DE102010000464B4

DE102010000464B4 - Versetzungssensor

Info

Publication number: DE102010000464B4
Application number: DE102010000464A
Authority: DE
Inventors: Takahiro Okuda; Takahiro Suga; Hiroaki Takimasa; Shinsuke Yamakawa
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2009-03-13
Filing date: 2010-02-18
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2030-02-19
Also published as: DE102010000464A1; US8040529B2; JP2010216873A; US20100231925A1

Abstract

Versetzungssensor, umfassend eine konfokale Versetzungsmesseinrichtung, die eine OberfIächenversetzung eines Messungsobjektes (500) anhand einer Fokusposition zu einem Zeitpunkt bestimmt, bei welchem eine Lichtempfangsintensität maximal wird, und die aufweist: eine erste Lichtprojektionseinheit (1), die Licht einer ersten Wellenlänge emittiert; eine erste Lichtempfangseinheit (2), die das Licht der ersten Wellenlänge empfängt; eine Fokuswobbeleinheit (4, 7), die das Licht, das von der ersten Lichtprojektionseinheit (1) zur Beleuchtung des Messungsobjekts in dessen Richtung emittiert wird, fokussiert und die die Fokusposition des Lichts entlang ihrer optischen Achse kontinuierlich ändert; und eine erste Lichtwegtrenneinheit (3), die den Lichtweg des vom Messungsobjekt (500) reflektierten und durch die Fokuswobbeleinheit (4, 7) zurückgelaufenen Lichts der ersten Wellenlänge von dem Lichtweg des von der ersten Lichtprojektionseinheit (1) in Richtung des Messungsobjektes emittierten Lichtes trennt; eine zweite Lichtprojektionseinheit (94), die Licht einer zweiten Wellenlänge zu dem Messungsobjekt emittiert, die unterschiedlich zu der ersten Wellenlänge ist;...

Description

Hintergrund der Erfindung
Diese Anmeldung basiert auf der japanischen Patentanmeldung Nr. 2009-061636 , die bei dem Japanischen Patentamt am 13. März 2009 eingereicht wurde und deren gesamter Inhalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist.
1. Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Versetzungssensor mit einem konfokalen optischen System, bei welchem berührungslos eine Versetzung eines Messungsobjekts gemessen wird und ein Bild um einen Messpunkt erhalten wird.
2. Stand der Technik
Herkömmlicherweise umfasst der Versetzungssensor, bei welchem ein konfokales optisches System verwendet wird, eine Bildaufnahmeeinrichtung, die ein Foto eines Objekts aufnimmt, dessen Versetzung dadurch gemessen wird, wie beispielsweise in dem japanischen Patent Nr. JP 3 513 817 B2 offenbart ist.
Wie insbesondere in 16 veranschaulicht ist, umfasst der Versetzungssensor eine Lichtquelle 901, die Licht zu einem zu messenden Objekt 900 emittiert, eine Bildaufnahmelichtquelle 913, die Licht zu dem zu messenden Objekt 900 emittiert, das eine Wellenlänge aufweist, die unterschiedlich zu der des Lichts ist, das von der Lichtquelle 901 emittiert wird, eine Objektivlinse 906, welche das reflektierte Licht der Lichtquelle 901 von dem zu messenden Objekt 900 und das reflektierte Licht der Bildaufnahmelichtquelle 913 von dem zu messenden Objekt 900 durchlaufen, einen Strahlenteiler bzw. einen Teilerspiegel 905, auf welchen die jeweiligen Teile des reflektierten Lichts, das die Objektivlinse 906 durchläuft, einfällt, eine Bildaufnahmeeinrichtung 909, die ein Oberflächenbild des zu messenden Objekts mit dem Licht, das von dem Strahlenteiler bzw. Teilerspiegel 905 reflektiert wird, aufnimmt, eine Lichtempfangseinrichtung 902, die Licht empfängt, das durch den Strahlenteiler 905 übertragen wird, wobei das Licht das Licht ist, das von dem zu messenden Objekt 900 reflektiert wird, und einen Strahlenteiler bzw. Teilerspiegel 903, der das Licht, das durch den Strahlenteiler 905 übertragen wird, zu der Lichtempfangseinrichtung 902 leitet.
Bei dem Versetzungssensor wird die Objektivlinse 906 mit einer vorbestimmten Amplitude unter Verwendung einer Erregungsspule oszilliert bzw. in Schwingung versetzt, wobei die Bildaufnahmeeinrichtung 909 das Bild in einer Position der Objektivlinse 906 aufnimmt, in welcher eine Lichtempfangsmenge das Maximum in der Lichtempfangseinrichtung 902 erreicht. Deshalb kann die Bildaufnahmeeinrichtung 909 das Bild aufnehmen, wenn das Licht auf der Oberfläche des zu messenden Objekts 900 gesammelt ist.
Jedoch wird bei der herkömmlichen Versetzungsmessvorrichtung, wenn eine Irregularität bzw. Ungleichmäßigkeit in der Fläche des zu messenden Objekts 900 vorliegt, wie in 16 veranschaulicht ist, das Bild, das von der Bildaufnahmeeinrichtung 909 zu der Zeit aufgenommen wird, bei der das Licht an der Fläche des zu messenden Objekts gesammelt ist, ein Bild, das unscharf bei Graden bzw. Höhen ausgenommen dem Versetzungsmesspunkt ist, wie in 17 veranschaulicht ist.
Bei dem Versetzungssensor besteht daher das Bedürfnis nach einer Funktion, anhand derer ermöglicht wird, dass der Messpunkt unter Verwendung des deutlichen Bildes innerhalb des Messungsbereichs in dem ungleichmäßigen zu messenden Objekt bestätigt wird.
Überblick über die Erfindung
Die vorliegende Erfindung wurde zum Überwinden der vorstehend beschriebenen Probleme gemacht, wobei es eine Aufgabe der Erfindung ist, das deutliche Bild unter Verwendung des konfokalen Versetzungssensors zu erhalten, selbst bei Graden bzw. Höhen ausgenommen dem Versetzungsmesspunkt in dem zu messenden Objekt.
Diese Aufgabe wird mit einem Versetzungssensor gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
In Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Versetzungssensor zur Verfügung gestellt, der eine konfokale Versetzungsmesseinrichtung umfasst, die eine Oberflächenversetzung aus einer Fokusposition (Lichtsammelposition) zu einer Zeit bestimmt, bei der eineLichtempfangsintensität maximal wird und die aufweist: eine erste Lichtprojektionseinheit, die Licht emittiert, das eine erste WeIlenIänge aufweist;eine erste Lichtempfangseinheit, die das Licht, das die erste Wellenlänge aufweist, empfängt; eine Fokuswobbeleinheit (Wobbellichtsammeleinheit), die das Licht sammelt, das von der ersten Lichtprojektionseinheit in Richtung eines Messungsobjekts zum beleuchten des Messungsobjekts emittiert wird, kontinuierlich eine Sammelposition des Lichts entlang einer Richtung der optischen Achse des gesammelten Lichts ändert, bewirkt, dass das reflektierte Licht des Lichts, mit welchem das Messungsobjekt beleuchtet wird, in eine entgegengesetzte Richtung zu einem Lichtweg des Lichts, das von der ersten Lichtprojektionseinheit emittiert wird, läuft, und das reflektierte Licht zu der ersten Lichtempfangseinheit leitet; und eine erste Lichtwegtrenneinheit, die einen Lichtweg des reflektierten Lichts von einem Lichtweg von der ersten Lichtprojektionseinheit zu dem Messungsobjekt trennt; wobei der Versetzungssensor umfasst: eine zweite Lichtprojektionseinheit, die Licht zu dem Messungsobjekt emittiert, das eine zweite Wellenlänge aufweist, die sich von der ersten Wellenlänge unterscheidet; eine zweite Lichtwegtrenneinheit, die einen Lichtweg des Lichts, das die zweite Wellenlänge aufweist und an dem Messungsobjekt reflektiert wird, von dem Lichtweg des reflektierten Lichts trennt; und eine zweite Lichtempfangseinheit, die das Licht empfängt, dessen Lichtweg durch die zweite Lichtwegtrenneinheit getrennt ist, wobei die zweite Lichtempfangseinheit ein telezentrisches optisches System ist, das eine Bildaufnahmeeinrichtung und eine Öffnungsfotoblende aufweist, wobei ein Durchmesser der Öffnungsfotoblende derart ausgestaltet ist, dass das telezentrische optische System eine Tiefenschärfe aufweist, die nicht kleiner als ein Bereich ist, in welchem die Lichtsammelposition durch die Wobbellichtsammeleinheit geändert wird.
Bei dem Versetzungssensor gemäß dem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die Wobbellichtsammeleinheit vorzugsweise: eine Objektivlinse, die das Licht, das von der ersten Lichtprojektionseinheit in Richtung des Messungsobjekts zum Beleuchten des Messungsobjekts emittiert wird, sammelt; und eine Kollimatorlinse, die zwischen der ersten Lichtprojektionseinheit und der Objektivlinse vorgesehen ist, um das Licht, das von der ersten Lichtprojektionseinheit zu der Objektivlinse emittiert wird, in paralleles Licht umwandelt, und wobei die zweite Lichtwegtrenneinheit zwischen der Objektivlinse und der Kollimatorlinse vorgesehen ist.
In dem Versetzungssensor gemäß dem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die zweite Lichtwegtrenneinheit vorzugsweise durch einen Spiegel ausgebildet, der eine Öffnung aufweist, welche von dem Licht, das die zweite Wellenlänge aufweist, durchlaufen wird, wobei der Durchmesser der Öffnungsfotoblende mit dem Licht, das die zweite Wellenlänge aufweist, beleuchtet wird, wobei die zweite Lichtwegtrenneinheit und die Öffnungsfotoblende einstückig ausgebildet sind.
