光干涉测距传感器的制作方法

1.本发明涉及光干涉测距传感器。


背景技术：

2.近年来，非接触地测量到测量对象物的距离的光测距传感器不断普及。例如，作为光测距传感器，已知有如下的光干涉测距传感器：根据从波长扫描光源投射的光，生成基于参照光和测定光的干涉光，并基于该干涉光测量到测量对象物的距离。
3.在专利文献1记载的光学测定装置中，通过使被多个光纤端面反射的基准光束的返回光束成分与被测量对象物的表面反射的测定光束的反射成分相干地干涉，从而得到稳定的测定结果。
4.专利文献1：日本专利2686124号公报
5.然而，在专利文献1公开的光学测定装置中，需要根据到测量对象物的测量距离来设定与其对应的传感头及测量条件。即，存在如下问题：必须根据到测量对象物的测量距离，例如安装与该测量距离的范围对应的传感头，并且每次都要手动设定适当的测量条件。


技术实现要素：

6.因此，本发明的目的在于，提供能够根据到测量对象物的测量距离设定适当的测量条件的光干涉测距传感器。
7.本发明的一方面涉及的光干涉测距传感器具备：光源，边改变波长边投射光；干涉仪，被供给从光源投射的光，并生成基于测定光和参照光的干涉光，测定光是通过传感头照射到测量对象物并被反射的光，参照光是沿至少一部分与测定光不同的光路行进的光；受光部，接收来自干涉仪的干涉光并转换为电信号；处理部，基于经受光部转换后的电信号，算出从传感头至测量对象物的距离；辨别单元，基于以干涉仪生成的差拍信号辨别传感头；以及设定单元，设定与通过辨别单元辨别出的传感头对应的测量条件。
8.根据本方面，辨别单元基于以干涉仪生成的差拍信号辨别传感头，设定单元设定与通过辨别单元辨别出的传感头对应的测量条件，因此，可以根据到测量对象物的测量距离设定适当的测量条件，可以适当地测量到测量对象物的距离。对于用户而言，减轻确认传感头的类型、或者每次都手动设定与其对应的测量条件的作业。
9.在上述方面中，也可以是，设定单元基于通过辨别单元辨别出的传感头，针对从光源投射的光调整由每扫描时间的频率扫描宽度表示的扫描比例。
10.根据本方面，设定单元基于通过辨别单元辨别出的传感头，针对从光源投射的光调整扫描比例，因此，可以在处理部进行处理的电路频带中适当地检测基于由受光部接收的干涉光的信号峰。
11.在上述方面中，也可以是，还具备校正信号生成部，校正信号生成部生成在将通过受光部接收到的干涉光转换为电信号时用于进行采样的校正信号，设定单元基于通过辨别单元辨别出的传感头，调整校正信号的倍频的程度。
12.根据本方面，设定单元基于通过辨别单元辨别出的传感头调整由校正信号生成部生成的校正信号的倍频的程度，因此，可以适当地对通过受光部接收到的干涉光进行采样。其结果是，可以适当地测量到测量对象物的距离。
13.在上述方面中，也可以是，辨别单元基于差拍信号的峰频率及峰数中的至少一方来辨别传感头。
14.根据本方面，辨别单元基于差拍信号的峰频率及峰数中的至少一方来辨别传感头，因此，对于用户而言，不需要确认传感头的类型，可以容易地辨别传感头。
15.在上述方面中，也可以是，差拍信号是通过从光源投射并向干涉仪供给的光的一部分在该干涉仪中被具有所形成的反射面的部件反射而生成的。
16.根据本方面，由于差拍信号是通过从光源投射并向干涉仪供给的光的一部分在该干涉仪中被具有所形成的反射面的部件反射而生成的，因此，对于用户而言，不需要确认传感头的类型，可以容易地辨别传感头。
17.在上述方面中，也可以是，反射面形成于传感头的内部。
18.根据本方面，由于反射面形成于传感头的内部，因此，对于用户而言，减轻传感头的安装以外的确认、准备等作业，可以容易地辨别传感头。
19.在上述方面中，也可以是，反射面形成于传感头所包括的物镜。
20.根据本方面，由于反射面形成于传感头所包括的物镜，因此，不需要另行准备部件等，可以容易地辨别传感头。
21.在上述方面中，也可以是，反射面形成于传感头所包括的准直透镜。
22.根据本方面，由于反射面形成于传感头所包括的准直透镜，因此，不需要另行准备部件等，可以容易地辨别传感头。
23.在上述方面中，也可以是，反射面形成于向传感头供给从光源投射的光的光纤内部。
24.根据本方面，由于反射面形成于向传感头供给从光源投射的光的光纤内部，因此，即使不在传感头形成反射面，也可以容易地辨别传感头。
25.发明效果
26.根据本发明，可以提供能够根据到测量对象物的测量距离设定适当的测量条件的光干涉测距传感器。
附图说明
27.图1是表示本公开涉及的位移传感器10的概要的外观示意图。
28.图2是表示通过本公开涉及的位移传感器10对测量对象物t进行测量的过程的流程图。
29.图3是表示使用本公开涉及的位移传感器10的传感器系统1的概要的功能框图。
30.图4是表示通过使用本公开涉及的位移传感器10的传感器系统1对测量对象物t进行测量的过程的流程图。
31.图5a是用于说明通过本公开涉及的位移传感器10对测量对象物t进行测量的原理的图。
32.图5b是用于说明通过本公开涉及的位移传感器10对测量对象物t进行测量的另一
原理的图。
33.图6a是表示传感头20的概略构成的立体图。
34.图6b是表示传感头20的内部结构的示意图。
35.图7是用于说明控制器30中的信号处理的框图。
36.图8是表示由控制器30中的处理部59执行的、算出到测量对象物t的距离的方法的流程图。
37.图9a是表示波形信号(电压vs时间)被频率转换为频谱(电压vs频率)的情形的图。
38.图9b是表示频谱(电压vs频率)被距离转换为频谱(电压vs距离)的情形的图。
39.图9c是表示基于频谱(电压vs距离)检测峰、并算出与其对应的距离值的情形的图。
40.图10是表示本发明的第一实施方式涉及的光干涉测距传感器100的构成概要的示意图。
41.图11是表示到测量对象物t的测量距离、传感头131的类型以及处理部150中的电路频带的关系性的一个具体例。
42.图12是表示构成为能够辨别短距离型的传感头131a和长距离型的传感头131b的传感头131的一个具体例的示意图。
43.图13是用于说明相干fmcw的图。
44.图14是表示辨别传感头131的类型、并设定与该辨别出的传感头131的类型对应的测量条件的测量条件设定方法m100的处理流程的流程图。
45.图15是表示通过配置准直透镜而构成为能够辨别短距离型的传感头131a和长距离型的传感头131b的传感头131的一个具体例的示意图。
46.图16是表示通过在传感头131内部的结构部件上构成反射面而构成为能够辨别短距离型的传感头131a和长距离型的传感头131b的传感头131的一个具体例的示意图。
47.图17a是表示通过在光纤上构成反射面而能够辨别传感头131的类型的一个具体例的示意图。
48.图17b是表示通过在控制器101侧的光纤的前端(端面)构成反射面而能够辨别传感头131的类型的一个具体例的示意图。
49.图18是表示构成为能够根据差拍信号中的峰的数量辨别短距离型的传感头131a和长距离型的传感头131b的传感头131的一个具体例的示意图。
50.图19是表示根据差拍信号中检测到的峰的数量辨别传感头131的类型、并设定与该辨别出的传感头131的类型对应的测量条件的测量条件设定方法m101的处理流程的流程图。
51.图20是表示本发明的第二实施方式涉及的光干涉测距传感器200的构成概要的示意图。
52.图21是表示辨别传感头131的类型、并设定与该辨别出的传感头131的类型对应的测量条件的测量条件设定方法m200的处理流程的流程图。
53.图22是表示使用测定光和参照光产生干涉光的干涉仪的变形的图。
54.附图标记说明
[0055]1…
传感器系统、10
…
位移传感器、11
…
控制设备、12
…
控制信号输入用传感器、
13
…
外部连接设备、20
…
传感头、21
…
物镜、22a～22c
…
准直透镜、23
…
透镜架、24
…
光纤阵列、30
…
控制器、31
…
显示部、32
…
设定部、33
…
外部接口(i/f)部、34
…
光纤连接部、35
…
外部存储部、36
…
测量处理部、40
…
光纤、51
…
波长扫描光源、52
…
光放大器、53、53a～53b
…
隔离器、54、54a～54e
…
光耦合器、55
…
衰减器、56a～56c
…
受光元件、58
…
ad转换部、59
…
处理部、60
…
平衡检测器、61
…
校正信号生成部、71a～71e
…
受光元件、72a～72c
…
放大电路、74a～74c
…
ad转换部、75
…
处理部、76
…
差动放大电路、77
…
校正信号生成部、100、200
…
光干涉测距传感器、101
…
控制器、110
…
波长扫描光源、120、121
…
