專利名稱：延伸的測(cè)量方法及非接觸式激光延伸計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用激光非接觸測(cè)量例如材料試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)樣品的伸縮量的方法及作為其裝置的非接觸式激光延伸計(jì)。
利用激光照射在試樣表面得到的反射光，非接觸地測(cè)定該試樣的延伸量(或壓縮量，下同)的方法，已經(jīng)知道的有利用斑紋圖案的方法、利用激光多普勒效應(yīng)的方法以及在試驗(yàn)樣品表面的兩處做記號(hào)，同時(shí)用激光測(cè)定各記號(hào)的位置、隨時(shí)算出這兩個(gè)記號(hào)之間的距離的方法。
利用斑紋圖案的方法，是在固定設(shè)定于試驗(yàn)樣品上的一處測(cè)定兩種斑紋圖案，求出各互相關(guān)函數(shù)，以此算出斑紋圖案各自的移動(dòng)量，通過(guò)求出其差，使關(guān)于包含在斑紋圖案各移動(dòng)量計(jì)算結(jié)果中的平移量的信息互相抵消、只留下激光光點(diǎn)內(nèi)的變形量(日本專利特公昭61—27681號(hào))。
利用多普勒效應(yīng)時(shí)根據(jù)下述原理計(jì)算出試驗(yàn)樣品上兩處之間的延伸量。即將具有不同波長(zhǎng)的兩種激光光束以某一角度交互照射于固定設(shè)定于試驗(yàn)樣品上的一處，使其產(chǎn)生用兩激光光束的頻率差調(diào)制的干涉條紋。在這種狀態(tài)下，一旦試驗(yàn)樣品移動(dòng)，根據(jù)多普勒效應(yīng)干涉條紋的強(qiáng)度的調(diào)制頻率只漂移與試驗(yàn)樣品移動(dòng)速度相對(duì)應(yīng)的值，而利用這一現(xiàn)像求其移動(dòng)速度，對(duì)其進(jìn)行時(shí)間積分，可以求出激光光束照射位置的移動(dòng)量。利用這一原理，求出試驗(yàn)樣品兩處的移動(dòng)量，若計(jì)算出兩者的差，即可求出試驗(yàn)樣品上兩處之間的延伸量。
又，在用激光分別測(cè)量貼在試驗(yàn)樣品上的兩個(gè)記號(hào)位置的方式中，使用多面反射鏡等在試驗(yàn)樣品的延伸方向上掃描照射激光光點(diǎn)，通過(guò)連續(xù)檢測(cè)其反射光強(qiáng)度，從而求出各記號(hào)每一時(shí)刻的位置。根據(jù)這些記號(hào)的位置變化，求得試驗(yàn)樣品兩記號(hào)之間的延伸。
再者，本發(fā)明人已經(jīng)提出利用斑紋圖案，①求出試驗(yàn)樣品兩處的斑紋圖案的移動(dòng)量，通過(guò)計(jì)算出兩者之差，消去包含于各移動(dòng)量中的應(yīng)變信息、計(jì)算出該兩處之間的延伸或壓縮量的技術(shù)，②用利用這樣的斑紋圖案或激光多普勒效應(yīng)得出的、試驗(yàn)樣品上兩處的移動(dòng)量的計(jì)算結(jié)果，使兩處的激光照射位置跟蹤試驗(yàn)樣品的變形而改變、同時(shí)測(cè)定試驗(yàn)樣品上兩處之間的延伸的技術(shù)(日本專利特開(kāi)平7—4928號(hào))。
但是，在上述各種方式中，根據(jù)照射激光于試驗(yàn)樣品上一個(gè)地方得到的兩種斑紋圖案計(jì)算變形量的方式得到的延伸量，只是激光光點(diǎn)內(nèi)的延伸量，而試驗(yàn)樣品的其他地方即使發(fā)生斷裂等情況，其信息也不會(huì)在數(shù)據(jù)中得到反映，不僅如此，而且它與使用現(xiàn)有的接觸式機(jī)械延伸計(jì)等的日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JIS)依據(jù)的延伸概念相距甚遠(yuǎn)。
與此相反，求試驗(yàn)樣品兩處的斑紋圖案的移動(dòng)量、再求出該兩移動(dòng)量的差的、本發(fā)明人提出的第①種方式，或利用激光多普勒效應(yīng)由試驗(yàn)樣品兩處的移動(dòng)速度求出其各自的移動(dòng)量，從兩移動(dòng)量的差求兩處之間的延伸的方式得出的延伸量數(shù)據(jù)中反映出試驗(yàn)樣品上兩處之間廣泛區(qū)域內(nèi)的狀況。
但是，根據(jù)這樣的兩處的斑紋圖案的移動(dòng)量或利用多普勒效應(yīng)的試驗(yàn)樣品兩處的移動(dòng)量信息求得的延伸，都是激光照射位置從試驗(yàn)開(kāi)始后就沒(méi)有變化，所以與JIS規(guī)定的延伸概念不同。也就是說(shuō)，固定激光照射的兩個(gè)位置得到的延伸，是以該照射位置之間的距離為GL、在相隔GL固定的兩觀測(cè)量點(diǎn)之間的試驗(yàn)樣品移動(dòng)量積分值，而與此相反，JIS的抗拉試驗(yàn)中規(guī)定的延伸，是表示最初設(shè)定的兩點(diǎn)(標(biāo)記點(diǎn))間的距離GL，在試驗(yàn)后如何變化的變化率或變化量，兩者的值并不等價(jià)。而且，像上面說(shuō)的那樣，使激光照射位置不變，計(jì)算該兩點(diǎn)之間延伸的方式中，在試驗(yàn)樣品延伸大的情況下，最初設(shè)定的兩點(diǎn)，由于試驗(yàn)造成的試驗(yàn)樣品延伸，有可能離開(kāi)觀測(cè)點(diǎn)，故還存在使測(cè)定不能正確進(jìn)行的問(wèn)題。
解決這些問(wèn)題的，是前述由本發(fā)明者提出的技術(shù)②。在該技術(shù)中，根據(jù)最初設(shè)定的兩標(biāo)記點(diǎn)每一時(shí)刻移動(dòng)量的測(cè)定結(jié)果，因?yàn)楦淖兏骷す獾恼丈湮恢?，使其跟蹤各?biāo)記點(diǎn)，所以有可能得到與已有的接觸式機(jī)械延伸計(jì)相同的延伸測(cè)定結(jié)果，同時(shí)，因?yàn)閿U(kuò)大了激光照射位置的跟蹤范圍，也可以相應(yīng)用于延伸大的試驗(yàn)樣品。
