彩色共焦點(diǎn)傳感器和測(cè)量方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種彩色共焦點(diǎn)傳感器和測(cè)量方法。所述彩色共焦點(diǎn)傳感器包括：光源部，用于發(fā)射波長(zhǎng)不同的多個(gè)光束；光學(xué)頭，其包括用于使所述多個(gè)光束收斂于不同的聚焦位置的物鏡，并且用于選擇所述多個(gè)光束中的被所述聚焦位置處的被測(cè)物體反射的光作為測(cè)量光；分光器，其包括用于將所選擇的測(cè)量光分割成多個(gè)衍射光束的衍射光柵、和用于接收所述多個(gè)衍射光束中的兩個(gè)或更多個(gè)衍射光束的傳感器；以及信號(hào)處理控制部，用于基于所述傳感器所接收到的所述兩個(gè)或更多個(gè)衍射光束的受光位置之間的差來(lái)計(jì)算所述被測(cè)物體的位置。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
彩色共焦點(diǎn)傳感器和測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及彩色共焦點(diǎn)傳感器和使用該彩色共焦點(diǎn)傳感器的測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)上，已使用彩色共焦點(diǎn)技術(shù)來(lái)測(cè)量被測(cè)物體的高度等。例如，日本特開(kāi)2011-39026(以下稱(chēng)為專(zhuān)利文獻(xiàn)I)公開(kāi)了如圖1所示的彩色共焦點(diǎn)位移計(jì)(以下稱(chēng)為彩色傳感器)。在該彩色傳感器中，將聚焦于工件的顏色與工件的高度(位移)相應(yīng)地一對(duì)一地改變。通過(guò)提取將聚焦于工件的顏色的光并且指定該顏色(光波長(zhǎng))，來(lái)測(cè)量與該顏色處于一對(duì)一關(guān)系的工件的高度(專(zhuān)利文獻(xiàn)I的說(shuō)明書(shū)中的第
[0002]段、第
[0003]段等)。
[0003]在專(zhuān)利文獻(xiàn)I所公開(kāi)的彩色傳感器中，使用在通過(guò)由雙折射晶體等構(gòu)成的波板的相互垂直的偏光成分之間產(chǎn)生與光波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的相位差(光路差)這一事實(shí)來(lái)進(jìn)行光波長(zhǎng)的指定。因此，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)滿足長(zhǎng)工作距離、精細(xì)測(cè)量光斑、由于傾斜所引起的小誤差、高分辨率和高速應(yīng)答性的測(cè)量(專(zhuān)利文獻(xiàn)I的說(shuō)明書(shū)中的第
[0030]段、第
[0035]段等)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]如上所述，在彩色傳感器中，要求基于已聚焦于被測(cè)物體并且被被測(cè)物體反射的測(cè)量光的波長(zhǎng)來(lái)以高精度測(cè)量被測(cè)物體的位置。因此，需要以高精度檢測(cè)測(cè)量光的波長(zhǎng)或與該波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的參數(shù)。
[0005]有鑒于如上所述的情形，本發(fā)明的目的在于提供能夠基于聚焦位置處的被測(cè)物體所反射的測(cè)量光的波長(zhǎng)來(lái)高度精確地計(jì)算被測(cè)物體的位置的彩色共焦點(diǎn)傳感器、以及使用該彩色共焦點(diǎn)傳感器的測(cè)量方法。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供一種彩色共焦點(diǎn)傳感器，其包括光源部、光學(xué)頭、分光器和信號(hào)處理控制部。
[0007]所述光源部發(fā)射波長(zhǎng)不同的多個(gè)光束。
[0008]所述光學(xué)頭包括用于使所述多個(gè)光束收斂于不同的聚焦位置的物鏡，并且用于選擇所述多個(gè)光束中的被所述聚焦位置處的被測(cè)物體反射的光作為測(cè)量光。
[0009]所述分光器包括用于將所選擇的測(cè)量光分割成多個(gè)衍射光束的衍射光柵、和用于接收所述多個(gè)衍射光束中的兩個(gè)或更多個(gè)衍射光束的傳感器。
[0010]所述信號(hào)處理控制部基于所述傳感器接收到的所述兩個(gè)或更多個(gè)衍射光束的受光位置之間的差來(lái)計(jì)算所述被測(cè)物體的位置。
