DE102015217332A1

DE102015217332A1 - Positionsmessvorrichtung

Info

Publication number: DE102015217332A1
Application number: DE102015217332.1A
Authority: DE
Inventors: Toshihisa Takai
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2014-09-12
Filing date: 2015-09-10
Publication date: 2016-03-17
Also published as: US9562761B2; JP6392044B2; JP2016057252A; US20160076877A1

Abstract

Eine Positionsmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung umfasst einen Lichtsender, der konfiguriert ist, um ein Laserlicht zu emittieren, eine Hologrammvorrichtung, die konfiguriert ist, um ein rekonstruiertes Bild einer geneigten Oberfläche mit Bezug auf eine optische Achse zu erzeugen, einen Lichtempfänger, der auf einer Oberfläche der Hologrammvorrichtung, die ein rekonstruiertes Bild formt, angeordnet ist, und eine Messeinheit, die konfiguriert ist, um eine Position eines Objekts basierend auf einer Position von Licht, das von dem Lichtempfänger empfangen wird, zu messen. Bei der Positionsmessvorrichtung der Erfindung kann der Lichtsender ein lineares Laserlicht emittieren, und der Lichtempfänger kann einen Bildsensor umfassen, der eine zweidimensionale Pixelmatrix aufweist.

Description

HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Positionsmessvorrichtung, die reflektiertes und gestreutes Licht eines Laserlichts, mit dem eine Oberfläche eines Objekts bestrahlt wird, empfängt und eine Position an der Oberfläche des Objekts misst.
Verwandte Technik
In der Technik ist eine Positionsmessvorrichtung bekannt, die eine Oberfläche eines Messobjekts mit Laserlicht bestrahlt, bewirkt, dass ein Bildsensor reflektiertes und gestreutes Licht empfängt, und eine Position an der Oberfläche des Messobjekts unter Verwendung einer Triangulation berechnet (siehe z. B. JP 2002-139311 A ).
8 ist ein schematisches Diagramm, das eine kontaktlose Positionsmessvorrichtung abbildet, die eine Triangulation verwendet. Wie in 8 abgebildet, umfasst diese Positionsmessvorrichtung einen Lichtsender 10, der konfiguriert ist, um ein Laserlicht LS1 in Richtung auf ein zu messendes Werkstück W zu emittieren, und einen Lichtempfänger 30, der auf einer optischen Achse bereitgestellt wird, die zu einer optischen Achse des Laserlichts LS1 nicht parallel ist. Die Positionsmessvorrichtung umfasst auch eine Projektionslinse 11, die konfiguriert ist, um das Laserlicht LS1, das von dem Lichtsender 10 emittiert wird, zu konzentrieren, und eine Licht empfangende Linse 12, die konfiguriert ist, um Licht, das von dem Werkstück W reflektiert und gestreut wird, auf dem Lichtempfänger 30 abzubilden. Die jeweiligen Anordnungen und Winkel der Projektionslinse 11, der Licht empfangenden Linse 12 und des Lichtempfängers 30 werden gemäß dem Scheimpflug-Prinzip bestimmt.
Damit die Positionsmessvorrichtung eine Position des Werkstücks W misst, wird das Laserlicht LS1 von dem Lichtsender 10 in Richtung auf das Werkstück W emittiert. Der Lichtempfänger 30 nimmt dann das reflektierte und gestreute Licht des Laserlichts LS1 auf das Werkstück W auf. Da die Positionsmessvorrichtung eine Ungleichheit D zwischen dem Lichtsender 10 und dem Lichtempfänger 30 aufweist, wird eine Verlagerung L des Werkstücks W unter Verwendung einer Triangulation basierend auf Positionsinformationen Δx, die von dem Lichtempfänger 30 aufgenommen werden, einer Brennweite f und der Ungleichheit D bestimmt.
Die JP 6-185978 A offenbart eine Entfernungsmessvorrichtung, die eine Hologrammvorrichtung verwendet. Diese Entfernungsmessvorrichtung verwendet eine Hologrammvorrichtung, die dazu dient, eine Vielzahl von Punkten auf der optischen Achse von Licht, das von einer Lichtquelle erzeugt wird, an anderen verschiedenen Punkten abzubilden. Bei der Entfernungsmessvorrichtung emittiert eine Lichtquelle Licht aus der Lichtquelle auf ein Messobjekt, und eine Lichtdetektionseinheit detektiert Licht, das von dem Messobjekt und durch die Hologrammvorrichtung hindurch reflektiert wird. Eine Entfernung auf der optischen Achse des Messobjekts wird basierend auf einer Abbildungsposition des Lichts gemessen, das von der Lichtdetektionseinheit detektiert wird.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Positionsmessvorrichtung, die in der JP 2002-139311 A offenbart wird, ist jedoch optisch und strukturell komplex und ist größer, weil die Entfernungsmessvorrichtung die Brennweite der Linse erhöhen muss und Randbedingungen unterliegt, wie etwa einem Einfallwinkel auf dem Lichtempfänger gemäß dem Scheimpflug-Prinzip. Die Entfernungsmessvorrichtung, die in der JP 6-185978 A offenbart wird, muss auf Grund der Verwendung der Hologrammvorrichtung, welche die Punkte auf der optischen Achse an anderen Punkten abbildet, eine Lichtdetektionseinheit, eine Hologrammvorrichtung und ein Messobjekt in einer geraden Linie anordnen. Somit weist diese Vorrichtung nur einen kleinen Messbereich auf und unterliegt diversen Randbedingungen bezüglich der Vorrichtungskonfiguration, und die Vorrichtung benötigt viel Zeit, um eine große Fläche des Messobjekts zu messen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Positionsmessvorrichtung bereitzustellen, die in der Lage ist, eine Position an einer Oberfläche eines Messobjekts in einem kurzen Zeitraum mit einer einfachen und kompakten Struktur zu messen.
