JP6768442B2 - 形状測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定対象物の表面形状を測定する形状測定装置に関する。

測定対象物の表面形状を測定するために、干渉方式の形状測定装置が用いられる。特許文献１記載のコヒーレンス走査干渉計においては、光源から発生した光が、物体に照射される測定光と基準ミラーに照射される基準光とに分割される。物体に反射された測定光と基準ミラーに反射された基準光とが重畳され、カメラにより検出される。光源およびカメラ等を含む光学系が物体に対して相対的に移動される状態で、カメラにより画像が取得される。取得された画像における干渉縞の間隔に基づいて、物体の表面高さが算出される。

特開２０１３−８３６４９号公報

形状測定装置においては、広い測定範囲で高速に測定対象物の表面形状を測定することが望まれる。しかしながら、特許文献１記載のコヒーレンス走査干渉計においては、測定範囲を広くするために光学系の移動範囲を大きくし、または測定を高速にするために光学系の移動速度を大きくすると、形状測定装置全体の振動が大きくなる。また、このような振動を防止するためには、形状測定装置を大型化かつ重量化する必要がある。そのため、形状測定装置をコンパクトに構成しつつ広い測定範囲で高速に測定対象物の表面形状を測定することは困難である。

本発明の目的は、コンパクトに構成しつつ広い測定範囲で高速かつ高精度で測定対象物の表面形状を測定することが可能な形状測定装置を提供することである。

（１）本発明に係る形状測定装置は、測定対象物の表面形状を測定する形状測定装置であって、複数のピーク波長を有する光を出射する投光部と、参照体と、二次元に配列された複数の画素を含む第１の受光部と、投光部により出射された光を測定光として測定対象物に導くとともに投光部により出射された光を参照光として参照体に導き、測定対象物で反射された測定光と参照体で反射された参照光との干渉光を生成し、生成した干渉光を第１の受光部に導く光学系と、光学系および参照体のうち少なくとも一方が取り付けられ、往復移動することにより測定光の光路長と参照光の光路長との差を変化させる可動部と、可動部を往復移動可能に支持する支持部と、支持部に対する可動部の相対位置を検出する位置検出部と、位置検出部により検出された相対位置と第１の受光部の複数の画素の受光量とに基づいて測定対象物の複数の部分の表面形状を取得する形状取得部と、支持部に対して往復移動可能に支持された平衡部と、可動部と平衡部とを互いに逆方向に支持部に対して往復移動させる第１の駆動部とを備える。

この形状測定装置においては、可動部と平衡部とが支持部により支持される。光学系および参照体のうち少なくとも一方が可動部に取り付けられる。投光部により出射された光が光学系により測定光として測定対象物に導かれるとともに、投光部により出射された光が光学系により参照光として参照体に導かれる。測定対象物で反射された測定光と参照体で反射された参照光との干渉光が光学系により生成され、第１の受光部に導かれる。

第１の駆動部により可動部が往復移動されることにより、測定光の光路長と参照光の光路長との差（以下、光路長差と呼ぶ。）が変化する。第１の受光部の複数の画素の各々から、光路長差により変化する受光量の干渉パターンが取得される。ここで、測定光および参照光は複数のピーク波長を有するので、受光量の干渉パターンは空間周期性を示さない。したがって、位置検出部により検出された支持部に対する可動部の相対位置と第１の受光部の各画素の受光量とに基づいて、測定対象物の対応する部分の表面形状を高精度で一意的に特定することができる。

また、第１の受光部においては、複数の画素が二次元に配列されるので、受光部は、測定対象物の複数の部分により反射された測定光を含む干渉光を同時に受光することができる。そのため、測定対象物の複数の部分の表面形状を高速に取得することができる。

さらに、第１の駆動部により平衡部が支持部に対して可動部と逆方向に往復移動される。この場合、可動部が往復移動しても、形状測定装置の重心の位置はほとんど変化しない。そのため、形状測定装置は不安定に振動せず、形状測定装置を大型化および重量化する必要がない。また、可動部を高速にかつ大きい振幅で振動させることが可能となる。その結果、形状測定装置をコンパクトに構成しつつ、広い測定範囲で高速かつ高精度で測定対象物の表面形状を測定することができる。

（２）投光部は、白色光よりも高くかつレーザ光よりも低いコヒーレンス性を有する光を出射してもよい。この場合、広い光路長差の領域において、第１の受光部の複数の画素から受光量の干渉パターンが取得される。これにより、測定対象物の表面形状をより高速に測定することができる。

（３）形状測定装置は、可動部と平衡部とを接続する弾性部材をさらに備えてもよい。この場合、可動部および平衡部が容易に振動する。これにより、可動部および平衡部を往復移動させるために第１の駆動部に与えるエネルギーを低減させることができる。

（４）弾性部材、可動部および平衡部により往復機構が構成され、弾性部材のばね定数は、往復機構の固有振動数が往復機構の振動周波数から一定の範囲になるように設定されてもよい。この場合、可動部および平衡部の単振動が弾性部材により維持される。これにより、可動部および平衡部を振動させるために第１の駆動部に与えるエネルギーを最小にすることができる。

（５）第１の駆動部は、支持部から機械的に絶縁されるように可動部と平衡部との間に取り付けられてもよい。この場合、第１の駆動部による振動が支持部に伝達しない。これにより、形状測定装置をより安定にすることができる。

（６）形状測定装置は、一方向に平行に摺動可能に構成された第１および第２の摺動部をさらに備え、可動部および平衡部は、それぞれ第１および第２の摺動部を介して往復移動可能に支持部に取り付けられてもよい。この場合、可動部および平衡部の往復運動の方向が一方向に平行に規制される。これにより、形状測定装置をより安定にすることができる。

（７）形状測定装置は、一方向に平行に摺動可能に構成された第３の摺動部と、支持部に対して往復移動可能に支持されたプレート部と、プレート部を支持部に対して往復移動させる第２の駆動部とをさらに備え、第１、第２および第３の摺動部の各々は、転がり部材を含む直動軸受であり、第１の摺動部は、可動部とプレート部の一方の面とに設けられ、第２の摺動部は、平衡部とプレート部の一方の面とに設けられ、第３の摺動部は、プレート部の他方の面と支持部とに設けられ、第２の駆動部は、第１、第２および第３の摺動部の各々における転がり部材が１周以上転がるようにプレート部を往復移動させてもよい。

この場合、第１、第２および第３の摺動部の各々における転がり部材の一部分のみが直動軸受の接触部分に接触することが防止される。また、転がり部材の動作を円滑にする潤滑剤を転がり部材の周囲で循環させることができる。これにより、第１、第２および第３の摺動部の焼き付けを防止し、形状測定装置を長寿命化することができる。

（８）プレート部は、第１、第２および第３の部分を含み、第１の部分の一方の面と可動部との間隔は、第３の部分の一方の面と可動部との間隔よりも大きく、第２の部分の一方の面と平衡部との間隔は、第３の部分の一方の面と平衡部との間隔よりも大きく、第３の部分の他方の面と支持部との間隔は、第１の部分の他方の面と支持部との間隔および第２の部分の他方の面と支持部との間隔よりも大きく、第１の摺動部は、第１の部分の一方の面に設けられ、第２の摺動部は、第２の部分の一方の面に設けられ、第３の摺動部は、第３の部分の他方の面に設けられてもよい。

この場合、プレート部の第１および第２の部分が第３の部分よりも可動部および平衡部の方向に突出しないので、当該方向における第１および第２の摺動部の突出量が低減する。また、プレート部の第３の部分が第１および第２の部分よりも支持部の方向に突出しないので、当該方向における第３の摺動部の突出量が低減する。これにより、形状測定装置を長寿命化しつつ形状測定装置が大型化することを防止することができる。

（９）可動部の往復移動の各周期は、第１の受光部の複数の画素が干渉光を受光する第１の期間と、第１の受光部の複数の画素が干渉光を受光しない第２の期間とを含み、第２の駆動部は、第２の期間にプレート部を移動させ、第１の期間にプレート部の移動を停止させてもよい。この場合、プレート部の移動により測定対象物の測定に影響が与えられることが容易に防止される。

（１０）形状測定装置は、第１および第２のガイド光を出射するガイド部をさらに備え、ガイド部は、測定対象物の表面が第１の受光部の焦点の位置にあるときに、測定対象物の表面に投影される第１のガイド光のパターンと第２のガイド光のパターンとが特定の位置関係を有するように配置されてもよい。

この場合、使用者は、測定対象物の表面に投影される第１のガイド光のパターンと第２のガイド光のパターンとが特定の位置関係になるように、形状測定装置と測定対象物との相対的な距離を変化させることにより測定対象物の表面を第１の受光部の焦点に正確かつ容易に位置させることができる。

