JP2010151745A - 変位センサ - Google Patents

Abstract

【課題】光源と絞りの共役関係を容易に確保でき、かつ、検査対象との距離の変化を正確に計測できる変位計、変位測定方法および厚み計を提供する。
【解決手段】変位計では、レーザダイオード１からの光が集光レンズ４において絞り板５のピンホール５ａに向けて集光され、ピンホール５ａを介して対物レンズ６へ送られる。当該光は、ワーク９０の表面上で反射し、対物レンズ６、ピンホール５ａ、集光レンズ４、ハーフミラー３を介して、フォトダイオード２で検出される。つまり、ピンホール５ａが、実質的な光源となり、また、ワーク９０上での反射光に対する絞りとなっている。なお、集光レンズ４によってピンホール５ａ上で集光されるスポット径は、ピンホール５ａの径よりも大きいものとされる。また、白抜き矢印で示された絞り板５上の戻り光成分の受光量信号は、ハイパスフィルタ１１によって除去される。
【選択図】図１

Description

本発明は、非接触で計測対象物体の変位を計測する共焦点光学系を用いた変位センサに関する。

従来から、例えば特許文献１に開示されるように、変位センサでは共焦点光学系が利用されており、レンズを光軸方向に掃引することで計測対象物体へ向けて照射する光の集光位置を変化させ、その集光位置が計測対象物の表面と一致するときに受光される反射光の受光用開口上でのスポットの大きさが最小となることに基づいて変位量を計測している。特許文献１では、集光位置を変化させるために、対物レンズを固定し他のレンズを掃引しているが、理解容易のために図１１では対物レンズを掃引する構成によりその動作を説明する。

まず、図１１（Ａ）を参照して、変位センサでは、レーザダイオード１５１から照射された光が対物レンズ１５６によって計測対象物１９０へ向けて集光される。当該計測対象物１９０の表面で反射された反射光は、対物レンズ１５６、ハーフミラー１５３、および、遮光板１５５上のピンホール１５５Ａを経て、フォトダイオード１５２で受光される。ピンホール１５５Ａは、ハーフミラー１５３の反射面についてレーザダイオード１５１の発光点と互いに鏡像となる位置関係に配置される。対物レンズ１５６により集光される光の集光位置と計測対象物１９０の表面とが一致した場合、反射光は遮光板１５５上で集光し、ピンホール１５５Ａを通過する光量が最大となり、その結果、フォトダイオード１５２で受光される受光量が最大値となる。

対物レンズ１５６によって集光される光の光軸方向について、集光位置と計測対象物１９０表面とがずれると、照射された光が計測対象物１９０表面上では集光せず、計測対象物１９０表面で反射された光は、ハーフミラー１５３を介して遮光板１５５に至るものの広がった状態になる。このため、ピンホール１５５Ａを通過する光量は減少し、フォトダイオード１５２における受光量は減少する。

なお、変位センサでは、レーザダイオード１５１から光を照射し、対物レンズ１５６を光軸方向に掃引することにより計測対象物１９０へ向けて照射する光の集光位置を光軸方向に掃引させながら、フォトダイオード１５２で反射光による受光量を検出している。

これにより、計測対象物１９０表面上で照射した光が集光するときに最大受光量が得られることになり、その状態での対物レンズ１５６の位置を計測することにより、対物レンズ１５６の位置に予め対応付けられた計測対象物１９０表面の位置が求められる。

また、特許文献２には、ニポウディスクに複数のピンホールを設け、当該ニポウディスクの各ピンホールにそれぞれ集光レンズを組合わせて回転させることにより、計測対象物上に集光ビームを走査する蛍光型共焦点光スキャナが開示されている。このスキャナでは、図１２に示されるように、光源からの光は、マイクロレンズディスク１０２に組付けられた複数のマイクロレンズを経て、ダイクロイックミラー１０５を透過し、さらにニポウディスク１０３に形成された複数のピンホールを経てワーク等の検査対象１０９に複数のスポット光を照射する（複数のマイクロレンズおよびピンホールは図示していない）。計測対象物１０９では集光点で蛍光が発生し、照射したスポット光とは異なる波長の蛍光が、ニポウディスク１０３に形成されたピンホールを経てダイクロイックミラー１０５によって反射され、照射光の光路から分離されてカメラ１０６へ導かれる。すなわち、光源の光の波長はダイクロイックミラー１０５を透過し、蛍光の波長はダイクロイックミラー１０５により反射されるようにダイクロイックミラー１０５の特性が選択される。マイクロレンズディスク１０２とニポウディスク１０３とが一体となって回転することで検査対象１０９上の複数のスポット光が走査され、カメラ１０６では蛍光による合焦点画像（焦点が合う部分のみを抽出した画像）を得ることができる。この装置においては、照射光の集光位置は掃引されず固定されているので、計測対象物１０９とニポウディスク１０３との距離を相対的に変更しつつ各高さにおいて合焦点画像を取得することで、計測対象物１０９の形状についての情報を取得することができる。

特許文献３では、半導体ウェハー等の精密位置測定を目的に、ピンホールを設けて、光源からの光をピンホールへ入射させ、通過した光を計測対象物へ向けて集光するとともに、その反射光を当該ピンホールへ向けて集め、通過した光を受光する共焦点変位測定装置が記載されている。計測対象物側では、照射光と反射光とは同軸とされており、ビームスプリッタにより光源からピンホールへ向けて照射された光とピンホールを通過して受光部へ入射する光が分離されている。検出される信号光が常に最大となるように圧電駆動機を駆動して当該共焦点変位測定装置全体を移動させ、その変位を測定している。
特開２００７−１２１１２２号公報 特開平０９−２６５４５号公報 特開２００２−２１３９１４号公報

図１１を参照して説明したような変位センサでは、ピンホール１５５Ａを通過しフォトダイオード１５２で受光される光の受光量を検出し、そして、当該受光量が最大値となった際の対物レンズ１５６の光軸方向の位置を検出する。これにより、対物レンズ１５６の位置に一意に対応する、計測対象物に向けて照射される光の集光位置に計測対象物１９０の表面が存在するとしてその位置が検出される。

このような変位センサにおいて、光源であるレーザダイオード１５１の発光点とピンホール１５５Ａとが光学的に鏡像となる位置関係にあることは重要である。たとえば図１１（Ｂ）に示されるように、ピンホール１５５Ａの位置が、図１１（Ａ）に示された状態から距離Ｘ１だけずれた場合、計測対象物１９０に向けて照射される光の集光位置が計測対象物１９０表面と一致していても、その反射光は遮光板１５５上では集光せず、スポットは広がった状態になる。この場合には、受光量が最大となる対物レンズ１５６の位置は、集光位置が計測対象物１９０の表面と一致するような対物レンズ１５６の位置からずれることになる。

