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QUERVERWEIS AUF VERBUNDENE ANMELDUNGEN
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Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der
japanischen Patentanmeldung Nr. 2014-015255 , angemeldet am 30. Januar 2014, deren Offenbarung in ihrer Gesamtheit explizit durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung und ein Beleuchtungsverfahren, die dazu geeignet sind, Licht auf ein Objekt auszugeben, und betrifft auch eine Messvorrichtung und ein Messverfahren, die dazu geeignet sind, beispielsweise eine Form des Objekts zu vermessen.
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2. Beschreibung des Stands der Technik
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Bisher ist ein kontaktloser optischer Sensor bekannt, der Positionskoordinaten oder dergleichen von verschiedenen Abschnitten eines vermessenen Objekts (Werkstücks) erhält, indem Laserlicht auf das Werkstück emittiert und das von einer Oberfläche des Werkstücks reflektierte Licht detektiert wird (siehe zum Beispiel die
japanische Veröffentlichung der PCT Anmeldung Nr. 2009-534969 ).
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Beispiele eines kontaktlosen optischen Sensors enthalten einen optischen Sensor vom Linientyp und einen optischen Sensor vom Punktbewegungstyp. Bei dem optischen Sensor vom Linientyp erhält Laserlicht, das von einer Laserlichtquelle emittiert wird, eine Linienform durch einen Strahlaufweiter oder dergleichen und wird dann auf ein Werkstück abgegeben. Eine Form des Werkstücks wird vermessen, indem ein Bild des linienförmigen Lichts, das auf das Werkstück abgegeben wird, aufgenommen wird.
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Der optische Sensor vom Punktbewegungstyp verwendet einen reflektierenden Spiegel, wie zum Beispiel einen Galvanospiegel, der drehbar bereitgestellt ist. Das von der Laserlichtquelle emittierte Laserlicht trifft auf den reflektierenden Spiegel, dann wird das punktförmige Licht (der Laserpunkt), das durch den reflektierenden Spiegel reflektiert wird, auf das Werkstück abgegeben, (das heißt darauf gerichtet). Zu diesem Zeitpunkt wird der reflektierende Spiegel relativ zu dem einfallenden Licht drehend angetrieben und das punktförmige Licht scannt über das Werkstück, um einer Linienform in Übereinstimmung mit dem drehenden Antrieb des reflektierenden Spiegels zu folgen. Die Form des Werkstücks wird durch das Aufnehmen eines Bildes des punktförmigen Lichtes, das über das Werkstück fährt, vermessen.
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Bei der oben beschriebenen Vermessungsvorrichtung vom Punktbewegungstyp wird die Position (Form) des Werkstücks unter Verwendung von Verfahren der Triangulation, basierend auf dem Rotationswinkel des reflektierenden Spiegels, berechnet. Um eine hohe Genauigkeit mit der Messvorrichtung zu erzielen, ist es wichtig, dass der Rotationswinkel des reflektierenden Spiegels genau gemessen wird.
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Um beispielsweise den Rotationswinkel des reflektierenden Spiegels zu detektieren, kann ein Rotationsencoder oder dergleichen an dem Motor angebracht werden, der den reflektierenden Spiegel rotierend antreibt. In einem solchen Fall würde der Rotationsencoder jedoch dem Motor eine Last hinzufügen und ein Hochgeschwindigkeitsverfahren des Laserlichts über das Werkstück würde schwierig werden. Zusätzlich würde der Motor wegen der Anforderung eines angemessenen Drehmoments größer und die Messvorrichtung könnte nur schwer in ihrer Größe reduziert werden.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Im Hinblick auf das Vorhergehende stellt die vorliegende Erfindung eine Beleuchtungsvorrichtung, ein Beleuchtungsverfahren, eine Messvorrichtung und ein Messverfahren bereit, die dazu in der Lage sind, einen Winkel eines Spiegels mit einem hohen Maß an Genauigkeit und mit einem kleinen Profil zu berechnen.
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Eine Beleuchtungsvorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Lichtquelle, einen reflektierenden Spiegel, ein optisches System und einen Rechner. Der reflektierende Spiegel enthält einen ersten reflektierenden Abschnitt und einen zweiten reflektierenden Abschnitt und ist dazu in der Lage, während ein Reflexionswinkel geändert wird, ein erstes Teillicht zu reflektieren und auf ein Objekt zu richten, wobei das erste Teillicht ein Teil des Lichtes von der Lichtquelle ist, der auf den ersten reflektierenden Abschnitt abgegeben wird. Das optische System teilt das Licht von der Lichtquelle in das erste Teillicht und ein zweites Teillicht und führt das zweite Teillicht auf den zweiten reflektierenden Abschnitt. Der Rechner ist dazu in der Lage, den Reflexionswinkel des reflektierenden Spiegels durch Empfangen des zweiten Teillichts, das durch den zweiten reflektierenden Abschnitt reflektiert wurde, zu berechnen.
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Bei der Beleuchtungsvorrichtung wird das Licht von der Lichtquelle in das erste Teillicht und das zweite Teillicht aufgeteilt, und das erste Teillicht wird durch den reflektierenden Spiegel auf das Objekt gerichtet. Das zweite Teillicht wird durch den zweiten reflektierenden Abschnitt des reflektierenden Spiegels reflektiert und wird durch den Rechner empfangen. Der Rechner berechnet den Reflexionswinkel des reflektierenden Spiegels auf der Grundlage des empfangenen zweiten Teillichts. Durch Teilen des Lichts von der Lichtquelle und Verwenden eines Teils des Lichts, um den Reflexionswinkel auf diese Weise zu berechnen, kann der Reflexionswinkel des reflektierenden Spiegels mit einem hohen Maß an Genauigkeit berechnet werden. Zusätzlich wird ein Rotationsencoder oder dergleichen zum Detektieren des Rotationswinkels des reflektierenden Spiegels unnötig und die Beleuchtungsvorrichtung kann kleiner ausgeführt werden.
