CN112764184A - 光学装置及光学式测量机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光学装置和光学式测量机。光学装置(10)有：第1透镜保持件(4)，其保持准直透镜(21)；第2连结块(7)，其支承第1透镜保持件；第2透镜保持件(6)，其支承光成形透镜(22)；圆柱状的辊(9)，其夹在第2连结块和第2透镜保持件之间且沿X轴方向配置；以及一对调整螺钉(82)，其配置为在Y轴方向上隔着光轴且将第2透镜保持件和第2连结块相互固定。在第2连结块和第2透镜保持件的彼此相对的各端面(64、74)沿X轴方向形成有隔着辊地配置的字母V形的槽(65、75)，调整螺钉有以能相对于第2透镜保持件沿X轴方向移动的方式卡合于该第2透镜保持件的头部和与第2连结块螺纹结合的轴部。

Description

光学装置及光学式测量机
技术领域
本发明涉及光学装置及光学式测量机。
背景技术
以往已知有一种光学式测量机，其通过向测量对象物照射线激光并拍摄其反射光来测量测量对象物的形状(例如文献1(日本特开2012－212009号公报))。在该光学式测量机所具备的光学装置中，利用准直透镜将从光源射出的激光转换为平行光，利用棒透镜、柱面透镜等光成形透镜将该平行光转换为线激光。
在上述那样的光学装置中，若向光成形透镜入射的平行光的入射方向产生偏移，则线激光的形状会成为弯曲形状。此外，在将这样的弯曲形状的线激光照射到测量对象物的情况下，测量对象物的平坦面会被测量为凹凸形状。即，向光成形透镜入射的平行光的入射方向的偏移会导致测量误差。
因此，在文献1中记载的光学装置具备用于调整向光成形透镜入射的平行光的入射方向的光学***调整机构。该光学***调整机构包括保持光成形透镜的保持件、固定于该保持件的块、以及夹在保持件和块之间的圆筒体，能够以圆筒体为支点地调整保持件相对于块的倾斜度。通过调整保持光成形透镜的保持件的倾斜度，从而能够调整向光成形透镜入射的平行光的入射方向，进而能够将线激光的形状调整为直线状。
另外，为了提高使用线激光进行的形状测量的精度，重要的不仅是线激光的形状为直线状，而且线激光的光强度分布也要均匀。线激光的光强度分布取决于向光成形透镜入射的平行光的入射位置，在平行光入射到光成形透镜的中心的情况下能成形具有均匀的光强度分布的线激光。
但是，在上述的文献1中记载的光学装置不具备用于调整向光成形透镜入射的平行光的入射位置的机构。因此，在该入射位置产生了偏移的情况下，线激光的光强度分布变得不均匀，测量精度会下降。
发明内容
本发明的目的在于，提供能够成形光强度分布均匀的直线状的线激光的光学装置及具备该光学装置的光学式测量机。
本发明的光学装置的特征在于，包括：光源，其射出激光；准直透镜，其将从所述光源入射的激光转换为平行光；光成形透镜，其将从所述准直透镜入射的所述平行光转换为在与所述准直透镜的光轴正交的线方向上扩展的线激光；第1透镜保持件，其保持所述准直透镜；连结块，其支承所述第1透镜保持件；第2透镜保持件，其支承所述光成形透镜；圆柱状的辊，其被夹在所述连结块和所述第2透镜保持件之间并且沿着所述线方向配置；以及一对调整螺钉，其配置为在与所述光轴和所述线方向均正交的正交方向上隔着所述光轴并且将所述第2透镜保持件和所述连结块相互固定，在所述连结块和所述第2透镜保持件的彼此相对的各端面沿着所述线方向形成有隔着所述辊地配置的字母V形的槽，所述调整螺钉具有以能够相对于所述第2透镜保持件沿所述线方向相对移动的方式卡合于该第2透镜保持件的头部和与所述连结块螺纹结合的轴部。
