专利名称：轮廓测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于测量要测量的物体(被测量物体)的三维(3D)轮廓的轮廓测量装置。
背景技术：
利用激光测距仪的 方法已知为用于测量被测量物体的3D轮廓的常规方法(例如，参照，专利文献I)。该方法要将激光束施加到被测量物体的表面上，以从与该激光束的施加方向不同的方向来观察该被测量物体，并且根据三角测量原理来获取利用该激光束照射的被测量物体的3D轮廓。在该方法中，激光束在被测量物体上扫描，由此可以获取整个被测量物体的3D轮廓。引用列表专利文献专利文献I :美国专利No. 499383
发明内容
本发明要解决的问题然而，在执行扫描照射的情况下，然而，激光束随着从外部添加至测量装置的振动而偏离预定照射角，并且所测量的3D轮廓将具有误差。本发明鉴于该问题而实现，并且本发明的一个目的是提供一种缩减因振动影响而造成的3D轮廓的测量误差的轮廓测量装置。用于解决所述问题的手段根据本发明一实施例的轮廓测量装置包括轮廓测量单元、位置获取单元、轮廓计算单元、偏斜检测单元和控制单元。该轮廓测量单元具有用于将预定图案投影到被测量物体上的投影单元、和用于将由投影单元投影的图案成像的成像单元。该位置获取单元获取轮廓测量单元的至少一个位置，并且获取被测量物体上的投影图案的图案位置。该轮廓计算单元被连接以能够与成像单元和位置获取单元通信，并且基于来自成像单元的图像信息和来自位置获取单元的位置信息来计算被测量物体的轮廓。该偏斜检测单元检测投影单元的偏斜。该控制单元连接至偏斜检测单元，并且基于由偏斜检测单元检测到的投影单元的偏斜来执行针对轮廓测量单元的主动修正和/或针对轮廓计算单元的被动修正。该主动修正针对轮廓测量单元的位置控制或操作控制来执行，而该被动修正针对轮廓计算单元的计算操作来执行。根据本发明该实施例的轮廓测量装置还可以包括移位机构，该移位机构在轮廓测量单元被由此保持的状态下，根据来自控制单元的输出将轮廓测量单元的位置移位，作为主动修正。具体来说，该移位机构根据来自控制单元的输出，对被测量物体上的由投影单元投影图案的照明目标位置执行修正。该投影单元可以具有图案形成单元，该图案形成单元基于来自光源的光生成要投影到被测量物体的表面上的预定图案。在这种情况下，该移位机构沿与图案的投影方向垂直的方向将图案形成单元的至少一个局部部件移位。由图案形成单元基于来自光源的光所生成的图案优选为线形图案，并且该移位机构沿与所述线的纵向垂直的方向将图案生成单元的至少一个局部部件移位。在根据本发明该实施例的轮廓测量装置中，控制单元基于由偏斜检测单元检测到的偏斜，来控制移位机构以修正被测量物体上的由投影单元投影图案的照明目标位置，作为主动修正。在根据本发明该实施例的轮廓测量装置中，移位机构优选地被配置成将投影单元和成像单元保持在投影单元和成像单元的相对位置保持固定的状态下。移位机构具有用于执行对轮廓测量单元的主动修正的修正机构、和用于相对于被测量物体移动修正机构的移动机构单元。该控制单元基于由偏斜检测单元检测到的偏斜与移动机构单元的移动量之间的差，来控制修正机构以修正被测量物体上的由投影单元投影图案的照明目标位置。在根据本发明该实施例的轮廓测量装置中，该控制单元可以根据由偏斜检测单元 检测到的偏斜的量，对基于从位置获取单元输出的信息所获取的图案的位置信息来执行修正控制，作为被动修正。在这种情况下，轮廓测量装置还包括移动机构单元，该移动机构单元在保持投影单元和成像单元的相对位置的状态下，相对于被测量物体移动投影单元和成像单元。控制单元基于由偏斜检测单元检测到的偏斜与移动机构单元的移动量之间的差，对从位置获取单元获取的图案的图像的投影位置来执行修正控制。在根据本发明该实施例的轮廓测量装置中，控制单元可以基于由偏斜检测单元检测到的偏斜信息来确定成像单元的成像定时，作为主动修正。在这种情况下，控制单元基于由偏斜检测单元检测到的偏斜信息控制成像单元成像的定时，以在偏斜的相位是预定值的整数倍时使成像单元将图案成像。控制单元可以基于由偏斜检测单元检测到的偏斜信息控制成像单元成像的定时，以按在获取一个帧的持续时间内，形成在成像单元上的图案图像的因偏斜而造成的运动的运动量不大于成像单元中一像素节距的这种定时来将所述图案成像。