CN109084685B - 共焦位移传感器 - Google Patents

Abstract

提供一种能够改善设置头单元时的可作业性的共焦位移传感器。共焦位移传感器包括：包括共焦光学系统的头单元；包括投光用光源的控制装置；包括用于使从投光用光源出射的光传送到头单元的光纤的光纤线缆。头单元包括光学构件，该光学构件被构造为在经由光纤的端面出射的检测光中引起轴向色像差并且使检测光朝向测量对象会聚。控制装置包括：分光器，其被构造为在经由光学构件照射到测量对象的检测光中使聚焦于测量对象时被反射而穿过光纤的端面的检测光光谱分散并产生受光信号；以及测量控制部，其被构造为基于受光信号计算测量对象的位移。头单元包括显示部。测量控制部使用控制装置的操作状态、受光波形或位移的测量值控制显示部的显示。

Description

共焦位移传感器

技术领域

本发明涉及共焦位移传感器(confocal displacement sensor)，更详细地，涉及对使用共焦光学系统测量测量对象的位移的共焦位移传感器的改善。

背景技术

共焦位移传感器是利用共焦原理(confocal principle)和轴向色像差现象(phenomenon of an axial chromatic aberration)对测量对象的位移进行测量的光学测量装置，其中，共焦原理是指将从形成光源的像的成像面上接收到的光以缩小光圈(stopdown)的方式形成为反射光，轴向色像差现象是在光源的像中发生光轴方向上的颜色漂移(color drift)的现象。

共焦位移传感器由作为点光源的使从光源出射的光出射的销孔、在经由销孔出射的检测光中引起轴向色像差并朝向测量对象会聚该检测光的光学构件、以及使来自测量对象的反射光光谱分散(spectrally disperse)并产生受光信号的分光器构成。作为检测光，使用具有多个波长的光(例如，白光)。在经由光学构件照射到测量对象的检测光中，销孔允许具有在聚焦于测量对象的同时被反射的波长的检测光穿过。

根据轴向色像差，各波长的成像面的位置不同。因此，通过使穿过销孔的检测光的波长特定来计算测量对象的位移。位移是在光轴方向上从预定的基准位置到测量对象的距离。通过计算位移能够测量表面上的凹凸的深度或高度、透明体的厚度等。

在一些共焦位移传感器中，包括共焦光学系统的头单元以及包括投光用光源和分光器的控制装置由独立的装置构成。投光用光源的光经由包括光纤的线缆传送到头单元。在该类型的位移计中，头单元通常设置在测量对象附近并且远离控制装置。

在以上说明的传统共焦位移传感器中，难以在设置头单元期间辨识头单元是否被适当地设置。即使在控制装置侧设置了显示部，操作者也难以进行设置作业以从头单元的设置位置附近的位置确认控制装置的显示。因此，为了确认显示，操作者必须移动到控制装置的设置位置。如果头单元的设置状态不合适，则操作者必须反复作业，以移动到头单元的设置位置并调整头单元的位置和姿势，之后再次移动到控制装置的设置位置并确认显示。

在传统的共焦位移传感器中，还难以在头单元的设置位置附近辨识控制装置是否正常操作。

发明内容

鉴于该情况作出了本发明，本发明的目的是提供能够改善设置头单元时的可作业性的共焦位移传感器。特别地，本发明的目的是提供能够在头单元的设置期间容易地辨识头单元是否被适当地设置的共焦位移传感器。本发明的目的是提供在防止头单元的构造复杂化的同时能够改善头单元的设置期间的可作业性的共焦位移传感器。此外，本发明的目的是提供能够在头单元的设置位置附近容易地识别控制装置是否正常操作的共焦位移传感器。

根据本发明的第一方面的共焦位移传感器是一种共焦位移传感器，其包括：头单元，其包括共焦光学系统；控制装置，其包括投光用光源，所述投光用光源被构造为产生具有多个波长的光；以及光纤线缆，其包括用于将从所述投光用光源出射的光传送到所述头单元的光纤。所述头单元包括光学构件，所述光学构件被构造为在经由所述光纤的端面出射的检测光中引起轴向色像差并且使所述检测光朝向测量对象会聚。所述控制装置包括：分光器，其被构造为在经由所述光学构件照射于所述测量对象的所述检测光中使通过在聚焦于所述测量对象的同时被反射而穿过所述光纤的端面的检测光光谱分散，并且产生受光信号；以及测量控制部，其被构造为基于所述受光信号计算所述测量对象的位移。所述头单元包括显示部。所述测量控制部基于以所述控制装置的至少一个操作状态、代表各波长的受光强度的受光波形和所述位移的测量值为基础的演算结果控制所述显示部的显示。

在共焦位移传感器中，能够使在头单元与控制装置之间传送投光用的光的光纤的端面具有共焦光学系统的销孔的功能。由于使用受光波形和位移的测量值来控制显示部的显示，所以在设置头单元时，能够根据显示部的显示来容易地辨识头单元是否被适当地设置。由于在控制装置侧控制显示部的显示，所以能够防止头单元的构造复杂化。此外，由于使用控制装置的操作状态来控制显示部的显示，所以能够在头单元的设置位置附近容易地辨识控制装置是否正常操作。

