DE10305645A1

DE10305645A1 - Versetzungssensor

Info

Publication number: DE10305645A1
Application number: DE10305645A
Authority: DE
Inventors: Tetsuya Uno; Takahiro Suga; Hiroaki Takimasa
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2002-02-15
Filing date: 2003-02-11
Publication date: 2003-10-02
Anticipated expiration: 2023-02-12
Also published as: CN1448692A; JP2003240509A; TW200401098A; US20030179387A1; CN1249403C; DE10305645B4; JP3809803B2; TW583388B; US6995849B2; CN2622674Y

Abstract

Ein Versetzungssensor ist versehen mit: einer Lichteinstrahleinheit; einer Lichtempfangseinheit mit einer Lichtabschirmmaske und einem Lichtempfangselement; einem ersten Lichtbündelungselement, welches von der Lichteinstrahleinheit abgegebene Lichtströme auf ein Messobjekt bündelt; einem zweiten Lichtbündelungselement, welches reflektierte Lichtströme auf die Lichtempfangseinheit bündelt; einem ersten Lichtwegsteuerelement, welches es erlaubt, dass eine Einstrahllicht-Lichtachse und eine Empfangslicht-Lichtachse koaxial auf der Messobjektseite eingerichtet sind; und einem Lichtweglängen-Durchfahrmechanismus, welcher kontinuierlich eine Lichtweglänge von der Lichteinstrahleinheit zum Messobjekt und eine Lichtweglänge vom Messobjekt zur Lichtempfangseinheit verändert, wobei in dieser Anordnung die Lichtabschirmmaske in einem Lichtweg von dem zweiten Lichtbündelungselement zum Lichtempfangselement angeordnet ist, so dass, wenn die Lage, an welcher Lichtströme durch das zweite Lichtbündelungselement gebündelt werden, durch den Lichtweglängen-Durchfahrmechanismus geändert wird, das Verhältnis, in welchem ein Teil der reflektierten Lichtströme abgeschirmt wird, geändert wird, wobei das Lichtempfangselement Lichtströme empfangen kann, die durch die Lichtabschirmmaske hindurchgegangen sind, so dass Information in Bezug auf einen Abstand zum Messobjekt beruhend auf dem Ausgangssignal des Lichtempfangselements, das durch den Lichtweglängen-Durchfahrmechanismus verändert wird, ...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Versetzungssensor, welcher eine Versetzung eines Messobjekts in einem berührungslosen Zustand misst.

Beschreibung des Standes der Technik

Auf dem technischen Gebiet beispielsweise der FA (Fabrikautomation) werden bereits viele Versetzungssensoren bei Lagekontrollprozessen für Herstellungsvorrichtungen, die zur Herstellung von Produkten verwendet werden, oder Lagekontrollprozessen für Produkte in Bezug auf die Herstellungsvorrichtungen oder Inspektionsprozessen für Produkte oder dergleichen verwendet. Diese Versetzungssensoren verwenden im Allgemeinen ein Trianguliexungsvermessungssystem. In diesem System wird Licht auf ein Messobjekt aufgebracht und das vom Messobjekt reflektierte Licht durch ein Lagefeststellungselement und dergleichen festgestellt und beruhend auf der Lageänderung des Schwerpunkts eines Lichtempfangspunkts auf dem Lagenachweiseelement, der sich gemäß der Versetzung des Messobjekts ändert, die Versetzungsgröße gemessen.
Bei diesem Versetzungssensor im Triangulierungsvermessungssystem ist es nicht möglich, die Größe des auf das Messobjekt aufgebrachten Lichtpunkts auf kleiner Punktgröße entsprechend der Beugungsgrenze zu halten. Wie in Fig. 48 gezeigt, ist, selbst wenn kohärentes Licht von beispielsweise einem als Lichtquelle dienenden Laser 1001 durch Verwenden einer Linse 1002 konvergent gemacht wird, eine Punktgröße, die der Beugungsgrenze entspricht, nur an einem Punkt, der mit dem Bezugszeichen 1006 bezeichnet ist, wie durch eine durchgehende Linie angegeben, gewonnen und an nahezu allen anderen Positionen ist die Punktgröße aufgeweitet. Selbst wenn das von einem solchen aufgeweiteten Einstrahlungslicht auf dem Messobjekt 1005 hergeleitete reflektierte Licht auf einem Lagenachweiselement 1004 durch eine Linse 1003 gebündelt wird, hat der sich ergebende Lichtempfangspunkt eine aufgeweitete Form, wie durch eine unterbrochene Linie angegeben.
Jedes Messobjekt hat hierbei infolge einer feinen Oberflächenrauigkeit und einer Farbungleichmäßigkeit Irregularitäten in der Reflexionsintensität, solange es keine vollständige Spiegeloberfläche aufweist. Folglich treten Leuchtdichteirregularitäten im reflektierten Lichtpunkt auf dem Messobjekt auf, was zu einer Lageänderung des Schwerpunkts des Lichtempfangspunkts auf dem Lagenachweiselement führt. Anders ausgedrückt, bewirkt selbst dann, wenn das Versetzungsausmaß beim Messobjekt 0 ist, ein Lageunterschied auf der Oberfläche des Messobjekts eine Änderung der Lage des Schwerpunktes des Lichtempfangspunkts auf dem Lagenachweiselement infolge von Irregularitäten der Reflexionsintensität, mit dem Ergebnis, dass der Versetzungsmesswert als das Ergebnis von Messungen unterschiedlich wird. Dies bewirkt einen Messfehler und stört hochgenaue Messprozesse.
Hinsichtlich eines Versetzungssensors, der diesen Messfehler vermeidet, wurde herkömmlicherweise eine Vorrichtung in der japanischen Patentanmeldung, Offenlegungsnummer 7-113617 vorgeschlagen. Die in diesem Amtsblatt vorgeschlagene Technik, unterschiedlich zum Triangulierungsvermessungssystem, wird durch Wobbeln der Linse in der Versetzungsmessrichtung die Lichtbündelungsposition des Bestrahlungslichtstroms geändert, und beruhend auf der Tatsache, dass, wenn die Lichtbündelungsposition des Bestrahlungslichstromes mit der Position des Messobjekts zusammenfällt, die Größe des Lichtempfangspunktes des reflektierten Licht minimiert ist, das Versetzungsausmaß gemessen. Gemäß diesem Verfahren ist es, da die Lage des Schwerpunkts des Lichtempfangspunkts des reflektierten Lichts verwendet wird, möglich, Versetzungsmessungen ohne nachteilige Auswirkungen durch die Irregularitäten der Reflexionsintensität durchzuführen.
Da bei dem Versetzungssensor dieser Art der Überstreichvorgang unter Verwendung der an einer Stimmgabel angebrachten Linse durchgeführt wird, besteht jedoch eine Begrenzung hinsichtlich der Erhöhung der Überstreichfrequenz. Dies liegt daran, dass die Linse, die eine bestimmte Größe haben muss, um den durch die Beugungsgrenze bestimmten Punktdurchmesser zu verringern, um eine ausreichende Lichtempfangsmenge aufrechtzuerhalten, nicht miniaturisiert werden kann. Dies bewirkt eine Verminderung der Eigenfrequenz, was es schwierig macht, die Überstreichfrequenz zu erhöhen. Die niedrige Überstreichfrequenz verlängert die Zeit, die für Messungen der Versetzungsgröße an einem Punkt erforderlich ist. Im Falle von Messungen an mehreren Punkten oder im Falle, dass Messwerte an ein- und demselben Punkt gemittelt werden, um Messwerte mit höherer Genauigkeit zu erhalten, wird die Messzeit proportional zur Anzahl der Messpunkte oder der Anzahl von Mittelungsvorgängen länger.
Ferner wird ein Versetzungssensor dieser Art oft für Messungen der Form eines Objekts mit hoher Genauigkeit verwendet, und in einem solchen Fall sind eine große Anzahl von Messpunkten erforderlich und Mittelungsvorgänge für Messungen mit höherer Präzision oft erforderlich. In einer Anstrengung, die Form eine Messobjekts mit hoher Genauigkeit zu messen, erreicht die Gesamtmesszeit, wenngleich dies von den Anwendungen abhängt, oftmals eine Größenordnung von Sekunden bis zu Minuten, was einen Schritt bewirkt, der die Anzahl von Produkten begrenzt. Wenn einige der Inspektionsvorgänge weggelassen werden, um die Gesamtmesszeit zu verkürzen, kann es dazu kommen, dass fehlerhafte Produkte einem Verwerfen entgehen, und wenn die Anzahl von Mittelungsprozessen des Messwerts vermindert wird, ergibt sich eine Verschlechterung des Messgenauigkeit.
Da ferner die Eigenfrequenz insgesamt durch die Linse und die Stimmgabel bestimmt wird, und da die Überstreichfrequenz im Wesentlichen durch die Eigenfrequenz bestimmt wird, ist es nicht möglich, ohne Schwierigkeiten den Nachweisabstand und den Versetzungsmessbereich durch Austausch von Linsen zu ändern. Dies liegt daran, dass der Austausch von Linsen eine Änderung der Überstreichfrequenz erfordert, was Änderungen in den Verarbeitungsschaltungen, den Stimmgabel- Ansteuerspulen und dergleichen bewirkt. In einer Anstrengung, Änderungen des Nachweisabstandes und des Versetzungsmessbereichs ohne Änderung der Überstreichfrequenz vorzunehmen, ist es erforderlich, die optischen Eigenschaften der Linse in einer ausgleichenden Weise durch gesondertes Hinzufügen einer Anzahl von Linsen im Lichtweg unter Beibehaltung der mit der Stimmgabel integrierten Linse, so wie sie ist, zu ändern oder das gesamte optische System so neu auszulegen, dass nach Änderung der Linse, die dem Wobbelvorgang zu unterwerfen ist, die Überstreichfrequenz auf dem gleichen Wert gehalten wird. Wenn eine Anzahl von Linsen hinzugefügt wird, wird die Außenform größer, was hohe Kosten bewirkt. In einem Fall, wo der Sensor ansprechend auf den Nachweisabstand und den Versetzungsmessbereich entsprechend dem veränderten Messobjekt und der veränderten Form der Vorrichtung neu konstruiert und ausgelegt wird, sind hohe Entwicklungskosten und dergleichen erforderlich, was ebenfalls zu hohen Kosten führt.

Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die oben erwähnten herkömmlichen Probleme zu lösen, und ihre Aufgabe ist es, einen Versetzungssensor zu schaffen, welcher Versetzungsmessvorgänge mit hoher Genauigkeit, praktisch ohne nachteilige Wirkungen von Irregularitäten der Reflexionsintensität zu erhalten, durchführen und die für die Messung erforderliche Zeit verkürzen kann.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ferner einen Versetzungssensor zu schaffen, welcher eine Anordnung aufweist, die in der Lage ist, Linsen auszutauschen, so dass der Nachweisabstand und der Versetzungsmessbereich ohne Schwierigkeiten geändert werden, und der auch verschiedenen individuellen Anwendungen angepasst ist.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ferner, einen Versetzungssensor zu schaffen, der so ausgelegt ist, dass Linsen verschiedener Arten bei dem Herstellungsprozess leicht ausgewählt werden, und der ohne Schwierigkeiten bei niedrigen Kosten hergestellt wird und dabei gleichzeitig für eine Kombination, die aus einem weiten Bereich von Kombinationen aus Nachweisabstand und Versetzungsmessbereich ausgewählt ist, eingerichtet ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Unter Bezug auf Bezugszeichen der Fig. 1 und 2, die zwei Beispiele von Aspekten zur bequemeren Erläuterung zeigen, wird die folgende Beschreibung die vorliegende Erfindung diskutieren. Wenn Bezugszeichen zwischen den Fig. 1 und 2 verschieden sind, wird das Bezugszeichen der Fig. 1 vor einen Schrägstrich "/" und dasjenige der Fig. 2 hinter diesen gesetzt. Der Versetzungssensor der vorliegenden Erfindung ist versehen mit: einer Lichteinstrahleinheit (1); einer Lichtempfangseinheit (9), die eine Lichtabschirmmaske (901a) und ein Lichtempfangselement (902a) aufweist; einem ersten Lichtbündelungselement (3, 5, 7/14), welches Lichtströme, die von der oben erwähnten Lichteinstrahleinheit abgegeben werden, auf ein Messobjekt bündelt; einem zweiten Lichtkonvertierungselememt (7, 5, 3/15), welches Lichtströme, die von dem oben erwähnten Messobjekt (8) reflektiert werden, auf die oben erwähnte Lichtempfangseinheit (9) bündelt; einem ersten Lichtwegsteuerelement (2), welches in einen Lichteinstrahlweg, der sich von der oben erwähnten Lichteinstrahleinheit (1) zu dem Messobjekt (8) erstreckt, sowie in einem Empfangslichtweg, der sich vom Messobjekt (8) zu der oben erwähnten Lichtempfangseinheit (9) erstreckt, angeordnet ist und es erlaubt, dass eine Einstrahllicht- Lichtachse, die durch das oben erwähnte erste Lichtbündelungselement (3, 5, 7/14) und die oben erwähnte Lichteinstrahleinheit (1) spezifiziert ist, und eine Empfangslicht- Lichtachse, die durch das oben erwähnte zweite Lichtempfangselement (7, 5, 3/15) und die oben erwähnte Lichtempfangseinheit (9) spezifiziert ist, messobjektseitig (Messobjekt (8)) koaxial eingestellt werden; und einem Lichtweglängen-Überstreichmechanismus (6), welcher in einem Lichtweg, in welchem die Einstrahllicht-Lichtachse und die Empfangslicht-Lichtachse koaxial eingestellt sind, sowie an einer Position, an der Lichtströme im Einstrahllichtweg und die Lichtströme im Empfangslichtweg nicht-kollimiert eingestellt sind, angeordnet ist und eine Lichtweglänge von der Lichteinstrahleinheit zum Messobjekt und eine Lichtweglänge vom Messobjekt zur Lichtempfangseinheit kontinuierlich ändert. Die oben erwähnte Lichtabschirmmaske ist in einem Lichtweg von dem oben erwähnten zweiten Lichtbündelungselement (7, 5, 3/15) zu dem oben erwähnten Lichtempfangselement (902a) angeordnet, so dass, wenn die Position, an welcher von den oben erwähnten Messobjekten (8) reflektierte Lichtströme durch das oben erwähnte zweite Lichtbündelungselement (7, 5, 3/15) gebündelt werden, durch ein Arbeiten des oben erwähnten Lichtweglängen-Durchfahrmechanismus geändert wird, das Verhältnis, in welchem ein Teil der reflektierten Lichtströme durch die oben erwähnte Lichtabschirmmaske (901a) abgeschirmt wird, geändert wird. Das oben erwähnte Lichtempfangselement (902a) kann Lichtströme empfangen, die durch die oben erwähnte Lichtabschirmmaske (901a) hindurch gegangen sind. Der Versetzungssensor der vorliegenden Erfindung hat die oben erwähnte Anordnung, so dass Information in Bezug auf einen Abstand zum Messobjekt (8) beruhend auf dem Ausgangssignal des Lichtempfangselements (902a) gewonnen wird, das sich durch das Arbeiten des oben erwähnten Lichtweglängen-Durchfahrmechanismus (6) ändert.

Die folgende Beschreibung wird das Arbeitsprinzip des Versetzungssensors der vorliegenden Erfindung diskutieren. Von der Lichteinstrahleinheit abgegebene Lichtströme werden durch das erste Lichtbündelungselement gebündelt, und die reflektierten Lichtströme werden durch das zweite Lichtbündelungselement auf die Lichtabschirmmaske der Lichtempfangseinheit gebündelt. Hierzu werden verschiedene Formen der Lichtempfangsmaske vorgeschlagen, und beispielsweise wird im Falle einer Maske mit einem darin ausgebildeten Nadelloch während des Vorgangs, in dem Punktgröße der reflektierten Lichtströme auf der Abschirmmaske verändert wird, die Empfangslichtmenge der Empfangseinheit maximiert, wenn die Punktgröße minimiert ist und der größte Teil der reflektierten Lichtströme durch das Nadelloch verlaufen kann.