[0011]在該彩色共焦點(diǎn)傳感器中，將聚焦位置處的被測(cè)物體所反射的測(cè)量光分割成多個(gè)衍射光束。此外，基于該傳感器所接收到的兩個(gè)或更多個(gè)衍射光束的受光位置之間的差來(lái)計(jì)算被測(cè)物體的位置。因此，例如，即使在衍射光柵的位置或傳感器的位置發(fā)生偏移的情況下，也可以通過(guò)使用兩個(gè)或更多個(gè)衍射光束的受光位置之間的差來(lái)吸收該位置偏移。結(jié)果，可以高度精確地計(jì)算出被測(cè)物體的位置。
[0012]所述兩個(gè)或更多個(gè)衍射光束可以包括+1階衍射光束、O階衍射光束和-1階衍射光束中的至少兩個(gè)衍射光束。
[0013]通過(guò)使用+1階衍射光束、O階衍射光束和-1階衍射光束，可以精確地計(jì)算出被測(cè)物體的位置。
[0014]所述信號(hào)處理控制部可以基于所述+1階衍射光束和所述-1階衍射光束的受光位置之間的差來(lái)計(jì)算所述被測(cè)物體的位置。
[0015]通過(guò)使用±I階衍射光束的受光位置之間的差，可以精確地計(jì)算出被測(cè)物體的位置。
[0016]所述信號(hào)處理控制部可以基于所述+1階衍射光束和所述-1階衍射光束中的任一個(gè)衍射光束的受光位置與所述O階衍射光束的受光位置之間的差來(lái)計(jì)算所述被測(cè)物體的位置。
[0017]通過(guò)使用土I階衍射光束中的任一個(gè)和O階衍射光束，可以使該設(shè)備緊湊化。
[0018]所述信號(hào)處理控制部可以基于所述+1階衍射光束和所述O階衍射光束的受光位置之間的差與所述-1階衍射光束和所述O階衍射光束的受光位置之間的差的和，來(lái)計(jì)算所述被測(cè)物體的位置。
[0019]通過(guò)使用這三個(gè)衍射光束，可以提高測(cè)量精度。
[0020]所述光源部可以發(fā)射包括所述多個(gè)光束的白色光。
[0021 ]因此，可以提高測(cè)量精度。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供一種測(cè)量方法，其包括發(fā)射波長(zhǎng)不同的多個(gè)光束。
[0023]使所述多個(gè)光束收斂于不同的聚焦位置。
[0024]選擇所述多個(gè)光束中的被所述聚焦位置處的被測(cè)物體反射的光作為測(cè)量光。
[0025]將所選擇的測(cè)量光分割成多個(gè)衍射光束，并且利用傳感器接收所述多個(gè)衍射光束中的兩個(gè)或更多個(gè)衍射光束。
[0026]基于所述傳感器接收到的所述兩個(gè)或更多個(gè)衍射光束的受光位置之間的差來(lái)計(jì)算所述被測(cè)物體的位置。
[0027]如上所述，根據(jù)本發(fā)明，可以基于聚焦位置處的被測(cè)物體所反射的測(cè)量光的波長(zhǎng)來(lái)高度精確地計(jì)算被測(cè)物體的位置。應(yīng)當(dāng)注意，這里所述的效果未必受到限制，并且可以獲得本公開(kāi)所述的任何效果。
【附圖說(shuō)明】
[0028]圖1是示出根據(jù)第一實(shí)施例的彩色共焦點(diǎn)傳感器的結(jié)構(gòu)示例的示意圖；
[0029]圖2是圖1所示的光學(xué)頭的放大圖；
[0030]圖3是圖1所示的分光器的放大圖；
[0031 ]圖4是示出控制部所計(jì)算的被測(cè)物體的位置的計(jì)算示例的流程圖；
[0032]圖5A和5B是用于說(shuō)明作為比較例的彩色傳感器的分光器的結(jié)構(gòu)和使用該彩色傳感器的測(cè)量方法的圖；
[0033]圖6A和6B是用于說(shuō)明根據(jù)第二實(shí)施例的彩色傳感器的分光器的結(jié)構(gòu)和使用該彩色傳感器的測(cè)量方法的圖；以及
[0034]圖7A和7B是用于說(shuō)明根據(jù)第三實(shí)施例的彩色傳感器的分光器的結(jié)構(gòu)和使用該彩色傳感器的測(cè)量方法的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]以下將參考附圖來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例。
[0036]第一實(shí)施例
[0037]圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的彩色共焦點(diǎn)傳感器的結(jié)構(gòu)示例的示意圖。在以下的說(shuō)明中，將該彩色共焦點(diǎn)傳感器簡(jiǎn)稱(chēng)為彩色傳感器。