在本发明中，连结块和第2透镜保持件的各端面相对地配置，并且在各端面形成有隔着圆柱状的辊的字母V形的槽。因此，通过调整一对调整螺钉的各螺纹结合深度，从而能够以辊为支点地调整第2透镜保持件相对于第2连结块的倾斜度。通过调整保持光成形透镜的第2透镜保持件的倾斜度，从而能够调整向光成形透镜入射的平行光的入射方向，进而能够调整线激光的形状。
此外，一对调整螺钉以第2透镜保持件能够沿线方向移动的方式将第2透镜保持件固定于第2连结块。因而，通过使第2透镜保持件沿着辊的侧面移动，从而无论相对于连结块的倾斜情况如何都能够使第2透镜保持件沿线方向稳定地移动。由此，能够调整向光成形透镜入射的平行光的入射位置，进而能够调整线激光的光强度分布。
因而，本发明的光学装置能够成形光强度分布均匀的直线状的线激光。
在本发明的光学装置中，优选的是，在所述第2透镜保持件形成有供所述调整螺钉的所述轴部贯穿的孔或狭缝，所述孔或所述狭缝形成为所述线方向的尺寸大于所述正交方向的尺寸。
根据这样的结构，通过将调整螺钉的轴部卡合于孔或狭缝从而能够防止第2透镜保持件的脱落并且能够较佳地使第2透镜保持件相对于连结块沿线方向移动。
在本发明的光学装置中，优选的是，所述第1透镜保持件具有在内侧保持所述准直透镜的圆筒形状，所述连结块能够滑动地支承所述第1透镜保持件的外周面，从而能够以所述光轴为中心地转动。
根据这样的结构，能够将线激光扩展的方向即线方向调整为目标方向。例如在沿任意的方向扫描测量对象物的情况下，通过使线方向沿着扫描方向的正交方向配置，从而能够进行高效的测量。
本发明的光学式测量机的特征在于，包括：上述的任一个光学装置，其向测量对象物照射所述线激光；摄像部，其拍摄由所述测量对象物反射来的所述线激光的反射光；以及测量部，其基于由所述摄像部拍摄的图像来测量所述测量对象物的形状。
根据本发明，由于能向测量对象物照射光强度分布均匀的直线状的线激光，因此能够提高测量对象物的测量精度。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式的光学式测量机的框图。
图2是表示所述实施方式的光学式探头的示意图。
图3是表示所述实施方式的光学装置的立体图。
图4是表示所述实施方式的光学装置的剖视图。
图5是表示所述实施方式的光学装置的分解立体图。
图6是表示所述实施方式的光学装置的分解立体图。
图7是说明所述实施方式的光学装置的调整方法的例子的图。
图8是表示线激光的形状例的图。
图9是表示线激光的形状例的图。
图10是表示线激光的形状例的图。
图11是表示线激光的形状例的图。
图12是表示线激光的形状例的图。
图13是说明所述实施方式的光学装置的调整方法的图。
图14是表示利用光斑分析仪测量到的线激光的光强度分布的例子的图。
图15是表示利用光斑分析仪测量到的线激光的光强度分布的例子的图。
具体实施方式
参照附图说明本发明的一个实施方式。
〔光学式测量机〕
如图1所示，本实施方式的光学式测量机100包括向测量对象物W照射线激光L而获取拍摄图像的光学式探头11、将光学式探头11支承为能够相对于测量对象物W移动的移动机构12、以及基于拍摄图像来测量测量对象物W的形状的控制装置15。
光学式探头11具有向测量对象物W照射线激光L的光学装置10和对由测量对象物W反射来的反射光进行拍摄的摄像部14。
如图2所示，光学装置10包括激光源1和照射光学***2。
激光源1是例如激光二极管，射出激光。
