專利名稱：位移計和位移測定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及向例如金屬、樹脂、玻璃、陶瓷、紙等的被測定物表面投射光來測定被測定物表面位移的位移計和位移測定方法，以及用同樣的測定原理測定被測定物厚度的測厚儀。
背景技術(shù)：
以前測定金屬或樹脂等的被測定物表面位移的裝置，例如利用對焦點檢測型非接觸拉移計。本發(fā)明人已經(jīng)開發(fā)出如專利文獻1所示的位移計。圖1表示的是專利文獻1的位移計的構(gòu)成實例。該圖所示的位移計的構(gòu)成是，可以使由激光功率控制部11驅(qū)動的激光二極管12的出射光，依次通過分光鏡13、準直透鏡14和物鏡15，投射到被測定物16。來自被測定物16的反射光通過物鏡15和準直透鏡14由分光鏡13反射，通過形成有針孔17a的光圈部17上的針孔17a，向光電二極管18入射。由光電二極管18進行光電變換后的信號向放大器19輸入，其輸出信號X向演算部20輸入。
在形成為U字狀的音叉21一側(cè)縱長部分的前端安裝著物鏡15的邊緣部分。由于音叉21的振動，物鏡15以規(guī)定振幅沿激光二極管12出射光的光軸方向振動。在音叉21一側(cè)縱長部分前端側(cè)的一邊，配設(shè)有例如利用磁、光或靜電電容的傳感器構(gòu)成的、作為位置檢測部的音叉振幅檢測器22，從而可檢測出音叉21的振幅、即物鏡15的位置。由音叉振幅檢測器22檢測出的檢測振幅信號向放大器23輸入，其輸出信號Y向演算部20輸入。在音叉21另一側(cè)縱長部分前端側(cè)的一邊，配設(shè)著使音叉21振動用的螺線管24。將來自音叉振幅控制部25的控制電流供給螺線管24，由音叉振幅控制部25輸入放大器23的輸出信號，將音叉21的振幅控制為一定。
以下，說明該位移計的動作。當由音叉振幅控制25向螺線管24供給控制電流時，用螺線管24產(chǎn)生響應(yīng)控制電流的磁場。該產(chǎn)生的磁場使音叉21以規(guī)定振幅振動，使物鏡15向通過該物鏡15的光的光軸的方向振動。音叉振幅檢測器22檢測音叉21的振幅、即物鏡15的振幅，輸出作為物鏡15振幅的正弦波信號。由放大器23放大該正弦波信號，將從放大器23輸出的輸出信號Y向演算器20輸出。
另一方面，當由激光功率控制器11向光電二極管12供給驅(qū)動電流時，激光二極管12出射激光。該出射光通過分光鏡13、準直透鏡14和物鏡15向被測定物16投射。由被測定物16反射的反射光通過物鏡15和準直透鏡14由分光鏡13反射，向光圈部17側(cè)投射，僅使透過針孔17a的光入射到光電二極管18。因此，光電二極管18對由被測定物16產(chǎn)生的潛光和由激光二極管12發(fā)生的雜光引起的反射光，用針孔17a進行遮蔽，使其不能通過針孔17a，僅僅使在被測定物16產(chǎn)生的對焦點的光入射到光電二極管18。
這時，由于物鏡15的振動，物鏡15和被測定物16間的距離發(fā)生有變化。在規(guī)定的距離中，若投射到被測定物16的光的對焦點在被測定物16上產(chǎn)生，則光電二極管18的接收光輸出瞬時變?yōu)樽畲?，將與該接收光輸出相應(yīng)的信號輸入到放大器19，從放大器19的輸出輸出信號X輸入到演算部20。演算部20對輸出信號X為最大值時刻的輸出信號Y的電平、即物鏡15的振幅進行取樣，并作為位移信號S輸出。而且，向距離變換部50輸入取樣的位移信號S，將位移信號S變換成相應(yīng)位移信號S的距離，由此測定被測定物16的表面位移。通過獲取該光接收量為最大的位置，即通過得到投射到被測定物16的光的對焦點在被測定物16上所得到的物鏡15的位置，利用測定被測定物16表面的位移，能高精度、高速度測定位移。由于使用了光圈部，所以即使因在被測定物16上產(chǎn)生的潛光或雜光而產(chǎn)生反射光，也能成為在位移的測定值上難于產(chǎn)生誤差的位移計。
專利3300803號然而，由于用該位移計投光到被測定物的光點尺寸比較小，存在有因被測定物的表面狀態(tài)而導致不可能測定的問題。例如，對于在被測定物表面有凹部和孔等，在存在光難以正常反射的區(qū)域等的場合下，由位移計投射到被測定物的光不能確實地反射到位移計，所以不能進行測定。對于在被測定物表面有呈斑點尺寸大小的細小凹凸的場合，由于有一點的測定位置變動或被測定物的移動，則測定值有大的變動，所以存在難以進行正確測量的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為解決這些問題而研制的，本發(fā)明的目的在于提供無論被測定物的表面狀態(tài)如何，均可實施穩(wěn)定測量的位移計和位移測定方法。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案1所述的位移計具有，產(chǎn)生投射到被測定物16的光的發(fā)光部、接受由上述發(fā)光部出射的光并將其投射到被測定物16的物鏡15、使上述物鏡15以規(guī)定振幅沿第一方向振動的起振部、檢測上述物鏡15在第一方向移動的位置的位置檢測部、使來自被測定物16的反射光通過的光圈部、對通過上述光圈部的光進行接收的光接收部、和取得在由上述光接收部接收到的光接收量為最大時刻的上述位置檢測部的檢測位置，并根據(jù)其演算出被測定物16的位移的位移演算部。該位移計的特征是還具有，使上述物鏡15沿與第一方向正交的第二方向移動的物鏡掃描部52和演算處理部58，該演算處理部58通過上述物鏡掃描部52使物鏡15沿第二方向移動，將被測定物16的測定點以規(guī)定移動量移動，在多個測定點測定位移，并根據(jù)各測定點的位移測定結(jié)果演算出被測定物16的二維位移。
