JP2023009227A - 光学センサおよび光学センサにおける異常検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】センサなどの付加的な検出機構を設けることなく接合異常を検出可能な光学センサおよび光学センサにおける異常検出方法を提供する。【解決手段】光学センサであって、対象物へ照射する光を発生する光源装置と、対象物からの反射光を受光する受光部と、光源装置と光学的に結合される第１の光ファイバおよび受光部と光学的に結合される第２の光ファイバを融着して対象物へ向かう第３の光ファイバの一端と接合する分岐部と、第３の光ファイバの他端から反射がない状態において受光部により検出された受光量を基準検出量として、受光部において検出される受光量の基準受光量に対する増分が予め定められた範囲内にあるか否かに基づいて、第３の光ファイバと分岐部との接合部における接合異常の有無を判断する処理部とを備える。【選択図】図１

Description

この発明は、光学センサおよび光学センサにおける異常検出方法に関し、特に、対象物からの反射光に基づいて対象物との距離または対象物の変位を計測する光学センサおよび光学センサにおける異常検出方法に関する。

近年、共焦点光学系などを用いた光学センサが広く開発されている。
特許文献１に記載された共焦点変位計は、処理装置と、計測ヘッドと、導光部と、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）と、主表示部と、操作部とを備える。処理装置は、筐体と、投光部と、光分岐部と、受光部と、演算処理部と、電力供給部と、副表示部とを含む。導光部は、複数の光ファイバと、ファイバカプラと、ファイバコネクタとを含む。導光部は、処理装置と計測ヘッドとを光学的に接続する。

特開２０１７－１１６４９３号公報

特許文献１に記載の共焦点変位計において、導光部のファイバカプラは、投光部からの光を計測ヘッドを介して計測対象物へ出力し、計測対象物からの反射光を光分岐部を介して受光部に出力する。ここで、ファイバカプラに異常がある場合、投光部からの光が対象物に伝搬されず、計測ができなくなる可能性がある。このような光ファイバの接合異常を検出するためのセンサを設けると、コスト増になる問題がある。

この発明の目的は、センサなどの付加的な検出機構を設けることなく接合異常を検出可能な光学センサおよび光学センサにおける異常検出方法を提供することである。

本開示のある局面によれば、対象物からの反射光に基づいて対象物との距離または対象物の変位を計測する光学センサであって、対象物へ照射する光を発生する光源装置と、対象物からの反射光を受光する受光部と、光源装置と光学的に結合される第１の光ファイバおよび受光部と光学的に結合される第２の光ファイバを融着して対象物へ向かう第３の光ファイバの一端と接合する分岐部と、第３の光ファイバの他端から反射がない状態において受光部により検出された受光量を基準検出量として、受光部において検出される受光量の基準受光量に対する増分が予め定められた範囲内にあるか否かに基づいて、第３の光ファイバと分岐部との接合部における接合異常の有無を判断する処理部とを備える。

好ましくは、受光部は、入射する光強度の波長特性を出力するように構成されており、処理部は、基準検出量に対応する基準波長特性と受光部からの波長特性との差分に相当する差分波長特性に基づいて、増分が予め定められた範囲内にあるか否かを判断する。

好ましくは、処理部は、差分波長特性が示す複数の波長のそれぞれにおける強度が、全て予め定められた正の第１のしきい値以下であり、かつ１つ以上が正の第１のしきい値より小さい予め定められた正の第２のしきい値より大きい場合に、第３の光ファイバと分岐部との接合部に異常があると判断する。

好ましくは、処理部は、差分波長特性が示す複数の波長のそれぞれにおける強度の全てが正の第２のしきい値以下である場合に、光源装置からの光の発生に異常があると判断する。

好ましくは、処理部は、差分波長特性が示す複数の波長のそれぞれにおける強度が、全て正の第２のしきい値以下であり、かつ１つ以上が基準検出量の反転負値より大きい場合、光源装置が劣化したと判断し、差分波長特性が示す複数の波長のそれぞれにおける強度の全てが基準検出量の反転負値と実質的に同一の場合、光源装置からの光の発生が停止したと判断する。

好ましくは、処理部は、差分波長特性が示す各波長の強度を積算して面積値を算出するとともに、算出された面積値が予め定められた正の第１のしきい値以下であり、かつ正の第１のしきい値より小さい予め定められた正の第２のしきい値より大きい場合に、第３の光ファイバと分岐部との接合部に異常があると判断する。

好ましくは、処理部は、面積値が正の第２のしきい値以下である場合に、光源装置からの光の発生に異常があると判断する。

好ましくは、処理部は、面積値が正の第２のしきい値以下であり、かつゼロより大きい場合、光源装置が劣化したと判断し、面積値が実質的にゼロである場合、光源装置からの光の発生が停止したと判断する。

好ましくは、処理部は、第３の光ファイバと分岐部との接合部に異常がなく、かつ、光源装置からの光の発生に異常がない場合、受光部による検出信号を有効な計測信号として出力する。

