CN110196020B - 多波长共焦测量装置 - Google Patents

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Abstract

[技术问题]提供一种能够使用诸如白光等多波长光高精度地测量测量对象的诸如厚度、距离、位移或颜色等特征值的多波长共焦测量装置。[技术方案]装置设置有：激光光源；荧光体，其由激光激发；第一光学聚光器，其构造为朝向荧光体会聚激光；第二光学聚光器，构造为朝向第一位置会聚多波长光；光纤单元，其限定共同光路、经由分光器与共同光路耦合的第一光路以及经由分光器与共同光路耦合的第二光路；头部光学聚光器，其构造为朝向测量对象会聚多波长光；光学头，其具有第一透镜；光接收元件；测量控制器，其基于表示与来自光接收元件的波长对应的光接收量的信号测量测量对象的厚度或位移。

Description

多波长共焦测量装置
本申请是2016年12月27日提交、发明名称为“多波长光电测量装置、共焦测量装置、干涉测量装置和颜色测量装置”、申请号为201580034988.6(国际申请号：PCT/JP2015/067968)的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及能够使用诸如白光等多波长光测量测量对象的诸如厚度、距离、位移或颜色等特征量的诸如共焦位移计、干涉位移计和颜色光学传感器等多波长光电测量装置。
背景技术
光电测量装置从发光单元发射可见光或红外光，并且由光接收单元检测已经被测量对象的表面反射的反射光或者已经透过测量对象的透射光。测量单元根据光接收单元中的每个波长的光强度分布来测量测量对象的诸如厚度、距离、位移或颜色等特征量(参见例如专利文献1至4)。
在现有多波长光电测量装置中，诸如卤素灯或氙灯等白色光源、白色LED或超辐射发光二极管(SLD)被用作发光源。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：US 4,585,349
专利文献2：JP 2012-021856 A
专利文献3：JP 2010-121977 A
专利文献4：JP 02-095222 A
发明内容
本发明要解决的技术问题
然而，当使用超辐射发光二极管(SLD)作为发光源时，不利的是，由于取决于测量规格的发射光的波长宽度不足，因此不能执行期望的测量。另一方面，当使用诸如卤素灯或氙灯等白色光源或白色LED作为发光源时，由于发光单元的面积较大，因此难以形成具有小光斑直径的图像。当施加到测量对象的光具有大的光斑直径时，光也被施加到除了期望的测量对象区域之外的区域，这可能不利地导致不适当的测量。
特别是，在共焦位移计或干涉位移计中，当施加到测量对象的光具有大光斑直径时，不仅相对于光轴方向的竖直方向的精度，而且沿着光轴方向测得的厚度和位移的测量精度劣化。
为了解决这样的问题，发光源可以设置有光圈，以减小施加到测量对象上的光的光斑直径。然而，不利的是，诸如卤素灯和氙灯等白色光源具有短的寿命。此外，同样在使用白色LED时，由于白色LED的每单位面积的发光量较小，因此施加到测量对象上的光的量较小。因此，不利的是，可测量对象受到限制，并且不能以高精度检测测量对象的厚度和距离。
鉴于上述情况而提出了本发明，并且本发明的目的在于提供一种能够使用诸如白光等多波长光以高精度测量测量对象的诸如厚度、距离、位移或颜色等特征量的多波长光电测量装置、共焦测量装置、干涉测量装置和颜色测量装置。
解决技术问题的手段以及本发明的有益效果
为了实现上述目的，根据本发明的一个实施例，一种多波长光电测量装置包括：激光光源；光源光学部件，其用于会聚来自所述激光光源的光；荧光体，其由所述光源光学部件所会聚的光激发；光纤单元，其包括一个或多个光纤，所述荧光体设置在第一端部，所述光纤单元从所述第一端部接收所述荧光体所发射的光，并且朝向第二端部传输所接收到的光；头部光学部件，其朝向测量对象会聚从所述光纤单元的所述第二端部发射的光；光接收元件，其根据波长选择性地接收来自所述测量对象的光，并且将所接收到的光光电转换为与光接收量对应的信号；以及测量控制单元，其基于表示与来自所述光接收元件的波长对应的所述光接收量的信号测量所述测量对象的特征量。
根据本发明的另一实施例，在多波长光电测量装置中，其特征在于，在第一方面中，所述荧光体固定在透光介质的内部，所述透光介质被来自所述激光光源的光和所述荧光体所发射的光透射，并且所述透光介质固定到所述光纤单元的所述第一端部上。
根据本发明的又一实施例，其特征在于，在第一方面或第二方面中，所述多波长光电测量装置还包括滤光器，所述滤光器设置在所述荧光体与所述光源光学部件之间，使来自所述激光光源的光透射，并使所述荧光体所发射的光反射。
根据本发明的又一实施例，其特征在于，在第一方面至第三方面中的任一方面中，所述多波长光电测量装置还包括框体，所述框体包括开口，所述开口具有与入射到所述光纤单元的所述第一端部上的光的光路对应的形状，并且所述框体将所述荧光体容纳在所述开口中。
