专利名称：位移计和位移测定方法
技术领域：
本发明涉及向例如金属、树脂、玻璃、陶瓷、纸等的被测定物表面投射光来测定被测定物表面位移的位移计和位移测定方法，以及用同样的测定原理测定被测定物厚度的测厚仪。
背景技术：
以前测定金属或树脂等的被测定物表面位移的装置，例如利用对焦点检测型非接触拉移计。本发明人已经开发出如专利文献1所示的位移计。图1表示的是专利文献1的位移计的构成实例。该图所示的位移计的构成是，可以使由激光功率控制部11驱动的激光二极管12的出射光，依次通过分光镜13、准直透镜14和物镜15，投射到被测定物16。来自被测定物16的反射光通过物镜15和准直透镜14由分光镜13反射，通过形成有针孔17a的光圈部17上的针孔17a，向光电二极管18入射。由光电二极管18进行光电变换后的信号向放大器19输入，其输出信号X向演算部20输入。
在形成为U字状的音叉21一侧纵长部分的前端安装着物镜15的边缘部分。由于音叉21的振动，物镜15以规定振幅沿激光二极管12出射光的光轴方向振动。在音叉21一侧纵长部分前端侧的一边，配设有例如利用磁、光或静电电容的传感器构成的、作为位置检测部的音叉振幅检测器22，从而可检测出音叉21的振幅、即物镜15的位置。由音叉振幅检测器22检测出的检测振幅信号向放大器23输入，其输出信号Y向演算部20输入。在音叉21另一侧纵长部分前端侧的一边，配设着使音叉21振动用的螺线管24。将来自音叉振幅控制部25的控制电流供给螺线管24，由音叉振幅控制部25输入放大器23的输出信号，将音叉21的振幅控制为一定。
以下，说明该位移计的动作。当由音叉振幅控制25向螺线管24供给控制电流时，用螺线管24产生响应控制电流的磁场。该产生的磁场使音叉21以规定振幅振动，使物镜15向通过该物镜15的光的光轴的方向振动。音叉振幅检测器22检测音叉21的振幅、即物镜15的振幅，输出作为物镜15振幅的正弦波信号。由放大器23放大该正弦波信号，将从放大器23输出的输出信号Y向演算器20输出。
另一方面，当由激光功率控制器11向光电二极管12供给驱动电流时，激光二极管12出射激光。该出射光通过分光镜13、准直透镜14和物镜15向被测定物16投射。由被测定物16反射的反射光通过物镜15和准直透镜14由分光镜13反射，向光圈部17侧投射，仅使透过针孔17a的光入射到光电二极管18。因此，光电二极管18对由被测定物16产生的潜光和由激光二极管12发生的杂光引起的反射光，用针孔17a进行遮蔽，使其不能通过针孔17a，仅仅使在被测定物16产生的对焦点的光入射到光电二极管18。
这时，由于物镜15的振动，物镜15和被测定物16间的距离发生有变化。在规定的距离中，若投射到被测定物16的光的对焦点在被测定物16上产生，则光电二极管18的接收光输出瞬时变为最大，将与该接收光输出相应的信号输入到放大器19，从放大器19的输出输出信号X输入到演算部20。演算部20对输出信号X为最大值时刻的输出信号Y的电平、即物镜15的振幅进行取样，并作为位移信号S输出。而且，向距离变换部50输入取样的位移信号S，将位移信号S变换成相应位移信号S的距离，由此测定被测定物16的表面位移。通过获取该光接收量为最大的位置，即通过得到投射到被测定物16的光的对焦点在被测定物16上所得到的物镜15的位置，利用测定被测定物16表面的位移，能高精度、高速度测定位移。由于使用了光圈部，所以即使因在被测定物16上产生的潜光或杂光而产生反射光，也能成为在位移的测定值上难于产生误差的位移计。
专利3300803号然而，由于用该位移计投光到被测定物的光点尺寸比较�。嬖谟幸虮徊舛ㄎ锏谋砻孀刺贾虏豢赡懿舛ǖ奈侍�。例如，对于在被测定物表面有凹部和孔等，在存在光难以正常反射的区域等的场合下，由位移计投射到被测定物的光不能确实地反射到位移计，所以不能进行测定。对于在被测定物表面有呈斑点尺寸大小的细小凹凸的场合，由于有一点的测定位置变动或被测定物的移动，则测定值有大的变动，所以存在难以进行正确测量的问题。
发明内容
本发明是为解决这些问题而研制的，本发明的目的在于提供无论被测定物的表面状态如何，均可实施稳定测量的位移计和位移测定方法。
为了实现上述目的，本发明的技术解决方案1所述的位移计具有，产生投射到被测定物16的光的发光部、接受由上述发光部出射的光并将其投射到被测定物16的物镜15、使上述物镜15以规定振幅沿第一方向振动的起振部、检测上述物镜15在第一方向移动的位置的位置检测部、使来自被测定物16的反射光通过的光圈部、对通过上述光圈部的光进行接收的光接收部、和取得在由上述光接收部接收到的光接收量为最大时刻的上述位置检测部的检测位置，并根据其演算出被测定物16的位移的位移演算部。该位移计的特征是还具有，使上述物镜15沿与第一方向正交的第二方向移动的物镜扫描部52和演算处理部58，该演算处理部58通过上述物镜扫描部52使物镜15沿第二方向移动，将被测定物16的测定点以规定移动量移动，在多个测定点测定位移，并根据各测定点的位移测定结果演算出被测定物16的二维位移。
