CN107228635A - 光学测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明的一个方面的光学测量装置(1)包括：光源(10)，其产生具有多个波长成分的照射光；传感器头部(30)，其使从光源(10)发出的照射光产生轴向色差，并接收从至少一部分配置在光轴的延长线上的测量对象(2)反射的反射光；光接收部(40)，其将由传感器头部(30)接收的反射光分离成各波长成分，并接收各波长成分的光；导光部(20)，其将光源(10)、光接收部(40)以及传感器头部(30)光学性地连接；以及处理部(50)，其基于光接收部(40)中的各波长成分的受光量，计算从光学系统到测量对象的距离。处理部(50)将光接收波形中的多个波长成分的各受光量与受光量的基准值比较，当多个波长成分中的每个波长成分的所述受光量相对于基准值的变化量均为预设的阈值以上时，检测出所述光接收波形的异常。

Description

光学测量装置

技术领域

本发明关于以白色共焦点方式可对测量对象的表面形状等进行测量的光学测量装置。

背景技术

作为检测测量对象的表面形状等的装置，已知白色共焦点方式的光学测量装置。这种光学测量装置包括：产生具有多个波长成分的照射光的光源；使从光源发出的照射光产生轴向色差的光学系统；将由光学系统接收的反射光分离成各波长成分，并接收各波长成分的光的光接收部；将光源、光接收部和所述光学系统光学连接的导光部。例如，特开2012-208102号公报记载了一种利用共焦点光学系统以非接触的方式对测量对象的位移进行测量的共焦点测量装置。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2012-208102号公报

在白色共焦点原理的位移传感器中，由于返回光束的增加等，光接收波形发生变化，这成为了影响测量的原因。目前，无法检测出这样的光接收波形的变化，从而用户无法注意到光接收波形是不正常的。返回光束的增加带来传感器的测量精度的下降，但存在用户察觉不到该情况而继续使用传感器的可能性。

发明内容

本发明的目的是，提供一种可检测出光接收波形发生异常的白色共焦点原理的光学测量装置。

本发明的一个方面的光学测量装置，包括：光源，其产生具有多个波长成分的照射光；光学系统，其使从光源发出的照射光产生轴向色差，并接收从至少一部分配置在光轴的延长线上的测量对象反射的反射光；光接收部，其将由光学系统接收的反射光分离成各波长成分，并接收各波长成分的光；以及处理部，其基于光接收部中的各波长成分的受光量，计算从光学系统到测量对象的距离。处理部将光接收波形中的多个波长成分的各受光量与受光量的基准值比较，当多个波长成分中的每个波长成分的受光量相对于基准值的变化量均为预设的阈值以上时，检测出光接收波形的异常。

根据上述结构，能够提供一种可检测光接收波形的异常的白色共焦点原理的光学测量装置。需要说明的是，“从光学系统到测量对象的距离”是指从光学系统到测量对象上的测量对象位置的距离，不限定于从光学系统到测量对象的最短距离。测量对象位置是指照射有从光源发出的照射光的测量对象上的位置。测量对象位置不限定于1个。

优选地，当多个波长成分中的至少一个受光量的变化量小于阈值时，处理部基于光接收波形中的峰值的波长，计算测量对象的位移。

根据上述结构，即使在所选择的多个波长中的一个与测量波长一致时，也能基于其他波长的受光量检测出异常波形。

优选地，多个的波长成分包括五个波长。

根据上述结构，例如测量对象具有由两个透明体(玻璃等)之间的间隔构成的空间结构，即使在所选择的五个波长中有四个与测量波长一致的情况下，也能基于余下的一个波长的受光量检测出异常波形。

优选地，阈值基于光源的光谱按每个波长而被确定。

根据上述结构，按每个波长设定阈值，由此能正确检测出异常波形。

本发明的另一方面的光学测量装置，光源，其产生具有多个波长成分的照射光；光学系统，其使从光源发出的照射光产生轴向色差，并接收从至少一部分配置在光轴的延长线上的测量对象反射的反射光；光接收部，其将由光学系统接收的反射光分离成各波长成分，并接收各波长成分的光；以及处理部，其基于光接收部中的各波长成分的受光量，计算从光学系统到测量对象的距离。处理部将位于对应于测量对象的位移测量范围的波长区域外的波长成分的各受光量与受光量的基准值比较，当受光量相对于基准值的变化量为预设的阈值以上时，检测出表示受光量的光接收波形的异常。