根据本发明的又一实施例，其特征在于，在第一方面中，所述多波长光电测量装置还包括：框体，其包括开口，所述开口具有与入射到所述光纤单元的所述第一端部上的光的光路对应的形状，并且所述框体将所述荧光体容纳在所述开口中；以及滤光器，其覆盖所述框体的面向所述光源光学部件的一侧，使来自所述激光光源的光透射，并且使所述荧光体所发射的光反射。
根据本发明的又一实施例，其特征在于，在第一方面中，所述多波长光电测量装置还包括：框体，其包括开口，所述开口具有与入射到所述光纤单元的所述第一端部上的光的光路对应的形状，并且所述框体将所述荧光体容纳在所述开口中，其中所述荧光体固定在透光介质的内部，所述透光介质被来自所述激光光源的光和所述荧光体所发射的光透射，并且所述荧光体和所述透光介质容纳在所述框体的所述开口中。
根据本发明的又一实施例，其特征在于，在第一方面中，所述多波长光电测量装置还包括：框体，其包括开口，所述开口具有与入射到所述光纤单元的所述第一端部上的光的光路对应的形状，并且所述框体将所述荧光体容纳在所述开口中；以及滤光器，其覆盖所述框体的面向所述光源光学部件的一侧，使来自所述激光光源的光透射，并且使所述荧光体所发射的光反射，其中，所述荧光体固定在透光介质的内部，所述透光介质被来自所述激光光源的光和所述荧光体所发射的光透射，并且所述荧光体和所述透光介质容纳在所述框体的所述开口中。
根据本发明的又一实施例，其特征在于，在第四方面至第七方面中的任一方面中，所述多波长光电测量装置还包括反射面，所述反射面形成在所述框体的内径侧的壁部上。
根据本发明的又一实施例，其特征在于，在第一方面至第八方面中的任一方面中，在所述多波长光电测量装置中，所述光源光学部件包括一个或多个透镜。
根据本发明的又一实施例，其特征在于，在第一方面至第八方面中的任一方面中，在所述多波长光电测量装置中，所述光源光学部件包括结合有透镜的筒状反射镜。
接下来，为了实现上述目的，根据本发明的一个实施例，一种多波长光电测量装置包括：激光光源；光源光学部件，其用于会聚来自所述激光光源的光；荧光体，其由所述光源光学部件所会聚的光激发；反射部件，其包括设置在反射面上的荧光体，并且通过所述反射面反射所述荧光体所发射的光；第二光源光学部件，其用于会聚所述荧光体所发射的光；光纤单元，其包括一个或多个光纤，从第一端部接收所述第二光源光学部件所会聚的光，并且朝向第二端部传输所接收到的光；头部光学部件，其朝向测量对象会聚从所述光纤单元的所述第二端部发射的光；光接收元件，其根据波长选择性地接收来自所述测量对象的光，并且将所接收到的光光电转换为与光接收量对应的信号；以及测量控制单元，其基于表示与来自所述光接收元件的波长对应的所述光接收量的信号测量所述测量对象的特征量。
接下来，为了实现上述目的，根据本发明的一个实施例，一种共焦测量装置包括：激光光源；光源光学部件，其用于会聚来自所述激光光源的光；荧光体，其由所述光源光学部件所会聚的光激发；光纤单元，其包括一个或多个光纤，所述荧光体设置在第一端部，所述光纤单元从所述第一端部接收所述荧光体所发射的光，并且朝向第二端部传输所接收到的光；头部光学部件，其朝向测量对象会聚从所述光纤单元的所述第二端部发射的光，并且允许来自所述测量对象的反射光进入所述光纤单元的所述第二端部；分光器单元，其设置在所述光纤单元上，用于将从所述第二端部入射在所述光纤上的光的至少一部分引导至与通往所述第一端部的第一光路不同的第二光路；光接收元件，其使用分光镜根据波长选择性地接收来自所述测量对象且经过所述第二光路的光，并且将所接收到的光光电转换为与光接收量对应的信号；以及测量控制单元，其基于表示与来自所述光接收元件的波长对应的所述光接收量的信号测量所述测量对象的厚度或位移。
接下来，为了实现上述目的，根据本发明的一个实施例，一种干涉测量装置包括：激光光源；光源光学部件，其用于会聚来自所述激光光源的光；荧光体，其由所述光源光学部件所会聚的光激发；光纤单元，其包括一个或多个光纤，所述荧光体设置在第一端部，所述光纤单元从所述第一端部接收所述荧光体所发射的光，并且朝向第二端部传输所接收到的光；头部光学部件，其包括基准体，朝向测量对象和所述基准体会聚从所述光纤单元的所述第二端部发射的光，并且允许来自所述测量对象和所述基准体的反射光进入所述光纤单元的所述第二端部；分光器单元，其设置在所述光纤单元上，用于将从所述第二端部入射在所述光纤单元上的光的至少一部分引导至与通往所述第一端部的第一光路不同的第二光路；光接收元件，其使用分光镜根据波长选择性地接收来自所述测量对象且经过所述第二光路的光，并且将所接收到的光光电转换为与光接收量对应的信号；以及测量控制单元，其基于表示与来自所述光接收元件的波长对应的所述光接收量的信号测量所述测量对象的厚度或位移。
