特許 7408265 共焦点変位計

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-12-22

(45)【発行日】2024-01-05

(54)【発明の名称】共焦点変位計

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/00 20060101AFI20231225BHJP

【ＦＩ】

G01B11/00 B

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2017115552

(22)【出願日】2017-06-13

(65)【公開番号】P2019002720

(43)【公開日】2019-01-10

【審査請求日】2020-03-26

【審判番号】

【審判請求日】2022-09-30

(73)【特許権者】

【識別番号】000129253

【氏名又は名称】株式会社キーエンス

(74)【代理人】

【識別番号】110000062

【氏名又は名称】弁理士法人第一国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】久我 翔馬

(72)【発明者】

【氏名】藤本 祐孝

(72)【発明者】

【氏名】武井 英人

(72)【発明者】

【氏名】末村 悠祐

(72)【発明者】

【氏名】坂口 富一

【合議体】

【審判長】岡田 吉美

【審判官】九鬼 一慶

【審判官】濱野 隆

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－１０２０６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－２９０１５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２５３８０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－６８５２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－３６６６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１７４５９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－９８８３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－８０６３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－６１１７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－７２４７２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

G01B 11/00 -11/30

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

共焦点光学系を利用して計測対象物の変位を計測する共焦点変位計であって、
複数の波長を有する光を生成する投光用光源と、
前記投光用光源からの光を通過させることによって複数の検出光をそれぞれ出射する複数のピンホールと、
複数の照射スポットを形成するために、前記複数のピンホールの各ピンホールとともに共焦点光学系を構成して、当該ピンホールを介して出射された前記検出光に軸上色収差を発生させるとともに、当該検出光を前記計測対象物に向かって収束させる光学部材と、
前記光学部材を介して前記計測対象物に形成された複数の照射スポットの各照射スポットからの前記検出光のうち、当該各照射スポットに対応する前記複数のピンホールの各ピンホールを通過した検出光をそれぞれ分光し、当該各照射スポットに対応して波長ごとの受光強度からなる受光波形をそれぞれ生成する分光器と、
前記分光器によりそれぞれ生成された複数の受光波形からピークの強度及びピーク位置を特定し、ピーク強度又はピーク位置の外れ値がある場合には、該当するピークに対応するピークの強度及びピーク位置を除外して代表値を決定する統計処理を行って代表変位を生成する測定制御部とを備えたことを特徴とする共焦点変位計。

【請求項2】

共焦点光学系を利用して計測対象物の変位を計測する共焦点変位計であって、
複数の波長を有する光を生成する投光用光源と、
前記投光用光源からの光を通過させることによって複数の検出光をそれぞれ出射する複数のピンホールと、
複数の照射スポットを形成するために、前記複数のピンホールの各ピンホールとともに共焦点光学系を構成して、当該ピンホールを介して出射された前記検出光に軸上色収差を発生させるとともに、当該検出光を前記計測対象物に向かって収束させる光学部材と、
前記光学部材を介して前記計測対象物に形成された複数の照射スポットの各照射スポットからの前記検出光のうち、当該各照射スポットに対応する前記複数のピンホールの各ピンホールを通過した検出光をそれぞれ分光し、当該各照射スポットに対応して波長ごとの受光強度からなる受光波形をそれぞれ生成する分光器と、
前記分光器によりそれぞれ生成された複数の受光波形に基づいて、当該複数の受光波形の各受光波形のピーク位置から前記計測対象物の変位をそれぞれ求め、当該受光波形のピークに基づく重みにより各変位を統計処理し、代表変位を生成する測定制御部とを備えたことを特徴とする共焦点変位計。

【請求項3】

前記測定制御部は、前記複数の受光波形を重ね合わせた積算波形に基づいてサーチ範囲を特定し、前記複数の受光波形について、受光波形ごとに前記サーチ範囲内のデータ点列に曲線をフィッティングさせて前記ピーク位置を特定する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】

前記ピーク位置を変位に変換する際の直線性を補正するための補正情報を保持する補正情報記憶部を備え、
前記分光器は、前記複数のピンホールに対応する複数のイメージセンサを有し、各イメージセンサが分光後の検出光を受光して前記受光波形を生成し、
前記測定制御部は、前記補正情報を用いて前記イメージセンサごとに直線性の補正を行って変位を算出する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】

前記光学部材から出射されなかった検出光に対応する基底波形を保持する基底波形記憶部を備え、
前記分光器は、前記複数のピンホールに対応する複数のイメージセンサを有し、各イメージセンサが分光後の検出光を受光して前記受光波形を生成し、
前記測定制御部は、前記基底波形に基づいて前記イメージセンサごとに前記受光波形から信号波形を抽出し、前記ピーク位置を特定することを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の共焦点変位計。

【請求項6】

前記分光器は、前記複数のピンホールに対応する複数のイメージセンサを有し、各イメージセンサが分光後の検出光を受光して前記受光波形を生成し、
前記測定制御部は、前記イメージセンサごとに露光量を異ならせて取得した複数の受光波形に基づいて、前記計測対象物の変位を求めることを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の共焦点変位計。

【請求項7】

前記複数のピンホールをそれぞれ通過した複数の検出光の一部を光学的に合成して複数の合成光を生成する光学合成部を備え、
前記分光器は、前記複数の合成光をそれぞれ分光して複数の受光波形を生成する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8】

共焦点光学系を有するヘッドユニットと、複数の波長を有する光を生成する投光用光源を有する制御装置と、前記投光用光源からの光を前記ヘッドユニットにそれぞれ伝送する複数の光ファイバからなるファイバケーブルとを備える共焦点変位計であって、
前記ヘッドユニットは、複数の照射スポットを形成するために、前記複数の光ファイバの端面の各端面とともに共焦点光学系を構成して、当該端面を介して出射された検出光に軸上色収差を発生させるとともに、当該検出光を計測対象物に向かって収束させる光学部材を有し、
前記制御装置は、前記光学部材を介して前記計測対象物に形成された複数の照射スポットの各照射スポットからの前記検出光のうち、当該各照射スポットに対応する前記複数の端面の各端面を通過した検出光をそれぞれ分光し、当該各照射スポットに対応して波長ごとの受光強度からなる受光波形をそれぞれ生成する分光器と、
前記分光器によりそれぞれ生成された複数の受光波形に基づいて、当該複数の受光波形の各受光波形のピーク位置から前記計測対象物の変位をそれぞれ求め、当該受光波形のピークに基づく重みにより各変位を統計処理し、代表変位を生成する測定制御部とを有することを特徴とする共焦点変位計。

【請求項9】

前記統計処理は、前記複数の受光波形に対して、ピーク強度又はピーク位置の最大値、最小値又は平均値を求める処理を含むことを特徴とする請求項１、２又は８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、共焦点光学系を利用して計測対象物の変位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、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、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計測対象物の変位を計測する光学式の計測装置である。