Die Lichtbündelungsposition von auf das Messobjekt aufgebrachten Lichtströmen wird durch das Arbeiten des Lichtweglängen-Durchfahrmechanismus verändert. Die Lichtweglänge bezieht sich hierbei auf eine Lichtweglänge von der Einstrahleinheit zum Messobjekt sowie einen Lichtweg vom Messobjekt zur Lichtempfangseinheit. In dem Fall beispielsweise, in dem der Lichtweglängen-Durchfahrmechanismus im Neutralzustand gehalten wird, und unter der Annahme, dass sich das Messobjekt an einer solchen Stelle befindet, dass die von der Lichteinstrahleinheit abgegebenen Lichtströme darauf gebündelt werden, sind, wenn Lichtweglängen- Durchfahrmechanismus dazu kommt, die Lichtweglänge zu verkürzen (Fig. 3), die Lichtströme noch nicht gebündelt (falls kein Messobjekt vorhanden ist, gebündelt auf eine Position, die weiter weg von der entsprechenden Position desselben ist).

Wenn das Messobjekt ein Spiegelflächenobjekt ist, sind hierbei die vom Messobjekt reflektierten Lichtströme nicht vollständig auf die Lichtabschirmmaske, wie in Fig. 4 gezeigt, gebündelt, was eine Verminderung der Emfangslichtmenge in der Lichtempfangseinheit bewirkt, da die Punktgröße der Lichtströme auf der Lichtabschirmmaske verhältnismäßig groß ist.

Wenn das Messobjekt ein streureflektierendes Objekt ist, wird die Empfangslichtmenge der Lichtempfangseinheit ebenfalls kleiner, da die Lichtströme auf das Messobjekt aufgeweitet sind (Fig. 5) und da die reflektierten Lichtströme nicht zur Ausbildung eines Bildes auf der Lichtabschirmmaske gebündelt werden (d. h. zur Ausbildung eines Bildes an einer Stelle, die näher zur Lichtempfangselementseite liegt als die Abschirmmaske).

Im Gegensatz dazu können sich, wenn der Lichtweglängen- Durchfahrmechanismus die Lichtweglänge größer macht, die Lichtbündelungspositionen der reflektierten Lichtströme aus den Einstrahlungslichtströmen und dem Messobjekt sich nach entgegengesetzten Seiten zu den oben erwähnten Positionen in Bezug auf die Lichtbündelungsposition der reflektierten Lichtströme im Neutralzustand des Lichtweglängen- Durchfahrmechanismus verschieben; In der gleichen Weise wie im Falle einer kurzen Lichtweglänge werden also die Lichtströme auf die Lichtabschirmmaske vergleichsweise größer, was zu einer Verminderung der Empfangslichtmenge führt.

Wie oben beschrieben wird, wenn ein Nadelloch in der Lichtabschirmmaske ausgebildet ist in beiden Fällen, nämlich wenn das Messobjekt ein Spiegelflächenobjekt und wenn es ein streureflektierendes Objekt ist, die Empfangslichtmenge maximiert, wenn die Lichtbündelungsposition der Einstrahlungslichtströme durch das Arbeiten des Lichtweglängen- Durchfahrmechanismus mit dem Messobjekt in Übereinstimmung gebracht wird, was zu einem maximalen Ausgangssignal der Lichtempfangseinheit führt.

Die Versetzung wird anhand des oben erwähnten Ausgangssignals nach der folgenden Methode aufgefunden. Fig. 6 zeigt eine Änderung der Lichtweglänge ansprechend auf das Arbeiten des Lichtweglängen-Durchfahrmechanismus sowie eine Änderung des Ausgangssignals der Lichtempfangseinheit. Der Maximalwert des Ausgangssignals wird gewonnen, wenn der Lichtweglängen-Durchfahrmechanismus einen Durchfahrvorgang der Lichtweglänge so ausgeführt hat, dass die die Einstrahlungslichtströme auf dem Objekt zur Bündelung gebracht werden. In Fig. 6 ist die Änderungsgröße der Lichtweglänge zu dieser Zeit auf X1 eingerichtet. Die Lichtbündelungsposition der Einstrahlungslichtströme auf dem Messobjekt liefert eine Eins-zu-Eins-Entsprechung in Bezug auf die Änderungsgröße der Lichtweglänge, so dass durch vorab erfolgendes Auffinden einer Gleichung, welche die auf den Durchfahrvorgang zurückgehende Änderung der Lichtweglänge in die Änderungsgröße der Lichtbündelungsposition umwandelt, es möglich wird, die Versetzungsgröße des Messobjekts anhand der Änderungsgröße der Lichtweglänge zu der Zeit, zu der das Ausgangssignal der Lichtempfangseinheit maximiert ist, durch dauerndes Messen der Änderungsgröße der Lichtweglänge direkt oder indirekt unter Verwendung eines Sensors oder dergleichen aufzufinden.

Nicht beschränkt auf die Anordnung mit einem Nadelloch, kann die Lichtabschirmmaske durch Schneiden unter Verwendung von zweiteiligen Photodioden (ein Element, in dem zwei Photodioden nebeneinander angeordnet sind) als Lichtempfangselement gebildet sein; Versetzungsmessungen können also auch so ausgeführt werden. Die folgende Beschreibung wird das Prinzip in diesem Fall diskutieren.

Fig. 7 zeigt einen Zustand, der dem oben erwähnten Zustand der Fig. 1 entspricht, in welchem Einstrahlungslichtströme auf das Messobjekt gebündelt worden sind. Die Kante der Schneide wird hierbei in einer solchen Weise angeordnet, dass sie mit der Lichtbündelungsposition der reflektierten Lichtströme zusammenfällt, und die zweigeteilten Photodioden, die als Lichtempfangselement dienen, werden so eingestellt, dass die Empfangslichtmengen der beiden Photodioden gleich gemacht sind. Fig. 8 zeigt einen Zustand, in welchem die Lichtweglänge infolge des Durchfahrvorgangs der Lichtweglänge gekürzt ist, d. h. einen Zustand, der dem Zustand der Fig. 4 entspricht, wobei zu der Photodiode auf der linken Seite gerichtete Lichtströme durch die Schneide abgeschirmt werden. Im Gegensatz dazu zeigt Fig. 9 einen Zustand, in welchem die Lichtweglänge vergrößert ist, wobei zu der Photodiode auf der rechten Seite gerichtete Lichtströme durch die Schneide abgeschirmt werden. Wie diese Figuren deutlich zeigen, können, wenn Einstrahlungslichtströme auf das Messobjekt gebündelt werden, die beiden Photodioden der zweiteiligen Photodiode das gleiche Ausgangssignal haben, während, wenn diese nicht aus dieses gebündelt sind, die Ausgabe einer der Photodioden größer wird. Um daher eine Versetzung unter Verwendung der Ausgangssignale aufzufinden, kann in obigem Verfahren der Versetzungsmessvorgang in der gleichen Weise durch Ersetzen des Zeitpunkts, zu dem das Ausgangssignal des Lichtempfangselements eine Spitze hat, durch den Zeitpunkt, zu dem die Ausgaben der beiden Photodioden der zweigeteilten Photodioden miteinander in Übereinstimmung gebracht sind, ersetzt werden.

Gemäß dieser Erfindung ist es, da die Messungen beruhend auf der Lichtweglänge, wenn die Lichtströme zu einem feinen Punkt auf dem Messobjekt ausgebildet sind, ausgeführt werden, möglich, Versetzungsmessungen ohne störende Beeinflussung durch Unregelmäßigkeiten der Reflexionsintensität des Messobjekts durchzuführen. Ferner wird, anders als bei einem Verfahren, bei dem die Lichtbündelungsposition von Einstrahlungslichtströmen unter Halten der Lichtweglänge von der Lichteinstrahleinheit zum Messobjekt auf einem konstanten Wert geändert wird, wie etwa bei einem Verfahren zum Überstreichen mit einer Linse großer Abmessung und Masse, die Lichtkonvergierungsfunktion durch Verwenden eines unbeweglichen Lichtempfangselements durchgeführt, wobei der Lichtweglängen-Durchfahrmechanismus, der eine Funktion zur Änderung der Lichtweglänge ohne eigene Lichtbündelungsfunktion hat, in getrennter Weise angeordnet ist; es ist also möglich, eine geringe Größe und ein geringes Gewicht des Lichtweglängen-Durchfahrmechanismus zu erzielen. Es wird also möglich, die Durchfahrfrequenz zu erhöhen, und auch, die Zeit, die für Messungen für einen Punkt erforderlich ist, zu verkürzen. Die Antwortzeit bezieht sich auf die Zeit, die vom Beginn der Messungen bis zur Ausgabe der Messergebnisse benötigt wird, und bei dem vorliegenden Sensor ist die Zeit, die für den Ausgabevorgang benötigt wird, sehr kurz, verglichen mit der Messzeit, unabhängig von der Anzahl der Messpunkte, Mittelungsvorgänge eingeschlossen, wobei der größte Teil der Antwortzeit von der Messzeit eingenommen wird; durch Verkürzen der für die Messungen benötigten Zeit unter Verwendung des vorliegenden Aspekts wird es möglich, Messungen mit kurzer Antwortzeit zu erreichen. Ferner ist es im Falle einer festen Antwortzeit möglich, Messungen zu erzielen, die weniger anfällig auf Messfehler bei hoher Genauigkeit sind, indem die Anzahl der Mittelungsvorgänge erhöht wird.

In Bezug auf die Lichteinstrahleinheit ist es, wenn der Lichtabgabebereich der Lichtquelle groß ist, bevorzugt, den tatsächlichen Lichtabgabebereich kleiner zu machen, indem etwa eine Methode verwendet wird, dass von der Lichtquelle abgegebenes Licht einmal durch ein Nadelloch geführt wird. Dies deshalb, weil, wenn der Lichtabgabebereich zu groß ist, die minimale Punktgröße der Lichtströme, die auf dem Messobjekt auszubilden ist, wenn der Durchfahrvorgang der Lichtweglänge mit dem Lichtweglängen-Durchfahrmechanismus ausgeführt wird, groß und anfällig auf nachteilige Beeinflussungen durch Irregularitäten der Reflexionsintensität des Messobjekts wird. Hierbei bezieht sich die Lichteinstrahleinheit in "Lichteinstrahl-Lichtachse", die durch das erste Lichtbündelungselement und die Lichteinstrahleinheit bestimmt ist", auf eine Lichtabgabeposition der Lichtquelle, und die Mitte der Lichtabgabefläche und deren Schwerpunkt werden typischerweise als die Lichtabgabeposition angenommen. In dem Fall, in dem das Nadelloch, wie oben beschrieben, verwendet wird, kann die Position in der Mitte des Nadellochs als solche Position verwendet werden.

Im dem Fall, wo die Lichtabschirmmaske als Maske mit einem darin ausgebildeten Nadelloch ausgebildet ist, kann, da es für das Lichtempfangselement lediglich erforderlich ist, dass es Lichtströme empfängt, die durch das Nadelloch gegangen sind, ein Element, wie etwa eine Photodiode, zur Umwandlung der Lichtintensität in einen Strom und eine Spannung zu diesem Zweck verwendet werden. In diesem Fall bezieht sich der Ausdruck "die Lichtempfangslichtachse, die durch das zweite Lichtbündelungselement und die Lichtempfangseinheit bestimmt ist" genauer auf eine Lichtempfangslichtachse, die durch das zweite Lichtbündelungselement und die Mitte des Nadellochs bestimmt ist.

In dem Fall ferner, wo die Lichtabschirmmaske durch eine durch Schneiden gebildete Maske bereitgestellt ist, werden in Bezug auf das Lichtempfangselement eine zweiteilige Photodiode, deren Ausgabe sich abhängig von der Änderung der Lage des einfallenden Lichts ändert, ein Photodiodenfeld, dessen Anzahl von Unterteilungen weiter erhöht ist, ein Lagenachweiselement (PSD), eine CCD und dergleichen verwendet, so dass die Änderung der Lage von Lichtströmen die durch die Schneiden verlaufen sind, als Änderung der Ausgabe gewonnen werden kann. In dem Falle der Schneiden ist die "Lichtempfangseinheit", welche die Lichtempfangs-Lichtachse in "Lichtempfangs-Lichtachse, die durch das zweite Lichtbündelungselement und die Lichtempfangseinheit bestimmt ist" bestimmt, nicht ein vorab spezifizierter Punkt, wie das oben erwähnte Nadelloch, sondern irgendein Punkt (strenger, ein Punkt, der leicht getrennt liegt von der Schneide) längs der Kantenlinie der Schneide. In einem Zustand, in dem die Justierung des optischen Systems abgeschlossen ist, soll die Mittenposition der reflektierten Lichtströme vom Messobjekt mit irgendeinem Punkt längs der Kantenlinie der Schneide zusammenfallen, und in diesem Fall werden die Lichteinstrahl-Lichtachse und die Lichtempfangs-Lichtachse durch das erste Lichtwegsteuerelement auf der Messobjektseite koaxial gehalten. In einem Fall, wo aus einem Grund wie etwa unzureichender Justierungen des optischen Systems, die Mittenposition der reflektierten Lichtströme vom Messobjekt nicht mit irgendeinem Punkt längs der Kante der Schneide zusammenfällt, wird betrachtet, dass der nächste Punkt zu Mittenposition der reflektierten Lichtströme auf der Kantenlinie der Schneide die Lichtempfangs-Lichtachse definiert.

Das Lichtbündelungselement ist ein optisches Element, wie etwa ein Konkavspiegel und ein Hologramm, mit einer Lichtkonvergierungsfunktion.

Der Ausdruck "Bündeln von Licht" in "erstes Lichtbündelungselement, welches Lichtströme, die von der Lichteinstrahleinheit gegeben werden, auf das Messobjekt bündelt" bezieht sich nicht auf einen Zustand, in welchem Lichtbündelung stets auf dem Messobjekt durchgeführt wird. Die bezieht sich auf einen Zustand, in welchem ein Lichtweglängen- Durchfahrmechanismus, der zwischen der Lichteinstrahleinheit und dem Messobjekt angeordnet ist, es erlaubt, dass sich die Lichtbündelungsposition infolge des Durchfahrvorgangs mit der Zeit ändert und während des Durchfahrvorgangs die Lichtbündelungsposition mit dem Messobjekt kurzzeitig in Übereinstimmung gebracht wird. Das Lichtwegsteuerelement ist ein optisches Element, wie etwa ein Halbspiegel und ein Polarisationsstrahlenteiler, ein Gitter und ein Hologramm, welches es erlaubt, dass ein Teil von Lichtströmen unter Ausnutzung von Beugung in eine andere Richtung abgezweigt wird, und ein Wollaston-Prisma, das die Richtung abgegebener Lichtströme unterschiedlich macht, abhängig von der Polarisationsrichtung, unter Ausnutzung von Doppelbrechung, und welches eine Funktion der Abgabe von einfallenden Lichtströmen in einer bestimmten Richtung mit einer bestimmten Rate hat, wobei ein Teil derselben gleichzeitig in eine andere Richtung mit einer bestimmten Rate abgegeben wird.

Der Lichtweglängen-Durchfahrmechanismus ändert die Lichtweglänge von der Lichtquelle zum Messobjekt sowie die Lichtweglänge vom Messobjekt zur Lichtempfangseinheit kontinuierlich mit der Zeit. Hinsichtlich des Lichtweglängen- Durchfahrmechanismus können verschiedene Vorrichtungen, wie etwa eine Vorrichtung, bei der eine Reflexionsfläche an einer Stimmgabel oder einem einseitig eingespannten Arm, die zum Schwingen gebracht werden, eine Vorrichtung, die eine Reflexionsfläche aufweist, welche in Richtungen senkrecht zu ihrer Fläche unter Verwendung eines Schwingspulenmotors und eines piezoelektrischen Elements hin und her bewegt wird, und eine Vorrichtung, die eine externe Spannung auf einen elektrooptischen Kristall aufgibt, um den Brechungsindex des Mediums zu verändern, verwendet werden.

In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, wie durch Bezugszeichen in Fig. 10, die ein Beispiel desselben zeigt, angegeben, ist der Versetzungssensor versehen mit: einem sechsten Lichtbündelungselement (13) das als das erste Lichtbündelungselement und zweite Lichtbündelungselement dient, wobei das erste Lichtwegsteuerelement (2) zwischen dem sechsten Lichtbündelungselement (13) sowie der Lichteinstrahleinheit (1) und der Lichtempfangseinheit (9) angeordnet ist.

Das in Fig. 1 gezeigte optische System zeigt ebenfalls ein Beispiel dieses Aspekts, und das Lichtbündelungselement (3, 5, 7) zeigt ein Beispiel des sechsten Lichtbündelungselements.

