JP2017116509A - Confocal displacement meter - Google Patents

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Shoma KUGA
翔馬 久我
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a confocal displacement meter that is resistant to an influence of a surrounding environment, and can suppress reduction in measurement accuracy arising from a temperature rising of a projection light source.SOLUTION: A confocal displacement meter comprises: a projection light source that generates detection light composed of light having a plurality of wavelengths; a confocal optical system that includes an objective lens ejecting the detection light toward a detection object, and generates a longitudinal chromatic aberration in the detection light; a spectrometer that spectroscopically splits reflection light passing through the confocal optical system after reflected by the detection object; an image sensor 26 that receives spectroscopically split reflection light to generate a light reception signal; received light waveform acquisition means 101 that acquires a received light waveform composed of a distribution of light reception intensity regarding a distance; a characteristic part position acquisition means 108 that specifies a peak position of a characteristic part on the basis of the received light waveform; correction-amount calculation means 110 that compares the specified peak position with a reference position to obtain an amount of correction; and distance calculation means 104 that obtains a distance to the detection object on the basis of the received light waveform and the amount of correction.SELECTED DRAWING: Figure 7

Description

本発明は、共焦点変位計に係り、さらに詳しくは、共焦点光学系による軸上色収差を利用して検出対象物までの距離を計測する共焦点変位計の改良に関する。   The present invention relates to a confocal displacement meter, and more particularly, to an improvement of a confocal displacement meter that measures a distance to a detection target using longitudinal chromatic aberration by a confocal optical system.

共焦点変位計は、投光用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、投光用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ワークまでの距離を計測する光学式の距離計測装置である(例えば、特許文献1〜3)。例えば、共焦点変位計は、投光用光源、共焦点光学系、分光器及びイメージセンサを備える。   The confocal displacement meter has a confocal principle in which the light received by the reflected light from the imaging surface on which the image of the light source for projection is focused, and a color shift in the optical axis direction occurs in the image of the light source for projection. This is an optical distance measuring device that measures the distance to the workpiece using the phenomenon of axial chromatic aberration (for example, Patent Documents 1 to 3). For example, the confocal displacement meter includes a light source for projection, a confocal optical system, a spectroscope, and an image sensor.

投光用光源は、複数の波長を有する光からなる検出光を生成する。共焦点光学系は、検出光をワークに向けて出射する対物レンズを有し、検出光による投光用光源の像に軸上色収差を生じさせる。分光器は、ワークによって反射された後、共焦点光学系を通過した反射光を分光する。イメージセンサは、分光された反射光を受光して受光信号を生成する複数の受光素子と、受光信号に基づいて、受光量に応じた電荷を蓄積する複数の容量素子とにより構成される。各受光素子は、直線状に配列される。   The light source for projection generates detection light composed of light having a plurality of wavelengths. The confocal optical system includes an objective lens that emits detection light toward the workpiece, and causes axial chromatic aberration in an image of the light source for projection by the detection light. The spectroscope splits the reflected light that has been reflected by the workpiece and then passed through the confocal optical system. The image sensor includes a plurality of light receiving elements that receive the reflected reflected light to generate a light reception signal, and a plurality of capacitance elements that accumulate charges according to the amount of light received based on the light reception signal. Each light receiving element is arranged in a straight line.

結像面の位置は、軸上色収差により波長ごとに異なる。このため、イメージセンサにより受光される反射光は、ワーク上に結像して反射された波長成分に絞り込まれる。ワークまでの距離は、受光信号に基づいて、距離に関する受光強度の分布からなる受光波形を取得し、ピーク位置を特定することによって計測される。この距離計測により、ワークの移動量やワークの高さ等を検知することができる。また、1つの受光波形を取得するだけで、透明体の厚さ等を検知することもできる。この様な共焦点変位計によれば、距離計測の際に、ワークの材質、色、傾きによる影響を受け難い。   The position of the image plane varies depending on the wavelength due to axial chromatic aberration. For this reason, the reflected light received by the image sensor is narrowed down to the wavelength component reflected and imaged on the workpiece. The distance to the workpiece is measured by acquiring a received light waveform including a distribution of received light intensity with respect to the distance based on the received light signal, and specifying the peak position. By this distance measurement, it is possible to detect the amount of movement of the workpiece, the height of the workpiece, and the like. Moreover, the thickness of a transparent body etc. can also be detected only by acquiring one light reception waveform. According to such a confocal displacement meter, it is difficult to be affected by the material, color, and tilt of the workpiece during distance measurement.

従来の共焦点変位計は、投光用光源の光量が少なく、測定可能なワークが制限されるという問題があった。例えば、表面の反射率が小さいワークや、表面が鏡面状のワークを斜め方向から検出する場合、投光量が少なければ、十分な受光強度が得られず、信号波形がノイズに埋もれてしまうことから、ピーク位置の特定が困難になる。   The conventional confocal displacement meter has a problem that the light quantity of the light source for projection is small and the work that can be measured is limited. For example, when a workpiece with a low surface reflectance or a workpiece with a mirror surface is detected from an oblique direction, if the amount of light emitted is small, sufficient light reception intensity cannot be obtained, and the signal waveform is buried in noise. It becomes difficult to specify the peak position.

特開2013−130580号公報JP 2013-130580 A 特開2014−115242号公報JP 2014-115242 A 特開2005−322996号公報JP 2005-322996 A

上述した通り、従来の共焦点変位計は、投光用光源の光量が少なかった。そこで、投光用光源を高出力化することにより、様々なワークに対応させることが考えられる。しかしながら、投光用光源を高出力化すれば、投光用光源の温度上昇が分光器とイメージセンサとの位置関係にずれを生じさせるという問題がある。特に、分光器及びイメージセンサが共通の筐体内に配置される共焦点変位計では、投光用光源からの伝導熱による筐体の膨張により、分光器及びイメージセンサの相対的な位置関係にずれが生じ易く、距離の測定精度を低下させてしまう虞がある。   As described above, the conventional confocal displacement meter has a small amount of light from the light source for projection. In view of this, it is conceivable to increase the output of the light source for projection so as to cope with various works. However, if the output of the light source for projection is increased, there is a problem that the temperature rise of the light source for projection causes a shift in the positional relationship between the spectroscope and the image sensor. In particular, in a confocal displacement meter in which the spectroscope and the image sensor are arranged in a common housing, the relative positional relationship between the spectroscope and the image sensor is shifted due to expansion of the housing due to conduction heat from the light source for projection. May occur, and the measurement accuracy of the distance may be reduced.

この様な投光用光源の高出力化に起因する精度低下を抑制するには、例えば、投光用光源や分光器の周辺に温度センサを配置するとともに、周辺温度と位置ずれとの対応関係を示す温度補正テーブルを予め作成し、温度センサにより計測された周辺温度に応じて測定値を補正することが考えられる。しかし、筐体が設置される場所周辺の環境の影響により、分光器及びイメージセンサ間の実際の位置ずれが温度補正テーブルに規定された値とは大きく異なってしまうという問題があった。   In order to suppress the decrease in accuracy due to such high output of the light source for projection, for example, a temperature sensor is arranged around the light source for projection and the spectroscope, and the correspondence between the ambient temperature and the positional deviation It is conceivable that a temperature correction table indicating the above is created in advance and the measured value is corrected according to the ambient temperature measured by the temperature sensor. However, there is a problem that the actual positional deviation between the spectroscope and the image sensor greatly differs from the value specified in the temperature correction table due to the influence of the environment around the place where the housing is installed.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、様々な検出対象物に対応可能でありながら、測定精度の低下を抑制す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、周辺環境の影響を受け難く、投光用光源の温度上昇に起因する測定精度の低下を抑制す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。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a confocal displacement meter that can cope with various detection objects and can suppress a decrease in measurement accuracy. In particular, it is an object of the present invention to provide a confocal displacement meter that is hardly affected by the surrounding environment and can suppress a decrease in measurement accuracy caused by a temperature rise of a light source for light projection.

本発明の第1の態様による共焦点変位計は、複数の波長を有する光からなる検出光を生成する投光用光源と、上記検出光を検出対象物に向けて出射する対物レンズを有し、上記検出光に軸上色収差を生じさせる共焦点光学系と、上記検出対象物によって反射された後、上記共焦点光学系を通過した反射光を分光する分光器と、2以上の受光素子を有し、分光された上記反射光を受光して受光信号を生成するイメージセンサと、上記受光信号に基づいて、距離に関する受光強度の分布からなる受光波形を取得する受光波形取得手段と、上記受光波形に基づいて、特徴部分のピーク位置を特定する特徴部分位置取得手段と、予め取得された受光波形から得られた特徴部分のピーク位置を基準位置として保持する基準位置記憶手段と、特定された上記ピーク位置を上記基準位置と比較し、補正量を求める補正量算出手段と、上記受光波形及び上記補正量に基づいて、上記検出対象物までの距離を求める距離算出手段とを備える。   A confocal displacement meter according to a first aspect of the present invention has a light source for projection that generates detection light composed of light having a plurality of wavelengths, and an objective lens that emits the detection light toward a detection target. A confocal optical system that causes axial chromatic aberration in the detection light, a spectroscope that separates the reflected light that has been reflected by the detection object and then passed through the confocal optical system, and two or more light receiving elements An image sensor that receives the reflected reflected light and generates a light reception signal, a light reception waveform acquisition unit that acquires a light reception waveform including a distribution of light reception intensity with respect to a distance based on the light reception signal, and the light reception Based on the waveform, the characteristic portion position acquisition means for specifying the peak position of the characteristic portion, the reference position storage means for holding the peak position of the characteristic portion obtained from the light reception waveform acquired in advance as the reference position, and the specified Up The peak position is compared with the reference position, comprising a correction amount calculating means for calculating a correction amount, based on the receiver frequency and the correction amount, and a distance calculation means for calculating a distance to the detection object.

この様な構成によれば、特徴部分のピーク位置を予め取得された受光波形から得られた基準位置と比較して補正量を定めるため、周辺環境の影響を受け難く、投光用光源の温度上昇に起因する測定精度の低下を抑制することができる。   According to such a configuration, since the correction amount is determined by comparing the peak position of the characteristic portion with the reference position obtained from the received light waveform obtained in advance, the temperature of the light source for light projection is hardly affected by the surrounding environment. A decrease in measurement accuracy due to an increase can be suppressed.

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、上記投光用光源が、励起光を生成する励起光生成手段と、上記励起光によって励起され、上記励起光とは異なる波長の蛍光を放射する蛍光体とを有し、上記検出光が上記蛍光体を透過した上記励起光と上記蛍光体から放射された上記蛍光との混合光であり、上記特徴部分位置取得手段が、上記励起光に対応する波形領域を特徴部分としてピーク位置を特定し、上記距離算出手段が、上記蛍光に対応する波形領域のピーク位置に基づいて、上記検出対象物までの距離を求めるように構成される。この様な構成によれば、励起光に対応する波形領域は、距離計測に用いる蛍光の波形領域から離間して形成されるため、ピーク位置の特定が容易である。   In the confocal displacement meter according to the second aspect of the present invention, in addition to the above configuration, the light source for projection is excited by the excitation light generating means for generating excitation light and the excitation light, and is different from the excitation light. A phosphor that emits fluorescence of a wavelength, and the detection light is a mixed light of the excitation light transmitted through the phosphor and the fluorescence emitted from the phosphor; The peak position is specified using the waveform region corresponding to the excitation light as a characteristic part, and the distance calculation means obtains the distance to the detection object based on the peak position of the waveform region corresponding to the fluorescence. Composed. According to such a configuration, since the waveform region corresponding to the excitation light is formed apart from the fluorescence waveform region used for distance measurement, it is easy to specify the peak position.

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、上記励起光生成手段が、レーザ光を上記励起光として生成するレーザ光源であるように構成される。この様な構成によれば、レーザ光は、単色光であり、鋭い受光波形を形成するため、励起光に対応する波形領域のピーク位置の特定が容易である。   The confocal displacement meter according to the third aspect of the present invention is configured such that, in addition to the above configuration, the excitation light generation means is a laser light source that generates laser light as the excitation light. According to such a configuration, since the laser light is monochromatic light and forms a sharp light receiving waveform, it is easy to specify the peak position of the waveform region corresponding to the excitation light.

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、上記分光器が、回折格子を用いており、上記イメージセンサが、上記回折格子による0次の回折光及び1次の回折光を同時に受光して上記受光信号を生成し、上記特徴部分位置取得手段が、上記0次の回折光に対応する波形領域を特徴部分としてピーク位置を特定し、上記距離算出手段が、上記1次の回折光に対応する波形領域のピーク位置に基づいて、上記検出対象物までの距離を求めるように構成される。   In the confocal displacement meter according to the fourth aspect of the present invention, in addition to the above configuration, the spectroscope uses a diffraction grating, and the image sensor uses zero-order diffraction light and first-order diffraction by the diffraction grating. The light receiving signal is simultaneously received to generate the light reception signal, the characteristic part position acquisition unit specifies a peak position with the waveform region corresponding to the 0th-order diffracted light as a characteristic part, and the distance calculation unit includes the 1 Based on the peak position of the waveform region corresponding to the next diffracted light, the distance to the detection target is obtained.

この様な構成によれば、0次の回折光に対応する波形領域は、距離計測に用いる1次の回折光の波形領域から離間して形成されるため、ピーク位置の特定が容易である。また、0次の回折光は他の次数の回折光に比べて光量が多いため、ノイズに影響されることなく、ピーク位置を特定することができる。   According to such a configuration, since the waveform region corresponding to the 0th-order diffracted light is formed apart from the waveform region of the 1st-order diffracted light used for distance measurement, it is easy to specify the peak position. Further, since the 0th-order diffracted light has a larger amount of light than other orders of diffracted light, the peak position can be specified without being affected by noise.