【0003】

共焦点変位計は、光源からの光を点光源として出射するピンホールと、ピンホールを介して出射された検出光に軸上色収差を発生させ、検出光を計測対象物に向かって収束させる光学部材と、計測対象物からの反射光を分光する分光器とにより構成される。検出光には、複数の波長を有する光、例えば、白色光が用いられる。ピンホールは、光学部材を介して計測対象物に照射された検出光のうち、計測対象物上で合焦しつつ反射された波長の検出光を通過させる。

【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、ピンホールを通過した検出光の波長を特定することにより、計測対象物の変位が求められる。変位は、予め定められた基準位置から計測対象物までの光軸方向の距離であり、変位を求めることにより、表面の凹凸の深さ又は高さや透明体の厚さ等を測定することができる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

表面の微細な凹凸によって光を乱反射させる粗面体を測定対象とする場合、表面で結像した検出光はランダムな方向に反射されることから、分光後の強度レベルが低下して誤差が大きくなってしまうという問題があった。特に、表面粗さの程度を超えて測定値が測定箇所によって大きくばらつくことがあった。このため、例えば、複数の変位計を用いて複数の測定箇所をそれぞれ計測し、測定値から計測対象物の平坦度を求める際の精度が低かった。

【0006】

また、変位計の位置が僅かにずれると、乱反射の影響によって測定値が大きく変動してしまうという問題もあった。このため、変位計の設置状況によっては測定値が安定しなかった。

【0007】

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、乱反射する測定対象に対する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、粗面体の表面粗さの程度を超えて測定値がばらつくのを抑制す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。また、変位計の位置ずれに対する測定値の変動を抑制す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】

【0008】

本発明の第１の態様による共焦点変位計は、共焦点光学系を利用して計測対象物の変位を計測する共焦点変位計であって、複数の波長を有する光を生成する投光用光源と、前記投光用光源からの光を通過させることによって複数の検出光をそれぞれ出射する複数のピンホールと、前記複数のピンホールを介してそれぞれ出射された前記複数の検出光に軸上色収差を発生させるとともに、前記複数の検出光を前記計測対象物に向かって収束させる光学部材と、前記光学部材を介して前記計測対象物に照射された前記検出光のうち、前記計測対象物上で合焦しつつ反射されることによって前記複数のピンホールをそれぞれ通過した複数の検出光をそれぞれ分光し、波長ごとの受光強度からなる複数の受光波形を生成する分光器と、前記複数の受光波形を統計処理し、前記複数の受光波形から代表受光波形を生成する測定制御部とを備える。

【0009】

この共焦点変位計では、複数のピンホールに対応して計測対象物上に複数の照射スポットが形成される。これらの照射スポットに対応する複数の受光波形を統計処理して代表受光波形を生成し、変位を求めることにより、表面の局所的な凹凸による乱反射の影響を抑制することができる。このため、測定値が測定箇所によって大きくばらつくのを抑制することができる。特に、粗面体の表面粗さの程度を超えて測定値がばらつくのを抑制することができる。また、共焦点変位計の位置ずれに対する測定値の変動を抑制することができる。

【0010】

本発明の第２の態様による共焦点変位計は、共焦点光学系を利用して計測対象物の変位を計測する共焦点変位計であって、複数の波長を有する光を生成する投光用光源と、前記投光用光源からの光を通過させることによって複数の検出光をそれぞれ出射する複数のピンホールと、前記複数のピンホールを介してそれぞれ出射された前記複数の検出光に軸上色収差を発生させるとともに、前記複数の検出光を前記計測対象物に向かって収束させる光学部材と、前記光学部材を介して前記計測対象物に照射された前記検出光のうち、前記計測対象物上で合焦しつつ反射されることによって前記複数のピンホールをそれぞれ通過した複数の検出光をそれぞれ分光し、波長ごとの受光強度からなる複数の受光波形を生成する分光器と、前記複数の受光波形に基づいて、前記計測対象物の変位をそれぞれ求め、各変位を統計処理し、代表変位を生成する測定制御部とを備える。

【0011】

この共焦点変位計では、複数のピンホールに対応して計測対象物上に複数の照射スポットが形成される。これらの照射スポットに対応する複数の受光波形から計測対象物の変位をそれぞれ求め、各変位を統計処理して代表変位を生成することにより、表面の局所的な凹凸による乱反射の影響を抑制することができる。

【0012】

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、前記測定制御部が、前記複数の受光波形についてピーク位置をそれぞれ特定するように構成される。

【0013】

この様な構成によれば、複数の照射スポットについてピーク位置がそれぞれ特定されるため、これらのピーク位置から外れ値を除外し、或いは、これらのピーク位置を対応する受光波形に応じて重み付けする等の統計処理を行うことによって測定精度をさらに向上させることができる。

【0014】

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、前記測定制御部が、前記複数の受光波形を重ね合わせた積算波形に基づいてサーチ範囲を特定し、前記複数の受光波形について、受光波形ごとに前記サーチ範囲内のデータ点列に曲線をフィッティングさせて前記ピーク位置を特定するように構成される。

【0015】

この様な構成によれば、積算波形を用いて特定したサーチ範囲にデータ点列を絞り込んで曲線をフィッティングさせるため、ノイズによる測定値のばらつきを抑制することができる。

【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、前記ピーク位置を変位に変換する際の直線性を補正するための補正情報を保持する補正情報記憶部を備え、前記分光器が、前記複数のピンホールに対応する複数のイメージセンサを有し、各イメージセンサが分光後の検出光を受光して前記受光波形を生成し、前記測定制御部が、前記補正情報を用いて前記イメージセンサごとに直線性の補正を行って変位を算出するように構成される。

【0017】

この様な構成によれば、イメージセンサごとに直線性が補正されるため、測定精度をさらに向上させることができる。例えば、表面の反射率が測定箇所によって大きく異なる場合に、反射率が高い照射スポットの影響によって測定精度が低下するのを抑制することができる。

【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、前記光学部材から出射されなかった検出光に対応する基底波形を保持する基底波形記憶部を備え、前記分光器が、前記複数のピンホールに対応する複数のイメージセンサを有し、各イメージセンサが分光後の検出光を受光して前記受光波形を生成し、前記測定制御部が、前記基底波形に基づいて前記イメージセンサごとに前記受光波形から信号波形を抽出し、前記ピーク位置を特定するように構成される。この様な構成によれば、計測対象物以外の部材によって反射された戻り光に影響されることなく、ピーク位置を正しく特定することができる。