而且，在根据本发明该实施例的轮廓测量装置中，控制单元优选地具有确定单元，当通过组合被动修正和主动修正来执行对测量误差的修正操作时，确定单元确定轮廓测量单元和轮廓计算单元中的哪个应当是基于由偏斜检测单元检测到的偏斜所执行的控制的目标。在测量被测量物体的轮廓的持续时间期间，该确定单元每次检测投影单元的偏斜时或者按规定间隔顺序地重复控制目标的确定操作。当通过组合被动修正和主动修正来执行对轮廓测量误差的修正操作时,控制单元优选地具有第一修正单元，该第一修正单元用于基于由偏斜检测单元检测到的偏斜来控制对轮廓计算单元的修正操作；和第二修正单元，该第二修正单元用于基于由偏斜检测单元检测到的偏斜，来控制对被测量物体上的由投影单元投影图案的照明目标位置的修正操作。在这种配置中，确定单元基于有关由偏斜检测单元检测到的偏斜的幅度是否大于预定幅度的确定结果，来选择第一修正单元的修正控制和第二修正单元的修正控制中的任一者。当由偏斜检测单元检测到的偏斜的幅度大于预定幅度时并且当由偏斜检测单元检测到的偏斜的频率大于预定频率时，确定单元确定执行对投影单元或成像单元的操作的修正、和对来自轮廓计算单元的图像信息的修正两者。在根据本发明该实施例的轮廓测量装置中，偏斜检测单元具有用于检测投影单元或成像单元的角速度的角速度检测器、和/或用于检测投影单元或成像单元的加速度的加速度检测器。偏斜检测单元基于角速度和/或加速度来检测偏斜。根据本发明该实施例的、包括具有上述结构的偏斜检测单元的轮廓测量装置优选地包括移位机构，该移位机构被配置成使投影单元和成像单元保持在投影单元和成像单元的相对位置保持固定的状态下。在这种情况下，移位机构具有用于执行对轮廓测量单元的主动修正的修正机构、和用于相对于被测量物体移动修正机构的移动机构单元。另一方面，第一修正单元基于由偏斜检测单元检测到的偏斜和移动机构单元的相对移动的速度，来修正投影到被测量物体上的图案的位置信息。当偏斜检测单元可以检测到偏斜角时，第二修正单元基于该偏斜角和移动机构单元的相对移动的速度，来修正被测量物体上的由投影单元投影图案的照明目标位置。
在根据本发明该实施例的轮廓测量装置中，优选的是，成像单元具有用于形成被测量物体的图像的成像光学系统，并且该成像光学系统被配置成使得与其成像平面共轭的平面包括从投影单元投影的光束的照射方向。本发明的效果即使有添加至测量装置的振动，本发明也允许该轮廓测量装置缩减3D轮廓的测
量误差。


图I是轮廓测量装置的整体图；图2是轮廓测量装置的控制框图；图3是第一实施例中的接合部件和探测器的放大图；图4是照明单元和成像单元的示意图；图5是示出利用第一实施例的轮廓测量装置测量3D轮廓的过程的流程图；图6是示出第一实施例的轮廓测量装置中的修改例的图；图7是示出利用第二实施例的轮廓测量装置测量3D轮廓的过程的流程图；图8是第三实施例中的接合部件和探测器的放大图；图9是旋转修正机构的放大图；图10是示出利用第三实施例的轮廓测量装置测量3D轮廓的过程的流程图；图11是示出利用第四实施例的轮廓测量装置测量3D轮廓的过程的第一流程图；图12是示出利用第四实施例的轮廓测量装置测量3D轮廓的过程的第二流程图；图13是示出利用第四实施例的轮廓测量装置测量3D轮廓的过程的第三流程图；图14是示出利用第四实施例的轮廓测量装置测量3D轮廓的过程的第四流程图；图15是示出第三实施例和第四实施例中的照明单元的修改例的示意图；图16是示出照明单元的修改例中的照明修正的示例的示意图；以及图17是示出满足Scheimpflug原理的光学系统的示例的图。
具体实施方式
下面，参照附图，对本发明的优选实施例进行描述。(第一实施例)图I示出了第一实施例的轮廓测量装置，并且该轮廓测量装置I构建有支承要测量物体(被测量物体)5的平台6 ;测量安装在平台6上的被测量物体5的轮廓的轮廓测量单元10 ;控制单元30,该控制单元基于从轮廓测量单元10输出的信息来计算有关被测量物体5的轮廓信息，并且基于来自下述偏斜检测单元28的信号来控制轮廓信息的计算操作或移动机构单元15的运动；以及显示单元40,该显示单元例如输出由控制单元30计算的轮廓信息的3D图像。即使被测量物体5未安装在平台6上，轮廓测量装置I也可以测量被测量物体5的轮廓，只要被测量物体5被定位在轮廓测量单元10的操作范围内即可。