In dem Versetzungssensor gemäß dem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die zweite Lichtempfangseinheit vorzugsweise eine Übertragungslinse (engl. ”relay lens”), die zwischen der zweiten Lichtwegtrenneinheit und der Öffnungsfotoblende vorgesehen ist.
Bei dem Versetzungssensor gemäß dem Aspekt der vorliegenden Erfindung empfängt die zweite Lichtempfangseinheit vorzugsweise das Licht, das zu der Öffnungsfotoblende durch die Objektivlinse geleitet wird, wobei das Licht das Licht ist, das an dem Messungsobjekt reflektiert wird, wobei die Objektivlinse in einer Position befestigt ist, bei welcher eine Lichtweglänge des Lichts, das an dem Messungsobjekt zu der Öffnungsfotoblende reflektiert wird, eine hinterseitige Brennweite der Objektivlinse wird, wobei die Objektivlinse gegen eine andere Objektivlinse austauschbar ausgestaltet ist, die eine hinterseitige Brennweite aufweist, die sich von der der Objektivlinse unterscheidet, wobei die andere Objektivlinse in eine Position befestigt ist, bei welcher die Lichtweglänge des Lichts, das an dem Messungsobjekt zu der Öffnungsfotoblende reflektiert wird, die hinterseitige Brennweite der anderen Objektivlinse wird, wenn die Objektivlinse durch die andere Objektivlinse ausgetauscht wird.
Vorzugsweise umfasst der Versetzungssensor gemäß dem Aspekt der vorliegenden Erfindung weiterhin: eine erste Einstelleinheit, die einstellt, ob das Licht, das von der ersten Lichtprojektionseinheit auf das Messungsobjekt emittiert wird, in einem Bild umfasst ist, das mit der Bildaufnahmeeinrichtung aufgenommen wird; und eine zweite Einstelleinheit, die die Helligkeit des Bildes einstellt, das mit der Bildaufnahmeeinrichtung aufgenommen wird, wobei durch Steuern einer Bildaufnahmeeinrichtungsakkumulationszeit, einer ersten Lichtprojektionseinheitemissionszeit und einer zweiten Lichtprojektionseinheitemissionszeit die erste Einstelleinheit einstellt, ob das Licht, das von der ersten Lichtprojektionseinheit reflektiert wird, umfasst ist oder nicht, und die zweite Einstelleinheit die Helligkeit des Bildes, das mit der Bildaufnahmeeinrichtung aufgenommen wird, einstellt.
Bei dem Versetzungssensor gemäß dem Aspekt der vorliegenden Erfindung hat, selbst wenn die Wobbellichtsammeleinheit die Lichtsammelposition bei dem Messungsobjekt ändert, die zweite Lichtempfangseinheit, die das telezentrische optische System umfasst, die Tiefenschärfe, die nicht kleiner als der Bereich ist, in dem sich die Lichtsammelposition ändert.
Dementsprechend wird bei der vorliegenden Erfindung das Bild, das mit der Bildaufnahmeeinrichtung der zweiten Lichtempfangseinheit aufgenommen wird, das Bild, das eine scharfe Einstellung erlangt, selbst wenn das zu messende Objekt die Ungleichmäßigkeit um den Messpunkt der konfokalen Versetzungsmesseinrichtung hat.
Bei dem Versetzungssensor der vorliegenden Erfindung wird, wenn die zweite Lichtempfangseinheit das Bild um dem Messpunkt erhält, die zweite Lichtempfangseinheit derart ausgestaltet, dass sie eine Tiefenschärfe aufweist, die nicht kleiner als die Änderung der fokussierten bzw. scharf eingestellten Position in der Richtung der optischen Achse ist, welche durch die Wobbellichtsammeleinheit erzeugt wird. Deshalb kann, wenn das Bild um den Messpunkt erhalten wird, die Definition bzw. Schärfe verbessert werden, um die Zeit zur Positionierung des Messpunkts des Versetzungssensors zu verkürzen.
Da die zweite Lichtempfangseinheit derart ausgestaltet ist, dass sie eine tiefere Tiefenschärfe aufweist, kann die Differenz zwischen den Bilderzeugungspositionen, die durch chromatische Dispersion des Linsensystems verursacht werden, abgefangen werden, selbst wenn die zweite Lichtempfangseinheit ein Farbbild erhält. Deshalb werden die Schwierigkeiten, bei denen das Farbbild außerhalb der scharfen Einstellung wegen der Farbe liegt, um die Definition bzw. Schärfe des Bildes um den Messpunkt zu verringern, vermieden, selbst wenn die zweite Lichtempfangseinheit das Farbbild erhält.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 veranschaulicht schematisch einen Gesamtaufbau eines Versetzungssensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 veranschaulicht einen Blockaufbau des Versetzungssensors von 1;
3A–3C veranschaulichen einen detaillierten Aufbau eines Beobachtungsbildaufnahmesystems in dem Versetzungssensor von 1;
4 veranschaulicht schematisch einen Gesamtaufbau eines Versetzungssensors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
5 veranschaulicht einen Gesamtaufbau eines Versetzungssensors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6A und 6B veranschaulichen schematisch einen Gesamtaufbau eines Versetzungssensors gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7A und 7B veranschaulichen schematisch einen Gesamtaufbau eines Versetzungssensors gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8A und 8B veranschaulichen schematisch einen Gesamtaufbau eines Versetzungssensors gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
9 veranschaulicht eine Bedingung für einen Öffnungsdurchmesser einer Fotoblendenbohrung bzw. eines Fotoblendenlochs in einer Fotoblendenplatte des Versetzungssensors von 8;
10 veranschaulicht schematisch einen Gesamtaufbau eines Versetzungssensors gemäß eines siebten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
11 veranschaulicht schematisch einen Blockaufbau eines Versetzungssensors gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
12A und 12B veranschaulichen schematisch eine zeitliche Änderung eines Oszillationszustands eines Oszillators des Versetzungssensors von 11;
13A bis 13C veranschaulichen eine Änderung eines erhaltenen Bildes, wenn ein Intervall eines Verschlusseinrichtungsöffnungszustands in dem Versetzungssensors von 11 variiert wird;
14A und 14B veranschaulichen schematisch einen Gesamtaufbau eines Versetzungssensors gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
15 veranschaulicht schematisch den Gesamtaufbau des Versetzungssensors gemäß dem neunten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
16 veranschaulicht schematisch einen Aufbau eines herkömmlichen Versetzungssensors; und
17A und 17B veranschaulichen ein Beispiel eines erhaltenen Bildes in dem herkömmlichen Versetzungssensors.
Ausführliche Beschreibung
Nachstehend werden die bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen werden gleiche Komponenten durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet, wobei Wiederholungen der Beschreibung weggelassen werden.
[Erstes Ausführungsbeispiel]
(Schematischer Aufbau eines Versetzungssensors)
1 veranschaulicht schematisch einen Gesamtaufbau eines Versetzungssensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Unter Bezugnahme auf 1 umfasst der Versetzungssensor hauptsächlich ein konfokales Versetzungsmesssystem OPT-A, das eine Versetzung an einer Oberfläche eines Messungsobjekts 500 misst, und ein Beobachtungsbildaufnahmesystem OPT-B, das ein Bild von dem Messungsobjekt 500 erhält.
Das konfokale Versetzungsmesssystem OPT-A umfasst eine Lichtquelle 1, eine Kollimatorlinse 4, eine Objektivlinse 6, einen Strahlenteiler bzw. Teilerspiegel 3, eine Fotoblendenplatte 31 und eine Lichtempfangseinrichtung 2.
Das Beobachtungsbildaufnahmesystem OPT-B umfasst eine Bildaufnahmelichtquelle 94, eine Objektivlinse 6, einen Strahlenteiler bzw. Teilerspiegel 5, eine Fotoblendenplatte 81, eine Bilderzeugungslinse 82 und eine Bildaufnahmeeinrichtung bzw. ein Bildaufnahmegerät 9. Das Beobachtungsbildaufnahmesystem OPT-B ist ein telezentrisches optisches System.
Die Objektivlinse 6 teilen sich das konfokale Versetzungsmesssystem OPT-A und das Beobachtungsbildaufnahmesystem OPT-B.
In dem konfokalen Versetzungsmesssystem OPT-A wandelt die Kollimatorlinse 4 das Licht, das von der Lichtquelle 1 emittiert wird, in im Wesentlichen paralleles Licht um, wobei die Oberfläche des Messungsobjekts 500 mit dem Licht durch die Objektivlinse 6 beleuchtet wird. In dem ersten Ausführungsbeispiel kann, da das Licht, das in das parallele Licht durch die Kollimatorlinse 4 umgewandelt wird, auf die Objektivlinse 6 einfällt, eine Lichtsammelposition bzw. Lichtkonzentrationsposition des Messungslichts (Licht, mit dem das Messungsobjekt 500 von der Lichtquelle 1 beleuchtet wird) auf ein Zentrum einer Tiefenschärfe des Beobachtungsbildaufnahmesystems OPT-B eingestellt werden.
Das Licht, mit welchem das Messungsobjekt 500 beleuchtet wird, wird durch das Messungsobjekt 500 reflektiert. Das Licht in dem reflektierten Licht, das den Strahlenteiler 5 durchlaufen hat und von der Objektivlinse 6 und der Kollimatorlinse 4 kommt, wird durch den Strahlenteiler 3 reflektiert, wobei das Licht zu dem Lichtaufnahmegerät bzw. der Lichtaufnahmeeinrichtung 2 durch eine Fotoblendenbohrung bzw. ein Fotoblendenloch, das in der Fotoblendenplatte 31 vorgesehen ist, geleitet wird.
