CN110260784B - 光学测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种进一步提高了测量对象物的位置的检测精度的光学测量装置。本发明的光学测量装置包括：光源(10)，输出多个波长的光；传感头(100)，包括将经由包含多个纤芯的导光部(50)所入射的光转换成平行光的转换透镜(110)、及将产生了色差的光照射于测量对象物(200)的物镜(130)；以及分光器(30)，经由导光部(50)而获取经测量对象物(200)反射并由传感头(100)聚光的反射光，测量反射光的光谱；且传感头(100)中，以抑制从导光部(50)所含的多个纤芯(202)中的一个纤芯出射的光作为反射光而入射至一个纤芯以外的纤芯的方式，在转换透镜(110)与物镜(130)之间配置有遮蔽光的遮蔽物(S)。

Description

光学测量装置
技术领域
本发明涉及一种光学测量装置。
背景技术
以前，一直使用能以白色共焦方式来测量对象物的表面形状等进行测量的光学测量装置。
例如，下述专利文献1所记载的光学测量装置包含：光源，产生具有多个波长成分的照射光；光学系统，使来自光源的照射光产生轴上色差，并且接收来自测量对象物的反射光，所述测量对象物至少将其一部分配置于光轴的延长线上；光接收部，包含将由光学系统所接收的反射光分离成各波长成分的分光器、及与分光器的分光方向对应地一维配置有多个光接收元件的检测器；导光部，包含将光学系统与光接收部光学连接的多个纤芯(core)；以及处理部，根据由光接收部的多个光接收元件所得的各检测值，算出光学系统至测量对象物的距离。
现有技术文献
专利文献
专利文献1日本专利特开2017-102067号公报
发明内容
发明所要解决的问题
专利文献1所记载的光学测量装置中具备包含多个纤芯的光纤，若邻接纤芯间的间隔变窄，则可能产生以下现象，即：某具有共焦点的光纤中，从测量对象物反射而来的所述共焦点以外的波长的光入射(以下也称为“串扰(crosstalk)”)。因此，以能够减少串扰的方式在光纤中设定邻接纤芯间的间隔、及纤芯的配置。
但是，要求通过进一步减少串扰而以更充分的精度来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进一步提高了测量对象物的位置的检测精度的光学测量装置。
解决问题的技术手段
本公开的一实施例的光学测量装置包括：光源，输出多个波长的光；传感头，包括将经由包含多个纤芯的导光部所入射的光转换成平行光的转换透镜、及将产生了色差的光照射于测量对象物的物镜；以及分光器，经由导光部而获取经测量对象物反射且由传感头聚光的反射光，测量反射光的光谱；且传感头中，以抑制从导光部所含的多个纤芯中的一个纤芯出射的光作为反射光而入射至一个纤芯以外的纤芯的方式，在转换透镜与物镜之间配置有遮蔽光的遮蔽物。
根据所述实施例，传感头中，以抑制从导光部所含的多个纤芯中的一个纤芯出射的光作为反射光而入射至一个纤芯以外的纤芯的方式，在转换透镜与物镜之间配置有遮蔽光的遮蔽物。因此，能够进一步减少串扰，因而能够进一步提高测量对象物的位置的检测精度。
所述光学测量装置中，遮蔽物也可与多个纤芯的排列对应地配置。
根据所述实施例，即便将多个纤芯以各种图案排列，也能够针对所述图案而分别适当地配置遮蔽物。
所述光学测量装置中，传感头也可在转换透镜与物镜之间收容具有衍射面的衍射透镜，所述衍射面形成有用于使所入射的光沿着光轴方向产生色差的衍射图案，遮蔽物配置于衍射透镜中位于衍射面的相反侧的面上。
根据所述实施例，在衍射透镜中，在位于衍射面的相反侧的面上配置遮蔽物，因而无需为了配置遮蔽物而大幅变更光学测量装置原本的结构，因此能够以低成本而进一步提高测量对象物的位置的检测精度。
所述光学测量装置中，遮蔽物也可在面上配置成四方点状、十字状或环形状。
根据所述实施例，与遮蔽物的配置方法有关的自由度提高。
所述光学测量装置中，光也可为白色光。
所述光学测量装置也可为利用共焦光学系统来对测量对象物的位移进行测量的共焦测量装置。
发明的效果
根据本发明，进一步减少串扰，由此能够提供一种进一步提高了测量对象物的位置的检测精度的光学测量装置。
附图说明
图1是本发明的实施方式的共焦测量装置的概要图。
图2是表示现有例的传感头的概要图、及串扰的产生状况的概念图。
图3是表示现有例的传感头的概要图、及串扰的产生状况的概念图。
图4是表示对现有例的共焦测量装置中产生的串扰的量进行评价的结果例的图。
图5是表示本实施方式的衍射透镜中的遮蔽物的配置例的图。
