CN107003118A - 位移传感器、位移检测装置及位移检测方法 - Google Patents

Abstract

具有：投光部，其将照射光向被检测物的被检测面进行投光；物镜光学系统，其使照射光向被检测面会聚，将照射光由被检测面扩散反射后的反射光进行导入；遮光板，其形成有多个开口部，这些开口部使由物镜光学系统导入的穿透光的多个部分分别穿过；拍摄部，其拍摄图像；多个成像光学系统，它们使由物镜光学系统导入的穿透光的多个部分分别在拍摄部进行成像；以及信号处理部，其基于由拍摄部拍摄的多个光点各自的亮度重心，对与被检测面之间的距离进行计算。

Description

位移传感器、位移检测装置及位移检测方法

技术领域

本发明涉及一种对与被检测物的被检测面之间的距离进行计算的位移传感器、位移检测装置及位移检测方法。

背景技术

通常，在通过例如放电加工装置、激光加工装置等加工装置对被加工物进行高精度的加工之前，执行使被加工物的基准面高精度地与加工装置的扫描轴进行位置对准的换产调整工序。在换产调整工序中，利用安装夹具将被加工物固定于加工装置的扫描部之上，将千分表按压于被加工物的基准面，手动对被加工物的位置进行调整，以使得即便移动与被加工物的基准面相对应的扫描轴，千分表的值也不发生变化。但是，在手动进行的换产调整工序中，存在下述课题，即，耗费时间，另外，根据作业者的技能而位置对准的结果会产生波动。

因此，为了缩短作业时间以及减少由作业者造成的波动，存在在加工装置安装测量传感器而自动地进行换产调整的方法。测量传感器除了接触式传感器之外，还存在能够以非接触的方式进行测量的光学式传感器。光学式传感器向被加工物的上表面照射激光，对反射光进行检测，以非接触的方式对被检测面的位置进行测量。因此，光学式传感器存在下述优点，即，对细的基准孔也能进行测量，对柔软的被加工物也能进行测量。

作为相关的技术，已知下面的专利文献1至专利文献3。

专利文献1：日本特公平6-72775号公报

专利文献2：日本特开平2-184715号公报

专利文献3：日本特开平6-167305号公报

发明内容

在专利文献1记载的技术中，由于将多个光电变换元件2至9以激光点19为中心呈放射状进行配置(参照专利文献1的图1)，因此装置的尺寸会变大。

另外，在专利文献2记载的技术中，由于通过位置感知检测器32对平行的光线24进行感知(参照专利文献2的图1a)，因此位置感知检测器32必须比平行的光线24大，从而装置的尺寸变大。

另外，在专利文献3记载的技术中，由于通过2个PSD(Position SensitiveDevice)对由被测定体100反射后的光进行检测，因此装置的尺寸变大。

本发明就是鉴于上述情况而提出的，其目的在于得到一种能够使装置的尺寸变小的位移传感器。

为了解决上述的课题、实现目的，本发明的特征在于，具有：投光部，其将照射光向被检测物的被检测面进行投光；物镜光学系统，其使所述照射光向所述被检测面会聚，将所述照射光由所述被检测面扩散反射后的反射光进行导入；遮光板，其形成有多个开口部，这些开口部使由所述物镜光学系统导入的穿透光的多个部分分别穿过；拍摄部，其拍摄图像；多个成像光学系统，它们使由所述物镜光学系统导入的穿透光的多个部分分别在所述拍摄部进行成像；以及信号处理部，其基于由所述拍摄部拍摄的多个光点各自的亮度重心，对与所述被检测面之间的距离进行计算。

发明的效果

本发明涉及的位移传感器、位移检测装置及位移检测方法取得能够使装置的尺寸变小这样的效果。

附图说明

图1是表示实施方式1涉及的位移检测装置的图。

图2是表示实施方式1涉及的位移传感器的结构的图。

图3是表示实施方式1涉及的位移传感器的遮光板的图。

图4是表示实施方式1涉及的位移传感器的拍摄部的拍摄面的图。

图5是说明实施方式1涉及的位移传感器的三角测量的原理的图。

图6是说明实施方式1涉及的位移传感器的三角测量的原理的图。

图7是表示实施方式1涉及的位移传感器的被检测物的被检测面的图。

图8是表示由实施方式1涉及的位移传感器的拍摄部拍摄的光点的亮度分布的图。

图9是表示由实施方式1涉及的位移传感器的拍摄部拍摄的光点的亮度分布的图。

图10是表示实施方式1涉及的位移检测装置的处理的流程图。

图11是表示实施方式1涉及的位移传感器的照射光对倒角面进行照射的情形的图。

图12是表示实施方式1涉及的位移传感器的遮光板的另一个例子的图。

图13是表示实施方式1涉及的位移传感器的遮光板的另一个例子的图。

图14是表示实施方式2涉及的位移传感器的结构的图。

图15是表示实施方式2的变形例涉及的位移传感器的结构的图。

图16是表示实施方式3涉及的位移传感器的结构的图。

图17是表示实施方式3涉及的位移传感器的拍摄部的拍摄面的图。

图18是表示实施方式4涉及的位移传感器的结构的图。

图19是说明对实施方式4涉及的位移传感器与被检测面之间的大致的距离进行计算的原理的图。

图20是说明对实施方式4涉及的位移传感器与被检测面之间的大致的距离进行计算的原理的图。

图21是说明对实施方式4涉及的位移传感器与被检测面之间的大致的距离进行计算的原理的图。

图22是表示实施方式4涉及的位移传感器的物镜光学系统和被检测面之间的距离与由光量检测部检测出的光量的关系的图。

图23是表示实施方式4涉及的位移检测装置的处理的流程图。

图24是表示实施方式4涉及的位移传感器的对被检测物的缘部进行检测的情形的图。

图25是表示实施方式4涉及的位移传感器的X坐标与检测光量的关系的图。

图26是表示对比例涉及的位移传感器的结构的图。

具体实施方式

下面，基于附图对本发明的实施方式涉及的位移传感器、位移检测装置及位移检测方法进行详细说明。此外，本发明并不限定于这些实施方式。

实施方式1.