Zum Beispiel kann der Strahlenteiler 5 ein dichroitischer Spiegel sein, der Wellenlängen nahe von denen des Licht, das von der Lichtquelle 1 emittiert wird, durchlässt, während er andere Wellenlängen des sichtbaren Lichts reflektiert. Der Strahlenteiler 3 reflektiert das Licht, das die Wellenlänge nahe der des Lichts, das von der Lichtquelle 1 emittiert wird, aufweist, wobei der Strahlenteiler 3 das reflektierte Licht zu der Lichtaufnahmeeinrichtung 2 leitet.
In dem Beobachtungsbildaufnahmesystem OPT-B wird das Licht, das von der Bildaufnahmelichtquelle 94 emittiert wird, an dem Messungsobjekt 500 reflektiert, wobei das Licht nach Durchlaufen der Objektivlinse 6 durch den Strahlenteiler 5 reflektiert wird, wobei das Licht zu der Bilderzeugungslinse 82 über eine Fotoblendenbohrung, die in der Fotoblendenplatte 81 vorgesehen ist, geleitet wird, wobei das Licht ein Bild an der Bildaufnahmeeinrichtung 9 durch die Bilderzeugungslinse 82 ausbildet.
1 veranschaulicht schematisch einen Teil des reflektierten Lichts von der Bildaufnahmelichtquelle 94. Im Hinblick auf diese Reflektionspunkte sind drei Punkte in den Reflektionspunkten an dem Messungsobjekt 500 als die Punkte P51 bis P53 bezeichnet. Das reflektierte Licht an jedem Reflektionspunkt fällt auf die Bilderzeugungslinse 82 über die Fotoblendenbohrung der Fotoblendenplatte 81 ein, wobei das Licht das Bild durch die jeweiligen Punkte Q51 bis Q53 an der Bildaufnahmeeinrichtung 9 über die Bilderzeugungslinse 82 ausbildet.
In 1 ist eine optische Achse von der Lichtquelle 1 zu dem Messungsobjekt 500 schematisch durch eine gestrichelte Linie mit langen und kurzen Strichen bezeichnet.
In dem Versetzungssensor des ersten Ausführungsbeispiels ändert der Oszillator 7 während der Messung eine Position der Kollimatorlinse 4 in Richtung der optischen Achse, das heißt, in einer Richtung, die durch einen zweispitzigen Pfeil bei dem Oszillator 7 von 1 angegeben ist, wodurch die Sammelposition des Lichts, das von der Lichtquelle emittiert wird, in Richtung der optischen Achse geändert wird. Die Lichtaufnahmeeinrichtung 2 empfängt das Licht, das von dem Messungsobjekt reflektiert wird. Der Versetzungssensor umfasst Elemente, solche wie eine Antriebsspule 74, welche den Oszillator 7 in Richtung des zweispitzigen Pfeils von 1 in Schwingung versetzen bzw. oszillieren.
Die Kollimatorlinse 4 bewegt sich entsprechend der Schwingung des Oszillators 7 in der Richtung, in welcher die Kollimatorlinse 4 nahe zu dem Messungsobjekt 5 kommt, und in der Richtung, in welcher sich die Kollimatorlinse 4 von dem Messungsobjekt 500 entfernt. Die Positionserfassungseinheit 71 erfasst die Position der Kollimatorlinse 4 während der Schwingung. Die Signalverarbeitungseinheit 73 berechnet die Position der Kollimatorlinse 4 durch Ausführung einer angemessenen Verarbeitung eines Signals, das von der Positionserfassungseinheit 71 zugeführt wird.
In dem Versetzungssensor des ersten Ausführungsbeispiels bildet die Lichtquelle 1 die erste Lichtprojektionseinheit und die Lichtaufnahmeeinrichtung 2 bildet die erste Lichtaufnahmeeinheit. In dem Versetzungssensor des ersten Ausführungsbeispiels bilden die Objektivlinse 6, die Kollimatorlinse 4 und der Oszillator 7 die Wobbellichtsammeleinheit aus.
In dem Versetzungssensor des ersten Ausführungsbeispiels bildet die Bildaufnahmelichtquelle 94 die zweite Lichtprojektionseinheit und die Bildaufnahmeeinrichtung 9 bildet die zweite Lichtaufnahmeeinheit.
In dem Versetzungssensor des ersten Ausführungsbeispiels bildet der Strahlenteiler bzw. Teilerspiegel die erste Lichtwegtrenneinheit und der Strahlenteiler bzw. Teilerspiegel 5 bildet die zweite Lichtwegtrenneinheit.
(Blockaufbau des Versetzungssensors)
2 veranschaulicht einen Blockaufbau des Versetzungssensors von 1.
Zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Komponenten umfasst der Versetzungssensor einen Prozessor bzw. eine Prozessoreinheit 100, der einen Betrieb des Versetzungssensors vollumfänglich steuert. Der Versetzungssensor umfasst ebenso eine Lichtquellensteuereinheit 10, eine Signalverarbeitungseinheit 73, eine Verstärkungsschaltung 22, eine A/D-Wandlerschaltung (Analog-Digital-Wandlerschaltung) 23, eine Signalverarbeitungseinheit 24, eine Antriebsschaltung 75 und eine Antriebssignalausgabeeinheit 76. Diese Komponenten können durch eine dedizierte Hardwareressource umgesetzt werden oder ein Prozessor (Prozessoreinheit), der in dem Versetzungssensor umfasst ist, kann ein Programm ausführen, das auf einer Aufzeichnungseinrichtung aufgenommen ist, die im Versetzungssensor umfasst ist, um die Komponenten zu realisieren. Der Versetzungssensor umfasst ebenso eine Eingabe-/Ausgabeeinheit 101 und eine Speichereinheit 102. Die Eingabe-/Ausgabeeinheit 101 umfasst Eingabeeinrichtungen, solche wie eine Tastatur, und Ausgabeeinrichtungen, solche wie einen Bildschirm. Die Speichereinheit 102 umfasst eine Aufzeichnungseinrichtung.
In dem Versetzungssensor ändert sich eine Strecke zwischen der Lichtquelle 1 und der Kollimatorlinse 4, wenn die Antriebsspule 74 die Kollimatorlinse 4 in der Richtung des zweispitzigen Pfeils von 1 in Schwingung versetzt. Die Kollimatorlinse 4 leitet paralleles Licht zu der Objektivlinse 6, wenn die Strecke zwischen der Lichtquelle 1 und der Kollimatorlinse 4 gleich einer Brennweite der Kollimatorlinse 4 ist, wobei die Kollimatorlinse 4 Diffusionslicht bzw. Streuungslicht oder konvergentes Licht zu der Objektivlinse 6 leitet, wenn die Strecke nicht gleich der Brennweite ist. Deshalb variiert bei dem Licht, mit welchem das Messungsobjekt 500 über die Objektivlinse 6 beleuchtet wird, eine Strecke von der Objektivlinse 6 zu der Lichtsammelposition bzw. Lichtkonzentrationsposition entsprechend der Strecke zwischen der Lichtquelle 1 und der Kollimatorlinse 4. In dem Versetzungssensor versetzt die Prozessoreinheit 100 die Kollimatorlinse 4 derart in Schwingung, dass sich die Kollimatorlinse 4 innerhalb eines Bereichs bewegt, bei dem die Lichtsammelposition ein Niveau bzw. eine Höhe aufweist, bei welcher angenommen wird, dass die Oberfläche des Messungsobjekts 500 vorliegt, das heißt, ein Bereich, der eine Strecke a aufweist (siehe 2).
In dem Versetzungssensor erregt die Antriebsschaltung 75 die Antriebsspule 74. Die Antriebssignalausgabeeinheit 76 steuert eine Betriebart der Antriebsschaltung 75 betreffend eine elektrische Leitung. Die Prozessoreinheit 100 steuert einen Betrieb der Antriebssignalausgabeeinheit 76, wodurch eine Oszillationsbetriebsart bzw. Schwingungsbetriebsart der Kollimatorlinse 4 gesteuert wird.
In dem Versetzungssensor wird ein Signal von der Positionserfassungsschaltung 71 der Signalverarbeitungseinheit 73 zugeführt. Die Prozessoreinheit 100 erhält die Position der Kollimatorlinse 4 bei deren Schwingung basierend auf einem Signal, das von der Signalverarbeitungseinheit 73 zugeführt wird.
In dem Versetzungssensor steuert die Prozessoreinheit 100 die Betriebe, solche wie ein Ein-/Ausschalten des Lichts, das von der Lichtquelle 1 emittiert wird, durch die Lichtquellensteuereinheit 10.
Die Prozessoreinheit 100 berechnet eine Versetzung des Messungsobjekts von dem Lichtempfangssignal, das durch die Lichtempfangseinrichtung 2 empfangen wird, wenn die Position der Kollimatorlinse 4 bei deren Schwingung, die basierend auf dem Signal von der Signalverarbeitungseinheit 73 erhalten wird, innerhalb des Bereichs der Strecke a fällt. Die Verstärkungsschaltung 22 verstärkt das Lichtempfangssignal, das durch die Lichtempfangseinrichtung 2 erhalten wird, wobei die AD-Wandlerschaltung 23 das Signal in ein digitales Signal umwandelt. Dann führt die Signalverarbeitungseinheit 24 eine geeignete Verarbeitung des Signals durch und führt das Signal der Prozessoreinheit 100 zu.
Das Bild, das durch die Bildaufnahmeeinrichtung 9 aufgenommen wird, wird der Prozessoreinheit 100 zugeführt. In dem Versetzungssensor kann ein Benutzer Informationen durch die Eingabe-/Ausgabeeinheit 100 eingeben, solche wie eine Messungsbedingung. In dem Versetzungssensor werden Daten, solche wie das Programm, das durch die Prozessoreinheit 100 ausgeführt wird, in der Speichereinheit 102 gespeichert.
(Aufbau des Beobachtungsbildaufnahmesystems)
Der detaillierte Aufbau des Beobachtungsbildaufnahmesystems OPT-B in dem Versetzungssensor wird unter Bezugnahme auf die 3A–3C beschrieben.
