形狀測量設備的製作方法
2023-06-05 06:32:46 1
專利名稱：形狀測量設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種形狀測量設備。
背景技術：
迄今為止，已經已知這樣一種形狀測量設備，其以非接觸方式通過探測器(probe) 掃描稱為待測量對象的工件的表面，並測量工件的表面的形狀(例如，參見PCT國際申請公布 No. JP-T-2009-534969 的日文翻譯)。探測器通過包括諸如電荷耦合器件(CXD)和互補金屬氧化物半導體(CMOS)的成像元件、成像透鏡、線(line)雷射器等而構成,並且通過使用沙姆普弗魯克(Scheimpflug)原理來執行測量。如圖10中所示，沙姆普弗魯克原理是指在通過分別延伸成像元件的成像平面、包括成像透鏡的主點的主平面、以及照射到工件上的線雷射器的照射平面而獲得的平面被布置為在一點彼此相交的情況下，成像元件的成像平面完全變成聚焦(focusing)狀態。在使用如上所述的沙姆普弗魯克原理的探測器中，測量精度(分辨能力)和測量範圍為權衡關係。也就是說，在由成像元件測量放置在線雷射器的照射平面上的工件的情況下，使用的成像透鏡的成像範圍則由其光放大倍率決定。因此，如圖11中所示，在測量寬範圍的情況下，使用低放大倍率的成像透鏡，並且，在以高精度測量窄範圍的情況下，使用高放大倍率的成像透鏡。順便提及，迄今為止，在上述探測器中，已經採用了這樣的配置其中線雷射器和成像透鏡在製造過程中被固定至有關探測器，並且一旦被固定則無法被替換。因此，探測器的測量精度和測量範圍已經由固定的成像透鏡的光放大倍率和成像元件的尺寸唯一地決定。因此，在與期望被執行測量的工件的尺寸匹配中，已經必須切換具有適當測量範圍(或測量精度)的探測器，並且，已經必須準備測量範圍(測量精度)的規範不同的多種類型的探測器。為了僅僅因為期望的測量範圍(測量精度)不同而準備多種類型的探測器，已經產生了巨大成本，另外，已經必須在每次更換探測器時執行校準操作等，從而導致安裝工時的增加。
發明內容
本發明的目的是提供一種形狀測量設備，其包括能夠調節並改變測量範圍和測量精度的探測器。
根據本發明的一個方面，提供了一種形狀測量設備，其以非接觸方式通過探測器掃描工件的表面並測量工件的表面形狀，所述探測器包括光照射單元，其將線狀(linear)光照射到工件上；以及成像單元，其使從光照射單元照射的光的反射光成像，反射光由工件反射，並且，所述成像單元包括成像元件，其使工件的像成像；成像透鏡，其將由工件反射的反射光的像形成在成像元件的成像平面上；以及
透鏡更換單元，其使得成像透鏡可更換。
從下面給出的詳細描述以及附圖和表中，本發明的以上和其它目的、優點和特徵將變得更加充分地被理解，其中，附圖和表格僅僅通過圖示而給出，從而並非意圖定義對本發明的限制，並且其中圖I是本發明的形狀測量設備的總配置圖；圖2是用於說明形狀測量設備的光探測器的配置的視圖；圖3A和3B是用於說明形狀測量設備的操作的視圖；圖4是用於說明根據第一實施例的成像單元的視圖；圖5是用於說明根據第一實施例的透鏡更換的視圖；圖6是用於說明根據第二實施例的成像單元的視圖；圖7是第二實施例的透鏡更換單元的俯視圖；圖8是用於說明第三實施例的成像單元的視圖；圖9是示出第三實施例的透鏡更換單元的俯視圖；圖10是用於說明沙姆普弗魯克原理的視圖；以及圖11是用於說明測量精度與測量範圍之間的關係的視圖。
