CN102749040A

CN102749040A - 形状测量设备

Info

Publication number: CN102749040A
Application number: CN2012101130060A
Authority: CN
Inventors: 根本贤太郎; 山县正意
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2011-04-18
Filing date: 2012-04-17
Publication date: 2012-10-24
Also published as: US20120262724A1; EP2515070A1; JP2012225701A

Abstract

本发明公开了一种形状测量设备，其通过探测器以非接触方式扫描工件的表面并测量所述工件的表面形状。所述探测器包括：光照射单元，其将线状光照射到所述工件上；以及成像单元，其使从所述光照射单元照射的光的反射光成像，所述反射光由所述工件反射。所述成像单元包括：成像元件，其使所述工件的像成像；成像透镜，其在所述成像元件的成像平面上形成由所述工件反射的反射光的像；以及透镜更换单元，其使得所述成像透镜可更换。

Description

形状测量设备

对相关申请的交叉引用

此申请基于并要求2011年4月18日提交的在先日本专利申请No.2011-091736的优先权权益，通过引用将其全部内容合并在此。

技术领域

本发明涉及一种形状测量设备。

背景技术

迄今为止，已经已知这样一种形状测量设备，其以非接触方式通过探测器(probe)扫描称为待测量对象的工件的表面，并测量工件的表面的形状(例如，参见PCT国际申请公布No.JP-T-2009-534969的日文翻译)。

探测器通过包括诸如电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)的成像元件、成像透镜、线(line)激光器等而构成，并且通过使用沙姆普弗鲁克(Scheimpflug)原理来执行测量。

如图10中所示，沙姆普弗鲁克原理是指：在通过分别延伸成像元件的成像平面、包括成像透镜的主点的主平面、以及照射到工件上的线激光器的照射平面而获得的平面被布置为在一点彼此相交的情况下，成像元件的成像平面完全变成聚焦(focusing)状态。

在使用如上所述的沙姆普弗鲁克原理的探测器中，测量精度(分辨能力)和测量范围为权衡关系。也就是说，在由成像元件测量放置在线激光器的照射平面上的工件的情况下，使用的成像透镜的成像范围则由其光放大倍率决定。

因此，如图11中所示，在测量宽范围的情况下，使用低放大倍率的成像透镜，并且，在以高精度测量窄范围的情况下，使用高放大倍率的成像透镜。

顺便提及，迄今为止，在上述探测器中，已经采用了这样的配置：其中线激光器和成像透镜在制造过程中被固定至有关探测器，并且一旦被固定则无法被替换。因此，探测器的测量精度和测量范围已经由固定的成像透镜的光放大倍率和成像元件的尺寸唯一地决定。

因此，在与期望被执行测量的工件的尺寸匹配中，已经必须切换具有适当测量范围(或测量精度)的探测器，并且，已经必须准备测量范围(测量精度)的规范不同的多种类型的探测器。

为了仅仅因为期望的测量范围(测量精度)不同而准备多种类型的探测器，已经产生了巨大成本，另外，已经必须在每次更换探测器时执行校准操作等，从而导致安装工时的增加。

发明内容

本发明的目的是提供一种形状测量设备，其包括能够调节并改变测量范围和测量精度的探测器。

根据本发明的一个方面，提供了一种形状测量设备，其以非接触方式通过探测器扫描工件的表面并测量工件的表面形状，所述探测器包括：光照射单元，其将线状(linear)光照射到工件上；以及成像单元，其使从光照射单元照射的光的反射光成像，反射光由工件反射，并且，所述成像单元包括：

成像元件，其使工件的像成像；

成像透镜，其将由工件反射的反射光的像形成在成像元件的成像平面上；以及

透镜更换单元，其使得成像透镜可更换。

附图说明

从下面给出的详细描述以及附图和表中，本发明的以上和其它目的、优点和特征将变得更加充分地被理解，其中，附图和表格仅仅通过图示而给出，从而并非意图定义对本发明的限制，并且其中：

图1是本发明的形状测量设备的总配置图；

图2是用于说明形状测量设备的光探测器的配置的视图；

图3A和3B是用于说明形状测量设备的操作的视图；

图4是用于说明根据第一实施例的成像单元的视图；

图5是用于说明根据第一实施例的透镜更换的视图；

图6是用于说明根据第二实施例的成像单元的视图；

图7是第二实施例的透镜更换单元的俯视图；

图8是用于说明第三实施例的成像单元的视图；

图9是示出第三实施例的透镜更换单元的俯视图；

图10是用于说明沙姆普弗鲁克原理的视图；以及

图11是用于说明测量精度与测量范围之间的关系的视图。

具体实施方式

参考附图对本发明的实施例进行描述。然而，本发明的范围不限于所图示的示例。

[第一实施例]