但是，這種跟蹤方式不僅需要使激光照射位置變化所需的復(fù)雜機(jī)構(gòu)，裝置的價(jià)格也高，而且由于跟蹤用的機(jī)構(gòu)的誤差，存在測(cè)量結(jié)果有誤差的缺點(diǎn)。
另一方面，在試驗(yàn)樣品的兩處貼標(biāo)志、用激光測(cè)量各標(biāo)志位置的方式，不產(chǎn)生這一類問(wèn)題，但缺點(diǎn)是貼標(biāo)志費(fèi)事，而且有可能在試驗(yàn)進(jìn)行中標(biāo)志剝落。
鑒于存在上述情況，本發(fā)明的目的在于提供一種完全不必要在試驗(yàn)樣品上做任何記號(hào)等，而且也不需要復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，又能適用于試驗(yàn)樣品延伸大的情況，而且可以直接得到符合JIS的延伸測(cè)定結(jié)果的方法以及非接觸式激光延伸計(jì)。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的延伸測(cè)定方法具有如下特征在試驗(yàn)樣品表面要測(cè)量的延伸方向上的預(yù)定長(zhǎng)度上照射激光，把該激光在試驗(yàn)樣品表面產(chǎn)生的散射光通過(guò)光電變換得到斑紋圖案數(shù)據(jù)，同時(shí)，該數(shù)據(jù)中，分別以該試驗(yàn)樣品上在上述延伸方向上只相距規(guī)定距離的兩個(gè)區(qū)域來(lái)的數(shù)據(jù)作為觀察點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初始設(shè)定，用該各觀察點(diǎn)數(shù)據(jù)分別一邊計(jì)算出試驗(yàn)樣品上的上述兩個(gè)區(qū)域的斑紋圖案的移動(dòng)量，一邊每當(dāng)該各移動(dòng)量的計(jì)算結(jié)果分別達(dá)到規(guī)定值，使觀察點(diǎn)數(shù)據(jù)源的區(qū)域朝其移動(dòng)方向進(jìn)行移位，根據(jù)該各觀察點(diǎn)的移位量與利用各觀察點(diǎn)數(shù)據(jù)算出的斑紋圖案的移動(dòng)量計(jì)算出初始設(shè)定的兩個(gè)區(qū)域的延伸。
也就是說(shuō)，本發(fā)明的延伸測(cè)定方法是，對(duì)試驗(yàn)樣品的延伸測(cè)定方向上比較長(zhǎng)的區(qū)域照射激光，將其散射光進(jìn)行光電變換，得到該長(zhǎng)照射區(qū)域來(lái)的散射光所含的斑紋圖案數(shù)據(jù)，但是以其中在延伸方向上只相距某一距離的兩個(gè)區(qū)域作為觀察點(diǎn)進(jìn)行初始設(shè)定，用來(lái)自該各區(qū)域的斑紋圖案數(shù)據(jù)分別計(jì)算出這些區(qū)域的斑紋圖案的移動(dòng)量，隨時(shí)求出各觀察點(diǎn)區(qū)域的位移。然后，不固定初始設(shè)定的兩個(gè)觀察點(diǎn)區(qū)域，每當(dāng)其位移達(dá)到規(guī)定量時(shí)，將所用的數(shù)據(jù)進(jìn)行移位，實(shí)質(zhì)上就在跟蹤觀察點(diǎn)區(qū)域。
從而，本發(fā)明基本上是根據(jù)來(lái)自試驗(yàn)樣品的、在延伸方向上相隔規(guī)定距離的兩個(gè)觀察點(diǎn)的散射光，求出該兩處各自的斑紋圖案的移動(dòng)量，由該各移動(dòng)量的差，計(jì)算出該兩處之間的延伸，同時(shí)跟蹤在試驗(yàn)樣品變形時(shí)兩個(gè)觀察點(diǎn)的移動(dòng)、取得數(shù)據(jù)，如由本發(fā)明者提出的方案②所述，不是用機(jī)械方法改變激光照射位置進(jìn)行跟蹤，而是一邊取得試驗(yàn)樣品在延伸方向上廣大區(qū)域的斑紋圖案數(shù)據(jù)，一邊不久就使供計(jì)算斑紋圖案移動(dòng)量的觀察點(diǎn)數(shù)據(jù)跟蹤試驗(yàn)樣品的變形進(jìn)行移位。
采用這種數(shù)據(jù)移位跟蹤觀察點(diǎn)的方式，不需要復(fù)雜的跟蹤用的機(jī)構(gòu)，而且能夠適用于試驗(yàn)樣品延伸大的情況。
又，本發(fā)明的非接觸式激光延伸計(jì)是利用上述本發(fā)明方法的延伸計(jì)，如實(shí)施例的

圖1所示，其特征在于，具有對(duì)延伸測(cè)定方向上規(guī)定長(zhǎng)度的試驗(yàn)樣品W表面照射激光的照射光學(xué)系統(tǒng)1；接收該激光被試驗(yàn)樣品W散射的光、得到斑紋圖案數(shù)據(jù)的多通道散射光檢測(cè)裝置2；將該散射光檢測(cè)裝置2的輸出中與試驗(yàn)樣品W上要測(cè)定的延伸方向上相距只為規(guī)定距離的兩個(gè)區(qū)域來(lái)的散射光有關(guān)的各多通道的數(shù)據(jù)作為觀察點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初始設(shè)定的設(shè)定裝置3；利用該各觀察點(diǎn)數(shù)據(jù)，分別計(jì)算試驗(yàn)樣品W的上述兩個(gè)區(qū)域來(lái)的斑紋圖案的移動(dòng)量的移動(dòng)量計(jì)算裝置41、42；每當(dāng)由該移動(dòng)量計(jì)算裝置41、42算出的各移動(dòng)量分別達(dá)到規(guī)定量時(shí)，將分別作為觀察點(diǎn)數(shù)據(jù)源應(yīng)該使用的通道，根據(jù)斑紋圖案在其移動(dòng)方向上的移動(dòng)量作相應(yīng)移位的通道移位控制裝置43、44；根據(jù)來(lái)自該通道移位控制裝置43、44的、關(guān)于兩個(gè)觀察點(diǎn)數(shù)據(jù)的各通道位移量與來(lái)自移動(dòng)量計(jì)算裝置41、42的、從兩區(qū)域來(lái)的斑紋圖案移動(dòng)量計(jì)算出用設(shè)定器3初始設(shè)定的兩區(qū)域之間的延伸的延伸計(jì)算裝置45。
