JP2020101402A

JP2020101402A - 共焦点センサ

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Publication number: JP2020101402A
Application number: JP2018238524A
Authority: JP
Inventors: 久康森野; Hisayasu Morino; 潤 ▲高▼嶋; Jun Takashima
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2020-07-02
Anticipated expiration: 2038-12-20
Also published as: KR20210063414A; JP6986235B2; EP3901568B1; KR102556921B1; TW202024561A; EP3901568A4; TWI724668B; US20220011092A1; US11965729B2; CN112654832A; EP3901568A1; WO2020129533A1

Abstract

【課題】測定範囲がより広い共焦点センサを提供する。【解決手段】共焦点センサ１は、複数の波長の光を出射する光源１０と、光に対して光軸方向に沿って色収差を生じさせ、他のレンズを介さずに光を対象物２００に集光する回折レンズ１３０と、光のうち、対象物２００において合焦して反射し、回折レンズ１３０で集光された反射光を通過させるピンホール１２０と、反射光の波長に基づいて、回折レンズ１３０から対象物２００までの距離を測定する測定部４０と、を備え、ピンホール１２０から回折レンズ１３０までの距離Ｌ２は可変である。【選択図】図１

Description

本開示は、共焦点センサに関する。

従来、光源から出射された光に対して共焦点光学系によって光軸に沿って色収差を生じさせ、集光される光の波長が対象物までの距離に応じて変化することを利用して、対象物までの距離を測定する共焦点センサが用いられている。

下記特許文献１には、多色光ビームを生成する手段と、それぞれの焦点にそれぞれの波長の光線を集束させる少なくとも1つのレンズとを含む装置が記載されている。

また、下記特許文献２には、光源からの照明光を、所定のパターン部を有するディスクから対物レンズを介して試料に結像し、試料からの光を再び対物レンズからディスクを介して撮像手段に入射して試料の観察画像を得る共焦点顕微鏡からなる共焦点高さ測定装置であって、対物レンズの光軸に対するディスクの傾きと試料を載置するステージの傾きと対物レンズの像面湾曲との少なくとも一つに起因する光軸方向の位置補正データを使用して共焦点顕微鏡により得られた高さ情報を補正する共焦点高さ測定装置が記載されている。

米国特許第４５８５３４９号明細書特開２００４−２８６６０８号公報

従来の共焦点センサを用いることで、数ｎｍの分解能で対象物までの距離を測定することができる。しかしながら、従来の共焦点センサの測定範囲は、センサヘッドの前面から数十ｍｍの点を中心とする前後数ｍｍの範囲に限られることがある。

そこで、本発明は、測定範囲がより広い共焦点センサを提供する。

本開示の一態様に係る共焦点センサは、複数の波長の光を出射する光源と、光に対して光軸方向に沿って色収差を生じさせ、他のレンズを介さずに光を対象物に集光する回折レンズと、光のうち、対象物において合焦して反射し、回折レンズで集光された反射光を通過させるピンホールと、反射光の波長に基づいて、回折レンズから対象物までの距離を測定する測定部と、を備え、ピンホールから回折レンズまでの距離は可変である。

この態様によれば、ピンホールから回折レンズまでの距離が可変であることで、測定可能な範囲を変化させることができ、より広い範囲で対象物までの距離を測定することができる。

上記態様において、ピンホールから回折レンズまでの距離を連続的に変化させる機構をさらに備えてもよい。

この態様によれば、ピンホールから回折レンズまでの距離を連続的に変化させることで、測定範囲を連続的に変化させることができる。

上記態様において、回折レンズをそれぞれ異なる位置に収容する複数種類のホルダを付け替え可能であってもよい。

この態様によれば、複数種類のホルダを付け替えることで、測定範囲を段階的に変化させることができる。

上記態様において、測定部は、反射光の波長と、回折レンズから対象物までの距離との非線形な関係に従って、回折レンズから対象物までの距離を測定してもよい。

この態様によれば、反射光の波長と、回折レンズから対象物までの距離との非線形な関係を利用することで、線形な関係を利用する場合よりも測定範囲を広げることができる。

上記態様において、反射光の波長をλと表し、回折レンズから対象物までの距離をＬ₁と表し、ピンホールから回折レンズまでの距離をＬ₂と表し、基準波長λ₀に関する回折レンズの焦点距離をｆ₀と表すとき、非線形な関係は、
と表されてもよい。