光分支部、130
…
干涉仪、131、131a、131b
…
传感头、132、132a、132b
…
物镜、133a、133b
…
参照面、134a、134b、136a、136b、138、139
…
反射面、135a、135b
…
准直透镜、137a、137b
…
规定部件、140
…
受光部、141
…
受光电路、142
…
ad转换部、150
…
处理部、160
…
辨别单元、170、270
…
设定单元、210
…
校正信号生成部、t
…
测量对象物、lm
…
测定光路、lr
…
参照光路
具体实施方式
[0056]
以下，参照附图对本发明的优选的各实施方式进行具体说明。需要指出，以下说明的各实施方式终究只是列举用于实施本发明的具体的一例，并不限定性地解释本发明。另外，为了便于理解说明，有时在各附图中对相同的构成要素尽可能地标注相同的附图标记，并省略重复的说明。
[0057]
[位移传感器的概要]
[0058]
首先，对本公开涉及的位移传感器的概要进行说明。
[0059]
图1是表示本公开涉及的位移传感器10的概要的外观示意图。如图1所示，位移传感器10具备传感头20和控制器30，对测量对象物t的位移(到测量对象物t的距离)进行测量。
[0060]
传感头20与控制器30通过光纤40连接，在传感头20安装有物镜21。另外，控制器30包括显示部31、设定部32、外部接口(i/f)部33、光纤连接部34以及外部存储部35，进而内部具有测量处理部36。
[0061]
传感头20向测量对象物t照射从控制器30输出的光，并接收来自该测量对象物t的反射光。传感头20在内部具有参照面，该参照面用于使从控制器30输出并经由光纤40接收到的光反射并与来自上述测量对象物t的反射光干涉。
[0062]
需要指出，在传感头20安装有物镜21，但该物镜21为可拆装的构成。物镜21能够根据传感头20与测量对象物t的距离而更换为具有适当的焦距的物镜，或者也可以应用可变焦点的物镜。
[0063]
进而，在设置传感头20时，也可以向测量对象物t照射引导光(可见光)，将传感头20和/或测量对象物t设置为使测量对象物t适当地位于该位移传感器10的测量区域内。
[0064]
光纤40与配置于控制器30的光纤连接部34连接并延伸，将该控制器30与传感头20连接。由此，光纤40被构成为：将从控制器30投射的光引导到传感头20，进而将来自传感头20的返回光引导到控制器30。需要指出，光纤40能够相对于传感头20及控制器30进行拆装，在长度、粗细以及特性等方面可以应用各种光纤。
[0065]
显示部31例如由液晶显示器或有机el显示器等构成。在显示部31显示位移传感器10的设定值、来自传感头20的返回光的受光量、以及由位移传感器10测量出的测量对象物t
的位移(到测量对象物t的距离)等测量结果。
[0066]
设定部32例如通过用户操作机械式按钮或触摸面板等而进行对测量对象物t进行测量所需的设定。这些所需的设定中的全部或一部分可以预先设定，也可以从与外部i/f部33连接的外部连接设备(未图示)进行设定。另外，外部连接设备也可以经由网络以有线或者无线的方式连接。
[0067]
在此，外部i/f部33例如由ethernet(注册商标)、rs232c以及模拟输出等构成。也可以是，外部i/f部33与其他连接设备连接并从该外部连接设备进行所需的设定，或者将由位移传感器10测量出的测量结果等输出至外部连接设备。
[0068]
另外，也可以通过控制器30取入存储于外部存储部35的数据而进行对测量对象物t进行测量所需的设定。外部存储部35例如是usb(universal serial bus：通用串行总线)存储器等辅助存储装置，预先存储有对测量对象物t进行测量所需的设定等。
[0069]
控制器30中的测量处理部36例如包括边连续地改变波长边投射光的波长扫描光源、接收来自传感头20的返回光并转换为电信号的受光元件、以及处理电信号的信号处理电路等。在测量处理部36中，基于来自传感头20的返回光，使用控制部及存储部等进行各种处理，以最终算出测量对象物t的位移(到测量对象物t的距离)。关于这些处理的详细内容将在后面叙述。
[0070]
图2是表示通过本公开涉及的位移传感器10对测量对象物t进行测量的过程的流程图。如图2所示，该过程包括步骤s11～s14。
[0071]
在步骤s11中，设置传感头20。例如，从传感头20向测量对象物t照射引导光，将其作为参考而将传感头20设置于适当的位置。
[0072]
具体而言，也可以在控制器30中的显示部31显示来自传感头20的返回光的受光量，用户一边确认该受光量一边调整传感头20的朝向及与测量对象物t的距离(高度位置)等。基本来说，若可以对测量对象物t垂直地(以更接近于垂直的角度)照射来自传感头20的光，则来自该测量对象物t的反射光的光量大，来自传感头20的返回光的受光量也大。
[0073]
另外，也可以根据传感头20与测量对象物t的距离更换为具有适当焦距的物镜21。
[0074]
进而，在对测量对象物t进行测量时无法进行适当的设定的情况下(例如，无法得到测量所需的受光量、或者物镜21的焦距不适当等)，也可以将错误或者未完成设定等显示于显示部31，或者向外部连接设备输出，以通知用户。
[0075]
在步骤s12中，在对测量对象物t进行测量时设定各种测量条件。例如，通过用户操作控制器30中的设定部32来设定传感头20所具有的固有的校准数据(校正线性度的函数等)。
[0076]
另外，也可以设定各种参数。例如，设定采样时间、测量范围以及将测量结果设为正常还是设为异常的阈值等。进而，也可以根据测量对象物t的反射率及材质等测量对象物t的特性设定测定周期，以及设定与测量对象物t的材质相应的测定模式等。
[0077]
需要指出，这些测量条件及各种参数的设定通过操作控制器30中的设定部32来进行设定，但也可以从外部连接设备进行设定，还可以通过从外部存储部35取入数据而进行设定。
[0078]
在步骤s13中，利用在步骤s11中设置的传感头20，按照在步骤s12中设定的测量条件及各种参数对测量对象物t进行测量。
[0079]
具体而言，在控制器30的测量处理部36中，从波长扫描光源投射光，由受光元件接收来自传感头20的返回光，并通过信号处理电路进行频率分析、距离转换以及峰检测等，算出测量对象物t的位移(到测量对象物t的距离)。关于具体的测量处理的详细内容将在后面叙述。
[0080]
在步骤s14中，输出步骤s13中测量出的测量结果。例如，将步骤s13中测量出的测量对象物t的位移(到测量对象物t的距离)等显示于控制器30中的显示部31，或者向外部连接设备输出。
[0081]
另外，关于在步骤s13中测量出的测量对象物t的位移(到测量对象物t的距离)，也可以基于在步骤s12中设定的阈值，将是在正常的范围内还是异常也作为测量结果进行显示或者输出。进而，也可以将在步骤s12中设定的测量条件、各种参数以及测定模式等也一并进行显示或者输出。
[0082]
[包括位移传感器的系统的概要]
[0083]
图3是表示使用本公开涉及的位移传感器10的传感器系统1的概要的功能框图。如图3所示，传感器系统1具备位移传感器10、控制设备11、控制信号输入用传感器12以及外部连接设备13。需要指出，位移传感器10与控制设备11及外部连接设备13例如通过通信电缆或者外部连接线(例如包括外部输入线、外部输出线以及电源线等)连接，控制设备11与控制信号输入用传感器12通过信号线连接。
[0084]
如使用图1及图2所说明的，位移传感器10对测量对象物t的位移(到测量对象物t的距离)进行测量。然后，位移传感器10也可以将其测量结果等向控制设备11及外部连接设备13输出。
[0085]
控制设备11例如是plc(programmable logic controller：可编程逻辑控制器)，在位移传感器10对测量对象物t进行测量时，对该位移传感器10给予各种指示。
[0086]
例如，控制设备11基于来自与控制设备11连接的控制信号输入用传感器12的输入信号，可以向位移传感器10输出测定定时信号，也可以向位移传感器10输出复零命令信号(用于将当前的测量值设定为0的信号)等。
[0087]
控制信号输入用传感器12向控制设备11输出指示位移传感器10对测量对象物t进行测量的定时的接通/断开信号。例如，控制信号输入用传感器12只要设置于测量对象物t进行移动的生产线附近，检测测量对象物t移动来到规定位置，并向控制设备11输出接通/断开信号即可。
[0088]
外部连接设备13例如是pc(personal computer：个人计算机)，通过用户进行操作，可以对位移传感器10进行各种各样的设定。
[0089]