接下来，为了实现上述目的，根据本发明的一个实施例，一种颜色测量装置包括：激光光源；光源光学部件，其用于会聚来自所述激光光源的光；荧光体，其由所述光源光学部件所会聚的光激发；光纤单元，其包括一个或多个光纤，所述荧光体设置在第一端部，所述光纤单元从所述第一端部接收所述荧光体所发射的光，并且朝向第二端部传输所接收到的光；头部光学部件，其朝向测量对象会聚从所述光纤单元的所述第二端部发射的光；光接收元件，其根据波长选择性地接收来自所述测量对象的光，并且将所接收到的光光电转换为与光接收量对应的信号；以及测量控制单元，其基于表示与来自所述光接收元件的波长对应的所述光接收量的信号测量所述测量对象的颜色，并且将测得的颜色与预设的基准颜色范围进行比较。
本发明使得可以允许从激光光源发射的光穿过设置在光纤单元的面向光源光学部件侧的第一端部上的荧光体进入光纤单元。因此，即使当光被荧光体波长转换和扩散时，也可以可靠地会聚光，以允许光有效地进入光纤单元。因此，可以高精度地测量测量对象的诸如厚度、距离、位移或颜色等特征量。
附图说明
图1是示意性地示出了根据本发明实施例的多波长光电测量装置的框图；
图2是示意性地示出了根据本发明第一实施例的作为多波长光电测量装置的共焦测量装置的构造的框图；
图3是示出了根据本发明第一实施例的头部单元的构造的示意图；
图4是示出了根据本发明第一实施例的发光单元的主要构造的示意图；
图5是示出了根据本发明第一实施例的设置有发光单元的框体的构造的示意图；
图6是示出了根据本发明第一实施例的设置有发光单元的框体的构造的一部分的放大示意图；
图7是示出了根据本发明第一实施例的设置有发光单元的反射型滤光器的构造的示意图；
图8是示出了根据本发明第一实施例的发光单元的构造的正视图和剖视图；
图9是示出了根据本发明第一实施例的在发光单元中使用筒状反射镜的构造的示意图；
图10是示出了根据本发明第一实施例的在发光单元中使用透镜和筒状反射镜这两者的构造的示意图；
图11是示出了根据本发明第一实施例的发光单元的构造的示意图，其中改变了激光光源的布置；
图12是示出了根据本发明第一实施例的发光单元的构造的示意图，其中联接了多个光纤；
图13是示出了根据本发明第一实施例的在发光单元中联接有多个光纤的一部分的构造的放大示意图；
图14是示意性地示出了根据本发明第二实施例的作为多波长光电测量装置的干涉测量装置的构造的框图。
图15是示出了根据本发明第二实施例的头部单元的构造的示意图；
图16是示出了根据本发明第二实施例的发光单元的构造的正视图和剖视图；
图17是示出了根据本发明第二实施例的在发光单元中使用筒状反射镜的构造的示意图；
图18是示出了根据本发明第二实施例的在发光单元中使用透镜和筒状反射镜这两者的构造的示意图；
图19是示出了根据本发明第二实施例的发光单元的构造的示意图，其中改变了激光光源的布置；
图20是示出了根据本发明第二实施例的发光单元的构造的示意图，其中联接了多个光纤；以及
图21是示出了根据本发明第二实施例的在发光单元中联接有多个光纤的一部分的构造的放大示意图。
具体实施方式
在下文中，将基于附图具体描述根据本发明实施例的多波长光电测量装置。
(多波长光电测量装置)
图1是示意性地示出了根据本发明实施例的多波长光电测量装置的框图。多波长光电测量装置100包括激光光源101、光源光学部件200、荧光体70、光纤单元300、头部光学部件400、光接收元件500和测量控制单元600。
激光光源101发射具有单一波长的光，但优选地发射波长为450nm以下的蓝光或紫外光。更优选地，当激光光源101发射蓝光时，已经用于荧光体70的激发并被波长转换的光和尚未用于荧光体70的激发并保持蓝色的光的混合光可以应用于测量对象。
荧光体70被来自激光光源101的光激发并发射被转换为不同波长的光。荧光体70包括一种或多种荧光体70。例如，荧光体70可以被蓝光激发并发射转换的黄光。作为选择，两种荧光体70可以被蓝光激发并且发射转换的绿光和转换的红光。
荧光体70可以固定在能够被来自激光光源101的光和荧光体70所发射的光透射的诸如树脂或玻璃等透光介质(图4的71)内。
光纤单元300包括一个或多个光纤30。为了便于处理，可以在光纤30的端部上使用插芯20。考虑到对形成在测量对象上的光斑直径的影响，光纤30的出口端(其为面向头部光学部件400的端部)的芯部直径优选地为200μm以下，并且更优选地为50μm以下。
在光纤单元300中，荧光体70固定在光纤30的入口端(其为面向光源光学部件200的端部)上。荧光体70可以固定在能够被来自激光光源101的光和荧光体70所发射的光透射的诸如树脂或玻璃等透光介质71内，并且透光介质71可以固定到光纤30的入口端。为了允许来自激光光源101的光和来自荧光体70的光有效地进入光纤30，透光介质71的折射率等于或小于光纤30的入口端芯部的折射率。
为了使已经用于荧光体70的激发并被波长转换的光和尚未用于荧光体70的激发并保持蓝色的光的混合光处于期望的状态，包括透光介质71的荧光体70的在光路方向上的厚度被设定为大约10μm至200μm，并且透光介质71中的荧光体70的浓度被设定为大约30％至60％。
当荧光体70或包括透光介质71的荧光体70的在光路方向上的厚度被设定为大约10μm至200μm时，优选地，设置有包括开口的框体(图5的80)，该开口具有与入射到光纤单元30的入口端上的光的光路对应的形状，并且荧光体70或包括透光介质71的荧光体70容纳在框体80的开口中。