轮廓测量单元10构建有基部11 ;具有多关节结构的移动机构单元15，具有多个臂部12a-12e和关节(连接部)13a_13f，并且其基端接合至基部11 ;以及探测器20，该探测器可分离地通过接合部16接合至移动机构单元15的远端部(引导臂12e的远端部)。移动机构单元15按从基端侧起的次序具有基臂12a、第一中间臂12b、第二中间臂12c、第三中 间臂12d、以及引导臂12e，并且第一至第六关节13a_13f被设置在相应的臂部12a_12e的端部处。其还包括可滑动地保持探测器20的接合部16。第一关节13a连接基臂12a的基端和基部11，由此基臂12a被配置成在沿基部11的近法线方向延伸的轴上绕旋转轴可旋转。第二关节13b连接基臂12a的远端部和第一中间臂12b的基端，由此，基臂12a和第一中间臂12b中的一个被配置成可相对于另一个摆动(或旋转)。第三关节13c连接第一中间臂12b的远端部和第二中间臂12c的基端，由此，第一中间臂12b和第二中间臂12c中的一个被配置成可相对于另一个摆动(或旋转)。第四关节13d连接第二中间臂12c的远端部和第三中间臂12d的基端，由此，第二中间臂12c和第三中间臂12d中的一个被配置成，可相对于另一个摆动(或旋转)。第五关节13e连接第三中间臂12d的远端部和引导臂12e的基端，由此，第三中间臂12d和引导臂12e中的一个被配置成可相对于另一个摆动(或旋转)。第六关节13f连接引导臂12e的远端部和用于探测器20的接合部16，由此，接合至接合部16的探测器20被配置成，可相对于引导臂12e摆动(或旋转)，并且可在与引导臂12e平行延伸的轴上绕旋转轴旋转。第二至第五关节13b-13e具有它们各自的、沿彼此平行的近似水平方向延伸的旋转轴，以使中间臂和引导臂12b-12e可以在同一平面中(或者在近垂直的平面中)摆动。在第一至第六关节13a_13f的每一个旋转轴处，接合有用于测量每一个关节13a-13f的旋转轴的旋转量的编码器31，以便检测位于每一个关节13a_13f的基端侧的臂部或基部11与位于每一个关节13a-13f的远端部侧的臂部或探测器20之间的角。将这些编码器31的测量(下面，将其称为“角信息”)从每一个编码器31馈送至控制单元30，如图2所示。第一至第六关节13a-13f中的每一个都设置有锁定机构14，该锁定机构相对于位于每一个关节13a-13f的基端侧上的臂部或基部11摆动(或旋转)位于远端侧上的臂部或探测器20，并将其固定(或锁定)在预定位置处。这些锁定结构14的操作由控制单元30来控制。接合部16保持探测器20以使其可通过直线电动机17沿与照明光束(下述线光束)的传播方向近正交的方向滑动(参照图2)。即，该装置被配置成使得接合至接合部16并且保持在其上的探测器20的滑动方向为扫描方向。安装在接合部16上的直线电动机17的操作由控制单元30来控制。在直线电动机17中并入编码器(未示出)，并且将该编码器的测量值作为探测器20的根据直线电动机17的操作的移位信息，从直线电动机17 (编码器)馈送至控制单元30。在本实施例中，探测器20的滑动方向(扫描方向)有时被称为X方向，与探测器20 (作为用于将预定图案投影到被测量物体5上的投影单元的照明单元21)的光轴方向和X方向垂直的方向被称为Y方向，而与X方向和Y方向垂直的方向被称为Z方向(参照图I)。如图3所示，探测器20构建有照射被测量物体5的照明单元21、将被照明单元21照射的被测量物体5成像的成像单元25、以及检测因来自外部的振动影响而造成的探测器20 (即，照明单元21和成像单元25)的偏斜的偏斜检测单元28。照明单元21充任将预定图案投影到被测量物体5上的投影单元。照明单元21和成像单元25由普通外壳保持，以使它们的相对位置总是恒定。偏斜检测单元28被配置成能够检测沿X方向、Y方向和Z方向的偏斜。而且，如图I所示，在探测器20的一侧上设置有测量开关29，其允许操作员执行用于指示控制单元30开始和停止对被测量物体5的轮廓测量的操作。
