CN101251709B - 照明装置、图像测定装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及照明装置及图像测定装置。光源(110)，其位置被固定，并且向远离物镜的光轴(A)的方向发射光。具有外侧反射镜(光学部件)(130)和内侧反射镜(光学部件)(140)。外侧反射镜(130)和内侧反射镜(140)相互的相对位置被固定而形成单元化。并且，反射镜单元(120)可以沿光轴(A)的方向位移，即，相对于光源(110)可以上下移动。外侧反射镜(130)的自由曲面部(131)和内侧反射镜(140)的反射面根据光入射位置而光的反射方向不同。

Description

照明装置、图像测定装置

技术领域

本发明涉及照明装置及图像测定装置。特别是涉及能够改变向对象物的光照射角度的照明装置。

背景技术

目前已知的图像测定装置，其向被测定物W照射照明光，并根据由来自被测定物W的反射光得到的图像测定被测定物W形状。图8是表示图像测定装置整体结构的图。图9是表示图像测定装置内部结构的图。

图像测定装置10包括：拍摄被载放在载物台20上的被测定物W的测定机主体部11、根据所拍摄的图像进行被测定物W的形状解析的图像处理部21、照明被测定物W的照明装置22。

测定机主体部11包括：拍摄被测定物W的拍摄装置12、与被测定物W的被测定部位对应地使该拍摄装置12三维移动的移动机构15、载放被测定物W的载物台20。拍摄装置12具有物镜13及拍摄由该物镜13所成的像的CCD照相机14。

移动机构15具有可以相对载物台20前后滑动移动地立设的门型架16、能够使该门型架16的梁部17左右滑动移动地设置的Z柱体18、在该Z柱体18内可以上下滑动地设置的Z转轴19。在该Z转轴19的下端安装了用于拍摄被测定物W的物镜13。图像处理部21处理由CCD照相机14得到的图像数据。

这里，在图9中，将物镜13的光轴A作为图像测定装置10的中心轴。

在使物镜13插进其中央的状态下，在Z转轴19的下端安装照明装置22。并且，向被测定物W发射以中心轴(光轴A)为中心的环状光束，均匀地照明被测定物W。

照明装置22具有下端面开口并且在上端面的中央具有插进孔的环状壳体23、以及配置在壳体23内部的从壳体23的下端面发射环状光束的照明光学系统24。

照明光学系统24包括：在壳体23的内部全体环状配置的作为发光光源的多个LED25、向被测定物W反射来自各LED25的光的反射镜26、将来自各LED25的光导向反射镜26的分色镜27。

LED25向下方发射光。分色镜27配置在LED25的下方，其形成使来自LED25的光在大致水平方向向中心轴(光轴A)的相反侧反射的凹面形状。另外，反射镜26间隔分色镜27配置在中心轴(光轴A)的相反侧，形成使来自分色镜27的光向中心轴侧的斜下方反射的凹面形状。

在这样的结构中，在拍摄被测定物W的图像时，首先将被测定物W设置在载物台20上。并且，从照明装置22发射环状光束，来照明被测定物W。即，从LED25发射的光由分色镜27反射，被反射向中心轴(光轴A)的相反侧，进而，该光由反射镜26向中心轴侧的斜下方反射，照射到被测定物W上。由被测定物W反射的光通过物镜13由CCD照相机14拍摄。来自CCD照相机14的图像数据由图像处理部21进行图像处理，例如，进行被测定物W的边缘、污物、瑕疵的检测或尺寸测定等的检查。

其中，通过改变向被测定物W的光的照射角度，能够强调边缘等的表面形状。因此，为了使朝向被测定对象的光的照射角度变更，使反射镜26的位置变化，例如，如图10所示，由于使分色镜27和反射镜26以相同速度移动，不会改变反射镜26上的光入射位置，所以，无法使对于被测定物W的光的照射角度变化。

