記対象物体の前記表面からの光ビームを受信するように構成されている受光器を提供すること、及び
プロセッサと前記プロセッサに結合されたメモリとを含むプロファイル測定コンピューティング装置を、前記光センサに結合することであって、前記プロセッサは、
前記対象物体の前記表面上の前記光スポットについての複数の場所値を、前記対象物体の前記表面からの前記受信された光ビームに基づいて計算することであって、前記複数の場所値はそれぞれ、前記対象物体の回転軸周りの回転に基づいた角度回転値に対応付けられている、前記計算することと、
前記対象物体のスライスについてのプロファイル画像を、前記計算された複数の場所値に基づいて生成することと
を含みかつ前記メモリに記憶されたプログラムされた命令を実行できるように構成されている、前記結合すること
を含む、光学式プロファイラを製造するための方法。
【請求項３２】
前記レンズは、物体空間においてテレセントリックであるように構成されている、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記対象物体の前記プロファイルの生成に必要な時間は、１００秒未満である、請求項３１に記載の方法。
【請求項３４】
前記対象物体の前記表面上の前記光スポットについての前記複数の場所値は、前記対象物体の前記回転軸周りの３６０度の回転にわたって計算される、請求項３１に記載の方法。
【請求項３５】
前記対象物体の前記回転軸周りの前記回転は、連続的回転である、請求項３１に記載の方法。
【請求項３６】
前記対象物体の前記回転軸周りの前記回転は、０〜３６０度の間で所定の角度値での増分回転である、請求項３１に記載の方法。
【請求項３７】
前記対象物体の前記表面上の前記光スポットの幅は、１マイクロメートル〜１０００マイクロメートルである、請求項３１に記載の方法。
【請求項３８】
前記場所値はそれぞれ、前記対象物体の前記対象表面上の前記光スポットについての座標のセットである、請求項３１に記載の方法。
【請求項３９】
前記光源は、ダイオードレーザまたは発光ダイオードを含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項４０】
前記光センサは、四分円センサ、画像センサ、または位置検知装置のうちの少なくとも１つを含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項４１】
前記光源を前記対象物体の前記回転軸に沿って並進させること、及び
前記プロファイル測定コンピューティング装置によって、前記対象物体の別のスライスについての別のプロファイル画像を生成すること
を更に含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項４２】
前記レンズと前記対象物体との間に一定の距離を維持するように前記光源を並進させること、及び
前記プロファイル測定コンピューティング装置によって、前記対象物体の別の非平面スライスについての別のプロファイル画像を生成すること
を更に含む、請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
少なくとも第２の光源と第２の受光器とを更に含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項４４】
前記計算された複数の場所値は、実質的に平面内にある、請求項３１に記載の方法。
【請求項４５】
前記平面は、前記回転軸に実質的に垂直である、請求項４４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、全体が参照により本明細書に組み込まれる２０１５年８月２１日に出願された米国仮特許出願第６２／２０８，０９３号の恩典を主張する。
【０００２】
関連出願の相互参照
本出願は、全体が参照により本明細書に組み込まれる２０１６年２月１日に出願された米国特許出願第１５／０１２，３６１号に関連している。
【０００３】
分野
本技術は全般的に、光学式プロファイリング装置及び方法に関し、より詳細には、高速で高精度の光学式プロファイラ及びその使用方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
背景
製造された物体はほとんどすべて、それらが作製された後で検査する必要がある。触覚検知装置が、検査に必要な測定を行なうために用いられることが多い。しかし触覚検知装置は、複雑な装置、特に、いくつかの精密表面を有する装置を、正確に測定するその能力が制限される場合がある。
【０００５】
典型的な先行技術の触覚表面プロファイラ１０を図１に示す。触覚表面プロファイラ１０は、ダイヤモンドコンタクトプローブ１２を有するスタイラス１１を含み、ダイヤモンドコンタクトプローブ１２は、回転軸（Ａ）を有する試験物体（ＴＯ）の試験面（ＴＳ）と接触する。スタイラス１１はアーム１４に結合されており、アーム１４自体は、電気機械的な位置検知装置（図示せず）、例えばＬＶＤＴ（線形可変変位変換器）に結合されている。ＬＶＤＴによって出力される電子信号は、ダイヤモンドコンタクトプローブ１２の接点における試験面（ＴＳ）の高さを示す。試験物体（ＴＯ）が回転軸（Ａ）の周りで回転すると、ＬＶＤＴ出力信号は、試験面（ＴＳ）のプロファイルに従って変化する。具体的には、試験物体（ＴＯ）は、カムローブ（ＣＬ）を有するカムシャフトとすることができ、測定プロファイルには、カムローブ（ＣＬ）の表面の測定が含まれる。
【０００６】
触覚表面プロファイラ１０にはいくつかの欠点がある。例えば、測定のために試験面（ＴＳ）と接触することにより、ダイヤモンドコンタクトプローブ１４は望ましくないかき傷を試験面（ＴＳ）に与える場合がある。更に、測定プロセスは比較的遅い。測定時間を短くすることはできるが、プロファイルデータ中に空隙を生じさせるスタイラス１１の望ましくないチャタリング（ｃｈａｔｔｅｒ）またはスキップが起こる危険性も増加する。
【０００７】
そのため、非接触測定装置が提案されている。一例として、種々の従来の光学装置がインファブ（ｉｎ−ｆａｂ）及びポストファブ（ｐｏｓｔ−ｆａｂ）検査用に開発されている。これらの従来の光学装置の多くは部品の表面を走査して、部品の表面プロファイルを決定することができるのは、部品の限られた距離または表面積にわたってである。これらの従来の光学装置が測定できる距離及び表面積が制限されているのは全般的に、走査機器の速度が制限されていること及び／または走査のダイナミックレンジが制限されていることによる。これらの光学装置による３本の軸のすべてにおける走査精度が、部品の凹部内を走査する能力と同じように、走査機の物理的寸法及びその制限された測定範囲に起因して、更なる制限である。このような制限は、長い距離またはプロファイルを数マイクロメートルの精度内で測定しなくてはならない複雑な製造物、例えば一例としてクランクシャフトまたはカムシャフトの、表面輪郭の測定を試みたときに特に明らかである。更に、これらの従来の光学装置で部品の外周を囲むように走査する必要があるため、光学式検査装置内に収容される光学系のコスト及び複雑さが増す。
【発明の概要】
【０００８】
概要
光学式プロファイラは、対象物体の表面上に光スポットを与えるように構成された光源を含む。レンズと光センサとを含む受光器が、対象物体の表面からの光を受信して結像するように構成されている。プロファイル測定コンピューティング装置が光センサに結合されている。プロファイル測定コンピューティング装置は、プロセッサとプロセッサに結合されたメモリとを含み、プロセッサは、対象物体の表面上の光スポットについての複数の場所値を、対象物体の表面からの結像された光に基づいて計算することであって、複数の場所値はそれぞれ、対象物体の回転軸周りの回転に基づいた角度回転値に対応付けられている、計算すること、を含みかつメモリに記憶されたプログラムされた命令を実行できるように構成されている。対象物体のプロファイルが、計算された複数の場所値に基づいて生成される。