为了有效地激发荧光体70并且允许已经用于荧光体70的激发并被波长转换的光和尚未用于荧光体70的激发并保持蓝色的光的混合光有效地进入光纤单元300，框体80的内周壁面可以是反射面(图6的81)和/或框体80可以在面向光源光学部件200的一侧被滤光器(反射型滤光器：图7的90)覆盖，滤光器被来自激光光源101的光并且反射荧光体70所发射的光透射。
透光介质71设置在来自激光光源101的光被会聚的区域中。因此，选择具有高耐热性的材料和/或具有高散热性的材料作为透光介质71。
可以选择粘合剂树脂作为透光介质71，并且荧光体70可以粘附并且可以被粘合剂树脂固定到光纤30的入口端上。
头部光学部件400朝向测量对象(工件)W会聚从光纤单元300的出口端发射的光。
光接收元件500包括多分区光电二极管(PD)或诸如CCD或CMOS等图像传感器，并且根据经过包括衍射光栅或棱镜的分光镜501或者选色滤光器的波长来选择性地接收来自测量对象W的光。
光接收元件500可以接收来自测量对象W且经过光纤单元300或经过另一光路的光。
基于表示与来自光接收元件500的波长对应的光接收量的信号，测量控制单元600测量测量对象W的诸如厚度、距离、位移或颜色等特征量。
当头部光学部件400被构造为在光纤单元300的出口端具有共焦位置时，来自测量对象W的光根据波长被包括衍射光栅或棱镜的分光镜501分离，并且根据光接收元件500中的光接收位置检测来自测量对象W的光的波长-亮度分布。例如，当使用色差透镜作为头部光学部件400时，测量控制单元600评估以下情况来测量测量对象W的厚度和距离：当检测到具有较短波长的光时，测量对象W存在于较近距离中，并且当检测到具有较长波长的光时，测量对象W存在于较远距离中。当使用衍射透镜作为头部光学部件400时，测量控制单元600评估以下情况来测量测量对象W的厚度和距离：当检测到具有较短波长的光时，测量对象W存在于较远距离中，并且当检测到具有较长波长的光时，测量对象W存在于较近距离中。
(第一实施例)
图2是示意性地示出了根据本发明第一实施例的作为多波长光电测量装置的共焦测量装置的构造的框图。如图2所示，根据第一实施例的共焦测量装置100构成头部光学部件中的光发射和光接收同轴的同轴光学系统，并且使用具有多种波长且从发光单元10发射的光Lb测量例如测量对象(在下文中称为工件)W的厚度和距离。
插芯20保持光纤30的端部，光纤30传输从发光单元10发射的光。所发射的光的光轴和插芯20(光纤30)的中心轴线存在于一条直线上。
分光器40经由光纤30连接至插芯20、光接收单元50和头部单元60。入射到插芯20上的光被直接传输到头部单元60，并且来自头部单元60的反射光被传输到光接收单元50。
光纤30是将从发光单元10发射的光传输到头部单元60的传输介质。光纤30包括作为导光体的芯线和覆盖芯线的树脂膜。
头部单元60将具有多种波长的光Lb发射到工件W，并且被工件W的表面反射的反射光的一部分进入头部单元60。来自工件W的反射光经由光纤30和分光器40被传输到光接收单元50。光接收单元50将所传输的反射光分成其光谱分量，以计算工件W的厚度和距离。
图3是示出了根据本发明第一实施例的头部单元60的构造的示意图。如图3所示，根据第一实施例的头部单元60包括准直透镜61和透镜62，透镜62被设置成比准直透镜61更靠近工件W。
从光纤30的端部发射的光被准直透镜61转换为平行光。平行光被透镜62会聚在工件W上，并且沿光轴方向发生色差。由于通过透镜62执行光会聚，因此焦距根据光的波长的不同而不同。因此，测量精度很大程度上取决于光的波长。
图4是示出了根据本发明第一实施例的发光单元10的主要构造的示意图。如图4所示，从激光光源101发射的光通过透镜(光学部件)102进入光纤30。根据距离激光光源101的距离，焦点位置能够容易地与光纤30的末端部分对准。因此，可以允许光有效地进入光纤30的内部。插芯20的面向透镜(光学部件)102侧的末端部分(光纤30的末端部分)被荧光体70薄薄地涂覆。荧光体70可以固定在能够被来自激光光源101的光和荧光体70所发射的光透射的诸如树脂或玻璃等透光介质71内。
涂覆在光纤30的面向透镜102侧的末端部分上的荧光体70使得具有一种或多种波长且从激光光源101发射的光能够穿过荧光体70进入光纤30的内部。因此，即使当光被荧光体70波长转换和扩散时，也可以可靠地将光会聚到光纤30上，以允许光有效地进入光纤30的内部。
为了使光更可靠地进入光纤30的内部，优选地设置有围绕荧光体70外周的框体。图5是示出了根据本发明第一实施例的设置有发光单元10的框体的构造的示意图。
如图5所示，允许从激光光源101发射的光通过透镜102进入光纤30。插芯20的面向透镜(光学部件)102侧的末端部分(光纤30的末端部分)被荧光体70薄薄地涂覆。
