CN111175777A - 位移测量设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种位移测量设备。能够利用小型的位移测量设备来进行使用测量光的扫描。该位移测量设备包括用于使用从光投射透镜输出的测量光进行扫描的MEMS反射镜。光投射透镜在测量光的光轴上在MEMS反射镜处或该MEMS反射镜的附近具有使测量光聚光的焦点位置。在MEMS反射镜处被反射的测量光在该测量光接近测量区域时，以带状形式扩散。

Description

位移测量设备

技术领域

本发明涉及用于测量测量对象的预定位置的位移的位移测量设备。

背景技术

传统上已知有通常被称为“光切法”的使用三角测量原理的三维测量法(例如，日本特开2000-193428)。在该方法中，将带状的测量光发射到测量对象的表面以使得该测量对象被切断，并且从该测量对象的表面反射回的光由受光元件接收，由此获得高度信息。

日本特开2000-193428公开了用于通过发射测量光来在与该测量光的延伸方向垂直的方向上扫描处于静止状态的测量对象以测量该测量对象的三维形状的设备。

发明内容

测量光的扫描机构可以由通常被称为“检流计扫描器”的公知装置来体现。检流计扫描器主要由检流计反射镜、用于支撑该反射镜的轴和用于使该轴转动的马达构成。为了将该检流计反射镜并入位移测量设备中，需要用于布置轴和马达的空间以及用于布置反射镜的空间，这使设备的结构复杂化并且增大了设备的尺寸。特别地，在小型位移测量设备中，这些问题变得显著。

本发明是有鉴于这些情形而实现的，并且本发明的目的是使得能够利用小型的位移测量设备来进行使用测量光的扫描。

为了实现上述目的，本发明的第一方面提供一种位移测量设备，用于对测量对象的预定位置的位移进行测量。所述位移测量设备包括测量光源、光投射透镜、MEMS反射镜、光投射窗、受光元件、位移测量单元和壳体。光投射透镜包括一个或多个透镜组，所述一个或多个透镜组用于使从所述测量光源出射的测量光在第一方向和与所述第一方向交叉的第二方向上聚光。MEMS反射镜具有设置在从所述光投射透镜出射的测量光的光轴上且绕与所述第一方向平行的轴转动的镜面。所述MEMS反射镜被配置为使从所述光投射透镜出射的测量光在所述第二方向上进行扫描。光投射窗被配置为允许从所述MEMS反射镜出射的测量光透过所述光投射窗并出射到所述测量对象的测量区域。受光元件被配置为接收从所述测量区域反射回的测量光，并且输出受光量分布。位移测量单元被配置为基于从所述受光元件输出的受光量分布来测量所述测量对象的位移。壳体一体地容纳所述测量光源、所述光投射透镜、所述MEMS反射镜和所述受光元件，并且所述光投射窗附接至所述壳体。所述光投射透镜在所述测量光的光轴上在所述MEMS反射镜处(上)或在所述MEMS反射镜附近具有使所述测量光在所述第一方向上聚光的焦点位置。所述光投射透镜被配置为生成带状测量光，在所述带状测量光在所述MEMS反射镜处被反射之后接近所述测量区域时，所述带状测量光在所述第一方向上扩散(分散)。

利用该结构，从测量光源出射的测量光由光投射透镜在第一方向和与该第一方向交叉的第二方向上聚光，入射到MEMS反射镜的镜面，并且由MEMS反射镜在第二方向上移动。从镜面出射的测量光透过光投射窗，然后出射到测量对象的测量区域。从测量区域反射回的测量光由受光元件接收，并且受光元件输出受光量分布。基于该受光量分布，测量测量对象的位移。

设置了一体地容纳测量光源、光投射透镜、MEMS反射镜和受光元件的壳体，并且光投射窗附接至壳体。因而，一体地利用位移测量设备的构成构件。

利用该结构，光投射透镜的焦点位置被设置成使得测量光将聚光在MEMS反射镜处或MEMS反射镜的附近。因而，即使在MEMS反射镜的镜面小的情况下，也通过使用测量光来在第二方向上进行扫描。这使得能够减小MEMS反射镜的尺寸。此外，使用通常被称为微机电系统的MEMS反射镜与传统的检流计反射镜相比在大小上较小。因而，即使壳体小，用作扫描机构的MEMS反射镜也容纳在壳体中。

根据本发明的第二方面，所述光投射透镜可以在所述测量区域中具有使所述测量光在所述第二方向上聚光的焦点位置。

该结构使测量光在第二方向上聚光在测量区域中，由此在测量区域中获得带状的测量光。

根据本发明的第三方面，所述位移测量设备还可以包括包含所述测量光源、所述光投射透镜和所述MEMS反射镜的光投射模块，并且包括与所述光投射模块分开设置且固定到所述壳体的基部。在这种情况下，所述光投射模块可以安装到所述基部，使得所述测量光的照射角度是能够调整的。

在该结构中，光投射模块和基部是彼此分开地设置的。该结构使得能够通过使光投射模块相对于基部移动来调整来自光投射模块的测量光的照射角度。测量光的照射角度的调整改变了用于测量位移的容许距离、即距离范围。因而，在无需修改光投射模块的情况下共同地使用光投射模块，由此以低成本提供具有不同的距离范围的位移测量设备。

根据本发明的第四方面，所述光投射透镜可以包括准直透镜和柱面透镜。所述准直透镜可以使从所述测量光源输出的测量光的光线准直。所述柱面透镜可以接收从所述准直透镜输出的测量光，由此生成在所述第一方向上延伸的带状测量光。在这种情况下，所述MEMS反射镜的镜面可被布置成接收从所述柱面透镜输出的测量光。

利用该结构，从测量光源出射的测量光的光线由准直透镜准直，然后入射到柱面透镜。由于柱面透镜的作用，柱面透镜使在第一方向上长的带状测量光出射。从柱面透镜出射的带状测量光聚光在镜面处或镜面的附近，并且照射测量对象。

在将柱面透镜布置得比扫描机构离测量对象更近的情况下，柱面透镜应当大，以便对应于测量光的整个扫描范围。另一方面，在该结构中，将柱面透镜布置得比扫描机构离测量光源更近。因而，使用小型的柱面透镜，这使得能够进一步减小位移测量设备的尺寸。

根据本发明的第五方面，所述位移测量设备还可以包括角度测量用受光器和角度测量单元。在这种情况下，角度测量用受光器可以设置在所述角度测量用受光器接收由所述MEMS反射镜移动的测量光在所述第一方向上的端部处的光线的位置。所述角度测量用受光器可以包括沿所述第二方向排列的多个像素。角度测量单元可被配置为基于从所述角度测量用受光器输出的受光量分布来测量所述MEMS反射镜的测量光的照射角度。所述受光元件可以包括二维受光元件。所述二维受光元件可以顺次接收由所述MEMS反射镜移动、然后从所述测量对象在所述第二方向上的不同位置分别反射回的测量光。所述二维受光元件可以输出多个受光量分布。所述位移测量单元可被配置为基于从所述受光元件输出的受光量分布和所述MEMS反射镜的测量光的照射角度的信息来测量所述测量对象的位移。所述照射角度可以是在获得所述受光量分布时由所述角度测量单元测量的。

利用该结构，从测量光源出射的测量光在第一方向上的端部处的光线由角度测量用受光器接收。角度测量用受光器的像素在作为测量光的扫描方向的第二方向上排列。在这些条件下，基于从角度测量用受光器输出的受光量分布来测量MEMS反射镜的测量光的照射角度。另一方面，由MEMS反射镜移动的测量光从测量对象在第二方向上的不同位置分别反射回，并且分别由受光元件接收。基于从受光元件输出的受光量分布以及在获得该受光量分布时的MEMS反射镜的测量光的照射角度的信息，来测量测量对象的位移。

因而，使用测量光的一部分作为用于测量MEMS反射镜的角度的光，由此使得不需要专用于测量MEMS反射镜的角度的光源。这使得能够进一步减小位移测量设备的尺寸并降低其成本。测量光和用于测量MEMS反射镜的角度的光源自于相同的光源，由此与提供单独光源的情况相比提高了精度。

根据本发明的第六方面，所述位移测量设备还可以包括光阑，所述光阑使所述测量光在所述第一方向上的端部处的光线变窄。

也就是说，测量光的焦点存在于测量对象的照射面，因此在角度测量用受光器处可能无焦点。这使得产生角度测量用受光器的受光量的多个峰，由此导致无法确定峰位置。通过使测量光在第一方向上的端部处的光线变窄来对角度测量用受光器的受光量分布进行整形。这使得受光量的峰位置明确，由此准确地获得MEMS反射镜的测量光的照射角度。

根据本发明的第七方面，所述光阑可以包括允许所述测量光在所述第一方向上的端部处的光线穿过的狭缝，并且所述狭缝可被形成为在所述第一方向上延伸。

该结构使第一方向上的端部处的光线穿过狭缝，由此可靠地使光线变窄。

本发明的另一方面提供一种位移测量设备，用于对测量对象的预定位置的位移进行测量。所述位移测量设备包括光投射器、扫描部、第一受光器、角度测量单元、第二受光器和位移测量单元。所述光投射器包括测量光源和用于接收来自所述测量光源的光的光投射透镜。所述光投射器被配置为向所述测量对象发射在第一方向上延伸的带状的测量光。所述扫描部包括通过使用所述测量光来在与所述第一方向交叉的第二方向上扫描的扫描反射镜。所述第一受光器设置在所述第一受光器接收由所述扫描反射镜移动的测量光在所述第一方向上的端部处的光线的位置。所述第一受光器包括沿所述第二方向排列的多个像素。所述角度测量单元被配置为基于从所述第一受光器输出的受光量分布来测量所述扫描反射镜的测量光的照射角度。所述第二受光器包括二维受光元件。所述二维受光元件顺次接收由所述扫描反射镜移动、然后从所述测量对象在所述第二方向上的不同位置分别反射回的测量光。所述二维受光元件输出多个受光量分布。所述位移测量单元被配置为基于从所述第二受光器输出的受光量分布和所述扫描反射镜的测量光的照射角度的信息来测量所述测量对象的位移。所述照射角度是在获得受光量分布时由所述角度测量单元测量的。

在本发明中，设置了在从光投射透镜输出的测量光的光轴上具有镜面的MEMS反射镜，并且测量光在其光轴上沿第一方向聚光在MEMS反射镜处或MEMS反射镜的附近。生成带状测量光，该带状测量光在MEMS反射镜处被反射之后接近测量对象的测量区域时在第一方向上扩散。因而，使用小型的MEMS反射镜来构造扫描机构。这使得能够利用小型的位移测量设备来进行使用测量光的扫描。

附图说明

图1是示出根据本发明实施例的位移测量设备的操作情形的示意说明图；

图2是如从下侧观看到的传感器头部的立体图；

图3是示出传感器头部的在侧盖移除的状态下的内部结构的局部透视图；

图4是在光投射模块处于第一光投射角度的状态下的传感器头部的侧盖移除的状态的侧视图；

图5是传感器头部的光学系统的分解立体图；

图6对应于图2，并且示出附接了偏振滤光器附件的状态；

图7是位移测量设备的框图；

图8对应于图4，并且示出光投射模块处于第二光投射角度的状态；

图9示出基部和处于第二光投射角度的光投射模块之间的相对位置关系；

图10对应于图9，并且示出光投射模块处于第一光投射角度的状态；

图11示出如从光穿过方向观看到的光阑；

图12是测量光的光学系统的示意图；

图13是根据另一示例的测量光的光学系统的示意图；

图14A示出在未配备光阑的情况下的受光量分布；

图14B示出在配备了光阑的情况下的受光量分布；

图15A示出使用半透半反镜将光分光成位移测量用受光器所用的光和亮度测量用受光器所用的光的示例；

图15B示出使光入射到位移测量用受光器和亮度测量用受光器各自的示例；

图16A和16B是用于说明位移测量设备所采用的位移测量原理的示意图；

图17A～17D是用于说明测量光的扫描范围的变化的图，其中，图17A示出在测量第一位置处的测量对象时、通过使用测量光在Z方向上扫描整个区域的情况，图17B示出在测量第一位置处的测量对象时、通过使用测量光在Z方向上扫描窄范围的情况，图17C示出在测量第二位置处的测量对象时、通过使用测量光在Z方向上扫描整个区域的情况，图17D示出在测量第二位置处的测量对象时、通过使用测量光在Z方向上扫描窄范围的情况；

