DE102018209322A1

DE102018209322A1 - Konfokaler Verschiebungssensor

Info

Publication number: DE102018209322A1
Application number: DE102018209322.9A
Authority: DE
Inventors: Hideto Takei; Tomikazu Sakaguchi
Original assignee: Keyence Corp
Current assignee: Keyence Corp
Priority date: 2017-06-13
Filing date: 2018-06-12
Publication date: 2018-12-13
Also published as: CN109084684A; JP2019002723A; US10161740B1; CN109084684B; JP6971646B2; US20180356207A1

Abstract

Bereitstellung eines konfokalen Wegsensors mit verbesserter Messgenauigkeit für ein Messobjekt mit geringer Reflektivität. Der konfokale Verschiebungssensor umfasst eine erste optische Faser, an deren erstes Eintrittsende Licht von der Lichtquelle zur Lichtprojektion einfällt, wobei die erste optische Faser das Licht von einem ersten Emissionsende ausgibt, eine zweite optische Faser, deren zweites Einfallsende so angeordnet ist, dass sie dem ersten Emissionsende gegenüberliegt, wobei die zweite optische Faser Licht emittiert, das über das zweite Einfallsende von einem zweiten Emissionsende eingegeben wird, ein optisches Element, das konfiguriert ist, um eine axiale chromatische Aberration bei Detektionslicht zu verursachen, das über eine Endfläche des zweiten Emissionsendes emittiert wird und das Detektionslicht zu dem Messobjekt konvergiert, ein Spektroskop, das konfiguriert ist, um in dem Detektionslicht, das auf das Messobjekt über das optische Element gestrahlt wird, spektral zu streuen, das durch die Endfläche des zweiten Emissionsendes geleitet wird, während es auf das Messobjekt fokussiert wird und um ein Lichtempfangssignal zu erzeugen, das eine Lichtempfangsintensität für jede Wellenlänge darstellt, einen Messsteuerabschnitt, der konfiguriert ist, um eine Verschiebung des Messobjekts auf der Basis des Lichtempfangssignals zu berechnet, einen Faserverbindungsabschnitt, der konfiguriert ist, um das zweite Einfallsende lösbar mit dem ersten Emissionsende zu verbinden, und ein Brechungsindexanpassungsmaterial, das zwischen dem ersten Emissionsende und dem zweiten Eintrittsende in Kontakt mit beiden Endflächen des ersten Emissionsendes und des zweiten Eintrittsendes angeordnet und konfiguriert ist, um eine Änderung eines Brechungsindex zwischen der ersten optischen Faser und der zweiten optischen Faser zu reduzieren. Das zweite Einfallsende und das erste Emissionsende sind um einen zweiten Neigungswinkel geneigt, der kleiner ist als ein erster Neigungswinkel des zweiten Emissionsendes.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen konfokalen Verschiebungssensor und insbesondere eine Verbesserung eines konfokalen Verschiebungssensors, der die Verschiebung eines Messobjekts unter Verwendung eines konfokalen optischen Systems misst.
Beschreibung des Standes der Technik
Ein konfokaler Verschiebungssensor ist eine optische Messvorrichtung, die die Verschiebung eines Messobjekts unter Verwendung eines konfokalen Prinzips des Abblendens von empfangenem Licht in reflektiertes Licht von einer Bilderzeugungsoberfläche misst, auf der ein Bild einer Lichtquelle ausgebildet ist, und ein Phänomen einer axialen chromatischen Aberration, in der eine Farbdrift in einer Richtung der optischen Achse in dem Bild der Lichtquelle auftritt.
Der konfokale Verschiebungssensor ist durch eine Lochblende konfiguriert, die als Punktlichtquelle von einer Lichtquelle zur Lichtprojektion emittiertes Licht emittiert, ein optisches Element, das eine axiale chromatische Aberration im über die Lochblende emittierten Detektionslicht verursacht und das Detektionslicht zu dem Messobjekt konvergiert, und ein Spektroskop, das reflektiertes Licht von dem Messobjekt spektral dispergiert und ein Lichtempfangssignal erzeugt. Als Detektionslicht wird Licht mit einer Vielzahl von Wellenlängen, beispielsweise Weißlicht, verwendet. Die Lochblende ermöglicht, dass in dem Detektionslicht, das auf das Messobjekt über das optische Element gestrahlt wird, Detektionslicht mit einer Wellenlänge, die während der Fokussierung auf das Messobjekt reflektiert wird, hindurchtritt.
Die Position der Bilderzeugungsoberfläche ist für jede Wellenlänge gemäß der axialen chromatischen Aberration unterschiedlich. Daher wird die Verschiebung des Messobjekts berechnet, indem eine Wellenlänge des Detektionslichts spezifiziert wird, das durch das Loch hindurchtritt. Die Verschiebung ist der Abstand in Richtung der optischen Achse von einer vorbestimmten Referenzposition zu dem Messobjekt. Die Tiefe oder die Höhe der Unebenheit auf einer Oberfläche, die Dicke eines transparenten Körpers und dergleichen können durch Berechnen der Verschiebung gemessen werden.
Bei einem konfokalen Verschiebungssensor sind eine Kopfeinheit mit einem konfokalen optischen System und eine Steuereinheit mit einer Lichtquelle für die Lichtprojektion und ein Spektroskop aus getrennten Gehäusen aufgebaut. Licht der Lichtquelle zur Lichtprojektion wird über eine optische Faser an die Kopfeinheit übertragen. Bei dem Verschiebungsmessgerät dieser Art ist oft ein Faserverbindungsabschnitt in der Steuereinheit vorgesehen, zu und von dem die optische Faser, die sich von der Kopfeinheit erstreckt, angebracht und abgenommen wird.
Wenn bei dem oben erläuterten konfokalen Verschiebungssensor Licht, das an einer Endfläche der optischen Faser in der Kopfeinheit oder dem Faserverbindungsabschnitt reflektiert wird, als Rücklicht empfangen wird, nimmt eine Hintergrundkomponente in Bezug auf eine Signalkomponente zu. Daher ist die Messgenauigkeit verschlechtert. Insbesondere, wenn eine Lichtmenge der Lichtquelle für die Lichtprojektion erhöht wird, um ein Messobjekt mit einem niedrigen Oberflächenreflexionsgrad zu messen, nimmt auch die Hintergrundkomponente aufgrund des zurückkehrenden Lichts zu. Wenn eine Belichtungszeit und eine Verstärkung beim Erfassen eines Lichtempfangssignals erhöht werden, wird eine Lichtempfangsmenge gesättigt. Daher ist es schwierig, die Hintergrundkomponente in geeigneter Weise zu entfernen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die Umstände entwickelt, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen konfokalen Verschiebungssensor bereitzustellen, der die Messgenauigkeit verbessern kann. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen konfokalen Verschiebungssensor bereitzustellen, der die Messgenauigkeit für ein Messobjekt mit einem niedrigen Reflexionsvermögen verbessern kann.
Ein konfokaler Verschiebungssensor gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein konfokaler Verschiebungssensor, der die Verschiebung eines Messobjekts unter Verwendung eines konfokalen optischen Systems misst. Der konfokale Verschiebungssensor umfasst: eine Lichtquelle zur Lichtprojektion, die konfiguriert ist, um Licht mit einer Vielzahl von Wellenlängen zu erzeugen; eine erste optische Faser, an deren erstes Eintrittsende Licht von der Lichtquelle zur Lichtprojektion einfällt, wobei die erste optische Faser das Licht von einem ersten Emissionsende ausgibt; eine zweite optische Faser, deren zweites Einfallsende so angeordnet ist, dass sie dem ersten Emissionsende gegenüberliegt, wobei die zweite optische Faser Licht emittiert, das über das zweite Einfallsende von einem zweiten Emissionsende eingegeben wird; ein optisches Element, das konfiguriert ist, um eine axiale chromatische Aberration bei Detektionslicht zu verursachen, das über eine Endfläche des zweiten Emissionsendes emittiert wird und das Detektionslicht zu dem Messobjekt konvergiert; ein Spektroskop, das konfiguriert ist, um in dem Detektionslicht, das auf das Messobjekt über das optische Element gestrahlt wird, spektral zu streuen, das durch die Endfläche des zweiten Emissionsendes geleitet wird, während es auf das Messobjekt fokussiert wird und um ein Lichtempfangssignal zu erzeugen, das eine Lichtempfangsintensität für jede Wellenlänge darstellt; einen Messsteuerabschnitt, der konfiguriert ist, um eine Verschiebung des Messobjekts auf der Basis des Lichtempfangssignals zu berechnen; einen Faserverbindungsabschnitt, der konfiguriert ist, um das zweite Einfallsende lösbar mit dem ersten Emissionsende zu verbinden; und ein Brechungsindexanpassungsmaterial, das zwischen dem ersten Emissionsende und dem zweiten Eintrittsende in Kontakt mit beiden Endflächen des ersten Emissionsendes und des zweiten Eintrittsendes angeordnet und konfiguriert ist, um eine Änderung eines Brechungsindex zwischen der ersten optischen Faser und der zweiten optischen Faser zu reduzieren. Das zweite Emissionsende hat eine Endfläche, die um einen ersten Neigungswinkel bezüglich einer Ebene senkrecht zu einer Mittelachse der zweiten optischen Faser geneigt ist. Das zweite Eintrittsende und das erste Emissionsende haben jeweils die Endflächen, die um einen zweiten Neigungswinkel geneigt sind, der kleiner als der erste Neigungswinkel ist.
