專利名稱：位移傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及以非接觸方式測(cè)定測(cè)量對(duì)象物體的位移的位移傳感器。
背景技術(shù)：
在工廠自動(dòng)化(FA)等技術(shù)領(lǐng)域，使用于產(chǎn)品制造的制造裝置的位置控制和產(chǎn)品相對(duì)于制造裝置的位置控制，或產(chǎn)品的檢查等往往使用位移傳感器。這種位移傳感器通常使用三角測(cè)量方式。這是對(duì)測(cè)量對(duì)象物體照射光線，利用位置檢查元件等檢查測(cè)量對(duì)象物體反射的光線的方法，是根據(jù)隨測(cè)量對(duì)象物體的位移而變化的位置檢測(cè)元件上的受光點(diǎn)的重心位置變化測(cè)定位移量的方法。
采用這種三角測(cè)量方式的位移傳感器，不能夠把照射到測(cè)量對(duì)象物體上的光點(diǎn)尺寸保持于衍射極限那樣的微小的光點(diǎn)尺寸。如圖48所示，即使光源使用激光照射器1001等相干光，利用透鏡1002聚光，如實(shí)踐所示，達(dá)到衍射極限的光點(diǎn)尺寸的只是1006所示的一點(diǎn)，其他幾乎所有位置上光點(diǎn)尺寸都較大。在測(cè)量對(duì)象物體1005上變寬的照射光的反射光即使用透鏡1003聚焦于位置檢測(cè)元件1004上，也如虛線所示，形成具有較大寬度的受光點(diǎn)。
另一方面，只要不是完全的鏡面，幾乎所有的測(cè)量對(duì)象物體上都存在因表面上的微小凹凸或色彩的不均勻而引起的反射強(qiáng)度的不均勻。其結(jié)果是，在被測(cè)定對(duì)象物體上反射的光線的光點(diǎn)內(nèi)也產(chǎn)生輝度不均勻，這形成位置檢測(cè)元件上的受光光點(diǎn)的重心位置變化。也就是說即使測(cè)量對(duì)象物體的位移量為0，如果測(cè)量對(duì)象物體表面上的位置不同，則由于反射強(qiáng)度不均勻，在位置檢測(cè)元件上的受光光點(diǎn)的重心位置也不同，其結(jié)果是，作為測(cè)量結(jié)果的位移測(cè)量值不同。這成了測(cè)量誤差，妨礙了高精度測(cè)量。
作為抑制這種測(cè)量誤差的位移傳感器，已知有日本的特開平7-113617號(hào)公報(bào)所述的技術(shù)。在該公報(bào)記載的技術(shù)，與三角測(cè)量方式不同，使透鏡在位移測(cè)量方向上掃描，以使照射光束的聚光位置改變，根據(jù)在照射光束的聚光位置與被測(cè)量的對(duì)象物體上一致時(shí)，反射光的受光光點(diǎn)變?yōu)樽钚∵@一情況測(cè)定位移量。采用這種方法，不利用反射光的受光光點(diǎn)的受光位置，因此能夠在幾乎不受反射強(qiáng)度不均勻的影響的情況下進(jìn)行位移測(cè)量。
但是，用這樣的位移傳感器，由于采用把透鏡安裝于音叉上進(jìn)行掃描的結(jié)構(gòu)，故掃描頻率的提高受到限制。這是因?yàn)?，透鏡為了確保受光量，還為了使由衍射極限決定的光點(diǎn)直徑微小化，必須有一定的大小，不能小型化，因此固有振動(dòng)頻率低，使掃描頻率提高是困難的。掃描頻率低，則測(cè)量一點(diǎn)的位移量的時(shí)間長(zhǎng)。在測(cè)量多個(gè)點(diǎn)的情況下以及在同一點(diǎn)對(duì)測(cè)定值進(jìn)行平均處理，進(jìn)行更高精度的處理的情況下，總測(cè)量時(shí)間與測(cè)量點(diǎn)數(shù)或平均處理次數(shù)成正比地變長(zhǎng)。
另一方面，這種位移傳感器往往使用于物體形狀的高精度測(cè)量，在這種情況下測(cè)量點(diǎn)數(shù)極大，而且為了進(jìn)行高精度測(cè)量，往往進(jìn)行平均處理。雖然也取決于應(yīng)用，但通常如果要高精度測(cè)定測(cè)量對(duì)象物體的形狀，則總測(cè)量時(shí)間往往達(dá)到數(shù)秒甚至數(shù)分鐘，成了制約生產(chǎn)數(shù)量的工序。為了縮短總測(cè)量時(shí)間，如果只進(jìn)行抽查，又要擔(dān)心不合格產(chǎn)品漏檢，而如果減少測(cè)定值的平均次數(shù)，則會(huì)降低測(cè)量精度。
又，透鏡與音叉成一體，固有振動(dòng)頻率是固定的，該固有振動(dòng)頻率實(shí)際上決定了掃描頻率，因此不能夠利用更換透鏡的方法簡(jiǎn)單地改變檢測(cè)距離和位移檢測(cè)范圍。因?yàn)楦鼡Q透鏡需要變更掃描頻率，也就需要變更處理電路和音叉驅(qū)動(dòng)用的線圈等。為了不改變掃描頻率地變更檢測(cè)距離和位移測(cè)量范圍，必須使與音叉形成一體的透鏡保持不變，并另行在光路中附加多個(gè)透鏡，以此等效地改變透鏡的光學(xué)特性，或者變更掃描的透鏡，并重新設(shè)計(jì)整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，以使掃描頻率相同。一旦增加多個(gè)透鏡，則外形變大，成本增高。為了與相應(yīng)于測(cè)量對(duì)象物體和裝置形狀的檢測(cè)距離、位移測(cè)量范圍對(duì)應(yīng)，每次都重新設(shè)計(jì)、制作傳感器，就需要開發(fā)研究費(fèi)用，還是要增大成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于這樣的存在問題而作出的。其目的在于，提供能夠進(jìn)行幾乎不受反射強(qiáng)度不均勻的影響的高精度位移測(cè)量，而且測(cè)量所需時(shí)間短的位移傳感器。
本發(fā)明的另一目的是，提供采用透鏡可以更換的結(jié)構(gòu)，以此實(shí)現(xiàn)容易改變檢測(cè)距離和位移測(cè)量范圍的位移傳感器，而且是能夠?qū)?yīng)于各種不同的應(yīng)用的位移傳感器。
本發(fā)明又一目的是提供采用制造時(shí)容易有選擇地采用不同種類的透鏡，以此適應(yīng)檢測(cè)距離和位移測(cè)量范圍較大的組合中選出的組合，容易以低廉的成本制造的所述位移傳感器。
為了便于理解，下面參照實(shí)施形態(tài)的兩個(gè)例子的圖1及圖2的符號(hào)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明。在圖1與圖2中符號(hào)不同的情況下，在下面記述中的“/”符號(hào)的前面表示圖1的符號(hào)，后面表示圖2的符號(hào)。本發(fā)明的位移傳感器具備投光單元1、具有遮光掩模901a和受光元件902a的受光單元9、把投光單元1射出的光束聚焦于被測(cè)定對(duì)象物體8的第1聚光元件3、5、7/14、將測(cè)量對(duì)象物體8來的反射光束聚焦于受光單元9的第2聚光元件7、5、3/15、配置在從投光單元1到測(cè)量對(duì)象物體8的投光光路中，而且是在從測(cè)量對(duì)象物體8到受光單元9的受光光路中，使由第1聚光元件3、5、7/14與投光單元1規(guī)定的投光光軸和第2聚光元件7、5、3/15與受光單元9規(guī)定的受光光軸在測(cè)量對(duì)象物體8一側(cè)同軸的第1光路控制元件、以及在投光光軸與受光光軸同軸的光路中，而且在投光光路及受光光路中的光束不平行的地方配置的，使從投光單元到測(cè)量對(duì)象物體的光程及從測(cè)量對(duì)象物體到受光部的光程連續(xù)變化的光程掃描機(jī)構(gòu)6。遮光掩模901a配置于從第2聚光元件7、5、3/15到受光元件902a的光路中，在來自測(cè)量對(duì)象物體8的反射光束被第2聚光元件7、5、3/15聚焦的位置因光程掃描機(jī)構(gòu)6的動(dòng)作而變化時(shí)，使遮光掩模901a遮住該反射光束的一部分的比例改變。受光元件902a用于接收通過遮光掩模901a的光束。本發(fā)明的位移傳感器采用上述結(jié)構(gòu)，根據(jù)利用光程掃描構(gòu)構(gòu)6的動(dòng)作改變的受光元件902a的輸出信號(hào)，取得有關(guān)到測(cè)量對(duì)象物體8的距離的信息。
本發(fā)明的位移傳感器的工作原理如下所述。投光單元發(fā)射出的光束經(jīng)過第1聚光元件，聚焦于測(cè)量對(duì)象物體上，其反射光束由第2聚光元件聚焦于受光單元的遮光掩模上。遮光掩模的形狀可以是各式各樣的，但是在采用設(shè)置例如針孔的掩模的情況下，在遮光掩模上的反射光束的光點(diǎn)尺寸發(fā)生變化的過程中，當(dāng)光點(diǎn)尺寸變?yōu)樽钚?、反射光束最多的部分通過針孔時(shí)，受光部的受光量達(dá)到最大。
由于光程掃描機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，照射于測(cè)量對(duì)象物體的光束的聚光位置發(fā)生變化。這里所謂光程意味著從投光單元到測(cè)量對(duì)象物體，以及從測(cè)量對(duì)象物體到受光單元的光程。例如假設(shè)光程掃描機(jī)構(gòu)為中立狀態(tài)時(shí)從投光部射出的光束聚焦的位置上有測(cè)量對(duì)象物體，則在光程掃描機(jī)構(gòu)使光程縮短的狀態(tài)下(圖3)，這時(shí)照射光束處于尚未聚焦(假設(shè)測(cè)量對(duì)象物體不存在，則在比有該對(duì)象物體的位置要遠(yuǎn)的地方聚光)的狀態(tài)。
這里，在測(cè)量對(duì)象物體是鏡面物體的情況下，從測(cè)量對(duì)象物體來的反射光束如圖4所示，沒有在遮光掩模上完全聚焦，遮光掩模上的光束的光點(diǎn)直徑相對(duì)較大，因此受光單元的受光量變小。
另一方面，在被測(cè)量物體是漫反射物體時(shí)，在測(cè)量對(duì)象物體上的光束產(chǎn)生漫反射(圖5)，而且其反射光束不在遮光掩模上成像(在比遮光掩模更靠受光元件一側(cè)成像)，因此依然是受光單元的受光量變小。
反之，在光程掃描機(jī)構(gòu)使光程變長(zhǎng)的狀態(tài)下，這時(shí)照射光束及從測(cè)量對(duì)象物體來的反射光束的聚光位置相對(duì)于光程掃描機(jī)構(gòu)處于中立狀態(tài)時(shí)的反射光束的聚光位置分別向與上述位置相反的一側(cè)移動(dòng)，和光程較短的情況一樣，在遮光掩模上光束相對(duì)較大，受光量變小。
根據(jù)上面所述，在遮光掩模上設(shè)有針孔的情況下，不管測(cè)量對(duì)象物體是鏡面物體還是漫反射物體，當(dāng)由于光程掃描機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，照射光束的聚焦位置落在測(cè)量對(duì)象物體上時(shí)，受光量達(dá)到最大，受光單元的輸出信號(hào)也達(dá)到最大。
可以根據(jù)上述輸出信號(hào)用如下所述方法求位移。圖6表示隨著光路掃描機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，光程發(fā)生的變化和受光單元的輸出信號(hào)的變化。輸出信號(hào)的極大值可以在光程掃描機(jī)構(gòu)進(jìn)行光程的掃描，使照射光束聚集在測(cè)量對(duì)象物體上的狀態(tài)下時(shí)得到。在圖6中，這時(shí)的光程的變化量為X1。照射于測(cè)量對(duì)象物體的照射光束的聚光位置與光程的變化量一一對(duì)應(yīng)，因此如果預(yù)先求出根據(jù)掃描引起的長(zhǎng)路長(zhǎng)度變化量換算成聚焦位置的位移量的計(jì)算式，則用某種傳感器等直接或間接地經(jīng)常對(duì)光程的變化量進(jìn)行測(cè)定，就能夠根據(jù)受光單元的輸出信號(hào)為最大時(shí)的光程變化量求出測(cè)量對(duì)象物體的位移量。
