JPWO2017110837A1 - 共焦点変位計 - Google Patents

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Abstract

【課題】計測誤差を低減可能な共焦点変位計を提供する。【解決手段】複数の波長を有する光が投光部（１２０）により出射される。投光部（１２０）により出射された光には、レンズユニット（２２０）により光軸方向に沿った色収差が発生する。また、色収差を有する光がレンズユニット（２２０）により収束されて計測対象物（Ｓ）に照射される。レンズユニット（２２０）により計測対象物（Ｓ）に照射された光のうち、計測対象物（Ｓ）の表面で合焦しつつ反射された波長の光が複数のピンホールを通過する。複数のピンホールを通過した複数の光についての波長ごとの強度の平均に対応する平均信号の波長ごとの信号強度に基づいて演算処理部（１５０）により計測対象物（Ｓ）の変位が算出される。

Description

本発明は、広い波長帯域の光を用いた共焦点変位計に関する。
計測対象物の表面の変位を非接触方式により計測する装置として、共焦点変位計が知られている。例えば、特許文献１には、計測対象物の表面の変位として所定の基準位置から計測対象物までの距離を計測するクロマティックポイントセンサ（ＣＰＳ）システムが記載されている。特許文献１のＣＰＳは、２個の共焦点系の光路を有する。複数波長の光が各光路に入力され、いずれかの光路を通過した光が選択的に計測対象物に出力される。
第１光路は、光軸方向における計測対象物の表面位置の近傍の異なった距離において異なる波長の光が焦点を結ぶように構成される。第１光路を通過した光は、計測対象物の表面で反射される。反射光のうち、空間的なフィルタとして第１経路に配置された開口部の位置で合焦した光のみが当該開口部を通過して波長検出器に導かれる。波長検出器により検出された光のスペクトルプロファイル（第１出力スペクトルプロファイル）は、計測距離を示す成分（距離依存性のプロファイル成分）を含むとともに、距離非依存性のプロファイル成分をも含む。
第２光路は、計測対象物の表面位置の近傍の略同一距離において異なる波長の光が焦点を結ぶように構成される。第２光路を通過した光は、計測対象物の表面で反射される。反射光のうち、空間的なフィルタとして第２経路に配置された開口部の位置で合焦した光のみが当該開口部を通過して波長検出器に導かれる。波長検出器により検出された光のスペクトルプロファイル（第２出力スペクトルプロファイル）は、距離依存性のプロファイル成分を含まず、距離非依存性のプロファイル成分のみを含む。第２出力スペクトルプロファイルを用いて、第１出力スペクトルプロファイルについて、距離非依存性のプロファイル成分に関連する潜在的な計測誤差のための補正が行われる。
特開２０１３−１３０５８１号公報
特許文献１記載のＣＰＳシステムにおいては、第１出力スペクトルプロファイルについて上記の補正が行われることにより、信頼性が向上される。具体的には、距離非依存性のプロファイル成分として、計測対象物の材料成分、光源に関連付けられる光源のスペクトルプロファイル成分または波長検出器に関連付けられる成分による計測誤差が低減される。しかしながら、共焦点変位計においては、計測対象物の表面の乱反射の影響により、表面の粗さよりも大きい度合いの計測誤差が発生する。特許文献１のＣＰＳシステムでは、このような計測誤差を低減することができない。
本発明の目的は、計測誤差を低減可能な共焦点変位計を提供することである。
（１）本発明に係る共焦点変位計は、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出射する投光部と、投光部により出射された光に光軸方向に沿った色収差を発生させるとともに、色収差を有する光を収束させて計測対象物に照射する光学部材と、光学部材により計測対象物に照射された光のうち、計測対象物の表面で合焦しつつ反射された波長の光を通過させる複数のピンホールを有するピンホール部材と、複数のピンホールを通過した複数の光についての波長ごとの強度の平均に対応する平均信号の波長ごとの信号強度に基づいて計測対象物の変位を算出する変位計測部とを備える。
この共焦点変位計においては、複数の波長を有する光が投光部により出射される。投光部により出射された光には、光学部材により光軸方向に沿った色収差が発生する。また、色収差を有する光が光学部材により収束されて計測対象物に照射される。光学部材により計測対象物に照射された光のうち、計測対象物の表面で合焦しつつ反射された波長の光がピンホール部材の複数のピンホールを通過する。複数のピンホールを通過した複数の光についての波長ごとの強度の平均に対応する平均信号の波長ごとの信号強度に基づいて変位計測部により計測対象物の変位が算出される。
計測対象物の表面での乱反射により、計測対象物の表面の位置とは異なる位置で合焦した光がいずれかのピンホールを通過することがある。そのような場合でも、上記の構成によれば、平均信号において複数のピンホールを通過した複数の光についての波長ごとの強度が平均される。それにより、乱反射によるランダムな計測誤差を発生させる光の成分が打ち消される。その結果、共焦点変位計により計測される計測対象物の変位の誤差を低減することができる。
（２）共焦点変位計は、第１の光ファイバを有し、第１の光ファイバの端部がピンホールであり、第１の光ファイバがピンホール部材であってもよい。この場合、ピンホールを第１の光ファイバと別個に配置する必要がない。これにより、共焦点変位計の構成をコンパクトにすることができる。また、複数のピンホールを通過した光を第１の光ファイバにより効率よく変位計測部に導くことができる。さらに、ピンホールを通過した光を変位計測部に導くための光路の構成の自由度が向上する。
（３）投光部は、一端部および他端部を有する第２の光ファイバと、レーザ光源と、第２の光ファイバの一端部に配置され、レーザ光源により出射された光を吸収してレーザ光源により出射された光の波長とは異なる波長の光を放出する蛍光体とを含み、第２の光ファイバは、蛍光体が放出する光を一端部から受け付け、受け付けた光を他端部から第１の光ファイバに導いてもよい。
この場合、レーザ光源および蛍光体により複数の波長を有する光を容易に生成することができる。また、生成された光を第２の光ファイバおよび第１の光ファイバを通して効率よく出射することができる。
（４）第１の光ファイバは、複数設けられ、複数の第１の光ファイバの端部がそれぞれ複数のピンホールであってもよい。この場合、複数のピンホールを複数の第１の光ファイバと別個に配置する必要がない。これにより、共焦点変位計の構成をコンパクトにすることができる。また、複数のピンホールを通過した光を複数の第１の光ファイバをそれぞれ通して効率よく変位計測部に導くことができる。さらに、複数のピンホールを通過した光を変位計測部に導くための光路の構成の自由度が向上する。
（５）変位計測部は、複数のピンホールを通過した複数の光を合成することにより一の合成光を生成する合成部と、合成部により合成された合成光を分光する分光部と、分光部により分光された光を受光し、合成部により合成された光について波長ごとの受光量を示す電気的な受光信号を平均信号として出力する受光部と、受光部から出力される平均信号に基づいて計測対象物の変位を算出する算出部とを含んでもよい。
この場合、複数のピンホールを通過した複数の光が受光部により受光される前に合成部により合成されることにより、一の合成光が生成される。そのため、受光部から出力される波長ごとの受光量を示す電気的な受光信号は、複数の光についての波長ごとの強度が積算された平均信号となる。この構成によれば、平均信号を生成するための演算を行う必要がない。これにより、計測対象物の変位を高速で効率よく算出することができる。
（６）合成部は、第１のファイバカプラと、第２のファイバカプラと、複数の第１の光ファイバと、第２の光ファイバと、第３の光ファイバと、第４の光ファイバとを含み、第２の光ファイバは、投光部により出射された光を第１のファイバカプラに導くように第１のファイバカプラに接続され、第４の光ファイバは、第１のファイバカプラと第２のファイバカプラとの間で光が伝送されるように第１および第２のファイバカプラに接続され、複数の第１の光ファイバの各々は、第２の光ファイバおよび第４の光ファイバにより第２のファイバカプラに導かれた光を光学部材に導くとともに、計測対象物の表面で合焦しつつ反射された光を第２のファイバカプラに導くように第２のファイバカプラに接続され、第３の光ファイバは、複数の第１の光ファイバおよび第４の光ファイバにより第１のファイバカプラに導かれた光を分光部に導くように第１のファイバカプラに接続されてもよい。
この場合、投光部により出射された光が、第２の光ファイバ、第１のファイバカプラ、第４の光ファイバ、第２のファイバカプラおよび複数の第１の光ファイバを通して光学部材に導かれる。これにより、簡単な構成で投光部により出射された光に色収差を発生させつつ、光を収束させて計測対象物に照射することができる。また、計測対象物の表面で合焦しつつ反射された光が複数のピンホールを通過する。複数のピンホールを通過した複数の光は、複数の第１の光ファイバ、第２のファイバカプラ、第４の光ファイバ、第１のファイバカプラおよび第３の光ファイバを通して分光部に導かれる。そのため、複数のピンホールを通過した複数の光が、分光部に導かれる過程で一の光に合成される。これにより、平均信号を容易に生成することができる。
（７）合成部は、ファイバカプラと、複数の第１の光ファイバと、第２の光ファイバと、第３の光ファイバとを含み、第２の光ファイバは、投光部により出射された光をファイバカプラに導くようにファイバカプラに接続され、複数の第１の光ファイバの各々は、第２の光ファイバによりファイバカプラに導かれた光を光学部材に導くとともに、計測対象物の表面で合焦しつつ反射された光をファイバカプラに導くようにファイバカプラに接続され、第３の光ファイバは、複数の第１の光ファイバによりファイバカプラに導かれ光を分光部に導くようにファイバカプラに接続されてもよい。
この場合、投光部により出射された光が、第２の光ファイバ、ファイバカプラおよび複数の第１の光ファイバを通して光学部材に導かれる。これにより、簡単な構成で投光部により出射された光に色収差を発生させつつ、光を収束させて計測対象物に照射することができる。また、計測対象物の表面で合焦しつつ反射された光が複数のピンホールを通過する。複数のピンホールを通過した複数の光は、複数の第１の光ファイバ、ファイバカプラおよび第３の光ファイバを通して分光部に導かれる。そのため、複数のピンホールを通過した複数の光が、分光部に導かれる過程で一の光に合成される。これにより、平均信号を容易に生成することができる。
（８）変位計測部は、複数のピンホールを通過した複数の光をそれぞれ分光する分光部と、分光部により分光された複数の光をそれぞれ受光し、複数のピンホールを通過した複数の光の各々について波長ごとの受光量を示す電気的な複数の受光信号を出力する受光部と、受光部から出力される複数の受光信号を波長ごとに平均または積算することにより波長ごとの信号強度として平均信号を算出し、算出された平均信号に基づいて計測対象物の変位を算出する算出部とを含んでもよい。
この場合、複数のピンホールを通過した複数の光にそれぞれ対応する複数の受光信号が受光部により出力される。受光部から出力される複数の受光信号が算出部により波長ごとに平均または積算されることにより平均信号が算出される。この構成によれば、平均信号の算出において、複数の光の強度を考慮した所望の平均または積算を行うことができる。これにより、計測対象物の変位をより正確に算出することができる。
（９）変位計測部は、複数のピンホールを通過した複数の光を部分的に合成することにより複数の合成光を生成する合成部と、合成部により合成された複数の合成光をそれぞれ分光する分光部と、分光部により分光された複数の光をそれぞれ受光し、複数のピンホールを通過した複数の光の各々について波長ごとの受光量を示す電気的な複数の受光信号を出力する受光部と、受光部から出力される複数の受光信号を波長ごとに平均または積算することにより波長ごとの信号強度として平均信号を算出し、算出された平均信号に基づいて計測対象物の変位を算出する算出部とを含んでもよい。
この場合、複数のピンホールを通過した複数の光が受光部により受光される前に合成部により部分的に合成されることにより、複数の合成光が生成される。複数の合成光にそれぞれ対応する複数の受光信号が受光部により出力される。受光部から出力される複数の受光信号が算出部により波長ごとに平均または積算されることにより平均信号が算出される。この構成によれば、平均信号の算出において、複数の合成光の強度を考慮した所望の平均または積算を行うことができる。これにより、計測対象物の変位をより正確に算出することができる。
（１０）変位計測部は、複数の光が計測対象物に順次照射されるように、光学部材により収束された光の計測対象物への照射と非照射とを切り替える切替部と、切替部により計測対象物に照射された後、複数のピンホールを順次通過した複数の光をそれぞれ分光する分光部と、分光部により分光された複数の光を単一の露光期間内に受光し、受光した光について波長ごとの受光量を示す電気的な受光信号を平均信号として出力する受光部と、受光部から出力される平均信号に基づいて計測対象物の変位を算出する算出部とを含んでもよい。
この場合、複数のピンホールを順次通過した複数の光が単一の露光期間内に受光部により受光される。そのため、受光部から出力される波長ごとの受光量を示す電気的な受光信号は、複数の光についての波長ごとの強度が積算された平均信号となる。この構成によれば、平均信号を生成するための演算を行う必要がない。これにより、計測対象物の変位を効率よく算出することができる。
（１１）変位計測部は、複数の光が計測対象物に順次照射されるように、光学部材により収束された光の計測対象物への照射と非照射とを切り替える切替部と、切替部により計測対象物に照射された後、複数のピンホールを順次通過した複数の光をそれぞれ分光する分光部と、分光部により分光された複数の光をそれぞれ受光し、複数のピンホールを通過した複数の光の各々について波長ごとの受光量を示す電気的な複数の受光信号を出力する受光部と、受光部から出力される複数の受光信号を波長ごとに平均または積算することにより波長ごとの信号強度として平均信号を算出し、算出された平均信号に基づいて計測対象物の変位を算出する算出部とを含んでもよい。