如图4所示，照明单元21 (投影单元)构建有诸如LED的光源22，形成照明图案的图案形成单元23，以及将形成在图案形成单元23上的照明图案投影到被测量物体5上的投影透镜24。图案形成单元23由液晶显示装置等组成，并且在本实施例中，其形成照明图案以获取具有线状截面的照明光束(下面将其称为线光束)。为此，从光源22发射的光行进通过图案形成单元23，以成为线光束，并将该线光束通过投影透镜24施加(或投影)到平台6上的被测量物体5上。如图4所示,成像单元25构建有形成施加到被测量物体5上的线光束的图像(下面将其称为线图像)的成像光学系统26，和拍摄由成像光学系统26形成的线图像的成像设备27。成像设备27对形成在焦平面上的线图像执行光电转换以生成图像信号，并将图像信息输出至轮廓计算单元34。成像光学系统26的像平面满足所谓的像平面与包括所施加的线光束的照射方向的平面共轭的Scheimpflug原理。为此，该线图像可以始终被形成为清晰图像，而与被测量物体5的高度无关。如图3所示，偏斜检测单元28具有检测探测器20 (照明单元21和成像单元25)的角速度的角速度传感器28a，和检测探测器20的加速度的加速度传感器28b，并且分别基于由角速度传感器28a和加速度传感器28b检测到的角速度和加速度来检测探测器20的偏斜。探测器20 (照明单元21和成像单元25)的偏斜在此是随着探测器20按恒定速度(或恒定角速度)滑动移动(扫描)，探测器20 (照明单元21和成像单元25)的实际位置(包括方向)相对于目标位置(包括方向)的偏离(位置偏离和方向偏离)。因为足够的是，该偏斜检测单元28可以检测线形图像的投影位置(施加位置)相对于探测器20的偏离，或者成像单元25的成像区的偏离，所以加速度传感器28b和角速度传感器28a的安装位置并不总是必须受限于该示例中的安装位置。如果被测量物体上的线形图像的投影位置与臂部处出现的振动而造成的运动相关联，则角速度传感器28a和加速度传感器28b可以安装在臂部上的接合部16附近。本实施例的轮廓测量装置I是可以安装在工厂生产线等处的轮廓测量装置，并且存在轮廓测量装置I未安装在防振台(未示出)等上的情况。在这种情况下，即使关节13a-13f利用锁定机构14的致动而被固定，探测器20也因来自外部的振动的影响而相对于被测量物体5偏斜，致使造成探测器20 (照明单元21和成像单元25)随着探测器20的滑动移动(扫描)而相对于目标位置的位置偏离(偏斜)。类似位置偏离(偏斜)还因每一个臂部12a_12e等的弯曲而出现。偏斜检测单元28是检测探测器20 (照明单元21和成像单元25)的这种偏斜的单元。偏斜检测单元28的角速度传感器28a检测探测器20绕沿X方向、Y方向以及Z方向延伸的轴上的旋转轴(下面将其称为X旋转轴、Y旋转轴以及Z旋转轴)的角速度。加速度传感器28b检测探测器20沿X方向、Y方向以及Z方向的加速度。探测器20的偏斜包括因探测器20的旋转而造成的偏斜，和因探测器20的平移而造成的偏斜。然而，因为本实施例的探测器20被接合至具有多个臂部12a-12e的移动机构单元15的远端部(引导臂12e的远端部)，所以因探测器20的平移而造成的偏斜被认为显著小于因探测器20的旋转(摆动)而造成的偏斜，由此，探测器20的偏斜可以仅仅近似于因探测器20的旋转而造成的偏斜。然而，因为移动机构单元15具有许多关节，所以其可以充当平行链接机构。即，存在不检测角速度而因偏斜而检测加速度的情况。在这种情况下，偏斜 被处理为因平移而造成的偏斜(平行偏斜)。如果旋转中心被认为定位得足够远，则因平移而造成的偏斜(平行偏斜)也可以按和因旋转(摆动)而造成的偏斜相同的方式来处理。因此，如图3所示，存在关系V=r X ω，其中，V是因偏斜出现在探测器20处的旋转速度(矢量)，ω是因偏斜出现在探测器20处的角速度，而r是探测器20的偏斜的回转半径(矢量)；因此，偏斜检测单元28可以分别利用由角速度传感器28a和加速度传感器28b检测到的角速度ω和加速度dV/dt，来确定探测器20的偏斜的回转半径r (和旋转的中心)。这时，因偏斜而造成的旋转速度V可以通过积分由加速度传感器28b检测到的加速度dV/dt来获取，并且回转半径r可以根据关系表达式r=V/( +C)来确定。这里，C是常数或函数集，以避免回转半径r的差异。而且，因为探测器20的旋转角φ可以通过积分由角速度传感器28a检测到的角速度ω来获取，所以偏斜检测单元28可以利用这样获取的探测器20的回转半径r和旋转角φ5来确定探测器20的偏斜量(=rx φ λ对于通过探测器20的扫描来执行偏斜检测的情况来说，因为角速度和加速度可以基于来自设置在每一个关节上的编码器的输出值来计算，所以因偏斜而造成的角速度和加速度可以基于由偏斜检测单元28检测到的角速度和加速度，通过对因扫描出现的角速度和加速度进行修正来计算。