この態様によれば、ピンホールから回折レンズまでの距離を変化させることで、反射光の波長と、回折レンズから対象物までの距離との非線形な関係を変化させることができ、測定範囲をより広げることができる。

上記態様において、測定部は、反射光の波長と、回折レンズから対象物までの距離との実測値に基づいて推定された非線形な関係に従って、回折レンズから対象物までの距離を測定してもよい。

この態様によれば、反射光の波長と、回折レンズから対象物までの距離との非線形な関係を実測値に基づいて補正することができ、回折レンズから対象物までの距離をより正確に測定することができる。

上記態様において、測定部は、波長に基づいて、対象物が所定の範囲内に位置しているか否かを判定してもよい。

この態様によれば、対象物の位置が適切であるか否かを判定することができる。

上記態様において、要求される波長分解能の入力を受け付ける入力部と、波長分解能を満たす回折レンズから対象物までの距離及びピンホールから回折レンズまでの距離の範囲を出力する出力部と、をさらに備えてもよい。

この態様によれば、要求された波長分解能を実現しながら、どのような範囲で回折レンズを動かしたり、対象物とセンサヘッドの位置関係を変化させたりすることができるのかを把握することができる。

本発明によれば、測定範囲がより広い共焦点センサが提供される。

本発明の実施形態に係る共焦点センサの概要を示す図である。本実施形態に係る共焦点センサの回折レンズから対象物までの距離と、反射光の波長との関係を示す図である。本実施形態に係る共焦点センサの初期設定処理を示すフローチャートである。本実施形態に係る共焦点センサにより対象物が所定の範囲内に位置するか判定する概要を示す図である。本実施形態に係る共焦点センサにより回折レンズから対象物までの距離と反射光の波長との関係及び判定結果を示す図である。本実施形態に係る共焦点センサの初期設定処理を示すフローチャートである。本実施形態の変形例に係るセンサヘッドに第１ホルダを取り付けた場合の概要を示す図である。本実施形態の変形例に係るセンサヘッドに第２ホルダを取り付けた場合の概要を示す図である。本実施形態に係る共焦点センサの波長分解能と、回折レンズから対象物までの距離との関係を示す図である。本実施形態に係る共焦点センサの距離算出処理を示すフローチャートである。

以下、本発明の一側面に係る実施の形態（以下、「本実施形態」と表記する。）を、図面に基づいて説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一又は同様の構成を有する。

［構成例］
図１は、本発明の実施形態に係る共焦点センサ１の概要を示す図である。本実施形態に係る共焦点センサ１は、対象物２００の位置を計測する装置であり、光源１０、第１光ファイバ１１、第２光ファイバ１２、第３光ファイバ１３、光カプラ２０、分光器３０、測定部４０及びセンサヘッド１００を備える。

光源１０は、複数の波長の光を出射する。光源１０は、白色光を出射するものであってよく、光を第１光ファイバ１１に出力する。光源１０は、測定部４０の指令に基づいて、白色光の光量を調整してもよい。第１光ファイバ１１は、任意の光ファイバであってよく、例えばコア径が５０μｍの屈折率分布型ファイバであってよい。第１光ファイバ１１は、光カプラ２０に接続される手前でコア径がより細いファイバに連結されてよい。

光カプラ２０は、第１光ファイバ１１、第２光ファイバ１２及び第３光ファイバ１３を接続し、第１光ファイバ１１から第２光ファイバ１２へ光を伝送し、第２光ファイバ１２から第３光ファイバ１３へ光を伝送する。

