DE102020127170A1

DE102020127170A1 - Optische vorrichtung und optische messmaschine

Info

Publication number: DE102020127170A1
Application number: DE102020127170.0A
Authority: DE
Inventors: Kentaro Nemoto
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2019-10-21
Filing date: 2020-10-15
Publication date: 2021-04-22
Also published as: CN112764184A; JP2021067774A; JP7358188B2; US20210116668A1; US11656425B2

Abstract

Eine optische Vorrichtung (10) enthält einen ersten Linsenhalter (4), der eine Kollimationslinse (21) hält, einen zweiten Verbinderblock (7), der den ersten Linsenhalter (4) stützt, einen zweiten Linsenhalter (6), der eine lichtformende Linse (22) stützt, eine säulenförmige Rolle (9), die zwischen dem zweiten Verbinderblock (7) und dem zweiten Linsenhalter (6) angeordnet ist und entlang einer X-Achsen-Richtung angeordnet ist, und ein Paar von Einstellschrauben (82), die über eine optische Achse in einer Y-Achsen-Richtung angeordnet sind, wobei der zweite Linsenhalter (6) und der zweite Verbinderblock (7) durch die Einstellschrauben (82) aneinander befestigt sind. Die einander zugewandten Stirnflächen (64, 74) des zweiten Verbinderblocks (7) und des zweiten Linsenhalters (6) sind mit jeweiligen V-förmigen Nuten (65, 75) versehen, die sich entlang der X-Achsen-Richtung erstrecken, wobei die Rolle (9) zwischen den V-förmigen Nuten angeordnet ist. Jede der Einstellschrauben (82) enthält einen Kopf (822), der mit dem zweiten Linsenhalter (6) in einer Weise in Eingriff steht, so dass er zu einer Relativbewegung in der X-Achsen-Richtung imstande ist, und einen Schaft (821), der in den zweiten Verbinderblock (7) geschraubt ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine optische Vorrichtung und eine optische Messmaschine.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Eine optische Messmaschine, die konfiguriert ist, ein Werkstück mit einem Linienlaserstrahl zu beleuchten und ein Bild eines vom Werkstück reflektierten Lichts aufzunehmen, um ein Profil des Werkstücks zu messen, ist bereits bekannt (siehe z. B. die Patentliteratur 1 ( JP 2012-212009 A )). Eine derartige optische Messmaschine enthält eine optische Vorrichtung, die eine Lichtquelle, eine Kollimationslinse zum Umsetzen eines durch die Lichtquelle emittierten Laserstrahls in einen kollimierten Strahl und eine lichtformende Linse (z. B. eine Stablinse oder eine Zylinderlinse) zum Umsetzen des kollimierten Strahls in den Linienlaserstrahl enthält.
Wenn die Einfallsrichtung des kollimierten Strahls auf die lichtformende Linse der oben beschriebenen optischen Vorrichtung abweicht, nimmt der resultierende Linienlaserstrahl ein gekrümmtes Profil an. Wenn das Werkstück mit dem gekrümmten Linienlaserstrahl beleuchtet wird, wird eine flache Oberfläche des Werkstücks fälschlicherweise als eine unregelmäßige Oberfläche gemessen. Mit anderen Worten, die Abweichung in der Einfallsrichtung des kollimierten Strahls auf die lichtformende Linse führt zu Messfehlern.
Im Hinblick auf das Obige enthält die in der Patentliteratur 1 offenbarte optische Vorrichtung eine Einstellvorrichtung des optischen Systems, die konfiguriert ist, die Einfallsrichtung des kollimierten Strahls auf die lichtformende Linse einzustellen. Der Einstellmechanismus des optischen Systems, der einen Halter zum Halten der lichtformenden Linse, einen an dem Halter befestigten Block und ein zwischen dem Halter und dem Block angeordnetes zylindrisches Element enthält, kann eine Neigung des Halters bezüglich des Blocks durch eine Schwenkbewegung um das zylindrische Element einstellen. Durch das Einstellen der Neigung des Halters, der die lichtformende Linse hält, kann die Einfallsrichtung des kollimierten Strahls auf die lichtformende Linse eingestellt werden, wobei folglich die Form des Linienlaserstrahls in eine lineare Form eingestellt werden kann.
Es sollte erwähnt werden, dass nicht nur die lineare Form des Linienlaserstrahls, sondern außerdem sogar eine gleichmäßige Lichtintensitätsverteilung des Linienlaserstrahls wichtig ist, um die Genauigkeit der Profilmessung unter Verwendung des Linienlaserstrahls zu verbessern. Die Lichtintensitätsverteilung des Linienlaserstrahls hängt von der Einfallsposition des kollimierten Strahls auf die lichtformende Linse ab, wobei der resultierende Linienlaserstrahl eine gleichmäßige Lichtintensitätsverteilung unter der Bedingung aufweist, dass der kollimierte Strahl in die Mitte der lichtformenden Linse eintritt.
Die in der oben beschriebenen Patentliteratur 1 offenbarte optische Vorrichtung enthält jedoch keinen Mechanismus zum Einstellen der Einfallsposition des kollimierten Strahls auf die lichtformende Linse. Entsprechend führt die Abweichung der Einfallsposition, wenn sie auftritt, zu einer ungleichmäßigen Lichtintensitätsverteilung des Linienlaserstrahls, was zu einer Verschlechterung der Messgenauigkeit führt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine optische Vorrichtung, die einen linearen Linienlaserstrahl mit einer gleichmäßigen Lichtintensitätsverteilung bilden kann, und eine optische Messmaschine, die mit der optischen Vorrichtung versehen ist, zu schaffen.
