CN108458660B - 光学式位移传感器以及具备此光学式位移传感器的系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够根据用户的用途来设定最佳曝光时机的光学式位移传感器以及具备此光学式位移传感器的系统。光学式位移传感器(3)具备：投光部(33)，对工件(51)进行投光；受光部(34)，接收来自工件(51)的反射光而生成受光数据；处理部(32)，基于受光数据来算出工件(51)的位移量；输入部(35)，接收时间同步信号；以及输出部(36)，输出由处理部(32)所算出的位移量。处理部(32)响应由输入部(35)所接收的时间同步信号，对曝光时间进行控制，所述曝光时间是由投光部(33)对工件(51)进行投光的时间、与受光部(34)接收反射光的时间的重合而定。系统(100)具备光学式位移传感器(3)、及产生时间同步信号的控制设备(1)。

Description

光学式位移传感器以及具备此光学式位移传感器的系统

技术领域

本发明涉及一种光学式位移传感器(sensor)以及包含此光学式位移传感器的系统(system)。

背景技术

已知有对目标位移(移动量或者尺寸等)进行光学测定的光学式位移传感器。例如日本专利特开2001-280951号公报(专利文献1)揭示了一种光学式位移传感器，其具备投光部件和受光部件与运算部件。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2001-280951号公报

发明内容

[发明所要解决的问题]

日本专利特开2001-280951号公报(专利文献1)中揭示的光学式位移传感器是自由运行(free run)地执行计测。根据用户的用途，认为存在用于计测的曝光的最佳时机(timing)。然而，所述传感器中，无法以与用户的用途相应的适当的时机来对计测对象物进行曝光。

本发明的目的在于提供一种能够根据用户的用途来设定最佳曝光时机的光学式位移传感器以及包含此种光学式位移传感器的系统。

[解决问题的技术手段]

本发明的一方面的光学式位移传感器包括：投光部，对计测对象物进行投光；受光部，接受来自计测对象物的反射光而生成受光数据；处理部，基于受光数据来算出计测对象物的位移量；输入部，接收时间同步信号；以及输出部，输出由处理部所算出的位移量。处理部响应由输入部所接收的时间同步信号，对曝光时间进行控制，所述曝光时间是由投光部对计测对象物进行投光的时间、与受光部接受反射光的时间的重合而定。

优选的是，处理部使曝光时间的开始时机与位移量的测定周期的开始时机一致。

优选的是，处理部使曝光时间的结束时机与位移量的测定周期的结束时机一致。

优选的是，处理部使曝光时间的中心时机与位移量的测定周期的中心时机一致。

优选的是，输入部受理与曝光时间的控制相关的用户设定，处理部基于设定来选择多个控制中的一个控制，所述多个控制包含第1控制、第2控制或第3控制中的至少两个，所述第1控制是使曝光时间的开始时机与位移量的测定周期的开始时机一致，所述第2控制是使曝光时间的结束时机与测定周期的结束时机，所述第3控制是使曝光时间的中心时机与测定周期的中心时机一致。

本发明的一方面的系统包括：根据所述任一项所述的、至少一个光学式位移传感器；以及控制设备，产生时间同步信号。

优选的是，至少一个光学式位移传感器包含第1光学式位移传感器与第2光学式位移传感器。第1光学式位移传感器的投光部及受光部是夹着计测对象物而与第2光学式位移传感器的投光部及受光部相向配置。第1光学式位移传感器及第2光学式位移传感器各自的处理部使曝光时间的中心时机与位移量的测定周期的中心时机一致。

[发明的效果]

根据本发明，可提供一种能够根据用户的用途来设定最佳曝光时机的光学式位移传感器以及系统。

附图说明

图1是表示包含本发明的实施方式的光学式位移传感器的系统的结构的图。

图2是对图1所示的光学式位移传感器的结构进行说明的框图。

图3是对本发明的实施方式的曝光控制进行说明的波形图。

图4是用于对本发明的实施方式的曝光控制的应用例进行说明的图。

图5是用于对本发明的实施方式的曝光控制的其他应用例进行说明的图。

图6是表示图5所示的系统的两个光学式位移传感器不使曝光时机同步时的、两个光学式位移传感器各自的曝光时机的图。

图7是表示将依据本发明的实施方式的曝光控制适用于图5所记载的系统时的曝光时机的图。

图8是用于对两个光学式位移传感器进行工件的厚度测定时所产生的误差进行说明的图。

图9是表示考虑到工件位置变动时的、依据本发明的实施方式的曝光控制的曝光时机的图。

具体实施方式

对于本发明的实施方式，参照附图来进行详细说明。另外，对于附图中的相同或相当的部分，标注相同的符号并不再重复其说明。

图1是表示包含本发明的实施方式的光学式位移传感器的系统的结构的图。如图1所示，系统100包含控制设备1、通信线2及光学式位移传感器3。控制设备1例如可通过可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)来实现。