因为探测器20的偏斜基本上和探测器20的移位相同，并且因为探测器20在扫描期间沿X方向移动，所以探测器20的X方向偏斜量通过将因探测器20的扫描而造成的影响从利用探测器20的环绕Y旋转轴的旋转轴的角速度和X方向加速度而获取的偏斜量中减去来确定。因扫描而造成的影响包括由角速度传感器检测到的分量，作为因扫描而造成的来自平移的旋转分量。该分量可以预先通过在没有振动的环境中执行扫描操作来确定。探测器20的扫描方向是X方向，并且在扫描操作期间必须没有因扫描而造成的沿Y方向的移动；因此，利用探测器20的绕X旋转轴的旋转轴的角速度和Y方向加速度而获取的偏斜量实际上被限定为探测器20的Y方向偏斜量。如图2所示,控制单元30构建有处理单元32,其控制通过轮廓测量装置I实现的对被测量物体5的轮廓测量的处理；位置计算单元33，其利用从相应编码器31输出的角信息和从直线电动机17输出的移位信息(扫描量)来计算探测器20的空间坐标和姿势(其是具有处于测量空间中的预定点处的原点的坐标和姿势，并且下面将其称为“位置信息”)；以及轮廓计算单元34，其利用从位置计算单元33输出的位置信息和从成像设备27输出的线形图像(被投影到被测量物体5上的线光束的图像)的图像信息来计算被测量物体5的轮廓信息(3D轮廓)。测量空间在此指轮廓测量装置I随着探测器20的移动可以获取被测量物体5的空间坐标的范围(空间)。位置计算单元33构成位置获取单元的至少一部分，并且该位置获取单元获取包括探测器20的轮廓测量单元10的位置，以获取被测量物体5上的投影线光束的位置。控制单元30例如通过计算机来实现，处理单元32、位置计算单元33、和轮廓计算单元34被实现为由该计算机执行的程序。来自测量开关29的输出(操作信号)被馈送到处理单元32中，并且处理单元32根据来自测量开关29的输出来控制图案形成单元23等的动作。从轮廓计算单元34输出的轮廓信息例如被存储在设置在控制单元30中的存储器36中，并且该轮廓信息进一步被处理单元32处理，以作为3D图像在显示单元40上输出。因为有关相应臂部12a_12e等的长度的信息已知，所以控制单元30的位置计算单元33 (包括在位置获取单元中)基于从相应编码器31输出的角信息来计算位于每一个关 节13a-13f的基端侧上的臂部或基部11与位于每一个关节13a-13f的远端部侧上的臂部或探测器20之间的角，并且通过附加地利用从直线电动机17 (编码器)输出的移位信息(扫描量)，其可以获取探测器20的空间上的3D坐标(空间坐标)和从探测器20投影的线光束的投影方向。而且，因为还已知探测器20中的照明单元21和成像单元25的相对位置关系(相对坐标)，所以位置计算单元33还可以计算被测量物体的哪个部件正在被测量。接着，轮廓计算单元34可以基于三角测量原理，通过根据由成像单元25 (成像设备27)获取的图像信息(线形图像的图像位置信息)确定线形图像的被拍照位置，来确定被测量物体5在成像单元25的成像范围内的3D轮廓(被测量物体5在线形光束的投影下的3D轮廓(例如，其被表达为测量空间中的、被表示为该范围中的离散坐标的一组坐标))。探测器20 (照明单元21和成像单元25)的偏斜可以如上所述出现。因此，在该第一实施例中，控制单元30执行对轮廓计算单元34的计算操作的被动修正。S卩，当轮廓计算单元34计算被测量物体5的轮廓信息时，基于由偏斜检测单元28检测到的探测器20 (照明单元21和成像单元25)的偏斜，在获取线形图像的图片时，对被测量物体的测量位置信息(通过位置获取单元获取的位置信息)进行修正。这时，例如，控制单元针对该图片上的线形图像的X方向(或Y方向)坐标值，执行修正以执行用于抵消探测器20沿X方向(或Y方向)的偏斜量的这种操作。具体来说，其获取因偏斜而造成测量位置的变化量、和基于从相应编码器输出的角信息计算出的被测量物体上的测量位置。另一方面，其获取该图片上线形图像的位置。接着，根据先前确定的、相对于被测量物体上的所计算的测量位置的变化量来修正测量位置，由此，可以修正因偏斜而造成的被测量物体上的测量位置的偏离。按这种方式，即使有添加至轮廓测量装置I的振动，也变得易于缩减3D轮廓的测量误差。