TW201502468A

TW201502468A - 形狀測量裝置

Info

Publication number: TW201502468A
Application number: TW103114731A
Authority: TW
Inventors: Taro Yoshida; Kazuto Obuchi; Makoto Uehara
Original assignee: V Technology Co Ltd
Priority date: 2013-04-24
Filing date: 2014-04-23
Publication date: 2015-01-16
Also published as: CN203837664U; JP2014215139A; JP6241061B2

Abstract

本發明提供一種形狀測量裝置，其藉由提高光源光的受光效率，不提高光源輸出，而確保所希望的受光量。消除光源光的光量不均的同時，排除雜散光對測量精度造成之不良影響。本發明的形狀測量裝置(1)具備向被測量物體(W)的設置面(2)投射光之投光部(3)和接收由投光部(3)投射之光之受光部(4)，藉由受光部(4)的輸出來測量被測量物體的形狀和尺寸，其中，投光部(3)具備光源(10)、桿積分器(11)及投光光學系統(20)，前述桿積分器中入射從光源(10)射出之光，前述投光光學系統具有能夠取入從桿積分器(11)的光射出面(11A)射出之全光束之開口數和視場，且至少在被測量物體側呈遠心狀態，受光部(4)具備拍攝元件(12)和物體側遠心受光光學系統(30)，前述拍攝元件接收被測量物體的投影像，前述物體側遠心受光光學系統使設置面(2)與拍攝元件(12)的受光面成為共軛關係，投光光學系統(20)內部的開口光圈(22)與受光光學系統(30)內部的開口光圈(33)處於共軛關係。

Description

形狀測量裝置

本發明係有關一種測量被測量物體的形狀和尺寸之形狀測量裝置者。

藉由光學機構測量被測量物體的形狀和尺寸之裝置通常具備有向配置有被測量物體之測量範圍投射平行光之投光部以及接收由投光部投射之光中未被被測量物體遮擋之光之受光部，受光部係藉由遠心受光透鏡對由投光部投射之光進行聚光，藉由圖像感測器接收通過配置在焦點位置之光圈之光來測量被測量物體的形狀和尺寸者(參閱下述專利文獻1)。

[先行技術文獻] [專利文獻]

專利文獻1：日本專利公開2000-155013號公報

在該種習知技術中，在投光部中使用將光源所射出之光設為平行光之準直透鏡等投光透鏡，但出於光源不係完整的點光源，且由於光學系統的分辨率與(波長/開口數)成正比，因此為了得到實用的分辨率而不得不使用平行光以外的光等理由而不能將來自光源的光全部設為平行光，因此在受光部側使用遠心光學系統來抑制被測量物體因向光軸方向的偏位導致之測量精度下降。然而，即使利用遠心光學系統亦難以增加開口數，只能接收光源射出之光的一部份，因此為了確保規定的受光量，需提高光源輸出，從節能觀點考慮存在問題。

並且，從光源射出之光存在光量不均，若該光量不均顯現在圖像感測器的輸出中，則測量精度降低，因此前述之習知技術中，在光源的前面配置擴散板來消除光量不均。然而，若使用擴散板，則存在如下問題：非平行光進一步增加而導致投光強度降低，且受光量降低，並且因擴散光產生大量的雜散光，因此通過受光部內的光圈之雜散光入射到圖像感測器，使圖像感測器輸出的對比度降低，對測量精度造成不良影響。

本發明係以解決該種問題作為課題的一例者。亦即本發明的目的在於藉由提高光源光的利用效率，不提高光源輸出，而確保所希望的受光量，並消除光源光的光量不均的同時排除雜散光對測量精度造成之不良影響等。

1. 為了達到該種目的，本發明的形狀測量裝置係至少具備以下結構者。

2. 一種形狀測量裝置，其具備向被測量物體的設置面投射光之投光部和接收由前述投光部投射之光之受光部，藉由前述受光部的輸出來測量被測量物體的形狀，其中，前述投光部具備光源、桿積分器及投光光學系統，前述桿積分器中入射從前述光源射出之光，前述投光光學系統具有能夠取入從前述桿積分器的光射出面射出之全光束之開口數和視場，且至少在前述被測量物體側呈遠心狀態，前述受光部具備拍攝元件和物體側遠心受光光學系統，前述拍攝元件接收被測量物體的投影像，前述物體側遠心受光光學系統使前述設置面與前述拍攝元件的受光面成為共軛關係，前述投光光學系統內部的開口光圈與前述受光光學系統內部的開口光圈處於共軛關係。