遮光掩模不限于設(shè)有針孔的掩模，也可以利用刀口構(gòu)成，使用一分為二的光電二極管(兩個(gè)二極管相鄰配置的元件)作為受光元件進(jìn)行位移測(cè)量。下面敘述該情況下的原理。
圖7表示照射光束在測(cè)量對(duì)象物體上聚光的、與上述圖1的狀態(tài)對(duì)應(yīng)的情況。刀口的前端配置得與反射光束的聚光位置一致，這時(shí)作為受光元件的一分為二的光電二極管設(shè)置得使兩光電二極管的受光量相等。由于光程的掃描光程變短的狀態(tài)、即上述與圖4對(duì)應(yīng)的狀態(tài)如圖8所示，射向左側(cè)的光電二極管的光束被刀口遮住。反之，表示光程變長(zhǎng)的狀態(tài)的是圖9，射向右側(cè)的光電二極管的光束被刀口遮住。從這些附圖可知，照射光束在測(cè)量對(duì)象物體上聚光(焦)時(shí)一分為二的光電二極管的兩個(gè)光電二極管的輸出相等，沒有聚焦時(shí)一邊的光電二極管輸出較大。從而，為了利用輸出信號(hào)求位移，在上述方法中，把受光元件的輸出為峰值的時(shí)刻用一分為二的光電二極管的兩個(gè)光電二極管的輸出相等的時(shí)刻進(jìn)行置換，這樣考慮同樣能夠?qū)ξ灰七M(jìn)行測(cè)量。
采用本發(fā)明，根據(jù)在測(cè)量對(duì)象物體上照射光束形成微小的光點(diǎn)時(shí)的光程進(jìn)行測(cè)量，因此能夠不受測(cè)量對(duì)象物體反射強(qiáng)度不均勻的影響地測(cè)定位移。而且與掃描形狀、質(zhì)量大的透鏡那樣的、使從投光單元到測(cè)量對(duì)象物體的光程保持一定而改變照射光束的聚光位置的方法不同，聚光功能通過不移動(dòng)的聚光元件進(jìn)行，并另行設(shè)置其本身不具有聚光功能，而具有改變光程的功能的光程掃描機(jī)構(gòu)，因此可以使該光路掃描機(jī)構(gòu)小型化且輕型化。從而能夠提高掃描頻率，縮短測(cè)量一點(diǎn)所需要的時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間是從開始測(cè)量到輸出測(cè)量結(jié)果的時(shí)間，在本傳感器中，也包括平均處理時(shí)間，不管測(cè)量點(diǎn)數(shù)多少，與測(cè)量時(shí)間相比，輸出所需要的時(shí)間是極短的，響應(yīng)時(shí)間大部分被測(cè)量時(shí)間占用，因此利用本發(fā)明的方式縮短測(cè)量所需要的時(shí)間，就能夠?qū)崿F(xiàn)響應(yīng)時(shí)間較短的測(cè)量。而且如果是在一定的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)，則可以利用增加平均次數(shù)的方法，實(shí)現(xiàn)測(cè)定誤差小的高精度測(cè)量。
投光單元在光源的發(fā)光面積大的情況下，最好是用使光源發(fā)出的光線通過1次針孔等方法以使發(fā)光面積實(shí)際減小。因?yàn)槿绻l(fā)光面積較大，則光程掃描機(jī)構(gòu)對(duì)光程進(jìn)行掃描時(shí)測(cè)量對(duì)象物體上的光束的最小光點(diǎn)尺寸也變大，容易受到測(cè)量對(duì)象物體的反射強(qiáng)度不均勻的影響。所謂由第1聚光元件與投光單元規(guī)定的投光光軸上的投光單元意味著光源的發(fā)光位置，發(fā)光位置代表性的可以采用發(fā)光面的中心或重心的位置。在如上所述使用針孔的情況下，可以采用針孔的中心位置。
在遮光掩模設(shè)有針孔的情況下，受光元件只要接收通過針孔的光束即可，因此只要采用把發(fā)光二極管等的光的強(qiáng)度變換為電流或電壓的元件即可。在這種情況下，所謂“由第2聚光元件與受光單元規(guī)定的受光光軸”具體地說意味著由第2聚光元件與針孔的中心規(guī)定的受光光軸。
另一方面，在遮光掩模是由刀口構(gòu)成的掩模的情況下，采用隨著入射于受光元件的光的位置的變化，輸出也發(fā)生變化的二分割光電二極管或分割數(shù)目更多的光電二極管陣列、位置檢測(cè)元件(PSD)、CCD等，可以得到通過刀口的光束的位置的變化，作為輸出的變化。在刀口的情況下，在“由第2聚光元件與受光單元規(guī)定的受光光軸”中規(guī)定受光光軸的“受光單元”不是象上述針孔那樣的預(yù)先規(guī)定的一點(diǎn)，而是刀口邊緣線上的任一點(diǎn)(嚴(yán)格地說，是離刀口極近的一點(diǎn))。在光學(xué)系統(tǒng)調(diào)整完成的狀態(tài)下，來自測(cè)量對(duì)象物體的反射光束的中心位置理應(yīng)與刀口邊緣線上的某一點(diǎn)一致，這時(shí)投光光軸和受光光軸借助于第1光路控制元件在測(cè)量對(duì)象物體一側(cè)形成同軸。由于光學(xué)系統(tǒng)調(diào)整不充分等原因，測(cè)量對(duì)象物體來的反射光束的中心位置與刀口邊緣線上的某一點(diǎn)不一致時(shí)，可以認(rèn)為在刀口邊緣線上離反射光束的中心位置最近的點(diǎn)規(guī)定著受光光軸。
聚光元件是具有透鏡、凹面鏡、全息(hologram)等的聚光功能的光學(xué)元件。
“把投光元件射出的光束聚光于測(cè)量對(duì)象物體上的第1聚光元件”中的“聚光”并不意味著始終在測(cè)量對(duì)象物體上聚光的狀態(tài)。這是因?yàn)樵谕豆鈫卧c測(cè)量對(duì)象物體之間存在著光路掃描機(jī)構(gòu)，聚光位置由于掃描隨時(shí)間而變化，是指掃描時(shí)在某一瞬間在測(cè)量對(duì)象物體上聚光的狀態(tài)。
光路控制元件是例如半透半反射鏡或偏振光束分離器、利用衍射使一部分光束分向不同方向的光柵或全息圖(hologram)、或利用雙折射相應(yīng)于偏振方向使出射方向不同的渥垃斯頓(wollaston)棱鏡等、具有使入射的光束以一定的比例向某一方向射出，同時(shí)以一定的比例使其向其他方向射出的功能的光學(xué)元件。
光程掃描機(jī)構(gòu)連續(xù)地使從光源到測(cè)量對(duì)象物體的光程及測(cè)量物體到受光單元的光程隨時(shí)間變化。該光程掃描機(jī)構(gòu)可以使用音叉或懸臂梁上設(shè)置反射面使其振動(dòng)的機(jī)構(gòu)，用音圈電動(dòng)機(jī)或壓電元件使反射面在與該面垂直的方向上往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)、對(duì)電光結(jié)晶外加電壓使介質(zhì)的折射率改變的機(jī)構(gòu)等。
在本發(fā)明的一實(shí)施方式中(參見作為其一個(gè)例子的圖10的符號(hào))具備作為第1聚光元件，并且作為第2聚光元件的第6聚光元件(13)，第1光路控制元件(2)配置于第6聚光元件(13)與投光單元(1)以及受光單元(9)之間。
圖1所示的光學(xué)系統(tǒng)也是這種實(shí)施方式的一個(gè)例子，聚光元件3、5、7是第6聚光元件的一個(gè)例子。
第1聚光元件與第2聚光元件共用一個(gè)元件可以減少零件數(shù)目，降低成本。同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)裝置的小型化。
又，在例如遮光掩模上使用針孔的情況下，在把光點(diǎn)尺寸以及隨之把針孔的尺寸做成極小的尺寸時(shí)，由于溫度變化等原因，針孔與發(fā)光點(diǎn)的光學(xué)上的位置關(guān)系發(fā)生偏離，有可能變得不能正確動(dòng)作，而第1聚光元件兼用作第2聚光元件使得決定針孔與光源的光學(xué)上位置的光學(xué)零件數(shù)目減少，同時(shí)可以縮短第1光路控制元件與投光單元之間的距離以及第1光路控制元件與針孔之間的距離，可以減小由溫度等原因引起的投光單元、針孔、第1光路控制元件的相對(duì)位置偏離量。也就是說可以在溫度有變化的情況下穩(wěn)定地進(jìn)行檢測(cè)。
光程掃描機(jī)構(gòu)可以如圖10的情況所示，位于第6聚光元件(13)與測(cè)量對(duì)象物體(8)之間，也可以如圖11所示，位于第6聚光元件(13)與第1光路控制元件(2)之間。
在本發(fā)明的一種理想的實(shí)施方式中(參見作為其一個(gè)例子的圖12的符號(hào))，光程掃描機(jī)構(gòu)(6)相對(duì)于光軸垂直配置，具有沿著投光光軸與受光光軸同軸的光軸方向作位移的反射面(6)，還具有將投光單元出射的光束引導(dǎo)到該反向面、同時(shí)把在該反射面(6)反射的光束引向測(cè)量對(duì)象物體(8)，并且把來自測(cè)量對(duì)象物體(8)的反射光束反方向引導(dǎo)到與把光束引向上述測(cè)量對(duì)象物體(8)的光路同一光路上的第2光路控制元件(4a)。
圖1所示的光學(xué)系統(tǒng)也是本實(shí)施方式的一個(gè)例子。
采用本實(shí)施形態(tài)，利用光程掃描機(jī)構(gòu)的動(dòng)作也可以在測(cè)量對(duì)象物體上的位移測(cè)量點(diǎn)不在測(cè)量對(duì)象物體表面上移動(dòng)的情況下進(jìn)行測(cè)量(光點(diǎn)尺寸發(fā)生變化而光點(diǎn)的中心不移動(dòng))，能夠經(jīng)常保持穩(wěn)定地進(jìn)行特定點(diǎn)的位移測(cè)量。因此能夠進(jìn)行微小物體或微小部分的位移測(cè)量。
這里所謂“相對(duì)于光軸垂直”還使用于包括偏離垂直的程度不足以使測(cè)量成問題的情況的意義上。例如在利用懸臂梁等構(gòu)成光程掃描機(jī)構(gòu)的情況下，由于掃描，反射面的角度也有一些變動(dòng)，但即使有這種程度的相對(duì)于垂直的偏離角度，在這里也算是垂直。
上述相對(duì)于光軸垂直配置的反射面(6)可以配置于透射過第2光路控制元件后的位置上(圖12)，也可以配置在反射后的位置上(圖13)。
又，在該結(jié)構(gòu)中，也可以使用兼作第1聚光元件和第2聚光元件的第6聚光元件13(圖14、圖15)。如果這樣做，則可以減少聚光元件的個(gè)數(shù)，而且和上面所述一樣，通過縮短投光單元與第1光路控制元件之間的距離及遮光掩模與第1光路控制元件的距離的方法等，進(jìn)行在溫度變化等情況下穩(wěn)定的檢測(cè)。
