CN110793432B - 非接触型位移传感器 - Google Patents

Abstract

一种非接触型位移传感器，包括：光源，其发射测量光；液体透镜装置，其折射率响应于输入驱动信号而周期性地变化；物镜，其将从光源发射并已经穿过液体透镜装置的测量光照射在可测量物体处；光检测器，接收由可测量物体反射的测量光，并输出光检测信号；以及信号处理器(控制器)，其基于从光检测器输出的光检测信号计算测量光聚焦在可测量物体的表面上的聚焦定时，并且基于聚焦定时相对于驱动信号周期的相位获得可测量物体的位置。

Description

非接触型位移传感器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年8月1日提交的日本申请第2018-144933号在35U.S.C.§119下的优先权，该申请的公开内容通过引用全部明确结合于此。

技术领域

本发明涉及一种非接触型位移传感器。

背景技术

传统上，作为测量被测量物体(可测量物体)表面上的位移的非接触型位移传感器，激光位移传感器、色点传感器等是可用的。在这种非接触型位移传感器中，通过在改变测量光的焦点位置的同时检测来自被测量物体的反射光，获得距被测量物体的表面的距离。

例如，激光位移传感器使用共焦点方法等，并且通过在光轴上驱动物镜来改变测量光的焦点位置。基于当检测到被测量物体的表面上反射的测量光时物镜在光轴上的位置信息，获得距被测量物体的表面的距离(例如，参见日本专利公开第H11-23219号)。另一方面，色点传感器使用白色共焦点方法，并且通过轴向色差分散白色光源来改变对于每个波长的测量光的焦点位置。通过分析对于每个波长的强度曲线(profile)，检测聚焦在被测量物体的表面上的波长光，并且基于该波长光获得距被测量物体的表面的距离(例如，参见日本专利公开第2009-122105号)。

最近开发了一种使用液体透镜系统(以下简称为“透镜系统”)的可变焦距透镜，其中折射率周期性地变化(美国公开专利申请第2010-0177376号)。透镜系统通过将由压电材料形成的圆柱形振动构件浸入透明液体中而形成。在透镜系统中，当AC电压施加到振动构件的内圆周表面和外圆周表面时，振动构件在厚度方向上膨胀和收缩，并且使振动构件内部的液体振动。通过根据液体的固有频率调节施加电压的频率，在液体中形成同心驻波，并且形成以振动构件的中心轴线为中心的具有不同折射率的同心区域。因此，在透镜系统中，当光沿着振动构件的中心轴线通过时，光遵循根据每个同心区域的折射率扩散或会聚的路径。

上述透镜系统和用于使光聚焦的物镜(例如，普通凸透镜或一组透镜)布置在同一光轴上，以配置可变焦距透镜。当平行光照射普通物镜时，经过透镜的光在位于预定焦距的焦点位置聚焦。相反，当平行光照射到与物镜同轴布置的透镜系统时，光或者被透镜系统散射或者会聚，并且经过物镜的光在比原始(没有透镜系统的状态)焦点位置偏移得更远或者更近的位置处聚焦。因此，在可变焦距透镜中，施加输入到透镜系统的驱动信号(在内部液体中产生驻波的频率的AC电压)，并且通过增大或减小驱动信号的幅度，可变焦距透镜的焦点位置可以根据需要被控制在设定范围内(透镜系统可以以物镜的焦距为基准来将焦点位置增大或减小预定可变范围)。

在上述传统的非接触型位移传感器中，存在以下情况。激光位移传感器需要驱动物镜的透镜驱动机制和用于测量透镜驱动机制的驱动量的标尺，并且激光位移传感器的配置可能变得复杂。另一方面，虽然色点传感器不需要透镜驱动机制和标尺，但是增加了数据处理量来分析对于每个波长的强度曲线。

发明内容

本发明提供了一种能够简化配置和过程的非接触型位移传感器。

根据本发明的非接触型位移传感器包括：光源，其发射测量光；液体透镜装置，其折射率响应于输入驱动信号而周期性地变化；物镜，其将从光源发射并已经穿过液体透镜装置的测量光照射在被测量物体(可测量物体)处；光检测器，其接收由被测量物体反射的测量光并输出光检测信号；以及信号处理器，其基于从光检测器输出的光检测信号计算测量光聚焦在被测量物体的表面上的聚焦定时，并基于聚焦定时相对于驱动信号周期的相位获得被测量物体的位置。

