KR20190038994A - 공초점 계측 장치 - Google Patents

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다카히로 오쿠다
겐이치 마토바
히로아키 다키마사
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Abstract

계측 대상물의 위치 검출 정밀도를 높일 수 있는 공초점 계측 장치를 제공한다.
공초점 계측 장치(1)는, 백색광을 출력하는 광원(10)과, 광 커플러(20)와, 색수차를 발생시킨 광을 계측 대상물(200)에 조사하는 센서 헤드(100)와, 계측 대상물(200)에서 반사된 반사광을 취득하여 반사광의 스펙트럼을 계측하는 분광기(30)를 구비하고, 광 커플러(20)는, 제1 광파이버(11)로부터 제2 광파이버(12)로 광을 전송하는 경우의 제1 전송 파형과, 제2 광파이버(12)로부터 제3 광파이버(13)로 광을 전송하는 경우의 제2 전송 파형을 가깝게 하는 필터형 커플러(22) 또는 공간 광학계형 커플러(23)이다.

Description

공초점 계측 장치{CONFOCAL MEASUREMENT DEVICE}
본 발명은 공초점 계측 장치에 관한 것이다.
종래, 비접촉으로 계측 대상물의 변위를 계측하는 장치로서 공초점 광학계를 이용한 공초점 계측 장치가 이용되고 있다.
예를 들어 하기 특허문헌 1에 기재된 공초점 계측 장치는, 광원과 계측 대상물의 사이에 회절 렌즈를 이용한 공초점 광학계를 가진다. 이 공초점 계측 장치에서는, 광원으로부터의 출사광은 공초점 광학계에 의해 그 파장에 따른 초점 거리로 계측 대상물에 조사된다. 그리고, 반사광 파장의 피크를 검출함으로써 계측 대상물의 변위를 계측할 수 있다.
공초점 계측 장치는 광원, 센서 헤드 및 분광기를 광파이버로 접속하는 광 커플러를 구비하는 경우가 있다. 예를 들어 하기 특허문헌 2에는, 싱글 모드 광파이버로부터 입사한 광을 분파하거나 합파하는 분기부를 구비하는 거리 측정 장치가 개시되어 있다.
특허문헌 1: 미국특허 제5785651호 명세서 특허문헌 2: 일본공개특허 2016-024086호 공보
공초점 계측 장치는, 백색 광원으로부터 출사되는 광을 광파이버로 도광하여, 회절 렌즈 등에 의해 색수차를 발생시켜 계측 대상물에 조사하는 경우가 있다. 그리고, 계측 대상물에서 반사된 광을 광파이버에 모아 광 커플러를 통해 반사광을 분광기에 입력하고, 분광기에 의해 파장의 피크를 검출함으로써 계측 대상물의 위치를 계측할 수 있다. 여기서, 계측 대상물에서 반사된 광 중에서 광파이버로 초점이 맞는 파장이 분광기에서 피크로서 나타나고, 계측 대상물의 위치를 고정밀도로 검출할 수 있다.
계측 대상물의 위치를 보다 고정밀도로 검출하고자 하는 경우, 핀홀에 상당하는 광파이버의 코어 지름을 보다 작게 하여 분광기에 의해 검출되는 파장의 피크가 보다 예리해지도록 하는 것을 생각할 수 있다. 본 발명의 발명자들은 광파이버의 코어 지름을 종래보다 작게 하여 공초점 계측 장치를 시험 제작한 바, 종래 이용하였던 광 커플러에서는 전송 특성이 양호하지 않아 분광기에 의해 파장의 피크를 검출하는 것이 어려워져서, 계측 대상물의 위치를 충분한 정밀도로 검출할 수 없음을 발견하였다.
그래서, 본 발명은 계측 대상물의 위치 검출 정밀도를 높일 수 있는 공초점 계측 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 개시의 일 태양에 관한 공초점 계측 장치는, 백색광을 제1 광파이버에 출력하는 광원과, 제1 광파이버, 제2 광파이버 및 제3 광파이버가 접속되어 있는 광 커플러와, 제2 광파이버에 접속되고, 입사한 백색광에 대해 광축 방향을 따라 색수차를 발생시키는 회절 렌즈를 수용하며, 색수차를 발생시킨 광을 계측 대상물에 조사하는 센서 헤드와, 제3 광파이버에 접속되고, 계측 대상물에서 반사되어 센서 헤드에 의해 집광된 반사광을 제2 광파이버, 광 커플러 및 제3 광파이버를 통해 취득하여, 반사광의 스펙트럼을 계측하는 분광기를 구비하며, 광 커플러는, 제1 광파이버로부터 제2 광파이버로 광을 전송하는 경우의 파장과 광량의 관계를 나타내는 제1 전송 파형과, 제2 광파이버로부터 제3 광파이버로 광을 전송하는 경우의 파장과 광량의 관계를 나타내는 제2 전송 파형을 가깝게 하는 필터형 커플러 또는 공간 광학계형 커플러이다.