对此，提案出如下技术，如图11所示，使分色镜27和反射镜26的位移速度不同，使分色镜27以比反射镜26大的速度移动，伴随着移动而使它们的相对位置变化(文献：(日本国)特开昭62-168125号公报)。

根据这样的结构，由于伴随着与分色镜27的相对位置的变化，使反射镜26上的光的入射位置变化，所以能够使对于被测定物W的光的照射角度变化。并且，通过这样改变对于被测定物W的光的照射角度，能够强调被测定物表面的形状，能够根据图像数据高精度地检测出边缘位置或尺寸等。

然而，要想如所述文献中提出的使分色镜27和反射镜26以不同速度移动，就需要使齿轮复杂组合的机构。因此，存在使照明装置22大型化并且非常耗费部件成本、组装成本这样的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种结构简单、使向被测定物的光照射角度变化的照明装置。

本发明提供一种照明装置，其在对于被配置在拍摄装置的光轴上的对象物利用所述拍摄装置进行拍摄时，用于照明所述对象物，从相对于所述光轴具有角度的方向将光照射到所述对象物上，其特征在于，包括：发射光的光发射部、以及具有彼此的相对位置被固定化的多个光学部件的光学单元，所述光发射部，其位置被固定并且向远离所述光轴的方向发射光，所述光学单元在与所述光发射部的光发射方向交叉的方向上能够相对于所述光发射部相对位移，其至少具有一个光学部件，所述光学部件在其内部使光反射，根据相对所述光发射部的相对位移量来改变朝向所述对象物的光的照射角度，并且根据光的入射位置的不同而使光的反射角不同。

在这样的结构中，由照明装置照明对象物，用拍摄装置拍摄对象物的表面。首先，从光发射部发射光。由光学单元内的多个光学部件使该光反射后向对象物发射光。在此，为了强调对象物表面形状，改变照射到对象物的光的照射角度。此时，使光学单元相对于光发射部相对移动。于是，使来自光发射部的光入射到光学单元的光入射位置不同。当在光学单元中光的入射位置不同时，入射到规定的光学部件的光的入射位置也不同。通过根据向该光学部件的光的入射位置不同而使光的反射方向不同，由此使从光学单元发射的光的发射角度变化。即，当通过光学单元相对于光源相对移动而使得入射到光学单元的光的光入射位置不同时，使光学单元向规定光学部件的光的入射位置不同，光的反射方向就不同。这样，通过使光学单元移动而改变向对象物的光照射角度，在强调对象物表面形状等的情况下，由拍摄装置拍摄对象物。

根据这样的结构，在使相对对象物的光的照射角度变化时，由于只要使光学单元相对光发射部相对位移即可，所以，能够极其简化使光学单元位移的结构。目前，例如由于必须使两个反射镜以相互不同的速度移动，因此需要复杂地使齿轮组合的结构，从而存在照明装置大型化、制造成本增大这样的问题。对此，在本发明中，由于只要使光学单元位移即可，所以结构简单，能够实现照明装置的小型化及制造成本的降低。

在本发明中，优选的是，所述光学单元包括：使来自所述光发射部的光向所述光轴侧反射的第一反射镜部；使来自所述第一反射镜部的光向远离所述光轴的方向反射的第二反射镜部；使来自所述第二反射镜部的光向所述对象物反射的第三反射镜部，所述第一反射镜部、所述第二反射镜部以及所述第三反射镜部相互的位置被固定，所述第一反射镜部、第二反射镜部及第三反射镜部中至少两个形成有曲面，所述曲面根据光的入射位置的变化使光的反射方向不同并且对于所述对象物的光的照射点不变。

