CN109596045A - 共焦测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种测量对象物的位置的检测精度经提高的共焦测量装置。共焦测量装置具备：输出白色光的光源、光耦合器、将产生了色差的光照射到测量对象物的传感头、以及取得经测量对象物反射的反射光并测量反射光的光谱的分光器，光耦合器为使从第一光纤向第二光纤传输光时的第一传输波形、与从第二光纤向第三光纤传输光时的第二传输波形接近的滤波器型耦合器或空间光学系统型耦合器。

Description

共焦测量装置
技术领域
本发明涉及一种共焦测量装置。
背景技术
以前，作为以非接触方式对测量对象物的位移进行测量的装置，可使用利用共焦光学系统的共焦测量装置。
例如，下述专利文献1所记载的共焦测量装置在光源与测量对象物之间具有使用衍射透镜的共焦光学系统。此共焦测量装置中，来自光源的出射光通过共焦光学系统而以与其波长相应的焦点距离照射到测量对象物上。然后，检测反射光的波长的波峰，由此能对测量对象物的位移进行测量。
共焦测量装置有时包括以光纤连接光源、传感头及分光器的光耦合器(photocoupler)。例如，下述专利文献2中公开了一种距离测定装置，此距离测定装置包括将从单模(single mode)光纤入射的光分波或合波的分支部。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利第5785651号说明书
专利文献2：日本专利特开2016-024086号公报
发明内容
发明所要解决的问题
共焦测量装置有时利用光纤对从白色光源出射的光进行导光，利用衍射透镜等使所述光产生色差并照射到测量对象物上。然后，将经测量对象物反射的光聚集到光纤中，经由光耦合器将反射光输入到分光器中，利用分光器来检测波长的波峰，由此能对测量对象物的位置进行测量。此处，经测量对象物反射的光中，在光纤处对焦的波长在分光器中以波峰的形式显现，从而能以高精度对测量对象物的位置进行检测。
在欲以更高精度对测量对象物的位置进行检测的情况下，想到进一步减小相当于针孔(pin hole)的光纤的芯径，使由分光器所检测的波长的波峰更为尖锐。本发明的发明人与以前相比进一步减小光纤的芯径而尝试制作共焦测量装置，结果发现，以前所使用的光耦合器的传输特性不良，难以利用分光器来检测波长的波峰，无法以充分的精度对测量对象物的位置进行检测。
因此，本发明的目的在于提供一种测量对象物的位置的检测精度经提高的共焦测量装置。
解决问题的技术手段
本公开的一实施方式的共焦测量装置包括：光源，将白色光输出到第一光纤中；光耦合器，连接着第一光纤、第二光纤及第三光纤；传感头，连接于第二光纤，收容使所入射的白色光沿着光轴方向产生色差的衍射透镜，并将产生了色差的光照射到测量对象物上；以及分光器，连接于第三光纤，经由第二光纤、光耦合器及第三光纤而取得经测量对象物反射并由传感头聚光的反射光，并测量反射光的光谱；且光耦合器为使第一传输波形与第二传输波形接近的滤波器型耦合器或空间光学系统型耦合器，所述第一传输波形表示从第一光纤向第二光纤传输光时的波长与光量的关系，所述第二传输波形表示从第二光纤向第三光纤传输光时的波长与光量的关系。
根据此实施方式，通过利用光耦合器使从第一光纤向第二光纤传输光时的第一传输波形、与从第二光纤向第三光纤传输光时的第二传输波形接近，由光耦合器导致光的光谱变形的情况变少，能进一步提高测量对象物的位置的检测精度。
在所述实施方式中，第二光纤及第三光纤可为使白色光及反射光在芯中传输时的模数为5～250。
根据此实施方式，能对第二光纤及第三光纤使用存在5～250左右的模数那样的芯径小的光纤，利用传感头将反射光聚光时的针孔的直径、或在分光器中输入反射光时的针孔的直径变小，能进一步提高测量对象物的位置的检测精度。
在所述实施方式中，第二光纤及第三光纤的芯径可为5μm～25μm。
