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Hintergrund der Erfindung
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Diese
Anmeldung basiert auf der am 26. Dezember 2008 beim japanischen
Patentamt eingereichten
japanischen
Patentanmeldung mit der Nummer 2008-332707 , deren gesamter
Inhalt durch Bezug einbezogen ist.
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1. Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Versetzungssensor mit
einem konfokalen optischen System zur kontaktlosen Messung einer
Versetzung eines Messzielobjektes.
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2. Stand der Technik
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Herkömmlich,
wie es in der ungeprüften
japanischen Patentveröffentlichung
mit der Nummer 2007-121122 offenbart ist, verwendet ein
Versetzungssensor ein konfokales optisches System, wobei eine Konvergenzposition
des in Richtung eines Messzielobjektes ausgestrahlten Lichtes geändert wird,
indem die Linse in der Richtung der optischen Achse geschwenkt wird,
und eine Größe der Versetzung beruhend auf der
Tatsache gemessen wird, dass eine Größe eines
Lichtpunktes des empfangenden reflektierten Lichtes auf einer Lichtempfangsöffnung
einen Minimumwert annimmt, wenn die Konvergenzposition mit der Oberfläche
des Messobjektes übereinstimmt. In der
japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung
mit der Nummer 2007-121122 ist eine Objektivlinse fixiert
und andere Linsen werden zur Änderung der Konvergenzposition
geschwenkt, aber die Funktion wird mit einem Aufbau zum Schwenken
der Objektivlinse in
11A bis
11D zum
Zwecke der Erleichterung des Verständnisses beschrieben
werden.
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Zuerst,
unter Bezug auf 11A, wird das von einer Laserdiode 151 ausgestrahlte
Licht durch eine Objektivlinse 156 des Versetzungssensors
in Richtung eines Messobjektes 190 konvergiert. Das an
einer Oberfläche des Messobjektes 190 reflektierte
Licht läuft durch die Objektivlinse 156, über
den Halbspiegel 153 und durch eine Lochblende 155a einer
Lichtabschirmungsplatte 155 und wird durch eine Fotodiode 152 empfangen.
Die Lochblende 155a ist in einer positionsmäßigen
Beziehung derart angeordnet, dass sie ein Spiegelbild mit dem Lichtemissionspunkt
der Laserdiode 151 unter Bezug auf eine Reflexionsoberfläche
des Halbspiegels 153 darstellt. Wenn eine Konvergenzposition
des durch die Objektlinse 156 konvergierten Lichtes und
die Oberfläche des Messobjektes 190 übereinstimmen,
konvergiert das reflektierte Licht auf der Lichtabschirmungsplatte 155 und
eine Lichtmenge, die die Lochblende 155a durchläuft,
nimmt einen Maximumwert an und folglich nimmt als Ergebnis eine
Lichtempfangsmenge, die durch die Fotodiode 152 empfangen
wird, einen Maximumwert an.
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Wenn
die Konvergenzposition und die Oberfläche des Messobjektes 190 unter
Bezug auf die Richtung der optischen Achse des durch die Objektivlinse 156 konvergierten
Lichtes versetzt sind, konvergiert das ausgestrahlte Licht nicht
auf der Oberfläche des Messobjektes 190 und erreicht
das an der Oberfläche des Messobjektes 190 reflektierte
Licht die Lichtabschirmungsplatte 155 über den
Halbspiegel 153 in einem verbreiterten Zustand. Die Lichtmenge,
die durch die Lochblende 155a hindurchtritt, und die Lichtempfangsmenge
an der Fotodiode 152 nehmen folglich ab.
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Bei
dem Versetzungssensor wird das Licht von der Laserdiode 151,
ausgestrahlt und die Lichtempfangsmenge des reflektierten Lichtes
an der Fotodiode 152 detektiert, während die Konvergenzposition
des in Richtung des Messobjektes 190 ausgestrahlten Lichtes
in der Richtung der optischen Achse geschwenkt wird, indem die Objektivlinse 156 in Richtung
der optischen Achse geschwenkt wird.
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Eine
maximale Lichtempfangsmenge wird folglich gewonnen, wenn das ausgesendete
Licht auf der Oberfläche des Messobjektes 190 konvergiert, so
dass eine Position der Oberfläche des Messobjektes 190,
die vorher einer Position der Objektivlinse 156 entsprach,
gewonnen wird, indem die Position der Objektivlinse 156 in
diesem Zustand gemessen wird.
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Die
japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung
mit der Nummer 09-26545 offenbart einen fluoreszenten konfokalen
optischen Scanner, bei dem eine Vielzahl an Lochblenden in einer
Nipkow-Scheibe gebildet sind, zum Scannen eines auf dem Messobjekt
konvergierenden Strahles, indem er mit einer Sammellinse, die mit
jeder Lochblende der Nipkow-Scheibe kombiniert ist, gedreht wird.
Bei solch einem Scanner, wie es in
12 gezeigt
ist, durchläuft das Licht einer Lichtquelle eine Vielzahl
an zu einer Mikrolinsenscheibe
102 zusammengebaute Mikrolinsen,
transmittiert einen dichroitischen Spiegel
105, und eine
Vielzahl an Lichtpunkten werden auf ein Testziel
109, wie
z. B. ein Werkstück, durch eine Vielzahl von Lochblenden,
die in der Nipkow-Scheibe
103 gebildet sind, geworfen (die
Vielzahl an Mikrolinsen und Lochblenden sind nicht dargestellt).
Fluoreszenz wird an einem Konvergenzpunkt auf dem Messobjekt
109 erzeugt,
wobei die Fluoreszenz, die eine von dem ausgestrahlten Lichtpunkt
unterschiedliche Wellenlänge aufweist, durch die in der
Nipkow-Scheibe
103 gebildete Lochblende läuft
und durch den dichroitischen Spiegel
105 reflektiert und
von dem optischen Pfad des ausgestrahlten Lichtes getrennt wird,
so dass es zu einer Kamera
106 geleitet wird. Mit anderen
Worten werden die Charakteristiken des dichroitischen Spiegels
105 derart
ausgewählt, dass die Wellenlänge des Lichtes der
Lichtquelle durch den dichroitischen Spiegel
105 transmittiert
und die Wellenlänge der Fluoreszenz durch den dichroitischen Spiegel
105 reflektiert
wird. Eine Vielzahl der Lichtpunkte auf dem Testobjekt
109 wird
gescannt, wenn sich die Mikrolinsenscheibe
102 und die
Nipkow-Scheibe
103 zusammen drehen, so dass ein fokussiertes
Bild (Bild, in dem nur der fokussierte Abschnitt extrahiert wird)
auf Grund der Fluoreszenz mit der Kamera
106 gewonnen werden
kann. Bei solch einer Vorrichtung kann Information über
die Form des Messobjektes
109 erfasst werden, indem das
fokussierte Bild in jeder Höhe erfasst wird, während
ein Abstand zwischen dem Messobjekt
109 und der Nipkow-Scheibe
103 relativ
geändert wird, weil die Konvergenzposition des Ausstrahlungslichtes
nicht geschwenkt wird und fixiert ist.
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Die
japanische ungeprüfte
Patentveröffentlichung mit der Nummer 2002-213914 beschreibt
eine konfokale Versetzungsmessvorrichtung zum Zwecke der genauen
Positionsmessung eines Halbleiterwafers und dergleichen, bei der
eine Lochblende vorgesehen ist, Licht von einer Lichtquelle in die
Lochblende eintritt und das hindurchgelaufene Licht in Richtung
des Messobjektes konvergiert wird und das reflektierte Licht in
Richtung der Lochblende konvergiert wird, um das hindurchgelaufene
Licht zu empfangen. Auf der Messobjektseite sind das ausgestrahlte
Licht und das reflektierte Licht koaxial, und das von der Lichtquelle
in Richtung der Lochblende ausgestrahlte Licht und das durch die
Lochblende hindurchgetretene und in eine Lichtempfangseinheit eingetretene
Licht werden durch einen Strahlenteiler getrennt. Ein piezoelektrischer
Antrieb wird zur Bewegung der gesamten konfokalen Versetzungsmessvorrichtung
angesteuert, so dass ein festgestelltes Signallicht immer einen
Maximumwert annimmt und die Versetzung gemessen wird.
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Überblick
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Bei
dem unter Bezug auf 11A bis 11D beschriebenen
Versetzungssensor wird eine Lichtempfangsmenge des durch die Lochblende 155a laufenden
und von der Fotodiode 152 empfangenen Lichtes detektiert
und darauf folgend eine Position der Objektivlinse 156 in
Richtung der optischen Achse, wenn die Lichtempfangsmenge einen
Maximumwert annimmt, detektiert. Die Position wird unter der Annahme
detektiert, dass die Oberfläche des Messobjektes 190 bei
der Konvergenzposition des in Richtung des Messobjektes ausgestrahlten
Lichtes, die eindeutig einer Position der Objektivlinse 156 entspricht,
vorliegt.
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Bei
solch einem Versetzungssensor ist es wichtig, dass der Lichtemissionspunkt
der Laserdiode 151, die die Lichtquelle darstellt, und
die Lochblende 155A derart in einer positionsmäßigen
Beziehung zueinander stehen, dass sie optische Spiegelbilder sind.
Z. B. wie in 11B gezeigt, wenn eine Position
der Lochblende 155A um eine Entfernung X1 von einem in 11A gezeigten Zustand versetzt wird, konvergiert
das reflektierte Licht nicht auf der lichtabschirmenden Platte 155,
selbst wenn die Konvergenzposition des in Richtung des Messobjektes 190 ausgestrahlten
Lichtes mit der Oberfläche des Messobjektes 190 übereinstimmt
und der Lichtpunkt ist in einem verbreiterten Zustand. In diesem
Fall verschiebt sich die Position der Objektivlinse 156,
bei der die Lichtempfangsmenge einen Maximumwert annimmt, von der
Position der Objektivlinse 156, bei der die Konvergenzposition
mit der Oberfläche des Messobjektes 190 übereinstimmt.
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Weiterhin
wird in solch einem Fall die Art der Reflexion des Lichtes an der
Oberfläche des Messobjektes 190 ebenfalls durch
die Oberflächenrauheit der Oberfläche des Messobjektes 190 beeinflusst.
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In 11C ist die Position 156A der Objektivlinse
gezeigt, in der die Lichtempfangsmenge bei um die Distanz X1 von
dem in 11A gezeigten Zustand versetzter
Position der Lochblende 155A einen Maximumwert annimmt,
wenn die Oberfläche des Messobjektes 190 eine
streureflektierende Oberfläche ist (Oberfläche,
an der das reflektierte Licht ein diffus reflektiertes Licht wird).
Das reflektierte Licht ist mit ei ner gestrichelten Doppelpunktlinie
in der Figur gezeigt. Wenn eine Oberfläche des Messobjektes 190 eine
streureflektierende Oberfläche ist, wirkt das von der Oberfläche
des Messobjektes 190 reflektierte Licht als ob Licht mit
dem gesamten auf der entsprechenden Oberfläche erzeugten
Lichtpunkt als zerstreute Lichtquelle ausgesandt wird.
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Wenn
sich die Objektivlinse an einer Position befindet, in der die Konvergenzposition
des ausgestrahlten Lichtes mit der Oberfläche des Messzielobjektes 190 übereinstimmt,
verschwimmt und verbreitert sich der Lichtpunkt des reflektierten
Lichtes auf der Lichtabschirmungsplatte 155, wie es in 11B beschrieben wurde, und folglich wird eine
maximale Lichtempfangsmenge nicht gewonnen. Wenn sich die Objektivlinse
an einer Position befindet, an der der Lichtpunkt des an der Oberfläche
des Messzielobjektes 190 reflektierten Lichtes exakt auf
die Lichtabschirmungsplatte 155 abgebildet wird, wird das Verschwimmen
des Bildes des Lichtpunktes, der auf der Lichtabschirmungsplatte 155 gebildet
wird, auf ein Minimum unterdrückt, und die Lichtempfangsmenge
groß. Daher nähert sich die Position der Objektivlinse,
bei der die Lichtempfangsmenge maximal wird, der Laserdiodenseite
gegenüber der Position, in der das Licht auf der Oberfläche
des Messobjektes 190 konvergiert wird, bis zu der Position
(Position 156A in 11C),
in der das an der Oberfläche des Messobjektes 190 reflektierte
Licht auf der Lichtabschirmungsplatte 155 abgebildet wird,
an. Die Position der Objektivlinse, bei der die Lichtempfangsmenge
maximal wird, wird durch den Verschwimmungsgrad des Lichtpunktes
auf der Lichtabschirmungsplatte 155 beeinflusst und unterscheidet
sich folglich durch die numerische Apertur des optischen Systems
und durch die Eigenschaft diffuser Reflexion des Messobjektes 190.
