本專利申請根據(jù)35U.S.C.§119的規(guī)定要求于2015年12月15日提交的日本專利申請2015-244239的優(yōu)先權(quán)，該專利申請的公開內(nèi)容通過完整引用結(jié)合在此。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種用于外形尺寸的光學(xué)測量方法和測量裝置，尤其涉及一種同時沿多個方向測量被測物體的外徑的方法和裝置。

背景技術(shù)：

光學(xué)測量裝置用于對被測物體的外形尺寸(例如圓柱體的外徑)進行非接觸測量。例如，使用激光掃描測微計、圖像傳感器測微計或光切型二維(2D)形狀測量傳感器。這些裝置使用布置為帶狀的平行激光束或以帶狀平行掃描的激光束等根據(jù)由被測物體遮擋的陰影部分的尺寸檢測被測物體的外徑(參見日本專利公告2001-108413等)。

如圖5所示，在激光掃描測微計90中，由光發(fā)射器91形成帶狀激光束B，使用光接收器92接收光束B。當(dāng)在光束B的路徑中間放置具有圓柱等形狀的被測物體99時，光束B的一部分由被測物體99遮擋，并在被測物體99的后面形成陰影區(qū)BW。在光接收器92中，可通過檢測在光束B下產(chǎn)生的陰影區(qū)BW的長度來測量被測物體99的外徑D1。

當(dāng)必須同時沿多個方向測量被測物體99的外徑時，要使用專用的激光掃描測微計。如圖6所示，用于同時沿兩個方向測量物體的激光掃描測微計93配置有布置在相交方向上的兩組光發(fā)射器94和95和光接收器96和97。在這種構(gòu)造中，基于來自每組的光束，能夠沿兩個方向同時測量被測物體99的外徑D1和D2。

如上所述，光學(xué)測量裝置(例如現(xiàn)有的激光掃描測微計)基本上沿單個方向測量被測物體的外形尺寸，若想沿多個方向進行同時測量，則需要多組光發(fā)射器和光接收器。但是，在安裝多組光發(fā)射器和光接收器時，可能增加裝置的成本，并且可能需要增加空間以安裝所有這些組光發(fā)射器和光接收器。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種用于外形尺寸的光學(xué)測量方法和測量裝置，該光學(xué)測量方法和測量裝置允許沿多個方向同時測量，并能防止增加裝置成本和擴大安裝空間。

本發(fā)明的測量方法是一種用于對被測物體的外形尺寸進行測量的外形尺寸光學(xué)測量方法。在此方法中，設(shè)置了形成由平行光束構(gòu)成的帶狀測量光束的光發(fā)射器、反射測量光束并形成反射光束的反射器、以及接收反射光束的光接收器；光發(fā)射器和反射器布置為使得測量光束的光軸和反射光束的光軸相交，而且，測量光束和反射光束形成在同一個虛擬測量平面內(nèi)；在測量光束中至少限定主測量光束和次測量光束；在反射光束中至少限定主反射光束和次反射光束，該主反射光束是主測量光束的反射光，該次反射光束是次測量光束的反射光；被測物體被置于測量平面的測量區(qū)中，主測量光束和次反射光束在該測量區(qū)中交疊；并且，根據(jù)顯現(xiàn)在主反射光束中的被測物體的陰影測量被測物體的主方向上的外形尺寸，并根據(jù)顯現(xiàn)在次反射光束中的被測物體的陰影測量被測物體的次方向上的外形尺寸。

在本發(fā)明中，通過向配對的光發(fā)射器和光接收器增加反射器而形成的簡單構(gòu)造，能夠?qū)崿F(xiàn)沿被測物體的主方向和次方向同時測量外形尺寸。在此，可使用現(xiàn)有激光掃描測微計或圖像傳感器測微計中的光發(fā)射器和光接收器作為上述配對的光發(fā)射器和光接收器。另外，可使用現(xiàn)有的光學(xué)測量反射鏡作為上述的反射器。如上所述，根據(jù)本發(fā)明，即使采用單光發(fā)射器和光接收器系統(tǒng)，也能實現(xiàn)沿多個方向同時測量，并防止增加設(shè)備成本和擴大安裝空間。

