JP5834979B2

JP5834979B2 - 共焦点計測装置

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Publication number: JP5834979B2
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Inventors: 雅之早川; 山下　吉弘; 吉弘山下
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Filing date: 2012-02-03
Publication date: 2015-12-24
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Description

本発明は、非接触で計測対象物の変位を計測する計測装置であって、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計測装置に関する。

非接触で計測対象物の変位を計測する計測装置のうち、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計測装置が特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されている共焦点計測装置は、複数の波長の光を出射する光源（たとえば白色光源）と、当該光源から出射する光に、光軸に沿って色収差を生じさせる回折レンズを備えている。特許文献１に開示されている共焦点計測装置は、計測対象物の変位に応じて合焦する光の波長が異なるので、ピンホールを通過する光の波長を計測することで計測対象物の変位を計測することができる。

ここで、回折レンズには、原理上、一次回折光以外に二次回折光などの高次回折光が存在する。そのため、回折レンズを用いる共焦点計測装置では、予め計測に利用する次数を決めて光学設計を行なう必要がある。たとえば、計測に利用する次数を一次と決めて光学設計をした場合、共焦点計測装置は、一次回折光が集光する位置に計測対象物を配置することで、計測対象物の変位を計測することができる。

しかし、共焦点計測装置は、計測に利用する次数を一次と決めて設計した場合であっても、高次回折光の信号（誤信号）を計測することがある。特に、計測対象物が鏡面を有する場合、共焦点計測装置は、計測対象物の鏡面で反射する高次回折光の信号をより多く計測することになる。そのため、共焦点計測装置は、高次回折光による計測への影響が大きくなる。たとえば、二次回折光が集光する位置に計測対象物を配置した場合、共焦点計測装置は、二次回折光による信号（誤信号）を利用して計測対象物の変位を誤って計測する場合があった。また、共焦点計測装置は、たとえば一次回折光のうち計測対象物で二次回折光として反射する光、または二次回折光のうち計測対象物で一次回折光として反射する光（以下、異なる次数の回折光の反射光ともいう）による信号（誤信号）を計測して、計測対象物の変位を誤って計測する場合があった。

特に、設計次数において、一次の回折効率と、二次の回折効率とでは、効率が大きく異なる。そのため、共焦点計測装置において、二次回折光による誤信号よりも、一次回折光のうち計測対象物で二次回折光として反射する光（異なる次数の回折光の反射光）による誤信号のほうが、強度が大きくなりやすく、誤って計測する可能性が高い。

そこで、特許文献２および特許文献３では、高次回折光による計測への影響を緩和することが可能な回折レンズが開示されている。特許文献２および特許文献３で開示されている回折レンズは、鋸歯状に形成された面を持つ複数の回折素子を、積重ねて複層化した回折レンズである。

米国特許第５７８５６５１号明細書特開２００４−１２６３９４号公報特開２０１１−１７００２８号公報

特許文献２および特許文献３で開示されている回折レンズは、単層の回折レンズに比べて製造工程が複雑で製造コストが高くなる問題があった。また、共焦点計測装置に複層化した回折レンズを用いる場合、当該共焦点計測装置の光学系で利用できるように、鋸歯状に形成された面を持つ回折素子を設計し、当該回折素子を積重ねる必要があるため、設計・開発コストも高くなる問題があった。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、特に、誤って計測する可能性の高い、異なる次数の回折光の反射光による計測への影響を緩和することができる共焦点計測装置を提供することを目的とする。

本発明に従った共焦点計測装置は、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計測装置であって、複数の波長の光を出射する光源と、光源から出射する光に、光軸方向に沿って色収差を生じさせる回折レンズと、回折レンズで色収差を生じさせた光のうち、計測対象物において合焦する光の強度を波長ごとに計測する計測部とを備え、光源から回折レンズへの主光線を、回折レンズの光軸に対してずらしてある。

また、本発明の共焦点計測装置では、好ましくは、回折レンズより計測対象物側に配置され、回折レンズで色収差を生じさせた光を計測対象物に集光する対物レンズをさらに備える。