Um die obigen Probleme zu lösen, umfasst die Positionsmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung einen Lichtsender, der konfiguriert ist, um ein Laserlicht zu emittieren, eine Hologrammvorrichtung, die konfiguriert ist, um ein rekonstruiertes Bild einer geneigten Oberfläche mit Bezug auf eine optische Achse zu erzeugen, einen Lichtempfänger, der auf einer Oberfläche der Hologrammvorrichtung, die ein rekonstruiertes Bild formt, angeordnet ist, und eine Messeinheit, die konfiguriert ist, um eine Position eines Objekts basierend auf einer Position von Licht zu messen, das von dem Lichtempfänger empfangen wird.
Eine derartige Konfiguration, bei der die Hologrammvorrichtung verwendet wird, um die geneigte Oberfläche als rekonstruiertes Bild zu erzeugen, kann eine Bildposition der geneigten Oberfläche detektieren, die einer Position des Objekts entspricht, an der das Laserlicht einfällt, wenn der Lichtempfänger durch die Hologrammvorrichtung hindurch reflektiertes und gestreutes Licht des Laserlichts, mit dem ein Messobjekt bestrahlt wird, empfängt. Die Messeinheit kann die Position des Objekts basierend auf einer Übereinstimmung zwischen der Position des Objekts auf der optischen Achse und der Bildposition, die von dem Lichtempfänger detektiert wird, bestimmen.
In der Positionsmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung kann der Lichtsender ein lineares Laserlicht emittieren, und der Lichtempfänger kann einen Bildsensor umfassen, der eine zweidimensionale Pixelmatrix aufweist. Eine derartige Konfiguration, bei welcher der Bildsensor durch die Hologrammvorrichtung hindurch reflektiertes und gestreutes Licht des linearen Laserlichts, mit dem das Objekt bestrahlt wird, empfängt, kann aufeinanderfolgende Höhen entlang einer Einfallposition des Laserlichts auf dem Objekt messen.
Die Positionsmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung kann ferner eine Abtasteinheit umfassen, die konfiguriert ist, um eine relative Position zwischen dem Laserlicht und dem Objekt in einer Richtung zu bewegen, die zu einer Richtung rechtwinklig ist, in der sich eine Linie des Laserlichts erstreckt. Bei einer derartigen Konfiguration tastet die Abtasteinheit das lineare Laserlicht ab, mit dem das Objekt bestrahlt wird, was die Messung einer dreidimensionalen Form zusammen mit den Einfallpositionen des Laserlichts auf dem Objekt ermöglicht.
Bei der Positionsmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung kann der Lichtsender ein punktförmiges Laserlicht emittieren, und der Lichtempfänger kann einen Zeilensensor umfassen, bei dem eine Vielzahl von Pixeln in einer geraden Linie angeordnet ist. Die Positionsmessvorrichtung kann ferner einen beweglichen Spiegel umfassen, der das Laserlicht, das von dem Lichtsender emittiert wird, über das Objekt bewegt und einen optischen Weg derart anpasst, dass das gestreute Licht des Laserlichts auf dem Objekt in einem bestimmten Winkel mit Bezug auf die Hologrammvorrichtung einfällt und auf dem Zeilensensor abgebildet wird. Eine derartige Konfiguration, die das punktförmige Laserlicht unter Verwendung des beweglichen Spiegels bewegt, kann aufeinanderfolgende Höhen entlang den Einfallpositionen des Laserlichts auf dem Objekt messen.
Die Positionsmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung kann ferner eine Linse umfassen, die zwischen der Hologrammvorrichtung und dem Lichtempfänger angeordnet ist und das rekonstruierte Bild erweitert, das von der Hologrammvorrichtung erzeugt wird. Eine derartige Konfiguration kann eine Änderung der Bildposition unter Vergrößerung detektieren, wenn der Lichtempfänger durch die Hologrammvorrichtung hindurch reflektiertes und gestreutes Licht des Laserlichts, mit dem das Objekt bestrahlt wird, empfängt.