Bei dem konfokalen Verschiebungssensor haben das gesamte erste Emissionsende der ersten optischen Faser und das zweite Einfallsende und das zweite Emissionsende der zweiten optischen Faser die geneigten Endflächen. Übertragung von Licht, das an den Endflächen reflektiert wird, wird verhindert. Daher ist es möglich, eine Hintergrundkomponente entsprechend dem reflektierten Licht durch die Endflächen zu reduzieren. Da insbesondere der Neigungswinkel des zweiten Einfallsendes und des ersten Emissionsendes kleiner als der Neigungswinkel des zweiten Emissionsendes ist, ist es möglich zu verhindern, dass eine Mittelachse zwischen der ersten optischen Faser und der zweiten optischen Faser abweicht von einem Beleg, während die Hintergrundkomponente verringert wird. Da das Brechungsindexanpassungsmaterial zwischen dem ersten Emissionsende und dem zweiten Einfallsende angeordnet ist und eine Änderung des Brechungsindex reduziert ist, ist es möglich, eine Reflexion durch die Endflächen des ersten Emissionsendes und des zweiten Einfallsendes zu verhindern.
In einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der konfokale Verschiebungssensor zusätzlich zu der oben erläuterten Konfiguration enthalten: ein Kopfgehäuse, das konfiguriert ist, um das optische Element und das zweite Emissionsende an einer Innenseite aufzunehmen; und ein Steuergehäuse, das konfiguriert ist, um die Lichtquelle für die Lichtprojektion, die erste optische Faser, das Spektroskop und den Messungssteuerabschnitt an einer Innenseite aufzunehmen und so angeordnet ist, dass der Faserverbindungsabschnitt von einer vorderen Oberfläche freigelegt ist. Das Brechungsindexanpassungsmaterial kann plattenförmig sein und an einer Verbindungsfläche des Faserverbindungsabschnitts haften.
Da das Brechungsindexanpassungsmaterial auf der Seite des Steuergehäuses angeordnet ist, ist es mit einer derartigen Konfiguration möglich, das Kopfgehäuse und die zweite optische Faser zu ersetzen, ohne das Brechungsindexanpassungsmaterial zu ersetzen. Da das Brechungsindexanpassungsmaterial blattartig ist, ist es einfach, das Brechungsindexanpassungsmaterial zu handhaben.
In einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann zusätzlich zu der oben erläuterten Konfiguration in dem konfokalen Verschiebungssensor das Brechungsindexanpassungsmaterial so konfiguriert sein, dass es fest oder gelartig ist. Mit einer solchen Konfiguration ist es einfach, das Brechungsindexanpassungsmaterial zu handhaben.
In einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann zusätzlich zu der oben erläuterten Konfiguration in dem konfokalen Verschiebungssensor ein Schutzverschluss in einer Einführöffnung des Faserverbindungsabschnitts vorgesehen sein, in den das zweite Einfallsende eingeführt wird. Mit einer solchen Konfiguration ist es möglich, die Endfläche des ersten Emissionsendes in dem Faserverbindungsabschnitt vor Kratzern und Anhaften von Flecken zu schützen oder zu verhindern, dass Licht für Lichtprojektion aus der Einführöffnung austritt.
In einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung kann zusätzlich zu der oben erläuterten Konfiguration bei dem konfokalen Verschiebungssensor der erste Neigungswinkel 13° oder mehr und der zweite Neigungswinkel kann 5° oder mehr und 15° oder weniger sein. Mit einer solchen Konfiguration ist es möglich, den Einfluss des reflektierten Lichts durch die Endflächen angemessen zu reduzieren.
In einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann zusätzlich zu der oben erläuterten Konfiguration bei dem konfokalen Verschiebungssensor das Material zum Anpassen des Brechungsindex an einer Verbindungsfläche auf der Seite des Steuergehäuses unter Verwendung eines Klebstoffs befestigt werden. Mit einer derartigen Konfiguration ist es möglich zu verhindern, dass Fremdstoffe, wie Staub, an einer Oberfläche des Brechungsindexanpassungsmaterials anhaften.
Gemäß der vorliegenden Erfindung nimmt die Hintergrundkomponente, die dem an einer Endfläche einer optischen Faser reflektierten Licht entspricht, ab. Daher ist es möglich, die Messgenauigkeit für ein Messobjekt mit einem niedrigen Brechungsindex zu verbessern.
Figurenliste

1 ist ein Systemdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines konfokalen Verlagerungssensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine Schnittansicht, die schematisch ein Konfigurationsbeispiel einer in 1 gezeigten Kopfeinheit zeigt;
3A und 3B sind Diagramme, die ein Konfigurationsbeispiel einer Lichtquelle für die Lichtprojektion, die In 1 gezeigt ist, zeigen;
4 ist ein erläuterndes Diagramm, das schematisch ein Konfigurationsbeispiel eines in 1 gezeigten Spektroskops zeigt; 5A und 5B sind erläuternde Diagramme, die schematisch einen Zustand zeigen, in dem Licht, das durch eine optische Faser übertragen wird, von einer Endfläche reflektiert wird;
6 ist eine Schnittansicht, die eine optische Faserhülse zeigt, die in 2 gezeigt ist;
7 ist ein erläuterndes Diagramm, das schematisch einen Verbindungsabschnitt zeigt, in dem optische Fasern verbunden sind;
8 ist ein Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer in 1 gezeigten Steuereinheit zeigt;
9 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Konfigurationsbeispiel von in 1 gezeigten Faserverbindungsabschnitten zeigt;
10 ist ein Diagramm, das den in 9 gezeigten Faserverbindungsabschnitt zeigt;
11 ist eine Schnittansicht, die die in 9 gezeigten Faserverbindungsabschnitte zeigt;
12 ist eine perspektivische Ansicht, die ein in 11 gezeigtes Material zum Anpassen des Brechungsindex zeigt;
13A und 13B sind Diagramme, die ein Konfigurationsbeispiel eines Adapters für die In 9 gezeigte Verbindung zeigen;
14A und 14B sind Systemdiagramme, die ein anderes Konfigurationsbeispiel des konfokalen Verschiebuhgssensors zeigen; und
15 ist ein Systemdiagramm, das ein anderes Konfigurationsbeispiel des konfokalen Verschiebungssensors zeigt.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. In dieser Beschreibung wird der Einfachheit halber eine Richtung einer optischen Achse einer Kopfeinheit als eine Oben-Unten-Richtung erläutert. Eine Haltung und eine Richtung während der Verwendung der Kopfeinheit sind jedoch nicht eingeschränkt.
Konfokaler Verschiebungssensor 1
1 ist ein Systemdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines konfokalen Verschiebungssensors 1 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Der konfokale Verschiebungssensor 1 ist eine optische Messvorrichtung, die durch eine Kopfeinheit 2, ein Faserkabel 3 und eine Steuereinheit 4 konfiguriert ist. Die optische Messvorrichtung empfängt von einem Messobjekt W reflektiertes Licht, wenn das Detektionslicht DL von der Kopfeinheit 2 emittiert wird, und misst die Verschiebung des Messobjekts W.
Die Kopfeinheit 2 und die Steuereinheit 4 sind über das Faserkabel 3 miteinander verbunden. Das Faserkabel 3 umfasst eine optische Faser 31, die Licht zur Lichtprojektion überträgt. Ein Faserverbindungsabschnitt 32 ist an einem Ende des Faserkabels 3 vorgesehen. Der Faserverbindungsabschnitt 32 ist lösbar mit einem Faserverbindungsabschnitt 43 der Steuereinheit 4 verbunden.
