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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Anmeldung basiert auf der
japanischen Patentanmeldung Nr. 2008-292311 ,
eingereicht beim Japanischen Patentamt am 14. November 2008, deren
gesamter Inhalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
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1. TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf optische Messvorrichtungen,
insbesondere ein optisches System, das in einer optischen Messvorrichtung
angeordnet ist.
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2. STAND DER TECHNIK
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Eine
Sensorvorrichtung zur Messung von Versetzung, Länge, Winkel
und dergleichen verschiedener Messzielobjekte ist bekannt. Beispielsweise
ist eine optische Messvorrichtung (auch als „Versetzungssensor” bezeichnet)
bekannt, die ein Lichtschneidverfahren verwendet, wobei die optische Messvorrichtung
eine Lichtprojektionseinheit zum Formen von Licht einer Lichtquelle
zu einem Linienbündel und Bestrahlen einer Oberfläche
eines Messzielobjekts mit dem Licht unter einem bestimmten Winkel,
eine Fotografiereinheit zum Fotografieren einer Linienbündeleinstrahlungsposition
auf der Oberfläche des Messzielobjekts unter Verwendung
eines zweidimensionalen Abbildungselements aus einer Richtung, die
von der Einstrahlrichtung des Linienbündels verschieden
ist, und Gewinnung eines Bildes, welches ein Schnittkonturbild einer
Lichtschnittoberfiäche enthält, sowie eine Messeinheit
zur Erzeu gung eines Messwerts und/oder eines Bestimmungswerts durch
Ausführen eines bestimmten Messvorgangs beruhend auf dem
mit der Fotografiereinheit erhaltenen Schnittkonturbild der Lichtschnittoberfläche.
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Die
oben beschriebenen optische Messvorrichtung misst die Versetzung
durch Anwenden des Triangulationsprinzips, wobei sich die optische
Messvorrichtung nach der Art des von einem Messzielbereich reflektierten
Lichts, das die Abbildungseinheit empfängt, grob in zwei
Arten unterscheiden lässt. Die eine Art ist eine Methode
eines direkten Empfangs von an einem Objekt spiegelreflektiertem
Licht und die andere Art eine Methode des Projizierens eines Projektionsbündels
senkrecht auf die Messoberfläche und Empfangens eines diffus
reflektierten Lichts aus dem reflektierten Licht.
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Die
Richtung einer durch den Querschnitt des Linienbündels
gebildeten Linie entspricht einer Vertikalabtastrichtung (oder Horizontalabtastrichtung)
im Gesichtsfeld des zweidimensionalen Fotografierelements. Die Richtung,
in der sich das durch das Linienbündel gebildete Schnittkonturbild
im Gesichtsfeld des zweidimensionalen Abbildungselements bewegt,
wenn sich der Abstand zwischen der Messvorrichtung (im Allgemeinen
ein Sensorkopf) und dem Messzielobjekt ändert, entspricht
der Horizontalabtastrichtung (oder Vertikalabtastrichtung). Damit
wird das Schnittkonturbild der Lichtschnittoberfläche an
der Lichtempfangsoberfläche des zweidimensionalen Abbildungselements
ausgebildet.
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Gemäß einer
solchen optischen Messvorrichtung lässt sich, da ein Linienbündel
mit linearem Querschnitt als Schnittlicht verwendet wird, die Information
einer Folge von Messpunkten entlang einer konstanten Linie auf der
Oberfläche des Messzielobjekts kollektiv erfassen, ohne
das Schnittlicht und das Messzielobjekt relativ zueinander zu bewegen,
wie eine Vorrichtung, die Punktlicht mit gepunktetem Querschnitt
als das Schnittlicht verwendet. Bei Anwendung auf Test etc. von
Industrie produkten, die sich entlang einer Produktionsstraße
bewegen, lässt sich also ein jeder Abschnitt der Oberfläche
des Messzielobjekts beruhend auf der Information der Folge von Messpunkten
genau messen, wobei sich eine Defektfeststellung für das
Produkt und dergleichen rasch und zuverlässig durchführen
lässt.
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Bei
Tests etc. eines Industrieprodukts dieser Art müssen Messzielobjekte
mit unterschiedlichen Formen berücksichtigt werden. Beispielsweise
ist bei einigen Industrieprodukten die reflektierte Lichtmenge,
die der Sensor erhalten kann, teilweise unterschiedlich, da ein
Teil der Oberfläche eine geneigte Oberfläche oder
gekrümmte Oberfläche ist. Bei einem Testen solcher
Industrieprodukte (Messung einer Oberflächenversetzung
und dergleichen), wird das Bild infolge eines Mangels an reflektierter
Lichtmenge dunkel, oder es kann sein, dass eine normale Messung
nicht durchgeführt werden kann, da kein Licht erhalten
werden kann.
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Die
japanische Patentveröffentlichung
Nr. 3575693 (Patentdokument 1) beschreibt eine optische
Messvorrichtung, welche zur Lösung obiger Probleme eine
Anzahl von Bildern mit unterschiedlichen Fotografierbedingungen
synthetisiert und die Messung beruhend auf dem synthetisierten Bild durchführt.
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ÜBERBLICK
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Gemäß der
in der
japanischen Patentveröffentlichung
Nr. 3575693 (Patentdokument 1) beschriebenen Technik wird
die Messung einer Versetzung als möglich für ein
Messzielobjekt erachtet, bei welchem vorab bekannt ist, dass ein
Teil der Oberfläche eine geneigte Oberfläche oder
eine gekrümmte Oberfläche ist. In seltenen Fällen
jedoch enthalten die zahllosen Industrieprodukte, die auf einer
Fertigungsstraße laufen, gelegentlich Produkte, die sich als
Folge eines Verfangens in einem Ge stell, in einem geneigten Zustand
bewegen. Ob sich die Oberflächenversetzung des Objekts
auch dann messen lässt, wenn das Messzielobjekt infolge
unvorhersagbarer Gründe gekippt ist, ist in der
japanischen Patentveröffentlichung
Nr. 3575693 nicht besonders beschrieben. Ein solches Ereignis
vorwegnehmend, erfolgt eine Überlegung dahingehend, gleichförmig eine
Anzahl von Bildern in Bezug auf alle Messzielobjekte aufzunehmen
und die Bilder zu synthetisieren, um die Versetzung eines jeden
Messzielobjekts zu messen. In diesem Fall ist jedoch davon auszugehen,
dass die Produktivität der Fertigungsstraße sinkt.
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Die
vorliegende Erfindung erfolgte unter der Überlegung, die
oben beschriebenen Probleme zu lösen, wobei es eine Aufgabe
derselben ist, eine optische Messvorrichtung bereitzustellen, die
eine hochgenaue Messung in Bezug auf ein Messzielobjekt ermöglicht,
bei welchem eine geneigte Oberfläche oder eine gekrümmte
Oberfläche in einem Teil der Oberfläche vorliegt,
oder welches ein gekipptes Messzielobjekt ist.
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Zusammenfassend
bezieht sich die Erfindung auf eine optische Messvorrichtung, welche
einen Lichtprojektionsabschnitt, einen Lichtempfangsabschnitt und
einen Messverarbeitungsabschnitt enthält. Der Lichtprojektionsabschnitt
projiziert Bestrahlungslicht auf ein Messzielobjekt, das in einem
Messbereich vorhanden ist. Der Lichtempfangsabschnitt empfängt
reflektiertes Licht sowohl als diffus reflektiertes Licht als auch
spiegelreflektiertes Licht, das erzeugt wird, wenn das Bestrahlungslicht
an einer Oberfläche des Messzielobjekts aus einer Richtung reflektiert
wird, bei welcher sich der Ort eines Reflexionslicht-Bildes ändert,
das gemäß einer Versetzung der Oberfläche
des Messzielobjekts erhalten ist, und gewinnt ein Bild des Reflexionslicht-Bildes.
Der Messverarbeitungsabschnitt misst die Versetzung der Oberfläche
des Messzielobjekts, die das Einstrahlungslicht reflektiert, beruhend
auf dem mit dem Lichtempfangsabschnitt gewonnenen Bild. Der Lichtempfangsabschnitt
enthält einen Bildgebungsabschnitt, einen Abbildungsabschnitt und
einen Lichtabschirmungsabschnitt. Der Bildgebungsabschnitt gewinnt
als Bild ein Bild des einfallenden Lichts. Der Abbildungsabschnitt
führt herbei, dass der Bildgebungsabschnitt mit dem reflektierten
Licht, das erzeugt wird, wenn das von dem Lichtprojektionsabschnitt
projizierte Bestrahlungslicht an der Oberfläche des Messzielobjekts
reflektiert wird, ein Bild erzeugt. Der Lichtabschirmungsabschnitt
definiert, wenn das Bestrahlungslicht an dem im Messbereich vorliegenden
Messzielobjekt diffus reflektiert wird, einen Einfallswinkelbereich
für das den Bildgebungsabschnitt erreichende diffus reflektierte
Licht in Bezug auf eine optische Mittelachse des Abbildungsabschnitts
in Bezug auf eine Komponente, die parallel zu einer bestimmten Ebene
ist, welche eine optische Mittelachse des Abbildungsabschnitts des
diffus reflektierten Lichts enthält. Der Lichteinstrahlabschnitt strahlt
das Bestrahlungslicht so ein, dass, wenn das Bestrahlungslicht an
dem in dem Messbereich vorhandenen Messzielobjekt spiegelreflektiert
wird, eine zu der bestimmten Ebene des spiegelreflektierten Lichts
des Bestrahlungslichts parallele Komponente an einer Position in
der Richtung der optischen Mittelachse des Abbildungsabschnitts
konvergiert, an der der Lichtabschirmungsabschnitt vorliegt.
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Die „Position
in Richtung der optischen Mittelachse, wo der Lichtabschirmungsabschnitt
vorliegt” schließt einen Fall ein, in welchem
die Position des Lichtabschirmungsabschnitts in Richtung der optischen
Mittelachse des Abbildungsabschnitts sich an der gleichen Position
an beiden Enden im Einfallswinkelbereich des definierten diffus
reflektierten Lichts befindet, und einen Fall, in welchem die Position
des Lichtabschirmungsabschnitts in Richtung der optischen Mittelachse
des Abbildungsabschnitts sich an unterschiedlichen Positionen befindet.
Wenn sich der Lichtabschirmungsabschnitt an unterschiedlichen Positionen
an beiden Enden des Einfallswinkelbereichs des definierten diffus
reflektierten Lichts befindet, schließt dies einen Fall
ein, in welchem die Kompo nente parallel zu der bestimmten Ebene
des spiegelreflektierten Lichts in den Bereich der Richtung der
optischen Mittelachse des Bildbildungsabschnitts gebündelt
wird, wo solche Positionen vorhanden sind.
