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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine optische Verschiebungs-Messvorrichtung,
und insbesondere eine optische Verschiebungs-Messvorrichtung zum
Richten von Licht aus einer Lichtquelle auf ein Objekt durch ein
optisches System, das eine Objektivlinse umfasst, und zum Erfassen
von Licht, das von dem Objekt reflektiert wird, unter Verwendung
eines Erfassungsabschnitts, um so eine Verschiebung des Objektes
relativ zu der Objektivlinse zu messen.
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2. Beschreibung des Stands
der Technik
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Für berührungslose
Messung einer Objektverschiebung sind optische Sondenverfahren bekannt,
wie beispielsweise die von Toyohiko Yatagai in „Applied Optics, Introduction
to Optical Measurement" (4.
Version, Maruzen Co., Ltd., 15. März 1992, S. 120 bis 124) beschriebenen.
Die darin beschriebenen optischen Sondenverfahren umfassen ein Grenzwinkelverfahren,
ein astigmatisches Verfahren, eine Messerschneidenmethode, ein Überlagerungsverfahren
und andere. In jedem dieser Verfahren wird ein winziger Punkt auf
der Oberfläche
eines Objektes ausgebildet, und von dem Objekt reflektiertes Licht wird
gesammelt und hinsichtlich seines Zustands erfasst. Diese Verfahren
können
eine hochempfindliche Erfassung erreichen, und Geräte, die
diese Verfahren anwenden, können
klein und von geringem Gewicht hergestellt werden, so dass sie beispielsweise
für die
Verwendung als eine optische Sonde zur optischen Messung von Oberflächenrauigkeit
geeignet sind.
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Des
Weiteren offenbart die japanische Offenlegungsschrift Nr. Hei 7-43148
eine automatische Fokussierungstechnik, die als Nadelstichverfahren
bezeichnet wird. Bei einem Nadelstichverfahren wird Licht, das von
einem Objekt reflektiert wird und durch eine Objektivlinse für Lichtkonvergenz
tritt, in zwei Lichtteile geteilt, und unter Verwendung von Nadelstichplättchen,
die jeweils vor dem Bildpunkt eines geteilten Lichtteils und hinter
dem Bildpunkt eines anderen geteilten Lichtteils angebracht sind,
und von unmittelbar hinter den jeweiligen Nadelstichplättchen bereitgestellten
optischen Erfassungsvorrichtungen wird Lageverschiebung zwischen
dem Objekt und dem Bildpunkt der Objektivlinse auf Basis von Ausgängen aus
den entsprechenden optischen Erfassungsvorrichtungen erfasst.
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Gemäß dieser
automatischen Fokussierungstechnik wird die Objektlinse gesteuert,
sich so zu bewegen, dass das Licht immer auf ein Objekt fokussiert
wird. Daher kann eine Verschiebung des Objektes auf Basis des Maßes an Bewegung
der Linse gemessen werden.
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Unter
diesen herkömmlichen
berührungslosen
Verfahren zur Messung einer Objektverschiebung kann insbesondere
ein optisches Sondenverfahren eine ausgesprochen hohe Auflösung erzielen. Dieses
Verfahren leidet jedoch unter einem sehr engen messbaren Bereich,
da ein hochgenauer Erfassungsbereich auf einen Bereich nahe dem
Brennpunkt beschränkt
ist. insbesondere ist eine genaue Messung im Allgemeinen nur innerhalb
eines Bereichs von beispielsweise wenigen μm möglich.
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Gemäß der automatischen
Fokussierungstechnik und der in der japanischen Offenlegungsschrift
Nr. Hei 7-43148 offenbarten einschlägigen verbesserten Technik
wird die Steuerung so ausgeführt, dass
Licht immer auf einem Objekt fokussiert wird, so dass eine Verschiebung
des Objektes auf Basis des Maßes
an Bewegung der Linse gemessen werden kann.
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Bei
einem Auto-Fokus-Betrieb kann jedoch Hochgeschwindigkeitsmessung
nicht einfach erreicht werden, wenn die Oberfläche eines Objektes beispielsweise
aufgrund einer Stufe eine diskontinuierliche Verschiebung aufweist,
da in einem solchen Fall die Linse die Richtung verlieren würde, der
sie folgen soll, und ein anderer Suchvorgang notwendig werden kann.
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Dokument
US-A-4 612 437 beschreibt eine Vorrichtung zur Messung der axialen
Verschiebung, bei der Licht, das von einem beleuchteten Objekt reflektiert
wird, durch eine konische Linse zu einem Formerfassungsabschnitt
geleitet wird.
