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形狀測量設(shè)備的制作方法
【專利摘要】一種形狀測量設(shè)備，包括：照射部，用于利用線狀的線激光來照射工件，所述照射部包括：光源，用于產(chǎn)生光；以及光學(xué)元件，用于使來自所述光源的光線狀地散開并且生成所述線激光，所述光學(xué)元件被構(gòu)造成能夠繞所述線激光的光軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動；以及攝像部，用于對所述工件所反射的線激光進(jìn)行攝像。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于通過利用光照射待測物、并且對待測物進(jìn)行攝像來測量該待 測物的形狀的形狀測量設(shè)備。 形狀測量設(shè)備

【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)上，已知這樣一種形狀測量設(shè)備：該形狀測量設(shè)備用于通過利用探測器掃描 工件的表面、并且獲取工件各部分的位置坐標(biāo)等來測量工件的表面形狀。
[0003] 如日本特表2009-534969所述，已知的這類形狀測量設(shè)備是用于在無需使探測器 與工件表面接觸的情況下來進(jìn)行測量的非接觸式設(shè)備。
[0004] 在日本特表2009-534969所述的非接觸式表面形狀測量設(shè)備中，通過掃描探測器 利用線狀的線激光照射工件表面、并且相對于線激光的照射方向成預(yù)定角度對該表面進(jìn)行 攝像，來測量工件的表面形狀。根據(jù)這類非接觸式表面形狀測量設(shè)備，無需擔(dān)心工件表面的 損壞，而且也無需要考慮由于探測器的磨損所導(dǎo)致的對于測量精度的影響。
[0005] 此外，在上述的形狀測量設(shè)備中，需要使線激光根據(jù)工件的形狀而轉(zhuǎn)動。在這種情 況下，在日本特開2011-110675中，使掃描探測器整體轉(zhuǎn)動，由此使線激光轉(zhuǎn)動。然而，由于 使掃描探測器整體轉(zhuǎn)動，因此測量速度下降。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種用于提高測量速度的形狀測量設(shè)備。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明的一種形狀測量設(shè)備，包括：照射部，用于利用線狀的線激光來照射工 件，所述照射部包括：光源，用于產(chǎn)生光；以及光學(xué)元件，用于使來自所述光源的光線狀地 散開并且生成線激光，所述光學(xué)元件被構(gòu)造成能夠繞線激光的光軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動；以及攝像部， 用于對所述工件所反射的線激光進(jìn)行攝像。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明，可以提供用于提高測量速度的形狀測量設(shè)備。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009] 通過以下給出的詳細(xì)說明以及附圖將更加充分地理解本發(fā)明，其中附圖僅是為了 例示而給出的，因而并不限制本發(fā)明，并且其中：
[0010] 圖1是構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的形狀測量設(shè)備的系統(tǒng)的整體圖；
[0011] 圖2是示出根據(jù)本實施例的光學(xué)探測器17的結(jié)構(gòu)的圖；
[0012] 圖3A和3B是示出使用光學(xué)探測器17所施加的線激光的示意圖；
[0013] 圖4是示出光學(xué)探測器17的內(nèi)部的配置的示意圖；
[0014] 圖5A是示出根據(jù)本實施例的激光生成部172的示意圖；
