CN108474646A - 共焦位移计 - Google Patents

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Abstract

提供一种能够减小测量误差的共焦位移计。由光投射部(120)发射具有多个波长的光。透镜单元(220)用于使由光投射部(120)发射的光产生沿着光轴方向的色像差。此外，由透镜单元(220)使具有色像差的光会聚，并利用该光照射测量对象(S)。经由透镜单元(220)照射测量对象(S)所利用的光中的在聚焦的同时被测量对象(S)的表面反射的波长的光穿过多个针孔。利用运算处理部(150)，基于与穿过多个针孔的多个光的各波长的平均强度相对应的平均信号的各波长的信号强度，来计算测量对象(S)的位移。

Description

共焦位移计
技术领域
本发明涉及使用宽波长带的光的共焦位移计。
背景技术
作为以非接触方式测量测量对象的表面的位移的装置，已知有共焦位移计。例如，日本特开2013-130581(专利文献1)描述了用于测量从预定基准位置到测量对象的距离作为测量对象的表面的位移的色差点传感器(CPS)系统。专利文献1所描述的CPS包括两个共焦系统的光路。向这些光路输入具有多个波长的光。穿过了任意光路的光被选择性地输出至测量对象。
第一光路被配置成使得具有不同波长的光聚焦于光轴方向上的测量对象的表面位置附近的不同距离。穿过了第一光路的光在测量对象的表面上反射。在反射光中，仅使聚焦于作为空间滤波器而布置在第一路径中的开口部的位置的光穿过该开口部以引导至波长检测器。波长检测器所检测到的光的光谱轮廓(第一输出光谱轮廓)包括表示测量距离的分量(距离依赖的轮廓分量)并且包括距离独立的轮廓分量。
第二光路被配置成使得具有不同波长的光聚焦于测量对象的表面位置附近的大致相同的距离。穿过了第二光路的光在测量对象的表面上反射。在反射光中，仅使聚焦于作为空间滤波器而布置在第二路径中的开口部的位置的光穿过该开口部以引导至波长检测器。波长检测器所检测到的光的光谱轮廓(第二输出光谱轮廓)不包括距离依赖的轮廓分量而是仅包括距离独立的轮廓分量。使用第二输出光谱轮廓对第一输出光谱轮廓进行针对与距离独立的轮廓分量有关的潜在测量误差的校正。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2013-130581
发明内容
发明要解决的问题
在专利文献1所描述的CPS系统中，由于针对第一输出光谱轮廓进行校正，因此可靠性得以提高。具体地，由于作为距离独立的轮廓分量的测量对象的材料分量、与光源相关联的光源的光谱轮廓分量或者与波长检测器相关联的分量而产生的测量误差减小。然而，在共焦位移计中，由于测量对象的表面上的不规则反射的影响，因而发生比表面的粗糙度大的程度的测量误差。在专利文献1所描述的CPS系统中，不能减小这种测量误差。
本发明的目的是提供能够减小测量误差的共焦位移计。
用于解决问题的方案
(1)根据本发明的共焦位移计是一种共焦位移计，用于使用共焦光学系统来测量测量对象的位移，所述共焦位移计包括：光投射部，其配置为发射具有多个波长的光；光学构件，其被配置为使所述光投射部发射的光产生沿着光轴方向的色像差，使具有该色像差的光会聚，并且使该光照射在所述测量对象上；针孔构件，其包括多个针孔，所述多个针孔使得所述光学构件照射在所述测量对象上的光中的具有在聚焦于所述测量对象的表面的同时被反射的波长的光能够穿过；以及位移测量部，其被配置为基于如下的平均信号的各波长的信号强度来计算所述测量对象的位移，其中所述平均信号对应于与穿过所述多个针孔的多个光有关的各波长的强度的平均值。
在该共焦位移计中，具有多个波长的光由光投射部发射。沿着光轴方向的色像差是光学构件使光投射部发射的光产生的。具有色像差的光由光学构件会聚并照射在测量对象上。在光学构件照射在测量对象上的光中，具有在聚焦于测量对象的表面的同时被反射的波长的光穿过针孔构件的多个针孔。位移测量部基于如下的平均信号的各波长的信号强度来计算测量对象的位移，其中该平均信号对应于与穿过多个针孔的多个光有关的各波长的强度的平均值。
由于测量对象的表面上的不规则反射，因此聚焦于与测量对象的表面的位置不同的位置的光有时穿过任一个针孔。即使在这种情况下，利用上述的结构，在平均信号中对与穿过多个针孔的多个光有关的各波长的强度进行平均。因此，由于不规则反射而产生随机测量误差的光的分量被抵消。结果，可以减小共焦位移计所测量的测量对象的位移的误差。
(2)所述共焦位移计可以包括第一光纤。所述第一光纤的端部可以是所述针孔。所述第一光纤可以是所述针孔构件。在这种情况下，不必将针孔与第一光纤分开布置。结果，可以使共焦位移计的结构紧凑。可以利用第一光纤更高效地将穿过多个针孔的光引导至位移测量部。此外，提高了用于将穿过针孔的光引导至位移测量部的光路的结构的自由度。
(3)所述光投射部可以包括：第二光纤，其包括一个端部和另一端部；激光光源；以及荧光体，其布置在所述第二光纤的所述一个端部，并且被配置为吸收所述激光光源发射的光，并且释放具有与所述激光光源发射的光的波长不同的波长的光，其中，所述第二光纤从所述一个端部接收所述荧光体释放的光，并且将所接收到的光从所述另一端部引导至所述第一光纤。
在这种情况下，可以利用激光光源和荧光体容易地生成具有多个波长的光。可以经由第二光纤和第一光纤高效地发射所生成的光。
(4)可以提供多个所述第一光纤。多个所述第一光纤的端部可以分别是所述多个针孔。在这种情况下，不必将多个针孔与多个第一光纤分开布置。结果，可以使共焦位移计的结构紧凑。可以将穿过多个针孔的光分别经由多个第一光纤高效地引导至位移测量部。此外，提高了用于将穿过多个针孔的光引导至位移测量部的光路的结构的自由度。
(5)所述位移测量部可以包括：合成部，其被配置为合成穿过所述多个针孔的多个光，由此生成一个合成光；分光部，其被配置为对所述合成部合成得到的合成光进行分光；受光部，其被配置为接收所述分光部进行分光后的光，并且输出表示与所述合成部合成得到的光有关的各波长的受光量的电气受光信号作为平均信号；以及计算部，其被配置为基于从所述受光部输出的平均信号来计算所述测量对象的位移。
在这种情况下，穿过多个针孔的多个光在被受光部接收之前由合成部合成，由此生成一个组合光。因此，从受光部输出的表示各波长的受光量的电气受光信号是通过对与多个光有关的各波长的强度进行积分所获得的平均信号。利用该结构，不必进行用于生成平均信号的算术运算。结果，可以高速高效地计算测量对象的位移。
(6)所述合成部可以包括第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、多个所述第一光纤、所述第二光纤、第三光纤和第四光纤，所述第二光纤连接至所述第一光纤耦合器，以将所述光投射部发射的光引导至所述第一光纤耦合器，所述第四光纤连接至所述第一光纤耦合器和所述第二光纤耦合器，使得在所述第一光纤耦合器和所述第二光纤耦合器之间传输光，多个所述第一光纤中的各第一光纤连接至所述第二光纤耦合器，以将由所述第二光纤和所述第四光纤引导至所述第二光纤耦合器的光引导至所述光学构件，并且将在聚焦于所述测量对象的表面的同时被反射的光引导至所述第二光纤耦合器，以及所述第三光纤连接至所述第一光纤耦合器，以将由所述第四光纤和多个所述第一光纤引导至所述第一光纤耦合器的光引导至所述分光部。
在这种情况下，由光投射部发射的光经由第二光纤、第一光纤耦合器、第四光纤、第二光纤耦合器和多个第一光纤被引导至光学构件。结果，利用简单的结构，可以在使由光投射部发射出的光产生色像差的同时，使该光会聚并使该光照射在测量对象上。在聚焦于测量对象的表面的同时被反射的光穿过多个针孔。穿过多个针孔的多个光经由多个第一光纤、第二光纤耦合器、第四光纤、第一光纤耦合器和第三光纤被引导至分光部。因此，穿过多个针孔的多个光在这多个光被引导至分光部的过程中被合成为一个光。结果，可以容易地生成平均信号。
(7)所述合成部可以包括光纤耦合器、多个所述第一光纤、所述第二光纤和第三光纤，所述第二光纤连接至所述光纤耦合器，以将所述光投射部发射的光引导至所述光纤耦合器，多个所述第一光纤中的各第一光纤连接至所述光纤耦合器，以将由所述第二光纤引导至所述光纤耦合器的光引导至所述光学构件，并且将在聚焦于所述测量对象的表面的同时被反射的光引导至所述光纤耦合器，以及所述第三光纤连接至所述光纤耦合器，以将由多个所述第一光纤引导至所述光纤耦合器的光引导至所述分光部。
在这种情况下，由光投射部发射的光经由第二光纤、光纤耦合器和多个第一光纤被引导至光学构件。结果，利用简单的结构，可以在使由光投射部发射出的光产生色像差的同时，使该光会聚并使该光照射在测量对象上。在聚焦于测量对象的表面的同时被反射的光穿过多个针孔。穿过多个针孔的多个光经由多个第一光纤、光纤耦合器和第三光纤被引导至分光部。因此，穿过多个针孔的多个光在这多个光被引导至分光部的过程中被合成为一个光。结果，可以容易地生成平均信号。
(8)所述位移测量部可以包括：分光部，其被配置为对穿过所述多个针孔的多个光分别进行分光；受光部，其被配置为分别接收所述分光部进行分光后的多个光，并且输出表示与穿过所述多个针孔的多个光中的各个光有关的各波长的受光量的多个电气受光信号；以及计算部，其被配置为针对各波长对从所述受光部输出的多个受光信号进行平均或积分，由此计算平均信号作为各波长的信号强度，并且基于所计算出的平均信号来计算所述测量对象的位移。
在这种情况下，由受光部输出分别与穿过多个针孔的多个光相对应的多个受光信号。由计算部针对各波长对从受光部输出的多个受光信号进行平均或积分，由此计算平均信号。利用该结构，在平均信号的计算中，可以进行考虑到多个光的强度的期望的平均或积分。结果，可以更正确地计算测量对象的位移。
(9)所述位移测量部可以包括：合成部，其被配置为部分地合成穿过所述多个针孔的多个光，由此生成多个合成光；分光部，其被配置为对所述合成部合成得到的多个合成光分别进行分光；受光部，其被配置为分别接收所述分光部进行分光后的多个光，并且输出表示与穿过所述多个针孔的多个光中的各个光有关的各波长的受光量的多个电气受光信号；以及计算部，其被配置为针对各波长对从所述受光部输出的多个受光信号进行平均或积分，由此计算平均信号作为各波长的信号强度，并且基于所计算出的平均信号来计算所述测量对象的位移。
在这种情况下，穿过多个针孔的多个光在被受光部接收之前被合成部部分地合成，由此生成多个合成光。由受光部输出分别与多个合成光相对应的多个受光信号。针对各波长对从受光部输出的多个受光信号进行平均或积分，由此计算平均信号。利用该结构，在平均信号的计算中，可以进行考虑到多个合成光的强度的期望的平均或积分。结果，可以更正确地计算测量对象的位移。
(10)所述位移测量部可以包括：切换部，其被配置为对所述光学构件会聚的光向所述测量对象的照射和非照射进行切换，使得多个光顺次照射在所述测量对象上；分光部，其被配置为在利用所述切换部使顺次穿过所述多个针孔的多个光照射在所述测量对象之后，对所述多个光分别进行分光；受光部，其被配置为在单个曝光时间段内接收所述分光部进行分光后的多个光，并且输出表示与所接收到的光有关的各波长的受光量的电气受光信号作为平均信号；以及计算部，其被配置为基于从所述受光部输出的平均信号来计算所述测量对象的位移。
在这种情况下，由受光部在单个曝光时间段中接收顺次穿过多个针孔的多个光。因此，从受光部输出的表示各波长的受光量的电气受光信号是通过对与多个光有关的各波长的强度进行积分所获得的平均信号。利用该结构，不必进行用于生成平均信号的算术运算。结果，可以高效地计算测量对象的位移。
(11)所述位移测量部可以包括：切换部，其被配置为对所述光学构件会聚的光向所述测量对象的照射和非照射进行切换，使得多个光顺次照射在所述测量对象上；分光部，其被配置为在利用所述切换部使顺次穿过所述多个针孔的多个光照射在所述测量对象之后，对所述多个光分别进行分光；受光部，其被配置为分别接收所述分光部进行分光后的多个光，并且输出表示与穿过所述多个针孔的多个光中的各个光有关的各波长的受光量的多个电气受光信号；以及计算部，其被配置为针对各波长对从所述受光部输出的多个受光信号进行平均或积分，由此计算平均信号作为各波长的信号强度，并且基于所计算出的平均信号来计算所述测量对象的位移。
