CN103090798A - 位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种位移传感器，其包括：一种扩散反射板，设置在从激光束光源中发射且从工件的加工表面被正反射的探测光所入射的位置中；线性传感器，接收所述探测光的第一反射光和所述探测光的第二反射光中之一，所述第一反射光从所述扩散反射板被扩散地反射且从工件的加工表面被进一步反射，所述第二反射光从工件的加工表面被扩散地反射；一种信号处理器，使用第一反射光检测第一距离或使用第二反射光检测第二距离，所述第一距离对应于通过工件的加工表面到扩散反射板的探测光行程，第二距离对应于到工件的加工表面的探测光行程。

Description

位移传感器

技术领域

本发明涉及位移传感器，尤其涉及适用于自动对焦控制中的位移传感器。

背景技术

在对薄膜太阳能电池面板执行激光加工的情况中，由于发射出加工激光束的物镜与加工表面之间的距离发生改变（所述改变是由于薄膜在其上蒸发的玻璃基板的弯曲所致），因而激光束的焦点位置需要遵从加工表面。因此，激光加工设备通常装有自动对焦功能，所述自动对焦功能根据加工表面的竖直变化，使物镜自动聚焦。

位移传感器通常用于控制自动对焦功能。位移传感器使用作为测量激光束的探测光照射工件（比如，薄膜太阳能电池面板），并且使用从工件反射的光，测量工件的位移或到工件的距离（比如，见日本未审定专利公开号2005-111534）。

由位移传感器执行的测量方法被分成正反射法（规则反射法）和扩散反射法（漫反射法），在正反射法中，使用从所测量的物体中正反射的光，在扩散反射法中，使用从所测量的物体中扩散反射的光。因此，根据工件的加工表面是正反射表面还是扩散反射表面，需要切换由位移传感器所执行的测量方法或更换位移传感器。

另一方面，比如，日本未审定的专利公开号2007-221491提出了光电传感器，无论物体表面的反射状态如何，该光电传感器均根据反射光的受光量分布的峰值数量和峰值以及受光波形的宽度提高物体的检测精度。

然而，在日本未审定专利公开号2007-221491中所提出的光电传感器中，并未特别地描述，无论物体表面的反射状态如何，在无需切换测量方法的情况下都能精确地测量物体的位移或到物体的距离。

已经提出了本发明，以便解决上述问题，其目的在于消除了根据所测量的物体的表面的反射状态而切换由位移传感器所执行的测量方法或更换位移传感器的需要。

发明内容

根据本发明的一个方面，一种位移传感器包括：投光部，使用测量光倾斜地照射所测量的物体的表面；扩散反射器，设置在从所测量的物体的表面正反射的测量光所入射的位置中；受光部，接收测量光的第一反射光或者测量光的第二反射光，所述第一反射光从扩散反射器中被扩散地反射并且从所测量的物体的表面中被进一步反射，所述第二反射光从所测量的物体的表面被扩散地反射；以及信号处理器，所述信号处理器使用受光部所接收的第一反射光检测第一距离或使用受光部所接收的第二反射光检测第二距离，所述第一距离对应于从投光部通过所测量的物体的表面到扩散反射器的测量光行程，所述第二距离对应于从投光部到所测量的物体的表面的测量光行程。

在本发明一个方面的位移传感器中，投光部使用测量光倾斜地照射所测量的物体的表面，扩散反射器设置在从所测量的物体的表面正反射的测量光所入射的位置中，受光部接收测量光的第一反射光和测量光的第二反射光中之一，所述第一反射光从扩散反射器中被扩散地反射并且从所测量的物体的表面中被进一步反射，所述第二反射光从所测量的物体的表面被扩散地反射，并且信号处理器使用所接收的第一反射光检测第一距离或使用第二反射光检测第二距离，所述第一距离对应于通过所测量的物体的表面从投光部到扩散反射器的测量光行程，所述第二距离对应于从投光部到所测量的物体的表面的测量光行程。

因此，不需要根据所测量的物体的表面的反射状态来切换位移传感器所执行的测量方法或更换位移传感器。

比如，投光部由激光束光源和透镜等构成。比如，扩散反射器由金属块或陶瓷块构成，在金属块中在表面上进行梨皮电镀或喷砂。扩散反射器形成为任何形状的，比如，板形和球形。比如，受光部由线性传感器构成，比如，一维CCD图像传感器和一维CMOS图像传感器。比如，信号处理器由模拟或数字信号处理电路和运算装置构成，比如，CPU。

根据所检测的距离是否落在预定范围内，信号处理器可确定所测量的物体的表面是正反射表面还是扩散反射表面。

因此，能够简单并正确地确定所测量的物体的表面是正反射表面还是扩散反射表面。

当所测量的物体的表面为正反射表面时，信号处理器可基于第一距离和入射到所测量的物体的表面的测量光的入射角来计算所测量的物体的位移，并且当所测量的物体的表面为扩散反射表面时，信号处理器可基于第二距离和入射角来计算所测量的物体的位移。