この場合、複数のピンホールを順次通過した複数の光にそれぞれ対応する複数の受光信号が受光部により出力される。受光部から出力される複数の受光信号が算出部により波長ごとに平均または積算されることにより平均信号が算出される。この構成によれば、平均信号の算出において、複数の光の強度を考慮した所望の平均または積算を行うことができる。これにより、計測対象物の変位をより正確に算出することができる。
（１２）第１の光ファイバは、投光部により出射された光を光学部材に導くように設けられてもよい。この場合、投光部により出射された光を第１の光ファイバにより効率よく光学部材に導くことができる。また、投光部により出射された光を光学部材に導くための光路の構成の自由度が向上する。
（１３）共焦点変位計は、処理装置と、ヘッド部とをさらに備え、処理装置は、投光部、分光部、受光部および算出部を含むとともに、投光部、分光部、受光部および算出部を収容する第１の筐体をさらに含み、ヘッド部は、光学部材を含むとともに、光学部材を収容する第２の筐体をさらに含んでもよい。
この場合、投光部、分光部、受光部および算出部を含む処理装置と光学部材を含むヘッド部とが別体的に設けられる。そのため、計測対象物の形状もしくは配置等に応じて適切な色収差を発生させる光学部材または適切な焦点距離を有する光学部材を含むヘッド部を用いることが容易になる。これにより、計測対象物の変位をより容易に計測することができる。
（１４）第１の光ファイバの端部のピンホールは、ヘッド部内に設けられ、第１の光ファイバは、ヘッド部から処理装置に光を導くように配置されてもよい。この場合、処理装置をヘッド部から離間させつつ、ヘッド部のみを計測対象物が載置された種々の環境に配置することができる。
（１５）複数のピンホールは、光路に交差する面内で並ぶように配置されてもよい。
この場合、複数のピンホールは、計測対象物の表面の同一でない部分で反射された光を通過させる。そのため、平均信号において、計測対象物の表面での乱反射によるランダムな計測誤差を発生させる光の成分がより確実に打ち消される。これにより、共焦点変位計により計測される計測対象物の変位の誤差をより低減することができる。
（１６）複数のピンホールは、光学部材により収束された光のうち、計測対象物の表面の複数の部分で合焦しつつ反射された複数の光をそれぞれ通過させるように配置されてもよい。この場合、平均信号において、計測対象物の表面での乱反射によるランダムな計測誤差を発生させる光の成分がより確実に打ち消される。これにより、共焦点変位計により計測される計測対象物の変位の誤差をより低減することができる。
（１７）投光部は、単一波長の光を出射する光源と、光源により出射された光を吸収して光源により出射された光の波長とは異なる波長の光を放出する蛍光体とを含んでもよい。この場合、複数の波長を有する光を容易に生成することができる。
本発明によれば、計測対象物の計測誤差を低減することができる。
本発明の第１の実施の形態に係る共焦点変位計の構成を示す模式図である。 共焦点変位計の動作原理を説明するための図である。 ファイバユニットの光ファイバの配置を示す断面図である。 受光部により受光される光の波長と受光信号の強度との関係を示す図である。 投光部の構成を示す平面図および断面図である。 計測対象物とは異なる部分で反射される光の一例を示す模式図である。 不要な成分を含む受光波形を示す図である。 受光波形の基底波形を示す図である。 基底波形が除去された受光波形を示す図である。 受光部に導かれる光の経路を示す図である。 図１０の受光部に導かれる光の受光波形を示す図である。 初期状態における制御装置の表示装置の表示例を示す図である。 図１２の第１の表示領域に表示される計測結果の例を示す図である。 図１２の第１の表示領域に表示される受光波形の例を示す図である。 図１２の第１の表示領域に表示される設定情報の入力画面の一例を示す図である。 受光確認処理により図１２の第１の表示領域に表示される変化情報の例を示す図である。 受光確認処理により図１２の第１の表示領域に表示される変化情報の例を示す図である。 受光確認処理により図１２の第１の表示領域に表示される変化情報の例を示す図である。 受光確認処理により図１２の第１の表示領域に表示される変化情報の例を示す図である。 受光確認処理により図１２の第１の表示領域に表示される変化情報の例を示す図である。 受光確認処理により図１２の第１の表示領域に表示される変化情報の例を示す図である。 変位計測処理を示すフローチャートである。 図２２の受光確認処理を示すフローチャートである。 図２２の受光確認処理を示すフローチャートである。 導光部の第１の変形例を示す図である。 導光部の第２の変形例を示す図である。 導光部の第３の変形例を示す図である。 レンズユニットの第１〜第４の変形例を示す図である。 投光部の変形例を示す図である。 分光部の変形例を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る共焦点変位計の構成を示す模式図である。 図３１の分光部の構成を示す図である。 図３２の受光部および受光波形を示す図である。 第２の実施の形態における第１の変形例に係る共焦点変位計の構成を示す模式図である。 第２の実施の形態における第２の変形例に係る共焦点変位計の構成を示す模式図である。 本発明の第３の実施の形態に係る共焦点変位計の構成を示す模式図である。 演算処理部により取得される受光波形を示す図である。 他の実施の形態に係る共焦点変位計の構成を示す模式図である。 図１２の第１の表示領域に表示される設定情報の入力画面の他の例を示す図である。 使用者によりしきい割合が設定された状態で受光確認処理により図１２の第１の表示領域に表示される変化情報の例を示す図である。
［１］第１の実施の形態
（１）共焦点変位計の基本構成
以下、本発明の第１の実施の形態に係る共焦点変位計について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る共焦点変位計の構成を示す模式図である。図１に示すように、共焦点変位計５００は、処理装置１００、計測ヘッド２００、導光部３００および制御装置４００を備える。導光部３００は、複数の光ファイバを含み、処理装置１００と計測ヘッド２００とを光学的に接続する。
処理装置１００は、筐体１１０、投光部１２０、分光部１３０、受光部１４０、演算処理部１５０および表示部１６０を含む。筐体１１０は、投光部１２０、分光部１３０、受光部１４０および演算処理部１５０を収容する。投光部１２０は、広い波長帯域（例えば５００ｎｍ〜７００ｎｍ）の光すなわち複数の波長を有する光を出射可能に構成される。投光部１２０の詳細な構成については後述する。投光部１２０により出射された光は、後述する導光部３００の光ファイバ３１１に入力される。
分光部１３０は、回折格子１３１および複数（本例では２個）のレンズ１３２，１３３を含む。後述するように、投光部１２０により出射されて計測対象物Ｓの表面で反射された光の一部が、導光部３００の光ファイバ３１２から出力される。光ファイバ３１２から出力された光は、レンズ１３２を通過することにより略平行化され、回折格子１３１に入射される。本実施の形態においては、回折格子１３１は反射型の回折格子である。回折格子１３１に入射された光は、波長ごとに異なる角度で反射するように分光され、レンズ１３３を通過することにより波長ごとに異なる一次元上の位置に合焦される。
受光部１４０は、複数の画素が一次元状に配列された撮像素子（一次元ラインセンサ）を含む。撮像素子は、多分割ＰＤ（フォトダイオード）、ＣＣＤ（電荷結合素子）カメラまたはＣＭＯＳ（相補性金属酸化膜半導体）イメージセンサであってもよいし、他の素子であってもよい。受光部１４０は、分光部１３０のレンズ１３３により形成された波長ごとに異なる複数の合焦位置で撮像素子の複数の画素がそれぞれ光を受光するように配置される。受光部１４０の各画素からは、受光量に対応するアナログの電気信号（以下、受光信号と呼ぶ。）が出力される。
演算処理部１５０は、記憶部１５１および制御部１５２を含む。記憶部１５１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）またはハードディスクを含む。記憶部１５１には、変位計測プログラムが記憶されるとともに、変位計測に用いられる種々のデータが記憶される。制御部１５２は、例えばＣＰＵ（中央演算処理装置）を含む。制御部１５２は、受光部１４０により出力される受光信号を取得し、記憶部１５１に記憶された変位計測プログラムおよびデータに基づいて計測対象物Ｓの変位計測処理を実行する。
計測ヘッド２００は、略軸対称形状（例えば円筒形状）を有する筐体２１０およびレンズユニット２２０を含む。筐体２１０はレンズユニット２２０を収容する。レンズユニット２２０は、屈折レンズ２２１、回折レンズ２２２および対物レンズ２２３を含む。導光部３００から出力された処理装置１００からの光は、屈折レンズ２２１および回折レンズ２２２を順に通過する。これにより、光軸方向に沿って光に色収差が発生する。対物レンズ２２３は、色収差が発生した光が計測対象物Ｓの表面近傍の位置で合焦可能に配置される。
導光部３００は、複数（本例では８個）の光ファイバ３１１〜３１８および複数（本例では２個）のファイバカプラ３２０，３３０を含む。図１の例では、ファイバカプラ３２０は処理装置１００の筐体１１０に設けられ、ファイバカプラ３３０は計測ヘッド２００の筐体２１０に設けられる。本発明はこれに限定されず、ファイバカプラ３２０は処理装置１００の筐体１１０以外の部分に設けられてもよいし、ファイバカプラ３３０は計測ヘッド２００の筐体２１０以外の部分に設けられてもよい。
ファイバカプラ３２０は、いわゆる２×２型の構成を有し、４個のポート３２１〜３２４および本体部３２５を含む。ポート３２１，３２２とポート３２３，３２４とは、本体部３２５を挟んで対向するように本体部３２５に接続される。ポート３２１，３２２の少なくとも１つのポートに入力された光は、ポート３２３，３２４の各々から出力される。ポート３２３，３２４の少なくとも１つのポートに入力された光は、ポート３２１，３２２の各々から出力される。
ファイバカプラ３３０は、いわゆる２×４型の構成を有し、６個のポート３３１〜３３６および本体部３３７を含む。ポート３３１，３３２とポート３３３〜３３６とは、本体部３３７を挟んで対向するように本体部３３７に接続される。ポート３３１，３３２の少なくとも１つのポートに入力された光は、ポート３３３〜３３６の各々から出力される。ポート３３３〜３３６の少なくとも１つのポートに入力された光は、ポート３３１，３３２の各々から出力される。
ファイバカプラ３２０のポート３２１，３２２には、光ファイバ３１１，３１２がそれぞれ接続される。ファイバカプラ３３０のポート３３３〜３３６には、光ファイバ３１３〜３１６がそれぞれ接続される。ファイバカプラ３２０のポート３２３とファイバカプラ３３０のポート３３１とが光ファイバ３１７により接続される。ファイバカプラ３２０のポート３２４とファイバカプラ３３０のポート３３２とが光ファイバ３１８により接続される。
この構成によれば、処理装置１００の投光部１２０により出射された光は、光ファイバ３１１を通してファイバカプラ３２０のポート３２１に入力される。ポート３２１に入力された光は、ポート３２３，３２４から出力され、光ファイバ３１７，３１８を通してファイバカプラ３３０のポート３３１，３３２に入力される。ポート３３１，３３２に入力された光は、ポート３３３〜３３６から出力され、光ファイバ３１３〜３１６およびレンズユニット２２０を通して計測対象物Ｓに照射される。
計測対象物Ｓの表面で反射された光の一部は、レンズユニット２２０および光ファイバ３１３〜３１６を通してファイバカプラ３３０のポート３３３〜３３６に入力される。ポート３３３〜３３６に入力された光は、ポート３３１，３３２から出力され、光ファイバ３１７，３１８を通してファイバカプラ３２０のポート３２３，３２４に入力される。ポート３２３，３２４に入力された光は、ポート３２１，３２２から出力される。ポート３２２から出力された光は、光ファイバ３１２を通して分光部１３０に導かれる。これにより、変位計測処理が行われる。
表示部１６０は、７セグメント表示器またはドットマトリクス表示器等の表示器を含む。表示部１６０は、処理装置１００の筐体１１０に設けられ、演算処理部１５０に接続される。表示部１６０には、演算処理部１５０の変位計測処理により算出された計測距離等の数値が表示される。
制御装置４００は、例えばパーソナルコンピュータにより構成され、処理装置１００の演算処理部１５０に接続される。制御装置４００は、表示装置４０１、操作部４０２、ＣＰＵ（中央演算処理装置）４０３およびメモリ４０４を含む。表示装置４０１は、例えば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。表示装置４０１は、演算処理部１５０の変位計測処理により算出された計測距離等の数値に加えて、後述する図４の実線で示すような受光信号の波形（受光波形Ｗ０）を表示することが可能である。操作部４０２は、マウス等のポインティングデバイスおよびキーボードを含む。
ＣＰＵ４０３は、後述する計測モードおよび確認モードで動作可能に構成される。また、ＣＰＵ４０３には、計測対象物Ｓの計測距離に対する良否判定用の基準範囲が設定されてもよい。この場合、計測距離が基準範囲内であるときには、計測対象物Ｓが良品であることを示す判定結果（例えば「ＯＫ」）が表示装置４０１に表示される。一方、計測距離が基準範囲外であるときには、計測対象物Ｓが不良品を示す判定結果（例えば「ＮＧ」）が表示装置４０１に表示される。メモリ４０４には、変位計測プログラムが記憶されるとともに、変位計測に用いられる種々のデータが記憶される。
（２）共焦点変位計の動作原理
図２は、共焦点変位計５００の動作原理を説明するための図である。以下、本実施の形態に係る共焦点変位計５００の動作原理の理解を容易にするため、１個の光ファイバ（本例では光ファイバ３１３）から計測ヘッド２００に出力される光を用いて一般の共焦点変位計の動作原理を先に説明する。
光ファイバ３１３から出力された光は、屈折レンズ２２１および回折レンズ２２２を通過する。これにより、光に色収差が発生する。色収差が発生した光は、対物レンズ２２３を通過することにより波長ごとに異なる位置で合焦する。例えば、波長が短い光は対物レンズ２２３に近い位置で合焦し、波長が長い光は対物レンズ２２３から遠い位置で合焦する。対物レンズ２２３に最も近い合焦位置Ｐ１と対物レンズ２２３から最も遠い合焦位置Ｐ２との間の範囲が計測範囲ＭＲとなる。本例では、屈折レンズ２２１は凸型を有し、回折レンズ２２２は凹型を有する。この場合、光に発生する色収差が大きくなる。これにより、計測範囲ＭＲを大きくすることができる。
