特開 2024-63972 測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024063972

(43)【公開日】2024-05-14

(54)【発明の名称】測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/00 20060101AFI20240507BHJP

【ＦＩ】

G01B11/00 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022172198

(22)【出願日】2022-10-27

(71)【出願人】

【識別番号】000151494

【氏名又は名称】株式会社東京精密

(74)【代理人】

【識別番号】100083116

【弁理士】

【氏名又は名称】松浦 憲三

(74)【代理人】

【識別番号】100170069

【弁理士】

【氏名又は名称】大原 一樹

(74)【代理人】

【識別番号】100128635

【弁理士】

【氏名又は名称】松村 潔

(74)【代理人】

【識別番号】100140992

【弁理士】

【氏名又は名称】松浦 憲政

(72)【発明者】

【氏名】川田 善之

(72)【発明者】

【氏名】松田 和也

【テーマコード（参考）】

2F065

【Ｆターム（参考）】

2F065AA06

2F065AA53

2F065BB05

2F065DD05

2F065FF01

2F065FF10

2F065GG23

2F065GG24

2F065HH02

2F065HH03

2F065HH13

2F065LL02

2F065LL67

2F065MM03

2F065QQ21

2F065QQ29

(57)【要約】

【課題】 光源から出力される多波長光を導光するときの漏れ量を抑制し、導光量を増加させることが可能な測定装置を提供する。
【解決手段】 測定装置は、入射端側の受光面積が出射端側よりも大きいテーパ光ファイバを含み、光源から出力された多波長光を入射端側から取り込んで導光する導光路と、導光路を通じて導光される多波長光を光軸上の複数の位置で合焦させ、光軸上の測定対象物からの多波長光の反射光を受光するプローブと、反射光から、多波長光のうち測定対象物の表面で合焦して反射された成分を検出する分光器とを備える。
【選択図】 図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

入射端側の受光面積が出射端側よりも大きいテーパ光ファイバを含み、光源から出力された多波長光を前記入射端側から取り込んで導光する導光路と、
前記導光路を通じて導光される多波長光を光軸上の複数の位置で合焦させ、前記光軸上の測定対象物からの前記多波長光の反射光を受光するプローブと、
前記反射光から、前記多波長光のうち前記測定対象物の表面で合焦して反射された成分を検出する分光器と、
を備える測定装置。

【請求項2】

前記光源と前記導光路の前記入射端との間に配置された導光光学系を備える、請求項１に記載の測定装置。

【請求項3】

前記導光光学系は、複数枚のレンズを含み、前記複数枚のレンズの開口数が前記光源側に配置されたレンズほど大きい、請求項２に記載の測定装置。

【請求項4】

前記導光路に設けられた光分岐器であって、前記光源からの前記多波長光を前記プローブ側に導光し、前記測定対象物からの前記反射光を前記プローブ側から前記分光器側に導光する光分岐器を備え、
前記テーパ光ファイバの前記入射端側の端部は、前記光分岐器の前記プローブ側のポートに接続され、
前記光源と前記光分岐器との間の光ファイバと、前記分光器と前記光分岐器との間の光ファイバの口径が、前記テーパ光ファイバの前記入射端側の端部の口径と略等しい、請求項１から３のいずれか１項に記載の測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は測定装置に係り、特に色収差（軸上色収差）を利用して測定対象物の表面を測定する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

色収差を利用して、測定対象物の表面高さを測定する技術が知られている。例えば、特許文献１には、測定対象物の表面に多波長光を照射し、表面で焦点を結ぶ波長の光を検出することにより、測定対象物の表面高さを測定する共焦点ポイントセンサが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００９－１２２１０５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

図８は、色収差を利用した測定装置の例を示す構成図である。図８に示すように、測定対象物Ｗの平面を測定する場合、異なる複数の波長（色）の光を含む多波長光をコントローラ１０Ｐから出力し、光ファイバＦ及びプローブ５０Ｐを介して測定対象物Ｗに向けて照射する。プローブ５０Ｐから照射される多波長光は、色収差により光軸ＡＸ上の異なる位置で焦点（図中の○）を結ぶ。コントローラ１０Ｐの分光器２０Ｐは、測定対象物Ｗに照射した多波長光の反射光のうち、測定対象物Ｗの表面で合焦した波長の光を検出する。