さらにこのような場合、計測対象物１９０表面における光の反射態様は、計測対象物１９０表面の面の粗さによっても影響を受ける。

図１１（Ｃ）では、図１１（Ａ）に示された状態から、ピンホール１５５Ａの位置が距離Ｘ１だけずれた状態において、計測対象物１９０の表面が拡散面（反射光が拡散反射光となる面）である場合に、受光量が最大となる対物レンズの位置１５６Ａが示されている。なお、反射光は図中、二点鎖線で示されている。計測対象物１９０の表面が拡散面であると、計測対象物１９０の表面により反射される光は、当該表面上に生じるスポット全体を拡散光源して照射された光のようにふるまう。対物レンズが照射する光の集光位置を計測対象物体１９０の表面に一致させる位置にあるときには、図１１（Ｂ）で説明した通り、遮光板１５５上で反射光のスポットがぼやけて広がるため、最大の受光量は得られない。一方で、計測対象物体１９０の表面における反射光のスポットが遮光板１５５上でちょうど結像されるような位置に対物レンズがあるときには、遮光板１５５上に結像されるスポットの像のぼやけは最小限に抑えられて受光量は大きくなる。これらのことから、受光量が最大となる対物レンズの位置は、計測対象物１９０の表面に光を集光する位置よりもレーザダイオード１５１側に近づいて、計測対象物１９０の表面の反射光を遮光板１５５上に結像する位置（図１１（Ｃ）では１５６Ａの位置）までの間に存在することになる。尚、受光量が最大となる対物レンズの位置は、遮光板１５５上のスポットのぼやけ度合いに影響されるため、光学系の開口数よって異なるし、計測対象物１９０の拡散反射特性によっても異なる。すなわち、計測対象物１９０表面と光の集光点とが一致しない状態でピンホール１５５Ａを通過して受光される受光量が最大となり、計測対象物１９０表面は、ピンホール１５５Ａとレーザダイオード１５１の発光点とが光学的に鏡像となる位置関係にある場合に計測される位置とは異なる位置（図１１（Ｃ）では下方）に存在すると誤計測される。

図１１（Ｄ）では、図１１（Ａ）に示された状態から、ピンホール１５５Ａの位置が距離Ｘ１だけずれた状態において、計測対象物１９０表面が鏡面である場合に、受光量が最大となる対物レンズ位置１５６Ｂが示されている。計測対象物１９０表面が鏡面である場合には、計測対象物１９０の表面により反射される光は、対物レンズから照射された光が計測対象物１９０の表面よりも遠い位置に向けて集光するように照射されている状態では、計測対象物１９０の表面で反射された後に集光し、その集光点を光源として照射された光のようにふるまう。逆に、対物レンズから照射された光が計測対象物１９０の表面に到達する前に集光している状態では、その集光点の計測対象物１９０の表面に対する鏡像が反射光の仮想的な光源となり、その鏡像の光源から照射された光のようにふるまう。図１１（Ｄ）のように、ピンホール１５５Ａの位置がレーザダイオード１５１の発光点の鏡像となる位置に対して距離Ｘ１だけ光路長を長くするようにずれている場合には、計測対象物１９０によって鏡面反射された後に集光された光の集光点Ｐが遮光板１５５上に結像するような位置に対物レンズ１５９Ｂがあるとき、受光量が最大となる。このとき、計測対象物１９０の表面は、対物レンズから照射された光が計測対象物が存在しないときに集光する位置と、位置ずれしたピンホール１５５Ａに対して結像関係となる位置とのおよそ中間に存在することになる。すなわち、この場合においても、計測対象物１９０表面は、レーザダイオード１５１の発光点とピンホール１５５Ａとが光学的に鏡像の位置関係にある場合に計測される位置とは異なる位置（図１１（Ｄ）では下方）に存在すると誤計測される。尚、計測対象物が鏡面である場合の受光量が最大となる対物レンズの位置は、光学系の開口数には影響を受けないので、計測対象物体１９０が拡散面である場合とも必ずしも一致しない。

以上より、光源（図１１ではレーザダイオード１５１の発光点）と受光用開口（図１１ではピンホール１５５Ａ）が位置ずれして鏡像となる位置関係にない場合には、計測対象物の面（計測対象物１９０の表面）の面粗さの違いによって、受光量が最大となる計測対象物の位置が異なり、変位計測誤差が発生することとなる。

なお、検査対象である計測対象物１９０の表面では、一般に拡散面と鏡面とが存在し、多くの場合、拡散反射成分と鏡面反射成分の両成分が混在する。さらには、計測対象物１９０の表面上の場所が異なることによってもその比率が異なることが多い。つまり、計測対象物１９０表面を拡散面だけまたは鏡面だけというように仮定して計測対象物１９０の表面の変位を計測することは難しく、両者が混在する場合にもその比率を一律に仮定して計測することも困難である。

したがって、変位センサにおいて、光源と受光用開口とを鏡像となる位置関係に配置することは、表面状態が一定でない計測対象物を精度良く計測するためには重要なことである。

しかしながら、計測精度を向上させるために照射光を微小な集光スポット（ミクロンオーダー）とし、受光用開口の大きさをそれと同等の大きさにすれば、光源と受光用開口を正確に鏡像となる位置関係で配置するためにサブミクロンオーダーの精度が必要とされ、調整作業は困難かつ煩雑となる。また、仮に調整できたとしても温度変化によって位置ずれが生じる懸念がある。この煩雑さを回避するためにはレンズと光源間の距離、レンズと受光用開口間の距離を長くして、位置ずれ量によって生じる光軸の偏角を小さくすればよいが、装置が大型化するという問題を生じる。

一方、特許文献２のような図１２に示される共焦点光スキャナ光学系では、ニポウディスク１０３の中のピンホールが光源と受光用開口を兼用しており、上述のような光源と受光用開口の位置ずれの問題は生じないと考えられる。この共焦点光スキャナは蛍光顕微鏡に用いられており、対象物が発する蛍光の波長が照射光の波長と異なることを利用して、微弱な対象物からの蛍光のみを、ダイクロイックミラーにより照射光の戻り光から分離して、背景光に埋もれることなく検出している。しかし、通常、変位センサでは、多様な計測対象物の変位計測が求められ、必ずしも計測対象物は照射した光と波長の異なる蛍光を生じない。従って、ダイクロイックミラーは用いる構成を適用できるケースは稀である。すなわち、多様な計測対象物の変位計測に対応できないという課題がある。

特許文献３では、ピンホールを一旦介在させるため、光源と受光用開口の位置ずれの問題は生じない。しかし、この構成では、照射された光がピンホールによってけられることにより発生する戻り光が受光部へ入射するため背景光が存在する。計測対象物が低反射率物体である場合、計測対象物から得られる反射光量が微弱であるため背景の戻り光に埋もれて精度良く検出ができないという課題がある。

本発明はかかる実情に鑑み考え出されたものであり、その目的は、多様な表面状態、反射率の計測対象物に対して、精度良く変位を計測できる変位センサを提供することである。

本発明に従った変位センサは、特定の周波数成分を有する強度信号により光を照射する投光部と、開口を構成する遮光部材を含み、当該遮光部材は前記投光部から照射された光の少なくとも一部分を遮光し、当該開口は前記投光部から照射された光の他の部分を通過させ、照射された光を切り出すことにより当該開口を通過した光を新たな発散光とする開口部と、開口を通過した発散光を、計測対象物へ向けて集光して照射するとともに、集光される光の光軸方向に沿って当該光の集光位置を所定の態様により連続的に変化させ、さらに、計測対象物上に照射された光の反射光を、発散光の光路に対して逆方向に進行させて開口部へ導く掃引集光部と、開口を通過した反射光の光路を、投光部から開口へ至る照射光の光路から分離する光路分離素子と、光路分離素子により照射光の光路から分離された反射光を受光し、入射した光量に応じた受光信号を出力する受光部と、受光信号から、前記特定の周波数成分の信号を除去することによりフィルタ処理信号を得るフィルタ部と、フィルタ処理信号をもとに計測対象物までの距離についての情報を取得する処理部と、を備え、開口部は、計測対象物からの反射光の集光位置が前記掃引集光部の作動によって変化するときに、開口を通過する前記反射光の割合を変化させ、投光部が照射する光の信号強度が有する特定の周波数成分は、掃引集光部の作動によって変化する受光信号が有する周波数成分とは異なる周波数成分、または、受光信号が有する周波数成分の一部分の周波数成分とされ、処理部は、掃引集光部の作動によって生じるフィルタ処理信号の変化に基づいて計測対象物までの距離についての情報を取得することを特徴とする。