【０００９】
対象物体のプロファイル画像を生成するための方法は、対象物体に対して光学式プロファイラを位置決めすることを含む。光学式プロファイラは、対象物体の表面上に光スポットを与えるように構成された光源を含む。少なくとも１つのレンズと光センサとを含む受光器は、対象物体の表面からの光を受信して結像するように構成されている。プロファイル測定コンピューティング装置が光センサに結合されている。対象物体の表面上の光スポットについての複数の場所値を、プロファイル測定コンピューティング装置によって、対象物体の表面からの受信された光ビームに基づいて計算し、複数の場所値はそれぞれ、対象物体の回転軸周りの回転に基づいた角度回転値に対応付けられている。対象物体のスライスについてのプロファイル画像が、計算された複数の場所値に基づいて生成される。
【００１０】
光学式プロファイラを製造するための方法は、対象物体の表面上に光スポットを与えるように構成された光源を提供することを含む。レンズと光センサとを含む受光器が提供され、受光器は対象物体の表面からの光ビームを受信するように構成されている。プロファイル測定コンピューティング装置が光センサに結合され、プロファイル測定コンピューティング装置は、プロセッサとプロセッサに結合されたメモリとを含み、プロセッサは、対象物体の表面上の光スポットについての複数の場所値を、対象物体の表面からの受信された光ビームに基づいて計算することであって、複数の場所値はそれぞれ、対象物体の回転軸周りの回転に基づいた角度回転値に対応付けられている、計算すること、を含みかつメモリに記憶されたプログラムされた命令を実行できるように構成されている。プロファイル画像が、計算された複数の場所値に基づいて、対象物体のスライスについて生成される。
【００１１】
特許請求した技術により、試験物体の表面の外周プロファイルを精度良く測定するために採用されるコンパクトな非接触光学式プロファイラを提供することを含む、いくつかの優位点が得られる。光学式プロファイラは、対象表面上に試験光を送る光源を含む。試験光の一部は、対象表面から反射されるかまたは散乱されて結像レンズ内に入り、結像レンズによって画像センサ上に試験面試験光の像が形成される。次に、画像センサは、一例としてプロファイル測定コンピューティング装置によって読み取られ、三角測量アルゴリズムを用いて、試験物体上の試験光の入射場所における試験物体の高さまたは半径を決定する。試験物体が回転ステージ上に取り付けられ、試験物体は回転ステージによって軸の周りで回転することができる。一連の半径測定を試験物体の回転中に行なって部品のプロファイルを決定する。更に、試験物体に対する光学式プロファイラの直線運動を可能にする並進ステージを提供することができ、これにより、カムシャフト、スライディングカム及びそれらの螺旋状のカム溝などのより複雑な試験物体、または航空機プロペラなどの更にいっそう複雑な形状の測定が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】スタイラスプローブを用いた先行技術の触覚表面検知装置の側平面図である。
【図２】典型的な光学式プロファイラのブロック図である。
【図３】図２の典型的な光学式プロファイラの光源アセンブリ及び受光アセンブリの側平面図である。
【図４】図２の典型的な光学式プロファイラの光源アセンブリ及び受光アセンブリの等角図である。
【図５】特許請求した技術の一例による回転ステージ内に取り付けられた試験物体の側面図である。
【図６】図２〜図４に示す光学式プロファイラを用いて得られたシャフト半径プロファイルの出力の典型的なプロットである。
【図７】光学式プロファイラに設置された典型的なスライディングカム試験物体の等角図である。
【図８】光学式プロファイラに設置された典型的なスライディングカム試験物体の側面図である。
【図９】光学式プロファイラの端面図である。
【図１０】光学式プロファイラのブロック図である。
【図１１】図７〜図１０に示す光学式プロファイラを用いた典型的な測定プロセスのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
詳細な説明
光学式プロファイラ１００の例を図２〜図４に例示する。この特定の例では、光学式プロファイラ１００は、光源アセンブリ１０２、受光アセンブリ１０４、プロファイル測定コンピューティング装置、例えばデジタルプロセッサ１０６または他のコンピューティング機器、及び任意的な回転ステージ１０７を含んでいるが、光学式プロファイラ１００は、他のタイプもしくは数の他のシステム、装置、構成部品、ならびに／または他の要素、例えば更なる光学系、ステージング、ならびに／またはデジタルプロセッサを含んでいてもよい。図３及び図４では、光源アセンブリ１０２と受光器アセンブリ１０４とを別個のアセンブリとして例示しているが、当然のことながら、光源アセンブリ１０２と受光器アセンブリ１０４とを単一のアセンブリに一体化して、アセンブリ製造を容易にするかまたはより大きい測定機器内でのそれらの移動を容易にすることができる。
【００１４】
この典型的な技術によって、長距離または深いもしくは複雑なプロファイルを数ミクロンの精度内で測定しなくてはならない複雑な物体、例えばカムシャフトまたはクランクシャフトの、プロファイルを生成するために用いてもよい光学式プロファイラを提供すること含む、いくつかの優位点が得られる。この技術は、これらの複雑なプロファイルを、非走査光源アセンブリを用いて、すなわち、表面上で光源を走査しないで、測定するものであり、そのため、光学式プロファイラのコスト及び複雑さが減る。更に、以下でより詳細に説明するように、光学式プロファイラを、カムシャフトまたはクランクシャフトを測定するために標準ゲージにおいてすでに利用されている回転ステージとともに用いてもよい。特許請求した技術の光学式プロファイラは、物体、例えば単なる一例としてカムシャフト及びクランクシャフトのプロファイルに対して種々の誤差測定を行なうために用い得る、という利点がある。
【００１５】
図２〜図４をより具体的に参照すると、この特定の例では、光学式プロファイラ１００の光源アセンブリ１０２内に配置された構成部品及び／または他の要素は、光源１０８、光源光学系１１０、及び電子光源ドライバ１１２を含んでいるが、光源アセンブリ１０２は、他のタイプ及び／または数の他のシステム、装置、構成部品、及び／または要素を他の構成で含んでいてもよい。
【００１６】
この特定の例では、光源１０８は、単なる一例としてレーザダイオード（当該技術分野ではダイオードレーザとしても知られている）であるが、他の光源、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いてもよい。光源１０８は光源アセンブリ１０２内にしっかり固定して位置決めされていて、その結果、光源１０８が静止したままであり、光源１０８が生成する光の起点が分かるようになっている。別の例では、ダイオードレーザまたはＬＥＤなどの光源１０８が光源アセンブリ１０２から離れて配置されて、光源アセンブリ１０２内に光ファイバを介して送出され、光ファイバは、光源アセンブリ１０２内にしっかり固定して位置決めされていて、光ファイバから発生する光ビームの起点が分かるようになっている。
【００１７】
