專利名稱：形狀測量設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種形狀測量設備。
背景技術：
迄今為止，已經(jīng)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，并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)激光器等而構成,并且通過使用沙姆普弗魯克(Scheimpflug)原理來執(zhí)行測量。如圖6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、以及線激光照射到工件上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狀態(tài)。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)和測量范圍為權衡關系。也就是說，在由成像元件測量放置在線激光器的照射平面上的工件的情況下，使用的成像透鏡的成像范圍則由其光放大倍率決定。因此，如圖7中所示，在測量寬范圍的情況下，使用低放大倍率的成像透鏡，并且，在以高精度測量窄范圍的情況下，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(jīng)采用了這樣的配置其中線激光器和成像透鏡在制造過程中被固定至有關探測器，并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范圍已經(jīng)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(zhí)行測量的工件的尺寸匹配中，已經(jīng)必須切換具有適當測量范圍(或測量精度)的探測器，并且，已經(jīng)必須準備測量范圍(測量精度)的規(guī)范不同的多種類型的探測器。為了僅僅因為期望的測量范圍(測量精度)不同而準備多種類型的探測器，已經(jīng)產(chǎn)生了巨大成本，另外，已經(jīng)必須在每次更換探測器時執(zhí)行校準操作等，從而導致安裝工時的增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種形狀測量設備，其包括能夠調(diào)節(jié)并改變測量范圍和測量精度的探測器。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種形狀測量設備，包括光照射單元，其將線狀(linear)光照射到工件上；成像元件，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；以及成像透鏡，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，并且，光照射單元的光照射平面、包括成像透鏡的主點的主平面、以及成像元件的成像平面滿足沙姆普弗魯克原理，并且形狀測量設備還包括像獲取區(qū)域選擇單元，其將成像元件的成像平面劃分為多個區(qū)域，并響應于測量精度和測量范圍的大小中的至少一個，從多個區(qū)域中選擇用于在測量中使用的區(qū)域作為像獲取區(qū)域。


從下面給出的詳細描述以及附圖和表中，本發(fā)明的以上和其它目的、優(yōu)點和特征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，從而并非意圖定義對本發(fā)明的限制，并且其中圖I是本發(fā)明的形狀測量設備的總配置圖；圖2是用于說明形狀測量設備的光探測器的配置的視圖；圖3A和3B是用于說明形狀測量設備的操作的視圖；圖4是用于說明成像單元的視圖；圖5是示出光探測器的控制配置的框圖；圖6是用于說明沙姆普弗魯克原理的視圖；以及圖7是用于說明測量精度與測量范圍之間的關系的視圖。
具體實施例方式參考附圖對本發(fā)明的實施例進行描述。然而，本發(fā)明的范圍不限于所圖示的示例。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(tǒng)103和設備主體單元104而構成?？刂圃O備101控制設備主體單元104的驅(qū)動，并從設備主體單元104捕獲必要的
測量坐標值等。操作單元102用于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(tǒng)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);打印機單元,用于在紙張上執(zhí)行打??；等
坐寸o顯示單元103a例如由液晶顯示器(IXD)構成，并且根據(jù)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(tài)等。操作單元103b例如由具有各種鍵的鍵盤構成，并且響應于手指等的操作將操作信號輸出至控制設備101。例如，在用戶執(zhí)行針對任意指示測量精度、測量范圍的大小(幅度)等的指示操作的情況下，如上所述的主機系統(tǒng)103用作指示部件。