センサヘッド１００は、第２光ファイバ１２に接続され、光に対して光軸方向に沿って色収差を生じさせ、他のレンズを介さずに光を対象物２００に集光する回折レンズ１３０とを収容する。本例では、焦点距離が比較的長い第１波長の光２１０と、焦点距離が比較的短い第２波長の光２２０を図示している。本例の場合、第１波長の光２１０は、対象物２００において合焦するが、第２波長の光２２０は、対象物２００の手前で焦点を結ぶ。

対象物２００の表面で反射した光は、回折レンズ１３０で集光されて、第２光ファイバ１２のコアであるピンホール１２０に返送される。ピンホール１２０は、光のうち、対象物２００において合焦して反射し、回折レンズ１３０で集光された反射光を通過させる。反射光のうち第１波長の光２１０は、第２光ファイバ１２の端面に設けられたピンホール１２０で合焦するため、そのほとんどが第２光ファイバ１２に入射するが、その他の波長の光は、ピンホール１２０で焦点が合わず、そのほとんどが第２光ファイバ１２に入射しない。第２光ファイバ１２に入射した反射光は、光カプラ２０を経由して第３光ファイバ１３に伝送され、分光器３０に入力される。なお、第２光ファイバ１２に入射した反射光は、光カプラ２０を経由して第１光ファイバ１１にも伝送されるが、光源１０にて終端される。

分光器３０は、第３光ファイバ１３に接続され、対象物２００で反射されてセンサヘッド１００により集光された反射光を、第２光ファイバ１２、光カプラ２０及び第３光ファイバ１３を介して取得し、反射光のスペクトルを計測する。分光器３０は、第３光ファイバ１３から出射された反射光を集める第１レンズ３１と、反射光を分光する回折格子３２と、分光された反射光を集める第２レンズ３３と、分光された反射光を受光する受光素子３４と、受光素子３４による受光信号を読み出す読出回路３５と、を含む。読出回路３５は、受光素子３４による受光信号に基づいて、受光した光の波長及び光量を読み出す。

測定部４０は、反射光の波長に基づいて、回折レンズ１３０から対象物２００までの距離Ｌ１を測定する。本例の場合、読出回路３５によって、第１波長の光２１０がピークとして読みだされ、測定部４０は、第１波長に対応する位置を算出する。

本実施形態に係る共焦点センサ１では、ピンホール１２０から回折レンズ１３０までの距離Ｌ２は可変である。従来、ピンホール１２０から回折レンズ１３０までの距離Ｌ２は固定されており、他のレンズによって色収差を線形に補正するため、距離Ｌ２を変化させることは想定されておらず、共焦点センサ１の測定範囲を任意に拡大又は縮小することはできなかった。本実施形態に係る共焦点センサ１によれば、ピンホール１２０から回折レンズ１３０までの距離Ｌ２が可変であることで、測定可能な範囲を変化させることができ、より広い範囲で対象物２００までの距離を測定することができる。

センサヘッド１００は、ピンホール１２０から回折レンズ１３０までの距離Ｌ２を連続的に変化させる機構を備える。具体的には、センサヘッド１００は、回折レンズ１３０を光軸に沿った方向に連続的に移動させる可変機構１５０を備える。可変機構１５０は、回折レンズ１３０の位置を読み取る手段を有してもよく、ピンホール１２０から回折レンズ１３０までの距離Ｌ２又は回折レンズ１３０からセンサヘッド１００の全面までの距離Ｌ３を測定部４０に伝送してもよい。可変機構１５０によってピンホール１２０から回折レンズ１３０までの距離Ｌ２を連続的に変化させることで、測定範囲を連続的に変化させることができる。

