CN100473943C

CN100473943C - 光学测量装置和异常探测方法

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Publication number: CN100473943C
Application number: CNB2005100836495A
Authority: CN
Inventors: 高山泰治
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2004-07-22
Filing date: 2005-07-13
Publication date: 2009-04-01
Anticipated expiration: 2025-07-13
Also published as: CN1724970A; JP2006038487A; DE602005002690D1; US7253910B2; DE602005002690T2; US20060017940A1; EP1619467A1; EP1619467B1

Abstract

本发明公开了一种可以提高检测保护玻璃的污浊的精度的光学式测量装置。通过扫描信号的峰值的90%、50%、10%的大小的阈值分别得到测量对象物的尺寸的测量值Q₉₀、Q₅₀、Q₁₀。判断测量值Q₉₀和测量值Q₅₀的差(即测量值的变化)是否大于等于预定的基准值。(b)～(d)表示大于等于基准值的情况，保护玻璃上存在污浊。(a)是小于基准值，没有污浊。接着，判断测量值Q₅₀和测量值Q₁₀的差是否大于等于预定的基准值。(c)表示大于等于该基准值的情况，保护玻璃上存在污浊。从而，使蜂鸣器鸣叫并点亮红色灯，警告操作者马上除去污浊。

Description

光学测量装置和异常探测方法

技术领域

本发明设计利用平行光束的扫描型的光学式测量装置。

背景技术

光学式测量装置包括隔着测量对象物位于的扫描区域而配置的投光部和光接收部。由来自投光部的平行光束对扫描区域反复扫描，通过了扫描区域的光束由光接收部接收，对由此发生的扫描信号进行规定的处理，从而显示测量值(测量对象物的尺寸和圆度等)。

投光部和光接收部包含昂贵的光学部件(半导体激光器、光电二极管、透镜、镜子等)。为了防止光学部件的污浊或损伤，投光部和光接收部分别包括容纳光学部件的壳体。

壳体中设有嵌入保护玻璃的窗。在投光部生成的平行光束透过光保护玻璃被导入外部环境中的扫描区域。然后，通过扫描区域的平行光束透过保护玻璃被导入光接收部内。由于保护玻璃露出到外部环境，因此有时容易污浊或损伤。污浊等成为测量时的障碍，或者成为测量误差增大的原因。因此，提出一种可以探测光束的光程上存在的异物的尺寸测量装置((日本)特开平11-83448号公报(0029～0043段、图2、图3)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以提高探测光束的光程上的异常的精度的光学式测量装置。

本发明的光学式测量装置的特征在于，包括：投光部件，通过基于从发光元件出射的光束的平行光束对测量对象物位于的扫描区域进行反复扫描；光接收元件，接收通过所述扫描区域的光束并输出扫描信号；二值化信号生成部件，构成为可用多个不同的阈值分别将所述扫描信号二值化，从而生成多个二值化信号；运算部件，基于所述二值化信号运算关于所述测量对象物的测量值；判断部件，对所述运算部件基于所述多个二值化信号的每一个运算的多个测量值进行比较，从而判断从所述发光元件到所述光接收元件为止的所述光束的光程上是否发生了异常；以及通知部件，在所述判断部件判断为所述异常发生时，通知该异常，所述二值化信号生成部件所使用的所述多个不同的阈值至少有三个，包含：第一阈值、比该第一阈值小的第二阈值、比该第二阈值小的第三阈值，所述判断部件执行关于由所述第一阈值得到的测量值和由所述第二阈值得到的测量值的差是否大于等于基准值的第一判断，同时执行关于由所述第二阈值得到的测量值和由所述第三阈值得到的测量值的差是否大于等于基准值的第二判断，所述通知部件在所述第一判断以及所述第二判断两者为肯定的情况下进行第一通知，在仅所述第一判断为肯定的情况下进行与所述第一通知不同的第二通知。

