DE102019120695A1

DE102019120695A1 - Verlagerungssensor vom nicht-kontakttyp

Info

Publication number: DE102019120695A1
Application number: DE102019120695.2A
Authority: DE
Inventors: Koji Kubo; Yuko SHISHIDO
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2018-08-01
Filing date: 2019-07-31
Publication date: 2020-02-06
Also published as: CN110793432A; US20200041267A1; CN110793432B; JP7224804B2; US10830585B2; JP2020020682A

Abstract

Ein Verlagerungssensor vom Nicht-Kontakttyp beinhaltet eine Lichtquelle, welche ein Messlicht emittiert; eine Flüssiglinseneinrichtung, in welcher sich ein Brechungsindex periodisch in Antwort auf ein eingegebenes Antriebssignal ändert; eine Objektivlinse, welche zu einem messbaren Objekt das Messlicht emittiert, welches von der Lichtquelle emittiert wurde und durch die Flüssiglinseneinrichtung hindurchgetreten ist; einen Photodetektor, welcher das Messlicht empfängt, welches durch das messbare Objekt reflektiert wird, und ein Photodetektionssignal ausgibt; und einen Signalprozessor (Regel- bzw. Steuereinrichtung), welcher Brennpunkt-Zeitpunkte, bei welchen sich das Messlicht im Brennpunkt auf einer Oberfläche des messbaren Objekts befindet, basierend auf dem Photodetektionssignal berechnet, welches von dem Photodetektor ausgegeben wird, und welcher eine Position des messbaren Objekts basierend auf einer Phase des Brennpunkt-Zeitpunkts relativ zu einem Zyklus des Antriebssignals erhält.

Description

BEZUGNAHME AUF ZUGEHÖRIGE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der Japanischen Anmeldung Nr. 2018-144933 , eingereicht am 1. August 2018, deren Offenbarung hierin ausdrücklich durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Verschiebungs- bzw. Verlagerungssensor vom Nicht-Kontakttyp.
Beschreibung des Standes der Technik
Konventionellerweise sind als ein Verlagerungssensor vom Nicht-Kontakttyp, welcher eine Verschiebung bzw. Verlagerung auf einer Oberfläche eines Messobjekts (messbares Objekt) misst, ein Laser-Verlagerungssensor, ein chromatischer Punktsensor und dgl. verfügbar. In einem derartigen Verlagerungssensor vom Nicht-Kontakttyp wird ein Abstand zu der Oberfläche des Messobjekts erhalten, indem reflektiertes Licht von dem Messobjekt detektiert wird, während eine Fokus- bzw. Brennpunktposition eines Messlichts geändert wird.
Beispielsweise verwendet ein Laser-Verlagerungssensor eine Methode eines konfokalen Punkts und dgl. und ändert eine Fokus- bzw. Brennpunktposition von Messlicht durch ein Antreiben einer Objektivlinse auf einer optischen Achse. Basierend auf Positionsinformation der Objektivlinse auf der optischen Achse bei einem Detektieren des Messlichts, welches auf der Oberfläche des Messobjekts reflektiert wird, wird ein Abstand zu der Oberfläche des Messobjekts erhalten (siehe beispielsweise Japanische Patentoffenlegung Veröffentlichung Nr. H11-23219). Andererseits verwendet ein chromatischer Punktsensor bzw. Sensor eines chromatischen Punkts ein Verfahren eines weißen konfokalen Punkts und ändert eine Brennpunktposition des Messlichts für jede Wellenlänge durch ein Streuen einer weißen Lichtquelle durch eine axiale chromatische Aberration. Durch ein Analysieren eines Stärkeprofils für jede Wellenlänge wird Wellenlängenlicht, welches auf der Oberfläche des Messobjekts fokussiert wird, detektiert und es wird ein Abstand zu der Oberfläche des Messobjekts basierend auf dem Wellenlängenlicht erhalten (siehe beispielsweise Japanische Patentoffenlegung Veröffentlichung Nr. 2009-122105).
Eine Linse mit variabler Brennweite unter Verwendung eines Flüssiglinsensystems bzw. Systems einer Flüssiglinse (nachfolgend auch einfach als „Linsensystem“ bezeichnet), in welchem sich ein Brechungsindex periodisch ändert, wurde kürzlich entwickelt (veröffentlichte US Patentanmeldung Nr. 2010-0177376). Das Linsensystem wird durch ein Eintauchen eines zylindrischen vibrierenden Glieds, welches durch ein piezoelektrisches Material gebildet wird, in einer transparenten Flüssigkeit gebildet. In dem Linsensystem weitet sich, wenn eine Wechselspannung an einer inneren Umfangsoberfläche und einer äußeren Umfangsoberfläche des vibrierenden bzw. schwingenden Glieds angelegt wird, das vibrierende Glied auf und kontrahiert in einer Dickenrichtung und vibriert die Flüssigkeit im Inneren des vibrierenden Glieds. Durch ein Einstellen einer Frequenz der angelegten Spannung gemäß einer natürlichen Frequenz der Flüssigkeit wird eine konzentrische stehende Welle in der Flüssigkeit gebildet und es wird eine konzentrische Region, welche einen unterschiedlichen Brechungsindex aufweist, welche auf einer zentralen Achsenlinie bzw. Linie einer zentralen Achse des vibrierenden Glieds zentriert ist, gebildet. Daher folgt in dem Linsensystem, wenn Licht entlang der zentralen Achsenlinie des vibrierenden Glieds hindurchtritt, das Licht einem Weg bzw. Pfad, welcher sich in Übereinstimmung mit dem Brechungsindex für jede konzentrische Region streut bzw. aufweitet und konvergiert.
Das oben beschriebene Linsensystem und eine Objektivlinse, um das Licht in den Fokus bzw. Brennpunkt zu bringen (beispielsweise eine gewöhnliche konvexe Linse oder eine Gruppe von Linsen), sind auf derselben optischen Achse angeordnet, um eine Linse variabler Brennweite zu konfigurieren bzw. aufzubauen. Wenn paralleles Licht auf die gewöhnliche Objektivlinse trifft, gelangt Licht, welches durch die Linse hindurchtritt, in einen Brennpunkt an einer Fokus- bzw. Brennpunktposition, welche bei einer bestimmten Brennweite liegt. Im Gegensatz dazu wird, wenn paralleles Licht auf das Linsensystem trifft, welches koaxial mit bzw. zu der Objektivlinse angeordnet ist, das Licht durch das Linsensystem entweder gestreut oder konvergiert bzw. gebündelt und es gelangt das Licht, welches durch die Objektivlinse hindurchtritt, in einen Brennpunkt an einer Position, welche entweder weiter weg oder näher als die ursprüngliche Brennpunktposition (Zustand ohne Linsensystem) versetzt ist. Demgemäß wird in der Linse mit variabler Brennweite ein Antriebssignal (Wechselspannung einer Frequenz, welche eine stehende Welle in der innen liegenden Flüssigkeit erzeugt bzw. generiert), welches zu dem Linsensystem eingegeben wird, angewandt bzw. angelegt, und durch ein Erhöhen oder Verringern der Amplitude des Antriebssignals kann die Brennpunktposition der Linse variabler Brennweite wie gewünscht innerhalb eines eingestellten bzw. festgelegten Bereichs geregelt bzw. gesteuert werden (eines vorbestimmten variablen Bereichs, um welchen das Linsensystem die Brennpunktposition erhöhen bzw. steigern oder verringern kann, mit der Brennweite der Objektivlinse als einer Referenz bzw. Bezugnahme).
Es gibt folgende Umstände in dem konventionellen Verlagerungssensor vom Nicht-Kontakttyp, welcher oben erwähnt ist. Der Laser-Verlagerungssensor erfordert einen Linsen-Antriebsmechanismus, welcher die Objektivlinse antreibt, und eine Skala für ein Messen eines Antriebsausmaßes des die Linse antreibenden Mechanismus bzw. Linsen-Antriebsmechanismus, und die Konfiguration des Laser-Verlagerungssensors kann kompliziert werden. Andererseits wird, während ein chromatischer Punktsensor nicht einen Linsen-Antriebsmechanismus und eine Skala bzw. einen Maßstab erfordert, ein Ausmaß eines Datenbearbeitens erhöht, um ein Intensitätsprofil für jede Wellenlänge zu analysieren.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt einen Verschiebungs- bzw. Verlagerungssensor vom Nicht-Kontakttyp zur Verfügung, welcher eine Konfiguration bzw. einen Aufbau und einen Prozess vereinfachen kann.