また、本発明の共焦点計測装置では、好ましくは、回折レンズから光源および計測部までの光路に用いる光ファイバをさらに備え、光ファイバの端部を、回折レンズの光軸に対してずらすことで、前記光源から前記回折レンズへの主光線を、前記回折レンズの光軸に対してずらしてある。

本発明に従った別の共焦点計測装置は、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計測装置であって、複数の波長の光を出射する光源と、光源から出射する光に、光軸方向に沿って色収差を生じさせる回折レンズと、光源から回折レンズまでの間、および回折レンズより計測対象物側のうち少なくとも一方に配置されている光学素子と、回折レンズで色収差を生じさせた光のうち、計測対象物において合焦する光の強度を波長ごとに計測する計測部とを備え、光源から回折レンズへの主光線を、回折レンズの光軸に対して一致させ、光学素子の光軸を、回折レンズの光軸に対してずらしてある。

また、本発明の別の共焦点計測装置では、好ましくは、回折レンズから光源および計測部までの光路に用いる光ファイバをさらに備え、光ファイバの端部を、光学素子の光軸に対してずらしてある。

本発明に従ったさらに別の共焦点計測装置は、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計測装置であって、複数の波長の光を出射する光源と、光源から出射する光に、光軸方向に沿って色収差を生じさせる回折レンズと、回折レンズで色収差を生じさせた光のうち、計測対象物において合焦する光の強度を波長ごとに計測する計測部と、回折レンズを格納する計測ヘッド部とを備え、回折レンズの光軸を、計測ヘッド部の長軸、または計測対象物へ光を出射する計測ヘッド部の出射面に対して傾けてある。

また、本発明のさらに別の共焦点計測装置では、回折レンズより計測対象物側に配置され、回折レンズで色収差を生じさせた光を計測対象物に集光する対物レンズをさらに備える。

上記構成によれば、本発明に従った共焦点計測装置は、計測に利用する次数の回折光が集光する光軸と、異なる次数の回折光の反射光が集光する位置とをずらし、異なる次数の回折光の反射光を受光しにくくして、異なる次数の回折光の反射光による計測への影響を緩和することができる。

本発明の実施の形態１に係る共焦点計測装置の構成を示す模式図である。本発明の実施の形態１に係る共焦点計測装置において採用されているヘッド部の共焦点光学系の構成を示す模式図である。本発明の実施の形態１に係るヘッド部の端面に取付けてあるレセプタクルの位置を示す模式図である。本発明の実施の形態１に係る共焦点計測装置において採用されているヘッド部の回折光の様子を説明するための模式図である。光ファイバの光軸を、回折レンズの光軸に対して一致させ、光ファイバの端部を、回折レンズの光軸に対して一致させてあるヘッド部の回折光の様子を説明するための模式図である。本実施の形態２に係る共焦点計測装置において採用されているヘッド部の共焦点光学系の構成を示す模式図である。本実施の形態３に係る共焦点計測装置において採用されているヘッド部の共焦点光学系の構成を示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る共焦点計測装置の構成を示す模式図である。図１に示す共焦点計測装置１００は、ヘッド部１０の共焦点光学系を利用して計測対象物２００の変位を計測する計測装置である。共焦点計測装置１００で計測する計測対象物２００には、たとえば液晶表示パネルのセルギャップなどがある。

共焦点計測装置１００は、共焦点の光学系を有するヘッド部１０、光ファイバ１１を介して光学的に接続されたコントローラ部２０、コントローラ部２０から出力される信号を表示するモニタ部３０を備えている。

ヘッド部１０は、回折レンズ１、回折レンズ１より計測対象物２００側に配置された対物レンズ２を備えている。回折レンズ１の焦点距離は、回折レンズから対物レンズまでの距離と、対物レンズの焦点距離との差より大きくしてある。

