特許 6971646 共焦点変位計

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6971646

(24)【登録日】2021年11月5日

(45)【発行日】2021年11月24日

(54)【発明の名称】共焦点変位計

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/00 20060101AFI20211111BHJP

【ＦＩ】

   G01B11/00 B

【請求項の数】9

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2017-115555(P2017-115555)

(22)【出願日】2017年6月13日

(65)【公開番号】特開2019-2723(P2019-2723A)

(43)【公開日】2019年1月10日

【審査請求日】2020年3月26日

(73)【特許権者】

【識別番号】000129253

【氏名又は名称】株式会社キーエンス

(74)【代理人】

【識別番号】100107847

【弁理士】

【氏名又は名称】大槻 聡

(72)【発明者】

【氏名】武井 英人

(72)【発明者】

【氏名】坂口 富一

【審査官】 櫻井 仁

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−２０８１０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１３−５０８７９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−０８８０４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０３２９９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２９６４５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１７４５９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／００２７３５６（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ １１／００−１１／３０

Ｇ０２Ｂ ６／２６− ６／２７

Ｇ０２Ｂ ６／３０− ６／３４

Ｇ０２Ｂ ６／４２− ６／４３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

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生成する投光用光源と、
前記投光用光源からの光が第１入射端に入力され、第１出射端から出力する第１光ファイバと、
第２入射端が前記第１出射端と対向して配置され、前記第２入射端を介して入力された光を第２出射端から出射する第２光ファイバと、
前記第２出射端の端面を介して出射された検出光に軸上色収差を発生させるとともに、前記検出光を前記計測対象物に向かって収束させる光学部材と、
前記光学部材を介して前記計測対象物に照射された前記検出光のうち、前記計測対象物上で合焦しつつ反射されることによって前記第２出射端の端面を通過した検出光を分光し、波長ごとの受光強度を表す受光信号を生成する分光器と、
前記受光信号に基づいて、前記計測対象物の変位を求める測定制御部と、
前記第２入射端を前記第１出射端に対して着脱可能に接続するファイバ接続部と、
両端面と接触するように前記第１出射端及び前記第２入射端の間に配置され、前記第１光ファイバ及び前記第２光ファイバの間の屈折率の変化を低減させる屈折率整合材とを備え、
前記第２出射端は、前記第２光ファイバの中心軸に垂直な平面に対し、第１傾斜角で傾斜した端面を有し、
前記第２入射端及び前記第１出射端は、第２傾斜角で傾斜した端面をそれぞれ有し、
前記第２傾斜角は、５°以上１５°以下であることを特徴とする共焦点変位計。

【請求項2】

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生成する投光用光源と、
前記投光用光源からの光が第１入射端に入力され、第１出射端から出力する第１光ファイバと、
第２入射端が前記第１出射端と対向して配置され、前記第２入射端を介して入力された光を第２出射端から出射する第２光ファイバと、
前記第２出射端の端面を介して出射された検出光に軸上色収差を発生させるとともに、前記検出光を前記計測対象物に向かって収束させる光学部材と、
前記光学部材を介して前記計測対象物に照射された前記検出光のうち、前記計測対象物上で合焦しつつ反射されることによって前記第２出射端の端面を通過した検出光を分光し、波長ごとの受光強度を表す受光信号を生成する分光器と、
前記受光信号に基づいて、前記計測対象物の変位を求める測定制御部と、
前記第２入射端を前記第１出射端に対して着脱可能に接続するファイバ接続部と、
両端面と接触するように前記第１出射端及び前記第２入射端の間に配置され、前記第１光ファイバ及び前記第２光ファイバの間の屈折率の変化を低減させる屈折率整合材とを備え、
前記第２出射端は、前記第２光ファイバの中心軸に垂直な平面に対し、第１傾斜角で傾斜した端面を有し、
前記第２入射端及び前記第１出射端は、第２傾斜角で傾斜した端面をそれぞれ有し、
前記ファイバ接続部は、前記第２入射端が挿入される挿入口に保護シャッタが設けられていることを特徴とする共焦点変位計。

【請求項3】

前記ファイバ接続部は、前記第２入射端が挿入される挿入口に保護シャッタが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の共焦点変位計。

【請求項4】

内部に前記光学部材及び前記第２出射端を収容するヘッド筐体と、
内部に前記投光用光源、前記第１光ファイバ、前記分光器及び前記測定制御部を収容し、前記ファイバ接続部が前面から露出するように配置された制御筐体とを備え、
前記屈折率整合材は、シート状であり、前記ファイバ接続部の接合面に貼り付けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の共焦点変位計。

【請求項5】

前記屈折率整合材は、固体又はゲル状であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の共焦点変位計。

【請求項6】

前記第１傾斜角は、１３°以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の共焦点変位計。

【請求項7】

前記屈折率整合材は、接着剤を用いて前記制御筐体側の接合面に固定されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の共焦点変位計。

【請求項8】

前記投光用光源は、レーザ光を放出する発光素子と、前記発光素子から放出されるレーザ光により励起され前記レーザ光と異なる波長の蛍光を発光する蛍光体とを有することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の共焦点変位計。

【請求項9】

前記第２傾斜角は、前記第１傾斜角よりも小さいことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の共焦点変位計。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、共焦点変位計に係り、さらに詳しくは、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の改良に関する。

【背景技術】

【0002】

共焦点変位計は、光源の像が結像する結像面からの反射光に受光する光を絞り込むという共焦点原理と、光源の像に光軸方向の色ずれが生じるという軸上色収差の現象とを利用して計測対象物の変位を計測する光学式の計測装置である。