在这样的结构中，来自光发射部的光在光学单元内按照第一反射镜部、第二反射镜部、第三反射镜部的顺序被反射，向对象物照射。当光学单元相对于光发射部相对移动时，由于向第一反射镜部的光的入射位置不同，所以，按照第一反射镜部、第二反射镜部、第三反射镜部的顺序光入射时的各反射镜部上的光的入射位置不同。其中，第一反射镜部、第二反射镜部、第三反射镜部中的两个以上形成有规定的曲面。如果只改变向对象物的光的照射角度，只要有一个根据光的入射位置而使反射角度不同的曲面的反射面即可。

然而，由于光的照射角度改变，所以向对象物的光的照射点变化，从而产生由于改变光的照射角度而使照明度不同的问题。

对此，在本发明中，将两个以上的反射镜部的反射面形成规定曲面，在使反射角度变化的基础上，抵消了由于反射角度不同带来的光照射点的变化，使光照射点不变。

由此，由于通过使光学单元位移，使得向对象物的光的照射角度变化，另一方面光照射点不变，所以，能够以一定的照明度改变光的照射角度，强调对象物的表面形状等。

在本发明中，优选的是，所述第一反射镜部及所述第二反射镜部形成根据光入射位置的变化而使光的反射方向不同的曲面，所述第三反射镜部是平面镜。

根据这种结构，在光学单元相对光发射部相对位移时，第一反射镜部的光的反射角度变化，使第二反射镜部上的光的入射位置变化。进而，由于向第二反射镜部的光的入射位置变化，使得第二反射镜部的光反射角度变化。来自第二反射镜部的光由第三反射镜反射并照射到对象物上。

在这样的结构中，通过将第一反射镜部和第二反射镜部形成规定曲面，由此使向对象物的光照射角度变化，并且，光照射位置不变。

在本发明中，优选的是，所述第一反射镜部和所述第三反射镜部被一体化。

在这样的结构中，第一反射镜部和第三反射镜部都比光发射部更远离光轴，并且，向光轴侧反射光，从而能够形成一体化。并且，通过使第一反射镜部和第三反射镜部为一体的反射镜，能够减少光学单元的构成部件，能够使部件成本及组装成本降低。

在本发明中，优选的是，所述光发射部具有使来自规定光源的光向远离所述光轴的方向反射的反射装置。

在这样的结构中，从规定的光源发射的光由反射装置向远离光轴的方向反射，入射到光学单元。根据这样的结构，由于照明装置本身不需要具有光源，所以能够使照明装置小型化。

在本发明中，优选的是，所述光源是安装了该照明装置的测定机主体的光源。

在这样的结构中，在照明装置被安装在图像测定机等的测定装置上的情况下，由于图像测定机具有光源，所以照明装置只要利用来自所述光源的光即可。根据这样的结构，由于照明装置本身不需要具有光源，所以能够使照明装置小型化。

本发明提供一种图像测定装置，其特征在于，具有所述照明装置和安装了该照明装置的测定机主体。

根据这样的结构，能够获得与所述发明相同的作用效果。

即，通过用简单、小型的照明装置改变向对象物的光照射角度，由此能够强调对象物表面形状等，来测定对象物。

附图说明

图1是表示本发明的照明装置的一个实施方式的图；

图2是表示在所述实施方式中使反射镜单元移动的状态的图；

图3是用于说明确定内侧反射镜形状的方法的图；

图4是表示从内侧反射镜到被测定物的铅直距离h₁处的θ与光的照射角度θ₂的关系的一例的图；

图5是表示本发明的变形例1的图；

图6是表示本发明的变形例2的图；

图7是作为本发明的变形例表示发射环状光束的照明装置的图；

图8是作为本发明的背景技术表示图像测定装置整体结构的图；

图9是作为本发明的背景技术表示图像测定装置内部结构的图；

图10是表示以相同速度移动分色镜和反射镜的状态的图；

图11是表示以不同速度移动分色镜和反射镜的状态的图。

具体实施方式

下面，图示本发明的实施方式并参照附加给图中各要素的标号进行说明。

对本发明照明装置的一个实施方式进行说明。图1表示本发明照明装置的实施方式。该照明装置100是向被测定物表面从斜向照射光的照明装置，例如，其被安装在内置于图像测定机主体的拍摄装置12周围。例如，在图1中，照明装置100与物镜13邻接配置。