首先，对配置进行描述。

如图1中所示，形状测量设备100通过包括控制设备101、操作单元102、主机系统103和设备主体单元104而构成。

控制设备101控制设备主体单元104的驱动，并从设备主体单元104捕获必要的测量坐标值等。

操作单元102用于允许用户通过控制设备101手动操作设备主体单元104。

主机系统103通过包括以下单元而构成：显示单元103a，显示各种画面；操作单元103b，接收来自用户的操作指示(designation)；打印机单元，用于在纸张上执行打印；等等。

显示单元103a例如由液晶显示器(LCD)构成，并且根据来自操作单元103b的操作信号在屏幕上显示各种设置画面、各个功能的操作状态等。操作单元103b例如由具有各种键的键盘构成，并且响应于手指等的操作将操作信号输出至控制设备101。

此外，主机系统103包括以下功能：编辑/执行用于指示控制设备101中的测量过程的部分程序；执行用于对通过控制设备101捕获的测量坐标值等应用几何形状的计算；以及记录/发送该部分程序。

设备主体单元104具有装配在振动去除板上的表面平板，并且包括在表面平板之上在X、Y和Z方向上驱动的光探测器P等。

光探测器P以非接触方式扫描工件的表面，并测量工件的表面形状。

光探测器P通过使用沙姆普弗鲁克原理执行测量，并且，成像单元30的成像元件31(稍后描述)的成像平面完全变成聚焦状态。

如图2中所示，光探测器P通过将控制单元10、光照射单元20、成像单元30等包括在壳体1中而构成。

控制单元10通过包括中央处理单元(CPU)、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)(它们全部未示出)等而构成，并且执行对光照射单元20和成像单元30的操作的集中式控制。例如，控制单元10执行调节来自光照射单元20的照射光的光量、通过使用来自成像单元30的输出信号计算工件的形状等的控制。

光照射单元20通过包括光源、准直透镜、棒(rod)透镜(它们全部未示出)等而构成，并将线状光照射到工件上。

具体地，从光源发射的具有预定波长的激光束通过准直透镜而变为平行束，并通过棒透镜而转换为线状光，并且此后作为线状光而照射到工件上。注意，还可以使用柱透镜代替棒透镜。

然后，当这样的线激光束从光照射单元20照射到工件上时，激光束的反射光沿着工件表面的不规则形状而变形，并且沿着特定横截面切割工件时的轮廓被照亮(light up)。

成像单元30被布置在相对于从光照射单元20照射到工件上的光的照射方向成预定角度的方向上，并从该预定角度接收沿着这样的工件表面的形状反射的光。

如图3A中所示，成像单元30以预定角度使工件成像，从而，如图3B中所示，沿着工件的表面形状行进的激光束的反射光的像被成像。

具体地，如图4中所示，成像单元30通过包括成像元件31、成像透镜32、装配单元33等而构成。

注意，图4是示出成像元件31与成像透镜32之间的光学位置关系的概念视图。图4中的虚线表示成像元件31的成像平面，而长短交替的破折线表示包括成像透镜32的主点的主平面。此外，双点划线表示光照射单元20的、将激光束照射到工件上的照射平面。

成像元件31包括使工件通过成像透镜32的像(即，来自工件的反射光)成像的图像传感器(未示出)。

图像传感器通过包括例如单独地布置在彼此垂直的两个方向上的、以1024像素×1280像素的矩阵方式的CMOS光接收元件而构成。

图像传感器具有所谓的旋转(rolling)快门功能，以只允许布置在一或多行(或列)中的光接收元件同时接收光，并在列方向上(或在行方向上)顺序地每(per)行(或每列)地执行这样的光接收。

成像透镜32在成像元件31的成像平面上形成来自工件的反射光的像。

作为成像透镜32，例如可以使用标准透镜、广角透镜、微距(macro)透镜等。在光探测器P中，当使用这样的具有较低放大倍率的成像透镜32时测量较宽范围，而当使用这样的具有较高放大倍率的成像透镜32时测量较窄范围。

成像透镜32支撑在装配单元33上以便可从其拆卸。

装配单元33安装在光探测器P的预定位置处，并支撑成像透镜32，使得成像透镜32可以从光探测器P拆卸。

具体地，在装配单元33和成像透镜32的边缘部分的任一个上形成凹槽，在另一个上形成与相关凹槽匹配的突出部分，可以通过将上述突出部分装至上述凹槽而将成像透镜32装配在装配单元33上，并且可以通过将上述突出部分与上述凹槽分开而从装配单元33拆卸成像透镜32。

因此，如图5中所示，装配在成像单元30上的成像透镜32可利用具有其它光放大倍率的成像透镜32A和成像透镜32B更换，由此使得可以调节/改变光探测器P的测量范围和测量精度。