在这种配置中，液体透镜装置包括上述透镜系统，并且折射率响应于输入驱动信号而周期性地变化。可变焦距透镜与物镜一起由液体透镜装置配置。可变焦距透镜聚焦的测量光的焦点位置响应于输入到液体透镜装置的驱动信号而周期性地变化。换句话说，从测量光源发射并且已经穿过可变焦距透镜的测量光在改变光轴方向上的焦点位置的同时照射在被测量物体处。光检测器接收由被测量物体反射的测量光，并输出光检测信号。信号处理器基于从光检测器输出的光检测信号计算测量光聚焦在被测量物体的表面上的聚焦定时。作为基于光检测信号获得聚焦定时的方法，可以使用各种聚焦检测方法，诸如共焦点法、双针孔法、像散法和刀口法。例如，当使用共焦点方法时，可变焦距透镜配置光学系统，使得当测量光的焦点位置与被测量物体的表面对准时，从光检测器输出的光检测信号达到峰值。在这种情况下，可以使用光检测信号的峰值时间作为聚焦定时来计算光检测信号。

在该示例中，聚焦定时相对于驱动信号的周期的相位对应于在物镜经过的光轴上的被测量物体的表面的位置。因此，基于聚焦定时相对于驱动信号周期的相位，信号处理器可以通过使用函数、表格等获得在光轴上的被测量物体的表面的位置。

如上所述，通过使用可变焦距透镜，本发明不需要传统上在激光位移传感器的配置中所需的透镜驱动机制和标尺。另外，基于驱动信号和光检测信号找到在光轴上的被测量物体的表面的位置，并且因此，不需要在传统色点传感器中执行的处理大量数据。因此，本发明提供了一种能够简化配置和过程的非接触型位移传感器。

在根据本发明的非接触型位移传感器中，还提供了参考信号输出器，其输出与驱动信号的周期同步的参考信号，并且优选地，信号处理器基于聚焦定时相对于参考信号的延迟时间来计算聚焦定时相对于驱动信号的周期的相位。在本发明中，信号处理器可以通过简单的计算来计算聚焦定时的相位。

在根据本发明的非接触型位移传感器中，优选地，信号处理器基于出现在驱动信号的一个周期中的两个聚焦定时之间的时间差来计算聚焦定时相对于驱动信号的周期的相位。在本发明中，聚焦定时的相位可以通过更简单的计算来计算，而不需要参考信号。

本发明的非接触型位移传感器优选地还包括经由物镜将观察光照射在被测量物体处的照明器、将在由被测量物体反射之后经过物镜和液体透镜装置的观察光形成图像的成像透镜、以及捕获由成像透镜形成的图像的图像捕获器。

在本发明中，可以测量被测量物体的表面的位置，并且可以在测量时捕获被测量物体的表面的图像。因此，在执行测量时，可以通过图像来确认被测量物体的状态。当测量光进入成像透镜时，测量部分在被测量物体中的位置也可以通过图像确认。

本发明的非接触型位移传感器优选地还包括图像处理器，该图像处理器对由图像捕获器捕获的图像执行去卷积处理。在本发明中，通过图由像处理器执行去卷积处理，可以从捕获的图像中去除模糊。因此，可以在可变焦距透镜的焦点位置的整个可变范围内以高精度进行观察。

本发明的非接触型位移传感器优选地还包括多个中继透镜，这些中继透镜被布置成使物镜的出射光瞳和液体透镜装置的主点的位置共轭。在本发明中，即使当由于可变焦距透镜产生的焦点位置改变时，进入图像捕获器的图像的放大率保持恒定，并且因此，在视场中没有波动的情况下进行良好的观察是有可能的。

