JP2012208102A - 共焦点計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、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、光の波長による、計測対象物の変位を計測する精度の変動を抑えた共焦点計測装置を提供する。
【解決手段】本発明は、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る。共焦点計測装置１００は、白色ＬＥＤ２１と、白色ＬＥＤ２１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１と、回折レンズ１より計測対象物２００側に配置され、回折レンズ１で色収差を生じさせた光を計測対象物２００に集光する対物レンズ２と、対物レンズ２で集光した光のうち、計測対象物２００において合焦する光を通過させるピンホールと、ピンホールを通過した光の波長を測定する波長測定部とを備えている。回折レンズ１の焦点距離は、回折レンズ１から対物レンズ２までの距離と、対物レンズ２の焦点距離との差より大きい。
【選択図】図１

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）から出射する光に、光軸に沿って色収差を生じさせる色収差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、合焦する色収差レンズからの光の波長が異なることで、ピンホールを通過する光の波長が変化し、ピンホールを通過した光の波長を測定して計測対象物の変位を計測する。

また、特許文献２に開示してある共焦点計測装置は、色収差レンズに代えて、回折レンズを用いて、光源から出射する光に、光軸に沿って色収差を生じさせている。なお、特許文献２に開示してある共焦点計測装置は、光源からコリメートレンズまでの光路、およびコリメートレンズから分光器までの光路に光ファイバを用いている。

米国特許第４５８５３４９号明細書 米国特許第５７８５６５１号明細書

しかし、特許文献１および２に開示してある共焦点計測装置は、色収差レンズまたは回折レンズで光を計測対象物に合焦するため、色収差レンズまたは回折レンズの光学特性上、光の波長に依存して被写界深度が大きく変化する。光の波長によって被写界深度が大きく変化すると、ピンホールを通過することができる光量が光の波長ごとに異なることになり、特許文献１および２に開示してある共焦点計測装置は、計測対象物の変位を計測する精度（分解能）が光の波長により大きく変動するという問題があった。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、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、光の波長による、計測対象物の変位を計測する精度の変動を抑えた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計測装置である。共焦点計測装置は、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と、対物レンズで集光した光のうち、計測対象物において合焦する光を通過させるピンホールと、ピンホールを通過した光の強度を波長ごとに測定する測定部とを備え、回折レンズの焦点距離は、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い。

また、本発明の共焦点計測装置では、好ましくは、回折レンズから対物レンズまでの距離は、対物レンズの焦点距離に略等しい。

また、本発明の共焦点計測装置では、好ましくは、対物レンズが交換可能である。
また、本発明の共焦点計測装置では、好ましくは、回折レンズから測定部までの光路に光ファイバを備え、光ファイバをピンホールとして用いる。

また、本発明の共焦点計測装置では、好ましくは、回折レンズは、ガラス基板と、ガラス基板の少なくとも一面に形成され、光軸方向に沿って色収差を生じさせるパターンの樹脂層とを有する。

上記構成によれば、本発明に従った共焦点計測装置は、対物レンズを回折レンズより計測対象物側に配置し、回折レンズの焦点距離を、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することで、光の波長による被写界深度の変化を抑え、光の波長による、計測対象物の変位を計測する精度の変動を抑えている。

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。 従来の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。 従来の共焦点計測装置で計測した計測対象物の変位のスペクトル波形の一例を示す図である。 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の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に係る共焦点計測装置で計測した計測対象物の変位のスペクトル波形の一例を示す図である。 ワーク高さに対するスペクトルの半値幅の変化を示すグラフである。 回折レンズの開口数と、対物レンズの開口数との比較を示すグラフである。 本発明の実施の形態１に係る共焦点計測装置のヘッド部の構成を示す模式図である。 複数の材料で構成した回折レンズの模式図である。 本発明の実施の形態２に係る共焦点計測装置のヘッド部の構成を示す概略図である。 本発明の実施の形態２に係る共焦点計測装置の分光器の構成を示す概略図である。 本発明の実施の形態２に係る共焦点計測装置の白色ＬＥＤと光ファイバとの結合部の構成を示す概略図である。 蛍光体方式を採用した白色ＬＥＤの分光スペクトルを示す図である。 撮像素子の受光波形と閾値の関係を示した図である。 白色ＬＥＤの発光強度を調整する動作を説明するためのフローチャートである。