图18A和18B示出如从上方观看到的、利用测量光进行扫描的情形，其中，图18A示出测量对象在第一位置的情况，图18B示出测量对象在第二位置的情况；

图19A和19B是用于说明高度工具的工具大小的变化的图，其中，图19A示出工具大小大的情况，图19B示出工具大小小的情况；

图20是用于说明所设置的多个测量位置的扫描顺序的图；

图21A和21B示出位移测量用受光器所接收到的光量的分布；

图22示出扫描模式时的流程图；

图23是扫描模式时的主(master)登记流程图；

图24是在使用主高度数据的情况下的流程图；

图25是示出用于获得峰位置的处理过程的流程图；

图26A～26C是用于说明根据基准面的方向来优化测量光的照射间距的方法的图；

图27A和27B是用于说明校正基准面的高度的概要的图；

图28是扫描模式时的操作的流程图；

图29是近似搜索和精确测量处理的基本流程图；

图30是如下的近似搜索和精确测量处理的流程图，其中交替执行多个模式；

图31是如下的近似搜索和精确测量处理的流程图，其中在精确测量处理之前，在近似搜索中执行多个模式；

图32是如下的近似搜索和精确测量处理的流程图，其中在近似搜索中同时执行多个模式；

图33是如下的近似搜索和精确测量处理的流程图，其中在近似搜索期间获得测量对象的高度信息时，过程进入精确测量；

图34是如下的近似搜索和精确测量处理的流程图，其中根据近似搜索和精确测量这两者的结果确定测量位置；

图35是行模式时的流程图；

图36是行模式时的主登记流程图；以及

图37是行模式的操作的流程图。

具体实施例

以下将参考附图来详细说明本发明的实施例。然而，以下对实施例的说明基本上仅是例示性的，而并不意图对本发明、使用本发明的对象和本发明的用途进行限制。

图1是示出根据本发明实施例的位移测量设备1的操作情形的示意图。位移测量设备1是用于测量测量对象W的预定位置的位移的设备或系统。位移测量设备1可被简称为“位移计”，或者也可被称为诸如“测距计”或“高度位移计”等的其它名称。尽管后面说明详情，但在用于利用测量光进行扫描的扫描模式中使用的位移测量设备1也可被称为“包括添加有位移计的图像传感器的设备”或“包括用于测量可变部位的位移计的设备”。在本实施例中，可以测量测量对象W的各部位的位移，因而位移测量设备1也可被称为“三维测量系统”。另外，在本实施例中，位移测量也被称为“高度测量”。

图1示出测量对象W由诸如输送用带式输送机B等的输送装置输送的情形，即测量对象W移动的情形。然而，该情形不限于图1所示的情形，并且测量对象W可以保持静止。能够一次测量的测量对象W的数量是一个或多个，并且可以一次测量多个测量对象W的预定位置的位移。没有具体限制测量对象W的类型。

位移测量设备1的整体结构

在图1所示的示例中，位移测量设备1包括多个传感器头部2、从放大器3、主放大器4、以及作为设置装置5的监视装置5A或个人计算机5B。传感器头部2可以是一个。在不需要设置装置5的情况下，以最小结构使用一个传感器头部2和一个主放大器4。可以使用从放大器3和主放大器4彼此集成的系统。

传感器头部2以可相互通信的方式经由连接线2a连接至从放大器3或主放大器4。从放大器3不能单独工作，而是可通过连接至主放大器4并从主放大器4接收电力供给而工作。从放大器3和主放大器4可相互通信。多个从放大器3可以连接至主放大器4。在本实施例中，仅主放大器4设置有以太网(Ethernet)连接器，并且主放大器4和从放大器3这两者都可经由以太网连接器与监视装置5A或个人计算机5B进行通信。在一个示例中，可以不使用从放大器3，或者可以将从放大器3的功能并入主放大器4中，以使用仅一个放大器。在另一示例中，可以将从放大器3和主放大器4的功能并入传感器头部2中，以省去从放大器3和主放大器4。以太网连接器除了被设置到主放大器4之外，也可被设置到从放大器3。

外部装置6例如可以是可编程逻辑控制器(PLC)。PLC是用于顺次控制输送用带式输送机B和位移测量设备1的控制器。PLC可以使用通用装置。图1仅示出位移测量设备1的系统结构的示例。本发明不限于该示例，并且主放大器4和从放大器3可以配备有要直接连接至外部装置6的输入-输出(I/O)单元。在这种情况下，在主放大器4或从放大器3与外部装置6之间传送诸如触发信号或结果输出信号等的物理信号。主放大器4还可设置有模拟输出。主放大器4和从放大器3可以经由以太网连接器与外部装置6进行通信。该通信可以通过使用诸如Ethernet/IP或PROFINET等的各类型的公知通信协议来进行。

位移测量设备1在操作期间从外部装置6经由连接线6a接收用于定义测量开始定时的测量开始触发信号。位移测量设备1响应于该测量开始触发信号而进行位移测量和通过/失败判断。位移测量和通过/失败判断的结果可以经由连接线6a被发送至外部装置6。

在位移测量设备1的操作期间，在位移测量设备1和外部装置6之间经由连接线6a重复进行测量开始触发信号的输入和结果的输出。测量开始触发信号的输入和结果的输出如上所述可以经由连接位移测量设备1和外部装置6的连接线6a来进行，或者可以代替连接线6a而是经由图中未示出的通信线来进行。例如，检测测量对象W的到达的传感器(未示出)与位移测量设备1可以直接彼此连接，并且可以从传感器将测量开始触发信号输入至位移测量设备1。位移测量设备1可以响应于在内部生成的内部触发而工作。因而，位移测量设备1可以具有用于以一定间隔发出内部触发的模式。

监视装置5A和个人计算机5B其中之一以可相互通信的方式经由连接线5a连接至主放大器4。然而，监视装置5A和个人计算机5B这两者可以连接至主放大器4。监视装置5A和个人计算机5B是用于设置位移测量设备1的各种条件和用于控制位移测量设备1的控制器。同时，监视装置5A和个人计算机5B是用于显示传感器头部2摄像得到的图像、处理后的图像、各种测量值、测量结果、判断结果和其它信息的显示装置。监视装置5A是专用组件，而个人计算机5B可以使用通用组件。当然，监视装置5A可以使用诸如可编程显示器等的通用组件。

传感器头部2与从放大器3或主放大器4之间的通信、主放大器4与监视装置5A或个人计算机5B之间的通信、以及主放大器4与外部装置6之间的通信可以通过有线通信或无线通信来进行。主放大器4具有通信单元，该通信单元使用但不限于EtherNet/IP、PROFINET、CC-Link、DeviceNet、EtherCAT、PROFIBUS、BCD、RS-232C或其它类型的网络系统。

监视装置5A和个人计算机5B

监视装置5A和个人计算机5B各自具有由诸如液晶显示器或有机EL显示器等的显示装置构成的显示器8。显示器8显示传感器头部2摄像得到的图像、从放大器3或主放大器4所生成的图像、各种界面以及其它信息。

监视装置5A包括图7所示的触摸面板式输入单元9。监视装置5A接收示出用户在显示器8上触摸的位置的输入操作。个人计算机5B包括由键盘、鼠标、触摸垫、触摸面板或其它单元构成的输入单元9。在图7中示出该输入单元9。如监视装置5A的情况那样，个人计算机5B接收输入操作。触摸操作例如可以是使用触笔的操作或利用手指的操作。

传感器头部2的结构

如图3和图4所示，传感器头部2包括光投射模块10、角度测量传感器22、照明器30、位移测量用受光器或第二受光器40、以及壳体50。光投射模块10发射用于照射测量对象W的测量光。照明器30使均匀的照明光照射测量对象W。位移测量用受光器40接收从测量对象W反射回的测量光。光投射模块10、角度测量传感器22、照明器30和位移测量用受光器40一体地包含在壳体50中。尽管在图2～图5中指定了传感器头部2的上下方向，但该方向仅是为了便于说明而描述的，而并不限制操作期间的传感器头部2的姿势，并且传感器头部2可以以任何方向和任何姿势使用。

如图7所示，传感器头部2包括放大器通信器20和触发检测器21。放大器通信器20与从放大器3和主放大器4进行通信，并且使得在传感器头部2与从放大器3或主放大器4之间进行信号的发送和接收。触发检测器21检测从放大器3或主放大器4输出的触发信号。在检测到触发信号时，触发检测器21向传感器头部2的各部输出信号以使得进行位移的测量。在本实施例中，传感器头部2检测从放大器3或主放大器4输出的触发信号。可选地，传感器头部2可以例如以后面所述的行模式自动生成触发信号。在这种情况下，传感器头部2还可以具有用于生成触发信号的触发信号生成器。

壳体50的结构

如图2和图3所示，壳体50整体上被形成为细长形状。光投射模块10在壳体50中以更靠近长边方向上的一侧的状态固定到壳体50。壳体50的长边方向上的一侧是图4的右侧。照明器30和位移测量用受光器40在壳体50中以更靠近长边方向上的另一侧的状态固定到壳体50。壳体50的长边方向上的另一侧是图4的左侧。

如图2所示，壳体50具有沿长边方向延伸的端壁51。端壁51设置有测量光投射窗51a和受光窗51b。测量光投射窗51a使从光投射模块10出射的测量光通过。受光窗51b接收从测量对象W反射回的照明光。测量光投射窗51a和受光窗51b被透明构件覆盖。此外，受光窗51b使来自照明器30的照明光通过。“透明构件”可以是带通滤光器。

偏振滤光器

如图6所示，壳体50被配置成使得偏振滤光器52a可附接至受光窗51b处的、面向聚光光学系统41的第一区域和面向发光二极管31～34的第二区域，同时偏振分量在第一区域和第二区域之间相差90度。图6所示的示例是将具有偏振滤光器52a的偏振滤光器附件52以覆盖壳体50的端壁51的方式附接的情况。偏振滤光器附件52通过装配爪、通过使用诸如螺钉等的紧固构件或者通过其它固定方法可移除地附接到壳体50。偏振滤光器附件52可以根据周围环境、测量对象W的表面状态和其它因素来使用。具体地，在发生晕光的情况下，使用偏振滤光器附件52使得能够去除晕光。

可以使受光窗51b侧的要附接至第一区域的偏振滤光器52a的偏振分量平行于测量光的偏振分量。这样使测量光的光量减少最小化。具体地，在测量光具有均匀偏振方向的条件下，将偏振滤光器与测量光的偏振方向平行地装配到第一区域中的受光窗51b。

光投射模块10的结构

如图3所示，光投射模块10包括光投射器10a、作为扫描部的MEMS反射镜15、以及安装光投射器10a和MEMS反射镜15的模块化构件10b。光投射器10a包括作为测量光源的激光输出单元12，并且具有接收来自激光输出单元12的光的准直透镜13和柱面透镜14。光投射器10a生成在图3所示的第一方向上延伸的带状测量光，并且使所生成的测量光照射测量对象W。测量光源可以是除激光输出单元12以外的光源。

激光输出单元12、准直透镜13和柱面透镜14被固定到模块化构件10b，以防止激光输出单元12、准直透镜13和柱面透镜14之间的相对位置关系改变。准直透镜13被布置成比柱面透镜14离激光输出单元12更近。准直透镜13使从激光输出单元12输出的测量光的光线准直。更确切地，由激光输出单元12出射的测量光在测量对象W的测量区域的周围聚光，但由于测量区域足够远，因而壳体50中的测量光处于接近平行光的状态。

柱面透镜14被布置成在第一方向上具有长轴。柱面透镜14接收从准直透镜13出射的测量光，并且生成在第一方向上延伸的带状测量光。因而，从激光输出单元12输出的测量光在通过准直透镜13时被准直，然后该测量光入射到柱面透镜14以改变成在第一方向上延伸的带状测量光。柱面透镜14在一个方向上使测量光的光线聚光，并且聚光后的光线发生扩散。柱面透镜14在另一方向上具有与入射到并穿过柱面透镜14的测量光平行的面，由此几乎不影响在测量光入射到柱面透镜14之前由准直透镜13调整的点状光的聚光位置。

准直透镜13和柱面透镜14在测量光的光轴上在MEMS反射镜15的镜面上或该镜面附近具有使测量光沿第一方向聚光的焦点位置。焦点位置也可能不是准确地位于镜面上，并且可能略微偏离镜面。位于镜面上或镜面的附近的焦点使得小的MEMS反射镜15能够通过使用测量光在第二方向上扫描，由此使得可以减小传感器头部2的尺寸。