图1是表示实施方式1涉及的位移检测装置的图。位移检测装置1是对作为被加工物的被检测物9进行加工的加工装置。加工装置例示为放电加工装置或者激光加工装置。

位移检测装置1具有：扫描部2，其对被检测物9进行搭载；驱动部3，其将扫描部2沿X方向、Y方向以及Z方向进行驱动；加工头4，其对被检测物9进行加工；驱动部5，其将加工头4沿X方向、Y方向以及Z方向进行驱动；位移传感器6，其安装于加工头4的侧面；以及控制部7，其对驱动部3及5以及位移传感器6进行控制。

在实施方式1中，X方向、Y方向以及Z方向相互正交。另外，假设X-Y平面为水平，Z方向为铅垂方向。在下面，有时将X方向称为+X方向，将X方向的反方向称为－X方向，将Y方向称为+Y方向，将Y方向的反方向称为－Y方向，将Z方向称为+Z方向，将Z方向的反方向称为－Z方向。

被检测物9安装于扫描部2而由安装夹具8进行固定。被检测物9的Z方向的表面即上表面为被检测面9a。在实施方式1中，假设被检测面9a大致与X-Y平面平行。位移传感器6的目的在于，通过对被检测面9a的多点的高度进行测量而求出被检测面9a相对于X-Y平面的倾斜度、即安装误差。多点例示为3点。另外，被检测物9的4个侧面与被检测面9a的四边之间的边界部被实施了倒角加工，形成有倒角面9b。

位移传感器6向被检测面9a照射光，基于来自被检测面9a的反射光，对位移传感器6与被检测面9a之间的距离进行计算。控制部7通过从扫描部2与位移传感器6之间的距离中减去位移传感器6与被检测面9a之间的距离，从而能够对被检测部9的高度进行计算。

图2是表示实施方式1涉及的位移传感器的结构的图。图2是表示沿Y方向观察位移传感器6的结构的图。

位移传感器6具有：投光部20，其将照射光35从与被检测面9a垂直的方向向被检测面9a进行投光；以及物镜光学系统24，其将照射光35向被检测面9a进行会聚，将照射光35的由被检测面9a扩散反射后的反射光36变成平行光37。

另外，位移传感器6具有：遮光板25，其形成有使平行光37的多个部分分别穿过的后面叙述的开口部25a、25b、25c以及25d；拍摄部27，其拍摄图像；以及后面叙述的成像光学系统26a、26b、26c以及26d，它们使平行光37的多个部分在拍摄部27分别进行成像。

另外，位移传感器6具有信号处理部28，该信号处理部28基于由拍摄部27拍摄的多个光点各自的亮度重心，对与被检测面9a之间的距离进行计算。

光点的亮度重心是利用亮度对光点内的各像素加权后的重心。

图3是表示实施方式1涉及的位移传感器的遮光板的图。图3是沿Z方向观察遮光板25的图。遮光板25形成有开口部25a、25b、25c以及25d。将开口部25a的中心和开口部25c的中心连结的线40沿着X方向，将开口部25b的中心和开口部25d的中心连结的线41沿着Y方向。另外，开口部25a、25b、25c以及25d是相对于后面叙述的基准轴22等距离地形成的。在开口部25a、25b、25c以及25d的Z方向侧分别配置有成像光学系统26a、26b、26c以及26d。

再次参照图2，投光部20具有将光30射出的光源20a。光源20a例示为激光二极管。光30的光轴是沿着X方向的轴21。在这里，光轴是表示成为照射的光束整体或者受光的光束整体的代表的假想的光线的行进方向的轴，是表示光束整体的行进方向的轴。

另外，投光部20具有将光30变成平行光32的投光光学系统20b。在实施方式1中，投光光学系统20b设为1片透镜，但也可以将多片透镜进行组合。

位移传感器6也可以考虑不具有投光光学系统20b而不将光30变为平行光的结构。但是，从例如设计容易度、组装容易度以及高度测量精度的观点出发，位移传感器6优选具有投光光学系统20b，将光30变成平行光32。

投光部20具有投光隔板20c，该投光隔板20c形成有使平行光32的一部分的光33穿过的开口部20c1。位移传感器6能够通过调整开口部20c1的直径而对被检测面9a处的光点直径进行调整。

投光部20具有分光器20d，该分光器20d将穿过开口部20c1后的光33向被检测面9a进行反射。由分光器20d反射而朝向被检测面9a的光34的光轴是沿着Z方向的基准轴22。即，基准轴22沿铅垂方向延伸。分光器20d与X轴所呈的角以及分光器20d与Z轴所呈的角分别为90度。

光34射入至物镜光学系统24。在实施方式1中，物镜光学系统24设为1片透镜，但也可以将多片透镜进行组合。光34由物镜光学系统24会聚后的照射光35照射至被检测面9a。照射光35的光轴为基准轴22。照射光35由被检测面9a扩散反射。通常，加工前的被检测面9a为粗糙面，对照射光35进行扩散反射。

照射光35由被检测面9a扩散反射后的反射光36射入至物镜光学系统24。反射光36的光轴为基准轴22。物镜光学系统24将反射光36变成平行光37。平行光37的光轴为基准轴22。

在这里，物镜光学系统24无需将反射光36严格地变成平行光37，只要导入用于高度测量的光即可。但是，从例如设计容易度、组装容易度以及高度测量精度的观点出发，物镜光学系统24优选将反射光36变成平行光37。

平行光37经过分光器20d而照射至遮光板25。遮光板25与X-Y平面平行地进行配置。即，遮光板25与基准轴22垂直地进行配置。

再次参照图3，平行光37照射至包含开口部25a、25b、25c以及25d在内的区域。开口部25a、25b、25c以及25d分别使平行光37的多个部分的光37a、37b、37c以及37d穿过。由光37a、37b、37c以及37d分别穿过成像光学系统26a、26b、26c以及26d后所成的多个成像光分别在拍摄部27的拍摄面进行成像。在实施方式1中，成像光学系统26a、26b、26c以及26d分别设为1片透镜，但也可以分别将多片透镜进行组合。另外，成像光学系统26a、26b、26c以及26d也可以为三角棱镜。

