專利名稱：用于測量物體尺寸的裝置和測量物體尺寸時用的度盤的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于測量物體尺寸、角度、距離、大小等(以下簡稱為＂尺寸＂)的裝置和測量物體尺寸時使用的度盤，更確切地說，涉及一種無論被測物體處于何種部位，在測量物體尺寸時均能提高測量精度的裝置。
在1993年12月6日出版的日本專利公開號5-85004中描述了一種測量物體尺寸的傳統(tǒng)裝置。這種測量物體尺寸的傳統(tǒng)裝置包括帶有刻度標(biāo)記的X向和Y向透明刻度板，用于在其上放置被測矩形片狀物體的安置板，用于向放在透明刻度板上的物體發(fā)射光的發(fā)光設(shè)備，和用于接收穿過X向和Y向透明刻度盤的光的X、Y及原點圖象傳感器。
工作時，將矩形片狀物體放到安置板上，使矩形片狀物體的第一和第二正交側(cè)位于X向和Y向透明刻度板的內(nèi)部，并使由第一和第二正交側(cè)所確定的頂點位于X向和Y向透明刻度板交叉區(qū)的內(nèi)部。然后，光從發(fā)光設(shè)備射向X向和Y向刻度板，以便于X、Y和原點圖象傳感器接收穿過X向和Y向刻度板外部以及穿過交叉區(qū)外部的光。根據(jù)X、Y和原點圖象傳感器的輸出信號，可以測定與X向和Y向透明刻度板有關(guān)的由矩形片狀體的第一和第二正交側(cè)確定的頂點位置，和由矩形片狀體的第二側(cè)和第三側(cè)以及由矩形片狀體的第一側(cè)和和第四側(cè)確定的另外兩個頂點的位置。此外，通過用矩形片狀體三個頂點的位置進(jìn)行計算可獲得矩形片狀體第一至第四個側(cè)面的長度，矩形片狀體對角線的長度，矩形片狀體的頂角。
然而，在傳統(tǒng)的用于測量物體尺寸的裝置中存在這樣的缺點，例如，無法測到矩形片狀體上兩個任意點之間的距離，這是因為頂點的位置是用X向和Y向透明刻度板檢測的，然而由于其結(jié)構(gòu)是將矩形片狀體直接固定在X向和Y向刻度板上，使得每個X和Y圖象傳感器不能辨別刻度標(biāo)記的圖形，所以即使是該圖形位于第一和第二側(cè)面的附近，也無法測出矩形片狀體所確定的任何圖形。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于測量物體尺寸的裝置，該裝置能夠測出物體上兩個任意點之間的距離，即使是這兩個點相距很遠(yuǎn)或遠(yuǎn)離物體的側(cè)邊或邊緣，本發(fā)明還提供一種在進(jìn)行上述測量時使用的度盤。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種用于測量物體尺寸的裝置，該裝置能從其它圖形中精確地辨別刻度標(biāo)記和在物體上確定的圖形，從而提高了測量物體尺寸時的精度，本發(fā)明還提供一種在進(jìn)行測量時使用的度盤。
按本發(fā)明的特征，一種在測量物體尺寸的裝置中使用的度盤包括一個工作臺，具有平的第一表面，其上可放置待測量的物體；一塊標(biāo)記板，配置在平行于平的第一表面的平的第二表面上，該標(biāo)記板帶有表示包括坐標(biāo)、尺寸或角度的測量單元的標(biāo)記；半反射鏡裝置，配置在平的第三表面上，該表面處于這樣的位置，即使得物體與半反射鏡裝置之間的光學(xué)距離等于標(biāo)記與半反射鏡裝置之間的距離；以及讀取裝置，利用穿過半反射鏡裝置的光和從半射鏡裝置反射的光，來讀取相應(yīng)于物體上一個任意點的數(shù)值和相應(yīng)于該任意點的標(biāo)記板上的一個數(shù)值。
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作更詳細(xì)地說明，其中

圖1A至1H是表示按照本發(fā)明第一個優(yōu)選實施例所述用于測量物體尺寸的裝置的解釋性示圖，其中圖1A表示所述的裝置，圖1B表示用于裝置中的度盤，圖1C表示度盤上的標(biāo)記，圖1D表示裝置中使用的圖象傳感器單元，圖1E表示裝置中的被測物體，圖1F至1H表示裝置中圖象傳感器單元中的CCD傳感器與刻度標(biāo)記之間的關(guān)系；圖2-4是表示按照本發(fā)明第2-4個優(yōu)選實施例所述用于測量物體尺寸的裝置的解釋性示圖；圖5是表示按照本發(fā)明第5個優(yōu)選實施例所述用于測量物體尺寸的裝置的解釋性示圖；和圖6、7表示用于測量物體尺寸的常規(guī)裝置的解釋性示圖。
