光学探测器和几何形状测量装置的制作方法

1.本公开涉及一种光学探测器和一种几何形状测量装置。


背景技术：

2.在几何形状测量装置中，使用了用于使用基于三角测量原理的光截面方法来测量待测量物体的截面形状的非接触型光学探测器。光学探测器利用激光辐照待测量物体，并且基于由待测量物体的表面反射的光来捕获待测量物体的图像(参见下面的专利文献1)。
3.现有技术
4.专利文件
5.专利文献1：日本未审查专利申请公开第2014-174014号


技术实现要素：

6.本发明要解决的问题
7.由几何形状测量装置测量的待测量物体的大小和几何形状可以变化。因此，常规地，需要对应于待测量物体的大小和几何形状的多个光学探测器(例如，具有不同测量范围的光学探测器)，并且有必要适当地使用光学探测器。
8.本公开集中于这一点，并且本公开的目的是使用单个光学探测器精确地测量具有各种大小和几何形状的待测量物体。
9.用于解决问题的方法
10.本公开的第一方面提供了一种光学探测器，该光学探测器包括：辐照部，该辐照部利用激光辐照待测量物体；成像部，该成像部接收由待测量物体反射的激光并捕获待测量物体的图像；第一驱动部，该第一驱动部在激光对待测量物体进行辐照的辐照方向上移动辐照部；以及第二驱动部，该第二驱动部在激光从待测量物体反射的反射方向和与反射方向正交的正交方向上移动成像部。
11.进一步，辐照部可以包括发射激光的光源和准直从光源发射的激光的准直透镜，并且第一驱动部可以相对于光源在辐照方向上平移准直透镜。
12.另外，成像部可以包括捕获待测量物体的图像的成像元件，以及在成像元件上形成从待测量物体反射的激光的图像的图像形成透镜，并且第二驱动部可以在反射方向和正交方向上移动成像元件和图像形成透镜。
13.而且，光学探测器还可以包括第三驱动部，该第三驱动部旋转成像元件使得辐照部的辐照表面、图像形成透镜的主表面和成像元件的成像表面满足防光原理的条件。
14.此外，第三驱动部可以围绕沿着与反射方向和正交方向正交的方向延伸的旋转轴线旋转成像元件。进一步，旋转轴线可以位于与图像形成透镜的光轴相交的位置处。
15.另外，光学探测器还可以包括控制器，该控制器通过使第一驱动部在辐照方向上移动辐照部并使第二驱动部在反射方向和正交方向上移动成像部，而在测量待测量物体之前调节测量范围的中心位置。
16.而且，控制器可以在正交方向上移动成像部，使得从待测量物体反射的激光在成像部的成像表面的中心被接收。
17.此外，控制器可以在辐照方向上移动辐照部，并且在反射方向上移动成像部，使得接收激光的光接收部分和成像表面的其他部分之间的亮度和暗度方面的差被最大化。
18.进一步，成像部可以包括捕获待测量物体的图像的成像元件，以及在成像元件上形成从待测量物体反射的激光的图像的图像形成透镜，并且控制器可以基于辐照部和成像部的移动位置旋转成像元件，使得辐照部的辐照表面、图像形成透镜的主表面和成像元件的成像表面满足防光原理的条件。
19.本公开的第二方面提供了一种几何形状测量装置，该几何形状测量装置包括光学探测器，该光学探测器包括：辐照部，该辐照部利用激光辐照待测量物体；成像部，该成像部接收由待测量物体反射的激光并捕获待测量物体的图像；第一驱动部，该第一驱动部在激光对待测量物体进行辐照的辐照方向上移动辐照部；以及第二驱动部，该第二驱动部在激光从待测量物体反射的反射方向和与反射方向正交的正交方向上移动成像部；以及计算部，该计算部基于成像部的输出计算待测量物体的几何形状。
20.有益效果
21.根据本公开，可以使用单个光学探测器精确地测量具有各种大小和几何形状的待测量物体。
附图说明
22.图1是示出根据实施例的光学探测器10的内部配置的示意图。
23.图2是用于解释光学探测器10的配置的框图。
24.图3是用于解释(a)辐照部20和成像部30的移动位置和(b)测量范围的中心位置之间的关系的示意图。
25.图4是用于解释(a)辐照部20和成像部30的移动位置和(b)测量范围的中心位置之间的关系的示意图。