图6是表示本实施方式的衍射透镜中的遮蔽物的配置例的图。
图7是表示本实施方式的衍射透镜中的遮蔽物的配置例的图。
图8是表示本实施方式的第二光纤的端面的反射光的分布例的图。
图9是表示本实施方式的第二光纤的端面的反射光的分布例的图。
图10是表示本实施方式的第二光纤的端面的反射光的分布例的图。
图11是表示对本发明的实施方式的共焦测量装置中产生的串扰的量进行评价的结果例的图。
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
30：分光器
31：第一透镜
32：衍射光栅
33：第二透镜
34：光接收元件
35：读出电路
40：处理部
50：导光部
100、1000：传感头
110、1100：转换透镜
120、1200：衍射透镜
130、1300：物镜
200：测量对象物
202、202(1)～202(4)、2020：纤芯
204：包层
206：涂覆层
208：外饰
AS：端面
AX：光轴
BL1～BL3：虚线
F：面
S：遮蔽物
具体实施方式
参照附图对本发明的合适实施方式进行说明。此外，各图中，标注相同符号者具有相同或同样的结构。
图1是本发明的实施方式的共焦测量装置的概要图。如图1所示，本实施方式的共焦测量装置1(光学测量装置)是对测量对象物200的位置进行测量的装置，例示而言，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以及传感头100。此外，导光部50例示而言是包括第一光纤11、第二光纤12、第三光纤13及光耦合器20而构成。
光源10将多个波长的光输出至第一光纤11。光源10也可根据处理部40的指令而调整光的光量。此光也可为白色光。第一光纤11可为任意的光纤，例如可为纤芯径为50μm的渐变折射率光纤。第一光纤11也可在连接于光耦合器20的近前，连结于纤芯径更细的光纤。
第一光纤11及第三光纤13均为具有两个纤芯202的光纤，关于其截面结构，将包含纤芯202、包层(clad)204、涂覆层206的组配置两个后，在其外周设有外饰208。另一方面，第二光纤12为具有四个纤芯202的光纤，关于其截面结构，将包含纤芯202、包层204、涂覆层206的组配置四个后，在其外周设有外饰208。此外，各光纤的纤芯数只要为多个，则并无特别限制。
光耦合器20将第一光纤11、第二光纤12及第三光纤13光学连接，例如由2×2星形耦合器(star coupler)(二输入二输出/二输入二输出)所构成。例如，光耦合器20向第二光纤12的两个纤芯传递从第一光纤11的一个纤芯入射的光，并且将从第二光纤12的两个纤芯分别入射的光混合后分割，向第一光纤11及第三光纤13分别传递。同样，例如光耦合器20向第二光纤12的另两个纤芯传递从第一光纤11的另一个纤芯入射的光，并且将从第二光纤12的另两个纤芯分别入射的光混合后分割，向第一光纤11及第三光纤13分别传递。
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AX方向产生色差的衍射透镜120，并将产生了色差的光照射于测量对象物200。而且，例示而言，传感头100还收容将从第二光纤12的端面AS出射的白色光转换成平行光的转换透镜110、及将衍射透镜120产生了色差的光聚集于测量对象物200的物镜130。此外，例示而言，也可将包括衍射透镜120及转换透镜110的透镜称为准直透镜。
传感头100中，以从第二光纤12的多个纤芯中的一个纤芯出射的光不作为反射光而入射至此一个纤芯以外的纤芯的方式，在转换透镜110与物镜130之间配置有遮蔽光的遮蔽物S。例如，遮蔽物S是与第二光纤12中的多个纤芯的排列对应地配置。关于遮蔽物S的配置的具体例，将于后述。
遮蔽物S包含能够遮蔽光以减少串扰的部件。例如，遮蔽物S可由包含不透射光、或几乎不透射光的材料的部件所构成。例如，遮蔽物S可为油墨或墨水(ink)等。
经测量对象物200的表面反射的光由物镜130聚集，通过衍射透镜120而由转换透镜110聚光，经由第二光纤12的端面AS而被送回至纤芯。入射至第二光纤12的反射光经由光耦合器20而传送至第三光纤13，输入至分光器30。此外，入射至第二光纤12的反射光经由光耦合器20也传送至第一光纤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而获取经测量对象物200反射并由传感头100聚光的反射光，测量反射光的光谱。分光器30包含将从第三光纤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、将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光接收元件34、以及读出光接收元件34的光接收信号的读出电路35。读出电路35根据光接收元件34的光接收信号，读出所接收的光的波长及光量。所读出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。
