CN104034276A - 形状测量设备 - Google Patents

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Abstract

一种形状测量设备，包括：照射部，用于利用线状的线激光来照射工件，所述照射部包括：光源，用于生成激光；第一光学构件，用于使来自所述光源的激光线状地散开，并且生成所述线激光；以及第二光学构件，其设置在所述光源和所述第一光学构件之间，用于调整所述工件上的线激光的照射面积；第一传感器，用于接收所述工件所反射的线激光，并且拍摄所述工件的图像；透镜，用于在所述第一传感器的摄像面上形成所述工件所反射的线激光的图像；以及控制部，用于通过所述第二光学构件来对所述工件上的线激光的照射面积的调整进行控制。

Description

形状测量设备
技术领域
本发明涉及一种用于通过利用光照射待测物、并且对待测物进行摄像来测量该待测物的形状的形状测量设备。
背景技术
传统上，已知这样一种形状测量设备：该形状测量设备用于通过利用探测器扫描工件的表面、并且获取工件各部分的位置坐标等来测量工件的表面形状。
如日本特表2009-534969所述，已知的这类形状测量设备是用于在无需使探测器与工件表面接触的情况下来进行测量的非接触式设备。
在日本特表2009-534969所述的非接触式表面形状测量设备中，通过扫描探测器利用线状的线激光来照射工件表面、并且相对于线激光的照射方向成预定角度对该表面进行摄像，来测量工件的表面形状。根据这类非接触式表面形状测量设备，无需担心工件表面的损坏，而且也无需要考虑由于探测器的磨损所导致的对于测量精度的影响。
另外，日本特开2012-225700所述的设备使用沙姆定律(Scheimpflug Principle)来对工件进行摄像。通过使用该原理，摄像元件上的利用线激光照射的面积根据光源和工件之间的距离而改变，另一方面可以在宽范围实现聚焦。因此，形状测量设备的测量精度降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够进行高精度测量的形状测量设备。
根据本发明的形状测量设备具有照射部、第一传感器和透镜。所述照射部用于利用线状的线激光来照射工件。所述第一传感器用于接收所述工件所反射的线激光，并且拍摄所述工件的图像。所述透镜用于在所述第一传感器的摄像面上形成所述工件所反射的线激光的图像。从所述摄像面延长的第一面、从所述透镜的主平面延长的第二面、以及从线激光的照射面延长的第三面相交在一个点处。所述照射部具有光源、第一光学构件和第二光学构件。所述光源用于生成激光。所述第一光学构件用于使来自所述光源的激光线状地散开，并且生成线激光。所述第二光学构件设置在所述光源和所述第一光学构件之间，并且被构成为能够调整所述工件上的线激光的照射面积。所述形状测量设备还包括控制部，所述控制部用于控制通过所述第二光学构件对所述工件上的线激光的照射面积的调整。
根据本发明，可以提供一种能够进行高精度测量的形状测量设备。
附图说明
通过以下给出的详细说明和附图，将更充分理解本发明，其中，附图仅是示例性的，因此不限制本发明：
图1是构成根据第一实施例的形状测量设备的***的整体框图。
图2是示出根据第一实施例的光学探测器17的结构的图。
图3A和3B是示出使用光学探测器17所应用的线激光的示意图。
图4是示出根据第一实施例的激光生成部172的结构和光学探测器17的内部结构的示意图。
图5是根据第一实施例的CMOS传感器1732的模式图。
图6是表示光学探测器17的控制***的框图。
图7是示出根据第一实施例的形状测量设备的操作的流程图。
图8是示出根据第一实施例的利用可调透镜1722的控制的示意图。
图9是示出根据第二实施例的激光生成部172的结构和光学探测器17的内部结构的示意图。
图10是示出根据第二实施例的形状测量设备的操作的流程图。
图11是示出根据第二实施例的利用电动光圈1725的控制的示意图。
图12是示出根据第三实施例的激光生成部172的结构和光学探测器17的内部结构的示意图。