（１１）可動部の往復移動の各周期は、第１の受光部の複数の画素が干渉光を受光する第３の期間と、第１の受光部の複数の画素が干渉光を受光しない第４の期間とを含み、ガイド部は、第３の期間に第１および第２のガイド光を出射し、第４の期間に第１および第２のガイド光の出射を停止してもよい。この場合、第１および第２のガイド光により測定対象物の測定に影響が与えられることが容易に防止される。

（１２）形状測定装置は、投光部により出射された光のパターンを円形に整形しつつ透過させる整形部材をさらに含んでもよい。この場合、円形の測定光が測定対象物に照射される。これにより、測定対象物の円形の領域における複数の部分の表面形状を高速に測定することができる。

（１３）形状測定装置は、整形部材からの反射光を受光し、受光量を検出する第２の受光部をさらに含んでもよい。この場合、整形部材により反射され、測定対象物の表面形状の測定に利用されない光を用いて、投光部により出射された光の光量を管理することができる。

（１４）位置検出部は、可動部の絶対位置をさらに検出するように構成されてもよい。この場合、形状測定装置から測定対象物までの距離を測定することができる。

（１５）第１の受光部は、複数の画素の各々について、測定光の光路長と参照光の光路長との差により変化する受光量の干渉パターンの包絡線を特定し、形状取得部は、第１の受光部により特定された包絡線のピーク位置を特定し、特定されたピーク位置に基づいて測定対象物の複数の部分の表面形状を取得してもよい。

この構成によれば、干渉パターンを取得するべき光路長差の間隔が十分に密ではなく、荒い場合でも、干渉パターン包絡線のピーク位置を特定することができる。これにより、測定対象物の表面形状をさらに高速に測定することができる。

本発明によれば、形状測定装置をコンパクトに構成しつつ、広い測定範囲で高速かつ高精度で測定対象物の表面形状を測定することができる。

本発明の一実施の形態に係る形状測定装置の構成を示すブロック図である。 主として測定部の構成を示す測定ヘッドの模式図である。 可動部の振動を示す図である。 任意の画素について受光部により取得されるべき受光量分布を示す図である。 主として往復機構の構成を示す測定ヘッドの模式的正面図である。 主として往復機構の構成を示す測定ヘッドの模式的左側面図である。 図５の測定ヘッドのＡ−Ａ線断面図である。 変形例におけるプレート部の構成を示す断面図である。 筐体部の内部構成を示す模式図である。 取付構造を示す筐体部の模式的右側面図である。 取付構造を示す筐体部の模式的背面図である。 筐体部のＸ基準面を取付器具に取り付ける手順を説明するための図である。 筐体部のＹ基準面を取付器具に取り付ける手順を説明するための図である。

（１）形状測定装置の基本構成
以下、本発明の実施の形態に係る形状測定装置について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係る形状測定装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、形状測定装置３００は、測定ヘッド１００および処理装置２００を備える。測定ヘッド１００は、例えば光学式変位計であり、支持構造１１０、筐体部１２０、測定部１３０、往復機構１４０、駆動部１５０、制御基板１６０および通信部１７０を含む。

支持構造１１０は、縦断面がＬ字形状を有し、設置部１１１および保持部１１２を含む。設置部１１１および保持部１１２は、例えば金属により形成される。設置部１１１は、水平な平板形状を有し、設置面に設置される。設置部１１１の上面には、測定対象物Ｓが載置される。保持部１１２は、設置部１１１の一端部から上方に延びるように設けられる。筐体部１２０は、支持構造１１０の保持部１１２に保持される。筐体部１２０は、直方体形状を有し、測定部１３０、往復機構１４０、駆動部１５０、制御基板１６０および通信部１７０を収容する。

測定部１３０は、投光部、受光部、レンズおよびミラー等の光学素子を含む。測定部１３０は、後述する図２のミラー１１等の一部の素子を除き、往復機構１４０に取り付けられる。往復機構１４０は、駆動部１５０により後述する図２の支持部１２５に対して一方向に往復運動（振動）する。駆動部１５０は、アクチュエータであり、本例ではボイスコイルモータである。

制御基板１６０は、測定部１３０から後述する測定データを取得し、取得された測定データに基づいて画素データを生成するとともに画像データを生成する。画像データは複数の画素データの集合である。制御基板１６０は、生成された画像データを処理装置２００に与えるとともに、処理装置２００による指令に基づいて測定部１３０、往復機構１４０および駆動部１５０の動作を制御する。

通信部１７０は、通信インターフェイスを含む。後述する処理装置２００の通信部２５０も同様である。通信部１７０は、通信部２５０を通して測定ヘッド１００と処理装置２００との間で種々のデータおよび指令の送信および受信を行う。測定ヘッド１００の詳細については後述する。

処理装置２００は、制御部２１０、記憶部２２０、操作部２３０、表示部２４０および通信部２５０を含む。制御部２１０は、例えばＣＰＵ（中央演算処理装置）を含む。記憶部２２０は、例えばＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）およびＨＤＤ（ハードディスクドライブ）を含む。記憶部２２０には、システムプログラムが記憶される。また、記憶部２２０は、種々のデータの記憶およびデータの処理のために用いられる。

制御部２１０は、記憶部２２０に記憶されたシステムプログラムに基づいて、測定ヘッド１００の測定部１３０、往復機構１４０および駆動部１５０の動作を制御するための指令を制御基板１６０に与える。また、制御部２１０は、制御基板１６０から画像データを取得して記憶部２２０に記憶させる。さらに、制御部２１０は、画像データに基づく画像上において使用者に指定された部分の計測等を行う。

計測時には、制御部２１０は、画像データに基づく画像上において使用者に指定された部分の傾きが所望の傾き（例えば水平）になるように画像データを補正することができる。これにより、筐体部１２０が支持構造１１０または後述する取付器具に傾斜した状態で取り付けられた場合でも、測定対象物Ｓの所望の部分の正確な計測結果を得ることができる。

操作部２３０は、マウス、タッチパネル、トラックボールまたはジョイスティック等のポインティングデバイスおよびキーボードを含み、制御部２１０に指示を与えるために使用者により操作される。表示部２４０は、例えばＬＣＤ（液晶ディスプレイ）パネルまたは有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）パネルを含む。表示部２４０は、記憶部２２０に記憶された画像データに基づく画像および計測結果等を表示する。

（２）測定部の構成
図２は、主として測定部１３０の構成を示す測定ヘッド１００の模式図である。図２に示すように、筐体部１２０には、支持部１２５が収容される。支持部１２５は、筐体部１２０と一体的に形成されてもよいし、筐体部１２０の一部であってもよい。往復機構１４０は、支持部１２５に対して一方向に平行に振動可能な可動部１４１を含む。図２には、可動部１４１の振動方向が太い矢印で図示される。図２の例では、可動部１４１の振動方向は上下方向である。

測定部１３０は、投光部１、受光部２，３、複数のレンズ４〜８、複数のミラー９〜１１、ビームスプリッタ１２、アナモルフィックプリズムペア１３、位置検出部１４およびガイド光源１５を含む。測定部１３０のミラー１１および位置検出部１４の一部は、支持部１２５に取り付けられる。一方、ミラー１１および位置検出部１４の一部を除く測定部１３０は、可動部１４１に取り付けられる。

投光部１は、例えばＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）を含み、光を出射する。投光部１により出射される光を出射光Ｌ０と呼ぶ。出射光Ｌ０のコヒーレンス性は比較的低い。具体的には、出射光Ｌ０のコヒーレンス性は、ＬＥＤ（発光ダイオード）により出射される光または白色光のコヒーレンス性よりも高く、レーザ光のコヒーレンス性よりも低い。したがって、出射光Ｌ０は複数のピーク波長を有する。レンズ４は、コリメータレンズである。出射光Ｌ０は、レンズ４を透過することにより平行化され、アナモルフィックプリズムペア１３を透過することにより断面が円形になるように整形される。

なお、出射光Ｌ０の一部は、アナモルフィックプリズムペア１３を透過せずに反射される。アナモルフィックプリズムペア１３により反射された出射光Ｌ０は、受光部３により受光され、受光量を示す受光信号が制御基板１６０（図１）に出力される。受光部３により出力される受光信号に基づいて、出射光Ｌ０の光量が制御基板１６０により計測される。計測された出射光Ｌ０の光量が異常値を示すときは、制御基板１６０により投光部１の動作が停止される。このように、測定に利用されない出射光を用いて、出射光の光量を管理することができる。