采用这种结构，使物镜15沿与第一方向正交的第二方向移动，一面改变测定点一面连续测定多个位置的位移量，例如即使在某点不能进行测定，根据其附近点的测定结果，也能得到位移量或位移量的近似值。
技术解决方案2的位移计具有，产生投射到被测定物16的光的发光部、接受由上述发光部出射的光并将其投射到被测定物16的物镜15、使上述物镜15以规定振幅沿通过物镜15的光的光轴方向振动的起振部、检测上述物镜15在光轴方向移动的位置的位置检测部、使来自被测定物16的反射光通过的光圈部、对通过上述光圈部的光进行接收的光接收部、和取得在由上述光接收部接收到的光接收量为最大时刻的上述位置检测部的检测位置并根据其演算出被测定物16位移的位移演算部。该位移计的特征是还具有在被测定物16上指定作为测定对象的测定区域的测定区域指定部51；依据上述测定区域指定部51指定的测定区域，使上述物镜15沿与光轴方向正交的平面移动的物镜扫描部52；检测上述物镜扫描部52检测在正交平面使上述物镜15移动的位置的物镜移动检测部53；根据由上述物镜移动检测部53检测出的、在测定区域内进行测定的多个测定点的物镜15的位置信息和在多个测定点测定到的位移量，演算出测定区域内的位移量分布用的演算处理部56；输出由上述演算处理部58演算的结果用的输出部66。
采用这种结构，还使物镜15沿与第一方向正交的第二方向移动，一面改变测定点一面可以连续测定多个位置的位移量，例如即使在某点不能进行测定时，根据其附近点的测定结果，也能得到位移量或位移量的近似值。
作为技术解决方案3的位移计，其特征在于，除了技术解决方案1或2以外，还具有，上述物镜扫描部52使上述物镜15移动，以规定间隔扫描在被测定物16上指定的路径或区域内，上述演算处理部58将各测定点测定的位移量作为连续量，可以显示在上述指定的路径或区域内的被测定物16的轮廓形状。
采用这种结构，还能连续取得由线指定的部分的位移量，从而检测指定部分的形状和斜率。
作为技术解决方案4的位移计，其特征在于，除了技术解决方案1或2以外，还具有，上述物镜扫描部52使上述物镜15移动，以规定间隔扫描在被测定物16上指定的路径或区域内，上述演算处理部58对各测定点测定的位移量进行平均并作为上述指定的路径或区域内的位移量进行演算。
采用这种结构，还能取得由线指定的区域的位移量的平均值，位移计能进行与投光到被测定物16的光的光点尺寸为近似大小的测定。
作为技术解决方案5的位移计，其特征在于，除了技术解决方案1至4中任一项以外，还具有，上述测定区域指定部51还可设定以下的至少任何一个，其是，上述物镜15移动范围的扫描幅度、作为移动中心位置的扫描中心、周期地移动物镜15时的扫描周期、作为每次移动量的扫描步幅。
采用这种结构，还能根据用户的要求适宜变更位移测定精度和测定时间。例如，为了提高位移测定的精度，使扫描步幅变小。为了进行快速测定，可进行使扫描步幅变大或移动范围变小等设定。
作为技术解决方案6的位移计，其特征在于，除了技术解决方案1至5的任一项以外，还具有将由上述发光部出射的光变换成平行光并将平行光入射到上述物镜15的准直透镜14，上述物镜15可通过上述物镜扫描部52，相对来自上述准直透镜14的平行光的光轴在垂直方向移动。
作为技术解决方案7的位移计，其特征在于，除了技术解决方案1至6的任一项以外，还具有，上述物镜扫描部52移动上述物镜15以规定位置为中心，并且以规定振幅振动。
作为技术解决方案8的位移计，其特征在于，除了技术解决方案1至7的任一项以外，还具有，上述物镜扫描部52在圆弧上使上述物镜15移动。
作为技术解决方案9的位移计，其特征在于，除了技术解决方案8以外，还具有，上述物镜扫描部52由以规定的旋转轴为中心并在圆弧上移动上述物镜15的伺服马达52A构成，上述物镜移动检测部53由检测上述伺服马达52A旋转角的旋转角传感器53A构成。
作为技术解决方案10的位移计，其特征在于，除了技术解决方案8以外，还具有，上述物镜扫描部52由以规定的旋转轴为中心并使上述物镜15旋转移动的音圈52B构成，上述物镜移动检测部53由检测上述音圈52B的移动的霍尔元件53B构成。
作为技术解决方案11的位移计，其特征在于，除了技术解决方案8以外，还具有，还用连结上述物镜15的悬臂梁构成上述物镜扫描部52。
