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公開番号2025043380
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-03-31
出願番号2024139573
出願日2024-08-21
発明の名称物体表面の高さプロファイルを検出するための光学センサ
出願人ジックアーゲー
代理人弁理士法人京都国際特許事務所
主分類G01B 11/25 20060101AFI20250324BHJP(測定;試験)
要約【課題】光切断法の原理により物体表面の少なくとも1つの高さプロファイルを検出する光学センサの検出精度を改善する方法を提供する。
【解決手段】少なくとも1本の光の線を物体表面に投影するように構成された光送信器20、受信素子の配列を有する光受信器32と光受信器32の上流側に配置された受信光学系34とを備える受信ユニット30、及び、光受信器32に接続され、光受信器32により記録された少なくとも1本の投影された光の線の像から高さプロファイルを決定するように構成された評価ユニット、を備え、受信ユニット20は更に、受信光学系34と関連付けられ且つ受信光学系34のアパーチャのサイズ及び/又は形状を変えるように構成された調節可能なアパーチャ36を備えており、評価ユニットは、少なくとも1本の投影された光の線の像の少なくとも1つの像パラメータに依存して調節可能なアパーチャ36を制御するように構成されている。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
光切断法の原理により物体表面の少なくとも１つの高さプロファイルを検出するための光学センサ（１１０、２１０）であって、
少なくとも１本の光の線を物体表面に投影するように構成された光送信器（２０）、
受信素子の配列を有する光受信器（３２）と前記少なくとも１本の投影された光の線の像を前記光受信器上に生成するために該光受信器の上流側に配置された受信光学系（３４）とを備える受信ユニット（３０）、及び、
前記光受信器（３２）に接続され、該光受信器（３２）により記録された前記少なくとも１本の投影された光の線の像から高さプロファイルを決定するように構成された評価ユニット、
を備える光学センサにおいて、
前記受信ユニット（３０）が更に、前記受信光学系（３４）と関連付けられ且つ該受信光学系（３４）のアパーチャのサイズ及び／又は形状を変えるように構成された調節可能なアパーチャ（３６）を備え、
前記評価ユニットが、前記少なくとも１本の投影された光の線の像の少なくとも１つの像パラメータに依存して前記調節可能なアパーチャ（３６）を制御するように構成されている
ことを特徴とする光学センサ（１１０、２１０）。
続きを表示（約 930 文字）【請求項２】
前記少なくとも１つの像パラメータが、前記記録された像中の像アーチファクトの有無、被写界深度、鮮明さ、明るさ及び／又は雑音レベルを含む、請求項１に記載の光学センサ（１１０、２１０）。
【請求項３】
前記評価ユニットが、前記少なくとも１つの像パラメータが各々の所定の最適値に収束するような前記受信光学系（３４）のアパーチャのサイズ及び／又は形状のその都度の最適な設定点を決定する最適化アルゴリズムに基づいて、前記調節可能なアパーチャを制御するように構成されている、請求項１又は２に記載の光学センサ（１１０、２１０）。
【請求項４】
前記最適化アルゴリズムが、前記アパーチャのサイズ及び／又は形状の前記最適な設定点を、複数の反復ステップを有する反復プロセスであって、各反復ステップにおいて前記アパーチャのサイズ及び／又は形状に対して異なる設定点が設定され、その設定点に対して対応する像が記録され、該像の前記少なくとも１つの像パラメータが決定される、という反復プロセスにより決定する、請求項３に記載の光学センサ（１１０、２１０）。
【請求項５】
前記評価ユニットが、複数の像パラメータに依存して前記調節可能なアパーチャ（３６）を制御するように構成されており、前記最適化アルゴリズムが、該像パラメータの各々の最適値に対する最適な近似が達成されるような最適な設定点を決定する、請求項３又は４に記載の光学センサ（１１０、２１０）。
【請求項６】
前記調節可能なアパーチャが、調節可能な液状アパーチャ又は電動式アイリス絞りである、請求項１～５のいずれかに記載の光学センサ（１１０、２１０）。
【請求項７】
前記調節可能なアパーチャ（３６）が長辺と短辺を有する長方形状である、請求項１～６のいずれかに記載の光学センサ（１１０、２１０）。
【請求項８】
前記長辺が前記光の線に垂直な方向に延在している、請求項７に記載の光学センサ（１１０、２１０）。
【請求項９】