在本發(fā)明的理想方式中(參考作為其例子的圖16、圖17的符號(hào))，第2光路控制元件(4a)配置于第1光路控制元件(2)與上述反射面(6)之間，第1聚光元件由第3聚光元件(16)與第4聚光元件(17)構(gòu)成，第2聚光元件由第3聚光元件(16)與第5聚光元件(18)構(gòu)成。而且，第4聚光元件(17)是在從投光單元(1)到反射面(6)的光路中集中或分散配置的一個(gè)或多個(gè)透鏡，其中的至少一個(gè)透鏡配置于從投光單元(1)到第2光路控制元件4a的光路中，并且把投光單元(1)射出的光束聚光于反射面(6)附近，第3聚光元件(16)是在反射面(6)與測(cè)量對(duì)象物體(8)之間集中或分散配置的一個(gè)或多個(gè)透鏡，其中至少一個(gè)透鏡配置于第1光路控制元件(4a)與測(cè)量對(duì)象物體(8)之間，并且把反射面(6)反射的光束聚光于測(cè)量對(duì)象物體(8)，同時(shí)把測(cè)量物體(8)反射的光束聚焦于反射面(6)附近，又，第5聚光元件(18)是在從反射面(6)到受光部(9)的光路中集中或分散配置的一個(gè)或多個(gè)透鏡，其中的至少一個(gè)透鏡配置于從第2光路控制元件(4a)到受光單元(9)的光路中，并且在由測(cè)量對(duì)象物體(8)反射后把反射面(6)反射的光束聚光于受光單元(9)。
圖1所示的光學(xué)系統(tǒng)也是本實(shí)施方式的一個(gè)例子，在這里，聚光元件5、7是第3聚光元件的一個(gè)例子，聚光元件3、5是兼用作第4聚光元件和第5聚光元件的聚光元件。聚光元件5是在第3、第4及第5聚光元件中共同包含的部分。
采用這種實(shí)施方式，使從投光單元射出的光線在光程掃描機(jī)構(gòu)的反射面附近聚光，因此可以把反射面面積做得極小。其結(jié)果是，在光程掃描機(jī)構(gòu)中使用懸臂梁或音叉等的情況下，也能夠?qū)崿F(xiàn)小型化和輕型化，能夠提高固有振動(dòng)頻率，因此能提高掃描頻率，實(shí)現(xiàn)響應(yīng)時(shí)間更短的測(cè)量。又，如果是在一定的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)，則能夠用增加平均次數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)測(cè)量誤差較小的高精度測(cè)量。
這里所謂“在反射面附近聚光”，包含反射面在光軸方向上往復(fù)運(yùn)動(dòng)的范圍中存在聚光點(diǎn)的情況，但是并不限于此，還包含如下情況，即，即使在該范圍周邊聚光時(shí)，由于反射面上的光點(diǎn)尺寸十分小，能夠使反射面小型化，因此具有所述效果的情況。還有，如果是從投光元件(1)射出的光束射入第3聚光元件之前暫時(shí)聚光那樣的結(jié)構(gòu)，則由于產(chǎn)生所述效果，可以稱為“在反射面附近聚光”。
“一個(gè)或多個(gè)透鏡”中的所謂“一個(gè)”，是指起透鏡作用的單位的個(gè)數(shù)，包括像組合透鏡那樣把多個(gè)透鏡組合為一體，具有作為凸透鏡或或凹透鏡那樣的單一透鏡的功能的透鏡。又所謂“多個(gè)”意味著上述“一個(gè)”透鏡存在多個(gè)。
還有，作為本實(shí)施方式的變形，參照作為其例子的的圖18、圖19的符號(hào)，也可以采用在第1光路控制元件(2)與第2光路控制元件(4a)之間配置第7聚光元件(19)，兼用作第4聚光元件和第5聚光元件的結(jié)構(gòu)。
采用這樣的實(shí)施方式，進(jìn)一步謀求共用聚光元件，可以減少零件數(shù)目，因此能夠降低成本和實(shí)現(xiàn)小型化。
又，作為另一實(shí)施方式(參照作為其例子的圖20、圖21的符號(hào))也可以在第2光路控制元件(4a)與反射面(6)之間配置第8聚光元件(20)，兼用作第3聚光元件、第4聚光元件和第5聚光元件。
采用這樣的實(shí)施方式，聚光元件只用一個(gè)，因此能夠進(jìn)一步降低成本，實(shí)現(xiàn)小型化。
在本發(fā)明的理想的實(shí)施方式中，投光單元與受光單元對(duì)于上述第1光路控制元件的作用配置為相互成為鏡像的位置關(guān)系。
“成為鏡像的位置關(guān)系”意味著關(guān)于光學(xué)上的作用的位置關(guān)系，不是單純意味著投光單元與受光單元的外形。從而，在這里投光單元意味著光源的發(fā)光點(diǎn)，在遮光掩模上設(shè)置針孔的情況下，受光單元意味著針孔，在遮光掩模由刀口構(gòu)成的情況下，受光單元意味著是刀口的邊緣線上的某一點(diǎn)，且是規(guī)定受光光軸的點(diǎn)。
在遮光掩模上設(shè)有針孔時(shí)，如果針孔與投光單元的光源的發(fā)光點(diǎn)關(guān)于第1光路控制元件的作用是互為鏡像的位置關(guān)系，則在光程處于中立狀態(tài)以外時(shí)，包括在照射光線被聚焦于測(cè)量對(duì)象物體上那樣的位置上有測(cè)量對(duì)象物體時(shí)，不管測(cè)量對(duì)象物體是鏡面物體還是漫反射物體，都能得到相同的位移測(cè)量值。在遮光掩模由刀口構(gòu)成的情況下，刀口的邊緣線上的規(guī)定受光光軸的點(diǎn)和投光單元的光源發(fā)光點(diǎn)如果關(guān)于第1光路控制元件的作用是互為鏡像的位置關(guān)系，則不管測(cè)量對(duì)象物體是鏡面物體還是漫反射物體，都同樣能得到相同的位移測(cè)量值。
在本發(fā)明的一理想的實(shí)施形態(tài)中(參考作為其兩個(gè)例子的圖22與圖23的符號(hào))，反射面沿著光軸方向位移的區(qū)域(21)不包含投光單元(1)射出的光束被第4聚光元件(3、5)聚焦的位置(22)。
所謂“由第4聚光元件聚焦的位置”意味著在認(rèn)為反射面不存在的情況下由第4聚光元件聚焦的位置。
第2光路控制元件如上所述使用半透半反射鏡或偏振光束分離器等，但是在把反射面反射的光束引向測(cè)量對(duì)象物體時(shí)，把光束的全部光量引向測(cè)量對(duì)象物體實(shí)際上是不可能的。即使有程度的大小，必定有向測(cè)量對(duì)象物體以外的方向、即投光單元及受光單元的方向返回光。在采用把投光單元射出的光束聚光于反射面上那樣的結(jié)構(gòu)情況下，該返回光在受光單元聚焦，大部分被受光元件接收。因此達(dá)到與測(cè)量對(duì)象物體來的反射光束產(chǎn)生的輸出信號(hào)相比不可忽略的強(qiáng)度，妨礙檢測(cè)。
采用這種方式，雖然是在反射面沿光軸方向作位移的區(qū)域附近，但因?yàn)樽龀捎赏豆鈫卧涑龅墓馐诜瓷涿嫔喜痪劢梗虼朔祷毓庠谑芄庠弦膊粫?huì)聚焦，從而返回光的強(qiáng)度可降低到對(duì)受光元件的輸出信號(hào)不成問題的程度，能夠可靠地檢測(cè)出測(cè)量對(duì)象物體來的反射光束產(chǎn)生的受光元件的輸出信號(hào)。
又，采用另一實(shí)施方式(參照作為其一例的圖24的符號(hào))，反射面沿著光軸方向位移的區(qū)域(21)包含投光單元(1)射出的光束由第4聚光元件(3、5)聚焦的位置(22)，而且在測(cè)量對(duì)象物體處于有效測(cè)量區(qū)域(23)內(nèi)時(shí)，測(cè)量對(duì)象物體來的反射光束能夠由第3聚光元件(7、5)聚焦的區(qū)域(25)不包含投光單元(1)射出的光束由第4聚光單元(3、5)聚光的位置(22)。
為了容易理解本實(shí)施方式的作用，下面參照作為本實(shí)施方式的一個(gè)例子的圖24的結(jié)構(gòu)及表示與其對(duì)應(yīng)的受光元件的輸出信號(hào)的圖25進(jìn)行說明。圖中21表示的區(qū)域是反射面沿光軸方向作位移的區(qū)域，6d是光程掃描機(jī)構(gòu)使光程為最短的狀態(tài)時(shí)的反射面，6e是光程掃描機(jī)構(gòu)使光程為最長(zhǎng)的狀態(tài)時(shí)的反射面，23是有效測(cè)量區(qū)域，8b是在有效測(cè)量區(qū)域內(nèi)處于離物鏡7最遠(yuǎn)的位置的情況下的測(cè)量對(duì)象物體，8c表示在有效測(cè)量區(qū)域內(nèi)處于離物鏡7最近的位置的情況下的測(cè)量對(duì)象物體，24b是在有效測(cè)量區(qū)域內(nèi)處于離物鏡7最遠(yuǎn)的位置的測(cè)量對(duì)象物體8b來的反射光束經(jīng)第3聚光元件聚焦的點(diǎn)，24c是在有效測(cè)量區(qū)域內(nèi)處于離物鏡7最近的位置的測(cè)量對(duì)象物體8c來的反射光束經(jīng)第3聚光元件聚焦的點(diǎn)。25表示處于有效測(cè)量區(qū)域23內(nèi)的測(cè)量對(duì)象物體8來的反射光束可由第3聚光元件聚光的區(qū)域。與此相應(yīng)，在圖25中，與上述圖6一樣，在光程的變化量為X1時(shí)，在圖24中未圖示的測(cè)量對(duì)象物體來的反射光束射入受光元件，得到輸出信號(hào)27。在光程的變化量為X2時(shí)，從投光單元射出的光束由第4聚光元件在反射面上聚光，那時(shí)產(chǎn)生返回光，并被受光元件所接收，發(fā)生受光信號(hào)26。光程的變化量X3、X4分別在圖24對(duì)應(yīng)于反射面位于24b、24c的情況，斜線所示的區(qū)域28表示在有效測(cè)量區(qū)域內(nèi)能夠接收測(cè)量對(duì)象物體來的反射光束的時(shí)間區(qū)域。
采用這一實(shí)施方式，由返回光產(chǎn)生的受光元件的輸出信號(hào)26必定在能接收位于有效測(cè)量區(qū)域內(nèi)的測(cè)量對(duì)象物體來的反射光束的區(qū)域28的外面得到，因此，返回光不會(huì)妨礙位于有效檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的測(cè)量對(duì)象物體來的反射光產(chǎn)生的受光元件輸出信號(hào)27的正確檢測(cè)。另一方面，返回光產(chǎn)生的受光元件的輸出信號(hào)26不管測(cè)量對(duì)象物體的位置如何，通常在反射面的位移量為X2時(shí)發(fā)生。為了對(duì)測(cè)量對(duì)象物體的位移進(jìn)行測(cè)量，用某些傳感器等對(duì)光程的變化量進(jìn)行測(cè)定，并從光程的變化量換算為測(cè)量對(duì)象物體的位移量即可，但是在進(jìn)行換算時(shí)，如果利用該信號(hào)26發(fā)生時(shí)的位移量校正光程的變化量的測(cè)定值，則可以抑制上述傳感器等具有的溫度特性變化影響造成的光程變化量測(cè)定誤差，能夠進(jìn)行更加穩(wěn)定的位移測(cè)量。
在本發(fā)明的更理想的實(shí)施形態(tài)中，沿光軸方向作位移的所述反射面的位移作為周期性的振動(dòng)，具備輸出信號(hào)選取手段，當(dāng)所述反射面的位置與所述投光單元射出的光束由所述第4聚光元件聚光的位置一致時(shí)，該選取手段從所述一致時(shí)產(chǎn)生的所述受光元件的輸出信號(hào)中，選取上述反射面的位移為前往途中時(shí)的輸出信號(hào)或返回途中時(shí)的輸出信號(hào)中任意決定的一種信號(hào)；測(cè)量所述投光單元射出的光束聚焦于所述測(cè)量對(duì)象物體上時(shí)到獲得其反射光束產(chǎn)生的所述受光元件的輸出信號(hào)為止的時(shí)間的手段；以及根據(jù)所述測(cè)量的時(shí)間取得關(guān)于到測(cè)量對(duì)象物體為止的距離的信息的手段。