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Der reflektierende Spiegel kann auch das erste Teillicht in einer linearen Form auf das Objekt richten. Weil der Reflexionswinkel des reflektierenden Spiegels berechnet wird, kann die Form des Objekts, auf welches das erste Teillicht beispielsweise in einer Linienform abgegeben wurde, mit einem hohen Maß an Genauigkeit vermessen werden.
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Der reflektierende Spiegel kann auch einen Spiegel umfassen, der auf einer einzigen Achse zentriert rotiert. In einem solchen Fall kann der Rechner auch den Rotationswinkel des Spiegels berechnen. Der Rotationswinkel des Spiegels kann mit einem hohen Maß an Genauigkeit berechnet werden und daher kann die Form des Objekts mit einem hohen Maß an Genauigkeit vermessen werden.
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Der reflektierende Spiegel kann auch eine Frontoberfläche und eine Rückoberfläche aufweisen. In einem solchen Fall kann der erste reflektierende Abschnitt auf der Frontoberfläche vorgesehen sein, während der zweite reflektierende Abschnitt auf der Rückoberfläche vorgesehen sein kann. Dadurch kann der Reflexionswinkel des reflektierenden Spiegels mit einem hohen Maß an Genauigkeit berechnet werden, ohne das Ausgeben des ersten Teillichts zu beeinflussen.
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Der erste reflektierende Abschnitt und der zweite reflektierende Abschnitt können auch an jeweils verschiedenen Positionen auf der Frontoberfläche vorgesehen sein. Dadurch kann der Reflexionswinkel des reflektierenden Spiegels mit einem hohen Maß an Genauigkeit und mit einer einfachen Ausgestaltung berechnet werden.
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Das optische System kann auch das erste und zweite Teillicht derart teilen, dass das zweite Teillicht eine niedrigere Intensität als diejenige des ersten Teillichts hat. Dadurch kann die Genauigkeit für eine Formvermessung, die durch das Emittieren des ersten Teillichts durchgeführt wird, verbessert werden.
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Der reflektierende Spiegel kann auch ein Galvanospiegel oder ein Resonanzspiegel sein. Selbst in einem Fall, wo einer der beiden Spiegel als der reflektierende Spiegel verwendet wird, kann der Reflexionswinkel mit einem hohen Maß an Genauigkeit berechnet werden, ohne einen Rotationsencoder zu verwenden.
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Die Lichtquelle kann auch eine Laserlichtquelle sein. Eine Laserlichtquelle hat eine ausgezeichnete Richtbarkeit und kann einen kleineren Lichtpunkt bilden und kann daher eine Auftreffposition auf dem Werkstück genauer definieren. Als eine Folge kann die Genauigkeit für die Formvermessung verbessert werden.
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Ein Beleuchtungsverfahren gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Teilen von Licht, das von einer Lichtquelle emittiert wird, in ein erstes Teillicht und ein zweites Teillicht; emittieren (das heißt abgeben) des ersten Teillichts auf einen ersten reflektierenden Abschnitt auf einem reflektierenden Spiegel; und Leiten des zweiten Teillichts auf einen zweiten reflektierenden Abschnitt des reflektierenden Spiegels. Das erste Teillicht wird durch Reflektieren des ersten Teillichts mit dem ersten reflektierenden Abschnitt, während eines Veränderns eines Reflexionswinkels des reflektierenden Spiegels, auf ein Objekt abgegeben. Der Reflexionswinkel des reflektierenden Spiegels wird berechnet, indem das zweite Teillicht, das durch den zweiten reflektierenden Abschnitt reflektiert wird, empfangen wird.
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Eine Messvorrichtung gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die Lichtquelle, den reflektierenden Spiegel, das optische System, den Rechner und einen Messer. Der Messer ist dazu in der Lage, eine Form eines Objekts auf der Grundlage eines Bildes, das durch Aufnehmen eines Bildes des ersten Teillichts, das auf das Objekt abgegeben wurde, erhalten wurde, und des Reflexionswinkels, der durch den Rechner berechnet wurde, zu vermessen.
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Bei der Messvorrichtung wird das zweite Teillicht dazu verwendet, den Reflexionswinkel des reflektierenden Spiegels mit einem hohen Maß an Genauigkeit zu berechnen. Zusätzlich vermisst die Messvorrichtung die Form des Objekts auf der Grundlage des Bildes, das durch das Aufnehmen eines Bildes des ersten Teillichts, das auf das Objekt abgegeben wurde, erhalten wurde, und des Reflexionswinkels des reflektierenden Spiegels. Dies ermöglicht eine sehr genaue Formvermessung. Zusätzlich kann die Messvorrichtung kleiner ausgestaltet werden.
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Ein Messverfahren gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält ein Teilen von Licht, das von einer Lichtquelle emittiert wird, in ein erstes Teillicht und ein zweites Teillicht; Abgeben des ersten Teillichts auf einen ersten reflektierenden Abschnitt auf einem reflektierenden Spiegel; und Führen des zweiten Teillichts auf einen zweiten reflektierenden Abschnitt auf dem reflektierenden Spiegel. Das erste Teillicht wird durch Reflektieren des ersten Teillichts mit dem ersten reflektierenden Abschnitt auf das Objekt abgegeben, während der Reflexionswinkel des reflektierenden Spiegels verändert wird. Der Reflexionswinkel des reflektierenden Spiegels wird durch Aufnehmen des zweiten Teillichts, das durch den zweiten Reflexionsabschnitt reflektiert wird, berechnet. Die Form des Objekts wird basierend auf einem Bild, das durch Aufnehmen eines Bildes des ersten Teillichts, das auf das Objekt abgegeben wurde, erhalten wurde, und auf dem berechneten Reflexionswinkel vermessen.
