JPWO2017110837A1 - 共焦点変位計 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)共焦点変位計の基本構成
以下、本発明の第1の実施の形態に係る共焦点変位計について図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の第1の実施の形態に係る共焦点変位計の構成を示す模式図である。図1に示すように、共焦点変位計500は、処理装置100、計測ヘッド200、導光部300および制御装置400を備える。導光部300は、複数の光ファイバを含み、処理装置100と計測ヘッド200とを光学的に接続する。
図2は、共焦点変位計500の動作原理を説明するための図である。以下、本実施の形態に係る共焦点変位計500の動作原理の理解を容易にするため、1個の光ファイバ(本例では光ファイバ313)から計測ヘッド200に出力される光を用いて一般の共焦点変位計の動作原理を先に説明する。
図5(a),(b)は、それぞれ投光部120の構成を示す平面図および断面図である。図5に示すように、投光部120は、光源121、蛍光体122、フェルール123、レンズ124、保持具125、フィルタ素子126および素子ホルダ127を含む。素子ホルダ127は、光源固定部127A、フェルール固定部127Bおよびレンズ固定部127Cを含む。光源121、フェルール123およびレンズ124は、素子ホルダ127の光源固定部127A、フェルール固定部127Bおよびレンズ固定部127Cにそれぞれ固定される。
図1の演算処理部150の記憶部151には、受光部140の画素の位置と、出力される受光波形W0のピーク波長λ0と、計測距離との換算式が予め記憶されている。演算処理部150の制御部152は、受光信号を出力する画素の位置を特定するとともに、特定された画素の位置および記憶部151に記憶された換算式に基づいて受光波形W0のピーク波長λ0および計測距離を順次算出する。これにより、計測対象物Sの厚み、距離または変位を計測することができる。また、制御部152は、計測距離をより正確に算出するために、以下に説明する基底波形の除去および受光部140の温度特性の補正を行う。
計測対象物Sとは異なる部分で反射された光が受光部140により受光されることがある。図6は、計測対象物Sとは異なる部分で反射される光の一例を示す模式図である。図6の例においては、レンズユニット220の屈折レンズ221により直接反射された光(矢印で示す光)が光ファイバ313〜316に入力される。このような光は、計測距離を示す成分を含まずに、不要な成分を含む。
上記のように、特定の波長を有する光は、当該波長に対応付けられた受光部140の画素により受光される。しかしながら、周囲の温度変化に伴う受光部140の受光面の位置の変化または受光面の傾きの変化により、特定の波長を有する光が対応付けられた画素とは異なる画素により受光されることがある。この場合、計測距離を正確に算出することができない。そこで、以下に説明する受光部140の温度特性の補正が行われる。
共焦点変位計500について基本的な使用例を説明する。以下の使用例においては、初期状態で共焦点変位計500の電源がオンされているものとする。また、図1の制御装置400のCPU403は、計測モードにあるものとする。
図22は、変位計測処理を示すフローチャートである。図1のCPU403は、共焦点変位計500の電源がオンされることにより、一定の周期で以下の変位計測処理を実行する。初期状態において、CPU403は計測モードにある。また、表示装置401には、図12の画面が表示されているものとする。
本実施の形態に係る共焦点変位計500においては、複数の波長を有する光が投光部120により出射される。投光部120により出射された光には、レンズユニット220により色収差が発生する。また、色収差を有する光がレンズユニット220により収束されて計測対象物Sに照射される。レンズユニット220を通して計測対象物Sに照射された光のうち、計測対象物Sの表面で合焦しつつ反射された波長の光が複数の光ファイバ313〜316を通過する。
(a)導光部の変形例
本実施の形態において、導光部300は2個のファイバカプラ320,330を含むが、本発明はこれに限定されない。導光部300はファイバカプラ320,330の一方または両方を含まなくてもよい。図25は、導光部300の第1の変形例を示す図である。図25の例では、導光部300は図1の光ファイバ317,318およびファイバカプラ320を含まない。ファイバカプラ330のポート331〜336には、それぞれ光ファイバ311〜316が接続される。
