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技術 クロマティック共焦点センサ及び測定方法

出願人 株式会社ミツトヨ
発明者 久保光司
出願日 2016年10月21日 (3年8ヶ月経過) 出願番号 2016-206565
公開日 2018年4月26日 (2年2ヶ月経過) 公開番号 2018-066693
状態 未査定
技術分野 光学的手段による測長装置
主要キーワード 校正用治具 校正テーブル 各分光器 多点測定 遮光機構 多点計測 測定対象領域 各光学ヘッド
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重要な関連分野

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図面 (8)

課題

少ない部品数多点測定を実行することが可能なクロマティック共焦点センサ、及び測定方法を提供する。

解決手段

クロマティック共焦点センサ100は、光源部と、複数の光学ヘッド10と、分光器と、位置算出部20とを具備する。光源部は、互いに波長の異なる複数の光Wを出射する。複数の光学ヘッドは、各々が、光源部から出射された複数の光を異なる合焦位置Pkにそれぞれ収束させ合焦位置にて測定点により反射された測定光M1、M2を出射する。分光器は、ラインセンサと、光学系とを有する。光学系は、複数の光学ヘッドから出射された複数の測定光を回折する回折格子を有し、回折格子により回折された複数の測定光の各々を、ラインセンサの互いに異なる複数の受光領域に出射する。位置算出部は、ラインセンサの複数の受光領域における各々の受光位置に基づいて、複数の光学ヘッドの測定対象である複数の測定点の各々の位置を算出する。

概要

背景

従来、被測定物の高さ等を測定するために、クロマティック共焦点の技術が用いられている。例えば特許文献1には、その図1に示されるように、複数のヘッド部の共焦点光学系を利用して計測対象物変位多点計測する共焦点計測装置について記載されている。

この共焦点計測装置では、各ヘッド部に光学フィルタが備えられ、測定のために使用する光の波長帯域が、各ヘッド部にて互いに異なるように設定されている。例えば特許文献1の図1に示す例では、第1のヘッド部10aでは、400nm〜600nmの波長の光が使用される。第2のヘッド部10bでは、600nm〜800nmの波長の光が使用される。(特許文献1の明細書段落[0028][0031]等)。

このように各ヘッド部で使用される光の波長帯域を異ならせることで、分光器内に配置された撮像素子を、各ヘッド部が利用する複数の領域(チャネル)に分割することが可能となる。この結果、複数の光学ヘッドに対して1つの分光器(撮像素子)のみで、計測対象物の多点計測が可能となる(特許文献1の明細書段落[0045]〜[0049]等)。

概要

少ない部品数多点測定を実行することが可能なクロマティック共焦点センサ、及び測定方法を提供する。クロマティック共焦点センサ100は、光源部と、複数の光学ヘッド10と、分光器と、位置算出部20とを具備する。光源部は、互いに波長の異なる複数の光Wを出射する。複数の光学ヘッドは、各々が、光源部から出射された複数の光を異なる合焦位置Pkにそれぞれ収束させ合焦位置にて測定点により反射された測定光M1、M2を出射する。分光器は、ラインセンサと、光学系とを有する。光学系は、複数の光学ヘッドから出射された複数の測定光を回折する回折格子を有し、回折格子により回折された複数の測定光の各々を、ラインセンサの互いに異なる複数の受光領域に出射する。位置算出部は、ラインセンサの複数の受光領域における各々の受光位置に基づいて、複数の光学ヘッドの測定対象である複数の測定点の各々の位置を算出する。

目的

本発明の目的は、少ない部品数で多点測定を実行することが可能なクロマティック共焦点センサ、及び測定方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

互いに波長の異なる複数の光を出射する光源部と、各々が、前記光源部から出射された前記複数の光を異なる合焦位置にそれぞれ収束させ前記合焦位置にて測定点により反射された測定光を出射する複数の光学ヘッドと、ラインセンサと、前記複数の光学ヘッドから出射された複数の測定光を回折する回折格子を有し、前記回折格子により回折された前記複数の測定光の各々を、前記ラインセンサの互いに異なる複数の受光領域に出射する光学系とを有する分光器と、前記ラインセンサの前記複数の受光領域における各々の受光位置に基づいて、前記複数の光学ヘッドの測定対象である複数の測定点の各々の位置を算出する位置算出部とを具備するクロマティック共焦点センサ

請求項2

請求項1に記載のクロマティック共焦点センサであって、前記ラインセンサは、所定の基準軸を基準として配置され、前記光学系は、前記所定の基準軸を基準として構成され、前記所定の基準軸を基準として互いに異なる位置に設けられ前記複数の測定光が入射する複数の入射口を有するクロマティック共焦点センサ。

請求項3

請求項2に記載のクロマティック共焦点センサであって、前記所定の基準軸は、前記分光器の仮想的な入射口から前記光学系に前記測定光を入射させた場合の光軸に相当するクロマティック共焦点センサ。

請求項4

請求項2又は3に記載のクロマティック共焦点センサであって、前記複数の入射口は、前記複数の入射口から入射する前記複数の測定光の各々光軸が前記所定の基準軸と略平行となるように設けられるクロマティック共焦点センサ。