具體實施例方式參考附圖對本發明的實施例進行描述。然而，本發明的範圍不限於所圖示的示例。[第一實施例]首先，對配置進行描述。如圖I中所示，形狀測量設備100通過包括控制設備101、操作單元102、主機系統103和設備主體單元104而構成。控制設備101控制設備主體單元104的驅動，並從設備主體單元104捕獲必要的
測量坐標值等。操作單元102用於允許用戶通過控制設備101手動操作設備主體單元104。主機系統103通過包括以下單元而構成顯示單元103a，顯示各種畫面；操作單元103b,接收來自用戶的操作指示(designation);印表機單元,用於在紙張上執行列印；等
坐寸o顯示單元103a例如由液晶顯示器(IXD)構成，並且根據來自操作單元103b的操作信號在屏幕上顯示各種設置畫面、各個功能的操作狀態等。操作單元103b例如由具有各種鍵的鍵盤構成，並且響應於手指等的操作將操作信號輸出至控制設備101。
此外，主機系統103包括以下功能編輯/執行用於指示控制設備101中的測量過程的部分程序；執行用於對通過控制設備101捕獲的測量坐標值等應用幾何形狀的計算；以及記錄/發送該部分程序。設備主體單元104具有裝配在振動去除板上的表面平板，並且包括在表面平板之上在X、Y和Z方向上驅動的光探測器P等。光探測器P以非接觸方式掃描工件的表面，並測量工件的表面形狀。光探測器P通過使用沙姆普弗魯克原理執行測量，並且，成像單元30的成像元件31 (稍後描述)的成像平面完全變成聚焦狀態。如圖2中所示，光探測器P通過將控制單元10、光照射單元20、成像單元30等包括在殼體I中而構成。控制單元10通過包括中央處理單元(CPU)、隨機訪問存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)(它們全部未示出)等而構成，並且執行對光照射單元20和成像單元30的操作的集中式控制。例如，控制單元10執行調節來自光照射單元20的照射光的光量、通過使用來自成像單元30的輸出信號計算工件的形狀等的控制。光照射單元20通過包括光源、準直透鏡、棒(rod)透鏡(它們全部未示出)等而構成，並將線狀光照射到工件上。具體地，從光源發射的具有預定波長的雷射束通過準直透鏡而變為平行束，並通過棒透鏡而轉換為線狀光，並且此後作為線狀光而照射到工件上。注意，還可以使用柱透鏡代替棒透鏡。然後，當這樣的線雷射束從光照射單元20照射到工件上時，雷射束的反射光沿著工件表面的不規則形狀而變形，並且沿著特定橫截面切割工件時的輪廓被照亮(light
UP) O成像單元30被布置在相對於從光照射單元20照射到工件上的光的照射方向成預定角度的方向上，並從該預定角度接收沿著這樣的工件表面的形狀反射的光。如圖3A中所示，成像單元30以預定角度使工件成像，從而，如圖3B中所示，沿著工件的表面形狀行進的雷射束的反射光的像被成像。具體地,如圖4中所示,成像單元30通過包括成像元件31、成像透鏡32、裝配單元33等而構成。注意，圖4是示出成像元件31與成像透鏡32之間的光學位置關係的概念視圖。圖4中的虛線表示成像元件31的成像平面，而長短交替的破折線表示包括成像透鏡32的主點的主平面。此外，雙點劃線表示光照射單元20的、將雷射束照射到工件上的照射平面。成像元件31包括使工件通過成像透鏡32的像(即，來自工件的反射光)成像的圖像傳感器(未示出)。圖像傳感器通過包括例如單獨地布置在彼此垂直的兩個方向上的、以1024像素X 1280像素的矩陣方式的CMOS光接收元件而構成。圖像傳感器具有所謂的旋轉(rolling)快門功能，以只允許布置在一或多行(或列)中的光接收元件同時接收光，並在列方向上(或在行方向上)順序地每(per)行(或每列)地執行這樣的光接收。成像透鏡32在成像元件31的成像平面上形成來自工件的反射光的像。、