この例では、光源１０８は、可視光、例えば６３５ｎｍ〜６７０ｎｍの範囲の赤色光、または５００ｎｍ〜５５５ｎｍの範囲の緑色光（これに対してモノクロ画像センサが特に高感度である）、または、他のより長い波長ほど回折効果に対して敏感ではない４００ｎｍ〜４７０ｎｍの範囲の青色光を発するが、光源１０８は、他のタイプの光、例えば単なる一例として、近赤外の光または眼に対して本質的に安全な１３１０ｎｍ〜１５５０ｎｍの範囲の光を発してもよい。一例では、光源１０８は、光学式プロファイラ１００がＣＤＲＨクラスＩＩ装置となるような、またはより安全に、例えばクラスＩＩＡもしくはクラスＩとなるような光ビームを提供する。
【００１８】
この例では、光源１０８から発せられる光は連続波ビームであるが、他のタイプ及び／または数の光ビームを用いてもよい。一例として、光源から発せられる光１０８はパルス状であってもよく、このパルス光は、測定すべき光を背景光から区別するために、後述のような画像センサによって用いられてもよい。また光源１０８から発せられる光のパワーは、プロファイルする予定の試験物体（ＴＯ）の試験面（ＴＳ）の反射性及びテクスチャに基づいて調節可能であってもよいが、光源１０８の他の特徴が、プロファイルする予定の試験物体（ＴＯ）に関係する他の因子に基づいて調節可能であってもよい。
【００１９】
この特定の例では、光源アセンブリ１０２は光源１０８から発せられた光を調整するための光源光学系１１０を含む。一例では、光源光学系１１０は、光源１０８によって形成された光ビーム１１４を方向付けることができかつ光源１０８に対して位置決めされた、レンズを含み、その結果、光ビーム１１４は集束され、試験物体（ＴＯ）、例えば単なる一例として、図３に示すようなカムシャフトローブ（ＣＬ）の、試験面（ＴＳ）上の測定場所１１６に像を形成する。
【００２０】
更に、光源光学系１１０は、１つ以上の実質的に透明なアパーチャを有するレチクルまたはマスクを含んでいてもよく、アパーチャは、試験物体（ＴＯ）の試験面（ＴＳ）上の測定場所１１６に集束されたときの光パターンの形状を決定する。一例では、レチクルは、円形、楕円形、十字線もしくは「Ｘ」、1本のラインもしくは一連のライン、またはラインの格子である、透明なアパーチャの形状を有する。光源アセンブリ１０２内の光源光学系１１０の集束レンズは、測定場所１１６に集束される出力光の特徴サイズ幅が１μｍ〜１０００μｍ、または好ましくは１０μｍ〜２００μｍとなるように光を調整するが、光源アセンブリ１０２は、更なるタイプ及び／もしくは数の他の光学系ならびに／または他の要素を含んで、更なる特徴または他の直径を有する光ビームを提供してもよい。
【００２１】
この特定の例では、ダイオードレーザまたはＬＥＤなどの光源１０８は、デジタルプロセッサ１０６または他のプロファイル測定コンピューティング装置に、電子光源ドライバ１１２を通して結合されている。電子光源ドライバ１１２は、デジタルプロセッサ１０６または他のプロファイル測定コンピューティング装置からのデジタル命令、例えば単なる一例として、光源１０８をオン及びオフにするデジタル命令を受け取るが、光源ドライバ１１２は、他のタイプ及び／または数の命令、例えば光源１０８から発される光ビームのパワーを調節する命令を与えてもよい。この例では、光源ドライバ１１２からの命令信号はアナログ信号として与えられるが、デジタル信号を用いることができる。この特定の例では、光源ドライバ１１２は単一チップソリューション、例えばｉｃ−Ｈａｕｓにより製造されたｉＣ−ＨＴ  ＣＷレーザダイオードドライバであるが、他のタイプ及び／または数の他のレーザドライバを用いてもよい。
【００２２】
この例では、光源ドライバ１１２は、プログラマブルロジックを含んでいてもよい電子回路であって、デジタルプロセッサ１０６から電子信号を受信して、それを光源１０８の適切な駆動に適した正確な電圧、及び電流、及び場合により波形の電子信号に変換する電子回路であるが、他のタイプのドライバを用いてもよい。光源ドライバ１１２はまた、光源１０８からのフィードバックループ（図示せず）を含んでいてもよく、その結果、光源１０８の光パワー出力は、周囲環境の変化、例えば気温の変化または光源１０８自体の温度の変化が生じている間でさえ、実質的に一定のレベルに維持される。
【００２３】
図２〜図４を再び参照すると、この特定の例では、受光アセンブリ１０４は、結像光学系１２０を囲むハウジング１１８、画像センサ１２２、及び画像センサコンピュータインターフェース１２４を含んでいるが、受光アセンブリ１０４は他のタイプ及び／または数の他の光学系を含んでいてもよい。
【００２４】
受光アセンブリ１０４のハウジング１１８は任意の好適な金属またはプラスチックから構成されているが、他の材料をハウジング１１８に用いてもよい。この例では、混入物質が、ハウジング１１８の内部に配置された光学系及び他の構成部品と干渉することを防止するために、ハウジング１１８は封止されており、例えば単なる一例として密閉封止されている。
【００２５】
受光器アセンブリ１０４の結像光学系１２０は、受信された光、例えば試験物体（ＴＯ）の試験面（ＴＳ）からの光ビーム１１７を、画像センサ１２２上に集束させる。受光アセンブリ１０４の結像光学系１２０は、結像光学系１２０の倍率が、試験面（ＴＳ）上の測定場所１１６及び試験物体（ＴＯ）と結像光学系１２０との間の距離の変化とともに変化することがないように、物体空間においてテレセントリックであるべきである。一例では、受光器アセンブリ１０４の光学素子によって画像センサ１２２上に像が約−０．６０の倍率値で得られるが、−０．２〜−３．０などの他の倍率が提供されてもよい。
【００２６】
受光器アセンブリ１０４内の結像光学系１２０がもたらす光学的ひずみは非常に低い。樽型またはピンクッションひずみなどの光学的ひずみは、像平面における光軸からの径方向距離の関数としてのレンズ倍率の変化であり、パーセントで測定されるのが普通である。光学的ひずみによって、像スポットが画像センサ１２２上の間違った位置に配置されて、試験物体（ＴＯ）の試験面（ＴＳ）の誤った測定がなされる可能性がある。光学的ひずみを特徴付けて、その後に較正プロセスにおいて測定値から取り除くことができるが、ひずみが０．１％未満または好ましくは０．０２％未満となるようにレンズ設計プロセスの間にひずみを最小限にすることが好ましい。
【００２７】
一例では、図３及び図４に示すように、受光器アセンブリ１０４の結像光学系１２０は、単なる一例として、第１のレンズ素子１２６、開口絞り１２８、第２のレンズ素子１３０、及び光学フィルタ１３２を含んでいるが、受光アセンブリ１０４は、他のタイプ及び数の光学構成部品を結像光学系１２０の一部として含むことができる。
【００２８】
第１のレンズ素子１２６は、試験物体（ＴＯ）の試験面（ＴＳ）上の測定場所１１６から受光器アセンブリ１０４に入る光を受信するように位置している。この例では、第１のレンズ素子１２６は、片面または両面が非球面である非球面レンズであるが、他の特徴を有する他のタイプ及び／もしくは数の他のレンズ、または他の数の球面及び非球面を第１のレンズに用いてもよい。第１のレンズ素子１２６は、試験物体（ＴＯ）の試験面（ＴＳ）上の測定場所１１６から受信された光を開口絞り１２８に向けて集束させる。この例では、第１のレンズ素子１２６はガラスレンズであるが、他のタイプ及び／または数の他の材料、例えばポリマー材料、例えばアクリル、ポリカーボネート、ポリスチレン、または低吸湿及び低膨張を有するポリマー材料、例えば単なる一例として、Ｚｅｏｎｅｘから入手可能なシクロオレフィンポリマー、例えばＺｅｏｎｅｘ  Ｅ４８Ｒを、第１のレンズ素子１２６に用いてもよい。
【００２９】