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Obwohl
eine Vielzahl von berührungslosen Verschiebungs-Messverfahren
vorgeschlagen worden ist, wie oben beschrieben, haben diese Verfahren
in Verbindung mit den Vorteilen, die sie liefern, Restprobleme hinsichtlich
ihrer Fähigkeit
zu hoher Präzision,
hoher Geschwindigkeit, Kostensenkung, Einsetzbarkeit, erhöhter Zuverlässigkeit
und so weiter.
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Die
vorliegende Erfindung stellt vorteilhaft eine einfach zu bedienende
optische Verschiebungs-Messvorrichtung bereit, die ein neues Verfahren
einsetzt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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1. Prinzip der vorliegenden
Erfindung
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird unter Verwendung optischer Eigenschaften einer konischen
Linse Licht aus einer Lichtquelle in eine Linse geleitet, die eine
konische Form hat, bevor es in Richtung eines Objektes weitergeleitet
wird, und von dem Objekt reflektiertes Licht kehrt zurück, wobei
es durch die Objektivlinse hindurch tritt. Das zurückkehrende Licht
erzeugt ein Bild, und Verschiebung des Objektes wird auf Basis der
Form des Bildes gemessen.
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1 veranschaulicht
das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung. Insbesondere wird eine
Objektivlinse 4, die eine konische Form aufweist, zur Verschiebungsmessung
vor einem Objekt 2 angeordnet, und eine Lichtquelle (nicht
dargestellt) wird auf der Seite der Objektivseite 4 platziert,
die nicht die Seite mit der konischen Form ist, wo das Objekt 2 angeordnet
ist. Licht 6 aus der Lichtquelle tritt in die Objektivlinse 4 ein
und wird in Richtung des Objektes 2 weitergeleitet. Das
Licht wird dann auf der Oberfläche
des Objektes 2 reflektiert und kehrt als Licht 8 zurück, wobei
es durch die konische Objektivlinse 4 hindurch tritt.
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Der
Einfachheit der Zeichnung halber wird in 1 nur die
Bahn derjenigen Hälfte
des Lichts gezeigt, die tatsächlich
eintritt, das heißt,
Licht 6, das in die obere Hälfte der Objektivlinse 4 geleitet
wird. Ebenso, um die Erklärung
kurz zu fassen, wird definiert, dass das Licht 6 ein kollimierter
Strahl ist, dessen optische Achse parallel zu der mittleren op tischen
Achse 5 der Objektivachse 4 ist. Das Objekt 5 wird
senkrecht zu der mittleren Achse 5 angeordnet.
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In 1 wird
das Licht 6, das ein kollimierter Strahl ist, der von hinten
in die konisch geformte Objektivlinse 4 eintritt, auf der
konischen Grenzfläche mit
einem Brechungsgrad gebrochen, der abhängig von dem Material der Objektivlinse 4 bestimmt
wird, während
es ein kollimierter Strahl bleibt. Das gerochene Licht wird in diesem
Winkel in Richtung des Objektes 2 weitergeleitet und wird
auf der Oberfläche des
Objektes 2 in einem Reflexionswinkel gebrochen, der gleich
dem Eintrittswinkel vor Rückkehr
in Richtung des konischen Teils der Objektivlinse 4 ist, wobei
es weiterhin wie ein kollimierter Strahl bleibt. Das zurückkehrende
Licht wird wiederum auf der konischen Grenzfläche gebrochen, wodurch es in
Licht 8 umgeformt wird, das parallel zu der optischen Achse
des Lichts 6 ist.
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Durch
Vergleich zwischen dem Licht 6 und dem Licht 8 ist
hierbei bekannt, dass das Licht 8 relativ zu der mittleren
optischen Achse 5 der Objektivlinse 4 lateral
verschoben ist. Das bedeutet, wenn das parallel in die obere Hälfte der
Objektivlinse 4 eintretende Licht auf dem Objekt 2 reflektiert
wird und als Licht 8 zurückkehrt, wobei es durch die
untere Hälfte der
Objektivlinse 4 hindurch tritt, ist das Licht 8 ein kollimierter
Strahl, der relativ und parallel zu der mittleren optischen Achse 5 der
Objektivlinse 4 lateral verschoben ist.
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Aus 1 ist
leicht verständlich,
dass das Maß der
Lateralverschiebung des Lichts 8 relativ zu der mittleren
optischen Achse 5 abhängig
von der Lage des Objektes 2 variieren kann. Das heißt, wenn das
Objekt 2 seine Lage, oder Verschiebung Δx, entlang der mittleren optischen
Achse 5 der Objektivlinse 4 ändert, variieren auch die Lateralverschiebungen Δy1, Δy2 des Lichts 8,
die auf einer senkrecht zu der mittleren optischen Achse 5 stehenden
Ebene gemessen werden können,
in Abhängigkeit
von Verschiebung Δx.