3A veranschaulicht eine Strecke auf dem Lichtweg zwischen Komponenten des Beobachtungsbildaufnahmesystems OPT-B von 1. Insbesondere bezeichnet eine Strecke RA eine Lichtweglänge zwischen einem Hauptpunkt der Objektivlinse 6 und dem Strahlenteiler 5, bezeichnet eine Strecke RB eine Lichtweglänge zwischen dem Strahlenteiler 5 und der Fotoblendenbohrung der Fotoblendenplatte 81, bezeichnet eine Strecke RC eine Lichtweglänge zwischen der Fotoblendenbohrung der Fotoblendenplatte 81 und der Bilderzeugungslinse 82 und bezeichnet eine Strecke RD eine Lichtweglänge zwischen der Bilderzeugungslinse 82 und der Bildaufnahmeeinrichtung 9.
Die Streckenbedingungen in dem Versetzungssensor werden untenstehend beschrieben. Da der Versetzungssensor das telezentrische optische System ist, bildet bei dem Licht, das an dem Messungsobjekt 500 reflektiert wird, lediglich das Licht, das eine im Wesentlichen parallel gerichtete bzw. kollimierte Komponente aufweist, das Bild an der Bildaufnahmeeinrichtung 9 aus. Deshalb wird die Position der Fotoblendenbohrung der Fotoblendenplatte 81 eine hinterseitige Fokalposition bzw. Brennpunktposition der Objektivlinse 82, wobei das im Wesentlichen parallel gerichtete bzw. kollimierte Licht, das an dem Messungsobjekt 500 reflektiert wird, an der hinterseitigen Brennpunktposition der Objektivlinse 82 gesammelt wird. Dementsprechend wird die Summe aus der Strecke RA und der Strecke RB eine hinterseitige Fokalposition der Objektivlinse 6.
Da der Versetzungssensor das telezentrische optische System ist, durchläuft das Licht, das an dem Messungsobjekt 500 reflektiert wird, die Objektivlinse 6 und die Fotoblendenplatte 81, wobei die im Wesentlichen parallel gerichtete bzw. kollimierte Komponente das Bild an der Bildaufnahmeeinrichtung 9 über die Bilderzeugungslinse 82 ausbildet. Um das Licht, das die Fotoblendenplatte 81 durchläuft, in die im Wesentlichen kollimierte Komponente umzuwandeln, wird die Bilderzeugungslinse 82 deshalb in einer Position angeordnet, bei welcher die Fotoblendenplatte 81 eine frontseitige Brennweite der Bilderzeugungslinse 82 wird. Dementsprechend wird die Strecke RC die frontseitige Brennweite der Bilderzeugungslinse 82.
Bei dem Versetzungssensor durchläuft bei dem Licht, das von dem Messungsobjekt 500 reflektiert wird, das im Wesentlichen parallel gerichtete bzw. kollimierte Licht die Objektivlinse 6 und die Fotoblendenplatte 81, wobei das im Wesentlichen kollimierte Licht das Bild an der Bildaufnahmeeinrichtung 9 über die Bilderzeugungslinse 82 ausbildet. Deshalb ist die Bildaufnahmeeinrichtung 9 in einer hinterseitigen Brennpunktposition der Bilderzeugungslinse 82 angeordnet, wobei das im Wesentlichen kollimierte Licht das Bild in der hinterseitigen Brennpunktposition der Bilderzeugungslinse 82 über die Bilderzeugungslinse 82 ausbildet. Dementsprechend wird die Strecke RD die hinterseitige Brennpunktposition der Bilderzeugungslinse 82.
Ein Durchmesser der Fotoblendenbohrung bzw. des Fotoblendenlochs der Fotoblendenplatte 81 wird untenstehend beschrieben. 3B veranschaulicht einen virtuellen Zustand bzw. einen Zwischenzustand, bei welchem der Lichtweg des Beobachtungsbildaufnahmesystems OPT-B von 3A linear ausgebildet ist. In 3B bezeichnet ein Punkt PA2 schematisch einen Reflektionspunkt an dem Messungsobjekt 500 und bezeichnet ein Punkt PB2 einen Punkt, bei welchem das Licht, das von dem Punkt PA2 reflektiert wird, das Bild an der Bildaufnahmeeinrichtung 9 durch das Fotoblendenloch der Fotoblendenplatte 81 ausbildet. Ein Punkt PB1 und ein Punkt PB3 bezeichnen Punkte, bei welchen die Teile des Lichts, die von einem Punkt PA1 und einem Punkt PA3 reflektiert werden, die Bilder an der Bildaufnahmeeinrichtung 9 über das Fotoblendenloch der Fotoblendenplatte 81 ausbilden. In 3B ist f1 eine Brennweite der Objektivlinse 6 und f2 ist eine Brennweite der Bilderzeugungslinse 82.
Bei dem Versetzungssensors des ersten Ausführungsbeispiels ändert sich die Lichtsammelposition des Lichts, das von der Objektivlinse 6 ausgegeben wird, durch das Wobbeln (Schwingung bzw. Oszillation) der Kollimatorlinse 4. In solchen Fällen wird das Bild, das bei einem Intervall erhalten wird, in welchem die Kollimatorlinse 4 gewobbelt wird, deutlich, wenn das Beobachtungsbildaufnahmesystem OPT-B derart gestaltet ist, dass die Lichtsammelposition des Lichts, das von der Objektivlinse 6 ausgegeben wird, die Oberfläche des Messungsobjekts 500 umfasst und sich innerhalb der Tiefenschärfe der Objektivlinse 6 ändert.
Angenommen, dass a eine Tiefenschärfe der Objektivlinse 6 ist, a1 eine frontseitige Tiefenschärfe der Objektivlinse 6 ist und a2 eine hinterseitige Tiefenschärfe der Objektivlinse 6 ist, kann, eine Beziehung zwischen der Tiefenschärfe a, der frontseitigen Tiefenschärfe a1 und der hinterseitigen Tiefenschärfe a2 durch eine Gleichung (1) ausgedrückt werden. a = a1 + a2 (1)
Basierend auf der frontseitigen Tiefenschärfe und der hinterseitigen Tiefenschärfe kann, wenn eine Bildausbildungs- bzw. Bilderzeugungsebene der Bildaufnahmeeinrichtung 9 der Bilderzeugungslinse 82 auf eine Referenzebene festgelegt wird, die frontseitige Tiefenschärfe a1 und die hinterseitige Tiefenschärfe a2 der Objektivlinse 6 durch die folgenden Gleichungen (2) und (3) unter Verwendung der F-Zahl (bzw. Blendenzahl) für die Bilderzeugungslinse 82 beschrieben werden. a1 = f12·ε·F/(f22 + f1·ε·F) (2) a2 = f12·ε·F/(f22 – f1·ε·F) (3)
In den Gleichungen (2) und (3) ist ε ein Durchmesser eines zulässigen Zerstreuungskreises in dem Versetzungssensor, der als ein visueller Sensor fungiert.
In dem Versetzungssensor des ersten Ausführungsbeispiels wird unter der Annahme, dass P ein Sensorpixelabstand der Bildaufnahmeeinrichtung 9 ist, der Durchmesser ε des zulässigen Zerstreuungskreises so festgelegt, dass der Benutzer erkennen kann, dass der Fokus bzw. Brennpunkt innerhalb eines Bereichs doppelt des Pixelabstands P, wie in 3C veranschaulicht ist, eingestellt ist. Das heißt, dass der Durchmesser ε des zulässigen Zerstreuungskreises, wie durch die folgende Gleichung (4) ausgedrückt, festgelegt wird.
[Formel 1]

ε = 2√2P (4)

Im Wesentlichen wird die F-Zahl durch „(Linsenbrennweite)/(Linsendurchmesser)” ausgedrückt. Jedoch wird bei dem ersten Ausführungsbeispiel angenommen, dass lediglich das Licht, das das Fotoblendenloch (Öffnung) der Fotoblendenplatte 81 durchläuft, das Licht an der Bildaufnahmeeinrichtung 9 über die Bilderzeugungslinse 82 ausbildet. Deshalb wird die F-Zahl in den Gleichungen (2) und (3) durch die folgende Gleichung (5) ausgedrückt. In der Gleichung (5) ist ΦA ein Öffnungsdurchmesser des Fotoblendenlochs. F = f2/ϕA (5)
Wenn die Gleichung (5) in die Gleichungen (2) und (3) eingesetzt wird, können die Gleichungen (2) und (3) durch die Gleichungen (6) und (7) ausgedrückt werden. a1 = (f12·ε·f2/ϕA)·(f22 + f1·ε·f2/ϕA) (6) a2 = (f12·ε·f2/ϕA)·(f22 – f1·ε·f2/ϕA) (7)
Bei dem Versetzungssensor des ersten Ausführungsbeispiels wird der Öffnungsdurchmesser ΦA derart bestimmt, dass die Tiefenschärfe a nicht kleiner als die Amplitude der Schwingung der Kollimatorlinse 4 ist, wobei der Öffnungsdurchmesser ΦA auf den Durchmesser des Fotoblendenlochs der Fotoblendenplatte 81 festgelegt wird. Deshalb ist bei dem Versetzungssensor des ersten Ausführungsbeispiels die Öffnungsfotoblende des telezentrischen optischen Systems derart gestaltet, dass das telezentrische optische System die Tiefenschärfe hat, die nicht kleiner als der Bereich der Lichtsammelposition ist, die durch die Wobbellichtsammeleinheit geändert wird. In dem Versetzungssensor des ersten Ausführungsbeispiels wird der Bereich der Lichtsammelposition, die durch die Wobbellichtsammeleinheit geändert wird, durch ein Produkt des Schwingungsbereichs der Kollimatorlinse 4 und der optischen Vergrößerung des konfokalen optischen Systems erhalten.
