(57)【要約】【課題】  様々な検出対象物に対応可能でありながら、測定精度を向上させることができる共焦点変位計を提供する。【解決手段】  複数の波長を有する光からなる検出光ＤＬを生成する投光用光源と、検出光ＤＬを検出対象物に向けて出射する対物レンズ１４を有し、検出光ＤＬに軸上色収差を生じさせる共焦点光学系１１と、検出対象物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分光器２４と、分光された反射光を受光して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、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、受光波形の形状に基づいて、その基底波形を推定する基底波形推定手段と、受光波形及び基底波形に基づいて、信号波形を求める信号波形算出手段と、信号波形に基づいて、検出対象物までの距離を求める距離算出手段とにより構成される。【選択図】  図５
2020106550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
分光された上記反射光を受光して受光信号を生成する２以上の受光素子と、
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、
上記受光波形の形状に基づいて、その基底波形を推定する基底波形推定手段と、
上記受光波形及び上記基底波形に基づいて、信号波形を求める信号波形算出手段と、
上記信号波形に基づいて、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。
【請求項２】
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、
分光された上記反射光を受光して受光信号を生成する２以上の受光素子と、
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、
上記対物レンズから出射されなかった上記検出光に対応する基底波形を除去することにより、上記受光波形から信号波形を抽出する基底波形除去手段と、
上記信号波形に基づいて、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。
【請求項３】
上記受光信号に基づいて、上記受光素子の露光時間を調整する露光時間調整手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の共焦点変位計。
【請求項４】
上記信号波形を画面表示するための波形データを外部機器へ出力する波形データ出力手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の共焦点変位計。
【請求項５】
上記基底波形推定手段は、上記受光波形を構成する２以上のデータ点からなるデータ点列に対し、参照範囲を一定距離だけ移動させるごとに、上記参照範囲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を定めることにより、２以上の上記代表点からなる代表点列を生成する代表点列生成手段と、
上記データ点及び上記代表点間における受光強度の差分を求める強度差分算出手段と、
上記差分に基づいて、重み係数を求める重み係数算出手段と、
上記データ点列に上記重み係数を割り当て、上記参照範囲を一定距離だけ移動させるごとに、上記参照範囲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を新たに定めることにより、上記代表点列を更新する代表点列更新手段とを有し、上記基底波形が更新後の代表点列により構成されることを特徴とする請求項１に記載の共焦点変位計。
【請求項６】
上記参照範囲を受け付ける参照範囲受付手段を備えたことを特徴とする請求項５に記載の共焦点変位計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共焦点変位計に係り、さらに詳しくは、共焦点光学系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。
【背景技術】
【０００２】
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及び２）。例えば、共焦点変位計は、投光用光源、共焦点光学系、分光器及びラインセンサを備える。
【０００３】
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。ラインセンサは、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により構成される。各受光素子は、直線状に配列される。
【０００４】
結像面の位置は、軸上色収差により波長ごとに異なるため、ライン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。
【０００５】
従来の共焦点変位計は、投光用光源の光量が小さく、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、投光量が小さければ、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−１３０５８０号公報
【特許文献２】特開２０１４−１１５２４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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小さかった。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、ワーク以外の部材による反射光の影響が無視できなくなり、当該反射光に対応する受光波形によってピーク位置がずれてしまうことから、測定精度が低下するという問題がある。
【０００８】
