CN111380466A - 拍摄装置、图像测定装置、非接触位移检测装置及非接触形状测定装置 - Google Patents
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Abstract
一种图像测定装置(1)兼做非接触形状测定装置使用。作为拍摄装置，具有：图像传感器(14)；可变焦距透镜(液体透镜单元(13))，其配置于从工件(9)到图像传感器(14)的光轴(Ai)上；控制装置(拍摄用透镜控制部(30)、图像测定处理部(51))，其控制可变焦距透镜，并且处理图像传感器(14)的检测图像。并且，作为非接触位移检测装置，具有：图像传感器(24)；可变焦距透镜(液体透镜单元(23))，其配置于从工件(9)到图像传感器(24)的光轴(Ad)上；控制装置(位移检测用透镜控制部(40)、形状测定处理部(53))，其控制可变焦距透镜，并且处理图像传感器(24)的检测图像。
Description
技术领域
本发明涉及拍摄装置、图像测定装置、非接触位移检测装置及非接触形状测定装置。
背景技术
使用一种图像测定装置，其基于拍摄工件后的图像数据测定工件的形状或尺寸(参照文献1：日本专利5202966号公报)。
在图像测定装置中使用拍摄装置，该拍摄装置包含：图像传感器，其通过物镜等光学装置检测来自工件的图像；移动机构，其使图像传感器和工件向光轴方向相对移动；控制装置，其在处理检测图像的同时控制移动机构。
在这种拍摄装置中利用自动对焦功能(AF功能)，该自动对焦功能是利用控制装置对检测图像进行检测同时使移动机构移动来进行光轴方向的扫描，通过所得的多个图像的对比度比较等检测对焦位置。
已知图像测定装置的一部分具备上述的拍摄装置和检测工件表面的位移的非接触位移检测装置，且能够兼用能够测定工件表面的3D形状(立体形状)的非接触形状测定装置。
非接触位移检测装置具有与拍摄装置同样的图像传感器、移动机构及控制装置，而且，控制装置能够根据检测图像检测工件表面的高度位置。工件表面的高度检测利用检测拍摄工件时的对焦位置的对焦位置检测方式(PFF)或根据白光的干涉条纹检测工件的表面的白光干涉方式(WLI)等(参照文献2：日本特开2017－207481号公报)。
非接触形状测定装置通过在规定区域内依次或连续进行由上述非接触位移检测装置进行的工件表面的高度测定，而能够测定工件表面的3D形状。
在非接触形状测定装置中使用：在测定动作时的AF功能中使用激光的激光自动对焦方式(LAF)或伴随沿着指定路径的移动的追踪自动对焦方式(TAF)。而且，作为更高精度的非接触位移检测装置，有色点传感器方式(CPS)(参照文献3：日本专利第6001440号公报)。
在上述的图像测定装置、拍摄装置、非接触位移检测装置、非接触形状测定装置中，基本使用单焦光学***，在对焦控制中使用伴随光轴方向的移动的AF功能。对此，近年来，作为能够进行多焦点图像拍摄的可变焦距透镜，开发了一种使透明液体高频振动的液体透镜***(参照文献4：日本特开2018－189702号公报)。
液体透镜***将由压电材料形成的圆筒状的振动部件浸渍到透明液体中而形成。在液体透镜***中，如果在振动部件的内周面和外周面施加交流电压，则振动部件沿厚度方向伸缩，使振动部件的内侧的液体振动。如果根据液体的固有振动频率调整施加电压的频率，则在液体中形成同心圆状的驻波，以振动部件的中心轴线为中心形成折射率不同的同心圆状的区域。在该状态下，如果光沿着振动部件的中心轴线经过，则该光会追随按照每个同心圆状的区域的折射率进行扩散或聚焦的路径。
可变焦距透镜将上述的液体透镜***和用于聚焦的物镜(例如，通常的凸透镜或透镜组)配置于相同的光轴上而作为液体透镜单元进行封装，并装入到各种装置的光学***中。