(Bildaufnahme eines Farbbildes)
Bei dem Versetzungssensor des ersten Ausführungsbeispiels wird das Beobachtungsbildaufnahmesystem OPT-B, das das Bild des Messungsobjekts 500 erhält, so ausgestaltet, dass es die Tiefenschärfe hat, die nicht kleiner als der Bereich der Lichtsammelposition ist, die durch die Wobbellichtsammeleinheit geändert wird, so dass eine Differenz in der Bildausbildungs- bzw. Bilderzeugungsposition durch die Wellenlänge anhand der Tiefenschärfe des Beobachtungsbildaufnahmesystems OPT-B abgefangen werden kann, selbst wenn die Aufnahmeeinrichtung 9 Farbbilder aufnimmt. Deshalb kann die Schwierigkeit, dass die Auflösung bzw. Bildschärfe des Bildes, das den Messungspunkt umgibt, in dem Farbbild geringer ist, vermieden werden, selbst wenn die Bildaufnahmeeinrichtung 9 Farbbilder aufnimmt.
[Zweites Ausführungsbeispiel]
4 veranschaulicht schematisch einen Gesamtaufbau eines Versetzungssensors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Der Versetzungssensor gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem Versetzungssensor des ersten Ausführungsbeispiels von 1 darin, dass anstelle der Kollimatorlinse 4 die Objektivlinse 6 durch den Oszillator 7 in Richtung des zweispitzigen Pfeils von 4 oszilliert bzw. in Schwingung versetzt wird.
Bei dem Versetzungssensor der vorliegenden Erfindung kann die Kollimatorlinse 4 gewobbelt (oszilliert) werden oder kann die Objektivlinse 6 geschwungen (oszilliert) werden, um die Sammelposition des Lichts, das die Objektivlinse 6 durchläuft, zu ändern.
Bei dem Versetzungssensor des zweiten Ausführungsbeispiels wird der Öffnungsdurchmesser ΦA so bestimmt, dass die Tiefenschärfe a nicht kleiner als die Wobbelamplitude der Objektivlinse 6 ist, wobei der Öffnungsdurchmesser ΦA auf den Durchmesser des Fotoblendenlochs der Fotoblendenplatte 81 festgelegt wird.
[Drittes Ausführungsbeispiel]
5 veranschaulicht schematisch einen Gesamtaufbau eines Versetzungssensors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Der Versetzungssensor des dritten Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von dem Versetzungssensors des zweiten Ausführungsbeispiels von 4 darin, dass die Kollimatorlinse 4 weggelassen ist.
Bei dem Versetzungssensor der vorliegenden Erfindung durchläuft, wenn die Kollimatorlinse 4 weggelassen ist, das Licht, das von der Lichtquelle 1 emittiert wird, die Objektivlinse 6, wobei das Licht nicht an dem Zentrum der Tiefenschärfe der Objektivlinse 6 gesammelt ist. Jedoch kann die Schwierigkeit, dass die Bildschärfe des Bildes, das den Messungspunkt umgibt, in dem Farbbild verringert ist, auf ein Ausmaß reduziert werden, bei welchem diese Schwierigkeit keinen Einfluss auf die Messung der Oberflächenversetzung des Messungsobjekts 500 und auf die Aufnahme des Oberflächenbildes hat.
Dementsprechend kann der Versetzungssensor der vorliegenden Erfindung so ausgestaltet werden, dass das Licht, das von der Lichtquelle 1 emittiert wird, während die Kollimatorlinse 4 weggelassen ist, direkt durch die Objektivlinse 6 gesammelt wird, um die Oberflächenversetzung des Messungsobjekts 500 zu messen.
[Viertes Ausführungsbeispiel]
6A veranschaulicht schematisch einen Gesamtaufbau eines Versetzungssensors gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Der Versetzungssensor des vierten Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von dem Versetzungssensor des ersten Ausführungsbeispiels von 1 darin, dass eine transparente Platte 51 mit niedrigem Reflektionsgrad anstelle des Strahlenteilers 5 vorgesehen ist. Wie in 6B veranschaulicht ist, ist ein Bereich 52 mit hohem Reflektionsgrad in einem im Wesentlichen zentralen Abschnitt der transparenten Platte 51 mit niedrigem Reflektionsgrad vorgesehen. Der Bereich 52 mit hohem Reflektionsgrad wird durch eine Verdampfungsbeschichtung an der transparenten Platte 51 mit niedrigem Reflektionsgrad ausgebildet. Deshalb wird, obwohl das sichtbare Licht, das an dem Messungsobjekt 500 reflektiert wird, durch die transparente Platte 51 mit niedrigen Reflektionsgrad durchgelassen wird, das sichtbare Licht von dem Bereich 52 mit hohem Reflektionsgrad reflektiert, wobei das sichtbare Licht zu der Aufnahmeeinrichtung 9 durch die Bilderzeugungslinse 82 geleitet wird.
Es ist notwendig, dass der Durchmesser des Bereichs 52 mit hohem Reflektionsgrad auf den Öffnungsdurchmesser ΦA des ersten Ausführungsbeispiels festgelegt wird. In dem vierten Ausführungsbeispiel werden die Funktionen des Strahlenteilers 5 und der Fotoblendenplatte 81 des ersten Ausführungsbeispiels durch die transparente Platte 51 mit niedrigem Reflektionsgrad realisiert, die den Bereich 52 mit hohem Reflektionsgrad umfasst, der durch Verdampfungsbeschichtung erhalten wird.
In dem vierten Ausführungsbeispiel ist eine Strecke RS1 von der Objektivlinse 6 zu dem Bereich 52 mit hohem Reflektionsgrad auf die hinterseitige Brennweite der Objektivlinse 6 festgelegt, eine Strecke RS2 von dem Bereich 52 mit hohem Reflektionsgrad zu der Bilderzeugungslinse 82 ist auf die frontseitige Brennweite der Bilderzeugungslinse 82 festgelegt und eine Strecke RS3 von der Bilderzeugungslinse 82 zu der Bildaufnahmeeinrichtung 9 ist auf die hinterseitige Brennweite der Bilderzeugungslinse 82 festgelegt.
Bei dem Versetzungssensor des vierten Ausführungsbeispiels, der den Aufbau hat, in welchem der Strahlenteiler und die Fotoblendenplatte einstückig ausgebildet sind, wird der Versetzungssensor des vierten Ausführungsbeispiels insbesondere effektiv in der kurzen hinterseitigen Brennweite der Objektivlinse 6 verwendet, das heißt, die Objektivlinse 6 hat eine hohe NA (Numerische Apertur), da die Strecke zu der Fotoblendenplatte verkürzt werden kann.
[Fünftes Ausführungsbeispiel]
7A veranschaulicht schematisch einen Gesamtaufbau eines Versetzungssensors gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Der Versetzungssensor des fünften Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von dem Versetzungssensor des ersten Ausführungsbeispiels von 1 darin, dass ein Spiegel 53 anstelle des Strahlenteilers 5 vorgesehen ist. Wie in 7B veranschaulicht ist, ist ein Fotoblendenloch 54 in einem im Wesentlichen zentralen Abschnitt des Spiegels 53 vorgesehen. Obwohl das Licht, das von dem Messungsobjekt 500 reflektiert wird, an der Stelle mit Ausnahme des Fotoblendenlochs 54 des Spiegels 53 reflektiert wird, wird das Licht, das von dem Messungsobjekt 500 reflektiert wird, um die Fotoblendenbohrung 54 zu erreichen, deshalb zur Bildaufnahmeeinrichtung 9 durch die Bilderzeugungslinse 82 geleitet.
Es ist notwendig, dass der Durchmesser des Fotoblendenlochs 54 auf den Öffnungsdurchmesser ΦA des ersten Ausführungsbeispiels festgelegt ist. Bei dem fünften Ausführungsbeispiel werden die Funktionen des Strahlenteilers 5 und der Fotoblendenplatte 81 des ersten Ausführungsbeispiels durch den Spiegel 53 realisiert, in welchem das Fotoblendenloch 54 vorgesehen ist.
In dem fünften Ausführungsbeispiel ist die Strecke RT1 von der Objektivlinse 6 zu dem Spiegel 53 auf die hinterseitige Brennweite der Objektivlinse 6 festgelegt, eine Strecke RT2 von dem Spiegel 53 zu der Bilderzeugungslinse 82 ist auf die frontseitige Brennweite der Bilderzeugungslinse 82 festgelegt und eine Strecke RT3 von der Bilderzeugungslinse 82 zu der Bildaufnahmeeinrichtung 9 ist auf die hinterseitige Brennweite der Bilderzeugungslinse 82 festgelegt.
Bei dem Versetzungssensor des fünften Ausführungsbeispiels, der den Aufbau aufweist, bei welchem der Strahlenteilers und die Fotoblendenplatte einstückig ausgebildet sind, wird, da die Strecke zu der Fotoblendenplatte verkürzt werden kann, der Versetzungssensors des fünften Ausführungsbeispiels insbesondere effektiv in der kurzen hinterseitigen Brennweite der Objektivlinse 6 verwendet, das heißt die Objektivlinse 6 hat eine hohe NA (Numerische Apertur).
[Sechstes Ausführungsbeispiel]
8A veranschaulicht schematisch einen Gesamtaufbau eines Versetzungssensors gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Der Versetzungssensor des sechsten Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von dem Versetzungssensor des ersten Ausführungsbeispiels von 1 darin, dass Übertragungslinsen bzw. Zwischenlinsen (engl.: „relay lens”) 83 und 84 zwischen dem Strahlenteiler 5 und der Fotoblendenplatte 81 vorgesehen sind. In dem sechsten Ausführungsbeispiels wird das Licht, das von der Bildaufnahmelichtquelle 94 emittiert wird, auf dem Messungsobjekt 500 reflektiert, wobei das Licht ein Bild auf der Bildaufnahmeeinrichtung 9 über die Objektivlinse 6, den Strahlenteiler 5, die Übertragungslinse 83, die Übertragungslinse 84, das Fotoblendenloch der Fotoblendenplatte 81 und die Bilderzeugungslinse 82 ausbildet. 8B veranschaulicht einen Zwischenzustand bzw. virtuellen Zustand, in welchem der Lichtweg des Beobachtungsbildaufnahmesystems OPT-B von 8A linear ausgebildet ist.