根据上述结构，能够减少对对象的位移的测量的影响，并能够监视光接收波形。

优选地，上述任一光学测量装置中，当检测出了异常时，处理部通知该异常。

根据上述结构，用户能够注意到光学测量装置的光接收波形为异常。由此，用户能够采取适当的对策以排除异常的原因。因此，能够维持高精度测量对象的位移。

可参照附图理解本发明的上述以及其他目的、特征、方面及优点，可通过如下的关于本发明的详细说明来了解。

附图说明

图1是用于说明通过白色共焦点方式进行的距离测量的原理图。

图2A是用于说明本实施方式的光学测量装置的导光部的结构的示意图。

图2B是用于说明本实施方式的光学测量装置的导光部的其他结构的示意图。

图3是示出本实施方式的光学测量装置的装置结构的一例的示意图。

图4是用于说明导光部中途的反射照射光的一部分的示意图。

图5是用于说明在导光部的中途反射了照射光的一部分的情况时的问题的图。

图6A是说明了光学测量装置在正常情况下获得的光接收波形的波形图。

图6B是说明了光学测量装置在异常情况下获得的光接收波形的波形图。

图7是用于说明由第1实施方式进行的光学测量装置的异常判定的示意性波形图。

图8是说明了由本实施方式的光学测量装置进行的测量对象的多个表面的位移的测定的图。

图9是示出照射光的一部分在导光部的中途反射并返回时的背景成分的受光量的变化的示意图。

图10是示出监测波长与阈值之间的关系的一例的图。

图11是用于说明第1实施方式的异常波形的检出处理的流程图。

图12是说明用于说明第2实施方式的异常波形的检出的光源的光谱的图。

图13是用于说明第2实施方式的异常波形的检出处理的流程图。

具体实施方式

参照附图详细说明本发明的实施方式。图中的相同或相当部分标上相同的符号并省略对其的说明。

<A.概要>

首先，简要说明由本实施方式的光学测量装置所解决的问题以及用于实现其的结构。

图1是用于说明通过白色共焦点方式进行的距离测量的原理图。参照图1，光学测量装置1包括：光源10、导光部20、传感器头部30、光接收部40和处理部50。传感器头部30包括色差单元32以及物镜34，光接收部40包括分光器42以及检测器44。

由光源10产生的具有规定的波长扩展的照射光，经由导光部20传播并到达传感器头部30。在传感器头部30中，从光源10发出的照射光由物镜34会聚后照射到测量对象2上。照射光经过色差单元32并由此产生轴向色差，因此，从物镜34发射出的照射光的焦点位置对于每个波长来说都是不同的。在测量对象2的表面被反射的波长中，只有在测量对象2上合焦的波长的光，才会成为以共焦点的方式再次入射到传感器头部30的导光部20的中的光纤的光。以下，为了便于说明，将在测量对象2上合焦的波长的光作为测量光而被检测出的状态作为“仅反射特定的波长”来表述。

再次入射到传感器头部30的反射光，经由导光部20入射到光接收部40。光接收部40中，在分光器42处入射的反射光被分离成各波长成分，在检测器44处检测出各波长成分的强度。处理部50基于检测器44的检测结果，计算出从传感器头部30到测量对象2的距离(位移)。

在图1所示的例子中，例如，包含多个的波长λ1、λ2、λ3的照射光被波长色散，并在光轴AX上的各个不同的位置(焦点位置1、焦点位置2、焦点位置3)成像。在光轴AX上，由于测量对象2的表面与焦点位置2一致，因此照射光中仅波长λ2的成分被反射。在光接收部40中，检测出波长λ2的成分，并计算出相当于波长λ2的焦点位置的距离的、从传感器头部30到测量对象2的距离。