根据此实施方式，利用传感头将反射光聚光时的针孔的直径、或在分光器中输入反射光时的针孔的直径成为25μm以下，能利用分光器更明确地检测反射光的光谱的波峰。
在所述实施方式中，滤波器型耦合器或空间光学系统型耦合器可包含至少一片半反射镜。
根据此实施方式，在传输相同光量的光的情况下，能利用光耦合器使从第一光纤向第二光纤传输光时的光量、与从第二光纤向第三光纤传输光时的光量相等。
在所述实施方式中，光耦合器为滤波器型耦合器，滤波器型耦合器具有：滤波器，在第一面形成有与波长有关的高通滤波器、低通滤波器及带通滤波器中的至少任一个，且在第二面形成有半反射镜；第一端口，设于滤波器的第一面侧，且供连接第三光纤；第二端口，设于滤波器的第一面侧，且供连接第二光纤；以及第三端口，设于滤波器的第二面侧，且供连接第一光纤。
在所述实施方式中，可在滤波器的第一面，形成有随着透过光的波长变化光量的变化减小那样的具有依存于波长的透过率的滤波器。
根据此实施方式，能减小光耦合器的透过率的波长相依性及模(mode)相依性，而在广波长范围内准确地测量反射光的光谱。
发明的效果
根据本发明，能提供一种测量对象物的位置的检测精度经提高的共焦测量装置。
附图说明
图1为本发明的实施方式的共焦测量装置的概要图。
图2为现有例的熔融拉锥型耦合器的概要图。
图3为表示现有例的熔融拉锥型耦合器的传输波形的图。
图4为本实施方式的滤波器型耦合器的概要图。
图5为表示本实施方式的滤波器型耦合器的传输波形的图。
图6为表示本实施方式的滤波器型耦合器的第一变形例的传输波形的图。
图7为表示本实施方式的滤波器型耦合器的第二变形例的传输波形的图。
图8为本实施方式的空间光学系统型耦合器的概要图。
图9为表示本实施方式的空间光学系统型耦合器的传输波形的图。
符号的说明
1：共焦测量装置
10：光源
11：第一光纤
12：第二光纤
13：第三光纤
20：光耦合器
21：熔融拉锥型耦合器
22：滤波器型耦合器
22a：第一毛细管
22b：第一透镜
22c：滤波器
22d：第一面
22e：第二面
22f：第二透镜
22g：第二毛细管
23：空间光学系统型耦合器
23a：第一透镜
23b：半反射镜
23c：第二透镜
23d：反射镜
23e：第三透镜
30：分光器
31：第一透镜
32：衍射光栅
33：第二透镜
34：受光元件
35：读取电路
40：处理部
100：传感头
110：准直透镜
120：衍射透镜
130：物镜
200：测量对象物
210：第一波长的光
220：第二波长的光
L：长度
具体实施方式
参照附图对本发明的优选实施方式进行说明。此外，各图中标注相同符号的构件具有相同或同样的构成。
图1为本发明的实施方式的共焦测量装置1的概要图。本实施方式的共焦测量装置1为对测量对象物200的位置进行测量的装置，其包括光源10、第一光纤11、第二光纤12、第三光纤13、光耦合器20、分光器30、处理部40及传感头100。
光源10将白色光输出到第一光纤11中。光源10也可根据处理部40的指令而调整白色光的光量。第一光纤11可为任意的光纤，例如也可为芯径为50μm的折射率分布型纤维。第一光纤11也可在连接于光耦合器20的近前，连结于芯径更细的纤维。
光耦合器20连接着第一光纤11、第二光纤12及第三光纤13，为使第一传输波形与第二传输波形接近的滤波器型耦合器22或空间光学系统型耦合器23，所述第一传输波形表示从第一光纤11向第二光纤12传输光时的波长与光量的关系，所述第二传输波形表示从第二光纤12向第三光纤13传输光时的波长与光量的关系。关于第一传输波形及第二传输波形，将在下文中详细说明。
传感头100连接于第二光纤12，收容使所入射的白色光沿着光轴方向产生色差的衍射透镜120，并将产生了色差的光照射到测量对象物200上。传感头100收容将从第二光纤12的端面出射的白色光变换为平行光的准直透镜110、使所入射的白色光沿着光轴方向产生色差的衍射透镜120、以及使产生了色差的光在测量对象物200上聚集的物镜130。本例中，图示出焦点距离相对较长的第一波长的光210、及焦点距离相对较短的第二波长的光220。本例的情况下，第一波长的光210在测量对象物200的表面聚焦，第二波长的光220在测量对象物200的近前聚焦。
