CN1037963A - 非接触空间测量的方法和装置 - Google Patents

Abstract

测量工件边缘平直度的光电计测装置和方法。 该装置包括强度均匀的光源，光检测器，准直光装置， 第一透镜，有一光栏孔的挡板，第二透镜及检测装 置。该方法包括；产生均匀准直光；使两个边缘间的 投射光形成一具有横向尺寸的象；限制该象通过第一 透镜并使成象光线的角分量接近平行光；使此光聚 焦；在焦面处检测图象横向尺寸方向上的最大光强和 具有至少1/2已测最大光强而成象的部分的横向 长度，以消除间隙边缘图象的光学边缘效应。

Description

本发明涉及非接触测量的电-光系统和机构，尤其是用于测量物体边缘轮廓与标准值之间的偏离。用图例对阴极射线管用的面屏封边和玻锥封边的不平直度测量作出详细的说明。

阴极射线管、尤其是那些用于电视机和计算机显示的阴极射线管，在其矩形状的面屏上有矩形显示表面。通常，制造这种显象管最方便的方法是采用分立的面屏和与之配合管壳玻锥加工封接而成。经过特殊处理的面屏和玻锥，借助于一种失透性焊接玻璃把面屏和玻锥封接在一起，这种焊接玻璃呈小珠状加到封边，通常是玻锥封边，封接过程中，这封边和相配合的面屏的封边熔化，迅速完成封接过程。从而，封接的玻锥和面屏的封边，应该在它们整个封接长度上配合准确，以此保证在整个长度上封边厚度的均匀性和高质量。平直的封边，如在面屏和玻锥凸缘上的封边，可以在许多应用上加以采用，本发明将作为对平直的平面封边的平直度偏离的测量来公开发明内容。

在制造电视显象管过程中，面屏和玻锥二者封边的平直度，对他们二者是否封接合适是很重要的。过去，为了保证合适的封接，一向把封接表面磨平。采用熔融玻璃态来精密地形成平直的封边可省掉昂贵的研磨操作。然而，所形成的封边需要一定的模具精度，该精度规定了加工过程中的模具形状的保持以及产品的封边平直度检验合格。希望对封边平直度进行百分之百地监控生产，监控速度要与玻璃件的形成过程相一致，致使数据量和精度足以允许在模具成形中进行误差校正以及在适量连机检测点允许检验所有产品的封边质量。

迄今;一直采用机械检测装置确定封边的平直度，间隔和精度的限制结果是通常采用一个围绕封边周缘有16个测试点的计测规，提供精确到±4-5μ的读数。对此，希望沿工件的周缘有更大量计测点，用机械传感器难以达到这样的计测点间隔。此外，机械传感器需悬置，不易操作，或者会提供有误的读数。

因此，希望通过非接触的手段来进行封边平直度的计测，以避免受到机械传感器的限制。

本发明的一个目的是提高非接触空间测量的精度，速度和空间测量的密度。

本发明的第二个目的是改进计测的方法和改进计测轮廓的装置，尤其这种装置检测待测工件与标准轮廓如平直封边的偏离。

其它目的是沿轮廓在计测点很密的情况下，迅速提供轮廓与标准值偏离的一系列读数。

其它目的是避免探测元件对探测轮廓的机械运动或机械接触。

其它目的是减小对于单个轮廓测量的空间要求，因此允许在给定空间内进行更大量的测量。

附带的目的是在宽的位置变化范围内调节轮廓相对于轮廓计测系统检测元件的空间位置。

按上述目的，本发明的一个特征是，一种新型的光学系统，其中测量平面内的光受到窄缝的限制，在该平面内有它的角分量，致使沿着平面设置的用于测量光束的探测器可以取得高精度的光束宽度测量。一束近似准直的光束产生一个边缘阴影，该边缘离开探测器和它的探测光学系统可以有一个大的间隔范围。用第二透镜使第一透镜上的阴影在探测器上成象，到达探测器上的光的角分量受到带有垂直于测量平面的窄缝的档板的限制，该档板放置在第一透镜的后焦平面上。

本发明的第二个特征是，把上述的光学系统与歪象光学系统结合，在后一个光学系统中，准直光束仅在垂直于测量方向的平面内利用柱面透镜变成发散。参比和欲测量的边缘的位置确定成部分地挡住该发散光束，这些边缘的阴影在光束的准直范围内被间隔开，在参比和测量量边缘之间通过的这部分光束，在垂直于测量平面的平面内再次受到准直，并射向探测光学系统。

本发明的第三个特征是：在探测器和成象透镜（使象成在探测器上）之间有一个柱面透镜鲈诖怪庇诓饬糠较蛏暇哂姓糯蟊妒糜诎蜒夭饬糠较蚱叫械墓饩劢购图小Ｔ谔讲馄髯骱峁饬糠较蛟硕保谔讲馄魃弦渤氏直咴狄跤啊?

第四个特征包括：在光学系统的光束端部，参比边缘和测量边缘的阴影的实际间距靠扫描入射光束来确定，并且在信号值逐步增加区和降低区之间，即在对应整个最大入射光的信号值恒定或基本恒定的区间内确定扫描信号的大小，同时将间距测量限制设定在恒定区的 1/2 光强。

本发明的附加特征是利用经准直的辐射能量束和线扫描相机来测量光束的横向大小，尤其是测量由元件的边缘阴影所限定的光束大小。这些阴影是指工件封边和参比掩模边之间间隙的界限，参比掩模边缘相对于工件的支承件是固定的。工件安装在支承件表面上，支承表面形状与欲计测封边形状相一致，例如是一个平表面。支承表面是开槽的，安置参比件以便精确地确定狭槽的底。一束光通过狭槽射到光读数器、探测器或线扫描相机，由他们探测狭槽底的参比表面的阴影和支承件上工件边缘的阴影之间的间隔大小。使光源-光读数器和支承工件之间作相对运动，以致读出一系列狭槽各自的参比表面与工件的间距。

一种用于计测封边的先进装置，尤其是封边需要使光源-光读出系统与位于转动支承件的转动中心处该系统的一个部件保持相对固定，并能在支承表面内于转支承件的装置，在平面支承台的情况下，要使工件随着支承台一起转动。因此，从转动中心到支承件周缘的径向辐射状的狭槽通过光源-光读出系统的光路。例如，把一个支承欲计测边缘的工件的放置支承台安置成能接收中心位于支承转轴上的工件的边缘。把从光源沿着转动轴发出的亮度和强度均匀的光线进行准直，并且垂直于支承的平面射向一个线扫描相机，支承件是从转轴向外伸展径向开有扇形狭槽，沿着狭槽投射光用的掩模放置成与欲计测边缘的支承表面有一定的距离。利用支承表面上的边缘，可以用电-光的方法对每个狭槽的边缘和掩模之间的距离进行测量。在所公开的装置中，支承件至少可以整圈进行转动，支承件内的径向狭槽在整个360度范围内是等间隔的，所以围绕靠近封边的整个周缘都可以进行测量。

安置在支承件上的面屏或玻锥封边将由三个最高点来确定他们的位置，当这些点接触支承件时，这三个点不在一条直线上。从线扫描相机方向观示，掩模边缘出现在每个狭槽的底上。任一掩模边缘对平直参比面的任何偏差可以通过测量对一个平面定标元件的间隙由计测读数来进行标定，并用电的方式，对每个狭槽，存贮表示该掩模边缘和定标元件之间的间隙的电-光信号，所以在计测操作时，从所测得每个狭槽的间隙值减去上述掩模和定标元件之间的间隙值作为每个狭槽的修正值或补偿值。

矩形面屏和玻锥封边，在转动支承件时，沿着系统光轴方向从封边到探测器的间距的变化是明显的。在一般常用的对角线为27吋的直角矩形电视显象管情况下，封边的光学图象必须保持足够的焦距调节供沿着物-相机轴近似6吋的范围内进行测量用。成象边缘与相机距离的偏离，以及导致图象模糊和改变放大倍率的最佳焦距的偏离，可以采用准远心成象系统来加以克服，该系统可以把上述效应去掉，并使放大倍数的改变降到非常小。由边缘和矩形脉冲响应卷积所引起的聚焦模糊可以采用沿着测量方向测定最大光强的 1/2 强度点的位置来克服。于是，测量 1/2 强度点的间隙信号全宽度提供一个精确的间隙宽度，该宽度基本上与目标-相机的距离无关。由电子硬件进行这种测量，依据在狭槽扫描时所得到的最大信号来置定测量扫描视频信号的阈值，并利用 1/2 最大光强边缘之间的相机象素数目的计数作为二进制视频信号。

作为例子的封边计测系统包括：光学探测监控装置，该装置具有相位可调的探测装置，用于当狭槽通过系统光路时，启动狭槽的相机示读。一个支承台转动控制装置，把支承台定在其起动位置上，并利用速度和转动位置探测器控制转台加速和减速，同时识别处于间隙宽度示读位置的狭槽。计测系统的转动速度同相机线扫描和计算速度互相有关，以能够确保所有功能全部实现。在采用具有一般对称转动速度的单次转动计测模式中，在 1/2 计测周期点与光路一致时出现最大的转台速度。狭槽的探测，相机扫描，在计测点狭槽的信号存储功能至少必须产生二次全扫描以用于狭槽宽度信号的示读。