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Vorzugsweise
bringt der Lichtprojektionsabschnitt ein Linienbündel zu
dem im Messbereich vorliegenden Messzielobjekt hin als das Bestrahlungslicht
auf. Der Lichtempfangsabschnitt empfängt reflektiertes
Licht des an der Oberfläche des Messzielobjekts reflektierten
Linienbündels aus einer Richtung, bei welcher sich eine
Verteilung der Position des Reflexionslichtbildes, das in Entsprechung
zur Versetzung der Oberfläche des Messzielobjektes erhalten
wurde, für eine Verteilung des Bündels in einer Linienrichtung
auf der Oberfläche des Messzielobjekts ändert.
Die bestimmte Ebene ist eine Ebene, die senkrecht zu einer Einfallsebene
ist, die eine optische Mittelachse des aus dem Lichtprojektionsabschnitt
aufgebrachten Linienbündels und eine optische Mittelachse
des Abbildungsabschnitts enthält, und die die optische
Mittelachse des Abbildungsabschnitts enthält.
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Vorzugsweise
bringt der Lichtprojektionsabschnitt ein Linienbündel zu
dem im Messbereich vorliegenden Messzielobjekt hin als das Bestrahlungslicht
auf. Der Lichtempfangsabschnitt empfängt reflektiertes
Licht des an der Oberfläche des Messzielobjekts reflektierten
Linienbündels aus einer Richtung, bei welcher sich eine
Verteilung der Position des Reflexionslichtbildes, das in Entsprechung
zur Versetzung der Oberfläche des Messzielobjekts erhalten
wurde, für eine Verteilung des Bündels in einer Linienrichtung
auf der Oberfläche des Messzielobjekts ändert.
Wenn ein planes Messzielobjekt im Messbereich unter einer Neigung
innerhalb eines vorab definierten Messzielbereichs angeordnet wird, ist
die bestimmte Ebene eine Ebene, die zur Linienrichtung des Reflexionslichtbündels,
das erzeugt wird, wenn das Linienbündel aus dem Lichtprojektionsabschnitt
an der Oberfläche des Messzielobjekts reflektiert wird,
an der Oberfläche des Messzielobjekts und zu der optischen
Mittelachse des Bildbildungsabschnitts parallel ist.
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Die „Neigung
innerhalb des vorab definierten Messzielbereichs” ist die
Neigung innerhalb eines messbaren (definiert als Messziel durch
Spezifikation) Winkelbereichs des Messzielobjekts, der vorab beruhend
auf Spezifikation und dergleichen durch die optische Messvorrichtung
definiert wird.
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Vorzugsweise
ist der Lichtabschirmungsabschnitt mit einer kreisförmigen Öffnung
mit der optischen Mittelachse des Abbildungsabschnitts als Mitte
ausgebildet. Die Lichtabschirmung schirmt das Licht außerhalb
der kreisförmigen Öffnung ab.
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Vorzugsweise
ist der Abbildungsabschnitt durch ein Objektiv, in welchem eine
Anzahl von Linsen kombiniert ist, gebildet. Der Lichtabschirmungsabschnitt
ist zwischen den Linsen, die an beiden Enden in Bezug auf eine Aufreihungsrichtung
der Anzahl von Linsen angeordnet sind, definiert.
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Vorzugsweise
ist der Abbildungsabschnitt eine Einzellinse. Eine Konvergierungsposition
in Richtung der optischen Mittelachse des Bildbildungsabschnitts
liegt innerhalb der Einzellinse für die zu der bestimmten
Ebene des spiegelreflektierten Lichts des Bestrahlungslichts parallele
Komponente.
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Vorzugsweise
definiert der Lichtabschirmungsabschnitt den Einfallswinkelbereich
in Bezug auf die optische Mittelachse des Abbildungsabschnitts für
die zu der bestimmten Ebene parallele Komponente des diffus reflektierten
Lichts anhand eines an der Oberfläche des Messzielobjektes
vorab definierten effektiven Messbereichs.
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Vorzugsweise
projiziert der Lichtprojektionsabschnitt das Lichtbündel
so, dass eine Bündelbreite in Richtung parallel zur bestimmten
Ebene mit Fortschreiten des Lichtbündels von dem Lichtprojektionsabschnitt
zu dem Lichtempfangsabschnitt allmählich kleiner wird.
Die be stimmte Ebene ist eine Ebene, die senkrecht zu einer Einfallsebene
ist, die eine optische Mittelachse des von dem Lichtprojektionsabschnitt
aufgebrachten Linienbündels und eine optische Mittelachse,
die als optische Mittelachse des Abbildungsabschnitts dient, enthält,
und die die optische Mittelachse des Bildbildungsabschnitts enthält.
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Gemäß der
optischen Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung lässt
sich eine hochgenaue Messung auf einem Messzielobjekt, bei welchem eine
geneigte Oberfläche oder eine gekrümmte Oberfläche
in einem Teil der Oberfläche, die eine Spiegelreflexionskomponente
enthält, vorliegt, oder an einem gekippten Messzielobjekt
durchführen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine perspektivische Darstellung des äußeren Erscheinungsbildes
einer Signalverarbeitungseinheit 1 und eines Sensorkopfes 2 einer
optischen Messvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform;
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2 ist
eine Darstellung, die das von einer Sensorkopfeinheit aufgebrachte
Laserlicht beschreibt;
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3 ist
ein Blockdiagramm, welches einen gesamten elektrischen Hardware-Aufbau
der Signalverarbeitungseinheit 1 aus 1 zeigt;
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4 ist
ein Blockdiagramm, welches einen elektrischen Hardware-Aufbau der
Sensorkopfeinheit 2 zeigt;
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5 ist
eine Darstellung, die einen Schnittaufbau des optischen Systems
der Sensorkopfeinheit 20 zeigt;
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6A bis 6D sind
Ansichten, die ein Beispiel eines Aufbaus des optischen Lichtempfangssystems 203b zeigt;
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7 ist
eine schematische Darstellung, die die Anordnung des Lichtempfangsabschnitts
gemäß der Scheimpflug-Regel zeigt.
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8 ist
eine Darstellung, die das Bestrahlungslicht von und das reflektierte
Licht zu der Sensorkopfeinheit zeigt;
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9 ist
eine Darstellung, die ein Bild zeigt, das durch Abbilden des reflektierten
Lichts als Schnittkonturbild mit dem zweidimensionalen Abbildungselement
gewonnen ist;
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10A und 10B sind
schematische Aufbaudarstellungen, die das optische System der vorliegenden
Ausführungsform längs einer Richtung parallel
zur Bündelkonvergierungsfläche zeigen;
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11A und 11B sind
Darstellungen, die die Bahn des an der Oberfläche des Messzielobjekts
diffus reflektierten Lichtbündels beschreiben;
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12A und 12B sind
Darstellungen, die die Bahn des an der Oberfläche des Messzielobjekts
reflektierten Lichtprojektionsbündels beschreiben;
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13 ist
eine Darstellung, die einen Zustand beschreibt, in dem die Konvergierposition
des reflektierten Lichtbündels nicht im Bereich des Lichtabschirmungsabschnitts
vorliegt;
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14A und 14B sind
schematische Darstellungen, die ein Beispiel für den Aufbau
des optischen Lichtempfangssystems des in 13 gezeigten
optischen Systems zeigen;
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15 ist
eine schematische Darstellung, die die Bahn des reflektierten Lichtbündels
zeigt, wenn das Messzielobjekt 5 nach links und rechts
in dem in 13 gezeigten optischen System
geneigt ist;
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16 ist
eine schematische Darstellung, die die Bahn des reflektierten Lichtbündels
zeigt, wenn das Messzielobjekt 5 nach vorne und hinten
in dem in 13 gezeigten optischen System
geneigt ist;
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17 ist
eine schematische Darstellung, die die Bahn des reflektierten Lichtbündels
zeigt, wenn die Oberfläche des Messzielobjekts geneigt
ist;
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18 ist
eine Darstellung, die einen Zustand zeigt, in dem die Sensorkopfeinheit 20 des Messzielobjekts 5 nach
links und rechts gekippt ist;
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19 ist
eine schematische Darstellung, die die Bahn des reflektierten Lichtbündels
zeigt, wenn das Messzielobjekt 5 nach links und rechts
in der vorliegenden Ausführungsform geneigt ist;
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20 ist
eine schematische Darstellung, die die Bahn des reflektierten Lichtbündels
zeigt, wenn das Messzielobjekt 5 nach vorne und hinten
in der vorliegenden Ausführungsform geneigt ist;
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21 ist
eine Darstellung, die die Bahn des reflektierten Lichts zeigt, wenn
die Oberfläche des Messzielobjekts in der vorliegenden
Ausführungsform geneigt ist;
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22 ist
eine Darstellung, die einen Zustand zeigt, in dem in der vorliegenden
Ausführungsform die Sensorkopfeinheit 20 bezüglich
des Messzielobjekts 5 nach links und rechts geneigt ist;
und
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23 ist
eine Darstellung, die einen Brennpunktsort beschreibt, wenn der
Linsenabschnitt des optischen Lichtempfangssystems als Einzellinse
aufgebaut ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Nachfolgend
werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Gleiche Bezugszeichen
werden für die gleichen oder entsprechende Abschnitte der
Figuren vergeben, wobei deren Beschreibung nicht wiederholt wird.
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Aufbau der optischen Messvorrichtung
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Zunächst
wird ein schematischer Aufbau einer optischen Messvorrichtung (Versetzungssensor) gemäß der
vorliegenden Ausführungsform unter Verwendung der 1 bis 4 beschrieben.
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Die
optische Messvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform
ist ein Versetzungssensor vom sogenannten Getrenntverstärkertyp,
bei welchem eine Signalverarbeitungseinheit und eine Sensorkopfeinheit
getrennt sind, um eine kompakte Aufnahme auf einer Steuerplatte
und dergleichen zu ermöglichen, und um die Installation
in einer kleinen Messumgebung zu erleichtern.
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1 ist
eine perspektivische Darstellung einer äußeren
Erscheinungsbildes einer Signalverarbeitungseinheit 1 und
einer Sensorkopfeinheit 2 der optischen Messvorrichtung
der vorliegenden Ausführungsform. Unter Bezug auf 1 hat
ein Außenschalengehäuse 10 der Signalverarbeitungseinheit 1 eine
leicht langgestreckte rechteckige massive Form. Wenngleich nicht
dargestellt, wird eine Außenanschlussschnur aus der Frontfläche
des Außenschalengehäuses 10 herausgezogen.