Die Kopfeinheit 2 ist eine optische Einheit, die das Detektionslicht DL zu dem Messobjekt W emittiert. Reflektiertes Licht von dem Messobjekt W wird auf die optische Einheit auftreffen gelassen. Die Kopfeinheit 2 umfasst ein optisches Element 21 mit einer Brechungslinse 211 und einer Beugungslinse 212. Das optische Element 21 verursacht eine axiale chromatische Aberration in dem Detektionslicht DL, das über eine Emissionsendfläche der optischen Faser 31 emittiert wird, und es konvergiert das Detektionslicht DL zu dem Messobjekt W. Die axiale chromatische Aberration ist eine Farbdrift eines Bildes in einer Richtung der optischen Achse aufgrund der Dispersion.
In dem konfokalen Verschiebungssensor 1 wird das Licht zur Lichtprojektion über die optische Faser 31 an die Kopfeinheit 2 übertragen. Ein Bestrahlungsspot wird auf dem Messobjekt W durch das Detektionslicht DL gebildet, das von der Kopfeinheit 2 emittiert wird. Die Emissionsendfläche der optischen Faser 31 wirkt als eine Lochblende, die ermöglicht, dass von einer Lichtquelle für die Lichtprojektion 41 emittiertes Licht eine Punktlichtquelle passiert, die das Detektionslicht DL emittiert. Die Emissionsendfläche der optischen Faser 31 funktioniert auch als ein Nadelloch, das Detektionslicht mit einer Wellenlänge ermöglicht, die während des Fokussierens auf das Messobjekt W in dem Detektionslicht DL reflektiert wird, das auf das Messobjekt W über das optische Element 21 gestrahlt wird.
Die Steuereinheit 4 ist eine Verarbeitungsvorrichtung, die projiziertes und empfangenes Licht steuert und die Verschiebung des Messobjekts W auf der Grundlage von reflektiertem Licht entsprechend dem Bestrahlungspunkt berechnet. Die Steuereinheit 4 ist durch die Lichtquelle für die Lichtprojektion 41, einen Koppler 42, den Faserverbindungsabschnitt 43, ein Spektroskop 44 und einen Messsteuerabschnitt 45 konfiguriert. Die Lichtquelle für die Lichtprojektion 41 ist eine Lichtquellenvorrichtung, die Licht mit einer Vielzahl von Wellenlängen, beispielsweise weißes Licht als das Detektionslicht DL erzeugt.
Der Koppler 42 ist ein Richtkoppler, der Licht ausgibt, das von der Lichtquelle für die Lichtprojektion 41 in Richtung der Kopfeinheit 2 eingegeben wird, und gibt andererseits das von der Kopfeinheit 2 eingegebene Detektionslicht DL zu dem Spektroskop 44 aus. Der Koppler 42 ist ein Y-Koppler, von dessen einem Ende sich zwei optische Fasern 421 und 422 erstrecken und von dessen anderem Ende sich eine optische Faser 423 erstreckt.
Licht, das von der Lichtquelle für die Lichtprojektion 41 emittiert wird, wird an einem Eintrittsende der optischen Faser 421 eingegeben und von einem Emissionsende der optischen Faser 423 an die optische Faser 31 ausgegeben. Das Einfallsende der optischen Faser 31 ist so angeordnet, dass es dem Emissionsende der optischen Faser 423 gegenüberliegt. Die optische Faser 31 emittiert Licht, das über das Einfallsende von dem Emissionsende eingegeben wird. Der Faserverbindungsabschnitt 43 verbindet lösbar ein Einfallsende der optischen Faser 31 mit dem Emissionsende der optischen Faser 423.
Andererseits wird das Detektionslicht DL, das von dem Messobjekt W reflektiert und durch die Kopfeinheit 2 und die optische Faser 31 übertragen wird, über die Faserverbindungsabschnitte 32 und 43 zu dem Emissionsende der optischen Faser 423 eingegeben und von einem Emissionsende der optischen Faser 422 zu dem Spektroskop 44 emittiert.
Das Spektroskop 44 dispergiert spektral das Detektionslicht DL, das durch die Emissionsendfläche der optischen Faser 31 hindurchgegangen ist, und erzeugt ein Lichtempfangssignal, das die Lichtempfangsintensität für jede Wellenlänge darstellt. Der Messsteuerabschnitt 45 steuert die Lichtquelle für die Lichtprojektion 41 auf der Grundlage des Lichtempfangssignals des Spektroskops 44 und stellt die Intensität des Lichts für die Lichtprojektion, eine Belichtungszeit für den Empfang des reflektierten Lichts und eine Verstärkung für die Verstärkung eines Lichtempfangssignals ein.
Der Messsteuerabschnitt 45 berechnet die Verschiebung des Messobjekts W auf der Grundlage des von dem Spektroskop 44 erzeugten Lichtempfangssignals und gibt die Verschiebung des Messobjekts W an eine nicht gezeigte Anzeigevorrichtung und eine nicht gezeigte externe Vorrichtung als Messwert aus. Insbesondere erfasst der Messsteuerabschnitt 45 eine Lichtempfangswellenform, die durch Lichtempfangsintensität für jede Wellenlänge von dem Spektroskop 44 gebildet wird, und spezifiziert eine Spitzenposition der Lichtempfangswellenform, um dadurch die Verschiebung des Messobjekts W zu berechnen. Die Spitzenposition ist eine Pixel-Position, wo die Lichtempfangsintensität am größten ist. Die Spitzenposition entspricht einer bestimmten Wellenlänge.
Es sei angemerkt, dass ein X-Koppler als der Koppler 42 verwendet werden kann. In dem X-Koppler wird eine Reflexion durch eine Endfläche im Vergleich zu dem Y-Koppler leicht verhindert. Ein solcher optischer Faserkoppler ist ein Koppler vom Fusionstyp, an den eine Vielzahl von optischen Fasern angeschmolzen ist. Der optische Faserkoppler kann jedoch ein Koppler eines Typs sein, der Licht unter Verwendung eines Strahlteilers teilt.
Die Faserverbindungsabschnitte 32 und 43 sind Verbinder, die Lichtleitfasern lösbar verbinden. Der Faserverbindungsabschnitt 32 ist an einem Ende des Faserkabels 3 vorgesehen. Das Eintrittsende der optischen Faser 31 ist in dem Faserverbindungsabschnitt 32 angeordnet.
Auf der anderen Seite ist das Emissionsende der optischen Faser 423 in dem Faserverbindungsabschnitt 43 angeordnet. Der Faserverbindungsabschnitt 43 befestigt und löst das Einfallsende der optischen Faser 31 zu und von dem Emissionsende der optischen Faser 423. Das Einfallsende der optischen Faser 31 ist so angeordnet, dass es dem Emissionsende der optischen Faser 423 gegenüberliegt. Die optische Faser 31 emittiert Licht, das über das Einfallsende von dem Emissionsende eingegeben wird.
Kopfeinheit 2
2 ist eine Schnittansicht, die schematisch ein Konfigurationsbeispiel der in 1 gezeigten Kopfeinheit 2 zeigt. Eine Schnittfläche der Kopfeinheit 2, die entlang einer Ebene geschnitten ist, die eine optische Achse J umfasst, ist gezeigt. Die Kopfeinheit 2 Ist durch ein Kopfgehäuse 20, das optische Element 21 und eine optische Faserhülse 22 konfiguriert.
Das Kopfgehäuse 20 ist ein Linsentubuselement, das auf der Innenseite das optische Element 21 und die Faserendhülse 22 einschließlich des Emissionsendes der optischen Faser 31 aufnimmt. Das Kopfgehäuse 20 ist beispielsweise in einer abgedeckten zylindrischen Form mit der optischen Achse J als Mittelachse ausgebildet. Das optische Element 21 ist durch Brechungslinsen 211, 213 und 214 und die Beugungslinse 212 konfiguriert. Die Brechungslinsen 213, 214 und 211 und die Beugungslinse 212 sind in dieser Reihenfolge angeordnet.
Die Brechungslinsen 211, 213 und 214 sind optische Linsen, die einfallendes Licht unter Verwendung eines Lichtbrechungsphänomens kondensieren oder streuen. Die Brechungslinsen 211, 213 und 214 brechen das Detektionslicht DL, das über die Emissionsendfläche der optischen Faser 31 emittiert wird.