【0005】

ここで、多波長光としては、波長域が広い広帯域光（例えば、白色光）が使用されるが、広帯域光は、直進性が悪く、拡散しやすいという性質がある。測定対象物Ｗから戻ってくる反射光のうち、測定対象物Ｗの表面で合焦した波長の光を検出するためには、光ファイバＦのプローブ５０Ｐ側の開口ＡＰを小さくする必要がある。この場合、光ファイバＦが細くなり、光源１２Ｐから出力される多波長光の光ファイバＦの入力端Ｆｉｎへの導光効率が低下する。

【0006】

入力端Ｆｉｎへの多波長光の導光量を確保するためには、光源１２Ｐの出力を上げることが考えられるが、光源１２Ｐの出力上昇による導光量の増加の効率は１％満たず、効率が悪い。

【0007】

そして、光源１２Ｐから出力される多波長光のうち、光ファイバＦの入力端Ｆｉｎに導光されずに漏れた成分は、光源１２Ｐの周囲に配置された分光器２０Ｐ等に影響を与える場合がある。

【0008】

例えば、光源１２Ｐとして２０２ｍＷの光源の光源を使用した場合、約２００ｍＷが光ファイバＦ内に導光されずに周囲に漏れてしまう。分光器２０Ｐの筐体が約２００ｍＷの漏れ光のうち約２分の１を１時間吸収した場合、外界との熱の出入がなく、分光器２０Ｐの筐体が鉄系の材料約２００ｇからなると仮定すると、その温度は筐体全体の平均で約５℃上昇する。実際には、分光器２０Ｐ内の各部品の材料特性、形状及び位置により温度ムラが発生するが、筐体の温度が平均で約５℃上昇した場合、一例で、温度変化が大きい箇所で約６℃、小さい箇所で約４℃上昇する。

【0009】

図９～図１１は、温度ムラの影響を説明するための図である。図９に示すように、反射型の回折格子２２Ｐは、第１支持部材３０に支持されており、第２支持部材３２により回折格子２２Ｐの一部（縁部）が押さえられている。第１支持部材３０と第２支持部材３２は、ねじ３４により固定されている。回折格子２２Ｐは、第１支持部材３０を貫通するねじ３６により第１支持部材３０の載置面に対して傾いている。

【0010】

第１支持部材３０、第２支持部材３２、ねじ３４及び３６が鉄系材料からなり、ねじ３６のみが周囲より温度が２℃低くなったと仮定すると、ねじ３６による回折格子２２Ｐの持ち上げ量Δ＝約２ｍｍが約０．０４μｍ小さくなる。このとき、回折格子２２Ｐのサイズ（Ｒ）を２５ｍｍとすると、回折格子２２Ｐがθ＝約１．６ｍｒａｄ傾いてしまう。

【0011】

回折格子２２Ｐが約１．６ｍｒａｄ傾くと、図１０に示すように、回折格子２２ＰからＤ＝１００ｍｍ先の位置では、回折格子２２Ｐによる反射光の照射位置がｄ＝約１６０μｍずれる。

【0012】

図１１は、光検出器２４Ｐの例を示している。図１１に示す光検出器２４Ｐは、画素数（Ｎ）が１，０２４画素、画素サイズ（ｐ１×ｐ２）が７μｍ×２００μｍのラインセンサである。光の照射位置の１６０μｍのずれは光検出器２４Ｐでは２２画素分のずれになる。光検出器２４Ｐの１，０２４画素をすべて測定レンジに割り当てたと仮定すると、２２／１，０２４＝約２％の測定誤差になる。

【0013】

なお、上記の例では、回折格子２２Ｐのドリフトのみについて説明したが、回折格子２２Ｐ以外の光学素子についても、同様にドリフトが生じ得る。

【0014】

上記のように、色収差を利用した測定では、測定対象物Ｗの表面で合焦した波長の光を検出するためには、光ファイバＦのプローブ５０Ｐ側の開口ＡＰを小さくする必要があるが、光ファイバＦを細くすると、多波長光の入射漏れが生じる。光源１２Ｐから出力される多波長光の漏れに起因する温度ムラにより、光学素子のドリフトが生じ、測定精度が低下するという問題があった。

【0015】

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、光源から出力される多波長光を導光するときの漏れ量を抑制し、導光量を増加させることが可能な測定装置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】

【0016】

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様に係る測定装置は、入射端側の受光面積が出射端側よりも大きいテーパ光ファイバを含み、光源から出力された多波長光を入射端側から取り込んで導光する導光路と、導光路を通じて導光される多波長光を光軸上の複数の位置で合焦させ、光軸上の測定対象物からの多波長光の反射光を受光するプローブと、反射光から、多波長光のうち測定対象物の表面で合焦して反射された成分を検出する分光器とを備える。