除了计算，显示和记录偏离最佳轮廓的定标值外，还设置控制逻辑电路沿着工件来识别距最佳值最大偏离的那些位置，在CRT元件封边中，即是最大不平直的位置。系统的稳定性可以随时通过记录供工件标准的计测点值来进行校核，并通过再次测量和对再测量值与校核的记录值作比较。逻辑电路也可以依据上述偏离值的大小对工件进行分类。

上述的发明目的和特征将从下述的详细说明，并参照附图来作出更为充分的理解：

图1表示根据本发明用于计测矩形电视显象管玻锥封边的不平直偏离的装置的正视图;

图2表示如图1所示成品支承和计测台的平面视图;

图3表示图2成品支承和计测台沿3-3剖线的局部剖视的侧视图;

图4表示计测机构用的参比掩模件的正视图;

图5是表示支承台和支承的显象管玻锥关系的图1计测机构中所采用的光学系统的剖视和局部示意图;

图6表示准远心系统的光学图，该系统可提供一定焦深满足欲测封边相对于探测器的位置范围;

图7表示视频电压与从探测器给出的扫描信号的时间关系图，表示线扫描相机象素计数的峰值测量为P和宽度测量为W，由此得出掩模与封边之间的间隙;

图8是图1计测装置的电气系统方块图;

图9表示系统操作面板的平面视图，在面板上有多个启动器和指示器。

图示说明本发明采用电-光方法测量电视显象管的面屏或玻锥与平表面之间间隙的旋转计测装置。希望间隙最小，以使面屏和玻锥的封边精密地配合，只能用少量的封焊玻璃把面屏结合到玻锥上。利用光束把封边周围的许多区处所测得的间隙作为边缘与紧挨着一段支承表面的凹槽内掩模之间的距离，于是实现一种无接触的测量。

用于进行这种测量的装置是一个可转动的圆台10，有一个平支承面供支承不同大小玻锥和由相当平的矩形支承表面11，12和13构成的面板。例如，不同尺寸的支承表面11可支承13吋和15吋显象管的封边，不同尺寸的支承表面12可支承19吋和21吋的显象管封边，支承表面13可支承25吋和27吋显象管的封边。由转台中心14发出的光束投射光路以有规则的间隔通过支承表面11，12和13随饼形的径向狭槽16自中心14穿过支承表面及其底下材料一直外伸到转台的圆周边17。投射光系统18包括光源组件19，该组件包括安置在转台中心的固定平面镜21，由它对来自转台中心轴的光束22向转台的径向方向进行反射或转向，使光束恰好低于支承表面，并沿着凹槽16外伸出圆周17，稍稍超过支承表11，12和13射向探测组件23，该组件有一个装在转台圆周外的固定反光镜24，用于直射或转向光束22，使其垂直于转台的支承表面。

转台10绕着垂直于安置在适当底座结构（未图示）上的转台平面的中心轴转动，底座结构有支承轴和一个装有电机26的驱动机构（未图示）。因此，在转台作单向转动时，许多凹槽16的每一个均通过光束22。图1所示，具有一圈封边的工件，如玻锥27安置在转台10上，如果所有的掩模边相对于封边的支承表面具有相同的高度，那么真正的平直封边将使光射到探测器组件23上，由探测器产生一个玻锥封边28与掩模件31的遮光边29之间相同间隙的指示。如下面将说明那样，间隙的大小可以采用电-光方式作为一个信号宽度或二进制计数来进行检测，所测到的信号可以进行定标以进行绝对测量或者对受测试的封边平直度偏离的偏置值进行比较。

如图2和3所见，转台10有一个圆形的中心孔32，光源组件19安置在孔内。开槽档板33围住孔32，以罩着光源19出射的光。档板33有凹槽34，该凹槽在径向与辐射凹槽16对准，允许从转台轴向出射到平面镜21上的光束22，在转台转动时沿着凹槽16直线通过，凹槽与光线对准，在转台转到凹槽与光束不对准位置时，转台和封边遮住光束。紧固件36圆形排列，并与栅33同心，紧固件用于紧固安装板（未图示），转动的转台10安置在该安装板上。空区37位于栅33和第一支承表面11之间。支承表面11和12以及12和13之间是空区38和39，这些空区作为掩模件31的分段49的座落表面（如图4所示）。类似地，该座落表面41是断开的，位于表面13之外的支承表面之下，并在该表面的圆周处置有掩模31的分段件49。固定夹42用于对中心和/或把物件保持在支承表面上。转台11的外周边有一个高起的栅围43，由它遮着到探测组件23的光，缺口44在径向与槽16对准，转台转动中，当槽16与光束对准时，让出自狭槽16的光束22射到探测器组件上。

如图2所示，在转台表面38，39和41内，有螺孔46，它可以通过掩模件31的分段件49的底板48上的通孔47固定合适的螺钉，把这些分段件49固定在支承工件的支承表面11，12，或13内每个狭槽16的外端处，并把掩模边29定位在一定的理想高度处，对于一种平直轮廓外形的封边，与所有平行于配合的共支承表面11，12或13的其它掩模边都在一个平面内。于是，如图1所示，当需计测的大的玻锥封边安置在表面13上时，用靠近该表面13外周边的掩模分段件49固定，同时把连续的掩模件31定为参比件，由此测量垂直于转台表面的从掩模件31到封边28的间隙。

为了减小掩模边29和欲计测封边28之间的视差，希望把掩模边29尽可能地靠近封边安置。举例，在计测25吋或27吋CRT面屏或玻锥封边时，把待测件安置在表面13上，把掩模件31的分段件49固定到表面41上。同样，在把19吋到23吋的CRT部件安置在表面12上时，掩模件31固定到座落表面39上，而要计测较小尺寸的显象管时，则把它安装在支承表面11上，掩模件31固定在座落表面38上。

在转动工件时，当玻锥或面屏的重量足以保持一件工件放置在支承表11，12或13上时，此时，其优点在于可以提供安装固定夹42，尤其适用于大尺寸工件的对中和固定，这样的固定夹位于图1中的相对对角位置，每一个固定夹包括底座51和支承它的腿52。槽16与底座腿间的空档对准，使从任何槽16出射的光都可通过。底座51上的直立柱53上装有可调的支承螺丝54，使螺丝顶在工件外壁从而固定和保持工件在合适的位置上。

伺服电机26平稳地驱动转台10作单向转动，以计测封边的平直度。伺服电机是位置控制回路的一部分，控制回路还包括转速计56，编码器57，电机回路控制器58和功率放大器59。位置参考发生器61响应操作面板67发出的起动信号产生转台的运动。转台的位置与光学计测同步，因此间隙的测定可以采用各个狭槽16在他们横过光束22的准直区域时予以确定。计算机组合件62把相机接口和逻辑电路63运算与位置参考发生器61结合成一个整体。此时，位置参考发生器使转台转动，以致在所有狭槽间隙的测量从相机接口和逻辑组件63得到，由线扫描相机122给出代表每个狭槽垂直于支承表面的封边和掩模边缘之间间距的脉冲系列，这时计算机62把产生狭槽信号的脉冲系列加上每个狭槽的存器偏置值，并在可能的情况下，计算封边28和支承表面11、12或13的平面之间的实际间隙。所有狭槽间隙计算的结果可以显示在阴极射线管（CRT）64上，也可以把结果输出到计测计算机（图未示）的信道66内。对每个狭槽的一组限定值作比较，用最大间隙尺寸进行封边分类。

狭槽的识别和横向尺寸测量可以通过相机的接口和逻辑电路63把他们联系起来，逻辑电路63接收来自狭槽探测器55和线性扫描相机122的象素线性列阵的信号。象素的线性列阵在计测操作过程中重复地，连续地受到扫描，但是它的信号仅在转台狭槽16或计测点通过系统的光路时才能在相机接口和逻辑电路63内进行示读。狭槽探测器55提供启动信号，也可以从狭槽探测器作为由转台10的起动位置探测的狭槽计数值得到狭槽的识别。举例，依据完成一次计测操作，把狭槽计数复位到零，并置转台在它的起动位置，使它从1到84对狭槽计数，并用相继通过计测周期的每个狭槽在相机接口和逻辑电路63内该狭槽的横向尺寸的相机象素计数来识别狭槽的数目。

功率放大器59受到脉冲宽度的调制，用永磁铁直流伺服电机26形成力矩或电流回路，由电机回路控制器58对电机产生力矩指令。电机回路控制器58既利用安置在电机26上的直流速度计56的速度信号形成一个速度回路，又利用位置参考发生器61的位置信号和来自1000行步进编码器57的脉冲形成位置回路，编码器57的脉冲也耦合到电机驱动轴上。

转台起动位置确定了第1到最后狭槽或计测点相对于光路的转台转动位置。电机26啮合到转台10，因而对每次转台转动，电机和编码器的转动都为整数。在电机回路控制器58内的逻辑电路，相对于定位回路控制中电机转动总脉冲数，记下编码器57的脉冲数。电机回路控制器58，也通过响应位置传感器60对电机发出慢速前进和退后信号，把转动台置于它的起动位置。传感器60是一个视准器，它装在转台10的下边，并可以移动到二个邻近相隔传感器影响范围内，这种相邻间隔传感器在转台处于某一位置，即视准器处于这两个传感器的影响范围内保峁┮桓銎鸲恢眯藕牛鲈诙鱿嗔诘拇衅髦晃挥谟跋旆段谑保⒊鲆桓銮敖蚝笸说男藕徘ǔ牌鸲恢米Ｈ绻ㄔ诩撇庵芷谀┒嘶蚩计鸲保淦肫鸲恢玫氖ё级仁侨绱酥螅灾掠谑故幼计鞑晃挥诹礁鱿嗔诖衅鞯挠跋旆段冢敲吹缁芈房刂破鞣⒊鲆桓雎傩藕乓郧ń胂嗔诖衅鞯挠跋旆段冢峁诳刂破鞯目刂葡氯〉谜返亩ㄎ弧?