Das erste Lichtbündelungselement und das zweite Lichtbündelungselement werden miteinander kompatibel gemacht (gemeinschaftlich verwendet), so dass es möglich ist, die Anzahl von Teilen und ebenso Kosten zu verringern. Gleichzeitig wird es auch möglich, eine Miniaturisierung der Vorrichtung zu erzielen.

Ferner könnte in einem Fall, wo beispielsweise mit dem Verwenden eines Nadellochs in der Lichtabschirmungsmaske die Punktgröße und die entsprechende Größe des Nadellochs extrem klein gemacht werden, die optische Lagebeziehung zwischen dem Nadelloch und dem Lichtemissionspunkt eine Versetzung infolge einer Temperaturänderung oder dergleichen aufweisen und damit nicht richtig arbeiten; das erste Lichtbündelungselement und das zweite Lichtbündelungselement werden jedoch miteinander kompatibel gemacht (gemeinschaftlich verwendet), so dass es möglich wird, die Anzahl der optischen Teile, welche die optischen Lagen zwischen dem Nadelloch und der Lichtquelle bestimmen, zu verringern und so den Abstand zwischen dem ersten Lichtwegsteuerelement und der Lichteinstrahleinheit sowie den Abstand zwischen dem ersten Lichtwegsteuerelement und dem Nadelloch zu verkürzen und folglich die Größe relativer Lageversetzungen zwischen der Lichteinstrahleinheit, dem Nadelloch und dem ersten Lichtwegsteuerelement als Folge der Temperatur und dergleichen zu verringern. Anders ausgedrückt, wird es möglich, eine Temperaturänderung stabil nachzuweisen.

Wie in Fig. 10 gezeigt, kann der Lichtweglängen- Durchfahrmechanismus zwischen dem sechsten Lichtbündelungselement (13) und dem Messobjekt (8) oder, wie in Fig. 11 gezeigt, zwischen dem sechsten Lichtbündelungselement (13) und dem ersten Lichtwegsteuerelement (3) angeordnet sein.

In einem weiteren bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, wie durch Bezugszeichen in Fig. 12 angegeben, die ein Beispiel desselben zeigt, der Lichtweglängen- Durchfahrmechanismus (6) versehen mit: einer Reflexionsfläche (6), die senkrecht zur Lichtachse angeordnet ist und sich längs der Lichtachsenrichtung, die koaxial eingestellt worden ist, verschieben kann, und einem zweiten Lichtwegsteuerelement (4a), welches von der Lichteinstrahleinheit (1) abgegebene Lichtströme auf die Reflexionsfläche richtet, von der Reflexionsfläche (6) reflektierte Lichtströme auf das Messobjekt (8) richtet und auch vom Messobjekt (8) reflektierte Lichtströme in der umgekehrten Richtung längs des gleichen Lichtweges wie der Lichtweg, durch welchen die Lichtströme auf das Messobjekt (8) gerichtet worden sind, richtet.

Das optische System, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, zeigt auch ein Beispiel dieses Aspekts.

Gemäß diesem Aspekt ist es möglich, Messvorgänge auszuführen, ohne zuzulassen, dass sich während des Arbeitens des Lichtweglängen-Durchfahrmechanismus der Versetzungsmesspunkt auf dem Messobjekt auf der Messobjektoberfläche selbst verschiebt (d. h., die Mitte des Punkts bewegt sich nicht, obwohl sich die Punktgröße ändert); daher ist es stets möglich, Versetzungsmessungen von speziellen Punkten in stabiler Weise durchzuführen. Aus diesem Grund ist es möglich, Versetzungsmessungen auf einem feinen Objekt und einem feinen Abschnitt durchzuführen.

Der Ausdruck "senkrecht zur Lichtachse" ist hierbei in einer solchen Weise verwendet, dass er einen Fall einschließt, in welchem eine Versetzung gegenüber der Normalen in einem Ausmaß vorliegt, der keine Probleme in Bezug auf Messungen verursacht. Wenn beispielsweise der Lichtweglängen-Durchfahrmechanismus durch Verwenden eines einseitig eingespannten Arms und dergleichen ausgebildet ist, bewirkt der Durchfahrvorgang leichte Schwankungen des Winkels der Reflexionsfläche; der Ausdruck "senkrecht" enthält hier einen solchen Grad einer Winkelversetzung gegenüber der Normalen.

Die senkrecht zur oben erwähnten Lichtachse angeordnete Reflexionsfläche (6) kann an einer Stelle angeordnet sein, die durch das zweite Lichtwegsteuerelement (Fig. 12) durchgeht, oder kann an einer daran reflektierten Position angeordnet sein (Fig. 13).

Ferner kann bei dieser Anordnung das sechste Lichtbündelungselement (13), bei welchem das erste Lichtbündelungselement und das zweite Lichtbündelungselement miteinander kompatibel gemacht (gemeinschaftlich benutzt) sind, verwendet werden (Fig. 14, Fig. 15). Mit dieser Anordnung ist es möglich, die Anzahl von Lichtbündelungselementen zu vermindern und auch den Abstand zwischen der Lichteinstrahleinheit und dem Lichtwegsteuerelement sowie den Abstand zwischen der Lichtabschirmungsmaske und dem ersten Lichtwegsteuerelement zu verkürzen; es wird also möglich, einen stabilen Nachweisvorgang in Bezug auf Temperaturänderungen und dergleichen in der gleichen Weise, wie oben beschrieben, durchzuführen.

In einem weiteren bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung, wie durch Bezugszeichen in den Fig. 16 und 17, die Beispiele desselben zeigen, angegeben, ist das zweite Lichtwegsteuerelement (4a) zwischen dem ersten Lichtwegsteuerelement (2) und der Reflexionsfläche (6) angeordnet; das erste Lichtbündelungselement durch ein drittes Lichtbündelungselement (16) und ein viertes Lichtbündelungselement (17) gebildet; und das zweite Lichtbündelungselement durch das dritte Lichtbündelungselement (16) und ein fünftes Lichtbündelungselement (18) gebildet. Ferner ist das vierte Lichtbündelungselement (17) aus einer einzelnen Linse oder aus mehreren Linsen aufgebaut, die in einem Lichtweg von der Lichteinstrahleinheit (1) zur Reflexionsfläche (6) in einer konzentrierten oder verteilten Weise angeordnet sind, wobei wenigstens eine Linse in einem Lichtweg von der Lichteinstrahleinheit (1) zum zweiten Lichtwegsteuerelement (4a) angeordnet ist, so dass Lichtströme, die von der Lichteinstrahleinheit (1) abgegeben werden, in die Nachbarschaft der Reflexionsfläche (6) gebündelt werden; das dritte Lichtbündelungselement (16) aus einer einzelnen Linse oder mehreren Linsen aufgebaut, die zwischen der Reflexionsfläche (6) und, dem Messobjekt (8) in einer konzentrierten oder verteilten Weise angeordnet sind, wobei wenigstens eine Linse zwischen dem zweiten Lichtwegsteuerelement (4a) und dem Messobjekt (8) angeordnet ist, so dass durch die Reflexionsfläche (6) reflektierte Lichtströme auf das Messobjekt (8) gebündelt werden, wobei vom Messobjekt (8) reflektierte Lichtströme auf die Nachbarschaft der Reflexionsfläche (6) gebündelt werden; das fünfte Lichtbündelungselement (18) aus einer einzelnen Linse oder einer Anzahl von Linsen aufgebaut, die in einem Lichtweg von der Reflexionsfläche (6) zur Lichtempfangseinheit (9) in einer konzentrierten oder verteilten Weise angeordnet sind, wobei wenigstens eine Linse in einem Lichtweg von dem zweiten Lichtwegsteuerelement (4a) zu der Lichtempfangseinheit (9) angeordnet ist, so dass Lichtströme, die von der Reflexionsfläche (6) reflektiert worden sind, nachdem sie von dem Messobjekt (8) reflektiert worden sind, auf die Lichtempfangseinheit (9) gebündelt werden.

Das in Fig. 1 gezeigte optische System zeigt auch ein Beispiel dieses Aspekts, und Lichtbündelungselemente 5, 7 sind Beispiele für das dritte Lichtbündelungselement, und Lichtbündelungselemente 3, 5 werden kompatibel gemacht mit dem (gemeinschaftlich benutzt als das) vierte (n) Lichtbündelungselement und fünfte(n) Lichtbündelungselement. Das Lichtbündelungselement 5 bildet einen Abschnitt der gemeinsam in dem dritten, vierten und fünften Lichtbündelungselement enthalten ist.

Gemäß diesem Aspekt wird von der Lichteinstrahleinheit abgegebenes Licht in die Nachbarschaft der Reflexionsfläche des Lichtweglängen-Durchfahrmechanismus gebündelt, so dass es möglich wird, den Bereich der Reflexionsfläche in einem großen Ausmaß zu miniaturisieren. Folglich ist es auch dann, wenn ein einseitig eingespannter Arm, eine Stimmgabel oder dergleichen in dem Lichtweglängen-Durchfahrmechanismus verwendet wird, möglich, kleine Abmessungen und geringes Gewicht zu erzielen und auch die Eigenfrequenz zu erhöhen. Es wird also möglich, die Durchfahrfrequenz zu erhöhen, und folglich, Messungen mit einer kurzen Antwortzeit zu erzielen. Ferner ist es im Falle einer festen Antwortzeit möglich, Messungen, die frei von Messfehlern sind, mit hoher Genauigkeit zu erzielen, indem die Anzahl von Mittelungsvorgängen erhöht wird.

In diesem Fall enthält der Ausdruck "gebündelt in die Nachbarschaft der Reflexionsfläche" einen Fall, bei welchem der Lichtkonvergierungspunkt in einem Bereich angeordnet ist, in welchem sich die Reflexionsfläche in der Lichtachsenrichtung hin und her bewegen darf; jedoch nicht beschränkt auf diesen Fall, ist selbst ein Fall darin enthalten, in welchem die Lichtbündelung auf den Rand des Bereichs durchgeführt wird, solange die Punktgröße auf der Reflexionsfläche ausreichend klein mit einer kleinen Reflexionsfläche ist, so dass die oben erwähnten Effekte erzielt werden. Ferner ist jede Anordnung, bei welcher von dem Lichteinstrahlelement (1) abgegebene Lichtströme einmal gebündelt werden, bevor sie auf das dritte Lichtbündelungselement zum Einfall gebracht werden, in dem oben erwähnten Ausdruck "gebündelt in die Nachbarschaft der Reflexionsfläche" enthalten, da die oben erwähnten Wirkungen erreicht werden.

Der Ausdruck "einzeln" in "eine einzelne oder mehrere Linsen" bezieht sich auf die Anzahl auf Linsenfunktionsbasis und enthält einen Fall wie eine Kombinationslinse, bei welcher eine Anzahl von Linsen integriert kombiniert sind, so dass sie als eine einzelne Linse, wie etwa eine konvexe Linse und eine konkave Linse, wirken. Ferner bezieht sich der Ausdruck "eine Anzahl von Linsen" auf die Tatsache, dass mehrere Linsen vorhanden sind, die jeweils der oben erwähnten "einzelnen" Linse entsprechen.

Ferner können als abgewandeltes Beispiel dieses Aspekts, wie durch Bezugszeichen in den Fig. 18 und 19, die Beispiele desselben zeigen, das vierte Lichtbündelungselement und das fünften Lichtbündelungselement miteinander kompatibel gemacht (gemeinschaftlich benutzt) werden, um so ein siebtes Lichtbündelungselement (19) auszubilden, und dieses kann zwischen dem ersten Lichtwegsteuerelement (2) und dem zweiten Lichtwegsteuerelement (4a) angeordnet sein.

Gemäß diesem Aspekt werden die Lichtbündelungselemente effektiver gemeinsam genutzt, so dass es möglich wird, die Anzahl von Teilen zu verringern, und folglich niedrige Kosten und eine Miniaturisierung zu erzielen.

In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wie durch Bezugszeichen in den Fig. 20 und 21, die Beispiele desselben zeigen, angegeben, können das dritte Lichtbündelungselement, das vierte Lichtbündelungselement und das fünfte Lichtbündelungselement miteinander kompatibel gemacht (gemeinschaftlich benutzt) werden, um so ein achtes Lichtbündelungselement (20) auszubilden, und dieses kann zwischen dem zweiten Lichtwegsteuerelement (4a) und der Reflexionsfläche (6) angeordnet sein.

Gemäß diesem Aspekt wird es, da die Lichtbündelungselemente zu einem einzelnen Element ausgebildet sind, möglich, Kosten weiter zu reduzieren und auch eine kleine Größe zu erzielen.

In einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Lichteinstrahleinheit und die Lichtempfangseinheit mit einer solchen Lagebeziehung angeordnet, dass sie wechselseitig Spiegelbilder in Bezug auf die Funktion des ersten Lichtwegsteuerelements ausbilden.

Der Ausdruck "eine solche Lagebeziehung, dass wechselseitig Spiegelbilder ausgebildet werden" bezieht sich auf eine Lagebeziehung im Sinne optischer Funktionen und bezieht sich nicht einfach auf äußeren Formen der Lichteinstrahleinheit und der Lichtempfangseinheit. Daher bezieht sich in diesem Fall Lichteinstrahleinheit auf einen Lichtemissionspunkt der Lichtquelle, in dem Fall, wo ein Nadelloch in der Lichtabschirmungsmaske der Lichtempfangseinheit ausgebildet ist, also auf das Nadelloch, und in dem Fall, wo die Lichtabschirmungsmaske durch Schneiden gebildet ist, auf einen Punkt, der irgendein Punkt längs der Kantenlinie der Schneide sein kann, und bestimmt die Lichtempfangs-Lichtachse.

In einer Anordnung, wo ein Nadelloch in der Lichtabschirmmaske ausgebildet ist, werden, wenn das Nadelloch und der Lichtemissionspunkt der Lichtquelle der Lichtquellenstrahleinheit in einer Lagebeziehung angeordnet sind, dass sie wechselseitig Spiegelbilder in Bezug auf die Funktion des ersten Lichtwegsteuerelements ausbilden, unabhängig von Fällen, in denen das Messobjekt ein Spiegelflächenobjekt oder ein streureflektierendes Objekt, einschließlich des Falles, dass das Messobjekt an einer Position angeordnet ist, dass Einstrahlungslicht auf das Messobjekt in einem Zustand gebündelt worden ist, wo die Lichtweglänge in einem anderen Zustand als der Neutralposition ist, die gleichen Versetzungsmesswerte gewonnen. In dem. Fall, wo die Lichtabschirmmaske durch Schneiden gebildet ist, kann unabhängig davon, ob das Messobjekt als Spiegelflächenobjekt oder als streureflektierendes Objekt erstellt ist, der gleiche Messwert gewonnen werden, solange der Punkt, der die Lichtempfangsachse auf der Kantenlinie der Schneide definiert, und der Lichtemissionspunkt der Lichtquelle der Lichteinstrahleinheit mit einer Lagebeziehung zueinander angeordnet sind, dass sie wechselseitig in Bezug auf die Funktion des ersten Lichtwegsteuerelements Spiegelbilder ausbilden.

In einem weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung, wie durch Bezugszeichen in den Fig. 22 und 23, die Beispiele desselben zeigen, angegeben, ist ein Bereich (21), in welchem sich die Reflexionsfläche längs der Lichtachsenrichtung verschieben kann, so eingestellt, dass er nicht eine Position (22) enthält, in welcher von der Lichteinstrahleinheit (1) abgegebene Lichtströme durch das vierte Lichtbündelungselement (3, 5) gebündelt werden.

Der Ausdruck "eine Position, in welcher Lichtströme durch das vierte Lichtbündelungselement gebündelt werden", bezieht sich auf eine Position, an der unter der Annahme, dass keine Reflexionsfläche vorliegt, Lichtströme durch das vierte Lichtbündelungselement gebündelt würden.

Vorrichtungen, wie ein Halbspiegel und ein Polarisationsstrahlenteiler, werden als das zweite Lichtwegsteuerelement, wie oben beschrieben, verwendet; es ist jedoch tatsächlich unmöglich, die gesamte Menge von Lichtströmen auf das Messobjekt zu richten, wenn die durch die Reflexionsfläche reflektierten Lichtströme auf das Messobjekt gerichtet werden. Wenngleich Unterschiede im Ausmaß vorliegen, wird Rückkehrlicht stets in einer anderen Richtung als der Richtung auf das Messobjekt erzeugt, d. h. in einer Richtung zur Lichteinstrahleinheit oder einer Richtung zur Lichtempfangseinheit. In dem Fall, wo von der Lichteinstrahleinheit abgegebene Lichtströme auf die Reflexionsfläche gebündelt werden, wird dieses Licht auf die Lichtempfangseinheit unter Empfang des größten Teils des Lichts durch das Lichtempfangselement gebündelt. Daher wird seine Intensität nicht vernachlässigbar im Vergleich zum Ausgangssignal, das von vom Messobjekt reflektierten Lichtströmen hergeleitet ist, mit der Folge einer Störung des Nachweises.