Bei der Positionsmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung kann die Hologrammvorrichtung eine erste Fläche, die eine erste geneigte Oberfläche rekonstruiert, die in einem ersten Winkel mit Bezug auf die optische Achse geneigt ist, und eine zweite Fläche, die in einem zweiten Winkel, der anders als der erste Winkel ist, mit Bezug auf die optische Achse geneigt ist, umfassen.
Eine derartige Konfiguration kann die Reichweite und Auflösung der Positionsdetektion ändern, wenn der Lichtempfänger durch die erste Fläche der Hologrammvorrichtung hindurch reflektiertes und gestreutes Licht des Laserlichts, mit dem das Objekt bestrahlt wird, empfängt, und wenn der Lichtempfänger das reflektierte und gestreute Licht des Laserlichts durch die zweite Fläche hindurch empfängt. D. h. je mehr die ersten und zweiten Winkel dazu neigen, zu der optischen Achse parallel zu sein, desto größer ist die Reichweite der Positionsdetektion. Je mehr die ersten und zweiten Winkel dagegen dazu neigen, zu der optischen Achse rechtwinklig zu sein, desto höher ist die Auflösung der Positionsdetektion. Entsprechend können die Reichweite und Auflösung der Positionsdetektion je nachdem, ob das reflektierte und gestreute Licht des Laserlichts durch die erste Fläche oder die zweite Fläche der Hologrammvorrichtung hindurch geht, ausgewählt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
1 ein Konfigurationsdiagramm, das eine Positionsmessvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform abbildet;
2 ein schematisches Diagramm, das ein Verfahren zum Herstellen einer Hologrammvorrichtung abbildet;
3A ein schematisches Diagramm, das eine Messung durch ein Positionsmessverfahren abbildet, und 3B ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel eines empfangenen Lichtsignals bei dem Positionsmessverfahren abbildet;
4 ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel einer Vorrichtungskonfiguration unter Verwendung eines Bildsensors abbildet;
5 ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel einer Vorrichtungskonfiguration unter Verwendung eines Zeilensensors abbildet;
6A und 6B Konfigurationsdiagramme, die eine Positionsmessvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform abbilden;
7 ein Konfigurationsdiagramm, das eine Positionsmessvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform abbildet; und
8 ein schematisches Diagramm, das eine kontaktlose Positionsmessvorrichtung abbildet, die eine Triangulation verwendet.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es werden nun Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Nachstehend bezeichnen identische Bezugszeichen die gleichen Elemente, und es kann sein, dass Beschreibungen von einmal beschriebenen Elementen entfallen.
Erste Ausführungsform
1 ist ein Konfigurationsdiagramm, das eine Positionsmessvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform abbildet.
Wie in 1 abgebildet, umfasst eine Positionsmessvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform einen Lichtsender 10, eine Hologrammvorrichtung 20, einen Lichtempfänger 30 und eine Messeinheit 40. Die Positionsmessvorrichtung 1 bestrahlt ein Werkstück W als ein Objekt mit einem Laserlicht LS1 und empfängt Licht, das von einer Oberfläche des Werkstücks W reflektiert und gestreut wird (nachstehend als „Detektionslicht LS2” bezeichnet). Somit misst die Positionsmessvorrichtung 1 kontaktlos eine Position an der Oberfläche des Werkstücks W, an der das Laserlicht LS1 einfällt.
Der Lichtsender 10 verfügt über eine Laserlichtquelle, die konfiguriert ist, um das Laserlicht LS1 zu emittieren. Der Lichtsender 10 emittiert das Laserlicht LS1 in Richtung auf das Werkstück W während der Messung.
Die Hologrammvorrichtung 20 wird in einer Position angeordnet, in der die Hologrammvorrichtung 20 die optische Achse c des Laserlichts LS1, das von dem Lichtsender 10 emittiert wird, nicht abfängt. Die Hologrammvorrichtung 20 erzeugt eine geneigte Oberfläche mit Bezug auf die optische Achse c des Laserlichts LS1 als rekonstruiertes Bild. D. h. das Bestrahlen der Hologrammvorrichtung 20 mit Rekonstruktions-Beleuchtungslicht offenbart ein Bild einer vorbestimmten geneigten Oberfläche auf einer Oberfläche F1 der Hologrammvorrichtung 20, die ein rekonstruiertes Bild formt.
Der Lichtempfänger 30 umfasst einen Bildsensor, der eine zweidimensionale Pixelmatrix aufweist, oder einen Zeilensensor, der eine eindimensionale Pixelmatrix aufweist. Eine ladungsgekoppelte Vorrichtung (CCD), ein Komplementär-Metalloxid-Halbleiter (CMOS) und dergleichen werden als Bildsensor und Zeilensensor verwendet. Der Lichtempfänger 30 ist auf der Oberfläche F1 der Hologrammvorrichtung 20, die ein rekonstruiertes Bild formt, angeordnet.