Eine optische Vorrichtung gemäß einem Aspekt der Erfindung enthält: eine Lichtquelle, die konfiguriert ist, einen Laserstrahl zu emittieren; eine Kollimationslinse, die konfiguriert ist, den von der Lichtquelle empfangenen Laserstrahl in einen kollimierten Strahl umzusetzen; eine lichtformende Linse, die konfiguriert ist, den von der Kollimationslinse empfangenen kollimierten Strahl in einen Linienlaserstrahl umzusetzen, der in einer Linienrichtung orthogonal zu einer optischen Achse der Kollimationslinse aufgeweitet ist; einen ersten Linsenhalter, der die Kollimationslinse hält; einen Verbinderblock, der den ersten Linsenhalter stützt; einen zweiten Linsenhalter, der die lichtformende Linse stützt; eine säulenförmige Rolle, die zwischen dem Verbinderblock und dem zweiten Linsenhalter angeordnet ist und entlang der Linienrichtung angeordnet ist; und ein Paar von Einstellschrauben, die in einer orthogonalen Richtung orthogonal zu der optischen Achse und der Linienrichtung über die optische Achse angeordnet sind, wobei der zweite Linsenhalter und der Verbinderblock durch die Einstellschrauben aneinander befestigt sind, wobei einander zugewandte Stirnflächen des Verbinderblocks und des zweiten Linsenhalters jeweils mit entsprechenden V-förmigen Nuten versehen sind, die sich entlang der Linienrichtung erstrecken, wobei die V-förmigen Nuten mit der dazwischen angeordneten Rolle angeordnet sind, und die Einstellschrauben jeweils einen Kopf, der mit dem zweiten Linsenhalter in einer Weise in Eingriff steht, so dass er zu einer Relativbewegung in der Linienrichtung imstande ist, und einen Schaft, der mit dem Verbinderblock verschraubt ist, enthalten.
In dem obigen Aspekt der Erfindung sind die Stirnflächen des Verbinderblocks und des zweiten Linsenhalters so angeordnet, dass sie einander zugewandt sind, und sind die V-förmigen Nuten in den jeweiligen Stirnflächen vorgesehen, wobei die säulenförmige Rolle dazwischen angeordnet ist. Entsprechend kann eine Neigung des zweiten Linsenhalters bezüglich des zweiten Verbinderblocks um die Rolle durch das Einstellen der Einschraubtiefen des Paares von Einstellschrauben eingestellt werden. Durch das Einstellen der Neigung des zweiten Linsenhalters, der die lichtformende Linse hält, können eine Einfallsrichtung des kollimierten Strahls auf die lichtformende Linse und folglich die Form des Linienlaserstrahls eingestellt werden.
Ferner befestigt das Paar von Einstellschrauben den zweiten Linsenhalter in einer Weise am zweiten Verbinderblock, dass der zweite Linsenhalter in der Linienrichtung beweglich ist. Entsprechend ist der zweite Linsenhalter ungeachtet der Neigung bezüglich des Verbinderblocks durch das Bewegen des zweiten Linsenhalters entlang einer Seitenfläche der Rolle stabil in der Linienrichtung beweglich. Folglich kann die Einfallsposition des kollimierten Strahls auf die lichtformende Linse und folglich die Lichtintensitätsverteilung des Linienlaserstrahls eingestellt werden.
Entsprechend kann die optische Vorrichtung gemäß dem obigen Aspekt der Erfindung den linearen Linienlaserstrahl mit einer gleichmäßigen Lichtintensitätsverteilung bilden.
In der optischen Vorrichtung gemäß dem obigen Aspekt der Erfindung ist es bevorzugt, dass der zweite Linsenhalter mit Löchern oder Schlitzen zum Aufnehmen der Schäfte der Einstellschrauben versehen ist, wobei die Löcher oder die Schlitze jeweils eine Abmessung in der Linienrichtung aufweisen, die größer als eine Abmessung in der orthogonalen Richtung ist.
Bei der obigen Anordnung kann der zweite Linsenhalter, dessen Abfallen durch den Eingriff der Schäfte der Einstellschrauben mit den Löchern oder den Schlitzen vermieden wird, in der Linienrichtung bezüglich des Verbinderblocks geeignet bewegt werden.
In der optischen Vorrichtung gemäß dem obigen Aspekt der Erfindung ist es bevorzugt, dass der erste Linsenhalter eine hohle zylindrische Komponente ist, die die Kollimationslinse innen hält, und der Verbinderblock eine äußere Umfangsfläche des ersten Linsenhalters verschiebbar stützt, so dass er um die optische Achse drehbar ist.
Bei der obigen Anordnung kann die Linienrichtung, in der der Linienlaserstrahl aufgeweitet ist (d. h., das Bild des Laserstrahls gestreckt ist), auf Wunsch eingestellt werden. Wenn das Werkstück z. B. in einer vorgegebenen Abtastrichtung abgetastet wird, kann das Werkstück durch das Ausrichten der Linienrichtung auf eine Richtung orthogonal zur Abtastrichtung effizient gemessen werden.
