DE112014007223T5

DE112014007223T5 - Abstandssensor, Abstandserfassungsvorrichtung und Abstandserfassungsverfahren

Info

Publication number: DE112014007223T5
Application number: DE112014007223.0T
Authority: DE
Inventors: Shigeru Takushima; Hiroyuki Kawano; Takashi Yuzawa; Makito Seki
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-12-02
Filing date: 2014-12-02
Publication date: 2017-08-24
Also published as: US10222199B2; CN107003118B; JPWO2016088203A1; JP5925390B1; WO2016088203A1; US20170322019A1; CN107003118A

Abstract

Ein Abstandssensor weist auf: eine Projektionseinheit zum Projizieren von emittiertem Licht in Richtung zu einer Erfassungszieloberfläche eines Erfassungszielobjekts, ein optisches Objektivsystem, das das emittierte Licht in Richtung zur Erfassungszieloberfläche fokussiert und aus einer diffusen Reflexion des emittierten Lichts an der Erfassungszieloberfläche resultierendes reflektiertes Licht eintreten lässt, eine Blendenplatte mit Öffnungen, von denen jede einen Teil von hindurchgegangenem Licht, das aus dem Eintritt über das optische Objektivsystem resultiert, ein Hindurchtreten durch diese ermöglicht, eine Bildaufnahmeeinheit zur Aufnahme einer Abbildung, abbildende optische Systeme, die jeden der Teile des aus dem Eintritt über das optische Objektivsystem resultierenden hindurchgegangenen Lichts ermöglichen, an der Bildaufnahmeeinheit eine Abbildung auszubilden, und eine Signalverarbeitungseinheit, die einen Abstand von der Erfassungszieloberfläche auf Basis eines Helligkeitsschwerpunkts eines jeden mit der Bildaufnahmeeinheit aufgenommenen Lichtflecks berechnet.

Description

Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abstandssensor, der den Abstand von einer Erfassungszieloberfläche eines Erfassungszielobjekts ermittelt, eine Abstandserfassungsvorrichtung und ein Abstandserfassungsverfahren.
Hintergrund
Im Allgemeinen wird, bevor an einem Werkstück mit hoher Genauigkeit eine Bearbeitung unter Verwendung einer Bearbeitungsvorrichtung erfolgt, für die als Beispiel eine elektrische Erodierbearbeitungsvorrichtung und eine Laserbearbeitungsvorrichtung angegeben werden können, ein Einrichtungsvorgang vorgenommen, bei dem mit hoher Genauigkeit eine Referenzfläche des Werkstücks relativ zur Scanachse der Bearbeitungsvorrichtung ausgerichtet wird. Bei dem Einrichtungsvorgang wird das Werkstück mit einer Halterung an einer Scaneinheit der Bearbeitungsvorrichtung befestigt, eine Messuhr gegen die Referenzfläche des Werkstücks gedrückt und die Position des Werkstücks manuell so justiert, dass sich der Wert der Messuhr beim Verschieben der der Referenzfläche des Werkstücks entsprechenden Scanachse nicht verändert. Ein solch manueller Einrichtungsvorgang ist insofern problematisch, dass er zeitaufwändig ist und das Ergebnis der Ausrichtung abhängig vom Geschick der Bedienpersonen variiert.
Um den Arbeitsaufwand und die von den Bedienpersonen abhängige Variation zu verringern, gibt es ein Verfahren, bei dem an der Bearbeitungsvorrichtung ein Messsensor angebracht ist und das Einrichten automatisch erfolgt. Ein solcher Messsensor umfasst zusätzlich zu Sensoren vom Kontakttyp einen optischen Sensor, der zum Messen in einer berührungslosen Weise ausgebildet ist. Ein optischer Sensor emittiert einen Laserstrahl in Richtung einer oberen Oberfläche des Werkstücks und erfasst das reflektierte Licht, sodass die Position der erfassten Oberfläche in einer berührungslosen Weise gemessen wird. Ein solcher optischer Sensor bietet daher den Vorteil, dass ein enges Referenzloch und ein weiches Werkstück gemessen werden können.
Die unten aufgelisteten Patentdokumente 1 bis 3 sind als einschlägige Techniken bekannt.
Liste der Zitate
Patentliteratur

Patentdokument 1: Veröffentlichung der geprüften japanischen Patentanmeldung Nr. H06-72775
Patentdokument 2: Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. H02-184715
Patentdokument 3: Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. H06-167305

Kurzbeschreibung
Technische Problemstellung
Bei der in dem Patentdokument 1 beschriebenen Technik sind photoelektrische Umwandlungselemente 2 bis 9 radial zu einem sich im Zentrum befindenden Lichtfleck 19 angeordnet (siehe 1 des Patentdokuments 1), wodurch die Vorrichtung größer wird.
Bei der in dem Patentdokument 2 beschriebenen Technik erfasst ein Positionserfassungsdetektor 32 parallele Lichtstrahlen 24 (siehe 1a des Patentdokuments 2); daher muss der Positionserfassungsdetektor 32 größer sein als die parallelen Lichtstrahlen 24, wodurch die Vorrichtung größer wird.
Bei der in dem Patentdokument 3 beschriebenen Technik erfassen zwei PSD (Position Sensitive Devices) Licht, das von einem Messzielobjekt 100 reflektiert wird, wodurch die Vorrichtung größer wird.
Die vorliegende Erfindung entstand angesichts des oben Dargelegten, wobei eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Angabe eines Abstandssensors besteht, der eine Verringerung der Größe einer Vorrichtung ermöglicht.
Lösung der Problemstellung
Zur Lösung der oben angegebenen Problemstellung und zur Erfüllung der Aufgabe betrifft ein Aspekt der vorliegenden Erfindung einen Abstandssensor, der aufweist: Eine Projektionseinheit zum Projizieren eines emittierten Lichts in Richtung zu einer Erfassungszieloberfläche eines Erfassungszielobjekts, ein optisches Objektivsystem zum Fokussieren des emittierten Lichts in Richtung der Erfassungszieloberfläche und zum Eintretenlassen des reflektierten Lichts, das von einer diffusen Reflexion des emittierten Lichts an der Erfassungszieloberfläche herrührt, eine Blendenplatte mit mehreren Öffnungen, von denen jede einem von mehreren Teilen eines aus dem Eintritt über das optische Objektivsystem resultierenden hindurchgegangenen Lichts einen Durchtritt durch die Öffnung ermöglicht, eine Bildaufnahmeeinheit zum Aufnehmen eines Bildes, mehrere abbildende optische Systeme, die jedem der Teile des hindurchgegangenen Lichts, das aus dem Eintritt über das optische Objektivsystem resultiert, die Ausbildung einer Abbildung an der Bildaufnahmeeinheit ermöglichen, und eine Signalverarbeitungseinheit zum Berechnen eines Abstandes von der Erfassungszieloberfläche auf Basis eines Helligkeitsschwerpunkts eines jeden von mehreren Lichtflecken, die von der Bildaufnahmeeinheit aufgenommen wurden.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Ein Abstandssensor, eine Abstandserfassungsvorrichtung und ein Abstandserfassungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung bewirken, dass die Größe der Vorrichtung verringert werden kann.
Kurzbeschreibung der Figuren
1 zeigt eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung einer Abstandserfassungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform.
2 zeigt eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus eines Abstandssensors gemäß der ersten Ausführungsform.
3 zeigt eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung einer Blendenplatte des Abstandssensors gemäß der ersten Ausführungsform.
4 zeigt eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung einer Bildaufnahmefläche einer Bildaufnahmeeinheit des Abstandssensors gemäß der ersten Ausführungsform.
5 zeigt eine grafische Darstellung zur Beschreibung eines Triangulationsprinzips des Abstandssensors gemäß der ersten Ausführungsform.
6 zeigt eine grafische Darstellung zur Beschreibung des Triangulationsprinzips des Abstandssensors gemäß der ersten Ausführungsform.
7 zeigt eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung einer Erfassungszieloberfläche eines Erfassungszielobjekts des Abstandssensors gemäß der ersten Ausführungsform.
8 zeigt eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung einer Helligkeitsverteilung von mit der Bildaufnahmeeinheit des Abstandssensors gemäß der ersten Ausführungsformen aufgenommenen Lichtflecken.
9 zeigt eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung einer Helligkeitsverteilung von mit der Bildaufnahmeeinheit des Abstandssensors gemäß der ersten Ausführungsformen aufgenommenen Lichtflecken.
10 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung der Vorgänge an der Abstandserfassungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform.
11 zeigt eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung einer Bestrahlung einer Fasenfläche mit von dem Abstandssensor gemäß der ersten Ausführungsform emittierten Licht.
12 zeigt eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung eines anderen Beispiels für eine Blendenplatte des Abstandssensors gemäß der ersten Ausführungsform.
13 zeigt eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung eines weiteren Beispiels für eine Blendenplatte des Abstandssensors gemäß der ersten Ausführungsform.
14 zeigt eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus eines Abstandssensors gemäß einer zweiten Ausführungsform.
15 zeigt eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus eines Abstandssensors gemäß einer Modifikation der zweiten Ausführungsform.
16 zeigt eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus eines Abstandssensors gemäß einer dritten Ausführungsform.
17 zeigt eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung einer Bildaufnahmefläche einer Bildaufnahmeeinheit des Abstandssensors gemäß der dritten Ausführungsform.
18 zeigt eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus eines Abstandssensors gemäß einer vierten Ausführungsform.
19 zeigt eine grafische Darstellung zur Beschreibung eines Prinzips zum Berechnen eines ungefähren Abstands zwischen dem Abstandssensor gemäß der vierten Ausführungsform und einer Erfassungszieloberfläche.
20 zeigt eine grafische Darstellung zur Beschreibung des Prinzips zum Berechnen des ungefähren Abstands zwischen dem Abstandssensor gemäß der vierten Ausführungsform und der Erfassungszieloberfläche.
21 zeigt eine grafische Darstellung zur Beschreibung des Prinzips zur Berechnung des ungefähren Abstands zwischen dem Abstandssensor gemäß der vierten Ausführungsform und der Erfassungszieloberfläche.
22 zeigt eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung einer Beziehung zwischen dem Abstand zwischen einem optischen Objektivsystem des Abstandssensors gemäß der vierten Ausführungsform und der Erfassungszieloberfläche und der mithilfe einer Lichtintensitätserfassungseinheit erfassten Lichtintensität.
23 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung der Vorgänge an der Abstandserfassungsvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform.
24 zeigt eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung einer Kante eines Erfassungszielobjekts, die mit dem Abstandssensor gemäß der vierten Ausführungsform erfasst wird.
25 zeigt eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung einer Beziehung zwischen einer X-Koordinate des Abstandssensors gemäß der vierten Ausführungsform und der erfassten Lichtintensität.
26 zeigt eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus eines Abstandssensors gemäß einem Vergleichsbeispiel.
Beschreibung von Ausführungsformen
Nachfolgend werden ein Abstandssensor, eine Abstandserfassungsvorrichtung und ein Abstandserfassungsverfahren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren ausführlich beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Ausführungsformen beschränkt.