Dieser Gegenstand wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale gelöst, welche in den unabhängigen Ansprüchen definiert sind. Besondere Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Der Verlagerungssensor vom Nicht-Kontakttyp gemäß einem Aspekt beinhaltet eine Lichtquelle, welche Messlicht emittiert, eine Flüssiglinseneinrichtung, in welcher sich ein Brechungsindex periodisch in Antwort auf ein eingegebenes Antriebssignal ändert, eine Objektivlinse, welche zu einem Messobjekt (messbares Objekt) das Messlicht emittiert, welches von der Lichtquelle emittiert wurde und welches durch die Flüssiglinseneinrichtung hindurchgetreten ist, einen Photodetektor, welcher das Messlicht empfängt, welches durch den messbaren Gegenstand reflektiert wird, und welcher ein Photodetektionssignal ausgibt, und einen Signalprozessor, welcher Brennpunkt-Zeitpunkte, bei welchen sich das Messlicht im Brennpunkt bzw. Fokus auf einer Oberfläche des messbaren Gegenstands befindet, basierend auf dem Photodetektionssignal berechnet, welches von dem Photodetektor ausgegeben wird, und welcher eine Position des messbaren Gegenstands basierend auf einer Phase eines Brennpunkt-Zeitpunkts relativ zu einem Zyklus des Antriebssignals erhält.
In einer derartigen Konfiguration beinhaltet die Flüssiglinseneinrichtung das oben erwähnte Linsensystem und es ändert sich der Brechungsindex periodisch in Antwort auf das eingegebene Antriebssignal. Eine Linse mit variabler Brennweite ist bzw. wird durch die Flüssiglinseneinrichtung gemeinsam mit einer Objektivlinse aufgebaut. Die Fokus- bzw. Brennpunktposition des Messlichts durch die Linse mit variabler Brennweite ändert sich periodisch in Antwort auf das Antriebssignal, welches zu der Flüssiglinseneinrichtung eingegeben wird. Mit anderen Worten wird das Messlicht, welches von einer Messlichtquelle emittiert bzw. ausgesandt wird und durch die Linse mit variabler Brennweite hindurchgetreten ist, zu dem Messobjekt emittiert, während die Fokus- bzw. Brennpunktposition in einer Richtung einer optischen Achse geändert wird. Der Photodetektor erhält bzw. empfängt das Messlicht, welches durch das Messobjekt reflektiert wird, und gibt ein Photodetektionssignal aus. Der Signalprozessor berechnet einen Fokus- bzw. Brennpunkt-Zeitpunkt, bei welchem sich das Messlicht im Fokus auf der Oberfläche des Messobjekts befindet, basierend auf dem Photoempfangssignal, welches von dem Photodetektor ausgegeben wird. Als ein Verfahren für ein Erhalten des Brennpunkt-Zeitpunkts basierend auf dem Photodetektionssignal können verschiedene Methoden einer Brennpunktdetektion, wie beispielsweise ein Verfahren eines konfokalen Punkts, ein Verfahren mit einem doppelten Pinhole, ein astigmatisches Verfahren und ein Messerkantenverfahren verwendet werden. Beispielsweise bildet, wenn das Verfahren des konfokalen Punkts verwendet wird, die Linse variabler Brennweite ein optisches System derart, dass das Photodetektionssignal, welches von dem Photodetektor ausgegeben wird, eine Spitze bzw. einen Peak erreicht, wenn die Brennpunktposition des Messlichts mit der Oberfläche des Messobjekts ausgerichtet ist. In diesem Fall kann das Photodetektionssignal unter Verwendung einer Peak- bzw. Spitzenzeit des Photodetektionssignals als der Brennpunkt-Zeitpunkt berechnet werden.
In diesem Beispiel entspricht die Phase des Brennpunkt-Zeitpunkts relativ zu dem Zyklus des Antriebssignals einer Position auf der Oberfläche des Messobjekts auf der optischen Achse, wo die Objektivlinse hindurchtritt. Demgemäß kann der Signalprozessor, basierend auf der Phase des Brennpunkt-Zeitpunkts relativ zu dem Zyklus des Antriebssignals, die Position auf der Oberfläche des Messobjekts auf der optischen Achse durch ein Verwenden einer Funktion, einer Tabelle und dgl. erhalten.
Wie dies oben erwähnt wurde, erfordert die vorliegende Erfindung nicht einen Linsen-Antriebsmechanismus und eine Skala bzw. einen Maßstab, welche konventionellerweise in der Konfiguration eines Laser-Verlagerungssensors erforderlich sind, durch ein Verwenden der Linse mit variabler Brennweite. Zusätzlich wird die Position auf der Oberfläche des Messobjekts auf der optischen Achse basierend auf dem Antriebssignal und dem Photodetektionssignal gefunden, und es ist daher ein Bearbeiten einer großen Datenmenge nicht erforderlich, welches in dem konventionellen chromatischen Punktsensor durchgeführt wird. Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung einen Verlagerungssensor vom Nicht-Kontakttyp zur Verfügung, welcher die Konfiguration bzw. den Aufbau und den Prozess vereinfachen kann.
Insbesondere wird eine Bezugs- bzw. Referenzsignal-Ausgabeeinrichtung, welche ein Referenz- bzw. Bezugssignal ausgibt, welches mit dem Zyklus des Antriebssignals synchronisiert ist, weiters zur Verfügung gestellt, und vorzugsweise berechnet der Signalprozessor die Phase des Fokus- bzw. Brennpunkt-Zeitpunkts relativ zu dem Zyklus des Antriebssignals basierend auf einer Verzögerungszeit des Brennpunkt-Zeitpunkts relativ zu dem Referenzsignal. Insbesondere kann der Signalprozessor die Phase des Brennpunkt-Zeitpunkts durch eine einfache Berechnung berechnen.
Vorzugsweise berechnet der Signalprozessor die Phase des Brennpunkt-Zeitpunkts relativ zu dem Zyklus des Antriebssignals basierend auf einer Zeitdifferenz zwischen zwei Brennpunkt-Zeitpunkten, welche in einem Zyklus des Antriebssignals auftreten bzw. erscheinen. Insbesondere kann die Phase des Brennpunkt-Zeitpunkts durch eine einfachere Berechnung berechnet werden, ohne das Referenzsignal zu erfordern.
Der Verlagerungssensor vom Nicht-Kontakttyp beinhaltet weiters vorzugsweise eine Beleuchtungseinrichtung, welche Beobachtungslicht zu dem messbaren Gegenstand über die Objektivlinse emittiert, eine Abbildungslinse, welche das Beobachtungslicht bildet, welches durch die Objektivlinse und die Flüssiglinseneinrichtung hindurchgetreten ist, nachdem es durch den messbaren Gegenstand reflektiert wurde, und eine Bild-Erfassungseinrichtung, welche ein Bild erfasst, welches durch die Abbildungslinse gebildet wird.
Insbesondere kann die Position auf der Oberfläche des Messobjekts gemessen werden und es kann das Bild der Oberfläche des Messobjekts während eines Messens erfasst werden. Demgemäß kann ein Zustand des Messobjekts durch das Bild bestätigt werden, während die Messung durchgeführt wird. Wenn das Messlicht in die Abbildungslinse eintritt, kann eine Position des Messabschnitts in dem Messobjekt auch durch das Bild bestätigt werden.
Der Verlagerungssensor vom Nicht-Kontakttyp beinhaltet weiters vorzugsweise einen Bildprozessor, welcher ein Entfaltungsbearbeiten an dem Bild durchführt, welches durch die Bild-Erfassungseinrichtung erfasst bzw. aufgenommen wird. Insbesondere kann ein Verschmieren bzw. Verwischen von dem aufgenommenen bzw. erfassten Bild entfernt werden, indem das Entfaltungsbearbeiten durch den Bildprozessor durchgeführt wird. Demgemäß kann eine Beobachtung mit einem hohen Grad an Genauigkeit über einen gesamten variablen Bereich der Brennpunktposition der Linse mit variabler Brennweite durchgeführt werden.
Der Verlagerungssensor vom Nicht-Kontakttyp beinhaltet vorzugsweise weiters eine Mehrzahl von Relaislinsen, welche angeordnet sind, um eine Austrittspupille bzw. -blende der Objektivlinse und eine Position eines Hauptpunkts der Flüssiglinse zu konjugieren. Insbesondere verbleibt, selbst wenn die Brennpunktposition aufgrund der Linse mit variabler Brennweite geändert wird, eine Vergrößerungsleistung des Bilds, welches in die Bild-Erfassungseinrichtung eintritt, konstant, und daher ist es möglich, eine gute Beobachtung ohne Fluktuationen in einem Blick- bzw. Gesichtsfeld aufzuweisen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verlagerungssensor vom Nicht-Kontakttyp zur Verfügung gestellt, welcher die Konfiguration und den Prozess vereinfachen kann.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird weiters in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die erwähnte Vielzahl von Zeichnungen anhand von nichtbeschränkenden Beispielen von beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben, in welchen gleiche Bezugszeichen ähnliche Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen darstellen. Es sollte verstanden werden, dass, selbst obwohl Ausführungsformen getrennt beschrieben werden, einzelne Merkmale davon zu zusätzlichen Ausführungsformen kombiniert werden können.