具備該種特徵之形狀測量裝置藉由提高光源光的利用效率，無需提高光源輸出，就能夠確保所希望的受光量。並且，消除光源光的光量不均的同時，能夠排除雜散光對測量精度造成之不良影響。

1‧‧‧形狀測量裝置

2‧‧‧設置面

3‧‧‧投光部

4‧‧‧受光部

5‧‧‧形狀測量部

10‧‧‧光源

11‧‧‧桿積分器

11A‧‧‧光射出面

12‧‧‧拍攝元件

12A‧‧‧受光面

20‧‧‧投光光學系統

21‧‧‧第一透鏡群

22‧‧‧開口光圈

23‧‧‧光路折射鏡

24‧‧‧第二透鏡群

24f‧‧‧菲涅爾透鏡

25‧‧‧照度平滑濾波器

30‧‧‧受光光學系統

31‧‧‧第三透鏡群

32‧‧‧第四透鏡群

33‧‧‧開口光圈

W‧‧‧被測量物體

第1圖係說明本發明的一實施形態之形狀測量裝置的概要結構之說明圖。

第2圖係表示本發明的一實施形態之形狀測量裝置中的投光光學系統的一例之說明圖。

第3圖係表示本發明的一實施形態之形狀測量裝置中的受光光學系統的一例之說明圖。

第4圖係表示本發明的實施形態之形狀測量裝置中的光學系統的其他結構例之說明圖。第4圖(a)表示光學系統的YZ剖面圖，第4圖(b)表示光學系統的XZ剖面圖，第4圖(c)表示各光學要件的XY剖面圖。

第5圖係說明菲涅爾透鏡的陰影之說明圖。

第6圖表示照度平滑濾波器的功能之說明圖。第6圖(a)係將中心部的透射率設為50%之例子，第6圖(b)係將中心部的透射率設為80%之例子。

第7圖係表示照度平滑濾波器的插入效果之說明圖。第7圖(a)表示未插入之情況下的照度分佈，第7圖(b)表示插入之情況下的照度分佈。

以下，參閱附圖對本發明的實施形態進行說明。第1圖係說明本發明的一實施形態之形狀測量裝置之說明圖。第2圖係表示本發明的一實施形態之形狀測量裝置中的投光光學系統的一例之說明圖。第3 圖係表示本發明的一實施形態之形狀測量裝置中的受光光學系統的一例之說明圖。

形狀測量裝置1具備：投光部3，向被測量物體W的設置面2投射光；受光部4，接收由投光部3投射之光。並且，具備藉由受光部4的輸出來測量被測量物體W的形狀和尺寸之形狀測量部5。

投光部3具備光源10、桿積分器11以及投光光學系統20，從光源10射出之光入射到桿積分器11中，從桿積分器11射出之光經由投光光學系統20投射到設置有被測量物體W之設置面2。

光源10能夠例如由發光二極體單體構成。桿積分器11係藉由使入射之光在內部多重反射，從而能夠使光量分佈均勻化者，且具有不使從光源10射出之光擴散，而消除光量不均的功能。

投光光學系統20構成兩側遠心光學系統。具體而言，如第2圖所示，從桿積分器11側依次具備第一透鏡群21、開口光圈22、光路折射鏡23以及第二透鏡群24，具有能夠取入從桿積分器11的光射出面11A射出之全光束之開口數和視場。並且，通過開口光圈22內的一點之光成為平行光並照射到設置面2，當桿積分器11的光射出面11A上的光強度分佈不均勻的情況下，具有使其均勻化之功能。光路折射鏡23係為了使投光部3的各要件的配置空間緊湊化而設置者。

受光部4具備：拍攝元件12，接收被測量物體W的投影像；物體側遠心受光光學系統30，使設置面2和拍攝元件12的受光面12A成為共軛關係。如第3圖所示，具體而言，受光光學系統30具備第三透鏡群31和第四透鏡群32，第四透鏡群32的內部配置有開口光圈33。該受光光學系統30使通過設置面2上的一點並通過開口光圈33之光全部聚光到受光面12A的一點上。亦即，通過設置面2上的被測量物體W的輪廓的一點之光聚光到拍攝元件12的受光面12A上，被測量物體W的輪廓以已設定之倍率縮小並在受光面12A上成像而形成投影像。就投光光學系統20與受光光學系統30之間的關係而言，投光光學系統20內的開口光圈22與受光光學系統30內的開口光圈33之間的關係呈共軛關係。