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Wie oben bemerkt wurde, stellt die vorliegende Erfindung eine Beleuchtungsvorrichtung, ein Beleuchtungsverfahren, eine Messvorrichtung und ein Messverfahren bereit, die dazu in der Lage sind, einen Winkel eines Spiegels mit einem hohen Maß an Genauigkeit und mit einem kleinen Profil zu berechnen.
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KURZE FIGURENBESCHREIBUNG
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Die vorliegende Erfindung ist ferner in der folgenden Detailbeschreibung, mit Bezug auf die angegebenen Zeichnungen in Form von nicht einschränkenden Beispielen von beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben, in denen entsprechende Bezugszeichen ähnliche Teile in allen Ansichten der Zeichnungen repräsentieren, und in denen:
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1 eine schematische Ansicht einer beispielhaften Ausgestaltung eines optischen Sensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine schematische Ansicht, die Grundfunktionen der Formvermessung unter Verwendung des optischen Sensors illustriert, ist;
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3 ein beispielhaftes Bild eines durch eine Oberfläche eines Werkstücks reflektierten Laserlichts illustriert;
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4 eine schematische Ansicht einer beispielhaften Ausgestaltung eines Winkelrechners ist;
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5 eine schematische Ansicht einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung eines Winkelrechners ist; und
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6 eine schematische Ansicht einer beispielhaften Ausgestaltung in einem Fall ist, wo ein Teil des optischen Systems nicht verwendet wird.
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WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
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Die hierin gezeigten Details dienen nur als Beispiel und zur illustrativen Diskussion der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und werden vorgestellt, um das zur Verfügung zu stellen, von dem angenommen wird, dass es die hilfreichste und am besten verständliche Beschreibung der Prinzipien und konzeptionellen Aspekte der vorliegenden Erfindung ist. In diesem Zusammenhang wird nicht versucht, strukturelle Details der vorliegenden Erfindung detaillierter als für das grundlegende Verständnis der vorliegenden Erfindung notwendig abzugeben, wobei die Beschreibung zusammen mit den Zeichnungen dem Fachmann klarmacht, wie die Formen der vorliegenden Erfindung in die Praxis umgesetzt werden können.
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Hiernach wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
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[Ausgestaltung einer Messvorrichtung]
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1 ist eine schematische Ansicht einer beispielhaften Ausgestaltung eines optischen Sensors (als Beispiel für eine Messvorrichtung) gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein optischer Sensor 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist ein optischer Sensor vom Punktbewegungstyp, der eine Oberfläche eines Werkstücks W (des zu vermessenden Objekts) mit einem Laserlicht L (Laserpunkt) abfährt oder scannt und Positionskoordinaten von jedem Abschnitt des Werkstücks W vermisst, indem reflektiertes Licht aufgenommen wird. Eine Form des Werkstücks W wird auf der Grundlage der vermessenen Positionskoordinaten vermessen.
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Wie in 1 gezeigt ist, enthält der optische Sensor 100 eine Lichtquelle 10, einen Bildempfänger 60, eine Steuerung 80 und einen Winkelrechner. In der vorliegenden Beschreibung werden zuerst grundsätzliche Ausgestaltungen und Arbeitsweisen der Lichtquelle 10, des Bildempfängers 60 und der Steuerung 80 beschrieben.
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Die Lichtquelle 10 gibt das Laserlicht L auf das Werkstück W ab. Die Lichtquelle 10 enthält eine Laserlichtquelle 11, wie zum Beispiel eine Laserdiode (LD), einen reflektierenden Spiegel 12 und einen Galvanospiegel 13. Andere Typen von Festkörperlichtquellen, wie zum Beispiel eine LED (lichtemittierende Diode) können auch als die Lichtquelle, die Licht abgibt, verwendet werden. Alternativ können andere Typen von Lichtquellen, wie zum Beispiel eine Gaslaserlichtquelle verwendet werden. Darüber hinaus ist ein Wellenlängenband und dergleichen des emittierten Laserlichts L nicht beschränkt.
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Der reflektierende Spiegel 12 reflektiert das Laserlicht L, das von der Laserlichtquelle 11 in Richtung des Galvanospiegels 13 emittiert wird. Das Laserlicht L von der Laserlichtquelle 11 wird durch den reflektierenden Spiegel 12 auf einen ersten reflektierenden Abschnitt 21 des Galvanospiegels 13 abgeben. Eine Konfiguration des reflektierenden Spiegels 12 ist nicht beschränkt und kann wie gewünscht gestaltet werden. Beispielsweise können mehrere optische Materialien kombiniert werden, um den reflektierenden Spiegel 12 auszugestalten.
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Der Galvanospiegel 13 bewirkt, dass das Laserlicht L, das durch den reflektierenden Spiegel 12 reflektiert wird, über das Werkstück W scannt. Der Galvanospiegel 13 umfasst einen scannenden Spiegel 14 und einen Motor 15. Der scannende Spiegel 14 wird mit einer Drehwelle des Motors 15 verbunden und wegen des rotierenden Antreibens durch den Motor 15 rotiert der scannende Spiegel 14. Der Motor 15 wird so gesteuert, dass eine Umkehrbewegung bei einem vorbestimmten Winkel wiederholt wird. In der vorliegenden Ausführungsform dient der Galvanospiegel 13 als reflektierender Spiegel.