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Es
sollte darauf hingewiesen werden, dass Δy1 das Maß an Lateralverschiebung des
zurückkehrenden
Lichts 8 darstellt, das dem relativ zu der mittleren optischen
Achse 5 am weitesten außen laufenden, in die Objektivlinse 4 eintretenden
Licht entspricht, während Δy2 das Maß an Verschiebung
des zurückkehrenden
Lichts 8 darstellt, das dem re lativ zu der mittleren optischen
Achse 5 am weitesten innen laufenden, in die Objektivlinse
eintretenden Licht entspricht. Dies bedeutet, Δy1 und Δy2 definieren den Bereich des
zurückkehrenden
Lichts 8. Wenn der Bereich als ein Bild betrachtet wird,
das von dem zurückkehrenden
Licht 8 erzeugt wird, kann auf andere Weise festgestellt
werden, dass Δy1, Δy2 den Umriss
des Bildes definieren.
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Angenommen,
beispielsweise das am weitesten außen laufende Licht des eingehenden Strahls 6 wird
durch die konische Objektivlinse 4 gebrochen und schneidet
die mittlere optische Achse 5 an Punkt P0.
Wenn sich das Objekt 2 an Punkt P0 befindet,
wird die Lateralverschiebung Δy1
maximal.
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Obwohl
die obige Beschreibung nur das Licht 6 betrifft, das in
die obere Hälfte
der Objektivlinse 4 eintritt, hat das zurückkehrende
Licht 8 einen ringförmigen
Querschnitt mit einem Innenradius, der der Lateralverschiebung Δy1 entspricht,
und einem Außenradius,
der der Lateralverschiebung Δy2
entspricht, wenn ein kollimierter Strahl mit einem runden Querschnitt,
der relativ zu der mittleren optischen Achse 5 symmetrisch
ist, in die Objektivlinse 4 geleitet wird. Daher ermöglicht Messung
der Lateralverschiebung Δy1
oder Δy2
die Bestimmung der Verschiebung des Objektes 2.
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Wie
oben beschrieben, leitet die vorliegende Erfindung unter Verwendung
der optischen Eigenschaften einer konischen Linse Licht aus einer
Lichtquelle durch eine konische Linse in ein Objekt und erfasst
die Form eines Bildes, das durch das von dem Objekt durch die konische
Linse zurückkehrende Licht
erzeugt wird, wodurch die Verschiebung des Objektes gemessen wird.
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2. Wege zur Lösung des
Problems
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine optische Verschiebungs-Messvorrichtung zum Leiten von
Licht von einer Lichtquelle zu einem Objekt durch ein optisches
System mit einer Objektivlinse und zum Erfassen von von dem Objekt
reflektiertem Licht mittels einem Erfassungsabschnitt bereitgestellt,
um so eine Verschiebung des Objektes relativ zu der Objektivlinse
zu messen. In der optischen Verschiebungs-Messvorrichtung kann die
Objektivlinse eine konische Linse zum Weiterleiten des Lichts in
Richtung des Objektes und zum Empfangen von von dem Objekt reflektiertem
Licht sein, um es auf den Erfassungsabschnitt zu richten, und die
Verschiebung des Objektes relativ zu der Objektivlinse kann auf
Basis einer Tatsache gemessen werden, dass eine Form eines erfassten
Bildes, das von dem Erfassungsabschnitt erfasst wird, in Abhängigkeit
von der Verschiebung des Objektes relativ zu der Objektivlinse variiert.
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Vorzugsweise
kann das erfasste Bild im Wesentlichen ringförmig sein (die Form eines Doughnut-Rings
aufweisen). Des Weiteren kann die Verschiebung vorzugsweise auf
Basis eines Innendurchmessers des im Wesentlichen ringförmigen erfassten
Bildes gemessen werden.
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Bei
der optischen Verschiebungs-Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
kann die Verschiebung vorzugsweise auf Basis des maximalen Innendurchmessers
des im Wesentlichen ringförmigen
erfassten Bildes gemessen werden. Dabei besteht das im Wesentlichen
ringförmige
erfasste Bild aus einem inneren ringförmigen Bild und einem äußeren ringförmigen Bild.