Die Außenanschlussschnur enthält eine externe
Eingangsleitung, eine externe Ausgangsleitung, eine Spannungsversorgungsleitung
und dergleichen. Die externe Eingangsleitung liefert von außen
verschiedene Arten von Befehlen einer SPS (programmierbare Steuerung)
und dergleichen, die als übergeordnete Vorrichtung zur
Signalverarbeitungseinheit 1 dient. Die externe Ausgangsleitung
gibt eine Schaltausgabe, eine analoge Ausgabe und dergleichen, die
innerhalb der Signalverarbeitungseinheit 1 erzeugt werden,
auf die SPS und dergleichen aus. Die Spannungsversorgungsleitung
liefert Spannung an die internen Schaltkreise der Signalverarbeitungseinheit.
Wenngleich nicht dargestellt, enthält die Unterseite des
Außenschalengehäuses einen USB-(Universal Serial Bus)Anschluss
sowie einen RS-233C-Anschluss.
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Ein
Bedienungseinheitdeckel 14, der sich öffnen und
schließen lässt, ist an der Oberseite des Außenschalengehäuses 10 angeordnet. Eine
Bedieneinheit zur Durchführung verschiedener Arten von Befehlsoperationen
und dergleichen an der Signalverarbeitungseinheit 1 ist
unter dem Bedieneinheitdeckel 14 vorgesehen. Eine Anzeigeeinheit 15 zur Anzeige
von Messzielbildinformation und von mit der Sensorkopfeinheit 2 gewonnenen
Messergebnissen, von Messwert, Einstellbildschirm und dergleichen
ist an der Oberseite des Außenschalengehäuses 10 angeordnet.
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Ein
Intersignalverarbeitungseinheit-Verbinderdeckel 16 ist
an den linken und rechten Seitenflächen des Außenschalengehäuses 10 angeordnet. Ein
Intersignalverarbeitungseinheit-Verbinder zum Anschließen
einer weiteren Signalverarbeitungseinheit 1 ist auf der
Innenseite des Intersignalverarbeitungseinheit-Verbinderdeckels 16 angeordnet.
Eine Anzahl von Signalverarbeitungseinheiten 1 lässt
sich in einer Reihe nebeneinander liegend gekoppelt über eine
DIN-Schiene miteinander verbinden. Eine Anschlussbuchse 17 zum
Anschließen einer Sensorkopfeinheit 1 ist an der
oberen Seite des Außenschalengehäuses 10 der
Signalverarbeitungseinheit 1 angeordnet. Die Signalverarbeitungseinheit 1 ist
mit der nachfolgend zu beschreibenden Sensorkopfeinheit 2 über
die Anschlussbuchse 17 für die Sensorkopfeinheit 1 verbunden.
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Die
Sensorkopfeinheit 2 enthält einen Anschlussstecker 27 zum
Anschließen der Signalverarbeitungseinheit 1,
der der Anschlussbuchse 17 für die Sensorkopfeinheit
entspricht, ein Kabel 21 und eine Sensorkopfkörpereinheit 20.
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Die
Sensorkopfkörpereinheit 20 bestrahlt das Messzielobjekt
mit Laserlicht aus einem Lichtprojektionsfenster 51 und
empfängt das an dem Messzielobjekt reflektierte Licht an
einem Lichtempfangsfenster 52. Die Sensorkopfkörpereinheit 20 fotografiert
die Oberfläche des Messzielobjekts aus einem Winkel, bei
welchem die Position des Lichtbildes gemäß der
Form des Messzielobjekts geändert erscheint, und gibt die
Daten des aufgenommenen Bildes als Videosignal aus.
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2 ist
eine Darstellung, die das von der Sensorkopfkörpereinheit
aufgebrachte Laserlicht beschreibt. Wie in 2 gezeigt,
durchläuft gepulstes Laserlicht, das von einem in der Sensorkopfkörpereinheit 20 eingebauten
Lichtprojektionselement (Laserdiode) ausgeht, eine (nicht dargestellte)
Lichtprojektionslinse, wobei die Oberfläche des Messzielobjekts 5 mit
einem solchen Laserlicht in Form eines Linienbündels (L1)
bestrahlt wird. Auf diese Weise wird ein Bestrahlungslicht-Bild
LM des Linienbündels (nachfolgend als Schnittkonturbild
bezeichnet) auf der Oberfläche des Messzielobjekts 5 ausgebildet.
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Das
an dem Messzielobjekt 5 reflektierte Reflexionslicht 12 des
Linienbündels durchläuft die (nicht dargestellte)
Lichtempfangslinse in der Sensorkopfeinheit 2 und tritt
in das zweidimensionale Abbildungselement (Fotodiodenfeld, CCD,
CMOS, Abbildungselement, etc.) ein.
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Anders
ausgedrückt, wird das das Bestrahlungslicht-Bild LM enthaltende
Videosignal des Linienbündels durch Aufnehmen der Oberfläche
des Messzielobjekts 5 mit dem zweidimensionalen Abbildungselement
aus einer Richtung, die von der Bestrahlungsrichtung des Linienbündels
verschieden ist, gewonnen. Eine bestimmte Merkmalsgröße
wird beruhend auf einem solchem Video-Signal extrahiert und eine
Verteilung längs des Bestrahlungslicht-Bilds LM die Zielversetzungsgröße
(Abstand zwischen der Sensorkopfkörpereinheit 20 und
dem Messzielobjekt 5 in diesem Beispiel) gewonnen.
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3 ist
ein Blockdiagramm, welches einen gesamten elektrischen Hardware-Aufbau
der Signalverarbeitungseinheit 1 aus 1 zeigt.
Wie in 3 gezeigt, enthält die Signalverarbeitungseinheit 1 einen
Steuerabschnitt 101, einen Speicherabschnitt 102,
einen Anzeigeabschnitt 103, einen Kommunikationsabschnitt 104 mit
der Sensorkopfeinheit 2, einen Kommunikationsabschnitt 105 mit
einer externen Vorrichtung, einen Tasteneingabeabschnitt 106,
einen Externeingabeab schnitt 107, einen Ausgabeabschnitt 108 sowie
einen Spannungsversorgungsabschnitt 109.
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Der
Steuerabschnitt 101 wird durch die CPU (Central Processing
Unit) und das FPGA (Field Programmable Gate Array) aufgebaut und
führt eine umfassende Steuerung der gesamten Signalverarbeitungseinheit 1 durch.
Der Steuerabschnitt 101 führt den oben beschriebenen
Messvorgang durch Umsetzung verschiedener Arten von nachfolgend
zu beschreibenden Funktionen beruhend auf dem Videosignal aus der
Sensorkopfeinheit 2 aus und binarisiert auch das Videosignal
mit einem bestimmten Schwellenwert als Referenz und gibt dieses
an dem Ausgabeabschnitt 108 als Ausgangsdaten aus.
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Der
Speicherabschnitt 102 enthält einen nicht-flüchtigen
Speicher (EEPROM) 102a und einen Bildspeicher 102b zur
Speicherung der auf dem Anzeigeabschnitt 103 anzuzeigenden
Bilddaten. Als nicht-flüchtiger Speicher 102a kann
auch ein Flash-Speicher verwendet werden.
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Der
Anzeigeabschnitt 103 enthält eine Flüssigkristallanzeigeteil 103a,
auf welchem verschiedene numerische Werte etc., die zu dem Schwellenwert und
dem Abstand zu dem Messzielobjekt in Beziehung stehen, angezeigt
werden, sowie eine Anzeigelampe LED 103b, die den EIN/AUS-Zustand
etc. wiedergibt, welches die Zielausgabe ist. Der Kommunikationsabschnitt 104 kommuniziert
mit der Sensorkopfeinheit 2.
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Der
Kommunikationsabschnitt 105 enthält einen USB-Kommunikationsteil 105a für
den Anschluss an einen externen Personal Computer (PC) 110,
einen seriellen Kommunikationsteil 105b, der beim Senden
und Empfangen von Befehlen und Programmdaten und dergleichen verwendet
wird, sowie einen Intersignalverarbeitungseinheit-Kommunikationsteil 105c zur
Durchführung einer Datenkommunikation mit einer auf der
linken oder rechten Seite benachbarten Signalverarbeitungsein heit
gemäß einem bestimmten Protokoll und einem bestimmten
Sende/Empfangs-Format.
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Der
Tasteneingabeabschnitt 106 wird durch einen Schalter, einen
Betätigungsknopf und dergleichen für verschiedene
Arten von Einstellungen (nicht dargestellt) aufgebaut. Der externe
Eingabeabschnitt 107 empfängt beispielsweise verschiedene
Arten von Befehlen in Bezug auf die Signalverarbeitungseinheit 1 von
einer höherrangigen Vorrichtung, wie etwa der SPS. Der
Ausgabeabschnitt 108 wird zur Ausgabe der Ziel-EIN/AUS-Ausgabe
auf die höherrangige Vorrichtung, wie etwa die SPS, verwendet. Der
Spannungsversorgungsabschnitt 109 liefert Spannung an den
Steuerabschnitt 101 und die externe Hardware-Schaltung.
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4 ist
ein Blockdiagramm, welches einen elektrischen Hardwareaufbau der
Sensorkopfeinheit 2 zeigt. Wie in 4 gezeigt,
enthält die Sensorkopfeinheit 2 einen Steuerabschnitt 201,
einen Lichtprojektionsabschnitt 202 zur Aufbringung des
Linienbündels auf das Messzielobjekt 5, einen
Lichtempfangsabschnitt 203 für den Empfang des
nach Reflektieren an dem Messzielobjekt 5 erreichten Lichtbündels,
eine Anzeigelampe LED 204, einen Speicherabschnitt 205,
sowie einen Kommunikationsabschnitt 206.
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Der
Steuerabschnitt 201 wird durch die CPU (Central Processing
Unit) und die PLD (Programmable Logic Device) aufgebaut und führt
eine umfassende Steuerung der einzelnen Konfigurationselemente 202 bis 206 der
Sensoreinheit 2 aus und führt auch einen Vorgang
des Gewinnens des Lichtempfangssignals vom Lichtempfangsabschnitt 203 und
Senden desselben an die Signalverarbeitungseinheit 1 durch.
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Der
Lichtprojektionsabschnitt 202 enthält eine Laserdiode,
die als Lichtprojektionselement dient sowie eine Lichtprojektionsschaltung
und gibt das Linienbündel auf den Messzielbereich hin auf. Wenngleich
nicht dargestellt, weist die Lichtprojektionsschaltung eine APC-(Auto
Power Control)Funktion auf und überwacht die Lichtausgabe
der Laserdiode und führt das Ergebnis auf den Ansteuerstrom zur
Versorgung derselben an die Laserdiode zurück, womit die
Lichtausgabe der Laserdiode konstant gehalten wird.
