形状测量装置制造方法
【专利摘要】本实用新型的形状测量装置通过提高光源光的受光效率，不提高光源输出，而确保所希望的受光量。形状测量装置(1)具备向被测量物体(W)的设置面(2)投射光的投光部(3)和接收由投光部(3)投射的光的受光部(4)，通过受光部(4)的输出来测量被测量物体的形状和尺寸，其中，投光部(3)具备光源(10)、入射从光源(10)射出的光的杆积分器(11)、以及具有能够取入从杆积分器(11)的光射出面(11A)射出的全光束的开口数和视场而且至少在被测量物体侧呈远心状态的投光光学系统(20)，受光部(4)具备接收被测量物体的投影影像的拍摄元件(12)和使设置面(2)与拍摄元件(12)的受光面成为共轭关系的物体侧远心受光光学系统(30)，投光光学系统(20)内部的开口光圈(22)与受光光学系统(30)内部的开口光圈(33)处于共轭关系。
【专利说明】形状测量装置
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种测量被测量物体的形状和尺寸的形状测量装置。
【背景技术】
[0002] 通过光学构件测量被测量物体的形状和尺寸的装置通常具备有向配置有被测量 物体的测量范围投射平行光的投光部以及接收由投光部投射的光中未被被测量物体遮挡 的光的受光部，受光部通过远心受光透镜对由投光部投射的光进行聚光，通过图像传感器 接收通过配置在焦点位置的光圈的光来测量被测量物体的形状和尺寸（参照下述专利文 献1)。
[0003] 专利文献1 :日本专利公开2000-155013号公报
[0004] 在这种现有技术中，在投光部中使用将光源所射出的光设为平行光的准直透镜等 投光透镜，但出于光源不是完整的点光源，且由于光学系统的分辨率与（波长/开口数）成 正比，因此为了得到实用的分辨率而不得不使用平行光以外的光等理由而不能将来自光源 的光全部设为平行光，因此在受光部侧使用远心光学系统来抑制被测量物体因向光轴方向 的偏位导致的测量精度下降。然而，即使利用远心光学系统也难以增加开口数，只能接收光 源射出的光的一部分，因此为了确保规定的受光量，需提高光源输出，从节能观点考虑存在 问题。
[0005] 并且，从光源射出的光存在光量不均，若该光量不均显现在图像传感器的输出中， 则测量精度降低，因此前述的以往技术中，在光源的前面配置扩散板来消除光量不均。然 而，若使用扩散板，则存在如下问题：非平行光进一步增加而导致投光强度降低，且受光量 降低，并且因扩散光产生大量的杂散光，因此通过受光部内的光圈的杂散光入射到图像传 感器，使图像传感器输出的对比度降低，对测量精度造成不良影响。 实用新型内容
[0006] 本实用新型以解决这种问题作为课题的一例。即本实用新型的目的在于通过提高 光源光的利用效率，不提高光源输出，而确保所希望的受光量，并消除光源光的光量不均的 同时排除杂散光对测量精度造成的不良影响等。
[0007] 为了达到这种目的，本实用新型的形状测量装置至少具备以下结构。
[0008] -种形状测量装置，其具备向被测量物体的设置面投射光的投光部和接收由所述 投光部投射的光的受光部，通过所述受光部的输出来测量被测量物体的形状，其中，所述投 光部具备光源、杆积分器及投光光学系统，所述杆积分器中入射从所述光源射出的光，所述 投光光学系统具有能够取入从所述杆积分器的光射出面射出的全光束的开口数和视场，且 至少在所述被测量物体侧呈远心状态，所述受光部具备拍摄元件和物体侧远心受光光学系 统，所述拍摄元件接收被测量物体的投影影像，所述物体侧远心受光光学系统使所述设置 面与所述拍摄元件的受光面成为共轭关系，所述投光光学系统内部的开口光圈与所述受光 光学系统内部的开口光圈处于共轭关系。
[0009] 具备这种特征的形状测量装置通过提高光源光的利用效率，无需提高光源输出， 就能够确保所希望的受光量。并且，消除光源光的光量不均的同时，能够排除杂散光对测量 精度造成的不良影响。
【专利附图】
【附图说明】
[0010] 图1是说明本实用新型的一实施方式所涉及的形状测量装置的概要结构的说明 图。