圖1A-1H描述了根據(jù)本發(fā)明第一個優(yōu)選實施例所述用于測量物體尺寸的裝置。
在圖1A中，該裝置包括沿箭頭指示的X方向運(yùn)動的X向工作臺1a，沿與X方向垂直的Y方向運(yùn)動的Y向工作臺1b，Y向工作臺上放有等待進(jìn)行尺寸測量的物體2，Y向工作臺1b上設(shè)置透明刻度板4，刻度板4的一個表面上帶有度盤；圖象傳感器單元3，其帶有選擇性地聚焦到物體2和刻度板4的度盤上的聚焦系統(tǒng)(未示出)；根據(jù)接收到的圖象傳感器單元3的輸出信號計算物體2的尺寸的計算單元5；和用于發(fā)射光使之穿過刻度板到達(dá)物體2的發(fā)光設(shè)備7a、7b和7c。
在該裝置中，將Y向工作臺1b和刻度板4設(shè)計成使得放在Y向工作臺1b上的物體2與刻度板4之間的距離d大于圖象傳感器單元3的聚焦系統(tǒng)的聚焦深度。
圖1B表示透明刻度板，其具有按矩陣布置的刻度標(biāo)記41。
在圖1C中，放大了的標(biāo)記41的寬度為W，高度為W，而設(shè)置的間距為P1。
圖1D表示刻度板4的標(biāo)記41上或被圖象傳感器單元3的CCD傳感器31覆蓋的物體2上的視野V×V，其中CCD傳感器31是以間距P2按矩陣布置的。
圖1E表示例如金屬板材的物體2，其上帶有孔21和22，孔的中心點O1和O2之間形成距離D。
在圖1F-圖1H中，圖象傳感器單元3的CCD傳感器31檢測刻度板4的標(biāo)記41，并將檢測信號S送至計算單元5，其中輸出信號S的波形取決于標(biāo)記41的寬度W和圖象傳感器單元3的CCD傳感器31的間距P2之間的關(guān)系，以及CCD傳感器31與標(biāo)記41的相對位置。
為了確定一個特定的具有相同尺寸和結(jié)構(gòu)的標(biāo)記41，必須滿足下面規(guī)定的條件。
M＜P1/2(1)其中M是X向和Y向工作臺1a和1b的近似位置精度，即使使用的度盤不是本發(fā)明所用的那種。
2P1+W＜V(2)這意味著圖象傳感器單元3必須在X和Y方向上覆蓋多于兩個標(biāo)記41。
W＜P1/2(3)這意味著間距P1與寬度W的比率必須小于2，以便將物體2對標(biāo)記41的圖象的影響降至最低，即，把對分辨率的影響抑制到最低。
2P2＜W(4)
這意味著寬度W相對于CCD傳感器31的間距P2必須大于預(yù)定的值，即兩倍。而且，通過對輸出信號S進(jìn)行處理可以精確地得到每個標(biāo)記41的中點。如圖1G所示，由于該關(guān)系不滿足上述條件所以產(chǎn)生的輸出信號S為脈沖樣波形，而圖1F和1H所示的關(guān)系滿足上述條件，所以提供的輸出信號S是階梯形波形。
階梯形波形有利于對輸出信號S進(jìn)行處理和識別刻度板4上的灰塵與標(biāo)記41。
在測量物體2的尺寸時，計算單元5利用標(biāo)記41的中心點。因此，允許標(biāo)記41的寬度W有誤差，這是因為，由于標(biāo)記41是方形結(jié)構(gòu)，其相對于中心點是對稱的，因而中心點不會偏離。
在這種情況下，標(biāo)記41并不限于方形，只要其為點對稱的形狀即可，例如圓形等。
如以上所討論的那樣，一個特別好的例子如下W＝8μm，P1＝400μm，V＝1000μm，M＝100μm，和P2＝2μm。
如圖1A中所述，在光軸方向上使物體2與刻度板4的標(biāo)記41相隔預(yù)定距離，最好是明顯大于聚焦深度。
在一個特定實例中，當(dāng)孔數(shù)為N.A.而標(biāo)記41的寬度為W時，最好滿足距離d＞w/2N.A.。