在这里，如图2所示，成像光学系统26a的中心轴26a1配置于与开口部25a的中心轴25a1相比靠近基准轴22的位置。因此，如图2所示，成像光38a在拍摄部27的拍摄面27a进行成像的位置，是与开口部25a的中心轴25a1相比靠近基准轴22的位置。

同样地，成像光学系统26c的中心轴26c1配置于与开口部25c的中心轴25c1相比靠近基准轴22的位置。因此，如图2所示，成像光38c在拍摄部27的拍摄面27a进行成像的位置，是与开口部25c的中心轴25c1相比靠近基准轴22的位置。

另外，如图3所示，成像光学系统26b及26d的中心轴26b1及26d1也配置于与开口部25b及25d的中心轴25b1及25d1相比靠近基准轴22的位置。因此，穿过成像光学系统26b及26d后的成像光在拍摄部27的拍摄面进行成像的位置，是与开口部25b及25d的中心轴25b1及25d1相比分别靠近基准轴22的位置。

这样，在位移传感器6中，物镜光学系统24将反射光36变成平行光37，因此能够使X方向及Y方向的尺寸宽度变小，能够使尺寸变小。

另外，位移传感器6由于能够将拍摄部27的尺寸变小，因此能够降低成本。

图4是表示实施方式1涉及的位移传感器的拍摄部的拍摄面的图。图4是沿Z方向观察拍摄部27的拍摄面的图。光37a、37b、37c以及37d通过成像光学系统26a、26b、26c以及26d而在拍摄部27的成像面27a进行成像，分别形成光点39a、39b、39c以及39d。拍摄部27拍摄光点39a、39b、39c以及39d的图像。拍摄部27是将拍摄元件二维地进行排列的二维元件阵列或者二维图像传感器。拍摄部27例示为CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)图像传感器或者CCD(Charge Coupled Device)图像传感器。

拍摄部27由信号处理部28进行控制而对多个光点39a、39b、39c以及39d进行拍摄。

信号处理部28利用三角测量的原理，基于光点39a、39b、39c以及39d各自的亮度重心，对与被检测面9a之间的距离进行计算。控制部28例示为CPU(Central ProcessingUnit)或者DSP(Digital Signal Processor)。

图5是说明实施方式1涉及的位移传感器的三角测量的原理的图。首先，对被检测面103处于位置107的情况进行说明。从光源100射出而穿过物镜101后的照射光102在被检测面103处进行扩散反射。反射光104通过成像透镜105而在一维图像传感器106之上进行成像。

接下来，对被检测面103移动至与位置107相比远离光源100及一维图像传感器106的位置108的情况进行说明。从光源100射出而穿过物镜101后的照射光102在被检测面103处进行扩散反射。反射光109通过成像透镜105而在一维图像传感器106之上进行成像。反射光109是在与反射出反射光104的位置107相比更远的位置108处反射出的，因此由反射光109在一维图像传感器106之上形成的光点的位置成为与由反射光104在一维图像传感器106之上形成的光点的位置相比靠近光源100的位置。

图6是说明实施方式1涉及的位移传感器的三角测量的原理的图。如图6所示，在一维图像传感器106的拍摄面，由在被检测面103处于位置107时的反射光104形成的光点110移动至由在被检测面103移动至位置108时的反射光109形成的光点111。通过对光点110及111各自的亮度重心进行计算，对从光点110向光点111的移动量进行计算，由此能够对与被检测面103之间的距离进行计算。

此外，被检测物9是以例如超硬材料、不锈钢或者铜等金属作为材料的部件。加工前的被检测物9的被检测面9a由于在从母材切出被检测物9时造成的加工痕迹而呈微小的凹凸形状。即，加工前的被检测物9的表面为粗糙面。

图7是表示实施方式1涉及的位移传感器的被检测物的被检测面的图。图7是沿Z方向的相反方向观察被检测面9a的图。在被检测面9a，分别沿第1方向延伸的多个加工痕迹10在与第1方向相交叉的第2方向上隔开间隔而排列。间隔例示为3μm至5μm。在实施方式1中，多个加工痕迹10分别沿第1方向即Y方向而延伸，在X方向上以3μm至5μm的间隔而排列。

因此，在将照射光35照射至被检测面9a时，反射光36相对于反射角度的强度分布随被检测面9a之上的位置而发生变化。因此，由拍摄部27拍摄的光点39a、39b、39c以及39d的强度分布随被检测面9a之上的位置而大幅地变化，得不到稳定的亮度检测信号，产生波动。因此，在投光隔板20c形成的开口部20c1的直径优选设定为，照射至被检测面9a的光点直径包含多个凹凸。

在理想情况下，照射至被检测面9a的光点直径越小，则能够使光点39a、39b、39c以及39d的光点直径也越小，因此高度检测的分辨率得到提高。但是，在被检测面9a为微小的凹凸形状的情况下，如果使照射至被检测面9a的光点直径过小，则反射光36相对于照射光35反射的角度即反射角度的强度分布受到凹凸的影响，因此变得容易随照射位置而发生变化，亮度检测信号的波动变大。因此，照射至被检测面9a的照射光35的光点直径需要一边抑制亮度检测信号的波动，一边设为高度检测的分辨率高的适当的大小。照射至被检测面9a的照射光35的光点直径在多个加工痕迹10的间隔为3μm至5μm的间隔的情况下，优选设为8μm±1μm，更优选设为8μm。照射至被检测面9a的照射光35的光点直径如上所述，能够通过调整投光隔板20c的开口部20c1的直径而进行调整。