Erste Ausführungsform
Die grafische Darstellung von 1 veranschaulicht eine Abstandserfassungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform. Bei einer Abstandserfassungsvorrichtung 1 handelt es sich um eine Bearbeitungsvorrichtung, die ein Erfassungszielobjekt 9 bearbeitet, bei dem es sich auch um ein Werkstück handelt. Als Beispiel für eine Bearbeitungsvorrichtung können eine Funkenerodierbearbeitungsvorrichtung oder eine Laserbearbeitungsvorrichtung genannt werden.
Die Abstandserfassungsvorrichtung 1 weist eine Scaneinheit 2, auf der das Erfassungszielobjekt 9 angebracht werden soll, eine Antriebseinheit 3, die die Scaneinheit 2 in X-Richtung, Y-Richtung und Z-Richtung verfährt, einen Bearbeitungskopf 4, der das Erfassungszielobjekt 9 bearbeitet, eine Antriebseinheit 5, die den Bearbeitungskopf 4 in X-Richtung, Y-Richtung und Z-Richtung verfährt, einen Abstandssensors 6, der an einer Seitenfläche des Bearbeitungskopfs 4 angebracht ist, und eine Steuereinheit 7 auf, die die Antriebseinheiten 3 und 5 sowie den Abstandssensor 6 steuert.
Bei der ersten Ausführungsform sind die X-Richtung, Y-Richtung und Z-Richtung orthogonal zueinander angeordnet. Die XY-Ebene verläuft horizontal und die Z-Richtung verläuft vertikal. Nachfolgend kann die X-Richtung als +X-Richtung, die der X-Richtung entgegengesetzte Richtung kann als –X-Richtung, die Y-Richtung kann als +Y-Richtung, die der Y-Richtung entgegengesetzte Richtung kann als –Y-Richtung, die Z-Richtung kann als +Z-Richtung und die der Z-Richtung entgegengesetzte Richtung kann als –Z-Richtung bezeichnet werden.
Das Erfassungszielobjekt 9 ist mithilfe einer Halterung 8 an der Scaneinheit 2 befestigt. Die in die Z-Richtung weisende Oberfläche des Erfassungszielobjekts 9, d. h. dessen obere Oberfläche, stellt eine Erfassungszieloberfläche 9a dar. Bei der ersten Ausführungsform ist die Erfassungszieloberfläche 9a in etwa parallel zur XY-Ebene. Der Abstandssensor 6 wird verwendet, um die Neigung der Erfassungszieloberfläche 9a gegenüber der XY-Ebene, d. h. einen Befestigungsfehler, zu erfassen, indem die Höhe der Erfassungszieloberfläche 9a an mehreren Punkten gemessen wird. Beispielsweise kann es sich bei den mehreren Punkten um drei Punkte handeln. Die Grenzbereiche zwischen den vier Seitenflächen des Erfassungszielobjekts 9 und den vier Seiten der Erfassungszieloberfläche 9a sind gefast, so dass eine Fasenfläche 9b ausgebildet wird.
Der Abstandssensor 6 emittiert Licht in Richtung der Erfassungszieloberfläche 9a und berechnet den Abstand zwischen dem Abstandssensor 6 und der Erfassungszieloberfläche 9a auf Basis des von der Erfassungszieloberfläche 9a reflektierten Lichts. Die Steuereinheit 7 kann die Höhe der Erfassungszieleinheit 9 berechnen, indem der Abstand zwischen dem Abstandssensor 6 und der Erfassungszieloberfläche 9a von dem Abstand zwischen der Scaneinheit 2 und dem Abstandssensor 6 subtrahiert wird.
Die grafische Darstellung von 2 veranschaulicht den Aufbau des Abstandssensors gemäß der ersten Ausführungsform. 2 zeigt eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus des Abstandssensors 6 bei Betrachtung in Y-Richtung.
Der Abstandssensor 6 umfasst eine Projektionseinheit 20, die in Richtung der Erfassungszieloberfläche 9a emittiertes Licht 35 in eine zur Erfassungszieloberfläche 9a senkrechte Richtung projiziert, und ein optisches Objektivsystem 24, dass das emittierte Licht 35 in Richtung der Erfassungszieloberfläche 9a fokussiert und das aus einer diffusen Reflexion des emittierten Lichts 35 an der Erfassungszieloberfläche 9a resultierende reflektierte Licht 36 in paralleles Licht 37 umwandelt.
Der Abstandssensor 6 umfasst ferner eine Blendenplatte 25 mit Öffnungen 25a, 25b, 25c und 25d, die im nachstehend beschrieben werden und von denen jede ermöglicht, dass einer der Teile des parallelen Lichts 37 hindurchtritt, eine Bildaufnahmeeinheit 27, die ein Bild aufnimmt, und abbildende optische Systeme 26a, 26b, 26c und 26d, die anschließend beschrieben werden und ermöglichen, dass die Teile des parallelen Lichts 37 auf der Bildaufnahmeeinheit 27 Abbildungen ausbilden.
Der Abstandssensor 6 kann auch eine Signalverarbeitungseinheit 28 aufweisen, die den Abstand von der Erfassungszieloberfläche 9a auf Basis des Helligkeitsschwerpunkts eines jeden von der Bildaufnahmeeinheit 27 aufgenommenen Lichtflecks berechnet.
Der Helligkeitsschwerpunkt eines Lichtflecks bezieht sich auf den Schwerpunkt, wobei jedes Pixel des Lichtflecks mit der Helligkeit gewichtet wird.
Die Darstellung von 3 veranschaulicht die Blendenplatte des Abstandssensors gemäß der ersten Ausführungsform. Die Darstellung von 3 veranschaulicht die Blendenplatte 25 bei Betrachtung in Z-Richtung. Die Blendenplatte 25 weist die Öffnungen 25a, 25b, 25c und 25d auf. Eine Linie 40, die das Zentrum der Öffnung 25a und das Zentrum der Öffnung 25c verbindet, erstreckt sich in X-Richtung und eine Linie 41, die das Zentrum der Öffnung 25b und das Zentrum der Öffnung 25d verbindet, erstreckt sich in Y-Richtung. Die Öffnungen 25a, 25b, 25c und 25d sind im gleichen Abstand zu einer Referenzachse 22 ausgebildet, die anschließend beschrieben wird. Die abbildenden optischen Systeme 26a, 26b, 26c und 26d sind jeweils an den Öffnungen 25a, 25b, 25c und 25d in Z-Richtung ausgebildet.
Wie wiederum aus 2 ersichtlich ist, umfasst die Projektionseinheit 20 eine Lichtquelle 20a, die Licht 30 emittiert. Als Beispiel für die Lichtquelle 20a kann eine Laserdiode angegeben werden. Die optische Achse des Lichts 30 stellt eine Achse 21 dar, die sich in X-Richtung erstreckt. Eine optische Achse ist hierbei eine Achse, die die Richtung angibt, entlang der ein imaginärer Lichtstrahl verläuft, der den gesamten emittierten Lichtstrom oder den gesamten empfangenen Lichtstrom repräsentiert, sowie eine Achse, die die Strahlrichtung des gesamten Lichtstroms anzeigt.
Die Projektionseinheit 20 umfasst ferner ein optisches Projektionssystem 20b, das das Licht 30 in ein paralleles Licht 32 umwandelt. Bei der ersten Ausführungsform besteht das optische Projektionssystem 20b aus einer Linse, kann jedoch auch aus einer Linsenkombination gebildet sein.
Der Abstandssensor 6 kann einen Aufbau ohne das optische Projektionssystem 20b aufweisen, sodass das Licht 30 nicht in paralleles Licht umgewandelt wird. Zum Beispiel im Hinblick auf eine einfachere Gestaltung, eine einfachere Montage und eine Genauigkeit bei der Höhenmessung weist der Abstandssensor 6 jedoch vorzugsweise das optische Projektionssystem 20b auf, sodass das Licht 30 in paralleles Licht 32 umgewandelt wird.
Die Projektionseinheit 20 weist eine Projektionsblendenplatte 20c mit einer Öffnung 20c1 auf, die Licht 33, das einen Teil des parallelen Lichts 32 darstellt, hindurchtreten lässt. Mit dem Abstandssensor 6 kann der Durchmesser eines Lichtflecks an der Erfassungszieloberfläche 9a durch Einstellen des Durchmessers der Öffnung 20c1 eingestellt werden.
Die Projektionseinheit 20 weist einen Strahlteiler 20d auf, der das durch die Öffnung 20c1 hindurchgetretene Licht 33 in Richtung zur Erfassungszieloberfläche 9a reflektiert. Die optische Achse des Lichts 34, das von der Reflektion an dem Strahlteiler 20d herrührt und in Richtung zur Erfassungszieloberfläche 9a verläuft, bildet die Referenzachse 22, die sich in Z-Richtung erstreckt. Das bedeutet, dass sich die Referenzachse 22 in vertikaler Richtung erstreckt. Der von dem Strahlteiler 20d und der X-Achse eingeschlossene Winkel und der von dem Strahlteiler 20d und der Z-Achse eingeschlossene Winkel beträgt jeweils 90°.
Das Licht 34 tritt in das optische Objektivsystem 24 ein. Bei der ersten Ausführungsform wird das optische Objektivsystem 24 von einer Linse gebildet, wenngleich es sich auch um eine Linsenkombination handeln kann. Das emittierte Licht 35, das aus der Bündelung des Lichts 34 durch das optische Objektivsystem 24 resultiert, bestrahlt die Erfassungszieloberfläche 9a. Die optische Achse des emittierten Lichts 35 bildet die Referenzachse 22. Das emittierte Licht 35 wird an der Erfassungszieloberfläche 9a diffus reflektiert. Im Allgemeinen ist die Erfassungszieloberfläche 9a vor der Bearbeitung eine raue Oberfläche, so dass das emittierte Licht 35 diffus reflektiert wird.
Das reflektierte Licht 36, das aus der diffusen Reflexion des emittierten Lichts 35 an der Erfassungszieloberfläche 9a resultiert, tritt in das optische Objektivsystem 24 ein. Die optische Achse des reflektierten Lichts 36 entspricht der Referenzachse 22. Das optische Objektivsystem 24 wandelt das reflektierte Licht 36 in paralleles Licht 37 um. Die optische Achse des parallelen Lichts 37 entspricht der Referenzachse 22.
Genau genommen besteht hier keine Notwendigkeit dafür, dass das optische Objektivsystem 24 das reflektierte Licht 36 in paralleles Licht 37 umwandelt, und es reicht bereits aus, wenn Licht zur Verwendung bei der Höhenmessung herangezogen wird. Zum Beispiel im Hinblick auf eine einfachere Gestaltung, einen einfacheren Zusammenbau und der Genauigkeit der Höhenmessung ist es jedoch wünschenswert, dass das optische Objektivsystem 24 das reflektierte Licht 36 in das parallele Licht 37 umwandelt.
Das parallele Licht 37 geht durch den Strahlteiler 20d hindurch und bestrahlt die Blendenplatte 25. Die Blendenplatte 25 ist parallel zur XY-Ebene angeordnet. Das bedeutet, dass die Blendenplatte 25 senkrecht zur Referenzachse 22 angeordnet ist.