図２は、本実施形態に係る共焦点センサ１の回折レンズ１３０から対象物２００までの距離Ｌ１と、反射光の波長との関係を示す図である。同図では、回折レンズ１３０から対象物２００までの距離Ｌ１をｍｍの単位で縦軸に示し、反射光の波長をｎｍの単位で横軸に示している。また、同図では、ピンホール１２０から回折レンズ１３０までの距離Ｌ２が３６ｍｍの場合を実線で示し、Ｌ２＝３７ｍｍの場合を破線で示し、Ｌ２＝３８ｍｍの場合を一点鎖線で示し、Ｌ２＝３９ｍｍの場合を二点鎖線で示し、Ｌ２＝４０ｍｍの場合を点線で示し、Ｌ２＝４１ｍｍの場合を長破線で示している。

同図によれば、反射光の波長が長くなるほど、対応する距離Ｌ１は短くなることが読み取れる。また、反射光の波長が一単位変化した場合の距離Ｌ１の変化は、反射光の波長が短くなるほど大きくなることが読み取れる。さらに、反射光の波長が一単位変化した場合の距離Ｌ１の変化は、ピンホール１２０から回折レンズ１３０までの距離Ｌ２が短くなるほど大きくなることが読み取れる。

本実施形態に係る共焦点センサ１の測定部４０は、反射光の波長と、回折レンズ１３０から対象物２００までの距離Ｌ１との非線形な関係に従って、回折レンズ１３０から対象物２００までの距離を測定してよい。従来、共焦点センサでは、反射光の波長と、回折レンズ１３０から対象物２００までの距離Ｌ１との非線形な関係を他のレンズによって補正して、線形な関係とすることがある。そのような補正により、距離Ｌ１の分解能が波長にほとんど依存しないようにすることができる。しかしながら、反射光の波長と、距離Ｌ１との対応関係が線形である場合、測定範囲が狭い範囲に限られてしまう。本実施形態に係る共焦点センサ１は、反射光の波長と、距離Ｌ１との非線形な関係を利用することで、線形な関係を利用する場合よりも、特に短波長領域での測定範囲を広げて、共焦点センサ１の測定範囲をより広くすることができる。

より具体的には、反射光の波長をλと表し、回折レンズ１３０から対象物２００までの距離をＬ１と表し、ピンホール１２０から回折レンズ１３０までの距離をＬ２と表し、基準波長λ₀に関する回折レンズ１３０の焦点距離をｆ₀と表すとき、回折レンズ１３０から対象物２００までの距離Ｌ１との非線形は、以下の数式（２）で表される。

このように、ピンホール１２０から回折レンズ１３０までの距離を変化させることで、反射光の波長λと、回折レンズ１３０から対象物２００までの距離Ｌ１との非線形な関係を変化させることができ、測定範囲をより広げることができる。

図３は、本実施形態に係る共焦点センサ１の初期設定処理を示すフローチャートである。同図に示す処理は、共焦点センサ１により距離を測定する前に行われる。

はじめに、共焦点センサ１によって基準波長（又は調整時点での設定における基準波長）に対応する距離が出力されるように、対象物２００又は回折レンズ１３０の位置を調整する（Ｓ１０）。ここで、基準波長及びそれに対応する焦点距離は、設計段階で定められているものとする。

その後、回折レンズ１３０を固定したまま、対象物２００を既知の量だけ移動させる（Ｓ１１）。共焦点センサ１は、この場合に検出される反射光の波長と、距離の関係を記憶する（Ｓ１２）。ここで、対象物２００までの距離は、基準波長に対応する距離に対象物２００を移動させた距離を加算（又は減算）することで算出される。

そして、所定の波長範囲について、共焦点センサ１により検出される反射光の波長と距離の関係を測定完了したか判定する（Ｓ１３）。例えば、予め定めた複数の既知の量だけ対象物２００を移動させたか否かによって、測定完了であるかを判定してよい。

