DE102018209299A1

DE102018209299A1 - Konfokaler Verschiebungssensor

Info

Publication number: DE102018209299A1
Application number: DE102018209299.0A
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: US20180356284A1; JP2019002722A; US10215631B2; CN109084686A; CN109084686B; JP6971645B2

Abstract

Bereitstellung eines konfokalen Verschiebungssensors, der eine Verschlechterung der Messgenauigkeit aufgrund einer sphärischen Aberration eines optischen Elements verhindern kann. Der konfokale Verschiebungssensor umfasst eine Lichtquelle zur Lichtprojektion, die konfiguriert ist, um Licht mit einer Vielzahl von Wellenlängen zu erzeugen, eine Lochblende, die konfiguriert ist, um Detektionslicht zu emittieren, ein optisches Element, das konfiguriert ist, um eine axiale chromatische Aberration in dem Detektionslicht, das über die Lochblende emittiert wird, zu erzeugen und das Detektionslicht zu dem Messobjekt hin zu konvergieren, einen Messsteuerabschnitt, der konfiguriert ist, um die Verschiebung des Messobjekts auf der Basis des Detektionslichts, das durch das optische Element auf das Messobjekt gestrahlt wird, durch die Lochblende zu führen, indem es während der Fokussierung auf das Messobjekt reflektiert wird, und ein Kopfgehäuse, das konfiguriert ist, um die Lochblende und das optische Element aufzunehmen. Das optische Element umfasst eine erste Beugungslinse, die konfiguriert ist, das Detektionslicht zu beugen, und eine erste Brechungslinse, die konfiguriert ist, das Detektionslicht zu brechen. Die erste Brechungslinse ist mit einer von dem Kopfgehäuse freiliegenden Nicht-Beugungsfläche angeordnet.

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 emittiertes Licht emittiert, ein optisches Element, das eine axiale chromatische Aberration im über die Lochblende emittierten Detektionslicht hervorruft und das Detektionslicht in Richtung des Messobjekts konvergiert, und ein Messsteuerabschnitt, der eine Verschiebung des Messobjekts auf der Basis von reflektiertem Licht von dem Messobjekt berechnet. 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.
Da bei dem oben erläuterten konfokalen Verschiebungssensor eine sphärische Aberration einer das optische Element bildenden optischen Linse in Abhängigkeit von einer Wellenlängenkomponente des Detektionslichts stark unterschiedlich ist, kann die sphärische Aberration nur in Bezug auf eine spezifische Wellenlängenkomponente minimiert werden. Daher ist ein Bild auf der Bilderzeugungsoberfläche abhängig von einer Wellenlängenkomponente unscharf und die Messgenauigkeit ist verschlechtert.
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 eine Verschlechterung der Messgenauigkeit aufgrund einer sphärischen Aberration eines optischen Elements verhindern kann. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen konfokalen Verschiebungssensor bereitzustellen, der sphärische Aberrationen über ein breites Wellenlängenband verhindern 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 Lochblende, die konfiguriert ist, um Detektionslicht zu emittieren, indem das von der Lichtquelle emittierte Licht für die Lichtprojektion durchgelassen wird; ein optisches Element, das konfiguriert ist, um eine axiale chromatische Aberration in dem Detektionslicht, das über die Lochblende emittiert wird, zu erzeugen und das Detektionslicht zu dem Messobjekt hin zu konvergieren; einen Messsteuerabschnitt, der konfiguriert ist, um die Verschiebung des Messobjekts auf der Basis des Detektionslichts, das durch das optische Element auf das Messobjekt gestrahlt wird, durch die Lochblende zu führen, indem es während der Fokussierung auf das Messobjekt reflektiert wird; und ein Kopfgehäuse, das konfiguriert ist, um die Lochblende und das optische Element aufzunehmen. Das optische Element umfasst eine erste Beugungslinse, die konfiguriert ist, das Detektionslicht zu beugen, und eine erste Brechungslinse, die konfiguriert ist, das Detektionslicht zu brechen. Die erste Brechungslinse ist mit einer von dem Kopfgehäuse freiliegenden Nicht-Beugungsfläche angeordnet.
Bei dem konfokalen Verschiebungssensor werden sphärische Aberrationen der ersten Beugungslinse und der ersten Brechungslinse unter Verwendung der Tatsache, dass die Polaritäten der sphärischen Aberrationen in den Linsen unterschiedlich sind, aufgehoben. Daher ist es möglich, sphärische Aberrationen über ein breites Wellenlängenband zu verhindern.
In einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann zusätzlich zu der oben erläuterten Konfiguration in dem konfokalen Verschiebungssensor die erste Brechungslinse aus einer asphärischen Linse konfiguriert sein, deren Linsenoberfläche asphärisch ist. Da eine sphärische Aberration der ersten Brechungslinse verhindert wird, ist es bei einer derartigen Konfiguration möglich, das optische Design des optischen Elements einschließlich der ersten Beugungslinse zu erleichtern.
In einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann zusätzlich zu der oben erläuterten Konfiguration in dem konfokalen Verschiebungssensor das optische Element eine zweite Beugungslinse oder eine zweite Brechungslinse umfassen, die im Wesentlichen koaxial zu der ersten Brechungslinse angeordnet ist und weiter auf der Lochblendenseite als die erste Refraktionslinse angeordnet ist.
Mit einer derartigen Konfiguration ist es möglich, sphärische Aberrationen in der ersten Brechungslinse und der zweiten Beugungslinse oder der zweiten Brechungsilnse einzustellen. Daher ist es möglich, das optische Design des optischen Elements einschließlich der ersten Beugungslinse weiter zu erleichtern.
In einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der konfokale Verschiebungssensor zusätzlich zu der oben erläuterten Konfiguration des Weiteren ein Faserkabel mit einer optischen Faser zum Übertragen des von der Lichtquelle zur Lichtprojektion emittierten Lichts zum Kopfgehäuse umfassen, wobei eine Endfläche der optischen Faser als Lochblende fungiert. Mit einer derartigen Konfiguration ist es möglich, das Kopfgehäuse von der Lichtquelle für die Lichtprojektion und dem Messsteuerabschnitt getrennt zu halten.
In einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Kopfgehäuse zusätzlich zu der oben erläuterten Konfiguration in dem konfokalen Verschiebungssensor einen Öffnungsrahmenabschnitt enthalten, der die erste Beugungslinse umgibt und weiter zur Messobjektseite vorsteht als die Nicht-Beugungsoberfläche. Da bei einer solchen Konfiguration die Nicht-Beugungsoberfläche der ersten Beugungslinse durch den Öffnungsrahmenabschnitt geschützt ist, ist es möglich, zu verhindern, dass die Nicht-Beugungsfläche der ersten Beugungslinse zerkratzt und verschmutzt wird, wenn z.B. das Kopfgehäuse eingestellt ist.
In einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann zusätzlich zu der oben erläuterten Konfiguration in dem konfokalen Verschiebungssensor die Nicht-Beugungsoberfläche der ersten Beugungslinse aus einem Glasmaterial gebildet sein und eine Beugungsfläche mit einer Welligkeit der ersten Beugungslinse aus einem Harzmaterial gebildet sein. Mit einer derartigen Konfiguration ist es möglich, die Bildung der Beugungsoberfläche zu erleichtern, während eine Beschädigung der Nicht-Beugungsoberfläche der ersten Beugungslinse verhindert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden sphärische Aberrationen der ersten Beugungslinse und der ersten Brechungslinse unter Verwendung der Tatsache aufgehoben, dass die Polaritäten der sphärischen Aberrationen in den Linsen unterschiedlich sind. Daher Ist es möglich, sphärische Aberrationen über ein breites Wellenlängenband zu verhindern. Daher ist es möglich, eine Verschlechterung der Messgenauigkeit aufgrund einer sphärischen Aberration des optischen Elements zu verhindern.