例えば、ワーク以外の部材からの反射光による影響を取り除く方法には、ワークが存在しない状態で取得した受光波形を利用する第１の方法と、受光強度の変化率を利用する第２の方法がある。第１の方法は、ワークが存在する状態で取得した受光波形と、ワークが存在しない状態で取得した受光波形との差分により、信号波形を求めてピーク位置を特定する。この第１の方法では、測定タイミングの異なる２つの受光波形を取得する必要がある。このため、作業効率が良くなく、使い難い。また、第１の受光波形を取得してから第２の受光波形を取得するまでの間に、投光用光源や共焦点光学系の光学部品、受光素子等に経時的な変化が生じた場合、信号波形が正しく求められない。
【０００９】
一方、第２の方法は、ワークからの反射光に対応する受光波形に対し、ワーク以外の部材からの反射光に対応する受光波形が緩やかに変化する形状であることを利用して、ワーク以外の部材からの反射光による影響を受け難くする方法であり、受光強度の変化率を閾値と比較することによってピーク位置が特定される。この第２の方法は、ワーク以外の部材からの反射光に対応する受光波形を識別するものではないことから、当該受光波形によるピーク位置のずれを防ぐことはできない。
【００１０】
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、測定精度を向上させることができる共焦点変位計を提供することを目的とする。特に、作業効率を低下させることなく、測定精度を向上させることができる共焦点変位計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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、分光された上記反射光を受光して受光信号を生成する２以上の受光素子と、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、上記受光波形の形状に基づいて、その基底波形を推定する基底波形推定手段と、上記受光波形及び上記基底波形に基づいて、信号波形を求める信号波形算出手段と、上記信号波形に基づいて、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。
【００１２】
本発明の第２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、分光された上記反射光を受光して受光信号を生成する２以上の受光素子と、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、上記対物レンズから出射されなかった上記検出光に対応する基底波形を除去することにより、上記受光波形から信号波形を抽出する基底波形除去手段と、上記信号波形に基づいて、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。
【００１３】
この様な構成によれば、受光波形から信号波形を求めて検出対象物までの距離を求めるので、投光用光源を高出力化した場合であっても、検出対象物以外の部材による反射光の影響が低減し、測定精度を向上させることができる。従って、様々な検出対象物に対応可能でありながら、測定精度を向上させることができる。また、検査対象物が存在しない状態で受光波形を取得する必要がないため、作業効率を低下させることなく、測定精度を向上させることができる。
【００１４】
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、上記受光信号に基づいて、上記受光素子の露光時間を調整する露光時間調整手段を備えて構成される。この様な構成によれば、露光時間の自動調整により、検出対象物に応じた露光時間が設定されるため、高い精度で距離計測を行うことができる。
【００１５】
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、上記信号波形を画面表示するための波形データを外部機器へ出力する波形データ出力手段を備えて構成される。この様な構成によれば、外部機器において、信号波形を画面表示させることができる。
【００１６】
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、上記基底波形推定手段が、上記受光波形を構成する２以上のデータ点からなるデータ点列に対し、参照範囲を一定距離だけ移動させるごとに、上記参照範囲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を定めることにより、２以上の上記代表点からなる代表点列を生成する代表点列生成手段と、上記データ点及び上記代表点間における受光強度の差分を求める強度差分算出手段と、上記差分に基づいて、重み係数を求める重み係数算出手段と、上記データ点列に上記重み係数を割り当て、上記参照範囲を一定距離だけ移動させるごとに、上記参照範囲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を新たに定めることにより、上記代表点列を更新する代表点列更新手段とを有し、上記基底波形が更新後の代表点列により構成される。
【００１７】
信号波形は、特定の波長に対応する位置に鋭いピークを有する形状である。これに対し、検出対象物以外の部材からの反射光に対応する基底波形は、様々な波長成分を含み、緩やかに変化する形状である。このため、受光強度が代表点列から大きく外れたデータ点の影響を抑制することにより、対物レンズから出射されなかった検出光に対応する受光波形を基底波形として正しく推定することができる。
【００１８】
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、上記参照範囲を受け付ける参照範囲受付手段を備えて構成される。この様な構成によれば、投光用光源や共焦点光学系の光学的特性に応じて参照範囲を調整することにより、基底波形を正しく推定することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、投光用光源を高出力化した場合であっても、検出対象物以外の部材による反射光の影響が低減するため、様々な検出対象物に対応可能でありながら、測定精度を向上させることができる共焦点変位計を提供することができる。また、検査対象物が存在しない状態で受光波形を取得する必要がないため、作業効率を低下させることなく、測定精度を向上させることが可能な共焦点変位計を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態による共焦点変位計１の一構成例を示したシステム図である。