作为技术解决方案12的位移计，其特征在于，除了技术解决方案1至7的任一项以外，还具有，上述物镜扫描部52还使上述物镜15直线状地移动。
作为技术解决方案13的位移计，其特征在于，除了技术解决方案1至12的任一项以外，还具有，配置在来自被测定物16的反射光光路上的摄像用光接收部65、根据上述摄像用光接收部65检测的接收光信号用于被测定物16进行成像显示的摄像监视器63，并使上述摄像监视器63显示的图像摄像的定时时间成为在规定的测定点用上述起振部对上述物镜15进行振动并使上述光接收部的接收光量成为最大的时刻。
采用这种结构，还对被测定物16显示焦点重合的图像。
作为技术解决方案14的位移测定方法是涉及对向被测定物16投射光的反射光进行接收并测定被测定物16的表面位移的方法。该方法具有使投射到被测定物16的光通过的物镜15沿其光轴方向振动的步骤、检测振动着的物镜15的位置并在来自被测定物16的反射光的光量为最大时刻检测物镜15位置的步骤、根据已检测到的位置演算被测定物16的表面位移的步骤。该位移测定方法的特征是还具有使上述物镜15在与光轴方向正交的方向移动，使演算位移的被测定物16上的测定点移动的步骤；测定移动的测定点的位移量，并测定多个测定点的位移量的步骤；根据各测定点测定到的位移量，演算出关于被测定物16的二维位移的步骤。
图1是表示现有技术的位移计一例的示意结构图；图2是表示作为本发明的实施例1的位移计的示意结构图；图3是表示加振部的其他实施例的示意结构图；图4是表示入射到物镜的光的状态的示意图；图5是表示扫描位置控制信号概要的曲线图；图6是表示测定被测定物16位移的测定结果一例的示意图；图7是表示测定其他被测定物16位移的测定结果一例的示意图；图8是表示测定其他被测定物16位移的测定结果一例的示意图；图9是表示测定其他被测定物16位移的测定结果一例的示意图；图10是表示测定其他被测定物16位移的测定结果一例的示意图；图11是表示本发明的实施例2的位移计的示意结构图；图12是表示物镜扫描部其他实施例的结构图；图13是表示物镜扫描部另一实施例的结构图；图14是表示作为本发明的实施例3的位移计的示意结构图。
具体实施例方式
以下，根据
本发明的实施例。以下表示的实施例是用于将本发明的技术思想具体化的位移计和位移测定方法时的实例，然而本发明并不仅限于下述的位移计和位移测定方法。
本说明书在由技术解决方案中所述的部件，并不仅限于特定实施例中的部件。并且各附图表示的部件大小或位置关系等，为了明确说明而进行乐夸张给出的。在以下的说明中，由相同名称、符号，表示相同或具有相同性质的部件，并适当地省略详细说明。至于构成本发明的各要素，可以是同一部件构成多个要素，并且用一个部件兼作多个要素的构成形态，也能够采用多个部件分担实现一个部件的功能。
本发明中的位移计是测定被测定物的表面位移的位移计，并不仅限于测定被测定物的高度和深度、厚度、高度差、台阶差、倾斜和角度等用的装置，也包含用于根据高度或倾斜等的测定结果，可以测定表面形状等的装置。同样，本发明提供的位移测定方法，并不仅不限于用于测定这些被测定物的高度和深度、厚度、高度差、台阶差、倾斜和角度等的方法，也包含用于根据这些测定结果测定表面形状等用的测定方法。
实施例1图2表示本发明实施例1的位移计的结构图。该图所示的位移计具有作为发光部的激光二极管12、将由激光二极管12出射的光变换成平行光的准直透镜14、物镜15、保持物镜1 5的音叉21、使音叉21在光轴方向振动用的、作为起振部的螺线管24、检测用螺线管24产生振动的音叉21位置的、作为位置检测部的音叉振幅检测器22。该位移计在由被测定物16的反射光通过的光圈部17上形成有针孔17a。在光圈部17的针孔17a的位置，设置有作为光接收部的光电二极管18。
由激光功率控制部11驱动的激光二极管12的出射光依次通过分光镜13、准直透镜14和物镜15，并投射到被测定物16。来自被测定物16的反射光通过物镜15和准直透镜14，由构成半透半反镜的分光镜13反射，通过光圈部17上的针孔17a向光电二极管18入射。
用光电二极管18进行光电变换的信号向放大器19输入，其输出信号X被向演算部20输入。在形成为U字状音叉21的一侧纵长部分的前端，安装着物镜15的边缘部分。物镜15利用音叉15的振动，在激光二极管12的出射光的光轴方向以规定振幅振动。在音叉21一侧纵长部分前端侧的一边，配设着作为位置检测部的音叉振幅检测器22。音叉振幅检测器22例如能够利用磁、光或静电电容的传感器，通过检测音叉21的振幅位置，检测与音叉21连接的物镜15的位置。位置检测部除了以多样的方法检测音叉振幅以外，也可以采用直接检测与音叉连接并振动的物镜位置。