好ましくは、処理部は、光源装置からの光の発生が停止したと判断した場合、光源装置の投光を停止する。

好ましくは、通知部をさらに備え、処理部は、第３の光ファイバと分岐部との接合部に異常があると判断した場合または光源装置が劣化したと判断した場合、通知部から異常の旨を通知する。

本開示の他の局面によれば、対象物からの反射光に基づいて対象物との距離または対象物の変位を計測する光学センサにおける異常検出方法であって、光源装置が発生する光を対象物へ照射し、受光部により検出される受光量を基準検出量として取得するステップを備え、光源装置と光学的に結合される第１の光ファイバおよび受光部と光学的に結合される第２の光ファイバは、分岐部において融着されて対象物へ向かう第３の光ファイバの一端と接合されており、基準検出量は、第３の光ファイバの他端から反射がない状態において受光部により検出された受光量であり、光源装置が発生する光を対象物へ照射し、受光部により検出される受光量を評価対象検出量として取得するステップと、評価対象受光量の基準受光量に対する増分が予め定められた範囲内にあるか否かに基づいて、第３の光ファイバと分岐部との接合部における接合異常の有無を判断するステップとを備える。

この発明によれば、センサなどの付加的な検出機構を設けることなく接合異常を検出することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る共焦点計測装置５０の構成を示す模式図である。 図１の共焦点計測装置５０における校正時のファイバコネクタ３０の周辺の構成を示した模式図である。 ファイバコネクタ３０での戻り光ＲＬの波長ごとの受光量を示した図である。 図１の共焦点計測装置５０における計測時のファイバコネクタ３０の周辺の構成を示した模式図である。 計測対象物ＴＳの計測時の波長に対する受光量を示した図である。 図１の共焦点計測装置５０におけるファイバ抜け時のファイバコネクタ３０の周辺の構成を示した模式図である。 光ファイバ５２がファイバコネクタ３０から抜けた場合における波長に対する受光量を示した図である。 図１の共焦点計測装置５０における光源装置１０の異常時のファイバコネクタ３０の周辺の構成の一例を示した模式図である。 光源装置１０の投光に異常が発生した場合における波長に対する受光量の一例を示した図である。 計測対象物ＴＳの計測時の受光信号ＲＭから戻り光ＲＬを減算して補正した図である。 光ファイバ５２がファイバコネクタ３０から抜けた場合の受光信号ＲＥから戻り光ＲＬを減算して補正した図である。 光源装置１０の投光に異常が発生した場合の受光信号ＲＳから戻り光ＲＬを減算して補正した図である。 サンプリング値を用いて測定時の共焦点計測装置５０の投光部での異常を検知する方法を示したフロー図である。 差分データの中から代表点を数点サンプリングする様子を示した図である。 受光信号の面積値を用いて測定時の共焦点計測装置５０の投光部での異常を検知する方法を示したフロー図である。 差分データと横軸とで囲まれる面積を算出する様子を示した図である。 サンプリングしきい値を用いて非測定時の共焦点計測装置５０の投光部での異常を検知する方法を示したフロー図である。 受光信号の面積値を用いて非測定時の共焦点計測装置５０の投光部での異常を検知する方法を示したフロー図である。

図１は、本発明の一実施形態に係る共焦点計測装置５０の構成を示す模式図である。共焦点計測装置５０は、光学センサの一例である。

図１に示すように、共焦点計測装置５０は、光源装置１０と、ファイバコネクタ３０と、受光部４５と、ヘッド部５１と、光ファイバ５２と、分岐光ファイバ５６と、処理部５９とを備える。受光部４５は、分光器５７と、撮像素子５８とを含む。

共焦点計測装置５０は、光源装置１０を搭載し、共焦点光学系を利用して計測対象物ＴＳとの距離または計測対象物ＴＳの変位を計測する計測装置である。共焦点計測装置５０は、例えば、ガラス厚みやガラス平坦度などを計測する。光源装置１０は、たとえば白色光源である。

図１に示すように、共焦点計測装置５０は、共焦点の光学系を有するヘッド部５１と、ヘッド部５１に接続された光ファイバ５２と、光ファイバ５２を介してヘッド部５１と光学的に接続されたコントローラ部５３と、コントローラ部５３から出力される信号を表示するモニタ５４とを備えている。光ファイバ５２とコントローラ部５３とは、ファイバコ
ネクタ３０を介して接続されている。光ファイバ５２は、ファイバコネクタ３０から着脱することが可能である。

ヘッド部５１は、筒状の筐体部内に、回折レンズ５１ａと、回折レンズ５１ａより計測対象物ＴＳ側に配置された対物レンズ５１ｂと、光ファイバ５２と回折レンズ５１ａとの間に設けられた集光レンズ５１ｃとを有している。

回折レンズ５１ａは、後述する複数の波長の光を出射する光源装置１０から出射される光に、光軸方向に沿って色収差を生じさせる。回折レンズ５１ａは、レンズの表面に、例えば、キノフォーム形状あるいはバイナリ形状（ステップ形状、階段形状）などの微細な起伏形状が周期的に形成されている。なお、回折レンズ５１ａの形状は、上記構成に限定されるものではない。