根据本发明的光学式测量装置，在从发光元件到光接收元件为止的光束的光程上发生了异常的情况下，利用改变阈值测量时测量值产生差的情况来探测异常，探测出异常时通知该异常。在本发明的光学式测量装置中，所述多个不同的阈值的数目为大于等于三个，所述判断部件通过对所述多个测量值的组合的每个比较测量值，判断所述异常的程度，所述通知部件进行根据所述异常的程度的通知。由此，由于根据异常的程度改变通知的内容，所以操作者可以容易地得知异常的程度。

在本发明的光学式测量装置中，所述生成部件可包含进行所述多个阈值的切换的阈值切换电路。由此，可以共用电路。特别对于阈值多的情况有效。

在本发明的光学式测量装置中，也可以将所述多个测量值的其中一个显示为测量值。由此，在异常的探测中也可以利用正常的测量中所利用的规定的阈值，因此可以简化装置的结构。

根据本发明，在光束的光程上发生了异常的状态下，利用改变阈值测量时测量值产生差的情况进行异常的探测，所以可以提高异常探测的精度。

附图说明

图1是用于说明本实施方式的光学式测量装置的方框图。

图2是用于说明使用本实施方式的光学式测量装置对测量对象物进行测量的动作的时序图。

图3A～图3D是表示扫描信号和保护玻璃的污浊的关系的波形图。

图4是用于说明本实施方式的污浊探测处理的流程图。

图5是说明本实施方式的光学式测量装置的变形例的方框图。

具体实施方式

以下，参照附图详细地说明本发明的一实施方式。

[光学式测量装置的结构]

图1是用于说明本实施方式的光学式测量装置1的方框图。装置1包括投光部3、光接收部5以及控制部7。投光部3和光接收部5隔着扫描区域R而对置。扫描区域R是测量对象物W位于的区域，处于外部环境中。控制部7通过未图示的电缆与投光部3以及光接收部5连接，并执行测量所需的各种控制。

投光部3包括：半导体激光器这样的发光元件9；镜子11，反射从元件9出射的光束B1；多角镜15，在通过电机13沿箭头方向A高速转动的状态下被照射由镜子11反射的光束B1；以及准直透镜17，将由镜15反射的光束B1变为平行光束B2。通过多角镜15的转动，平行光束B2被照射，以便反复对扫描区域R进行扫描。

构成投光部3的这些部件容纳在壳体19中。在壳体19的一个侧面上，与准直透镜17相对地设有嵌入保护玻璃21的窗。平行光束B2透过保护玻璃21照射扫描区域R。投光部3还包括定时用光电二极管23，配置在由多角镜15反射的光束B1的有效扫描范围外，检测一次扫描的开始或结束从而输出定时信号S4。定时信号S4由放大器65放大之后被输入后述的CPU55以及选通信号发生电路39。

光接收部5包括：聚光透镜25，射入通过扫描区域R的平行光束B2；光接收元件27，接收这里会聚的光束B3并输出扫描信号S1；以及放大器33，放大扫描信号S1。光接收元件27例如是光电二极管。聚光透镜25、光接收元件27、放大器33容纳在壳体29中。在壳体29的一个侧面上与聚光透镜25相对地设有嵌入了保护玻璃31的窗。通过了扫描区域R的平行光束B2透过保护玻璃31被入射到聚光透镜25中。

接着，说明控制部7。控制部7包括整形部35，对由放大器33放大的扫描信号S1进行整形从而输出整形信号S2。整形部35具有三个整形电路(具体为比较电路)37。在整形电路37-1中，以扫描信号S1的峰值的90％的大小的阈值(TH₉₀)为基准对扫描信号S1进行整形。同样，在整形电路37-2中以50％的大小的阈值(TH₅₀)调整扫描信号S1，在整形电路37-3中以10％的大小的阈值(TH₁₀)为基准调整扫描信号S1。

控制部7包括选通信号发生电路39，基于定时信号S4的定时选择整形信号S2的边缘，从而发生二值化信号S3即选通信号。选通信号发生电路39有三个，电路39-1、39-2、39-3分别对应于整形电路37-1、37-2、37-3。通过整形部35和选通信号发生电路39构成生成部45，以多个不同的阈值为基准将扫描信号二值化，从而生成对应于各个阈值的多个二值化信号。

