用于外形尺寸的光学测量方法和测量装置与流程

本专利申请根据35U.S.C.§119的规定要求于2015年12月15日提交的日本专利申请2015-244239的优先权，该专利申请的公开内容通过完整引用结合在此。

技术领域

本发明涉及一种用于外形尺寸的光学测量方法和测量装置，尤其涉及一种同时沿多个方向测量被测物体的外径的方法和装置。

背景技术：

光学测量装置用于对被测物体的外形尺寸(例如圆柱体的外径)进行非接触测量。例如，使用激光扫描测微计、图像传感器测微计或光切型二维(2D)形状测量传感器。这些装置使用布置为带状的平行激光束或以带状平行扫描的激光束等根据由被测物体遮挡的阴影部分的尺寸检测被测物体的外径(参见日本专利公告2001-108413等)。

如图5所示，在激光扫描测微计90中，由光发射器91形成带状激光束B，使用光接收器92接收光束B。当在光束B的路径中间放置具有圆柱等形状的被测物体99时，光束B的一部分由被测物体99遮挡，并在被测物体99的后面形成阴影区BW。在光接收器92中，可通过检测在光束B下产生的阴影区BW的长度来测量被测物体99的外径D1。

当必须同时沿多个方向测量被测物体99的外径时，要使用专用的激光扫描测微计。如图6所示，用于同时沿两个方向测量物体的激光扫描测微计93配置有布置在相交方向上的两组光发射器94和95和光接收器96和97。在这种构造中，基于来自每组的光束，能够沿两个方向同时测量被测物体99的外径D1和D2。

如上所述，光学测量装置(例如现有的激光扫描测微计)基本上沿单个方向测量被测物体的外形尺寸，若想沿多个方向进行同时测量，则需要多组光发射器和光接收器。但是，在安装多组光发射器和光接收器时，可能增加装置的成本，并且可能需要增加空间以安装所有这些组光发射器和光接收器。

技术实现要素：

本发明提供一种用于外形尺寸的光学测量方法和测量装置，该光学测量方法和测量装置允许沿多个方向同时测量，并能防止增加装置成本和扩大安装空间。

本发明的测量方法是一种用于对被测物体的外形尺寸进行测量的外形尺寸光学测量方法。在此方法中，设置了形成由平行光束构成的带状测量光束的光发射器、反射测量光束并形成反射光束的反射器、以及接收反射光束的光接收器；光发射器和反射器布置为使得测量光束的光轴和反射光束的光轴相交，而且，测量光束和反射光束形成在同一个虚拟测量平面内；在测量光束中至少限定主测量光束和次测量光束；在反射光束中至少限定主反射光束和次反射光束，该主反射光束是主测量光束的反射光，该次反射光束是次测量光束的反射光；被测物体被置于测量平面的测量区中，主测量光束和次反射光束在该测量区中交叠；并且，根据显现在主反射光束中的被测物体的阴影测量被测物体的主方向上的外形尺寸，并根据显现在次反射光束中的被测物体的阴影测量被测物体的次方向上的外形尺寸。

在本发明中，通过向配对的光发射器和光接收器增加反射器而形成的简单构造，能够实现沿被测物体的主方向和次方向同时测量外形尺寸。在此，可使用现有激光扫描测微计或图像传感器测微计中的光发射器和光接收器作为上述配对的光发射器和光接收器。另外，可使用现有的光学测量反射镜作为上述的反射器。如上所述，根据本发明，即使采用单光发射器和光接收器系统，也能实现沿多个方向同时测量，并防止增加设备成本和扩大安装空间。

本发明的测量装置是一种用于对被测物体的外形尺寸进行测量的外形尺寸光学测量装置。在此装置中，包括形成由平行光束构成的带状测量光束的光发射器、反射测量光束并形成反射光束的反射器、以及接收反射光束的光接收器；光发射器和反射器布置为使得测量光束的光轴和反射光束的光轴相交，并且，测量光束和反射光束形成在同一个虚拟测量平面内；在测量光束中至少限定主测量光束和次测量光束；在反射光束中至少限定主反射光束和次反射光束，该主反射光束是主测量光束的反射光，该次反射光束是次测量光束的反射光；被测物体被置于测量平面的测量区中，主测量光束和次反射光束在该测量区中交叠。