如果使平行光入射到通常的物镜中，则经过透镜的光聚焦于位于规定的焦距的焦点位置。与此相对，如果使平行光入射到与物镜同轴配置的液体透镜***中，则该光在液体透镜***中扩散或聚焦，经过物镜的光聚焦于比原来的(没有液体透镜***的状态的)焦点位置更远或更近地错位的位置。
因此，在可变焦距透镜中，通过施加输入到液体透镜***的驱动信号(使说明书内部的液体产生驻波的频率的交流电压)，且使该驱动信号的振幅增减，从而在一定范围内(以物镜的焦距为基准能够通过液体透镜***进行增减的规定的变化幅度)能够任意地控制焦点位置。
在可变焦距透镜中，作为输入到液体透镜***的驱动信号，例如使用正弦波状的交流信号。如果输入这种驱动信号，则可变焦距透镜的焦距(焦点位置)呈正弦波状变化。此时，在驱动信号的振幅为0时，经过液体透镜***的光未被折射，可变焦距透镜的焦距成为物镜的焦距。在驱动信号的振幅位于正负的峰值时，经过液体透镜***的光被最大地折射，可变焦距透镜的焦距成为从物镜的焦距最大地变化的状态。
在使用这种可变焦距透镜获取图像时，与驱动信号的正弦波相位同步输出发光信号而进行脉冲照明。由此，通过在对焦于呈正弦波状变化的焦距中的规定焦距的状态下进行脉冲照明，而检测位于该焦距的对象物的图像。如果以一个周期中的多个相位进行脉冲照明，与各相位对应地进行图像检测，则也能够同时得到多个焦距的图像。
在上述的拍摄装置、图像测定装置、非接触位移检测装置及非接触形状测定装置中，针对作为AF功能的沿光轴方向扫描到的多个检测图像，根据对比度值判定对焦位置等，为了进行扫描而需要图像传感器的机械移动机构。因此，作为图像测定装置的结构复杂，需要设置空间，且因耗费动作时间而作业效率也降低。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种拍摄装置、图像测定装置、非接触位移检测装置及非接触形状测定装置，其结构简单小型，并且在短时间内高效地得到对焦状态。
本发明的拍摄装置的特征在于，具有：图像传感器，其检测工件的图像；可变焦距透镜，其配置于从所述工件到所述图像传感器的光路上；控制装置，其控制所述可变焦距透镜，并且处理所述图像传感器的检测图像。
在本发明中，通过在拍摄装置中利用可变焦距透镜，检测图像成为多焦点图像重叠而成的图像，能够选择对焦状态的检测图像。因此，在拍摄图像时能够省略以往的AF机构，能够提高动作速度。
需要说明的是，本发明的拍摄装置除能够装入图像测定装置或图像检查装置中进行利用之外，能够作为以微细工件为对象的测定用显微镜进行利用，还能够在使用微细的触笔的微细形状测定***的监视装置、硬度测定装置、或制造工序中的在线检查等中进行利用。
本发明的图像测定装置具有上述本发明的拍摄装置、载置所述工件的载台、以及显示所述检测图像的显示装置。
在本发明中，通过利用上述本发明的拍摄装置，在检测位移时能够省略以往的AF机构，能够提高动作速度。
需要说明的是，本发明的图像测定装置不限于像所谓的图像检查装置那样的以大型工件为对象的装置，也可以在以微细工件为对象的测定用显微镜、使用微细触笔的微细形状测定***的监视装置、硬度测定装置、或制造工序中的在线检查等中进行利用。
本发明的非接触位移检测装置的特征在于，具有：图像传感器，其检测工件的图像；可变焦距透镜，其配置于从所述工件到所述图像传感器的光路上；控制装置，其控制所述可变焦距透镜，并且根据所述图像传感器的检测图像检测所述工件的表面位置。
在本发明中，通过在非接触位移检测装置中利用可变焦距透镜，检测图像成为多焦点图像重叠而成的图像，通过对比度比较等从各焦点位置的检测图像中检测对焦位置，由此能够检测工件表面的坐标。因此，在检测位移时能够省略以往的AF机构，能够提高动作速度。