計測範囲ＭＲに計測対象物Ｓの表面が存在する場合には、対物レンズ２２３を通過した光は、計測対象物Ｓの表面に照射された後、当該表面により広範囲に反射される。ここで、後述するように、光ファイバ３１３は、コア３１０ａおよびクラッド３１０ｂ（後述する図３参照）により構成される。本実施の形態においては、光ファイバ３１３の先端部分は、微小なピンホールを有する空間フィルタとして機能する。したがって、計測対象物Ｓの表面で反射された光のほとんどは、光ファイバ３１３に入力されない。
一方、計測対象物Ｓの表面の位置で合焦した特定の波長を有する光は、当該表面で反射されることによりレンズユニット２２０を通過し、光ファイバ３１３のコア３１０ａの先端部分に入力される。光ファイバ３１３に入力された光の波長は、計測距離を示す。ここで、計測距離とは、所定の基準位置ＲＰから計測対象物Ｓの表面の位置までの距離である。なお、本例では、基準位置ＲＰは計測対象物Ｓに最も近い筐体２１０の端部の位置である。
光ファイバ３１３に入力された光は、図１の処理装置１００に導かれ、回折格子１３１により分光されるとともにレンズ１３３により波長ごとに異なる位置に合焦される。受光部１４０の複数の画素は、波長ごとに異なる複数の光の合焦位置にそれぞれ配置される。そのため、受光部１４０の各画素は、当該画素に対応付けられた波長の光を受光し、受光信号を出力する。
この構成によれば、受光信号を出力する受光部１４０の画素の位置を特定することにより、受光された光の波長を特定することができる。また、受光された光の波長を特定することにより、計測距離を特定することができる。以上が一般の共焦点変位計の動作原理の説明である。しかしながら、計測対象物Ｓの表面における光の乱反射により、計測対象物Ｓの表面の位置とは異なる位置で合焦する光が光ファイバ３１３に入力されることがある。この場合、処理装置１００により特定される計測距離には、計測対象物Ｓの表面の粗さよりも大きい度合いの計測誤差が発生する。
そこで、本実施の形態に係る共焦点変位計５００においては、処理装置１００から入力された光が４個の光ファイバ３１３〜３１６の各々から出力される。４個の光ファイバ３１３〜３１６は、ファイバユニットとして一体的に構成される。図３は、ファイバユニットの光ファイバ３１３〜３１６の配置を示す断面図である。図３に示すように、ファイバユニット３０１においては、４個の光ファイバ３１３〜３１６が保持部材３０２により一体的に保持される。
各光ファイバ３１３〜３１６は、コア３１０ａおよびクラッド３１０ｂを含む。コア３１０ａはクラッド３１０ｂにより被覆される。光ファイバ３１３〜３１６のコア３１０ａの一端部に入力された光は、コア３１０ａの他端部から出力される。なお、光ファイバ３１１，３１２，３１７，３１８も光ファイバ３１３〜３１６と同様の構成を有する。
ファイバユニット３０１の中心と図２のレンズユニット２２０の中心とが略一致している場合、ファイバユニット３０１の光ファイバは、レンズユニット２２０の光軸に対して対称に配置されることが好ましい。図３の例においては、ファイバユニット３０１の中心は、光学系２２０の光軸上に配置され、各光ファイバ３１３〜３１６のコア３１０ａ（光軸）は、レンズユニット２２０の光軸に対して対称に配置される。この場合、各光ファイバ３１３〜３１６のコア３１０ａ（光軸）は、ファイバユニット３０１の中心、すなわちレンズユニット２２０の光軸から略同一距離離間する。
このように、レンズユニット２２０の光軸から略等間隔離れた位置に各光ファイバ３１３〜３１６のコア３１０ａが配置されることにより、光軸方向に沿った収差を生じさせるためのレンズユニット２２０の光学設計を容易に行うことができる。ここで、光軸とは、屈折レンズ２２１、回折レンズ２２２および対物レンズ２２３の各々の光軸が略一致している場合における当該光軸を意味するだけでなく、屈折レンズ２２１、回折レンズ２２２および対物レンズ２２３のいずれか１つ以上の光軸を意味してもよい。
光ファイバ３１４〜３１６から出力される光の挙動は、上述した光ファイバ３１３から出力される光の挙動と同様である。したがって、計測ヘッド２００から計測対象物Ｓの表面の４つの部分に光が照射される。図３の例では、光ファイバ３１３〜３１６は正方形の４つの角部に位置するように配置される。各コア３１０ａの直径Ｌ１は、２００μｍ以下であることが好ましく、５０μｍ以下であることがより好ましい。この場合、４個の光ファイバ３１３〜３１６は近接して配置されるので、使用者には計測対象物Ｓの表面の１つの部分に光が照射されているように認識される。
計測対象物Ｓの表面の４つの部分で反射された光のうち、計測対象物Ｓの表面の位置で合焦した光が対応する光ファイバ３１３〜３１６に入力され、受光部１４０により受光される。ここで、隣り合うコア３１０ａの中心間の距離Ｌ２は、直径Ｌ１の３倍以上であることが好ましい。この場合、距離Ｌ２が直径Ｌ１の３倍以上である場合には、計測対象物Ｓの表面の一部分で合焦しつつ反射された光が当該一部分に対応する光ファイバ３１３〜３１６のピンホールを通過し、外乱光として当該一部分に対応しない他の光ファイバ３１３〜３１６のピンホールを通過することがほとんどない。
隣り合うコア３１０ａの中心間の距離Ｌ２は、直径Ｌ１の５倍以上１０倍以下であることがより好ましい。この場合、距離Ｌ２が直径Ｌ１の５倍以上１０倍以下以上である場合には、計測対象物Ｓの表面の一部分で合焦しつつ反射された光が外乱光として当該一部分に対応しない他のピンホールを通過することがさらに抑制される。また、複数の光は大きく離間していないので、レンズユニット２２０の中心付近を通過することができる。そのため、コマ収差等の測定精度を低下させる収差がほとんど発生しない。本例では、直径Ｌ１は例えば５０μｍであり、距離Ｌ２は例えば２５０μｍである。
図４は、受光部１４０により受光された光の波長と受光信号の強度との関係を示す図である。図４の横軸は受光された光の波長を示し、縦軸は受光信号の強度を示す。後述する図７〜図９においても同様である。図４および後述する図７〜図９の横軸は、受光部１４０の画素の位置に相当する。
図４においては、光ファイバ３１３〜３１６に入力された光の受光信号の波形（以下、受光波形と呼ぶ。）Ｗ１〜Ｗ４が、仮想的に分離された状態で点線、一点鎖線、二点鎖線および破線によりそれぞれ示される。受光波形Ｗ１〜Ｗ４のピークの波長（以下、ピーク波長と呼ぶ。）は、それぞれλ１〜λ４である。複数の受光波形Ｗ１〜Ｗ４のピーク波長λ１〜λ４は、計測対象物Ｓの表面の乱反射により互いに異なる。
しかしながら、実際には、光ファイバ３１３〜３１６に入力された光は、光ファイバ３１２から出力されるまでの過程で混合される。これにより、光ファイバ３１２から出力される光には、強度の平均化処理が行われる。平均化処理とは、複数のピンホールを通過した複数の光についての波長ごとの強度の平均に対応する平均信号を生成する処理を意味する。本例では、平均化処理は積算処理である。
本例では、各ピンホールを通過した光信号が、ファイバカプラ３３０、光ファイバ３１７，３１８、ファイバカプラ３２０および光ファイバ３１２を通過する間に混合される。その後、混合された光信号は、分光部１３０を経て受光部１４０により電気信号に変換される。すなわち、本例では、光信号の状態で平均化処理が行われる。図４においては、受光部１４０により受光される後の光に対応する受光波形Ｗ０が実線により示される。受光波形Ｗ０のピーク波長はλ０である。
このように、光学的に受光波形Ｗ０の平均化処理が行われることにより、乱反射によるランダムな計測誤差を発生させる光の成分が打ち消される。そのため、ピーク波長λ０は、ピーク波長λ１〜λ４よりも真の計測距離に対応するピーク波長に近い。ここで、真の計測距離とは、光の乱反射が生じないときに特定されるべき計測距離である。したがって、受光波形Ｗ０のピーク波長λ０を特定することにより、計測距離をより正確に特定することができる。
（３）投光部
図５（ａ），（ｂ）は、それぞれ投光部１２０の構成を示す平面図および断面図である。図５に示すように、投光部１２０は、光源１２１、蛍光体１２２、フェルール１２３、レンズ１２４、保持具１２５、フィルタ素子１２６および素子ホルダ１２７を含む。素子ホルダ１２７は、光源固定部１２７Ａ、フェルール固定部１２７Ｂおよびレンズ固定部１２７Ｃを含む。光源１２１、フェルール１２３およびレンズ１２４は、素子ホルダ１２７の光源固定部１２７Ａ、フェルール固定部１２７Ｂおよびレンズ固定部１２７Ｃにそれぞれ固定される。
光源１２１は、単一波長の光を出射するレーザ光源である。本実施の形態においては、光源１２１は波長４５０ｎｍ以下の青色領域または紫外領域の光を出射する。蛍光体１２２は、青色領域または紫外領域の励起光を吸収し、励起光の波長領域とは異なる波長領域の蛍光を放出する。蛍光体１２２は、黄色領域の蛍光を放出してもよいし、緑色領域の蛍光を放出してもよいし、赤色領域の蛍光を放出してもよい。また、蛍光体１２２は、複数の蛍光部材により構成されてもよい。
フェルール１２３は、図１の導光部３００の光ファイバ３１１の端部を保持する。レンズ１２４は、光源１２１とフェルール１２３との間に配置される。フェルール１２３（光ファイバ３１１）の端部には、円環状を有する保持具１２５の一端面が取り付けられる。保持具１２５の内周部に蛍光体１２２が収容される。保持具１２５内の蛍光体１２２を覆うように保持具１２５の他端面にフィルタ素子１２６が取り付けられる。フィルタ素子１２６は反射型フィルタであり、黄色領域、緑色領域または赤色領域の光を反射するとともに、青色領域または紫外領域の光を透過させる。
この構成によれば、光源１２１により出射された光は、レンズ１２４を通過することにより、励起光として蛍光体１２２上に集光される。蛍光体１２２は、励起光を吸収して蛍光を放出する。ここで、蛍光体１２２に吸収されずに透過した励起光と蛍光体１２２からの蛍光とが混合されることにより、広い波長帯域の光が生成される。本例においては、励起光と蛍光とが所望の割合で混合された光を生成するために、光路方向における蛍光体１２２の厚みが、例えば１０μｍ〜２００μｍに形成される。また、保持具１２５内における蛍光体１２２の濃度が、例えば３０％〜６０％に形成される。
投光部１２０において生成された光は、フェルール１２３を通過することにより光ファイバ３１１に入力される。蛍光体１２２により光ファイバ３１１とは反対の方向に放出された蛍光は、フィルタ素子１２６により光ファイバ３１１の方向に反射される。これにより、蛍光を効率よく光ファイバ３１１に入力することができる。
本例においては、蛍光体１２２は保持具１２５内に収容されるが、本発明はこれに限定されない。蛍光体１２２は、フェルール１２３の端面に塗布されてもよい。この場合、投光部１２０は保持具１２５を含まない。また、投光部１２０はフィルタ素子１２６を含むが、本発明はこれに限定されない。十分な蛍光が光ファイバ３１１に入力される場合には、投光部１２０はフィルタ素子１２６を含まなくてもよい。
（４）演算処理部
図１の演算処理部１５０の記憶部１５１には、受光部１４０の画素の位置と、出力される受光波形Ｗ０のピーク波長λ０と、計測距離との換算式が予め記憶されている。演算処理部１５０の制御部１５２は、受光信号を出力する画素の位置を特定するとともに、特定された画素の位置および記憶部１５１に記憶された換算式に基づいて受光波形Ｗ０のピーク波長λ０および計測距離を順次算出する。これにより、計測対象物Ｓの厚み、距離または変位を計測することができる。また、制御部１５２は、計測距離をより正確に算出するために、以下に説明する基底波形の除去および受光部１４０の温度特性の補正を行う。
（ａ）基底波形の除去
計測対象物Ｓとは異なる部分で反射された光が受光部１４０により受光されることがある。図６は、計測対象物Ｓとは異なる部分で反射される光の一例を示す模式図である。図６の例においては、レンズユニット２２０の屈折レンズ２２１により直接反射された光（矢印で示す光）が光ファイバ３１３〜３１６に入力される。このような光は、計測距離を示す成分を含まずに、不要な成分を含む。
図７は、不要な成分を含む受光波形Ｗ０を示す図である。図７に示すように、受光波形Ｗ０には、３個のピークＰ０，Ｐｘ，Ｐｙが含まれる。ピークＰ０は、計測対象物Ｓの表面で反射された光により発生する。ピークＰ０は急峻な形状を有し、ピーク波長はλ０である。ピークＰｘは、計測対象物Ｓとは異なる部分で反射された光により発生する。ピークＰｘは滑らかな形状を有し、ピーク波長はλｘである。
ピークＰｙは、計測対象物Ｓとは異なる部分で反射された発振波長λｙの光源１２１（図５）の光により発生する。ピークＰｙは急峻な形状を有し、ピーク波長はλｙである。なお、本例においては、レーザ光源である光源１２１により出射される励起光の強度は大きいため、励起光に相当する波長成分の光は、測定光として用いられない。
ピーク波長λｘはピーク波長λ０に比較的近く、ピークＰｘの幅は広い。そのため、ピークＰ０はピークＰｘに埋もれることとなる。この場合、ピーク波長λ０を正確に特定することは困難である。そこで、受光波形Ｗ０からピークＰｘに起因する部分（以下、基底波形ＢＬと呼ぶ。）を除去するための補正が行われる。
図８は、受光波形Ｗ０の基底波形ＢＬを示す図である。本実施の形態では、制御部１５２は、ピークＰｘとピークＰ０とを識別する低域通過フィルタ処理を受光波形Ｗ０に適用することにより、図８の基底波形ＢＬを取得する。基底波形ＢＬを取得する方式は上記の方式に限定されず、図１の記憶部１５１に基底波形ＢＬを示すデータが予め記憶されていてもよい。この場合、制御部１５２は、取得した図８の基底波形ＢＬに基づいて、図７の受光波形Ｗ０から基底波形ＢＬを除去するように受光波形Ｗ０の補正を行う。
図９は、基底波形ＢＬが除去された受光波形Ｗ０を示す図である。図９の例では、ピーク波長λ０が図７のピーク波長λ０よりも短波長側にわずかにシフトしている。このように、受光波形Ｗ０から基底波形ＢＬを除去することにより、ピーク波長λ０をより正確に特定することができる。その結果、計測距離をより正確に算出することが可能になる。なお、受光波形Ｗ０のピークＰｙに起因する部分は、ピーク波長λ０の正確な特定に影響を与えないので、受光波形Ｗ０から除去されない。本発明はこれに限定されず、受光波形Ｗ０からピークＰｙに起因する部分を除去するための処理が行われてもよい。
（ｂ）受光部の温度特性の補正