[0011] 图2是表示本实用新型的一实施方式所涉及的形状测量装置中的投光光学系统 的一例的说明图。
[0012] 图3是表示本实用新型的一实施方式所涉及的形状测量装置中的受光光学系统 的一例的说明图。
[0013] 图4是表示本实用新型的实施方式所涉及的形状测量装置中的光学系统的其他 结构例的说明图。图4(a)表示光学系统的YZ剖视图，图4(b)表示光学系统的XZ剖视图， 图4(c)表示各光学要件的XY剖视图。
[0014] 图5是说明菲涅尔透镜的阴影的说明图。
[0015] 图6表示照度平滑滤波器的功能的说明图。图6 (a)是将中心部的透射率设为50% 的例子，图6(b)是将中心部的透射率设为80%的例子。
[0016] 图7是表示照度平滑滤波器的插入效果的说明图。图7(a)表示未插入的情况下 的照度分布，图7(b)表示插入的情况下的照度分布。
[0017] 1-形状测量装置，2-设置面，3-投光部，4-受光部，5-形状测量部，10-光源， 11-杆积分器，11A-光射出面，12-拍摄兀件，12A-受光面，20_投光光学系统，21_第一透镜 组，22-开口光圈，23-光路折射镜，24-第二透镜组，24f-菲涅尔透镜，25-照度平滑滤波器， 30-受光光学系统，31-第三透镜组，32-第四透镜组，33-开口光圈，W-被测量物体。
【具体实施方式】
[0018] 以下，参照附图对本实用新型的实施方式进行说明。图1是说明本实用新型的一 实施方式所涉及的形状测量装置的说明图。图2是表示本实用新型的一实施方式所涉及的 形状测量装置中的投光光学系统的一例的说明图。图3是表示本实用新型的一实施方式所 涉及的形状测量装置中的受光光学系统的一例的说明图。
[0019] 形状测量装置1具备：投光部3,向被测量物体W的设置面2投射光；受光部4,接 收由投光部3投射的光。并且，具备通过受光部4的输出来测量被测量物体W的形状和尺 寸的形状测量部5。
[0020] 投光部3具备光源10、杆积分器11以及投光光学系统20,从光源10射出的光入 射到杆积分器11中，从杆积分器11射出的光经由投光光学系统20投射到设置有被测量物 体W的设置面2。
[0021] 光源10能够例如由发光二极管单体构成。杆积分器11为通过使入射的光在内部 多重反射，从而能够使光量分布均匀化的部件，且具有不使从光源10射出的光扩散，而消 除光量不均的功能。
[0022] 投光光学系统20构成两侧远心光学系统。具体而言，如图2所示，从杆积分器11 侧依次具备第一透镜组21、开口光圈22、光路折射镜23以及第二透镜组24,具有能够取入 从杆积分器11的光射出面11A射出的全光束的开口数和视场。并且，通过开口光圈22内 的一点的光成为平行光并照射到设置面2,当杆积分器11的光射出面11A上的光强度分布 不均匀的情况下，具有使其均匀化的功能。光路折射镜23是为了使投光部3的各要件的配 置空间紧凑化而设置的部件。
[0023] 受光部4具备：拍摄元件12,接收被测量物体W的投影影像；物体侧远心受光光学 系统30,使设置面2和拍摄元件12的受光面12A成为共轭关系。如图3所示，具体而言，受 光光学系统30具备第三透镜组31和第四透镜组32,第四透镜组32的内部配置有开口光圈 33。该受光光学系统30使通过设置面2上的一点并通过开口光圈33的光全部聚光到受光 面12A的一点上。即，通过设置面2上的被测量物体W的轮廓的一点的光聚光到拍摄元件 12的受光面12A上，被测量物体W的轮廓以已设定的倍率缩小并在受光面12A上成像而形 成投影影像。就投光光学系统20与受光光学系统30之间的关系而言，投光光学系统20内 的开口光圈22与受光光学系统30内的开口光圈33之间的关系呈共轭关系。
[0024] 并且，通过所述投光光学系统，所述杆积分器的光射出面与所述设置面呈共轭关 系。
[0025] 形状测量部5根据来自受光部4的输出测量被测量物体W的形状，根据通过被测 量物体W的轮廓的投影影像获得的对比度信息，输出被测量物体W的轮廓形状的坐标数据 和投影宽度等尺寸数据。