[0038]彩色傳感器100包括光學(xué)頭10、控制器20和光纖部30。控制器20包括光源部40、分光器50和信號(hào)處理控制部(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為控制部)60。
[0039]光纖部30包括光纖分離器31。光纖分離器31對(duì)從光纖32a導(dǎo)入的光進(jìn)行分離，并且將該光導(dǎo)出至光纖32b和32c各自。另一方面，從光纖32b和32c各自導(dǎo)入的光被導(dǎo)出至光纖32a。如圖1所示，光學(xué)頭10連接至光纖32a，并且光源部40和分光器50分別連接至光纖32b和32c。應(yīng)當(dāng)注意，代替光纖分離器31，可以使用光纖耦合器。
[0040]圖2是圖1所示的光學(xué)頭10的放大圖。光學(xué)頭10包括筆狀殼體部11和該殼體部11的內(nèi)部所設(shè)置的物鏡12，該殼體部11將其長(zhǎng)邊方向作為光軸Al。在殼體部11的后端部Ilb的大致中央連接有光纖32a ο從光纖32a出射的光經(jīng)由物鏡12從殼體部11的前端部I Ia向著被測(cè)物體O照射。
[0041]如圖2所示，物鏡12是色像差大的透鏡，并且使從光纖32a出射的光收斂于光軸Al上的與波長(zhǎng)λ相對(duì)應(yīng)的聚焦位置P。在本實(shí)施例中，從光纖32a向著物鏡12照射包括具有藍(lán)波長(zhǎng)范圍到紅波長(zhǎng)范圍內(nèi)的不同波長(zhǎng)的多個(gè)可見(jiàn)光束的白色光W。物鏡12使白色光W中所包括的多個(gè)可見(jiàn)光束收斂于與波長(zhǎng)λ相對(duì)應(yīng)的不同焦點(diǎn)位置P。
[0042]圖2示出從物鏡12向著前方側(cè)(圖中的下方側(cè))的被物鏡12分離后的多個(gè)可見(jiàn)光束。這里，代表性地示出RGB這三個(gè)顏色的光束。應(yīng)當(dāng)注意，在本實(shí)施例中，多個(gè)可見(jiàn)光束與波長(zhǎng)不同的多個(gè)光束相對(duì)應(yīng)。
[0043]波長(zhǎng)A1和聚焦位置?工表示多個(gè)可見(jiàn)光束中的波長(zhǎng)最短的可見(jiàn)光的波長(zhǎng)和聚焦位置，并且在本實(shí)施例中與藍(lán)色光B相對(duì)應(yīng)。波長(zhǎng)λη和聚焦位置Pn表示多個(gè)可見(jiàn)光束中的波長(zhǎng)最長(zhǎng)的可見(jiàn)光的波長(zhǎng)和聚焦位置，并且在本實(shí)施例中與紅色光R相對(duì)應(yīng)。波長(zhǎng)Ak和聚焦位置Pk表示多個(gè)可見(jiàn)光束中的任意可見(jiàn)光的波長(zhǎng)和聚焦位置，并且在圖2中與綠色光G相對(duì)應(yīng)(k
=1 ?η) ο
[0044]此外，物鏡12使被聚焦位置Pk處的被測(cè)物體O反射的可見(jiàn)光收斂于光纖32a。因此，使與殼體部11的后端部Ilb相連接的光纖32a連接在物鏡12使聚焦于被測(cè)物體O并且被被測(cè)物體O反射的可見(jiàn)光收斂的共焦點(diǎn)位置處。因此，可以選擇多個(gè)可見(jiàn)光束中的被聚焦位置Pk處的被測(cè)物體O反射的可見(jiàn)光作為測(cè)量光M。
[0045]在圖2中，在物鏡12和光纖32之間示出被測(cè)物體O所反射的RGB這三個(gè)顏色的光束。在圖2所示的示例中，在聚焦位置(圖中的綠色光G的聚焦位置)處存在被測(cè)物體O。因此，被被測(cè)物體O反射的綠色光G收斂于光纖32a。結(jié)果，選擇綠色光G作為測(cè)量光M。如上所述，測(cè)量光M的波長(zhǎng)和光軸Al上的被測(cè)物體O的位置處于一對(duì)一關(guān)系。
[0046]本實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)由殼體部11以及在殼體部11中以預(yù)定位置關(guān)系配置的光纖32a和物鏡12來(lái)實(shí)現(xiàn)。應(yīng)當(dāng)注意，沒(méi)有限制用作光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。例如，可以使用針孔等來(lái)選擇測(cè)量光M。此外，除物鏡12外，還可以使用諸如準(zhǔn)直透鏡等的其它透鏡。
[0047]圖1所示的光源部40發(fā)射白色光W。沒(méi)有限制光源部40的具體結(jié)構(gòu)，并且可以使用諸如LED等的固態(tài)光源或諸如水銀燈等的任意光源41。從光源部40發(fā)射的白色光W經(jīng)由光纖32b、光纖分離器31和光纖32a出射到光學(xué)頭10內(nèi)。