控制部7包括时钟脉冲振荡器47、三个“与”电路49以及三个计数器51。“与”电路49和计数器51与各整形电路37对应设置。各二值化信号S3从对应的“与”电路49的一个输入端子输入。由振荡器47发生的时钟脉冲CLK从“与”电路49的另一个输入端子输入。来自“与”电路49的输出被输入对应的计数器51。控制部7还包括输入来自时钟脉冲振荡器47的时钟脉冲的分频电路53，来自分频电路53的输出被用于电机13的转动同步。

控制部7还包括：CPU55，进行测量所需的各种控制；存储器57，存储测量所需的各种数据等；显示部59，显示测量值等；设定键61，用于输入测量所需的各种设定；以及通知部63，在光束的光程上发生了异常的情况下通知该异常。

CPU55、存储器57、选通信号发生电路39、三个计数器51通过总线67互相连接。此外，显示部59、设定键61以及通知部63经由输入输出接口59连接到总线67。

[光学式测量装置的测量动作]

使用图1以及图2说明使用光学测量装置1得到关于测量对象物W的尺寸的测量值(例如测量对象物W的直径)的动作。图2是用于说明该测量动作的时序图。首先，在与时钟脉冲CLK同步高速转动多角镜15的状态下，从发光元件9中射出光束B1。光束B1由多角镜15反射，并通过准直透镜17变为平行光束B2。通过平行光束B2反复扫描测量对象物W位于的扫描区域R。

通过了扫描区域R的激光由聚光透镜25会聚并由光接收元件27接收。由此，从光接收元件27输出扫描信号S1。由于光接收元件27被测量对象物W遮挡，所以扫描信号S1成为对应于此的波形。在图2中，字符s表示在一次扫描中输出的扫描信号。电压低的位置L对应于测量对象物W的直径。

扫描信号S1由放大器33放大，并被输入各整形电路37，测量使用以阈值50％(规定的阈值的一例)生成的二值化信号。由此，这里说明关于输入整形电路37-2的扫描信号S1的处理。

扫描信号S1输入整形电路37-2时，以阈值50％整形的整形信号S2被输出。基于该信号S2从选通信号发生电路39-2发生二值化信号S3即选通信号。信号S3和时钟脉冲CLK输入“与”电路49-2。由此，从“与”电路49-2输出二值化信号S3为‘H’的期间的时钟脉冲CLK，其个数由计数器51-2计测。换言之，对光接收元件27被测量对象物W遮挡而无法接收光束B3的期间的时钟脉冲CLK进行计测。使用该个数由CPU55运算测量值(这里为测量对象物W的直径)。由于扫描区域R被反复扫描，所以几次的数据的平均值作为测量值显示在显示部59上。

[污浊探测]

本实施方式中，在保护玻璃21、31上存在污浊的情况下(从发光元件9到光接收元件27为止的光束的光程上发生了异常的情况的一例)，利用改变阈值测量时测量值产生差的情况探测污浊，如探测出污浊则通知该情况。以下详细地说明。

图3是表示扫描信号S1和保护玻璃的污浊的关系的波形图。在发生了波形的扰乱的位置E表示存在污浊。位置E的宽度的大小对应于污浊的面积的大小，位置E的宽度大则表示污浊的面积大，宽度小则表示面积小。另一方面，位置E的深度的大小对应于污浊的浓度，位置E的深度大则表示浓的污浊，深度小则表示淡的污浊。

(a)表示没有污浊的情况，(b)表示存在小面积的淡的多个污浊的情况，(c)表示存在中间面积的浓的一个污浊的情况，(d)表示存在大面积的淡的一个污浊，且该污浊的一部分与测量对象物W重合的情况。如(a)所示，在不存在污浊的情况下，即使改变阈值来测量，测量值也几乎不产生差。与此相对，如(b)～(d)所示，在存在污浊的情况下，改变阈值测量时，图2所示的整形信号S2收到其影响的结果，测量值产生误差。(c)的例子中说明由于污浊的存在，扫描信号S1的波形扰乱的原因。