作為成像透鏡32，例如可以使用標準透鏡、廣角透鏡、微距(macro)透鏡等。在光探測器P中，當使用這樣的具有較低放大倍率的成像透鏡32時測量較寬範圍，而當使用這樣的具有較高放大倍率的成像透鏡32時測量較窄範圍。成像透鏡32支撐在裝配單元33上以便可從其拆卸。裝配單元33安裝在光探測器P的預定位置處，並支撐成像透鏡32，使得成像透鏡32可以從光探測器P拆卸。具體地，在裝配單元33和成像透鏡32的邊緣部分的任一個上形成凹槽，在另一個上形成與相關凹槽匹配的突出部分，可以通過將上述突出部分裝至上述凹槽而將成像透鏡32裝配在裝配單元33上，並且可以通過將上述突出部分與上述凹槽分開而從裝配單元33拆卸成像透鏡32。因此，如圖5中所示，裝配在成像單元30上的成像透鏡32可利用具有其它光放大 倍率的成像透鏡32A和成像透鏡32B更換，由此使得可以調節/改變光探測器P的測量範圍和測量精度。如上所述，裝配單元33用作使得成像透鏡32可更換的透鏡更換部件。注意，裝配單元33僅僅需要是支撐成像透鏡32以使得成像透鏡32可以從光探測器P拆卸的單元，並且其配置不限於上述配置。此外，可以採用成像透鏡32可以與裝配單元33 —起從光探測器P拆卸的配置。也就是說，在裝配單元33和成像透鏡32彼此固定連接、並且更換成像透鏡32的情況下，則將成像透鏡32與裝配單元33 —起從光探測器P拆卸，並且將包括具有不同光放大倍率的成像透鏡32A或成像透鏡32B的這種裝配單元33連接至光探測器P。接下來，對功能進行描述。在此實施例中，成像透鏡32支撐在裝配單元33上以便可從其拆卸。成像透鏡32可從裝配單元33拆卸，從而，在期望調節/改變光探測器P的測量範圍和測量精度的情況下，則從光探測器P拆卸成像透鏡32，並且可以將具有其它光放大倍率的成像透鏡32A和32B連接至相關光探測器P。也就是說，可以響應於期望的測量範圍和測量精度而替換成像透鏡32。如上所述，根據此實施例，提供支撐成像透鏡32以使得成像透鏡32可以從光探測器P拆卸的裝配單元33，作為使得成像透鏡32可更換的透鏡更換單元。從而，在期望調節/改變測量範圍和測量精度的情況下，可以容易地用具有期望的光放大倍率的成像透鏡32來更換所述成像透鏡32。因此，不需要準備測量範圍和測量精度的規範不同的多種類型的光探測器P，並降低了成本。此外，不需要執行對光探測器P等的更換工作，從而，可以實現安裝工時的降低。此外，可以維持迄今為止已經實現的高速掃描。因此，可以提高形狀測量設備的可用性。[第二實施例]接下來，對本發明的第二實施例進行描述，同時關注於其與第一實施例不同的點。注意，將相同的附圖標記分配給與上述第一實施例的要素類似的要素，並且省略對其的描述。如圖6中所示,在此實施例中的成像單元40包括成像元件41 ;環形(circular)透鏡單元42 ;等等。成像元件41具有與上述第一實施例的成像元件31的配置類似的配置。如圖6和圖7中所示，環形透鏡單元42包括環形保持構件421 ;以及四個裝配在保持構件421上的成像透鏡422a至422d。保持構件421在其中心包括中心部分423。在中心部分423的外圍，圍繞中心部分423形成四個開口(未示出)，並且，將四個成像透鏡422a至422d裝至這樣的開口中。成像透鏡422a至422d是光放大倍率彼此不同的成像透鏡。布置成像透鏡422a至422d以使得其透鏡中心Pl至P4可以位於與保持構件421的中心部分423離開相等距離的位置處。布置如上所述的環形透鏡單元42以使得其一個區域S可以面向成像元件41，並且由成像透鏡422a至422d之中的位於區域S中的成像透鏡執行測量。