Mit anderen Worte wird die Lichtempfangsmenge, die nach Durchlaufen
der Lochblende 155A empfangen wird, ohne dass die Oberfläche
des Messobjektes 190 und der Konvergenzpunkt des Lichtes übereinstimmen,
maximal und die Oberfläche des Messobjektes 190 wird
fälschlicherweise als an einer Position liegend (untere
Seite in 11C) gemessen, die sich von
der Position unterscheidet, die gemessen wird, wenn die Lochblende 155A und
der Lichtemissionspunkt der Laserdiode 151 derart in einer
positionsmäßigen Beziehung stehen, dass sie optische
Spiegelbilder bilden.
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In 11D ist eine Position 156B der Objektivlinse
gezeigt, bei der die Lichtempfangsmenge bei um die Entfernung X1
von dem in 11A gezeigten Zustand verschobenen
Position der Lochblende 155A maximal wird, wenn die Oberfläche
des Messobjektes 190 eine Spiegeloberfläche ist.
Wenn die Oberfläche des Messobjektes 190 eine
Spiegeloberfläche ist, konvergiert das durch die Oberfläche
des Messobjektes 190 reflektierte Licht, nachdem es an der
Oberfläche des Messobjektes 190 reflektiert wurde,
und wirkt als ob Licht mit solch einem Konvergenzpunkt als Lichtquelle
ausgesandt wird, wenn das Licht, das von der Objektivlinse derart
abstrahlt wird, dass es in Richtung einer Position konvergiert,
die entfernter ist als die Oberfläche des Messobjektes 190.
Im Gegensatz dazu wird das Spiegelbild des Konvergenzpunktes an
der Oberfläche des Messobjektes 190 eine virtuelle
Lichtquelle des reflektierten Lichtes und wirkt, als ob Licht von
der Lichtquelle des Spiegelbildes abgestrahlt wird, wenn das Licht,
das von der Objektivlinse abgestrahlt wird, konvergiert, bevor es
die Oberfläche des Messobjektes 190 erreicht.
Wenn sie so versetzt wird, dass die Länge des optischen
Pfades um die Entfernung X1 unter Bezug auf die Position, an der
die Position der Lochblende 155A dem Spiegelbild des Lichtemissionspunktes der
Laserdiode 151 entspricht, wie es in 11D gezeigt ist, verlängert ist, wird
die Lichtempfangsmenge maximal, wenn die Objektivlinse 159B an
einer Position ist, an der der Konvergenzpunkt P des Lichtes, das
nach der Spiegelreflexion an dem Messobjekt 190 konvergiert,
auf der Lichtabschirmungsplatte 155 abgebildet wird. In
diesem Fall liegt die Oberfläche des Messobjektes 190 im
Wesentlichen in der Mitte zwi schen der Position, an der das von
der Objektivlinse abgestrahlte Licht konvergiert, wenn das Messobjekt
nicht vorliegt, und der Position in einer Abbildungsbeziehung unter
Bezug auf die positionsversetzte Lochblende 155A. Mit anderen
Worten, wird in solch einem Fall ebenfalls die Oberfläche
des Messobjektes 190 fälschlicherweise als an
einer Position liegend gemessen (untere Seite in 11D), die von der Position unterschiedlich ist,
die gemessen wird, wenn der Lichtemissionspunkt der Laserdiode 151 und
die Lochblende 155A in einer derartigen positionsmäßigen
Beziehung stehen, dass sie optische Spiegelbilder bilden. Die Position
der Objektivlinse, bei der die Lichtempfangsmenge in einem Fall,
in dem das Messobjekt eine Spiegeloberfläche ist, maximal
wird, wird nicht durch die numerische Apertur des optischen Systems
beeinflusst und stimmt nicht notwendigerweise mit einem Fall überein,
in dem das Messzielobjekt 190 eine streureflektierende
Oberfläche ist.
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Daher
unterscheidet, wenn die Lichtquelle (Lichtemissionspunkt der Laserdiode 151 in 11A bis 11D)
und die Lichtempfangsöffnung (Lochblende 155A der 11A bis 11D)
positionsversetzt sind und nicht in einer positionsmäßigen
Beziehung zueinander stehen, dass sie Spiegelbilder darstellen,
sich die Position des Messobjektes, bei der die Lichtempfangsmenge
maximal wird, durch den Unterschied in der Oberflächenrauigkeit
der Oberfläche des Messobjektes (Oberfläche des
Messobjektes 190), und ein Versetzungsmessfehler tritt
auf.
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Die
streureflektierende Oberfläche und die Spiegeloberfläche
liegen normalerweise an einem zu untersuchenden Messobjekt 190 vor
und beide Komponenten, Komponente diffuser Reflexion und Komponente
spiegelnder Reflexion, liegen in den meisten Fällen vor.
Darüber hinaus tendiert deren Verhältnis ebenso
in Abhängigkeit des Ortes auf der Oberfläche des
Messobjektes 190 sich zu unterscheiden. D. h., es ist schwierig,
die Versetzung der Oberfläche des Messobjektes 190 unter
der Annahme zu messen, dass die Oberfläche des Messobjektes 190 nur die streureflektierende
Oberfläche oder nur die Spiegeloberfläche ist,
und es ist schwierig, unter der Annahme zu messen, dass das Verhältnis
einheitlich ist, wenn die Komponenten beide vorliegen.
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Daher
ist es wichtig, die Lichtquelle und die Lichtempfangsöffnung
in einer positionsmäßigen Beziehung anzuordnen,
dass sie Spiegelbilder in dem Versetzungssensor darstellen, um das
Messobjekt, bei dem der Oberflächenzustand nicht konstant
ist, genau zu messen.
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Jedoch,
wenn ein ausgestrahltes Licht als ein mikroskopisch konvergierender
Lichtpunkt (Mikrometer-Größenordndung) angenommen
wird, um die Messgenauigkeit zu verbessern, und eine Größe der
Lichtempfangsöffnung in einer gleichen Größe hierzu
vorgesehen wird, ist eine Genauigkeit in einer Größenordnung
im Submikrometerbereich erforderlich, um die Lichtquelle und die
Lichtempfangsöffnung in einer positionsmäßigen
Beziehung so anzuordnen, dass sie genaue Spiegelbilder darstellen
und die Aufgabe der Anpassung wird schwierig und kompliziert. Darüber
hinaus kann eine Positionsversetzung aufgrund einer Temperaturänderung
auftreten, selbst wenn die Anpassung durchgeführt wird.
Um solche Komplikationen zu vermeiden, wird ein Abstand zwischen
der Linse und der Lichtquelle und ein Abstand zwischen der Linse
und der Lichtempfangsöffnung lang gemacht und ein Ablenkwinkel
einer optischen Achse, der durch die Größe der
positionsmäßigen Versetzung auftritt, wird klein
gemacht, aber dies führt zu einem dahin gehenden Problem,
dass sich die Vorrichtung vergrößert.
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Bei
dem in
12 gezeigten konfokalen optischen
Scanner gemäß der
japanischen
ungeprüften Patentveröffentlichung mit der Nummer
09-26545 , wird die Lochblende in der Nipkow-Scheibe
103 sowohl
als Lichtquelle als auch Lichtempfangsöffnung verwendet
und das Problem der positionsmäßigen Versetzung
der Lichtquelle und der Lichtempfangsöffnung tritt nicht
auf. Solch ein konfokaler optischer Scanner wird in einem Fluoreszens-Mikroskop
verwendet, wobei nur eine sehr schwa che Fluoreszenz des Objektes
aus dem zurückkehrenden Licht des Ausstrahlungslichtes
durch den dichriotischen Spiegel herausgetrennt und festgestellt
wird, ohne in dem Hintergrundlicht unterzugehen, indem die Tatsache ausgenutzt
wird, dass die Wellenlänge der Fluoreszenz, die von dem
Objekt emittiert wird, von der Wellenlänge des ausgestrahlten
Lichtes unterschiedlich ist. Jedoch ist bei einem Versetzungssensor
die Versetzungsmessung verschiedener Messobjekte normalerweise erwünscht
und das Messobjekt muss nicht notwendigerweise eine Fluoreszenz
erzeugen, die eine von dem ausgesendeten Licht unterschiedliche
Wellenlänge aufweist. Daher sind die Anwendungsfälle,
in denen der Aufbau unter Verwendung des dichriotischen Spiegels
verwendet werden kann, selten. Mit anderen Worten entsteht das Problem, dass
die Versetzungsmessung verschiedener Messobjekte nicht gelöst
werden kann.
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In
der
japanischen ungeprüften
Patentveröffentlichung mit der Nummer 2002-213814 kann
das Problem einer positionsmäßigen Versetzung
der Lichtquelle und der Lichtempfangsöffnung nicht entstehen,
weil die Lochblende einmal zwischengeschaltet ist. Jedoch existiert
in solch einem Aufbau ein Hintergrundlicht, weil das zurückkehrendes
Licht, das erzeugt wird, wenn das ausgesandte Licht durch die Lochblende
zurückgeworfen wird, in die Lichtempfangseinheit eintritt.
Wenn das Messobjekt ein Objekt mit geringer Reflektivität
ist, ist die reflektierte Lichtmenge, die von dem Messobjekt gewonnen wird,
sehr klein und folglich geht sie in dem zurückkehrenden
Licht des Hintergrundes unter und kann nicht mit zufriedenstellender
Genauigkeit festgestellt werden.
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Die
vorliegende Erfindung ist gemacht worden, um die oben beschriebenen
Probleme zu lösen, und es ist eine Aufgabe der Erfindung,
einen Versetzungssensor zu schaffen, der fähig ist, die
Versetzung be züglich eines Messobjektes, das verschiedene
Oberflächenzustände und Reflektivitäten
aufweist, genau zu messen.