Der maximale Innendurchmesser bedeutet die längste Entfernung quer über das
innere ringförmige
Bild. Wenn das Licht aus der Lichtquelle beispielsweise ein kollimierter
Strahl mit einem runden Querschnitt ist, würde ein elliptisches Bild erfasst,
wenn das Objekt geneigt angeordnet würde. Da der maximale Durchmesser
des elliptischen Bildes unveränderlich
bleibt, kann die Verschiebung des Objektes auf Basis des maximalen Durchmessers
bestimmt werden.
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Des
Weiteren kann der Erfassungsbereich vorzugsweise eine Bildsensorvorrichtung
aufweisen. Die Form des erfassten Bildes kann mit sehr hoher Genauigkeit
unter Verwendung der Bildsensorvorrichtung bestimmt werden.
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Des
Weiteren kann die konische Objektivlinse eine Linse sein, die eine
konische Form hat und das von dem Objekt reflektierte Licht empfängt und bricht,
wenn das Objekt in einem Verschiebungs-Messbereich angeordnet ist,
der zwischen einem entfernten Schnittpunkt und einem nahen Schnittpunkt
definiert ist, so dass das Licht in Richtung der Seite des Erfassungsabschnitts
zurückkehrt und
ein Bild des Objektes erzeugt, dessen Größe entsprechend der Verschiebung
des Objektes relativ zu der Objektivlinse Variiert. Dabei ist der
entfernte Schnittpunkt ein Punkt, an dem ein am weitesten außen laufendes
Licht, das an einem Außenumgangsabschnitt
der konischen Objektivlinse gebrochen wird, eine mittlere optische
Achse der konischen Objektivlinse schneidet, und der nahe Schnittpunkt
ist ein Punkt, an dem ein Lichtteil, der an einem vorderen Ende
der konischen Objektivlinse gebrochen wird, das am weitesten außen laufende
Licht schneidet.
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Die
Lateralverschiebung auf der Seite des Innendurchmessers des erfassten
Bildes wird maximal, wenn das Objekt an dem entfernten Schnittpunkt
angeordnet ist, und Null an dem nahen Schnittpunkt. Wenn daher das
Objekt irgendwo in dem Bereich angeordnet ist, der zwischen den
entfernten und nahen Schnittpunkten definiert ist, kann jede Änderung
der Form des erfassten Bildes mit sehr hoher Genauigkeit erfasst
werden.
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Des
Weiteren kann das optische System umfassen: einen Strahlteiler,
der einen kollimierten Strahl von der Lichtquelle teilt und Licht
einer S-polarisierten Komponente auf das Objekt zu weiterleitet; ein
Viertelwellen-Verzögerungsplättchen,
das das Licht der S-polarisierten
Komponente, das von dem Strahlteiler weitergeleitet wird, in Licht
zirkularer Polarisation umwandelt, bevor ein resultierendes Licht weiter
auf das Objekt zu läuft
und das Licht zirkularer Polarisation, das von dem Objekt reflektiert
wird, in Licht einer P-polarisierten
Komponente umwandelt, bevor ein resultierendes Licht zu dem Strahlteiler
zurückkehrt;
und eine Objektivlinse, die eine konische Form hat, und zwischen
dem Viertelwellen-Verzögerungsplättchen und
dem Objekt vorhanden ist. In dem optischen System kann ein Bild,
das durch das Licht der P-polarisierten Komponente erzeugt wird, die
von dem Objekt zurückkehrt
und durch das Viertelwellen-Verzögerungsplättchen und
den Strahlteiler hindurchtritt, unter Verwendung des Erfassungsabschnitts
erfasst werden. Bei dieser Anordnung können das Licht, das auf das
Objekt zu weitergeleitet wird, und das Licht, das von dem Objekt
reflektiert wird und ein Bild zum Erfassen erzeugt, getrennt werden.
Dadurch wird die Messung der Verschiebung des Bildes erleichtert.
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Wie
oben beschrieben, kann mit einer optischen Verschiebungs-Messvorrichtung
der vorliegenden Erfindung die Verschiebung eines Objektes einfach
auf die neuartige Weise gemessen werden, die hierin beschrieben
wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird auf Basis der nachfolgenden Figuren
detailliert beschrieben, worin:
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1 ein
Grundprinzip der vorliegenden Erfindung darstellt;
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2 ein
Diagramm ist, das einen Aufbau einer optischen Verschiebungs-Messvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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3A ein
Diagramm ist, das einen Aufbau mit einem Objekt darstellt, das im
Wesentlichen in der Mitte eines Messbereichs gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung angebracht ist;
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3B ein
Diagramm ist, das eine Form des von dem Erfassungsabschnitt erfassten
Bildes gemäß der Bedingung
aus 3A zeigt;
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4A ein
Diagramm ist, das einen Aufbau mit einem Objekt darstellt, das an
einem entfernten Schnittpunkt des Messbereichs gemäß dem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung angeordnet ist; und
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4B ein
Diagramm ist, das eine Form des durch den Erfassungsabschnitt erfassten
Bildes gemäß der Bedingung
aus 4A darstellt;
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5A ein
Diagramm ist, das einen Aufbau mit einem Objekt darstellt, das an
einem nahen Schnittpunkt des Messbereichs gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung angeordnet ist; und
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5B ein
Diagramm ist, das eine Form des durch den Erfassungsabschnitt erfassten
Bildes gemäß der Bedingung
aus 5A darstellt.