Die Hologrammvorrichtung 20 weist eine erste Oberfläche 20a auf der Seite des Werkstücks W und eine zweite Oberfläche 20b gegenüber dem Werkstück W auf. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Lichtempfänger 30 auf der Seite der zweiten Oberfläche 20b der Hologrammvorrichtung 20 angeordnet. Dadurch kann der Lichtempfänger 30 das Licht eines Bildes detektieren, das durch Licht geformt wird, das durch die Hologrammvorrichtung 20 hindurch geht (d. h. ein rekonstruiertes Bild).
Die Messeinheit 40 misst eine Position des Werkstücks W basierend auf einer Position von Licht, das von dem Lichtempfänger 30 empfangen wird. Die Position des Werkstücks W bezieht sich auf eine Position (oder Höhe) entlang der optischen Achse c des Laserlichts LS1. Eine Einfallposition des Detektionslichts LS2, das von der Oberfläche des Werkstücks W auf der Hologrammvorrichtung 20 reflektiert und gestreut wird, ist je nach einer Position auf der Oberfläche des Werkstücks W auf der optischen Achse c des Laserlichts LS1 unterschiedlich. D. h. die Position des rekonstruierten Bildes der Hologrammvorrichtung 20 unter Verwendung des Detektionslichts LS2, das von der Oberfläche des Werkstücks W reflektiert und gestreut wird, ist, wenn ein Abstand zwischen dem Werkstück W und dem Lichtsender 10 klein ist, anders als wenn ein Abstand dazwischen groß ist. Somit bestimmt die Messeinheit 40 eine Position (oder Höhe) des Werkstücks W aus der Position des Lichts, das von dem Lichtempfänger 30 empfangen wird, basierend auf einer Entsprechung zwischen der Position (oder Höhe) des Werkstücks W und der Position des Lichts, das von dem Lichtempfänger 30 empfangen wird.
Auf diese Art und Weise kann der Lichtempfänger 30, der das Detektionslicht LS2 durch die Hologrammvorrichtung 20 empfängt, das konfiguriert ist, um das rekonstruierte Bild der geneigten Oberfläche zu erzeugen, eine Position des Bildes (d. h. eine Bildposition) einer geneigten Oberfläche detektieren, die einer Position des Werkstücks W entspricht, an der das Laserlicht LS1 einfällt. Bei der Konfiguration der vorliegenden Ausführungsform kann die Einfallposition des Laserlichts LS1 auf dem Werkstück W (d. h. eine Position, in der das reflektierte und gestreute Licht erzeugt wird) als Emissionsposition des Rekonstruktions-Beleuchtungslichts für die Hologrammvorrichtung 20 angesehen werden. Daher erscheint das gleiche Bild, wie wenn das Rekonstruktions-Beleuchtungslicht von der Einfallposition des Laserlichts LS1 auf das Werkstück W emittiert wird, auf der Oberfläche F1 der Hologrammvorrichtung 20, die ein rekonstruiertes Bild formt. Dieses Bild erscheint als Punktbild der geneigten Oberfläche, die der Einfallposition entspricht, für den Fall eines punktförmigen Laserlichts LS1, und erscheint als Zeilenbild der geneigten Oberfläche, die der Einfallposition entspricht, für den Fall eines linearen Laserlichts LS1. Das Bild erscheint in einer Position der geneigten Oberfläche, die der Position (oder Höhe) des Werkstücks W auf der optischen Achse c entspricht. Diese Eigenschaft ermöglicht es der Messeinheit 40, die Position (oder Höhe) des Werkstücks W auf der optischen Achse c basierend auf der Position des Lichts, das von dem Lichtempfänger 30 empfangen wird, zu bestimmen.
Die Positionsmessvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, welche die Position des Werkstücks W unter Verwendung der Hologrammvorrichtung 20 misst, die konfiguriert ist, um das rekonstruierte Bild der geneigten Oberfläche zu erzeugen, kann im Vergleich zu einer Konfiguration, die Linsen aufweist, die basierend auf dem Scheimpflug-Prinzip angeordnet sind, ein kleines Format aufweisen. Die Verwendung der Hologrammvorrichtung 20, die das rekonstruierte Bild der geneigten Oberfläche erzeugt, ermöglicht es, eine Fläche zu messen, die der geneigten Oberfläche entspricht, und somit kann ein breiterer Bereich der Fläche innerhalb kurzer Zeit gemessen werden.
Es wird nun ein Verfahren zum Herstellen der Hologrammvorrichtung 20 beschrieben.
2 ist ein schematisches Diagramm, das ein Verfahren zum Herstellen einer Hologrammvorrichtung abbildet.
Um die Hologrammvorrichtung 20 herzustellen, die in der Positionsmessvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird, wird ein Objekt OB, das eine geneigte Oberfläche S aufweist, gegenüber einem Aufzeichnungsmedium 200 zur Verwendung als Hologrammvorrichtung 20 angeordnet. Anschließend wird das Objekt OB mit einem Laserlicht LS10 zur Verwendung als Objektstrahl bestrahlt, und das Aufzeichnungsmedium 200 wird mit einem Laserlicht LS20 zur Verwendung als Referenzstrahl bestrahlt. Dies bewirkt, dass das Laserlicht LS10, das von der geneigten Oberfläche S des Objekts OB reflektiert wird, mit dem Laserlicht LS20 zur Verwendung als Referenzstrahl interferiert. Interferenzstreifen, die auf diese Interferenz zurückzuführen sind, werden auf dem Aufzeichnungsmedium 200 aufgezeichnet. Somit wird die Hologrammvorrichtung 20 hergestellt. Die Hologrammvorrichtung 20 kann auch durch ein anderes Verfahren als zuvor beschrieben hergestellt werden, beispielsweise durch ein Verfahren zum digitalen Anfertigen derselben unter Verwendung eines Computers.