所謂反射面的位移是周期性振動(dòng)的，意思是反射面的位移是周期性的，在能把投光單元射出的光束聚焦于有效測(cè)量區(qū)域內(nèi)的測(cè)量對(duì)象物體上的那樣的反射面的位置(與上述25的區(qū)域相同)上存在反射面時(shí)，反射面單調(diào)增加或單調(diào)減少地發(fā)生位移。這樣，在振動(dòng)的前往途中或返回途中，至少在把照射光線聚光于位于有效測(cè)量區(qū)域內(nèi)的測(cè)量對(duì)象物體上時(shí)的反射面的位移量相對(duì)于時(shí)間可以單值地確定。
在這一結(jié)構(gòu)中，不用一些傳感器等測(cè)定光程的變化量，光程的變化是在時(shí)間上周期性變化的，例如看作正弦波狀的振動(dòng)等，利用測(cè)量光程的變化量為已知的特定的點(diǎn)起的經(jīng)過時(shí)間的方法對(duì)測(cè)定對(duì)象物體的位移進(jìn)行測(cè)量。作為該光程的變化量為已知的特定的點(diǎn)，使用上述返回光產(chǎn)生的受光元件輸出信號(hào)26。
采用這種結(jié)構(gòu)，不需要測(cè)定光程的變化量用的傳感器等。
#在本發(fā)明的更加理想的實(shí)驗(yàn)方式中(參照作為其例子的圖26、圖27的符號(hào))，第4聚光元件由視準(zhǔn)透鏡(11)和中間透鏡(5)構(gòu)成，視準(zhǔn)透鏡(11)配置于投光單元(1)與第2光路控制元件(4a)之間，使投光單元(1)射出的光束大致平行，中間透鏡(5)配置于第2光路控制元件(4a)與反射面(6)之間，把上述大致為平行的光束聚光于反射面(6)附近。而且第5聚光元件由中間透鏡(5)與受光透鏡(12)構(gòu)成，受光透鏡配置于受光單元(9)與第2光路控制元件(4a)之間，把測(cè)量對(duì)象物體(8)來的反射光束聚焦于受光單元(9)?！熬酃庥诜瓷涿娓浇迸c先前使用的意思相同。
如果考慮該位移傳感器使用的狀況，則由于測(cè)量對(duì)象物體的形狀、大小、還有它們之間差異的程度，理想的檢測(cè)距離和位移檢測(cè)范圍也不同。為了與各種用途對(duì)應(yīng)，實(shí)際上需要具有不同的檢測(cè)距離、不同的位移測(cè)量范圍的不同的機(jī)種。從投光單元到測(cè)量對(duì)象物體之間以及從測(cè)量對(duì)象物體到受光單元之間分別利用單個(gè)透鏡構(gòu)成的情況下，為了得到所希望的檢測(cè)距離和位移測(cè)量范圍，透鏡和光程掃描機(jī)構(gòu)的變更是必要的，結(jié)果，有必要從一開始就對(duì)整個(gè)傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造。采用本實(shí)施方式，只要變更中間透鏡與物鏡的焦距和位置，就能得到所希望的檢測(cè)距離、位移測(cè)量范圍。具體地說，由物鏡的動(dòng)作距離決定檢測(cè)距離，根據(jù)由中間透鏡和物鏡的焦距及位置決定的合成的透鏡系統(tǒng)(以下稱為復(fù)合透鏡)的倍率以及反射面的位移量，決定位移測(cè)量區(qū)域的大小。采用這種結(jié)構(gòu)，形成可以更換透鏡的結(jié)構(gòu)，能夠提供與各種應(yīng)用對(duì)應(yīng)的機(jī)種。又，采用在制造時(shí)容易選用不同種類的透鏡的結(jié)構(gòu)，使其適合于從檢測(cè)距離和位移測(cè)量范圍的廣范圍組合中選擇的組合，能夠制造透鏡以外的零件通用化的低成本的位移傳感器。
又，在本檢測(cè)原理中，如果減小測(cè)量對(duì)象物體上的最小光點(diǎn)尺寸，則更加能夠抵御反射強(qiáng)度不均勻的影響，因此做成能夠充分抑制透鏡的像差的光學(xué)系統(tǒng)是理想的。中間透鏡和物鏡之間的光束是會(huì)聚光束或發(fā)散光束的情況下，由于透鏡的變更，光束的會(huì)聚狀態(tài)或發(fā)散狀態(tài)發(fā)生變化，但是由于在中間透鏡與物鏡中間存在光距控制元件，因此而產(chǎn)生的像差的量也發(fā)生變化。
從而，為了在測(cè)量對(duì)象物體上得到小光點(diǎn)尺寸，有必要使用特別制作的使得在整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)中使用時(shí)像差為最小的非球面透鏡或透鏡組，其價(jià)格非常高。采用本實(shí)施方式，中間透鏡與物鏡之間的光束(還有在光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上視準(zhǔn)透鏡與中間透鏡以及中間透鏡與受光透鏡之間的光束也)大致是平行的，因此可以使用無限光學(xué)系統(tǒng)的一般性規(guī)格的透鏡，可以以低成本實(shí)現(xiàn)在測(cè)量對(duì)象物體上得到小光點(diǎn)尺寸的位移傳感器。所謂“大致平行”意味著能夠得到上述效果的程度的接近平行光束的狀態(tài)，因?yàn)椴幌抻趪?yán)格平行的光束。
在更理想的實(shí)施方式中，參照作為其例子的圖28(光學(xué)配置與圖1相同)及圖29的符號(hào)，視準(zhǔn)透鏡和受光透鏡是共用的透鏡(3)，配置于第1光路控制元件(2)與第2光路控制元件(4a)之間。利用兼用視準(zhǔn)透鏡與受光透鏡的方法，可以減少零件數(shù)目，可以降低成本，實(shí)現(xiàn)小型化。而且和上述實(shí)施方式一樣，利用縮短投光單元與第1光路控制元件之間的距離、遮光掩模與第1光路控制元件之間的距離的方法等，可以在溫度變化的情況下進(jìn)行穩(wěn)定的檢測(cè)。
在更加理想的實(shí)施方式中(參照作為其一例的圖30的符號(hào))，投光單元(1)射出線偏振光，第2光路控制元件是配置得使線偏振光垂直或平行于入射面的偏振光束分離器(4b)，具備在從偏振光束分離器(4b)射出的光束到達(dá)上述中間透鏡(5)的光路中，并且在由上述反射面反射后從中間透鏡(5)射出的光束到達(dá)偏振光束分離器(4b)的兩條光路中配置的，相對(duì)于投光單元(1)射出的光的波長(zhǎng)的1/4波長(zhǎng)板(29)。
采用這種結(jié)構(gòu)，從投光單元射出的線偏振光幾乎都被第2光路控制元件反射或透過，經(jīng)中間透鏡、1/4波長(zhǎng)板，由反射面反射后再度經(jīng)1/4波長(zhǎng)板、中間透鏡入射到偏振光束分離器。這時(shí)由于往復(fù)透過1/4波長(zhǎng)板，線偏振光旋轉(zhuǎn)90度，在采用由偏振光束分離器在最初使其幾乎全部反射的光線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的情況下，這次幾乎全部透過，反之在采用最初使其透射的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的情況下，則發(fā)生反射。與第2光路控制元件使用半透半反射鏡的情況相比，可以使照射在測(cè)量對(duì)象物體上的光束的光量增加到4倍左右。從而，受光元件的輸出信號(hào)也同樣增加，由于信噪比的提高，能夠?qū)崿F(xiàn)更高精度的位移測(cè)量和響應(yīng)時(shí)間短的測(cè)量等。
在更加理想的實(shí)施方式中(參照作為其一例的圖31的符號(hào))，相對(duì)反射面(6)，設(shè)置使光束從對(duì)反射面(6)垂直的方向以外的方向射出的反射面用投光單元(30)、以及接收由反射面用投光單元(30)射出并由反射面(6)反射的光束的位置檢測(cè)元件(33)，可以根據(jù)位置檢測(cè)元件(33)的輸出信號(hào)和受光單元(9)的輸出信號(hào)取得關(guān)于到測(cè)量對(duì)象物體(8)為止的距離的信息。
采用這樣的結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)位置檢測(cè)元件的輸出信號(hào)了解與光程變化量對(duì)應(yīng)的反射面的位置。圖36表示由位置檢測(cè)元件的輸出信號(hào)求出的位置檢測(cè)元件輸出運(yùn)算結(jié)果的例子。這是與圖6中的光程變化量對(duì)應(yīng)的。作為運(yùn)算，如果是與入射到位置檢測(cè)元件上的光束的位置對(duì)應(yīng)單值地決定運(yùn)算結(jié)果的即可，位置檢測(cè)元件的輸出記為A與B時(shí)，通常經(jīng)常使用A/(A+B)或(A-B)/(A+B)等。簡(jiǎn)單些也可以是A或B或A-B。如剛才用圖6說明過那樣，反射面的位置與照射光束在測(cè)量對(duì)象物體上的聚光位置一一對(duì)應(yīng)，預(yù)先求出換算為測(cè)量對(duì)象物體的位移量的公式，以此可以在受光單元的輸出信號(hào)達(dá)到最大時(shí)根據(jù)對(duì)應(yīng)的位置檢測(cè)元件的輸出求測(cè)量對(duì)象物體的位移量。又，可以把反射面的背面作為了解反射面的位置用的上述光學(xué)系統(tǒng)的反射面使用，而在圖6所示利用反射向測(cè)量對(duì)象物體照射的光束等的一側(cè)的面本身的結(jié)構(gòu)中，反射面用的投光單元與位置檢測(cè)元件相對(duì)于反射面配置于測(cè)量對(duì)象物體一側(cè)，在反射面的背面?zhèn)?，光程掃描機(jī)構(gòu)可以不受形狀等限制自由配置，可以采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的掃描機(jī)構(gòu)。
從反射面用投光單元射出的光束如果在位置檢測(cè)元件的受光面上聚焦為微小的光點(diǎn)，則位置檢測(cè)元件的分辨率得以提高，因此是比較理想的。又，如果該光束的照射在反射面發(fā)生位移的情況下也能被收容在反射面內(nèi)，則可以避免在位置檢測(cè)元件上光點(diǎn)的重心位置發(fā)生不規(guī)則變化，因此不需要例外處理或校正，是理想的情況。
為了參照方便，聚光元件的名稱之間關(guān)系再次表示如下。
第6聚光元件(13)是兼有第1聚光元件(3、5、7/14)與第2聚光元件(7、5、3/15)的功能的元件，在這里，“/”的前面是圖1的符號(hào)，其后面是圖2的符號(hào)。
第7聚光元件(19)是兼有第4聚光元件(17)與第5聚光元件(18)的功能的元件。
第8聚光元件(20)是兼?zhèn)涞?聚光元件(16)與第4聚光元件(17)及第5聚光元件(18)的功能的元件。
第1聚光元件可以用第3聚光元件與第4聚光元件構(gòu)成。
第2聚光元件可以用第3聚光元件與第5聚光元件構(gòu)成。


圖1是表示本發(fā)明實(shí)施形態(tài)的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
圖2是表示本發(fā)明其他實(shí)施形態(tài)的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
圖3表示在圖1的實(shí)施形態(tài)的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中，光程掃描機(jī)構(gòu)縮短光程的狀態(tài)下的照射光束。
圖4表示在圖1的實(shí)施形態(tài)的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中，測(cè)量對(duì)象物體是鏡面物體的情況下光程掃描機(jī)構(gòu)縮短光程的狀態(tài)下的反射光束。