Der detaillierte Aufbau des Beobachtungsbildaufnahmesystems OPT-B in dem Versetzungssensor des sechsten Ausführungsbeispiels wird untenstehend beschrieben.
8A veranschaulicht eine Lichtweglänge zwischen Komponenten des Beobachtungsbildaufnahmesystems OPT-B in dem Versetzungssensor des sechsten Ausführungsbeispiels. Insbesondere bezeichnet eine Strecke RA eine Lichtweglänge zwischen der Objektivlinse 6 und dem Strahlenteiler 5, bezeichnet eine Strecke RB eine Lichtweglänge zwischen dem Strahlenteiler 5 und der Übertragungslinse 83, bezeichnet eine Strecke RC eine Lichtweglänge zwischen virtuellen Fotoblendenexistenzpunkten in dem Licht zwischen der Übertragungslinse 83 und der Übertragungslinse 84, bezeichnet eine Strecke RD eine Lichtweglänge zwischen dem virtuellen Fotoblendenexistenzpunkt und der Übertragungslinse 84, bezeichnet eine Strecke RE eine Lichtweglänge zwischen der Übertragungslinse 84 und dem Fotoblendenloch der Fotoblendenplatte 81, bezeichnet eine Strecke RF eine Lichtweglänge zwischen dem Fotoblendenloch der Fotoblendenplatte 81 und der Bilderzeugungslinse 82 und bezeichnet eine Strecke RG eine Lichtweglänge zwischen der Bilderzeugungslinse 82 und der Bildaufnahmeeinrichtung 9. Mit dem „virtuellen Fotoblendenexistenzpunkt” ist ein Punkt gemeint, bei welchem das Licht, das von dem Messungsobjekt 500 reflektiert wird, das Bild durch die Objektivlinse 6 und die Übertragungslinse 83 in Bezug auf das Licht ausbildet, das das Fotoblendenloch der Fotoblendenplatte 81 in dem Licht durchlaufen kann, das die Objektivlinse 6, die Übertragungslinse 83 und die Übertragungslinse 84 durchläuft.
In dem sechsten Ausführungsbeispiel wird angenommen, dass f3 eine Brennweite der Objektivlinse 6, f4 eine Brennweite der Übertragungslinse 83 (erste Übertragungslinse), f5 eine Brennweite der Übertragungslinse 84 (zweite Übertragungslinse) und f6 eine Brennweite der Bilderzeugungslinse 82 ist.
Bei dem Versetzungssensor des sechsten Ausführungsbeispiels ist die Strecke RG auf die hinterseitige Brennweite der Bilderzeugungslinse 82 festgelegt, damit das Licht, das von dem Messungsobjekt 500 reflektiert wird, das Bild an der Bildaufnahmeeinrichtung 9 über die Bilderzeugungslinse 82 ausbildet.
Bei dem Versetzungssensor ist die Strecke RF auf die frontseitige Brennweite der Bilderzeugungslinse 82 festgelegt, damit das Licht, das von dem Messungsobjekt 500 reflektiert wird, das Bild an der Bildaufnahmeeinrichtung 9 über das Fotoblendenloch der Fotoblendenplatte 81 und die Bilderzeugungslinse 82 ausbildet.
Bei dem Versetzungssensor ist die Strecke RE auf die hinterseitige Brennweite der Übertragungslinse 84 festgelegt, damit das Licht, das die Übertragungslinse 84 durchläuft, die Bilderzeugungslinse 82 über das Fotoblendenloch der Fotoblendenplatte 81 erreicht.
Bei dem Versetzungssensor ist die Strecke RD auf die frontseitige Brennweite der Übertragungslinse 84 festgelegt und ist die Strecke RC auf die hinterseitige Brennweite der Übertragungslinse 83 festgelegt.
Bei dem Versetzungssensor ist die Summe der Strecke RB und der Strecke RA gleich der Summe der hinterseitigen Brennweite der Objektivlinse 6 und der frontseitigen Brennweite der Übertragungslinse 83.
Der Durchmesser des Fotoblendenlocha der Fotoblendenplatte 81 wird untenstehend beschrieben. In 8B ist ΦB ein Durchmesser eines Lichtflusses bzw. Lichtbündels des „virtuellen Fotoblendenexistenzpunkts”. In dem sechsten Ausführungsbeispiel wird in Erwägung gezogen, dass eine Beziehung, die durch die folgende Gleichung (8) ausgedrückt wird, zwischen dem Durchmesser ΦB des Lichtflusses bzw. Lichtbündels und dem Durchmesser ΦA des Fotoblendenloch der Fotoblendenplatte 81 besteht. ϕB = ϕA × f4/f5 (8)
Bei dem sechsten Ausführungsbeispiel ändert sich, wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel von 3, die fokussierte Position bzw. Fokusposition der Objektivlinse 6 durch das Wobbeln (Oszillation) der Kollimatorlinse 4. Dementsprechend, unter der Annahme, dass a die Tiefenschärfe der Objektivlinse 6 ist, a1 die frontseitige Tiefenschärfe der Objektivlinse 6 ist und a2 die hinterseitige Tiefenschärfe der Objektivlinse 6 ist (siehe 9) kann, wie bei Gleichung (1), die Beziehung zwischen der Tiefenschärfe a, der frontseitigen Tiefenschärfe a1 und der hinterseitigen Tiefenschärfe a2 durch eine Gleichung (9) ausgedrückt werden. a = a1 + a2 (9)
Die frontseitige Tiefenschärfe a1 und die hinterseitige Tiefenschärfe a2 der Objektivlinse 6 kann durch die folgenden Gleichungen (10) und (11) unter Verwendung der F-Zahl für die Übertragungslinse 83 beschrieben werden. In den Gleichungen (10) und (11) ist F' die F-Zahl für die Übertragungslinse 83 und ε' ein Durchmesser eines zulässigen Zerstreuungskreises in dem Versetzungssensor des sechsten Ausführungsbeispiels. a1 = f32·ε'·F'/(f42 + f3·ε'·F') (10) a2 = f32·ε'·F'/(f42 – f3·ε'·F') (11)
In dem Versetzungssensor des sechsten Ausführungsbeispiels wird erachtet, dass der Durchmesser ε' eines zulässigen Zerstreuungskreises ein Durchmesser eines zulässigen Zerstreuungskreises an dem „virtuellen Fotoblendenexistenzpunkt” ist. Deshalb wird der Durchmesser ε' von einem zulässigen Zerstreuungskreis derart festgelegt, wie in der folgenden Gleichung (12) unter Verwendung der Gleichung (4) ausgedrückt ist.
[Formel 2]

ε' = 2√2·P·f₅/f₆ (12)

Die F-Zahl (F') wird durch die folgende Gleichung (13) ausgedrückt. In der Gleichung (13) ist ΦB ein Öffnungsdurchmesser des virtuellen Fotoblendenlochs. F' = f4/ϕB (13)
Wenn die Gleichung (13) in die Gleichungen (10) und (11) eingesetzt wird, können die Gleichungen (10) und (11) durch die Gleichungen (14) und (15) ausgedrückt werden. a1 = (f32·ε'·f4/ϕB)·(f42 + f3·ε'·f4/ϕB) (14) a2 = (f32·ε'·f4/ϕB)·(f42 – f3·ε'·f4/ϕB) (15)
Bei dem Versetzungssensor des sechsten Ausführungsbeispiels wird der Durchmesser ΦA aus den Gleichungen (14), (15) und (8) so bestimmt, dass die Tiefenschärfe a nicht niedriger als die Amplitude der Schwingung der Kollimatorlinse 4 ist, wobei der Durchmesser ΦA auf den Durchmesser des Fotoblendenlochs der Fotoblendenplatte 81 festgelegt wird. Deshalb wird bei dem Versetzungssensor des sechsten Ausführungsbeispiels die Öffnungsfotoblende des telezentrischen optischen Systems so ausgestaltet, dass das telezentrische optische System die Tiefenschärfe aufweist, die nicht niedriger als der Bereich der Lichtsammelposition ist, die durch die Wobbellichtsammeleinheit geändert wird. Der Bereich der Lichtsammelposition, die durch die Wobbellichtsammeleinheit geändert wird, wird durch das Produkt aus dem Schwingungsbereich der Kollimatorlinse 4 und der optischen Vergrößerung des konfokalen optischen Systems erhalten.
Bei dem Versetzungssensor des sechsten Ausführungsbeispiels wird, nachdem das Licht das Bild einmal durch die Übertragungslinse 83 ausbildet, das Licht in das parallel gerichtete bzw. kollimierte Licht über die Übertragungslinse 84 umgewandelt, wobei das Licht das Fotoblendenloch durchläuft und das Licht das Bild an der Bildaufnahmeeinrichtung 9 über die Bilderzeugungslinse 82 ausbildet. Deshalb wird der Versetzungssensor des sechsten Ausführungsbeispiels insbesondere effektiv in der kurzen hinterseitigen Brennweite der Objektivlinse 6 verwendet, das heißt die Objektivlinse 6, die eine hohe NA (Numerische Apertur) aufweist, wobei der Versetzungssensor des sechsten Ausführungsbeispiels die Erzeugung eines Schattenstreifen (engl. ”ghost”) an der Bildaufnahmeeinrichtung 9 vermeiden kann. Der Schattenstreifen an der Bildaufnahmeeinrichtung 9 wird möglicherweise durch das Licht, das von der transparenten Platte 51 mit niedrigem Reflektionsgrad reflektiert wird, um den Spiegel 52, wenn der Spiegel von 6 verwendet wird, erzeugt.