対物レンズ５１ｂは、回折レンズ５１ａにおいて色収差を生じさせた光を計測対象物ＴＳに集光する。

集光レンズ５１ｃは、光ファイバ５２の開口数（ＮＡ：numerical aperture）と回折レンズ５１ａの開口数とを一致させるために、光ファイバ５２と回折レンズ５１ａとの間に設けられている。これは、光ファイバ５２から出射する光を回折レンズ５１ａで有効に利用するには、光ファイバ５２の開口数と回折レンズ５１ａの開口数とを一致させる必要があるためである。白色光源としての光源装置１０から出射される光は、光ファイバ５２を介してヘッド部５１に導かれている。

光ファイバ５２は、ヘッド部５１からコントローラ部５３までの光路であるとともに、ピンホールとしても機能している。つまり、対物レンズ５１ｂで集光した光のうち、計測対象物ＴＳで合焦する光は、光ファイバ５２の開口部で合焦する。このため、光ファイバ５２は、計測対象物ＴＳで合焦しない波長の光を遮光し、計測対象物ＴＳで合焦する光を通過させるピンホールとして機能する。

共焦点計測装置５０は、ヘッド部５１からコントローラ部５３までの光路に光ファイバ５２を用いない構成であってもよい。しかし、当該光路に光ファイバ５２を用いることで、ヘッド部５１をコントローラ部５３に対してフレキシブルに移動することができる。また、共焦点計測装置５０は、ヘッド部５１からコントローラ部５３までの光路に光ファイバ５２を用いない構成の場合、ピンホールを備える必要がある。しかし、光ファイバ５２を用いる構成の場合、共焦点計測装置５０は、ピンホールを備える必要がない。

コントローラ部５３は、白色光源としての光源装置１０と、分岐光ファイバ５６と、分光器５７と、撮像素子５８と、処理部５９とを内部に搭載している。なお、光源装置１０の詳細な構成については、後段にて詳述する。

分岐光ファイバ５６は、ヘッド部５１からコントローラ部５３までの光路を形成する光ファイバ５２との接続側に一本の光ファイバ５５ａを、その反対側に２本の光ファイバ１５，５５ｂを有している。なお、光ファイバ１５は、後述する光源装置１０の一部を構成している。光ファイバ５５ｂは、分光器５７に接続されており、光ファイバ５５ａからの光を分光器５７に出射する。

分岐光ファイバ５６は、ファイバコネクタ３０と組み合わされて、分岐部を構成する。分岐部は、分岐光ファイバ５６とファイバコネクタ３０との組合せ以外にも、例えばビームスプリッタやハーフミラーを用いてもよい。

上記の構成により、分岐光ファイバ５６は、光源装置１０から出射された光を光ファイバ５２に導いてヘッド部５１から計測対象物ＴＳに対して照射する。さらに、分岐光ファイバ５６は、光ファイバ５２およびヘッド部５１を介して、計測対象物ＴＳの表面において反射した光を分光器５７に導く。

分光器５７は、ヘッド部５１を介して戻ってきた反射光を反射する凹面ミラー５７ａと、凹面ミラー５７ａで反射した光が入射する回折格子５７ｂと、回折格子５７ｂから出射された光を集光する集光レンズ５７ｃとを有している。なお、分光器５７は、ヘッド部５１を介して戻ってくる反射光を波長ごとに分けることができれば、ツェルニターナ型、リトロー型などのいずれの構成であってもよい。

撮像素子５８は、分光器５７から出射された光の強度を測定するラインＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）やＣＣＤ（Charge Coupled Device）である。共焦点計測装置５０では、分光器５７および撮像素子５８によって、ヘッド部５１を介して戻ってきた反射光の強度を波長ごとに測定する測定部を構成する。

なお、測定部は、ヘッド部５１から戻る光の強度を波長ごとに測定することができれば、ＣＣＤなどの撮像素子５８の単体で構成されていてもよい。また、撮像素子５８は、２次元のＣＭＯＳや２次元のＣＣＤであってもよい。

処理部５９は、光源装置１０や撮像素子５８などの動作を制御する。また、図示していないが、処理部５９は、光源装置１０や撮像素子５８などの動作を調整するための信号を入力する入力インターフェース、撮像素子５８の信号を出力する出力インターフェースなどを有している。処理部５９は、撮像素子５８からの受光信号を受けて、計測対象物ＴＳとの距離または計測対象物ＴＳの変位を計測するとともに、当該受光信号に基づいて投光部の異常を検出する。

モニタ５４は、撮像素子５８が出力した信号を表示する。例えば、モニタ５４は、ヘッド部５１から光ファイバ５２および分光器５７を介して撮像素子５８に戻る光のスペクトル波形を描画し、計測対象物との距離または計測対象物の変位を表示する。