Die Beugungslinse 212 ist eine optische Linse, die einfallendes Licht unter Verwendung eines Lichtbeugungsphänomens kondensiert oder diffundiert. Die Beugungslinse 212 beugt das Detektionslicht DL, das über die Emissionsendfläche der optischen Faser 31 emittiert wird. Die Beugungslinse 212 ist eine Beugungslinse vom Relief-Typ. Eine Linsenoberfläche auf der oberen Seite der Beugungslinse 212 ist eine Beugungsoberfläche. Ein feines Relief (Wellung) ist auf der Beugungslinse 212 ausgebildet. Die Tiefe in der Richtung der optischen Achse des Reliefs ist ungefähr eine Wellenlänge des Lichts. Eine Vielzahl von ringförmigen Mustern, die auf der optischen Achse J zentrieren, sind in dem Relief angeordnet. Eine Linsenoberfläche auf der unteren Seite der Beugungslinse 212 ist eine flache nicht-beugende Oberfläche.
Die Beugungslinse 212 ist im Wesentlichen koaxial zu den Brechungslinsen 211, 213 und 214 angeordnet und in einer Position angeordnet, die am weitesten von dem Emissionsende der optischen Faser 31 in dem optischen Element 21 entfernt ist. Die Beugungslinse 212 ist so angeordnet, dass die Nicht-Beugungsfläche über eine Öffnung für den Lichtvorsprung 20a des Kopfgehäuses 20 freigelegt ist. Es sei angemerkt, dass alle Brechungslinsen 211, 213 und 214 und die Beugungslinse 212 Einzellinsen sind. Die Brechungslinsen 211, 213 und 214 und die Beugungslinse 212 können jedoch Doppellinsen sein, die jeweils durch Kombinieren mehrerer optischer Linsen erhalten werden.
Die optische Faserhülse 22 ist ein Halteelement, das die optische Faser 31 hält, die das Faserkabel 3 konfiguriert. Das Emissionsende der optischen Faser 31 wird durch ein Harzelement gehalten. Die optische Faserhülse 22 ist so angeordnet, dass sie von einem oberen Deckelabschnitt des Kopfgehäuses 20 zu der unteren Seite vorsteht.
Die optische Faser 31 ist durch einen Kern und eine Umhüllung aufgebaut. Eine Endfläche des Kerns funktioniert als eine Lochblende. Das heißt, die Endfläche des Kerns der optischen Faser 31 hat einen ausreichend kleinen Durchmesser verglichen mit einem Raum, in dem das Emissionsende der optischen Faser 31 angeordnet ist. Die Endfläche des Kerns der optischen Faser 31 kann selektiv erlauben, dass Licht, das über das optische Element 21 einfällt, durchgelassen wird. Die Brechungslinsen 211, 213 und 214 sind zwischen der optischen Faserhülse 22 und der Beugungslinse 212 angeordnet. Die Emissionsendfläche der optischen Faser 31 und das optische Element 21 bilden ein konfokales optisches System.
Das konfokale optische System stoppt empfangenes Licht unter Verwendung eines konfokalen Prinzips und verursacht eine axiale chromatische Aberration in dem Detektionslicht DL. Daher fokussiert das Detektionslicht DL, das über die Emissionsendfläche der optischen Faser 31 emittiert und durch das optische Element 21 übertragen wird, auf eine unterschiedliche Position in der Oben-Unten-Richtung gemäß einer Wellenlänge. Unter den Wellenlängenkomponenten, die in dem Detektionslicht DL enthalten sind, wird eine spezifische Wellenlängenkomponente, die auf das Messobjekt W fokussiert, durch das Messobjekt W reflektiert. Reflektiertes Licht der spezifischen Wellenlängenkomponente wird durch das optische Element 21 übertragen und fokussiert auf die Emissionsendfläche der optischen Faser 31. Andererseits wird reflektiertes Licht, das Wellenlängenkomponenten entspricht, die nicht die spezifische Wellenlängenkomponente sind, blockiert, ohne auf die Emissionsendfläche der optischen Faser 31 zu fokussieren.
Um bei dem konfokalen Verschiebungssensor 1 zu verhindern, dass eine Messgenauigkeit durch den Einfluss von Licht, das an der Emissionsendfläche der optischen Faser 31 reflektiert wird, verschlechtert wird, wird eine Emissionsendfläche 22a der optischen Faserhülse 22 schräg bearbeitet. Das heißt, die Emissionsendfläche 22a ist als eine geneigte Fläche ausgebildet, die in Bezug auf eine Ebene senkrecht zu der Mittelachse der optischen Faserhülse 22 geneigt ist. Die Neigung der Emissionsendfläche 22a wird zum Beispiel durch Polieren gebildet. Die optische Faserhülse 22 ist so angeordnet, dass ihre Mittelachse bezüglich der optischen Achse J geneigt ist, wobei eine Brechung berücksichtigt wird, die auftritt, wenn das Detektionslicht DL durch die Emissionsendfläche der optischen Faser 31 hindurchtritt.
Der Abstand von der Kopfeinheit 2 zu dem Messobjekt W beträgt beispielsweise ungefähr 10 mm bis 70 mm. Der Messbereich MR beträgt ca. 1 mm bis 20 mm. Der Messbereich MR entspricht einer Bandbreite des Detektionslichts DL. Um einen großen Messbereich MR zu sichern, wird das Detektionslicht DL in einem breiten Band verwendet. Das Detektionslicht DL umfasst beispielsweise eine Wellenlängenkomponente von 500nm bis 700nm.
Lichtquelle für Lichtprojektion 41
3A und 3B sind Diagramme, die ein Konfigurationsbeispiel der Lichtquelle für die Lichtprojektion 41, die in 1 gezeigt Ist, zeigen. In 3A ist eine Seitenfläche der Lichtquelle für die Lichtprojektion 41 gezeigt. In 3B ist eine Schnittfläche der Lichtquelle für die Lichtprojektion 41 gezeigt, die entlang einer A-A-Schnittlinie geschnitten ist. Die Lichtquelle für die Lichtprojektion 41 ist eine Lichtquellenvorrichtung, die Laserlicht auf einen Leuchtstoff einstrahlt und bewirkt, dass der Leuchtstoff weißes Licht erzeugt. Die Lichtquelle für die Lichtprojektion 41 ist durch ein Lichtemissionselement 411, eine Leiterplatte 412, einen Elementhalter 413, eine Kondensorlinse 414, einen Linsenhalter 415, eine Ferrule (Hülse) 416, einen Ferrulenhalter 417, einen Leuchtstoff 50, einen Rahmenkörper 51 und ein Filterelement 52 ausgebildet.
Das lichtemittierende Element 411 ist ein lichtemittierendes Halbleiterelement wie eine Laserdiode (LD). Das lichtemittierende Element 411 erzeugt Laserlicht mit einer einzigen Wellenlänge. Das lichtemittierende Element 411 ist auf der Leiterplatte 412 in einem Zustand angeordnet, in dem ein lichtemittierender Abschnitt in der horizontalen Richtung nach vorne gerichtet ist. Zum Beispiel erzeugt das lichtemittierende Element 411 blaues Licht oder ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge von 450nm oder weniger. Der Elementhalter 413 ist ein Element, das die Leiterplatte 412 hält. Der Elementhalter 413 wird in den Linsenhalter 415 von der Rückflächenseite eingeführt.
Die Kondensorlinse 414 ist ein optisches Element, das Laserlicht, das von dem lichtemittierenden Element 411 emittiert wird, zu dem Einfallsende der optischen Faser 421 kondensiert. Die Kondensorlinse 414 ist so angeordnet, dass sie dem lichtemittierenden Element 411 gegenüberliegt. Der Linsenhalter 415 ist ein Linsentubus, der die Kondensorlinse 414 hält. Der Linsenhalter 415 ist im Durchmesser vor der Kondensorlinse 414 reduziert. Die Ferrule 416 Ist ein zylindrisches Verbindungselement, in das das Einfallsende der optischen Faser 421 eingebaut ist. Das zylindrische Verbindungselement erstreckt sich in der Vorne-Hinten-Richtung. Der Ferrulenhalter 417 ist ein mit einem Boden versehenes zylindrisches Element zum Befestigen der Ferrule 416, die in einen Abschnitt mit reduziertem Durchmesser des Linsenhalters 415 von der Seite der vorderen Oberfläche eingesetzt ist. Der Ferrulenhalter 417 ist an dem Linsenhalter 415 in einem Zustand angebracht, in dem ein zylindrischer Abschnitt an der äußeren Umfangsfläche des Abschnitts mit reduziertem Durchmesser angeordnet ist.