根据本发明，提供了一种能够简化配置和过程的非接触型位移传感器。

附图说明

通过本发明的示例性实施例的非限制性示例，参考所述多个附图，在下面的详细描述中进一步描述本发明，其中贯穿附图的几个视图中相同的附图标记表示相似的部分，并且其中：

图1是示出根据本发明第一实施例的非接触型位移传感器的示意图；

图2是示出根据第一实施例的液体透镜装置的配置的示意图；

图3A至图3C是示出根据第一实施例的液体透镜装置的振荡状态的示意图；

图4A至图4E是示出根据第一实施例的液体透镜装置的焦点位置的示意图；

图5是示意性示出根据第一实施例的控制器的框图；

图6是示出根据第一实施例的驱动信号、焦点位置、参考信号和光检测信号的曲线图；

图7是示出根据本发明第二实施例的非接触型位移传感器的示意图；

图8是示意性示出根据第二实施例的控制器的框图；

图9是示出根据第一实施例的修改的非接触型位移传感器的示意图；和

图10是示出根据第一实施例的另一修改的非接触型位移传感器的示意图。

具体实施方式

本文示出的细节仅作为示例的方式并出于对本发明的实施例的说明性讨论的目的，并且是为了提供被认为是对本发明的原理和概念方面最有用和最容易理解的描述而呈现的。在这点上，没有试图比基本理解本发明所必需的更详细地示出本发明的结构细节，结合附图进行的描述对于本领域技术人员来说，如何可以在实践中具体体现本发明的形式是显而易见的。

此后，参照附图描述本发明的实施例。

第一实施例

非接触型位移传感器

如图1所示，非接触型位移传感器1被配置为包括其折射率周期性地变化的液体透镜装置(液体透镜)3，并且测量被测量物体(可测量物体)W的表面的位置变化，该被测量物体(可测量物体)W被布置成与经过液体透镜装置3的光轴A相交。具体地，非接触型位移传感器1包括发射测量光Lm的光源6、形成测量光Lm的光路的光学系统(准直透镜4和光导部分5)、液体透镜装置3、与液体透镜装置3一起构成可变焦距透镜10的物镜2、接收由被测量物体W反射的测量光的光检测器7。

此外，非接触型位移传感器1设置有用于控制液体透镜装置3的操作的透镜控制器8和用于操作透镜控制器8的控制器9。控制器9导入并处理光检测信号Sm，并且还计算在光轴A上的被测量物体W的表面的位置。

可变焦距透镜

可变焦距透镜10被配置有物镜2和液体透镜装置3。物镜2由已知的凸透镜或一组透镜来配置。物镜2如液体透镜装置3同轴地布置在光轴A上。液体透镜装置3在其内部配置有液体透镜系统，并且折射率响应于从透镜控制器8进入的驱动信号Cf而改变。驱动信号Cf是在液体透镜装置3中产生驻波的频率的正弦AC信号。通过以物镜2的焦点位置为基准改变液体透镜装置3的折射率，可以根据需要改变经过可变焦距透镜10的光的焦点位置Pf。

在图2中，液体透镜装置3包括中空圆柱形壳体31，并且中空圆柱形振荡构件32安装在壳体31内部。振荡构件32由弹性体制成的间隔件39支撑，间隔件39设置在振荡构件32的外周表面33和壳体31的内周表面之间。振荡构件32是压电材料形成为中空圆柱形状的构件。由于驱动信号Cf的AC电压施加在外圆周表面33和内圆周表面34之间，振荡构件32在厚度方向上振荡。壳体31的内部填充有高度透明的液体35，整个振荡构件32浸入液体35中，并且中空圆柱形振荡构件32的内侧填充有液体35。驱动信号Cf的AC电压被调节到在振荡构件32内侧的液体35中生成驻波的频率。

如图3A至图3C所示，在液体透镜装置3中，当振荡构件32振荡时，驻波出现在内部液体35中，并且出现折射率交替的地方的同心圆区域(参见图3A和图3B)。此时，距离液体透镜装置3的中心轴线的距离(半径)和液体35的折射率之间的关系如图3C所示的折射率分布R所示。