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、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、後述する複数の波長の光を出射する光源（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。光ファイバ１１から出射する光を、回折レンズ１で有効に利用するには、光ファイバ１１の開口数（ＮＡ：numerical aperture）と回折レンズ１の開口数とを一致させる必要がある。そのため、光ファイバ１１と回折レンズ１との間に集光レンズ３を設けて、光ファイバ１１の開口数と回折レンズ１の開口数とが一致するように調整している。

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で合焦する光は、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測定するライン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測定する測定部を構成している。なお、測定部は、ヘッド部１０から戻る光の強度を波長ごとに測定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。また、撮像素子２４は、２次元のＣＭＯＳや２次元のＣＣＤであってもよい。

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。

次に、ヘッド部１０の共焦点光学系を、回折レンズ１より計測対象物２００側に対物レンズ２を配置し、回折レンズ１の焦点距離を、回折レンズ１から対物レンズ２までの距離と、対物レンズ２の焦点距離との差より大きくすることで、共焦点計測装置１００が、光の波長による、計測対象物２００の変位を計測する精度の変動を抑えていることについて説明する。

まず、図２は、従来の共焦点計測装置において採用されていたヘッド部の共焦点光学系の構成を示す模式図である。図２に示す共焦点光学系の構成は、コリメートレンズ３００より計測対象物２００側に回折レンズ４００を配置する構成である。つまり、従来の共焦点計測装置では、光ファイバ１１の端部から出射する光をコリメートレンズ３００で平行光にし、平行光を回折レンズ４００で計測対象物２００に集光するとともに、光軸方向に沿って色収差を生じさせている。

従来の共焦点計測装置は、回折レンズ４００で光を計測対象物２００に集光するため、回折レンズ４００の光学特性上、光の波長に依存して被写界深度が大きく変化する。光の波長によって被写界深度が大きく変化すると、光ファイバ１１に入射することができる光量（ピンホールを通過することができる光量）が光の波長ごとに異なることになり、従来の共焦点計測装置は、計測対象物の変位を計測する精度（分解能）が光の波長により大きく変動する。

計測対象物の変位を計測する精度は、共焦点計測装置の測定部で得られるスペクトル波形におけるスペクトルの半値幅で評価することができる。ここで、スペクトルの半値幅とは、ピークの光の強度に対して１／２の光の強度となるスペクトルの２点間の距離をいう。

図３は、従来の共焦点計測装置で計測した計測対象物の変位のスペクトル波形の一例を示す図である。図３に示すスペクトル波形では、横軸が光の波長に対応するワーク高さ（計測対象物２００からヘッド部１０の先端までの高さをゼロと設定）（ｍｍ）、縦軸が光の強度（規格化した値）である。スペクトル波形は、複数のスペクトルのピークが図示されており、ワーク高さが正側（光の波長が長い側）にあるスペクトルの半値幅に比べて、ワーク高さが負側（光の波長が短い側）にあるスペクトルの半値幅が大きい。なお、この半値幅は、光ファイバ１１の直径および光ファイバ１１側のレンズ３００の焦点深度にも依存する。光ファイバ１１の直径が小さくなる、もしくはレンズ３００の焦点深度が浅くなることで、半値幅が狭くなる。ただし、光ファイバ１１の直径および光ファイバ１１側のレンズ３００の焦点深度は、計測装置内で固定されているため、ワークの高さによる半値幅の相対的な違いが変化することはない。

具体的に、ワーク高さが約−０．６ｍｍのスペクトルの半値幅Ａは、約０．０４６ｍｍであるが、ワーク高さが約０．６ｍｍのスペクトルの半値幅Ｂは、約０．０２３ｍｍである。つまり、スペクトルの半値幅Ａは、スペクトルの半値幅Ｂに比べて約２倍になっており、ワーク高さが小さく（光の波長が短く）なるにつれてスペクトルの半値幅が大きくなっている。なお、スペクトルのピークが、ワーク高さにより変化するのは、白色光源に含まれる光の強度が光の波長により異なっているためである。

従来の共焦点計測装置は、ワーク高さが小さく（光の波長が短く）なるにつれてスペクトルの半値幅が大きくなることから、ワーク高さが小さく（光の波長が短く）なるにつれて計測対象物２００の変位を計測する精度が悪くなることがわかる。