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Ein
Versetzungssensor gemäß der vorliegenden Erfindung
umfasst: Eine Lichtprojektionseinheit zum Aussenden von Licht durch
ein Intensitätssignal, das eine bestimmte Frequenzkomponente aufweist;
einen offenen Abschnitt, der ein eine Öffnung festlegendes
Lichtabschirmungselement aufweist, wobei das Lichtabschirmungselement
wenigstens einen Anteil des von der Lichtprojektionseinheit ausgesendeten
Lichtes abschirmt, wobei die Öffnung von anderen Anteilen
des von der Lichtprojektionseinheit ausgesendeten Lichtes durchlaufen
wird und der offene Abschnitt das Licht durch die Öffnung
hindurch als neues divergierendes Licht durchlässt, indem
das ausgesendete Licht ausgeschnitten wird; eine Abtastkonvergenzeinheit
zum Konvergieren und Aussenden des durch die Öffnung hindurchgelaufenen
divergierenden Lichtes in Richtung eines Messobjektes und zum kontinuierlichen Ändern
einer Konvergenzposition des Lichtes in einer bestimmten Art und
Weise entlang einer Richtung der optischen Achse des konvergierenden
Lichtes und zum Leiten eines reflektierten Lichtes des auf das Messobjekt
ausgesandten Lichtes zu dem offenen Abschnitt, indem das reflektierte
Licht in einer entgegengesetzten Richtung unter Bezug auf einen
optischen Pfad des divergierenden Lichtes fortschreitet; ein Trennelement
zum Trennen des optischen Pfades des reflektierten Lichtes, das
durch die Öffnung hindurchläuft, von dem optischen
Pfad des ausgesendeten Lichtes von der Lichtprojektionseinheit zu
der Öffnung; eine Lichtempfangseinheit zum Empfangen des
reflektierten Lichts, das aus dem optischen Pfad des ausgesendeten
Lichtes durch das Trennelement zum Trennen eines optischen Pfades
herausgetrennt wurde, und zur Ausgabe eines Lichtempfangssignals,
das einer Einfallslichtmenge entspricht; eine Filtereinheit zur
Gewinnung eines filterverarbeiteten Signals, indem das Signal der
bestimmten Frequenzkomponente aus dem Lichtemp fangssignal entfernt
wird; und eine Verarbeitungseinheit zum Erfassung von Information über
einen Abstand zu dem Messobjekt beruhend auf dem filterverarbeiteten
Signal; wobei der offene Abschnitt einen Anteil des reflektierten
Lichtes, das durch die Öffnung läuft, ändert,
wenn die Konvergenzposition des von dem Messobjekt reflektierten Lichtes
sich durch den Betrieb der Abtastkonvergenzeinheit ändert;
die bestimmte Frequenzkomponente der Signalintensität des
durch die Lichtprojektionseinheit ausgesendeten Lichtes eine Frequenzkomponente
ist, die von einer Frequenzkomponente des Lichtempfangssignals,
das sich durch den Betrieb der Abtastkonvergenzeinheit ändert,
unterschiedlich ist, oder eine Frequenzkomponente eines Anteils
der Frequenzkomponente des Lichtempfangssignals ist; und die Verarbeitungseinheit,
die Information über den Abstand zu dem Messobjekt beruhend
auf der Änderung des filterverarbeiteten Signals, die durch den
Betrieb der Abtastkonvergenzeinheit auftritt, erfasst.
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Die
Frequenzkomponente hierin bedeutet nicht die Frequenzkomponente,
die der Wellenlänge des Lichtes entspricht, sonder bedeutet
die Frequenzkomponente, die gewonnen wird, wenn das im Zeitbereich
dargestellte Signal im entsprechenden Frequenzbereich dargestellt
wird.
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„Aussenden
von Licht durch ein Intensitätssignal, das eine bestimmte
Frequenzkomponente aufweist” bezieht sich auf ein Signal,
bei dem die Intensität des auszusendenden Lichtes eine
finite und definierte Frequenzkomponente oder eine finite und definierte
Vielzahl von Frequenzkomponenten (beinhaltend ein kontinuierliche
Frequenzen aufweisendes Frequenzband) ist. Daher ist ein Fall, in
dem die Frequenzkomponente indefinit ist, weil das Intensitätssignal
des auszusendenden Lichtes regellos ist oder ein Fall, in dem das
Intensitätssignal finit, aber über das gesamte
Frequenzband verteilt ist, z. B. wenn es über das gesamte
Frequenzband des Signals, das in der Verarbeitungseinheit gehandhabt
werden kann, verteilt ist, ausgeschlossen.
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Das
durch die Lichtprojektionseinheit ausgesendete Licht umfasst einen
Gauss-verteilten Strahl, paralleles Licht, Licht einer Quelle divergierenden Lichtes,
Licht, bei dem solche Lichter durch eine Linse konvergiert werden
und denen eine Richtungskomponente über einen konstanten
Winkelbereich zugeordnet wird, und Licht, bei dem Licht von irgendeiner
Position in Richtung der Öffnung von einer großen
Lichtquelle kommend, die diffuses Licht emittiert, abgegeben wird.
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Die Öffnung
ist ein Bereich in einem Raum zum Durchlaufen des Lichtes und umfasst
eine Lochblende und einen Schlitz. „eine Öffnung
aufbauend” bedeutet die Begrenzung eines Bereiches in dem Raum
zum Durchlaufen des Lichtes durch die Anordnung eines Lichtabschirmungselementes
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Das
Licht, das durch die Öffnung hindurch gelaufen ist, wird
kein neues divergierendes Licht, wenn das auf den offenen Abschnitt
ausgesendete Licht überhaupt nicht durch die Öffnung
zurückgeworfen wird, d. h., wenn das gesamte in Richtung
des offenen Abschnittes ausgesandte Licht durch die Öffnung
hindurch läuft.
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Das
neue divergierende Licht kann konvergiert und von der Lichtprojektionseinheit
in Richtung des offenen Abschnittes ausgesendet werden und ein Teil
des Strahlungslichtes durch die Öffnung auf dem offenen
Abschnitt ausgeschnitten werden, oder es kann von einer Lichtquelle über
einen konstanten Bereich in dem Raum in Richtung des offenen Abschnittes
gespreizt ausgesendet werden, so dass das durch die Öffnung
laufende Licht gespreizt wird (z. B. wenn ein großer Lichtemissionskörper
verwendet wird). Wenn das Licht, das durch die Öffnung
hindurchläuft, durch Beugung gespreizt wird, weil die Öffnung
schmal ist, kann das von der Lichtprojektionseinheit ausgesendete
Licht zu dem offenen Abschnitt als paralleles Licht ausgesendet
werden.
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Das
divergierende Licht kann kohärentes Licht oder inkohärentes
Licht sein. Das kohärente Licht umfasst einen Gauß-verteilten
Lichtstrahl und einen Lichtstrahl, der hieran angenähert
ist.
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Die
Konvergenz oder Divergenz des Lichtes braucht lediglich eine Konvergenz
oder Divergenz unter Bezug auf die Komponente in einer bestimmten Richtung,
die wenigstens orthogonal zu der optischen Achse des Lichtes ist,
sein. Ein Fall, in dem Licht unter Bezug auf die optische Achse
punktsymmetrisch konvergiert oder divergiert wird, ist ebenfalls umfasst.
Wenn die Öffnung ein Schlitz ist, ist die Komponente in
der bestimmten Richtung eine Richtung senkrecht zu der Längsrichtung
des Schlitzes.
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Der
Ausdruck „in einer vorbestimmten Art und Weise” in
der Beschreibung des Merkmales „die Abtastkonvergenzeinheit ändert
kontinuierlich eine Konvergenzposition des Lichtes in einer vorbestimmten
Art und Weise” bedeutet nicht, dass die Art der Änderung
der Konvergenzposition unbestimmt ist, sondern dass die Konvergenzposition
sich gemäß einer im Voraus definierten Änderungsart ändert,
und beinhaltet einen Fall, in dem sich die Konvergenzposition mit
einer für jede Konvergenzposition vorbestimmten unterschiedlichen
Geschwindigkeit ändert, zusätzlich zu einem Fall,
in dem sich die Konvergenzposition mit einer konstanten Geschwindigkeit ändert.
Ein Fall, in dem sich die Konvergenzposition des Lichtes mit einer
vorbestimmten Geschwindigkeit für jede Position als Ergebnis
davon ändert, dass die optische Komponente zur Konvergierung
von Licht sich mit einer konstanten Geschwindigkeit und einem konstanten
Oszillationszyklus ändert, ist ebenfalls umfasst. Die Änderungen
umfassen eine Änderung in einer Richtung oder eine Änderung
in einem vorbestimmten Bereich in einer hin- und herbewegenden Art
und können einen Fall darstellen, in dem einmalig geändert
oder wiederholend periodisch geändert wird.
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Die
Abtastkonvergenzeinheit kann durch eine Gruppe optischer Komponenten,
wie z. B. eine Vielzahl von Linsen und Spiegeln, die insgesamt oder teilweise
bewegt werden, oder durch eine(n) einzige(n) sich bewegende(n) Linse
oder durch einen einzigen sich bewegenden Spiegel aufgebaut sein.
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Das
Trennelement zur Trennung des optischen Pfades beinhaltet einen
Halbspiegel und einen Polarisationsstrahlenteiler. Die Beschreibung „Entfernen
des Signals mit bestimmter Frequenzkomponente aus dem Lichtempfangssignal” beinhaltet
einen Fall, in dem alle Signale, die eine bestimmte Signalfrequenzkomponente
aufweisen, entfernt werden, und einen Fall, in dem wenigstens einige
der Signalfrequenzkomponenten entfernt werden.
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Die
Filterverarbeitung beinhaltet einen Frequenzfilter, wie z. B. einen
Hochpassfilter, einen Tiefpassfilter und einen Bandpassfilter, aber
sie kann eine Filterverarbeitung darstellen, bei der eine bestimmte
Berechnung mit dem Signal im Zeitbereich durchgeführt wird.
Mit anderen Worten, die Verarbeitung kann irgendeine Verarbeitung
sein, die als Filterverarbeitung zur Entfernung wenigstens einiger
oder aller bestimmter Signalfrequenzkomponenten dient. Die Filterverarbeitung
kann das Signal entfernen, das eine Signalfrequenzkomponente des
Intensitätssignals des ausgesandten Lichtes aufweist, und
die Signalfrequenzkomponente, die in der Änderung der Lichtempfangsausgabe
der Lichtempfangseinheit enthalten ist, die durch den Betrieb der
Abtastkonvergenzeinheit auftritt, enthalten ist, selektiv durchlassen.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung kann eine Versetzungsmessung hoher Sensitivität
durchgeführt werden, während das Auftreten eines
Versetzungsmessfehlers aufgrund der Oberflächenrauigkeit
des Messobjektes verhindert wird, weil die Lichtquelle und die Lichtempfangsöffnung übereinstimmen
und das von dem Messobjekt reflektierte Licht vermindert um den
Einfluss des Rückkehrlichtes extrahiert werden kann.
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Vorzugsweise
sendet die Lichtprojektionseinheit Licht von einer Laserdiode aus,
so dass ein Lichtpunkt, der auf dem offenen Abschnitt gebildet wird,
die Öffnung umfasst.
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Wenn
die Laserdiode als Lichtquelle der Lichtprojektionseinheit verwendet
wird, tritt ein Astigmatismus an dem Konvergenzpunkt des in Richtung des
Messobjektes ausgesandten Lichtes aufgrund der Tatsache auf, dass
die Laserdiode eine astigmatische Differenz aufweist, aber gemäß diesem
Aspekt wird der Lichtpunkt, an dem das reflektierte Licht auf dem
offenen Abschnitt konvergiert, sehr klein, und die Lichtempfangsmenge
des durch die Öffnung hindurch empfangenen Lichtes steigt
an, weil der Lichtpunkt kleiner gemacht werden kann, wenn der Astigmatismus
des Konvergenzpunkts des in Richtung des Messobjektes ausgestrahlten
Lichtes reduziert wird.
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Vorzugsweise
ist die bestimmte Signalfrequenzkomponente eine Gleichstromkomponente; und
die Filtereinheit entfernt die Gleichstromkomponente aus dem Lichtempfangssignal.
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Das
Ausstrahlungslicht mit einer Intensität, das die Gleichstromkomponente
beinhaltet, braucht lediglich mit einer konstanten Intensität
in Ausstrahlungszeiteinheiten, die notwendig sind, um ein einziges
Versetzungsmessergebnis zu erhalten, ausgesendet werden.
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Gemäß solch
einem Aspekt werden die Steuerung der Intensität des ausstrahlenden
Lichtes und der Aufbau der Filtereinheit vereinfacht. Vorzugsweise
entfernt die Filtereinheit einen Minimumwert des Lichtempfangssignals,
der erhalten wird, wenn die Konvergenzposition des Lichtes in einem vorbestimmten
Bereich entlang der Richtung der optischen Achse des konvergierenden
Lichtes geändert wird, aus dem Lichtempfangssignal als
einen Offset-Wert.
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Der
vorbestimmte Bereich beinhaltet einen im Voraus als Bereich zur Änderung
der Konvergenzposition in dem Versetzungssensor definierten Bereich
und einen Bereich, der als Versetzungsmessbereich des Versetzungssensors
für seine Spezifikation definiert wurde.