在这种情况下，由受光部输出分别与顺次穿过多个针孔的多个光相对应的多个受光信号。由计算部针对各波长对从受光部输出的多个受光信号进行平均或积分，由此计算平均信号。利用该结构，在平均信号的计算中，可以进行考虑到多个光的强度的期望的平均或积分。结果，可以更正确地计算测量对象的位移。
(12)所述第一光纤可以被设置为将所述光投射部发射的光引导至所述光学构件。在这种情况下，可以利用第一光纤将光投射部发射的光更高效地引导至光学构件。提高了用于将光投射部发射的光引导至光学构件的光路的结构的自由度。
(13)所述共焦位移计还可以包括：处理装置；以及头部，其中，所述处理装置包括所述光投射部、所述分光部、所述受光部和所述计算部，并且还包括第一壳体，所述第一壳体被配置为容纳所述光投射部、所述分光部、所述受光部和所述计算部，以及所述头部包括所述光学构件，并且还包括第二壳体，所述第二壳体被配置为容纳所述光学构件。
在这种情况下，包括光投射部、分光部、受光部和计算部的处理装置与包括光学构件的头部是分开设置的。因此，容易使用包括根据测量对象的形状或布置等产生适当色像差的光学构件或者具有适当焦距的光学构件的头部。结果，可以更容易地测量测量对象的位移。
(14)所述第一光纤的端部的针孔可以设置在所述头部中，以及所述第一光纤可以被布置成将光从所述头部引导至所述处理装置。在这种情况下，可以在使处理装置与头部分开的同时，仅将头部布置在放置有测量对象的各种环境中。
(15)所述多个针孔可以并排布置在与光路交叉的面内。
在这种情况下，多个针孔允许在测量对象的表面的不相同部分上反射的光穿过。因此，在平均信号中，更确定地抵消了由于测量对象的表面上的不规则反射而产生随机测量误差的光的分量。结果，可以进一步减小共焦位移计所测量到的测量对象的位移的误差。
(16)所述多个针孔可以被布置成分别使得所述光学构件会聚的光中的在聚焦于所述测量对象的表面的多个部分的同时被反射的多个光能够穿过。在这种情况下，在平均信号中，更确定地抵消了由于测量对象的表面上的不规则反射而产生随机测量误差的光的分量。结果，可以进一步减小共焦位移计所测量到的测量对象的位移的误差。
(17)所述光投射部可以包括：光源，其被配置为发射具有单个波长的光；以及荧光体，其被配置为吸收所述光源发射的光，并且释放具有与所述光源发射的光的波长不同的波长的光。在这种情况下，可以容易地生成具有多个波长的光。
发明的效果
根据本发明，可以减小测量对象的测量误差。
附图说明
图1是示出根据本发明第一实施例的共焦位移计的结构的示意图。
图2是用于说明共焦位移计的操作原理的图。
图3是示出光纤单元的光纤的布置的截面图。
图4是示出受光部所接收到的光的波长和受光信号的强度之间的关系的图。
图5是示出光投射部的结构的平面图和截面图。
图6是示出在与测量对象不同的部分中反射的光的示例的示意图。
图7是示出包含不必要的分量的受光波形的图。
图8是示出受光波形的基础波形的图。
图9是示出去除了基础波形的受光波形的图。
图10是示出被引导至受光部的光的路径的图。
图11是示出被引导至图10所示的受光部的光的受光波形的图。
图12是示出初始状态下的控制装置的显示装置的显示示例的图。
图13是示出在图12所示的第一显示区域中显示的测量结果的示例的图。
图14是示出在图12所示的第一显示区域中显示的受光波形的示例的图。
图15是示出在图12所示的第一显示区域中显示的设置信息的输入画面的示例的图。
图16是示出通过受光确认处理在图12所示的第一显示区域中显示的变化信息的示例的图。
图17是示出通过受光确认处理在图12所示的第一显示区域中显示的变化信息的示例的图。
图18是示出通过受光确认处理在图12所示的第一显示区域中显示的变化信息的示例的图。
图19是示出通过受光确认处理在图12所示的第一显示区域中显示的变化信息的示例的图。
图20是示出通过受光确认处理在图12所示的第一显示区域中显示的变化信息的示例的图。
图21是示出通过受光确认处理在图12所示的第一显示区域中显示的变化信息的示例的图。
图22是用于说明位移测量处理的流程图。
图23是用于说明图22所示的受光确认处理的流程图。
图24是用于说明图22所示的受光确认处理的流程图。
图25是示出导光部的第一变形例的图。
图26是示出导光部的第二变形例的图。
图27是示出导光部的第三变形例的图。
图28是示出透镜单元的第一变形例至第四变形例的图。
图29是示出光投射部的变形例的图。
图30是示出分光部的变形例的图。
图31是示出根据本发明第二实施例的共焦位移计的结构的示意图。
图32是示出图31所示的分光部的结构的图。
图33是示出图32所示的受光部以及受光波形的图。
图34是示出根据第二实施例的第一变形例的共焦位移计的结构的示意图。
图35是示出根据第二实施例的第二变形例的共焦位移计的结构的示意图。
图36是示出根据本发明第三实施例的共焦位移计的结构的示意图。
图37是示出运算处理部所获取到的受光波形的图。
图38是示出根据其它实施例的共焦位移计的结构的示意图。
图39是示出在图12所示的第一显示区域中显示的设置信息的输入画面的其它示例的图。
图40是示出在使用者设置了阈值比例的状态下通过受光确认处理在图12所示的第一显示区域中显示的变化信息的示例的图。
具体实施方式
[1]第一实施例
(1)共焦位移计的基本结构
以下参考附图来说明根据本发明第一实施例的共焦位移计。图1是示出根据本发明第一实施例的共焦位移计的结构的示意图。如图1所示，共焦位移计500包括处理装置100、测量头200、导光部300和控制装置400。导光部300包括多个光纤，并且光学地连接处理装置100和测量头200。
处理装置100包括壳体110、光投射部120、分光部130、受光部140、运算处理部150和显示部160。壳体110容纳光投射部120、分光部130、受光部140和运算处理部150。光投射部120被配置为能够发射出宽波长带(例如，500nm～700nm)的光、即具有多个波长的光。以下说明光投射部120的详细结构。光投射部120所发射出的光被输入至以下所述的导光部300的光纤311。
分光部130包括衍射光栅131和多个(在本示例中为两个)透镜132和133。如以下所述，光投射部120所发射出的并且在测量对象S的表面上反射的光的一部分是从导光部300的光纤312输出的。从光纤312输出的光穿过透镜132，由此大致准直并入射到衍射光栅131上。在本实施例中，衍射光栅131是反射型衍射光栅。入射到衍射光栅131上的光发生分光以针对各波长按不同角度反射，并且穿过透镜133，由此聚焦于针对各波长而不同的一个维度上的位置。
受光部140包括多个像素呈一维排列的摄像元件(一维线传感器)。摄像元件可以是多分割PD(光电二极管)、CCD(电荷耦合器件)照相机或CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器，或者可以是其它元件。受光部140被布置成：摄像元件的多个像素分别在由分光部130的透镜133形成的针对各波长而不同的多个聚焦位置中接收光。从受光部140的像素输出与受光量相对应的模拟电气信号(以下称为受光信号)。
运算处理部150包括存储部151和控制部152。存储部151包括例如ROM(只读存储器)、RAM(随机存取存储器)或硬盘。在存储部151中，存储位移测量程序并且存储位移测量所使用的各种数据。控制部152包括例如CPU(中央处理单元)。控制部152获取受光部140所输出的受光信号，并且基于存储部151中所存储的位移测量程序和数据来执行针对测量对象S的位移测量处理。
测量头200包括具有大致轴对称形状(例如，圆筒形状)的壳体210和透镜单元220。壳体210容纳透镜单元220。透镜单元220包括折射透镜221、衍射透镜222和物镜223。从导光部300输出的来自处理装置100的光顺次穿过折射透镜221和衍射透镜222。结果，沿着光轴方向使光产生色像差。物镜223被布置成：产生色像差的光能够聚焦于测量对象S的表面附近的位置。
导光部300包括多个(在本示例中为八个)光纤311～318和多个(在本示例中为两个)光纤耦合器320和330。在图1所示的示例中，光纤耦合器320设置在处理装置100的壳体110中，并且光纤耦合器330设置在测量头200的壳体210中。本发明不限于此。光纤耦合器320可以设置在除处理装置100的壳体110以外的部分中。光纤耦合器330可以设置在除测量头200的壳体210以外的部分中。
光纤耦合器320具有所谓的2×2型结构。光纤耦合器320包括四个端口321～324和主体部325。端口321和322以及端口323和324以跨主体部325彼此相对的方式连接至主体部325。输入至端口321和322至少之一的光是从端口323和324中的各端口输出的。输入至端口323和324至少之一的光是从端口321和322中的各端口输出的。
光纤耦合器330具有所谓的2×4型结构。光纤耦合器330包括六个端口331～336和主体部337。端口331和332以及端口333～336以跨主体部337彼此相对的方式连接至主体部337。输入至端口331和332至少之一的光是从端口333～336中的各端口输出的。输入至端口333～336至少之一的光是从端口331和332中的各端口输出的。
光纤311和312分别连接至光纤耦合器320的端口321和322。光纤313～316分别连接至光纤耦合器330的端口333～336。光纤耦合器320的端口323和光纤耦合器330的端口331通过光纤317连接。光纤耦合器320的端口324和光纤耦合器330的端口332通过光纤318连接。
利用该结构，处理装置100的光投射部120所发射出的光经由光纤311被输入至光纤耦合器320的端口321。输入至端口321的光是从端口323和324输出的，并且经由光纤317和318被输入至光纤耦合器330的端口331和332。输入至端口331和332的光是从端口333～336输出的，并且经由光纤313～316和透镜单元220照射到测量对象S上。
在测量对象S的表面上反射的光的一部分经由透镜单元220和光纤313～316被输入至光纤耦合器330的端口333～336。输入至端口333～336的光是从端口331和332输出的，并且经由光纤317和318被输入至光纤耦合器320的端口323和324。输入至端口323和324的光是从端口321和322输出的。从端口322输出的光经由光纤312被引导至分光部130。结果，进行位移测量处理。
显示部160包括诸如七段指示器或点矩阵指示器等的指示器。显示部160设置在处理装置100的壳体110中并且连接至运算处理部150。在显示部160上显示诸如通过运算处理部150的位移测量处理所计算的测量距离等的数值。
控制装置400由例如个人计算机构成，并且连接至处理装置100的运算处理部150。控制装置400包括显示装置401、操作部402、CPU(中央处理单元)403和存储器404。显示装置401包括例如液晶显示面板或有机EL(电致发光)面板。显示装置401除能够显示诸如通过运算处理部150的位移测量处理所计算出的测量距离等的数值以外，还能够显示利用在以下说明的图4中示出的实线表示的受光信号的波形(受光波形W0)。操作部402包括诸如鼠标和键盘等的指示装置。
CPU 403被配置为能够采用以下要说明的测量模式和确认模式进行工作。可以在CPU 403中设置针对测量对象S的测量距离的合格/不合格判断所用的基准范围。在这种情况下，在测量距离在基准范围内的情况下，在显示装置401上显示表示测量对象S是无缺陷产品的判断结果(例如，“OK”)。另一方面，在测量距离在基准范围外的情况下，在显示装置401上显示表示测量对象S是缺陷产品的判断结果(例如，“NG”)。在存储器404中，存储位移测量程序并且存储位移测量所使用的各种数据。
(2)共焦位移计的操作原理