准直透镜13和柱面透镜14生成带状测量光：在该测量光在MEMS反射镜15处被反射之后接近测量对象W的测量区域时，该测量光在第一方向上扩散。此外，准直透镜13和柱面透镜14在测量对象W的测量区域中具有使测量光在第二方向上聚光的焦点位置。

也就是说，在使用三角测量的方法中，测量光发射到测量对象W并从测量对象W反射回，所反射的测量光由受光系统成像，并且测量成像位置的距离。通过根据测量光的受光量分布计算峰或质心来确定成像位置。因而，在提供宽度较窄的光量分布的测量光(即，聚光的测量光)照射测量对象W的情况下，测量精度提高。有鉴于此，如上所述设计了光学系统。

准直透镜13和柱面透镜14是光投射透镜的示例。光投射透镜的结构不限于上述结构。

如图7所示，传感器头部2包括激光控制器12a。激光控制器12a执行来自激光输出单元12的激光的输出和停止的控制。后面将具体说明该控制。

光投射模块10的角度调整机构

光投射模块10经由角度调整机构安装到壳体50。角度调整机构允许使安装角度在如图4所示的第一光投射角度和如图8所示的第二光投射角度之间变化。

更具体地，如与图8相对应的图9和与图4相对应的图10所示，与光投射模块10分开地设置基部53。基部53通过紧固构件(未示出)固定到壳体50的内侧面。光投射模块10附接至基部53，使得测量光的照射角度将是可调整的。由于基部53设置到图4和8所示的壳体50的内侧面的相反侧的内侧面，因此在图4和8中未示出基部53。基部53可以固定到壳体50的任意内侧面。

基部53形成有三个调整孔53a，但调整孔53a的数量不限于此。调整孔53a是在绕光投射模块10的转动中心线54的圆周方向上以彼此间隔开的方式设置的。转动中心线54与第一方向平行。调整孔53a是沿圆周方向延伸的长孔。光投射模块10具有形成在与调整孔53a相对应的部分处的螺纹孔55。螺纹孔55用于利用诸如螺钉等的紧固构件56螺纹连接。紧固构件56由虚线示出。在紧固构件56螺纹连接并紧固到螺纹孔55时，紧固构件56的头部使基部53的调整孔53a的周缘部紧固。结果，光投射模块10固定到基部53。

因而，光投射模块10和基部53彼此分开设置。该结构使得能够通过使光投射模块10相对于基部53移动来调整来自光投射模块10的测量光的照射角度。测量光的照射角度的调整改变了用于测量位移的容许距离、即距离范围。因此，在无需修改光投射模块10的情况下共同地使用光投射模块10，由此以低成本提供具有不同距离范围的位移测量设备1。

光阑16的结构

图4、图5和图12示出使由MEMS反射镜15的扫描反射镜移动的测量光在第一方向上的端部处的光线变窄的光阑16。尽管在图3中未示出，但如图4、图5和图12所示，在实际情况中，光阑16布置在准直透镜13和柱面透镜14之间。

如图11所示，光阑16包括狭缝16a和开口16b。狭缝16a允许测量光在第一方向上的端部或一个端部处的光线穿过。开口16b允许除测量光在第一方向上的端部处的光线以外的光线穿过。狭缝16a被形成为沿第一方向延伸。开口16b在与第一方向垂直交叉的方向上具有一定尺寸，并且该尺寸长于狭缝16a在宽度方向上或者在与第一方向垂直交叉的方向上的尺寸。这使得测量光在第一方向上的端部处的光线与其它光线相比窄得多。狭缝16a和开口16b在第一方向上连续以形成一个通孔。因而，穿过光阑16的测量光在第一方向上不中断。

图12示意性示出测量光的光学系统。测量光在第一方向上的端部处的光线由虚线示出，并且其它光线由实线示出。测量光在第一方向上的端部处的光线在保持处于大致平行状态的同时穿过光阑16的狭缝16a。之后，光线透过柱面透镜14，入射到MEMS反射镜15，并且在镜面处被反射以入射到角度测量传感器22的受光元件22a。除测量光在第一方向上的端部处的光线以外的光线穿过光阑16的开口16b，然后透过柱面透镜14。然后，这些光线入射到MEMS反射镜15并在镜面处被反射。

也就是说，本实施例使用测量光的一部分作为用于测量扫描反射镜的角度的光，从而使得不需要专用于测量扫描反射镜的角度的光源。这使得能够减小位移测量设备1的尺寸并降低其成本。测量光和用于测量扫描反射镜的角度的光源自于相同的光源，由此与提供单独光源的情况相比提高了精度。

如图13所示的另一实施例那样，光阑16可以布置在柱面透镜14和MEMS反射镜15之间。该结构也提供了与通过图12所示的结构所获得的效果相同的效果。

在如上所述使用测量光的一部分作为用于测量角度的光的情况下，测量光在第二方向上的焦点存在于测量对象W的照射面，因而可能不存在于角度测量传感器22的受光元件22a处。在这些条件下，如图14A所示，角度测量传感器22的受光元件22a的受光量可能具有多个峰，这导致无法确定峰位置。然而，如图14B所示，通过利用光阑16使测量光在第一方向上的端部处的光线变窄，对角度测量传感器22的受光元件22a的受光量分布进行了整形。结果，使受光量的峰位置明确，由此准确地获得扫描反射镜的测量光的照射角度。

除测量光在第一方向上的端部处的光线以外的光线在穿过光阑16的开口16b之后被形成为具有特定尺寸的点状光。在光阑16的开口16b过大的情况下，在整个测量区域中，点状光的直径不会变小。在光阑16的开口16b过小的情况下，由于衍射，点状光的直径在聚光部处无法小，这导致测量精度下降。此外，在光阑16的开口16b过小的情况下，激光输出单元12所产生的光大部分被遮断并且不能高效地发射到外部。光阑16的开口16b的尺寸被设置成满足这些条件。

MEMS反射镜15的结构

MEMS反射镜15使用从光投射器10a的柱面透镜14输出的测量光，在与第一方向交叉的第二方向上进行扫描。在图3和其它附图中示出第二方向。尽管在本实施例中第二方向与第一方向垂直交叉，但方向关系不限于此，并且第一方向和第二方向之间的交叉角度是自由设置的。在图1的情况下，第一方向可以是输送用带式输送机B的宽度方向，而第二方向可以是输送用带式输送机B的输送方向，反之亦然。

MEMS反射镜15可以使用传统上已知的组件，因此不对该组件进行详细说明。MEMS反射镜15具有通过使用测量光在第二方向上进行扫描的扫描反射镜，并且具有移动该扫描反射镜的驱动单元。MEMS反射镜15固定到模块化构件10b，使得扫描反射镜将面向柱面透镜14的光出射面。因而，镜面设置在从柱面透镜14出射的测量光的光轴上，并且绕与第一方向平行的轴转动。“MEMS”是“Micro Electro Mechanical Systems”的缩写，并且通常被称为“微机电系统”。使用微机电系统使得能够以小间距快速改变扫描反射镜的角度(即，测量光的反射角度或照射角度)，并且使得能够减小尺寸。从另一观点来看，MEMS反射镜15也可被描述为一个反射镜围绕一个轴可转动的组件。也可使用具有两个轴的MEMS反射镜。在这种情况下，可以不使用柱面透镜14。也就是说，两个轴中的一个轴可用于进行激光扫描，而另一轴可以用于扩展激光或者可被赋予与柱面透镜14等同的功能。

模块化构件10b具有透光部，以在测量光在MEMS反射镜15处被反射之后允许该测量光发射到外部。使该模块化构件10b的该透光部面向壳体50的测量光投射窗51a。因而，在MEMS反射镜15处被反射的测量光在穿过模块化构件10b的透光部和壳体50的测量光投射窗51a之后被发射到测量对象W。

如图7所示，MEMS反射镜15包括反射镜控制器15a。反射镜控制器15a执行MEMS反射镜15的移动的控制，即扫描反射镜的角度的调整和改变的控制。后面将具体说明MEMS反射镜15的该控制。

位移测量用受光器40的结构

图3示出位移测量用受光器40。位移测量用受光器40可以由具有二维受光元件的图像传感器构成。该图像传感器接收从测量对象W反射回的测量光，并输出位移测量所用的受光量分布。此外，该图像传感器还接收从测量对象W反射回的照明光，并输出亮度测量所用的受光量分布。照明光是从照明器30出射的。本实施例使用聚光光学系统41，因而测量光和照明光经由聚光光学系统41到达位移测量用受光器40的受光元件。尽管位移测量用受光器40的受光元件不限于特定组件，但受光元件可以是用于将通过聚光光学系统41获得的光的强度转换成电气信号的组件。受光元件的示例包括电荷耦合器件(CCD)图像传感器和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。聚光光学系统41使从外部入射的光聚光，并且通常具有一个或多个光学透镜。使聚光光学系统41的光轴和光投射器10a的光轴彼此交叉。

在本实施例中，尽管位移测量用受光器40被配置为输出位移测量所用的受光量分布和亮度测量所用的受光量分布这两者，但结构不限于此。例如，如图15A所示，位移测量用受光器40A和亮度测量用受光器40B可以布置在壳体50中，并且半透半反镜M也可以布置在壳体50中。在该示例中，作为测量光和照明光的两束光入射到壳体50并被半透半反镜M分光，由此分别入射到位移测量用受光器40A和亮度测量用受光器40B。由于测量光和照明光是在不同定时发射的，因此可以采用这样的结构。

在另一示例中，如图15B所示，位移测量用受光器40A和亮度测量用受光器40B可以以各自的光入射方向面向测量对象W的方式布置在壳体50中。在这种情况下，从测量对象W反射回的测量光和照明光分别入射到位移测量用受光器40A和亮度测量用受光器40B。

如图7所示，位移测量用受光器40包括摄像控制器40a。摄像控制器40a执行由位移测量用受光器40实现的受光的控制。后面将具体说明摄像控制器40a所进行的该控制。

照明器30的结构

照明器30具有在第一方向和第二方向上彼此分开布置的多个发光二极管，并且照明器30从不同的方向向测量对象W发射光。具体地，如图3和图5所示，照明器30包括第一发光二极管31、第二发光二极管32、第三发光二极管33、第四发光二极管34、以及这些发光二极管31～34安装至的板状的安装构件30a。安装构件30a沿着壳体50的端壁51以面向受光窗51b的方式布置。安装构件30a具有形成在中央的通孔30b。通孔30b沿上下方向贯通安装构件30a。聚光光学系统41的入射侧被布置成与通孔30b一致，由此从测量对象W反射回的测量光和照明光通过穿过安装构件30a的通孔30b而入射到聚光光学系统41。

第一发光二极管31～第四发光二极管34被布置成围绕安装构件30a的通孔30b并且被定向成向下发射光。因而，第一发光二极管31～第四发光二极管34的光照射方向与测量光的光轴彼此交叉。

第一发光二极管31和第二发光二极管32在第一方向上彼此分离，而第一发光二极管31和第三发光二极管33在第二方向上彼此分离。第二发光二极管32和第四发光二极管34在第二方向上彼此分离，而第三发光二极管33和第四发光二极管34在第一方向上彼此分离。该布置使得能够从聚光光学系统41的光轴周围的四个方向向测量对象W发射照明光。

如图7所示，照明器30包括照明控制器35。照明控制器35执行第一发光二极管31～第四发光二极管34各自的点亮和熄灭的控制，并且执行第一发光二极管31～第四发光二极管34各自的明度调整。后面将具体说明第一发光二极管31～第四发光二极管34各自的该控制。

在本实施例中，尽管照明器30被设置到传感器头部2并且与位移测量用受光器40一体化，但结构不限于此，并且照明器30也可以与传感器头部2分开设置。

发光二极管的数量不限于四个，并且可以是任何数量。

角度测量传感器22的结构

图5示出角度测量传感器22，该角度测量传感器22用于测量在将测量光发射到包含测量对象W的测量位置的区域时的MEMS反射镜15的测量光的扫描角度。如图12所示，角度测量传感器22设置在如下的位置处，该位置允许角度测量传感器22接收由MEMS反射镜15的扫描反射镜移动的测量光在第一方向上的端部处的光线。角度测量传感器22具有包括沿第二方向排列的多个像素的一维受光元件或第一受光器22a，并且还具有进行算术处理的角度测量单元22b。入射到受光元件22a的测量光在第一方向上的端部处的光线由沿第二方向排列的多个像素中的任何像素以及由与这些像素中的任何像素邻近的像素所接收，由此在像素之间在受光量方面产生明确差异。可以预先获得沿第二方向排列的多个像素中的受光量最高的像素与来自扫描反射镜的测量光的照射角度之间的关系。在这种情况下，角度测量单元22b可以基于从受光元件22a输出的受光量分布来测量来自扫描反射镜的测量光的照射角度。照射角度是照射角度信息，并且照射角度信息可以是诸如照射角度本身或者导出照射角度的各值等的数据。从扫描反射镜获得测量光的照射角度等同于测量扫描反射镜的照射角度，并且从该观点来看，角度测量单元22b还用于测量扫描反射镜的照射角度。受光元件22a可以是一维CMOS传感器或一维位置敏感探测器(PSD)。

