JP6969453B2 - 光学計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学計測装置に関する。

従来、白色共焦点方式で計測対象物の表面形状などを計測可能な光学計測装置が用いられている。

例えば、下記特許文献１に記載の光学計測装置は、複数の波長成分を有する照射光を発生する光源と、光源からの照射光に対して軸上色収差を生じさせるとともに、光軸の延長線上に少なくともその一部が配置される計測対象物からの反射光を受光する光学系と、光学系で受光される反射光を各波長成分に分離する分光器と、分光器による分光方向に対応させて複数の受光素子が一次元配置された検出器とを含む、受光部と、光学系と受光部とを光学的に接続する複数のコアを含む導光部と、受光部の複数の受光素子によるそれぞれの検出値に基づいて、光学系から計測対象物までの距離を算出する処理部と、を含む。

特開２０１７−１０２０６７号公報

特許文献１に記載の光学計測装置においては、複数のコアを含む光ファイバを備え、隣接するコア間の間隔が狭くなると、ある共焦点をもつ光ファイバに計測対象物から反射してきた当該共焦点以外の波長の光が入光する現象（以下、「クロストーク」とも称す。）が生じ得る。そこで、クロストークを低減できるように、光ファイバにおいて、隣接するコア間の間隔、及び、コアの配置が設定される。

しかしながら、クロストークをより低減させることで、計測対象物の位置をさらに十分な精度で検出することが求められている。

そこで、本発明は、計測対象物の位置の検出精度がより高められた光学計測装置を提供することを目的とする。

本開示の一態様に係る光学計測装置は、複数の波長の光を出力する光源と、複数のコアを含む導光部を介して入射した光を平行光に変換する変換レンズと、色収差が生じた光を計測対象物に照射する対物レンズと、を備えるセンサヘッドと、計測対象物で反射されてセンサヘッドにより集光された反射光を、導光部を介して取得し、反射光のスペクトルを計測する分光器と、を備え、センサヘッドにおいて、導光部に含まれる複数のコアのうち一のコアから出射された光が反射光として一のコア以外のコアへの入光を抑制するように、変換レンズと対物レンズとの間に光を遮蔽する遮蔽物が配置される。

この態様によれば、センサヘッドにおいて、導光部に含まれる複数のコアのうち一のコアから出射された光が反射光として一のコア以外のコアへの入光を抑制するように、変換レンズと対物レンズとの間に光を遮蔽する遮蔽物が配置される。よって、クロストークをより低減させることができるので、計測対象物の位置の検出精度をより高めることができる。

上記光学計測装置において、遮蔽物は、複数のコアの配列に対応させて配置されてもよい。

この態様によれば、複数のコアが様々なパターンで配列されたとしても、当該パターンごとに適切に遮蔽物を配置することができる。

上記光学計測装置において、センサヘッドは、変換レンズと対物レンズとの間に、入射した光に対して光軸方向に沿って色収差を生じさせるための回折パターンが形成された回折面を有する回折レンズを収容し、遮蔽物は、回折レンズにおいて回折面の反対側に位置する面上に配置されてもよい。

この態様によれば、遮蔽物を、回折レンズにおいて回折面の反対側に位置する面上に配置するので、遮蔽物を配置するために、光学計測装置本来の構成を大幅に変更する必要がないので、低コストで計測対象物の位置の検出精度をより高めることができる。

