專利名稱：光位移測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光位移測量裝置，并更具體地涉及一種光位移測量裝置，其用于通過包括物鏡的光學系統(tǒng)引導來自光源的光朝向目標，并利用檢測部分檢測從目標反射的檢測光，從而測量相對于物鏡的目標位移。
背景技術(shù)：
對于目標位移的非接觸測量，比如由Toyohiko Yatagai在“AppliedOptics，Introduction to Optical Measurement”(第四版，MaruzenCo.，Martch15，1992，p120-124)中所述的那些光探針法已公知。在此描述的光探針法包括臨界角法、像散法、刀刃法、外差法等。在這些方法的任何一種中，導致在目標的表面之上形成微小的光點，并且從目標反射的光就其狀態(tài)來說被收集和檢測。這些方法能夠獲得高度靈敏的檢測，并且采用這些方法的裝置可以做的小而且重量輕，從而使它們適用作例如用于表面粗糙度的光學測量的光探針。
此外，日本專利未審公開的平7-43148中給出了一種稱作針孔法的自動聚焦技術(shù)。在針孔法中，從目標反射并通過用于光會聚的物鏡的光被分成兩個光部分，并當利用分別設(shè)置在一個分離光部分像點之前針孔板和另一分離光部分的像點之后的針孔板以及利用緊隨各個針孔板之后設(shè)置的光學檢測裝置時，基于來自各自光學檢測裝置的輸出來檢測目標和物鏡的像點之間的位置位移。
依據(jù)該自動聚焦技術(shù)，控制物鏡移動，以使光總是集中在目標上。這樣，基于透鏡的移動量可以測量目標的位移。
在這些用于測量目標位移的傳統(tǒng)非接觸方法中，具體地，光探針法能夠獲得明顯高的分辨率。然而，由于高度精確檢測范圍限制于臨近焦點的區(qū)域，該方法受到非常窄的測量范圍的困擾。具體地，例如僅在幾um的范圍中精確測量通常是可能的。
依據(jù)自動聚焦技術(shù)和在日本專利未審公開的平7-43148中給出的有關(guān)改進技術(shù)，進行控制以使光總是集中在目標上，從而基于透鏡的移動量可以測量目標的位移。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)較寬的測量范圍。
然而在自動聚焦操作中，當目標的表面由于有臺階具有不連續(xù)的位移時，例如，在由于透鏡將失去其跟隨方向并且需要另一個搜尋操作的情況下，也不容易獲得高速測量。
如上面所述，盡管已經(jīng)提出了多種非接觸位移測量方法，但是結(jié)合了它們提供的優(yōu)點，它們在有關(guān)獲得高精度、高速度、廉價、適用性、增加穩(wěn)定性等的能力仍存在一些問題。
本發(fā)明有利地提供了一種采用新方法的易操作光位移測量裝置。

發(fā)明內(nèi)容
1、本發(fā)明的原理依據(jù)本發(fā)明，當利用錐形透鏡的光學特性時，在來自光源的光向目標前行之前，將所述光引導進入具有錐形形狀的透鏡，并且從目標返回的光返回通過所述物鏡。返回的光形成一個圖像，基于該圖像的形狀測量目標的位移。
圖1說明了本發(fā)明的基本原理。具體地，在目標2之前設(shè)置具有錐形的物鏡4，以用于位移測量，并將光源(未示出)設(shè)置在物鏡4的非錐形一側(cè)的側(cè)面上，所述目標2設(shè)置在錐形一側(cè)。來自光源的光6被引進物鏡4，朝著目標2前行。然后光在目標2的表面上受到反射，并返回，如光8，通過錐形物鏡4。
在圖1中，為了簡化附圖。示出了僅僅實際進入的光的一半的軌跡，即，僅顯示被引進物鏡4的上半部分的光6。同樣，為了說明的簡潔，限定光6是準直光束，其光軸平行于物鏡4的中心光軸5。垂直于中心光軸5設(shè)置目標2。