這樣結(jié)構(gòu)的裝置，隨著觀察點(diǎn)的移動(dòng)而產(chǎn)生的通道的移位動(dòng)作，在裝置的動(dòng)作程序中，總之，由于有可能平穩(wěn)地進(jìn)行，因而瞬時(shí)移位是可能的，與借助于機(jī)構(gòu)跟蹤激光的照射位置的方式相比，也可以不必?fù)?dān)心在跟蹤時(shí)斑紋圖案散亂。
本發(fā)明的非接觸式激光延伸計(jì)的適用實(shí)施例中，散射光檢測(cè)裝置由多通道的圖像傳感器22和使散射像成像于該圖像傳感器22的受光面用的聚光透鏡21構(gòu)成。而且，設(shè)置多組這樣的圖像傳感器與聚光透鏡，借助于此，也可以將來(lái)自試驗(yàn)樣品上受激光照射區(qū)域的散射光按空間分開(kāi)接收。
另一方面，向試驗(yàn)樣品投射激光的照射光學(xué)系統(tǒng)1可以由半導(dǎo)體激光器11與將其輸出光變成平行光束的準(zhǔn)直管透鏡12，和將經(jīng)過(guò)該準(zhǔn)直管透鏡的激光一維放大用的由兩個(gè)圓柱形透鏡13a、13b構(gòu)成的光束擴(kuò)展器13構(gòu)成。又可設(shè)置多組這樣的照射光學(xué)系統(tǒng)，形成各照射光學(xué)系統(tǒng)對(duì)整個(gè)試驗(yàn)樣品表面應(yīng)測(cè)試的延伸方向上擴(kuò)展的區(qū)域照射激光的結(jié)構(gòu)。這時(shí)，不妨把各照射光學(xué)系統(tǒng)照射試驗(yàn)樣品表面的激光照射區(qū)域在應(yīng)測(cè)試的延伸方向上分為兩部分。
于是，像上面說(shuō)的那樣，把試驗(yàn)樣品上的激光照射區(qū)域分為兩部分時(shí)，也可以對(duì)應(yīng)各個(gè)激光照射區(qū)域，分別設(shè)置檢測(cè)散射光的光學(xué)系統(tǒng)。
又，借助于通道移位進(jìn)行的觀察點(diǎn)跟蹤動(dòng)作，由于在試驗(yàn)樣品及裝置的外觀上完全不能用視覺(jué)確認(rèn)，因而最好是根據(jù)需要采用像，將這樣的跟蹤動(dòng)作告知操作者用的顯示器、或?qū)凑崭櫠苿?dòng)的光點(diǎn)照射在試驗(yàn)樣品表面這樣的對(duì)策。
附圖的簡(jiǎn)單說(shuō)明圖1是表示本發(fā)明實(shí)施例的總體結(jié)構(gòu)的模式圖。
圖2是為了說(shuō)明用本發(fā)明實(shí)施例的設(shè)定器3進(jìn)行觀察點(diǎn)初始設(shè)定的手法的曲線圖。
圖3是本發(fā)明其他實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
圖4是本發(fā)明的又一實(shí)施例的重要部分的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖5是表示本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例的總體結(jié)構(gòu)的模式圖。
下面參照附圖對(duì)本發(fā)明適用的實(shí)施例加以說(shuō)明圖1是表示本發(fā)明實(shí)施例的總體結(jié)構(gòu)的模式圖，試驗(yàn)樣品W以兩端被例如材料試驗(yàn)機(jī)的夾具夾住的狀態(tài)，在圖中的上下方向承受拉伸負(fù)載。用照射光學(xué)系統(tǒng)1、在該試驗(yàn)樣品W的延伸方向的規(guī)定距離上、例如20cm的長(zhǎng)度上向該試驗(yàn)樣品W照射同樣的激光。
照射光學(xué)系統(tǒng)1由半導(dǎo)體激光器11、使該半導(dǎo)體激光器11發(fā)出的光成為平行光束用的準(zhǔn)直管透鏡12及將經(jīng)該透鏡12的激光僅在上下方向擴(kuò)散開(kāi)、并引向試驗(yàn)樣品W的兩個(gè)柱狀透鏡13a、13b構(gòu)成的光束擴(kuò)張器13構(gòu)成。
從照射光學(xué)系統(tǒng)1來(lái)的激光經(jīng)試驗(yàn)樣品W表面散射的光，用聚光透鏡21及一維圖像傳感器22構(gòu)成的散射光檢測(cè)裝置2檢測(cè)，一維圖像傳感器22是例如上下方向上2000個(gè)像素以10μm的間距排列的2000通道的圖像傳感器。而且，聚光透鏡21，其焦距例如為4.4cm，它被配置于距離試驗(yàn)樣品W的受激光照射的一面50cm的位置上，同時(shí)，在其后方5cm的地方安放一維圖像傳感器22，從試驗(yàn)樣品W的20cm長(zhǎng)的激光照射區(qū)域來(lái)的散射光由聚光透鏡21聚焦在一維圖像傳感器22的受光面上形成縮小為1/10的像。