在本发明的第二方面中，除了以上说明的构造之外，在共焦位移传感器中，所述控制装置可以包括被构造为产生显示光的显示用光源，所述光纤线缆包括用于传送所述显示光的光纤，并且所述显示部利用从所述显示用光源经由用于传送所述显示光的所述光纤传送的显示光进行显示。

利用这样的构造，由于显示用光源存在于控制装置侧，所以用于显示的电路和配线基板不必设置于头单元。能够防止头单元大型化。由于防止了显示部的发热，所以能够防止由于支撑光学构件和头单元的夹具等的温度升高而使测量精度降低。

在本发明的第三方面中，除了以上说明的构造之外，在共焦位移传感器中，可以通过在以所述检测光的投光轴线为中心的周向布置用于传送所述显示光的多个所述光纤的出射端而形成所述显示部。利用这样的构造，能够从以投光轴线为中心的周向上的多个位置确认显示部的显示。因此，能够改善显示部的可视性。

在本发明的第四方面中，除了以上说明的构造之外，在共焦位移传感器中，所述显示部可以布置得比用于传送从所述投光用光源出射的光的所述光纤的出射端靠近所述控制装置侧。利用这样的构造，能够防止显示用的光进入检测光的光路从而降低测量精度。

在本发明的第五方面中，除了以上说明的构造之外，在共焦位移传感器中，所述显示部可以布置得比构成所述光学构件的多个透镜中的与用于传送从所述投光用光源出射的光的所述光纤的出射端最接近的透镜靠近所述控制装置侧。利用这样的构造，能够防止头单元的构造复杂化。

在本发明的第六方面中，除了以上说明的构造之外，在共焦位移传感器中，所述显示部可以包括显示用光源并且可以被构造为根据所述测量控制部对所述显示用光源的控制来进行所述显示。利用这样的构造，由于显示用光源存在于头单元侧，所以显示用的电路和配线基板不必设置于控制装置。能够防止控制装置大型化。

在本发明的第七方面中，除了以上说明的构造之外，在共焦位移传感器中，所述测量控制部可以指定代表各波长的受光强度的受光波形的峰强度并且根据所述峰强度使所述显示部的显示形式不同。利用这样的构造，能够根据显示部的显示形式容易地辨识头单元的设置状态是否适当。

在本发明的第八方面中，除了以上说明的构造之外，在共焦位移传感器中，所述测量控制部可以根据计算出的位移是否在预指定范围内来使所述显示部的显示形式不同。利用这样的构造，能够根据显示部的显示形式容易地辨识测量对象是否良好。

在本发明的第九方面中，除了以上说明的构造之外，在共焦位移传感器中，所述测量控制部可以根据所述受光信号来控制所述显示部的显示。利用这样的构造，能够根据受光信号使显示部的显示不同。

在本发明的第十方面中，除了以上说明的构造之外，在共焦位移传感器中，所述测量控制部可以基于从所述控制装置的外部输入的信号来控制所述显示部的显示。利用这样的构造，能够根据从外部输入的信号使显示部的显示不同。

在本发明的第十一方面中，除了以上说明的构造之外，在共焦位移传感器中，所述光纤线缆可以包括用于传送从所述投光用光源出射的光的测量用光纤以及用于传送从所述显示用光源出射的光的显示用光纤。所述光纤线缆的位于所述控制装置侧的端部分支成叉状。检测光用连接器和显示光用连接器可以分别安装到分支出的端部。所述检测光用连接器和所述显示光用连接器可以可拆卸地连接到所述控制装置。利用这样的构造，能够独立地安装和拆卸检测光用连接器和显示光用连接器。

在本发明的第十二方面中，除了以上说明的构造之外，在共焦位移传感器中，在所述显示部上可以显示所述位移的测量值是否在公差范围内。利用这样的构造，能够在头单元的设置位置附近容易地辨识测量值是否在公差范围内。

在本发明的第十三方面中，除了以上说明的构造之外，在共焦位移传感器中，所述测量控制部可以通过改变闪光的频率和所述闪光的图案来使所述显示部的显示不同。利用这样的构造，能够容易地辨识显示部的显示内容。

在本发明的第十四方面中，除了以上说明的构造之外，在共焦位移传感器中，所述头单元可以包括圆筒状的壳体，并且所述显示部可以布置于所述壳体的外周面。利用这样的构造，即使在头单元由安装构件保持的状态下，也能够容易地确认显示部的显示。

在本发明的第十五方面中，除了以上说明的构造之外，在共焦位移传感器中，所述头单元可以包括长方体形状的壳体，并且所述显示部可以布置于所述壳体的角部或侧面。利用这样的构造，即使在壳体的一个侧面被设置为与诸如柱的结构接触的状态下设置头单元，也能够容易地确认显示部的显示。