Der Leuchtstoff 50 ist ein lichtemittierender Körper, der durch Laserlicht angeregt wird, das von dem lichtemittierenden Element 411 emittiert wird, um Fluoreszenzlicht mit einer Wellenlänge zu erzeugen, die sich von dem Laserlicht unterscheidet. Der Leuchtstoff 50 ist in dem Linsenhalter 415 in einem Zustand angeordnet, in dem die äußere Umfangsfläche des Leuchtstoffs 50 durch den Rahmenkörper 51 gehalten wird und der Leuchtstoff 50 in Kontakt mit der Eintrittsendfläche der optischen Faser 421 gebracht wird. Zum Beispiel erzeugt der Leuchtstoff 50 bei Bestrahlung mit blauem Laserlicht gelbes Fluoreszenzlicht. Es sei angemerkt, dass der Leuchtstoff 50 aus zwei oder mehr Arten von fluoreszierenden Materialien gebildet sein kann. Zum Beispiel ist der Leuchtstoff 50 aus einem fluoreszierenden Material gebildet, das grünes Fluoreszenzlicht mit der Bestrahlung mit blauem Laserlicht erzeugt, und einem fluoreszierenden Material, das rotes Fluoreszenzlicht mit der Bestrahlung mit blauem Laserlicht erzeugt.
Das Filterelement 52 ist ein optisches Element, das Laserlicht durchlässt, das von dem lichtemittierenden Element411 emittiert wird und Fluoreszenzlicht reflektiert, das von dem Leuchtstoff 50 emittiert wird. Das Filterelement 52 ist so angeordnet, dass es die Oberfläche auf der Seite des lichtemittierenden Elements des Rahmenkörpers 51 bedeckt. Licht mit einer Vielzahl von Wellenlängen, die durch Mischen des von dem lichtemittierenden Element 411 emittierten Laserlichts und des von dem Leuchtstoff 50 emittierten Fluoreszenzlichts erhalten werden, wird auf das Einfallsende der optischen Faser 421 einfallen gelassen.
Die Lichtquelle für die Lichtprojektion 41 ist so konfiguriert, dass das Licht, das durch Mischen des von dem lichtemittierenden Element 411 emittierten Laserlichts und des von dem Leuchtstoff 50 emittierten Fluoreszenzlichts erhalten wird, direkt auf das Einfallsende der optischen Faser 421 fällt. Durch Verwendung einer derartigen Faserlichtquelle ist es möglich, die Verbindung mit dem Faserkabel 3 zwischen der Kopfeinheit 2 und der Steuervorrichtung 4 zu vereinfachen.
Man beachte, dass als Lichtquelle für die Lichtprojektion 41 eine Lichtquelle, die Licht in einem breiten Band erzeugt, beispielsweise eine Halogenlampe, eine weiße LED (Leuchtdiode) mit extrem hoher Leuchtdichte, eine SC-Lichtquelle das Super-Kontinuum (SC) -Licht erzeugt, oder eine Super-Lumineszenz-Diode (SLD) verwendet werden kann. Die Lichtquelle für die Lichtprojektion 41 kann eine normale weiße LED sein. Die SC-Lichtquelle erzeugt Laserlicht in einem kontinuierlichen und breiten Band mit einem nichtlinearen optischen Effekt durch einen Pulslaser.
Spektroskop 44
4 ist ein erläuterndes Diagramm, das schematisch ein Konfigurationsbeispiel des in 1 gezeigten Spektroskops 44 zeigt. Das Spektroskop 44 vom Reflexionstyp ist gezeigt. Das Spektroskop 44 ist durch eine Kollimatorlinse 441, ein Beugungsgitter 442, eine Abbildungslinse 443 und einen Bildsensor 444 konfiguriert. Das Spektroskop 44 dispergiert spektral das Detektionslicht DL, das von dem Emissionsende der optischen Faser 422 des Kopplers 42 emittiert wird.
Das Emissionsende der optischen Faser 422, das Beugungsgitter 442 und der Bildsensor 444 sind so angeordnet, dass sie beispielsweise in die horizontale Richtung gerichtet sind. Die Kollimatorlinse 441 ist eine optische Linse zum Erhalten von parallelem Licht. Die Kollimatorlinse 441 ist so angeordnet, dass sie der Emissionsendfläche der optischen Faser 422 gegenüberliegt.
Das Beugungsgitter 442 ist ein farbdispergierendes Element eines Reflexionstyps, das das Detektionslicht DL in einem unterschiedlichen Winkel gemäß einer Wellenlänge reflektiert. Das Beugungsgitter 442 ist in einer tafelförmigen Form ausgebildet. Die Abbildungslinse 443 fokussiert das Detektionslicht DL spektral verteilt durch das Beugungsgitter 442 auf den Bildsensor 444. Man beachte, dass sowohl die Kollimatorlinse 441 als auch die Abbildungslinse 443 Einzellinsen sind. Die Kollimatorlinse 441 und die Abbildungslinse 443 können jedoch Doppellinsen sein, die jeweils durch Kombinieren einer Vielzahl von optischen Linsen erhalten werden.
Der Bildsensor 444 ist beispielsweise ein eindimensionaler Zeilenbildsensor, der sich in der horizontalen Richtung erstreckt. Eine große Anzahl von Lichtempfangselementen ist auf dem Bildsensor 444 linear angeordnet. Eine Lichtempfangswellenform wird durch Lichtempfangssignale der Lichtempfangselemente gebildet. Es sei angemerkt, dass ein Abbildungselement, auf dem eine große Anzahl von Lichtempfangselementen zweidimensional angeordnet sind, als der Bildsensor 444 verwendet werden kann.
Um zu verhindern, dass Licht, das auf den Bildsensor 444 fällt, regelmäßig auf einer Lichtempfangsoberfläche reflektiert, von dem Beugungsgitter 442 reflektiert und wieder empfangen wird, ist das Beugungsgitter 442 so angeordnet, dass es von einem Zustand, in dem das Beugungsgitter 442 direkt gegenüber der Lichtempfangsfläche des Bildsensors 444 liegt, geringfügig geneigt ist. Es sei angemerkt, dass das Detektionslicht DL unter Verwendung eines Prismas spektral gestreut werden kann. Ein farbdispergierendes Element eines Transmissionstyps kann in dem Beugungsgitter 442 verwendet werden.
5A und 5B sind erläuternde Diagramme, die schematisch einen Zustand zeigen, in dem Licht, das durch eine optische Faser 6 übertragen wird, durch eine Endfläche 6a reflektiert wird. Eine Schnittfläche, die entlang einer Ebene geschnitten ist, die eine Mittelachse enthält, ist gezeigt. In 5A ist die Endfläche 6a senkrecht zu der Mittelachse. In 5B ist die Endfläche 6a geneigt.
Die optische Faser 6 ist ein Übertragungsmedium, das Licht überträgt. Die optische Faser 6 ist durch einen Kern 61, der sich in einer Längsrichtung erstreckt, und einen Mantel 62, der den Kern 61 umgibt, konfiguriert. Der Kern 61 ist aus einem optischen Material gebildet, das einen Brechungsindex aufweist, der höher ist als ein Brechungsindex des Mantels 62.
Licht, das in die optische Faser 6 eingegeben wird, wird in dem Kern 61 übertragen, während eine Totalreflexion durch eine Grenzfläche zwischen dem Kern 61 und der Ummantelung 62 wiederholt wird. Wenn die Endfläche 6a der optischen Faser 6 senkrecht zu der Mittelachse ist, wird ein Teil des Lichts, das auf die Endfläche 6a fällt, von der Endfläche 6a reflektiert und in den Kern 61 übertragen, während die Totalreflexion in der entgegengesetzten Richtung des Licht vor der Reflexion wiederholt wird.
Wenn andererseits die Endfläche 6a der optischen Faser 6 um einen Neigungswinkel ϕ in Bezug auf die zur Mittelachse senkrechte Ebene von der Endfläche 6a geneigt ist, wird das von der Endfläche 6a reflektierte Licht unter einem Einfallswinkel, der kleiner ist als ein Einfallswinkel des Lichts vor der Reflexion, auf die Grenzfläche zwischen dem Kern 61 und der Ummantelung 62 auftreffen gelassen. Daher wird ein Teil des von der Endfläche 6a reflektierten Lichts durch die Grenzfläche zwischen dem Kern 61 und dem Mantel 62 übertragen und jedes Mal gedämpft, wenn die Reflexion an der Grenzfläche wiederholt wird. Durch Neigen der Endfläche 6a um einen vorbestimmten Neigungswinkel ϕ (0 <ϕ<90°), ist es möglich, die Übertragung des reflektierten Lichts durch die Endfläche 6a zu verhindern.