Eine optische Messmaschine gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält: eine der oben beschriebenen optischen Vorrichtungen, wobei die optische Vorrichtung das Werkstück mit dem Linienlaserstrahl bestrahlt; eine Bildaufnahmeeinheit, die konfiguriert ist, ein Bild eines durch das Werkstück reflektierten Lichts des Linienlaserstrahls aufzunehmen, und eine Messeinheit, die konfiguriert ist, ein Profil des Werkstücks basierend auf dem durch die Bildaufnahmeeinheit aufgenommenen Bild zu messen.
Gemäß dem obigen Aspekt der Erfindung kann das Werkstück, das mit dem linearen Linienlaserstrahl mit einer gleichmäßigen Lichtintensitätsverteilung beleuchtet wird, mit einer verbesserten Messgenauigkeit gemessen werden.
Figurenliste

1 ist ein Blockschaltplan, der eine optische Messmaschine gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung zeigt.
2 zeigt schematisch eine optische Sonde gemäß der beispielhaften Ausfü h ru ngsform.
3 ist eine perspektivische Ansicht, die eine optische Vorrichtung gemäß der beispielhaften Ausführungsform zeigt.
4 ist eine Querschnittsansicht, die die optische Vorrichtung gemäß der beispielhaften Ausführungsform zeigt.
5 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die die optische Vorrichtung gemäß der beispielhaften Ausführungsform zeigt.
6 ist eine weitere perspektivische Explosionsansicht, die die optische Vorrichtung gemäß der beispielhaften Ausführungsform zeigt.
7 veranschaulicht ein Beispiel eines Einstellverfahrens der optischen Vorrichtung gemäß der beispielhaften Ausführungsform.
8 zeigt ein Beispiel eines Profils eines Linienlaserstrahls.
9 zeigt ein weiteres Beispiel der Form des Linienlaserstrahls.
10 zeigt ein noch weiteres Beispiel der Form des Linienlaserstrahls.
11 zeigt ein weiteres Beispiel der Form des Linienlaserstrahls.
12 zeigt ein weiteres Beispiel der Form des Linienlaserstrahls.
13 veranschaulicht das Einstellverfahren der optischen Vorrichtung gemäß der beispielhaften Ausführungsform.
14 zeigt ein Beispiel der durch eine Strahlprofilvorrichtung gemessenen Lichtintensitätsverteilung des Linienlaserstrahls.
15 zeigt ein weiteres Beispiel der durch eine Strahlprofilvorrichtung gemessenen Lichtintensitätsverteilung des Linienlaserstrahls.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORM(EN)
Eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung wird im Folgenden bezüglich der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Optische Messmaschine
Wie in 1 gezeigt ist, enthält eine optische Messmaschine 100 gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform: eine optische Sonde 11, die konfiguriert ist, ein Werkstück W mit einem Linienlaserstrahl L zu beleuchten, um ein Bild aufzunehmen; einen Antriebsmechanismus 12, der konfiguriert ist, die optische Sonde 11 zu stürzen, so dass die optische Sonde 11 bezüglich des Werkstücks W beweglich ist; und einen Controller 15, der konfiguriert ist, ein Profil des Werkstücks W basierend auf dem aufgenommenen Bild zu messen.
Die optische Sonde 11 enthält eine optische Vorrichtung 10, die konfiguriert ist, das Werkstück W mit dem Linienlaserstrahl L zu beleuchten, und eine Bildaufnahmeeinheit 14, die konfiguriert ist, ein Bild eines vom Werkstück W reflektierten Lichts aufzunehmen.
Wie in 2 gezeigt ist, enthält die optische Vorrichtung 10 eine Laserquelle 1 und eine optische Beleuchtungskomponente 2.
Die Laserquelle 1, für die eine Laserdiode ein Beispiel ist, ist konfiguriert, einen Laserstrahl zu emittieren.
Die optische Beleuchtungskomponente 2 enthält: eine Kollimationslinse 21, die konfiguriert ist, den von der Laserquelle 1 empfangenen Laserstrahl in einen kollimierten Strahl umzusetzen und den kollimierten Strahl auszugeben; und eine lichtformende Linse 22, die konfiguriert ist, den von der Kollimationslinse 21 empfangenen kollimierten Strahl in den Linienlaserstrahl L umzusetzen und den Linienlaserstrahl auszugeben. Die Beispiele der lichtformenden Linse 22 enthalten eine Stablinse und eine Zylinderlinse. Der von der lichtformenden Linse 22 emittierte Linienlaserstrahl L beleuchtet das Werkstück W.
Die Bildaufnahmeeinheit 14 (z. B. eine Kamera) enthält eine lichtempfangende optische Komponente 141 und einen Bildsensor 142.
Die lichtempfangende optische Komponente 141 ist konfiguriert, ein Bild des vom Werkstück W reflektierten Linienlaserstrahls L auf dem Bildsensor 142 zu erzeugen. Es sollte angegeben werden, dass die lichtempfangende optische Komponente 141, die in 2 schematisch als eine einzelne Linse gezeigt ist, alternativ eine Kombination aus mehreren Linsen sein kann.
Der Bildsensor 142, für den eine Bildaufnahmevorrichtung (z. B. CMOS und CCD) ein Beispiel ist, ist konfiguriert, das Bild des durch das Werkstück W reflektierten Linienlaserstrahls L aufzunehmen, um ein Bild zu erzeugen.