【図２】図１のヘッドユニット１０の構成例を模式的に示した断面図である。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】図５の基底波形推定部１０２の構成例を示したブロック図である。
【図７】図５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、基底波形５及び信号波形６が示されている。
【図８】図５の測定制御部２７における基底波形推定時の動作の一例を示した図であり、受光波形を構成するデータ点列から代表点列を生成する様子が示されている。
【図９】図５の測定制御部２７における基底波形推定時の動作の一例を示した図であり、ロバスト重みｗｉ、回帰重みｗｉ及び更新後の代表点列が示されている。
【図１０】図５の測定制御部２７における距離計測時の動作の一例を示したフローチャートである。
【図１１】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。
【図１２】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１３】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。
【図１４】共焦点変位計１のその他の構成例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
＜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。
【００２３】
ワークＷは、検出対象物である。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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
＜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、ヘッドユニット１０を鉛直面により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を収容する筐体１２とを備える。筐体１２は、有蓋円筒形状の鏡筒である。
【００２７】
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。
【００２８】
このファイバ端２ａは、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と光軸を一致させて配置されている。
【００２９】
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と光軸を一致させて配置されている。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。
【００３０】
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１２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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
＜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、投光用光源ユニット２１、スプリッタ２２、分光器用レンズ２３、分光器２４、結像レンズ２５、ラインセンサ２６、測定制御部２７及び表示部２８により構成される。ファイバ端２ｂ、分光器用レンズ２３、分光器２４、結像レンズ２５及びラインセンサ２６は、分光光学系を構成する。
【００３４】
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。
【００３５】
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。分光器用レンズ２３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る。この分光器用レンズ２３は、ファイバ端２ｂの端面に対向するとともに、ファイバ端２ｂと光軸を一致させて配置されている。
【００３６】
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。結像レンズ２５は、分光された反射光をラインセンサ２６上に結像させる集光レンズである。
【００３７】
ラインセンサ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し、受光信号を生成する２以上の受光素子からなる。各受光素子は、直線状に配列される。例えば、ラインセンサ２６は、多分割ＰＤ（フォトダイオード）、ＣＣＤ（電荷結合素子）又はＣＭＯＳ（相補性金属酸化膜半導体）等の撮像素子により構成される。多分割ＰＤは、多数のＰＤが回路基板上に２次元的に配列された受光素子ユニットである。
【００３８】
測定制御部２７は、ラインセンサ２６からの受光信号に基づいて、ワークＷまでの距離を算出し、測定結果として表示部２８に表示する。また、測定制御部２７は、受光信号に基づいて、後述する受光波形や信号波形を取得し、その波形データを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。
【００３９】