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Gemäß diesem
Aspekt kann der Anwender einen geeigneten Offset-Wert leicht aus
dem Lichtempfangssignal entfernen.
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Vorzugsweise
entfernt die Filtereinheit das Lichtempfangssignal eines Zustandes,
in dem das konvergierende Licht nicht auf das Messobjekt ausgesendet
wird, aus dem Lichtempfangssignal als einen Offset-Wert.
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Die
Beschreibung „Zustandes, in dem das konvergierende Licht
nicht auf das Messobjekt ausgesandt wird” beinhaltet einen
Fall, in dem das Messzielobjekt nicht in dem Änderungsbereich
des Strahlungslichts vorliegt oder in dem das Messobjekt nicht in
dem Versetzungsmessbereich der Spezifikation des Versetzungssensors
vorliegt, und einen Fall, in dem das Messobjekt in solchen Bereichen
vorliegt, aber die konvergierende Position nicht mit dem Messzielobjekt übereinstimmt
und das Lichtempfangssignal ein Hintergrundniveau darstellt, weil
das durch das Messobjekt reflektierte Licht im Wesentlichen nicht
empfangen wird.
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Gemäß solch
einem Aspekt kann der Offset-Wert leicht erfasst werden. Vorzugsweise
sendet die Lichtprojektionseinheit Licht linearer Polarisation aus;
ist das Lichtabschirmungselement ein Objekt mit einer Spiegelreflexionseigenschaft;
und ein Polarisationselement ist zwischen dem Trennelement zur Trennung
des optischen Pfades und der Lichtempfangseinheit angeordnet, wobei
das Polarisationselement zur Entfernung eines Rückkehrlichtes,
das erzeugt wird, wenn das Licht der linearen Polarisation, das
von der Lichtprojektionseinheit ausgesandt wird, durch das Lichtabschirmungselement
spiegelreflektiert wird, aus dem optischen Pfad zu der Lichtempfangseinheit
und zur Leitung des Lichtes mit einer Polarisationsrichtung orthogonal
zu einer Polarisations richtung des Rückkehrlichtes zu der
Lichtempfangseinheit vorgesehen ist.
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Das
Objekt, das eine Spiegelreflexionseigenschaft aufweist, ist ein
Objekt mit einer Spiegelreflexionskomponente und beinhaltet ein
Objekt, das wenigstens einen Teil des linear polarisierten einfallenden
Lichtes mit einem konstanten Polarisationszustand durch Spiegelreflexion
reflektiert. Dies beinhaltet ein Metallobjekt mit Spiegeloberfläche,
Glas mit einer dampfphasenabgeschiedenen Schicht und ein schwarzes
Objekt mit Spiegeloberfläche. Wenn das Licht linearer Polarisation,
das von der Lichtprojektionseinheit ausgesendet wird, senkrecht
auf das Objekt mit der Spiegelreflexionseigenschaft auftritt, hat
das reflektierte Licht eine identische Polarisationsrichtung und
folglich wird ein Polarisationselement zur Entfernung des Lichtes
mit einer Polarisationsrichtung orthogonal zu der Polarisationsrichtung des
ausgesendeten Lichtes einfach zwischen dem Trennelement zur Trennung
des optischen Pfades und der Lichtempfangseinheit angeordnet. Wenn
das Ausstrahlungslicht schräg auf das Objekt mit Spiegelreflexionseigenschaft
auftrifft, muss das reflektierte Licht nicht notwendigerweise Licht
mit der gleichen linearen Polarisation sein, sondern wird eine lineare Polarisation,
indem es durch eine Phasenplatte in einem konstanten Polarisationszustand,
d. h. wenn eine Phasendifferenz der Polarisationskomponenten in
zwei Richtungen orthogonal zueinander konstant ist, hindurch geleitet
wird, wodurch ein Polarisationselement, das eine Phasenplatte umfasst,
zur Entfernung des reflektierten Lichtes, das in Licht mit linearer
Polarisation umgewandelt wird, indem es durch die Phasenplatte hindurch
geleitet wird, einfach zwischen dem Trennelement zur Trennung des
optischen Pfades und der Lichtempfangseinheit angeordnet wird.
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Gemäß einem
solchen Aspekt kann die Lichtmenge des Rückkehrlichtes,
das durch das Lichtabschirmungselement reflektiert wird und in die Lichtempfangseinheit
eintritt, vermindert werden, wodurch das Rauschlicht des Hintergrundes
reduziert und die Messung des Messobjektes, das eine niedrigere
Reflektivität aufweist, durchgeführt werden kann.
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Vorzugsweise
sendet die Lichtprojektionseinheit Licht linearer Polarisation aus;
ist das Lichtabschirmungselement ein Objekt mit Spiegelreflexionseigenschaft;
und das Trennelement zur Trennung des optischen Pfades ist ein Polarisationselement zum
Transmittieren des von der Lichtprojektionseinheit ausgesendeten
Lichtes mit linearer Polarisation und zum Leiten des transmittierten
Lichtes zu dem offenen Abschnitt und zum Reflektieren des Lichtes
mit einer Polarisationskomponente orthogonal zu der linearen Polarisation
in eine unterschiedliche Richtung oder ein Polarisationselement
zum Reflektieren des Lichtes linearer Polarisation, das von der
Lichtprojektionseinheit ausgesendet wurde, und zum Leiten des reflektierten
Lichts zu dem offenen Abschnitt und zum Transmittieren des Lichtes
mit einer Polarisationskomponente senkrecht zu der linearen Polarisation.
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Gemäß solch
einem Aspekt kann der Aufbau vereinfacht werden, weil das Trennelement
zur Trennung des optischen Pfades und das Polarisationselement gemeinsam
verwirklicht sind.
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Vorzugsweise
sendet die Lichtprojektionseinheit Licht mit der Wellenlänge λ aus;
und eine λ/4-Platte ist weiterhin zwischen dem offenen
Abschnitt und dem Messobjekt angeordnet.
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Gemäß solch
einem Aspekt wird das Licht, das durch das Messobjekt spiegelreflektiert
wird und in die Lichtempfangseinheit eintritt, in Licht mit linearer
Polarisation orthogonal zu der Polarisationsrichtung des von der
Lichtprojektionseinheit ausgesandten Lichtes und folglich durchläuft
es effizient das Polarisationselement oder das Polarisationstrennelement.
Daher kann, wenn ein Messobjekt gemessen wird, bei dem die Spiegelreflexionskomponenten
der Oberfläche überwiegend vorliegen, das von
dem Messzielobjekt spiegelreflektierte Licht effizient empfangen
und das Rückkehrlicht, das erzeugt wird, wenn es durch
das Lichtabschirmungselement reflektiert wird, effizient entfernt
werden.
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Vorzugsweise
umfasst die Abtastkonvergiereinheit eine Objektivlinse und eine
Oszillations-Kollimator-Linseneinheit, die entlang einer Richtung
der optischen Achse hin- und herschwingt, wobei die Linse das von
der Lichtprojektionseinheit gesendete und durch die Öffnung
laufende Licht in paralleles Licht konvergiert und paralleles Licht
in Richtung der Objektivlinse zu einem vorbestimmten Zeitpunkt während
eines Ablaufes, den die hin- und herschwingende Linse durchführt,
leitet; wobei der Sensor weiterhin aufweist: ein Gehäuse
zur Aufnahme eines optischen Systems, das wenigstens die Oszillations-Kollimator-Linseneinheit
und den offenen Abschnitt aufweist, eine Objektivlinsenhalterung
zur Halterung der Objektivlinse; wobei das Gehäuse mit
einem Lichteingang/-ausgang an einer Position ausgestattet ist, die
einer Linsenoberfläche der Oszillations-Kollimator-Linseneinheit
auf der Seite, die der Objektivlinse am Nächsten ist, gegenüber
liegt; und die Objektivlinsenhalterung an dem Lichteingang/-ausgang
entfernbar ist.
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Die
Richtung der optischen Achse in der Beschreibung „Linse,
die entlang einer Richtung einer optischen Achse hin- und herschwingt” bedeutet
die optische Achse an der Position, an der die Linse, die hin- und
herschwingen kann, auf der optischen Achse angeordnet ist.
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Die
Objektivlinsenhalterung, die die Objektivlinsen, die unterschiedliche
Brennweiten zueinander aufweisen, haltert, kann mehrfach angeordnet
und gewechselt werden.
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Gemäß einem
solchen Aspekt ist die Objektivlinse entfernbar. Die Versetzungsmessung,
die verschiedenen Arbeitsentfernungen entspricht (Entfernung zu
dem Messobjekt) kann leicht für ein gemeinsames Gehäuse
realisiert werden, indem auf eine Objektlinse mit unterschiedlicher
Brennweite gewechselt wird.
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Der
Versetzungssensor gemäß der vorliegenden Erfindung
umfasst weiterhin: eine Einstelleinheit zum Einstellen eines Niveaus
minimaler Sensitivität, das einen Minimumwert des zu verarbeitenden filterverarbeitenden
Signals festlegt; wobei die Verarbeitungseinheit Information über
die Entfernung zu dem Messobjekt beruhend auf der Änderung
eines Signals erfasst, das den Minimumwert übersteigt,
der durch das Niveau minimaler Sensitivität des filterverarbeiteten
Signals definiert ist.
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Gemäß diesem
Aspekt kann die Messung bei entferntem Einfluss des Hintergrundlichtes
durchgeführt werden, selbst wenn andere Lichtanteile, die auf
das Messobjekt ausgesandt werden, in der Umgebung vorliegen, indem
das Niveau minimaler Sensitivität geeignet eingestellt
wird, wenn die Intensität des reflektierten Lichtes des
ausgesandten Lichtes selbst die höchste ist. Mit anderen
Worten kann das Niveau zur Entfernung einer Rauschkomponente gemäß der
Größe des Streulichtes, das von der Umgebung einfällt
und der Lichtempfangsmenge, die entsprechend der Reflektivität
und einem Oberflächenzustand des Messobjektes gewonnen
wird, geeignet eingestellt werden.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung kann das Auftreten eines Versetzungsmessfehlers
aufgrund der Oberflächenrauigkeit des Messobjektes verhindert
werden, weil die Lichtquelle und die Lichtempfangsöffnung übereinstimmen
und sich nicht versetzen. Darüber hinaus kann die Versetzungsmessung durchgeführt
werden, während verhindert wird, dass sich die Sensitivität
verringert, weil das Verhältnis der Komponente des von
dem Messobjekt reflektierten Lichtes verbessert werden kann, während
die Komponente des Rückkehrlichtes reduziert wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine Ansicht, die schematisch den gesamten Aufbau einer ersten Ausführungsform
eines Versetzungssensors gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt;
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2 ist
eine Ansicht, die eine Beziehung eines Linsenpositionssignals und
eines Lichtempfangssignals des Versetzungssensors aus 1 zeigt;
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3A bis 3F sind
Ansichten, die den Einfluss beschreiben, wenn der Durchmesser des Lichtpunktes,
der durch die Sammellinse auf der Blendenplatte konvergiert wird,
sich unter Bezug auf den Durchmesser der Lochblende bei dem Versetzungssensor
aus 1 ändert;
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4 ist
eine Ansicht, die schematisch einen Gesamtaufbau einer zweiten Ausführungsform
des Versetzungssensors der vorliegenden Erfindung zeigt;
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5A bis 5D sind
Ansichten, die schematisch Signale zeigen, die in der Steuerung
des Versetzungssensors aus 4 verarbeitet
werden;
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6 ist
eine schematische Ansicht, die einen Gesamtaufbau einer dritten
Ausführungsform des Versetzungssensors der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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7 ist
eine Ansicht, die schematisch den Gesamtaufbau einer vierten Ausführungsform
des Versetzungssensors der vorliegenden Erfindung zeigt;
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8 ist
eine Ansicht, die schematisch einen Gesamtaufbau einer fünften
Ausführungsform des Versetzungssensors der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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9 ist
eine Ansicht, die schematisch einen Gesamtaufbau einer sechsten
Ausführungsform des Versetzungssensors der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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10 ist
eine Ansicht, die schematisch einen Gesamtaufbau einer siebten Ausführungsform des
Versetzungssensors der vorliegenden Erfindung zeigt;
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11A bis 11D sind
Diagramme, die schematisch ein Beispiel eines Aufbaus eines optischen
Systems eines herkömmlichen Versetzungssensors zeigen;
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12 ist
ein Diagramm, das schematisch ein weiteres Beispiel eines Aufbaus
eines optischen Systems eines herkömmlichen fluoreszenten
konfokal-optischen Scanner zeigt.