圖5表示在圖1的實(shí)施形態(tài)的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中測(cè)量對(duì)象物體是漫反射物體的情況下光程掃描機(jī)構(gòu)縮短光程的狀態(tài)下的反射光束。
圖6表示伴隨光程掃描機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，光程的變化與受光單元的輸出信號(hào)的時(shí)間變化圖。
圖7是表示遮光掩模使用刀口，受光元件使用一分為二的光電二極管的實(shí)施形態(tài)的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
圖8是表示遮光掩模使用刀口，受光元件使用一分為二的光電二極管的實(shí)施形態(tài)的光學(xué)系統(tǒng)中，光程掃描機(jī)構(gòu)縮短光程的狀態(tài)下的反射光束。
圖9是表示遮光掩模使用刀口，受光元件使用一分為二的光電二極管的實(shí)施形態(tài)的光學(xué)系統(tǒng)中，光程掃描機(jī)構(gòu)加長(zhǎng)光程的狀態(tài)下的反射光束。
圖10表示本發(fā)明的其他實(shí)施形態(tài)的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
圖11是表示圖10的實(shí)施形態(tài)的其他光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
圖12是表示本發(fā)明其他的實(shí)施形態(tài)的其他光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
圖13是表示圖12的實(shí)施形態(tài)的其他光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
圖14是表示在圖12的實(shí)施形態(tài)中使用第6聚光元件的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
圖15是表示在圖12的實(shí)施形態(tài)中使用第6聚光元件的其他光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
圖16表示本發(fā)明的其他實(shí)施形態(tài)的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
圖17表示圖16的實(shí)施形態(tài)的其他光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
圖18表示本發(fā)明的其他實(shí)施形態(tài)的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
圖19表示圖18的實(shí)施形態(tài)的其他光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
圖20表示本發(fā)明的其他實(shí)施形態(tài)的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
圖21表示圖20的實(shí)施形態(tài)的其他光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
圖22表示本發(fā)明的其他實(shí)施形態(tài)的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與從投光單元射出的光束的關(guān)系圖。
圖23表示圖22的實(shí)施形態(tài)的其他光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與從投光單元射出的光束的關(guān)系圖。
圖24表示本發(fā)明的其他實(shí)施形態(tài)的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與光束的關(guān)系。
圖25表示圖24的實(shí)施形態(tài)的受光元件的輸出信號(hào)。
圖26表示本發(fā)明其他實(shí)施形態(tài)的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
圖27表示圖26的實(shí)施形態(tài)的其他光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
圖28表示本發(fā)明其他實(shí)施形態(tài)的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
圖29表示圖28的實(shí)施形態(tài)的其他光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
圖30表示本發(fā)明其他實(shí)施形態(tài)的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
圖31表示本發(fā)明其他實(shí)施形態(tài)的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
圖32表示光程掃描機(jī)構(gòu)的懸臂梁的結(jié)構(gòu)例。
圖33表示本發(fā)明實(shí)施形態(tài)的傳感器探頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
圖34表示本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)的傳感器探頭上連接的控制單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
圖35是本發(fā)明的位移傳感器的總體圖。
圖36表示本發(fā)明第13實(shí)施形態(tài)的受光元件、位置檢測(cè)元件的輸出信號(hào)和位置檢測(cè)元件輸出的運(yùn)算結(jié)果。
圖37是本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)的位移量測(cè)量流程圖。
圖38表示本發(fā)明其他實(shí)施形態(tài)的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
圖39表示本發(fā)明其他實(shí)施形態(tài)的傳感器探頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
圖40表示本發(fā)明的其他實(shí)施形態(tài)的傳感器探頭上連接的控制單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
圖41表示本發(fā)明的其他實(shí)施形態(tài)的與受光元件的輸出信號(hào)相關(guān)的波形。
圖42是本發(fā)明的其他實(shí)施形態(tài)的位移量測(cè)量流程圖。
圖43是本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)的傳感器探頭的立體圖。
圖44是本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)的傳感器探頭的正面圖。
圖45表示本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)的傳感器探頭的光學(xué)系統(tǒng)的側(cè)視圖。
圖46表示本發(fā)明的采用其他光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實(shí)施形態(tài)。
圖47表示本發(fā)明的采用其他光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實(shí)施形態(tài)。
圖48表示采用已有的三角測(cè)量方法的位移測(cè)量的光學(xué)系統(tǒng)。
符號(hào)說明1 投光單元2 立方體半透半反射鏡3 兼用作為視準(zhǔn)透鏡和受光透鏡的透鏡4a 立方體半透半反射鏡4b 偏振光束分離器5 中間透鏡6 反射面6a 光程掃描機(jī)構(gòu)為中立狀態(tài)時(shí)的反射面6b 光程掃描機(jī)構(gòu)為縮短光程的狀態(tài)時(shí)的反射面6c 光程掃描機(jī)構(gòu)為加長(zhǎng)光程的狀態(tài)時(shí)的反射面6d 光程掃描機(jī)構(gòu)使光程為最短的狀態(tài)時(shí)的反射面6e 光程掃描機(jī)構(gòu)使光程為最長(zhǎng)的狀態(tài)時(shí)的反射面7 物鏡8 測(cè)量對(duì)象物體
8b在有效測(cè)量區(qū)域內(nèi)處于最遠(yuǎn)位置的情況下的測(cè)量對(duì)象物體8c在有效測(cè)量區(qū)域內(nèi)處于最近位置的情況下的測(cè)量對(duì)象物體9 受光單元901a 針孔901b 刀口902a 光電二極管902b 一分為二的光電二極管903 帶通濾波器11視準(zhǔn)透鏡12受光透鏡13第6聚光透鏡14第1聚光透鏡15第2聚光透鏡16第3聚光透鏡17第4聚光透鏡18第5聚光透鏡19第7聚光透鏡20第8聚光透鏡21反射面沿著光軸方向位移的區(qū)域22從投光單元射出的光束由視準(zhǔn)透鏡和中間透鏡聚焦的點(diǎn)23有效測(cè)量區(qū)域24b 從在有效測(cè)量區(qū)域內(nèi)處于最遠(yuǎn)位置的測(cè)量對(duì)象物體來的反射光束由視準(zhǔn)透鏡和中間透鏡聚焦的點(diǎn)24c 從在有效測(cè)量區(qū)域內(nèi)處于最近位置的測(cè)量對(duì)象物體來的反射光束由視準(zhǔn)透鏡和中間透鏡聚焦的點(diǎn)25在測(cè)量對(duì)象物體處于有效測(cè)量區(qū)域內(nèi)時(shí)其反射光束由物鏡和中間透鏡聚焦的區(qū)域26返回光線產(chǎn)生的受光元件輸出信號(hào)27在有效測(cè)量區(qū)域內(nèi)的測(cè)量對(duì)象物體來的受光元件輸出信號(hào)28能夠接收到在有效測(cè)量區(qū)域內(nèi)的測(cè)量對(duì)象物體來的反射光束的區(qū)域29 1/4波長(zhǎng)板30 反射面的位移量測(cè)定用的投光單元31 反射面的位移量測(cè)定用的激光器32 反射面的位移量測(cè)定用的聚光元件33 位置檢測(cè)元件34 紅色半導(dǎo)體激光器35 紅外線半導(dǎo)體激光器36 懸臂梁3601振子3602反射鏡37 懸臂梁的支點(diǎn)38 電磁鐵39 傳感器探頭40 控制器41、42 APC電路43、44 I/V電路45 振子驅(qū)動(dòng)電路46、47 放大器48、49、50 A/D變換電路51 峰值檢測(cè)電路52 AGC電路53 投光功率控制電路54 CPU55 振蕩電路56 振子驅(qū)動(dòng)脈沖生成電路57 存儲(chǔ)器58 外部I/O接口59 位移量顯示單元驅(qū)動(dòng)電路60 顯示單元