采用這種結(jié)構(gòu)，使物鏡15沿與第一方向正交的第二方向移動，一面改變測定點一面連續(xù)測定多個位置的位移量，例如即使在某點不能進行測定，根據(jù)其附近點的測定結(jié)果，也能得到位移量或位移量的近似值。
技術(shù)解決方案2的位移計具有，產(chǎn)生投射到被測定物16的光的發(fā)光部、接受由上述發(fā)光部出射的光并將其投射到被測定物16的物鏡15、使上述物鏡15以規(guī)定振幅沿通過物鏡15的光的光軸方向振動的起振部、檢測上述物鏡15在光軸方向移動的位置的位置檢測部、使來自被測定物16的反射光通過的光圈部、對通過上述光圈部的光進行接收的光接收部、和取得在由上述光接收部接收到的光接收量為最大時刻的上述位置檢測部的檢測位置并根據(jù)其演算出被測定物16位移的位移演算部。該位移計的特征是還具有在被測定物16上指定作為測定對象的測定區(qū)域的測定區(qū)域指定部51；依據(jù)上述測定區(qū)域指定部51指定的測定區(qū)域，使上述物鏡15沿與光軸方向正交的平面移動的物鏡掃描部52；檢測上述物鏡掃描部52檢測在正交平面使上述物鏡15移動的位置的物鏡移動檢測部53；根據(jù)由上述物鏡移動檢測部53檢測出的、在測定區(qū)域內(nèi)進行測定的多個測定點的物鏡15的位置信息和在多個測定點測定到的位移量，演算出測定區(qū)域內(nèi)的位移量分布用的演算處理部56；輸出由上述演算處理部58演算的結(jié)果用的輸出部66。
采用這種結(jié)構(gòu)，還使物鏡15沿與第一方向正交的第二方向移動，一面改變測定點一面可以連續(xù)測定多個位置的位移量，例如即使在某點不能進行測定時，根據(jù)其附近點的測定結(jié)果，也能得到位移量或位移量的近似值。
作為技術(shù)解決方案3的位移計，其特征在于，除了技術(shù)解決方案1或2以外，還具有，上述物鏡掃描部52使上述物鏡15移動，以規(guī)定間隔掃描在被測定物16上指定的路徑或區(qū)域內(nèi)，上述演算處理部58將各測定點測定的位移量作為連續(xù)量，可以顯示在上述指定的路徑或區(qū)域內(nèi)的被測定物16的輪廓形狀。
采用這種結(jié)構(gòu)，還能連續(xù)取得由線指定的部分的位移量，從而檢測指定部分的形狀和斜率。
作為技術(shù)解決方案4的位移計，其特征在于，除了技術(shù)解決方案1或2以外，還具有，上述物鏡掃描部52使上述物鏡15移動，以規(guī)定間隔掃描在被測定物16上指定的路徑或區(qū)域內(nèi)，上述演算處理部58對各測定點測定的位移量進行平均并作為上述指定的路徑或區(qū)域內(nèi)的位移量進行演算。
采用這種結(jié)構(gòu)，還能取得由線指定的區(qū)域的位移量的平均值，位移計能進行與投光到被測定物16的光的光點尺寸為近似大小的測定。
作為技術(shù)解決方案5的位移計，其特征在于，除了技術(shù)解決方案1至4中任一項以外，還具有，上述測定區(qū)域指定部51還可設(shè)定以下的至少任何一個，其是，上述物鏡15移動范圍的掃描幅度、作為移動中心位置的掃描中心、周期地移動物鏡15時的掃描周期、作為每次移動量的掃描步幅。
采用這種結(jié)構(gòu)，還能根據(jù)用戶的要求適宜變更位移測定精度和測定時間。例如，為了提高位移測定的精度，使掃描步幅變小。為了進行快速測定，可進行使掃描步幅變大或移動范圍變小等設(shè)定。
作為技術(shù)解決方案6的位移計，其特征在于，除了技術(shù)解決方案1至5的任一項以外，還具有將由上述發(fā)光部出射的光變換成平行光并將平行光入射到上述物鏡15的準直透鏡14，上述物鏡15可通過上述物鏡掃描部52，相對來自上述準直透鏡14的平行光的光軸在垂直方向移動。
作為技術(shù)解決方案7的位移計，其特征在于，除了技術(shù)解決方案1至6的任一項以外，還具有，上述物鏡掃描部52移動上述物鏡15以規(guī)定位置為中心，并且以規(guī)定振幅振動。
作為技術(shù)解決方案8的位移計，其特征在于，除了技術(shù)解決方案1至7的任一項以外，還具有，上述物鏡掃描部52在圓弧上使上述物鏡15移動。
作為技術(shù)解決方案9的位移計，其特征在于，除了技術(shù)解決方案8以外，還具有，上述物鏡掃描部52由以規(guī)定的旋轉(zhuǎn)軸為中心并在圓弧上移動上述物鏡15的伺服馬達52A構(gòu)成，上述物鏡移動檢測部53由檢測上述伺服馬達52A旋轉(zhuǎn)角的旋轉(zhuǎn)角傳感器53A構(gòu)成。
作為技術(shù)解決方案10的位移計，其特征在于，除了技術(shù)解決方案8以外，還具有，上述物鏡掃描部52由以規(guī)定的旋轉(zhuǎn)軸為中心并使上述物鏡15旋轉(zhuǎn)移動的音圈52B構(gòu)成，上述物鏡移動檢測部53由檢測上述音圈52B的移動的霍爾元件53B構(gòu)成。
作為技術(shù)解決方案11的位移計，其特征在于，除了技術(shù)解決方案8以外，還具有，還用連結(jié)上述物鏡15的懸臂梁構(gòu)成上述物鏡掃描部52。