经测量对象物200的表面反射的光是由物镜130聚集，经过衍射透镜120并经准直透镜110聚光，被送回到第二光纤12的芯。反射光中，第一波长的光210由于在第二光纤12的端面对焦，因此其大部分入射到第二光纤12中，但其他波长的光在第二光纤12的端面未对焦，其大部分未入射到第二光纤12中。入射到第二光纤12中的反射光经由光耦合器20而传输到第三光纤13中，被输入到分光器30中。此外，入射到第二光纤12中的反射光经由光耦合器20而也传输到第一光纤11，但在光源10处终结。
分光器30连接于第三光纤13，经由第二光纤12、光耦合器20及第三光纤13而取得经测量对象物200反射并由传感头100聚光的反射光，并测量反射光的光谱。分光器30含有使从第三光纤13出射的反射光聚集的第一透镜31、将反射光分光的衍射光栅32、使经分光的反射光聚集的第二透镜33、接收经分光的反射光的受光元件34、及读取受光元件34的受光信号的读取电路35。读取电路35根据受光元件34的受光信号来读取所接收的光的波长及光量。所读取的光的波长及光量是由处理部40改读成测量对象物200的位置。本例的情况下，第一波长的光210以波峰的形式显现，高精度地测量与此波长对应的位置。
若传感头100处于静止状态，则共焦测量装置1能以几十纳米(nm)的分辨率对测量对象物200的位置进行测量。为了进一步提高测量精度，需要进一步减小第二光纤12及第三光纤13的芯径，限制入射到第二光纤12中的反射光的波长，利用分光器30检测更尖锐的波峰。
对于本实施方式的共焦测量装置1的第二光纤12及第三光纤13来说，使从光源10输出的白色光及经测量对象物200反射的反射光在芯中传输时的模数可为5～250。更具体来说，第二光纤12及第三光纤13可为在所传输的光的波长包含450nm～700nm的可见光频带的情况下存在5～250左右的模数的纤维。
折射率分段型纤维的情况下，所传输的光的模数M是由M＝(4/π2)V2求出。此处，V为由V＝2π(a/λ0)NA所规定的V参数，a为芯的半径，λ0为所传输的光的波长，NA为纤维数值孔径。若假定设为NA＝0.14、λ0＝575nm，则在芯径(直径)为5μm的情况下，模数成为约6。另外，同样的条件下，在芯径为25μm的情况下，模数成为约148。本实施方式的共焦测量装置1的第二光纤12及第三光纤13的芯径可为5μm～25μm。此情况下，模数大致成为5～250。
关于以前所使用的熔融拉锥型光耦合器，发明人发现，若连接模数成为250以下那样的芯径小的光纤，则显著地表现出透过率的波长相依性及模相依性，如下文中图2所示那样，传输特性变得不良。另外，通过减小光纤的芯径，能减小利用传感头100将反射光聚光的针孔的直径，或减小在分光器30中输入反射光时的针孔的直径，提高反射光的光谱的分辨率，但若将芯径设为5μm以下，则有时从光源10输出并由光纤传输的白色光的光量降低，不得不延长测量周期。考虑到这些情况，发明人发现，合适的是第二光纤12及第三光纤13的芯径为5μm～25μm，即模数成为大致5～250那样的芯径。
存在于第二光纤12及第三光纤13的芯的模数为5～250，芯径小，由此利用传感头100将反射光聚光时的针孔的直径、或在分光器30中输入反射光时的针孔的直径变小，能进一步提高测量对象物200的位置的检测精度。
另外，第二光纤12及第三光纤13的芯径为5μm～25μm，由此利用传感头100将反射光聚光时的针孔的直径、或在分光器30中输入反射光时的针孔的直径成为5μm～25μm，能利用分光器30更明确地检测反射光的光谱的波峰。此外，第二光纤12及第三光纤13的芯径也可为5μm～25μm以外，第二光纤12与第三光纤13也可芯径不同。