图2是用于说明共焦位移计500的操作原理的图。在以下说明中，为了便于理解根据本实施例的共焦位移计500的操作原理，首先，使用从一个光纤(在本示例中为光纤313)向测量头200输出的光来说明一般的共焦位移计的操作原理。
从光纤313输出的光穿过折射透镜221和衍射透镜222。结果，使光产生色像差。产生色像差的光穿过物镜223，由此聚焦于针对各波长而不同的位置。例如，具有短波长的光聚焦于靠近物镜223的位置。具有长波长的光聚焦于远离物镜223的位置。离物镜223最近的聚焦位置P1和离物镜223最远的聚焦位置P2之间的范围是测量范围MR。在本示例中，折射透镜221具有凸面形状，而衍射透镜222具有凹面形状。在这种情况下，使光产生的色像差增大。结果，可以增大测量范围MR。
在测量对象S的表面存在于测量范围MR中的情况下，穿过物镜223的光照射到测量对象S的表面上，之后被该表面反射到宽范围。如以下所述，光纤313包括芯310a和包层310b(参考以下要说明的图3)。在本实施例中，光纤313的末端部分作为包括非常小的针孔的空间滤波器起作用。因此，在测量对象S的表面上反射的光的大部分未被输入至光纤313。
另一方面，聚焦于测量对象S的表面的位置的具有特定波长的光在表面上反射，由此穿过透镜单元220，从而被输入至光纤313的芯310a的末端部分。输入至光纤313的光的波长表示测量距离。测量距离是从预定基准位置RP起直到测量对象S的表面的位置为止的距离。注意，在本示例中，基准位置RP是壳体210的离测量对象S最近的末端部分的位置。
输入至光纤313的光被引导至图1所示的处理装置100，被衍射光栅131分光，并且由透镜133聚焦于针对各波长而不同的位置。受光部140的多个像素分别布置在针对各波长而不同的多个光的聚焦位置中。因此，受光部140的像素接收具有与这些像素相关联的波长的光并且输出受光信号。
利用该结构，可以通过指定输出受光信号的受光部140的像素的位置来指定所接收到的光的波长。可以通过指定所接收到的光的波长来指定测量距离。一般的共焦位移计的操作原理如上所述。然而，由于测量对象S的表面上的光的不规则反射，因此聚焦于与测量对象S的表面的位置不同的位置的光有时被输入至光纤313。在这种情况下，在处理装置100所指定的测量距离中，发生比测量对象S的表面的粗糙度大的程度的测量误差。
因此，在根据本实施例的共焦位移计500中，从处理装置100输入的光是从四个光纤313～316各自输出的。四个光纤313～316一体地被配置为光纤单元。图3是示出该光纤单元的光纤313～316的布置的截面图。如图3所示，在光纤单元301中，四个光纤313～316由保持构件302一体地保持。
光纤313～316包括芯310a和包层310b。芯310a被包层310b覆盖。输入至光纤313～316的芯310a的一个端部的光是从芯310a的其它端部输出的。注意，光纤311、312、317和318具有与光纤313～316的结构相同的结构。
在光纤单元301的中心和图2所示的透镜单元220的中心大致一致的情况下，光纤单元301的光纤期望地相对于透镜单元220的光轴呈对称布置。在图3所示的示例中，光纤单元301的中心布置在光学系统220的光轴上。光纤313～316的芯310a(光轴)相对于透镜单元220的光轴呈对称布置。在这种情况下，光纤313～316的芯310a(光轴)与光纤单元301的中心(即，透镜单元220的光轴)分开了大致相同的距离。
这样，光纤313～316的芯310a布置在与透镜单元220的光轴分开大致相等间隔的位置处。因此，可以容易地进行用于引起沿着光轴方向的像差的透镜单元220的光学设计。光轴不仅意味着折射透镜221、衍射透镜222和物镜223的光轴彼此大致一致，光轴还可以意味着折射透镜221、衍射透镜222和物镜223中的任一个或多个的光轴。
从光纤314～316输出的光的表现与上述从光纤313输出的光的表现相同。因此，从测量头200将这些光照射到测量对象S的表面的四个部分上。在图3所示的示例中，光纤313～316被布置成位于正方形的四个角部。芯310a的直径L1期望地为200μm以下，并且更期望地为50μm以下。在这种情况下，由于四个光纤313～316彼此接近布置，因此对于使用者而言，识别出仿佛光照射在测量对象S的表面的一部分上一样。
在测量对象S的表面的四个部分中反射的光中，聚焦于测量对象S的表面的某部分的光被输入至与该部分相对应的光纤313～316并且由受光部140接收到。彼此相邻的芯310a的中心之间的距离L2期望地为直径L1的三倍以上。在这种情况下，在距离L2为直径L1的三倍以上的情况下，在聚焦于测量对象S的表面的某部分的同时被反射的光穿过与该部分相对应的光纤313～316的针孔。该光几乎不会作为干扰光穿过不与该部分相对应的其它光纤313～316的针孔。
彼此相邻的芯310a的中心之间的距离L2更期望地为直径L1的五倍以上且十倍以下。在这种情况下，在距离L2为直径L1的五倍以上且十倍以下的情况下，进一步防止了在聚焦于测量对象S的表面的某部分的同时被反射的光作为干扰光穿过不与该部分相对应的其它针孔。由于多个光不会大幅分开，因此这些光可以穿过透镜单元220的中心附近。因此，几乎不会发生诸如彗星像差等的使测量精度下降的像差。在本示例中，直径L1例如为50μm，并且距离L2例如为250μm。
图4是示出受光部140所接收的光的波长和受光信号的强度之间的关系的图。图4的横轴示出接收光的波长，并且纵轴示出受光信号的强度。这同样适用于以下所述的图7～9。图4和以下所述的图7～9的横轴等同于受光部140的像素的位置。
在图4中，在假想分离状态下，利用点线、点划线、双点划线和虚线来分别表示输入至光纤313～316的光的受光信号的波形(以下称为受光波形)W1～W4。受光波形W1～W4的峰的波长(以下称为峰波长)分别为λ1～λ4。多个受光波形W1～W4的峰波长λ1～λ4由于测量对象S的表面上的不规则反射因而彼此不同。
然而，实际上，输入至光纤313～316的光在直到从光纤312输出光为止的过程中发生混合。结果，对从光纤312输出的光进行针对强度的平均化处理。该平均化处理是指用于生成如下的平均信号的处理，其中该平均信号对应于与穿过多个针孔的多个光有关的各波长的强度的平均值。在本示例中，平均化处理是积分处理。
在本例中，穿过针孔的光信号在这些光信号穿过光纤耦合器330、光纤317和318、光纤耦合器320以及光纤312期间发生混合。之后，混合后的光信号经由分光部130由受光部140转换成电气信号。即，在本示例中，在光信号的状态下进行平均化处理。在图4中，利用实线表示与受光部140所接收的稍后光相对应的受光波形W0。受光波形W0的峰波长为λ0。
这样光学地进行受光波形W0的平均化处理，由此消除引起由于不规则反射而产生的随机测量误差的光的分量。因此，峰波长λ0比峰波长λ1～λ4更接近与实际测量距离相对应的峰波长。实际测量距离是在没有发生光的不规则反射时应指定的测量距离。因此，可以通过指定受光波形W0的峰波长λ0来更正确地指定测量距离。
(3)光投射部
图5的(a)和(b)分别是示出光投射部120的结构的平面图和截面图。如图5所示，光投射部120包括光源121、荧光体122、套圈123、透镜124、保持器125、滤波器元件126和元件保持件127。元件保持件127包括光源固定部127A、套圈固定部127B和透镜固定部127C。光源121、套圈123和透镜124分别固定至元件保持件127的光源固定部127A、套圈固定部127B和透镜固定部127C。
光源121是发射具有单一波长的光的激光光源。在本实施例中，光源121发射波长为450nm以下的蓝色区域或紫外区域的光。荧光体122吸收蓝色区域或紫外区域的激励光并且释放出与激励光的波长区域不同的波长区域的荧光。荧光体122可以释放出黄色区域的荧光，可以释放出绿色区域的荧光，或者可以释放出红色区域的荧光。荧光体122可以由多个荧光构件配置成。
套圈123保持图1所示的导光部300的光纤311的端部。透镜124布置在光源121和套圈123之间。具有环形形状的保持器125的一个端面附接至套圈123(光纤311)的端部。荧光体122容纳在保持器125的内周部中。滤波器元件126附接至保持器125的另一个端面以覆盖保持器125中的荧光体122。滤波器元件126是反射型滤波器。滤光器元件126反射黄色区域、绿色区域或红色区域中的光，并且使蓝色区域或紫外区域的光透过。
利用该结构，光源121所发射出的光穿过透镜124，由此作为激励光会聚在荧光体122上。荧光体122吸收激励光并且释放出荧光。透过荧光体122而未被荧光体122吸收的激励光和从荧光体122释放出的荧光混合，由此生成宽波长带的光。在本示例中，为了生成通过使激励光和荧光按期望比例混合所获得的光，将荧光体122在光路方向上的厚度设置为例如10μm～200μm。将保持器125中的荧光体122的浓度设置为例如30％～60％。
在光投射部120中生成的光穿过套圈123，由此被输入至光纤311。由荧光体122向着与光纤311相反的方向释放出的荧光被滤波器元件126反射到光纤311的方向。结果，可以将荧光高效地输入至光纤311。
在本示例中，荧光体122容纳在保持器125中。然而，本发明不限于此。可以将荧光体122涂敷到套圈123的端面。在这种情况下，光投射部120不包括保持器125。光投射部120具有滤波器元件126。然而，本发明不限于此。在将足够的荧光输入至光纤311的情况下，光投射部120可以不包括滤波器元件126。
(4)运算处理部
在图1所示的运算处理部150的存储部151中，预先存储了用于受光部140的像素的位置、所输出的受光波形W0的峰波长λ0以及测量距离的换算公式。运算处理部150的控制部152指定输出受光信号的像素的位置，并且基于所指定的像素的位置和存储部151中所存储的换算公式来顺次计算受光波形W0的峰波长λ以及测量距离。结果，可以测量测量对象S的厚度、距离或位移。控制部152进行基础波形的去除和受光部140的温度特性的校正，以更正确地计算测量距离。
(a)基础波形的去除
在与测量对象S不同的部分上反射的光有时被受光部140接收。图6是示出在与测量对象S不同的部分上反射的光的示例的示意图。在图6所示的示例中，使被透镜单元220的折射透镜221直接反射的光(利用箭头指示的光)输入至光纤313～316。这样的光不包含表示测量距离的分量，但包含不必要的分量。
图7是示出包含不必要的分量的受光波形W0的图。如图7所示，受光波形W0包括三个峰P0、Px和Py。峰P0是由在测量对象S的表面上反射的光产生的。峰P0具有陡峭的形状。峰波长为λ0。峰Px是由在与测量对象S不同的部分上反射的光产生的。峰Px具有平滑的形状。峰波长为λx。
峰Py是由在与测量对象S不同的部分上反射的具有振荡波长λy的光源121(图5的(b))的光产生的。峰Py具有陡峭的形状。峰波长为λy。注意，在本示例中，由作为激光光源的光源121发射出的激励光的强度大。因此，具有与激励光等同的波长分量的光未被用作测量光。
峰波长λx离峰波长λ0相对较近。峰Px宽。因此，峰P0被掩埋在峰Px中。在这种情况下，很难正确地指定峰波长λ0。因此，进行用于将由于峰Px而产生的部分(以下称为基础波形BL)从受光波形W0去除的校正。
图8是示出受光波形W0的基础波形BL的图。在本实施例中，控制部152将用于识别峰Px和峰P0的低通滤波处理应用于受光波形W0，由此获取到图8所示的基础波形BL。用于获取基础波形BL的方法不限于以上所述的方法。可以将表示基础波形BL的数据预先存储在图1所示的存储部151中。在这种情况下，控制部152基于所获取到的图8所示的基础波形BL来进行受光波形W0的校正，以将基础波形BL从图7所示的受光波形W0中去除。
图9是示出去除了基础波形BL的受光波形W0的图。在图9所示的示例中，峰波长λ0与图7所示的峰波长λ0相比向着短波长侧略微偏移。这样，通过从受光波形W0中去除基础波形BL，可以更正确地指定峰波长λ0。结果，可以更正确地计算测量距离。注意，由于受光波形W0的峰Py而产生的部分不会影响峰波长λ0的正确指定。因此，该部分并未从受光波形W0中去除。本发明不限于此。可以执行用于从受光波形W0中去除由于峰Py而产生的部分的处理。