[0048]圖3是圖1所示的分光器50的放大圖。分光器50是用于檢測(cè)從光學(xué)頭10傳送至光纖32a的測(cè)量光M的波長(zhǎng)的塊。測(cè)量光M經(jīng)由光纖32a、光纖分離器31和光纖射到分光器50內(nèi)。
[0049]分光器50包括準(zhǔn)直透鏡51、衍射光柵52、成像透鏡53、遮光板54和線性傳感器55。如圖3所示，這些構(gòu)件是以如下方式配置的:這些構(gòu)件與從光纖32c出射的測(cè)量光M的光軸A2(光束的中心軸)垂直，并且這些構(gòu)件各自的中央部位于光軸A2上。
[0050]準(zhǔn)直透鏡51使從光纖32c出射的測(cè)量光M大致均勻地照射到衍射光柵52上。
[0051 ]衍射光柵52將測(cè)量光分割成多個(gè)衍射光束L。衍射光柵52通常使兩個(gè)±n階衍射光束L出現(xiàn)在相對(duì)于O階衍射光束大致對(duì)稱(chēng)的位置處。沒(méi)有限制衍射光柵52的具體結(jié)構(gòu)，并且可以使用任意結(jié)構(gòu)。
[0052]成像透鏡53能夠使衍射光柵52所生成的多個(gè)衍射光束L各自以光斑狀在線性傳感器55上成像。在本實(shí)施例中，從衍射光柵52的各個(gè)光柵(狹縫)出射的+ 1階衍射光束L1、?階衍射光束LO和-1階衍射光束L2入射到成像透鏡53，從而向著線性傳感器55出射。應(yīng)當(dāng)注意，在圖3中，為了簡(jiǎn)化該圖，僅例示來(lái)自三個(gè)光柵的衍射光束。
[0053]遮光板54遮蔽從成像透鏡53向著線性傳感器55出射的O階衍射光束L0。因此，在本實(shí)施例中，使± I階的兩個(gè)衍射光束LI和L2在線性傳感器55上成像。
[0054]線性傳感器55包括沿一個(gè)方向排列的多個(gè)像素(受光裝置)56。各像素56輸出與接收光的強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的信號(hào)。沒(méi)有限制線性傳感器55的具體結(jié)構(gòu)，并且例如使用C-MOS線性傳感器或C⑶線性傳感器等。
[0055]應(yīng)當(dāng)注意，圖3所示的成像透鏡53是色像差小的透鏡，并且能夠與測(cè)量光M的波長(zhǎng)無(wú)關(guān)地使± I階衍射光束LI和L2以光斑狀在線性傳感器55上成像。另一方面，從衍射光柵52出射的衍射光束L的出射角度依賴(lài)于測(cè)量光M的波長(zhǎng)。因此，線性傳感器55上的光斑的位置成為與測(cè)量光M的波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的參數(shù)。
[0056]在本實(shí)施例中，線性傳感器55與接收可見(jiàn)光束中的兩個(gè)或更多個(gè)衍射光束的傳感器相對(duì)應(yīng)。此外，利用衍射光柵52和線性傳感器55來(lái)實(shí)現(xiàn)本實(shí)施例的檢測(cè)部。
[0057]從線性傳感器55輸出的信號(hào)經(jīng)由信號(hào)線纜57發(fā)送至圖1所示的控制部60。應(yīng)當(dāng)注意，可以在分光器50內(nèi)設(shè)置遮光機(jī)構(gòu)等，使得除±1階衍射光束LI和L2外的衍射光沒(méi)有入射到線性傳感器55。
[0058]控制部60在本實(shí)施例中用作計(jì)算部，并且基于從線性傳感器55接收到的信號(hào)來(lái)計(jì)算被測(cè)物體O的位置。例如，使光學(xué)頭10保持處于預(yù)定的基準(zhǔn)位置，并且使多個(gè)可見(jiàn)光束照射到被測(cè)物體O上。然后，基于來(lái)自線性傳感器55的信號(hào)，以基準(zhǔn)位置作為基準(zhǔn)來(lái)計(jì)算被測(cè)物體O的位置。可選地，還可以獲得光學(xué)頭10的位置信息，由此使用該位置信息來(lái)計(jì)算被測(cè)物體O的位置。
[0059]作為被測(cè)物體O的位置，可以計(jì)算光學(xué)頭10和被測(cè)物體O之間的距離。即使在被測(cè)物體O移動(dòng)的情況下，也可以基于與該移動(dòng)相對(duì)應(yīng)地輸出的來(lái)自線性傳感器55的信號(hào)來(lái)計(jì)算被測(cè)物體O的移動(dòng)量(例如，參見(jiàn)圖2的箭頭Y)。
[0060]在被測(cè)物體O的上方使用光學(xué)頭10的情況下，計(jì)算被測(cè)物體O的高度作為被測(cè)物體O的位置，然而當(dāng)然這不限于此。光學(xué)頭10還可以用在任意方向中并且還可以計(jì)算該方向上的位置。