本実施の形態において、レンズユニット220は屈折レンズ221および回折レンズ222を含むが、本発明はこれに限定されない。レンズユニット220は屈折レンズ221および回折レンズ222の一方または両方を含まなくてもよい。図28(a)〜(d)は、レンズユニット220の第1〜第4の変形例を示す図である。
本実施の形態において、光源121から出射される光の光軸とフェルール123の中心軸とが一直線上に配置されるが、本発明はこれに限定されない。図29は、投光部120の変形例を示す図である。図29に示すように、変形例における投光部120は、光源121、蛍光体122、フェルール123、レンズ124,128および反射部材129を含む。レンズ124は、光源121と反射部材129との間に配置される。レンズ128は、反射部材129とフェルール123との間に配置される。蛍光体122は、反射部材129の反射面に塗布される。
本実施の形態において、分光部130の回折格子131は反射型を有するが、本発明はこれに限定されない。図30は、分光部130の変形例を示す図である。図30に示すように、分光部130の変形例においては、回折格子131は透過型を有する。回折格子131に入射された光は、波長ごとに異なる角度で透過するように分光される。回折格子131により分光された光は、レンズ133を通過することにより波長ごとに異なる受光部140の画素の位置に合焦される。
(1)共焦点変位計の基本構成
本発明の第2の実施の形態に係る共焦点変位計について、第1の実施の形態に係る共焦点変位計500と異なる点を説明する。図31は、本発明の第2の実施の形態に係る共焦点変位計の構成を示す模式図である。図31に示すように、共焦点変位計500の導光部300は、複数(本例では4個)のファイバカプラ340および複数(本例では12個)の光ファイバ311A〜311D,312A〜312D,313〜316を含む。図31のファイバカプラ340は、図26のファイバカプラ340と同様の構成を有する。
(a)第2の実施の形態における第1の変形例
本実施の形態において、受光部140が二次元ラインセンサにより実現されるが、本発明はこれに限定されない。図34は、第2の実施の形態における第1の変形例に係る共焦点変位計500の構成を示す模式図である。図34に示すように、第1の変形例に係る共焦点変位計500は、図31の分光部130および受光部140に代えて、複数(本例では4個)の分光部130A〜130Dおよび複数(本例では4個)の受光部140A〜140Dを含む。
図35は、第2の実施の形態における第2の変形例に係る共焦点変位計500の構成を示す模式図である。図35に示すように、第2の変形例に係る共焦点変位計500は、図31の分光部130、受光部140およびファイバカプラ340に代えて、複数(本例では2個)の分光部130A,130B、複数(本例では2個)の受光部140A,140Bおよび複数(本例では2個)のファイバカプラ320を含む。また、第2の変形例に係る共焦点変位計500は、図31の光ファイバ311C,311D,312C,312Dを含まない。
本発明の第3の実施の形態に係る共焦点変位計について、第1の実施の形態に係る共焦点変位計500と異なる点を説明する。図36は、本発明の第3の実施の形態に係る共焦点変位計の構成を示す模式図である。図36に示すように、共焦点変位計500の導光部300は、図1の2個のファイバカプラ320,330に代えて1個の光スイッチ360を含む。また、導光部300は、図1の光ファイバ317,318を含まない。
(1)上記実施の形態において、導光部300は光ファイバを含み、光ファイバを用いて処理装置100と計測ヘッド200との間で光が伝送されるが、本発明はこれに限定されない。導光部300は光ファイバを含まず、ミラーおよびハーフミラー等の光学素子を用いて処理装置100と計測ヘッド200との間で光が伝送されてもよい。
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。
110,210 筐体
120 投光部
121 光源
122 蛍光体
123 フェルール
124,128,132,133 レンズ
125 保持具
126 フィルタ素子
127 素子ホルダ
127A 光源固定部
127B フェルール固定部
127C レンズ固定部
129 反射部材
130,130A〜130D 分光部
131 回折格子
140,140A〜140D 受光部
141〜144 受光領域
150 演算処理部
151 記憶部
152 制御部
160 表示部
200 計測ヘッド
220 レンズユニット
221 屈折レンズ
222 回折レンズ
