光位移测量装置 【技术领域】
本发明涉及一种光位移测量装置，并更具体地涉及一种光位移测量装置，其用于通过包括物镜的光学系统引导来自光源的光朝向目标，并利用检测部分检测从目标反射的检测光，从而测量相对于物镜的目标位移。
背景技术
对于目标位移的非接触测量，比如由Toyohiko Yatagai在“AppliedOptics，Introduction to Optical Measurement”(第四版，MaruzenCo.，Martch15，1992，p120-124)中所述的那些光探针法已公知。在此描述的光探针法包括临界角法、像散法、刀刃法、外差法等。在这些方法的任何一种中，导致在目标的表面之上形成微小的光点，并且从目标反射的光就其状态来说被收集和检测。这些方法能够获得高度灵敏的检测，并且采用这些方法的装置可以做的小而且重量轻，从而使它们适用作：例如用于表面粗糙度的光学测量的光探针。
此外，日本专利未审公开的平7-43148中给出了一种称作针孔法的自动聚焦技术。在针孔法中，从目标反射并通过用于光会聚地物镜的光被分成两个光部分，并当利用分别设置在一个分离光部分像点之前针孔板和另一分离光部分的像点之后的针孔板以及利用紧随各个针孔板之后设置的光学检测装置时，基于来自各自光学检测装置的输出来检测目标和物镜的像点之间的位置位移。
依据该自动聚焦技术，控制物镜移动，以使光总是集中在目标上。这样，基于透镜的移动量可以测量目标的位移。
在这些用于测量目标位移的传统非接触方法中，具体地，光探针法能够获得明显高的分辨率。然而，由于高度精确检测范围限制于临近焦点的区域，该方法受到非常窄的测量范围的困扰。具体地，例如仅在几um的范围中精确测量通常是可能的。
依据自动聚焦技术和在日本专利未审公开的平7-43148中给出的有关改进技术，进行控制以使光总是集中在目标上，从而基于透镜的移动量可以测量目标的位移。该方法能够实现较宽的测量范围。
然而在自动聚焦操作中，当目标的表面由于有台阶具有不连续的位移时，例如，在由于透镜将失去其跟随方向并且需要另一个搜寻操作的情况下，也不容易获得高速测量。
如上面所述，尽管已经提出了多种非接触位移测量方法，但是结合了它们提供的优点，它们在有关获得高精度、高速度、廉价、适用性、增加稳定性等的能力仍存在一些问题。
本发明有利地提供了一种采用新方法的易操作光位移测量装置。
【发明内容】
1、本发明的原理
依据本发明，当利用锥形透镜的光学特性时，在来自光源的光向目标前行之前，将所述光引导进入具有锥形形状的透镜，并且从目标返回的光返回通过所述物镜。返回的光形成一个图像，基于该图像的形状测量目标的位移。
图1说明了本发明的基本原理。具体地，在目标2之前设置具有锥形的物镜4，以用于位移测量，并将光源(未示出)设置在物镜4的非锥形一侧的侧面上，所述目标2设置在锥形一侧。来自光源的光6被引进物镜4，朝着目标2前行。然后光在目标2的表面上受到反射，并返回，如光8，通过锥形物镜4。
在图1中，为了简化附图。示出了仅仅实际进入的光的一半的轨迹，即，仅显示被引进物镜4的上半部分的光6。同样，为了说明的简洁，限定光6是准直光束，其光轴平行于物镜4的中心光轴5。垂直于中心光轴5设置目标2。
在图1中，作为准直光束的光6从后面进入具有锥形形状的物镜4，同时保持作为准直光束在锥形边界表面上以由物镜4的材料确定的折射率受到折射。折射光以该角度向目标2前行，并被同时保持作为准直光束地在向物镜4的锥形部分返回之前以等于入射角的反射角在目标2的表面上反射。在锥形边界表面上该返回光再次受到折射，从而再形成平行于光6的光轴的光8。
在此，通过光6和光8之间的对比，可知光8相对于物镜4的中心光轴5偏移。即，当平行引进物镜4的上半部分的光在目标2上受到反射并返回，如光8，通过物镜4的下半部分，所述光8是相对于物镜4的中心光轴5偏移的准直光束，并平行于物镜4的中心光轴5。
从图1可以容易理解，相对于中心光轴5光8的偏移量可以根据目标2的位置变化。即，当目标2沿着物镜4的中心光轴5改变它的位置或位移Δx时，在垂直于中心光轴5的平面上可以测量光8的偏移Δy1、Δy2，它们也依赖位移Δx的变化。