本發(fā)明的測量裝置是一種用于對被測物體的外形尺寸進行測量的外形尺寸光學(xué)測量裝置。在此裝置中，包括形成由平行光束構(gòu)成的帶狀測量光束的光發(fā)射器、反射測量光束并形成反射光束的反射器、以及接收反射光束的光接收器；光發(fā)射器和反射器布置為使得測量光束的光軸和反射光束的光軸相交，并且，測量光束和反射光束形成在同一個虛擬測量平面內(nèi)；在測量光束中至少限定主測量光束和次測量光束；在反射光束中至少限定主反射光束和次反射光束，該主反射光束是主測量光束的反射光，該次反射光束是次測量光束的反射光；被測物體被置于測量平面的測量區(qū)中，主測量光束和次反射光束在該測量區(qū)中交疊。

在本發(fā)明中，可根據(jù)顯現(xiàn)在主反射光束中的被測物體的陰影測量被測物體在主方向上的外形尺寸，并根據(jù)顯現(xiàn)在次反射光束中的被測物體的陰影測量被測物體在次方向上的外形尺寸。因此，通過執(zhí)行上述的本發(fā)明的測量方法，能夠獲得上述的效果。

本發(fā)明實現(xiàn)了沿多個方向同時測量，并可以提供用于外形尺寸的光學(xué)測量方法和測量裝置，能夠防止增加設(shè)備成本和擴大安裝空間。

附圖說明

下面將參照多張附圖通過本發(fā)明的示例性實施方式的非限定性實例來進一步詳細說明本發(fā)明，在附圖中，相似的標(biāo)號在多個視圖中代表相似的部件，其中：

圖1是本發(fā)明的第一種實施方式的裝置結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖2是第一種實施方式的測量過程的圖示；

圖3是本發(fā)明的第二種實施方式的裝置結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖4是本發(fā)明的第三種實施方式的裝置結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖5是沿單個方向進行的常規(guī)外形尺寸測量的透視圖；和

圖6是沿兩個方向同時進行的常規(guī)外形尺寸測量的透視圖。

具體實施方式

在此所示的具體內(nèi)容是示例性的，僅用于示例性地論述本發(fā)明的實施方式，是為了更好地理解本發(fā)明的原理和概念特征而給出的。在此方面，除了理解本發(fā)明所必須的內(nèi)容外，本文不試圖更詳細地展示本發(fā)明的結(jié)構(gòu)細節(jié)，參照附圖給出的說明是為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員清晰地理解本發(fā)明的實施形式。

第一種實施方式

圖1和圖2示出了本發(fā)明的第一種實施方式。在圖1中，測量裝置1是基于本發(fā)明的外形尺寸光學(xué)測量裝置，它測量被測物體2的外形尺寸。在此實施方式中，被測物體2是棒狀物體，具有圓形橫截面，并沿垂直于圖1的紙面的方向延伸。在此實施方式中，使用測量裝置1沿被測物體2的兩個方向同時測量外形尺寸(外徑D1和D2)。測量裝置1包括光發(fā)射器10、光接收器20和反射器30。

光發(fā)射器10包括激光源11、多面鏡12和準(zhǔn)直透鏡13。在光發(fā)射器10中，從激光源11發(fā)射的束狀激光14被多面鏡12反射。反射光15透過準(zhǔn)直透鏡13。多面鏡12由旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)(在附圖中未示出)驅(qū)動而旋轉(zhuǎn)。相應(yīng)地，由多面鏡12反射的反射光束15呈扇形擺動，并且透過準(zhǔn)直透鏡13的光束平行地擺動，從而形成帶狀測量光束16。