Zurück in 1 ist der Controller 15, der z. B. einen Speicher und eine CPU (Zentraleinheit) enthält, konfiguriert, verschiedene Funktionen auszuführen, indem die CPU die im Speicher gespeicherten Programme liest und ausführt.
Der Controller 15 ist z. B. konfiguriert, die Lichtintensität des durch die Laserquelle 1 emittierten Lichtstrahls durch das steuerbare Antreiben des Antriebsmechanismus 12, um die Position der optischen Sonde 11 bezüglich des Werkstücks W zu steuern, und/oder durch das Steuern der Laserquelle 1 einzustellen.
Ferner ist der Controller 15, der außerdem als eine Messeinheit 151 dient, konfiguriert, das durch den Bildsensor 142 aufgenommene Bild zu importieren und ein Oberflächenprofil des mit dem Linienlaserstrahl L beleuchteten Werkstücks W durch eine arithmetische Verarbeitung in Übereinstimmung mit einem Triangulationsverfahren zu messen.
Es sollte angegeben werden, dass eine Anzeige 16 mit dem Controller 15 verbunden sein kann. Die Anzeige 16 ist konfiguriert, die durch die Messeinheit 151 berechneten Messergebnisse und dergleichen anzuzeigen.
Optische Vorrichtung
Anschließend wird im Folgenden eine spezifische Anordnung der optischen Vorrichtung 10 bezüglich der 3 bis 6 beschrieben.
In der Beschreibung im Folgenden ist eine Richtung entlang einer optischen Achse P der optischen Vorrichtung 10 als eine Z-Achsen-Richtung definiert, wobei zwei Richtungen in einer Ebene orthogonal zur Z-Achsen-Richtung als eine X-Achsen-Richtung und eine Y-Achsen-Richtung definiert sind, wobei die X-Achsen-Richtung und die Y-Achsen-Richtung orthogonal zueinander sind. Ferner wird eine erste Seite in der Z-Achsen-Richtung manchmal als eine +Z-Achsen-Seite bezeichnet, während eine zweite Seite, die der ersten Seite gegenüberliegt, manchmal als ein -Z-Achsen-Seite bezeichnet wird.
Wie in den 3 und 4 gezeigt ist, enthält die optische Vorrichtung 10 die oben beschriebene Laserquelle 1, die Kollimationslinse 21 und die lichtformende Linse 22. Die optische Vorrichtung 10 enthält ferner: eine Halterung 3 zum Halten der Laserquelle 1; einen ersten Linsenhalter 4 zum Halten der Kollimationslinse 21; einen ersten Verbinderblock 5 zum Verbinden der Halterung 3 mit dem ersten Linsenhalter 4; einen zweiten Linsenhalter 6 zum Halten der lichtformenden Linse 22; und einen zweiten Verbinderblock 7 (einen Verbinderblock der Erfindung) zum Verbinden des ersten Linsenhalters 4 mit dem zweiten Linsenhalter 6.
Die Halterung 3 ist eine scheibenförmige Komponente, die mit einem Loch 31 versehen ist, dessen Mittelpunkt auf die optische Achse P ausgerichtet ist. Die Laserquelle 1 ist in dem Loch 31 der Halterung 3 aufgenommen und konfiguriert, den Laserstrahl in Richtung der +Z-Achsen-Seite zu emittieren.
Der erste Linsenhalter 4 ist eine hohle zylindrische Komponente, die konfiguriert ist, die Kollimationslinse 21 intern zu halten. Spezifisch ist der erste Linsenhalter 4 mit einem im Querschnitt kreisförmigen Loch 41 versehen, dessen Mittelpunkt auf die optische Achse P ausgerichtet ist, wobei ein Umfangsrand der Kollimationslinse 21 durch eine Wandfläche des Lochs 41 gehalten ist. Die Kollimationslinse 21 ist konfiguriert, den von der -Z-Achsen-Seite empfangenen Laserstrahl in den kollimierten Strahl umzusetzen und den kollimierten Strahl in Richtung der +Z-Achse-Seite auszugeben.
Der erste Verbinderblock 5 ist eine hohle zylindrische Komponente, die eine Umfangsfläche des ersten Linsenhalters 4 stützt. An einer der Halterung 3 zugewandten Stirnfläche 51 des ersten Verbinderblocks 5 ist ein Innengewinde 52 vorgesehen. Eine Befestigungsschraube 81 ist durch ein in der Halterung 3 vorgesehenes Loch 32 eingesetzt, um in das Innengewinde 52 des ersten Verbinderblocks 5 geschraubt zu werden, und verbindet dadurch die Halterung 3 mit dem ersten Verbinderblock 5.
Der zweite Linsenhalter 6 enthält: einen Linsenträger 61, der die lichtformende Linse 22 aufnimmt; einen Abdeckungsabschnitt 62, der am Linsenträger 61 befestigt ist; und ein Paar von Manschetten 63, die sich vom Linsenträger 61 in Richtung beider Seiten in der Y-Achsen-Richtung erstrecken.
Der Linsenträger 61, der sich in der Form eines Halters befindet, der konfiguriert ist, die lichtformende Linse 22 aufzunehmen, ist mit einem Loch 611 für den optischen Weg versehen, dessen Mittelpunkt auf die optische Achse P ausgerichtet ist. Die lichtformende Linse 22 in dem Linsenträger 61 ist konfiguriert, den kollimierten Strahl, der von der -Z-Achsen-Seite empfangen wird, in den linearen Linienlaserstrahl L umzusetzen, der sich in der X-Achsen-Richtung aufweitet, und den Linienlaserstrahl L in Richtung der +Z-Achsen-Seite auszugeben.