在本发明中，检测工件的表面位置的处理能够使用现有的PFF方式或WLI方式。
需要说明的是，本发明的非接触位移检测装置除能够装入非接触形状测定装置中进行利用之外，也能够在以工件的位移检测为目的的各种装置等中进行利用。
本发明的非接触形状测定装置的特征在于，具有上述本发明的非接触位移检测装置、载置所述工件的载台、显示检测结果的显示装置，并且，所述控制装置能够测定所述工件的表面形状。
在本发明中，在工件的形状测定的处理中能够利用现有的LAF方式、TAF方式及CPS方式等。
在本发明中，通过利用上述本发明的非接触位移检测装置，在检测位移时能够省略以往的AF机构，能够提高动作速度。
需要说明的是，本发明的非接触位移检测装置不限于以大型工件为对象的装置，也可以为以微细工件为对象的装置，载置工件的载台可以为搬送用传送带等，例如应用于制造工序中的在线测定等。
根据本发明，能够提供一种拍摄装置、图像测定装置、非接触位移检测装置及非接触形状测定装置，其结构简单小型，并且在短时间内高效地得到对焦状态。
附图说明
图1是表示本发明的图像测定装置的一实施方式的整体结构的立体图。
图2是表示上述实施方式的控制结构的框图。
图3是表示上述实施方式的液体透镜单元的结构的立体图。
图4是表示上述实施方式的液体透镜单元的动作的示意图。
图5是表示上述实施方式的液体透镜单元的功能的示意图。
具体实施方式
下面，基于附图对本发明的一实施方式进行说明。
图1示出基于本发明的图像测定装置1(非接触三维形状测定装置)的整体结构。
〔图像测定装置1〕
图像测定装置1具有将工件9载置于基座2的上表面的载台3。在基座2的上方设置有横跨载台3的门型立柱4，在立柱4的横梁5支承有升降头6。在升降头6的下部设置有拍摄用光学头10及位移检测用光学头20。
在图像测定装置1中，载台3可相对于基座2及立柱4沿X轴方向移动，升降头6可沿着横梁5相对于载台3沿Y轴方向移动，升降头6可相对于横梁5及载台3沿Z轴方向升降。这些移动及升降分别通过设置于基座2、横梁5及升降头6的内部的未图示的移动机构进行。
在图2中，拍摄用光学头10及位移检测用光学头20与用于控制它们的拍摄用透镜控制部30及位移检测用透镜控制部40连接，且与用于处理检测图像及操作装置整体的个人计算机50连接。
在本实施方式中，本发明的拍摄装置由拍摄用光学头10、拍摄用透镜控制部30及个人计算机50构成。另外，本发明的非接触位移检测装置由位移检测用光学头20、位移检测用透镜控制部40及个人计算机50构成。
〔拍摄用光学头10〕
拍摄用光学头10具有：对工件9进行照明的照明单元11、与工件9对置配置的物镜12、配置于物镜12的光轴Ai上的液体透镜单元13、通过物镜12及液体透镜单元13检测工件9的图像的图像传感器14。
照明单元11具备基于白色LED的透射照明和基于白色LED的垂直入射照明及基于白色LED的程控环形照明，根据检查图像及工件9能够选择任一照明方式。
物镜12由现有的光学透镜构成，通过液体透镜单元13能够将工件9的图像成像到图像传感器14上。
液体透镜单元13是焦距高速变化的可变焦距透镜，根据输入的驱动信号Cf而折射率发生变化。
图像传感器14由现有的CCD图像传感器(电荷耦合元件)或其它形式的摄像头等构成，能够将入射的工件9的图像作为规定信号形式的检测图像进行输出。
〔液体透镜单元13〕
在图3中，液体透镜单元13具有圆筒形的壳体131，在壳体131的内部设置有圆筒状的振动部件132。振动部件132由夹装在振动部件132的外周面133和壳体131的内周面134之间的弹性体制衬垫139支承。
振动部件132是将压电材料形成为圆筒状的部件，通过将驱动信号Cf的交流电压施加到外周面133和内周面134之间而沿厚度方向振动。
