CN111811423A - 形状测量装置 - Google Patents

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Abstract

一种设置在形状测量装置上的头部，包括与光源和光接收器整体位移的半透明的触笔头，并且布置在光源和光接收器之间。触笔头包括使来自光源的光入射到触笔头内部的入射部分、全反射入射光的反射部分和向光接收器发射被全反射的光的光发射部分。由被全反射表面全反射的光在测量表面处产生倏逝光。触笔头使测量表面和可测量物体的表面面向彼此，将测量表面与可测量物体的表面分开，并且被布置成使得倏逝光到达可测量物体的表面。

Description

形状测量装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年4月12日提交的日本申请第2019-076219号的优先权，该申请的公开内容通过整体引用明确地并入本文。
技术领域
本发明涉及一种形状测量装置。
背景技术
传统上，已知一种形状测量装置，在该装置中触针(触笔头)接触半透明的被测物体的表面，以基于触针在垂直于被测物体的表面的方向上的位移量来测量被测物体的表面的形状。由于触针与被测物体的表面接触，这种形状测量装置可能会通过触针损坏被测物体的表面。因此，已知一种形状测量装置，在该装置中，通过使用光来测量被测物体的表面的形状，而无需触针接触被测物体的表面。这种形状测量装置包括头部和检测器。头部包括光源和光接收器，光源向被测物体的表面发射光，光接收器与光源整体位移并通过被测物体的表面接收光。检测器基于由光接收器接收的光来检测被测物体的表面的形状。
图9示出了传统的形状测量装置100。在该示例中，被测物体W是诸如玻璃的半透明材料，并且被放置在测量台D上，如图9所示，并且当形状测量装置100中的光源300向被测物体W的表面H发射光时，产生由被测物体W的表面H反射的光(以虚线箭头示出)和穿透被测物体W的光(以实线箭头示出)。穿透被测物体W的光(以实线箭头示出)被测量台D反射，并再次穿过被测物体W向着光接收器400行进。光接收器400最终接收具有不同强度的光线：被测量台D反射的光(以实线箭头示出)，以及由被测物体W的表面H反射的光(以虚线箭头示出)。然后，检测器(图中未示出)基于分别具有不同光强度的多条光线来检测被测物体W的表面H的形状。因此，检测器不能根据被测量台D反射的光(以实线箭头示出)精确地测量被测物体W的表面H。
为了解决上述问题，日本专利公开特许公报第2017-32297号中描述的表面形状测量装置(形状测量装置)包括向半透明的被测物体的表面发射激光的激光光源(光源)和接收由被测物体的表面反射的激光并测量位移的激光位移计(光接收器和检测器)。并且，与表面形状测量装置一起使用的测量台至少在与发射激光的被测物体的测量位置相对应的位置下方具有凹部，该凹部比不包含测量位置的其他区域凹得更多。该凹部阻止穿透由半透明材料构成的被测物体的光被测量台反射，并且阻止穿透被测物体的光向激光位移计反射。因此，表面形状测量装置可以使用从被测物体表面反射出的光来检测被测物体表面的形状。
然而，在日本专利公开特许公报第2017-32297号中描述的表面形状测量装置需要在对侧包括具有凹部的测量台，其中半透明的被测物体介于两者之间。另外，从激光光源发射的大部分激光穿透由半透明材料构成的被测物体，并且因此，激光位移计不能获得足够的被半透明被测物体的表面反射的反射光，不能执行足够的位移测量。
发明内容
本发明提供了一种形状测量装置，其可以使用光以高精度测量被测物体的形状，并且无需接触被测物体的表面。
本发明的形状测量装置包括头部和检测器。头部包括光源和光接收器，光源向被测物体的表面发射光，光接收器与光源整体位移并通过被测物体的表面接收光。检测器基于由光接收器接收的光来检测被测物体的表面的形状。头部包括半透明的触笔头，该半透明的触笔头与光源和光接收器整体位移，并且布置在光源和光接收器之间。触笔头包括使来自光源的光入射到触笔头内部的入射部分、全反射来自入射部分的入射光的反射部分、以及向光接收器发射被反射部分全反射的光的光发射部分。反射部分包括全反射表面和测量表面，其中全反射表面全反射来自光源的光，并且测量表面位于全反射表面的对侧，面向被测物体的表面布置。触笔头被布置成将测量表面与被测物体的表面分开，并且还使得在朝向全反射表面的对侧的方向上在测量表面处产生的倏逝光(evanescent light)到达被测物体的表面。检测器基于由光接收器接收的光的并且由到达被测物体的表面的倏逝光引起的变化来检测被测物体的形状。