Der Abdeckabschnitt 62, der eine plattenförmige Komponente ist, die mit einem Loch 621 für den optischen Weg versehen ist, dessen Mittelpunkt auf die optische Achse P ausgerichtet ist, ist an den Linsenträger 61 geschraubt, um zu vermeiden, dass die lichtformende Linse 22 abfällt.
Das Paar von Manschetten 63, die Abschnitte sind, die sich vom Linsenträger 61 in Richtung der beiden Seiten in der Y-Achsen-Richtung erstrecken, weisen jeweils eine kleinere Dicke in der Z-Achsen-Richtung als die des Linsenträgers 61 auf.
Der zweite Linsenhalter 6 ist mit einer Halterstirnfläche 64 (Stirnfläche des zweiten Linsenhalters der Erfindung) versehen, die dem zweiten Verbinderblock 7 in der Z-Achsen-Richtung vom zweiten Verbinderblock 7 beabstandet zugewandt ist. Spezifisch definieren der Linsenträger 61 und die Manschetten 63 des zweiten Linsenhalters 6 die dem zweiten Verbinderblock 7 zugewandte Halterstirnfläche 64.
Es sollte angegeben werden, dass sich der Linienlaserstrahl L, der durch die lichtformenden Linse 22, die durch den zweiten Linsenhalter 6 gehalten ist, gebildet wird, in der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform in der X-Achsen-Richtung aufweitet. Mit anderen Worten, die X-Achsen-Richtung der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform entspricht einer „Linienrichtung“ der Erfindung.
Wie in 5 gezeigt ist, ist in der Halterstirnfläche 64 eine sich in der X-Achsen-Richtung erstreckende Nut 65 ausgebildet. Die Nut 65 ist auf beiden Seiten des Lochs 721 für den optischen Weg in der X-Achsen-Richtung (d. h., in der X-Achsen-Richtung über die optische Achse P) ausgebildet. Die Nut 65, die durch zwei Wandflächen in einer V-Form definiert ist, weist einen dreieckigen Nutquerschnitt auf.
Die Halterstirnfläche 64 weist zusätzlich an beiden Enden in der Y-Achsen-Richtung eine Schrägfläche 641 auf, die bezüglich der Blockstirnfläche 74 abgeschrägt ist. Die Schrägfläche 641 ist in einer Weise abgeschrägt, dass ein Abstand von der Blockstirnfläche 74 zunimmt, wie sie sich von der optischen Achse P entfernt.
Zurück in 4 enthält der zweite Verbinderblock 7 einen zylindrischen Abschnitt 71 zum Stützen des ersten Linsenhalters 4 und einen Bodenabschnitt 72, der auf einer +Z-Achsen-Seite des zylindrischen Abschnitts 71 vorgesehen ist.
Der zylindrische Abschnitt 71 ist mit einem im Querschnitt kreisförmigen Loch 710 versehen, dessen Mittelpunkt auf die optische Achse P ausgerichtet ist. Eine Wandfläche des Lochs 710 steht mit einer äußeren Umfangsfläche 42 des ersten Linsenhalters 4 in Gleitkontakt. Folglich ist der zweite Verbinderblock 7 bezüglich des ersten Linsenhalters 4 um die optische Achse P drehbar.
Ein scheibenförmiges Gleitelement 73 mit hervorragender Gleitfähigkeit ist zwischen dem Bodenabschnitt 72 und dem ersten Linsenhalter 4 angeordnet. Der Bodenabschnitt 72 und das Gleitelement 73 sind mit den Löchern 721 bzw. 731 für den optischen Weg bereitgestellt, deren Mittelpunkte auf die optische Achse P ausgerichtet sind.
Ferner enthält der zweite Verbinderblock 7 die Blockstirnfläche 74 (Stirnfläche des zweiten Verbinderblocks der Erfindung), die dem zweiten Linsenhalter 6 zugewandt ist. Spezifisch definieren ein Ende des zylindrischen Abschnitts 71 und der Bodenabschnitt 72 des zweiten Verbinderblocks 7 die Blockstirnfläche 74, die dem zweiten Linsenhalter 6 zugewandt ist.
Wie in 6 gezeigt, ist in der Blockstirnfläche 74 eine in der X-Achsen-Richtung verlaufende Nut 75 ausgebildet. Die Nut 75 ist auf beiden Seiten des Lochs 721 für den optischen Weg in der X-Achsen-Richtung (d. h., in der X-Achsen-Richtung über die optische Achse P) ausgebildet. Die Nut 75, die durch zwei Wandflächen in einer V-Form definiert ist, weist einen dreieckigen Nutquerschnitt auf.
Die optische Vorrichtung 10 enthält zusätzlich säulenförmige Rollen 9, die zwischen dem oben beschriebenen zweiten Linsenhalter 6 und dem zweiten Verbinderblock 7 angeordnet sind, und ein Paar von Einstellschrauben 82 zum Befestigen des zweiten Linsenhalters 6 und des zweiten Verbinderblocks 7 aneinander.