作为具体例，设定测定模式、动作模式、测定周期以及测量对象物t的材质等。
[0090]
作为测定模式的设定，选择在控制设备11内部周期性地开始测量的“内部同步测量模式”、或者根据来自控制设备11外部的输入信号开始测量的“外部同步测量模式”等。
[0091]
作为动作模式的设定，选择实际对测量对象物t进行测量的“运转模式”、或者设定用于对测量对象物t进行测量的测量条件的“调整模式”等。
[0092]
测定周期是对测量对象物t进行测定的周期，只要根据测量对象物t的反射率进行设定即可，但假如在测量对象物t的反射率低的情况下，如果延长测定周期而适当地设定测定周期，也可以适当地对测量对象物t进行测定。
[0093]
对于测量对象物t，选择适于作为反射光的成分而漫反射较多的情况的“粗糙面模式”、适于作为反射光的成分而镜面反射较多的情况的“镜面模式”、或者它们的中间的“标准模式”等。
[0094]
这样，通过根据测量对象物t的反射率及材质进行适当的设定，可以更高精度地对测量对象物t进行测量。
[0095]
图4是表示通过使用本公开涉及的位移传感器10的传感器系统1对测量对象物t进行测量的过程的流程图。如图4所示，该过程是上述外部同步测量模式时的过程，包括步骤s21～s24。
[0096]
在步骤s21中，传感器系统1检测作为测量的对象的测量对象物t。具体而言，控制信号输入用传感器12检测在生产线上测量对象物t移动来到规定位置。
[0097]
在步骤s22中，传感器系统1进行测量指示，以通过位移传感器10对步骤s21中检测到的测量对象物t进行测量。具体而言，控制信号输入用传感器12向控制设备11输出接通/断开信号，从而指示对在步骤s21中检测到的测量对象物t进行测定的定时，控制设备11基于该接通/断开信号向位移传感器10输出测定定时信号而进行测量指示，以对测量对象物t进行测量。
[0098]
在步骤s23中，通过位移传感器10对测量对象物t进行测量。具体而言，位移传感器10基于在步骤s22中接收到的测量指示对测量对象物t进行测量。
[0099]
在步骤s24中，传感器系统1输出在步骤s23中测量得到的测量结果。具体而言，位移传感器10将测量处理的结果显示于显示部31，或者经由外部i/f部33向控制设备11或者外部连接设备13等输出。
[0100]
需要指出，此处使用图4对通过控制信号输入用传感器12检测测量对象物t而对测量对象物t进行测量的外部同步测量模式时的过程进行了说明，但并不限定于此。例如，在内部同步测量模式的情况下，取代步骤s21及s22，而基于预先设定的周期生成测定定时信号，由此指示位移传感器10对测量对象物t进行测量。
[0101]
接着，对通过本公开涉及的位移传感器10对测量对象物t进行测量的原理进行说明。
[0102]
图5a是用于说明通过本公开涉及的位移传感器10对测量对象物t进行测量的原理的图。如图5a所示，位移传感器10具备传感头20及控制器30。传感头20包括物镜21和多个准直透镜22a～22c，控制器30包括波长扫描光源51、光放大器52、多个隔离器53及53a～53b、多个光耦合器54及54a～54e、衰减器55、多个受光元件(例如光电探测器(pd))56a～56c、多个放大电路57a～57c、多个模数(ad)转换部(例如模数转换器)58a～58c、处理部(例如处理器)59、平衡检测器60以及校正信号生成部61。
[0103]
波长扫描光源51投射对波长进行了扫描的激光。作为波长扫描光源51，例如若应用利用电流对vcsel(vertical cavity surface emitting laser：垂直腔面发射激光器)进行调制的方式，则由于谐振器长度短，因此不易引起跳模，容易使波长变化，可以以低成本实现。
[0104]
光放大器52将从波长扫描光源51投射的光放大。光放大器52例如应用edfa(erbium-doped fiber amplifier：掺铒光纤放大器)，例如也可以是1550nm专用的光放大器。
[0105]
隔离器53是使射入的光向一个方向透射的光学元件，为了防止由返回光产生的噪声的影响，也可以紧跟着波长扫描光源51之后配置。
[0106]
这样，从波长扫描光源51投射的光由光放大器52放大，并经由隔离器53而被光耦合器54分支到主干涉仪和副干涉仪。例如，在光耦合器54中，也可以以90：10～99：1的比例将光分支到主干涉仪和副干涉仪。
[0107]
分支到主干涉仪的光进而被第一级的光耦合器54a向传感头20的方向和第二级的光耦合器54b的方向分支。
[0108]
通过第一级的光耦合器54a向传感头20的方向分支的光在传感头20中从光纤的前端穿过准直透镜22a及物镜21而照射至测量对象物t。于是，该光纤的前端(端面)成为参照面，由该参照面反射的光与由测量对象物t反射的光发生干涉而生成干涉光并返回到第一级的光耦合器54a，然后，被受光元件56a接收并转换为电信号。
[0109]
通过第一级的光耦合器54a向第二级的光耦合器54b的方向分支的光经由隔离器53a而朝向第二级的光耦合器54b，通过该第二级的光耦合器54b进一步向传感头20的方向和第三级的光耦合器54c的方向分支。从光耦合器54b向传感头20的方向分支的光与第一级同样地在传感头20中从光纤的前端穿过准直透镜22b及物镜21而照射至测量对象物t。于是，该光纤的前端(端面)成为参照面，由该参照面反射的光与由测量对象物t反射的光发生干涉而生成干涉光并返回到第二级的光耦合器54b，通过该光耦合器54b分别向隔离器53a及受光元件56b的方向分支。从光耦合器54b向受光元件56b的方向分支的光被受光元件56b接收并转换为电信号。另一方面，隔离器53a使光从前级的光耦合器54a向后级的光耦合器54b透射，并阻断从后级的光耦合器54b向前级的光耦合器54a的光，因此，从光耦合器54b向隔离器53a的方向分支的光被阻断。
[0110]
通过第二级的光耦合器54b向第三级的光耦合器54c的方向分支的光经由隔离器53b而朝向第三级的光耦合器54c，并通过该第三级的光耦合器54c进一步向传感头20的方向和衰减器55的方向分支。从光耦合器54c向传感头20的方向分支的光与第一级及第二级同样地在传感头20中从光纤的前端穿过准直透镜22c及物镜21而照射至测量对象物t。于是，该光纤的前端(端面)成为参照面，由该参照面反射的光与由测量对象物t反射的光发生干涉而生成干涉光并返回到第三级的光耦合器54c，通过该光耦合器54c分别向隔离器53b及受光元件56c的方向分支。从光耦合器54c向受光元件56c的方向分支的光被受光元件56c接收并转换为电信号。另一方面，隔离器53b使光从前级的光耦合器54b向后级的光耦合器54c透射，并阻断从后级的光耦合器54c向前级的光耦合器54b的光，因此，从光耦合器54c向隔离器53b的方向分支的光被阻断。
[0111]
需要指出，通过第三级的光耦合器54c向非传感头20的方向分支的光不用于测量对象物t的测量，因此，例如可以通过终端器等衰减器55使其衰减，以防其反射返回。
[0112]
这样，主干涉仪具有三级的光路(三通道)，为分别将从传感头20的光纤的前端(端面)至测量对象物t的距离的两倍(往返)作为光路长度差的干涉仪，分别生成与光路长度差相应的三个干涉光。
[0113]
受光元件56a～56c如上所述接收来自主干涉仪的干涉光，生成与该接收到的受光量相应的电信号。
[0114]
放大电路57a～57c分别将从受光元件56a～56c输出的电信号放大。
[0115]
ad转换部58a～58c分别接收经放大电路57a～57c放大后的电信号，针对该电信号从模拟信号转换为数字信号(ad转换)。在此，ad转换部58a～58c基于来自副干涉仪中的校正信号生成部61的校正信号进行ad转换。
[0116]
在副干涉仪中，为了校正波长扫描光源51的扫描时的波长的非线性，用副干涉仪获取干涉信号，生成被称为k时钟的校正信号。
[0117]
具体而言，通过光耦合器54分支到副干涉仪的光进一步被光耦合器54d分支。在此，分支后的各光的光路例如构成为在光耦合器54d与光耦合器54e之间使用不同长度的光纤而具有光路长度差，从光耦合器54e输出与该光路长度差相应的干涉光。然后，平衡检测器60接收来自光耦合器54e的干涉光，通过取与其相反相位的信号的差分而一面除去噪声，一面将光信号放大并转换为电信号。
[0118]
需要指出，光耦合器54d及光耦合器54e均只要以50：50的比例将光分支即可。
[0119]
校正信号生成部61基于来自平衡检测器60的电信号掌握波长扫描光源51的扫描时的波长的非线性，生成与该非线性相应的k时钟，并输出至ad转换部58a～58c。
[0120]