在本发明中，可根据显现在主反射光束中的被测物体的阴影测量被测物体在主方向上的外形尺寸，并根据显现在次反射光束中的被测物体的阴影测量被测物体在次方向上的外形尺寸。因此，通过执行上述的本发明的测量方法，能够获得上述的效果。

本发明实现了沿多个方向同时测量，并可以提供用于外形尺寸的光学测量方法和测量装置，能够防止增加设备成本和扩大安装空间。

附图说明

下面将参照多张附图通过本发明的示例性实施方式的非限定性实例来进一步详细说明本发明，在附图中，相似的标号在多个视图中代表相似的部件，其中：

图1是本发明的第一种实施方式的装置结构的示意图；

图2是第一种实施方式的测量过程的图示；

图3是本发明的第二种实施方式的装置结构的示意图；

图4是本发明的第三种实施方式的装置结构的示意图；

图5是沿单个方向进行的常规外形尺寸测量的透视图；和

图6是沿两个方向同时进行的常规外形尺寸测量的透视图。

具体实施方式

在此所示的具体内容是示例性的，仅用于示例性地论述本发明的实施方式，是为了更好地理解本发明的原理和概念特征而给出的。在此方面，除了理解本发明所必须的内容外，本文不试图更详细地展示本发明的结构细节，参照附图给出的说明是为了使本领域技术人员清晰地理解本发明的实施形式。

第一种实施方式

图1和图2示出了本发明的第一种实施方式。在图1中，测量装置1是基于本发明的外形尺寸光学测量装置，它测量被测物体2的外形尺寸。在此实施方式中，被测物体2是棒状物体，具有圆形横截面，并沿垂直于图1的纸面的方向延伸。在此实施方式中，使用测量装置1沿被测物体2的两个方向同时测量外形尺寸(外径D1和D2)。测量装置1包括光发射器10、光接收器20和反射器30。

光发射器10包括激光源11、多面镜12和准直透镜13。在光发射器10中，从激光源11发射的束状激光14被多面镜12反射。反射光15透过准直透镜13。多面镜12由旋转驱动机构(在附图中未示出)驱动而旋转。相应地，由多面镜12反射的反射光束15呈扇形摆动，并且透过准直透镜13的光束平行地摆动，从而形成带状测量光束16。

反射器30配置有具有极其精确的平坦的表面的反射镜。反射器30布置在测量光束16的光路中，并通过反射测量光束16而形成反射光束23。在此实例中，光发射器10和反射器30布置为使得测量光束16的光轴AP和反射光束23的光轴AR以直角相交，并且测量光束16和反射光束23形成在同一个虚拟测量平面(图1的纸面)内。

在此实施方式中，测量光束16的光轴AP的方向(即，图1中的从左至右方向)是第一方向，反射光束23的光轴AR的方向(即，图1中的从下至上方向)是第二方向。

光接收器20包括布置在反射光束23的光路中的聚光透镜21和布置在聚光透镜21的焦点位置的光接收器元件22。在光接收器20中，从反射器30反射的反射光束23被聚光透镜21汇聚，并且汇聚光24击中光接收器元件22。光接收器元件22检测接收到的汇聚光24的光强度，并向外部控制装置40输出检测到的光强度。

可使用现有激光扫描测微计的对应部分作为控制装置40、光接收器20和光发射器10。可利用现有的信号处理技术基于显现在反射光束23中的被测物体2的阴影的宽度同时测量被测物体2的外径D1和D2。

在此实施方式中，在测量光束16中标明了第一测量光束B1和第二测量光束B2。例如，第一测量光束B1和第二测量光束B2分别占测量光束16的一半，第一测量光束B1在第一侧，第二测量光束B2在第二侧。第一测量光束B1和第二测量光束B2分别被反射器30反射，并形成第一反射光束B1R和第二反射光束B2R。换言之，在反射光束23中，第一反射光束B1R在一侧标明，第二反射光束B2R在另一侧标明。