图8是表示由实施方式1涉及的位移传感器的拍摄部拍摄的光点的亮度分布的图。图8是表示由拍摄部27拍摄的光点39b及39d的亮度分布的图。

光点39a及光点39c的位置沿着与多个加工痕迹10的延伸方向即Y方向相交叉的X方向。因此，光点39a及光点39c的亮度分布45容易受到多个加工痕迹10的影响。因此，光点39a及39c的亮度分布45具有2个波峰，与理想的亮度分布47相比产生了波动。因此，光点39a及39c的亮度分布45的亮度重心46与理想的亮度分布47的亮度重心48之间，会产生由多个加工痕迹10引起的误差49。

图9是表示由实施方式1涉及的位移传感器的拍摄部拍摄的光点的亮度分布的图。图9是表示由拍摄部27拍摄的光点39b及39d的亮度分布的图。

光点39b及光点39d的位置沿着多个加工痕迹10的延伸方向即Y方向。因此，光点39b及光点39d的亮度分布50难以受到多个加工痕迹10的影响。因此，光点39b及39d的亮度分布50大致与理想的亮度分布52一致。因此，光点39b及39d的亮度分布50的亮度重心51与理想的亮度分布52的亮度重心53之间大致一致。

信号处理部28对多个光点39a、39b、39c以及39d各自的亮度重心位置的波动进行计算。信号处理部28选择光点39a、39b、39c以及39d中的亮度重心位置的波动小的1个或者多个光点，基于所选择的光点的亮度重心，对与被检测面9a之间的距离进行计算。即，信号处理部28对光点39a、39b、39c以及39d中的亮度重心位置的波动最小的1个光点进行选择，或者在将光点39a、39b、39c以及39d按照亮度重心位置的波动由小到大进行排列时从亮度重心位置的波动最小的光点起依次选择多个。

信号处理部28能够对光点39a、39b、39c以及39d中的亮度重心位置的标准偏差小的一个或者多个光点进行选择。即，信号处理部28能够将亮度重心位置的标准偏差设为亮度分布的波动的尺度。

在实施方式1中，由于多个加工痕迹10沿Y方向延伸，因此所处位置沿Y方向的2个光点39b及39d的亮度重心位置的波动与其他2个光点39a及39c的亮度重心位置的波动相比较小。因此，信号处理部28对光点39a、39b、39c以及39d中的亮度重心位置的波动小的2个光点、即亮度重心位置的波动最小的光点39b以及亮度重心位置的波动其次小的光点39d进行选择，基于所选择的光点39b及39d的亮度重心，对与被检测面9a之间的距离进行计算。

对基于所选择的多个光点而计算高度的方法进行例示。亮度重心位置的波动小的光点39b及39d与光点39a及39c相比难以受到加工痕迹10的影响，但由于被测量面9a为金属粗糙面，因此亮度重心位置有可能波动。但是，光点39b及39d呈现在沿Y方向以基准轴22为中心而对称的位置，可以想到光点39b及39d的亮度分布也是以相同的方式而呈现的。因此，在光点39b的Y方向的亮度重心位置Yb产生了ΔY的波动时，光点39d的Y方向的亮度重心位置Yd也产生ΔY的波动。因此，如果根据光点39b及39d的亮度重心位置之差而计算高度，则能够将亮度重心位置的波动ΔY相互抵消，能够高精度地对高度进行测量。

由此，信号处理部28能够选择光点39a、39b、39c以及39d中的亮度重心位置的波动小的2个光点39b及39d，基于所选择的光点39b及39d的亮度重心，高精度地对与被检测面9a之间的距离进行计算。

位移检测装置1能够通过执行下面的处理而高精度地对与被检测面9a之间的距离进行计算。

图10是表示实施方式1涉及的位移检测装置的处理的流程图。

首先，在步骤S100中，控制部7一边控制驱动部5而使位移传感器6沿+X方向扫描预定的距离，一边控制信号处理部28而使拍摄部27根据来自信号处理部28的控制对多个光点39a、39b、39c以及39d分别进行多次拍摄，控制信号处理部28而对多个光点39a、39b、39c以及39d的亮度重心位置的波动进行计算。

此外，控制部7也可以控制信号处理部28而在位移传感器6沿+X方向进行扫描的期间，使拍摄部27根据来自信号处理部28的控制对多个光点39a、39b、39c以及39d分别进行多次拍摄，控制信号处理部28而对多个光点39a、39b、39c以及39d各自的亮度重心位置的波动进行多次计算。

另外，控制部7也可以使位移传感器6沿－X方向进行扫描。另外，控制部7也可以控制驱动部3而使扫描部2沿+X方向或者－X方向进行扫描，以取代控制驱动部5而使位移传感器6沿+X方向或者－X方向进行扫描。

接下来，在步骤S102中，控制部7一边控制驱动部5而使位移传感器6沿+Y方向扫描预定的距离，一边控制信号处理部28而使拍摄部27根据来自信号处理部28的控制对多个光点39a、39b、39c以及39d分别进行多次拍摄，控制信号处理部28而对多个光点39a、39b、39c以及39d的亮度重心位置的波动进行计算。

此外，控制部7也可以控制信号处理部28而在位移传感器6沿+Y方向进行扫描的期间，使拍摄部27根据来自信号处理部28的控制对多个光点39a、39b、39c以及39d分别进行多次拍摄，控制信号处理部28而对多个光点39a、39b、39c以及39d各自的亮度重心位置的波动进行多次计算。

另外，控制部7也可以使位移传感器6沿－Y方向进行扫描。另外，控制部7也可以控制驱动部3而使扫描部2沿+Y方向或者－Y方向进行扫描，以取代控制驱动部5而使位移传感器6沿+Y方向或者－Y方向进行扫描。

并且，在步骤S104中，控制部7控制信号处理部28而对光点39a、39b、39c以及39d中的亮度重心位置的波动最小的1个光点进行选择，或者在将光点39a、39b、39c以及39d按照亮度重心位置的波动由小到大进行排列时从亮度重心位置的波动最小的光点起依次选择多个，基于所选择的1个或者多个光点的亮度分布的亮度重心，对与被检测面9a之间的距离进行计算。