＜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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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発生する発光体である。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発生する。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、緑色の蛍光を発生する蛍光材料と、赤色の蛍光を発生する蛍光材料とにより形成される。
【００４３】
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、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複数の波長を有する光が検出光ＤＬとして入射される。
【００４４】
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。
【００４５】
＜測定制御部２７＞
図５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、波形データ出力部１０６、参照範囲受付部１０７、露光時間調整部１０８及び投光量制御部１０９により構成される。
【００４６】
受光波形取得部１０１は、ラインセンサ２６からの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、基底波形推定部１０２及び信号波形算出部１０３へ出力する。ラインセンサ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。
【００４７】
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。信号波形算出部１０３は、受光波形及び基底波形に基づいて、信号波形を求め、距離算出部１０４及び波形データ出力部１０６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、受光波形及び基底波形の差分から求められる。基底波形推定部１０２及び信号波形算出部１０３は、対物レンズ１４から出射されなかった検出光ＤＬに対応する基底波形を除去することにより、受光波形から信号波形を抽出する基底波形除去手段である。
【００４８】
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、ラインセンサ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を特定することによって求められる。
【００４９】
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としても良い。
【００５０】
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。
【００５１】
波形データ出力部１０６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１０７は、ＰＣ３から、後述する参照範囲ＲＲを受け付ける。参照範囲ＲＲは、受光波形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。
【００５２】
本実施の形態による共焦点変位計１は、ワークＷの種類により、また、ワークＷ内の部分により、反射率が変わったとしても、受光強度が飽和しないように、受光量が制御されている。例えば、ワークＷが正反射するような対象物であれば、受光強度の最大値が高くなり、一方、ワークＷが透明体のような対象物であれば、受光強度の最大値は低くなる。このようなワークＷの種類によらず、安定した変位計測を行うためには、受光強度の最大値が飽和しないように、受光装置（ラインセンサ２６）で受光する光量を変える必要がある。受光装置（ラインセンサ２６）で受光する光量を変える方法には、受光信号を増幅するアンプのゲインを調整する方法と、受光装置の露光時間等を調整することによって受光装置の露光量を変える方法と、投光装置の投光量を調整する方法とがある。露光時間調整部１０８及び投光量制御部１０９は、その様な受光強度のダイナミックレンジを変化させる手段である。
【００５３】
例えば、受光強度の最大値が飽和する場合は、次のサンプリング時に、受光強度の最大値が飽和しないように、受光装置で受光する光量を減らすべく、受光装置のシャッタを開けている時間を短くする。
【００５４】
露光時間調整部１０８は、ラインセンサ２６からの受光信号に基づいて、ラインセンサ２６における受光素子の露光時間を調整する。例えば、露光時間は、受光素子における電荷蓄積の時間を制御することによって行われる。また、露光時間は、受光強度が一定レベルを超えた場合に、短縮される。
【００５５】
投光量制御部１０９は、ラインセンサ２６からの受光信号に基づいて、検出光ＤＬの投光量を制御する。例えば、レーザ光を生成する発光素子２１１を制御し、レーザ光のパルス時間（パルス幅）を変えることにより、検出光ＤＬの投光量が調整される。上述した様な露光時間調整又は投光量制御により、受光強度は、時間とともに変動するため、基底波形が変化する。基底波形推定部１０２では、現在の受光波形から基底波形を推定するため、動的に変化する基底波形が自動的に求められる。この様にして求められる基底波形を受光波形から減算することにより、周囲環境やワークＷによってダイナミックレンジが変化しても、正しい信号波形を求めることができる。なお、受光信号を増幅するアンプのゲインを調整することによって、受光強度のダイナミックレンジを変化させても良い。
【００５６】
＜基底波形推定部１０２＞
図６は、図５の基底波形推定部１０２の構成例を示したブロック図である。この基底波形推定部１０２は、代表点列生成部１１１、代表点列記憶部１１２、強度差分算出部１１３、重み係数算出部１１４及び代表点列更新部１１５により構成される。
【００５７】
代表点列生成部１１１は、受光波形取得部１０１からの受光波形に基づいて、２以上の代表点ＲＰからなる代表点列を生成し、代表点列記憶部１１２内に格納する。受光波形は、２以上のデータ点ＤＰからなるデータ点列により構成される。各データ点ＤＰには、対応する受光素子の受光強度データとピクセル位置を示す位置情報とが対応づけられる。