Es wird nun ein Verfahren zum Messen einer Position eines Werkstücks W unter Verwendung der Positionsmessvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
3A ist ein schematisches Diagramm, das eine Messung durch ein Positionsmessverfahren abbildet. 3B ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel eines empfangenen Lichtsignals bei dem Positionsmessverfahren abbildet. Dabei wird ein Bildsensor als Beispiel des Lichtempfängers 30 verwendet.
Zunächst wird, wie in 3A abgebildet, die Positionsmessvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform vorbereitet, und ein Werkstück W wird auf der optischen Achse c des Laserlichts LS1 positioniert. Der Lichtsender 10 bestrahlt dann eine Oberfläche des Werkstücks W mit dem Laserlicht LS1, wobei das Laserlicht LS1 entweder ein punktförmiges oder ein lineares Laserlicht sein kann. Für den Fall des punktförmigen Laserlichts LS1 wird die Position des Werkstücks W mit Bezug auf das Laserlicht LS1 variiert. Dies ermöglicht ein Abtasten mit dem Laserlicht LS1.
Der Lichtempfänger 30 nimmt durch die Hologrammvorrichtung 20 hindurch Detektionslicht LS2 auf, das durch des Laserlicht LS1 gebildet wird, das von der Oberfläche des Werkstücks W reflektiert und gestreut wird, während die Oberfläche des Werkstücks W mit dem Laserlicht LS1 bestrahlt wird. Der Lichtempfänger 30 detektiert eine Position des Lichts, nachdem es durch die Hologrammvorrichtung 20 gegangen ist, wobei die Position je nach einer Einfallposition des Detektionslichts LS2 auf der Hologrammvorrichtung 20 variiert. Insbesondere wird eine Änderung der Position der Oberfläche des Werkstücks W, das mit dem Laserlicht LS1 entlang der optischen Achse c bestrahlt wird, in eine Änderung der Position entlang der geneigten Oberfläche des rekonstruierten Bildes der Hologrammvorrichtung 20 umgewandelt.
Anschließend bestimmt die Messeinheit 40 eine Position (oder Höhe) des Werkstücks W basierend auf der Position des Lichts, das von dem Lichtempfänger 30 aufgenommen wird. Die Position des Lichts (d. h. die Position der geneigten Oberfläche), die von dem Lichtempfänger 30 aufgenommen wird, entspricht einer Position auf der optischen Achse c des Werkstücks W. Die Messeinheit 40 bestimmt die Position des Werkstücks W basierend auf ihrer Übereinstimmung.
Bei dem in 3A gezeigten Beispiel weist das Werkstück W eine zu messende halbzylindrische Oberfläche auf, wobei die Breitenrichtung des Halbzylinders als X-Richtung bezeichnet wird, die Längsrichtung des Halbzylinders als Y-Richtung bezeichnet wird, und die Höhenrichtung der halbzylindrischen Oberfläche als Z-Richtung bezeichnet wird. Bei einem punktförmigen Laserlicht LS1 wird das Laserlicht LS1 in X-Richtung bewegt. Bei einem linearen Laserlicht LS1 wird das lineare Laserlicht LS1, das sich in X-Richtung erstreckt, emittiert.
Wenn der Lichtempfänger 30 durch die Hologrammvorrichtung 20 hindurch das Detektionslicht LS2 aufnimmt, das durch die Reflexion und Streuung des Laserlichts LS1 gebildet wird, mit dem die Oberfläche des Werkstücks W bestrahlt wurde, erscheint eine Bildposition der X-Richtung des Werkstücks W in einer ersten Richtung des Bildsensors, und eine Bildposition der Z-Richtung des Werkstücks W erscheint in einer zweiten Richtung, die zu der ersten Richtung rechtwinklig ist.
3B bildet ein Beispiel eines Signals ab, das von dem Bildsensor empfangen wird. Dieses Signal stellt die Höhe in einer Position dar, an der das Laserlicht LS1 auf das Werkstück W einfällt. Das Signal, das von dem Bildsensor empfangen wird, ist ein Signal, das erzielt wird, indem die Koordinaten des Detektionslichts LS2 durch die geneigte Oberfläche hindurch in dem rekonstruierten Bild der Hologrammvorrichtung 20 umgewandelt werden. Somit wird eine Form, die einem Querschnitt an der Position des Werkstücks W, an der das Laserlicht LS1 einfällt, basierend auf einer derartigen Lichtempfangsposition auf dem Bildsensor erzielt.