Wie wiederum aus 3 ersichtlich ist, bestrahlt das parallele Licht 37 einen Bereich, der die Öffnungen 25a, 25b, 25c und 25d umfasst. Die Öffnungen 25a, 25b, 25c und 25d ermöglichen, dass durch diese jeweils Lichtstrahlen 37a, 37b, 37c und 37d, bei denen es sich um Teile des parallelen Lichts 37 handelt, hindurchtreten. Aus dem Durchtritt der Lichtstrahlen 37a, 37b, 37c und 37d durch die abbildenden optischen Systeme 26a, 26b, 26c und 26d jeweils resultierenden abbildenden Lichtstrahlen bilden an einer Bildaufnahmeoberfläche der Bildaufnahmeeinheit 27 Abbildungen aus. Bei der ersten Ausführungsform wird jedes der abbildenden optischen Systeme 26a, 26b, 26c und 26d von einer Linse gebildet, wobei es sich auch um eine Linsenkombination handeln kann. Alternativ kann es sich bei den optischen abbildenden Systemen 26a, 26b, 26c und 26d um Dreiecksprismen handeln.
Wie in 2 dargestellt, weist das abbildende optische System 26a eine Zentralachse 26a1 auf, die sich näher an der Referenzachse 22 befindet als eine Zentralachse 25a1 der Öffnung 25a. Daher ist, wie in 2 dargestellt ist, die Position, an der der abbildende Lichtstrahl 38a auf der Bildaufnahmeoberfläche 27a der Bildaufnahmeeinheit 27 eine Abbildung ausbildet, näher an der Referenzachse 22 als die Zentralachse 25a1 der Öffnung 25a.
In gleicher Weise weist das abbildende optische System 26c eine Zentralachse 26c1 auf, die sich näher an der Referenzachse 22 befindet als eine Zentralachse 25c1 der Öffnung 25c. Daher ist, wie in 2 dargestellt ist, die Position an der der abbildende Lichtstrahl 38c an der Bildaufnahmeoberfläche der Bildaufnahmeeinheit 27 eine Abbildung ausbildet, näher an der Referenzachse 22 als die Zentralachse 25c1 der Öffnung 25c.
Wie in 3 dargestellt ist, weisen auch die abbildenden optischen Systeme 26b und 26d Zentralachsen 26b1 und 26d1 auf, die sich näher an der Referenzachse 22 befinden als die Zentralachsen 25b1 und 25d1 der Öffnungen 25b und 25d. Daher sind die Positionen, an denen die abbildenden Lichtstrahlen, die durch die abbildenden optischen Systeme 26b und 26d hindurchgetreten sind, an der Bildaufnahmeoberfläche der Bildaufnahmeeinheit 27 Abbildungen ausbilden, näher an der Referenzachse 22 als die Zentralachsen 25b1 und 25d1 der Öffnungen 25b bzw. 25d.
Da das optische Objektivsystem 24 das reflektierte Licht 36 auf diese Weise in paralleles Licht 37 umwandelt, kann die Breite des Abstandssensors 6 in X-Richtung und Y-Richtung und somit dessen Größe verringert werden.
Zudem kann die Größe der Bildaufnahmeeinheit 27 verkleinert werden, wodurch die Kosten des Abstandssensors 6 gesenkt werden können.
Die grafische Darstellung von 4 veranschaulicht die Bildaufnahmeoberfläche der Bildaufnahmeeinheit des Abstandssensors gemäß der ersten Ausführungsform. 4 zeigt eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung der Bildaufnahmeoberfläche der Bildaufnahmeeinheit 27 bei Betrachtung in Z-Richtung. Die bildgebenden optischen Systeme 26a, 26b, 26c und 26d ermöglichen, dass die Lichtstrahlen 37a, 37b, 37c und 37d an der Bildaufnahmeoberfläche 27a der Bildaufnahmeeinheit 27 Abbildungen ausbilden, um jeweils Lichtflecken 39a, 39b, 39c und 39d zu bilden. Die Bildaufnahmeeinheit 27 nimmt Bilder der Lichtflecken 39a, 39b, 39c und 39d auf. Bei der Bildaufnahmeeinheit 27 handelt es sich um eine zweidimensionale Elementanordnung, die zweidimensional angeordnete Abbildungselemente umfasst, oder um einen zweidimensionalen Bildsensor. Als Beispiel für die Bildaufnahmeeinheit 27 können ein CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)-Bildsensor oder ein CCD(Charge Coupled Device)-Bildsensor genannt werden.
Die Bildaufnahmeeinheit 27 nimmt die Lichtflecken 39a, 39b, 39c und 39d unter der Kontrolle der Signalverarbeitungseinheit 28 auf.
Die Signalverarbeitungseinheit 28 berechnet den Abstand von der Erfassungszieloberfläche 9a unter Verwendung des Triangulationsprinzips und auf Basis des Helligkeitsschwerpunkts von jedem der Lichtflecken 39a, 39b, 39c und 39d. Ein Beispiel für die Signalverarbeitungseinheit 28 stellen eine CPU (Central Processing Unit) oder ein DSP (Digital Signal Processor) dar.
Die grafische Darstellung von 15 dient der Beschreibung des Triangulationsprinzips des Abstandssensors gemäß der ersten Ausführungsform. Es wird nun ein Fall beschrieben, bei dem sich die Erfassungszieloberfläche 103 an einer Position 107 befindet. Emittiertes Licht 102, das von einer Lichtquelle 100 emittiert wurde und eine Objektivlinse 101 durchlaufen hat, wird an der Erfassungszieloberfläche 103 diffus reflektiert. Eine abbildende Linse 107 ermöglicht, dass das reflektierte Licht 104 auf einem eindimensionalen Bildsensor 106 eine Abbildung ausbildet.
Es wird nun ein Fall beschrieben, bei dem die Erfassungszieloberfläche 103 zu einer Position 108 bewegt wird, die von der Lichtquelle 100 und dem eindimensionalen Bildsensor 106 weiter entfernt ist als die Position 107. Das emittierte Licht 102, das von der Lichtquelle 100 emittiert wurde und die Objektivlinse 100 durchlaufen hat, wird an der Erfassungszieloberfläche 103 diffus reflektiert. Die abbildende Linse 105 ermöglicht, dass das reflektierte Licht 109 auf dem eindimensionalen Bildsensor 106 eine Abbildung ausbildet. Das reflektierte Licht 109 resultiert aus der Reflexion an der Position 108, die weiter weg ist als die Position 107, an der die Reflexion das reflektierte Licht 104 ergibt. Daher befindet sich ein von dem reflektierten Licht 109 auf dem eindimensionalen Bildsensor 106 gebildeter Lichtfleck näher an der Lichtquelle 100 als die Position eines Lichtflecks, der von dem reflektierten Licht 104 auf dem eindimensionalen Bildsensor 106 ausgebildet wird.
6 zeigt eine grafische Darstellung zur Beschreibung des Triangulationsprinzips des Abstandssensors gemäß der ersten Ausführungsform. Wie in 6 dargestellt ist, bewegt sich in der Bildaufnahmeoberfläche des eindimensionalen Bildsensors 106 ein Lichtfleck 110, der von dem reflektierten Licht 104 gebildet wird, wenn sich die Erfassungszieloberfläche 103 an der Position 107 befindet, zu einem Lichtfleck 111, der von dem reflektierten Licht 109 gebildet wird, wenn sich die Erfassungszieloberfläche 103 an die Position 108 bewegt. Der Abstand von der Erfassungszieloberfläche 103 kann durch Berechnen des Helligkeitsschwerpunkts von jedem der Lichtflecke 110 und 111 und Berechnen der Verschiebungsstrecke von dem Lichtfleck 110 zum Lichtfleck 111 berechnet werden.
Bei dem Erfassungszielobjekt 9 handelt es sich um ein aus Metall hergestelltes Element, für das als Beispiel ein hartes Material, Edelstahl oder Kupfer angegeben werden können. Die Erfassungszieloberfläche 9a des Erfassungszielobjekts 9 weist vor der Bearbeitung winzige Vorsprünge und Vertiefungen auf, die von Bearbeitungsmarkierungen herrühren, die nach dem Ausschneiden des Erfassungszielobjekts 9 aus einem Grundmaterial noch vorhanden sind. Das bedeutet, dass die Oberfläche des Erfassungszielobjekts 9 vor der Bearbeitung eine raue Oberfläche ist.
Die grafische Darstellung von 7 veranschaulicht die Erfassungszieloberfläche des Erfassungszielobjekts, die mithilfe des Abstandssensors gemäß der ersten Ausführungsform erfasst wird. Die grafische Darstellung von 7 veranschaulicht die Erfassungszieloberfläche 9a bei Betrachtung in einer zur Z-Richtung entgegengesetzten Richtung. Auf der Erfassungszieloberfläche 9a sind Bearbeitungsmarkierungen 10, die sich jeweils in eine erste Richtung erstrecken in Abständen entlang einer zweiten Richtung angeordnet, die die erste Richtung kreuzt. Ein Wert von 3 bis 5 µm kann als Beispiel für den Abstand angegeben werden. Bei der ersten Ausführungsform erstrecken sich die Bearbeitungsmarkierungen 10 in Y-Richtung, die die erste Richtung darstellt und sind in Abständen von 3 bis 5 µm entlang der X-Richtung angeordnet.
Wenn die Erfassungszieloberfläche 9a daher mit dem emittierten Licht 35 bestrahlt wird, ändert sich die auf den Reflexionswinkel bezogene Intensitätsverteilung des reflektierten Lichts 36 abhängig von der Position auf der Erfassungszieloberfläche 9a. Daher ändert sich die Intensitätsverteilung der Lichtflecke 39a, 39b, 39c und 39d, die mit der Bildaufnahmeeinheit 27 aufgenommen werden, deutlich abhängig von den Positionen auf der Erfassungszieloberfläche 9a, sodass kein stabiles Helligkeitserfassungssignal erhalten werden kann, wodurch eine Variation erhalten wird. Vorzugsweise ist daher der Durchmesser der Öffnung 20c1, die in der Projektionsblendenplatte 20c ausgebildet ist, so gestaltet, dass der Durchmesser eines Lichtflecks, der die Erfassungszieloberfläche 9a bestrahlt, mehrere Vorsprünge und mehrere Vertiefungen umfasst.
Idealerweise kann ein kleinerer Durchmesser eines Lichtflecks, der die Erfassungszieloberfläche 9a bestrahlt, zu kleineren Durchmessern der Lichtflecke 39a, 39b, 39c und 39d und damit zu einer höheren Auflösung der Höhenerfassung führen. Wenn die Erfassungszieloberfläche 9a winzige Vorsprünge und Vertiefungen besitzt und der Durchmesser eines Lichtflecks, der die Erfassungszieloberfläche 9a bestrahlt, außerordentlich klein gemacht wird, ändert sich die auf den Reflexionswinkel bezogene Intensitätsverteilung des reflektierten Lichts 36, wobei es sich um einen Winkel handelt, unter dem das emittierte Licht 35 reflektiert wird, aufgrund des Einflusses der Vorsprünge und Vertiefungen sehr wahrscheinlich abhängig von der Bestrahlungsposition und führt daher zu einer stärkeren Variation der Helligkeit des Erfassungssignals. Aus diesem Grund muss der Durchmesser eines Lichtflecks des emittierten Lichts 35, das die Erfassungszieloberfläche 9a bestrahlt, eine geeignete Größe aufweisen, sodass die Schwankung in der Helligkeit des Erfassungssignals verringert und die Auflösung der Höhenerfassung verbessert wird. Wenn die Abstände zwischen den Bearbeitungsmarkierungen 10 3 bis 5 µm betragen, beträgt der Durchmesser des Lichtflecks des emittierten Lichts 35, das die Erfassungszieloberfläche 9a bestrahlt, vorzugsweise 8 µm ± 1 µm und bevorzugter 8 µm. Wie oben beschrieben, kann der Durchmesser des Lichtflecks des emittierten Lichts 35, das die Erfassungszieloberfläche 9a bestrahlt, durch Einstellung des Durchmessers der Öffnung 20c1 der Projektionsblendenplatte 20c eingestellt werden.