【００５８】
代表点ＲＰは、注目点ＡＰを含む参照範囲ＲＲ内のデータ点列に対し、このデータ点列にフィッティングする回帰曲線ＲＣを求め、注目点ＡＰのピクセル位置に対応する受光強度データを回帰曲線ＲＣから算出することによって定められる。注目点ＡＰは、参照範囲ＲＲ内におけるいずれかのデータ点ＤＰである。回帰曲線ＲＣは、最小二乗法を利用して求められる。代表点列は、参照範囲ＲＲを一定距離Δｘ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ＲＣを求めて代表点ＲＰを定めることによって得られる。
【００５９】
強度差分算出部１１３は、データ点ＤＰ及び代表点ＲＰ間の残差ｄを求め、重み係数算出部１１４へ出力する。残差ｄは、データ点ＤＰ及び代表点ＲＰ間における受光強度の差分である。
【００６０】
重み係数算出部１１４は、強度差分算出部１１３からの残差ｄに基づいて、重み係数ｗを求め、代表点列更新部１１５へ出力する。重み係数ｗは、０以上１以下の実数であり、残差ｄが小さいほど大きくなり、残差ｄが一定値を超える範囲では０になるように定められる。
【００６１】
代表点列更新部１１５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Δｘ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ＲＣ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。残差ｄに応じた重み係数ｗを求めて代表点列を更新する処理は、一定回数繰り返される。基底波形は、更新後の代表点列により構成される。
【００６２】
図７は、図５の測定制御部２７の動作の一例を示した図であり、図中の（ａ）には、受光波形４が示され、（ｂ）には、基底波形５が示され、（ｃ）には、信号波形６が示されている。図には、横軸をピクセル位置とし、縦軸を受光強度として、受光波形４、基底波形５及び信号波形６がそれぞれ描画されている。また、図中の（ｃ）では、受光波形４に対するピーク位置Ｐ３のずれを誇張して信号波形６が描画されている。
【００６３】
受光波形４は、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、受光信号に基づいて作成される。この受光波形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。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受光波形である。長波長側のピーク波形は、信号波形６に対応する。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、基底波形５に対応する。光量の強い光、例えば、レーザを用いた光を光源とすることにより、基底波形５の強度も高くなる。
【００６４】
基底波形５は、ピクセル位置がｐ１以上ｐ２以下の範囲を演算対象範囲としてこの演算対象範囲内で受光波形４の形状を解析し、受光波形４を構成するデータ点列に滑らかにフィッティングする曲線をベースラインとして推定することによって求められる。
【００６５】
ピクセル位置ｐ１は、短波長側のピーク波形の影響を除去するために、当該ピーク波形よりも長波長側に予め定められる。信号波形６は、ワークＷからの反射光に対応する受光波形であり、受光波形４から基底波形５を減算することによって求められる。
【００６６】
投光用光源にレーザ光源を用い、そのレーザ光とレーザ光によって励起された蛍光体２２０からの蛍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の光量は極めて大きい。このため、ワークＷ以外の部材による反射光の影響が無視できない。このワークＷ以外の部材による反射光に対応する受光波形が基底波形５であり、受光波形４では、基底波形５の存在により、信号波形６のピーク位置Ｐ３がずれるという問題があった。
【００６７】
例えば、基底波形５が山形状であり、そのピーク位置よりも長波長側の傾斜領域に信号波形６が形成される場合、信号波形６のピーク位置Ｐ３は、基底波形５のピーク位置側、すなわち、短波長側にシフトする。これは、信号波形６の頂点近傍の変化率が０程度であるのに対し、基底波形５の傾斜領域の変化率は０よりも大きいことに起因する。
【００６８】
本実施の形態では、受光波形４の形状から基底波形５を推定して信号波形６を求めるため、基底波形５に影響されることなく、信号波形６のピーク位置Ｐ３を正確に検知することができる。この基底波形５は、波形の形状をもとに、共焦点変位計１が算出しているので、ユーザは、ワークＷ、測定環境又は測定条件を変更するごとに、補正値を覚え込ませて補正するものに比べ、手間がかからない。また、ダイナミックレンジが変わった場合であっても、そのダイナミックレンジの変動に応じて、基底波形５も変わり、信号波形６のピーク位置を正しく特定することができる。
【００６９】
図８は、図５の測定制御部２７における基底波形推定時の動作の一例を示した図であり、受光波形４を構成するデータ点列から代表点列を生成する様子が示されている。図中の（ａ）には、受光波形４を構成する多数のデータ点ＤＰからなるデータ点列が示されている。データ点ＤＰを示すドットは、横軸をラインセンサ２６上の位置ｘとし、縦軸を受光強度ｙとしてプロットされている。各データ点ＤＰのｘ軸方向の間隔は、一定である。
【００７０】
図中の（ｂ）には、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ＲＣを求めて代表点ＲＰを定める様子が示されている。参照範囲ＲＲは、最小二乗法による統計演算の処理対象領域であり、注目点ＡＰを含む連続する２以上のデータ点ＤＰからなる。この例では、注目点ＡＰを中心のデータ点ＤＰとし、注目点ＡＰよりも大きい位置に３つのデータ点ＤＰを含み、注目点ＡＰよりも小さい位置に３つのデータ点ＤＰを含む領域が参照範囲ＲＲとして指定されている。つまり、この参照範囲ＲＲには、７つのデータ点ＤＰが含まれている。
【００７１】