ここで、回折レンズ１は、光源（たとえば、白色光源）から出射する光に、光軸方向に沿って色収差を生じさせる光学素子である。回折レンズ１は、レンズの表面に、たとえばキノフォーム形状あるいはバイナリ形状（ステップ形状、階段形状）などの微細な起伏形状を周期的に形成するか、光の透過率を周期的に変更する振幅型のゾーンプレートを形成してある。なお、回折レンズ１の構成は、上記の記載の構成に限定されるものではない。

対物レンズ２は、回折レンズ１で色収差を生じさせた光を計測対象物２００に集光する光学素子である。なお、共焦点計測装置１００は、複数の波長の光を出射する光源に、白色光源を用いる場合について以下に説明する。

白色光源から出射する光は、光ファイバ１１を介してヘッド部１０に導かれている。白色光源から回折レンズ１への主光線が、回折レンズ１の光軸に対してずれるように、光ファイバ１１とヘッド部１０とを接続している。なお、光ファイバ１１との接続を含むヘッド部１０の詳細な構成については、後述する。ここで、白色光源から回折レンズ１への主光線とは、光を出射する光源と回折レンズの開口部の中心を通る光線であり、光ファイバ１１の開口部の中心と回折レンズの開口部の中心を通る光線を、以下、光ファイバ１１からの主光線という。また、ここで回折レンズの開口部とは、回折レンズのうち光ファイバ１１からの出射光が透過する範囲をいう。

光ファイバ１１は、ヘッド部１０からコントローラ部２０までの光路であるとともに、ピンホールとしても機能している。つまり、対物レンズ２で集光した光のうち、計測対象物２００で合焦する光が、光ファイバ１１の開口部で合焦することになる。そのため、光ファイバ１１は、計測対象物２００で合焦しない波長の光を遮光し、計測対象物２００で合焦する光を通過させるピンホールとして機能することになる。ヘッド部１０からコントローラ部２０までの光路に光ファイバ１１を用いることで、ピンホールが不要となる。

共焦点計測装置１００は、ヘッド部１０からコントローラ部２０までの光路に光ファイバ１１を用いない構成であっても良いが、当該光路に光ファイバ１１を用いることで、ヘッド部１０をコントロール部に対してフレキシブルに移動することが可能になる。また、共焦点計測装置１００は、ヘッド部１０からコントローラ部２０までの光路に光ファイバ１１を用いない構成の場合、ピンホールを備える必要があるが、光ファイバ１１を用いる構成の場合、共焦点計測装置１００は、ピンホールを備える必要がない。

コントローラ部２０は、白色光源である白色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）２１、分岐光ファイバ２２、分光器２３、撮像素子２４、制御回路部２５を備えている。白色光源として白色ＬＥＤ２１を用いているが、白色光を出射することができる光源であれば他の光源であってもよい。

分岐光ファイバ２２は、光ファイバ１１と接続する側に一本の光ファイバ２２ａ、反対側に二本の光ファイバ２２ｂ、２２ｃを有している。なお、光ファイバ２２ｂは白色ＬＥＤ２１に、光ファイバ２２ｃは分光器２３にそれぞれ接続してある。そのため、分岐光ファイバ２２は、白色ＬＥＤ２１から出射する光を光ファイバ１１に導くとともに、光ファイバ１１を介してヘッド部１０から戻る光を分光器２３に導くことができる。

分光器２３は、ヘッド部１０から戻る光を反射する凹面ミラー２３ａ、凹面ミラー２３ａで反射した光が入射する回折格子２３ｂ、回折格子２３ｂから出射する光を集光する集光レンズ２３ｃを有している。分光器２３は、ヘッド部１０から戻る光を波長ごとに分けることができれば、ツェルニターナ型、リトロー型などのいずれの構成であってもよい。

撮像素子２４は、分光器２３から出射する光の強度を計測するラインＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）やＣＣＤ（Charge Coupled Device）である。ここで、共焦点計測装置１００では、分光器２３および撮像素子２４で、ヘッド部１０から戻る光の強度を波長ごとに計測する計測部を構成している。なお、計測部は、ヘッド部１０から戻る光の強度を波長ごとに計測することができれば、ＣＣＤなどの撮像素子２４の単体で構成してもよい。

