特許ウォッチ

公開番号2025083775
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-06-02
出願番号2023197357
出願日2023-11-21
発明の名称三次元形状計測方法
出願人日本電信電話株式会社,国立大学法人島根大学
代理人個人,個人,個人
主分類G01B 11/24 20060101AFI20250526BHJP(測定;試験)
要約【課題】被測定物の3次元的な外観形状または内部構造を高い奥行分解能で高速に測定することができる三次元形状計測システム及び方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係る三次元形状計測システムは、光強度が均一と見なせる2次元分布を有する超短光パルス列Ptを被測定物に照射する第1光源11と、繰返し周期が検査用の超短光パルス列Ptと異なり、パルス幅が超短光パルス列Ptより狭く、かつ光強度が均一と見なせる2次元分布を有する超短光パルス列Psを出力する第2光源12と、被測定物によって反射された超短光パルス列Pt’と超短光パルス列Psとを合波する干渉部13と、干渉光Piを受光する2次元フォトディレクタアレイ14と、干渉光Piから被測定物によって反射された超短光パルス列Pt’について、光強度の2次元分布の時間変化を測定し、被測定物の3次元形状を計算する演算部15と、を備える。
【選択図】図3
特許請求の範囲【請求項１】
光強度が均一と見なせる２次元分布を有する検査用の超短光パルス列を被測定物に照射する第１光源と、
繰返し周期が前記検査用の超短光パルス列と異なり、パルス幅が前記検査用の超短光パルス列より狭く、かつ光強度が均一と見なせる２次元分布を有するサンプリング用の超短光パルス列を出力する第２光源と、
前記被測定物によって反射された前記検査用の超短光パルス列と前記サンプリング用の超短光パルス列とを合波する干渉部と、
前記干渉部で合波された干渉光を受光する２次元フォトディレクタアレイと、
前記２次元フォトディレクタアレイが出力する前記干渉光の信号から前記被測定物によって反射された前記検査用の超短光パルス列について、光強度の２次元分布の時間変化を測定し、前記被測定物の３次元形状を計算する演算部と、
を備える三次元形状計測システム。
続きを表示（約 1,000 文字）【請求項２】
前記干渉光を偏波分離し、それぞれの偏波を前記２次元フォトディレクタアレイに受光させる偏波分離部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の三次元形状計測システム。
【請求項３】
所望の測定距離レンジをΔｚ、光速をｃ、前記検査用の超短光パルス列の繰り返し周期をＴ、前記サンプリング用の超短光パルス列の繰り返し周期をＴ＋ΔＴ、前記検査用の超短光パルス列のパルス幅と前記サンプリング用の超短光パルス列のパルス幅の差をΔｔとしたとき、式（Ｃ１）を満たすようにＴ、ΔＴ及びΔｔが設定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の三次元形状計測システム。
TIFF
2025083775000006.tif
31
170
【請求項４】
光強度が均一と見なせる２次元分布を有する検査用の超短光パルス列を被測定物に照射すること、
繰返し周期が前記検査用の超短光パルス列と異なり、パルス幅が前記検査用の超短光パルス列より狭く、かつ光強度が均一と見なせる２次元分布を有するサンプリング用の超短光パルス列を出力すること、
前記被測定物によって反射された前記検査用の超短光パルス列と前記サンプリング用の超短光パルス列とを合波して干渉させて干渉光とすること、
前記干渉光を２次元フォトディレクタアレイで受光すること、及び
前記２次元フォトディレクタアレイが出力する前記干渉光の信号から前記被測定物によって反射された前記検査用の超短光パルス列について、光強度の２次元分布の時間変化を測定し、前記被測定物の３次元形状を計算すること、
を行う三次元形状計測方法。
【請求項５】
前記干渉光を偏波分離し、それぞれの偏波を前記２次元フォトディレクタアレイで受光することを特徴とする請求項４に記載の三次元形状計測方法。
【請求項６】
所望の測定距離レンジをΔｚ、光速をｃ、前記検査用の超短光パルス列の繰り返し周期をＴ、前記サンプリング用の超短光パルス列の繰り返し周期をＴ＋ΔＴ、前記検査用の超短光パルス列のパルス幅と前記サンプリング用の超短光パルス列のパルス幅の差をΔｔとしたとき、式（Ｃ１）を満たすようにＴ、ΔＴ及びΔｔを設定することを特徴とする請求項４又は５に記載の三次元形状計測方法。