なお、ここでの周波数成分は、光の波長に対応する周波数成分ではなく、時間領域であらわされた信号を、対応する周波数領域であらわした場合に有することとなる周波数成分を意味する。

「特定の周波数成分を有する強度信号により光を照射する」は、照射される光の強度が、有限かつ定まった１または複数の周波数成分（連続的な周波数からなる周波数帯域も含む）の信号であることをいう。従って、照射される光の強度信号がランダムであるために周波数成分が不定となる場合や、有限であっても実質的に全周波数帯域に広がっている場合、例えば処理部で取り扱うことのできる信号の全周波数帯域に広がっているような場合は除かれる。

投光部が照射する光には、ガウスビームや、平行光、発散光源から出射された光、これらの光をレンズによって収束させ、一定の角度範囲内にわたる方向成分をもたせた光、拡散光を発する大きな光源によりいずれの位置からも開口へ向けて光が出射される光が含まれる。

開口は、光を通過させる空間内の領域であり、ピンホールやスリットが含まれる。「開口を形成する」とは、遮光部材を配置することによって、光を通過させる空間内の領域を制限することをいう。

なお、開口部へ照射される光が開口によって全くけられない場合、つまり、開口部へ向けて照射された光のすべてが開口を通過するような場合、当該開口を通過した光は新たな発散光にはならない。

新たな発散光は、投光部から開口部へ向けて集光して照射し、開口部上でその照射光の一部が開口によって切り出されるようにして構成してもよいし、空間中の一定範囲に広がった光源から開口部へ照射することにより、開口を通過した光が広がりを持つように構成してもよい（例えば大きな発光体を用いるような場合）。開口が狭小であるために、開口を通過した光が回折により広がりを生じる場合には、投光部から照射する光を平行光として開口部へ照射してもよい。

発散光は、コヒーレント光、インコヒーレント光のいずれでもよい。コヒーレント光には、ガウスビームやそれに近似できるビームが含まれる。

ここでいう光の集光または発散は、少なくとも当該光の光軸に直交する特定の方向の成分に関して集光または発散していれば良い。光軸に対して中心対称状に光が集光または発散する場合も含まれる。開口がスリットの場合には、上記の特定の方向の成分は、スリットの長手方向に対して垂直な方向とされる。

「掃引集光部が光の集光位置を所定の態様により連続的に変化させ」における「所定の態様により」は、集光位置の変化の仕方が不定ではなく、予め定められた変化の態様に従って変化することを言い、一定速度で集光位置が変化する場合のほか、集光位置毎に所定の異なる速度により変化する場合を含む。光を集光する光学部品が一定速度や一定の振動周期で移動する結果、光の集光位置が、その位置毎に所定の速さで変化する場合が含まれる。変化には、所定の範囲で、一方向に変化させる場合や往復するように変化させる場合が含まれ、単発的に変化させる場合や周期的に繰り返して変化させる場合が含まれる。

掃引集光部には、複数のレンズやミラー等の光学部品群により構成されて、その全体または一部分を移動させる場合や、単数の移動するレンズやミラーにより構成される場合が含まれる。

光路分離素子にはハーフミラーや偏光ビームスプリッタが含まれる。
「受光信号から特定の信号周波数成分の信号を除去する」には、特定の信号周波数成分の信号すべて除去する場合や、少なくとも一部の信号周波数成分を除去する場合を含む。

フィルタ処理には、ハイパスフィルタ、ローパスフィルタ、バンドパスフィルタなどの周波数フィルタが含まれるが、時間領域で信号に対して特定の演算を施すフィルタ処理であってもよい。すなわち、等価的に特定の信号周波数成分のうちの少なくとも一部もしくは全てを除去するフィルタ処理として機能する処理であれば含まれる。このフィルタ処理は、照射される光の強度信号が有する信号周波数成分の信号を除去するとともに、掃引集光部の作動によって生じる受光部の受光出力の変化に含まれる信号周波数成分を選択的に通過させるようにしてもよい。

この発明によれば、光源と受光用の開口とが一致し、戻り光の影響を減少させて計測対象物からの反射光を抽出することができるので、計測対象物の表面の粗さによる変位計測誤差の発生を防止しつつ高感度な変位計測を行うことができる。

好ましくは、投光部は、レーザダイオードにより、開口部上に形成されるスポットが開口を包含するように光を照射する。

投光部の光源としてレーザダイオードを用いた場合、レーザダイオードが非点隔差を有することに起因して、計測対象物へ向けて照射する光の集光点に非点収差が生じるが、この態様によれば、計測対象物へ向けて照射する光の集光点の非点収差を低減してスポットを小さくすることができるので、反射光が開口部上において集光するスポットも小さくなり、開口を通過して受光される光の受光量が増加する。これにより、高精度な変位計測を行うことができる。

好ましくは、特定の信号周波数成分は、直流成分であり、フィルタ部は、受光信号から直流成分を除去する。

直流成分からなる強度の照射光は、１の変位計測結果を得るために必要な照射時間単位において一定の強度で照射されていれば良い。

この態様によれば、照射する光の強度の制御およびフィルタ部の構成が簡単になる。
好ましくは、フィルタ部は、集光される光の光軸方向に沿って、当該光の集光位置を所定範囲で変化させたときに得られる受光信号の最小値を、オフセット値として受光信号から除去する。

所定範囲には、変位センサにおいて集光位置を変化させる範囲として予め定めた範囲や、変位センサがその仕様として変位計測範囲として定めた範囲を含む。

この態様によれば、ユーザは、簡易に適切なオフセット値を受光信号から除去することができる。

また、好ましくは、フィルタ部は、計測対象物体上に集光した光が照射されていない状態の受光信号をオフセット値として受光信号から除去する。

「計測対象物体上に集光した光が照射されていない状態」には、計測対象物体が照射光の変化範囲に存在しない場合や、変位センサの仕様上の変位計測範囲に存在しない場合、これらの範囲に存在していたとしても計測対象物体上に集光位置が一致しておらず実質的に計測対象物による反射光が受光されないことにより受光信号が背景レベルとなっている場合を含む。

この態様によれば、オフセット値を簡単に取得することができる。
好ましくは、投光部は、直線偏光の光を照射し、遮光部材は、正反射性物体であり、光路分離素子と受光部との間に配置され、投光部から照射された直線偏光の光が遮光部材により正反射されて生じる戻り光を受光部へ至る光路から除去し、当該戻り光の偏光方向に対して直交する偏光方向の光を受光部へ導く偏光素子をさらに備える。

ここで正反射性物体は、正反射成分を有する物体であり、直線偏光した入射光の少なくとも一部を正反射により一定の偏光状態で反射する物体である。鏡面金属物体、蒸着膜付きガラス、鏡面黒色物体を含む。投光部から照射された直線偏光の光が正反射性物体に垂直に入射した場合には、反射光は同じ偏光方向を有することになるので、照射した光の偏光方向に対して直交する偏光方向の光を除去する偏光素子を光路分離素子と受光部との間に配置すればよい。正反射性物体に対して斜めに照射光が入射した場合には、反射光は必ずしも同じ直線偏光にはならないが、一定の偏光状態すなわち直交する２方向の偏光成分の位相差が一定であれば、位相板を通すことで直線偏光にできるので、位相板を含み、当該位相板を経て直線偏光にされた反射光を除去する偏光素子を光路分離素子と受光部との間に配置すればよい。