作為技術(shù)解決方案12的位移計，其特征在于，除了技術(shù)解決方案1至7的任一項以外，還具有，上述物鏡掃描部52還使上述物鏡15直線狀地移動。
作為技術(shù)解決方案13的位移計，其特征在于，除了技術(shù)解決方案1至12的任一項以外，還具有，配置在來自被測定物16的反射光光路上的攝像用光接收部65、根據(jù)上述攝像用光接收部65檢測的接收光信號用于被測定物16進行成像顯示的攝像監(jiān)視器63，并使上述攝像監(jiān)視器63顯示的圖像攝像的定時時間成為在規(guī)定的測定點用上述起振部對上述物鏡15進行振動并使上述光接收部的接收光量成為最大的時刻。
采用這種結(jié)構(gòu)，還對被測定物16顯示焦點重合的圖像。
作為技術(shù)解決方案14的位移測定方法是涉及對向被測定物16投射光的反射光進行接收并測定被測定物16的表面位移的方法。該方法具有使投射到被測定物16的光通過的物鏡15沿其光軸方向振動的步驟、檢測振動著的物鏡15的位置并在來自被測定物16的反射光的光量為最大時刻檢測物鏡15位置的步驟、根據(jù)已檢測到的位置演算被測定物16的表面位移的步驟。該位移測定方法的特征是還具有使上述物鏡15在與光軸方向正交的方向移動，使演算位移的被測定物16上的測定點移動的步驟；測定移動的測定點的位移量，并測定多個測定點的位移量的步驟；根據(jù)各測定點測定到的位移量，演算出關(guān)于被測定物16的二維位移的步驟。


圖1是表示現(xiàn)有技術(shù)的位移計一例的示意結(jié)構(gòu)圖；圖2是表示作為本發(fā)明的實施例1的位移計的示意結(jié)構(gòu)圖；圖3是表示加振部的其他實施例的示意結(jié)構(gòu)圖；圖4是表示入射到物鏡的光的狀態(tài)的示意圖；圖5是表示掃描位置控制信號概要的曲線圖；圖6是表示測定被測定物16位移的測定結(jié)果一例的示意圖；圖7是表示測定其他被測定物16位移的測定結(jié)果一例的示意圖；圖8是表示測定其他被測定物16位移的測定結(jié)果一例的示意圖；圖9是表示測定其他被測定物16位移的測定結(jié)果一例的示意圖；圖10是表示測定其他被測定物16位移的測定結(jié)果一例的示意圖；圖11是表示本發(fā)明的實施例2的位移計的示意結(jié)構(gòu)圖；圖12是表示物鏡掃描部其他實施例的結(jié)構(gòu)圖；圖13是表示物鏡掃描部另一實施例的結(jié)構(gòu)圖；圖14是表示作為本發(fā)明的實施例3的位移計的示意結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式
以下，根據(jù)

本發(fā)明的實施例。以下表示的實施例是用于將本發(fā)明的技術(shù)思想具體化的位移計和位移測定方法時的實例，然而本發(fā)明并不僅限于下述的位移計和位移測定方法。
本說明書在由技術(shù)解決方案中所述的部件，并不僅限于特定實施例中的部件。并且各附圖表示的部件大小或位置關(guān)系等，為了明確說明而進行樂夸張給出的。在以下的說明中，由相同名稱、符號，表示相同或具有相同性質(zhì)的部件，并適當?shù)厥÷栽敿氄f明。至于構(gòu)成本發(fā)明的各要素，可以是同一部件構(gòu)成多個要素，并且用一個部件兼作多個要素的構(gòu)成形態(tài)，也能夠采用多個部件分擔實現(xiàn)一個部件的功能。
本發(fā)明中的位移計是測定被測定物的表面位移的位移計，并不僅限于測定被測定物的高度和深度、厚度、高度差、臺階差、傾斜和角度等用的裝置，也包含用于根據(jù)高度或傾斜等的測定結(jié)果，可以測定表面形狀等的裝置。同樣，本發(fā)明提供的位移測定方法，并不僅不限于用于測定這些被測定物的高度和深度、厚度、高度差、臺階差、傾斜和角度等的方法，也包含用于根據(jù)這些測定結(jié)果測定表面形狀等用的測定方法。
實施例1圖2表示本發(fā)明實施例1的位移計的結(jié)構(gòu)圖。該圖所示的位移計具有作為發(fā)光部的激光二極管12、將由激光二極管12出射的光變換成平行光的準直透鏡14、物鏡15、保持物鏡1 5的音叉21、使音叉21在光軸方向振動用的、作為起振部的螺線管24、檢測用螺線管24產(chǎn)生振動的音叉21位置的、作為位置檢測部的音叉振幅檢測器22。該位移計在由被測定物16的反射光通過的光圈部17上形成有針孔17a。在光圈部17的針孔17a的位置，設(shè)置有作為光接收部的光電二極管18。
由激光功率控制部11驅(qū)動的激光二極管12的出射光依次通過分光鏡13、準直透鏡14和物鏡15，并投射到被測定物16。來自被測定物16的反射光通過物鏡15和準直透鏡14，由構(gòu)成半透半反鏡的分光鏡13反射，通過光圈部17上的針孔17a向光電二極管18入射。
用光電二極管18進行光電變換的信號向放大器19輸入，其輸出信號X被向演算部20輸入。在形成為U字狀音叉21的一側(cè)縱長部分的前端，安裝著物鏡15的邊緣部分。物鏡15利用音叉15的振動，在激光二極管12的出射光的光軸方向以規(guī)定振幅振動。在音叉21一側(cè)縱長部分前端側(cè)的一邊，配設(shè)著作為位置檢測部的音叉振幅檢測器22。音叉振幅檢測器22例如能夠利用磁、光或靜電電容的傳感器，通過檢測音叉21的振幅位置，檢測與音叉21連接的物鏡15的位置。位置檢測部除了以多樣的方法檢測音叉振幅以外，也可以采用直接檢測與音叉連接并振動的物鏡位置。