前記長辺と前記短辺の比が調節可能である請求項７又は８に記載の光学センサ（１１０、２１０）。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、光切断法の原理により物体表面の少なくとも１つの高さプロファイルを検出するための光学センサに関する。本光学センサは、少なくとも１本の光の線を物体表面に投影するように構成された光送信器、受信素子の配列を有する光受信器と前記少なくとも１本の投影された光の像を前記光受信器上に生成するために該光受信器の上流側に配置された受信光学系とを備える受信ユニット、及び、前記光受信器に接続され、該光受信器により記録された前記少なくとも１本の投影された光の線の像から高さプロファイルを決定するように構成された評価ユニット、を備える。
続きを表示（約 1,900 文字）【背景技術】
【０００２】
光切断法は光切断三角測量法としても知られている。従って、前記光学センサは光切断三角測量センサと名付けることもできる。光切断法は物体の表面を非接触で測定するための２次元又は３次元の測定方法である。光送信器、該光送信器のビームにより照明された物体表面上の点、及び、光受信器が三角形を形成する。光送信器と受信ユニットが該三角形の基線を定める。光受信器上に形成される前記表面点又は交点に生じた光点の像の相対位置と、光学センサの幾何学的なパラメータ（基線の長さ又は視差並びに送信ビーム及び受信ビームと基線との間の角度を含む）とに基づき、三角測量の原理により前記表面点の高さ座標を計算することができる。従って、光受信器上の光点の像の（前記三角形の基線により定まる三角測量の方向にみた）位置は光送信器からの前記表面点又は交点の距離に依存する。
【０００３】
光学センサが物体表面の２次元又は３次元の高さプロファイルを検出できるようにするため、光送信器は１本又は複数本の光の線を物体表面に投影するように構成されている。少なくとも１本の光の線は通例、前記三角形により張られる平面に垂直に延在する。
【０００４】
物体表面の拡散反射特性によっては、光受信器により記録された光の線の像が余分にアーチファクトを示すことがある。例えば、物体が光沢のある表面を有していると、像は光の線の実際の像の他に側方線、二重線又は他の反射を示すことがある。
【０００５】
非特許文献１から、像の明るさを最適化するために光受信器の露光時間、口径及び／又は増幅を、ある物体の表面特性に適合させることが知られている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
２００８年３月にJohann Sladczykがドルトムント工科大学で著した卒業論文「３次元形状を検出するためのレーザ光切断システムの開発」（Diploma thesis “Entwicklung eines Laser-Lichtschnittsystems zur Erfassung von 3D-Geometrien“, authored by Johann Sladczyk at the Technical University of Dortmund in March 2008）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、上述したタイプの光学センサの検出精度を改善することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的は請求項１の特徴を有する光学センサにより満たされる。本発明によれば、前記受信ユニットは、前記受信光学系と関連付けられ且つ該受信光学系のアパーチャのサイズ及び／又は形状を変えるように構成された調節可能なアパーチャを備えており、前記評価ユニットは、前記少なくとも１本の投影された光の線の像の少なくとも１つの像パラメータに依存して前記調節可能なアパーチャを制御するように構成されている。
【０００９】
既に上述したように、光送信器と受信ユニットは三角測量の形で配置されている。言い換えれば、光送信器と受信ユニットは、三角測量の方向における前記投影された光の線の像の各部分の位置が該部分に対応する位置における前記物体表面のその都度の高さに依存するものとなるように、即ち、像中の当該部分を成す光の発出元の場所の高さに対応するように、互いに対して配置されている。
【００１０】
典型的には、物体表面の各々の表面点の測定高さは相対的な高さであり、事前に定義された基準面からの該表面点の距離と定義できる。三角測量の形になった光送信器と受信ユニットの配置は、光の線を成す光が広がるときにたどる送信軸と、受信光学系の受信軸とが互いに斜めになっているという幾何学的配置により説明することもできる。三角測量の方向は、傾斜の平面、即ち前記２軸により張られる平面内で延在しており、且つ、光送信器と受信ユニットとの間に延在する基線と平行である。典型的には、送信軸及び受信軸の少なくとも一方が基準面に対して傾いているが、普通は受信軸だけが基準面に対して傾いており、送信軸は基準面に垂直である。光送信器は光の線を、例えば線状の光源、円筒状の送信光学系及び／又はスリット絞りを用いて光源の線型の投影を生成することにより直接投影してもよいし、物体表面に沿って光点を走査することにより投影してもよい。
（【００１１】以降は省略されています）

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