この態様によれば、遮光部材によって反射されて受光部へ入射する戻り光の光量を減少させることができるので、背景のノイズ光を低減し、より反射率の低い計測対象物の計測が可能になる。

また、好ましくは、投光部は、直線偏光した光を照射し、遮光部材は、正反射性物体であり、光路分離素子は、前記投光部から照射された直線偏光の光を透過して前記開口部へ導くとともに、当該直線偏光に直交する偏光成分の光を異なる方向に反射する偏光分離素子、あるいは、前記投光部から照射された直線偏光の光を反射して前記開口部へ導くとともに、当該直線偏光に直交する偏光成分の光を透過する偏光分離素子である。

この態様によれば、光路分離素子と偏光分離素子が共通であるため、構成を簡単化することができる。

また、好ましくは、投光部は、波長λの光を照射し、開口部と計測対象物との間に配置されたλ／４板をさらに備える。

この態様によれば、計測対象物で正反射されて受光部へ入射する光は、投光部から照射される光の偏光方向と直交する直線偏光に変換されるので、偏光素子あるいは偏光分離素子を効率よく透過する。従って、表面の正反射成分が多い計測対象物を計測する場合には、計測対象物体からの正反射光の効率良く受光し、遮光部材に反射されて生じる戻り光を効果的に除去することができる。

また、好ましくは、掃引集光部は、対物レンズと、光軸方向に沿って往復振動可能なレンズであって、当該往復振動可能なレンズが一往復する間の所定の時点に、投光部から照射されて開口を通過した発散光を対物レンズへ向けて平行光に変換して導く振動コリメートレンズと、を含み、少なくとも振動コリメートレンズ部および開口部を含む光学系が収容される筐体と、対物レンズを支持する対物レンズホルダをさらに備え、筐体には、振動コリメートレンズ部の最も対物レンズに近い側のレンズ面に対向する位置に光出入口が形成され、当該光出入口において、対物レンズホルダが着脱可能とされる。

「光軸方向に沿って往復振動可能なレンズ」における光軸方向は、光路上の当該往復振動可能なレンズが存在する位置における光軸を意味する。

互いに焦点距離の異なる対物レンズを支持した対物レンズホルダを複数備えて、交換可能とすることができる。

この態様によれば、対物レンズが着脱可能となる。また、共通の筐体について焦点距離が異なる対物レンズに交換することにより、様々なワーキングディスタンス（計測対象物までの距離）に対応した変位計測が容易に実現できる。

また、好ましくは、フィルタ処理信号の処理対象とする最低感度レベルを設定する設定部をさらに備え、処理部は、フィルタ処理信号のうち、入力された最低感度レベルを上回る信号をもとに計測対象物までの距離についての情報を取得する。

この態様によれば、計測対象物へ照射される他の光が周囲に存在する状況であっても、自ら照射した光による反射光の強度が最も高ければ、最低感度レベルを適宜設定して、背景光の影響を除去した計測が可能になる。すなわち、周囲から入射する迷光の大きさと、計測対象物の反射率、表面状態に対応して得られる受光量に応じて、適切にノイズ成分として除去するレベルを設定することができる。

本発明によれば、光源と受光用の開口とが一致し、ずれることがないので計測対象物の表面の粗さによる変位計測誤差の発生を防止できる。さらに、戻り光の成分を減少させて計測対象物からの反射光の成分の比率を高めることができるので、感度の低下を防止して変位計測を行うことができる。

以下、本発明の変位センサの実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、同一の構成要素には各図において同一の符号を付し、詳細な説明は繰返さない。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の変位センサの第１の実施の形態の全体構成を模式的に示す図である。

変位センサは、センサヘッド６０と、当該センサヘッド６０を制御するコントローラ５０から主に構成される。

センサヘッド６０では、投光部であるレーザダイオード１から一定の強度の光が集光レンズ４により、絞り板５に設けられたピンホール（絞り穴）５ａに向けて集光される。尚、レーザダイオード１には自身への戻り光耐性を高めるためにセルフパルセーションレーザを用いてもよい。この場合、セルフパルセーションの強度変化はフォトダイオード２やその後段の回路の応答速度に対して十分高速であるため、等価的に、その包絡線による強度（今の場合一定強度）で光を照射していると考えれば良い。本実施の形態では、光を照射するレーザダイオード１により投光部が、絞り板５により開口部が、ピンホール５ａによって開口が構成される。ピンホール５ａは円形である。レーザダイオード１から照射された光は、集光レンズ４によって、絞り板５上で、ピンホール５ａを包含するように集光される。当該集光された光の一部は、ピンホール５ａを通過して対物レンズ６へ導かれる。そして、対物レンズ６を経て計測対象物９０の表面上に集光される。ピンホール５ａを通過した光が新たな発散光となる。対物レンズ６は、振動子７に支持されている。振動子７の近傍位置には振動子７を駆動するための駆動コイル７Ａが配備される。また、センサヘッド６０には、駆動コイル７Ａに通電するための駆動回路７Ｂが設けられている。駆動コイル７Ａに電流を流す期間と電流の供給を停止する期間とを一定の周期で繰り返すことにより振動子７が周期的に振動する。対物レンズ６は、振動子７の振動に応じて、計測対象物９０に接近する方向および遠ざかる方向に移動する。駆動信号出力部３０は、駆動回路７Ｂの駆動コイル７Ａへの通電態様を制御する。本実施の形態では、対物レンズ６、ならびに、対物レンズ６をこのように移動させる、振動子７、駆動コイル７Ａ、および駆動回路７Ｂにより、掃引集光部が構成される。さらに、対物レンズ６の位置を検出するために、対物レンズ６へ向けて光を照射するレーザダイオード６２および対物レンズ６によって反射された光を受光するＰＳＤ（position sensitive device）６３が設けられている。

計測対象物９０へ向けて照射された光は、当該計測対象物９０により反射される。そして、反射光は、対物レンズ６、ピンホール５ａ、集光レンズ４、ハーフミラー３を介してフォトダイオード２により受光される。ここでは、ピンホール５aを通過した後、ハーフミラー３により反射された光の全てがフォトダイオード２により受光される。本実施の形態では、ハーフミラー３により光路分離素子が、フォトダイオード２により受光部が構成される。フォトダイオード２から出力される受光信号は、コントローラ５０のハイパスフィルタ回路１１に送られる。

コントローラ５０では、フォトダイオード２から出力された受光信号が、ハイパスフィルタ回路１１で戻り光による直流成分を除去されてフィルタ処理信号となり、増幅器１２へ送られる。ここで、戻り光とは、レーザダイオード１から絞り板５に照射された光であって、ピンホール５ａ以外の部分（遮光部材）で反射されてハーフミラー３を介してフォトダイオード２により受光された光を意味し、図１では白抜き矢印で示されている。

本実施の形態では、ハイパスフィルタ回路１１により、フィルタ部が構成され、ハーフミラー３により、光路分離素子が構成されている。

そして、フィルタ処理信号は、コントローラ５０において、増幅器１２で増幅された後、さらにＡ／Ｄ変換器１３によってデジタル信号に変換され、信号処理部１４で適宜処理されて、中央処理部５１へと入力される。中央処理部５１は、ＣＰＵ（central processing unit）を含み、処理を実行するととともにコントローラ５０全体の動作を制御する。また、入出力部５３を通じて設定値を取得し、記憶部５２に記憶させたり、処理結果を入出力部で表示し、あるいは外部へ出力する。本実施の形態では、中央処理部５１が処理部を構成している。