【0003】

共焦点変位計は、投光用光源からの光を点光源として出射するピンホールと、ピンホールを介して出射された検出光に軸上色収差を発生させ、検出光を計測対象物に向かって収束させる光学部材と、計測対象物からの反射光を分光し、受光信号を生成する分光器とにより構成される。検出光には、複数の波長を有する光、例えば、白色光が用いられる。ピンホールは、光学部材を介して計測対象物に照射された検出光のうち、計測対象物上で合焦しつつ反射された波長の検出光を通過させる。

【0004】

結像面の位置は、軸上色収差により波長ごとに異なるため、ピンホールを通過した検出光の波長を特定することにより、計測対象物の変位が求められる。変位は、予め定められた基準位置から計測対象物までの光軸方向の距離であり、変位を求めることにより、表面の凹凸の深さ又は高さや透明体の厚さ等を測定することができる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

共焦点変位計には、共焦点光学系を有するヘッドユニットと投光用光源及び分光器を有する制御ユニットとが別個の筐体からなり、光ファイバを介して投光用光源の光をヘッドユニットに伝送するものがある。この種の変位計では、ヘッドユニットから延びる光ファイバを着脱させるファイバ接続部が制御ユニットに設けられていることが少なくない。

【0006】

上述した様な従来の共焦点変位計では、ヘッドユニットやファイバ接続部における光ファイバの端面で反射した光が戻り光となって受光されると、信号成分に対するバックグラウンド成分が増大するため、測定精度が低下してしまうという問題があった。特に、表面の反射率が低い計測対象物を計測するために、投光用光源の光量を大きくすると、戻り光によるバックグラウンド成分も大きくなる。また、受光信号を取得する際の露光時間やゲインを上げると受光量が飽和してしまうことから、バックグラウンド成分を適切に除去することが難しかった。

【0007】

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、測定精度を向上させることができる共焦点変位計を提供することを目的とする。特に、反射率が低い計測対象物に対する測定精度を向上させることができる共焦点変位計を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の第１の態様による共焦点変位計は、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生成する投光用光源と、前記投光用光源からの光が第１入射端に入力され、第１出射端から出力する第１光ファイバと、第２入射端が前記第１出射端と対向して配置され、前記第２入射端を介して入力された光を第２出射端から出射する第２光ファイバと、前記第２出射端の端面を介して出射された検出光に軸上色収差を発生させるとともに、前記検出光を前記計測対象物に向かって収束させる光学部材と、前記光学部材を介して前記計測対象物に照射された前記検出光のうち、前記計測対象物上で合焦しつつ反射されることによって前記第２出射端の端面を通過した検出光を分光し、波長ごとの受光強度を表す受光信号を生成する分光器と、前記受光信号に基づいて、前記計測対象物の変位を求める測定制御部と、前記第２入射端を前記第１出射端に対して着脱可能に接続するファイバ接続部と、両端面と接触するように前記第１出射端及び前記第２入射端の間に配置され、前記第１光ファイバ及び前記第２光ファイバの間の屈折率の変化を低減させる屈折率整合材とを備える。前記第２出射端は、前記第２光ファイバの中心軸に垂直な平面に対し、第１傾斜角で傾斜した端面を有し、前記第２入射端及び前記第１出射端は、前記第１傾斜角よりも小さい第２傾斜角で傾斜した端面をそれぞれ有する。

【0009】

この共焦点変位計では、第１光ファイバの第１出射端、第２光ファイバの第２入射端及び第２出射端がいずれも傾斜した端面を有し、これらの端面で反射した光の伝送が抑制されるため、端面による反射光に対応するバックグラウンド成分を低減させることができる。特に、第２入射端及び第１出射端の傾斜角が第２出射端よりも小さいため、バックグラウンド成分を低減しつつ、滑りによって第１光ファイバ及び第２光ファイバの間で中心軸がずれるのを抑制することができる。また、屈折率整合材が第１出射端と第２入射端との間に配置され、屈折率の変化が低減するため、これらの端面による反射を抑制することができる。

【0010】

本発明の第２の態様による共焦点変位計は、上記構成に加え、内部に前記光学部材及び前記第２出射端を収容するヘッド筐体と、内部に前記投光用光源、前記第１光ファイバ、前記分光器及び前記測定制御部を収容し、前記ファイバ接続部が前面から露出するように配置された制御筐体とを備え、前記屈折率整合材が、シート状であり、前記ファイバ接続部の接合面に貼り付けられているように構成される。

【0011】

この様な構成によれば、屈折率整合材が制御筐体側に配置されるため、屈折率整合材を取り換えることなくヘッド筐体や第２光ファイバを取り換えることができる。また、屈折率整合材がシート状であるため、取り扱いが容易である。

【0012】

本発明の第３の態様による共焦点変位計は、上記構成に加え、前記屈折率整合材が、固体又はゲル状であるように構成される。この様な構成によれば、屈折率整合材の取り扱いが容易である。

【0013】

本発明の第４の態様による共焦点変位計は、上記構成に加え、前記ファイバ接続部が、前記第２入射端が挿入される挿入口に保護シャッタが設けられているように構成される。この様な構成によれば、ファイバ接続部内における第１出射端の端面を傷や汚れの付着から保護し、或いは、投光用の光が挿入口から洩れるのを防止することができる。

【0014】

本発明の第５の態様による共焦点変位計は、上記構成に加え、前記第１傾斜角が、１３°以上であり、前記第２傾斜角が、５°以上１５°以下であるように構成される。この様な構成によれば、端面による反射光の影響を適切に低減させることができる。