Optische Faserhülse 22
6 ist eine Schnittansicht, die die Lichtleiterferrule 22 zeigt, die in 2 gezeigt ist. Eine Schnittfläche der optischen Faserhülse 22, die entlang einer Ebene geschnitten Ist, die eine Mittelachse enthält, ist gezeigt. Die optische Faserhülse 22 ist ein Halteelement, das ein Emissionsende 31a der optischen Faser 31 umgibt. Die Emissionsendfläche 22a ist als eine geneigte Fläche ausgebildet, die um einen Neigungswinkel ϕ1 geneigt ist.
Das Emissionsende 31a umfasst einen Kern 311, der sich entlang einer Mittelachse in einer Längsrichtung erstreckt, und einen Mantel 312, der den Kern 311 umgibt. Das Emissionsende 31a weist eine Endfläche auf, die unter dem Neigungswinkel ϕ1 bezüglich einer Ebene senkrecht zu der Mittelachse der optischen Faser 31 geneigt ist.
Wenn der Neigungswinkel ϕ1 der Emissionsendfläche 22a größer ist, kann die Transmission von reflektiertem Licht weiter reduziert werden. Daher Ist der Neigungswinkel ϕ1 wünschenswerterweise 13° oder mehr. Der Neigungswinkel ϕ1 beträgt beispielsweise 15°. Wenn jedoch der Neigungswinkel φ1 gleich oder größer als ein fester Winkel ist, wird Licht an der Endfläche des Emissionsendes 31a total reflektiert und wird nicht von dem Emissionsende 31a emittiert. Eine obere Grenze eines solchen Neigungswinkels ϕ1 wird durch Brechungsindizes des Kerns 311 und der Luft und einen Einfallswinkel von Licht auf der Ebene senkrecht zu der Mittelachse der optischen Faser 31 bestimmt.
7 ist ein erläuterndes Diagramm, das schematisch einen Verbindungsabschnitt 60 zeigt, in dem optische Fasern 63 und 64 verbunden sind. Eine Schnittfläche des Verbindungsabschnitts 60, die entlang einer Ebene geschnitten ist, die eine Mittelachse enthält, ist gezeigt. Der Verbindungsabschnitt 60 ist ein Faserverbindungsabschnitt, der die optische Faser 63 und die optische Faser 64 verbindet. Der Verbindungsabschnitt 60 ist in einem Zustand angeordnet, in dem eine Einfallsendfläche 64a der optischen Faser 64 an einer Emissionsendfläche 63a der optischen Faser 63 anliegt.
Sowohl die Emissionsendfläche 63a als auch die Einfallsendfläche 64a sind als geneigte Flächen ausgebildet, die unter einem Neigungswinkel ϕ2 geneigt sind, um die Übertragung von reflektiertem Licht zu verhindern. Eine keilartige Luftschicht 7 Ist zwischen der Emissionsendfläche 63a und der Eintrittsendfläche 64a durch den Einfluss eines Bearbeitungsfehlers ausgebildet. Wenn eine solche Luftschicht 7 vorhanden ist, tritt Fresnel-Reflexion auf. Daher nimmt das von der Emissionsendfläche 63a und der Eintrittsendfläche 64a reflektierte Licht zu. Das von der optischen Faser 63 zu der optischen Faser 64 übertragene Licht nimmt ab.
Daher wird in dem konfokalen Verschiebungssensor 1 das von den Endflächen reflektierte Licht reduziert, indem in den Faserverbindungsabschnitten 43 und 32 das Brechungsindexanpassungsmaterial bereitgestellt wird, das eine Änderung des Brechungsindex zwischen der optischen Faser 423 und der optischen Faser 31 reduziert.
Steuergehäuse 40
8 ist ein Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel der in 1 gezeigten Steuereinheit 4 zeigt. Eine Vorderfläche eines Steuergehäuses 40 ist gezeigt. Das Steuergehäuse 40 ist ein Gehäuseelement, das innen die Lichtquelle für die Lichtprojektion 41, den Koppler 42 mit den optischen Fasern 421 bis 423, das Spektroskop 44 und den Messsteuerabschnitt 45 aufnimmt. Der Faserverbindungsabschnitt 43 ist so angeordnet, dass er von der vorderen Oberfläche des Steuergehäuses 40 freiliegt. Der Faserverbindungsabschnitt 43 umfasst einen Buchsenverbindungsport, in den der Faserverbindungsabschnitt 32 eingeführt wird. Der Faserverbindungsabschnitt 43 ist mit einer Endfläche angeordnet, die derart geneigt ist, dass die optische Faser 31 von dem Steuergehäuse 40 schräg nach unten vorsteht. Es ist zu beachten, dass zwei oder mehr Faserverbindungsabschnitte 43 zum jeweiligen Verbinden von zwei oder mehreren Kopfeinheiten 2 in dem Steuergehäuse 40 vorgesehen sein können.
Faserverbindungsabschnitte 32 und 43
9 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Konfigurationsbeispiel der in 1 gezeigten Faserverbindungsabschnitte 32 und 43 zeigt. Ein Zustand vor der Verbindung wird angezeigt. 10 ist ein Diagramm, das den in 9 gezeigten Faserverbindungsabschnitt 32 zeigt. Der Faserverbindungsabschnitt 32 ist aus einer Einsetz- und Entfernungslichtung betrachtet. 11 ist eine Schnittansicht, die die in 9 gezeigten Faserverbindungsabschnitte 32 und 43 zeigt. Eine Schnittfläche der Faserverbindungsabschnitte 32 und 43, die entlang einer Ebene geschnitten wird, die die Mittelachse der optischen Fasern 31 und 423 einschließt und zwischen Eingriffsstiften 322 verläuft, ist gezeigt.
Der Faserverbindungsabschnitt 32 ist ein Stöpselelement, das an einem Endabschnitt des Faserkabels 3 vorgesehen ist, der sich von der Kopfeinheit 2 erstreckt. Der Faserverbindungsabschnitt 32 ist durch einen Ferrulenabschnitt 321, eingreifende Pins 322, einen eingreifenden konvexen Abschnitt 323 und einen Halterabschnitt 324 konfiguriert. Der Faserverbindungsabschnitt 32 ist ein Mehrkern-Verbinder, der gleichzeitig eine Vielzahl von optischen Fasern 31 anbringt und ablöst. Es sei angemerkt, dass ein Einzelkernverbinder als die Faserverbindungsabschnitte 32 und 43 verwendet werden kann.
Der Ferrulenabschnitt 321 ist ein Halteabschnitt, der ein Eintrittsende 31 b der optischen Faser 31 hält. Der Ferrulenabschnitt 321 steht in der Einsetz- und Entfernungsrichtung von dem Halterabschnitt 324 vor. Eine Vielzahl von Faserlöchern 325, in denen das Eintrittsende 31b angeordnet ist, zwei eingreifende Pins 322 und der eingreifende konvexe Abschnitt 323 sind in dem Ferrulenabschnitt 321 vorgesehen.
Die eingreifenden Pins 322 sind Positionierungselemente zum Ausrichten der Position des Eintrittsendes 31b der optischen Faser 31 mit einem Emissionsende 423a der optischen Faser 423.
Die eingreifenden Pins 322 sind vorgesehen, um in der Einsetz- und Entfernungsrichtung von der distalen Endfläche des Ferrulenabschnitts 321 vorzustehen. Die eingreifenden Pins 322 sind an beiden äußeren Seiten der Anordnung der optischen Faser 31 angeordnet. Der eingreifende konvexe Abschnitt 323 ist ein Schlüsselabschnitt zum Definieren der Richtung des Faserverbindungsabschnitts 32. Der eingreifende konvexe Abschnitt 323 ist in einer Form ausgebildet, die von einer oberen Seitenfläche des Ferrulenabschnitts 321 vorsteht und sich in der Einsetz- und Entfernungsrichtung erstreckt.
Andererseits ist der Faserverbindungsabschnitt 43 durch einen Steckerabschnitt 431, der an einem Endabschnitt des Faserkabels 46 einschließlich der optischen Faser 423 und eines Verbindungsadapters 432 vorgesehen ist, in einen Steckereinführungsanschluss 434 konfiguriert, von dem der der Steckerabschnitt 431 lösbar eingesetzt und in den anderen Steckereinführanschluss 436 ist, in den der Faserverbindungsabschnitt 32 eingeführt ist.