根据本发明，头部包括布置在光源和光接收器之间的半透明的触笔头。在属于触笔头的入射部分、反射部分和光发射部分中，可以使用在反射部分的测量表面处产生的倏逝光来执行对被测物体的表面的形状的测量。在该示例中，当光在具有高折射率的介质(诸如玻璃)中被全反射时，倏逝光是向具有低折射率的介质(诸如空气)泄漏的特定类型的光。从触笔头的光发射部分发射的光根据倏逝光到达被测物体的表面所通过的距离而变化。换句话说，光接收器可以根据由倏逝光改变的光的状态来测量被测物体的表面的形状。因此，在不接触被测物体的表面的情况下，形状测量装置可以使用在触笔头的测量表面处产生的倏逝光以高精度测量被测物体的形状。
此时，优选的是，形状测量装置包括控制器，其控制被测物体和头部的相对位移，以及扫描器，其通过在预定扫描方向上相对于被测物体位移头部来进行扫描；控制器包括控制扫描器的扫描控制器；以及检测器基于由光接收器接收的光的强度来检测被测物体的表面的形状。
根据这种配置，利用通过在预定扫描方向上相对于被测物体位移设置有触笔头的头部来进行扫描的扫描器，形状测量装置可以通过简单地在预定扫描方向上进行扫描，基于光的强度来测量被测物体的形状，而无需与被测物体的表面接触。
此时，优选的是，形状测量装置设置有半透明的被测物体、控制被测物体和头部的相对位移的控制器、以及通过位移头部来调节触笔头的测量表面与被测物体的表面之间的间距的间距调节器；控制器包括控制间距调节器的间距调节控制器，以及将由光接收器接收的光的强度反馈回间距调节控制器的反馈部分；间距调节控制器通过控制间距调节器来调节测量表面和被测物体的表面之间的间距，使得当由光接收器接收的光的强度低于预定值时，通过在远离被测物体的表面的方向上移动头部，以及当由光接收器接收的光的强度大于预定值时，在接近被测物体的表面的方向上移动头部，来将由光接收器接收的光的强度维持在预定值；并且检测器基于间距调节器相对于被测物体的表面的位移量来检测被测物体的表面形状。
在该示例中，当具有高折射率的介质(诸如玻璃)靠近在具有低折射率的介质(诸如空气)中产生的倏逝光时，通过触笔头的入射部分入射的光的一部分通过到达具有高折射率的介质的表面的倏逝光传播并穿透出具有高折射率的介质。光以这种方式通过倏逝光从第一半透明材料(根据本发明的触笔头)穿透到第二半透明材料(被测物体)的特征被称为隧穿效应。通过隧穿效应，当光从第一材料穿透到第二材料时，被触笔头的全反射表面全反射并到达光接收器的光的强度降低。
根据利用该特征的本发明的配置，被测物体是半透明的，并且形状测量装置包括由间距调节控制器和反馈部分控制的间距调节器。当由光接收器接收的光的强度低于预定值时，通过在远离被测物体的表面的方向上位移头部，以及当由光接收器接收的光的强度大于预定值时，通过在接近被测物体的表面的方向上位移头部，间距调节控制器可以使由光接收器接收的光保持恒定。检测器基于间距调节器相对于被测物体的表面的位移量来检测被测物体的表面的形状。因此，形状测量装置可以使用光以高精度测量被测物体的表面的形状，而无需与被测物体的表面接触，同时保持触笔头的测量表面与被测物体的表面之间的恒定的间隔距离。另外，即使在被测物体的表面上有突起或凹陷，形状测量装置也利用由反馈部分和间距调节控制器控制的间距调节器来执行测量，同时使触笔头的测量表面和被测物体的表面之间的间隔距离保持恒定。因此，形状测量装置能够适于具有各种形状的被测物体，并且稳定地测量被测物体的形状。
此时，光源优选的是发射激光的激光光源。
利用这种配置，光源是发射激光的激光光源，并且因此与使用另一个光源时相比，光接收器可以更有效地接收由被测物体的表面反射的光。
附图说明
在下面的详细描述中，通过本发明的示例性实施例的非限制性示例，参考所提到的多个附图，进一步描述了本发明，贯穿附图的几个视图，相似的附图标号表示类似的部分，其中：
图1示出了根据本发明第一实施例的形状测量装置；
图2是形状测量装置的框图；