此外，环形框体围绕荧光体70的外周。图6是示出了根据本发明第一实施例的设置有发光单元10的框体的构造的放大示意图。图6中的(a)是插芯20的末端部分的正视图，图6中的(b)和图6中的(c)是沿图6中的(a)的线A-A截取的剖视图，示出了插芯20的末端部分。
如图6所示，插芯20的末端部分涂覆有荧光体70，并且框体80围绕荧光体70的外周。框体80具有环形形状，并且包括具有与入射到光纤30的入口端上的光的光路对应的形状的开口。荧光体70或包括透光介质71的荧光体70优选地容纳在框体80的开口中。
如图6中的(b)所示，框体80的内径侧的壁部优选地设置有反射面81，以使光能够更有效地进入光纤30的内部。当然，反射面81可以平行于光轴或相对于光轴倾斜。例如，如图6中的(c)所示，当框体80在面向光纤30的一侧和面向激光光源101的一侧具有不同的开口直径时(优选的是，面向激光光源101的一侧的开口直径较小)，可以允许反射光通过反射面再次进入光纤30，从而保持高传输效率。
当然，可以设置覆盖框体80的反射型滤光器。图7是示出了根据本发明第一实施例的设置有发光单元10的反射型滤光器的构造的示意图。图7中的(a)是示出整个发光单元10的构造的示意图，而图7中的(b)是插芯20的末端部分的示意性剖视图。
如图7所示，反射型滤光器90覆盖围绕荧光体70的外周的框体80。设置使来自激光光源101的光透射并使被荧光体70波长转换的光反射的反射型滤光器90，这样能够使波长转换光更有效地进入光纤30的内部。
图8是示出了根据本发明第一实施例的发光单元10的构造的正视图和剖视图。图8中的(a)是示出发光单元10的构造的正视图，图8中的(b)是沿图8中的(a)的线B-B截取的剖视图，示出了发光单元10的构造。
如图8所示，在发光单元10中，结合有光纤30的插芯20被插芯按压件25固定。插芯按压件25以某种方式附着到固定透镜102的透镜保持件103的一侧端部上，以覆盖该端部。将具有与驱动板105附接在一起的激光光源101的光源保持件104插入到透镜保持件103的另一侧端部。
在插芯20的末端部分(光纤30的末端部分)涂覆有荧光体70，框体80围绕荧光体70。反射型滤光器90覆盖框体80，从而使得波长转换光能够更有效地进入光纤30的内部。
当然，插芯20的末端部分的构造不限于此。可以如图4所示那样仅涂覆荧光体70，或者如图5所示那样框体80可以围绕所涂覆的荧光体70的外周。
在上述第一实施例中，透镜102用作光学部件。作为选择，可以使用反射镜代替透镜102。图9是示出了根据本发明第一实施例的在发光单元10中使用筒状反射镜的构造的示意图。如图9所示，允许具有一种或多种波长且从激光光源101发射的光穿过透镜(光学部件)110通过反射镜111进入光纤30的内部。也可以允许使用单个透镜时扩散到外部的光通过反射镜111进入光纤30的内部。因此，可以降低光强度的衰减。
插芯20的面向透镜(光学部件)110侧的末端部分(光纤30的末端部分)被荧光体70薄薄地涂覆。涂覆在光纤30的面向透镜110侧的末端部分上的荧光体70使得具有一种或多种波长且从激光光源101发射的光能够穿过荧光体70进入光纤30的内部。因此，即使当光被荧光体70波长转换和扩散时，也可以可靠地将光会聚到光纤30上，以允许光有效地进入光纤30的内部。
为了使光更可靠地进入光纤30的内部，可以设置围绕荧光体外周的框体80，或者可以设置覆盖框体80的反射型滤光器90。两种构造使得波长转换光能够更有效地进入光纤30的内部。
此外，可以使用一个或多个透镜和结合有透镜的筒状反射镜这两者作为允许光进入结合在插芯20中的光纤30内部的光学部件。图10是示出了根据本发明第一实施例的在发光单元10中使用透镜和筒状反射镜这两者的构造的示意图。
在图10的实例中，在激光光源101与反射镜111之间设置有透镜102，在反射镜111的面向激光光源101和透镜102侧的末端部分涂覆有荧光体70。因此，可以允许包括由于对光纤30的开口数量的限制而不能进入光纤30内部的光在内的光进入光纤30的内部，并减少光强度的损失。
与上述实施例类似，也可以设置围绕荧光体70外周的框体80，并且框体80的内径侧的壁部可以设置有反射面81。另外，反射型滤光器90可以覆盖框体80。这两种构造使得被荧光体70波长转换的光能够更有效地进入光纤30的内部。
本发明不限于从激光光源101发射的光的光轴和光纤30(插芯20)的中心轴存在于一条直线上的构造。图11是示出了根据本发明第一实施例的发光单元10的构造的示意图，其中改变了激光光源101的布置。
在图11的实例中，设置有将从激光光源101发射的光朝向光纤30反射的反射镜150。具有一种或多种波长且从激光光源101发射的光被透镜102会聚并被引导至反射镜150。反射镜150具有涂覆有荧光体70的表面，并且反射被荧光体70波长转换的光。
由反射镜150反射的光被透镜109会聚，并进入结合在插芯20中的光纤30的末端部分。因此，增加了光学部件的布置的灵活性，这使得整个装置能够小型化。