上記光学計測装置において、遮蔽物は、面上に四方点状、十字状、又はリング形状に配置されてもよい。

この態様によれば、遮蔽物の配置手法に関する自由度が高まる。

上記光学計測装置において、光は、白色光であってもよい。

上記光学計測装置において、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計測装置であってもよい。

本発明によれば、クロストークをより低減させることで、計測対象物の位置の検出精度がより高められた光学計測装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る共焦点計測装置の概要図である。 従来例に係るセンサヘッドの概要図、及び、クロストークの発生状況を示す概念図である。 従来例に係るセンサヘッドの概要図、及び、クロストークの発生状況を示す概念図である。 従来例に係る共焦点計測装置において生じるクロストークの量を評価した結果例を示す図である。 本実施形態に係る回折レンズにおける遮蔽物の配置例を示す図である。 本実施形態に係る回折レンズにおける遮蔽物の配置例を示す図である。 本実施形態に係る回折レンズにおける遮蔽物の配置例を示す図である。 本実施形態に係る第２光ファイバにおける端面の反射光のプロファイル例を示す図である。 本実施形態に係る第２光ファイバにおける端面の反射光のプロファイル例を示す図である。 本実施形態に係る第２光ファイバにおける端面の反射光のプロファイル例を示す図である。 本発明の実施形態に係る共焦点計測装置において生じるクロストークの量を評価した結果例を示す図である。

添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。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。

図１は、本発明の実施形態に係る共焦点計測装置の概要図である。図１に示すように、本実施形態に係る共焦点計測装置１（光学計測装置）は、計測対象物２００の位置を計測する装置であり、例示的に、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、処理部４０及びセンサヘッド１００を備える。なお、導光部５０は、例示的に、第１光ファイバ１１、第２光ファイバ１２、第３光ファイバ１３、及び光カプラ２０を備えて構成される。

光源１０は、複数の波長の光を第１光ファイバ１１に出力する。光源１０は、処理部４０の指令に基づいて、光の光量を調整してもよい。当該光は、白色光であってもよい。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。

第１光ファイバ１１および第３光ファイバ１３は、いずれも２つのコア２０２を有する光ファイバであり、その断面構造としては、コア２０２、クラッド２０４、被覆２０６からなる組が２つ配置された上で、その周囲に外装２０８が設けられる。一方、第２光ファイバ１２は、４つのコア２０２を有する光ファイバであり、その断面構造としては、コア２０２、クラッド２０４、被覆２０６からなる組が４つ配置された上で、その周囲に外装２０８が設けられる。なお、各光ファイバのコア数は複数であれば、特に制限されるものではない。

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が光学的に接続され、例えば２×２スターカプラ（２入力２出力／２入力２出力）で構成される。例えば、光カプラ２０は、第１光ファイバ１１の１つのコアから入射した光を第２光ファイバ１２の２つのコアへ伝達するとともに、第２光ファイバ１２の２つのコアからそれぞれ入射した光を混合した上で分割して第１光ファイバ１１および第３光ファイバ１３へそれぞれ伝達する。同様に、例えば、光カプラ２０は、第１光ファイバ１１の別の１つのコアから入射した光を第２光ファイバ１２の別の２つのコアへ伝達するとともに、第２光ファイバ１２の別の２つのコアからそれぞれ入射した光を混合した上で分割して第１光ファイバ１１および第３光ファイバ１３へそれぞれ伝達する。

センサヘッド１００は、第２光ファイバ１２に接続され、入射した白色光に対して、光軸ＡＸ方向に沿って色収差を生じさせる回折レンズ１２０を収容し、色収差を生じさせた光を計測対象物２００に照射する。また、センサヘッド１００は、例示的に、第２光ファイバ１２の端面ＡＳから出射された白色光を平行光に変換する変換レンズ１１０と、回折レンズ１２０が色収差を生じさせた光を計測対象物２００に集める対物レンズ１３０と、更に収容する。なお、例示的に、回折レンズ１２０及び変換レンズ１１０を備えるレンズをコリメータレンズと呼んでもよい。

センサヘッド１００において、第２光ファイバ１２の複数のコアのうち一のコアから出射された光が反射光として当該一のコア以外のコアに入光しないように、変換レンズ１１０と対物レンズ１３０との間に光を遮蔽する遮蔽物Ｓが配置される。例えば、遮蔽物Ｓは、第２光ファイバ１２における複数のコアの配列に対応させて配置される。遮蔽物Ｓの配置の具体例については、後述する。