이 태양에 의하면, 광 커플러에 의해 제1 광파이버로부터 제2 광파이버로 광을 전송하는 경우의 제1 전송 파형과, 제2 광파이버로부터 제3 광파이버로 광을 전송하는 경우의 제2 전송 파형이 가까워짐으로써, 광 커플러에 의해 광의 스펙트럼을 변형시키는 일이 적어져서, 계측 대상물의 위치 검출 정밀도를 보다 높일 수 있다.
전술한 태양에 있어서, 제2 광파이버 및 제3 광파이버는, 백색광 및 반사광을 코어에 전송시키는 경우의 모드수가 5 내지 250이어도 된다.
이 태양에 의하면, 제2 광파이버 및 제3 광파이버에 5~250 정도의 모드수가 존재하는 코어 지름이 작은 광파이버를 사용할 수 있고, 센서 헤드로 반사광을 집광하는 경우의 핀홀의 직경이나, 분광기에 반사광을 입력하는 경우의 핀홀의 직경이 작아져서, 계측 대상물의 위치 검출 정밀도를 보다 높일 수 있다.
전술한 태양에 있어서, 제2 광파이버 및 제3 광파이버의 코어 지름은 5μm 내지 25μm이어도 된다.
이 태양에 의하면, 센서 헤드로 반사광을 집광하는 경우의 핀홀의 직경이나, 분광기에 반사광을 입력하는 경우의 핀홀의 직경이 25μm 이하가 되어, 분광기에 의해 반사광의 스펙트럼의 피크를 보다 명확하게 검출할 수 있다.
전술한 태양에 있어서, 필터형 커플러 또는 공간 광학계형 커플러는, 적어도 1개의 하프 미러를 포함해도 된다.
이 태양에 의하면, 동일한 광량의 광을 전송하는 경우에, 광 커플러에 의해 제1 광파이버로부터 제2 광파이버로 광을 전송하는 경우의 광량과, 제2 광파이버로부터 제3 광파이버로 광을 전송하는 경우의 광량이 동일해지도록 할 수 있다.
전술한 태양에 있어서, 광 커플러는 필터형 커플러이고, 필터형 커플러는, 파장에 관한 하이 패스 필터, 로우 패스 필터 및 밴드 패스 필터 중 적어도 어느 하나가 제1면에 형성되고 제2면에 하프 미러가 형성된 필터와, 필터의 제1면 측에 설치되며 제3 광파이버가 접속되는 제1 포트와, 필터의 제1면 측에 설치되며 제2 광파이버가 접속되는 제2 포트와, 필터의 제2면 측에 설치되며 제1 광파이버가 접속되는 제3 포트를 가져도 된다.
전술한 태양에 있어서, 필터의 제1면에는, 투과하는 광의 파장 변화에 대해 광량 변화가 작아지도록 파장에 의존한 투과율을 갖는 필터가 형성되어 있어도 된다.
이 태양에 의하면, 광 커플러의 투과율의 파장 의존성 및 모드 의존성이 저감되어, 넓은 파장 범위에 걸쳐 반사광의 스펙트럼을 정확하게 계측할 수 있게 된다.
본 발명에 의하면, 계측 대상물의 위치 검출 정밀도를 높일 수 있는 공초점 계측 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 공초점 계측 장치의 개요도이다.
도 2는 종래예에 관한 용융 연신형 커플러의 개요도이다.
도 3은 종래예에 관한 용융 연신형 커플러의 전송 파형을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 실시형태에 관한 필터형 커플러의 개요도이다.
도 5는 본 실시형태에 관한 필터형 커플러의 전송 파형을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 실시형태에 관한 필터형 커플러의 제1 변형예의 전송 파형을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 실시형태에 관한 필터형 커플러의 제2 변형예의 전송 파형을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 실시형태에 관한 공간 광학계형 커플러의 개요도이다.
도 9는 본 실시형태에 관한 공간 광학계형 커플러의 전송 파형을 나타내는 도면이다.
첨부 도면을 참조하여 본 발명의 적합한 실시형태에 대해 설명한다. 또, 각 도면에서 동일한 부호를 부여한 것은 동일하거나 마찬가지의 구성을 가진다.
도 1은, 본 발명의 실시형태에 관한 공초점 계측 장치(1)의 개요도이다. 본 실시형태에 관한 공초점 계측 장치(1)는 계측 대상물(200)의 위치를 계측하는 장치로서, 광원(10), 제1 광파이버(11), 제2 광파이버(12), 제3 광파이버(13), 광 커플러(20), 분광기(30), 처리부(40) 및 센서 헤드(100)를 구비한다.