【0017】

本発明の第２の態様に係る測定装置は、第１の態様において、光源と導光路の入射端との間に配置された導光光学系を備える。

【0018】

本発明の第３の態様に係る測定装置は、第２の態様において、導光光学系が、複数枚のレンズを含み、複数枚のレンズの開口数が光源側に配置されたレンズほど大きくなっている。

【0019】

本発明の第４の態様に係る測定装置は、第１から第３の態様のいずれかにおいて、導光路に設けられた光分岐器であって、光源からの多波長光をプローブ側に導光し、測定対象物からの反射光をプローブ側から分光器側に導光する光分岐器を備え、テーパ光ファイバの入射端側の端部は、光分岐器のプローブ側のポートに接続され、光源と光分岐器との間の光ファイバと、分光器と光分岐器との間の光ファイバの口径が、テーパ光ファイバの入射端側の端部の口径と略等しい。

【発明の効果】

【0020】

本発明によれば、導光路にテーパ光ファイバを設けることにより、光源から出力される多波長光を導光するときの漏れ量を抑制し、導光量を増加させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】図１は、本発明の第１の実施形態に係る測定装置を示す構成図である。

【図2】図２は、テーパ光ファイバの入射端付近を拡大して示す図である。

【図3】図３は、本発明の第１の実施形態に係る測定装置の制御系を示すブロック図である。

【図4】図４は、本発明の第２の実施形態に係る測定装置におけるテーパ光ファイバの入射端付近を拡大して示す図である。

【図5】図５は、本発明の第３の実施形態に係る測定装置を示す構成図である。

【図6】図６は、反射光の線幅を細くした場合の検出信号の変化を示すグラフである。

【図7】図７は、本発明の第４の実施形態に係る測定装置を示す構成図である。

【図8】図８は、色収差を利用した測定装置の例を示す構成図である。

【図9】図９は、温度ムラの影響を説明するための図である。

【図10】図１０は、温度ムラの影響を説明するための図である。

【図11】図１１は、温度ムラの影響を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、添付図面に従って測定装置の実施の形態について説明する。

【0023】

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る測定装置を示す構成図である。図１に示すように、本実施形態に係る測定装置１は、コントローラ１０と、プローブ５０とを含んでいる。

【0024】

測定装置１は、異なる複数の波長（色）の光を含む多波長光Ｌ１（例えば、広帯域光又は白色光）をコントローラ１０から出力し、プローブ５０により測定対象物Ｗに向けて多波長光Ｌ１を照射する。プローブ５０から照射される多波長光Ｌ１は、対物レンズ５６により集光されて、色収差（軸上色収差）により光軸ＡＸ上の異なる位置で焦点を結ぶ。測定装置１は、コントローラ１０の分光器２０により、測定対象物Ｗに照射した多波長光Ｌ１の反射光Ｌ２のうち、測定対象物Ｗの表面で合焦した波長の光を検出する。これにより、プローブ５０から測定対象物Ｗの表面までの距離、又は測定対象物Ｗの表面に垂直な方向（Ｚ方向）の変位を高精度で測定することができる。

【0025】

図１に示すように、コントローラ１０は、光源１２、導光光学系１４、光ファイバＦ１、Ｆ２、Ｆ３及びＦ５、コネクタＣ１、Ｃ３及びＣ５、光分岐器Ｃ２並びに分光器２０を含んでいる。光ファイバＦ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４及びＦ５、コネクタＣ１、Ｃ３、Ｃ４及びＣ５、光分岐器Ｃ２は、導光路の一例である。

【0026】

光源１２は、異なる複数の波長（色）の光を含む多波長光Ｌ１（例えば、広帯域光又は白色光）を出力可能な光源であり、例えば、発光ダイオード（Light-Emitting Diode：ＬＥＤ）又はハロゲンランプである。光源１２から出力された多波長光Ｌ１は、導光光学系１４を介して光ファイバＦ１の入射端Ｆ１ｉｎに導光される。

【0027】

光ファイバＦ１は、入射端Ｆ１ｉｎの方が出射端Ｆ１ｏｕｔよりも口径（コアの径）が大きいテーパ光ファイバである。

【0028】

図２は、テーパ光ファイバＦ１の入射端Ｆ１ｉｎ付近を拡大して示す図である。図２に示すように、導光光学系１４は、レンズ１４０及び１４２を含んでおり、上流側（光源１２側）から、光源１２、レンズ１４０及び１４２、光ファイバＦ１の入力端Ｆ１ｉｎの順番で配置されている。

【0029】

光源１２側のレンズ１４０は、光ファイバＦ１側のレンズ１４２よりも開口数（Numerical Aperture）が大きく、光源１２から出力される多波長光Ｌ１を高効率で取り込むことが可能となっている。