在实施方式1中，由于多个加工痕迹10沿Y方向延伸，因此所处位置沿Y方向对齐的光点39b及39d的亮度重心位置的波动与所处位置沿X方向对齐的光点39a及39c的亮度重心位置的波动相比较小。因此，信号处理部28选择光点39a、39b、39c以及39d中的亮度重心位置的波动小的2个光点39b及39d，基于所选择的光点39b及39d的亮度重心，对与被检测面9a之间的距离进行计算。

由此，信号处理部28能够高精度地对与被检测面9a之间的距离进行计算。

下面，说明位移传感器6对与倒角面9b之间的距离进行计算的情况。

位移传感器6将焦点调整在被检测面9a，因此在对位移传感器6与倒角面9b之间的距离进行计算的情况下，需要将被检测面9a调整至照射光35的光点的焦点深度内。在实施方式1中，焦点深度例示为－50μm至+50μm，但不限定于这个范围。焦点深度会根据位移传感器6所具有的物镜光学系统24的规格而变化。

图11是表示实施方式1涉及的位移传感器的照射光对倒角面进行照射的情形的图。如图11所示，在倒角面9b处，照射光35的正反射光55的行进方向为+X方向。因此，平行光37的部分的光37a、37b、37c以及37d的光量为37a＞37b及37d＞37c，因此在光点39a、39b、39c以及39d之间产生光量差。特别地，在光点39c处光几乎没有聚光，光点39c的S/N比(signal/noise ratio)变差。

另外，信号处理部28在使用光点39a及39c的情况下，基于+X方向的亮度重心位置的移动量，对位移传感器6与倒角面9b之间的高度进行计算，因此如果光点39a的光量与光点39c的光量差异较大，则容易产生误差。

根据上述理由，如果信号处理部28使用光点39b及39d，则能够高精度地对位移传感器6与倒角面9b之间高度进行计算。信号处理部28能够根据位移传感器6或者被检测物9的移动方向而判定倒角面9b的倾斜方向，因此能够从光点39a、39b、39c以及39d中选择用于高度计算的光点。

由此，位移传感器6除了能够对位移传感器6与被检测面9a之间的距离进行计算之外，还能够对位移传感器6与倒角面9b之间的高度进行计算。

此外，在实施方式1中，假设在遮光板25形成有4个开口部25a、25b、25c以及25d，但开口部的数量不限定于4个。

图12是表示实施方式1涉及的位移传感器的遮光板的另一个例子的图。图12所示的遮光板25A形成有2个开口部25a及25b。在将基准轴22和开口部25a的中心连结的线56与将基准轴22和开口部25b的中心连结的线57之间的角度D1为90度时，能够高精度地对位移传感器6与被检测面9a之间的距离进行计算，因此是优选的。角度D1从90度偏离得越多，则由位移传感器6计算出的位移传感器6与被检测面9a之间的距离的精度降低得越多。因此，角度D1优选落在80度至100度的范围，较优选落在85度至95度的范围，更优选落在88度至92度的范围。

图13是表示实施方式1涉及的位移传感器的遮光板的另一个例子的图。图13所示的遮光板25B形成有3个开口部25a、25b以及25c。在将基准轴22和开口部25a的中心连结的线58与将基准轴22和开口部25b的中心连结的线59之间的角度D2、线59与将基准轴22和开口部25c的中心连结的线60之间的角度D3、以及线58与线60之间的角度D4为120度时，能够高精度地对位移传感器6与被检测面9a之间的距离进行计算，因此是优选的。

图26是表示对比例涉及的位移传感器的结构的图。位移传感器120具有将光140射出的光源130。光140的光轴是沿着X方向的轴141。

光140通过投光光学系统131而成为平行光143。平行光143被分光器133向被检测面9a进行反射。被分光器133反射后的光144的光轴是沿着Z方向的基准轴142。由光144通过物镜光学系统134向被检测面9a会聚后的照射光145照射至被检测面9a。

位移传感器120具有：遮光板135，其形成有多个开口部135a及135c，这些开口部135a及135c使照射光145由被检测面9a扩散反射后的反射光146的多个部分的光146a及146c分别穿过；拍摄部137，其拍摄图像；以及成像光学系统136a及136c，它们使穿过开口部135a及135c后的光148a及148c分别在拍摄部137进行成像。

另外，位移传感器120具有信号处理部138，该信号处理部138基于由拍摄部137拍摄的多个光点各自的亮度重心，对与被检测面9a之间的距离进行计算。

在对比例涉及的位移传感器120中，将反射光146以不变成平行光的方式照射至遮光板135，因此X方向及Y方向的宽度变大，尺寸变大。另外，位移传感器120由于拍摄部137变大，因此成本变高。

另一方面，在实施方式1涉及的位移传感器6中，如图2所示，物镜光学系统24将反射光36变成平行光37，因此能够使X方向及Y方向的宽度变小，能够使尺寸变小。另外，作为位移传感器6，由于能够将拍摄部27的尺寸变小，因此能够降低成本。

实施方式2.

图14是表示实施方式2涉及的位移传感器的结构的图。图14是表示从Y方向观察位移传感器6A的结构的图。

位移传感器6A在实施方式1涉及的位移传感器6的结构的基础上，在物镜光学系统24与遮光板25之间，还具有将平行光37会聚为会聚光66的会聚光学系统65。在实施方式1中，会聚光学系统65设为1片透镜，但也可以将多片透镜进行组合。

这样，在位移传感器6A中，会聚光学系统65将平行光37会聚为会聚光66，因此与位移传感器6相比，能够进一步使X方向及Y方向的宽度变小，与位移传感器6相比能够进一步使尺寸变小。

另外，在位移传感器6A中，成像光学系统26a的中心轴26a1配置于与开口部25a的中心轴25a1相比远离基准轴22的位置。在位移传感器6A中，会聚光66的部分66a射入至与成像光学系统26a的中心轴26a1相比基准轴22侧的部分。因此，成像光67a在拍摄部27的拍摄面进行成像的位置，是与位移传感器6相比更靠近基准轴22的位置。