在图4A至图4E中，因为驱动信号Cf是正弦AC信号，所以液体透镜装置3中液体35的折射率分布R中的带也根据驱动信号Cf而变化。并且，液体35中出现的同心圆区域的折射率正弦地变化，并且焦点位置Pf相应地正弦地变化。在图4A至图4E中，示出了从物镜2的焦点位置到焦点位置Pf的距离D。在图4A所描绘的状态下，折射率分布R的幅度处于其最大，液体透镜装置3使经过的光会聚，并且焦点位置Pf最靠近物镜2。在图4B所描绘的状态下，折射率分布R是平坦的，液体透镜装置3允许经过的光不受影响地经过，并且聚焦位置Pf处于标准值。在图4C所描绘的状态下，折射率分布R的幅度在与图4A相反的极点处处于其最大，液体透镜装置3使经过的光扩散，并且焦点位置Pf离物镜2最远。在图4D所描绘的状态下，折射率分布R再次是平坦的，液体透镜装置3允许经过的光不受影响地经过，并且焦点位置Pf处于标准值。图4E中所描绘的状态再次返回到图4A中所描绘的状态，并且此后重复类似的波动。这样，在可变焦距透镜10中，驱动信号Cf是正弦AC信号，并且焦点位置Pf也正弦地波动，如图4A至图4E中的波动波形Mf。

在可变焦距透镜10中，通过波动可变焦距透镜10的主点，还包括焦点位置Pf可以波动同时持续保持焦距(从可变焦距透镜10的主点到聚焦位置Pf的距离)的情况。

其他光学系统

再次参考图1，描述了非接触型位移传感器1中除可变焦距透镜10之外的光学系统。光源6例如是激光光源，并且发射测量光。光导部分5包括光纤分路器51和光纤52至54。光纤分路器51包括连接每个光纤52至54的第一端的光路，并且被配置为使得从光纤53入射的光被引导至光纤52，并且从光纤52入射的光被引导至光纤54。

光纤53的第二端连接到光源6。因此，从光源6发射的测量光Lm经过光纤53、光纤分路器51和光纤52，并且从光纤52的端面520发射。在这个示例中，光纤52的端面520用作点光源。另外，光纤54的第二端连接到光检测器7。因此，入射在光纤52的端面520上的测量光经过光纤52、光纤分路器51和光纤54，并入射在光检测器7上。在该示例中，光纤52的端面520定位于准直透镜4后侧的焦点Pc处。换句话说，光纤52的端面520定位于通过可变焦距透镜10相对于焦点位置Pf形成共轭关系的位置。

准直透镜4定位于光纤52的端面520和光轴A上液体透镜装置3之间。准直透镜4将从光纤52的端面520发射的测量光Lm转换成平行光并进入可变焦距透镜10。并且，准直透镜4收集由被测量物体W反射的并再次经过可变焦距透镜10的测量光Lm。

例如，光检测器7是光电倍增管、光电二极管等，并且连接到光纤54的第二端。光检测器7接收经由光纤54进入的测量光Lm，并根据接收光的强度输出光检测信号Sm。

在上述配置中，从光源6发射的测量光Lm在经由光导部分5从光纤52的端面520发射之后，被准直透镜4沿着光轴A准直，并且经由可变焦距透镜10照射在被测量物体W处。由被测量物体W的表面反射的测量光Lm在经过可变焦距透镜10之后被准直透镜4收集。在该示例中，可变焦距透镜10的焦点位置Pf在光轴A的方向上周期性地变化。因此，仅当焦点位置Pf与被测量物体W的表面对准时，在该表面上反射的测量光Lm在准直透镜4后侧的焦点Pc处形成光点，并进入光纤52的端面520。因此，当焦点位置Pf与被测量物体W的表面对准时，入射到光检测器7上的测量光Lm被最大化。换句话说，当焦点位置Pf与被测量物体W的表面对准时，从光检测器7输出的光检测信号Sm达到峰值。

透镜控制器

如图5所示，透镜控制器8被配置为控制液体透镜装置3的操作的控制设备，并且包括向液体透镜装置3输出驱动信号Cf的驱动信号输出器81。另外，透镜控制器8包括参考信号输出器82，该参考信号输出器82以脉冲形式输出与驱动信号Cf的周期同步的参考信号Sc到信号处理器92。参考信号Sc相对于驱动信号Cf的周期的输出定时可以任意设定。在本实施例中，当驱动信号Cf与电平0相交每两次时，参考信号Sc上升一次(例如，在图6中，当焦点位置Pf的波动波形Mf达到正峰值的定时)。

控制器

控制器9由个人计算机等来配置，并且包括例如CPU(Central Processing Unit，中央处理器)和存储器。控制器9通过运行预定软件来执行预期的功能，并且包括定义透镜控制器8的透镜定义器91和处理各种输入信号的信号处理器92。并且，控制器9包括由存储器等配置的存储器93。