【0030】

一方、レンズ１４２は、レンズ１４０により取り込まれた多波長光Ｌ１を、光ファイバＦ１の入射端Ｆ１ｉｎの口径（コア径）に合わせて導光することが可能な開口数に調整されている。

【0031】

光ファイバＦ１は、入射端Ｆ１ｉｎの口径が大きく、受光面積が大きくなっており、光源１２からの多波長光Ｌ１の漏れを抑制可能となっている。ここで、光ファイバＦ１の入射端Ｆ１ｉｎにおけるコア径は一例で４００μｍであり、開口数は一例で０．５である。

【0032】

なお、図２に示す例では、導光光学系１４は、開口数が大きいレンズ１４０と、開口数が小さいレンズ１４２の２段階で構成されているが、これに限定されない。導光光学系１４は、例えば、開口数が上流側から順次小さくなる３段階以上のレンズ群を含んでいてもよい。

【0033】

また、図２では、レンズ１４０及び１４２は、それぞれ１枚のレンズとして図示しているが、これに限定されない。レンズ１４０及び１４２は、例えば、複数枚のレンズ又は光学素子を組み合わせた構成であってもよい。

【0034】

上記のように、開口数が上流側から段階的に小さくなるように設計された導光光学系１４により、光ファイバＦ１の大口径の入射端Ｆ１ｉｎに多波長光Ｌ１を集光させることができる。これにより、光源１２から出力される多波長光Ｌ１を高効率で取り込むことができ、かつ、多波長光Ｌ１を光ファイバＦ１に導光するときの漏れを抑制することが可能になる。

【0035】

図１に示すように、多波長光Ｌ１は、光ファイバＦ１の入射端Ｆ１ｉｎから取り込まれた後、出射端Ｆ１ｏｕｔに取り付けられたコネクタＣ１を通過し、下流側の光ファイバＦ２～Ｆ５に順次導光される。

【0036】

光ファイバＦ１の出射端Ｆ１ｏｕｔは、コネクタＣ１を介して光ファイバＦ２と、その下流の光ファイバＦ３～Ｆ５に接続されている。本実施形態では、構成の簡略化のため、光ファイバＦ２～Ｆ５の口径は、光ファイバＦ１の出射端Ｆ１ｏｕｔの口径と略等しいものとするが、口径が互いに異なる構成とする（例えば、下流側の光ファイバほど口径を大きくする）ことも可能である。

【0037】

なお、図１に示す例では、光ファイバＦ１及びＦ２と、光ファイバＦ３及びＦ４とは、それぞれコネクタＣ１及びＣ３を介して接続されているが、これに限定されない。例えば、光ファイバＦ１及びＦ２を１本の光ファイバ（テーパ光ファイバ）としてコネクタＣ１を省略してもよい。同様に、光ファイバＦ３及びＦ４を１本の光ファイバとしてコネクタＣ３を省略してもよい。

【0038】

光ファイバＦ１に入力された多波長光Ｌ１は、コネクタＣ１、光ファイバＦ２、光分岐器Ｃ２、光ファイバＦ３、コネクタＣ３、光ファイバＦ４及びコネクタＣ４を順次通過してプローブ５０に入力される。

【0039】

図１に示すように、プローブ５０は、プローブ筐体５２と、プローブ筐体５２内に配置されたレンズ５４及び対物レンズ（集光レンズ）５６とを含んでいる。

【0040】

プローブ５０に入力された多波長光Ｌ１は、レンズ５４を介して対物レンズ５６に導光され、対物レンズ５６を介して測定対象物Ｗに向けて照射される。ここで、対物レンズ５６から照射された多波長光Ｌ１は異なる複数の波長（色）の光を含んでおり、多波長光Ｌ１を構成する光の焦点距離はそれぞれの波長（色）に応じて異なっている。このため、対物レンズ５６から照射された多波長光Ｌ１を構成する光は、色収差により、多波長光Ｌ１の光軸ＡＸ上の複数の位置に焦点を結ぶ。

【0041】

プローブ５０から測定対象物Ｗに照射された多波長光Ｌ１のうち、測定対象物Ｗの表面で焦点を結んだ光は、測定対象物Ｗの表面で反射された後、光ファイバＦ４の開口ＡＰの位置で焦点を結ぶように構成されている。すなわち、測定対象物Ｗの表面の焦点位置と光ファイバＦ４の開口ＡＰの位置とは光学的に共役の関係になっている。