回帰曲線ＲＣは、参照範囲ＲＲ内のデータ点列にフィッティングさせるＮ次（Ｎは、１以上の整数）の関数により表される。回帰曲線ＲＣは、参照範囲ＲＲ内のデータ点列に対し、最小二乗法を利用してこれらのデータ点列に近似するＮ次関数を定めることによって求められる。
【００７２】
代表点ＲＰは、注目点ＡＰ及び回帰曲線ＲＣに基づいて定められる。すなわち、代表点ＲＰは、注目点ＡＰのｘ座標に対応するｙ座標（受光強度）を回帰曲線ＲＣから算出することによって定められる。この例では、代表点ＲＰを示すクロスマークが参照範囲ＲＲ内にプロットされている。
【００７３】
例えば、参照範囲ＲＰ内のデータ点数をｎ、各データ点ＤＰの座標を（ｘｉ，ｙｉ）（ｉは、１以上ｎ以下の整数）とし、回帰曲線ＲＣを二次関数ｙ＝ａｘ２＋ｂｘ＋ｃとすれば、パラメータａ，ｂ，ｃは、次式（１）により求められる。
【００７４】
【数１】
2020106550.tif 000003
【００７５】
図中の（ｃ）には、演算対象範囲内のデータ点列に基づいて取得された２以上の代表点ＲＰからなる代表点列がデータ点列と比較して示されている。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ＲＣを求めて代表点ＲＰを定める統計演算処理は、参照範囲ＲＲをｘ軸方向にΔｘだけ移動させるごとに繰り返される。
【００７６】
移動量Δｘは、データ点列のｘ軸方向のピッチ以上の値であれば任意である。この例では、移動量Δｘがデータ点列のピッチと一致している。演算対象範囲内の全てのデータ点ＤＰについて、代表点ＲＰを定めることにより、０次近似の基底波形５が取得される。この基底波形５では、信号成分に相当するデータ点ＤＰに引っ張られる形で、波形が局所的に凸凹している。
【００７７】
例えば、参照範囲ＲＲの幅、移動量Δｘ、回帰曲線ＲＣの次数Ｎは、測定条件を示すパラメータであり、基底波形５や信号波形６の曲率に応じて、ユーザが任意に指定することができる。この様なパラメータは、ヘッドユニット１０ごとに設定可能であり、その設定値はコントローラ２０に保持される。なお、次数Ｎは、固定値であっても良い。
【００７８】
図９は、図５の測定制御部２７における基底波形推定時の動作の一例を示した図であり、残差ｄｉに対応する重み係数ｗｉを用いて代表点列を更新する様子が示されている。図中の（ａ）には、横軸を残差ｄｉとし、縦軸を重み係数ｗｉとして、代表点列を更新するための統計演算に用いるロバスト重みが示されている。
【００７９】
残差ｄｉは、代表点列がデータ点列と同じ間隔で算出される場合、データ点ＤＰと対応する代表点ＲＰとの間のｙ座標の差により求められる。なお、代表点列の間隔がデータ点列よりも広い場合は、データ点ＤＰに対応づける代表点ＲＰが補間処理によって求められる。代表点ＲＰ間を補間する処理には、直線補間や曲線補間が用いられる。
【００８０】
ロバスト重みは、欠陥部分の影響を抑制するために、他の測定値から大きく外れた外れ値に割り当てる重みを相対的に小さくするというロバスト推定の方法に従って定められる。例えば、ロバスト重みの重み係数ｗｉは、重みの変化度合いを調整するための係数をＣとし、残差ｄｉの標準偏差をσとすれば、次式（２）により表される。
【００８１】
【数２】
2020106550.tif 000004
【００８２】
この重み係数ｗｉは、正規分布型の特性曲線により表され、残差ｄｉが０の位置において最大（最大値１．０）であり、残差ｄｉの絶対値が大きくなるに従って減少し、残差ｄｉの絶対値がＣ×σ以上の位置において０である。例えば、係数Ｃは、３．０程度である。なお、標準偏差σに代えて、全ての残差ｄｉにおける中央値ｍを用いて重み係数ｗｉを定めても良い。重み係数ｗｉに中央値ｍを用いる場合は、係数Ｃは、６．０程度である。
【００８３】
図中の（ｂ）には、横軸を差分値（ｘｉ−ｘ０）とし、縦軸を重み係数ｗｉとして、代表点列を更新するための統計演算に用いる回帰重みが示されている。差分値（ｘｉ−ｘ０）は、データ点ＤＰのｘ座標ｘｉと注目点ＡＰのｘ座標ｘ０との差である。
【００８４】
回帰重みは、注目点ＡＰを中心とし、注目点ＡＰから離れたデータ点ＤＰの影響を抑制するために、注目点ＡＰから離れたデータ点ＤＰに割り当てる重みを距離に応じて小さくすることによって定められる。例えば、回帰重みの重み係数ｗｉは、重みの変化度合いを調整するための係数をＬとすれば、次式（３）により表される。
【００８５】
【数３】
2020106550.tif 000005
【００８６】
この重み係数ｗｉも、正規分布型の特性曲線により表され、差分値（ｘｉ−ｘ０）が０の位置において最大（最大値１．０）であり、差分値（ｘｉ−ｘ０）の絶対値が大きくなるに従って減少し、差分値（ｘｉ−ｘ０）の絶対値がＬの位置において０である。
【００８７】
１次近似の基底波形５は、０次近似の基底波形５を構成する代表点列に基づいて、重み係数ｗｉを求め、データ点列に重み係数ｗｉを割り当てて、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ＲＣを求め、代表点ＲＰを新たに定めることによって取得される。例えば、回帰曲線ＲＣを二次関数ｙ＝ａｘ２＋ｂｘ＋ｃとすれば、パラメータａ，ｂ，ｃは、次式（４）により求められる。
【００８８】
【数４】
2020106550.tif 000006
【００８９】
図中の（ｃ）には、更新後の代表点列がデータ点列と比較して示されている。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ＲＣを求めて代表点ＲＰを新たに定める統計演算処理は、参照範囲ＲＲをｘ軸方向にΔｘだけ移動させるごとに繰り返される。
【００９０】
上式（４）の重み係数ｗｉには、上式（２）に示したロバスト重みと上式（３）に示した回帰重みとを乗算したものが用いられる。演算対象範囲内の全てのデータ点ＤＰについて、代表点ＲＰを新たに定めることにより、１次近似の基底波形５が取得される。この基底波形５では、信号成分に相当するデータ点ＤＰに影響されることなく、滑らかに変化する波形が得られている。この様に残差ｄｉ又は差分値（ｘｉ−ｘ０）に応じた重み係数ｗｉを求めて代表点列を更新するという統計演算処理をＭ回繰り返すことにより、Ｍ次近似の基底波形５を取得することができる。