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;
3 ist eine Schnittansicht, die ein Konfigurationsbeispiel einer in 2 gezeigten Beugungslinse zeigt;
4A und 4B sind Diagramme, die ein Konfigurationsbeispiel einer Lichtquelle für die Lichtprojektion, die in 1 gezeigt ist, zeigen;
5 ist ein erläuterndes Diagramm, das schematisch ein Konfigurationsbeispiel eines in 1 gezeigten Spektroskops zeigt;
6 ist ein erläuterndes Diagramm, das schematisch eine Beziehung zwischen einer sphärischen Aberration einer Linse und einer Pupillenhöhe zeigt;
7A und 7B sind Diagramme, die eine Beziehung zwischen der sphärischen Aberration und der Pupillenhöhe bezüglich verschiedener drei Wellenlängen von einfallendem Licht zeigen;
8 ist ein erläuterndes Diagramm, das schematisch ein anderes Konfigurationsbeispiel des konfokalen Verschiebungssensors zeigt; und
9 ist ein erläuterndes Diagramm, das schematisch ein anderes Konfigurationsbeispiel des konfokalen Verschiebungssensors zeigt und ein Spektroskop eines Übertragungstyps 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 Steuervorrichtung 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 Verbinder 32 ist an einem Ende des Faserkabels 3 vorgesehen. Der Verbinder 32 ist lösbar mit der Steuervorrichtung 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 Endfläche 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 Steuervorrichtung 4 ist durch eine Lichtquelle für die Lichtprojektion 41, ein Koppler 42, ein Spektroskop 43, einen Messsteuerabschnitt 44 und einen Speicher 45 konfiguriert. Die Lichtquelle für die Lichtprojektion 41 ist eine Lichtquellenvorrichtung, die Licht mit einer Vielzahl von Wellenlängen erzeugt, beispielsweise Weißlicht als Licht für die Lichtprojektion.
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 43 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.
Von der Lichtquelle für die Lichtprojektion 41 emittiertes Licht wird in ein Eintrittsende der optischen Faser 421 eingegeben und über die optische Faser 423 und den Verbinder 32 an die optische Faser 31 ausgegeben. Andererseits wird das von dem Messobjekt W reflektierte Detektionslicht DL über die optische Faser 31 und den Verbinder 32 in die optische Faser 423 eingegeben und von einem Emissionsende der optischen Faser 422 in Richtung auf das Spektroskop 43 emittiert.
Das Spektroskop 43 dispergiert spektral das Detektionslicht DL, das durch die Emissionsendfläche der optischen Faser 31 hindurchgegangen ist, und erzeugt ein Lichtempfangssignal. Der Messsteuerabschnitt 44 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 44 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 44 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. Messbedingungen und verschiedene Arten von Korrekturinformationen werden in dem Speicher 45 beibehalten.
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.
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 das optische Element 21 und die optische Faserhülse 22 aufnimmt. Das Kopfgehäuse 20 ist beispielsweise in einer abgedeckten zylindrischen Form mit der optischen Achse J als Mittelachse ausgebildet. Der Durchmesser des Kopfgehäuses 20 ändert sich entlang der optischen Achse J. Die distale Endseite des Kopfgehäuses 20 ist ein Abschnitt 20a mit großem Durchmesser und eine Fußseite des Kopfgehäuses 20 ist ein Abschnitt 20b mit kleinem Durchmesser, der einen Durchmesser aufweist, der kleiner ist als der Durchmesser des Abschnitts 20a mit großem Durchmesser. Der Abschnitt 20b mit kleinem Durchmesser ist ein Metallanpassungsbefestigungsabschnitt, an dem eine Metallanpassung einer die Kopfeinheit 2 tragenden Vorrichtung befestigt ist. Ein Abschnitt zwischen dem Abschnitt 20b mit kleinem Durchmesser und dem distalen Ende des Faserkabels 3 ist ein Verbindungsabschnitt 20c.
Das optische Element 21 ist durch die Brechungslinse 211, die Beugungslinse 212 und die Brechungslinsen 213 und 214 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 Brechungslinse 211 ist eine asphärische Linse, wobei wenigstens eine Linsenoberfläche von zwei Linsenoberflächen, die die Mittelachse kreuzen, durch eine asphärische gekrümmte Oberfläche gebildet ist. Die asphärische Linse ist ein optisches Element mit einer kleinen sphärischen Aberration im Vergleich zu einer sphärischen Linse. Die Brechungslinse 211 ist in einem Zustand angeordnet, in dem die Mittelachse mit der optischen Achse J ausgerichtet ist. Eine Linsenoberfläche auf der oberen Seite hat eine konvexe Oberflächenform und eine Linsenoberfläche auf der unteren Seite hat eine flache Oberflächenform.
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, auf die das Detektionslicht DL auftrifft, ist eine Beugungsoberfläche KS. Auf der Beugungsfläche KS Ist ein feines Relief (Wellung) 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 auf dem Relief angeordnet. Eine Linsenoberfläche auf der unteren Seite der Beugungslinse 212 ist eine flache Nicht-Beugungsoberfläche FS. Man beachte, dass als Beugungslinse 212 eine Beugungslinse eines Amplitudentyps verwendet werden kann, die durch Ändern der Lichtdurchlässigkeit in der radialen Richtung, die auf der optischen Achse zentriert ist, verwendet wird.