【0042】

一方、プローブ５０から測定対象物Ｗに照射された多波長光Ｌ１のうち、測定対象物Ｗの表面以外の位置で焦点を結んだ光は、測定対象物Ｗの表面で反射された後、光ファイバＦ４の開口ＡＰの位置では焦点を結ばない。すなわち、プローブ５０から測定対象物Ｗに照射された多波長光Ｌ１のうち、測定対象物Ｗの表面以外の位置で焦点を結んだ光は、光ファイバＦ４の開口ＡＰ付近で拡散する。

【0043】

測定対象物Ｗに照射された多波長光Ｌ１のうち、測定対象物Ｗの表面で焦点を結んだ光の反射光は、光ファイバＦ４の開口ＡＰの位置で合焦するため、反射光のほぼすべてを光ファイバＦ４内に導光可能となっている。一方、測定対象物Ｗの表面以外の位置で焦点を結んだ光は、光ファイバＦ４の開口ＡＰ付近で拡散する（散乱される）ため、光ファイバＦ４への導光効率が低くなる。したがって、測定対象物Ｗから戻って光ファイバＦ４内に導光された反射光Ｌ２では、測定対象物Ｗの表面で焦点を結んだ光の成分の光強度（信号レベル）が、表面以外の位置で焦点を結んだ光の成分の光強度よりも高くなる。ここで、光ファイバＦ４の開口ＡＰは、測定対象物Ｗの表面で焦点を結んだ光を選択的に通過させる空間フィルタ又はピンホールとして機能する。

【0044】

測定対象物Ｗから戻ってきた反射光Ｌ２は、開口ＡＰを通って光ファイバＦ４内に導光された後、光ファイバＦ４及びコネクタＣ３を順次通過してコントローラ１０に戻る。そして、反射光Ｌ２は、光ファイバＦ３を通過した後、光分岐器Ｃ２に到達する。

【0045】

光分岐器Ｃ２は、３つのポートを有しており、各ポートに接続された光ファイバＦ２、Ｆ３及びＦ５の間の導光経路を構成する。光分岐器Ｃ２は、例えば、光カプラ、スプリッタ又は光サーキュレータである。光分岐器Ｃ２は、光ファイバＦ２を介して入力される多波長光Ｌ１を光ファイバＦ３に導光し、光ファイバＦ３を介して入力される反射光Ｌ２を光ファイバＦ５に導光する。

【0046】

光ファイバＦ５に導光された反射光Ｌ２は、コネクタＦ５を通って分光器２０に入力される。

【0047】

分光器２０は、分光素子２２及び光検出器２４を含んでおり、反射光Ｌ２を波長成分（色成分）ごとに分光し、光強度が最大となる波長（色）を検出する。

【0048】

分光素子２２は、反射光Ｌ２を波長成分（色成分）ごとの光（以下、単色光という。）に分光するための光学素子である。図１には、分光素子２２が反射型の回折素子として図示されているが、これに限定されない。分光素子２２は、例えば、透過型の回折格子又はプリズムであってもよい。

【0049】

光検出器２４は、分光素子２２によって単色光に分光された反射光Ｌ２を検出するための光学素子であり、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）又はＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）である。

【0050】

光検出器２４は、分光素子２２によって分光された光の照射方向に沿って１次元状（ライン状）に画素が配列されたラインセンサである。分光素子２２によって分光された単色光は、その波長に応じて、互いに異なる角度で反射されて光検出器２４の各画素に入力される。

【0051】

なお、本実施形態では、光検出器２４をラインセンサとしたが、２次元状に画素が配列されたものであってもよい。２次元センサにおいて単色光ごとの光強度を求める場合には、例えば、反射光Ｌ２が分光される方向に対して垂直な方向に画素値を加算するようにしてもよい。

【0052】

上記のように、反射光Ｌ２は、光ファイバＦ４の開口ＡＰにおいてフィルタリングされるため、測定対象物Ｗの表面で焦点を結んだ光の成分の光強度が、表面以外の位置で焦点を結んだ光の成分の光強度よりも高くなる。したがって、光検出器２４では、測定対象物Ｗの表面で焦点を結んだ光の成分が入射する画素の出力が最大となる。

【0053】

図１に示すグラフは、光検出器２４の出力の例であり、横軸が単色光の波長又は画素（ピクセル）の位置であり、縦軸が単色光の光強度である。光検出器２４の画素の位置（座標）は、入射する単色光の波長又は色に対応する。

【0054】

測定装置１によれば、光検出器２４の出力が最大になる画素を特定し、この画素に対応する波長を特定することにより、プローブ５０から測定対象物Ｗの表面までの距離、又は測定対象物Ｗの表面の変位を高精度で測定することができる。