根据波长扫描光源51的扫描时的波长的非线性，在主干涉仪中分别输入ad转换部58a～58c的模拟信号的波的间隔并非为等间隔。在ad转换部58a～58c中，以使波的间隔成为等间隔的方式基于上述k时钟对采样时间进行校正来进行ad转换(采样)。
[0121]
需要指出，k时钟如上所述是用于对主干涉仪的模拟信号进行采样的校正信号，因此，需要比主干涉仪的模拟信号更高频地生成。具体而言，可以使副干涉仪中的光耦合器54d与光耦合器54e之间设置的光路长度差比主干涉仪中的光纤的前端(端面)与测量对象物t之间设置的光路长度差长，也可以通过校正信号生成部61使频率倍增(例如8倍等)而高频化。
[0122]
处理部59获取分别通过ad转换部58a～58c一面被校正非线性一面被ad转换的数字信号，并基于该数字信号算出测量对象物t的位移(到测量对象物t的距离)。具体而言，在处理部59中，使用快速傅里叶转换(fft：fast fourier transform)对数字信号进行频率转换，通过对它们进行解析而算出距离。关于处理部59中的详细处理将在后面叙述。
[0123]
需要指出，在处理部59中，由于要求高速处理，因此，多数情况下通过fpga(field-programmable gate array：现场可编程门阵列)等集成电路实现。
[0124]
另外，此处在主干涉仪中设置三级的光路，通过传感头20从各个光路向测量对象物t照射测定光，并基于从各自得到的干涉光(返回光)测量到测量对象物t的距离等(多通道)。主干涉仪中的通道并不限定于三级，可以是一级或两级，也可以是四级以上。
[0125]
图5b是用于说明通过本公开涉及的位移传感器10对测量对象物t进行测量的另一原理的图。如图5b所示，位移传感器10具备传感头20及控制器30。传感头20包括物镜21和多个准直透镜22a～22c，控制器30包括波长扫描光源51、光放大器52、多个隔离器53及53a～53b、多个光耦合器54及54a～54j、衰减器55、多个受光元件(例如光电探测器(pd))56a～56c、多个放大电路57a～57c、多个模数(ad)转换部(例如模数转换器)58a～58c、处理部(例如处理器)59、平衡检测器60以及校正信号生成部61。图5b所示的位移传感器10主要在具备光耦合器54f～54j这一点上与图5a所示的位移传感器10的构成不同，关于基于该不同的构成的原理，边与图5a进行比较边进行详细说明。
[0126]
从波长扫描光源51投射的光被光放大器52放大，并经由隔离器53而被光耦合器54
分支到主干涉仪侧和副干涉仪侧，但被分支到主干涉仪侧的光进一步被光耦合器54f分支为测定光和参照光。
[0127]
如图5a中所说明的，通过第一级的光耦合器54a，测定光穿过准直透镜22a及物镜21而照射至测量对象物t，并被该测量对象物t反射。在此，在图5a中，将光纤的前端(端面)作为参照面，由该参照面反射的光与由测量对象物t反射的光发生干涉而生成干涉光，但在图5b中，未设置反射光的参照面。即，在图5b中，未产生如图5a那样在参照面反射的光，因此，由测量对象物t反射的测定光返回至第一级的光耦合器54a。
[0128]
同样地，从第一级的光耦合器54a向第二级的光耦合器54b的方向分支的光通过该第二级的光耦合器54b而穿过准直透镜22b及物镜21照射至测量对象物t，并被该测量对象物t反射而返回至第二级的光耦合器54b。从第二级的光耦合器54b向第三级的光耦合器54c的方向分支的光通过该第三级的光耦合器54c而穿过准直透镜22c及物镜21照射至测量对象物t，并被该测量对象物t反射而返回至第三级的光耦合器54c。
[0129]
另一方面，被光耦合器54f分支的参照光进一步被光耦合器54g向光耦合器54h、54i以及54j分支。
[0130]
在光耦合器54h中，从光耦合器54a输出的被测量对象物t反射的测定光与从光耦合器54g输出的参照光发生干涉而生成干涉光，并被受光元件56a接收而转换为电信号。换言之，通过光耦合器54f分支为测定光和参照光，生成与该测定光的光路(从光耦合器54f经由光耦合器54a、准直透镜22a、物镜21而被测量对象物t反射并到达光耦合器54h为止的光路)和该参照光的光路(从光耦合器54f经由光耦合器54g到达光耦合器54h为止的光路)的光路长度差相应的干涉光，该干涉光被受光元件56a接收而转换为电信号。
[0131]
同样地，在光耦合器54i中，生成与测定光的光路(从光耦合器54f经由光耦合器54a、54b、准直透镜22b、物镜21而被测量对象物t反射并到达光耦合器54i为止的光路)和参照光的光路(从光耦合器54f经由光耦合器54g到达光耦合器54i为止的光路)的光路长度差相应的干涉光，该干涉光被受光元件56b接收而转换为电信号。
[0132]
在光耦合器54j中，生成与测定光的光路(从光耦合器54f经由光耦合器54a、54b、54c、准直透镜22c、物镜21而被测量对象物t反射并到达光耦合器54j为止的光路)和参照光的光路(从光耦合器54f经由光耦合器54g到达光耦合器54j为止的光路)的光路长度差相应的干涉光，该干涉光被受光元件56c接收而转换为电信号。需要指出，受光元件56a～56c例如也可以是平衡光电探测器。
[0133]
这样，在主干涉仪中，具有三级的光路(三通道)，生成与分别被测量对象物t反射并输入光耦合器54h、54i以及54j的测定光和经由光耦合器54f及54g分别输入光耦合器54h、54i以及54j的参照光的光路长度差相应的三个干涉光。
[0134]
需要指出，例如，也可以将光耦合器54g与各光耦合器54h、54i以及54j的光路长度设定为不同，以使测定光与参照光的光路长度差在三通道中各不相同。
[0135]
然后，基于从各自得到的干涉光，测量到测量对象物t的距离等(多通道)。
[0136]
[传感头的结构]
[0137]
在此，对位移传感器10中使用的传感头的结构进行说明。
[0138]
图6a是表示传感头20的概略构成的立体图，图6b是表示传感头的内部结构的示意图。
[0139]
如图6a所示，传感头20的物镜21及准直透镜被容纳于透镜架23。例如，关于透镜架23的尺寸，包围物镜21的一边的长度为20mm左右，光轴方向上的长度为40mm左右。
[0140]
如图6b所示，在透镜架23中容纳有一个物镜21及三个准直透镜22a～22c。来自光纤的光构成为经由光纤阵列24而被引导至三个准直透镜22a～22c，进而，穿过三个准直透镜22a～22c的光经由物镜21而照射至测量对象物t。
[0141]
这样，这些光纤、准直透镜22a～22c以及光纤阵列24与物镜21一起通过透镜架23保持，构成传感头20。
[0142]
另外，构成传感头20的透镜架23也可以由高强度且能够高精度地加工的金属(例如a2017)制作。
[0143]
图7是用于说明控制器30中的信号处理的框图。如图7所示，控制器30具备多个受光元件71a～71e、多个放大电路72a～72c、多个ad转换部74a～74c、处理部75、差动放大电路76以及校正信号生成部77。
[0144]
在控制器30中，如图5a所示，通过光耦合器54将从波长扫描光源51投射的光分支到主干涉仪和副干涉仪，对由各自得到的主干涉信号及副干涉信号进行处理，由此算出到测量对象物t的距离值。
[0145]
多个受光元件71a～71c相当于图5a所示的受光元件56a～56c，分别接收来自主干涉仪的主干涉信号，并作为电流信号分别输出至放大电路72a～72c。
[0146]
多个放大电路72a～72c将电流信号转换(i-v转换)为电压信号并放大。
[0147]
多个ad转换部74a～74c相当于图5a所示的ad转换部58a～58c，基于来自后述的校正信号生成部77的k时钟将电压信号转换(ad转换)为数字信号。
[0148]
处理部75相当于图5a所示的处理部59，使用fft将来自ad转换部74a～74c的数字信号转换为频率，对它们进行解析，算出到测量对象物t的距离值。
[0149]
多个受光元件71d～71e及差动放大电路76相当于图5a所示的平衡检测器60，分别接收副干涉仪中的干涉光，另一方面，输出相位反相后的干涉信号，通过取两个信号的差分而一面除去噪声，一面将干涉信号放大并转换为电压信号。
[0150]
校正信号生成部77相当于图5a所示的校正信号生成部61，利用比较器将电压信号二值化，生成k时钟，并输出至ad转换部74a～74c。k时钟需要比主干涉仪的模拟信号更高频地生成，因此，也可以通过校正信号生成部77使频率倍增(例如8倍等)而高频化。
[0151]
图8是表示由控制器30中的处理部59执行的算出到测量对象物t的距离的方法的流程图。如图8所示，该方法包括步骤s31～s34。