開口絞り１２８は、第１のレンズ素子１２６と第２のレンズ素子１３０との間でハウジング１１８内に配置されている。開口絞り１２４によって、第２のレンズ素子１３０に入る光の量が限定され、したがって、画像センサ１２２の焦点面に到達する光の量が限定される。より重要なことは、開口絞り１２４は、すべての非テレセントリック光線が第２のレンズ素子１３０を通過することをブロックするように構成され位置決めされていることである。開口の直径は０．１ｍｍ〜５．０ｍｍとすることができる。
【００３０】
第２のレンズ素子１３０はハウジング１１８内に位置していて、開口絞り１２８を通って発せられた光を受信する。この例では、第２のレンズ素子１３０は非球面レンズであるが、他の構成を有する他のタイプ及び／もしくは数の他のレンズ、または他のタイプ及び／もしくは数の非球面もしくは球面を、第２のレンズ素子１３０に用いてもよい。第２のレンズ素子１２６は、試験物体（ＴＯ）の試験面（ＴＳ）上の測定場所１１６に位置するスポットの像を画像センサ１２２上に与えるように構成されている。この例では、第２のレンズ素子１３０はガラスレンズであるが、他の材料、例えばポリマー材料、例えばアクリル、ポリカーボネート、ポリスチレン、または低吸湿及び低膨張を有するポリマー材料、例えば単なる一例として、Ｚｅｏｎｅｘから入手可能なシクロオレフィンポリマー、例えばＺｅｏｎｅｘ  Ｅ４８Ｒを、第２のレンズ素子１３０に用いてもよい。
【００３１】
光学フィルタ１３２はハウジング１１８内に位置していて、第２のレンズ素子１３０からの光を受信する。光学フィルタは、画像センサ１２２または他の検出器が検知することができる波長の光を選択的に透過させることができるように構成されている。より詳細には、光学フィルタ１３２は、光源アセンブリ１０２の光源１０８から発せられた光ビーム１１４内に含まれるこれらの波長のみを透過させる。この例では、光学フィルタ１３２の入力面直径は約１０ｍｍであるが、光学フィルタ１３２の入力面は他のサイズ、例えば５ｍｍ〜４０ｍｍであってもよい。更に、光学フィルタ１３２のその２つの表面の間にウェッジを導入して、画像センサ１２２上にゴースト像を出現させる可能性がある光学フィルタ１３２内の複数の光反射を緩和または除去することができる。更に、光学フィルタ１３２をハウジング１１８内で傾けて、すなわち光学フィルタ１３２のいずれの面も光軸に垂直でないように、設置することができ、これによって、ゴースト像の発生が更に減る。光学フィルタ１３２は、通過帯域幅が５０ｎｍよりも短いバンドパスフィルタであることができ、通過帯域の中心波長を光源１０８の発光波長と実質的に等しくすることができる。
【００３２】
画像センサ１２２または他の光検出装置は、受光器アセンブリ１０４内の結像光学系１２０の焦点面における光を受信するように位置決められている。画像センサ１２２または他の検出器を、光ビーム１１４内に存在する波長に適応させて、これらの波長が検出できるようにしてもよいが、一般的に、画像センサ１２２または他の検出装置はシリコンから構成され、約４００ｎｍ〜１１００ｎｍの幅広いスペクトル感度範囲を有している。画像センサ１２２はＣＣＤまたはＣＭＯＳ画像センサであってもよいが、他のタイプ及び／または数の検出器、例えば四分円センサ（例えば単なる一例として、Ｏｐｔｏ  Ｄｉｏｄｅ  Ｃｏｒｐ（カマリロ、カリフォルニア州）からのＳＸＵＶＰＳ４）または位置検知装置を用いてもよい（例えば単なる一例として、Ｏｎ−Ｔｒａｋ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｉｎｃ．（アーバイン、カリフォルニア州）からの２Ｌ４ＳＰ）。
【００３３】
この特定の例では、画像センサ１２２は、少なくとも４８０×５１２画素を有する４ｍｍ×４ｍｍのアクティブ領域を提供するが、他のアクティブ領域寸法を有する画像センサを用いてもよい。この例では、画像センサ１２２はモノクロであり、５００ｎｍ〜５５５ｎｍの範囲の緑色光に対して特に高感度であるが、画像センサ１２２は他の波長範囲における感度を示してもよい。一例では、画像センサ１２２は選択可能な対象領域を提供する。単なる一例として、画像センサ１２２は、Ｌｕｘｉｍａにより製造されたモデル番号ＬＵＸ３３０、またはＯｎ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ（フェニックス、アリゾナ州、米国）からのモデル番号ＶＩＴＡ  １３００  ＮＯＩＶ１ＳＮ１３００Ａであってもよいが、他の画像センサを用いてもよい。
【００３４】
別の例では、画像センサ１２２は、２Ｄ画像センサの代わりに、画素のラインが例えば１×２０４８アレイで配列されるリニアアレイセンサであることができるが、１×６４画素から１×６５，５３６画素までの他のアレイを用いることができる。この例では、画素のラインはＸ軸の方向に配向されているため、試験面（ＴＳ）の高さの変化（画像センサ１２２におけるＸ方向の像の場所の変化として現れる）が認識されることができる。好適な１Ｄまたはライン画像センサの例は、ＯＮ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ（フェニックス、アリゾナ州、米国）からのＫＬＩ−２１１３である。
【００３５】
この例では、デジタルプロセッサ１０６は、光源ドライバ１１２と画像センサコンピュータインターフェース１２４とに結合されているが、デジタルプロセッサを他のタイプ及び数の装置またはインターフェース、例えば以下で更に説明するような回転ステージドライバ１３４に、結合してもよい。この例では、デジタルプロセッサ１０６は、高集積化されたマイクロコントローラ装置に種々のオンボードハードウェア機能、例えばアナログデジタル変換器、デジタルアナログ変換器、シリアルバス、汎用Ｉ／Ｏピン、ＲＡＭ、ＲＯＭ、及びタイマが伴ったものである。デジタルプロセッサ１０６は、少なくとも、プロセッサ及びプロセッサと互いに結合されたメモリを含んでいてもよく、プロセッサは、本明細書で例として説明及び例示した特許請求した技術の１つ以上の態様のために、メモリに記憶された記憶命令のプログラムを実行するように構成されているが、他のタイプ及び／または数の他の処理装置及びロジックを用いることができ、またデジタルプロセッサ１０６または他のプロファイル測定コンピューティング装置は、他の場所に記憶されそこから得られる他の数及びタイプのプログラムされた命令を実行することができる。
【００３６】
別の実施形態では、デジタルプロセッサ１０６を光学式プロファイラ１００から分離して、例えば別個のマシンプロセッサまたは他のプロファイル測定コンピューティング装置内に、配置してもよい。デジタルプロセッサ１０６は更に、他のプロファイル測定コンピューティング装置とシリアルデ−タバスを通して通信してもよいが、デジタルプロセッサ１０６は他のタイプ及び数の通信ネットワーク上で通信してもよい。更に、単なる一例として、デジタルプロセッサ１０６と、光源ドライバ１１２、画像センサコンピュータインターフェース１２４、または回転ステージドライバ１３４との間の通信を、ＳＰＩまたはＣＡＮバスなどのシリアルバス上で行なうことができる。
【００３７】
次に図５を参照すると、一例では、任意的な回転ステージ１０７を用いて試験物体（ＴＯ）の回転を提供するが、試験物体を測定するための標準ゲージの一部である回転ステージを用いてもよい。回転ステージ１０７は、試験物体（ＴＯ）を受けて、試験物体（ＴＯ）をその回転軸（Ａ）の周りで回転させるように構成されている。この例では、回転ステージ１０７は、台板１３６、モータ１３８、及び心押し台１４０を含んでいるが、回転ステージ１０７は他のタイプ及び数の要素または装置を他の組み合わせで含んでいてもよい。回転ステージ１０７は、試験物体（ＴＯ）の回転軸（Ａ）がモータ１３８の軸及び心押し台１４０の軸に実質的に一致するようにモータ１３８と心押し台１４０との間に取り付けられた試験物体（ＴＯ）を受けるように構成されている。試験物体（ＴＯ）の典型的なスライス（Ｘ）の場所も示しており、ローブ（ＣＬ）及び試験面（ＴＳ）と交差してこれらを貫通している。この例では、典型的なスライス（Ｘ）は回転軸（Ａ）に垂直であり、スライス（Ｘ）の点はすべて実質的に平面内にある。