1 ist eine schematische Ansicht, welche einen Verlagerungssensor vom Nicht-Kontakttyp gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert;
2 ist eine schematische Ansicht, welche eine Konfiguration einer Flüssiglinseneinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform illustriert;
3A bis 3C sind schematische Ansichten, welche Oszillationszustände der Flüssiglinseneinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform illustrieren;
4A bis 4E sind schematische Ansichten, welche Fokus- bzw. Brennpunktpositionen der Flüssiglinseneinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform illustrieren;
5 ist ein Blockdiagramm, welches schematisch eine Regel- bzw. Steuereinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform illustriert;
6 ist ein Graph, welcher ein Antriebssignal, eine Brennpunktposition, ein Referenz- bzw. Bezugssignal und ein Photodetektionssignal gemäß der ersten Ausführungsform illustriert;
7 ist eine schematische Ansicht, welche einen Verlagerungssensor vom Nicht-Kontakttyp gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert;
8 ist ein Blockdiagramm, welches schematisch eine Regel- bzw. Steuereinrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform illustriert;
9 ist eine schematische Ansicht, welche einen Verlagerungssensor vom Nicht-Kontakttyp gemäß einer Abwandlung der ersten Ausführungsform illustriert; und
10 ist eine schematische Ansicht, welche einen Verlagerungssensor vom Nicht-Kontakttyp gemäß einer anderen Modifikation der ersten Ausführungsform illustriert.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Einzelheiten bzw. Merkmale, welche hierin gezeigt werden, sind lediglich beispielhaft und für Zwecke einer illustrativen Diskussion der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und werden für den Fall eines Bereitstellens präsentiert, wovon angenommen wird, die nützlichste und am leichtesten verständliche Beschreibung der Prinzipien und konzeptionellen Aspekte der vorliegenden Erfindung zu sein. In diesem Hinblick wird kein Versuch gemacht, strukturelle Details der vorliegenden Erfindung in größerem Detail zu zeigen, als dies für das fundamentale Verständnis der vorliegenden Erfindung notwendig ist, wobei die Beschreibung, genommen mit den Zeichnungen, Fachleuten ersichtlich macht, wie die Formen der vorliegenden Erfindung in der Praxis verkörpert werden können.
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Erste Ausführungsform
Verlagerungssensor vom Nicht-Kontakttyp
Wie dies in 1 gezeigt ist, ist ein Verlagerungssensor 1 vom Nicht-Kontakttyp konfiguriert bzw. aufgebaut, um eine Flüssiglinseneinrichtung (Flüssiglinse) 3 zu beinhalten, in welcher sich ein Brechungsindex periodisch ändert, und misst eine Positionsänderung auf einer Oberfläche eines Messobjekts (messbares Objekt) W, welcher angeordnet ist, so dass er eine optische Achse A schneidet bzw. kreuzt, welche durch die Flüssiglinseneinrichtung 3 hindurchtritt. Spezifisch beinhaltet der Verlagerungssensor 1 vom Nicht-Kontakttyp eine Lichtquelle 6, welche Messlicht Lm emittiert bzw. aussendet, ein optisches System (eine kollimierende Linse 4 und einen lichtleitenden Abschnitt 5), welches einen optischen Pfad bzw. Weg für das Messlicht Lm bildet, die Flüssiglinseneinrichtung 3, eine Objektivlinse 2, welche eine Linse 10 mit variabler Brennweite gemeinsam mit der Flüssiglinseneinrichtung 3 aufbaut, einen Photodetektor 7, welcher das Messlicht erhält bzw. empfängt, welches durch das Messobjekt W reflektiert wird.
Darüber hinaus ist der Verlagerungssensor 1 vom Nicht-Kontakttyp mit einer Linsen-Regel- bzw. -Steuereinrichtung 8 bzw. einem Linsen-Controller für ein Regeln bzw. Steuern einer Betätigung bzw. eines Betriebs der Flüssiglinseneinrichtung 3 und einer Regel- bzw. Steuereinrichtung 9 für ein Betätigen der Linsen-Regel- bzw. -Steuereinrichtung 8 versehen. Die Regel- bzw. Steuereinrichtung bzw. der Controller 9 importiert und bearbeitet ein Photodetektionssignal Sm und berechnet auch die Position auf der Oberfläche des Messobjekts W auf der optischen Achse A.
Linse mit variabler Brennweite
Die Linse 10 mit variabler Brennweite ist mit der Objektivlinse 2 und der Flüssiglinseneinrichtung 3 konfiguriert bzw. aufgebaut. Die Objektivlinse 2 ist bzw. wird durch eine bekannte konvexe Linse oder eine Gruppe von Linsen aufgebaut. Die Objektivlinse 2 ist koaxial auf der optischen Achse A wie die Flüssiglinseneinrichtung 3 angeordnet. Die Flüssiglinseneinrichtung 3 ist mit einem Flüssiglinsensystem bzw. System einer Flüssiglinse auf einer Innenseite davon konfiguriert bzw. aufgebaut und ein Brechungsindex ändert sich in Antwort bzw. Reaktion auf ein Antriebssignal Cf, welches von der Linsen-Regel- bzw. - Steuereinrichtung bzw. dem Linsen-Controller 8 eingebeben wird. Das Antriebssignal Cf ist ein sinusförmiges Wechselstromsignal einer Frequenz, welche eine stehende Welle in der Flüssiglinseneinrichtung 3 erzeugt bzw. generiert. Eine Brennpunktposition Pf von Licht, welches durch die Linse 10 mit variabler Brennweite hindurchtritt, kann wie gewünscht durch ein Ändern des Brechungsindex der Flüssiglinseneinrichtung 3 mit einer Brennpunktposition der Objektivlinse 2 als einer Referenz bzw. einem Bezugspunkt geändert werden.
In 2 beinhaltet die Flüssiglinseneinrichtung 3 ein hohles, zylindrisches Gehäuse bzw. eine hohle, zylindrische Ummantelung 31, und ein hohles, zylindrisches oszillierendes Glied 32 ist im Inneren der Ummantelung 31 installiert. Das oszillierende Glied 32 ist bzw. wird durch Abstandhalter 39 abgestützt bzw. getragen, welche aus einem Elastomer hergestellt sind, welche zwischen einer äußeren Umfangsoberfläche 33 des oszillierenden Glieds 32 und einer inneren Umfangsoberfläche der Ummantelung 31 angeordnet sind. Das oszillierende Glied 32 ist ein Glied, wo ein piezoelektrisches Material in eine hohle bzw. hohlzylindrische Form bzw. Gestalt ausgebildet ist. Das oszillierende Glied 32 oszilliert in einer Dickenrichtung aufgrund einer Wechselspannung des Antriebssignals Cf, welche zwischen der äußeren Umfangsoberfläche 33 und der inneren Umfangsoberfläche 34 angelegt wird. Das Innere der Ummantelung 31 ist mit einer hoch transparenten Flüssigkeit 35 gefüllt, das gesamte oszillierende Glied 32 ist in die Flüssigkeit 35 eingetaucht, und eine Innenseite des hohlzylindrischen oszillierenden Glieds 32 ist mit der Flüssigkeit 35 gefüllt. Die Wechselspannung des Antriebssignals Cf ist bzw. wird auf eine Frequenz eingestellt, welche eine stehende Welle in der Flüssigkeit 35 auf der Innenseite des oszillierenden Glieds 32 erzeugt bzw. generiert.
Wie dies in 3A bis 3C gezeigt ist, entsteht in der Flüssiglinseneinrichtung 3, wenn das oszillierende Glied 32 oszilliert wird, eine stehende Welle in der inneren Flüssigkeit 35 und konzentrische kreisförmige Regionen bzw. Bereiche entstehen, wo sich der Brechungsindex ändert bzw. abwechselt (siehe 3A und 3B). An diesem Punkt ist bzw. wird eine Beziehung zwischen einem Abstand von einer Linie einer zentralen bzw. mittigen Achse der Flüssiglinseneinrichtung 3 (Radius) und dem Brechungsindex der Flüssigkeit 35 durch eine Brechungsindexverteilung R gezeigt, welche in 3C illustriert ist.