[0026] 根据具有这种结构的形状测量装置1，从光源10射出的光入射到杆积分器11而 均匀化，因此杆积分器11的光射出面11A成为几乎均匀的面光源。由此，即使在由发光二 极管形成光源10的情况下，也能够得到将光量分布平均化的均匀面光源。并且，在设置面 2的附近，与设置面2垂直的均匀平行光投射到被测量物体W。另外，在设置面2的投光部 3侧配置两侧远心光学系统，在受光部4侧配置有物体侧远心光学系统，因此能够使通过被 测量物体W的轮廓的光几乎全部在受光面12A上成像，能够提高边缘分辨率而提高测量精 度。
[0027] 并且，就投光光学系统20与受光光学系统30之间的关系而言，投光光学系统20 内的开口光圈22与受光光学系统30内的开口光圈33之间的关系呈共轭关系，因此使开口 光圈33的影像大小与开口光圈22的影像大小相同，或者小于开口光圈22的影像大小，由 此能够有效地抑制杂散光。另外，受光光学系统30的分辨率与焦点深度取决于投光光学系 统的开口数与受光光学系统的开口数，因此通过将开口光圈22和开口光圈33中的一方或 双方设为可变光圈，从而能够改变受光光学系统30的分辨率以及焦点深度。
[0028] 此时，优选杆积分器11的光射出面11A的外周形状与设置有被测量物体W的设置 面2的外周形状相似。并且，优选形成在设置面2的光射出面11A的影像大于等于设置面 2的外周形状。通过这样设定，能够向设置面2的整个面投射均匀的平行光，即使将被测量 物体W放置在设置面的任意处都能够进行边缘分辨率较高的测量。并且，使杆积分器11的 光射出面11A和设置面2的外周形状相同，来使两者的外周一致，由此如前所述，能够向设 置面的整个面投射均匀的平行光，并且能够抑制从设置面2偏离的杂散光的产生。
[0029] 由此，从光源10射出并入射到杆积分器11的光几乎全部成为均匀的平行光而投 射到设置面2上，这些几乎全部都在受光面12A上成像，因此能够提高光源光的利用效率， 无需提高光源10的输出，就能够确保规定的受光量。并且，不会散射光源光，因此能够抑制 杂散光的产生的同时，能够排除因光源10的光量不均导致的测量精度的下降。
[0030] 图4是表示本实用新型的实施方式所涉及的形状测量装置中的光学系统的其他 结构例的说明图。（a)表示光学系统的YZ剖视图，（b)表示光学系统的XZ剖视图，（c)表 示各光学要件的XY剖视图。与前述的说明共用的地方附加相同符号来省略重复说明。
[0031] 图4所示的例子中，作为杆积分器11使用板状杆棱镜，作为光源10使用LED纵列 光源。并且，在投光光学系统20中的第二透镜组24中使用菲涅尔透镜24f。菲涅尔透镜 24f与玻璃透镜相比价格低且容易进行薄型化，并且还容易进行非球面化，因此具有能够去 除像差的优点。
[0032] 如图5所示，菲涅尔透镜24f的截面形状为锯齿状，因此可形成阴影24s，该阴影 影响光量分布，因此在开口光圈22与第二透镜组24之间加入照度平滑滤波器（变迹滤波 器）25来改善光量分布的不均匀。照度平滑滤波器25具有如图6所示的透光率的特性，因 此为了抑制因菲涅尔透镜24f的阴影造成与透镜的中心部分相比周边部分的透射光量降 低的影响，具有使中心部分的透射率低于周边部分的滤波器模式。图6 (a)是相对于周边部 分将中心部分的透射率设为50%的例子，图6(b)是相对于周边部分将中心部分的透射率 设为80%的例子。通过插入这种照度平滑滤波器25,能够将如图7(a)所示的照度不均改 善为如图7(b)所示的平滑化的照度分布。
[0033] 如以上说明，本实用新型的实施方式所涉及的形状测量装置1通过由投光部3的 杆积分器11形成均匀面光源、及组合投光光学系统20中采用的两侧远心光学系统与受光 光学系统30中采用的物体侧远心光学系统，从而提高光源光的利用效率，无需提高光源10 的输出就能够确保所希望的受光量，并且能够消除光源光的光量不均的同时，有效地排除 杂散光对测量精度造成的不良影响。
【权利要求】