一維圖像傳感器22的各通道的輸出，在放大器5放大后，經(jīng)A-D變換器6變成數(shù)字，寄存于存儲(chǔ)器7。在存儲(chǔ)器7，一維圖像傳感器22的每一通道予先設(shè)定數(shù)據(jù)的寄存地址，來(lái)自各通道的數(shù)據(jù)，寄存于相應(yīng)的地址。這存儲(chǔ)器7內(nèi)的各通道的數(shù)據(jù)，除了作為下述參考數(shù)據(jù)用的初始數(shù)據(jù)外，每當(dāng)數(shù)據(jù)到來(lái)，運(yùn)算部4隨時(shí)讀出，其一部分供后述的運(yùn)算后全部數(shù)據(jù)立即舍棄、等待來(lái)自一維圖像傳感器的下一次數(shù)據(jù)到來(lái)。
運(yùn)算部4，在圖中用各種不同機(jī)能的方框圖分別表示，但實(shí)際上由高速信號(hào)處理電路和CPU構(gòu)成。在該運(yùn)算部4連接著把一維圖像傳感器22的各通道的數(shù)據(jù)中、相當(dāng)于試驗(yàn)前試驗(yàn)樣品W的兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的兩個(gè)區(qū)域來(lái)的散射光數(shù)據(jù)分別被作為觀察點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初始設(shè)定用的設(shè)定器3。該設(shè)定器3，如圖2曲線所示，在一維圖像傳感器22的第1至2000通道中，作為初始觀察點(diǎn)數(shù)據(jù)源，將例如第301通道至400通道作為第1觀察點(diǎn)數(shù)據(jù)源設(shè)定，而將第1601至1700通道作為第2觀察點(diǎn)數(shù)據(jù)源設(shè)定。
第1及第2移動(dòng)量計(jì)算部41及42，將設(shè)定器3初始設(shè)定的從上下兩區(qū)域A1及A2來(lái)的散射光數(shù)據(jù)、總之將一維圖像傳感器22的第301至第400通道的數(shù)據(jù)群與第1601至第1700通道的數(shù)據(jù)群分別作為觀察點(diǎn)數(shù)據(jù)，就各區(qū)域的數(shù)據(jù)群、分別算出隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)的互相關(guān)函數(shù)，求出來(lái)自各區(qū)域的斑紋圖案的移動(dòng)量。具體地說(shuō)，就是將各觀察點(diǎn)數(shù)據(jù)的初始值分別作為參照數(shù)據(jù)，計(jì)算出該各參照數(shù)據(jù)與從后每時(shí)刻的觀察點(diǎn)數(shù)據(jù)的互相關(guān)函數(shù)，求出其最大強(qiáng)度的移動(dòng)量。
各移動(dòng)量計(jì)算部41及42的輸出，分別供給延伸計(jì)算部45，同時(shí)供給分別對(duì)應(yīng)設(shè)置的第1及第2通道移位控制部43及44。每當(dāng)被提供的斑紋圖案的移動(dòng)量達(dá)到規(guī)定的量、例如相當(dāng)于30通道的量，從而在圖1的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中試驗(yàn)樣品W上斑紋圖案的實(shí)際移動(dòng)量達(dá)到300μm時(shí)，通道移位控制部43及44使作為觀察點(diǎn)數(shù)據(jù)源的通道在其移動(dòng)方向上移位30個(gè)通道。也就是說(shuō)，一旦來(lái)自第一觀察點(diǎn)數(shù)據(jù)源的斑紋圖案的移動(dòng)量達(dá)到300μm，就將作為數(shù)據(jù)源使用的通道移位到第331—430通道，以后，將在第1移動(dòng)量計(jì)算部41使用的數(shù)據(jù)換成來(lái)自移位后的通道的數(shù)據(jù)。總而言之，在進(jìn)行通道移位的時(shí)刻，廢棄在此之前一直使用的參照數(shù)據(jù)，重新將來(lái)自第331—430通道的初始數(shù)據(jù)作為參照數(shù)據(jù)，隨時(shí)算出與后來(lái)的、來(lái)自同一通道群的數(shù)據(jù)的互相關(guān)函數(shù)。對(duì)于第2觀察點(diǎn)數(shù)據(jù)源，也完全同樣處理。然后，每進(jìn)行這樣的規(guī)定量的通道移位，該命令也傳給延伸計(jì)算部45。
延伸計(jì)算部45根據(jù)各移動(dòng)量計(jì)算部41及42供給的、來(lái)自各觀察區(qū)域的斑紋圖案移動(dòng)量S1及S2，和各通道移位控制部43及44供給的關(guān)于各區(qū)域的通道移位量C1及C2，計(jì)算出初始設(shè)定的第1與第2區(qū)域間的延伸并輸出。
也就是說(shuō)，初始設(shè)定的第1及第2區(qū)域A1及A2的、從試驗(yàn)開(kāi)始起經(jīng)某些時(shí)間的某一時(shí)刻的位移δ1及δ2分別為δ1＝C1＋S1δ2＝C2＋S2其中S1及S2分別為由該時(shí)刻移動(dòng)量計(jì)算部41及42得出的斑紋圖案的移動(dòng)量；C1及C2為同一時(shí)刻的通道移位量。從而該時(shí)刻第1區(qū)域與第二區(qū)域A1與A2之間的延伸Δ可由下式算出Δ＝δ1－δ2＝(C1＋S1)－(C2＋S2)這樣得到的延伸值Δ，是在以初始設(shè)定的作為第1及第2觀察點(diǎn)數(shù)據(jù)源的各通道群的中央位置上，就是說(shuō)第350通道與第1650通道上所成的試驗(yàn)樣品W的像，換句話說(shuō)就是區(qū)域A1與A2的各中點(diǎn)作為標(biāo)記點(diǎn)的、以JIS為依據(jù)的延伸值，而將Δ除以該兩標(biāo)志點(diǎn)間的初始距離，即可得到JIS所述的延伸率。