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Der
Lichtempfangsabschnitt 203 enthält ein zweidimensionales
Abbildungselement (Fotodiodenfeld, CCD, CMOS Abbildungselement,
etc.) für den Empfang des reflektierten Lichts des Linienbündels und
führt die Gewinnung des Bildes des empfangenen Lichts sowie
einen Lichtempfangssignalverarbeitungsabschnitt zur Verstärkung
des von dem zweidimensionalen Abbildungselement her erhaltenen Lichtempfangssignals
und Ausgabe desselben auf den Steuerabschnitt 201 in Synchronisation
mit einem Zeitsteuersignal aus dem Steuerabschnitt 201. Die
Anzeigelampe LED 204 wird in Entsprechung zu verschiedenen
Betriebszuständen der Sensorkopfeinheit 2 auf
EIN oder AUS geschaltet.
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Der
Steuerabschnitt 205 wird durch einen nicht-flüchtigen
Speicher (EEPROM) und dergleichen aufgebaut, wobei im vorliegenden
Beispiel eine ID (Identifikationsinformation) und dergleichen zur Identifizierung
der Sensorkopfeinheit 2 in diesem aufgezeichnet wird. Der
Kommunikationsabschnitt 206 kommuniziert mit der Signalverarbeitungseinheit 1 gemäß dem
Befehl des Steuerabschnitts 201.
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Die
Sensorkopfeinheit 2 der vorliegenden Ausführungsform
hat den oben beschriebenen Schaltungsaufbau und führt einen
geeigneten Lichtprojektions- und Lichtempfangsprozess als Reaktion auf
den Befehl der Signalverarbeitungseinheit 1 aus. Das Kommunikationsverfahren
zwischen dem Kommunikationsabschnitt 104 der Signalverarbeitungseinheit 1 und
dem Kommunikationsabschnitt 206 der Sensorkopfeinheit 2 ist
nicht speziell festgelegt, wobei beispielsweise LVDS (Low Voltage
Differential Signaling) angewendet werden kann.
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Beispiel für Messprinzip und
Messvorgang
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5 ist
eine Darstellung, die einen Schnittaufbau des optischen Systems
der Sensorkopfkörpereinheit 20 zeigt. Unter Bezug
auf 5 enthält das optische System gemäß der
vorliegenden Ausführungsform eine Laserdiode 202a,
einen Spalt 202b, einen Lichtprojektionslinsenteil 220c,
eine zweidimensionale CCD 203a und ein optisches Lichtempfangssystem 203b.
Die Laserdiode 202a, der Spalt 202b und der Lichtprojektionslinsenteil 202c bilden
den in 4 gezeigten Lichtprojektionsabschnitt 202.
In der vorliegenden Ausführungsform ist der Spalt 202b innerhalb
des Lichtprojektionslinsenteils 202c angeordnet.
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Das
von der Laserdiode 202a emittierte Lichtprojektionsbündel 53 (Bestrahlungslicht)
wird durch den Spalt 202b und den Lichtprojektionslinsenteil 202c geformt
und auf eine Oberfläche 5A des in einem bestimmten
Messbereich vorliegenden Messzielobjekts 5 als Linienbündel
projiziert. Der Lichtprojektionslinsenteil 202c kann durch
eine Einzellinse oder eine anamorphotische Einzellinse (z. B. zylindrische
Linse) oder ein Objektiv, in welchem mehrere Linsen kombiniert sind,
oder ein Objektiv, in welchem mehrere Linsen, darin eingeschlossen
die anamorphotische Einzellinse (z. B. zylindrische Linse), kombiniert
sind. Das Linienbündel kann in Richtung der kurzen Seite
des Linienbündels an der Oberfläche des Messzielobjekts 5 durch
Verwendung der anamorphotischen Einzellinse als Lichtprojektionslinse verschmälert
werden.
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Da
die Querschnittsansicht in 5 gezeigt ist,
ist das Lichtprojektionsbündel im Querschnitt (in der Zeichenebene)
dargestellt, als ob es als konvergentes Licht verschmälert
und auf das Messzielobjekt aufgebracht wird, das Lichtprojektionsbündel 53 wird
aber auf das Messzielobjekt 5 als in Bezug auf die Richtung
senkrecht zum Querschnitt (Richtung senkrecht zur Zeichenebene)
linear sich erstreckendes Linienbündel aufgebracht. Ein „Bestrahlungsbereich” ist
in der folgenden Beschreibung als der gesamte Bereich (gesamter
Bereich, der mit dem zweidimensionalen Abbildungselement abgebildet
werden kann) definiert, in dem das Querschnittskonturbild das Lichtprojektionsbündel 53 an
der Oberfläche 5A des Messzielobjekts 5 vorliegt.
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Das
durch die Einstrahlung eines solchen Lichtprojektionsbündels 53 (Linienbündel)
erzeugte Schnittkonturbild wird mit der zweidimensionalen CCD 203a,
die als das zweidimensionale Abbildungselement dient, über
das optische Lichtempfangssystem 203b aus einer bestimmten
Richtung aufgenommen. Anders ausgedrückt, erhält
der Lichtempfangsabschnitt, der das optische Lichtempfangssystem 203b und
die zweidimensionale CCD 203a enthält, das reflektierte
Licht in Form sowohl des diffus reflektierten Lichts als auch des
spiegelreflektierten Lichts, die erzeugt werden, wenn das Lichtprojektionsbündel 53 an
der Oberfläche 5A des Messzielobjekts reflektiert
wird, aus einer Richtung, für die sich die Position des
Reflexionslicht-Bildes gemäß der Versetzung der
Oberfläche 5A des Messzielobjekts 5 ändert.
Der Lichtempfangsabschnitt gewinnt das Bild eines solchen Reflexionslicht-Bildes.
Die zweidimensionale CCD 203a bildet das Schnittkonturbild
aus einer Richtung ab, für die sich die Bildbildungsposition
an einer Abbildungsebene 203C des Schnittkonturbildes in
Entsprechung zu einer Änderung der Versetzung der Oberfläche 5A des
Messzielobjekts 5 ändert. Die Versetzung an den
einzelnen Positionen des Schnittkonturbildes längs der Richtung
senkrecht zum Querschnitt wird beruhend auf dem Triangulationsprinzip
gemessen.
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Die
die optische Mittelachse des Bildprojektionsbündels 53 (Lichtprojektions-Mittelachse 54)
und die optische Mittelachse des optischen Lichtempfangssystems 203b (Lichtempfangsmittelachse 56) enthaltende
Ebene wird nachfolgend als „Einfallsebene” definiert.
Die die Mittelachse der Schnittkontur an der Oberfläche 5A des
planen Messzielobjekts 5 und die optische Lichtempfangsachse,
die der optischen Mittelachse der optischen Lichtempfangsachse 203b entspricht,
enthaltende Ebene wird als „Bündelkonvergierungsebene” bezeichnet.
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Eine
Achse, die parallel zur Längsrichtung des Linienbündels
ist und durch die Mitte der Breite in Richtung der kurzen Seite
des Linienbündels verläuft, sowie eine Achse die
parallel zur Richtung der kurzen Seite des Linienbündels
ist und durch die Mitte der Breite der Längsrichtung des
Linienbündels verläuft, können beide
als optische Mittelachse des Schnittkonturbilds angewandt werden.
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In 5 ist
die Längsrichtung des Linienbündels die Richtung
senkrecht zur Zeichenebene und die Richtung der kurzen Seite des
Linienbündels eine Richtung senkrecht zur Längsrichtung
des Linienbündels und parallel zur Zeichenebene.
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Das
optische Lichtempfangssystem 203b bildet das Bild des Reflexionslichtbündels 55 in
der Bildebene 203c der zweidimensionalen CCD 203a aus. In
der vorliegenden Ausführungsform ist das Reflexionslichtbündel 55 spiegelreflektiertes
Licht des Lichtprojektionsbündels 53.
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Wie
in den 6A bis 6D gezeigt,
enthält das optische Lichtempfangssystem 203b einen Linsenabschnitt 211 und
einen Linsenhalter 213 zur Festlegung des Linsenabschnitts 211.
Der Linsenhalter 213 kann ein integrierter oder ein gesonderter Aufbau
sein. Der Linsenabschnitt 211 bildet das Bild des Reflexionslichtbündels 55 in
der Bildebene 203c aus. Zur Veranschaulichung dieses Aspekts
zeigen die 6A bis 6D jeweils
die Einfallsseite und die Austrittsseite des Reflexionslichtbündels 55.
Die Darstellungen in den 6A bis 6D sind
Beispiele, die Anordnung der „Einfallsseite” und
der „Austrittsseite” kann auch vertauscht sein.
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6A und 6B sind
Darstellungen, die Beispiele zeigen, in welchen der Linsenabschnitt 211 als
Objektiv mit einer Anzahl von Linsen 211a bis 211c aufgebaut
ist. 6C und 6D sind
Darstellungen, die Beispiele zeigen, in welchen der Linsenabschnitt 211 als
Einzellinse aufge baut ist. Die Anzahl der Linsen, die den Linsenabschnitt 211 aufbauen,
unterliegt keiner besonderen Einschränkung, solange ein
Bild des Reflexionslichtbündels 55 in der Bildebene 203c ausgebildet
werden kann. Bei Gestaltung des Linsenabschnitts 211 mit
mehreren Linsen unterliegt der Typ einer jeden Linse keiner besonderen
Einschränkung.
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Gemäß dem
in den 6A und 6C gezeigten
Aufbau enthält das optische Lichtempfangssystem 203b zusätzlich
zum Linsenabschnitt 211 und Linsenhalter 213 einen
Lichtabschirmungsabschnitt 212. Der Lichtabschirmungsabschnitt 212 ist
zwischen den brechenden Flächen an den Enden der Anzahl
von Linsen 211a bis 211c oder in der Nachbarschaft
der brechenden Flächen angeordnet und mit einer kreisförmigen Öffnung 212a ausgebildet. Licht
außerhalb der kreisförmigen Öffnung wird
so durch den Lichtabschirmungsabschnitt 212 abgeschirmt.
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Nachbarschaft
der brechenden Fläche bezieht sich auf einen Abstandsbereich
eines Ausmaßes, der die brechende Fläche nicht
berührt, aber den Bereich von Licht, das im Wesentlichen
in die brechende Fläche eintritt, definiert. Der Lichtabschirmungsabschnitt 212 kann
am Linsenhalter integriert angeordnet sein. Die brechenden Flächen
an beiden Enden der Linsen 211a bis 211c sind
im Einzelnen die Linsenfläche 214 der Linse 211a,
die zur „Einfallsseite” hin gerichtet ist, und
die Linsenfläche 215 der Linse 211c,
die zur „Austrittsseite” hin gerichtet ist.