音叉振幅檢測器22檢測出的檢測振幅信號被輸入到放大器23，其輸出信號Y被輸入到演算部20。音叉21另一側(cè)縱長部分前端側(cè)的一邊，配設(shè)著使音叉21產(chǎn)生振動用的螺線管24。
螺線管24由來自音叉振幅控制部25供給的控制電流驅(qū)動。音叉振幅控制部25給與放大器23輸出信號，控制音叉21的振幅成為一定的。音叉21能夠利用例如以800Hz、振幅為±0.3mm振動的音叉。由演算部20演算并輸出的位移信號，被輸入到距離變換部50。
該位移計由音叉振幅檢測器22檢測光電二極管18的光接收量為最大時刻的物鏡15的位置，并根據(jù)此通過作為位移演算部的演算部20和距離變換器50演算出被測定物16的光反射點，即表面位移。
下面，說明這樣結(jié)構(gòu)的位移計的動作。如果由音叉振幅控制部25將電流供給螺線管24，則由螺線管24產(chǎn)生磁場。該磁場使音叉21以規(guī)定振幅振動，使物鏡15向其通過光軸方向振動。音叉振幅檢測器22檢測音叉21的振幅、即物鏡15的振幅，并輸出作為物鏡15振幅的正弦波信號。用放大器23放大該正弦信號，將由放大器23輸出的輸出信號Y向演算部20輸入。
另一方面，如果由激光功率控制部11向激光二極管12供給驅(qū)動電流，則激光二極管12發(fā)射出激光。該出射光通過分光鏡13、準直透鏡14、物鏡15向被測定物16投射。由被測定物16反射的反射光通過物鏡15和準直透鏡14，被分光鏡13反射向光圈部17側(cè)投射，僅使通過針孔17的光向光電二極管18入射。因此，對于光電二極管18來說，該光電二極管18由被測定物16產(chǎn)生的潛光和由激光二極管12發(fā)生的雜光引起的反射光被針孔17a遮蔽，而不能通過針孔17a，僅僅在被測定物16產(chǎn)生的對焦點的光入射到光電二極管18。
由于物鏡15的振動，改變著物鏡15和被測定物16間的距離，在到達規(guī)定距離的時刻，投射到被測定物16的光的對焦點產(chǎn)生在被測定物16上時，光電二極管18的接收光輸出瞬時變?yōu)樽畲螅憫?yīng)該接收光輸出的信號向放大器19輸入，放大器19的輸出信號X向演算部20輸入。演算部20通過檢測輸出信號X的最大值，能正確檢測出投射到被測定物16的光的對焦點產(chǎn)生時刻。演算部20對輸出信號X為最大值時刻的輸出信號Y的電平、即物鏡15的振幅進行取樣，并作為位移信號S輸出。而且，向距離變換部50輸入取樣的位移信號S，將位移信號S變換成相應(yīng)位移信號S的距離，由此測定被測定物16的表面位移。
在該實例中，是通過對音叉振幅檢測部22輸出的正弦波信號進行采樣保持，來直接求得物鏡15的位移的。但是，取得物鏡15位移的方法并不僅限于該方法。例如，如作為專利文獻1的專利3300803號所公開的那樣，由音叉振幅檢測器22輸出的信號，可以作為振幅和相位是已知的正弦波信號加以利用，也可以采用從被測定物16的對焦點產(chǎn)生時刻的相位或相位差間接取得物鏡15位移的方法。
作為起振部的其他實施例，如圖3所示，不僅可以將物鏡15而且可以將準直透鏡14連接在音叉21上。在圖3的實例中，在音叉21一側(cè)縱長部分的前端安裝有物鏡15的邊緣部分，在另一側(cè)縱長部分的前端，安裝有和物鏡15在同一光軸配置的準直透鏡14的邊緣部分。而且，按照物鏡15和準直透鏡14能共同振動的方式構(gòu)成。這樣就能使音叉21一側(cè)縱長部分和另一側(cè)縱長部分的重量實現(xiàn)平衡，有效地使音叉21振動。在音叉21的一側(cè)縱長部分的外側(cè)面和另一側(cè)縱長部分的外側(cè)，分別固定著壓電元件，通過將電壓附加到該壓電元件上能使音叉21產(chǎn)生振動。
這樣的被測定物16上任意一點的位移演算方法，例如可以適當利用上述專利文獻1所述的方法和其他已知的方法或?qū)黹_發(fā)的方法，且省略了詳細說明。
測定區(qū)域如以上所示，位移計可以測定已指定為測定點的位移量。而且，位移計可以指定多個測定點。具體地說，可以由測定區(qū)域指定部51指定作為測定對象的測定區(qū)域。測定區(qū)域可以用圓弧或直線等線段實施指定。測定區(qū)域指定部51的指定方法，可以適當采用例如指定線段的始點和終點用的方法、直接指定自由曲線的方法等。而且，還可以在指定測定區(qū)域用的直線或曲線中，指定作為測定點間隔的掃描步幅?；蛘呖梢詫⑾胍獪y定的多個位置作為測定點，由用戶直接指定，或者還可以采用能根據(jù)用戶指定的位置，由位移計自動設(shè)定測定區(qū)域的方法。例如，還可以將指定的位置作為基準，并且將測定點的間隔設(shè)定成規(guī)定值。
在這樣設(shè)定的測定區(qū)域內(nèi)，由位移計在多個測定點測定各自的位移點。而且，根據(jù)測定出的多個位置的位移量，能獲知被測定物16的表面狀態(tài)。例如，可以對表示測定區(qū)域凹凸形狀等的輪廓形狀、斜度、最大高度、最小高度、平均高度、高低差、厚度等進行演算，并根據(jù)需要進行顯示。顯示方法可以如圖6～圖10所示，將被測定物16的輪廓形狀作為剖面形狀，顯示在視覺輸出部60的顯示器等處。而且，可以合并顯示平均高度或斜度等數(shù)值。
若使用這種方法，由于在連續(xù)的多個位置測定位移，所以假定在某位置被測定物的表面形態(tài)等原因使其不能進行測定的場合，也可以利用在其附近可測定的位置測定的位移量，對不能測定位置的位移量實施預(yù)測、補正。因此，在使用投射光到被測定物的光的光點尺寸比較小的位移計時，也能避免不能進行測定的事態(tài)出現(xiàn)。