为了增加光强度，需要增加光量。光量的增加可能导致荧光体70发热。荧光体70的发热降低了反射效率，这可能导致光发射的饱和。当使用反射镜150时，通过旋转或移动反射镜150可以减少荧光体70的发热。因此，可以解决上述问题。
多个光纤30可以联接在发光单元10内部。图12是示出了根据本发明第一实施例的发光单元10的构造的示意图，其中联接了多个光纤30。
在图12的实例中，结合在插芯20a、20b中的光纤30a设置在面向激光光源101的一侧，而结合在插芯20c中的光纤30设置在与激光光源101相反的一侧。荧光体70仅在插芯20b与插芯20c之间涂覆在插芯20c的面向透镜102的一侧上。
图13是示出了根据本发明第一实施例的在发光单元10中联接有多个光纤30的一部分的构造的放大示意图。如图13所示，荧光体70涂覆在插芯20c中的光纤30的面向透镜(光学部件)102侧的末端部分上。尽管涂覆荧光体70是足够的，但是可以设置围绕荧光体70的外周的框体80，并且与上述实施例类似，框体80的内径侧的壁部可以设置有反射面81，以允许光更有效地进入光纤30的内部。另外，反射型滤光器90可以覆盖框体80。所有构造使得被荧光体70波长转换的光能够更有效地进入光纤30的内部。
虽然在图13中使用透镜102将从激光光源101发射的光会聚到结合在插芯20a中的光纤30a上，但是本发明不特别限于此。毫无疑问，可以使用图9所示的反射镜111，或者可以如图10所示那样使用多个透镜102、110和反射镜111。
如上所述，第一实施例使得可以允许具有一种或多种波长且从激光光源101发射的光穿过涂覆在光纤30的面向光学部件侧的末端部分上的荧光体70进入光纤30的内部。因此，即使当光被荧光体70波长转换和扩散时，也可以可靠地会聚光，以允许光有效地进入光纤30的内部。因此，可以以高精度测量测量对象的厚度和距离。
(第二实施例)
图14是示意性地示出了根据本发明第二实施例的作为多波长光电测量装置的干涉测量装置的构造的框图。如图14所示，根据第二实施例的干涉测量装置310使用具有多种波长且从发光单元10发射的光Lb测量例如测量对象(在下文中称为工件)W的厚度和距离。
插芯20保持光纤30的端部，光纤30传输从发光单元10发射的光。所发射的光的光轴和插芯20(光纤30)的中心轴线存在于一条直线上。
分光器40经由光纤30连接至插芯20、光接收单元50和头部单元60。入射到插芯20上的光被直接传输到头部单元60，并且来自头部单元60的反射光被传输到光接收单元50。
光纤30是将从发光单元10发射的光传输到头部单元60的传输介质。光纤30包括作为导光体的芯线和覆盖芯线的树脂膜。
头部单元60将具有多种波长的光Lb发射到工件W，并且被工件W的表面反射的反射光的一部分进入头部单元60。来自工件W的反射光和在头部单元60中产生的反射光经由光纤30和分光器40被传输到光接收单元50。光接收单元50将所传输的反射光分成其光谱分量，以计算工件W的厚度。
图15是示出了根据本发明第二实施例的头部单元60的构造的示意图。如图15所示，根据第二实施例的头部单元60设置有干涉光学系统，该干涉光学系统产生用于测量工件W的膜厚的干涉反射光L3。
根据第二实施例的干涉光学系统是Mirau型干涉光学系统，并且包括聚光透镜131、玻璃板132、半反射镜133和小反射镜134。从光纤30的末端部分发射的光L0的一部分被发射作为检测光L1，并且被工件W的表面反射的反射光进入光纤30的末端部分。然后，干涉反射光L3由光L0的被基准平面反射的反射光和检测光L1的被工件W的表面反射的反射光产生，并进入光纤30的末端部分。
在聚光透镜131上会聚的光L0被半反射镜133分离成透射光和反射光。小反射镜134设置在玻璃板132的中心，并且将光L0的被半反射镜133反射的反射光朝向半反射镜133反射。因此，形成虚拟基准平面135。小反射镜134形成在这样的位置：当工件W与虚拟基准平面135之间的距离d为零时，允许光L0的被基准平面反射的反射光和检测光L1的被工件W的表面反射的反射光具有相同的相位。
由半反射镜133反射光L0而形成的检测光L2进入小反射镜134。被小反射镜134反射的检测光L2被半反射镜133部分地朝向聚光透镜131反射。
基于干涉反射光L3获得工件W的膜厚，作为虚拟基准平面135与工件W之间的距离d。
图16是示出了根据本发明第二实施例的发光单元10的构造的正视图和剖视图。图16中的(a)是示出发光单元10的构造的正视图，图16中的(b)是沿图16中的(a)的线B-B截取的剖视图，示出了发光单元10的构造。
如图16所示，在发光单元10中，结合有光纤30的插芯20被插芯按压件25固定。插芯按压件25以某种方式附着到固定透镜102的透镜保持件103的一侧端部上，以覆盖该端部。将具有与驱动板105附接在一起的激光光源101的光源保持件104插入到透镜保持件103的另一侧端部。
插芯20的末端部分(光纤30的末端部分)涂覆有荧光体70。框体80围绕荧光体70。反射型滤光器90覆盖框体80，从而使得波长转换光能够更有效地进入光纤30。