Der Steckerabschnitt 431 umfasst einen Hülsenabschnitt 433, in dem das Emissionsende 423a der optischen Faser 423, die sich von dem Koppler 42 erstreckt, angeordnet ist. Der Verbindungsadapter 432 ist ein Buchsenelement. Der Verbindungsadapter 432 führt den Steckerabschnitt 431 über die Steckereinführöffnung 434 in der Einsetz- und Entfernungsrichtung ein und führt den Faserverbindungsabschnitt 32 über die Steckereinführöffnung 436 in der Einsetz- und Entfernungsrichtung ein. In dem Verbindungsadapter 432 ist ein Befestigungsloch 435 zum Befestigen des Verbindungsadapters 432 an dem Steuergehäuse 40 unter Verwendung eines Befestigungselements wie einer Schraube vorgesehen.
Der Ferrulenabschnitt 321 des Faserverbindungsabschnitts 32 umgibt das Einfallsende 31b der optischen Faser 31. Eine Eintrittsendfläche 31c ist als eine geneigte Fläche ausgebildet, die unter dem Neigungswinkel ϕ2 in Bezug auf eine Ebene senkrecht zur Mittelachse geneigt ist. Der Ferrulenabschnitt 433 des Steckerabschnitts 431 umgibt das Emissionsende 423a der optischen Faser 423. Eine Emissionsendfläche 423b ist als eine geneigte Fläche ausgebildet, die um den Neigungswinkel ϕ2 bezüglich einer Ebene senkrecht zu der Mittelachse geneigt ist.
Wenn der Neigungswinkel ϕ2 der Eintrittsendfläche 31c und der Emissionsendfläche 423b größer ist, kann die Transmission von reflektiertem Licht weiter reduziert werden. Wenn jedoch der Neigungswinkel ϕ2 zu groß ist, tritt leicht eine Abweichung der Mittelachse aufgrund eines Schlupfs zwischen der Eintrittsendfläche 31c und der Emissionsendfläche 423b auf. Daher ist der Neigungswinkel ϕ2 wünschenswerterweise ein Winkel kleiner als der Neigungswinkel ϕ1 und gleich oder größer als 5° und gleich oder kleiner als 15°. Der Neigungswinkel ϕ2 ist beispielsweise 8°.
Ein Brechungsindexanpassungsmaterial 47, das eine Änderung eines Brechungsindex zwischen der optischen Faser 423 und der optischen Faser 31 reduziert, ist zwischen der Einfallsendfläche 31c und der Emissionsendfläche 423b angeordnet. Das Brechungsindexanpassungsmaterial 47 ist ein Anpassungselement, das aus einem Material gebildet ist, das einen Brechungsindex nahe dem Brechungsindex des Kerns der optischen Faser 423 und des Kerns der optischen Faser 31 aufweist und Licht durchlässt. Das Brechungsindexanpassungsmaterial 47 ist zwischen dem Emissionsende 423a der optischen Faser 423 und dem Eintrittsende 31b der optischen Faser 31 in Kontakt mit beiden Endflächen angeordnet.
Das Brechungsindexanpassungsmaterial 47 ist beispielsweise einfach zu handhaben und ist an einer Verbindungsfläche des Faserverbindungsabschnitts 43 befestigt. Insbesondere ist das Brechungsindexanpassungsmaterial 47 an die distale Endfläche des Hülsenabschnitts 433 geklebt Das Brechungsindexanpassungsmaterial 47 ist ein Feststoff. Daher ist das Brechungsindexanpassungsmaterial 47 leicht zu handhaben. Verglichen damit, wenn das Brechungsindexanpassungsmaterial 47 flüssig ist, ist es möglich zu verhindern, dass das Brechungsindexanpassungsmaterial 47 aus dem Faserverbindungsabschnitt 43 herausfließt und die Umfänge der Faserverbindungsabschnitte 32 und 43 verschmutzt. Es sei angemerkt, dass das Brechungsindexanpassungsmaterial 47 gelartig sein kann.
Wenn ein Material mit einer Klebrigkeit als das Brechungsindexanpassungsmaterial 47 verwendet wird, ist es möglich, wenn das Brechungsindexanpassungsmaterial 47 abgelöst und ersetzt wird, Fremdstoffe, wie zum Beispiel Staub, an den Verbindungsflächen der Faserverbindungsabschnitte 32 und 43 zu haften, um an dem Brechungsindexanpassungsmaterial 47 zu haften und die Fremdstoffe zu entfernen.
Die Kopfeinheit 2 wird ersetzt, wenn eine Rekombination oder eine Beschädigung einer Fertigungslinie auftritt. Während eines solchen Austauschs der Kopfeinheit 2 oder wenn die Kopfeinheit 2 zurückgesetzt wird oder wenn die Kopfeinheit 2 bewegt wird, muss die Kopfeinheit 2 von der Steuereinheit 4 getrennt werden. Daher ist ein Ende des Faserkabels 3, das sich von der Kopfeinheit 2 erstreckt, wiederholt an der Steuereinheit 4 angebracht und von dieser gelöst.
Wenn das Brechungsindexanpassungsmaterial 47 auf der Kopfeinheitsseite angeordnet ist, gibt es mehr Möglichkeiten für das Brechungsindexanpassungsmaterial 47, zusammen mit der Kopfeinheit 2 bewegt zu werden. Daher haften Fremdstoffe wie Staub leicht an der Oberfläche des Brechungsindexanpassungsmaterials 47 an. Daher ist das Brechungsindexanpassungsmaterial 47 wünschenswerterweise auf der Seite der Steuereinheit angeordnet. Zum Beispiel ist das Brechungsindexanpassungsmaterial 47 unter Verwendung eines Klebstoffs an einer Verbindungsfläche auf der Seite des Steuergehäuses 40 befestigt.
Brechungsindexanpassungsmaterial 47
12 ist eine perspektivische Ansicht, die das in 11 gezeigte Brechungsindexanpassungsmaterial 47 zeigt. Das Brechungsindexanpassungsmaterial 47 ist aus einer rechteckigen flachen Platte gebildet. Lochblenden 471 zum Einführen durch die eingreifenden Pins 322 des Faserverbindungsabschnitts 32 sind in dem Brechungsindexanpassungsmaterial 47 ausgebildet.
In dem Brechungsindexanpassungsmaterial 47 kann das gleiche Material wie ein in einer Kommunikationsvorrichtung verwendetes Material verwendet werden. Die Kommunikationsvorrichtung überträgt ein Impulssignal. Auf der anderen Seite überträgt das Brechungsindexanpassungsmaterial 47 Detektionslicht. Daher ist es wichtig, einen Übertragungsverlust zu reduzieren, um einen Messfehler zu reduzieren.
Verbindungsadapter 432
13A und 13B sind Diagramme, die ein Konfigurationsbeispiel des in 9 gezeigten Verbindungsadapters 432 zeigen. In 13A ist die Steckereinsetzöffnung 436 des Verbindungsadapters 432 gezeigt. In 13B ist eine Schnittfläche des Verbindungsadapters 432 gezeigt, die entlang einer Ebene geschnitten ist, die die Einsetz- und Entfernungsrichtung enthält und zwischen den Eingriffsstiften 322 verläuft. In dem Verbindungsadapter 432 ist eine Schutzblende 437 zum Schützen der Verbindungsoberfläche des Faserverbindungsabschnitts 43 vorgesehen.
Der Schutzverschluss 437 ist ein Deckelelement, das aus einer rechteckigen flachen Platte gebildet ist. Der Schutzverschluss 437 ist an der Steckereinführöffnung 436 angebracht, um geöffnet und geschlossen zu werden. Der Schutzverschluss 437 wird automatisch geöffnet, indem der Faserverbindungsabschnitt 32 in der Einsetz- und Entfernungsrichtung über die Steckereinführöffnung 436 eingeführt und automatisch durch Entfernen des Faserverbindungsabschnitts 32 geschlossen wird.
Durch Vorsehen des Schutzverschlusses 437 in dem Verbindungsadapter 432 des Faserverbindungsabschnitts 43 ist es möglich, die Endfläche des Emissionsendes 423a in dem Faserverbindungsabschnitt 43 vor Kratzern und Anhaften von Flecken zu schützen oder verhindern, dass Licht für Lichtprojektion aus der Steckereinführöffnung 436 austritt.