另外，本实施方式中，按照使光轴A为铅直方向的方式设置物镜13，在该光轴A上配置作为测定对象的被测定物W，照明装置100从被测定物W的上方对被测定物W照射光。

照明装置100包括：光源(光发射部)110、反射镜单元(光学单元)120。光源110位置被固定。另外，光源110在与光轴A正交的方向，向远离光轴A的方向发射光。

反射镜单元120包括：外侧反射镜(光学部件)130、内侧反射镜(光学部件)140。外侧反射镜130和内侧反射镜140相互的相对位置被固定，被单元化。

并且，反射镜单元120可以在沿着光轴A的方向上位移，即，相对于光源110可以上下移动。

在反射镜单元120中，在远离光轴A侧配置外侧反射镜130，在接近光轴A侧配置内侧反射镜140。

外侧反射镜130配置成使光反射面朝向光轴侧，其包括：自由曲面部131、平面反射部132。在图1中，在外侧反射镜130中，上侧是自由曲面部131，下侧是平面反射部132。该自由曲面部131根据光的入射位置而光的反射方向不同。如果把反射光与水平面成的角称为倾角θ₁，则按照如下方式形成自由曲面(参照图1、图2)，即，在自由曲面部131中的下侧反射光的情况下，倾角θ₁变小，相反，在自由曲面部131中的上侧反射光的情况下，倾角θ₁变大。

内侧反射镜140配置成使光反射面141朝向光轴A相反侧即外侧反射镜130一侧，光反射面141形成自由曲面。该自由曲面根据来自外侧反射镜130的光的入射位置，光的反射方向不同。如果把反射光与水平面成的角称为倾角θ₂，则按照如下方式形成自由曲面，即，在来自外侧反射镜130的光入射到自由曲面上侧的情况下，倾角θ₂变大，相反，在来自外侧反射镜130的光入射到自由曲面下侧的情况下，倾角θ₂变小。

其中，由作为外侧反射镜130上侧的自由曲面部131构成第一反射镜部，由作为外侧反射镜130下侧的平面部132构成第三反射镜部，由内侧反射镜140构成第二反射镜部。

对从光源110发射的光照射到被测定物表面的光路进行说明。在图1中，表示反射镜单元120相对于光源位于上方且向被测定物W以大角度照射光的例子。

从光源110向与光轴A正交且远离光轴A的方向发射光。从光源110发射的光入射到作为外侧反射镜130上侧的自由曲面部131，被反射。此时，光入射到自由曲面中的下侧，以小的倾角θ₁被反射。由自由曲面部131反射的光朝向斜下方光轴A的方向前进，入射到内侧反射镜140，被反射。此时，由于在自由曲面部131下侧以小的倾角θ₁被反射的光入射到内侧反射镜140上侧，所以，从内侧反射镜140以大的倾角θ₂被反射。由内侧反射镜140反射的光向斜下方远离光轴A的方向前进，入射到作为外侧反射镜130下侧的平面反射部132，被反射。然后，由平面反射部132反射的光照射到被测定物表面。此时，由于来自内侧反射镜140的反射光的倾角θ₂大，所以，光以高角度照射到被测定物W上。

下面，对于使反射镜单元120相对于光源110向下方移动而向被测定物W以低角度照射光的例子进行说明(参照图2)。从光源110发射的光入射到外侧反射镜130的自由曲面部131，被反射。此时，光入射到自由曲面中的上侧，以大的倾角θ₁被反射。由自由曲面部131反射的光入射到内侧反射镜140，被反射，在自由曲面部131的上侧以大的倾角θ₁被反射的光入射到内侧反射镜140的下侧，所以，从内侧反射镜140以小的倾角θ₂被反射。由内侧反射镜140反射的光入射到作为外侧反射镜130下侧的平面反射部132，被反射。并且，由平面反射部132反射的光照射到被测定物表面。此时，由于来自内侧反射镜140的反射光的倾角θ₂小，所以，光以低角度照射到被测定物W上。进而，即使在使反射镜单元120相对光源110相对移动的情况下，光的照射位置也不变。