광원(10)은, 백색광을 제1 광파이버(11)에 출력한다. 광원(10)은, 처리부(40)의 지령에 기초하여 백색광의 광량을 조정해도 된다. 제1 광파이버(11)는 임의의 광파이버이어도 되고, 예를 들어 코어 지름이 50μm인 굴절률 분포형 파이버이어도 된다. 제1 광파이버(11)는, 광 커플러(20)에 접속되는 앞쪽에서 코어 지름이 보다 미세한 파이버에 연결되어도 된다.
광 커플러(20)는, 제1 광파이버(11), 제2 광파이버(12) 및 제3 광파이버(13)가 접속되고, 제1 광파이버(11)로부터 제2 광파이버(12)로 광을 전송하는 경우의 파장과 광량의 관계를 나타내는 제1 전송 파형과, 제2 광파이버(12)로부터 제3 광파이버(13)로 광을 전송하는 경우의 파장과 광량의 관계를 나타내는 제2 전송 파형을 가깝게 하는 필터형 커플러(22) 또는 공간 광학계형 커플러(23)이다. 제1 전송 파형 및 제2 전송 파형에 대해서는 나중에 상세하게 설명한다.
센서 헤드(100)는, 제2 광파이버(12)에 접속되고, 입사한 백색광에 대해 광축 방향을 따라 색수차를 발생시키는 회절 렌즈(120)를 수용하며, 색수차를 발생시킨 광을 계측 대상물(200)에 조사한다. 센서 헤드(100)는, 제2 광파이버(12)의 단면(端面)으로부터 출사된 백색광을 평행광으로 변환하는 콜리메이터 렌즈(110)와, 광축 방향을 따라 색수차를 발생시키는 회절 렌즈(120)와, 색수차를 발생시킨 광을 계측 대상물(200)에 모으는 대물 렌즈(130)를 수용한다. 본 예에서는, 초점 거리가 비교적 긴 제1 파장의 광(210)과, 초점 거리가 비교적 짧은 제2 파장의 광(220)을 도시하고 있다. 본 예의 경우, 제1 파장의 광(210)은 계측 대상물(200)의 표면에서 초점을 맺지만, 제2 파장의 광(220)은 계측 대상물(200)의 앞에서 초점을 맺는다.
계측 대상물(200)의 표면에서 반사된 광은, 대물 렌즈(130)에 의해 모이고 회절 렌즈(120)를 통과하여 콜리메이터 렌즈(110)에서 집광되어 제2 광파이버(12)의 코어에 반송된다. 반사광 중에서 제1 파장의 광(210)은, 제2 광파이버(12)의 단면에서 초점이 맞기 때문에 그 대부분이 제2 광파이버(12)에 입사하지만, 그 밖의 파장의 광은 제2 광파이버(12)의 단면에서 초점이 맞지 않아 그 대부분이 제2 광파이버(12)에 입사하지 않는다. 제2 광파이버(12)에 입사한 반사광은, 광 커플러(20)를 경유하여 제3 광파이버(13)에 전송되어 분광기(30)에 입력된다. 또, 제2 광파이버(12)에 입사한 반사광은 광 커플러(20)를 경유하여 제1 광파이버(11)에도 전송되지만, 광원(10)에서 종단된다.
분광기(30)는, 제3 광파이버(13)에 접속되고, 계측 대상물(200)에서 반사되어 센서 헤드(100)에 의해 집광된 반사광을 제2 광파이버(12), 광 커플러(20) 및 제3 광파이버(13)를 통해 취득하여, 반사광의 스펙트럼을 계측한다. 분광기(30)는, 제3 광파이버(13)로부터 출사된 반사광을 모으는 제1 렌즈(31)와, 반사광을 분광하는 회절 격자(32)와, 분광된 반사광을 모으는 제2 렌즈(33)와, 분광된 반사광을 수광하는 수광 소자(34)와, 수광 소자(34)에 의한 수광 신호를 독출하는 독출 회로(35)를 포함한다. 독출 회로(35)는, 수광 소자(34)에 의한 수광 신호에 기초하여 수광한 광의 파장 및 광량을 독출한다. 독출된 광의 파장 및 광량은, 처리부(40)에 의해 계측 대상물(200)의 위치로 바뀌어 읽힌다. 본 예의 경우, 제1 파장의 광(210)이 피크로서 나타나고, 그 파장에 대응하는 위치가 정밀도 높게 계측된다.
공초점 계측 장치(1)는, 센서 헤드(100)가 정지 상태에 있으면 수십nm(나노미터)의 분해능력으로 계측 대상물(200)의 위치를 계측할 수 있다. 계측 정밀도를 더욱 향상시키기 위해서는, 제2 광파이버(12) 및 제3 광파이버(13)의 코어 지름을 보다 작게 하여 제2 광파이버(12)에 입사하는 반사광의 파장을 제한하고, 분광기(30)에 의해 보다 예리한 피크가 검출되도록 할 필요가 있다.