因此，无论所测量的物体的表面的反射状态如何，均可正确地测量所测量的物体的位移。

根据本发明的一个方面，不需要根据所测量的物体的表面的反射状态来切换由位移传感器所执行的测量方法或更换位移传感器。

附图说明

图1为示出了根据本发明一个实施例的激光加工设备的透视图；

图2示意性地示出了作为工件的实例的薄膜太阳能电池面板的构造实例的示意图；

图3示出了安装激光加工设备上的聚焦装置的构造实例的框图；

图4示出了在工件的加工表面为扩散反射表面的情况下的聚焦方法的视图；

图5示出了在工件的加工表面为扩散反射表面的情况下的聚焦方法的视图；

图6示出了在工件的加工表面为正反射表面的情况下的聚焦方法的视图；

图7示出了在工件的加工表面为正反射表面的情况下的聚焦方法的视图；

图8示出了安装在激光加工设备上的第一变型聚焦装置的框图；

图9示出了安装在激光加工设备上的第二变型聚焦装置的框图；

图10示出了扩散反射表面和正反射表面相混合的情况的实例的视图；

图11示出了用于检测工件的加工表面的反射状态的方法的视图；

图12示出了用于检测工件的加工表面的反射状态的方法的视图；

图13示出了聚焦方法的变型的视图；

图14示出了聚焦方法的变型的视图；以及

图15示出了聚焦方法的变型的视图。

具体实施方式

下文中，将参看视图描述本发明的优选实施例。按照以下顺序进行描述。

1.实施例的激光加工设备

2.变型

1.实施例的激光加工设备

[激光加工设备101的构造实例]

图1为示意性地示出了根据本发明的一个实施例的激光加工设备101的外部图。

在下文中，沿激光加工设备101的长度方向上在图1左边看到的一侧称为正面，相反的一侧称为背面。下文中，沿激光加工设备101的横向方向在图1前面看到的一侧称为右侧，相反的一侧称为左侧。

下文中，激光加工设备101的水平方向（横向）称为X方向，左右方向称为正方向。下文中，X方向的正方向称为X+方向，负方向称为X-方向。下文中，激光加工设备101的深度方向称为Y方向，前后方向称为正方向。下文中，Y方向的正方向称为Y+方向，负方向称为Y-方向。下文中，激光加工设备101的竖直方向称为Z方向，向上方向称为正方向。下文中，Z方向的正方向称为Z+方向，负方向称为Z-方向。X方向、Y方向以及Z方向彼此正交。

激光加工设备101使用激光束对工件102执行各种加工。激光加工设备101包括架台111、Y轴驱动部112、工作台113、起重架114以及加工头115a至115f。

Y轴驱动部112设置于架台111上，从而沿Y方向延伸，Y轴驱动部112使工作台113沿Y方向移动，工件102放置于该工作台上。工作台113沿Y方向移动，据此，使用激光束加工的工件102的位置沿Y方向前进。换言之，工件102的加工方向为Y方向。

在架台111沿Y方向从中心略微缩回的位置中，提供龙门式起重架114，使其沿X方向在架台111上方横过。加工头115a至115f被设置在起重架114的梁的前表面内。

加工头115a至115f中的每个均使用激光束照射工件102，以执行工件102的加工。驱动系统（未显示）使加工头115a至115f中的每个均能够沿着起重架114的梁在X方向移动。加工头115a至115f沿X方向移动，从而使用激光束加工的工件102的位置沿X方向前进。换言之，工件102的加工方向为X方向。

驱动系统（未显示）使得加工头115a至115f中的每个能够沿Z方向由移动。

在下文中，当不需要区分加工头115a至115f时，将其简称为加工头115。在图1中，通过实例示出了加工头115a至115f，但是未特别限制加工头的数量。

[工件102的构造实例]

虽然未特别限制工件102的种类，但是图2示出了一个实例。具体而言，图2示意性地示出了薄膜太阳能电池面板151的构造实例的示意图，在该面板中，使用CIGS（铜铟镓硒）。

薄膜太阳能电池面板151具有四层结构，包括玻璃基板151A、背面电极层151B、发电层151C以及透明电极层151D。比如，通过用激光束从透明电极层151D的侧部照射薄膜太阳能电池面板151而对薄膜太阳能电池面板151进行加工。比如，背面电极层151B为由Mo等制成的金属层。背面电极层151B正反射激光束。比如，发电层151C包括由CIGS等制成的光吸收层以及由ZnS或InS等制成的缓冲层。发电层151C扩散反射激光束。比如，透明电极层151D由ZnO等制成。透明电极层151D扩散反射激光束。

因此，在传统位移传感器中，需要通过扩散反射法测量玻璃基板151A、发电层151C以及透明电极层151D的位移或者到其的距离，并且需要通过正反射法测量背面电极层151B的位移或者到其的距离。

薄膜太阳能电池面板的构造不限于图2中的实例，该薄膜太阳能电池面板为激光加工设备101的加工目标。比如，可将这样一个薄膜太阳能电池面板视为激光加工设备101的加工目标，在所述薄膜太阳能电池面板内，背面电极层151B和透明电极层151D相反地设置，并且通过用激光束从玻璃基板151A的侧部照射薄膜太阳能电池面板而加工所述薄膜太阳能电池面板。