音叉振幅检测器22检测出的检测振幅信号被输入到放大器23，其输出信号Y被输入到演算部20。音叉21另一侧纵长部分前端侧的一边，配设着使音叉21产生振动用的螺线管24。
螺线管24由来自音叉振幅控制部25供给的控制电流驱动。音叉振幅控制部25给与放大器23输出信号，控制音叉21的振幅成为一定的。音叉21能够利用例如以800Hz、振幅为±0.3mm振动的音叉。由演算部20演算并输出的位移信号，被输入到距离变换部50。
该位移计由音叉振幅检测器22检测光电二极管18的光接收量为最大时刻的物镜15的位置，并根据此通过作为位移演算部的演算部20和距离变换器50演算出被测定物16的光反射点，即表面位移。
下面，说明这样结构的位移计的动作。如果由音叉振幅控制部25将电流供给螺线管24，则由螺线管24产生磁场。该磁场使音叉21以规定振幅振动，使物镜15向其通过光轴方向振动。音叉振幅检测器22检测音叉21的振幅、即物镜15的振幅，并输出作为物镜15振幅的正弦波信号。用放大器23放大该正弦信号，将由放大器23输出的输出信号Y向演算部20输入。
另一方面，如果由激光功率控制部11向激光二极管12供给驱动电流，则激光二极管12发射出激光。该出射光通过分光镜13、准直透镜14、物镜15向被测定物16投射。由被测定物16反射的反射光通过物镜15和准直透镜14，被分光镜13反射向光圈部17侧投射，仅使通过针孔17的光向光电二极管18入射。因此，对于光电二极管18来说，该光电二极管18由被测定物16产生的潜光和由激光二极管12发生的杂光引起的反射光被针孔17a遮蔽，而不能通过针孔17a，仅仅在被测定物16产生的对焦点的光入射到光电二极管18。
由于物镜15的振动，改变着物镜15和被测定物16间的距离，在到达规定距离的时刻，投射到被测定物16的光的对焦点产生在被测定物16上时，光电二极管18的接收光输出瞬时变为最大，响应该接收光输出的信号向放大器19输入，放大器19的输出信号X向演算部20输入。演算部20通过检测输出信号X的最大值，能正确检测出投射到被测定物16的光的对焦点产生时刻。演算部20对输出信号X为最大值时刻的输出信号Y的电平、即物镜15的振幅进行取样，并作为位移信号S输出。而且，向距离变换部50输入取样的位移信号S，将位移信号S变换成相应位移信号S的距离，由此测定被测定物16的表面位移。
在该实例中，是通过对音叉振幅检测部22输出的正弦波信号进行采样保持，来直接求得物镜15的位移的。但是，取得物镜15位移的方法并不仅限于该方法。例如，如作为专利文献1的专利3300803号所公开的那样，由音叉振幅检测器22输出的信号，可以作为振幅和相位是已知的正弦波信号加以利用，也可以采用从被测定物16的对焦点产生时刻的相位或相位差间接取得物镜15位移的方法。
作为起振部的其他实施例，如图3所示，不仅可以将物镜15而且可以将准直透镜14连接在音叉21上。在图3的实例中，在音叉21一侧纵长部分的前端安装有物镜15的边缘部分，在另一侧纵长部分的前端，安装有和物镜15在同一光轴配置的准直透镜14的边缘部分。而且，按照物镜15和准直透镜14能共同振动的方式构成。这样就能使音叉21一侧纵长部分和另一侧纵长部分的重量实现平衡，有效地使音叉21振动。在音叉21的一侧纵长部分的外侧面和另一侧纵长部分的外侧，分别固定着压电元件，通过将电压附加到该压电元件上能使音叉21产生振动。
这样的被测定物16上任意一点的位移演算方法，例如可以适当利用上述专利文献1所述的方法和其他已知的方法或将来开发的方法，且省略了详细说明。
测定区域如以上所示，位移计可以测定已指定为测定点的位移量。而且，位移计可以指定多个测定点。具体地说，可以由测定区域指定部51指定作为测定对象的测定区域。测定区域可以用圆弧或直线等线段实施指定。测定区域指定部51的指定方法，可以适当采用例如指定线段的始点和终点用的方法、直接指定自由曲线的方法等。而且，还可以在指定测定区域用的直线或曲线中，指定作为测定点间隔的扫描步幅。或者可以将想要测定的多个位置作为测定点，由用户直接指定，或者还可以采用能根据用户指定的位置，由位移计自动设定测定区域的方法。例如，还可以将指定的位置作为基准，并且将测定点的间隔设定成规定值。
在这样设定的测定区域内，由位移计在多个测定点测定各自的位移点。而且，根据测定出的多个位置的位移量，能获知被测定物16的表面状态。例如，可以对表示测定区域凹凸形状等的轮廓形状、斜度、最大高度、最小高度、平均高度、高低差、厚度等进行演算，并根据需要进行显示。显示方法可以如图6～图10所示，将被测定物16的轮廓形状作为剖面形状，显示在视觉输出部60的显示器等处。而且，可以合并显示平均高度或斜度等数值。