In 4A bis 4E ändern sich, da das Antriebssignal Cf ein sinusförmiges Wechselstromsignal ist, Bänder in der Brechungsindexverteilung R der Flüssigkeit 35 in der Flüssiglinseneinrichtung 3 auch in Übereinstimmung mit dem Antriebssignal Cf. Auch ändert sich der Brechungsindex der konzentrischen kreisförmigen Regionen, welche in der Flüssigkeit 35 entstehen, sinusförmig, und demgemäß ändert sich die Brennpunktposition Pf sinusförmig. In 4A bis 4E ist ein Abstand D von der Brennpunktposition der Objektivlinse 2 zu der Brennpunktposition Pf gezeigt. In dem Zustand, welcher in 4A dargestellt ist, ist eine Amplitude der Brechungsindexverteilung R am größten, bewirkt die Flüssiglinseneinrichtung 3, dass hindurchtretendes Licht konvergiert bzw. sich bündelt, und ist bzw. liegt die Fokus- bzw. Brennpunktposition Pf am nächsten zu der Objektivlinse 2. In dem Zustand, welcher in 4B dargestellt ist, ist die Brechungsindexverteilung R flach, erlaubt die Flüssiglinseneinrichtung 3, dass hindurchtretendes Licht unbeeinflusst hindurchtritt, und befindet sich die Brennpunktposition Pf bei einem Standardwert. In dem Zustand, welcher in 4C dargestellt ist, ist die Amplitude der Brechungsindexverteilung R am größten an dem entgegengesetzten Pol von demjenigen von 4A, bewirkt die Flüssiglinseneinrichtung 3, dass hindurchtretendes Licht streut bzw. sich aufweitet, und ist die Brennpunktposition Pf am weitesten entfernt von der Objektivlinse 2. In dem Zustand, welcher in 4D dargestellt ist, ist wiederum die Brechungsindexverteilung R flach, erlaubt die Flüssiglinseneinrichtung 3, dass hindurchtretendes Licht unbeeinflusst hindurchtritt, und befindet sich die Brennpunktposition Pf bei dem Standardwert. Der Zustand, welcher in 4E dargestellt ist, kehrt wiederum zu dem Zustand zurück, welcher in 4A dargestellt ist, und ähnliche Fluktuationen werden danach wiederholt. Auf diese Weise ist in der Linse 10 mit variabler Brennweite das Antriebssignal Cf ein sinusförmiges Wechselstromsignal und es fluktuiert die Brennpunktposition Pf auch sinusförmig wie in einer Fluktuations-Wellenform Mf in 4A bis 4E.
In der Linse 10 mit variabler Brennweite ist, durch ein Fluktuieren des Hauptpunkts der Linse 10 mit variabler Brennweite, ein Fall, wo die Brennpunktposition Pf fluktuieren kann, während konstant die Brennweite (Abstand von einem Hauptpunkt der Linse 10 mit variabler Brennweite zu der Brennpunktposition Pf) beibehalten wird, auch enthalten.
Anderes optisches System
Unter neuerlicher Bezugnahme auf 1 wird ein optisches System verschieden von der Linse 10 mit variabler Brennweite in dem Verlagerungssensor 1 vom Nicht-Kontakttyp beschrieben. Die Lichtquelle 6 ist beispielsweise eine Laser-Lichtquelle und emittiert Messlicht. Der lichtleitende Abschnitt 5 beinhaltet einen Faserteiler bzw. -splitter 51 und optische Fasern 52 bis 54. Der Fasersplitter 51 beinhaltet einen optischen Weg bzw. Pfad, wo ein erstes Ende jeder optischen Faser 52 bis 54 verbunden bzw. angeschlossen ist und derart konfiguriert ist, dass das Licht, welches von der optischen Faser 53 einfällt bzw. auftrifft, zu der optischen Faser 52 geführt bzw. geleitet wird, und das Licht, welches von der optischen Faser 52 einfällt, zu der optischen Faser 54 geleitet wird.
Ein zweites Ende der optischen Faser 53 ist mit der Lichtquelle 6 verbunden. Daher tritt das Messlicht Lm, welches von der Lichtquelle 6 emittiert bzw. ausgesandt wird, durch die optische Faser 53, den Fasersplitter 51 und die optische Faser 52 hindurch und wird von einer Endoberfläche 520 der optischen Faser 52 emittiert. In diesem Beispiel dient die Endoberfläche 520 der optischen Faser 52 als eine Punktlichtquelle. Zusätzlich ist bzw. wird ein zweites Ende der optischen Faser 54 mit dem Photodetektor 7 verbunden. Daher tritt das Messlicht, welches auf die Endoberfläche 520 der optischen Faser 52 einfällt bzw. auftrifft, durch die optische Faser 52, den Fasersplitter 51 und die optische Faser 54 hindurch und trifft auf den Photodetektor 7. In diesem Beispiel ist die Endoberfläche 520 der optischen Faser 52 an einem Brennpunkt Pc auf einer rückwärtigen Seite der kollimierenden bzw. Sammellinse 4 positioniert. Mit anderen Worten ist die Endoberfläche 520 der optischen Faser 52 an einer Stelle positioniert, welche eine konjungierte bzw. Konjugat-Beziehung relativ zu der Brennpunktposition Pf durch die Linse 10 mit variabler Brennweite bildet.
Die kollimierende bzw. Kollimationslinse 4 ist zwischen der Endoberfläche 520 der optischen Faser 52 und der Flüssiglinseneinrichtung 3 auf der optischen Achse A angeordnet. Die kollimierende Linse 4 konvertiert das Messlicht Lm, welches von der Endoberfläche 520 der optischen Faser 52 emittiert wird, in paralleles Licht und tritt zu der Linse 10 mit variabler Brennweite ein. Auch sammelt die kollimierende Linse 4 das Messlicht Lm, welches durch das Messobjekt W reflektiert wird und wiederum durch die Linse 10 mit variabler Brennweite hindurchtritt.
Der Photodetektor 7 ist beispielsweise ein Photomultiplier-Rohr, eine Photodiode und dgl., und ist bzw. wird mit einem zweiten Ende der optischen Faser 54 verbunden. Der Photodetektor 7 erhält bzw. empfängt das Messlicht Lm, welches über die optische Faser 54 eingetreten ist, und gibt ein Photodetektionssignal Sm in Übereinstimmung mit der Intensität des empfangenen Lichts aus.
In der oben erwähnten Konfiguration ist bzw. wird das Messlicht Lm, welches von der Lichtquelle 6 emittiert wird, nachdem es von der Endoberfläche 520 der optischen Faser 52 über den lichtleitenden Abschnitt 5 emittiert wurde, entlang der optischen Achse A durch die kollimierende Linse 4 kollimiert und wird zu dem Messobjekt W über die Linse 10 mit variabler Brennweite emittiert. Das Messlicht Lm, welches durch eine Oberfläche des Messobjekts W reflektiert wird, wird durch die kollimierende Linse 4 nach einem Hindurchtreten durch die Linse 10 mit variabler Brennweite gesammelt. In diesem Beispiel ändert sich die Brennpunktposition Pf durch die Linse 10 mit variabler Brennweite periodisch in einer Richtung der optischen Achse A. Daher bildet, nur wenn die Brennpunktposition Pf mit der Oberfläche des Messobjekts W ausgerichtet ist, das Messlicht Lm, welches auf der Oberfläche reflektiert wird, einen Punkt an dem Brennpunkt Pc auf der rückwärtigen Seite der kollimierenden Linse 4 und tritt in die Endoberfläche 520 der optischen Faser 52 ein. Demgemäß wird das Messlicht Lm, welches auf den Photodetektor 7 einfällt, maximiert, wenn die Brennpunktposition Pf mit der Oberfläche des Messobjekts W ausgerichtet ist. Mit anderen Worten erreicht das Photodetektionssignal Sm, welches von dem Photodetektor 7 ausgegeben wird, eine Spitze, wenn die Brennpunktposition Pf mit der Oberfläche des Messobjekts W ausgerichtet ist.