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、上記分光器が、回折格子を用いており、上記イメージセンサが、上記回折格子による1次の回折光及び2次以上の回折光を同時に受光して上記受光信号を生成し、上記特徴部分位置取得手段が、上記1次の回折光及び上記2次以上の回折光に対応する波形領域を特徴部分としてピーク位置を特定し、上記距離算出手段が、上記1次の回折光に対応する波形領域のピーク位置に基づいて、上記検出対象物までの距離を求めるように構成される。   In the confocal displacement meter according to the fifth aspect of the present invention, in addition to the above configuration, the spectroscope uses a diffraction grating, and the image sensor includes first-order diffracted light and second-order or higher-order light by the diffraction grating. The diffracted light is simultaneously received to generate the received light signal, and the feature portion position acquisition unit specifies a peak position using the waveform regions corresponding to the first-order diffracted light and the second-order or higher-order diffracted light as feature portions. The distance calculating means is configured to determine the distance to the detection object based on the peak position of the waveform region corresponding to the first-order diffracted light.

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、上記受光波形が、それぞれが上記イメージセンサ上のピクセル位置に関連づけられた2以上の受光強度データからなり、上記補正量算出手段が、上記1次の回折光のうちの上記励起光に対応する波形領域のピーク位置及び上記0次の回折光に対応する波形領域のピーク位置もしくは2次以上の回折光に対応する波形領域のピーク位置をそれぞれ対応する基準位置と比較することにより、上記イメージセンサ上のピクセル位置を上記検出対象物までの距離に変換する際に用いる1次関数のオフセット又はスパンの補正量を求めるように構成される。   A confocal displacement meter according to a sixth aspect of the present invention, in addition to the above configuration, the received light waveform includes two or more received light intensity data each associated with a pixel position on the image sensor, and calculates the correction amount. Of the first-order diffracted light, the means is a peak position of the waveform region corresponding to the excitation light and a peak position of the waveform region corresponding to the zero-order diffracted light or a waveform region corresponding to second-order or higher-order diffracted light. By comparing each peak position with a corresponding reference position, an offset or span correction amount of a linear function used when converting the pixel position on the image sensor into the distance to the detection target is obtained. Composed.

分光器及びイメージセンサが相対的に光軸方向にずれれば、イメージセンサ上のピクセル位置を上記検出対象物までの距離に変換する際に用いる1次関数のスパンやオフセットが変化する。また、分光器及びイメージセンサが相対的に光軸と交差する方向にずれれば、1次関数のオフセットが変化する。この様な位置関係のずれに起因する測定精度の低下を抑制することができる。   When the spectroscope and the image sensor are relatively displaced in the optical axis direction, the span and offset of the linear function used when converting the pixel position on the image sensor into the distance to the detection target changes. Further, if the spectroscope and the image sensor are relatively displaced in a direction crossing the optical axis, the offset of the linear function changes. It is possible to suppress a decrease in measurement accuracy due to such a positional relationship shift.

本発明の第7の態様による共焦点変位計は、上記構成に加え、上記反射光の一部を受光してモニタ信号を生成するモニタ用受光素子と、上記モニタ信号に基づいて、上記イメージセンサの受光量を制御する受光量制御手段とを備えて構成される。この様な構成によれば、投光用光源を高出力化した場合であっても、受光量の自動調整によってイメージセンサにおける受光量の飽和を抑制することができる。   A confocal displacement meter according to a seventh aspect of the present invention includes, in addition to the above configuration, a monitor light receiving element that receives a part of the reflected light and generates a monitor signal, and the image sensor based on the monitor signal. And a received light amount control means for controlling the received light amount. According to such a configuration, even when the light source for projecting light has a high output, saturation of the received light amount in the image sensor can be suppressed by automatically adjusting the received light amount.

本発明の第8の態様による共焦点変位計は、上記構成に加え、上記共焦点光学系が配置されるヘッド筐体と、上記投光用光源、上記分光器及び上記イメージセンサを収容するコントローラ筐体と、上記ヘッド筐体及び上記コントローラ筐体間で上記検出光及び上記反射光を伝送する光ファイバケーブルとを備えて構成される。この様な構成によれば、投光用光源からの伝導熱によるコントローラ筐体の膨張により、分光器及びイメージセンサの相対的な位置関係にずれが生じた場合であっても、測定精度の低下を抑制することができる。   A confocal displacement meter according to an eighth aspect of the present invention includes a head housing in which the confocal optical system is arranged, a light source for projection, the spectroscope, and the image sensor in addition to the above configuration. A housing and an optical fiber cable that transmits the detection light and the reflected light between the head housing and the controller housing are configured. According to such a configuration, even if the relative positional relationship between the spectroscope and the image sensor is shifted due to the expansion of the controller housing due to the conduction heat from the light source for light projection, the measurement accuracy decreases. Can be suppressed.

本発明の第9の態様による共焦点変位計は、上記構成に加え、上記特徴部分位置取得手段が、受光強度が最大のピクセル位置又は受光波形の重心位置を上記ピーク位置として特定するように構成される。   A confocal displacement meter according to a ninth aspect of the present invention is configured such that, in addition to the above configuration, the characteristic portion position acquisition unit specifies the pixel position having the maximum received light intensity or the barycentric position of the received light waveform as the peak position. Is done.

本発明によれば、様々な検出対象物に対応可能でありながら、測定精度の低下を抑制することが可能な共焦点変位計を提供することができる。特に、特徴部分のピーク位置を予め取得された基準位置と比較して補正量を定めるため、周辺環境の影響を受け難く、投光用光源の温度上昇に起因する測定精度の低下を抑制することが可能な共焦点変位計を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the confocal displacement meter which can respond to various detection target objects and can suppress the fall of a measurement precision can be provided. In particular, since the correction amount is determined by comparing the peak position of the characteristic part with the reference position acquired in advance, it is difficult to be affected by the surrounding environment and suppresses the decrease in measurement accuracy caused by the temperature rise of the light source for projection Can provide a confocal displacement meter.

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。It is the system figure which showed one structural example of the confocal displacement meter 1 by embodiment of this invention. 図1のヘッドユニット10の構成例を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed typically the structural example of the head unit 10 of FIG. 図1のコントローラ20の構成例を示したブロック図である。FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration example of a controller 20 in FIG. 1. 図3の投光用光源ユニット21の構成例を示した図である。It is the figure which showed the structural example of the light source unit 21 for light projection of FIG. 図3のイメージセンサ26の構成例を示した図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration example of an image sensor 26 in FIG. 3. 図3の測定制御部27の動作の一例を示した図であり、受光波形4及び5が示されている。FIG. 4 is a diagram illustrating an example of the operation of the measurement control unit 27 in FIG. 3, in which received light waveforms 4 and 5 are illustrated. 図3の測定制御部27の構成例を示したブロック図である。FIG. 4 is a block diagram illustrating a configuration example of a measurement control unit 27 in FIG. 3. 分光器24及びイメージセンサ26の相対的な位置ずれΔyによって換算式のスパンaSP及びオフセットbOSが変化することを模式的に示した説明図である。It is an explanatory view schematically showing that span a SP and the offset b OS conversion formula is changed by relative displacement Δy of the spectroscope 24 and the image sensor 26. 投光用光源ユニット21の他の構成例を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed typically the other structural example of the light source unit 21 for light projection. ヘッドユニット10の他の構成例を示した断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing another configuration example of the head unit 10. コントローラ20の他の構成例を示した図であり、透過型の分光光学系が示されている。It is the figure which showed the other structural example of the controller 20, and the transmissive | pervious spectroscopic optical system is shown. 共焦点変位計1のその他の構成例を示した図である。It is the figure which showed the other structural example of the confocal displacement meter.

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、検出光DLの光軸の方向を上下方向として説明するが、本発明による共焦点変位計1やヘッドユニット10の使用時における姿勢を限定するものではない。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In this specification, for the sake of convenience, the direction of the optical axis of the detection light DL is described as the vertical direction, but the posture of the confocal displacement meter 1 and the head unit 10 according to the present invention is not limited.

<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、光ファイバケーブル2、ヘッドユニット10及びコントローラ20により構成され、ヘッドユニット10から検出光DLを出射した際のワークWからの反射光を受光してワークWまでの距離を計測する光学式の距離計測装置である。
<Confocal displacement meter 1>
FIG. 1 is a system diagram showing a configuration example of a confocal displacement meter 1 according to an embodiment of the present invention. The confocal displacement meter 1 includes an optical fiber cable 2, a head unit 10 and a controller 20. The confocal displacement meter 1 receives reflected light from the work W when the detection light DL is emitted from the head unit 10 and is a distance to the work W. Is an optical distance measuring device for measuring

ワークWは、検出対象物である。このワークWは、反射率の高い高反射率領域HAと反射率の低い低反射率領域LAとが交互に繰り返し形成されたシート状部材であり、搬送装置により、左方向を搬送方向CDとして移動する。例えば、ワークWには、ガラス板を基材として、ガラス板の表面にクロムなどの金属膜がスリット状に形成されている。   The workpiece W is a detection target. The workpiece W is a sheet-like member in which a high reflectance area HA having a high reflectance and a low reflectance area LA having a low reflectance are alternately and repeatedly formed. To do. For example, the workpiece W has a glass plate as a base material, and a metal film such as chromium is formed in a slit shape on the surface of the glass plate.

ヘッドユニット10及びコントローラ20は、検出光DLを伝送する光ファイバケーブル2を介して接続されている。コントローラ20には、PC(パーソナルコンピュータ)3が接続されている。PC3は、コントローラ20に対して測定条件等の設定を行い、コントローラ20から計測結果等を取得して画面表示する。   The head unit 10 and the controller 20 are connected via an optical fiber cable 2 that transmits the detection light DL. A PC (personal computer) 3 is connected to the controller 20. The PC 3 sets measurement conditions and the like for the controller 20, acquires measurement results and the like from the controller 20, and displays them on the screen.

ヘッドユニット10は、白色光からなる検出光DLをワークWに向けて出射し、ワークWからの反射光が入射する投受光部ユニットである。光ファイバケーブル2は、検出光DLを伝送する伝送媒体であり、長尺方向に延びる細線状のコアと、コアを取り囲むクラッドとにより構成される。コントローラ20は、投受光を制御し、ワークWからの反射光に基づいて、ワークWまでの距離を算出する制御ユニットである。   The head unit 10 is a light projecting / receiving unit that emits the detection light DL made of white light toward the work W and the reflected light from the work W enters. The optical fiber cable 2 is a transmission medium that transmits the detection light DL, and includes a thin wire core extending in the longitudinal direction and a clad surrounding the core. The controller 20 is a control unit that controls light projection and reception and calculates the distance to the workpiece W based on the reflected light from the workpiece W.

光ファイバケーブル2を介して検出光DL及び反射光をコントローラ20及びヘッドユニット10間で伝送させるため、ヘッドユニット10を小型化することができる。また、ヘッドユニット10は、コントローラ20から離れた場所であっても、容易に設置することができる。   Since the detection light DL and the reflected light are transmitted between the controller 20 and the head unit 10 via the optical fiber cable 2, the head unit 10 can be reduced in size. Further, the head unit 10 can be easily installed even at a location away from the controller 20.

<ヘッドユニット10>
図2は、図1のヘッドユニット10の構成例を模式的に示した断面図であり、検出光DLの光軸を含む鉛直面によりヘッドユニット10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10は、ファイバ端2a、コリメートレンズ13及び対物レンズ14により構成される共焦点光学系11と、共焦点光学系11が配置されるヘッド筐体12とを備える。ヘッド筐体12は、有蓋円筒形状の鏡筒である。
<Head unit 10>
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of the head unit 10 of FIG. 1, and shows a cut surface when the head unit 10 is cut by a vertical plane including the optical axis of the detection light DL. . The head unit 10 includes a confocal optical system 11 including a fiber end 2a, a collimating lens 13, and an objective lens 14, and a head housing 12 in which the confocal optical system 11 is disposed. The head housing 12 is a covered cylindrical barrel.

ファイバ端2aは、光ファイバケーブル2のヘッドユニット側の端部であり、共焦点光学系11のピンホールとして機能する。具体的には、光ファイバケーブル2のクラッドが光ファイバケーブル2への戻り光を遮光する遮光部材として作用し、コアの端面がピンホールの開口として作用する。戻り光を遮光することにより、共焦点効果が得られる。なお、微小な開口(貫通孔)をピンホールとして有する遮光板をファイバ端2aとコリメートレンズ13との間に配置するような構成であっても良い。   The fiber end 2 a is an end of the optical fiber cable 2 on the head unit side, and functions as a pinhole of the confocal optical system 11. Specifically, the clad of the optical fiber cable 2 acts as a light shielding member that shields the return light to the optical fiber cable 2, and the end face of the core acts as an opening of a pinhole. The confocal effect is obtained by blocking the return light. In addition, the structure which arrange | positions the light-shielding plate which has a micro opening (through-hole) as a pinhole between the fiber end 2a and the collimating lens 13 may be sufficient.

このファイバ端2aは、ヘッド筐体12の天蓋部から下方に突出させて配置されている。コリメートレンズ13は、ファイバ端2aから出射された検出光DLを平行光に集光する集光レンズである。このコリメートレンズ13は、ファイバ端2aの端面に対向するとともに、ファイバ端2aと光軸が一致するように配置されている。   The fiber end 2 a is disposed so as to protrude downward from the canopy portion of the head housing 12. The collimating lens 13 is a condensing lens that condenses the detection light DL emitted from the fiber end 2a into parallel light. The collimating lens 13 is disposed so as to face the end face of the fiber end 2a and to coincide with the optical axis of the fiber end 2a.