根据本发明，基于受光信号控制显示部的显示。因此能够在头单元的设置期间容易地辨识头单元是否被合适地设置。由于在控制装置侧控制显示部的显示，所以能够在防止头单元的构造复杂化的同时改善头单元设置期间的可作业性。因此，能够提供一种在设置头单元时具有改善的可作业性的共焦位移传感器。

附图说明

图1是示出根据本发明的实施方式的共焦位移传感器的构造示例的系统图；

图2是示意性地示出图1中示出的头单元的构造示例的截面图；

图3是示出图2中示出的显示部的构造示例的截面图；

图4是示出图2中示出的显示部的立体图；

图5是示出图2中示出的显示部的截面图；

图6是示出图2中示出的显示部的立体图；

图7A和图7B是示出图1中示出的投光用光源的构造示例的图；

图8是示意性地示出图1中示出的分光器的构造示例的说明图；

图9是示出图1中示出的显示用光源的构造示例的截面图；

图10是示出图1中示出的头单元、光纤线缆和控制装置的外观的图；

图11A和图11B是示意性地示出图1中示出的共焦位移传感器的使用例的说明图；

图12是示意性地示出共焦位移传感器的另一构造示例并且示出透射型的分光器的说明图；以及

图13A和图13B是示意性地示出头单元的其它构造示例并且示出包括长方体形状的壳体的头单元的说明图。

具体实施方式

以下参照附图说明本发明的实施方式。在本说明书中，为了方便，将头单元的光轴方向说明为上下方向。然而，头单元的使用期间的姿势和方向不受限制。

共焦位移传感器1

图1是示出根据本发明的实施方式的共焦位移传感器1的构造示例的系统图。共焦位移传感器1是由头单元2、光纤线缆3和控制装置4构成的光学测量装置。该光学测量装置在检测光DL从头单元2出射时接收来自测量对象W的反射光并且对测量对象W的位移进行测量。

头单元2和控制装置4经由光纤线缆3彼此连接。光纤线缆3由用于传送光的光纤31和32构造。光纤31是用于传送投光用的光的传送介质。另一方面，光纤32是用于传送显示用的光的传送介质。

光纤31和光纤32由相同的光纤构造。因此，共用连接器能够被用于光纤31的连接部和光纤32的连接部。

光纤32为例如通过使多个光纤合束(binding)而获得的束状光纤或多芯光纤。连接器33设置于光纤线缆3的一端。光纤线缆3可拆卸地连接到控制装置4。

头单元2是朝向测量对象W出射检测光DL的光学单元。来自测量对象W的反射光入射到光学单元。头单元2包括光学构件21和显示部22，其中光学构件21包括折射透镜211和衍射透镜212。光学构件21在经由光纤31的出射端面出射的检测光DL中引起轴向色像差并且使检测光DL朝向测量对象W会聚。轴向色像差是由于分散造成的、像在光轴方向上的颜色漂移。

在共焦位移传感器1中，经由光纤31将投光用的光传送到头单元2。通过从头单元2出射的检测光DL，在测量对象W上形成照射点。光纤31的出射端面具有允许从投光用光源41出射的光穿过以成为出射检测光DL的点光源的销孔的功能。光纤31的出射端面还具有如下的销孔的功能：该销孔允许检测光DL中的具有在聚焦于测量对象W的同时被反射的波长的检测光经由光学构件21照射在测量对象W上。

显示部22设置于头单元2和光纤线缆3的连接部附近。显示部22使用从显示用光源46经由光纤32传送的显示用光进行各种信息的显示。

控制装置4是控制投光和受光并且基于与照射点对应的反射光计算测量对象W的位移的处理单元。控制装置4由投光用光源41、耦合器42、分光器43、测量控制部44、存储器45和显示用光源46构成。例如，基于受光信号控制投光用的光的强度、接收反射光的曝光时间和放大受光信号的增益。投光用光源41是产生具有多个波长的光(例如，作为投光用的光的白光)的光源装置。

耦合器42是朝向头单元2输出从投光用光源41输入的光、另一方面朝向分光器43输出从头单元2输入的检测光DL的方向性耦合器。耦合器42是Y耦合器，两根光纤421和422从耦合器42的一端延伸并且光纤423从耦合器42的另一端延伸。

从投光用光源41出射的光被输入到光纤421的入射端并且经由光纤423和连接器33输出到光纤31。另一方面，由测量对象W反射的检测光DL经由光纤31和连接器33输入到光纤423并且从光纤422的出射端朝向分光器43出射。

分光器43使穿过光纤31的出射端面的检测光DL光谱分散并且产生受光信号。测量控制部44基于分光器43的受光信号计算测量对象W的位移并且将该位移作为测量值输出到未示出的显示装置和未示出的外部装置。

具体地，测量控制部44从分光器43获取代表各波长的受光强度的受光波形并且指定受光波形的峰位置、从而计算测量对象W的位移。峰位置是受光强度最大的像素位置。峰位置与指定的波长对应。在存储器45中保留测量条件和各种修正信息。