通過將測定區(qū)域從點狀變?yōu)榫€狀，能實現(xiàn)與光的光點尺寸等價大小的測定。例如，可以將預(yù)定的線段作為測定區(qū)域進行指定，通過測定該區(qū)域內(nèi)多個測定點的位移量，得到位移量的平均值等數(shù)據(jù)，從而能實現(xiàn)與對光點進行線狀延長的位移測定同等的測定。
除此以外，由于也能對測定區(qū)域內(nèi)的輪廓形狀進行測定，所以也能測定以前不能實現(xiàn)的二維、三維區(qū)域的高度或高度差、臺階差、幅度、角度等。特別是能夠連續(xù)進行多個位置的測定，并可以對其結(jié)果實施統(tǒng)計確認，所以可以省略指定一個個測定點的操作，進而能容易地實現(xiàn)所謂平均值和最大值、最小值、斜度等的演算處理，實現(xiàn)極方便使用的良好工作環(huán)境。
當然，也能使物鏡掃描部52停止，僅對任意一點的位移量進行測定。
物鏡掃描部52測定點的移動可以通過移動物鏡15來進行。物鏡15在與光軸正交的方向移動，即在圖4中沿水平方向移動。從發(fā)光部入射到物鏡15的光，由設(shè)置在其間的準直透鏡14變換成為平行光。其結(jié)果可如圖4所示，即使沿與平行光正交方向移動，也由于光軸方向的焦距不變，在被測定物16上能夠連結(jié)焦點，所以能進行位移測定。即使物鏡15移動，也如接收平行光那樣，使物鏡15的大小與準直透鏡14相比，最好使透鏡面的直徑比較小，而且可以把物鏡15的可能移動范圍設(shè)定在準直透鏡14的直徑內(nèi)。
物鏡15用物鏡掃描部52實施移動。圖2所示的位移計具有作為物鏡掃描部52的伺服馬達52A；檢測由物鏡掃描部52移動物鏡15的位置的、作為物鏡移動檢測部53的、檢測伺服馬達52A旋轉(zhuǎn)角的旋轉(zhuǎn)角傳感器53A。伺服馬達52A，通過設(shè)置在保持構(gòu)成起振部的音叉21的音叉座56上的旋轉(zhuǎn)軸54，旋轉(zhuǎn)自如地與起振部進行連接，對旋轉(zhuǎn)軸54進行定位，以使與起振部連結(jié)著的物鏡15沿與光軸正交的平面移動。在圖2中，旋轉(zhuǎn)軸54貫通音叉座56的后端，在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)音叉21，可使物鏡15垂直接受從準直透鏡14來的平行光。伺服馬達52A的旋轉(zhuǎn)，可由與伺服馬達52A連接的掃描位置控制部57控制。掃描位置控制部57根據(jù)由演算處理部58輸出的掃描位置控制信號，控制伺服馬達52A的旋轉(zhuǎn)。
物鏡移動檢測部53在伺服馬達52A的旋轉(zhuǎn)軸54，安裝有作為物鏡移動檢測部53的旋轉(zhuǎn)角傳感器53A，由旋轉(zhuǎn)角傳感器53A檢測物鏡15的位置。旋轉(zhuǎn)角傳感器53A將物鏡移動位置信號送出到掃描位置控制部57，掃描位移控制部57根據(jù)物鏡移動位置信號和掃描位置控制信號，正確控制物鏡15的位置。掃描位置控制部57還將物鏡15的位置信號報告給演算部20。因此，位移計能邊把握測定位置邊進行掃描。演算部50接受物鏡15的位置信息，用距離變換部50對測定點的每一個位移量進行演算，并將演算結(jié)果向演算處理部58輸出。演算處理部58備有存儲器59，以保存各測定點的位移量。然后進行規(guī)定的演算處理，并可根據(jù)需要相應(yīng)地輸出其結(jié)果。例如，可以由顯示器進行顯示，由打印機進行打印，由記錄媒體進行保存，或為進行其他處理送出到外部機器。輸出部66可以根據(jù)這些處理利用顯示器等的顯示部、打印機等的打印部、存儲設(shè)備等的媒體記錄部、計算機等的外部設(shè)備等等。演算部50和演算處理部58可以由諸如系統(tǒng)LSI等的IC構(gòu)成，也可用同一電路構(gòu)成。
測定區(qū)域指定部51圖2所示的位移計具有用戶對所需測定區(qū)域進行指定用的測定區(qū)域指定部51。測定區(qū)域利用線段指定進行測定的區(qū)域。測定區(qū)域指定部51可以為例如能適當利用的控制臺和鍵盤、鼠標、觸摸屏等輸入部件。測定區(qū)域指定部除了可以設(shè)置在位移計51之外，還可以通過作為可自如裝卸的部件的有線、無線與位移計本體連接?；蛘?，也可以利用與位移計連接的計算機連接著的輸入裝置。
測定區(qū)域指定部51與演算處理部58相連接。用戶通過從測定區(qū)域指定部51指示測定區(qū)域，演算處理部58根據(jù)該信息，將音叉位置控制信號、掃描位置控制信號分別輸入到音叉振幅控制部25、掃描位置控制部57，并對其進行控制。圖5表示的是掃描位置控制信號的示意圖。測定區(qū)域由作為物鏡15移動范圍的掃描幅度、作為移動中心位置的掃描中心、使物鏡15周期移動時的掃描周期、作為每一個移動量的掃描步幅等決定。當用戶例如指定了掃描步幅和掃描幅度時，物鏡15通過指定的掃描步幅進行階段移動，移動至掃描幅度時，則返回沿相反方向移動，以通過周期地移動掃描被測定物的表面。為了使指定簡單，用戶對被測定物任意一點進行指定時，能以該點作為掃描中心，用預(yù)先設(shè)定的掃描幅度、掃描步幅自動設(shè)定掃描區(qū)域?；蛘撸⒉粌H限定于周期掃描物鏡15的方法，也可以沿指定的任意路徑移動，并通過測定任意點的位移的方式，對這樣的路徑或點進行指定。