而且，應(yīng)該使通道移位的斑紋圖案移動(dòng)量的規(guī)定值可以為任意值，但是由斑紋圖案移動(dòng)量計(jì)算部41、42計(jì)算出的互相關(guān)函數(shù)的最大強(qiáng)度，隨著斑紋圖案的移動(dòng)而降低，其位置的辨別變得困難起來(lái)，因此，最好以可以清楚地識(shí)別其最大強(qiáng)度的位置的限度內(nèi)的移動(dòng)量作為規(guī)定量。
在此處，上述實(shí)施例中，在由各斑紋圖案移動(dòng)量計(jì)算部41、42算出的斑紋圖案移動(dòng)量達(dá)到例如相當(dāng)于30通道的規(guī)定量之前，繼續(xù)使用來(lái)自與用作參照數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)相同的通道的數(shù)據(jù)，但本發(fā)明不限于此，可按如下要求構(gòu)成對(duì)于作為參照數(shù)據(jù)使用的數(shù)據(jù)，在進(jìn)行規(guī)定量的移動(dòng)時(shí)同樣逐級(jí)移位，同時(shí)，對(duì)于用于計(jì)算與該參照數(shù)據(jù)的相關(guān)函數(shù)的每時(shí)刻的數(shù)據(jù)，每當(dāng)斑紋圖案的移動(dòng)量達(dá)到例如相當(dāng)于1通道的量，即進(jìn)行移位。
也就是說(shuō)，圖1的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，每當(dāng)試驗(yàn)樣品W上的實(shí)際斑紋圖案移動(dòng)10μm，參照數(shù)據(jù)保持原封不動(dòng)，而將算出與此相關(guān)的相關(guān)函數(shù)用的數(shù)據(jù)源移位1通道。而即使這樣使數(shù)據(jù)源移位，一旦斑紋圖案的移動(dòng)量超過(guò)某一值，相關(guān)強(qiáng)度即下降，最大強(qiáng)度位置的識(shí)別逐漸變得困難，因此，在不超過(guò)該限度的范圍內(nèi)，與前述例子一樣，為了使參照數(shù)據(jù)行進(jìn)而逐級(jí)將通道移位。以這樣的動(dòng)作，更加仔細(xì)地追蹤最初的觀察點(diǎn)，因此相關(guān)強(qiáng)度的下降也變得緩慢了。在這種情況下，各觀察點(diǎn)每時(shí)刻的移動(dòng)量δ1(δ2)如下δ1＝(C1＋D1＋S1)δ2＝(C2＋D2＋S2)其中C1(C2)為該時(shí)刻的參照數(shù)據(jù)行進(jìn)所需的通道移位量；S1(S2)為該時(shí)刻的、移動(dòng)量計(jì)算部41(42)計(jì)算出的斑紋圖案移動(dòng)量；D1(D2)為每一時(shí)刻數(shù)據(jù)源的移位量的累加值。
又，在上述實(shí)施例中，用一個(gè)圖像傳感器22觀測(cè)來(lái)自照射光學(xué)系統(tǒng)1的激光照射的整個(gè)區(qū)域。而如圖3所示，在試驗(yàn)樣品W的延伸方向上設(shè)置兩個(gè)一維圖像傳感器221、222，同時(shí)，可采用和那兩個(gè)圖像傳感器221及222相對(duì)，配設(shè)兩個(gè)將來(lái)自激光照射區(qū)域的散射光分成上下兩部分加以引導(dǎo)的聚光透鏡211及212的結(jié)構(gòu)。如果采用圖3的結(jié)構(gòu)，各圖像傳感器221及222、聚光透鏡211及212、以及這些零部件相對(duì)于試驗(yàn)樣品W的位置關(guān)系，就各組來(lái)說(shuō)，都做成與圖1相同，以此，各圖像傳感器221、222分別可測(cè)定20cm、合計(jì)可測(cè)定40cm的區(qū)域。用同樣的圖像傳感器和聚光透鏡做成3組，可以測(cè)定60cm的區(qū)域。
在像這樣用多個(gè)圖像傳感器將空間加以分割測(cè)定散射光的情況下，配置各傳感器等，使各圖像傳感器上的像連續(xù)，或一部分重復(fù)，在設(shè)置兩個(gè)2000通道的圖像傳感器的情況下，各圖像傳感器互相分開(kāi)，但是，從它們來(lái)的信號(hào)宛如從連續(xù)的4000通道的一個(gè)圖像傳感器來(lái)的信號(hào)，可與先前的實(shí)施例完全一樣處理，可以應(yīng)付用長(zhǎng)標(biāo)距的測(cè)試和延伸大的試樣的測(cè)試。
而且，試驗(yàn)樣品W的激光照射區(qū)域，不必一定像上述各實(shí)施例那樣是一條連續(xù)的線狀區(qū)域，而可以像圖4例示那樣，設(shè)置與圖1相同的兩組照射光學(xué)系統(tǒng)1a及1b、同時(shí)也可以使其與兩觀察點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)，作為在同一線上、在試驗(yàn)樣品W延伸的方向上分為兩部分的區(qū)域。這種情況下，上下觀察點(diǎn)可以對(duì)不超過(guò)各照射區(qū)域的范圍的延伸進(jìn)行測(cè)定。而采用這樣的照射光學(xué)系統(tǒng)的情況下，也可以采取與兩照射區(qū)域分別相對(duì)應(yīng)配置檢測(cè)散射光用的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。這樣把射向不需要的地方的激光減少到零、使單位面積的激光功率加大因而效率提高，從而能取得提高數(shù)據(jù)信號(hào)噪聲比的效果。
再者，圖像傳感器22不限于一維的圖像傳感器，也可以在與應(yīng)該測(cè)定的延伸方向垂直的方向上也并排數(shù)十個(gè)畫素作為二維的圖像傳感器，這時(shí)，得到的斑紋圖案數(shù)據(jù)包含更多的信息量，同時(shí)，即使試驗(yàn)樣品W在橫方向移動(dòng)的情況下，也有能繼續(xù)測(cè)定延伸的優(yōu)點(diǎn)。