角度测量传感器22的结构不限于上述结构。在一个示例中，在与测量光的光源分开地设置用于发射用于测量角度的参考光的光源的情况下，可以向扫描反射镜发射参考光，并且可以使在扫描反射镜处被反射的参考光入射到位置敏感探测器或其它单元，由此可以基于来自位置敏感探测器的输出来获得角度信息。在另一示例中，角度测量传感器可以并入MEMS反射镜15中。在这种情况下，角度测量传感器的示例包括反电动势传感器和压电信号传感器。

设置信息存储部23的结构

如图7所示，传感器头部2设置有由各种存储器和其它组件构成的设置信息存储部23。设置信息存储部23存储从放大器3和主放大器4发送来的各种设置信息。后面将说明要存储在设置信息存储部23中的具体内容。设置信息存储部23可以配备到从放大器3或主放大器4，或者可以配备到传感器头部2和从放大器3这两者。

测量原理的说明

这里说明基于传感器头部2所获得的各种信息来测量测量对象W的预定位置的位移的原理。基本上，使用三角测量的原理，并且在图16A和16B中示意性示出该原理。图16A示出本实施例中所使用的方法，并且图16B示出作为变形例的方法。可以使用这些方法中的任意方法。如图16A和16B所示，从光投射器10a出射的测量光通过MEMS反射镜15的移动被反射到第二方向，并且照射测量对象W。附图标记W1表示测量对象W的相对较高的面，并且附图标记W2表示测量对象W的相对较低的面。以下说明图16A的测量原理和图16B的变形例的测量原理的详情。

在图16A的情况下，测量对象W的高度由Z表示，并且光投射轴角度由θ2表示。光投射轴角度θ2可由角度测量传感器22测量。根据三角测量的原理，在确定了位移测量用受光器40在第二方向上的位置y以及光投射轴角度θ2的条件下，唯一地确定值Z。第二方向上的位置y具有Y方向上的Y坐标。有鉴于此，通过各种模式的实验来测量各个值y、θ2和Z，并且将组合(y,θ2,Z)的数据集作为表而预先存储在位移测量设备1中。在位移测量设备1的操作期间，通过基于所测量的值y和θ2参考该表来获得值Z。通过插值处理来获得未包含在表中的值。代替预先将该表存储在位移测量设备1中，可以准备用于基于值(y,θ2)来获得值Z的近似表达式，并且在位移测量设备1的操作期间可以使用该近似表达式来计算值Z。

尽管在图16A的情况下、基于Y方向上的Y坐标处的第二方向上的测量位置以及光投射轴角度θ2来计算高度Z，但本发明不限于该方法。可选地，可以基于X坐标和Y坐标处的第一方向和第二方向上的测量位置以及光投射轴角度θ2来计算高度Z。第一方向是图16A所示的纸面的深度方向。本质上，期望在第一方向上笔直地延伸的激光的测量光在图16A所示的纸面的深度方向上与位移测量用受光器40的受光元件22a的排列方向完全平行。然而，在一些情况下，由于制造时的组装未对准，导致这两者可能彼此不平行。此外，可能存在由于光学变化而导致激光本身可能沿着第一方向弯曲的情况。在这种情况下，难以通过仅使用第二方向上的Y坐标确定测量位置来准确地测量位移。考虑到这一点，还使用X方向上的X坐标处的第一方向上的测量位置来计算高度Z。也就是说，通过各种模式的实验来测量各个值x、y、θ2和Z，并且将组合(x,y,θ2,Z)的数据集作为表而预先存储在位移测量设备1中。在这些条件下，可以在操作期间基于三个参数(x,y,θ2)来计算高度Z。这使得能够进行高精度的位移测量。如上所述，代替存储表，在操作中可以使用近似表达式来计算值Z。

接着，说明图16B的变形例。在图16B的情况下，测量对象W的高度由Z表示，光投射位置和受光位置之间的距离由A表示(参考该图中的双头箭头)，受光轴角度由θ1表示，并且光投射轴角度由θ2表示。受光轴角度θ1是通过使用接收位移测量用受光器40的测量光的位置来测量的。光投射轴角度θ2由角度测量传感器22测量。值A是预先已知的并且存储在位移测量设备1中。值Z是通过使用值A、θ1和θ2根据特定计算公式计算的。以下说明该特定计算公式的示例。首先，假定如下：在以图16B的右方向为+X方向且图16B的上方向为+Y方向的二维坐标平面中，将该坐标平面的原点设置在MEMS反射镜15的转动轴处。通过如下的线性方程来表示图16B中的以角度θ2的光投射轴的直线：y＝tanθ2(直线的斜率)×x。通过如下的线性方程来表示图16B中的以角度θ1的受光轴的直线：y＝tanθ1(直线的斜率)×x+Atanθ1(截距)。值Z对应于这两个直线的交点的y坐标。因而，通过对联立线性方程求解来计算y坐标，结果y坐标由-{Atanθ1tanθ2/(tanθ2-tanθ1)}表示。也就是说，从MEMS反射镜15的转动轴的位置到由附图标记W2表示的位置的距离是该y坐标的绝对值。从y坐标的绝对值中减去已知的从MEMS反射镜15的转动轴到壳体50的距离，由此获得值Z。可以通过如上所述的计算公式来计算值Z。可选地，可以通过各种模式的实验来测量各个值Z、θ1和θ2，可以将这些结果作为表而存储在位移测量设备1中，并且在位移测量设备1的操作期间可以通过基于测量值θ1和θ2参考该表来获得值Z。通过插值处理来获得未包含在该表中的值。在不使用该表的情况下每次都可以计算Z值。图16B所示的受光轴角度θ1和受光量分布在第二方向上的峰位置具有一对一的对应关系。

放大器的结构

图7示出从放大器3的结构。尽管以下说明从放大器3执行各功能，但所有这些功能都可被配备到从放大器3，或者这些功能的一部分或全部可被配备到主放大器4。在一个示例中，从放大器3的功能的一部分或全部可被配备到传感器头部2。在另一示例中，从放大器3的功能的一部分或全部可被配备到监视装置5A或个人计算机5B。

从放大器3包括传感器头部通信器300、触发控制器301和存储部320。传感器头部通信器300与传感器头部2进行通信，并且在从放大器3和传感器头部2之间进行信号的发送和接收。触发控制器301将触发信号发送至传感器头部2。在经由连接线6a从外部装置6接收到用于定义测量开始定时的测量开始触发信号时，触发控制器301生成并发送触发信号。触发信号可以是周期性的触发信号。

亮度图像生成器302的结构

在图7所示的示例中，从放大器3还包括亮度图像生成器302。亮度图像生成部302获取亮度测量所用的受光量分布，并且基于该亮度测量所用的受光量分布来生成测量对象W的亮度图像。在传感器头部2的位移测量用受光器40接收到从测量对象W反射回的照明光时，从位移测量用受光器40输出亮度测量所用的受光量分布。在图15A和15B所示的示例中，亮度图像生成器302基于从亮度测量用受光器40B输出的亮度测量所用的受光量分布来生成测量对象W的亮度图像。从位移测量用受光器40输出的亮度值越低，所生成的亮度图像可以越暗，并且该亮度值越高，所生成的亮度图像可以越明亮。所生成的亮度图像可以是黑白图像或彩色图像。生成亮度图像的方法可以是任何方法。例如，可以原样使用亮度测量所用的受光量分布作为亮度图像。可选地，可以对亮度测量所用的受光量分布进行诸如FPN校正或HDR校正等的传感器头部2中的预处理、或者诸如用于去除晕光的合成处理等的从放大器3中的预处理。

将亮度图像生成器302所生成的亮度图像显示在显示器8上。用于显示亮度图像的用户界面是由图7所示的从放大器3的UI生成器303生成的。所显示的亮度图像是当前测量对象W的拍摄图像，并且是通常所谓的“实时取景图像”。因而，显示器8显示亮度图像生成器302所生成的亮度图像。

显示器8以亮度图像中的X坐标将是第一方向上的坐标、而该亮度图像中的Y坐标将是第二方向上的坐标的方式，显示该亮度图像。在显示在显示器8上的状态下的亮度图像的X方向在横方向上且其Y方向在纵方向上。尽管在本实施例中UI生成器303被设置到从放大器3，但UI生成器303可被设置到监视装置5A侧或个人计算机5B侧。

设置单元304的结构

如图7所示，从放大器3还包括设置单元304。设置单元304接收要测量位移的测量位置的设置。在显示器8上所显示的亮度图像中设置测量位置。当用户在显示器8上所显示的亮度图像中触摸测量对象W中的要测量位移的部位时，设置单元304在例如XY坐标方面识别所触摸的位置，并将所识别的位置设置为测量位置。也就是说，设置单元304检测测量位置的输入操作并且识别测量位置。这样使得接收到用户所设置的测量位置。在设置了测量位置之后，将示出测量位置的标记以叠加在亮度图像上的方式显示。该标记也可被称为“测量点”。例如，可以通过拖动操作使标记移动到另一部位。

可以在一个亮度图像中设置不同的多个测量位置。在这种情况下，这多个测量位置可以在第一方向上彼此分离，或者可以在第二方向上彼此分离。可以将在第二方向上彼此不同的多个位置分别设置为第一测量位置和第二测量位置。

仅在测量位置在MEMS反射镜15利用测量光进行扫描的可扫描范围内时，才可以接受测量位置的设置。可以预先存储MEMS反射镜15利用测量光进行扫描的可扫描范围。难以在设置在测量光的可扫描范围外的测量位置处进行位移测量。因而，配置成禁止将测量位置设置在测量光的可扫描范围外。当在测量光的可扫描范围外指定测量位置时，该操作可能不被接受，或者可以向用户通知在测量光的可扫描范围外指定测量位置。

设置单元304设置对测量位置的位移进行测量的位移测量范围。位移测量范围窄意味着测量光的扫描范围窄，因此在测量范围越窄时，以越高的速度进行测量。该测量范围可以由Z坐标表示。

在设置位移测量设备1时，设置单元304接收在亮度图像中设置的用于校正要测量的位置的区域的设置。为了缩短位移测量设备1所进行的测量所用的时间，应使测量光的扫描范围变窄。另一方面，在用于测量测量对象W的实际现场，测量对象W的位置和姿势可能不是恒定的并且可能改变。因而，在测量光的扫描范围被设置得窄的条件下测量对象W的位置或姿势改变时，测量对象W可能未进入预设的扫描范围，这导致由于精度低而引起测量失败或不正确测量。

在本实施例中，在显示亮度图像的状态下、用户通过操作图7所示的输入单元9来设置位置校正所用的区域时，该设置由设置单元304接收。位置校正所用的区域通过诸如用框线包围该区域、对该区域着色、或者对该区域填涂等的方法来设置。框线的形状可以是矩形或圆形。在用矩形框线包围区域的情况下，可以将诸如触笔等的工具从要包围的区域的上角部移动到下角部，或者从其下角部移动到上角部。

位置校正所用区域基本上用于校正位置。除了位置校正所用的区域之外，还设置利用各种测量工具所要测量的区域、即测量工具区域。与相对于位置校正所用的区域的相对位置关系相关地设置一个或多个测量工具区域。在操作期间，在通过使用位置校正所用的区域确定了工件的位置和姿势之后，还使用该相对位置关系来校正测量工具区域的位置和姿势。尽管在这里位置校正所用的区域和测量工具区域是单独设置的，但位置校正所用的区域例如也可用作测量工具区域。

设置单元304可以接收对覆盖测量位置和该测量位置的附近的区域的指定。代替对测量位置的点的指定，可以接收对覆盖测量位置和该测量位置的附近的区域的指定，以使该区域具有一定程度的面积。

以上说明了用于利用测量光进行扫描的扫描模式中的设置方法。在不进行使用测量光的扫描的行模式中，通过指定在X方向上延伸的测量光的行的一部分来设置位置校正所用的区域。显示器8将测量光位置指示线以叠加在测量对象W的亮度图像上的方式显示。测量光位置指示线指示用于照射测量对象W的测量光的位置。在这些条件下，当用户在测量光位置指示线上指定两个或更多个位置时，将所指定的两个位置之间的部分设置为位置校正所用的区域。此外，在行模式的情况下，可以接收到覆盖测量位置和该测量位置的附近的区域。指示测量光的位置的测量光位置指示线也可被称为“虚拟测量发射线”。