所定の波長範囲について測定完了していない場合（Ｓ１３：ＮＯ）、対象物２００を既知の量だけ移動させ（Ｓ１１）、検出される反射光の波長と、距離の関係を記憶する処理（Ｓ１２）を繰り返す。一方、所定の波長範囲について測定完了した場合（Ｓ１３：ＹＥＳ）、波長と距離の非線形関係を定めるパラメータを決定する（Ｓ１４）。すなわち、数式（２）で表される、反射光の波長λと回折レンズ１３０から対象物２００までの距離Ｌ１との非線形な関係を特定するパラメータ（Ｌ２、λ₀、ｆ₀）を決定する。

このような処理を、ピンホール１２０から回折レンズ１３０までの距離Ｌ２を変えて繰り返してもよい。以上により、初期設定のための処理が終了する。

以上の処理を行って、測定部４０は、反射光の波長と、回折レンズ１３０から対象物２００までの距離との実測値に基づいて推定された非線形な関係に従って、回折レンズ１３０から対象物２００までの距離を測定してもよい。これにより、反射光の波長と、回折レンズ１３０から対象物２００までの距離との非線形な関係を実測値に基づいて補正することができ、回折レンズ１３０から対象物２００までの距離をより正確に測定することができる。

図４は、本実施形態に係る共焦点センサ１により対象物２００が所定の範囲内に位置するか判定する概要を示す図である。同図では、センサヘッド１００によって、コンベア３００によって移送されるワークが所定の範囲に位置しているか判定する場合を示している。同図では、コンベア３００によって移送される７つのワークを図示している。ワークには、コンベア３００の下流から順に、０から６までの数字が付されている。本例における「所定の範囲」は、同図において「ＯＫ」と示した範囲であり、コンベア３００の中央帯である。一方、同図において「ＮＧ」と示したコンベア３００の側帯にあたる範囲は、「所定の範囲」外である。

ワークが所定の範囲内に位置するか判定するにあたって、共焦点センサ１のピンホール１２０から回折レンズ１３０までの距離Ｌ２を調整し、少なくとも「ＯＫ」と示した範囲が測定範囲に含まれるようにする。そして、後述する初期設定を行い、共焦点センサ１の測定部４０によって、反射光の波長に基づいて、対象物が所定の範囲内に位置しているか否かを判定する。

図５は、本実施形態に係る共焦点センサ１により回折レンズ１３０から対象物２００までの距離Ｌ１と反射光の波長との関係及び判定結果を示す図である。同図では、回折レンズ１３０から対象物２００までの距離Ｌ１をｍｍの単位で縦軸に示し、反射光の波長をｎｍの単位で横軸に示している。

同図では、コンベア３００の下流から順に、０から６までの数字が付されたワークに対応して、測定点ｐ０からｐ６を図示している。また、同図では、「ＯＫ」と示した範囲に対応する波長範囲と、「ＮＧ」と示した範囲に対応する波長範囲とを図示している。

同図によれば、測定点ｐ０、ｐ３、ｐ４及びｐ６に対応するワークは、所定の範囲内に位置している。一方、測定点ｐ１、ｐ２及びｐ５に対応するワークは、所定の範囲内に位置していない。

測定部４０は、測定された波長と、所定の範囲に対応する波長範囲の上限及び下限を比較して、対象物が所定の範囲内に位置しているか否かを判定してよい。このようにして、対象物の位置が適切であるか否かを判定することができる。

図６は、本実施形態に係る共焦点センサ１の初期設定処理を示すフローチャートである。同図に示す処理は、対象物が所定の範囲内に位置しているか否かを判定する前に行われる。

はじめに、ＯＫ範囲が測定範囲となるように、ピンホール１２０から回折レンズ１３０までの距離Ｌ２を調整し、回折レンズ１３０を固定する（Ｓ２０）。その後、コンベア３００を動かして、サンプルワークを流す。サンプルワークは、図４において「ＯＫ」と示した範囲（ＯＫ範囲）に置かれたり、「ＮＧ」と示した範囲（ＮＧ範囲）に置かれたりする。ＯＫ範囲に置かれたサンプルをＯＫサンプルと呼び、ＮＧ範囲に置かれたサンプルをＮＧサンプルと呼ぶ。