【００３８】
回転ステージ１０７のモータ１３８は回転ステージドライバ１３４に電子的に結合されていて、必要に応じて回転ステージドライバ１３４から電子信号を受信して、その回転位置を制御する。モータ１３８は、ステッピングモーター、ＤＣモータ、またはブラシレスＤＣモータであることができるが、他のタイプのモータを用いることができる。モータ１３８はまた、モータ１３８の所与の回転量に対して試験物体（ＴＯ）の回転量を減らすかまたは増やすギアボックスを含むことができる。
【００３９】
一例では、回転ステージ１０７によって、プロファイル測定プロセス中に試験物体（ＴＯ）の連続的回転が得られるが、回転ステージ１０７によって、測定プロセス中に試験物体（ＴＯ）の回転軸（Ａ）周りの離散的な角変位が得られてもよい。
【００４０】
１つの特定の例では、図２に示すように、回転ステージ位置センサ１４２、例えば角度位置を検知または測定するロータリーエンコーダを用いて、回転ステージ１０７の角度位置を測定してもよい。回転ステージ位置センサは、デジタルプロセッサ１０６に電気的に結合されていて、回転ステージ１０７の角度位置に関する情報を測定して、その情報を、回転ステージ１０７の角度位置を正確に制御するためのフィードバックループの一部として、デジタルプロセッサ１０６に電子的に伝達することができるように構成されている。回転ステージ位置センサ１４２を回転ステージモータ１３８と同じ場所に配置してもよいし、または心押し台１４０内に一体化してもよい。
【００４１】
次に光学式プロファイラ１００の典型的な動作について、図２〜図４に対して説明する。図４の光学式プロファイラ１００の等角図及び図３の端面図におけるＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の定義に言及すると、Ｚ軸は試験物体（ＴＯ）に平行である（または試験物体（ＴＯ）の回転軸（Ａ）に平行である）と規定され、Ｙ軸は垂直方向にあってかつ受光アセンブリ１０４に平行であり、Ｘ軸はＹ軸及びＺ軸の両方に垂直な左右方向にあるが、他の軸定義を構成及び規定することができる。
【００４２】
また図３及び図４に示す試験物体（ＴＯ）は、回転軸（Ａ）、回転方向（Ｒ）、測定すべき試験面（ＴＳ）、及び試験物体（ＴＯ）のシャフト（Ｓ）の公称上の円柱面内にないカムローブ（ＣＬ）を有している。特許請求した技術は、例えば、スライスの平面が回転軸（Ａ）に実質的に垂直である、試験物体（ＴＯ）のスライスプロファイルを測定してもよいが、例えば以下でより詳細に説明する例のように、平面及び非平面の他のスライスまたは他のプロファイル構成が可能である。一例では、試験物体（ＴＯ）はカムシャフトであり、例えば、カムローブ（ＣＬ）の高さは０．５０ｍｍ〜２５．０ｍｍであることができ、シャフト（Ｓ）の直径は５ｍｍ〜１００ｍｍであることができるが、光学式プロファイラ１００を用いて、他の寸法を有するカムシャフトを含む他の物体を測定してもよい。
【００４３】
動作時には、光源アセンブリ１０２を試験物体（ＴＯ）に対して位置決めする。次に、光源アセンブリ１０２内の光源１０８を、一例として光源ドライバ１１２を用いて、作動させて、光ビーム１１４を光源アセンブリ１０２から発する。光源光学系１１０によって、レチクルのアパーチャの焦点像が、試験物体（ＴＯ）の試験面（ＴＳ）上の測定場所１１６に与えられる。光源アセンブリ１０２の出力は、光源アセンブリ１０２内の光源光学系１１０によって、試験物体（ＴＯ）の試験面（ＴＳ）上の測定場所１１６に実質的に焦点が合う光ビーム１１４である。測定場所１１６に集束された試験光は、光源アセンブリ１０２内のレチクルの透明なアパーチャの形状を保持する。試験面（ＴＳ）上の測定場所１１６における像スポットが真円でない例では、光源アセンブリ１０２は、スポットの主軸が試験物体（ＴＯ）の回転軸（Ａ）と平行になるように位置決めされる。
【００４４】
受光器アセンブリ１０４は、試験面（ＴＳ）から散乱または反射された光ビーム１１７を受信するように位置決めされている。測定場所１１６において試験物体（ＴＯ）によって反射または散乱される光ビーム１１４からの光は、試験物体（ＴＯ）の表面仕上げに応じて鏡面反射成分及び拡散成分の両方を伴って反射される。拡散反射光１１７の一部を結像レンズ１２２によって集めるが、いくつかの構成では、反射光１１７はまた、正反射を含むこともできる。拡散反射光１１７は結像光学系１２０に入り、結像光学系１２０は、この例では、第１のレンズ素子１２６、開口絞り１２８、第２のレンズ素子１３０、及び光学フィルタ１３２を含んでおり、これらは受光アセンブリ１０４の一部である。
【００４５】
この特定の例では、結像光学系１２０は、物体空間においてテレセントリックかつ像空間においてテレセントリックであるように、または二重テレセントリックであるように構成されている。テレセントリックという性質は、結像光円錐または光束が、物体空間または像空間において結像光学系１２０の光軸に実質的に平行であることを意味する。これは、計測レンズにとって有用である。なぜならば、距離、特に、試験物体（ＴＯ）と第１のレンズ素子１２６との間の距離が変化したときに、画像センサ１２２上の像スポットの位置が変化しないからである（その集束の質は変化するが）。したがって、物体距離（すなわち、試験物体（ＴＯ）と第１のレンズ素子１２６との間の距離）が変化しても、試験物体（ＴＯ）のプロファイルの測定には影響しない。結像光学系１２０を、像空間でもテレセントリックであるように設計すると、第２のレンズ素子１３０と画像センサ１２２との間の距離に（例えば、温度変動または機械公差により）変動が生じても、画像センサ１２２上の像の場所及び試験物体（ＴＯ）のプロファイルの測定には影響しないようにすることができる。
【００４６】
すべての良好な計測レンズと同様に、特許請求した技術の結像光学系１２０は、前述したように、光学的ひずみが非常に低く、テレセントリシティが良好であるようにすべきである。ひずみは、視野にわたっての倍率の変化と考えることができるが、非テレセントリシティは、変化する前方または後方焦点距離の関数としての倍率の変化と考えることができる。光学的ひずみと非テレセントリシティとを設計によって最小限にすることができるが、特徴付けて較正プロセスにおいて除去することができる多少の残留ひずみ及び非テレセントリシティが常に存在する。このような較正プロセスの１つは、試験物体（ＴＯ）の代わりに物体空間内に配置されたマイクロディスプレイを用いることを伴う。具体的には、マイクロディスプレイは結像光学系１２０の光軸上に中心が置かれ、レンズから３つの異なる既知の距離、例えば９．０ｍｍ、１１．０ｍｍ、及び１３．０ｍｍなどに、配置される。マイクロディスプレイのＹ位置の各々について、マイクロディスプレイの既知の画素パターンを照射して、画像センサ１２２上に結像させる。結像されたパターンを次に、デジタルプロセッサ１０６によって、画像画素誤配置（すなわち、物体距離に伴うまたは視野にわたる、倍率の変化）について解析し、ここから、結像光学系１２０のひずみとその非テレセントリシティとを計算することができる。好適なマイクロディスプレイは、６００ｘ８００画素を有し、９ｍｍｘ１２ｍｍの表示領域を有する、Ｋｏｐｉｎ社によるルビーＳＶＧＡマイクロディスプレイモジュール製品ライン内のもののいずれかとすることができる。
