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CN1145013C - 光学式测定装置 - Google Patents

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CN1145013C CNB971103178A CN97110317A CN1145013C CN 1145013 C CN1145013 C CN 1145013C CN B971103178 A CNB971103178 A CN B971103178A CN 97110317 A CN97110317 A CN 97110317A CN 1145013 C CN1145013 C CN 1145013C
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Abstract

以自由旋转的方式将反射镜保持环(21)设置在光学系统(3)的物镜(12)的外周，将光路变向反射镜(22)的上端部以自由旋转的方式支撑在该反射镜保持环(21)上。在光路变向反射镜(22)与光学系统(3)的光轴平行的状态下，来自光学系统(3)的光垂直向下照射在被测物的上表面上。以上端部为支点使光路变向反射镜(22)旋转，相对于光学系统(3)的光轴倾斜45度时，来自光学系统(3)的光改变90度方向而照射在被测物的侧面。因此不改变被测物的姿态就能测定侧面的形状等。

Description

光学式测定装置
本发明涉及接收来自放置在台上的被测物的反射光或透射光、测定被测物的尺寸及形状的光学式测定装置。详细地说，涉及在不改变放置在台上的被测物的姿态的情况下进行被测物的多个不同的面的测定的光学式测定装置。
迄今，将光照射在被测物上、接收来该被测物的反射光、测定被测物的尺寸等的光学式测定装置是这样构成的，即将光学系统配置在放置被测物的台的上方，使光线从该光学系统向下照射，用光学系统接收来自被测物的上表面的反射光，测定被测物的尺寸等。
在现有的光学式测定装置的结构中，由于将光学系统配置在放置被测物的载物台的上方，使光线从该光学系统向下照射，所以只能测定位于光学系统正下方的面。因此，被限定于放置在台上的被测物的上表面的测定，欲测定被测物的侧面时，必须通过旋转被测物等来改变姿态。
如图8所示，例如，测定被测物100的面101上加工的孔1021、1022的直径D1、D2和间隔L，以及测定与被测物100的面101垂直的面103上加工的槽104的宽W时，首先将被测物100置于台上，使被测物100的面101朝上，在测定了孔1021、1022的直径D1、D2和间隔L之后，必须将被测物100旋转90度置于台上，使面103朝上，在此状态下测定槽104的宽W。
因此，进行被测物的不同的多个面的测定时，在1个面的测定结束后，必须改变被测物的姿态，使被测物的另一面朝上，而且，在规定的位置定位后进行测定，所以在测定时费事、费时、效率低。
本发明的目的在于提供一种在不改变放置在台上的被测物的姿态的情况下进行被测物的多个不同面的测定的光学式测定装置。
根据本发明的一种光学式测定装置，它具有放置被测物的台，以及相对于该台以可移动的方式设置的光学系统，该光学系统具有一个位于台的上方的物镜，一个用于以光照射放置于台上的被测物的光源，该光学系统接收来自放置在台上的该被测物的反射或透射光，根据该光学系统获得的受光图象，测定该被测物的尺寸及形状，该台和光学系统可以沿3维方向相对移动，其特征在于：
具有一个光路变向反射镜，用以使上述光学系统的光的光路变向，照射在上述被测物的侧面上，并同时使从上述被测物的侧面反射或透射的光的光路变向，使光进入该光学系统，上述光路变向反射镜可以该光学系统的光轴为中心旋转。
如果采用这种结构，则来自放置在台上的被测物的反射光或透射光(包含自然光)中入射到光学元件上的光受该光学元件的作用，其光路发生变向。例如，在光学元件的作用下，如果使来自被测物的一个面上的反射光的光路变向而与来自与被测物的该面正交的另一面的反射光的方向相同，则能进行被测物的互相正交的两个面的测定。因此，在不改变放置在台上的被测物的姿态的情况下就能进行被测物的多个不同面的测定。