본 실시형태에 관한 공초점 계측 장치(1)의 제2 광파이버(12) 및 제3 광파이버(13)는, 광원(10)으로부터 출력되는 백색광 및 계측 대상물(200)에서 반사된 반사광을 코어에 전송시키는 경우의 모드수가 5 내지 250이어도 된다. 보다 구체적으로, 제2 광파이버(12) 및 제3 광파이버(13)는, 전송되는 광의 파장이 450nm~700nm를 포함한 가시광 대역인 경우에 5~250 정도의 모드수가 존재하는 파이버이어도 된다.
굴절률 계단형 파이버의 경우, 전송되는 광의 모드수(M)는 M=(4/π2)V2에 의해 구해진다. 여기서, V는 V=2π(a/λ0)NA로 정해지는 V 파라미터이고, a는 코어의 반경, λ0은 전송되는 광의 파장, NA는 파이버 개구수이다. 만약 NA=0.14, λ0=575nm로 하면, 코어 지름(직경)이 5μm인 경우 모드수는 약 6이 된다. 또한, 동일한 조건으로 코어 지름이 25μm인 경우 모드수는 약 148이 된다. 본 실시형태에 관한 공초점 계측 장치(1)의 제2 광파이버(12) 및 제3 광파이버(13)의 코어 지름은 5μm 내지 25μm이어도 된다. 이 경우, 모드수는 대략 5~250이 된다.
종래 이용하였던 용융 연신형 광 커플러에서는, 모드수가 250 이하가 되는 작은 코어 지름의 광파이버를 접속하면 투과율의 파장 의존성 및 모드 의존성이 현저하게 나타나고, 나중에 도 2에 도시된 바와 같이 전송 특성이 양호하지 않게 되는 것을 발명자들은 발견하였다. 또한, 광파이버의 코어 지름을 작게 함으로써, 센서 헤드(100)에서 반사광을 집광하는 경우의 핀홀의 직경을 작게 하거나, 분광기(30)에 반사광을 입력하는 경우의 핀홀의 직경을 작게 하여 반사광의 스펙트럼의 분해능력을 향상시킬 수 있지만, 코어 지름을 5μm 이하로 하면, 광원(10)으로부터 출력되고 광파이버에 의해 전송되는 백색광의 광량이 저하되어 계측 주기를 길게 해야만 하는 경우가 있다. 이러한 사정을 감안하여, 제2 광파이버(12) 및 제3 광파이버(13)의 코어 지름은 5μm 내지 25μm, 즉 모드수가 대략 5 내지 250이 되는 코어 지름이 적합한 것을 발명자들은 발견하였다.
제2 광파이버(12) 및 제3 광파이버(13)의 코어에 존재하는 모드수가 5 내지 250이고 코어 지름이 작음으로써, 센서 헤드(100)에서 반사광을 집광하는 경우의 핀홀의 직경이나, 분광기(30)에 반사광을 입력하는 경우의 핀홀의 직경이 작아지고, 계측 대상물(200)의 위치 검출 정밀도를 보다 높일 수 있다.
또한, 제2 광파이버(12) 및 제3 광파이버(13)의 코어 지름이 5μm 내지 25μm임으로써, 센서 헤드(100)에서 반사광을 집광하는 경우의 핀홀의 직경이나, 분광기(30)에 반사광을 입력하는 경우의 핀홀의 직경이 5μm 내지 25μm가 되어, 분광기(30)에 의해 반사광의 스펙트럼의 피크를 보다 명확하게 검출할 수 있다. 또, 제2 광파이버(12) 및 제3 광파이버(13)의 코어 지름은 5μm 내지 25μm 이외이어도 되고, 제2 광파이버(12)와 제3 광파이버(13)에서 코어 지름이 달라도 된다.
도 2는, 종래예에 관한 용융 연신형 커플러(21)의 개요도이다. 용융 연신형 커플러(21)는 제1 포트, 제2 포트 및 제3 포트를 가지며, 예를 들어 제1 포트 및 제3 포트로부터 입사한 광이 길이(L)의 용융 연신 구간에서 이버네센트 결합하여 제2 포트로 출사된다. 이하에서는, 제2 포트 및 제3 포트의 파이버를 코어 중에 존재하는 모드수가 5 내지 250이 되는 파이버로 한 경우에 대해 설명한다. 또, 일반적으로 용융 연신형 커플러(21)의 제1 포트, 제2 포트 및 제3 포트의 파이버는 코어 지름이 50μm 등인 파이버이거나 멀티 모드 파이버이어도 된다.
도 3은, 종래예에 관한 용융 연신형 커플러(21)의 전송 파형을 나타내는 도면이다. 도 3에서는, 세로축에 광량을 나타내고, 가로축에 파장을 nm의 단위로 나타낸다. 도 3에 도시된 그래프 중 실선으로 나타내는 제1 전송 파형은, 제1 포트로부터 제2 포트로 광을 전송하는 경우의 파장과 광량의 관계를 나타내고 있다. 또한, 점선으로 나타내는 제2 전송 파형은, 제2 포트로부터 제3 포트로 광을 전송하는 경우의 파장과 광량의 관계를 나타내고 있다.