本実施の形態の変位センサは、計測対象物９０の表面の変位を測定する装置である。
図１では、レーザダイオード１から計測対象物９０までの光軸が一点鎖線で模式的に示されている。

本実施の形態の変位センサでは、対物レンズ６はレンズホルダ部分５１により振動子７に固定され、測定が行なわれている間、対物レンズ６は、振動子７により、光軸方向に、つまり図１の振動子７上の両矢印に示す方向に、その位置を周期的な振動によって変化させられている。図１では、振動子７の振動によって変化させられた対物レンズ６の状態の一例が、破線６Ａで示されている。

図２は、対物レンズ６の位置を表す信号（以下、「レンズ位置信号」という。）と、フォトダイオード２により得られた受光信号との関係を示す。

ＰＳＤ６３は、レーザダイオード６２から対物レンズ６に照射された光の反射光を受けて、その入射位置に対応した信号を出力する。この信号は、中央処理部５１に取り込まれて、三角測量の原理に基づき、対物レンズ６の位置が求められる。これを時系列に並べたものが、図２のレンズ位置信号となる。レンズ位置信号は、振動子７の静止時の位置（以下、「基準位置」という。）を中心に正弦波状に変化する信号となる。

計測対象物９０の表面が対物レンズ６によって集光される光の集光位置に一致すると、計測対象物９０上で反射した光は、ピンホール５ａから対物レンズ６に向けての光路（投光路）と反対の経路を通って、ピンホール５ａの位置で集光する。このとき、受光信号に極大値（ピーク）が周期的に現れる。

図２の例では、対物レンズ６が位置Ｐにあるときに、受光信号にピークが現れている。これは、対物レンズ６が位置Ｐに置かれたときに当該対物レンズ６によって集光される光の集光位置が計測対象物９０の表面に一致していることを意味する。

本実施の形態では、たとえば、あらかじめ、センサヘッド６０の端部から計測対象物９０へ向けて集光される光の集光位置までの距離とレンズ位置信号との関係を表す変換テーブルを求めておき、当該変換テーブルを用いて受光信号にピークが現れたときの対物レンズ６の位置に基づいて、光の集光位置に存在するワークまでの距離を求める。そして、この対物レンズの位置の変化量により、計測対象物９０表面の変位量が求められる。

なお、本実施の形態の変位センサが厚み計として利用される場合には、ガラスのような部材を計測対象物とし、対物レンズ６の移動にともなって、２つの位置で受光信号にピークが現れる。このピークが得られたときの対物レンズ６の位置の差に基づいて当該部材の厚みが求められる。

本実施の形態の変位センサでは、投光部にレーザダイオード１を用い、集光レンズ４によって絞り板５上に集光するスポットの短径を、ピンホール５ａの直径よりも大きいものとし、集光するスポットにピンホール５ａが包含されるようにしている。レーザダイオード１の発光点には非点隔差が存在するため、計測対象物９０上に集光するスポットで非点収差が生じるが、上記構成により非点収差の影響を小さく抑えている。この点に関し、より具体的に説明する。

図３は、集光レンズ４によって絞り板５上に集光するスポットの径とピンホール５ａの径との比を変化させた場合の計測対象物９０上に集光するスポットにおける非点収差の影響を説明するための図である。

図３（Ｅ）は、絞り板５上に集光するスポットの径（ピンホール上スポット短径）に対して円形のピンホール５ａの径（ピンホール直径）を変化させたときの、計測対象物９０としてのスポット径計測用ワーク上に照射される光のスポットの径（ワーク上スポット径）の変化を示している。

なお、レーザダイオード１から出射される光は、活性層に垂直な方向（以下、垂直方向という。）と水平な方向（以下、水平方向という。）で広がり角が異なっており、それをレンズで集光したとき、一般的には楕円形となる。垂直方向の広がり角が水平方向の広がり角よりも大きいので、レンズで集光したときには、スポットは垂直方向について短径となる。ピンホール上スポット径とは、図３（Ｆ）に示されたように、絞り板５に形成されたピンホール５ａを含む領域上に形成された、レーザダイオード１から照射されるスポットＣの短径である。

また、図３（Ｅ）において、破線ＬＡは、レーザダイオード１の活性層に水平な方向についてのワーク上のスポットの寸法であり、破線ＬＢは、当該レーザダイオード１の活性層に垂直な方向についてのスポットの寸法である。水平方向のスポットの寸法が最小となる位置を基準として、垂直方向のスポットの寸法を測定している。

破線ＬＡと破線ＬＢの値の差が、非点隔差によって生じる非点収差の影響を表している。そして、図３（Ｅ）から理解されるように、ピンホール上スポット径に対するピンホール径の比が小さくなるほど（横軸の値が小さくなるほど）非点隔差は小さくなっている。

図３（Ａ）〜図３（Ｄ）は、それぞれ、図３（Ｅ）内の記号Ａ〜Ｄが付されたピンホール径／ピンホール上スポット径に対応するワーク上のスポットを示す。なお、図３（Ａ）〜図３（Ｄ）では、スポットの外郭を枠Ｆで強調して示している。

図３（Ａ）〜図３（Ｄ）の中で、図３（Ｄ）では、スポットは、垂直方向に長くなっている。このことは、図３（Ｅ）において、位置Ｄでは、直線ＬＢと破線ＬＡの差が大きいことに対応している。図３（Ｃ）では、スポットの垂直水平比は図３（Ｄ）におけるスポットの垂直水平比よりも小さくなり、そして、図３（Ｂ）においては、さらにスポットの垂直水平比が小さくなって１に近づき、図３（Ａ）では、スポットの垂直水平比がほぼ１となっている。

なお、ピンホール上スポット径に対するピンホール径の比を図３（Ｅ）に示すように変化させた場合、当該比が１以上であった場合には、図２に示した受光信号のピークがブロードでレンズ位置を特定するときの誤差が大きくなった。一方、当該比が１を下回ると、つまり、ピンホール上スポット径がピンホール径より大きくなると、図２に示したような受光信号のピークが、シャープなものとなり、レンズ位置を特定するときの誤差が小さくなった。

本実施の形態の変位センサでは、ピンホール上スポット径の短軸の径をピンホール直径よりも大きいものとしている。これにより、非点収差を低減し、計測対象物９０までの距離、計測対象物９０の変位を精度良く測定できるようになる。また、集光レンズ４によって絞り板５上に照射されるスポットとピンホール５ａとの位置合わせも容易である。なお、絞り板５上のスポット径をピンホール径よりも大きくした場合、これらの利点があるものの、あまり大きくしすぎると、対物レンズ６を介して計測対象物９０に照射されるビームの強度が低下する。このため、絞り板５上のスポット径の大きさは、フォトダイオード２での受光信号として、図２に示したようなピーク波形における広がりと、波形のピーク値に対するノイズ成分の大きさを考慮して、精度良くピークを検出できるよう定める。なお、図１において白抜き矢印で示された戻り光による受光信号は直流成分となるので、ハイパスフィルタ回路１１によって除去される。