掃描需要的時間或掃描速度，主要由掃描步幅和掃描幅度決定。掃描步幅越大、掃描幅度越狹，掃描速度越快。另一方面，若減小掃描步幅，可以提高掃描精度，從而可進行更微細的位移測定。因而，測定區(qū)域和其參數(shù)，可以根據(jù)速度和精度間的平衡設(shè)定成希望的值。
另一方面，如圖5所示，與掃描位置控制信號平行，從演算處理部58對音叉振幅控制部25送出音叉位置信號。因而，在沿與光軸垂直的面移動物鏡15期間，也可以通過起振部使物鏡15沿光軸方向移動，如上所示那樣，通過檢測光接收部的最大值能演算出位移。最好在每一個掃描步幅中，用起振部使物鏡15在光軸方向形成一周期以上的振幅，以便能夠在每個步幅中測定位移。由此，掃描位置控制信號和音叉位置檢測信號可以由演算處理部58同步輸出。
在以上那樣設(shè)定的測定區(qū)域中，測定各種各樣的被測定物16位移的實例表示于圖6～圖10中。這些圖表示出被測定物16的形狀和作為測定結(jié)果的表面高度的曲線。在各圖中是作為說明測定圖像的并且使被測定物16表面和測定結(jié)果不一致。
圖6是測定金屬制具有光亮面的被測定物16的表面輪廓的測定值。如該圖所示，即使是具有光亮面的被測定物16，也能顯示出指定測定區(qū)域內(nèi)的高度變化。
圖7表示測定含有不能進行測定的點的被測定物16的實例。在該實例中，依次測定具有凹凸的陶瓷表面，由于在某位置不能測定其位移，所以不能用測定結(jié)果形成曲線，但從其前后的測定結(jié)果能推測出其位移量。從不能進行測定的點的前后位移量，能夠演算并補全不能測定點的位移量?；蛘?，還可以對全部位移量進行平均化處理，或?qū)μ禺惖闹颠M行抽樣并且補正處理，也可添加進行平滑化處理。
圖8表示測定被測定物16高度時的實例。在該實例中，檢測的是透明玻璃上突出有硅粘接劑時的高低差。這樣就能夠掃描被測定物16的表面，檢測出最大高度和最小高度，并通過對其差進行演算而得到正確的高低差。
圖9表示測定斜度時的實例。在該實例中，測定的是鐵氧體和電極構(gòu)成的頭部的前端的位移，并由其近似直線求得傾斜角度。這樣，即使在各點的位移測定值具有偏差，也可以從一定范圍內(nèi)的全部測定結(jié)果中得到角度特性。并且類似地，也能求得測定范圍中的平均高度。
圖10表示進行深度測定的實例。在該實例中，在被測定物16的表面形成有凹部，并通過測定其上面和底面的位移來測定深度。
這樣，位移計能夠分別在多個測定點分別測定位移量，并根據(jù)已測定的多個位置的位移量，能夠獲知被測定物的表面狀態(tài)。在上述構(gòu)成實例中，通過不移動由發(fā)光部發(fā)出的光的光軸，而通過使物鏡側(cè)移動，能夠?qū)崿F(xiàn)對被測定物表面的測定點的掃描。因此，沒有必要設(shè)計掃描發(fā)光部光軸用的復(fù)雜機構(gòu)，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)構(gòu)成極廉價的掃描機構(gòu)的優(yōu)良特點。
實施例2以上如圖2所示的結(jié)構(gòu)中，使用作為物鏡掃描部52的伺服馬達52A，但物鏡掃描部并不僅限于此。圖11表示的是作為本發(fā)明其他實施例的位移計。圖11所示的位移計具有和圖2大體相同的結(jié)構(gòu)，但作為物鏡掃描部52采用的是使用音圈52B和音圈用磁鐵52C構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，并且物鏡移動檢測部53采用的是霍爾元件53B和霍爾元件用磁鐵53C。
旋轉(zhuǎn)軸保持部55具有保持著旋轉(zhuǎn)軸54并固定在靜止狀態(tài)，且具有剖面為コ字狀開口部60，音圈用磁鐵52C固定在該旋轉(zhuǎn)軸保持部55的開口部內(nèi)面。另一方面，音圈52B突出在音叉座56的上面，并以插入到開口部60的狀態(tài)與音圈用磁鐵52C相對抗的方式，固定在音叉座56上。該位移計利用掃描位置控制部57調(diào)整流動過音圈52B內(nèi)的電流，依據(jù)和該電流交叉的磁場的相互作用，在和音圈用磁鐵52C之間產(chǎn)生驅(qū)動力，從而以旋轉(zhuǎn)軸54為中心旋轉(zhuǎn)物鏡15。
物鏡15的移動位置可由霍爾元件53B和霍爾元件用磁鐵53C進行檢測。在圖11的實例中，在音叉座56上固定著霍爾元件用磁鐵53C，在和該霍爾元件用磁鐵53C相對抗的位置設(shè)置著靜止的霍爾元件53B。霍爾元件53B是利用GaAs和InSb的霍爾效果檢測磁場強度的元件?；魻栐?3B檢測的是相應(yīng)于和霍爾元件用磁鐵53C間距離的磁場強度，將音叉座56的旋轉(zhuǎn)角度或旋轉(zhuǎn)距離作為物鏡移動位置信號，向掃描位置控制部57輸出。
物鏡15的移動方式也可利用圖12、圖13所示的方法。這些圖是表示物鏡15處于固定狀態(tài)時的平面圖。在圖12中，將物鏡15固定在板簧61上，并通過板簧61的振動在水平面內(nèi)移動。板簧61由未圖示的起振部驅(qū)動振動。該結(jié)構(gòu)能夠形成極廉價的結(jié)構(gòu)。
在上述的物鏡移動方式中，其軌跡都是圓弧狀的。如果使這種場合的圓弧半徑變大，軌跡將從圓弧狀變?yōu)榻咏本€狀。
在圖13中，使用著使物鏡15沿直線移動用的可滑動線性導軌62。線性導軌62可沿導軌軌道直線地滑動。因而，固定在線性導軌62上的物鏡15能可靠地沿直線移動。即使在這些圖所示的方式中，也可以適當?shù)卦O(shè)置有物鏡移動檢測部。