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於是，使得環形透鏡單元42可圍繞作為軸的中心部分423旋轉，並且被配置為使得可以通過旋轉環形透鏡單元42來更換位於區域S中的成像透鏡。因此，當具有較低放大倍率的成像透鏡位於區域S中時測量較寬範圍，而當具有較高放大倍率的成像透鏡位於區域S中時測量較窄範圍。如上所述,此實施例的成像單元40包括環形透鏡單元42,並由此使得能夠根據需要改變成像透鏡的光放大倍率(測量區域)。注意，可以由用戶手動執行環形透鏡單元42的旋轉，或者，在用戶通過使用主機系統103的操作單元103b指示測量精度的情況下，可以響應於所指示的測量精度來執行相關旋轉。環形透鏡單元42用作使得成像透鏡422a至422d可更換的透鏡更換部件。如上所述，根據此實施例，當然，獲得與第一實施例的效果類似的效果，並且另外，提供可圍繞作為軸的中心部分423旋轉並且具有布置在其中的多種類型的成像透鏡422a至422d的環形透鏡單元42，其中成像透鏡422a至422d具有位於與中心部分423離開相等距離的位置處的中心Pl至P4。從而，可以採用將多個成像透鏡422a至422d彼此集成裝配的設備配置，並且獲得形狀測量設備的更好的可用性。注意，在此實施例中，已經在圖示其上裝配四個成像透鏡422a至422d的環形透鏡單元42的同時進行了描述；然而，不存在對成像透鏡的數量的限制。此外，不總是需要四個成像透鏡全部具有不同的放大倍率，例如，在四個成像透鏡之中，其中兩個可以是具有相同放大倍率的成像透鏡，而另兩個可以是具有不同放大倍率的成像透鏡。此外，可以裝配響應於工件的形狀而自動決定要使用成像透鏡422a至422d中的哪個(即，測量精度和測量範圍)的功能。在此情況下，例如，基於預先讀取的CAD數據而識別工件的不規則性等，並且決定測量精度和測量範圍。[第三實施例]接下來，對本發明的第三實施例進行描述，同時關注於其與第一實施例不同的點。注意，將相同的附圖標記分配給與上述第一實施例的要素類似的要素，並且省略對其的描述。如圖8中所示,在此實施例中的成像單元50包括成像元件51 ;線狀(linear)透鏡單兀I 52 ;等等。成像元件51具有與上述第一實施例的成像元件31的配置類似的配置。如圖8和圖9中所示，線狀透鏡單元52包括長保持構件511 ;以及三個裝配在保持構件511上的成像透鏡522a至522c。在保持構件511中，形成三個開口(未示出)，並且將三個成像透鏡522a至522c裝到這樣的開口中。成像透鏡522a至522c是光放大倍率彼此不同的成像透鏡，並且被線狀地(linearly)布置在保持構件511中。 布置線狀透鏡單元52以使得其中一個區域SI可以面向成像元件51，由成像透鏡522a至522c之中的位於區域SI中的成像透鏡執行測量。於是，使得線狀透鏡單元52可相對於保持構件511滑動，並且被配置使得可以通過滑動線狀透鏡單元52來更換位於區域SI中的成像透鏡。因此，當具有較低放大倍率的成像透鏡位於區域SI中時測量較寬範圍，而當具有較高放大倍率的成像透鏡位於區域SI中時測量較窄範圍。如上所述，此實施例的成像單元50包括線狀透鏡單元52，並由此使得能夠根據需要改變成像透鏡的光放大倍率(測量區域)。線狀透鏡單元52用作使得成像透鏡522a至522c可更換的透鏡更換部件。如上所述，根據此實施例，當然，獲得與第一實施例的效果類似的效果，並且另外，提供可相對於成像元件51滑動並且具有線狀地布置在其中的多種類型的成像透鏡522a至522c的線狀透鏡單元52。