[0061]控制部60例如可以由CPU、存儲(chǔ)器(RAM、R0M)和1/0(輸入/輸出)等容納在單個(gè)芯片中的微計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。該微計(jì)算機(jī)的各種處理通過(guò)芯片中的CPU根據(jù)存儲(chǔ)器中所存儲(chǔ)的預(yù)定程序進(jìn)行工作來(lái)執(zhí)行，然而不限于此。為了實(shí)現(xiàn)控制部60，可以適當(dāng)?shù)厥褂闷渌腎C(集成電路)等。
[0062]圖4是示出控制部60所計(jì)算的被測(cè)物體O的位置的計(jì)算示例的流程圖。首先，將參考正常時(shí)在線性傳感器55上所成像的衍射光束L的光斑與線性傳感器55之間沒(méi)有發(fā)生相對(duì)位置偏移的情況下的流程圖進(jìn)行說(shuō)明。
[0063]在步驟lOl(STlOl)中，基于從線性傳感器55輸出的信號(hào)來(lái)檢測(cè)輸出了信號(hào)強(qiáng)度峰值的像素56的位置(峰像素位置)。該峰像素位置與該傳感器所接收到的兩個(gè)或更多個(gè)衍射光束中的各個(gè)衍射光束的受光位置相對(duì)應(yīng)。
[0064]在本實(shí)施例中，檢測(cè)+1階衍射光束LI的峰像素位置和-1階衍射光束L2的峰像素位置。在本實(shí)施例中，將像素編號(hào)PixN原樣地作為峰像素位置檢測(cè)出來(lái)。以下將± I階衍射光束LI和L2的峰像素位置分別稱(chēng)為PixNl和PixN2。
[0065]在步驟102(ST102)中，通過(guò)以下的表達(dá)式來(lái)計(jì)算兩個(gè)峰像素位置之間的差Dpix。
[0066]Dpix = PixN2_PixNl
[0067]差Dpix例如是通過(guò)從始終具有大的值的像素編號(hào)中減去具有小的值的像素編號(hào)所計(jì)算出的?？蛇x地，可以計(jì)算兩個(gè)像素編號(hào)之間的差的絕對(duì)值作為差Dpix(參見(jiàn)第三實(shí)施例的圖7A和7B)。
[0068]在步驟103(ST103)中，基于差Dpix來(lái)計(jì)算被測(cè)物體O的位置(這里稱(chēng)為距離Dist)。如上所述，線性傳感器55上的光斑的位置與測(cè)量光M的波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)。因此，±1階衍射光束LI和L2的峰像素位置PixNl和PixN2之間的差Dpix也成為與測(cè)量光M的波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的參數(shù)。結(jié)果，可以基于該差Dpix來(lái)計(jì)算距離Dist。
[0069]如圖4所示，在本實(shí)施例中，通過(guò)使用校正表來(lái)根據(jù)差Dpix計(jì)算距離Dist。該校正表是通過(guò)在調(diào)整距離Dist的同時(shí)使彩色傳感器100進(jìn)行工作而預(yù)先創(chuàng)建的，并且存儲(chǔ)在控制部60的存儲(chǔ)器等中。沒(méi)有限制用于創(chuàng)建校正表的方法和創(chuàng)建時(shí)刻等。
[0070]距離Dist的計(jì)算不限于使用校正表的方法。例如，還可以將預(yù)定的運(yùn)算表達(dá)式存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器等中，由此使用該運(yùn)算表達(dá)式來(lái)根據(jù)差Dpix計(jì)算距離Dist?？蛇x地，可以根據(jù)差Dpix來(lái)計(jì)算測(cè)量光M的波長(zhǎng)。另外，可以使用校正表和運(yùn)算等來(lái)根據(jù)波長(zhǎng)計(jì)算距離Dist。
[0071]將說(shuō)明在線性傳感器55上所成像的衍射光束L的光斑與線性傳感器55之間發(fā)生相對(duì)位置偏移的情況。例如，由于基于溫度和濕度等的環(huán)境波動(dòng)、彩色傳感器的傳輸期間的狀況以及長(zhǎng)期使用等，因而衍射光柵52和線性傳感器55有時(shí)發(fā)生位置偏移。在這種情況下，在線性傳感器55上的光斑與線性傳感器55之間發(fā)生相對(duì)位置偏移。
[0072]在發(fā)生位置偏移的情況下執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的用于測(cè)量距離Dist的方法的情況下，參考圖4中的存在位置偏移的情況的流程圖，在步驟101 (STl OI)中首先計(jì)算± I階衍射光束LI和L2的峰像素位置PixNl’和PixN2 ’。由于存在位置偏移，因此如以下的表達(dá)式所示，檢測(cè)僅偏移了與位置偏移量相對(duì)應(yīng)的APix的峰像素位置。