實施例3作為本發(fā)明的實施例3，為圖14表示的具有攝像監(jiān)視器63的實例。該圖所示的位移計，除了和圖2大致同樣的結(jié)構(gòu)以外，還具有在發(fā)光部光路中設(shè)置第二分光鏡64的第二半透半反鏡，在從第二半透半反鏡的反射光的光路上設(shè)置的作為攝像用光接收部65的CCD攝像機等的圖像傳感器，與CCD攝像機連接的攝像監(jiān)視器63。攝像監(jiān)視器63由CCD攝像機檢測到的接收光信號，對被測定物16進行顯示。該攝像監(jiān)視器63在物鏡15移動時，通常不連續(xù)顯示被測定物16，通過僅在特定時間進行攝像，能顯示出焦點鮮明的圖像。對由監(jiān)視器63顯示的圖像進行攝像的定時時間，是物鏡15的焦點重合時的時刻，而且CCD攝像機對由監(jiān)視器63顯示出的圖像進行攝像的定時時間，是振動并移動著的物鏡15在掃描幅度內(nèi)的規(guī)定的掃描位置，最好為掃描中心且物鏡15形成對焦點的時刻。因此，即使物鏡15的掃描位置時刻產(chǎn)生著變化，也可在攝像監(jiān)視器63上顯示在預(yù)定掃描位置的靜止狀態(tài)圖像。對焦點的定時時間和上述方法同樣，為光接收部的光量成為最大的時刻。還可以根據(jù)需要設(shè)置照明裝置，與該定時時間連動地照射出閃光光束。因此，能可靠且瞬時地捕捉焦點吻合的定時時間，不需要特別的機構(gòu)就實現(xiàn)性能極高的自動聚焦功能。攝像監(jiān)視器63僅顯示這樣的攝像圖像，并且可以在進行新攝像的定時時間里更新圖像顯示。因而，攝像監(jiān)視器63通常只能夠顯示出美麗的圖像?；蛘哌@也依賴于掃描幅度和掃描步幅，對于一周期的掃描速度比攝像監(jiān)視器63的更新速度(電視速率是60Hz左右)更遲緩的場合，通過設(shè)置幀存儲器以顯示沒有閃爍的圖像。幀存儲器是存儲一幀、即一頁圖像部分的圖像數(shù)值的存儲器。通過保持攝像獲得的圖像數(shù)據(jù)，通過反復(fù)顯示同一圖像數(shù)據(jù)，使與倍速顯示相對應(yīng)的高質(zhì)量顯示成為可能。雖然在該實例中，除輸出部外還顯示有攝像監(jiān)視器，但攝像監(jiān)視器也可以和作為輸出部一個實例的顯示部實現(xiàn)兼用。
如以上說明那樣，本發(fā)明的位移計和位移測定方法不僅可以對被測定物上的一點進行位移測定，而且能對具有線狀范圍的區(qū)域進行測定。由此，即使存在不能進行檢測的測定點，也可以通過測定其附近的位移量進行推測、補正。因此，在通過微小的點進行被測定物的細致位移測定時，不會出現(xiàn)不能測定的問題，能夠?qū)崿F(xiàn)可靠性高的位移計和位移測定方法。而且，也可以對測定區(qū)域中已測定的多個測定值進行組合處理，得到平均值或高低差、傾斜檢測、輪廓形狀等信息，從而可以實現(xiàn)更詳細的測定。
權(quán)利要求
1.一種位移計，其具有產(chǎn)生投射到被測定物的光的發(fā)光部；接收從上述發(fā)光部出射的光，并投射到被測定物上的物鏡；使上述物鏡以規(guī)定振幅沿第一方向振動的起振部；檢測上述物鏡在第一方向移動的位置的位置檢測部；使來自被測定物的反射光通過的光圈部；對通過上述光圈部的光進行接收的光接收部；取得上述光接收部接收到的光接收量為最大時刻的上述位置檢測部的檢測位置，根據(jù)其演算與被測定物相關(guān)位移的位移演算部；其特征在于，使上述物鏡沿與第一方向正交的第二方向移動的物鏡掃描部；通過上述物鏡掃描部使物鏡沿第二方向移動，使被測定物的測定點以規(guī)定的移動量進行移動，在多個測定點測定位移，根據(jù)各測定點的位移測定結(jié)果演算與被測定物相關(guān)二維位移的演算處理部。
2.如權(quán)利要求1所述的位移計，其特征在于，上述物鏡掃描部使上述物鏡在圓弧上移動。
3.如權(quán)利要求2所述的位移計，其特征在于，上述物鏡掃描部由使上述物鏡以規(guī)定的旋轉(zhuǎn)軸為中心在圓弧上移動的伺服馬達構(gòu)成，上述物鏡移動檢測部由檢測上述伺服馬達的旋轉(zhuǎn)角的旋轉(zhuǎn)角傳感器構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求2所述的位移計，其特征在于，上述物鏡掃描部由使上述物鏡以規(guī)定的旋轉(zhuǎn)軸為中心旋轉(zhuǎn)移動的音圈構(gòu)成，上述物鏡移動檢測部由檢測上述音圈移動的霍爾元件構(gòu)成。
5.如權(quán)利要求2所述的位移計，其特征在于，將上述物鏡掃描部由連結(jié)著上述物鏡的懸臂梁構(gòu)成。
6.如權(quán)利要求1所述的位移計，其特征在于，上述物鏡掃描部使上述物鏡作直線狀移動。
7.如權(quán)利要求1所述的位移計，其特征在于，上述位移計還具有，配置在來自測定物的反射光的光路上的攝像用光接收部和根據(jù)上述攝像用光接收部檢測的接收光信號對被測定物進行成像顯示用的攝像監(jiān)視器，使對上述攝像監(jiān)視器顯示的圖像進行攝像的定時時間成為在規(guī)定的測定點利用上述起振部使上述物鏡振動并使上述光接收部的接收光量成為最大的時刻。