次に、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の共焦点光学系の構成を示す模式図である。図４に示す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、共焦点計測装置１００では、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。

共焦点計測装置１００は、回折レンズ１で光を計測対象物２００に集光するのではなく、対物レンズ２で光を計測対象物２００に集光するので、後述する理由により、光の波長による被写界深度の変化を抑え、光の波長による、計測対象物２００の変位を計測する精度の変動を抑えている。

図５は、本発明の実施の形態１に係る共焦点計測装置１００で計測した計測対象物の変位のスペクトル波形の一例を示す図である。図５に示すスペクトル波形では、横軸が光の波長に対応するワーク高さ（計測対象物２００からヘッド部１０の先端までの高さをゼロに設定）（ｍｍ）、縦軸が光の強度（規格化した値）である。スペクトル波形は、複数のスペクトルのピークが図示されており、ワーク高さが負側（光の波長が短い側）にあるスペクトルの半値幅と、ワーク高さが正側（光の波長が長い側）にあるスペクトルの半値幅とが略等しい。

具体的に、ワーク高さが約−０．６ｍｍのスペクトルの半値幅Ｃは、約０．０２５ｍｍで、ワーク高さが約０．６ｍｍのスペクトルの半値幅Ｄは、約０．０２９ｍｍである。つまり、スペクトルの半値幅Ｃは、スペクトルの半値幅Ｄに略等しい。

したがって、共焦点計測装置１００は、ワーク高さ（光の波長）が変化してもスペクトルの半値幅が変化しにくくなるので、光の波長による、計測対象物２００の変位を計測する精度の変動を抑えている。

図６は、ワーク高さに対するスペクトルの半値幅の変化を示すグラフである。図６に示すグラフには、従来の共焦点計測装置に係るスペクトルの半値幅（図３に示すスペクトルの半値幅）を示す折れ線ａと、共焦点計測装置１００に係るスペクトルの半値幅（図５に示すスペクトルの半値幅）を示す折れ線ｂとを図示してある。折れ線ａは、ワーク高さが小さく（光の波長が短く）なるにつれてスペクトルの半値幅が大きくなっているが、折れ線ｂは、ワーク高さ（光の波長）にかかわらず略一定である。具体的に、折れ線ａに示すスペクトルの半値幅は、傾きを持って約０．０２３ｍｍから約０．０４６ｍｍまで変化しているが、折れ線ｂに示すスペクトルの半値幅は、約０．０３０ｍｍを中心に約０．０２３ｍｍから約０．０３４ｍｍまで変化している。

次に、共焦点計測装置１００が、光の波長による被写界深度の変化を抑え、光の波長による、計測対象物２００の変位を計測する精度の変動を抑えていることについて数式を用いて理論的に説明する。

まず、図４に示す共焦点計測装置１００の光学系において、光ファイバ１１の端部から回折レンズ１までの距離をａ、回折レンズ１から対物レンズ２までの距離をｂ、対物レンズ２から対物レンズ２により合焦する点までの距離をｃ（λ）とする。さらに、回折レンズ１は、光の波長λ₀ のときの焦点距離をｆ_d0とし、有効径をφ_a とする。なお、距離ａは、焦点距離ｆ_d0とは等しいものとする。対物レンズ２は、焦点距離をｆ_o とし、有効径をφ_b （λ）とする。

一方、図２に示す従来の共焦点計測装置の光学系において、計算を簡単にするために、光ファイバ１１の端部からコリメートレンズ３００までの距離をａ、コリメートレンズ３００から回折レンズ４００までの距離をｂ、回折レンズ４００から回折レンズ４００により合焦する点までの距離をｃ（λ）とする。さらに、コリメートレンズ３００は、焦点距離をｆ_d0とする。なお、距離ａは、焦点距離ｆ_d0とは等しいものとする。回折レンズ４００は、光の波長λ₀ のときの焦点距離をｆ_o とし、有効径をφ_a とする。

回折レンズ４００の焦点距離ｆ_d （λ）は、光の波長λの関数であり、光の波長λ₀ のときの焦点距離をｆ_o とすると、一般的は回折レンズの公式を用いて（式１）のように表すことができる。