Die grafische Darstellung von 8 veranschaulicht eine Helligkeitsverteilung von Lichtflecken, die an der Bildaufnahmeeinheit des Abstandssensors gemäß der ersten Ausführungsform aufgenommen wurden. Die grafische Darstellung von 8 veranschaulicht die Helligkeitsverteilung der Lichtflecke 39b und 39d, die an der Bildaufnahmeeinheit 27 aufgenommen wurden.
Die Positionen des Lichtflecks 39a und des Lichtflecks 39c befinden sich entlang der X-Richtung, die die Y-Richtung kreuzt, bei der es sich um die Richtung handelt in der sich die Bearbeitungsmarkierungen 10 erstrecken. Somit ist es wahrscheinlich, dass eine Helligkeitsverteilung 45 des Lichtflecks 39a und des Lichtflecks 39c von den Bearbeitungsmarkierungen 10 beeinflusst wird. Daher weist die Helligkeitsverteilung 45 der Lichtflecke 39a und 39c zwei Peaks auf, die die Abweichung im Vergleich zu einer idealen Helligkeitsverteilung 47 anzeigen. Daher weist ein Helligkeitsschwerpunkt 46 der Helligkeitsverteilung 45 der Lichtflecke 39a und 39c aufgrund der Bearbeitungsmarkierungen 10 gegenüber einem Helligkeitsschwerpunkt 48 der idealen Helligkeitsverteilung 47 einen Fehler 49 auf.
Die grafische Darstellung von 9 veranschaulicht eine Helligkeitsverteilung von Lichtflecken, die an der Bildaufnahmeeinheit des Abstandssensors gemäß der ersten Ausführungsform aufgenommen wurden. Die grafische Darstellung von 9 veranschaulicht die Helligkeitsverteilung der Lichtflecke 39b und 39d, die an der Bildaufnahmeeinheit 27 aufgenommen wurden.
Die Position des Lichtflecks 39b und die Position des Lichtflecks 39d befindet sich entlang der Y-Richtung, bei der sich um die Richtung handelt, in die sich die Bearbeitungsmarkierungen 10 erstrecken. Dadurch wird eine Helligkeitsverteilung 50 des Lichtflecks 39b und des Lichtflecks 39d sehr wahrscheinlich nicht von den Bearbeitungsmarkierungen 10 beeinflusst. Daher stimmt die Helligkeitsverteilung 50 der Lichtflecke 39b und 39d in etwa mit einer idealen Helligkeitsverteilung 52 überein. Daher stimmt ein Helligkeitsschwerpunkt 51 der Helligkeitsverteilung 50 der Lichtflecke 39b und 39d in etwa mit einem Helligkeitsschwerpunkt 53 der idealen Helligkeitsverteilung 52 überein.
Die Signalverarbeitungseinheit 28 berechnet Veränderungen in der Helligkeitsschwerpunktposition bei jedem der Lichtflecke 39a, 39b, 39c und 39d. Die Signalverarbeitungseinheit 28 wählt einen oder mehrere der Lichtflecke 39a, 39b, 39c und 39d, deren Veränderung der Helligkeitsschwerpunktposition kleiner ist, und berechnet den Abstand von der Erfassungszieloberfläche 9a auf Basis des (der) Helligkeitsschwerpunkte(s) des (der) ausgewählten Lichtflecke(s). Das bedeutet, dass die Signalverarbeitungseinheit 28 einen der Lichtflecke 39a, 39b, 39c und 39d wählt, dessen Veränderung der Helligkeitsschwerpunktposition am geringsten ist, oder einige der Lichtflecke 39a, 39b, 39c und 39d in aufsteigender Reihenfolge von dem einen Lichtfleck mit der kleinsten Helligkeitsschwerpunktpositionsänderung.
Die Signalverarbeitungseinheit 28 kann einen oder mehrere Lichtflecke 39a, 39b, 39c und 39d wählen, der (die) die kleinere(n) und Standardabweichung(en) der Helligkeitsschwerpunktpositionen aufweisen. Das bedeutet, dass die Signalverarbeitungseinheit 28 die Standardabweichung der Helligkeitsschwerpunktpositionen als Maß der Veränderung der Helligkeitsverteilung verwenden kann.
Da sich bei der ersten Ausführungsform die Bearbeitungsmarkierungen 10 in Y-Richtung erstrecken, ist die Veränderung der Helligkeitsschwerpunktposition bei den beiden Lichtflecken 39b und 39d, die entlang der Y-Richtung angeordnet sind, kleiner als die Veränderung der Helligkeitsschwerpunktposition bei den anderen beiden Lichtflecken 39a und 39c. Daher wählt die Signalverarbeitungseinheit 28 zwei der Lichtflecke 39a, 39b, 39c und 39d, die eine kleinere Veränderung der Helligkeitsschwerpunktposition besitzen, d. h. den Lichtfleck 39b mit der kleinsten Veränderung der Helligkeitsschwerpunktposition und den Lichtfleck 39d mit der nächstkleinsten Veränderung der Helligkeitsschwerpunktposition, und berechnet den Abstand von der Erfassungszieloberfläche 9a auf Basis der Helligkeitsschwerpunkte der ausgewählten Lichtflecke 39b und 39d.
Es wird nun ein Beispiel für ein Verfahren zum Berechnen der Höhe auf Basis der ausgewählten Lichtflecken beschrieben. Die Lichtflecke 39b und 39d, deren Veränderung der Helligkeitsschwerpunktposition klein ist, werden von den Bearbeitungsmarkierungen 10 weniger wahrscheinlich beeinflusst als die Lichtflecke 39a und 39c. Die Helligkeitsschwerpunktpositionen der Lichtflecke 39b und 39d können sich jedoch ändern, da die Messzieloberfläche 9a eine raue Metalloberfläche ist. Die Lichtflecke 39b und 39d zeigen sich an Positionen, die in Y-Richtung symmetrisch zur Referenzachse 22 liegen, und es ist denkbar, dass die Helligkeitsverteilung der Lichtflecke 39b und 39d sich in ähnlicher Weise zeigen. Wenn sich eine Helligkeitsschwerpunktposition Yb des Lichtflecks 39b in der Y-Richtung um ΔY ändert, ändert sich daher auch eine Helligkeitsschwerpunktposition Yd des Lichtflecks 39d in Y-Richtung entsprechend um ΔY. Ein Berechnen der Höhe aus der Differenz zwischen den Helligkeitsschwerpunktpositionen der Lichtflecke 39b und 39d kann daher die Veränderung ΔY der Helligkeitsschwerpunktposition aufheben und dadurch eine hochgenaue Berechnung der Höhe ermöglichen.
Auf diese Weise kann die Signalverarbeitungseinheit 28 von dem Lichtfleck 39a, 39b, 39c und 39d die zwei Lichtflecke 39b und 39d wählen, die eine kleinere Änderung der Helligkeitsschwerpunktposition aufweisen, und den Abstand von der Erfassungszieloberfläche 9a auf Basis der Helligkeitsschwerpunkte der ausgewählten Lichtflecke 39b und 39d mit hoher Genauigkeit berechnen.
Die Abstandserfassungsvorrichtung 1 kann den Abstand von der Erfassungszieloberfläche 9a durch Ausführen des folgenden Ablaufs mit hoher Genauigkeit berechnen.
Das Flussdiagramm von 10 veranschaulicht einen Ablauf an der Abstandserfassungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform.
In Schritt S100 steuert die Steuereinheit 7 die Antriebseinheit 5 so, dass der Abstandssensor 6 entlang einer vorgegebenen Strecke in der +X-Richtung verschoben wird, wobei die Steuereinheit 7 währenddessen die Signalverarbeitungseinheit 28 so steuert, dass die Bildaufnahmeeinheit 27 jeden der Lichtflecke 39a, 39b, 39c und 39d mehr als einmal unter der Kontrolle des Signalverarbeitungseinheit 28 aufnimmt und steuert die Signalverarbeitungseinheit 28 so, dass die Änderung der Helligkeitsschwerpunktposition der Lichtflecke 39a, 39b, 39c und 39d berechnet wird.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Steuereinheit 7 während eines Verschiebens des Abstandssensors 6 in die +X-Richtung die Signalverarbeitungseinheit 28 so ansteuern kann, dass die Bildaufnahmeeinheit 27 jeden der Lichtflecke 39a, 39b, 39c und 39d mehr als einmal unter der Kontrolle der Signalverarbeitungseinheit 28 aufnimmt und die Signalverarbeitungseinheit 28 so steuert, dass die Änderung der Helligkeitsschwerpunktposition von jedem der Lichtflecke 39a, 39b, 39c und 39d mehr als einmal berechnet wird.
Alternativ kann die Steuereinheit 7 ein Verschieben des Abstandssensors 6 in die –X-Richtung bewirken. Alternativ kann die Steuereinheit 7 die Antriebseinheit 3 so steuern, dass die Scaneinheit 2 in die +X-Richtung oder in die –X-Richtung verfahren wird, anstatt die Antriebseinheit 5 so anzusteuern, dass der Abstandssensor 6 in die +X-Richtung oder die –X-Richtung verfahren wird.
Anschließend steuert die Steuereinheit 7 in Schritt S102 die Antriebseinheit 5 so, dass der Abstandssensor 6 entlang einer vorgegebenen Strecke in +Y-Richtung verfahren wird, und die Steuereinheit 7 steuert währenddessen die Signalverarbeitungseinheit 28 so, dass die Bildaufnahmeeinheit 27 jeden der Lichtflecke 39a, 39b, 39c, 39d mehr als einmal unter der Kontrolle der Signalverarbeitungseinheit 28 aufnimmt, und steuert die Signalverarbeitungseinheit 28 so, dass die Änderung der Helligkeitsschwerpunktposition der Lichtflecke 39a, 39b, 39c und 39d berechnet wird.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Steuereinheit 7, während ein Verfahren des Abstandssensors 6 in die +Y-Richtung bewirkt wird, die Signalverarbeitungseinheit 28 so steuern kann, dass die Bildaufnahmeeinheit 27 jeden der Lichtflecke 39a, 39b, 39c und 39d mehr als einmal unter der Kontrolle der Signalverarbeitungseinheit 28 aufnimmt, und die Signalverarbeitungseinheit 28 so steuert, dass die Änderung der Helligkeitsschwerpunktposition eines jeden der Lichtflecke 39a, 39b, 39c und 39d mehr als einmal berechnet wird.
Alternativ kann die Steuereinheit 7 ein Verfahren des Abstandssensors 6 in die –Y-Richtung bewirken. Alternativ kann die Steuereinheit 7 die Antriebseinheit 3 so steuern, dass die Scaneinheit 2 in die +Y-Richtung oder die –Y-Richtung fährt, anstatt dass die Antriebseinheit 5 so gesteuert wird, dass der Abstandssensor 6 in die +Y-Richtung oder die –Y-Richtung verfahren wird.