构成光接收部40的检测器44的多个光接收元件中接收反射光的光接收元件，随着传感器头部30所对着的测量对象2的表面形状的变化而变化，因此，根据由检测器44的多个光接收元件测得的检测结果(像素信息)，能够测量测量对象2的距离变化(位移)。由此，能够由光学测量装置1测定测量对象2的表面形状。需要说明的是，从传感器头部30到测量对象2的距离是指，从传感器头部30到测量对象2上的测量对象位置的距离，并不限于从传感器头部30到测量对象2的最短距离。测量对象位置是指，照射有从光源10发出的照射光的测量对象2上的位置。测量对象位置不限定于1个。例如，沿着传感器头部30的光轴方向，可选择不同的2个测量对象位置。计算出从传感器头部30到各测量对象位置的距离，通过算出2个距离的差，例如可计算出测量对象2的厚度。

如图2A所示，光学测量装置1中，作为导光部20具有：与光源10光学连接的输入侧光缆21、与光接收部40光学连接的输出侧光缆22以及与传感器头部30光学连接的头部侧光缆24。输入侧光缆21以及输出侧光缆22的各端部与头部侧光缆24的端部，通过具有合波/分波结构的耦合器23进行光学连接。耦合器23是相当于Y型分支耦合器的2×1星型耦合器(2输入1输出/1输入2输出)，用于将从输入侧光缆21入射的光传播到头部侧光缆24，并将从头部侧光缆24入射的光进行分割并分别传播到输入侧光缆21以及输出侧光缆22。

输入侧光缆21、输出侧光缆22以及头部侧光缆24都是具有单个纤芯202的光纤，其剖面结构为，从纤芯202朝向外周依次在纤芯202的周围设置有包层204、涂覆层206以及外包层208。如图2B所示，本实施方式的光学测量装置1也可以采用具有多个纤芯的光纤作为导光部20。

<B.装置结构>

图3，是示出本实施方式的光学测量装置的装置结构的一例的示意图。参照图3，本实施方式的光学测量装置1包括：光源10、导光部20、传感器头部30、光接收部40以及处理部50。

光源10产生具有多个波长成分的照射光，典型地，利用白色LED(Light EmittingDiode：发光二极管)而实现。只要是能够产生具有一定波长范围的照射光，采用什么样的光源都可以，而该一定波长范围只要满足由轴向色差而产生的焦点位置的位移幅度能够覆盖所要求的测量范围即可。

传感器头部30包括色差单元32以及物镜34，并相当于这样一种光学系统：其使从光源10发出的照射光产生轴向色差，并接受从至少一部分配置在光轴AX的延长线上的测量对象2反射的反射光。

光接收部40包括：将由作为光学系统的传感器头部30接收的反射光分离成各波长成分的分光器42、具有对应于由分光器42产生的分光方向而配置的多个光接收元件的检测器44。作为分光器42，典型地，采用衍射光栅，除此之外，也可以采用任意的装置。检测器44可以采用对应于由分光器42产生的分光方向而一维配置有多个光接收元件的线性传感器(一维传感器)，也可以采用在检测面上二维配置有多个的光接收元件的图像传感器(二维传感器)。

光接收部40除了分光器42以及检测器44外，还具有：使从输出侧光缆22射出的反射光平行化的准直透镜41、用于将检测器44的检测结果输出至处理部50的读出电路45。进一步，根据需要，分光器42处还可以设有将被分离的波长调整为其他的反射光的光斑直径的缩小光学系统43。

处理部50基于光接收部40的多个光接收元件各自的检测值，计算出从传感器头部30到测量对象2的距离。像素、波长以及距离值之间的关系式是预先设定的(例如，在产品出厂时非易失性存储在处理部50的内部)。因此，处理部50能够从光接收部40输出的光接收波形(像素信息)计算出位移。

图3中示出了，为了提高可用性，串联连接多个光缆而构成头部侧光缆的例子。即，作为头部侧光缆，使用3个光缆241、243、245。光缆241和光缆243之间通过连接器242进行光学连接，光缆243和光缆245之间连接器244进行光学连接。

导光部20包括：用于将输入侧光缆21与输出侧光缆22、头部侧光缆光学连接的合波/分波部(耦合器)23。关于合波/分波部23的功能已经参照图2进行了说明，因此不重复进行详细说明。