[0015] 圖5B是示出根據(jù)本實施例的激光生成部172的另一狀態(tài)的示意圖；
[0016] 圖6是示出根據(jù)本實施例的CMOS傳感器1732的模式圖；
[0017] 圖7是示出根據(jù)本實施例的CMOS傳感器1732的模式圖；
[0018] 圖8是表示光學(xué)探測器17的控制系統(tǒng)的框圖；
[0019] 圖9是示出根據(jù)本實施例的形狀測量設(shè)備的操作的流程圖；以及
[0020] 圖10是示出根據(jù)另一實施例的形狀測量設(shè)備的操作的流程圖。

【具體實施方式】
[0021] 將參考附圖詳細(xì)說明根據(jù)本發(fā)明的實施例的形狀測量設(shè)備。圖1是構(gòu)成根據(jù)本實 施例的形狀測量設(shè)備的系統(tǒng)的整體圖。如圖1所示，通過安裝根據(jù)本實施例的光學(xué)探測器 17作為坐標(biāo)測量機(jī)1的測量探測器，來構(gòu)成該形狀測量設(shè)備。該形狀測量設(shè)備包括運(yùn)動控 制器2、操作板3和主機(jī)系統(tǒng)4。運(yùn)動控制器2驅(qū)動和控制坐標(biāo)測量機(jī)1，并且還從該坐標(biāo)測 量機(jī)1獲取必要的測量坐標(biāo)值。操作板3通過該運(yùn)動控制器2手動操作該坐標(biāo)測量機(jī)1。 主機(jī)系統(tǒng)4編輯并執(zhí)行用于指示運(yùn)動控制器2中的測量過程的部分程序。另外，主機(jī)系統(tǒng)4 具有用于進(jìn)行用以使幾何形狀與通過運(yùn)動控制器2所獲取的測量坐標(biāo)值進(jìn)行擬合的計算、 或者記錄或發(fā)送該部分程序的功能。
[0022] 如以下所述構(gòu)成坐標(biāo)測量機(jī)1。也就是說，將面板11置于防振臺10上，從而使得 面板11的上表面與作為基面的水平面一致，并且將X軸導(dǎo)軌13支撐在從該面板11的兩側(cè) 端堅立的臂支撐體12a、12b的上端。通過Y軸驅(qū)動機(jī)構(gòu)14在Y軸方向上驅(qū)動臂支撐體12a 的下端，并且將臂支撐體12b的下端以通過空氣軸承在Y軸方向上能夠移動的方式支撐在 面板11上。X軸導(dǎo)軌13驅(qū)動在X軸方向上垂直延伸的Z軸導(dǎo)軌15。Z軸導(dǎo)軌15設(shè)置有 沿Z軸導(dǎo)軌15進(jìn)行驅(qū)動的Z軸臂16,并且將非接觸式光學(xué)探測器17安裝至Z軸臂16的下 端。另外，光學(xué)探測器17可以在水平面或垂直面上轉(zhuǎn)動。
[0023] 圖2示出根據(jù)本實施例的光學(xué)探測器17的結(jié)構(gòu)。如圖2所示，光學(xué)探測器17具 有機(jī)架171、配置在機(jī)架171內(nèi)的激光生成部172、用于對工件進(jìn)行攝像的攝像裝置173、以 及用于調(diào)整激光生成部172的控制電路174。另外，以下將說明激光生成部172的詳細(xì)結(jié)構(gòu) 和對該結(jié)構(gòu)的控制。
[0024] 激光生成部172利用在與激光生成部172的光軸（掃描方向的中央部的光軸）和 攝像裝置173的光軸所形成的平面垂直的方向上延伸的線狀的線激光來照射工件5,并且 直線狀地照射工件5的表面。
[0025] 攝像裝置173具有帶通濾波器1731a、透鏡1731b和用于通過帶通濾波器和透鏡來 拍攝工件5的圖像的CMOS傳感器1732。將攝像裝置173配置在用于從與利用來自光源的 光照射工件5的方向成預(yù)定角度的方向上接收光的方向上。也就是說，利用線激光照射工 件5的表面，并且通過攝像裝置173從預(yù)定角度接收沿工件5的表面形狀所反射的光。
[0026] 圖3A和3B是示出使用光學(xué)探測器17所應(yīng)用的線激光的示意圖。如圖3A所示， 當(dāng)通過激光生成部172利用線狀的線激光L1照射工件5時，線激光的反射光L1'沿工件5 的表面變形，并且利用反射光L1'來區(qū)分在特定平面中切割工件5時的輪廓。如圖3B所示， 攝像裝置173以與激光生成部172的激光的照射方向成預(yù)定角度來拍攝工件5的圖像，并 且拍攝反射光L1'的圖像。