操作员操作的面板67设置有控制器和指示器，包括：操作开关65，停止开关68，复位开关69，和通/断开关70，以及其它开关和指示器。将参照表示面板细节的附图9对它们进行讨论。位置参考发生器61持有一个程序，该程序依据操作和停止开关致动器65和68以及转台定位传感器60，产生用于电机回路控制器58的转台运动位置指令，转台定位传感器60使转台运动到它的起动位置。定位传感器是用于使转台以一种低速度正向或反向运动到起动位置的相邻传感器，在二个相邻传感器有有效输出时，说明转台处于正确的起动位置，并使转台停在该起动位置。通常，转台将静止在起动位置，不需要校正。在转台10处于正确起动位置时，操作开关能使位置参考发生器61产生响应，并使转台10作一种单一方式的控制转动。在转台完成转动时，有一个延迟以示完成间隙测量功能，然后使一个“准备”指示器71发出信号，系统进入另一个计测操作状态。

操作人员控制的操作面板67，在图9中作出详细表示，包括：用于把信号输入到系统和显示系统的开关和指示器。开关致动器包括设置操作计测方式的操作开关72，故障开关73，在CRT64上产生显示用的位置显示开关，由一个图象显示开关75对CRT上显示增量。操作方式选择器开关致动器包括一个金属靠模校准开关76，一个玻璃靠模校准开关77，一个玻璃靠模检验开关78，一个送入容限开关79，以及用于将要进行讨论的A，B，C诸方法的容限方法开关81，82和83。多个带有键入开关85和清除开关86的开关按垫84，能用于把狭槽数，工件识别，容限值等信号输入到系统。指示器包括：用于狭槽误差指示87，位置误差指示88，控制功率指示89，DIM光指示91，应急停止指示92，循环操作准备指示93。用“位置向前”灯94和“位置反向”灯95指示转台与起动位置失准的情况。指示器96，97，98和99上把工件分为A，B，C，D四类。用开关100实现系统与车间计算机的连接。

图5示意表示安置在转台10中心14处的固定光光源组合件19。在转台转动时，由光源组件投射的光束依次通过每一个狭槽16。通过狭槽16的光由位于狭槽上的欲计测封边28挡住，同时被安置在转台10的相邻切去区38，39或41上的掩模边29从下面把光挡住（视情况可能而定）。所以，在狭槽通过光束22时，到达探测器组件23的光束图形受封边的高度和掩模边的高度两者影响而改变。每次狭槽运动到与光束22完全对准时，由狭槽探测器55对相机接口以及逻辑电路63给出信号，该探测器55放置在转台圆周外缘，光束22之前的合适位置，并可响应由转台外围栅43上的缺口44通过的光。狭槽探测器55可以是一种邻近开关，或一种带开槽的光学开关，可以安置成使它沿外围栅43移动，调节相节于计测光路的相位关系。对每个狭槽，相机接口和逻辑电路63产生一个相应的高度测量值，该测量值输到计算机组合件62，并且为了指示封边对平面的偏离值，对该狭槽的间隙宽或与间隙校正信号的偏差进行处理。于是，在转台10完成一次转动时，计算机组合件62对每个凹槽已存储一个高度测量值。

考虑到需要计测封边的玻锥或面屏呈矩形形状，探测器23和封边28的相对位置在转台转动时从一个最小间距变到一个最大间距，当工件的顶角与光束22对准时是一个最小间距，当转动到平行于工件主轴的侧边出现光束时是最大间距。于是，对一个27吋玻锥或面屏而言，光学系统必需在沿着物-探测器的轴向方向上近似于6吋距离内，保持足够的聚焦。这就对光学系统的景深提出严格的要求。此外，如果要由探测器来确定间隙二端的锐边清晰度，则该光学系统也必需对光相干效应，如衍射和干涉，是不灵敏的。

常用的成象系统中，在物-探测器的距离离开最佳焦距时，就会出现二种形式的图象质量下降，一种是成象边缘的模糊或展宽，另一种是放大作用的改变。这二种效应通常是不可分的，可以采用准一远心成象系统使模糊和放大效应分开，并把放大作用改变降到最小。由于模糊出自于边缘与矩形脉冲响应卷积的结果，所以在以脉冲的半强度点的位置测量的位置将不受到适度散焦而改变。参见图6的数字分析，它支持上述的分析内容。

图6是用于一个系统具有单位放大的光学系列的示意图，其中物，即本发明装置中受到计测的封边，离开入射透镜L₁有一个可变的距离S，利用透镜L₂把透镜L₁的象成像在探测器上。一个可调孔径的光阑置于焦距为f的二个透镜之间的中心，并位于输入透镜L₁的后焦平面处，由于线扫描相机位于附图的平面内，所以光阑不需要是圆形的，一个具有可调狭缝长轴垂直于附图平面的档板就可起作用。档板的宽度测定光束锥角2φ的大小，E和E′代表边缘的二个位置，离开第一透镜L₁的距离都设为S，即使E′比较靠近L₁（为说明方便起见）。移动边缘E导致遮住部分光锥，用角度θ表示，引起到达探测器Y位置的光通量I大小发生变化。因此，由附图6可见：

tanφ＝ (d)/(2f) ;tanθ＝（y₀-y）/s

条件为：y≤y₀-Stanφ

R（y）＝ (I(y))/(I(y₀)) ＝1

条件为：y≥y₀-Stanφ

R（y）＝ (〔θ（y）+φ〕)/(2φ) ＝ (arctan((y₀-y)/s)+arctan(d/2f))/(2arctan(d/2f))

R（y）＝ 1/2 〔1+arctan（y₀-y）/s/arctan（d/2f）〕

如果我们考虑被接收光通量半强度的宽度，此时，R（y 1/2 ）＝ 1/2 ，

arctan〔（y₀-y）/s〕＝0

由于y₀/s＜＜1以及d/2f≠0

所以y 1/2 ＝y₀，与s无关！

为了保持此结果，条件必需是：

y₀≥ (sd)/(2f)

或d≤ (2fy₀)/(s)

例如：f＝4吋，

y₀＝0.05吋，

Smax＝8吋，

d≤y₀＝0.05吋。

所以，利用测量 1/2 最大光强处的光束宽度，将得到表示间隙宽度的真值，并且不需要非常准直的输入光束。把光强转换成相对于扫过整个间隙宽度光的扫描相机给出的光束位置的电信号或电压电平来做到这一点，测量表示给定测量间隙的取样信号的最大光强度，把该间隙的 1/2 最大强度作为一个阈值电平，跟取样信号之后沿着测量信号的扫描轴测量在 1/2 或超过 1/2 最大光强处的间隙长度。

图7所示的信号由单个象素给出的信号组成，象素受到部分发射光的照射。理想情况，在光束的整个宽度具有均光强情况，对信号的前沿和后沿有贡献的象素其接收到的光强是朝着象的中心部分强度增到最大，射到象素上的整个光锥其在象素上的光强分布是中心强，边缘弱的斜坡状，这些斜坡之间的中心区光强和象素信号电平应该是均匀的。但是，系统作了变动情况就不是这样，因此在相机扫描取样周期中，单个象素信号电平的包络信号最大值作为图7中P值的平均信号电平峰值。横向尺寸W用作图7中超过阈值信号电平T的信号值的量度，设置在P值一半位置上的W的长度是作为高于阈值T的信号电平的象素计数。

从以上计算结果清楚地看到，间隙图象在它 1/2 光强点处的全宽测量将给出基本上与物距S无关的间隙值。以 1/2 强度点测量间隙宽度可以通过基于先前扫描获得最大信号的扫描视频信号测量设定一阈值，以及记下双视频边缘象素数目采用电子学方法来完成。所以，转台10的最大转速必需允许有二个相机扫描，此时测量狭槽中充满光通量，能测量用作照象信号包络的取样信号振幅P并且它的 1/2 值T可用以建立下一个照象信号测量包络的振幅电平，测量前一包络的宽度W用以建立通过狭槽的光束的高度。