請求項5

請求項2から4のうちいずれか1項に記載のクロマティック共焦点センサであって、前記複数の入射口は、前記所定の基準軸に対して互いに対称となる位置に設けられるクロマティック共焦点センサ。

請求項6

請求項3に記載のクロマティック共焦点センサであって、前記複数の入射口は、前記仮想的な入射口に対して互いに対称となる位置に設けられるクロマティック共焦点センサ。

請求項7

請求項2から6のうちいずれか1項に記載のクロマティック共焦点センサであって、前記複数の入射口は、前記ラインセンサのライン方向に応じた所定の方向に沿って設けられるクロマティック共焦点センサ。

請求項8

請求項7に記載のクロマティック共焦点センサであって、前記分光器は、前記複数の入射口が設けられる入射面を有し、前記複数の入射口は、前記ライン方向及び前記所定の基準軸の方向を含む平面と、前記入射面とが交わる直線上に設けられるクロマティック共焦点センサ。

請求項9

請求項1から8のうちいずれか1項に記載のクロマティック共焦点センサであって、前記複数の光学ヘッドの各々について、前記複数の光のうち波長が最も短い光が前記測定光として出射される場合の受光位置から、波長が最も長い光が前記測定光として出射される場合の受光位置までの前記リニアセンサの領域を測定対象領域とすると、前記複数の受光領域は、前記複数の光学ヘッドの各々に対応する複数の測定対象領域に相当するクロマティック共焦点センサ。

請求項10

請求項1から9のうちいずれか1項に記載のクロマティック共焦点センサであって、前記複数の光学ヘッドは、2つ又は3つの光学ヘッドであるクロマティック共焦点センサ。

請求項11

互いに波長の異なる複数の光を出射し、複数の光学ヘッドの各々により、前記光源部から出射された前記複数の光を異なる合焦位置にそれぞれ収束させ前記合焦位置にて測定点により反射された測定光を出射し、前記複数の光学ヘッドから出射された複数の測定光を回折してラインセンサの互いに異なる複数の受光領域に出射し、前記ラインセンサの前記複数の受光領域における各々の受光位置に基づいて、前記複数の光学ヘッドの測定対象である複数の測定点の各々の位置を算出する測定方法

技術分野

0001

本発明は、クロマティック共焦点センサ及びこれを用いた測定方法に関する。

背景技術

0002

従来、被測定物の高さ等を測定するために、クロマティック共焦点の技術が用いられている。例えば特許文献1には、その図1に示されるように、複数のヘッド部の共焦点光学系を利用して計測対象物変位多点計測する共焦点計測装置について記載されている。

0003

この共焦点計測装置では、各ヘッド部に光学フィルタが備えられ、測定のために使用する光の波長帯域が、各ヘッド部にて互いに異なるように設定されている。例えば特許文献1の図1に示す例では、第1のヘッド部10aでは、400nm〜600nmの波長の光が使用される。第2のヘッド部10bでは、600nm〜800nmの波長の光が使用される。(特許文献1の明細書段落[0028][0031]等)。

0004

このように各ヘッド部で使用される光の波長帯域を異ならせることで、分光器内に配置された撮像素子を、各ヘッド部が利用する複数の領域(チャネル)に分割することが可能となる。この結果、複数の光学ヘッドに対して1つの分光器(撮像素子)のみで、計測対象物の多点計測が可能となる(特許文献1の明細書段落[0045]〜[0049]等)。

先行技術

0005

国際公開第2014/141535号

発明が解決しようとする課題

0006

このように多点測定を実行可能なクロマティック共焦点センサにおいて、必要な部品数を削減することが可能な技術が求められている。

0007

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、少ない部品数で多点測定を実行することが可能なクロマティック共焦点センサ、及び測定方法を提供することにある。

課題を解決するための手段

0008

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るクロマティック共焦点センサは、光源部と、複数の光学ヘッドと、分光器と、位置算出部とを具備する。
前記光源部は、互いに波長の異なる複数の光を出射する。
前記複数の光学ヘッドは、各々が、前記光源部から出射された前記複数の光を異なる合焦位置にそれぞれ収束させ前記合焦位置にて測定点により反射された測定光を出射する。
前記分光器は、ラインセンサと、光学系とを有する。前記光学系は、前記複数の光学ヘッドから出射された複数の測定光を回折する回折格子を有し、前記回折格子により回折された前記複数の測定光の各々を、前記ラインセンサの互いに異なる複数の受光領域に出射する。
前記位置算出部は、前記ラインセンサの前記複数の受光領域における各々の受光位置に基づいて、前記複数の光学ヘッドの測定対象である複数の測定点の各々の位置を算出する。

0009

このクロマティック共焦点センサは、光源部から出射された光を用いて測定を行う複数の光学ヘッドを備える。各光学ヘッドから出射される測定光は回折格子により回折され、ラインセンサの複数の受光領域にそれぞれ出射される。従ってラインセンサの複数の受光領域における各々の受光位置に基づいて、複数の測定点の各々の位置を算出することが可能となる。この結果、回折格子やラインセンサの数を増やすことなく、少ない部品数で多点測定を実行することが可能となる。