透镜定义器91执行诸如由透镜控制器8输出的驱动信号Cf的频率、振幅和最大驱动电压的设置。在液体透镜装置3中，共振变化数由于大气温度等的变化而变化。因此，透镜定义器91通过反馈控制实时地改变驱动信号Cf的频率，并实现液体透镜装置3的稳定操作。

在信号处理器92中，光检测信号Sm从光检测器7进入，并且参考信号Sc从透镜控制器8进入。信号处理器92通过基于光检测信号Sm和参考信号Sc执行处理来计算被测量物体W的表面在光轴A上的位置(被测量物体位置Pw)。稍后描述信号处理器92的信号处理方法。在存储器93中，存储通过使用校准工件等预先准备的表94。在表94中，被测量物体位置Pw和聚焦定时T相对于驱动信号Cf的周期的相位

相互关联，这将在下文中描述。

信号处理器

接下来，描述根据本实施例的信号处理器92的处理。信号处理器92在开始非接触型位移传感器1的测量操作之后，获得参考信号Sc和光检测信号Sm，如图6所示。在图6中，可变焦距透镜10的焦点位置Pf以与驱动信号Cf相同的周期周期性地变化，并且以脉冲形式输出与驱动信号Cf的周期(焦点位置Pf的波动波形Mf的周期)同步的参考信号Sc。并且，在图6中，示出了位于焦点位置Pf的可变范围内的被测量物体位置Pw的示例。当焦点位置Pf与被测量物体位置Pw对准时(聚焦定时T)，光检测信号Sm显示峰值，并且显示驱动信号Cf的每一周期的两个峰值。

首先，信号处理器92在计算光检测信号Sm的峰值时间作为聚焦定时T之后，计算聚焦定时T相对于参考信号Sc的延迟时间Δt。在本实施例中，作为聚焦定时T相对于参考信号Sc的延迟时间Δt，计算从参考信号Sc上升到紧接在参考信号Sc之后的聚焦定时T的时间。

然后，信号处理器92基于延迟时间Δt计算聚焦定时T相对于驱动信号Cf的周期的相位

具体地，通过使用驱动信号Cf的频率f和延迟时间Δt，聚焦定时T的相位

基于下面的公式(1)计算。

以这种方式找到的聚焦定时T的相位

与焦点位置Pf的可变范围内的被测量物体位置Pw具有对应关系。

然后，信号处理器92通过参考表94，基于计算的聚焦定时T的相位

获得被测量物体位置Pw。在表94中，通过预先执行的实验等，被测量物体位置Pw和聚焦定时T的相位

相互关联。利用上述信号处理器92的信号处理，非接触型位移传感器1可以测量被测量物体位置Pw。信号处理器92可以每隔预定时间量执行上述处理，并且可以将获得的被测量物体位置Pw连续存储在存储器93中。

第一实施例的效果

通过使用可变焦距透镜10，根据本实施例的非接触型位移传感器1不需要传统上在激光位移传感器的配置中所需的透镜驱动机制和标尺。另外，通过使用驱动信号Cf和光检测信号Sm获得被测量物体位置Pw，并且因此，不需要在传统色点传感器中执行的处理大量数据。因此，本实施例提供了能够简化配置和过程的非接触型位移传感器1。并且，在本实施例中，通过基于聚焦定时T相对于参考信号Sc的延迟时间Δt计算聚焦定时T相对于驱动信号Cf的周期的相位

可以简单地找到被测量物体位置Pw。

另外，根据本实施例的非接触型位移传感器1便于切换物镜2的放大率，这在传统技术中是困难的。具体地，在传统技术中，激光位移传感器具有结合到透镜驱动机制中的物镜，并且色点传感器具有用通过由轴向色差分散白光的特殊透镜组模块化的物镜。因此，在激光位移传感器和色点传感器中，很难仅更换具有不同放大率的不同类型的物镜，并且需要单独的设备来在不同的测量范围和分辨率下进行测量。然而，在根据本实施例的非接触型位移传感器1中，不需要像现有技术中那样将物镜与其他配置集成。因此，容易将物镜2配置为能够与具有不同放大率的不同物镜2切换。