223 対物レンズ
224 ダブレットレンズ
300 導光部
301 ファイバユニット
302 保持部材
310a コア
310b クラッド
311〜318,311A〜311D,312A〜312D 光ファイバ
320,330,340,350 ファイバカプラ
321〜324,331〜336,341〜343,351〜355,361〜366
ポート
325,337,344,356,367 本体部
360 光スイッチ
371 ハーフミラー
372,373 空間フィルタ
372a,373a ピンホール
400 制御装置
401 表示装置
402 操作部
403 CPU
404 メモリ
410 第1の表示領域
450 第2の表示領域
451 受光確認ボタン
452 確認設定ボタン
453 確認終了ボタン
454 計測開始ボタン
461,462 入力欄
463,464 表示態様ボタン
491 切替ボタン
500 共焦点変位計
BL 基底波形
L1 直径
L2 距離
MR 計測範囲
P0,Px〜Pz ピーク
P1,P2 合焦位置
RP 基準位置
S 計測対象物
W0〜W4 受光波形
λ0〜λ4,λx,λy ピーク波長
Claims (17)
- 共焦点光学系を利用して計測対象物の変位を計測する共焦点変位計であって、
複数の波長を有する光を出射する投光部と、
前記投光部により出射された光に光軸方向に沿った色収差を発生させるとともに、色収差を有する光を収束させて前記計測対象物に照射する光学部材と、
前記光学部材により前記計測対象物に照射された光のうち、前記計測対象物の表面で合焦しつつ反射された波長の光を通過させる複数のピンホールを有するピンホール部材と、
前記複数のピンホールを通過した複数の光についての波長ごとの強度の平均に対応する平均信号の波長ごとの信号強度に基づいて前記計測対象物の変位を算出する変位計測部とを備える、共焦点変位計。 - 第1の光ファイバを有し、
前記第1の光ファイバの端部が前記ピンホールであり、前記第1の光ファイバが前記ピンホール部材である、請求項1記載の共焦点変位計。 - 前記投光部は、
一端部および他端部を有する第2の光ファイバと、
レーザ光源と、
前記第2の光ファイバの前記一端部に配置され、前記レーザ光源により出射された光を吸収して前記レーザ光源により出射された光の波長とは異なる波長の光を放出する蛍光体とを含み、
前記第2の光ファイバは、前記蛍光体が放出する光を前記一端部から受け付け、受け付けた光を前記他端部から前記第1の光ファイバに導く、請求項2記載の共焦点変位計。 - 前記第1の光ファイバは、複数設けられ、
前記複数の第1の光ファイバの端部がそれぞれ前記複数のピンホールである、請求項2または3記載の共焦点変位計。 - 前記変位計測部は、
前記複数のピンホールを通過した複数の光を合成することにより一の合成光を生成する合成部と、
前記合成部により合成された合成光を分光する分光部と、
前記分光部により分光された光を受光し、前記合成部により合成された光について波長ごとの受光量を示す電気的な受光信号を平均信号として出力する受光部と、
前記受光部から出力される平均信号に基づいて前記計測対象物の変位を算出する算出部とを含む、請求項2〜4のいずれか一項に記載の共焦点変位計。 - 前記合成部は、第1のファイバカプラと、第2のファイバカプラと、複数の前記第1の光ファイバと、前記第2の光ファイバと、第3の光ファイバと、第4の光ファイバとを含み、
前記第2の光ファイバは、前記投光部により出射された光を前記第1のファイバカプラに導くように前記第1のファイバカプラに接続され、
前記第4の光ファイバは、前記第1のファイバカプラと前記第2のファイバカプラとの間で光が伝送されるように前記第1および第2のファイバカプラに接続され、
前記複数の第1の光ファイバの各々は、前記第2の光ファイバおよび前記第4の光ファイバにより前記第2のファイバカプラに導かれた光を前記光学部材に導くとともに、前記計測対象物の表面で合焦しつつ反射された光を前記第2のファイバカプラに導くように前記第2のファイバカプラに接続され、
前記第3の光ファイバは、前記複数の第1の光ファイバおよび前記第4の光ファイバにより前記第1のファイバカプラに導かれた光を前記分光部に導くように前記第1のファイバカプラに接続される、請求項5記載の共焦点変位計。 - 前記合成部は、ファイバカプラと、複数の前記第1の光ファイバと、前記第2の光ファイバと、第3の光ファイバとを含み、
前記第2の光ファイバは、前記投光部により出射された光を前記ファイバカプラに導くように前記ファイバカプラに接続され、