当然，插芯20的末端部分的构造不限于此。与第一实施例类似，可以仅涂覆荧光体70，或者框体80可以围绕所涂覆的荧光体70的外周。
在上述第二实施例中，透镜102用作光学部件。作为选择，可以使用反射镜代替透镜102。图17是示出了根据第二实施例的在发光单元10中使用筒状反射镜的构造的示意图。如图17所示，允许具有多种波长且从激光光源101发射的光穿过透镜(光学部件)110通过反射镜111进入光纤30的内部。也可以允许使用单个透镜时扩散到外部的光通过反射镜111进入光纤30的内部。因此，可以降低光强度的衰减。
插芯20的面向透镜(光学部件)110侧的末端部分(光纤30的末端部分)被荧光体70薄薄地涂覆。涂覆在光纤30的面向透镜110侧的末端部分上的荧光体70使得具有一种或多种波长且从激光光源101发射的光能够穿过荧光体70进入光纤30的内部。因此，即使当光被荧光体70波长转换和扩散时，也可以可靠地将光会聚到光纤30上，以允许光有效地进入光纤30的内部。
为了使光更可靠地进入光纤30的内部，可以设置围绕荧光体外周的框体80，或者可以设置覆盖框体80的反射型滤光器90。两种构造使得波长转换光能够更有效地进入光纤30的内部。
此外，可以使用一个或多个透镜和结合有透镜的筒状反射镜这两者作为允许光进入结合在插芯20中的光纤30内部的光学部件。图18是示出了根据本发明第二实施例的在发光单元10中使用透镜和筒状反射镜这两者的构造的示意图。
在图18的实例中，在激光光源101与反射镜111之间设置有透镜102，在反射镜111的面向激光光源101和透镜102侧的末端部分涂覆有荧光体70。因此，可以允许包括由于对光纤30的开口数量的限制而不能进入光纤30内部的光在内的光进入光纤30的内部，并减少光强度的损失。
与第一实施例类似，也可以设置围绕荧光体70外周的框体80，并且框体80的内径侧的壁部可以设置有反射面81。另外，反射型滤光器90可以覆盖框体80。这两种构造使得被荧光体70波长转换的光能够更有效地进入光纤30的内部。
本发明不限于从激光光源101发射的光的光轴和光纤30(插芯20)的中心轴存在于一条直线上的构造。图19是示出了根据本发明第二实施例的发光单元10的构造的示意图，其中改变了激光光源101的布置。
在图19的实例中，设置有将从激光光源101发射的光朝向光纤30反射的反射镜150。具有一种或多种波长且从激光光源101发射的光被透镜102会聚并被引导至反射镜150。反射镜150具有涂覆有荧光体70的表面，并且反射被荧光体70波长转换的光。
由反射镜150反射的光被透镜109会聚，并进入结合在插芯20中的光纤30的末端部分。因此，增加了光学部件的布置的灵活性，这使得整个装置能够小型化。
为了增加光强度，需要增加光量。光量的增加可能导致荧光体70发热。荧光体70的发热降低了反射效率，这可能导致光发射的饱和。当使用反射镜150时，通过旋转或移动反射镜150可以减少荧光体70的发热。因此，可以解决上述问题。
多个光纤30可以联接在发光单元10内部。图20是示出了根据本发明第二实施例的发光单元10的构造的示意图，其中联接了多个光纤30。
在图20的实例中，结合在插芯20a、20b中的光纤30a设置在面向激光光源101的一侧，而结合在插芯20c中的光纤30设置在与激光光源101相反的一侧。荧光体70仅在插芯20b与插芯20c之间涂覆在插芯20c的面向透镜102的一侧上。
图21是示出了根据本发明第二实施例的在发光单元10中联接有多个光纤30的一部分的构造的放大示意图。如图21所示，荧光体70涂覆在插芯20c中的光纤30的面向透镜(光学部件)102侧的末端部分上。尽管涂覆荧光体70是足够的，但是可以设置围绕荧光体70的外周的框体80，并且与上述实施例类似，框体80的内径侧的壁部可以设置有反射面81，以允许光更有效地进入光纤30的内部。另外，反射型滤光器90可以覆盖框体80。所有构造使得被荧光体70波长转换的光能够更有效地进入光纤30的内部。
虽然在图20中使用透镜102将从激光光源101发射的光会聚到结合在插芯20a中的光纤30a上，但是本发明不特别限于此。毫无疑问，可以使用图17所示的反射镜111，或者可以如图18所示那样使用多个透镜102、110和反射镜111。
此外，荧光体70可以以分散的方式设置在光纤30a内部，而不是设置框体80。在这种情况下，反射型滤光器90覆盖光纤30a的入口端，而不是设置在光纤30与光纤30a之间。
如上所述，第二实施例使得可以允许具有一种或多种波长且从激光光源101发射的光穿过涂覆在光纤30的面向光学部件侧的末端部分上的荧光体70进入光纤30的内部。因此，即使当光被荧光体70波长转换和扩散时，也可以可靠地会聚光，以允许光有效地进入光纤30的内部。因此，可以以高精度测量测量对象的厚度和距离。
本发明不限于上述实施例，并且可以在本发明的范围内进行各种修改和改进。例如，光学部件不限于上述第一实施例和第二实施例中公开的光学部件，并且除了凸透镜之外，可以组合凹透镜和反射镜(反射器)。用作荧光体的荧光材料的种类、比例和涂覆可以根据光学特性使用适当的组合和比例来实施。