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Beschreibung des bevorzugten
Ausführungsbeispiels
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Im
Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung detailliert unter Bezugnahme auf die begleitenden
Zeichnungen beschrieben.
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2 zeigt
einen Aufbau einer optischen Verschiebungs-Messvorrichtung 10,
die hauptsächlich
eine Lichtquelle 20, ein eine konische Objektivlinse 28 enthaltendes
optisches System und einen Erfassungsabschnitt 30 zum Erfassen
eines Bildes eines Ob jektes umfasst. Es sei darauf hingewiesen, dass
zum leichteren Verständnis
eine Umfassung nur Positionierung und zum Tragen dieser Bauteile
und ein Verschiebungsmaß-Berechnungsabschnitt,
der mit dem Erfassungsabschnitt 30 verbunden ist, sowie gewisse
andere Bauteile nicht in 2 abgebildet sind.
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In 2 sendet
die Lichtquelle 20 Licht zum Beleuchten eines vor der Objektivlinse 28 angeordneten
Objektes aus. Die Lichtquelle 20 kann unter Verwendung
eines Halbleiterlasers oder dergleichen gebildet werden. Eine lichtemittierende
Diode sowie ein anderes lichtemittierendes Element können als Lichtquelle 20 einsetzbar
sein, so lange es optisch stabil ist.
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Eine
Kollimationslinse 22 wird vor der Lichtquelle 20 angeordnet.
Da die Kollimationslinse 22 das Licht aus der Lichtquelle 20 in
einen kollimierten Strahl umformt, kann das durch die Kollimationslinse 22 hindurchgetretene
Licht beispielsweise ein Punktlicht eines kollimierten Strahls mit
einem runden Querschnitt sein.
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Das
optische System umfasst einen Strahlspalter 24, ein Viertelwellen-Verzögerungsplättchen 26 und
eine Objektivlinse 28 von konischer Form. Die mittlere
optische Achse der Kollimationslinse 22 tritt durch das
Zentrum des Reflexionsabschnitts des Strahlteilers 24 hindurch.
In einem Beispiel, in dem die mittlere optische Achse der Kollimationslinse 22 an
dem Mittelpunkt des Reflexionsabschnitts um 90 Grad abgelenkt wird
und sich davon weiter erstreckt, entspricht die so verlängerte Achse
der mittleren optischen Achse 40 der Objektivlinse 28.
Die mittlere optische Achse 40 geht durch den Mittelpunkt
des Viertelwellen-Verzögerungsplättchens 26 hindurch. Ein
Erfassungsabschnitt 30 befindet sich auf der Verlängerung
der mittleren optischen Achse 40, die sich auf der Seite
des Strahlteilers 24 gegenüber der Seite erstreckt, wo
sich das Viertelwellen-Verzögerungsplättchen 26 und
so weiter befindet.
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Dies
bedeutet, die Lichtquelle 20 – die Kollimationslinse 22 – der Strahlteiler 24 – das Viertelwellen-Verzögerungsplättchen 26 – die Objektivlinse 28 – das Objekt – die Objektivlinse 28 – das Viertelwellen-Verzögerungsplättchen 26 – der Strahlteiler 24 – der Erfassungsabschnitt 30 sind
alle so angeordnet, dass sich die jeweiligen Mittelpunkte auf derselben Achse
befinden, die von dem Strahlteiler 24 um 90 Grad abgelenkt
ist.
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Der
Strahlteiler 24 ist ein optisches Teil zum Teilen eines
kollimierten Strahls, der von der Kollimationslinse erhalten wird,
und zum Ablenken der S-polarisierten Komponente des Lichts um 90
Grad, um so in Richtung eines Objektes, das heißt, der Objektivlinse 28,
weitergeleitet zu werden. Der Strahlteiler 24 kann durch
Schichtung eines halbtransparenten Films zwischen zwei rechtwinklige
Prismen hergestellt sein, wie in 2 gezeigt.