边缘提取单元306的结构

如图7所示，从放大器3还包括边缘提取单元306。边缘提取单元306提取亮度图像中的测量对象W的边缘。该边缘在广义上被定义为测量对象W的轮廓或外形线。提取边缘的处理可以通过传统上已知的方法来进行。例如，获得亮度图像的各像素的像素值，并且将亮度图像的像素值的差为用于检测边缘的阈值或以上的区域的边界部分提取为边缘。根据用户的期望来调整用于提取边缘的阈值。

具体地，在显示亮度图像的状态下设置位置校正所用的区域时，在该区域中执行边缘提取处理。将被估计为测量对象W的轮廓或外形线的部位提取为边缘。将边缘提取单元306所提取的边缘以叠加在亮度图像上的方式显示。因而，边缘提取单元306在用于利用测量光进行扫描的扫描模式中提取亮度图像中的边缘，并且在不进行使用测量光的扫描的行模式中从高度轮廓取边缘。本发明不限于这些功能，并且例如，也可以在行模式中采用从亮度图像中的测量光位置指示线提取边缘的功能。

校正信息存储部320a的结构

如图7所示，从放大器3还包括校正信息存储部320a。校正信息存储部320a将设置单元304所设置的区域中的位置校正信息与设置单元304所设置的测量位置的相对位置信息相结合地存储。校正信息存储部320a可被设置为从放大器3的存储部320的一部分。区域中的位置校正信息是位置校正器307校正测量对象W的位置所需的，并且可被用作位置校正的基准。后面将说明位置校正器307。能够用作位置校正的基准的信息的示例包括亮度图像生成器302所生成的亮度图像的一部分、亮度图像的亮度信息、以及包含边缘的点云的与边缘提取单元306所提取的边缘有关的边缘信息。在将亮度图像的一部分用于位置校正信息的情况下，该图像也可被称为“模板图像”。

亮度图像的一部分可以是亮度图像生成器302所生成的亮度图像中的示出测量对象W的一部分的图像。亮度图像的该一部分优选是包含使得能够确定测量对象W的位置和姿势的区域或位置的图像。亮度图像的亮度信息可以使用各像素的亮度值。同样在这种情况下，亮度信息优选使用使得能够确定测量对象W的位置和姿势的区域或位置的像素值。与边缘提取单元306所提取的边缘有关的边缘信息可以使用诸如边缘线的形状或长度、边缘线的数量、或者多个边缘线的相对位置坐标等的数据。同样在这种情况下，使得能够确定测量对象W的位置和姿势的边缘信息是优选的。

位置校正信息与区域的形状或尺寸相互关联且存储在校正信息存储部320a中，并且示出位置校正信息和该区域之间的相对位置关系的坐标信息也存储在校正信息存储部320a中。如后面所述，该存储可以在边缘的提取完成时或者在一个程序的设置完成时进行。校正信息存储部320a可以将模板图像和边缘信息彼此关联地存储，或者可以在不存储模板图像的情况下存储边缘信息。

位置校正器307的结构

如图7所示，从放大器3还包括位置校正器307。在位移测量设备1以扫描模式操作期间，位置校正器307通过使用校正信息存储部320a中所存储的位置校正信息来在亮度图像生成器302新生成的亮度图像中确定测量对象W的位置和姿势，以使用相对位置信息来校正测量位置。

例如，在模板图像被存储为位置校正信息的情况下，通过归一化相关来判断在新生成的亮度图像中是否包含模板图像。在判断为包含模板图像的情况下，使新生成的亮度图像移动和转动或者经过其它处理，以便与预先指定的模板图像的位置和姿势一致，由此校正亮度图像的位置和姿势。同时，基于模板图像和测量位置之间的相对位置信息来校正新生成的亮度图像中的测量位置。

在边缘信息被存储为位置校正信息的情况下，判断在新生成的亮度图像中是否包含对应的边缘。在判断为包含对应的边缘的情况下，使新生成的亮度图像移动和转动或者经过其它处理，以便与预先指定的亮度图像的位置和姿势一致，由此校正亮度图像的位置和姿势。同时，基于边缘信息和测量位置之间的相对位置信息来校正新生成的亮度图像中的测量位置。

利用该结构，在用于测量测量对象W的实际现场、测量对象W的位置或姿势改变的情况下，在将位置和姿势校正为预定条件的状态下进行测量。存在一些校正所用的方法。例如，如上所述，可以通过使亮度图像移动或转动来校正亮度图像的位置和姿势。可选地或附加地，可以使测量工具区域移动或转动以校正位置。在位移测量设备1以行模式操作期间，如上所述，可以基于测量位置与从高度轮廓提取的边缘的信息之间的相对位置信息来校正位置。

测量工具选择器308的结构

如图7所示，从放大器3还包括测量工具选择器308。测量工具选择器308使得能够从多个测量工具中选择一个或多个测量工具。测量工具的示例包括用于测量测量对象W的高度差的尺寸的高度差工具、用于测量测量对象W的预定位置处的高度的高度工具、以下所述的指定高度面积工具、用于校正测量对象W的位置的位置校正工具、以及用于测量测量对象W的预定范围内的最大高度和最小高度的最大和最小高度工具。然而，也可以设置除这些测量工具以外的测量工具。响应于用户选择了测量工具，将所选择的测量工具存储在存储部320中。

测量工具还包括位移测量区域的尺寸彼此不同的多个测量工具。例如，测量工具被构造成使得选择“小”、“正常”和“大”其中之一。“小”表示最小测量区域，并且“大”表示最大测量区域。

测量控制器305的结构

测量控制器305控制光投射器10a和MEMS反射镜15，以使得将测量光发射到设置单元304所设置的测量位置和位移测量范围。测量控制器305可被配置为控制光投射器10a和MEMS反射镜15，以使得将测量光仅发射到设置单元304所接收到的区域。测量控制器305可以基于测量位置在亮度图像中的Y坐标来改变MEMS反射镜15的测量光的扫描范围。具体地，基于测量位置的Y坐标和测量位移的位移测量范围，将MEMS反射镜15所要扫描的范围设置成窄于MEMS反射镜15可扫描的范围。

通过使用图17A～17D以及图18A和18B来详细说明该功能。图17A～17D示出如从侧面观看到的、通过将传感器头部2配置在测量对象W的上方来进行测量的情形。由斜线指示的范围B是亮度图像的视野范围，并且也是利用位移测量设备1可测量高度的范围。范围B能够被测量光照射，因而范围B还可被理解为利用MEMS反射镜15能够扫描的可扫描范围。图17A和17B示出将测量对象W布置在作为Y方向上的中央的第一位置的情况。图17C和17D示出将测量对象W布置在从第一位置向着Y方向上的负侧分离的第二位置的情况。

图17A中的附图标记D表示设置单元304所设置的并且从Y坐标获得的测量位置。线E和F表示测量光的照射范围。测量控制器305控制MEMS反射镜15，以使得测量光照射设置单元304所设置的测量位置D。结果，与通过使用测量光来扫描高度可测量的整个范围B的情况相比，使测量时间更短。

在所布置的测量对象W的高度未知的情况下，如在上下方向上延伸的线G所示，需要在整个Z方向上扫描高度可测量的范围B。在这种情况下，利用测量光来扫描图17A中的线E和F之间的范围θA。即使在利用测量光扫描范围θA的情况下，测量时间也比在通过使用测量光扫描高度可测量的整个范围B的情况下的测量时间短。然而，本实施例使得能够通过指定测量对象W在Z方向上的测量范围来进行进一步的高速测量。如上所述，测量对象W在Z方向上的测量范围可以由设置单元304设置，并且该测量范围的上端和下端分别由Z坐标表示。测量对象W在Z方向上的测量范围可以是测量对象W存在的范围，或者可以是测量位置的变化范围。如图17B所示，指定测量对象W在Z方向上的测量范围使线E和F之间的角度小于图17A所示的情况下的该角度。线E和F之间的角度小表示测量光的扫描范围窄，由此使得能够提高测量速度。

图17C示出测量对象W在第二位置的情况。同样在这种情况下，可以基于设置单元304所设置的测量位置来缩窄测量光的照射范围，由此使测量时间比在通过使用测量光扫描高度可测量的整个范围B的情况下的测量时间短。如图17D所示，指定测量对象W在Z方向上的测量范围使线E和F之间的角度小于图17C所示的情况下的该角度，由此使测量光的扫描范围变窄，并且使得能够实现测量速度的进一步提高。

图18A示出如从上方观看到的、在图17B的条件下利用测量光进行扫描的情形。测量光的延伸方向是该图中的左右方向上的X方向。测量光的扫描方向是该图中的上下方向上的Y方向。设置单元304所设置的测量位置由标记72的圆指示。如实线所示，在Y方向上按一定间隔在线E和F之间多次发射测量光，以便照射标记72的圆的内部。该扫描处理是利用测量光以相对较大的间距扫描测量对象W的第一扫描处理。在第一扫描处理期间，角度测量单元22b测量在测量光被发射到包含测量位置的区域时MEMS反射镜15所进行的扫描的角度。

之后，测量控制器305进行第二扫描处理，其中在该第二扫描处理中，以角度测量单元22b所测量的扫描角度周围的照射角度按相对较小的间距进行扫描。在图18A中利用虚线示出在第二扫描处理中发射的测量光。测量光在Y方向上的间隔短于由实线示出的第一扫描处理中的这种间隔。Y方向上的间隔被设置成至少一束(或者优选为至少两束)测量光将照射标记72的圆。第一扫描处理可被称为用于搜索测量位置的“近似搜索处理”。另一方面，第二扫描处理可被称为用于精确地测量在近似搜索中搜索到的测量位置的“精确测量处理”。

图18B示出如从上方观看到的在图17D的条件下利用测量光进行扫描的情形。同样在测量对象W在第二位置的情况下，在进行用于搜索测量位置的近似搜索处理之后，进行精确测量处理。在测量对象W在第二位置的情况下，测量光的扫描范围比在测量对象W在第一位置的情况下的该扫描范围宽，即θA<θB，并且近似搜索处理中的测量光的束数增加。在该示例中，测量光的束数从五束增加到七束。也就是说，测量光的扫描范围根据Y坐标而变化。从这个观点来看，测量控制器305针对设置单元304所设置的相应测量位置单独设置测量光的扫描范围。

如图17A～17D所示，测量控制器305使MEMS反射镜15的扫描反射镜在比可扫描范围窄的第一扫描范围中移动，使得测量光将至少照射设置单元304所设置的测量位置。然后，测量控制器305获取在测量光被发射到测量位置时角度测量单元22b所测量的扫描反射镜的第一照射角度。这些操作在近似搜索处理中进行。测量控制器305还使得扫描反射镜在覆盖第一照射角度且比第一扫描范围窄的第二扫描范围中移动。然后，测量控制器305获取在测量光发射到测量位置时角度测量单元22b所测量的扫描反射镜的第二照射角度。这些操作在精确测量处理中进行。测量控制器305使得测量光按第一扫描范围和第二扫描范围的顺序照射测量位置。第一照射角度和第二照射角度被存储在存储部320中。

在设置多个测量位置的情况下，测量控制器305使得测量光按第一扫描范围和第二扫描范围的顺序照射各个测量位置。在设置第一测量位置和第二测量位置的情况下，测量控制器305可以使得测量光按第一扫描范围和第二扫描范围的顺序照射第一测量位置，然后按第一扫描范围和第二扫描范围的顺序照射第二测量位置。可选地，在设置第一测量位置和第二测量位置的情况下，测量控制器305可以使得测量光在第一扫描范围中照射第一测量位置和第二测量位置，然后在第二扫描范围中照射第一测量位置和第二测量位置。

测量控制器305根据测量工具选择器308所选择的测量工具的测量区域的尺寸，来改变用于扫描测量位置的测量光的间距。图19A和19B示出改变高度工具的工具大小的情形。如图19A所示，大小大的标记72使得测量光的间距大，而如图19B所示，大小小的标记72使得测量光的间距小。测量光的间距可以通过三个或更多个级来设置，并且测量光的间距可以设置成使得三束至五束测量光将入射到由标记72指示的内部。也就是说，测量控制器305使扫描反射镜移动，以使得测量光照射测量工具选择器308所选择的测量工具的测量区域。具体地，测量控制器305使扫描反射镜移动，以使得测量光在Y方向或第二方向上按一定间隔多次照射测量工具选择器308所选择的测量工具的测量区域。可以使扫描反射镜移动以使测量光仅照射测量区域一次。