以上説明した本実施の形態の変位センサでは、レーザダイオード１からの光が集光レンズ４において絞り板５のピンホール５ａに向けて集光され、ピンホール５ａを通過して対物レンズ６へ導かれる。そして、当該光は、計測対象物９０の表面上で反射し、対物レンズ６、ピンホール５ａ、集光レンズ４、ハーフミラー３を経て、フォトダイオード２で受光される。つまり、本実施の形態では、ピンホール５ａが、実質的な光源となり、また、計測対象物９０上での反射光に対する絞りとなっている。これにより、光源と絞りが同一のものより構成されるため、両者の位置ずれに起因する計測誤差の発生を抑制することができる。そして、掃引集光部が作動することにより図２に受光信号として示したように変化する受光部（フォトダイオード２）の出力信号を、ハイパスフィルタに通すことにより直流成分を除去したフィルタ処理信号を得て、当該フィルタ処理信号のピークに基づいて、計測対象物体までの距離についての情報が取得される。これにより、戻り光の影響を減少させて計測対象物からの反射光を抽出し、高感度な変位計測を行うことができる。

なお、掃引集光部は、本実施の形態のように対物レンズを光軸方向に振動させることによって対物レンズの集光位置を変化させても良いし、また、投光部から計測対象物体までの光路中に光軸方向に振動する反射鏡で光を折り返し、それを対物レンズに入射させることにより光路長を変化させるような構成とされても良い。

また、光源側（受光部側）に対する計測対象物側の集光位置の縦倍率（結像光学系における光軸方向の結像倍率）を拡大する光学系とすることができる。具体的には、本実施の形態において、振動子７を所定の範囲内で移動させ、それによって移動させられる対物レンズ６が所定の範囲内のいずれの位置にある状態で、絞り板５のピンホール５ａから対物レンズ６のピンホール側主平面の距離が、対物レンズ６の計測対象物側主平面と計測対象物へ向けて照射される光の集光位置までの距離よりも、短くなるように構成することができる。また、ピンホール５ａを通過した光を計測対象物９０へ向けて集光する光学系として、移動可能な対物レンズ６に代えて、所定の範囲内で移動する移動レンズを含む複数のレンズ群等で構成される光学系であれば、移動レンズが所定の範囲内のいずれの位置にある状態で、絞り板５のピンホール５ａから当該光学系のピンホール５ａ側の主平面までの距離が、当該光学系の計測対象物側主平面と計測対象物へ向けて照射される光の集光位置までの距離よりも、短くなるようにすればよい。従来技術では、ピンホール５ａの位置に光源および受光用開口を、光学系との間にハーフミラーを挟んで配置し、しかも光源と受光用開口の位置合わせのための調整機構を必要としたので、上記光学系の光源側の距離を短くするには限界があったところ、縦倍率を拡大する光学系の採用により、計測対象物へむけて照射される光の集光位置の振動幅を往復振動レンズの振動幅よりも大きくすることができる。これにより、変位計測範囲を広げることができる。

［第２の実施の形態］
本発明の第２の実施の形態の変位センサの構成を、図４に模式的に示す。

本実施の形態の変位センサは、第１の実施の形態と同様に、コントローラ５０とセンサヘッド６０から主に構成されるが、コントローラ５０の構成が第１の実施の形態に対して変更されている。

本実施の形態の変位センサでは、フィルタ部として、ボトムホールド回路２２および差分回路２３が設けられている。

本実施の形態のコントローラ５０では、フォトダイオード２から入力される受光信号は、増幅器２１で増幅された後、ボトムホールド回路２２に入力される。なお、フォトダイオード２から入力され増幅器２１で増幅された信号を、図５（Ａ）に模式的に示す。

ボトムホールド回路２２は、少なくとも対物レンズを振動させる１振動周期以上の受光信号の中のボトム値をホールドする。図５では（Ａ）に示される受光信号から、図５（Ｂ）に示されるような信号を出力する。

差分回路２３には、ボトムホールド回路２２からの信号と、増幅器２１からの信号が、入力される。そして、差分回路２３は、増幅器２１からの信号とボトムホールド回路２２との差分である、図５（Ｃ）に示されるような信号を出力する。

そして、差分回路２３が出力する、図５（Ｃ）に示されるような信号は、増幅器２４において増幅されることにより、図６（Ｄ）に示すような信号となる。

そして、増幅器２４から出力される信号は、Ａ／Ｄ変換器１３によってデジタル信号に変換され、信号処理部１４で適宜処理されて、中央処理部５１へと入力され、第１の実施の形態と同様に処理される。

なお、本実施の形態において、図５（Ｂ）に示されたボトム値は、対物レンズ６を介して計測対象物９０に照射される光の集光位置が計測対象物９０表面とは一致していない状態に相当し、ピンホール５ａを通過して受光される反射光はほとんど存在せず、図４において（図１と同様に）白抜きの矢印で示された、絞り板５に照射された光のうちピンホール５ａ以外の遮光部分で反射された戻り光の受光量となる。そして、図５（Ａ）に示された２つのピークの値は、対物レンズ６を介して計測対象物９０に照射される光の集光位置が計測対象物９０表面に一致した状態に相当し、計測対象物９０表面からの反射光の受光量に、当該戻り光による受光量が加算された合計の受光量となる。

そして、本実施の形態では、ボトムホールド回路２２で戻り光による受光量を求め、差分回路２３で、当該戻り光による受光量をフォトダイオード２の受光量から差し引くことにより、計測対象物９０表面からの反射光成分を求めている。
これにより、本実施の形態の変位センサでは、戻り光を有効に除去して計測対象物９０からの反射光を抽出することができるので、計測対象物９０の反射光量が微弱であっても戻り光に埋もることなく検出し、高感度な変位計測を行うことができる。

尚、上記第１及び第２の実施の形態では、レーザダイオード１を一定強度で照射し、フィルタ部で直流成分や一定値を除去するようにしていたが、レーザダイオード１の駆動電流を特定の周波数成分を有する信号によって変調し、フィルタ部ではその特定の周波数成分を除去するフィルタ処理を行うようにしてもよい。ただし、対物レンズ６の位置変化により生じる受光信号のピーク波形が有する周波数帯域を除去してしまうと信号量が低下するので、レーザダイオード１が照射する光の強度信号が有する周波数成分は、受光信号のピーク波形が有する周波数成分と異ならせるのが望ましい。

さらに、本実施の形態の変形例として、計測対象物９０が存在しない状態で予め受光信号をオフセット値として取得して記憶部５２に記憶しておき、このオフセット値を差分回路によりフォトダイオード２の受光出力（受光信号）から減算するようにフィルタ部を構成してもよい。この場合には、図４の差分回路への入力として、ボトムホールド回路２２の出力の代わりに、中央処理部５１が記憶部５２に記憶されているオフセット値を読み出してＤ／Ａ変換した値を入力すればよい。

［第３の実施の形態］
本発明の第３の実施の形態の変位センサの構成を、図６に模式的に示す。

本実施の形態の変位センサは、第１の実施の形態と同様に、コントローラ５０とセンサヘッド６０から主に構成されるが、センサヘッド６０の構成が第１の実施の形態に対して変更されている。

図６を参照して、本実施の形態の変位センサでは、ハーフミラー３とフォトダイオード２との間に、図１と同様に白抜きの矢印で示された戻り光成分の偏光方向と異なる方向、ここでは直交する方向に透過軸を有する偏光板８がさらに設けられている。尚、レーザダイオードは直線偏光した光を照射しており、絞り板５は正反射性の材質により構成されている。これにより、戻り光に含まれる拡散反射成分は低減され、正反射成分は一定の偏光状態に保たれる。特に、絞り板５に対して垂直に直線偏光した光が入射した場合には戻り光の正反射成分も直線偏光となる。斜めに入射した場合、反射光は直線偏光にならない場合があるが、反射光全体の偏光状態がランダムになるわけではなく、一定の偏光状態が保たれる。この場合には、位相板を用いて直線偏光に変換することができる。