[聚焦装置201的配置实例]

图3为示出了安装在激光加工设备101的加工头115上的聚焦装置201的构造实例的框图。

聚焦装置201包括位移传感器211、扩散反射板212、误差放大器（EA）213、电机驱动器214、Z轴驱动电机215、Z轴驱动螺杆216以及物镜217。

位移传感器211使用作为具有预定波长（比如，650nm）的测量激光束的探测光（测量光）来测量所测量的物体的位移或者到所测量的物体的距离。位移传感器211包括激光束光源231、受光透镜232、线性传感器233以及信号处理器234。

激光束光源231发射作为具有预定波长（比如，650nm）的测量激光束的探测光（测量光）。通过与激光束光源231共同构成投光部的透镜等等（未显示），使用从激光束光源231中发射的探测光从倾斜的方向照射加工表面，即，工件102的表面。

从激光束光源231中发射的探测光相对于工件102的加工表面的入射角θ被设为0度到90度。

受光透镜232接收从激光束光源231中发射的探测光的反射光，并且受光透镜232在线性传感器233上形成所接收的反射光的图像。

比如，线性传感器233由CCD图像传感器或CMOS图像传感器构成，其中，受光元件一维地排列。线性传感器233的每个受光元件均检测通过受光透镜232入射到受光元件中的探测光的反射光的光量。线性传感器233将表示每个受光元件的受光量的探测信号提供给信号处理器234。

信号处理器234根据线性传感器233内的探测光的反射光的图像形成位置（受光量变成最大值的位置）或受光量的分布，来检测所测量的物体的位移或到所测量的物体的距离。信号处理器234将表示检测结果的测量信号提供给误差放大器213。下面描述信号处理器234输出表示到所测量物体的距离的测量信号这一情况。

扩散反射板212被安装在这样一个位置中，所述位置为，当从激光束光源231中发射的探测光从工件102的加工表面被正反射时，所述正反射的探测光入射至该位置。扩散反射板212扩散地反射通过工件102的加工表面入射的探测光。

扩散反射板212可朝着这样一个方向被定向，沿该方向从工件102的加工表面正反射的探测光被确定地入射到扩散反射板212中。比如，将扩散反射板212设置在该方向中，沿该方向从工件102的加工表面正反射的探测光被垂直地入射到扩散反射板212中。

扩散反射板212由除镜面反射材料以外的任何材料制成。比如，扩散反射器由金属块或陶瓷块构成，在金属块中，在表面上进行梨皮电镀或喷砂。然而，为了使由扩散反射板212扩散地反射的探测光尽可能多地入射到位移传感器211的受光透镜232中以增强位移传感器211的受光敏感性，优选地，使用对于探测光的波长具有高反射率的材料作为扩散反射板212，或者对扩散反射板212进行涂覆。

将焦距设置值输入到误差放大器213中，该焦距设置值表示从位移传感器211中输出的测量信号的目标值。比如，将该焦距设置值设为当物镜217在工件102的加工表面上聚焦时从位移传感器211中输出的测量信号的值。误差放大器213放大误差信号，该误差信号为从位移传感器211中提供的测量信号值与焦距设置值之间的差值，并且误差放大器213将放大的误差信号提供给电机驱动器214。因此，该误差信号反映物镜217的焦点位置与工件102的加工表面之间的偏差（误差）。

为了消除误差信号所表示的误差，从而使物镜217在工件102的加工表面上聚焦，电机驱动器214驱动Z轴驱动电机215，以使得物镜217沿Z方向移动，从而使物镜217聚焦。

Z轴驱动电机215通过Z轴驱动螺杆216与物镜217连接，所述Z轴驱动螺杆216介于它们之间。Z轴驱动电机215沿旋转方向的运动通过Z轴驱动螺杆216被传输至物镜217，以使物镜217沿箭头A表示且与工件102的加工表面垂直的方向（Z方向）移动。因此，物镜217的焦点位置沿Z方向移动。

加工激光束LB入射到物镜217中，并且物镜217在工件102的加工表面上形成图像。

[由聚焦装置201执行的聚焦方法]

下面将参照图4至图7描述由聚焦装置201执行的聚焦方法。

（用于扩散反射表面的聚焦方法）

下面将参照图4和图5描述在工件102的加工表面为扩散反射表面的情况下的聚焦方法。

在工件102的加工表面为扩散反射表面的情况下，从激光束光源231中发射的探测光沿箭头A的方向行进，且从工件102的加工表面中被扩散反射。如箭头B1至B4所示的，沿位移传感器211的方向扩散地反射探测光的部分。如箭头B2和B3所示的，入射到受光透镜232中的反射光在线性传感器233上形成图像。