Anschließend steuert die Steuereinheit 7 in Schritt S104 die Signalverarbeitungseinheit 28 so, dass die Signalverarbeitungseinheit 28 einen der Lichtflecke 39a, 39b, 39c und 39d auswählt, der die kleinste Änderung der Helligkeitsschwerpunktposition aufweist oder einige der Lichtflecke 39a, 39b, 39c und 39d in aufsteigender Reihenfolge von dem einen mit der geringsten Änderung der Helligkeitsschwerpunktposition auswählt und so, dass die Signalverarbeitungseinheit 28 den Abstand von der Erfassungszieloberfläche 9 auf Basis des (der) Helligkeitsschwerpunkte(s) der Helligkeitsverteilung des ausgewählten einen oder der ausgewählten mehreren Lichtflecke berechnet.
Da sich bei der ersten Ausführungsform die Bearbeitungsmarkierungen 10 in Y-Richtung erstrecken, ist die Änderung der Helligkeitsschwerpunktposition der Lichtflecke 39b und 39d, deren Positionen in Y-Richtung liegen, kleiner als die Änderung der Helligkeitsschwerpunktposition der Lichtflecken 39a und 39c, deren Positionen entlang der X-Richtung liegen. Daher wählt die Signalverarbeitungseinheit 28 die beiden Lichtflecke 39b und 39d mit der kleineren Änderung in der Helligkeitsschwerpunktposition aus den Lichtflecken 39a, 39b, 39c und 39d aus und berechnet den Abstand von der Erfassungszieloberfläche 9 auf Basis der Helligkeitsschwerpunkte der ausgewählten Lichtflecke 39b und 39d.
Auf diese Weise kann die Signalverarbeitungseinheit 28 den Abstand von der Erfassungszieloberfläche 9a mit hoher Genauigkeit berechnen.
Es wird nun ein Fall beschrieben, bei dem der Abstandssensor 6 den Abstand von der Fasenfläche 9b berechnet.
Der Fokus des Abstandssensors 6 wird auf die Erfassungszieloberfläche 9a eingestellt; um daher den Abstand zwischen dem Abstandssensor 6 und der Fasenfläche 9b zu berechnen, muss die Erfassungszieloberfläche 9a so eingerichtet werden, dass die Erfassungszieloberfläche 9a sich innerhalb der Schärfentiefe des Lichtflecks des emittierten Lichts 35 befindet. Bei der ersten Ausführungsform weist die Schärfentiefe beispielsweise einen Wert von –50 µm bis +50 µm auf, wenngleich dies keine Beschränkung darstellt. Die Schärfentiefe ändert sich abhängig von den Spezifikationen des von dem Abstandssensor 6 umfassten optischen Objektivsystems 24.
Die grafische Darstellung von 11 veranschaulicht die Bestrahlung der Fasenfläche mit dem emittierten Licht des Abstandssensors gemäß der ersten Ausführungsform. Wie in 11 dargestellt, entspricht in den Fall der Fasenfläche 9b die Strahlrichtung des spekular reflektierten Lichts 55 des emittierten Lichts 35 in der +X-Richtung. Daher genügen die Lichtintensitäten der Lichtstrahlen 37a, 37b, 37c und 37d, die Teile des parallelen Lichts 37 darstellen, der Bedingung: Lichtintensität des Lichtstrahls 37a > Lichtintensität des Lichtstrahls 37b und Lichtintensität des Lichtstrahls 37d > Lichtintensität des Lichtstrahls 37c; daher weisen die Lichtflecke 39a, 39b, 39c und 39d unterschiedliche Lichtintensitäten auf. Insbesondere wird am Lichtfleck 39c nahezu kein Licht aufgenommen, wodurch sich für den Lichtfleck 39c ein verschlechterter Rauschabstand (Signal/Noise) ergibt.
Wenn die Lichtflecke 39a und 39c verwendet werden, berechnet die Signalverarbeitungseinheit 28 die Höhe zwischen dem Abstandssensor 6 und der Fasenfläche 9b auf Basis des Werts der Verschiebung der Helligkeitsschwerpunktpositionen in der +X-Richtung; wenn sich daher die Lichtintensität des Lichtflecks 39a signifikant von der Lichtintensität des Lichtflecks 39c unterscheidet, tritt wahrscheinlich ein Fehler auf.
Aus dem oben beschriebenen Grund kann die Signalverarbeitungseinheit 28 die Höhe zwischen dem Abstandssensor 6 und der Fasenfläche 9b unter Verwendung der Lichtflecke 39b und 39d mit hoher Genauigkeit berechnen. Die Signalverarbeitungseinheit 28 kann die Neigungsrichtung in der Fasenfläche 9b aus der Verschiebungsrichtung des Abstandssensors 6 oder des Erfassungszielobjekts 9 bestimmen und so aus den Lichtflecken 39a, 39b, 39c und 39d einen Lichtfleck auswählen, der für die Berechnung der Höhe verwendet wird.
Auf diese Weise kann der Abstandssensor 6 den Abstand zwischen dem Abstandssensor 6 und der Erfassungszieloberfläche 9a berechnen und zusätzlich die Höhe zwischen dem Abstandssensor 6 und der Fasenfläche 9b berechnen.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Blendenplatte 25 bei der ersten Ausführungsform die vier Öffnungen 25a, 25b, 25c und 25d aufweist, auch wenn die Anzahl der Öffnungen nicht auf vier beschränkt ist.
Die grafische Darstellung von 12 veranschaulicht ein Beispiel für eine andere Blendenplatte des Abstandssensors gemäß der ersten Ausführungsform. Eine wie in 12 veranschaulichte Blendenplatte 25a weist zwei Öffnungen 25a und 25b auf. Der Abstand zwischen dem Abstandssensor 6 und der Erfassungszieloberfläche 9a kann mit hoher Genauigkeit berechnet werden, wenn ein Winkel D1 zwischen der Linie 56, die die Referenzachse 22 und das Zentrum der Öffnung 25a verbindet, und einer Linie 57, die die Referenzachse 22 und das Zentrum der Öffnung 25b verbindet, 90 Grad beträgt, was bevorzugt wird. Wenn sich der Winkel D1 weiter von 90 ° wegbewegt, nimmt die Genauigkeit, mit der der Abstandssensor 6 den Abstand zwischen dem Abstandssensor 6 und der Erfassungszieloberfläche 9a berechnet, ab. Daher liegt der Winkel D1 vorzugsweise im Bereich von 80 Grad bis 100 Grad und bevorzugter im Bereich von 85 Grad bis 95 Grad und noch bevorzugter im Bereich von 88 Grad bis 92 Grad.
Die grafische Darstellung von 13 veranschaulicht ein weiteres Beispiel einer Blendenplatte des Abstandssensors gemäß der ersten Ausführungsform. Eine wie in 13 dargestellte Blendenplatte 25B weist drei Öffnungen 25a, 25b und 25c auf. Der Abstand zwischen dem Abstandssensor 6 und der Erfassungszieloberfläche 9a kann mit hoher Genauigkeit berechnet werden, wenn ein Winkel D2 zwischen einer Linie 58, die die Referenzachse 22 und das Zentrum der Öffnung 25a verbindet, und einer Linie 59, die die Referenzachse 22 und das Zentrum der Öffnung 25b verbindet, und ein Winkel D3, zwischen der Linie 59 und einer Linie 60, die die Referenzachse 22 und das Zentrum der Öffnung 25c verbindet, und ein Winkel D4 zwischen der Linie 58 und der Linie 60 120 Grad beträgt, was bevorzugt wird.
Die grafische Darstellung von 26 veranschaulicht den Aufbau eines Abstandssensors gemäß einem Vergleichsbeispiel. Ein Abstandssensor 120 weist eine Lichtquelle 130 auf, die Licht 140 emittiert. Die optische Achse des Lichts 140 entspricht einer Achse 141, die sich entlang der X-Richtung erstreckt.
Das Licht 140 wird von einem optischen Projektionssystem 131 in paralleles Licht 143 umgewandelt. Das parallele Licht 143 wird von einem Strahlteiler 133 in Richtung zur Erfassungszieloberfläche 9a reflektiert. Die optische Achse des Lichts 144, das aus der Reflexion an den Strahlteiler 133 resultiert, entspricht einer Referenzachse 142, die sich in Z-Richtung erstreckt. Emittiertes Lichts 145, das aus einer Fokussierung des Lichts 144 durch ein optisches Objektivsystem 134 in Richtung zur Erfassungszieloberfläche 9a resultiert, bestrahlt die Erfassungszieloberfläche 9a.
Der Abstandssensor 120 umfasst eine Blendenplatte 135 mit Öffnungen 135a und 135c, durch die Lichtstrahlen 146a bzw. 146c, bei denen es sich um Teile eines aus einer diffusen Reflexion des emittierten Lichts 145 an der Erfassungszieloberfläche 9a resultierenden reflektierten Lichts 146 handelt, hindurchtreten können, eine Bildaufnahmeeinheit 137, die ein Bild aufnimmt, und abbildende optische Systeme 136a und 136c, die ermöglichen, dass die Lichtstrahlen 148a und 148c, die durch die Öffnungen 135a und 135c hindurchgetreten sind, an der Bildaufnahmeeinheit 137 Abbildungen ausbilden.
Der Abstandssensor 120 kann auch eine Signalverarbeitungseinheit 138 aufweisen, die den Abstand von der Erfassungszieloberfläche 9 auf Basis des Helligkeitsschwerpunkts eines jeden von der Bildaufnahmeeinheit 137 aufgenommenen Lichtflecks berechnet.
Da das reflektierte Licht 146, das nicht in paralleles Licht umgewandelt wird, die Blendenplatte 135 bestrahlt, weist der Abstandssensor 120 gemäß dem Vergleichsbeispiel eine in X-Richtung und Y-Richtung vergrößerte Breite und ist somit größer. Außerdem ist die Bildaufnahmeeinheit 137 größer und somit erhöht der Abstandssensor 120 die Kosten.
Dagegen kann, da das optische Objektivsystem 24 das reflektierte Licht 36, wie in 2 dargestellt, in paralleles Licht 37 umwandelt, der Abstandssensor 6 gemäß der ersten Ausführungsform mit kleinerer Breite in X-Richtung und Y-Richtung ausgeführt werden und kann daher kleiner sein. Außerdem kann die Größe der Bildaufnahmeeinheit 27 kleiner sein und der Abstandssensor 6 somit die Kosten senken.
Zweite Ausführungsform
14 zeigt eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus eines Abstandssensors gemäß einer zweiten Ausführungsform. Die grafische Darstellung von 14 veranschaulicht den Aufbau eines Abstandssensor 6A bei Betrachtung in Y-Richtung.
Außer den Komponenten des Abstandssensors 6 gemäß der ersten Ausführungsform weist der Abstandssensor 6A ferner ein fokussierendes optisches Systems 65 auf, das das parallele Licht 37 in fokussiertes Licht 66 bündelt, und das zwischen dem optischen Objektivsystem 24 und der Blendenplatte 25 angeordnet ist. Bei der ersten Ausführungsform besteht das fokussierende optische Systems 65 aus einer Linse, wobei es sich auch um eine Linsenkombination handeln kann.
Da das fokussierende optische System 65 das parallele Licht 37 auf diese Weise in das fokussierte Licht 66 bündelt, kann die Breite des Abstandssensors 6A in X-Richtung und Y-Richtung im Vergleich zu dem Abstandssensor 6 weiter verringert und dadurch dessen Größe im Vergleich zu dem Abstandssensor 6 weiter reduziert werden.