在校正了位置之后，改变测量光的扫描范围和扫描位置。也就是说，测量控制器305控制光投射器10a和MEMS反射镜15，以使得测量光照射由位置校正器307校正后的位置。此时，可以控制光投射器10a和MEMS反射镜15，以使得测量光仅照射由位置校正器307校正后的测量位置。测量控制器305可以基于由位置校正器307校正后的测量位置在亮度图像中的Y坐标来改变MEMS反射镜15的测量光的扫描范围。具体地，基于由位置校正器307校正后的测量位置的Y坐标和测量位移的位移测量范围，将MEMS反射镜15所要扫描的范围设置成窄于MEMS反射镜15可扫描的范围。

如图20所示，可以设置第一测量位置、第二测量位置和第三测量位置，并且可以利用测量光扫描各测量位置。在这种情况下，例如，在扫描第一测量位置之后，MEMS反射镜15优选被控制成扫描在Y方向上离第一测量位置近的测量位置处的第三测量位置、而不是第二测量位置，然后扫描第二测量位置。该过程提高了在测量所有的第一测量位置、第二测量位置和第三测量位置的情况下的MEMS反射镜15的扫描速度。

模式选择器309的结构

如图7所示，从放大器3还包括模式选择器309。模式选择器309使得能够选择位移测量设备1的操作的模式，并且使得用户能够选择行模式或扫描模式。行模式在不通过MEMS反射镜15进行扫描的情况下使测量光照射测量对象W。扫描模式使MEMS反射镜15通过使用测量光来扫描测量对象W。在行模式中可测量位移的情况下，由于不利用测量光进行扫描，因此测量在短时间内结束。另一方面，在扫描模式中可以测量宽范围。例如，用于在行模式和扫描模式之间选择的手段可以由UI生成器303以模式选择用户界面(未示出)的形式生成。该模式选择用户界面可以显示在显示器8上，并且可以通过用户在该用户界面中的操作来接收选择。

在模式选择器309选择扫描模式的情况下，测量控制器305控制光投射器10a和MEMS反射镜15，以使得测量光连续照射测量对象W在Y方向或第二方向上的不同位置。另一方面，在模式选择器309选择行模式的情况下，测量控制器305控制光投射器10a和MEMS反射镜15，以使得测量光照射测量对象W在第二方向上的相同位置。由此执行模式的切换。

在模式选择器309选择行模式的情况下，测量控制器305在不使扫描反射镜移动的情况下，使得测量光照射测量对象W在第二方向上的相同位置。此外，在模式选择器309选择行模式的情况下，测量控制器305通过使扫描反射镜移动，使得测量光照射在第二方向上彼此相邻的多个位置。

将扫描模式和行模式之间的选择的结果存储在存储部320的设置信息存储部320f中。

照射方向调整器310的结构

如图7所示，从放大器3还包括照射方向调整器310。照射方向调整器310在模式选择器309选择行模式的情况下，在第二方向上调整测量光的照射方向。照射方向的调整例如由用户在用户界面上进行。

照射角度确定单元311的结构

如图7所示，从放大器3还包括照射角度确定单元311。照射角度确定单元311连续地获取在与测量位置相对应的受光元件的像素位置处接收到的光量。该光量是从位移测量用受光器40输出的。此外，照射角度确定单元311确定在测量光被发射到测量位置时的扫描反射镜的照射角度。通过角度测量传感器22获得在测量光被发射到包含测量对象W的测量位置的区域时的MEMS反射镜15的测量光的扫描角度。使用来自角度测量传感器22的该角度的输出值来计算在测量光被发射到测量位置时的扫描反射镜的照射角度。将所获得的扫描反射镜的照射角度确定为在测量光被发射到测量位置时的扫描反射镜的照射角度。所确定的扫描反射镜的照射角度被存储在存储部320中。在确定测量光的照射角度时，在不使用角度测量传感器22的情况下，可以基于向MEMS反射镜15的驱动信号来确定近似照射角度。然而，考虑到温度特性的变化和随时间经过的变化，优选通过角度测量传感器22或其它适当单元来测量角度，以便知晓准确的照射角度。

位移测量单元312的结构

如图7所示，从放大器3还包括位移测量单元312。位移测量单元312采用三角测量的原理作为测量原理。位移测量单元312基于位移测量所用的受光量分布来测量测量位置的位移。位移测量用受光器40在接收到被发射到设置单元304所设置的测量位置并从该测量位置反射回的测量光时，输出位移测量所用的受光量分布。代替从测量位置反射回的测量光，位移测量单元312还可以基于从包含测量位置的区域反射回的测量光来测量位移。也就是说，位移测量单元312可以基于在测量光被发射到包含设置单元304所设置的测量位置的区域时从位移测量用受光器40输出的位移测量所用的受光量分布来测量该测量位置的位移。测量结果可以存储在图7所示的测量数据存储部320e中。位移测量单元312的功能可以分离到传感器头部2和从放大器3。

在进行用于通过使用测量光来按相对较大的间距扫描测量对象W的第一扫描处理之后，在用于通过使用测量光来按相对较小的间距进行扫描的第二扫描处理中，位移测量单元312基于在测量光照射包含测量位置的区域时获取到的受光量分布来测量该测量位置的位移。

在进行位置校正的情况下，照射由位置校正器307校正后的测量位置的测量光从该测量位置反射回，并由位移测量用受光器40接收。同样在校正位置的情况下，位移测量单元312基于从位移测量用受光器40输出的位移测量所用的受光量分布来测量测量位置的位移。

位移测量单元312获取从位移测量用受光器40输出的位移测量所用的受光量分布。在这种情况下，位移测量单元312采用三角测量的原理，以基于在测量光被发射到测量位置时角度测量单元22b所测量的扫描反射镜的角度或第二照射角度、以及测量位置在Y方向或第二方向上的位置，来测量该测量位置的位移。

此外，如上所述，也可以基于X方向或第一方向上的位置以及Y方向或第二方向上的位置来测量测量位置的位移。具体地，这可以通过在产品出厂时存储校准数据来实现。例如，在发射测量光的状态下，在自由选择的高度Z处布置校准板，并且对亮度图像摄像以识别此时的测量光的延伸方向。如果延伸方向不平行于受光元件22a的长边方向或者弯曲，则将偏差量存储为校准数据。另外，在每次将校准板布置在高度与自由选择的高度Z不同的各位置时，对亮度图像摄像，以每次识别测量光的延伸方向。因而，获得并存储各高度Z处的校准数据。在操作期间，可以基于由测量位置在X方向或第一方向上的X坐标表示的位置通过使用校准数据来测量测量位置的准确位移。

位移测量单元312获取从位移测量用受光器40输出的位移测量所用的受光量分布。在近似搜索处理中，在第一扫描范围中进行扫描期间，按比在窄于第一扫描范围的第二扫描范围中进行扫描期间所进行的获取的间隔长的间隔，进行该获取。其原因在于，在第一扫描范围中扫描时的测量光的间距大于在第二扫描范围中扫描时的测量光的间距。在间距窄时，测量光的照射间隔短，并且获取受光量分布的间隔相应地缩短。

位移测量单元312在第二扫描处理中，还可以基于在测量光照射包含测量位置的区域时获取到的受光量分布来测量该测量位置的位移。位移测量单元312可以通过获取在每次发射测量光时从位移测量用受光器40输出的位移测量所用的受光量分布来多次测量测量位置的位移，并且位移测量单元312可以对所获得的多个位移求平均。

位移测量单元312还可以基于照射角度确定单元311所确定的照射角度以及在测量光被发射到测量位置时获取到的受光量分布中的峰位置，来测量该测量位置的位移。图21A示出在沿X方向延伸的测量光被发射到测量对象W时从位移测量用受光器40输出的光量分布。由于中央部的高度高，因此中央部高于各侧部。从图21A中提取两个虚线之间的范围，并且在图21B中示出放大后的范围。如图21B所示，基于受光量分布来获得峰位置。后面将说明用于获得峰位置的处理的详情。

位移测量单元312可以基于在测量光照射测量位置时获取到的受光量分布来估计峰位置。更具体地，在受光量分布不是在Y方向上连续获得的情况下，基于从测量位置的周围获得的受光量分布来估计峰位置。

位移测量单元312在测量光照射测量位置时获取到的受光量分布中存在多个峰的情况下，可以通过从这多个峰中选择一个峰来确定峰位置。可以使用在Y方向上相隔一定间隔存在的多个峰位置中的最高峰作为峰位置。当然，代替使用最高峰作为峰位置，可以基于多个峰位置来估计最佳峰位置。

位移测量设备1可被设置成使测量控制器305控制光投射器10a和MEMS反射镜15，使得测量光将以第一间距扫描整个测量对象W，然后以不同于第一间距的第二间距扫描整个测量对象W。在这种情况下，位移测量单元312基于在以第一间距扫描时从位移测量用受光器40顺次输出的位移测量所用的受光量分布，来生成整个测量对象W的第一高度数据。此外，位移测量单元312基于在以第二间距扫描时从位移测量用受光器40顺次输出的位移测量所用的受光量分布，来生成整个测量对象W的第二高度数据。

第一高度数据和第二高度数据是主数据，并且构成与亮度图像相结合地存储的三维数据。保持第一高度数据和第二高度数据使得能够在设置时使用测量工具进行测量时，在不向测量位置发射测量光的情况下从第一高度数据或第二高度数据获得位移，并立即显示该位移。在一旦进行设置之后对测量工具的位置进行微调的情况下，在无需再次准备作为主对象的测量对象W的情况下，得到该调整之后的测量位置的位移。

尽管高度数据可以是一个信息，但可以保持测量光的间距彼此不同的第一高度数据和第二高度数据。在这种情况下，针对各测量工具和该测量工具的各大小来从相应的高度数据读取位移，并显示所读取的数据。例如，可以保持通过以小间距的测量所获得的一个主数据，并且可以通过减少该主数据中包含的数据来使用该主数据。然而，通过减少主数据中的数据而生成的主数据可能不完全对应于最终处理，因此优选保持测量光的间距彼此不同的多个高度数据。该高度数据存储在存储部320的高度数据存储部320b中。

在模式选择器309选择了行模式的情况下，位移测量单元312可以通过获取在每次发射测量光时从位移测量用受光器40输出的位移测量所用的受光量分布来多次测量对象W的位移。此外，位移测量单元312可以对所获得的多个位移求平均。本说明书中所述的词语“求平均”除指狭义上的平均之外，还指包括例如截尾平均和中值的使用的广义概念。

通过/失败判断单元313的结构

如图7所示，从放大器3还包括通过/失败判断单元313。通过/失败判断单元313通过将基于亮度图像生成器302所生成的亮度图像判断测量对象W的状况的结果与基于位移测量单元312所测量到的位移判断测量对象W的状况的结果进行组合，来判断测量对象W的通过/失败。例如，在亮度图像中检测是否缺失了一部分，并且在即使未缺失任何部分、位移测量单元312所测量到的位移也不满足基准值的情况下，将测量对象W判断为是缺陷品。相反，即使位移测量单元312所测量到的位移满足基准值，在亮度图像中判断为一部分缺失的情况下，也可以将测量对象W判断为是缺陷品。这些处理结果可以存储在图7所示的处理结果存储部320c中。

设置信息存储部320f的结构

设置信息存储部320f存储程序。程序由多个设置信息组成，并且可以存储多个程序。各个程序中所包含的设置信息包括诸如以下等的信息：在扫描模式和行模式之间的选择结果、与触发有关的设置、诸如明度和感光度等的与摄像有关的设置、主数据的存在、头部的倾斜的校正、要应用的测量工具、以及测量工具的参数。允许用户从设置信息存储部320f内所存储的程序中选择期望的程序，并在位移测量设备1的操作时使用所选择的程序。

设置和操作的具体示例

接着，说明位移测量设备1的设置和操作的具体示例。图22是示出位移测量设备1的扫描模式时的过程的流程图。

扫描模式时的过程

在扫描模式的流程图的步骤SA1中，设置外部触发、内部触发和其它条件，由此通过设置哪种触发信号来激活哪种移动方式。在设置了触发条件之后，将设置信息发送至从放大器3和传感器头部2，并且传感器头部2按照这些条件移动。