[0073]Ρ?χΝΓ =PixNl+Δ Pix
[0074]Ρ?χΝ2,=Ρ?χΝ2+ΔΡ?χ
[0075]然而，在該測(cè)量方法中，由于在步驟102(ST102)中計(jì)算兩個(gè)峰像素位置之間的差Dpix ’，因此如以下的表達(dá)式所示，位置偏移的影響被抵消。
[0076]Dpix，=PixN2，_PixNl ’
[0077]= (Ρ?χΝ2+ ΔΡ?χ)-(Ρ?χΝ1+ΔΡ?χ)
[0078]=PixN2_PixNl
[0079]=Dpix
[0080]因此，在步驟103(ST103)中，適當(dāng)?shù)赜?jì)算在不會(huì)發(fā)生位置偏移的情況下的距離Dist。換句話說(shuō)，在該測(cè)量方法中，線性傳感器55上的光斑與線性傳感器55之間的相對(duì)位置偏移不會(huì)影響距離Dist的計(jì)算。
[0081]圖5A和5B是用于說(shuō)明作為比較例的彩色傳感器的分光器的結(jié)構(gòu)和使用該彩色傳感器的測(cè)量方法的圖。如圖5A所示，在彩色傳感器900中，僅使測(cè)量光M的多個(gè)衍射光束L中的+1階衍射光束LI在線性傳感器901上成像。
[0082]如圖5B所示，在步驟901 (ST901)中，檢測(cè)+1階衍射光束LI的峰像素位置PixNl。在步驟902(ST902)中，使用校正表來(lái)基于所檢測(cè)到的PixNl計(jì)算距離Dist。
[0083]在彩色傳感器900中，在線性傳感器901上的光斑與線性傳感器901之間發(fā)生相對(duì)位置偏移的情況下，計(jì)算僅偏移了與該位置偏移量相對(duì)應(yīng)的Δ Pix的PixNl ’ (=PixNl+ ΔPix)作為峰像素位置。然后，在步驟902(ST902)中，基于PixNl ’來(lái)計(jì)算Dist ’。結(jié)果，在所計(jì)算出的距離中發(fā)生偏移。換句話說(shuō)，由于峰像素位置的偏移量原樣地作為距離測(cè)量結(jié)果的變化而出現(xiàn)，因此測(cè)量精度下降。
[0084]作為對(duì)比，在本實(shí)施例的彩色傳感器100中，基于線性傳感器55所接收到的±I階衍射光束LI和L2的峰像素位置PixNl和PixN2之間的差來(lái)計(jì)算被測(cè)物體O的位置。因此，可以吸收線性傳感器55上的光斑與線性傳感器55之間的相對(duì)位置偏移。結(jié)果，可以基于聚焦位置P處的被測(cè)物體O所反射的測(cè)量光M的波長(zhǎng)來(lái)高度精確地計(jì)算被測(cè)物體O的位置。此外，可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)于環(huán)境變化具有穩(wěn)健性的高度精確的彩色傳感器100。
[0085]第二實(shí)施例
[0086]將說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的彩色傳感器。在以下的說(shuō)明中，將省略或簡(jiǎn)化針對(duì)與上述實(shí)施例所述的情況相同的彩色傳感器200的結(jié)構(gòu)和操作的說(shuō)明。
[0087]圖6A和6B是用于說(shuō)明本實(shí)施例的彩色傳感器的分光器的結(jié)構(gòu)和使用該彩色傳感器的測(cè)量方法的圖。如圖6A所示，在本實(shí)施例的彩色傳感器200中，使測(cè)量光M的多個(gè)衍射光束L中的+1階衍射光束LI和O階衍射光束LO在線性傳感器255上成像。
[0088]在控制部中，如圖6B所示，在步驟201(ST201)中檢測(cè)+1階衍射光束LI的峰像素位置PixNl和O階衍射光束LO的峰像素位置PixNO。應(yīng)當(dāng)注意，多個(gè)衍射光束L通常隨著階次變小而具有更強(qiáng)的光強(qiáng)度。考慮到該事實(shí)，可以適當(dāng)檢測(cè)與階次相對(duì)應(yīng)的峰值，由此檢測(cè)+1階衍射光束LI的峰像素位置PixNl和O階衍射光束LO的峰像素位置PixNO。
[0089]在步驟202(ST202)中計(jì)算兩個(gè)峰像素位置之間的差Dpix( =PixNO-PixNl),并且在步驟203(ST203)中基于差Dpix來(lái)計(jì)算距離Dist。
[0090]在彩色傳感器200中發(fā)生位置偏移的情況下，如以下的表達(dá)式所示，在步驟202(ST202)中計(jì)算差Dpix’期間，位置偏移量Δ Pix被抵消。
[0091]Dpix，=PixNO，-PixNl，