(b)受光部的温度特性的校正
如上所述，具有特定波长的光被与该波长相关联的受光部140的像素接收。然而，由于周围温度变化所伴随有的受光部140的受光面的位置的变化或者受光面的倾斜的变化，因而具有特定波长的光有时被与同该波长相关联的像素不同的像素接收。在这种情况下，不能正确地计算测量距离。因此，进行以下所述的受光部140的温度特性的校正。
图10是示出被引导至受光部140的光的路径的图。如图10所示，除由衍射光栅131分光得到的一级光以外，被衍射光栅131正反射的零级光也被引导至受光部140。在图10中，利用实线表示一级光，并且利用点划线表示零级光。零级光不用于测量距离的计算。
图11是示出被引导至图10所示的受光部140的光的受光波形W0的图。图11的横轴表示受光部140的像素的位置，并且纵轴表示受光信号的强度。如图11所示，受光波形W0包括与一级光相对应的部分和与零级光相对应的部分。与图7所示的受光波形W0相同，与一级光相对应的的受光波形W0的部分包括三个峰P0、Px和Py。与零级光相对应的受光波形W0的部分包括一个峰Pz。
在图1所示的存储部151中，预先存储峰Px、Py和Pz至少之一的中心应当出现的像素的位置作为基准位置。控制部152指定与存储部151中所存储的基准位置相对应的峰Px～Pz的位置。控制部152将所指定的峰Px～Pz的位置与基准位置进行比较由此计算像素的位置的偏差，并且基于所计算出的像素的位置的偏差来校正受光波形W0的位置。在图11中，利用点线表示位置校正之后的受光波形W0。
在存储部151中，预先存储峰Px、Py和Pz中的至少两个峰的中心应当出现的像素的间隔作为基准间隔。控制部152指定与存储部151中所存储的基准间隔相对应的峰Px～Pz的间隔。控制部152将所指定的峰Px～Pz的间隔与基准间隔进行比较由此计算像素的间隔的偏差，并且基于所计算出的像素的间隔的偏差来校正受光波形W0的形状。
作为受光部140的温度特性的校正，可以进行基于像素的位置的偏差的受光波形W0的位置的校正和基于像素的间隔的偏差的受光波形W0的形状的校正中的仅一个校正，或者可以进行这两个校正。受光部140的温度特性的校正早于基础波形BL的去除而进行。可以通过指定校正之后的受光波形W0的峰P0来更正确地计算测量距离。
(5)共焦位移计的基本使用示例
关于共焦位移计500来说明基本使用示例。在以下的使用示例中，假定在初始状态下接通共焦位移计500的电源。假定图1所示的控制装置400的CPU 403处于测量模式。
首先，使用者将测量对象S固定在位移测量所用的放置台上。之后，使用者相对于测量对象S粗略地定位测量头200，使得从测量头200发射出的光照射到测量对象S上。测量头200利用夹持构件等以期望姿势固定到使用者的期望位置。
图12是示出初始状态下的控制装置400的显示装置401的显示示例的图。如图12所示，例如，在显示装置401中设置第一显示区域410和第二显示区域450。在初始状态下，在第一显示区域410中什么也没有显示。另一方面，在第二显示区域450中显示受光确认按钮451、确认设置按钮452、确认结束按钮453和测量开始按钮454。
除非测量头200相对于测量对象S的相对位置和相对姿势是适当的，否则难以正确地测量测量对象S的位移。因此，为了更适当地调整测量头200的位置和姿势，使用者使用图1所示的操作部402来操作受光确认按钮451。在这种情况下，CPU 403从测量模式切换到确认模式。在确认模式中，由CPU 403按固定周期生成变化信息。将所生成的变化信息显示在第一显示区域410中。以下说明变化信息的具体内容和显示示例。
在这种状态下，使用者可以通过在确认变化信息的同时微调整测量头200的位置和姿势，来更加适当地定位测量头200。在测量头200的定位完成时，使用者使用图1所示的操作部402来操作确认结束按钮453。结果，CPU 403的操作模式从确认模式切换到测量模式。之后，使用者可以通过操作测量开始按钮454来测量测量对象S的位移。
在CPU 403处于测量模式的状态下测量测量对象S的位移时，将表示测量结果的数值或者在当前时间点获取到的受光波形显示在图12所示的第一显示区域410中。图13是示出在图12所示的第一显示区域410中显示的测量结果的示例的图。图14是示出在图12所示的第一显示区域410中显示的受光波形的示例的图。
在图13所示的示例中，在第一显示区域410内显示表示位移的测量结果的数值并且显示切换按钮491。在图14所示的示例中，在第一显示区域410内显示在当前时间点获取到的受光波形并且显示切换按钮491。使用者可以通过使用图1所示的操作部402操作图13所示的切换按钮491，将第一显示区域410的显示状态切换到图14所示的受光波形的显示状态。使用者可以通过使用图1所示的操作部402操作图14所示的切换按钮491，将第一显示区域410的显示状态切换到图13所示的利用数值的测量结果的显示状态。
在CPU 403处于确认模式的状态下，在受光确认处理期间，CPU 403可以基于受光信号的峰值是否高于特定阈值来判断测量头200的位置和姿势的适当性(以下称为适当性判断)，并且使显示装置401将该判断结果连同变化信息一起显示。CPU 403可以仅使用特定波长范围内的峰来进行该适当性判断。此外，CPU 403可以采用各种形式将变化信息显示在显示装置401上。
将包括受光确认处理中使用的适当性判断的阈值、适当性判断的波长范围以及显示形式的各种信息作为设置信息存储在图1所示的存储器404中。使用者可以通过使用图1所示的操作部402操作图12所示的确认设置按钮452并输入这些类型的信息，来使存储器404存储期望的设置信息。
图15是示出在图12所示的第一显示区域410中显示的设置信息的输入画面的示例的图。在图15所示的示例中，在第一显示区域410内显示两个输入栏461和462以及两个显示形式按钮463和464。使用者使用一个输入栏461来指定适当性判断的阈值。使用者使用另一输入栏462来指定适当性判断的波长范围。使用者使用显示形式按钮463和464来选择是否通过例如散点图或波形图显示从当前时间点之前的时间点起直到当前时间点为止的受光量的峰值的变化作为变化信息。
注意，关于多个波长范围，可以将适当性判断的阈值分别设置为不同的值。在这种情况下，在设置画面上，例如，可以显示用于输入分别与多个波长范围相对应的多个阈值的多个输入栏。适当性判断的阈值可以由共焦位移计500的制造商预先存储在存储器404中。
图16～21是示出通过受光确认处理在图12所示的第一显示区域410中显示的变化信息的示例的图。在图16所示的示例中，第一显示区域内显示的变化信息包括：在当前时间点所获取到的受光信号的峰值(以下称为当前峰值)、从受光确认处理开始起直到当前时间点为止所获取到的受光信号的峰值的最大值(以下称为过去最大峰值)、以及示出从受光确认处理开始起直到当前时间点为止的受光信号的峰值的变化的散点图。此外，显示测量头200的位置和姿势的适当性判断结果。
在图16的散点图中，横轴表示时间，并且纵轴表示受光信号的强度。在该散点图中，将由控制部152从受光确认处理开始起按固定周期获取到的受光信号的峰值显示为点，并且利用点线表示预先设置的适当性判断的阈值。注意，使用者能够设置峰值的显示周期和横轴的标度。
此外，在图16所示的示例中，如通过阴影所示，突出显示过去最大峰值和与该峰值相对应的点。结果，使用者可以通过从视觉上识别显示装置401来容易地识别受光信号的峰值随时间经过的变化。因此，可以调整测量头200的位置和姿势，使得可以获得更高的峰。
在图16所示的示例中，显示位置/姿势适当性判断结果。位置/姿势适当性判断结果在受光信号的峰值超过阈值时显示为“OK”，并且在受光信号的峰值不超过阈值时显示为“NG”。在位置/姿势适当性判断结果显示为“OK”时，促使使用者结束调整。位置/姿势适当性判断结果的用于显示“OK”或“NG”的阈值与通过图15所示的画面所设置的适当性判断的阈值可以相同或可以不同。
例如，如果当前时间点的位置/姿势适当性与过去相比更好，则可以将位置/姿势适当性判断结果显示为“OK”。在当前时间点的位置/姿势适当性与过去的位置/姿势适当性相比更好、并且高于共焦位移计500可测量测量对象S的最小限制范围时，位置/姿势适当性判断结果可以显示为“OK”。
在位置姿势适当性判断结果处于位置和姿势的进一步调整不会对测量精度产生大幅影响的范围内时，向使用者通知调整结束，以促使使用者进入位移测量的步骤。
除以下所述的几点以外，图17所示的示例与图16所示的示例相同。在图17所示的示例中，代替散点图，通过波形图来显示从受光确认处理开始起直到当前时间点为止的受光信号的峰值的变化。
在图18所示的示例中，显示当前峰值和过去最大峰值作为变化信息。显示包括当前时间点的受光波形和获得过去最大峰值时的受光波形的波形图作为变化信息。此外，显示测量头200的位置和姿势的适当性判断结果。
在图18的波形图中，横轴表示受光部140所接收到的光的波长，并且纵轴表示受光信号的强度。在波形图中，利用点划线来表示获得过去最大峰值时的受光波形，并且利用实线来表示当前时间点的受光波形。结果，使用者可以在从视觉上识别显示装置401的同时，调整测量头200的位置和姿势，使得当前时间点的受光波形的峰超过利用点划线所表示的过去的受光波形的峰。
图18所示的波形图的横轴所表示的波长与测量对象S和测量头200之间在测量头200的光轴方向上的距离相对应。因此，使用者可以通过从视觉上识别当前时间点的受光波形，来识别测量对象S和测量头200之间在测量头200的光轴方向上的位置关系。结果，使用者可以容易地调整测量头200的位置，使得受光信号的峰波长处于与图2所示的测量范围MR相对应的波长的范围内。
除以下所述的几点外，图19所示的示例与图18所示的示例相同。在图19所示的示例中，代替图18所示的波形图，显示包括如下的受光波形的波形图：当前时间点的受光波形、以及由控制部152从受光确认处理开始起按固定周期获取到的多个受光波形。
在图19所示的波形图中，横轴表示受光部140所接收到的光的波长，并且纵轴表示受光信号的强度。在该波形图中，利用点线来表示过去获取到的多个受光波形，并且利用实线来表示当前时间点的受光波形。结果，使用者可以在从视觉上识别显示装置401的同时，调整测量头200的位置和姿势，使得当前时间点的受光信号的峰超过利用点线表示的过去的多个受光波形的峰。
除以下所述的几点以外，图20所示的示例与图18所示的示例相同。在图20所示的示例中，代替图18所示的波形图，显示包括当前时间点的受光波形和如下包络线的波形图，其中该包络线用于连接由控制部152从受光确认处理开始起获取到的多个受光波形的峰。
在图20所示的波形图中，横轴表示受光部140所接收到的光的波长，并且纵轴表示受光信号的强度。在该波形图中，利用点线来表示连接过去获取到的多个受光波形的峰的包络线，并且利用实线来表示当前时间点的受光波形。结果，使用者可以在从视觉上识别显示装置401的同时，调整测量头200的位置和姿势，使得当前时间点的受光信号的峰的高度接近利用点线所表示的包络线的最高点或者超过该最高点。
除以下所述的几点以外，图21所示的示例与图16所示的示例相同。在图21所示的示例中，将图18的波形图连同图16的散点图一起显示。在这种情况下，使用者可以容易地识别受光信号的峰随时间经过的变化以及受光波形随时间经过的变化。注意，在图21所示的示例中，代替第一显示区域410的左侧所显示的散点图，可以显示图17的波形图。可以显示图19或20的波形图作为第一显示区域410的右侧所显示的波形图。
(6)位移测量处理
图22是用于说明位移测量处理的流程图。在接通共焦位移计500的电源时，图1所示的CPU 403按固定周期执行以下所述的位移测量处理。在初始状态下，CPU 403处于测量模式。假定在显示装置401上显示图12所示的画面。
首先，CPU 403通过例如操作图12所示的受光确认按钮451来判断是否指示了向确认模式的切换(步骤S1)。在指示了向确认模式的切换的情况下，CPU 403在以下所述的步骤S20中进行受光确认处理，之后结束位移测量处理。