Es wird nun ein Beispiel einer spezifischen Vorrichtungskonfiguration beschrieben.
4 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel einer Vorrichtungskonfiguration unter Verwendung eines Bildsensors abbildet.
Bei der in 4 gezeigten Vorrichtungskonfiguration sind der Lichtsender 10, die Hologrammvorrichtung 20 und der Lichtempfänger 30 der Positionsmessvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform in einem Messkopf 100 aufgenommen. Der Lichtsender 10 emittiert ein lineares Laserlicht LS1 in Richtung auf das Werkstück W. Die Hologrammvorrichtung 20 ist auf der Seite des Werkstücks W in dem Messkopf 100 angeordnet, und der Bildsensor des Lichtempfängers 30 ist gegenüber dem Werkstück W über der Hologrammvorrichtung 20 in dem Messkopf 100 angeordnet.
Bei dieser Vorrichtungskonfiguration emittiert der Lichtsender 10 das lineare Laserlicht LS1 auf das Werkstück W, und der Bildsensor des Lichtempfängers 30 nimmt das reflektierte und gestreute Detektionslicht LS2 durch die Hologrammvorrichtung 20 hindurch auf. Dadurch kann der Bildsensor eine Änderung einer Position (oder Höhe) der Oberfläche des Werkstücks W, an der das lineare Laserlicht LS1 einfällt, in zwei Dimensionen detektieren.
Dabei kann die in 4 gezeigte Vorrichtungskonfiguration eine Abtasteinheit (nicht gezeigt) umfassen, die konfiguriert ist, um eine relative Position zwischen dem Messkopf 100 und dem Werkstück W zu ändern. Die Abtasteinheit ändert die relative Position zwischen dem Messkopf 100 und dem Werkstück W in einer Richtung, die zur Zeilenrichtung des Laserlichts LS1 rechtwinklig ist. Der Lichtsender 10 bestrahlt das Werkstück W mit dem linearen Laserlicht LS1, und der Bildsensor detektiert die Höhe, wobei die Abtasteinheit die relative Position zwischen dem Messkopf 100 und dem Werkstück W sequenziell ändert, so dass die dreidimensionale Form der Oberfläche des Werkstücks W erzielt werden kann.
5 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel einer Vorrichtungskonfiguration unter Verwendung eines Zeilensensors abbildet.
Bei der in 5 gezeigten Vorrichtungskonfiguration sind der Lichtsender 10, die Hologrammvorrichtung 20 und der Lichtempfänger 30 der Positionsmessvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform in dem Messkopf 100 aufgenommen. Der Lichtempfänger 30 umfasst einen Zeilensensor. Der Messkopf 100 ist mit einem Galvanometerspiegel 50 versehen, der konfiguriert ist, um die Richtung der Reflexion des Lichts zu ändern, während er sich dreht.
Bei dieser Vorrichtungskonfiguration emittiert der Lichtsender 10 ein punktförmiges Laserlicht LS1. Das punktförmige Laserlicht LS1 wird von dem Galvanometerspiegel 50 reflektiert und fällt auf die Oberfläche des Werkstücks W ein. Da die Drehung des Galvanometerspiegels 50 die Richtung der Reflexion des Laserlichts LS1 ändert, kann das punktförmige Laserlicht LS1 in einer Richtung entlang der Oberfläche des Werkstücks W bewegt (gescannt) werden.
Das Detektionslicht LS2, das durch die Reflexion und Streuung des Laserlichts LS1, mit dem die Oberfläche des Werkstücks W bestrahlt wurde, gebildet wird, wird von dem Galvanometerspiegel 50 reflektiert und auf die Hologrammvorrichtung 20 gerichtet. Die Drehung des Galvanometerspiegels 50 ändert eine Einfallposition des Laserlichts LS1 auf das Werkstück W, und ein Winkel des Detektionslichts LS2, das von dem Galvanometerspiegel 50 reflektiert wird, ändert sich ebenfalls in Verbindung zu einer Änderung der Einfallposition. Wenn somit eine Höhe der Einfallposition des Laserlichts LS1 auf das Werkstück W konstant ist, ist die Position des Detektionslichts LS2, das von dem Galvanometerspiegel 50 auf die Hologrammvorrichtung 20 gerichtet ist, immer gleich. Wenn andererseits die Höhe der Einfallposition des Laserlichts LS1 auf das Werkstück W variiert, variiert die Position des Detektionslichts LS2, das auf die Hologrammvorrichtung 20 gerichtet ist, entlang der Axialrichtung, die einer Höhenachse entspricht.
Das Detektionslicht LS2, das auf die Hologrammvorrichtung 20 einfällt, geht durch die Hologrammvorrichtung 20 hindurch und wird an einer vorbestimmten Position des Zeilensensors des Lichtempfängers 30 aufgenommen. Bei dieser Vorrichtungskonfiguration wird eine Änderung der Höhe des Werkstücks W in der Lichtempfangsposition des Zeilensensors reflektiert. Daher kann die Höhe in den Positionen, an denen das Werkstück W, auf dem das punktförmige Laserlicht LS1 bewegt wird, basierend auf der Position des Lichts, das von dem Zeilensensor aufgenommen wird, bestimmt werden.