[0027] 此外，在本實施例中，如圖3A所示，激光生成部172可以使線激光L1繞光軸轉(zhuǎn)動， 并且生成線激光L2。
[0028] 圖4是示出光學(xué)探測器17的內(nèi)部的配置的示意圖。另外，在圖4中省略帶通濾波 器1731a。根據(jù)本實施例的光學(xué)探測器17使用沙姆定律（scheimpflug principle),并且 如圖4所示，分別從CMOS傳感器1732的攝像面、包括透鏡1731b的主點(diǎn)的主平面和照射工 件5的線激光的照射面延伸出的面S1?S3相交于一個點(diǎn)P。通過這種配置，在CMOS傳感 器1732的整個攝像面上實現(xiàn)聚焦。
[0029] 圖5A是示出根據(jù)本實施例的激光生成部172的示意圖。如圖5A所示，激光生成 部172具有：光源1721，用于施加激光；以及棒狀透鏡1722,用于使激光散開并且生成線激 光。將棒狀透鏡1722嵌合到齒輪1723的開口 1723a的下部。齒輪1723與齒輪1724嚙合， 并且齒輪1724的中心接合至馬達(dá)1725的轉(zhuǎn)動軸。如圖5A所示，將來自光源1721的激光 經(jīng)由齒輪1723的開口 1723a施加至棒狀透鏡1722,并且生成線激光L1。
[0030] 圖5B是示出激光生成部172的另一狀態(tài)的示意圖。如圖5B所示，馬達(dá)1725使棒 狀透鏡1722經(jīng)由齒輪1724、1723繞激光的光軸轉(zhuǎn)動。據(jù)此，如圖5B所示，線激光L1轉(zhuǎn)動 以生成線激光L2。
[0031] 圖6是示出根據(jù)本實施例的CMOS傳感器1732的模式圖。如圖6所示，CMOS傳感 器1732具有X方向和Y方向上的2D陣列的像素傳感器。例如，在本實施例中，CMOS傳感 器1732在線狀的線激光的延伸方向上具有1024個光接收元件E，并且在與該延伸方向垂直 的方向上具有1280個光接收元件E。
[0032] 此外，CMOS傳感器1732具有電子快門（卷簾快門）。在無需停止線激光的轉(zhuǎn)動而 連續(xù)驅(qū)動電子快門的情況下，可以在短時間內(nèi)拍攝到多個圖像。結(jié)果，可以縮短形狀測量的 時間。此外，電子快門的快門速度的提高可以防止由于基于線激光的轉(zhuǎn)動的圖像模糊所引 起的測量精度的劣化。另外，為了獲取能夠計算工件5的形狀的圖像，可以將快門速度控制 在能夠確保所需光量的范圍內(nèi)。
[0033] 例如，在CMOS傳感器1732中，如圖7所示，首先，在Y方向的大致中心的區(qū)域A內(nèi) 配置成一列的光接收元件同時接收光。隨后，使線激光轉(zhuǎn)動角度Θ。然后，配置在區(qū)域A 轉(zhuǎn)動了角度Θ所得的區(qū)域B內(nèi)的光接收元件同時接收光。之后，同樣使激光轉(zhuǎn)動角度Θ， 并且配置在區(qū)域B轉(zhuǎn)動了角度Θ所得的區(qū)域C內(nèi)的光接收元件同時接收光。然而，在這種 測量中，CMOS傳感器1732上的焦點(diǎn)偏移（misalignment of focal point)隨著棒狀透鏡 1722的轉(zhuǎn)動而增大。例如，在區(qū)域B的兩端的區(qū)域Ba內(nèi)的光接收元件中，焦點(diǎn)發(fā)生偏移，并 且在區(qū)域C的兩端的區(qū)域Ca內(nèi)的光接收元件中，焦點(diǎn)發(fā)生偏移。然后，區(qū)域Ca變得大于區(qū) 域Ba。因而，如圖7所示，在本實施例中，控制電路174去除了配置在CMOS傳感器1732上 的除橢圓形區(qū)域Z以外的區(qū)域中的光接收元件所接收到的光，計算工件5的形狀，并且減少 焦點(diǎn)偏移的影響。
[0034] 圖8是表示根據(jù)本實施例的光學(xué)探測器17的控制系統(tǒng)的框圖。如圖8所示，控 制電路174具有CPU1741、與CPU1741連接的程序存儲部1742、工作存儲器1743和多值圖 像存儲器1744。將CMOS傳感器1732所獲取的圖像信息經(jīng)由多值圖像存儲器1744輸入至 CPU1741。CPU1741控制馬達(dá)1725的驅(qū)動狀態(tài)。