另一方面，如箭头B5至B7所示的，探测光的部分沿扩散反射板212的方向上从工件102的加工表面被扩散地反射，并且进一步从扩散反射板212被扩散地反射。由于两次扩散反射大幅减弱了从扩散反射板212中扩散地反射的反射光，所以反射光极少从工件102的加工表面中被再次扩散地反射以入射到位移传感器211的受光透镜232中。

因此，与常用的扩散反射法相似，位移传感器211使用从工件102的加工表面被扩散地反射的一次反射光执行测量。

图5示意性示出了位移传感器211、扩散反射板212、以及物镜217之间的位置关系。

在物镜217在工件102的加工表面上聚焦的状态（下文中称为聚焦状态）中，假设h1为从工件102的加工表面到位移传感器211（位移传感器的探测光的输出端口）的高度，WD为物镜217与工件102的加工表面之间的距离（工件距离），并且d1为从位移传感器211中发射的探测光入射到工件102的加工表面的距离。而且，假设θ为从位移传感器211中发射的探测光相对于工件102的加工表面的入射角。此时，以下等式（1）成立。

h1=d1×cosθ---（1）

使用等式（1），由以下等式（2）表示距离d1。

d1=h1/cosθ---（2）

此时，由于位移传感器211使用从工件102的加工表面扩散地反射的反射光执行测量，所以位移传感器211的长度测量距离为距离d1。因此，位移传感器211将表示距离d1的测量信号作为测量结果提供给误差放大器213。

另一方面，表示聚焦状态下的距离d1的测量信号的值作为焦距设置值被输入给误差放大器213。简言之，将焦距设置值设为距离d1。因此，从误差放大器213中输出的误差信号的值为零。

在工件102沿Z方向（向下的方向）从聚焦状态中移动距离δ的情况下，由以下等式（3）表示距离d1'，探测光以该距离被入射到工件102的加工表面。

d1'=(h1+δ)/cosθ---（3）

因此，由以下等式（4）表示工件102移动的移动前距离d1与工件102的移动后距离d1'之间的差值。

d1'-d1=δ/cosθ---（4）

此时，位移传感器211将表示距离d1'的测量信号作为测量结果提供给误差放大器213。因此，从误差放大器213中输出的误差信号的值为等式（4）右边表示为δ/cosθ的值。

此时，由于入射角θ为熟知的设计值，所以电机驱动器214能够根据误差信号的值获得工件102的加工表面沿Z方向的位移δ。电机驱动器214驱动Z轴驱动电机215以使物镜217向下移动距离δ，从而使物镜217可在工件102的加工表面上聚焦。

（用于正反射表面的聚焦方法）

下面将参照图6和图7描述工件102的加工表面为正反射表面的情况下的聚焦方法。

在工件102的加工表面为正反射表面的情况下，从激光束光源231中发射的探测光沿箭头A的方向行进，并且该探测光从工件102的加工表面中被正反射且沿箭头B的方向行进。沿箭头B的方向行进的探测光入射到扩散反射板212中，并从扩散反射板212被扩散地反射。

在从扩散反射板212被扩散地反射的探测光中，沿箭头C1和C2的方向行进的探测光再次从工件102的加工表面被正反射，并且该探测光沿箭头D1和D2的方向行进，且入射到受光透镜232中。因此，从扩散反射板212被扩散地反射的探测光的部分入射到受光透镜232中且在线性传感器233上形成图像。位移传感器211使用该反射光（所述反射光在从扩散反射板212被扩散地反射之后从工件102的加工表面被正反射）的部分执行测量。

与图5相似，图7示意性示出了位移传感器211、扩散反射板212、以及物镜217之间的位置关系。

此时，假设d2为在聚焦状态下从工件102的加工表面正反射的探测光入射到扩散反射板212的距离。假设h2为从工件102的加工表面至探测光入射到扩散反射板212的位置处的高度。

由于从工件102的加工表面正反射的探测光的反射角等于入射角θ，所以以下等式（5）成立。

h2=d2×cosθ---（5）

因此，由以下等式（6）表示从位移传感器211输出的探测光通过工件102的加工表面入射到扩散反射板212的距离。

d1+d2=(h1+h2)/cosθ---（6）

此时，由于位移传感器211使用反射光（该反射光在从扩散反射板212被扩散地反射之后从工件102的加工表面被正反射）执行测量，所以位移传感器211的长度测量距离为距离d1+d2。因此，位移传感器211将表示距离d1+d2的测量信号作为测量结果提供给误差放大器213。

另一方面，表示聚焦状态下的距离d1+d2的测量信号的值作为焦距设置值输入给误差放大器213。简言之，将焦距设置值设为距离d1+d2。因此，从误差放大器213中输出的误差信号的值为零。

与图5中实例相似，在工件102从聚焦状态中沿Z方向（向下的方向）移动距离δ时，由以下等式（7）表示距离d1'+d2'，探测光以该距离通过工件102的加工表面入射到扩散反射板212。

d1'+d2'=(h1+h2+2δ)/cosθ---（7）

因此，由以下等式（8）表示工件102移动的移动前距离d1+d2与工件102的移动后距离d1'+d2'之间的差值。

d1'+d2'-(d1+d2)=2δ/cosθ---（8）

因此，位移传感器211将表示距离d1'+d2'的测量信号作为测量结果提供给误差放大器213。因此，从误差放大器213中输出的误差信号的值为等式（8）右边中表示为2δ/cosθ的值。