显示用光源46是产生显示光的光源装置。显示光是例如颜色不同于投光用的光的颜色的可见光。显示光被输入到光纤47的入射端并且经由连接器33输出到光纤32。连接器33使从耦合器42延伸的光纤423连接到光纤31并使从显示用光源46延伸的光纤47连接到光纤32。

测量控制部44基于分光器43的受光信号控制显示部22的显示。具体地，测量控制部44控制显示用光源46，从而在显示部22上显示基于受光信号以及头单元2或控制装置4的操作状态的各种演算结果。

为了能够辨识头单元2的设置状态是否适当，测量控制部44指定受光波形的峰强度并且根据峰强度使显示部22的显示形式不同。具体地，测量控制部44比较峰强度与预先指定的判定阈值并且根据峰强度是否等于或大于判定阈值来使显示部22的显示颜色不同。例如，当峰强度等于或大于判定阈值时，判定头单元2的设置状态为适当。显示部22被点亮为蓝色。另一方面，当峰强度小于判定阈值时，判定头单元2的设置状态为不适当。显示部22被点亮为红色。

注意，可以根据峰强度是否等于或大于判定阈值来使显示部22的点亮图案不同。例如，当峰强度等于或大于判定阈值时，显示部22持续点亮。另一方面，当峰强度小于判定阈值时，显示部22闪光。根据峰强度，可以使点亮状态或熄灭状态的时间长度不同，或者在保持点亮循环恒定的同时，可以使点亮状态的时间长度与熄灭状态的时间长度的比例不同。

为了能够辨识测量对象W是否良好，测量控制部44根据所计算的位移是否在预先指定的范围内来使显示部22的显示形式不同。例如，当位移的测量值在该范围内时，判定测量对象W为适当。显示部22被点亮为蓝色。另一方面，当位移的测量值在该范围外时，判定测量对象W为不适当。显示部22被点亮为红色。

测量控制部44根据控制装置4的操作状态来使显示部22的显示形式不同。例如，测量控制部44根据投光用光源41是否被点亮来使显示部22的显示颜色或点亮图案不同。测量控制部44根据用于判定头单元2的设置状态是否适当的设置状态判定模式或者用于判定测量对象W是否良好的是否良好判定模式来使显示部22的显示颜色或者点亮图案不同。注意，为了能够辨识三种以上操作状态，可以切换三种以上显示颜色或点亮图案来进行显示。

根据以上说明的由测量控制部44控制的显示，在显示部22上显示驱动过程中系统错误的发生、测量对象W是否在测量范围内以及位移的测量值是否在公差范围内。例如，诸如通信不良等操作不良被显示为系统错误。基于从控制装置4的外部输入的信号控制显示部22的显示。

位移的测量值大于上限阈值的状态(High)、位移的测量值小于下限阈值的状态(Low)以及位移的测量值等于或大于下限阈值且等于或小于上限阈值的状态(go)被可识别地显示。在显示部22上显示头单元2是否被适当地设置。测量控制部44通过改变闪光的频率或闪光的图案来使显示部22的显示不同。

注意，X耦合器可以用作耦合器42。与Y耦合器相比，在X耦合器中容易防止端面的反射。这样的光纤耦合器是供多个光纤熔合的熔合型耦合器。然而，光纤耦合器可以是使用分束器(beam splitter)分光的类型的耦合器。可以使用独立地连接到投光用光纤31和显示用光纤32的独立的两个连接器来代替连接器33。

头单元2

图2是示意性地示出图1中示出的头单元2的构造示例的截面图。示出了沿着包括光轴J的平面切断的头单元2的切断面。头单元2由壳体20、光学构件21、显示部22和光纤箍23构成。

壳体20为例如有盖的圆筒状镜筒。壳体20的中心轴线是光轴J。壳体20的直径沿着光轴J改变。壳体20的前端侧是大直径部20a。壳体20的根侧是直径小于大直径部20a的直径的小直径部20b。小直径部20b是供支撑头单元2的夹具的金属配件安装的金属配件安装部。即，头单元2的小直径部20b是当头单元2被设置在生产线中时通过安装构件保持的保持部。小直径部20b与光纤线缆3的前端之间的部分是连接部20c。

光学构件21由折射透镜211、衍射透镜212以及光学透镜213和214构成。折射透镜211是利用光折射现象使入射光集中或扩散的光学透镜。折射透镜211为例如非球面透镜。

衍射透镜212是利用光衍射现象使入射光集中或扩散的光学透镜。衍射透镜212被布置为经由大直径部20a的下端开口、即投光窗口20d露出。衍射透镜212是浮凸型(relief-type)衍射透镜。微细的浮凸(起伏)形成于供来自光纤箍23的检测光DL入射的衍射面(衍射透镜212的上表面)。浮凸的光轴方向上的深度接近光的波长。在浮凸中布置有以光轴J为中心的多个圆环状图案。衍射透镜212的下表面为平坦面。

光学透镜213和214两者均为使来自光纤箍23的检测光DL集中的折射透镜。衍射透镜212、折射透镜211和光学透镜214布置于大直径部20a。光学透镜213布置于小直径部20b。