【0055】

図３は、本実施形態に係る測定装置の制御系を示すブロック図である。図３に示すように、測定装置１のコントローラ１０は、光源１２及び分光器２０に加えて、制御部１００、操作部１０２、表示部１０４及び駆動部１０６を含んでいる。

【0056】

制御部１００は、測定装置１の各部を制御する装置であり、プロセッサ（例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）及びストレージデバイス（例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）等）を含んでいる。

【0057】

操作部１０２は、ユーザからの操作入力を受け付けるための装置であり、例えば、キーボード及びポインティングデバイスを含んでいる。

【0058】

表示部１０４は、測定装置１の操作のためのＧＵＩ（Graphical User Interface）等を表示するディスプレイ（例えば、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等）を含んでいる。

【0059】

駆動部１０６は、測定対象物Ｗが載置されるステージに対してプローブ５０を移動させる駆動機構（例えば、直線移動のための機構（ボールねじ機構）及び回転移動のためのモータ等）を含んでいる。駆動部１０６によりプローブ５０を移動させることにより、測定対象物Ｗに対する多波長光Ｌ１の照射位置を調整することができる。

【0060】

なお、本実施形態では、駆動部１０６によりプローブ５０を移動させるようにしたが、これに限定されない。例えば、駆動部１０６は、ステージを移動させる機構を備えていてもよい。すなわち、駆動部１０６は、プローブ５０と測定対象物Ｗの相対位置を調整できる構成であればよい。

【0061】

測定対象物Ｗの表面の測定を行う際には、制御部１００は、光源１２を制御して多波長光Ｌ１を出力させる。

【0062】

光源１２から出力された多波長光Ｌ１は、光源１２側の方が開口数が大きい導光光学系１４により効率的に取り込まれた後、テーパ光ファイバＦ１の大口径の入力端Ｆ１ｉｎに効率的に導光される。テーパ光ファイバＦ１により取り込まれた多波長光Ｌ１は、プローブ５０から測定対象物Ｗに照射されて反射光Ｌ２として分光器２０に導光される。

【0063】

制御部１００は、例えば、単色光の波長又は色と、単色光が入射する光検出器２４の画素との対応関係を示すルックアップテーブルをストレージデバイス内に記憶している。なお、分光器２０内の温度とドリフト量との関係を示す補正用のルックアップテーブルを制御部１００のストレージデバイスに記憶して、波長の補正に使用してもよい。

【0064】

制御部１００は、分光器２０における検出結果に基づき、測定対象物Ｗの表面で焦点を結んだ光の成分の波長（色）を特定し、プローブ５０から測定対象物Ｗの表面までの距離、又は測定対象物Ｗの表面の変位を高精度で測定する。

【0065】

制御部１００は、操作部１０２からの操作入力又は測定制御のためのプログラム等に応じて、駆動部１０６の駆動制御を行って、測定対象物Ｗに対する多波長光Ｌ１の照射位置を変更して測定を繰り返す。これにより、測定対象物Ｗの表面の形状等の測定を行うことができる。

【0066】

本実施形態によれば、開口数が上流側から段階的に小さくなる導光光学系１４と、テーパ光ファイバＦ１を用いることにより、光源１２から出力される多波長光Ｌ１を高効率で取り込むことができ、かつ、多波長光Ｌ１を光ファイバＦ１に導光するときの漏れを抑制することが可能になる。これにより、光ファイバ（Ｆ１～Ｆ５）を通して導光される多波長光Ｌ１及び反射光Ｌ２の導光量を増加させることができる。

【0067】

ところで、本実施形態において、光検出器２４による単色光の検出と光強度の測定を高速化するためには、光検出器２４（ラインセンサ）における積分時間（信号の蓄積時間）を短縮することが考えられる。しかしながら、積分時間を短縮すると、Ｓ／Ｎ比（Signal-to-Noise ratio）が低下し、測定精度が低下してしまう。本実施形態によれば、光ファイバＦ１～Ｆ５を通して導光される多波長光Ｌ１及び反射光Ｌ２の導光量を上げることができるので、積分時間を短縮してもＳ／Ｎ比を確保することができる。

【0068】

さらに、本実施形態によれば、反射光Ｌ２の導光量の増加により、積分時間を短縮しても単色光の検出信号（電荷）を確保することができ、測定分解能を向上させることができる。