若传感头100处于静止状态，则共焦测量装置1能够以几十纳米(nm)的分辨率来对测量对象物200的位置进行测量。为了进一步提高测量精度，需要使第二光纤12及第三光纤13的纤芯径更小，限制入射至第二光纤12的反射光的波长，利用分光器30检测更尖锐的波峰。
使用图2～图4对现有例的共焦测量装置中的串扰的产生状况进行说明。图2是现有例的传感头1000的平面概要图、及表示短波长侧的串扰的产生状况的概念图。图3是现有例的传感头1000的平面概要图、及表示长波长侧的串扰的产生状况的概念图。此外，图2及图3为了方便起见，在各图的左侧表示向对象物的光的照射状况的一例，在各图的右侧表示从对象物反射时的光的接收状况的一例。
如图2及图3所示，利用转换透镜1100将从现有例的光纤的各纤芯2020的端面出射的白色光转换成平行光，并利用衍射透镜1200产生色差，利用物镜1300将产生了色差的光聚集于测量对象物。然后，从测量对象物反射的光经由物镜1300、衍射透镜1200及转换透镜1100而回到各纤芯2020。此外，例示而言，也可将包括衍射透镜1200及转换透镜1100的透镜称为准直透镜。
此处，如图2及图3所示，在配置有测量对象物的位置，各光的焦点偏离，因而例如产生下述串扰，即：从纤芯(1)出射的白色光作为反射光而入射至纤芯(2)，相反地，从纤芯(2)出射的白色光作为反射光而入射至纤芯(1)。
图4是对现有例的共焦测量装置中产生的串扰的量进行评价的结果例的图。如图4所示，在不具备遮蔽物的现有例的共焦测量装置中，可确认在长波长侧及短波长侧两者产生了串扰。
因此，本实施方式中，通过将遮蔽光的遮蔽物配置于适当位置，能够进一步减少串扰，而提供一种进一步提高了测量对象物的位置的检测精度的光学测量装置。以下，使用图5～图7对遮蔽物的配置例的详情进行说明。
图5～图7是表示在本实施方式的衍射透镜中，在位于衍射面的相反侧的面上配置有遮蔽物的示例的图，所述衍射面形成有用于使所入射的光沿着光轴方向产生色差的衍射图案。此外，位于衍射面的相反侧的面是优选平面，但不限制于此。
如图5所示，遮蔽物S可在衍射透镜120的面F上配置成四方点状。如图6所示，遮蔽物S也可在衍射透镜120的面F上配置成十字状。如图7所示，遮蔽物S也可在衍射透镜120的面F上配置成环状。
在衍射透镜120中，在位于衍射面的相反侧的面F上配置遮蔽物S，因而无需为了配置遮蔽物S而大幅变更光学测量装置原本的结构，因此能够以低成本而进一步提高测量对象物200的位置的检测精度。
而且，遮蔽物S能够在面F上配置成四方点状、十字状或环形状，因而与遮蔽物S的配置方法有关的自由度提高。
此外，遮蔽物S是与图1所示的第二光纤12中的多个纤芯202的排列对应地配置。因此，关于遮蔽物S的配置，只要能够减少串扰，则不限制于四方点状、十字状及环状。而且，遮蔽物S的配置范围也可根据第二光纤12所含的各纤芯202的直径、或所出射的光的强度或者扩散程度等而适当设定。进而，遮蔽物S的厚度也可根据遮蔽物S所含的材料或者部件的内容、或传感头100内的各透镜的配置状况而适当设定。
而且，遮蔽物S只要以抑制从第二光纤12的多个纤芯中的一个纤芯出射的光作为反射光而入射至此一个纤芯以外的纤芯的方式，配置于转换透镜110与物镜130之间即可，因而不限于配置在衍射透镜120的面F上的结构，也可配置于传感头100中的其他透镜或其他部件上。
图8～图10为表示本实施方式的第二光纤的端面中的反射光的分布例的图。尤其图8是如图5所示那样将遮蔽物S在衍射透镜120的面F上配置成四方点状时的、与纤芯202(1)对应的反射光的分布例的图。如图8所示，借由相对于第二光纤中的纤芯202(1)的配置将遮蔽物S配置成四方点状，而适当地遮蔽反射光。此外，图8中，为了方便起见而并未记载针对第二光纤的其他纤芯202(2)～(4)各自的分布，但与纤芯202(1)的分布同样，在图8的各虚线BL1～BL3所示的范围内，出现针对各纤芯202(2)～(4)各自的反射光的分布。