图3A和图3B示出了在形状测量装置中测量被测物体的表面的形状的方法；
图4是示出在形状测量装置中测量被测物体的表面的形状的方法的流程图；
图5示出了根据本发明第二实施例的形状测量装置；
图6是形状测量装置的框图；
图7是根据形状测量装置的触笔头和被测物体的放大视图；
图8示出了根据修改的形状测量装置；以及
图9示出了传统的形状测量装置。
具体实施方式
本文示出的细节仅作为示例，并用于对本发明的实施例进行说明性讨论的目的，并且是为了提供被认为是对本发明的原理和概念方面最有用和最容易理解的描述而呈现的。在这点上，除了对本发明的基本理解所必需的之外，没有尝试更详细地示出本发明的结构细节，结合附图进行的描述使本领域技术人员清楚如何在实践中体现本发明的形式。
第一实施例
在下文中，参照图1至图4描述本发明的第一实施例。图1示出了根据本发明第一实施例的形状测量装置1。如图1所示，形状测量装置1包括测量被测物体(可测量物体)W的表面H的形状的头部2，并且是测量基本板形的被测物体W的平面表面H的形状的表面形状测量装置。被测物体W例如是半透明的玻璃。被测物体W例如是车辆的窗玻璃，其被固定以便在测量期间不移动。形状测量装置1使用光来测量玻璃(被测物体W)的表面H的形状。
头部2包括光源3和光接收器4，光源3向被测物体W的表面H发射光，光接收器4与光源3整体位移并通过被测物体W的表面H接收光。光源3是发射激光的激光光源。通过采用激光光源作为光源3，与使用另一光源时相比，光接收器4可以更有效地接收由被测物体W的表面H反射的光。光源3不限于激光光源，而是可以采用任意光源，诸如发光二极管(lightemitting diode，LED)。采用光电二极管阵列(photo diode array，PDA)作为光接收器4。光接收器4不限于PDA，并且可以采用任意检测设备，诸如位置敏感检测器(positionsensitive detector，PSD)或电荷耦合器件(charge-coupled device，CCD)，只要检测设备能够接收由被测物体W的表面H反射的光。
头部2还包括半透明的触笔头5，触笔头5与光源3和光接收器4整体位移，并且布置在光源3和光接收器4之间。触笔头5例如由玻璃形成。触笔头5包括使来自光源3的光入射到触笔头5内部的入射部分51、全反射来自入射部分51的入射光的反射部分52、以及向光接收器4发射被反射部分52全反射的光的光发射部分53。入射部分51、反射部分52和光发射部分53具有平面形状。然而，这些部分可以形成为任何形状，诸如曲面或波浪形状，只要入射部分能够使来自光源的光入射到触笔头内部，反射部分能够全反射来自入射部分的光，并且光发射部分能够向光接收器发射被反射部分反射的光。并且，在包括图1的所有附图中，以实线箭头示出了从光源3发射、通过触笔头5的入射部分51入射、被反射部分52反射、通过光发射部分53发射、并且向光接收器4行进的光的光学路径。
反射部分52包括全反射表面521和测量表面(measuring surface)(测量面(measurement surface))522，其中全反射表面521全反射来自光源3的光，测量表面(测量表面)522位于全反射表面521的对侧并且面向被测物体W的表面H布置。测量表面522和被测物体W的表面H之间的介质是空气，其是折射率低于触笔头5和被测物体W的介质。在该示例中，通过入射部分51入射到触笔头5内部的光被反射部分52的全反射表面521全反射，并且这在全反射表面521的对侧上的空气中在测量表面522处产生倏逝光E。触笔头5使测量表面522和被测物体W的表面H彼此面对，将测量表面522与被测物体W的表面H分开，并且被布置成使得倏逝光E到达被测物体W的表面H。
另外，形状测量装置1包括扫描器6和间距调节器7，其中扫描器6通过在预定扫描方向上相对于被测物体W位移头部2来进行扫描，并且间距调节器7通过在基本垂直于被测物体W的表面H的Z方向上相对于头部2位移来调节触笔头5的测量表面522和被测物体W的表面H之间的间距。在该示例中，预定扫描方向是指，相对于被测物体，预定线性方向(一维方向)或平行于预定平面的方向(二维方向)，其示例包括沿着以柱状形状形成的被测物体(诸如玻璃棒)的表面(侧表面)的方向、沿着以圆柱形状形成的被测物体(诸如玻璃管或孔)的表面(内表面)的方向、以及沿着以球形形状形成的被测物体(诸如透镜或球)的表面的方向。