若使用这种方法，由于在连续的多个位置测定位移，所以假定在某位置被测定物的表面形态等原因使其不能进行测定的场合，也可以利用在其附近可测定的位置测定的位移量，对不能测定位置的位移量实施预测、补正。因此，在使用投射光到被测定物的光的光点尺寸比较小的位移计时，也能避免不能进行测定的事态出现。
通过将测定区域从点状变为线状，能实现与光的光点尺寸等价大小的测定。例如，可以将预定的线段作为测定区域进行指定，通过测定该区域内多个测定点的位移量，得到位移量的平均值等数据，从而能实现与对光点进行线状延长的位移测定同等的测定。
除此以外，由于也能对测定区域内的轮廓形状进行测定，所以也能测定以前不能实现的二维、三维区域的高度或高度差、台阶差、幅度、角度等。特别是能够连续进行多个位置的测定，并可以对其结果实施统计确认，所以可以省略指定一个个测定点的操作，进而能容易地实现所谓平均值和最大值、最小值、斜度等的演算处理，实现极方便使用的良好工作环境。
当然，也能使物镜扫描部52停止，仅对任意一点的位移量进行测定。
物镜扫描部52测定点的移动可以通过移动物镜15来进行。物镜15在与光轴正交的方向移动，即在图4中沿水平方向移动。从发光部入射到物镜15的光，由设置在其间的准直透镜14变换成为平行光。其结果可如图4所示，即使沿与平行光正交方向移动，也由于光轴方向的焦距不变，在被测定物16上能够连结焦点，所以能进行位移测定。即使物镜15移动，也如接收平行光那样，使物镜15的大小与准直透镜14相比，最好使透镜面的直径比较�。铱梢园盐锞�15的可能移动范围设定在准直透镜14的直径内。
物镜15用物镜扫描部52实施移动。图2所示的位移计具有作为物镜扫描部52的伺服马达52A；检测由物镜扫描部52移动物镜15的位置的、作为物镜移动检测部53的、检测伺服马达52A旋转角的旋转角传感器53A。伺服马达52A，通过设置在保持构成起振部的音叉21的音叉座56上的旋转轴54，旋转自如地与起振部进行连接，对旋转轴54进行定位，以使与起振部连结着的物镜15沿与光轴正交的平面移动。在图2中，旋转轴54贯通音叉座56的后端，在水平面内旋转音叉21，可使物镜15垂直接受从准直透镜14来的平行光。伺服马达52A的旋转，可由与伺服马达52A连接的扫描位置控制部57控制。扫描位置控制部57根据由演算处理部58输出的扫描位置控制信号，控制伺服马达52A的旋转。
物镜移动检测部53在伺服马达52A的旋转轴54，安装有作为物镜移动检测部53的旋转角传感器53A，由旋转角传感器53A检测物镜15的位置。旋转角传感器53A将物镜移动位置信号送出到扫描位置控制部57，扫描位移控制部57根据物镜移动位置信号和扫描位置控制信号，正确控制物镜15的位置。扫描位置控制部57还将物镜15的位置信号报告给演算部20。因此，位移计能边把握测定位置边进行扫描。演算部50接受物镜15的位置信息，用距离变换部50对测定点的每一个位移量进行演算，并将演算结果向演算处理部58输出。演算处理部58备有存储器59，以保存各测定点的位移量。然后进行规定的演算处理，并可根据需要相应地输出其结果。例如，可以由显示器进行显示，由打印机进行打�。杉锹济教褰斜４妫蛭衅渌硭统龅酵獠炕鳌Ｊ涑霾�66可以根据这些处理利用显示器等的显示部、打印机等的打印部、存储设备等的媒体记录部、计算机等的外部设备等等。演算部50和演算处理部58可以由诸如系统LSI等的IC构成，也可用同一电路构成。
测定区域指定部51图2所示的位移计具有用户对所需测定区域进行指定用的测定区域指定部51。测定区域利用线段指定进行测定的区域。测定区域指定部51可以为例如能适当利用的控制台和键盘、鼠标、触摸屏等输入部件。测定区域指定部除了可以设置在位移计51之外，还可以通过作为可自如装卸的部件的有线、无线与位移计本体连接。或者，也可以利用与位移计连接的计算机连接着的输入装置。
测定区域指定部51与演算处理部58相连接。用户通过从测定区域指定部51指示测定区域，演算处理部58根据该信息，将音叉位置控制信号、扫描位置控制信号分别输入到音叉振幅控制部25、扫描位置控制部57，并对其进行控制。图5表示的是扫描位置控制信号的示意图。测定区域由作为物镜15移动范围的扫描幅度、作为移动中心位置的扫描中心、使物镜15周期移动时的扫描周期、作为每一个移动量的扫描步幅等决定。当用户例如指定了扫描步幅和扫描幅度时，物镜15通过指定的扫描步幅进行阶段移动，移动至扫描幅度时，则返回沿相反方向移动，以通过周期地移动扫描被测定物的表面。为了使指定简单，用户对被测定物任意一点进行指定时，能以该点作为扫描中心，用预先设定的扫描幅度、扫描步幅自动设定扫描区域。或者，并不仅限定于周期扫描物镜15的方法，也可以沿指定的任意路径移动，并通过测定任意点的位移的方式，对这样的路径或点进行指定。