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Durch Steuern eines Rotationswinkels (Arbeitswinkels) des scannenden Spiegels 14 mit dem Motor 15 wird ein Reflexionswinkel relativ zu dem Laserlicht L gesteuert. Durch geeignetes Ändern des Reflexionswinkels des scannenden Spiegels 14, scannt das Laserlicht L von der Laserlichtquelle 11 über das Werkstück W. In der vorliegenden Ausführungsform entspricht der Reflexionswinkel des scannenden Spiegels 14 dem Reflexionswinkel des Galvanospiegels 13. Insbesondere ist der Galvanospiegel 13 dazu in der Lage, während er den Reflexionswinkel ändert, das Laserlicht L, das auf den ersten reflektierenden Abschnitt 21 abgegeben wird, zu reflektieren und das Laserlicht L auf das Werkstück W zu richten.
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Der Bildempfänger 60 enthält eine Fotoreceiverlinse 61 und einen Bildsensor 62. Laserlicht L', das durch die Oberfläche des Werkstücks W reflektiert wurde, tritt durch die Fotoreceiverlinse 61 hindurch. Laserlicht L1, das durch die Fotoreceiverlinse 61 getreten ist, trifft auf den Bildsensor 62 auf, der auf derselben optischen Achse wie die Fotoreceiverlinse 61 positioniert ist. Beispiele des Bildsensors 62 können einen CMOS-(Complementary Metal Oxide Semiconductor) Sensor oder einen CCD-(Charge Coupled Device) Sensor umfassen.
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Die Steuerung 80 enthält zum Beispiel eine CPU (Central Processing Unit), einen RAM (Random Access Memory) und einen ROM (Read Only Memory) und ist beispielsweise mit der Lichtquelle 10 und dem Bildempfänger 60 verbunden. Die CPU führt eine Gesamtsteuerung des optischen Sensors 100 durch, indem verschiedene Verarbeitungsprogramme, die in dem ROM gespeichert sind, gelesen, die Programme in dem RAM geöffnet und verschiedene Prozesse in Kooperation mit den geöffneten Programmen ausgeführt werden.
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Der RAM wird als ein Arbeitsbereich der CPU verwendet und speichert zeitweise Eingabedaten und Verarbeitungsergebnisse, die beispielsweise erzeugt werden, wenn die Verarbeitungsprogramme ausgeführt werden.
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Der ROM ist beispielsweise als nicht volatiler Halbleiterspeicher ausgestaltet und speichert ein Systemprogramm, das dazu in der Lage ist, durch die CPU ausgeführt zu werden; verschiedene Verarbeitungsprogramme, die dazu in der Lage sind, durch das Systemprogramm ausgeführt zu werden; Daten, die verwendet werden, wenn die verschiedenen Verarbeitungsprogramme ausgeführt werden; und Daten für Ergebnisse der verschiedenen Prozesse, die durch die CPU berechnet wurden. Darüber hinaus werden die Programme in der Form eines Programmcodes, der dazu geeignet ist, von einem Computer gelesen zu werden, in dem ROM gespeichert.
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Die Steuerung 80 ist dazu geeignet, Positionskoordinaten (eine Form) des Werkstücks W auf der Grundlage eines Bildes von abgegebenem Licht, das durch den Bildsensor 62 aufgenommen wurde, zu vermessen. Zusätzlich ist die Steuerung 80 dazu in der Lage, einen Reflexionswinkel des Galvanospiegels 13 auf der Grundlage der Daten des Winkelrechners, der hiernach beschrieben wird, zu berechnen. In der vorliegenden Ausführungsform dient die Steuerung 80 als ein Abschnitt eines Rechners und als ein Messer.
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[Grundbetrieb der Messvorrichtung]
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2 ist eine schematische Ansicht, die einen Grundbetrieb eines Formvermessens unter Verwendung eines optischen Sensors 100 illustriert. 2 ist eine Ansicht aus einer X-Richtung des Werkstücks W, das durch das Laserlicht L angestrahlt wird. Darüber hinaus ist zur Erleichterung des Verständnisses in 2 eine Achsenrichtung der Drehwelle des Motors 15 als parallel zur X-Richtung abgebildet. Auch ist in 2 beispielsweise eine Positionsbeziehung zwischen der Laserlichtquelle 11, dem reflektierenden Spiegel 12 und dem Galvanospiegel 13 geeignet geändert. Zusätzlich ist beispielsweise der Bildempfänger 60 nicht in 2 abgebildet.
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Wegen des Rotationsantriebes des Galvanospiegels 13 durch den Motor 15 verändert sich ein Rotationswinkel θ1 des scannenden Spiegels 14. Der Rotationswinkel θ1 wird mit einer vorbestimmten Rotationsposition des scannenden Spiegels 14 als Bezugsposition berechnet. Die Referenzrotationsposition kann wie gewünscht definiert werden.
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Wenn sich der Rotationswinkel θ1 des scannenden Spiegels 14 verändert, verändert sich ein Reflexionswinkel θ2 relativ zu dem Laserlicht L, das auf den scannenden Spiegel 14 eintrifft. Wenn sich der Reflexionswinkel θ2 ändert, ändert sich ein Bestrahlungspunkt P des Laserlichts L auf dem Werkstück W. Folglich scannt das Laserlicht L durch geeignetes Steuern des Rotationswinkels θ1 des scannenden Spiegels 14 über das Werkstück W.
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In der vorliegenden Ausführungsform wird der scannende Spiegel 14 durch einen Motor 15 rotiert, der um eine Achse zentriert ist. Das Laserlicht L, das auf den scannenden Spiegel 14 auftrifft, wird in einer Linienform entlang einer einzigen Richtung auf das Werkstück W abgegeben. Folglich ist der Galvanospiegel 13 gemäß der vorliegenden Ausführungsform dazu in der Lage, das Laserlicht L in einer Linienform auf das Werkstück W zu richten.