Linsen-Regel- bzw. -Steuereinrichtung
Wie dies in 5 gezeigt ist, ist die Linsen-Regel- bzw. -Steuereinrichtung 8 als eine Regel- bzw. Steuervorrichtung konfiguriert, welche den Betrieb der Flüssiglinseneinrichtung 3 regelt bzw. steuert und eine Antriebssignal-Ausgabeeinrichtung 81 beinhaltet, welche das Antriebssignal Cf zu der Flüssiglinseneinrichtung 3 ausgibt. Zusätzlich beinhaltet die Linsen-Regel- bzw. -Steuereinrichtung 8 eine Referenz- bzw. Bezugssignal-Ausgabeeinrichtung 82, welche pulsweise ein Referenz- bzw. Bezugssignal Sc, synchronisiert mit dem Zyklus des Antriebssignals Cf, zu dem Signalprozessor 92 ausgibt. Ein Ausgabezeitpunkt des Referenzsignals Sc relativ zu dem Zyklus des Antriebssignals Cf kann willkürlich eingestellt bzw. festgelegt werden. In der vorliegenden Ausführungsform steigt das Referenzsignal Sc einmal jedes zweite Mal, wenn das Antriebssignal Cf Niveau 0 schneidet bzw. kreuzt (in 6 beispielsweise ein Zeitpunkt, wenn die fluktuierende Wellenform Mf der Brennpunktposition Pf eine positive Spitze erreicht).
Regel- bzw. Steuereinrichtung
Die Regel- bzw. Steuereinrichtung bzw. der Controller 9 ist bzw. wird durch einen Personal Computer und dgl. aufgebaut und beinhaltet beispielsweise eine CPU (zentrale Be- bzw. Verarbeitungseinheit) und einen Speicher. Die Regel- bzw. Steuereinrichtung 9 führt eine erwartete Funktionalität durch ein Ablaufen bzw. Abarbeiten einer vorbestimmten Software durch und beinhaltet eine Linsen-Definiereinrichtung 91, welche die Linsen-Regel- bzw. -Steuereinrichtung 8 definiert, und den Signalprozessor 92, welcher verschiedene Eingangssignale bearbeitet. Auch beinhaltet die Regel- bzw. Steuereinrichtung 9 einen Speicher 93, welcher durch einen Speicher und dgl. gebildet bzw. aufgebaut ist.
Die Linsen-Definiereinrichtung 91 führt ein Festlegen bzw. Einstellen, wie beispielsweise einer Frequenz des Antriebssignals Cf, welches durch die Linsen-Regel- bzw. -Steuereinrichtung 8 ausgegeben wird, einer Amplitude und einer maximalen Antriebsspannung durch. In der Flüssiglinseneinrichtung 3 ändert sich eine Resonanzvariationsanzahl aufgrund einer Änderung in einer atmosphärischen bzw. Umgebungstemperatur oder dgl. Daher ändert die Linsen-Definiereinrichtung 91 in Echtzeit die Frequenz des Antriebssignals Cf durch eine Feedback-Regelung bzw. -Steuerung und erzielt einen stabilen Betrieb der Flüssiglinseneinrichtung 3.
In dem Signalprozessor 92 wird das Photodetektionssignal Sm von dem Photodetektor 7 eingegeben und es wird das Referenzsignal Sc von der Linsen-Regel- bzw. -Steuereinrichtung 8 eingegeben. Der Signalprozessor 92 berechnet eine Position auf der optischen Achse A der Oberfläche des Messobjekts W (Position Pw des Messobjekts) durch ein Durchführen des Prozesses basierend auf dem Photodetektionssignal Sm und dem Referenzsignal Sc. Ein Verfahren des Signalbearbeitens durch den Signalprozessor 92 wird später beschrieben. In dem Speicher 93 ist bzw. wird eine Tabelle 94, welche vorab durch ein Verwenden eines Kalibrations-Werkstücks und dgl. vorbereitet wird, gespeichert. In der Tabelle 94 sind die Position Pw des Messobjekts und eine Phase φ eines Brennpunkt-Zeitpunkts T relativ zu dem Zyklus des Antriebssignals Cf, welches nachfolgend beschrieben wird, miteinander assoziiert bzw. einander zugeordnet.
Signalprozessor
Als nächstes wird ein Prozess des Signalprozessors 92 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Der Signalprozessor 92 erhält, nach einem Starten des Messvorgangs des Verlagerungssensors 1 vom Nicht-Kontakttyp, das Referenzsignal Sc und das Photodetektionssignal Sm, wie dies in 6 gezeigt ist. In 6 ändert sich die Brennpunktposition Pf durch die Linse 10 mit variabler Brennweite periodisch in demselben Zyklus wie das Antriebssignal Cf und das Referenzsignal Sc wird gepulst synchronisiert mit dem Zyklus des Antriebssignals Cf (Zyklus der Fluktuations-Wellenform Mf der Brennpunktposition Pf) ausgegeben. Auch ist bzw. wird in 6 ein Beispiel der Position Pw des Messobjekts, welche innerhalb eines variablen Bereichs der Brennpunktposition Pf angeordnet ist, gezeigt. Das Photodetektionssignal Sm zeigt eine Spitze, wenn die Brennpunktposition Pf mit der Position Pw des Messobjekts (Brennpunkt-Zeitpunkt T) ausgerichtet ist und zeigt zwei Spitzen pro Zyklus des Antriebssignals Cf.
Zuerst berechnet der Signalprozessor 92, nach einem Berechnen der Spitzenzeit des Photodetektionssignals Sm als dem Brennpunkt-Zeitpunkt T, eine Verzögerungszeit Δt des Brennpunkt-Zeitpunkts T relativ zu dem Referenzsignal Sc. In der vorliegenden Ausführungsform wird, als die Verzögerungszeit Δt des Brennpunkt-Zeitpunkts T relativ zu dem Referenzsignal Sc, eine Zeit von dem Referenzsignal Sc, welches zu dem Fokus- bzw. Brennpunkt-Zeitpunkt T ansteigt, unmittelbar nach dem Referenzsignal Sc berechnet.
Dann berechnet der Signalprozessor 92 die Phase φ des Brennpunkt-Zeitpunkts T relativ zu dem Zyklus des Antriebssignals Cf basierend auf der Verzögerungszeit Δt. Spezifisch wird durch ein Verwenden einer Frequenz f des Antriebssignals Cf und der Verzögerungszeit Δt die Phase φ des Brennpunkt-Zeitpunkts T basierend auf der Formel (1) unten berechnet. $φ = 2 π f Δ t$
Die Phase φ des Brennpunkt-Zeitpunkts T, welche auf diese Weise gefunden wird, weist eine Korrespondenzbeziehung mit der Position Pw des Messobjekts in dem variablen Bereich der Brennpunktposition Pf auf.
Dann erhält der Signalprozessor 92 die Position Pw des Messobjekts basierend auf der Phase φ des berechneten Brennpunkt-Zeitpunkts T durch eine Bezugnahme auf die Tabelle 94. In der Tabelle 94 sind die Position Pw des Messobjekts und die Phase φ des Brennpunkt-Zeitpunkts T miteinander durch ein Experiment und dgl. assoziiert, welches vorab durchgeführt wurde. Mit dem oben erwähnten Signalbearbeiten des Signalprozessors 92 kann der Verlagerungssensor 1 vom Nicht-Kontakttyp die Position Pw des Messobjekts messen. Der Signalprozessor 92 kann die oben erwähnten Prozesse für jedes vorher bestimmte Zeitausmaß durchführen, und die erhaltene Position Pw des Messobjekts kann aufeinanderfolgend in dem Speicher 93 gespeichert sein bzw. werden.
Effekt der ersten Ausführungsform
Der Verlagerungssensor 1 vom Nicht-Kontakttyp gemäß der vorliegenden Ausführungsform erfordert nicht einen Linsen-Antriebsmechanismus und eine Skala bzw. einen Maßstab, welche konventionellerweise in der Konfiguration eines Laser-Verlagerungssensors erforderlich sind, indem die Linse 10 mit variabler Brennweite verwendet wird. Zusätzlich wird die Position Pw des Messobjekts durch ein Verwenden des Antriebssignals Cf und des Photodetektionssignals Sm erhalten, und es ist daher ein Bearbeiten einer großen Menge an Daten nicht notwendig, welches in dem konventionellen chromatischen Punktsensor durchgeführt wird. Demgemäß stellt die vorliegende Ausführungsform den Verlagerungssensor 1 vom Nicht-Kontakttyp zur Verfügung, welcher die Konfiguration und den Prozess vereinfachen kann. Auch kann in der vorliegenden Ausführungsform die Position Pw des Messobjekts einfach gefunden werden, indem die Phase φ des Brennpunkt-Zeitpunkts T relativ zu dem Zyklus des Antriebssignals Cf basierend auf der Verzögerungszeit Δt des Brennpunkt-Zeitpunkts T relativ zu dem Referenzsignal Sc berechnet wird.