注意，折射透镜211、衍射透镜212以及光学透镜213和214全部为单透镜。然而，折射透镜211、衍射透镜212以及光学透镜213和214均可以为通过使多个光学透镜组合而获得的双合透镜。期望光学构件21包括像衍射透镜212一样具有低阿贝数(Abbe number)的透镜元件。

光纤箍23是保持构成光纤线缆3的光纤31的保持构件。通过树脂构件保持光纤31的出射端。光纤箍23被布置为从壳体20的顶盖部向下侧突出。

光纤31由芯和包层构成。芯的端面具有销孔的功能。即，与布置有光纤31的出射端的空间相比，光纤31的芯的端面具有足够小的直径。光纤31的芯的端面能够选择性地允许经由光学构件21入射的光穿过。折射透镜211以及光学透镜214和213布置于光纤箍23与衍射透镜212之间。光纤31的出射端面和光学构件21构成共焦光学系统。

共焦光学系统利用共焦原理使所接收的光经受缩小光圈处理并且在检测光DL中引起轴向色像差。因此，经由光纤31的出射端面射出并透过光学构件21传送的检测光DL根据波长聚焦在上下方向上的不同位置处。在检测光DL中所包括的波长成分中，聚焦于测量对象W的特定波长成分被测量对象W反射。该特定波长成分的反射光透过光学构件21传送并且聚焦于光纤31的出射端面。另一方面，对应于除特定波长成分之外的波长成分的反射光被遮挡而不聚焦于光纤31的出射端面。

在共焦位移传感器1中，为了防止测量精度因受在光纤31的出射端面上反射的光的影响而降低，光纤箍23的出射端面23a被倾斜地加工。即，出射端面23a被形成为相对于与光纤箍23的中心轴线垂直的平面倾斜的倾斜面。通过例如研磨形成出射端面23a的倾斜。考虑到在检测光DL穿过光纤31的出射端面时所发生的折射，光纤箍23被布置为其中心轴线相对于光轴J倾斜。

从头单元2到测量对象W的距离为例如大约10mm至70mm。测量范围MR为大约1mm至20mm。测量范围MR对应于检测光DL的带域宽度(band width)。为了确保宽的测量范围MR，使用宽带域的检测光DL。检测光DL包括例如500nm至700nm的波长成分。

显示部22设置于壳体20的连接部20c并且由扩散窗221、反射构件222和光纤32的出射端构成。反射构件222是用于朝向扩散窗221反射经由光纤32的出射端面32a出射的显示光的光学构件。扩散窗221由扩散显示光的光学构件形成。扩散窗221从连接部20c的外周面露出。

由于通过经由光纤32的出射端面出射显示光并且经由扩散窗221扩散显示光来进行显示，所以在头单元2中不存在用于显示的电路和配线基板。因此，能够防止头单元2大型化。由于防止了显示部22的发热，所以能够防止测量精度因支撑光学构件21和头单元2的夹具的温度升高而降低。

在显示部22中，光纤32的出射端被布置为出射端面32a指向下方。反射构件222使经由出射端面32a出射的显示光朝向以光轴J为中心的径向的外侧反射。扩散窗221在以光轴J为中心的周向上延伸并且在周向上具有宽的视野角度。为了防止显示光进入检测光DL的光路从而降低测量精度，显示部22布置成比光纤31的出射端靠近控制装置4侧。

显示部22布置成比在构成光学构件21的多个透镜之中距光纤31的出射端最近的光学透镜213靠近控制装置4侧。利用这样的构造，无需将光纤32布置为跨越光学透镜213。因此，能够防止头单元2的构造复杂化。

显示部22

图3是示出图2中示出的显示部22的构造示例并且示出沿着A-A切断线切断的显示部22的切断面的截面图。图4是示出图2中示出的显示部22并且示出从斜下方观察的显示部22的立体图。图5是示出图2中示出的显示部22并且示出沿着包括光轴J的平面切断的显示部22的切断面的截面图。图6是示出图2中示出的显示部22并且示出壳体20的连接部20c的立体图。通过在以检测光DL的投光轴线、即光轴J为中心的周向上布置构成光纤32的多个光纤的出射端形成显示部22。

光纤32为例如利用鞘使大量光纤32b合束而获得的束状光纤或多芯光纤。光纤32b的从鞘露出的出射端在周向上无间隙地彼此相邻地排列。光纤32b的出射端在以光轴J为中心的接近180o的中心角度的范围内沿着连接部20c的外周面排列成一列。确保了180°以上的视野角度。

通过采用这样的构造，能够从以光轴J为中心的周向上的多个位置确认显示部22的显示。因此，能够改善显示部22的可视性。

投光用光源41

图7A和图7B是示出图1中示出的投光用光源41的构造示例的图。在图7A中，示出了投光用光源41的侧面。在图7B中，示出了沿着B-B切断线切断的的投光用光源41的切断面。投光用光源41是使激光照射于荧光体并引起荧光体产生白光的光源装置。投光用光源41由发光元件411、配线基板412、元件保持件413、集光透镜414、透镜保持件415、箍416、箍夹持件417、荧光体50、框体51以及滤波器元件52构成。