本发明的光学式测定装置具有放置被测物的台，以及相对于该台以可移动的方式设置的使光从该台的上方向下照射来接收其反射光的光学系统，根据该光学系统获得的受光图象测定被测物的尺寸及形状等，该光学式测定装置的特征在于：备有使来自上述光学系统的光的光路变向后照射在上述被测物的侧面上，与此同时使来自上述被测物的反射光入射到上述光学系统中的光学元件；
所述台和所述光学系统设置得可沿三维方向相对地移动。
如果采用这种结构，则从光学系统朝向台下方照射的光中入射到光学元件上的光受该光学元件的作用，其光路发生变向而照射在被测物的侧面。来自被测物侧面的反射光受光学元件的作用，其光路发生变向而入射到光学系统中，因此，能测定放置在台上的被测物的侧面的尺寸及形状等。
另一方面，从光学系统朝向台下方照射的光中照射在被测物的上表面的光在此反射后入射到光学系统中，因此，能测定放置在台上的被测物的上表面的尺寸及形状等。从而，不改变放置在台上的被测物的姿态、就能进行被测物的上表面及侧面的测定。
在上述结构中，作为光学元件可以是半反射镜和棱镜等，从成本上说，最好是光路变向反射镜。
关于安装光路变向反射镜的位置，既可以装在台上，也可以装在光学系统中。例如，将光路变向反射镜装在光学系统中时最好这样来安装，即在光学系统的下端部以相对于该光学系统的光轴正交的轴为支点，以可自由旋转的方式支撑着光路变向反射镜的上端部，同时从与光学系统的光轴平行的位置到与光学系统的光轴相交且相对于光轴倾斜的角度的位置之间可以转动。
如果这样做，使光路变向反射镜以上端部为支点转动，如果能转到与光学系统的光轴平行的位置，则能使光路变向反射镜避开光学系统的光轴，所以能进行通常的测定(上表面测定)，另外，使光路变向反射镜以上端部为支点转动，如果能倾斜到与光学系统的光轴相交的角度的位置，则能切换到侧面测定，所以能简单且迅速地进行测定面的切换。
而且，测定面的切换动作可以利用反射镜提升电机进行光路变向反射镜的转动。如果这样做，不需要手动操作，就能自动地进行切换动作，所以能简单且迅速地进行测定面的切换。
另外，还可以使光路变向反射镜以光学系统的光轴为中心以可转动的方式设置。如果这样做，在不改变放置在台上的被测物的姿态的情况下也能测定被测物的多个侧面的尺寸及形状。这时，如果也利用反射镜转动电机进行光路变向反射镜的转动(以光学系统的光轴为中心的转动)，则也能简单且迅速地进行被测物的多个侧面的的切换。
另外，关于光学系统，如果是使光从台的上方向下照射且能接收该反射光的系统，则怎样构成都可以，例如，最好包括外壳、安装在该外壳下面的物镜、配置在该物镜的光轴上的分光器、使光入射到该分光器上的光入射装置、以及拍摄来自上述被测物的反射光中经过上述分光器的光的图象的摄象装置。
本发明的另一光学式测定装置具有放置被测物的台，以及相对于该台以可移动的方式设置的使光从该台的上方向下照射来接收其反射光的光学系统，根据该光学系统获得的受光图象，测定被测物的尺寸及形状等，该光学式测定装置的特征在于备有：在上述光学系统的下端部以该光学系统的光轴为中心以可转动的方式设置的反射镜保持环；以相对于上述光学系统的光轴正交的轴为支点，以自由旋转的方式支撑在该反射镜保持环上，使来自上述光学系统的光的光路变向后照射在上述被测物的侧面上，同时使来自上述被测物的反射光入射到上述光学系统中的光路变向反射镜；以及检测该光路变向反射镜以上述光轴为中心的旋转角的反射镜旋转角检测传感器。
如果采用这种结构，则由于备有检测光路变向反射镜以光轴为中心的旋转角度的反射镜旋转角检测传感器，所以通过设定与用该反射镜旋转角检测传感器检测的光路变向反射镜的旋转角对应的坐标变换数据，能简单地测定被测物的多个侧面的尺寸及形状。
图1是本发明的一实施形态的测定仪的斜视图。
图2是上述实施形态中的光学系统的斜视图。
图3是上述实施形态中的光学系统的侧视图。
图4是上述实施形态中的控制装置的框图。
图5是上述实施形态中的侧面测定方式的流程图。
图6是表示本发明的另一实施形态的图。