图5示意表示了这个计测系统的光路，在这个光学系统中，固定光源组合件19的光轴与计测转台10的转动轴一致，用以在转动台中心14垂直于转台支承表面提供一束亮度和强度均匀的光。那束从中心14出来的光是发散的足以充满位于中?4和到探测器23之间的扇形区，在狭槽外缘端横向移动到探测器23时，也能充满狭槽的所有空间。灯101为光源，所发出的光经会聚透镜组102射到毛玻璃漫射器103，毛玻璃的后面是一个带透光孔106的板104，该孔106在图5平面内是一个具有一定长的窄缝。从孔106射出的亮度和强度均匀的散射光用准直透镜107准直，准直光束通过由柱面透镜108组成的歪象透镜，柱面透镜108的光轴位于光源组的光轴上。光线相对于图示平面中的轴是会聚的，而在与这些轴垂直方向上保持准直。会聚的光传送到与光轴成45度倾角的平面镜的前镜面109，该平面镜设置成使光束中心入射到镜子上，从平面镜到透镜108的距离为透镜108的焦距。产生饼形的光束，为了使该光束平行于转台表面，需将光束在平面镜前镜面109作90度转向，光从平面镜呈发散状出来，并且当这些狭槽和从镜面109来的光对准时充满狭槽。因此，要求这束光具有均匀的强度，并在平行于转台平面上是发散的，以及这种光垂直于将要测量的间隙，即掩模边29和要计测的封边28之间的间隙。

从镜面109出射的光束通过带槽的档板33中的凹槽口34，每个凹槽口34与1个狭槽16对准，并且当转台转过一圈时他们逐个与光束对准。

如图5所示，在转台10周界之外垂直于转台表面的光束宽度表示间隙的宽度。从玻锥封边28和掩模边29之间出射的光通过位于转台10周界与外档板43中的准直缺口44。平板111上带有孔112，其宽度具有的作用是，在该宽度上狭槽可以受到光学监控，而与相邻的狭槽不重迭。带孔平板111固定在到探测光学系统的中间，并且其高度超过被计测间隙的间距范围。带孔板111和孔112的作用在于确信探测器每一次仅看到一个狭槽。光束通过112后在垂直于图示的平面内重新准直，准直是通过一个其轴与光轴交叉的，且轴位于图示平面内的柱面透镜113进行的，它起着另一个歪象系统元件的作用。透镜113设置在沿着光轴方向，离平面镜21的距离为其焦距的地方。

从柱面透镜113出射经过重新准直的光束直射到平面镜114的前表面，使光转向90度，并与探测器组合件23的轴取向一致。这样，节约了转台边侧的空间并且没有弄坏光束品质和没有边缘阴影。然后光束沿着转台10边侧投射下去，首先通过会聚透镜116，本例中它是一个双筒光学显微物镜，作为入射透镜，再通过探测器透镜组23。近似准直的光束在透镜116上产生掩模和工件边缘的阴影，所产生的阴影通过透镜119在探测器122上成象，到达探测器上的光的角分量受到位于透镜116后焦面上的带孔板118中的可调窄缝117的控制，由窄缝出射平行的或几乎平行的光线。窄缝的宽度限定了偏离平行方向的角分量，这个角偏量将通过如图6所讨论的典型的准远心光路系统。然后，经过窄缝117的光束通过一个柱面透镜121，该透镜只在狭槽运动的平面内具有正的放大倍数，并且它垂直于测量间隙的方向。图6中没有标出增加量。透镜121的轴位于探测器透镜组23的光轴上，并且离探测器的位置为其焦距，以便转台转动时，对每个狭槽增加入射束宽多次光扫描的机会，当光束超过狭槽物理宽度时在垂直于长度测量平面上透镜121把它聚焦并集中到探测器上。因而，在系统的输入光孔范围内，对间隙的所有位置，在每个象素位置上的探测单元将接收到从整个间隙宽度出射的光。

线性扫描象机122是系统的探测器，在该系统中它以一系列光电二极管123作为象素。典型的Fairchild型1300R相机，具有沿欲计测间隙的投射面对准排列的1024个象素的线性列阵123。因此使用这种相机时，当调节到仅对光通量强度至少是最大光强的一半的象素响应时，由光束照射的象素数值恰是狭槽宽度的量度。

因此，这个固定的光学系统把从一个非点光源101出射的光束会聚到一个漫射器103，然后通过孔106到准直透镜组107。经准直的光束截面是与图5的平面垂直的。通常，该光束截面呈一个矩形，其轴在图5平面内，它通过柱面透镜108在图5的平面内会聚。因此，从平面镜21反射出来的这束光，其截面接近于一条直线，它的长轴垂直于支承台10的表面，其高度远大于本装置计测范围内任何间隙的高度。当光束从平面镜面109反射后，被带凹槽的挡板33部分地遮挡，另一部分通过凹槽口34和与之准直的狭槽16。在支承台10上方的部分光束射到封边28邻近的玻锥27的边缘上，透不过光学系统的其余部分。低于封边28的光沿狭槽16通过，而更低部分的光则被掩模件31所遮挡，以致于只有在掩模边缘29之上和封边28之下的光束能通过狭槽16到达转台10的周边，并通过挡板43的槽口44。通过狭槽扇形区的横向光束在转台之外被固定的带孔平板111阻挡着，限制来自一个狭槽的光束通过固定的探测器组合件。平板111中孔沿着转台的圆周方向展宽宽度小于一个狭槽宽度和相邻下一个敛奂渚嘀偷木断蛲渡渚嗬耄⑶移涓叨瘸友谀１?9到封边28最大间隙的径向投射值。柱面透镜113在垂直于图5的平面内准直发散的光束。光束22在经过平面镜114时转向90度，并射向会聚透镜116，会聚透镜116借助于可调孔117和准直透镜119形成只能通过与光轴平行或基本平行的光的准远心光路系统。通过狭槽的光从透镜119通过，被只在狭槽运动平面内具有正放大率的柱面透镜121会聚，并聚焦到探测器线形列阵123上。柱面透镜121垂直于间隙测量方向，因此它使由孔112所限定的在狭槽投射对准光轴之前和之后通过间隙的光成象。

线性列阵123提供了光强信号与沿着图7所示列阵的位置关系，它基于入射在列阵象素上的光通量，随着取样和提供所示包络信号的保持电路所调制。这个视频信号表示隙缝的大小，并被传送到摄像机接口和逻辑组合件63。线性扫描象机把高度，包括超出从掩模边到封边之外的高度划分为1024个单元，在本例中，每个单元相当于万分之五吋。该相机以每秒800次的速度扫描入射束，所以在每次扫描时，通过如上述的高于 1/2 光强度电平的入射束区域中的象元或象素的数目度量隙缝高度。视频信号的斜的上沿和尾部表示工件边缘的阴影的光学畸变或模糊，并且由于这些由最大光强的一半值所表示的边缘的真实位置被遮挡，在这种情况下，最大光强无光学畸变。因此，在隙缝高度计测过程中，通过在第一次取样扫描中对每一个狭槽建立最大强度（如图7中的P值）接收斜信号部分，这第一次取样扫描的电平值为T，并测量其宽度W，把它作为至少代表最大光强一半的输出信号象素的计数。

相机是连续扫描的。对每个进入扇形光测量灵敏区的狭槽边缘，由与光学系统进行合适定相的狭槽探测器55发出信号给相机接口和逻辑组合件63，利用下面二次全相机扫描来完成测量。探测器55的合适定相是通过沿转台边缘43调节它的周界来完成的。以致它的相邻探测器在理想情况下，接收到转台的转动方位，同时把一个狭槽与光学系统的关系引入，狭槽从光学系统接收到全强度的光通量。由于在测量周期内转台速度的改变，因此相位调节必需取希望达到高速操作的折衷。在大约转动半圈，在最大转速处出现最大光强时，希望能进行取样和计测扫描。这表明了，狭槽探测器的定向可以在狭槽和光束准确对准的位置前面一点取样。因而对于在测量始末慢转速的情况，狭槽探测器能在最大光强施加之前取样，迫使获得稍低一点的信号峰值。因此，对在计测周期中的始末，计测扫描要设置稍低的阈值。发现一个有效的折衷办法，即它给出电平值的最大稳定性和重复性，并对那些置定的间隙变化值能读到0.0005吋。在这些两次扫描的第一个扫描峰值部分中，低通阻容（RC）滤波器与视频波形相连接。在这个取样间隔末尾，保存了滤波电容上的电压。这个值标在图7中的峰值P上。取这个电压的合适比例用作下一个扫描中测量波形宽度W的阈值T（如图7所示）。

在隙缝宽度累积起来作为象素数值后，把该数值送到计算机62作为在存储器内可保持的数据，接着传送到主机（图中未示），打印，在示波管（CRT）64上显示对应每个狭槽的间隙宽度，在与各个狭槽相关的给定范围或偏离的间隙宽度，并且/或者是对模件校正的图示显示和指示。