遮蔽物Ｓは、クロストークを低減するために光を遮蔽することができる部材を含む。例えば、遮蔽物Ｓは、光を透過しない、又は、光を略透過しない材料を含む部材で構成されてもよい。例えば、遮蔽物Ｓは、墨やインク等であってもよい。

計測対象物２００の表面で反射した光は、対物レンズ１３０によって集められ、回折レンズ１２０を通って、変換レンズ１１０で集光されて、第２光ファイバ１２の端面ＡＳを介してコアに返送される。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、計測対象物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読み出された光の波長及び光量は、処理部４０によって計測対象物２００の位置に読み替えられる。

共焦点計測装置１は、センサヘッド１００が静止状態にあれば数十ｎｍ（ナノメートル）の分解能で計測対象物２００の位置を計測することができる。計測精度をさらに向上させるためには、第２光ファイバ１２及び第３光ファイバ１３のコア径をより小さくして、第２光ファイバ１２に入射する反射光の波長を制限し、分光器３０によってより鋭いピークが検出されるようにする必要がある。

図２〜図４を用いて従来例に係る共焦点計測装置におけるクロストークの発生状況を説明する。図２は、従来例に係るセンサヘッド１０００の平面概要図、及び、短波長側のクロストークの発生状況を示す概念図である。図３は、従来例に係るセンサヘッド１０００の平面概要図、及び、長波長側のクロストークの発生状況を示す概念図である。なお、図２及び図３は、便宜上、各図の左側において、対象物に対する光の照射状況の一例を示しており、各図の右側において、対象物から反射する際の光の受光状況の一例を示している。

図２及び図３に示すように、従来例に係る光ファイルバの各コア２０２０の端面から出射された白色光を変換レンズ１１００により平行光に変換し、回折レンズ１２００により色収差を生じさせた光を、対物レンズ１３００により計測対象物に集める。そして、計測対象物から反射した光が対物レンズ１３００、回折レンズ１２００及び変換レンズ１１００を介して各コア２０２０に戻る。なお、例示的に、回折レンズ１２００及び変換レンズ１１００を備えるレンズをコリメータレンズと呼んでもよい。

ここで、図２及び図３に示すように、計測対象物が配置された位置において各光の焦点がずれているため、例えばコア（１）から出射された白色光が、反射波としてコア（２）に入光し、逆に、コア（２）から出射された白色光が、反射波としてコア（１）に入光するクロストークが発生する。

図４は、従来例に係る共焦点計測装置において生じるクロストークの量を評価した結果例を示す図である。図４に示すように、遮蔽物を備えていない従来例に係る共焦点計測装置においては、長波長側及び短波長側の双方においてクロストークが発生していることが確認できる。

そこで、本実施形態においては、光を遮蔽する遮蔽物を適切な位置に配置することで、クロストークをより低減させることができ、計測対象物の位置の検出精度がより高められた光学計測装置を提供する。以下では、図５〜図７を用いて遮蔽物の配置例の詳細を説明する。

図５〜図７は、本実施形態に係る回折レンズにおいて、入射した光に対して光軸方向に沿って色収差を生じさせるための回折パターンが形成された回折面の反対側に位置する面上に遮蔽物が配置される例を示す図である。なお、回折面の反対側に位置する面は、平面であるのが好ましいが、これに制限されない。

図５に示すように、遮蔽物Ｓは、回折レンズ１２０の面Ｆ上に四方点状に配置されてもよい。図６に示すように、遮蔽物Ｓは、回折レンズ１２０の面Ｆ上に十字状に配置されてもよい。図７に示すように、遮蔽物Ｓは、回折レンズ１２０の面Ｆ上にリング状に配置されてもよい。

遮蔽物Ｓを、回折レンズ１２０において回折面の反対側に位置する面Ｆ上に配置するので、遮蔽物Ｓを配置するために、光学計測装置本来の構成を大幅に変更する必要がないので、低コストで計測対象物２００の位置の検出精度をより高めることができる。