（投光部での異常検出について）
次に、光源装置１０を含む投光部での異常を検知する方法について説明する。

図２は、図１の共焦点計測装置５０における校正時のファイバコネクタ３０の周辺の構成を示した模式図である。

図２を参照して、ファイバコネクタ３０は、コントローラ部５３の外部の光ファイバ５２と、コントローラ部５３の内部の光ファイバ５５ａとを光学的に接続している。ファイバコネクタ３０は、屈折率ｎ１の光ファイバ５２と、屈折率ｎ１と実質的に等しい屈折率ｎ２の光ファイバ５５ａとを密着させることにより光を伝達している。しかし、光ファイバ５２と光ファイバ５５ａとが密着している端面部分において、光源装置１０からの出射光に対してわずかに反射成分が生じる。

図２は、計測対象物ＴＳが設けられておらず、光ファイバ５２を通ってファイバコネクタ３０へ反射される光がない校正時を示す。光源装置１０から光ファイバ１５を通って出射される光Ｌ１は、大部分が光ファイバ５２に光Ｌ２として出力されるが、一部はファイバコネクタ３０で光Ｌ３として反射される。図２では、計測対象物ＴＳからの反射光がゼロなので、光Ｌ３が分岐光ファイバ５６を介してそのまま光ファイバ５５ｂへの出力光となる。この光Ｌ３を光源装置１０の戻り光ＲＬと称する。

図３は、ファイバコネクタ３０での戻り光ＲＬの波長ごとの受光量を示した図である。
図３を参照して、戻り光ＲＬは、計測対象物ＴＳの存在に関わらず乗ってくるオフセット成分である。戻り光ＲＬは、計測時のリニアリティ性能に影響する可能性がある。このオフセット成分は、接続する光ファイバによって機差がある。そこで、ヘッド部５１の校正を行なうことで当該機差を補正する必要がある。

図４は、図１の共焦点計測装置５０における計測時のファイバコネクタ３０の周辺の構成を示した模式図である。

図４を参照して、計測対象物ＴＳの計測時において、光源装置１０から光ファイバ１５を通って出射される光Ｌ１は、大部分が光ファイバ５２に光Ｌ２として出力されるが、一部はファイバコネクタ３０で光Ｌ３として反射される。光Ｌ２は、計測対象物ＴＳで反射され、反射光Ｌ４がファイバコネクタ３０に帰還する。光Ｌ３と光Ｌ４との和が受光信号ＲＭとして光ファイバ５５ｂから出力される。

図５は、計測対象物ＴＳの計測時の波長に対する受光量を示した図である。
図５に示すように、受光信号ＲＭは、計測対象物ＴＳで合焦する光の波長を中心に分布している。上述したように、受光信号ＲＭには、計測対象物ＴＳの存在に関わらず、戻り光ＲＬの成分が載っている。

図６は、図１の共焦点計測装置５０におけるファイバ抜け時のファイバコネクタ３０の周辺の構成を示した模式図である。

図６は、光ファイバ５２がファイバコネクタ３０から抜けている場合を示す。この場合、屈折率ｎ２の光ファイバ５５ａは、端面で屈折率ｎ０の空気と接する。屈折率ｎ２と屈折率ｎ０との屈折率差は、屈折率ｎ２と屈折率ｎ１との屈折率差よりも大きい。そのため、光ファイバ５５ａの端面において、光ファイバ５２と光ファイバ５５ａとが密着している場合よりも多くの反射成分が生じる。

図６を参照して、光源装置１０から光ファイバ１５を通って出射される光Ｌ１は、一部が空気中に光Ｌ５として放出され、他の一部がファイバコネクタ３０で光Ｌ６として反射される。図６では、光Ｌ５は光ファイバ５５ａに再入射しないので、光Ｌ６が分岐光ファイバ５６を介してそのまま受光信号ＲＥとして光ファイバ５５ｂへの出力光となる。受光信号ＲＥは、屈折率差から戻り光ＲＬよりも大きくなる。

図７は、光ファイバ５２がファイバコネクタ３０から抜けた場合における波長に対する受光量を示した図である。

図７に示すように、受光信号ＲＥは、光ファイバ５２が抜けずに存在する状態と比較して戻り光が大きくなっている。これは、光ファイバ５２が空気に置き換わったことにより、屈折率差が大きくなったためである。戻り光ＲＬと同様に、受光信号ＲＥもまた、計測対象物ＴＳの影響を受けない。

図８は、図１の共焦点計測装置５０における光源装置１０の異常時のファイバコネクタ３０の周辺の構成の一例を示した模式図である。

光源装置１０の異常時には、光源装置１０から光ファイバ１５を通って出射される光が低減される。そのため、ファイバコネクタ３０を透過する光も反射する光も規定値を下回る。その結果、分岐光ファイバ５６を介して光ファイバ５５ｂに出力される受光信号ＲＳ
も規定値を下回る。図８は、光源装置１０の異常のうち、光源装置１０が停止した場合を示す。