26.图5是用于解释(a)辐照部20和成像部30的移动位置和(b)测量范围的中心位置之间的关系的示意图。
27.图6是用于解释几何形状测量装置1的配置的示意图。
28.图7是用于解释辐照部20和成像部30的位置调节过程的示例的流程图。
29.图8是用于解释临时测量的测量结果的示例的示意图。
30.图9是用于解释成像表面35上的图像102的调节的示意图。
31.图10是用于解释光强度的横截面轮廓104的变化的示意图。
具体实施方式
32.《光学探测器的配置》
33.将参照图1至图5描述根据实施例的光学探测器的配置。
34.图1是示出根据实施例的光学探测器10的内部配置的示意图。图2是用于解释光学探测器10的配置的框图。图3至图5是用于解释(a)辐照部20和成像部30的移动位置和(b)测量范围的中心位置之间的关系的示意图。在图3至图5中，图3的测量范围的中心位置c最靠
近辐照部20，以及图5的测量范围的中心位置c距辐照部20最远。
35.光学探测器10利用激光辐照待测量物体w，并基于从待测量物体w的表面反射的光来捕获待测量物体w的图像。如图2所示，光学探测器10包括辐照部20、成像部30、第一驱动部40、第二驱动部50、第三驱动部60和探测器控制器70。
36.如图1所示，辐照部20利用激光辐照待测量物体w。在此，辐照部20朝向位于下方的待测量物体辐照激光。如图1所示，辐照部20包括光源22、准直透镜24和扩束器26。例如，扩束器26可以由柱面透镜形成。
37.光源22由例如激光二极管(laser diode(ld)0000)等形成，并且生成和发射激光。光源22发射预定波长的激光。
38.准直透镜24准直从光源22发射的激光。在此准直透镜24是凸透镜。
39.扩束器26将来自准直透镜24的经准直的光(激光)变形为线形的线光。
40.成像部30接收由待测量物体w反射的激光，并捕获待测量物体的图像。如图1所示，成像部30布置在相对于从辐照部20辐照到待测量物体w的光的辐照方向成预定角度的方向上，并且从所述预定角度接收由待测量物体w的表面反射的光。如图1所示，成像部30包括图像形成透镜32和成像元件34。
41.图像形成透镜32在成像元件34的成像表面35上形成从待测量物体w反射的激光的图像。在此，图像形成透镜32是凸透镜。
42.成像元件34是捕获待测量物体的图像的图像传感器。例如，cmos图像传感器被用作图像传感器。
43.在本实施例中，辐照部20可在激光的辐照方向上移动，以便调节激光的聚焦位置(测量范围的中心位置c)。具体而言，可以通过在辐照方向上以靠近或远离光源22的方式移动准直透镜24来调节聚焦位置。准直透镜24在图1中示出的辐照方向d1上平移。
44.进一步，成像部30也是可移动的，使得在焦点位置被调节时，从待测量物体w反射的激光在成像部30的成像元件34的期望位置处被接收。具体而言，成像部30的图像形成透镜32和成像元件34两者是可移动的。
45.如图1所示，辐照部20和成像部30由光学探测器10的支撑主体12可移动地支撑。可拆卸地安装到几何形状测量装置的主体上的安装部15设置在支撑主体12的上部部分处。此外，支撑主体12、辐照部20和成像部30被覆盖件17覆盖。
46.第一驱动部40包括用于移动辐照部20的移动机构。第一驱动部40使辐照部20在激光对待测量物体的辐照方向d1上移动。例如，第一驱动部40在辐照方向d1上平移辐照部20的准直透镜24。具体而言，第一驱动部40在辐照方向d1上平移准直透镜24。第一驱动部40例如在辐照部20的圆柱形部分内平移准直透镜24。
47.如图3至图5所示，第一驱动部40在辐照方向d1上将准直透镜24移动到远离光源22的位置，或将准直透镜24移动到靠近光源22的位置。如图3所示，当准直透镜24被定位为更靠近光源22时，测量范围的中心位置c更靠近辐照部20。如图4和图5所示，当准直透镜24被定位为远离光源22时，测量范围的中心位置c远离辐照部20。通过以这种方式在辐照方向d1上移动准直透镜24，在不替换光学探测器10的情况下，可测量的范围变得更宽。