在壳体131的内部填充有高透过性的液体135，振动部件132整体浸渍在液体135中，圆筒状的振动部件132的内侧被液体135填满。将驱动信号Cf的交流电压调整为使位于振动部件132的内侧的液体135产生驻波的频率。
如图4所示，在液体透镜单元13，如果使振动部件132振动，则在内部的液体135中产生驻波，生成折射率交替的同心圆状的区域(参照图4(A)部及图4(B)部)。
此时，距液体透镜单元13的中心轴线的距离(半径)和液体135的折射率的关系成为图4(C)部所示的折射率分布W。
在图5中，因为驱动信号Cf是正弦波状的交流信号，所以液体透镜单元13中的液体135的折射率分布W的变动幅度也随之变化。而且，在液体135中产生的同心圆状的区域的折射率呈正弦波状变化，由此，距焦点位置Pf的焦距Df呈正弦波状变动。
在图5(A)的状态下，折射率分布W的振动幅度最大，液体透镜单元13使经过的光聚焦，焦点位置Pf近，焦距Df最短。
在图5(B)的状态下，折射率分布W变得平坦，液体透镜单元13使经过的光保持不变经过，焦点位置Pf及焦距Df为标准值。
在图5(C)的状态下，折射率分布W与图5(A)为反极性且振动幅度最大，液体透镜单元13使经过的光扩散，焦点位置Pf远，焦距Df最大。
在图5(D)的状态下，折射率分布W再次变得平坦，液体透镜单元13使经过的光保持不变经过，焦点位置Pf及焦距Df为标准值。
在图5(E)的状态下，再次返回图5(A)的状态，反复进行如下同样的变动。
这样，在液体透镜单元13中，驱动信号Cf是正弦波状的交流信号，焦点位置Pf及焦距Df也像图5的焦点变动波形Mf那样呈正弦波状变动。
在此，如果利用图像传感器14连续拍摄，同时以焦点变动波形Mf的任意相位使照明单元11进行脉冲照明，则能够得到在任意照明时刻下位于焦距Df的位于焦点位置Pf的工件9的图像数据。
另一方面，如果连续进行图像传感器14的拍摄及由照明单元11进行的照明，则能够检测对焦于焦距Df全范围的工件9的图像重叠而成的图像数据。
返回图2，对位移检测用光学头20、拍摄用透镜控制部30、位移检测用透镜控制部40及个人计算机50进行说明。
〔位移检测用光学头20〕
位移检测用光学头20具有：对工件9进行照明的照明单元21、与工件9对置配置的物镜22、配置于物镜22的光轴Ad上的液体透镜单元23、通过物镜22及液体透镜单元23检测工件9的图像的图像传感器24。
这些照明单元21、物镜22、液体透镜单元23及图像传感器24分别使用与上述的拍摄用光学头10的照明单元11、物镜12、液体透镜单元13及图像传感器14相同的部件。只是，基于所谓位移检测的功能的不同，一部分也可以使用不同的结构。
〔拍摄用透镜控制部30〕
拍摄用透镜控制部30具有驱动控制部31和发光控制部32。
驱动控制部31是驱动拍摄用光学头10的液体透镜单元13的单元，在由个人计算机50指定的条件下产生驱动信号Cf，并施加于液体透镜单元13。从液体透镜单元13反馈表示有效电力值等动作状态的信号。
发光控制部32是控制拍摄用光学头10的照明单元11的单元，在由个人计算机50指定的条件下选择照明种类，使照明单元11连续发光或脉冲发光。
〔位移检测用透镜控制部40〕
位移检测用透镜控制部40具有驱动控制部41和发光控制部42。它们与上述的驱动控制部31及发光控制部32相同。
驱动控制部41是驱动位移检测用光学头20的液体透镜单元23的单元，在由个人计算机50指定的条件下产生驱动信号Cf，并将该驱动信号Cf施加于液体透镜单元23。液体透镜单元23反馈表示有效电力值等动作状态的信号。
发光控制部42是控制位移检测用光学头20的照明单元21的单元，在由个人计算机50指定的条件下选择照明种类，使照明单元21连续发光或脉冲发光。