下面，参照图5所示的流程图，对利用如上所述构建的轮廓测量装置I来测量被测量物体5的3D轮廓进行描述。首先，当操作员在测量开关29上执行预定测量开始操作(例如，按压操作)时，偏斜检测单元28的角速度传感器28a和加速度传感器28b通过控制单元30中的处理单元32的操作控制而被致动(步骤S101)。接下来，为移动探测器20以进入测量准备，移动机构单元15将探测器20移动至通过教导等预先设置的预定测量开始位置(步骤S102)。这时，通过处理单元32的操作控制，设置在相应关节13a-13f处的锁定机构14摆动(或旋转)臂部或探测器20，并将它们固定(或锁定)在预定测量开始位置处。接着，处理单元32确定自角速度传感器28a和加速度传感器28b致动起，是否已经经过了预定的传感器稳定化时间(步骤S103)，并且在经过传感器稳定化时间之后，其通过直线电动机17使探测器20滑动移动(扫描)而开始测量(步骤S104)。传感器稳定化时间在此是用于稳定化形成角速度传感器28a或加速度传感器28b的陀螺仪(未示出)的振动所必需的时段。随着测量的开始，直线电动机17通过处理单元32的操作控制来实现探测器20的X方向滑动移动(扫描)。这时，将探测器20根据直线电动机17的操作的移位信息(扫描量)从直线电动机17的编码器输出至控制单元30的位置计算单元33。而且，这时，角速度传感器28a检测探测器20 (照明单元21和成像单元25)的角速度，而加速度传感器28b检测探测器20的加速度；偏斜检测单元28分别基于由角速度传感器28a和加速度传感器28b检测到的角速度和加速度来计算如上所述的探测器20的偏斜，并将偏斜输出至处理单元32。应注意到，当偏斜检测单元28检测到探测器20的偏移时，可以使用高通滤波器(未示出)， 以便切除因角速度传感器28a和加速度传感器28b的长期检测信号偏离(所谓的漂移)而造成的噪声。在偏斜检测单元28检测到探测器20的偏斜之后，处理单元32确定探测器20的X方向偏斜量(通过从利用角速度和加速度所获取的X方向偏斜量减去探测器20的扫描量而获得的量，如上所述)是否大于预定阈值Thl (步骤S105)。该预定阈值Thl是探测器20的、开始影响轮廓计算单元34对轮廓信息(3D轮廓)的计算结果的偏斜量。当该确定在此为“否”时，探测器20的偏斜较小，并由此测量装置进入稳定模式(步骤S106)，以执行正常测量，而不执行根据探测器20的偏斜的修正。另一方面，当该确定在此为“是”时，将成像计数N设置成N=I (步骤S107)。当成像计数N被设置成N=I时，照明单元21利用线光束执行照射(步骤S108)。这时，光源22通过处理单元32的操作控制被接通，从光源22发射的光穿过图案形成单元23以变为线光束，接着该线光束通过投影透镜24被施加(或投影)到平台6上的被测量物体5上。通过成像光学系统26在成像设备27的成像平面上形成投影到被测量物体5上的线光束的图像(线形图像)。接着，成像设备27拍摄该线图像(步骤S109)。这时，通过处理单元32的操作控制，成像设备27对形成在成像平面上的线形图像执行光电转换，以生成图像信号，并将图像信息输出至轮廓计算单元34。轮廓计算单元34具有测量表(未示出)，其中，可以记录多条图像信息，以便计算被测量物体5的轮廓信息，并且该测量表中与线形图像的图像信息一起记录的数据包括由位置计算单元33计算的、在成像操作中来自探测器20的线光束的投影位置信息(目标位置);和由偏斜检测单元28检测的、在成像操作中因探测器20的偏斜而造成的探测器20的位置的变化量和线光束的投影方向的变化量(步骤S110)。当总成像计数由Ne表示时,处理单元32确定是否N=Ne (步骤S111)。当该确定在此为“否”时，计数N被设置成N=N+1 (步骤S112)，并且处理返回至步骤S108。S卩，重复步骤S108至S110，直到完成所有成像操作为止。另一方面，当该确定在此为“是”时，轮廓计算单元34利用记录在测量表(未示出)中的可以根据线形图像的图像信息获取的线光束的投影位置信息、和探测器20的位置信息来计算被测量物体5的轮廓信息(3D轮廓)，并接着终止该处理。如上所述，当轮廓计算单元34计算被测量物体5的轮廓信息时，基于由偏斜检测单元28检测到的探测器20 (照明单元21和成像单元25)的偏斜，按这样的方式来执行控制，即，执行对被测量物体5上的测量位置的修正操作(被动修正)，以抵消因探测器20的不希望偏斜而造成的影响。