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Die Form des Werkstücks W wird unter Verwendung eines Lichtschnittverfahrens basierend auf Grundsätzen der Triangulation vermessen. Ein Bild wird durch den Bildempfänger 60 einer Fläche, in der das scannende Laserlicht L abgegeben wird, aufgenommen. Dann, wie in 3 gezeigt ist, wird ein Bild 90 des Laserlichts L, das auf die Oberfläche des Werkstücks W abgegeben wird, erhalten. In der Illustration kann das Bild 90 des Laserlichts L als ein Bild das Werkstücks W bezeichnet werden.
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Die Form des Werkstücks W wird basierend auf dem aufgenommenen Bild des Werkstücks W und den Daten für die Position des Auftreffpunkts P während des Scannens des Laserlichts L vermessen. Die Position des Auftreffpunkts P des Laserlichts L entspricht dem Rotationswinkel (Reflexionswinkel) des scannenden Spiegels 14. Folglich kann die Form des Werkstücks W basierend auf dem Rotationswinkel des scannenden Spiegels 14 vermessen werden.
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[Winkelrechner]
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Es wird eine Beschreibung eines Winkelrechners, der den optischen Sensor 100 aufweist, gegeben. 4 bis 6 sind schematische Ansichten von verschiedenen beispielhaften Ausgestaltungen eines Winkelrechners. In 4 bis 6 ist eine vereinfachte Konfiguration von der Laserlichtquelle L1 zu dem scannenden Spiegel 14 abgebildet, während der reflektierende Spiegel 12, der beispielsweise in 1 gezeigt wird, ausgelassen wird.
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Wie in 4 gezeigt ist, umfasst der Winkelrechner 30 ein teilendes optisches System 31 und einen Sensor 32. Das teilende optische System 31 teilt das Laserlicht L, das von der Laserlichtquelle 11 emittiert wird, in ein Messlicht L1 und ein Winkeldetektionslicht L2, führt das Messlicht L1 zu einem ersten reflektierenden Abschnitt 21 des scannenden Spiegels 14 und leitet das Winkeldetektionslicht L2 zu einem zweiten reflektierenden Abschnitt 22 des scannenden Spiegels 14. Darüber hinaus entspricht in der vorliegenden Ausführungsform das Messlicht L1 einem ersten Teillicht, das ein Teil des Laserlichts L von der Laserlichtquelle 11 ist. Zusätzlich entspricht das Winkeldetektionslicht L2 einem zweiten Teillicht, das ein Teil des Laserlichts L von der Laserlichtquelle 11 ist.
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Der erste reflektierende Abschnitt 21 ist ein reflektierender Bereich, der durch den scannenden Spiegel 14 definiert wird, um das Messlicht L1 zu reflektieren und über das Werkstück W zu scannen. Der zweite reflektierende Abschnitt 22 ist ein reflektierender Bereich, der durch den scannenden Spiegel 14 definiert wird, um das Winkeldetektionslicht L2 in Richtung des Sensors 32 zu reflektieren. Die Größe, Position und dergleichen des ersten reflektierenden Abschnitts 21 und des zweiten reflektierenden Abschnitts 22 können wie gewünscht definiert werden.
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In dem in 4 gezeigten Beispiel wird ein doppelseitiger Spiegel als der scannende Spiegel 14 verwendet. Insbesondere enthält der scannende Spiegel 14 eine Frontoberfläche 33 mit einer Spiegeloberfläche, die zum Reflektieren von Licht geeignet ist, und eine Rückoberfläche 34, die ebenfalls eine Spiegeloberfläche aufweist, die zum Reflektieren von Licht geeignet ist. Der erste reflektierende Abschnitt 21, der das Messlicht L1 reflektiert, ist auf der Frontoberfläche 33 vorgesehen, während der zweite reflektierende Abschnitt 22, der das Winkeldetektionslicht L2 reflektiert, auf der Rückoberfläche 34 vorgesehen ist. Genaue Konfigurationen und Materialien des scannenden Spiegels 14 sind unbegrenzt. Darüber hinaus entsprechen die Frontoberfläche 33 und die Rückoberfläche 34 des scannenden Spiegels 14 einer Frontoberfläche und Rückoberfläche des Galvanospiegels 13 in der vorliegenden Ausführungsform.
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Das teilende optische System 31 enthält einen Strahlteiler 35, einen ersten Spiegel 36 und einen zweiten Spiegel 37. Das Laserlicht L, das von der Laserlichtquelle 11 emittiert wird, wird durch den Strahlteiler 35 in das Messlicht L1 und das Winkeldetektionslicht L2 aufgeteilt. Das Messlicht L1 wird auf den ersten reflektierenden Abschnitt 21 abgegeben, während das Winkeldetektionslicht L2 auf den ersten Spiegel 36 abgegeben wird. Das Winkeldetektionslicht L2, das auf den ersten Spiegel 36 abgegeben wird, wird in Richtung des zweiten Spiegels 37 reflektiert. Dann wird das Winkeldetektionslicht L2, weil es durch den zweiten Spiegel 37 reflektiert wird, auf den zweiten reflektierenden Abschnitt 22 gerichtet, der auf der Rückoberfläche 34 des scannenden Spiegels 14 vorgesehen ist.
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Eine Konfiguration des teilenden optischen Systems 31 ist nicht beschränkt und auch die optischen Materialien, die für das teilende optische System 31 verwendet werden, sind nicht beschränkt. In dem in 4 gezeigten Beispiel wird ein Strahlteiler 35 vom Prismentyp verwendet, aber andere Typen von Strahlteilern können auch verwendet werden. Die Anzahl und Position der Spiegel kann ebenfalls wie gewünscht gestaltet sein und andere optische Materialien können verwendet werden. Zusätzlich kann das teilende optische System 31 zwischen dem reflektierenden Spiegel 12, der in 1 gezeigt ist, und der Laserlichtquelle L1 positioniert sein oder es kann zwischen dem reflektierenden Spiegel 12 und dem Galvanospiegel 13 positioniert sein.