ミラー９の反射率は、波長選択性を有する。具体的には、ミラー９は、出射光Ｌ０の波長領域においては高い反射率（好ましくは１００％）を有し、後述するガイド光Ｇの波長領域においては１００％よりも低い反射率を有する。アナモルフィックプリズムペア１３を透過した出射光Ｌ０は、ミラー９により反射された後、レンズ５を透過することにより集光されつつビームスプリッタ１２に入射する。

出射光Ｌ０の一部はビームスプリッタ１２により反射され、出射光Ｌ０の残りの一部はビームスプリッタ１２を透過する。ビームスプリッタ１２により反射された出射光Ｌ０およびビームスプリッタ１２を透過した出射光Ｌ０をそれぞれ測定光Ｌ１および参照光Ｌ２と呼ぶ。

レンズ６は対物レンズである。測定光Ｌ１は、レンズ６を透過することにより平行化される。このときの測定光Ｌ１のスポット径は比較的大きく、例えば４ｍｍまたは１０ｍｍである。その後、測定光Ｌ１は、可動部１４１の振動方向と略同一の方向に進行し、測定対象物Ｓの比較的大きい円形の領域に照射される。測定対象物Ｓにより反射された測定光Ｌ１の一部は、レンズ６を透過することにより集光されつつビームスプリッタ１２に入射する。

ミラー１０は、いわゆる参照ミラーである。参照光Ｌ２は、レンズ７を透過することにより平行化され、ミラー１０に照射される。ミラー１０により反射された参照光Ｌ２は、レンズ７を透過することにより集光されつつビームスプリッタ１２に入射する。ビームスプリッタ１２に入射した測定光Ｌ１と参照光Ｌ２とは干渉し、干渉光Ｌ３として受光部２に導かれる。受光部２の動作については後述する。

位置検出部１４は、読取部１４ａ，１４ｂ、スケール１４ｃおよびマグネット１４ｄを含む。読取部１４ａ，１４ｂは可動部１４１に取り付けられ、スケール１４ｃおよびマグネット１４ｄは支持部１２５に取り付けられる。スケール１４ｃは、複数の目盛りを有し、一方向に延びるガラスにより形成される。読取部１４ａは、スケール１４ｃの一部と対向するように配置される。読取部１４ａは、投光素子と受光素子とを含み、対向するスケール１４ｃの部分の目盛りを光学的に読み取ることにより、支持部１２５に対する可動部１４１の相対的な位置を検出する。

読取部１４ｂは、ホール素子であり、マグネット１４ｄによる磁気を検出するように配置される。本実施の形態においては、読取部１４ｂが最大の磁気を検出するときに読取部１４ａが読み取るスケール１４ｃの部分を原点とする。スケール１４ｃの原点は、測定ヘッド１００の起動時に、またはその他の時点に適宜更新されてもよい。読取部１４ａ，１４ｂの検出結果により、可動部１４１の絶対的な位置を特定することが可能になる。

本実施の形態において、読取部１４ａ，１４ｂが可動部１４１に取り付けられ、スケール１４ｃおよびマグネット１４ｄが支持部１２５に取り付けられるが、本発明はこれに限定されない。読取部１４ａ，１４ｂが支持部１２５に取り付けられ、スケール１４ｃおよびマグネット１４ｄが可動部１４１に取り付けられてもよい。

また、本実施の形態において、読取部１４ａは可動部１４１の位置を光学的に検出するが、本発明はこれに限定されない。読取部１４ａは、可動部１４１の位置を例えば機械的、電気的または磁気的な他の方式により検出してもよい。さらに、読取部１４ａが可動部１４１の絶対的な位置を検出可能である場合、または可動部１４１の絶対的な位置を検出する必要がない場合には、位置検出部１４は読取部１４ｂおよびマグネット１４ｄを含まなくてもよい。

ガイド光源１５は、可視領域（本例では赤色領域）の波長を有するレーザ光を出射するレーザ光源である。ガイド光源１５により出射されるレーザ光をガイド光Ｇと呼ぶ。図２においては、ガイド光Ｇが一点鎖線で図示される。上述したように、ガイド光Ｇの波長領域においてはミラー９の反射率は１００％よりも低いので、ガイド光Ｇの一部はミラー９を透過し、ガイド光Ｇの残りの一部はミラー９により反射される。ミラー９を透過したガイド光Ｇおよびミラー９により反射されたガイド光Ｇをそれぞれ第１および第２のガイド光Ｇ１と呼ぶ。

第１のガイド光Ｇ１は、レンズ５を透過することにより集光され、ビームスプリッタ１２に反射されることにより、測定光Ｌ１と重ねられる。これにより、第１のガイド光Ｇ１は、可動部１４１の振動方向と略同一の方向に進行し、レンズ６を透過することにより平行化された後、測定対象物Ｓに照射される。

第２のガイド光Ｇ２は、支持部１２５に取り付けられたミラー１１により反射されることにより、第１のガイド光Ｇ１と交差する方向に進行する。可動部１４１が振動方向における所定の位置（例えばスケール１４ｃの原点付近）にあるときに、第１のガイド光Ｇ１と第２のガイド光Ｇ２とが受光部２の焦点の位置で交差するようにミラー１１が配置される。

このように、ミラー９、ミラー１１、ビームスプリッタ１２およびガイド光源１５によりガイド部１６が構成される。この構成によれば、使用者は、第１のガイド光Ｇ１と第２のガイド光Ｇ２とが交差する位置に測定対象物Ｓの表面を配置することにより、測定対象物Ｓの表面を受光部２の焦点に容易に位置させることができる。

本実施の形態においては、ガイド光源１５によるガイド光Ｇの出射は、後述する図３の非測定期間Ｔ２に行われ、測定期間Ｔ１には行われない。そのため、ガイド光Ｇにより測定対象物Ｓの測定に影響が与えられることが防止される。一方で、受光部２がガイド光Ｇの波長帯域の光を検出しないよう構成される場合など、ガイド光Ｇが測定対象物Ｓの測定に影響しない場合には、ガイド光源１５は、測定期間Ｔ１にもガイド光Ｇを出射するように制御されてもよい。

本実施の形態においては、ガイド部１６は受光部２の焦点で第１および第２のガイド光Ｇ１，Ｇ２が交差するように配置されるが、本発明はこれに限定されない。ガイド部１６は、測定対象物Ｓの表面が受光部２の焦点の位置にあるときに、測定対象物Ｓの表面に投影される第１のガイド光Ｇ１のパターンと第２のガイド光Ｇ２のパターンとが特定の位置関係を有するように配置されてもよい。

（３）測定部の動作
可動部１４１は、駆動部１５０によりサンプリング信号に同期して、支持部１２５に対して周期的に一方向に平行に振動する。サンプリング信号は、処理装置２００（図１）の内部で発生されてもよいし、処理装置２００の外部から可動部１４１に与えられてもよい。図３は、可動部１４１の振動を示す図である。図３の横軸は時間を示し、可動部１４１の位置を示す。

図３に示すように、本実施の形態においては、可動部１４１の位置は、正弦曲線状に変化する。ここで、可動部１４１の位置が変化する期間のうち、一部の期間に測定対象物Ｓの測定が行われ、他の期間には測定対象物Ｓの測定が行われない。測定対象物Ｓの測定が行われる期間を測定期間Ｔ１と呼び、測定が行われない期間を非測定期間Ｔ２と呼ぶ。本実施の形態においては、図３の正弦曲線のうち略直線的に変化する部分に対応する期間が測定期間Ｔ１として割り当てられ、正弦曲線の変曲部分の付近に対応する期間が測定期間Ｔ２として割り当てられる。

制御基板１６０（図１）は、サンプリング信号に基づいて受光部２の受光タイミングを制御する。受光部２は、複数の画素が縦方向および横方向に配列された二次元のエリアセンサを含む。本実施の形態においては、エリアセンサの縦方向の画素数および横方向の画素数はそれぞれ３００個であり、画素数の合計は９００００個である。これにより、比較的大きいスポット径の干渉光Ｌ３を受光することができる。受光部２は、制御基板１６０による制御に基づいて、測定期間Ｔ１に各画素について可動部１４１の位置ごとに受光量を検出する。一方、受光部２は、非測定期間Ｔ２には受光量を検出しない。

図４（ａ），（ｂ）は、任意の画素について受光部２により取得されるべき受光量分布を示す図である。図４（ａ），（ｂ）の横軸は測定光Ｌ１の光路長と参照光Ｌ２の光路長との差を示し、縦軸は検出される受光量を示す。以下、測定光Ｌ１の光路長と参照光Ｌ２の光路長との差を光路長差と呼ぶ。可動部１４１の位置が変化すると、参照光Ｌ２の光路長は変化しないが、測定光Ｌ１の光路長が変化するため、光路長差が変化する。