图7是上述另一实施形态中的被测物及载物台的斜视图。
图8是被测物之一例的斜视图。
以下参照附图详细说明本发明的一实施形态。
图1是表示与本实施形态有关的光学式测定装置的测定仪的斜视图。该测定仪由具有水平部1A及竖直部1B的侧面呈L形的本体1、设置在该本体1的水平部1A上可沿左右及前后方向(X及Y轴方向)移动且将被测物100置于其上表面的台2、以及设置在上述本体1的竖直部1B上且可沿上下方向(Z轴方向)升降的使光向下方照射(照射到载物台2上)并接收其反射光的光学系统3构成。这里，台2和光学系统3可沿3维方向(X、Y、Z轴方向)相对移动。
图2是上述光学系统3的斜视图，图3是将其一部分切去后的侧视图。该光学系统3由外壳11、安装在该外壳11的下面一侧的物镜12、沿该物镜12的光轴配置的分光器13、筒式透镜14、作为摄象装置的CCD摄象机15、以及作为光入射装置的照明装置16构成。照明装置16由光源(未图示)、将来自该光源的光导入上述外壳11内的光导纤维17、以及将由该光导纤维17导入外壳11内的光反射到上述分光器13的反射镜18构成。
在上述物镜12的外周设有反射镜保持环21，它可以以上述光轴为中心旋转。在反射镜保持环21的下面设有作为光学元件的光路变向反射镜22，它将来自上述光学系统3的光的光路变向后照射在被测物100的侧面上，同时将来自被测物100的光的光路变向后入射到上述光学系统3上，同时设有第1及第2挡块23、24。光路变向反射镜22是这样设置的，即其上端部以与光学系统3的光轴正交的轴为支点，以可自由旋转的方式支撑在上述反射镜保持环21的下面，可在从与上述第1挡块23接触的位置(与上述光学系统3的光轴平行的位置)到与上述第2挡块24接触的位置(与上述光学系统3的光轴相交且相对于光轴倾斜45度的角度的位置)之间转动。
图4是表示与本实施形态有关的光学式测定装置的控制装置的框图。该控制装置备有CPU41。CRT43通过显示控制部42、上述照明装置16通过照明控制部44、上述CCD摄象机15通过框式取景器(frame grab)45分别连接在CPU41上。另外，CPU41还分别连接着反射镜驱动部46、检测上述台2的X轴方向的位置的X轴编码器47、检测上述台2的Y轴方向的位置的Y轴编码器48、检测上述光学系统3的Z轴方向的位置的Z轴编码器49、以及指令输入部50。
上述反射镜驱动部46分别连接着以上述光路变向反射镜22的上端部为支点而提升其下端的反射镜提升电机51、以上述光轴为中心使上述反射镜保持环21旋转的反射镜旋转电机52、以及检测由该反射镜旋转电机52旋转的反射镜保持环21的旋转角(即光路变向反射镜22的旋转角)的反射镜旋转角检测传感器53。
其次，参照图5中的流程说明本实施形态的工作情况。
例如，在图8所示的测定被测物100的情况下，将被测物100置于台2上，使面101朝上，然后，首先按通常的测定方式进行被测物100的面101上加工的孔1021、1022的直径D1、D2和间隔L的测定，然后切换到侧面测定方式，进行面103上加工的槽104的宽W的测定。
在通常的测定方式中，光路变向反射镜22处于与第1挡块23接触的状态，也就是与光学系统3的光轴平行的状态。因此，从照明装置16经光导纤维17射出的光被反射镜18反射，通过分光器13、物镜12后照射在被测物100的上表面上。即照射在被测物100的面101上。来自被测物100的面(上表面)101的反射光经过物镜12、分光器13、筒式透镜14后，被CCD摄象机15接收。因此能测定被测物100的面(上表面)101上的孔1021、1022的直径D1、D2和间隔L。
其次，切换到侧面测定方式。这时从指令输入部50指定侧面测定方式。于是，CPU41按照图5中的流程所示的顺序进行处理。首先，在步骤(以下记作ST)1中，使反射镜提升电机51进行驱动，使光路变向。反射镜提升电机51驱动后，反射镜22从图3中的两点划线的位置转动到实线的位置，所以从物镜12射出的光被反射镜22改变90度的方向反射(大致折向与台2的上表面平行的方向)，照射到被测物100的侧面上。就是说，照射在被测物100的面103上。