본 예의 경우, 실선으로 나타내는 제1 전송 파형과 점선으로 나타내는 제2 전송 파형은 대부분의 파장 범위에서 현저하게 괴리되어 있고, 제1 포트로부터 제2 포트로 광을 전송하는 경우와 제2 포트로부터 제3 포트로 광을 전송하는 경우에 전송 특성에 큰 차이가 있는 것을 알 수 있다. 특히, 450nm 부근에 발생하는 광량의 피크가, 실선으로 나타내는 제1 전송 파형이 점선으로 나타내는 제2 전송 파형보다 2배 가까이 큰 값으로 되어 있다. 또한, 500nm에서 650nm까지의 파장 범위에서, 점선으로 나타내는 제2 전송 파형은 다봉 형상으로 되어 있는 것에 반해, 실선으로 나타내는 제1 전송 파형은 단봉 형상으로 되어 있어 파형에 큰 차이가 있다. 이와 같이 용융 연신형 커플러(21)에 모드수가 5 내지 250이 되는 파이버를 접속하는 것으로는, 전송 특성이 양호하지 않고, 분광기(30)에 의해 파장의 피크를 검출하는 것이 어려워져서, 계측 대상물(200)의 위치를 충분한 정밀도로 검출할 수 없게 된다.
도 4는, 본 실시형태에 관한 필터형 커플러(22)의 개요도이다. 필터형 커플러(22)는, 파장에 관한 하이 패스 필터, 로우 패스 필터 및 밴드 패스 필터 중 적어도 어느 하나가 제1면(22d)에 형성되고 제2면(22e)에 하프 미러가 형성된 필터(22c)를 가진다. 또한, 필터형 커플러(22)는, 필터(22c)의 제1면(22d) 측에 설치되며 제3 광파이버(13)가 접속되는 제1 포트와, 필터(22c)의 제1면(22d) 측에 설치되며 제2 광파이버(12)가 접속되는 제2 포트와, 필터(22c)의 제2면(22e) 측에 설치되며 제1 광파이버(11)가 접속되는 제3 포트를 가진다.
필터형 커플러(22)는, 제1 포트 및 제2 포트가 설치된 제1 캐필러리(22a)와, 제1 캐필러리(22a)에 인접하는 제1 렌즈(22b)와, 제1 렌즈(22b)와 필터(22c)를 사이에 두고 대향하는 제2 렌즈(22f)와, 제3 포트가 설치된 제2 캐필러리(22g)를 포함한다.
도 5는, 본 실시형태에 관한 필터형 커플러(22)의 전송 파형을 나타내는 도면이다. 도 5에서는, 세로축에 광량을 나타내고, 가로축에 파장을 nm의 단위로 나타낸다. 도 5에 도시된 그래프 중 실선으로 나타내는 제1 전송 파형은, 제1 포트로부터 제2 포트로 광을 전송하는 경우의 파장과 광량의 관계를 나타내고 있다. 또한, 점선으로 나타내는 제2 전송 파형은, 제2 포트로부터 제3 포트로 광을 전송하는 경우의 파장과 광량의 관계를 나타내고 있다. 본 실시형태에 관한 필터형 커플러(22)의 제2 포트에는, 광원(10)으로부터 출력되는 백색광 및 계측 대상물(200)에서 반사된 반사광을 코어에 전송시키는 경우의 모드수가 5 내지 250인 제2 광파이버(12)가 접속되고, 제1 포트에는, 광원(10)으로부터 출력되는 백색광 및 계측 대상물(200)에서 반사된 반사광을 코어에 전송시키는 경우의 모드수가 5 내지 250인 제3 광파이버(13)가 접속된다.
제3 포트에 접속하는 제1 광파이버(11)는 멀티 모드 파이버이어도 된다. 구체적으로, 제1 광파이버(11)는 코어 지름이 50μm 이상인 광파이버이어도 된다. 그리고, 제1 광파이버(11)는 제3 포트와의 접속 부분에서 코어 지름이 보다 작고 모드수가 5~250이 되는 광파이버에 연결되어도 된다. 제1 광파이버(11)가 코어 지름이 비교적 큰 멀티 모드 파이버임으로써, 코어 지름이 작은 광파이버끼리를 접속하였을 때에 발생하는 손실에 의해 광 커플러에 입사하는 광량이 저하되는 것을 억제하거나, 광원(10)으로부터 제1 광파이버(11)로 광을 집광할 때의 광축 조정을 용이하게 할 수 있다.