Die Beugungslinse 212 ist im Wesentlichen koaxial zu der Brechungslinse 211 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 angeordnet, um die Nicht-Beugungsoberfläche FS über eine Öffnung für die Lichtprojektion 20d des Kopfgehäuses 20 freizulegen. Die Öffnung für die Lichtprojektion 20d ist eine untere Endöffnung des Abschnitts 20a mit großem Durchmesser. Die Beugungsoberfläche KS liegt einer flachen Linsenfläche der Brechungslinse 211 gegenüber.
Durch Anordnen der Beugungslinse 212 mit der von dem Kopfgehäuse 20 freiliegenden Nicht-Beugungsoberfläche FS und mit der Beugungsoberfläche KS, die zu der Innenseite des Kopfgehäuses 20 gerichtet ist, ist es möglich zu verhindern, dass Fremdstoffe, wie Staub, an der Beugungsfläche KS anhaften und verhindern, dass die Beugungsfläche KS zerkratzt wird. Daher ist es nicht notwendig, eine Linse und ein Abdeckglas zum Schutz weiter auf der Messobjektseite als die Beugungslinse 212 anzuordnen. Daher ist es möglich, eine befriedigende optische Eigenschaft zu erhalten.
In dem Abschnitt 20a mit großem Durchmesser des Kopfgehäuses 20 ist ein Öffnungsrahmenabschnitt 20e vorgesehen, der die Beugungslinse 212 umgibt und weiter zur Seite des Messobjekts W vorsteht als die Nicht-Beugungsoberfläche FS der Beugungslinse 212. Der Öffnungsrahmenabschnitt 20e ist in einer Form ausgebildet, in der ein Teil des Kopfgehäuses 20, das die Beugungslinse 212 umgibt, sich entlang der optischen Achse J erstreckt und sich zu der Innenseite in der radialen Richtung entlang der Nicht-Beugungsoberfläche FS der Beugungslinse 212 erstreckt.
Durch Vorsehen eines solchen Öffnungsrahmenabschnitts 20e wird die Nicht-Beugungsoberfläche FS der Beugungslinse 212 durch den Öffnungsrahmenabschnitt 20e geschützt. Wenn das Kopfgehäuse 20 festgelegt ist, ist es daher möglich, zu verhindern, dass die Nicht-Beugungsoberfläche FS der Beugungslinse 212 zerkratzt und verschmutzt wird.
Die Brechungslinsen 213 und 214 sind im Wesentlichen koaxial zur Brechungslinse 211 angeordnet und weiter auf der Emissionsendseite der optischen Faser 31 als die Brechungslinse 211 angeordnet. Die Brechungslinse 213 ist eine optische Linse, die dem Emissionsende der optischen Faser 31 gegenüberliegt. Die Brechungslinse 213 ist in einer Position angeordnet, die dem Emissionsende der optischen Faser 31 in dem optischen Element 21 am nächsten ist. Die Brechungslinse 213 ist in dem Abschnitt 20b mit kleinem Durchmesser in einem Zustand angeordnet, in dem die Mittelachse mit der optischen Achse J ausgerichtet ist. Eine Linsenoberfläche auf der Oberseite hat eine flache Oberflächenform. Eine Linsenfläche an der Unterseite hat eine konkave Oberflächenform.
Die Refraktionslinse 214 ist eine optische Linse, die der Refraktionslinse 213 gegenüberliegt und im Wesentlichen koaxial zu der Refraktionslinse 213 angeordnet ist. Eine Linsenoberfläche auf der Oberseite hat eine flache Oberflächenform. Eine Linsenfläche an der Unterseite hat eine konvexe Oberflächenform.
Die Brechungslinsen 214 und 211 und die Beugungslinse 212 sind in dem Abschnitt 20a mit großem Durchmesser angeordnet. Es sei angemerkt, dass alle Brechungslinsen 211, 213 und 214 Einzellinsen sind. Die Brechungslinsen 211, 213 und 214 können jedoch Doppellinsen oder Linsengruppen sein, die jeweils durch Kombinieren einer Vielzahl von optischen Linsen erhalten werden. Ein Abdeckglas, eine Befestigung oder ein transparenter Schutzfilm kann weiter auf der Seite des Messobjekts als die Beugungslinse 212 angeordnet sein.