图2为现有例的熔融拉锥型耦合器21的概要图。熔融拉锥型耦合器21具有第一端口、第二端口及第三端口，例如从第一端口及第三端口入射的光在长度L的熔融拉锥区间中倏逝波耦合(evanescent coupling)，在第二端口出射。以下，对将第二端口及第三端口的纤维设为存在于芯中的模数成为5～250那样的纤维的情况进行说明。此外，通常熔融拉锥型耦合器21的第一端口、第二端口及第三端口的纤维可为芯径为50μm等的纤维，或多模纤维。
图3为表示现有例的熔融拉锥型耦合器21的传输波形的图。此图中，在纵轴中示出光量，在横轴中以nm的单位示出波长。此图所示的曲线图中，实线所示的第一传输波形表示从第一端口将光传输到第二端口时的波长与光量的关系。另外，虚线所示的第二传输波形表示从第二端口将光传输到第三端口时的波长与光量的关系。
本例的情况下，读取出实线所示的第一传输波形与虚线所示的第二传输波形在大部分的波长范围内明显偏离，在从第一端口将光传输到第二端口时、与从第二端口将光传输到第三端口时，传输特性相差大。尤其对于在450nm附近产生的光量的波峰来说，相较于虚线所示的第二传输波形，实线所示的第一传输波形成为大不到2倍的值。另外，在500nm～650nm的波长范围内，虚线所示的第二传输波形成为多峰形状，相对于此，实线所示的第一传输波形成为单峰形状，波形相差大。如此这样，在对熔融拉锥型耦合器21连接模数成为5～250那样的纤维的情况下，传输特性不良，难以利用分光器30来检测波长的波峰，无法以充分的精度对测量对象物200的位置进行检测。
图4为本实施方式的滤波器型耦合器22的概要图。滤波器型耦合器22具有滤波器22c，此滤波器22c在第一面22d形成有与波长有关的高通滤波器、低通滤波器及带通滤波器中的至少任一个，且在第二面22e形成有半反射镜。另外，滤波器型耦合器22具有设于滤波器22c的第一面22d侧且供连接第三光纤13的第一端口、设于滤波器22c的第一面22d侧且供连接第二光纤12的第二端口、及设于滤波器22c的第二面22e侧且供连接第一光纤11的第三端口。
滤波器型耦合器22含有设有第一端口及第二端口的第一毛细管22a、邻接于第一毛细管22a的第一透镜22b、隔着滤波器22c而与第一透镜22b相向的第二透镜22f、及设有第三端口的第二毛细管22g。
图5为表示本实施方式的滤波器型耦合器22的传输波形的图。此图中，在纵轴中示出光量，在横轴中以nm的单位示出波长。此图所示的曲线图中，实线所示的第一传输波形表示从第一端口将光传输到第二端口时的波长与光量的关系。另外，虚线所示的第二传输波形表示从第二端口将光传输到第三端口时的波长与光量的关系。本实施方式的滤波器型耦合器22的第二端口上，连接有使从光源10输出的白色光及经测量对象物200反射的反射光在芯中传输时的模数为5～250的第二光纤12，在第一端口上，连接有使从光源10输出的白色光及经测量对象物200反射的反射光在芯中传输时的模数为5～250的第三光纤13。
连接于第三端口的第一光纤11可为多模纤维。具体来说，第一光纤11可为芯径为50μm以上的光纤。而且，第一光纤11也可在与第三端口的连接部分，连结于芯径更小且模数成为5～250那样的光纤。通过第一光纤11为芯径相对较大的多模纤维，能抑制因将芯径小的光纤彼此连接时所产生的损耗而入射到光耦合器中的光量降低，或使将光从光源10向第一光纤11聚光时的光轴调整容易。
本例的情况下，读取出实线所示的第一传输波形、与虚线所示的第二传输波形在整个波长范围内几乎一致，在从第一端口将光传输到第二端口时、与从第二端口将光传输到第三端口时，传输特性几乎无差异。对于在450nm附近产生的光量的波峰来说，实线所示的第一传输波形的情况与虚线所示的第二传输波形几乎成为相同的值。另外，在500nm～650nm的波长范围内，实线所示的第一传输波形的情况与虚线所示的第二传输波形两者成为单峰形状。如此这样，通过使用滤波器型耦合器22作为光耦合器20，即便第二光纤12及第三光纤13为模数成为5～250那样的纤维，传输特性也变良好，能利用分光器30来检测尖锐波长的波峰，从而能以高精度对测量对象物200的位置进行检测。