控制设备1在规定的测定时机，将时间同步信号送往光学式位移传感器3。光学式位移传感器3经由通信线2来接收时间同步信号，对置于载台(stage)5上的工件(计测对象物)51进行摄像。光学式位移传感器3根据通过摄像所得的受光数据，算出工件51的位移，并将所述算出的位移量送往控制设备1。控制设备1经由通信线2来获取位移量，并根据此位移量来算出工件51的厚度或者阶差等测定值。

光学式位移传感器3包含传感器控制器11、传感器头(sensor head)12及电缆(cable)13。传感器头12通过电缆13连接于传感器控制器11。

传感器控制器11包含接口(interface)部31与处理部32。接口部31连接于通信线2。接口部31包含输入部35与输出部36。输入部35经由通信线2而从控制设备1接收时间同步信号。输出部36将在光学式位移传感器3中算出的位移量经由通信线2而输出至控制设备1。

处理部32例如可通过中央处理器(Central Processing Unit，CPU)或者现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)等半导体集成电路而实现。处理部32包含曝光控制部41与运算部42。

曝光控制部41响应时间同步信号而生成用于对传感器头12的曝光时机进行控制的控制信号，并且将此控制信号经由电缆13而发送至传感器头12。对于曝光控制的详细，将在后文进行详细说明。

运算部42接收从传感器头12送来的受光数据，并根据所述受光数据算出工件51当前的位移量(测定值)。所述算出的位移量是从运算部42送往输出部36。

传感器头12具有投光部33及受光部34。投光部33根据控制信号来对工件51进行投光。受光部34根据控制信号接收来自工件51的反射光，并输出表示所述受光量的受光数据。

图2是对图1所示的光学式位移传感器的结构进行说明的框图。如图2所示，投光部33包含作为光源的发光元件43及投光电路44。受光部34包含受光元件45、放大器(amplifier)46及模拟/数字(Analog/Digital，A/D)转换器(converter)47。受光元件45例如为电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)影像传感器、互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)影像传感器等摄像元件，具有快门(shutter)功能。

参照图2来说明本发明的实施方式的曝光控制方法。处理部32通过用户的设定来切换曝光控制方法。处理部32接收时间同步信号，以执行曝光控制。所谓曝光控制，具体而言，是指发光元件43的发光控制与受光元件45的快门控制。投光电路44通过处理部32的发光控制来使发光元件43点亮。具体而言，投光部33以同步时机信号为基准，在用户所指定的时机进行投光。

进而，处理部32控制受光元件45的快门。在规定曝光周期的开始时，打开受光元件45的快门，在所述曝光周期的结束时，关闭受光元件45的快门。另外，本实施方式中，受光元件45的快门开放时间长于投光部33的投光时间。因此，受光元件45在投光部33对工件进行投光的期间，接收从工件反射的光。由此，在受光元件45中蓄积电荷。

当曝光结束时，蓄积在受光元件45中的电荷作为受光信号而从受光元件45输出，受光信号被输入至放大器46。放大器46对从受光元件45输出的受光信号进行放大。A/D转换器47将放大器46的输出信号转换为数字信号而生成受光数据。受光数据从受光部34输出并输入至处理部32。处理部32根据受光数据算出位移量。

本实施方式中，传感器头12与传感器控制器11分离。然而，本发明的实施方式中，投光部及受光部也可统合在传感器控制器11中。

图3是对本发明的实施方式的曝光控制进行说明的波形图。如图3所示，例如时间同步信号的下降表示测定周期的开始时机。时间同步信号的上升也可表示测定周期的开始时机。

曝光时间相当于受光元件45(参照图2)的快门开放时间与发光元件43(参照图2)的投光时间的重合时间。因此，在曝光时间的期间，受光元件45接收来自工件的反射光而蓄积电荷。