【0019】

本発明の第７の態様による共焦点変位計は、上記構成に加え、前記分光器が、前記複数のピンホールに対応する複数のイメージセンサを有し、各イメージセンサが分光後の検出光を受光して前記受光波形を生成し、前記測定制御部が、前記イメージセンサごとに露光量を異ならせて取得した複数の受光波形に基づいて、前記計測対象物の変位を求めるように構成される。

【0020】

この様な構成によれば、露光過多又は露光不足の照射スポットがあっても他の照射スポットに対応する受光波形から変位が求められるため、広いダイナミックレンジを得ることができる。

【0021】

本発明の第８の態様による共焦点変位計は、上記構成に加え、前記複数のピンホールをそれぞれ通過した複数の検出光の一部を光学的に合成して複数の合成光を生成する光学合成部を備え、前記分光器が、前記複数の合成光をそれぞれ分光して複数の受光波形を生成するように構成される。この様な構成によれば、分光器の構成を簡素化することができる。

【0022】

本発明の第９の態様による共焦点変位計は、共焦点光学系を有するヘッドユニットと、複数の波長を有する光を生成する投光用光源を有する制御装置と、前記投光用光源からの光を前記ヘッドユニットにそれぞれ伝送する複数の光ファイバからなるファイバケーブルとを備える共焦点変位計であって、前記ヘッドユニットは、前記複数の光ファイバの端面を介してそれぞれ出射された複数の検出光に軸上色収差を発生させるとともに、前記複数の検出光を計測対象物に向かって収束させる光学部材を有し、前記制御装置は、前記光学部材を介して前記計測対象物に照射された前記検出光のうち、前記計測対象物上で合焦しつつ反射されることによって前記複数の光ファイバの端面をそれぞれ通過した複数の検出光をそれぞれ分光し、波長ごとの受光強度からなる複数の受光波形を生成する分光器と、前記複数の受光波形に基づいて、前記計測対象物の変位を求める測定制御部とを有する。

【0023】

この共焦点変位計では、ヘッドユニット及び制御装置間で光を伝送する複数の光ファイバの端面をそれぞれ共焦点光学系のピンホールとして機能させることができる。また、表面の局所的な凹凸による乱反射の影響を抑制することができるため、測定値がヘッドユニットの位置によって大きくばらつくのを抑制することができる。

【発明の効果】

【0024】

本発明によれば、表面の局所的な凹凸による乱反射の影響を抑制することができるため、乱反射する測定対象に対する測定精度を向上させることができる。特に、粗面体の表面粗さの程度を超えて測定値がばらつくのを抑制することができる。また、変位計の位置ずれに対する測定値の変動を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】本発明の実施の形態１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２の構成例を模式的に示した断面図である。

【図3】図２の光ファイバフェルール２２を示した断面図である。

【図4】図１の投光用光源４１の構成例を模式的に示した断面図である。

【図5】図１の分光器４３の構成例を模式的に示した説明図である。

【図6】図１の測定制御部４４内の機能構成の一例を示したブロック図である。

【図7】図６の測定制御部４４の動作の一例を示した図であり、複数の信号波形Ｗｆ１から積算波形Ｗｆ２を求めてサーチ範囲ＳＲを特定する様子が示されている。

【図8】図６の測定制御部４４の動作の一例を示した図であり、直線性を補正するための補正曲線Ｌ１～Ｌ４が示されている。

【図9】図６の測定制御部４４における基底波形の除去処理の一例を示したフローチャートである。

【図10】図６の測定制御部４４の動作の一例を示した図であり、受光波形ＲＬから補正波形ＢＬを除去して信号波形ＳＬを得るまでの様子が示されている。

【図11】本発明の実施の形態２による共焦点変位計１ａの一構成例を示したシステム図である。

【図12】共焦点変位計１ａの他の構成例を示したシステム図である。

【図13】本発明の実施の形態３による共焦点変位計１ｂの一構成例を示したシステム図である。

【図14】共焦点変位計１の他の構成例を示した断面図であり、投光用光源４１ａが示されている。

【図15】共焦点変位計１の他の構成例を示した断面図であり、投光用光源４１ｂが示されている。

【図16】共焦点変位計１の他の構成例を示した断面図であり、投光用光源４１ｃが示されている。

【図17】共焦点変位計１の他の構成例を示した断面図であり、投光用光源４１ｄ及び４１ｅが示されている。

【図18】共焦点変位計１の他の構成例を模式的に示した説明図であり、透過型の分光器４３ａが示されている。

【発明を実施するための形態】

【0026】

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、ヘッドユニットの光軸の方向を上下方向として説明するが、ヘッドユニットの使用時における姿勢や向きを限定するものではない。

【0027】

実施の形態１．
＜共焦点変位計１＞
図１は、本発明の実施の形態１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、ヘッドユニット２、ファイバケーブル３及び制御装置４により構成され、ヘッドユニット２から複数の検出光ＤＬを出射した際の計測対象物Ｗからの反射光をそれぞれ受光して計測対象物Ｗの変位を計測する光学式の計測装置である。

【0028】

ヘッドユニット２及び制御装置４は、ファイバケーブル３を介して互いに接続されている。ファイバケーブル３は、複数の光をそれぞれ伝送する複数の光ファイバ３１により構成される。ファイバケーブル３の一端には、コネクタ３２が設けられ、制御装置４と着脱可能に接続される。

【0029】

ヘッドユニット２は、検出光ＤＬを計測対象物Ｗに向けて出射し、計測対象物Ｗからの反射光が入射する光学ユニットであり、屈折レンズ２１１、回折レンズ２１２等の光学部材２１を備える。この光学部材２１は、複数の光ファイバ３１の端面からそれぞれ出射された複数の検出光ＤＬに軸上色収差を発生させるとともに、複数の検出光ＤＬを計測対象物Ｗに向かって収束させる。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】

共焦点変位計１では、４本の光ファイバ３１を介して光がヘッドユニット２にそれぞれ伝送され、ヘッドユニット２から出射された４つの検出光ＤＬによって計測対象物Ｗ上に４つの照射スポットが形成される。各光ファイバ３１の出射端面は、検出光ＤＬを出射する点光源となるように、投光用光源からの光を通過させるピンホールとして機能するとともに、光学部材２１を介して計測対象物Ｗに照射された検出光ＤＬのうち、計測対象物Ｗ上で合焦しつつ反射された波長の検出光を通過させるピンホールとして機能する。

【0031】

制御装置４は、投受光を制御し、複数の照射スポットにそれぞれ対応する複数の反射光に基づいて、計測対象物Ｗの変位を求める処理ユニットであり、投光用光源４１、カプラ４２、分光器４３、測定制御部４４及びメモリ４５により構成される。投光用光源４１は、複数の波長を有する光、例えば、白色光を検出光ＤＬとして生成する光源装置である。