在工作時，連續(xù)控制X向和Y向工作臺1a和1b使其分別在X和Y方向上運(yùn)動，以便使物體2上的孔21定位在圖象傳感器單元3下方。在這種狀態(tài)下，圖象傳感器單元3的聚焦系統(tǒng)分別對孔21和蓋住孔21的刻度板4上的標(biāo)記41進(jìn)行聚焦。這樣，圖象傳感器單元3的CCD傳感器31分別檢測孔21和標(biāo)記41，并將輸出信號S從傳感器送至計算單元5，在計算單元5中根據(jù)標(biāo)記41的地址計算孔21的中心點O1。然后使X向和Y向工作臺1a和1b分別在X和Y方向上運(yùn)動，以便使物體2的孔22定位在圖象傳感器單元3下方。用與在孔21中相同的方式，在計算單元5中根據(jù)標(biāo)記41的地址計算孔22的中心點O2。然后，在計算單元5中根據(jù)算出的中心點位置進(jìn)一步計算孔21和22的中心點O1和O2之間的距離D。
在本發(fā)明所述的一種用于測量物體尺寸的裝置中，可以使圖象傳感器單元3在X和Y方向上運(yùn)動，同時使物體2和度盤靜止，而且可以用磁檢測系統(tǒng)來代替上面使用的光學(xué)檢測系統(tǒng)。
圖2表示按照本發(fā)明第二個優(yōu)選實施例所述用于測量物體尺寸的裝置，其中用與第一優(yōu)選實施例中所用的同樣標(biāo)號表示相同的部件，不同的是將帶有刻度標(biāo)記的刻度板4設(shè)置在物體2的相對側(cè)上。
在該裝置中，將X向和Y向工作臺簡單地示為工作臺1，用設(shè)置在工作臺1兩相對側(cè)同樣位置上的圖象傳感器單元3A和3B來代替圖1A中所示的圖象傳感器單元3。
在工作中，隨著工作臺1在X和Y方向上運(yùn)動，物體2和刻度板4也產(chǎn)生運(yùn)動且相對于圖象傳感器單元3A和3B占據(jù)了同樣的位置。這樣，將圖象傳感器3A和3B的輸出信號送至計算單元5，在計算單元5中對輸出信號進(jìn)行處理并計算物體2的尺寸。
圖3表示按照本發(fā)明第三個優(yōu)選實施例所述用于測量物體尺寸的裝置，其中用與第一和第二優(yōu)選實施例中相同的參考標(biāo)號表示相同的部件。
在該裝置中，為了用圖象傳感器單元3通過刻度板4來檢測物體2和度盤4A以便提高測量物體2尺寸時的精度，而將度盤4A設(shè)在刻度板4上正對物體2的表面上，這樣可以使刻度盤4的折射率對物體2和度盤4A的檢測光同時產(chǎn)生影響。對于度盤4A的圖象傳感器單元3和物體2來說，其光學(xué)條件彼此是不同的。因此，物體2的圖象在刻度板4處是被繞射的，由于這種繞射，會出現(xiàn)光學(xué)誤差。
圖4表示根據(jù)本發(fā)明的第四個優(yōu)選實施例所述用于測量物體尺寸的裝置，其中用與在第一至第三優(yōu)選實施例中所用的相同參考標(biāo)號表示相同的部件。
在該裝置中，相對于X和Y向工作臺1以及帶有度盤4A的刻度板4設(shè)置了呈45°角的半反射鏡6，并設(shè)置了光閥8A和8B，其遮住度盤4A和物體2這兩個光路中的一個。當(dāng)采用其它對度盤4A和物體2使用不同波長的光的裝置時，可以省去光閥8A和8B。
在工作時，圖象傳感器單元3根據(jù)光閥8A和8B的轉(zhuǎn)換可選擇性檢測物體2的預(yù)定部位和度盤4A上的相關(guān)標(biāo)記。
在第二和第四優(yōu)選實施例中，可使光學(xué)距離相等以減小誤差。
圖5示出按照本發(fā)明第5實施例的用于測量物體尺寸的一個裝置。該裝置包括工作臺1，其水平表面上放有待測量的物體；標(biāo)記板單元7，配置成與工作臺1平行，含有一塊設(shè)在讀取單元3(將在下面敘述)側(cè)面的標(biāo)記板4和一塊設(shè)在物體2側(cè)面的半反射鏡6；讀取單元3，例如一個CCD攝象機(jī)，利用穿過半反射鏡6的光和從半射鏡6反射的光，來讀取相應(yīng)于物體2上一個任意點的數(shù)值和相應(yīng)于該任意點的標(biāo)記板4上標(biāo)記4A的一個數(shù)值；以及計算單元5，用于計算由讀取單元3讀取的標(biāo)記值。標(biāo)記板單元7配置成使物體2與半反射鏡6之間的光學(xué)距離d1等于標(biāo)記4A與半反射鏡6之間的光學(xué)距離d2。
標(biāo)記板4的表面上有如圖3所示的坐標(biāo)標(biāo)記4A，該標(biāo)記板由可透過可見光的材料(例如玻璃)制成。標(biāo)記4A還可以是表示尺寸、角度等的標(biāo)記。
半反射鏡6包括一個二向色性的反射鏡，其光反射率和透射率在很大程度上取決于波長。