此时，由于入射角θ为熟知的设计值，所以电机驱动器214根据误差信号的值能够获得工件102的加工表面沿Z方向的位移δ。电机驱动器214驱动Z轴驱动电机215以使物镜217向下移动距离δ，从而物镜217可在工件102的加工表面上聚焦。

基于工件102的加工表面的反射状态，通过来自外部的指令或设置或者以下述自动方式，聚焦装置201选择使物镜217在正反射的表面和扩散反射的表面中哪一个上聚焦。即，基于工件102的加工表面的反射状态，聚焦装置201选择用于正反射表面的聚焦方法和用于扩散反射表面的聚焦方法中之一使物镜217聚焦。

因此，无论工件102的加工表面为正反射表面还是扩散反射表面，都无需切换由位移传感器211执行的测量方法也无需更换位移传感器211，而能够执行自动对焦。因此，不需要执行比如各种调节和设置等大量工作，而在切换由位移传感器211执行的测量方法或更换位移传感器211时却需要执行这些工作。

为了容易理解的目的，距离δ在图7中示出得较大，因此工件102的移动之前与移动之后对比，探测光入射到扩散反射板212中的位置也很大地偏离。然而，实际上，位移δ极小，并且在工件102的移动之前与移动之后，探测光入射到扩散反射板212中的位置的变化也非常小。

由于工件102的倾斜，所以入射角θ和反射角θ发生变化，并且探测光入射到扩散反射板212中的位置发生变化。然而，工件102的倾斜的变化极小，并且在工件102的倾斜之前或之后，探测光入射到扩散反射板212中的位置的变化也非常小。

在位移传感器211中，根据反射光的受光量的分布执行测量，所述反射光在从扩散反射板212沿所有方向被扩散地反射之后，从工件102的加工表面被反射以便返回到位移传感器211。因此，由于位置的变化对位移传感器211的测量结果的影响非常小，所以可忽略探测光入射到扩散反射板212中的位置的变化。

由于入射角θ为固定值，所以cosθ为常数。因此，比如，位移传感器211可输出测量结果乘以常数cosθ这样一个值。因此，在工件102的加工表面为扩散反射表面的情况下，位移传感器211输出表示高度h1或h1+δ的测量信号，并且误差放大器213输出表示位移δ的误差信号。因此，工在件102的加工表面为正反射表面的情况下，位移传感器211输出表示高度h1+h2或h1+h2+2δ的测量信号，并且误差放大器213输出表示位移δ×2的误差信号。

比如，误差放大器213可输出焦距设置值与测量信号的值之间的差值乘以常数cosθ这样一个值。因此，在工件102的加工表面为扩散反射表面的情况下，误差放大器213输出表示位移δ的误差信号。在工件102的加工表面为正反射表面的情况下，误差放大器213输出表示位移δ×2的误差信号。

在下文中，将工件102的加工表面沿Z方向的位移简称为工件102的位移。

[聚焦装置的第一变型]

比如，当Z轴驱动电机215执行高速操作以便提高自动对焦的响应速度时，由于在开始操作时Z轴驱动电机215上的载荷增大，所以有时产生Z轴驱动电机215的失调。比如，在由脉冲电机构成的Z轴驱动电机215执行开环控制时，在由电机驱动器214识别的物镜217的Z方向的位置与产生Z轴驱动电机215的失调时的实际位置之间产生偏差。每次执行自动对焦时都累积该偏差，并且最终物镜217不能在工件102的加工表面上聚焦，这就造成加工质量下降。

为了防止发生这种现象，比如，设想执行初始化工作以定期重新设置累积的误差。然而，对于用户来说，初始化工作较为麻烦。当激光加工设备101连续地进行操作时不能执行初始化工作。

图8示出了能够防止产生这种现象的聚焦装置301。

聚焦装置301与图3中的聚焦装置201的不同之处在于增加了连接部件311。

位移传感器211、扩散反射板212以及物镜217通过介于它们之间的连接部件311彼此连接。连接部件311通过Z轴驱动螺杆216连接至Z轴驱动电机215，所述Z轴驱动螺杆介于连接部件与Z轴驱动电机之间。，Z轴驱动电机215沿旋转方向的运动通过Z轴驱动螺杆216被传输给连接部件311，以使连接部件311沿箭头A所表示且与工件102的加工表面垂直的方向（Z方向）移动。结果，与连接部件311连接的位移传感器211、扩散反射板212以及物镜217沿Z方向整体地移动。

无论Z轴驱动电机215是否产生失调，并且无论工件102的加工表面为扩散反射表面还是正反射表面，位移传感器211的测量信号的值都等于焦距设置值，并且连接部件311沿Z方向的位置被调节，以使得从误差放大器213中输出的误差信号的值变为零，这就允许物镜217在工件102的加工表面上聚焦。