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Das
Viertelwellen-Verzögerungsplättchen 26 ist
ein optisches Element zum Umwandeln eines hereinkommenden Lichtes
der S-polarisierten Komponente in Licht von zirkularer Polarisation,
und eines hereinkommenden Lichtes von zirkularer Polarisation in
Licht der P-polarisierten Komponente, das eine Phasendifferenz von
90 Grad gegenüber
der S-polarisierten
Komponente aufweist. Ein solches Viertelwellen-Verzögerungsplättchen 26 kann
durch Anordnen eines Films aus bekanntem Doppelbrechungsmaterial
oder dergleichen ausgebildet sein, um so eine Neigung um einen vorgegebenen
Winkel relativ zu der mittleren optischen Achse 40 zu erzielen.
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Die
Objektivlinse 28, die eine konische Form aufweist, ist
ein optisches Element, dessen mittlere optische Achse 40 die
mittlere Achse seiner konischen Form ist. Die Objektivlinse 28 bricht
das durch ihre Grundflächenseite
der konischen Form darin einfallende Licht auf ihrer konischen Grenzfläche mit
einem Brechungsgrad, der in Abhängigkeit
von dem Material der Objektivlinse 28 bestimmt wird. Die
Objektivlinse 28 bricht des Weiteren das von ihrer konischen
Seite darin einfallende Licht auf ihrer konischen Grenzfläche mit
dem Brechungsgrad, so dass das einfallende Licht in Richtung der
Grundflächenseite
ihrer konischen Form zurückkehrt.
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Im
Unterschied zu einer Linse mit gekrümmter Oberfläche hat
eine konische Linse keinen Brennpunkt, an dem ein vollständiger kollimierter
Strahl konvergiert. Stattdessen konvergiert das Licht, das durch
die Grundflächenseite
der konischen Objektivlinse in diese einfällt, während es parallel zu der mittleren
Achse ihrer konischen Form bleibt, an einem Punkt auf der mittleren
Achse der konischen Form, der von dem Scheitelpunkt der konischen
Form durch eine entsprechende gewisse Entfernung getrennt ist.
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2 ist
eine Querschnittsansicht der optischen Verschiebungs-Messvorrichtung 10,
einschließlich
der mittleren Achse. Insbesondere werden von dem auf die obere Hälfte der
Objektivlinse 28 auftreffenden Licht die Refraktionsbahnen
des am weitesten außen
laufenden Lichts 42 und des entlang der mittleren optischen
Achse verlaufenden Lichts 44 gezeigt. Gleichermaßen werden
von dem auf die untere Hälfte
der Objektivlinse 28 auftreffenden Licht die Refraktionsbahnen
des am weitesten außen
laufenden Lichts 46 und des entlang der mittleren optischen
Achse verlaufenden Lichts 48 gezeigt.
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Die
mittlere optische Achse 40 schneidet das Licht 42 oder 46 an
Punkt P0, wie in 1 beschrieben.
Dieser Punkt definiert die Grenze auf der Seite des entfernten Punkts
des Bereichs für
Objektverschiebungsmessung. Dieser Punkt wird als entfernter Schnittpunkt 50 bezeichnet.
Zwischenzeitlich schneidet das Licht 42 das Licht 48,
oder das Licht 46 schneidet das Licht 44 an einem
Punkt, der der Grenze auf der Seite des nahen Punkts des Bereichs
für Objektverschiebungsmessung
entspricht, wie nachfolgend beschrieben. Diese Punkte werden als
nahe Schnittpunkte 52 bezeichnet. Dies bedeutet, der Bereich
zwischen dem entfernten Schnittpunkt 50 und den nahen Schnittpunkten 52 definiert
einen messbaren Verschiebungsbereich 54.
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Die
Weiterleitung von Licht in diesem optischen System wird nachfolgend
beschrieben.
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Licht
aus der Lichtquelle 20 wird von der Kollimationslinse 22 in
einen Punkt eines kollimierten Strahls mit einem runden Querschnitt
umgeformt. Anschließend
wird das Licht der S-polarisierten Komponente durch den Strahlteiler 24 um
90 Grad abgelenkt und anschließend
durch die Viertelwellen-Verzögerung
umgewandelt, um zirkulare Polarisation zu erhalten. Das resultierende
Licht wird von der konischen Objektivlinse 28 wie oben
beschrieben gebrochen, bevor es in Richtung eines Objektes (nicht
gezeigt) weitergeleitet wird.