在上述的虚拟测量平面内，从光发射器10发射的第一测量光束B1被反射器30反射，并作为第一反射光束B1R到达光接收器20。另外，从光发射器10发射的第二测量光束B2被反射器30反射，并作为第二反射光束B2R到达光接收器20。在这种测量平面内，被测物体2被置于测量区中，第一测量光束B1和第二反射光束B2R在该测量区中交叠。

第二反射光束B2R从图1的下侧沿第二方向(光轴AR的方向)朝置于测量区中的被测物体2发射，在到达光接收器20的第二反射光束B2R中沿第二方向形成被测物体2的阴影BW2R。同时，第一测量光束B1从图1的左侧沿第一方向(光轴AP的方向)朝被测物体2发射，并在到达反射器30的第一测量光束B1中形成阴影BW1。包括阴影BW1的测量光束B1被反射器30反射，并且在到达光接收器20的第一反射光束B1R中沿第一方向形成被测物体的阴影BW1R。

在控制装置40中，根据形成在第一反射光束B1R中的阴影BW1R测量被测物体2的显现在第一方向上的外径D1。另外，根据形成在第二反射光束B2R中的阴影BW2R测量被测物体2的显现在第二方向上的外径D2。在图1中，当多面镜12顺时针转动时，在测量光束16中，激光束从图1的上侧(第一测量光束B1侧)向下侧(第二测量光束B2侧)平行地位移。在反射光束23中，激光束从图1的右侧(第一反射光束B1R侧)向左侧(第二反射光束B2R侧)平行地位移。因此，从光接收器20的光接收器元件22输出第一反射光束B1R的检测信号，然后输出第二反射光束B2R的检测信号。

在图2中，从光接收器元件22输出并被发送至控制装置40的检测信号包括三个峰部。在这些峰部中，图2中所示的左峰和中心峰的左半部分是第一反射光束B1R的检测信号，图2中所示的右峰和中心峰的右半部分是第二反射光束B2R的检测信号。另外，图2中的左峰和中心峰之间的谷是显现在第一反射光束B1R中的被测物体2的第一方向上的阴影BW1R，图2中的右峰和中心峰之间的谷是显现在第二反射光束B2R中的被测物体2的第二方向上的阴影BW2R。通过以预定门限值TH裁截检测信号，控制装置40能确定被测物体2的阴影BW1R和BW2R的端点P11、P12、P21和P22。因此，基于端点P11和P12之间的距离以及端点P21和P22之间的距离，可同时测量被测物体2的第一方向上的外径D1和第二方向上的外径D2。

根据此实施方式，利用通过向配对的光发射器10和光接收器20增加反射器30而形成的简单构造，可沿第一方向(光轴AP的方向)和第二方向(光轴AR的方向)同时测量被测物体2的外径D1和D2。在此，可使用现有激光扫描测微计中的光发射器和光接收器作为配对的光发射器10和光接收器20。另外，可使用现有的反射镜作为反射器30，不需要专门的设备。如上所述，根据本发明，采用具有光发射器10和光接收器20的单个系统，可沿多个方向同时测量外径D1和D2，而且能防止增加设备的成本和安装空间。

另外，在此实施方式中，第一方向(光轴AP的方向)是本发明的主方向；第一测量光束B1是本发明的主测量光束；第一反射光束B1R是本发明的主反射光束；第二测量光束B2是本发明的次测量光束；并且第二反射光束B2R是本发明的次反射光束。

第二种实施方式

图3示出了本发明的第二种实施方式。第二种实施方式的测量装置1A包括光发射器10、光接收器20和控制装置40，与上述的第一种实施方式中的测量装置1类似。但是，使用两个反射镜31和32作为反射器，并为测量光束16和反射光束23分配三个区域。

两个反射镜31和32布置为彼此成60度角。来自于光发射器10的测量光束16布置为平行于第二反射镜32的表面，并以60度角击中第一反射镜31。由第一反射镜31反射的光束被传送至第二反射镜32，并进一步反射，从而形成反射光束23。反射光束23平行于第一反射镜31的表面前进，并击中光接收器20。