要注意的是，Δy1表示返回光8相应于对应于中心光轴5的进入物镜4的最外侧行进的光的偏移量，而Δy2表示返回光8相应于对应于中心光轴5的进入物镜4的最内侧行进的光的偏移量。即，Δy1和Δy2限定了返回光8的范围。当该范围被认为是由返回光8形成的一个图像时，可以用另一种方式来说明这一点，即Δy1、Δy2限定了图像的轮廓。
例如，假设进入光束6的最外侧行进的光由锥形物镜4进行折射，并在点P0处与中心光轴5相交。当目标2位于点P0处，偏移Δy1变得最大。
尽管上面的说明仅包含进入物镜4的上半部分的光6，当具有相对于中心光轴5对称的圆形横截面部分的准直光束被引入物镜4时，返回光8具有圆环形、类似环的横截面，其具有相应于偏移Δy1的内径和相应于偏移Δy2的外径。因此，测量偏移Δy1和Δy2就能够确定目标2的位移。
如上面所述，在采用锥形透镜的光学特性时，本发明引导来自光源的光通过锥形透镜到达目标，并检测通过锥形透镜从目标返回的光所的图像的形状，从而测量目标的位移。
2、解决问题的手段
依据本发明，提供一种光位移测量装置，其用于引导来自光源的光通过具有物镜的光学系统到达目标，并用于通过检测部分检测从目标反射的光，以测量目标相对于物镜的位移。在光位移测量装置中，物镜可以是锥形透镜，用于朝着目标推进所述光和用于接收由目标反射的光、以引导到检测部分，并且根据由检测部分检测的检测图像的形状变化依赖于目标相对于物镜的位移的事实可以测量目标相对于物镜的位移。
优选地，检测图像可以是大致为圆环形的(类似炸甜面圈的形状)。同样优选地，根据大致为圆环形的被检测图像的内径可以测量位移。
在依据本发明的光位移测量装置中，优选地，根据大致为圆环形的被检测图像的最大内径可以测量位移。于此，大致为圆环形的被检测图像由内环形图像和外环形图像组成。最大内径意味着横贯内环形图像的最长距离。例如，当来自光源的光是具有圆形横截面的准直光束时，如果目标被倾斜放置时，会检测到一个椭圆图像。由于椭圆图像的最大直径保持不变，根据该最大直径可以决定目标的位移。
更优选地，检测部分可以包括图像传感装置。通过利用图像传感装置、可以以非常高的精确度确定检测图像形状。
此外，锥形物镜可以是具有锥形形状的透镜，其用于当目标被设置在由远侧相交点和近侧相交点之间限定的测量范围内时，接收和折射从目标反射的光，使得光朝检测部分侧返回，并形成目标的图像，其尺寸依据目标相对于物镜的位移而改变。在上述中，远侧相交点是在锥形物镜的外部圆周点处被折射的最外侧行进的光与锥形物镜的中心光轴相交的点，并且近侧相交点是在锥形物镜的顶端处被折射的光与最外侧行进光相交的点。
当目标位于远侧相交点处时，检测图像的内径侧上的偏移变得最大，而在近尺寸相交点处时却为零。因此，当目标位于远侧相交点和近侧相交点之间限定的范围中的某处时，可以以非常高的精确度检测检测图像的形状中的任何变化。
仍进一步地，所述光学系统可以包括用于分离来自光源的准直光束并朝着目标前进的具有S偏振分量的光的光束分离器；四分之一波长延迟板，其用于在将从光束分离器推进的S偏振分量的光转换成为圆偏振光后，使得到的光朝着目标前进，并用于在将从目标反射的圆偏振的光转换成为具有P偏振分量的光后，使得到的光返回至光束分离器；以及呈锥形的物镜，并在四分之一波长延迟板和目标之间配备该物镜。在该光学系统中，利用检测部分可以检测通过从目标返回的、并通过四分之一波长延迟板和光束分离器的P偏振分量光所形成的图像。用这样的设置，可以分离朝着目标前进的光和从目标反射并形成用于检测的图像的光。这使图像位移的测量更容易。
如上面所述，用本发明的光位移测量装置，可以用在此所述的新颖方式容易地测量目标的位移。
【附图说明】
基于下面的附图，详细描述本发明的优选实施例，其中：
图1说明了本发明的基本原理；
图2是示出了本发明的光位移测量装置的结构的示意图；
图3A是示出了具有基本上位于依据本发明的实施例的测量范围的中心处的目标的结构的示意图；