另一方面，在没有指示向确认模式的切换的情况下，CPU 403通过例如操作图12所示的确认设置按钮452来判断是否指示了确认模式的设置(步骤S2)。在指示了确认模式的设置的情况下，控制部152响应于使用者对操作部402的操作来接收设置信息(步骤S11)，将所接收到的设置信息存储在存储器404中(步骤S12)，并且结束位移测量处理。
在步骤S2中没有指示确认模式的设置的情况下，CPU 403通过例如操作图12所示的测量开始按钮454来判断是否指示了测量的开始(步骤S3)。在没有指示测量的开始的情况下，CPU 403进行步骤S1的处理。
另一方面，在指示了测量的开始的情况下，CPU 403获取从控制部152给出的受光信号(步骤S4)。控制部152对从控制部152给出的受光信号进行了基础波形的去除和受光部140的温度特性的校正。
在存储器404中，与在存储部151中相同，预先存储用于受光部140的像素的位置、输出的受光波形的峰波长和测量距离的换算公式。CPU 403基于校正之后的受光信号和存储在存储器404中的换算公式来计算测量对象S的位移(步骤S5)。此外，CPU 403将所计算出的位移显示在显示装置401上(步骤S6)。之后，CPU 403判断通过例如使用者操作图1所示的操作部402是否指示了测量的结束(步骤S7)。在指示了测量的结束的情况下，CPU 403结束位移测量处理。在没有指示测量的结束的情况下，CPU 403执行步骤S4的处理。
图23和图24是用于说明图22所示的受光确认处理的流程图。如上所述，在图22的步骤S1中指示了向确认模式的切换的情况下，执行图23和24所示的受光确认处理。
首先，CPU 403重置内置在控制装置400中的未示出的计时器，并开始计数(步骤S21)。CPU 403将表示受光信号的获取次数的变量i的值设置为1(步骤S22)。
随后，CPU 403获取从控制部152给出的受光信号(步骤S23)。控制部152对从控制部152给出的受光信号进行了基础波形的去除和受光部140的温度特性的校正。之后，CPU403将所获取到的受光信号的受光波形作为第一个受光波形存储在存储器404中，提取所获取到的受光信号的峰，并将该峰的值作为第一个峰值存储在存储器404中(步骤S24)。CPU403将存储器404中所存储的第一个峰值作为当前峰值显示在显示装置401上(步骤S25)。
随后，CPU 403基于计时器的计数来判断从步骤S21的处理起是否经过了预先确定的固定时间段(步骤S26)。在没有经过固定时间的情况下，CPU 403执行以下所述的步骤S33的处理。另一方面，在经过了固定时间的情况下，CPU 403重置计时器并开始计数(步骤S27)。CPU 403向变量i的值加1(步骤S28)。
随后，CPU 403获取从受光部140输出的受光信号(步骤S29)。对从控制部152给出的受光信号进行了基础波形的去除和受光部140的温度特性的校正。之后，CPU 403将所获取到的受光信号的受光波形作为第i个受光波形存储在存储器404中，提取所获取到的受光信号的峰，并且将该峰的值作为第i个峰值存储在存储器404中(步骤S30)。CPU 403基于存储器404中所存储的第i个峰值和第i个受光波形以及第1个峰值～第(i～1)个峰值和第1个受光波形～第(i～1)个受光波形来生成变化信息，并将所生成的变化信息显示在显示装置401上(步骤S31)。注意，变化信息包括第1个峰值～第(i～1)个峰值至少之一和第i个峰值(当前峰值)。
之后，CPU 403基于预先作为设置信息存储在存储器404中的阈值来判断测量头200的位置和姿势的适当性，并将判断结果显示在显示装置401上(步骤S32)。注意，在该阈值没有存储在存储器404中的情况下，可以省略步骤S32的处理。
随后，CPU 403通过例如操作图12所示的确认结束按钮453来判断是否指示了受光确认处理的结束(步骤S33)。在没有指示受光确认处理的结束的情况下，CPU 403执行步骤S26中的处理。另一方面，在指示了受光确认处理的结束的情况下，CPU 403结束受光确认处理。在变化信息包括示出受光信号的峰值随时间经过的变化的曲线图(参见图16和17)的情况下，CPU 403可以将受光确认处理的结束时间点的曲线图存储在存储部151中。
(7)效果
在根据本实施例的共焦位移计500中，由光投射部120发射出具有多个波长的光。由透镜单元220使由光投射部120发射出的光产生色像差。具有色像差的光由透镜单元220会聚并照射在测量对象S上。在经由透镜单元220照射在测量对象S上的光中，具有在测量对象S的表面上聚焦的同时被反射的波长的光穿过多个光纤313～316。
穿过多个光纤313～316的多个光经由光纤耦合器330、光纤317和318、光纤耦合器320以及光纤312被引导至分光部130。因此，穿过多个光纤313～316的多个光在这多个光被引导至分光部130的过程中合成为一个光。结果，可以容易地对多个光进行平均化处理。控制部152基于平均化处理之后的光的强度来计算测量对象S的位移。
由于测量对象S的表面上的不规则反射，因此聚焦在与测量对象S的表面的位置不同的位置的光有时穿过光纤313～316中的任一光纤。即使在这种情况下，利用以上所述的结构，也在平均化处理中对与穿过多个光纤313～316的多个光有关的各波长的强度进行平均。结果，由于不规则反射而产生随机测量误差的光的分量被抵消。结果，可以减小所测量到的测量对象S的位移的误差。在该结构中，不必进行用于进行平均化处理的算术运算。结果，可以高速高效地计算测量对象S的位移。
在本实施例中，光纤313～316的末端部分用作针孔。在这种情况下，不必单独布置多个针孔。结果，可以使共焦位移计500的结构紧凑。
这样，期望将光纤313～316的包层310b形成为遮光部(针孔构件)并且将芯310a形成为针孔。结果，可以利用简单的结构实现共焦光学系统。另一方面，在可以允许光的损失的情况下，可以在测量头200侧的光纤313～316的端部布置通过在具有遮光性的板中设置多个针孔所获得的遮光构件。
此外，在本实施例中，处理装置100和测量头200是单独设置的，并且通过导光部300光学连接。因此，容易使用如下的测量头200来进行测量，其中该测量头200包含根据测量对象S的形状或布置等而产生适当的色像差的透镜单元220、或者具有适当的焦距的透镜单元220。结果，可以更容易地测量测量对象S的位移。
由于导光部300包括光纤，因此可以将处理装置100和测量头200彼此分开地布置。在测量头200中没有设置机械驱动的组件。在测量头200中不存在发热源。因此，可以将测量头200布置在各种环境中。如以下所述，在测量头200的暴露部分由玻璃形成的情况下，可以将测量头200布置在更多不同的环境中。
在使用激光光源作为光源121的情况下，导光部300期望地包括光纤。例如，在如图5的(b)所示、利用光源121所发射出的激光激励荧光体122以生成具有多个波长的光的情况下，可以高效地提取通过使用光纤所生成的光。通过使用光纤，可以将所提取的光高效地提供至测量头200。
在图1中，光纤耦合器330设置在测量头200的壳体210内。然而，光纤耦合器330可以设置在测量头200与光纤313～316的连接器部内。通过将光纤耦合器330布置在金属等的牢固壳体(连接器部)中，可以在固定并保护光纤耦合器300的同时防止测量头200的大小变大。光纤耦合器330可以设置在连接器部附近。
如图1所示，光纤耦合器320布置在处理装置100侧，并且光纤耦合器330布置在测量头200侧。光纤耦合器320和330通过各自包括两个芯310a的光纤317和318连接。利用该结构，可以在减少从测量对象S反射的光信号的损失的同时，提高光纤耦合器320和330的布置的设计自由度。
(8)变形例
(a)导光部的变形例
在本实施例中，导光部300包括两个光纤耦合器320和330。然而，本发明不限于此。导光部300可以不包括光纤耦合器320和330其中之一或这两者。图25是示出导光部300的第一变形例的图。在图25所示的示例中，导光部300不包括图1所示的光纤317和318以及光纤耦合器320。光纤311～316分别连接至光纤耦合器330的端口331～336。
在图25所示的示例中，光纤耦合器330设置在处理装置100的壳体110的外部。然而，光纤耦合器330可以设置在处理装置100的壳体110的内部。在图25所示的示例中，光纤耦合器330设置在导光部300的靠近处理装置100的一侧。然而，光纤耦合器330可以设置在测量头200附近或连接器部内。
在图25所示的示例中，设置仅一个光纤耦合器。在测量头200中没有布置光纤耦合器。因此，容易组装测量头200。通过将光纤耦合器330布置在与测量头200相比具有更大的容纳空间的处理装置100侧，可以实现组装的容易性和光损失的减少这两者。
图26是示出导光部300的第二变形例的图。在图26所示的示例中，代替图1所示的光纤耦合器330，导光部300包括两个光纤耦合器340。光纤耦合器340各自具有所谓的1×2型结构并且包括三个端口341～343和主体部344。端口341和342以及端口343以跨主体部344彼此相对的方式连接至主体部344。输入至端口341和342至少之一的光是从端口343输出的。输入至端口343的光是从端口341和342中的各端口输出的。
光纤313和314分别连接至一个光纤耦合器340的端口341和342。光纤315和316分别连接至另一光纤耦合器340的端口341和342。光纤耦合器320的端口323和一个光纤耦合器340的端口343通过光纤317连接。光纤耦合器320的端口324和另一光纤耦合器340的端口343通过光纤318连接。
在图26所示的示例中，光纤耦合器320设置在处理装置100的壳体110的外部。然而，光纤耦合器320可以设置在处理装置100的壳体110的内部。光纤耦合器340设置在测量头200的外部。然而，光纤耦合器340可以容纳在测量头200的连接器部内。
在图26所示的示例中，两个光纤耦合器340设置在测量头200侧。在这种情况下，可以容易地进行用于将光纤耦合器340设置在测量头200内的设计的布局。可以减少从测量对象S反射的光的损失。
图27是示出导光部300的第三变形例的图。在图27所示的示例中，代替图1所示的光纤耦合器320和330，导光部300包括两个光纤耦合器340和350。图27所示的导光部300不包括图1所示的光纤318。图27所示的光纤耦合器340具有与图26所示的光纤耦合器340的结构相同的结构。
光纤耦合器350具有所谓的1×4型结构并且包括五个端口351～355和主体部356。端口351～354和端口355以跨主体部356彼此相对的方式连接至主体部356。输入至端口351～354至少之一的光是从端口355输出的。输入至端口355的光是从端口351～354中的各端口输出的。
光纤311和312分别连接至光纤耦合器340的端口341和342。光纤313～316分别连接至光纤耦合器350的端口351～354。光纤耦合器340的端口343和光纤耦合器350的端口355通过光纤317连接。
在本实施例中，使用光纤耦合器320、330、340和350来进行光的耦合和分割。然而，本发明不限于此。在不使用光纤耦合器320、330、340和350的情况下，可以使用各自的多个芯310a融合为一个的多个光纤311～318来进行光的耦合和分割。
在图27所示的示例中，光纤耦合器340设置在处理装置100的壳体110的外部。然而，光纤耦合器340可以设置在处理装置100的壳体110内。光纤耦合器350设置在测量头200的外部。然而，光纤耦合器350可以容纳在测量头200的连接器部内。代替光纤耦合器340，可以使用光环行器。结果，与使用光纤耦合器340的情况相比，可以进一步减少光的损失。
(b)透镜单元的变形例
在本实施例中，透镜单元220包括折射透镜221和衍射透镜222。然而，本发明不限于此。透镜单元220可以不包括折射透镜221和衍射透镜222其中之一或这两者。图28的(a)～(d)是示出透镜单元220的第一变形例～第四变形例的图。