[Siebtes Ausführungsbeispiel]
10 veranschaulicht schematisch einen Gesamtaufbau eines Versetzungssensors gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Bei dem siebten Ausführungsbeispiel ist der Strahlenteiler 5 an der Hinterseite der Kollimatorlinse 4 auf dem Lichtweg des Lichts, das von dem Messungsobjekt 500 reflektiert wird, versetzt.
In dem siebten Ausführungsbeispiel wird das Bild, das durch die Bildaufnahmeeinrichtung 9 aufgenommen wird, basierend auf dem Licht, das an dem Messungsobjekt 500 reflektiert wird, und zu der Bildaufnahmeeinrichtung 9 über die Objektivlinse 6, die Kollimatorlinse 4, den Strahlenteiler 5, die Übertragungslinse 85, das Fotoblendenloch der Fotoblendenplatte 81 und die Bilderzeugungslinse 82 geleitet wird, ausgebildet.
[Achtes Ausführungsbeispiel]
Bei dem Versetzungssensor gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Anschalt-/Ausschalt-Betriebsart des Lichts, das von der Lichtquelle 1 emittiert wird, und eine Einschalt-/Ausschalt-Betriebsart der Bildaufnahme in der Bildaufnahmeeinrichtung 6 beschrieben. Zum Beispiel umfasst die Bildaufnahmeeinrichtung 9 ein CCD (CCD = „Charge Coupled Device”; ladungsgekoppeltes Gerät), wobei angenommen wird, dass die Einschalt-/Ausschalt-Betriebsart der Bildaufnahme eine Betriebsart ist, die eine Ladeakkumulationszeit betrifft.
11 veranschaulicht einen Blockaufbau des Versetzungssensors des achten Ausführungsbeispiels. Der Blockaufbau von 11 ist im Wesentlichen ähnlich dem von 2. Jedoch ist bei dem achten Ausführungsbeispiel insbesondere eine Verschluss- bzw. Blendeneinrichtungs-/Lichtquellensteuereinheit 110 in der Prozessoreinheit 100 vorgesehen.
Die 12A und 12B veranschaulichen schematisch eine zeitliche Änderung des Oszillationszustands bzw. des Schwingungszustands des Oszillators 7. Es wird angenommen, dass der Oszillationszustand des Oszillators 7 identisch zu dem Oszillationszustand der Kollimatorlinse 4 ist.
In den 12A und 12B sei angenommen, dass X die Amplitude des Oszillators 7 ist, Z eine Tiefenschärfe des Beobachtungsbildaufnahmesystems OPT-B ist und Y ein Oszillationspositionsbereich ist, bei dem die Lichtempfangseinrichtung 2 die Oberflächenposition des Messungsobjekts 500 misst. In dem achten Ausführungsbeispiel wird eine Vergrößerungsbeziehung zwischen X, Y und Z bestimmt, wie in den 12A und 12B veranschaulicht ist. Jedoch ist ein relatives Vergrößerungsverhältnis von X, Y und Z nicht auf das Verhältnis von 12 begrenzt.
Unter Bezugnahme auf 12A wird der Oszillator 7 periodisch in Schwingung versetzt. Bei einem Intervall, bei welchem die Oszillationsposition bzw. Schwingungsposition des Oszillators 7 innerhalb des Bereichs Y jeder Periode bzw. Zeitspanne angeordnet ist, schaltet die Prozessoreinheit 100 die Lichtquelle 1 an, um zu bewirken, dass die Lichtempfangseinrichtung das Licht empfängt, wobei die Prozessoreinheit 100 bestimmt, dass die Oberfläche des Messungsobjekts 500 in der Sammelposition des Lichts, das die Objektivlinse 6 in der Oszillationsposition des Oszillators 7 durchläuft, vorliegt, wenn die Lichtempfangsmenge maximal wird. Grundsätzlich wird die Lichtquelle 1 nicht in Intervallen mit Ausnahme des Intervalls, bei welchem die Oszillationsposition des Oszillators 7 innerhalb des Bereichs Y angeordnet ist, angeschaltet („LIGHT_OFF” Intervall in 12A).
Grundsätzlich schaltet die Verschluss- bzw. Blendeneinrichtungs-/Lichtquellensteuereinheit 110 der Prozessoreinheit 100 bei einem Intervall, bei welchem die Lichtquelle 1 nicht angeschaltet ist, die Bildaufnahmelichtquelle 94 an, um die Bildaufnahmeeinrichtung 9 in einen Ladeakkumulationszustand zu bringen. Wenn die Bildaufnahmeeinrichtung 9 das CCD umfasst, werden die Ladungen, die bei den Intervallen akkumuliert werden, ausgenommen dem Intervall, bei welchem die Lichtquelle 1 nicht angeschaltet wird, verworfen und lediglich die Ladungen, die bei dem Intervall akkumuliert werden, bei welchem die Lichtquelle 1 nicht angeschaltet ist, werden gelesen.
Bei der Blendeneinrichtungs-/Lichtquellensteuereinheit 110 der Prozessoreinheit 100 kann ein Intervall des Blendeneinrichtungsöffnungszustands in jeder Zeitspanne eingestellt werden.
Die 13A–13C veranschaulichen eine Änderung des Bildes, das durch die Bildaufnahmeeinrichtung 9 in jedem Intervall aufgenommen wird, wenn das Intervall des Öffnungszustands der Blendeneinrichtung auf lediglich das „LIGHT_OFF”-Intervall und das Intervall, das das Intervall umfasst, bei welchem die Lichtquelle 1 angeschaltet ist, festgelegt ist, wie durch die Intervalle C1–C3 von 12B veranschaulicht ist. 13 veranschaulicht ebenso eine Lichtempfangsintensität jedes Bildes an einer Linie, die durch einen Pfeil angegeben ist. Bei dem Intervall C1 ist die Blendeneinrichtung lediglich bei dem „LIGHT_OFF”-Intervall geöffnet. Bei dem Intervall C2 umfasst der Öffnungszustand der Blendeneinrichtung das „LIGHT_OFF”-Intervall und das Intervall, bei welchem die Lichtquelle 1 angeschaltet ist. Bei dem Intervall C3 umfasst der Öffnungszustand der Blendeneinrichtung das „LIGHT_OFF”-Intervall und das Intervall, bei welchem die Lichtquelle 1 für eine Zeit angeschaltet ist, die länger als die des Intervalls C2 ist.
Ein Punkt mit hoher Helligkeit ist in den Zentralabschnitten der Bilder der 13B und 13C umfasst, während der Punkt mit hoher Helligkeit nicht in dem Bild von 13A umfasst ist. Der Punkt mit hoher Helligkeit entspricht dem Sammelpunkt des Lichts, das von der Lichtquelle 1 auf die Bildaufnahmeeinrichtung 9 emittiert wird. In den Bildern der 13B und 13C, die erhalten werden, während die Blendeneinrichtung bei den Intervallen C2 und C3 geöffnet ist, die das Intervall, bei welchem der Laserstrahl von der Lichtquelle 1 emittiert wird, umfassen, sind die Messpunkte, solche wie die Punkte P11 und P12, als der Punkt mit hoher Helligkeit in dem Bild um den Messpunkt umfasst. Andererseits ist bei dem Bild von 13A, das erhalten wird, während die Blendeneinrichtung bei dem Intervall C1 geöffnet ist, das das Intervall nicht umfasst, bei welchem der Laserstrahl von der Lichtquelle 1 emittiert wird, der Messpunkt entsprechend dem Punkt mit hoher Helligkeit nicht umfasst. In dem Bild von 13C, das erhalten wird, während die Blendeneinrichtung bei dem Intervall C3 geöffnet ist, das das Intervall umfasst, bei welchem der Laserstrahl für eine Zeit emittiert wird, die länger als die des Intervalls C2 ist, ist der Messpunkt eindeutig umfasst (Helligkeit bei dem Punkt entsprechend dem Messpunkt ist gesteigert), verglichen mit dem Bild von 13B, das erhalten wird, während die Blendeneinrichtung bei dem Intervall C2 geöffnet ist.
In dem Versetzungssensor des achten Ausführungsbeispiels kann das Intervall des Öffnungszustands der Blendeneinrichtung gesteuert werden, um zu bestimmen, ob der Messpunkt in dem Bild, das durch die Bildaufnahmeeinrichtung 9 aufgenommen wird, umfasst ist, oder um einzustellen, wie viel Helligkeit (Deutlichkeit) des Messpunkts umfasst ist.
Insbesondere bestimmt die Blendeneinrichtungs-/Lichtquellensteuereinheit 110 der Prozessoreinheit 100 bei dem Versetzungssensor des achten Ausführungsbeispiels, beispielsweise wenn der Benutzer Informationen in die Eingabe-/Ausgabeeinheit 101 eingibt, ob ein Messpunkt in dem Bild umfasst ist oder inwieweit der Messpunkt umfasst ist, eine Beziehung zwischen einem Intervall, bei welchem die Lichtquelle 1 angeschaltet ist, und dem Intervall, bei welchem die Blendeneinrichtung geöffnet ist, gemäß den Eingabeinformationen.
[Neuntes Ausführungsbeispiel]
14 veranschaulicht schematisch einen Gesamtaufbau eines Versetzungssensors gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Der Versetzungssensor von 14 unterscheidet sich von dem Versetzungssensor von 14A darin, dass die Objektivlinse 61 anstelle der Objektivlinse 6 vorgesehen ist. In dem Versetzungssensor der 14A und 14B ist die Objektivlinse 6 in einem Gehäuse 60 aufgenommen und die Objektivlinse 61 ist in einem Gehäuse 62 aufgenommen.
Bei dem Versetzungssensor des neunten Ausführungsbeispiels sind eine Vielzahl von Objektivlinsen, solche wie die Objektivlinse 6 und die Objektivlinse 61, auf eine austauschbare Weise befestigt, um die Versetzungsmessung und die Bildaufnahme des Messungsobjekts 500 zu ermöglichen.