也可以，將照射于試驗(yàn)樣品W表面上的激光換成上述靜止的線狀光線，使用例如多面反射鏡、在試驗(yàn)樣品W上、沿著延伸測(cè)定方向、以與圖像傳感器的幀速率同步或與其相比足夠快的周期快速掃描光點(diǎn)，實(shí)質(zhì)上進(jìn)行線狀激光照射。
但是，使用上述各實(shí)施例，直線狀激光只是對(duì)試驗(yàn)樣品W表面作固定照射，用設(shè)定器3設(shè)定的最初的觀察點(diǎn)的第1與第2區(qū)域存在于試驗(yàn)樣品W上的什么位置，而隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，這些區(qū)域移向什么位置，肉眼看不見(jiàn)。為了讓人知道第1與第2區(qū)域存在于試驗(yàn)樣品W上的什么地方，可以采用例如另外使用攝像機(jī)拍攝試驗(yàn)樣品W，將該圖像顯示于陰極射線管等監(jiān)視畫面上，同時(shí)，在該畫面上，根據(jù)設(shè)定器3的觀察點(diǎn)初始設(shè)定內(nèi)容和前述δ1及δ2的計(jì)算結(jié)果，迭加顯示表示各區(qū)域的符號(hào)等的結(jié)構(gòu)。
而且可以采用如下的、在試驗(yàn)樣品表面直接照射表示觀察點(diǎn)(標(biāo)志點(diǎn))的光點(diǎn)的、圖5模式所示的那種結(jié)構(gòu)。
在圖5的例子中，照射光學(xué)系統(tǒng)1、散射光檢測(cè)裝置2及該散射光數(shù)據(jù)的取樣裝置和存儲(chǔ)器7、還有運(yùn)算部4的基本結(jié)構(gòu)，與圖1的示例相同，但是在散射光檢測(cè)裝置2的聚光透鏡21和一維圖像傳感器22之間，可由用于選擇濾光器的驅(qū)動(dòng)器105從兩個(gè)帶通濾光器103與104中任選一個(gè)插入。該選擇濾光器的驅(qū)動(dòng)器105受運(yùn)算部4的指令而動(dòng)作。
在試驗(yàn)樣品W上，除了來(lái)自照射光學(xué)系統(tǒng)1的激光外，還照射著為了證明觀察點(diǎn)用的來(lái)自兩個(gè)標(biāo)識(shí)用激光照射光學(xué)系統(tǒng)101及102的兩束光點(diǎn)狀標(biāo)識(shí)用的激光。該各標(biāo)識(shí)用激光的波長(zhǎng)為例如680nm、從測(cè)試用的照射光學(xué)系統(tǒng)1來(lái)的激光的波長(zhǎng)為780nm。所述兩個(gè)帶通濾光器103與104中，一個(gè)濾光器103只讓波長(zhǎng)以680nm為中心的狹窄的波長(zhǎng)范圍的光透過(guò)，另一濾光器104只讓波長(zhǎng)以780nm為中心的狹窄的波長(zhǎng)范圍的光透過(guò)。
各標(biāo)識(shí)用激光照射光學(xué)系統(tǒng)101及102在將半導(dǎo)體激光器101a及102a輸出的光用透鏡101b及102b形成光點(diǎn)狀后、通過(guò)可動(dòng)反射鏡101c、102c將該激光照射于試驗(yàn)樣品W的表面，各可動(dòng)反射鏡101c、102c，其角度分別由根據(jù)運(yùn)算部4的指令動(dòng)作的反射鏡驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)106、107進(jìn)行控制。
而且，散射光檢測(cè)裝置2的聚光透鏡21由根據(jù)運(yùn)算部4的指令動(dòng)作的自動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)108控制可在光軸上移動(dòng)。
初始設(shè)定觀察點(diǎn)用的設(shè)定器3在本例中成為給控制標(biāo)識(shí)用激光照射系統(tǒng)101、102內(nèi)的可動(dòng)反射鏡101c、102c的角度的反射鏡驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)106、107提供控制信號(hào)的電路，操作者通過(guò)操作該設(shè)定器3在試驗(yàn)樣品W上的任意兩處分別照射標(biāo)識(shí)用的激光，從而在試驗(yàn)樣品W上直接設(shè)定兩個(gè)觀察點(diǎn)的初始位置。
這樣在試驗(yàn)樣品W上照射標(biāo)識(shí)用的激光、進(jìn)行觀察點(diǎn)的初始位置設(shè)定后，運(yùn)算部4就首先發(fā)出指令給濾光器選擇用驅(qū)動(dòng)器105，選擇680nm用的帶通濾光器103，使其在1維圖像傳感器22上形成兩個(gè)標(biāo)識(shí)用激光光點(diǎn)像，根據(jù)該圖像傳感器22的輸出、計(jì)測(cè)各標(biāo)識(shí)用激光的中心位置，將該計(jì)測(cè)結(jié)果作為兩個(gè)觀察點(diǎn)的初始位置存儲(chǔ)。在這里，根據(jù)含于來(lái)自試驗(yàn)樣品W的散射光的斑紋信息求取光點(diǎn)的中心位置有困難時(shí)，可以使半導(dǎo)體激光器101a、102a的驅(qū)動(dòng)電流改變，以一邊使斑紋隨機(jī)變化，一邊累計(jì)一維圖像傳感器22的輸出，用這樣的方法可以消除斑紋引起的噪聲，使求取各光點(diǎn)的中心變得容易。