其次，在ST2中，由反射镜旋转角检测传感器53检测出反射镜22的旋转角之后，进入ST3，设定坐标变换数据。这时设定与反射镜22的旋转角对应的坐标变换数据。接着，在ST4中，进行测定操作，这时来自被测物100的面(侧面)103的反射光经过反射镜22、物镜12、分光器13、筒式透镜14后，被CCD摄象机15接收，因此能测定被测物100的面(侧面)103上的槽104的宽W。
其次，在ST5中，检查是否有反射镜旋转指令，即是否从指令输入部50输入了反射镜旋转指令。这时，如果有反射镜旋转指令，则进入ST6，使反射镜旋转电机52进行驱动，使反射镜保持环21进行旋转，然后返回ST2。如果没有反射镜旋转指令，则在ST7中检查侧面测定方式是否结束，然后返回ST4。
最后，在ST8中，使反射镜提升电机51进行驱动，使光路返回原状态。
如果采用本实施形态，由于在光学系统3的下端部设有光路变向反射镜22，它使来自光学系统3的光的光路改变90度方向，同时使来自该方向的反射光入射到光学系统3中，所以能将从光学系统3垂直向下射向台2的光沿与台2的上表面平行的方向反射而照射在被测物100的面(侧面)103上，另外能使来自被测物100的面(侧面)103的反射光改变90度方向反射后入射到光学系统3中，所以不改变放置在台2上的被测物100的姿态，也能测定面(侧面)103的尺寸及形状等。
另外，由于以相对于光学系统3的光轴正交的轴为支点，以自由旋转的方式将光路变向反射镜22的上端部支撑在光学系统3的下端部，所以如果以其上端部为支点，使光路变向反射镜22转动而转到与光学系统3的光轴平行的位置，则能使光路变向反射镜22避开光学系统3的光轴，所以能进行通常的测定(上表面测定)，另外，如果使光路变向反射镜22以上端部为支点转动而转到相对于光学系统3的光轴倾斜成45度的角度，则能切换到侧面测定方式所以能简单且迅速地进行测定面的切换。
这时，因为通过反射镜提升电机51进行光路变向反射镜22的转动，所以能自动地进行测定面的切换动作，所以能更简单且迅速地进行测定面的切换。
另外，由于以光学系统3的光轴为中心，以自由旋转的方式将反射镜保持环21设置在物镜12的外周，将光路变向反射镜22设在该反射镜保持环21上，即，由于以光学系统3的光轴为中心，以自由旋转的方式设置光路变向反射镜22，所以不改变放置在台2上的被测物100的姿态，就能进行被测物100的多个侧面的测定。
这时，如果也用反射镜旋转电机52进行光路变向反射镜22的旋转(以光学系统的光轴为中心的旋转)，则也能简单且迅速地进行被测物的多个侧面的切换。
另外，由于备有检测光路变向反射镜22的旋转角的反射镜旋转角检测传感器53，所以通过设定与用该反射镜旋转角检测传感器53检测的光路变向反射镜22的旋转角对应的坐标变换数据，能简单地测定被测物100的多个侧面的尺寸及形状。
在上述的实施形态中，以自由旋转的方式将光路变向反射镜22支撑在光学系统3的下端部，但也可以将光路变向反射镜22固定在台2上。如图6所示，例如，欲测定连接器110的连接器插头111的高度尺寸H时，通过载物台61将连接器110设置在台2的上表面上，同时将光路变向反射镜22以45度的角度固定在其测定面一侧(即连接器插头111一侧)即可。
这样做时，首先，通过沿台2的X、Y轴方向移动，使光路变向反射镜22位于光学系统3的正下方。于是，来自光学系统3的光被光路变向反射镜22改变成平行于台2的上表面而照射在连接器110的连接器插头111上，所以能根据其反射光测定连接器插头111的高度尺寸H。如图7所示，这时，如果使载物台61的宽度与连接器插头111的宽度尺寸对应，那么被光路变向反射镜22变向了的光就不会被载物台61挡住。而且，如果对其上表面及侧面进行防反射处理，就能获得明县的边界。
另外，如果用半反射镜或棱镜等代替上述实施形态中例举的光路变向反射镜22，则除了上述的效果外，也可以不采用使光路变向反射镜22自由旋转的结构，具有能使结构简单的优点。
另外，在上述实施形态中，从光学系统3射出的光向下方照射，并接收其反射光，但可以不照射从光学系统3射出的光。光学系统3也可以只接收来自被测物100的自然光的反射光，或者还可以接收来自被测物100的透射光。