Zusätzlich erleichtert der Verlagerungssensor 1 vom Nicht-Kontakttyp gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Umschalten einer Vergrößerung der Objektivlinse 2, wobei dies schwierig in der konventionellen Technologie war. Spezifisch weist in der konventionellen Technologie der Laser-Verlagerungssensor die Objektivlinse in den Linsen-Antriebsmechanismus aufgenommen auf, und der chromatische Punktsensor weist die Objektivlinse modularisiert mit einer speziellen Linsengruppe auf, welche weißes Licht durch eine axiale chromatische Aberration streut. Daher war es in dem Laser-Verlagerungssensor und dem chromatischen Punktsensor schwierig, nur die Objektivlinse durch einen unterschiedlichen Typ zu ersetzen, welcher eine unterschiedliche Vergrößerung aufweist, und es war eine getrennte Vorrichtung notwendig, um in einem unterschiedlichen Messbereich und einer unterschiedlichen Auflösung zu messen. Jedoch gibt es in dem Verlagerungssensor 1 vom Nicht-Kontakttyp gemäß der vorliegenden Ausführungsform keine Notwendigkeit, die Objektivlinse mit einer anderen Konfiguration wie in dem Stand der Technik zu integrieren. Demgemäß ist es einfach, die Objektivlinse 2 zu konfigurieren, um zu einem Umschalten mit bzw. zu einer unterschiedlichen Objektivlinse 2 fähig zu sein, welche eine unterschiedliche Vergrößerung aufweist.
In der vorliegenden Ausführungsform ist ein optisches System mit konfokalem Punkt für die Brennpunktposition Pf konfiguriert bzw. aufgebaut, um den Brennpunkt-Zeitpunkt T zu detektieren, welcher mit der Oberfläche des Messobjekts W ausgerichtet ist. Daher kann, verglichen mit einem Fall, wo ein anderes Brennpunkt-Detektionsverfahren verwendet wird, die Messgenauigkeit verbessert werden, da eine Messgenauigkeit aufgrund von Oberflächenmerkmalen bzw. -charakteristika, wie beispielsweise einer Neigung und Rauheit der Oberfläche des Messobjekts W kaum beeinflusst wird. Auch können, durch ein Verwenden der optischen Faser 52, die Lichtquelle 6 und der Photodetektor 7 als eine Wärmequelle entfernt von einem Abschnitt angeordnet sein bzw. werden, welcher ein Messkopf ist, und es kann ein thermischer Effekt auf die Messung reduziert werden. Weiters spielt die Endoberfläche 520 der optischen Faser 52 sowohl eine Rolle als eine Punktlichtquelle als auch als ein Pinhole für eine Detektion des optischen Systems mit konfokalem Punkt, und es kann daher die Anzahl von Einstellschritten für ein Herstellen signifikant reduziert werden.
Zweite Ausführungsform
Ein Verlagerungssensor 1A vom Nicht-Kontakttyp gemäß einer zweiten Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf 7 und 8 beschrieben. Darüber hinaus werden in der zweiten Ausführungsform Konfigurationen ähnlich zu denjenigen der ersten Ausführungsform dieselben Bezugszeichen verliehen und eine detaillierte Beschreibung davon wird weggelassen.
Der Verlagerungssensor 1A vom Nicht-Kontakttyp der zweiten Ausführungsform weist eine zusätzliche Konfiguration für ein Beobachten des Messobjekts W relativ zu dem Verlagerungssensor 1 vom Nicht-Kontakttyp der ersten Ausführungsform auf. Wie dies in 7 gezeigt ist, beinhaltet der Verlagerungssensor 1A vom Nicht-Kontakttyp zusätzlich zu der Konfiguration, welche in der ersten Ausführungsform beschrieben ist, eine Beleuchtungseinrichtung 11, einen Lichttrennabschnitt 14, eine reflektierende Platte 15, eine Abbildungslinse 16 und eine Bilderfassungseinrichtung (Bildsensor, abbildendes Element) 17.
Die Beleuchtungseinrichtung 11 beinhaltet eine Lichtquelle 112, ein optisches Beleuchtungssystem 113 und einen Strahlteiler 114. Die Lichtquelle 112 ist beispielsweise eine Leuchtdiode (LED) und emittiert Beobachtungslicht, welches eine gegenüber der Lichtquelle 6 unterschiedliche Wellenlänge aufweist. Das optische Beleuchtungssystem 113 streut das Beobachtungslicht, welches von der Lichtquelle 112 emittiert wird. Der Strahlteiler 114 ist zwischen der Objektivlinse 2 und der Flüssiglinseneinrichtung 3 angeordnet und reflektiert das Beobachtungslicht, welches von dem optischen Beleuchtungssystem 113 auf der Seite des Messobjekts W einfällt. Zusätzlich erlaubt der Strahlteiler 114, dass das Messlicht Lm, welches sich entlang der optischen Achse A fortbewegt, und das Beobachtungslicht, welches durch das Messobjekt W reflektiert wird, hindurchtreten. Das Beobachtungslicht, welches von der Beleuchtungseinrichtung 11 auf diese Weise emittiert wird, wird zu dem Messobjekt W über die Objektivlinse 2 emittiert.
Der Lichttrennabschnitt 14 ist beispielsweise ein Strahlteiler oder ein dichroitischer Spiegel und ist zwischen der Flüssiglinseneinrichtung 3 und der kollimierenden Linse 4 angeordnet. Der Lichttrennabschnitt 14 trennt Licht, welches wiederum durch die Linse 10 mit variabler Brennweite hindurchtritt, welches durch das Messobjekt W reflektiert wird (Messlicht Lm und Beobachtungslicht), in Licht, welches sich in Richtung zu der kollimierenden Linse 4 bewegt, und Licht, welches sich in Richtung zu der Bilderfassungseinrichtung 17 bewegt. Beispielsweise kann der Lichttrennabschnitt 14 Licht, welches wiederum durch eine Linse 10A mit variabler Brennweite hindurchtritt, welches durch das Messobjekt W reflektiert wird, basierend auf einer Wellenlänge trennen. Dann kann das Messlicht Lm sich in Richtung zu der kollimierenden Linse 4 fortbewegen und es kann sich das Beobachtungslicht in Richtung zu der Bilderfassungseinrichtung 17 fortbewegen. Alternativ kann der Lichttrennabschnitt 14 einfach Licht, welches wiederum durch die Linse 10A mit variabler Brennweite hindurchtritt, welches durch das Messobjekt W reflektiert wird, bei einem willkürlichen Verhältnis ohne eine Unterscheidung des Messlichts Lm und des Beobachtungslichts trennen.
In einer derartigen Konfiguration wird das Messlicht, welches durch den Lichttrennabschnitt 14 hindurchtritt, welches durch das Messobjekt W reflektiert wird, nach einem Hindurchtreten durch die Linse 10A mit variabler Brennweite wiederum nach einem Eintreten in die kollimierende Linse 4 gesammelt. Andererseits wird das Beobachtungslicht, welches durch den Lichttrennabschnitt 14 reflektiert wird, durch das Messobjekt W reflektiert und nach einem neuerlichen Hindurchtreten durch die Linse 10A mit variabler Brennweite als ein Bild durch die Abbildungslinse 16 über die reflektierende Platte 15 und dgl. abgebildet. Die Bilderfassungseinrichtung 17 erfasst ein Bild, welches durch die Abbildungslinse 16 gebildet wird.
Die Linse 10A mit variabler Brennweite beinhaltet eine Mehrzahl von Relaislinsen 21 und 22 zwischen der Objektivlinse 2 und der Flüssiglinseneinrichtung 3. Die Relaislinsen 21 und 22 sind angeordnet, um eine Austrittspupille der Objektivlinse 2 und eine Position eines Hauptpunkts der Flüssiglinseneinrichtung 3 zu konjugieren, und führen eine Weiterleitung bzw. -gabe der Austrittspupille der Objektivlinse 2 durch, während ein telezentrisches optisches System beibehalten wird. Demgemäß verbleibt, selbst wenn die Brennpunktposition Pf geändert wird, eine Vergrößerungsleistung des Bilds, welches auf die Bilderfassungseinrichtung 17 auftrifft, konstant.
Wie dies in 8 gezeigt ist, beinhaltet eine Regel- bzw. Steuereinrichtung bzw. ein Controller 9A einen Bildprozessor 95. Der Bildprozessor 95 importiert und bearbeitet das Bild von der Bilderfassungseinrichtung 17. In diesem Beispiel ändert sich, während das Beobachtungslicht, welches zu dem Messobjekt W emittiert wird, konstant beleuchtet wird, die Brennpunktposition Pf periodisch. Daher ist das Bild, welches durch die Bilderfassungseinrichtung 17 erfasst bzw. aufgenommen wird, eine Mischung zwischen einem Bild, welches auf der Oberfläche des Messobjekts W fokussiert ist, und eines Bilds, welches nicht auf der Oberfläche fokussiert ist. Als ein Resultat ist das Bild verschwommen.