Gemäß diesem Aspekt wird eine Anordnung so gemacht, dass von der Lichteinstrahleinheit abgegebene Lichtströme nicht auf die Reflexionsfläche gebündelt werden, obwohl sie in die Nachbarschaft eines Bereichs gebündelt werden, in welchem sich die Reflexionsfläche in der Lichtachsenrichtung verschieben kann; daher wird kein Rückkehrlicht auf das Lichtempfangselement gebündelt; daher ist es möglich, die Intensität des Rückkehrlichts auf ein Niveau zu reduzieren, das kein Problem verursacht, und es wird möglich, das Ausgangssignal des Lichtempfangselements beruhend auf vom Messobjekt reflektierten Lichtströmen sicher festzustellen.

In einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung, wie durch Bezugszeichen in Fig. 24, die ein Beispiel desselben zeigt, angegeben, ist ein Bereich (21), in welchem sich die Reflexionsfläche längs der Lichtachsenrichtung verschieben kann, so eingestellt, dass er eine Position (22) enthält, an der von der Lichteinstrahleinheit (1) abgegebene Lichtströme durch das vierte Lichtempfangselement (3, 5) gebündelt werden, und wenn das Messobjekt innerhalb eines effektiven Messbereichs (23) angeordnet ist, wird ein Bereich (25) in welchem vom Messobjekt reflektierte Lichtströme durch das dritte Lichtbündelungselement (7, 5) gebündelt werden können, so eingestellt, dass er nicht eine Position (22) enthält, an der von der Lichteinstrahleinheit (1) abgegebene Lichtströme durch das vierte Lichtbündelungselement (3, 5) gebündelt werden.

Unter Bezug auf Fig. 24, die einen Aufbau zeigt, der ein Beispiel des vorliegenden Aspekts ist, und Fig. 25, die ein Ausgangssignal eines Lichtempfangselements, das dessen Aufbau entspricht, zur bequemeren Erläuterung zeigt, wird die folgende Beschreibung die Funktion des vorliegenden Aspekts diskutieren. In diesen Figuren stellt Bezugszeichen 21 einen Bereich dar, in welchem sich die Reflexionsfläche längs der Lichtachsenrichtung verschieben kann, ist 6d eine Reflexionsfläche in einem Zustand, wo der Lichtweglängen- Durchfahrmechanismus die Lichtweglänge am kürzesten macht, 6e eine Reflexionsfläche in einem Zustand, wo der Lichtweglängen-Überstreichmechanismus die Lichtweglänge am längsten macht, 23 ein effektiver Messbereich, zeigt 8b das Objekt in dem Fall, wenn es in der an der von der Objektlinse 7 weitesten Stelle innerhalb des effektiven Messbereichs angeordnet ist, 8c das Messobjekt in dem Fall, wo es an der zur Objektlinse 7 nächsten Position innerhalb des effektiven Messbereichs angeordnet ist, 24b einen Punkt, in welchem reflektierte Lichtströme von dem Messobjekt 8b, das an der von der Objektlinse 2 am weitesten entfernten Position innerhalb des effektiven Messbereichs angeordnet ist, durch das dritte Lichtbündelungselement gebündelt werden, und 24c einen Punkt, in welchem reflektierte Lichtströme vom Messobjekt 8c, das an der zur Objektlinse 7 am nächsten liegenden Position innerhalb des effektiven Messbereichs angeordnet ist, durch das dritte Lichtbündelungselement gebündelt werden. Bezugszeichen 25 zeigt einen Bereich, in welchem vom Messobjekt 8 innerhalb des effektiven Messbereichs 23 reflektierte Lichtströme durch das dritte Lichtbündelungselement gebündelt werden können. Entsprechend werden in Fig. 25 in der gleichen Weise wie der oben erwähnten Fig. 6, wenn die Änderungsgröße der Lichtweglänge X1 ist, von dem in Fig. 24 nicht gezeigten Messobjekt reflektierte Lichtströme auf das Lichtempfangselement zum Einfall gebracht, so dass ein Ausgangssignal 27 gewonnen wird. Wenn die Größe der Änderung der Lichtweglänge X2 ist, werden von der Lichteinstrahleinheit abgegebene Lichtströme durch das vierte Lichtbündelungselement auf die Reflexionsfläche gebündelt, so dass dabei Rückkehrlicht erzeugt wird, und von dem Lichtempfangselement empfangen, um so ein Lichtempfangssignal 26 zu erzeugen. Änderungsgrößen der Lichtweglänge X2, X4 entsprechen jeweils Fällen, in welchen, in Fig. 24, die Reflexionsfläche in 24b, 24c angeordnet ist, und ein Bereich 28, angegeben nur durch schräge Linien, stellt einen Zeitbereich dar, in welchem vom Messobjekt innerhalb des effektiven Messbereichs reflektierte Lichtströme empfangen werden können.

Gemäß diesem Aspekt wird das Lichtempfangselement- Ausgangssignal 26, das aus dem Rückkehrlicht abgeleitet wird, stets außerhalb des Bereichs 28 gewonnen, in welchem vom Messobjekt innerhalb des effektiven Messbereichs reflektierte Lichtströme empfangen werden können; daher ist es möglich, zu verhindern, dass das Rückkehrlicht einen genauen Nachweis des Lichtempfangselement-Ausgangssignals 27, das von dem innerhalb des effektiven Messbereichs angeordneten Messobjekt reflektierten Licht hergeleitet wird, stört. Das rückkehrabgeleitete Ausgangssignal 26 des Lichtempfangselements wird stets erzeugt, wenn die Versetzungsgröße der Reflexionsfläche auf X2 unabhängig von der Position des Messobjekts eingestellt wird. Zur Messung der Versetzung des Messobjekts wird die Änderungsgröße der Lichtweglänge durch einen bestimmten Sensor und dergleichen gemessen, so dass die Änderungsgröße der Lichtweglänge in die Versetzungsgröße des Messobjekts umgewandelt wird; und mit Umwandlung wird der Messwert der Änderungsgröße der Lichtweglänge durch die Versetzungsgröße zur Zeit der Erzeugung dieses Signals 26 korrigiert, so dass es möglich ist, Messfehler in der Änderungsgröße der Lichtweglänge infolge von Einflüssen durch Temperarturdrifts des oben erwähnten Sensors und dergleichen zu vermindern und folglich einen stabileren Versetzungsmessvorgang zu schaffen.

In einem bevorzugteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Versetzungssensor so eingerichtet, dass die Versetzung der Reflexionsfläche, die sich längs der X- Achsenrichtung verschieben kann, als periodische Schwingung gegeben ist, und dieser ist versehen mit: Mitteln, welche wünschenswert eingestellt entweder das Ausgangssignal, das gewonnen wird, wenn die Versetzung der Reflexionsfläche sich in der Auswärtsbewegung befindet, oder das Ausgangssignal, das gewonnen wird, wenn sich die Versetzung der Reflexionsfläche in der Rückkehrbewegung befindet, aus den Ausgangssignalen des Lichtempfangselements, die erzeugt werden, wenn die Lage der Reflexionsfläche und die Lage, an welcher von der Lichteinstrahleinheit abgegebene Lichtströme durch das vierte Lichtbündelungselement gebündelt werden, zusammenfallen, auswählen und das sich ergebende Signal erfassen; Mitteln, welche eine Zeitdauer bis zu der Zeit, zu der, wenn von der Lichteinstrahleinheit abgegebene Lichtströme auf das Messobjekt gebündelt werden, ein Ausgangssignal des Lichtempfangselements infolge der sich ergebenden reflektierten Lichtströme gewonnen wird, unter Bezug auf die Zeit, zu der das ausgewählte Ausgangssignal gewonnen wird, messen; und Mitteln, welche Informationen in Bezug auf den Abstand zum Messobjekt beruhend auf der oben erwähnten Messzeit gewinnen.

Die Tatsache, dass die Versetzung der Reflexionsfläche als periodische Schwingung gegeben ist, bedeutet, dass die Versetzung der Reflexionsfläche periodisch durchgeführt wird, und wenn die Reflexionsfläche an einer Position der Reflexionsfläche (gleich wie der oben erwähnte Bereich 25) angeordnet ist, die es erlaubt, dass von der Lichteinstrahleinheit abgegebene Lichtströme auf das Messobjekt gebündelt werden, wird die Reflexionsfläche in einer monoton zunehmenden Weiser oder in einer monoton abnehmenden Weise versetzt. Mit dieser Anordnung wird in der Auswärtsbewegung der Schwingung oder in der Rückkehrbewegung derselben die Versetzungsgröße der Reflexionsfläche zu der Zeit, wenn das Einstrahlungslicht auf das Messobjekt, das wenigstens innerhalb des effektiven Messbereichs liegt, gebündelt wird, eindeutig in Bezug auf die Zeit bestimmt.

Bei dieser Anordnung werden keine Sensoren oder dergleichen zur Messung der Versetzungsgröße der Lichtweglänge benutzt, und unter der Annahme, dass die Lichtweglänge periodisch zeitlich geändert wird, beispielsweise in einer Änderung in sinusförmiger Schwingung oder dergleichen, wird die Versetzung des Messobjekts durch Messen der von einem bestimmten Zeitpunkt, zur der die Änderungsgröße der Lichtweglänge bekannt ist, verstrichenen Zeit gemessen. In Bezug auf den speziellen Punkt, zu dem die Änderungsgröße der Lichtweglänge bekannt ist, wird das Lichtempfangselement- Ausgangssignal 26, das von dem oben erwähnten Rückkehrlicht hergeleitet ist, verwendet.

Gemäß dieser Anordnung ist es möglich, die Notwendigkeit eines Sensors oder dergleichen zur Messung der Änderungsgröße der Lichtweglänge zu beseitigen.

In einem bevorzugteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, wie durch Bezugszeichen der Fig. 26 und 27, die Beispiele desselben zeigen, angegeben, ist das vierte Lichtbündelungselement durch eine Kollimatorlinse (11) und eine Zwischenlinse (5) gebildet, wobei die Kollimatorlinse (11) zwischen der Lichteinstrahleinheit (1) und dem zweiten Lichtwegsteuerelement (4a) angeordnet ist, so dass von der Lichteinstrahleinheit (1) abgegebene Lichtströme wesentlich kollimiert werden, wobei die Zwischenlinse (5) zwischen dem zweiten Lichtwegsteuerelement (4a) und der Reflexionsfläche (6) angeordnet ist, so dass die oben erwähnten Lichtströme, wesentlich kollimiert, in die Nachbarschaft der Reflexionsfläche (6) gebündelt werden. Ferner ist das fünfte Lichtbündelungselement durch die Zwischenlinse (5) und Lichtempfangslinse (12) gebildet, wobei die Lichtempfangslinse zwischen der Lichtempfangseinheit (9) und dem zweiten Lichtwegsteuerelement (4a) angeordnet ist, so dass von dem Messobjekt (8) reflektierte Lichtströme auf die Lichtempfangseinheit (9) gebündelt werden. Der Ausdruck "bündeln in die Nachbarschaft der Reflexionsfläche" wird in der gleichen Weise wie oben beschrieben verwendet.

In Bezug auf den Zustand, wo dieser Versetzungssensor verwendet wird, sind abhängig von Form, Größe des Messobjekts und des Grades von Abweichungen dieser der wünschenswerte Nachweisabstand und Versetzungsmessbereich unterschiedlich. Zur Anpassung dieses Sensors an verschiedene Anwendungen werden verschiedene Arten von Vorrichtungen mit verschiedenen Nachweisabständen und verschiedenen Versetzungsmessbereichen tatsächlich benötigt. In dem Fall, in dem sowohl der Bereich von der Lichteinstrahleinheit zum Messobjekt als auch der Bereich vom Messobjekt zur Lichtempfangseinheit unter Verwendung einer Einzellinse ausgebildet wird, sind zur Gewinnung eines gewünschten Nachweisabstands und Versetzungsmessbereichs Abwandlungen der Linse und des Lichtweglängen-Durchfahrmechanismus erforderlich, mit der Folge, dass von Anfang an der gesamte Sensor ausgelegt und hergestellt werden muss. Gemäß dem vorliegenden Aspekt ist es möglich, einen gewünschten Nachweisabstand und Versetzungsmessbereich durch einfaches Modifizieren der Brennweiten und der Lagen der Zwischenlinse und der Objektlinse zu gewinnen. Im Einzelnen wird der Nachweisabstand durch Einstellen des Arbeitsabstands der Objektlinse eingestellt und die Größe des Versetzungsmessbereichs wird bestimmt durch die Vergrößerung eines zusammengesetzten Linsensystems (nachfolgend als zusammengesetzte Linse bezeichnet), die durch die Brennweiten und Lägen der Zwischenlinse und der Objektlinse sowie die Größe der Versetzung der Reflexionsfläche bestimmt wird. Diese Anordnung ermöglicht es, Linsen auszutauschen und verschiedene Arten von Vorrichtungen vorzusehen, die für verschiedene Anwendungen geeignet sind. Dabei ist es durch Vorsehen eines Aufbaus, der ein einfaches Auswählen und Anwenden unterschiedlicher Arten von Linsen während des Herstellungsprozessen erlaubt, möglich, gemeinsam andere Teile als die Linse in einer Weise gemeinsam zu verwenden, so dass sie zu einer Kombination passen, die aus einem weiten Bereich von Kombinationen aus dem Nachweisabstand und dem Versetzungsmessbereich ausgewählt ist, und folglich, einen Versetzungssensor bei niedrigen Kosten herzustellen.

Ferner werden bei dem vorliegenden Nachweisprinzip, da die minimale Punktgröße auf dem Messobjekt kleiner gehalten ist, die Irregularitäten in der Reflexionsintensität ernster; es ist daher vorzuziehen, ein optisches System vorzusehen, bei welchem die Linsenaberration ausreichend reduziert ist. Wenn Lichtströme zwischen der Zwischenlinse und der Objektlinse entweder konvergierende Lichtströme oder zerstreuende Lichtströme sind, ändert sich der Zustand der Lichtströme zwischen konvergierenden und zerstreuenden Zuständen durch die Änderung der Linsen; ein Lichtwegsteuerelement liegt jedoch zwischen der Zwischenlinse und der Objektlinse vor, so dass die Größe der Aberration folglich geändert wird.

Daher ist es zur Gewinnung einer kleinen Punktgröße auf dem Messobjekt erforderlich, eine aspherische und eine Kombinationslinse, die speziell hergestellt sind, zur Minimierung der Aberration zu verwenden, wenn sie insgesamt in einem optischen System verwendet werden, was sehr hohe Kosten verursacht. In dem vorliegenden Aspekt werden die Lichtströme zwischen der Zwischenlinse und der Objektlinse im Wesentlichen kollimiert gehalten (in Bezug auf den Aufbau eines optischen Systems werden Lichtströme zwischen der Kollimationslinse und der Zwischenlinse sowie zwischen der Zwischenlinse und der Lichtempfangslinse ebenfalls beibehalten); daher können Linsen mit einer allgemeinen Spezifikation zur Verwendung in einem unbegrenzten optischen System verwendet werden, so dass es möglich ist, dass ein Versetzungssensor eine kleine Punktgröße auf dem Messobjekt bei niedrigen Kosten liefert. Der Ausdruck "im Wesentlichen parallel zu" bezieht sich auf einen Zustand, der nahe bei parallelen Lichtströmen in einem solchen Maß liegt, dass die oben erwähnten Wirkungen geschaffen werden, und dieser Zustand beschränkt sich nicht auf streng parallele Lichtströme.