如上所述，即使有添加至轮廓测量装置I的振动，第一实施例也可以缩减3D轮廓的测量误差。在第一实施例中，通过修正因探测器20的偏斜而造成的线光束的投影位置的位置偏离，可以更多地缩减3D轮廓的测量误差。在上述第一实施例中，如果探测器20的X方向偏斜因来自外部的振动影响而出现，则探测器20在如图6所示沿X方向振动的同时扫描被测量物体5，并且成像位置P的密度每测量区变得高于或低于探测器20没有偏斜的情况。接着，该装置可以被配置成从测量目标中排除多个成像位置P中的、测量点处的密度变高的区域处的图像信息。这允许轮廓 3D轮廓的测量误差。
前述第一实施例示出了被动修正的示例，其用于针对图片上的线形图像的X方向(或Y方向)坐标值，执行用于抵消探测器20的沿X方向(或Y方向)的不希望偏斜量的影响的这种计算，但该修正并不总是必须受限于该示例。例如，还可以采用这样的配置，即，偏斜检测单元28检测探测器20的Z方向偏斜，并且针对图片上的线形图像的Z方向坐标值执行修正，以执行用于抵消探测器20的Z方向偏斜量的这种计算。这可以更多地缩减由于探测器20的沿Z方向(被测量物体5的高度方向)的偏斜而造成的对投影到被测量物体上的线形图像的位置偏离的影响而引起的3D轮廓的测量误差。下面，参照图16和17，对第一实施例中被测量物体5上的测量位置的修正操作(被
动修正)的示例进行描述。首先，对成像设备27 (像平面)上的坐标与物体(物平面)上的坐
标之间的关系进行说明。如图17所示，使(H，V)为原点处于光轴I上的像平面S3上的坐
标，而(h，V)为原点处于光轴I上的物平面SI上的坐标。如前所述，成像光学系统26的像
平面满足Scheimpflug原理。为此,如图17所示,满足用下面的公式(I)和公式(2)表示的
条件，其中，a是从物平面SI在光轴I上的位置至主平面S2的距离，b是从主平面S2至像
平面S3在光轴I上的位置的距离，b/a=^，Θ是物平面SI相对于与光轴I正交的平面的
倾角，而Θ ’是像平面S3相对于与光轴I正交的平面相对的倾角。
权利要求
1.一种轮廓测量装置，包括 轮廓测量单元，具有用于将预定图案投影到被测量物体上的投影单元、和用于将由投影单元投影的图案成像的成像单元； 位置获取单元，获取轮廓测量单元的位置； 轮廓计算单元，被连接以使得能够与成像单元和位置获取单元通信，并且基于来自成像单元的图像信息和来自位置获取单元的位置信息来计算被测量物体的轮廓 偏斜检测单元，检测投影单元的偏斜；以及 控制单元，连接至偏斜检测单元，并且基于由偏斜检测单元检测的投影单元的偏斜，来执行对轮廓测量单元的位置控制或操作控制的主动修正、和对轮廓计算单元的计算操作的被动修正中的至少任一个。
2.根据权利要求I所述的轮廓测量装置，还包括移位机构，该移位机构在由此保持轮廓测量单元的状态下，根据来自控制单元的输出，将轮廓测量单元的位置移位，作为主动修正。
3.根据权利要求2所述的轮廓测量装置，其中，该移位机构根据来自控制单元的输出，对被测量物体上的由投影单元投影图案的位置执行修正。
4.根据权利要求2所述的轮廓测量装置，其中，该投影单元具有图案形成单元，该图案形成单元基于来自光源的光生成要投影到被测量物体的表面上的预定图案，并且 其中，该移位机构沿与图案的投影方向垂直的方向将图案形成单元的至少一个局部部件移位。
5.根据权利要求4所述的轮廓测量装置，其中，由图案形成单元基于来自光源的光生成 的图案是线图案，并且 其中，该移位机构沿与所述线的纵向垂直的方向将图案生成单元的至少一个局部部件移位。
6.根据权利要求2至5中的任一项所述的轮廓测量装置，其中，该控制单元基于由偏斜检测单元检测到的偏斜，来控制移位机构以修正被测量物体上的由投影单元投影图案的位置，作为主动修正。
7.根据权利要求3或4所述的轮廓测量装置，其中，该移位机构被配置成，在投影单元和成像单元的相对位置保持固定的状态下保持投影单元和成像单元，并且具有用于执行对轮廓测量单元的主动修正的修正机构、和用于相对于被测量物体移动修正机构的移动机构单元，并且 其中，该控制单元基于由偏斜检测单元检测到的偏斜与移动机构单元的移动量之间的差，来控制修正机构以修正被测量物体上的由投影单元投影图案的位置。