此外，主機系統(tǒng)103包括以下功能編輯/執(zhí)行用于指示控制設備101中的測量過程的部分程序；執(zhí)行用于對通過控制設備101捕獲的測量坐標值等應用幾何形狀的計算；以及記錄/發(fā)送該部分程序。設備主體單元10 4具有裝配在振動去除板上的表面平板，并且包括在表面平板之上在X、Y和Z方向上驅(qū)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，并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(zhí)行測量，并且，成像單元30的成像元件31 (稍后描述)的成像平面完全變成聚焦狀態(tài)。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。光照射單元20通過包括光源、準直透鏡、棒(rod)透鏡(它們?nèi)课词境?等而構成，并將線狀光照射到工件上。具體地，從光源發(fā)射的具有預定波長的激光束通過準直透鏡而變?yōu)槠叫惺?，并通過棒透鏡而轉(zhuǎn)換為線狀光，并且此后作為線狀光而照射在工件上。注意，還可以使用柱透鏡代替棒透鏡。然后，當這樣的線狀激光束從光照射單元20照射到工件上時，激光束的反射光沿著工件表面的不規(guī)則形狀而變形，并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被布置在相對于從光照射單元20照射到工件上的光的照射方向成預定角度的方向上，并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激光束的反射光的像被成像。具體地，如圖4中所示，成像單元30通過包括成像透鏡31、成像元件32等而構成。注意，圖4是示出成像透鏡31與成像元件32之間的光學位置關系的概念視圖。圖4中的虛線表示成像元件32的成像平面，而長短交替的破折線表示包括成像透鏡31的主點的主平面。此外，雙點劃線表示將激光束照射到工件上的光照射單元20的照射平面。成像透鏡31在成像元件32的成像平面上形成來自工件的反射光的像。作為成像透鏡31，可使用具有任意光放大倍率的透鏡；然而,具有較低放大倍率的成像透鏡是優(yōu)選的，因為可以將較寬范圍作為可測量范圍。成像元件32包括使工件通過成像透鏡31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(zhuǎn)(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，并在列方向上(或在行方向上)順序地每(per)行(或每列)地執(zhí)行這樣的光接收。關于成像元件32，通過控制單元10(稍后描述)的控制，選擇其成像平面的一部分作為像獲取區(qū)域，并且僅僅讀出和使用相關像獲取區(qū)域的像素。如圖5中所示，控制單元10通過包括中央處理單元(CPU) 11、隨機訪問存儲器(RAM) 12、存儲單元13等而構成，并且執(zhí)行對光照射單元20和成像單元30的操作的集中式控制。CPU 11例如根據(jù)存儲單元13中存儲的各種處理程序，執(zhí)行各種控制處理。RAM 12形成將接受CPU 11進行算術操作處理的數(shù)據(jù)存儲在其中的工作存儲區(qū)。例如，存儲單元13存儲可由CPU 11執(zhí)行的系統(tǒng)程序、可由相關系統(tǒng)程序執(zhí)行的各種處理程序、用于在執(zhí)行各種處理程序的事件中使用的數(shù)據(jù)、接受CPU 11進行算術操作處理的各種處理結果的數(shù)據(jù)，等等。注意，以可由計算機讀取的程序代碼的形式將程序存儲在存儲單元13中。具體地，在存儲單元13中，例如，存儲像獲取區(qū)域選擇程序131等。像獲取區(qū)域選擇程序131例如是這樣的程序，其允許CPU 11將成像元件32的成像平面劃分為多個區(qū)域、并響應于測量精度和/或測量范圍的大小來從多個劃分區(qū)域中選 擇用于在測量中使用的區(qū)域作為像獲取區(qū)域。具體地，如圖4中所示，CPU 11將成像元件32的成像平面(有效成像區(qū)域)劃分為多個區(qū)域，并響應于劃分的預設編號而識別所劃分的區(qū)域。因此，也為每個所劃分的區(qū)域
設置測量范圍。圖4示出將成像元件32的成像平面劃分為三個區(qū)域SI、S2和S3的狀態(tài)。在此情況下，將測量范圍劃分為與區(qū)域SI對應的測量區(qū)域H1、與區(qū)域S2對應的測量區(qū)域H2、以及與區(qū)域S3對應的測量區(qū)域H3。注意，基于沙姆普弗魯克光學系統(tǒng)的特性，以SI > S2 >S3 (HI > H2 > H3)的順序，高精度測量是可能的。于是，當用戶通過使用主機系統(tǒng)103執(zhí)行用于指示的指示操作時，CPU 11執(zhí)行像獲取區(qū)域選擇程序131，并響應于指示操作從三個區(qū)域SI、S2和S3中選擇像獲取區(qū)域。例如，在指示測量精度為“高”的情況下，選擇區(qū)域SI作為像獲取區(qū)域。此外，在指示測量精度為“高”并且指示測量范圍為“寬”的情況下，選擇區(qū)域S2作為像獲取區(qū)域。另外，在指示測量范圍為“寬”的情況下，選擇區(qū)域S3作為像獲取區(qū)域。具體地，響應于用戶的指示，CPU 11選擇將要測量測量范圍的測量精度，并選擇將要測量的測量范圍的大小。CPU 11執(zhí)行如上所述的像獲取區(qū)域選擇程序131，由此用作像獲取區(qū)域選擇部件。接下來，對功能進行描述。