仮に、出射光Ｌ０のコヒーレンス性が高く、出射光Ｌ０が単一のピーク波長λを有する場合には、測定光Ｌ１および参照光Ｌ２は、光路長差がｎ×λとなるときに互いに強め合い、光路長差が（ｎ＋１／２）×λとなるときに互いに弱め合う。ここで、ｎは任意の整数である。そのため、図４（ａ）に示すように、受光量は、光路長差がピーク波長の半分だけ変化するごとに最大値と最小値との間で変動することとなる。

これに対し、出射光Ｌ０が複数のピーク波長を有する場合には、測定光Ｌ１および参照光Ｌ２が互いに強め合うときおよび互いに弱め合うときの光路長差は、ピーク波長ごとに異なる。そのため、ピーク波長ごとに異なる図４（ａ）と同様の受光量分布が足し合わされた受光量分布が取得される。具体的には、図４（ｂ）に実線で示すように、小さい光路長差の範囲において、受光量分布に複数のピークが現れる。光路長差が０のときのピークの受光量が最大となり、光路長差が大きくなるほどピークの受光量は小さくなる。また、ピークが現れる光路長差の範囲は、出射光Ｌ０のコヒーレンス性が高いほど広い。

本実施の形態においては、受光部２は、図４（ｂ）に点線で示すように、受光量分布の包絡線を特定し、特定された包絡線を示すデータを測定データとして制御基板１６０に与える。制御基板１６０は、取得した測定データにより示される包絡線に基づいて光路長差が０になる時点および最大受光量Ｉｍを特定する。ここで、出射光Ｌ０のコヒーレンス性はＬＥＤにより出射される光のコヒーレンス性よりも高いため、ＬＥＤを使用した場合よりも広い光路長差の範囲においてピークが現れる。したがって、受光量の検出の頻度を低減させても、光路長差が０になる時点および最大受光量Ｉｍを正確に特定することができる。これにより、測定を高速化することができる。

また、制御基板１６０は、位置検出部１４（図２）の検出結果に基づいて、特定された時点における可動部１４１の位置を特定する。さらに、制御基板１６０は、特定された可動部１４１の位置および取得された最大受光量Ｉｍに基づいて画素データを生成する。可動部１４１の位置に基づいて生成される画素データを高さデータと呼び、最大受光量Ｉｍに基づいて生成される画素データを輝度データと呼ぶ。

また、制御基板１６０は、複数の画素データに基づいて画像データを生成する。高さデータに基づいて生成される画像データを高さ画像データと呼び、輝度データに基づいて生成される画像データを輝度画像データと呼ぶ。高さ画像データは測定対象物Ｓの表面の各部の形状（高さ）を示し、輝度画像データは測定対象物Ｓの表面の各部の輝度を表す。制御基板１６０は、位置検出部１４により検出された可動部１４１の絶対位置に基づいて、測定ヘッド１００から測定対象物Ｓまでの距離を示す距離データを生成する。制御基板１６０は、生成された高さ画像データ、輝度画像データおよび距離データを処理装置２００（図１）に与える。

（４）往復機構の制振構造
以下、図１の保持部１１２が設けられる設置部１１１の一端部から他端部へ向かう方向を測定ヘッド１００の前方とし、その逆の方向を測定ヘッド１００の後方とする。また、前後方向および上下方向に直交する方向を左右方向とする。図５は、主として往復機構１４０の構成を示す測定ヘッド１００の模式的正面図である。図５に示すように、測定ヘッド１００は、回転支持部１８０をさらに含む。回転支持部１８０は、回転軸１８１、固定アーム１８２，１８３および揺動アーム１８４，１８５を含む。

回転軸１８１は、略円柱形状を有し、支持部１２５に垂直な軸を中心に回転可能な状態で支持部１２５から前方に突出するように設けられる。固定アーム１８２，１８３は、回転軸１８１の側面から一方向および他方向にそれぞれ突出するように設けられる。揺動アーム１８４，１８５は、下方に延びるように固定アーム１８２，１８３の先端に揺動可能に取り付けられる。

往復機構１４０は、可動部１４１に加えて、平衡部１４２および弾性部材１４６をさらに含む。可動部１４１には、図２のミラー１１および位置検出部１４の一部を除く測定部１３０が取り付けられる。平衡部１４２は、例えばカウンタウェイトであり、可動部１４１の重量と略等しい重量を有する。可動部１４１および平衡部１４２は、揺動アーム１８４，１８５の下端にそれぞれ取り付けられる。

駆動部１５０は、コイル部１５１およびヨーク部１５２を含む。コイル部１５１は、ヨーク部１５２に巻きつけられた状態で可動部１４１に固定される。一方、ヨーク部１５２は、平衡部１４２に固定される。コイル部１５１に電流を流すことにより、上下方向にヨーク部１５２を振動させる駆動力が発生する。また、その反作用として、ヨーク部１５２を振動させる駆動力とは逆方向にコイル部１５１を振動させる駆動力が発生する。

このように、駆動部１５０は筐体部１２０には取り付けられず、筐体部１２０から機械的に絶縁されるように可動部１４１と平衡部１４２との間に取り付けられる。この場合、往復機構１４０を振動させるための駆動力が筐体部１２０および支持構造１１０には伝達されない。そのため、支持構造１１０には振動が発生しない。したがって、支持構造１１０の剛性を大きくするために支持構造１１０を大型化および重量化する必要がない。これにより、測定ヘッド１００を小型化および軽量化することができる。

なお、本実施の形態においては、コイル部１５１が可動部１４１に取り付けられ、ヨーク部１５２が平衡部１４２に取り付けられるが、本発明はこれに限定されない。コイル部１５１が平衡部１４２に取り付けられ、ヨーク部１５２が可動部１４１に取り付けられてもよい。

可動部１４１が矢印ａ１で示すように上方に振動するときには、平衡部１４２は矢印ｂ１で示す下方に振動する。また、駆動部１５０の駆動力が固定アーム１８２，１８３および揺動アーム１８４，１８５を介して回転軸１８１に伝達されることにより、回転軸１８１が矢印ｃ１で示すように時計回りに回転する。

同様に、可動部１４１が矢印ａ２で示すように下方に振動するときには、平衡部１４２は矢印ｂ２で示す上方に振動する。また、駆動部１５０の駆動力が固定アーム１８２，１８３および揺動アーム１８４，１８５を介して回転軸１８１に伝達されることにより、回転軸１８１が矢印ｃ２で示すように反時計回りに回転する。

この動作が交互に繰り返されることにより、可動部１４１および平衡部１４２が上下方向に振動する。可動部１４１と平衡部１４２との振動方向は互いに逆方向となり、振動の変位は互いに等しい。可動部１４１および平衡部１４２の上下方向以外の振動は、後述する図６の摺動部１４４により規制される。そのため、可動部１４１および平衡部１４２を安定に振動させることができる。詳細は後述する。

この構成によれば、可動部１４１を振動させた場合でも、測定ヘッド１００の重心位置はほとんど変化しない。そのため、可動部１４１を高速で振動させた場合、および可動部１４１を大きく振動させた場合でも、測定ヘッド１００には振動が発生しない。これにより、可動部１４１を高速にかつ大きく振動させることが可能になる。これにより、測定対象物Ｓを高速に測定することができるとともに、測定対象物Ｓの高さ方向における測定範囲を大きくすることができる。

なお、本実施の形態においては、可動部１４１を低速で振動させる低速モードと、可動部１４１を高速で振動させる高速モードとで、選択的に測定ヘッド１００を動作可能である。低速モードにおける測定範囲は、例えば±０．７ｍｍである。高速モードにおける測定範囲は、例えば±０．３５ｍｍである。そのため、使用者は、低速モードを選択することにより、高さ方向に大きい測定対象物Ｓを測定することができる。一方、使用者は、高速モードを選択することにより、高さ方向に小さい測定対象物Ｓを高速で測定することができる。

また、本実施の形態においては、可動部１４１と平衡部１４２とが弾性部材１４６により連結される。弾性部材１４６は、例えばばね定数ｋのばね部材である。すなわち、往復機構１４０においては、ばね定数ｋの弾性部材１４６の両端に質量ｍの可動部１４１と質量ｍの平衡部１４２がそれぞれ取り付けられる。弾性部材１４６の中心が定点となるように可動部１４１と平衡部１４２とがそれぞれ単振動する。

ここで、可動部１４１の質量ｍと平衡部１４２の質量ｍとが等しい。そのため、可動部１４１から弾性部材１４６の定点までの部分により構成される振動系の固有振動数と、平衡部１４２から弾性部材１４６の定点までの部分により構成される振動系の固有振動数の固有振動数とが一致する。この場合、往復機構１４０全体が単一の固有振動数を有するので、往復機構１４０を容易に単振動させることができる。これにより、往復機構１４０を振動させるために駆動部１５０に与えるエネルギー（コイル部１５１に流す電流）を低減することができる。