照射光学***2具有将从激光源1入射的激光转换为平行光并射出的准直透镜21和将从准直透镜21入射的平行光转换为线激光L并射出的光成形透镜(日文：光成形レンズ)22。作为光成形透镜22，能够列举出例如棒透镜或柱面透镜。从光成形透镜22射出的线激光L照射到测量对象物W。
摄像部14是例如照相机，具有受光光学***141和图像传感器142。
受光光学***141使由测量对象物W反射来的线激光L成像于图像传感器142。另外，在图2中，示意性地示出了1个透镜来作为受光光学***141，但也可以通过多个透镜组合而构成受光光学***141。
图像传感器142是例如CMOS、CCD等摄像元件，对由测量对象物W反射来的线激光L进行拍摄而生成图像。
再次参照图1，控制装置15由例如存储器和CPU(Central Processing Unit)构成，CPU读取并执行被存储在存储器中的程序来执行各种功能。
例如，控制装置15能够通过控制移动机构12来控制光学式探头11相对于测量对象物W的位置、通过控制激光源1来调整从激光源1射出的光强度。
此外，控制装置15作为测量部151发挥功能，从而读取由图像传感器142拍摄的图像，进行遵照三角测量法的原理的运算处理，从而对被照射线激光L的测量对象物W的表面形状进行测量。
另外，也可以在控制装置15连接显示装置16。显示装置16能够显示由测量部151运算得到的测量结果等。
〔光学装置〕
接着，参照图3～图6说明光学装置10的具体的结构。
在以下的说明中，将沿着光学装置10的光轴P的方向设为Z轴方向，将在与该Z轴方向正交的面内互相正交的两个方向分别设为X轴方向和Y轴方向。此外，有时将Z轴方向的一侧称为Z轴+侧并且将Z轴方向的另一侧称为Z轴－侧。
如图3和图4所示，光学装置10包括上述的激光源1、准直透镜21及光成形透镜22。光学装置10还具有保持激光源1的基座3、保持准直透镜21的第1透镜保持件4、用于连结基座3和第1透镜保持件4的第1连结块5、保持光成形透镜22的第2透镜保持件6、以及用于连结第1透镜保持件4和第2透镜保持件6的第2连结块7(本发明的连结块)。
基座3是设有以光轴P为中心的孔31的圆板构件。激光源1保持在基座3的孔31内，向Z轴+侧照射激光。
第1透镜保持件4具有在内侧保持准直透镜21的圆筒形状。换言之，在第1透镜保持件4中以光轴P为中心地形成有截面形状为圆形的孔41，该孔41的壁面支承准直透镜21的边缘部分。准直透镜21将从Z轴－侧入射的激光转换为平行光，并将该平行光向Z轴+侧射出。
第1连结块5具有支承第1透镜保持件4的周面的圆筒形状。此外，在第1连结块5的基座3侧的端面51形成有内螺纹52。通过使贯穿基座3的孔32的固定螺钉81与第1连结块5的内螺纹52螺纹结合，从而将基座3和第1连结块5连结。
第2透镜保持件6具有收纳光成形透镜22的透镜支承部61、固定于透镜支承部61的罩部62、以及从透镜支承部61向Y轴方向的两侧延伸的一对凸缘部63。
透镜支承部61具有收纳光成形透镜22的容器形状，在该透镜支承部61中形成有以光轴P为中心的光路孔611。透镜支承部61内的光成形透镜22将从Z轴－侧入射的平行光转换为在X轴方向上扩展的直线状的线激光L，并将该线激光L向Z轴+侧射出。
罩部62具有形成有以光轴P为中心的光路孔621的板形状，通过将其螺纹固定于透镜支承部61而防止光成形透镜22的脱落。
一对凸缘部63是从透镜支承部61向Y轴方向的两侧延伸的部位，与透镜支承部61相比其Z轴方向的厚度形成为较薄。