[0092]=(PixNO+ΔPix)-(PixNl+ΔPix)
[0093]=PixNO-PixNl
[0094]=Dpix
[0095]因此，在步驟203(ST203)中，可以在不受線性傳感器255上的光斑與線性傳感器255之間的相對(duì)位置偏移影響的同時(shí)，高度精確地計(jì)算出距離Dist。應(yīng)當(dāng)注意，即使在代替+I階衍射光束LI而使用-1階衍射光束L2的情況下，也可以發(fā)揮相同的效果。
[0096]在本實(shí)施例的彩色傳感器200中，由于如圖6A所示、可以使線性傳感器255的大小小型化，因此可以使設(shè)備緊湊化。
[0097]第三實(shí)施例
[0098]圖7A和7B是用于說(shuō)明根據(jù)第三實(shí)施例的彩色傳感器的分光器的結(jié)構(gòu)和使用該彩色傳感器的測(cè)量方法的圖。如圖7A所示，在本實(shí)施例的彩色傳感器300中，使測(cè)量光M的多個(gè)衍射光束L中的+ 1階衍射光束L1、0階衍射光束LO和-1階衍射光束L2在線性傳感器355上成像。
[0099]在控制部中，如圖7B所示，在步驟301(ST301)中檢測(cè)+1階衍射光束LI的峰像素位置PixNl、0階衍射光束LO的峰像素位置PixNO和-1階衍射光束L2的峰像素位置PixN2。
[0100]在步驟302(ST302)中，如以下的表達(dá)式所示，計(jì)算峰像素位置PixNl和PixNO之間的差Dp i XI以及峰像素位置P i xN2和P i χΝΟ之間的差Dp i χ2。
[0101]Dpixl=I PixNl-PixNO I
[0102]Dpix2= |PixN2-PixN0
[0? O3 ] 此外，如以下的表達(dá)式所示，計(jì)算差Dp i XI和Dp i x2的和Dp i X。
[0104] Dpix = Dpixl+Dpix2
[0?05] 應(yīng)當(dāng)注意，在計(jì)算差Dpixl和Dpix2的情況下，無(wú)需計(jì)算(PixNl-PixNO)的絕對(duì)值和(PixN2-PixN0)的絕對(duì)值。在這種情況下，在計(jì)算Dpix的情況下，計(jì)算Dpixl和Dpix2的絕對(duì)值并且進(jìn)行相加。
[Ο?Ο?] 在步驟303(ST303)中，基于所計(jì)算出的和Dpix來(lái)計(jì)算距離Dist。應(yīng)當(dāng)注意，通過(guò)將峰像素位置PixNl和PixNO之間的差Dpixl與峰像素位置PixN2和PixNO之間的差Dpix2相加所獲得的和Dpix成為基于兩個(gè)或更多個(gè)衍射光束的受光位置之間的差所計(jì)算出的參數(shù)。
[0107]在彩色傳感器300中發(fā)生位置偏移的情況下，如以下的表達(dá)式所示，在步驟302(ST302)中計(jì)算差Dpixl ’和Dpix2 ’時(shí)，位置偏移量Δ Pix被抵消。
[0108]Dpixl，=|PixNl，_PixN0， I
[0109]= I(PixNl+ Δ Pix)-(PixNO+ Δ Pix)
[0110]= I PixNl-PixNO I
[0111]=Dpixl
[0112]Dpix2，= |PixN2，-PixN0，
[0113]=| (Ρ?χΝ2+ Δ Pix)- (PixNO+ Δ Pix)
[0114]=|PixN2-PixN0
[0115]=Dpix2
[0116]因此，在步驟303(ST303)中，可以在不受線性傳感器355上的光斑與線性傳感器355之間的相對(duì)位置偏移影響的情況下，高度精確地計(jì)算出距離Dist。此外，通過(guò)以O(shè)階衍射光束LO作為基準(zhǔn)、使用通過(guò)將峰像素位置PixNl和PixNO之間的差Dpixl與峰像素位置PixN2和PixNO之間的差Dpix2進(jìn)行相加所獲得的和Dpix，可以提高測(cè)量精度。
[0117]其它實(shí)施例
[0118]本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，并且還可以實(shí)現(xiàn)各種其它實(shí)施例。
[0119]在上述實(shí)施例中，適當(dāng)?shù)厥褂枚鄠€(gè)衍射光束中的+1階衍射光束、O階衍射光束和-1階衍射光束。由于這些衍射光束的光強(qiáng)度高，因此可以高度精確地計(jì)算出被測(cè)物體O的位置。然而，還可以使用除+1階、O階和-1階以外的其它階次的衍射光束，并且基于這些其它階次的衍射光束的受光位置之間的差來(lái)計(jì)算被測(cè)物體的位置。