【0032】

カプラ４２は、投光用光源４１から入力された光をヘッドユニット２に向けて出力する一方、ヘッドユニット２から入力された検出光ＤＬを分光器４３に向けて出力する方向性結合器である。このカプラ４２は、一端から２本の光ファイバ４２１及び４２２が延び、他端から１本の光ファイバ４２３が延びるＹカプラであり、光ファイバ４２１の入射端に投光用光源４１の光が入力され、光ファイバ４２２の出射端から分光器４３に向けて検出光ＤＬが出射される。また、４本の光ファイバ３１に対応して４個のカプラ４２が設けられている。

【0033】

分光器４３は、複数の光ファイバ３１の出射端面をそれぞれ通過した複数の検出光ＤＬをそれぞれ分光し、波長ごとの受光強度からなる受光波形を生成する。この分光器４３は、複数の検出光ＤＬをそれぞれ受光し、複数の受光波形を生成する。測定制御部４４は、複数の受光波形に基づいて、計測対象物Ｗの変位を求め、測定値として図示しない表示装置や外部機器へ出力する。メモリ４５には、測定条件や各種の補正情報が保持される。

【0034】

なお、カプラ４２には、Ｘカプラを用いてもよい。Ｘカプラは、Ｙカプラと比較して端面の反射を抑制し易い。この様な光ファイバカプラは、複数の光ファイバを融着した融着型カプラであるが、ビームスプリッタを用いて光を分割するタイプのカプラであってもよい。

【0035】

＜ヘッドユニット２＞
図２は、図１のヘッドユニット２の構成例を模式的に示した断面図であり、光軸Ｊを含む平面によりヘッドユニット２を切断した場合の切断面が示されている。図３は、図２の光ファイバフェルール２２を示した断面図であり、中心軸に垂直な平面により光ファイバフェルール２２を切断した場合の切断面が示されている。

【0036】

このヘッドユニット２は、筐体２０、光学部材２１、光ファイバフェルール２２及び表示部２３により構成される。筐体２０は、例えば、有蓋円筒形状の鏡筒であり、中心軸が光軸Ｊとなっている。光学部材２１は、屈折レンズ２１１及び回折レンズ２１２により構成される。

【0037】

屈折レンズ２１１は、光の屈折現象を利用して入射光を集光又は拡散させる光学レンズである。回折レンズ２１２は、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レンズであり、筐体２０の下端開口から露出するように配置されている。

【0038】

この回折レンズ２１２は、レリーフ型の回折レンズであり、検出光ＤＬの入射面（上面）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Ｊを中心とする複数の円環状のパターンが配置される。なお、屈折レンズ２１１及び回折レンズ２１２は、いずれも単レンズであるが、それぞれ複数の光学レンズを組み合わせた複レンズであってもよい。また、光学部材２１は、屈折レンズ２１１又は回折レンズ２１２のいずれか一方だけであっても良い。また、光学部材２１には、回折レンズ２１２のように低アッベ数のレンズ素子を含んでいることが好ましい。

【0039】

光ファイバフェルール２２は、ファイバケーブル３を構成する複数の光ファイバ３１を保持する保持部材であり、光ファイバ３１の出射端が樹脂部材２２１によって束ねられている。この光ファイバフェルール２２は、筐体２０の天蓋部から下側に突出させて配置されている。

【0040】

各光ファイバ３１は、コア３１１及びクラッド３１２により構成され、コア３１１の端面がピンホールとして機能する。つまり、光ファイバ３１のコア３１１の端面は、光ファイバ３１の出射端が配置される空間に比べて径が十分に小さく、光学部材２１を介して入射する光を選択的に透過させることができる。屈折レンズ２１１は、光ファイバフェルール２２と回折レンズ２１２との間に配置されている。各光ファイバ３１の出射端面と光学部材２１とは、共焦点光学系を構成している。

【0041】

この共焦点光学系は、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。このため、光ファイバ３１の出射端面を介して出射し、光学部材２１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、計測対象物Ｗ上に結像した特定の波長成分は、計測対象物Ｗにより反射され、その反射光が光学部材２１を透過して光ファイバ３１の出射端面上に結像する。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、光ファイバ３１の出射端面上に結像せず、遮断される。

【0042】

この共焦点変位計１では、光ファイバ３１の出射端面で反射した光の影響によって測定精度が低下するのを抑制するために、光ファイバフェルール２２の出射端面２２ａが斜めに加工されている。すなわち、出射端面２２ａは、光ファイバフェルール２２の中心軸に垂直な平面に対して傾斜した傾斜面となっている。出射端面２２ａの傾斜は、例えば、研磨加工によって形成される。また、検出光ＤＬが光ファイバ３１の出射端面を通過する際の屈折を考慮して、光ファイバフェルール２２は、その中心軸を光軸Ｊに対して傾斜させて配置されている。

【0043】

ヘッドユニット２から計測対象物Ｗまでの距離は、例えば、１０ｍｍ～７０ｍｍ程度であり、測定範囲ＭＲは、１ｍｍ～２０ｍｍ程度である。この測定範囲ＭＲは、検出光ＤＬの帯域幅に対応し、広い測定範囲ＭＲを確保するために、広帯域の検出光ＤＬが用いられる。検出光ＤＬは、例えば、５００ｎｍ～７００ｎｍの波長成分を含む。

【0044】

表示部２３は、ヘッドユニット２とファイバケーブル３との接続部付近に設けられ、光ファイバ３３を介して制御装置４内の表示用光源から伝送された表示用の光を利用して各種情報の表示を行う。表示部２３は、筐体２０の外周面に設けられ、光ファイバ３３の出射端、拡散窓２３１及び反射部材２３２により構成される。反射部材２３２は、光ファイバ３３の出射端面を介して出射された表示光を拡散窓２３１に向けて反射させるための光学部材である。拡散窓２３１は、表示光を拡散させる光学部材からなり、筐体２０の外周面から露出している。

【0045】

表示部２３の表示は、制御装置４の動作状態、受光波形又は変位の測定値を利用して制御され、運転中におけるシステムエラーの発生、計測対象物Ｗが測定範囲内にあるか否か、変位の測定値が公差の範囲内であるか否かが表示される。例えば、通信不良などの動作不良がシステムエラーとして表示される。また、変位の測定値が上限閾値を上回っている状態（High）と、変位の測定値が下限閾値を下回っている状態（Low）と、変位の測定値が下限閾値以上上限閾値以下である状態（go）とが識別可能に表示される。また、表示部２３には、ヘッドユニット２が適切に設置されたか否かが表示される。