如图28的(a)所示，第一变形例的透镜单元220包括衍射透镜222和物镜223，而不包括图1所示的折射透镜221。如图28的(b)所示，与第一变形例相同，第二变形例的透镜单元220包括衍射透镜222和物镜223，而不包括图1所示的折射透镜221。在第二变形例中，衍射透镜222和物镜223布置在与第一变形例中的衍射透镜222和物镜223的位置相反的位置。
如图28的(c)所示，代替第一变形例的衍射透镜222，第三变形例的透镜单元220包括平板透镜224。如图28的(d)所示，代替第二变形例的衍射透镜222，第四变形例的透镜单元220包括平板透镜224。
这样，透镜单元220可以包括例如衍射透镜、平板透镜、GRIN(渐变折射率)透镜或棱镜、或者这些透镜的组合。利用透镜单元220的这些结构，可以使由光投射部120发射出的光产生沿着光轴方向的色像差。可以使具有色像差的光会聚并将该光照射在测量对象S上。
透镜可以是玻璃透镜，可以是树脂透镜，或者可以是树脂加工玻璃的透镜。玻璃透镜具有高耐热性。树脂透镜可以廉价地制造。树脂加工玻璃的透镜可以相对廉价地制造并且具有相对较高的耐热性。
透镜单元220中的最靠近测量对象S的透镜期望地由玻璃形成。测量头200布置在工厂等的制造生产线中的存在水或油等的环境中。在诸如透镜等的暴露到测量头200外部的部分的光学系统由玻璃形成的情况下，可以提高测量头200的耐油性、耐水性和耐污染性。
同样，透镜单元220的光学系统中的暴露于外部空气的部分期望地由玻璃形成。可选地，折射透镜221、衍射透镜222、物镜223或平板透镜224可以由树脂而不是玻璃形成。暴露于透镜单元220的外部空气的部分可以由玻璃形成。例如，在图28的(b)所示的示例中，可以在衍射透镜222的下侧(测量对象S侧)设置护罩玻璃。
(c)光投射部的变形例
在本实施例中，从光源121发射出的光的光轴和套圈123的中心轴布置在直线上。然而，本发明不限于此。图29是示出光投射部120的变形例的图。如图29所示，本变形例的光投射部120包括光源121、荧光体122、套圈123、透镜124和128以及反射构件129。透镜124布置在光源121和反射构件129之间。透镜128布置在反射构件129和套圈123之间。将荧光体122涂敷到反射构件129的反射面。
光源121所发射出的光穿过透镜124，由此作为激励光会聚在涂敷到反射构件129的荧光体122上。荧光体122吸收该激励光并释放出荧光。透过荧光体122而未被荧光体122吸收的激励光和从荧光体122释放出的荧光混合，由此生成宽波长带的光。所生成的光在反射构件129的反射面上反射，由此经由透镜128被引导至套圈123。结果，光被输入至光纤311。在该结构中，光学元件的布置的自由度增加。因此，容易使光投射部120小型化。
为了增加光投射部120所生成的光的强度，期望增加光源121所发射出的光的光量。另一方面，在从光源121发射出的光的光量增加时，荧光体122的发热增加。因此，反射构件129的反射效率下降，并且来自荧光体122的荧光的释放容易饱和。因此，反射构件129可以配置成可转动或可移动。结果，使荧光体122冷却并且可以减少发热。结果，可以进一步增加光投射部120所生成的光的强度。
(d)分光部的变形例
在本实施例中，分光部130的衍射光栅131为反射型。然而，本发明不限于此。图30是示出分光部130的变形例的图。如图30所示，在分光部130的变形例中，衍射光栅131为透过型。入射在衍射光栅131上的光发生分光以按针对各波长而不同的角度透过。被衍射光栅131分光的光穿过透镜133，由此聚焦在针对各波长而不同的受光部140的像素的位置上。
[2]第二实施例
(1)共焦位移计的基本结构
关于根据本发明第二实施例的共焦位移计，说明与根据第一实施例的共焦位移计500的不同之处。图31是示出根据本发明第二实施例的共焦位移计的结构的示意图。如图31所示，共焦位移计500的导光部300包括多个(在本示例中为四个)光纤耦合器340以及多个(在本示例中为十二个)光纤311A～311D、312A～312D和313～316。图31所示的光纤耦合器340具有与图26所示的光纤耦合器340的结构相同的结构。
光纤311A～311D分别连接至四个光纤耦合器340的端口341。光纤312A～312D分别连接至四个光纤耦合器340的端口342。光纤313～316分别连接至四个光纤耦合器340的端口343。光投射部120所发射出的光被输入至光纤311A～311D。从光纤312A～312D输出的光被引导至分光部130。
利用该结构，光投射部120所发射出的光经由光纤311A～311D被输入至光纤耦合器340的端口341。输入至端口341的光从与端口341相对应的端口343被输出，并且经由与端口341相对应的光纤313～316以及测量头200照射在测量对象S上。测量对象S的表面上反射的光的一部分经由测量头200和光纤313～316被输入至端口343。输入至端口343的光从与端口343相对应的端口341和342被输出。从端口342输出的光经由光纤312A～312D被引导至分光部130。
图32是示出图31所示的分光部130的结构的图。如图32所示，从光纤312A～312D输出的光穿过透镜132，由此大致准直并入射在衍射光栅131上。入射在衍射光栅131上的光发生分光以按针对各波长而不同的角度反射。
图33是示出图32所示的受光部140以及受光波形的图。如图33的(a)所示，受光部140包括多个像素呈二维排列的摄像元件(二维线传感器)。摄像元件可以是多分割PD、CCD照相机或CMOS图像传感器，或者可以是其它元件。受光部140包括矩形状的四个受光区域141～144。受光区域141～144在宽度方向(与长边方向垂直的方向)上并排排列。受光区域141～144用作一维线传感器。
从图32所示的光纤312A～312D输出并且被衍射光栅131分光的光穿过透镜133，由此分别聚焦于受光区域141～144上的针对各波长而不同的一维上的位置。将与受光量相对应的受光信号从受光区域141～144的各像素输出至运算处理部150。在图33的(a)中，利用白色圆圈表示受光区域141～144中的输出具有最大强度的受光信号的像素。
图33的(b)的横轴表示接收光的波长，并且纵轴表示受光信号的强度。图32所示的运算处理部150获取如图33的(b)所示与受光区域141～144相对应的受光波形W1～W4。运算处理部150对所获取到的受光波形W1～W4进行平均化处理，由此生成与图4所示的受光波形W0相同的受光波形W0。
平均化处理可以是平均值的计算，可以是积分值的计算，或者可以是加权平均值或其它运算值的计算。在平均化处理中，可以进行考虑到穿过多个光纤313～316的多个光的强度的期望的平均化或积分。这样，以电气方式进行针对受光波形W0的平均化处理。结果，由于不规则反射而产生随机测量误差的光的分量被抵消。可以通过指定受光波形W0的峰波长λ0来更正确地指定测量距离。
利用图31所示的结构，在光纤312A～312D的光信号中存在异常值的情况下，可以容易地排除该异常值并计算位移。例如，可想到，仅使对应于图33的(a)所示的受光区域143的受光信号的强度与对应于其它受光区域141、142和144的受光信号的强度相比变大或变小。在这种情况下，可想到，在测量头200中存在污迹、或者由于杂散光等的影响因而检测到异常值。因此，可以排除与受光区域143相对应的受光信号，并且可以使用与其它受光区域141、142和144相对应的受光信号来计算位移。
由于四个光信号是彼此独立地接收到的，因此可以进行诸如加权积分等的任何算术运算作为计算位移时的平均化处理。此外，由于受光部140的受光区域141～144相连接，因此可以减少受光部140的布置空间。代替光纤耦合器340，可以使用光环行器。结果，与使用光纤耦合器340的情况相比，可以减少光的损失。
(2)变形例
(a)第二实施例中的第一变形例
在本实施例中，受光部140由二维线传感器来实现。然而，本发明不限于此。图34是示出根据第二实施例的第一变形例的共焦位移计500的结构的示意图。如图34所示，代替图31所示的分光部130和受光部140，根据第一变形例的共焦位移计500包括多个(在本示例中为四个)分光部130A～130D和多个(在本示例中为四个)受光部140A～140D。
分光部130A～130D具有与第一实施例中的图1所示的分光部130的结构相同的结构。受光部140A～140D具有与第一实施例中的图1所示的受光部140的结构相同的结构。因此，受光部140A～140D由一维线传感器实现。受光部140A～140D被布置成分别接收被分光部130A～130D分光后的光。
从光纤312A～312D输出的光被分别引导至分光部130A～130D。从光纤312A～312D输出的光在与光纤312A～312D相对应的分光部130A～130D中穿过图32所示的透镜132以由此大致准直，并且入射在衍射光栅131上。入射在衍射光栅131上的光发生分光，以按针对各波长而不同的角度反射。被衍射光栅131分光后的光穿过透镜133，由此聚焦在针对各波长而不同的受光部140A～140D的像素的位置上。
将与受光量相对应的受光信号从受光部140A～140D的各像素输出至运算处理部150。运算处理部150以电气方式对从受光部140A～140D获取到的受光波形进行平均化处理，由此生成与图4所示的受光波形W0相同的受光波形W0。结果，计算出测量距离。
在第二实施例中的第一变形例中，多个分光部130A～130D中的衍射光栅131以及透镜132和133可以分别由共通的衍射光栅131以及透镜132和133来实现。即，图33的(a)所示的受光部140的受光区域141～144可以分别由单独的一维线传感器来实现。
利用图34所示的结构，由于多个受光部140A～140D是独立布置的，因此可以向受光部140A～140D所接收到的光进行独立的信号处理。结果，可以计算出噪声被去除的位移。
(b)第二实施例中的第二变形例
图35是示出第二实施例中的第二变形例的共焦位移计500的结构的示意图。如图35所示，代替图31所示的分光部130、受光部140和光纤耦合器340，根据第二变形例的共焦位移计500包括多个(在本示例中为两个)分光部130A和130B、多个(在本示例中为两个)受光部140A和140B以及多个(在本示例中为两个)光纤耦合器320。根据第二变形例的共焦位移计500不包括图31所示的光纤311C、311D、312C和312D。
光纤耦合器320具有与图1所示的光纤耦合器320的结构相同的结构。光纤311A和311B分别连接至两个光纤耦合器320的端口321。光纤312A和312B分别连接至两个光纤耦合器320的端口322。光纤313和314分别连接至一个光纤耦合器320的端口323和324。光纤315和316分别连接至另一光纤耦合器320的端口323和324。
分光部130A和130B具有与图34所示的分光部130A～130D的结构相同的结构。受光部140A和140B具有与图34所示的受光部140A～140D的结构相同的结构。因此，受光部140A和140B由一维线传感器实现。光投射部120所发射出的光被输入至光纤311A和311B。从光纤312A和312B输出的光被分别引导至分光部130A和130B。被分光部130A和130B分光后的光分别由受光部140A和140B接收。
利用该结构，光投射部120所发射出的光经由光纤311A和311B被输入至光纤耦合器320的端口321。输入至端口321的光从与端口321相对应的端口323和324被输出，并且经由与端口321相对应的光纤313～316以及测量头200照射在测量对象S上。测量对象S的表面上反射的光的一部分经由测量头200和光纤313～316被输入至端口323和324。输入至端口323和324的光从与端口323和324相对应的端口321和322被输出。从端口322输出的光经由与端口322相对应的光纤312A和312B被引导至与端口322相对应的分光部130A和130B。