本发明的实施方式中，光学式位移传感器3可从以下说明的曝光控制模式(A)～(C)中选择一个曝光控制模式。处理部32经由输入部35来受理用户的设定，由此能够切换曝光控制模式。因此，根据本发明的实施方式，能够选择与用户的用途相应的最佳曝光方法。

在选择了曝光控制模式(A)的情况下，以曝光结束时机与测定周期的结束时机一致的方式来控制曝光。在选择了曝光控制模式(B)的情况下，以曝光开始时机与测定周期的开始时机一致的方式来控制曝光。在选择了曝光控制模式(C)的情况下，以曝光时间的中心与测定周期的中心一致的方式来控制曝光。

本发明的实施方式中，多个曝光控制模式也可为曝光控制模式(A)～(C)中的任意两个。或者，多个曝光控制模式除了曝光控制模式(A)～(C)以外，也可包含其他曝光控制模式。例如，也可以从测定周期的开始经过延迟时间Td(参照曝光控制模式(C)的波形)时开始曝光的方式，来控制曝光。延迟时间Td既可为固定时间，也可由用户来设定。

而且，本发明的另一实施方式中，光学式位移传感器3的处理部32也可仅具有图3所示的曝光控制模式(A)、(B)、(C)中的任一个曝光控制模式。曝光控制模式的数量并不限定为多个。

图4是用于对本发明的实施方式的曝光控制的应用例进行说明的图。图4中，表示用于三维测图(Three Dimensional mapping)的工件51(参照图1)的位移计测的示例。

通过向光学式位移传感器3输入时间同步信号，测定周期开始。在每个测定周期对工件51进行摄像，光学式位移传感器3算出位移量(测定值)。光学式位移传感器3将此测定值输出至外部。

例如，在曝光控制模式(A)的情况下，光学式位移传感器3以测定周期的结束为基准，来对工件51曝光所需的时间。然而，由于工件51相对于光学式位移传感器3的传感器头12而相对地移动，因此曝光开始时(摄像开始时)的工件51的位置相对于想要测定的工件51的位置发生偏离。

在通过多个光学式位移传感器3来对工件51进行摄像时，测定值成为与曝光时间内的工件51的位置的平均相近的值。然而，若多个传感器之间的曝光时间存在偏差，则测定值容易产生误差。

本应用例中，适合使曝光时间的开始时机与测定周期的开始时机一致的控制(图3所示的曝光控制模式(B))。通过选择曝光控制模式(B)，能够减小摄像时的工件位置相对于想要测定的工件位置的偏离。

图5是用于对本发明的实施方式的曝光控制的其他应用例进行说明的图。图5中，表示将工件51(参照图1)的厚度作为位移量来进行计测的系统的结构例。系统101包含控制设备1、通信线2及光学式位移传感器3A、3B。光学式位移传感器3A、3B各自的结构与光学式位移传感器3的结构(参照图1)相同，因此以后不再重复说明。光学式位移传感器3A的传感器头12与光学式位移传感器3B的传感器头12是相向地配置。即，光学式位移传感器3A的投光部及受光部是夹着工件51而与光学式位移传感器3B的投光部及受光部相向配置。

图6是表示图5所示的系统的两个光学式位移传感器不使曝光时机同步时的、两个光学式位移传感器各自的曝光时机的图。参照图6，“传感器(1)”表示光学式位移传感器3A，“传感器(2)”表示光学式位移传感器3B(以下的图中也同样)。光学式位移传感器3A、3B分别根据各自的曝光时机来对工件51进行曝光。因此，光学式位移传感器3A、3B之间，曝光时机的偏离容易变大。曝光时机的偏离越大，测定误差越容易变大。

图7是表示将依据本发明的实施方式的曝光控制适用于图5所记载的系统时的曝光时机的图。如图7所示，以时间同步信号为基准来决定曝光时机。光学式位移传感器3A、3B各自的处理部32(曝光控制部41)是与时间同步信号同步地开始曝光。具体而言，光学式位移传感器3A、3B各自的曝光控制部41使曝光开始时机与测定周期的开始一致。