工业实用性
本发明的多波长光电测量装置可以被适当地用作能够使用诸如白光等多波长光测量测量对象的诸如厚度、距离、位移或颜色等特征量的诸如共焦位移计、干涉位移计和颜色光学传感器等多波长光电测量装置。
附图标记说明
10 发光单元
20、20a、20b、20c 插芯
30、30a 光纤
40 分光器
50 光接收单元
60 头部单元
70 荧光体
80 框体
81 反射面
90 反射型滤光器
100 共焦测量装置(多波长光电测量装置)
101 激光光源
102、109、110 透镜
111、150 反射镜
310 干涉测量装置(多波长光电测量装置)
W 工件

Claims (10)

1.一种多波长共焦测量装置，包括：
激光光源，其构造为发射激光；
荧光体，其与所述激光光源光耦合，并构造为由所述激光激发，以发射多波长光；
第一光学聚光器透镜，其布置在所述激光的光路上，并构造为将来自所述激光光源的所述激光汇聚在所述荧光体上；
第二光学聚光器透镜，其布置在所述多波长光的光路上，并构造为将来自所述荧光体的所述多波长光汇聚在第一位置上；
光纤单元，其具有等于或小于50μm的芯部直径并限定共同光路、经由分光器与所述共同光路耦合的第一光路以及经由所述分光器与所述共同光路耦合的第二光路，所述光纤单元具有所述第一光路的布置在所述第一位置的第一端部、所述共同光路的第二端部以及所述第二光路的第三端部，所述光纤单元构造为从所述第一端部接收所述荧光体所发射的所述多波长光，将所述多波长光从所述第一端部经由所述第一光路和所述共同光路引导至所述第二端部，并且将测量光经由所述共同光路和所述第二光路朝向所述第三端部引导；
头部光学聚光器，其构造为朝向测量对象会聚从所述光纤单元的所述第二端部发射的所述多波长光；
光学头，其具有第一透镜，并构造为根据穿过所述第一透镜的每个所述多波长光的所述波长，将来自布置在共焦位置处的所述第二端部的所述多波长光朝向测量对象会聚至沿着光轴线的相应不同位置，并将来自所述测量对象朝向所述第二端部的反射光会聚作为所述测量光；
光接收元件，其根据波长来选择性地接收从所述测量对象穿过所述第二端部、所述共同光路、所述第二光路和所述第三端部的所述测量光，并且将所述测量光光电转换为与光接收量对应的信号；以及
测量控制器，其基于表示与来自所述光接收元件的波长对应的所述光接收量的信号测量所述测量对象的厚度或位移。
2.根据权利要求1所述的多波长共焦测量装置，其中，所述荧光体固定在透光介质的内部，所述透光介质被来自所述激光光源的所述激光和所述荧光体所发射的所述多波长光透射，并且所述透光介质固定到所述光纤单元的所述第一端部上。
3.根据权利要求1所述的多波长共焦测量装置，还包括滤光器，所述滤光器设置在所述荧光体与所述第一光学聚光器透镜之间，构造为使来自所述激光光源的所述激光透射，并使所述荧光体所发射的所述多波长光反射。
4.根据权利要求1所述的多波长共焦测量装置，还包括框体，所述框体包括开口，所述开口具有与入射到所述光纤单元的所述第一端部上的光的光路对应的形状，并且所述框体将所述荧光体容纳在所述开口中。
5.根据权利要求1所述的多波长共焦测量装置，还包括：
框体，其包括开口，所述开口具有与入射到所述光纤单元的所述第一端部上的光的光路对应的形状，并且所述框体将所述荧光体容纳在所述开口中；以及
滤光器，其构造为覆盖所述框体的面向所述第一光学聚光器透镜的一侧，以使来自所述激光光源的所述激光透射，并且使所述荧光体所发射的所述多波长光反射。
6.根据权利要求1所述的多波长共焦测量装置，还包括框体，所述框体包括开口，所述开口具有与入射到所述光纤单元的所述第一端部上的光的光路对应的形状，并且所述框体将所述荧光体容纳在所述开口中，
其中，所述荧光体固定在透光介质的内部，所述透光介质被来自所述激光光源的所述激光和所述荧光体所发射的所述多波长光透射，并且
所述荧光体和所述透光介质容纳在所述框体的所述开口中。
7.根据权利要求1所述的多波长共焦测量装置，还包括：
框体，其包括开口，所述开口具有与入射到所述光纤单元的所述第一端部上的光的光路对应的形状，并且所述框体将所述荧光体容纳在所述开口中；以及
滤光器，其构造为覆盖所述框体的面向所述第一光学聚光器透镜的一侧，以使来自所述激光光源的所述激光透射，并且使所述荧光体所发射的所述多波长光反射，
其中，所述荧光体固定在透光介质的内部，所述透光介质被来自所述激光光源的所述激光和所述荧光体所发射的所述多波长光透射，并且
所述荧光体和所述透光介质容纳在所述框体的所述开口中。
8.根据权利要求4所述的多波长共焦测量装置，还包括反射面，所述反射面形成在所述框体的内径侧的壁部上。
9.根据权利要求1所述的多波长共焦测量装置，其中，所述第二光学聚光器透镜包括一个或多个透镜。
10.根据权利要求1所述的多波长共焦测量装置，其中，所述第二光学聚光器透镜包括结合有透镜的筒状反射镜。
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