8.根据权利要求I所述的轮廓测量装置，其中，该控制单元根据由偏斜检测单元检测到的偏斜的量，对基于从位置获取单元输出的信息所获取的图案的位置信息来执行修正控制，作为被动修正。
9.根据权利要求8所述的轮廓测量装置，还包括移动机构单元，该移动机构单元在保持投影单元和成像单元的相对位置的状态下，相对于被测量物体移动投影单元和成像单元， 其中，该控制单元基于由偏斜检测单元检测到的偏斜与移动机构单元的移动量之间的差，对从位置获取单元获取的图案的图像的所获取位置信息来执行修正控制。
10.根据权利要求I所述的轮廓测量装置，其中，该控制单元基于由偏斜检测单元检测到的偏斜信息来确定成像单元的成像定时，作为主动修正。
11.根据权利要求10所述的轮廓测量装置，其中，该控制单元基于由偏斜检测单元检测到的偏斜信息，来控制成像单元的成像定时，以在偏斜的相位是预定值的整数倍时使成像单元将所述图案成像。
12.根据权利要求11所述的轮廓测量装置，其中，该控制单元基于由偏斜检测单元检测到的偏斜信息，来控制成像单元的成像定时，以使按在获取一个帧的持续时间内，形成在成像单元上的图案图像的、因偏斜而造成的运动是不大于成像单元中一像素节距的运动量的这种定时来将所述图案成像。
13.根据权利要求I所述的轮廓测量装置，其中，该控制单元具有确定单元，该确定单元确定轮廓测量单元和轮廓计算单元中的哪一个应当是基于由偏斜检测单元检测到的偏 斜所执行的控制的目标。
14.根据权利要求13所述的轮廓测量装置，其中，该控制单元具有第一修正单元，该第一修正单元用于基于由偏斜检测单元检测到的偏斜来控制对轮廓计算单元的修正操作；和第二修正单元，该第二修正单元用于基于由偏斜检测单元检测到的偏斜，来控制对被测量物体上的由投影单元投影图案的位置的修正操作，并且 其中，该确定单元基于有关由偏斜检测单元检测到的偏斜的幅度是否大于预定幅度的确定结果，来选择第一修正单元的修正控制和第二修正单元的修正控制中的任一者。
15.根据权利要求14所述的轮廓测量装置，其中，当由偏斜检测单元检测到的偏斜的幅度大于预定幅度时，并且当由偏斜检测单元检测到的偏斜的频率大于预定频率时，该确定单元确定执行对投影单元或成像单元的操作的修正和对来自轮廓计算单元的图像信息的修正两者。
16.根据权利要求I至15中的任一项所述的轮廓测量装置，其中，该偏斜检测单元具有用于检测投影单元或成像单元的角速度的角速度检测器、和用于检测投影单元或成像单元的加速度的加速度检测器中的至少一种，并且基于角速度和加速度中的至少一个来检测偏斜。
17.根据权利要求14所述的轮廓测量装置，还包括移位机构，该移位机构被配置成，在投影单元和成像单元的相对位置保持固定的状态下保持投影单元和成像单元，所述移位机构具有用于执行对轮廓测量单元的主动修正的修正机构、和用于相对于被测量物体移动修正机构的移动机构单元， 其中，该第一修正单元基于由偏斜检测单元检测到的偏斜和移动机构单元的相对移动的速度，来修正投影到被测量物体上的图案的位置信息。
18.根据权利要求17所述的轮廓测量装置，其中，该偏斜检测单元可以检测偏斜角作为偏斜，并且 其中，该第二修正单元基于该偏斜角和移动机构单元的相对移动的速度，来修正被测量物体上的由投影单元投影图案的位置。
19.根据权利要求I至18中的任一项所述的轮廓测量装置，其中，该成像单元具有用于形成被测量物体的图像的成像光学系统，并且该成像光学系统被配置成使得与其成像平面共轭的平面包括从投影单元投影的光束的照射 方向。
全文摘要
本发明涉及缩减因振动影响而造成的3D轮廓的测量误差的轮廓测量装置。轮廓测量装置设置有轮廓测量单元、位置获取单元、轮廓计算单元、偏斜检测单元、以及控制器单元。该轮廓测量单元具有用于将图案投影到被测量物体上的投影单元、和将该图案成像的成像单元。该位置获取单元获取该图案在被测量物体上的位置。该轮廓计算单元基于来自成像单元的图像信息和来自位置获取单元的位置信息来计算被测量物体的轮廓。该偏斜检测单元检测投影单元的偏斜。该控制单元基于由偏斜检测单元检测到的投影单元的偏斜，来执行对轮廓测量单元的主动修正和/或对轮廓计算单元的被动修正。
文档编号G01B11/25GK102859318SQ201180020970
公开日2013年1月2日 申请日期2011年4月26日 优先权日2010年4月26日
发明者伊藤由佳, 藤泽晴彦 申请人:株式会社尼康