共焦点センサ１は、ＯＫサンプルを測定した場合の波長を記憶し（Ｓ２１）、ＮＧサンプルを測定した場合の波長を記憶する（Ｓ２２）。

そして、所定の波長範囲について、共焦点センサ１により検出される反射光の波長とＯＫ又はＮＧの対応付けが完了したか判定する（Ｓ２３）。例えば、予め定めた複数のサンプルについて測定を終えたか否かによって、測定完了であるかを判定してよい。

所定の波長範囲について測定完了していない場合（Ｓ２３：ＮＯ）、ＯＫサンプルを測定した場合の波長を記憶する処理（Ｓ２１）と、ＮＧサンプルを測定した場合の波長を記憶する処理（Ｓ２２）とを繰り返す。一方、所定の波長範囲について測定完了した場合（Ｓ２３：ＹＥＳ）、波長に基づいて、対象物がＯＫ範囲内に位置しているか否かを判定するためのパラメータを決定する。以上により、初期設定のための処理が終了する。

図７は、本実施形態の変形例に係るセンサヘッド１００ａに第１ホルダ１６０ａを取り付けた場合の概要を示す図である。また、図８は、本実施形態の変形例に係るセンサヘッド１００ａに第２ホルダ１６０ｂを取り付けた場合の概要を示す図である。変形例に係るセンサヘッド１００ａは、回折レンズ１３０をそれぞれ異なる位置に収容する複数種類のホルダ（第１ホルダ１６０ａ及び第２ホルダ１６０ｂ）を付け替え可能である。

第１ホルダ１６０ａをセンサヘッド１００ａに取り付けた場合、回折レンズ１３０から対象物２００までの距離はＬ１ａであり、ピンホール１２０から回折レンズ１３０までの距離はＬ２ａである。ここで、ピンホール１２０から回折レンズ１３０までの距離Ｌ２ａは、第１ホルダ１６０ａの設計値として既知である。測定部４０は、ピンホール１２０から回折レンズ１３０までの距離がＬ２ａである場合の数式（２）に従って、回折レンズ１３０から対象物２００までの距離Ｌ１ａを算出する。なお、センサヘッド１００ａの前面から対象物２００までの距離を算出する場合、回折レンズ１３０から対象物２００までの距離Ｌ１ａから、回折レンズ１３０からセンサヘッド１００ａの前面までの距離Ｌ３ａを減算すればよい。ここで、回折レンズ１３０からセンサヘッド１００ａの前面までの距離Ｌ３ａは、センサヘッド１００ａの全長Ｌから、ピンホール１２０から回折レンズ１３０までの距離Ｌ２ａを減算した値である。

第２ホルダ１６０ｂをセンサヘッド１００ａに取り付けた場合、回折レンズ１３０から対象物２００までの距離はＬ１ｂであり、ピンホール１２０から回折レンズ１３０までの距離はＬ２ｂである。ここで、ピンホール１２０から回折レンズ１３０までの距離Ｌ２ｂは、第１ホルダ１６０ａの設計値として既知である。測定部４０は、ピンホール１２０から回折レンズ１３０までの距離がＬ２ｂである場合の数式（２）に従って、回折レンズ１３０から対象物２００までの距離Ｌ１ｂを算出する。なお、センサヘッド１００ａの前面から対象物２００までの距離を算出する場合、回折レンズ１３０から対象物２００までの距離Ｌ１ｂから、回折レンズ１３０からセンサヘッド１００ａの前面までの距離Ｌ３ｂを減算すればよい。

このように、複数種類のホルダを付け替えることで、測定範囲を段階的に変化させることができる。本例の場合、Ｌ２ａ＜Ｌ２ｂであるから、第１ホルダ１６０ａを取り付けた場合、第２ホルダ１６０ｂを取り付けた場合よりも測定範囲が広くなる。一方、第２ホルダ１６０ｂを取り付けた場合、第１ホルダ１６０ａを取り付けた場合よりも低波長領域において測定精度が高くなる。