図９は、光源装置１０の投光に異常が発生した場合における波長に対する受光量の一例を示した図である。

図９に示すように、受光信号ＲＳは、光源装置１０の投光に異常が発生し、光源装置１０が停止した場合には、ほぼゼロとなる。投光の異常とは、光源装置１０が停止する場合の他に、光源装置１０内部の透光性蛍光体等が破損して撮像素子５８に届く光がゼロになる場合、および、撮像素子５８に届く光が規定のしきい値を下回るほど光源装置１０が劣化した場合も含まれる。

図１０は、計測対象物ＴＳの計測時の受光信号ＲＭから戻り光ＲＬを減算して補正した図である。

補正信号ＲＭｄは、計測対象物ＴＳの計測時の受光信号ＲＭから、露光時間の影響を除去した正常時の戻り光ＲＬを差分したものである。図１０に示すように、補正信号ＲＭｄは、計測対象物ＴＳで合焦する光の波長の付近で、しきい値ＴＨ１，ＴＨ２より大きな値となる。

図１１は、光ファイバ５２がファイバコネクタ３０から抜けた場合の受光信号ＲＥから戻り光ＲＬを減算して補正した図である。

補正信号ＲＥｄは、光ファイバ５２がファイバコネクタ３０から抜けた場合の受光信号ＲＥから、露光時間の影響を除去した正常時の戻り光ＲＬを差分したものである。図１１に示すように、補正信号ＲＥｄは、しきい値ＴＨ１より小さくなるとともに、しきい値ＴＨ２より大きくなる。

図１２は、光源装置１０の投光に異常が発生した場合の受光信号ＲＳから戻り光ＲＬを減算して補正した図である。

補正信号ＲＳｄは、光源装置１０の投光に異常が発生し、光源装置１０が停止した場合の受光信号ＲＳから、露光時間の影響を除去した正常時の戻り光ＲＬを差分したものである。受光信号ＲＳがゼロであることから、補正信号ＲＳｄは、通常マイナスの値となる。補正信号ＲＳｄは、光源装置１０の異常時には、しきい値ＴＨ１，ＴＨ２より小さな値となる。

（計測時の異常検出）
次に、受光波形データから共焦点計測装置５０の投光部での異常を検知する具体的な方法について説明する。異常を検知する方法としては、例えば、サンプリング値から検知する方法と、受光信号の面積値から検知する方法とがある。

図１３は、サンプリング値を用いて測定時の共焦点計測装置５０の投光部での異常を検知する方法を示したフロー図である。

図１３を参照して、まず、ステップＳ１０において、計測時の受光波形データを取得する（図５、図７、図９および対応する説明参照）。ステップＳ１１では、当該受光波形データからヘッド部５１の校正時の戻り光波形データを減算して、差分データを算出する（図１０～図１２および対応する説明参照）。ステップＳ１２では、当該差分データの中から代表点を数点サンプリングする。

図１４は、差分データの中から代表点を数点サンプリングする様子を示した図である。
図１４に示すように、差分データＲｄに対してサンプリング点Ｒｄ１，Ｒｄ２，…，Ｒｄ８（以下、Ｒｄｋ（ｋは自然数）とも称す）を設定する。

図１３に戻って、ステップＳ１３において、サンプリング点Ｒｄｋでの各サンプリング値が全て予め定められた正のしきい値ＴＨ１以下であるかどうかを判定する。当該サンプリング値が全て正のしきい値ＴＨ１以下であれば、ステップＳ１４において、当該サンプリング値が１つ以上正のしきい値ＴＨ２より大きいかどうかを判定する。

上記サンプリング値が１つ以上正のしきい値ＴＨ２より大きければ、ステップＳ１５において、光ファイバ５２がファイバコネクタ３０から抜けたと判断する。このとき、ステップＳ１６において、モニタ５４にエラーを表示するとともに、ファイバ抜けの異常があったことを通知する。

図３および図７で説明したように、戻り光ＲＬ、受光信号ＲＥはいずれも、計測対象物ＴＳの反射率にかかわらずほぼ一定の値を示す。そのため、図１１を参照して、補正信号ＲＥｄ＝ＲＥ－ＲＬも計測対象物ＴＳの反射率にかかわらずほぼ一定の値となり、変動幅は極めて小さくなる。よって、上記サンプリング値が、全て予め定められた正のしきい値ＴＨ１以下であり、かつ１つ以上正のしきい値ＴＨ２より大きければ、計測対象物ＴＳの存在に関わらず、光ファイバ５２がファイバコネクタ３０から抜けたと判断される。

一方、ステップＳ１４において、サンプリング点Ｒｄｋでの各サンプリング値がすべて正のしきい値ＴＨ２以下であれば、ステップＳ１７において、当該サンプリング値が１つ以上、戻り光ＲＬを正負反転させた反転負値より大きいかどうかを判定する。当該サンプリング値が１つ以上、戻り光ＲＬの反転負値より大きければ、ステップＳ１８において、光源装置１０が劣化したと判断する。このとき、ステップＳ１９において、モニタ５４にエラーを表示するとともに、光源装置１０の劣化があったことを通知する。