[0035] 接著，將參考圖9來說明根據(jù)本實施例的形狀測量設(shè)備的操作。圖9是示出形狀測 量設(shè)備的操作的流程圖。如圖9所示，首先，控制電路174啟用（點(diǎn)亮）光源1721 (S101)。 因此，利用線激光照射工件5。接著，控制電路174利用CMOS傳感器1732獲取工件5的圖 像（S102)。隨后，控制電路174停用（熄滅）光源1721(S103)。
[0036] 隨后，控制電路174判斷是否接受到結(jié)束命令（S104)。在沒有接受到結(jié)束命令的 情況下（S104中為"否"），控制電路174使棒狀透鏡1722轉(zhuǎn)動了預(yù)定角度（S105)，并且再 次執(zhí)行步驟S101的處理。另一方面，在接受到結(jié)束命令的情況下（S104中為"是"），控制 電路174基于所獲取到的工件5的圖像來計算工件5的形狀（S106)。
[0037] 在上述的本實施例中，如圖5A和5B所示，棒狀透鏡1722繞線激光的光軸轉(zhuǎn)動。 據(jù)此，如圖3A和3B所示，線激光也轉(zhuǎn)動。結(jié)果，本實施例可以在無需使光學(xué)探測器17移動 的情況下測量透鏡形狀的工件5的端部。也就是說，與使光學(xué)探測器17整體轉(zhuǎn)動的情況相 t匕，本實施例可以提高測量速度。
[0038] 其它實施例
[0039] 以上說明了根據(jù)本發(fā)明的形狀測量設(shè)備的一個實施例，但是本發(fā)明不局限于上述 實施例，并且可以在不脫離本發(fā)明的主旨的情況下進(jìn)行各種改變、添加和替換等。例如，代 替棒狀透鏡1722,可以形成柱面透鏡。
[0040] 此外，如圖10所示，控制電路174可以在步驟S102之后判斷是否接受到結(jié)束命令 (S103a)。在這里沒有接受到結(jié)束命令的情況下（S103a中為"否"），控制電路174使棒狀 透鏡1722轉(zhuǎn)動了預(yù)定角度（S105)，并且再次執(zhí)行步驟S102的處理。另一方面，在接受到結(jié) 束命令的情況下（S103a中為"是")，控制電路174停用（熄滅）光源1721 (S104a)，之后執(zhí) 行步驟S106。另外，在圖9和10中，例如，在獲取到工件5的所有圖像之后計算工件5的形 狀。然而，可以在獲取到各工件5的圖像之后計算工件5的形狀。
【權(quán)利要求】
1. 一種形狀測量設(shè)備，包括： 照射部，用于利用線狀的線激光來照射工件，所述照射部包括： 光源，用于產(chǎn)生光；以及 光學(xué)元件，用于使來自所述光源的光線狀地散開并且生成線激光，所述光學(xué)元件被構(gòu) 造成能夠繞線激光的光軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動；以及 攝像部，用于對所述工件所反射的線激光進(jìn)行攝像。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的形狀測量設(shè)備，其中，還包括： 多個光接收元件，其二維地排列在所述攝像部中，并且用于接收所述工件所反射的線 激光并拍攝所述工件的圖像；以及 控制部，用于在使所述光學(xué)元件轉(zhuǎn)動的情況下，去除排列在橢圓形區(qū)域以外的區(qū)域內(nèi) 的光接收元件所接收到的光，并且計算所述工件的形狀。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的形狀測量設(shè)備，其中， 所述光學(xué)元件是棒狀透鏡或柱面透鏡。
【文檔編號】G01B11/24GK104061878SQ201410098254
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年3月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月18日
【發(fā)明者】齋藤修, 谷口一郎 申請人:株式會社三豐