0010

前記ラインセンサは、所定の基準軸を基準として配置されてもよい。この場合、前記光学系は、前記所定の基準軸を基準として構成され、前記所定の基準軸を基準として互いに異なる位置に設けられ前記複数の測定光が入射する複数の入射口を有してもよい。
このように所定の基準軸を基準としてラインセンサを配置し光学系を構成することで、各測定光リニアセンサの互いに異なる受光領域に出射することが可能となる。特に基準軸を基準とした互いに異なる位置に複数の入射口を設けることで、各測定光を容易に複数の受光領域に出射することが可能となる。

0011

前記所定の基準軸は、前記分光器の仮想的な入射口から前記光学系に前記測定光を入射させた場合の光軸に相当してもよい。
このように仮想的な入射口から測定光を入射した場合の光軸を基準としてリニアセンサを配置し光学系を構成することで、複数の入射口から入射される測定光をリニアセンサの複数の受光領域にそれぞれ出射することが可能となる。

0012

前記複数の入射口は、前記複数の入射口から入射する前記複数の測定光の各々光軸が前記所定の基準軸と略平行となるように設けられてもよい。
これにより各測定光を容易に複数の受光領域に出射することが可能となる。

0013

前記複数の入射口は、前記所定の基準軸に対して互いに対称となる位置に設けられてもよい。
これにより分光器の設計が容易となる。

0014

前記複数の入射口は、前記仮想的な入射口に対して互いに対称となる位置に設けられてもよい。
複数の入射口を基準軸の始端となる仮想的な入射口に対して互いに対称となる位置に設けることで、分光器の設計が容易となる。

0015

前記複数の入射口は、前記ラインセンサのライン方向に応じた所定の方向に沿って設けられてもよい。
これにより分光器の設計が容易となる。

0016

前記分光器は、前記複数の入射口が設けられる入射面を有してもよい。この場合、前記複数の入射口は、前記ライン方向及び前記所定の基準軸の方向を含む平面と、前記入射面とが交わる直線上に設けられてもよい。
これにより分光器の設計が容易となる。

0017

前記複数の光学ヘッドの各々について、前記複数の光のうち波長が最も短い光が前記測定光として出射される場合の受光位置から、波長が最も長い光が前記測定光として出射される場合の受光位置までの前記リニアセンサの領域を測定対象領域とすると、
前記複数の受光領域は、前記複数の光学ヘッドの各々に対応する複数の測定対象領域に相当してもよい。
測定対象領域が互いに異なる領域となるようにリニアセンサや光学系等を構成することで、高い精度で多点測定が実行可能となる。

0018

前記複数の光学ヘッドは、2つ又は3つの光学ヘッドであってもよい。
本技術により、2点又は3点の同時測定を少ない部品数で実行することが可能となる。

0019

本発明の一形態に係る測定方法は、互いに波長の異なる複数の光を出射することを含む。
複数の光学ヘッドの各々により、前記光源部から出射された前記複数の光が異なる合焦位置にそれぞれ収束され前記合焦位置にて測定点により反射された測定光が出射される。
前記複数の光学ヘッドから出射された複数の測定光が回折されてラインセンサの互いに異なる複数の受光領域に出射される。
前記ラインセンサの前記複数の受光領域における各々の受光位置に基づいて、前記複数の光学ヘッドの測定対象である複数の測定点の各々の位置が算出される。

発明の効果

0020

以上のように、本発明によれば、少ない部品数で多点測定を実行することが可能となる。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。

図面の簡単な説明

0021

一実施形態に係るクロマティック共焦点センサの構成例を示す概略図である。
一実施形態に係るクロマティック共焦点センサの構成例を示す概略図である。
分光器の構成例を示す概略図である。
基準軸の設定例を説明するための模式図である。
第1及び第2の入射口間の距離の設定例について説明するための模式図である。
制御部による2つの測定点の各々の位置の算出例を示すチャートである。
分光器の他の構成例を示す概略図である。

実施例

0022

以下、本発明に係る実施形態を、図面を参照しながら説明する。

0023

図1及び図2は、本発明の一実施形態に係るクロマティック共焦点センサの構成例を示す概略図である。クロマティック共焦点センサは、クロマティックポイントセンサCPS:chromatic confocal point sensor)とも呼ばれる。以下の説明では、クロマティックセンサと記載して説明を行う。

0024

クロマティックセンサ100は、複数の光学ヘッド10と、コントローラ20と、光ファイバ部30とを有する。コントローラ20は、光源部40と、分光器50と、信号処理・制御部(以下、単に制御部と記載する)70とを有する。

0025

図1に示すように複数の光学ヘッド10として、第1の光学ヘッド10a、及び第2の光学ヘッド10bの2つの光学ヘッド10が備えられる。第1及び第2の光学ヘッド10a及び10bは、互いに略等しい構成を有し、光ファイバ31a及び31bを介してコントローラ20に接続される。