48.应当注意的是，在以上描述中，第一驱动部40在辐照方向d1上移动准直透镜24，但是不限于此。例如，第一驱动部40可以在辐照方向d1上移动整个辐照部20。
49.第二驱动部50包括用于移动成像部30的移动机构。第二驱动部50在(i)来自待测量物体w的激光的反射方向d2和(ii)与反射方向d2正交的正交方向d3上移动成像部30。也就是说，第二驱动部50在反射方向d2和正交方向d3上移动成像部30的成像元件34和图像形成透镜32。如图3至图5所示，在成像部30由支撑主体12支撑的状态下，第二驱动部50在反射方向d2和正交方向d3上平移成像部30。
50.第二驱动部50通过与第一驱动部40所形成的辐照部20(具体而言，准直透镜24)在辐照方向d1上的移动联动，而在反射方向d2和正交方向d3上移动成像部30。也就是说，当测量范围的中心位置c随着辐照部20的移动而移动时，第二驱动部50移动成像部30，使得在成像部30的期望光接收位置处接收由待测量物体反射的激光。由此，即使当使用单个光学探测器10移动辐照部20以加宽测量范围时，也能够防止成像部30的测量结果的精度降低。
51.当成像部30移动时，成像部30和测量范围的中心位置c之间的距离也改变。例如，位于图5中示出位置的成像部30和测量范围的中心位置c之间的距离比位于图3中示出的位置的成像部30和测量范围的中心位置c之间的距离更长。换句话说，随着测量范围的中心从辐照部20远离，成像部30和测量范围的中心位置c之间的距离变得更长。
52.第三驱动部60包括使成像部30的成像元件34旋转的旋转机构。第三驱动部60围绕沿着与反射方向d2和正交方向d3正交的方向延伸的旋转轴线36使成像元件34旋转。成像元件34在旋转方向d4上旋转。当成像元件34以这种方式围绕旋转轴36旋转时，成像元件34相对于图像形成透镜32倾斜。
53.如图3至图5所示，第三驱动部60旋转成像元件34，使得辐照部20的辐照表面、图像形成透镜32的主表面和成像元件34的成像表面35满足防光原理(scheimpflug principle)的条件。在此，防光原理指的是辐照部20的辐照表面的延伸平面s1、图像形成透镜32的主表面的延伸平面s2和成像元件34的成像表面的延伸平面s3在点p相交的情况。如上所述，当满足防光原理的条件时，成像元件34的成像表面35处于聚焦状态。
54.当第一驱动部40移动辐照部20并且第二驱动部50移动成像部30时，第三驱动部60旋转成像元件34。也就是说，第三驱动部60相对于移动后的辐照部20和成像部30在旋转方向d4上围绕旋转轴36旋转成像元件34，以满足防光原理的条件。特别地，当辐照部20和成像部30移动时，成像元件34和测量范围的中心位置c之间的距离也改变，但是可以通过旋转成像元件34将待测量物体聚焦在远离成像元件34的位置，并且将待测量物体聚焦在更靠近成像元件34的位置，从而满足防光原理的条件。
55.探测器控制器70控制光学探测器10的操作。探测器控制器70控制由辐照部20进行的激光的辐照和由成像部30进行的待测量物体w的图像的成像。探测器控制器70操作第一驱动部40、第二驱动部50和第三驱动部60。即，探测器控制器70操作第一驱动部40以在辐照方向d1上移动辐照部20，操作第二驱动部50以在反射方向d2和正交方向d3上移动成像部30，并且操作第三驱动部60以在旋转方向d4上旋转成像元件34。
56.探测器控制器70在测量待测量物体w之前，调节适合于待测量物体的测量范围的中心位置c。也就是说，在测量待测量物体w之前，探测器控制器70使第一驱动部40在辐照方向d1上移动辐照部20，并使第二驱动部50在反射方向d2和正交方向d3上移动成像部30，从而调节测量范围的中心位置c。
57.此时，探测器控制器70如下所述那样移动辐照部20和成像部30。也就是说，探测器