61 反射鏡62 安裝于傳感器探頭一側(cè)的電路41～45的基板1001激光器1002、1003 透鏡1004位置檢測(cè)元件1005測(cè)量對(duì)象物體1006得到衍射極限光點(diǎn)尺寸的點(diǎn)具體實(shí)施形態(tài)下面參照附圖對(duì)本發(fā)明的位移傳感器的實(shí)施形態(tài)進(jìn)行說明圖31表示本位移傳感器的光學(xué)系統(tǒng)的配置圖。本傳感器的光學(xué)系統(tǒng)，作為投光單元具備紅色半導(dǎo)體激光器34，作為“第1光路控制元件”具有立方體半透半反射鏡2、共用作視準(zhǔn)透鏡和受光透鏡的透鏡3、中間透鏡5，作為“第3聚光元件”具有物鏡7，作為“第2光程控制元件”具有偏振光束分離器4b、對(duì)于紅色半導(dǎo)體激光器34射出光的光波波長(zhǎng)的1/4波長(zhǎng)板29，作為光程掃描機(jī)構(gòu)具有懸臂梁36與電磁鐵38，作為受光單元的遮光掩模，具有針孔901a，作為受光單元的受光元件具有光電二極管902a，和帶通濾波器903。
在這里，透鏡3、中間透鏡5及物鏡7是“第1聚光元件”，同時(shí)是“第2聚光元件”。把投光單元射出的光束聚焦于測(cè)量對(duì)象物體8上的“第1聚光元件”相當(dāng)于視準(zhǔn)透鏡(本實(shí)施例中為透鏡3)、中間透鏡5以及透鏡7，把測(cè)量對(duì)象物體8來的反射光束聚光于受光單元的“第2聚光元件”相當(dāng)于物鏡7、中間透鏡5以及受光透鏡(本實(shí)施例中為透鏡3)，本實(shí)施形態(tài)中，因?yàn)槔猛哥R3兼作視準(zhǔn)透鏡和受光透鏡，因此有上述對(duì)應(yīng)關(guān)系。
本位移傳感器還具備構(gòu)成反射面的位移量測(cè)量用的投光單元30的紅外半導(dǎo)體激光器35與聚光元件32以及位置檢測(cè)元件33。測(cè)量對(duì)象物體8也一起表示出。懸臂梁36如圖32所示，由振子3601與作為反射面的反射鏡3602構(gòu)成。
由紅色半導(dǎo)體激光器34和透鏡3規(guī)定的投光光軸與由針孔901a的中心和透鏡3規(guī)定的受光光軸在測(cè)量對(duì)象物體8一側(cè)利用立方體半透半反射鏡2形成同軸。針孔901a與紅色半導(dǎo)體激光器34的發(fā)光點(diǎn)配置為關(guān)于立方體半透半反射鏡2的作用互為鏡像的位置關(guān)系。
從半導(dǎo)體激光器34射出線偏振光光束，該光束透過立方體半透半反射鏡2，由透鏡3形成平行光束。以使該線偏振光平行光束的大部分被反射的朝向配置作為第2光路控制元件的偏振光束分離器4b。被偏振光束分離器4b反射的平行光束經(jīng)1/4波長(zhǎng)板29、中間透鏡5后聚光于反射鏡3602附近，同時(shí)由反射鏡3602相對(duì)于反射面大致垂直地反射。但是，作為反射面的反射鏡3602作為以37為支點(diǎn)的懸臂梁的振動(dòng)發(fā)生位移，因此發(fā)生與垂直偏離的一點(diǎn)角度變化。被反射鏡3602反射的光束再次經(jīng)中間透鏡5、1/4波長(zhǎng)板29射入偏振光束分離器4b。該光束具有相對(duì)于透過紅色1/4波長(zhǎng)板前的指向反射鏡3602的光束的偏振方向成90度的線偏振光，形成平行或大致平行的光束。該光束利用物鏡7照射于測(cè)量對(duì)象物體8，測(cè)量對(duì)象物體8來的反射光束被物鏡7接收后，走向與向測(cè)量對(duì)象物體8照射的路徑相反的路徑。測(cè)量對(duì)象物體8為鏡面物體的情況下，反射光束的偏振方向維持不變，因此與照射時(shí)一樣，因往復(fù)透過1/4波長(zhǎng)板，偏振光旋轉(zhuǎn)90度，以與紅色半導(dǎo)體激光34射出的光的偏振方向一樣的偏振方向射入立方體半透半反射鏡2。另一方面，在測(cè)量對(duì)象物體8是漫反射物體的情況下，反射光束的偏振方向包含各種方向，但是只有與照射測(cè)量對(duì)象物體時(shí)相同的偏振方向的分量到達(dá)立方體半透半反射鏡2。來自測(cè)量對(duì)象物體8的反射光中，由立方體半透半反射鏡2反射的光在針孔901a附近聚焦，通過針孔901a的光束由光電二極管902a接收。在針孔901a前面插入只使紅色半導(dǎo)體激光34的波長(zhǎng)通過的帶通濾波器，除去測(cè)量對(duì)象物體8來的反射光以外的雜散光。
如果半導(dǎo)體激光是紅色的，則在測(cè)量對(duì)象物體上光點(diǎn)可以用眼睛看到，因此使用傳感器非常便利，顏色并不限于紅色，只要是可見光就很方便，也可以使用紅外光等非可見光。
立方體半透半反射鏡2、偏振光束分離器4b都不使用板狀的，而使用立方體形狀的，這是因?yàn)槭褂冒鍫畹那闆r下透射光發(fā)生像散現(xiàn)象，在測(cè)量對(duì)象物體上及設(shè)有針孔的掩模上最小光點(diǎn)尺寸變大。也可以使用板狀的半透半反射鏡、偏振光束分離器，并在光路中插入向與它們不同的方向傾斜的板狀的透明介質(zhì)(例如透明的玻璃板)，來修正該象散。又，立方體半透半反射鏡2及偏振光束分離器4b的朝向，使得各入射光束和反射光束在圖31中是在同一平面內(nèi)，但是并不限于此。
又，由于是使用偏振光，最好是使用象玻璃那樣幾乎不具有雙折射性能的介質(zhì)作為使光束透過的光學(xué)零部件。
從紅外半導(dǎo)體激光器35射出的光束通過聚光元件32聚焦于位置檢測(cè)元件33的受光面上。途中，該射出的光束即使反射鏡有位移也始終反射全部光束，并且按照射入位置檢測(cè)元件33的要求決定光束的寬度與向反射鏡3602的入射角度及反射鏡3602的大小的關(guān)系。反射鏡3602小則可以提高振動(dòng)時(shí)的頻率，因此也是所希望的。位置檢測(cè)元件的受光面上的光點(diǎn)尺寸對(duì)于位置檢測(cè)元件的輸出的分辨率有影響，因此越小越好。在本結(jié)構(gòu)中，首先考慮的是分辨率，因此在位置檢測(cè)元件上使光束聚焦，而如果以提高掃描頻率為優(yōu)先考慮，則也可以使光束在反射鏡3602上聚焦。使用紅外線半導(dǎo)體激光器35是為了防止光學(xué)零部件等散射的光線等雜散光射入光電二極管902a，導(dǎo)致紅色半導(dǎo)體激光器34的光線在測(cè)量對(duì)象物體8反射的微弱光線的性噪比(S/N)下降的情況發(fā)生。因此，紅外線半導(dǎo)體激光器35的波長(zhǎng)不限于紅外線，只要是不能通過帶通濾波器903的波長(zhǎng)就能夠得到相同的效果。
下面圖33表示本傳感器的探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)，圖34表示連接于傳感器的控制單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖35表示傳感器探頭與控制單元構(gòu)成的本位移傳感器總體。
傳感器探頭39在上述圖31說明的光學(xué)系統(tǒng)之外，還具備紅色半導(dǎo)體激光器34用的APC電路41、紅外線半導(dǎo)體激光器35用的APC電路42、光電二極管902a用的I/V電路43、位置檢測(cè)元件用的I/V電路44、以及振子驅(qū)動(dòng)電路45。
APC電路41、42是使所驅(qū)動(dòng)的半導(dǎo)體激光器輸出保持一定地進(jìn)行驅(qū)動(dòng)用的電路，特別是APC電路41具有根據(jù)控制器來的投光功率控制信號(hào)控制半導(dǎo)體激光器35的輸出大小的功能。I/V電路43是把發(fā)光二極管902a的輸出電流變換為電壓，把受光元件輸出信號(hào)輸出到控制器用的電路，I/V電路44是把位置檢測(cè)元件33的兩個(gè)輸出電流分別變換為電壓，把位置檢測(cè)元件輸出信號(hào)A、B輸出到控制器用的電路。振子驅(qū)動(dòng)電路45是根據(jù)控制器來的振子驅(qū)動(dòng)脈沖提供驅(qū)動(dòng)電磁鐵38的電流用的電路。光程掃描機(jī)構(gòu)采用利電電磁鐵38驅(qū)動(dòng)在振子3601上安裝反射鏡3602的懸臂梁36的結(jié)構(gòu)，因此振子3601使用磁性材料。圖32中，振子3601上粘接反射鏡3602，但是也可以把振子的表面研磨成鏡面，或在研磨面上蒸鍍形成鏡面。
控制器40具有放大器46、47、A/D變換電路48、49、50、峰值檢測(cè)電路51、AGC(自動(dòng)增益控制)電路52、投光功率控制電路53、CPU54、振蕩電路55、振子驅(qū)動(dòng)脈沖生成電路56、存儲(chǔ)器57、外部I/O接口58、位移量顯示單元驅(qū)動(dòng)電路59、以及顯示單元60。
來自傳感器探頭的位置檢測(cè)元件輸出信號(hào)A、B分別由放大器46、47放大，由A/D變換電路48、49變換為數(shù)字信號(hào)輸入到CPU。來自傳感器探頭的受光元件輸出信號(hào)首先利用峰值檢測(cè)電路51測(cè)定受光量。根據(jù)其大小，投光功率控制電路53向傳感器探頭39的APC電路41發(fā)送使紅色半導(dǎo)體激光器34的發(fā)光功率為最合適的投光功率控制信號(hào)，進(jìn)行反饋控制。接著，受光元件輸出信號(hào)經(jīng)AGC電路放大或衰減，由A/D變換電路變換為數(shù)字信號(hào)輸入到CPU54。
振蕩電路55作為CPU54與振子驅(qū)動(dòng)脈沖生成電路56的基準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖使用。振子驅(qū)動(dòng)脈沖生成電路56向振子驅(qū)動(dòng)電路45提供振子驅(qū)動(dòng)脈沖。為了驅(qū)動(dòng)振子3601，利用振子驅(qū)動(dòng)脈沖決定流經(jīng)電磁鐵38的電流的脈沖寬度和周期。存儲(chǔ)器57或存儲(chǔ)得到的測(cè)量值和換算成位移量的換算式，或存儲(chǔ)在CPU54的位移量計(jì)算過程中所必要的數(shù)據(jù)。得到位移量通過外部I/O接口輸出。該控制器40具有顯示單元60，通過位移量顯示部驅(qū)動(dòng)電路59在顯示單元60顯示位移量。CPU54通過A/D變換電路50檢測(cè)出受光元件輸出信號(hào)，在受光元件輸出信號(hào)發(fā)生的時(shí)刻取得位置檢測(cè)元件輸出信號(hào)A與B(利用A/D變換電路48、49變換為數(shù)字信號(hào)的輸出信號(hào))，進(jìn)行計(jì)算，以得到與光程變化量相關(guān)的位置檢測(cè)元件輸出運(yùn)算結(jié)果Y＝A/(A+B)。參照存儲(chǔ)器57的內(nèi)容求出與該位置檢測(cè)元件輸出運(yùn)算結(jié)果Y對(duì)應(yīng)的測(cè)量對(duì)象物體的位移量。又，將求得的測(cè)量對(duì)象物體的位移量輸出到外部I/O接口58和位移量顯示單元驅(qū)動(dòng)電路59。
圖36表示利用本實(shí)施形態(tài)得到的受光元件的輸出信號(hào)等。隨著反射鏡3602的位移，位置檢測(cè)元件輸出信號(hào)A、B正弦波狀變化，與照射光束在測(cè)量對(duì)象物體8上聚光時(shí)對(duì)應(yīng)，得到脈沖狀的受光元件輸出信號(hào)。本實(shí)施形態(tài)表示反射鏡3602沿著光軸方向作位移的區(qū)域不包含從紅色半導(dǎo)體激光器34射出的光束由中間透鏡5聚焦的位置的情況，來自反射鏡3602的返回光不進(jìn)入受光元件的輸出信號(hào)中，根據(jù)受光元件的輸出信號(hào)達(dá)到脈沖峰值的時(shí)刻的位置檢測(cè)元件輸出信號(hào)A、B得到的位置檢測(cè)元件輸出運(yùn)算結(jié)果Y＝A/(A+B)表示為Y1、Y2、Y3、Y4。另一方面，在存儲(chǔ)器57預(yù)先存儲(chǔ)由位置檢測(cè)元件輸出運(yùn)算結(jié)果Y換算成測(cè)量對(duì)象物體8的位移量的換算式，計(jì)算對(duì)應(yīng)的位移量。