如果采用本发明的光学式测定装置，则在不改变放置在台上的被测物的姿态的情况下就能进行被测物的多个不同的面的测定。

Claims (14)

1.一种光学式测定装置，它具有放置被测物的台，以及相对于该台以可移动的方式设置的光学系统，该光学系统具有一个位于台的上方的物镜，一个用于以光照射放置于台上的被测物的光源，该光学系统接收来自放置在台上的该被测物的反射或透射光，根据该光学系统获得的受光图象，测定该被测物的尺寸及形状，该台和光学系统可以沿3维方向相对移动，其特征在于：
具有一个光路变向反射镜，用以使上述光学系统的光的光路变向，照射在上述被测物的侧面上，并同时使从上述被测物的侧面反射或透射的光的光路变向，使光进入该光学系统，上述光路变向反射镜可以该光学系统的光轴为中心旋转。
2.一种光学式测定装置，它具有放置被测物的台，以及相对于该台以可移动的方式设置的使光从该台的上方向下照射而接收被测物的反射光的光学系统，根据该光学系统获得的受光图象，测定被测物的尺寸及形状，
该光学式测定装置的特征在于：备有使来自上述光学系统的光的光路变向后照射在上述被测物的侧面上，同时使来自上述被测物的反射光入射到上述光学系统中的光学元件；
所述台和所述光学系统设置得可沿三维方向相对地移动。
3.根据权利要求2所述的光学式测定装置，其特征在于：上述光学元件由光路变向反射镜构成。
4.根据权利要求3所述的光学式测定装置，其特征在于：上述光路变向反射镜设置在光学系统的下端部，以相对于该光学系统的光轴正交的轴为支点，以自由旋转的方式支撑着光路变向反射镜的上端部，同时从与光学系统的光轴平行的位置到与光学系统的光轴相交且相对于光轴倾斜的角度的位置之间可以转动。
5.根据权利要求4所述的光学式测定装置，其特征在于：备有能使上述光路变向反射镜从与光学系统的光轴平行的位置到与光学系统的光轴相交且相对于光轴倾斜的角度的位置之间转动的反射镜提升电机。
6.根据权利要求5所述的光学式测定装置，其特征在于：上述光路变向反射镜设置成可以以光学系统的光轴为中心旋转。
7.根据权利要求6所述的光学式测定装置，其特征在于：备有能使上述光路变向反射镜以上述光学系统的光轴为中心旋转的反射镜旋转电机。
8.根据权利要求3所述的光学式测定装置，其特征在于：上述光路变向反射镜设置在上述台上。
9.根据权利要求2所述的光学式测定装置，其特征在于：上述光学系统包括外壳、安装在该外壳下面的物镜、配置在该物镜的光轴上的分光器、使光入射到该分光器上的光入射装置、以及拍摄来自上述被测物的反射光中的经过上述分光器的光的图象的摄象装置。
10.根据权利要求1所述的一种光学式测定装置，其特征在于，还备有：
在上述光学系统的下端部以该光学系统的光轴为中心以可转动的方式设置的反射镜保持环；和
检测该光路变向反射镜以上述光轴为中心的旋转角的反射镜旋转角检测传感器；
上述光路变向反射镜以与上述光学系统的光轴正交的轴为支点，以自由旋转的方式支撑在该反射镜保持环上。
11.根据权利要求10所述的光学式测定装置，其特征在于：上述光路变向反射镜的上端部以与上述光学系统的光轴正交的轴为支点，以自由旋转的方式支撑在上述反射镜保持环上，能从与光学系统的光轴平行的位置到与光学系统的光轴相交且相对于光轴倾斜的角度的位置之间转动。
12.根据权利要求11所述的光学式测定装置，其特征在于：备有能使上述光路变向反射镜从与光学系统的光轴平行的位置到与光学系统的光轴相交且相对于光轴倾斜的角度的位置之间转动的反射镜提升电机。
13.根据权利要求12所述的光学式测定装置，其特征在于：备有使上述反射镜保持环以上述光学系统的光轴为中心旋转的反射镜旋转电机。
14.根据权利要求13所述的光学式测定装置，其特征在于，上述光学系统包括：外壳，上述物镜安装在该外壳下面；配置在该物镜的光轴上的分光器；使光入射到该分光器上的光入射装置；以及拍摄来自上述被测物的反射光中的经过上述分光器的光的图象的摄象装置。
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