控制器70在正交方向d3上移动成像部30，使得从待测量物体w反射的激光在成像部30的成像表面35的中心处被接收。此外，探测器控制器70在辐照方向d1上移动辐照部20，并且在反射方向d2上移动成像部30，使得成像表面35上的接收激光的光接收部分和其他部分之间的亮度和暗度方面的差被最大化(换句话说，使得对比度值被最大化)。由此，由于在成像表面35的中心处接收的激光的光强度的峰值高，因而使得更容易标识待测量物体w的几何形状。
58.在探测器控制器70调节辐照部20和成像部30的位置之后，探测器控制器70使成像元件34旋转，以便满足防光原理的条件。也就是说，探测器控制器70基于移动之后的辐照部20和成像部30的位置来旋转成像元件34，以使得辐照部20的辐照表面、图像形成透镜32的主表面和成像元件34的成像表面满足防光原理的条件。由此，即使根据待测量物体来移动测量范围的中心位置c，也能够防止测量精度降低。
59.(几何形状测量装置的配置)
60.将参照图6描述包括具有上述配置的光学探测器10的几何形状测量装置1的配置。
61.图6是用于解释几何形状测量装置1的配置的示意图。几何形状测量装置1基于光学探测器10的成像部30的测量结果来测量待测量物体w的几何形状。几何形状测量装置1是例如测量工件的几何形状的坐标测量装置。如图6所示，几何形状测量装置1包括光学探测器10、移动机构80和控制器90。
62.由于光学探测器10的配置如图2所示，因此在此将省略其详细描述。在图6中，为了便于描述，简化了光学探测器10的配置。移动机构80移动光学探测器10。例如，移动机构80在彼此正交的三个轴向方向上移动光学探测器10。
63.控制器90控制光学探测器10(具体而言，辐照部20和成像部30)和移动机构80的操作。进一步，控制器90例如在利用移动机构80移动光学探测器10的同时利用光学探测器10执行测量。控制器90包括存储装置92和控制部94。
64.存储装置92包括例如只读存储器(only memory，rom)和随机存取存储器(random access memory，ram)。存储装置92存储各种数据条和可由控制部94执行的程序。例如，存储装置92存储由光学探测器10测量的结果。
65.控制部94例如是中央处理单元(central processing unit，cpu)。控制部94通过执行存储在存储装置92中的程序，而经由探测器控制器70来控制光学探测器10的操作。具体而言，控制部94控制由辐照部20的光源22进行的到待测量物体w的激光的辐照。进一步，控制部94获取成像部30的输出并计算待测量物体w的几何形状。在本实施例中，控制部94作为基于成像部30的输出计算待测量物体w的几何形状的计算部起作用。
66.《辐照部和成像部的位置调节过程》
67.将参照图7描述辐照部20和成像部30的位置调节过程。
68.图7是用于解释辐照部20和成像部30的位置调节过程的示例的流程图。当例如将待测量物体w放置在几何形状测量装置1上并且接收开始测量的指令时，开始图7的流程图。
69.首先，探测器控制器70执行待测量物体w的临时测量，用于在执行待测量物体w的实际测量之前调节位置(步骤s102)。探测器控制器70使辐照部20利用激光辐照待测量物体w，并使成像部30接收由待测量物体w反射的激光以捕获待测量物体w的图像。在此，假设图8中示出的测量结果被获得作为临时测量的结果。
70.图8是用于解释临时测量的测量结果的示例的示意图。如从图8可以看出的那样，
对应于所接收的激光的图像102位于成像部30的成像表面35的一个端部周围，而不是其中心。进一步，图8还示出了图像102的横截面轮廓104和外围中的光强度。
71.接下来，探测器控制器70确定在临时测量中接收激光的成像元件34上的光接收位置(换句话说，图像102)是否位于成像元件34的成像表面35的中心处(步骤s104)。如图8所示，如果图像102不位于成像表面35的中心处(步骤s104：否)，则探测器控制器70使第二驱动部50操作成像部30以在正交方向d3上移动成像部30，使得图像102位于成像表面35的中心处(步骤s106)。也就是说，第二驱动部50在正交方向d3上平移成像部30的图像形成透镜32和成像元件34。如果图像102位于成像表面35的中心处(步骤s104：是)，则探测器控制器70省略步骤s106的处理。