扫描需要的时间或扫描速度，主要由扫描步幅和扫描幅度决定。扫描步幅越大、扫描幅度越狭，扫描速度越快。另一方面，若减小扫描步幅，可以提高扫描精度，从而可进行更微细的位移测定。因而，测定区域和其参数，可以根据速度和精度间的平衡设定成希望的值。
另一方面，如图5所示，与扫描位置控制信号平行，从演算处理部58对音叉振幅控制部25送出音叉位置信号。因而，在沿与光轴垂直的面移动物镜15期间，也可以通过起振部使物镜15沿光轴方向移动，如上所示那样，通过检测光接收部的最大值能演算出位移。最好在每一个扫描步幅中，用起振部使物镜15在光轴方向形成一周期以上的振幅，以便能够在每个步幅中测定位移。由此，扫描位置控制信号和音叉位置检测信号可以由演算处理部58同步输出。
在以上那样设定的测定区域中，测定各种各样的被测定物16位移的实例表示于图6～图10中。这些图表示出被测定物16的形状和作为测定结果的表面高度的曲线。在各图中是作为说明测定图像的并且使被测定物16表面和测定结果不一致。
图6是测定金属制具有光亮面的被测定物16的表面轮廓的测定值。如该图所示，即使是具有光亮面的被测定物16，也能显示出指定测定区域内的高度变化。
图7表示测定含有不能进行测定的点的被测定物16的实例。在该实例中，依次测定具有凹凸的陶瓷表面，由于在某位置不能测定其位移，所以不能用测定结果形成曲线，但从其前后的测定结果能推测出其位移量。从不能进行测定的点的前后位移量，能够演算并补全不能测定点的位移量。或者，还可以对全部位移量进行平均化处理，或对特异的值进行抽样并且补正处理，也可添加进行平滑化处理。
图8表示测定被测定物16高度时的实例。在该实例中，检测的是透明玻璃上突出有硅粘接剂时的高低差。这样就能够扫描被测定物16的表面，检测出最大高度和最小高度，并通过对其差进行演算而得到正确的高低差。
图9表示测定斜度时的实例。在该实例中，测定的是铁氧体和电极构成的头部的前端的位移，并由其近似直线求得倾斜角度。这样，即使在各点的位移测定值具有偏差，也可以从一定范围内的全部测定结果中得到角度特性。并且类似地，也能求得测定范围中的平均高度。
图10表示进行深度测定的实例。在该实例中，在被测定物16的表面形成有凹部，并通过测定其上面和底面的位移来测定深度。
这样，位移计能够分别在多个测定点分别测定位移量，并根据已测定的多个位置的位移量，能够获知被测定物的表面状态。在上述构成实例中，通过不移动由发光部发出的光的光轴，而通过使物镜侧移动，能够实现对被测定物表面的测定点的扫描。因此，没有必要设计扫描发光部光轴用的复杂机构，本发明能够实现构成极廉价的扫描机构的优良特点。
实施例2以上如图2所示的结构中，使用作为物镜扫描部52的伺服马达52A，但物镜扫描部并不仅限于此。图11表示的是作为本发明其他实施例的位移计。图11所示的位移计具有和图2大体相同的结构，但作为物镜扫描部52采用的是使用音圈52B和音圈用磁铁52C构成的旋转机构，并且物镜移动检测部53采用的是霍尔元件53B和霍尔元件用磁铁53C。
旋转轴保持部55具有保持着旋转轴54并固定在静止状态，且具有剖面为コ字状开口部60，音圈用磁铁52C固定在该旋转轴保持部55的开口部内面。另一方面，音圈52B突出在音叉座56的上面，并以插入到开口部60的状态与音圈用磁铁52C相对抗的方式，固定在音叉座56上。该位移计利用扫描位置控制部57调整流动过音圈52B内的电流，依据和该电流交叉的磁场的相互作用，在和音圈用磁铁52C之间产生驱动力，从而以旋转轴54为中心旋转物镜15。
物镜15的移动位置可由霍尔元件53B和霍尔元件用磁铁53C进行检测。在图11的实例中，在音叉座56上固定着霍尔元件用磁铁53C，在和该霍尔元件用磁铁53C相对抗的位置设置着静止的霍尔元件53B。霍尔元件53B是利用GaAs和InSb的霍尔效果检测磁场强度的元件。霍尔元件53B检测的是相应于和霍尔元件用磁铁53C间距离的磁场强度，将音叉座56的旋转角度或旋转距离作为物镜移动位置信号，向扫描位置控制部57输出。
物镜15的移动方式也可利用图12、图13所示的方法。这些图是表示物镜15处于固定状态时的平面图。在图12中，将物镜15固定在板簧61上，并通过板簧61的振动在水平面内移动。板簧61由未图示的起振部驱动振动。该结构能够形成极廉价的结构。
在上述的物镜移动方式中，其轨迹都是圆弧状的。如果使这种场合的圆弧半径变大，轨迹将从圆弧状变为接近直线状。