此外，第2透镜保持件6在Z轴方向上与第2连结块7之间隔着间隙地配置，具有与第2连结块7相对的保持件端面64(本发明的第2透镜保持件的端面)。具体地讲，第2透镜保持件6中的透镜支承部61和凸缘部63形成了与第2连结块7相对的保持件端面64。
另外，在本实施方式中，保持于第2透镜保持件6的光成形透镜22用于成形在X轴方向上扩展的线激光L。即，本实施方式的X轴方向与本发明的“线方向”对应。
如图5所示，在保持件端面64沿着X轴方向形成有槽65。槽65形成在光路孔721的X轴方向的两侧的位置，也就是在X轴方向上隔着光轴P的位置。该槽65利用两个壁面形成为字母V形，具有三角形形状的槽截面。
此外，保持件端面64在其Y轴方向的两侧端部具有相对于块端面74倾斜的倾斜面641。倾斜面641以越远离光轴P则距块端面74的距离越大的方式倾斜。
再次参照图4，第2连结块7具有支承第1透镜保持件4的圆筒部71和设在圆筒部71的Z轴+侧的筒底部72。
在圆筒部71中形成有以光轴P为中心的截面为圆形的孔710，该孔710的壁面以能够相对于第1透镜保持件4的外周面42滑动的方式抵接于该外周面42。由此，第2连结块7能够以光轴P为中心地相对于第1透镜保持件4转动。
在筒底部72和第1透镜保持件4之间配置有光滑性较佳的圆板状的滑动部件73。在筒底部72中形成有以光轴P为中心的光路孔721，在滑动部件73中形成有以光轴P为中心的光路孔731。
此外，第2连结块7具有与第2透镜保持件6相对的块端面74(本发明的第2连结块的端面)。具体地讲，第2连结块7中的圆筒部71的一端部和筒底部72形成了与第2透镜保持件6相对的块端面74。
如图6所示，在块端面74沿着X轴方向形成有槽75。槽75形成在光路孔721的X轴方向的两侧的位置，也就是在X轴方向上隔着光轴P的位置。该槽75利用两个壁面形成为字母V形，具有三角形形状的槽截面。
此外，光学装置10还包括夹在上述的第2透镜保持件6和第2连结块7之间的圆柱状的辊9以及将第2透镜保持件6和第2连结块7彼此固定的一对调整螺钉82。
辊9分别配置于在X轴方向上隔着光轴P的位置，在第2透镜保持件6的槽65和第2连结块7的槽75之间沿着X轴方向配置。
再次参照图4，辊9的外周面分别抵接于形成槽65的各壁面和形成槽75的各壁面。特别地，在本实施方式中，辊9的外周面与形成槽65的各壁面以能够彼此滑动的方式相互抵接。
由于存在这样的辊9，因此在第2透镜保持件6和第2连结块7之间形成有间隙。
一对调整螺钉82分别配置于在Y轴方向上隔着光轴P的位置。各调整螺钉82具有作为外螺纹的轴部821和设在轴部821的一端侧的头部822。轴部821贯穿第2透镜保持件6的狭缝631而与第2连结块7的内螺纹76螺纹结合。头部822以能够相对于第2透镜保持件6沿Y轴方向相对移动的方式卡合于该第2透镜保持件6。
在此，第2透镜保持件6的狭缝631分别形成于一对凸缘部63，具有沿着X轴方向延伸的长孔形状。具体地讲，狭缝631形成为其X轴方向的尺寸大于其Y轴方向的尺寸。狭缝631的X轴方向的尺寸与后述的第2透镜保持件6的可移动范围相对应。
另外，在本实施方式中，狭缝631形成边缘的局部有欠缺的字母U形槽。
〔光学调整方法〕
在本实施方式的光学装置10中，能够进行线激光L的形状调整、倾斜度调整及光强度分布调整。以下说明线激光L的各调整方法。
(形状调整)
在本实施方式的光学装置10中，通过分别调整两个调整螺钉82相对于第2连结块7的螺纹结合深度，从而能够调整第2透镜保持件6的以辊9为支点的相对于第2连结块7的倾斜度。