扫描信号S1通过长以阈值50％被整形。偏离该值时，在测量值中产生与光束直径成正比例的误差。为了减小误差，设定为光束直径在测量对象物W的位置最小。由此，如(a)所示，在不存在污浊的情况下，即使改变阈值，测量值也不产生差。另一方面，在保护玻璃的位置光束直径大，因此如(c)所示，在污浊存在的情况下，改变阈值进行测量时，测量值大不相同。

关于光束直径说明具体例时，通常测量对象物W配置在准直透镜17的焦点位置，光束被收缩到最细，从而，在测量对象物W的位置光束直径为0.1mm。与此相对，在保护玻璃21、31的位置光束直径为2mm。

这样，在保护玻璃21或保护玻璃31上存在污浊的情况下，测量值根据污浊的程度(面积的大小、浓度的大小)变化。本实施方式利用该情况探测污浊。

接着，使用图1～图4说明本实施方式的污浊的探测。图4是本实施方式的污浊探测处理的流程图。首先，运算分别以阈值90％、50％、10％为基准的尺寸的测量值Q₉₀、Q₅₀、Q₁₀(步骤1)。详细说明该步骤。

如图1所示，在本实施方式中，在以阈值50％得到测量值Q₅₀时，也得到阈值90％的情况的测量值Q₉₀以及阈值10％的情况的测量值Q₁₀。即，整形电路37-1、37-3中与整形电路37-2同步输入扫描信号S1。而且，以下通过与阈值50％同样的处理，由整形电路37-1、37-3生成整形信号S2，并由选通信号发生电路39-1、39-3生成二值化信号S3，由“与”电路49-1、49-3输出二值化信号S3为‘H’的期间的时钟脉冲CLK，其个数由计数器51-1、51-3计测。基于其个数由CPU55运算测量值Q₉₀、Q₁₀。

接着，在步骤2中，由CPU55判断测量值Q₉₀和测量值Q₅₀的差的绝对值(即测量值的变化)是否大于等于预定的基准值V1。使污浊的程度(面积的大小、浓度的大小)不同来求测量值，并基于该测量值检验污浊和测量值的变化的关系，从而决定基准值V1。

在上述绝对值大于等于基准值V1的情况下，如图3(b)～(d)所示，判断为保护玻璃上存在污浊。在该情况下，可能对应于图3(b)～(d)的任何一个。另一方面，在上述绝对值小于基准值V1的情况下，判断为保护玻璃上不存在污浊，并结束处理。

在步骤2中判断为保护玻璃上存在污浊的情况下，转移到步骤3。这里，判断测量值Q₅₀和测量值Q₁₀的差的绝对值是否大于等于预定的基准值V2。基准值V2与基准值V1同样决定。在本实施方式中，基准值V1和基准值V2为相同的值(例如0.5mm)，但也可以不同。在值Q₅₀和值Q₁₀的差的绝对值大于等于基准值V2的情况下，如图3(c)所示，判断为存在浓的污浊。由于该污浊对测量有大的恶劣影响，所以在步骤4中使图1的通知部63的蜂鸣器鸣叫并点亮红色灯，警告操作者马上除去污浊。

另一方面，值Q₅₀和值Q₁₀的差的绝对值小于基准值V2的情况下，如图3(b)或图3(d)所示，判断为存在淡的污浊。这种污浊对测量不产生大的恶劣影响，但在要提高测量精度的情况下，最好除去污浊。从而，在步骤5中点亮通知部63的黄色灯，促使操作者注意。步骤1、2、3的处理由图1的CPU55执行。从而，CPU55作为基于多个二值化信号的每个比较运算的多个测量值，从而判断保护玻璃是否污浊的判断部71起作用。