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In 6A ist
der Lichtabschirmungsabschnitt 212 zwischen der Linse 211b und
der Linse 211c angeordnet, er kann aber auch zwischen der Linse 211a und
der Linse 211c angeordnet sein. In der vorliegenden Ausführungsform
ist also der Lichtabschirmungsabschnitt 212 zwischen den
Linsen angeordnet, die in Bezug auf die Aufreihungsrichtung der
einzelnen Linsen an beiden Enden angeordnet sind. Der Lichtabschirmungsabschnitt
kann in Mehrfachheit zwischen dem Bereich der brechenden Flächen
an beiden Enden der Linsen 211a und 211c angeordnet
sein. In dem in 6C gezeigten Aufbau ist der
Lichtabschirmungs abschnitt 212 im Bereich der brechenden
Fläche (Linsenfläche 216) auf der „Austrittsseite” angeordnet,
der Lichtabschirmungsabschnitt 212 kann aber auch im Bereich
der brechenden Fläche (Linsenfläche 217)
auf der „Einfallsseite” des in 6C gezeigten
Linsenabschnitts 211 angeordnet sein.
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In
dem in 6B und 6D gezeigten
Aufbau hat der Linsenhalter 213 auch die Funktion des Linsenabschirmungsabschnitts.
Im Einzelnen ist der Außenrand der Linsen 211a bis 211c durch
den Linsenhalter 213 abgedeckt.
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Die
Linsenachse ist in jeder der 6A bis 6D gezeigt,
und eine solche Linsenachse entspricht der Lichtempfangsmittelachse 56.
Ferner entspricht der Bereich von Position X1 bis Position X2 auf
der Lichtempfangsmittelachse 56 dem Bereich, der als ein
Bereich des Lichtabschirmungsabschnitts auf der Lichtempfangsmittelachse 56 definiert
ist. Wenn der Lichtabschirmungsabschnitt 212, wie bei dem
in 6A und 6C gezeigten
Aufbau, vom Linsenhalter 213 gesondert vorgesehen ist,
wird der Bereich des Lichtabschirmungsabschnitts beispielsweise
der Bereich der Lichtempfangsmittelachse 56, der der Dicke
des Lichtabschirmungsabschnitts 212 entspricht. Wenn der
Linsenhalter 213 auch die Funktion des Lichtabschirmungsabschnitts 212,
wie bei dem in 6B und 6D gezeigten
Aufbau, hat, ist der Bereich des Lichtabschirmungsabschnitts auf
der Lichtempfangsmittelachse 56 durch den Linsenhalter 213 definiert.
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Bei
Anordnung des Linsenabschirmungsabschnitts 212 kann in
Mehrfachheit der Bereich des Lichtabschirmungsabschnitts auf der
Lichtempfangsmittelachse 56 durch die beiden Lichtabschirmungspositionen
definiert sein, die an beiden Enden der Mehrfachheit von Lichtabschirmungsabschnitten 212 positioniert
sind. Der Bereich des Lichtabschirmungsabschnitts auf der Lichtempfangsmittelachse 56 ist
nicht notwendigerweise darauf eingeschränkt, eine bestimmte
Ausbreitung zu haben, sondern kann auch eine spezifische Position,
wie etwa die Position X1 oder die Position X2, die in 6A bis 6D gezeigt
sind, sein.
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Zurückkehrend
zu 5, ist die zweidimensionale CCD 203a so
angeordnet, dass die Abbildungsebene 203c leicht gegenüber
der Richtung senkrecht zur Lichtempfangsmittelachse 56 geneigt ist,
wobei eine solche Anordnung die Scheimpflug-Regel verwendet. Wie
in 7 gezeigt, stehen die Abbildungsebene 203c und
die Lichtprojektionsmittelachse 54 in einer Nicht-parallel-Beziehung.
Die Abbildungsebene 203c und die Linsenfläche
(Fläche senkrecht zur optischen Achse des Linsenabschnitts 211)
stehen ebenfalls in einer Nicht-parallel-Beziehung. Wenn jedoch
die Lichtprojektionsmittelachse 54 und die Lichtempfangsmittelachse 56 senkrecht
zueinander angeordnet sind, ist als Ausnahme die Abbildungsebene 203c senkrecht zur
Lichtempfangsmittelachse 56 angeordnet und die Abbildungsebene 203c und
die Lichtprojektionsmittelachse 54 stehen in einer Parallelbeziehung
und ebenso stehen die Bildebene 203c und die Linsenfläche
(Ebene senkrecht zur optischen Achse des Linsenabschnitts 211)
in einer Parallelbeziehung. In 7 ist das
Lichteprojektionsbündel 53 zum leichteren Verständnis
der Beschreibung als auf der Lichtprojektionsmittelachse 54 liegend
gezeigt.
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Wenngleich
in 7 nicht veranschaulicht, sind die zweidimensionale
CCD 203a und der Linsenabschnitt 211 so angeordnet,
dass sich die Lichtprojektionsmittelachse 54, die Abbildungsebene 203c und
die Linsenfläche auf einer Achse schneiden. Als Ausnahme
sind, wenn die die Lichteprojektionsmittelachse 54 und
die Lichtempfangsmittelachse 56 senkrecht zueinander angeordnet
sind, die Lichtprojektionsmittelachse 54, die Abbildungsebene 203c und
die Linsenfläche alle parallel zueinander angeordnet. Gemäß einer
solchen Anordnungsbeziehung können, wenn die Versetzung
(Stufe) in einem Bestrahlungsbereich A gemessen wird, die Position
des oberen Endes, die Mittelposition und die Position des unteren
Endes des Messbereichs der relevanten Stufe alle scharf abgebildet
werden. Die Versetzung der Oberfläche des Messzielobjekts
kann dann genau gemessen werden.
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Die
Messung einer Stufe des Messzielobjekts mit einer krummrückigen
Form (Halbkreis verformt zu flacher Form) wird nun als Beispiel
unter Bezug auf die 8 und 9 beschrieben.
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8 ist
eine Darstellung, die Bestrahlungslicht von und reflektiertes Licht
zu der Sensorkopfkörpereinheit zeigt. 9 ist
eine Darstellung, die ein Bild zeigt, das durch Abbilden des reflektierten
Lichts mit dem zweidimensionalen Abbildungselement als Schnittkonturbild
gewonnen ist.
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Wenn
die mit dem Laserlicht bestrahlte Oberfläche des Messzielobjekts,
wie in 8 gezeigt, fotografiert wird, wird ein Schnittkonturbild,
wie es in 9 gezeigt ist, gewonnen, bei
welchem die Position des Leuchtpunkts auf der Lichtempfangsoberfläche
des zweidimensionalen Abbildungselements sich gemäß der
Oberflächenhöhe ändert. Wenn sich die
Höhe der Objektoberfläche ändert, bewegt
sich das Bild in einer bestimmten Richtung (Versetzungsrichtung)
auf der Lichtempfangsoberfläche des Abbildungselements.
Der Unterschied zwischen Oben und Unten auf der mit den einzelnen
Linienbündeln bestrahlten Objektoberfläche kann
anhand eines solchen Bildes berechnet werden, wobei die Stufe auf
der Oberfläche des Messzielobjekts, d. h., die Versetzung
an einem beliebigen Punkt des mit dem Linienbündel bestrahlten
Abschnitts gemessen werden kann, indem eine Berechnung unter Verwendung des
Bestrahlungswinkels und des Lichtempfangswinkels durchgeführt
wird. Der auf dem Schnittkonturbild beruhende Messvorgang wird mit
der Signalverarbeitungseinheit 1 ausgeführt (siehe 1, 3).
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Die
Höhe eines Vorsprungs auf der Objektfläche oder
die Tiefe eines in der Objektfläche ausgebildeten Nut kann
nach einer Methode gemessen werden, die ähnlich der obigen
Methode zur Messung der Stufe ist. Die Breite des Vorsprungs oder der
Nut können ebenfalls nach der obigen Methode gemessen werden.
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Optisches System der vorliegenden
Ausführungsform
-
10A und 10B sind
schematische Aufbaudarstellungen, die das optische System der vorliegenden
Ausführungsform längs einer Richtung parallel
zur Bündelkonvergierungsfläche zeigt. Unter Bezug
auf 10A und 10B enthält
das optische System der vorliegenden Ausführungsform den Lichtprojektionsabschnitt 202,
das optische Lichtempfangssystem 203b, sowie die zweidimensionale CCD 203a,
die als Abbildungsabschnitt dient. Der Lichtprojektionsabschnitt 202 projiziert
das Lichtprojektionsbündel 53, welches auf der
Oberfläche 5a des Messzielobjekts 5 linear
wird, auf das Messzielobjekt 5. Das optische Lichtempfangssystem 203b bildet
das an der Oberfläche (Bestrahlungsbereich A) des Messzielobjekts
reflektierte Licht des Lichtprojektionsbündel 53 auf
die Bildebene 203c der zweidimensionalen CCD 203a ab.
Die Bündelkonvergierungsfläche entspricht der „bestimmten
Ebene” in der vorliegenden Erfindung. Bei dem in 10A und 10B gezeigten
optischen System ist die Bündelkonvergierungsfläche
senkrecht zur Einfallsebene.
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Das
optische Lichtempfangssystem 203b enthält den
Linsenabschnitt 211 und den Lichtabschirmungsabschnitt 212.
In 10A und 10B sind
nur die Linsen 211a, 211c für den Linsenabschnitt 211 schematisch
gezeigt, wobei die Linsen 211a, 211c schematisch
als dünne Linse gezeigt sind. In 10A und 10B ist der Lichtabschirmungsabschnitt 212 getrennt
vom Linsenhalter 213 angeordnet, der Linsenhalter 213 kann
aber, wie oben erwähnt, auch die Funktion des Linsenabschirmungsabschnitt 212 haben.
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Von
dem diffusen Licht, das erzeugt wird, wenn das Lichtprojektionsbündel 53 an
den einzelnen Punkten des Bestrahlungsbereichs (Punkte P1, P2, die
an beiden Enden des Bestrahlungsbereichs A angeordnet sind, sind
stellvertretend gezeigt) diffus reflektiert wird, ist die Komponente
in Richtung parallel zur Bündelkonvergierungsfläche
als das diffus reflektierte Licht 57 angenommen.
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Wenn
das Lichtprojektionsbündel 53 an dem im Messbereich
vorhandenen Messzielobjekt diffus reflektiert wird, definiert der
Lichtabschirmungsabschnitt 212 in Bezug auf die Lichtempfangsmittelachse 56 den
Einfallswinkelbereich des die zweidimensionale CCD 203a erreichenden
diffus reflektierten Lichts 57 als Komponente parallel
zur Bündelkonvergierungsfläche des diffus reflektierten
Lichts. Im Einzelnen ist der durch die Ausbreitungsrichtung des
diffus reflektierten Lichts 57 und die Lichtempfangsmittelachse 56,
wenn das diffus reflektierte Licht 57 die Öffnung 212a des
Lichtabschirmungsabschnitts 212 durchläuft, gebildete
Maximalwinkel durch den Durchmesser der Öffnung 212a definiert
(10A).