制御回路部２５は、白色ＬＥＤ２１や撮像素子２４などの動作を制御する回路である。また、図示していないが、制御回路部２５には、白色ＬＥＤ２１や撮像素子２４などを動作を調整するための信号を入力する入力インターフェース、撮像素子２４の信号を出力する出力インターフェースなどを有している。

モニタ部３０は、撮像素子２４が出力した信号を表示する。たとえば、モニタ部３０は、ヘッド部１０から戻る光のスペクトル波形を描画し、計測対象物の変位が１２３．４５μｍであることを表示する。

共焦点計測装置１００は、回折レンズ１をヘッド部１０に用いているので、計測に利用する次数を一次と決めて設計した場合であっても、計測に利用する次数以外（高次）の回折光の誤信号を計測することがある。特に、計測対象物２００が鏡面を有する場合、共焦点計測装置１００は、計測に利用する次数以外（高次）の回折光による計測への影響が大きくなる。そこで、共焦点計測装置１００では、ヘッド部１０の共焦点光学系の構成を変更することで、計測で利用する次数以外の回折光による計測への影響を緩和している。

図２は、本発明の実施の形態１に係る共焦点計測装置１００において採用されているヘッド部１０の共焦点光学系の構成を示す模式図である。図２に示すヘッド部１０の共焦点光学系の構成は、回折レンズ１より計測対象物２００側に対物レンズ２を配置する構成である。つまり、ヘッド部１０は、光ファイバ１１の端部から出射する光を回折レンズ１で光軸方向に沿って色収差を生じさせ、色収差が生じた光を対物レンズ２で計測対象物２００に集光する。なお、ヘッド部１０は、回折レンズ１より計測対象物２００側に対物レンズ２を配置する構成に限定されるものではなく、回折レンズ１より光ファイバ１１側にレンズなどの光学素子を配置してもよい。また、ヘッド部１０は、対物レンズ２を配置しない構成であってもよい。

光ファイバ１１とヘッド部１０との接続は、光ファイバ１１の端部に取付けたコネクタ１１ａと、ヘッド部１０の端面に設けたレセプタクル１０ａとを嵌合することで実現している。

さらに、ヘッド部１０の端面に取付けてあるレセプタクル１０ａの位置について説明する。図３は、本発明の実施の形態１に係るヘッド部１０の端面に取付けてあるレセプタクル１０ａの位置を示す模式図である。レセプタクル１０ａは、回折レンズ１の中心に対して図中の水平方向にずらしてヘッド部１０の端面に取付けてある。

図３に示すように、回折レンズ１の中心を通る中心線１ｂ，１ｃと、レセプタクル１０ａの中心を通る中心線１０ｂとをそれぞれ図示してある。なお、レセプタクル１０ａの中心は、回折レンズ１の中心に対して垂直方向に一致しているので、レセプタクル１０ａの中心を通る水平方向の中心線は、回折レンズ１の中心を通る中心線１ｂと重なるため図示していない。

図３から分かるように、レセプタクル１０ａの中心を通る中心線１０ｂは、回折レンズ１の中心を通る中心線１ｃに対して図中左側にずれており、レセプタクル１０ａの中心は、回折レンズ１の中心に対して水平方向にずれている。そのため、レセプタクル１０ａにコネクタ１１ａを嵌合した場合、光ファイバ１１の端部を、回折レンズ１の光軸に対してずらして接続することができる。よって、レセプタクル１０ａの中心を通る光ファイバ１１からの主光線は、回折レンズ１の光軸に対してずれるので、回折レンズ１の光軸を通ることはなく、回折レンズ１の光軸に対して傾いている。なお、ヘッド部１０の端面において、レセプタクル１０ａのずれ量Ｘ（図３）は、たとえば、ヘッド部１０の長手方向の寸法Ａ（図２）＝６４ｍｍ、短手方向の寸法Ｂ（図３）＝２４ｍｍのとき、０．２ｍｍ〜０．３ｍｍ程度である。