如以上所说明的，根据本实施方式，在保护玻璃21或保护玻璃31上存在污浊的情况下，利用阈值改变时测量值改变的情况判断保护玻璃的污浊，并通知有污浊。如图3(b)所示，对于阈值50％、90％的每一个对污浊的个数进行计数并比较它们，从而可以实现污浊的探测。

但是，在这样的情况下，如图3(d)所示，波形扰乱的位置E和电压低的位置L重合时，不进行污浊的计数，因此无法探测污浊，此外，如图3(c)所示，存在浓的一个污浊时，即使改变阈值，污浊的个数也都是一个，因此无法探测污浊。与此相对，在本实施方式中，因为利用如果改变阈值则测量值不同的情况，所以即使在图3(c)、(d)这样的情况下也无法探测污浊。从而，根据本实施方式，可以提高探测保护玻璃的污浊的精度。

此外，根据本实施方式，通过对测量值Q₉₀和测量值Q₅₀的组合、测量值Q₅₀和测量值Q₁₀的组合的每个比较测量值，判断污浊的程度。而且，在污浊浓的情况下，由通知蜂鸣器和红色的通知灯通知，在污浊淡的情况下，由黄色的通知灯通知。这样，由于根据污浊的程度(进行度)改变通知的内容，所以操作者可以容易地得知污浊的程度。由此，在保护玻璃的维护时可以参考，并可以进行保护玻璃的清洁状态的诊断。

在阈值的数目为三个(10％、50％、90％)的情况下进行了说明，阈值数不限于三个，至少大于等于两个也可以。阈值50％也可以利用于通常的测量值的运算。因此，如果对污浊的探测利用阈值50％，则可以减少污浊的探测所使用的其它的阈值的数目，因此，可以将整形电路37、计数器51等的数目减少这个程度。

阈值的大小不限于10％、50％、90％，也可以是除此以外的值。此外，如图3(b)～(d)所示，随着污浊变淡，可探测的阈值增高。从而，如果使用低的阈值(例如10％)、高的阈值(例如90％)、多个中间的阈值(例如30％、50％、70％)，则可以更细地区别污浊的浓度的程度。

基准值V1、V2根据光学式测量装置的机种而不同。基准值V1、V2可以预先存储在光学式测量装置的存储器57中，也可以由操作者输入。此外，也可以由操作者变更基准值V1、V2的大小。

以保护玻璃21、31的污浊为例进行了说明，但在保护玻璃损伤了的情况下，也与污浊同样，测量值产生差，因此可探测损伤。进而，如果在从发光元件9到光接收元件27为止的光束的光程上有异常(例如，准直透镜17或聚光透镜25中发生污浊或损伤)，则与保护玻璃的情况同样，测量值产生差，因此可以探测它们的异常。

此外，在CCD元件上将测量对象物的投影像成像，调整从CCD元件输出的信号的阈值而进行测量对象物的测量的装置也可以应用于本发明。

最后，说明本实施方式的光学式测量装置的变形例。图5是说明该装置73的方框图。在图5中，对与图1的标号所示的部件相同的部件赋予相同标号，从而省略说明。

图1所示的装置1对于阈值10％、50％、90％的每个设置整形电路37、计数器51等。与此相对，图5所示的装置73设置切换整形电路37的阈值的切换电路75。因此，可以共用整形电路37、计数器51等，所以可以简化电路。特别对阈值的数目多的情况有效。

在图5的结构的情况下，如图2所示，将第一个信号s(在一次扫描输出的扫描信号)的阈值作为90％来运算测量值，将第二个信号s的阈值设为50％来运算测量值，将第三个信号s的阈值设为10％来运算测量值，将未图示的第四个信号s的阈值设为90％来运算测量值，......。为了实现这一点，CPU55基于来自定时用光电二极管23的定时信号S4控制阈值切换电路75。