前記複数の第1の光ファイバの各々は、前記第2の光ファイバにより前記ファイバカプラに導かれた光を前記光学部材に導くとともに、前記計測対象物の表面で合焦しつつ反射された光を前記ファイバカプラに導くように前記ファイバカプラに接続され、
前記第3の光ファイバは、前記複数の第1の光ファイバにより前記ファイバカプラに導かれ光を前記分光部に導くように前記ファイバカプラに接続される、請求項5記載の共焦点変位計。 - 前記変位計測部は、
前記複数のピンホールを通過した複数の光をそれぞれ分光する分光部と、
前記分光部により分光された複数の光をそれぞれ受光し、前記複数のピンホールを通過した複数の光の各々について波長ごとの受光量を示す電気的な複数の受光信号を出力する受光部と、
前記受光部から出力される複数の受光信号を波長ごとに平均または積算することにより前記波長ごとの信号強度として平均信号を算出し、算出された平均信号に基づいて前記計測対象物の変位を算出する算出部とを含む、請求項2〜4のいずれか一項に記載の共焦点変位計。 - 前記変位計測部は、
前記複数のピンホールを通過した複数の光を部分的に合成することにより複数の合成光を生成する合成部と、
前記合成部により合成された複数の合成光をそれぞれ分光する分光部と、
前記分光部により分光された複数の光をそれぞれ受光し、前記複数のピンホールを通過した複数の光の各々について波長ごとの受光量を示す電気的な複数の受光信号を出力する受光部と、
前記受光部から出力される複数の受光信号を波長ごとに平均または積算することにより前記波長ごとの信号強度として平均信号を算出し、算出された平均信号に基づいて前記計測対象物の変位を算出する算出部とを含む、請求項2〜4のいずれか一項に記載の共焦点変位計。 - 前記変位計測部は、
複数の光が前記計測対象物に順次照射されるように、前記光学部材により収束された光の前記計測対象物への照射と非照射とを切り替える切替部と、
前記切替部により前記計測対象物に照射された後、前記複数のピンホールを順次通過した複数の光をそれぞれ分光する分光部と、
前記分光部により分光された複数の光を単一の露光期間内に受光し、受光した光について波長ごとの受光量を示す電気的な受光信号を平均信号として出力する受光部と、
前記受光部から出力される平均信号に基づいて前記計測対象物の変位を算出する算出部とを含む、請求項2〜4のいずれか一項に記載の共焦点変位計。 - 前記変位計測部は、
複数の光が前記計測対象物に順次照射されるように、前記光学部材により収束された光の前記計測対象物への照射と非照射とを切り替える切替部と、
前記切替部により前記計測対象物に照射された後、前記複数のピンホールを順次通過した複数の光をそれぞれ分光する分光部と、
前記分光部により分光された複数の光をそれぞれ受光し、前記複数のピンホールを通過した複数の光の各々について波長ごとの受光量を示す電気的な複数の受光信号を出力する受光部と、
前記受光部から出力される複数の受光信号を波長ごとに平均または積算することにより前記波長ごとの信号強度として平均信号を算出し、算出された平均信号に基づいて前記計測対象物の変位を算出する算出部とを含む、請求項2〜4のいずれか一項に記載の共焦点変位計。 - 前記第1の光ファイバは、前記投光部により出射された光を前記光学部材に導くように設けられる、請求項2〜11のいずれか一項に記載の共焦点変位計。
- 処理装置と、
ヘッド部とをさらに備え、
前記処理装置は、前記投光部、前記分光部、前記受光部および前記算出部を含むとともに、前記投光部、前記分光部、前記受光部および前記算出部を収容する第1の筐体をさらに含み、
前記ヘッド部は、前記光学部材を含むとともに、前記光学部材を収容する第2の筐体をさらに含む、請求項5〜12のいずれか一項に記載の共焦点変位計。 - 前記第1の光ファイバの端部の前記ピンホールは、前記ヘッド部内に設けられ、
前記第1の光ファイバは、前記ヘッド部から前記処理装置に光を導くように配置される、請求項13記載の共焦点変位計。 - 前記複数のピンホールは、光路に交差する面内で並ぶように配置される、請求項1〜14のいずれか一項に記載の共焦点変位計。
- 複数のピンホールは、前記光学部材により収束された光のうち、前記計測対象物の表面の複数の部分で合焦しつつ反射された複数の光をそれぞれ通過させるように配置される、請求項1〜15のいずれか一項に記載の共焦点変位計。
- 前記投光部は、
単一波長の光を出射する光源と、
前記光源により出射された光を吸収して前記光源により出射された光の波長とは異なる波長の光を放出する蛍光体とを含む、請求項1または2記載の共焦点変位計。
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