Bei dem Abstandssensor 6A, weist das abbildende optische System 26a die Zentralachse 26a1 auf, die sich weiter von der Referenzachse 22 entfernt befindet als die Zentralachse 25a1 der Öffnung 25a. Bei dem Abstandssensor 6A tritt ein Teil 66a des fokussierten Lichts 66 in das abbildende optische System 26a an dessen Bereich ein, der sich bezüglich der Zentralachse 26a1 an der Seite zur Referenzachse 22 befindet. Daher befindet sich die Position, an der ein abbildender Lichtstrahl 67a auf der Bildaufnahmeoberfläche der Bildaufnahmeeinheit 27 eine Abbildung ausbildet, im Vergleich zum Fall des Abstandssensors 6 noch näher an der Referenzachse 22.
In gleicher Weise weist das abbildende optische Objektivsystem 26c die Zentralachse 26c1 auf, die weiter von der Referenzachse 22 entfernt ist als die Zentralachse 25c1 der Öffnung 25c. Bei dem Abstandssensor 6A tritt ein Teil 66c des fokussierten Lichts 66 in das abbildende optische System 26c an dessen Bereich ein, der sich bezüglich der Zentralachse 26c1 an der Seite zur Referenzachse 22 befindet. Daher befindet sich die Position, an der ein abbildender Lichtstrahl 67c auf der Bildaufnahmeoberfläche der Bildaufnahmeeinheit 27 eine Abbildung ausbildet, im Vergleich zum Fall des Abstandssensors 6 noch näher an der Referenzachse 22.
Dadurch kann die Größe der Bildaufnahmeeinheit 27 im Vergleich zu der des Abstandssensors 6 weiter verringert werden und somit können die Kosten des Abstandssensors 6A im Vergleich zum Abstandssensor 6 weiter gesenkt werden.
Die grafische Darstellung von 15 veranschaulicht den Aufbau eines Abstandssensors gemäß einer Modifikation der zweiten Ausführungsform. Die grafische Darstellung von 15 veranschaulicht den Aufbau eines Abstandssensors 6A1 bei Betrachtung in Y-Richtung.
Der Abstandssensor 6A1 unterscheidet sich von dem Abstandssensor 6A dadurch, dass der Abstandssensor 6A1 kein optisches Projektionssystem 20b und kein fokussierendes optisches Systems 65 aufweist.
Bei dem Abstandssensor 6A1 wird das von der Lichtquelle 20a emittierte Licht 30, das sich aufweitet, durch die Öffnung 20c1 geführt. Der Strahlteiler 20d reflektiert das Licht 30, das durch die Öffnung 20c1 geführt wurde, in Richtung zur Erfassungszieloberfläche 9a. Die optische Achse des Lichts 34A, die sich aus der Reflexion an dem Strahlteiler 20d ergibt und in Richtung zur Erfassungszieloberfläche 9a verläuft, entspricht der Referenzachse 22, die sich in Z-Richtung erstreckt.
Das sich aus der Reflexion an dem Strahlteiler 20d ergebende Licht 34A, das sich aufweitet, tritt in das optische Objektivsystem 24 ein. Emittiertes Licht 35A, das aus der Fokussierung des Lichts 34A durch das optische Objektivsystem 24 resultiert, bestrahlt die Erfassungszieloberfläche 9a. Die optische Achse des emittierten Lichts 35A entspricht der Referenzachse 22. Das emittierte Licht 35A wird an der Erfassungszieloberfläche 9a diffus reflektiert.
Reflektiertes Licht 36A, das aus der diffusen Reflexion des emittierten Lichts 35A an der Erfassungszieloberfläche 9a resultiert, tritt in das optische Objektivsystem 24 ein. Die optische Achse des reflektierten Lichts 36A entspricht der Referenzachse 22. Das optische Objektivsystem 24 wandelt das reflektierte Licht 36A in fokussiertes Licht 37A um. Die optische Achse des fokussierten Lichts 37A entspricht der Referenzachse 22.
Auf diese Weise ist der Abstandssensor 6A1 ohne das optische Projektionssystem 20b und das fokussierende optische Systems 65 möglich. Das bedeutet, dass die Anzahl der Komponenten des Abstandssensors 6A1 verringert werden kann. Dies ermöglicht eine Senkung der Kosten des Abstandssensors 6A1.
Dritte Ausführungsform
16 zeigt eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus eines Abstandssensors gemäß einer dritten Ausführungsform. Die grafische Darstellung von 16 veranschaulicht den Aufbau eines Abstandssensors 6B bei Betrachtung in Y-Richtung.
Gegenüber dem Abstandssensor 6A gemäß der zweiten Ausführungsform ist die Zentralachse 26a1 des abbildenden optischen Systems 26a des Abstandssensors 6B gegenüber der Referenzachse 22 geneigt.
In gleicher Weise ist gegenüber dem Abstandssensor 6A gemäß der zweiten Ausführungsform die Zentralachse 26c1 des abbildenden optischen Systems 26c des Abstandssensors 6B zur Referenzachse 22 hin geneigt.
In gleicher Weise sind die Zentralachsen 26b1 und 26d1 der abbildenden optischen Systeme 26b und 26d des Abstandssensors 6B zu Referenzachse 22 hin geneigt.
17 zeigt eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung der Bildaufnahmeoberfläche der Bildaufnahmeeinheit des Abstandssensors gemäß der dritten Ausführungsform. Die grafische Darstellung von 17 veranschaulicht die Bildaufnahmeoberfläche der Bildaufnahmeeinheit 27 bei Betrachtung in Z-Richtung.
Da das abbildende optische System 26a des Abstandssensors 6B so angeordnet ist, dass die Zentralachse 26a1 zur Referenzachse 22 hin geneigt ist, ist der Durchmesser des Lichtflecks 39a in Richtung einer Linie, die die Referenzachse 22 und den Lichtfleck 39a verbindet, kleiner ist als der Durchmesser des Lichtflecks 39a in der Richtung, die die Linie, die die Referenzachse 22 und den Lichtfleck 39a verbindet, kreuzt. Der Lichtfleck 39a bewegt sich entlang der Linie, die die Referenzachse 22 und den Lichtfleck 39a verbindet, wenn sich der Abstand zwischen dem Abstandssensor 6 und Erfassungszieloberfläche 9a ändert. Das bedeutet, dass bei dem Abstandssensor 6B der Durchmesser des Lichtflecks 39a in der Richtung verringert werden kann, die entlang der Bewegungsrichtung des Lichtflecks 39a verläuft.
Auf diese Weise kann der Abstandssensor 6B den Helligkeitsschwerpunkt des Lichtflecks 39a mit noch höherer Genauigkeit berechnen als der Abstandssensor 6A.
In gleicher Weise ist, da die abbildenden optischen Systeme 26b, 26c und 26d des Abstandssensors 6B so angeordnet sind, dass deren Zentralachsen zur Referenzachse 22 hin geneigt sind, jeder der Durchmesser der Lichtflecke 39b, 39c und 39d in den Richtungen entlang der Linien, die die Referenzachse 22 und die Lichtflecke 39b, 39c und 39d verbinden, kleiner als ein entsprechender Durchmesser der Lichtflecke 39b, 39c und 39d in den Richtungen, die die Linien kreuzen, die die Referenzachse 22 und die Lichtflecke 39b, 39c und 39d verbinden. Jeder der Lichtflecke 39b, 39c und 39d bewegt sich entlang einer entsprechenden der Linien, die die Referenzachse 22 und die Lichtflecke 39b, 39c und 39d verbinden, wenn sich der Abstand zwischen dem Abstandssensor 6 und der Erfassungszieloberfläche 9a ändert. Das bedeutet, dass bei dem Abstandssensor 6B jeder der Durchmesser der Lichtflecke 39b, 39c und 39d in der Richtung verkleinert werden kann, die entlang der Bewegungsrichtung eines jeweiligen der Lichtflecke 39b, 39c und 39d verläuft.
Auf diese Weise kann der Abstandssensor 6B die Helligkeitsschwerpunkte der Lichtflecke 39b, 39c und 39d mit noch höherer Genauigkeit berechnen als der Abstandssensor 6A.
Der Abstandssensor 6B kann daher die Helligkeitsschwerpunkte der Lichtflecke 39a, 39b, 39c und 39d mit noch höherer Genauigkeit messen als der Abstandssensor 6A. Auf diese Weise kann der Abstandssensor 6B den Abstand zwischen dem Abstandssensor 6B und der Erfassungszieloberfläche 9a mit noch höherer Genauigkeit berechnen als der Abstandssensor 6A.
Vierte Ausführungsform
Die grafische Darstellung von 18 veranschaulicht den Aufbau eines Abstandssensors gemäß einer vierten Ausführungsform. Die grafische Darstellung von 18 veranschaulicht den Aufbau eines Abstandssensors 6C bei Betrachtung in Y-Richtung.
Außer den Komponenten des Abstandssensors 6B gemäß der dritten Ausführungsform weist der Abstandssensor 6C ferner zwischen dem fokussierenden optischen System 65 und der Blendenplatte 25 einen Strahlteiler 70, der eine Komponente des fokussierten Lichts 66, die senkrecht zu einer X-Z-Ebene geneigt ist, in die X-Richtung reflektiert, eine Blendenplatte 72 mit einer Lochblende 72a, durch die reflektiertes Licht 71, das aus der Reflexion an dem Stahlteiler 70 resultiert, hindurchtreten kann, und eine Lichtintensitätserfassungseinheit 73 auf, die die Lichtintensität des Lichts erfasst, dass durch die Lochblende 72a hindurchgetreten ist. Die Fotodiode stellt ein Beispiel für die Lichtintensitätserfassungseinheit 73 dar.
Die Signalverarbeitungseinheit 28 kann einen ungefähren Abstand zwischen dem Abstandssensor 6C und der Erfassungszieloberfläche 9a auf Basis der von der Lichtintensitätserfassungseinheit 73 erfassten Lichtintensität berechnen.
Die 19 bis 21 zeigen grafische Darstellungen zur Beschreibung eines Prinzips zum Berechnen eines ungefähren Abstands zwischen dem Abstandssensor gemäß der vierten Ausführungsform und der Erfassungszieloberfläche.
Die grafische Darstellung von 19 veranschaulicht einen Fall, bei dem sich die Erfassungszieloberfläche 9a in einer Fokusposition des optischen Objektivsystems 24 befindet. In diesem Fall wird das reflektierte Licht 71 auf einer Lichtintensitätserfassungsoberfläche der Lichtintensitätserfassungseinheit 73 fokussiert. Dadurch wird das gesamte durch die Lochblende 72a hindurchgetretene reflektierte Licht 71 von der Lichtintensitätserfassungseinheit 73 erfasst.
20 zeigt eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung eines Falls, bei dem die Erfassungszieloberfläche 9a weiter entfernt ist als die Fokusposition des optischen Objektivsystems 24. In diesem Fall wird das reflektierte Licht 71 in einem Fokuspunkt 71a fokussiert und weitet sich dann auf, bevor die Blendenplatte 72 bestrahlt wird. Somit tritt ein Teil des reflektierten Lichts 71 durch die Lochblende 72a hindurch und wird von der Lichtintensitätserfassungseinheit 73 erfasst.
21 zeigt eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung eines Falls, bei dem die Erfassungszieloberfläche 9a näher als die Fokusposition des optischen Objektivsystems 24 ist. In diesem Fall bestrahlt das reflektierte Licht 71 die Blendenplatte 72 vor einer vollständigen Fokussierung. Dadurch tritt ein Teil des reflektierten Lichts 71 durch die Lochblende 72a hindurch und wird von der Lichtintensitätserfassungseinheit 73 erfasst.