ステップＳ１７において、サンプリング点Ｒｄｋでの各サンプリング値の全てが戻り光ＲＬを正負反転させた反転負値と実質的に等しければ、ステップＳ２０において、光源装置１０からの光の発生が停止したと判断する。このとき、ステップＳ２１において、モニタ５４にエラーを表示するとともに、光源装置１０の投光を停止する。

また、Ｓ１３においてサンプリング値の１つ以上が正のしきい値ＴＨ１より大きければ、ステップＳ２２において、検出信号を有効な計測信号として出力する。当該計測信号は、処理部５９を介して外部に出力される。

図１５は、受光信号の面積値を用いて測定時の共焦点計測装置５０の投光部での異常を検知する方法を示したフロー図である。

図１５を参照して、まず、ステップＳ３０において、計測時の受光波形データを取得する（図５、図７、図９および対応する説明参照）。ステップＳ３１では、当該受光波形データからヘッド部５１の校正時の戻り光波形データを減算して、差分データを算出する（図１０～図１２および対応する説明参照）。ステップＳ３２では、当該差分データと横軸（図１６参照）とで囲まれる面積を算出する。

図１６は、差分データと横軸とで囲まれる面積を算出する様子を示した図である。
図１６に示すように、縦軸が受光量で横軸が波長のグラフにおいて、差分データＲｄと横軸とで囲まれる面積ＲｄＳを算出する。具体的には、差分データＲｄを積分することに
よって面積Ｒｄｓを求める。

図１５に戻って、ステップＳ３３において、差分データＲｄと横軸とで囲まれる面積ＲｄＳが予め定められた正のしきい値ＴＨ１以下であるかどうかを判定する。当該面積値が正のしきい値ＴＨ１以下であれば、ステップＳ３４において、当該面積値が正のしきい値ＴＨ２より大きいかかどうかを判定する。当該面積値が正のしきい値ＴＨ２より大きければ、ステップＳ３５において、光ファイバ５２がファイバコネクタ３０から抜けたと判断する。このとき、ステップＳ３６において、モニタ５４にエラーを表示し、ファイバ抜けの異常があったことを通知する。

図１３で説明したように、図１１を参照して、補正信号ＲＥｄ＝ＲＥ－ＲＬは、計測対象物ＴＳの反射率にかかわらずほぼ一定の値となり、変動幅は極めて小さくなる。よって、上記面積値が予め定められた正のしきい値ＴＨ１以下であり、かつ正のしきい値ＴＨ２より大きければ、計測対象物ＴＳの存在に関わらず、光ファイバ５２がファイバコネクタ３０から抜けたと判断される。

一方、Ｓ３４において面積値が正のしきい値ＴＨ２以下であれば、ステップＳ３７において、当該面積値がゼロより大きいかどうかを判定する。当該面積値がゼロより大きければ、ステップＳ３８において、光源装置１０が劣化したと判断する。このとき、ステップＳ３９において、モニタ５４にエラーを表示するとともに、光源装置１０の劣化があったことを通知する。

ステップＳ３７において、上記面積値が実質的にゼロであれば、ステップＳ４０において、光源装置１０からの光の発生が停止したと判断する。このとき、ステップＳ４１において、モニタ５４にエラーを表示するとともに、光源装置１０への電源投入を停止する。

また、ステップＳ３３において、差分データＲｄと横軸とで囲まれる面積ＲｄＳが正のしきい値ＴＨ１より大きければ、ステップＳ４２において、検出信号を有効な計測信号として出力する。当該計測信号は、処理部５９を介して外部に出力される。

（非計測時の異常検出）
以上は、計測対象物ＴＳの計測時において投光部の異常を検知する方法である。ここでは、ステップＳ１１、Ｓ２１において、ヘッド部５１の校正時の戻り光波形データを取得している。この戻り光波形データの取得時（非計測時）に、投光部での異常を検知する具体的な方法について説明する。

図１７は、サンプリングしきい値を用いて非測定時の共焦点計測装置５０の投光部での異常を検知する方法を示したフロー図である。

図１７を参照して、まず、ステップＳ５０において、計測対象物ＴＳを取り除いて受光波形データを取得する（図３、図７または図９および対応する説明参照）。ステップＳ５１では、当該受光波形データの中から代表点を数点サンプリングする。

ステップＳ５２において、サンプリング値が全て予め定められた正のしきい値ＴＨ１以下であるかどうかを判定する。当該サンプリング値が全て正のしきい値ＴＨ１以下であれば、ステップＳ５３において、当該サンプリング値が１つ以上正のしきい値ＴＨ２より大きいかどうかを判定する。当該サンプリング値が１つ以上正のしきい値ＴＨ２より大きければ、ステップＳ５４において、検出信号を有効な基準検出量の戻り光ＲＬとして出力する（図３参照）。当該戻り光ＲＬの波形データは、処理部５９に記録されて次の計測に用いられる。