来自于光发射器10的测量光束16被分为第一测量光束B1、第二测量光束B2和第三测量光束B3(按照图3中的从上至下的顺序)。第一测量光束B1、第二测量光束B2和第三测量光束B3的光轴是第三方向A3。第一测量光束B1、第二测量光束B2和第三测量光束B3被第一反射镜31单个地反射，从而分别产生第一反射光束B1R、第二反射光束B2R和第三反射光束B3R。第一反射光束B1R、第二反射光束B2R和第三反射光束B3R的光轴是第一方向A1。而且，第一反射光束B1R、第二反射光束B2R和第三反射光束B3R分别被第二反射镜32反射，从而分别产生第一再反射光束B1RR、第二再反射光束B2RR和第三再反射光束B3RR。第一再反射光束B1RR、第二再反射光束B2RR和第三再反射光束B3RR的光轴是第二方向A2。

在此实施方式中，被测物体2被置于第三测量光束B3的光路中，并在光路中布置在第二再反射光束B2RR和第一反射光束B1R的测量区中。第一反射光束B1R在被置于该测量区中的被测物体2处沿第一方向A1发射，形成阴影BW1R，并到达光接收器20，作为第一再反射光束B1RR的阴影BW1RR。另外，当被测物体2被沿第二方向A2行进的第二再反射光束B2RR击中时，被测物体2形成阴影BW2RR，并且该阴影BW2RR到达光接收器20。而且，当被测物体2被沿第三方向A3行进的第三测量光束B3击中时，被测物体2形成阴影BW3，并且该阴影BW3到达光接收器20，作为第三反射光束B3R的阴影BW3R以及第三再反射光束B3RR的阴影BW3RR。

因此，在光接收器20接收的反射光束23中，在第一再反射光束B1RR、第二再反射光束B2RR和第三再反射光束B3RR中分别形成阴影BW1RR、BW2RR和BW3RR。这样，能够分别根据阴影BW1RR测量第一方向上的外径D1，根据阴影BW2RR测量第二方向上的外径D2，以及根据阴影BW3RR测量第三方向上的外径D3。

在此实施方式中，第一方向A1和第二方向A2分别与本发明的主方向和次方向对应。在此情况中，本发明的主测量光束是第一反射光束B1R，主反射光束是第一再反射光束B1RR。另外，次测量光束是第二反射光束B2R，次反射光束是第二再反射光束B2RR。被测物体2被置于测量区中，主测量光束(第一反射光束B1R)的光路和次反射光束(第二再反射光束B2RR)的光路在该测量区中交叠。相应地，测量第一方向A1上的外径D1和第二方向A2上的外径D2。

同时，根据此实施方式，第三方向A3和第一方向A1也分别与本发明的主方向和次方向对应。在此情况中，本发明的主测量光束是第三测量光束B3，主反射光束是第三反射光束B3R。另外，次测量光束是第一测量光束B1，次反射光束是第一反射光束B1R。被测物体2被置于测量区中，主测量光束(第三测量光束B3)的光路和次反射光束(第一反射光束B1R)的光路在该测量区中交叠。相应地，测量第三方向A3上的外径D3和第一方向A1上的外径D1。在此实施方式中，为了测量三个方向上的外径D1至D3，使用两组如上所述的本发明的构造。

第三种实施方式

图4示出了本发明的第三种实施方式。第三种实施方式的测量装置1B包括光发射器10、光接收器20和控制装置40，与上述的第一种实施方式中的测量装置1类似。而且，与第二种实施方式类似的是，使用两个反射镜31和32作为反射器，并为测量光束16和反射光束23分配三个区域。

