[发明专利]共焦位移传感器

说明书

提供一种共焦位移传感器，其能够防止由于光学构件的球面像差造成的测量精度的降低。共焦位移传感器包括：投光用光源，其被构造为产生具有多个波长的光；销孔，其被构造为通过允许从投光用光源出射的光穿过而出射检测光；光学构件，其被构造为在经由销孔出射的检测光中产生轴向色像差并且使检测光朝向测量对象会聚；测量控制部，其被构造为基于在经由光学构件照射到测量对象的检测光中的在聚焦于测量对象的同时被反射穿过销孔的检测光来计算测量对象的位移；头壳体，其被构造为收纳销孔和光学构件。光学构件包括被构造为使检测光衍射的第一衍射透镜和被构造为使检测光折射的第一折射透镜。第一衍射透镜被布置为使非衍射面从头壳体暴露。

技术领域

本发明涉及共焦位移传感器(confocal displacement sensor)，更详细地，涉及对使用共焦光学系统测量测量对象的位移的共焦位移传感器的改善。

背景技术

共焦位移传感器是利用共焦原理(confocal principle)和轴向色像差现象(phenomenon of an axial chromatic aberration)对测量对象的位移进行测量的光学测量装置，其中，共焦原理是指将从形成光源的像的成像面上接收到的光以缩小光圈(stopdown)的方式形成为反射光，轴向色像差现象是在光源的像中发生光轴方向上的颜色漂移(color drift)的现象。

共焦位移传感器由作为点光源的使从光源发出的光射出的销孔、在经由销孔发出的检测光中引起轴向色像差并朝向测量对象会聚该检测光的光学构件、以及基于来自测量对象的反射光计算测量对象的位移的测量控制部构成。作为检测光，使用具有多个波长的光(例如，白光)。在经由光学构件照射在测量对象上的检测光中，销孔允许具有在聚焦于测量对象的同时被反射的波长的检测光穿过。

根据轴向色像差，各波长的成像面的位置不同。因此，通过使穿过销孔的检测光的波长特定来计算测量对象的位移。位移是在光轴方向上从预定的基准位置到测量对象的距离。通过计算位移能够测量表面上的凹凸的深度或高度、透明体的厚度等。

在以上说明的传统共焦位移传感器中，由于构成光学构件的光学透镜的球面像差(spherical aberration)根据检测光的波长成分而极为不同，所以球面像差仅能够相对于特定的波长成分最小化。因此，成像面上的像根据波长成分而模糊，并且测量精度降低。

发明内容

鉴于该情况作出了本发明，本发明的目的是提供能够防止由于光学构件的球面像差造成的测量精度的降低。特别地，本发明的目的是提供能够防止遍及宽波长带域的球面像差的共焦位移传感器。

根据本发明的第一方面的共焦位移传感器是使用共焦光学系统对测量对象的位移进行测量的共焦位移传感器。所述共焦位移传感器包括：投光用光源，其被构造为产生具有多个波长的光；销孔，其被构造为通过允许从所述投光用光源出射的光穿过而出射检测光；光学构件，其被构造为在经由所述销孔出射的所述检测光中产生轴向色像差并且使所述检测光朝向所述测量对象会聚；测量控制部，其被构造为基于在经由所述光学构件照射到所述测量对象上的所述检测光中的通过在聚焦于所述测量对象的同时被反射而穿过所述销孔的检测光来计算所述测量对象的位移；以及头壳体，其被构造为收纳所述销孔和所述光学构件。所述光学构件包括被构造为衍射所述检测光的第一衍射透镜和被构造为折射所述检测光的第一折射透镜。所述第一衍射透镜被布置为使非衍射面从所述头壳体暴露。

在该共焦位移传感器中，利用透镜中的球面像差的极性不同的事实来消除第一衍射透镜的球面像差和第一折射透镜的球面像差。因此，能够防止遍及宽波长带域的球面像差。

在本发明的第二方面中，除了以上说明的构造之外，在共焦位移传感器中，所述第一折射透镜可以由透镜面为非球面的非球面透镜构成。利用这样的构造，由于防止了第一折射透镜的球面像差，所以能够有助于包括第一衍射透镜的光学构件的光学设计。