[0152]
在步骤s31中，处理部59使用下述fft将波形信号(电压vs时间)频率转换为频谱(电压vs频率)。图9a是表示波形信号(电压vs时间)被频率转换为频谱(电压vs频率)的情形的图。
[0153]
[数学式1]
[0154][0155]
n：数据数量
[0156]
在步骤s32中，处理部59将频谱(电压vs频率)距离转换为频谱(电压vs距离)。图9b
是表示频谱(电压vs频率)被距离转换为频谱(电压vs距离)的情形的图。
[0157]
在步骤s33中，处理部59基于频谱(电压vs距离)算出与峰对应的距离值。图9c是表示基于频谱(电压vs距离)检测峰并算出与其对应的距离值的情形的图。如图9c所示，在此，在三通道中，分别基于频谱(电压vs距离)检测峰，分别算出与峰对应的距离值。
[0158]
在步骤s34中，处理部59将在步骤s33中算出的距离值平均化。具体而言，处理部59由于在步骤s33中对于三通道分别基于频谱(电压vs距离)检测峰，并算出与其对应的距离值，因此，将它们平均化，将该平均化后的计算结果作为到测量对象物t的距离加以输出。
[0159]
需要指出，在步骤s34中，优选处理部59在对步骤s33中算出的距离值进行平均化时，将snr为阈值以上的距离值平均化。例如，在三通道中的任一通道中，虽然基于其频谱(电压vs距离)检测峰，但在snr小于阈值的情况下，判断为基于该频谱算出的距离值的可靠性低，从而不采用。
[0160]
接着，关于本公开，围绕更特征性的构成、功能以及性质，作为具体的实施方式进行详细说明。需要指出，以下所示的光干涉测距传感器相当于使用图1至图9c说明的位移传感器10，该光干涉测距传感器中包含的基本构成、功能以及性质的全部或者一部分与使用图1至图9c说明的位移传感器10中包含的构成、功能以及性质通用。
[0161]
＜第一实施方式＞
[0162]
[光干涉测距传感器的构成]
[0163]
图10是表示本发明的第一实施方式涉及的光干涉测距传感器100的构成概要的示意图。如图10所示，光干涉测距传感器100具备波长扫描光源110、光分支部120、干涉仪130、受光部140、处理部150、辨别单元160以及设定单元170。需要指出，干涉仪130包括具有物镜132的传感头131，受光部140包括受光电路141及ad转换部142，受光电路141包括受光元件。
[0164]
波长扫描光源110、光分支部120、受光部140以及处理部150包含于控制器101中。辨别单元160及设定单元170可以作为由处理部150执行的功能而被包含，也可以另外具备控制部等，为由该控制部执行的功能。
[0165]
波长扫描光源110直接或经由其他部件(光放大器52、隔离器53、光耦合器54等)间接地与光分支部120连接，边连续改变波长边投射光。换言之，从波长扫描光源110投射的光的波长持续变化。
[0166]
从波长扫描光源110投射的光经由光分支部120及光纤被供给至干涉仪130。
[0167]
光分支部120例如由光耦合器、循环器等构成，将从波长扫描光源110投射的光供给至干涉仪130，进而，将来自干涉仪130的返回光引导到受光部140。进而，在光分支部120使用2
×
2的光耦合器等的情况下，对于向另一方分支的光，也可以具备衰减器等，用于使该光衰减而减少朝向光耦合器的返回光。
[0168]
在干涉仪130中，包括具有物镜132的传感头131，供给至干涉仪130的光经由光纤输入传感头131。输入传感头131的光的一部分作为测定光经由物镜132照射至测量对象物t，并被测量对象物t反射。于是，由测量对象物t反射的测定光被传感头131的物镜132聚光而输入传感头131。另外，输入传感头131的光的另一部分作为参照光被设置于光纤前端的参照面反射。于是，通过测定光和参照光相干涉，从而生成与测定光和参照光的光路长度差相应的干涉光，该干涉光从干涉仪130输出。
[0169]
需要指出，传感头131也可以具有配置于光纤的前端与物镜132之间的准直透镜，
还可以不配置物镜132而配置准直透镜。
[0170]
从干涉仪130输出的干涉光经由光分支部120被受光部140接收并转换为电信号。具体而言，受光部140具有包括受光元件的受光电路141及ad转换部142，受光电路141例如包括作为光电探测器的受光元件，接收从光分支部120输出的光，并转换为与受光量相应的电信号。ad转换部142将该电信号从模拟信号转换为数字信号。
[0171]
处理部150基于经受光部140转换后的数字信号算出从传感头131至测量对象物t的距离。例如，处理部150是由fpga等集成电路实现的处理器，使用fft对输入的各数字信号进行频率转换，基于其算出到测量对象物t的距离。
[0172]
需要指出，从传感头131至测量对象物t的距离典型地是指从传感头131的前端至测量对象物t的距离，处理部150算出该距离，但并不限定于此。例如，作为从传感头131至测量对象物t的距离，处理部150也可以算出从与传感头131连接的光纤的前端至测量对象物t的距离、从配置于传感头131的物镜132至测量对象物t的距离、或者从传感头131内部预先设定的基准位置至测量对象物t的距离等。
[0173]
在此，对到测量对象物t的测量距离、传感头131的类型以及处理部150中的电路频带进行说明。
[0174]
图11是表示到测量对象物t的测量距离、传感头131的类型以及处理部150中的电路频带的关系性的一个具体例。如图11的(a)所示，在到测量对象物t的测量距离短的情况下，使用基于相对于测量对象物t的焦距具有适当的物镜132a的短距离型的传感头131a。另一方面，如图11的(b)所示，在到测量对象物t的测量距离长的情况下，使用基于相对于测量对象物t的焦距具有适当的物镜132b的长距离型的传感头131b。
[0175]
在图11的(a)中，在控制器101中，处理部150基于由受光部140接收到的干涉光检测其信号峰。处理部150基于该信号峰的频率算出从传感头131a至测量对象物t的距离，但此处为了在处理部150中适当地算出到测量对象物t的距离，需要在处理部150中设定测量条件，以使基于由受光部140接收的干涉光的信号峰的频率进入该受光部140的电路频带。即，适当地设定与短距离型的传感头131a对应的测量条件。
[0176]
另一方面，在图11的(b)中，在到测量对象物t的测量距离长而使用长距离型的传感头131b的情况下，认为在处理部150中，在高频带中检测到基于由受光部140接收的干涉光的信号峰的频率。在此，假设设定与上述短距离型对应的测量条件，则无法检测基于由受光部140接收的干涉光的信号峰的频率，有可能在处理部150中无法适当地算出从传感头131b至测量对象物t的距离。即，在处理部150中，需要与长距离型对应地设定测量条件，以使基于由受光部140接收的干涉光的信号峰的频率进入该受光部140的电路频带。
[0177]
也就是说，辨别传感头131的类型是短距离型的传感头131a还是长距离型的传感头131b，并设定与该辨别出的传感头的类型对应的测量条件。
[0178]
[关于传感头的类型辨别]
[0179]
辨别单元160基于以干涉仪130生成的差拍信号(beat signal)辨别传感头131的类型。
[0180]
图12是表示构成为能够辨别短距离型的传感头131a和长距离型的传感头131b的传感头131的一个具体例的示意图。如图12的(a)所示，经由光纤输入传感头131a的光的一部分作为测定光照射至测量对象物t，并被测量对象物t反射。此外，输入传感头131a的光的
另一部分作为参照光被设置于光纤前端的参照面133a反射。基于该测定光及参照光生成干涉光，从传感头131a至测量对象物t的距离作为信号峰被检测。
[0181]
另外，经由光纤输入传感头131a的光的其他再一部分被形成于物镜132a的反射面134a反射。于是，基于该反射光及上述参照光生成差拍信号(干涉光)，传感头131a内(具体是比传感头131a的前端位置lh更靠参照面133a侧的位置)的物镜132a(具体是反射面134a)的位置lp作为信号峰被检测出。
[0182]
需要指出，形成于物镜132a的反射面134a可以形成于物镜132a的表面，也可以形成于背面。另外，反射面134a可以通过对物镜132a实施局部反射涂布而形成，例如也可以通过利用反射率微小(5％以下左右)的菲涅尔反射而形成。
[0183]
同样地，在图12的(b)中，也在传感头131b内(具体是比传感头131b的前端位置lh更靠参照面133b侧的位置)的物镜132b上形成有反射面134b，经由光纤输入传感头131b的光的其他再一部分被形成于物镜132b的反射面134b反射。于是，基于该反射光及上述参照光生成差拍信号(干涉光)，传感头131b内的物镜132b(具体是反射面134b)的位置lp作为信号峰被检测出。