在步骤SA2中，设置亮度图像的明度。通过设置曝光时间、照明光量、摄像模式或HDR的存在、以及其它参数来设置明度。“HDR”表示高动态范围合成。明度可以自动或手动设置。

在步骤SA3中，登记主数据。主数据是亮度图像和整个视野的三维数据或高度数据。传感器头部2获得测量对象W的亮度图像，并且通过使用测量光扫描整个测量对象W来测量位移，由此获得高度数据。使亮度图像和高度数据彼此对应，并存储在图7所示的高度图像存储部320b中。在步骤SA3中，可以通过使用测量光以不同的间距进行扫描来获得多个高度数据。这多个高度数据是通过各种方法获得的。例如，通过使用测量光以预定的最小间距进行扫描来获得第一高度数据，并且可以通过减少第一高度数据中所包含的数据来生成针对比最小间距更粗略的间距或者低分辨率的间距的高度数据。此外，可以省略主登记。

在步骤SA4中，选择测量工具。响应于测量工具的选择，过程进入步骤SA5，并且进行各工具的设置。没有指定设置测量工具的顺序，但首先进行位置校正工具的设置。可以针对所有的其它测量工具设置一个位置校正工具，或者可以针对其它测量工具各自单独设置位置校正工具。

在步骤SA6中判断测量工具的添加是否完成。如果测量工具的添加仍未完成，则通过步骤SA4和SA5添加测量工具。在测量工具的添加完成之后，过程进入步骤SA7。在步骤SA7中，设置输出分配。此后，在步骤SA8中设置综合判断条件。

扫描模式时的主登记

接着，说明扫描模式时的主登记的详情。在图23所示的主登记流程图的步骤SB1中，使照明器30的第一发光二极管31～第四发光二极管34点亮。在步骤SB2中，对亮度图像进行摄像。该图像数据被存储在例如从放大器3的图像数据存储部320d中。在图7中示出图像数据存储部320d。

在步骤SB3中，控制MEMS反射镜15，以能够测量亮度图像中的整个测量对象W的位移。在步骤SB4中，从激光输出单元12发射带状的测量光以照射测量对象W。在步骤SB5中获得图像，并且在步骤SB6中测量位移。可以在不将此时获得的图像传送至从放大器3的情况下，利用传感器头部2测量位移。直到用于根据步骤SB5中摄像得到的图像来计算峰位置的坐标的处理为止的处理可以由传感器头部2进行，并且根据峰位置计算实际测量值可以由从放大器3进行。

在步骤SB7中，通过使用所有的测量数据来生成主高度数据1，并且针对亮度图像的各像素映射高度数据。在步骤SB8中，判断是否进行了第2N次测量。如果进行了第2N次测量，则过程进入步骤SB9，否则，如果未进行第2N次测量，则过程进入步骤SB12。在步骤SB9中，通过仅使用第2N次测量的数据来生成主高度数据2，并且针对亮度图像的各像素映射高度数据。在步骤SB10中，判断是否进行了第4N次测量。如果进行了第4N次测量，则过程进入步骤SB11，否则，如果未进行第4N次测量，则过程进入步骤SB12。在步骤SB11中，通过仅使用第4N次测量的数据来生成主高度数据3，并且针对亮度图像的各像素来映射高度数据。可以并行进行步骤SB7、SB9和SB11的处理。

在步骤SB12中判断测量是否完成。如果测量仍未完成，则过程进入步骤SB3，并且再次进行该过程的步骤。如果测量完成，则过程进入步骤SB13。在使用三角测量的测量中未生成盲点的高度数据。有鉴于此，在显示器8上用红色斜线示出亮度图像中的未获得高度数据的各像素。主高度数据1～3可以存储在图7所示的高度数据存储部320b中。

主高度数据的使用

接着，参考图24所示的流程图来说明主高度数据1～3的使用。在选择测量工具时使用主高度数据1～3。在步骤SC1中，根据测量工具的类型和测量工具的设置来从主高度数据1～3中选择要使用的主高度数据。在步骤SC2中，根据所选择的主高度数据、以及测量工具的测量位置和测量范围来计算测量值。在步骤SC3中，将在步骤SC2中测量到的值显示在显示器8上。

在使用高度差工具的情况下，响应于两个位置(例如，点A和点B)的指定，以数值的形式显示这两点之间的高度差。在使用面积工具的情况下，在预定颜色范围内的面被着色为相同颜色并显示。面积工具是用于从亮度图像提取特征的测量工具，并且是通常所谓的图像处理工具的示例。通过面积工具来判断面是否在预定的颜色范围内。另外，可以使用用于从亮度图像提取边缘以测量边缘宽度的边缘工具。在本实施例中，可以在一个亮度图像中设置这种图像处理工具和用于测量位移的位移测量工具这两者。

输出分配的设置

在设置输出分配时，设置将数据分配至用于将数据输出到外部的输出引脚。可以选择诸如“OFF(关闭)”、“综合判断”、“忙”、“错误”和“工具1的结果”等的信息，但也可以选择其它信息。

综合判断条件的设置

在设置综合判断条件时，选择与测量工具的结果有关的“全部OK”或“任一个OK”。在另一情况下，可以设置在尽管测量工具2的结果为NG但测量工具1的结果为OK的情况下、综合判断结果为OK的组合模式。

在这些设置结束之后，位移测量设备1从设置模式转变为操作模式并开始操作。将设置信息输出至传感器头部2，并且仅重写易失性存储器的RAM值，直到设置结束为止。在设置结束之后，将设置信息写为非易失性存储器的ROM值。词语“操作”表示在测量现场操作位移测量设备1。

峰位置的获得

图25是示出用于获得在测量光照射测量对象W的测量位置时获取到的受光量分布中的峰位置的过程的流程图。在步骤SE1中，接收测量对象W的测量位置的指定。这由设置单元304进行。在步骤SE2中，指定覆盖测量位置和测量位置的附近的摄像范围、即位移测量范围。在步骤SE3中，控制MEMS反射镜15以使得能够测量包含测量位置的位移测量范围中的位移。在步骤SE4中，从激光输出单元12发射带状的测量光以照射测量对象W。

在步骤SE5中，位移测量用受光器40进行摄像。在步骤SE6中，根据从位移测量用受光器40输出的受光量分布来计算测量光的峰位置的坐标。在步骤SE8中，利用一维受光元件22a进行摄像。位移测量用受光器40所进行的摄像和一维受光元件22a所进行的摄像是大致同时执行的。这减小了测量误差。在步骤SE9中，如上所述，利用角度测量单元22b计算扫描反射镜的角度。之后，在步骤SE9中，基于测量光的峰位置以及作为来自扫描反射镜的测量光的照射角度的扫描反射镜的角度，通过使用三角测量的原理来计算高度或位移。如上所述，可以基于测量光的峰位置处的X坐标通过使用校准数据来计算高度或位移。这使得能够考虑到温度特性的变化和随时间经过的变化来更准确地计算高度。

倾斜校正功能

位移测量设备1具有用于校正平坦的基准面的倾斜的倾斜校正功能。首先，用户在显示器8上所显示的高度图像中设置基准面。通过指定三个点来指定基准面。在该指定结束之后，从放大器3或传感器头部2的信号处理器计算各像素的位移，使得这三个点将具有相同的高度。该计算得到使所指定的点具有相同的高度。

测量光的间距的优化

图26A～26C是用于说明根据基准面的方向来优化测量光的照射间距的方法的图。附图标记200表示基准面，附图标记201表示位移测量范围，并且附图标记202表示测量光。

图26A示出在位移测量范围201中五束测量光202发射到水平的基准面200的情形。图26B示出基准面200向右上倾斜的情形。在该情形下，如果测量光202的间距与图26A中的情况相同，则在位移测量范围201中仅发射三束测量光202，这可能导致测量精度下降。在该示例中，进行间距改变控制，以根据基准面200的倾斜来改变测量光202的间距。如图26C所示，在基准面200倾斜的情况下，测量光202的间距变窄，使得将利用与在基准面200为水平的情况下的束数相同的束数的测量光202来照射位移测量范围201。这抑制了测量精度的下降。该处理可以在通过倾斜校正确定基准面之后进行。

基准面的高度的校正

图27A和27B是用于说明校正基准面的高度的概要的图。附图标记200表示基准面，附图标记201表示位移测量范围，附图标记202表示测量光，并且附图标记203表示测量范围。假定将测量对象W放置在基座上。在测量测量对象W的顶面时，测量对象W相对于基座的在上下方向各自上的高度变化可能小，并且可以是例如5mm。然而，在基座在上下方向各自上的高度变化例如为20mm的情况下，需要总共在上下方向各自上设置25mm的测量范围，这可能导致测量时间增加。

在该示例中，在通过使用基座作为基准面校正倾斜之后，仅相对于基准面200测量测量范围203就足够了，并且在上下方向各自上仅针对5mm的高度进行测量。这缩短了测量时间。

扫描模式时的操作

图28是示出位移测量设备1的扫描模式的操作时的过程的流程图。在扫描模式时的操作的流程图的步骤SG1中，从外部装置6或其它装置接收外部触发。在步骤SG2中，使照明器30的第一发光二极管31～第四发光二极管34点亮。在步骤SG3中，对亮度图像进行摄像。该图像数据被存储在例如从放大器3的图像数据存储部320d中。在图7中示出图像数据存储部320d。

在步骤SG4中，判断是否应用了位置校正工具。如果在设置时选择了位置校正工具，则过程进入步骤SG5，而如果在设置时没有选择位置校正工具，则过程进入步骤SG7。在步骤SG5中执行位置校正工具，并且在步骤SG6中校正测量工具的位置、即测量位置。步骤SG5和SG6中的处理由位置校正器307进行。

在步骤SG7中，判断是否应用了图像处理工具。如果在设置时选择了图像处理工具，则过程进入步骤SG8，而如果在设置时没有选择图像处理工具，则过程进入步骤SG9。在步骤SG8中，执行各种图像处理。图像处理的示例包括传统上已知的图像处理。

在步骤SG9中，判断是否应用了实时倾斜校正。如果在设置时选择了倾斜校正功能的执行，则过程进入步骤SG10，而如果在设置时没有选择倾斜校正功能的执行，则过程进入步骤SG18。在步骤SG10中，控制MEMS反射镜15，以使得能够测量包含测量位置的位移测量范围中的位移。在步骤SG11中，从激光输出单元12发射带状的测量光以照射测量对象W。在步骤SG12中进行摄像，并且在步骤SG13中测量位移。

在步骤SG14中，判断三个点各自处的测量是否完成。如果并非三个点处的所有测量都完成，则重复先前的处理，直到这三个点处的测量都完成为止。在三个点处的所有测量都完成之后，过程进入步骤SG15，并且计算基准面。之后，过程进入步骤SG16，根据基准面的方向来优化位移测量范围内的测量光的照射间距。在步骤SG17中，根据基准面的高度来优化测量光的扫描范围。

在步骤SG18中，判断是否应用了测量工具。如果在设置时选择了测量工具，则过程进入步骤SG19，而如果在设置时没有选择测量工具，则过程进入步骤SG24。在步骤SG19中，根据测量工具的类型，控制MEMS反射镜15以使得能够测量包含测量位置的位移测量范围中的位移。在步骤SG20中，从激光输出单元12发射带状的测量光以照射测量对象W。在步骤SG21中进行摄像，并且在步骤SG22中测量位移。如果在步骤SG23中所有的测量都完成，则过程进入步骤SG24，而如果并非所有的测量都完成，则重复先前的测量。在步骤SG24中，整合测量工具的所有处理结果以生成综合判断结果。输出所生成的综合判断结果。

近似搜索和精确测量处理

图29是近似搜索和精确测量处理的基本流程图。在通过使用图18A或18B所示的实线表示的测量光进行近似搜索处理之后，通过使用图18A或18B所示的虚线表示的测量光进行精确测量。

在步骤SH1中，确定近似搜索的范围和测量光的间距。在本实施例中，该间距大于精确测量中的间距，并且根据位移测量范围的大小而不同。后面将说明精确测量。在步骤SH2中，执行测量光的间距大的近似搜索。在步骤SH3中，确定测量对象W的近似高度。在步骤SH4中，确定精确测量的范围和测量光的间距。精确测量的范围覆盖位移测量范围。测量光的间距被设置成使得多束测量光照射位移测量范围。在步骤SH5中，执行精确测量。在步骤SH6中，确定测量对象W的确切高度。