【0046】

ファイバケーブル３は、測定用の光ファイバ３１と表示用の光ファイバ３３とにより構成される。ヘッドユニット２から延びるファイバケーブル３の一端と制御装置４の筐体に設けられる接続口とを着脱可能に接続するコネクタ３２は、両光ファイバ３１及び３３に共通の接続部材であり、例えば、複数のファイバ保持孔に光ファイバ３１及び３３がそれぞれ挿通される。

【0047】

＜投光用光源４１＞
図４は、図１の投光用光源４１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４１は、レーザ光を蛍光体に照射して白色光を発生させる光源装置であり、ＬＤ（レーザーダイオード）４１１、光学レンズ４１２，４１３、フィルタ素子４１４、蛍光体４１５、コリメータレンズ４１６及び結像レンズ４１７により構成される。

【0048】

ＬＤ４１１は、レーザ光を生成する半導体発光素子である。このレーザ光は、光学レンズ４１２及び４１３を介して蛍光体４１５に集光され、蛍光体４１５を励起させる。レーザ光は、例えば、波長が４５０ｎｍ以下の青色光又は紫外光である。蛍光体４１５は、ＬＤ４１１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、例えば、黄色の蛍光を発生させる。より好ましくは、広帯域の光を得るために複数種類の蛍光体が混合されている。

【0049】

フィルタ素子４１４は、ＬＤ４１１からのレーザ光を透過し、蛍光体４１５からの光を反射する平板状の光学部材である。フィルタ素子４１４及び蛍光体４１５を透過したレーザ光と蛍光体４１５からの蛍光とが混合した白色光がコリメータレンズ４１６に向けて出射される。

【0050】

コリメータレンズ４１６は、平行光を得るための光学レンズである。コリメータレンズ４１６を透過した白色光は、複数の結像レンズ４１７によってカプラ４２ごとの光に分割され、光ファイバ４２１の入射端にそれぞれ入射される。

【0051】

コリメータレンズ４１６は、各光ファイバ４２１にＮＡ（開口数）分の光を入力するために、光ファイバ４２１のＮＡの２倍よりも大きいＮＡを有する。また、色収差を低減させるために、コリメータレンズ４１６又は結像レンズ４１７の少なくとも一方には、アクロマートレンズが用いられる。

【0052】

なお、投光用光源４１には、広帯域な光を発生する光源、例えば、ハロゲンランプ、スーパーコンティニウム（ＳＣ）光を発生するＳＣ光源、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）を用いても良い。また、通常の白色ＬＥＤ光でもよい。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。

【0053】

＜分光器４３＞
図５は、図１の分光器４３の構成例を模式的に示した説明図であり、反射型の分光器４３が示されている。この分光器４３は、コリメータレンズ４３１、回折格子４３２及び結像レンズ４３３と、複数のイメージセンサ４３４とにより構成され、カプラ４２の光ファイバ４２２の出射端から出射された検出光ＤＬをそれぞれ分光する。

【0054】

４本の光ファイバ４２２の出射端を紙面に垂直な方向、すなわち、上下方向に配列することにより、各出射端から出射された検出光ＤＬを共通の光学部材（コリメータレンズ４３１、回折格子４３２及び結像レンズ４３３）によって分光させている。４本の光ファイバ４２２の出射端は、例えば、多芯フェルールの一部又は全部を用いて固定される。

【0055】

コリメータレンズ４３１は、平行光を得るための光学レンズであり、各光ファイバ４２２の出射端面に対向するように配置される。回折格子４３２は、波長に応じて異なる角度で検出光ＤＬを反射させる反射型の色分散素子であり、平板形状からなる。結像レンズ４３３は、回折格子４３２により分光された複数の検出光ＤＬを複数のイメージセンサ４３４上にそれぞれ結像させる。なお、コリメータレンズ４３１及び結像レンズ４３３は、いずれも単レンズであるが、それぞれ複数の光学レンズを組み合わせた複レンズであってもよい。

【0056】

イメージセンサ４３４は、例えば、一次元のラインイメージセンサであり、多数の受光素子が直線状に配列される。各受光素子の受光信号によって受光波形が形成される。４本の光ファイバ４２２にそれぞれ対応する４個のイメージセンサ４３４は、受光面の向きを一致させた状態で、紙面に垂直な方向に配列される。この様なイメージセンサ４３４を用いることにより、４つの照射スポットに対応する４つの受光波形を同時に取得することができる。ここでは、４つの独立したイメージセンサ４３４が１つのパッケージとして形成された撮像素子が用いられる。

【0057】

複数の検出光ＤＬを共通の回折格子４３２によって分光させる場合、波長に応じて異なる複数の反射角度を含む分光面と交差する方向に検出光ＤＬを配置する必要がある。このため、４本の光ファイバ４２２の出射端と４つのイメージセンサ４３４とは、いずれも分光面と交差する方向に配列されている。

【0058】

なお、イメージセンサ４３４には、多数の受光素子が二次元的に配列された撮像素子を用いてもよい。また、二次元の撮像素子を機能的に分割し、それぞれをラインイメージセンサとして用いるような構成であってもよい。

【0059】

回折格子４３２は、イメージセンサ４３４に入射した光が受光面で正反射し、回折格子４３２により反射されて再度受光されるのを防ぐために、イメージセンサ４３４の受光面に正対する状態から僅かに傾けて配置される。なお、プリズムを用いて検出光ＤＬを分光させてもよい。

【0060】

光ファイバ４２２同士のピッチＬｆとイメージセンサ４３４同士のピッチＬｉとの比は、コリメータレンズ４３１の焦点距離ｆｃ及び結像レンズ４３３の焦点距離ｆｉの比と一致している必要がある。すなわち、関係式Ｌｉ／Ｌｆ＝ｆｉ／ｆｃを満たす必要がある。

【0061】

この分光器４３では、コリメータレンズ４３１、結像レンズ４３３、ピッチＬｉ等の寸法誤差を吸収させるために、光ファイバ４２２の出射端を保持する多芯フェルールに対し、光軸を中心として回転させる相対ピッチ調整手段が設けられる。この相対ピッチ調整手段により、光ファイバ４２２の出射端間の距離をイメージセンサ４３４の配置間隔に対して調整することができる。

【0062】

＜測定制御部４４＞
図６は、図１の測定制御部４４内の機能構成の一例を示したブロック図である。この測定制御部４４は、信号波形抽出部４４１、サーチ範囲特定部４４２、ピーク位置特定部４４３、変位算出部４４４及び統計値演算部４４５により構成される。

【0063】

信号波形抽出部４４１は、分光器４３から複数の受光波形を取得し、各受光波形から信号波形を抽出する。イメージセンサ４３４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画素位置と呼ぶことにすれば、それぞれが画素位置に関連づけられた多数の受光強度データからなる。