本申请基于2004年7月22日提交的在先日本专利申请号2004-214624，并要求其优先权，将其全部内容合并于此作为参考。

Claims

1.一种光学式测量装置，其特征在于，包括：

投光部件，通过基于从发光元件出射的光束的平行光束对测量对象物位于的扫描区域进行反复扫描；

光接收元件，接收通过所述扫描区域的光束并输出扫描信号；

二值化信号生成部件，构成为可用多个不同的阈值分别将所述扫描信号二值化，从而生成多个二值化信号；

运算部件，基于所述二值化信号运算关于所述测量对象物的测量值；

判断部件，对所述运算部件基于所述多个二值化信号的每一个运算的多个测量值进行比较，从而判断从所述发光元件到所述光接收元件为止的所述光束的光程上是否发生了异常；以及

通知部件，在所述判断部件判断为所述异常发生时，通知该异常，

所述二值化信号生成部件所使用的所述多个不同的阈值至少有三个，包含：第一阈值、比该第一阈值小的第二阈值、比该第二阈值小的第三阈值，

所述判断部件执行关于由所述第一阈值得到的测量值和由所述第二阈值得到的测量值的差是否大于等于基准值的第一判断，同时执行关于由所述第二阈值得到的测量值和由所述第三阈值得到的测量值的差是否大于等于基准值的第二判断，

所述通知部件在所述第一判断以及所述第二判断两者为肯定的情况下进行第一通知，在仅所述第一判断为肯定的情况下进行与所述第一通知不同的第二通知。

2.如权利要求1所述的光学式测量装置，其特征在于，

所述二值化信号生成部件包含进行所述多个阈值的切换的阈值切换电路。

3.如权利要求1所述的光学式测量装置，其特征在于，

包括将所述多个测量值的其中一个作为测量值显示的显示部。

4.如权利要求1所述的光学式测量装置，其特征在于，

所述投光部件包括：多角镜，被可转动地保持并对来自所述发光元件的光进行扫描；以及准直透镜，将由该多角镜反射的光变为平行光束。

5.如权利要求1所述的光学式测量装置，包括存储所述基准值的存储器。

6.如权利要求1所述的光学式测量装置，还包括用于将所述平行光束聚光的聚光透镜，所述光接收部接收由该聚光透镜会聚的光。

7.如权利要求1所述的光学式测量装置，其特征在于，

还包括探测部件，探测所述投光部件的所述扫描区域的一次扫描的开始或结束从而输出定时信号，

所述二值化信号生成部件基于所述定时信号选择由所述阈值整形的整形信号的边缘，从而生成所述二值化信号。

8.如权利要求1所述的光学式测量装置，其特征在于，

所述二值化信号生成部件包含进行所述多个阈值的切换的阈值切换电路，该阈值切换电路基于所述定时信号进行所述多个阈值的切换。

9.一种异常探测方法，用于探测光学式测量装置的异常，所述光学式测量装置包括：

二值化信号生成部件，将所述扫描信号二值化而生成二值化信号；以及

运算部件，基于所述二值化信号运算关于所述测量对象物的测量值，

所述异常探测方法的特征在于，包括：

二值化信号生成步骤，在所述二值化信号生成部件中使用多个阈值生成多个二值化信号；

判断步骤，对基于所述多个二值化信号的每个运算的多个测量值进行比较，从而判断从所述发光元件到所述光接收元件为止的所述光束的光程上是否发生了异常；以及

通知步骤，在判断为发生了所述异常的情况下通知该异常，

所述多个不同的阈值至少有三个，包含：第一阈值、比该第一阈值小的第二阈值、比该第二阈值小的第三阈值，

在所述判断步骤中，执行关于由所述第一阈值得到的测量值和由所述第二阈值得到的测量值的差是否大于等于基准值的第一判断，同时执行关于由所述第二阈值得到的测量值和由所述第三阈值得到的测量值的差是否大于等于基准值的第二判断，

在所述通知步骤中，在所述第一判断以及所述第二判断的两者为肯定的情况下进行第一通知，在仅所述第一判断为肯定的情况下进行与所述第一通知不同的第二通知。