在圖1中，作為準直光束的光6從后面進入具有錐形形狀的物鏡4，同時保持作為準直光束在錐形邊界表面上以由物鏡4的材料確定的折射率受到折射。折射光以該角度向目標2前行，并被同時保持作為準直光束地在向物鏡4的錐形部分返回之前以等于入射角的反射角在目標2的表面上反射。在錐形邊界表面上該返回光再次受到折射，從而再形成平行于光6的光軸的光8。
在此，通過光6和光8之間的對比，可知光8相對于物鏡4的中心光軸5偏移。即，當平行引進物鏡4的上半部分的光在目標2上受到反射并返回，如光8，通過物鏡4的下半部分，所述光8是相對于物鏡4的中心光軸5偏移的準直光束，并平行于物鏡4的中心光軸5。
從圖1可以容易理解，相對于中心光軸5光8的偏移量可以根據(jù)目標2的位置變化。即，當目標2沿著物鏡4的中心光軸5改變它的位置或位移Δx時，在垂直于中心光軸5的平面上可以測量光8的偏移Δy1、Δy2，它們也依賴位移Δx的變化。
要注意的是，Δy1表示返回光8相應(yīng)于對應(yīng)于中心光軸5的進入物鏡4的最外側(cè)行進的光的偏移量，而Δy2表示返回光8相應(yīng)于對應(yīng)于中心光軸5的進入物鏡4的最內(nèi)側(cè)行進的光的偏移量。即，Δy1和Δy2限定了返回光8的范圍。當該范圍被認為是由返回光8形成的一個圖像時，可以用另一種方式來說明這一點，即Δy1、Δy2限定了圖像的輪廓。
例如，假設(shè)進入光束6的最外側(cè)行進的光由錐形物鏡4進行折射，并在點P0處與中心光軸5相交。當目標2位于點P0處，偏移Δy1變得最大。
盡管上面的說明僅包含進入物鏡4的上半部分的光6，當具有相對于中心光軸5對稱的圓形橫截面部分的準直光束被引入物鏡4時，返回光8具有圓環(huán)形、類似環(huán)的橫截面，其具有相應(yīng)于偏移Δy1的內(nèi)徑和相應(yīng)于偏移Δy2的外徑。因此，測量偏移Δy1和Δy2就能夠確定目標2的位移。
如上面所述，在采用錐形透鏡的光學特性時，本發(fā)明引導來自光源的光通過錐形透鏡到達目標，并檢測通過錐形透鏡從目標返回的光所的圖像的形狀，從而測量目標的位移。
2、解決問題的手段依據(jù)本發(fā)明，提供一種光位移測量裝置，其用于引導來自光源的光通過具有物鏡的光學系統(tǒng)到達目標，并用于通過檢測部分檢測從目標反射的光，以測量目標相對于物鏡的位移。在光位移測量裝置中，物鏡可以是錐形透鏡，用于朝著目標推進所述光和用于接收由目標反射的光、以引導到檢測部分，并且根據(jù)由檢測部分檢測的檢測圖像的形狀變化依賴于目標相對于物鏡的位移的事實可以測量目標相對于物鏡的位移。
優(yōu)選地，檢測圖像可以是大致為圓環(huán)形的(類似炸甜面圈的形狀)。同樣優(yōu)選地，根據(jù)大致為圓環(huán)形的被檢測圖像的內(nèi)徑可以測量位移。
在依據(jù)本發(fā)明的光位移測量裝置中，優(yōu)選地，根據(jù)大致為圓環(huán)形的被檢測圖像的最大內(nèi)徑可以測量位移。于此，大致為圓環(huán)形的被檢測圖像由內(nèi)環(huán)形圖像和外環(huán)形圖像組成。最大內(nèi)徑意味著橫貫內(nèi)環(huán)形圖像的最長距離。例如，當來自光源的光是具有圓形橫截面的準直光束時，如果目標被傾斜放置時，會檢測到一個橢圓圖像。由于橢圓圖像的最大直徑保持不變，根據(jù)該最大直徑可以決定目標的位移。
更優(yōu)選地，檢測部分可以包括圖像傳感裝置。通過利用圖像傳感裝置、可以以非常高的精確度確定檢測圖像形狀。