上記のように、特定の波長を有する光は、当該波長に対応付けられた受光部１４０の画素により受光される。しかしながら、周囲の温度変化に伴う受光部１４０の受光面の位置の変化または受光面の傾きの変化により、特定の波長を有する光が対応付けられた画素とは異なる画素により受光されることがある。この場合、計測距離を正確に算出することができない。そこで、以下に説明する受光部１４０の温度特性の補正が行われる。
図１０は、受光部１４０に導かれる光の経路を示す図である。図１０に示すように、受光部１４０には、回折格子１３１により分光された１次光に加えて、回折格子１３１により正反射された０次光が導かれる。図１０においては、１次光が実線で示され、０次光が一点鎖線で示される。０次光は、計測距離の算出には用いられない。
図１１は、図１０の受光部１４０に導かれる光の受光波形Ｗ０を示す図である。図１１の横軸は受光部１４０の画素の位置を示し、縦軸は受光信号の強度を示す。図１１に示すように、受光波形Ｗ０は、１次光に対応する部分と０次光に対応する部分とを含む。図７の受光波形Ｗ０と同様に、１次光に対応する受光波形Ｗ０の部分には、３個のピークＰ０，Ｐｘ，Ｐｙが含まれる。０次光に対応する受光波形Ｗ０の部分には、１個のピークＰｚが含まれる。
図１の記憶部１５１には、ピークＰｘ，Ｐｙ，Ｐｚの少なくとも１つのピークの中心が現れるべき画素の位置が基準位置として予め記憶されている。制御部１５２は、記憶部１５１に記憶された基準位置に対応するピークＰｘ〜Ｐｚの位置を特定する。制御部１５２は、特定したピークＰｘ〜Ｐｚの位置と基準位置とを比較することにより画素の位置のずれを算出し、算出した画素の位置のずれに基づいて受光波形Ｗ０の位置を補正する。図１１には、位置が補正された後の受光波形Ｗ０が点線で示されている。
また、記憶部１５１には、ピークＰｘ，Ｐｙ，Ｐｚの少なくとも２つのピークの中心が現れるべき画素の間隔が基準間隔として予め記憶されている。制御部１５２は、記憶部１５１に記憶された基準間隔に対応するピークＰｘ〜Ｐｚの間隔を特定する。制御部１５２は、特定したピークＰｘ〜Ｐｚの間隔と基準間隔とを比較することにより画素の間隔のずれを算出し、算出した画素の間隔のずれに基づいて受光波形Ｗ０の形状を補正する。
受光部１４０の温度特性の補正として、画素の位置のずれに基づく受光波形Ｗ０の位置の補正および画素の間隔のずれに基づく受光波形Ｗ０の形状の補正の一方のみが行われてもよいし、両方が行われてもよい。受光部１４０の温度特性の補正は、上記の基底波形ＢＬの除去よりも先に行われる。補正が行われた後の受光波形Ｗ０のピークＰ０を特定することにより、計測距離をより正確に算出することができる。
（５）共焦点変位計の基本的な使用例
共焦点変位計５００について基本的な使用例を説明する。以下の使用例においては、初期状態で共焦点変位計５００の電源がオンされているものとする。また、図１の制御装置４００のＣＰＵ４０３は、計測モードにあるものとする。
使用者は、まず計測対象物Ｓを変位計測用の載置台上に固定する。その後、使用者は、計測ヘッド２００から出射される光が計測対象物Ｓに当たるように、計測ヘッド２００を計測対象物Ｓに対して大まかに位置決めする。計測ヘッド２００は、クランプ部材等により使用者の所望の位置に所望の姿勢で固定される。
図１２は、初期状態における制御装置４００の表示装置４０１の表示例を示す図である。図１２に示すように、表示装置４０１には、例えば第１の表示領域４１０および第２の表示領域４５０が設定される。初期状態では、第１の表示領域４１０には何も表示されない。一方、第２の表示領域４５０には、受光確認ボタン４５１、確認設定ボタン４５２、確認終了ボタン４５３および計測開始ボタン４５４が表示される。
計測対象物Ｓに対する計測ヘッド２００の相対的な位置および姿勢が適切でないと、計測対象物Ｓの変位を正確に計測することは難しい。そこで、使用者は、計測ヘッド２００の位置および姿勢をより適切に調整するために、図１の操作部４０２を用いて受光確認ボタン４５１を操作する。この場合、ＣＰＵ４０３が計測モードから確認モードに切り替えられる。確認モードにおいては、ＣＰＵ４０３により一定の周期で変化情報が生成され、生成された変化情報が第１の表示領域４１０に表示される。変化情報の具体的な内容および表示例は後述する。
この状態で、使用者は、変化情報を確認しつつ計測ヘッド２００の位置および姿勢を微調整することにより、計測ヘッド２００をより適切に位置決めすることができる。計測ヘッド２００の位置決めが完了すると、使用者は、図１の操作部４０２を用いて確認終了ボタン４５３を操作する。それにより、ＣＰＵ４０３の動作モードが確認モードから計測モードに切り替えられる。その後、使用者は、計測開始ボタン４５４を操作することにより、計測対象物Ｓの変位を計測することができる。
ＣＰＵ４０３が計測モードにある状態で計測対象物Ｓの変位が計測される際には、図１２の第１の表示領域４１０に計測結果を示す数値または現時点で取得される受光波形が表示される。図１３は、図１２の第１の表示領域４１０に表示される計測結果の例を示す図である。図１４は、図１２の第１の表示領域４１０に表示される受光波形の例を示す図である。
図１３の例では、第１の表示領域４１０内に、変位の計測結果を示す数値が表示されるとともに切替ボタン４９１が表示される。また、図１４の例では、第１の表示領域４１０内に、現時点で取得される受光波形が表示されるとともに切替ボタン４９１が表示される。使用者は、図１の操作部４０２を用いて図１３の切替ボタン４９１を操作することにより、第１の表示領域４１０の表示状態を図１４の受光波形の表示状態に切り替えることができる。また、使用者は、図１の操作部４０２を用いて図１４の切替ボタン４９１を操作することにより、第１の表示領域４１０の表示状態を図１３の数値による計測結果の表示状態に切り替えることができる。
ＣＰＵ４０３は、確認モードにある状態で受光確認処理中に、受光信号のピーク値があるしきい値よりも高いか否かに基づいて、計測ヘッド２００の位置および姿勢の適否を判定し（以下、適否判定と呼ぶ。）、判定結果を変化情報とともに表示装置４０１に表示させることができる。また、ＣＰＵ４０３は、ある波長範囲内にあるピークのみを上記の適否判定に用いることができる。さらに、ＣＰＵ４０３は、種々の態様で変化情報を表示装置４０１に表示することができる。
受光確認処理で用いられる適否判定のしきい値、適否判定の波長範囲および表示態様を含む種々の情報は、設定情報として図１のメモリ４０４に記憶される。使用者は、図１の操作部４０２を用いて図１２の確認設定ボタン４５２を操作するとともにそれらの情報を入力することにより、所望の設定情報をメモリ４０４に記憶させることができる。
図１５は、図１２の第１の表示領域４１０に表示される設定情報の入力画面の一例を示す図である。図１５の例では、第１の表示領域４１０内に、２つの入力欄４６１，４６２および２つの表示態様ボタン４６３，４６４が表示される。一方の入力欄４６１は、適否判定のしきい値を使用者が指定するために用いられる。他方の入力欄４６２は、適否判定の波長範囲を使用者が指定するために用いられる。表示態様ボタン４６３，４６４は、変化情報として現時点よりも前の時点から現時点までの受光量のピーク値の変化を例えばドットプロットグラフで表示するのか波形グラフで表示するのかを使用者が選択するために用いられる。
なお、適否判定のしきい値は、複数の波長範囲についてそれぞれ異なる値に設定されてもよい。この場合、設定画面では、例えば複数の波長範囲にそれぞれ対応する複数のしきい値を入力するための複数の入力欄が表示されてもよい。また、適否判定のしきい値は、共焦点変位計５００の製造者により予めメモリ４０４に記憶されてもよい。
図１６〜図２１は、受光確認処理により図１２の第１の表示領域４１０に表示される変化情報の例を示す図である。図１６の例では、変化情報として、現時点で取得された受光信号のピーク値（以下、現在ピーク値と呼ぶ。）、受光確認処理が開始されてから現時点までに取得された受光信号のピーク値の最大値（以下、過去最大ピーク値と呼ぶ。）、および受光確認処理が開始されてから現時点までの受光信号のピーク値の変化を示すドットプロットグラフが表示される。また、計測ヘッド２００の位置および姿勢の適否判定結果が表示される。
図１６のドットプロットグラフにおいては、横軸は時間を示し、縦軸は受光信号の強度を示す。そのドットプロットグラフでは、受光確認処理が開始されてから一定の周期で制御部１５２により取得された受光信号のピーク値がドット表示されるとともに、予め設定された適否判定のしきい値が点線で示される。なお、ピーク値の表示周期および横軸のスケールは、使用者により設定可能であってもよい。
さらに、図１６の例では、ハッチングで示すように、過去最大ピーク値およびそのピーク値に対応するドットが強調表示される。これにより、使用者は、表示装置４０１を視認することにより受光信号のピーク値の経時的な変化を容易に認識することができるので、より高いピークが得られるように計測ヘッド２００の位置および姿勢を調整することができる。
また、図１６の例では、位置姿勢適否判定結果が表示されている。位置姿勢適否判定結果は、受光信号のピーク値がしきい値を超えるときに「ＯＫ」と表示され、受光信号のピーク値がしきい値を超えないときに「ＮＧ」と表示される。位置姿勢適否判定結果が「ＯＫ」と表示されることにより、使用者は調整の終了を促される。この位置姿勢適否判定結果の「ＯＫ」または「ＮＧ」を表示するためのしきい値は、図１５の画面により設定された適否判定のしきい値と同じであってもよいし、別のしきい値であってもよい。
例えば、位置姿勢適否判定結果は、現時点での位置姿勢の適否が，過去よりもよくなっていれば「ＯＫ」と判定してもよい。また、位置姿勢適否判定結果は、現時点での位置姿勢適否が、過去の位置姿勢よりもよく、かつ、共焦点変位計５００が計測対象物Ｓを計測しうる最低限の範囲よりも高いときに「ＯＫ」と表示してもよい。
位置姿勢適否判定結果は、これ以上調整しても、計測の精度に大きな影響を与えないような範囲に入ったときに、使用者に調整終了を報知し、変位計測のステップへ促すものである。
図１７の例は、以下の点を除き図１６の例と同じである。図１７の例では、受光確認処理が開始されてから現時点までの受光信号のピーク値の変化が図１６のドットプロットグラフに代えて波形グラフで表示される。
図１８の例では、変化情報として、現在ピーク値および過去最大ピーク値が表示される。また、変化情報として、現時点の受光波形および過去最大ピーク値が得られたときの受光波形を含む波形グラフが表示される。さらに、計測ヘッド２００の位置および姿勢の適否判定結果が表示される。
図１８の波形グラフにおいては、横軸は受光部１４０により受光された光の波長を示し、縦軸は受光信号の強度を示す。その波形グラフでは、過去最大ピーク値が得られたときの受光波形が一点鎖線で示され、現時点の受光波形が実線で示される。これにより、使用者は、表示装置４０１を視認しつつ、現時点の受光波形のピークが一点鎖線で示される過去の受光波形のピークを超えるように、計測ヘッド２００の位置および姿勢を調整することができる。
また、図１８の波形グラフの横軸で示される波長は、計測ヘッド２００の光軸方向における計測対象物Ｓと計測ヘッド２００との間の距離に対応する。したがって、使用者は、現時点の受光波形を視認することにより、計測ヘッド２００の光軸方向における計測対象物Ｓと計測ヘッド２００との位置関係を認識することができる。それにより、使用者は、受光信号のピーク波長が図２の計測範囲ＭＲに対応する波長の範囲に入るように、計測ヘッド２００の位置を容易に調整することができる。
図１９の例は、以下の点を除き図１８の例と同じである。図１９の例では、図１８の波形グラフに変えて、現時点の受光波形と受光確認処理が開始されてから一定の周期で制御部１５２により取得された複数の受光波形とを含む波形グラフが表示される。
図１９の波形グラフにおいては、横軸は受光部１４０により受光された光の波長を示し、縦軸は受光信号の強度を示す。その波形グラフでは、過去に取得された複数の受光波形が点線で示され、現時点の受光波形が実線で示される。これにより、使用者は、表示装置４０１を視認しつつ、現時点の受光信号のピークが点線で示される過去の複数の受光波形のピークを超えるように、計測ヘッド２００の位置および姿勢を調整することができる。
図２０の例は、以下の点を除き図１８の例と同じである。図２０の例では、図１８の波形グラフに代えて、現時点の受光波形と受光確認処理が開始されてから制御部１５２により取得された複数の受光波形のピークを結ぶ包絡線とを含む波形グラフが表示される。
図２０の波形グラフにおいては、横軸は受光部１４０により受光された光の波長を示し、縦軸は受光信号の強度を示す。その波形グラフでは、過去に取得された複数の受光波形のピークを結ぶ包絡線が点線で示され、現時点の受光波形が実線で示される。これにより、使用者は、表示装置４０１を視認しつつ、現時点の受光信号のピークの高さが点線で示される包絡線の最高点に近づくかその最高点を超えるように、計測ヘッド２００の位置および姿勢を調整することができる。
図２１の例は、以下の点を除き図１６の例と同じである。図２１の例では、図１６のドットプロットグラフとともに、図１８の波形グラフが表示される。この場合、使用者は、受光信号のピークの経時的な変化および受光波形の経時的な変化を容易に認識することができる。なお、図２１の例においては、第１の表示領域４１０の左側に表示されるドットプロットグラフに代えて図１７の波形グラフが表示されてもよく、第１の表示領域４１０の右側に表示される波形グラフとして図１９または図２０の波形グラフが表示されてもよい。
（６）変位計測処理
図２２は、変位計測処理を示すフローチャートである。図１のＣＰＵ４０３は、共焦点変位計５００の電源がオンされることにより、一定の周期で以下の変位計測処理を実行する。初期状態において、ＣＰＵ４０３は計測モードにある。また、表示装置４０１には、図１２の画面が表示されているものとする。
まず、ＣＰＵ４０３は、例えば図１２の受光確認ボタン４５１が操作されることにより確認モードへの切り替えが指令されたか否かを判定する（ステップＳ１）。確認モードへの切り替えが指令された場合、ＣＰＵ４０３は、後述するステップＳ２０の受光確認処理を行った後、変位計測処理を終了する。
一方、確認モードへの切り替えが指令されていない場合、ＣＰＵ４０３は、例えば図１２の確認設定ボタン４５２が操作されることにより確認モードの設定が指令されたか否かを判定する（ステップＳ２）。確認モードの設定が指令された場合、制御部１５２は、使用者による操作部４０２の操作に応答して設定情報を受け付け（ステップＳ１１）、受け付けられた設定情報をメモリ４０４に記憶し（ステップＳ１２）、変位計測処理を終了する。