対物レンズ14は、検出光DLをワークWに向けて出射する集光レンズである。この対物レンズ14は、コリメートレンズ13に対向するとともに、コリメートレンズ13と光軸が一致するように配置されている。コリメートレンズ13及び対物レンズ14は、検出光DLに軸上色収差を生じさせる。軸上色収差は、分散による光軸方向の像の色ずれである。   The objective lens 14 is a condenser lens that emits the detection light DL toward the workpiece W. The objective lens 14 is disposed so as to oppose the collimating lens 13 and the optical axis thereof coincides with the collimating lens 13. The collimating lens 13 and the objective lens 14 cause axial chromatic aberration in the detection light DL. The axial chromatic aberration is a color shift of the image in the optical axis direction due to dispersion.

ヘッドユニット10内の光学系は、図2に示した構成に限られず、図10に示すような構成であっても良い。また、コリメートレンズ13に代えて回折レンズを用いる構成、或いは、回折レンズを対物レンズ14として用いる構成であっても良い。つまり、ヘッドユニット10内の光学系は、ファイバ端2aから出射された多波長成分を有する白色光に対し、ヘッドユニット10内において軸上色収差が与えられ、ヘッドユニット10からワークWに向けて軸上色収差を有する光が放出されるようなものであれば良い。   The optical system in the head unit 10 is not limited to the configuration shown in FIG. 2, but may have a configuration as shown in FIG. Further, a configuration using a diffractive lens instead of the collimating lens 13 or a configuration using a diffractive lens as the objective lens 14 may be used. That is, the optical system in the head unit 10 is subjected to axial chromatic aberration in the head unit 10 with respect to white light having a multi-wavelength component emitted from the fiber end 2a, and the axis from the head unit 10 toward the workpiece W Any light that emits light having upper chromatic aberration may be used.

共焦点光学系11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。ファイバ端2aから出射し、コリメートレンズ13及び対物レンズ14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、ワークW上に結像した特定の波長成分は、ワークWにより反射され、その反射光が対物レンズ14及びコリメートレンズ13を透過してファイバ端2aの端面上に結像する。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、ファイバ端2aの端面上に結像せず、ファイバ端2aによって遮断される。   The confocal optical system 11 uses the confocal principle to narrow down the received light, and causes axial chromatic aberration in the detection light DL. The detection light DL emitted from the fiber end 2a and transmitted through the collimating lens 13 and the objective lens 14 forms an image at different positions in the vertical direction according to the wavelength. Among the wavelength components included in the detection light DL, a specific wavelength component imaged on the workpiece W is reflected by the workpiece W, and the reflected light passes through the objective lens 14 and the collimator lens 13 to be the end surface of the fiber end 2a. Image on top. On the other hand, the reflected light corresponding to wavelength components other than the specific wavelength component does not form an image on the end face of the fiber end 2a, but is blocked by the fiber end 2a.

例えば、ファイバ端2aのコアの直径は、200μm以下であることが好ましく、50μm以下であることがより好ましい。また、対物レンズ14からワークWまでの距離は、20mm〜70mm程度であり、測定レンジMRは、±1mm〜±20mm程度である。   For example, the diameter of the core of the fiber end 2a is preferably 200 μm or less, and more preferably 50 μm or less. Further, the distance from the objective lens 14 to the workpiece W is about 20 mm to 70 mm, and the measurement range MR is about ± 1 mm to ± 20 mm.

<コントローラ20>
図3は、図1のコントローラ20の構成例を示したブロック図である。このコントローラ20は、コントローラ筐体20a、投光用光源ユニット21、スプリッタ22、凹面鏡23、分光器24、結像レンズ25、イメージセンサ26、測定制御部27、表示部28、モニタ用受光素子29及びビームスプリッタ30により構成される。
<Controller 20>
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration example of the controller 20 of FIG. The controller 20 includes a controller housing 20a, a light projecting light source unit 21, a splitter 22, a concave mirror 23, a spectroscope 24, an imaging lens 25, an image sensor 26, a measurement control unit 27, a display unit 28, and a monitor light receiving element 29. And a beam splitter 30.

ファイバ端2b、凹面鏡23、分光器24、結像レンズ25及びイメージセンサ26は、反射型の分光光学系を構成する。光ファイバケーブル2は、ヘッド筐体12及びコントローラ筐体20a間で検出光DLと、ワークWによって反射された後、共焦点光学系11を通過した反射光とを伝送する。   The fiber end 2b, the concave mirror 23, the spectroscope 24, the imaging lens 25, and the image sensor 26 constitute a reflection type spectroscopic optical system. The optical fiber cable 2 transmits the detection light DL between the head housing 12 and the controller housing 20a and the reflected light that has been reflected by the work W and then passed through the confocal optical system 11.

コントローラ筐体20aは、投光用光源ユニット21、凹面鏡23、分光器24、結像レンズ25、イメージセンサ26、測定制御部27、モニタ用受光素子29及びビームスプリッタ30を収容する。ファイバ端2b、投光用光源ユニット21、スプリッタ22、凹面鏡23、分光器24、結像レンズ25、イメージセンサ26、モニタ用受光素子29及びビームスプリッタ30は、コントローラ筐体20aに対し、直接又は間接的に固定されている。   The controller housing 20a houses the light source unit 21 for projection, the concave mirror 23, the spectroscope 24, the imaging lens 25, the image sensor 26, the measurement control unit 27, the light receiving element 29 for monitoring, and the beam splitter 30. The fiber end 2b, the light projecting light source unit 21, the splitter 22, the concave mirror 23, the spectroscope 24, the imaging lens 25, the image sensor 26, the monitor light receiving element 29, and the beam splitter 30 are directly or It is fixed indirectly.

投光用光源ユニット21は、2以上の波長成分を含む白色光からなる検出光DLを生成する。スプリッタ22は、投光用光源ユニット21から光ファイバケーブル2を介して入射される検出光DLをヘッドユニット10に向けて伝達する一方、ヘッドユニット10から光ファイバケーブル2を介して入射される反射光を分光光学系に向けて伝達する光学部材である。例えば、スプリッタ22は、光信号を分岐又は分波するファイバカプラである。   The light projecting light source unit 21 generates the detection light DL composed of white light including two or more wavelength components. The splitter 22 transmits the detection light DL incident from the light projecting light source unit 21 via the optical fiber cable 2 toward the head unit 10, while reflecting the incident light DL from the head unit 10 via the optical fiber cable 2. It is an optical member that transmits light toward the spectroscopic optical system. For example, the splitter 22 is a fiber coupler that branches or demultiplexes an optical signal.

ファイバ端2bは、光ファイバケーブル2の分光光学系側の端部である。凹面鏡23は、ファイバ端2bから出射された光を分光器24に向けて反射するミラーであり、反射面が凹面により形成される。この凹面鏡23は、ファイバ端2bから出射された光を略平行光に集光する。   The fiber end 2b is the end of the optical fiber cable 2 on the spectroscopic optical system side. The concave mirror 23 is a mirror that reflects the light emitted from the fiber end 2b toward the spectroscope 24, and the reflection surface is formed of a concave surface. The concave mirror 23 condenses the light emitted from the fiber end 2b into substantially parallel light.

分光器24は、ワークWによって反射された後、共焦点光学系11を通過した反射光を分光する光学部材である。この分光器24は、反射角度に応じて異なる波長成分に入射光を分光する反射型の分光器であり、平板状の回折格子からなる。回折格子は、光の回折現象を利用して入射光を分光する光学部材であり、ワークWからの反射光の入射面又は出射面に微細な格子パターンが形成されている。結像レンズ25は、分光された反射光をイメージセンサ26上に結像させる集光レンズである。   The spectroscope 24 is an optical member that splits the reflected light that has been reflected by the workpiece W and then passed through the confocal optical system 11. The spectroscope 24 is a reflective spectroscope that splits incident light into different wavelength components according to the reflection angle, and is composed of a flat diffraction grating. The diffraction grating is an optical member that splits incident light using a light diffraction phenomenon, and a fine grating pattern is formed on an incident surface or an output surface of reflected light from the workpiece W. The imaging lens 25 is a condensing lens that forms an image of the reflected reflected light on the image sensor 26.

イメージセンサ26は、分光器24により分光され、結像レンズ25を透過した光を受光する撮像素子であり、受光強度に応じた受光信号を生成する2以上の受光素子と、受光信号に基づいて、受光量に応じた電荷を蓄積する2以上の容量素子とを有する。例えば、イメージセンサ26は、CMOS(相補性金属酸化膜半導体)リニアイメージセンサであり、各受光素子が直線状に配列される。なお、イメージセンサ26には、CCD(電荷結合素子)イメージセンサを用いても良い。   The image sensor 26 is an image sensor that receives light that has been spectrally separated by the spectroscope 24 and transmitted through the imaging lens 25, and is based on two or more light receiving elements that generate a light reception signal corresponding to the light reception intensity, and the light reception signal. And two or more capacitive elements for accumulating charges according to the amount of received light. For example, the image sensor 26 is a CMOS (complementary metal oxide semiconductor) linear image sensor, and each light receiving element is arranged in a straight line. The image sensor 26 may be a CCD (charge coupled device) image sensor.

測定制御部27は、イメージセンサ26から蓄積電荷を読み出して受光波形を取得し、ワークWまでの距離を算出して表示部28に測定結果として表示する。また、測定制御部27は、波形データをPC3へ出力する。表示部28は、コントローラ20の筐体20aに設けられた7セグメント表示器からなり、距離の計測値や判定用閾値などを表示する。   The measurement control unit 27 reads the accumulated charge from the image sensor 26 to acquire a received light waveform, calculates the distance to the workpiece W, and displays it on the display unit 28 as a measurement result. Further, the measurement control unit 27 outputs the waveform data to the PC 3. The display unit 28 includes a 7-segment display provided on the housing 20a of the controller 20, and displays a distance measurement value, a determination threshold value, and the like.

モニタ用受光素子29は、ワークWによって反射された後、共焦点光学系11を通過した反射光の一部を受光してモニタ信号を生成し、測定制御部27へ出力する。例えば、モニタ用受光素子29は、受光強度に応じたモニタ信号を生成する1又は2以上のPD(フォトダイオード)により構成される。測定制御部27は、モニタ用受光素子29からのモニタ信号に基づいて、イメージセンサ26の受光量を制御する。   The monitor light receiving element 29 receives a part of the reflected light that has been reflected by the workpiece W and then passed through the confocal optical system 11, generates a monitor signal, and outputs the monitor signal to the measurement control unit 27. For example, the monitor light receiving element 29 is configured by one or more PDs (photodiodes) that generate a monitor signal corresponding to the received light intensity. The measurement control unit 27 controls the amount of light received by the image sensor 26 based on the monitor signal from the monitor light receiving element 29.

回折格子は、入射光を0次の回折光、±1次の回折光、±2次の回折光、・・・に分割する。0次の回折光は、回折の次数が0の回折光であり、波長に応じた出射方向のずれを生じることなく、干渉によって強め合う光からなる。0次の回折光は、白色光であり、入射光に含まれる全ての波長成分からなるため、単位面積当たりの光量が他の次数の回折光に比べて多い。回折の次数をm=±1,±2,・・・として、m次の回折光は、干渉によって強め合う光の出射方向が波長に応じて異なる。   The diffraction grating divides incident light into zero-order diffracted light, ± first-order diffracted light, ± second-order diffracted light,. The 0th-order diffracted light is diffracted light having a diffraction order of 0, and is composed of light that reinforces by interference without causing a shift in the emission direction according to the wavelength. The 0th-order diffracted light is white light and is composed of all the wavelength components included in the incident light, so that the amount of light per unit area is larger than other orders of diffracted light. Assuming that the order of diffraction is m = ± 1, ± 2,..., The m-th order diffracted light has different emission directions depending on the wavelength.

このコントローラ20では、イメージセンサ26が回折格子(分光器24)による0次の回折光及び1次の回折光を同時に受光して受光信号を生成する。つまり、イメージセンサ26は、回折格子(分光器24)による0次の回折光及び1次の回折光を受光可能な位置に配置される。分光器24からの0次の回折光及び1次の回折光は、イメージセンサ26において共通の配線基板上に設けられた受光素子によって受光される。結像レンズ25は、回折格子(分光器24)による0次の回折光及び1次の回折光をイメージセンサ26に結像可能なサイズからなる。なお、イメージセンサ26は、回折格子からの1次回折光及び2次回折光を同時に受光するような構成であっても良い。   In the controller 20, the image sensor 26 simultaneously receives the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light from the diffraction grating (spectrometer 24) to generate a light reception signal. That is, the image sensor 26 is disposed at a position where it can receive the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light by the diffraction grating (spectrometer 24). The zero-order diffracted light and the first-order diffracted light from the spectroscope 24 are received by the light receiving element provided on the common wiring board in the image sensor 26. The imaging lens 25 has a size capable of imaging the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light on the image sensor 26 by the diffraction grating (spectrometer 24). The image sensor 26 may be configured to simultaneously receive the first-order diffracted light and the second-order diffracted light from the diffraction grating.

モニタ用受光素子29は、凹面鏡23と分光器24との間に配置されたビームスプリッタ30により反射された光を受光してモニタ信号を生成する。ビームスプリッタ30は、凹面鏡23により反射された後、分光器24に入射する光の一部をモニタ用受光素子29に向けて反射する一方、当該光の他の一部を透過させる平板状の光学部材である。この様な構成によれば、分光前の光を受光することにより、モニタ用受光素子29を大型化することなく、イメージセンサ26の受光量をモニタリングすることができる。   The monitor light receiving element 29 receives the light reflected by the beam splitter 30 disposed between the concave mirror 23 and the spectroscope 24 and generates a monitor signal. The beam splitter 30 reflects the concave mirror 23 and then reflects part of the light incident on the spectroscope 24 toward the monitor light receiving element 29 while transmitting the other part of the light. It is a member. According to such a configuration, it is possible to monitor the amount of light received by the image sensor 26 without increasing the size of the monitor light receiving element 29 by receiving the light before spectral separation.