一方、Ｓ５３においてサンプリング値が全て正のしきい値ＴＨ２以下であれば、ステップＳ５５において、当該サンプリング値が１つ以上、戻り光ＲＬを正負反転させた反転負値より大きいかどうかを判定する。当該サンプリング値が１つ以上、戻り光ＲＬの反転負値より大きければ、ステップＳ５６において、光源装置１０が劣化したと判断する。このとき、ステップＳ５７において、モニタ５４にエラーを表示するとともに、光源装置１０の劣化があったことを通知する。

ステップＳ５５において、サンプリング点Ｒｄｋでの各サンプリング値の全てが戻り光ＲＬを正負反転させた反転負値と実質的に等しければ、ステップＳ５８において、光源装置１０からの光の発生が停止したと判断する（図９参照）。このとき、ステップＳ５９において、モニタ５４にエラーを表示するとともに、光源装置１０の投光を停止する。

また、ステップＳ５２において、サンプリング値の１つ以上が正のしきい値ＴＨ１より大きければ、ステップＳ６０において、光ファイバ５２がファイバコネクタ３０から抜けたと判断する（図７参照）。このとき、ステップＳ６１において、モニタ５４にエラーを表示するとともに、ファイバ抜けの異常があったことを通知する。

図１８は、受光信号の面積値を用いて非測定時の共焦点計測装置５０の投光部での異常を検知する方法を示したフロー図である。

図１８を参照して、まず、ステップＳ７０において、計測対象物ＴＳを取り除いて受光波形データを取得する（図３、図７または図９および対応する説明参照）。ステップＳ７１では、当該受光波形データと横軸（図１６参照）とで囲まれる面積を算出する。

ステップＳ７２において、受光波形データと横軸とで囲まれる面積が予め定められた正のしきい値ＴＨ１以下であるかどうかを判定する。当該面積値が正のしきい値ＴＨ１以下であれば、ステップＳ７３において、当該面積値が正のしきい値ＴＨ２より大きいかどうかを判定する。当該面積値が正のしきい値ＴＨ２より大きければ、ステップＳ７４において、検出信号を有効な基準検出量の戻り光ＲＬとして出力する（図３参照）。当該戻り光ＲＬの波形データは、処理部５９に記録されて次の計測に用いられる。

一方、Ｓ７３において面積値が正のしきい値ＴＨ２以下であれば、ステップＳ７５において、当該面積値がゼロより大きいかどうかを判定する。当該面積値がゼロより大きければ、ステップＳ７６において、光源装置１０が劣化したと判断する。このとき、ステップＳ７７において、モニタ５４にエラーを表示するとともに、光源装置１０の劣化があったことを通知する。

ステップＳ７５において、上記面積値が実質的にゼロであれば、ステップＳ７８において、光源装置１０からの光の発生が停止したと判断する（図９参照）。このとき、ステップＳ７９において、モニタ５４にエラーを表示するとともに、光源装置１０の投光を停止する。

また、ステップＳ７２において、受光波形データと横軸とで囲まれる面積が正のしきい値ＴＨ１より大きければ、ステップＳ８０において、光ファイバ５２がファイバコネクタ３０から抜けたと判定する（図７参照）。このとき、ステップＳ８１において、例えばモニタ５４にエラーを表示して、ファイバ抜けの異常があったことを通知する。

以上のように、この発明の実施の形態では、撮像素子に集光される受光データをモニタリングして分岐部の接合異常を検知する。まず、ヘッド校正時に取得した戻り光データを
正常時のデータとして記録する。次に、計測時の受光データを取得して、そこから露光時間の影響を除去した正常時の戻り光データを減算する。当該差分データに対して、サンプリング値または面積値により、異常状態かどうかを判定する。

処理部は、光源装置からの光の発生が停止したと判断すると、光源装置の投光を停止する。また、処理部は、第３の光ファイバと分岐部との接合部に異常があるか、光源装置が劣化したと判断すると、モニタ等の通知部から異常の旨を通知する。

以上により、センサなどの付加的な検出機構を設けることなく、接合異常および光源異常を検出することが可能となる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ 光源装置、５１ｃ，５７ｃ 集光レンズ、１５，５２，５５ａ，５５ｂ 光ファイバ、３０ ファイバコネクタ、４５ 受光部、５０ 共焦点計測装置、５１ ヘッド部、５１ａ 回折レンズ、５１ｂ 対物レンズ、５３ コントローラ部、５４ モニタ、５６ 分岐光ファイバ、５７ 分光器、５７ａ 凹面ミラー、５７ｂ 回折格子、５８ 撮像素子、５９ 処理部、Ａ１ 中心軸、Ａ２ レンズ中心軸、ＦＰ，ＦＰａ１，ＦＰａ２，ＦＰｂ１，ＦＰｂ２，ＦＰｃ１，ＦＰｃ２ 蛍光、ＬＰ レーザ光、Ｌｄ レーザ伝搬方向、ＲＥ，ＲＭ，ＲＳ 受光波形、ＲＥｄ，ＲＭｄ，ＲＳｄ 補正波形、ＲＬ 戻り光、Ｒｄ 差分データ、Ｒｄ１～Ｒｄ８，Ｒｄｋ サンプリング点、ＲｄＳ 面積、ＴＳ 計測対象物。