【００４７】
試験物体（ＴＯ）の試験面（ＴＳ）からの反射光１１７の少なくとも一部は、散乱されるかまたはそうでなければ反射されて受光器アセンブリ１０４内に入り、前述したように結像光学系１２０を通過し、その後、画像センサ１２２上で結像される。画像処理を単純にするために、一例では、受光器アセンブリ１０４を、受光器アセンブリ１０４の光軸が試験物体（ＴＯ）の回転軸（Ａ）と交差するように位置決めする。
【００４８】
結像光学系１２０によって、反射光１１７から、測定場所１１６において試験物体（ＴＯ）上に投影された光のスポットまたはパターンの像が、画像センサ１２２上に形成される。画像センサ１２２は、画素化されていようと非画素化であろうと、そこに形成された像を電子信号に変換し、電子信号は次に画像センサカメラインターフェース１２４に入力される。画像センサカメラインターフェース１２４は、この例では、画像センサ１２２によって出力されたアナログ信号（複数可）を、画像センサカメラインターフェース１２４によってデジタルプロセッサ１０６に出力されかつデジタルプロセッサ１０６による処理に適しているデジタル形式に変換する、１つ以上のＡ／Ｄ（アナログデジタル）変換器を含んでいるが、他のタイプのインターフェースを用いてもよい。
【００４９】
画像センサ１２２上の像の中心の位置は試験物体（ＴＯ）の半径の関数であり、該半径とは、測定場所１１６から回転軸（Ａ）までの、回転軸（Ａ）に垂直なラインに沿った半径方向距離である。画像センサ１２２上の像をその後、デジタルプロセッサ１０６によって読み取って解析して、像の中心を数学的に計算するが、像の他の特徴、すなわち角部などの中心以外の位置を数学的に特定し、三角測量アルゴリズムを用いた半径計算のために用いることができる。
【００５０】
回転ステージ１０７を用いて試験物体（ＴＯ）を回転軸（Ａ）の周りで回転させてもよい。試験物体（ＴＯ）が回転軸（Ａ）の周りで回転すると、（回転度、半径）の座標を有する一連の点が生成され、これらの点によって、スライス（Ｘ）における試験面（ＴＳ）または試験物体（ＴＯ）を通る断面が幾何学的に記述される。出力スライスデータ情報を図６に示すように図式的に表示することができ、図６において、グラフの水平軸は回転度（回転軸（Ａ）周り）であり、グラフの垂直軸は試験物体（ＴＯ）の半径（点なしの線、ミリメートル）または試験物体（ＴＯ）の半径誤差（点線、ミクロン）である。
【００５１】
光学式プロファイラ１００の使用の別の典型的な実施形態を図７〜図１０に例示し、ここで光学式プロファイラ１００は、スライディングカム（ＳＣ）の螺旋状のカム溝（ＨＣＧ）をプロファイルしなければならない場合のように、スライスの点が平面内にない、カムシャフト（ＣＡＭ）などの試験物体のスライスを測定することに適応されている。この例では、カムシャフト（ＣＡＭ）はまた、カムローブ（ＣＬ１）及びカムローブ（ＣＬ２）を含んでいる。光学式プロファイラ１００の構造及び動作は、以下の例を参照して本明細書で例示及び説明するもの以外は、前述したものと実質的に同じである。カムシャフト（ＣＡＭ）の測定について説明したが、当然のことながら、光学式プロファイラ１００を用いて、他の構成を有する他の対象物体、例えば単なる一例として、クランクシャフト及びプロペラを、測定することができる。
【００５２】
この例では、カムシャフト（ＣＡＭ）上のスライディングカム（ＳＣ）は、前述したように回転ステージ１０７上に取り付けられる。この例では、光源アセンブリ１０２及び受光器アセンブリ１０４が光学取付板１５０上に取り付けられており、光学取付板１５０自体は、垂直並進ステージ１５２及び水平並進ステージ１５４に取り付けられている。水平並進ステージ１５４は、回転ステージ１０７の台板１３６上に取り付けられた背板１５８に付けられたレール１５６に取り付けられているが、光源アセンブリ１０２と受光器アセンブリ１０４とを、他のタイプ及び数の要素または装置に他の構成で付けてもよい。この典型的な構成によって、単なる一例として、図７に示すようなスライディングカム（ＳＣ）の螺旋状のカム溝（ＨＧＣ）の場合のように、スライスの点が平面内にないカムシャフト（ＣＡＭ）のスライスの測定が可能になる、という利点がある。
【００５３】
図７〜図９を再び参照すると、光学取付板１５０は、光源アセンブリ１０２と受光器アセンブリ１０４とを、実質的に４５度の角度配向で、互いに対して固定位置に保持するように構成されているが、他の角度配向も許容できる。代替的に、光源アセンブリ１０２及び受光アセンブリ１０４の一方または両方を、更なる回転ステージ上に取り付けて、特許請求した技術の光学式プロファイラ１００の汎用性及び能力を改善することができる。例えば、スライディングカム（ＳＣ）の螺旋状のカム溝（ＨＣＧ）の最下表面のプロファイルの測定を望み、螺旋状のカム溝（ＨＣＧ）がその幅と比べて非常に深い場合、光源アセンブリ１０２から発せられた光ビーム１１２が螺旋状のカム溝（ＨＣＧ）の側面によって切り取られないように、光源アセンブリ１０２の光軸と受光器アセンブリ１０４との間の角度は、４５度未満、例えば１０度〜４０度であるべきである。
【００５４】
光学取付板１５０は垂直並進ステージ１５２に取り付けられており、垂直並進ステージ１５２は、必要に応じて、光源アセンブリ１０２と受光器アセンブリ１０４とを垂直方向Ｙ方向に移動させて、カムシャフト（ＣＡＭ）試験物体またはスライディングカム（ＳＣ）試験物体の様々な直径に適応するように構成されている。水平並進ステージ１５４は、レール１５６に沿って進んで、光源アセンブリ１０２と受光器アセンブリ１０４とをＺ方向に移動させて、様々な非平面スライス測定プロファイル、または回転軸（Ａ）に垂直でない平面スライスプロファイルに適応する。
【００５５】
次に図１０を参照すると、この例では、垂直並進ステージ１５２及び水平並進ステージ１５４が、それぞれ垂直並進ステージドライバ１５８及び水平並進ステージドライバ１６０を通してデジタルプロセッサ１０６に動作可能に結合され、デジタルプロセッサ１０６と通信する。デジタルプロセッサ１０６は、前述した更なるドライバ及びインターフェースだけでなく、垂直並進ステージドライバ１５８及び水平並進ステージドライバ１６０にも電子的に結合されて、これらと通信する。
【００５６】
垂直並進ステージドライバ１５８及び水平並進ステージドライバ１６０は、プログラマブルロジックを含んでいても含んでいなくてもよい電子回路であり、デジタルプロセッサ１０６から並進命令を受信して、これらの命令を正確な電流、電圧、及び波形の電子信号に変換し、これらの信号は、垂直並進ステージ１５２及び水平並進ステージ１５４のモータにそれぞれ出力されて、次に、並進ステージ１５２及び１５４の位置決め及びモータの運動を、したがって並進ステージ１５２及び１５４の直線位置を制御する。
【００５７】
垂直並進ステージ１５２及び水平並進ステージ１５４はそれぞれ、モータ（図示せず）と、モータの回転運動を直線並進運動に変換する内部メカニズム（図示せず）とを含むか、または代替的に、並進ステージ１５２及び１５４用のモータを、本質的に直線並進運動を生じさせるリニアモータとすることができる。並進ステージ１５２及び１５４のモータは、垂直並進ステージドライバ１５８及び水平並進ステージドライバ１６０にそれぞれ電子的に結合されていて、必要に応じてドライバ１５８及び１６０から電子信号を受信して、ステージ１５０及び１５２の直線位置を制御する。モータは、ステッピングモーター、ＤＣモータ、またはブラシレスＤＣモータであってもよいが、他のタイプのモータを用いることができる。モータはまた、モータの所与の回転量に対して並進ステージ１５２及び１５４の直線運動の量を減らすかまたは増やすギアボックスを含むことができる。