在本实施例中，扫描器6通过在正交于Z方向的方向上和在XY平面方向上位移头部2来进行扫描，其中Z方向是基本垂直于被测物体W的表面H的方向，XY平面方向是基本平行于测量表面522的方向。扫描器6和间距调节器7是相对于被测物体W的表面H位移头部2的马达。扫描器6在XY平面方向上位移头部2，并且间距调节器7通过调节测量表面522和被测物体W的表面H之间的间隔距离在Z方向上位移头部2。因此，形状测量装置1可以如图1中的虚线箭头所示沿着被测物体W的表面H位移头部2。形状测量装置1可以在扫描器6和间距调节器7的移动范围内执行测量。
在所有附图中，在本实施例中，X方向是与基本垂直于被测物体W的表面H的方向正交的方向、基本平行于测量表面522的方向以及扫描器6移动的方向(图纸平面上的左右方向)。Z方向是基本垂直于被测物体W的表面H的方向，并且是间距调节器7的位移轴方向(图纸平面上的上下方向)。Y方向是与X方向和Z方向正交的方向(图纸平面上的深度方向)。以下描述可以简单地涉及X方向、Y方向和Z方向。
图2是示出形状测量装置1的框图。如图2所示，形状测量装置1还包括控制器8，其控制被测物体W和头部2的相对位移，以及检测器9，其基于光接收器4接收到的光来检测被测物体W的表面H的形状。控制器8和检测器9例如是微型计算机。控制器和检测器不限于微型计算机，而可以是例如外部连接的个人计算机，并且可以由任何组件配置，只要可以控制被测物体和头部之间的相对位移并且可以基于由光接收器接收的光来检测被测物体的形状。
控制器8包括控制扫描器6的扫描控制器81、控制间距调节器7的间距调节控制器82、以及将由光接收器4接收的光的强度反馈回间距调节控制器82的反馈部分83。扫描控制器81控制扫描器6，并且在本实施例中，通过在作为预定扫描方向的X方向上相对于被测物体W位移头部2来执行扫描。间距调节控制器82通过控制间距调节器7来调节测量表面522和被测物体W的表面H之间的间距，使得当由光接收器4接收的光的强度低于预定值时，通过在远离被测物体W的表面H的方向上移动头部2，以及当光接收器接收到的光的强度大于预定值时，通过在接近被测物体W的表面H的方向上移动头部，来将由光接收器4接收的光的强度维持在预定值。检测器9基于间距调节器7相对于被测物体W的表面H的位移量来检测被测物体W的表面H的形状。
具体地，当被测物体W(具有高折射率的介质，诸如玻璃)靠近在空气(具有低折射率的介质)中产生的倏逝光E时，从触笔头5的入射部分51入射的光的一部分通过在测量表面522处产生的倏逝光E传播并穿透出被测物体W。这个特征被称为隧穿效应。当光通过倏逝光E从触笔头5(第一半透明材料)穿透到被测物体W(第二半透明材料)时，光被全反射表面521全反射，并且通过光发射部分53发射并且由光接收器4接收的光的强度降低。此时，触笔头5的测量表面522和被测物体W的表面H之间的间隔距离越窄，穿透被测物体W的光增加得越多，并且由光接收器4接收的光的强度降低。间距调节控制器82基于由光接收器4接收的光强度的大小计算测量表面522和被测物体W的表面H之间的间隔距离，并且通过位移头部2来调节间隔距离，从而使测量表面522和被测物体W的表面H之间的间隔距离保持恒定。间距调节控制器82控制头部2的位移，以便使由光接收器4接收的光的强度保持恒定，并且因此，检测器9基于间距调节器7的位移量检测被测物体W的表面H的形状。
图3A和图3B示出了在形状测量装置1中测量被测物体W的表面H的形状的方法。具体地，图3A示出了触笔头5的测量表面522和被测物体W的表面H保持恒定的间隔距离，并且光接收器4接收具有预定强度的光的情况。图3B示出了由于倏逝光E的隧穿效应，光传播并穿透到被测物体W，并且光接收器4接收强度低于预定强度的光的情况。图4是示出在形状测量装置1中测量被测物体W的表面H的形状的方法的流程图。在下文中，参照图3A、图3B和图4描述在形状测量装置1中测量被测物体W的表面H的形状的方法。