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In 10A ist die Bahn des diffus reflektierten Lichts 57 nach
Eintritt des diffus reflektierten Lichts 57 in das optische
Lichtempfangssystem 203b gezeigt. Das diffus reflektierte
Licht 57 wird innerhalb eines Abbildungsbereichs 203d der
Bildebene 203c durch das optische Lichtempfangssystem 203b abgebildet.
Der Abbildungsbereich 203d ist in einem Bereich (effektiver
Abbildungsbereich), der vorab als abbildbarer Bereich der Bildebene 203c definiert wird,
enthalten. Die zweidimensionale CCD 203a kann das Lichtbild
der Oberfläche 5A des Messzielobjekts 5 durch
Ausbilden des Lichtbilds innerhalb des effektiven Bildbereichs gewinnen.
Die Versetzung kann auf diese Weise gemessen werden und dementsprechend
wird ein Bereich, in dem das Lichtbild innerhalb des effektiven
Abbildungsbereichs des Bestrahlungsbereichs A ausgebildet werden
kann, nachfolgend als „effektiver Messbereich” bezeichnet. Wie
oben beschrieben, wird der effektive Messbereich vorab beruhend
auf dem effektiven Abbildungsbereich der Bildebene 203c definiert.
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Wie
in 10B gezeigt, ist die Komponente parallel zur Bündelkonvergierungsfläche
des am Bestrahlungsbereich A spiegelreflektierten Lichtprojektionsbündels
das reflektierte Lichtbündel 55. Der Lichtprojektionsabschnitt 202 projiziert
das Lichtprojektionsbündel 53 so, dass das reflektierte
Lichtbündel 55 an einer Position in Richtung der
Lichtempfangsmittelachse 56, an der der Lichtabschirmungsabschnitt 212 vorliegt,
konvergiert. Anders ausgedrückt, liegt eine Konvergierungsposition
P des reflektierten Lichtbündels 55 innerhalb
des Bereichs, der den Lichtabschirmungsabschnitt 212 definiert,
auf der Lichtempfangsmittelachse 56.
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Die
Position in Richtung der Lichtempfangsmittelachse 56, an
der der Lichtabschirmungsabschnitt 212 vorliegt, enthält
beides: wenn die Position des Lichtabschirmungsabschnittes 212 in
Richtung der Lichtempfangsmittelachse 56 an der gleichen
Position an beiden Enden des Einfallswinkelbereichs des definierten
diffus reflektierten Lichts liegt, als auch wenn die Position an
unterschiedlichen Stellen liegt. Ein Fall, in dem sich der Lichtabschirmungsabschnitt 212 an
beiden Enden an unterschiedlichen Stellen im Einfallswinkelbereich
des definierten diffus reflektierten Lichts 57 befindet,
enthält den Fall, in welchem das reflektierte Lichtbündel 55 innerhalb des
Bereichs in Richtung der Lichtempfangsmittelachse 56 konvergiert,
in dem die unterschiedlichen Stellen vorliegen.
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In 10A und 10B ist
der den Lichtabschirmungsabschnitt 212 definierende Bereich
als ein Punkt dargestellt, der den Lichtabschirmungsabschnitt 212 auf
der Lichtempfangsmittelachse 56 definierende Bereich ist
jedoch, wie in 6A bis 6D gezeigt,
nicht auf einen Punkt beschränkt, sondern kann eine Breite
eines gewissen Ausmaßes haben.
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Die „Konvergierungsposition” ist
in 10A und 10B an
einem Ort gezeigt, an dem Licht in einem Punkt konvergiert, sie
beschränkt sich jedoch nicht darauf. Beispielsweise kann
die relevante Position die Posi tion sein, an der die Bündelbreite
des reflektierten Lichtbündels 55 in Richtung
der Bündelkonvergierungsfläche ein Minimum wird,
oder eine Position in der Nachbarschaft. Die relevante Position kann
auch ein Bereich sein, der die Position enthält, an der
die Bündelbreite ein Minimum wird, und die Nachbarschaft.
Alle Positionen, an denen das reflektierte Lichtbündel 55 als
im gebündelten Zustand seiend angenommen werden kann, können
die „Konvergierungsposition” sein.
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Die
Lichtprojektionsabschnitt 202 kann ein Lichtprojektionsbündel 53,
bei welchem die Bündelbreite in Richtung der Bündelkonvergierungsfläche eine
Konstante wird, projizieren in der vorliegenden Ausführungsform
jedoch projiziert der Lichtprojektionsabschnitt 202 das
Lichtprojektionsbündel 53 so, dass die Bündelbreite
in Richtung der Bündelkonvergierungsfläche mit
Fortschreiten des Lichtprojektionsbündel 53 von
dem Lichtprojektionsabschnitt 202 zum optischen Lichtempfangssystem 203b hin
allmählich kleiner wird. Der körperliche Durchmesser des
Linsenabschnitte 211 (Linsen 211a bis 211c) lässt
sich reduzieren, indem das Lichtprojektionsbündel 53 so
projiziert wird, dass die Bündelbreite allmählich
kleiner wird. Daher lässt sich die Sensorkopfkörpereinheit 20,
die das in 10A und 10B gezeigte
optische System enthält, miniaturisieren.
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Die
in 10A und 10B gezeigten
Aufbauten zeigen eine Ausbildungsweise des optischen Systems gemäß der
vorliegenden Ausführungsform, wobei obige Beziehung für
die Komponente parallel zur Bündelkonvergierungsfläche
des diffus reflektierten Lichts und des spiegelreflektierten Lichts
erfüllt ist. Das optische System gemäß der
vorliegenden Ausführungsform ist so aufgebaut, dass die
zu der „bestimmten Ebene” parallele Komponente,
die die Lichtempfangsmittelachse 56 enthält, die
obige Beziehung für das diffus reflektierte Licht und das
spiegelreflektierte Licht erfüllt. Anders ausgedrückt,
kann in der vorliegenden Ausführungsform die „bestimmte Ebene”,
die die Lichtempfangsmit telachse 56 enthält, zu
etwas anderem als die Bündelkonvergierungsfläche
definiert werden. Auch in diesem Fall definiert der Lichtabschirmungsabschnitt 212,
für die zu der bestimmten Ebene parallele Komponente des
diffus reflektierten Lichts, in Bezug auf die Lichtempfangsmittelachse 56 den
Einfallswinkelbereich des die zweidimensionale CCD 203a erreichenden
diffus reflektierten Lichts aus dem relevanten diffus reflektierten
Licht. Ferner projiziert der Lichtprojektionsabschnitt 202 das
Lichtprojektionsbündel 53 so, dass die zu der
bestimmten Ebene parallele Komponente des spiegelreflektierten Lichts
an einer Position in Richtung der Lichtempfangsmittelachse 56 konvergiert,
an der der Lichtabschirmungsabschnitt 212 vorliegt.
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Das
optische System gemäß der vorliegenden Ausführungsform
wird nun im Einzelnen unter Bezug auf 11A und 11B sowie 12A und 12B beschrieben. 11A und 11B sind Darstellungen, die die Bahn des an der
Oberfläche des Messzielobjekts diffus reflektierten Lichts
beschreiben. 11A ist eine Darstellung, die
einen Fall zeigt, in dem der Linsenhalter 213 auch die
Funktion des Lichtabschirmungsabschnitts hat, und 11B ist eine Darstellung, die einen Fall zeigt,
in dem der Lichtabschirmungsabschnitt getrennt von Linsenhalter 213 vorgesehen
ist.
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Unter
Bezug auf 11A und 11B entsprechen
Punkte P1, P2 in 10A und 10B gezeigten
Punkten P1, P2 und entsprechen den Positionen an beiden Enden des
auf den Bestrahlungsbereich A eingestrahlten Linienbündels.
Das diffus reflektierte Licht 57A und das diffus reflektierte
Licht 57B sind beides Licht, das erzeugt wird, wenn das
Linienbündel an den Punkten P1, P2 diffus reflektiert wird,
und werden durch das optische Lichtempfangssystem 203b auf
die Bildebene 203c abgebildet. 11A und 11B zeigen die Bahn des diffus reflektierten Lichts 57A und 57B in
Richtung der Bündelkonvergierungsfläche.
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Unter
Bezug auf 11A zeigt der Winkel θ1 einen
maximalen Neigungswinkel des diffus reflektierten Lichts 57a in
Bündelkonvergierungsflächenrichtung, wenn das
diffus reflektierte Licht 57a in das optische Lichtempfangssystem 203b eintritt.
Der Winkel θ2 zeigt einen maximalen Neigungswinkel des
diffus reflektierten Lichts 57b in Bündelkonvergierungsflächenrichtung,
wenn das diffus reflektierte Licht 57b in das optische
Lichtempfangssystem 203b eintritt. Die „Neigung
des diffus reflektierten Lichts in Bündelkonvergierungsflächenrichtung” bezieht
sich auf einen Zustand, in dem die Ausbreitungsrichtung des diffus
reflektierten Lichts auf der Bündelkonvergierungsfläche
mit einer zur Bündelkonvergierungsfläche senkrechten
Achse als Mitte gedreht wird.
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In 11A ist, da ein Teil des Linsenhalters 213 als
Abschirmungssort des diffus reflektierten Lichts 57a, 57b wirkt,
der maximale Neigungswinkel des diffus reflektierten Lichts in Bündelkonvergierungsflächenrichtung
durch eine solchen Abschirmungsort definiert. Anders ausgedrückt,
ist der Winkel θ1 durch die Abschirmungsorte 213a, 123b und der
Winkel θ2 durch die Abschirmungsorte 213c, 213d definiert.
Bei dem in 11b gezeigten Aufbau ist der
maximale Neigungswinkel des diffus reflektierten Lichts in Bündelkonvergierungsflächenrichtung durch
die Öffnung 212a des Lichtabschirmungsabschnitts 212 definiert.
Der Winkel θ1a zeigt den maximalen Neigungswinkel des diffus
reflektierten Lichts 57a in Bündelkonvergierungsflächenrichtung, wenn
das diffus reflektierte Licht 57a in das optische Lichtempfangssystem 203b eintritt,
und der Winkel θ2a zeigt den maximalen Neigungswinkel des
diffus reflektierten Lichts 57b in Bündelkonvergierungsflächenrichtung,
wenn das diffus reflektierte Licht 57b in das optische
Lichtempfangssystem 203b eintritt.
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12A und 12B sind
Darstellungen, die die Bahn des an der Oberfläche des Messzielobjekts
reflektierten Lichtprojektionsbündels beschreiben. 12A ist eine Darstellung, die die Konvergierungsposition des
reflektierten Lichtbündels in Bündelkonvergierungsflächenrichtung
beschreibt. Die Konvergierungsposition P des reflektierten Lichtbündels 55 liegt
in einem Bereich, der durch den Lichtabschirmungsabschnitt 212 auf
der Lichtempfangsmittelachse 56 definiert ist. Im Einzelnen
befindet sich die Konvergierungsposition P im Wesentlichen in der Mitte
des Bereichs der Lichtempfangsmittelachse 56, der als die
Dicke des Lichtabschirmungsabschnitts 212 definiert ist.