コントローラ20の分光光学系に反射型の光学素子、すなわち、凹面鏡23及び分光器24を用いることにより、透過型の光学素子を用いる場合に比べ、コントローラ20を小型化することができる。   By using a reflective optical element, that is, the concave mirror 23 and the spectroscope 24, in the spectroscopic optical system of the controller 20, the controller 20 can be downsized as compared with the case where a transmissive optical element is used.

<投光用光源ユニット21>
図4は、図3の投光用光源ユニット21の構成例を示した図であり、図中の(a)には、投光用光源ユニット21の側面が示され、(b)には、投光用光源ユニット21をA−A線により切断した場合の切断面が示されている。この投光用光源ユニット21は、発光素子211、配線基板212、素子ホルダ213、集光レンズ214、レンズホルダ215、フェルール216、フェルール押え217、蛍光体220、枠体221及び反射型フィルタ222により構成される。
<Light Source Unit 21 for Projection>
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration example of the light source unit 21 for light projection in FIG. 3, (a) in the figure shows a side surface of the light source unit 21 for light projection, and (b) in FIG. The cut surface when the light source unit for projection 21 is cut along the line AA is shown. The light source unit 21 for light projection includes a light emitting element 211, a wiring board 212, an element holder 213, a condenser lens 214, a lens holder 215, a ferrule 216, a ferrule holder 217, a phosphor 220, a frame body 221, and a reflective filter 222. Composed.

発光素子211は、単一波長のレーザ光を生成する蛍光体励起用のレーザ光源である。この発光素子211は、発光部を水平方向の前方に向けた状態で配線基板212に配設されている。例えば、発光素子211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213は、配線基板212を保持する部材であり、レンズホルダ215に背面側から挿入されている。   The light emitting element 211 is a laser light source for phosphor excitation that generates laser light having a single wavelength. The light emitting element 211 is disposed on the wiring board 212 with the light emitting portion facing forward in the horizontal direction. For example, the light emitting element 211 generates blue light or ultraviolet light having a wavelength of 450 nm or less. The element holder 213 is a member that holds the wiring board 212 and is inserted into the lens holder 215 from the back side.

集光レンズ214は、発光素子211から出射されたレーザ光を光ファイバケーブル2の投光用光源ユニット側のファイバ端に集光させる光学部材であり、発光素子211に対向させて配置されている。レンズホルダ215は、集光レンズ214を保持する鏡筒であり、集光レンズ214の前方において縮径している。フェルール216は、光ファイバケーブル2の投光用光源ユニット側のファイバ端が組み込まれ、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217は、レンズホルダ215の縮径部に前面側から挿入されたフェルール216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215に取り付けられている。   The condensing lens 214 is an optical member that condenses the laser light emitted from the light emitting element 211 on the fiber end of the optical fiber cable 2 on the light projecting light source unit side, and is disposed to face the light emitting element 211. . The lens holder 215 is a lens barrel that holds the condenser lens 214 and has a reduced diameter in front of the condenser lens 214. The ferrule 216 is a cylindrical connecting member in which a fiber end of the optical fiber cable 2 on the light source unit side for light projection is incorporated and extends in the front-rear direction. The ferrule retainer 217 is a bottomed cylindrical member for fixing the ferrule 216 inserted from the front side to the reduced diameter portion of the lens holder 215, and the cylindrical portion is covered with the outer peripheral surface of the reduced diameter portion. A lens holder 215 is attached.

蛍光体220は、発光素子211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放射する発光体である。この蛍光体220は、その外周面が枠体221によって保持され、光ファイバケーブル2のファイバ端の端面に接触させた状態でレンズホルダ215内に配置されている。例えば、蛍光体220は、青色のレーザ光の照射によって黄色の蛍光を放射する。なお、蛍光体220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220は、青色のレーザ光の照射により、緑色の蛍光を放射する蛍光材料と、赤色の蛍光を放射する蛍光材料とにより形成される。   The phosphor 220 is a light emitter that is excited by laser light from the light emitting element 211 and emits fluorescence having a wavelength different from that of the laser light. The fluorescent body 220 is disposed in the lens holder 215 in a state where the outer peripheral surface thereof is held by the frame body 221 and is in contact with the end face of the fiber end of the optical fiber cable 2. For example, the phosphor 220 emits yellow fluorescence when irradiated with blue laser light. The phosphor 220 may be formed of two or more types of fluorescent materials. For example, the phosphor 220 is formed of a fluorescent material that emits green fluorescence and a fluorescent material that emits red fluorescence when irradiated with blue laser light.

反射型フィルタ222は、発光素子211からのレーザ光を透過し、蛍光体220からの光を反射する光学部材であり、枠体221の発光素子側の面を覆うように配置されている。光ファイバケーブル2のファイバ端には、蛍光体220を通過したレーザ光と、蛍光体220から放射された蛍光とが混合した複数の波長を有する混合光が検出光DLとして入射される。   The reflective filter 222 is an optical member that transmits the laser light from the light emitting element 211 and reflects the light from the phosphor 220, and is disposed so as to cover the surface of the frame 221 on the light emitting element side. On the fiber end of the optical fiber cable 2, mixed light having a plurality of wavelengths in which laser light that has passed through the phosphor 220 and fluorescence emitted from the phosphor 220 are mixed is incident as detection light DL.

投光用光源ユニット21は、光ファイバケーブル2のファイバ端に、発光素子211からのレーザ光と蛍光体220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10及びコントローラ20間の光ファイバケーブル2との接続を簡素化することができる。   The light projecting light source unit 21 has a configuration in which light mixed with laser light from the light emitting element 211 and fluorescence from the phosphor 220 is directly incident on the fiber end of the optical fiber cable 2. By using such a fiber type light source, the connection between the head unit 10 and the controller 20 with the optical fiber cable 2 can be simplified.

<イメージセンサ26>
図5は、図3のイメージセンサ26の構成例を示した図であり、CMOSリニアイメージセンサが示されている。このイメージセンサ26は、多数のピクセルユニットPU,PU,・・・と、これらのピクセルユニットPU,PU,・・・に共通の直流電源Vcc及び出力バッファBFとにより構成される。CMOSリニアイメージセンサは、受光素子を含む2以上の画素が1列に配列された1次元のイメージセンサである。
<Image sensor 26>
FIG. 5 is a diagram showing a configuration example of the image sensor 26 of FIG. 3, and shows a CMOS linear image sensor. The image sensor 26 includes a large number of pixel units PU 0 , PU 1 ,..., And a DC power supply Vcc and an output buffer BF 2 that are common to these pixel units PU 0 , PU 1 ,. . The CMOS linear image sensor is a one-dimensional image sensor in which two or more pixels including a light receiving element are arranged in one row.

ピクセルユニットPU,PU,・・・は、それぞれ画素を構成する画素構成部である。ピクセルユニットPUは、フォトダイオードPD、コンデンサC、トランジスタTR10〜TR30及びバッファBF10により構成される。 Each of the pixel units PU 0 , PU 1 ,... Is a pixel configuration unit that constitutes a pixel. The pixel unit PU 0 includes a photodiode PD 0 , a capacitor C 0 , transistors TR 10 to TR 30, and a buffer BF 10 .

フォトダイオードPDは、受光強度に応じた受光信号を生成する受光素子である。コンデンサCは、フォトダイオードPDからの受光信号に基づいて、受光量に応じた電荷を蓄積する容量素子である。トランジスタTR10は、リセット信号によりスイッチングし、オン状態において、PDに直流電源Vccによる逆バイアスを付加するための制御素子である。 Photodiode PD 0 is a light receiving element for generating a light receiving signal corresponding to the received light intensity. The capacitor C 0 is a capacitive element that accumulates electric charges according to the amount of light received based on the light reception signal from the photodiode PD 0 . Transistor TR 10 is switched by the reset signal, in the on state, a control device for adding a reverse bias due to the DC power source Vcc to the PD 0.

トランジスタTR20は、GS(グローバルシャッタ)信号によりスイッチングし、オン状態において、PDからの受光信号によってコンデンサCに電荷を蓄積させる制御素子である。リセット信号及びGS信号は、イメージセンサ26の露光時間を調整するための露光制御信号であり、測定制御部27により生成される。 The transistor TR 20 is a control element that is switched by a GS (global shutter) signal and accumulates electric charge in the capacitor C 0 by a light receiving signal from the PD 0 in the on state. The reset signal and the GS signal are exposure control signals for adjusting the exposure time of the image sensor 26 and are generated by the measurement control unit 27.

トランジスタTR30は、アドレス0の読出信号によりスイッチングし、オン状態において、コンデンサCの蓄積電荷に対応する信号を出力するための制御素子である。読出信号は、イメージセンサ26から蓄積電荷を読み出すための制御信号であり、測定制御部27により生成される。コンデンサCの蓄積電荷を示す信号は、バッファBF10及びTR30を介して出力バッファBFに入力される。 The transistor TR 30 is a control element for switching in response to the read signal at address 0 and outputting a signal corresponding to the accumulated charge in the capacitor C 0 in the on state. The read signal is a control signal for reading the accumulated charge from the image sensor 26 and is generated by the measurement control unit 27. A signal indicating the accumulated charge of the capacitor C 0 is input to the output buffer BF 2 via the buffers BF 10 and TR 30 .

ピクセルユニットPUは、フォトダイオードPD、コンデンサC、トランジスタTR11〜TR31及びバッファBF11により構成され、これらのデバイスは、ピクセルユニットPUの各デバイスと同様に機能する。他のピクセルユニットPU,PU,・・・についても、PU及びPUと同様に構成される。 The pixel unit PU 1 includes a photodiode PD 1 , a capacitor C 1 , transistors TR 11 to TR 31, and a buffer BF 11 , and these devices function in the same manner as each device of the pixel unit PU 0 . The other pixel units PU 2 , PU 3 ,... Are configured in the same manner as PU 0 and PU 1 .

このイメージセンサ26の距離計測時の動作は、以下の通りである。まず、初期化ステップでは、全てのアドレス0,1,・・・について、読出信号がHレベルに切り替えられ、TR30,TR31,・・・は、いずれもオフ状態になる。また、リセット信号及びGS信号が、いずれもLレベルに切り替えられ、TR10,TR11,・・・は、同時にオフ状態になり、TR20,TR21,・・・は、同時にオン状態になる。このとき、コンデンサC,C,・・・には、Vccの電源電圧に応じた電荷が蓄積される。 The operation of the image sensor 26 when measuring the distance is as follows. First, in the initialization step, the read signal is switched to the H level for all addresses 0, 1,..., And TR 30 , TR 31 ,. Further, both the reset signal and the GS signal are switched to the L level, TR 10 , TR 11 ,... Are simultaneously turned off, and TR 20 , TR 21 ,. . At this time, charges according to the power supply voltage of Vcc are accumulated in the capacitors C 0 , C 1 ,.

次に、露光ステップでは、リセット信号がHレベルに切り替えられ、TR10,TR11,・・・が同時にオン状態に移行すれば、露光を開始し、PD,PD,・・・は、受光強度に応じた受光信号を生成し、コンデンサC,C,・・・は、受光量に応じた電荷蓄積を開始する。次に、GS信号がHレベルに切り替えられ、TR20,TR21,・・・が同時にオフ状態に移行すれば、露光を終了し、コンデンサC,C,・・・に対する電荷蓄積が停止する。 Next, in the exposure step, when the reset signal is switched to the H level and TR 10 , TR 11 ,... Are simultaneously turned on, exposure is started, and PD 0 , PD 1 ,. A light reception signal corresponding to the light reception intensity is generated, and the capacitors C 0 , C 1 ,... Start charge accumulation corresponding to the light reception amount. Next, when the GS signal is switched to the H level and TR 20 , TR 21 ,... Are simultaneously turned off, the exposure is terminated and charge accumulation for the capacitors C 0 , C 1 ,. To do.

次に、読出ステップでは、アドレス0,1,・・・について、読出信号を順次にLレベルに切り替えることにより、コンデンサC,C,・・・から蓄積電荷が時系列に読み出される。コンデンサC,C,・・・の蓄積電荷は、電圧信号Voutとして測定制御部27へ出力される。距離計測時には、この様な初期化ステップ、露光ステップ及び読出ステップが露光周期ごとに繰り返される。 Next, in the readout step, the stored charge is read out from the capacitors C 0 , C 1 ,... In time series by sequentially switching the readout signal to the L level for the addresses 0, 1,. The accumulated charges in the capacitors C 0 , C 1 ,... Are output to the measurement control unit 27 as the voltage signal Vout. At the time of distance measurement, such initialization step, exposure step, and readout step are repeated for each exposure cycle.

図6は、図3の測定制御部27の動作の一例を示した図であり、受光波形4及び5が示されている。この図には、横軸をピクセル位置xとし、縦軸を受光強度として、受光波形4及び5が描画されている。   FIG. 6 is a diagram illustrating an example of the operation of the measurement control unit 27 in FIG. 3, and the received light waveforms 4 and 5 are illustrated. In this figure, received light waveforms 4 and 5 are drawn with the horizontal axis as the pixel position x and the vertical axis as the received light intensity.