ステップＳ２において確認モードの設定が指令されていない場合、ＣＰＵ４０３は、例えば図１２の計測開始ボタン４５４が操作されることにより、計測の開始が指令されたか否かを判定する（ステップＳ３）。計測の開始が指令されていない場合、ＣＰＵ４０３は、ステップＳ１の処理を実行する。
一方、計測の開始が指令された場合、ＣＰＵ４０３は、制御部１５２から与えられる受光信号を取得する（ステップＳ４）。ここで、制御部１５２から与えられる受光信号には、制御部１５２により基底波形の除去および受光部１４０の温度特性の補正が行われている。
メモリ４０４には、記憶部１５１と同様に、受光部１４０の画素の位置と、出力される受光波形のピーク波長と、計測距離との換算式が予め記憶されている。ＣＰＵ４０３は、補正後の受光信号とメモリ４０４に記憶された換算式とに基づいて計測対象物Ｓの変位を算出する（ステップＳ５）。さらに、ＣＰＵ４０３は、算出された変位を表示装置４０１に表示する（ステップＳ６）。その後、ＣＰＵ４０３は、例えば使用者が図１の操作部４０２を操作することにより計測の終了が指令されたか否かを判定する（ステップＳ７）。ＣＰＵ４０３は、計測の終了が指令された場合に変位計測処理を終了し、計測の終了が指令されない場合にステップＳ４の処理を実行する。
図２３および図２４は、図２２の受光確認処理を示すフローチャートである。上記のように、図２３および図２４の受光確認処理は図２２のステップＳ１において確認モードへの切り替えが指令された場合に実行される。
まず、ＣＰＵ４０３は、制御装置４００に内蔵される図示しないタイマをリセットするとともにカウントをスタートさせる（ステップＳ２１）。また、ＣＰＵ４０３は受光信号の取得回数を示す変数ｉの値を１とする（ステップＳ２２）。
続いて、ＣＰＵ４０３は、制御部１５２から与えられる受光信号を取得する（ステップＳ２３）。ここで、制御部１５２から与えられる受光信号には、制御部１５２により基底波形の除去および受光部１４０の温度特性の補正が行われている。その後、ＣＰＵ４０３は、取得された受光信号の受光波形を１番目の受光波形としてメモリ４０４に記憶し、取得された受光信号のピークを抽出するとともにそのピーク値を１番目のピーク値としてメモリ４０４に記憶する（ステップＳ２４）。また、ＣＰＵ４０３は、メモリ４０４に記憶された１番目のピーク値を現在ピーク値として表示装置４０１に表示する（ステップＳ２５）。
次に、ＣＰＵ４０３は、タイマのカウントに基づいてステップＳ２１の処理から予め定められた一定期間が経過したか否かを判定する（ステップＳ２６）。一定期間が経過していない場合、ＣＰＵ４０３は後述するステップＳ３３の処理を実行する。一方、一定期間が経過している場合、ＣＰＵ４０３は、タイマをリセットするとともにカウントをスタートさせる（ステップＳ２７）。また、ＣＰＵ４０３は変数ｉの値に１を加算する（ステップＳ２８）。
続いて、ＣＰＵ４０３は、受光部１４０から出力される受光信号を取得する（ステップＳ２９）。ここで、制御部１５２から与えられる受光信号には、基底波形の除去および受光部１４０の温度特性の補正が行われている。その後、ＣＰＵ４０３は、取得された受光信号の受光波形をｉ番目の受光波形としてメモリ４０４に記憶し、取得された受光信号のピークを抽出するとともにそのピーク値をｉ番目のピーク値としてメモリ４０４に記憶する（ステップＳ３０）。また、ＣＰＵ４０３は、メモリ４０４に記憶されたｉ番目のピーク値および受光波形と１番目〜（ｉ−１）番目までのピーク値および受光波形とに基づいて、変化情報を生成し、生成された変化情報を表示装置４０１に表示する（ステップＳ３１）。なお、変化情報は、１番目〜（ｉ−１）番目までのピーク値のうちの少なくとも１つとｉ番目のピーク値（現在ピーク値）とを含む。
その後、ＣＰＵ４０３は、予め設定情報としてメモリ４０４に記憶されているしきい値に基づいて計測ヘッド２００の位置および姿勢の適否を判定し、判定結果を表示装置４０１に表示する（ステップＳ３２）。なお、しきい値がメモリ４０４に記憶されていない場合、ステップＳ３２の処理は省略されてもよい。
次に、ＣＰＵ４０３は、例えば図１２の確認終了ボタン４５３が操作されることにより、受光確認処理の終了が指令されたか否かを判定する（ステップＳ３３）。受光確認処理の終了が指令されていない場合、ＣＰＵ４０３は、ステップＳ２６の処理を実行する。一方、受光確認処理の終了が指令された場合、ＣＰＵ４０３は、受光確認処理を終了する。ここで、ＣＰＵ４０３は、変化情報が受光信号のピーク値の経時的な変化を示すグラフ（図１６および図１７参照）を含む場合、受光確認処理の終了時点のグラフを記憶部１５１に記憶してもよい。
（７）効果
本実施の形態に係る共焦点変位計５００においては、複数の波長を有する光が投光部１２０により出射される。投光部１２０により出射された光には、レンズユニット２２０により色収差が発生する。また、色収差を有する光がレンズユニット２２０により収束されて計測対象物Ｓに照射される。レンズユニット２２０を通して計測対象物Ｓに照射された光のうち、計測対象物Ｓの表面で合焦しつつ反射された波長の光が複数の光ファイバ３１３〜３１６を通過する。
複数の光ファイバ３１３〜３１６を通過した複数の光は、ファイバカプラ３３０、光ファイバ３１７，３１８、ファイバカプラ３２０および光ファイバ３１２を通して分光部１３０に導かれる。そのため、複数の光ファイバ３１３〜３１６を通過した複数の光が、分光部１３０に導かれる過程で一の光に合成される。これにより、複数の光の平均化処理を容易に行うことができる。平均化処理後の光の強度に基づいて、制御部１５２により計測対象物Ｓの変位が算出される。
計測対象物Ｓの表面での乱反射により、計測対象物Ｓの表面の位置とは異なる位置で合焦した光がいずれかの光ファイバ３１３〜３１６を通過することがある。そのような場合でも、上記の構成によれば、平均化処理において複数の光ファイバ３１３〜３１６を通過した複数の光についての波長ごとの強度が平均される。それにより、乱反射によるランダムな計測誤差を発生させる光の成分が打ち消される。その結果、計測される計測対象物Ｓの変位の誤差を低減することができる。また、この構成においては、平均化処理を行うための演算を行う必要がない。これにより、計測対象物Ｓの変位を高速で効率よく算出することができる。
また、本実施の形態においては、光ファイバ３１３〜３１６の先端部分がピンホールとして機能する。この場合、複数のピンホールを別個に配置する必要がない。これにより、共焦点変位計５００の構成をコンパクトにすることができる。
このように、各光ファイバ３１３〜３１６のクラッド３１０ｂを遮光部（ピンホール部材）とし、コア３１０ａをピンホールとすることが好ましい。これにより、簡易な構成で共焦点光学系を実現することができる。一方で、光の損失を許容できる場合には、遮光性を有する板に複数のピンホールを設けた遮光部材を計測ヘッド２００側における光ファイバ３１３〜３１６の端部に配置してもよい。
さらに、本実施の形態においては、処理装置１００と計測ヘッド２００とが別体的に設けられ、導光部３００により光学的に接続される。そのため、計測対象物Ｓの形状または配置等に応じて適切な色収差を発生させるレンズユニット２２０または適切な焦点距離を有するレンズユニット２２０を含む計測ヘッド２００を用いて計測を用いることが容易になる。これにより、計測対象物Ｓの変位をより容易に計測することができる。
また、導光部３００が光ファイバを含むことにより、処理装置１００と計測ヘッド２００とを離間して配置することができる。計測ヘッド２００には機械駆動する部品は設けられず、発熱源が存在しない。そのため、計測ヘッド２００を多様な環境に配置することができる。また、後述するように、計測ヘッド２００の露出する部分をガラスにより形成することにより、計測ヘッド２００をより多様な環境に配置することができる。
光源１２１としてレーザ光源を用いる場合には、導光部３００が光ファイバを含むことが好ましい。例えば、図５に示すように、光源１２１により出射されるレーザ光により蛍光体１２２を励起し、複数の波長を有する光を生成する場合には、光ファイバを用いることにより生成された光を効率よく抽出することができる。また、光ファイバを用いることにより、抽出された光を計測ヘッド２００に効率よく供給できる。
図１においては、ファイバカプラ３３０は、計測ヘッド２００の筐体２１０内に設けられているが、ファイバカプラは、計測ヘッド２００と光ファイバ３１３〜３１６とのコネクタ部内に設けられていてもよい。金属等の強固な筐体（コネクタ部）の中にファイバカプラ３３０が配置されることにより、ファイバカプラ３３０を固定および保護しつつ計測ヘッド２００が大型化することを防止することができる。ファイバカプラ３３０は、コネクタ部の近傍に設けられてもよい。
図１に示すように、ファイバカプラ３２０が処理装置１００側に配置され、ファイバカプラ３３０が計測ヘッド２００側に配置される。また、ファイバカプラ３２０，３３０間が２つのコア３１０ａを有する光ファイバ３１７，３１８により接続される。この構成によれば、計測対象物Ｓから反射される光信号の損失を抑制しつつ、ファイバカプラ３２０，３３０の配置のための設計自由度を向上させることができる。
（８）変形例
（ａ）導光部の変形例
本実施の形態において、導光部３００は２個のファイバカプラ３２０，３３０を含むが、本発明はこれに限定されない。導光部３００はファイバカプラ３２０，３３０の一方または両方を含まなくてもよい。図２５は、導光部３００の第１の変形例を示す図である。図２５の例では、導光部３００は図１の光ファイバ３１７，３１８およびファイバカプラ３２０を含まない。ファイバカプラ３３０のポート３３１〜３３６には、それぞれ光ファイバ３１１〜３１６が接続される。
図２５の例では、ファイバカプラ３３０が処理装置１００の筐体１１０の外に設けられているが、処理装置１００の筐体１１０の内に設けられていてもよい。また、図２５の例では、ファイバカプラ３３０は導光部３００のうち処理装置１００に近い側に設けられているが、計測ヘッド計測ヘッド２００の近傍またはコネクタ部内に設けられていてもよい。
図２５の例では、設けられるファイバカプラは１つのみであり、計測ヘッド２００内にファイバカプラが配置されないので、計測ヘッド２００の組み立てが容易である。ファイバカプラ３３０を計測ヘッド２００に比べて大きい収容スペースを有する処理装置１００側に配置することにより、組み立ての容易性と光の損失の低減とを両立することができる。
図２６は、導光部３００第２の変形例を示す図である。図２６の例では、導光部３００は図１のファイバカプラ３３０に代えて、２個のファイバカプラ３４０を含む。各ファイバカプラ３４０は、いわゆる１×２型の構成を有し、３個のポート３４１〜３４３および本体部３４４を含む。ポート３４１，３４２とポート３４３とは、本体部３４４を挟んで対向するように本体部３４４に接続される。ポート３４１，３４２の少なくとも１つのポートに入力された光は、ポート３４３から出力される。ポート３４３に入力された光は、ポート３４１，３４２の各々から出力される。
一方のファイバカプラ３４０のポート３４１，３４２には、それぞれ光ファイバ３１３，３１４が接続される。他方のファイバカプラ３４０のポート３４１，３４２には、それぞれ光ファイバ３１５，３１６が接続される。ファイバカプラ３２０のポート３２３と一方のファイバカプラ３４０のポート３４３とが光ファイバ３１７により接続される。ファイバカプラ３２０のポート３２４と他方のファイバカプラ３４０のポート３４３とが光ファイバ３１８により接続される。
図２６の例では、ファイバカプラ３２０が処理装置１００の筐体１１０の外に設けられているが、処理装置１００の筐体１１０の内に設けられていてもよい。またファイバカプラ３４０は、計測ヘッド２００の外に設けられているが、計測ヘッド２００のコネクタ部内に収容されていてもよい。
図２６の例では、計測ヘッド２００側に２つのファイバカプラ３４０が設けられている。この場合、ファイバカプラ３４０を計測ヘッド２００内に設けるための設計のレイアウトを容易に行うことができる。また、計測対象物Ｓから反射された光の損失を抑えることができる。
図２７は、導光部３００の第３の変形例を示す図である。図２７の例では、導光部３００は図１のファイバカプラ３２０，３３０に代えて、２個のファイバカプラ３４０，３５０を含む。図２７の導光部３００は、図１の光ファイバ３１８を含まない。図２７のファイバカプラ３４０は、図２６のファイバカプラ３４０と同様の構成を有する。
ファイバカプラ３５０は、いわゆる１×４型の構成を有し、５個のポート３５１〜３５５および本体部３５６を含む。ポート３５１〜３５４とポート３５５とは、本体部３５６を挟んで対向するように本体部３５６に接続される。ポート３５１〜３５４の少なくとも１つのポートに入力された光は、ポート３５５から出力される。ポート３５５に入力された光は、ポート３５１〜３５４の各々から出力される。
ファイバカプラ３４０のポート３４１，３４２には、光ファイバ３１１，３１２がそれぞれ接続される。ファイバカプラ３５０のポート３５１〜３５４には、光ファイバ３１３〜３１６がそれぞれ接続される。ファイバカプラ３４０のポート３４３とファイバカプラ３５０のポート３５５とが光ファイバ３１７により接続される。
また、本実施の形態において、ファイバカプラ３２０，３３０，３４０，３５０を用いて光の結合および分岐が行われるが、本発明はこれに限定されない。ファイバカプラ３２０，３３０，３４０，３５０が用いられず、複数のコア３１０ａが１つに融着された複数の光ファイバ３１１〜３１８を用いて光の結合および分岐が行われてもよい。
図２７の例では、ファイバカプラ３４０が処理装置１００の筐体１１０の外に設けられているが、処理装置１００の筐体１１０の内に設けられていてもよい。またファイバカプラ３５０が計測ヘッド２００の外に設けられているが、計測ヘッド２００のコネクタ部内に収容されていてもよい。また、ファイバカプラ３４０に代えて、光サーキュレータを用いてもよい。これにより、ファイバカプラ３４０を用いる場合に比べてよりも光の損失を低減することができる。
（ｂ）レンズユニットの変形例
本実施の形態において、レンズユニット２２０は屈折レンズ２２１および回折レンズ２２２を含むが、本発明はこれに限定されない。レンズユニット２２０は屈折レンズ２２１および回折レンズ２２２の一方または両方を含まなくてもよい。図２８（ａ）〜（ｄ）は、レンズユニット２２０の第１〜第４の変形例を示す図である。