除了从相机接口和逻辑组合件63接收数据之外，计算机组合件62也使同样响应计算机程控指令和计算机传递操作面板信号的硬件进行工作。在根据相机接口和逻辑电路63对各个狭槽用间隙计测，通过位置识别狭槽时，计算机组62还控制并响应位置参考发生器。

图9所示的操作面板包括：系统起动和停止开关，驱动主机，启动CRT显示方式，数据处理、数据打印，校验系统以及输出失配间隙高度信号的开关。

一旦启动开关70打开系统和计算机运行到它的初始程序之后，计算机将执行两个主要的任务：监控操作面板和读取数据，打印结果及与车间计算机联机。在操作板监控任务中，设置过程标志以对其它任务做出指示，需要时，可进行手控。这个任务的运行居于次要地位，而主要的任务是读取数据，打印结果和与车间计机联机。开始运行后，第二个任务是对系统条件的初始化，以备进一步使用。

初始化功能是校验狭槽16中的掩模边29和标准边缘之间的间隙。把这个校验引入计算机的隙缝测量计算，在本例中其计算结果就表示对要校验的预先确定的外形的偏离。校验所采用的一种方式是用金属靠模校验，即一个很平的金属靠模置于转台10上，读出每个转台表面狭槽中的间隙数值（本例中狭槽数为84）以确定对每个狭槽对靠模边29的高度，并且将高度值记录在计算机内存中，这样，来自相同间隙高度的任何变化都对掩模边29高度上的变化有贡献。随后，间隙高度读数可用以校验这些变化，以便在计算机中消除这些变化所带来的影响。清除这些影响是通过减去由金属靠模校验所取得的每个狭槽的整个间隙高度来达到，这个间隙高作为失配值，借助于它，在每个狭槽处，完全平坦的封边28的间隙读数为零。

典型的金属靠模校验，由操作面板67上的控制开关76启动，并进入主要工作任务。校验是使带有金属靠模的工作转台转动给定的圈数，典型的是四圈。对每个狭槽从多次运行中获得的数据全部累积起来，对每个狭槽把四个二进制间隙高度数据加起来，并将位数向右移二位再平均。这个平均值写入计算机内存，并用在随后的计测系统操作中，以看出对每狭槽间隙高度对于从掩模边29到工件封边28的标准高度的偏离。这些偏离用作失配值，对工件从计测值中减去这个失配值可得到由工件封边28平面产生的偏离大小的绝对量度。应当每次对掩模31的模边29或在转台上移动的它的分投49进行金属靠模校验。对不同规格尺寸的待测工件都进行此校验。优点是，金属靠模可用于不同尺寸的成品，以及每次金属靠模校验工作通过将靠模尺寸在数字垫84上输入，开启金属掩模校验开关76和运行控制键65来实现。当金属掩模完成了例行的工作时，对于所有以前的工件尺寸校验数据都从内存中抹掉，并代之以新的数据。

这种计测系统性能的主要判据是它的稳定性，可以通过周期运行一个已经记录其边缘偏离平面值的工件来检验稳定性。在生产线应用时，使工件在生产过程中依次通过计测系统，在作这种例行计测时，不希望使金属靠模受到潜在的损坏。玻璃靠模，它不需要象金属靠模那样精确的平坦，可以用在每班一次这样的时间内检查系统的稳定性。优越之处在于对每种尺寸的工作采用几种玻璃靠模。在每个金属靠模定标后，对玻璃靠模进行定标。依靠对他们分别的定标进行玻璃靠模的检查，同时把检查数据保留在存储器内。利用启动玻璃靠模定标开关77建立一个玻璃靠模定标的程序，在数字开关按垫84上进入欲定标的玻璃靠模识别，使系统进行测量，并通过减去在金属靠模定标的偏置数据，来计算每个狭槽的数据，计算该结果以取得在每个狭槽位置偏差的直接读数，并同时输出该结果。玻璃靠模的结果可以显示在CRT    64上和打印机上，通常这打印机与车间计算机（未示出）相连，并贮存在存储器内。

系统稳定性可以通过检查一个标定的玻璃靠模来监测。由启动开关78输入一个玻璃靠模检查模式和在数字开关按垫84按下欲测玻璃靠模数来进行这种校验，使系统进行计测，并计算每个狭槽的数据，换算该数据。然后利用校验数据和标定数据之差对狭槽逐个进行计算。在一种安排考虑中，程序能打印标定值，校验数据组和差值。理想情况，在玻璃靠模校验模式中的差为零值，表示系统中无位移，即玻璃件的位置没改变，装置没变动，譬如由封边上，转台支承表面上，或在测量狭槽内的玻璃碎屑所引起的那种改变。

可以在系统中通过对不平直测量置定容限来对计测工件进行分级。容限的改变可以通过数字开关按垫84输入需要的可靠编码来予以限制。所有狭槽的多个电平的阈值可以采用一种常用的置定方式，以及由开关81启动的容限方式A来置定相应的电平。对于给定的狭槽可以用单个复位方式，由开关82启动的容限方式B来进行有选择的移动阈值。每个狭槽的多个电平值中的每一个值，可以通过开关83启动的容限方式C来予以单独地置定阈值，例如，对每个狭槽，采用第一，第二和第三阈值电平组置定，如果边缘的最差数据值超过第三个或最大阈值，则可以把四级封边平直度定为D级。如果最差数据值超过第二阈值，但不超过第三值，则为C级。如果最差数据值超过第一阈值，但是不超过第二值，则为B级。如果最差的数据值不超过第一值，则为A级。这些等级分别由控制面板67上的指示器96，97，98和99显示。

容限改变由启动容限输入开关79来承担，在键盘输入一个安全码，由开关81、82或83选择一种容限置定方法，在键盘上置定容限，把容限或容限组写入存储器内，普通置定模式的容限置定是在键盘置定第一阈值，并通过输入开关85对所有的转台狭槽进行改变来完成。接着，对第二，第三阈值进行相同的操作，并把数据写入存储器内。在单独的复位模式中，把转台狭槽数输入键盘，对狭槽输入三个阈值电平，并把数据写入存储器。对单独置定模式，每一个狭槽单独地置定他们的阈值，并依次存储。

在置定容限时，可以通过编绦蚶炊圆僮魅嗽碧岢鲋噶詈臀侍猓喑绦蚩梢栽谌魏问焙虿捎靡桓龉收峡刂?3予以调出，以便回到正常的运转程序。另一种方式，程序可以从键盘接受欲复位的狭槽数，或采用步进方式，程序可以相继地按狭槽次序进行。

容限复位功能可以在该功能完成前的任何时候通过启动故障开关73，予以终止。在完成容限输入时，所有数据都写入永久性的存储器内。

由操作开关72把系统置定在工作模式时就进行工件的计测。在这种工作模式中，通过把工件放置在转台10上，并利用工作开关65使转台转动，得出封边计测数据。在顺利收集每个狭槽高度数据基础上，计算机减去采用金属靠模标定获得的偏置数据，并换算计算数据输出到CRT显示64，打印机（未图示）和/或分类指示器96，97，98或99。启动故障开关73调出此“工作”（RUN）模式。任何操作模式均可采用故障开关。

误差信息显示在操作面板67上。“狭缝误差”（SLOTERROR）指示器87指示出已经在系统的一个区域内对隙缝16的不同数目作了计数，该数目不同于由计算机的其它区域计数或要求的数目。DIM光指示器91指示出一个或几个狭槽象的峰值亮度低于光报警阈值。

“位置误差”指示器88，在转台未到它的起动位置时发亮，直至回到该位置时才灭。此外，转台邻近传感器60的控制下对中时，正向或反向位置指示器94和95启动。在转台对准在起动位置，并完成一次操作和一次周期的计算时，启动“周期准备”指示器93。

本发明就玻璃阴极射线管件封边的平直度偏差的无接触计测所采用的装置和方法已经作了举例说明。在本公开中，采用一种圆形的转台10，该转台具有用于封边支承的，平坦的共支承表面，使转台绕着垂直于支承表面的中心轴转动，一列等间隔扇形狭槽中心向外伸展，一束光，作为强度均匀的线源，沿着狭槽从中心轴投射出，并由狭槽底部光掩模和静止在转台支承表面上的CRT管件的封边所遮挡，致使掩模和封边的阴影，以及通过光的中心线有一个长度，对每个狭槽来说，该长度可以依次予以测量。于是，可以沿着与狭槽配准的封边设置多个计测点，由每一个计测点提供一个长度指示，也可以采用其它的装置。本发明的另一种构思是可以转动光源和探测装置，而保持支承件和工件固定，使扇面状光束相继射入狭槽，工件和光源探测系统间的相对运动可以是线性的，可采用运动工件或光源探测器两者中的任一个来实现。