在图13中，使用着使物镜15沿直线移动用的可滑动线性导轨62。线性导轨62可沿导轨轨道直线地滑动。因而，固定在线性导轨62上的物镜15能可靠地沿直线移动。即使在这些图所示的方式中，也可以适当地设置有物镜移动检测部。
实施例3作为本发明的实施例3，为图14表示的具有摄像监视器63的实例。该图所示的位移计，除了和图2大致同样的结构以外，还具有在发光部光路中设置第二分光镜64的第二半透半反镜，在从第二半透半反镜的反射光的光路上设置的作为摄像用光接收部65的CCD摄像机等的图像传感器，与CCD摄像机连接的摄像监视器63。摄像监视器63由CCD摄像机检测到的接收光信号，对被测定物16进行显示。该摄像监视器63在物镜15移动时，通常不连续显示被测定物16，通过仅在特定时间进行摄像，能显示出焦点鲜明的图像。对由监视器63显示的图像进行摄像的定时时间，是物镜15的焦点重合时的时刻，而且CCD摄像机对由监视器63显示出的图像进行摄像的定时时间，是振动并移动着的物镜15在扫描幅度内的规定的扫描位置，最好为扫描中心且物镜15形成对焦点的时刻。因此，即使物镜15的扫描位置时刻产生着变化，也可在摄像监视器63上显示在预定扫描位置的静止状态图像。对焦点的定时时间和上述方法同样，为光接收部的光量成为最大的时刻。还可以根据需要设置照明装置，与该定时时间连动地照射出闪光光束。因此，能可靠且瞬时地捕捉焦点吻合的定时时间，不需要特别的机构就实现性能极高的自动聚焦功能。摄像监视器63仅显示这样的摄像图像，并且可以在进行新摄像的定时时间里更新图像显示。因而，摄像监视器63通常只能够显示出美丽的图像。或者这也依赖于扫描幅度和扫描步幅，对于一周期的扫描速度比摄像监视器63的更新速度(电视速率是60Hz左右)更迟缓的场合，通过设置帧存储器以显示没有闪烁的图像。帧存储器是存储一帧、即一页图像部分的图像数值的存储器。通过保持摄像获得的图像数据，通过反复显示同一图像数据，使与倍速显示相对应的高质量显示成为可能。虽然在该实例中，除输出部外还显示有摄像监视器，但摄像监视器也可以和作为输出部一个实例的显示部实现兼用。
如以上说明那样，本发明的位移计和位移测定方法不仅可以对被测定物上的一点进行位移测定，而且能对具有线状范围的区域进行测定。由此，即使存在不能进行检测的测定点，也可以通过测定其附近的位移量进行推测、补正。因此，在通过微小的点进行被测定物的细致位移测定时，不会出现不能测定的问题，能够实现可靠性高的位移计和位移测定方法。而且，也可以对测定区域中已测定的多个测定值进行组合处理，得到平均值或高低差、倾斜检测、轮廓形状等信息，从而可以实现更详细的测定。
权利要求
1.一种位移计，其具有产生投射到被测定物的光的发光部；接收从上述发光部出射的光，并投射到被测定物上的物镜；使上述物镜以规定振幅沿第一方向振动的起振部；检测上述物镜在第一方向移动的位置的位置检测部；使来自被测定物的反射光通过的光圈部；对通过上述光圈部的光进行接收的光接收部；取得上述光接收部接收到的光接收量为最大时刻的上述位置检测部的检测位置，根据其演算与被测定物相关位移的位移演算部；其特征在于，使上述物镜沿与第一方向正交的第二方向移动的物镜扫描部；通过上述物镜扫描部使物镜沿第二方向移动，使被测定物的测定点以规定的移动量进行移动，在多个测定点测定位移，根据各测定点的位移测定结果演算与被测定物相关二维位移的演算处理部。
2.如权利要求1所述的位移计，其特征在于，上述物镜扫描部使上述物镜在圆弧上移动。
3.如权利要求2所述的位移计，其特征在于，上述物镜扫描部由使上述物镜以规定的旋转轴为中心在圆弧上移动的伺服马达构成，上述物镜移动检测部由检测上述伺服马达的旋转角的旋转角传感器构成。
4.如权利要求2所述的位移计，其特征在于，上述物镜扫描部由使上述物镜以规定的旋转轴为中心旋转移动的音圈构成，上述物镜移动检测部由检测上述音圈移动的霍尔元件构成。
5.如权利要求2所述的位移计，其特征在于，将上述物镜扫描部由连结着上述物镜的悬臂梁构成。
6.如权利要求1所述的位移计，其特征在于，上述物镜扫描部使上述物镜作直线状移动。
7.如权利要求1所述的位移计，其特征在于，上述位移计还具有，配置在来自测定物的反射光的光路上的摄像用光接收部和根据上述摄像用光接收部检测的接收光信号对被测定物进行成像显示用的摄像监视器，使对上述摄像监视器显示的图像进行摄像的定时时间成为在规定的测定点利用上述起振部使上述物镜振动并使上述光接收部的接收光量成为最大的时刻。