图13是示出根据第三实施例的形状测量设备的操作的流程图。
图14是示出根据第三实施例的利用可变狭缝1726的控制的示意图。
图15是示出根据第四实施例的激光生成部172的结构和光学探测器17的内部结构的示意图。
图16是示出根据第四实施例的形状测量设备的操作的流程图。
图17是示出根据另一实施例的激光生成部172的示意图。
具体实施方式
第一实施例
参考附图详细说明根据本发明第一实施例的形状测量设备。图1是构成根据第一实施例的形状测量设备的***的整体框图。如图1所示，通过安装根据本实施例的光学探测器17作为坐标测量机1的测量探测器，来构成该形状测量设备。该形状测量设备包括运动控制器2、操作板3和主机***4。运动控制器2驱动和控制坐标测量机1，并且还从该坐标测量机1获取必要的测量坐标值。操作板3通过该运动控制器2手动操作该坐标测量机1。主机***4编辑和执行用于指示运动控制器2中的测量过程的部分程序。另外，主机***4具有用于进行用以使几何形状与通过运动控制器2所获取的测量坐标值进行拟合的计算、或者记录或发送该部分程序的功能。
按照如下构成坐标测量机1。也就是说，将面板11置于防振台10上，从而使得面板11的上表面与作为基面的水平面一致，并且将X轴导轨13支撑在从该面板11的两侧端竖立的臂支撑体12a、12b的上端。通过Y轴驱动机构14在Y轴方向上驱动臂支撑体12a的下端，并且将臂支撑体12b的下端以可通过空气轴承在Y轴方向上能够移动的方式支撑在面板11上。X轴导轨13驱动在X轴方向上垂直延伸的Z轴导轨15。Z轴导轨15设置有沿Z轴导轨15进行驱动的Z轴臂16，并且将非接触式光学探测器17安装至Z轴臂16的下端。另外，光学探测器17可以在水平面或垂直面上转动。
图2示出根据本实施例的光学探测器17的结构。如图2所示，光学探测器17具有机架171、配置在机架171内的激光生成部172、用于对工件进行拍摄的摄像装置173、以及用于调整激光生成部172的控制电路174。另外，下面说明激光生成部172的详细结构和对该结构的控制。
激光生成部172利用在与激光生成部172的光轴(扫描方向的中央部的光轴)和摄像装置173的光轴所形成的平面垂直的方向上延伸的线状的线激光照射工件5，并且直线状地照射工件5的表面。
摄像装置173具有带通滤波器1731a、透镜1731b和用于通过带通滤波器和透镜来拍摄工件5的图像的CMOS传感器1732。将摄像装置173配置在用于从与利用来自光源的光照射工件5的方向成预定角度的方向上接收光的方向上。也就是说，通过摄像装置173从预定角度接收应用于工件5的表面并且沿工件5的表面形状所反射的线激光。
图3A和3B是使用光学探测器17所应用的线激光的示意图。如图3A所示，当通过激光生成部172利用线状的线激光L照射工件5时，线激光的反射光L’沿工件5的表面变形，并且利用反射光L’来区分在特定平面中切割工件5时的轮廓。如图3B所示，摄像装置173以与激光生成部172的激光的照射方向成预定角度来拍摄工件5的图像，并且拍摄反射光L’的图像。
图4是示出激光生成部172的结构和光学探测器17的内部结构的示意图。另外，在图4中省略带通滤波器1731a。如图4所示，激光生成部172包括光源1721、可调透镜1722和扩束器1723。从光源1721发出的激光穿过可调透镜1722，并且通过扩束器1723被散射以生成线激光。也就是说，在光源1721和扩束器1723之间形成可调透镜1722。进行构造，以使得控制电路174可以基于通过CMOS传感器1732所拍摄的图像来调整可调透镜1722的曲率。因而，调整了线激光的焦距。另外，扩束器1723例如是棒状透镜或柱状透镜。
另外，根据本实施例的光学探测器17使用防反射原理，并且如图4所示，分别从CMOS传感器1732的摄像面S1、包括透镜1731b的主点的主平面S2和照射工件5的线激光的照射面S3延长的面S1～S3相交于一个点P。通过这一配置，在CMOS传感器1732的整个摄像面上实现聚焦。