弾性部材１４６のばね定数は、往復機構１４０の固有振動数が往復機構１４０の振動周波数から一定の範囲になるように設定されることが好ましい。本実施の形態においては、例えば、往復機構１４０の固有振動数を１とすると、低速モードにおける往復機構１４０の振動周波数は例えば２／３であり、高速モードにおける往復機構１４０の振動周波数は例えば４／３となるようにばね定数が設定される。

このように、弾性部材１４６のばね定数は、往復機構１４０の固有振動数が低速モードにおける往復機構１４０の振動周波数よりも大きく、高速モードにおける往復機構１４０の振動周波数よりも小さくなるように設定される。これにより、低速モードにおける往復機構１４０のエネルギー効率と高速モードにおける往復機構１４０のエネルギー効率とを同程度に向上させることができる。

また、往復機構１４０の固有振動数を往復機構１４０の振動周波数と一致させると、往復機構１４０の減衰特性によっては往復機構１４０が不安定な挙動を示すことがある。本実施の形態においては、往復機構１４０の固有振動数が往復機構１４０の振動周波数からやや離間した値に設定される。これにより、往復機構１４０のエネルギー効率を向上させ、往復機構１４０の挙動を安定させることができる。

上記の構成によれば、往復機構１４０を振動させるために駆動部１５０に与えるエネルギーを最小にすることができる。このように、可動部１４１を振動させるためのエネルギーは極めて小さいので、本実施の形態においては、測定ヘッド１００の稼働時には、図３の測定期間Ｔ１および非測定期間Ｔ２に関わらず往復機構１４０は常時振動される。

さらに、本実施の形態においては、揺動アーム１８４，１８５は揺動可能であるため、揺動アーム１８４，１８５が上下方向に振動しても揺動アーム１８４，１８５の向きは変化しない。したがって、可動部１４１が上下方向に振動しても、可動部１４１に取り付けられた測定部１３０の向きが一定に維持される。これにより、測定部１３０から測定対象物Ｓに照射される測定光Ｌ１の向きが変化することを防止することができる。

本実施の形態において、平衡部１４２はカウンタウェイトであるが、本発明はこれに限定されない。平衡部１４２は、可動部１４１と同様の構成を有する可動部であり、当該可動部に測定部１３０と同様の測定部が取り付けられてもよい。この場合、測定ヘッド１００の重量を増加させることなく２つの領域を同時に測定することが可能になる。

（５）往復機構の長寿命化構造
図６は、主として往復機構１４０の構成を示す測定ヘッド１００の模式的側面図である。図７は、図５の測定ヘッド１００のＡ−Ａ線断面図である。図６に示すように、往復機構１４０は、可動部１４１、平衡部１４２および弾性部材１４６に加えて、プレート部１４３、３個の摺動部１４４および駆動部１４５をさらに含む。各摺動部１４４は、直動軸受であり、固定レール１４４ａ、可動テーブル１４４ｂおよび複数の転がり部材１４４ｃを含む。

複数の転がり部材１４４ｃは、固定レール１４４ａと可動テーブル１４４ｂとの間に略等間隔で配置され、図示しない保持具（リテーナ）により保持される。複数の転がり部材１４４ｃには、粘性グリス等の潤滑剤が塗布される。複数の転がり部材１４４ｃが回転軸周りで回転することにより、可動テーブル１４４ｂが固定レール１４４ａに対して一方向に平行に滑らかに摺動する。以下、３個の摺動部１４４を区別する場合は、３個の摺動部１４４をそれぞれ摺動部１４４Ａ，１４４Ｂ，１４４Ｃと呼ぶ。

プレート部１４３は、上下方向に摺動可能に摺動部１４４Ｃを介して筐体部１２０の支持部１２５に取り付けられる。図６および図７の例では、摺動部１４４Ｃの固定レール１４４ａが支持部１２５に取り付けられ、摺動部１４４Ｃの可動テーブル１４４ｂがプレート部１４３の一面に取り付けられる。

可動部１４１および平衡部１４２が、上下方向に摺動可能に摺動部１４４Ａ，１４４Ｂをそれぞれ介してプレート部１４３の他面に取り付けられる。図６および図７の例では、摺動部１４４Ａの固定レール１４４ａがプレート部１４３の他面に取り付けられ、摺動部１４４Ａの可動テーブル１４４ｂが可動部１４１に取り付けられる。また、摺動部１４４Ｂの固定レール１４４ａがプレート部１４３の他面に取り付けられ、摺動部１４４Ｂの可動テーブル１４４ｂが平衡部１４２に取り付けられる。これにより、可動部１４１および平衡部１４２の上下方向以外の振動が規制される。

本例では、摺動部１４４Ｃの固定レール１４４ａおよび可動テーブル１４４ｂが支持部１２５およびプレート部１４３にそれぞれ取り付けられるが、本発明はこれに限定されない。摺動部１４４Ｃの固定レール１４４ａおよび可動テーブル１４４ｂがプレート部１４３および支持部１２５にそれぞれ取り付けられてもよい。すなわち、摺動部１４４Ｃの固定レール１４４ａと可動テーブル１４４ｂとの位置関係が逆であってもよい。摺動部１４４Ａ，１４４Ｂについても同様である。

上記のように、各摺動部１４４の複数の転がり部材１４４ｃには、潤滑剤が塗布される。しかしながら、可動部１４１および平衡部１４２の可動範囲（例えば±０．７ｍｍ）は、各転がり部材１４４ｃの回転軸周りの円周長（例えば数ｍｍ）よりも小さい。そのため、各転がり部材１４４ｃの回転軸周りの一部の領域のみが固定レール１４４ａまたは可動テーブル１４４ｂと接触し、各転がり部材１４４ｃの回転軸周りの他の領域は固定レール１４４ａおよび可動テーブル１４４ｂと接触しない。この場合、各転がり部材１４４ｃの周囲で潤滑剤の循環が生じず、各転がり部材１４４ｃの一部の領域の潤滑剤が枯渇する。

そこで、本実施の形態においては、プレート部１４３を振動可能に筐体部１２０の支持部１２５に駆動部１４５が取り付けられる。なお、プレート部１４３の振動の周期は、往復機構１４０の振動の周期よりも大きい。駆動部１４５は、アクチュエータであり、プレート部１４３を各転がり部材１４４ｃの回転軸周りの円周長よりも大きい範囲で振動させる。したがって、各摺動部１４４の複数の転がり部材１４４ｃが回転軸周りで１周以上回転する。

この構成によれば、各転がり部材１４４ｃの回転軸周りの全ての領域が固定レール１４４ａまたは可動テーブル１４４ｂと接触するので、各転がり部材１４４ｃの周囲で潤滑剤が循環される。これにより、各転がり部材１４４ｃと固定レール１４４ａまたは可動テーブル１４４ｂとの間における摩擦が低減され、焼き付けが防止される。その結果、本実施の形態のように、往復機構１４０が測定ヘッド１００の稼働時に常時振動される場合でも、往復機構１４０を長寿命化することができる。

本実施の形態においては、駆動部１４５は、図３の非測定期間Ｔ２に駆動し、測定期間Ｔ１には駆動しないように制御される。そのため、プレート部１４３の振動により測定対象物Ｓの測定に影響が与えられることが確実に防止される。一方で、プレート部１４３が振動しても、その振動は摺動部１４４Ａ，１４４Ｂにより吸収されるため、可動部１４１および平衡部１４２にはほとんど伝達されず、測定対象物Ｓの測定にはほとんど影響しない。したがって、駆動部１４５は測定期間Ｔ１にも駆動するように制御されてもよい。

また、本実施の形態においては、プレート部１４３は全体的に平坦に形成されるが、本発明はこれに限定されない。図８は、変形例におけるプレート部１４３の構成を示す断面図である。図８に示すように、本実施の形態においては、プレート部１４３は、平坦部１４３ａ，１４３ｂ，１４３ｃおよび突出部１４３ｄ，１４３ｅを有する。平坦部１４３ａ，１４３ｂは、左右方向に並ぶように配置される。突出部１４３ｄ，１４３ｅは、それぞれ平坦部１４３ａ，１４３ｂの内端部から前方に突出するように設けられる。平坦部１４３ｃは、突出部１４３ｄ，１４３ｅの前端部を接続するように設けられる。