因此，即使Z轴驱动电机215产生失调，物镜217也能够在工件102的加工表面上正确地聚焦。

不需要根据工件102的加工表面的反射状态改变控制电机驱动器214的方法。虽然取决于工件102的加工表面的扩散反射表面和正反射表面之间的差异，误差信号的值变成等式（4）的δ/cosθ或等式（8）的2δ/cosθ，但是电机驱动器214可调节物镜217沿Z方向的位置，以使得无论该误差信号的值为多少，误差信号的值都变成零。

[聚焦装置的第二变型]

与图8中的聚焦装置301相似，在图9的聚焦装置351内采取对策，以应对Z轴驱动电机215的失调。

聚焦装置351与图8中的聚焦装置301的不同之处在于，提供了架台361代替连接部件311，提供了电机驱动器362代替电机驱动器214，以及增加了旋转编码器363。

在聚焦装置351内，位移传感器211和扩散反射板212固定至架台361，并且在自动对焦的过程中，仅物镜217沿Z方向移动。

根据由旋转编码器363所计数的Z轴驱动电机215的旋转次数，电机驱动器362检测物镜217沿Z方向的行进距离，并且检测物镜217沿Z方向的位置。因此，即使产生了Z轴驱动电机215的失调，电机驱动器362也能够根据Z轴驱动电机215的实际旋转次数正确地检测物镜217沿Z方向的位置。

因此，即使产生了Z轴驱动电机215的失调导致不能使物镜217移动到目标位置，也可检测到该误差，并且在下一次自动对焦时得以校正。因此，阻止物镜217沿Z方向累积位置偏差。

在Z轴驱动电机215由线性电机构成时的情况下，比如，使用提供线性编码器代替旋转编码器363。

在Z轴驱动电机215由音圈电机构成，以便高速驱动物镜217时的情况下，比如，取代旋转编码器363而使用线性编码器或静电电容式传感器代替旋转编码器363，从而来检测物镜217的位置。

在使用能高速操作的检流计沿Z方向驱动物镜217的情况下，比如，取代旋转编码器363而使用装有编码器的数字检流计来检测物镜217的位置。

与图8中的聚焦装置301相比，在聚焦装置351中，仅使物镜217沿Z方向移动，从而可减少自动对焦Z方向驱动机构上的载荷。因此，可提高该驱动机构的响应速度，并且也可提高自动对焦的响应速度。此外，能够实现驱动机构的小型化，并且可实现激光加工设备101的小型化和成本降低。

[在扩散反射表面和正反射表面相混合的情况下的聚焦方法]

下面将参照图10至图12描述在扩散反射表面和正反射表面相混合的情况下的聚焦方法。

图10示出了以下情况，其中，由使用了CIGS的薄膜太阳能电池面板401构成的工件102被放置于基板支架402上，作为扩散反射表面和正反射表面相混合的情况的实例。图10的上部分为示出了从上方观看薄膜太阳能电池面板401时放置于基板支架402上的薄膜太阳能电池面板401的示意图，图10的下部分为示意性地示出了放置于基板支架402上的薄膜太阳能电池面板401的截面的视图。

在图10的实例中，薄膜太阳能电池面板401处于执行激光加工的P1工序之前的状态，并且背面电极层401B（其为由Mo等制成的金属层）堆叠在玻璃基板401A上。如上所述，背面电极层401B正反射激光束。

另一方面，基板支架402由执行了黑色耐酸铝处理的铝制成，并且基板支架402扩散地反射激光束。

在下文中，为了便于理解，假设薄膜太阳能电池面板401的背面电极层401B的表面位于与基板支架402的表面相同的高度处。

比如，在沿箭头A的方向移动加工头115的同时对薄膜太阳能电池面板401的背面电极层401B进行加工的情况中，当加工头115位于基板支架402上方时，对基板支架402的表面执行自动对焦。然后，当加工头115位于薄膜太阳能电池面板401上方时，对薄膜太阳能电池面板401的背面电极层401B的表面执行自动对焦。

此时，在加工背面电极层401B的情况下，由于背面电极层401B为正反射表面，因此输入至误差放大器213的焦距设置值被设为距离d1+d2，如上面参照图7所述的。

另一方面，在对基板支架402的表面进行自动对焦的情况下，由于基板支架402的表面为扩散反射表面，所以即使物镜217在基板支架402的表面上聚焦，位移传感器211的长度测量距离也为距离d1，该距离d1比焦距设置值短，二者相差距离d2。

因此，在位移传感器211、扩散反射板212以及物镜217沿Z方向整体移动（与图8中的聚焦装置301一样）的情况下，由于执行控制以使位移传感器211的长度测量距离变成为d1+d2，所以物镜217在Z+方向移动距离d2×cosθ。

在仅使物镜217沿Z方向移动（与图9中的聚焦装置351一样）的情况下，物镜217在Z+方向移动距离d2×cosθ/2。

通常，从工件102的加工表面被正反射的探测光入射到扩散反射板212的距离d2远大于工件102沿Z方向的位移。因此，在以上每种情况中，物镜217在基板支架402上的行进距离大于通常自动对焦的距离。