Claims (12)

1. 対象物からの反射光に基づいて前記対象物との距離または前記対象物の変位を計測する光学センサであって、
   前記対象物へ照射する光を発生する光源装置と、
   前記対象物からの反射光を受光する受光部と、
   前記光源装置と光学的に結合される第１の光ファイバおよび前記受光部と光学的に結合される第２の光ファイバを融着して前記対象物へ向かう第３の光ファイバの一端と接合する分岐部と、
   前記第３の光ファイバの他端から反射がない状態において前記受光部により検出された受光量を基準検出量として、前記受光部において検出される受光量の前記基準受光量に対する増分が予め定められた範囲内にあるか否かに基づいて、前記第３の光ファイバと前記分岐部との接合部における接合異常の有無を判断する処理部とを備える、光学センサ。
2. 前記受光部は、入射する光強度の波長特性を出力するように構成されており、
   前記処理部は、前記基準検出量に対応する基準波長特性と前記受光部からの波長特性との差分に相当する差分波長特性に基づいて、前記増分が予め定められた範囲内にあるか否かを判断する、請求項１に記載の光学センサ。
3. 前記処理部は、前記差分波長特性が示す複数の波長のそれぞれにおける強度が、全て予め定められた正の第１のしきい値以下であり、かつ１つ以上が前記正の第１のしきい値より小さい予め定められた正の第２のしきい値より大きい場合に、前記第３の光ファイバと前記分岐部との接合部に異常があると判断する、請求項２に記載の光学センサ。
4. 前記処理部は、前記差分波長特性が示す複数の波長のそれぞれにおける強度の全てが前記正の第２のしきい値以下である場合に、前記光源装置からの光の発生に異常があると判断する、請求項３に記載の光学センサ。
5. 前記処理部は、前記差分波長特性が示す複数の波長のそれぞれにおける強度が、全て前記正の第２のしきい値以下であり、かつ１つ以上が前記基準検出量の反転負値より大きい場合、前記光源装置が劣化したと判断し、前記差分波長特性が示す複数の波長のそれぞれにおける強度の全てが前記基準検出量の反転負値と実質的に同一の場合、前記光源装置からの光の発生が停止したと判断する、請求項４に記載の光学センサ。
6. 前記処理部は、前記差分波長特性が示す各波長の強度を積算して面積値を算出するとともに、算出された面積値が予め定められた正の第１のしきい値以下であり、かつ前記正の第１のしきい値より小さい予め定められた正の第２のしきい値より大きい場合に、前記第３の光ファイバと前記分岐部との接合部に異常があると判断する、請求項２に記載の光学センサ。
7. 前記処理部は、前記面積値が前記正の第２のしきい値以下である場合に、前記光源装置からの光の発生に異常があると判断する、請求項６に記載の光学センサ。
8. 前記処理部は、前記面積値が前記正の第２のしきい値以下であり、かつゼロより大きい場合、前記光源装置が劣化したと判断し、前記面積値が実質的にゼロである場合、前記光源装置からの光の発生が停止したと判断する、請求項７に記載の光学センサ。
9. 前記処理部は、前記第３の光ファイバと前記分岐部との接合部に異常がなく、かつ、前記光源装置からの光の発生に異常がない場合、前記受光部による検出信号を有効な計測信号として出力する、請求項４または７に記載の光学センサ。
10. 前記処理部は、前記光源装置からの光の発生が停止したと判断した場合、前記光源装置の投光を停止する、請求項５または８に記載の光学センサ。
11. 通知部をさらに備え、
    前記処理部は、前記第３の光ファイバと前記分岐部との接合部に異常があると判断した場合または前記光源装置が劣化したと判断した場合、前記通知部から異常の旨を通知する、請求項５または８に記載の光学センサ。
12. 対象物からの反射光に基づいて前記対象物との距離または前記対象物の変位を計測する光学センサにおける異常検出方法であって、
    光源装置が発生する光を前記対象物へ照射し、受光部により検出される受光量を基準検出量として取得するステップを備え、前記光源装置と光学的に結合される第１の光ファイバおよび前記受光部と光学的に結合される第２の光ファイバは、分岐部において融着されて前記対象物へ向かう第３の光ファイバの一端と接合されており、前記基準検出量は、前記第３の光ファイバの他端から反射がない状態において前記受光部により検出された受光量であり、
    前記光源装置が発生する光を前記対象物へ照射し、前記受光部により検出される受光量を評価対象検出量として取得するステップと、
    前記評価対象受光量の前記基準受光量に対する増分が予め定められた範囲内にあるか否かに基づいて、前記第３の光ファイバと前記分岐部との接合部における接合異常の有無を判断するステップとを備える、光学センサにおける異常検出方法。
    

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