摺動部１４４Ｃは、平坦部１４３ｃおよび突出部１４３ｄ，１４３ｅに囲まれた領域に配置され、平坦部１４３ｃの一面に取り付けられる。摺動部１４４Ａ，１４４Ｂは、平坦部１４３ａ，１４３ｂの前方にそれぞれ配置され、平坦部１４３ａ，１４３ｂの他面にそれぞれ取り付けられる。この構成によれば、平坦部１４３ａ，１４３ｂが前方に突出しないので、摺動部１４４Ａ，１４４Ｂの前方への突出量を低減することができる。これにより、往復機構１４０が前後方向に大型化することを防止することができる。

図８の例においては、突出部１４３ｄ，１４３ｅが平坦部１４３ａ，１４３ｂから垂直に前方に突出するが、本発明はこれに限定されない。突出部１４３ｄ，１４３ｅは、平坦部１４３ａ，１４３ｂから傾斜しつつ、または湾曲しつつ前方に突出してもよい。

すなわち、平坦部１４３ｃの一面と支持部１２５との間隔が、平坦部１４３ａの一面と支持部１２５との間隔および平坦部１４３ｂの一面と支持部１２５との間隔よりも大きければよい。また、平坦部１４３ａの他面と可動部１４１との間隔が平坦部１４３ｃの他面と可動部１４１との間隔よりも大きく、平坦部１４３ｂの他面と平衡部１４２との間隔が平坦部１４３ｃの他面と平衡部１４２との間隔よりも大きければよい。

本実施の形態において、往復機構１４０はプレート部１４３および摺動部１４４Ａ〜１４４Ｃを含むが、本発明はこれに限定されない。摺動部１４４Ａ，１４４Ｂが十分に長い寿命を有する場合には、往復機構１４０は、プレート部１４３および摺動部１４４Ｃを含まなくてもよい。この場合には、摺動部１４４Ａ，１４４Ｂの固定レール１４４ａは支持部１２５に取り付けられることとなる。また、可動部１４１および平衡部１４２が一方向にのみ振動するように構成される場合には、往復機構１４０は摺動部１４４Ａ，１４４Ｂを含まなくてもよい。

（６）筐体部の熱分離構造
図９は、筐体部１２０の内部構成を示す模式図である。図９に示すように、筐体部１２０は、測定筐体１２１、制御筐体１２２、接続部１２３および被覆部１２４を含む。測定筐体１２１は、大きい容積を有し、測定部１３０、往復機構１４０、駆動部１５０、通信部１７０および回転支持部１８０を収容する。なお、測定筐体１２１は、図２の支持部１２５も収容する。通信部１７０における接続端子１７１の部分は測定筐体１２１から外部に露出する。

制御筐体１２２は、制御基板１６０を収容する。本実施の形態においては、制御基板１６０の発熱量は大きい。そこで、制御筐体１２２の外面には放熱フィン１２２ａ（ヒートシンク）が形成される。これにより、制御基板１６０から発生する熱を効率よく放散し、制御基板１６０を空冷することができる。接続部１２３は、低い熱伝導率を有する材料により形成され、測定筐体１２１と制御筐体１２２とを互いに離間した状態で接続する。本例では、接続部１２３はポリカーボネート樹脂（熱伝導率０．１９Ｗ／ｍＫ）により形成される。

この構成によれば、制御筐体１２２から測定筐体１２１へ熱がほとんど伝達しない。そのため、測定対象物Ｓの測定の精度が低下することが防止される。また、測定部１３０の周囲の温度を仕様温度の範囲に容易に維持することができる。これにより、測定部１３０の劣化を防止し、測定部１３０を長寿命化することができる。

さらに、測定部１３０と制御基板１６０とが空間的に分離して設けられ、熱の伝達が防止されるので、測定部１３０を大型の筐体部１２０に収容する必要がない。したがって、筐体部１２０を小型化することができる。また、測定ヘッド１００の電源投入後に測定部１３０の温度が短時間で安定するので、測定ヘッド１００の立ち上がり時間を短縮することができる。

被覆部１２４は、制御筐体１２２を覆うように測定筐体１２１の外面に取り付けられる。被覆部１２４には、複数の通気孔１２４ａが形成される。各通気孔１２４ａの径は、被覆部１２４の内部と外部とで気流による熱交換が可能で、かつ使用者の体の指等が通過しない値に設定される。これにより、制御筐体１２２を空冷しつつ、使用者が発熱した制御筐体１２２に接触することを防止することができる。

筐体部１２０は、測定筐体１２１が保持部１１２（図１）に接する状態で支持構造１１０（図１）または後述する取付器具により支持される。制御筐体１２２は、支持構造１１０および取付器具に接触しないので、制御筐体１２２から発生する熱は支持構造１１０および取付器具へ伝達しない。これにより、測定ヘッド１００の全体の温度が上昇することが防止される。その結果、測定ヘッド１００の劣化を防止し、測定ヘッド１００を長寿命化することができる。

（７）筐体部の取付構造
本実施の形態においては、測定部１３０が測定光Ｌ１（図２）を下方に出射するように筐体部１２０が支持構造１１０に取り付けられるが、本発明はこれに限定されない。筐体部１２０は、支持構造１１０から取り外され、所望の向きで任意の取付器具に取り付けられてもよい。筐体部１２０は、取付器具に取り付けられるための取付構造を有する。

図１０は、取付構造を示す筐体部１２０の模式的右側面図である。図１１は、取付構造を示す筐体部１２０の模式的背面図である。図１０および図１１においては、互いに直交するＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向が定義され、矢印Ｘ，Ｙ，Ｚでそれぞれ示される。Ｚ方向は、筐体部１２０から測定光Ｌ１が出射される方向であり、図５および図６の上下方向に対応する。Ｘ方向は図６の前後方向に対応し、Ｙ方向は図５の左右方向に対応する。

図１０および図１１に示すように、筐体部１２０は、Ｘ基準面１２６、Ｙ基準面１２７およびＺ基準面１２８を有する。Ｘ基準面１２６は、Ｘ方向に直交する測定筐体１２１の面であり、例えば背面である。Ｙ基準面１２７、はＹ方向に直交する測定筐体１２１の面であり、例えば左側面である。Ｚ基準面１２８、はＺ方向に直交する測定筐体１２１の面であり、例えば下面である。Ｘ基準面１２６およびＹ基準面１２７は測定光Ｌ１の光路に平行であり、Ｚ基準面１２８は測定光Ｌ１の光路に垂直である。

Ｘ基準面１２６には、複数（本例では４個）の取付孔１２６ａおよび係止孔１２６ｂが形成される。本例では、係止孔１２６ｂは有底孔であるが、貫通孔であってもよい。また、取付器具の構造によっては、各取付孔１２６ａは有底孔であってもよいし、貫通孔であってもよい。また、各取付孔１２６ａはねじ孔であってもよいし、ねじ孔ではない通し孔であってもよい。本例では、各取付孔１２６ａは有底孔でかつねじ孔である。

Ｙ基準面１２７には、複数（本例では３個）の取付孔１２７ａおよび係止孔１２７ｂが形成される。本例では、係止孔１２７ｂは有底孔であるが、貫通孔であってもよい。また、取付器具の構造によっては、各取付孔１２７ａは有底孔であってもよいし、貫通孔であってもよい。また、各取付孔１２７ａはねじ孔であってもよいし、通し孔であってもよい。本例では、各取付孔１２７ａは貫通孔でかつ通し孔である。

図１２（ａ），（ｂ）は、筐体部１２０のＸ基準面１２６を取付器具に取り付ける手順を説明するための図である。図１２（ａ）に示すように、取付器具２０は取付面２１を有する。筐体部１２０が所望の方向を向くように図１２（ｂ）のＸ基準面１２６が取付面２１に接触される。この状態で、Ｙ基準面１２７に接触するように２個のピン２２，２３が取付面２１に取り付けられることにより、測定光Ｌ１の出射方向（以下、測定方向と呼ぶ。）が決定する。また、Ｚ基準面１２８に接触するようにピン２４が取付面２１に取り付けられることにより、Ｚ基準面１２８から測定対象物Ｓまでの距離（以下、測定距離と呼ぶ。）が決定する。

測定方向および測定距離の決定後、複数の取付孔１２６ａにそれぞれ対応し、かつ裏面まで貫通する複数の通し孔２５が取付面２１に形成される。また、係止孔１２６ｂに対応する略円柱形状の突起部２６が取付面２１に形成される。突起部２６の突出量は係止孔１２６ｂの深さよりもわずかに小さく、突起部２６の直径は係止孔１２６ｂの直径よりわずかに小さい。

複数の通し孔２５にそれぞれ対応する複数の固定部材２７が用意される。各固定部材２７は、例えばねじ部材である。各固定部材２７の呼び長さ（nominal length）は、対応する通し孔２５の深さよりも大きく、通し孔２５の深さと取付孔１２６ａの深さの合計よりも小さい。突起部２６が係止孔１２６ｂに挿入された状態で、各固定部材２７が対応する通し孔２５を通して取付孔１２６ａに螺合される。これにより、筐体部１２０のＸ基準面１２６が取付器具２０に取り付けられる。