【0015】

本発明の第６の態様による共焦点変位計は、上記構成に加え、前記屈折率整合材が、接着剤を用いて前記制御筐体側の接合面に固定される。この様な構成によれば、屈折率整合材の表面にほこり等の異物が付着するのを抑制することができる。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、光ファイバの端面で反射した光に対応するバックグラウンド成分が低減するため、反射率が低い計測対象物に対する測定精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の実施の形態による共焦点変位計１の一構成例を示したシステム図である。

【図2】図１のヘッドユニット２の構成例を模式的に示した断面図である。

【図3】図１の投光用光源４１の構成例を示した図である。

【図4】図１の分光器４４の構成例を模式的に示した説明図である。

【図5】光ファイバ６を伝送中の光が端面６ａにより反射される様子を模式的に示した説明図である。

【図6】図２の光ファイバフェルール２２を示した断面図である。

【図7】光ファイバ６３及び６４同士が接続される接続部６０を模式的に示した説明図である。

【図8】図１の制御ユニット４の構成例を示した図である。

【図9】図１のファイバ接続部３２及び４３の構成例を示した斜視図である。

【図10】図９のファイバ接続部３２を示した図である。

【図11】図９のファイバ接続部３２及び４３を示した断面図である。

【図12】図１１の屈折率整合材４７を示した斜視図である。

【図13】図９の接続用アダプタ４３２の構成例を示した図である。

【図14】共焦点変位計１の他の構成例を示したシステム図である。

【図15】共焦点変位計１の他の構成例を示したシステム図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。本明細書では、便宜上、ヘッドユニットの光軸の方向を上下方向として説明するが、ヘッドユニットの使用時における姿勢や向きを限定するものではない。

【0019】

＜共焦点変位計１＞
図１は、本発明の実施の形態による共焦点変位計１の一構成例を示したシステム図である。この共焦点変位計１は、ヘッドユニット２、ファイバケーブル３及び制御ユニット４により構成され、ヘッドユニット２から検出光ＤＬを出射した際の計測対象物Ｗからの反射光を受光して計測対象物Ｗの変位を計測する光学式の計測装置である。

【0020】

ヘッドユニット２及び制御ユニット４は、ファイバケーブル３を介して互いに接続されている。ファイバケーブル３は、投光用の光を伝送する光ファイバ３１からなる。ファイバケーブル３の一端には、ファイバ接続部３２が設けられ、制御ユニット４のファイバ接続部４３と着脱可能に接続される。

【0021】

ヘッドユニット２は、検出光ＤＬを計測対象物Ｗに向けて出射し、計測対象物Ｗからの反射光が入射する光学ユニットであり、屈折レンズ２１１、回折レンズ２１２等の光学部材２１を備える。この光学部材２１は、光ファイバ３１の出射端面を介して出射された検出光ＤＬに軸上色収差を発生させるとともに、検出光ＤＬを計測対象物Ｗに向かって収束させる。軸上色収差は、分散による光軸方向の像の色ずれである。

【0022】

共焦点変位計１では、光ファイバ３１を介して投光用の光がヘッドユニット２に伝送され、ヘッドユニット２から出射された検出光ＤＬによって計測対象物Ｗ上に照射スポットが形成される。光ファイバ３１の出射端面は、検出光ＤＬを出射する点光源となるように、投光用光源４１からの光を通過させるピンホールとして機能するとともに、光学部材２１を介して計測対象物Ｗに照射された検出光ＤＬのうち、計測対象物Ｗ上で合焦しつつ反射された波長の検出光を通過させるピンホールとして機能する。

【0023】

制御ユニット４は、投受光を制御し、照射スポットに対応する反射光に基づいて、計測対象物Ｗの変位を求める処理装置であり、投光用光源４１、カプラ４２、ファイバ接続部４３、分光器４４及び測定制御部４５により構成される。投光用光源４１は、複数の波長を有する光、例えば、白色光を検出光ＤＬとして生成する光源装置である。

【0024】

カプラ４２は、投光用光源４１から入力された光をヘッドユニット２に向けて出力する一方、ヘッドユニット２から入力された検出光ＤＬを分光器４４に向けて出力する方向性結合器である。このカプラ４２は、一端から２本の光ファイバ４２１及び４２２が延び、他端から１本の光ファイバ４２３が延びるＹカプラである。

【0025】

投光用光源４１からの光は、光ファイバ４２１の入射端に入力され、光ファイバ４２３の出射端から光ファイバ３１へ出力される。光ファイバ３１は、入射端が光ファイバ４２３の出射端と対向して配置され、入射端を介して入力された光を出射端から出射する。ファイバ接続部４３は、光ファイバ３１の入射端を光ファイバ４２３の出射端に対して着脱可能に接続する。

【0026】

一方、計測対象物Ｗによって反射され、ヘッドユニット２及び光ファイバ３１を伝送された検出光ＤＬは、ファイバ接続部３２及び４３を介して光ファイバ４２３の出射端に入力され、光ファイバ４２２の出射端から分光器４４に向けて出射される。

【0027】

分光器４４は、光ファイバ３１の出射端面を通過した検出光ＤＬを分光し、波長ごとの受光強度を表す受光信号を生成する。測定制御部４５は、分光器４４の受光信号に基づいて、投光用光源４１を制御し、投光用の光の強度、反射光を受光する際の露光時間、受光信号を増幅する際のゲインを調整する。