因此，然后，在对薄膜太阳能电池面板401的背面电极层401B的表面执行自动对焦的情况中，延长物镜217的行进距离以降低自动对焦的响应速度。

某些市场上可购买到的位移传感器具有设置长度测量范围和输出长度测量范围之外的误差信号的功能。因此，能够设想将位移传感器211的长度测量范围设为焦距设置值±α，设想当位移传感器211输出表示长度测量距离大于长度测量范围的误差信号时停止自动对焦，并且设想物镜217沿Z方向的移动停止或者物镜217返回至移动前的位置。

将α设为大于薄膜太阳能电池面板401沿Z方向的假定位移范围且小于距离d2的一个值。

因此，在图10的实例中，在中断对基板支架402的表面执行的自动对焦以对薄膜太阳能电池面板401的背面电极层401B的表面执行自动对焦的情况下，缩短物镜217的行进距离以提高自动对焦的响应速度。

此时，基板支架402并非加工目标，但是仅一种扩散反射表面（薄膜太阳能电池面板401的背面电极层401B）为加工目标的反射状态。另一方面，在加工的过程中，能够设想将加工表面的反射状态从扩散反射表面切换为正反射表面或者从正反射表面切换为扩散反射表面。

在这种情况下，比如，在位移传感器211输出表示长度测量距离偏离长度测量范围的误差信号的情况下，能够确定加工表面的反射状态发生改变。在确定加工表面的反射状态发生改变的情况下，能够切换物镜217聚焦在其上的正反射表面和扩散反射表面中之一。也就是说，可将用于扩散反射表面的聚焦方法切换成用于正反射表面的聚焦方法，或者可将用于正反射表面的聚焦方法切换成用于扩散反射表面的聚焦方法。

比如，在位移传感器211、扩散反射板212以及物镜217沿Z方向整体地移动（与图8中的聚焦装置301一样）的情况下，根据加工表面的反射状态，可将输入至误差放大器213的焦距设置值切换成用于扩散反射表面的值（距离d1）或用于正反射表面的值（距离d1+d2）。

在仅使物镜217沿Z方向移动（与图9中的聚焦装置351一样）的情况下，比如，除了切换焦距设置值以外，还可根据加工表面的反射状态，切换用于获得电机驱动器214的工件102的位移的方法。也就是说，在加工表面为扩散反射表面的情况下，根据等式（4）的右边可获得位移δ，并且在加工表面为正反射表面的情况下，根据等式（8）的右边可获得位移δ。

在位移传感器211未装有设置长度测量范围的功能的情况下，比如，可根据入射到扩散反射板的探测光的强度来检测工件102的加工表面的反射状态。

图11和12部分地示出了聚焦装置451的构造实例，该聚焦装置根据入射到扩散反射板的探测光的强度来检测工件102的加工表面的反射状态。图11示出了工件102的加工表面为正反射表面的情况，而图12示出了工件102的加工表面为扩散反射表面的情况。

聚焦装置451与图3中的聚焦装置201的不同之处在于，提供了扩散反射板461来代替扩散反射板212，并且提供了光传感器462和放大器比较器463。

在扩散反射板461的中心形成有销孔461A。扩散反射板461被设置为，在从位移传感器211的激光束光源231发射的探测光从工件102的加工表面被正反射的情况下，正反射探测光的部分被入射到销孔461A中。

光传感器462检测穿过销孔461A的探测光的光量，并且将表示检测值的检测信号提供给放大器比较器463。在将来自光传感器462中的检测信号放大之后，放大器比较器463比较放大的检测信号的值与预定的阈值，从而判定工件102的加工表面为正反射表面还是扩散反射表面。

比如，当工件102的加工表面为正反射表面时（如图11中所示），从激光束光源231中发射以在箭头A的方向行进的探测光从工件102的加工表面被正反射，被正反射的探测光的大部分沿箭头B的方向行进，并且被正反射的探测光中的部分入射到扩散反射板461的销孔461A。因此，由光传感器462所检测的探测光的光量增大。

另一方面，当工件102的加工表面为扩散反射表面时（如图12中所示），从激光束光源231中发射以在箭头A的方向行进的探测光从工件102的加工表面被扩散地反射，被扩散地反射的探测光中仅部分沿箭头B的方向行进，并且沿箭头B的方向行进的扩散地反射的探测光的一部分中的部分被入射到扩散反射板461的销孔461A。因此，光传感器462所检测的探测光的光量减少。

因此，当放大的检测信号的值大于或等于阈值时，放大器比较器463确定工件102的加工表面为正反射表面，并且当放大的检测信号的值小于阈值时，放大器比较器463确定工件102的加工表面为扩散反射表面。放大器比较器463将表示确定结果的信号提供给位移传感器211和电机驱动器214。