同样地，成像光学系统26c的中心轴26c1配置于与开口部25c的中心轴25c1相比远离基准轴22的位置。在位移传感器6A中，会聚光66的部分66c射入至与成像光学系统26c的中心轴26c1相比基准轴22侧的部分。因此，成像光67c在拍摄部27的拍摄面进行成像的位置，是与位移传感器6相比更靠近基准轴22的位置。

因此，位移传感器6A由于能够将拍摄部27的尺寸变得比位移传感器6更小，因此与位移传感器6相比能够进一步降低成本。

图15是表示实施方式2的变形例涉及的位移传感器的结构的图。图15是表示从Y方向观察位移传感器6A1的结构的图。

位移传感器6A1与位移传感器6A相比，不同点在于不具有投光光学系统20b及会聚光学系统65。

在位移传感器6A1中，从光源20a射出后的光30以发散的状态而穿过开口部20c1。分光器20d将穿过开口部20c1后的光30向被检测面9a进行反射。由分光器20d反射而朝向被检测面9a的光34A的光轴是沿着Z方向的基准轴22。

由分光器20d反射后的光34A以发散的状态而射入至物镜光学系统24。光34A由物镜光学系统24会聚后的照射光35A照射至被检测面9a。照射光35A的光轴为基准轴22。照射光35A由被检测面9a扩散反射。

照射光35A由被检测面9a扩散反射后的反射光36A射入至物镜光学系统24。反射光36A的光轴为基准轴22。物镜光学系统24将反射光36A变成会聚光37A。会聚光37A的光轴为基准轴22。

如上所述，位移传感器6A1能够削减投光光学系统20b及会聚光学系统65。即，作为位移传感器6A1，能够削减部件数量。由此，位移传感器6A1能够降低成本。

实施方式3.

图16是表示实施方式3涉及的位移传感器的结构的图。图16是表示从Y方向观察位移传感器6B的结构的图。

在位移传感器6B中，与实施方式2涉及的位移传感器6A相比，成像光学系统26a配置为中心轴26a1向基准轴22侧倾斜。

同样地，在位移传感器6B中，与实施方式2涉及的位移传感器6A相比，成像光学系统26c配置为中心轴26c1向基准轴22侧倾斜。

同样地，在位移传感器6B中，成像光学系统26b及26d配置为中心轴26b1及26d1向基准轴22侧倾斜。

图17是表示实施方式3涉及的位移传感器的拍摄部的拍摄面的图。图17是从Z方向观察拍摄部27的拍摄面的图。

在位移传感器6B中，成像光学系统26a配置为中心轴26a1向基准轴22侧倾斜，因此沿着将基准轴22和光点39a连结的线的方向上的光点39a的直径比与将基准轴22和光点39a连结的线相交叉的方向上的光点39a的直径小。光点39a随着位移传感器6与被检测面9a之间的距离的变动而沿将基准轴22和光点39a连结的线进行移动。即，位移传感器6B能够将沿着光点39a的移动方向的方向上的光点39a的直径变小。

由此，位移传感器6B与位移传感器6A相比能够更高精度地对光点39a的亮度重心进行计算。

同样地，在位移传感器6B中，成像光学系统26b、26c以及26d配置为中心轴向基准轴22侧倾斜，因此沿着将基准轴22和光点39b、39c以及39d连结的线的方向上的光点39b、39c以及39d各自的直径，比与分别将基准轴22和光点39b、39c以及39d连结的线相交叉的方向上的光点39b、39c以及39d各自的直径小。光点39b、39c以及39d分别随着位移传感器6与被检测面9a之间的距离的变动而沿分别将基准轴22和光点39b、39c以及39d连结的线进行移动。即，位移传感器6B能够将沿着光点39b、39c以及39d各自的移动方向的方向上的光点39b、39c以及39d各自的直径变小。

由此，位移传感器6B与位移传感器6A相比，能够更高精度地对光点39b、39c以及39d的亮度重心进行计算。

因此，位移传感器6B与位移传感器6A相比，能够更高精度地对光点39a、39b、39c以及39d的亮度重心进行计算。由此，位移传感器6B与位移传感器6A相比，能够更高精度地对位移传感器6B与被检测面9a之间的距离进行计算。

实施方式4.

图18是表示实施方式4涉及的位移传感器的结构的图。图18是表示从Y方向观察位移传感器6C的结构的图。

位移传感器6C在实施方式3涉及的位移传感器6B的结构的基础上，还具有：分光器70，其在会聚光学系统65与遮光板25之间，将会聚光66的与X-Z平面垂直地偏振的成分反射至X方向侧；遮光板72，其形成有针孔72a，该针孔72a使由分光器70反射后的反射光71穿过；以及光量检测部73，其对穿过针孔72a后的光的光量进行检测。光量检测部73例示为光点二极管。

信号处理部28能够基于由光量检测部73检测出的光量，对位移传感器6C与被检测面9a之间的大致的距离进行计算。

图19至图21是说明对实施方式4涉及的位移传感器与被检测面之间的大致的距离进行计算的原理的图。

图19是表示被检测面9a处于物镜光学系统24的焦点位置的情况的图。在该情况下，反射光71在光量检测部73的光量检测面处结成焦点。因此，反射光71整体穿过针孔72a而由光量检测部73进行检测。

图20是表示被检测面9a比物镜光学系统24的焦点位置远的情况的图。在该情况下，反射光71在会聚点71a处暂时会聚之后扩散而照射至遮光板72。因此，反射光71的一部分穿过针孔72a而由光量检测部73进行检测。

图21是表示被检测面9a比物镜光学系统24的焦点位置近的情况的图。在该情况下，反射光71在完成会聚之前就照射至遮光板72。因此，反射光71的一部分穿过针孔72a而由光量检测部73进行检测。

图22是表示实施方式4涉及的位移传感器的物镜光学系统和被检测面之间的距离与由光量检测部检测出的光量的关系的图。

如上所述，在被检测面9a处于物镜光学系统24的焦点位置74时，由光量检测部73检测出的光量变得极大。

即，信号处理部28能够在由光量检测部73检测出的光量变得极大时，大致判定出位移传感器6C与被检测面9a之间的距离为由物镜光学系统24的焦点距离决定的距离。因此，信号处理部28能够在由光量检测部73检测出的光量变得极大时，判定出被检测面9a处于照射光35的光点的焦点深度内。