下面，参照图3简单说明确定内侧反射镜140的自由曲面形状的方法。在图3中，作为与外侧反射镜130的自由曲面部131对应的部件配置第一反射镜部133，作为与内侧反射镜140的自由曲面对应的部件配置第二反射镜部142，作为与外侧反射镜130的平面反射部132对应的部件配置第三反射镜部134。并且，在第一反射镜部133的反射光的倾角是θ₁，并且对被测定物W的光的照射角度是θ₂的情况下，在距被测定物W的铅直距离h 1的第二反射镜部142的光反射点确定内侧反射镜140(第二反射镜部142)相对于铅直线所成的角θ。

在图3中，下式成立。

$\tan {\mathrm{\θ}}_2=\frac{h_1-L_2\tan {\mathrm{\θ}}_2}{L_1}...\left(1\right)$

整理该式得到下式。

$\tan {\mathrm{\θ}}_2=\frac{h_1}{L_1+L_2}...\left(2\right)$

其中，θ₁、θ₂及θ具有如下关系。

θ₂＝θ₁+2θ    ...(3)

由此，根据三角函数的加法定理，将式(2)如下展开。

$\tan {\mathrm{\θ}}_2=\tan ({\mathrm{\θ}}_1+2\mathrm{\θ})$

$=\frac{\tan {\mathrm{\θ}}_1+\tan 2\mathrm{\θ}}{1-\tan {\mathrm{\θ}}_1\tan 2\mathrm{\θ}}...\left(4\right)$

因此，由式(2)和式(4)得出如下关系。

$\frac{\tan {\mathrm{\θ}}_1+\tan 2\mathrm{\θ}}{1-\tan {\mathrm{\θ}}_1\tan 2\mathrm{\θ}}=\frac{h_1}{L_1+L_2}...\left(5\right)$

整理式(5)，得出下式。

$\tan 2\mathrm{\θ}=\frac{h_1-(L_1+L_2)\tan {\mathrm{\θ}}_1}{L_1+L_2+h_1\tan {\mathrm{\θ}}_1}...\left(6\right)$

并且，tanθ以下面的形式表示。

$\tan \mathrm{\θ}=\frac{-1+\sqrt{1+{\tan }^{2}2\mathrm{\θ}}}{\tan 2\mathrm{\θ}}...\left(7\right)$

其中 $\tan 2\mathrm{\θ}=\frac{h_1-(L_1+L_2)\tan {\mathrm{\θ}}_1}{L_1+L_2+h_1\tan {\mathrm{\θ}}_1}$

例如，图4表示设L₁＝35mm、L₂＝15mm，在从内侧反射镜140到被测定物W的铅直距离h₁处的θ与光的照射角度θ₂的关系的一例。

根据具有这种结构的本实施方式，能够获得下面的效果。

(1)在反射镜单元120，外侧反射镜130和内侧反射镜140被单元化，在使对于被测定物W的光的照射角度变化时，只要使反射镜单元120相对于光源110相对位移即可。因此，能够极其简化使反射镜单元120位移的结构。例如，与现有的使齿轮复杂地组合并以彼此不同的速度移动两个反射镜的情况相比，本实施方式的照明装置100结构简单，能够实现小型化及制造成本的降低。

(2)由于将外侧反射镜130的自由曲面部131和内侧反射镜140形成规定的曲面，使向被测定物W的光照射角度变化，另一方面，光照射点不变，所以，能够以一定的照明度改变光的照射角度，强调被测定物W的表面形状。