【0028】

また、測定制御部４５は、分光器４４の受光信号に基づいて、計測対象物Ｗの変位を求め、測定値として図示しない表示装置や外部機器へ出力する。具体的には、分光器４４から波長ごとの受光強度からなる受光波形を取得し、受光波形のピーク位置を特定することにより、計測対象物Ｗの変位が算出される。ピーク位置は、受光強度が最大の画素位置であり、特定の波長に対応する。

【0029】

なお、カプラ４２には、Ｘカプラを用いてもよい。Ｘカプラは、Ｙカプラと比較して端面の反射を抑制し易い。この様な光ファイバカプラは、複数の光ファイバを融着した融着型カプラであるが、ビームスプリッタを用いて光を分割するタイプのカプラであってもよい。

【0030】

ファイバ接続部３２及び４３は、光ファイバ同士を着脱可能に接続するコネクタである。ファイバ接続部３２は、ファイバケーブル３の一端に設けられ、光ファイバ３１の入射端が配置される。

【0031】

一方、ファイバ接続部４３は、光ファイバ４２３の出射端が配置され、光ファイバ３１の入射端を光ファイバ４２３の出射端に対して着脱させる。光ファイバ３１は、入射端が光ファイバ４２３の出射端と対向して配置され、入射端を介して入力された光を出射端から出射する。

【0032】

＜ヘッドユニット２＞
図２は、図１のヘッドユニット２の構成例を模式的に示した断面図であり、光軸Ｊを含む平面によりヘッドユニット２を切断した場合の切断面が示されている。このヘッドユニット２は、ヘッド筐体２０、光学部材２１及び光ファイバフェルール２２により構成される。

【0033】

ヘッド筐体２０は、内部に光学部材２１と、光ファイバ３１の出射端を含む光ファイバフェルール２２とを収容する鏡筒部材である。ヘッド筐体２０は、例えば、中心軸を光軸Ｊとする有蓋円筒形状からなる。光学部材２１は、屈折レンズ２１１，２１３，２１４及び回折レンズ２１２により構成される。屈折レンズ２１３，２１４，２１１及び回折レンズ２１２は、この順序で配列されている。

【0034】

屈折レンズ２１１，２１３及び２１４は、光の屈折現象を利用して入射光を集光又は拡散させる光学レンズであり、光ファイバ３１の出射端面を介して出射された検出光ＤＬを屈折させる。

【0035】

回折レンズ２１２は、光の回折現象を利用して入射光を集光又は拡散させる光学レンズであり、光ファイバ３１の出射端面を介して出射された検出光ＤＬを回折させる。この回折レンズ２１２は、レリーフ型の回折レンズであり、上側のレンズ面が回折面であり、微細なレリーフ（起伏）が形成されている。レリーフは、光軸方向の深さが光の波長程度であり、光軸Ｊを中心とする複数の円環状のパターンが配置される。回折レンズ２１２の下側のレンズ面は、平坦な非回折面である。

【0036】

また、回折レンズ２１２は、屈折レンズ２１１，２１３及び２１４と略同軸に配置されるとともに、光学部材２１の中で光ファイバ３１の出射端から最も遠い位置に配置されている。この回折レンズ２１２は、非回折面がヘッド筐体２０の投光用開口２０ａを介して露出するように配置されている。なお、屈折レンズ２１１，２１３，２１４及び回折レンズ２１２は、いずれも単レンズであるが、それぞれ複数の光学レンズを組み合わせた複レンズであってもよい。

【0037】

光ファイバフェルール２２は、ファイバケーブル３を構成する光ファイバ３１を保持する保持部材であり、光ファイバ３１の出射端が樹脂部材によって保持されている。この光ファイバフェルール２２は、ヘッド筐体２０の天蓋部から下側に突出させて配置されている。

【0038】

光ファイバ３１は、コア及びクラッドにより構成され、コアの端面がピンホールとして機能する。つまり、光ファイバ３１のコアの端面は、光ファイバ３１の出射端が配置される空間に比べて径が十分に小さく、光学部材２１を介して入射する光を選択的に通過させることができる。屈折レンズ２１１，２１３及び２１４は、光ファイバフェルール２２と回折レンズ２１２との間に配置されている。光ファイバ３１の出射端面と光学部材２１とは、共焦点光学系を構成している。

【0039】

この共焦点光学系は、共焦点原理を利用して受光する光を絞り込むとともに、検出光ＤＬに軸上色収差を生じさせる。このため、光ファイバ３１の出射端面を介して出射し、光学部材２１を透過した検出光ＤＬは、波長に応じて上下方向の異なる位置に結像する。検出光ＤＬに含まれる波長成分のうち、計測対象物Ｗ上に結像した特定の波長成分は、計測対象物Ｗにより反射され、その反射光が光学部材２１を透過して光ファイバ３１の出射端面上に結像する。一方、特定の波長成分以外の波長成分に対応する反射光は、光ファイバ３１の出射端面上に結像せず、遮断される。

【0040】

この共焦点変位計１では、光ファイバ３１の出射端面で反射した光の影響によって測定精度が低下するのを抑制するために、光ファイバフェルール２２の出射端面２２ａが斜めに加工されている。すなわち、出射端面２２ａは、光ファイバフェルール２２の中心軸に垂直な平面に対して傾斜した傾斜面となっている。出射端面２２ａの傾斜は、例えば、研磨加工によって形成される。また、検出光ＤＬが光ファイバ３１の出射端面を通過する際の屈折を考慮して、光ファイバフェルール２２は、その中心軸を光軸Ｊに対して傾斜させて配置されている。