输入至光纤313和314的光在直到这些光从光纤312A输出为止的过程中混合。输入至光纤315和316的光在直到这些光从光纤312B输出为止的过程中混合。结果，对从光纤312A输出的光和从光纤312B输出的光进行针对强度的平均化处理(在本示例中为积分处理)。
从光纤312A和312B输出的光在与光纤312A和312B相对应的分光部130A和130B中穿过透镜132以由此大致准直，并且入射在衍射光栅131上。入射在衍射光栅131上的光发生分光以按针对各波长而不同的角度反射。被衍射光栅131分光后的光穿过透镜133，由此聚焦在针对各波长而不同的受光部140A和140B的像素的位置上。
将与受光量相对应的受光信号从受光部140A和140B的各像素输出至运算处理部150。运算处理部150对从受光部140A和140B获取到的受光波形进行进一步的平均化处理，由此生成与图4所示的受光波形W0相同的受光波形W0。这样，在本示例中，以光学方式和电气方式进行针对受光波形W0的平均化处理。因此，计算出测量距离。
利用图35所示的结构，可以任意选择进行强度的积分的两个光的组。通过对从图3所示的跨光纤单元301的中心彼此相对的两个光纤分别输出的两个光的强度进行积分，可以更高效地去除由于不规则反射而产生随机测量误差的光的分量。
因此，跨光纤单元301的中心彼此相对的光纤313和316期望地分别连接到一个光纤耦合器320的端口323和324。同样，跨光纤单元301的中心彼此相对的光纤314和315期望地分别连接到另一光纤耦合器320的端口323和324。
[3]第三实施例
关于根据本发明第三实施例的共焦位移计，说明与根据第一实施例的共焦位移计500的不同之处。图36是示出根据本发明第三实施例的共焦位移计的结构的示意图。如图36所示，代替图1所示的两个光纤耦合器320和330，共焦位移计500的导光部300包括一个光开关360。导光部300不包括图1所示的光纤317和318。
光开关360具有所谓的2×4型结构并且包括六个端口361～366和主体部367。端口361和362以及端口363～366以跨主体部367彼此相对的方式连接至主体部367。光纤311～316分别连接至光开关360的端口361～366。
输入至端口361和362中的任意端口的光可以从端口363～366中的任一端口被输出。输入至端口363～366中的任一端口的光可以从端口361和362中的任意端口被输出。运算处理部150的控制部152针对长度彼此相等的四个时间段t1～t4各自，切换端口361和362与端口363～366之间的连接状态。
在时间段t1中，输入至端口361的光从端口363被输出，并且输入至端口363的光从端口362被输出。在时间段t1之后的时间段t2中，输入至端口361的光从端口364被输出，并且输入至端口364的光从端口362被输出。在时间段t2之后的时间段t3中，输入至端口361的光从端口365被输出，并且输入至端口365的光从端口362被输出。在时间段t3之后的时间段t4中，输入至端口361的光从端口366被输出，并且输入至端口366的光从端口362被输出。
由此，在时间段t1中，处理装置100的光投射部120所发射出的光经由光纤311被输入至光开关360的端口361。输入至端口361的光从端口363被输出并且经由光纤313和透镜单元220照射在测量对象S上。测量对象S的表面上反射的光的一部分经由透镜单元220和光纤313被输入至端口363。输入至端口363的光从端口362被输出并且经由光纤312被引导至分光部130。
同样，在时间段t2中，处理装置100的光投射部120所发射出的光经由光纤311被输入至光开关360的端口361。输入至端口361的光从端口364被输出，并且经由光纤314和透镜单元220照射在测量对象S上。测量对象S的表面上反射的光的一部分经由透镜单元220和光纤314被输入至端口364。输入至端口364的光从端口362被输出并且经由光纤312被引导至分光部130。
在时间段t3中，处理装置100的光投射部120所发射出的光经由光纤311被输入至光开关360的端口361。输入至端口361的光从端口365被输出，并且经由光纤315和透镜单元220照射在测量对象S上。测量对象S的表面上反射的光的一部分经由透镜单元220和光纤315被输入至端口365。输入至端口365的光从端口362被输出并且经由光纤312被引导至分光部130。
在时间段t4中，处理装置100的光投射部120所发射出的光经由光纤311被输入至光开关360的端口361。输入至端口361的光从端口366被输出，并且经由光纤316和透镜单元220照射在测量对象S上。测量对象S的表面上反射的光的一部分经由透镜单元220和光纤316被输入至端口366。输入至端口366的光从端口362被输出并且经由光纤312被引导至分光部130。
将受光信号从受光部140的各像素输出至运算处理部150。图37是示出运算处理部150所获取到的受光波形的图。图37所示的各时间段的横轴表示接收光的波长，并且纵轴表示受光信号的强度。如图37所示，运算处理部150在时间段t1～t4中分别获取受光波形W1～W4。
运算处理部150对所获取到的受光波形W1～W4进行平均化处理，由此生成与图4所示的受光波形W0相同的受光波形W0。与第二实施例相同，平均化处理可以是平均值的计算，可以是积分值的计算，或者可以是加权平均值或其它运算值的计算。在平均化处理中，可以进行考虑到穿过多个光纤313～316的多个光的强度的期望的平均化或积分。这样，以电气方式进行针对受光波形W0的平均化处理。结果，由于不规则反射而产生随机测量误差的光的分量被抵消。可以通过指定受光波形W0的峰波长λ0来更正确地指定测量距离。
可选地，受光部140可以在时间段t1～t4内执行曝光。可以将在曝光时间段中进行积分后的受光信号从受光部140的各像素输出至运算处理部150。在这种情况下，运算处理部150获取与进行了针对强度的平均化处理(在本示例中为积分处理)的光相对应的受光波形W0。在这种情况下，不必进行用于进行平均化处理的算术运算。结果，可以高速高效地计算测量对象S的位移。
这样，在第一实施例～第三实施例中，由于导光部300包括光纤，因此可以容易地配置成共焦位移计500。利用该结构，使用各种光学组件容易进行光的分割和合成。通过连接多个光纤，容易使光混合。此外，容易在处理装置100和测量头200之间传播光信号。在光投射部120中，利用光源121所发射出的激光来激励荧光体122。生成具有多个波长的光。因此，可以使用光纤高效地发射出所生成的光。
[4]其它实施例
(1)在上述实施例中，导光部300包含光纤。使用光纤在处理装置100和测量头200之间传输光。然而，本发明不限于此。导光部300可以不包含光纤。可以使用诸如反射镜和半透半反镜等的光学元件在处理装置100和测量头200之间传输光。
图38是示出根据其它实施例的共焦位移计的结构的示意图。在图38中，为了便于理解，示出了仅照射在测量对象S的一部分上的光的路径。在图38中，省略了照射在测量对象S的其它三个部分上的光的路径的例示。然而，在图38所示的共焦位移计500中，设置有四个光源121、以及分别与这四个光源121相对应的四个空间滤波器372和四个空间滤波器373。
如图38所示，代替图1所示的光纤311～318以及光纤耦合器320和330，导光部300包括半透半反镜371以及空间滤波器372和373。在空间滤波器372和373中分别形成有针孔372a和373a。
从光投射部120发射出的光穿过空间滤波器372的针孔372a，之后穿过半透半反镜371。穿过半透半反镜371的光经由透镜单元220照射在测量对象S上。测量对象S的表面上反射的光的一部分穿过透镜单元220以被半透半反镜371反射。被半透半反镜371反射的光穿过空间滤波器373的针孔373a以被引导至分光部130。受光部140接收被分光部130分光后的光并且输出受光信号。
运算处理部150基于受光部140所输出的受光信号，获取在上述实施例中所述的以光学方式或电气方式进行了平均化处理的受光波形W0。这样，以光学方式或电气方式进行了针对受光波形W0的平均化处理。结果，由于不规则反射而产生随机测量误差的光的分量被抵消。可以通过指定受光波形W0的峰波长λ0来更正确地指定测量距离。
(2)在上述实施例中，图5或者图29所示的光投射部120使从光源121发射出的激励光和从荧光体122释放出的荧光混合，由此发射出更宽波长带的光。然而，本发明不限于此。代替光源121和荧光体122，光投射部120可以包括发射出宽波长带的光的光源。例如，光投射部120可以包括发射出白色光的LED(发光二极管)或卤素灯作为光源。
(3)在上述实施例中，光投射部120发射出具有500nm～700nm的连续波长的光。然而，本发明不限于此。光投射部120可以发射出具有连续波长的其它波长带的光。例如，光投射部120可以发射出具有连续波长的红外区域的光，或者可以发射出具有连续波长的紫外区域的光。
(4)在上述实施例中，处理装置100和测量头200是分开配置的。然而，本发明不限于此。处理装置100和测量头200可以是一体配置的。
(5)在上述实施例中，共焦位移计500被配置成使光照射在测量对象S的表面的四个部分上。然而，本发明不限于此。共焦位移计500可被配置成使光照射在测量对象S的表面的两个部分、三个部分或者五个以上的部分上。
因此，光纤单元301中所包含的光纤的数量期望地等于或大于两个，并且更期望地等于或大于四个。在光纤单元301的光纤的数量增加的情况下，可以通过平均化处理来进一步提高测量精度。另一方面，光纤单元301的外径增大。因此，可以根据要求的测量精度和光纤单元301的外径来确定光纤的数量。
(6)在上述实施例中，光纤单元301以光纤单元301的中心与透镜单元220的光轴大致一致的方式布置。然而，本发明不限于此。光纤单元301可以以中心与透镜单元220的光轴分开的方式布置。
(7)在上述实施例中，多个光纤313～316被布置成不与光纤单元301的中心重叠。然而，本发明不限于此。例如，一个光纤可被布置成与光纤单元301的中心重叠。其它多个光纤可以布置在该光纤的周围。
光纤313和315可被布置成从图3所示的光纤313和315的位置起在光纤313和315的排列方向上移位了距离L2的一半。在这种情况下，光纤313～316可被布置成：光纤313与光纤314和316接触并且光纤316与光纤313和315接触。
(8)在上述实施例中，在受光确认处理中，CPU 403基于受光信号的峰值是否高于特定阈值来判断测量头200的位置和姿势的适当性。然而，本发明不限于此。CPU 403可以基于当前峰值是否高于过去最大峰值的预定比例(以下称为阈值比例)来判断测量头200的位置和姿势的适当性。在这种情况下，使用者能够设置阈值比例。
图39是示出在图12所示的第一显示区域410中显示的设置信息的输入画面的其它示例的图。在图39所示的示例中，使用者使用最上方的输入栏461来指定阈值比例。使用者将期望比例输入至输入栏461，由此所输入的比例被设置为阈值比例。
图40是示出在使用者设置阈值比例的状态下通过受光确认处理在图12所示的第一显示区域410中显示的变化信息的示例的图。在图40所示的示例中，与图16所示的示例相同，显示当前峰值、过去最大峰值、以及示出从受光确认处理开始起直到当前时间点为止的受光信号的峰值的变化的散点图。还显示测量头200的位置和姿势的适当性判断结果。
此外，在本示例中，以百分比显示使用者所设置的阈值比例。显示当前时间点的相对于过去最大峰值的阈值比例的值作为受光信号的强度的值。在图40所示的散点图中，利用点线来表示每当更新过去最大峰值时改变的适当性判断的阈值。
(9)在上述实施例中，如图16～21和图40所示，在受光确认处理中将针对受光信号的强度的阈值或者阈值比例显示在显示装置401上。然而，可以不显示阈值。使用者能够利用来自操作部402的输入来切换阈值的显示和不显示。