根据此种控制，能够在光学式位移传感器3A、3B之间使曝光开始时机一致。由于能够减小曝光时机的偏离，因此能够减小目标位置与对工件51的位移进行测定的位置之间的偏离。因此，在图5所示的系统101中，能够降低工件51的厚度测定误差。

光学式位移传感器3A、3B是以各自需要的时间进行曝光。因此，在光学式位移传感器3A、3B之间，曝光时间的长度有可能不同。在图5所示的系统中对工件51的厚度进行测定时，有可能因工件51的晃动、振动等产生测定误差。

图8是用于对两个光学式位移传感器进行工件的厚度测定时所产生的误差进行说明的图。如图8所示，测定值成为曝光时间内的工件位置的平均附近。在光学式位移传感器3A、3B之间，曝光时间的长度不同。因此，若以测定周期的结束作为基准来决定光学式位移传感器3A、3B各自的曝光时机，则测定值在光学式位移传感器3A、3B之间有可能不同。因此，测定误差容易变大。

图9是表示考虑到工件位置变动时的、依据本发明的实施方式的曝光控制的曝光时机的图。如图9所示，光学式位移传感器3A、3B各自的曝光控制部41以测定周期的中心与曝光时间的中心一致的方式，来设定光学式位移传感器3A、3B各自的曝光时机。由此，即使曝光时间在光学式位移传感器3A、3B各自之间不同的情况下，也能够减小测定误差。

如上所述，曝光时间是由投光元件的投光时机与受光元件的快门时机所决定。本发明的实施方式中，根据从光学式位移传感器的外部输入的时间同步信号来控制曝光时间。由此，能够在任意时机进行曝光。其结果，能够进行更准确的位移测定。

本发明的实施方式能够广泛适用于通过摄像元件的快门时间或光源的点亮时间来控制曝光时间的光学式位移传感器。因此，用于计测位移的方式并无特别限定，例如，本发明能够适用于三角测距方式的位移传感器、同轴共焦方式的位移传感器等。

应认为，此次揭示的实施方式在所有方面仅为例示，并非限制者。本发明的范围是由权利要求而非所述说明所示，且意图包含与权利要求均等的含义及范围内的所有变更。

Claims (4)

1.一种光学式位移传感器，其特征在于包括：

投光部，对计测对象物进行投光；

受光部，接受来自所述计测对象物的反射光而生成受光数据；

处理部，基于所述受光数据来算出所述计测对象物的位移量；

输入部，接收时间同步信号；以及

输出部，输出由所述处理部所算出的所述位移量，

所述处理部响应由所述输入部所接收的所述时间同步信号，对曝光时间进行控制，所述曝光时间是由所述投光部对所述计测对象物进行投光的时间、与所述受光部接受所述反射光的时间的重合而定，其中

所述处理部使所述曝光时间的开始时机与所述位移量的测定周期的开始时机一致；或

所述处理部使所述曝光时间的结束时机与所述位移量的所述测定周期的结束时机一致；或

所述处理部使所述曝光时间的中心时机与所述位移量的所述测定周期的中心时机一致。

2.根据权利要求1所述的光学式位移传感器，其特征在于，

所述输入部受理与所述曝光时间的控制相关的用户设定，

所述处理部基于所述设定来选择多个控制中的一个控制，所述多个控制包含第1控制、第2控制或第3控制中的至少两个，

所述第1控制是使所述曝光时间的所述开始时机与所述位移量的所述测定周期的所述开始时机一致，

所述第2控制是使所述曝光时间的所述结束时机与所述测定周期的所述结束时机一致，

所述第3控制是使所述曝光时间的所述中心时机与所述测定周期的所述中心时机一致。

3.一种光学式位移系统，其特征在于包括：

至少一个根据权利要求1至2中任一项所述的光学式位移传感器；以及

控制设备，产生所述时间同步信号。

4.根据权利要求3所述的光学式位移系统，其特征在于，

所述至少一个所述光学式位移传感器包含第1光学式位移传感器与第2光学式位移传感器，

所述第1光学式位移传感器的所述投光部及所述受光部是夹着所述计测对象物而与所述第2光学式位移传感器的所述投光部及所述受光部相向配置，

所述第1光学式位移传感器及所述第2光学式位移传感器各自的所述处理部使所述曝光时间的所述中心时机与所述位移量的所述测定周期的所述中心时机一致。

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