In einem weiteren bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung, wie durch Bezugszeichen der Fig. 28 (die die gleiche optische Anlage hat wie Fig. 1) und Fig. 29, die Beispiele desselben zeigen, angegeben, sind die Kollimationslinse und die Lichtempfangslinse als gemeinsame Linse (3) hergestellt und zwischen dem ersten Lichtwegsteuerelement (2) und dem zweiten Lichtwegsteuerelement (4a) angeordnet. Indem die Kollimationslinse und die Lichtempfangslinse miteinander kompatibel gemacht (gemeinsam verwendet) werden, wird es möglich, die Anzahl von Teilen zu verringern und folglich niedrige Kosten und kleine Abmessungen zu erzielen. Ferner ist es in der gleichen Weise wie bei den oben erwähnten Vorrichtungen möglich, den Abstand zwischen der Lichteinstrahleinheit und dem ersten Lichtwegsteuerelement sowie den Abstand zwischen der Abschirmungsmaske und dem ersten Lichtwegsteuerelement zu verkürzen, und folglich, einen stabilen Nachweisvorgang in Bezug auf Temperaturänderungen durchzuführen.

In einem weiteren bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung, wie durch Bezugszeichen der Fig. 30, die ein Beispiel desselben zeigt, angegeben, gibt die Lichteinstrahleinheit (1) planes polarisiertes Licht ab, und das zweite Lichtwegsteuerelement ist ein Polarisationsstrahlenteiler (4b), der so angeordnet ist, dass das plane polarisierte Licht senkrecht oder parallel zur der Einfallsebene gesetzt ist; und eine R-Wellenlängen-Platte (29) in Bezug auf die von der Lichteinstrahleinheit (1) abgegebene Lichtwellenlänge ist in einem Lichtweg angeordnet, durch welchen von den Polarisationstrahlenteiler (4b) abgegebene Lichtströme auf die Zwischenlinse (5) gerichtet werden, und einem Lichtweg, durch welchen nach ihrer Reflexion durch die Reflexionsfläche von der Zwischenlinse (5) abgegebene Lichtströme auf den Polarisationsstrahlenteiler (4b) gerichtet werden.

Gemäß dieser Anordnung wird das meiste des planen polarisierten Lichts, dass von der Lichteinstrahleinheit abgegeben wird, vom zweiten Lichtwegsteuerelement reflektiert oder von diesem durchgelassen und wird nach Durchgehen durch die Zwischenlinse und die R-Wellenlängen-Platte erneut durch die R-Wellenlängen-Platte und die Zwischenlinse hindurch geführt und auf dem Polarisationstrahlenteiler zum Einfall gebracht. Da das polarisierte Licht durch die R-Wellenlängen-Platte hindurch vorwärts und rückwärts gesendet wird, kann das plane polarisierte Licht um 90 Grad drehen; in dem Fall, in dem das optische System so eingerichtet ist, dass das polarisierte Licht zuerst durch den Polarisationsstrahlenteiler reflektiert wird, wird das meiste des polarisierten Lichts durchgelassen, während in dem Fall, wo das optische System so eingerichtet ist, dass das meiste des polarisierten Lichts durchgelassen wird, das meiste des polarisierten Lichts reflektiert wird. Im Vergleich zu einem Fall, in dem ein Halbspiegel als zweites Lichtwegsteuerelement verwendet wird, kann die Menge der Lichtströme, die auf das Messobjekt aufzubringen sind, um etwa den Faktor 4 erhöht werden. Das Ausgangssignal des Lichtempfangselements wird daher entsprechend erhöht, so dass es möglich ist, Versetzungsmessungen mit hoher Genauigkeit und Messungen mit kurzer Antwortzeit durch Verbesserung des Störabstands durchzuführen.

In einem weiteren bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung, wie durch Bezugszeichen in der Fig. 31, die ein Beispiel desselben zeigt, angegeben, ist der Versetzungssensor vorgesehen mit: einer Reflexionsflächenverwendungs- Lichteinstrahleinheit (30), welche Lichtströme auf die Reflexionsfläche (6) in einer anderen Richtung als der Richtung senkrecht zur Reflexionsfläche (6) abgibt; und einem Lagenachweiselement (33), welches Lichtströme, die von der Reflexionsflächenverwendungs-Lichteinstrahleinheit (3) abgegeben worden sind, nach ihrer Reflexion durch die Reflexionsfläche (6) empfängt, und in dieser Anordnung wird Information in Bezug auf einen Abstand zum Messobjekt (8) hin beruhend auf einem Ausgangssignal des Lagenachweiselements (33) und einem Ausgangssignal der Lichtempfangseinheit (9) gewonnen.

Mit dieser Anordnung ist es möglich, die Lage der Reflexionsfläche entsprechend der Größe der Änderung der Lichtweglänge beruhend auf dem Ausgangssignal des Lagenachweiselements aufzufinden. Fig. 36 zeigt ein Beispiel des Lagenachweiselementsausgabe-Berechnungsergebnisses, das beruhend auf dem Ausgangssignal des Lagenachweiselements aufgefunden wird. Dieses entspricht der Größe der Änderung der Lichtweglänge in Fig. 6. In Bezug auf den Berechnungsvorgang kann irgendein Vorgang verwendet werden, solange er eindeutig die Berechnungsergebnisse ansprechend auf die Lage von Lichtströmen, die auf das Lagenachweiselement zum Einfall gebracht werden, bestimmt; unter der Annahme also, dass zwei Ausgaben des Lagenachweiselements A und B sind, werden A/(A+B), (A-B)/(A+B) und dergleichen im Allgemeinen verwendet. Ferner können einfach A, B oder A-B verwendet werden.

Wie weiter oben in Fig. 6 beschrieben, hat die Lage der Reflexionsfläche einen Eins-zu-Eins-Entsprechung zu der Lichtbündelungsposition von Einstrahlungslichtströmen auf das Messobjekt, und durch Vorabauffinden einer Gleichung zur Umwandlung derselben in die Größe der Versetzung im Messobjekt ist möglich, die Größe der Versetzung des Messobjekts anhand der Ausgabe des Lagenachweiselements, die der Zeit entspricht, zu der Ausgangssignal der Lichtempfangseinheit maximiert ist, aufzufinden. Ferner kann die Rückfläche der Reflexionsfläche als Reflexionsfläche des oben erwähnten optischen Systems, die zum Auffinden der Lage der Reflexionsfläche verwendet wird, benutzt werden, und in einer Anordnung, in welcher die Fläche auf der Seite zur Reflexion von Lichtströmen, die auf das Messobjekt aufzubringen sind, wie in Fig. 6 gezeigt, verwendet wird, sind die Reflexionsflächenverwendungs-Lichteinstrahleinheit und das Lagenachweiselement auf der Messobjektseite in Bezug zu der Reflexionsfläche angeordnet, wobei der Lichtweglängen-Durchfahrmechanismus frei auf der Rückflächenseite der Reflexionsfläche ohne Einschränkungen hinsichtlich Form und dergleichen angeordnet ist; es wird also möglich, einen Durchfahrmechanismus vorzusehen, der einen einfachen Aufbau hat.

Die von der Reflexionsflächenverwendungs-Lichteinstrahleinheit abgegebenen Lichtströme können so angeordnet sein, dass sie einen feinen Punkt auf der Lichtempfangsfläche des Lagenachweiselements ausbildend konvergieren; diese Anordnung ist bevorzugt, da die Auflösung des Lagenachweiselements verbessert ist. Ferner können diese Lichtströme so aufgebracht werden, dass sie stets in der Reflexionsfläche enthalten sind, auch wenn die Reflexionsfläche versetzt wird; diese Anordnung ist stärker bevorzugt, da es möglich ist zu verhindern, dass die Lage des Schwerpunkts des Punkts sich irregulär auf dem Nachweiselement verändert, und folglich, die Notwendigkeit eines Ausnahmevorgangs und einer Korrektur zu beseitigen.

Zur bequemeren Bezugnahme wird die folgende Beschreibung erneut die Beziehung zwischen wechselseitigen Namen der Lichtbündelungselemente zeigen.

Das sechste Lichtbündelungselement (13) kann kompatibel Funktionen des ersten Lichtbündelungselements (3, 5, 7/14) und des zweiten Lichtbündelungselements (7, 5, 3/15) haben. Hierbei ist das Bezugszeichen der Fig. 1 vor den Schrägstrich "/" und dasjenige der Fig. 2 dahinter angeordnet.

Das siebte Lichtbündelungselement (19) kann kompatibel Funktionen des vierten Lichtbündelungselements (17) und des fünften Lichtbündelungselements (18) haben.

Das achte Lichtbündelungselement (20) kann kompatibel Funktionen des dritten Lichtbündelungselements (16), des vierten Lichtbündelungselements (17) und des fünften Lichtbündelungselements (18) haben.

Das erste Lichtbündelungselement kann durch das dritte Lichtbündelungselement und das vierte Lichtbündelungselement gebildet sein.