從而，可以採用將多個成像透鏡522a至522c彼此集成地裝配的設備配置，並且獲得形狀測量設備的更好的可用性。注意，在此實施例中，已經在圖示其上裝配三個成像透鏡522a至522c的線狀透鏡單元52的同時進行了描述；然而，不存在對成像透鏡的數量的限制。此外，不總是需要三個成像透鏡全部具有不同的放大倍率，例如，在三個成像透鏡之中，其中兩個可以是具有相同放大倍率的成像透鏡。此外，可以裝配響應於工件的形狀而自動決定要使用成像透鏡522a至522c中的哪個(即，測量精度和測量範圍)的功能。在此情況下，例如，基於預先讀取的CAD數據而識別工件的不規則性等，並且決定測量精度和測量範圍。根據本發明的優選實施例的一方面，提供了一種形狀測量設備，其通過探測器以非接觸方式掃描工件的表面並測量工件的表面形狀，所述探測器包括光照射單元，其將線狀光照射到工件上；以及成像單元，其使從光照射單元照射的光的反射光成像，反射光由工件反射，並且所述成像單元包括成像元件，其使工件的像成像；成像透鏡，其在成像元件的成像平面上形成由工件反射的反射光的像；以及透鏡更換單元，其使得成像透鏡可更換。優選地，透鏡更換單元包括裝配單元，其可拆卸地支撐成像透鏡。優選地，透鏡更換單元包括環形透鏡單元，其可圍繞環形透鏡單元的作為軸的中心部分旋轉並具有多種類型的成像透鏡，其中布置成像透鏡以使得成像透鏡的透鏡中心位於與中心部分離開相等距離的位置處。
優選地，透鏡更換單元包括線狀透鏡單元，其可相對於成像元件滑動並具有線狀布置的多種類型的成像透鏡。這次公開的實施例在所有方面都應當被認為是說明性的、而非限制性的。本發明的範圍並非由以上描述示出，而是由權利要求書示出，並且意在包括權利要求的等同體以及權利要求的範圍內的所有修改。 ·
權利要求
1.一種形狀測量設備，其通過探測器以非接觸方式掃描工件的表面並測量所述工件的表面形狀，所述探測器包括光照射單元，其將線狀光照射到所述工件上；以及成像單元，其使從所述光照射單元照射的光的反射光成像，所述反射光由所述工件反射，其中所述成像單元包括 成像元件，其使所述工件的像成像； 成像透鏡，其在所述成像元件的成像平面上形成由所述工件反射的反射光的像；以及 透鏡更換單元，其使得所述成像透鏡可更換。
2.如權利要求I所述的形狀測量設備， 其中，所述透鏡更換單元包括裝配單元，其可拆卸地支撐所述成像透鏡。
3.如權利要求I所述的形狀測量設備， 其中，所述透鏡更換單元包括環形透鏡單元，其能夠圍繞所述環形透鏡單元的作為軸的中心部分旋轉並具有多種類型的成像透鏡，其中布置所述成像透鏡以使得所述成像透鏡的透鏡中心位於與所述中心部分離開相等距離的位置處。
4.如權利要求I所述的形狀測量設備， 其中，所述透鏡更換單元包括線狀透鏡單元，其能夠相對於所述成像元件滑動並具有線狀布置的多種類型的成像透鏡。
全文摘要
本發明公開了一種形狀測量設備，其通過探測器以非接觸方式掃描工件的表面並測量所述工件的表面形狀。所述探測器包括光照射單元，其將線狀光照射到所述工件上；以及成像單元，其使從所述光照射單元照射的光的反射光成像，所述反射光由所述工件反射。所述成像單元包括成像元件，其使所述工件的像成像；成像透鏡，其在所述成像元件的成像平面上形成由所述工件反射的反射光的像；以及透鏡更換單元，其使得所述成像透鏡可更換。
文檔編號G01B11/24GK102749040SQ20121011300
公開日2012年10月24日 申請日期2012年4月17日 優先權日2011年4月18日
發明者山縣正意, 根本賢太郎 申請人:株式會社三豐