此外，錐形物鏡可以是具有錐形形狀的透鏡，其用于當目標被設(shè)置在由遠側(cè)相交點和近側(cè)相交點之間限定的測量范圍內(nèi)時，接收和折射從目標反射的光，使得光朝檢測部分側(cè)返回，并形成目標的圖像，其尺寸依據(jù)目標相對于物鏡的位移而改變。在上述中，遠側(cè)相交點是在錐形物鏡的外部圓周點處被折射的最外側(cè)行進的光與錐形物鏡的中心光軸相交的點，并且近側(cè)相交點是在錐形物鏡的頂端處被折射的光與最外側(cè)行進光相交的點。
當目標位于遠側(cè)相交點處時，檢測圖像的內(nèi)徑側(cè)上的偏移變得最大，而在近尺寸相交點處時卻為零。因此，當目標位于遠側(cè)相交點和近側(cè)相交點之間限定的范圍中的某處時，可以以非常高的精確度檢測檢測圖像的形狀中的任何變化。
仍進一步地，所述光學系統(tǒng)可以包括用于分離來自光源的準直光束并朝著目標前進的具有S偏振分量的光的光束分離器；四分之一波長延遲板，其用于在將從光束分離器推進的S偏振分量的光轉(zhuǎn)換成為圓偏振光后，使得到的光朝著目標前進，并用于在將從目標反射的圓偏振的光轉(zhuǎn)換成為具有P偏振分量的光后，使得到的光返回至光束分離器；以及呈錐形的物鏡，并在四分之一波長延遲板和目標之間配備該物鏡。在該光學系統(tǒng)中，利用檢測部分可以檢測通過從目標返回的、并通過四分之一波長延遲板和光束分離器的P偏振分量光所形成的圖像。用這樣的設(shè)置，可以分離朝著目標前進的光和從目標反射并形成用于檢測的圖像的光。這使圖像位移的測量更容易。
如上面所述，用本發(fā)明的光位移測量裝置，可以用在此所述的新穎方式容易地測量目標的位移。


基于下面的附圖，詳細描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其中圖1說明了本發(fā)明的基本原理；圖2是示出了本發(fā)明的光位移測量裝置的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3A是示出了具有基本上位于依據(jù)本發(fā)明的實施例的測量范圍的中心處的目標的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3B是示出了在圖3A的環(huán)境下、通過檢測部分檢測的圖像的形狀的示意圖；圖4A是示出了具有基本上位于依據(jù)本發(fā)明的實施例的測量范圍的遠側(cè)相交點處的目標的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖4B是示出了在圖4A的環(huán)境下、通過檢測部分檢測的圖像的形狀的示意圖；圖5A是示出了具有基本上位于依據(jù)本發(fā)明的實施例的測量范圍的近側(cè)相交點處的目標的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖5B是示出了在圖5A的環(huán)境下、通過檢測部分檢測的圖像的形狀的示意圖。
具體實施例方式
下面，參照附圖詳細說明本發(fā)明的實施例。
圖2示出了光位移測量裝置10的結(jié)構(gòu)，其主要包括光源20、包含錐形物鏡28的光學系統(tǒng)和用于檢測目標圖像的檢測部分30。需要指出的是，為了易于理解，在圖2中未示出用于定位和支持這些構(gòu)件的外殼和連接至檢測部分30的位移量計算部分以及某些其它元件。
在圖2中，光源20發(fā)射光以輻射設(shè)置在物鏡28之前的一個目標。利用半導體激光器或類似器件可以形成光源20。只要是光學穩(wěn)定的，光發(fā)射二極管和其它任何發(fā)射元件可用作光源20。