Der Bildprozessor 95 erzeugt ein Bild mit einer erweiterten Brennweite bzw. Tiefenschärfe durch ein Durchführen eines Entfaltungsbearbeitens an dem Bild, welches von der Bilderfassungseinrichtung 17 importiert wird. Betreffend ein spezifisches Verfahren des Entfaltungsbearbeitens kann beispielsweise auf die Japanische Patentoffenlegung Veröffentlichung Nr. 2015-104136 verwiesen werden.
In einem derartigen Verlagerungssensor 1A vom Nicht-Kontakttyp wird die Position der optischen Achse A der Oberfläche des Messobjekts W gemessen und es kann die Oberfläche des Messobjekts W auch erfasst werden. Demgemäß kann ein Zustand des Messobjekts W durch das Bild überprüft werden, während die Messung durchgeführt wird. Insbesondere kann, wenn das Messlicht in die Bilderfassungseinrichtung 17 eintritt, eine Position des Messabschnitts in dem Messobjekt W durch das Bild bestätigt werden. Zusätzlich ist das Bild mit erweiterter Brennweite ein Bild, wobei das Verwischen von dem erfassten Bild entfernt ist, und daher kann eine Beobachtung mit einem hohen Grad an Genauigkeit über den gesamten variablen Bereich der Brennpunktposition Pf in der Linse 10A mit variabler Brennweite durchgeführt werden. Zusätzlich verbleibt, selbst wenn die Brennpunktposition Pf geändert wird, eine Vergrößerungsleistung des Bilds, welches auf die Bilderfassungseinrichtung 17 auftrifft, konstant, und es ist daher möglich, eine exzellente Beobachtung ohne Fluktuationen in einem Blick- bzw. Gesichtsfeld aufzuweisen.
Modifikation
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt bzw. begrenzt und beinhaltet Modifikationen bzw. Abwandlungen und Verbesserungen innerhalb eines Bereichs, welcher zu einem Erzielen der Vorteile der vorliegenden Erfindung fähig ist.
In den verschiedenen, oben beschriebenen Ausführungsformen sind das Antriebssignal Cf und die Fluktuations-Wellenform Mf der Brennpunktposition Pf Sinuswellen, wobei sie jedoch stattdessen Dreieckwellen, Sägezahnwellen, Rechteckwellen oder einige andere Wellenformen sein können. Die spezifische Konfiguration der Flüssiglinseneinrichtung 3 kann entsprechend den Anforderungen modifiziert werden und eine Ummantelung bzw. ein Gehäuse 31 und ein vibrierendes Glied 32 können eine hexagonale zylindrische Form bzw. Gestalt oder dgl. verschieden von einer zylindrischen Form sein und diese Abmessungen und Eigenschaften der Flüssigkeit 35 können auch entsprechend den Anforderungen ausgewählt werden.
In den verschiedenen Ausführungsformen ist ein optisches Korrektursystem mit unendlichem Abstand (ein optisches System, wo das parallele Licht durch die kollimierende Linse 4 in die Linse 10 und 10A mit variabler Brennweite eintritt) durch die Linse 10 (10A) mit variabler Brennweite gemeinsam mit der kollimierenden bzw. Sammellinse 4 aufgebaut. Beispielsweise kann, wie dies in 9 gezeigt ist, in einem Verlagerungssensor 1B vom Nicht-Kontakttyp, welcher eine Modifikation der ersten Ausführungsform ist, ein optisches Korrektursystem mit endlichem bzw. finitem Abstand durch die Linse 10 mit variabler Brennweite ohne die kollimierende Linse 4 aufgebaut bzw. gebildet sein. Mit der oben beschriebenen Konfiguration kann ein ähnlicher Effekt zu demjenigen der ersten Ausführungsform erzielt bzw. erhalten werden.
In den verschiedenen Ausführungsformen kann ein Pinhole ohne den lichtleitenden Abschnitt 5 verwendet werden. Beispielsweise kann, wie dies in 10 gezeigt ist, ein Verlagerungssensor 1C vom Nicht-Kontakttyp, welcher eine Modifikation der ersten Ausführungsform ist, mit einem Strahlteiler 55 und Pinhole-Gliedern 56 und 57 anstelle des lichtleitenden Abschnitts 5 versehen sein. Spezifisch ist der Strahlteiler 55 derart konfiguriert, dass das Messlicht Lm, welches von der Lichtquelle 6 emittiert wird, in Richtung zu der kollimierenden Linse 4 gebogen bzw. abgelenkt wird, und Licht, welches von der Seite der kollimierenden Linse 4 eingetreten ist, zu der Seite des Pinhole-Glieds 57 hindurchtritt. Das Pinhole-Glied 56 ist zwischen dem Strahlteiler 55 und der Lichtquelle 6 angeordnet. Das Pinhole wird eine Punktlichtquelle, indem bewirkt wird, dass die Lichtquelle 6 das Messlicht Lm über das Pinhole des Pinhole-Glieds 56 emittiert. Das Pinhole-Glied 57 ist zwischen dem Strahlteiler 55 und dem Photodetektor 7 angeordnet und weist ein Pinhole auf, welches an dem Brennpunkt auf der rückwärtigen Seite der kollimierenden Linse 4 angeordnet ist. Das Messlicht Lm im Fokus mit dem und reflektiert durch das Messobjekt W tritt in den Photodetektor 7 nach einem Hindurchtreten durch das Pinhole des Pinhole-Glieds 57 ein. Mit der oben beschriebenen Konfiguration kann ein ähnlicher Effekt zu demjenigen der ersten Ausführungsform erzielt werden.
In den verschiedenen Ausführungsformen erhalten die Verlagerungssensoren 1 und 1A vom Nicht-Kontakttyp den Brennpunkt-Zeitpunkt T unter Verwendung eines konfokalen Punktverfahrens bzw. Verfahrens eines konfokalen Punkts, wobei jedoch die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt bzw. begrenzt ist. Spezifisch können die Verlagerungssensoren 1 und 1A vom Nicht-Kontakttyp den Brennpunkt-Zeitpunkt unter Verwendung von anderen Brennpunkt-Detektionsverfahren, wie beispielsweise einem Verfahren mit doppeltem Pinhole, einem astigmatischen Verfahren, einem Messerschneiden- bzw. -kantenverfahren und dgl. erhalten. Beispielsweise kann, wenn die Verlagerungssensoren 1 und 1A vom Nicht-Kontakttyp ein optisches System eines Typs mit doppeltem Pinhole konfigurieren bzw. aufbauen, der Brennpunkt-Zeitpunkt T erhalten werden, indem ein Photodetektor jeweils vor und nach der Brennpunktposition vorgesehen wird, welche eine konjugierte Beziehung zu der Brennpunktposition Pf bildet, und eine Berechnung basierend auf dem Photodetektionssignal durchgeführt wird, welches von dem jeweiligen Photodetektor ausgegeben wird. In dem Verfahren mit konfokalem Punkt muss eine Spitzenposition des Photodetektionssignals Sm detektiert werden, um den Brennpunkt-Zeitpunkt T zu erhalten. Obwohl die Berechnung der Detektion kompliziert ist, verwenden jedoch, verglichen mit dem Verfahren des konfokalen Punkts, das Verfahren mit doppeltem Pinhole, das astigmatische Verfahren und das Messerschneidenverfahren eine einfachere Berechnung, welche erforderlich ist, um den Brennpunkt-Zeitpunkt T zu erhalten. Daher kann durch ein Anwenden dieser Verfahren die Betriebs- bzw. Betätigungszeit verringert werden, um eine Hochgeschwindigkeitsmessung durchzuführen.
In den verschiedenen Ausführungsformen wird als die Verzögerungszeit Δt des Brennpunkt-Zeitpunkts T relativ zu dem Referenzsignal Sc eine Zeit von einer ansteigenden Zeit des Referenzsignals Sc bis zu dem Brennpunkt-Zeitpunkt T unmittelbar nach dem Referenzsignal Sc gemessen. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann die Messung von der ansteigenden Zeit des Referenzsignals Sc gestartet werden. Zusätzlich kann, anstelle der Zeit von dem Referenzsignal Sc zu dem ersten Brennpunkt-Zeitpunkt T, eine Zeit von dem Referenzsignal Sc zu dem zweiten Brennpunkt-Zeitpunkt T gemessen werden.