而且，在那時(shí)，可以調(diào)整聚光透鏡21的聚焦，亦即峰值分布曲線在焦點(diǎn)對(duì)好的時(shí)候半值寬度變得最小，而根據(jù)標(biāo)識(shí)用激光的反射光的峰值的半值寬度驅(qū)動(dòng)自動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)108對(duì)聚光透鏡21進(jìn)行調(diào)焦。以此，在用測(cè)定來(lái)自照射光學(xué)系統(tǒng)1的激光的散射光進(jìn)行實(shí)際延伸的測(cè)定時(shí)，即使測(cè)試用的激光不是平行光，也可以使其不受試驗(yàn)樣品W前后移動(dòng)的影響。而且也有可以根據(jù)焦點(diǎn)信息求出聚光透鏡21與試驗(yàn)樣品W表面之間的距離，并以此求出散射光像的正確倍率的好處。同時(shí)，可以求得測(cè)試開(kāi)始時(shí)的圖像傳感器22上的標(biāo)志點(diǎn)間隔，并根據(jù)倍率求得最初試驗(yàn)樣品W上的標(biāo)志點(diǎn)間的距離。
上述與初始設(shè)定有關(guān)的一連串動(dòng)作一結(jié)束，即驅(qū)動(dòng)濾光器選擇用驅(qū)動(dòng)器105、將帶通濾光器換成780nm用的濾光器104，開(kāi)始進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定動(dòng)作與圖1的示例完全相同，而將各觀察點(diǎn)每時(shí)刻的移動(dòng)量δ1及δ2的計(jì)算結(jié)果提供給各反射鏡驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)106、107，以此控制各可動(dòng)反射鏡101c、102c的角度，各標(biāo)識(shí)用激光的照射位置隨著各觀察點(diǎn)的移動(dòng)分別跟著它變化。而且，伴隨觀察點(diǎn)的移動(dòng)的標(biāo)識(shí)用激光照射位置的精度，由于這些標(biāo)識(shí)只是用來(lái)使操作者了解觀察點(diǎn)的移動(dòng)狀況的，故精度不需要特別高。
又，在上述例子中，也可以采用卞述結(jié)構(gòu)根據(jù)焦點(diǎn)信息，求出聚光透鏡21與試驗(yàn)樣品W表面之間的距離、求出倍率、以此為根據(jù)求出試驗(yàn)樣品W上最初的標(biāo)志點(diǎn)間的距離，利用這一辦法，作為初始觀察點(diǎn)(標(biāo)志點(diǎn))的設(shè)定方法、操作者在設(shè)定標(biāo)志點(diǎn)間距離的同時(shí)，只在兩觀察點(diǎn)(標(biāo)志點(diǎn))中的一方以標(biāo)識(shí)用激光加以照射來(lái)進(jìn)行設(shè)定，從而運(yùn)算部4能自動(dòng)設(shè)定另一側(cè)的觀察點(diǎn)，在該位置上照射標(biāo)識(shí)用激光。
權(quán)利要求
1.一種延伸的測(cè)量方法，其特征在于，對(duì)著試驗(yàn)樣品表面、在要測(cè)定延伸的方向規(guī)定長(zhǎng)度上照射激光、將該激光的被試驗(yàn)樣品表面的散射光加以光電變換得出斑紋圖案數(shù)據(jù)，同時(shí)以該數(shù)據(jù)中、從試驗(yàn)樣品上上述延伸方向上相距規(guī)定距離的兩個(gè)區(qū)域得到的數(shù)據(jù)分別作為觀察點(diǎn)數(shù)據(jù)的初始設(shè)定值，用這兩個(gè)觀察點(diǎn)數(shù)據(jù)分別計(jì)算出試驗(yàn)樣品上上述兩個(gè)區(qū)域來(lái)的斑紋圖案的移動(dòng)量，每當(dāng)各移動(dòng)量的計(jì)算結(jié)果達(dá)到規(guī)定值，將作為觀察點(diǎn)數(shù)據(jù)源的區(qū)域向上述移動(dòng)方向進(jìn)行移位、根據(jù)用該各觀察點(diǎn)的移位量與各觀察點(diǎn)數(shù)據(jù)算出的斑紋圖案移動(dòng)量、算出初始設(shè)定的兩個(gè)區(qū)域間的延伸。
2.一種非接觸式激光延伸計(jì)，其特征在于，具備向試驗(yàn)樣品表面的要測(cè)定延伸的方向規(guī)定長(zhǎng)度上照射激光的照射光學(xué)系統(tǒng)；接受該激光的被試驗(yàn)樣品散射的散射光、取得斑紋圖案數(shù)據(jù)用的多通道散射光檢測(cè)裝置；以該散射光檢測(cè)裝置的輸出中、與試驗(yàn)樣品上延伸方向上相距規(guī)定距離的兩個(gè)區(qū)域來(lái)的散射光有關(guān)的各數(shù)個(gè)通道份額的數(shù)據(jù)分別作為觀察點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初始設(shè)定的設(shè)定裝置；使用該各觀察點(diǎn)數(shù)據(jù)分別計(jì)算出試驗(yàn)樣品的上述兩個(gè)區(qū)域來(lái)的斑紋圖案的移動(dòng)量的移動(dòng)量計(jì)算裝置；每當(dāng)由該移動(dòng)量計(jì)算裝置計(jì)算出的各移動(dòng)量分別達(dá)到規(guī)定值，就使應(yīng)該分別用作觀察點(diǎn)數(shù)據(jù)源的通道朝斑紋圖案的移動(dòng)方向按該移動(dòng)量移位的通道移位控制裝置；用所述設(shè)定裝置，根據(jù)由該通道移位控制裝置決定的、與兩個(gè)觀察點(diǎn)數(shù)據(jù)有關(guān)的各通道移位量和所述移動(dòng)量計(jì)算裝置決定的、來(lái)自兩區(qū)域的斑紋圖案的移動(dòng)量計(jì)算初始設(shè)定的兩個(gè)區(qū)域之間延伸的延伸計(jì)算裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非接觸式激光延伸計(jì)，其特征在于，其散射光檢測(cè)裝置由多通道的圖像傳感器和用來(lái)使散射光成像于該圖