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Detaillierte Beschreibung
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Hiernach
werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben werden. Gleiche Bezugszeichen
werden gleichen Komponenten in jeder Figur zugeordnet und deren
detaillierte Beschreibung wird nicht wiederholt werden
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[erste Ausführungsform]
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1 ist
eine Ansicht, die schematisch einen gesamten Aufbau einer ersten
Ausführungsform eines Versetzungssensors der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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Der
Versetzungssensor ist hauptsächlich durch einen Sensorkopf 60 und
eine Steuerung 50 zur Steuerung des Sensorkopfes 60 aufgebaut.
In dem Sensorkopf 60 wird Licht von einer Laserdiode 1,
die eine Lichtprojektionseinheit darstellt, mit konstanter Intensität
in Richtung einer Lochblende (Aperturöffnung) 5a,
die in einer Blendenplatte 5 gebildet ist, durch eine Sammellinse 4 gesammelt.
Ein selbstpulsierender Laser kann als Laserdiode 1 verwendet
werden, um den Rückkehrlichtwiderstand zu der Laserdiode 1 zu
verbessern. In diesem Fall hat die Intensitätsänderung
der Selbstpulsierung eine ausreichend hohe Geschwindigkeit unter
Bezug auf die Antwortgeschwindigkeit einer Fotodiode 2 und
einer Schaltung der sich hieran anschließenden Stufe und
folglich kann angenommen werden, dass äquivalent das Licht
mit einer Intensität (konstanten Intensität in
diesem Fall) mit einer Hüllkurve dessen ausgestrahlt wird.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Lichtprojektionseinheit
durch die Laserdiode 1 zur Aussendung von Licht aufgebaut,
ein offener Abschnitt durch die Blendenplatte 5 aufgebaut
und eine Öffnung durch die Lochblende 5a aufgebaut.
Die Lochblende 5a hat eine kreisförmige Form.
Das von der Laserdiode 1 ausgesendete Licht wird auf der Blendenplatte 5 durch
die Sammellinse 4 gesammelt, so dass es die Lochblende 5a beinhaltet.
Ein Teil des gesammelten Lichtes durchläuft die Lochblende 5a und
wird zu einer Objektivlinse 6 geleitet. Das Licht wird
sodann auf die Oberfläche eines Messobjektes 90 durch
die Objektivlinse 6 konvergiert. Das Licht, das durch die
Lochblende 5a läuft, wird neues divergierendes
Licht. Die Objektivlinse 6 wird durch einen Oszillator 7 gehaltert.
Eine Ansteuerspule 7A zur Ansteuerung des Oszillators 7 ist
an einer Position in der Nähe des Oszillators angeordnet.
Der Sensorkopf 60 beinhaltet eine Ansteuerschaltung 7B zur Versorgung
der Ansteuerspule 7A mit Strom. Der Oszillator 7 schwingt
periodisch, indem eine Periode der Stromzufuhr zu der Ansteuerspule 7A und
eine Periode, in der die Stromzufuhr unterbrochen ist, in einem
konstanten Zyklus wiederholt werden. Die Objektivlinse 6 bewegt
sich gemäß der Schwingung des Oszillators in einer
Richtung, in der sie sich dem Messobjekt 90 annähert
oder in einer Richtung, in der sie sich von dem Messobjekt entfernt.
Eine Ausgabeeinheit 30 zur Ausgabe des Ansteuersignals
steuert die Art der Stromzufuhr von der Ansteuerschaltung 7B zu
der Ansteuerspule 7A. In der vorliegenden Ausführungsform
bauen die Objektivlinse 6 als auch der Oszillator 7,
die Ansteuerspule 7A und die Ansteuerschaltung 7B,
die die Objektivlinse 6 in der obigen Art und Weise bewegen,
eine Abtastkonvergenzeinheit auf. Darüber hinaus sind eine
Laserdiode 62 zur Aussendung von Licht in Richtung der
Objektivlinse 6 und eine PSD (position sensitive device;
positionssensitive Vorrichtung) 63 zum Empfangen des durch
die Objek tivlinse 6 reflektierten Lichtes angeordnet, um
die Position der Objektivlinse festzustellen.
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Das
in Richtung des Messobjektes 90 ausgesendete Licht wird
durch das Messobjekt 90 reflektiert. Das reflektierte Licht
wird von der Fotodiode 2 durch die Objektivlinse 6,
die Lochblende 5a, die Sammellinse 4 hindurch
und über den Halbspiegel 3 empfangen. Hierbei
werden alle Lichtanteile, die nach Durchlaufen der Lochblende 5a durch
den Halbspiegel 3 reflektiert werden, von der Fotodiode 2 empfangen.
In der vorliegenden Ausführungsform werden ein Trennelement
zur Trennung des optischen Pfades durch den Halbspiegel 3 und
eine Lichtempfangseinheit durch die Fotodiode 2 aufgebaut.
Das Lichtempfangssignal, das von der Fotodiode 2 ausgegeben
wird, wird zu einer Hochpassfilter-Schaltung 11 der Steuerung 50 übertragen.
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In
der Steuerung 50 wird eine Gleichstromkomponente (DC) des
Rückkehrlichtes aus dem von der Fotodiode 2 ausgegebenen
Lichtempfangssignal von der Hochpassfilter-Schaltung 11 entfernt,
um ein filterverarbeitetes Signal zu erhalten, und darauf folgend
wird das Lichtempfangssignal an einen Verstärker 12 gesendet.
Das Rückkehrlicht bezieht sich auf das von der Laserdiode 1 auf
die Blendenplatte 5 ausgesendete Licht, wobei das Licht
an anderen Abschnitten (lichtabschirmendes Element) als der Lochblende 5a reflektiert
und von der Fotodiode 2 über den Halbspiegel 3,
wie es mit einem umrissenen Pfeil in 1 gezeigt
ist, empfangen wird.
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In
der vorliegenden Ausführungsform ist eine Filtereinheit
durch die Hochpassfilter-Schaltung 11 und das Trennelement
zur Trennung eines optischen Pfades durch den Halbspiegel 3 aufgebaut.
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In
der Steuerung 50 wird das filterverarbeitete Signal durch
den Verstärker 12 verstärkt und anschließend
durch einen A/D-Wandler 13 in ein digitales Signal umgewandelt,
geeignet durch eine Signalverarbeitungs-Schaltung 14 verarbeitet
und anschließend in eine zentrale Ver arbeitungseinheit 51 eingegeben.
Die zentrale Verarbeitungseinheit 51 beinhaltet eine CPU
(central processing unit; zentrale Verarbeitungseinheit) und führt
Verarbeitungen aus und steuert die Funktionen der gesamten Steuerung 50. Ein
eingestellter Wert wird über eine Eingabe-/Ausgabe-Einheit 53 erfasst
und in einer Speichereinheit 52 gespeichert, oder das Verarbeitungsergebnis
wird an der Eingabe-/Ausgabe-Einheit angezeigt oder nach außen
ausgegeben. In der vorliegenden Ausführungsform bildet
die zentrale Verarbeitungseinheit 51 eine Verarbeitungseinheit.
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Der
Versetzungssensor der vorliegenden Ausführungsform ist
eine Vorrichtung zur Messung der Versetzung einer Oberfläche
des Messobjektes 90. In 1 ist eine
optische Achse von der Laserdiode 1 bis zu dem Messobjekt 90 schematisch
mit einer gestrichelten Linie gezeigt.
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In
dem Versetzungssensor der vorliegenden Ausführungsform
ist die Objektivlinse 6 über einen Linsenhalterungsabschnitt 51 an
dem Oszillator 7 befestigt, so dass die Position der Objektivlinse 6 mit
einer zyklischen Schwingung in Richtung der optischen Achse, d.
h. in Richtung, die mit einem Doppelpfeil auf dem Oszillator 7 in 1 angezeigt
ist, durch den Oszillator 7, während die Messung
durchgeführt wird, geändert wird.
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In 1 ist
ein weiteres Beispiel des Zustandes der Objektivlinse 6,
die durch die Schwingung des Oszillators 7 geändert
wurde, mit einer gestrichelten Linie 6A gezeigt.
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2 zeigt
eine Beziehung zwischen einem Signal (hiernach bezeichnet als Linsenpositionssignal),
das die Position der Objektivlinse 6 widerspiegelt, und
einem Lichtempfangssignal, das durch die Fotodiode 2 gewonnen
wird.
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Die
PSD 63 empfängt das reflektierende Licht des von
der Laserdiode 62 in Richtung der Objektivlinse 6 ausgestrahlten
Lichtes und gibt ein dessen Einfallsposition entsprechendes Signal
aus. Das Signal wird von der zentralen Verarbeitungseinheit 51 abgerufen
und die Position der Objektivlinse 6 wird beruhend auf
der Theorie der Triangulation gewonnen. Wenn dies in Zeitserien
aneinander gereiht wird, wird das Linsenpositionssignal aus 2 gewonnen.
Das Linsenpositionssignal ist ein Signal, das sich in der Art und
Weise einer Sinussignalform mit der Position (hiernach als Referenzposition
bezeichnet), wenn der Oszillator 7 stationär ist,
als Mittelpunkt ändert.
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Wenn
die Oberfläche des Messobjektes 90 mit der Konvergenzposition
des durch die Objektivlinse 6 konvergierten Lichtes übereinstimmt,
konvergiert das an dem Messobjekt 90 reflektierte Licht
an einer Position der Lochblende 5a über einen
Pfad, der entgegengesetzt ist zu dem optischen Pfad (Lichtprojektionspfad)
von der Lochblende 5a zu der Objektivlinse 6.
In diesem Fall erscheint periodisch ein Maximumwert (peak; Spitze)
in dem Lichtempfangssignal.
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In
dem Beispiel aus 2 erscheint der Peak in dem
Lichtempfangssignal, wenn die Objektivlinse 6 sich an der
Position P befindet. Dies bedeutet, dass die Konvergenzposition
des durch die Objektivlinse 6 konvergierten Lichtes mit
der Oberfläche des Messobjektes 90 übereinstimmt,
wenn die Objektivlinse 6 sich an der Position P befindet.
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In
der vorliegenden Ausführungsform wird z. B. eine Umrechnungstabelle,
die eine Beziehung zwischen der Entfernung von dem Ende des Sensorkopfes 60 zu
der Konvergenzposition des in Richtung des Messobjektes 90 konvergierten
Lichtes und dem Linsenpositionssignal zeigt, im Voraus gewonnen, und
ein Abstand zu dem Werkstück, das an der Konvergenzposition
des Lichtes liegt, wird beruhend auf der Position der Objektivlinse 6 in
einem Fall, wenn der Peak in dem Lichtempfangssignal erscheint,
unter Verwendung der Umrechnungstabelle gewonnen. Die Größe
der Versetzung der Oberfläche des Messobjektes 90 wird
durch die Größe der Versetzung der Position der
Objektivlinse gewonnen.
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Wenn
der Versetzungssensor der vorliegenden Ausführungsform
als ein Dickenmessinstrument, wenn ein Element, wie z. B. Glas,
als ein Messobjekt angenommen wird, verwendet wird, erscheint bei Verstellung
der Objektivlinse 6 der Peak an zwei Positionen in dem
Lichtempfangssignal. Die Dicke des Elementes wird, beruhend auf
einer Differenz der Positionen der Objektivlinse 6, in
einem Fall, in dem solch ein Peak gewonnen wird, erfasst.