然而，由于如上所述本实施例使用防反射原理，因而光学倍率根据线激光在工件5上的照射位置而改变。例如，在图4中，在激光生成部172附近的照射位置a，光学倍率高，并且在远离激光生成部172的照射位置c，光学倍率低。在照射位置a和c之间的照射位置b，获得照射位置a和c的光学倍率之间的光学倍率。因此，线激光在CMOS传感器1732上的照射面积根据照射位置而改变，并且这使得测量精度劣化。在本实施例中，下述可调透镜1722的控制解决了该问题。
图5是示出根据第一实施例的CMOS传感器1732的模式图。CMOS传感器1732具有如图5所示的2D阵列的像素传感器。例如，在本实施例中，CMOS传感器1732在线状的线激光的延伸方向上具有1024个光接收元件E，并且在与该延伸方向垂直的方向上具有1280个光接收元件E。另外，CMOS传感器1732具有卷帘式快门功能。卷帘式快门功能是指这样一种方法，在该方法中，仅使得配置在一个以上的行(或列)上的光接收元件E同时接收光，并且在列方向(或行方向)顺次接收该行单位(或者列单位)的光。例如，在图5中，配置在第一列上的光接收元件E(以粗框所突出的光接收元件)同时接收光。当该光接收操作结束时，按照第二列、第三列等等顺次进行光接收操作。
图6是示出根据本实施例的光学探测器17的控制***的框图。如图6所示，控制电路174具有CPU1741、与CPU1741连接的程序存储部1742、工作存储器1743和多值图像存储器1744。将CMOS传感器1732所获取的图像信息经由多值图像存储器1744输入给CPU1741。CPU1741基于CMOS传感器1732中所获取的图像来控制可调透镜1722。
接着参考图7说明根据第一实施例的形状测量设备的操作。图7是示出根据第一实施例的形状测量设备的操作的流程图。如图7所示，控制电路174利用线激光照射工件5(S101)。然后，控制电路174在CMOS传感器1732的各列中检测照射位置(S102)。根据该照射位置，检测光源1721和工件5上的照射位置之间的距离。然后，控制电路174基于CMOS传感器1732上的照射位置的平均值来控制可调透镜1722的曲率，并且调整焦点位置(S103)。
如图8所示进行步骤S103的调整。另外，在图8中，与照射位置c相比，照射位置b更接近激光生成部172，并且与照射位置b相比，照射位置a更接近激光生成部172。
如图8所示，随着工件5上的线激光的照射位置越接近激光生成部172(光源1721)，将可调透镜1722的曲率调整得更大，并且将焦距调整得更短。具体地，与对照射位置c进行照射的情况下的可调透镜1722的曲率相比，将对照射位置b进行照射的情况下的可调透镜1722的曲率调整得更大。类似地，与对照射位置b进行照射的情况下的可调透镜1722的曲率相比，将对照射位置a进行照射的情况下的可调透镜1722的曲率调整得更大。因此，与对照射位置c进行照射的情况下的焦距Lc相比，将对照射位置b进行照射的情况下的焦距Lb调整得更短。类似地，与对照射位置b进行照射的情况下的焦距Lb相比，将对照射位置a进行照射的情况下的焦距La调整得更短。
通过上述可调透镜1722的控制，第一实施例基于光源1721和工件5上的照射位置之间的距离，调整工件5上的线激光的照射面积。或者，可以基于例如CMOS传感器1732上的线激光进行摄像的坐标位置(像素位置)、光强度、或者摄像用的线激光的线宽，来调整照射面积。因此，通过根据激光生成部172的光学***的能力最大程度地精细缩窄工件5上的任意照射位置所应用的线激光的线宽，第一实施例可以降低CMOS传感器1732上进行摄像的线激光的照射面积的变化以提高测量精度。例如，第一实施例可以根据工件5的表面的不平整来提高测量精度。
第二实施例
接着说明根据第二实施例的形状测量设备。在根据第二实施例的形状测量设备中，代替第一实施例的可调透镜1722，如图9所示，形成准直透镜1724，并且在准直透镜1724和扩束器1723之间形成电动光圈1725。进行构造，以使得控制电路174可以基于CMOS传感器1732所拍摄的图像来调整电动光圈1725的开口直径。