概括起来，采用测量掩模和工件封边之间狭槽象的横向尺寸的光学系统包括：一个均匀强度的线光源，该光源可以采用白炽灯101，或其它非点光源，用一个聚光透镜102把光聚在位于透镜焦点处的毛玻璃片漫射器103上。用一个紧挨漫射器的带窄缝光栏106的挡板104，使来自漫射器的光成为一个窄光带或光线。从光栏出来的光，经第一准直透镜107把它准直，然后用一个柱面透镜108把光会聚在窄缝平面内，该柱面透镜的轴位于该平面内，柱面透镜108距平面镜21的距离等于透镜的焦距，平面镜21的位置通常对准在沿平面转台表面内狭槽象长度的中心，并倾斜，使在转台转动轴上的中心出现一束光线，同时垂直于转台支承表面。因此从平面镜21来的发散的光束沿一光路以均匀的光强充满在转台表面内的扇形狭槽16内。这种发散的光在掩模和工件边缘之间通过，测出它的横向尺寸，高度（垂直于支承表面的）。由于矩形管件的工件边缘离开用于计测的探测器有一定的间距，对管件边缘有若干测量点或狭槽情况，把系统安排成使封边和掩模到探测器间距有一定的调节范围。

借助于会聚输入透镜116，挡板或带窄缝117的光栏板118，使光学系统提供下述调节。窄缝117位于透镜116的后焦平面处，并与测量方向成横向，透镜119离开挡板窄缝的距离为其焦距。窄缝宽度是可以调节的，可调到使波形信号和系统稳定性为最佳。经准直的光从透镜113射向系统，透镜113是柱面的，其离开平面镜21的距离为其焦距，以便在光束通过透镜116之前，在垂直于测量方向内再准直发散的光线。于是，使发散的光线在发散平面内平行，并经镜24使它向下反射。准远心窄缝与这些光线对准，使只有平行或近似平行的光线通过系统。采用 1/2 光强阈值限，为在狭槽底部和顶部处由掩模边和封边构成的矩形边缘的成象提供了大景深。

从准远心光学系统出射的平行光，聚焦在线扫描相机内线性象素列阵上，这样，当光借助在狭槽运动平面内具有正放大率的柱面透镜121扫过系统的入射光栏时，把确定狭槽高度的边缘阴影投射到复盖整个狭槽宽度的接收器上。于是，柱面透镜121的轴平行于线象和相机内接收装置的线性列阵，透镜121离开接收器线性列阵的距离为它的焦距。列阵上入射光端部的阴影在他们的边缘是模糊的，其结果是阴影具有倾斜的前部和尾部边缘，如果封边28和掩模29与探测器距离相等，则前部、尾部阴影边缘基本上是对称的;如图5所示当它们不等距时，即掩模29比封边28更靠近探测器，则前部、尾部阴影边缘是不对称的。在系统容限值内，对于不对称边缘阴影，前部边缘和尾部边缘的斜率变化在半强度附近是偏斜的。

所以半强度阈值仍适用于作为有均匀光强的光束边缘之间的真实距离。由此，在探测器或象素对准接收器时，有信号指示，至少受到 1/2 最大光强度照射的那些接收器的计数是在掩模29和封边28之间通过的光束的真正横向尺寸的函数，这种测量由接收器的线性列阵扫描来完成，以确定平均峰值或最大信号电平，信号阈值表示 1/2 平均峰值或最大光强度的偏差，以及由至少有 1/2 平均峰值或最大光强的接收器指示的来自准远心系统的那些 1/2 电平之间距离的接收器线性列阵扫描计测。在这些测量中可以看到，在接收前沿和后沿斜坡信号之间，各个接收器将有一个均匀的电平。虽然由于光和/或电效应可以出现一些变动，但根据本发明精神，这里所指的峰值和最大值是那些信号斜坡之间接近于平坦区域的平均值。

使扫描接收器能响应狭槽探测器67的电气装置，在光学系统对准狭槽16形成在图示系统内84个测量点中的每一个测量点时，能连续有效地扫描列阵。电气装置也能标定长度测量线性列阵内的象素或探测器单元，因而每个单元的和或计数代表欲测量的横向尺寸的长度，直接在显示器，如CRT    64上显示读数。电信号存储器提供系统中长度值作为每狭槽的标准间隙尺寸，也可做为每个狭槽间隙尺寸的稳定性检验，及欲计测工件的一个或多个封边质量分级用的间隙尺寸的偏差容限。当采用金属靠模程序做为标准间隙尺寸和做为每个狭槽的偏置以确定不平直度值时，或者玻璃靠模程序用于系统稳定性检测时，这样的存储器可以由程序控制来置定。可以由按垫84进行手动容限输入。电信号储存装置存储长度值，以及狭槽的偏置值。系统有方法确定由限制的线扫描阈值产生的信号长度和作为偏差的偏置值之间的差，该偏差是象的横向尺寸跟由存储信号值所表示的预定值之间的差。同样，可以通过测量差值来确定玻璃靠模校验程序内的系统漂移，或通过对容限输入值的比较来对工件分类。

对计测工件分类时，电气系统包括：用按垫84对由电-光装置给出的信号长度值与存储装置内置定值进行比较的装置，分类装置（96，97，98和99），以及启动分类装置的装置，响应电-光给出的信号和存储器内置定值之间的给定关系。

通过相机内狭槽的计数和响应狭槽探测器55的接口逻辑电路63，由每个狭槽的识别来提供对单个测量点的识别。因此，狭槽探测器55起一个连接到运动转台的脉冲发生器的作用，并对转台的每个运动增量发出一个脉冲，在象机和接口逻辑电路63内对这样的脉冲进行计数，同时存储在第一存储器内，该存储器反映测量点、狭槽16和象的光路对准情况，并保存识别测量点的计数。第二存储器与第一存储器相关，保留对测量点的横向尺寸测量。

当系统采用固定的成象光路，并移动欲计测工件使其通过光路时，计测装置和方法可以利用计测区的准一远心成象对其自身作出修正，线象产生，探测器通过测量区运动时输出象在探测区上的聚焦，象测量用的计数装置，象测量的信号处理和测量点的识别均可应用其它的方式进行。例如，可以转动光学系统，而工件和它的支承件保持不动，如果安装和运动装置具有足够高的精度保持平面运动的话。此外，可以为光学系统和工件支承系统之间作线性或其它运动提供计测光学以及平面的或非平面边缘的信号处理和运动方式。因此，前面的描述是作为本发明的举例说明提出，但是发明内容并不局限于此。

Claims (71)

1、一种测量横过光轴的间隔元件的间距的装置，包括：

一个均匀光源；

一个光探测器；

从所述光源沿着所述光轴出射准直光的装置；

一个中心位于所述光轴上第一透镜，接收通过所述间隔元件之间的来自准直光装置的光；

一个挡板，位于所述第一透镜的后焦平面处，其上有一个位于光轴中心的光栏孔，以限制从所述光源通过所述间隔元件之间出射光的角分量，使光线近似平行于光轴；

一个第二透镜，它把入射到第一透镜上的光聚焦，并通过所述的光栏孔射到所述探测器上；

所述探测器，探测从所述第二透镜入射到探测器上成象部分的光的位置和强度；

所述的孔径，沿测量方向有一个宽度以产生一个象，入射到所述探测器上，在倾斜光强端区之间具有均匀的最大光强；

接收装置，接收通过间隔元件之间，并入射到所述探测器上的光象大小的装置，探测器至少具有 1/2 最大光强的光。

2、如权利要求1的装置，其特征是，所述探测器是光电探测器，所述接收装置是一个电信号接收装置。

3、如权利要求2的装置，其特征是，所述探测器是一个等边和等间隔的光电池的线性列阵，所述的接收装置接收许多光电池发出的电信号，所发出的电信号相应于列阵上入射光强度，至少是 1/2 最大值入射光强。

4、如权利要求1装置，其特征是，所述的均匀光源是一个直线的窄带，位于包括所述光轴在内的所述间隔元件之间的间距测量平面内。

5、如权利要求4装置，其特征是有一个歪像光学系统，包括：

第一柱面透镜，其光轴位于间距测量平面内，该透镜在光通过所述间隔元件之间之前，在垂直于间距测量的平面内发散由所述准直装置出射的光;以及

第二柱面透镜，其光轴位于间距测量平面内，该透镜用于把所述第一透镜的并通过所述的间隔元件之间的发散光准直在垂直于间距测量的平面内。

6、如权利要求1装置，其特征是，所述的光探测器是一个与测量间距对准，并垂直于所述光轴的光电池线性列阵;包括位于光轴上的柱面透镜，该透镜光轴与从所述第二透镜出射的射到所述光电池线性列阵上的间距测量聚焦光的方向一致。

7、如权利要求4装置，其特征是，产生所述窄光带的装置，包括光源，对所述光源发出光进行会聚的聚光透镜，位于所述聚光透镜焦点处的漫射体，以及带有一个窄缝光栏孔的挡板，该挡板邻近所述漫射体对漫射光线定向形成一光带在间距测量平面内延伸。

8、如权利要求7装置，其特征是对所述光源发出光进行准直的装置是一个准直透镜，该透镜中心位于所述挡板和所述间隔元件的光轴上。

9、如权利要求1的装置，其特征是，所述光栏孔是一个狭缝，该狭缝垂直于由光轴和间隔元件的间距线所限定的间距测量平面。

10、如权利要求9的装置，其特征是，所述的狭缝宽度是可调的。

11、如权利要求3的装置，其特征是包括重复扫描所述线性列阵的装置;