In den verschiedenen Ausführungsformen sind die Verlagerungssensoren 1 und 1A vom Nicht-Kontakttyp mit der Referenzsignal-Ausgabeeinrichtung 82 versehen, und der Signalprozessor 92 berechnet die Phase φ des Brennpunkt-Zeitpunkts T basierend auf der Verzögerungszeit Δt des Brennpunkt-Zeitpunkts T relativ zu dem Referenzsignal Sc. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise müssen die Verlagerungssensoren 1 und 1A vom Nicht-Kontakttyp nicht die Referenzsignal-Ausgabeeinrichtung 82 beinhalten. In diesem Fall kann der Signalprozessor 92 die Phase φ des Brennpunkt-Zeitpunkts T basierend auf der Zeitdifferenz zwischen zwei des Brennpunkt-Zeitpunkts T berechnen, welche in einem Zyklus des Antriebssignals Cf aufscheinen. Spezifisch kann der Signalprozessor 92 die Phase φ des Brennpunkt-Zeitpunkts T basierend auf einer Formel (2) unter Verwendung einer Frequenz f des Antriebssignals Cf und einer Verzögerungszeit Δta der zwei Brennpunkt-Zeitpunkte T berechnen. $φ = π [1 - f (Δ ta)]$
Gemäß diesem Verfahren kann die Phase φ des Brennpunkt-Zeitpunkts T durch eine einfachere Berechnung berechnet werden. Alternativ können die Verlagerungssensoren 1 und 1A vom Nicht-Kontakttyp die Phase φ des Brennpunkt-Zeitpunkts T unter Verwendung einer Berechnung oder dgl. basierend auf den Sinuswellen erhalten, welche durch das Antriebssignal Cf gezeigt sind bzw. werden.
In den verschiedenen Ausführungsformen erhält der Signalprozessor 92 die Position Pw des Messobjekts durch eine Bezugnahme auf die Tabelle 94, wo die Verzögerungszeit Δt und die Position Pw des Messobjekts miteinander assoziiert sind. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann der Signalprozessor 92 die Position Pw des Messobjekts durch ein Verwenden eines Berechnungsausdrucks berechnen, welcher eine Beziehung zwischen der Verzögerungszeit Δt und der Position Pw des Messobjekts ausdrückt.
In den verschiedenen Ausführungsformen kann, anstelle der Linsen-Regel- bzw. -Steuereinrichtung 8, welche die Referenzsignal-Ausgabeeinrichtung 82 enthält, die Regel- bzw. Steuereinrichtung bzw. der Controller 9 die Referenzsignal-Ausgabeeinrichtung beinhalten. Alternativ kann die Referenzsignal-Ausgabeeinrichtung getrennt von der Linsen-Regel- bzw. -Steuereinrichtung 8 und der Regel- bzw. Steuereinrichtung 9 konfiguriert bzw. gebildet sein. Zusätzlich können die Linsen-Regel- bzw. -Steuereinrichtung 8 und die Regel- bzw. Steuereinrichtung 9 als eine integrierte Regel- bzw. Steuervorrichtung konfiguriert bzw. gebildet sein.
In der zweiten Ausführungsform wird das Bild mit vergrößerter Brennweite bzw. Tiefenschärfe durch ein Durchführen des Entfaltungsbearbeitens an dem Bild erzeugt bzw. generiert, welches sich außerhalb des Fokus bzw. Brennpunkts befindet. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann in der zweiten Ausführungsform die Lichtquelle 112 der Beleuchtungseinrichtung 11 ein Typ sein, welcher eine Pulsemission durchführt. In diesem Fall ist bzw. wird beispielsweise die Lichtquelle 112 durch eine Regel- bzw. Steuereinrichtung 9A geregelt bzw. gesteuert. Die Lichtquelle 112 emittiert vorzugsweise Licht durch die Phase relativ zu dem Antriebssignal Cf und ein Lichtemissionssignal, welches basierend auf der Amplitude eingestellt bzw. festgelegt wird. Demgemäß kann ein gewünschtes Bild an der gewünschten Brennpunktposition Pf erhalten werden.
Die vorliegende Erfindung kann als ein Verlagerungssensor vom Nicht-Kontakttyp verwendet werden, welcher eine Konfiguration bzw. einen Aufbau und einen Prozess vereinfachen kann.
Es wird festgehalten bzw. angemerkt, dass die vorangehenden Beispiele lediglich für den Zweck einer Erklärung bzw. Erläuterung zur Verfügung gestellt wurden und keinesfalls als die vorliegende Erfindung beschränkend bzw. begrenzend aufzufassen bzw. auszulegen sind. Während die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, ist zu verstehen, dass die Worte, welche hierin verwendet wurden, Worte einer Beschreibung und Illustration, eher als Worte einer Beschränkung sind. Änderungen können innerhalb des Geltungsbereichs der beigeschlossenen Ansprüche, wie sie gegenwärtig formuliert und wie sie geändert sind bzw. werden, durchgeführt werden, ohne von dem Rahmen bzw. Geltungsbereich und Geist der vorliegenden Erfindung in ihren Aspekten abzuweichen. Obwohl die vorliegende Erfindung hierin unter Bezugnahme auf besondere Strukturen, Materialien und Ausführungsformen beschrieben wurde, ist für die vorliegende Erfindung nicht beabsichtigt, dass sie auf die hierin geoffenbarten Besonderheiten beschränkt bzw. begrenzt ist; eher erstreckt sich die vorliegende Erfindung auf alle funktionell äquivalenten Strukturen, Verfahren und Verwendungen, welche innerhalb des Rahmens bzw. Geltungsbereichs der beigeschlossenen Ansprüche liegen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt bzw. begrenzt und verschiedene Abwandlungen und Modifikationen können möglich sein, ohne von dem Rahmen der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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 2018144933 [0001]

Claims

Verlagerungssensor vom Nicht-Kontakttyp, umfassend: eine Lichtquelle, welche Messlicht emittiert; eine Flüssiglinse, in welcher sich ein Brechungsindex periodisch in Antwort auf ein eingegebenes Antriebssignal ändert; eine Objektivlinse, welche zu einem messbaren Objekt das Messlicht emittiert, welches von der Lichtquelle emittiert wurde und welches durch die Flüssiglinse hindurchgetreten ist; einen Photodetektor, welcher das Messlicht empfängt, welches durch das messbare Objekt reflektiert wird, und welcher ein Photodetektionssignal ausgibt; und einen Signalprozessor, welcher Brennpunkt-Zeitpunkte, bei welchen sich das Messlicht im Brennpunkt auf einer Oberfläche des messbaren Objekts befindet, basierend auf dem Photodetektionssignal berechnet, welches von dem Photodetektor ausgegeben wird, und welcher eine Position des messbaren Objekts basierend auf einer Phase eines Brennpunkt-Zeitpunkts relativ zu einem Zyklus des Antriebssignals erhält.
Verlagerungssensor vom Nicht-Kontakttyp nach Anspruch 1, weiters umfassend: eine Linsen-Regel- bzw. -Steuereinrichtung, welche als eine Bezugssignal-Ausgabeeinrichtung arbeitet, welche ein Bezugssignal ausgibt, welches mit dem Antriebssignal synchronisiert ist, wobei der Signalprozessor die Phase des Brennpunkt-Zeitpunkts relativ zu dem Zyklus des Antriebssignals basierend auf einer Verzögerungszeit des Brennpunkt-Zeitpunkts relativ zu dem Referenzsignal berechnet.
Verlagerungssensor vom Nicht-Kontakttyp nach Anspruch 1, wobei der Signalprozessor die Phase des Brennpunkt-Zeitpunkts relativ zu dem Zyklus des Antriebssignals basierend auf einer Zeitdifferenz zwischen zwei Brennpunkt-Zeitpunkten berechnet, welche in einem Zyklus des Antriebssignals auftreten bzw. erscheinen.
Verlagerungssensor vom Nicht-Kontakttyp nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiters umfassend: eine Beleuchtungseinrichtung, welche Beobachtungslicht zu dem messbaren Objekt über die Objektivlinse emittiert; eine Abbildungslinse, welche das Beobachtungslicht bildet, welches durch die Objektivlinse und die Flüssiglinse hindurchgetreten ist, nachdem es durch das messbare Objekt reflektiert wurde; und einen Bildsensor, welcher ein Bild erfasst, welches durch die Abbildungslinse gebildet wird.
Verlagerungssensor vom Nicht-Kontakttyp nach Anspruch 4, weiters umfassend einen Bildprozessor, welcher ein Entfaltungsbearbeiten an dem Bild durchführt, welches durch den Bildsensor erfasst bzw. aufgenommen wird.
Verlagerungssensor vom Nicht-Kontakttyp nach Anspruch 4 oder 5, weiters umfassend eine Mehrzahl von Relaislinsen, welche angeordnet sind, um eine Austrittspupille der Objektivlinse und eine Position eines Hauptpunkts der Flüssiglinse zu konjugieren.