TIFF
2025083775000007.tif
31
170

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、被測定物の３次元的な外観形状または内部構造を測定する三次元形状計測システム及びその方法に関する。
続きを表示（約 3,500 文字）【背景技術】
【０００２】
インダストリー４．０の台頭と共に、スマートファクトリーの重要性が高まっている。このような自律した生産システムの実現の一環として、機械が工業製品の外観検査を実施する過程があり、そこで３次元（３Ｄ）形状のレーザ計測の利用が拡大している。また、高品質で繊細な形状や表面等を評価するためには高精細で信頼性の高い検査機器が必要であり、こうした役割も３Ｄレーザ計測が担うことが期待されている。
【０００３】
特に高い測定精度が要求される工業製品の外観検査においては、従来はノギスやマイクロメータ等による接触方式が用いられていた。ところが、これらの手法は人的労働に依存しており、長い計測時間が伴い、効率も低い。そこで近年、形状計測は超音波、高周波、光波等を用いた非接触方式に移行するようになった。これらの中で光波を用いた計測手法は高精細な３Ｄ形状を取得する能力を有しており、学術的な関心の高まりと共に、超スマート社会の実現に資する技術として産業界で注目を集めている。
【０００４】
そして、３Ｄレーザ計測の中でも、２次元（フラッシュ）ＬｉＤＡＲは可動走査部を持たず、対象物全体を照射して、２Ｄフォトディテクタアレイにより各画素に対応する距離を直接的に測定して、３Ｄ画像を出力する。他のＬｉＤＡＲと異なり、本技術は測定範囲の全ての位置を１度の計測でカバーすることができ、各検出で全体的なマッピングと環境認識を達成できる。したがって、生産ラインのタクトタイム内で迅速に部品の外観検査を行うことが期待できる。
【０００５】
前述のＬｉＤＡＲは物体の外観検査を行う技術であるのに対し、被測定物の内部の検査を実施する需要も当然ながら存在する。ＯＣＴはＯｐｔｉｃａｌＣｏｈｅｒｅｎｃｅＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ（光干渉断層撮影）（例えば、非特許文献４－８を参照。）の略語で、光の干渉性を利用して試料内部の構造を高分解能・高速で撮影する技術である。近赤外線を照射して非接触・非侵襲で撮像できるため、被爆の心配もなく、人体の様々な器官（眼底、皮下組織）の断層撮像に用いられている（例えば、非特許文献５－７を参照。）。近年はその利用領域が大幅に拡大し、産業、医療、生体等の様々な分野で利用されている（例えば、非特許文献８を参照。）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
Ｌａｎｇｅ，Ｒｏｂｅｒｔ，ａｎｄＰｅｔｅｒＳｅｉｔｚ． “Ｓｏｌｉｄ－ｓｔａｔｅｔｉｍｅ－ｏｆ－ｆｌｉｇｈｔｒａｎｇｅｃａｍｅｒａ”．ＩＥＥＥＪｏｕｒｎａｌｏｆｑｕａｎｔｕｍｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ３７．３（２００１）：３９０－３９７．
Ｓｔｏｐｐａ，Ｄａｖｉｄ，ｅｔａｌ． “ＡＲａｎｇｅＩｍａｇｅＳｅｎｓｏｒＢａｓｅｄｏｎ１０－ｕｍＬｏｃｋ－ＩｎＰｉｘｅｌｓｉｎ０．１８－ｕｍＣＭＯＳＩｍａｇｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”．ＩＥＥＥｊｏｕｒｎａｌｏｆｓｏｌｉｄ－ｓｔａｔｅｃｉｒｃｕｉｔｓ４６．１（２０１０）：２４８－２５８．
Ｃ．Ｓ．Ｂａｍｊｉ，Ｐ．Ｏ’Ｃｏｎｎｏｒ，Ｔ．Ｅｌｋｈａｔｉｂ，Ｓ．Ｍｅｈｔａ，Ｂ．Ｔｈｏｍｐｓｏｎ，Ｌ．Ａ．Ｐｒａｔｈｅｒ，Ｄ．Ｓｎｏｗ，Ｏ．Ｃ．Ａｋｋａｙａ，Ａ．Ｄａｎｉｅｌ，Ａ．Ｄ．Ｐａｙｎｅ，Ｔ．Ｐｅｒｒｙ，Ｍ．Ｆｅｎｔｏｎ，ａｎｄＶ．－Ｈ．Ｃｈａｎ， “Ａ０．１３ μｍＣＭＯＳｓｙｓｔｅｍ－ｏｎ－ｃｈｉｐｆｏｒａ５１２×４２４ｔｉｍｅ－ｏｆ－ｆｌｉｇｈｔｉｍａｇｅｓｅｎｓｏｒｗｉｔｈｍｕｌｔｉ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｐｈｏｔｏ－ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｕｐｔｏ１３０ＭＨｚａｎｄ２ＧＳ／ｓＡＤＣ”，ＩＥＥＥＪ．Ｓｏｌｉｄ－ＳｔａｔｅＣｉｒｃｕｉｔｓ，ｖｏｌ．５０，ｐｐ．３０３－３１９，２０１５．