例如測(cè)量對(duì)象物體8的位移量ΔX根據(jù)透鏡的成像關(guān)系，利用如下的換算式進(jìn)行計(jì)算。
ΔX＝L2-L0L2＝1/(1/F-1/L1)L1＝D+H·A/(A+B)這里，F(xiàn)是中間透鏡5與物鏡7組合的透鏡(以下稱為“組合透鏡”)的焦距，L0是測(cè)量對(duì)象物體的基準(zhǔn)位置與組合透鏡在測(cè)量對(duì)象物體側(cè)的主點(diǎn)的距離，L1是半導(dǎo)體激光器34射出的光束在反射鏡3602附近聚焦的點(diǎn)與組合透鏡在反射鏡3602一側(cè)的主點(diǎn)的光學(xué)距離，L2是測(cè)量對(duì)象物體8(與組合透鏡形成的反射鏡3602的像一致)與組合透鏡在測(cè)量對(duì)象物體一側(cè)的主點(diǎn)的距離，D及H是常數(shù)。常數(shù)D和H可以用使測(cè)量對(duì)象物體實(shí)際位移已知的位移量的方法求得。
又可以不采用這種方法，而實(shí)際使測(cè)量對(duì)象物體位移已知量，將與其對(duì)應(yīng)的位置檢測(cè)元件輸出運(yùn)算結(jié)果Y的一系列數(shù)值作為數(shù)據(jù)保存，并進(jìn)行插補(bǔ)處理等，計(jì)算出位移量，還可以利用適當(dāng)?shù)慕剖綇奈恢脵z測(cè)元件輸出運(yùn)算結(jié)果Y的一系列數(shù)據(jù)導(dǎo)出換算公式，利用該公式計(jì)算出位移量。
圖37是上述處理的流程圖。從ST1到ST5的處理利用CPU進(jìn)行。測(cè)量開始后，在ST1，利用A/D變換電路50檢測(cè)得到的受光元件輸出信號(hào)的峰值。在ST2，通過A/D變換電路48、49取得在ST1檢測(cè)出的受光元件輸出信號(hào)的峰值時(shí)刻的位置檢測(cè)元件輸出信號(hào)A、B。在ST3，對(duì)在ST2取得的位置檢測(cè)元件輸出信號(hào)A、B進(jìn)行運(yùn)算，得到位置檢測(cè)元件運(yùn)算結(jié)果Y＝A/(A+B)。在ST4，以得到的運(yùn)算結(jié)果Y和在存儲(chǔ)器57預(yù)先存儲(chǔ)的換算公式為依據(jù)換算成測(cè)量對(duì)象物體的位移量。換算一結(jié)束，就再次返回ST1，同時(shí)并行地進(jìn)行ST5的處理。ST5的所謂平均化處理，是用于使位移量處理精度提高的處理，可以利用設(shè)定決定次數(shù)。在進(jìn)行設(shè)定次數(shù)的平均處理之后，輸出測(cè)量對(duì)象物體的位移量。
作為另一實(shí)施方式，下面示出的情況是，反射鏡3602沿著光軸方向位移的區(qū)域包含紅色半導(dǎo)體激光器34發(fā)射出的光束由中間透鏡5聚焦的位置，在測(cè)量對(duì)象物體8位于有效測(cè)量區(qū)域時(shí)，測(cè)量對(duì)象物體8來的反射光束能夠利用中間透鏡5聚焦的區(qū)域不包含紅色半導(dǎo)體激光器34射出的光束由中間透鏡5聚焦的位置。在這一實(shí)施方式中，不進(jìn)行利用投光單元30和位置檢測(cè)元件32測(cè)定反射鏡3602的位移量的測(cè)量，把光程的變化看作隨時(shí)間周期性變化的正弦波狀振動(dòng)，測(cè)定返回光產(chǎn)生的時(shí)刻起經(jīng)過的時(shí)間，以此求那時(shí)的光程變化。亦即光學(xué)系統(tǒng)的配置如圖38所示，這是從圖31所示的結(jié)構(gòu)省去測(cè)定反射面的位移量用的投光單元30(紅外線半導(dǎo)體激光器35與測(cè)定反射面的位移量用的聚光元件32)以及位置檢測(cè)元件33的結(jié)構(gòu)。作為傳感器探頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖39所示，控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖40所示，處理位置檢測(cè)元件的輸出信號(hào)的放大器和A/D變換電路被省去。
這一實(shí)施方式的受光元件的輸出信號(hào)與相關(guān)的波形一起示于圖41。與在測(cè)量對(duì)象物體8上照射光束聚焦時(shí)對(duì)應(yīng)，得到脈沖狀的受光元件輸出信號(hào)27，與紅色半導(dǎo)體激光器34射出的光束由中間透鏡5于反射鏡3602上聚焦時(shí)對(duì)應(yīng)，返回光被作為脈沖狀的受光元件輸出信號(hào)26得到。正弦波狀的光程的變化量(反射鏡3602如果作正弦波狀振動(dòng)，則光程的變化也是正弦波狀的)也示出作為參考。X1表示照射光束在測(cè)量對(duì)象物體8上聚焦時(shí)的光程變化量，X2表示紅色半導(dǎo)體激光器34射出的光束由中間透鏡5聚焦于反射鏡3602上時(shí)(產(chǎn)生返回光時(shí))的光程變化量，X3表示在有效測(cè)量區(qū)域內(nèi)照射光束聚焦于離物鏡7最遠(yuǎn)的位置時(shí)的光程變化量，X4表示在有效測(cè)量區(qū)域內(nèi)照射光束聚焦于離物鏡7最近的位置時(shí)的光程變化量。
從圖41的受光元件的輸出信號(hào)可知，如果反射鏡3602作正弦波狀振動(dòng)，則在前往時(shí)與返回時(shí)分別得到返回光和測(cè)量對(duì)象物體產(chǎn)生的輸出信號(hào)。在以返回光產(chǎn)生的輸出信號(hào)為基準(zhǔn)的情況下，有必要只選擇前往時(shí)或返回時(shí)中的一種情況下的返回光產(chǎn)生的輸出信號(hào)作為基準(zhǔn)，因此將該方法的一個(gè)例子示于下面。圖41也表示出使反射鏡3602作正弦波狀振動(dòng)用的振子驅(qū)動(dòng)脈沖的例子，但是只參照這種振子驅(qū)動(dòng)脈沖未必能夠選擇返回光26的一種。因此，如圖所示，如果在靠近返回光發(fā)生的X2處，振子翻轉(zhuǎn)的時(shí)間稍遲于振子的驅(qū)動(dòng)脈沖的下降邊緣的時(shí)間，則以該振子驅(qū)動(dòng)脈沖的下降邊緣作為觸發(fā)器使單觸發(fā)脈沖發(fā)生，使這一單觸發(fā)脈沖翻轉(zhuǎn)，生成在不將在測(cè)量對(duì)象物體上聚光產(chǎn)生的輸出信號(hào)27夾在中間的前往路和返回路的兩束返回光26之間上升的信號(hào)作為復(fù)位信號(hào)。如果利用該復(fù)位信號(hào)開始取得受光元件輸出信號(hào)，則必定最初的脈沖返回光26作為基準(zhǔn)脈沖，其后的兩個(gè)脈沖為來自測(cè)量對(duì)象物體的輸出信號(hào)27。因此，測(cè)定從各基準(zhǔn)脈沖起的經(jīng)過時(shí)間t1和t2，利用光程的變化為在時(shí)間上周期性變化的正弦波狀變化這一點(diǎn)，可以求出對(duì)應(yīng)于t1、t2的光程的變化量。借助于此，可以利用例如下面所示的換算公式計(jì)算測(cè)量對(duì)象物體8的位移量ΔX(t)。
ΔX(t1)＝L2(t1)-L0ΔX(t2)＝L2(t2)-L0L2(t2)＝1/{1/F-1/L1(t2)}L2(t1)＝1/{1/F-1/L1(t1)}L1(t1)＝D+Kcos(ωt1+Φ0)L2(t2)＝D+Kcos(ωt2+Φ0)這里，F(xiàn)是組合透鏡的焦距；L0是測(cè)量對(duì)象物體的基準(zhǔn)位置與組合透鏡的測(cè)量對(duì)象物體一側(cè)的主點(diǎn)的距離；L1是半導(dǎo)體激光器34射出的光束在反射鏡3602附近聚焦的點(diǎn)與組合透鏡的反射鏡3602一側(cè)的主點(diǎn)的光學(xué)距離；L2是測(cè)量對(duì)象物體8(與組合透鏡形成的反射鏡3602的像一致)與組合透鏡的測(cè)量對(duì)象物體一側(cè)的主點(diǎn)的距離；D、K、ω及Φ0是常數(shù)。ω由振子驅(qū)動(dòng)脈沖的周期求得，Φ0根據(jù)cos(ωt1+Φ0)＝cos(ωt2+Φ0)求得，常數(shù)D、K可以用實(shí)際使測(cè)量對(duì)象物體位移已知位移量的方法求得。
由L1換算成測(cè)量對(duì)象物體8的位移量ΔX的換算方法與上述方法一樣，不限于這種方法，可以實(shí)際使測(cè)量對(duì)象物體位移已知位移量，將與其對(duì)應(yīng)的位置檢測(cè)元件輸出結(jié)果Y的一系列數(shù)值作為數(shù)據(jù)保持，加上插補(bǔ)處理等計(jì)算出位移量，也可以利用適當(dāng)?shù)慕剖接晌恢脵z測(cè)元件輸出運(yùn)算結(jié)果Y的一系列數(shù)據(jù)導(dǎo)出換算公式，利用該換算公式算出位移量。
圖42是本實(shí)施形態(tài)中位移量測(cè)量的流程圖。ST1至ST10的處理利用CPU執(zhí)行。測(cè)量開始之后，在ST1首先等待復(fù)位信號(hào)的輸入。在ST2復(fù)位信號(hào)輸入后檢測(cè)由A/D變換電路50得到的受光元件輸出信號(hào)的第1個(gè)峰值。在ST3與檢測(cè)出該峰值的同時(shí)開始測(cè)定時(shí)間。在ST4檢測(cè)第2個(gè)受光元件輸出信號(hào)的第2個(gè)峰值，在ST5，把從ST3檢測(cè)出的受光元件輸出信號(hào)的最初的峰值起到得到第2個(gè)峰值為止的經(jīng)過時(shí)間t1存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器57。在ST6，再檢測(cè)受光元件輸出信號(hào)的第3個(gè)峰值；在ST7，把從ST3檢測(cè)出的受光元件輸出信號(hào)的最初的峰值起到得到第3峰值為止的經(jīng)過時(shí)間t2存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器57。在ST8，在得到受光元件輸出信號(hào)的第3峰值之后，從存儲(chǔ)器讀出t1、t2及換算成測(cè)量對(duì)象物體的位移量用的換算公式，換算成與t1和t2分別對(duì)應(yīng)的測(cè)量對(duì)象物體的位移量。在ST9，把換算后的兩個(gè)測(cè)量對(duì)象物體的位移量加以平均。在ST10的平均處理和圖3的情況一樣，是使位移量測(cè)定精度提高用的處理，利用設(shè)定等方法任意決定次數(shù)即可。
圖43是更加具體的傳感器探頭結(jié)構(gòu)立體圖。在這里，圖中的62表示在傳感器探頭上安裝的電路41～45的基板。圖44是與該圖對(duì)應(yīng)的正面圖，圖45表示側(cè)視圖。只是為了能更看清光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，在圖44中省略了部分構(gòu)件和基板等，在圖45中只表示出光學(xué)系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與圖31所示的實(shí)施形態(tài)相同，符號(hào)也與圖31相同。但是為了使光學(xué)系統(tǒng)小型化，立方體半透半反射鏡2與透鏡3之間插入有反射鏡61。