準直透鏡22設(shè)置在光源20之前。例如，當準直透鏡22將來自光源20的光再成形為準直光束時，已通過準直透鏡22的光可以是具有圓形橫截面準直光束的聚光。
光學系統(tǒng)包括光束分離器24、四分之一波長延遲板26和具有圓錐形的物鏡28。準直透鏡22的中心光軸通過光束分離器24的反射部分的中心。在一個例子中，其中準直透鏡22的中心光軸在反射部分的中心處以90度被彎曲并且從該處延伸，這樣延伸的軸對應(yīng)于物鏡28的中心光軸40。中心光軸40通過四分之一波長延遲板26的中心。檢測部分30位于中心光軸40的延長線上，該延長線在光束分離器24的設(shè)置四分之一波長延遲板26等的一側(cè)的相反側(cè)延伸。
即，這樣定位全部元件光源20-準直透鏡22-光束分離器24-四分之一波長延遲板26-物鏡28-目標-物鏡28-四分之一波長延遲板26-光束分離器24-檢測部分，從而使各自的中心位于由光束分離器24彎曲90度的同一軸線上。
光束分離器24是用于分離從準直透鏡22接收的準直光束并把光的S偏振分量以90度彎曲從而使其向著一個目標，即物鏡28行進的一種光學部分。如圖2所示，通過將半透明薄膜夾在兩個直角度棱鏡之間可以獲得光束分離器24。
四分之一波長延遲板26是用于轉(zhuǎn)換S偏振分量的入射光成為圓偏振光、和將圓偏振的入射光轉(zhuǎn)換成P偏振分量的光的一種光學元件，該P偏振分量具有與S偏振光分量90度的相位差。通過設(shè)置已知雙折射材料的薄膜等可以形成這種四分之一波長延遲板26，從而以相對于中心光軸40的預定角度傾斜。
具有錐形的物鏡28是一個光學元件，其用中心光軸40作為它的錐形的中心軸。物鏡28以由物鏡28的材料確定的折射率將穿過錐形形狀基面?zhèn)鹊娜肷涔庠谒腻F形邊界表面上進行折射。物鏡28進一步以該折射率在它的錐形邊界表面上將從其錐形側(cè)入射的光進行折射，從而使進入的光朝其錐形的基面?zhèn)确祷亍?br> 與曲面透鏡不同，錐形透鏡不具有焦點，在該焦點，整個準直光束會聚。替代地，通過錐形物鏡的基面?zhèn)韧瑫r保持與在錐形的中心軸平行的引入錐形物鏡的光會聚在其錐形形狀的中心軸的一個點處，其以相應(yīng)的確定距離與錐形的頂點分離。
圖2是光位移測量裝置10的橫截面圖，其包括中心軸。具體地，示出了入射至物鏡28的上半部分的光的最外側(cè)的行進的光42和光44沿著中心光軸通過的折射軌跡。類似地，示出了入射至物鏡28的下半部分光的最外側(cè)的行進的光46和光48沿著中心光軸通過的折射軌跡。
如圖1所示，中心光軸40在點P0處與光42或46相交。該點限定用于目標位移測量的范圍的遠點側(cè)上的限制。該點被稱作遠側(cè)相交點50。同時，如隨后所述，在對應(yīng)于用作目標位移測量的范圍的近點側(cè)上的限制的點處，光42與光48相交或光46與光44相交。這些點被稱作近側(cè)交叉點52。即，遠側(cè)相交點50和近側(cè)交叉點52之間的范圍限定了位移可測量范圍54。
下面說明該光學系統(tǒng)中光的行進。
來自光源20的光由準直透鏡22再成形成為具有圓形橫截面的準直光束的光點。然后，由光束分離器24將具有S偏振分量的光彎曲90度，并且然后由四分之一波長延遲將其轉(zhuǎn)換，從而具有圓偏振。在朝著目標行進之前(未示出)，如上面所述，得到的光由錐形物鏡28折射。
輻射向目標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過錐形物鏡28再次對其折射。由于在錐形的邊界處的入射角度等于最初折射角，已經(jīng)通過錐形物鏡的光會形成與中心光軸40平行的準直光束。