接着参考图10说明根据第二实施例的形状测量设备的操作。图10是示出根据第二实施例的形状测量设备的操作的流程图。如图10所示，执行与第一实施例相同的步骤S101和S102。然后，控制电路174基于CMOS传感器1732上的照射位置的平均值，来控制电动光圈1725的开口直径(S103a)。
如图11所示进行步骤S103a的调整。另外，在图11中，与照射位置c相比，照射位置b更接近激光生成部172，并且与照射位置b相比，照射位置a更接近激光生成部172。
如图11所示，随着线激光在工件5上的照射位置越接近激光生成部172(光源1721)，将电动光圈1725的开口直径调整得越小。具体地，与对照射位置c进行照射的情况下的电动光圈1725的开口直径Rc相比，将对照射位置b进行照射的情况下的电动光圈1725的开口直径Rb调整得更小。类似地，与对照射位置b进行照射的情况下的电动光圈1725的开口直径Rb相比，将对照射位置a进行照射的情况下的电动光圈1725的开口直径Ra调整得更小。
通过上述电动光圈1725的控制，第二实施例基于光源1721和工件5上的照射位置之间的距离，来调整工件5上的线激光的照射面积。或者，可以基于例如CMOS传感器1732上的线激光进行摄像的坐标位置(像素位置)、光强度、或者摄像用的线激光的线宽，来调整照射面积。因此，通过根据激光生成部172的光学***的能力最大程度地精细缩窄工件5上的任意照射位置所应用的线激光的线宽，第二实施例可以降低CMOS传感器1732上进行摄像的线激光的照射面积的变化以提高测量精度。
第三实施例
接着说明根据第三实施例的形状测量设备。在根据第三实施例的形状测量设备中，代替第二实施例的电动光圈1725，如图12所示形成可变狭缝1726。进行构造，以使得控制电路174可以基于CMOS传感器1732所拍摄的图像来调整可变狭缝1726的间隙。
接着参考图13说明根据第三实施例的形状测量设备的操作。图13是示出根据第三实施例的形状测量设备的操作的流程图。如图13所示，执行与第一实施例相同的步骤S101和S102。然后，控制电路174基于CMOS传感器1732上的照射位置的平均值来控制可变狭缝1726的间隙(S103b)。
如图14所示进行步骤S103b的调整。另外，在图14中，与照射位置c相比，照射位置b更接近激光生成部172，并且与照射位置b相比，照射位置a更接近激光生成部172。
如图14所示，随着线激光在工件5上的照射位置越接近激光生成部172(光源1721)，将可变狭缝1726的间隙调整得越小。具体地，与对照射位置c进行照射的情况下的可变狭缝1726的间隙Wc相比，将对照射位置b进行照射的情况下的可变狭缝1726的间隙Wb调整得更小。类似地，与对照射位置b进行照射的情况下的可变狭缝1726的间隙Wb相比，将对照射位置a进行照射的情况下的可变狭缝1726的间隙Wa调整得更小。
通过上述可变狭缝1726的控制，第三实施例基于光源1721和工件5上的照射位置之间的距离，来调整工件5上的线激光的照射面积。或者，可以基于例如CMOS传感器1732上的线激光进行摄像的坐标位置(像素位置)、光强度、或者摄像用的线激光的线宽，来调整照射面积。因此，通过根据激光生成部172的光学***的能力最大程度地精细缩窄工件5上的任意照射位置所应用的线激光的线宽，第三实施例可以降低CMOS传感器1732上进行摄像的线激光的照射面积的变化以提高测量精度。
第四实施例
接着说明根据第四实施例的形状测量设备。如图15所示，除第一实施例的结构以外，根据第四实施例的形状测量设备还具有聚光透镜175和光位置检测部176。该光位置检测部176可以由诸如PSD或线传感器等的一维光学传感器构成。光位置检测部176通过聚光透镜175接收来自工件5的反射光。光位置检测部176一维地检测光在与线激光的延伸方向垂直的方向上的位置。进行构造，以使得控制电路174可以基于光位置检测部176所检测到的光来调整可调透镜1722的曲率。因而，调整线激光的焦距。