在本实施例中，共焦点光学系统被配置用于焦点位置Pf，以检测与被测量物体W的表面对准的焦点定时T。因此，与使用其他焦点检测方法的情况相比，因为由于诸如被测量物体W的表面的倾斜和粗糙的表面特性造成的测量精度几乎不受影响，所以可以提高测量精度。并且，通过使用光纤52，可以将作为热源的光源6和光检测器7放置在远离作为测量头的部分的位置，并且可以减小对测量的热效应。此外，光纤52的端面520既充当点光源又充当用于共焦点光学系统检测的针孔，并且因此，可以显著减少制造的调整步骤的数量。

第二实施例

参照图7和图8描述根据第二实施例的非接触型位移传感器1A。此外，在第二实施例中，与第一实施例相似的配置被赋予相同的附图标号，并且省略其详细描述。

第二实施例的非接触型位移传感器1A相对于第一实施例的非接触型位移传感器1具有用于观察被测量物体W的附加配置。如图7所示，除了在第一实施例中描述的配置之外，非接触型位移传感器1A包括照明器11、光分离部分14、反射板15、成像透镜16和图像捕获器(图像传感器、成像元件)17。

照明器11包括光源112、照明光学系统113和分束器114。光源112例如是发光二极管(light emitting diode，LED)，并且向光源6发射具有不同波长的观察光。照明光学系统113消除从光源112发射的观察光。分束器114被布置在物镜2和液体透镜装置3之间，并将从照明光学系统113入射的观察光反射到被测量物体W侧。另外，分束器114允许沿着光轴A前进的测量光Lm和由被测量物体W反射的观察光经过。以这种方式，从照明器11发射的观察光经由物镜2照射在被测量物体W处。

光分离部分14例如是分束器或分色镜，并且被布置在液体透镜装置3和准直透镜4之间。光分离部分14将再次经过可变焦距透镜10的由被测量物体W反射的光(测量光Lm和观察光)分离成朝向准直透镜4前进的光和朝向图像捕获器17前进的光。例如，光分离部分14可以基于波长来分离再次经过可变焦距透镜10A的由被测量物体W反射的光。然后，测量光Lm可以向准直透镜4前进，并且观察光可以向图像捕获器17前进。可替换地，光分离部分14可以简单地以任意比率分离再次经过可变焦距透镜10A的由被测量物体W反射的光，而不区分测量光Lm和观察光。

在这种配置中，由被测量物体W反射、在再次经过可变焦距透镜10A之后经过光分离部分14的测量光在进入准直透镜4之后被收集。另一方面，由被测量物体W反射的并且在再次经过可变焦距透镜10A之后由光分离部分14反射的观察光经由反射板15等由成像透镜16形成图像。图像捕获器17捕获由成像透镜16形成的图像。

可变焦距透镜10A包括物镜2和液体透镜装置3之间的多个中继透镜21和22。中继透镜21和22被布置成使物镜2的出射光瞳和液体透镜装置3的主点的位置共轭，并且在保持远心光学系统的同时执行物镜2的出射光瞳的中继。因此，即使当焦点位置Pf波动时，入射在图像捕获器17上的图像的放大率保持恒定。

如图8所示，控制器9A包括图像处理器95。图像处理器95导入并处理来自图像捕获器17的图像。在该示例中，在照射在被测量物体W处的观察光持续照明时，焦点位置Pf周期性地改变。因此，由图像捕获器17捕获的图像是聚焦在被测量物体W的表面上的图像和未聚焦在该表面上的图像之间的混合。作为结果，图像模糊不清。

图像处理器95通过对从图像捕获器17导入的图像执行去卷积处理来生成扩展焦深图像。关于去卷积处理的具体方法，例如，可以参考日本专利公开第2015-104136号。

在这种非接触型位移传感器1A中，测量被测量物体W的表面在光轴A上的位置，并且还可以捕获被测量物体W的表面。因此，在执行测量的同时，可以通过图像来检查被测量物体W的状态。特别地，当测量光进入图像捕获器17时，在被测量物体W中测量部分的位置可以由图像确认。另外，扩展焦深图像是从捕获的图像中去除模糊的图像，并且因此，可以在可变焦距透镜10A中的焦点位置Pf的整个可变范围内以高精度进行观察。另外，即使当焦点位置Pf波动时，入射在图像捕获器17上的图像的放大率保持恒定，并且因此，在视场中没有波动的情况下进行极好的观察是有可能的。