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In
dem Versetzungssensor der vorliegenden Ausführungsform
wird die Laserdiode 1 als Lichtprojektionseinheit verwendet
und eine Spiegelachse des durch die Sammellinse 4 auf der
Blendenplatte 5 gesammelten Lichtpunktes wird größer
gemacht als der Durchmesser der Lochblende 5A, so dass
der Konvergenzlichtpunkt die Lochblende 5a beinhaltet.
Obwohl ein Astigmatismus an dem Konvergenzlichtpunkt auf dem Messobjekt 90 auftritt,
weil ein astigmatischer Unterschied in dem Lichtemissionspunkt der
Laserdiode 1 existiert, wird der Einfluss des Astigmatismus
durch oben beschriebenen Aufbau auf einen kleinen Wert unterdrückt.
Dies wird genauer beschrieben werden.
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3A bis 3F sind
Ansichten, die den Einfluss des Astigmatismus an dem auf dem Messobjekt
konvergierten Lichtpunkt beschreiben, wenn ein Verhältnis
des Durchmessers des durch die Sammellinse 4 auf die Blendenplatte 5 konvergierten Lichtpunktes
und der Durchmesser der Lochblende 5a geändert
wird.
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3E zeigt
die Änderung des Durchmessers (Lichtpunktdurchmesser auf
dem Werkstück) des Lichtpunktes des auf ein Messelement
zur Messung des Lichtpunktdurchmessers, das als Messobjekt dient,
ausgesandten Lichtes, wenn der Durchmesser der kreisförmigen
Lochblende 5a (Lochblendendurchmesser) der Lochblende unter
Bezug auf den Durchmesser des Lichtpunktes (kleinere Achse des Lichtpunktes),
der auf die Blendenplatte konvergiert wird, geändert wird.
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Der
Lichtausgang der Laserdiode 1 hat einen unterschiedlichen Öffnungswinkel
in einer Richtung senkrecht zu einer aktiven Schicht (hiernach als
vertikale Richtung bezeichnet) und einer Richtung horizontal (hiernach
als horizontale Richtung bezeichnet) hierzu, so dass der Lichtpunkt
im Allgemeinen eine elliptische Form aufweist, wenn er durch die
Linse konvergiert wird. Weil der Öffnungswinkel in der
vertikalen Richtung größer ist als der Öffnungswinkel
in der horizontalen Richtung, hat der Lichtpunkt eine kleinere Achse
in der vertikalen Richtung, wenn er mit der Linse konvergiert wird.
Ein Lichtpunktdurchmesser auf der Lochblende ist die kleinere Achse
des von der Laserdiode 1 ausgesandten Lichtpunktes C, der
in einem Bereich gebildet ist, der die auf der Blendenplatte 5 gebildete
Lochblende 5A beinhaltet, wie es in 3F gezeigt
ist.
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In 3E stellt
eine gestrichelte Linie LA die Dimension des Lichtpunktes auf dem
Werkstück für eine zu der aktiven Schicht der
Laserdiode 1 horizontalen Richtung und eine Linie LB die
Dimension des Lichtpunktes für eine zu der aktiven Schicht
der Laserdiode senkrechten Richtung dar. Die Dimension des Lichtpunktes
in der vertikalen Richtung wird bei einer Referenzposition gemessen,
bei der die Dimension des Lichtpunktes in der horizontalen Richtung minimal
wird.
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Der
Unterschied in den Werten der gestrichelten Linie LA und der Linie
LB gibt den Einfluss des Astigmatismus an, der durch den astigmatischen Unterschied
auftritt. Wie aus 3E verständlich wird,
je kleiner der astigmatische Unterschied ist, desto kleiner ist
das Verhältnis des Lochblendendurchmessers unter Bezug
auf den Lichtpunktdurchmesser auf der Lochblende (desto kleiner
ist der Wert der horizontalen Achse).
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3A bis 3D zeigen
jeweils einen Lichtpunkt auf dem Werkstück, die dem Lochblenden-/Lichtpunktdurchmesser-Verhältnis
auf der Lochblende entsprechen, die mit den Symbolen A bis D in 3E bezeichnet
sind. In 3A bis 3D wird
eine äußere Kontur des Lichtpunk tes ausdrücklich
mit einem Rahmen F gezeigt. In 3A bis 3D ist
der Lichtpunkt in der vertikalen Richtung in 3D lang.
Dies entspricht der großen Differenz zwischen der Linie
LB und der gestrichelten Linie LA an der Position D in 3E.
In 3C ist das vertikal/horizontal-Verhältnis
des Lichtpunktes kleiner als das vertikal/horizontal-Verhältnis
des Lichtpunktes in 3D und in 3B ist
das vertikal/horizontal-Verhältnis des Lichtpunktes kleiner
und nähert sich 1 an und in 3A ist
das vertikal/horizontal-Verhältnis des Lichtpunktes im
Wesentlichen 1.
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Wenn
das Verhältnis des Lochblendendurchmessers unter Bezug
auf den Lichtpunktdurchmesser auf der Lochblende, wie in 3E gezeigt,
geändert wird, wäre der Peak des in 2 gezeigten Lichtempfangssignals
breit und der Fehler, der erzeugt wird, wenn die Linsenposition
festgestellt wird, groß, wenn das entsprechende Verhältnis
größer als oder gleich 1 ist. Wenn das Verhältnis
kleiner 1 ist, d. h., wenn der Lichtpunktdurchmesser auf der Lochblende
größer ist als der Lochblendendurchmesser, wäre
der Peak des Lichtempfangssignals, wie es in 2 gezeigt
ist, scharf und der bei Feststellung der Linsenposition erzeugte
Fehler klein.
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Bei
dem Versetzungssensor der vorliegenden Ausführungsform
ist der Durchmesser der kleineren Achse des Lichtpunktdurchmessers
auf der Lochblende größer als der Lochblendendurchmesser.
Folglich kann der Astigmatismus reduziert werden und der Abstand
zu dem Messobjekt 90 und die Versetzung des Messobjektes 90 mit
zufriedenstellender Genauigkeit gemessen werden. Darüber
hinaus kann die Ausrichtung des durch die Sammellinse 4 auf
die Blendenplatte 5 ausgesandten Lichtpunktes und der Lochblende 5a vereinfacht
werden. Obwohl die oben erwähnten Vorteile erreicht werden
können, wenn der Lichtpunktdurchmesser auf der Blendenplatte 5 größer
gemacht wird als der Lochblendendurchmesser, verringert sich die
Intensität des durch die Objektivlinse 6 hindurch
auf das Messobjekt 90 ausgestrahlten Lichtstrahles, wenn
der Lichtpunktdurchmesser zu groß ist. Folglich ist die
Größe des Lichtpunktdurchmessers auf der Blendenplatte 5 so festgelegt,
dass der Peak im Hinblick auf die Verbreiterung der Peak-Signalform,
wie sie in 2 gezeigt ist, und auf die Größe
der Rauschkomponente in Bezug auf den Peak-Wert der Signalform des
Lichtempfangssignals an der Fotodiode 2 festgestellt werden kann.
Das Lichtempfangssignal des Rückkehrlichtes, das mit einem
umrissenen Pfeil in 1 gezeigt ist, bildet die Gleichstromkomponente
(DC) und wird folglich durch die Hochpassfilter-Schaltung 11 entfernt.
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Bei
dem Versetzungssensor der vorliegenden oben beschriebenen Ausführungsform
wird das Licht von der Laserdiode 1 in Richtung der Lochblende 5a der
Blendenplatte 5 durch die Sammellinse 4 gesammelt,
durchläuft die Lochblende 5a und wird zu der Objektivlinse 6 geleitet.
Das Licht wird an der Oberfläche des Messobjektes 90 reflektiert
und durch die Fotodiode 2 durch die Objektivlinse 6,
die Blendenöffnung 5a und die Sammellinse 4 hindurch und über
den Halbspiegel 3 empfangen. D. h. in der vorliegenden
Ausführungsform stellt die Lochblende 5a die wesentliche
Lichtquelle und die Blende hinsichtlich des von dem Messobjekt 90 reflektierten Lichtes
dar. Die Lichtquelle und die Blende sind folglich durch das gleiche
Element aufgebaut, so dass das Auftreten von Messfehlern, die durch
den positionsmäßigen Versatz der Lichtquelle und
der Blende verursacht werden, unterdrückt werden kann.
Das Ausgabesignal der Lichtempfangseinheit (Fotodiode 2),
das sich, wie gezeigt, wie das Lichtempfangssignal in 2 ändert,
wenn die Abtastkonvergenzeinheit in Betrieb ist, durchläuft
den Hochpassfilter, um hierdurch ein um die Gleichstromkomponente
bereinigtes filterverarbeitetes Signal zu erhalten und Information über
die Entfernung zu dem Messzielobjekt wird beruhend auf dem Peak
des filterverarbeiteten Signals erfasst. Das reflektierte Licht
von dem Messobjekt kann um den Einfluss des Rückkehrlichtes
reduziert extrahiert werden und eine Versetzungsmessung hoher Sensitivität
kann durchgeführt werden.
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Die
Abtastkonvergenzeinheit kann die Konvergenzposition der Objektivlinse ändern,
indem die Objektivlinse in Richtung der optischen Achse, wie in der
vorliegenden Ausrührungsform, in Schwingung versetzt wird,
oder kann das Licht mit einem Reflexionsspiegel umkehren, der in
Richtung der optischen Achse des optischen Pfades von der Lichtprojektionseinheit
zu dem Messzielobjekt schwingt und verursacht, dass solches Licht
in die Objektivlinse eintritt, um dadurch die Länge des
optischen Pfades zu ändern.
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Es
kann ebenfalls ein optisches System zur Vergrößerung
einer Längsvergrößerung (Abbildungsvergrößerung
in Richtung der optischen Achse in dem abbildenden optischen System)
der Konvergenzposition auf der Messobjektseite unter Bezug auf die
Lichtquellenseite (Seite der Lichtempfangseinheit) sein. Genauer
kann in der vorliegenden Ausführungsform ein Aufbau angenommen
werden, in dem eine Entfernung von der Lochblende 5a der Blendenplatte 5 zu
der Hauptebene der Objektivlinse 6 auf der Seite der Lochblende
kürzer ist als ein Abstand von der Hauptebene der Objektivlinse 6 auf
der Seite des Messobjektes zu der Konvergenzposition des in Richtung
des Messobjektes ausgesandten Lichtes, in einem Zustand, in dem
der Oszillator 7 innerhalb eines vorbestimmten Bereiches
bewegt wird und sich die Objektivlinse, die sich hierdurch bewegt, sich
an irgendeiner Position in dem vorbestimmten Bereich befindet. Für
das optische System zur Konvergierung des Lichtes, das durch die
Lochblende 5a in Richtung des Messobjekts 90 läuft,
kann ein optisches System, das durch eine Vielzahl von Linsengruppen,
die die sich innerhalb des vorbestimmten Bereichs bewegende Bewegungslinse
beinhalten, aufgebaut ist, anstatt der bewegbaren Objektivlinse 6 verwendet
werden, so lange eine Entfernung von der Lochblende 5a der
Blendenplatte 5 zu der Hauptebene des optischen Systems
auf der Lochblendenseite 5a kürzer gemacht wird
als ein Abstand der Hauptebene des optischen Systems auf der Messobjektseite zu
der Konvergenzposition des in Richtung des Messobjektes ausgesandten
Lichtes in einem Zustand, in dem sich die Bewegungslinse an irgendeiner
Position innerhalb des vorbeschriebenen Bereichs befindet. Im Stand
der Technik ist das Verkürzen der Entfernung auf der Lichtquellenseite
des optischen Systems begrenzt, weil die Lichtquelle und die Lichtempfangsöffnung
an der Position der Lochblende 5A angeordnet sind, wobei
der Halbspiegel zwischen das optische System und den Anpassungsmechanismus
zur Ausrichtung der Lichtquelle eingefügt ist, und die
Lichtempfangsöffnung benötigt wird, aber der Schwingungsbereich
der Konvergenzposition des in Richtung des Messobjektes ausgesandten Lichtes
kann durch die Verwendung des optischen Systems zur Vergrößerung
der axialen Vergrößerung größer
gemacht werden als der Schwingungsbereich der hin- und herschwingenden
Linse. Der Versetzungsmessbereich kann folglich vergrößert
werden.