Da gemäß dieser Ausführungsform das gesamte Emissionsende 423a der optischen Faser 423 und das Einfallsende 31b und das Emissionsende 31a der optischen Faser 31 die geneigten Endflächen aufweisen, ist die Transmission von an den Endflächen reflektiertem Licht verhindert. Daher ist es möglich, eine Hintergrundkomponente entsprechend dem reflektierten Licht durch die Endflächen zu reduzieren. Da das Brechungsindexanpassungsmaterial 47 zwischen dem Emissionsende 423a und dem Einfallsende 31b angeordnet ist und eine Änderung eines Brechungsindexes abnimmt, ist es möglich, die Reflexion durch die Endflächen zu verhindern. Daher ist es möglich, die Messgenauigkeit für ein Messobjekt mit einem niedrigen Reflexionsvermögen zu verbessern.
Da das Brechungsindexanpassungsmaterial 47 auf der Seite des Steuergehäuses 40 angeordnet ist, ist es möglich, das Kopfgehäuse 20 und die optische Faser 31 zu ersetzen, ohne das Brechungsindexanpassungsmaterial 47 zu ersetzen. Da das Brechungsindexanpassungsmaterial 47 blattartig ist, ist es einfach, das Brechungsindexanpassungsmaterial 47 zu handhaben.
Man beachte, dass in dieser Ausführungsform das Beispiel erläutert wird, in dem der Koppler 42 der Y-Koppler ist. Es kann jedoch ein X-Koppler verwendet werden. Durch Bereitstellen einer Ferrule an einem Ausgangsende einer optischen Faser, die sich von dem X-Koppler erstreckt und eine Endfläche der Ferrule als eine geneigte Oberfläche bildet, ist es möglich, den Einfluss von reflektiertem Licht durch das Ausgangsende zu verhindern.
14A und 14B sind Systemdiagramme, die ein anderes Konfigurationsbeispiel des konfokalen Verlagerungssensors 1 zeigen. In 14A ist ein konfokaler Verschiebungssensor 1a gezeigt, bei dem eine Ferrule 48 an einem Ausgangsende einer optischen Faser 424 vorgesehen ist, die sich von einem Koppler 42a erstreckt. Der Koppler 42a ist ein X-Koppler, von dessen einem Ende zwei optische Fasern 421 und 422 ausgehen und von dessen anderem Ende sich zwei optische Fasern 423 und 424 erstrecken.
Eine Emissionsendfläche der Ferrule 48 ist schräg bearbeitet. Das heißt, die Emissionsendfläche ist als eine geneigte Oberfläche ausgebildet, die in Bezug auf eine Ebene senkrecht zu der Mittelachse der Ferrule 48 geneigt ist. Daher ist es möglich, eine Verschlechterung der Messgenauigkeit durch den Einfluss von Licht zu verhindern, das an der Emissionsendfläche der optischen Faser 424 reflektiert wird.
In 14B ist ein konfokaler Verschiebungssensor 1b gezeigt, der zwei Bestrahlungsflecken auf dem Messobjekt W unter Verwendung von zwei Kopplern 42 bildet und zwei Lichtempfangswellenformen erfasst, die jeweils den Bestrahlungsflecken entsprechen. Die Koppler 42 sind Y-Koppler. Licht für die Lichtprojektion wird von einer gemeinsamen Lichtquelle für die Lichtprojektion 41 In die Koppler 42 eingegeben und über gemeinsame Faserverbindungsabschnitte 43 und 32 an die optische Faser 31 ausgegeben. Reflektiertes Licht von dem Messobjekt W wird über die Kopfeinheit 2, die optische Faser 31 und die Faserverbindungsabschnitte 32 und 43 in die Koppler 42 eingegeben und an das Spektroskop 44 ausgegeben. Es sei angemerkt, dass die Koppler 42 der Koppler 42a (der X-Koppler) sein können, der in 14A gezeigt ist.
15 ist ein Systemdiagramm, das ein anderes Konfigurationsbeispiel des konfokalen Verschiebungssensors 1 zeigt. Ein konfokaler Verschiebungssensor 1c ist gezeigt, der vier Bestrahlungsflecken auf dem Messobjekt W unter Verwendung von zwei Kopplern 42a (X-Koppler) bildet. Die optischen Fasern 423 und 424, die sich von den Kopplern 42a erstrecken, sind jeweils über gemeinsame Faserverbindungsabschnitte 43 und 32 mit vier optischen Fasern 31 verbunden.
Man beachte, dass eine Konfiguration verwendet werden kann, bei der das Licht zur Lichtprojektion an die Kopfeinheit 2 unter Verwendung von drei oder mehr Kopplern 42 oder 42a und drei oder mehr optischen Fasern 31, drei oder mehr Bestrahlungsflecken und drei oder mehr Lichtempfangswellenformen, die jeweils den Bestrahlungsflecken entsprechen, erfasst werden.

Claims

Konfokaler Verschiebungssensor, der Verschiebung eines Messobjekts unter Verwendung eines konfokalen optischen Systems misst, wobei der konfokale Verschiebungssensor umfasst: eine Lichtquelle zur Uchtprojektion, die konfiguriert ist, um Licht mit einer Vielzahl von Wellenlängen zu erzeugen; eine erste optische Faser, an deren erstes Eintrittsende Licht von der Lichtquelle zur Lichtprojektion einfällt, wobei die erste optische Faser das Licht von einem ersten Emissionsende ausgibt; eine zweite optische Faser, deren zweites Einfallsende so angeordnet ist, dass sie dem ersten Emissionsende gegenüberliegt, wobei die zweite optische Faser Licht emittiert, das über das zweite Einfallsende von einem zweiten Emissionsende eingegeben wird; ein optisches Element, das konfiguriert ist, um eine axiale chromatische Aberration bei Detektionslicht zu verursachen, das über eine Endfläche des zweiten Emissionsendes emittiert wird und das Detektionslicht zu dem Messobjekt konvergiert; ein Spektroskop, das konfiguriert ist, um in dem Detektionslicht, das auf das Messobjekt über das optische Element gestrahlt wird, spektral zu streuen, das durch die Endfläche des zweiten Emissionsendes geleitet wird, während es auf das Messobjekt fokussiert wird und um ein Lichtempfangssignal zu erzeugen, das eine Lichtempfangsintensität für jede Wellenlänge darstellt; einen Messsteuerabschnitt, der konfiguriert ist, um eine Verschiebung des Messobjekts auf der Basis des Lichtempfangssignals zu berechnen; einen Faserverbindungsabschnitt, der konfiguriert ist, um das zweite Einfallsende lösbar mit dem ersten Emissionsende zu verbinden; und ein Brechungsindexanpassungsmaterial, das zwischen dem ersten Emissionsende und dem zweiten Eintrittsende in Kontakt mit beiden Endflächen des ersten Emissionsendes und des zweiten Eintrittsendes angeordnet und konfiguriert ist, um eine Änderung eines Brechungsindex zwischen der ersten optischen Faser und der zweiten optischen Faser zu reduzieren, wobei die Endfläche des zweiten Emissionsendes unter einem ersten Neigungswinkel in Bezug auf eine Ebene senkrecht zu einer Mittelachse der zweiten optischen Faser geneigt ist, und die Endflächen des zweiten Einfallsendes und des ersten Emissionsendes jeweils um einen zweiten Neigungswinkel geneigt sind, der kleiner als der erste Neigungswinkel ist.
Konfokaler Verschiebungssensor nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: ein Kopfgehäuse, das konfiguriert ist, um das optische Element und das zweite Emissionsende an einer Innenseite aufzunehmen; und ein Steuergehäuse, das konfiguriert ist, um die Lichtquelle für die Lichtprojektion, die erste optische Faser, das Spektroskop und den Messungssteuerabschnitt an einer Innenseite aufzunehmen und so angeordnet ist, dass der Faserverbindungsabschnitt von einer vorderen Oberfläche freigelegt ist, wobei das Brechungsindexanpassungsmaterial blattartig ist und an einer Verbindungsfläche des Faserverbindungsabschnitts haftet.
Konfokaler Verschiebungssensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Brechungsindexanpassungsmaterial ein Feststoff oder Gallert ist.
Konfokaler Verschiebungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Schutzblende in einer Einführöffnung des Faserverbindungsabschnitts vorgesehen ist, in die das zweite Einfallsende eingeführt wird.
Konfokaler Verschiebungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der erste Neigungswinkel 13° oder mehr und der zweite Neigungswinkel 5° oder mehr und 15° oder weniger ist.
Konfokaler Verschiebungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Brechungsindexanpassungsmaterial unter Verwendung eines Klebstoffs an einer Verbindungsfläche auf der Seite des Steuergehäuses befestigt ist.