Das zweite Lichtbündelungselement kann durch dritte Lichtbündelungselement und das fünfte Lichtbündelungselement gebildet sein.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt einen Aufbau einen optischen Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt einen Aufbau eines optischen Systems gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 zeigt Einstrahlungslichtströme in einem Zustand, in welchem ein Lichtweg-Durchfahrmechanismus eine Lichtweglänge im Aufbau des optischen Systems gemäß der Ausführungsform der Fig. 1 verkürzt.
Fig. 4 zeigt reflektierte Lichtströme in einem Zustand, in welchem in einem Fall, wo ein Messobjekt ein Spiegelflächenobjekt ist, der Lichtweg-Durchfahrmechanismus die Lichtweglänge in dem Aufbau des optischen Systems gemäß der Ausführungsform der Fig. 1 verkürzt.
Fig. 5 zeigt reflektierte Lichtströme in einem Zustand, in dem in einem Fall, wo ein Messobjekt ein diffus reflektierendes Objekt ist, der Lichtweg-Durchfahrmechanismus die Lichtweglänge in dem Aufbau des optischen Systems gemäß der Ausführungsform der Fig. 1 verkürzt.
Fig. 6 ist eine Zeichnung, die eine Änderung der Lichtweglänge, die sich aus einem Arbeiten des Lichtweg- Durchfahrmechanismus ergibt, und eine zeitbasierte Änderung eines Ausgangssignals einer Lichtempfangseinheit zeigt.
Fig. 7 zeigt einen Aufbau eines optischen Systems in einer Ausführungsform, in welcher ein Schneidenelement als Lichtabschirmmaske verwendet wird, wobei eine zweigeteilte Photodiode als Lichtempfangselement verwendet wird.
Fig. 8 zeigt reflektierte Lichtströme in einem Zustand, in welchem der Lichtweg-Durchfahrmechanismus die Lichtweglänge in einem Aufbau des optischen Systems gemäß der Ausführungsform, in welcher ein Schneidenelement als Lichtabschirmmaske verwendet wird, verkürzt, wobei eine zweigeteilte Photodiode als Lichtempfangselement verwendet wird.
Fig. 9 zeigt reflektierte Lichtströme in einem Zustand, in welchem der Lichtweg-Durchfahrmechanismus die Lichtweglänge in dem Aufbau des optischen Systems gemäß der Ausführungsform, bei welcher ein Schneidenelement als Lichtabschirmmaske verwendet, verlängert, wobei eine zweigeteilte Photodiode als Lichtempfangselement verwendet wird.
Fig. 10 zeigt einen Aufbau eines optischen Systems gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 11 zeigt einen Aufbau eines weiteren optischen Systems gemäß der Ausführungsform der Fig. 10.
Fig. 12 zeigt einen Aufbau eines optischen Systems gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 13 zeigt einen Aufbau eines weiteren optischen Systems gemäß der Ausführungsform der Fig. 12.
Fig. 14 zeigt einen Aufbau eines optischen Systems, bei welchem ein sechstes Lichtbündelungselement in der Ausführungsform der Fig. 12 verwendet wird.
Fig. 15 zeigt einen Aufbau eines weiteren optischen Systems, bei welchem ein sechstes Lichtbündelungselement in der Ausführungsform der Fig. 12 verwendet wird.
Fig. 16 zeigt einen Aufbau eines optischen Systems gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 17 zeigt einen Aufbau eines weiteren optischen Systems gemäß der Ausführungsform der Fig. 16.
Fig. 18 zeigt einen Aufbau eines optischen Systems gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 19 zeigt einen Aufbau eines weiteren optischen Systems gemäß der Ausführungsform der Fig. 18.
Fig. 20 zeigt einen Aufbau eines optischen Systems gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 21 zeigt einen Aufbau eines weiteren optischen Systems gemäß der Ausführungsform der Fig. 20.
Fig. 22 ist eine Zeichnung, die eine Beziehung zwischen einem Aufbau eines optischen Systems und von einer Lichteinstrahleinheit abgegebenen Lichtströmen in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 23 ist eine Zeichnung, die eine Beziehung zwischen einem Aufbau eines weiteren optischen Systems und von einer Lichteinstrahleinheit abgegebenen Lichtströmen in der Ausführungsform der Fig. 22 zeigt.
Fig. 24 ist eine Zeichnung, die eine Beziehung zwischen einem Aufbau eines optischen Systems und Lichtströmen in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 25 ist eine Zeichnung, die ein Ausgangssignal eines Lichtempfangselements in der Ausführungsform der Fig. 24 zeigt.
Fig. 26 zeigt einen Aufbau eines optischen Systems gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 27 zeigt einen Aufbau eines weiteren optischen Systems gemäß der Ausführungsform der Fig. 26.
Fig. 28 zeigt einen Aufbau eines optischen Systems gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 29 zeigt einen Aufbau eines weiteren optischen Systems gemäß der Ausführungsform der Fig. 28.
Fig. 30 zeigt einen Aufbau eines optischen Systems gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 31 zeigt einen Aufbau eines optischen Systems gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 32 zeigt ein Aufbaubeispiel eines einseitig gehalterten Arms in einem Lichtweglängen-Durchfahrmechanismus.
Fig. 33 zeigt einen Innenaufbau eines Sensorkopfs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 34 zeigt einen Innenaufbau einer Steuereinheit, die mit dem Sensorkopf verbunden ist, gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 35 zeigt einen Gesamtaufbau eines Versetzungssensors gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 36 ist eine Zeichnung, die ein Lichtempfangselement, ein Ausgangssignal eines Lagenachweiselements und Berechnungsergebnisse der Lagenachweiselementausgabe gemäß der dreizehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 37 ist ein Flussdiagramm, dass die Abfolge von Versetzungsgrößenmessungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 38 zeigt einen Aufbau eines optischen Systems gemäß weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 39 zeigt einen inneren Aufbau eines Sensorkopfs gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 40 zeigt einen inneren Aufbau einer Steuereinheit, die mit dem Sensorkopf verbunden ist, gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 41 ist eine Zeichnung, die eine auf ein Ausgangssignal eines Lichtempfangselements bezügliche Wellenform gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 42 ist ein Flussdiagramm, das die Abfolge von Versetzungsgrößenmessungen gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 43 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Sensorkopf gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 44 ist eine Vorderansicht des Sensorkopfes gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 45 ist eine Seitenansicht eines optischen Systems in dem Sensorkopf gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 46 ist eine Zeichnung, die eine auf einen Aufbau eines weiteren optischen Systems bezügliche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 47 ist eine Zeichnung, die eine auf einen Aufbau eines weiteren optischen Systems bezügliche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 48 zeigt ein optisches System, das für herkömmliche Versetzungsmessungen gemäß einem Triangulierungsvermessungsverfahren verwendet wird.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Unter Bezug auf die beigefügten. Figuren wird die folgende Beschreibung Ausführungsformen eines Versetzungssensors der vorliegenden Erfindung im Einzelnen diskutieren.
Fig. 31 zeigt eine Anordnung eines optischen Systems des vorliegenden Versetzungssensors. Das optische System des vorliegenden Versetzungssensors ist mit einem Rot- Halbleiterlaser 34, der als Lichteinstrahleinheit dient, einem Kubushalbspiegel 2, der als "ein erstes Lichtwegsteuerelement" dient, einer Linse 3, die gleichzeitig als Kollimierungslinse und als Lichtempfangslinse dient, einer Zwischenlinse 5, einer Objektlinse 7, die als "ein drittes Lichtbündelungselement" dient, einem Polarisationsstrahlenteiler 4b, der als "ein zweites Lichtwegsteuerelement" dient, einer R-Wellenlängenplatte 29 in Bezug auf die Wellenlänge des Lichts, die von dem Rot-Halbleiterlaser 34 abgegeben wird, einem einseitig gehalterten Arm 36 und einem Elektromagneten 38, die als Lichtweglängen- Durchfahrmechanismus dienen, einer Nadelloch 901a, die als Lichtabschirmungsmaske einer Lichtempfangseinheit dient, einer Photodiode 902a, die als Lichtempfangselement einer Lichtempfangseinheit dient, und einem Bandpassfilter 903 versehen.
Hierbei wirken nun die Linse 3, die Zwischenlinse 5 und die Objektlinse 7, die als "ein erstes Lichtbündelungselement" dienen, gleichzeitig als "ein zweites Lichtbündelungselement". Die Kollimierungslinse (Linse 3 in der vorliegenden Ausführungsform), die Zwischenlinse 5 und die Objektlinse 7 entsprechen "dem ersten Lichtbündelungselement" zur Bündelung eines von einer Lichteinstrahleinheit abgegebenen Lichtstromes auf ein Messobjekt 8, und die Objektlinse 7, die Zwischenlinse 5 und die Lichtempfangslinse (Linse 3 in der vorliegenden Ausführungsform) entsprechen "dem zweiten Lichtbündelungselement" zur Bündelung eines vom Messobjekt 8 reflektierten Lichtstroms auf eine Lichtstromempfangseinheit, und bei der vorliegenden Erfindung ist, da die Linse 3 gemeinsam als Kollimierungslinse uns Lichtempfangslinse verwendet wird, die oben erwähnte entsprechende Beziehung bereitgestellt.
Der vorliegende Versetzungssensor ist ferner mit einem Infrarot-Halbleiterlaser 35 und einem Lichtbündelungselement 32, die eine Lichteinstrahleinheit 30 zur Verwendung bei Versetzungsgrößenmessungen auf einer Reflexionsfläche bilden, und einem Lagenachweiselement 33 versehen. Diese Figur zeigt auch das Messobjekt 8 in einer kombinierten Weise. Wie in Fig. 32 gezeigt, ist der einseitig gehalterte Arm 36 durch einen Oszillator 3601 und einen Spiegel 3602, der als Reflexionsfläche dient, gebildet.
Die Lichteinstrahllichtachse, die durch Rot- Halbleiterlaser 34 und die Linse 3 spezifiziert ist, und die Lichtempfangslichtachse, die durch die Mitte des Nadellochs 901a und die Linse 3 spezifiziert ist, werden durch den Kubushalbspiegel 2 auf der Seite des Pressobjekts 8 koaxial gehalten. Die Lichtemissionspunkte des Nadellochs 901a und des Rot-Halbleiterlasers 34 werden in einer Lagebeziehung angeordnet, in welcher sie Spiegelbilder in Bezug auf die Funktion des Kubushalbspiegels 2 bilden.
Ein Lichtstrom mit einer planen Polarisation wird von dem Rot-Halbleiterlaser 34 abgegeben und kann den Kubushalbspiegel 2 durchlaufen, so dass er durch die Linse 3 zu Parallellichtströmen gemacht wird. Der Polarisationsstrahlenteiler 4b, der als das zweite Lichtwegsteuerelement dient, ist in einer solchen Richtung angeordnet, dass er das meiste der Parallellichtströme mit planer Polarisation reflektiert. Die durch den Polarisationsstrahlenteiler 4b reflektierten Parallellichtströme werden in die Nachbarschaft des Spiegels 3602 gebündelt, nachdem sie die R-Wellenlängenplatten 29 und die Zwischenlinse 5 durchlaufen haben, und werden auch durch den Spiegel 3602 im Wesentlichen senkrecht zur Reflexionsfläche desselben reflektiert. Da jedoch der die Reflexionsfläche bildende Spiegel 3602 durch die Schwingung des einseitig gehalterten Arms mit einem als Drehpunkt dienenden Punkt 37 versetzt wird, tritt eine leichte Winkeländerung gegenüber der senkrechten Richtung auf. Die vom dem Spiegel 3602 reflektierten Lichtströme werden über die Zwischenlinse 5 und R-Wellenlängenplatte 29 erneut auf den Polarisationsstrahlenteiler 4b zum Einfall gebracht. Diese Lichtströme haben plane Polarisation unter 90 Grad in Bezug auf die Polarisationsrichtung der zum Spiegel 3602 hin gerichteten Lichtströme vor Durchgang durch die Rot-R-Wellenlängenplatte und können parallele oder praktisch parallele Lichtströme ausbilden. Diese Lichtströme werden durch die Objektlinse T auf das Messobjekt 8 gerichtet. Nach Empfang durch die Objektlinse 7 verfolgen die vom Messobjekt 8 reflektierten Lichtströme den Weg umgekehrt zum Einstrahlungsweg auf das Messobjekt 8 zurück. Wenn das Messobjekt 8 ein Spiegelflächen ist wird, da die Polarisationsrichtung der reflektierten Lichtströme beibehalten wird, die 90-Grad-Polarisation durch umgekehrten Durchgang durch die R-Wellenlängenplatte in der gleichen Weise wie bei der Einstrahlung gedreht; die reflektierten Lichtströme werden auf den Kubushalbspiegel 2 mit der gleichen Polarisationsrichtung wie die Polarisationsrichtung von Licht, das von dem Rot-Halbleiterlaser 34 abgegeben worden ist, zum Einfallen gebracht. Wenn das Messobjekt 8 ein streureflektierendes Objekt ist, enthält die Polarisationsrichtung der reflektierten Lichtströme verschiedene Richtungen; nur die Komponenten jedoch, die die gleiche Polarisationsrichtung wie die Richtung bei der Einstrahlung auf das Messobjekt haben, können den Kubushalbspiegel 2 erreichen. Unter den von dem Messobjekt 8 reflektierten Lichtströmen werden die durch den Kubushalbspiegel 2 reflektierten Lichtströme in den Bereich des Nadellochs 901a gebündelt, und die Lichtströme, die durch das Nadelloch 901a hindurch gegangen sind, werden durch die Photodiode 902a empfangen. Ein Bandpassfilter, welches nur die Wellenlängen des Rot-Halbleiterlasers 34 durchlässt, ist vor dem Nadelloch 901a eingefügt, so dass Streulicht, das von den vom Messobjekt 8 reflektierten Lichtströmen verschieden ist, beseitigt wird.
Da der Rot-Halbleiterlaser ein visuelles Beobachten von Punkten auf dem Messobjekt 8 ermöglicht, ist er sehr bequem in der Anwendung eines Sensors. Nicht beschränkt auf Rot, wird die Farbe des Lichts nach Wunsch eingestellt, solange es sich um sichtbares Licht handelt.
Der Grund, dass sowohl der Kubushalbspiegel 2 als auch der Polarisationsstrahlenteiler 4b nicht plattenförmig, sondern würfelförmig ausgebildet sind, liegt darin, dass die Plattenform Astigmatismus im durchgegangenen Licht bewirken würde, was zu einer verbreiterten minimalen Punktgröße auf dem Messobjekt sowie auf der Maske, auf der Nadelloch ausgebildet ist, führen würde. Ein plattenförmiger Halbspiegel und Polarisationsstrahlenteiler können mit einem in einem Lichtweg eingesetzten plattenförmigen Lichtdurchlassmedium (beispielsweise einer transparenten Glasplatte) verwendet werden; der Astigmatismus lässt sich so korrigieren. Ferner sind in Fig. 31 der Kubushalbspiegel 2 und der Polarisationsstrahlenteiler 4b so eingerichtet, dass die jeweiligen einfallenden und reflektierten Lichtströme auf der gleichen Ebene angeordnet sind; die vorliegende Erfindung soll durch diese Anordnung jedoch nicht eingeschränkt werden.
Da Polarisation verwendet wird, ist ferner bevorzugt, ein Medium mit praktisch keiner Doppelbrechung, wie etwa Glas, als die optischen Teile, die Lichtströme übertragen, zu verwenden.
Die vom Infrarot-Halbleiterlaser 35 abgegebenen Lichtströme werden durch das Lichtbündelungselement 32 auf die Lichtempfangsfläche des Lagenachweiselements 33 gebündelt. Die Beziehung zwischen der Breite der Lichtströme, dem Einfallswinkel auf den Spiegel 3602 und der Größe des Spiegels 3602 werden so eingestellt, dass in diesem Vorgang alle so abgegebenen Lichtströme auch bei Versetzung stets durch den Spiegel 3602 reflektiert und auf das Lagenachweiselement 33 zum Einfall gebracht werden. Es wird bevorzugt, die Größe des Spiegels 3602 kleiner einstellen, da dies es ermöglicht, bei der Schwingung eine höhere Frequenz vorzusehen. Die Punktgröße auf der Lichtempfangsfläche des Lagenachweiselements wird vorzugsweise so klein wie möglich eingestellt, da eine größere Punktgröße nachteilige Auswirkungen auf die Auflösung der Ausgabe des Lagenachweiselements bewirkt. Bei der vorliegenden Anordnung werden in einem Versuch, vorzugsweise die Auflösung zu verbessern, die Lichtströme auf das Lagenachweiselement gebündelt; in einem Versuch, vorzugsweise die Durchfahrfrequenz zu erhöhen, können die Lichtströme jedoch auch auf den Spiegel 3602 gebündelt werden. Der Infrarot-Halbleiterlaser 35 wird verwendet, da es seine Anwendung ermöglicht zu verhindern, dass Streulicht, wie etwa zerstreutes Licht von optischen Teilen, auf die Photodiode 902a zum Einfall gebracht wird und eine Verschlechterung des Störabstands von schwachem reflektierten Licht vom Messobjekt 8, das von dem Licht des Infrarot-Halbleiterlasers 34 herrührt, bewirkt. Daher kann ohne Einschränkung auf Infrarotstrahlung die Wellenlänge des Infrarot-Halbleiterlasers 35 mit den gleichen Wirkungen auf irgendeine Wellenlänge eingestellt werden, solange sie nicht durch das Bandpassfilter 903 durchgelassen wird. Als nächstes zeigt Fig. 33 einen inneren Aufbau eines Sensorkopfs des vorliegenden Sensors und Fig. 34 einen inneren Aufbau einer mit dem Sensorkopf zu verbindenden Steuereinheit. Fig. 35 zeigt den Gesamtaufbau des vorliegenden Versetzungssensors, der durch den Sensorkopf und die Steuereinheit gebildet ist.
Zusätzlich zu dem durch die oben erwähnte Fig. 31 erläuterten optischen System ist der Sensorkopf 39 mit einer APC (Automatische Phasenkontrolle)-Schaltung 41 zur Verwendung im Rot-Halbleiterlaser 34, einer APC-Schaltung 42 zur Verwendung im Infrarot-Halberleiterlaser 35, einer I/V- Schaltung 43 zur Verwendung in der Photodiode 902a, einer I/V-Schaltung 44 zur Verwendung im Lagenachweiselement und einer Oszillator-Treiberschaltung 45 versehen.
Die APC-Schaltungen 41, 42 sind Schaltungen, die dazu verwendet werden, den Halbleiterlaser mit einer auf einem konstanten Niveau gehaltenen Ausgabe zu betreiben, und insbesondere hat die APC-Schaltung 41 euch eine Funktion der Steuerung der Größe der Ausgabe des Halbleiterlasers 35 gemäß einem Einstrahlungslichtleistungs-Steuersignal der Steuereinheit. Die I/V-Schaltung 43 ist eine Schaltung, welche einen Ausgabestrom der Photodiode 902a in eine Spannung umwandelt und das sich ergebende Lichtempfangselement- Ausgangssignal auf die Steuereinheit ausgibt, und die I/V- Schaltung 44 ist eine Schaltung, welche zwei Ausgabeströme des Lagenachweiselements 33 in betreffende Spannungen umwandelt und die sich ergebenden Lagenachweiselement- Ausgabesignale A, B auf die Steuereinheit ausgibt. Die Oszillator-Treiberschaltung 45 ist eine Schaltung zur Lieferung eines Stroms, der zur Ansteuerung des Elektromagneten 38 gemäß einem von der Steuereinheit abgegebenen Oszillator- Treiberimpuls verwendet wird. Da der Lichtweglängen- Durchfahrmechanismus einen Aufbau hat, bei welchem der einseitig gehalterte Arm 36 mit dem Oszillator 3601, an dem der Spiegel 3602 angebracht ist, durch den Elektromagneten 38 betrieben wird, wird für den Oszillator 3601 ein magnetisches Material verwendet. In Fig. 32 ist der Spiegel 3602 mit dem Oszillator 3601 verklebt; die Oberfläche des Oszillators kann jedoch auch zu einer Spiegelfläche poliert sein, oder es kann ein Bedampfungsvorgang auf der polierten Oberfläche zur Ausbildung einer Spiegelfläche ausgeführt werden.
Die Steuereinheit 40 ist mit Verstärkern 46, 47, A/D- Wandlerschaltungen 48, 49, 50, einer Spitzennachweisschaltung 51, einer AGC (Automatische Verstärkungsregelung)- Schaltung 52, einer Lichteinstrahlungsleistung- Steuerschaltung 53, einer CPU 45, einer Oszillatorschaltung 45, einer Oszillatortreiberimpuls-Erzeugungsschaltung 56, einem Speicher 57, einer äußeren E/A-Schnittstelle 58, einer Versetzungsgrößenanzeigeeinheit-Treiberschaltung 59 und einer Anzeigeeinheit 60 versehen.
Die Lagenachweiselement-Ausgabesignale A, B des Sensorkopfes werden durch die Verstärker 46, 47 verstärkt, durch die A/D-Wandlerschaltungen 48, 49 in Digitalsignale umgewandelt und der CPU eingegeben. Da Lichtempfangselement- Ausgabesignal des Sensorkopfes wird zunächst durch die Spitzennachweisschaltung 51 in seiner Lichtempfangsmenge gemessen. Gemäß der Größe sendet die Lichteinstrahlungsleistung- Steuerschaltung 53 ein Lichteinstrahlungsleistungs- Steuersignal zur Optimierung der Lichtemissionsleistung des Rot-Halbleiterlasers 34 an die APC-Schaltung 41 des Sensorkopfs 39, so dass ein Rückkopplungsvorgang ausgeführt wird. Als nächstes wird das Lichtempfangselement-Ausgabesignal durch die AGC-Schaltung verstärkt oder abgeschwächt, durch die A/D-Wandlerschaltung in ein Digitalsignal umgewandelt und auf die CPU 54 ausgegeben.
Die Oszillatorschaltung 45 wird als Referenztakt für die CPU 54 und die Oszillatortreiberimpuls- Erzeugungsschaltung 56 verwendet. Die Oszillatortreiberimpuls-Erzeugungsschaltung 56 gibt einen Oszillatortreiberimpuls auf die Oszillatortreiberschaltung 45. Der Oszillatortreiberimpuls bestimmt die Impulsbreite und die Periode eines auf den Elektromagneten 38 zum Betreiben des Oszillators 3601 aufzugebenden Stroms. Der Speicher 57 speichert die Messwerte und Umwandlungsgleichungen auf die Versetzungsgröße und speichert auch Daten, die die CPU 54 benötigt, um die Versetzungsgrößenberechnungen durchzuführen. Die sich ergebende Versetzungsgröße wird durch die äußere E/A- Schnittstelle ausgegeben. Die Steuereinheit 40 ist mit einer Anzeige 60 versehen, so dass die Anzeige 60 die Versetzungsgröße über die Versetzungsgrößenanzeigeeinheit- Ansteuerschaltung 59 anzeigt. Die CPU 54 stellt ein Empfangslichtelement-Ausgabesignal über die A/D- Umwandlungsschaltung 50 fest, so dass die Lagenachweiselement-Ausgabesignale A und B (umgewandelt in Digitalsignale durch die A/D-Wandlerschaltungen 48, 49) synchron mit der Erzeugung des Lichtempfangselement-Ausgabesignals gewonnen werden; es werden also Berechnungen durchgeführt, um das Lagenachweiselement-Ausgabeberechnungsergebnis, Y = A/(A+B), zu gewinnen, das eine Beziehung zur Änderungsgröße der Lichtweglänge hat. Unter Bezug auf die Inhalte des Speicher 57 wird die Versetzungsgröße des Messobjekts, die dem Lagenachweiselement-Ausgabeberechnungsergebnis Y entspricht, aufgefunden. Ferner wird die so aufgefundene Versetzungsgröße des Messobjekts auf die äußere E/A-Schnittstelle 58 und die Versetzungsgrößenanzeigeeinheit-Ansteuerschaltung 59 ausgegeben.
Fig. 36 ist eine Zeichnung, die das durch die vorliegende Ausführungsform gewonnene Ausgabesignal und dergleichen des Lichtempfangselements zeigt. Gemäß der Versetzung des Spiegels 3602 werden die Lagenachweiselement- Ausgabesignale A, B in Form einer Sinuswelle geändert, so dass das Lichtempfangselement-Ausgabesignal als Impulse ansprechend auf die Zeit, zu der die Einstrahlungslichtströme auf das Messobjekt 8 gebündelt werden, gewonnen wird. Die vorliegende Ausführungsform behandelt einen Fall, in welchem der Bereich, in dem der Spiegel 3602 längs der Lichtachsenrichtung versetzt wird, nicht eine Position enthält, an der die von Rot-Halbleiterlaser 34 abgegebenen Lichtströme durch die Zwischenlinse 5 gebündelt werden, und das Rückkehrlicht vom Spiegel 3602 nicht im Ausgabesignal des Lichtempfangselements enthalten ist. Die Lagenachweiselementausgabe- Berechnungsergebnisse Y = A(A+B), die anhand der Lagenachweiselement-Ausgabesignale A, B der Zeit, wenn der Impuls des Lichtempfangselement-Ausgabesignals eine Spitze hat, gewonnen werden, sind als Y1, Y2, Y3, Y4 bezeichnet. Hierbei wurden Umwandlungsgleichungen für das Lagenachweiselement- Ausgabeberechnungsergebnis Y in die Versetzungsgröße des Messobjekts 8 vorab im Speicher 57 gespeichert, so dass die entsprechende Versetzungsgröße berechnet wird.
Beispielsweise wird die Versetzungsgröße ˙X des Messobjekts 8 anhand der folgenden Umwandlungsgleichungen beruhend auf der Beziehung von linsengebündelten Bildern berechnet.