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Das
das Objekt beleuchtende Licht wird in einem Reflexionswinkel reflektiert,
der gleich dem Einfallswinkel ist, und dann wieder von der konischen Objektivlinse 28 gebrochen,
wie oben beschrieben. Weil der Eintrittswinkel an der Grenze der
konischen Form identisch mit dem ursprünglichen Brechungswinkel ist,
ergibt sich aus dem Licht, das durch die konische Objektivlinse
hindurch getreten ist, ein kollimierter Strahl, der parallel zu
der mittleren optischen Achse 40 ist.
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Nachdem
es durch die Objektivlinse 28 hindurch getreten ist, wird
das parallel zu der mittleren optischen Achse 40 verlaufende
zirkular polarisierte Licht wiederum von dem Viertelwellen-Verzögerungsplättchen 26 in
Licht mit P-polarisierter Komponente umgewandelt, bevor es entlang
der mittleren optischen Achse 40 gerade durch den Strahlteiler 24 zu
dem Erfassungsabschnitt 30 weitergeleitet wird.
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Der
Erfassungsabschnitt 30 erfasst die Form eines Bildes, das
auf einer zu der mittleren optischen Achse 40 senkrechten
Ebene von dem Licht, das von dem Objekt zurückkommt, erzeugt wird. Der
Erfassungsbereich 30 kann unter Verwendung einer Bildsensorvorrichtung
gebildet sein. Eine beispielhafte Bildsensorvorrichtung können CCDs
(ladungsgekoppelte Vorrichtungen) in einer zweidimensionalen Anordnung
sein. Alternativ kann eine Halbleiter-Bildsensorvorrichtung verwendet
werden, die Fototransistoren oder Fotodioden in einer zweidimensionalen
Anordnung umfasst.
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Die
Bildsensorvorrichtung 30 oder dergleichen erhält zweidimensionale
Daten, die dann an einen Verschiebungsmaß-Berechnungsabschnit (nicht dargestellt)
gesendet werden, wo die Verschiebung des Objekts berechnet wird.
Einfacher ausgedrückt kann
das von dem Objekt zurückkehrende
Licht auf den Erfassungsbereich 30 projiziert werden, der
ein Projektionspanel ist, um dadurch darauf ein Bild zu erzeugen,
und die Größe des erzeugten
Bildes wird unter Verwendung einer Größenmessvorrichtung oder dergleichen
gemessen.
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3 bis 5 sind
Diagramme, die eine Funktionsweise der optischen Verschiebungs-Messvorrichtung 10 erklären, die
den oben beschriebenen Aufbau aufweisen. Die Erklärung wird
unter Bezugnahme auf die Form des Bildes eines Objektes 2 gegeben,
das in einer vorgegebenen Position angeordnet ist, wobei das Bild
von dem Erfassungsabschnitt 30 erfasst wird. In diesen
Zeichnungen zeigt das Diagramm (a) die Bahn des weitergeleiteten
Lichts, wenn das Objekt 2 in der optischen Verschiebungs-Messvorrichtung 10 angeordnet
ist, und das Diagramm (b) zeigt die Form des von dem Erfassungsabschnitt 30 erfassten
Bildes.
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3 zeigt eine Situation, in der ein Objekt 2 im
Wesentlichen in der Mitte des Messbereichs 54 angeordnet
ist, der in 2 beschrieben ist. Elemente,
die denjenigen aus 2 entsprechen, werden unter
Verwendung entsprechender Bezugszeichen be zeichnet, und Beschreibungen
werden nicht wiederholt. Um die Verfolgung des von dem Objekt 2 reflektierten
Lichts zu erleichtern, wird festgelegt, dass das auf das Objekt 2 einfallende
Licht 42 als Licht 62 weitergeleitet wird. Gleichermaßen wird
das Licht 44 als Licht 64 weitergeleitet; das
Licht 46 wird als Licht 66 weitergeleitet; und
Licht 48 wird als Licht 68 weitergeleitet.
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Die
Bahnen der Lichter 62, 66, die dem am weitesten
außen
laufenden Licht des gesamten auf die Objektivlinse 28 auftreffenden
Lichts entsprechen, werden durch die gestrichelte Linie mit den
längeren
Strichen angegeben, während
diejenigen des Lichtes 64, 68, die dem entlang
der mittleren optischen Achse weitergeleiteten Licht entsprechen, durch
die gestrichelte Linie mit den kürzeren
Strichen angegeben werden.
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Wie
aus 3 ersichtlich, wird das von der konischen
Objektivlinse 28 gebrochene und auf das Objekt 2 zu
weitergeleitete Licht von dem Objekt 2 zurück in Richtung
Objektivlinse 28 reflektiert. Das zurückkehrende Licht ist im Ergebnis
relativ zu der mittleren optischen Achse 40 lateral verschoben.