Die grafische Darstellung von 22 veranschaulicht eine Beziehung des Abstands zwischen dem optischen Objektivsystem des Abstandssensors gemäß der vierten Ausführungsform und der Erfassungszieloberfläche und der von der Lichtintensitätserfassungseinheit erfassten Lichtintensität.
Wie oben beschrieben, erreicht die von der Lichtintensitätserfassungseinheit 73 erfasste Lichtintensität ein Maximum, wenn sich die Erfassungszieloberfläche 9a an einer Fokusposition 74 des optischen Objektivsystems 24 befindet.
Das bedeutet, dass, wenn die mittels der Lichtintensitätserfassungseinheit 73 erfasste Lichtintensität das Maximum erreicht hat, die Signalverarbeitungseinheit 28 in etwa bestimmen kann, dass der Abstand zwischen dem Abstandssensor 6C und der Erfassungszieloberfläche 9a dem Abstand entspricht, der durch die Fokuslänge des optischen Objektivsystems 24 festgelegt ist. Daher kann, wenn die von der Lichtintensitätserfassungseinheit 73 erfasste Lichtintensität das Maximum erreicht hat, die Signalverarbeitungseinheit 28 bestimmen, dass sich die Erfassungszieloberfläche 9a innerhalb der Schärfentiefe des Lichtflecks des emittierten Lichts 35 befindet.
Dann kann die Signalverarbeitungseinheit 28 fortfahren, um die Bildaufnahmeeinheit 27 zum Aufnehmen von Bildern der Lichtflecke 39a, 39b, 39c und 39d zu veranlassen und den Abstand zwischen dem Abstandssensor 6C und der Erfassungszieloberfläche 9a auf Basis der Helligkeitsschwerpunkte der Lichtflecke 39a, 39b, 39c und 39d berechnen. Auf diese Weise kann die Signalverarbeitungseinheit 28 den Abstand zwischen dem Abstandssensor 6C und Erfassungszieloberfläche 9a schnell berechnen.
Die Lichtintensitätserfassungseinheit 73, die die Lichtintensität erfasst, kann mit höherer Geschwindigkeit betrieben werden als die Bildaufnahmeeinheit 27, die Abbildungen der Lichtflecke 39a, 39b, 39c und 39d aufnimmt. Dadurch kann der Abstandssensor 6C mit höherer Geschwindigkeit als der Abstandssensor 6B in etwa bestimmen, dass der Abstand zwischen dem Abstandssensor 6C und der Erfassungszieloberfläche 9a dem Abstand entspricht, der durch die Fokuslänge des optischen Objektivsystems 24 festgelegt ist.
Bei der Berechnung des Abstands zwischen dem Abstandssensor 6C und der Erfassungszieloberfläche 9a auf Basis der Helligkeitsschwerpunkte der Lichtflecke 39a, 39b, 39c und 39d, die von der Bildaufnahmeeinheit 27 aufgenommen wurden, ist es wünschenswert, dass sich die Erfassungszieloberfläche 9a innerhalb der Schärfentiefe des Lichtflecks des emittierten Lichts 35 befindet. Im Gegensatz dazu, kann für die Berechnung des Abstands zwischen dem Abstandssensor 6C und der Erfassungszieloberfläche 9a auf Basis der mithilfe der Lichtintensitätserfassungseinheit 73 erfassten Lichtintensität der Abstand jedoch für einen Bereich berechnet werden, der breiter als die oben beschriebene Schärfentiefe ist. Daher kann der Abstandssensor 6C, den Abstand zwischen dem Abstandssensor 6C und Erfassungszieloberfläche 9a in einem breiteren Bereich berechnen.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Blendenplatte 72 nicht unverzichtbar ist, auch wenn Genauigkeit, mit der das Maximum der Lichtintensität des reflektierten Lichts 71 erfasst wird, mit der Blendenplatte 72 verbessert werden kann und somit bevorzugt wird.
Das Flussdiagramm von 23 veranschaulicht den Ablauf der Abstandserfassungsvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform.
Die Steuereinheit 7 steuerte die Antriebseinheit 5 in Schritt S110 so, dass der Abstandssensor 6 zu dem untersten Ende in Z-Richtung verfahren wird. Die Steuereinheit 7 kann die Antriebseinheit 5 so steuern, dass der Abstandssensor 6 zum obersten Ende in Z-Richtung verfahren wird.
Anstatt die Antriebseinheit 5 so anzusteuern, dass der Abstandssensor 6 in Z-Richtung verfahren wird, kann die Steuereinheit 7 die Antriebseinheit 3 so steuern, dass die Scaneinheit 2 in Z-Richtung verfahren wird.
Anschließend steuert die Steuereinheit 7 die Signalverarbeitungseinheit 28 in Schritt S112 so, dass die Lichtintensität des reflektierten Lichts 71 berechnet wird.
Anschließend bestimmt die Steuereinheit 7 in Schritt S114, ob die Lichtintensität des reflektierten Lichts 71 das Maximum erreicht hat oder nicht.
Wenn in Schritt S114 bestimmt wurde, dass die Lichtintensität des reflektierten Lichts 71 das Maximum nicht erreicht hat (Nein), steuert die Steuereinheit 7 die Antriebseinheit 5 in Schritt S116 so, dass der Abstandssensor 6c um eine vorgegebene Strecke nach oben, d. h. in Z-Richtung, verfahren wird und setzt den Ablauf mit Schritt S112 fort. Die Steuereinheit 7 kann die Antriebseinheit 5 so steuern, dass der Abstandssensor 6C eine vorgegebene Strecke nach unten, d. h. in die –Z-Richtung, verfahren wird.
Wenn in Schritt S114 bestimmt wird, dass die Lichtintensität des reflektierten Lichts 71 das Maximum erreicht hat (Ja), bestimmt die Steuereinheit 7 in Schritt S118, dass der Abstand zwischen dem Abstandssensor 6C und der Erfassungszieloberfläche 9a dem durch die Fokuslänge des optischen Objektivsystems 24 festgelegten Abstand entspricht und beendet den Ablauf.
Auf diese Weise kann die Abstanderfassungsvorrichtung 1 die Erfassungszieloberfläche 9a so einrichten, dass sich die Erfassungszieloberfläche 9a innerhalb der Schärfentiefe des Lichtflecks des emittierten Lichts 35 befindet. Wenn sich die Abstandsmessposition z. B. an der Fasenfläche 9b befindet, kann die Abstandserfassungsvorrichtung 1 die Erfassungszieloberfläche 9a ebenfalls so einrichten, dass sich die Erfassungszieloberfläche 9a innerhalb der Schärfentiefe des Lichtflecks des emittierten Lichts 35 befindet, indem sie den Ablauf von 23 ausführt.
Somit kann die Abstandserfassungsvorrichtung 1 damit fortfahren, die Bildaufnahmeeinheit 27 zur Aufnahme von Abbildungen der Lichtflecke 39a, 39b, 39c und 39d zu veranlassen und den Abstand zwischen dem Abstandssensor 6C und der Erfassungszieloberfläche 9a auf Basis der Helligkeitsschwerpunkte der Lichtflecke 39a, 39b, 39c und 39d zu berechnen. Auf diese Weise kann die Abstandserfassungsvorrichtung 1 den Abstand zwischen dem Abstandssensor 6c und der Erfassungszieloberfläche 9a schnell berechnen.
Es wurde ein Fall beschrieben, bei dem in dem Erfassungszielobjekt 9 eine Fasenfläche 9b ausgebildet ist. Bei einem Fall, bei dem die Fasenfläche 9b an dem Erfassungszielobjekt 9 nicht ausgebildet ist, kann der Abstandssensor 6C die Kantenposition des Erfassungszielobjekts 9 ebenfalls erfassen. Die Steuereinheit 7 steuert die Antriebseinheit 5 so, dass der Abstandssensor 6C so verfahren wird, dass er über die Kante hinaus fährt und die Lichtintensitätserfassungseinheit 73 währenddessen das von dem Erfassungszielobjekt reflektierte Licht erhält.
Die grafische Darstellung von 24 veranschaulicht die Erfassung einer Kante eines Erfassungszielobjekts mithilfe des Abstandssensors gemäß der vierten Ausführungsform. Wie in 24 dargestellt, weist das Erfassungszielobjekt 9 keine daran ausgebildete Fasenfläche 9b, sondern eine Kante 9c auf.
Wenn sich in der Abstandssensor 6C über der Erfassungszieloberfläche 9a befindet und die X-Koordinate X1 entspricht, wird in etwa das gesamte emittierte Licht 35 reflektiert und das reflektierte Licht 71 tritt in die Lichtintensitätserfassungseinheit 73 ein.
Wenn sich der Abstandssensor 6C oberhalb der Kante 9c des Erfassungszielobjekts 9 befindet und die X-Koordinate X2 beträgt, wird in etwa die Hälfte des emittierten Lichts 35 reflektiert und das reflektierte Licht 71 tritt in die Lichtintensitätserfassungseinheit 73 ein.
Wenn sich der Abstandssensor 6C an einer Stelle befindet, die nicht oberhalb des Erfassungszielobjekts 9 gelegen ist und die X-Koordinate X3 beträgt, wird von dem emittierten Licht 35 nichts reflektiert und das reflektierte Licht 71 tritt nicht in die Lichtintensitätserfassungseinheit 73 ein.
Die grafische Darstellung von 25 veranschaulicht eine Beziehung zwischen der X-Koordinate des Abstandssensors gemäß der vierten Ausführungsform und der erfassten Lichtintensität. Wie in 25 dargestellt, verbleibt die Kurve 160, die die Beziehung zwischen der X-Koordinate des Abstandssensors 6C und der erfassten Lichtintensität wiedergibt, in der Nähe einer maximalen Lichtintensität V1, wenn sich die X-Koordinate in der Nähe von X1 befindet, erreicht eine Lichtintensität V2, die der Hälfte der maximalen Lichtintensität V1 entspricht, wenn sich die X-Koordinate in der Nähe von X2 befindet, und erreicht Null, wenn sich die X-Koordinate in der Nähe von X3 befindet.
Somit kann der Abstandssensor 6C auch die Position der Kante 9c des Erfassungszielobjekts 9 auf Basis der Änderung der mithilfe der Lichtintensitätserfassungseinheit 73 erfassten Lichtintensität erfassen.
Es wird darauf hingewiesen, dass die bei den vorangehenden Ausführungsformen beschriebenen Konfigurationen Beispiele für den Gegenstand der vorliegenden Erfindung darstellen und eine Kombination der vorliegenden Erfindung mit anderen allgemein bekannten Techniken und auch Weglassungen von Teilen und Modifikationen möglich sind, durch die nicht vom Kern der vorliegenden Erfindung abgewichen wird.
Bezugszeichenliste

1 Abstandserfassungsvorrichtung; 2 Scaneinheit; 3, 5 Antriebseinheit; 6 Abstandssensor; 7 Steuereinheit; 20 Projektionseinheit; 24 optisches Objektivsystem; 25, 72 Blendenplatte; 26a, 26b, 26c, 26d abbildendes optisches System; 27 Bildaufnahmeeinheit; 28 Signalverarbeitungseinheit; 65 fokussierendes optisches System; 70 Strahlteiler; 73 Lichtintensitätserfassungseinheit.