【００５８】
デジタルプロセッサ１０６はまた、垂直並進ステージ位置センサ１６２及び水平並進ステージ位置センサ、例えばリニアエンコーダに、電気的に結合されており、リニアエンコーダは、リニアステージの直線位置を検知または測定し、その情報を、垂直並進ステージ１５２及び水平並進ステージ１５４それぞれの直線位置を正確に制御するためのフィードバックループの一部として、デジタルプロセッサ１０６に電子的に伝達する。位置センサ１６２及び１６４を並進ステージ１５２及び１５４内にそれぞれ一体化してもよい。代替的に、位置センサ１６２及び１６４は干渉計測法に基づいてもよく、干渉計測法では、直線距離の変化を干渉縞の全体及び部分変化をカウントすることによって測定し、これは、例えば、Ｚｙｇｏ  Ｃｏｒｐ．（ミドルフィールド、コネチカット州、米国）によって製造される、ＺＭＩシリーズの変位測定干渉計によって測定される。
【００５９】
次に、単なる一例として、スライディングカム（ＳＣ）の螺旋状のカム溝（ＨＣＧ）の最下表面のプロファイルの測定で用いるための光学式プロファイラ１００の典型的な動作について、図７〜図１１に対して説明する。例えば、螺旋状のカム溝ＨＣＧの最下表面を測定するためには、試験カムシャフト（ＣＡＭ）試験物体を、モータ１３８と心押し台１４０との間で回転ステージ１０７に設置して、最初の位置決めを、例えば、第１の測定場所が上方を向く（例えば、Ｙ方向を向き、かつ受光アセンブリ１０４がその初期位置またはホーム位置にあるときに受光アセンブリ１０４の光軸上にある）ように行なう。
【００６０】
次に垂直並進ステージ１５２を、光源アセンブリ１０２と受光器アセンブリ１０４とがカムシャフト（ＣＡＭ）試験物体の上方の正確な高さにくるように設定して、光ビーム１１４が螺旋状のカム溝（ＨＣＧ）の最下部に像を形成し、この像が受光器アセンブリ１０４の画像センサ１２２においても焦点が合うようにする。水平並進ステージ１５４を次に、受光器アセンブリ１０２がその開始位置において螺旋状のカム溝（ＨＣＧ）の上方で中心に位置するように位置決めする。この例では、デジタルプロセッサ１０６は、受光器アセンブリ１０２の光軸が螺旋状のカム溝（ＨＣＧ）内の実質的に中心に置かれたままとなるように、モータ１３８がプロファイル測定動作中に回転している間、水平並進ステージ１５４に水平方向に並進するよう命令するように、予めプログラムされている。
【００６１】
次に実際のプロファイル測定プロセスが始まり、測定プロセス中、（１）光源アセンブリ１０２を作動させて、光ビーム１１４を螺旋状のカム溝（ＨＣＧ）の最下部に送り、（２）回転ステージ１０７のモータ２３８を回転させ、カムシャフト（ＣＡＭ）を回転させて、螺旋状のカム溝（ＨＣＧ）の異なる部分が試験ビーム１１４及び受光アセンブリ１０４に示されるようにし、（３）光ビーム１１４の焦点と受光アセンブリ１０４の光軸とが、螺旋状のカム溝（ＨＣＧ）の中心に置かれたままとなるように、水平並進ステージ１５４によって光源アセンブリ１０２及び受光アセンブリ１０４をＺ方向に並進させ、ならびに（４）螺旋状のカム溝（ＨＣＧ）の最下部における試験光の像を画像センサ１２２上に形成して、これを次にデジタルプロセッサ１０６によって読み取って処理して、回転ステージ１０７のモータ１３８の角度位置によって決定された螺旋状のカム溝（ＨＣＧ）の場所におけるカムシャフト（ＣＡＭ）試験物体の高さまたは半径を計算する。
【００６２】
一例では、カムシャフト（ＣＡＭ）または他の試験物体のプロファイルの測定に必要な総時間は、測定点の密度、測定点の数、ステージングの速度、ならびに画像センサ１２２及びデジタルプロセッサ１０６の速度に依存して、０．１秒〜１００秒である。
【００６３】
垂直並進ステージ１５２を、垂直並進ステージ位置センサ１６２、回転ステージ位置センサ１４６、デジタルプロセッサ１０６、及びデジタルプロセッサ１０６内にプログラムされたカムシャフト（ＣＡＭ）などの試験物体の演繹的知識と合わせて用いて、カムシャフト（ＣＡＭ）がその軸の周りで回転するとき（及び、例えば、カムローブなどの高くなった特徴部が結像光学系１２０の視野を通過するとき）に、結像光学系１２０に対する被写界深度の要件を軽減するため、またカムローブと受光アセンブリ１０２との間の衝突を防止するために、受光器アセンブリ１０６がカムシャフト（ＣＡＭ）のプロファイルを追跡する（すなわち、図３に示すように、試験測定場所１１６と第１のレンズ素子１２２との間に実質的に一定の距離を維持する）ことができるようにしてもよい。
【００６４】
カムシャフト（ＣＡＭ）の測定に含まれる方法ステップの典型的な順序を図１１のフローチャートに例示し、これを図１〜図１１を参照して以下に説明する。ステップ３００では、カムシャフト（ＣＡＭ）などの試験物体を回転ステージ１０７内に取り付ける。次にステップ３０１ではプロファイル測定を開始する。一例として、プロファイル測定を、デジタルプロセッサ１０６を通して与えられるオペレータ指示によって開始してもよい。
【００６５】
ステップ３０２では、デジタルプロセッサ１０６が、回転ステージ１０７、垂直並進ステージ１５２、及び水平並進ステージ１５４を含む３つのステージのうちの１つ以上またはすべてに対して、それらのホーム位置または開始位置に戻るように、それらのそれぞれのドライバ１３４、１５８、及び１６０を通して命令を与える。こうして、デジタルプロセッサ１０６は、それぞれのステージ位置センサ（１４２、１６２、及び１６４）によって正確な場所を認知し、カムシャフト（ＣＡＭ）は測定のための公称位置にある。次にステップ３０４では、デジタルプロセッサ１０６が、光源１０８に対して、オンになるように、光源ドライバ１１２を介して命令を与える。光源１０８がオンにされた時点で、像が画像センサ１２２上に存在するはずである。
【００６６】
次にステップ３０６では、デジタルプロセッサ１０６が画像センサ１２２から画像を得る。この例では、デジタルプロセッサ１０６が、画像センサコンピュータインターフェース１２４に命令を与え、画像センサ１２２を読み取って、それをデジタル形式に変換し、デジタル形式は次に、デジタルプロセッサ１０６によって読み込まれる。ステップ３０８では、デジタルプロセッサ１０６は、画像センサコンピュータインターフェース１２４を通してデジタルプロセッサに読み込まれた画像を処理して、Ｘ方向の像の正確な場所を計算するが、他の場所情報をデジタルプロセッサによって処理してもよい。この場所は、像スポットの重心、十字線形状のスポットの２本のアームが交わる場所、または場所を正確かつ信頼性高く計算することができる像のいくつかの他の幾何学的特徴として規定することができることに留意されたい。
【００６７】
ステップ３１０では、デジタルプロセッサ１０６は、ステップ３０８で決定した像のＸ座標を用いて、測定場所１１６におけるカムシャフト（ＣＡＭ）などの試験物体の高さのＹ座標を、三角測量アルゴリズムを用いて決定する。この例では、三角測量アルゴリズムを実行するときに、デジタルプロセッサ１０６は、像のＸ座標情報だけでなく、試験光ビーム１１４の入射角についての知識（公称上は４５度）及び結像光学系１２０の倍率も用いて、カムシャフト（ＣＡＭ）上の測定場所１１６についての高さまたはＹ座標を計算する。
【００６８】