ヘッド部１０では、光ファイバ１１からの主光線を回折レンズ１の光軸に対してずらして、光ファイバ１１からの主光線を回折レンズ１の光軸に対して傾けてある。これにより、ヘッド部１０は、計測で利用する次数（たとえば一次）の回折光が集光する光軸と、異なる次数の回折光の反射光（たとえば、一次回折光に対する二次回折光としての反射光）が集光する位置とをずらすことができる。

具体的に、計測で利用する次数の回折光が集光する位置と、その他の次数の回折光が集光する位置との関係を模式図を用いて説明する。図４は、本発明の実施の形態１に係る共焦点計測装置１００において採用されているヘッド部１０の回折光の様子を説明するための模式図である。なお、計測で利用する次数は、一次としてある。

図４に示すヘッド部１０は、光ファイバ１１からの主光線１１ｂを、回折レンズ１の光軸１ａに対してずらして、光ファイバ１１からの主光線を回折レンズ１の光軸に対して傾けてある。なお、光ファイバ１１からの主光線１１ｂを、回折レンズ１の光軸１ａに対してずらすことは、単に光ファイバ１１からの主光線１１ｂと、回折レンズ１の光軸１ａとが平行にずれている場合に限定されるものではなく、光ファイバ１１からの主光線１１ｂと、回折レンズ１の光軸１ａとが傾いてずれている場合も含まれる。

そのため、回折レンズ１の一次回折光１ｄが集光する位置と、二次回折光１ｅが集光する位置とを通る光軸１ｄｅ（以下、一次回折光１ｄを集光する光軸１ｄｅともいう）上に、回折レンズ１の一次回折光１ｄのうち、仮想面２００ｂで反射し二次回折光として仮想面２００ａに集光する光（一次−二次回折光）１ｆが位置しなくなる。よって、光１ｆのような異なる次数の回折光の反射光は、光軸１ｄｅ上に集光することがなく、計測部で二次回折光１ｅの誤信号が計測されにくくなる。異なる次数の回折光の反射光には、光１ｆ以外に、二次回折光のうち、一次回折光として計測対象物２００に集光する光（図示せず）も存在する。

よって、図４に示すヘッド部１０が、一次回折光１ｄが集光する光軸１ｄｅと、異なる次数の回折光の反射光が集光する位置とをずらすことができるので、異なる次数の回折光の反射光を受光しにくくなり、計測した信号に含まれる誤信号の割合が低下する。

逆に、光ファイバ１１からの主光線を、回折レンズ１の光軸に対して一致させてある焦点計測装置について説明する。図５は、光ファイバ１１からの主光線を、回折レンズ１の光軸に対して一致させてあるヘッド部の回折光の様子を説明するための模式図である。なお、計測で利用する次数は、一次としてある。

図５に示すヘッド部１０ｃは、光ファイバ１１からの主光線１１ｂを、回折レンズ１の光軸１ａに一致させてある。

そのため、一次回折光１ｄを集光する光軸１ｄｅ上に、回折レンズ１の一次回折光１ｄのうち、仮想面２００ｂで反射し二次回折光として仮想面２００ａに集光する光（一次−二次回折光）１ｆが位置する。よって、光１ｆのような異なる次数の回折光の反射光は、光軸１ｄｅ上に集光し、計測部で二次回折光１ｅの誤信号が計測される。

よって、図５に示すヘッド部１０ｃは、一次回折光１ｄが集光する光軸１ｄｅと、異なる次数の回折光の反射光が集光する位置とが一致しているので、計測で利用する次数以外の回折光による計測への影響を受けることになる。

以上のように、本発明の実施の形態１に係る共焦点計測装置１００は、ヘッド部１０が、光ファイバ１１からの主光線１１ｂを、回折レンズ１の光軸１ａに対してずらしてある。そのため、本発明の実施の形態１に係る共焦点計測装置１００は、一次回折光１ｄが集光する光軸１ｄｅと、異なる次数の回折光の反射光が集光する位置とをずらすことができ、異なる次数の回折光の反射光を受光しにくくなり、異なる次数の回折光の反射光による計測への影響を緩和することができる。