图3B是示出了在图3A的环境下、通过检测部分检测的图像的形状的示意图；
图4A是示出了具有基本上位于依据本发明的实施例的测量范围的远侧相交点处的目标的结构的示意图；
图4B是示出了在图4A的环境下、通过检测部分检测的图像的形状的示意图；
图5A是示出了具有基本上位于依据本发明的实施例的测量范围的近侧相交点处的目标的结构的示意图；
图5B是示出了在图5A的环境下、通过检测部分检测的图像的形状的示意图。
【具体实施方式】
下面，参照附图详细说明本发明的实施例。
图2示出了光位移测量装置10的结构，其主要包括光源20、包含锥形物镜28的光学系统和用于检测目标图像的检测部分30。需要指出的是，为了易于理解，在图2中未示出用于定位和支持这些构件的外壳和连接至检测部分30的位移量计算部分以及某些其它元件。
在图2中，光源20发射光以辐射设置在物镜28之前的一个目标。利用半导体激光器或类似器件可以形成光源20。只要是光学稳定的，光发射二极管和其它任何发射元件可用作光源20。
准直透镜22设置在光源20之前。例如，当准直透镜22将来自光源20的光再成形为准直光束时，已通过准直透镜22的光可以是具有圆形横截面准直光束的聚光。
光学系统包括光束分离器24、四分之一波长延迟板26和具有圆锥形的物镜28。准直透镜22的中心光轴通过光束分离器24的反射部分的中心。在一个例子中，其中准直透镜22的中心光轴在反射部分的中心处以90度被弯曲并且从该处延伸，这样延伸的轴对应于物镜28的中心光轴40。中心光轴40通过四分之一波长延迟板26的中心。检测部分30位于中心光轴40的延长线上，该延长线在光束分离器24的设置四分之一波长延迟板26等的一侧的相反侧延伸。
即，这样定位全部元件：光源20-准直透镜22-光束分离器24-四分之一波长延迟板26-物镜28-目标-物镜28-四分之一波长延迟板26-光束分离器24-检测部分，从而使各自的中心位于由光束分离器24弯曲90度的同一轴线上。
光束分离器24是用于分离从准直透镜22接收的准直光束并把光的S偏振分量以90度弯曲从而使其向着一个目标，即物镜28行进的一种光学部分。如图2所示，通过将半透明薄膜夹在两个直角度棱镜之间可以获得光束分离器24。
四分之一波长延迟板26是用于转换S偏振分量的入射光成为圆偏振光、和将圆偏振的入射光转换成P偏振分量的光的一种光学元件，该P偏振分量具有与S偏振光分量90度的相位差。通过设置已知双折射材料的薄膜等可以形成这种四分之一波长延迟板26，从而以相对于中心光轴40的预定角度倾斜。
具有锥形的物镜28是一个光学元件，其用中心光轴40作为它的锥形的中心轴。物镜28以由物镜28的材料确定的折射率将穿过锥形形状基面侧的入射光在它的锥形边界表面上进行折射。物镜28进一步以该折射率在它的锥形边界表面上将从其锥形侧入射的光进行折射，从而使进入的光朝其锥形的基面侧返回。
与曲面透镜不同，锥形透镜不具有焦点，在该焦点，整个准直光束会聚。替代地，通过锥形物镜的基面侧同时保持与在锥形的中心轴平行的引入锥形物镜的光会聚在其锥形形状的中心轴的一个点处，其以相应的确定距离与锥形的顶点分离。
图2是光位移测量装置10的横截面图，其包括中心轴。具体地，示出了入射至物镜28的上半部分的光的最外侧的行进的光42和光44沿着中心光轴通过的折射轨迹。类似地，示出了入射至物镜28的下半部分光的最外侧的行进的光46和光48沿着中心光轴通过的折射轨迹。
如图1所示，中心光轴40在点P0处与光42或46相交。该点限定用于目标位移测量的范围的远点侧上的限制。该点被称作远侧相交点50。同时，如随后所述，在对应于用作目标位移测量的范围的近点侧上的限制的点处，光42与光48相交或光46与光44相交。这些点被称作近侧交叉点52。即，远侧相交点50和近侧交叉点52之间的范围限定了位移可测量范围54。
下面说明该光学系统中光的行进。
来自光源20的光由准直透镜22再成形成为具有圆形横截面的准直光束的光点。然后，由光束分离器24将具有S偏振分量的光弯曲90度，并且然后由四分之一波长延迟将其转换，从而具有圆偏振。在朝着目标行进之前(未示出)，如上面所述，得到的光由锥形物镜28折射。