图9是表示如图6所示那样将遮蔽物S在衍射透镜120的面F上配置成十字状时的、图1所示的第二光纤12的端面AS中的反射光的分布例的图。尤其图9是表示如图6所示那样将遮蔽物S在衍射透镜120的面F上配置成十字状时的、与纤芯202(1)对应的反射光的分布例的图。如图9所示，借由相对于第二光纤中的纤芯202(1)的配置将遮蔽物S配置成十字状，而适当地遮蔽反射光。此外，图9中，也为了方便起见而并未记载针对第二光纤的其他纤芯202(2)～(4)各自的分布，但与纤芯202(1)的分布同样，在图9的各虚线BL1～BL3所示的范围内，出现针对各纤芯202(2)～(4)各自的反射光的分布。
图10是表示如图7所示那样将遮蔽物S在衍射透镜120的面F上配置成环状时的、图1所示的第二光纤12的端面AS中的反射光的分布例的图。尤其图10是表示如图7所示那样将遮蔽物S在衍射透镜120的面F上配置成环状时的、与纤芯202(1)对应的反射光的分布例的图。如图10所示，借由相对于第二光纤中的纤芯202(1)的配置将遮蔽物S配置成环状，而适当地遮蔽反射光。此外，图10中，也为了方便起见而并未记载针对第二光纤的其他纤芯202(2)～(4)各自的分布，但与纤芯202(1)的分布同样，在图10的各虚线BL1～虚线BL3所示的范围内，出现针对各纤芯202(2)～(4)各自的反射光的分布。
图11是表示对本发明的实施方式的共焦测量装置中产生的串扰的量、及现有例的共焦测量装置中产生的串扰的量进行评价的比较例的图。如图11所示，能够确认，将遮蔽物配置成四方点状的实施方式的共焦测量装置与现有例的共焦测量装置相比，串扰在长波长侧及短波长侧两者减少。此外，即便是将遮蔽物配置成十字状或环状时，也能够获得同样的结果。
如以上那样，根据本实施方式，在传感头100中，以抑制从导光部50所含的多个纤芯202中的一个纤芯202出射的光作为反射光而入射至一个纤芯202以外的纤芯202的方式，在转换透镜110与物镜130之间配置有遮蔽光的遮蔽物S。因此，能够进一步减少串扰，因而能够进一步提高测量对象物200的位置的检测精度。
(其他实施方式)
所述各实施方式是为了容易理解本发明，而非限定解释本发明。本发明可不偏离其主旨而进行变更/改良(例如将各实施方式组合，省略各实施方式的一部分结构)，并且本发明中也包含其等价物。
本实施方式中，作为光学测量装置的一例而例示了图1所示的共焦测量装置1，但不限于此，光学测量装置例如也可包含采用白色干涉方式的具备一个以上的纤芯的干涉计等其他测量装置。
本实施方式的一部分或全部也可如以下的附记那样记载，但不限于以下内容。
附记
一种光学测量装置，包括：
光源10，输出多个波长的光；
传感头100，包括将经由包含多个纤芯的导光部50所入射的所述光转换成平行光的转换透镜110、及将产生了色差的所述光照射于测量对象物200的物镜130；以及
分光器30，经由所述导光部50而获取经所述测量对象物200反射并由所述传感头100聚光的反射光，测量所述反射光的光谱，
所述传感头100中，以抑制从所述导光部50所含的所述多个纤芯中的一个纤芯出射的光作为所述反射光而入射至所述一个纤芯以外的纤芯的方式，在所述转换透镜110与所述物镜130之间配置有遮蔽光的遮蔽物S。

Claims (4)

1.一种光学测量装置，包括：
光源，输出多个波长的光；
传感头，包括转换透镜及物镜，所述转换透镜将经由包含多个纤芯的导光部所入射的所述光转换成平行光，所述物镜将产生了色差的所述光照射于测量对象物，所述导光部包括光纤，所述光纤为具有四个所述多个纤芯的光纤；以及
分光器，经由所述导光部而获取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，
所述传感头中，以抑制从所述导光部所含的所述多个纤芯中的一个纤芯出射的光作为所述反射光而入射至所述一个纤芯以外的纤芯的方式，在所述转换透镜与所述物镜之间配置有遮蔽光的遮蔽物，所述遮蔽物配置成四方点状、十字状或环状，所述遮蔽物是与所述多个纤芯的排列对应地配置。
2.根据权利要求1所述的光学测量装置，所述传感头在所述转换透镜与所述物镜之间收容具有衍射面的衍射透镜，所述衍射面形成有用于使所入射的所述光沿着光轴方向产生色差的衍射图案，
所述遮蔽物配置于所述衍射透镜中位于所述衍射面的相反侧的面上。
3.根据权利要求1所述的光学测量装置，所述光为白色光。
4.根据权利要求1所述的光学测量装置，其为利用共焦光学系统来对所述测量对象物的位移进行测量的共焦测量装置。
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