なお、ヘッド部１０は、図４に示すように、対物レンズ２の光軸を、回折レンズ１の光軸１ａに一致させる構成に限定されるものではなく、対物レンズ２の光軸を、回折レンズ１の光軸１ａに対してずらしてある構成でもよい。

（実施の形態２）
実施の形態１に係る共焦点計測装置１００とは異なる構成で、計測で利用する次数以外の回折光による計測への影響を緩和することができる構成を、本実施の形態２に係る共焦点計測装置を説明する。

本実施の形態２に係る共焦点計測装置は、ヘッド部以外の構成が図１に示す実施の形態１に係る共焦点計測装置１００と同じ構成であるため、同じ構成要素に同じ符号を付して詳細な説明を繰返さない。

図６は、本実施の形態２に係る共焦点計測装置において採用されているヘッド部の共焦点光学系の構成を示す模式図である。図６に示すヘッド部１０ｄの共焦点光学系の構成は、回折レンズ１より計測対象物２００側に対物レンズ２を配置する構成である。つまり、ヘッド部１０ｄは、光ファイバ１１の端部から出射する光を回折レンズ１で光軸方向に沿って色収差を生じさせ、色収差が生じた光を対物レンズ２で計測対象物２００に集光する。なお、ヘッド部１０ｄは、回折レンズ１より計測対象物２００側に対物レンズ２を配置する構成に限定されるものではなく、回折レンズ１より光ファイバ１１側にレンズなどの光学素子を配置してもよい。

光ファイバ１１とヘッド部１０ｄとの接続は、図２で示したように、光ファイバ１１の端部に取付けたコネクタ１１ａと、ヘッド部の端面に設けたレセプタクル１０ａとを嵌合することで実現している。

図６に示すヘッド部１０ｄは、光ファイバ１１からの主光線１１ｂを、回折レンズ１の光軸１ａに一致させてある。しかし、対物レンズ２の光軸２ａは、回折レンズ１の光軸１ａに対してずらしてある。なお、対物レンズ２の光軸２ａを、回折レンズ１の光軸１ａに対してずらすことは、単に対物レンズ２の光軸２ａと、回折レンズ１の光軸１ａとが平行にずれている場合に限定されるものではなく、対物レンズ２の光軸２ａと、回折レンズ１の光軸１ａとが傾いてずれている場合も含まれる。対物レンズ２は、光ファイバ１１からの主光線１１ｂを計測対象物２００に集光させる。よって、対物レンズ２によって一次回折光１ｄは、光軸１ｄｅ上に集光することになる。

そのため、一次回折光１ｄを集光する光軸１ｄｅ上に、回折レンズ１の一次回折光１ｄのうち、仮想面２００ｂで反射し二次回折光として仮想面２００ａに集光する光（一次−二次回折光）１ｆが位置しなくなる。よって、光１ｆのような異なる次数の回折光の反射光は、光軸１ｄｅ上に集光することがなく、計測部で二次回折光１ｅの誤信号が計測されにくくなる。異なる次数の回折光の反射光には、光１ｆ以外に、二次回折光のうち、一次回折光として計測対象物２００に集光する光（図示せず）も存在する。

よって、図６に示すヘッド部１０は、一次回折光１ｄが集光する光軸１ｄｅと、異なる次数の回折光の反射光が集光する位置とをずらすことができるので、異なる次数の回折光の反射光を受光しにくくなり、計測した信号に含まれる誤信号の割合が低下する。

以上のように、本発明の実施の形態２に係る共焦点計測装置は、ヘッド部１０ｄが、対物レンズ２の光軸２ａを、回折レンズ１の光軸１ａに対してずらしてある。そのため、本発明の実施の形態２に係る共焦点計測装置は、一次回折光１ｄが集光する光軸１ｄｅと、異なる次数の回折光の反射光が集光する位置とをずらすことができ、異なる次数の回折光の反射光を受光しにくくなり、異なる次数の回折光の反射光による計測への影響を緩和することができる。