发光元件411是诸如激光二极管(LD)的半导体发光元件。发光元件411产生具有单波长的激光。发光元件411以发光部在水平方向上向前指向的状态布置于配线基板412。例如，发光元件411产生波长为450nm以下的蓝光或紫外光。元件保持件413是保持配线基板412的构件。元件保持件413从背面侧插入透镜保持件415。

集光透镜414是使从发光元件411发射到光纤421的入射端的激光集中的光学构件。集光透镜414被布置为与发光元件411相对。透镜保持件415是保持集光透镜414的镜筒。透镜保持件415在集光透镜414前方直径减小。箍416是供光纤421的入射端嵌入的圆筒状连接构件。该圆筒状连接构件在前后方向上延伸。箍夹持件417是用于固定从前面侧插入透镜保持件415的缩径部的箍416的有底圆筒状构件。箍夹持件417以圆筒部被置于缩径部的外周面的状态安装到透镜保持件415。

荧光体50是由从发光元件411射出的激光激发以产生具有与激光不同的波长的荧光的发光体。荧光体50以荧光体50的外周面被框体51保持并且荧光体50被设置为与光纤421的入射端面接触的状态布置于透镜保持件415。例如，荧光体50在蓝色激光的照射下产生黄色荧光。注意，荧光体50可以由两种以上荧光材料形成。例如，荧光体50由在蓝色激光的照射下产生绿色荧光的荧光材料和在蓝色激光的照射下产生红色荧光的荧光材料形成。

滤波器元件52是使从发光元件411出射的激光透过并且使从荧光体50出射的荧光反射的光学构件。滤波器元件52被布置为覆盖框体51的发光元件侧的表面。通过混合从发光元件411出射的激光和从荧光体50出射的荧光而获得的具有多个波长的光被入射到光纤421的入射端。

投光用光源41被构造为使通过混合从发光元件411出射的激光和从荧光体50出射的荧光混合而获得的光直接入射到光纤421的入射端。通过使用这样的光纤型光源，能够简化到头单元2与控制装置4之间的光纤线缆3的连接。

注意，作为投光用光源41，可以使用在宽的带域中产生光的光源(例如，卤素灯、产生超连续(SC)光的SC光源或者超发光二极管(SLD)。投光用光源41可以是普通白色LED。SC光源通过利用脉冲激光的非线性光学效果在连续且宽的带域中产生激光。

分光器43

图8是示意性地示出图1中示出的分光器43的构造示例的说明图。示出的是反射型的分光器43。分光器43由准直透镜431、衍射光栅432、成像透镜433和图像传感器434构成。分光器43使从耦合器42的光纤422的出射端出射的检测光DL光谱分散。

光纤422的出射端、衍射光栅432和图像传感器434被布置为指向例如水平方向。准直透镜431是用于获得平行光的光学透镜。准直透镜431被布置为与光纤422的出射端面相对。

衍射光栅432是根据波长以不同的角度反射检测光DL的反射型颜色分散元件。衍射光栅432形成为平板形状。成像透镜433将通过衍射光栅432光谱分散的检测光DL聚焦在图像传感器434上。注意，准直透镜431和成像透镜433都是单透镜。然而，准直透镜431和成像透镜433均可以是通过将多个光学透镜组合而获得的双合透镜。

图像传感器434是例如在水平方向上延伸的一维行图像传感器。在图像传感器434上线性地排列有大量光接收元件。通过光接收元件的受光信号形成受光波形。注意，二维地排列有大量光接收元件的成像元件可以被用作图像传感器434。

为了防止入射到图像传感器434的光在受光面正反射(regularly reflected)、被衍射光栅432反射并且被再次接收，衍射光栅432被布置为从衍射光栅432正对图像传感器434的受光面的状态稍微倾斜。注意，可以使用棱镜使检测光DL光谱分散。

显示用光源46

图9是示出图1中示出的显示用光源46的构造示例并且示出沿着包括光纤47的入射端的中心轴线的平面切断的显示用光源46的切断面的截面图。显示用光源46是用于产生显示光的光源装置。显示用光源46由发光元件461、配线基板462、箍463和元件保持件464构成。

发光元件461包括例如具有不同发光颜色的多个发光二极管(LED)。发光元件461以发光部指向水平方向的状态布置于配线基板462。元件保持件464是用于保持配线基板462和箍463的保持构件。箍463是供光纤47的入射端嵌入的圆筒状连接构件。该圆筒状连接构件在前后方向上延伸。显示用光源46是使从发光元件461出射的显示光直接入射到光纤47的入射端的光纤型光源。因此，能够简化到光纤线缆3的连接。

图10是示出图1中示出的头单元2、光纤线缆3和控制装置4的外观的图。在图10中，从头单元2延伸的光纤线缆3的一端可拆卸地连接到控制装置4的壳体的前面。从头单元2延伸的光纤线缆3是包括测量用光纤31和显示用光纤32的一根线缆。光纤线缆3的位于控制装置4侧的端部分支成叉状。连接器33a和33b分别安装到两根分支线缆的前端。