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 von der 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.
Beugungslinse 212
3 ist eine Schnittansicht, die ein Konfigurationsbeispiel der in 2 gezeigten Beugungslinse 212 zeigt und eine Schnittfläche der Beugungslinse 212 zeigt, die entlang einer Ebene geschnitten ist, die die optische Achse J enthält. Die Beugungslinse 212 ist durch eine flache Platte gebildet, die durch Ausbilden einer Harzschicht RJ, die aus einem Harzmaterial gebildet ist, auf einem Glassubstrat GL, das aus einem Glasmaterial gebildet ist, erhalten wird. Die untere Oberfläche des Glassubstrats GL ist die Nicht-Beugungsoberfläche FS. Die Beugungsfläche KS wird durch Bearbeitung einer Wellenform in konzentrischer Form auf der oberen Oberfläche der Harzschicht RJ gebildet.
Da eine Glasoberfläche im Vergleich zu einer Harzoberfläche eine hohe Härte aufweist, Ist es möglich, eine Beschädigung der Nicht-Beugungsoberfläche FS zu verhindern. Auf der anderen Seite ist die Harzoberfläche im Vergleich zur Glasoberfläche leicht zu bearbeiten. Daher Ist es möglich, die Bildung der Beugungsfläche KS zu erleichtern, während eine Beschädigung der Nicht-Beugungsfläche FS der Beugungslinse 212 verhindert wird.
Lichtquelle für Lichtprojektion 41
4A und 4B sind Diagramme, die ein Konfigurationsbeispiel der Lichtquelle für die Lichtprojektion 41, die in 1 gezeigt ist, zeigen. In 4A ist eine Seitenfläche der Lichtquelle für die Lichtprojektion 41 gezeigt. In 4B 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 450 nm 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.
Es ist anzumerken, dass als die Lichtquelle für die Lichtprojektion 41 eine Lichtquelle, die Licht in einem breiten Band erzeugt, beispielsweise können eine Halogenlampe, eine SC-Lichtquelle, die Superkontinuum (SC) -Licht erzeugt, oder eine Superlumineszenzdiode (SLD) verwendet werden. 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 43
5 ist ein erläuterndes Diagramm, das schematisch ein Konfigurationsbeispiel des in 1 gezeigten Spektroskops 43 zeigt. Das Spektroskop 43 vom Reflexionstyp ist gezeigt. Das Spektroskop 43 ist durch eine Kollimatorlinse 431, ein Beugungsgitter 432, eine Abbildungslinse 433 und einen Bildsensor 434 konfiguriert. Das Spektroskop 43 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 432 und der Bildsensor 434 sind so angeordnet, dass sie beispielsweise in die horizontale Richtung gerichtet sind. Die Kollimatorlinse 431 ist eine optische Linse zum Erhalten von parallelem Licht. Die Kollimatorlinse 431 ist so angeordnet, dass sie der Emissionsendfläche der optischen Faser 422 gegenüberliegt.
Das Beugungsgitter 432 ist ein farbdispergierendes Element eines Reflexionstyps, das das Detektionslicht DL in einem unterschiedlichen Winkel gemäß einer Wellenlänge reflektiert. Das Beugungsgitter 432 ist in einer flachen Form ausgebildet. Die Abbildungslinse 433 fokussiert das Detektionslicht DL spektral verteilt durch das Beugungsgitter 432 auf den Bildsensor 434. Man beachte, dass sowohl die Kollimatorlinse 431 als auch die Abbildungslinse 433 einzelne Linsen sind. Die Kollimatorlinsen 431 und die Abbildungslinsen 433 können jedoch Doppellinsen sein, die jeweils durch Kombinieren einer Vielzahl von optischen Linsen erhalten werden.
Der Bildsensor 434 ist beispielsweise ein eindimensionaler Zeilenbildsensor, der sich in der horizontalen Richtung erstreckt. Eine große Anzahl von Lichtempfangselementen ist auf dem Bildsensor 434 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 434 verwendet werden kann.
Um zu verhindern, dass Licht, das auf den Bildsensor 434 fällt, regelmäßig auf einer Lichtempfangsoberfläche reflektiert, von dem Beugungsgitter 432 reflektiert und wieder empfangen wird, ist das Beugungsgitter 432 so angeordnet, dass es von einem Zustand, in dem das Beugungsgitter 432 direkt gegenüber der Lichtempfangsfläche des Bildsensors 434 liegt, geringfügig geneigt ist. Es sei angemerkt, dass das Detektionslicht DL unter Verwendung eines Prismas spektral gestreut werden kann.