由此，本实施方式的光学测量装置1中，作为合波/分波结构而采用耦合器，由此可在导光部20进行光的分离，能够使分别在多个纤芯传播的从测量对象2反射的反射光(测量光)被单个的检测器44接收。

<C.反射光的问题>

原理上，在光轴AX上，只有在测量对象2的表面的位置聚焦的波长成分能被反射并入射到光接收部40。然而，在导光部20(即，从光源10到传感器头部的照射光的光路)的中途，可能出现照射光的一部分被反射且该反射光入射到光接收部40的情况。

图4是用于说明导光部中途的反射照射光的一部分的示意图。如图4所示，例如，在合波/分波部23(耦合器231、232)、连接器242、连接器244或传感器头部30与光缆245的连接部位，照射光的一部分可能被反射。此外，光源10的功率的增减也是返回光束量异常的主要原因。

可以设想，例如在合波/分波部23不良的情况下，或者在连接器242、244有划痕或污染的情况下，照射光的一部分被反射并返回的可能性。另外，由于光缆中包含光纤的距离较长，存在照射光在光纤内部散射的可能性。而且，由于光纤端面的损伤或污染也会造成照射光的一部分被反射。

图5是用于说明在导光部的中途反射了照射光的一部分的情况时的问题的图。参照图5，处理部50基于光接收波形(接收光强度的曲线)，确定接收光强度的峰值位置。处理部50根据该峰值位置所对应的波长确定反射光中包含的波长的主成分，基于确定了的主成分波长(例如波长λ2)，计算出从传感器头部30到测量对象2的距离(位移)。

在光学测量装置1为正常的情况下，噪声成分(背景噪声)非常小。然而，当在导光部20照射光的一部分被反射并入射至光接收部40时，噪声成分，即波长λ2以外的波长成分的接收光强度变大。

图6A是说明了光学测量装置在正常情况下获得的光接收波形的波形图。图6B是说明了光学测量装置在异常情况下获得的光接收波形的波形图。

如图6A以及图6B所示，本实施方式的光学测量装置1基于由光接收波形和返回光束成分波形的差值而生成的波形(测量波形)，确定主成分波长。返回光束成分波形，例如在位移的测定之前被获取并被存储在光学测量装置1的内部。

在光学测量装置1的正常情况下，光接收波形中含有的返回光束成分和预先获取的波形中的返回光束成分之间的差别很小。测量波形中，返回光束成分几乎被抵消，因此S与N之比(S/N)较高。因此，能够以高精度确定主成分波长。

另一方面，如图6B所示，在光接收波形中含有的返回光束成分大的情况下，光接收波形和预先存储的返回光束成分波形之间产生差值，光接收波形中含有的返回光束成分不能被抵消。因此，测量波形的S/N之比较低。由于S/N之比较低，峰值波长的检测精度下降，因此位移的测量精度下降。

本实施方式中，处理部50监视指定的波长的受光量。该波长的受光量相对于正常时受光量，范围为阈值以上时，处理部50检测出光接收波形的异常。进一步，处理部50通知该异常。用户能够通过例如清洁连接器242和244、替换导光部20等方式排除产生异常波形的原因。另外，在返回光束的增加由延长了光纤而引起的情况下，通过再次将返回光束成分的值存储在光学测量装置1的内部的方式，能够排除产生异常波形的原因。因此，能够保持高精度测量对象的位移。以下，详细说明本实施方式。

<D.第1实施方式>

图7是用于说明由第1实施方式进行的光学测量装置的异常判定的示意性波形图。参照图3以及图7，由光接受部40测量波长λ1、λ2、λ3、λ4、λ5的各自受光量I1、I2、I3、I4、I5。处理部50将各波长的受光量与其波长所对应的基准值(正常情况下的受光量)比较。例如基准值是在出厂时设定的。当在现场进行了传感器头部的插拔等行为时，例如通过用户操作光学测量装置1的操作按钮(未图示)，能够再次设定基准值。

处理部50对每个波长判断受光量和基准值的差是否超过阈值。当波长λ1、λ2、λ3、λ4、λ5中所有的受光量与基准值的差均超过阈值时，处理部50判定为在光学测量装置1中发生了异常。基准值以及阈值，按每个波长被设定并存储在处理部50的内部。