【0041】

ヘッドユニット２から計測対象物Ｗまでの距離は、例えば、１０ｍｍ〜７０ｍｍ程度であり、測定範囲ＭＲは、１ｍｍ〜２０ｍｍ程度である。この測定範囲ＭＲは、検出光ＤＬの帯域幅に対応し、広い測定範囲ＭＲを確保するために、広帯域の検出光ＤＬが用いられる。検出光ＤＬは、例えば、５００ｎｍ〜７００ｎｍの波長成分を含む。

【0042】

＜投光用光源４１＞
図３は、図１の投光用光源４１の構成例を示した図であり、（ａ）には、投光用光源４１の側面が示され、（ｂ）には、投光用光源４１をＡ−Ａ切断線により切断した場合の切断面が示されている。この投光用光源４１は、レーザ光を蛍光体に照射して白色光を発生させる光源装置であり、発光素子４１１、配線基板４１２、素子ホルダ４１３、集光レンズ４１４、レンズホルダ４１５、フェルール４１６、フェルール押え４１７、蛍光体５０、枠体５１及びフィルタ素子５２により構成される。

【0043】

発光素子４１１は、レーザーダイオード（ＬＤ）等の半導体発光素子であり、単一波長のレーザ光を生成する。この発光素子４１１は、発光部を水平方向の前方に向けた状態で配線基板４１２に配設されている。例えば、発光素子４１１は、波長が４５０ｎｍ以下の青色光又は紫外光を生成する。素子ホルダ４１３は、配線基板４１２を保持する部材であり、レンズホルダ４１５に背面側から挿入されている。

【0044】

集光レンズ４１４は、発光素子４１１から出射されたレーザ光を光ファイバ４２１の入射端に集光させる光学部材であり、発光素子４１１に対向させて配置されている。レンズホルダ４１５は、集光レンズ４１４を保持する鏡筒であり、集光レンズ４１４の前方において縮径している。フェルール４１６は、光ファイバ４２１の入射端が組み込まれ、前後方向に延びる円筒状の接続部材である。フェルール押え４１７は、レンズホルダ４１５の縮径部に前面側から挿入されたフェルール４１６を固定するための有底円筒形状の部材であり、円筒部を上記縮径部の外周面に被せた状態でレンズホルダ４１５に取り付けられている。

【0045】

蛍光体５０は、発光素子４１１からのレーザ光によって励起され、レーザ光とは異なる波長の蛍光を発生する発光体である。この蛍光体５０は、その外周面が枠体５１によって保持され、光ファイバ４２１の入射端面に接触させた状態でレンズホルダ４１５内に配置されている。例えば、蛍光体５０は、青色のレーザ光の照射によって黄色の蛍光を発生する。なお、蛍光体５０は、２以上の種類の蛍光材料から形成されるものであっても良い。例えば、蛍光体５０は、青色のレーザ光の照射により、緑色の蛍光を発生する蛍光材料と、赤色の蛍光を発生する蛍光材料とにより形成される。

【0046】

フィルタ素子５２は、発光素子４１１からのレーザ光を透過し、蛍光体５０からの光を反射する光学部材であり、枠体５１の発光素子側の面を覆うように配置されている。光ファイバ４２１の入射端には、発光素子４１１からのレーザ光と、蛍光体５０からの蛍光とが混合した複数の波長を有する光が入射される。

【0047】

投光用光源４１は、光ファイバ４２１の入射端に、発光素子４１１からのレーザ光と蛍光体５０からの蛍光とが混合した光を直接に入射させる構成である。この様なファイバ型光源を用いることにより、ヘッドユニット２及び制御装置４間のファイバケーブル３との接続を簡素化することができる。

【0048】

なお、投光用光源４１には、広帯域な光を発生する光源、例えば、ハロゲンランプ、非常に高い輝度を有する白色ＬＥＤ（発光ダイオード）、スーパーコンティニウム（ＳＣ）光を発生するＳＣ光源、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）を用いても良い。また、通常の白色ＬＥＤ光でもよい。ＳＣ光源は、パルスレーザによる非線形光学効果により、連続かつ広帯域なレーザ光を生成する。

【0049】

＜分光器４４＞
図４は、図１の分光器４４の構成例を模式的に示した説明図であり、反射型の分光器４４が示されている。この分光器４４は、コリメータレンズ４４１、回折格子４４２、結像レンズ４４３及びイメージセンサ４４４により構成され、カプラ４２の光ファイバ４２２の出射端から出射された検出光ＤＬを分光する。

【0050】

光ファイバ４２２の出射端、回折格子４４２及びイメージセンサ４４４は、例えば、水平方向に向けて配置される。コリメータレンズ４４１は、平行光を得るための光学レンズであり、光ファイバ４２２の出射端面に対向するように配置される。

【0051】

回折格子４４２は、波長に応じて異なる角度で検出光ＤＬを反射させる反射型の色分散素子であり、平板形状からなる。結像レンズ４４３は、回折格子４４２により分光された検出光ＤＬをイメージセンサ４４４上に結像させる。なお、コリメータレンズ４４１及び結像レンズ４４３は、いずれも単レンズであるが、それぞれ複数の光学レンズを組み合わせた複レンズであってもよい。

【0052】

イメージセンサ４４４は、例えば、水平方向に延びる一次元のラインイメージセンサであり、多数の受光素子が直線状に配列される。各受光素子の受光信号によって受光波形が形成される。なお、イメージセンサ４４４には、多数の受光素子が二次元的に配列された撮像素子を用いてもよい。