辐射向目标的光以等于入射角的反射角受到反射，并且然后如上面所述通过锥形物镜28再次对其折射。由于在锥形的边界处的入射角度等于最初折射角，已经通过锥形物镜的光会形成与中心光轴40平行的准直光束。
在沿着中心光轴40直线行进通过光束分离器24至检测部分30之前，平行于中心光轴40的圆偏振光在已通过物镜28之后，由四分之一波长延迟板26再次转换成具有P偏振分量的光。
通过从目标返回的光，检测部分30检测在垂直于中心光轴40的平面上形成的图像的形状。可以利用图像传感装置构成检测部分30。图像传感装置的例子可以是以两维设置的CCDs(电荷耦合装置)。可替代地可以采用半导体图像传感装置，其包括以两维设置的光电三极管或光电二极管。
图像传感装置或类似装置获得两维数据，该数据然后被发送至位移量计算部分(未示出)，在该处计算目标的位移。更简单地，可把从目标返回的光投射到作为投射平面的检测部分30之上，由此在其上形成图像，并利用尺寸测量装置或类似装置测量形成图像的尺寸。
图3-5是用于说明具有上面所述的结构的光位移测量装置10的功能的示意图。通过由检测部分30检测的图像参照位于预定位置中的目标2的图像的形状进行说明。在这些图中，图(a)示出了随着目标2被放置在光位移测量装置10中行进光的轨迹，而图(b)示出了通过检测部分30检测的图像的形状。
图3示出了其中目标2基本上位于在图2中说明的测量范围54的中间的情况。利用相应的参考数字表示对应于图2的那些元件，并不再重复描述。为了有利于跟踪从目标2反射的光，要确定入射至目标2的光42发展为光62。类似地，光44发展为光64；光46发展为光66；和光48发展为光68。
利用较长的点划线表示与全部光的最外侧入射至物镜28的行进光对应的光62、66的轨迹，同时利用较短的点划线表示与沿着中心光轴行进的光对应的光64、68的轨迹。
如图3所示，由锥形物镜28折射并朝着目标2行进的光由目标2向回反射至物镜28。返回的光相对于中心光轴40产生偏移，因此，由检测部分30检测具有空白中心部分的大致为圆环形的图像70。
如参照图2所述，图4示出了其中目标2位于远侧相交点50处、或位于测量范围54的较远点上的边界处的情况。利用用于图3中的对应方式的参考数字识别各自的光轨迹。在这种情况下，从目标2反射并通过物镜28返回的光表现出相对于中心光轴40的最大偏移，从而通过检测部分30检测具有圆形空白中心部分的图像72。空白中心部分的直径等于从光源20引入物镜28的光的光点的直径。
如参照图2所述，图5示出了其中目标2位于近侧相交点52处、或位于测量范围54的较近点上的边界处的情况。通过用于图3的相应的参考数字识别各自的光轨迹。在这种情况下，从目标2反射并通过物镜28返回的光表现出相对于中心光轴40的没有偏移。
因此，通过检测部分30检测不具有空白中心部分的圆形图像74。图像的直径等于从光源20引至物镜28的光的光点的直径。
从图3至图5可以最后理解，通过检测形成于检测部分30中的图像的形状中的变化可以知道相对于物镜28的目标2的位移。具体地，当从光源发射具有圆形横截面的准直光束的光点时，得到的图像具有大致为圆环形状，并且环形的内径和外径的测量使测量目标的位移成为可能。
优选地，测量图像的大致为圆环形的环的内径，并将测量的内径应用至预先制备的转换装置，比如转换表示或查找表，以确定目标的位移。基于锥形物镜28的圆锥顶角、物镜28的折射率或类似的可以获得转换。可替代地，可以采用标定样品用于转换。仍可替代地，微型计算机等可用于根据由检测部分30获得的图像数据的目标位移的实时计算。此外，基于位移，可以获得涉及目标的运动的值，包括速度、加速度等。
可以设置目标2相对于中心光轴40倾斜。在这种情况下，通过检测部分30检测不是圆形而是椭圆的图像。椭圆图像的最大直径与入射角无关而保持不变，当以具有大致为圆环形的图像的测量来测量图像的最大直径时，可以减小目标2的倾斜的影响。