【００９１】
図１０のステップＳ１０１〜Ｓ１１０は、図５の測定制御部２７における距離計測時の動作の一例を示したフローチャートである。まず、測定制御部２７は、受信信号に基づいて、受光波形４を取得し、代表点列を生成する（ステップＳ１０１，Ｓ１０２）。次に、測定制御部２７は、参照範囲ＲＲ内のデータ点列に対し、データ点ＤＰ及び代表点ＲＰの差分から残差ｄｉを求めて重み係数ｗｉを算出する（ステップＳ１０３，Ｓ１０４）。
【００９２】
次に、測定制御部２７は、データ点列に重み係数ｗを割り当て、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ＲＣを求めて新たな代表点ＲＰを算出する（ステップＳ１０５，Ｓ１０６）。
【００９３】
ステップＳ１０３からステップＳ１０６までの処理手順は、全ての代表点ＲＰについて更新が完了するまで、参照範囲ＲＲをΔｘだけ移動させるごとに繰り返される（ステップＳ１０７，Ｓ１１０）。また、ステップＳ１０３からステップＳ１０７までの処理手順は、予め指定された回数だけ繰り返される（ステップＳ１０８）。
【００９４】
測定制御部２７は、ステップＳ１０３からステップＳ１０７までの処理手順を指定回数だけ繰り返した後、データ点列と代表点列との間のｙ座標の差分から信号波形６を算出する（ステップＳ１０９）。測定制御部２７は、この信号波形６のピーク位置を特定することにより、ワークＷまでの距離ＷＤや変位量を算出する。
【００９５】
本実施の形態によれば、受光波形４から信号波形６を求めてワークＷまでの距離ＷＤを求めるため、投光用光源を高出力化した場合であっても、ワークＷ以外の部材による反射光の影響が低減し、測定精度を向上させることができる。特に、受光強度が代表点列から大きく外れたデータ点ＤＰの影響を抑制することにより、対物レンズ１４から出射されなかった検出光ＤＬに対応する受光波形を基底波形５として正しく推定することができる。また、ワークＷが存在しない状態で受光波形を取得する必要がないため、作業効率を低下させることなく、測定精度を向上させることができる。
【００９６】
また、露光時間の自動調整により、受光素子の飽和が抑制されるため、反射率の高いワークＷであっても、高い精度で距離計測を行うことができる。さらに、投光用光源や共焦点光学系１１の光学的特性に応じて参照範囲ＲＲの幅、移動量Δｘ、代表点列の間隔を調整することにより、基底波形５を正しく推定することができる。
【００９７】
また、信号波形６から様々な特徴量を計算し、基準値と比較することにより、ワークＷが正常ワークであるか、或いは、不良ワークであるかの判定を行うことができる。例えば、受光強度が判定閾値以上であり、かつ、連続するデータ点列を１つの塊と捉え、塊ごとに、ｘ軸方向の幅、面積、重心の位置が特徴量として算出される。或いは、信号波形６を構成するデータ点列について、受光強度の最大値、最小値、平均値及び標準偏差を求め、また、受光強度が判定閾値以上のデータ点の総数を求め、これらの統計的な特徴量を基準値と比較してワーク判定を行っても良い。
【００９８】
なお、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。
【００９９】
図１１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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
図１２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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
また、本実施の形態では、分光光学系が反射型である場合の例について説明したが、本発明は、分光光学系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分光器を分光器２４として用いても良い。
【０１０８】
図１３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、ファイバ端２ｂ、分光器用レンズ２３、分光器２４、結像レンズ２５及びラインセンサ２６により構成される。
【０１０９】
分光器２４は、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２３を介して入射された光を分光する透過型の分光器であり、平板状の回折格子からなる。この分光器２４は、透過角度に応じて異なる波長成分に入射光を分光する。結像レンズ２５は、分光された透過光をラインセンサ２６上に結像させる。
【０１１０】
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を共焦点光学系に誘導し、また、ワークによって反射され、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。
【０１１１】
図１４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、分光器用レンズ２３、分光器２４、結像レンズ２５及びラインセンサ２６により構成される。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
分光器用レンズ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に向けて集光する。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分光器であり、反射角度に応じて異なる波長成分に入射光を分光する。
【０１１６】
また、本実施の形態では、参照範囲内のデータ点列にフィッティングする回帰曲線が最小二乗法を利用して推定される場合の例について説明したが、本発明は、回帰曲線の推定方法をこれに限定するものではない。例えば、データ点列に対する移動平均化処理により、代表点列を定めるような構成であっても良い。
【０１１７】
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。