본 예의 경우, 실선으로 나타내는 제1 전송 파형과 점선으로 나타내는 제2 전송 파형은 모든 파장 범위에서 거의 일치하고, 제1 포트로부터 제2 포트로 광을 전송하는 경우와 제2 포트로부터 제3 포트로 광을 전송하는 경우에 전송 특성에 거의 차이가 없는 것을 알 수 있다. 450nm 부근에 발생하는 광량의 피크는, 실선으로 나타내는 제1 전송 파형의 경우와 점선으로 나타내는 제2 전송 파형에서 거의 동일한 값으로 되어 있다. 또한, 500nm에서 650nm까지의 파장 범위에서, 실선으로 나타내는 제1 전송 파형의 경우와 점선으로 나타내는 제2 전송 파형이 둘 다 단봉 형상으로 되어 있다. 이와 같이 광 커플러(20)로서 필터형 커플러(22)를 이용함으로써, 제2 광파이버(12) 및 제3 광파이버(13)가 모드수가 5 내지 250이 되는 파이버이어도, 전송 특성이 양호해지고, 분광기(30)에 의해 예리한 파장의 피크를 검출하는 것이 가능해져서, 계측 대상물(200)의 위치를 고정밀도로 검출할 수 있다.
도 6은, 본 실시형태에 관한 필터형 커플러(22)의 제1 변형예의 전송 파형을 나타내는 도면이다. 도 6에서는, 세로축에 광량을 나타내고, 가로축에 파장을 nm의 단위로 나타낸다. 도 6에 도시된 그래프는, 제1 포트로부터 제2 포트로 광을 전송하는 경우의 파장과 광량의 관계를 나타내고 있다. 또, 제2 포트로부터 제3 포트로 광을 전송하는 경우의 파장과 광량의 관계도 마찬가지이다. 본 변형예에 관한 필터형 커플러(22)의 필터(22c)의 제1면(22d)에는, 투과하는 광의 파장 변화에 대해 광량 변화가 작아지도록 파장에 의존한 투과율을 갖는 필터가 형성되어 있다. 본 예에서는, 파장이 대략 515nm 내지 615nm의 범위에서 광량이 거의 일정해지는 필터(22c)가 제1면(22d)에 형성되어 있다. 이와 같이, 필터(22c)의 제1면(22d)에, 투과하는 광의 파장 변화에 대해 광량 변화가 작아지도록 파장에 의존한 투과율을 갖는 필터를 형성함으로써, 광량이 거의 일정해지는 파장 범위를 넓힐 수 있다. 이에 의해, 광 커플러(20)의 투과율의 파장 의존성 및 모드 의존성이 저감되어, 넓은 파장 범위에 걸쳐 반사광의 스펙트럼을 정확하게 계측할 수 있게 된다.
도 7은, 본 실시형태에 관한 필터형 커플러(22)의 제2 변형예의 전송 파형을 나타내는 도면이다. 도 7에서는, 세로축에 광량을 나타내고, 가로축에 파장을 nm의 단위로 나타낸다. 도 7에 도시된 그래프는, 제1 포트로부터 제2 포트로 광을 전송하는 경우의 파장과 광량의 관계를 나타내고 있다. 또, 제2 포트로부터 제3 포트로 광을 전송하는 경우의 파장과 광량의 관계도 마찬가지이다. 본 변형예에 관한 필터형 커플러(22)의 필터(22c)의 제1면(22d)에는, 파장에 관한 로우 패스 필터가 형성되어 있다. 본 예에서는, 파장이 대략 500nm 이하인 광을 커트하는 로우 패스 필터가 제1면(22d)에 형성되어 있다. 이와 같이 필터(22c)의 제1면(22d)에 로우 패스 필터를 형성함으로써, 투과하는 광의 파장을 제한할 수 있고, 광 커플러(20)의 투과율의 파장 의존성 및 모드 의존성이 저감되며, 넓은 파장 범위에 걸쳐 반사광의 스펙트럼을 정확하게 계측할 수 있게 된다.
도 8은, 본 실시형태에 관한 공간 광학계형 커플러(23)의 개요도이다. 공간 광학계형 커플러(23)는, 제1 광파이버(11)가 접속되는 제1 포트와, 제2 광파이버(12)가 접속되는 제2 포트와, 제3 광파이버(13)가 접속되는 제3 포트를 가진다. 또한, 공간 광학계형 커플러(23)는, 제2 포트로부터 출사되는 광을 모으는 제1 렌즈(23a)와, 제1 렌즈(23a)에 의해 모아진 광 중에서 절반을 직진시키고 나머지 절반을 반사시키는 하프 미러(23b)와, 하프 미러(23b)를 통과한 광을 제1 포트에 모으는 제2 렌즈(23c)와, 하프 미러(23b)에서 반사된 광을 반사시키는 미러(23d)와, 미러(23d)에서 반사된 광을 제3 포트에 모으는 제3 렌즈(23e)를 포함한다.