然后，信号处理部28接下来利用拍摄部27拍摄光点39a、39b、39c以及39d的图像，能够基于光点39a、39b、39c以及39d的亮度重心，对位移传感器6C与被检测面9a之间的距离进行计算。由此，信号处理部28能够迅速地执行位移传感器6C与被检测面9a之间的距离的计算。

对光量进行检测的光量检测部73能够利用拍摄光点39a、39b、39c以及39d的图像的拍摄部27而快速地进行动作。因此，位移传感器6C与位移传感器6B相比，能够快速地执行下述处理，即，大致判定出位移传感器6C与被检测面9a之间的距离为由物镜光学系统24的焦点距离决定的距离。

另外，在基于由拍摄部27拍摄的光点39a、39b、39c以及39d的亮度重心而对位移传感器6C与被检测面9a之间的距离进行计算时，被检测面9a优选处于照射光35的光点的焦点深度内。另一方面，在基于由光量检测部73检测出的光量而对位移传感器6C与被检测面9a之间的距离进行计算时，能够以比上述焦点深度宽的范围对距离进行计算。因此，位移传感器6C能够以宽的范围对位移传感器6C与被检测面9a之间的距离进行计算。

此外，虽然遮光板72不是必需的，但如果具有遮光板72，则能够提高反射光71的极大光量的检测精度，是优选的。

图23是表示实施方式4涉及的位移检测装置的处理的流程图。

首先，在步骤S110中，控制部7控制驱动部5而使位移传感器6沿Z方向移动至可移动的最下端。此外，控制部7也可以控制驱动部5而使位移传感器6沿Z方向移动至可移动的最上端。

此外，控制部7也可以控制驱动部3而使扫描部2沿Z方向进行移动，以取代控制驱动部5而使位移传感器6沿Z方向进行移动。

接下来，在步骤S112中，控制部7控制信号处理部28而对反射光71的光量进行计算。

接下来，在步骤S114中，控制部7对反射光71的光量是否成为极大进行判定。

控制部7如果在步骤S114中判定出反射光71的光量没有成为极大(No)，则在步骤S116中，控制驱动部5而使位移传感器6C向上方即Z方向移动预定的距离，使处理进入至步骤S112。此外，控制部7也可以控制驱动部5而使位移传感器6C向下方即－Z方向移动预定的距离。

另一方面，控制部7如果在步骤S114中判定出反射光71的光量成为了极大(Yes)，则在步骤S118中，判定出位移传感器6C与被检测面9a之间的距离为由物镜光学系统24的焦点距离决定的距离，结束处理。

由此，位移检测装置1能够将被检测面9a调整至照射光35的光点的焦点深度内。例如即使在距离测量位置为倒角面9b的情况下，位移检测装置1能够通过执行图23的处理，将被检测面9a调整至照射光35的光点的焦点深度内。

因此，位移检测装置1接下来利用拍摄部27拍摄光点39a、39b、39c以及39d的图像，能够基于光点39a、39b、39c以及39d的亮度重心，对位移传感器6C与被检测面9a之间的距离进行计算。由此，位移检测装置1能够迅速地执行位移传感器6C与被检测面9a之间的距离的计算。

以上，对在被检测物9形成有倒角面9b的情况进行了说明。但是，在被检测物9没有形成倒角面9b的情况下，位移传感器6C也能够进行被检测物9的边缘位置的检测。控制部7控制驱动部5而使位移传感器6C以横穿被检测物的边缘的方式进行移动，光量检测部73对此时的来自被检测物的反射光进行受光。

图24是表示实施方式4涉及的位移传感器的对被检测物的缘部进行检测的情形的图。如图24所示，在被检测物9具有边缘9c，而未形成倒角面9b。

在位移传感器6C位于被检测面9a的上方而X坐标为X1的情况下，照射光35几乎全部被反射，反射光71射入至光量检测部73。

在位移传感器6C位于被检测物9的边缘9c的上方而X坐标为X2的情况下，照射光35的大致一半被反射，反射光71射入至光量检测部73。

在位移传感器6C位于被检测物9的上方以外的位置而X坐标为X3的情况下，照射光35完全未被反射，反射光71没有射入至光量检测部73。

图25是表示实施方式4涉及的位移传感器的X坐标与检测光量的关系的图。如图25所示，表示位移传感器6C的X坐标与检测光量之间的关系的曲线160在X坐标为X1的附近维持最大光量V1，在X坐标为X2的附近成为最大光量V1的一半的光量V2，在X坐标为X3的附近成为零。

因此，位移传感器6C还能够基于由光量检测部73检测出的光量的变化，对被检测物9的边缘9c的位置进行检测。

以上的实施方式示出的结构表示本发明的内容的一个例子，既能够与其他公知的技术进行组合，也能够在不脱离本发明的主旨的范围内对结构的一部分进行省略、变更。

标号的说明

1 位移检测装置，2 扫描部，3、5 驱动部，6 位移传感器，7 控制部，20 投光部，24物镜光学系统，25、72 遮光板，26a、26b、26c、26d 成像光学系统，27 拍摄部，28 信号处理部，65 会聚光学系统，70 分光器，73 光量检测部。

Claims (12)

1.一种位移传感器，其特征在于，具有：

投光部，其将照射光向被检测物的被检测面进行投光；

物镜光学系统，其使所述照射光向所述被检测面会聚，将所述照射光由所述被检测面扩散反射后的反射光进行导入；

遮光板，其形成有多个开口部，这些开口部使由所述物镜光学系统导入的穿透光的多个部分分别穿过；

拍摄部，其拍摄图像；

多个成像光学系统，它们使由所述物镜光学系统导入的穿透光的多个部分分别在所述拍摄部进行成像；以及

信号处理部，其基于由所述拍摄部拍摄的多个光点各自的亮度重心，对与所述被检测面之间的距离进行计算。

2.根据权利要求1所述的位移传感器，其特征在于，

所述成像光学系统的中心轴配置于与所述开口部的中心轴相比靠近由所述物镜光学系统导入的穿透光的光轴的位置。

3.根据权利要求1或2所述的位移传感器，其特征在于，

所述信号处理部选择所述多个光点中的亮度分布的波动小的1个或者多个光点，基于所选择的光点的亮度重心，对与所述被检测面之间的距离进行计算。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的位移传感器，其特征在于，