反射器30配置有具有極其精確的平坦的表面的反射鏡。反射器30布置在測量光束16的光路中，并通過反射測量光束16而形成反射光束23。在此實例中，光發(fā)射器10和反射器30布置為使得測量光束16的光軸AP和反射光束23的光軸AR以直角相交，并且測量光束16和反射光束23形成在同一個虛擬測量平面(圖1的紙面)內(nèi)。

在此實施方式中，測量光束16的光軸AP的方向(即，圖1中的從左至右方向)是第一方向，反射光束23的光軸AR的方向(即，圖1中的從下至上方向)是第二方向。

光接收器20包括布置在反射光束23的光路中的聚光透鏡21和布置在聚光透鏡21的焦點位置的光接收器元件22。在光接收器20中，從反射器30反射的反射光束23被聚光透鏡21匯聚，并且匯聚光24擊中光接收器元件22。光接收器元件22檢測接收到的匯聚光24的光強度，并向外部控制裝置40輸出檢測到的光強度。

可使用現(xiàn)有激光掃描測微計的對應(yīng)部分作為控制裝置40、光接收器20和光發(fā)射器10?？衫矛F(xiàn)有的信號處理技術(shù)基于顯現(xiàn)在反射光束23中的被測物體2的陰影的寬度同時測量被測物體2的外徑D1和D2。

在此實施方式中，在測量光束16中標(biāo)明了第一測量光束B1和第二測量光束B2。例如，第一測量光束B1和第二測量光束B2分別占測量光束16的一半，第一測量光束B1在第一側(cè)，第二測量光束B2在第二側(cè)。第一測量光束B1和第二測量光束B2分別被反射器30反射，并形成第一反射光束B1R和第二反射光束B2R。換言之，在反射光束23中，第一反射光束B1R在一側(cè)標(biāo)明，第二反射光束B2R在另一側(cè)標(biāo)明。

在上述的虛擬測量平面內(nèi)，從光發(fā)射器10發(fā)射的第一測量光束B1被反射器30反射，并作為第一反射光束B1R到達光接收器20。另外，從光發(fā)射器10發(fā)射的第二測量光束B2被反射器30反射，并作為第二反射光束B2R到達光接收器20。在這種測量平面內(nèi)，被測物體2被置于測量區(qū)中，第一測量光束B1和第二反射光束B2R在該測量區(qū)中交疊。

第二反射光束B2R從圖1的下側(cè)沿第二方向(光軸AR的方向)朝置于測量區(qū)中的被測物體2發(fā)射，在到達光接收器20的第二反射光束B2R中沿第二方向形成被測物體2的陰影BW2R。同時，第一測量光束B1從圖1的左側(cè)沿第一方向(光軸AP的方向)朝被測物體2發(fā)射，并在到達反射器30的第一測量光束B1中形成陰影BW1。包括陰影BW1的測量光束B1被反射器30反射，并且在到達光接收器20的第一反射光束B1R中沿第一方向形成被測物體的陰影BW1R。

在控制裝置40中，根據(jù)形成在第一反射光束B1R中的陰影BW1R測量被測物體2的顯現(xiàn)在第一方向上的外徑D1。另外，根據(jù)形成在第二反射光束B2R中的陰影BW2R測量被測物體2的顯現(xiàn)在第二方向上的外徑D2。在圖1中，當(dāng)多面鏡12順時針轉(zhuǎn)動時，在測量光束16中，激光束從圖1的上側(cè)(第一測量光束B1側(cè))向下側(cè)(第二測量光束B2側(cè))平行地位移。在反射光束23中，激光束從圖1的右側(cè)(第一反射光束B1R側(cè))向左側(cè)(第二反射光束B2R側(cè))平行地位移。因此，從光接收器20的光接收器元件22輸出第一反射光束B1R的檢測信號，然后輸出第二反射光束B2R的檢測信號。