도 9는, 본 실시형태에 관한 공간 광학계형 커플러(23)의 전송 파형을 나타내는 도면이다. 도 9에서는, 세로축에 광량을 나타내고, 가로축에 파장을 nm의 단위로 나타낸다. 도 9에 도시된 그래프 중 실선으로 나타내는 제1 전송 파형은, 제1 포트로부터 제2 포트로 광을 전송하는 경우의 파장과 광량의 관계를 나타내고 있다. 또한, 점선으로 나타내는 제2 전송 파형은, 제2 포트로부터 제3 포트로 광을 전송하는 경우의 파장과 광량의 관계를 나타내고 있다. 본 실시형태에 관한 공간 광학계형 커플러(23)의 제2 포트에는, 광원(10)으로부터 출력되는 백색광 및 계측 대상물(200)에서 반사된 반사광을 코어에 전송시키는 경우의 모드수가 5 내지 250인 제2 광파이버(12)가 접속되고, 제3 포트에는, 광원(10)으로부터 출력되는 백색광 및 계측 대상물(200)에서 반사된 반사광을 코어에 전송시키는 경우의 모드수가 5 내지 250인 제3 광파이버(13)가 접속된다. 또, 제1 포트에 접속하는 제1 광파이버(11)의 종류는 임의이지만, 제1 광파이버(11)는, 예를 들어 코어 지름이 50μm인 파이버이거나 멀티 모드 파이버이어도 된다. 무엇보다도 제1 광파이버(11)는, 제1 포트와의 접속 부분에서 코어 지름이 보다 작은 파이버에 연결되어도 된다. 그 경우에는, 코어 지름이 작은 광파이버끼리를 접속하였을 때에 발생하는 손실에 의해 광 커플러에 입사하는 광량이 저하되는 것을 억제하거나, 광원(10)으로부터 제1 광파이버(11)로 광을 집광할 때의 광축 조정을 용이하게 할 수 있다.
본 예의 경우, 실선으로 나타내는 제1 전송 파형과 점선으로 나타내는 제2 전송 파형은 모든 파장 범위에서 거의 일치하고, 제1 포트로부터 제2 포트로 광을 전송하는 경우와 제2 포트로부터 제3 포트로 광을 전송하는 경우에 전송 특성에 거의 차이가 없는 것을 알 수 있다. 450nm 부근에 발생하는 광량의 피크는, 실선으로 나타내는 제1 전송 파형의 경우와 점선으로 나타내는 제2 전송 파형에서 거의 동일한 값으로 되어 있다. 또한, 500nm에서 650nm까지의 파장 범위에서, 실선으로 나타내는 제1 전송 파형의 경우와 점선으로 나타내는 제2 전송 파형이 둘 다 단봉 형상으로 되어 있다. 이와 같이 광 커플러(20)로서 공간 광학계형 커플러(23)를 이용함으로써, 제2 광파이버(12) 및 제3 광파이버(13)가 모드수가 5 내지 250이 되는 파이버이어도, 전송 특성이 양호해지고, 분광기(30)에 의해 예리한 파장의 피크를 검출하는 것이 가능해져서, 계측 대상물(200)의 위치를 고정밀도로 검출할 수 있다.
필터형 커플러(22) 또는 공간 광학계형 커플러(23)는, 적어도 1개의 하프 미러를 포함한다. 이에 의해, 동일한 광량의 광을 전송하는 경우에, 광 커플러(20)에 의해 제1 광파이버(11)로부터 제2 광파이버(12)로 광을 전송하는 경우의 광량과, 제2 광파이버(12)로부터 제3 광파이버(13)로 광을 전송하는 경우의 광량이 동일해지도록 할 수 있다.
본 실시형태에 관한 공초점 계측 장치(1)에 의하면, 광 커플러(20)에 의해 제1 광파이버(11)로부터 제2 광파이버(12)로 광을 전송하는 경우의 제1 전송 파형과, 제2 광파이버(12)로부터 제3 광파이버(13)로 광을 전송하는 경우의 제2 전송 파형이 가까워짐으로써, 광 커플러(20)에 의해 광의 스펙트럼을 변형시키는 일이 적어져서, 계측 대상물(200)의 위치 검출 정밀도를 보다 높일 수 있다. 여기서, 제1 전송 파형과 제2 전송 파형이 가까워진다는 것은, 임의의 파장에서, 통과하는 광량이 동일한 값에 가까워지는 것이다.
이상 설명한 실시형태는 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위한 것으로, 본 발명을 한정하여 해석하기 위한 것이 아니다. 실시형태가 구비하는 각 요소와 그 배치, 재료, 조건, 형상 및 크기 등은, 예시한 것에 한정되는 것은 아니고 적절히 변경할 수 있다. 또한, 다른 실시형태에서 나타낸 구성끼리를 부분적으로 치환하거나 조합하는 것이 가능하다.