如上所述，装配单元33用作使得成像透镜32可更换的透镜更换部件。

注意，装配单元33仅仅需要是支撑成像透镜32以使得成像透镜32可以从光探测器P拆卸的单元，并且其配置不限于上述配置。

此外，可以采用成像透镜32可以与装配单元33一起从光探测器P拆卸的配置。也就是说，在装配单元33和成像透镜32彼此固定连接、并且更换成像透镜32的情况下，则将成像透镜32与装配单元33一起从光探测器P拆卸，并且将包括具有不同光放大倍率的成像透镜32A或成像透镜32B的这种装配单元33连接至光探测器P。

接下来，对功能进行描述。

在此实施例中，成像透镜32支撑在装配单元33上以便可从其拆卸。

成像透镜32可从装配单元33拆卸，从而，在期望调节/改变光探测器P的测量范围和测量精度的情况下，则从光探测器P拆卸成像透镜32，并且可以将具有其它光放大倍率的成像透镜32A和32B连接至相关光探测器P。

也就是说，可以响应于期望的测量范围和测量精度而替换成像透镜32。

如上所述，根据此实施例，提供支撑成像透镜32以使得成像透镜32可以从光探测器P拆卸的装配单元33，作为使得成像透镜32可更换的透镜更换单元。从而，在期望调节/改变测量范围和测量精度的情况下，可以容易地用具有期望的光放大倍率的成像透镜32来更换所述成像透镜32。

因此，不需要准备测量范围和测量精度的规范不同的多种类型的光探测器P，并降低了成本。此外，不需要执行对光探测器P等的更换工作，从而，可以实现安装工时的降低。此外，可以维持迄今为止已经实现的高速扫描。

因此，可以提高形状测量设备的可用性。

[第二实施例]

接下来，对本发明的第二实施例进行描述，同时关注于其与第一实施例不同的点。

注意，将相同的附图标记分配给与上述第一实施例的要素类似的要素，并且省略对其的描述。

如图6中所示，在此实施例中的成像单元40包括：成像元件41；环形(circular)透镜单元42；等等。

成像元件41具有与上述第一实施例的成像元件31的配置类似的配置。

如图6和图7中所示，环形透镜单元42包括：环形保持构件421；以及四个装配在保持构件421上的成像透镜422a至422d。

保持构件421在其中心包括中心部分423。在中心部分423的外围，围绕中心部分423形成四个开口(未示出)，并且，将四个成像透镜422a至422d装至这样的开口中。

成像透镜422a至422d是光放大倍率彼此不同的成像透镜。

布置成像透镜422a至422d以使得其透镜中心P1至P4可以位于与保持构件421的中心部分423离开相等距离的位置处。

布置如上所述的环形透镜单元42以使得其一个区域S可以面向成像元件41，并且由成像透镜422a至422d之中的位于区域S中的成像透镜执行测量。

于是，使得环形透镜单元42可围绕作为轴的中心部分423旋转，并且被配置为使得可以通过旋转环形透镜单元42来更换位于区域S中的成像透镜。

因此，当具有较低放大倍率的成像透镜位于区域S中时测量较宽范围，而当具有较高放大倍率的成像透镜位于区域S中时测量较窄范围。

如上所述，此实施例的成像单元40包括环形透镜单元42，并由此使得能够根据需要改变成像透镜的光放大倍率(测量区域)。

注意，可以由用户手动执行环形透镜单元42的旋转，或者，在用户通过使用主机系统103的操作单元103b指示测量精度的情况下，可以响应于所指示的测量精度来执行相关旋转。

环形透镜单元42用作使得成像透镜422a至422d可更换的透镜更换部件。

如上所述，根据此实施例，当然，获得与第一实施例的效果类似的效果，并且另外，提供可围绕作为轴的中心部分423旋转并且具有布置在其中的多种类型的成像透镜422a至422d的环形透镜单元42，其中成像透镜422a至422d具有位于与中心部分423离开相等距离的位置处的中心P1至P4。从而，可以采用将多个成像透镜422a至422d彼此集成装配的设备配置，并且获得形状测量设备的更好的可用性。

注意，在此实施例中，已经在图示其上装配四个成像透镜422a至422d的环形透镜单元42的同时进行了描述；然而，不存在对成像透镜的数量的限制。

此外，不总是需要四个成像透镜全部具有不同的放大倍率，例如，在四个成像透镜之中，其中两个可以是具有相同放大倍率的成像透镜，而另两个可以是具有不同放大倍率的成像透镜。

此外，可以装配响应于工件的形状而自动决定要使用成像透镜422a至422d中的哪个(即，测量精度和测量范围)的功能。在此情况下，例如，基于预先读取的CAD数据而识别工件的不规则性等，并且决定测量精度和测量范围。

[第三实施例]