在所述线性列阵第一次扫描中确定最大入射光强电信号值的装置;

置定 1/2 入射光强电信号电平做为域值电电信号电平下限的装置;和

在第二次扫描中，沿着至少出现所述阈值信号电平的所述列阵确定扫描长度的装置。

12、如权利要求11的装置，其特征是包括由所述确定长度的装置所确定的长度相当的电信号的输出装置。

13、如权利要求11的装置，其特征是包括对沿所述列阵到间隔元件的间距长度进行标定的装置。

14、如权利要求13的装置，其特征是包括以长度单位显示所述标定长度的装置。

15、如权利要求11的装置，其特征是，所述的确定长度的装置是一个计算输出信号的光-电池数目的装置，这些光-电池至少出现所述的阈值信号电平。

16、如权利要求12的装置，其特征是包括存储长度值信号用的电信号贮存装置;以及确定装置，该装置将由所述的输出电信号装置输出的信号与所述贮存信号的差做为所述象的横向尺寸与由所述的存储信号值所表示的予定值的偏离。

17、如权利要求12的装置，其特征是包括存储长度值信号的信号存储装置;对选定的长度信号值置定所述存储装置的装置;对由所述发出相当于长度的电信号装置发出的信号与所述存储装置内的信号作比较的装置;对所述元件的测量间距进行分类的分类装置;以及使所述分类装置响应相当于长度的所述电信号值与所述存储装置内的所述信号值之间的给定关系的装置。

18、如权利要求17的装置，其特征是包括用于存储长度信号值的多个信号存储装置;单个信号存储装置置定到选定长度信号值的手动装置;对由所述输出相当于长度的电信号装置所给出的长度信号与置于所述信号存储装置内的信号进行比较的装置;对测量的元件间距进行分类的多个分类装置;使给定的多个分类装置对所述的输出相当于长度的电信号的装置来的信号值与在所述多个信号存储装置内所述选定值之间给定关系进行响应的装置。

19、如权利要求1的装置，其特征是包括用于测量所述元件间距的多个测量点;以及识别进行测量的测量点的装置。

20、如权利要求19的装置，其特征是包括移动所述间隔元件和由所述探测器，所述准直装置、所述的第一和第二透镜，以及所述挡板组成的组合件的装置;当所述间隔元件和所述组合件处在一个受测的计测点位置时，能使所述探测器沿着间隔元件的间距探测最大光强的装置;在所述间隔元件和组合件处于一个受测的计测点位置时，确定入射在探测器上至少是 1/2 光强度的象的长度的装置;当所述间隔元件和组合件处于受测的计测点位置时，能使所述长度予以确定的装置。

21、如权利要求20的装置，其特征是所述的探测器是一个具有线性列阵象素的线扫描相机，所述的象沿着所述的线列阵伸展;扫描所述的象素以接收正比于每个象素上入射光强的信号的装置;当所述的象在计测位置受测量时，启动所述的象素信号的装置;当信号幅度正比于最大入射光强时，响应所述象素的第一线扫描的装置;在所述确定信号长度的第一线扫描之后响应所述象素的线扫描装置，信号长度由接收至少 1/2 最大入射光强的那些象素组成。

22、如权利要求21的装置，其特征是包括对幅度正比于最大入射光强的信号取样保持电路;响应所述取样保持电路确定正比于象素信号（表示 1/2 所述最大入射光强）的阈值信号发生器。

23、如权利要求20的装置，其特征是包括对每个测量点确定长度的装置所确定的图象长度进行贮存的存储装置;和位置识别贮存器，位置识别信号来自与各测量点的所述已存图象长度相关的测量点识别装置。

24、如权利要求1的装置，其特征是包括在准直装置和第一透镜之间的光轴一侧支承工件边缘部分的装置;有一个参比边缘的光掩模;将这具有参比边缘的掩模定位的装置，掩模相对于所述安置装置有预定的固定关系并且位于所述的准直装置和第一透镜之间光轴一侧的相反一侧，所述的工件边缘和所述的参比边缘就是间隔件，并确定所述象的尺寸。

25、如权利要求24的装置，其特征是包括沿着支承工件边缘部分的装置，测量所述间隔件的间距的多个测量点;以及进行识别正在测量的测量点的装置。

26、如权利要求25的装置，其特征是包括使所述支承装置和光轴（准直装置和第一透镜光轴）之间产生相对运动的装置，使所述的测量点与所述的光轴成一直线。

27、如权利要求25的装置，其特征是识别正在进行测量的测量点的所述装置，包括一个记数装置;一个与所述产生相对运动的装置相连，并对每个运动增量记数装置发出脉冲的脉冲发生器;一个响应测量点与光轴准直并保留所述测量点记数的第一存储装置;与所述第一存储装置相关的保留测量点测量大小的第二存储装置。

28、如权利要求26的装置，其特征是所述的运动产生装置提供相对于转运动。

29、如权利要求24的装置，其特征是所述的光源和所述的准直装置是固定的，所述的支承装置是可以转动的。

30、如权利要求29的装置，其特征是所述的支承装置是一个可转动的转台，具有支承工件边缘部分的表面和中心开孔部分;在所述转台的开孔中心部分内安置所述光源装置;所述转台有多个扇形狭槽，他们从所述支承表面的开孔中心部分在规定所述测量点的支承表面内向外伸展;从光源沿着所述的支承表面，并通过所述的狭槽出射光轴和均匀强度光的装置;所述的掩模，它固定到转台并用所述参比边缘挡着所述狭槽底部的象，因此，所述象的横向尺寸限定在所述参比边缘和跨越狭槽的工件边缘之间;有使转台绕垂直于支承表面的转轴转动的装置，使所述狭槽通过准直装置和第一透镜之间的光轴。

31、如权利要求30的装置，其特征是所述的支承表面是一个平面，所述的掩模参比边通常是一个平行于所述支承表面的平面。

32、如权利要求30的装置，其特征是有一个歪象系统，该系统包括：在垂直于所述的工件和掩模的间距测量方向的平面内发散准直光，并在平行于工件和掩模间距测量方向的平面内保持准直光的装置，因此在所述狭槽经过光轴时充满均匀强度的光;以及经过工件和掩模的光在第一透镜前重新准直的装置，所述的重新准直是指把光准直在与所述工件和掩模的间距测量方向垂直的平面内，同时保持经过所述工件和掩模间隔的光在平行于所述工件和掩模间距测量方向的平面内准直。

33、如权利要求32的装置，其特征是所述的发散光装置是一个柱面透镜，其柱轴位于由光轴和所述工件和掩模间距测量方向所限定的测量平面内，所述的再准直装置是一个柱轴在测量平面内的柱面透镜。

34、如权利要求30的装置，其特征是所述光源包括带窄缝的挡板，其中心在光轴和所述工件和掩模间距测量方向所限定的测量平面内，并且位于所述光源和所述准直光装置之间，因此纵轴在测量面内的一条光带通过所述窄缝。

35、如权利要求34的装置，其特征是所述的光源，挡板和准直装置与所述的光轴合轴，光轴与所述的转台的转动轴一致;以及转动所述的光轴和测量平面转入穿过所述狭槽的所述支承平面的装置。

36、如权利要求30的装置，其特征是包括一个识别狭槽的狭槽探测器，该狭槽在转台转动时通过光轴。

37、如权利要求31的装置，其特征是包括发出窄而直的强度均匀的光带的装置，光带平面垂直于并从所述转台的中心孔起投射到平行于所述转台的平面。

38、如权利要求37的装置，其特征是发出直而强度均匀光带的装置是一个转动光的反射器;其中，所述的光源包括有通过光带的窄缝的挡板，准直从所述窄缝出射光的装置，所述准直装置和反射器之间的柱面透镜，柱面透镜距离反射器等于其焦长以形成所述光带的会聚象，该光带从所述反射器起在平行于所述转台上表面的光学平面内沿着扇形狭槽是发散的。

39、如权利要求38的装置，其特征是包括在所述转台的周边外、在距反射器的一个焦长处的第二柱面透镜在平行所述转台上表面的光学平面内，准直从所述反射器到所述第一透镜的发散象。