连接器33a是用于使显示用光纤32可拆卸地连接到设置于控制装置4的显示光用连接口的显示光用连接构件。另一方面，连接器33b是用于使测量用光纤31可拆卸地连接到设置于控制装置4的检测光用连接口的检测光用连接构件。连接器33a和33b能够独立地安装到控制装置4的连接口和从控制装置4的连接口拆卸。

图11A和图11B是示意性地示出图1中示出的共焦位移传感器1的使用例并且示出两个头单元2被布置为彼此相对以测量不透明的测量对象W的厚度的状态的说明图。在图11A中，彼此相对的上侧头2a和下侧头2b的穿过测量对象W的光轴Ja和光轴Jb基本上彼此一致。

测量对象W是在水平方向上延伸的片状长物体。在沿着左右一个方向输送期间，在预定时刻对测量对象W的厚度进行测量。上侧头2a和下侧头2b两者都是头单元2。投光窗口20d以正对测量对象W的表面的方式分别布置于上侧头2a和下侧头2b。

为了准确地测量测量对象W的厚度，必须使上侧头2a的光轴Ja和下侧头2b的光轴Jb一致。如果光轴Ja和Jb在水平方向上偏离或者光轴Ja和Jb不平行，则在测量对象W因为歪曲或弯曲而倾斜时误差增大。因此，不能对测量对象W的厚度进行正确地测量。

在图11B中，上侧头2a的光轴Ja相对于下侧头2b在水平方向上偏离。当以该方式在光轴Ja与Jb之间存在偏离时，在测量厚度时的误差增大。

根据由上侧头2a测量的位移和由下侧头2b测量的位移通过预定的演算计算测量对象W的厚度。基于通过对计算出的厚度的测量值与是否良好判定阈值进行比较所获得的比较结果来进行测量对象W的是否良好判定。

注意，为了准确地测量被输送的测量对象W的厚度，用于测量位移的时刻在上侧头2a与下侧头2b之间需要一致。如果时刻偏离，即使光轴Ja和Jb一致，在测量厚度时的误差也因为振动或摇动的影响而增大。

利用显示部22的显示，在确认关于头单元2的设置状态是否适当的适当性判定的结果的同时，进行用于使两个头单元2的光轴J彼此一致的光轴调整。基于通过比较适当性判定阈值与由上侧头2a或下侧头2b测量的受光波形的峰强度所获得的比较结果来进行适当性判定。

根据该实施方式，使用受光波形和位移的测量值来控制显示部22的显示。因此，当设置头单元2时，能够利用显示部22的显示容易地辨识头单元2是否被适当地设置。由于在控制装置4侧控制显示部22的显示，所以能够防止头单元2的构造复杂化。由于使用控制装置4的操作状态来控制显示部22的显示，所以能够在头单元2的设置位置附近容易地辨识控制装置4是否正常操作。

由于显示用光源46存在于控制装置4侧，所以显示用的电路和配线基板不必设置于头单元2。能够防止头单元2大型化。此外，由于防止了显示部22的发热，所以能够防止由于支撑光学构件21和头单元2的夹具等的温度升高而使测量精度降低。

注意，在该实施方式中，说明了反射型分光器43的示例。然而，本发明不将分光器的构造限制于此。例如，可以使用根据透射角度使入射光光谱分散为不同的波长成分的透射型分光器。

图12是示意性地示出共焦位移传感器1的另一构造示例并且示出透射型分光器43a的说明图。分光器43a不同于图8中示出的分光器43之处在于衍射光栅435是透射型的。衍射光栅435是根据透射角度使入射光光谱分散为不同的波长成分的颜色分散元件。

使从光纤422的出射端出射的检测光DL经由准直透镜431入射到衍射光栅435。使通过衍射光栅435传送的检测光DL经由成像透镜433入射到图像传感器434。

在该实施方式中，说明了显示用光源46设置于控制装置4侧的示例。然而，本发明还能够应用于显示用光源设置于头单元2侧的构造。例如，可以采用头单元2的显示部22包括显示用光源并且根据控制装置4的测量控制部44对显示用光源的控制来进行显示的构造。利用这样的构造，由于显示用光源存在于头单元2侧，所以显示用的电路和配线基板不必设置于控制装置4。能够防止控制装置4大型化。

在该实施方式中，说明了头单元2包括圆筒状壳体20的示例。然而，本发明不将头单元2的形状限制于此。例如，可以采用头单元2包括长方体形状壳体并且显示部22布置于壳体侧面的构造。

图13A和图13B是示意性地示出头单元的其它构造示例的说明图。示出了包括长方体形状壳体20e的头单元2c和2d。在图13A中，示出了显示部22布置于壳体20e的角部的头单元2c。头单元2c包括在上下方向上长的长方体形状壳体20e。例如，设置头单元2c被设置为例如处于壳体20e的一个侧面被设置为与诸如柱或壁的结构物K接触的状态。