0026

光ファイバ31a及び31bにより、コントローラ20から出射される測定用の光が、第1及び第2の光学ヘッド10a及び10bに導かれる。本実施形態では、測定用の光として、青色波長域から赤色波長域までの互いに波長の異なる複数の可視光を含む白色光Wが使用される。白色光Wの具体的な波長帯域は限定されず、適宜設定されてよい。

0027

第1及び第2の光学ヘッド10a及び10bの共通する要素について、光学ヘッド10と記載してまとめて説明する。

0028

光学ヘッド10は、長手方向を光軸Aとするペン形状筐体部11と、この筐体部11内に設けられた対物レンズ12とを有する。筐体部11の後端の略中央の接続口13に、光ファイバ31a(光ファイバ31b)が接続され、筐体部11の内部に白色光Wが出射される。光ファイバ31a(光ファイバ31b)から出射された白色光Wは、対物レンズ12を通って、筐体部11の前端照射面14から被測定物O上の測定点Q1(Q2)に向けて照射される。

0029

対物レンズ12は、クロマティックセンサ用に設計されたレンズであり、軸上色収差を発生させる。すなわち対物レンズ12は、光学ヘッド10に入射する光を、光軸A上の波長λに応じた合焦位置Pに収束させる。従って本実施形態では、対物レンズ12により、白色光Wに含まれる複数の可視光の各々が、波長λに応じた互いに異なる合焦位置Pに収束される。

0030

図1に示すように、白色光Wに含まれる複数の可視光が互いに分離されて、筐体部11から被測定物Oの測定点Q1(Q2)に向けて出射される。なお図1では、対物レンズ12により分光された複数の可視光を代表して、RGBの3色の光が図示されている。もちろん他の色(他の波長)の光も出射されている。

0031

図1に示す波長λ1及び合焦位置P1は、複数の可視光のうち最も波長が短い可視光の波長及び合焦位置を表し、例えば青色光Bが該当する。波長λn及び合焦位置Pnは、最も波長が長い可視光の波長及び合焦位置を表し、例えば赤色光Rが該当する。波長λk及び合焦位置Pkは、複数の可視光のうちの任意の可視光についての波長及び合焦位置を表し、図2では、緑色光Gが例示されている(k=1〜nである)。

0032

また対物レンズ12は、合焦位置Pkにて測定点Q1(Q2)により反射された可視光を、光ファイバ31a(光ファイバ31b)に収束させる。すなわち筐体部11の後端の接続口13は、測定点Q1(Q2)で合焦して反射される可視光が、対物レンズ12により収束されるときの共焦点の位置に設けられる。当該接続口13に光ファイバ31a(光ファイバ31b)を接続することで、複数の可視光のうち合焦位置Pkにて測定点Q1(Q2)により反射された可視光を、測定光M1(M2)として選択して出射することが可能となる。

0033

図1では、対物レンズ12から接続口13までの間に、被測定物Oにより反射されたRGBの3色の光が図示されている。図1に示す例では、合焦位置Pk(図中では緑色光Gの合焦位置)に測定点Q1(Q2)が存在する。従って測定点Q1(Q2)により反射された緑色光Gが、光ファイバ31a(光ファイバ31b)に収束される。この結果、緑色光Gの反射光が、測定光M1(M2)として光ファイバ31a((光ファイバ31b)を介して出射される。このように出射される測定光M1(M2)の波長と、光軸A上における測定点Qの位置は、1対1に対応する。

0034

光学ヘッド10内の構成は限定されず、適宜設計されてよい。例えばピンホールコリメータレンズ等の他のレンズが使用されてもよい。

0035

本実施形態では、第1及び第2の光学ヘッド10a及び10bにより、被測定物O上の2つの測定点Q1及びQ2の位置を測定することが可能である。すなわち第1及び第2の光学ヘッド10a及び10bの測定対象である2つの測定点Q1及びQ2を同時に多点測定することが可能である。もちろん同じ被測定物Oに対して多点測定を行う場合に限定されず、異なる2つの被測定物Oの各々を同時に測定することも可能である。

0036

第1及び第2の光学ヘッド10a及び10bから出射される測定光M1及びM2は、光ファイバ31a及び31bを介してコントローラ20に導かれる。図1に示す例では、測定光M1及びM2として緑色光Gが出射されている。もちろん同じ波長光が出射される場合に限定されず、各々の測定点Q1及びQ2の位置に応じた波長光が出射される。

0037

図2に示すように、光源部40には、測定用光源として白色LED41が設けられる。なおLED等の固体光源に代えて、水銀ランプ等が用いられてもよい。

0038

光ファイバ部30は、第1の光学ヘッド10a用に設けられた、光ファイバ31a、32a、及び33aと、これらが接続されるファイバスプリッタ34aとを有する。また光ファイバ部30は、第2の光学ヘッド10b用に設けられた、光ファイバ31b、32b、及び33bと、これらが接続されるファイバスプリッタ34bとを有する。