在圖2中，從光接收器元件22輸出并被發(fā)送至控制裝置40的檢測信號包括三個峰部。在這些峰部中，圖2中所示的左峰和中心峰的左半部分是第一反射光束B1R的檢測信號，圖2中所示的右峰和中心峰的右半部分是第二反射光束B2R的檢測信號。另外，圖2中的左峰和中心峰之間的谷是顯現(xiàn)在第一反射光束B1R中的被測物體2的第一方向上的陰影BW1R，圖2中的右峰和中心峰之間的谷是顯現(xiàn)在第二反射光束B2R中的被測物體2的第二方向上的陰影BW2R。通過以預(yù)定門限值TH裁截檢測信號，控制裝置40能確定被測物體2的陰影BW1R和BW2R的端點P11、P12、P21和P22。因此，基于端點P11和P12之間的距離以及端點P21和P22之間的距離，可同時測量被測物體2的第一方向上的外徑D1和第二方向上的外徑D2。

根據(jù)此實施方式，利用通過向配對的光發(fā)射器10和光接收器20增加反射器30而形成的簡單構(gòu)造，可沿第一方向(光軸AP的方向)和第二方向(光軸AR的方向)同時測量被測物體2的外徑D1和D2。在此，可使用現(xiàn)有激光掃描測微計中的光發(fā)射器和光接收器作為配對的光發(fā)射器10和光接收器20。另外，可使用現(xiàn)有的反射鏡作為反射器30，不需要專門的設(shè)備。如上所述，根據(jù)本發(fā)明，采用具有光發(fā)射器10和光接收器20的單個系統(tǒng)，可沿多個方向同時測量外徑D1和D2，而且能防止增加設(shè)備的成本和安裝空間。

另外，在此實施方式中，第一方向(光軸AP的方向)是本發(fā)明的主方向；第一測量光束B1是本發(fā)明的主測量光束；第一反射光束B1R是本發(fā)明的主反射光束；第二測量光束B2是本發(fā)明的次測量光束；并且第二反射光束B2R是本發(fā)明的次反射光束。

第二種實施方式

圖3示出了本發(fā)明的第二種實施方式。第二種實施方式的測量裝置1A包括光發(fā)射器10、光接收器20和控制裝置40，與上述的第一種實施方式中的測量裝置1類似。但是，使用兩個反射鏡31和32作為反射器，并為測量光束16和反射光束23分配三個區(qū)域。

兩個反射鏡31和32布置為彼此成60度角。來自于光發(fā)射器10的測量光束16布置為平行于第二反射鏡32的表面，并以60度角擊中第一反射鏡31。由第一反射鏡31反射的光束被傳送至第二反射鏡32，并進一步反射，從而形成反射光束23。反射光束23平行于第一反射鏡31的表面前進，并擊中光接收器20。

來自于光發(fā)射器10的測量光束16被分為第一測量光束B1、第二測量光束B2和第三測量光束B3(按照圖3中的從上至下的順序)。第一測量光束B1、第二測量光束B2和第三測量光束B3的光軸是第三方向A3。第一測量光束B1、第二測量光束B2和第三測量光束B3被第一反射鏡31單個地反射，從而分別產(chǎn)生第一反射光束B1R、第二反射光束B2R和第三反射光束B3R。第一反射光束B1R、第二反射光束B2R和第三反射光束B3R的光軸是第一方向A1。而且，第一反射光束B1R、第二反射光束B2R和第三反射光束B3R分別被第二反射鏡32反射，從而分別產(chǎn)生第一再反射光束B1RR、第二再反射光束B2RR和第三再反射光束B3RR。第一再反射光束B1RR、第二再反射光束B2RR和第三再反射光束B3RR的光軸是第二方向A2。