さらに、回折レンズ４００の開口数ＮＡ₁ （λ）は、（式１）の関係を用いて、（式２）のように表すことができる。

次に、図４に示す共焦点計測装置１００の光学系において、一般的なレンズの公式を用いて、光ファイバ１１の端部から回折レンズ１までの距離ａと、回折レンズ１から回折レンズ１により光ファイバ１１からの出射光が合焦する点まで距離ａ_g （λ）（図示せず）と、回折レンズ１の焦点距離ｆ_d （λ）との関係、および回折レンズ１から対物レンズ２までの距離ｂと、対物レンズ２から対物レンズ２により合焦する点までの距離ｃ（λ）と、対物レンズ２の焦点距離ｆ_o との関係を（式３）のように表すことができる。なおここで、対物レンズの色収差は無視できるものとしている。

さらに、対物レンズ２の有効径φ_b （λ）は、（式３）の関係を用いて、（式４）のように表すことができる。

また、対物レンズ２から対物レンズ２により合焦する点までの距離ｃ（λ）は、（式３），（式４）の関係を用いて、（式５）のように表すことができる。

さらに、対物レンズ２の開口数ＮＡ₂ （λ）は、（式３）〜（式５）の関係を用いて、（式６）のように表すことができる。

距離ａは、焦点距離ｆ_d0と等しいものとするとすると、（式６）は、ｆ_d0＝ａとして、（式７）のように表すことができる。

ここで、従来の構成の対物レンズに相当する回折レンズ４００の開口数ＮＡ₁ （λ）と、本発明の対物レンズ２の開口数ＮＡ₂ （λ）と比較する。このとき、（式８）に示す条件を考慮する。（式８）に示す条件は、光の波長λ₀ のときの回折レンズ１の焦点距離ｆ_d0（設計波長の焦点距離）が、回折レンズ１から対物レンズ２までの距離ｂと、対物レンズの焦点距離との差より大きい。

（式８）に示す条件を考慮すると、対物レンズ２の開口数ＮＡ₂ （λ）は、回折レンズ４００の開口数ＮＡ₁ （λ）に比べて、光の波長λに対する変化率（光の波長λの関数の傾き）が小さい。

図７は、回折レンズ４００の開口数と、対物レンズ２の開口数との比較を示すグラフである。図７に示すグラフは、横軸が光の波長、縦軸が開口数の逆正弦値である。そして、直線ｃは、回折レンズ４００の開口数ＮＡ₁ （λ）を、直線ｄは、対物レンズ２の開口数ＮＡ₂ （λ）それぞれ表している。

直線ｄは、（式８）に示す条件を考慮すると、直線ｃに比べて傾きが小さい。つまり、対物レンズ２の開口数ＮＡ₂ （λ）は、回折レンズ４００の開口数ＮＡ₁ （λ）に比べて、光の波長λに対して変化しにくいことを示している。対物レンズ２の開口数ＮＡ₂ （λ）が光の波長λに対して変化しにくいということから、対物レンズ２は、光の波長λによる被写界深度の変化を抑えることができる。

なお、距離ｂと焦点距離ｆ_d0とが等しい場合（ｂ＝ｆ_d0）、対物レンズ２の開口数ＮＡ₂ （λ）は、光の波長λの変数を含まない一定値となる。つまり、対物レンズ２の開口数ＮＡ₂ （λ）は、光の波長λに対して変化しない。そのため、共焦点計測装置１００は、光の波長λを変化させても、光ファイバ１１に入射することができる光量（ピンホールを通過することができる光量）が一定となり、計測対象物の変位を計測する精度が光の波長によらず一定となる。

次に、ヘッド部１０についてさらに詳しく説明する。図８は、本発明の実施の形態１に係る共焦点計測装置１００のヘッド部１０の構成を示す模式図である。図８に示すヘッド部１０は、対物レンズ２をスペーサ４に接着し、該スペーサ４を取り外し可能にしてあるので、対物レンズ２を交換することが可能である。具体的に、ヘッド部１０からリング５を外し、スペーサ４を光軸方向に移動させてヘッド部１０からスペーサ４を取り外し、異なる焦点距離の対物レンズ２を接着してあるスペーサ４をヘッド部１０に挿入することで、ヘッド部１０は、対物レンズ２を容易に交換することができる。異なる焦点距離の対物レンズ２に交換することで、共焦点計測装置１００は、ヘッド部１０と計測対象物２００との距離や、測定可能なワーク高さ（ＷＤ）のレンジを変更することができる。