【0064】

計測対象物以外の部材によって反射された戻り光の影響によって測定精度が低下するのを抑制するために、受光波形から基底波形を除去する処理が行われる。信号波形は、受光波形から基底波形を除去することによって得られる。基底波形は、ヘッドユニット２の光学部材２１から出射されなかった検出光ＤＬに対応する波形である。基底波形は、例えば、予め登録された登録波形に対し、露光条件や投光条件を考慮して基準波形を求め、この基準波形から補正波形として求められる。

【0065】

サーチ範囲特定部４４２は、イメージセンサ４３４のノイズによる測定値のばらつきを抑制するために、複数の受光波形を重ね合わせた積算波形を生成し、積算波形に基づいて、ピーク位置を探索するためのサーチ範囲を特定する。このサーチ範囲特定部４４２は、イメージセンサ４３４ごとに取得される複数の信号波形を加算することによって積算波形を生成する。サーチ範囲は、例えば、受光強度の積算値が所定の閾値を超えている画素位置の範囲として特定される。この様なサーチ範囲を用いてピーク位置を特定することにより、反射率が低い計測対象物Ｗに対する測定精度を向上させることができる。

【0066】

ピーク位置特定部４４３は、複数の受光波形について、受光波形ごとにサーチ範囲内のデータ点列に曲線をフィッティングさせてピーク位置を特定する。このピーク位置特定部４４３は、イメージセンサ４３４ごとに取得される複数の信号波形について、信号波形ごとにサーチ範囲内のデータ点列に対し、所定の曲線をフィッティングさせ、曲線上の最大点の画素位置としてピーク位置を特定する。曲線をフィッティングは、回帰演算によって行われる。

【0067】

変位算出部４４４は、複数の受光波形についてそれぞれ特定されたピーク位置に基づいて、計測対象物Ｗの変位を算出し、統計値演算部４４５へ測定値として出力する。統計値演算部４４５は、予め定められた統計処理により計測対象物Ｗの変位を算出し、測定結果として出力する。

【0068】

統計値演算部４４５は、例えば、複数の受光波形を統計処理し、これらの複数の受光波形から代表受光波形を生成する。代表受光波形のピーク位置から変位量が求められる。統計処理では、複数の受光波形について、ピーク強度やピーク位置の最大値、最小値又は平均値が求められ、或いは、外れ値を除外して代表値が求められる。

【0069】

また、統計値演算部４４５は、複数の受光波形に基づいて、計測対象物Ｗの変位をそれぞれ求め、各変位を統計処理し、代表変位を生成する。具体的には、複数の信号波形に対応する複数のピーク位置について、それぞれ変位量を求め、これらの変位量の平均値を求める処理や、複数のピーク位置から外れ値を除外して変位量の平均値を求める処理が統計処理として行われる。また、複数の変位量について、対応する受光強度に応じて重み付けし、加重平均を求める処理が統計処理として行われる。重みは、例えば、信号波形のピーク強度や信号波形の幅に応じて定められる。これらの統計処理を行うことにより、変位の測定精度を向上させることができる。

【0070】

メモリ４５には、ピーク位置を変位に変換する際の直線性を補正するための補正情報が保持される。変位算出部４４４は、この補正情報を用いてイメージセンサ４３４ごとに直線性の補正を行って変位を算出する。

【0071】

また、測定制御部４４は、広いダイナミックレンジを実現するために、イメージセンサ４３４ごとに露光量を異ならせて複数の受光波形を取得し、取得した複数の受光波形に基づいて計測対象物Ｗの変位を求める。露光量の調整は、例えば、イメージセンサ４３４の露光時間を変化させ、或いは、受光信号を増幅する際のゲインを変化させることによって行われる。

【0072】

この様な構成を採用することにより、露光過多又は露光不足の照射スポットがあっても他の照射スポットに対応する受光波形から変位が求められるため、広いダイナミックレンジを得ることができる。また、計測対象物Ｗの反射率が大きく変動しても途切れることなく測定値を出力することができる。

【0073】

さらに、ガラス等の透明体の厚さ測定において、表面と裏面とで反射率が大きく異なる場合、表面に対して最適化した露光時間で取得した受光波形と、裏面に対して最適化した露光時間で取得した受光波形とを用いて厚さを求めることができる。つまり、１回のサンプリングもしくは少ないサンプリングによって厚さを高精度に測定することができる。

【0074】

図７は、図６の測定制御部４４の動作の一例を示した図であり、複数の信号波形Ｗｆ１から積算波形Ｗｆ２を求めてサーチ範囲ＳＲを特定する様子が示されている。４つのイメージセンサ４３４の出力をライン１～４と呼んで区別すると、信号波形Ｗｆ１は、ラインごとに取得される。これらの信号波形Ｗｆ１には、イメージセンサ４３４のノイズ成分が含まれることから、受光強度のピーク位置を特定して変位量を求めると、変位量がノイズ成分の影響によってばらつくことになる。

【0075】

積算波形Ｗｆ２は、ライン１～４について信号波形Ｗｆ１を重ね合わせることによって得られ、元の信号波形Ｗｆ１に比べ、ＳＮ比が２倍程度改善され、静止分解能を向上させることができる。よって、ピークの誤検出を防ぐことができ、安定した測定が可能となる。各信号波形Ｗｆ１についてピーク位置を探索する際のサーチ範囲ＳＲは、この積算波形Ｗｆ２に基づいて定められる。サーチ範囲ＳＲは、例えば、ピーク強度ａの半値幅として定められる。

【0076】

図８は、図６の測定制御部４４の動作の一例を示した図であり、直線性を補正するための補正曲線Ｌ１～Ｌ４が示されている。補正曲線Ｌ１～Ｌ４は、画素位置を変位に変換する際の変換特性を表す曲線であり、理想的な直線に対するずれがラインごとに示されている。

【0077】

複数の検出光ＤＬを光学的に合成し、その合成光を分光して１つの受光波形を得る方法では、直線性が照射スポットごとに異なることに起因して直線性が正しく補正されないという問題があった。例えば、表面の反射率が照射スポットの位置によって大きく異なる場合、反射率が高い照射スポットの影響で補正量が決まるため、直線性がずれてしまう。図８の例では、ピーク位置における補正曲線Ｌ１の補正量（ｂ１－ｂ０）の絶対値が他の補正曲線Ｌ２～Ｌ４の補正量（ｂ２－ｂ０）、（ｂ３－ｂ０）及び（ｂ４－ｂ０）に比べて大きく、特定の照射スポットに対応する補正量で補正しても直線性が正しく補正されない。

【0078】

共焦点変位計１では、イメージセンサ４３４ごとに直線性の補正を行って変位量が算出されるため、表面の反射率が測定箇所によって大きく異なる計測対象物Ｗであっても、直線性を正しく補正することができる。