在此實施方式中，被測物體2被置于第三測量光束B3的光路中，并在光路中布置在第二再反射光束B2RR和第一反射光束B1R的測量區(qū)中。第一反射光束B1R在被置于該測量區(qū)中的被測物體2處沿第一方向A1發(fā)射，形成陰影BW1R，并到達光接收器20，作為第一再反射光束B1RR的陰影BW1RR。另外，當(dāng)被測物體2被沿第二方向A2行進的第二再反射光束B2RR擊中時，被測物體2形成陰影BW2RR，并且該陰影BW2RR到達光接收器20。而且，當(dāng)被測物體2被沿第三方向A3行進的第三測量光束B3擊中時，被測物體2形成陰影BW3，并且該陰影BW3到達光接收器20，作為第三反射光束B3R的陰影BW3R以及第三再反射光束B3RR的陰影BW3RR。

因此，在光接收器20接收的反射光束23中，在第一再反射光束B1RR、第二再反射光束B2RR和第三再反射光束B3RR中分別形成陰影BW1RR、BW2RR和BW3RR。這樣，能夠分別根據(jù)陰影BW1RR測量第一方向上的外徑D1，根據(jù)陰影BW2RR測量第二方向上的外徑D2，以及根據(jù)陰影BW3RR測量第三方向上的外徑D3。

在此實施方式中，第一方向A1和第二方向A2分別與本發(fā)明的主方向和次方向?qū)?yīng)。在此情況中，本發(fā)明的主測量光束是第一反射光束B1R，主反射光束是第一再反射光束B1RR。另外，次測量光束是第二反射光束B2R，次反射光束是第二再反射光束B2RR。被測物體2被置于測量區(qū)中，主測量光束(第一反射光束B1R)的光路和次反射光束(第二再反射光束B2RR)的光路在該測量區(qū)中交疊。相應(yīng)地，測量第一方向A1上的外徑D1和第二方向A2上的外徑D2。

同時，根據(jù)此實施方式，第三方向A3和第一方向A1也分別與本發(fā)明的主方向和次方向?qū)?yīng)。在此情況中，本發(fā)明的主測量光束是第三測量光束B3，主反射光束是第三反射光束B3R。另外，次測量光束是第一測量光束B1，次反射光束是第一反射光束B1R。被測物體2被置于測量區(qū)中，主測量光束(第三測量光束B3)的光路和次反射光束(第一反射光束B1R)的光路在該測量區(qū)中交疊。相應(yīng)地，測量第三方向A3上的外徑D3和第一方向A1上的外徑D1。在此實施方式中，為了測量三個方向上的外徑D1至D3，使用兩組如上所述的本發(fā)明的構(gòu)造。

第三種實施方式

圖4示出了本發(fā)明的第三種實施方式。第三種實施方式的測量裝置1B包括光發(fā)射器10、光接收器20和控制裝置40，與上述的第一種實施方式中的測量裝置1類似。而且，與第二種實施方式類似的是，使用兩個反射鏡31和32作為反射器，并為測量光束16和反射光束23分配三個區(qū)域。

與上述的第二種實施方式的不同之處在于被測物體2的布置位置。在此實施方式中，被測物體2被置于第二測量光束B2的光路中，并位于第一反射光束B1R和第三再反射光束B3RR的光路中的測量區(qū)中。第一反射光束B1R在被置于該測量區(qū)中的被測物體2處沿第一方向A1發(fā)射，形成陰影BW1R，并到達光接收器20，作為第一再反射光束B1RR的陰影BW1RR。另外，當(dāng)被測物體2被沿第二方向A2行進的第二測量光束B2擊中時，被測物體2形成陰影BW2，并且該陰影BW2到達光接收器20，作為第二反射光束B2R的陰影BW2R以及作為第二再反射光束B2RR的陰影BW2RR。而且，當(dāng)被測物體2被沿第三方向A3行進的第三再反射光束B3RR擊中時，被測物體2形成陰影BW3RR，并且該陰影BW3RR到達光接收器20。

因此，在光接收器20接收的反射光束23中，在第一再反射光束B1RR、第二再反射光束B2RR和第三再反射光束B3RR中分別形成陰影BW1RR、BW2RR和BW3RR。這樣，能夠分別根據(jù)陰影BW1RR測量第一方向上的外徑D1，根據(jù)陰影BW2RR測量第二方向上的外徑D2，以及根據(jù)陰影BW3RR測量第三方向上的外徑D3。