图6为表示本实施方式的滤波器型耦合器22的第一变形例的传输波形的图。此图中，在纵轴中示出光量，在横轴中以nm的单位示出波长。此图所示的曲线图表示从第一端口将光传输到第二端口时的波长与光量的关系。此外，从第二端口将光传输到第三端口时的波长与光量的关系也相同。在本变形例的滤波器型耦合器22的滤波器22c的第一面22d，形成有随着透过光的波长变化光量的变化减小那样的具有依存于波长的透过率的滤波器。本例中，在第一面22d形成有在波长为大致515nm～615nm的范围内光量基本一定那样的滤波器22c。如此这样，通过在滤波器22c的第一面22d形成随着透过光的波长变化光量的变化减小那样的具有依存于波长的透过率的滤波器，能扩大光量基本一定的波长的范围。由此，减小光耦合器20的透过率的波长相依性及模相依性，能在广波长范围内准确地测量反射光的光谱。
图7为表示本实施方式的滤波器型耦合器22的第二变形例的传输波形的图。此图中，在纵轴中示出光量，在横轴中以nm的单位示出波长。此图所示的曲线图表示从第一端口将光传输到第二端口时的波长与光量的关系。此外，从第二端口将光传输到第三端口时的波长与光量的关系也相同。在本变形例的滤波器型耦合器22的滤波器22c的第一面22d，形成有与波长有关的低通滤波器。本例中，在第一面22d形成有将波长为大致500nm以下的光截止的低通滤波器。如此这样，通过在滤波器22c的第一面22d形成低通滤波器，能限制透过光的波长，减小光耦合器20的透过率的波长相依性及模相依性，能在广波长范围内准确地测量反射光的光谱。
图8为本实施方式的空间光学系统型耦合器23的概要图。空间光学系统型耦合器23具有供连接第一光纤11的第一端口、供连接第二光纤12的第二端口、及供连接第三光纤13的第三端口。另外，空间光学系统型耦合器23包含将从第二端口出射的光聚集的第一透镜23a、使经第一透镜23a聚集的光中的一半直进且使其余一半反射的半反射镜23b、将通过半反射镜23b的光聚集在第一端口的第二透镜23c、使经半反射镜23b反射的光反射的反射镜23d、以及将经反射镜23d反射的光聚集在第三端口的第三透镜23e。
图9为表示本实施方式的空间光学系统型耦合器23的传输波形的图。此图中，在纵轴中示出光量，在横轴中以nm的单位示出波长。此图所示的曲线图中，实线所示的第一传输波形表示从第一端口将光传输到第二端口时的波长与光量的关系。另外，虚线所示的第二传输波形表示从第二端口将光传输到第三端口时的波长与光量的关系。在本实施方式的空间光学系统型耦合器23的第二端口，连接有使从光源10输出的白色光及经测量对象物200反射的反射光在芯中传输时的模数为5～250的第二光纤12，在第三端口，连接有使从光源10输出的白色光及经测量对象物200反射的反射光在芯中传输时的模数为5～250的第三光纤13。此外，连接于第一端口的第一光纤11的种类为任意，第一光纤11例如可为芯径为50μm的纤维，或多模纤维。但是，第一光纤11也可在与第一端口的连接部分，连结于芯径更小的纤维。此情况下，能抑制因将芯径小的光纤彼此连接时产生的损耗而入射到光耦合器中的光量降低，或使将光从光源10向第一光纤11聚光时的光轴调整容易。
本例的情况下，读取出实线所示的第一传输波形与虚线所示的第二传输波形在整个波长范围内几乎一致，在从第一端口将光传输到第二端口时、与从第二端口将光传输到第三端口时，传输特性几乎无差异。对于在450nm附近产生的光量的波峰来说，实线所示的第一传输波形的情况与虚线所示的第二传输波形几乎成为相同的值。另外，在500nm～650nm的波长范围内，实线所示的第一传输波形的情况与虚线所示的第二传输波形两者成为单峰形状。如此这样，通过使用空间光学系统型耦合器23作为光耦合器20，即便第二光纤12及第三光纤13为模数成为5～250那样的纤维，传输特性也变良好，能利用分光器30来检测尖锐波长的波峰，能以高精度对测量对象物200的位置进行检测。