例如，如图7所示，通过加深一个调整螺钉82的螺纹结合深度D1并减小另一个调整螺钉82的螺纹结合深度D2，从而使第2透镜保持件6的一个凸缘部63与第2连结块7之间的距离较近(参照图中左侧)，使第2透镜保持件6的另一个凸缘部63与第2连结块7之间的距离较远(参照图中右侧)。
通过这样调整第2透镜保持件6的倾斜度从而调整保持于第2透镜保持件6的光成形透镜22相对于光轴P的倾斜度，其结果为，能调整向光成形透镜22入射的平行光的入射方向。
使用者对从光学装置10射出并投射到例如测量对象物W的平坦面的线激光L的形状进行确认。然后，在确认到图9或图10所示的弯曲形状的线激光L的情况下，优选的是，分别调整两个调整螺钉82的螺纹结合深度直到确认到图8所示的直线形状的线激光L为止。
(倾斜度调整)
在本实施方式的光学装置10中，通过调整第2透镜保持件6相对于第1透镜保持件4的旋转位置，从而能够调整光成形透镜22的以光轴P为中心的旋转位置。其结果是，能调整从光学装置10射出的线激光L的倾斜情况也就是线激光L的线延伸的方向(线方向)。
例如，在以图8所示的线激光L的倾斜情况为目标的情况下，优选的是，调整第2透镜保持件6相对于第1透镜保持件4的旋转位置直到图11或图12所示的线激光L的倾斜度θ被消除为止。
(光强度分布调整)
在本实施方式的光学装置10中，能够调整第2透镜保持件6相对于第2连结块7的X轴方向的位置。
例如，如图13所示，通过使第2透镜保持件6向X轴方向的一侧移动，从而调整光轴P相对于被保持在第2透镜保持件6的光成形透镜22的X轴方向的位置，其结果为，能调整向光成形透镜22入射的平行光的入射位置。
另外，在第2透镜保持件6移动时，第2透镜保持件6相对于辊9、调整螺钉82的头部822滑动(例如参照图4)。第2透镜保持件6的可移动范围相当于调整螺钉82的轴部821能够在第2连结块7的狭缝631内移动的范围。
使用者使用例如光斑分析仪(Beam Profiler)来确认从光学装置10射出的线激光L的光强度分布。
例如，图14和图15示出了使用光斑分析仪对线激光L的由虚线包围的各部位A～C测量光强度而得到的结果。在图14中，在位于线激光L的中央的部位B处光强度较高，在其两侧的部位A、C处光强度较低，线激光L的光强度分布不均匀。另一方面，在图15中，线激光L的各部位A～C的光强度是相同程度，线激光L的光强度分布均匀。
针对线激光L的光强度分布而言，使用者在确认到图14所示的结果的情况下，优选的是，调整第2透镜保持件6相对于第2连结块7的X轴方向的位置直到成为图15所示的结果为止。
[本实施方式的效果]
在本实施方式的光学装置10中，像上述那样，通过调整一对调整螺钉82的各螺纹结合深度，从而能够以辊9为支点地调整第2透镜保持件6相对于第2连结块7的倾斜度。通过调整保持光成形透镜22的第2透镜保持件6的倾斜度，从而能够调整向光成形透镜22入射的平行光的入射方向，进而能够调整线激光L的形状。
此外，一对调整螺钉82以第2透镜保持件6能够沿X轴方向移动的方式将第2透镜保持件6固定于第2连结块7。因而，通过使第2透镜保持件6沿着辊9的侧面移动，从而无论相对于第2连结块7的倾斜情况如何都能够使第2透镜保持件6沿X轴方向稳定地移动。由此，能够调整向光成形透镜22入射的平行光的入射位置，进而能够调整线激光L的光强度分布。
因而，本实施方式的光学装置10能够成形光强度分布均匀的直线状的线激光L。
在本实施方式中，在第2透镜保持件6形成有供调整螺钉82的轴部821贯穿的狭缝631，狭缝631形成为其X轴方向的尺寸大于其Y轴方向的尺寸。