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12B ist eine Darstellung, die einen Zustand zeigt,
in dem das Lichtprojektionsbündel durch die Kippung des
Messzielobjekts 5 gekippt ist. 12B zeigt
eine Komponente des reflektierten Lichtbündels in Bündelkonvergierungsflächenrichtung ähnlich 12A. Unter Bezug auf 12B kippt,
wenn das Messzielobjekt 5 aus dem in 12A gezeigten Zustand kippt, das reflektierte Lichtbündel 55 auch,
da das Lichtprojektionsbündel kippt. Mit Kippung des Reflexionslichtbündels 55 wird ein
Teil desselben durch den Lichtabschirmungsabschnitt 212 abgeschirmt,
wobei schließlich das gesamte reflektierte Lichtbündel 55 durch
den Lichtabschirmungsabschnitt 212 abgeschirmt wird.
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Durch
Konfigurierung des optischen Systems in obiger Weise kann eine Messung
mit zufriedenstellender Genauigkeit auch dann durchgeführt werden,
wenn das Messzielobjekt gekippt ist oder wenn ein Teil der Oberfläche
des Messzielobjekts eine geneigte (oder sphärische) Fläche
ist. Auch in dieser Hinsicht erfolgt nun eine Beschreibung durch Vergleichen
mit dem Fall, in dem die Konvergierungsposition des reflektierten
Lichtbündels nicht im Bereich des Abschirmungsabschnitts
vorliegt.
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13 ist
eine Darstellung, die einen Zustand beschreibt, in dem die Konvergierungsposition des
reflektierten Lichtbündels nicht im Bereich des Lichtabschirmungsabschnitts
vorliegt. Unter Bezug auf 13 wird
das Lichtprojektionsbündel 53 an der Oberfläche 5A des
auf einen Tisch 5S montierten Messzielobjekts 5 spiegelreflektiert.
Das durch die Spiegelreflexion des Lichtprojektionsbündels 53 erzeugte
reflektierte Lichtbündel 55 durchläuft
die Öffnung 212a des Lichtabschirmungsabschnitts 212. Die Öffnung 212a ist
kreisförmig. Bei diesem optischen System durchläuft
das reflektierte Lichtbündel 55 die Öffnung 212a des
Lichtabschirmungsabschnitts 212 mit konstanter Bündelbreite
in Richtung der Bündelkonvergierungsfläche. In
diesem Fall konvergiert das reflektierte Lichtbündel 55 nach
Durchlaufen der Öffnung 212a des Lichtabschirmungsabschnitts 212,
so dass die Konvergierungsposition auf der äußeren
Seite des Lichtabschirmungsabschnitts 212 liegt. 13 zeigt
den Bestrahlungsbereich A, der als ein gesamter Bereich dient (gesamter
Bereich, der mit einer (in 13 nicht
gezeigten) zweidimensionalen CCD 203a abgebildet werden
kann), in dem das Schnittkonturbild des Lichtprojektionsbündels 53 vorhanden
ist.
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13 zeigt
einen Zustand, in dem das Messzielobjekt 5 korrekt auf
dem Tisch 5S montiert ist. In diesem Zustand kann das reflektierte
Lichtbündel 55 die Öffnung 212a,
ohne durch den Rand der Öffnung 212a abgeschirmt
zu werden, durchlaufen.
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Das
Messzielobjekt 5 kippt jedoch manchmal. Beispielsweise
ist, wenn eine Stufe auf dem Tisch 5S vorhanden ist, oder
wenn ein Fremdkörper zwischen dem Tisch 5S und
das Messzielobjekt 5 gelangt, das Messzielobjekt 5 mit
gekippter Fläche 5A auf dem Tisch 5S montiert.
Daher kommt eine Neigung nach links und rechts (gleich der Richtung
nach links und rechts in der Zeichenebene), wie durch einen durchgehenden
Pfeil gezeigt, oder eine Neigung des Messzielobjekts 5 nach
vorne und hinten (gleich der Richtung senkrecht zur Zeichenebene,
wie durch einen gestrichelten Pfeil gezeigt, vor. Wenn das Messzielobjekt 5 geneigt
ist, wird ein Teil des reflektierten Lichtbündels 55 oder
das gesamte reflektierte Lichtbündel durch den Lichtabschirmungsabschnitt 212 abgeschirmt,
da sich die Ausbreitungsrichtung des reflektierten Lichtbündels 55 ändert.
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Wenn
das Messzielobjekt 5 in Längsrichtung des Linienbündels
gekippt ist (wenn es in Richtung des gestrichelten Pfeils in 13 gekippt
ist), kippt das Schnittkonturbild schräg. Ferner ist das
Lichtprojektionsbündel 53 als an der Oberfläche 5A des Messzielobjekts 5 in
Richtung der kurzen Seite zusammenlaufend und als nach Reflexion
an der Oberfläche 5A des Messzielobjekts 5 sich
ausbreitend angenommen.
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14A und 14B sind
schematische Darstellungen, die ein Beispiel für einen
Aufbau des optischen Lichtempfangssystems des in 13 gezeigten
optischen Systems zeigen. Bei dem in 14A und 14B gezeigten Aufbau hat der Linsenhalter 213 auch
die Funktion des Lichtabschirmungsabschnitts. 14A und 14B zeigen ebenfalls
eine Bahn des reflektierten Lichtbündels 55 längs
der Bündelkonvergierungsflächenrichtung. Unter
Bezug auf 14A befindet sich eine Konvergierungsposition
PA des reflektierten Lichtbündels 55 auf der äußeren
Seite des Linsenhalters 213 (Lichtabschirmungsabschnitts). 14B ist eine Darstellung, die einen Zustand zeigt,
in dem das Lichtprojektionsbündel kippt, wenn das Messzielobjekt 5 in
dem in 14A gezeigten optischen System
kippt. Unter Bezug auf 14B kippt,
wenn das Messzielobjekt 5 aus dem in 14A gezeigten Zustand kippt, das reflektierte
Lichtbündel 55, da das (nicht dargestellte) Lichtprojektionsbündel
kippt. Mit Kippen des reflektierten Lichtbündels 55 wird
ein Teil desselben durch den Lichtabschirmungsabschnitt 212 abgeschirmt und
schließlich kommt es zu einer Abschirmung des gesamten
reflektierten Lichtbündels 55 durch den Lichtabschirmungsabschnitt 212.
Verglichen mit dem in 12 gezeigten
Aufbau beginnt der Neigungswinkel (Winkel in Bezug auf die Lichtempfangsmittelachse 56)
des reflektierten Lichtbündels 55 in einem Fall,
in dem ein Teil des reflektierten Lichtbündels 55 durch
den Lichtabschirmungsabschnitt 212 abgeschirmt wird, klein
zu werden. Es kommt daher leicht zu einem Auftreten der in 15 bis 18 gezeigten
Probleme. 15, 17 und 18 zeigen
die Komponente parallel zur Ein fallsebene des Lichtprojektionsbündels 53 des
reflektierten Lichtbündels 55.
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15 ist
eine schematische Darstellung, die die Bahn des reflektierten Lichtbündels
zeigt, wenn das Messzielobjekt 5 in dem in 13 gezeigten
optischen System nach links und rechts geneigt ist. Wie in 15 gezeigt,
wird ein Teil des reflektierten Lichtbündels 55 durch
den Lichtabschirmungsabschnitt 212 abgeschirmt. Die von
der zweidimensionalen CCD (in 15 nicht
gezeigt) empfangene Lichtmenge ist daher reduziert. Ferner wird
Beugungslicht 58 (siehe 15) am
Rand der Öffnung 212a erzeugt. Das gebeugte Licht 58 kann über
die Lichtempfangslinse in die zweidimensionale CCD eintreten. Infolge
solcher Gründe können Fehler beim Messergebnis
auftreten.
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16 ist
eine schematische Darstellung, die die Bahn des reflektierten Lichtbündels
zeigt, wenn das Messzielobjekt in dem in 13 gezeigten optischen
System nach vorne und hinten geneigt ist. Wie in 16 gezeigt,
wird ein Teil des reflektierten Lichtbündels 55 durch
den Lichtabschirmungsabschnitt 212 abgeschirmt. Die von
der zweidimensionalen CCD (nicht gezeigt in 16, nachfolgend
das gleiche) empfangene Lichtmenge ist daher reduziert. Ferner wird
Beugungslicht 58 am Rand der Öffnung 212a erzeugt.
Das Beugungslicht 58 kann über die Lichtempfangslinse
(nicht gezeigt) in die zweidimensionale CCD eintreten. Infolge solcher
Gründe können Fehler beim Messergebnis auftreten.
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Ferner
kann, wenn ein Teil der Oberfläche des Messzielobjekts
eine geneigte Fläche (oder eine gekrümmte Fläche)
ist, ein Zustand ähnlich dem in 15 oder 16 gezeigten
Zustand auftreten, wenn der Neigungswinkel (oder die Krümmung)
einer solchen Fläche groß wird. 17 ist
eine schematische Darstellung, welche die Bahn des reflektierten Lichtbündels
zeigt, wenn die Oberfläche des Messzielobjekts geneigt
ist. Wie in 17 gezeigt, wird, wenn die Neigung
(oder Krümmung) der Oberfläche 5A (Bestrahlungsbereich)
des Messzielobjekts 5 groß wird, ein Teil des
reflektierten Lichtbündels 56 durch den Lichtabschirmungsabschnitt 212 abgeschirmt.
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Wie
in 18 gezeigt, kann die Sensorkopfkörpereinheit 20 selbst
geneigt sein, auch wenn das Messzielobjekt 5 korrekt auf
dem Tisch 5S montiert ist. Wenn das reflektierte Lichtbündel 55,
wie in 18 gezeigt, Parallellicht ist,
wird infolge der Neigung der Sensorkopfkörpereinheit 20 ein
Teil des reflektierten Lichtbündels 55 durch den
Lichtabschirmungsabschnitt 212 abgeschirmt.
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Zur
Lösung eines solchen Problems, gehen Überlegungen
dahin, den Durchmesser der Öffnung 212a zu vergrößern.
Der tolerierbare Bereich des Neigungswinkels des reflektierten Lichtbündels
(Parallellichtbündel) kann so erweitert werden. Die Aberration
(beispielsweise sphärische Aberration) der an der Halterung
des Lichtabschirmungsabschnitts 212 angeordneten Linse
lässt sich jedoch nicht ignorieren, wenn die Blendenöffnung
vergrößert wird. Anders ausgedrückt,
verwäscht das Lichtbild in der Bildebene der zweidimensionalen
CCD infolge der Aberration. Dadurch entsteht das Problem, dass die Messgenauigkeit
zurückgeht.