フォトダイオード２に、偏光板８によって戻り光が有する偏光成分を除去した後の光を入射させることにより、フォトダイオード２への上記戻り光の入射光量を低減させることができる。これにより、フォトダイオード２に入射する光において、計測対象物９０上で反射してその偏光方向を乱された反射光のうち、戻り光と直交する偏光方向を持つ光の割合を高くし、感度を向上させることができる。

［第４の実施の形態］
本発明の第４の実施の形態の変位センサの構成を、図７に模式的に示す。

本実施の形態の変位センサは、第１の実施の形態と同様に、コントローラ５０とセンサヘッド６０から主に構成されるが、センサヘッド６０の構成が第１の実施の形態に対して変更されている。

図７を参照して、本実施の形態の変位センサでは、第１の実施の形態の変位センサにおけるハーフミラー３の代わりに、偏光ビームスプリッタ９が設けられている。偏光ビームスプリッタ９の、フォトダイオード２へ送られる光の透過軸は、第３の実施の形態における偏光板８と同様に、白抜きの矢印で示された戻り光成分の偏光方向と直交する方向とされている。

フォトダイオード２に、偏光ビームスプリッタ９を反射した光を入射させることにより、フォトダイオード２への上記戻り光の入射を抑えることができる。これにより、フォトダイオード２に入射する光において、上記戻り光の割合を低く抑え、計測対象物９０上で反射してその偏波方向を乱された光の中の戻り光と直交する偏光方向を持つ光の割合を高めることができる。

［第５の実施の形態］
本発明の第５の実施の形態の変位センサの構成を、図８に模式的に示す。

本実施の形態の変位センサは、第３の実施の形態と同様に、ハーフミラー３とフォトダイオード２との間に偏光板８が設けられており、さらに、ピンホール５ａと計測対象物９０との間に、直線偏光を円偏光にするλ／４板１０が設けられている。

本実施の形態では、偏光板８は、レーザダイオード１が照射するレーザ光の偏光方向に対してほぼ直交する角度に透過軸を有するように設置されている。

本実施の形態では、フォトダイオード２に、偏光板８を通った光を入射させることにより、フォトダイオード２への上記戻り光の入射を低く抑える一方、計測対象物９０で正反射された反射光は大部分を受光することができる。

より詳細には、点線の白抜き矢印で示された、計測対象物９０上で反射し、ピンホール５ａを介してフォトダイオード２に入射する光は、ピンホール５ａから対物レンズ６を介して計測対象物９０まで到達するまでにλ／４板１０によって円偏光され、さらに、計測対象物９０上で正反射した後対物レンズ６とピンホール５ａを介してフォトダイオード２へ到達するまでに再度λ／４板１０を通過することによって円偏光がピンホール５ａからの戻り光と直交する直線偏光とされる。つまり、点線の白抜き矢印で示された反射光は、実線の白抜き矢印で示された戻り光と直交する直線偏光となっていることになる。

本実施の形態では、フォトダイオード２に入射する光がλ／４板１０を２回通過した後で偏光板８を通過することにより、フォトダイオード２に入射する光において、戻り光成分の割合を低く抑え、計測対象物９０上で正反射されて受光される反射光の割合を高めることができる。

［第６の実施の形態］
本発明の第６の実施の形態の変位センサの構成を、図９に模式的に示す。

本実施の形態の変位センサは、第５の実施の形態に対して、ハーフミラー３と偏光板８の代わりに、偏光ビームスプリッタ９が設けられている。

本実施の形態では、フォトダイオード２に入射する光がλ／４板１０を２回通過した後で偏光ビームスプリッタ９を通過することにより、フォトダイオード２に入射する光において、実線の白抜き矢印で示された戻り光成分の割合を低く抑え、破線の白抜き矢印で示された計測対象物９０上で正反射されて受光される反射光の割合を高めることができる。

［第７の実施の形態］
本発明の第７の実施の形態の変位センサの構成を、図１０に模式的に示す。

本実施の形態の変位センサは、第１の実施の形態と同様に、コントローラ５０とセンサヘッド６０から主に構成されるが、センサヘッド６０の構成が第１の実施の形態に対して変更されている。

本実施の形態では、第１の実施の形態に対して、レンズ３１が追加されている。対物レンズ６の代わりにレンズ３１が振動子７に固定され、レンズ３１が光軸方向に沿って図９中の両矢印に示す方向に位置を変化させられる。図１０では、振動子７によって変化させられたレンズ３１の状態の一例が、破線３１Ａで示されている。対物レンズ６の位置は変化しない。

本実施の形態の変位センサでは、レンズ３１を移動させる振動子７、駆動コイル７Ａ、および駆動回路７Ｂにより、振動コリメートレンズ部が構成される。また、振動コリメートレンズ部、ピンホール５ａが開口を構成する絞り板５、集光レンズ４、ハーフミラー３、レーザダイオード１およびフォトダイオード２からなる光学系を収容する筐体をセンサヘッド６０としている。

センサヘッド６０には、収容される振動コリメートレンズ部の最も対物レンズに近い側のレンズ面に対向する位置に光出入口６６が形成される。この光出入り口６６には、対物レンズホルダ取り付け部６５が形成され、対物レンズ６が収容された対物レンズホルダ６１が着脱可能に取り付けられる。対物レンズホルダ６１および対物レンズホルダ取り付け部６５には互いに勘合するねじ溝が設けられ、光軸を一致させた状態で固定が可能である。ねじ溝を設けずに、光軸を一致させたまま光軸方向についてスライド可能に勘合するようにして、別途ねじ止めするようにしてもよい。尚、振動コリメートレンズ部から出て対物レンズへ入射する光を略平行光にすることにより、組み合わされる両レンズの間隔の変動に起因して生じる収差の変動を小さく抑えることができる。すなわち、両レンズの間隔が多少変動しても、計測対象物に向けて照射される光の集光スポットの形状が大きく変動することがない。

レンズ３１は、レーザダイオード１から計測対象物９０への光路上であって、ピンホール５ａと対物レンズ６との間に配置されている。そして、レンズ３１は、振動子７により振動させられる振動中心に位置するときに、レーザダイオード１から照射されてピンホール５ａを通過した光を対物レンズ６に向けて平行光にする。

このような本実施の形態では、レンズ３１の位置が、レーザダイオード６２とＰＳＤ６３にを用いて検出されることにより、図２に示されたような、レンズ３１の位置についてのレンズ位置信号と、フォトダイオード２により得られた受光信号との関係が得られ、これにより、計測対象物９０の表面位置の変位や、計測対象物９０の厚さが計測される。

本実施の形態では、対物レンズの着脱が可能となる。さらに、焦点距離の異なる対物レンズを収容した対物レンズホルダ６１を複数用意し、着脱交換することにより、対物レンズ６から計測対象物９０までのワーキングディスタンスを容易に変更することができる。

［第８の実施の形態］
本発明の第８の実施の形態の変位センサは、これまでに記載した実施の形態とハードウェア構成は同様であり、処理部において実行される処理が異なる。

本実施の形態では、処理部である中央処理装置５１が、計測実行前に予め入出力部５３を通じて最低感度レベルを取得し、記憶部５２に格納する。そして、計測実行時には、信号処理部１４から入力されるフィルタ処理信号に対して、記憶部５２に記憶されている最低感度レベルを参照し、最低感度レベルを上回る値のフィルタ処理信号に基づいて、移動させられているレンズについて最大受光量が得られるレンズ位置を求め、計測対象物の表面までの距離を計測する。尚、入出力部５３を通じて取得した最低感度レベルを記憶部５２に記憶する動作を行う中央処理装置５１、入出力部５３、記憶部５２により設定部が構成されている。