0039

図2に示すように、光ファイバ32aと、光ファイバ32bとが、白色LED41に接続される。具体的には、白色LED41の発光領域に2つの光ファイバ32a及び32bの端部が十分に近接するように配置される。これにより1つの白色LED41から光ファイバ32a及び32bへ白色光Wを出射することが可能となる。なお発光領域の面積や光ファイバのコア径等が適宜設計されてもよく、また2つの光ファイバに白色光Wを出射するための光学系等が構成されてもよい。

0040

ファイバスプリッタ34aは、光ファイバ32aから導入された白色光Wを第1の光学ヘッド10aに接続された光ファイバ31aに導出する。またファイバスプリッタ34aは、光ファイバ31aから導入された測定光M1を分岐して、分光器50に接続された光ファイバ33aに導出する。従って第1の光学ヘッド10aから出射された測定光M1は、光ファイバ33aから分光器50内へ出射される。

0041

ファイバスプリッタ34bは、光ファイバ32bから導入された白色光Wを第2の光学ヘッド10bに接続された光ファイバ31bに導出する。またファイバスプリッタ34bは、光ファイバ31bから導入された測定光M2を分岐して、分光器50に接続された光ファイバ33bに導出する。従って第2の光学ヘッド10bから出射された測定光M2は、光ファイバ33bから分光器50内へ出射される。

0042

図3は、分光器50の構成例を示す概略図である。分光器50は、第1の光学ヘッド10aにより光ファイバ31aを介して出射された測定光M1、及び第2の光学ヘッド10bにより光ファイバ31bを介して出射された測定光M2の各々の波長を検出するためのブロックである。

0043

分光器50は、ラインセンサ51と、分光光学系52とを有する。分光光学系52は、複数の入射口53a及び53bが設けられる入射面54と、コリメータレンズ55と、回折格子56と、結像レンズ57とを有する。分光光学系52により、第1及び第2の測定光M1及びM1が回折され、ラインセンサ51の互いに異なる2つの受光領域58a及び58bに出射される。

0044

コリメータレンズ55は、光ファイバ33a及び33bから出射された測定光M1及びM2の各々を回折格子56上に照射する。

0045

回折格子56は、照射された測定光M1及びM2を回折する。結像レンズ57は、回折格子56により回折された測定光M1及びM2(以下、回折光L1及びL2と記載する)を、ラインセンサ51上にてスポット状に結像する。本実施形態では、+1次の回折光L1及びL2がラインセンサ51上に結像されるが、−1次の回折光等、他の回折光が結像されてもよい。なお回折格子56の具体的な構成は限定されない。

0046

ラインセンサ51は、一方向に並ぶ複数のピクセル受光素子)59を有する。各ピクセル59は、受光した光の強度に応じた信号を出力する。ラインセンサ51の具体的な構成は限定されず、例えばCMOSラインセンサCCDラインセンサ等が用いられる。

0047

なお結像レンズ57は、色収差が小さいレンズであり、測定光M1及びM2の波長にかかわらず、回折光L1及びL2をラインセンサ51上にスポット状に結像することができる。一方で、回折格子56から出射される回折光L1及びL2の出射角は、測定光M1及びM2の波長に依存する。従ってラインセンサ51上のスポットの位置は、測定光M1及びM2の波長に依存するパラメータとなる。

0048

ラインセンサ51により出力された信号は、信号ケーブル60を介して制御部70に送信される。本実施形態では、第1の受光領域58aにて受光される回折光L1の信号、及び第2の受光領域58bにて受光される回折光L2の信号の2つの信号が送信される。なおスポット位置の検出対象となる回折光L1及びL2以外の回折光がラインセンサ51に入射しないように、遮光機構等が設けられてもよい。また回折格子56やラインセンサ51の配置角度等が適宜調整されてもよい。

0049

ラインセンサ51及び分光光学系52は、基準軸Dを基準として構成される。本実施形態では、入射面54に対して略垂直方向に延在し、中間点Eで所定の方向に角度を変えて延在する基準軸Dが設定される。当該基準軸D上にコリメータレンズ55が配置される。コリメータレンズ55は、基準軸Dがレンズの中央を通るように、すなわちコリメータレンズ55の光軸と基準軸Dとが略一致するように配置される。

0050

回折格子56は、基準軸Dの方向が変わる中間点Eに、角度が変わった基準軸Dの方向と略直交する向きで配置される。回折格子56は、基準軸Dが略中央を通るように配置される。

0051

結像レンズ57は、角度が変わって延在する基準軸D上に配置される。結像レンズ57は、基準軸Dがレンズの中央を通るように、すなわち結像レンズ57の光軸と基準軸Dとが略一致するように配置される。

0052

ラインセンサ51は、基準軸Dと略直交する向きで、略中央のピクセル59tが基準軸D上に位置するように配置される。またラインセンサ51は、回折格子56の回折方向と、ラインセンサ51の延在方向であるセンサ方向とが略一致するように配置される。なお略中央のピクセル59tは、第1及び第2の受光領域58a及び58bの境界となる。