また、遮蔽物Ｓは、面Ｆ上に四方点状、十字状、又はリング形状に配置することができるので、遮蔽物Ｓの配置手法に関する自由度が高まる。

なお、遮蔽物Ｓは、図１に示す第２光ファイバ１２における複数のコア２０２の配列に対応させて配置される。よって、遮蔽物Ｓの配置については、クロストークを低減させることができれば、四方点状、十字状及びリング状に制限されない。また、遮蔽物Ｓの配置する範囲は、第２光ファイバ１２に含まれる各コア２０２の径や出射された光の強度や広がり等に応じて適宜設定されてもよい。さらに、遮蔽物Ｓの厚さは、遮蔽物Ｓに含まれる材料や部材の内容やセンサヘッド１００内における各レンズの配置状況に応じて適宜設定されてもよい。

また、遮蔽物Ｓは、第２光ファイバ１２の複数のコアのうち一のコアから出射された光が反射光として当該一のコア以外のコアへの入光を抑制するように、変換レンズ１１０と対物レンズ１３０との間に配置されていればよいので、回折レンズ１２０の面Ｆ上に配置する構成に限られず、センサヘッド１００における他のレンズや他の部材上に配置されてもよい。

図８〜図１０を用いて本実施形態に係る第２光ファイバの端面における反射光のプロファイル例を示す図である。特に、図８は、図５に示すように遮蔽物Ｓを回折レンズ１２０の面Ｆ上に四方点状に配置した場合の、コア２０２（１）に対応する反射光のプロファイル例を示す図である。図８に示すように、第２光ファイバにおけるコア２０２（１）の配置に対して四方点状に遮蔽物Ｓが配置されることで、適切に反射光が遮蔽される。なお、図８においては、便宜上、第２光ファイバの他のコア２０２（２）〜（４）のそれぞれに対するプロファイルは掲載していないが、コア２０２（１）のプロファイルと同様に、図８の各破線ＢＬ１〜ＢＬ３で示された範囲に、各コア２０２（２）〜（４）のそれぞれに対する反射光のプロファイルが現れる。

図９は、図５に示すように遮蔽物Ｓを回折レンズ１２０の面Ｆ上に十字状に配置した場合の、図１に示す第２光ファイバ１２の端面ＡＳにおける反射光のプロファイル例を示す図である。特に、図９は、図５に示すように遮蔽物Ｓを回折レンズ１２０の面Ｆ上に十字状に配置した場合の、コア２０２（１）に対応する反射光のプロファイル例を示す図である。図９に示すように、第２光ファイバにおけるコア２０２（１）の配置に対して十字状に遮蔽物Ｓが配置されることで、適切に反射光が遮蔽される。なお、図９においても、便宜上、第２光ファイバの他のコア２０２（２）〜（４）のそれぞれに対するプロファイルは掲載していないが、コア２０２（１）のプロファイルと同様に、図９の各破線ＢＬ１〜ＢＬ３で示された範囲に、各コア２０２（２）〜（４）のそれぞれに対する反射光のプロファイルが現れる。

図１０は、図５に示すように遮蔽物Ｓを回折レンズ１２０の面Ｆ上にリング状に配置した場合の、図１に示す第２光ファイバ１２の端面ＡＳにおける反射光のプロファイル例を示す図である。特に、図１０は、図５に示すように遮蔽物Ｓを回折レンズ１２０の面Ｆ上にリング状に配置した場合の、コア２０２（１）に対応する反射光のプロファイル例を示す図である。図１０に示すように、第２光ファイバにおけるコア２０２（１）の配置に対してリング状に遮蔽物Ｓが配置されることで、適切に反射光が遮蔽される。なお、図１０においても、便宜上、第２光ファイバの他のコア２０２（２）〜（４）のそれぞれに対するプロファイルは掲載していないが、コア２０２（１）のプロファイルと同様に、図９の各破線ＢＬ１〜ＢＬ３で示された範囲に、各コア２０２（２）〜（４）のそれぞれに対する反射光のプロファイルが現れる。