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Das Winkeldetektionslicht L2, das auf den zweiten reflektierenden Abschnitt 22 des scannenden Spiegels 14 abgegeben wird, wird in Richtung des Sensors 32 reflektiert. Der Sensor 32 detektiert die Position, wo das Winkeldetektionslicht L2 auftrifft, das heißt die Position, wo das Winkeldetektionslicht L2 empfangen wird (Bildnahmeposition). Beispiele des Sensors 32 enthalten einen positionssensitiven Detektor (PSD) oder einen Bildsensor, wie beispielsweise einen CCD. Der Sensor 32 kann für eine eindimensionale Positionsdetektion oder für eine zweidimensionale Positionsdetektion geeignet sein. In der vorliegenden Ausführungsform dient der Sensor 32 als ein Teil des Rechners.
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Wenn das Formvermessen des Werkstücks W durchgeführt wird, wird das Laserlicht L durch den Strahlteiler 35 in das Messlicht L1 und das Winkeldetektionslicht L2 aufgeteilt. Durch Steuern des Rotationswinkels θ1 des scannenden Spiegels 14 scannt das Messlicht L1 die Oberfläche des Werkstücks W und ein Bild hiervon wird durch den Bildempfänger 60 aufgenommen.
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Das Winkeldetektionslicht L2 wird durch den zweiten reflektierenden Abschnitt 22 des Scanspiegels 14 reflektiert und trifft auf den Sensor 32. Basierend auf Ergebnissen der Positionsdetektion, die durch den Sensor 32 durchgeführt wird, wird der Rotationswinkel θ1 des Scanspiegels 14 durch die Steuerung 80 berechnet. Insbesondere in der vorliegenden Ausführungsform, wenn das Messlicht L1 das Werkstück W scannt, wird der Rotationswinkel θ1 des Scanspiegels 14 in Echtzeit berechnet. Als eine Folge kann die Form des Werkstücks W mit einem hohen Maß an Genauigkeit basierend auf einem aufgenommenen Bild des gemessenen Lichts L1 und dem Rotationswinkel θ1 des Scanspiegels 14 vermessen werden.
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Wie in 2 gezeigt ist, gibt es darüber hinaus in der vorliegenden Ausführungsform eine Entsprechung zwischen dem Rotationswinkel θ1 und dem Reflexionswinkel θ2 des Scanspiegels 14. Folglich ist ein Berechnen des Rotationswinkels θ1 äquivalent zu einem Berechnen des Reflexionswinkels θ2. Zusätzlich ist ein Vermessen der Form des Werkstücks W unter Verwendung des Rotationswinkels θ1 äquivalent zum Vermessen der Form des Werkstücks W unter Verwendung des Reflexionswinkels θ2.
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In dem in 4 gezeigten Beispiel wird der zweite reflektierende Abschnitt 22 auf der Rückoberfläche 34 des Scanspiegels 14 vorgesehen. Daher kann der Rotationswinkel θ1 des scannenden Spiegels 14 mit einem hohen Maß an Genauigkeit berechnet werden, ohne ein Auftreffen des Messlichts L1 auf das Werkstück W zu beeinflussen.
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5 ist eine schematische Ansicht einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung eines Winkelrechners. In einem Winkelrechner 40 werden der erste reflektierende Abschnitt 21 und der zweite reflektierende Abschnitt 22 jeweils an verschiedenen entsprechenden Positionen auf der Frontoberfläche 43 des Scanspiegels 14 vorgesehen. Laserlicht, das von der Laserlichtquelle L1 emittiert wird, wird durch ein in der Zeichnung nicht gezeigtes teilendes optisches System in das Messlicht L1 und das Winkeldetektionslicht L2 aufgeteilt.
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Das Messlicht L1 wird durch den ersten reflektierenden Abschnitt 21 reflektiert und scannt die Oberfläche des Werkstücks W wegen der Rotation des Scanspiegels 14. Das Winkeldetektionslicht L2 wird durch den zweiten reflektierenden Abschnitt 22 reflektiert und wird auf den Sensor 42 gerichtet. Die Fotoempfangsposition entsprechend der Rotation des Scanspiegels 14 wird durch den Sensor 42 detektiert und der Rotationswinkel θ1 des Scanspiegels 14 wird berechnet.
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In einer solchen Ausgestaltung kann der Rotationswinkel θ1 des Scanspiegels 14 mit einem hohen Maß an Genauigkeit berechnet werden, und die Form des Werkstücks W kann mit einem hohen Maß an Genauigkeit vermessen werden. Die in 5 gezeigte Ausgestaltung ist beispielsweise effektiv, wenn als der Scanspiegel 14 kein zweiseitiger Spiegel erhältlich ist oder wenn das Winkeldetektionslicht L2 wegen der Gestaltung des optischen Sensors nicht auf die Rückoberfläche 44 des Scanspiegels 14 geführt werden kann. Natürlich kann die in 5 gezeigte Konfiguration ebenfalls proaktiv angepasst werden. Das Winkeldetektionslicht L2 kann auf die Frontoberfläche 43 abgegeben werden und daher kann der Rotationswinkel θ1 des Scanspiegels 14 unter Verwendung einer einfachen Ausgestaltung mit einem hohen Maß an Genauigkeit berechnet werden.