Die Rollen 9 sind entlang der X-Achsen-Richtung zwischen der Nut 65 des zweiten Linsenhalters 6 und der Nut 75 des zweiten Verbinderblocks 7 in der X-Achsen-Richtung über die optische Achse P angeordnet.
Abermals zurück in 4 steht eine äußere Umfangsfläche jeder der Rollen 9 mit den Wandflächen, die die Nut 65 und die Nut 75 definieren, in Kontakt. Insbesondere befindet sich in der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform die äußere Umfangsfläche jeder der Rollen 9 in wechselseitigem Gleitkontakt mit den Wandflächen, die die Nut 65 definieren.
Aufgrund des Vorhandenseins der Rollen 9 ist zwischen dem zweiten Linsenhalter 6 und dem zweiten Verbinderblock 7 ein Spalt erzeugt.
Das Paar von Einstellschrauben 82 ist in der Y-Achsen-Richtung über die optische Achse P angeordnet. Jede der Einstellschrauben 82 enthält einen Schaft mit Außengewinde 821 und einen Kopf 822, der an einem Ende des Schafts 821 vorgesehen ist. Der Schaft 821 ist durch einen entsprechenden der Schlitze 631 des zweiten Linsenhalters 6 eingesetzt, um mit einem Innengewinde 76 des zweiten Verbinderblocks 7 verschraubt zu werden. Der Kopf 822 befindet sich mit dem zweiten Linsenhalter 6 in einer Weise in Eingriff, so dass er zu einer Relativbewegung in der Y-Achsen-Richtung imstande ist.
Jeder der Schlitze 631 des zweiten Linsenhalters 6, der in dem Paar von Manschetten 63 ausgebildet ist, weist eine Form eines Langlochs auf, das sich in der X-Achsen-Richtung erstreckt. Spezifisch sind die Schlitze 631 so entworfen, dass eine Abmessung in der X-Achsen-Richtung größer als eine Abmessung in der Y-Achsen-Richtung wird. Die Abmessung der Schlitze 631 in X-Achsen-Richtung entspricht einem Bewegungsbereich des (später beschriebenen) zweiten Linsenhalters 6.
Es sollte angegeben werden, dass die Schlitze 631 in der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform jeweils eine U-förmige Nut definieren, deren Rand teilweise entfernt ist.
Optisches Einstellverfahren
Die optische Vorrichtung 10 der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform kann das Profil, die Neigung und die Lichtintensitätsverteilung des Linienlaserstrahls L einstellen. Die Einstellverfahren des Linienlaserstrahls L werden im Folgenden beschrieben.
Profileinstellung
Die optische Vorrichtung 10 der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform kann durch das Einstellen der Einschraubtiefen der beiden Einstellschrauben 82 in den zweiten Verbinderblock 7 eine Neigung des zweiten Linsenhalters 6 bezüglich des zweiten Verbinderblocks 7 um die Rollen 9 einstellen.
Wenn z. B. eine Einschraubtiefe D1 einer der Einstellschrauben 82 vergrößert wird und eine Einschraubtiefe D2 der anderen der Einstellschrauben 82 verkleinert wird, wie in 7 gezeigt ist, kommt die eine der Manschetten 63 des zweiten Linsenhalters 6 nah zu dem zweiten Verbinderblock 7 (siehe die linke Seite in 7), während sich die andere der Manschetten 63 des zweiten Linsenhalters 6 von dem zweiten Verbinderblock 7 entfernt (siehe die rechte Seite in 7).
Folglich werden durch das Einstellen der Neigung des zweiten Linsenhalters 6 die Neigung der durch den zweiten Linsenhalter 6 gehaltenen lichtformenden Linse 22 bezüglich der optischen Achse P und folglich eine Einfallsrichtung des kollimierten Strahls auf die lichtformende Linse 22 eingestellt.
Der Anwender prüft die Form des Linienlaserstrahls L, der durch die optische Vorrichtung 10 emittiert wird und z. B. auf eine flache Oberfläche des Werkstücks W projiziert wird. Wenn ein gekrümmter Linienlaserstrahl L, wie in der 9 oder 10 gezeigt ist, beobachtet wird, ist es bevorzugt, dass die Einschraubtiefen der beiden Einstellschrauben 82 eingestellt werden, bis ein linearer Linienlaserstrahl L, wie in 8 gezeigt ist, beobachtet wird.
Neigungseinstellung
Die optische Vorrichtung 10 der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform kann durch das Einstellen einer Drehposition des zweiten Linsenhalters 6 bezüglich des ersten Linsenhalters 4 eine Drehposition der lichtformenden Linse 22 um die optische Achse P einstellen. Folglich wird der Grad der Neigung des durch die optische Vorrichtung 10 emittierten Linienlaserstrahls L (d. h., eine Ausdehnungsrichtung (Linienrichtung) des Linienlaserstrahls L) eingestellt.
Wenn z. B. die Neigung des Linienlaserstrahls L auf den in 8 gezeigten Zustand eingestellt werden soll, ist es bevorzugt, die Drehposition des zweiten Linsenhalters 6 bezüglich des ersten Linsenhalters 4 einzustellen, bis eine Neigung θ des Linienlaserstrahls L, wie in 11 oder 12 gezeigt ist, eliminiert ist.
Einstellung der Lichtintensitätsverteilung
Die optische Vorrichtung 10 der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform kann eine Position des zweiten Linsenhalters 6 in der X-Achsen-Richtung bezüglich des zweiten Verbinderblocks 7 einstellen.