なお、本発明の実施の形態２に係る共焦点計測装置は、ヘッド部１０ｄに、回折レンズ１より光ファイバ１１側にレンズなどの光学素子をさらに配置し、当該光学素子の光軸を回折レンズ１の光軸１ａに対してずらす構成であてもよい。

（実施の形態３）
実施の形態１および２に係る共焦点計測装置とは異なる構成で、計測で利用する次数以外の回折光による計測への影響を緩和することができる構成を、本実施の形態３に係る共焦点計測装置を説明する。

本実施の形態３に係る共焦点計測装置は、ヘッド部以外の構成が図１に示す実施の形態１に係る共焦点計測装置１００と同じ構成であるため、同じ構成要素に同じ符号を付して詳細な説明を繰返さない。

図７は、本実施の形態３に係る共焦点計測装置において採用されているヘッド部の共焦点光学系の構成を示す模式図である。図７に示すヘッド部１０ｅの共焦点光学系の構成は、回折レンズ１のみの構成で、計測対象物２００側に対物レンズ２を配置しない構成である。つまり、ヘッド部１０ｅは、光ファイバ１１の端部から出射する光を回折レンズ１で光軸方向に沿って色収差を生じさせ、色収差が生じた光を計測対象物２００に集光する。なお、ヘッド部１０ｅは、回折レンズ１より計測対象物２００側に対物レンズ２を配置する構成でも、回折レンズ１より光ファイバ１１側にレンズなどの光学素子を配置する構成でもよい。

また、ヘッド部１０ｅは、図７に示すように回折レンズ１の光軸１ａを、ヘッド部１０ｅの長軸１０ｆに対して傾くように回折レンズ１を固定してある。さらに、ヘッド部１０ｅは、光ファイバ１１からの主光線１１ｂを、回折レンズ１の光軸１ａに一致させてある。

ここで、ヘッド部１０ｅの製造方法として、たとえば、ヘッド部１０ｅの長軸１０ｆに対して斜めになるようにヘッド部１０ｅの筐体に穴１０ｇを開け、開けた穴１０ｇの開口部１０ｈから回折レンズ１を挿入して、予め定められた位置に回折レンズ１を固定する。さらに、開口部１０ｈの反対側に光ファイバ１１を接続する。

次に、本実施の形態３に係る共焦点計測装置は、計測対象物２００の垂線とヘッド部１０ｅの長軸１０ｆとが一致するようにヘッド部１０ｅを配置して、計測対象物２００の変位を計測する。このようにヘッド部１０ｅを配置することで、回折レンズ１の一次回折光１ｄは、計測対象物２００で集光する。一次回折光１ｄが集光する光軸が、光軸１ｄｅである。

しかし、ヘッド部１０ｅの開口部１０ｈから出射される光は、計測対象物２００に対して傾いている。そのため、一次回折光１ｄを集光する光軸１ｄｅ上に、回折レンズ１の一次回折光１ｄのうち、仮想面２００ｂで反射し二次回折光として仮想面２００ａに集光する光（一次−二次回折光）１ｆが位置しなくなる。よって、光１ｆのような異なる次数の回折光の反射光は、光軸１ｄｅ上に集光することがなく、計測部で二次回折光１ｅの誤信号が計測されにくくなる。異なる次数の回折光の反射光には、光１ｆ以外に、二次回折光のうち、一次回折光として計測対象物２００に集光する光（図示せず）も存在する。

よって、図７に示すヘッド部１０は、一次回折光１ｄが集光する光軸１ｄｅと、異なる次数の回折光の反射光が集光する位置とをずらすことができるので、異なる次数の回折光の反射光を受光しにくくなり、計測した信号に含まれる誤信号の割合が低下する。

以上のように、本発明の実施の形態３に係る共焦点計測装置は、ヘッド部１０ｅが、回折レンズ１の光軸１ａを、ヘッド部１０ｅの長軸１０ｆに対して傾くように回折レンズ１を固定してある。そのため、本発明の実施の形態３に係る共焦点計測装置は、一次回折光１ｄが集光する光軸１ｄｅと、異なる次数の回折光の反射光が集光する位置とをずらすことができ、異なる次数の回折光の反射光を受光しにくくなり、異なる次数の回折光の反射光による計測への影響を緩和することができる。