由此，通过将调整螺钉82的轴部821卡合于狭缝631从而能够防止第2透镜保持件6的脱落并且能够较佳地调整第2透镜保持件6相对于第2连结块7的X轴方向的位置。
在本实施方式中，第1透镜保持件4具有在内侧保持准直透镜21的圆筒形状，第2连结块7能够滑动地支承第1透镜保持件4的外周面42，从而能够以光轴P为中心地转动。
根据这样的结构，能够将向测量对象物W照射的线激光L的线方向调整为目标方向。例如在沿任意的方向扫描测量对象物W的情况下，能够使线激光L的线方向沿着扫描方向的正交方向配置。
本实施方式的光学式测量机100构成为具备上述的光学装置10，因此能够向测量对象物W照射光强度分布均匀的直线状的线激光L，能够提高测量对象物的测量精度。
〔变形例〕
本发明并不限定于所述各实施方式，能够达到本发明的目的的范围内的变形、改良等包含在本发明中。
例如，在所述实施方式的第2透镜保持件6形成有供调整螺钉82的轴部821贯穿的狭缝631，但也可以替代该狭缝631而形成有沿Z轴方向贯通第2透镜保持件6的孔。
此外，第2透镜保持件6也可以不形成狭缝631、孔。在该情况下，至少构成为调整螺钉82的头部822卡合于第2透镜保持件6的边缘部分。
所述实施方式的第2连结块7能够相对于第1透镜保持件4以光轴P为中心地转动，但也可以固定于第1透镜保持件4。
此外，在本实施方式中，对应用于光学式测量机100的光学装置10进行了说明，但本发明的光学装置并不限定于应用于光学式测量机，作为能够成形光强度分布均匀的直线状的线激光的装置能够应用于各种各样的领域。

Claims (4)

1.一种光学装置，其特征在于，
该光学装置包括：
光源，其射出激光；
准直透镜，其将从所述光源入射的激光转换为平行光；
光成形透镜，其将从所述准直透镜入射的所述平行光转换为在与所述准直透镜的光轴正交的线方向上扩展的线激光；
第1透镜保持件，其保持所述准直透镜；
连结块，其支承所述第1透镜保持件；
第2透镜保持件，其支承所述光成形透镜；
圆柱状的辊，其被夹在所述连结块和所述第2透镜保持件之间并且沿着所述线方向配置；以及
一对调整螺钉，其配置为在与所述光轴和所述线方向均正交的正交方向上隔着所述光轴并且将所述第2透镜保持件和所述连结块相互固定，
在所述连结块和所述第2透镜保持件的彼此相对的各端面沿着所述线方向形成有隔着所述辊地配置的字母V形的槽，
所述调整螺钉具有以能够相对于所述第2透镜保持件沿所述线方向相对移动的方式卡合于该第2透镜保持件的头部和与所述连结块螺纹结合的轴部。
2.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，
在所述第2透镜保持件形成有供所述调整螺钉的所述轴部贯穿的孔或狭缝，
所述孔或所述狭缝形成为所述线方向的尺寸大于所述正交方向的尺寸。
3.根据权利要求1或2所述的光学装置，其特征在于，
所述第1透镜保持件具有在内侧保持所述准直透镜的圆筒形状，
所述连结块能够滑动地支承所述第1透镜保持件的外周面，从而能够以所述光轴为中心地转动。
4.一种光学式测量机，其特征在于，
该光学式测量机包括：
权利要求1～3中任一项所述的光学装置，其向测量对象物照射所述线激光；
摄像部，其拍摄由所述测量对象物反射来的所述线激光的反射光；以及
测量部，其基于由所述摄像部拍摄的图像来测量所述测量对象物的形状。
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