6 ist ein erläuterndes Diagramm, das schematisch eine Beziehung zwischen einer sphärischen Aberration x einer Linse und einer Pupillenhöhe zeigt. Die sphärische Aberration x der Linse ist eine Abweichung auf einer optischen Achse, die dadurch verursacht wird, dass entlang einer optischen Achse einfallendes Licht auf einer Linsenoberfläche gebrochen und abhängig von einer Pupillenhöhe auf eine andere Position fokussiert wird. Die Pupillenhöhe ist eine Einfallshöhe des einfallenden Lichts und entspricht der Entfernung von der optischen Achse (der Mittelachse) der Linse. Wenn eine Fokussierungsposition auf einer von der Linse entfernten Seite in Bezug auf einen Bezugspunkt auf der optischen Achse vorhanden ist, ist die Korrektur übermäßig. Die sphärische Aberration x hat eine positive Polarität. Wenn andererseits die Fokussierposition auf einer Seite nahe der Linse in Bezug auf den Bezugspunkt auf der optischen Achse vorhanden ist, ist die Korrektur ungenügend. Die sphärische Aberration x hat eine negative Polarität.
Beispielsweise ist bei einer konvexen Linse auf der Linsenseite eine fokussierende Position von einfallendem Licht bei einer großen Pupillenhöhe (einer Pupillenhöhe „b“) weiter ausgebildet als bei einer Fokussierposition von einfallendem Licht bei einer kleinen Pupillenhöhe (eine Pupillenhöhe „a“). Die sphärische Aberration x ist kleiner als 0°. Die sphärische Aberration x ist abhängig von der Wellenlänge des einfallenden Lichts unterschiedlich.
7A und 7B sind Diagramme, die eine Beziehung zwischen der sphärischen Aberration x und der Pupillenhöhe bezüglich verschiedener drei Wellenlängen von einfallendem Licht zeigen. Die sphärische Aberration x für jede Pupillenhöhe ist in einer longitudinalen Aberrationsanzeigeform gezeigt. In der Anzeigeform der longitudinalen Aberration repräsentiert die horizontale Achse die sphärische Aberration x und die vertikale Achse repräsentiert die Pupillenhöhe.
In 7A ist die Beziehung in dem Fall der Beugungslinse 212 gezeigt. Im Fall der Beugungslinse 212 hat die sphärische Aberration x eine positive Polarität und ist größer, wenn die Pupillenhöhe größer ist. Die sphärische Aberration x ist kleiner, wenn die Wellenlänge des einfallenden Lichts größer ist. Die Maxima x1 bis x3 der sphärischen Aberration x bei jeweiligen Wellenlängen stehen in einer Beziehung von x1 <x2<x3.
In 7B ist die Beziehung im Falle der Brechungslinsen 211, 213 und 214 gezeigt. Im Fall der Refraktionslinsen 211, 213 und 214 hat die sphärische Aberration x eine negative Polarität und ist größer, wenn die Pupillenhöhe größer ist. Die sphärische Aberration x ist kleiner, wenn die Wellenlänge des einfallenden Lichts größer ist. Maxima (-x4) bis (-x6) des Absolutwertes der sphärischen Aberration x bei jeweiligen Wellenlängen stehen in einer Beziehung von (-x4)<(-x5)<(-x6).
Wenn ein Wellenlängenband, das dem Messbereich MR entspricht, im Gebrauch als Wellenlängenbereich bezeichnet wird, ist die Beugungslinse 212 für einfallendes Licht mit einer Wellenlänge außerhalb des verwendeten Wellenlängenbereichs optimiert. Das heißt, die Beugungslinse 212 ist optisch so ausgelegt, dass die sphärische Aberration x klein ist, wie etwa 0 in Bezug auf einfallendes Licht mit einer Wellenlänge größer als der verwendete Wellenlängenbereich.
Wenn eine solche Beugungslinse 212 verwendet wird, sind die Polaritäten der sphärischen Aberrationen x in der Beugungslinse 212 und den Brechungslinsen 211, 213 und 214 verschieden, und Absolutwerte der sphärischen Aberrationen x bei den jeweiligen Wellenlängen sind die gleicher Grad. Daher Ist es möglich, die sphärischen Aberrationen x der Refraktionslinsen 211, 213 und 214 über den Wellenlängenbereich im Gebrauch aufzuheben.