〔个人计算机50〕
个人计算机50具有：图像测定处理部51、图像测定用透镜操作部52、形状测定处理部53、形状测定用透镜操作部54及操作界面55。而且，在操作界面55中具有：作为进行用户能够目视的画面显示的显示装置的显示部56、用户能够操作的操作部57。
关于拍摄用光学头10，通过用户从操作部57进行操作，而利用图像测定用透镜操作部52设定拍摄用光学头10的动作条件，将设定的条件发送到拍摄用透镜控制部30。其结果是，拍摄用透镜控制部30在设定的条件下使拍摄用光学头10动作。
在拍摄用光学头10中，利用图像传感器14检测工件9的图像，利用图像测定处理部51处理检测图像，将检测图像显示到显示部56上。
关于位移检测用光学头20，通过用户从操作部57进行操作，而利用形状测定用透镜操作部54设定位移检测用光学头20的动作条件，将设定的条件发送到位移检测用透镜控制部40。其结果是，位移检测用透镜控制部40在设定的条件下使位移检测用光学头20动作。
在位移检测用光学头20中，利用图像传感器24检测工件9的图像，利用形状测定处理部53处理检测图像，通过对焦位置的检测等检测工件9的表面形状等。作为这种处理，例如能够利用基于对焦位置检测方式(PFF)的3D形状测定等。处理经过乃至检测结果显示到显示部56上。
〔本实施方式的效果〕
根据如上说明的本实施方式，得到如下效果。
在本实施方式中，本发明的拍摄装置由图像测定装置1中的拍摄用光学头10、拍摄用透镜控制部30及个人计算机50构成。
该拍摄装置具有：图像传感器14，其检测工件9的图像；可变焦距透镜(液体透镜单元13)，其配置于从工件9到图像传感器14的光轴Ai上；控制装置(驱动控制部31及图像测定处理部51)，其控制可变焦距透镜，并且处理图像传感器14的检测图像。
在这种拍摄装置中，通过利用可变焦距透镜(液体透镜单元13)，检测图像成为多焦点图像重叠而成的图像，能够选择对焦状态的检测图像。因此，在拍摄图像时能够省略以往的AF机构，能够提高动作速度。
在本实施方式中，本发明的非接触位移检测装置由图像测定装置1中的位移检测用光学头20、位移检测用透镜控制部40及个人计算机50构成。
该非接触位移检测装置具有：图像传感器24，其检测工件9的图像；可变焦距透镜(液体透镜单元23)，其配置于从工件9到图像传感器24的光轴Ad上；控制装置(驱动控制部41及形状测定处理部53)，其控制可变焦距透镜，并且根据图像传感器24的检测图像能够检测对焦位置。
在这种非接触位移检测装置中，通过利用可变焦距透镜(液体透镜单元23)，而检测图像成为多焦点图像重叠而成的图像，通过利用对比度比较等根据各焦点位置的检测图像检测对焦位置，而能够检测工件9的表面的坐标。因此，在检测位移时能够省略以往的AF机构，能够提高动作速度。
〔变形例〕
需要说明的是，本发明不限于上述实施方式，在能够实现本发明的目的的范围内的变形等也包含于本发明中。
在上述实施方式中，位移检测用光学头20不限于与拍摄用光学头10相同的结构，也可以将与拍摄用光学头10不同的结构用于位移检测。例如，在利用位移检测用光学头20进行WLI测定而非PFF测定的情况下，设为将物镜22变更为干涉物镜、将图像传感器24变更为CCD摄像头和显微镜单元等适于WLI测定的结构即可。
在上述实施方式中，在个人计算机50上设置用于处理来自拍摄用光学头10的检测图像的图像测定处理部51，为了操作拍摄用透镜控制部30而在个人计算机50上设置图像测定用透镜操作部52，但在无需用于测定图像的功能而仅显示或记录检测图像的情况下，也可以设置拍摄处理部来取代图像测定处理部51，设置拍摄用透镜控制部来取代图像测定用透镜操作部52。