0053

図4は、基準軸Dの設定例を説明するための模式図である。図4に示すように、入射面54の基準軸Dと略垂直に交わる点を、分光器50の仮想的な入射口90とする。当該仮想的な入射口90から測定光Mを入射した場合に、その入射光Mの1次の回折光Lが、ラインセンサ51の略中央のピクセル59tに入射するように、分光光学系52が構成され、ラインセンサ51が配置される。なお想定される測定光Mの波長は限定されないが、典型的には、白色光Wの波長帯域の略中央の波長光(例えば緑色光G)が想定される。

0054

従って図3等に示す基準軸Dは、仮想的な入射口90から分光光学系52に入射された測定光Mの光軸(光束の中央を通る軸)Fに相当する。仮想的な入射口90から分光光学系52へ所定の波長の測定光Mを入射させた場合に、その回折光Lがラインセンサ51の所定のピクセル59に入射するように、ラインセンサ51を配置し分光光学系52を構成する。このことは、基準軸Dを基準としてラインセンサ51を配置し分光光学系52を構成することに含まれる。もちろんこれに限定される訳ではない。

0055

図3に示すように、入射面54に、基準軸Dを基準として互いに異なる位置に、第1の入射口53a及び第2の入射口53bが形成される。第1の入射口53aには、第1の測定光M1を導く光ファイバ33aが接続される。第2の入射口53bには、第2の測定光M2を導く光ファイバ33bが接続される。従って第1の入射口53aから第1の測定光M1が出射され、第2の入射口53bから第2の測定光M2が出射される。

0056

第1及び第2の測定光M1及びM2は、各々の光軸F1及びF2が、基準軸Dと平行となるように、分光器50内に出射される。すなわち各々の光軸F1及びF2が図4に示す測定光Mの光軸Fと略平行となるように、光ファイバ33a及び33bが第1及び第2の入射口53a及び53bに接続される。

0057

また第1及び第2の入射口53a及び53bは、基準軸Dに対して互いに対称となる位置に設けられる。すなわち第1及び第2の入射口53a及び53bは、基準軸Dと入射面54との交点である仮想的な入射口90からの距離が等しくなるように設けられる。

0058

また第1及び第2の入射口53a及び54bは、ラインセンサ51のライン方向に応じた所定の方向に沿った直線上に設けられる。具体的には、ライン方向及び基準軸Dの方向を含む平面(図では紙面に平行な面)と、入射面54とが交わる直線上に、第1及び第2の入射口53a及び53bが設けられる。すなわち基準軸Dに対して略垂直な方向にずらした位置に、第1及び第2の入射口53a及び53bが設けられる。

0059

このように分光光学系52を構成し、ラインセンサ51を配置することで、第1及び第2の測定光M1及びM1の回折光L1及びL2の各々を、ラインセンサ51の互いに異なる第1及び第2の受光領域58a及び58bにそれぞれ出射させることが可能となる。

0060

図5は、第1及び第2の入射口53a及び53b間の距離の設定例について説明するための模式図である。例えば第1の測定光M1として、最も波長が短い光λ1minが出射される場合のラインセンサ51上の受光位置(ピクセル)59m1から、最も波長が長い光λ1maxが出射される場合の受光位置(ピクセル)59M1までの領域を第1の測定対象領域S1とする。

0061

また第2の測定光M2として、最も波長が短い光λ2minが出射される場合のラインセンサ51上の受光位置(ピクセル)59m2から、最も波長が長い光λ2maxが出射される場合の受光位置(ピクセル)59M2までの領域を第2の測定対象領域S2とする。

0062

例えば第1及び第2の測定対象領域S1及びS2が互いに重複することなく、ラインセンサ51上に設定可能なように、第1及び第2の入射口53a及び53b間の距離が適宜設定される。これにより第1及び第2の測定光M1及びM2(回折光L1及びL2)の受光領域を、ラインセンサ51上に明確に分けて設定することが可能となる。この結果、各々の受光位置に基づいて、測定点Q1及びQ2の位置を高精度に測定することが可能となる。

0063

なお本実施形態では、図5に示す第1及び第2の測定対象領域S1及びS2が、図3に示す第1及び第2の受光領域58a及び58bにそのまま相当する。これに限定されず、ラインセンサ51上に第1及び第2の受光領域58a及び58bを設定し、それらの内部に第1及び第2の測定対象領域S1及びS2が含まれるように分光光学系52を構成する、といったこともあり得る。

0064

制御部70は、本実施形態において位置算出部として機能し、ラインセンサ51から受信した信号をもとに測定点Q1及びQ2の位置を算出する。例えば所定の基準位置にて光学ヘッド10a及び10bが保持され、測定点Q1及びQ2に白色光Wが出射される。そしてラインセンサ51からの信号をもとに、基準位置を基準とした測定点Q1及びQ2の位置が算出される。

0065

また測定点Q1及びQ2の位置として、光学ヘッド10a及び10bから測定点Q1及びQ2までの距離が算出されてもよい。また測定点Q1及びQ2が移動する場合でも、当該移動に応じて出力されるラインセンサ51からの信号をもとに、測定点Q1及びQ2の移動量を算出することも可能である(図1に示す矢印Y参照)。