受光波形4は、イメージセンサ26上のピクセル位置と受光強度との関係を表す特性曲線であり、イメージセンサ26から読み出した蓄積電荷に基づいて作成される。受光波形4には、短波長側と長波長側とに鋭いピークが形成され、これらのピーク間には、受光強度が緩やかに変化する1つのピークが形成されている。   The received light waveform 4 is a characteristic curve representing the relationship between the pixel position on the image sensor 26 and the received light intensity, and is generated based on the accumulated charge read from the image sensor 26. In the received light waveform 4, sharp peaks are formed on the short wavelength side and the long wavelength side, and one peak in which the received light intensity gradually changes is formed between these peaks.

短波長側のピーク波形は、蛍光体励起用のレーザ光に対応する波形領域WAに形成される受光波形である。短波長側のピーク位置xは、レーザ光の波長に対応する。一方、長波長側のピーク波形と緩やかに変化するピーク波形とは、蛍光に対応する波形領域WAに形成される受光波形である。波形領域WA及びWAは、分光器24による1次の回折光に対応する波形領域である。 Peak waveform of the short wavelength side, which is a light receiving waveform corrugated region WA 1 corresponding to the laser light for the phosphor excitation. Peak position x 1 of the short wavelength side, corresponding to the wavelength of the laser beam. On the other hand, the peak waveform that changes gradually and peak waveform of the long-wavelength side, which is a light receiving waveform corrugated region WA 2 corresponding to the fluorescence. The waveform areas WA 1 and WA 2 are waveform areas corresponding to the first-order diffracted light by the spectroscope 24.

長波長側のピーク波形は、ワークWからの反射光に対応する信号波形であり、そのピーク位置xは、ワークWからの反射光の波長に対応する。ピーク位置xを特定することにより、ワークWまでの距離が求められる。これに対し、短波長側のピーク波形と緩やかに変化するピーク波形とは、ワークW以外の部材からの反射光に対応する受光波形である。 Peak waveform of the long-wavelength side is a signal waveform corresponding to the reflected light from the work W, the peak position x 2 corresponds to the wavelength of the reflected light from the work W. By identifying the peak position x 2, the distance to the workpiece W is obtained. On the other hand, the peak waveform on the short wavelength side and the slowly changing peak waveform are light reception waveforms corresponding to reflected light from members other than the workpiece W.

受光波形5は、分光器24による0次の回折光に対応する波形領域WAに形成される受光波形もしくは2次以上の高次の回折光のレーザ光の波長に対応する受光波形である。この受光波形5には、1つの鋭いピークが形成されている。ピーク位置xと受光波形5のピーク位置xとは、コントローラ20に固有のパラメータである。 Receiving waveform 5 is a receiver frequency corresponding to the wavelength of the laser light receiving waveform or second- or higher-order diffracted light are formed in the waveform area WA 3 corresponding to the zero-order diffracted light by the spectroscope 24. One sharp peak is formed in the received light waveform 5. The peak position x 1 and the peak position x 3 of the received light waveform 5 are parameters specific to the controller 20.

投光用光源にレーザ光源を用い、レーザ光によって励起された蛍光体220が発する蛍光と蛍光体220を透過したレーザ光との混合光を検出光DLとして使用することにより、検出光DLの光量を極めて大きくすることができる。このため、表面の反射率が低い低反射率領域LAを計測する場合であっても、十分な受光強度が得られるため、信号波形がノイズに埋もれることはなく、ピーク位置xを正確に特定することができる。 By using a laser light source as a light source for projection and using mixed light of fluorescence emitted from the phosphor 220 excited by the laser light and laser light transmitted through the phosphor 220 as the detection light DL, the amount of light of the detection light DL Can be made extremely large. Therefore, even when the reflectance of the surface is measured with low low-reflectance region LA, since sufficient light intensity can be obtained, rather than the signal waveform buried in noise, accurately identify the peak position x 2 can do.

本実施の形態による共焦点変位計1では、受光波形4及び5の特徴部分について、ピーク位置を基準位置と比較することにより、温度環境の変化に起因する分光器24及びイメージセンサ26間の相対的な位置ずれを検知し、波形データや測定値を補正する温度補正処理が行われる。   In the confocal displacement meter 1 according to the present embodiment, the relative positions between the spectroscope 24 and the image sensor 26 due to the change in the temperature environment are compared by comparing the peak position with the reference position for the characteristic portions of the light reception waveforms 4 and 5. A temperature correction process is performed to detect a typical misalignment and correct the waveform data and measurement values.

<測定制御部27>
図7は、図3の測定制御部27の構成例を示したブロック図である。この測定制御部27は、受光波形取得部101、基底波形推定部102、信号波形算出部103、距離算出部104、換算式記憶部105、参照範囲受付部106、受光量制御部107、特徴部分位置取得部108、基準位置記憶部109及び補正量算出部110により構成される。
<Measurement control unit 27>
FIG. 7 is a block diagram showing a configuration example of the measurement control unit 27 of FIG. The measurement control unit 27 includes a received light waveform acquisition unit 101, a base waveform estimation unit 102, a signal waveform calculation unit 103, a distance calculation unit 104, a conversion formula storage unit 105, a reference range reception unit 106, a received light amount control unit 107, a characteristic portion. The position acquisition unit 108, the reference position storage unit 109, and the correction amount calculation unit 110 are configured.

受光波形取得部101は、イメージセンサ26から蓄積電荷を順次に読み出すことにより、距離に関する受光強度の分布からなる受光波形4及び5を取得し、基底波形推定部102、信号波形算出部103及び特徴部分位置取得部108へ出力する。   The received light waveform acquisition unit 101 sequentially reads accumulated charges from the image sensor 26 to acquire received light waveforms 4 and 5 that are distributions of received light intensity with respect to the distance, and obtains a base waveform estimation unit 102, a signal waveform calculation unit 103, and a feature. The data is output to the partial position acquisition unit 108.

イメージセンサ26には、多数の受光素子が直線状に配列されていることから、受光素子ごとの受光量を示す受光強度データが配列方向の位置に関連づけて管理される。受光波形4及び5は、受光素子の配列方向の位置をピクセル位置と呼ぶことにすれば、それぞれがイメージセンサ26上のピクセル位置に関連づけられた多数の受光強度データからなる。   Since a large number of light receiving elements are linearly arranged in the image sensor 26, the received light intensity data indicating the amount of light received for each light receiving element is managed in association with the position in the arrangement direction. The received light waveforms 4 and 5 are each composed of a large number of received light intensity data associated with pixel positions on the image sensor 26 if the positions of the light receiving elements in the arrangement direction are called pixel positions.

基底波形推定部102は、受光波形取得部101により取得された受光波形4の形状に基づいて、その基底波形を推定する。基底波形は、ノイズ成分を示す受光波形であり、ヘッドユニット10の対物レンズ14から出射されなかった検出光DLに対応する。   The base waveform estimation unit 102 estimates the base waveform based on the shape of the light reception waveform 4 acquired by the light reception waveform acquisition unit 101. The base waveform is a light reception waveform indicating a noise component, and corresponds to the detection light DL that has not been emitted from the objective lens 14 of the head unit 10.

例えば、基底波形推定部102は、代表点列生成手段、強度差分算出手段、重み係数算出手段及び代表点列更新手段により構成される。代表点列生成手段は、受光波形4を構成する2以上のデータ点DPからなるデータ点列に対し、参照範囲RRを一定距離だけ移動させるごとに、参照範囲RR内のデータ点列にフィッティングする回帰曲線を求めて代表点RPを定めることにより、2以上の代表点RPからなる代表点列を生成する。強度差分算出手段は、データ点DP及び代表点RP間における受光強度の差分を求める。重み係数算出手段は、上記差分に基づいて、重み係数wを求める。代表点列更新手段は、データ点列に重み係数wを割り当て、参照範囲RRを一定距離だけ移動させるごとに、参照範囲RR内のデータ点列に重み付きでフィッティングする回帰曲線を求めて代表点RPを新たに定めることにより、代表点列を更新する。基底波形は、更新後の代表点列により構成される。   For example, the base waveform estimation unit 102 includes a representative point sequence generation unit, an intensity difference calculation unit, a weight coefficient calculation unit, and a representative point sequence update unit. The representative point sequence generation means fits to the data point sequence in the reference range RR every time the reference range RR is moved by a certain distance with respect to the data point sequence composed of two or more data points DP constituting the light reception waveform 4. By obtaining a regression curve and determining a representative point RP, a representative point sequence including two or more representative points RP is generated. The intensity difference calculation means obtains a difference in received light intensity between the data point DP and the representative point RP. The weighting factor calculating means obtains the weighting factor w based on the difference. The representative point sequence updating means assigns a weighting coefficient w to the data point sequence, and obtains a regression curve that fits the data point sequence within the reference range RR with weight each time the reference range RR is moved by a certain distance. The representative point sequence is updated by newly determining RP. The base waveform is composed of the updated representative point sequence.

信号波形算出部103は、受光波形4及び基底波形に基づいて、信号波形を求め、距離算出部104へ出力する。信号波形は、対物レンズ14から出射され、ワークWによって反射された検出光DLに対応する受光波形であり、受光波形4及び基底波形の差分から求められる。   The signal waveform calculation unit 103 obtains a signal waveform based on the received light waveform 4 and the base waveform, and outputs the signal waveform to the distance calculation unit 104. The signal waveform is a light reception waveform corresponding to the detection light DL emitted from the objective lens 14 and reflected by the workpiece W, and is obtained from the difference between the light reception waveform 4 and the base waveform.

距離算出部104は、信号波形算出部103により求められた信号波形に基づいて、ワークWまでの距離WDを求め、表示部28へ出力する。受光波形上のピクセル位置は、イメージセンサ26上の該当する位置に結像する光の波長に対応し、波長は距離WDに対応することから、距離WDは、信号波形のピーク位置xを特定することによって求められる。 The distance calculation unit 104 obtains a distance WD to the workpiece W based on the signal waveform obtained by the signal waveform calculation unit 103 and outputs the distance WD to the display unit 28. Pixel position on receiver frequency corresponds to a wavelength of light imaged on the corresponding position on the image sensor 26, since the wavelength corresponding to the distance WD, the distance WD is identify the peak position x 2 of the signal waveform It is required by doing.

例えば、信号波形を構成するデータ点列に対し、受光強度が判定閾値以上のデータ点列が存在すれば、ワークWからの反射光成分に対応すると判断し、当該データ点列において受光強度が最大のデータ点のピクセル位置がピーク位置xとして特定される。或いは、受光強度が判定閾値以上のデータ点列にフィッティングする曲線を求め、その曲線の最大点のピクセル位置をピーク位置xとしても良い。或いは、受光強度が判定閾値以上のデータ点列に対し、その重心の位置をピーク位置xとしても良い。 For example, if there is a data point sequence whose received light intensity is greater than or equal to the determination threshold for the data point sequence constituting the signal waveform, it is determined that the reflected light component from the workpiece W corresponds, and the received light intensity is maximum in the data point sequence. pixel position of the data points is specified as the peak position x 2. Alternatively, it obtains a curve received light intensity is fit to the data point sequence over determination threshold may be a pixel position of the maximum point of the curve as the peak position x 2. Alternatively, the received light intensity is on the data point sequence over determination threshold may be the position of the center of gravity as the peak position x 2.

また、距離算出部104は、算出した距離WDを基準値と比較することにより、変位量を求め、表示部28へ出力する。換算式記憶部105には、ピクセル位置、波長及び距離WDを互いに対応づけるための換算式又はテーブルが保持される。   The distance calculation unit 104 obtains a displacement amount by comparing the calculated distance WD with a reference value, and outputs the displacement amount to the display unit 28. The conversion formula storage unit 105 holds a conversion formula or table for associating pixel positions, wavelengths, and distances WD with each other.

また、距離算出部104は、信号波形算出部103により求められた信号波形を画面表示するための波形データをPC3へ出力する。参照範囲受付部106は、PC3から参照範囲RRを受け付ける。参照範囲RRは、受光波形4を構成するデータ点列を解析する際の処理単位であり、参照範囲RRに基づいて基底波形が推定される。   In addition, the distance calculation unit 104 outputs waveform data for displaying the signal waveform obtained by the signal waveform calculation unit 103 on the screen to the PC 3. The reference range receiving unit 106 receives the reference range RR from the PC 3. The reference range RR is a processing unit when analyzing the data point sequence constituting the light reception waveform 4, and the base waveform is estimated based on the reference range RR.

受光量制御部107は、モニタ用受光素子29からのモニタ信号に基づいて、イメージセンサ26の受光量を制御する。この受光量制御は、イメージセンサ26内の受光素子による露光時間を調整することによって行われる。   The received light amount control unit 107 controls the received light amount of the image sensor 26 based on the monitor signal from the monitor light receiving element 29. This received light amount control is performed by adjusting the exposure time by the light receiving element in the image sensor 26.

例えば、受光量制御部107は、モニタ用受光素子29の受光量を判定閾値DTと比較し、受光量が判定閾値DT以上になった場合に、イメージセンサ26内の容量素子への電荷蓄積を停止させることにより、露光時間を短縮する。一方、イメージセンサ26の露光中に受光量が判定閾値DTを上回らなければ、予め定められた露光時間が経過するまで、容量素子への電荷蓄積が継続される。   For example, the received light amount control unit 107 compares the received light amount of the monitor light receiving element 29 with the determination threshold value DT, and when the received light amount is equal to or greater than the determination threshold value DT, charge accumulation in the capacitive element in the image sensor 26 is performed. By stopping, the exposure time is shortened. On the other hand, if the amount of received light does not exceed the determination threshold value DT during the exposure of the image sensor 26, the charge accumulation in the capacitive element is continued until a predetermined exposure time elapses.