ここで、対物レンズ２には、一般的な光学レンズを用いているが、屈折率の異なる２種類の硝材で作られた凸レンズと凹レンズとを、近接あるいは接着したアクロマティックレンズを用いてもよい。アクロマティックレンズは、色収差を除去するように設計してあるので、共焦点計測装置１００は、アクロマティックレンズを対物レンズ２に用いることで、光の波長λによる、計測対象物２００の変位を計測する精度の変動をさらに抑えている。

また、光ファイバ１１は、マルチモードファイバを用いても、シングルモードファイバを用いてもよい。マルチモードファイバを用いた光ファイバ１１は、ファイバの直径が大きいため、白色ＬＥＤ２１からの出射光を伝送するときの光パワーのロスを少なくすることができ、光反射率の低い計測対象物でも高いＳ／Ｎ比で安定して計測することができる。シングルモードファイバを用いた光ファイバ１１は、ファイバの直径が数μｍと小さいため、ピンホールとしても機能することで、前述のように受光波形の半値幅を狭くすることができ、精度よく計測することができる。一般的に、光ファイバを共焦点光学系に用いた場合、光パワーのロスが大きくなるためＳ／Ｎ比が問題となることが多く、光ファイバ１１にマルチモードファイバを用いることが望ましい。

また、光ファイバ１１には、耐屈曲ファイバを用いることが望ましい。ヘッド部１０は、電子部品実装装置等の駆動部分に取り付けられることが多く、その場合にはヘッド部１０自体も移動することになる。そのため、ヘッド部１０に接続された光ファイバ１１は、ヘッド部１０の移動方向に絶えず曲げられるため、耐屈曲ファイバを用いることで損傷を防ぐことができる。

さらに、回折レンズ１は、ガラスまたは樹脂などの単一材料の基板に、光軸方向に沿って色収差を生じさせるパターンを形成した構成に限定されるものではなく、複数の材料で構成してもよい。図９は、複数の材料で構成した回折レンズ１の模式図である。図９に示す回折レンズ１は、ガラス基板１ａと、ガラス基板１ａの片面に形成され、光軸方向に沿って色収差を生じさせるパターンの樹脂層１ｂとを有する。

樹脂層１ｂは、ガラス基板１ａに紫外線硬化樹脂を塗布し、所望のパターンの型を紫外線硬化樹脂を塗布したガラス基板１ａの面に押し付け、紫外線を照射して紫外線硬化樹脂を硬化することで形成することができる。

ガラスのみで構成した回折レンズ１は、硬いガラスを加工して、光軸方向に沿って色収差を生じさせるパターンを形成するため製造コストが高価になる。しかし、ガラス基板１ａと、樹脂層１ｂとで構成する回折レンズ１は、所望のパターンの型で樹脂層１ｂを加工して、光軸方向に沿って色収差を生じさせるパターンを形成するため製造コストが安価になる。

また、樹脂のみで構成した回折レンズ１は、環境温度による形状の変化が大きく、温度特性が悪い。しかし、ガラス基板１ａと、樹脂層１ｂとで構成する回折レンズ１は、環境温度による形状の変化が小さいガラス基板１ａが構成の大部分を占めるため、温度特性がよい。

なお、図９に示す回折レンズ１は、ガラス基板１ａの片面に樹脂層１ｂを形成する場合に限定するものではなく、ガラス基板１ａの両面に樹脂層１ｂを形成してあってもよい。

以上のように、本発明に従った共焦点計測装置１００は、対物レンズ２を回折レンズ１より計測対象物２００側に配置し、回折レンズ１の焦点距離を、回折レンズ１から対物レンズ２までの距離と、対物レンズ２の焦点距離との差より大きくすることで、光の波長による被写界深度の変化を抑え、光の波長による、計測対象物２００の変位を計測する精度の変動を抑えている。

（実施の形態２）
図１に示した共焦点計測装置１００を構成するヘッド部１０、分光器２３、白色ＬＥＤ２１と光ファイバ２２ｂとの結合部について、別の構成のヘッド部、分光器、白色ＬＥＤと光ファイバとの結合部について説明する。