0066

光学ヘッド10a及び10bが、測定点Q1及びQ2の上方から使用される場合には、測定点Q1及びQ2の高さが測定点Q1及びQ2の位置として算出される。もちろんこれに限定されず、任意の方向にて光学ヘッド10a及び10bが使用され、当該方向における位置が算出されてもよい。

0067

このような位置算出により、例えばmmオーダー輪郭・形状の測定、μmオーダーの微細形状の測定、ワークの表面性状の測定等、様々な測定が可能となる。

0068

制御部70は、例えばCPU、メモリ(RAM、ROM)、I/O(Input/Output)等が1チップに収められたマイコンマイクロコンピュータ)により実現可能である。マイコンによる種々の処理は、チップ内のCPUがメモリに記憶された所定のプログラムに従って動作することで実行される。これに限定されず、制御部70を実現するために、他のIC(集積回路)等が適宜用いられてもよい。

0069

図6は、制御部70による測定点Q1及びQ2の各々の位置の算出例を示すチャートである。まずラインセンサ51から出力される信号をもとに、信号強度ピーク値を出力するピクセル59の位置(ピークピクセル位置)が検出される。ピークピクセル位置は、センサにより受光される第1及び第2の回折光L1及びL2の受光位置に相当し、本実施形態では、ピクセルナンバーにより表される。

0070

本実施形態では、ピクセルナンバー1〜N/2が第1の受光領域58aとして設定され、ピクセルナンバーN/2〜Nまでが第2の受光領域58bとして設定されている。従ってピクセルナンバー1〜N/2までの間のピークピクセル位置の第1のピクセルナンバーPixN1と、ピクセルナンバーN/2〜Nまでのピークピクセル位置の第2のピクセルナンバーPixN2とが検出される。

0071

検出された各ピクセルナンバーをもとに、測定点Q1及びQ2の位置(ここでは距離Distと記載する)が算出される。図6に示すように、第1の光学ヘッド10a用の校正テーブルを参照して、第1のピクセルナンバーPixN1から第1の測定点Q1の距離Distが算出される。また第2の光学ヘッド10b用の校正テーブルを参照して、第2のピクセルナンバーPixN2から第2の測定点Q2の距離Distが算出される。

0072

第1及び第2の光学ヘッド10a及び10b用の各々の校正テーブルは、例えば高さ等が規定された校正用治具等を用いて、校正キャリブレーション)を実行することで予め作成され、制御部70のメモリ等に格納される。校正テーブルの作成方法及び作成するタイミング等は限定されない。

0073

距離Distの算出として、校正テーブルが用いられる方法に限定される訳ではない。例えばメモリ等に所定の演算式が格納され、当該演算式を用いて第1及び第2のピクセルナンバーPixN1及びPixN2から距離Distへの演算が実行されてもよい。あるいは第1及び第2ピクセルナンバーPixN1及びPixN2から測定光M1及びM2の波長が算出されてもよい。そして校正テーブルや演算等により、波長から距離Distが算出されてもよい。

0074

以上、本実施形態に係るクロマティック共焦点センサ100は、光源部40から出射された光を用いて測定を行う複数の光学ヘッド10を備える。各光学ヘッド10から出射される測定光M1及びM2は回折格子56により回折され、ラインセンサ51の複数の受光領域58a及び58bにそれぞれ出射される。従ってラインセンサ51の複数の受光領域58a及び58bにおける各々の受光位置に基づいて、複数の測定点Q1及びQ2の各々の位置を算出することが可能となる。この結果、回折格子56やラインセンサ51の数を増やすことなく、少ない部品数で多点測定を実行することが可能となる。

0075

例えば光学ヘッド10の数に合わせて複数の分光器50を準備することで、各分光器50内のラインセンサ51の受光位置に基づいて、複数の測定点を同時に測定する多点測定が可能となる。しかしながら光学ヘッド10と同じ数の分光器50が用いられる場合には、部品数の増加による装置の大型化や、装置コストの増大等が大きな問題となる。

0076

本技術に係るクロマティック共焦点センサ100では、複数の測定光M1及びM2を1つのラインセンサ51の互いに異なる受光領域58a及び58bにそれぞれ出射することが可能である。すなわち各光学ヘッド10に対応する受光領域をそれぞれ設定することが可能となる。これにより1つの分光器50にて多点測定を実現することが可能となり、必要な装置の削減、装置の小型化、装置の低価格化設置面積の低減による使い勝手の向上等を図ることが可能となる。

0077

分光器50として、基準軸Dを基準としてライセンサ51を配置し分光光学系52を構成することで、各測定光M1及びM2をラインセンサ51の互いに異なる受光領域58a及び58bに出射することが可能となる。特に基準軸Dを基準として互いに異なる位置に複数の入射口53a及び53bを設けることで、各測定光M1及びM2を容易に複数の受光領域58a及び58bに出射することが可能となる。