在此實施例中，如上所述，例如，在期望以高精度執(zhí)行測量的情況下，通過使用成像元件32的成像平面中的區(qū)域SI，在具有高的光放大倍率的這種范圍中執(zhí)行測量，從而，高精度測量是可能的。此外，例如，在期望在寬的測量范圍中執(zhí)行測量的情況下，通過使用成像元件32的成像平面中的區(qū)域S3，在具有低的光放大倍率的這種范圍中執(zhí)行測量，從而，寬范圍測量是可能的。如上所述，即使不更換成像透鏡31 (光探測器P)，也可以在適當?shù)臏y量范圍中(或者以適當?shù)臏y量精度)執(zhí)行測量。此外，在成像元件32中，在執(zhí)行如上所述的僅使用成像元件32的成像平面的一個區(qū)域的這種局部讀出的情況下，與讀出所有像素的情況相比，可以提高幀率(rate)，從而，可以實現(xiàn)高速掃描。因此，可以通過使用公知可用的成像元件來實現(xiàn)高速掃描。如上所述，根據(jù)此實施例，當用戶指示測量精度和/或測量范圍的大小時，控制單元10將成像元件32的成像平面劃分為多個區(qū)域(SI至S3)，并響應于所指示的測量精度和/或測量范圍的大小，選擇用于在測量中使用的像獲取區(qū)域。因此，可以在不替換成像透鏡31的情況下調(diào)節(jié)/改變測量范圍和測量精度。因此，不需要準備測量范圍和測量精度的規(guī)范不同的多種類型的光探測器，并降低了成本。此外，不需要執(zhí)行對光探測器等的更換工作，從而，可以實現(xiàn)安裝工時的降低。此夕卜，可以維持迄今為止已經(jīng)實現(xiàn)的高速掃描。
因此，可以提高形狀測量設備的可用性。注意，在上述實施例中，已經(jīng)說明了這樣的配置，其中將成像元件32的成像平面劃分為三個區(qū)域SI至S3，并且識別所劃分的區(qū)域；然而，劃分的數(shù)量不限于此，并且僅需要是兩個或更多。此外，可以將成像平面劃分為多個區(qū)域，使得所述區(qū)域可以彼此重疊。此外，在上述實施例中，已經(jīng)說明了這樣的配置，其中用戶指示測量精度和測量范圍；然而，可以裝配用于響應于工件的形狀而自動決定測量精度和測量范圍的功能。在此情況下，例如，基于預先讀取的CAD數(shù)據(jù)而識別工件的不規(guī)則性等，并且決定測量精度和測量范圍。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，提供了一種形狀測量設備，包括光照射單元，其將線狀光照射到工件上；成像元件，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；以及成像透鏡，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，并且光照射單元的光照射平面、包括成像透鏡的主點的主平面、以及成像元件的成像平面滿足沙姆普弗魯克原理，并且形狀測量設備還包括像獲取區(qū)域選擇單元，其將成像元件的成像平面劃分為多個區(qū)域，并響應于測量精度和測量范圍的大小中的至少一個，從多個區(qū)域中選擇用于在測量中使用的區(qū)域作為像獲取區(qū)域。優(yōu)選地,形狀測量設備還包括指示單元,其指示測量精度和測量范圍的大小中的至少一個。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(fā)明的范圍并非由以上描述示出，而是由權利要求書示出，并且意在包括權利要求的等同體以及權利要求的范圍內(nèi)的所有修改。
權利要求
1.一種形狀測量設備，包括 光照射單元，其將線狀光照射到工件上； 成像元件，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；以及 成像透鏡，其將由所述工件反射的反射光的像形成在所述成像元件的成像平面上，其中 所述光照射單元的光照射平面、包括所述成像透鏡的主點的主平面、以及所述成像元件的成像平面滿足沙姆普弗魯克原理，其中所述形狀測量設備還包括 像獲取區(qū)域選擇單元，其將所述成像元件的成像平面劃分為多個區(qū)域，并響應于測量 精度和測量范圍的大小中的至少一個，從所述多個區(qū)域中選擇用于在測量中使用的區(qū)域作為像獲取區(qū)域。
2.如權利要求I所述的形狀測量設備，還包括 指示單元,其指示所述測量精度和所述測量范圍的大小中的至少一個。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種形狀測量設備，包括光照射單元，其將線狀光照射到工件上；成像元件，其使由所述工件反射的反射光成像；以及成像透鏡，其將由所述工件反射的反射光的像形成在所述成像元件的成像平面上，并且，所述光照射單元的光照射平面、包括所述成像透鏡的主點的主平面、以及所述成像元件的成像平面滿足沙姆普弗魯克原理。所述形狀測量設備還包括像獲取區(qū)域選擇單元，其將所述成像元件的成像平面劃分為多個區(qū)域，并響應于測量精度和測量范圍的大小中的至少一個，從所述多個區(qū)域中選擇用于在測量中使用的區(qū)域作為像獲取區(qū)域。
文檔編號G01B11/24GK102749039SQ20121011300
公開日2012年10月24日 申請日期2012年4月17日 優(yōu)先權日2011年4月18日
發(fā)明者山縣正意, 巖本正, 根本賢太郎, 町田信美 申請人:株式會社三豐