首先，如图3A所示，形状测量装置1向触笔头5的入射部分51发射光。通过入射部分51入射到触笔头5内部的光被反射部分52的全反射表面521全反射，并且通过光发射部分53向光接收器4发射。此时，在从测量表面522的空气中产生倏逝光E。接下来，如图4所示，光接收器4执行接收从光发射部分53发射的光的光接收步骤(步骤ST01)。当执行光接收步骤时，反馈部分83执行反馈步骤，该反馈步骤将由光接收器4接收的光的强度反馈回间距调节控制器82(步骤ST02)。
基于在反馈步骤中获得的反馈，间距调节控制器82确定由光接收器4接收的光的强度是否低于预定值(步骤ST03)。在该示例中，如图3A所示，预定值是当被全反射表面521全反射的光当中的少量光(以虚线箭头示出)由于隧穿效应通过倏逝光E传播并穿透到被测物体W时由光接收器4接收的光的强度。由光接收器4接收的光的强度低于预定值的情况是这样的情况，如图3B所示，在该情况中，测量表面522靠近被测物体W的表面H并且间隔距离变窄，由此通过倏逝光E传播并穿透到被测物体W内部的光(以实线箭头示出)与图3A相比有所增加，并且由光接收器4接收的光的强度降低。
如图4所示，当确定由光接收器4接收的光的强度低于预定值时(步骤ST03中的“是”)，测量表面522靠近被测物体W的表面H，并且间隔距离为窄。因此，间距调节控制器82在+Z方向上位移头部2，该+Z方向是远离被测物体W的表面H的方向，直到由光接收器4接收的光达到预定强度(步骤ST04)。通过调节触笔头5的测量表面522和被测物体W的表面H之间的间隔距离，由于隧穿效应，传播和穿透到被测物体W的光量减少，并且如图3A所示，光接收器4可以接收具有预定强度的光。
如图4所示，当确定由光接收器4接收的光的强度不低于预定值时(步骤ST03中的“否”)，间距调节控制器82接下来确定由光接收器4接收的光的强度是否大于预定值(步骤ST05)。在该示例中，由光接收器4接收的光的强度大于预定值的情况是倏逝光E没有到达被测物体W的表面H的情况，或者是通过倏逝光E传播和穿透到被测物体W的光量极小并且由光接收器4接收的光大于具有预定值的强度的光的情况。
当间距调节控制器82确定由光接收器4接收的光的强度大于预定值时(步骤ST05中的“是”)，测量表面522远离被测物体W的表面H，导致间隔距离更大，并且因此，间距调节控制器82在-Z方向上位移头部2，该-Z方向是测量表面522接近被测物体W的表面H的方向(步骤ST06)。通过调节触笔头5的测量表面522和被测物体W的表面H之间的间隔距离，由于隧穿效应，传播和穿透到被测物体W的光量增加，并且如图3A所示，光接收器4可以接收具有预定强度的光。
如图4所示，当间距调节控制器82确定由光接收器4接收的光的强度不大于预定值时(步骤ST05中为“否”)，由光接收器4接收的光的强度为预定值，并且不需要调节触笔头5的测量表面522和被测物体W的表面H之间的间隔距离。因此，间距调节控制器82不位移头部2，并且保持在Z方向上的位置，该Z方向是垂直方向(步骤ST07)。在步骤ST03和ST07之间，检测器9基于间距调节器7在Z方向上的位移量来检测被测物体W的表面H的形状。形状测量装置1在头部2被扫描器6位移时的预定时刻执行步骤ST01至ST07，并且基于由间距调节控制器82在触笔头5的测量表面522和被测物体W的表面H之间进行的间隔距离调节的状态来测量半透明的被测物体W的表面H的形状。
以这种方式，根据第一实施例可以实现以下效果和优点。(1)头部2包括布置在光源3和光接收器4之间的半透明的触笔头5，以及由于设置在触笔头5上的入射部分51、反射部分52和光发射部分53，可以使用在反射部分52的测量表面522处产生的倏逝光E来测量被测物体W的表面H的形状。光接收器4可以根据由于倏逝光E而改变的光的状态来测量被测物体W的表面H的形状。因此，形状测量装置1可以使用在触笔头5的测量表面522处产生的倏逝光E以高精度测量被测物体W的表面H的形状，而无需与被测物体W的表面H接触。
(2)形状测量装置1包括由间距调节控制器82和反馈部分83控制的间距调节器7。当由光接收器4接收的光的强度低于预定值时，通过在+Z方向(远离被测物体W的表面H的方向)上位移头部2，并且当由光接收器4接收的光的强度大于预定值时，通过在-Z方向(接近被测物体W的表面H的方向)上位移头部2，间距调节控制器82可以使由光接收器4接收的光保持恒定。检测器9基于间距调节器7相对于被测物体W的表面H的位移量来检测被测物体的表面的形状。因此，形状测量装置1可以在保持触笔头5的测量表面522和被测物体W的表面H之间的恒定间隔距离的同时，使用光以高精度测量被测物体W的表面H的形状，而无需与被测物体W的表面H接触。