滤波器型耦合器22或空间光学系统型耦合器23包含至少一片半反射镜。由此，在传输相同光量的光的情况下，能利用光耦合器20使从第一光纤11向第二光纤12传输光时的光量、与从第二光纤12向第三光纤13传输光时的光量相等。
根据本实施方式的共焦测量装置1，通过利用光耦合器20使从第一光纤11向第二光纤12传输光时的第一传输波形、与从第二光纤12向第三光纤13传输光时的第二传输波形接近，由光耦合器20导致光的光谱变形的情况变少，能进一步提高测量对象物200的位置的检测精度。此处，所谓第一传输波形与第二传输波形接近，是指在任意的波长下，通过的光量接近相等的值。
以上所说明的实施方式是以容易理解本发明为目的，并非限定解释本发明。实施方式所具备的各要素以及其配置、材料、条件、形状及尺寸等不限定于例示，能适当变更。另外，能将不同实施方式所示的构成彼此局部地替换或组合。
附记
一种共焦测量装置1，其包括：
光源10，将白色光输出到第一光纤11中；
光耦合器20，连接着所述第一光纤11、第二光纤12及第三光纤13；
传感头100，连接于所述第二光纤12，收容使所入射的所述白色光沿着光轴方向产生色差的衍射透镜120，并将产生了色差的光照射到测量对象物200上；以及
分光器30，连接于所述第三光纤13，经由所述第二光纤12、所述光耦合器20及所述第三光纤13而取得经所述测量对象物200反射并由所述传感头100聚光的反射光，并测量所述反射光的光谱；且
所述光耦合器20为使第一传输波形与第二传输波形接近的滤波器型耦合器22或空间光学系统型耦合器23，所述第一传输波形表示从所述第一光纤11向所述第二光纤12传输光时的波长与光量的关系，所述第二传输波形表示从所述第二光纤12向所述第三光纤13传输光时的波长与光量的关系。

Claims (6)

1.一种共焦测量装置，其特征在于，包括：
光源，将白色光输出到第一光纤中；
光耦合器，连接着所述第一光纤、第二光纤及第三光纤；
传感头，连接于所述第二光纤，收容使所入射的所述白色光沿着光轴方向产生色差的衍射透镜，将产生了色差的光照射到测量对象物上；以及
分光器，连接于所述第三光纤，经由所述第二光纤、所述光耦合器及所述第三光纤而取得经所述测量对象物反射并由所述传感头聚光的反射光，测量所述反射光的光谱，
所述光耦合器为使第一传输波形与第二传输波形接近的滤波器型耦合器或空间光学系统型耦合器，所述第一传输波形表示从所述第一光纤向所述第二光纤传输光时的波长与光量的关系，所述第二传输波形表示从所述第二光纤向所述第三光纤传输光时的波长与光量的关系。
2.根据权利要求1所述的共焦测量装置，其特征在于，所述第二光纤及所述第三光纤为使所述白色光及所述反射光在芯中传输时的模数为5～250。
3.根据权利要求1或2所述的共焦测量装置，其特征在于，所述第二光纤及所述第三光纤的芯径为5μm～25μm。
4.根据权利要求1所述的共焦测量装置，其特征在于，所述滤波器型耦合器或所述空间光学系统型耦合器包含至少一片半反射镜。
5.根据权利要求1所述的共焦测量装置，其特征在于，所述光耦合器为所述滤波器型耦合器，且
所述滤波器型耦合器具有：
滤波器，在第一面形成有与波长有关的高通滤波器、低通滤波器及带通滤波器中的至少任一个，且在第二面形成有半反射镜；
第一端口，设于所述滤波器的第一面侧，供连接所述第三光纤；
第二端口，设于所述滤波器的所述第一面侧，供连接所述第二光纤；以及
第三端口，设于所述滤波器的第二面侧，供连接所述第一光纤。
6.根据权利要求5所述的共焦测量装置，其特征在于，在所述滤波器的所述第一面，形成有随着透过光的波长变化光量的变化减小那样的具有依存于波长的透过率的滤波器。
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