この様にイメージセンサ26の受光量を制御することにより、イメージセンサ26の飽和を抑制することができる。特に、イメージセンサ26から全受光素子分の蓄積電荷を読み出さなくても良いため、受光量制御の追従性が向上し、露光周期ごとに反射率が大きく変化するようなワークWを測定する場合であっても、イメージセンサ26の飽和を抑制することができる。   By controlling the amount of light received by the image sensor 26 in this way, saturation of the image sensor 26 can be suppressed. In particular, since it is not necessary to read out the accumulated charges for all the light receiving elements from the image sensor 26, the followability of the received light amount control is improved, and the work W whose reflectance changes greatly with each exposure cycle is measured. Even if it exists, saturation of the image sensor 26 can be suppressed.

特徴部分位置取得部108は、受光波形取得部101により取得された受光波形4及び5に基づいて、特徴部分のピーク位置を特定する。例えば、特徴部分位置取得部108は、1次の回折光のうちの励起光に対応する波形領域WAを特徴部分としてピーク位置xを特定する。また、特徴部分位置取得部108は、0次の回折光に対応する波形領域WAを特徴部分としてピーク位置xを特定する。 The characteristic part position acquisition unit 108 specifies the peak position of the characteristic part based on the light reception waveforms 4 and 5 acquired by the light reception waveform acquisition unit 101. For example, the characteristic part position acquisition unit 108 specifies the peak position x 1 using the waveform area WA 1 corresponding to the excitation light of the first-order diffracted light as a characteristic part. In addition, the characteristic part position acquisition unit 108 specifies the peak position x 3 using the waveform area WA 3 corresponding to the 0th-order diffracted light as a characteristic part.

励起光に対応する波形領域WAは、距離計測に用いる蛍光の波形領域WAから離間して形成されるため、ピーク位置xの特定が容易である。また、0次の回折光に対応する波形領域WAは、距離計測に用いる1次の回折光の波形領域WA及びWAから離間して形成されるため、ピーク位置xの特定が容易である。特に、0次の回折光は他の次数の回折光に比べて光量が多いため、ノイズに影響されることなく、ピーク位置xを特定することができる。 Since the waveform area WA 1 corresponding to the excitation light is formed apart from the fluorescence waveform area WA 2 used for distance measurement, the peak position x 1 can be easily identified. Further, since the waveform area WA 3 corresponding to the 0th-order diffracted light is formed apart from the waveform areas WA 1 and WA 2 of the 1st-order diffracted light used for distance measurement, the peak position x 3 can be easily identified. It is. In particular, zero order diffracted light for the light amount is larger than the other order diffracted light, without being affected by noise, it is possible to identify the peak position x 3.

例えば、受光波形を構成するデータ点列に対し、受光強度が判定閾値以上のデータ点列が存在すれば、当該データ点列において受光強度が最大のデータ点のピクセル位置がピーク位置x,xとして特定される。或いは、受光強度が判定閾値以上のデータ点列にフィッティングする曲線を求め、その曲線の最大点のピクセル位置をピーク位置x,xとしても良い。或いは、受光強度が判定閾値以上のデータ点列に対し、その重心の位置をピーク位置x,xとしても良い。 For example, if there is a data point sequence whose received light intensity is equal to or greater than the determination threshold for the data point sequence constituting the received light waveform, the pixel position of the data point having the maximum received light intensity in the data point sequence is the peak position x 1 , x Specified as 3 . Alternatively, a curve that fits a data point sequence whose received light intensity is greater than or equal to the determination threshold may be obtained, and the pixel position of the maximum point of the curve may be set as the peak positions x 1 and x 3 . Alternatively, the position of the center of gravity may be set as the peak positions x 1 and x 3 for a data point sequence whose received light intensity is greater than or equal to the determination threshold.

基準位置記憶部109には、予め取得された受光波形から得られた特徴部分のピーク位置が基準位置として保持される。例えば、基準位置は、共焦点変位計1の製造時に取得される。或いは、基準位置は、ユーザが任意に指示したタイミングで取得される。   In the reference position storage unit 109, the peak position of the characteristic portion obtained from the received light waveform acquired in advance is held as the reference position. For example, the reference position is acquired when the confocal displacement meter 1 is manufactured. Alternatively, the reference position is acquired at a timing arbitrarily designated by the user.

補正量算出部110は、特徴部分位置取得部108により特定されたピーク位置x及びxをそれぞれ対応する基準位置と比較することにより、分光器24及びイメージセンサ26間の位置ずれに対応する測定値の誤差を補正するための補正量を求める。 The correction amount calculation unit 110 compares the peak positions x 1 and x 3 specified by the feature portion position acquisition unit 108 with the corresponding reference positions, thereby corresponding to the positional deviation between the spectroscope 24 and the image sensor 26. A correction amount for correcting an error in the measured value is obtained.

例えば、補正量算出部110は、イメージセンサ26上のピクセル位置xをワークWまでの距離zWDに変換する際に用いる1次関数(換算式)のオフセットbOS又はスパンaSPの補正量を求める。波形領域WA内における1画素目のピクセル位置をxとすれば、換算式は、zWD=aSP(x−x)+bOSにより表される。 For example, the correction amount calculation unit 110 calculates the correction amount of the offset b OS or the span a SP of the linear function (conversion formula) used when the pixel position x on the image sensor 26 is converted into the distance z WD to the workpiece W. Ask. If the pixel position of the first pixel in the waveform area WA 2 and x f, conversion formula is represented by z WD = a SP (x- x f) + b OS.

オフセットbOSは、波形領域WA内の1画素目のピクセル位置xに対応づける距離zWDである。スパンaSpは、画素の配列ピッチに対応づける距離zWDの変化率である。aSP,bOS及びxは、既知のパラメータである。また、ピーク位置x及びxの基準位置にそれぞれ対応づける距離zWDも既知である。 The offset b OS is a distance z WD associated with the pixel position x f of the first pixel in the waveform area WA 2 . The span a Sp is a rate of change of the distance z WD associated with the pixel arrangement pitch. a SP , b OS and x f are known parameters. The distance z WD associating with the reference position of the peak position x 1 and x 3 are also known.

オフセットbOSの補正量をΔbとし、スパンaSPの補正量をΔaとすれば、分光器24及びイメージセンサ26間の位置ずれを考慮した換算式は、zWD=(aSP+Δa)(x−x)+(bOS+Δb)・・・(1)により表される。 Assuming that the correction amount of the offset b OS is Δb and the correction amount of the span a SP is Δa, the conversion formula considering the positional deviation between the spectroscope 24 and the image sensor 26 is z WD = (a SP + Δa) (x -x f) + (b OS + Δb) represented by (1).

補正量算出部110は、ピーク位置x及びxが取得されれば、これらのピーク位置x及びxに対応づける距離zWDが基準位置の場合と同一であるものとして、上式(1)により補正量Δa及びΔbを算出する。 If the peak positions x 1 and x 3 are acquired, the correction amount calculation unit 110 assumes that the distance z WD associated with these peak positions x 1 and x 3 is the same as that in the case of the reference position. The correction amounts Δa and Δb are calculated according to 1).

距離算出部104は、受光波形4及び補正量Δa及びΔbに基づいて、距離WDを求める。すなわち、距離算出部104は、1次の回折光のうちの蛍光に対応する波形領域WAについて、ピーク位置xを特定し、上式(1)を用いて距離zWDを算出する。この様な構成によれば、投光用光源ユニット21からの伝導熱によるコントローラ筐体20aの膨張により、分光器24及びイメージセンサ26の相対的な位置関係にずれが生じた場合であっても、測定精度の低下を抑制することができる。 The distance calculation unit 104 obtains the distance WD based on the received light waveform 4 and the correction amounts Δa and Δb. That is, the distance calculation unit 104 specifies the peak position x 2 for the waveform area WA 2 corresponding to the fluorescence of the first-order diffracted light, and calculates the distance z WD using the above equation (1). According to such a configuration, even if the relative positional relationship between the spectroscope 24 and the image sensor 26 is deviated due to expansion of the controller housing 20a due to conduction heat from the light source unit 21 for projection. , A decrease in measurement accuracy can be suppressed.

図8は、分光器24及びイメージセンサ26の相対的な位置ずれΔyによって換算式のスパンaSP及びオフセットbOSが変化することを模式的に示した説明図である。図中の(a)には、イメージセンサ26が光軸方向にΔyだけずれた場合に、1番目の画素に対応づける波長と、画素の配列ピッチΔxに対応づける波長の増分Δλとが変化する様子が示されている。 FIG. 8 is an explanatory diagram schematically showing that the span a SP and the offset b OS in the conversion formula are changed by the relative positional deviation Δy between the spectroscope 24 and the image sensor 26. In (a) of the figure, when the image sensor 26 is shifted by Δy in the optical axis direction, the wavelength associated with the first pixel and the wavelength increment Δλ associated with the pixel arrangement pitch Δx change. The situation is shown.

分光器24による1次の回折光は、反射角度が波長成分に応じて連続的に変化する。このため、分光器24に対して相対的にイメージセンサ26が光軸方向にΔyだけ移動すれば、1番目の画素(ピクセル位置x)に対応づける波長、すなわち、オフセットbOSが変化する。また、画素の配列ピッチΔxに対応づける波長の増分Δλ、すなわち、スパンaSPも変化する。 The reflection angle of the first-order diffracted light by the spectroscope 24 continuously changes according to the wavelength component. For this reason, if the image sensor 26 moves relative to the spectroscope 24 by Δy in the optical axis direction, the wavelength associated with the first pixel (pixel position x f ), that is, the offset b OS changes. Further, the wavelength increment Δλ associated with the pixel arrangement pitch Δx, that is, the span a SP also changes.

図中の(b)には、横軸をピクセル位置xとし、縦軸を距離zWDとして、1次の換算式を表すグラフ6が示されている。グラフ6は、上式(1)により表される直線であり、その傾きがスパンaSPである。この様に分光器24及びイメージセンサ26の相対的な位置ずれΔyによってオフセットbOS及びスパンaSPが変化することから、補正量Δa及びΔbを求めて換算式を校正することにより、位置ずれに起因する距離WDの測定誤差を低減させることができる。 (B) in the figure shows a graph 6 representing a first-order conversion formula with the horizontal axis as the pixel position x and the vertical axis as the distance zWD . The graph 6 is a straight line represented by the above formula (1), and its slope is the span a SP . Since the offset b OS and the span a SP change due to the relative positional deviation Δy between the spectroscope 24 and the image sensor 26 in this way, the correction amount Δa and Δb are obtained and the conversion formula is calibrated to thereby eliminate the positional deviation. The measurement error of the resulting distance WD can be reduced.

本実施の形態によれば、特徴部分のピーク位置x及びxを予め取得された基準位置と比較して補正量を定めるため、周辺環境の影響を受け難く、投光用光源ユニット21の温度上昇に起因する測定精度の低下を抑制することができる。特に、分光器24及びイメージセンサ26が相対的に光軸方向にずれれば、イメージセンサ26上のピクセル位置xをワークWまでの距離zWDに変換する際に用いる1次関数のスパンaSPやオフセットbOSが変化する。また、分光器24及びイメージセンサ26が相対的に光軸と交差するx軸方向にずれれば、1次関数のオフセットbOSが変化する。この様な位置関係のずれに起因する測定精度の低下を抑制することができる。 According to this embodiment, for determining the correction amount as compared to the previously acquired reference position peak positions x 1 and x 3 of the characteristic part, hardly influenced by the surrounding environment, the Light source unit 21 A decrease in measurement accuracy due to a temperature rise can be suppressed. In particular, if the spectroscope 24 and the image sensor 26 are relatively displaced in the optical axis direction, the span a SP of a linear function used when converting the pixel position x on the image sensor 26 to the distance z WD to the workpiece W. And the offset b OS changes. Further, if the spectroscope 24 and the image sensor 26 are relatively displaced in the x-axis direction intersecting the optical axis, the linear function offset b OS changes. It is possible to suppress a decrease in measurement accuracy due to such a positional relationship shift.

なお、本実施の形態では、1次の回折光のうちの励起光に対応する波形領域WAと0次の回折光に対応する波形領域WAとを特徴部分としてピーク位置が特定される場合の例について説明したが、本発明は特徴部分の選択をこれに限定するものではない。例えば、波形領域WA及びWAのいずれか一方のみを特徴部分としてピーク位置を特定するような構成であっても良い。或いは、1次の回折光のうちの蛍光に対応する波形領域WAについて、基底波形を推定し、基底波形を特徴部分としてその形状から位置を特定するような構成であっても良い。或いは、より高次の回折光に対応する波形領域を特徴部分として用いるような構成であっても良い。 In this embodiment, if the peak position is specified and a waveform area WA 3 corresponding to the waveform area WA 1 corresponding to the excitation light of first-order diffracted light and 0-order diffracted light as the characteristic part However, the present invention does not limit the selection of the feature portion. For example, the configuration may be such that the peak position is specified using only one of the waveform areas WA 1 and WA 3 as a characteristic part. Alternatively, the waveform area WA 2 corresponding to the fluorescence of the first-order diffracted light, the base waveform is estimated, may be configured to identify a location from its shape the base waveform as the feature portion. Or the structure which uses the waveform area | region corresponding to a higher order diffracted light as a characteristic part may be sufficient.