図２８（ａ）に示すように、第１の変形例におけるレンズユニット２２０は、図１の屈折レンズ２２１を含まずに回折レンズ２２２および対物レンズ２２３を含む。図２８（ｂ）に示すように、第２の変形例におけるレンズユニット２２０は、第１の変形例と同様に、図１の屈折レンズ２２１を含まずに回折レンズ２２２および対物レンズ２２３を含む。第２の変形例においては、回折レンズ２２２および対物レンズ２２３は、第１の変形例における回折レンズ２２２および対物レンズ２２３の位置とは逆に配置される。
図２８（ｃ）に示すように、第３の変形例におけるレンズユニット２２０は、第１の変形例の回折レンズ２２２に代えて、ダブレットレンズ２２４を含む。図２８（ｄ）に示すように、第４の変形例におけるレンズユニット２２０は、第２の変形例の回折レンズ２２２に代えて、ダブレットレンズ２２４を含む。
このように、レンズユニット２２０は、例えば回折レンズ、ダブレットレンズ、ＧＲＩＮ（グレーデッドインデックス）レンズもしくはプリズムまたはこれらの組み合わせにより構成されてもよい。これらのレンズユニット２２０の構成によれば、投光部１２０により出射された光に光軸方向に沿った色収差を発生させるとともに、色収差を有する光を収束させて計測対象物Ｓに照射することができる。
上記のレンズは、ガラスレンズであってもよいし、樹脂レンズであってもよいし、ガラスが樹脂加工されたレンズであってもよい。ガラスレンズは、高い耐熱性を有する。樹脂レンズは、安価に製造することができる。ガラスが樹脂加工されたレンズは、比較的安価に製造することができ、かつ比較的高い耐熱性を有する。
また、レンズユニット２２０のうち、計測対象物Ｓに最も近いレンズは、ガラスにより形成されることが好ましい。計測ヘッド２００は、工場等の製造ラインにおいては、水分または油分等が存在する環境に配置される。レンズ等の計測ヘッド２００の外部に露出している部分の光学系をガラスにより形成することにより、計測ヘッド２００の耐油性、耐水性および耐汚染性を向上させることができる。
同様に、レンズユニット２２０の光学系のうち、外気に露出する部分をガラスにより形成することが好ましい。あるいは、屈折レンズ２２１、回折レンズ２２２、対物レンズ２２３またはダブレットレンズ２２４がガラスではなく、樹脂により形成され、レンズユニット２２０の外気に露出する部分がガラスにより構成されてもよい。例えば、図２８（ｂ）の例においては、回折レンズ２２２の下側（計測対象物Ｓ側）にカバーガラスが設けられてもよい。
（ｃ）投光部の変形例
本実施の形態において、光源１２１から出射される光の光軸とフェルール１２３の中心軸とが一直線上に配置されるが、本発明はこれに限定されない。図２９は、投光部１２０の変形例を示す図である。図２９に示すように、変形例における投光部１２０は、光源１２１、蛍光体１２２、フェルール１２３、レンズ１２４，１２８および反射部材１２９を含む。レンズ１２４は、光源１２１と反射部材１２９との間に配置される。レンズ１２８は、反射部材１２９とフェルール１２３との間に配置される。蛍光体１２２は、反射部材１２９の反射面に塗布される。
光源１２１により出射された光は、レンズ１２４を通過することにより、励起光として反射部材１２９に塗布された蛍光体１２２上に集光される。蛍光体１２２は、励起光を吸収して蛍光を放出する。ここで、蛍光体１２２に吸収されずに透過した励起光と蛍光体１２２からの蛍光とが混合されることにより、広い波長帯域の光が生成される。生成された光は、反射部材１２９の反射面で反射されることにより、レンズ１２８を通してフェルール１２３に導かれる。これにより、光ファイバ３１１に光が入力される。この構成においては、光学素子の配置の自由度が大きくなる。そのため、投光部１２０を小型化することが容易になる。
投光部１２０により生成される光の強度を増加させるために、光源１２１により出射される光の光量を大きくすることが好ましい。一方で、光源１２１からの光の光量を大きくすると、蛍光体１２２の発熱が大きくなることにより、反射部材１２９の反射効率が低下するとともに、蛍光体１２２からの蛍光の放出が飽和しやすくなる。そこで、反射部材１２９が回転または移動可能に構成されてもよい。これにより、蛍光体１２２が冷却され、発熱を抑制することができる。その結果、投光部１２０により生成される光の強度をより増加させることができる。
（ｄ）分光部の変形例
本実施の形態において、分光部１３０の回折格子１３１は反射型を有するが、本発明はこれに限定されない。図３０は、分光部１３０の変形例を示す図である。図３０に示すように、分光部１３０の変形例においては、回折格子１３１は透過型を有する。回折格子１３１に入射された光は、波長ごとに異なる角度で透過するように分光される。回折格子１３１により分光された光は、レンズ１３３を通過することにより波長ごとに異なる受光部１４０の画素の位置に合焦される。
［２］第２の実施の形態
（１）共焦点変位計の基本構成
本発明の第２の実施の形態に係る共焦点変位計について、第１の実施の形態に係る共焦点変位計５００と異なる点を説明する。図３１は、本発明の第２の実施の形態に係る共焦点変位計の構成を示す模式図である。図３１に示すように、共焦点変位計５００の導光部３００は、複数（本例では４個）のファイバカプラ３４０および複数（本例では１２個）の光ファイバ３１１Ａ〜３１１Ｄ，３１２Ａ〜３１２Ｄ，３１３〜３１６を含む。図３１のファイバカプラ３４０は、図２６のファイバカプラ３４０と同様の構成を有する。
４個のファイバカプラ３４０のポート３４１には、光ファイバ３１１Ａ〜３１１Ｄがそれぞれ接続される。４個のファイバカプラ３４０のポート３４２には、光ファイバ３１２Ａ〜３１２Ｄがそれぞれ接続される。４個のファイバカプラ３４０のポート３４３には、光ファイバ３１３〜３１６がそれぞれ接続される。投光部１２０により出射された光は、光ファイバ３１１Ａ〜３１１Ｄに入力される。光ファイバ３１２Ａ〜３１２Ｄから出力された光は、分光部１３０に導かれる。
この構成によれば、投光部１２０により出射された光は、光ファイバ３１１Ａ〜３１１Ｄを通して各ファイバカプラ３４０のポート３４１に入力される。各ポート３４１に入力された光は、対応するポート３４３から出力され、対応する光ファイバ３１３〜３１６および計測ヘッド２００を通して計測対象物Ｓに照射される。計測対象物Ｓの表面で反射された光の一部は、計測ヘッド２００および光ファイバ３１３〜３１６を通して各ポート３４３に入力される。各ポート３４３に入力された光は、対応するポート３４１，３４２から出力される。各ポート３４２から出力された光は、光ファイバ３１２Ａ〜３１２Ｄを通して分光部１３０に導かれる。
図３２は、図３１の分光部１３０の構成を示す図である。図３２に示すように、光ファイバ３１２Ａ〜３１２Ｄから出力された光は、レンズ１３２を通過することにより略平行化され、回折格子１３１に入射される。回折格子１３１に入射された光は、波長ごとに異なる角度で反射するように分光される。
図３３は、図３２の受光部１４０および受光波形を示す図である。図３３（ａ）に示すように、受光部１４０は、複数の画素が二次元状に配列された撮像素子（二次元ラインセンサ）を含む。撮像素子は、多分割ＰＤ、ＣＣＤカメラまたはＣＭＯＳイメージセンサであってもよいし、他の素子であってもよい。受光部１４０は、矩形状の４個の受光領域１４１〜１４４を有する。受光領域１４１〜１４４は、幅方向（長手方向に直交する方向）に並ぶように配列される。各受光領域１４１〜１４４は、一次元ラインセンサとして機能する。
図３２の光ファイバ３１２Ａ〜３１２Ｄから出力されて回折格子１３１により分光された光は、レンズ１３３を通過することにより、それぞれ受光領域１４１〜１４４上において波長ごとに異なる一次元上の位置に合焦される。各受光領域１４１〜１４４の各画素からは、受光量に対応する受光信号が演算処理部１５０に出力される。図３３（ａ）においては、各受光領域１４１〜１４４で最も強度が大きい受光信号を出力した画素が白丸で示されている。
図３３（ｂ）の横軸は受光された光の波長を示し、縦軸は受光信号の強度を示す。図３２の演算処理部１５０は、図３３（ｂ）に示すように各受光領域１４１〜１４４に対応する受光波形Ｗ１〜Ｗ４を取得する。演算処理部１５０は、取得した受光波形Ｗ１〜Ｗ４に平均化処理を行うことにより、図４の受光波形Ｗ０と同様の受光波形Ｗ０を生成する。
ここで、平均化処理は、平均値の算出であってもよいし、積算値の算出であってもよいし、加重平均値または他の演算値の算出であってもよい。平均化処理において、複数の光ファイバ３１３〜３１６を通過した複数の光の強度を考慮した所望の平均または積算を行うことができる。このように、電気的に受光波形Ｗ０の平均化処理が行われることにより、乱反射によるランダムな計測誤差を発生させる光の成分が打ち消される。受光波形Ｗ０のピーク波長λ０を特定することにより、計測距離をより正確に特定することができる。
図３１の構成によれば、光ファイバ３１２Ａ〜３１２Ｄの光信号の中に異常値がある場合に、その異常値を容易に排除して変位を算出することができる。例えば、図３３（ａ）の受光領域１４３に対応する受光信号の強度のみが他の受光領域１４１，１４２，１４４に対応する受光信号の強度と比較して大きいか、または小さいことを考える。この場合、計測ヘッド２００に汚れがあるか、または迷光等の影響により異常値が検出されていることが考えられる。したがって、受光領域１４３に対応する受光信号を除外し、他の受光領域１４１，１４２，１４４に対応する受光信号を用いて変位を算出することができる。
また、４つの光信号がそれぞれ独立に受光されるので、変位を算出する際の平均化処理として、重み付け積算等の任意の演算を行うことができる。さらに、受光部１４０の各受光領域１４１〜１４４はつながっているので、受光部１４０の配置スペースを低減することができる。また、各ファイバカプラ３４０に代えて、光サーキュレータを用いてもよい。これにより、ファイバカプラ３４０を用いる場合に比べてよりも光の損失を低減することができる。
（２）変形例
（ａ）第２の実施の形態における第１の変形例
本実施の形態において、受光部１４０が二次元ラインセンサにより実現されるが、本発明はこれに限定されない。図３４は、第２の実施の形態における第１の変形例に係る共焦点変位計５００の構成を示す模式図である。図３４に示すように、第１の変形例に係る共焦点変位計５００は、図３１の分光部１３０および受光部１４０に代えて、複数（本例では４個）の分光部１３０Ａ〜１３０Ｄおよび複数（本例では４個）の受光部１４０Ａ〜１４０Ｄを含む。
各分光部１３０Ａ〜１３０Ｄは、第１の実施の形態における図１の分光部１３０と同様の構成を有する。また、各受光部１４０Ａ〜１４０Ｄは、第１の実施の形態における図１の受光部１４０と同様の構成を有する。そのため、各受光部１４０Ａ〜１４０Ｄは一次元ラインセンサにより実現される。受光部１４０Ａ〜１４０Ｄは、分光部１３０Ａ〜１３０Ｄにより分光された光をそれぞれ受光するように配置される。
光ファイバ３１２Ａ〜３１２Ｄから出力された光は、それぞれ分光部１３０Ａ〜１３０Ｄに導かれる。光ファイバ３１２Ａ〜３１２Ｄから出力された光は、対応する分光部１３０Ａ〜１３０Ｄにおいて、図３２のレンズ１３２を通過することにより略平行化され、回折格子１３１に入射される。回折格子１３１に入射された光は、波長ごとに異なる角度で反射するように分光される。回折格子１３１により分光された光は、レンズ１３３を通過することにより波長ごとに異なる受光部１４０Ａ〜１４０Ｄの画素の位置に合焦される。
各受光部１４０Ａ〜１４０Ｄの各画素からは、受光量に対応する受光信号が演算処理部１５０に出力される。演算処理部１５０は、各受光部１４０Ａ〜１４０Ｄから取得した受光波形に電気的に平均化処理を行うことにより、図４の受光波形Ｗ０と同様の受光波形Ｗ０を生成する。これにより、計測距離が算出される。
第２の実施の形態における第１の変形例において、複数の分光部１３０Ａ〜１３０Ｄにおける回折格子１３１およびレンズ１３２，１３３が、それぞれ共通の回折格子１３１およびレンズ１３２，１３３により実現されてもよい。すなわち、図３３（ａ）の受光部１４０の受光領域１４１〜１４４が、それぞれ別個の一次元ラインセンサにより実現されてもよい。
図３４の構成によれば、複数の受光部１４０Ａ〜１４０Ｄが独立して配置されるので、各受光部１４０Ａ〜１４０Ｄにより受光された光に独立した信号処理を施すことができる。これにより、ノイズが排除された変位を算出することができる。
（ｂ）第２の実施の形態における第２の変形例
図３５は、第２の実施の形態における第２の変形例に係る共焦点変位計５００の構成を示す模式図である。図３５に示すように、第２の変形例に係る共焦点変位計５００は、図３１の分光部１３０、受光部１４０およびファイバカプラ３４０に代えて、複数（本例では２個）の分光部１３０Ａ，１３０Ｂ、複数（本例では２個）の受光部１４０Ａ，１４０Ｂおよび複数（本例では２個）のファイバカプラ３２０を含む。また、第２の変形例に係る共焦点変位計５００は、図３１の光ファイバ３１１Ｃ，３１１Ｄ，３１２Ｃ，３１２Ｄを含まない。
各ファイバカプラ３２０は図１のファイバカプラ３２０と同様の構成を有する。２個のファイバカプラ３２０のポート３２１には、光ファイバ３１１Ａ，３１１Ｂがそれぞれ接続される。２個のファイバカプラ３２０のポート３２２には、光ファイバ３１２Ａ，３１２Ｂがそれぞれ接続される。一方のファイバカプラ３２０のポート３２３，３２４には光ファイバ３１３，３１４がそれぞれ接続され、他方のファイバカプラ３２０のポート３２３，３２４には光ファイバ３１５，３１６がそれぞれ接続される。
各分光部１３０Ａ，１３０Ｂは、図３４の分光部１３０Ａ〜１３０Ｄと同様の構成を有する。各受光部１４０Ａ，１４０Ｂは、図３４の受光部１４０Ａ〜１４０Ｄと同様の構成を有する。そのため、各受光部１４０Ａ，１４０Ｂは一次元ラインセンサにより実現される。投光部１２０により出射された光は、光ファイバ３１１Ａ，３１１Ｂに入力される。光ファイバ３１２Ａ，３１２Ｂから出力された光は、分光部１３０Ａ，１３０Ｂにそれぞれ導かれる。分光部１３０Ａ，１３０Ｂにより分光された光は、受光部１４０Ａ，１４０Ｂによりそれぞれ受光される。
この構成によれば、投光部１２０により出射された光は、光ファイバ３１１Ａ，３１１Ｂを通して各ファイバカプラ３２０のポート３２１に入力される。各ポート３２１に入力された光は、対応するポート３２３，３２４から出力され、対応する光ファイバ３１３〜３１６および計測ヘッド２００を通して計測対象物Ｓに照射される。計測対象物Ｓの表面で反射された光の一部は、計測ヘッド２００および光ファイバ３１３〜３１６を通して各ポート３２３，３２４に入力される。各ポート３２３，３２４に入力された光は、対応するポート３２１，３２２から出力される。各ポート３２２から出力された光は、対応する光ファイバ３１２Ａ，３１２Ｂを通して対応する分光部１３０Ａ，１３０Ｂに導かれる。