[0184]
这样，通过包括传感头131a或传感头131b的干涉仪130生成差拍信号，该差拍信号被受光部140接收，并如图12的(a)及图12的(b)所示检测信号峰。
[0185]
例如通过将配置于短距离型的传感头131a内的物镜132a与配置于长距离型的传感头131b内的物镜132b配置于不同的位置，辨别单元160能够根据差拍信号的峰来辨别传感头131的类型。
[0186]
[关于与传感头的类型对应的测量条件]
[0187]
设定单元170设定与通过辨别单元160辨别出的传感头131的类型对应的测量条件。返回图11，如图11的(b)所示，作为在处理部150中设定的测量条件，例如调整波长扫描光源110的扫描比例，以使基于由受光部140接收的干涉光的信号峰的频率为高频带、且进入该受光部140的电路频带。
[0188]
在此，扫描比例由每扫描时间的频率扫描宽度表示，基于fmcw(frequency-modulated continuous wave：调频连续波)方式中的频率扫描宽度和扫描时间，通过扫描比例α＝δf/t(δf：频率扫描宽度，t：扫描时间)来计算。对相干fmcw(frequency-modulated continuous wave)进行详细说明。
[0189]
图13是用于说明相干fmcw的图。如上所述，从波长扫描光源110边连续改变波长(频率)边投射光，基于照射测量对象物t并被反射的测定光与被光纤的前端即参照面反射的参照光的光路长度差产生干涉光。
[0190]
如图13所示，关于从波长扫描光源110投射的光，测定光通过从参照光延迟与光路长度差相应的量而产生干涉。然后，作为具有测定光与参照光的频率之差即拍频(beat frequency)的差拍信号(干涉光)被受光部140接收。以拍频fb＝δf/t
·
2ln/c求出(δf：频率扫描宽度，t：扫描时间，l：从光纤前端(参照面)至测量对象物t的距离，n：光路差中的折射率，c：光速)。
[0191]
再次返回图11，如图11的(b)所示，对于在处理部150中设定的测量条件，只要将扫描比例α(δf/t)调整为变小，以使基于由受光部140接收的干涉光的信号峰的频率(拍频)进入该受光部140的电路频带即可。
[0192]
[与传感头的类型对应的测量条件设定方法]
[0193]
接着，关于设定与传感头131的类型对应的测量条件的测量条件设定方法，对其处理的流程进行具体说明。
[0194]
图14是表示辨别传感头131的类型并设定与该辨别出的传感头131的类型对应的测量条件的测量条件设定方法m100的处理流程的流程图。如图14所示，测量条件设定方法m100包括步骤s110～s150，各步骤由光干涉测距传感器100所包括的处理器执行。
[0195]
在步骤s110中，辨别单元160在到传感头的前端位置lh为止的范围内检测基于由受光部140接收的干涉光的信号峰。
[0196]
在步骤s120中，辨别单元160算出与在步骤s110中检测到的信号峰对应的距离lp。
[0197]
在步骤s130中，辨别单元160基于在步骤s120中算出的距离(位置)lp，辨别是设定为短距离型的传感头131a还是设定为长距离型的传感头131b。
[0198]
作为具体例，在短距离型的传感头131a中，例如预先将物镜132a(反射面134a)配置为使lp＝l1，在长距离型的传感头131b中，例如预先将物镜132b(反射面134b)配置为使lp＝l2。在此，关于在步骤s120中算出的距离lp，通过对|lp-l1|与|lp-l2|进行比较，从而判定lp接近(相当于)l1或l2哪一者。
[0199]
当在步骤s130中判定为距离lp相当于l1时(步骤s130中为“是”)，辨别单元160辨别为用作传感头131的是短距离型的传感头131a。然后，在步骤s140中，设定单元170设定与短距离型的传感头131a对应的测量条件。作为具体例，设定单元170设定波长扫描光源110的扫描比例α1作为与短距离型的传感头131a对应的测量条件。
[0200]
另一方面，当在步骤s130中判定为距离lp相当于l2时(步骤s130中为“否”)，辨别单元160辨别为用作传感头131的是长距离型的传感头131b。然后，在步骤s150中，设定单元170设定与长距离型的传感头131b对应的测量条件。作为具体例，设定单元170设定波长扫描光源110的扫描比例α2作为与长距离型的传感头131b对应的测量条件。
[0201]
需要指出，测量条件设定方法m100可以在对测量对象物t进行测量时设定测量条件的时机例如开始测量前执行，也可以每当对测量对象物t进行测量时一次次地执行。
[0202]
如上所述，根据本发明的第一实施方式涉及的光干涉测距传感器100，辨别单元160基于由干涉仪130生成的差拍信号，针对传感头131的类型辨别是短距离型还是长距离型。然后，设定单元170调整作为与由辨别单元160辨别出的传感头131的类型对应的测量条件的扫描比例。由此，可以根据到测量对象物t的测量距离设定适当的测量条件，可以适当地测量到测量对象物t的测量距离。对于用户而言，减轻确认传感头131的类型、或者每次都手动设定与其对应的测量条件的作业。
[0203]
需要指出，在使用图12说明的传感头131a及131b中，采用了在光纤的前端与物镜132a及132b之间配置准直透镜的构成。由此，射入物镜132a及132b的入射光是准直光，因此，物镜132a及132b中形成反射面134a及134b的位置的自由度高。
[0204]
另外，短距离型的传感头131a及长距离型的传感头131b并不限定于图12所示的构成，只要是能够基于由干涉仪130生成的差拍信号辨别传感头131的类型的构成，则也可以为其他的构成。以下，举例示出能够辨别传感头131的类型的构成。
[0205]
[能够识别传感头131的类型的具体例]
[0206]
(具体例1)
[0207]
图15是表示通过配置准直透镜而构成为能够辨别短距离型的传感头131a和长距离型的传感头131b的传感头131的一个具体例的示意图。如图15所示，在短距离型的传感头131a及长距离型的传感头131b中未配置物镜而分别配置有准直透镜135a及135b。
[0208]
在准直透镜135a及135b的一部分上分别形成有反射面136a及136b，反射面136a及136b将经由光纤输入传感头131a及131b的光的一部分反射。
[0209]
于是，通过将配置于短距离型的传感头131a内的准直透镜135a和配置于长距离型的传感头131b内的准直透镜135b配置于不同的位置，辨别单元160可以基于差拍信号的峰辨别传感头131的类型。
[0210]
在使用图15说明的传感头131a及131b中，由于是未配置物镜的简单的构成，因此，可以容易地检测差拍信号的峰。
[0211]
(具体例2)
[0212]
图16是表示通过在传感头131内部的结构部件上构成反射面而构成为能够辨别短距离型的传感头131a和长距离型的传感头131b的传感头131的一个具体例的示意图。如图16所示，在短距离型的传感头131a及长距离型的传感头131b中配置有各自的壳体内部的规定部件137a及137b。
[0213]
规定部件137a及137b形成为：在短距离型的传感头131a及长距离型的传感头131b各自的壳体内部，将经由光纤输入传感头131a及131b的光的一部分反射。
[0214]
于是，通过将配置于短距离型的传感头131a内的规定部件137a与配置于长距离型的传感头131b内的规定部件137b配置于不同的位置，辨别单元160可以根据差拍信号的峰辨别传感头131的类型。
[0215]
在使用图16说明的传感头131a及131b中，不需要在准直透镜、物镜上形成反射面，仅通过将规定部件137a及137b配置为对输入传感头131a及131b的光的一部分进行反射，便可以容易地检测差拍信号的峰。
[0216]
需要指出，规定部件137a及137b也可以利用构成短距离型的传感头131a及长距离型的传感头131b的部件的一部分，还可以作为用于生成差拍信号的峰的部件另行形成。
[0217]
(具体例3)
[0218]
图17a是表示通过在光纤构成反射面而能够辨别传感头131的类型的一个具体例的示意图。如图17a所示，在向传感头131供给光的光纤的内部而不是在传感头131的内部形成反射面138。具体而言，反射面138可以通过对光纤的连结部分实施局部反射涂布而形成。
[0219]
例如，在使用短距离型的传感头131a或长距离型的传感头131b时，若在所连接的光纤中各不相同的位置形成反射面138，辨别单元160便可以基于差拍信号的峰辨别传感头131的类型。