接下来，对本发明的第三实施例进行描述，同时关注于其与第一实施例不同的点。

如图8中所示，在此实施例中的成像单元50包括：成像元件51；线状(linear)透镜单元52；等等。

成像元件51具有与上述第一实施例的成像元件31的配置类似的配置。

如图8和图9中所示，线状透镜单元52包括：长保持构件511；以及三个装配在保持构件511上的成像透镜522a至522c。

在保持构件511中，形成三个开口(未示出)，并且将三个成像透镜522a至522c装到这样的开口中。

成像透镜522a至522c是光放大倍率彼此不同的成像透镜，并且被线状地(linearly)布置在保持构件511中。

布置线状透镜单元52以使得其中一个区域S1可以面向成像元件51，由成像透镜522a至522c之中的位于区域S1中的成像透镜执行测量。

于是，使得线状透镜单元52可相对于保持构件511滑动，并且被配置使得可以通过滑动线状透镜单元52来更换位于区域S1中的成像透镜。

因此，当具有较低放大倍率的成像透镜位于区域S1中时测量较宽范围，而当具有较高放大倍率的成像透镜位于区域S1中时测量较窄范围。

如上所述，此实施例的成像单元50包括线状透镜单元52，并由此使得能够根据需要改变成像透镜的光放大倍率(测量区域)。

线状透镜单元52用作使得成像透镜522a至522c可更换的透镜更换部件。

如上所述，根据此实施例，当然，获得与第一实施例的效果类似的效果，并且另外，提供可相对于成像元件51滑动并且具有线状地布置在其中的多种类型的成像透镜522a至522c的线状透镜单元52。从而，可以采用将多个成像透镜522a至522c彼此集成地装配的设备配置，并且获得形状测量设备的更好的可用性。

注意，在此实施例中，已经在图示其上装配三个成像透镜522a至522c的线状透镜单元52的同时进行了描述；然而，不存在对成像透镜的数量的限制。

此外，不总是需要三个成像透镜全部具有不同的放大倍率，例如，在三个成像透镜之中，其中两个可以是具有相同放大倍率的成像透镜。

此外，可以装配响应于工件的形状而自动决定要使用成像透镜522a至522c中的哪个(即，测量精度和测量范围)的功能。在此情况下，例如，基于预先读取的CAD数据而识别工件的不规则性等，并且决定测量精度和测量范围。

根据本发明的优选实施例的一方面，提供了一种形状测量设备，其通过探测器以非接触方式扫描工件的表面并测量工件的表面形状，所述探测器包括：光照射单元，其将线状光照射到工件上；以及成像单元，其使从光照射单元照射的光的反射光成像，反射光由工件反射，并且所述成像单元包括：

成像元件，其使工件的像成像；

成像透镜，其在成像元件的成像平面上形成由工件反射的反射光的像；以及

透镜更换单元，其使得成像透镜可更换。

优选地，透镜更换单元包括装配单元，其可拆卸地支撑成像透镜。

优选地，透镜更换单元包括环形透镜单元，其可围绕环形透镜单元的作为轴的中心部分旋转并具有多种类型的成像透镜，其中布置成像透镜以使得成像透镜的透镜中心位于与中心部分离开相等距离的位置处。

优选地，透镜更换单元包括线状透镜单元，其可相对于成像元件滑动并具有线状布置的多种类型的成像透镜。

这次公开的实施例在所有方面都应当被认为是说明性的、而非限制性的。本发明的范围并非由以上描述示出，而是由权利要求书示出，并且意在包括权利要求的等同体以及权利要求的范围内的所有修改。

Claims

1.一种形状测量设备，其通过探测器以非接触方式扫描工件的表面并测量所述工件的表面形状，所述探测器包括：光照射单元，其将线状光照射到所述工件上；以及成像单元，其使从所述光照射单元照射的光的反射光成像，所述反射光由所述工件反射，其中所述成像单元包括：

成像元件，其使所述工件的像成像；

成像透镜，其在所述成像元件的成像平面上形成由所述工件反射的反射光的像；以及

透镜更换单元，其使得所述成像透镜可更换。

2.如权利要求1所述的形状测量设备，

其中，所述透镜更换单元包括装配单元，其可拆卸地支撑所述成像透镜。

3.如权利要求1所述的形状测量设备，

其中，所述透镜更换单元包括环形透镜单元，其能够围绕所述环形透镜单元的作为轴的中心部分旋转并具有多种类型的成像透镜，其中布置所述成像透镜以使得所述成像透镜的透镜中心位于与所述中心部分离开相等距离的位置处。

4.如权利要求1所述的形状测量设备，

其中，所述透镜更换单元包括线状透镜单元，其能够相对于所述成像元件滑动并具有线状布置的多种类型的成像透镜。