【0053】

回折格子４４２は、イメージセンサ４４４に入射した光が受光面で正反射し、回折格子４４２により反射されて再度受光されるのを防ぐために、イメージセンサ４４４の受光面に正対する状態から僅かに傾けて配置される。なお、プリズムを用いて検出光ＤＬを分光させてもよい。また、回折格子４４２には、透過型の色分散素子を用いてもよい。

【0054】

図５は、光ファイバ６を伝送中の光が端面６ａにより反射される様子を模式的に示した説明図であり、中心軸を含む平面による切断面が示されている。図中の（ａ）には、端面６ａが中心軸に垂直な場合が示され、（ｂ）には、端面６ａが傾斜している場合が示されている。

【0055】

光ファイバ６は、光を伝送する伝送媒体であり、長尺方向に延びるコア６１と、コア６１を取り囲むクラッド６２とにより構成される。コア６１は、クラッド６２よりも屈折率が高い光学材料からなる。

【0056】

光ファイバ６に入力された光は、コア６１とクラッド６２との境界面による全反射を繰り返しながらコア６１内を伝送される。光ファイバ６の端面６ａが中心軸に垂直な場合、端面６ａに入射した光の一部は、端面６ａにより反射され、反射前の光とは反対方向へ全反射を繰り返しながらコア６１内を伝送される。

【0057】

一方、光ファイバ６の端面６ａが中心軸に垂直な平面に対して傾斜角φで傾斜している場合、端面６ａにより反射された光は、コア６１及びクラッド６２の境界面に対し、反射前の光よりも小さい入射角で入射する。このため、端面６ａによる反射光は、その一部がコア６１及びクラッド６２の境界面を透過することになり、境界面で反射を繰り返すごとに減衰する。従って、端面６ａを所定の傾斜角φ（０＜φ＜９０°）で傾斜させることにより、端面６ａによる反射光の伝送を抑制することができる。

【0058】

＜光ファイバフェルール２２＞
図６は、図２の光ファイバフェルール２２を示した断面図であり、中心軸を含む平面により光ファイバフェルール２２を切断した場合の切断面が示されている。光ファイバフェルール２２は、光ファイバ３１の出射端３１ａを外囲する保持部材であり、出射端面２２ａが傾斜角φ１で傾斜した傾斜面となっている。

【0059】

出射端３１ａは、長尺方向の中心軸に沿って延びるコア３１１と、コア３１１を外囲するクラッド３１２とからなり、光ファイバ３１の中心軸に垂直な平面に対し、傾斜角φ１で傾斜した端面を有している。

【0060】

出射端面２２ａの傾斜角φ１は、大きいほど反射光の伝送をより低減させることができるため、１３°以上であることが望ましい。傾斜角φ１は、例えば、１５°である。ただし、傾斜角φ１が一定の角度以上になると、光が出射端３１ａの端面で全反射し、出射端３１ａから出射されなくなる。この様な傾斜角φ１の上限は、コア３１１及び空気の屈折率と、光ファイバ３１の中心軸に垂直な平面に対する光の入射角とによって決定される。

【0061】

図７は、光ファイバ６３及び６４同士が接続される接続部６０を模式的に示した説明図であり、中心軸を含む平面により接続部６０を切断した場合の切断面が示されている。この接続部６０は、光ファイバ６３と光ファイバ６４とを接続するファイバ接続部であり、光ファイバ６３の出射端面６３ａに光ファイバ６４の入射端面６４ａを突き当てた状態で配置される。

【0062】

出射端面６３ａ及び入射端面６４ａは、反射光の伝送を抑制するために、いずれも傾斜角φ２で傾斜した傾斜面となっている。出射端面６３ａ及び入射端面６４ａの間には、加工誤差の影響でくさび状の空気層７が形成される。この様な空気層７が存在すると、フレネル反射が起こるため、出射端面６３ａ及び入射端面６４ａによる反射光が増大し、光ファイバ６３から光ファイバ６４に伝送される光が減少する。

【0063】

そこで、共焦点変位計１では、光ファイバ４２３と光ファイバ３１との間の屈折率の変化を低減させる屈折率整合材をファイバ接続部４３及び３２に設けることにより、端面による反射光を抑制している。

【0064】

＜制御筐体４０＞
図８は、図１の制御ユニット４の構成例を示した図であり、制御筐体４０の前面が示されている。制御筐体４０は、内部に投光用光源４１、光ファイバ４２１〜４２３を含むカプラ４２、分光器４４及び測定制御部４５を収容するハウジング部材である。ファイバ接続部４３は、制御筐体４０の前面から露出するように配置されている。このファイバ接続部４３は、ファイバ接続部３２が挿入されるメス型の接続口からなり、光ファイバ３１が制御筐体４０から斜め下方に突出するように端面を傾斜させて配置される。なお、２以上のヘッドユニット２をそれぞれ接続するための２以上のファイバ接続部４３を制御筐体４０に設けてもよい。

【0065】

＜ファイバ接続部３２及び４３＞
図９は、図１のファイバ接続部３２及び４３の構成例を示した斜視図であり、接続前の状態が示されている。図１０は、図９のファイバ接続部３２を示した図であり、挿抜方向から見たファイバ接続部３２が示されている。図１１は、図９のファイバ接続部３２及び４３を示した断面図であり、光ファイバ３１，４２３の中心軸を含み、係合ピン３２２の間を通る平面によりファイバ接続部３２及び４３を切断した場合の切断面が示されている。