(10)在图16、17、21和40所示的示例中，在根据调整中所涉及的时间的经过、画面内的标绘图或波形拟合低于过去最大峰值并且该过去最大峰值存在于画面外的情况下，可以在与过去最大峰值等同的受光信号的强度中示出表示存在过去最大峰值的指标。可以基于当前峰值或者直到当前时间点为止的过去最大峰值来归一化纵轴的受光信号的强度。例如，在过去最大峰值为80的情况下，纵轴可以被配置成80位于受光强度的纵轴的上限附近。在根据调整和时间的经过、过去最大峰值增大到350的情况下，趋势图的纵轴可以被归一化成350位于受光强度的纵轴的上限附近。
[5]权利要求书的各构成要素和实施例的各部分之间的对应关系
以下说明权利要求书的各构成要素和实施例的各部分之间的对应关系的示例。然而，本发明不限于以下所述的示例。
在上述实施例中，测量对象S是测量对象的示例。共焦位移计500是共焦位移计的示例。光投射部120是光投射部的示例。透镜单元220是光学构件的示例。光纤313～316的末端部分或者针孔373a是针孔的示例。光纤313～316或者空间滤波器373是针孔构件的示例。处理装置100和导光部300是位移测量部的示例。
分光部130和130A～130D是分光部的示例。受光部140和140A～140D是受光部的示例。运算处理部150是计算部的示例。光纤313～316是第一光纤的示例。光开关360是切换部的示例。芯310a是芯的示例。处理装置100是处理装置的示例。测量头200是头部的示例。壳体110和210分别是第一壳体和第二壳体的示例。光源121是光源的示例。荧光体122是荧光体的示例。
在图1所示的结构中，光纤耦合器320和330以及光纤312～318是合成部的示例。光纤耦合器320和330分别是第一光纤耦合器和第二光纤耦合器的示例。光纤311和312分别是第二光纤和第三光纤的示例。光纤317和318是第四光纤的示例。在图25所示的结构中，光纤耦合器330和光纤312～316是合成部的示例。光纤耦合器330是光纤耦合器的示例。光纤311和312分别是第二光纤和第三光纤的示例。
在图26所示的结构中，光纤耦合器320和340以及光纤312～318是合成部的示例。光纤耦合器320和340分别是第一光纤耦合器和第二光纤耦合器的示例。光纤311和312分别是第二光纤和第三光纤的示例。光纤317和318是第四光纤的示例。在图27所示的结构中，光纤耦合器340和350以及光纤312～317是合成部的示例。光纤耦合器340和350分别是第一光纤耦合器和第二光纤耦合器的示例。光纤311、312和317分别是第二光纤～第四光纤的示例。在图35所示的结构中，光纤耦合器320以及光纤311A、311B、312A、312B和313～316是合成部的示例。
作为权利要求书的各构成要素，也可以使用具有权利要求书中所记载的结构和功能的其它各种要素。
产业上的可利用性
本发明可以有效地用于各种共焦位移计。
附图标记说明
100 处理装置
110,210 壳体
120 光投射部
121 光源
122 荧光体
123 套圈
124,128,132,133 透镜
125 保持器
126 滤波器元件
127 元件保持件
127A 光源固定部
127B 套圈固定部
127C 透镜固定部
129 反射构件
130,130A～130D 分光部
131 衍射光栅
140,140A～140D 受光部
141～144 受光区域
150 运算处理部
151 存储部
152 控制部
160 显示部
200 测量头
220 透镜单元
221 折射透镜
222 衍射透镜
223 物镜
224 平板透镜
300 导光部
301 光纤单元
302 保持构件
310a 芯
310b 包层
311～318,311A～311D,312A～312D 光纤
320,330,340,350 光纤耦合器
321～324,331～336,341～343,351～355,361～366 端口
325,337,344,356,367 主体部
360 光开关
371 半透半反镜
372,373 空间滤波器
372a,373a 针孔
400 控制装置
401 显示装置
402 操作部
403 CPU(中央处理单元)
404 存储器
410 第一显示区域
450 第二显示区域
451 受光确认按钮
452 确认设置按钮
453 确认结束按钮
454 测量开始按钮
461,462 输入栏
463,464 显示形式按钮
491 切换按钮
500 共焦位移计
BL 基础波形
L1 直径
L2 距离
MR 测量范围
P0,Px～Pz 峰
P1,P2 聚焦位置
RP 基准位置
S 测量对象
W0～W4 受光波形
λ0～λ4,λx,λy 峰波长

Claims (17)

1.一种共焦位移计，用于使用共焦光学系统来测量测量对象的位移，所述共焦位移计包括：
光投射部，其配置为发射具有多个波长的光；
光学构件，其被配置为使所述光投射部发射的光产生沿着光轴方向的色像差，使具有该色像差的光会聚，并且使该光照射在所述测量对象上；
针孔构件，其包括多个针孔，所述多个针孔使得所述光学构件照射在所述测量对象上的光中的具有在聚焦于所述测量对象的表面的同时被反射的波长的光能够穿过；以及
位移测量部，其被配置为基于如下的平均信号的各波长的信号强度来计算所述测量对象的位移，其中所述平均信号对应于与穿过所述多个针孔的多个光有关的各波长的强度的平均值。
2.根据权利要求1所述的共焦位移计，其中，还包括第一光纤，
其中，所述第一光纤的端部是所述针孔，以及
所述第一光纤是所述针孔构件。
3.根据权利要求2所述的共焦位移计，其中，所述光投射部包括：
第二光纤，其包括一个端部和另一端部；
激光光源；以及
荧光体，其布置在所述第二光纤的所述一个端部，并且被配置为吸收所述激光光源发射的光，并且释放具有与所述激光光源发射的光的波长不同的波长的光，
其中，所述第二光纤从所述一个端部接收所述荧光体释放的光，并且将所接收到的光从所述另一端部引导至所述第一光纤。
4.根据权利要求2或3所述的共焦位移计，其中，
设置有多个所述第一光纤，以及
多个所述第一光纤的端部分别是所述多个针孔。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的共焦位移计，其中，所述位移测量部包括：
合成部，其被配置为合成穿过所述多个针孔的多个光，由此生成一个合成光；
分光部，其被配置为对所述合成部合成得到的合成光进行分光；
受光部，其被配置为接收所述分光部进行分光后的光，并且输出表示与所述合成部合成得到的光有关的各波长的受光量的电气受光信号作为平均信号；以及
计算部，其被配置为基于从所述受光部输出的平均信号来计算所述测量对象的位移。
6.根据权利要求5所述的共焦位移计，其中，
所述合成部包括第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、多个所述第一光纤、所述第二光纤、第三光纤和第四光纤，
所述第二光纤连接至所述第一光纤耦合器，以将所述光投射部发射的光引导至所述第一光纤耦合器，
所述第四光纤连接至所述第一光纤耦合器和所述第二光纤耦合器，使得在所述第一光纤耦合器和所述第二光纤耦合器之间传输光，
多个所述第一光纤中的各第一光纤连接至所述第二光纤耦合器，以将由所述第二光纤和所述第四光纤引导至所述第二光纤耦合器的光引导至所述光学构件，并且将在聚焦于所述测量对象的表面的同时被反射的光引导至所述第二光纤耦合器，以及
所述第三光纤连接至所述第一光纤耦合器，以将由所述第四光纤和多个所述第一光纤引导至所述第一光纤耦合器的光引导至所述分光部。
7.根据权利要求5所述的共焦位移计，其中，
所述合成部包括光纤耦合器、多个所述第一光纤、所述第二光纤和第三光纤，
所述第二光纤连接至所述光纤耦合器，以将所述光投射部发射的光引导至所述光纤耦合器，
多个所述第一光纤中的各第一光纤连接至所述光纤耦合器，以将由所述第二光纤引导至所述光纤耦合器的光引导至所述光学构件，并且将在聚焦于所述测量对象的表面的同时被反射的光引导至所述光纤耦合器，以及
所述第三光纤连接至所述光纤耦合器，以将由多个所述第一光纤引导至所述光纤耦合器的光引导至所述分光部。
8.根据权利要求2至4中任一项所述的共焦位移计，其中，所述位移测量部包括：
分光部，其被配置为对穿过所述多个针孔的多个光分别进行分光；
受光部，其被配置为分别接收所述分光部进行分光后的多个光，并且输出表示与穿过所述多个针孔的多个光中的各个光有关的各波长的受光量的多个电气受光信号；以及
计算部，其被配置为针对各波长对从所述受光部输出的多个受光信号进行平均或积分，由此计算平均信号作为各波长的信号强度，并且基于所计算出的平均信号来计算所述测量对象的位移。
9.根据权利要求2至4中任一项所述的共焦位移计，其中，所述位移测量部包括：
合成部，其被配置为部分地合成穿过所述多个针孔的多个光，由此生成多个合成光；
分光部，其被配置为对所述合成部合成得到的多个合成光分别进行分光；
受光部，其被配置为分别接收所述分光部进行分光后的多个光，并且输出表示与穿过所述多个针孔的多个光中的各个光有关的各波长的受光量的多个电气受光信号；以及
计算部，其被配置为针对各波长对从所述受光部输出的多个受光信号进行平均或积分，由此计算平均信号作为各波长的信号强度，并且基于所计算出的平均信号来计算所述测量对象的位移。
10.根据权利要求2至4中任一项所述的共焦位移计，其中，所述位移测量部包括：
切换部，其被配置为对所述光学构件会聚的光向所述测量对象的照射和非照射进行切换，使得多个光顺次照射在所述测量对象上；
分光部，其被配置为在利用所述切换部使顺次穿过所述多个针孔的多个光照射在所述测量对象之后，对所述多个光分别进行分光；
受光部，其被配置为在单个曝光时间段内接收所述分光部进行分光后的多个光，并且输出表示与所接收到的光有关的各波长的受光量的电气受光信号作为平均信号；以及
计算部，其被配置为基于从所述受光部输出的平均信号来计算所述测量对象的位移。
11.根据权利要求2至4中任一项所述的共焦位移计，其中，所述位移测量部包括：
切换部，其被配置为对所述光学构件会聚的光向所述测量对象的照射和非照射进行切换，使得多个光顺次照射在所述测量对象上；
分光部，其被配置为在利用所述切换部使顺次穿过所述多个针孔的多个光照射在所述测量对象之后，对所述多个光分别进行分光；
受光部，其被配置为分别接收所述分光部进行分光后的多个光，并且输出表示与穿过所述多个针孔的多个光中的各个光有关的各波长的受光量的多个电气受光信号；以及
计算部，其被配置为针对各波长对从所述受光部输出的多个受光信号进行平均或积分，由此计算平均信号作为各波长的信号强度，并且基于所计算出的平均信号来计算所述测量对象的位移。
12.根据权利要求2至11中任一项所述的共焦位移计，其中，所述第一光纤被设置为将所述光投射部发射的光引导至所述光学构件。
13.根据权利要求5至12中任一项所述的共焦位移计，其中，还包括：
处理装置；以及
头部，
其中，所述处理装置包括所述光投射部、所述分光部、所述受光部和所述计算部，并且还包括第一壳体，所述第一壳体被配置为容纳所述光投射部、所述分光部、所述受光部和所述计算部，以及
所述头部包括所述光学构件，并且还包括第二壳体，所述第二壳体被配置为容纳所述光学构件。
14.根据权利要求13所述的共焦位移计，其中，
所述第一光纤的端部的针孔设置在所述头部中，以及
所述第一光纤被布置成将光从所述头部引导至所述处理装置。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的共焦位移计，其中，所述多个针孔并排布置在与光路交叉的面内。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的共焦位移计，其中，所述多个针孔被布置成分别使得所述光学构件会聚的光中的在聚焦于所述测量对象的表面的多个部分的同时被反射的多个光能够穿过。
17.根据权利要求1或2所述的共焦位移计，其中，所述光投射部包括：
光源，其被配置为发射具有单个波长的光；以及
荧光体，其被配置为吸收所述光源发射的光，并且释放具有与所述光源发射的光的波长不同的波长的光。
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