(3)即使在被测物体W的表面H上有突起或凹陷，形状测量装置1也使用由反馈部分83和间距调节控制器82控制的间距调节器7来执行测量，同时保持触笔头5的测量表面522和被测物体W的表面H之间的恒定间隔距离。因此，形状测量装置1可以处理具有各种形状的被测物体，并且稳定地测量被测物体W的表面H的形状。(4)光源3是发射激光的激光光源，并且因此，与使用另一光源相比，光接收器4可以更有效地接收由被测物体W的表面H反射的光。
第二实施例
在下文中，参照图5至图7描述本发明的第二实施例。在下面的描述中，先前已经描述的那些部分被赋予相同的附图标号，并且省略其描述。图5示出了根据本发明第二实施例的形状测量装置1A，并且图6是形状测量装置1A的框图。并且，图7是根据形状测量装置1A的触笔头5和被测物体W的放大视图。具体地，图7中的(A)示出了当测量表面522和被测物体W的表面H之间的间隔距离为窄的情况；图7中的(B)示出了当测量表面522和被测物体W的表面H之间的间隔距离为预定值的情况；图7中的(C)示出了当测量表面522和被测物体W的表面H之间的间隔距离为大的情况。
在第一实施例中，形状测量装置1包括间距调节器7、间距调节控制器82和反馈部分83。并且，检测器9基于间距调节器7的位移量来检测被测物体W的表面H的形状。如图5和图6所示，第二实施例与第一实施例的不同之处在于，形状测量装置1A不设置有间距调节器、间距调节控制器和反馈部分；并且检测器9A基于由光接收器4接收的光的强度来检测被测物体W的表面H的形状，该光的强度由于由扫描器6对头部2的位移而改变。此时，扫描器6通过使用扫描控制器81在X方向(用作预定扫描方向)上位移头部2来执行扫描。
如图5所示，由光接收器4接收的穿过触笔头5的光的强度基于倏逝光E到达被测物体W的表面H所通过的距离而变化。换句话说，触笔头5的测量表面522和被测物体W的表面H之间的间隔距离越窄，从触笔头5通过倏逝光E传播并穿透到被测物体W的光增加得越多，并且被光接收器4接收的光的强度降低得越多。触笔头5的测量表面522和被测物体W的表面H之间的间隔距离越宽，从触笔头5通过倏逝光E传播到被测物体W的光越少，与光传播并穿透到被测物体W的情况相比，由光接收器4接收的光的强度增加得越多。
当被测物体W的表面H的形状的变化在倏逝光E到达被测物体W的表面H的范围内时，如图7所示，通过使用扫描器6沿着X方向(预定扫描方向)位移头部2，由光接收器4接收的光的强度变化。具体地，触笔头5的测量表面522和被测物体W的表面H之间的间隔距离越窄，则越多的光通过倏逝光E穿透到被测物体W，如图7的(A)中的实线箭头所示，并且由光接收器4接收的光的强度降低得越多。触笔头5的测量表面522和被测物体W的表面H之间的间隔距离越大，则越少的光通过倏逝光E穿透到被测物体W，如图7的(B)或(C)中的虚线箭头所示，并且与图7的(A)相比，由光接收器4接收的光的强度增加得越多。检测器9A根据在倏逝光E到达被测物体W的表面H的范围内产生的由光接收器4接收的光强度的变化来检测被测物体W的表面H的形状。因此，形状测量装置1A可以根据由光接收器4接收的光强度的变化来测量被测物体W的表面H的形状，而无需使用间距调节器来调节触笔头5的测量表面522和被测物体W的表面H之间的间隔距离。
在上述第二实施例中，除了类似于根据第一实施例的(1)和(4)的效果和优点之外，还可以实现以下效果和优点。(5)形状测量装置1A可以简单地通过使用扫描器6在X方向(扫描方向)上扫描头部2(扫描器6通过在X方向(预定扫描方向)上相对于被测物体W相对地位移具有触笔头5的头部2)位移来执行扫描，基于光强度测量被测物体W的表面H的形状，而无需与被测物体W的表面H接触。(6)当被测物体W的表面H的形状的变化在倏逝光E到达表面H的范围内时，第一实施例中的间距调节器7不是必需的，因此可以降低成本。
实施例的修改