˙X = L2 - L0

L2 = 1/{1/F - 1/L1}

L1 = D + H/(A + B)
Hierbei stellt F eine Brennweite einer zusammengesetzten Linse aus der Zwischenlinse 5 und der Objektlinse 7, (nachfolgend als zusammengesetzte Linse bezeichnet), L0 einen Abstand zwischen der Referenzposition des Messobjekts und dem Hauptpunkt auf der Messobjektseite der zusammengesetzten Linse, L1 einen optischen Abstand zwischen dem Punkt, an welchem die von dem Halbleiterlaser 34 abgegeben Lichtströme im Bereich des Spiegels 3602 gebündelt werden, und dem Hauptpunkt spiegelseitig (Spiegel 3602) dar, ist L2 ein Abstand zwischen dem Messobjekt 8 (der mit dem durch die zusammengesetzte Linse gebildeten Bild des Spiegels 3602 zusammenfällt) und dem Hauptpunkt auf der Messobjektseite der zusammengesetzten Linse, und sind D und H Konstanten. Die Konstanten D, H können durch tatsächliches Versetzen des Messobjekts um einen bestimmten Betrag gewonnen werden.
Ferner werden, nicht begrenzt auf dieses Verfahren, durch tatsächliches Versetzen des Messobjekts um bestimmte Beträge die entsprechenden Lagenachweiselement- Ausgabeberechnungsergebnisse Y als Datenliste aufrechterhalten, und die Versetzungsgröße kann durch Interpolation auf diesen Daten berechnet werden, oder es kann eine Umwandlungsgleichung aus der Datenliste der Lagenachweiselementausgabe-Berechnungsergebnisse unter Verwendung einer geeigneten Näherung hergeleitet werden, so dass die Versetzungsgröße durch die Umwandlungsgleichung berechnet werden kann.
Fig. 37 zeigt ein Flussdiagramm, das die oben erwähnten Vorgänge angibt. Die Vorgänge von ST1 bis ST5 werden durch die CPU ausgeführt. Nach Beginn der Messvorgänge, bei ST1, wird die Spitze des Lichtempfangselement-Ausgabesignals, das durch die A/D-Umwandlungsschaltung 50 gewonnen wurde, festgestellt. Bei ST2 werden die Lagenachweiselement- Ausgabesignale A, B, die dem Zeitpunkt der bei ST1 festgestellten Spitze des Lichtempfangselement-Ausgabesignals entsprechen, über die A/D-Umwandlungsschaltungen 48, 49 gewonnen. Bei ST3 werden die bei ST2 gewonnenen Lagenachweiselement-Ausgabesignale A, B berechnet, so dass das Lagenachweiselementausgabe-Berechnungsergebnis Y = A/(A+B) gewonnen wird. Bei ST4 werden beruhend auf dem gewonnenen Berechnungsergebnis Y und auf vorab im Speicher 57 gespeicherten Umwandlungsgleichungen Umwandlungsvorgänge durchgeführt, um so die Versetzungsgröße des Messobjekts zu gewinnen. Nach den Umwandlungsvorgängen kehrt die Folge erneut nach ST1 zurück und die Vorgänge von ST5 werden parallel ausgeführt. Die Mittelungsvorgänge von ST5 werden durchgeführt, um die Messgenauigkeit der Größe der Versetzung zu verbessern, und die Anzahl der Vorgänge kann durch Einstellung bestimmt werden. Nach Durchführung der Mittelungsvorgänge so oft wie eingestellt, kann die Größe der Versetzung des Messobjekts ausgegeben werden.
Die folgende Beschreibung wird eine weitere Ausführungsform diskutieren, bei welcher ein Bereich, in welchem der Spiegel 3602 längs der Lichtachsenrichtung versetzt wird, eine Lage enthält, an der von dem Rot-Halbleiterlaser 34 abgegebene Lichtströme durch die Zwischenlinse 5 gebündelt werden und, wenn das Messobjekt 8 in dem wirksamen Messbereich angeordnet ist, ein Bereich, in welchem die vom Messobjekt reflektierten Lichtströme durch die Zwischenlinse 5 gebündelt werden können, keine Lage enthält, an welcher die von dem Rot-Halbleiterlaser 34 abgegebenen Lichtströme durch die Zwischenlinse 5 gebündelt werden. Bei dieser Ausführungsform wird die Größe der Versetzung des Spiegels 3602 nicht durch Verwenden der Lichteinstrahleinheit 30 und des Lagenachweiselements 32 gemessen, und unter der Annahme, dass die Änderung der Lichtweglänge einer Schwingung in Form einer Sinuswelle, die sich periodisch mit der Zeit ändert, entspricht, wird die Änderung der Lichtweglänge zu der entsprechenden Zeit durch Berechnen der Zeitdauer aufgefunden, die seit der Erzeugung des Rückkehrlichts verstrichen ist. Anders ausgedrückt, ist das optische System, wie in Fig. 38 gezeigt, eingerichtet, und dieser Aufbau entspricht einem Aufbau, der durch Weglassen der Lichteinstrahleinheit 30 (des Infrarot-Halbleitlasers 35 und des Lichtbündelungselements 32 zur Verwendung bei Versetzungsgrößenmessungen auf der Reflexionsfläche) und des Lagenachweiselements 33 aus dem Aufbau der Fig. 31 gewonnen ist. Fig. 39 zeigt den inneren Aufbau des Sensorkopfs, und Fig. 40 zeigt den inneren Aufbau der Steuereinheit, wobei der Verstärker zur Verarbeitung des Ausgangssignals des Lagenachweiselements und die A/D-Wandlerschaltung weggelassen sind.
Fig. 41 zeigt ein Ausgangssignal des Lichtempfangselements zusammen mit einer zugehörigen Wellenform gemäß dieser Ausführungsform. Ansprechend auf die Zeit, zu der die Einstrahlungslichtströme auf das Messobjekt 8 gebündelt werden, wird ein impulsförmiges Lichtempfangselement-Ausgabesignal 27 gewonnen, und ansprechend auf die Zeit, zu der von dem Rot-Halbleiterlaser 34 abgegebene Lichtströme auf den Spiegel 3602 durch die Zwischenlinse 5 gebündelt werden, wird Rückkehrlicht als impulsförmiges Lichtempfangselement- Ausgabesignal 26 gewonnen. Die Größe der Änderung der Lichtweglänge in Form einer Sinuswelle (die Lichtweglänge ändert sich auch sinusförmig, wenn der Spiegel 3602 in Form einer Sinuswelle schwingt) ist als Referenz ebenfalls gezeigt. X1 gibt die Größe der Änderung der Lichtweglänge an, wenn Einstrahlungslichtströme auf das Messobjekt 8 gebündelt werden, X2 gibt die Änderung der Größe der Lichtweglänge an, wenn von dem Rot-Halbleiterlaser 34 abgegebene Lichtströme durch die Zwischenlinse 5 auf den Spiegel 3602 gebündelt werden (wenn Rückkehrlicht erzeugt wird), X3 gibt die Größe der Änderung der Lichtweglänge an, wenn die Einstrahlungslichtströme an der von der Objektlinse 7 am weitesten entfernten Position innerhalb des effektiven Messbereichs gebündelt werden, und X4 gibt die Größe der Änderung der Lichtweglänge an, wenn die Einstrahlungslichtströme an der zur Objektlinse 7 am nächsten Position innerhalb des effektiven Messbereichs gebündelt werden.
Wie durch das Lichtempfangselement-Ausgabesignal der Fig. 41 angegeben, werden, wenn der Spiegel 3602 in Form einer Sinuswelle schwingt, von dem Rückkehrlicht unter dem Messobjekt hergeleitete Ausgabesignale sowohl in der Auswärts- als auch in der Rückwärtsbewegung gewonnen. Wenn das vom Rückkehrlicht hergeleitete Ausgangssignal als Referenz verwendet wird, braucht nur das vom Rückkehrlicht hergeleitete Ausgabesignal entweder der Auswärts- oder der Rückkehrbewegung als Referenz ausgewählt zu werden; die folgende Beschreibung wird daher ein Beispiel eines solchen Verfahrens diskutieren. Fig. 41 zeigt auch ein Beispiel eines Oszillatortreiberimpulses, der zum Schwingenlassen des Spiegels 3602 in Form einer Sinuswelle verwendet wird; es ist jedoch nicht möglich, eines der Rückkehrlichte 26 allein durch Bezug auf diesen Oszillatortreiberimpuls auszuwählen. Daher wird unter Annahme, dass die Zeit, zu der der Oszillator an einer Position näher zu X2 zur Erzeugung von Rückkehrlicht, wie in der Figur gezeigt, umgekehrt wird, geringfügig gegenüber der Zeit der Abfallflanke des Oszillatortreiberimpulses verzögert ist, ein One-Shot-Impuls unter Verwendung dieser Abfallflanke des Oszillatortreiberimpulses als Auslöser erzeugt und durch Invertieren dieses One-Shot- Impulses ein Signal, welches einen Anstieg zwischen zwei Rückkehrlichten 26 der Auswärts- und Rückkehrbewegung ohne ein von der Bündelung auf das Messobjekt hergeleitetes Ausgangssignal 27 dazwischen als Rücksetzsignal erzeugt. Wenn der Erfassungsvorgang für das Lichtempfangselement- Ausgabesignal unter Verwendung dieses Rücksetzsignals begonnen wird, bildet der erste von dem Rückkehrlicht 26 hergeleitete Impuls stets den Referenzimpuls, und die folgenden zwei vom Messobjekt hergeleiteten Impulse bilden Ausgabesignale 27. Es werden also verstrichene Zeiten t1 und t2 von den betreffenden Referenzimpulsen an gemessen, und unter Ausnutzung der Tatsache, dass sich die Lichtweglänge periodisch mit der Zeit in Form einer Sinuswelle ändert, können die Größen der Änderung der Lichtweglänge, die t1 und t2 entsprechen, aufgefunden werden. Folglich wird die Änderungsgröße X(t1) des Messobjekts 8 durch beispielsweise die folgenden Umwandlungsgleichungen berechnet:

˙X (t1) = L2 (t1) - (t1) - L0

˙X (t2) = L2 (t2) - (t1) - L0

L2 (t2) - 1/ {1/F - 1/L1(t2)}

L2 (t1) - 1/ {1/F - 1/L1 (t1)}

L1 (t1) = D + Kcos (ωt1 + φ0)

L1(t2) = D + Kcos (ωt2 + φ0)
Hierbei stellt F die Brennweite der zusammengesetzten Linse, L0 den Abstand zwischen der Referenzposition des Messobjekts und dem Hauptpunkt auf der Messobjektseite der zusammengesetzten Linse, L1 den optischen Abstand zwischen dem Punkt, an dem von dem Halbleiterlaser 34 abgegebene Lichtströme in der Nachbarschaft des Spiegele 3602 gebündelt werden, und dem Hauptpunkt der zusammengesetzten Linse auf der Seite des Spiegels 3602 dar, L2 den Abstand zwischen dem Messobjekt 8 (entsprechend dem von der zusammengesetzten Linse hergeleiteten Bild des Spiegele 3602) und dem Hauptpunkt der zusammengesetzten Linse auf der Messobjektseite, und D, K, ω und φ sind Konstanten. Der Wert von ω wird anhand der Periode des Oszillatortreiberimpulses, φ aus der Gleichung cos(ωt1 + φ0) = cos(ωt2 + φC)) aufgefunden, und die Konstanten D, K können durch tatsächliches Versetzen des Messobjekts um einen bestimmten Betrag aufgefunden werden.
Hierbei werden in Bezug auf die Umwandlung der Größe der Versetzung ˙X des Messobjekts 8, nicht beschränkt auf dieses Verfahren in der gleichen Weise wie das oben beschriebene Verfahren, durch tatsächliches Versetzen des Messobjekts um bestimmte Größen die entsprechenden Lagenachweiselementausgabe-Berechnungsergebnisse Y als Liste von Daten aufrechterhalten, und die Größe der Versetzung kann durch Ausführen von Interpolationsvorgängen auf diesen Daten berechnet werden, oder es kann eine Umwandlungsgleichung aus der Liste von Daten der Lagenachweiselementausgabe- Berechnungsergebnisse unter Verwendung einer geeigneten Näherung hergeleitet werden, so dass die Größe der Versetzung durch die Umwandlungsgleichung berechnet werden kann.
Fig. 42 zeigt ein Flussdiagramm, das die Messvorgänge der Versetzungsgröße in der vorliegenden Ausführungsform angibt. Die Vorgänge von ST1 bis ST10 werden durch die CPU ausgeführt. Nach dem Beginn des Messvorgangs, bei ST1, geht die Folge zunächst in einen Wartezustand, in dem sie auf eine Eingabe eines Rücksetzsignals wartet. Bei ST2 wird die erste Spitze des Lichtempfangselement-Ausgabesignals, das von der A/D-Wandlerschaltung 50 seit der Eingabe des Rücksetzsignals erhalten worden ist, festgestellt. Bei ST3 wird mit Nachweis dieser Spitze dieser Zeitzählvorgang begonnen. Bei ST4 wird die zweite Spitze des zweiten Lichtempfangselement-Ausgabesignals festgestellt, und bei ST5 wird eine verstrichene Zeit t1 von der bei ST3 festgestellten ersten Spitze des Lichtempfangselement-Ausgabesignals bis zu der Zeit, zu der die zweite Spitze gewonnen worden ist, im Speicher 57 gespeichert. Bei ST6 wird die dritte Spitze des Lichtempfangselement-Ausgabesignals festgestellt, und bei ST7 wird eine verstrichene Zeit t2 von der bei ST3 festgestellten ersten Spitze des Lichtempfangselement- Ausgabesignals bis zu der Zeit, zu der die dritte Spitze gewonnen worden ist, im Speicher ST gespeichert. Bei ST8 werden, nachdem die dritte Spitze des Lichtempfangselement- Ausgabesignals gewonnen worden ist, t1, t2 und Umwandlungsgleichungen, die für Umwandlungsvorgänge in die Größe der Versetzung des Messobjekts verwendet werden, aus dem Speicher 57 ausgelesen, so dass Umwandlungsvorgänge auf die Versetzungsgrößen des Messobjekts, die t1 und t2 entsprechen, ausgeführt werden. Bei 5% werden die bei ST9 umgewandelten zwei Versetzungsgrößen des Messobjekts gemittelt. Auf die gleiche Weise wie die in Fig. 37 gezeigten Vorgänge werden die Mittelungsvorgänge von ST10 ausgeführt, um die Messgenauigkeit der Versetzungsgröße zu verbessern, und die Anzahl, wie oft die Vorgänge durchgeführt werden, kann durch Einstellung oder dergleichen bestimmt werden.
Fig. 43 ist eine perspektivische Ansicht, die einen spezielleren Aufbau eines Sensorkopfes zeigt. Diese Figur gibt für im Sensorkopf anzubringende Schaltungen 41 bis 45verwendete Substrate als Bezugszeichen 62 an. Fig. 44 zeigt eine Vorderansicht, die sich auf diese Figur bezieht, und Fig. 45 zeigt eine Seitenansicht derselben. In Fig. 44 ist jedoch ein Teil der Elemente, Substrat und dergleichen weggelassen, um den Aufbau des optischen Systems klarer zu machen, und Fig. 45 zeigt das optische System allein. Der Aufbau des optischen Systems ist der gleiche wie derjenige der in Fig. 31 gezeigten Ausführungsform, und es werden die gleichen Bezugszeichen wie diejenigen der Fig. 31 verwendet. Es ist jedoch ein Spiegel 61 zwischen dem Kubushalbspiegel 2 und der Linse 3 eingesetzt, um das optische System zu miniaturisieren.
Zusätzlich zu den oben beschriebenen kann in Bezug auf eine weitere Ausführungsform mit einem anderen Aufbau des optischen Systems eine Anordnung, wie sie in Fig. 46 gezeigt ist, verwendet werden, bei welcher von einer Lichteinstrahleinheit (1) abgegebene Lichtströme auf eine Reflexionsfläche (6) gebündelt werden und ein zweites Lichtwegsteuerelement (2) zwischen der Lichteinstrahleinheit (1) und dem ersten Lichtbündelungselement (14) angeordnet ist. Bei dieser Anordnung bündelt das erste Lichtbündelungselement (14) die von der Lichteinstrahleinheit (1) abgegebenen Lichtströme auf die Reflexionsfläche (6) und werden die von der Reflexionsfläche (6) reflektierten Lichtströme auf ein Messobjekt (8) gebündelt. Ferner kann ein ähnlicher Aufbau, wie er in Fig. 47 gezeigt ist, verwendet werden, bei welchem von einer Lichteinstrahleinheit (1) abgegebene Lichtströme auf eine Reflexionsfläche (6) gebündelt werden und ein zweites Lichtwegsteuerelement (2) zwischen einer Lichtempfangseinheit (9) und einem zweiten Lichtbündelungselement (15) angeordnet ist. Bei diesem Aufbau bündelt das zweite Lichtbündelungselement (15) die von der Reflexionsfläche (6) reflektierten Lichtströme auf das Messobjekt (8) und bündelt dieses auch die Lichtströme, die von dem Messobjekt (8) und der Reflexionsfläche (6) hergeleitet werden, auf die Lichtempfangseinheit (9).
Gemäß dieser Erfindung werden Messvorgänge beruhend auf der Lichtweglänge ausgeführt, die zu der Zeit gewonnen wird, wenn Einstrahlungslichtströme feine Punkte auf dem Messobjekt ausbilden; es ist daher möglich, Versetzungsmessungen ohne abträgliche Beeinflussung durch Reflexionsintensitätsirregularitäten im Messobjekt durchzuführen. Ferner wird die Lichtbündelungsfunktion unter Verwendung eines Lichtbündelungselements ausgeführt, das nicht bewegt wird, und getrennt davon ist ein Lichtweglängen-Durchfahrmechanismus, der keine Lichtkonvergierungsfunktion, sondern eine Funktion zur Änderung der Lichtweglänge hat, angebracht; daher ist es möglich, eine Miniaturisierung und Leichtgewichtigkeit dieses Lichtweglängen-Durchfahrmechanismus zu erzielen. Es wird also möglich, die Durchfahrfrequenz zu erhöhen und auch einen Versetzungssensor vorzusehen, der Messungen mit hoher Genauigkeit in kurzer Zeit durchführen kann.