如果壳体20e的被设置为与结构物K接触的一个侧面被称为安装面，则显示部22布置于由侧面之中除了安装面之外的相邻两侧面形成的角部。通过以该方式布置显示部22，能够改善显示部22的可视性。

在图13B中，示出了显示部22被布置于壳体20e的非安装面的头单元2d。显示部22布置于壳体20e的除了安装面之外的一个侧面。通过以该方式布置显示部22，即使在头单元2d设置于结构物K的状态下，也能够令人满意地视觉识别显示部22。

Claims (16)

1.一种共焦位移传感器，其包括：

头单元，其包括共焦光学系统；

控制装置，其包括投光用光源，所述投光用光源被构造为产生具有多个波长的光；以及

光纤线缆，其包括用于将从所述投光用光源出射的光传送到所述头单元的光纤，

所述头单元包括光学构件，所述光学构件被构造为在经由所述光纤的端面出射的检测光中引起轴向色像差并且使所述检测光朝向测量对象会聚，并且

所述控制装置包括：

分光器，其被构造为在经由所述光学构件照射于所述测量对象的所述检测光中使如下的一部分检测光光谱分散，并且产生受光信号，其中，所述一部分检测光是通过在聚焦于所述测量对象的同时被反射而穿过所述光纤的端面的检测光；以及

测量控制部，其被构造为基于所述受光信号计算所述测量对象的位移，其中，

所述头单元包括显示部，并且

所述测量控制部基于以所述控制装置的至少一个操作状态、代表各波长的受光强度的受光波形和所述位移的测量值为基础的演算结果控制所述显示部的显示，

所述控制装置包括被构造为产生显示光的显示用光源，

所述光纤线缆包括用于传送所述显示光的多个光纤合束而获得的束状光纤或多芯光纤，并且

所述显示部利用从所述显示用光源经由用于传送所述显示光的多个光纤传送的显示光进行显示，

所述束状光纤或多芯光纤在所述显示用光源侧以用于传送所述显示光的多个光纤合束的状态与所述显示用光源光学耦合，

在所述头单元侧，用于传送所述显示光的多个光纤解除合束的状态。

2.根据权利要求1所述的共焦位移传感器，其特征在于，通过在以所述检测光的投光轴线为中心的周向布置用于传送所述显示光的多个所述光纤的出射端而形成所述显示部。

3.根据权利要求1所述的共焦位移传感器，其特征在于，所述显示部布置得比用于传送从所述投光用光源出射的光的所述光纤的出射端靠近所述控制装置侧。

4.根据权利要求1所述的共焦位移传感器，其特征在于，所述显示部布置得比构成所述光学构件的多个透镜中的与用于传送从所述投光用光源出射的光的所述光纤的出射端最接近的透镜靠近所述控制装置侧。

5.根据权利要求1所述的共焦位移传感器，其特征在于，所述测量控制部指定代表各波长的受光强度的受光波形的峰强度并且根据所述峰强度使所述显示部的显示形式不同。

6.根据权利要求1所述的共焦位移传感器，其特征在于，所述测量控制部根据计算出的位移是否在预指定范围内来使所述显示部的显示形式不同。

7.根据权利要求1所述的共焦位移传感器，其特征在于，所述测量控制部根据所述受光信号来控制所述显示部的显示。

8.根据权利要求1所述的共焦位移传感器，其特征在于，所述测量控制部基于从所述控制装置的外部输入的信号来控制所述显示部的显示。

9.根据权利要求1所述的共焦位移传感器，其特征在于，

所述光纤线缆包括用于传送从所述投光用光源出射的光的测量用光纤以及用于传送从所述显示用光源出射的光的显示用光纤，

所述光纤线缆的位于所述控制装置侧的端部分支成叉状，并且检测光用连接器和显示光用连接器分别安装到分支出的端部，并且

所述检测光用连接器和所述显示光用连接器可拆卸地连接到所述控制装置。

10.根据权利要求1所述的共焦位移传感器，其特征在于，在所述显示部上显示所述位移的测量值是否在公差范围内。

11.根据权利要求1所述的共焦位移传感器，其特征在于，所述测量控制部通过改变闪光的频率和所述闪光的图案来使所述显示部的显示不同。

12.根据权利要求1所述的共焦位移传感器，其特征在于，

所述头单元包括圆筒状的壳体，并且

所述显示部布置于所述壳体的外周面。

13.根据权利要求1所述的共焦位移传感器，其特征在于，

所述头单元包括长方体形状的壳体，并且

所述显示部布置于所述壳体的角部或侧面。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的共焦位移传感器，其特征在于，

用于传送所述显示光的多个光纤的出射端被布置为出射端面指向下方，反射构件使经由出射端面出射的显示光朝向以光轴为中心的径向的外侧反射。

15.根据权利要求1至13中任一项所述的共焦位移传感器，其特征在于，

在用于传送所述显示光的多个光纤的出射端，在用于传送所述显示光的多个光纤的前方设置扩散构件。

16.根据权利要求14所述的共焦位移传感器，其特征在于，

在用于传送所述显示光的多个光纤的出射端，在用于传送所述显示光的多个光纤的前方设置扩散构件。

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