像傳感器的受光面上的聚光透鏡構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的非接觸式激光延伸計(jì)，其特征在于，按照來(lái)自激光照射區(qū)域的散射光由排列于延伸測(cè)量方向的多組聚光透鏡及圖像傳感器在空間上分區(qū)接收的方式構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非接觸式激光延伸計(jì)，其特征在于，照射光學(xué)系統(tǒng)由半導(dǎo)體激光器及將其輸出光變成平行光束的準(zhǔn)直管透鏡和將經(jīng)過(guò)該準(zhǔn)直管透鏡的激光擴(kuò)展為一維狀用的兩個(gè)柱狀透鏡構(gòu)成的光束擴(kuò)展器構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的非接觸式激光延伸計(jì)，其特征在于，按照設(shè)置多組照射光學(xué)系統(tǒng)，該各照射光學(xué)系統(tǒng)向試驗(yàn)樣品的表面在整個(gè)要測(cè)定延伸的方向上的區(qū)域照射激光的方式構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的非接觸式激光延伸計(jì)，其特征在于，試驗(yàn)樣品表面被各照射光學(xué)系統(tǒng)的激光照射區(qū)域在要測(cè)量延伸的方向上分為兩部分。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的非接觸式激光延伸計(jì)，其特征在于，相對(duì)于被分為兩部分的激光照射區(qū)域，分別設(shè)置散射光檢測(cè)光學(xué)系統(tǒng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非接觸式激光延伸計(jì)，其特征在于，結(jié)構(gòu)上具備拍攝試驗(yàn)樣品的攝像機(jī)及根據(jù)其圖像信號(hào)進(jìn)行顯示的顯示器，同時(shí)能根據(jù)設(shè)定裝置的設(shè)定內(nèi)容和通道移位控制裝置決定的通道移位量、將作為兩個(gè)觀察點(diǎn)數(shù)據(jù)源的兩個(gè)區(qū)域的位置迭加于該顯示器所顯示的試驗(yàn)樣品圖像上每時(shí)刻進(jìn)行顯示。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的非接觸式激光延伸計(jì)，其特征在于，其構(gòu)成具備用不同于來(lái)自照射光學(xué)系統(tǒng)激光的波長(zhǎng)的兩個(gè)光點(diǎn)對(duì)試驗(yàn)樣品照射的標(biāo)識(shí)用光照射光學(xué)系統(tǒng)和改變?cè)摳鞴恻c(diǎn)在試驗(yàn)樣品上的照射位置的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，同時(shí)，所述設(shè)定裝置，能根據(jù)所述圖像傳感器的輸出、檢測(cè)出操作者用標(biāo)識(shí)用光照射光學(xué)系統(tǒng)照射在試驗(yàn)樣品上的兩個(gè)光點(diǎn)的照射位置，將其檢測(cè)結(jié)束分別作為該兩觀察點(diǎn)的初始位置設(shè)定。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的非接觸式激光延伸計(jì)，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能根據(jù)所述通道移位控制裝置決定的通道移位量使來(lái)自上述標(biāo)識(shí)用光照射光學(xué)系統(tǒng)的兩個(gè)光點(diǎn)在試驗(yàn)樣品上的照射位置每時(shí)每刻變化。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的非接觸式激光延伸計(jì)，其特征在于，測(cè)定延伸時(shí)，能在圖像傳感器的前面插入用于有選擇地只使與來(lái)自照射光學(xué)系統(tǒng)的測(cè)定用的激光波長(zhǎng)相近的光射入圖像傳感器受光面的帶通濾光器，以使從標(biāo)識(shí)用光照射光學(xué)系統(tǒng)來(lái)的光點(diǎn)的反射光不對(duì)圖像傳感器的輸出發(fā)生影響。
全文摘要
本發(fā)明提供一種符合JIS的非接觸式延伸測(cè)定方法及延伸計(jì)。本發(fā)明中，照在試樣表面規(guī)定距離上的激光的散射光經(jīng)光電變換得到的斑紋圖案數(shù)據(jù)中，來(lái)自相距上述規(guī)定距離的兩個(gè)區(qū)域的數(shù)據(jù)被作為觀察點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初始設(shè)定，用該各觀察點(diǎn)的數(shù)據(jù)分別一邊算出試樣的上述兩區(qū)域的斑紋圖案的移動(dòng)量，一邊每當(dāng)各移動(dòng)量達(dá)到規(guī)定量，將作為觀察點(diǎn)數(shù)據(jù)源的區(qū)域向所述移動(dòng)方向進(jìn)行移位，根據(jù)該移位量與用各觀察點(diǎn)數(shù)據(jù)算出的斑紋圖案的移動(dòng)量算出其延伸。
文檔編號(hào)G01N3/06GK1115844SQ9510920
公開(kāi)日1996年1月31日 申請(qǐng)日期1995年7月20日 優(yōu)先權(quán)日1994年7月27日
發(fā)明者龜川正之 申請(qǐng)人:島津制作所株式會(huì)社