[0220]
需要指出，例如在斐索干涉仪的情况下，由于光纤的前端(端面)位于光路差0的位置，因此，差拍信号的峰从该光路差0的位置向传感头131的前端侧折返而出现。
[0221]
图17b是表示通过在控制器101侧的光纤的前端(端面)构成反射面而能够辨别传感头131的类型的一个具体例的示意图。如图17b所示，在向传感头131供给光的光纤的控制器101侧的前端(端面)而不是在传感头131的内部形成反射面139。具体而言，反射面139可以通过对控制器101侧的光纤的前端(端面)实施局部反射涂布而形成。
[0222]
需要指出，例如在斐索干涉仪的情况下，由于光纤的前端(端面)位于光路差0的位
置，因此，差拍信号的峰从该光路差0的位置向传感头131的前端侧折返与光路长度相应的量而出现。
[0223]
利用这一点，在使用短距离型的传感头131a或长距离型的传感头131b时，若使用长度(光路长度)不同的光纤，辨别单元160便可以根据差拍信号的峰辨别传感头131的类型。
[0224]
如上所述，在包括准直透镜、物镜以及其他构成部件的传感头131的内部、此外在光纤的内部及端面形成反射面，在干涉仪130中生成差拍信号。在使用短距离型的传感头131a或长距离型的传感头131b时，若构成为在差拍信号中检测出不同的峰，辨别单元160便可以根据差拍信号的峰辨别传感头131的类型。
[0225]
需要指出，在构成为在差拍信号中检测不同的峰的情况下，也可以将使用图12以及图15～图17b说明的构成相组合。例如，在使用短距离型的传感头131a的情况下，在传感头131a内部配置规定部件137a(图16)，在使用长距离型的传感头131b的情况下，在光纤的内部形成反射面138(图17a)，等等。
[0226]
(具体例4)
[0227]
图18是表示构成为能够根据差拍信号中的峰的数量辨别短距离型的传感头131a和长距离型的传感头131b的传感头131的一个具体例的示意图。如图18所示，短距离型的传感头131a和长距离型的传感头131b采用不同的构成，不是根据在干涉仪130中生成的差拍信号的峰的频率(位置、距离)，而是根据峰的数量辨别传感头131的类型。
[0228]
具体而言，如图18的(a)所示，短距离型的传感头131a具有准直透镜135a及物镜132a。经由光纤输入传感头131a的光的一部分被形成于准直透镜135a的反射面136a及形成于物镜132a的反射面134a反射。于是，基于这些反射光中的各个反射光和被设置于光纤前端的参照面133a反射的参照光生成差拍信号(干涉光)。其结果是，在传感头131a内(具体是比传感头131a的前端位置lh更靠参照面133a侧的位置)，准直透镜135a(具体是反射面136a)的位置lp1及物镜132a(具体是反射面134a)的位置lp2作为信号峰而被检测到。
[0229]
另一方面，如图18的(b)所示，长距离型的传感头131b具有准直透镜135b，不具有物镜。经由光纤输入传感头131b的光的一部分被形成于准直透镜135b的反射面136b反射。于是，基于该反射光和被设置于光纤的前端的参照面133b反射的参照光生成差拍信号(干涉光)。其结果是，在传感头131b内(具体是比传感头131b的前端位置lh更靠参照面133b侧的位置)，准直透镜135b(具体是反射面136b)的位置lp作为信号峰而被检测到。
[0230]
这样，短距离型的传感头131a具有准直透镜135a及物镜132a，长距离型的传感头131b具有准直透镜135b，由此，辨别单元160可以根据在差拍信号中检测到的峰的数量辨别传感头131的类型。
[0231]
图19是表示根据在差拍信号中检测到的峰的数量辨别传感头131的类型、并设定与该辨别出的传感头131的类型对应的测量条件的测量条件设定方法m101的处理流程的流程图。如图19所示，测量条件设定方法m101包括步骤s111、s131、s140以及s150，各步骤由光干涉测距传感器100所包括的处理器执行。
[0232]
在步骤s111中，辨别单元160在到传感头的前端位置lh为止的范围内检测基于由受光部140接收的干涉光的信号峰。例如，辨别单元160可以检测信号强度为规定值以上的信号峰。
[0233]
在步骤s131中，辨别单元160判定在步骤s111中检测到的信号峰数。
[0234]
作为具体例，在短距离型的传感头131a中，预先以信号峰数＝2的方式配置准直透镜135a及物镜132a(例如图18的(a))，在长距离型的传感头131b中，预先以信号峰数＝1的方式配置准直透镜135b(例如图18的(b))。
[0235]
然后，辨别单元160针对在步骤s111中检测出的信号峰数，判定是否为信号峰数＝2，辨别是设定为短距离型的传感头131a还是设定为长距离型的传感头131b。
[0236]
当在步骤s131中判定为信号峰数＝2时(步骤s131中为“是”)，辨别单元160辨别为用作传感头131的是短距离型的传感头131a。然后，在步骤s140中，设定单元170设定与短距离型的传感头131a对应的测量条件。作为具体例，设定单元170设定波长扫描光源110的扫描比例α1作为与短距离型的传感头131a对应的测量条件。
[0237]
另一方面，当在步骤s131中判定为不是信号峰数＝2时(步骤s131中为“否”)，辨别单元160辨别为用作传感头131的是长距离型的传感头131b。然后，在步骤s150中，设定单元170设定与长距离型的传感头131b对应的测量条件。作为具体例，设定单元170设定波长扫描光源110的扫描比例α2作为与长距离型的传感头131b对应的测量条件。
[0238]
需要指出，在本实施方式中，辨别单元160辨别使用短距离型的传感头131a和长距离型的传感头131b中的哪一种类型的传感头，但包括辨别可以在一个传感头131中切换使用短距离型及长距离型的传感头。例如，即使在使用通过在一个传感头131中变更(配置、增加以及删除)准直透镜、物镜以及壳体内部的规定部件的构成而能够切换短距离型及长距离型的传感头131的情况下，辨别单元160也可以辨别传感头131。
[0239]
＜第二实施方式＞
[0240]
接着，在本发明的第二实施方式中，对取代第一实施方式中说明的扫描比例、或者在此基础上设定其他测量条件的设定单元进行说明。在本实施方式中，对于与第一实施方式涉及的光干涉测距传感器100相同的构成，在附图中标注相同的附图标记而省略详细的说明，主要对与第一实施方式不同的构成进行说明。
[0241]
图20是表示本发明的第二实施方式涉及的光干涉测距传感器200的构成概要的示意图。如图20所示，光干涉测距传感器200具备波长扫描光源110、光分支部120、干涉仪130、受光部140、处理部150、辨别单元160以及设定单元270。需要指出，干涉仪130包括具有物镜132的传感头131，受光部140包括受光电路141及ad转换部142，受光电路141包括受光元件。进而，光干涉测距传感器200具备将从波长扫描光源110投射的光分支到主干涉仪(干涉仪130)和副干涉仪的光分支部121(例如光耦合器)。
[0242]
如使用图5a、图5b以及图7所说明的，副干涉仪用于校正波长扫描光源110扫描时的波长的非线性，校正信号生成部210生成被称为k时钟的校正信号，并输出至ad转换部142。在ad转换部142中，基于该校正信号对从干涉仪130接收到的干涉光进行ad转换(采样)，因此，波长扫描光源110扫描时的波长的非线性被校正。
[0243]
处理部150基于由ad转换部142进行ad转换后的数字信号算出从传感头131至测量对象物t的距离，此时，若由ad转换部142进行ad转换时的采样点数不足，则有时会无法适当地算出。即，为了适当地算出到测量对象物t的距离，在由ad转换部142进行ad转换的信号中，需要在其每一周期获取适当的采样点数。
[0244]
在此，如本发明的第一实施方式中所说明的，在到测量对象物t的测量距离短的情
况下，通过辨别单元160辨别为使用短距离型的传感头131a，在到测量对象物t的测量距离长的情况下，通过辨别单元160辨别为使用长距离型的传感头131b。
[0245]
设定单元270基于由辨别单元160辨别出的传感头131的类型控制校正信号生成部210，以调整校正信号的倍频的程度。例如，设定单元270在由辨别单元160辨别为使用短距离型的传感头131a的情况下，将校正信号的频率设为四倍频，在由辨别单元160辨别为使用长距离型的传感头131b的情况下，将校正信号的频率设为八倍频即可。
[0246]