(3)作为外侧反射镜130而将第一反射镜部133和第三反射镜部134形成一体的反射镜，所以，能够减少反射镜单元120的构成部件，从而能够降低部件成本及组装成本。

(变形例1)

参照图5说明本发明的变形例1。

变形例1的基本结构与所述实施方式相同，但在光发射部的结构上有特征。即，光发射部包括：铅直向下发射光的光源110、作为向与光轴A大致正交且远离光轴A的方向反射来自该光源110的光的反射装置的反射镜150。根据这样的变形例1，由于没有对于光源110的配置位置的限制，所以，设计自由度增大，从而能够容易实现照明装置100的小型化。

(变形例2)

下面，参照图6说明本发明的变形例2。

变形例2的基本结构与所述实施方式相同，但在光发射部的结构上有特征。即，发射光的光源为内置在图像测定机主体(参照背景技术的图8)的光源，用光纤等光导将来自该光源的光导入照明装置100内。并且，光发射部具有作为向与光轴A大致正交且远离光轴A的方向反射被导入的光的反射装置的反射镜160。

根据这样的结构，由于照明装置100本身可以不具有光源，所以能够使照明装置100小型化。

另外，本发明不限于所述实施方式，在能够达到本发明目的的范围内的变形、改进等都包含在本发明的范围内。

在所述实施方式中，说明了从倾斜的一个方向照明被测定物W的例子，但例如图7所示，也可以是以物镜13为中心环状地构成的发射环状光束的照明装置100。

在所述实施方式中，以在拍摄装置12侧设置照明装置，从拍摄装置12侧照明的情况为例进行了说明，但也可以间隔被测定物W，而在拍摄装置12的相反侧设置照明装置，例如，可以将该照明装置作为透过照明使用。

此外，反射镜单元可以手动上下移动，或者，可以利用电动机等的动力使其位移。作为光学部件不限于反射镜，例如也可以是棱镜等。

Claims (6)

1.一种照明装置，其在对于被配置在拍摄装置的光轴上的对象物利用所述拍摄装置进行拍摄时，用于照明所述对象物，从相对于所述光轴具有角度的方向将光照射到所述对象物上，其特征在于，

包括：发射光的光发射部、以及具有彼此的相对位置被固定化的多个光学部件的光学单元，

所述光发射部，其位置被固定并且向远离所述光轴的方向发射光，

所述光学单元在与所述光发射部的光发射方向交叉的方向上能够相对于所述光发射部相对位移，其具有两个光学部件，所述光学部件在所述光学单元内部使光反射，根据相对所述光发射部的相对位移量来改变朝向所述对象物的光的照射角度，并且根据光的入射位置的不同而使光的反射角不同。

2.如权利要求1所述的照明装置，其特征在于，

所述光学单元包括：

使来自所述光发射部的光向所述光轴侧反射的第一反射镜部；

使来自所述第一反射镜部的光向远离所述光轴的方向反射的第二反射镜部；以及

使来自所述第二反射镜部的光向所述对象物反射的第三反射镜部，

所述第一反射镜部、所述第二反射镜部以及所述第三反射镜部相互的位置被固定，

所述第一反射镜部和所述第二反射镜部形成为根据光入射位置的变化而使光的反射方向不同的曲面，

所述第三反射镜部是平面镜。

3.如权利要求2所述的照明装置，其特征在于，

所述第一反射镜部和所述第三反射镜部被一体化。

4.如权利要求1到权利要求3中任何一项所述的照明装置，其特征在于，

所述光发射部具有使来自规定光源的光向远离所述光轴的方向反射的反射装置。

5.如权利要求4所述的照明装置，其特征在于，

所述光源是安装有所述照明装置的测定机主体的光源。

6.一种图像测定装置，其包括：

权利要求1到权利要求5中任何一项所述的照明装置；以及

安装有所述照明装置的测定机主体。

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