0078

また分光器50の入射面54に仮想的な入射口90を設定し、当該仮想的な入射口90から入射する測定光Mの光軸Fを基準軸Dとすることで、容易に分光器50を構成することが可能となる。例えば1つの測定光Mのみが入射するように設計された分光器50に対して、元々の入射口を基準として複数の入射口53a及び53bを形成する。例えば上記したように元々の入射光の光軸に対して略垂直な方向にずらして、複数の入射口53a及び53bを形成する。そして元々の入射光の光軸と略平行に複数の測定光M1及びM2をそれぞれ入射させる。これにより簡単に本技術に係る多点測定用の分光器50を構成することが可能となる。

0079

なお複数の入射口53a及び53bの位置を、基準軸D(仮想的な入射口90)に対して互いに対称となる位置に設定する。すなわちラインセンサ51のセンサ方向(回折格子56の回折方向)に沿って、基準軸Dに対して対称となるように複数の入射口53a及び53bを形成する。これにより分光器50の容易に設計することが可能となる。例えば図6に示すように、第1の光学ヘッド10a用の第1の測定対象領域S1と、第2の光学ヘッド10b用の第2の測定対象領域S2とを互いに重複することなく、ラインセンサ51上に設定することが可能となる。

0080

<その他の実施形態>
本発明は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態を実現することができる。

0081

上記では、2つの光学ヘッドが備えられる場合について説明した。本技術に係るクロマティック共焦点センサに備えられる複数の光学ヘッドの数は限定されず、任意の数の光学ヘッドが備えられてもよい。例えばラインセンサの配置や分光光学系の構成等を適宜設計し、各光学ヘッドから出力される測定光をラインセンサ上の互いに異なる受光領域に出射させることで、1つの分光器にて多点測定を実行することが可能となる。

0082

例えば2点の測定により、被測定物の傾きを測定することが可能となる。また3点の測定により、被測定物の表面の向きを測定することが可能となる。このような本技術を用いることで、種々の多点測定を実行することが可能となる。

0083

図7は、分光器の他の構成例を示す概略図である。図7に示す分光器250には、光ファイバ233a〜233cを介して3つの光学ヘッドが接続される。光ファイバ233a〜233cは、3つの入射口253a〜253cに接続され、当該入射口を介して測定光M1〜M3が分光器250内に出射される。

0084

入射口253a〜253cは、ラインセンサ251のライン方向に対応する方向に沿って設けられる。図7に示す例では、図4に示す仮想的な入射口90に、測定光M2を入射するための入射口253bが形成される。当該入射口253bから入射される測定光M2の光軸F2が、所定の基準軸Dとなる。このように1つの測定光M2の光軸F2を基準軸Dとして、ラインセンサ251が配置され分光光学系252が構成されてもよい。これにより分光器250の設計が容易となる。もちろんこれに限定される訳ではない。

0085

上記では、基準軸や仮想的な入射口からの入射光の光軸等を基準としてラインセンサが配置され、分光光学系が構成される例について説明した。これらの配置方法構成方法に限定されず、他の方法が採用されてもよい。各光学ヘッド用の受光領域を、ラインセンサ上の互いに異なる領域に設定可能であれば、任意の方法が採用されてよい。

0086

測定用の光の波長帯域を狭めることで、各光学ヘッド用の受光領域(測定対象領域)のサイズを小さくすることも可能である。これにより各受光領域の設定が容易となり、光学ヘッドの数、すなわち測定対象となる測定点の数を増加することが可能となる。

0087

なお分光器の数は十分に削減しつつ、光源の数は複数用いるといった構成も、本技術に含まれる。例えば光学ヘッドの数に合わせて、同じ数のLED等が準備される。あるいは所定の数の光学ヘッドに対して1つのLED等を割り当てるといったことも可能である。この場合でも、上記で例示した種々の効果を発揮することが可能となる。

0088

上記では、位置測定用の複数の可視光を含む光として白色光が用いられた。これに限定されず、広帯域の他の光が用いられる場合でも本発明は適用可能である。すなわち互いに波長の異なる複数の光として、不可視光である紫外線赤外線等が出射されてもよい。例えば紫外線を出射するLED等を、本発明に係る光源部として使用することが可能である。

0089

以上説明した本発明に係る特徴部分のうち、少なくとも2つの特徴部分を組み合わせる
ことも可能である。また上記で記載した種々の効果は、あくまで例示であって限定される
ものではなく、また他の効果が発揮されてもよい。

0090

D…基準軸
F…光軸
L…回折光
M…測定光
O…被測定物
Pk…合焦位置
Q…測定点
S1…第1の測定対象領域
S2…第2の測定対象領域
10…光学ヘッド
20…コントローラ
30…光ファイバ部
40…光源部
41…白色LED
50、250…分光器
51、251…ライセンサ
52、252…分光光学系
53a…第1の入射口
53b…第2の入射口
56…回折格子
58a…第1の受光領域
58b…第2の受光領域
70…制御部
90…仮想的な入射口
100…クロマティック共焦点センサ

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