此外，本发明不限于上述实施例，并且包括在能够实现本发明的优点的范围内的修改和改进。例如，在上述各个实施例中，形状测量装置1和1A是表面形状测量装置。然而，代替表面形状测量装置，形状测量装置可以是坐标测量装置、粗糙度测量装置或圆度测量装置。对形状测量装置测量哪种被测物体以及使用哪种测量方法没有特别的限制。因此，根据上述各个实施例的头部2由扫描器6在XY平面方向上位移，并且由间距调节器7在Z方向上位移。然而，头部可以例如设置在操纵器的最前端，并且设置在具有至少三个自由度的形状测量装置上。在上述各个实施例中，被测物体W是半透明的。然而，被测物体不必是半透明的，并且可以使用任意材料代替玻璃。例如，当不希望光进入被测物体内部时，可以使用根据本发明的形状测量装置。
并且，在上述各个实施例中，通过位移头部2并使用扫描器6进行扫描来测量单个被测物体W的表面H的形状。然而，形状测量装置可以不需要具有扫描器，而是可以在不用头部扫描的情况下限制在XY方向上的位移，并且通过使用间距调节器仅调节触笔头和被测物体之间的Z方向间隔距离来测量具有相同形状的多个被测物体的表面。具体地，可以通过互换具有相同形状的多个测量对象来测量预定点或多个点，并且形状测量装置可以测量Z方向形状对于具有相同形状的多个测量物体中的每一个是否是均匀的。具有相同形状的多个被测物体在Z方向上必须各自具有相同的形状。如果形状有误差，则调整触笔头和被测物体之间的间隔距离。因此，形状测量装置可以使用间距调节器基于头部在Z方向上的位移量来测量多个被测物体是否具有相同的形状。
在上述各个实施例中，形状测量装置1和1A使用倏逝光E的隧穿效应来测量被测物体W的表面H的形状。然而，可以在没有隧穿效应的情况下使用任何方法来测量被测物体的形状，只要可以使用倏逝光测量被测物体的形状。简言之，形状测量装置的触笔头被布置成将测量表面与被测物体的表面分开，并且还使得在朝向全反射表面的对侧的方向上在测量表面处产生的倏逝光到达被测物体的表面。检测器只需要能够基于由光接收器接收的光的并且由到达被测物体的表面的倏逝光引起的变化来检测被测物体的形状。
在第一实施例中，如图3A所示，预定值是当被全反射表面521全反射的光当中的少量光(如虚线箭头所示)由于隧穿效应而通过倏逝光E传播并穿透到被测物体W时，由光接收器4接收的光的强度。然而，光没有行进到被测物体的状态可以被定义为预定值，并且如何定义该预定值是一个设计问题。
图8示出了根据修改的形状测量装置1B。在上述各个实施例中，在没有测量台的情况下测量被测物体W的表面H的形状。如图8所示，根据修改的形状测量装置1B与上述各个实施例的不同之处在于，形状测量装置1B包括能够在X和Y方向(平行于被测物体W的表面H的方向)上位移的测量台D2，并且用作扫描器。在上述各个实施例中，扫描器6使用扫描控制器81相对于被测物体W位移头部2。然而，扫描器可以如上述实施例中那样位移头部侧，或者可以相对于头部相对地位移被测物体。换句话说，扫描器可以以任何方式相对地位移，只要扫描器能够通过在预定扫描方向上相对于被测物体和头部位移来进行扫描。并且，根据第一实施例的间距调节器7使用间距调节控制器82来控制头部2的位移，以便通过根据由光接收器4接收的光的强度的预定值而在Z方向上从被测物体W的表面H位移头部2来调节间距。然而，间距调节器可以用作测量台，并且间距调节控制器可以通过控制测量台而在Z方向上从被测物体的表面位移头部来调节间距。
因此，头部在XYZ方向上的位移是有限的，扫描控制器可以通过控制用作扫描器的测量台D2并且通过在预定扫描方向上相对于头部相对地位移被测物体来进行扫描而引起在X和Y方向上的位移，并且间距调节控制器可以通过控制用作间距调节器的测量台D2而在Z方向上相对于被测物体相对地位移头部来调节触笔头的测量表面和被测物体的表面之间的间距。另外，被测物体和头部之间的间距调节和相对位移也可以手动执行，并且形状测量装置不需要具有扫描器和间距调节器。总之，形状测量装置仅需要能够基于由光接收器接收的光的并且由到达被测物体表面的倏逝光引起的变化来检测被测物体表面的形状。
如上所述，本发明可以有利地用于形状测量装置。