Ｆｕｊｉｍｏｔｏ，Ｊａｍｅｓ，ａｎｄＥｒｉｃＳｗａｎｓｏｎ． “Ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｉｚａｔｉｏｎ，ａｎｄｉｍｐａｃｔｏｆｏｐｔｉｃａｌｃｏｈｅｒｅｎｃｅｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ”．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｖｅｏｐｈｔｈａｌｍｏｌｏｇｙ＆ｖｉｓｕａｌｓｃｉｅｎｃｅ５７．９（２０１６）：ＯＣＴ１－ＯＣＴ１３．
Ｆｕｊｉｍｏｔｏ，ＪａｍｅｓＧ．，ｅｔａｌ． “Ｏｐｔｉｃａｌｃｏｈｅｒｅｎｃｅｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ：ａｎｅｍｅｒｇｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｂｉｏｍｅｄｉｃａｌｉｍａｇｉｎｇａｎｄｏｐｔｉｃａｌｂｉｏｐｓｙ”．Ｎｅｏｐｌａｓｉａ２．１－２（２０００）：９－２５．
Ｙａｍａｓｈｉｔａ，Ｓｈｉｎｊｉ，ａｎｄＹｕｙａＴａｋｕｂｏ． “Ｗｉｄｅａｎｄｆａｓｔｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ－ｓｗｅｐｔｆｉｂｅｒｌａｓｅｒｓｂａｓｅｄｏｎｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｔｕｎｉｎｇａｎｄｔｈｅｉｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏｏｐｔｉｃａｌｃｏｈｅｒｅｎｃｅｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ”．ＰｈｏｔｏｎｉｃＳｅｎｓｏｒｓ３（２０１３）：３２０－３３１．
Ｇａｍｂｉｃｈｌｅｒ，Ｔｈｉｌｏ，ｅｔａｌ． “Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｏｐｔｉｃａｌｃｏｈｅｒｅｎｃｅｔｏｍｏｇｒａｐｈｙｉｎｄｅｒｍａｔｏｌｏｇｙ”．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｄｅｒｍａｔｏｌｏｇｉｃａｌｓｃｉｅｎｃｅ４０．２（２００５）：８５－９４．
Ｓｕ，Ｒｏｎｇ，ｅｔａｌ． “Ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅｓｏｆｍｉｄ－ｉｎｆｒａｒｅｄｏｐｔｉｃａｌｃｏｈｅｒｅｎｃｅｔｏｍｏｇｒａｐｈｙｆｏｒｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎａｎｄｍｉｃｒｏｍｅｔｒｏｌｏｇｙｏｆｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｃｅｒａｍｉｃｓ”．Ｏｐｔｉｃｓｅｘｐｒｅｓｓ２２．１３（２０１４）：１５８０４－１５８１９．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、工業製品の外観検査にはμｍ単位の外観の欠陥を検出する需要があるものの、そのような奥行分解能を有するフラッシュＬｉＤＡＲは存在しない。フラッシュＬｉＤＡＲの奥行精度は、撮像素子配列の応答速度により制限される（例えば、非特許文献１、２を参照。）。最近は研究段階で応答速度１３０ＭＨｚのフラッシュＬｉＤＡＲ（例えば、非特許文献３を参照。）も報告されているが、奥行き分解能はサブメートル程度であると予想される。つまり、フラッシュＬｉＤＡＲには奥行分解能を得ることが困難という課題がある。
【０００８】
また、ＯＣＴは基本的に参照経路を構築し、単一画素イメージングとレーザビーム走査の組み合わせであり、対象領域を時間をかけて走査して内部構造の３Ｄ情報を取得する。生体測定の場合、測定中に生体は静止しておく必要があり、産業用途においては生産ラインのタクトタイムがこの測定時間に律速される。つまり、ＯＣＴには測定の高速化が困難という課題がある。
【０００９】
本発明は、前記課題を解決するために、被測定物の３次元的な外観形状または内部構造を高い奥行分解能で高速に測定することができる三次元形状計測システム及び三次元形状計測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明に係る三次元形状計測システムは、線形光サンプリング（２コム干渉）技術を２次元に拡張することとした。
（【００１１】以降は省略されています）

関連特許