在此實施方式中，第二方向A2和第一方向A1分別與本發(fā)明的主方向和次方向?qū)?yīng)。在此情況中，本發(fā)明的主測量光束是第二測量光束B2，主反射光束是第二反射光束B2R。另外，次測量光束是第一測量光束B1，次反射光束是第一反射光束B1R。被測物體2被置于測量區(qū)中，主測量光束(第二測量光束B2)的光路和次反射光束(第一反射光束B1R)的光路在該測量區(qū)中交疊。相應(yīng)地，測量第一方向A1上的外徑D1和第二方向A2上的外徑D2。

同時，在此實施方式中，第一方向A1和第三方向A3也分別與本發(fā)明的主方向和次方向?qū)?yīng)。在此情況中，本發(fā)明的主測量光束是第一反射光束B1R，主反射光束是第一再反射光束B1RR。另外，次測量光束是第三反射光束B3R，次反射光束是第三再反射光束B3RR。被測物體2被置于測量區(qū)中，主測量光束(第一反射光束B1R)的光路和次反射光束(第三再反射光束B3RR)的光路在該測量區(qū)中交疊。相應(yīng)地，測量第三方向A3上的外徑D3和第一方向A1上的外徑D1。在此實施方式中，為了測量三個方向上的外徑D1至D3，使用兩組如上所述的本發(fā)明的構(gòu)造。

其它實施方式

本發(fā)明不局限于上述的實施方式，并且涵蓋在能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)點的范圍內(nèi)的各種修改。在上述的每一種實施方式中，可沿不同的方向測量具有圓形橫截面和外徑的棒狀被測物體2。被測物體2也可以是具有橢圓形、多邊形或類似橫截面的棒狀物體，或者是管狀材料等?？商娲兀裳夭煌较蛲瑫r測量板的寬度和厚度等外形尺寸。

在本發(fā)明中，同時測量方向不局限于如上所述的每一種實施方式中的兩個方向或三個方向，同時測量可沿更多的方向進行。但是，在按上述的實施方式通過擺動光束來掃描時，在使用多個反射鏡等裝置反射來自于多個方向的光束的情況中，進入光接收器20的每個光束的方向最終必須是相同的。

光發(fā)射器10不局限于像激光掃描測微計那樣通過擺動光束來掃描，也可以采用帶狀線光束。光接收器20不局限于使用光接收器元件22來檢測通過聚光透鏡21匯聚的光束，也可以像圖像傳感器測微計那樣使用由多個光接收器元件組成的元件陣列。而且，可以使用聚光鏡片，而不是聚光透鏡21?？梢允褂脠D像傳感器測微計，而不是激光掃描測微計。

本發(fā)明涉及一種外形尺寸的光學(xué)測量方法和測量裝置，該測量方法和測量裝置可用于同時沿多個方向測量被測物體的外徑。

應(yīng)注意，上述實例僅用于示例性地說明本發(fā)明，而不是限制本發(fā)明。雖然本發(fā)明是參照示例性實施方式來說明的，但是應(yīng)理解，在本文中所用的詞匯是說明性和示例性的，而不是限定性的。在不脫離本發(fā)明的各個方面的范圍和精神的前提下，可在當(dāng)前所述的和修正的所附權(quán)利要求限定的范圍內(nèi)做出各種更改。雖然本發(fā)明在本文中是參照特定結(jié)構(gòu)、材料和實施方式來說明的，但是本發(fā)明不局限于在此公開的特定方式；本發(fā)明涵蓋在所附權(quán)利要求限定的范圍內(nèi)的所有功能等效結(jié)構(gòu)、方法和用途。

本發(fā)明不局限于上述的實施方式，在不脫離本發(fā)明的范圍的前提下，能夠做出各種變化和修改。