ここで、光ファイバ３１３，３１４に入力された光は光ファイバ３１２Ａから出力されるまでの過程で混合される。また、光ファイバ３１５，３１６に入力された光は光ファイバ３１２Ｂから出力されるまでの過程で混合される。これにより、光ファイバ３１２Ａから出力される光および光ファイバ３１２Ｂから出力される光には、強度の平均化処理（本例では積算処理）が行われる。
光ファイバ３１２Ａ，３１２Ｂから出力された光は、対応する分光部１３０Ａ，１３０Ｂにおいて、図１に示すようにレンズ１３２を通過することにより略平行化され、回折格子１３１に入射される。回折格子１３１に入射された光は、波長ごとに異なる角度で反射するように分光される。回折格子１３１により分光された光は、レンズ１３３を通過することにより波長ごとに異なる受光部１４０Ａ，１４０Ｂの画素の位置に合焦される。
各受光部１４０Ａ，１４０Ｂの各画素からは、受光量に対応する受光信号が演算処理部１５０に出力される。演算処理部１５０は、各受光部１４０Ａ，１４０Ｂから取得した受光波形にさらなる平均化処理を行うことにより、図４の受光波形Ｗ０と同様の受光波形Ｗ０を生成する。このように、本例においては、光学的および電気的に受光波形Ｗ０の平均化処理が行われる。これにより、計測距離が算出される。
図３５の構成によれば、強度の積算を行う２つの光の組を任意に選択することができる。ここで、図３のファイバユニット３０１の中心を挟んで対向する２個の光ファイバからそれぞれ出力される２つの光の強度を積算することにより、乱反射によるランダムな計測誤差を発生させる光の成分をより効率よく除去することができる。
したがって、ファイバユニット３０１の中心を挟んで対向する光ファイバ３１３，３１６が一方のファイバカプラ３２０のポート３２３，３２４にそれぞれ接続されることが好ましい。同様に、ファイバユニット３０１の中心を挟んで対向する光ファイバ３１４，３１５が他方のファイバカプラ３２０のポート３２３，３２４にそれぞれ接続されることが好ましい。
［３］第３の実施の形態
本発明の第３の実施の形態に係る共焦点変位計について、第１の実施の形態に係る共焦点変位計５００と異なる点を説明する。図３６は、本発明の第３の実施の形態に係る共焦点変位計の構成を示す模式図である。図３６に示すように、共焦点変位計５００の導光部３００は、図１の２個のファイバカプラ３２０，３３０に代えて１個の光スイッチ３６０を含む。また、導光部３００は、図１の光ファイバ３１７，３１８を含まない。
光スイッチ３６０は、いわゆる２×４型の構成を有し、６個のポート３６１〜３６６および本体部３６７を含む。ポート３６１，３６２とポート３６３〜３６６とは、本体部３６７を挟んで対向するように本体部３６７に接続される。光スイッチ３６０のポート３６１〜３６６には、光ファイバ３１１〜３１６がそれぞれ接続される。
ポート３６１，３６２のいずれかのポートに入力された光は、ポート３６３〜３６６のいずれかのポートから出力可能である。ポート３６３〜３６６のいずれかのポートに入力された光は、ポート３６１，３６２のいずれかのポートから出力可能である。演算処理部１５０の制御部１５２は、互いに等しい長さを有する４つの期間ｔ１〜ｔ４ごとにポート３６１，３６２とポート３６３〜３６６との間の接続状態を切り替える。
期間ｔ１には、ポート３６１に入力された光がポート３６３から出力されるとともに、ポート３６３に入力された光がポート３６２から出力される。期間ｔ１の後の期間ｔ２には、ポート３６１に入力された光がポート３６４から出力されるとともに、ポート３６４に入力された光がポート３６２から出力される。期間ｔ２の後の期間ｔ３には、ポート３６１に入力された光がポート３６５から出力されるとともに、ポート３６５に入力された光がポート３６２から出力される。期間ｔ３の後の期間ｔ４には、ポート３６１に入力された光がポート３６６から出力されるとともに、ポート３６６に入力された光がポート３６２から出力される。
この構成によれば、期間ｔ１には、処理装置１００の投光部１２０により出射された光は、光ファイバ３１１を通して光スイッチ３６０のポート３６１に入力される。ポート３６１に入力された光は、ポート３６３から出力され、光ファイバ３１３およびレンズユニット２２０を通して計測対象物Ｓに照射される。計測対象物Ｓの表面で反射された光の一部は、レンズユニット２２０および光ファイバ３１３を通してポート３６３に入力される。ポート３６３に入力された光は、ポート３６２から出力され、光ファイバ３１２を通して分光部１３０に導かれる。
同様に、期間ｔ２には、処理装置１００の投光部１２０により出射された光は、光ファイバ３１１を通して光スイッチ３６０のポート３６１に入力される。ポート３６１に入力された光は、ポート３６４から出力され、光ファイバ３１４およびレンズユニット２２０を通して計測対象物Ｓに照射される。計測対象物Ｓの表面で反射された光の一部は、レンズユニット２２０および光ファイバ３１４を通してポート３６４に入力される。ポート３６４に入力された光は、ポート３６２から出力され、光ファイバ３１２を通して分光部１３０に導かれる。
期間ｔ３には、処理装置１００の投光部１２０により出射された光は、光ファイバ３１１を通して光スイッチ３６０のポート３６１に入力される。ポート３６１に入力された光は、ポート３６５から出力され、光ファイバ３１５およびレンズユニット２２０を通して計測対象物Ｓに照射される。計測対象物Ｓの表面で反射された光の一部は、レンズユニット２２０および光ファイバ３１５を通してポート３６５に入力される。ポート３６５に入力された光は、ポート３６２から出力され、光ファイバ３１２を通して分光部１３０に導かれる。
期間ｔ４には、処理装置１００の投光部１２０により出射された光は、光ファイバ３１１を通して光スイッチ３６０のポート３６１に入力される。ポート３６１に入力された光は、ポート３６６から出力され、光ファイバ３１６およびレンズユニット２２０を通して計測対象物Ｓに照射される。計測対象物Ｓの表面で反射された光の一部は、レンズユニット２２０および光ファイバ３１６を通してポート３６６に入力される。ポート３６６に入力された光は、ポート３６２から出力され、光ファイバ３１２を通して分光部１３０に導かれる。
受光部１４０の各画素からは、受光信号が演算処理部１５０に出力される。図３７は、演算処理部１５０により取得される受光波形を示す図である。図３７の各期間の横軸は受光された光の波長を示し、縦軸は受光信号の強度を示す。図３７に示すように、演算処理部１５０は、期間ｔ１〜ｔ４に受光波形Ｗ１〜Ｗ４をそれぞれ取得する。
演算処理部１５０は、取得した受光波形Ｗ１〜Ｗ４に平均化処理を行うことにより、図４の受光波形Ｗ０と同様の受光波形Ｗ０を生成する。ここで、第２の実施の形態と同様に、平均化処理は、平均値の算出であってもよいし、積算値の算出であってもよいし、加重平均値または他の演算値の算出であってもよい。平均化処理において、複数の光ファイバ３１３〜３１６を通過した複数の光の強度を考慮した所望の平均または積算を行うことができる。このように、電気的に受光波形Ｗ０の平均化処理が行われることにより、乱反射によるランダムな計測誤差を発生させる光の成分が打ち消される。受光波形Ｗ０のピーク波長λ０を特定することにより、計測距離をより正確に特定することができる。
あるいは、受光部１４０は期間ｔ１〜ｔ４の間露光を行い、受光部１４０の各画素から露光期間に積算された受光信号が演算処理部１５０に出力されてもよい。この場合、演算処理部１５０は、強度の平均化処理（本例では積算処理）が行われた光に対応する受光波形Ｗ０を取得する。この場合、平均化処理を行うための演算を行う必要がない。これにより、計測対象物Ｓの変位を高速で効率よく算出することができる。
このように、第１〜第３の実施においては、導光部３００が光ファイバを含むことにより、共焦点変位計５００を容易に構成することができる。この構成によれば、種々の光学部品を用いて光の分岐および合波を行うことが容易になる。また、複数の光ファイバを接続することにより、光を混合することが容易になる。さらに、処理装置１００と計測ヘッド２００との光信号の伝搬が容易になる。また、投光部１２０においては、光源１２１により出射されるレーザ光により蛍光体１２２が励起され、複数の波長を有する光が生成されるので、生成された光を光ファイバを用いて効率よく出射することができる。
［４］他の実施の形態
（１）上記実施の形態において、導光部３００は光ファイバを含み、光ファイバを用いて処理装置１００と計測ヘッド２００との間で光が伝送されるが、本発明はこれに限定されない。導光部３００は光ファイバを含まず、ミラーおよびハーフミラー等の光学素子を用いて処理装置１００と計測ヘッド２００との間で光が伝送されてもよい。
図３８は、他の実施の形態に係る共焦点変位計の構成を示す模式図である。図３８においては、理解を容易にするために計測対象物Ｓの１つの部分にのみ照射される光の経路が図示されている。図３８においては、計測対象物Ｓの他の３つの部分に照射される光の経路の図示が省略されているが、図３８の共焦点変位計５００は、４個の光源１２１と、これらにそれぞれ対応する４個の空間フィルタ３７２および４個の空間フィルタ３７３が設けられる。
図３８に示すように、導光部３００は、図１の光ファイバ３１１〜３１８およびファイバカプラ３２０，３３０に代えて、ハーフミラー３７１および上記の空間フィルタ３７２，３７３を含む。空間フィルタ３７２，３７３には、ピンホール３７２ａ，３７３ａがそれぞれ形成される。
投光部１２０から出射された光は、空間フィルタ３７２のピンホール３７２ａを通過した後、ハーフミラー３７１を通過する。ハーフミラー３７１を通過した光は、レンズユニット２２０を通して計測対象物Ｓに照射される。計測対象物Ｓの表面で反射された光の一部は、レンズユニット２２０を通過し、ハーフミラー３７１により反射される。ハーフミラー３７１により反射された光は、空間フィルタ３７３のピンホール３７３ａを通過して分光部１３０に導かれる。受光部１４０は、分光部１３０により分光された光を受光し、受光信号を出力する。
演算処理部１５０は、受光部１４０により出力される受光信号に基づいて、上記の実施の形態で説明された光学的または電気的に平均化処理が行われた受光波形Ｗ０を取得する。このように、電気的または光学的に受光波形Ｗ０の平均化処理が行われることにより、乱反射によるランダムな計測誤差を発生させる光の成分が打ち消される。受光波形Ｗ０のピーク波長λ０を特定することにより、計測距離をより正確に特定することができる。
（２）上記実施の形態において、図５または図２９の投光部１２０は光源１２１からの励起光と蛍光体１２２からの蛍光とを混合することにより広い波長帯域の光を出射するが、本発明はこれに限定されない。投光部１２０は、光源１２１および蛍光体１２２に代えて、広い波長帯域の光を出射する光源を含んでもよい。例えば、投光部１２０は、光源として白色光を出射するＬＥＤ（発光ダイオード）またはハロゲンランプを含んでもよい。
（３）上記実施の形態において、投光部１２０は連続的な波長を有する波長５００ｎｍ〜７００ｎｍの光を出射するが、本発明はこれに限定されない。投光部１２０は連続的な波長を有する他の波長帯域の光を出射してもよい。例えば、投光部１２０は連続的な波長を有する赤外領域の光を出射してもよいし、連続的な波長を有する紫外領域の光を出射してもよい。
（４）上記実施の形態において、処理装置１００と計測ヘッド２００とが別体として構成されるが、本発明はこれに限定されない。処理装置１００と計測ヘッド２００とが一体的に構成されてもよい。
（５）上記実施の形態において、共焦点変位計５００は計測対象物Ｓの表面の４つの部分に光が照射されるように構成されるが、本発明はこれに限定されない。共焦点変位計５００は、計測対象物Ｓの表面の２つの部分、３つの部分または５つ以上の部分に光が照射されるように構成されてもよい。
したがって、ファイバユニット３０１に含まれる光ファイバの数は、２個以上であることが好ましく、４個以上であることがより好ましい。ファイバユニット３０１の光ファイバの数を増加させた場合、平均化処理により測定精度をより向上させることができる一方で、ファイバユニット３０１の外径が大型化する。そのため、要求される測定精度とファイバユニット３０１の外径とに応じて光ファイバの数が決定されてもよい。
（６）上記実施の形態において、ファイバユニット３０１は、その中心がレンズユニット２２０の光軸と略一致するように配置されるが、本発明はこれに限定されない。ファイバユニット３０１は、その中心がレンズユニット２２０の光軸から離間して配置されてもよい。
（７）上記実施の形態において、ファイバユニット３０１の中心に重ならないように複数の光ファイバ３１３〜３１６が配置されるが、本発明はこれに限定されない。例えば、ファイバユニット３０１の中心に重なるように１個の光ファイバが配置され、当該光ファイバの周囲に他の複数のファイバが配置されてもよい。
また、光ファイバ３１３，３１５が、図３における光ファイバ３１３，３１５の位置よりも光ファイバ３１３，３１５の配列方向に距離Ｌ２の半分だけ変位して配置されてもよい。この場合、光ファイバ３１３が光ファイバ３１４，３１６に接触するとともに、光ファイバ３１６が光ファイバ３１３，３１５に接触するように光ファイバ３１３〜３１６が配置されてもよい。
（８）上記実施の形態においては、ＣＰＵ４０３は、受光確認処理において、受光信号のピーク値があるしきい値よりも高いか否かに基づいて、計測ヘッド２００の位置および姿勢の適否を判定するが、本発明はこれに限定されない。ＣＰＵ４０３は、現在ピーク値が過去最大ピーク値の予め定められた割合（以下、しきい割合と呼ぶ。）の値よりも高いか否かに基づいて、計測ヘッド２００の位置および姿勢の適否を判定してもよい。この場合、しきい割合は使用者により設定可能であってもよい。
図３９は、図１２の第１の表示領域４１０に表示される設定情報の入力画面の他の例を示す図である。図３９の例においては、最上段の入力欄４６１は、しきい割合を使用者が指定するために用いられる。入力欄４６１に使用者が所望の割合を入力することにより、入力された割合がしきい割合として設定される。
図４０は、使用者によりしきい割合が設定された状態で受光確認処理により図１２の第１の表示領域４１０に表示される変化情報の例を示す図である。図４０の例では、図１６の例と同様に、現在ピーク値、過去最大ピーク値、受光確認処理が開始されてから現時点までの受光信号のピーク値の変化を示すドットプロットグラフが表示される。また、計測ヘッド２００の位置および姿勢の適否判定結果が表示される。