Claims

1. Versetzungssensor, welcher aufweist:
eine Lichteinstrahleinheit;
eine Lichtempfangseinheit mit einer Abschirmmaske und einem Lichtempfangselement;
ein erstes Lichtbündelungselement, welches von der Lichteinstrahleinheit abgegebene Lichtströme auf ein Messobjekt bündelt;
ein zweites Lichtbündelungselement, welches von dem Messobjekt reflektierte Lichtströme auf die Lichtempfangseinheit bündelt;
ein erstes Lichtwegsteuerelement, welches in einem Einstrahlungslichtweg, welcher sich von der Lichteinstrahleinheit zu dem Messobjekt erstreckt, sowie in einem Empfangslichtweg, der sich von dem Messobjekt zur Lichtempfangseinheit erstreckt, angeordnet ist und es erlaubt, dass eine Einstrahlungslicht-Lichtachse, die durch das erste Lichtbündelungselement und die Lichteinstrahleinheit spezifiziert ist, und eine Empfangslicht-Lichtachse, die durch das zweite Lichtempfangselement und die Lichtempfangseinheit spezifiziert ist, koaxial auf der Messobjektseite eingestellt werden; und
einen Lichtweglängen-Durchfahrmechanismus, welcher in einem Lichtweg, in welchem die Einstrahllicht-Lichtachse und die Empfangslicht-Lichtachse koaxial eingestellt sind, sowie an einer Stelle, an welcher die Lichtströme in dem Einstrahllichtweg und die Lichtströme in dem Empfangslichtweg nicht-kollimiert eingestellt sind, angeordnet ist und kontinuierlich eine Lichtweglänge von der Lichteinstrahleinheit zum Messobjekt und eine Lichtweglänge vom Messobjekt zur Lichtempfangseinheit ändert,
wobei die Lichtabschirmmaske in einem Lichtweg von dem zweiten Lichtbündelungselement zu dem Lichtempfangselement angeordnet ist, so dass, wenn die Lage, an welcher von dem Messobjekt reflektierte Lichtströme durch das zweite Lichtbündelungselement gebündelt werden, durch ein Arbeiten des Lichtweglängen-Durchfahrmechanismus geändert wird, das Verhältnis, in dem ein Teil der reflektierten Lichtströme durch die Lichtabschirmmaske abgeschirmt wird, geändert wird, wobei das Lichtempfangselement Lichtströme empfangen kann, die von der Lichtabschirmmaske durchgelassen worden sind, so dass Information in Bezug auf einen Abstand zum Messobjekt beruhend auf dem Ausgabesignal des Lichtempfangselements, das durch das Arbeiten des Lichtweglängen- Durchfahrmechanismus geändert wird, gewonnen wird.

2. Versetzungssensor nach Anspruch 1, welcher aufweist:
ein sechstes Lichtbündelungselement, das als das erste Lichtbündelungselement und das zweite Lichtbündelungselement dient,
wobei das erste Lichtwegsteuerelement zwischen dem sechsten Lichtbündelungselement sowie der Lichteinstrahleinheit und der Lichtempfangseinheit angeordnet ist.

3. Versetzungssensor nach Anspruch 1, wobei der Lichtweglängen-Durchfahrmechanismus ferner aufweist:
eine Reflexionsfläche, die senkrecht zur Lichtachse angeordnet ist und sich längs der Lichtachsenrichtung, die koaxial eingestellt worden ist, verschieben kann, und
ein zweites Lichtwegsteuerelement, welches von der Lichteinstrahleinheit abgegebene Lichtströme auf die Reflexionsfläche richtet, von der Reflexionsfläche reflektierte Lichtströme auf das Messobjekt richtet und auch vom Messobjekt reflektierte Lichtströme in der umgekehrten Richtung längs des gleichen Lichtwegs wie der Lichtweg, durch welchen die Lichtströme auf das Messobjekt gerichtet worden sind; richtet.

4. Versetzungssensor nach Anspruch 3, wobei
das zweite Lichtwegsteuerelement zwischen dem ersten Lichtwegsteuerelement und der Reflexionsfläche angeordnet ist;
das erste Lichtbündelungselement durch ein drittes Lichtbündelungselement und ein viertes Lichtbündelungselement gebildet ist;
das zweite Lichtbündelungselement durch das dritte Lichtbündelungselement und ein fünftes Lichtbündelungselement gebildet ist;
das vierte Lichtbündelungselement sich aus einer Einzellinse oder einer Anzahl von Linsen aufbaut, die in einem Lichtweg von der Lichteinstrahleinheit zu der Reflexionsfläche in einer zusammengefassten oder verteilten Weise angeordnet sind, wobei wenigstens eine Linse in einem Lichtweg von der Lichteinstrahleinheit zu dem zweiten Lichtwegsteuerelement angeordnet ist, so dass von der Lichteinstrahleinheit abgegebene Lichtströme in der Nachbarschaft der Reflexionsfläche gebündelt werden;
das dritte Lichtbündelungselement sich aus einer Einzellinse oder einer Anzahl von Linsen aufbaut, die zwischen der Reflexionsfläche und dem Messobjekt in einer zusammengefassten oder verteilten Weise angeordnet sind, wobei wenigstens eine Linse zwischen dem zweiten Lichtwegsteuerelement und dem Messobjekt angeordnet ist, so dass von der Reflexionsfläche reflektierte Lichtströme auf das Messobjekt gebündelt werden, wobei durch das Messobjekt reflektierte Lichtströme in die Nachbarschaft der Reflexionsfläche gebündelt werden;
das fünfte Lichtbündelungselement aus einer Einzellinse oder einer Anzahl von Linsen aufgebaut ist, die in einem Lichtweg von der Reflexionsfläche zu der Lichtempfangseinheit in einer zusammengefassten oder verteilten Weise angeordnet sind, wobei wenigstens eine Linse in einem Lichtweg von dem zweiten Lichtwegsteuerelement zur Lichtempfangseinheit angeordnet ist, so dass Lichtströme, die durch die Reflexionsfläche nach ihrer Reflexion durch das Messobjekt reflektiert worden sind, auf die Lichtempfangseinheit gebündelt werden.

5. Versetzungssensor nach Anspruch 4, welcher ferner aufweist:
ein siebtes Lichtbündelungselement, das als das vierte Lichtbündelungselement und das fünfte Lichtbündelungselement dient,
wobei das siebte Lichtbündelungselement zwischen dem ersten Lichtwegsteuerelement und dem zweiten Lichtwegsteuerelement angeordnet ist.

6. Versetzungssensor nach Anspruch 4, welcher ferner aufweist:
ein achtes Lichtbündelungselement, das als das dritte Lichtbündelungselement, das vierte Lichtbündelungselement und fünfte Lichtbündelungselement dient;
wobei das achte Lichtbündelungselement zwischen dem zweiten Lichtwegsteuerelement und der Reflexionsfläche angeordnet ist.

7. Versetzungssensor nach Anspruch 4, wobei die Lichteinstrahleinheit und die Lichtempfangseinheit mit einer Lagebeziehung angeordnet sind, dass sie wechselseitig Spiegelbilder in Bezug auf die Funktion des ersten Lichtwegsteuerelements bilden.

8. Versetzungssensor nach Anspruch 7, wobei ein Bereich, in welchem sich die Reflexionsfläche längs der Lichtachsenrichtung verschieben kann, so eingerichtet ist, dass er nicht eine Lage enthält, an welcher von der Lichteinstrahleinheit abgegebene Lichtströme durch das vierte Lichtbündelungselement gebündelt werden.

9. Versetzungssensor nach Anspruch 7, wobei
ein Bereich, in welchem sich die Reflexionsfläche längs der Lichtachsenrichtung verschieben kann, so eingerichtet ist, dass er eine Lage enthält, an welcher von der Lichteinstrahleinheit abgegebene Lichtströme durch das vierte Lichtbündelungselement gebündelt werden, und,
wenn das Messobjekt innerhalb eines effektiven Messbereichs liegt, ein Bereich, in welchem von dem Messobjekt reflektierte Lichtströme durch das dritte Lichtbündelungselement gebündelt werden können, so eingerichtet ist, dass er nicht eine Lage enthält, an welcher von der Lichteinstrahleinheit abgegebene Lichtströme durch das vierte Lichtbündelungselement gebündelt werden.

10. Versetzungssensor nach Anspruch 9, wobei
der Versetzung der Reflexionsfläche, die sich längs der Lichtachsenrichtung verschieben kann, eine periodische Schwingung verliehen wird, wobei der Versetzungssensor ferner versehen ist mit
Mitteln, welche wünschenswert eines von Ausgangssignal, das gewonnen wird, wenn die Versetzung der Reflexionsfläche in der Auswärtsbewegung ist, und Ausgangssignal, das gewonnen wird, wenn sich die Versetzung der Reflexionsfläche in der Rückkehrbewegung befindet, aus Ausgangssignalen des Lichtempfangselements, die erzeugt werden, wenn die Position der Reflexionsfläche und die Position, an welcher von der Lichteinstrahleinheit abgegebene Licht ströme durch das vierte Lichtbündelungselement gebündelt werden, zusammenfallen, auswählen und das resultierende Signal erfassen;
Mitteln, welche eine Zeitdauer bis zu der Zeit, zu welcher, wenn von der Lichteinstrahleinheit abgegebene Lichtströme auf dem Messobjekt gebündelt werden, ein Ausgangssignal des Lichtempfangselements infolge der resultierenden reflektierten Lichtströme gewonnen wird, unter Bezugnahme auf die Zeit, zu der das ausgewählte Ausgangssignal gewonnen wird, messen; und
Mitteln, welche Information in Bezug auf den Abstand zum Messobjekt beruhend auf der Messzeit gewinnen.

11. Versetzungssensor nach den Ansprüchen 8 oder 9, wobei
das vierte Lichtbündelungselement durch eine Kollimationslinse und eine Zwischenlinse gebildet ist, wobei die Kollimationslinse zwischen der Lichteinstrahleinheit und dem zweiten Lichtwegsteuerelement angeordnet ist;
von der Lichteinstrahleinheit abgegebene Lichtströme im Wesentlichen kollimiert werden, wobei die Zwischenlinse zwischen dem zweiten Lichtwegsteuerelement und der Reflexionsfläche angeordnet ist, so dass die Lichtströme, die im Wesentlichen kollimiert sind, in den Bereich der Reflexionsfläche gebündelt werden; und
das fünfte Lichtbündelungselement durch die Zwischenlinse und die Lichtempfangslinse gebildet ist, wobei die Lichtempfangslinse zwischen der Lichtempfangseinheit und dem zweiten Lichtwegsteuerelement angeordnet ist, so dass von dem Messobjekt reflektierte Lichtströme auf die Lichtempfangseinheit gebündelt werden.

12. Versetzungssensor nach Anspruch 11, wobei die Kollimationslinse und die Lichtempfangslinse als gemeinsame Linse erstellt und zwischen dem ersten Lichtwegsteuerelement und dem zweiten Lichtwegsteuerelement angeordnet sind.

13. Versetzungssensor nach Anspruch 11, wobei die Lichteinstrahleinheit planes polarisiertes Licht abgibt,
das zweite Lichtwegsteuerelement ein Polarisationsstrahlenteiler ist, der so angeordnet ist, dass das plane polarisierte Licht vertikal oder parallel zur Einfallsebene eingerichtet ist; und
eine R-Wellenlängenplatte in Bezug auf die Wellenlänge des von der Lichteinstrahleinheit abgegebenen Lichts in einem Lichtweg angeordnet ist, durch welchen von dem Polarisationsstrahlenteiler abgegebene Lichtströme auf die Zwischenlinse gerichtet werden, und einem Lichtweg, durch welchen nach Reflexion durch die Reflexionsfläche von der Zwischenlinse abgegebene Lichtströme auf den Polarisationsstrahlenteiler gerichtet sind.

14. Versetzungssensor nach Anspruch 3 oder 4, welcher ferner aufweist
eine Reflexionsflächenverwendungs-Lichteinstrahleinheit, welche Lichtströme zu der Reflexionsfläche in einer anderen Richtung als der Richtung senkrecht zur Reflexionsfläche abgibt; und
ein Lagenachweiselement, welche Lichtströme empfängt, die von der Reflexionsflächenverwendungs-Lichteinstrahleinheit nach Reflexion durch die Reflexionsfläche abgegeben werden,
wobei Information in Bezug auf einen Abstand zum Messobjekt beruhend auf einem Ausgangssignal des Lagenachweiselements und einem Ausgangssignal der Lichtempfangseinheit gewonnen wird.

15. Versetzungssensor nach Anspruch 11, welcher ferner aufweist
eine Reflexionsflächenverwendung-Lichteinstrahleinheit, welche Lichtströme auf die Reflexionsfläche in einer anderen Richtung als der Richtung senkrecht zur Reflexionsfläche abgibt; und
ein Lagenachweiselement, welches Lichtströme erhält, die von der Reflexionsflächenverwendung-Lichteinstrahleinheit nach Reflexion durch die Reflexionsfläche abgegeben werden,
wobei Information in Bezug auf einen Abstand zum Messobjekt beruhend auf einem Ausgangssignal des Lagenachweiselements und einem Ausgangssignal der Lichtempfangseinheit gewonnen wird.