8.一种位移计，其具有产生投射到被测定物的光的发光部；接收从上述发光部出射的光，并投射到被测定物的物镜；使上述物镜以规定振幅沿通过物镜的光的光轴方向振动的起振部；检测上述物镜在光轴方向移动的位置的位置检测部；使来自被测定物的反射光通过的光圈部；对通过上述光圈的光进行接收的光接收部；取得上述光接收部接收到的光接收量为最大时刻的上述位置检测部的检测位置，根据其演算与被测定物相关位移的位移演算部；其特征在于，在被测定物上指定成为测定对象的测定区域的测定区域指定部；依据上述测定区域指定部指定的测定区域，使上述物镜沿与光轴方向正交的平面移动的物镜扫描部；检测通过上述物镜扫描部在正交平面移动上述物镜的位置的物镜移动检测部；根据由上述物镜移动部检测出的、在测定区域内进行测定的多个测定点的物镜的位置信息和在多个测定点测定的位移量，演算出测定区域内的位移量分布用的演算处理部；输出由上述演算处理部演算出的结果用的输出部。
9.如权利要求8所述的位移计，其特征在于，上述物镜扫描部使上述物镜移动，使其以规定间隔扫描被测定物上指定的路径或区域内，上述演算处理部将在各测定点测定的位移量作为连续量，可以显示在上述指定的路径或区域内的被测定物的轮廓形状。
10.如权利要求8所述的位移计，其特征在于，上述物镜扫描部使上述物镜移动，使其以规定间隔扫描被测定物上指定的路径或区域内，上述演算处理部将在各测定点测定的位移量进行平均，并作为上述指定的路径或区域的位移量进行演算。
11.如权利要求8所述的位移计，其特征在于，上述测定区域指定部可设定下述的至少任何一个，其是，作为上述物镜移动范围的扫描幅度、作为移动中心位置的扫描中心、使物镜周期地移动时的扫描周期、作为每一次移动量的扫描步幅。
12.如权利要求8所述的位移计，其特征在于，上述位移计还具有将从上述发光部出射的光变换成平行光并将平行光入射到上述物镜的准直透镜，上述物镜的结构是通过上述物镜扫描部相对上述准直透镜的平行光的光轴在垂直方向移动。
13.如权利要求8所述的位移计，其特征在于，上述物镜扫描部移动上述物镜，以规定的位置为中心并以规定的振幅进行振动。
14.如权利要求8所述的位移计，其特征在于，上述物镜扫描部使上述物镜在圆弧上移动。
15.如权利要求14所述的位移计，其特征在于，上述物镜扫描部由使上述物镜以规定的旋转轴为中心在圆弧上移动的伺服马达构成，上述物镜移动检测部由检测上述伺服马达的旋转角的旋转角传感器构成。
16.如权利要求14所述的位移计，其特征在于，上述物镜扫描部由使上述物镜以规定的旋转轴为中心旋转移动的音圈构成，上述物镜移动检测部由检测上述音圈移动的霍尔元件构成。
17.如权利要求14所述的位移计，其特征在于，将上述物镜扫描部由连结着上述物镜的悬臂梁构成。
18.如权利要求8所述的位移计，其特征在于，上述物镜扫描部使上述物镜作直线状移动。
19.如权利要求8所述的位移计，其特征在于，上述位移计还具有，配置在来自测定物的反射光的光路上的摄像用光接收部和根据上述摄像用光接收部检测的接收光信号对被测定物进行成像显示用的摄像监视器，使对上述摄像监视器显示的图像进行摄像的定时时间成为在规定的测定点利用上述起振部使上述物镜振动并使上述光接收部的接收光量成为最大的时刻。
20.一种位移测定方法，其对投射到被测定物的光的反射光进行接收以测定被测定物表面位移，其特征在于，使投射到被测定物的光通过的物镜沿光的光轴方向振动的步骤；检测振动的物镜的位置并在来自被测定物的反射光的光量为最大的时刻检测物镜位置的步骤；根据检测到的位置演算被测定物的表面位移的步骤，使上述物镜沿与光轴方向正交方向移动，使演算位移的被测定物上的测定点移动的步骤；测定移动的测定点的位移量，并测定多个测定点的位移量的步骤；根据各测定点测定的位移量，演算与被测定物相关二维位移的步骤。
全文摘要
一种位移计和位移测定方法，其无论被测定物的表面状态如何，均能进行稳定测量。这种位移计具有将光投射到被测定物(16)的物镜(15)；使物镜(15)以规定振幅沿通过物镜的光的光轴方向振动的起振部；检测物镜(15)位置的位置检测部；使物镜(15)沿与光轴方向正交的平面移动的物镜扫描部(52)；检测物镜(15)移动位置的物镜移动检测部(53)；根据由物镜移动检测部(53)检测的测定区域内的物镜(15)的位置信息和在多个测定点测定的位移量，演算测定区域内位移量分布用的演算处理部(58)；输出由演算处理部(58)演算出的结果用的输出部。
文档编号G01B11/00GK1550754SQ20041005951
公开日2004年12月1日 申请日期2004年3月20日 优先权日2003年3月20日
发明者秋柴雄二 申请人:株式会社其恩斯
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