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Zur
Lösung des Problems, dass das Lichtbild auf der Bildebene
verwäscht, wird ein Verfahren zur Korrektur der sphärischen
Aberration durch eine asphärische Linse in Betracht gezogen.
Der körperliche Durchmesser der asphärischen Linse
muss jedoch groß gemacht werden, wenn versucht wird, die
Blendenöffnung des Lichtabschirmungsabschnitts unter Beibehaltung
des Abstandes (d. h., Arbeitsabstandes) der Sensorkopfeinheit 20 und
des Messzielobjekts 5 zu vergrößern.
Das Problem, das darin besteht, dass die Sensorkopfkörpereinheit 20 groß wird,
entsteht also erneut.
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Das
in 18 gezeigte Problem lässt sich durch
Korrigieren der Schrägstellung der Sensorkopfkörpereinheit 20 lösen.
Wenn jedoch das in 15 bis 17 gezeigte
Problem auch dann auftritt, wenn die Schräg stellung der
Sensorkopfkörpereinheit 20 gering ist, muss die
Schrägstellung der Sensorkopfkörpereinheit 20 korrigiert
werden. Der Aufwand für eine solche Korrektur ist als groß anzusehen.
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Gemäß der
vorliegenden Ausführungsform liegt die Konvergierungsposition
des reflektierten Lichtbündels im Bereich des Lichtabschirmungsabschnitts
auf der Lichtempfangsmittelachse 56. Der tolerierbare Bereich
für den Einfallswinkel des reflektierten Lichtbündels 55 lässt
sich also durch Ausnutzung der Größe des Durchmessers
der Öffnung 212a im äußersten
Ausmaß definieren. Die Versetzung der Oberfläche
des Messzielobjekts lässt sich daher auch dann messen,
wenn das Messzielobjekt in einem gewissen Ausmaß geneigt
ist oder wenn die Neigung oder die Krümmung der Oberfläche
des Messzielobjekts bis zu einem gewissen Grad groß ist.
Dies wird nun unter Bezug auf 19 bis 22 beschrieben. 19, 21 und 22 zeigen
die Komponente parallel zur Einfallsebene des Lichtprojektionsbündels 53 und
des reflektierten Lichtbündels 55. Wie oben beschrieben,
wird bei dem optischen System gemäß der vorliegenden
Ausführungsform das Lichtprojektionsbündel 53 so
projiziert, dass die zu der die Lichtempfangsmittelachse 56 enthaltenden „bestimmten
Ebene” parallele Komponente des spiegelreflektierten Lichts
an der Position in Richtung der Lichtempfangsmittelachse 56 konvergiert,
an der der Lichtabschirmungsabschnitt 212 vorliegt. Die oben
beschriebenen Wirkungen lassen sich also gemäß der
vorliegenden Ausführungsform gewinnen.
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19 ist
eine schematische Darstellung, die die Bahn des reflektierten Lichtbündels
zeigt, wenn das Messzielobjekt 5 in der vorliegenden Ausführungsform
nach links und rechts gekippt ist. 19 ist
eine mit 15 zu vergleichende Darstellung.
Wie in 19 gezeigt, konvergiert das
reflektierte Lichtbündel 55 bei der vorliegenden
Ausführungsform mittels der Linse 211a im Bereich
des Lichtabschirmungsabschnitts 212 auf der (nicht dargestellten)
Lichtempfangsmittelachse. Die Bündelbreite des reflektierten
Lichtbündels 55 an der Öffnung 212a wird
daher klein. Das reflektierte Lichtbündel 55 kann
also die Öffnung 212a des Lichtabschirmungsabschnitts 212 auch
dann durchlaufen, wenn der Neigungswinkel des Messzielobjekts 5 in
Richtung nach links und rechts groß wird.
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Die
Kippung des Messzielobjekts 5 in diesem Fall ist die „Kippung
innerhalb des vorab definierten Messzielbereichs”. Diese
Kippung wird vorab durch die optische Messvorrichtung beruhend auf
Spezifikation und dergleichen definiert. Die Kippung ist eine Kippung
innerhalb eines messbaren (definiert als Messziel durch Spezifikation)
Winkelbereichs des Messzielobjekts. Die „Bündelkonvergierungsfläche” in
diesem Fall ist als eine Ebene definiert, die zur Linienrichtung
des reflektierten Lichtbündels, das erzeugt wird, wenn
das Linienbündel des Lichtprojektionsabschnitts an der
Oberfläche der Ebene des Messzielobjekts reflektiert wird,
auf der Oberfläche des Messzielobjekts und zu der Lichtempfangsmittelachse
parallel ist.
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20 ist
eine schematische Darstellung der Bahn des reflektierten Lichtbündels,
wenn in der vorliegenden Ausführungsform das Messzielobjekt 5 nach
vorne und hinten geneigt ist. 20 ist
mit 16 zu vergleichen. Wie in 20 gezeigt,
kann das reflektierte Lichtbündel 55 die Öffnung 212a des Lichtabschirmungsabschnitts 212 auch
dann durchlaufen, wenn der Neigungswinkel des Messzielobjekts 5 nach
vorne und hinten groß wird, da die Bündelbreite
des reflektierten Lichtbündels 55 an der Öffnung 212a klein
wird. Ferner lässt sich vermeiden, dass ein Teil des reflektierten
Lichtbündels 55 durch den Rand der Öffnung 212a gebeugt
wird.
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21 ist
eine schematische Darstellung, die die Bahn des reflektierten Lichtbündels
zeigt, wenn die Oberfläche des Messzielobjekts in der vorliegenden
Ausführungsform geneigt ist. 21 ist mit 17 zu
vergleichen. Wie in 21 gezeigt, konvergiert das
reflektierte Licht bündel 55, das erzeugt wird,
wenn das Lichtprojektionsbündel 53 an der geneigten
Oberfläche (oder gekrümmten Oberfläche)
reflektiert wird, mittels der Linse 211a im Bereich das
Lichtabschirmungsabschnitts 212 auf der (nicht dargestellten)
Lichtempfangsmittelachse. Es kann also auch dann, wenn der Winkel
(oder die Krümmung) der Oberfläche 5A des
Messzielobjekts 5 in einem gewissen Ausmaß groß wird,
das reflektierte Lichtbündel 55 die Öffnung 212a des
Lichtabschirmungsabschnitts 212 durchlaufen. Die Neigung der
Oberfläche des Messzielobjekts ist die „Kippung innerhalb
des vorab definierten Messzielbereichs”.
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22 ist
eine Darstellung, die einen Zustand zeigt, in welchem die Sensorkopfkörpereinheit in
der vorliegenden Ausführungsform nach links und rechts
geneigt ist. 22 ist mit 18 zu
vergleichen. Wie in 22 gezeigt, kann das reflektierte Lichtbündel 55 die Öffnung 212a des
Lichtabschirmungsabschnitts 212 auch dann durchlaufen,
wenn die Sensorkopfkörpereinheit 20 in einem gewissen Ausmaß geneigt
ist, da das reflektierte Lichtbündel 22 durch
die Linse 211a gebündelt wird. Der Aufwand, der
für eine Einjustierung der Kippung der Sensorkopfkörpereinheit 20 erforderlich
ist, lässt sich damit reduzieren.
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Hinsichtlich
des Aufbaus des Linsenabschnitts 211 ist der Linsenabschnitt 211 ein
mehrere Linsen enthaltendes Objektiv. Bei diesem Aufbau lässt
sich die Konvergierungsposition innerhalb des Linsenabschnitts 211 erzeugen,
indem das Lichtprojektionsbündel, das Konvergierungstendenz
hat (Bündelbreite in Richtung der Bündelkonvergierungsfläche
nimmt allmählich ab) beispielsweise mit einigen der Anzahl
von Linsenbündeln gebündelt wird. Wie in 23 gezeigt,
wird, wenn der Linsenabschnitt 211 eine Einzellinse ist,
das Lichtprojektionsbündel 53 durch den Lichtprojektionsabschnitt
so projiziert, dass die Konvergierungsposition P des reflektierten
Lichtbündels 55 innerhalb der Einzellinse liegt.
In diesem Fall ist der Bereich des Linsenabschirmungsabschnitts
auf der Lichtempfangsmittelachse 56 der Bereich von der
Posi tion X1 bis zu der Position X2, die in 23 gezeigt
sind, da der Linsenhalter 213 auch die Funktion des Linsenabschirmungsabschnitts
hat. Die Konvergierungsposition P liegt daher auf der Lichtempfangsmittelachse 56 im Bereich
des Lichtabschirmungsabschnitts vor.
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Oben
wurde das Verfahren (Spiegelreflexionsverfahren) des Empfangs des
an der Oberfläche des Messzielobjekts spiegelreflektierten
Lichts beschrieben, das optische System gemäß der
vorliegenden Ausführungsform kann aber auch auf das Verfahren
des Empfangs des an der Oberfläche des Messzielobjekts
diffus reflektierten Lichts angewandt werden.
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Wie
in 10A gezeigt, wird bei der vorliegenden Ausführungsform
die Größe (Blendenöffnung) der Öffnung 212a des
Lichtabschirmungsabschnitts 212 so definiert, dass der
Einfallswinkelbereich des diffus reflektierten Lichts 57 anhand
des effektiven Messbereichs definiert wird. Der effektive Bestrahlungsbereich
entspricht dem effektiven Messbereich, der vorab in der optischen
Messvorrichtung definiert ist. Eine Messung nach dem Diffusreflexionsverfahren
lässt sich daher ausführen, indem das diffus reflektierte
Licht aus dem relevanten Bereich in der Bildebene 203c erzeugt
wird.
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Der
Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung beschränkt
sich nicht auf eine Versetzungsmessung der Verteilung des Bündels
in Linienrichtung an der Oberfläche des Messzielobjekts,
bei der das Licht, das das Messzielobjekt bestrahlt, ein Linienbündel
ist. Beispielsweise kann die Form des aufzubringenden Lichts eine
beliebige Form sein, darin eingeschlossen ein kreisförmiges
Bündel und ein rechteckiges Bündel, und das Anwenden
kann als Durchführung der Versetzungsmessung durch Punkte
auf der Oberfläche des Messzielobjekts erfolgen.
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Die
hier beschriebenen Ausführungsformen sind in allen Aspekten
beispielmäßig und nicht einschränkend
zu verstehen. Die Erfindung wird durch die Ansprüche und
nicht durch die oben erfolgte Beschreibung der Ausführungsformen
definiert, und alle Abwandlungen im Rahmen der Patentansprüche
sollen mit umfasst sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2008-292311 [0001]
- - JP 3575693 [0008, 0009, 0009]