40、如权利要求30的装置，其特征是位于所述转台周边外带有光栏的光掩模，在任何给定距离使光只从一个扇形狭槽通到所述的准直装置。

41、如权利要求39的装置，其特征是电-光装置是一个线性列阵线扫描相机，其线性列阵与出自第一透镜的光带象准直。

42、如权利要求41的装置，其特征是包括一个位于第二透镜和电-光装置间的柱面透镜，所述柱面透镜距离电-光装置等于其焦距，柱面透镜的轴平行于光带的长度方向。

43、测量工件周壁边缘平直度偏差的装置，包括：具有容纳工件边缘的平表面的圆形安装台;安置所述转台绕垂直于所述表面的转轴转动的装置;所述的转台具有包括旋转轴的中心开孔区，在所述转台平表面内均匀分布一系列平直的间隔狭槽，狭槽径向地从转轴向外伸展，转台的狭槽壁以扇形径向向外散开;绕圆形转台的周界有光掩模，并在转台的平表面上凸起，所述光掩模在它的上边缘有许多缺口，所述缺口与转台内狭槽对准，并具有扇形狭槽径向展宽的宽度;在所述转动轴方向有一个均匀光强的线光源;第一准直透镜将光源沿着光轴方向发出的光准直;柱面透镜其轴位于于光轴上，用于聚焦由所述准直透镜发出的准直光，使它沿着光轴方向成为一光带;位于柱面透镜一个焦长处的前表面反射镜定向出射的光束，使它在平行于所述转台平表面内成为发散光束，并具有矩形截面，充满在狭槽扇形内，以及所述狭槽扇形和转台平面以上的区域;第二柱面透镜其轴在光轴上，并位于所述光掩模的外侧，用于重新准直从转台狭槽发出的光和狭槽上方的矩形截面的光;探测器位于所述光轴方向上;第一探测器透镜位于光轴方向上，接收再准直的光;在第一探测器透镜后焦面处的挡板，其窄缝中心位于光轴上，并横切光束的主轴以限制从所述第二柱面透镜发出的光的角分量，使光线近似地平行于光轴;第二探测器透镜把入射在所述第一探测器透镜上的光聚焦到所述探测器上;一个探测器柱面镜，其光轴位于所述第二探测器和所述探测器之间的光轴上，并且它的轴横切狭槽深度方向的象;设定探测器上 1/2 最大光强度值的装置;和在所述探测器上测量至少 1/2 光强最大值的象的长度的装置。

44、如权利要求43的装置，其特征是所述的探测器是一个电-光相机;在所述的相机内象素的线性列阵位于所述柱面透镜的焦点处，并与狭槽深度方向的象准直;还包括：使转台绕着垂直于所述表面的轴转动的驱动装置;所述转台的转动位置编码器;一个响应所述编码器的参考位置发生器;一个响应转台转动速度的转台转速计;驱动转台的电机回路控制器，它根据图形信号响应所述参考位置发生器和所述转台转速计;一个响应在所述圆周上掩模的凹槽狭槽探测器，以相位关系使狭槽进入从所述的平面镜到所述第二柱面透镜光路内;重复扫描所述象素以探测入射光的装置;用于置定 1/2 最大光强度值的装置，包括：从扫描所述象素初始取样信号确定最笾档淖爸茫枚ǔ跏既⊙畲笾档?1/2 值信号电平作为阈值信号电平下限的装置;其中，所述测量装置包括：确定入射光强超过所述阈值下限的象素数目的装置;使所述最大值确定装置、所述 1/2 值设定装置以及所述信号长度的确定装置响应所述狭槽探测器的装置;响应所述信号长度确定装置和从所述位置参考发生器的狭槽识别，能使象长度信号用于这种狭槽的装置。

45、如权利要求44的装置，其特征是包括：在所述狭槽底部处遮住狭槽内光象的装置;对所述狭槽底部和平面转台表面之间的光象建立信号长度标准的装置;将所述信号长度标准作为陆续得到的信号长度的偏置值而存贮的装置。

46、如权利要求45的装置，其特征是包括计算测量狭槽信号长度和偏置值之差的装置。

47、如权利要求46的装置，其特征是包括显示所述狭槽识别和所述差分信号长度的装置。

48、测量图象横向尺寸的方法，包括：产生均匀强度的准直光;投射二个间隔边缘之间的光线，形成一个具有一定横向尺寸的象;所述的象通过第一透镜，限制透过第一透镜成象光线的角分量，使它近似地成为平行光线;把从第一透镜出射的角分量受到限制的光聚焦在焦点处;在焦点处探测图象横向尺寸方向最大的光强度，并测量在焦点处具有至少 1/2 探测最大光强度的部分象的横向长度，以消除所述间隙边缘象的光学边缘效应。

49、如权利要求48的方法，包括安置一个掩模，在图象的横向的一侧，遮挡投射的光;安置工件，其边缘在图象横向上述一侧的相反侧遮着投射的光。因此，所述象的横向尺寸是在掩模和工件边缘之间的尺寸。

50、如权利要求49的方法，其特征是包括形成准直光而笔直地沿着横向尺寸延伸直到挡光掩模和挡光工件边缘之前的位置。

51、如权利要求49的方法，其特征是包括以确定的掩模挡光关系支承工件边缘的一部分。

52、如权利要求51的方法，其特征是包括在投射光和支承的工件边缘及掩模之间提供相对的运动，并在多个测量点的每一个位置使他们定位;探测在多个测量点的每一个焦点处图象横向尺寸上最大光强度;测量图象部分在每个测量点的焦点处横向尺寸的长度，所述测量点具有超过各个测量点处 1/2 探测最大光强的光强度。

53、如权利要求52的方法，其特征是投射光是固定的，并且受支承的工件边缘和掩模的运动一般垂直于投射光，同时保持工件边缘和掩模互相间的位置关系。

54、如权利要求53的方法，其特征是工件边缘和掩模靠近，并相对于固定投射光绕垂直于投射光的转轴作转动。

55、如权利要求52的方法，其特征是包括单个识别每个测量点的步骤;以及使测量点的识别与各个测量点的测量相关联。

56、如权利要求54的方法，其特征是光通常从旋转轴方向射出。

57、如权利要求56的方法，其特征包括在工件边缘和掩模的运动平面内发散准直光使之至少达到测量点的宽度的步骤，同时在光从转轴投之前，保持在垂直于运动平面内光的准直。

58、如权利要求57的方法，其特征是包括：遮挡从转轴向外伸的投射到扇形区的光来隔离每个测量点，在转轴处沿着横向方向延伸的光聚为直线光，并在光遮挡掩模和光遮挡工件之后和在第一透镜之前再次准直来自转轴上焦点处的光。

59、如权利要求56的方法，其特征是包括在线性探测器处把受到限制的角分量的图象聚焦成一直线，以便使多个测量点的位置通过投射光。

60、测量工件边缘的平面偏离的方法，该工件是非圆形的，靠其自身紧挨着支承表面，所述的方法包括：

将欲测工件安置在支承件上，该支承件具有适用于支承边缘的、带中心内孔区的平直平面边缘支承表面，并在其表面内有多个从中心开孔区外伸的径向狭槽。

在支承件开孔区内形成垂直于平面表面的线光源;

光在扇形区内，朝工件的边缘，并沿着支承件表面的径向狭槽投射;

把投射的光在狭槽的下部用一个参考边缘挡住，该参考边缘与平表面有一个预定的空间关系;

探测通过参考边缘和工件边缘之间的每个狭槽的光的长度;

把探测到的光的长度转换成指示每个狭槽处工件边缘偏离平直平面偏差的信号。

61、如权利要求60的方法，其特征是包括：在投射光和支承件之间提供相对的转动，安置工件的支承件的转轴垂直于支承件的支承表面，使光扫描支承件表面上的多个狭槽。

62、如权利要求61的方法，其特征是包括保持光源固定，并旋转支承件，安置工件的支承件绕垂直于支承表面的轴作转动。

63、如权利要求60的方法，其特征是包括以预定方向将工件安置在支承表面上;用长度探测器，单个识别每个狭槽，由此确定每个示出的工件边缘与平直面偏离的位置。

64、如权利要求61的方法，其特征是包括把光源发出的光会聚到具有象的垂直于工件支承表面的窄缝上;准直窄缝的象;仅在平行于工件支承表面的方向内发散地折射窄缝的象;沿着狭缝通过折射过的窄缝象。

65、如权利要求64的方法，其特征是投射位于狭槽的径向中心，垂直于支承表面的经折射的窄缝象，并会聚聚焦在与支承表面及投射光轴成45度倾角的平面镜上，由此窄缝象沿着狭槽是发散的。

66、如权利要求65的方法，其特征是包括仅在平行于工件支承表面内会聚折射由狭槽出射的象，使它成为准直的光束，折射焦点是在狭槽径向中心的窄缝象上，因此窄缝象作为准直的光得到投射。

67、如权利要求66的方法，其特征是包括限制通到示读测量点的准直光，使它基本上仅是平行于系统光轴的光，并读出所成光象部分的长度，该光象是由沿着象长度方向至少有 1/2 最大光强的强度来确定。

68、如权利要求67的方法，其特征是包括会聚在转台平面内用于示读狭槽位置范围的象，并把象通过仅在图象的运动平面内具有正放大作用的柱面透镜，位于准直光学系统的一侧同时在示读装置上聚焦。

69、如权利要求61的方法，其特征是通过参考边缘和工件边缘之间的多个狭槽中的每一个，把光的长度成象在线性扫描探测器上。

70、如权利要求69的方法，其特征是包括确定成象在线扫描探测器上的最大光强度，并以 1/2 最大光强电平置定探测阈值。

71、如权利要求61的方法，其特征是包括用分立象素的线扫描方法，探测通过参考边缘和工件边缘之间多个狭槽中的每一个狭槽象的长度，该象素至少是 1/2 最大光强度处的象，对每个狭槽把至少有 1/2 最大光强度的象素的计数转换成参考边缘和工件边缘之间间隙的长度。

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