【0069】

また、本実施形態によれば、光強度の測定を高速化することができるので、高速測定を繰り返し、測定結果を平均化する処理を容易に行うことができる。これにより、測定分解能をより向上させることができる。例えば、光強度のピーク値をＫ回求めて平均化したとすると、繰り返し回数に応じて誤差が小さくなり（１／Ｋ^１／２）、分解能が更に良くなる。また、光強度の波形をＲＡＭ又はストレージデバイスに保存して平均化してからピーク値を求めることも可能であり、同様に分解能を改善することができる。

【0070】

［第２の実施形態］
図４は、本発明の第２の実施形態に係る測定装置におけるテーパ光ファイバの入射端付近を拡大して示す図である。なお、以下の説明において、上記の実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

【0071】

図４に示す例では、導光光学系１４を設けず、光源１２からの多波長光Ｌ１がテーパ光ファイバＦ１の入力端Ｆ１ｉｎに直接導光される。

【0072】

本実施形態においても、テーパ光ファイバＦ１を用いることにより、多波長光Ｌ１を光ファイバＦ１に導光するときの漏れを抑制することが可能になる。

【0073】

具体的には、光ファイバＦ１に対する多波長光Ｌ１の導光量は、光ファイバＦ１の入力端Ｆ１ｉｎのコア径の２乗に比例する。光ファイバＦ１の入力端Ｆ１ｉｎのコア径が図８～図１１の例の８倍であると仮定すると、多波長光Ｌ１の導光量が約６４倍改善することになる。この場合、分光器２０内の光学素子（分光素子２２及び光検出器２４等）のドリフト量は約３分の１になる。

【0074】

上記のように、本実施形態によれば、多波長光Ｌ１を光ファイバＦ１に導光するときの漏れを抑制することができ、分光器２０内の光学素子（分光素子２２及び光検出器２４等）のドリフト量を減少させることができる。これにより、測定対象物Ｗの表面の測定精度を高めることができる。

【0075】

［第３の実施形態］
図５は、本発明の第３の実施形態に係る測定装置を示す構成図である。なお、以下の説明において、上記の実施形態と同様の構成については、同一又は添字を付した符号を付して説明を省略する。

【0076】

図５に示すように、本実施形態に係る測定装置１Ａでは、コントローラ１０Ａとプローブ５０とをつなぐ光ファイバＦ４Ａがテーパ光ファイバとなっている。そして、光ファイバＦ４Ａでは、コントローラ１０ＡのコネクタＣ３Ａに接続されるコントローラ側端部の口径が、プローブ５０のコネクタＣ４Ａに接続されるプローブ側端部の口径よりも大きくなっている。

【0077】

光分岐器Ｃ２Ａの３つのポートに接続される３本の光ファイバ（光源１２と光分岐器Ｃ２Ａとの間の光ファイバＦ１Ａ、光分岐器Ｃ２ＡとコネクタＣ３Ａとの間の光ファイバＦ３Ａ、及び光分岐器Ｃ２Ａと分光器２０のコネクタＣ５Ａとの間の光ファイバＦ５Ａ）の口径は、光ファイバＦ４Ａのコントローラ側端部の口径と略等しくなっている。光ファイバＦ１Ａ、Ｆ３Ａ、Ｆ４Ａ及びＦ５Ａ、コネクタＣ３Ａ、Ｃ４Ａ及びＣ５Ａ、光分岐器Ｃ２Ａは、導光路の一例である。

【0078】

本実施形態においても、光源１２からの多波長光Ｌ１が入力される光ファイバＦ１Ａが大口径であるため、多波長光Ｌ１を光ファイバＦ１Ａに導光するときの漏れを抑制することが可能になる。

【0079】

また、本実施形態によれば、光分岐器Ｃ２Ａの３つのポートに接続される３本の光ファイバＦ１Ａ、Ｆ３Ａ及びＦ５Ａの口径を光ファイバＦ４Ａのコントローラ側端部の口径と略等しい大口径とすることができる。光分岐器Ｃ２Ａ（例えば、光カプラ）は、コア径が大きくなるほど波長域が広がるため、多波長光Ｌ１の波長域の広帯域化が容易になる。多波長光Ｌ１の波長域を広帯域化すれば、プローブ５０により多波長光Ｌ１を集光させたときに、光軸ＡＸ上の焦点を結ぶ範囲が広範囲になる。これにより、例えば、プローブ５０から遠距離にある測定対象物Ｗの表面の測定を行うことができる等、測定姿勢の自由度を高めることができる。