図９は、本実施形態に係る共焦点センサ１の波長分解能と、回折レンズ１３０から対象物２００までの距離Ｌ１との関係を示す図である。同図では、波長分解能をｍｍ／ｎｍの単位で縦軸に示し、回折レンズ１３０から対象物２００までの距離Ｌ１をｍｍの単位で横軸に示している。また、同図では、ピンホール１２０から回折レンズ１３０までの距離Ｌ２が３６ｍｍの場合を実線で示し、Ｌ２＝３７ｍｍの場合を破線で示し、Ｌ２＝３８ｍｍの場合を一点鎖線で示し、Ｌ２＝３９ｍｍの場合を二点鎖線で示し、Ｌ２＝４０ｍｍの場合を点線で示し、Ｌ２＝４１ｍｍの場合を長破線で示している。波長分解能は、分解能が良いほど対象物２００までの距離をより高精度で測定できることを意味する。

同図によれば、回折レンズ１３０から対象物２００までの距離Ｌ１が長くなるほど、波長分解能の値が大きくなる（分解能が低くなる）ことが読み取れる。また、回折レンズ１３０から対象物２００までの距離Ｌ１を固定した場合、ピンホール１２０から回折レンズ１３０までの距離Ｌ２が長くなるほど、波長分解能の値が小さくなる（分解能が高くなる）ことが読み取れる。

共焦点センサ１は、ユーザが要求する波長分解能の入力を受け付ける入力部と、要求された波長分解能を満たす回折レンズ１３０から対象物２００までの距離Ｌ１及びピンホール１２０から回折レンズ１３０までの距離Ｌ２の範囲を出力する出力部とをさらに備えてもよい。入力部は、例えばプッシュボタンで構成されてよく、出力部は、例えば７セグメント表示部や液晶表示装置で構成されてよい。共焦点センサ１は、図９に示す関係性を記憶部に記憶して、要求された波長分解能を満たす回折レンズ１３０から対象物２００までの距離Ｌ１及びピンホール１２０から回折レンズ１３０までの距離Ｌ２の範囲を算出してよい。これにより、要求された波長分解能を実現しながら、どのような範囲で回折レンズ１３０を動かしたり、対象物２００とセンサヘッド１００の位置関係を変化させたりすることができるのかを把握することができる。

また、共焦点センサ１は、ユーザが要求する波長分解能の入力及びユーザが要求するリニアリティの入力を受け付けて、要求された波長分解能及び要求されたリニアリティを満たす回折レンズ１３０から対象物２００までの距離Ｌ１及びピンホール１２０から回折レンズ１３０までの距離Ｌ２の範囲を出力してよい。共焦点センサ１は、図９に示す関係性を記憶部に記憶して、要求された波長分解能及び要求されたリニアリティを満たす回折レンズ１３０から対象物２００までの距離Ｌ１及びピンホール１２０から回折レンズ１３０までの距離Ｌ２の範囲を算出してよい。これにより、要求された波長分解能及び要求されたリニアリティを実現しながら、どのような範囲で回折レンズ１３０を動かしたり、対象物２００とセンサヘッド１００の位置関係を変化させたりすることができるのかを把握することができる。

ユーザは、出力されたＬ１及びＬ２の値を参考にして、回折レンズ１３０から対象物２００までの距離Ｌ１及びピンホール１２０から回折レンズ１３０までの距離Ｌ２を調整して、対象物２００までの距離の測定を行う。これにより、例えば、センサヘッド１００を対象物２００に徐々に近づけていくような制御の際に、粗い調整から高精度な調整をすることができる。

図１０は、本実施形態に係る共焦点センサ１の距離算出処理を示すフローチャートである。はじめに、共焦点センサ１は、ユーザが要求する波長分解能の入力を受け付ける（Ｓ３０）。また、共焦点センサ１は、ユーザが要求するリニアリティの入力を受け付ける（Ｓ３１）。