讀取單元3設(shè)置成能沿X和Y方向上移動。相應(yīng)于物體2上任意點的一個值和相應(yīng)于該任意點的標(biāo)記板4上標(biāo)記4A的一個值，是利用穿過半反射鏡6的光和從半反射鏡6反射的光來讀取的。
在有上述結(jié)構(gòu)的裝置中，當(dāng)讀取單元3在X和Y方向移動時，就利用穿過半反射鏡6的光來讀取工作臺1上物體2的一個任意點的值，同時，利用從半反射鏡6反射的光來讀取相應(yīng)于該任意點的標(biāo)記4上標(biāo)記4A的一個值。讀取單元3將讀取的標(biāo)記4A的值輸出到計算單元5，以計算此輸入的標(biāo)記4A的值，從而確定出物體2的尺寸。
在此情況下，物體2和標(biāo)記4A配置成使物體2與讀取單元3之間的光學(xué)距離等于標(biāo)記4A與讀取單元3之間的光學(xué)距離。因此，即使讀取單元3發(fā)生某些變化以致與光路有所傾斜時，物體2與標(biāo)記4A的讀取點之間通過半反射鏡6的相互關(guān)系仍然不變，于是測量精度得以改善。
盡管本發(fā)明的裝置是參照讀取裝置3為可移動的一個實施例而加以說明的，但是該裝置也可制成使工作臺1和標(biāo)記板單元7為可移動的，而讀取單元3不動。另外，按照本發(fā)明的上述實施例，標(biāo)記板4和半反射鏡6彼此成一整體，以形成標(biāo)記板單元7。但是，它們彼此亦可獨立配置。
如前所述，在本發(fā)明的用于測量物體尺寸的裝置中，待測物體與標(biāo)記配置成使物體與讀取單元之間的光學(xué)距離等于標(biāo)記與讀取單元之間的光學(xué)距離。這樣就能夠消除視差，從而滿意地改進(jìn)了測量精度。
雖然為了完全和清楚地公開而參照具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是附加的權(quán)利要求并不受此限制，這些權(quán)利要求的構(gòu)成包含了本領(lǐng)域技術(shù)人員所能做出的所有改進(jìn)和變型結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)完全屬于本發(fā)明所涉及的基本構(gòu)思。
權(quán)利要求
1.一種用于測量物體尺寸的裝置，包括一個工作臺，具有平的第一表面，其上可放置待測量的所述物體；一塊標(biāo)記板，配置在平行于平的第一表面的平的第二表面上，該標(biāo)記板帶有表示包括坐標(biāo)、尺寸或角度的測量單元的標(biāo)記；半反射鏡裝置，配置在平的第三表面上，該表面處于這樣的位置，即使得物體與半反射鏡裝置之間的光學(xué)距離等于標(biāo)記與半反射鏡裝置之間的距離；以及讀取裝置，利用穿過半反射鏡裝置的光和從半射鏡裝置反射的光，來讀取相應(yīng)于物體上一個任意點的數(shù)值和相應(yīng)于該任意點的標(biāo)記板上標(biāo)記的一個數(shù)值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述工作臺、標(biāo)記板和半反射鏡裝置在測量過程中不動，而讀取裝置可在一個或兩個尺寸方向移動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述讀取裝置在測量過程中不動，而工作臺、標(biāo)記板和反射鏡裝置可在一個或兩個尺寸方向移動。
全文摘要
一種度盤，具有布置成矩陣且成點對稱形狀的標(biāo)記。將度盤和待測量尺寸的物體固定使之無相對運(yùn)動。圖象傳感器單元選擇地和連續(xù)地檢測物體的預(yù)定部位和與其相對應(yīng)的度盤標(biāo)記，圖象傳感單元按對物體和度盤的檢測結(jié)果產(chǎn)生輸出信號，對信號處理并計算物體尺寸。一種測量物體尺寸的裝置，可消除視差，從而滿意地改善了測量精度。在該裝置中，物體和標(biāo)記配置成使物體與一讀取單元之間的光學(xué)距離等于標(biāo)記與該讀取單元之間的光學(xué)距離。
文檔編號G01B11/02GK1150242SQ95119638
公開日1997年5月21日 申請日期1995年11月29日 優(yōu)先權(quán)日1995年11月15日
發(fā)明者星山浩樹 申請人:日本Em株式會社