Die in 5 gezeigte Vorrichtungskonfiguration kann auch eine Abtasteinheit (nicht gezeigt) umfassen, die konfiguriert ist, um eine relative Position zwischen dem Messkopf 100 und dem Werkstück W zu ändern. Die Abtasteinheit ändert die relative Position zwischen dem Messkopf 100 und dem Werkstück W in einer Richtung, die zur Abtastrichtung des Laserlichts LS1 rechtwinklig ist. Die Drehung des Galvanometerspiegels 50 bewirkt, dass das punktförmige Laserlicht LS1 auf das Werkstück W gerichtet wird und dass der Zeilensensor die Höhe detektiert, wobei die Abtasteinheit die relative Position zwischen dem Messkopf 100 und dem Werkstück W sequenziell ändert. Somit kann die dreidimensionale Form der Oberfläche des Werkstücks W erzielt werden.
Zweite Ausführungsform
Es wird nun eine Positionsmessvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform beschrieben.
6A und 6B sind Konfigurationsdiagramme, die eine Positionsmessvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform abbilden.
Wie in 6A und 6B abgebildet, ist eine Positionsmessvorrichtung 1B gemäß der vorliegenden Ausführungsform anders als die Positionsmessvorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform mit Bezug auf die Konfiguration einer Hologrammvorrichtung 21. Die Positionsmessvorrichtung 1B umfasst auch einen Antriebsmechanismus 60 für die Hologrammvorrichtung 21. Die anderen Konfigurationen sind die gleichen wie bei der Positionsmessvorrichtung 1.
Die Hologrammvorrichtung 21, die bei der Positionsmessvorrichtung 1B verwendet wird, weist eine erste Fläche 211 und eine zweite Fläche 212 auf. Die erste Fläche 211 ist eine Fläche, die eine erste geneigte Oberfläche, die mit Bezug auf die optische Achse c des Laserlichts LS1 in einem ersten Winkel geneigt ist, als rekonstruiertes Bild erzeugt. Die zweite Fläche 212 ist eine Fläche, die eine zweite geneigte Oberfläche, die in einem zweiten Winkel, der anders als der erste Winkel ist, mit Bezug auf die optische Achse c des Laserlichts LS1 geneigt ist, als rekonstruiertes Bild erzeugt. D. h. die Hologrammvorrichtung 21 weist eine Vielzahl von Flächen auf, welche die geneigten Oberflächen, die voneinander unterschiedliche Winkel aufweisen, als rekonstruiertes Bild erzeugen.
Damit die Positionsmessvorrichtung 1B, die eine derartige Hologrammvorrichtung 21 verwendet, eine Position auf einer Oberfläche eines Werkstücks W misst, nimmt der Lichtempfänger 30 durch eine vorgewählte Fläche von der ersten Fläche 211 und der zweiten Fläche 212 Detektionslicht LS2 auf, das durch das Laserlicht LS1 verursacht wird, mit dem das Werkstück W bestrahlt wird.
Der Winkel der geneigten Oberfläche des rekonstruierten Bildes, das von der Hologrammvorrichtung 21 erzeugt wird, ist anders, wenn der Lichtempfänger 30 das Detektionslicht LS2 durch die erste Fläche 211 aufnimmt, als wenn der Lichtempfänger 30 das Detektionslicht LS2 durch die zweiten Fläche 212 aufnimmt, so dass Reichweite und Auflösung der Positionsdetektion voneinander unterscheiden.
D. h. je mehr der Winkel der geneigten Oberfläche in dem rekonstruierten Bild dazu neigt, zu der optischen Achse c des Laserlichts LS1 parallel zu sein, desto größer ist die Reichweite der Positionsdetektion. Je mehr der Winkel der geneigten Oberfläche in dem rekonstruierten Bild dagegen dazu neigt, zu der optischen Achse c des Laserlichts LS1 rechtwinklig zu sein, desto höher ist die Auflösung der Positionsdetektion. Entsprechend können Reichweite und Auflösung der Positionsdetektion für das Werkstück W je nachdem ausgewählt werden, ob das Detektionslicht LS2 durch die erste Fläche 211 oder die zweite Fläche 212 der Hologrammvorrichtung 21 hindurch geht.
Bei der Positionsmessvorrichtung 1B kann der Antriebsmechanismus 60 die Position der Hologrammvorrichtung 21 ändern. Beispielsweise wird die Position des Werkstücks W zunächst unter Verwendung der ersten Fläche 211 der Hologrammvorrichtung 21 gemessen, wie in 6A abgebildet. Anschließend bewegt der Antriebsmechanismus 60 die Position der Hologrammvorrichtung 21, und die Position des Werkstücks W wird unter Verwendung der zweiten Fläche 212 gemessen, wie in 6B abgebildet. Somit kann man Reichweite und Auflösung zum Messen der Position des Werkstücks W umschalten.