その後、共焦点センサ１は、要求された波長分解能及び要求されたリニアリティを満たす回折レンズ１３０から対象物２００までの距離Ｌ１及びピンホール１２０から回折レンズ１３０までの距離Ｌ２の範囲を算出する（Ｓ３２）。最後に、共焦点センサ１は、算出された回折レンズ１３０から対象物２００までの距離Ｌ１及びピンホール１２０から回折レンズ１３０までの距離Ｌ２の範囲を出力する（Ｓ３３）。以上により、距離算出処理が終了する。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。

［附記１］
複数の波長の光を出射する光源（１０）と、
前記光に対して光軸方向に沿って色収差を生じさせ、他のレンズを介さずに前記光を対象物（２００）に集光する回折レンズ（１３０）と、
前記光のうち、前記対象物（２００）において合焦して反射し、前記回折レンズ（１３０）で集光された反射光を通過させるピンホール（１２０）と、
前記反射光の波長に基づいて、前記回折レンズ（１３０）から前記対象物（２００）までの距離を測定する測定部（４０）と、を備え、
前記ピンホール（１２０）から前記回折レンズ（１３０）までの距離は可変である、
共焦点センサ（１）。

１…共焦点センサ、１０…光源、１１…第１光ファイバ、１２…第２光ファイバ、１３…第３光ファイバ、２０…光カプラ、３０…分光器、３１…第１レンズ、３２…回折格子、３３…第２レンズ、３４…受光素子、３５…読出回路、４０…測定部、１００…センサヘッド、１００ａ…変形例に係るセンサヘッド、１２０…ピンホール、１３０…回折レンズ、１５０…可変機構、１６０ａ…第１ホルダ、１６０ｂ…第２ホルダ、２００…対象物、２１０…第１波長の光、２２０…第２波長の光、３００…コンベア

Claims

複数の波長の光を出射する光源と、
前記光に対して光軸方向に沿って色収差を生じさせ、他のレンズを介さずに前記光を対象物に集光する回折レンズと、
前記光のうち、前記対象物において合焦して反射し、前記回折レンズで集光された反射光を通過させるピンホールと、
前記反射光の波長に基づいて、前記回折レンズから前記対象物までの距離を測定する測定部と、を備え、
前記ピンホールから前記回折レンズまでの距離は可変である、
共焦点センサ。
前記ピンホールから前記回折レンズまでの距離を連続的に変化させる機構をさらに備える、
請求項１に記載の共焦点センサ。
前記回折レンズをそれぞれ異なる位置に収容する複数種類のホルダを付け替え可能である、
請求項１に記載の共焦点センサ。
前記測定部は、前記反射光の波長と、前記回折レンズから前記対象物までの距離との非線形な関係に従って、前記回折レンズから前記対象物までの距離を測定する、
請求項１から３のいずれか一項に記載の共焦点センサ。
前記反射光の波長をλと表し、前記回折レンズから前記対象物までの距離をＬ₁と表し、前記ピンホールから前記回折レンズまでの距離をＬ₂と表し、基準波長λ₀に関する前記回折レンズの焦点距離をｆ₀と表すとき、前記非線形な関係は、
と表される、
請求項４に記載の共焦点センサ。
前記測定部は、前記反射光の波長と、前記回折レンズから前記対象物までの距離との実測値に基づいて推定された前記非線形な関係に従って、前記回折レンズから前記対象物までの距離を測定する、
請求項４又は５に記載の共焦点センサ。
前記測定部は、前記波長に基づいて、前記対象物が所定の範囲内に位置しているか否かを判定する、
請求項１から６のいずれか一項に記載の共焦点センサ。
要求される波長分解能の入力を受け付ける入力部と、
前記波長分解能を満たす前記回折レンズから前記対象物までの距離及び前記ピンホールから前記回折レンズまでの距離の範囲を出力する出力部と、をさらに備える、
請求項１から７のいずれか一項に記載の共焦点センサ。