また、本実施の形態では、スパン及びオフセットの両方の補正量を求めて換算式が校正される場合の例について説明したが、本発明は分光光学系の温度特性を補正する補正方法をこれに限定するものではない。例えば、スパン及びオフセットのいずれか一方についてのみ、補正量を求めて換算式を校正するような構成であっても良い。或いは、受光波形や信号波形を構成するデータ点列に対し、ピクセル位置を補正するような構成であっても良い。   In this embodiment, an example in which the conversion equation is calibrated by obtaining both span and offset correction amounts has been described, but the present invention provides a correction method for correcting the temperature characteristics of the spectroscopic optical system. It is not limited. For example, the configuration may be such that only one of the span and the offset is obtained and the conversion formula is calibrated. Alternatively, the pixel position may be corrected with respect to the data point sequence constituting the light reception waveform or the signal waveform.

また、本実施の形態では、励起光及び蛍光の混合光が検出光DLとして用いられる場合の例について説明したが、本発明は投光用光源の構成をこれに限定するものではない。例えば、白色光を生成する白色光源と、特徴的な受光波形を形成するための特定波長の単色光を生成する単色光源とを投光用光源とし、白色光及び単色光の混合光を検出光DLとして用いるような構成であっても良い。   In the present embodiment, an example in which mixed light of excitation light and fluorescence is used as the detection light DL has been described. However, the present invention does not limit the configuration of the light source for projection. For example, a white light source that generates white light and a monochromatic light source that generates monochromatic light of a specific wavelength for forming a characteristic light-receiving waveform is used as a light source for projection, and mixed light of white light and monochromatic light is detected light. The structure used as DL may be sufficient.

また、本実施の形態では、発光素子211と光ファイバケーブル2のファイバ端とが同軸に配置される場合の例について説明したが、本発明は、投光用光源ユニット21の構成をこれに限定するものではない。例えば、投光用光源ユニット21は、発光素子211から出射されたレーザ光を光ファイバケーブル2のファイバ端に向けて反射する反射鏡を備える。   In the present embodiment, an example in which the light emitting element 211 and the fiber end of the optical fiber cable 2 are arranged coaxially has been described. However, the present invention limits the configuration of the light source unit 21 for projecting light to this. Not what you want. For example, the light projecting light source unit 21 includes a reflecting mirror that reflects laser light emitted from the light emitting element 211 toward the fiber end of the optical fiber cable 2.

図9は、投光用光源ユニット21の他の構成例を模式的に示した断面図である。この投光用光源ユニット21は、発光素子211、集光レンズ214、フェルール216、蛍光体220、反射鏡231及び集光レンズ232により構成される。   FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing another configuration example of the light source unit 21 for projecting light. The light source unit 21 for light projection includes a light emitting element 211, a condenser lens 214, a ferrule 216, a phosphor 220, a reflecting mirror 231, and a condenser lens 232.

発光素子211から出射されたレーザ光は、集光レンズ214を介して反射鏡231に集光される。蛍光体220は、反射鏡231の反射面に配置され、発光素子211からのレーザ光によって励起され、蛍光を発生する。反射鏡231により反射されたレーザ光と、蛍光体220からの蛍光とが混合した光は、集光レンズ232を介してフェルール216内の光ファイバケーブル2のファイバ端に集光され、光ファイバケーブル2に検出光DLとして入射される。   The laser light emitted from the light emitting element 211 is condensed on the reflecting mirror 231 via the condenser lens 214. The phosphor 220 is disposed on the reflecting surface of the reflecting mirror 231 and is excited by the laser light from the light emitting element 211 to generate fluorescence. The light in which the laser light reflected by the reflecting mirror 231 and the fluorescent light from the phosphor 220 are mixed is condensed on the fiber end of the optical fiber cable 2 in the ferrule 216 via the condenser lens 232, and the optical fiber cable. 2 enters as detection light DL.

また、本実施の形態では、ヘッドユニット10の共焦点光学系11が、ファイバ端2a、コリメートレンズ13及び対物レンズ14により構成される場合の例について説明したが、本発明は、共焦点光学系11の構成をこれに限定するものではない。   Further, in the present embodiment, an example in which the confocal optical system 11 of the head unit 10 is configured by the fiber end 2a, the collimating lens 13, and the objective lens 14 has been described. However, the configuration of 11 is not limited to this.

図10は、ヘッドユニット10の他の構成例を示した断面図である。図中の(a)には、筐体12内に回折レンズ15及び対物レンズ14を備えたヘッドユニット10が示されている。   FIG. 10 is a cross-sectional view showing another configuration example of the head unit 10. (A) in the figure shows a head unit 10 having a diffractive lens 15 and an objective lens 14 in a housing 12.

この回折レンズ15は、レリーフ型の回折レンズであり、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部材であり、検出光DLの入射面又は出射面に微細なレリーフ(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、光軸を中心とする複数の円環状のパターンが同軸に配置される。   The diffractive lens 15 is a relief-type diffractive lens, and is an optical member that collects or diffuses incident light by utilizing a light diffraction phenomenon. A fine relief (undulation) is formed on the incident surface or the exit surface of the detection light DL. ) Is formed. In the relief, the depth in the optical axis direction is about the wavelength of light, and a plurality of annular patterns centering on the optical axis are arranged coaxially.

ヘッドユニット10の共焦点光学系11に回折レンズ15を使用する場合、光学特性をヘッドユニット10とコントローラ20との間で一致させることができるため、分光器24には回折格子を用いることが望ましい。   When the diffractive lens 15 is used in the confocal optical system 11 of the head unit 10, it is desirable to use a diffraction grating for the spectroscope 24 because the optical characteristics can be matched between the head unit 10 and the controller 20. .

図中の(b)には、ダブレットレンズ16及び対物レンズ14を備えたヘッドユニット10が示されている。ダブレットレンズ16は、凹レンズと凸レンズとを組み合わせた光学部材である。   FIG. 2B shows the head unit 10 including the doublet lens 16 and the objective lens 14. The doublet lens 16 is an optical member that combines a concave lens and a convex lens.

ヘッドユニット10の共焦点光学系11にダブレットレンズ16を使用する場合、光学特性をヘッドユニット10とコントローラ20との間で一致させることができるため、分光器24にはプリズムを用いることが望ましい。   When the doublet lens 16 is used in the confocal optical system 11 of the head unit 10, it is desirable to use a prism for the spectroscope 24 because the optical characteristics can be matched between the head unit 10 and the controller 20.

図中の(c)には、集光レンズ17及び対物レンズ14を備えたヘッドユニット10が示されている。集光レンズ17は、ファイバ端2aから出射された検出光DLを対物レンズ14に向けて集光する光学部材である。このヘッドユニット10では、ダブレットレンズが対物レンズ14として用いられている。   FIG. 2C shows the head unit 10 including the condenser lens 17 and the objective lens 14. The condensing lens 17 is an optical member that condenses the detection light DL emitted from the fiber end 2 a toward the objective lens 14. In the head unit 10, a doublet lens is used as the objective lens 14.

図中の(d)には、集光レンズ17及び対物レンズ14を備えたヘッドユニット10が示されている。このヘッドユニット10では、回折レンズが対物レンズ14として用いられている。この様な光学部材の組み合わせによっても、共焦点光学系11として検出光DLに軸上色収差を生じさせることができる。例えば、プリズム、径方向に屈折率分布を有する円筒状のレンズを共焦点光学系11として用いることができる。   (D) in the figure shows the head unit 10 including the condenser lens 17 and the objective lens 14. In the head unit 10, a diffractive lens is used as the objective lens 14. Even with such a combination of optical members, axial chromatic aberration can be generated in the detection light DL as the confocal optical system 11. For example, a prism and a cylindrical lens having a refractive index distribution in the radial direction can be used as the confocal optical system 11.

また、本実施の形態では、分光器24が反射型の回折格子である場合の例について説明したが、本発明は、分光器24の構成をこれに限定するものではない。例えば、透過角度に応じて異なる波長成分に入射光を分光する透過型の回折格子を分光器24として用いても良い。   In the present embodiment, an example in which the spectroscope 24 is a reflective diffraction grating has been described. However, the present invention does not limit the configuration of the spectroscope 24 to this. For example, a transmissive diffraction grating that splits incident light into different wavelength components according to the transmission angle may be used as the spectroscope 24.

図11は、コントローラ20の他の構成例を示した図であり、透過型の分光光学系が示されている。この分光光学系は、図3の分光光学系と比較すれば、分光器24が透過型の回折格子である点で異なる。   FIG. 11 is a diagram showing another configuration example of the controller 20 and shows a transmission type spectroscopic optical system. This spectroscopic optical system is different from the spectroscopic optical system of FIG. 3 in that the spectroscope 24 is a transmission type diffraction grating.

光ファイバケーブル2のファイバ端2bから出射され、分光器用レンズ41を介して分光器24に入射された光は、透過角度に応じて異なる波長成分に分光される。分光器用レンズ41は、ファイバ端2bから出射された光を集光する集光レンズであり、ファイバ端2bの端面に対向するとともに、ファイバ端2bと光軸が一致するように配置されている。例えば、分光器用レンズ41は、ファイバ端2bから出射された光を平行光に集光するコリメートレンズである。結像レンズ25は、分光された透過光をイメージセンサ26上に結像させる。   Light emitted from the fiber end 2b of the optical fiber cable 2 and incident on the spectroscope 24 via the spectroscope lens 41 is split into different wavelength components according to the transmission angle. The spectroscope lens 41 is a condensing lens that condenses the light emitted from the fiber end 2b, and is disposed so as to face the end surface of the fiber end 2b and to coincide with the optical axis of the fiber end 2b. For example, the spectroscope lens 41 is a collimating lens that condenses the light emitted from the fiber end 2b into parallel light. The imaging lens 25 forms an image of the split transmitted light on the image sensor 26.

イメージセンサ26は、結像レンズ25を介し、分光器24による0次の回折光及び1次の回折光を同時に受光する。この様な構成によれば、イメージセンサ26が分光器24を透過した回折光を受光するので、回折格子によって反射された回折光を受光させる場合に比べ、回折格子の位置ずれが受光波形に与える影響を抑制することができる。   The image sensor 26 simultaneously receives the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light from the spectroscope 24 via the imaging lens 25. According to such a configuration, since the image sensor 26 receives the diffracted light transmitted through the spectroscope 24, the positional deviation of the diffraction grating gives the received light waveform compared to the case where the diffracted light reflected by the diffraction grating is received. The influence can be suppressed.

また、本実施の形態では、ヘッドユニット10及びコントローラ20が光ファイバケーブル2を介して接続された共焦点変位計1の例について説明したが、本発明は、共焦点変位計1の構成をこれに限定するものではない。例えば、共焦点変位計1は、光ファイバケーブルを用いることなく、投光用光源から出射された検出光DLを共焦点光学系に誘導し、また、ワークWによって反射され、共焦点光学系を通過した光を直接に分光光学系に誘導するような構成であっても良い。   Further, in the present embodiment, the example of the confocal displacement meter 1 in which the head unit 10 and the controller 20 are connected via the optical fiber cable 2 has been described. It is not limited to. For example, the confocal displacement meter 1 guides the detection light DL emitted from the light source for light projection to the confocal optical system without using an optical fiber cable, and is reflected by the workpiece W to change the confocal optical system. A configuration in which the transmitted light is directly guided to the spectroscopic optical system may be employed.

図12は、共焦点変位計1のその他の構成例を示した図である。この共焦点変位計1は、光ファイバケーブルを備えず、投光用光源31、集光レンズ32,34、ピンホール板33,37、対物レンズ35、ビームスプリッタ36、凹面鏡23、分光器24、結像レンズ25、イメージセンサ26、モニタ用受光素子29及びビームスプリッタ30により構成される。ピンホール板37、凹面鏡23、分光器24、結像レンズ25及びイメージセンサ26は、反射型の分光光学系であり、図3に示した分光光学系と同様に構成される。   FIG. 12 is a diagram illustrating another configuration example of the confocal displacement meter 1. The confocal displacement meter 1 does not include an optical fiber cable, and includes a light source 31 for projection, condensing lenses 32 and 34, pinhole plates 33 and 37, an objective lens 35, a beam splitter 36, a concave mirror 23, a spectroscope 24, The imaging lens 25, the image sensor 26, the monitor light receiving element 29, and the beam splitter 30 are configured. The pinhole plate 37, the concave mirror 23, the spectroscope 24, the imaging lens 25, and the image sensor 26 are reflection type spectroscopic optical systems and are configured in the same manner as the spectroscopic optical system shown in FIG.

投光用光源31は、検出光DLを生成する。集光レンズ32は、投光用光源31から出射された検出光DLをピンホール板33の開口部に集光させる光学部材であり、投光用光源31の発光面に対向させて配置されている。ピンホール板33は、微小な開口を有する平板状の遮光部材である。   The light source 31 for projection generates detection light DL. The condensing lens 32 is an optical member that condenses the detection light DL emitted from the light projecting light source 31 at the opening of the pinhole plate 33, and is disposed to face the light emitting surface of the light projecting light source 31. Yes. The pinhole plate 33 is a flat light shielding member having a minute opening.

集光レンズ34は、ピンホール板33の開口から出射された検出光DLを対物レンズ35に向けて集光する。対物レンズ35は、検出光DLをワークWに向けて出射する。集光レンズ32,34、ピンホール板33及び対物レンズ35は、同軸に配置されている。   The condensing lens 34 condenses the detection light DL emitted from the opening of the pinhole plate 33 toward the objective lens 35. The objective lens 35 emits the detection light DL toward the workpiece W. The condenser lenses 32 and 34, the pinhole plate 33, and the objective lens 35 are arranged coaxially.

ビームスプリッタ36は、ピンホール板33からの光を透過する一方、ワークWによって反射され、対物レンズ35及び集光レンズ34を透過した光をピンホール板37に向けて反射する光学部材である。ピンホール板33,37、集光レンズ34、対物レンズ35及びビームスプリッタ36は、共焦点光学系である。   The beam splitter 36 is an optical member that transmits light from the pinhole plate 33 and reflects light reflected by the work W and transmitted through the objective lens 35 and the condenser lens 34 toward the pinhole plate 37. The pinhole plates 33 and 37, the condenser lens 34, the objective lens 35, and the beam splitter 36 are confocal optical systems.