Durch das Bewegen des zweiten Linsenhalters 6 zu einer Seite in der X-Achsen-Richtung, wie in 13 gezeigt ist, werden z. B. die Position in der X-Achsen-Richtung der lichtformenden Linse 22, die durch den zweiten Linsenhalter 6 gehalten ist, bezüglich der optischen Achse P und folglich eine Einfallsposition des kollimierten Strahls auf die lichtformende Linse 22 eingestellt.
Es sollte angegeben werden, dass, wenn der zweite Linsenhalter 6 bewegt wird, der zweite Linsenhalter 6 bezüglich der Rollen 9 und des Kopfes 822 jeder der Einstellschrauben 82 gleitet (siehe z. B. 4). Der Bewegungsbereich des zweiten Linsenhalters 6 entspricht dem Bereich, in dem die Schäfte 821 der Einstellschrauben 82 innerhalb der Schlitze 631 des zweiten Verbinderblocks 7 zu bewegen sind.
Der Anwender prüft die Lichtintensitätsverteilung des von der optischen Vorrichtung 10 emittierten Linienlaserstrahls L z. B. unter Verwendung einer Strahlprofilvorrichtung.
Die 14 und 15 zeigen z. B. Messergebnisse der unter Verwendung einer Strahlprofilvorrichtung gemessenen Lichtintensität an den Abschnitten A bis C des Linienlaserstrahls L (die durch die gestrichelten Linien eingekreist sind). In 14 ist die Lichtintensität an dem Abschnitt B am höchsten, der sich in der Mitte des Linienlaserstrahls L befindet, während sie an den Abschnitten A, C auf beiden Seiten des Abschnitts B gering ist, was eine ungleichmäßige Lichtintensitätsverteilung des Linienlaserstrahls L zeigt. 15 zeigt im Gegensatz etwa den gleichen Pegel der Lichtintensität in den Abschnitten A bis C des Linienlaserstrahls L (d. h., eine gleichmäßige Lichtintensitätsverteilung des Linienlaserstrahls L).
Es ist für den Anwender vorteilhaft, der die Ergebnisse der Lichtintensitätsverteilung des Linienlaserstrahls L vorfindet, wie in 14 gezeigt ist, die Position des zweiten Linsenhalters 6 bezüglich des zweiten Verbinderblocks 7 in der X-Achsen-Richtung einzustellen, bis die in 15 gezeigten Ergebnisse beobachtet werden.
Vorteil(e) der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform
Wie oben beschrieben worden ist, kann die optische Vorrichtung 10 der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform die Neigung des zweiten Linsenhalters 6 bezüglich des zweiten Verbinderblocks 7 um die Rollen 9 durch das Einstellen der Einschraubtiefen des Paares von Einstellschrauben 82 einstellen. Durch das Einstellen der Neigung des zweiten Linsenhalters 6, der die lichtformende Linse 22 hält, können die Einfallsrichtung des kollimierten Strahls auf die lichtformende Linse 22 und folglich die Form des Linienlaserstrahls L eingestellt werden.
Ferner befestigt das Paar von Einstellschrauben 82 den zweiten Linsenhalter 6 in einer Weise, dass der zweite Linsenhalter 6 in der X-Achsen-Richtung beweglich ist, an dem zweiten Verbinderblock 7. Entsprechend ist der zweite Linsenhalter 6 ungeachtet des Grads der Neigung bezüglich des zweiten Verbinderblocks 7 durch das Bewegen des zweiten Linsenhalters 6 entlang der Seitenfläche der Rolle 9 stabil in der X-Achsen-Richtung beweglich. Folglich kann die Einfallsposition des kollimierten Strahls auf die lichtformende Linse 22 und folglich die Lichtintensitätsverteilung des Linienlaserstrahls L eingestellt werden.
Entsprechend kann die optische Vorrichtung 10 der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform den linearen Linienlaserstrahl L mit gleichmäßiger Lichtintensitätsverteilung bilden.
In der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform weisen die Schlitze 631, die im zweiten Linsenhalter 6 zum Aufnehmen der Schäfte 821 der Einstellschrauben 82 vorgesehen sind, in der X-Achsen-Richtung eine größere Abmessung als die Abmessung in der Y-Achsen-Richtung auf.
Bei dieser Anordnung kann die Position des zweiten Linsenhalters 6, dessen Abfallen durch den Eingriff der Schäfte 821 der Einstellschrauben 82 mit den Schlitzen 631 vermieden wird, in der X-Achsen-Richtung bezüglich des zweiten Verbinderblocks 7 geeignet eingestellt werden.
In der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform ist der erste Linsenhalter 4 eine hohle zylindrische Komponente, die die Kollimationslinse 21 darin hält. Der zweite Verbinderblock 7, in dem die äußere Umfangsfläche 42 des ersten Linsenhalters 4 verschiebbar gestützt ist, ist um die optische Achse P drehbar.
Bei dieser Anordnung kann die Linienrichtung des Linienlaserstrahls L, der das Werkstück W beleuchtet, auf Wunsch eingestellt werden. Wenn das Werkstück W z. B. in einer vorgegebenen Abtastrichtung abgetastet wird, kann die Linienrichtung des Linienlaserstrahls L auf eine Richtung orthogonal zur Abtastrichtung ausgerichtet sein.