将受光量与基准值进行比较的波长的数量，可以大于要求测量位移的测量对象2的表面的数量。当存在光学测量装置1检测多个面的情况时，此时为测量对象2是透明体的情况。在这种情况下，在为透明体的测量对象2的表面以及背面的数量所对应的数量的波长中，出现光接收波形的峰值。根据该光接收波形的峰值确定阈值的数量。位移的测量对象的表面数量的最小值为1。即使选择的多个波长中的1个与测量波长一致时，也能够基于其他波长的受光量检测异常波形。

以下，对第1实施方式中使用了5个波长的理由进行说明。图8是说明了由本实施方式的光学测量装置1进行的测量对象2的多个表面的位移的测定的图。

如图8所示，例如测量对象2具有由两个透明体(玻璃等)之间的间隔构成的空间结构。测量对象2具有位移不同的4个表面2a、2b、2c、2d，它们是透明体的两个表面(2a、2c)以及透明体的两个背面(2b、2d)。因此，光学测量装置1可测量透明体的两个表面以及两个背面的位移。可任意选取用于检测异常波形的波长。但是，在选择用于检测异常波形的4个波长时，有必要考虑在测量对象2(两个透明体)的两个表面以及两个背面合焦的波长和与该选择的4个波长一致的可能性。因此，有必要使检测面的数量与选择的波长的数量不同。

在如图8所示的例子中，照射光中的波长λ5成分的焦点位置与表面2a、2b、2c、2d的位置均不同。因此，将光接收波形中的波长λ5成分与基准值比较，由此能够检测出光学测量装置1的异常。

各波长的设定以及阈值的设定，用户可基于示教的结果进行设定。可根据光源10的发光光谱设定波长以及阈值。需要说明的是，各波长的设定以及阈值例如可在出厂时预先设定。

图9是示出照射光的一部分在导光部20的中途反射并返回时的背景成分的受光量的变化的示意图。参照图9，照射光的一部分在导光部20的中途被反射并返回时，返回光束成分的变化量与波长相关。例如对于接近返回光束成分的峰值的波长，由于返回光束成分的变化量容易变大，因此相对较大地设定阈值。反之，对于比返回光束成分的峰值波长短的波长或长的波长，由于返回光束成分的变化量容易变小，因此相对较小地设定该波长的阈值。由此，能够更加正确地检测异常波形。

图10是示出监测波长与阈值之间的关系的一例的图。如图10所示，分别对n个波长λ1、λ2、……、λn设置阈值Th1、Th2、……Thn(n为2以上的整数)。需要说明的是，图8示出n＝5的例子。如图10所示的关系被存储在处理部50的内部。

图11是用于说明第1实施方式的异常波形的检出处理的流程图。参照图3以及图11，当处理开始时，在步骤S1中，处理部50将波长λ1、λ2、……、λn的各受光量(即波长成分)与基准值比较。在步骤S2中，处理部50判断是否所有的波长中受光量的变化量均在阈值以上。

当所有的波长中，相对于基准值的受光量的变化量均在阈值以上时(步骤S2中为是)，在步骤S3中处理部50检测出异常波形。此时，在步骤S4中，处理部50执行用于向用户通知检测出了异常波形的通知处理。通知的方法不受特别限定，例如可采用声音以及光等公知的方法。

另一方面，当在至少1个波长中，相对于基准值的受光量的变化量低于阈值时(步骤S2中为否)，处理部50在步骤S5中基于光接收波形执行位移测量处理。位移测量处理完成后，处理返回至步骤S1。

<E.第2实施方式>

第2实施方式中，光学测量装置1基于单一的波长的受光量的变化量来检测异常波形。光学测量装置1的结构与实施方式1的结构相同，因此以下不再重复说明。

图12是说明了用于说明第2实施方式的异常波形的检出的光源10的光谱的图。参照图12，波长区域60为在位移测量中使用的波长区域，此处被称为“测量范围”。第2实施方式中，利用从测量范围外的波长区域61或波长区域62中选择的1个波长来检测异常波形。与第1实施方式相同，当该选择的波长中，受光量(波长成分)的变化量为阈值以上时，检测出异常波形。由于监视从测量范围外的波长区域选择的1个波长的受光量，能够减少对对象的位移的测量的影响。