在沿著中心光軸40直線行進通過光束分離器24至檢測部分30之前，平行于中心光軸40的圓偏振光在已通過物鏡28之后，由四分之一波長延遲板26再次轉(zhuǎn)換成具有P偏振分量的光。
通過從目標返回的光，檢測部分30檢測在垂直于中心光軸40的平面上形成的圖像的形狀?？梢岳脠D像傳感裝置構(gòu)成檢測部分30。圖像傳感裝置的例子可以是以兩維設(shè)置的CCDs(電荷耦合裝置)。可替代地可以采用半導體圖像傳感裝置，其包括以兩維設(shè)置的光電三極管或光電二極管。
圖像傳感裝置或類似裝置獲得兩維數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)然后被發(fā)送至位移量計算部分(未示出)，在該處計算目標的位移。更簡單地，可把從目標返回的光投射到作為投射平面的檢測部分30之上，由此在其上形成圖像，并利用尺寸測量裝置或類似裝置測量形成圖像的尺寸。
圖3-5是用于說明具有上面所述的結(jié)構(gòu)的光位移測量裝置10的功能的示意圖。通過由檢測部分30檢測的圖像參照位于預定位置中的目標2的圖像的形狀進行說明。在這些圖中，圖(a)示出了隨著目標2被放置在光位移測量裝置10中行進光的軌跡，而圖(b)示出了通過檢測部分30檢測的圖像的形狀。
圖3示出了其中目標2基本上位于在圖2中說明的測量范圍54的中間的情況。利用相應(yīng)的參考數(shù)字表示對應(yīng)于圖2的那些元件，并不再重復描述。為了有利于跟蹤從目標2反射的光，要確定入射至目標2的光42發(fā)展為光62。類似地，光44發(fā)展為光64；光46發(fā)展為光66；和光48發(fā)展為光68。
利用較長的點劃線表示與全部光的最外側(cè)入射至物鏡28的行進光對應(yīng)的光62、66的軌跡，同時利用較短的點劃線表示與沿著中心光軸行進的光對應(yīng)的光64、68的軌跡。
如圖3所示，由錐形物鏡28折射并朝著目標2行進的光由目標2向回反射至物鏡28。返回的光相對于中心光軸40產(chǎn)生偏移，因此，由檢測部分30檢測具有空白中心部分的大致為圓環(huán)形的圖像70。
如參照圖2所述，圖4示出了其中目標2位于遠側(cè)相交點50處、或位于測量范圍54的較遠點上的邊界處的情況。利用用于圖3中的對應(yīng)方式的參考數(shù)字識別各自的光軌跡。在這種情況下，從目標2反射并通過物鏡28返回的光表現(xiàn)出相對于中心光軸40的最大偏移，從而通過檢測部分30檢測具有圓形空白中心部分的圖像72?？瞻字行牟糠值闹睆降扔趶墓庠?0引入物鏡28的光的光點的直徑。
如參照圖2所述，圖5示出了其中目標2位于近側(cè)相交點52處、或位于測量范圍54的較近點上的邊界處的情況。通過用于圖3的相應(yīng)的參考數(shù)字識別各自的光軌跡。在這種情況下，從目標2反射并通過物鏡28返回的光表現(xiàn)出相對于中心光軸40的沒有偏移。
因此，通過檢測部分30檢測不具有空白中心部分的圓形圖像74。圖像的直徑等于從光源20引至物鏡28的光的光點的直徑。
從圖3至圖5可以最后理解，通過檢測形成于檢測部分30中的圖像的形狀中的變化可以知道相對于物鏡28的目標2的位移。具體地，當從光源發(fā)射具有圓形橫截面的準直光束的光點時，得到的圖像具有大致為圓環(huán)形狀，并且環(huán)形的內(nèi)徑和外徑的測量使測量目標的位移成為可能。