8.一種位移計，其具有產(chǎn)生投射到被測定物的光的發(fā)光部；接收從上述發(fā)光部出射的光，并投射到被測定物的物鏡；使上述物鏡以規(guī)定振幅沿通過物鏡的光的光軸方向振動的起振部；檢測上述物鏡在光軸方向移動的位置的位置檢測部；使來自被測定物的反射光通過的光圈部；對通過上述光圈的光進行接收的光接收部；取得上述光接收部接收到的光接收量為最大時刻的上述位置檢測部的檢測位置，根據(jù)其演算與被測定物相關(guān)位移的位移演算部；其特征在于，在被測定物上指定成為測定對象的測定區(qū)域的測定區(qū)域指定部；依據(jù)上述測定區(qū)域指定部指定的測定區(qū)域，使上述物鏡沿與光軸方向正交的平面移動的物鏡掃描部；檢測通過上述物鏡掃描部在正交平面移動上述物鏡的位置的物鏡移動檢測部；根據(jù)由上述物鏡移動部檢測出的、在測定區(qū)域內(nèi)進行測定的多個測定點的物鏡的位置信息和在多個測定點測定的位移量，演算出測定區(qū)域內(nèi)的位移量分布用的演算處理部；輸出由上述演算處理部演算出的結(jié)果用的輸出部。
9.如權(quán)利要求8所述的位移計，其特征在于，上述物鏡掃描部使上述物鏡移動，使其以規(guī)定間隔掃描被測定物上指定的路徑或區(qū)域內(nèi)，上述演算處理部將在各測定點測定的位移量作為連續(xù)量，可以顯示在上述指定的路徑或區(qū)域內(nèi)的被測定物的輪廓形狀。
10.如權(quán)利要求8所述的位移計，其特征在于，上述物鏡掃描部使上述物鏡移動，使其以規(guī)定間隔掃描被測定物上指定的路徑或區(qū)域內(nèi)，上述演算處理部將在各測定點測定的位移量進行平均，并作為上述指定的路徑或區(qū)域的位移量進行演算。
11.如權(quán)利要求8所述的位移計，其特征在于，上述測定區(qū)域指定部可設(shè)定下述的至少任何一個，其是，作為上述物鏡移動范圍的掃描幅度、作為移動中心位置的掃描中心、使物鏡周期地移動時的掃描周期、作為每一次移動量的掃描步幅。
12.如權(quán)利要求8所述的位移計，其特征在于，上述位移計還具有將從上述發(fā)光部出射的光變換成平行光并將平行光入射到上述物鏡的準直透鏡，上述物鏡的結(jié)構(gòu)是通過上述物鏡掃描部相對上述準直透鏡的平行光的光軸在垂直方向移動。
13.如權(quán)利要求8所述的位移計，其特征在于，上述物鏡掃描部移動上述物鏡，以規(guī)定的位置為中心并以規(guī)定的振幅進行振動。
14.如權(quán)利要求8所述的位移計，其特征在于，上述物鏡掃描部使上述物鏡在圓弧上移動。
15.如權(quán)利要求14所述的位移計，其特征在于，上述物鏡掃描部由使上述物鏡以規(guī)定的旋轉(zhuǎn)軸為中心在圓弧上移動的伺服馬達構(gòu)成，上述物鏡移動檢測部由檢測上述伺服馬達的旋轉(zhuǎn)角的旋轉(zhuǎn)角傳感器構(gòu)成。
16.如權(quán)利要求14所述的位移計，其特征在于，上述物鏡掃描部由使上述物鏡以規(guī)定的旋轉(zhuǎn)軸為中心旋轉(zhuǎn)移動的音圈構(gòu)成，上述物鏡移動檢測部由檢測上述音圈移動的霍爾元件構(gòu)成。
17.如權(quán)利要求14所述的位移計，其特征在于，將上述物鏡掃描部由連結(jié)著上述物鏡的懸臂梁構(gòu)成。
18.如權(quán)利要求8所述的位移計，其特征在于，上述物鏡掃描部使上述物鏡作直線狀移動。
19.如權(quán)利要求8所述的位移計，其特征在于，上述位移計還具有，配置在來自測定物的反射光的光路上的攝像用光接收部和根據(jù)上述攝像用光接收部檢測的接收光信號對被測定物進行成像顯示用的攝像監(jiān)視器，使對上述攝像監(jiān)視器顯示的圖像進行攝像的定時時間成為在規(guī)定的測定點利用上述起振部使上述物鏡振動并使上述光接收部的接收光量成為最大的時刻。
20.一種位移測定方法，其對投射到被測定物的光的反射光進行接收以測定被測定物表面位移，其特征在于，使投射到被測定物的光通過的物鏡沿光的光軸方向振動的步驟；檢測振動的物鏡的位置并在來自被測定物的反射光的光量為最大的時刻檢測物鏡位置的步驟；根據(jù)檢測到的位置演算被測定物的表面位移的步驟，使上述物鏡沿與光軸方向正交方向移動，使演算位移的被測定物上的測定點移動的步驟；測定移動的測定點的位移量，并測定多個測定點的位移量的步驟；根據(jù)各測定點測定的位移量，演算與被測定物相關(guān)二維位移的步驟。
全文摘要
一種位移計和位移測定方法，其無論被測定物的表面狀態(tài)如何，均能進行穩(wěn)定測量。這種位移計具有將光投射到被測定物(16)的物鏡(15)；使物鏡(15)以規(guī)定振幅沿通過物鏡的光的光軸方向振動的起振部；檢測物鏡(15)位置的位置檢測部；使物鏡(15)沿與光軸方向正交的平面移動的物鏡掃描部(52)；檢測物鏡(15)移動位置的物鏡移動檢測部(53)；根據(jù)由物鏡移動檢測部(53)檢測的測定區(qū)域內(nèi)的物鏡(15)的位置信息和在多個測定點測定的位移量，演算測定區(qū)域內(nèi)位移量分布用的演算處理部(58)；輸出由演算處理部(58)演算出的結(jié)果用的輸出部。
文檔編號G01B11/00GK1550754SQ20041005951
公開日2004年12月1日 申請日期2004年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月20日
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