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Bei dem optischen Sensor 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform in der vorhergehenden Beschreibung wird das Laserlicht L von der Laserlichtquelle L1 in das Messlicht L1 und das Winkeldetektionslicht L2 geteilt, und das Messlicht L1 wird durch den Galvanospiegel 13 auf das Werkstück W abgegeben. Das Winkeldetektionslicht L2 wird durch den zweiten reflektierenden Abschnitt 22 des Galvanospiegels 13 reflektiert und wird durch den Sensor 32 empfangen. Der Sensor 32 und die Steuerung 80 berechnen den Reflexionswinkel θ2 (Rotationswinkel θ1) des Galvanospiegels 13 basierend auf dem zweiten geteilten Licht L2, das durch den Sensor 32 empfangen wird. Durch Teilen des Laserlichts L, das von der Laserlichtquelle L1 imitiert wird, um auf diese Weise verwendet zu werden, kann der Reflexionswinkel θ2 des Galvanospiegels 13 mit einem hohen Maß an Genauigkeit berechnet werden. Weil ein Rotationsencoder oder dergleichen unnötig ist, kann zusätzlich eine Last auf den Motor 15 reduziert und ein Hochgeschwindigkeitsscannen durchgeführt werden. Ferner kann ein erforderliches Rotationsdrehmoment klein gehalten werden und daher kann der Motor 15 klein ausgeführt werden. Als eine Folge kann der optische Sensor 100 ebenfalls kleiner ausgeführt werden.
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Ein Beispiel für ein Verfahren, das einen Rotationsencoder nicht verwendet, ist ein Verfahren, bei dem ein Motor mit einer festen Geschwindigkeit gedreht wird und ein Rotationswinkel des Scanspiegels auf der Grundlage eines Antriebszeitraums des Motors berechnet wird. In einem solchen Verfahren ist es jedoch schwierig, eine konstante, feste Rotationsgeschwindigkeit aufrechtzuerhalten, was zu einer häufigen Abweichung des berechneten Rotationswinkels führt. Insbesondere das Berechnen des Rotationswinkels (Reflexionswinkels) mit einem hohen Maß an Genauigkeit ist in einem solchen Verfahren schwierig. Demgegenüber wird eine Messung bei der vorliegenden Erfindung durch Detektieren des tatsächlichen Rotationswinkels des Motors als ein Neigungswinkel des Spiegels unter Verwendung von Laserlicht durchgeführt. Daher kann der Rotationswinkel (Reflexionswinkel) mit einem hohen Maß an Genauigkeit berechnet werden. Auch die Form des Werkstücks kann basierend auf der Winkelinformation mit einem hohen Maß an Genauigkeit vermessen werden.
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6 ist eine schematische Ansicht einer beispielhaften Ausgestaltung in einem Fall, wo ein teilendes optisches System nicht verwendet wird. Bei einem Winkelrechner 50 wird eine Laserlichtquelle 58, die das Winkeldetektionslicht L2 abgibt, anstelle eines teilenden optischen Systems verwendet. Insbesondere werden zwei Laserlichtquellen in diesem optischen Sensor verwendet: eine erste Laserlichtquelle 11, die das Messlicht L1 abgibt, und die zweite Laserlichtquelle 58, die das Winkeldetektionslicht L2 abgibt. Das Messlicht L1 wird auf einen ersten reflektierenden Abschnitt 21 abgegeben, der auf der Frontoberfläche 53 des Scanspiegels 14 vorgesehen ist. Das Winkeldetektionslicht L2 wird auf den zweiten reflektierenden Abschnitt 22 abgegeben, der auf der Rückoberfläche 54 des Scanspiegels 14 vorgesehen ist. Der zweite reflektierende Abschnitt 22 kann auch auf der Frontoberfläche 53 des Scanspiegels 14 vorgesehen sein.
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Der Rotationswinkel des Scanspiegels 14 kann in dieser Ausgestaltung auch mit einem hohen Maß an Genauigkeit berechnet werden. Weil separate Laserlichtquellen für die Vermessung und Winkeldetektion verwendet werden, können das Messlicht L1 und das Winkeldetektionslicht L2 jeweils mit einer gewünschten Intensität abgegeben werden.
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Weitere Ausführungsformen
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und verschiedene weitere Ausführungsformen können verwendet werden.
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Im bisher Beschriebenen wurde ein Galvanospiegel als ein reflektierender Spiegel verwendet. Die vorliegende Erfindung ist nicht hierauf beschränkt. Ein Resonanzspiegel, der eine Umkehrbewegung wegen einer Resonanz des Spiegels durchführt, kann auch als der reflektierende Spiegel verwendet werden. Der Resonanzspiegel verwendet ein mechanisches Resonanzphänomen und daher kann der Spiegel mit einer leichten Ausgestaltung in einer hohen Geschwindigkeit hin und her bewegt werden. Wenn dieser Spiegel als der Scanspiegel verwendet wird, kann eine Scanmessvorrichtung vom Punktbewegungstyp ausgestaltet werden, die in ihrer Größer klein und für ein Hochgeschwindigkeitsscannen effektiv ist.
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Selbst wenn ein Resonanzspiegel dieser Art verwendet wird, kann eine Ausgestaltung angewendet werden, welche den oben beschriebenen Winkelrechner enthält, wodurch eine hochgenaue Formvermessung und eine Reduktion der Größe der Vorrichtung ermöglicht wird. Weil sich der Resonanzspiegel wegen der mechanischen Resonanz bewegt, ist es schwierig, einen Detektionsmechanismus wie einen Rotationsencoder direkt anzubringen, um den Rotationswinkel zu berechnen. Dies ist der Fall, weil, wenn weitere Komponenten an dem Scanspiegel oder einer Strebe, die den Scanspiegel hält, angebracht werden, sich eine Resonanzfrequenz beispielsweise verändern, reduzieren (was ein Hochgeschwindigkeitsscannen unmöglich macht), oder verschwinden kann. Demgegenüber sind in der vorliegenden Erfindung Resonanzcharakteristika des Resonanzspiegels nicht beeinträchtigt und der Rotationswinkel des Scanspiegels kann genau berechnet werden. Als eine Folge kann eine Messgenauigkeit von Triangulation unter Verwendung des Rotationswinkels des Scanspiegels verbessert werden, was eine hochpräzise Formmessung ermöglicht.