接着参考图16说明根据第四实施例的形状测量设备的操作。图16是示出根据第四实施例的形状测量设备的操作的流程图。如图16所示，执行与第一实施例相同的步骤S101。然后，控制电路174检测光位置检测部176上的照射位置(S102c)。根据该照射位置，检测光源1721和工件5上的照射位置之间的距离。随后，控制电路174基于光位置检测部176上的照射位置来控制可调透镜1722的曲率，并且调整焦距(S103c)。
通过上述控制，第四实施例具有与第一实施例相同的效果。也就是说，通过根据激光生成部172的光学***的能力最大程度地精细缩窄工件5上的任意照射位置所应用的线激光的线宽，第四实施例可以降低CMOS传感器1732上进行摄像的线激光的照射面积的变化以提高测量精度。另外，与CMOS传感器1732分开，第四实施例设置有光位置检测部176，由此调整焦距。因此，第四实施例可以降低针对CMOS传感器1732的负荷以提高处理速度。
其它实施例
以上说明了根据本发明的形状测量设备的一个实施例，但是本发明不局限于上述实施例，并且可以在不脱离本发明的主旨的情况下进行各种改变、添加和替换等。
例如，如图17所示，代替扩束器1723，可以将激光生成部172配置成具有镜1727和检电镜1728。镜1727将来自光源1721的照射光反射至检电镜1728。检电镜1728通过检流计1729在预定角度范围内转动。
另外，第一实施例～第四实施例可以基于CMOS传感器1732上的线激光的照射面积，来调整工件5上的线激光的照射面积。另外，可以将根据第四实施例的光位置检测部176的配置结构应用于第二实施例和第三实施例。

Claims (6)

1.一种形状测量设备，包括：
照射部，用于利用线状的线激光来照射工件，所述照射部包括：
光源，用于生成激光；
第一光学构件，用于使来自所述光源的激光线状地散开，并且生成线激光；以及
第二光学构件，其设置在所述光源和所述第一光学构件之间，并且用于调整所述工件上的线激光的照射面积；
第一传感器，用于接收所述工件所反射的线激光，并且拍摄所述工件的图像；
透镜，用于在所述第一传感器的摄像面上形成所述工件所反射的线激光的图像；以及
控制部，用于控制通过所述第二光学构件对所述工件上的线激光的照射面积的调整，以使得从所述摄像面延长的第一面、从所述透镜的主平面延长的第二面、以及从线激光的照射面延长的第三面相交在一个点处。
2.根据权利要求1所述的形状测量设备，其中，
所述第二光学构件是用于调整焦距的透镜，以及
随着所述工件上的线激光的照射位置越接近所述光源，所述控制部将所述焦距调整得越短。
3.根据权利要求1所述的形状测量设备，其中，
所述第二光学构件是用于调整开口直径的光圈，以及
随着所述工件上的线激光的照射位置越接近所述光源，所述控制部将所述开口直径调整得越小。
4.根据权利要求1所述的形状测量设备，其中，
所述第二光学构件是用于调整间隙的狭缝，以及
随着所述工件上的线激光的照射位置越接近所述光源，所述控制部将所述间隙调整得越小。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的形状测量设备，其中，
所述第一传感器包括沿着第一方向和第二方向的二维阵列的像素传感器，
所述第一方向是线激光的延伸方向，并且所述第二方向是与所述第一方向垂直的方向，以及
所述控制部基于在所述第一传感器的摄像面上进行了摄像的线激光来调整所述第二光学构件。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的形状测量设备，其中，还包括：
第二传感器，用于接收所述工件所反射的线激光，并且拍摄所述工件的图像，
其中，所述第二传感器一维地对光在第一方向上的位置进行检测，
所述第一方向是与线激光的延伸方向垂直的方向，以及
所述控制部基于在所述第二传感器的摄像面上进行了摄像的线激光来调整所述第二光学构件。
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