在上述实施方式中，在个人计算机50上设置用于处理来自位移检测用光学头20的检测图像的形状测定处理部53，为了操作位移检测用透镜控制部40而在个人计算机50上设置形状测定用透镜操作部54，但也可以根据测定内容进行变更，例如，也可以设置位移检测处理部来取代形状测定处理部53，设置位移检测用透镜控制部来取代形状测定用透镜操作部54。
在上述实施方式中，在图像测定装置1上设置包含拍摄用光学头10在内的拍摄装置和包含位移检测用光学头20在内的非接触位移检测装置，使图像测定装置1也作为非接触形状测定装置发挥作用。
只是，作为图像测定装置1，也可以为专门进行工件9的图像测定或图像检查的结构，在该情况下，虽然需要作为包含拍摄用光学头10在内的拍摄装置的结构，但也可以省略作为非接触位移检测装置的结构。
另外，图像测定装置1不限于像所谓的图像检查装置那样的以大型工件为对象的装置，也可以应用于以微细工件为对象的测定用显微镜、使用微细触笔的微细形状测定***的监视装置、硬度测定装置、或者制造工序中的在线检查等。
另一方面，作为图像测定装置1，也可以为专门进行工件9的表面的位置检测、位移检测或形状测定的结构，即非接触形状测定装置，在该情况下，需要作为包含位移检测用光学头20在内的非接触位移检测装置的结构，但可以省略作为拍摄装置的结构。
作为非接触形状测定装置中的形状测定，其不限于3D形状的测定，也可以为线状或点列测定的测定。此时，用于进行形状测定的光学结构及图像处理能够利用现有的LAF、TAF、CPS或PFF、WLI等。
另外，作为本发明的非接触形状测定装置，其不限于以大型工件为对象的装置，也可以为以微细工件为对象的装置。另外，载置工件的载台不限于能够在限定范围内移动的载台3，也可以为搬送用传送带等，例如可以应用于制造工序中的在线测定等。
在上述实施方式中，本发明的拍摄装置由拍摄用光学头10、拍摄用透镜控制部30及个人计算机50(图像测定处理部51及图像测定用透镜操作部52)构成，由如上部件进行工件9的图像测定。
只是，本发明的拍摄装置不限于上述实施方式的图像测定装置1，除能够装入图像检查装置中进行利用之外，能够作为以微细工件为对象的测定用显微镜进行利用，还能够在使用微细触笔的微细形状测定***的监视装置、硬度测定装置、或制造工序中的在线检查等中进行利用。
在上述实施方式中，本发明的非接触位移检测装置由位移检测用光学头20、位移检测用透镜控制部40及个人计算机50(形状测定处理部53及形状测定用透镜操作部54)构成，由如上部件进行工件9的表面的形状测定。
只是，本发明的非接触位移检测装置不限于上述实施方式的图像测定装置1，也能够在以工件表面的位置检测、位移检测或形状测定为目的的各种装置等中进行利用。此时，用于进行位移检测的光学结构及图像处理能够利用现有的LAF、TAF、CPS或PFF、WLI等。
Claims (4)
1.一种拍摄装置，其特征在于，具有：
图像传感器，其检测工件的图像；
可变焦距透镜，其配置于从所述工件到所述图像传感器的光路上；
控制装置，其控制所述可变焦距透镜，并且处理所述图像传感器的检测图像。
2.一种图像测定装置，其具有权利要求1所述的拍摄装置、载置所述工件的载台、以及显示所述检测图像的显示装置。
3.一种非接触位移检测装置，其特征在于，具有：
图像传感器，其检测工件的图像；
可变焦距透镜，其配置于从所述工件到所述图像传感器的光路上；
控制装置，其控制所述可变焦距透镜，并且根据所述图像传感器的检测图像检测所述工件的表面位置。
4.一种非接触形状测定装置，其特征在于，
具有权利要求3所述的非接触位移检测装置、载置所述工件的载台、以及显示检测结果的显示装置，并且，
所述控制装置能够测定所述工件的表面形状。
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