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[Zweite Ausführungsform]
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Ein
Aufbau des Versetzungssensors gemäß einer zweiten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist schematisch
in 4 gezeigt.
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Der
Versetzungssensor der vorliegenden Erfindung ist schematisch in 4 gezeigt.
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Der
Versetzungssensor der vorliegenden Ausführungsform ist
hauptsächlich durch die Steuerung 50 und den Sensorkopf 60 ähnlich
zu der ersten Ausführungsform aufgebaut, aber der Aufbau
der Steuerung 50 ist im Hinblick auf die erste Ausführungsform
geändert.
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Bei
dem Versetzungssensor der vorliegenden Ausführungsform
sind eine Tiefpunkt-Halte-Schaltung 22 und eine Differenzschaltung 23 als Filtereinheiten
angeordnet.
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Bei
der Steuerung 50 der vorliegenden Ausführungsform
wird das von der Fotodiode 2 eingegebene Lichtempfangssignal
durch den Verstärker 21 verstärkt und
darauf folgend in die Tiefpunkt-Halte-Schaltung 22 eingegeben.
Das von der Fotodiode 2 eingegebene und durch den Verstärker 21 verstärkte
Signal ist schematisch in 5A gezeigt.
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Die
Differenzschaltung 23 empfängt das Signal von
der Tiefpunkt-Halte-Schaltung 22 und das Signal von dem
Verstärker 21. Die Differenzschaltung 23 gibt
ein in 5C gezeigtes Signal aus, das
eine Differenz zwischen dem Signal aus dem Verstärker 21 und
dem Signal von der Tiefpunkt-Halte-Schaltung 22 darstellt.
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Das
in 5C gezeigte Signal, das durch die Differenzschaltung 23 ausgegeben
wird, wird durch einen Verstärker 24 verstärkt
und ein in 6D gezeigtes Signal gewonnen.
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Das
von dem Verstärker 24 ausgegebene Signal wird
in ein digitales Signal durch den A/D-Wandler 13 umgewandelt,
geeignet durch die Signalverarbeitungseinheit 14 verarbeitet
und darauf folgend in die Zentralverarbeitungseinheit 51,
um ähnlich wie in der ersten Ausführungsform verarbeitet
zu werden, eingegeben.
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In
der vorliegenden Ausrührungsform ist der Tiefpunktwert,
der in 5B gezeigt ist, äquivalent mit
einem Zustand, in dem die Konvergenzposition des auf das Messobjekt 90 durch
die Objektivlinse 6 ausgesandten Lichts nicht mit der Oberfläche
des Messobjektes 90 übereinstimmt, wobei das durch
die Lochblende 5a hindurch empfangene reflektierte Licht
kaum vorhanden ist, und die Lichtempfangsmenge ist die des Rückkehrlichtes
des auf die Abschirmungsplatte 5 ausgesandten Lichtes,
das an einem zu der Lochblende 5a unterschiedlichen Lichtabschirmungsabschnitt
reflektiert wird, wie es mit einem umrissenen Pfeil in 4 gezeigt
ist (ähnlich zu 1). Die Werte der zwei Peaks,
die in 5A gezeigt sind, entsprechen
einem Zustand, in dem die Konver genzposition des durch die Objektivlinse 6 hindurch
auf das Messobjekt 90 ausgesandten Lichtes mit der Oberfläche
des Messobjektes 90 übereinstimmt, wobei die Lichtempfangsmenge
die Summe der Lichtempfangsmenge des von der Oberfläche des
Messobjektes 90 reflektierten Lichtes und der Lichtempfangsmenge
des Rückkehrlichtes ist.
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In
der vorliegenden Ausführungsform wird die Lichtempfangsmenge
des Rückkehrlichts durch die Tiefpunkt-Halte-Schaltung 22 gewonnen
und die Komponente des von der Oberfläche des Messobjektes 90 reflektierten
Lichtes durch die Differenzschaltung 23 gewonnen, indem
die Lichtempfangsmenge des Rückkehrlichts von der Lichtempfangsmenge
der Fotodiode 2 abgezogen wird. Daher kann bei dem Versetzungssensor
der vorliegenden Ausführungsform das von dem Messobjekt 90 reflektierte
Licht extrahiert werden, wobei das Rückkehrlicht effektiv
entfernt wird, so dass die reflektierte Lichtmenge des Messobjektes 90 festgestellt
werden kann, ohne dass es in dem Rückkehrlicht untergeht,
selbst wenn sie sehr schwach ist, und eine Versetzungsmessung hoher
Sensitivität kann durchgeführt werden.
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In
der ersten und zweiten Ausführungsform sendet die Laserdiode 1 Licht
konstanter Intensität aus und die Gleichstromkomponente
und der konstante Wert werden durch die Filtereinheit entfernt, aber
der Ansteuerstrom der Laserdiode 1 kann durch ein Signal
moduliert werden, das eine bestimmte Frequenzkomponente aufweist,
und eine Filterverarbeitung zur Entfernung der Komponenten mit der
bestimmten Frequenz kann in der Filtereinheit durchgeführt
werden. Jedoch, weil sich die Signalgröße verringert,
wenn das Frequenzband der Peak-Signalform des Lichtempfangssignals,
das durch die Positionsänderung der Objektivlinse 6 auftritt,
entfernt wird, ist die Frequenzkomponente des Intensitätssignals
des durch die Laserdiode 1 ausgesandten Lichtes wünschenswerter
weise unterschiedlich von der Frequenzkomponente der Peak-Signalform
des Lichtempfangssignals.
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Darüber
hinaus, als Variante der vorliegenden Ausführungsform,
kann das Lichtempfangssignal im Voraus als ein Offsetwert in einem
Zustand erfasst werden, in dem das Messobjekt 90 nicht
vorliegt und in der Speichereinheit 52 gespeichert werden, und
die Filtereinheit kann derart aufgebaut sein, dass der Offsetwert
von der Lichtempfangsausgabe (Lichtempfangssignal) der Fotodiode 2 durch
die Differenzschaltung abgezogen wird. In diesem Fall kann die zentrale
Verarbeitungseinheit 51 den in der Speichereinheit 52 gespeicherten
Offsetwert auslesen und den D/A-konvertierten Wert als Eingabe in
die Differenzschaltung der 4 anstatt
der Ausgabe der Tiefpunkt-Halte-Schaltung 22 eingeben.
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[Dritte Ausführungsform]
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Ein
Aufbau des Versetzungssensors gemäß einer dritten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist schematisch
in 6 gezeigt. Der Versetzungssensor der vorliegenden
Ausführungsform ist hauptsächlich durch die Steuerung 50 und
den Sensorkopf 60 ähnlich zu der ersten Ausführungsform aufgebaut,
aber der Aufbau des Sensorkopfes 60 ist hinsichtlich der
ersten Ausführungsform geändert.
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Unter
Bezug auf 6 ist in dem Versetzungssensor
der vorliegenden Ausführungsform weiterhin eine Polarisationsplatte 8,
die eine Transmissionsachse in einer zu der Polarisationsrichtung
der Rückkehrlichtkomponente, die mit einem umrissenen Pfeil ähnlich
zu 1 gezeigt ist, unterschiedlichen Richtung aufweist,
d. h. eine Richtung orthogonal hierzu, zwischen dem Halbspiegel 3 und
der Fotodiode 2 angeordnet. Die Laserdiode sendet linear-polarisiertes
Licht aus und die Blendenplatte 5 ist aus einem Material
hergestellt, das Spiegelreflexionseigenschaften aufweist. Die Komponente
diffuser Reflexion, die in dem Rückkehrlicht enthalten
ist, wird folglich reduziert und die Spiegelreflexion wird bei konstantem
Polarisationszustand beibehalten. Insbe sondere, wenn das linear-polarisierte
Licht senkrecht in die Blendenplatte 5 eintritt, ist die
Komponente spiegelnder Reflexion des Rückkehrlichtes ebenfalls eine
lineare Polarisation. Wenn es schräg eintritt, muss das
reflektierte Licht keine lineare Polarisation aufweisen, aber der
Polarisationszustand des gesamten reflektierten Lichtes wird keine
regellose Polarisation und behält einen konstanten Polarisationszustand
bei. In diesem Fall kann das reflektierte Licht unter Verwendung
einer Phasenplatte in lineare Polarisation umgewandelt werden.
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Die
Einfallslichtmenge des Rückkehrlichtes auf die Fotodiode 2 kann
reduziert werden, indem das Licht in die Fotodiode 2 eintritt,
nachdem die Polarisationskomponente des Rückkehrlichtes
durch die Polarisationsplatte 8 entfernt wurde. In dem
Licht, das in die Fotodiode 2 eintritt, kann der Anteil
des Lichtes, das eine Polarisationsrichtung orthogonal zu dem Rückkehrlicht
aufweist und das an dem Messobjekt 90 reflektiert wurde
und eine gestörte Polarisationsrichtung aufweist, stark
eingestellt werden, so dass die Sensitivität verbessert
werden kann.
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[Vierte Ausführungsform]
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Ein
Aufbau eines Versetzungssensors gemäß einer vierten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist schematisch
in 7 gezeigt.
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Der
Versetzungssensor der vorliegenden Ausführungsform ist
hauptsächlich durch die Steuerung 50 und den Sensorkopf 60 ähnlich
zu der ersten Ausführungsform aufgebaut, aber der Aufbau
des Sensorkopfes 60 ist unter Bezug auf die erste Ausführungsform
geändert.
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Unter
Bezug auf die 7 ist ein Polarisationsstrahlenteiler 9 in
dem Versetzungssensor der vorliegenden Ausführungsform
anstatt des Halbspiegels 3 in dem Versetzungssensor der
ersten Ausführungsform angeordnet. Eine Transmissionsachse des
zu der Fotodiode 2 übertragenen Lichtes des Polarisationsstrahlenteilers 9 ist
eine Richtung orthogonal zu der Polarisationsrichtung der Rückkehrlichtkomponente,
die mit einem angezeigten Pfeil gezeigt ist, ähnlich zu
der Polarisationsplatte 8 in der dritten Ausführungsform.
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Der
Einfall des Rückkehrlichtes auf die Fotodiode 2 kann
unterdrückt werden, indem das durch den Polarisationsstrahlenteiler 9 reflektierte
Licht in die Fotodiode 2 eintritt. In dem Licht, das in
die Fotodiode 2 eintritt, kann der Anteil des Rückkehrlichtes sehr
niedrig gehalten werden und der Anteil des Lichtes, das eine Polarisationsrichtung
senkrecht zu dem Rückkehrlicht aufweist und an dem Messobjekt 90 reflektiert
wurde und das eine gestörte Polarisationsrichtung aufweist,
kann verstärkt werden.
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[Fünfte Ausführungsform]
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Ein
Aufbau eines Versetzungssensors gemäß einer fünften
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist schematisch
in 8 gezeigt.
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Ähnlich
zu der dritten Ausführungsform umfasst der Versetzungssensor
der vorliegenden Ausführungsform eine Polarisationsplatte 8 zwischen dem
Halbspiegel 3 und der Fotodiode 2 und beinhaltet
eine λ/4-Platte 10 zur Konvertierung linearer
Polarisation in zirkulare Polarisation zwischen der Lochblende 5a und
dem Messobjekt 90.
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In
der vorliegenden Ausführungsform ist die Polarisationsplatte 8 derart
installiert, dass sie eine Transmissionsachse mit einem Winkel im
Wesentlichen senkrecht zu der Polarisationsrichtung des durch die
Laserdiode 1 ausgesandten Laserlichtes aufweist.