[부기]
백색광을 제1 광파이버(11)에 출력하는 광원(10)과,
상기 제1 광파이버(11), 제2 광파이버(12) 및 제3 광파이버(13)가 접속되어 있는 광 커플러(20)와,
상기 제2 광파이버(12)에 접속되고, 입사한 상기 백색광에 대해 광축 방향을 따라 색수차를 발생시키는 회절 렌즈(120)를 수용하며, 색수차를 발생시킨 광을 계측 대상물(200)에 조사하는 센서 헤드(100)와,
상기 제3 광파이버(13)에 접속되고, 상기 계측 대상물(200)에서 반사되어 상기 센서 헤드(100)에 의해 집광된 반사광을 상기 제2 광파이버(12), 상기 광 커플러(20) 및 상기 제3 광파이버(13)를 통해 취득하여, 상기 반사광의 스펙트럼을 계측하는 분광기(30)를 구비하며,
상기 광 커플러(20)는, 상기 제1 광파이버(11)로부터 상기 제2 광파이버(12)로 광을 전송하는 경우의 파장과 광량의 관계를 나타내는 제1 전송 파형과, 상기 제2 광파이버(12)로부터 상기 제3 광파이버(13)로 광을 전송하는 경우의 파장과 광량의 관계를 나타내는 제2 전송 파형을 가깝게 하는 필터형 커플러(22) 또는 공간 광학계형 커플러(23)인 공초점 계측 장치(1).
1…공초점 계측 장치, 10…광원, 11…제1 광파이버, 12…제2 광파이버, 13…제3 광파이버, 20…광 커플러, 21…용융 연신형 커플러, 22…필터형 커플러, 22a…제1 캐필러리, 22b…제1 렌즈, 22c…필터, 22d…제1면, 22e…제2면, 22f…제2 렌즈, 22g…제2 캐필러리, 23…공간 광학계형 커플러, 23a…제1 렌즈, 23b…하프 미러, 23c…제2 렌즈, 23d…미러, 23e…제3 렌즈, 30…분광기, 31…제1 렌즈, 32…회절 격자, 33…제2 렌즈, 34…수광 소자, 35…독출 회로, 40…처리부, 100…센서 헤드, 110…콜리메이터 렌즈, 120…회절 렌즈, 130…대물 렌즈, 200…계측 대상물, 210…제1 파장의 광, 220…제2 파장의 광

Claims (6)

  1. 백색광을 제1 광파이버에 출력하는 광원과,
    상기 제1 광파이버, 제2 광파이버 및 제3 광파이버가 접속되어 있는 광 커플러와,
    상기 제2 광파이버에 접속되고, 입사한 상기 백색광에 대해 광축 방향을 따라 색수차를 발생시키는 회절 렌즈를 수용하며, 색수차를 발생시킨 광을 계측 대상물에 조사하는 센서 헤드와,
    상기 제3 광파이버에 접속되고, 상기 계측 대상물에서 반사되어 상기 센서 헤드에 의해 집광된 반사광을 상기 제2 광파이버, 상기 광 커플러 및 상기 제3 광파이버를 통해 취득하여, 상기 반사광의 스펙트럼을 계측하는 분광기를 구비하며,
    상기 광 커플러는, 상기 제1 광파이버로부터 상기 제2 광파이버로 광을 전송하는 경우의 파장과 광량의 관계를 나타내는 제1 전송 파형과, 상기 제2 광파이버로부터 상기 제3 광파이버로 광을 전송하는 경우의 파장과 광량의 관계를 나타내는 제2 전송 파형을 가깝게 하는 필터형 커플러 또는 공간 광학계형 커플러인 공초점 계측 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 광파이버 및 상기 제3 광파이버는, 상기 백색광 및 상기 반사광을 코어에 전송시키는 경우의 모드수가 5 내지 250인 공초점 계측 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 광파이버 및 상기 제3 광파이버의 코어 지름은, 5μm 내지 25μm인 공초점 계측 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 필터형 커플러 또는 공간 광학계형 커플러는, 적어도 1개의 하프 미러를 포함하는 공초점 계측 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 광 커플러는 상기 필터형 커플러이고,
    상기 필터형 커플러는,
    파장에 관한 하이 패스 필터, 로우 패스 필터 및 밴드 패스 필터 중 적어도 어느 하나가 제1면에 형성되고, 제2면에 하프 미러가 형성된 필터와,
    상기 필터의 상기 제1면 측에 설치되며 상기 제3 광파이버가 접속되는 제1 포트와,
    상기 필터의 상기 제1면 측에 설치되며 상기 제2 광파이버가 접속되는 제2 포트와,
    상기 필터의 상기 제2면 측에 설치되며 상기 제1 광파이버가 접속되는 제3 포트를 갖는 공초점 계측 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 필터의 상기 제1면에는, 투과하는 광의 파장 변화에 대해 광량 변화가 작아지도록 파장에 의존한 투과율을 갖는 필터가 형성되어 있는 공초점 계측 장치.
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