Die Objektivlinse 6 unterscheidet sich von der Objektivlinse 61 in deren Brennweite. Wie oben beschrieben ist, wird bei dem Versetzungssensor der vorliegenden Erfindung bei Aufnahme des Bildes mit der Bildaufnahmeeinrichtung 9 vorzugsweise die Summe der Strecke auf dem Lichtweg von der Objektivlinse zu dem Strahlenteiler und die Strecke von dem Strahlenteiler zu dem Fotoblendenloch der Fotoblendenplatte 81 (das heißt die Strecke auf dem Lichtweg von der Objektivlinse zu dem Fotoblendenloch der Fotoblendenplatte) auf die hinterseitige Brennweite der Objektivlinse festgelegt.
Deshalb wird bei dem Versetzungssensor der vorliegenden Erfindung, wenn die Objektivlinse durch eine andere Objektivlinse, die eine unterschiedliche Brennweite aufweist, ersetzt wird, jede Objektivlinse derart befestigt, dass die Strecke zu der Fotoblendenbohrung der Fotoblendenplatte die oben beschriebene Bedingung erfüllt.
Das heißt, dass bei dem Versetzungssensor von 14A die Objektivlinse 6 in der Position befestigt ist, bei welcher die Summe der Strecke RA und der Strecke RB die hinterseitige Brennweite der Objektivlinse 6 wird. Bei dem Versetzungssensor von 14B ist die Objektivlinse 6 in der Position befestigt, bei welcher die Summe der Strecke RAX (Strecke auf dem Lichtweg von der Objektivlinse 61 zu dem Strahlenteiler 5) und der Strecke RB die hinterseitige Brennweite der Objektivlinse 61 wird.
Bei dem Versetzungssensor des neunten Ausführungsbeispiels können zumindest drei Arten von Objektivlinsen auf austauschbare Weise verwendet werden, wie in 15 veranschaulicht ist.
In dem Versetzungssensor von 15 werden die Objektivlinse 6, eine Objektivlinse 63 und eine Objektivlinse 65 auf eine austauschbare Weise verwendet.
In dem Zustand, bei welchem die jeweilige Objektivlinse befestigt ist, wird die Strecke (Summe der Strecke RA und der Strecke RB) auf dem Lichtweg von der Objektivlinse 6 zu dem Fotoblendenloch auf die hinterseitige Brennweite der Objektivlinse 6 festgelegt, wird die Strecke (Summe der Strecke RAY und der Strecke RB) auf dem Lichtweg von der Objektivlinse 63 zu dem Fotoblendenloch auf die hinterseitige Brennweite der Objektivlinse 63 festgelegt, und wird die Strecke (Summe der Strecke RAZ und der Strecke RB) auf dem Lichtweg von der Objektlinse 65 zu dem Fotoblendenloch auf die hinterseitige Brennweite der Objektivlinse 65 festgelegt.
In dem Versetzungssensor von 15 sind mit Ausnahme der Objektivlinsen Elemente in einem Chassis bzw. einer Gestelleinrichtung 200 untergebracht. Die Objektivlinse 6, die Objektivlinse 63 und die Objektivlinse 65 sind jeweils in Gehäusen 60, 64 und 66 untergebracht, die an der Gestelleinrichtung 200 befestigt werden können, um die Streckenbeziehung zu erfüllen. Deshalb können bei dem Versetzungssensor die Objektivlinsen, die unterschiedliche Brennweiten aufweisen, leicht ausgetauscht werden.
Die offenbarten Ausführungsbeispiele sind lediglich beispielhaft beschrieben und es wird angemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Ausführungsbeispiele begrenzt ist. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird nicht durch die Beschreibung vorgegeben, sondern durch die Ansprüche der vorliegenden Erfindung, wobei der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu den Ansprüchen und sämtlichen Modifikationen innerhalb des Bereichs der Ansprüche äquivalente Sinngehälter umfasst. Die technischen Gedanken, die in den Ausführungsbeispielen beschrieben sind, können, soweit möglich, kombiniert verwirklicht werden.

Claims

Versetzungssensor, umfassend eine konfokale Versetzungsmesseinrichtung, die eine OberfIächenversetzung eines Messungsobjektes (500) anhand einer Fokusposition zu einem Zeitpunkt bestimmt, bei welchem eine Lichtempfangsintensität maximal wird, und die aufweist: eine erste Lichtprojektionseinheit (1), die Licht einer ersten Wellenlänge emittiert; eine erste Lichtempfangseinheit (2), die das Licht der ersten Wellenlänge empfängt; eine Fokuswobbeleinheit (4, 7), die das Licht, das von der ersten Lichtprojektionseinheit (1) zur Beleuchtung des Messungsobjekts in dessen Richtung emittiert wird, fokussiert und die die Fokusposition des Lichts entlang ihrer optischen Achse kontinuierlich ändert; und eine erste Lichtwegtrenneinheit (3), die den Lichtweg des vom Messungsobjekt (500) reflektierten und durch die Fokuswobbeleinheit (4, 7) zurückgelaufenen Lichts der ersten Wellenlänge von dem Lichtweg des von der ersten Lichtprojektionseinheit (1) in Richtung des Messungsobjektes emittierten Lichtes trennt; eine zweite Lichtprojektionseinheit (94), die Licht einer zweiten Wellenlänge zu dem Messungsobjekt emittiert, die unterschiedlich zu der ersten Wellenlänge ist; eine zweite Lichtwegtrenneinheit (5), die einen Lichtweg des Lichts mit der zweiten Wellenlänge, welches vom Messungsobjekt reflektiert ist, vom reflektierten Licht der ersten Wellenlänge trennt; eine zweite Lichtempfangseinheit (9) für das Licht, dessen Lichtweg durch die zweite Lichtwegtrenneinheit vom Licht der ersten Wellenlänge getrennt ist, und wobei die zweite Lichtempfangseinheit (9) ein telezentrisches optisches System mit einer Bildaufnahmeeinrichtung und einer Blende (81) mit einer Öffnung umfasst, wobei der Durchmesser der Öffnung so bemessen ist, dass das telezentrische optische System eine Tiefenschärfe aufweist, die nicht kleiner als ein Bereich ist, in welchem die Fokusposition durch die Fokuswobbeleinheit (4, 7) geändert wird.
Versetzungssensor gemäß Anspruch 1, wobei die Fokuswobbeleinheit aufweist: eine Objektlinse (6), die das Licht sammelt, das von der ersten Lichtprojektionseinheit (1) in Richtung des Messungsobjekts (500) emittiert wird, um das Messungsobjekt (500) zu beleuchten; und eine Kollimatorlinse (4), die zwischen der ersten Lichtprojektionseinheit und der Objektivlinse (6) vorgesehen ist, um das Licht, das von der ersten Lichtprojektionseinheit (1) zu der Objektivlinse (6) emittiert wird, in im Wesentlichen paralleles Licht umzuwandeln, und wobei die zweite Lichtwegtrenneinheit (5) zwischen der Objektivlinse (6) und der Kollimatorlinse (4) vorgesehen ist.
Versetzungssensor gemäß Anspruch 1, wobei die zweite Lichtwegtrenneinheit (5) durch einen Spiegel (53) ausgebildet wird, der die Öffnung (54) hat, welche das Licht, das die zweite Wellenlänge aufweist, durchläuft, wobei der Durchmesser der Öffnung (54) mit dem Licht beleuchtet wird, das die zweite Wellenlänge aufweist, und wobei die zweite Lichtwegtrenneinheit (5) und die Blende einstückig ausgebildet sind.
Versetzungssensor gemäß Anspruch 1, wobei die zweite Lichtempfangseinheit (9) eine Übertragungslinse (83, 84) umfasst, die zwischen der zweiten Lichtwegtrenneinheit (5) und der Blende vorgesehen ist.
Versetzungssensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zweite Lichtempfangseinheit (9) das Licht, das zu der Blende über die Objektivlinse (6) geleitet wird, empfängt, wobei das Licht das Licht ist, das an dem Messungsobjekt reflektiert wird, wobei die Objektivlinse (6) in einer Position befestigt ist, bei welcher eine Lichtweglänge des Lichts, das an dem Messungsobjekt reflektiert wird, zu der Blende eine hinterseitige Brennweite der Objektivlinse (6) wird, wobei die Objektivlinse (6) durch eine andere Objektivlinse austauschbar ausgestaltet ist, die eine hinterseitige Brennweite aufweist, die unterschiedlich zu der der Objektivlinse (6) ist, und wobei die andere Objektivlinse in einer Position angebracht ist, bei welcher die Lichtweglänge des Lichts, das an dem Messungsobjekt (500) reflektiert wird, zu der Blende (81) die hinterseitige Brennweite der anderen Objektivlinse wird, wenn die Objektivlinse durch die andere Objektivlinse ausgetauscht ist.
Versetzungssensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, weiterhin aufweisend: eine erste Einstelleinheit, die einstellt, ob das Licht, das von der ersten Lichtprojektionseinheit (1) auf das Messungsobjekt emittiert wird, in einem Bild umfasst ist, das mit der Bildaufnahmeeinrichtung aufgenommen wird; und eine zweite Einstelleinheit, die die Helligkeit des Bildes einstellt, das mit der Bildaufnahmeeinrichtung aufgenommen wird, wobei durch Steuern einer Bildaufnahmeeinrichtungsakkumulationszeit, einer ersten Lichtprojektionseinheitemissionszeit und einer zweiten Lichtprojektionseinheitemissionszeit die erste Einstelleinheit einstellt, ob das Licht, das von der ersten Lichtprojektionseinheit emittiert wird, umfasst ist oder nicht und die zweite Einstelleinheit die Helligkeit des Bildes einstellt, das mit der Bildaufnahmeeinrichtung aufgenommen wird.