图13是用于说明第2实施方式的异常波形的检出处理的的流程图。参照图11以及图13，第2实施方式中，执行步骤S11、S12来代替步骤S1、S2。步骤S11中，处理部50将波长区域60外的波长λ₀的受光量与基准值比较。波长λ0是预先设定的。步骤S12中，处理部50判断波长λ0中，受光量的变化量是否为阈值以上。

当相对于基准值的受光量的变化量为阈值以上时(步骤S12中为是)，处理进入步骤S3，处理部50检测出异常波形。在步骤S4中，处理部50执行用于向用户通知检测出了异常波形的通知处理。另一方面，当相对于基准值的受光量的变化量小于阈值时(步骤S12中为否)，处理进入步骤S5。此时，处理部50执行位移测量处理。位移测量处理完成后，处理返回到步骤S11。

需要说明的是，第2实施方式中，基于测量范围外的波长的受光量的变化量，判断光接收波形是否为异常。因此，也可以基于从测量范围外的波长区域的中选择的多个波长的各受光量的变化量来检测异常波形。

<F.优点>

综上所述，本实施方式的光学测量装置1能够检测光接收波形的异常。而且，能够向用户提醒光接收波形的异常。在由于返回光束增加而测量的精度降低的情况下，能够检测出光接收波形的异常。用户能够根据来自光学测量装置1的通知，能够采取用于使降低了的精度提高的适当的对策(例如连接器的清洁、当由于延长了光纤而造成的返回光束的增加时再次使返回光束成分的值存储在光学测量装置1的内部)。因此，即使在光学测量装置的位移测定的精度下降的情况下，也能再次达到高的测量精度。

以上对本发明的实施方式进行了说明，但本申请中记载的实施方式仅用于示例，并不限定本发明。本发明的范围由权利要求的范围示出，在与权利要求的范围等同的意思以及范围内的所有的改变均包含在内。

Claims (6)

1.一种光学测量装置，其特征在于，

包括：

光源，其产生具有多个波长成分的照射光，

光学系统，其使从所述光源发出的照射光产生轴向色差，并接收从至少一部分配置在光轴的延长线上的测量对象反射的反射光，

光接收部，其将由所述光学系统接收的反射光分离成各波长成分，并接收所述各波长成分的光，以及

处理部，其基于所述光接收部中的所述各波长成分的受光量，计算从所述光学系统到所述测量对象的距离；

所述处理部将光接收波形中的多个波长成分的各受光量与所述受光量的基准值比较，当所述多个波长成分中的每个波长成分的所述受光量相对于所述基准值的变化量均为预设的阈值以上时，检测出所述光接收波形的异常。

2.根据权利要求1所述的光学测量装置，其特征在于，

当所述多个波长成分中的至少一个所述受光量的所述变化量小于所述阈值时，所述处理部基于所述光接收波形中的峰值的波长，计算所述测量对象的位移。

3.根据权利要求1所述的光学测量装置，其特征在于，

所述多个波长成分含有5个波长。

4.根据权利要求1所述的光学测量装置，其特征在于，

所述阈值基于所述光源的光谱按每个波长而被确定。

5.一种光学测量装置，其特征在于，

包括：

光源，其产生具有多个波长成分的照射光，

光学系统，其使从所述光源发出的照射光产生轴向色差，并接收从至少一部分配置在光轴的延长线上的测量对象反射的反射光，

光接收部，其将由所述光学系统接收的反射光分离成各波长成分，并接收所述各波长成分的光，以及

处理部，其基于所述光接收部中的所述各波长成分的受光量，计算从所述光学系统到所述测量对象的距离；

所述处理部将位于对应于所述测量对象的位移测量范围的波长区域外的波长成分的各受光量与所述受光量的基准值比较，当所述受光量相对于所述基准值的变化量为预设的阈值以上时，检测出表示所述受光量的所述光接收波形的异常。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的光学测量装置，其特征在于，

当检测出了所述异常时，所述处理部通知所述异常。