Daher wird von dem Erfassungsabschnitt 30 ein Bild 70 mit
einer im Wesentlichen ringförmigen
Form mit einem leeren Mittelbereich erfasst.
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4 zeigt eine Situation, in der ein Objekt 2 an
dem entfernten Schnittpunkt 50, oder der Grenze an dem
entfernten Punkt des Messbereichs 54 angeordnet ist, wie
unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. Die jeweiligen
Lichtbahnen sind unter Verwendung der Bezugszeichen ausgewiesen,
die auf entsprechende Weise in 3 verwendet
werden. In diesem Fall weist das von dem Objekt 2 reflektierte und
durch die Objektivlinse 28 zurückkehrende Licht die maximale
laterale Verschiebung relativ zu der mittleren optischen Achse 40 auf,
so dass ein Bild 72 mit einem runden, leeren Mittelbereich
von dem Erfassungsabschnitt 30 erfasst wird. Der Durchmesser des
leeren Mittelbereichs ist gleich dem Punktdurchmesser des von der
Lichtquelle 20 in die Objektivlinse 28 eintretenden
Lichts.
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5 zeigt ein Beispiel, bei dem ein Objekt 2 an
dem nahen Schnittpunkt 52 angeordnet ist, oder der Grenze
an dem nahen Punkt des Messbereichs 54, wie unter Bezugnahme
auf 2 beschrieben. Die jeweiligen Lichtbahnen sind
unter Verwendung der Bezugszeichen ausgewiesen, die auf entsprechende
Weise in 3 verwendet wer den. In diesem Fall
weist das von dem Objekt 2 reflektierte und durch die Objektivlinse 28 zurückkehrende
Licht keine Lateralverschiebung relativ zu der mittleren optischen Achse 40 auf.
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Daher
wird von dem Erfassungsbereich 30 ein rundes Bild 74 ohne
einen leeren Mittelbereich erfasst. Der Durchmesser des Bildes ist
gleich dem Punktdurchmesser des von der Lichtquelle 20 auf
die Objektivlinse 28 auftreffenden Lichts.
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Aus 3 bis 5 kann
schlüssig
nachvollzogen werden, dass eine Verschiebung des Objekts 2 relativ
zu der Objektivlinse 28 durch Erfassen einer Veränderung
in der Form eines in dem Erfassungsabschnitt 30 erzeugten
Bildes ermittelt werden kann. Insbesondere hat, wenn ein Punktlicht
eines kollimierten Strahls mit einem runden Querschnitt aus der Lichtquelle
emittiert wird, das sich daraus ergebende Bild eine im Wesentlichen
ringförmige
Form, und Messung des inneren und äußeren Durchmessers der Ringform
ermöglicht
die Messung der Verschiebung des Objektes.
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Vorzugsweise
wird der Innendurchmesser des im Wesentlichen ringförmigen Rings
des Bildes gemessen, und der gemessene Innendurchmesser wird auf
eine im Vorfeld vorbereitete Umrechnungseinrichtung, wie beispielsweise
einen Umrechnungsausdruck oder eine Nachschlagtabelle angewandt, um
eine Verschiebung des Objektes zu bestimmen. Die Umrechnung kann
auf Basis des Kegel-Scheitelwinkels der konischen Objektivlinse 28,
des Brechungsgrades der Objektivlinse 28, oder dergleichen erfolgen.
Alternativ kann ein Kalibriermuster für die Umrechnung verwendet
werden. Als weitere Alternative kann ein Mikrocomputer oder dergleichen
zur Echtzeitberechnung einer Objektverschiebung auf Basis von Bilddaten
verwendet werden, die durch den Erfassungsabschnitt 30 erhalten
wurden. Des Weiteren können
auf Basis der Verschiebung bewegungsbezogene Werte des Objektes
einschließlich Geschwindigkeit,
Beschleunigung oder dergleichen erhalten werden.
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Das
Objekt 2 kann so angeordnet werden, dass es relativ zu
der mittleren optischen Achse 40 geneigt ist. In einem
solchen Fall wird von dem Erfassungsabschnitt 30 ein elliptisches
an Stelle eines runden Bildes erfasst. Da der maximale Durchmesser des
elliptischen Bildes unabhängig
von dem Neigungswinkel unveränderlich
bleibt, kann der Einfluss der Neigung des Objektes 2 verringert
werden, wenn der maximale Durchmes ser des Bildes bei der Messung
des Bildes mit einer im Wesentlichen ringförmigen Form gemessen wird.