【0079】

図９のステップＳ１０１～Ｓ１０８は、図６の測定制御部４４における基底波形の除去処理の一例を示したフローチャートである。図１０は、図６の測定制御部４４の動作の一例を示した図であり、受光波形ＲＬから補正波形ＢＬを除去して信号波形ＳＬを得るまでの様子が示されている。図中の（ａ）には、受光波形ＲＬが示され、（ｂ）には、基底波形ＢＬが示され、（ｃ）には、信号波形ＳＬが示されている。受光波形ＲＬ、基底波形ＢＬ及び信号波形ＳＬは、横軸を画素位置とし、縦軸を受光強度としてそれぞれ描画されている。

【0080】

まず、測定制御部４４は、基底波形ＢＬを登録波形として登録し（ステップＳ１０１）、この登録波形に基づいて重み係数Ｗ１を算出する（ステップＳ１０２）。重み係数Ｗ１は、例えば、２つの登録波形の積和演算によって求められる。

【0081】

次に、測定制御部４４は、受光波形ＲＬを取得し（ステップＳ１０３）、登録波形と受光波形ＲＬ取得時の露発光状態とに基づいて基準波形を算出する（ステップＳ１０４）。また、測定制御部４４は、受光波形ＲＬと登録波形とに基づいて重み係数Ｗ２を算出する（ステップＳ１０５）。重み係数Ｗ２は、例えば、受光波形ＲＬと登録波形との積和演算によって求められる。

【0082】

次に、測定制御部４４は、重み係数Ｗ１及びＷ２から補正係数を算出し（ステップＳ１０６）、基準波形に補正係数を乗算して補正波形を算出する（ステップＳ１０７）。測定制御部４４は、受光波形ＲＬから補正波形を減算することにより、信号波形を抽出する（ステップＳ１０８）。

【0083】

受光波形ＲＬ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ＳＬ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ＢＬ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ＢＬの強度も高くなる。

【0084】

画素位置ｐ_１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。画素位置ｐ_２は、長波長側の影響を除去するために予め定められる。信号波形ＳＬは、計測対象物Ｗからの反射光に対応する受光波形であり、受光波形ＲＬから基底波形ＢＬを減算することによって求められる。

【0085】

投光用光源４１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４１５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、計測対象物Ｗ以外の部材による反射光の影響が無視できない。この計測対象物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ＢＬであり、受光波形ＲＬでは、基底波形ＢＬの存在により、信号波形ＳＬのピーク位置Ｐ_３がずれるという問題があった。

【0086】

受光波形ＲＬから信号波形ＳＬを抽出し、ピーク位置ｐ_３を特定することにより、計測対象物Ｗ以外の部材によって反射された戻り光に影響されることなく、ピーク位置を正しく特定することができる。

【0087】

本実施の形態によれば、４つの照射スポットに対応する４つの受光波形を用いて変位を求めることから、表面の局所的な凹凸による乱反射の影響を抑制することができる。このため、測定値が測定箇所によって大きくばらつくのを抑制することができる。特に、粗面体の表面粗さの程度を超えて測定値がばらつくのを抑制することができる。また、共焦点変位計１の位置ずれに対する測定値の変動を抑制することができる。

【0088】

実施の形態２．
実施の形態１では、４つの照射スポットに対応して４つのカプラ４２が設けられ、計測対象物Ｗによって反射された４つの検出光ＤＬがそれぞれ独立に分光される場合の例について説明した。これに対し、本実施の形態では、２つのカプラがそれぞれ計測対象物Ｗからの２つの検出光ＤＬを合成して合成光を分光器４３へ出力する場合について説明する。

【0089】

図１１は、本発明の実施の形態２による共焦点変位計１ａの一構成例を示したシステム図である。この図では、測定制御部４４及びメモリ４５が省略されている。共焦点変位計１ａは、図１の共焦点変位計１と比較すれば、制御装置４ａが２つのカプラ４６を備えている点で異なる。

【0090】

カプラ４６は、一端から２本の光ファイバ４６１及び４６２が延び、他端から２本の光ファイバ４６３及び４６４が延びるＸカプラである。このカプラ４６は、２本の光ファイバ３１の出射端面（ピンホール）をそれぞれ通過した２つの検出光ＤＬを光学的に合成して合成光を生成する光学合成部である。光ファイバ４６１の入射端には、投光用光源４１の光が入力され、光ファイバ４６３及び４６４の出射端からヘッドユニット２に向けてそれぞれ出力される。一方、計測対象物Ｗによって反射され、ヘッドユニット２及びファイバケーブル３を介して伝送された２つの検出光ＤＬは、光ファイバ４６３及び４６４の出射端にそれぞれ入力され、その合成光が光ファイバ４６２の出射端から分光器４３に向けて出射される。

【0091】

分光器４３は、２つの合成光をそれぞれ分光して２つの受光波形を生成する。この分光器４３には、２本の光ファイバ４６２にそれぞれ対応する２個のイメージセンサ４３４が設けられる。また、ヘッドユニット２内の光ファイバフェルール２２は、共通のカプラ４６に接続された２本の光ファイバ３１について、出射端の光軸方向における位置が一致するように配置される。この様な構成によれば、分光器４３の構成を簡素化することができる。

【0092】

図１２は、共焦点変位計１ａの他の構成例を示したシステム図であり、カプラ４６による合成光をカプラ４７によって２つの分岐させる制御装置４ｂが示されている。この図では、ヘッドユニット２、測定制御部４４及びメモリ４５が省略されている。制御装置４ｂは、図１１の制御装置４ａと比較すれば、２つのカプラ４７を備えている点で異なる。

【0093】

カプラ４７は、一端から２本の光ファイバが延び、他端から１本の光ファイバが延びるＹカプラであり、カプラ４６からの合成光が他端の光ファイバに入力され、その分岐光が一端の２本の光ファイバから分光器４３に向けてそれぞれ出射される。この様な構成であっても、表面粗さの程度を超えて測定値がばらつくのを抑制することができる。

【0094】

実施の形態３．
実施の形態１及び２では、ヘッドユニット２及び制御装置４間で光を伝送する複数の光ファイバ３１の端面をそれぞれ共焦点光学系のピンホールとして機能させる場合の例について説明した。これに対し、本実施の形態では、光ファイバを用いることなく、投光用光源からの光がピンホールに誘導され、計測対象物Ｗによって反射され、ピンホールを通過した検出光が分光器４３に誘導される場合について説明する。

【0095】

図１３は、本発明の実施の形態３による共焦点変位計１ｂの一構成例を示したシステム図である。この図では、測定制御部４４及びメモリ４５が省略されている。この共焦点変位計１ｂは、投光用光源１１、集光レンズ１２，１４、ビームスプリッタ１３、ピンホール部材１５、光学部材２１、分光器用レンズ１６及び分光器４３により構成される。