应该注意的是，前面的示例仅仅是为了解释的目的而提供的，并且不应解释为对本发明的限制。虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本文使用的词语是描述性和说明性的词语，而不是限制性的词语。在不脱离本发明的范围的情况下，在所附权利要求书的范围内，可以进行改变，如目前陈述的和修改的。尽管本文已经参考特定的结构、材料和实施例描述了本发明，但是本发明并不意图限于本文公开的细节；相反，本发明扩展到所有功能等同的结构、方法和用途，诸如在所附权利要求的范围内的结构、方法和用途。
本发明不限于上述实施例，并且在不脱离本发明的范围的情况下，各种变化和修改是可能的。

Claims (8)

1.一种形状测量装置，包括：
头部，包括：
光源，其向可测量物体的表面发射光；
光接收器，其与所述光源可整体位移并且通过所述可测量物体的表面接收光；和
半透明的触笔头，其位于所述光源和所述光接收器之间并且与所述光源和所述光接收器可整体位移，所述半透明的触笔头包括：
入射部分，其使来自所述光源的光被入射到所述半透明的触笔头内部；
反射部分，其全反射来自所述入射部分的入射光，所述反射部分包括全反射来自所述光源的光的全反射表面和位于所述全反射表面的对侧上、面向所述可测量物体的表面布置的测量表面；和
光发射部分，其向所述光接收器发射被所述反射部分全反射的光，其中，所述半透明的触笔头被布置成使得：
所述测量表面与所述可测量物体的表面分开，并且
在朝向所述全反射表面的对侧的方向上在所述测量表面处产生的倏逝光到达所述可测量物体的表面；和
检测器，其基于由所述光接收器接收的光的并且由到达所述可测量物体的表面的倏逝光引起的变化来检测所述可测量物体的表面的形状。
2.根据权利要求1所述的形状测量装置，还包括：
控制器，其控制所述可测量物体和所述头部的相对位移；和
扫描器，其通过在预定扫描方向上相对于所述可测量物体位移所述头部来进行扫描，其中：
所述控制器包括控制所述扫描器的扫描控制器，并且
所述检测器基于由所述光接收器接收的光的强度来检测所述可测量物体的表面的形状。
3.根据权利要求1所述的形状测量装置，还包括：
控制器，其控制所述可测量物体和所述头部的相对位移；和
间距调节器，其通过相对于所述可测量物体位移所述头部来调节所述半透明的触笔头的测量表面和所述可测量物体的表面之间的间距，其中：
所述可测量物体是半透明的；
所述控制器包括：
间距调节控制器，其控制所述间距调节器；和
反馈部分，其将由所述光接收器接收的光的强度反馈回所述间距调节控制器；
所述间距调节控制器通过以下方式调节所述测量表面和所述可测量物体的表面之间的间距：
控制所述间距调节器，使得由所述光接收器接收的光的强度通过以下方式维持在预定值：当由所述光接收器接收的光的强度低于预定值时，在远离所述可测量物体的表面的方向上移动所述头部，和
当由所述光接收器接收的光的强度大于预定值时，在接近所述可测量物体的表面的方向上移动所述头部，并且
所述检测器基于所述间距调节器相对于所述可测量物体的表面的位移量来检测所述可测量物体的表面的形状。
4.根据权利要求2所述的形状测量装置，还包括间距调节器，所述间距调节器通过相对于所述可测量物体位移所述头部来调节所述半透明的触笔头的测量表面和所述可测量物体的表面之间的间距，其中：
所述可测量物体是半透明的；
所述控制器包括：
间距调节控制器，其控制所述间距调节器；和
反馈部分，其将由所述光接收器接收的光的强度反馈回所述间距调节控制器；
所述间距调节控制器通过以下方式调节所述测量表面和所述可测量物体的表面之间的间距：
控制所述间距调节器，使得由所述光接收器接收的光的强度通过以下方式维持在预定值：当由所述光接收器接收的光的强度低于预定值时，在远离所述可测量物体的表面的方向上位移所述头部，和
当由所述光接收器接收的光的强度大于预定值时，在接近所述可测量物体的表面的方向上位移所述头部，并且
所述检测器基于所述间距调节器相对于所述可测量物体的表面的位移量来检测所述可测量物体的表面的形状。
5.根据权利要求1所述的形状测量装置，其中，所述光源是发射激光的激光光源。
6.根据权利要求2所述的形状测量装置，其中，所述光源是发射激光的激光光源。
7.根据权利要求3所述的形状测量装置，其中，所述光源是发射激光的激光光源。
8.根据权利要求4所述的形状测量装置，其中，所述光源是发射激光的激光光源。
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