所述信号处理部选择所述多个光点中的沿着所述被检测面的加工痕迹延伸的方向所处的2个光点，基于所选择的光点的亮度重心，对与所述被检测面之间的距离进行计算。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的位移传感器，其特征在于，

还具有会聚光学系统，该会聚光学系统在所述物镜光学系统与所述遮光板之间，使由所述物镜光学系统导入的穿透光进行会聚。

6.根据权利要求5所述的位移传感器，其特征在于，

所述成像光学系统的中心轴配置于与所述开口部的中心轴相比远离由所述物镜光学系统导入的穿透光的光轴的位置。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的位移传感器，其特征在于，

所述成像光学系统的中心轴向由所述物镜光学系统导入的穿透光的光轴侧倾斜。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的位移传感器，其特征在于，

还具有光量检测部，该光量检测部对由所述会聚光学系统会聚后的光的光量进行检测，

所述信号处理部在由所述光量检测部检测出的光量取极大值时，判定出所述位移传感器与所述被检测面之间的距离为由所述物镜光学系统的焦点距离决定的距离。

9.一种位移检测装置，其特征在于，具有：

位移传感器，其具有投光部、物镜光学系统、遮光板、拍摄部、多个成像光学系统、以及信号处理部，该投光部将照射光从与被检测物的被检测面垂直的方向朝向所述被检测面进行投光，该物镜光学系统使所述照射光向所述被检测面会聚，将所述照射光由所述被检测面扩散反射后的反射光进行导入，该遮光板形成有多个开口部，这些开口部使由所述物镜光学系统导入的穿透光的多个部分分别穿过，该拍摄部拍摄图像，该多个成像光学系统使由所述物镜光学系统导入的穿透光的多个部分分别在所述拍摄部进行成像，该信号处理部基于由所述拍摄部拍摄的多个光点各自的亮度重心，对与所述被检测面之间的距离进行计算；

扫描部，其对所述被检测物进行载置；

驱动部，其驱动所述位移传感器或者所述扫描部而对所述位移传感器与所述扫描部的相对位置进行变更；以及

控制部，其对所述信号处理部及所述驱动部进行控制，

所述控制部一边控制所述驱动部而使所述位移传感器或者所述扫描部沿第1方向进行扫描、一边控制所述信号处理部而对所述多个光点的亮度分布的波动进行计算，一边控制所述驱动部而使所述位移传感器或者所述扫描部沿与所述第1方向相交叉的第2方向进行扫描、一边控制所述信号处理部而对所述多个光点的亮度分布的波动进行计算，控制所述信号处理部而选择所述多个光点中的亮度分布的波动小的1个或者多个光点，基于所选择的光点的亮度重心，对与所述被检测面之间的距离进行计算。

10.根据权利要求9所述的位移检测装置，其中，

所述位移传感器还具有：

会聚光学系统，其配置于所述物镜光学系统与所述遮光板之间，使由所述物镜光学系统导入的穿透光进行会聚；以及

光量检测部，其对由所述会聚光学系统会聚后的光的光量进行检测，

所述控制部，

一边控制所述驱动部而对所述位移传感器与所述被检测面之间的距离进行改变，一边对所述信号处理部进行控制，利用所述光量检测部对由所述会聚光学系统会聚后的光的光量进行检测，在由所述光量检测部检测出的光的光量成为极大时，该信号处理部判定出所述位移传感器与所述被检测面之间的距离为由所述物镜光学系统的焦点距离决定的距离。

11.一种位移检测方法，其使用位移传感器对位移进行检测，其中，该位移传感器具有投光部、物镜光学系统、遮光板、拍摄部、多个成像光学系统、以及信号处理部，该投光部将照射光从与被检测物的被检测面垂直的方向朝向所述被检测面进行投光，该物镜光学系统使所述照射光向所述被检测面会聚，将所述照射光由所述被检测面扩散反射后的反射光进行导入，该遮光板形成有多个开口部，这些开口部使由所述物镜光学系统导入的穿透光的多个部分分别穿过，该拍摄部拍摄图像，该多个成像光学系统使由所述物镜光学系统导入的穿透光的多个部分分别在所述拍摄部进行成像，该信号处理部基于由所述拍摄部拍摄的多个光点各自的亮度重心，对与所述被检测面之间的距离进行计算，

该位移检测方法包含下述工序：

一边沿第1方向对所述位移传感器与所述被检测面的相对位置进行扫描、一边对所述多个光点的亮度分布的波动进行计算的工序；

一边沿与所述第1方向相交叉的第2方向对所述位移传感器与所述被检测面的相对位置进行扫描、一边对所述多个光点的亮度分布的波动进行计算的工序；以及

选择所述多个光点中的亮度分布的波动小的1个或者多个光点，基于所选择的光点的亮度重心，对与所述被检测面之间的距离进行计算的工序。

12.根据权利要求11所述的位移检测方法，其中，

所述位移传感器还具有：

会聚光学系统，其配置于所述物镜光学系统与所述遮光板之间，使由所述物镜光学系统导入的穿透光进行会聚；以及

光量检测部，其对由所述会聚光学系统会聚后的光的光量进行检测，

该位移检测方法还具有下述工序，即：

一边对所述位移传感器与所述被检测面之间的距离进行改变、一边利用所述光量检测部对由所述会聚光学系统会聚后的光的光量进行检测的工序；以及

在由所述光量检测部检测出的光的光量成为极大时，判定出所述位移传感器与所述被检测面之间的距离为由所述物镜光学系统的焦点距离决定的距离的工序。