【０１１８】
また、投光用光源ユニット２１は、レーザ光を生成する発光素子２１１及び蛍光体２２０に代えて、広い波長帯域の光を出射する光源を含むような構成であっても良い。例えば、投光用光源ユニット２１は、白色光を出射するＬＥＤ（発光ダイオード）又はハロゲンランプを含んでも良い。投光用光源ユニット２１は、波長５００ｎｍ〜７００ｎｍの光を出射するが、他の波長帯域の光を出射するような構成であっても良い。例えば、投光用光源ユニット２１は、赤外領域の光を出射し、或いは、紫外領域の光を出射するような構成のものであっても良い。
【０１１９】
また、本実施の形態では、ＰＣ３の表示部に、波形を表示することができるが、表示対象の波形は、図７（ａ）〜（ｃ）の波形をそれぞれ表示しても良い。図７（ａ）のような基底波形を含むような波形を表示することなく、図７（ｃ）のような基底波形を除いた波形を表示することで、ユーザは所望の変位に対応する波形を容易に確認することができる。
【符号の説明】
【０１２０】
１  共焦点変位計
１０  ヘッドユニット
１１  共焦点光学系
１２  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
２０  コントローラ
２１  投光用光源ユニット
２２  スプリッタ
２３  分光器用レンズ
２４  分光器
２５  結像レンズ
２６  ラインセンサ
２７  測定制御部
２８  表示部
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
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  波形データ出力部
１０７  参照範囲受付部
１０８  露光時間調整部
１０９  投光量制御部
２  光ファイバケーブル
３  ＰＣ
４  受光波形
５  基底波形
６  信号波形
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年4月21日(2020.4.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源と、
上記レーザ光源からのレーザ光を集光する集光レンズと、
上記集光レンズからの上記レーザ光により励起され、波長に対する光強度が緩やかに変化する蛍光を有する検出光を生成する蛍光体と、
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含む上記検出光の反射光を分光する分光器と、
分光された上記検出光の反射光を受光して受光信号を生成する撮像素子と、
上記受光信号に基づいて、上記検出光の反射光に対応して波長に対する受光強度が緩やかに変化する山形状の基底波形に対し、波長に対する受光強度が鋭く変化するピーク形状で上記検出対象物からの反射光に対応する信号波形を含む受光波形を取得する受光波形取得手段と、
上記受光素子で受光する上記検出光の反射光の受光光量を調整する受光光量調整手段と、
上記受光波形の形状に基づいて、その基底波形を推定する基底波形推定手段と、
上記受光波形及び上記基底波形に基づいて、上記受光光量調整手段により上記受光光量を調整することによる上記基底波形の影響を補正した信号波形を求める信号波形算出手段と、
上記補正した信号波形に基づいて、上記検出対象物の変位を求める算出手段とを備えたことを特徴とする共焦点変位計。
【請求項２】
レーザ光源と、
上記レーザ光源からのレーザ光を集光する集光レンズと、
上記集光レンズからの上記レーザ光により励起され、波長に対する光強度が緩やかに変化する蛍光を有する検出光を生成する蛍光体と、
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含む上記検出光の反射光を分光する分光器と、
分光された上記検出光の反射光を受光して受光信号を生成する撮像素子と、
上記受光信号に基づいて、上記検出光の反射光に対応して波長に対する受光強度が緩やかに変化する山形状の基底波形に対し、波長に対する受光強度が鋭く変化するピーク形状で上記検出対象物からの反射光に対応する信号波形を含む受光波形を取得する受光波形取得手段と、
上記受光素子で受光する上記検出光の反射光の受光光量を調整する受光光量調整手段と、
上記受光光量調整手段により上記受光光量を調整することにより変化する上記基底波形を除去することにより、上記受光波形の信号波形を補正する基底波形除去手段と、
上記補正した信号波形に基づいて、上記検出対象物の変位を求める算出手段とを備えたことを特徴とする共焦点変位計。
【請求項３】
上記受光光量調整手段は、上記受光信号に基づいて、上記受光素子の露光時間を調整する露光時間調整手段を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の共焦点変位計。
【請求項４】
上記補正した信号波形を示す波形データを外部機器へ出力する波形データ出力手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の共焦点変位計。
【請求項５】
上記基底波形推定手段は、上記受光波形を構成する２以上のデータ点からなるデータ点列に対し、参照範囲を一定距離だけ移動させるごとに、上記参照範囲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を定めることにより、２以上の上記代表点からなる代表点列を生成する代表点列生成手段と、
上記データ点及び上記代表点間における受光強度の差分を求める強度差分算出手段と、
上記差分に基づいて、重み係数を求める重み係数算出手段と、
上記データ点列に上記重み係数を割り当て、上記参照範囲を一定距離だけ移動させるごとに、上記参照範囲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を新たに定めることにより、上記代表点列を更新する代表点列更新手段とを有し、上記基底波形が更新後の代表点列により構成されることを特徴とする請求項１に記載の共焦点変位計。
【請求項６】
上記参照範囲を受け付ける参照範囲受付手段を備えたことを特徴とする請求項５に記載の共焦点変位計。