【0096】

集光レンズ１２及び１４は、投光用光源１１から出射された光をピンホール部材１５の２つのピンホールに集光させる光学レンズである。ピンホール部材１５は、微小なピンホール（開口）を有する平板状の遮光部材であり、投光用光源１１からの光がピンホールを通過することによって２つの検出光ＤＬを出射する。

【0097】

光学部材２１は、ピンホール部材１５の２つのピンホールからそれぞれ出射された２つの検出光ＤＬに軸上色収差を発生させるとともに、２つの検出光ＤＬを計測対象物Ｗに向かって収束させる。ピンホール部材１５及び光学部材２１が共焦点光学系である。

【0098】

ビームスプリッタ１３は、投光用光源１１からの光を透過させる一方、計測対象物Ｗによって反射され、光学部材２１及びピンホール部材１５を通過した検出光ＤＬを分光器４３に向けて反射させる光学部材である。このビームスプリッタ１３は、集光レンズ１２と集光レンズ１４との間に配置される。

【0099】

ビームスプリッタ１３により反射された２つの検出光ＤＬは、分光器用レンズ１６を介して分光器４３にそれぞれ入射される。共焦点変位計１ｂでは、２つのピンホールに対応して計測対象物Ｗ上に２つの照射スポットが形成される。これらの照射スポットに対応する２つの受光波形を用いて変位を求めることから、表面の局所的な凹凸による乱反射の影響が平均化され、測定値が測定箇所によって大きくばらつくのを抑制することができる。

【0100】

なお、実施の形態１～３では、レーザ光を蛍光体４１５に照射して投光用の白色光を発生させ、コリメータレンズ４１６及び結像レンズ４１７を用いて光ファイバ４２１の入射端に白色光を入射させる場合の例について説明したが、本発明は、投光用光源の構成をこれに限定するものではない。例えば、投光用光源は、白色光を生成するＬＥＤ（発光ダイオード）を用いて光ファイバ４２１の入射端に白色光を直接に入射させるような構成であってもよい。

【0101】

図１４は、共焦点変位計１の他の構成例を示した断面図であり、光ファイバフェルール５２の入射端面がＬＥＤ５１の発光面に対向するように配置された投光用光源４１ａが示されている。光ファイバフェルール５２は、光ファイバ４２１の入射端を保持する保持部材である。このＬＥＤ５１の発光面には、３本の光ファイバ４２１に対応する３つの光ファイバフェルール５２が配置されている。

【0102】

図１５は、共焦点変位計１の他の構成例を示した断面図であり、コリメータレンズ４１６を用いずに蛍光体４１５からの白色光を光ファイバ４２１の入射端に入射させる投光用光源４１ｂが示されている。この投光用光源１ｂは、図４の投光用光源４１と比較すれば、コリメータレンズ４１６を備えていない点で異なる。

【0103】

フィルタ素子４１４及び蛍光体４１５を透過したレーザ光と蛍光体４１５からの蛍光とが混合した白色光は、複数の結像レンズ４１７に向けて出射される。結像レンズ４１７を透過した白色光は、光ファイバ４２１の入射端に入射される。

【0104】

図１６は、共焦点変位計１の他の構成例を示した断面図であり、蛍光体４１５からの白色光をビームスプリッタ４１８によって反射させて光ファイバ４２１の入射端に入射させる投光用光源４１ｃが示されている。この投光用光源１ｃは、ＬＤ４１１、光学レンズ４１２，４１３、フィルタ素子４１４、蛍光体４１５、ビームスプリッタ４１８及び結像レンズ４１９により構成される。

【0105】

ビームスプリッタ４１８は、ＬＤ４１１からのレーザ光を透過させる一方、フィルタ素子４１４により反射されたレーザ光と蛍光体４１５からの蛍光とが混合した白色光を複数の結像レンズ４１９に向けて反射させる光学部材である。このビームスプリッタ４１８は、光学レンズ４１２と光学レンズ４１３との間に配置される。結像レンズ４１９を透過した白色光は、光ファイバ４２１の入射端に入射される。

【0106】

図１７は、共焦点変位計１の他の構成例を示した断面図である。図中の（ａ）には、フィルタ素子４１４及び蛍光体４１５を透過した白色光と蛍光体４１５によって反射された白色光とをそれぞれ光ファイバ４２１の入射端に入射させる投光用光源４１ｄが示されている。この投光用光源４１ｄは、図４の投光用光源４１と比較すれば、ビームスプリッタ４１８及び結像レンズ４１９を備えている点で異なる。

【0107】

図中の（ｂ）には、蛍光体４１５によって屈折された白色光と蛍光体４１５によって反射された白色光とをそれぞれ光ファイバ４２１の入射端に入射させる投光用光源４１ｅが示されている。この投光用光源１ｅは、（ａ）の投光用光源４１ｄと比較すれば、フィルタ素子４１４、蛍光体４１５、コリメータレンズ４１６及び結像レンズ４１７の配置が異なる。フィルタ素子４１４及び蛍光体４１５は、ＬＤ４１１、光学レンズ４１２及び４１３の光軸に対し、傾斜させて配置されている。

【0108】

また、実施の形態１～３では、反射型の分光器４３の例について説明したが、本発明は、分光器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用いてもよい。

【0109】

図１８は、共焦点変位計１の他の構成例を模式的に示した説明図であり、透過型の分光器４３ａが示されている。この分光器４３ａは、図５の分光器４３と比較すれば、回折格子４３５が透過型である点で異なる。回折格子４３５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。

【0110】

また、実施の形態１～３では、ヘッドユニット２の共焦点光学系が計測対象物Ｗ上に４つの照射スポットを形成する場合の例について説明したが、本発明は共焦点光学系の構成をこれに限定するものではない。例えば、共焦点光学系が２，３又は５以上のピンホールを有し、計測対象物Ｗ上に２，３又は５以上の照射スポットを形成するような構成であってもよい。

【符号の説明】

【0111】

１ 共焦点変位計
２ ヘッドユニット
２０ 筐体
２１ 光学部材
２１１ 屈折レンズ
２１２ 回折レンズ
２２ 光ファイバフェルール
３ ファイバケーブル
３１ 光ファイバ
３２ コネクタ
４ 制御装置
４１ 投光用光源
４２ カプラ
４３ 分光器
４３２ 回折格子
４３４ イメージセンサ
４４ 測定制御部
４４１ 信号波形抽出部
４４２ サーチ範囲特定部
４４３ ピーク位置特定部
４４４ 変位算出部
４４５ 統計値演算部
４５ メモリ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】