Es Ist schwierig, die sphärischen Aberrationen x der Brechungslinsen 211, 213 und 214 durch optische Gestaltung der Linsen vollständig zu entfernen. Daher ist es wünschenswert, die Brechungslinsen 211, 213 und 214 mit der Beugungslinse 212 zu kombinieren, die außerhalb des verwendeten Wellenlängenbereichs optimiert ist.
Gemäß dieser Ausführungsform werden die sphärischen Aberrationen x der Beugungslinse 212 und der Brechungslinsen 211, 213 und 214 unter Verwendung der Tatsache aufgehoben, dass die Polaritäten der sphärischen Aberrationen x in den Linsen unterschiedlich sind. Daher ist es möglich, die sphärischen Aberrationen x über ein breites Wellenlängenband zu verhindern.
Da die sphärische Aberration x der Refraktionslinse 211 verhindert wird, ist es möglich, das optische Design des optischen Elements 21 einschließlich der Beugungslinse 212 zu erleichtern. Da die sphärischen Aberrationen x gemäß den Brechungslinsen 211, 213 und 214 eingestellt werden können, ist es insbesondere möglich, das optische Design des optischen Elements 21 weiter zu vereinfachen.
Man beachte, dass in dieser Ausführungsform das Beispiel erläutert wird, in dem das optische Element 21 durch die Beugungslinse 212 und die Brechungslinsen 211, 213 und 214 konfiguriert ist. Die vorliegende Erfindung beschränkt jedoch nicht die Konfiguration des optischen Elements 21 auf diese. Zum Beispiel kann das optische Element 21 durch zwei oder mehr Beugungslinsen und eine oder mehrere Brechungslinsen konfiguriert sein.
8 ist ein erläuterndes Diagramm, das schematisch ein anderes Konfigurationsbeispiel des konfokalen Verschiebungssensors 1 zeigt. Die Kopfeinheit 2 mit zwei Beugungslinsen 212 und 216 und zwei Refraktionslinsen 215 und 217 ist gezeigt. Das optische Element 21 in der Kopfeinheit 2 ist durch die Beugungslinsen 212 und 216 und die Brechungslinsen 215 und 217 gebildet.
Die Beugungslinse 212, die Brechungslinse 215, die Beugungslinse 216 und die Brechungslinse 217 sind in dieser Reihenfolge angeordnet. Die Brechungslinsen 215 und 217 sind optische Linsen, die Detektionslicht brechen.
Die Beugungslinse 212 Ist im Wesentlichen koaxial zu der Brechungslinse 215 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 216 ist das gleiche optische Element wie die Beugungslinse 212, die in 2 gezeigt ist. Die Beugungslinse 216 ist weiter auf der Emissionsendseite der optischen Faser 31 als die Brechungslinse 215 in einem Zustand angeordnet, in dem die Mittelachse mit der optischen Achse J ausgerichtet ist. Die Brechungslinse 217 ist eine optische Linse, die dem Emissionsende der optischen Faser 31 gegenüberliegt und ist in einer Position angeordnet, die dem Emissionsende der optischen Faser 31 in dem optischen Element 21 am nächsten ist.
Die Beugungslinsen 212 und 216 sind so optimiert, dass ihre sphärischen Aberrationen über den verwendeten Wellenlängenbereich ausgelöscht werden. Die Brechungslinsen 215 und 217 sind so ausgelegt, dass axiale chromatische Aberrationen und sphärische Aberrationen abnehmen. Die Beugungslinsen 212 und 216 sind wünschenswerterweise bei der Mittenwellenlänge des verwendeten Wellenlängenbereichs optimiert, um einen Grad der Aufhebung zu reduzieren.
In dieser Ausführungsform wird das Beispiel des Spektroskops 43 des Reflexionstyps erläutert. Die vorliegende Erfindung beschränkt jedoch die Konfiguration des Spektroskops nicht darauf. Zum Beispiel kann ein Spektroskop eines Transmissionstyps verwendet werden, das einfallendes Licht gemäß einem Transmissionswinkel spektral in eine andere Wellenlängenkomponente dispergiert.