フィルタ処理信号のうち、入力設定された最低感度レベルを上回る信号をもとに計測対象物までの距離についての情報を取得している。これにより、周囲から入射してくる迷光の大きさと、計測対象物９０の反射率、表面状態に対応して得られる受光量に応じて、適切にノイズ成分として除去するレベルを設定することができる。

例えば複数の開口が存在し、各開口について周囲の開口からのぼやけた光が迷光として入射するような場合であっても、適宜使用環境に応じた最低受光感度レベルに調整することで適切に迷光の除去が行える。

これにより、ノイズ成分を除去して安定な変位計測が可能になる。
［その他の変形例］
以上説明された各実施の形態のコントローラ５０やセンサヘッド６０に備えられるハイパスフィルタ回路やボトムホールド回路等の構成要素は、専門の電気回路によるハードウェアとして実現されても良いし、中央処理部５１が所定のプログラムを実行することによって、つまり、ソフトウェアとして実現されても良い。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。また、各実施の形態において説明された技術的思想は、可能な限り組み合わされて実現されることが意図される。

本発明の変位センサの第１の実施の形態の全体構成を模式的に示す図である。 図１の変位センサにおける、レンズ位置信号と受光信号との関係を示す図である。 図１の変位センサにおいて、集光レンズによって絞り板上に集光するスポットの径をピンホールの径に対して変化させたときの影響を説明するための図である。 本発明の変位センサの第２の実施の形態の全体構成を模式的に示す図である。 図４の変位センサのコントローラにおいて処理される信号を模式的に示す図である。 本発明の変位センサの第３の実施の形態の全体構成を模式的に示す図である。 本発明の変位センサの第４の実施の形態の全体構成を模式的に示す図である。 本発明の変位センサの第５の実施の形態の全体構成を模式的に示す図である。 本発明の変位センサの第６の実施の形態の全体構成を模式的に示す図である。 本発明の変位センサの第７の実施の形態の全体構成を模式的に示す図である。 従来の変位センサにおける光学系の構成の一例を模式的に示す図である。 従来の蛍光型共焦点光スキャナにおける光学系の構成の他の例を模式的に示す図である。

符号の説明

１ レーザダイオード、２ フォトダイオード、３ ハーフミラー、４ 集光レンズ、５ 絞り板、５ａ ピンホール、６ 対物レンズ、７ 振動子、８ 偏光板、９ 偏光ビームスプリッタ、１０ λ／４板、１１ ハイパスフィルタ回路、１２，２１，２４ 増幅器、１３ Ａ／Ｄ変換器、１４ 信号処理部、２２ ボトムホールド回路、２３ 差分回路、３０ 位置検出部、３１ レンズ、５０ コントローラ、６０ センサヘッド、９０ ワーク。

Claims (10)

1. 特定の周波数成分を有する強度信号により光を照射する投光部と、
   開口を構成する遮光部材を含み、当該遮光部材は前記投光部から照射された光の少なくとも一部分を遮光し、当該開口は前記投光部から照射された光の他の部分を通過させ、前記照射された光を切り出すことにより当該開口を通過した光を新たな発散光とする開口部と、
   前記開口を通過した発散光を、計測対象物へ向けて集光して照射するとともに、集光される光の光軸方向に沿って当該光の集光位置を所定の態様により連続的に変化させ、さらに、前記計測対象物上に照射された光の反射光を、前記発散光の光路に対して逆方向に進行させて前記開口部へ導く掃引集光部と、
   前記開口を通過した前記反射光の光路を、前記投光部から前記開口へ至る前記照射光の光路から分離する光路分離素子と、
   前記光路分離素子により前記照射光の光路から分離された前記反射光を受光し、入射した光量に応じた受光信号を出力する受光部と、
   前記受光信号から前記特定の周波数成分の信号を除去することによりフィルタ処理信号を得るフィルタ部と、
   前記フィルタ処理信号をもとに計測対象物までの距離についての情報を取得する処理部と、を備え、
   前記開口部は、前記計測対象物からの反射光の集光位置が前記掃引集光部の作動によって変化するときに、前記開口を通過する前記反射光の割合を変化させ、
   前記投光部が照射する光の信号強度が有する特定の周波数成分は、前記掃引集光部の作動によって変化する受光信号が有する周波数成分とは異なる周波数成分、または、前記受光信号が有する周波数成分の一部分の周波数成分とされ、
   前記処理部は、前記掃引集光部の作動によって生じる前記フィルタ処理信号の変化に基づいて計測対象物までの距離についての情報を取得する変位センサ。
2. 前記投光部は、レーザダイオードにより、前記開口部上に形成されるスポットが前記開口を包含するように光を照射する、請求項１に記載の変位センサ。
3. 前記特定の信号周波数成分は、直流成分であり、
   前記フィルタ部は、前記受光信号から直流成分を除去する、請求項１に記載の変位センサ。
4. 前記フィルタ部は、集光される光の光軸方向に沿って、当該光の集光位置を所定範囲で変化させたときに得られる前記受光信号の最小値をオフセット値として前記受光信号から除去する、請求項３に記載の変位センサ。
5. 前記フィルタ部は、計測対象物上に集光した光が照射されていない状態の前記受光信号をオフセット値として前記受光信号から除去する、請求項３に記載の変位センサ。
6. 前記投光部は、直線偏光の光を照射し、
   前記遮光部材は、正反射性物体であり、
   前記光路分離素子と前記受光部との間に配置され、前記投光部から照射された直線偏光の光が前記遮光部材により正反射されて生じる戻り光を前記受光部へ至る光路から除去し、当該戻り光の偏光方向に対して直交する偏光方向の光を前記受光部へ導く偏光素子をさらに備える、請求項１に記載の変位センサ。
7. 前記投光部は、直線偏光した光を照射し、
   前記遮光部材は、正反射性物体であり、
   前記光路分離素子は、前記投光部から照射された直線偏光の光を透過して前記開口部へ導くとともに、当該直線偏光に直交する偏光成分の光を異なる方向に反射する偏光分離素子、あるいは、前記投光部から照射された直線偏光の光を反射して前記開口部へ導くとともに、当該直線偏光に直交する偏光成分の光を透過する偏光分離素子である、請求項１に記載の変位センサ。
8. 前記投光部は、波長λの光を照射し、
   前記開口部と前記計測対象物との間に配置されたλ／４板をさらに備える、請求項４または請求項７に記載の変位センサ。
9. 前記掃引集光部は、
   対物レンズと、
   光軸方向に沿って往復振動可能なレンズであって、当該往復振動可能なレンズが一往復する間の所定の時点に、前記投光部から照射されて前記開口を通過した発散光を前記対物レンズへ向けて平行光に変換して導く振動コリメートレンズと、を含み、
   少なくとも前記振動コリメートレンズ部および開口部を含む光学系が収容される筐体と、
   前記対物レンズを支持する対物レンズホルダをさらに備え、
   前記筐体には、前記振動コリメートレンズ部の最も対物レンズに近い側のレンズ面に対向する位置に光出入口が形成され、
   当該光出入口において前記対物レンズホルダが着脱可能とされる、請求項１に記載の変位センサ。
10. 処理対象とする前記フィルタ処理信号の最低値を規定する最低感度レベルを設定する設定部をさらに備え、
    前記処理部は、前記フィルタ処理信号のうち、前記最低感度レベルにより規定された最低値を上回る信号の変化に基づいて計測対象物までの距離についての情報を取得する、請求項１に記載の変位センサ。