【0066】

ファイバ接続部３２は、ヘッドユニット２から延びるファイバケーブル３の端部に設けられたプラグ部材であり、フェルール部３２１、係合ピン３２２、係合凸部３２３及びホルダ部３２４により構成される。このファイバ接続部３２は、複数の光ファイバ３１を同時に着脱させる多芯コネクタである。なお、ファイバ接続部３２及び４３には、単芯コネクタを用いてもよい。

【0067】

フェルール部３２１は、光ファイバ３１の入射端３１ｂを保持する保持部であり、ホルダ部３２４から挿抜方向に突出している。フェルール部３２１には、入射端３１ｂが配置される複数のファイバ孔３２５と、２つの係合ピン３２２と、係合凸部３２３とが設けられている。

【0068】

係合ピン３２２は、光ファイバ３１の入射端３１ｂの位置を光ファイバ４２３の出射端４２３ａと合わせるための位置決め部材であり、フェルール部３２１の先端面から挿抜方向に突出するように設けられている。また、係合ピン３２２は、光ファイバ３１の配列の両外側に配置されている。係合凸部３２３は、ファイバ接続部３２の向きを規定するためのキー部であり、フェルール部３２１の上側面から突出し、挿抜方向に延びる形状からなる。

【0069】

一方、ファイバ接続部４３は、光ファイバ４２３を含むファイバケーブル４６の端部に設けられたプラグ部４３１と、一方のプラグ挿入口４３４にプラグ部４３１が着脱可能に挿入され、他方のプラグ挿入口４３６にファイバ接続部３２が挿入される接続アダプタ４３２とにより構成される。

【0070】

プラグ部４３１は、カプラ４２から延びる光ファイバ４２３の出射端４２３ａが配置されるフェルール部４３３からなる。接続アダプタ４３２は、ソケット部材であり、プラグ挿入口４３４を介してプラグ部４３１を挿抜方向に挿入させ、プラグ挿入口４３６を介してファイバ接続部３２を挿抜方向に挿入させる。この接続アダプタ４３２には、ねじなどの締結部材を用いて制御筐体４０に取り付けるための取付孔４３５が設けられている。

【0071】

ファイバ接続部３２のフェルール部３２１は、光ファイバ３１の入射端３１ｂを外囲し、中心軸に垂直な平面に対し、入射端面３１ｃが傾斜角φ２で傾斜した傾斜面となっている。また、プラグ部４３１のフェルール部４３３は、光ファイバ４２３の出射端４２３ａを外囲し、中心軸に垂直な平面に対し、出射端面４２３ｂが傾斜角φ２で傾斜した傾斜面となっている。

【0072】

入射端面３１ｃ及び出射端面４２３ｂの傾斜角φ２は、大きいほど反射光の伝送をより低減させることができるが、大きすぎると、入射端面３１ｃ及び出射端面４２３ｂの間のすべりによって中心軸のずれが生じ易くなる。このため、傾斜角φ２は、傾斜角φ１よりも小さく、５°以上１５°以下の角度であることが望ましい。傾斜角φ２は、例えば、８°である。

【0073】

入射端面３１ｃ及び出射端面４２３ｂの間には、光ファイバ４２３と光ファイバ３１との間の屈折率の変化を低減させる屈折率整合材４７が配置されている。屈折率整合材４７は、光ファイバ４２３のコアと光ファイバ３１のコアとに屈折率が近く、光を透過させる材料からなるマッチング部材であり、両端面と接触するように光ファイバ４２３の出射端４２３ａと光ファイバ３１の入射端３１ｂとの間に配置される。

【0074】

この屈折率整合材４７は、例えば、取り扱いが容易なシート状であり、ファイバ接続部４３の接合面に貼り付けられている。具体的には、フェルール部４３３の先端面に貼り付けられる。また、屈折率整合材４７は、固体である。このため、取り扱いが容易であるとともに、液状である場合に比べ、屈折率整合材４７がファイバ接続部４３から流出してファイバ接続部３２及び４３の周辺を汚すのを抑制することができる。なお、屈折率整合材４７は、ゲル状であってもよい。

【0075】

また、屈折率整合材４７に粘着性を有する材料を用いることにより、屈折率整合材４７を取り外して交換する際に、ファイバ接続部３２及び４３の接合面に付着したごみなどの異物を屈折率整合材４７に付着させて除去することができる。

【0076】

ヘッドユニット２は、製造ラインの組み換えや損傷が生じた場合に取り換えられる。この様なヘッドユニット２の交換時やヘッドユニット２を設置し直す際、或いは、ヘッドユニット２を移動させる際に、ヘッドユニット２を制御ユニット４から分離する必要がある。このため、ヘッドユニット２から延びるファイバケーブル３の一端は、制御ユニット４に対して繰り返し着脱される。

【0077】

屈折率整合材４７をヘッドユニット側に配置すると、ヘッドユニット２とともに移動される機会が増えるため、ほこり等の異物が屈折率整合材４７の表面に付着し易い。従って、屈折率整合材４７は、制御ユニット側に配置されることが望ましい。屈折率整合材４７は、例えば、接着剤を用いて制御筐体４０側の接合面に固定される。

【0078】

＜屈折率整合材４７＞
図１２は、図１１の屈折率整合材４７を示した斜視図である。この屈折率整合材４７は、矩形形状の平板からなり、ファイバ接続部３２の係合ピン３２２を挿通させるためのピン孔４７１が形成されている。

【0079】

屈折率整合材４７は、通信装置に用いられるものと同じ材料を用いることができる。通信装置ではパルス信号を透過させるのに対し、この屈折率整合材４７では、検出光を透過させることから、測定誤差を減らすため、伝送ロスを低減させることが重要である。