並且，藉由前述投光光學系統，前述桿積分器的光射出面與前述設置面呈共軛關係。

形狀測量部5係依據來自受光部4的輸出測量被測量物體W的形狀者，係依據藉由被測量物體W的輪廓的投影像獲得之對比度資訊，輸出被測量物體W的輪廓形狀的座標資料和投影寬度等尺寸資料者。

依具有該種結構之形狀測量裝置1，從光源10射出之光入射到桿積分器11而均勻化，因此桿積分器11的光射出面11A成為幾乎均勻的面光源。藉此，即使在由發光二極體形成光源10之情況下，亦能夠得到將光量分佈平均化之均勻面光源。並且，在設置面2的附近，與設置面2垂直的均勻平行光投射到被測量物體W。另外，在設置面2的投光部3側配置兩側遠心光學系統，在受光部4側配置有物體側遠心光學系統，因此能夠使通過被測量物體W的輪廓之光幾乎全部在受光面12A上成像，能夠提高邊緣分辨率而提高測量精度。

並且，就投光光學系統20與受光光學系統30之間的關係而言，投光光學系統20內的開口光圈22與受光光學系統30內的開口光圈33之間的關係呈共軛關係，因此使開口光圈33的影像大小與開口光圈22的影像大小相同，或者小於開口光圈33的影像大小，藉此能夠有效地抑制雜散光。另外，受光光學系統30的分辨率與焦點深度取決於投光光學系統的開口數與受光光學系統的開口數，因此藉由將開口光圈22和開口光圈33中的一方或雙方設為可變光圈，從而能夠改變受光光學系統30的分辨率以及焦點深度。

此時，桿積分器11的光射出面11A的外周形狀與設置有被測量物體W之設置面2的外周形狀相似為較佳。並且，形成在設置面2之光射出面11A的影像大於等於設置面2的外周形狀為較佳。藉由這樣設定，能夠向設置面2的整個面投射均勻的平行光，即使將被測量物體W放置在設置面的任意處都能夠進行邊緣分辨率較高的測量。並且，使桿積分器11的光射出面11A和設置面2的外周形狀相同，來使兩者的外周一致，藉此如前所述，能夠向設置面的整個面投射均勻的平行光，並且能夠抑制從設置面2偏離之雜散光的產生。

藉此，從光源10射出並入射到桿積分器11之光幾乎全部成為均勻的平行光而投射到設置面2上，該些幾乎全部都在受光面12A上成像，因此能夠提高光源光的利用效率，無需提高光源10的輸出，就能夠確保規定的受光量。而且，光源光不會散射，因此能夠抑制雜散光的產生，並且能夠排除因光源10的光量不均導致之測量精度的下降。

第4圖係表示本發明的實施形態之形狀測量裝置中的光學系統的其他結構例之說明圖。(a)表示光學系統的YZ剖面圖，(b)表示光學系統的XZ剖面圖，(c)表示各光學要件的XY剖面圖。與前述之說明共用之地方附加相同元件符號來省略重複說明。

第4圖所示之例子中，作為桿積分器11使用板狀桿棱鏡，作為光源10使用LED縱列光源。並且，在投光光學系統20中的第二透鏡群24中使用菲涅爾透鏡24f。菲涅爾透鏡24f與玻璃透鏡相比價格低且容易進行薄型化，並且還容易進行非球面化，因此具有能夠去除像差之優點。

如第5圖所示，菲涅爾透鏡24f的截面形狀為鋸齒狀，因此可形成陰影24s，該陰影影響光量分佈，因此在開口光圈22與第二透鏡群24之間加入照度平滑濾波器(變迹濾波器)25來改善光量分佈的不均勻。照度平滑濾波器25係具有如第6圖所示之透光率的特性者，因此為了抑制因菲涅爾透鏡24f的陰影造成與透鏡的中心部份相比周邊部份的透射光量降低之影響，具有使中心部份的透射率低於周邊部份之濾波器模式。第6圖(a)係相對於周邊部份將中心部份的透射率設為50%之例子，第6圖(b)係相對於周邊部份將中心部份的透射率設為80%之例子。藉由插入該種照度平滑濾波器25，能夠將如第7圖(a)所示之照度不均改善為如第7圖(b)所示之平滑化之照度分佈。

如以上說明，本發明的實施形態之形狀測量裝置1藉由由投光部3的桿積分器11形成均勻面光源、及組合投光光學系統20中採用之兩側遠心光學系統與受光光學系統30中採用之物體側遠心光學系統，從而提高光源光的利用效率，無需提高光源10的輸出就能夠確保所希望的受光量，並且能夠消除光源光的光量不均的同時，有效地排除雜散光對測量精度造成之不良影響。