9 ist ein erläuterndes Diagramm, das schematisch ein anderes Konfigurationsbeispiel des konfokalen Verschiebungssensors 1 zeigt und ein Spektroskop 43a vom Transmissionstyp zeigt. Das Spektroskop 43a unterscheidet sich von dem in 5 gezeigten Spektroskop 43 dadurch, dass ein Beugungsgitter 435 vom Transmissionstyp ist. Das Beugungsgitter 435 ist ein farbdispergierendes Element, das einfallendes Licht gemäß einem Übertragungswinkel spektral in eine andere Wellenlängenkomponente zerstreut.
Das Detektionslicht DL, das von dem Emissionsende der optischen Faser 422 emittiert wird, wird über die Kollimatorlinse 431 auf das Beugungsgitter 435 fallen gelassen. Das Detektionslicht DL, das durch das Beugungsgitter 435 übertragen wird, wird über die Abbildungslinse 433 auf den Bildsensor 434 auftreffen gelassen.
In dieser Ausführungsform wird das Beispiel erläutert, bei dem die Endfläche der optischen Faser 31 zum Übertragen des Lichts der Lichtquelle für die Lichtprojektion 41 zu der Kopfeinheit 2 dazu gebracht wird, als die Lochblende des konfokalen optischen Systems zu fungieren. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch auf einen konfokalen Verschiebungssensor angewendet werden, bei dem Licht einer Lichtquelle zur Lichtprojektion zu einer Lochblende geleitet wird, ohne eine optische Faser zu verwenden, und Detektionslicht, das von dem Messobjekt W reflektiert und durch die Lochblende geführt wird, wird zu dem Spektroskop 43 geführt.

Claims

Konfokaler Verschiebungssensor, der Verschiebung eines Messobjekts unter Verwendung eines konfokalen optischen Systems misst, wobei der konfokale Verschiebungssensor umfasst: eine Lichtquelle zur Lichtprojektion, die konfiguriert ist, um Licht mit einer Vielzahl von Wellenlängen zu erzeugen; eine Lochblende, die konfiguriert ist, um Detektionslicht zu emittieren, indem das von der Lichtquelle emittierte Licht für die Lichtprojektion durchgelassen wird; ein optisches Element, das konfiguriert ist, um eine axiale chromatische Aberration in dem Detektionslicht, das über die Lochblende emittiert wird, zu erzeugen und das Detektionslicht zu dem Messobjekt hin zu konvergieren; einen Messsteuerabschnitt, der konfiguriert ist, um die Verschiebung des Messobjekts auf der Basis des Detektionslichts, das durch das optische Element auf das Messobjekt gestrahlt wird, durch die Lochblende zu führen, indem es während der Fokussierung auf das Messobjekt reflektiert wird; und ein Kopfgehäuse, das konfiguriert ist, um die Lochblende und das optische Element aufzunehmen, wobei wobei das optische Element eine erste Beugungslinse aufweist, die konfiguriert ist, das Detektionslicht zu beugen, und eine erste Brechungslinse, die konfiguriert ist, das Detektionslicht zu brechen, und wobei die erste Refraktionslinse mit einer vom Kopfgehäuse freiliegenden Nicht-Beugungsoberfläche angeordnet ist.
Konfokaler Verschiebungssensor nach Anspruch 1, wobei die erste Brechungslinse aus einer asphärischen Linse konfiguriert ist, deren Linsenoberfläche asphärisch ist.
Konfokaler Verschiebungssensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei das optische Element eine zweite Beugungslinse oder eine zweite Brechungslinse aufweist, die im Wesentlichen koaxial zu der ersten Brechungslinse angeordnet und weiter auf der Seite der Lochblende angeordnet ist als die erste Brechungslinse.
Konfokaler Verschiebungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, der des Weiteren ein Faserkabel mit einer optischen Faser zum Übertragen des von der Lichtquelle zur Lichtprojektion emittierten Lichts zum Kopfgehäuse umfasst, wobei eine Endfläche der optischen Faser als Lochblende fungiert.
Konfokaler Verschiebungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Kopfgehäuse einen Öffnungsrahmenabschnitt aufweist, der die erste Beugungsllnse umgibt und weiter zur Messobjektseite als die Nicht-Beugungsoberfläche vorsteht.
Konfokaler Verschiebungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Nicht-Beugungsoberfläche der ersten Beugungslinse aus einem Glasmaterial gebildet ist und eine Beugungsfläche mit einer Welligkeit der ersten Beugungslinse aus einem Harzmaterial gebildet ist.