图30是交替执行多个模式的近似搜索和精确测量处理的流程图。在步骤SJ1中，确定多个模式(例如，模式A、模式B、…)的扫描顺序。在步骤SJ2中，从这多个模式中选择一个模式。在步骤SJ3中，确定所选择的模式的近似搜索的范围和测量光的间距。在步骤SJ4中，执行测量光的间距大的近似搜索。在步骤SJ5中，确定测量对象W的近似高度。在步骤SJ6中，确定精确测量的范围和测量光的间距。在步骤SJ7中，执行精确测量。在步骤SJ8中，确定测量对象W的确切高度。在步骤SJ9中，判断所有模式的扫描是否结束，并且重复先前的处理，直到所有模式的扫描都结束为止。

图31是近似搜索和精确测量处理的流程图：在精确测量处理之前，在近似搜索中执行多个模式。在步骤SK1中，确定近似搜索中的多个模式的扫描顺序。在步骤SK2中，从多个模式中选择一个模式。在步骤SK3中，确定针对所选择的模式的近似搜索的范围和测量光的间距。在步骤SK4中，执行测量光的间距大的近似搜索。在步骤SK5中，确定测量对象W的近似高度。在步骤SK6中，判断近似搜索中的所有模式的扫描是否都结束，并且重复先前的处理，直到近似搜索中的所有模式的扫描都结束为止。

在近似搜索中的所有模式都结束之后，过程进入步骤SK7，并且确定精确测量中的多个模式的扫描顺序。在步骤SK8中，以所确定的扫描顺序执行精确测量。在步骤SK9中，确定测量对象W的确切高度。

图32是近似搜索和精确测量处理的流程图：在近似搜索中同时执行多个模式。在步骤SL1中，确定与所有多个模式相对应的近似搜索的范围和测量光的间距。在步骤SL2中，执行测量光的间距大的近似搜索。在步骤SL3中，针对各个模式确定近似高度。在步骤SL4中，确定精确测量中的多个模式的扫描顺序。在步骤SL5中，从这多个模式中选择一个模式。在步骤SL6中，确定精确测量的范围和测量光的间距。在步骤SL7中，执行精确测量。在步骤SL8中，确定测量对象W的确切高度。在步骤SL9中，判断所有的模式的扫描是否都结束，并且重复先前的处理，直到所有的模式的扫描都结束为止。

图33是近似搜索和精确测量处理的流程图：在近似搜索期间获得测量对象W的高度信息时，过程进入精确测量。在步骤SM1中，确定近似搜索的范围和测量光的间距。在步骤SM2中，开始测量光的间距大的近似搜索。在步骤SM3中，顺次扫描近似搜索的位置。在步骤SM4中，判断是否识别出测量位置。如果未识别出测量位置，则过程返回到步骤SM3，并且顺次扫描近似搜索的位置。如果识别出测量位置，则过程进入步骤SM5，并且确定针对所识别的测量位置的精确测量的范围和测量光的间距。在步骤SM6中，执行精确测量。在步骤SM7中，确定测量对象W的确切高度。

图34是近似搜索和精确测量处理的流程图：根据近似搜索和精确测量这两者的结果来确定测量位置。在步骤SN1中，确定近似搜索的范围和测量光的间距。在步骤SN2中，开始测量光的间距大的近似搜索。在步骤SN3中，记录通过近似搜索所获得的测量位置处的高度信息。在步骤SN4中，确定精确测量的范围和测量光的间距。在步骤SN5中，执行精确测量。在步骤SN6中，根据在步骤SN3中通过近似搜索获得的高度信息和在步骤SN5中获得的精确测量的结果来确定测量对象W的高度。

行模式时的过程

图35是行模式时的流程图。在该流程图中省略了用于设置外部触发、内部触发或其它条件的步骤。在步骤SP1中，设置亮度图像的明度。在步骤SP2中，登记主数据。在步骤SP3中，选择测量工具。在选择了测量工具之后，过程进入步骤SP4，并且进行各工具的设置。在步骤SP5中判断测量工具的添加是否完成。如果测量工具的添加仍未完成，则通过步骤SP3和SP4来添加测量工具。在测量工具的添加完成之后，过程进入步骤SP6。在步骤SP6中，设置输出分配。之后，在步骤SP7中设置综合判断条件。如扫描模式的情况那样，可以省略步骤SP2中的主数据的登记。

行模式时的主登记

接着，说明行模式时的主登记的详情。在图36所示的主登记流程图的步骤SQ1中，使照明器30的第一发光二极管31～第四发光二极管34点亮。在步骤SQ2中，对亮度图像进行摄像。在步骤SQ3中，控制MEMS反射镜15，以使得能够测量亮度图像中的整个测量对象W的位移。在步骤SQ4中，从激光输出单元12发射带状的测量光以照射测量对象W。在步骤SQ5中获得图像，并且在步骤SQ6中测量位移。

在步骤SQ7中，针对亮度图像的各像素映射高度数据。在步骤SQ8中，在显示器8上用红色斜线示出亮度图像的像素中的无高度数据的各像素。

行模式时的操作

图37是示出位移测量设备1的行模式的操作时的过程的流程图。在行模式的操作的流程图的步骤SR1中，周期性地输出触发信号。在步骤SR2中，使照明器30的第一发光二极管31～第四发光二极管34点亮。在步骤SR3中，对亮度图像进行摄像。在步骤SR4中，控制MEMS反射镜15，以使得能够测量包含测量位置的位移测量范围中的位移。在步骤SR5中，从激光输出单元12发射带状的测量光以照射测量对象W。在步骤SR6中进行摄像，并且在步骤SR7中测量位移。

在步骤SR8中，判断是否应用了位置校正工具。如果在设置时选择了位置校正工具，则过程进入步骤SR9，而如果在设置时没有选择位置校正工具，则过程进入步骤SR11。在步骤SR9中执行位置校正工具，并且在步骤SR10中校正测量工具的位置、即测量位置。

在步骤SR11中，判断是否应用了测量工具。如果在设置时选择了测量工具，则过程进入步骤SR12，而如果在设置时没有选择测量工具，则过程进入步骤SR13。在步骤SR12中，执行测量工具。在所有测量都完成时，在步骤SR13中，整合测量工具的所有处理结果以生成综合判断结果。输出所生成的综合判断结果。

实施例的效果

在本实施例中，测量光在第一方向上的端部处的光线由角度测量传感器22的受光元件22a接收，并且受光元件22a输出受光量分布。基于该受光量分布，测量扫描反射镜的测量光的照射角度。另一方面，由扫描反射镜移动的测量光从测量对象W的第二方向上的不同位置分别反射回，并且分别由位移测量用受光器40接收。基于从位移测量用受光器40输出的受光量分布以及在获得该受光量分布时的扫描反射镜的测量光的照射角度的信息，来测量测量对象W的位移。

因而，使用测量光的一部分作为用于测量扫描反射镜的角度的光，由此使得无需专用于测量扫描反射镜的角度的光源。这使得能够减小位移测量设备的尺寸并降低其成本。测量光和用于测量扫描反射镜的角度的光源自于相同的光源，由此与提供单独光源的情况相比提高了精度。

在显示器8上显示的亮度图像中设置要测量位移的测量位置，并且利用测量光照射该测量位置。测量光从该测量位置反射回并由位移测量用受光器40接收，由此提供位移测量所用的受光量分布。基于该位移测量所用的受光量分布，测量该测量位置的位移。因而，无需通过使用测量光扫描整个测量对象W以测量该测量对象W的三维形状。这使得能够在短时间内测量测量对象W的预定位置的位移。

在位移测量设备1的操作时，通过使用位置校正信息来确定测量对象W的位置和姿势，并且校正测量位置。向校正后的测量位置发射测量光以测量校正后的测量位置的位移。这使得即使在测量对象W的位置或姿势改变的情况下，也能够在短时间内测量测量对象W的预定位置的位移。

在测量光在第一扫描范围内扫描的情况下，确定在测量光被发射到测量位置时的扫描反射镜的第一照射角度。之后，在扫描反射镜在覆盖第一照射角度且小于第一扫描范围的第二扫描范围中移动的情况下，确定在测量光被发射到测量位置时的扫描反射镜的第二照射角度。在这些状况下，基于第二照射角度和测量位置在第二方向上的位置来测量该测量位置的位移。这使得能够以高精度在短时间内测量测量对象W的预定位置的位移。

确定在测量光被发射到测量位置时的扫描反射镜的照射角度，并且基于该照射角度和在测量光被发射到测量位置时所获取到的受光量分布的峰位置来测量该测量位置的位移。这使得能够在短时间内测量测量对象W的预定位置的位移。

在选择扫描模式的情况下，向测量对象W在第二方向上的不同位置顺次发射测量光。在选择行模式的情况下，向测量对象W的相同位置发射测量光。之后，基于从位移测量用受光器40输出的受光量分布来测量测量对象W的位移。因而，在测量对象W保持静止和测量对象W移动的各个情况下测量预定位置的位移。

上述实施例仅仅是每个方面的例示，并且不应被限制性地理解。此外，属于权利要求书的等同物的所有修改和改变均被视为落在本发明的范围内。

如上所述，根据本发明的位移测量设备可用来测量各种测量对象的预定位置的位移。

Claims (7)

1.一种位移测量设备，用于对测量对象的预定位置的位移进行测量，所述位移测量设备包括：

测量光源；

光投射透镜，其包括一个或多个透镜组，所述一个或多个透镜组用于使从所述测量光源出射的测量光在第一方向和与所述第一方向交叉的第二方向上聚光；

MEMS反射镜，其具有设置在从所述光投射透镜出射的测量光的光轴上且绕与所述第一方向平行的轴转动的镜面，并且所述MEMS反射镜被配置为使从所述光投射透镜出射的测量光在所述第二方向上进行扫描；

光投射窗，其被配置为允许从所述MEMS反射镜出射的测量光透过所述光投射窗并出射到所述测量对象的测量区域；

受光元件，其被配置为接收从所述测量区域反射回的测量光，并且输出受光量分布；

位移测量单元，其被配置为基于从所述受光元件输出的受光量分布来测量所述测量对象的位移；以及

壳体，其一体地容纳所述测量光源、所述光投射透镜、所述MEMS反射镜和所述受光元件，并且附接有所述光投射窗，

其中，所述光投射透镜在所述测量光的光轴上在所述MEMS反射镜或所述MEMS反射镜附近具有使所述测量光在所述第一方向上聚光的焦点位置，并且所述光投射透镜被配置为生成带状测量光，在所述带状测量光在所述MEMS反射镜处被反射之后接近所述测量区域时，所述带状测量光在所述第一方向上扩散。

2.根据权利要求1所述的位移测量设备，其中，所述光投射透镜在所述测量区域中具有使所述测量光在所述第二方向上聚光的焦点位置。

3.根据权利要求1所述的位移测量设备，还包括：

光投射模块，其包括所述测量光源、所述光投射透镜和所述MEMS反射镜；以及

基部，其与所述光投射模块分开设置，并且固定到所述壳体，

其中，所述光投射模块安装到所述基部，使得所述测量光的照射角度是能够调整的。

4.根据权利要求1所述的位移测量设备，其中，所述光投射透镜包括准直透镜和柱面透镜，所述准直透镜使从所述测量光源输出的测量光的光线准直，所述柱面透镜接收从所述准直透镜输出的测量光，由此生成在所述第一方向上延伸的带状测量光，以及

所述MEMS反射镜的镜面被布置成接收从所述柱面透镜输出的测量光。

5.根据权利要求1所述的位移测量设备，还包括：

角度测量用受光器，其设置在所述角度测量用受光器接收由所述MEMS反射镜移动的测量光在所述第一方向上的端部处的光线的位置，并且所述角度测量用受光器包括沿所述第二方向排列的多个像素；以及

角度测量单元，其被配置为基于从所述角度测量用受光器输出的受光量分布来测量所述MEMS反射镜的测量光的照射角度，

其中，所述受光元件包括二维受光元件，所述二维受光元件顺次接收由所述MEMS反射镜移动、然后从所述测量对象在所述第二方向上的不同位置分别反射回的测量光，并且所述二维受光元件输出多个受光量分布，以及

所述位移测量单元被配置为基于从所述受光元件输出的受光量分布和所述MEMS反射镜的测量光的照射角度的信息来测量所述测量对象的位移，并且所述照射角度是在获得所述受光量分布时由所述角度测量单元测量的。

6.根据权利要求5所述的位移测量设备，还包括光阑，所述光阑使所述测量光在所述第一方向上的端部处的光线变窄。

7.根据权利要求6所述的位移测量设备，其中，所述光阑包括允许所述测量光在所述第一方向上的端部处的光线穿过的狭缝，并且所述狭缝被形成为在所述第一方向上延伸。

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