さらに、本例では、使用者により設定されたしきい割合が百分率で表示されるとともに、現時点の過去最大ピーク値に対するしきい割合の値が受光信号の強度の値として表示される。また、図４０のドットプロットグラフでは、過去最大ピーク値が更新されるごとに変化する適否判定のしきい値が点線で示される。
（９）上記実施の形態においては、図１６〜図２１および図４０に示すように、受光確認処理において表示装置４０１に受光信号の強度に対するしきい値またはしきい割合が表示されるが、しきい値は表示されなくてもよい。また、しきい値の表示または非表示が操作部４０２からの入力により切り替えることができることとしてもよい。
（１０）図１６、図１７、図２１および図４０の例において、調整にともなう時間の経過により、画面内に収まるプロットまたは波形が、過去最大ピーク値よりも低く、画面外に過去最大ピーク値がある時には、過去最大ピーク値に相当する受光信号の強度に、過去最大ピークがあったことを示す指標を示してもよい。縦軸の受光信号の強度は、現在ピーク値または現時点までの過去最大ピーク値に基づき規格化してもよい。例えば、過去最大ピーク値が８０のときは、受光強度の縦軸の上限近くに８０が位置するよう縦軸が構成され、調整と時間の経過とともに、過去最大ピーク値が３５０となれば、受光強度の縦軸の上限近くに３５０が位置するようトレンドグラフの縦軸が正規化されてもよい。
［５］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。
上記実施の形態では、計測対象物Ｓが計測対象物の例であり、共焦点変位計５００が共焦点変位計の例であり、投光部１２０が投光部の例であり、レンズユニット２２０が光学部材の例である。光ファイバ３１３〜３１６の先端部分またはピンホール３７３ａがピンホールの例であり、光ファイバ３１３〜３１６または空間フィルタ３７３がピンホール部材の例であり、処理装置１００および導光部３００が変位計測部の例である。
分光部１３０，１３０Ａ〜１３０Ｄが分光部の例であり、受光部１４０，１４０Ａ〜１４０Ｄが受光部の例であり、演算処理部１５０が算出部の例であり、光ファイバ３１３〜３１６が第１の光ファイバの例である。光スイッチ３６０が切替部の例であり、コア３１０ａがコアの例であり、処理装置１００が処理装置の例であり、計測ヘッド２００がヘッド部の例であり、筐体１１０，２１０がそれぞれ第１および第２の筐体の例であり、光源１２１が光源の例であり、蛍光体１２２が蛍光体の例である。
図１の構成においては、ファイバカプラ３２０，３３０および光ファイバ３１２〜３１８が合成部の例であり、ファイバカプラ３２０，３３０がそれぞれ第１および第２のファイバカプラの例であり、光ファイバ３１１，３１２がそれぞれ第２および第３の光ファイバの例であり、光ファイバ３１７，３１８が第４の光ファイバの例である。図２５の構成においては、ファイバカプラ３３０および光ファイバ３１２〜３１６が合成部の例であり、ファイバカプラ３３０がファイバカプラの例であり、光ファイバ３１１，３１２がそれぞれ第２および第３の光ファイバの例である。
図２６の構成においては、ファイバカプラ３２０，３４０および光ファイバ３１２〜３１８が合成部の例であり、ファイバカプラ３２０，３４０がそれぞれ第１および第２のファイバカプラの例であり、光ファイバ３１１，３１２がそれぞれ第２および第３の光ファイバの例であり、光ファイバ３１７，３１８が第４の光ファイバの例である。図２７の構成においては、ファイバカプラ３４０，３５０および光ファイバ３１２〜３１７が合成部の例であり、ファイバカプラ３４０，３５０がそれぞれ第１および第２のファイバカプラの例であり、光ファイバ３１１，３１２，３１７がそれぞれ第２〜第４の光ファイバの例である。図３５の構成においては、ファイバカプラ３２０および光ファイバ３１１Ａ，３１１Ｂ，３１２Ａ，３１２Ｂ，３１３〜３１６が合成部の例である。
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、種々の共焦点変位計に有効に利用することができる。
１００ 処理装置
１１０，２１０ 筐体
１２０ 投光部
１２１ 光源
１２２ 蛍光体
１２３ フェルール
１２４，１２８，１３２，１３３ レンズ
１２５ 保持具
１２６ フィルタ素子
１２７ 素子ホルダ
１２７Ａ 光源固定部
１２７Ｂ フェルール固定部
１２７Ｃ レンズ固定部
１２９ 反射部材
１３０，１３０Ａ〜１３０Ｄ 分光部
１３１ 回折格子
１４０，１４０Ａ〜１４０Ｄ 受光部
１４１〜１４４ 受光領域
１５０ 演算処理部
１５１ 記憶部
１５２ 制御部
１６０ 表示部
２００ 計測ヘッド
２２０ レンズユニット
２２１ 屈折レンズ
２２２ 回折レンズ
２２３ 対物レンズ
２２４ ダブレットレンズ
３００ 導光部
３０１ ファイバユニット
３０２ 保持部材
３１０ａ コア
３１０ｂ クラッド
３１１〜３１８，３１１Ａ〜３１１Ｄ，３１２Ａ〜３１２Ｄ 光ファイバ
３２０，３３０，３４０，３５０ ファイバカプラ
３２１〜３２４，３３１〜３３６，３４１〜３４３，３５１〜３５５，３６１〜３６６
ポート
３２５，３３７，３４４，３５６，３６７ 本体部
３６０ 光スイッチ
３７１ ハーフミラー
３７２，３７３ 空間フィルタ
３７２ａ，３７３ａ ピンホール
４００ 制御装置
４０１ 表示装置
４０２ 操作部
４０３ ＣＰＵ
４０４ メモリ
４１０ 第１の表示領域
４５０ 第２の表示領域
４５１ 受光確認ボタン
４５２ 確認設定ボタン
４５３ 確認終了ボタン
４５４ 計測開始ボタン
４６１，４６２ 入力欄
４６３，４６４ 表示態様ボタン
４９１ 切替ボタン
５００ 共焦点変位計
ＢＬ 基底波形
Ｌ１ 直径
Ｌ２ 距離
ＭＲ 計測範囲
Ｐ０，Ｐｘ〜Ｐｚ ピーク
Ｐ１，Ｐ２ 合焦位置
ＲＰ 基準位置
Ｓ 計測対象物
Ｗ０〜Ｗ４ 受光波形
λ０〜λ４，λｘ，λｙ ピーク波長

Claims (17)

  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出射する投光部と、
    前記投光部により出射された光に光軸方向に沿った色収差を発生させるとともに、色収差を有する光を収束させて前記計測対象物に照射する光学部材と、
    前記光学部材により前記計測対象物に照射された光のうち、前記計測対象物の表面で合焦しつつ反射された波長の光を通過させる複数のピンホールを有するピンホール部材と、
    前記複数のピンホールを通過した複数の光についての波長ごとの強度の平均に対応する平均信号の波長ごとの信号強度に基づいて前記計測対象物の変位を算出する変位計測部とを備える、共焦点変位計。
  2. 第１の光ファイバを有し、
    前記第１の光ファイバの端部が前記ピンホールであり、前記第１の光ファイバが前記ピンホール部材である、請求項１記載の共焦点変位計。
  3. 前記投光部は、
    一端部および他端部を有する第２の光ファイバと、
    レーザ光源と、
    前記第２の光ファイバの前記一端部に配置され、前記レーザ光源により出射された光を吸収して前記レーザ光源により出射された光の波長とは異なる波長の光を放出する蛍光体とを含み、
    前記第２の光ファイバは、前記蛍光体が放出する光を前記一端部から受け付け、受け付けた光を前記他端部から前記第１の光ファイバに導く、請求項２記載の共焦点変位計。
  4. 前記第１の光ファイバは、複数設けられ、
    前記複数の第１の光ファイバの端部がそれぞれ前記複数のピンホールである、請求項２または３記載の共焦点変位計。
  5. 前記変位計測部は、
    前記複数のピンホールを通過した複数の光を合成することにより一の合成光を生成する合成部と、
    前記合成部により合成された合成光を分光する分光部と、
    前記分光部により分光された光を受光し、前記合成部により合成された光について波長ごとの受光量を示す電気的な受光信号を平均信号として出力する受光部と、
    前記受光部から出力される平均信号に基づいて前記計測対象物の変位を算出する算出部とを含む、請求項２〜４のいずれか一項に記載の共焦点変位計。
  6. 前記合成部は、第１のファイバカプラと、第２のファイバカプラと、複数の前記第１の光ファイバと、前記第２の光ファイバと、第３の光ファイバと、第４の光ファイバとを含み、
    前記第２の光ファイバは、前記投光部により出射された光を前記第１のファイバカプラに導くように前記第１のファイバカプラに接続され、
    前記第４の光ファイバは、前記第１のファイバカプラと前記第２のファイバカプラとの間で光が伝送されるように前記第１および第２のファイバカプラに接続され、
    前記複数の第１の光ファイバの各々は、前記第２の光ファイバおよび前記第４の光ファイバにより前記第２のファイバカプラに導かれた光を前記光学部材に導くとともに、前記計測対象物の表面で合焦しつつ反射された光を前記第２のファイバカプラに導くように前記第２のファイバカプラに接続され、
    前記第３の光ファイバは、前記複数の第１の光ファイバおよび前記第４の光ファイバにより前記第１のファイバカプラに導かれた光を前記分光部に導くように前記第１のファイバカプラに接続される、請求項５記載の共焦点変位計。
  7. 前記合成部は、ファイバカプラと、複数の前記第１の光ファイバと、前記第２の光ファイバと、第３の光ファイバとを含み、
    前記第２の光ファイバは、前記投光部により出射された光を前記ファイバカプラに導くように前記ファイバカプラに接続され、
    前記複数の第１の光ファイバの各々は、前記第２の光ファイバにより前記ファイバカプラに導かれた光を前記光学部材に導くとともに、前記計測対象物の表面で合焦しつつ反射された光を前記ファイバカプラに導くように前記ファイバカプラに接続され、
    前記第３の光ファイバは、前記複数の第１の光ファイバにより前記ファイバカプラに導かれ光を前記分光部に導くように前記ファイバカプラに接続される、請求項５記載の共焦点変位計。
  8. 前記変位計測部は、
    前記複数のピンホールを通過した複数の光をそれぞれ分光する分光部と、
    前記分光部により分光された複数の光をそれぞれ受光し、前記複数のピンホールを通過した複数の光の各々について波長ごとの受光量を示す電気的な複数の受光信号を出力する受光部と、
    前記受光部から出力される複数の受光信号を波長ごとに平均または積算することにより前記波長ごとの信号強度として平均信号を算出し、算出された平均信号に基づいて前記計測対象物の変位を算出する算出部とを含む、請求項２〜４のいずれか一項に記載の共焦点変位計。
  9. 前記変位計測部は、
    前記複数のピンホールを通過した複数の光を部分的に合成することにより複数の合成光を生成する合成部と、
    前記合成部により合成された複数の合成光をそれぞれ分光する分光部と、
    前記分光部により分光された複数の光をそれぞれ受光し、前記複数のピンホールを通過した複数の光の各々について波長ごとの受光量を示す電気的な複数の受光信号を出力する受光部と、
    前記受光部から出力される複数の受光信号を波長ごとに平均または積算することにより前記波長ごとの信号強度として平均信号を算出し、算出された平均信号に基づいて前記計測対象物の変位を算出する算出部とを含む、請求項２〜４のいずれか一項に記載の共焦点変位計。
  10. 前記変位計測部は、
    複数の光が前記計測対象物に順次照射されるように、前記光学部材により収束された光の前記計測対象物への照射と非照射とを切り替える切替部と、
    前記切替部により前記計測対象物に照射された後、前記複数のピンホールを順次通過した複数の光をそれぞれ分光する分光部と、
    前記分光部により分光された複数の光を単一の露光期間内に受光し、受光した光について波長ごとの受光量を示す電気的な受光信号を平均信号として出力する受光部と、
    前記受光部から出力される平均信号に基づいて前記計測対象物の変位を算出する算出部とを含む、請求項２〜４のいずれか一項に記載の共焦点変位計。
  11. 前記変位計測部は、
    複数の光が前記計測対象物に順次照射されるように、前記光学部材により収束された光の前記計測対象物への照射と非照射とを切り替える切替部と、
    前記切替部により前記計測対象物に照射された後、前記複数のピンホールを順次通過した複数の光をそれぞれ分光する分光部と、
    前記分光部により分光された複数の光をそれぞれ受光し、前記複数のピンホールを通過した複数の光の各々について波長ごとの受光量を示す電気的な複数の受光信号を出力する受光部と、
    前記受光部から出力される複数の受光信号を波長ごとに平均または積算することにより前記波長ごとの信号強度として平均信号を算出し、算出された平均信号に基づいて前記計測対象物の変位を算出する算出部とを含む、請求項２〜４のいずれか一項に記載の共焦点変位計。
  12. 前記第１の光ファイバは、前記投光部により出射された光を前記光学部材に導くように設けられる、請求項２〜１１のいずれか一項に記載の共焦点変位計。
  13. 処理装置と、
    ヘッド部とをさらに備え、
    前記処理装置は、前記投光部、前記分光部、前記受光部および前記算出部を含むとともに、前記投光部、前記分光部、前記受光部および前記算出部を収容する第１の筐体をさらに含み、
    前記ヘッド部は、前記光学部材を含むとともに、前記光学部材を収容する第２の筐体をさらに含む、請求項５〜１２のいずれか一項に記載の共焦点変位計。
  14. 前記第１の光ファイバの端部の前記ピンホールは、前記ヘッド部内に設けられ、
    前記第１の光ファイバは、前記ヘッド部から前記処理装置に光を導くように配置される、請求項１３記載の共焦点変位計。
  15. 前記複数のピンホールは、光路に交差する面内で並ぶように配置される、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の共焦点変位計。
  16. 複数のピンホールは、前記光学部材により収束された光のうち、前記計測対象物の表面の複数の部分で合焦しつつ反射された複数の光をそれぞれ通過させるように配置される、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の共焦点変位計。
  17. 前記投光部は、
    単一波長の光を出射する光源と、
    前記光源により出射された光を吸収して前記光源により出射された光の波長とは異なる波長の光を放出する蛍光体とを含む、請求項１または２記載の共焦点変位計。
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