Die optische Messmaschine 100 der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform, die die oben beschriebene optische Vorrichtung 10 enthält, kann das Werkstück W mit dem Linienlaserstrahl L mit einer gleichmäßigen Lichtintensitätsverteilung beleuchten und dadurch die Messgenauigkeit des Werkstücks verbessern.
Modifikation(en)
Es sollte erkannt werden, dass der Schutzumfang der Erfindung nicht auf die beispielhafte(n) Ausführungsform(en) eingeschränkt ist, sondern Modifikationen, Verbesserungen und dergleichen enthält, die mit einer Aufgabe der Erfindung kompatibel sind.
Die Schlitze 631, die in der obigen beispielhaften Ausführungsform im zweiten Linsenhalter 6 zum Aufnehmen der Schäfte 821 der Einstellschrauben 82 vorgesehen sind, sind z. B. in einigen Ausführungsformen der Erfindung durch Löcher ersetzt, die den zweiten Linsenhalter 6 in der Z-Achsen-Richtung durchdringen.
Alternativ ist der zweite Linsenhalter 6 in einigen Ausführungsformen weder mit den Schlitzen 631 noch mit den Löchern versehen. In diesem Fall ist der zweite Linsenhalter 6 konfiguriert, wenigstens mit den Köpfen 822 der Einstellschrauben 82 an deren Umfangsabschnitten in Eingriff zu stehen.
Der zweite Verbinderblock 7, der in der obigen beispielhaften Ausführungsform bezüglich des ersten Linsenhalters 4 um die optische Achse P drehbar ist, ist in einigen Ausführungsformen an dem ersten Linsenhalter 4 befestigt.
Die optische Vorrichtung 10 der Erfindung, die in der beispielhaften Ausführungsform für die optische Messmaschine 100 verwendet wird, wird nicht notwendigerweise für die optische Messmaschine verwendet, sondern ist in verschiedenen Gebieten der Technik als eine Vorrichtung verwendbar, die einen linearen Linienlaserstrahl mit einer gleichmäßigen Lichtintensitätsverteilung bilden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2012212009 A [0002]

Claims

Optische Vorrichtung (10), die Folgendes umfasst: eine Lichtquelle (1), die konfiguriert ist, einen Laserstrahl zu emittieren; eine Kollimationslinse (21), die konfiguriert ist, den von der Lichtquelle (1) empfangenen Laserstrahl in einen kollimierten Strahl umzusetzen; eine lichtformende Linse (22), die konfiguriert ist, den von der Kollimationslinse (21) empfangenen kollimierten Strahl in einen Linienlaserstrahl (L) umzusetzen, der in einer Linienrichtung orthogonal zu einer optischen Achse (P) der Kollimationslinse (21) aufgeweitet ist; einen ersten Linsenhalter (4), der die Kollimationslinse (21) hält; einen Verbinderblock (7), der den ersten Linsenhalter (4) stützt; einen zweiten Linsenhalter (6), der die lichtformende Linse (22) stützt; eine säulenförmige Rolle (9), die zwischen dem Verbinderblock (7) und dem zweiten Linsenhalter (6) angeordnet ist und entlang der Linienrichtung angeordnet ist; und ein Paar von Einstellschrauben (82), die in einer orthogonalen Richtung orthogonal zu der optischen Achse (P) und der Linienrichtung über die optische Achse (P) angeordnet sind, wobei der zweite Linsenhalter (6) und der Verbinderblock (7) durch die Einstellschrauben (82) aneinander befestigt sind, wobei einander zugewandte Stirnflächen (64, 74) des Verbinderblocks (7) und des zweiten Linsenhalters (6) jeweils mit entsprechenden V-förmigen Nuten (65, 75) versehen sind, die sich entlang der Linienrichtung erstrecken, wobei die V-förmigen Nuten (65, 75) mit der dazwischen angeordneten Rolle (9) angeordnet sind, und die Einstellschrauben (82) jeweils einen Kopf (822), der mit dem zweiten Linsenhalter (6) in einer Weise in Eingriff steht, so dass er zu einer Relativbewegung in der Linienrichtung imstande ist, und einen Schaft (821) , der mit dem Verbinderblock (7) verschraubt ist, enthalten.
Optische Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei der zweite Linsenhalter (6) mit Löchern oder Schlitzen (631) zum Aufnehmen der Schäfte (821) der Einstellschrauben (82) versehen ist und die Löcher oder die Schlitze (631) jeweils eine Abmessung in der Linienrichtung aufweisen, die größer als eine Abmessung in der orthogonalen Richtung ist.
Optische Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Linsenhalter (4) eine hohle zylindrische Komponente ist, die die Kollimationslinse (21) intern hält, und der Verbinderblock (7) eine äußere Umfangsfläche (42) des ersten Linsenhalters (4) verschiebbar stützt, um um die optische Achse (P) drehbar zu sein.
Optische Messmaschine (100), die umfasst: die optische Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die optische Vorrichtung (10) das Werkstück (W) mit dem Linienlaserstrahl (L) bestrahlt; eine Bildaufnahmeeinheit (14), die konfiguriert ist, ein Bild eines reflektierten Lichts des durch das Werkstück (W) reflektierten Linienlaserstrahls (L) aufzunehmen, und eine Messeinheit (151), die konfiguriert ist, ein Profil des Werkstücks (W) basierend auf dem durch die Bildaufnahmeeinheit (14) aufgenommenen Bild zu messen.