【0080】

さらに、テーパ光ファイバＦ４Ａのプローブ５０側の開口部ＡＰにおけるコア径を小さくすることが容易になる。開口部ＡＰにおけるコア径を小さくした場合、開口部ＡＰの空間フィルタ機能を高めることができ、分光器２０に向かう反射光Ｌ２の線幅を小さくすることができる。この場合、図６に示すように、光強度のグラフの横軸方向の幅が細くなるので、分解能を上げることができる。

【0081】

本実施形態によれば、多波長光Ｌ１の導光量を増加させることができるので、開口部ＡＰにおけるコア径を小さくしても、反射光Ｌ２の導光量を確保することができる。これにより、反射光Ｌ２の導光量の確保と分解能の向上とを同時に実現することができる。

【0082】

［第４の実施形態］
図７は、本発明の第４の実施形態に係る測定装置を示す構成図である。なお、以下の説明において、上記の実施形態と同様の構成については、同一若しくは枝番又は添字を付した符号を付して説明を省略する。

【0083】

図７に示すように、本実施形態に係る測定装置１Ｂでは、光分岐器Ｃ２－１ＢとコネクタＣ３Ｂとの間にテーパ光ファイバＦ３－２Ｂが設けられている。具体的には、光分岐器Ｃ２－１Ｂに光ファイバＦ３－１Ｂ及びコネクタＣ２－２Ｂが順次接続されており、コネクタＣ２－２ＢとコネクタＣ３Ｂとの間の光ファイバＦ３－２Ｂがテーパ光ファイバとなっている。そして、光ファイバＦ３－２Ｂでは、光分岐器Ｃ２－１Ｂ側のコネクタＣ２－２Ｂに接続される端部（大口径端部）の口径が、コネクタＣ３Ｂに接続される端部（小口径端部）の口径よりも大きくなっている。光ファイバＦ１Ｂ、Ｆ３－１Ｂ、Ｆ３－２Ｂ、Ｆ４Ｂ及びＦ５Ｂ、コネクタＣ２－２Ｂ、Ｃ３Ｂ、Ｃ４Ｂ及びＣ５Ｂ、光分岐器Ｃ２－１Ｂは、導光路の一例である。

【0084】

光分岐器Ｃ２－１Ｂの３つのポートに接続される３本の光ファイバ（光源１２と光分岐器Ｃ２－１Ｂとの間の光ファイバＦ１Ｂ、光分岐器Ｃ２－１ＢとコネクタＣ２－２Ｂとの間の光ファイバＦ３－１Ｂ及び光分岐器Ｃ２－１Ｂと分光器２０のコネクタＣ５Ｂとの間の光ファイバＦ５Ｂ）の口径は、光ファイバＦ３Ｂの大口径端部の口径と略等しくなっている。

【0085】

一方、コントローラ１０Ｂとプローブ５０とをつなぐ光ファイバＦ４Ｂの口径は、光ファイバＦ３Ｂの小口径端部の口径と略等しくなっている。

【0086】

本実施形態においても、光源１２からの多波長光Ｌ１が入力される光ファイバＦ１Ｂが大口径であるため、多波長光Ｌ１を光ファイバＦ１Ｂに導光するときの漏れを抑制することが可能になる。

【0087】

また、本実施形態によれば、第３の実施形態と同様に、光分岐器Ｃ２－１Ｂの３つのポートに接続される３本の光ファイバＦ１Ｂ、Ｆ３－１Ｂ及びＦ５Ｂの接続端における口径を大きくすることができる。光分岐器Ｃ２－１Ｂ（例えば、光カプラ）は、コア径が大きくなるほど波長域が広がるため、多波長光Ｌ１の波長域の広帯域化が容易になる。

【0088】

さらに、テーパ光ファイバＦ３－２Ｂの小口径側端部の径を小さくすることにより、光ファイバＦ４Ｂの開口部ＡＰにおけるコア径を小さくすることが容易になるので、開口部ＡＰの空間フィルタ機能を高めることが容易になる。

【0089】

なお、導光路のテーパ部、すなわち、テーパ光ファイバ（Ｆ１、Ｆ３－２Ｂ）については、屈曲等の力学的ストレスに対する耐性が比較的低くなることが考えられる。第１、第２及び第４の実施形態は、第３の実施形態とは異なり、テーパ光ファイバ（Ｆ１、Ｆ３－２Ｂ）がコントローラ（１０、１０Ｂ）内に設けられており、力学的ストレスが加えられることが少ないので、特別な保護を施す必要がない。

【符号の説明】

【0090】

１、１Ａ、１Ｂ…測定装置、１０、１０Ａ、１０Ｂ…コントローラ、５０…プローブ、Ｆ１、Ｆ４Ａ、Ｆ３－２Ｂ…テーパ光ファイバ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】