ステップ３０８及び３１０で説明したセントロイディング（ｃｅｎｔｒｏｉｄｉｎｇ）またはＸ座標計算に加えて、いくつかの他の画像処理機能、例えば単なる一例として、フィルタリング及びノイズ除去、閾値化、エッジ検出、ピーク検出、迷光検出及び除去、偽光スポット検出及び除去、ならびに／または較正パラメータの適用も、デジタルプロセッサ１０６によって画像処理過程において利用されるのが普通である。これらの画像処理機能は、複数のマイクロコントローラ／マイクロプロセッサを用いて画像処理計算を速めてスループットを向上させる並列処理法に役立つ。この例では、単なる一例として、数十のオンチッププロセッサを有することができ、かつ非常に費用対効果が高い、例えばＸｉｌｉｎｘ社からのＦＰＧＡが、画像処理機能を実行するために用られることができ、またデジタルプロセッサ１０６のプログラマブルデジタルロジックハードウェアの一部または全部を構成することができる。
【００６９】
ステップ３１０においてＹ座標高さを計算した後で、デジタルプロセッサ１０６は、ステップ３１２において、この特定の高さ計算が最後の必要な高さ計算であるか否かを確かめる。ステップ３１２において、例えばカムシャフト（ＣＡＭ）などの試験物体の完全な３６０度回転が測定された場合など、デジタルプロセッサ１０６が最後の測定値が得られたと判定した場合、ＹＥＳ分岐が取られてステップ３１４に行き、そこでデジタルプロセッサ１０６が光源ドライバ１１２を通して光源１０８に命令を与え、光源１０８をオフにする。ステップ３１６では、プロファイル測定プロセスが完了して終了する。プロセスステップ３１６の一部として、プロファイル測定が終了した時点で、カムシャフト（ＣＡＭ）などの試験物体についての高さデータ点、または半径データ点を、回転ステージ１０７の位置、水平並進ステージ１５４の位置の関数として表形式で配列することができ、半径または半径誤差データを、単なる一例として、図６に示すようにプロットすることができることに留意されたい。
【００７０】
しかし、ステップ３１２において、デジタルプロセッサ１０６が、カムシャフト（ＣＡＭ）などの試験物体の周りのより多くの外周データ点が必要であるため、測定プロセスは終了していないと判定した場合、この例では、デジタルプロセッサ１０６が、回転ステージドライバ１３４を通して回転ステージ１０７に１つ以上の命令を与え、ステップ３１８において次の位置まで回転させる。一例では、デジタルプロセッサ１０６が回転ステージ１０７に命令を与えて１．０度だけ回転させてもよい（しかし、回転命令を回転ステージドライバ１３４に出すことによって、０．００１〜１８０度の範囲の他の回転増分も許容できる）。外周データ点測定値の数は、カムシャフト（ＣＡＭ）などの試験物体の３６０度の一回転に対して１〜１，０４８，５７６とすることができることに留意されたい。
【００７１】
次にステップ３２０では、外周データ点が平面内にない場合、またはカムシャフト（ＣＡＭ）などの試験物体の軸に垂直ではない平面内にある場合、デジタルプロセッサ１０６が水平並進ステージドライバ１６０に１つ以上の命令を与え、水平並進ステージ１５４によってカムシャフト（ＣＡＭ）を水平方向に並進させる。またこのとき、次の外周データ点が、演繹的に、現在の点とは実質的に異なる高さに位置することが分かっている場合、デジタルプロセッサ１０６はまた、垂直並進ステージドライバ１５８に命令を出して、前述したように追跡する様式で垂直並進ステージ１５２を移動させてもよい。
【００７２】
ステージの移動が完了して、それらの移動の確認を、それらのそれぞれの位置センサ（１４２、１６２、及び１６４）を通してデジタルプロセッサ１０６が受信した後に、プロセスはステップ３０６に戻って、画像がデジタルプロセッサ１０６によって画像センサ１２２からもう一度得られる。そしてプロセスは、プロセスステップ３１２で決定されるように所望の外周の高さ測定がすべて行なわれるまで繰り返す。
【００７３】
前述したように、カムシャフト（ＣＡＭ）などの試験物体が回転している間に、画像センサ１２２上の像の位置は、試験物体（ＴＯ）の回転角度及び高さプロファイルに基づいて変化する。しかし、カムシャフト（ＣＡＭ）などの試験物体の長さに沿った長手方向のプロファイルを、デジタルプロセッサ１０６によって、特定の（変化しない）回転角度に基づいて、及び光学式プロファイラ１００が試験物体の長さの相当な部分にわたって並進するように水平並進ステージ１５４の位置を変えることによって、組み立てることができる。この特定の例では、試験物体の長手方向のスライスについての完全なプロファイル測定は、１００ミリ秒〜１００秒以内に完了することができる。
【００７４】
カムシャフト（ＣＡＭ）などの試験物体をその回転軸（Ａ）に沿って長さ方向に再位置決めすることによって、更なるスライスを試験物体の長さに沿って測定してもよい。代替的に、光学式プロファイラ１００を試験物体の長手方向軸に沿って再位置決めして、試験物体の異なるスライスにおけるデータを得てもよい。カムシャフト自体または光学式プロファイラ１００のいずれかを再位置決めすることによって、カムシャフト表面、すなわちローブ及びジャーナルの両方を、説明した測定技術を用いてプロファイルして、表面の三次元特性を計算することができる。一例では、光学式プロファイラ１００を、シャフトの回転中にカムシャフトの軸に沿って並進させて、カムシャフトの２つ以上の断面のスライスについてのデータを一度に得てもよい。
【００７５】
別の例では、２つ以上の光学式プロファイラ１００をゲージ上の異なる長手方向の場所に設置して並行して動作させて、測定スループットを向上させる、すなわち、複数のスライスを同時に測定してもよい。代替的に、複数の光学式プロファイラを試験物体上の同じ長手方向位置に配置して、平均化するための追加データ点を得て精度を向上させてもよいし、または完全なスライスプロファイルを測定するために必要な時間を短縮してもよい。
【００７６】
別の例では、スライス測定中に、試験物体をその回転軸（Ａ）の周りで３６０度を超えて回転させることができる。結果として得られるプロファイル中の点が実質的に同一平面上にあるならば、重複する測定点を測定精度または再現性の向上のために合わせて平均化することができる。
【００７７】
プロファイル測定プロセスをカムシャフトに用いて、誤差測定、例えば単なる一例として、カムの高さ誤差、真円度、びびり、平行度、直線性、及びジャーナルの半径、直径、真円度、及び直線性を得てもよい。別の例では、説明した測定技術を用いる一方で、カムシャフトまたは光学式プロファイラを、ローブまたはジャーナルの幅に対して軸方向に沿って移動させることによって、カムシャフトをクラウン、テーパ、凹面、凸面、及び幅について測定してもよい。
【００７８】
したがって、本技術を用いて、長距離または深いもしくは複雑なプロファイルを数ミクロンの精度内で測定しなければならない複雑な物体、例えば単なる一例としてカムシャフトまたはクランクシャフトの、プロファイルを得てもよい。典型的な技術は、これらの複雑なプロファイルを、非走査光源アセンブリを用いて測定するものであり、そのため、光学式プロファイリング装置のコスト及び複雑さが減る。更に、光学式プロファイリング装置を、カムシャフトまたはクランクシャフトを測定するために標準ゲージにおいてすでに利用されている回転ステージとともに用いてもよい。
【００７９】
本発明の基本的考え方をこのように説明したことで、当業者にはある程度明らかなように、前述の詳細な開示内容は単に一例として示すことが意図されており、限定していない。本明細書では明示的に述べていないが、種々の修正、改善、及び変更が行なわれ、これらは当業者に対するものである。これらの修正、改善、及び変更は、本明細書によって示唆されることが意図されており、本発明の趣旨及び範囲内である。したがって、本発明は添付の特許請求の範囲及びその均等物のみによって限定される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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