なお、ヘッド部１０ｅは、回折レンズ１の光軸１ａを、ヘッド部１０ｅの長軸１０ｆに対して傾くように回折レンズ１を固定してあると規定したが、回折レンズ１の光軸１ａを、計測対象物２００へ光を出射するヘッド部１０ｅの出射面１０ｉに対して傾けてある規定してもよい。つまり、計測対象物２００の変位を測定するために、ヘッド部１０ｅと計測対象物２００とを正対させた場合、回折レンズ１の光軸１ａが、計測対象物２００に対して傾くようにヘッド部１０ｅが構成されていればよい。また、ヘッド部１０ｅの出射面１０ｉは、計測対象物２００と正対する仮想面であり、ヘッド部１０ｅの筐体の現実の一面でなくてもよい。

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、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。

１回折レンズ、２対物レンズ、１０，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅヘッド部、１０ａレセプタクル、１１，２２ａ，２２ｂ，２２ｃ光ファイバ、１１ａコネクタ、２０コントローラ部、２２分岐光ファイバ、２３分光器、２３ａ凹面ミラー、２３ｂ回折格子、２３ｃ集光レンズ、２４撮像素子、２５制御回路部、３０モニタ部、１００共焦点計測装置、２００計測対象物。

Claims

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計測装置であって、
複数の波長の光を出射する光源と、
前記光源から出射する光に、光軸方向に沿って色収差を生じさせる回折レンズと、
前記回折レンズで色収差を生じさせた光のうち、前記計測対象物において合焦する光の強度を波長ごとに計測する計測部と
を備え、
前記光源から前記回折レンズへの主光線を、前記回折レンズの光軸に対してずらしてある、共焦点計測装置。
前記回折レンズより前記計測対象物側に配置され、前記回折レンズで色収差を生じさせた光を前記計測対象物に集光する対物レンズをさらに備える、請求項１に記載の共焦点計測装置。
前記回折レンズから前記光源および前記計測部までの光路に用いる光ファイバをさらに備え、
前記光ファイバの端部を、前記回折レンズの光軸に対してずらすことで、前記光源から前記回折レンズへの主光線を、前記回折レンズの光軸に対してずらしてある、請求項１または請求項２に記載の共焦点計測装置。
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計測装置であって、
複数の波長の光を出射する光源と、
前記光源から出射する光に、光軸方向に沿って色収差を生じさせる回折レンズと、
前記光源から前記回折レンズまでの間、および前記回折レンズより前記計測対象物側のうち少なくとも一方に配置されている光学素子と、
前記回折レンズで色収差を生じさせた光のうち、前記計測対象物において合焦する光の強度を波長ごとに計測する計測部と
を備え、
前記光源から前記回折レンズへの主光線を、前記回折レンズの光軸に対して一致させ、
前記光学素子の光軸を、前記回折レンズの光軸に対してずらしてある、共焦点計測装置。
前記回折レンズから前記光源および前記計測部までの光路に用いる光ファイバをさらに備え、
前記光ファイバの端部を、前記光学素子の光軸に対してずらしてある、請求項４に記載の共焦点計測装置。
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計測装置であって、
複数の波長の光を出射する光源と、
前記光源から出射する光に、光軸方向に沿って色収差を生じさせる回折レンズと、
前記回折レンズで色収差を生じさせた光のうち、前記計測対象物において合焦する光の強度を波長ごとに計測する計測部と、
前記回折レンズを格納する計測ヘッド部と
を備え、
前記回折レンズの光軸を、前記計測ヘッド部の長軸、または前記計測対象物へ光を出射する前記計測ヘッド部の出射面に対して傾けてある、共焦点計測装置。
前記回折レンズより前記計測対象物側に配置され、前記回折レンズで色収差を生じさせた光を前記計測対象物に集光する対物レンズをさらに備える、請求項６に記載の共焦点計測装置。