[0120]在本發(fā)明的測(cè)量方法中，基于兩個(gè)或更多個(gè)衍射光束的受光位置之間的差來(lái)檢測(cè)被測(cè)物體的位置。因此，還可以使用使±n階的兩個(gè)衍射光束在相對(duì)于O階衍射光束沒(méi)有變?yōu)榇笾聦?duì)稱(chēng)的位置處出現(xiàn)的衍射光柵。此外，只要利用線性傳感器接收到兩個(gè)或更多個(gè)衍射光束，就可以在相對(duì)于向分光器的內(nèi)部出射的測(cè)量光的光軸傾斜的方向上配置諸如衍射光柵等的構(gòu)件。
[0121]此外，使用白色光作為包括多個(gè)可見(jiàn)光束的光。然而，本發(fā)明不限于此，并且本發(fā)明還可適用于使用帶寬大的其它光的情況。換句話說(shuō)，可以發(fā)射不可見(jiàn)的紫外線和紅外線等作為波長(zhǎng)不同的多個(gè)光束。例如，可以使用發(fā)射紫外線的LED作為本發(fā)明的光源部。
[0122]可以組合以上所述的各實(shí)施例的特征部分中的至少兩個(gè)特征部分。此外，以上所述的各種效果僅是示例且不應(yīng)受到限制，并且還可以獲得其它效果。
[0123]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0124]本申請(qǐng)要求2015年3月2日提交的日本專(zhuān)利申請(qǐng)2015-039996和2016年2月26日提交的日本專(zhuān)利申請(qǐng)2016-035124的優(yōu)先權(quán)，在此通過(guò)引用包含這兩個(gè)申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種彩色共焦點(diǎn)傳感器，包括: 光源部，用于發(fā)射波長(zhǎng)不同的多個(gè)光束； 光學(xué)頭，其包括用于使所述多個(gè)光束收斂于不同的聚焦位置的物鏡，并且所述光學(xué)頭用于選擇所述多個(gè)光束中的被所述聚焦位置處的被測(cè)物體反射的光作為測(cè)量光； 分光器，其包括用于將所選擇的測(cè)量光分割成多個(gè)衍射光束的衍射光柵和用于接收所述多個(gè)衍射光束中的兩個(gè)或更多個(gè)衍射光束的傳感器;以及 信號(hào)處理控制部，用于基于所述傳感器所接收到的所述兩個(gè)或更多個(gè)衍射光束的受光位置之間的差來(lái)計(jì)算所述被測(cè)物體的位置。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彩色共焦點(diǎn)傳感器，其中， 所述兩個(gè)或更多個(gè)衍射光束包括+1階衍射光束、O階衍射光束和-1階衍射光束中的至少兩個(gè)衍射光束。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的彩色共焦點(diǎn)傳感器，其中， 所述信號(hào)處理控制部基于所述+1階衍射光束和所述-1階衍射光束的受光位置之間的差來(lái)計(jì)算所述被測(cè)物體的位置。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的彩色共焦點(diǎn)傳感器，其中， 所述信號(hào)處理控制部基于所述+1階衍射光束和所述-1階衍射光束中的任一個(gè)衍射光束的受光位置與所述O階衍射光束的受光位置之間的差來(lái)計(jì)算所述被測(cè)物體的位置。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的彩色共焦點(diǎn)傳感器，其中， 所述信號(hào)處理控制部基于所述+1階衍射光束和所述O階衍射光束的受光位置之間的差與所述-1階衍射光束和所述O階衍射光束的受光位置之間的差的和，來(lái)計(jì)算所述被測(cè)物體的位置。6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的彩色共焦點(diǎn)傳感器，其中， 所述光源部發(fā)射包括所述多個(gè)光束的白色光。7.一種測(cè)量方法，包括以下步驟: 發(fā)射波長(zhǎng)不同的多個(gè)光束； 使所述多個(gè)光束收斂于不同的聚焦位置； 選擇所述多個(gè)光束中的被所述聚焦位置處的被測(cè)物體反射的光作為測(cè)量光； 將所選擇的測(cè)量光分割成多個(gè)衍射光束，并且利用傳感器接收所述多個(gè)衍射光束中的兩個(gè)或更多個(gè)衍射光束；以及 基于所述傳感器接收到的所述兩個(gè)或更多個(gè)衍射光束的受光位置之間的差來(lái)計(jì)算所述被測(cè)物體的位置。
【文檔編號(hào)】G01S17/06GK105938196SQ201610119086
【公開(kāi)日】2016年9月14日
【申請(qǐng)日】2016年3月2日
【發(fā)明人】久保光司
【申請(qǐng)人】株式會(huì)社三豐