需要指出，校正信号的频率并不限定于四倍频及八倍频，为了适当地算出到测量对象物t的距离，只要调整为可以在由ad转换部142进行ad转换的信号中获取适当的采样点数的倍增程度即可。
[0247]
进而，在调整校正信号的倍频的程度时，也可以考虑本发明的第一实施方式中说明的波长扫描光源110的扫描比例。例如，在以使基于由受光部140接收的干涉光的信号峰的频率进入该受光部140的电路频带的方式，作为处理部150中设定的测量条件而例如调整了波长扫描光源110的扫描比例的情况下，也可以与此相应地调整校正信号的倍频的程度。
[0248]
[与传感头的类型对应的测量条件设定方法]
[0249]
接着，关于设定与传感头131的类型对应的测量条件的测量条件设定方法，对其处理的流程进行具体说明。
[0250]
图21是表示辨别传感头131的类型并设定与该辨别出的传感头131的类型对应的测量条件的测量条件设定方法m200的处理流程的流程图。如图21所示，测量条件设定方法m200包括步骤s110～s130、s240以及s250，各步骤由光干涉测距传感器100所包括的处理器执行。
[0251]
步骤s110～s130与本发明的第一实施方式中的测量条件设定方法m100是同样的。
[0252]
当通过辨别单元160辨别为用作传感头131的是短距离型的传感头131a时(步骤s130中为“是”)，在步骤s240中，设定单元270设定与短距离型的传感头131a对应的测量条件。作为具体例，设定单元270设定波长扫描光源110的扫描比例α1，并设定校正信号的倍频m1，作为与短距离型的传感头131a对应的测量条件。
[0253]
另一方面，在通过辨别单元160辨别为用作传感头131的是长距离型的传感头131b时(步骤s130中为“否”)，在步骤s250中，设定单元270设定与长距离型的传感头131b对应的测量条件。作为具体例，设定单元270设定波长扫描光源110的扫描比例α2，并设定校正信号的倍频m2，作为与长距离型的传感头131b对应的测量条件。
[0254]
如上所述，根据本发明的第二实施方式涉及的光干涉测距传感器200，辨别单元160基于由干涉仪130生成的差拍信号，针对传感头131的类型辨别是短距离型还是长距离型。然后，作为与由辨别单元160辨别出的传感头131的类型对应的测量条件，设定单元270取代扫描比例或者在此基础上调整校正信号的倍频的程度。由此，可以根据到测量对象物t的测量距离设定适当的测量条件，可以适当地测量到测量对象物t的测量距离。对于用户而言，减轻确认传感头131的类型、或者每次都手动设定与其对应的测量条件的作业。
[0255]
[干涉仪的变形例]
[0256]
在上述各实施方式中，光干涉测距传感器100及200使用通过在干涉仪130中将光纤的前端作为参照面而产生参照光的斐索干涉仪，但干涉仪并不限定于此。
[0257]
图22是表示使用测定光和参照光产生干涉光的干涉仪的变形的图。在图22的(a)
中，在通过光分支部120分支后的光路中，基于以光纤的前端(端面)为参照面的参照光与从传感头照射并被测量对象物t反射的测定光的光路长度差生成干涉光。也可以构成为：呈上述各本实施方式涉及的光干涉测距传感器100及200的干涉仪130的构成(斐索干涉仪)，该参照面通过光纤与空气的折射率的差异而反射光(菲涅尔反射)。另外，也可以在光纤的前端涂布反射膜，还可以在光纤的前端实施无反射涂布，并另行配置透镜面等反射面。
[0258]
在图22的(b)中，在通过光分支部120分支后的光路中，形成向测量对象物t引导测定光的测定光路lm和引导参照光的参照光路lr，并在参照光路lr的最前部配置有参照面(迈克尔逊干涉仪)。参照面可以是在光纤的前端涂布反射膜，也可以在光纤的前端实施无反射涂布，并另行配置反射镜等。在该构成中，通过在测定光路lm的光路长度与参照光路lr的光路长度间设置光路长度差而生成干涉光。
[0259]
在图22的(c)中，在通过光分支部120分支后的光路中，形成向测量对象物t引导测定光的测定光路lm和引导参照光的参照光路lr，并在参照光路lr中配置有平衡检测器(马赫-曾德尔干涉仪)。在该构成中，通过在测定光路lm与参照光路lr的光路长度间设置光路长度差而生成干涉光。
[0260]
这样，干涉仪并不限定于在各实施方式中说明的斐索型干涉仪，例如，也可以是迈克尔逊干涉仪、马赫-曾德尔干涉仪，只要能够通过设定测定光与参照光的光路长度差而产生干涉光，则也可以应用任意的干涉仪，还可以应用它们的组合等或其他的构成。
[0261]
需要指出，在本发明的各实施方式中，光干涉测距传感器100及200作为单通道进行了说明，但并不限定于此，例如，也可以使用多个光耦合器等使从波长扫描光源110投射的光分支而构成为多级式的光干涉测距传感器。本发明也能够应用于多级式的光干涉测距传感器。
[0262]
以上说明的实施方式是为了便于理解本发明，并非用于限定解释本发明。实施方式所具备的各要素及其配置、材料、条件、形状及尺寸等不限定于所例示的内容，可以适当地变更。另外，可以将不同实施方式中示出的构成彼此部分地替换或组合。
[0263]
[附录]
[0264]
一种光干涉测距传感器(100)，具备：
[0265]
光源(110)，边改变波长边投射光；
[0266]
干涉仪(130)，被供给从所述光源投射的光，并生成基于测定光和参照光的干涉光，所述测定光是通过传感头照射到测量对象物并被反射的光，所述参照光是沿至少一部分与所述测定光不同的光路行进的光；
[0267]
受光部(140)，接收来自所述干涉仪的干涉光并转换为电信号；
[0268]
处理部(150)，基于经所述受光部转换后的电信号，算出从所述传感头至所述测量对象物的距离；
[0269]
辨别单元(160)，基于由所述干涉仪生成的差拍信号，辨别所述传感头；以及
[0270]
设定单元(170)，设定与通过所述辨别单元辨别出的所述传感头对应的测量条件。

技术特征：
1.一种光干涉测距传感器，具备：光源，边改变波长边投射光；干涉仪，被供给从所述光源投射的光，并生成基于测定光和参照光的干涉光，所述测定光是通过传感头照射到测量对象物并被反射的光，所述参照光是沿至少一部分与所述测定光不同的光路行进的光；受光部，接收来自所述干涉仪的干涉光并转换为电信号；处理部，基于经所述受光部转换后的电信号，算出从所述传感头至所述测量对象物的距离；辨别单元，基于以所述干涉仪生成的差拍信号辨别所述传感头；以及设定单元，设定与通过所述辨别单元辨别出的所述传感头对应的测量条件。2.根据权利要求1所述的光干涉测距传感器，其中，所述设定单元基于通过所述辨别单元辨别出的所述传感头，针对从所述光源投射的光调整由每扫描时间的频率扫描宽度表示的扫描比例。3.根据权利要求1或2所述的光干涉测距传感器，其中，所述光干涉测距传感器还具备校正信号生成部，所述校正信号生成部生成在将通过所述受光部接收到的干涉光转换为电信号时用于进行采样的校正信号，所述设定单元基于通过所述辨别单元辨别出的所述传感头，调整所述校正信号的倍频的程度。4.根据权利要求1或2所述的光干涉测距传感器，其中，所述辨别单元基于所述差拍信号的峰频率及峰数中的至少一方来辨别所述传感头。5.根据权利要求1或2所述的光干涉测距传感器，其中，所述差拍信号是通过从所述光源投射并向所述干涉仪供给的光的一部分在该干涉仪中被具有所形成的反射面的部件反射而生成的。6.根据权利要求5所述的光干涉测距传感器，其中，所述反射面形成于所述传感头的内部。7.根据权利要求6所述的光干涉测距传感器，其中，所述反射面形成于所述传感头所包括的物镜。8.根据权利要求6或7所述的光干涉测距传感器，其中，所述反射面形成于所述传感头所包括的准直透镜。9.根据权利要求5所述的光干涉测距传感器，其中，所述反射面形成于向所述传感头供给从所述光源投射的光的光纤内部。

技术总结
本发明提供能够根据到测量对象物的测量距离设定适当的测量条件的光干涉测距传感器。光干涉测距传感器(100)具备：光源(110)，边改变波长边投射光；干涉仪(130)，被供给从光源投射的光，并生成基于测定光和参照光的干涉光，测定光是通过传感头(131)照射到测量对象物(T)并被反射的光，参照光是沿至少一部分与测定光不同的光路行进的光；受光部(140)，接收来自干涉仪的干涉光并转换为电信号；处理部(150)，基于经受光部转换后的电信号，算出从传感头至测量对象物的距离；辨别单元(160)，基于以干涉仪生成的差拍信号辨别传感头；以及设定单元(170)，设定与通过辨别单元辨别出的传感头对应的测量条件。头对应的测量条件。头对应的测量条件。


技术研发人员：木村和哉 早川雅之 长崎裕介 儿岛清志朗
受保护的技术使用者：欧姆龙株式会社
技术研发日：2023.02.27
技术公布日：2023/9/13