凹面鏡23は、ピンホール板37の開口から出射された光を分光器24に向けて反射する。分光器24は、ワークWによって反射され、共焦点光学系11を通過した光を分光する反射型の回折格子であり、反射角度に応じて異なる波長成分に入射光を分光する。   The concave mirror 23 reflects the light emitted from the opening of the pinhole plate 37 toward the spectroscope 24. The spectroscope 24 is a reflection type diffraction grating that splits light reflected by the workpiece W and passed through the confocal optical system 11, and splits incident light into different wavelength components according to the reflection angle.

また、本実施の形態では、受光素子による露光時間を調整することによってイメージセンサ26の受光量が制御される場合の例について説明したが、本発明は、受光量制御の方法をこれに限定するものではない。例えば、モニタ用受光素子29からのモニタ信号に基づいて、検出光DLの光量を調整することにより、イメージセンサ26の受光量を制御するような構成であっても良い。   In this embodiment, an example in which the amount of light received by the image sensor 26 is controlled by adjusting the exposure time by the light receiving element has been described. However, the present invention limits the method of controlling the amount of received light to this. It is not a thing. For example, the light receiving amount of the image sensor 26 may be controlled by adjusting the light amount of the detection light DL based on the monitor signal from the monitoring light receiving element 29.

また、本実施の形態では、レーザ光を発生するレーザ光源が投光用光源として用いられる場合の例について説明した。投光用光源には、LED(発光ダイオード)を用いても良い。また、レーザ光源には、SC(スーパーコンティニューム)光を発生するSC光源を用いても良い。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。   In the present embodiment, an example in which a laser light source that generates laser light is used as a light source for projection has been described. You may use LED (light emitting diode) for the light source for light projection. Further, an SC light source that generates SC (super continuum) light may be used as the laser light source. The SC light source generates continuous and broadband laser light by the nonlinear optical effect by the pulse laser.

また、特定されたピーク位置を基準位置と比較して補正量を求める補正量算出処理は、共焦点変位計1の動作中に常に行っている必要はない。例えば、共焦点変位計1の起動時(電源投入時)に補正量算出処理を行うか、或いは、共焦点変位計1の起動時間(電源投入からの経過時間)がある閾値を超えたことをトリガーとして補正量算出処理を行うような構成であっても良い。また、共焦点変位計1の測定をある回数行った後に、その測定回数が閾値を超えたことをトリガーとして補正量算出処理を行っても良い。   Further, the correction amount calculation processing for obtaining the correction amount by comparing the specified peak position with the reference position does not always have to be performed during the operation of the confocal displacement meter 1. For example, correction amount calculation processing is performed when the confocal displacement meter 1 is activated (when the power is turned on), or the activation time of the confocal displacement meter 1 (elapsed time since the power is turned on) exceeds a certain threshold. The correction amount calculation process may be performed as a trigger. Further, after the confocal displacement meter 1 is measured a certain number of times, the correction amount calculation process may be performed by using the measurement count exceeding a threshold value as a trigger.

また、共焦点変位計1の起動時、共焦点変位計1の起動時間がある閾値を超えたことをトリガーとし、或いは、共焦点変位計1の測定をある回数行った後に、その測定回数が閾値を超えたことをトリガーとして補正量を求める際に、受光信号のゲイン、受光強度を上げて補正量を求めるような構成であっても良い。受光強度を上げて補正量を算出し易いように測定条件を変えても良い。   Further, when the confocal displacement meter 1 is activated, the activation time of the confocal displacement meter 1 exceeds a certain threshold value, or the confocal displacement meter 1 is measured a certain number of times and then the number of measurements is determined. The configuration may be such that, when the correction amount is obtained by using a trigger exceeding the threshold, the correction amount is obtained by increasing the gain of the light reception signal and the light reception intensity. The measurement conditions may be changed so that the correction amount can be easily calculated by increasing the received light intensity.

1 共焦点変位計
10 ヘッドユニット
11 共焦点光学系
12 ヘッド筐体
13 コリメートレンズ
14 対物レンズ
15 回折レンズ
16 ダブレットレンズ
20 コントローラ
20a コントローラ筐体
21 投光用光源ユニット
22 スプリッタ
23 凹面鏡
24 分光器
25 結像レンズ
26 イメージセンサ
27 測定制御部
28 表示部
29 モニタ用受光素子
30 ビームスプリッタ
31 投光用光源
32,34 集光レンズ
33,37 ピンホール板
35 対物レンズ
36 ビームスプリッタ
41 分光器用レンズ
101 受光波形取得部
102 基底波形推定部
103 信号波形算出部
104 距離算出部
105 換算式記憶部
106 参照範囲受付部
107 受光量制御部
108 特徴部分位置取得部
109 基準位置記憶部
110 補正量算出部
211 発光素子
220 蛍光体
2 光ファイバケーブル
2a,2b ファイバ端
3 PC
4,5 受光波形
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Confocal displacement meter 10 Head unit 11 Confocal optical system 12 Head housing 13 Collimating lens 14 Objective lens 15 Diffraction lens 16 Doublet lens 20 Controller 20a Controller housing 21 Projection light source unit 22 Splitter 23 Concave mirror 24 Spectroscope 25 Image lens 26 Image sensor 27 Measurement control unit 28 Display unit 29 Monitor light receiving element 30 Beam splitter 31 Light source 32, 34 Condensing lens 33, 37 Pinhole plate 35 Objective lens 36 Beam splitter 41 Spectroscope lens 101 Light receiving waveform Acquisition unit 102 Base waveform estimation unit 103 Signal waveform calculation unit 104 Distance calculation unit 105 Conversion formula storage unit 106 Reference range reception unit 107 Light reception amount control unit 108 Characteristic part position acquisition unit 109 Reference position storage unit 110 Correction amount calculation unit 211 Light emitting element 220 Phosphor 2 Optical fiber cable 2a, 2b Fiber end 3 PC
4,5 Light reception waveform

Claims (9)

複数の波長を有する光からなる検出光を生成する投光用光源と、
上記検出光を検出対象物に向けて出射する対物レンズを有し、上記検出光に軸上色収差を生じさせる共焦点光学系と、
上記検出対象物によって反射された後、上記共焦点光学系を通過した反射光を分光する分光器と、
2以上の受光素子を有し、分光された上記反射光を受光して受光信号を生成するイメージセンサと、
上記受光信号に基づいて、距離に関する受光強度の分布からなる受光波形を取得する受光波形取得手段と、
上記受光波形に基づいて、特徴部分のピーク位置を特定する特徴部分位置取得手段と、
予め取得された受光波形から得られた特徴部分のピーク位置を基準位置として保持する基準位置記憶手段と、
特定された上記ピーク位置を上記基準位置と比較し、補正量を求める補正量算出手段と、
上記受光波形及び上記補正量に基づいて、上記検出対象物までの距離を求める距離算出手段とを備えたことを特徴とする共焦点変位計。
A light source for projection that generates detection light composed of light having a plurality of wavelengths;
A confocal optical system having an objective lens that emits the detection light toward a detection target, and causing axial chromatic aberration in the detection light;
A spectroscope for spectroscopically reflecting the reflected light that has passed through the confocal optical system after being reflected by the detection object;
An image sensor having two or more light receiving elements and receiving the reflected reflected light to generate a light receiving signal;
Based on the received light signal, received light waveform acquisition means for acquiring a received light waveform consisting of a distribution of received light intensity with respect to distance,
Based on the received light waveform, feature part position acquisition means for specifying the peak position of the feature part;
Reference position storage means for holding the peak position of the characteristic portion obtained from the previously received light-receiving waveform as a reference position;
A correction amount calculating means for comparing the identified peak position with the reference position and obtaining a correction amount;
A confocal displacement meter comprising: distance calculation means for obtaining a distance to the detection object based on the light reception waveform and the correction amount.
上記投光用光源は、励起光を生成する励起光生成手段と、上記励起光によって励起され、上記励起光とは異なる波長の蛍光を放射する蛍光体とを有し、上記検出光が上記蛍光体を透過した上記励起光と上記蛍光体から放射された上記蛍光との混合光であり、
上記特徴部分位置取得手段は、上記励起光に対応する波形領域を特徴部分としてピーク位置を特定し、
上記距離算出手段は、上記蛍光に対応する波形領域のピーク位置に基づいて、上記検出対象物までの距離を求めることを特徴とする請求項1に記載の共焦点変位計。
The light source for projection includes excitation light generation means for generating excitation light, and a phosphor that is excited by the excitation light and emits fluorescence having a wavelength different from that of the excitation light, and the detection light is the fluorescence. Mixed light of the excitation light transmitted through the body and the fluorescence emitted from the phosphor,
The feature portion position acquisition means specifies a peak position with a waveform region corresponding to the excitation light as a feature portion,
The confocal displacement meter according to claim 1, wherein the distance calculation unit obtains a distance to the detection target based on a peak position of a waveform region corresponding to the fluorescence.
上記励起光生成手段は、レーザ光を上記励起光として生成するレーザ光源であることを特徴とする請求項2に記載の共焦点変位計。   3. The confocal displacement meter according to claim 2, wherein the excitation light generation means is a laser light source that generates laser light as the excitation light. 上記分光器は、回折格子を用いており、
上記イメージセンサは、上記回折格子による0次の回折光及び1次の回折光を同時に受光して上記受光信号を生成し、
上記特徴部分位置取得手段は、上記0次の回折光に対応する波形領域を特徴部分としてピーク位置を特定し、
上記距離算出手段は、上記1次の回折光に対応する波形領域のピーク位置に基づいて、上記検出対象物までの距離を求めることを特徴とする請求項2に記載の共焦点変位計。
The spectroscope uses a diffraction grating,
The image sensor simultaneously receives the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light from the diffraction grating, and generates the received light signal.
The feature portion position acquisition means specifies a peak position using the waveform region corresponding to the 0th-order diffracted light as a feature portion,
The confocal displacement meter according to claim 2, wherein the distance calculation unit obtains a distance to the detection target based on a peak position of a waveform region corresponding to the first-order diffracted light.
上記分光器は、回折格子を用いており、
上記イメージセンサは、上記回折格子による1次の回折光及び2次以上の回折光を同時に受光して上記受光信号を生成し、
上記特徴部分位置取得手段は、上記1次の回折光及び上記2次以上の回折光に対応する波形領域を特徴部分としてピーク位置を特定し、
上記距離算出手段は、上記1次の回折光に対応する波形領域のピーク位置に基づいて、上記検出対象物までの距離を求めることを特徴とする請求項2に記載の共焦点変位計。
The spectroscope uses a diffraction grating,
The image sensor simultaneously receives a first-order diffracted light and a second-order or higher-order diffracted light from the diffraction grating, and generates the light reception signal.
The characteristic part position acquisition means specifies a peak position using a waveform region corresponding to the first-order diffracted light and the second-order or higher-order diffracted light as a characteristic part,
The confocal displacement meter according to claim 2, wherein the distance calculation unit obtains a distance to the detection target based on a peak position of a waveform region corresponding to the first-order diffracted light.
上記受光波形は、それぞれが上記イメージセンサ上のピクセル位置に関連づけられた2以上の受光強度データからなり、
上記補正量算出手段は、上記1次の回折光のうちの上記励起光に対応する波形領域のピーク位置及び上記0次の回折光に対応する波形領域のピーク位置もしくは2次以上の回折光に対応する波形領域のピーク位置をそれぞれ対応する基準位置と比較することにより、上記イメージセンサ上のピクセル位置を上記検出対象物までの距離に変換する際に用いる1次関数のオフセット又はスパンの補正量を求めることを特徴とする請求項4又は5に記載の共焦点変位計。
The received light waveform is composed of two or more received light intensity data each associated with a pixel position on the image sensor,
The correction amount calculating means applies the peak position of the waveform region corresponding to the excitation light and the peak position of the waveform region corresponding to the 0th order diffracted light or the second or higher order diffracted light of the first order diffracted light. Compensation amount of offset or span of a linear function used when converting the pixel position on the image sensor into the distance to the detection target by comparing the peak position of the corresponding waveform region with the corresponding reference position. The confocal displacement meter according to claim 4 or 5, wherein:
上記反射光の一部を受光してモニタ信号を生成するモニタ用受光素子と、
上記モニタ信号に基づいて、上記イメージセンサの受光量を制御する受光量制御手段とを備えた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。
A light receiving element for monitoring that receives a part of the reflected light and generates a monitor signal;
The confocal displacement meter according to claim 1, further comprising a received light amount control unit that controls a received light amount of the image sensor based on the monitor signal.
上記共焦点光学系が配置されるヘッド筐体と、
上記投光用光源、上記分光器及び上記イメージセンサを収容するコントローラ筐体と、
上記ヘッド筐体及び上記コントローラ筐体間で上記検出光及び上記反射光を伝送する光ファイバケーブルとを備えた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。
A head housing in which the confocal optical system is disposed;
A controller housing that houses the light source for projection, the spectroscope, and the image sensor;
The confocal displacement meter according to claim 1, further comprising an optical fiber cable that transmits the detection light and the reflected light between the head housing and the controller housing.
上記特徴部分位置取得手段は、受光強度が最大のピクセル位置又は受光波形の重心位置を上記ピーク位置として特定する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。   9. The confocal displacement meter according to claim 1, wherein the characteristic portion position acquisition unit specifies a pixel position having a maximum light reception intensity or a barycentric position of a light reception waveform as the peak position.
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