図１３（ａ），（ｂ）は、筐体部１２０のＹ基準面１２７を取付器具に取り付ける手順を説明するための図である。図１３（ａ）に示すように、取付器具３０は取付面３１を有する。筐体部１２０が所望の方向を向くように図１３（ｂ）のＹ基準面１２７が取付面３１に接触される。この状態で、Ｘ基準面１２６に接触するように２個のピン３２，３３が取付面３１に取り付けられることにより測定方向が決定する。また、Ｚ基準面１２８に接触するようにピン３４が取付面３１に取り付けられることにより測定距離が決定する。

測定方向および測定距離の決定後、複数の取付孔１２７ａにそれぞれ対応する複数のねじ孔３５が取付面３１に形成される。図１３（ｂ）の例では、ねじ孔３５は有底孔であるが、貫通孔であってもよい。また、係止孔１２７ｂに対応する略円柱形状の突起部３６が取付面３１に形成される。突起部３６の突出量は係止孔１２７ｂの深さよりもわずかに小さく、突起部３６の直径は係止孔１２７ｂの直径よりわずかに小さい。

複数のねじ孔３５にそれぞれ対応する複数の固定部材３７が用意される。各固定部材３７は、例えばねじ部材である。各固定部材３７の呼び長さは、対応する取付孔１２７ａの深さよりも大きく、ねじ孔３５の深さと取付孔１２７ａの深さの合計よりも小さい。突起部３６が係止孔１２７ｂに挿入された状態で、各固定部材３７が対応する取付孔１２７ａを通してねじ孔３５に螺合される。これにより、筐体部１２０のＹ基準面１２７が取付器具３０に取り付けられる。

このように、Ｘ基準面１２６またはＹ基準面１２７が所望の方向に平行になるように筐体部１２０の姿勢を調整することにより、形状測定装置３００を容易に所望の向きで設置することができる。また、Ｚ基準面１２８と測定対象物Ｓとの距離が所望の値になるように筐体部１２０を位置決めすることにより、測定対象物Ｓとの距離を容易に維持した状態で形状測定装置３００を設置することができる。

この構成によれば、測定ヘッド１００の測定方向および測定距離が取付器具２０，３０により空間的に制限されることがない。そのため、測定対象物Ｓの形状に応じた最適な測定方向および測定距離を容易に維持しつつ、測定ヘッド１００を製品の検査装置として工場等の生産ラインに設置することができる。生産ラインにおいては、取付器具２０，３０により空間的に制限されることなく、ベルトコンベア等の搬送装置により自動的に順次搬送される複数の測定対象物Ｓを検査することが可能になる。

また、筐体部１２０のＸ基準面１２６を取付器具２０に取り付ける際に、突起部２６が係止孔１２６ｂに係合する。あるいは、筐体部１２０のＹ基準面１２７を取付器具３０に取り付ける際に、突起部３６が係止孔１２７ｂに係合する。これにより、作業者は、筐体部１２０の取り付けまたは取り外しの際に、筐体部１２０の重量（例えば、３ｋｇ）の全部を支える必要がない。これにより、作業者の負担が低減し、作業効率を向上させることができる。また、作業者の不注意による筐体部１２０の落下および破損を防止することができる。

係止孔１２６ｂ，１２７ｂは複数設けられてもよい。この場合、係止孔１２６ｂ，１２７ｂに対応して取付器具２０，３０に突起部２６，３６を複数形成することにより、筐体部１２０を取付器具２０，３０に確実に係止することができる。また、作業者が筐体部１２０を支えない場合でも、筐体部１２０が取付器具２０，３０の取付面２１，３１上で回転することが防止される。これにより、作業者の負担がより低減し、作業効率をより向上させることができる。

また、係止孔１２６ｂ，１２７ｂは、断面がＬ字形状に形成されてもよい。この場合、Ｌ字形状を有する鉤状の突起部２６，３６を係止孔１２６ｂ，１２７ｂにそれぞれ挿入することができる。これにより、筐体部１２０を取付器具２０，３０に確実に係止することができる。

（８）効果
本実施の形態に係る形状測定装置３００においては、可動部１４１と平衡部１４２とが支持部１２５により支持される。ミラー１１および位置検出部１４の一部を除く測定部１３０が可動部１４１に取り付けられる。投光部１により出射された測定光Ｌ１が測定対象物Ｓに導かれるとともに、参照光Ｌ２がミラー１０に導かれる。測定対象物Ｓで反射された測定光Ｌ１とミラー１０で反射された参照光Ｌ２との干渉光Ｌ３が受光部２に導かれる。

駆動部１５０により可動部１４１が往復移動されることにより、測定光Ｌ１と参照光Ｌ２との光路長差が変化する。受光部２の複数の画素の各々から、光路長差により変化する受光量の干渉パターンが取得される。ここで、測定光Ｌ１および参照光Ｌ２は複数のピーク波長を有するので、受光量の干渉パターンは空間周期性を示さない。したがって、位置検出部１４により検出された支持部１２５に対する可動部１４１の相対位置と受光部２の各画素の受光量とに基づいて、測定対象物Ｓの対応する部分の表面形状を高精度で一意的に特定することができる。

また、受光部２においては、複数の画素が二次元に配列されるので、受光部２は、測定対象物Ｓの複数の部分により反射された測定光Ｌ１を含む干渉光Ｌ３を同時に受光することができる。そのため、測定対象物Ｓの複数の部分の表面形状を高速に取得することができる。

さらに、駆動部１５０により平衡部１４２が支持部１２５に対して可動部１４１と逆方向に往復移動される。この場合、可動部１４１が往復移動しても、形状測定装置３００の重心の位置はほとんど変化しない。そのため、形状測定装置３００は不安定に振動せず、形状測定装置３００を大型化および重量化する必要がない。また、可動部１４１を高速にかつ大きい振幅で振動させることが可能となる。その結果、形状測定装置３００をコンパクトに構成しつつ、広い測定範囲で高速かつ高精度で測定対象物Ｓの表面形状を測定することができる。

また、本実施の形態においては、受光部２が、複数の画素の各々について、受光量の干渉パターンの包絡線を特定する。制御基板１６０が、特定された包絡線のピーク位置を特定する。この構成によれば、干渉パターンを取得するべき光路長差の間隔が十分に密ではなく、荒い場合でも、干渉パターン包絡線のピーク位置を特定することができる。これにより、測定対象物Ｓの表面形状を高速に測定することができる。また、制御基板１６０が干渉パターンの包絡線を特定する必要がないので、制御基板１６０の負担を低減するとともに、制御基板１６０の動作速度が低下することを防止することができる。

本実施の形態においては、制御基板１６０が種々の演算処理および制御を行うが、本発明はこれに限定されない。制御基板１６０の演算処理および制御の一部または全部が処理装置２００の制御部２１０により行われてもよい。ここで、制御基板１６０の発熱が小さい場合には、筐体部１２０に制御筐体１２２、接続部１２３および被覆部１２４が設けられず、制御基板１６０が測定筐体１２１に収容されてもよい。

（９）他の実施の形態
上記実施の形態において、測定光Ｌ１の光路長が変化し、参照光Ｌ２の光路長が変化しないように測定部１３０が構成されるが、本発明はこれに限定されない。参照光Ｌ２の光路長が変化し、測定光Ｌ１の光路長が変化しないように測定部１３０が構成されてもよい。この場合においては、参照光Ｌ２の進行方向に沿って、ミラー１０がビームスプリッタ１２に対して相対的に振動するように構成される。

（１０）請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応関係
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。

上記実施の形態においては、測定対象物Ｓが測定対象物の例であり、形状測定装置３００が形状測定装置の例であり、投光部１が投光部の例であり、ミラー１０が参照体の例である。受光部２，３がそれぞれ第１および第２の受光部の例であり、測定光Ｌ１が測定光の例であり、参照光Ｌ２が参照光の例であり、干渉光Ｌ３が干渉光の例であり、ビームスプリッタ１２が光学系の例である。

可動部１４１が可動部の例であり、支持部１２５が支持部の例であり、位置検出部１４が位置検出部の例であり、制御基板１６０が形状取得部の例であり、平衡部１４２が平衡部の例である。駆動部１５０，１４５がそれぞれ第１および第２の駆動部の例であり、弾性部材１４６が弾性部材およびばね部材の例であり、往復機構１４０が往復機構の例であり、摺動部１４４Ａ，１４４Ｂ，１４４Ｃがそれぞれ第１、第２および第３の摺動部の例である。