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In
der vorliegenden Ausführungsform wird der Einfall des Rückkehrlichtes
auf die Fotodiode 2 so unterdrückt, dass es gering
ist, und der Hauptanteil des reflektierten Lichtes, das an dem Messobjekt 90 spiegelreflektiert
wird, wird empfangen, indem das die Polarisationsplatte 8 durchlaufende
Licht in die Fotodiode 2 einritt.
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Genauer
wird das an dem Messobjekt 90 reflektierte und durch die
Lochblende 5a hindurch in die Fotodiode 2 eintretende
Licht, wie es mit einem gepunktet umrissenen Pfeil gezeigt ist,
durch die λ/4-Platte 10 in zirkulare Polarisation
umgewandelt, bevor es durch die Objektivlinse 6 hindurch
von der Lochblende 5a aus das Messobjekt 90 erreicht,
und die zirkulare Polarisation wird in lineare Polarisation senkrecht
zu dem Rückkehrlicht von der Lochblende 5a umgewandelt,
indem es wiederum durch die λ/4-Platte 10 hindurch
läuft, bevor es die Fotodiode 2 durch die Objektivlinse 6 und
die Lochblende 5a hindurch, nachdem es an dem Messobjekt 90 spiegelreflektiert
wurde, erreicht. D. h. das mit dem gestrichelt umrissenen Pfeil
gezeigte reflektierte Licht ist senkrecht zu dem Rückkehrlicht,
das mit einem durchgehend umrissenen Pfeil gezeigt ist, linear polarisiert.
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Gemäß der
vorliegenden Ausführungsform wird in dem in die Fotodiode 2 eintretenden
Licht der Anteil der Rückkehrlicht-Komponente so unterdrückt, dass
er niedrig ist, und der Anteil des reflektierten Lichtes, das empfangen
wird, wenn es an dem Messobjekt 90 spiegelreflektiert wird,
wird erhöht, indem man das in die Fotodiode 2 eintretende
Licht durch die Polarisationsplatte 8 hindurch laufen lässt,
nachdem es die λ/4-Platte 10 zweimal durchlaufen
hat.
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[Sechste Ausführungsform]
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Ein
Aufbau des Versetzungssensors gemäß einer sechsten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird schematisch
in 9 gezeigt.
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Der
Versetzungssensor der vorliegenden Ausführungsform umfasst
den Polarisationsstrahlenteiler 9 anstatt den Halbspiegel 3 und
die Polarisationsplatte 8 unter Bezug auf die fünfte
Ausführungsform.
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Gemäß der
vorliegenden Ausführungsform kann in dem in die Fotodiode 2 eintretenden
Licht der Anteil der Rückkehrlicht-Komponente, die mit
einem durchgehenden umrissenen Pfeil gezeigt ist, so unterdrückt
werden, dass sie gering ist, und der Anteil des reflektierten Lich tes,
das empfangen wird, wenn es an dem Messobjekt 90 spiegelreflektiert
wird, das mit einem gestrichelt umrissenen Pfeil angezeigt ist, kann
erhöht werden, indem man das in die Fotodiode eintretende
Licht durch den Polarisationsstrahler 9 hindurch laufen
lässt, nachdem es die λ/4-Platte 10 zweimal
durchlaufen hat.
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[Siebte Ausführungsform]
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Ein
Aufbau des Versetzungssensors gemäß einer siebten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist schematisch
in 10 gezeigt.
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Der
Versetzungssensor der vorliegenden Ausführungsform wird
hauptsächlich durch die Steuerung 50 und den Sensorkopf 60 ähnlich
zu der ersten Ausführungsform aufgebaut, aber der Aufbau
des Sensorkopfes 60 wird unter Bezug auf die erste Ausführungsform
geändert.
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In
der vorliegenden Ausführungsform ist eine Linse 31 unter
Bezug auf die erste Ausführungsform hinzugefügt.
Die Linse 31 ist anstatt der Objektivlinse 6 an
dem Oszillator 7 befestigt und die Position der Linse 31 wird
in einer Richtung, die mit einem Doppelpfeil in 10 gezeigt
ist, entlang der Richtung der optischen Achse geändert.
In 10 ist ein Beispiel eines Zustandes der Linse 31,
die durch den Oszillator 7 geändert wurde, mit
einer gestrichelten Linie 31A gezeigt. Die Position der
Objektivlinse 6 ändert sich nicht.
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In
dem Versetzungssensor der vorliegenden Ausführungsform
bauen der Oszillator 7 zur Bewegung der Linse 31,
die Ansteuerspule 7A und die Ansteuerschaltung 7B eine
Oszillations-Kollimator-Linseneinheit auf. Ein Gehäuse
zur Aufnahme des optischen Systems, das die Oszillations-Kollimator-Linseneinheit
aufweist, der Blendenplatte 5, in der die Lochblende 5a die Öffnung
bildet ist, der Sammellinse 4 des Halbspiegels 3,
der Laserdiode 1 und der Fotodiode 2, bildet den
Sensorkopf 60.
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Der
Sensorkopf 60 ist mit einem Lichteingang/-ausgang 66 an
einer Position ausgebildet, die einer Linsenoberfläche
auf der der Objektivlinse am nächsten liegenden Seite der
aufnehmenden Oszillator-Kollimator-Linseneinheit gegenüber
liegt. Ein Befestigungsabschnitt 65 zur Befestigung einer
Objektivlinsenhalterung ist an dem Lichteingang/-ausgang 66 gebildet,
so dass die Objektivlinsenhalterung 61, die die Objektivlinse 6 aufnimmt,
lösbar befestigt ist. Die Objektivlinsenhalterung 61 und
der Objektivlinsenhalterungsbefestigungsabschnitt 65 haben
ein Schraubgewinde, das ineinander passt, und können derart
befestigt werden, dass die optischen Achsen übereinstimmen.
Die Objektivlinsenhalterung 61 und der Objektivlinsenhalterungsbefestigungsabschnitt 65 können
in der Richtung der optischen Achse gleitend eingepasst werden,
wobei die optischen Achsen übereinstimmen, und getrennt
mit einer Schraube befestigt werden, ohne dass sie das Schraubgewinde
ausbilden. Weil das Licht, das aus der Oszillations-Kollimator-Linseneinheit
austritt und in die Objektivlinse eintritt, im Wesentlichen paralleles
Licht ist, kann eine Schwankung der Aberration, die von einer Schwankung
des Abstandes der zu kombinierenden Linsen auftritt, klein gehalten
werden. Mit anderen Worten, selbst wenn ein Abstand der Linsen leicht
schwankt, schwankt eine Form des Konvergenzlichtpunktes des in Richtung
des Messobjektes ausgesandten Lichtes nicht gravierend.
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Die
Linse 31 ist zwischen der Lochblende 5a und der
Objektivlinse 6 auf dem optischen Pfad von der Laserdiode 1 zu
dem Messobjekt 90 angeordnet. Die Linse 31 konvertiert
das Licht, das von der Laserdiode 1 ausgesandt wird und
durch die Lochblende 5a hindurchläuft, in paralleles
Licht in Richtung der Objektivlinse 6, wenn sie sich in
der Mitte der Schwingung, mit der die Linse 31 durch den
Oszillator 7 in Schwingung versetzt wird, befindet.
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In
solch einer Ausführungsform wird die Beziehung zwischen
einem Linsenpositionssignal über die Position der Linse 31 und
dem Lichtempfangssignal, das durch die Fotodiode 2 gewonnen
wird, wie es in 2 gezeigt ist, gewonnen, wenn
die Position der Linse 31 unter Verwendung der Laserdiode 62 und der
PSD 63 festgestellt wird, so dass die Versetzung der Oberflächenposition
des Messobjektes 90 und eine Dicke des Messobjektes 90 gemessen
werden kann.
-
In
der vorliegenden Ausführungsform ist die Objektivlinse
entfernbar. Darüber hinaus können eine Vielzahl
an Objektivlinsenhalterungen 61, die Objektivlinsen mit
verschiedenen Brennweiten aufnehmen, vorbereitet werden und ausgetauscht
werden, so dass eine Arbeitsentfernung von der Objektivlinse 6 zu
dem Messobjekt 90 leicht geändert werden kann.
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[Achte Ausführungsform]
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Ein
Versetzungssensor gemäß einer achten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung hat einen Hardware-Aufbau ähnlich
zu den Ausführungsformen, die bis jetzt beschrieben wurden,
und unterscheidet sich in der in der Verarbeitungseinheit ausgeführten
Verarbeitung.
-
In
der vorliegenden Ausführungsform erfasst die zentrale Verarbeitungsvorrichtung 51,
die eine Verarbeitungseinheit ist, im Voraus ein Niveau minimaler
Sensitivität über die Eingabe-/Ausgabeeinheit 53,
bevor die Messung ausgeführt wird, und speichert das Niveau
minimaler Sensitivität in der Speichereinheit 52.
Bei der Ausführung der Messung wird eine Linsenposition,
bei der die maximale Lichtempfangsmenge gewonnen wird, für
die bewegte Linse beruhend auf dem filterverarbeiteten Signal, das
unter Bezug auf das in der Speichereinheit 52 gespeicherte
Niveau minimaler Sensitivität einen das Niveau minimaler
Sensitivität übersteigenden Wert aufweist, unter
Bezug auf das filterverarbeitete Signal, das von der Signalverarbeitungseinheit 14 übergeben
wur de, erfasst, und ein Abstand zu der Oberfläche des Messobjektes
gemessen. Die zentrale Verarbeitungseinrichtung 51, die
die Funktion der Speicherung des Niveaus minimaler Sensitivität,
das durch die Eingabe-/Ausgabeeinheit 53 erfasst wurde, in
der Speichereinheit 52 durchführt, die Eingabe-/Ausgabeeinheit 53 und
die Speichereinheit 52 bauen eine Einstelleinheit auf.
-
Die
Information über den Abstand zu dem Messobjekt wird beruhend
auf dem Signal, das das eingegebene und eingestellte Niveau minimaler
Sensitivität der filterverarbeiteten Signale übersteigt,
erfasst. Ein Niveau zur Entfernung einer Rauschkomponente kann geeignet
gemäß der Größe des Streulichtes,
das von außen eintritt, und der Lichtempfangsmenge, die
entsprechend der Reflektivität und des Oberflächenzustands
des Messobjektes 90 gewonnen wird, eingestellt werden.
-
Z.
B. kann das Streulicht geeignet entfernt werden, indem eine Anpassung
auf ein minimales Niveau der Lichtempfangssensitivität
entsprechend der Einsatzumgebung durchgeführt wird, selbst
wenn eine Vielzahl an Öffnungen vorliegt und ein verschwommenes
Licht über die Öffnungen als Streulicht eintritt.
-
Daher
kann die Rauschkomponente entfernt werden und eine stabile Versetzungsmessung
durchgeführt werden.
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[Andere Varianten]
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Die
Aufbauelemente, wie z. B. die Hochpassfilter-Schaltung und die Tiefpunkt-Halte-Schaltung, die
in der Steuerung 50 angeordnet sind, und der Sensorkopf 60 jeder
Ausführungsform, die oben beschrieben wurde, können
als Hardware durch eine entsprechende elektrische Schaltung verwirklicht werden
oder können implementiert werden, wenn die zentrale Verarbeitungseinheit 51 ein
vorbestimmtes Programm, d. h. Software, ausführt.
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Die
hierin offenbarten Ausführungsformen sind in allen Aspekten
darstellend und sollten nicht als einschränkend ausgelegt
werden. Der Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche
definiert viel mehr als durch die Beschreibung der Ausführungsformen,
die oben gegeben wurde, und alle Modifikationen äquivalent
in der Bedeutung zu den Ansprüchen und innerhalb deren
Umfang sind beabsichtigt, mit darin umfassend zu sein.
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Es
ist beabsichtigt, die technische Idee, die in jeder Ausführungsform
beschrieben wurde, unter weitestgehender Kombination umzusetzen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - JP 2008-332707 [0001]
- - JP 2007-121122 [0003, 0003]
- - JP 09-26545 [0008, 0020]
- - JP 2002-213914 [0009]
- - JP 2002-213814 [0021]