図１１は、本発明の実施形態に係る共焦点計測装置において生じるクロストークの量と、従来例に係る共焦点計測装置において生じるクロストークの量と、を評価した比較例を示す図である。図１１に示すように、遮蔽物を四方点状に配置した実施形態に係る共焦点計測装置においては、従来例に係る共焦点計測装置に比べて、長波長側及び短波長側の双方においてクロストークが低減していることが確認できる。なお、遮蔽物を十字状又はリング状に配置した場合であっても同様な結果を得ることができる。

以上のとおり本実施形態によれば、センサヘッド１００において、導光部５０に含まれる複数のコア２０２のうち一のコア２０２から出射された光が反射光として一のコア２０２以外のコア２０２への入光を抑制するように、変換レンズ１１０と対物レンズ１３０との間に光を遮蔽する遮蔽物Ｓが配置される。よって、クロストークをより低減させることができるので、計測対象物２００の位置の検出精度をより高めることができる。

（他の実施形態）
上記各実施形態は、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ものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更／改良（例えば、各実施形態を組み合わせること、各実施形態の一部の構成を省略すること）され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。

本実施形態においては、光学計測装置の一例として図１に示す共焦点計測装置１を例示したが、これに限られず、光学計測装置は、例えば、白色干渉方式を採用する、一以上のコアを備えた干渉計等の他の計測装置を含んでもよい。

本実施形態の一部又は全部は、以下の附記のようにも記載されうるが、以下には限られない。

［附記］
複数の波長の光を出力する光源（１０）と、
複数のコアを含む導光部（５０）を介して入射した前記光を平行光に変換する変換レンズ（１１０）と、色収差が生じた前記光を計測対象物（２００）に照射する対物レンズ（１３０）と、を備えるセンサヘッド（１００）と、
前記計測対象物（２００）で反射されて前記センサヘッド（１００）により集光された反射光を、前記導光部（５０）を介して取得し、前記反射光のスペクトルを計測する分光器（３０）と、を備え、
前記センサヘッド（１００）において、前記導光部（５０）に含まれる前記複数のコアのうち一のコアから出射された光が前記反射光として前記一のコア以外のコアへの入光を抑制するように、前記変換レンズ（１１０）と前記対物レンズ（１３０）との間に光を遮蔽する遮蔽物Ｓが配置される、
光学計測装置。

１…共焦点計測装置、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…処理部、１００…センサヘッド、１１０…変換レンズ、１２０…回折レンズ、１３０…対物レンズ、２００…計測対象物、２０２…コア、２０４…クラッド、２０６…被覆、２０８…外装、Ｓ…遮蔽物

Claims (5)

1. 複数の波長の光を出力する光源と、
   複数のコアを含む導光部を介して入射した前記光を平行光に変換する変換レンズと、色収差が生じた前記光を計測対象物に照射する対物レンズと、を備えるセンサヘッドと、
   前記計測対象物で反射されて前記センサヘッドにより集光された反射光を、前記導光部を介して取得し、前記反射光のスペクトルを計測する分光器と、を備え、
   前記センサヘッドにおいて、前記導光部に含まれる前記複数のコアのうち一のコアから出射された光が前記反射光として前記一のコア以外のコアへの入光を抑制するように、前記変換レンズと前記対物レンズとの間に光を遮蔽する遮蔽物が前記複数のコアの配列に対応させて配置される、
   光学計測装置。
2. 前記センサヘッドは、前記変換レンズと前記対物レンズとの間に、入射した前記光に対して光軸方向に沿って色収差を生じさせるための回折パターンが形成された回折面を有する回折レンズを収容し、
   前記遮蔽物は、前記回折レンズにおいて前記回折面の反対側に位置する面上に配置される、
   請求項１に記載の光学計測装置。
3. 前記遮蔽物は、前記面上に四方点状、十字状、又はリング状に配置される、
   請求項２に記載の光学計測装置。
4. 前記光は、白色光である、
   請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の光学計測装置。
5. 共焦点光学系を利用して前記計測対象物の変位を計測する共焦点計測装置である、
   請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の光学計測装置。
   

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