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Im oben Beschriebenen wurde ein doppelseitiger Spiegel als der Scanspiegel verwendet. Ein Spiegel kann jedoch auch (als der zweite reflektierende Abschnitt) auf eine rückseitige Oberfläche aufgebracht werden, die keine Spiegeloberfläche ist. Alternativ kann ein Abschnitt der rückseitigen Oberfläche dazu gebracht werden, teilweise eine Spiegeloberfläche zu sein, und dieser Abschnitt kann als der zweite reflektierende Abschnitt definiert werden. Selbst in einem Fall, wo der zweite reflektierende Abschnitt an einer verschiedenen Position auf der vorderen Oberfläche definiert ist, wie in 5 gezeigt ist, kann ein Spiegel an dem Abschnitt angebracht sein, oder der Abschnitt kann dazu gebracht werden, teilweise eine Spiegeloberfläche auszubilden. Die Ausgestaltung des zweiten reflektierenden Abschnitts ist nicht beschränkt.
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Bei Verwenden eines teilenden optischen Systems können Intensitäten des Messlichts und des Winkeldetektionslichts, in die das Licht aufgeteilt wird, separat definiert werden. Insbesondere können das Messlicht und das Winkeldetektionslicht so aufgeteilt werden, dass sie eine gewünschte Lichtintensität erhalten. Beispielsweise können bei Verwendung des teilenden optischen Systems das Messlicht und das Winkeldetektionslicht so aufgeteilt werden, dass sie die Intensität des Winkeldetektionslichts (zweites Teillicht) kleiner ausgestalten, als diejenige des Messlichts (erstes Teillicht). Beispielsweise ist, wenn die Intensität des Laserlichts, das von der Laserlichtquelle emittiert wird, als 100% angenommen wird, das Messlicht in etwa 80% Intensität aufgeteilt, während das Winkeldetektionslicht in etwa 20% Intensität aufgeteilt wird. Andere Verhältnisse der Intensität können wie gewünscht definiert werden. Durch geeignetes Definieren der Intensität können auf diese Weise sowohl eine Bildaufnahme des Werkstücks unter Verwendung des Messlichts als auch eine genaue Berechnung des Rotationswinkels unter Verwendung des Winkeldetektionslichts verbessert werden.
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In der obigen Beschreibung wurde eine Beschreibung eines optischen Sensors gegeben, der eine Form eines Werkstücks vermisst. Die Beleuchtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die eine Festkörperlichtquelle, einen reflektierenden Spiegel, ein optisches System und einen Rechner enthält, ist nicht auf eine Formvermessung beschränkt und kann in verschiedenen Vorrichtungen eingesetzt werden, die in anderen Feldern verwendet werden, wie zum Beispiel Laserbearbeitung oder Laserdrucken.
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Zusätzlich kann das erste geteilte Licht unter Verwendung des reflektierenden Spiegels in zwei Dimensionen scannen. Beispielsweise kann der Scanspiegel, der den reflektierenden Spiegel enthält, zentriert auf zwei Achsen rotieren und das erste Teillicht scannt unter Verwendung des Scanspiegels in zwei Dimensionen. Selbst mit einer solchen Konfiguration wird das Winkeldetektionslicht auf den zweiten reflektierenden Abschnitt, der auf dem Scanspiegel vorgesehen ist, abgegeben und das reflektierte Licht wird durch den Sensor empfangen; dadurch kann der Rotationswinkel (Reflexionswinkel) des Scanspiegels mit einem hohen Maß an Genauigkeit berechnet werden. Auf diese Weise wird eine Vorrichtung, die zu einer zweidimensionalen Positionsdetektion geeignet ist, wie zum Beispiel ein Flächensensor, als der Sensor verwendet.
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Daten für den Reflexionswinkel des Reflexionsspiegels können auch außerhalb der Vermessung verwendet werden. Beispielsweise können die Daten für den Rotationswinkel des Scanspiegels auch dafür verwendet werden, einen Betrieb des Motors zu korrigieren, der den Scanspiegel rotiert.
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Zumindest zwei charakteristische Merkmale jeder Ausführungsform, die oben beschrieben werden, können auch kombiniert werden. Zusätzlich sind die verschiedenen oben beschriebenen Effekte nur beispielhaft und sind nicht dazu gedacht, die vorliegende Erfindung zu beschränken. Weitere Effekte können auch erzielt werden.
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Es wird bemerkt, dass die vorhergehenden Beispiele nur zum Zwecke der Erklärung bereitgestellt wurden und auf keinen Fall als die vorliegende Erfindung beschränkend zu verstehen sind. Während die vorliegende Erfindung mit Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, wird verstanden, dass die Worte, die hierin verwendet wurden, beschreibende und illustrierende Worte und keine beschränkenden Worte sind. Änderungen können innerhalb des Umfangs der angehängten Ansprüche durchgeführt werden, wie sie vorliegend gestellt und geändert werden, ohne vom Schutzbereich und Grundgedanken der vorliegenden Erfindung in ihren Aspekten abzuweichen. Obwohl die vorliegende Erfindung hierin mit Bezug auf spezielle Strukturen, Materialien und Ausführungsformen beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht dazu gedacht, auf die hierin offenbarten Details beschränkt zu werden; stattdessen erstreckt sich die vorliegende Erfindung auf alle funktional äquivalenten Strukturen, Verfahren und Verwendungen, wie sie innerhalb des Schutzbereichs der anhängenden Ansprüche liegen.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und verschiedene Variationen und Modifikationen können möglich sein, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2014-015255 [0001]
- JP 2009-534969 [0003]