作為光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不同的另一實(shí)施形態(tài)，迄今為止示出的實(shí)施形態(tài)以外的實(shí)施形態(tài)中，也如圖46所示，可以在反射面(6)上聚焦投光單元(1)射出的光束，在投光單元(1)與第1聚光元件(14)之間配置第2光路控制元件(2)。這種結(jié)構(gòu)中，第1聚光元件(14)把投光單元(1)射出的光束聚焦于反射面(6)上，同時(shí)把反射面(6)反射的光束聚焦于測(cè)量對(duì)象物體(8)。又，作為同樣的結(jié)構(gòu)，可在如圖47所示的反射面(6)上聚焦投光單元(1)射出的光束，在受光單元(9)與第2聚光元件(15)之間配置第2光路控制元件(2)。在這種結(jié)構(gòu)中，第2聚光元件(15)把反射面(6)反射的光束聚焦在測(cè)量對(duì)象物體(8)上，同時(shí)把反射面(6)反射的來自測(cè)量對(duì)象物體(8)的反射光束聚焦于受光單元(9)。
采用本發(fā)明，根據(jù)照射光束在測(cè)量對(duì)象物體上形成微小光點(diǎn)時(shí)的光程進(jìn)行計(jì)算，因此能夠進(jìn)行不受測(cè)量對(duì)象物體反射強(qiáng)度的不均勻影響的位移測(cè)量。又，聚光作用由不移動(dòng)的聚光元件執(zhí)行，此外還另行設(shè)置其本身不具有聚光功能而有改變光程功能的光程掃描機(jī)構(gòu)，因此能夠?qū)崿F(xiàn)該光程掃描機(jī)構(gòu)的小型化和輕型化。從而，能夠提高掃描頻率，可提供測(cè)量時(shí)間短，可進(jìn)行高精度測(cè)量的位移傳感器。
權(quán)利要求
1.一種位移傳感器，其特征在于，具備投光單元，具有遮光掩模和受光元件的受光單元，把投光單元射出的光束聚焦于測(cè)量對(duì)象物體的第1聚光元件，將來自所述測(cè)量對(duì)象物體的反射光束向受光單元聚焦的第2聚光元件，配置在從所述投光單元至所述測(cè)量對(duì)象物體的投光光路中并且是配置在從所述測(cè)量對(duì)象物體至所述受光單元的受光光路中，使由所述第1聚光元件和所述投光單元規(guī)定的投光光軸與由所述第2聚光元件和所述受光單元規(guī)定的受光光軸在測(cè)量對(duì)象物體一側(cè)同軸的第1光路控制元件，以及配置在所述投光光軸與所述受光光軸變?yōu)橥S的光路中并且是配置在所述投光光路及受光光路中的光束不平行的部位，使從投光單元到測(cè)量對(duì)象物體的光程及從測(cè)量對(duì)象物體到受光單元的光程連續(xù)變化的光程掃描機(jī)構(gòu)，所述遮光掩模配置于從所述第2聚光元件到所述受光元件的光路中，當(dāng)來自所述測(cè)量對(duì)象物體的反射光束由第2聚光元件聚焦的位置因所述光程掃描機(jī)構(gòu)的動(dòng)作而發(fā)生變化時(shí)，使被所述遮光掩模遮住的該反射光束一部分的比例發(fā)生變化，所述受光元件是接收通過遮光掩模后的光束的元件，根據(jù)由于所述光程掃描機(jī)構(gòu)的動(dòng)作而變化的受光元件的輸出信號(hào)，取得到測(cè)量對(duì)象物體的距離方面的信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的位移傳感器，其特征在于，具備是所述第1聚光元件且是所述第2聚光元件的第6聚光元件，所述第1光路控制元件配置于所述第6聚光元件與所述投光單元以及所述受光單元之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的位移傳感器，其特征在于，所述光程掃描機(jī)構(gòu)相對(duì)于光軸垂直配置，具有沿著所述做成同軸的光軸方向作位移的反射面，還具有將投光單元出射的光束導(dǎo)向所述反射面并將該反射面反射的光束引向測(cè)量對(duì)象物體，并且把來自測(cè)量對(duì)象物體的反射光束反方向引導(dǎo)到與將光束引向上述測(cè)量對(duì)象物體的光路相同的光路上的第2光路控制元件。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的位移傳感器，其特征在于，所述第2光路控制元件配置于所述第1光路控制元件與上述反射面之間，所述第1聚光元件由第3聚光元件和第4聚光元件構(gòu)成，所述第2聚光元件由所述第3聚光元件和第5聚光元件構(gòu)成，所述第4聚光元件是在從所述投光單元到所述反射面的光路中集中或分散配置的一個(gè)或多個(gè)透鏡，其中的至少一個(gè)透鏡配置于從所述投光單元到所述第2光路控制元件的光路中，把所述投光單元射出的光束聚光于所述反射面附近，所述第3聚光元件是在所述反射面與所述測(cè)量對(duì)象物體之間集中或分散配置的一個(gè)或多個(gè)透鏡，其中的至少一個(gè)透鏡配置于所述第2光路控制元件與所述測(cè)量對(duì)象物體之間，把所述反射面反射的光束聚光于所述測(cè)量對(duì)象物體，同時(shí)把來自所述測(cè)量對(duì)象物體的反射光束聚光于所述反射面附近，所述第5聚光元件是在從所述反射面到所述受光部的光路中集中或分散配置的一個(gè)或多個(gè)透鏡，其中的至少一個(gè)透鏡配置于從所述第2光路控制元件到所述受光單元的光路中，將被所述測(cè)量對(duì)象物體反射后被所述反射面反射的光束聚光于所述受光單元。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的位移傳感器，其特征在于，具備是所述第4聚光元件且是所述第5聚光元件的第7聚光元件，所述第7聚光元件配置于所述第1光路控制元件與所述第2光路控制元件之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的位移傳感器，其特征在于，具備是所述第3聚光元件又是所述第4聚光元件且是所述第5聚光元件的第8聚光元件，所述第8聚光元件配置于所述第2光路控制元件與所述反射面之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求4或5或6所述的位移傳感器，其特征在于，所述投光單元和所述受光單元配置為關(guān)于所述第1光路控制元件的作用互為鏡像的位置關(guān)系。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的位移傳感器，其特征在于，使所述反射面沿光軸方向作位移的區(qū)域不包含所述投光單元射出的光束被所述第4聚光元件聚焦的位置。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的位移傳感器，其特征在于，使所述反射面沿光軸方向作位移的區(qū)域包含所述投光單元出射的光束被所述第4聚光元件聚光的位置，所述測(cè)量對(duì)象物體位于有效測(cè)量區(qū)域內(nèi)時(shí)，使來自所述測(cè)量對(duì)象物體的反射光束能由所述第3聚光元件聚光的區(qū)域不包含所述投光單元射出的光束被所述第4聚光元件聚光的位置。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的位移傳感器，其特征在于，沿光軸方向作位移的所述反射面的位移是周期性的振動(dòng)，具備輸出信號(hào)選取手段，當(dāng)所述反射面的位置與所述投光單元射出的光束由所述第4聚光元件聚光的位置一致時(shí)，該選取手段從所述一致時(shí)產(chǎn)生的所述受光元件的輸出信號(hào)中，選取上述反射面的位移為前往途中時(shí)的輸出信號(hào)或返回途中時(shí)的輸出信號(hào)中任意決定的一種信號(hào)，以所述選取的輸出信號(hào)為基準(zhǔn)，測(cè)量所述投光單元射出的光束聚焦于所述測(cè)量對(duì)象物體上時(shí)到獲得其反射光束產(chǎn)生的所述受光元件的輸出信號(hào)為止的時(shí)間的手段，以及根據(jù)所述測(cè)量的時(shí)間取得關(guān)于到測(cè)量對(duì)象物體為止的距離的信息的手段。
11.根據(jù)權(quán)利要求4～10中任意一項(xiàng)所述的位移傳感器，其特征在于，所述第4聚光元件由視準(zhǔn)透鏡與中間透鏡構(gòu)成，所述視準(zhǔn)透鏡配置于投光單元與第2光路控制元件之間，使投光單元出射的光束大致平行，所述中間透鏡配置于所述第2光路控制元件與所述反射面之間，將大致為平行的光束聚光于所述反射面附近，所述第5聚光元件由所述中間透鏡與受光透鏡構(gòu)成，所述受光透鏡配置于所述受光單元與所述第2光路控制元件之間，將來自測(cè)量對(duì)象物體的反射光束聚光于受光單元。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的位移傳感器，其特征在于，所述準(zhǔn)直透鏡與所述受光透鏡共用一個(gè)透鏡，并配置于所述第1光路控制元件與所述第2光路控制元件之間。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的位移傳感器，其特征在于，所述投光單元射出線偏振光，所述第2光路控制元件是配置得使所述線偏振光相對(duì)入射面垂直或平行的偏振光束分離器，具備配置在所述偏振光束分離器射出的光束前往所述中間透鏡的光路中，并且配置在被所述反射面反射后、從所述中間透鏡射出的光束前往所述偏振光束分離器的光路中，相對(duì)于所述投光單元射出的光的波長(zhǎng)的1/4波長(zhǎng)板。
14.根據(jù)權(quán)利要求3～9或11～13中任意一項(xiàng)所述的位移傳感器，其特征在于，具備使光束從對(duì)所述反射面垂直的方向以外的方向射向所述反射面的反射面用投光單元，以及接收由所述反射面反射的、由反射面用投光單元射出的光束的位置檢測(cè)元件，根據(jù)所述位置檢測(cè)元件的輸出信號(hào)和所述受光單元的輸出信號(hào)，取得關(guān)于到測(cè)量對(duì)象物體為止的距離的信息。
全文摘要
能進(jìn)行高精度位移測(cè)量、并能縮短測(cè)量時(shí)間的位移傳感器，具備投光單元(1)、具有遮光掩模(901a)和受光元件(902a)的受光單元(9)、將投光單元(1)射出的光束聚焦于被測(cè)物體(8)的第1聚光元件(3、5、7)、將反射光束聚焦于受光單元的第2聚光元件(7、5、3)、在被測(cè)物體一側(cè)使投光光軸和受光光軸同軸的第1光路控制元件(2)、及使從投光單元到被測(cè)物體的光程及從被測(cè)物體到受光單元的光程連續(xù)變化的光程掃描機(jī)構(gòu)(6)。遮光掩模配置于從第2聚光元件到受光元件的光路中，受光元件接收通過遮光掩模的光束，根據(jù)因光程掃描機(jī)構(gòu)而變化的受光元件的輸出信號(hào)，取得被測(cè)物體的距離信息。
文檔編號(hào)G01B11/02GK1448692SQ0310600
公開日2003年10月15日 申請(qǐng)日期2003年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月15日
發(fā)明者宇野徹也, 滝政宏章, 菅孝博 申請(qǐng)人:歐姆龍株式會(huì)社