Obwohl das Beispiel, bei dem die Hologrammvorrichtung 21 zwei Flächen aufweist, nämlich die erste Fläche 211 und die zweite Fläche 212, bei der vorliegenden Ausführungsform beschrieben wird, kann eine Hologrammvorrichtung drei oder mehrere Flächen aufweisen, die konfiguriert sind, um jeweilige rekonstruierte Bilder von geneigten Oberflächen zu erzeugen, die zueinander unterschiedliche Winkel aufweisen.
Dritte Ausführungsform
Es wird nun eine Positionsmessvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform beschrieben.
7 ist ein Konfigurationsdiagramm, das eine Positionsmessvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform abbildet.
Wie in 7 abgebildet, umfasst eine Positionsmessvorrichtung 1C eine Linse 70 zwischen der Hologrammvorrichtung 20 und dem Lichtempfänger 30. Die anderen Konfigurationen sind die gleichen wie bei der Positionsmessvorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform.
Die Linse 70 weist die Eigenschaft auf, das rekonstruierte Bild, das von der Hologrammvorrichtung 20 erzeugt wird, zu erweitern. Eine derartige Linse 70 ermöglicht es dem Lichtempfänger 30, eine Änderung der Bildposition der Hologrammvorrichtung 20 aufzunehmen, die mit einer Änderung der Position des Werkstücks W unter Vergrößerung verknüpft ist, wenn die Position des Werkstücks W gemessen wird. Dadurch ist es möglich, eine kleine Höhenänderung der Position des Werkstücks W mit hoher Genauigkeit zu detektieren.
Wie zuvor beschrieben, können die Positionsmessvorrichtungen 1, 1B und 1C gemäß den Ausführungsformen die Position der Oberfläche des Messobjekts innerhalb kurzer Zeit mit einer einfachen und kompakten Struktur messen.
Obwohl die Ausführungsformen und ihre Anwendungsbeispiele zuvor beschrieben wurden, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf eingeschränkt. Beispielsweise gehören die zuvor erwähnten Ausführungsformen oder ihre Anwendungsbeispiele, deren Komponenten vom Fachmann hinzugefügt oder entfernt oder konstruktionsmäßig geändert werden, im Umfang der Erfindung, solange sie dem Geist der Erfindung entsprechen.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Die vorliegende Erfindung ist bevorzugt auf eine armartige Positionsmessvorrichtung und eine Bildmessvorrichtung, bei der sich ein Messkopf 100 linear entlang jeder der X-, Y- und Z-Achsen bewegt, anwendbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2002-139311 A [0002, 0006]
JP 6-185978 A [0005, 0006]

Claims

Positionsmessvorrichtung, umfassend: einen Lichtsender, der konfiguriert ist, um ein Laserlicht zu emittieren; eine Hologrammvorrichtung, die konfiguriert ist, um ein rekonstruiertes Bild einer geneigten Oberfläche mit Bezug auf eine optische Achse zu erzeugen; einen Lichtempfänger, der auf einer Oberfläche der Hologrammvorrichtung, die ein rekonstruiertes Bild formt, angeordnet ist; und eine Messeinheit, die konfiguriert ist, um eine Position eines Objekts basierend auf einer Position von Licht, das von dem Lichtempfänger empfangen wird, zu messen.
Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Lichtsender ein lineares Laserlicht emittiert, und der Lichtempfänger einen Bildsensor umfasst, der eine zweidimensionale Pixelmatrix aufweist.
Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 2, ferner umfassend eine Abtasteinheit, die konfiguriert ist, um eine relative Position zwischen dem Laserlicht und dem Objekt in einer Richtung zu bewegen, die zu einer Richtung rechtwinklig ist, in der sich eine Zeile des Laserlichts erstreckt.
Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend einen beweglichen Spiegel, der das Laserlicht, das von dem Lichtsender emittiert wird, über das Objekt bewegt und einen optischen Weg derart anpasst, dass das gestreute Licht des Laserlichts auf das Objekt in einem bestimmten Winkel mit Bezug auf die Hologrammvorrichtung einfällt und auf einen Zeilensensor abgebildet wird, wobei der Lichtsender ein punktförmiges Laserlicht emittiert, und der Lichtempfänger den Zeilensensor umfasst, bei dem eine Vielzahl von Pixeln in einer geraden Linie angeordnet ist.
Positionsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner umfassend eine Linse, die zwischen der Hologrammvorrichtung und dem Lichtempfänger angeordnet ist und das rekonstruierte Bild, das von der Hologrammvorrichtung erzeugt wird, erweitert.
Positionsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Hologrammvorrichtung eine erste Fläche, die eine erste geneigte Oberfläche rekonstruiert, die in einem ersten Winkel mit Bezug auf die optische Achse geneigt ist, und eine zweite Fläche, die eine zweite geneigte Oberfläche rekonstruiert, die in einem zweiten Winkel, der anders als der erste Winkel ist, mit Bezug auf die optische Achse geneigt ist, umfasst.