Claims

Abstandssensor, der aufweist: eine Projektionseinheit zum Projizieren von emittiertem Licht in Richtung einer Erfassungszieloberfläche eines Erfassungszielobjekts, ein optisches Objektivsystem zum Fokussieren des emittierten Lichts in Richtung der Erfassungszieloberfläche und zum Eintretenlassen des reflektierten Lichts, das aus einer diffusen Reflexion des emittierten Lichts an der Erfassungszieloberfläche resultiert, eine Blendenplatte mit mehreren Öffnungen, von denen jede einem von mehreren Teilen hindurchgegangenen Lichts, das aus dem Eintritt über das optische Objektivsystem resultiert, ein Hindurchtreten durch die Öffnung ermöglicht, eine Bildaufnahmeeinheit zum Aufnehmen einer Abbildung, mehrere abbildende optische Systeme, die jedem der Teile des hindurchgegangenen Lichts, das aus dem Eintritt über das optische Objektivsystem resultiert, die Ausbildung einer Abbildung an der Bildaufnahmeeinheit ermöglichen, und eine Signalverarbeitungseinheit zum Berechnen eines Abstands von der Erfassungszieloberfläche auf Basis eines Helligkeitsschwerpunkts eines jeden von mehreren Lichtflecken, die mithilfe der Bildaufnahmeeinheit aufgenommen wurden.
Abstandssensor nach Anspruch 1, wobei die Zentralachsen der abbildenden optischen Systeme näher an einer optischen Achse des hindurchgegangenen Lichts angeordnet sind, das aus dem Eintritt über das optische Objektivsystem resultiert, als die Zentralachsen der Öffnungen.
Abstandssensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Signalverarbeitungseinheit einen oder mehrere der Lichtflecke auswählt, deren Änderung der Helligkeitsverteilung kleiner ist, und den Abstand von der Erfassungszieloberfläche auf Basis eines Helligkeitsschwerpunkts des ausgewählten einen oder der ausgewählten mehreren Lichtflecke berechnet.
Abstandssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Signalverarbeitungseinheit aus den Lichtflecken zwei Lichtflecke auswählt, die entlang einer Richtung angeordnet sind, entlang der sich eine Bearbeitungsmarkierung der Erfassungszieloberfläche erstreckt, und den Abstand von der Erfassungszieloberfläche auf Basis der Helligkeitsschwerpunkte der ausgewählten Lichtflecke berechnet.
Abstandssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, der ferner ein fokussierendes optisches System zum Fokussieren des hindurchgegangenen Lichts aufweist, das aus dem Eintritt über das optische Objektivsystem resultiert ist, wobei das fokussierende optische System zwischen dem optischen Objektivsystem und der Blendenplatte angeordnet ist.
Abstandssensor nach Anspruch 5, wobei die Zentralachsen der abbildenden optischen Systeme von einer optischen Achse des hindurchgegangenen Lichts, das aus dem Eintritt über das Objektivsystem resultiert, weiter entfernt sind als die Zentralachsen der Öffnungen.
Abstandssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Zentralachsen der abbildenden optischen Systeme in Richtung einer optischen Achse des hindurchgegangenen Lichts, das aus dem Eintritt über das optische Objektivsystem resultiert, geneigt sind.
Abstandssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, der ferner eine Lichtintensitätserfassungseinheit zum Erfassen einer Lichtintensität von durch das fokussierende optische System fokussiertem Licht aufweist, wobei die Signalverarbeitungseinheit, wenn die von der Lichtintensitätserfassungseinheit erfasste Lichtintensität einen Maximalwert erreicht, bestimmt, dass ein Abstand zwischen dem Abstandssensor und der Erfassungszieloberfläche einem Abstand entspricht, der durch eine Fokuslänge des optischen Objektivsystems bestimmt ist.
Abstandserfassungsvorrichtung, die aufweist: einen Abstandssensor, der aufweist: eine Projektionseinheit, um Licht, das aus einer zu einer Erfassungszieloberfläche eines Erfassungszielobjekts senkrechten Richtung emittiert wird, in Richtung der Erfassungszieloberfläche zu projizieren, ein optisches Objektivsystem zum Fokussieren des emittierten Lichts in Richtung zur Erfassungszieloberfläche und zum Eintretenlassen von reflektiertem Licht, das aus einer diffusen Reflexion des emittierten Lichts an der Erfassungszieloberfläche resultiert, eine Blendenplatte mit mehreren Öffnungen, von denen jede einem von mehreren Teilen eines hindurchgegangenen Lichts, das aus dem Eintritt über das optische Objektivsystem resultiert, ein Hindurchtreten durch die Öffnung ermöglicht, eine Bildaufnahmeeinheit zum Aufnehmen einer Abbildung, mehrere abbildende optische Systeme, die jedem der Teile des hindurchgegangenen Lichts, das aus dem Eintritt über das optische Objektivsystem resultiert, die Ausbildung einer Abbildung an der Bildaufnahmeeinheit ermöglichen, und eine Signalverarbeitungseinheit zum Berechnen eines Abstands von der Erfassungszieloberfläche auf Basis eines Helligkeitsschwerpunkts eines jeden von mehreren Lichtflecken, die mithilfe der Bildaufnahmeeinheit aufgenommen wurden, eine Scaneinheit, auf der das Erfassungszielobjekt angebracht ist, eine Antriebseinheit zum Verfahren des Abstandssensors oder der Scaneinheit so, dass die relativen Positionen des Abstandssensors und der Scaneinheit verändert werden, und eine Steuereinheit zum Steuern der Signalverarbeitungseinheit und der Antriebseinheit, wobei während die Steuereinheit die Antriebseinheit so steuert, dass der Abstandssensor oder die Scaneinheit in eine erste Richtung verfahren werden, die Steuereinheit die Signalverarbeitungseinheit so steuert, dass eine Änderung in der Helligkeitsverteilung der Lichtflecke berechnet wird, während die Steuereinheit die Antriebseinheit so steuert, dass der Abstandssensor oder die Scaneinheit in eine zweite Richtung verfahren werden, die die erste Richtung kreuzt, die Steuereinheit die Signalverarbeitungseinheit so steuert, dass eine Änderung in der Helligkeitsverteilung der Lichtflecke berechnet wird, und die Steuereinheit die Signalverarbeitungseinheit so steuert, dass einer oder mehrere der Lichtflecke, die eine kleinere Änderung in der Helligkeitsverteilung aufweisen, ausgewählt werden, und dass der Abstand von der Erfassungszieloberfläche auf Basis eines Helligkeitsschwerpunkts des ausgewählten einen oder der ausgewählten mehreren Lichtflecke berechnet wird.
Abstandserfassungsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Abstandssensor ferner aufweist: ein fokussierendes optisches System zum Fokussieren des hindurchgegangenen Lichts, das aus dem Eintritt über das optische Objektivsystem resultiert, wobei das fokussierende optische System zwischen dem optischen Objektivsystem und der Blendenplatte angeordnet ist, und eine Lichtintensitätserfassungseinheit zum Erfassen einer Lichtintensität von mithilfe des fokussierenden optischen Systems fokussierten Licht, und während die Steuereinheit die Antriebseinheit so steuert, dass ein Abstand zwischen dem Abstandssensor und der Erfassungszieloberfläche verändert wird, die Steuereinheit die Signalverarbeitungseinheit so steuert, dass die Lichtintensitätserfassungseinheit die Lichtintensität des von dem fokussierenden optischen System fokussierten Lichts erfasst, und, wenn die mithilfe der Lichtintensitätserfassungseinheit erfasste Lichtintensität ein Maximum erreicht, dass dann bestimmt wird, dass der Abstand zwischen dem Abstandssensor und der Erfassungszieloberfläche einem Abstand entspricht, der durch eine Fokuslänge des optischen Objektivsystems bestimmt ist.
Abstandserfassungsverfahren zum Erfassen eines Abstands unter Verwendung eines Abstandssensors, wobei der Abstandssensor umfasst: eine Projektionseinheit, um Licht, das aus einer zu einer Erfassungszieloberfläche eines Erfassungszielobjekts senkrechten Richtung emittiert wird, in Richtung der Erfassungszieloberfläche zu projizieren, ein optisches Objektivsystem zum Fokussieren des emittierten Lichts in Richtung zur Erfassungszieloberfläche und zum Eintretenlassen von reflektiertem Licht, das aus einer diffusen Reflexion des emittierten Lichts an der Erfassungszieloberfläche resultiert, eine Blendenplatte mit mehreren Öffnungen, von denen jede einem von mehreren Teilen eines hindurchgegangenen Lichts, das aus dem Eintritt über das optische Objektivsystem resultiert, ein Hindurchtreten durch die Öffnung ermöglicht, eine Bildaufnahmeeinheit zum Aufnehmen einer Abbildung, mehrere abbildende optische Systeme, die jeden der Teile des hindurchgegangenen Lichts, das aus dem Eintritt über das optische Objektivsystem resultiert, die Ausbildung einer Abbildung an der Bildaufnahmeeinheit ermöglichen, und eine Signalverarbeitungseinheit zum Berechnen eines Abstands von der Erfassungszieloberfläche auf Basis eines Helligkeitsschwerpunkts eines jeden von mehreren Lichtflecken, die mithilfe der Bildaufnahmeeinheit aufgenommen wurden, wobei das Abstandserfassungsverfahren umfasst: einen Schritt zur Berechnung einer Änderung der Helligkeitsverteilung der Lichtflecke während die relativen Positionen des Abstandssensors und der Erfassungszieloberfläche in eine erste Richtung verfahren werden, einen Schritt zum Berechnen einer Änderung der Helligkeitsverteilung der Lichtflecke während die relativen Positionen des Abstandssensors und der Erfassungszieloberfläche in eine zweite Richtung verfahren werden, die die erste Richtung kreuzt, und einen Schritt zum Auswählen von einem oder mehreren der Lichtflecke, die eine geringere Änderung der Helligkeitsverteilung aufweisen, und Berechnen des Abstands von der Erfassungszieloberfläche auf Basis des Helligkeitsschwerpunkts des ausgewählten einen oder der ausgewählten mehreren Lichtflecke.
Abstandserfassungsverfahren nach Anspruch 11, wobei der Abstandssensor ferner aufweist: ein fokussierendes optisches System zum Fokussieren des hindurchgegangenen Lichts, das aus dem Eintritt über das optische Objektivsystem resultiert, wobei das fokussierende optische System zwischen dem optischen Objektivsystem und der Blendenplatte angeordnet ist, und eine Lichtintensitätserfassungseinheit zum Erfassen einer Lichtintensität eines mithilfe des fokussierenden optischen Systems fokussierten Lichts, und wobei das Abstandserfassungsverfahren ferner umfasst: einen Schritt zum Bewirken, dass die Lichtintensitätserfassungseinheit die Lichtintensität von durch das fokussierende optische System fokussiertem Licht erfasst, während ein Abstand zwischen dem Abstandssensor und der Erfassungszieloberfläche verändert wird, und einen Schritt zum Bestimmen, dass der Abstand zwischen dem Abstandssensor und der Erfassungszieloberfläche einem Abstand entspricht, der durch eine Fokuslänge des optischen Objektivsystems bestimmt ist, wenn die mithilfe der Lichtintensitätserfassungseinheit erfasste Lichtintensität ein Maximum erreicht.