1. 一种形状测量装置，其具备向被测量物体的设置面投射光的投光部和接收由所述投 光部投射的光的受光部，通过所述受光部的输出来测量被测量物体的形状和尺寸，其特征 在于， 所述投光部具备光源、杆积分器及投光光学系统，所述杆积分器中入射从所述光源射 出的光，所述投光光学系统具有能够取入从所述杆积分器的光射出面射出的全光束的开口 数和视场，且至少在所述被测量物体侧呈远心状态， 所述受光部具备拍摄元件和物体侧远心受光光学系统，所述拍摄元件接收被测量物体 的投影影像，所述物体侧远心受光光学系统使所述设置面与所述拍摄元件的受光面成为共 轭关系， 所述投光光学系统内部的开口光圈与所述受光光学系统内部的开口光圈处于共轭关 系。
2. 根据权利要求1所述的形状测量装置，其特征在于， 所述投光光学系统使所述杆积分器的光射出面与所述设置面成为共轭关系。
3. 根据权利要求1或2所述的形状测量装置，其特征在于， 所述光射出面的外周形状与所述设置面的外周形状相似。
4. 根据权利要求3所述的形状测量装置，其特征在于， 形成于所述设置面的所述光射出面的影像大于等于所述设置面的外周形状。
5. -种形状测量装置，其具备向被测量物体的设置面投射光的投光部和接收由所述投 光部投射的光的受光部，通过所述受光部的输出来测量被测量物体的形状和尺寸，其特征 在于， 所述投光部具备光源、杆积分器及投光光学系统，所述杆积分器中入射从所述光源射 出的光，所述投光光学系统具有能够取入从所述杆积分器的光射出面射出的全光束的开口 数和视场，且至少在所述被测量物体侧呈远心状态， 所述受光部具备拍摄元件和物体侧远心受光光学系统，所述拍摄元件接收被测量物体 的投影影像，所述物体侧远心受光光学系统使所述设置面与所述拍摄元件的受光面成为 共辄关系， 所述投光光学系统内部的开口光圈与所述受光光学系统内部的开口光圈处于共轭关 系， 所述投光光学系统从所述杆积分器侧依次具备第一透镜组、开口光圈、光路折射镜以 及第二透镜组。
6. 根据权利要求5所述的形状测量装置，其特征在于， 所述投光光学系统使所述杆积分器的光射出面与所述设置面成为共轭关系。
7. 根据权利要求5所述的形状测量装置，其特征在于， 所述光源为发光二极管。
8. 根据权利要求7所述的形状测量装置，其特征在于， 所述投光光学系统使所述杆积分器的光射出面与所述设置面成为共轭关系。
9. 根据权利要求5至8中任一项所述的形状测量装置，其特征在于， 所述光射出面的外周形状与所述设置面的外周形状相似。
10. 根据权利要求9所述的形状测量装置，其特征在于， 形成于所述设置面的所述光射出面的影像大于等于所述设置面的外周形状。
11. 一种形状测量装置，其具备被向测量物体的设置面投射光的投光部和接收由所述 投光部投射的光的受光部，通过所述受光部的输出来测量被测量物体的形状和尺寸，其特 征在于， 所述投光部具备光源、杆积分器及投光光学系统，所述杆积分器中入射从所述光源射 出的光，所述投光光学系统具有能够取入从所述杆积分器的光射出面射出的全光束的开口 数和视场，且至少在所述被测量物体侧呈远心状态， 所述受光部具备拍摄元件和物体侧远心受光光学系统，所述拍摄元件接收被测量物体 的投影影像，所述物体侧远心受光光学系统使所述设置面与所述拍摄元件的受光面成为共 轭关系， 所述投光光学系统内部的开口光圈与所述受光光学系统内部的开口光圈处于共轭关 系， 所述光源为发光二极管。
12. 根据权利要求11所述的形状测量装置，其特征在于， 所述投光光学系统使所述杆积分器的光射出面与所述设置面成为共轭关系。
13. 根据权利要求11或12所述的形状测量装置，其特征在于， 所述光射出面的外周形状与所述设置面的外周形状相似。
14. 根据权利要求13所述的形状测量装置，其特征在于， 形成于所述设置面的所述光射出面的影像大于等于所述设置面的外周形状。
【文档编号】G01B11/25GK203837664SQ201420204535
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年4月24日 优先权日:2013年4月24日
【发明者】吉田太郎, 大渊一人, 上原诚 申请人:株式会社V技术