優(yōu)選地，測量圖像的大致為圓環(huán)形的環(huán)的內(nèi)徑，并將測量的內(nèi)徑應(yīng)用至預先制備的轉(zhuǎn)換裝置，比如轉(zhuǎn)換表示或查找表，以確定目標的位移?；阱F形物鏡28的圓錐頂角、物鏡28的折射率或類似的可以獲得轉(zhuǎn)換?？商娲?，可以采用標定樣品用于轉(zhuǎn)換。仍可替代地，微型計算機等可用于根據(jù)由檢測部分30獲得的圖像數(shù)據(jù)的目標位移的實時計算。此外，基于位移，可以獲得涉及目標的運動的值，包括速度、加速度等。
可以設(shè)置目標2相對于中心光軸40傾斜。在這種情況下，通過檢測部分30檢測不是圓形而是橢圓的圖像。橢圓圖像的最大直徑與入射角無關(guān)而保持不變，當以具有大致為圓環(huán)形的圖像的測量來測量圖像的最大直徑時，可以減小目標2的傾斜的影響。
權(quán)利要求
1.一種光位移測量裝置，其用于引導來自光源的光通過具有物鏡的光學系統(tǒng)到達目標，并用于通過檢測部分檢測從目標反射的光，從而測量目標相對于物鏡的位移，其中物鏡是錐形透鏡，其用于朝著目標推進所述光，并用于接收從目標反射的光到所述檢測部分，以及根據(jù)由檢測部分檢測的檢測圖像的形狀變化依賴于目標相對于物鏡的位移的特性來測量目標相對于物鏡的位移。
2.依據(jù)權(quán)利要求1的光位移測量裝置，其中檢測圖像是大致為圓環(huán)形的。
3.依據(jù)權(quán)利要求2的光位移測量裝置，其中基于大致為圓環(huán)形的檢測圖像的內(nèi)徑測量位移。
4.依據(jù)權(quán)利要求3的光位移測量裝置，其中基于大致為圓環(huán)形的檢測圖像的最大內(nèi)徑測量位移。
5.依據(jù)權(quán)利要求1的光位移測量裝置，其中檢測部分具有圖像傳感裝置。
6.依據(jù)權(quán)利要求1的光位移測量裝置，其中錐形物鏡是具有錐形形狀的透鏡，用于當目標被設(shè)置于在遠側(cè)相交點和近側(cè)相交點之間限定的位移測量范圍中時接收和折射從目標反射的光，以使光朝檢測部分側(cè)返回并形成目標的圖像，該圖像的尺寸基于目標相對于物鏡的位移變化而變化，遠側(cè)相交點是在錐形物鏡的外部圓周點處被折射的最外側(cè)行進的光與錐形物鏡的中心光軸相交點，并且近側(cè)相交點是在錐形物鏡的頂端處被折射的光與最外側(cè)行進的光的相交點。
7.依據(jù)權(quán)利要求1的光位移測量裝置，其中光學系統(tǒng)包括光束分離器，其用于分離來自光源的準直光束，并用于朝著目標推進S偏振分量的光；四分之一波長延遲板，其用于在將從光束分離器推進的S偏振分量光轉(zhuǎn)換為圓偏振光后將得到的光朝著目標推進，并用于在將從目標反射的圓偏振的光轉(zhuǎn)換成P偏振分量光后，將得到的光返回至光束分離器；以及具有錐形的物鏡，并在四分之一波長延遲板和目標之間配備該物鏡，以及利用檢測部分來檢測通過從目標返回的、并通過四分之一波長延遲板和光束分離器的具有P偏振分量光所形成的圖像。
全文摘要
一種光位移測量裝置，其用于引導來自光源的光通過具有物鏡的光學系統(tǒng)到達目標，并用于通過檢測部分檢測從目標反射的光，從而測量目標相對于物鏡的位移。在光位移測量裝置中，物鏡是錐形透鏡，其用于朝著目標推進所述光，并用于接收由目標反射的光，以引導到檢測部分，并根據(jù)由檢測部分檢測的檢測圖像的形狀變化依賴于目標相對于物鏡的位移的特性來測量目標相對于物鏡的位移。
文檔編號G01C3/08GK1670476SQ200510064158
公開日2005年9月21日 申請日期2005年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月18日
發(fā)明者巖本正, 谷村吉久 申請人:三豐株式會社