与上述的第二种实施方式的不同之处在于被测物体2的布置位置。在此实施方式中，被测物体2被置于第二测量光束B2的光路中，并位于第一反射光束B1R和第三再反射光束B3RR的光路中的测量区中。第一反射光束B1R在被置于该测量区中的被测物体2处沿第一方向A1发射，形成阴影BW1R，并到达光接收器20，作为第一再反射光束B1RR的阴影BW1RR。另外，当被测物体2被沿第二方向A2行进的第二测量光束B2击中时，被测物体2形成阴影BW2，并且该阴影BW2到达光接收器20，作为第二反射光束B2R的阴影BW2R以及作为第二再反射光束B2RR的阴影BW2RR。而且，当被测物体2被沿第三方向A3行进的第三再反射光束B3RR击中时，被测物体2形成阴影BW3RR，并且该阴影BW3RR到达光接收器20。

因此，在光接收器20接收的反射光束23中，在第一再反射光束B1RR、第二再反射光束B2RR和第三再反射光束B3RR中分别形成阴影BW1RR、BW2RR和BW3RR。这样，能够分别根据阴影BW1RR测量第一方向上的外径D1，根据阴影BW2RR测量第二方向上的外径D2，以及根据阴影BW3RR测量第三方向上的外径D3。

在此实施方式中，第二方向A2和第一方向A1分别与本发明的主方向和次方向对应。在此情况中，本发明的主测量光束是第二测量光束B2，主反射光束是第二反射光束B2R。另外，次测量光束是第一测量光束B1，次反射光束是第一反射光束B1R。被测物体2被置于测量区中，主测量光束(第二测量光束B2)的光路和次反射光束(第一反射光束B1R)的光路在该测量区中交叠。相应地，测量第一方向A1上的外径D1和第二方向A2上的外径D2。

同时，在此实施方式中，第一方向A1和第三方向A3也分别与本发明的主方向和次方向对应。在此情况中，本发明的主测量光束是第一反射光束B1R，主反射光束是第一再反射光束B1RR。另外，次测量光束是第三反射光束B3R，次反射光束是第三再反射光束B3RR。被测物体2被置于测量区中，主测量光束(第一反射光束B1R)的光路和次反射光束(第三再反射光束B3RR)的光路在该测量区中交叠。相应地，测量第三方向A3上的外径D3和第一方向A1上的外径D1。在此实施方式中，为了测量三个方向上的外径D1至D3，使用两组如上所述的本发明的构造。

其它实施方式

本发明不局限于上述的实施方式，并且涵盖在能够实现本发明的优点的范围内的各种修改。在上述的每一种实施方式中，可沿不同的方向测量具有圆形横截面和外径的棒状被测物体2。被测物体2也可以是具有椭圆形、多边形或类似横截面的棒状物体，或者是管状材料等。可替代地，可沿不同方向同时测量板的宽度和厚度等外形尺寸。

在本发明中，同时测量方向不局限于如上所述的每一种实施方式中的两个方向或三个方向，同时测量可沿更多的方向进行。但是，在按上述的实施方式通过摆动光束来扫描时，在使用多个反射镜等装置反射来自于多个方向的光束的情况中，进入光接收器20的每个光束的方向最终必须是相同的。

光发射器10不局限于像激光扫描测微计那样通过摆动光束来扫描，也可以采用带状线光束。光接收器20不局限于使用光接收器元件22来检测通过聚光透镜21汇聚的光束，也可以像图像传感器测微计那样使用由多个光接收器元件组成的元件阵列。而且，可以使用聚光镜片，而不是聚光透镜21。可以使用图像传感器测微计，而不是激光扫描测微计。

本发明涉及一种外形尺寸的光学测量方法和测量装置，该测量方法和测量装置可用于同时沿多个方向测量被测物体的外径。

应注意，上述实例仅用于示例性地说明本发明，而不是限制本发明。虽然本发明是参照示例性实施方式来说明的，但是应理解，在本文中所用的词汇是说明性和示例性的，而不是限定性的。在不脱离本发明的各个方面的范围和精神的前提下，可在当前所述的和修正的所附权利要求限定的范围内做出各种更改。虽然本发明在本文中是参照特定结构、材料和实施方式来说明的，但是本发明不局限于在此公开的特定方式；本发明涵盖在所附权利要求限定的范围内的所有功能等效结构、方法和用途。

本发明不局限于上述的实施方式，在不脱离本发明的范围的前提下，能够做出各种变化和修改。