【0080】

＜接続アダプタ４３２＞
図１３は、図９の接続アダプタ４３２の構成例を示した図であり、（ａ）には、接続アダプタ４３２のプラグ挿入口４３６が示され、（ｂ）には、挿抜方向を含み、係合ピン３２２の間を通る平面により接続アダプタ４３２を切断した場合の切断面が示されている。この接続アダプタ４３２には、ファイバ接続部４３の接合面を保護するための保護シャッタ４３７が設けられている。

【0081】

保護シャッタ４３７は、矩形形状の平板からなる蓋部材であり、プラグ挿入口４３６に開閉可能に取り付けられている。この保護シャッタ４３２は、プラグ挿入口４３６を介してファイバ接続部３２を挿抜方向に挿入することによって自動的に開放し、ファイバ接続部３２を抜き去ることによって自動的に閉鎖する。

【0082】

ファイバ接続部４３の接続アダプタ４３２に保護シャッタ４３７を設けることにより、ファイバ接続部４３内における出射端４２３ａの端面を傷や汚れの付着から保護し、或いは、投光用の光がプラグ挿入口４３６から洩れるのを防止することができる。

【0083】

本実施の形態によれば、光ファイバ４２３の出射端４２３ａ、光ファイバ３１の入射端３１ｂ及び出射端３１ａがいずれも傾斜した端面を有し、これらの端面で反射した光の伝送が抑制されるため、端面による反射光に対応するバックグラウンド成分を低減させることができる。また、屈折率整合材４７が出射端４２３ａと入射端３１ｂとの間に配置され、屈折率の変化が低減するため、これらの端面による反射を抑制することができる。従って、反射率が低い計測対象物に対する測定精度を向上させることができる。

【0084】

また、屈折率整合材４７が制御筐体４０側に配置されるため、屈折率整合材４７を取り換えることなくヘッド筐体２０や光ファイバ３１を取り換えることができる。また、屈折率整合材４７がシート状であるため、取り扱いが容易である。

【0085】

なお、本実施の形態では、カプラ４２がＹカプラである場合の例について説明したが、Ｘカプラを用いてもよい。Ｘカプラから延びる光ファイバの出力端にフェルールを設け、フェルールの端面を傾斜面とすることにより、当該出力端による反射光の影響を抑制することができる。

【0086】

図１４は、共焦点変位計１の他の構成例を示したシステム図である。図中の（ａ）には、カプラ４２ａから延びる光ファイバ４２４の出力端にフェルール４８が設けられた共焦点変位計１ａが示されている。カプラ４２ａは、一端から２本の光ファイバ４２１及び４２２が延び、他端から２本の光ファイバ４２３及び４２４が延びるＸカプラである。

【0087】

フェルール４８は、出力端面が斜めに加工されている。すなわち、出射端面は、フェルール４８の中心軸に垂直な平面に対して傾斜した傾斜面となっている。このため、光ファイバ４２４の出射端面で反射した光の影響によって測定精度が低下するのを抑制することができる。

【0088】

図中の（ｂ）には、２つのカプラ４２を用いて計測対象物Ｗ上に２つの照射スポットを形成し、これらの照射スポットにそれぞれ対応する２つの受光波形を取得する共焦点変位計１ｂが示されている。各カプラ４２は、Ｙカプラであり、共通の投光用光源４１から投光用の光が入力され、共通のファイバ接続部４３及び３２を介して光ファイバ３１へ出力される。また、計測対象物Ｗからの反射光は、ヘッドユニット２、光ファイバ３１、ファイバ接続部３２及び４３を介して各カプラ４２に入力され、分光器４４へ出力される。なお、各カプラ４２は、（ａ）に示したようなカプラ４２ａ（Ｘカプラ）であってもよい。

【0089】

図１５は、共焦点変位計１の他の構成例を示したシステム図であり、２つのカプラ４２ａ（Ｘカプラ）を用いて計測対象物Ｗ上に４つの照射スポットを形成する共焦点変位計１ｃが示されている。各カプラ４２ａから延びる光ファイバ４２３及び４２４は、共通のファイバ接続部４３及び３２を介して４本の光ファイバ３１にそれぞれ接続される。

【0090】

なお、３以上のカプラ４２又は４２ａと３以上の光ファイバ３１を用いて投光用の光をヘッドユニット２に伝送し、３以上の照射スポットを形成し、これらの照射スポットにそれぞれ対応する３以上の受光波形を取得するような構成であってもよい。

【符号の説明】

【0091】

１ 共焦点変位計
２ ヘッドユニット
２０ ヘッド筐体
２１ 光学部材
２１１，２１３，２１４ 屈折レンズ
２１２ 回折レンズ
２２ 光ファイバフェルール
２２ａ 出射端面
３ ファイバケーブル
３１ 光ファイバ
３１ａ 出射端
３１ｂ 入射端
３１ｃ 入射端面
３２ ファイバ接続部
３２１ フェルール部
３２２ 係合ピン
３２３ 係合凸部
３２４ ホルダ部
３２５ ファイバ孔
４ 制御ユニット
４０ 制御筐体
４１ 投光用光源
４２ カプラ
４２１〜４２４ 光ファイバ
４２３ａ 出射端
４２３ｂ 出射端面
４３ ファイバ接続部
４３１ プラグ部
４３２ 接続アダプタ
４３３ フェルール部
４３４，４３６ プラグ挿入口
４３５ 取付孔
４３７ 保護シャッタ
４４ 分光器
４５ 測定制御部
４６ ファイバケーブル
４７ 屈折率整合材
４７１ ピン孔

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】