因此，根据所检测的结果，自动地检测工件102的加工表面的反射状态，并且如上所述的，能够自动地切换用于使物镜217聚焦的方法。

2.改进

下面将描述对本发明的实施例进行的改进。

在图1的激光加工设备101内，例如固定有起重架114。比如，去除图1中的Y轴驱动部112，并且可将起重架114构造成在Y轴方向被驱动（移动的龙门式架）。

在以上描述中，例如使用板状扩散反射板212。可替换地，可使用具有板形以外形状（比如，球形）的扩散反射器。

比如，误差放大器213的功能可包含在位移传感器211内。

比如，根据该测量结果，位移传感器211的信号处理器234可计算工件102的位移δ，并且输出表示该位移δ的测量信号。在这种情况下，比如，根据工件102的加工表面的反射状态的检测结果，信号处理器234可在用于根据等式（4）计算扩散反射表面的位移δ的方法与用于根据等式（8）计算正反射表面的位移δ的方法之间自动地切换。

比如，位移传感器211的信号处理器234可根据长度测量距离是否落在长度测量范围内而检测工件102的加工表面的反射状态。比如，在设置了用于正反射表面的长度测量范围的情况下，当长度测量距离偏离长度测量范围时，检测到工件102的加工表面从正反射表面变成扩散反射表面。在设置了用于扩散反射表面的长度测量范围的情况下，当长度测量距离偏离长度测量范围时，检测到工件102的加工表面从扩散反射表面变成正反射表面。

在以上描述中，例如，通过物镜217在Z方向的位置聚焦物镜217。比如，本发明也可用于以下情况，物镜217由多个透镜构成并且焦点位置由透镜之间的距离调节。

可使用二维图像传感器代替线性传感器233。

在以上描述中，例如，使用从工件102的加工表面中正反射或扩散地反射的探测光使物镜217在加工表面上聚焦。可替换地，使用从除加工表面以外的表面中正反射或扩散地反射的探测光使物镜217在加工表面上聚焦。

比如，如图13中的箭头A1所示，将讨论以下情况，使用激光束从玻璃基板801的侧部照射正反射膜802（比如，Mo薄膜等），从而执行加工。在这种情况下，如上所述，可使用从玻璃基板801的表面801a扩散地反射的探测光使物镜聚焦在玻璃基板801的表面801a上。此时，将焦点位置设置成从玻璃基板801的表面801a偏移至一位置，该位置比表面801a深玻璃基板801的厚度。因此，使用从玻璃基板801的表面801a中扩散地反射的探测光，物镜能够在作为实际加工表面的正反射膜802的表面802a上聚焦。

比如，对于使用激光束从透明或半透明的薄膜基板811（比如，柔性片材，比如，PI片材、PET片材以及COC片材）的侧部照射正反射膜812来执行加工的情况也同样适用，如图14中的箭头A2所示。即，使用从薄膜基板811的表面811a中扩散地反射的探测光，物镜能够在作为实际加工表面的正反射膜812的表面812a上聚焦。

如图15中所示的，本发明可用于以下情况，使用从加工表面中反射的探测光，物镜不仅能在工件102的表面上聚焦，而且还能在比工件102的表面更深的加工表面上聚焦。

具体而言，比如，将探测光设为相对于薄膜基板821来说具有良好的透射率的波长，并且对薄膜基板821的表面821a进行涂覆，以使探测光几乎不能扩散地反射。因此，如箭头A3所示，从薄膜基板821的侧部入射的探测光通过薄膜基板821传输，并且从正反射膜822的表面822a被正反射。使用从正反射膜822的表面822a正反射的探测光，能够使物镜在正反射膜822的表面822a上可聚焦。

除了可用于激光加工设备以外，本发明还可应用于执行自动对焦的设备中。

本发明不限于以上实施例，但是在不背离本发明范围的情况下，可进行各种变化。

Claims (3)

1.一种位移传感器，包括：

投光部，所述投光部使用测量光倾斜地照射所测量的物体的表面；

扩散反射器，所述扩散反射器设置在从所述所测量的物体的表面正反射的测量光所入射的位置中；

受光部，所述受光部接收测量光的第一反射光或者测量光的第二反射光，所述第一反射光从所述扩散反射器被扩散地反射且从所述所测量的物体的表面被进一步地反射，所述第二反射光从所述所测量的物体的表面被扩散地反射；以及

信号处理器，所述信号处理器使用所述受光部所接收的第一反射光检测第一距离或使用所述受光部所接收的第二反射光检测第二距离，所述第一距离对应于从所述投光部通过所述所测量的物体的表面到所述扩散反射器的测量光行程，所述第二距离对应于从所述投光部到所述所测量的物体的表面的测量光行程。

2.根据权利要求1所述的位移传感器，其中，根据所检测的距离是否落在预定范围内，所述信号处理器确定所述所测量的物体的表面是正反射表面还是扩散反射表面。

3.根据权利要求1所述的位移传感器，其中，当所述所测量的物体的表面被确定为正反射表面时，所述信号处理器基于所述第一距离和入射到所述所测量的物体的表面的测量光的入射角计算所述所测量的物体的位移，并且当所述所测量的物体的表面被确定为扩散反射表面时，所述信号处理器基于所述第二距离和所述入射角计算所述所测量的物体的位移。

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