修改

本发明不限于上述实施例，并且包括在能够实现本发明的优点的范围内的修改和改进。

在上述各种实施例中，驱动信号Cf和焦点位置Pf的波动波形Mf是正弦波，但是它们也可以是三角波、锯齿波、矩形波或一些其他波形。液体透镜装置3的具体构造可以根据需要进行修改，并且壳体31和振动构件32可以是除圆柱形状之外的六边形圆柱形状等，并且液体35的这些尺寸和属性也可以适当地选择。

在各种实施例中，无限距离校正光学系统(准直透镜4的平行光进入可变焦距透镜10和10A的光学系统)由可变焦距透镜10(10A)和准直透镜4一起配置。例如，如图9所示，在作为第一实施例的修改的非接触型位移传感器1B中，有限距离校正光学系统可以由可变焦距透镜10来配置，而没有准直透镜4。利用上述配置，可以实现与第一实施例相似的效果。

在各种实施例中，可以使用针孔而没有光导部分5。例如，如图10所示，作为第一实施例的修改的非接触型位移传感器1C可以设置有分束器55和针孔构件56和57，而不是光导部分5。具体地，分束器55被配置为使得从光源6发射的测量光Lm朝向准直透镜4弯曲，并且使得从准直透镜4侧进入的光经过针孔构件57侧。针孔构件56被布置在分束器55和光源6之间。通过使光源6经由针孔构件56的针孔发射测量光Lm，针孔成为点光源。针孔构件57被布置在分束器55和光检测器7之间，并且具有布置在准直透镜4后侧的焦点处的针孔。与被测量物体W聚焦并被其反射的测量光Lm在经过针孔构件57的针孔之后进入光检测器7。利用上述配置，可以实现与第一实施例相似的效果。

在各种实施例中，非接触型位移传感器1和1A使用共焦点方法获得聚焦定时T，但是本发明不限于此。具体地，非接触型位移传感器1和1A可以使用其他各种焦点检测方法，诸如双针孔方法、像散方法、刀口方法等，来获得焦点定时。例如，当非接触型位移传感器1和1A配置双针孔型的光学系统时，可以通过分别在与焦点位置Pf形成共轭关系的焦点位置之前和之后设置光检测器来获得聚焦定时T，并且基于从相应光检测器输出的光检测信号来执行计算。在共焦点方法中，必须检测光检测信号Sm的峰值位置以便获得聚焦定时T。虽然检测的计算复杂，但是与共焦点方法相比，双针孔方法、像散方法和刀口方法使用获得聚焦定时T所需的更简单的计算。因此，通过采用这些方法，可以减少操作时间以执行高速测量。

在各种实施例中，作为聚焦定时T相对于参考信号Sc的延迟时间Δt，测量从参考信号Sc的上升时间到紧接在参考信号Sc之后的聚焦定时T的时间。然而，本发明不限于此。例如，测量可以从参考信号Sc的上升时间开始。另外，可以测量从参考信号Sc到第二聚焦定时T的时间，而不是从参考信号Sc到第一聚焦定时T的时间。

在各种实施例中，非接触型位移传感器1和1A设置有参考信号输出器82，并且信号处理器92基于聚焦定时T相对于参考信号Sc的延迟时间Δt来计算聚焦定时T的相位

然而，本发明不限于此。例如，非接触型位移传感器1和1A可以不包括参考信号输出器82。在这种情况下，信号处理器92可以基于出现在驱动信号Cf的一个周期中的两个聚焦定时T之间的时间差来计算聚焦定时T的相位

具体地，信号处理器92可以使用驱动信号Cf的频率f和两个聚焦定时T的延迟时间Δta基于公式(2)来计算聚焦定时T的相位

根据该方法，可以通过更简单的计算来计算聚焦定时T的相位

可替换地，非接触型位移传感器1和1A可以使用基于驱动信号Cf所示正弦波的计算等来获得聚焦定时T的相位

在各种实施例中，信号处理器92通过参考其中延迟时间Δt和被测量物体位置Pw彼此相关联的表94来获得被测量物体位置Pw。然而，本发明不限于此。例如，信号处理器92可以通过使用表示延迟时间Δt和被测量物体位置Pw之间的关系的计算表达式来计算被测量物体位置Pw。