プレート部１４３がプレート部の例であり、転がり部材１４４ｃが転がり部材の例であり、平坦部１４３ａ，１４３ｂ，１４３ｃがそれぞれ第１、第２および第３の部分の例であり、測定期間Ｔ１が第１および第３の期間の例である。非測定期間Ｔ２が第２および第４の期間の例であり、ガイド光Ｇ１，Ｇ２がそれぞれ第１および第２のガイド光の例であり、ガイド部１６がガイド部の例であり、アナモルフィックプリズムペア１３が整形部材の例である。

請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する他の種々の要素を用いることもできる。

本発明は、種々の形状測定装置に有効に利用することができる。

１ 投光部
２，３ 受光部
４〜８ レンズ
９〜１１ ミラー
１２ ビームスプリッタ
１３ アナモルフィックプリズムペア
１４ 位置検出部
１４ａ，１４ｂ 読取部
１４ｃ スケール
１４ｄ マグネット
１５ ガイド光源
１６ ガイド部
２０，３０ 取付器具
２１，３１ 取付面
２２〜２４，３２〜３４ ピン
２５ 通し孔
２６，３６ 突起部
２７，３７ 固定部材
３５ ねじ孔
１００ 測定ヘッド
１１０ 支持構造
１１１ 設置部
１１２ 保持部
１２０ 筐体部
１２１ 測定筐体
１２２ 制御筐体
１２２ａ 放熱フィン
１２３ 接続部
１２４ 被覆部
１２４ａ 通気孔
１２５ 支持部
１２６ Ｘ基準面
１２６ａ，１２７ａ 取付孔
１２６ｂ，１２７ｂ 係止孔
１２７ Ｙ基準面
１２８ Ｚ基準面
１３０ 測定部
１４０ 往復機構
１４１ 可動部
１４２ 平衡部
１４３ プレート部
１４３ａ〜１４３ｃ 平坦部
１４３ｄ，１４３ｅ 突出部
１４４，１４４Ａ〜１４４Ｃ 摺動部
１４４ａ 固定レール
１４４ｂ 可動テーブル
１４４ｃ 転がり部材
１４５ 駆動部
１４６ 弾性部材
１５０ 駆動部
１５１ コイル部
１５２ ヨーク部
１６０ 制御基板
１７０，２５０ 通信部
１７１ 接続端子
１８０ 回転支持部
１８１ 回転軸
１８２，１８３ 固定アーム
１８４，１８５ 揺動アーム
２００ 処理装置
２１０ 制御部
２２０ 記憶部
２３０ 操作部
２４０ 表示部
３００ 形状測定装置
Ｇ，Ｇ１，Ｇ２ ガイド光
Ｉｍ 最大受光量
Ｌ０ 出射光
Ｌ１ 測定光
Ｌ２ 参照光
Ｌ３ 干渉光
Ｓ 測定対象物
Ｔ１ 測定期間
Ｔ２ 非測定期間

Claims (15)

1. 測定対象物の表面形状を測定する形状測定装置であって、
   複数のピーク波長を有する光を出射する投光部と、
   参照体と、
   二次元に配列された複数の画素を含む第１の受光部と、
   前記投光部により出射された光を測定光として前記測定対象物に導くとともに前記投光部により出射された光を参照光として前記参照体に導き、前記測定対象物で反射された前記測定光と前記参照体で反射された前記参照光との干渉光を生成し、生成した前記干渉光を前記第１の受光部に導く光学系と、
   前記光学系および前記参照体のうち少なくとも一方が取り付けられ、往復移動することにより前記測定光の光路長と前記参照光の光路長との差を変化させる可動部と、
   前記可動部を往復移動可能に支持する支持部と、
   前記支持部に対する前記可動部の相対位置を検出する位置検出部と、
   前記位置検出部により検出された相対位置と前記第１の受光部の前記複数の画素の受光量とに基づいて前記測定対象物の複数の部分の表面形状を取得する形状取得部と、
   前記支持部に対して往復移動可能に支持された平衡部と、
   前記可動部と前記平衡部とを互いに逆方向に前記支持部に対して往復移動させる第１の駆動部とを備える、形状測定装置。
2. 前記投光部は、白色光よりも高くかつレーザ光よりも低いコヒーレンス性を有する光を出射する、請求項１記載の形状測定装置。
3. 前記可動部と前記平衡部とを接続する弾性部材をさらに備える、請求項１または２記載の形状測定装置。
4. 前記弾性部材、前記可動部および前記平衡部により往復機構が構成され、
   前記弾性部材のばね定数は、前記往復機構の固有振動数が前記往復機構の振動周波数から一定の範囲になるように設定される、請求項３記載の形状測定装置。
5. 前記第１の駆動部は、前記支持部から機械的に絶縁されるように前記可動部と前記平衡部との間に取り付けられる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の形状測定装置。
6. 一方向に平行に摺動可能に構成された第１および第２の摺動部をさらに備え、
   前記可動部および前記平衡部は、それぞれ前記第１および第２の摺動部を介して往復移動可能に前記支持部に取り付けられる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の形状測定装置。
7. 前記一方向に平行に摺動可能に構成された第３の摺動部と、
   前記支持部に対して往復移動可能に支持されたプレート部と、
   前記プレート部を前記支持部に対して往復移動させる第２の駆動部とをさらに備え、
   前記第１、第２および第３の摺動部の各々は、転がり部材を含む直動軸受であり、
   前記第１の摺動部は、前記可動部と前記プレート部の一方の面とに設けられ、
   前記第２の摺動部は、前記平衡部と前記プレート部の一方の面とに設けられ、
   前記第３の摺動部は、前記プレート部の他方の面と前記支持部とに設けられ、
   前記第２の駆動部は、前記第１、第２および第３の摺動部の各々における前記転がり部材が１周以上転がるように前記プレート部を往復移動させる、請求項６記載の形状測定装置。
8. 前記プレート部は、第１、第２および第３の部分を含み、
   前記第１の部分の前記一方の面と前記可動部との間隔は、前記第３の部分の前記一方の面と前記可動部との間隔よりも大きく、
   前記第２の部分の前記一方の面と前記平衡部との間隔は、前記第３の部分の前記一方の面と前記平衡部との間隔よりも大きく、
   前記第３の部分の前記他方の面と前記支持部との間隔は、前記第１の部分の前記他方の面と前記支持部との間隔および前記第２の部分の前記他方の面と前記支持部との間隔よりも大きく、
   前記第１の摺動部は、前記第１の部分の前記一方の面に設けられ、
   前記第２の摺動部は、前記第２の部分の前記一方の面に設けられ、
   前記第３の摺動部は、前記第３の部分の前記他方の面に設けられる、請求項７記載の形状測定装置。
9. 前記可動部の往復移動の各周期は、前記第１の受光部の前記複数の画素が前記干渉光を受光する第１の期間と、前記第１の受光部の前記複数の画素が前記干渉光を受光しない第２の期間とを含み、
   前記第２の駆動部は、前記第２の期間に前記プレート部を移動させ、前記第１の期間に前記プレート部の移動を停止させる、請求項７または８記載の形状測定装置。
10. 第１および第２のガイド光を出射するガイド部をさらに備え、
    前記ガイド部は、前記測定対象物の表面が前記第１の受光部の焦点の位置にあるときに、前記測定対象物の表面に投影される前記第１のガイド光のパターンと前記第２のガイド光のパターンとが特定の位置関係を有するように配置される、請求項１〜９のいずれか一項に記載の形状測定装置。
11. 前記可動部の往復移動の各周期は、前記第１の受光部の前記複数の画素が前記干渉光を受光する第３の期間と、前記第１の受光部の前記複数の画素が前記干渉光を受光しない第４の期間とを含み、
    前記ガイド部は、前記第３の期間に前記第１および第２のガイド光を出射し、前記第４の期間に前記第１および第２のガイド光の出射を停止する、請求項１０記載の形状測定装置。
12. 前記投光部により出射された光のパターンを円形に整形しつつ透過させる整形部材をさらに含む、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の形状測定装置。
13. 前記整形部材からの反射光を受光し、受光量を検出する第２の受光部をさらに含む、請求項１２記載の形状測定装置。
14. 前記位置検出部は、前記可動部の絶対位置をさらに検出するように構成される、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の形状測定装置。
15. 前記第１の受光部は、前記複数の画素の各々について、前記測定光の光路長と前記参照光の光路長との差により変化する受光量の干渉パターンの包絡線を特定し、
    前記形状取得部は、前記第１の受光部により特定された包絡線のピーク位置を特定し、特定されたピーク位置に基づいて前記測定対象物の複数の部分の表面形状を取得する、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の形状測定装置。

Images