72.图9是用于解释成像表面35上的图像102的调节的示意图。图10是用于解释光强度的横截面轮廓104的变化的示意图。当成像部30在正交方向d3上移动时，图像102在图9的(a)中示出的箭头的方向上移动，并且如图9的(b)所示位于成像表面35的中心处。当图像102位于成像表面35的中心处时的横截面轮廓104如图10的(a)所示，并且与图8相同。
73.接下来，探测器控制器70使第一驱动部40在辐照方向d1上移动辐照部20，以便增加成像表面35上的对比度值(步骤s108)。也就是说，第一驱动部40在辐照方向d1上平移辐照部20的准直透镜24。结果，如图10的(b)所示，图像102的光强度的峰值部分增加，并且图像102和其他部分之间的亮度和暗度方面的差增加。
74.接下来，探测器控制器70使第二驱动部50在反射方向d2上移动成像部30，以便最大化对比度值(步骤s110)。也就是说，第二驱动部50在反射方向d2上平移成像部30的图像形成透镜32和成像元件34。结果，图像102变窄，如图9的(c)所示，而光强度的横截面轮廓的峰值部分变得更高，如图10的(c)所示。
75.接下来，探测器控制器70使得第三驱动部60操作以相对于移动后的辐照部20和成像部30旋转成像元件34，以满足防光原理的条件(步骤s112)。也就是说，第三驱动部60使成像元件34围绕旋转轴36在旋转方向d4上旋转。
76.当基于临时测量的辐照部20和成像部30的位置调节完成时，探测器控制器70执行待测量物体w的实际测量(步骤s114)。因此，可以调节辐照部20和成像部30的位置以适合于测量待测量物体w，而无需更换光学探测器10，因而使得可以以高精度测量待测量物体w。
77.《本实施例的效果》
78.上述实施例的光学探测器10包括(a)第一驱动部40，该第一驱动部在激光对待测量物体w的辐照方向d1上移动辐照部20，以及(b)第二驱动部50，该第二驱动部在激光的反射方向d2和正交方向d3上移动成像部30。
79.利用其中辐照部20和成像部30以这种方式移动的配置，可以将辐照部20和成像部30的位置调节为适合于待测量物体w的几何形状和大小，而无需在测量待测量物体w之前更换光学探测器10。例如，可以将测量范围的中心位置(焦点位置)调节到适合被测量物体w的几何形状和大小的位置(见图3至图5)。结果，单个光学探测器10可以测量较大面积。
80.进一步，光学探测器10包括第三驱动部60，该第三驱动部旋转成像部30的成像元件34，以满足防光原理的条件。因此，即使当辐照部20和成像部30移动时，成像元件34也被旋转以满足防光原理的条件。结果，可以防止测量精度由于辐照部20和成像部30的移动而降低。
81.基于示例性实施例解释本发明。本发明的技术范围不限于上述实施例中解释的范围，并且可以在本发明的范围内进行各种改变和修改。例如，装置的全部或部分可以被配置有功能上或物理上分散或集成的任何单元。进一步，由它们的任意组合生成的新的示例性实施例包括在本发明的示例性实施例中。进一步，由组合带来的新示例性实施例的效果也具有原始示例性实施例的效果。
82.[符号的描述]
[0083]
1 几何形状测量装置
[0084]
10 光学探测器
[0085]
20 辐照部
[0086]
22 光源
[0087]
24 准直透镜
[0088]
30 成像部
[0089]
32 图像形成透镜
[0090]
34 成像元件
[0091]
35 成像表面
[0092]
36 旋转轴线
[0093]
40 第一驱动部
[0094]
50 第二驱动部
[0095]
60 第三驱动部
[0096]
70 探测器控制器
[0097]
94 控制部
[0098]
w 待测量物体