在各种实施例中，代替包括参考信号输出器82的透镜控制器8，控制器9可以包括参考信号输出器。可替换地，参考信号输出器可以与透镜控制器8和控制器9分开配置。另外，透镜控制器8和控制器9可以被配置为集成控制设备。

在第二实施例中，通过对失焦图像执行去卷积处理来生成扩展焦深图像。然而，本发明不限于此。例如，在第二实施例中，照明器11的光源112可以是执行脉冲发射的类型。在这种情况下，例如，光源112由控制器9A控制。光源112优选地按照相对于驱动信号Cf的相位和基于振幅设定的光发射信号来发射光。因此，可以在期望的焦点位置Pf获得期望的图像。

本发明可以用作可以简化配置和过程的非接触型位移传感器。

注意的是，前述示例仅仅是为了解释的目的而提供的，决不能解释为对本发明的限制。虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本文使用的词语是描述和说明性的词语，而不是限制性的词语。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，在当前陈述和修改的所附权利要求的范围内可以进行改变。尽管本文已经参考具体结构、材料和实施例描述了本发明，但是本发明并不意图局限于本文公开的细节；相反，本发明延伸到所有功能等同结构、方法和用途，诸如在所附权利要求的范围内。

本发明不限于上述实施例，并且在不脱离本发明范围的情况下，各种变化和修改都是可能的。

Claims (10)

1.一种非接触型位移传感器，包括：

光源，其发射测量光；

液体透镜，其中折射率响应于输入驱动信号而周期性地变化；

物镜，其将从所述光源发射并已经穿过所述液体透镜的测量光照射在可测量物体处；

光检测器，其接收由可测量物体反射的测量光，以及输出光检测信号；

信号处理器，其：

基于从所述光检测器输出的光检测信号计算测量光聚焦在所述可测量物体的表面上的聚焦定时，

计算聚焦定时相对于所述驱动信号的周期的相位，并且

基于所述相位获得可测量物体的位置；和

透镜控制器，其用作输出与驱动信号同步的参考信号的参考信号输出器，其中所述信号处理器基于所述聚焦定时相对于参考信号的延迟时间计算所述相位。

2.根据权利要求1所述的非接触型位移传感器，其中，

所述信号处理器基于出现在驱动信号的一个周期中的两个所述聚焦定时之间的时间差来计算所述相位。

3.根据权利要求1所述的非接触型位移传感器，还包括：

照明器，其经由所述物镜将观察光照射在所述可测量物体处；

成像透镜，其将在被所述可测量物体反射之后已经穿过所述物镜和所述液体透镜的观察光形成图像；和

图像传感器，其捕获由所述成像透镜形成的图像。

4.根据权利要求2所述的非接触型位移传感器，还包括：

照明器，其经由所述物镜将观察光照射在所述可测量物体处；

成像透镜，其将在被所述可测量物体反射之后已经穿过所述物镜和所述液体透镜的观察光形成图像；和

图像传感器，捕获由所述成像透镜形成的图像。

5.根据权利要求3所述的非接触型位移传感器，还包括图像处理器，其对由所述图像传感器捕获的图像执行去卷积处理。

6.根据权利要求4所述的非接触型位移传感器，还包括图像处理器，其对由所述图像传感器捕获的图像执行去卷积处理。

7.根据权利要求3所述的非接触型位移传感器，还包括多个中继透镜，所述多个中继透镜被布置成使得所述物镜的出射光瞳和所述液体透镜的主点的位置共轭。

8.根据权利要求4所述的非接触型位移传感器，还包括多个中继透镜，所述多个中继透镜被布置成使得所述物镜的出射光瞳和所述液体透镜的主点的位置共轭。

9.根据权利要求5所述的非接触型位移传感器，还包括多个中继透镜，所述多个中继透镜被布置成使得所述物镜的出射光瞳和所述液体透镜的主点的位置共轭。

10.根据权利要求6所述的非接触型位移传感器，还包括多个中继透镜，所述多个中继透镜被布置成使得所述物镜的出射光瞳和所述液体透镜的主点的位置共轭。

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