図１０は、本発明の実施の形態２に係る共焦点計測装置１００のヘッド部の構成を示す概略図である。図１０に示すヘッド部１０ａは、回折レンズ１を有する本体ユニット１２と、対物レンズ２を有する対物レンズユニット１３とを含んでいる。対物レンズユニット１３は、測定する対象物に応じて異なる対物レンズ２を有するものが用意されており、本体ユニット１２に嵌合する構成であるため、容易に交換することができる。本体ユニット１２と、対物レンズユニット１３との嵌合方式は、本体ユニット１２と対物レンズユニット１３とを固定することが可能であれば、ネジ式、嵌込み式などいずれの方式であってもよい。

本体ユニット１２には、光ファイバ１１と接続するためのファイバレセプタクル１４を設けてある。なお、光ファイバ１１は、本体ユニット１２に接続する側の端部にファイバレセプタクル１４と嵌合させることが可能な光コネクタ１５を設けてある。本体ユニット１２は、ファイバレセプタクル１４と光コネクタ１５とを嵌合させることで、光ファイバ１１を着脱可能に接続することができる。本体ユニット１２と光ファイバ１１とを着脱可能にすることで、共焦点計測装置１００を設置した現場で光ファイバ１１が破損した場合でも、ヘッド部１０ａ全体を交換することなく、光ファイバ１１を交換するだけで済み、共焦点計測装置１００のランニングコストを低減することができる。また、光ファイバ１１を交換するだけであるため、ヘッド部１０ａの光軸を再調整する必要もなく、光ファイバ１１の交換後すぐに測定を再開することが可能である。

光ファイバ１１は、本体ユニット１２に接続する側の端部の面（端面）が、光軸に対して斜めにカットされたＡＰＣ（Angled PC）研磨のファイバを用いている。そのため、光ファイバ１１の端面からの反射光を低減することができ、反射光による受光波形へのオフセットを減らし計測レンジが狭まるのを抑えることができる。なお、ＡＰＣ研磨した光ファイバ１１を用いる場合、光の出射方向が光ファイバ１１の光軸に対して斜めになるので、光の出射方向が本体ユニット１２の中心軸に沿うように、ファイバレセプタクル１４の中心軸を本体ユニット１２の中心軸に対して斜めに設置する必要がある。

また、図１０に示すヘッド部１０ａは、形状を小さくするため、対物レンズ２の焦点距離に比べて、回折レンズ１と対物レンズ２との距離を短くしている。さらに、図１０に示すヘッド部１０ａは、図８に示す集光レンズ３を採用していない。そのため、図１０に示すヘッド部１０ａは、図８に示すヘッド部１０に比べて光の利用効率が悪くなるが、レンズの枚数を減らせるため、レンズのコストとレンズの調整工数を削減することができる。

次に、図１１は、本発明の実施の形態２に係る共焦点計測装置１００の分光器の構成を示す概略図である。図１１に示す分光器２３０は、ツェルニターナ型であり、回折格子２３ｂ、集光レンズ２３ｃ、コリメートレンズ２３ｄを含んでいる。なお、図１１において分光器２３０は、図１に示す分光器２３と同じ構成要素について同じ番号を付与してある。

分光器２３０には、光ファイバ２２ｃを経由してヘッド部１０から戻る光が入射される。光ファイバ２２ｃから出射した光はコリメートレンズ２３ｄによってコリメート光となり、回折格子２３ｂで反射された後、集光レンズ２３ｃで集光されて撮像素子２４であるＣＣＤに照射する。

光ファイバ２２ｃの端部にはファイバフェルール部２２ｃ１を設け、ファイバフェルール部２２ｃ１はファイバレセプタクル部２３ｅに固定される。回折格子２３ｂ、集光レンズ２３ｃ、コリメートレンズ２３ｄ、ファイバレセプタクル２３ｅ、および撮像素子２４は、それぞれの位置が容易にずれないように、分光器ベース部２３ｆに固定してある。

分光器２３０は、光ファイバ２２ｃから入射した光をコリメート光にするために、反射鏡ではなくて単レンズのコリメートレンズ２３ｄを用いているので、コストを低減することができる。

次に、図１２は、本発明の実施の形態２に係る共焦点計測装置１００の白色ＬＥＤと光ファイバとの結合部の構成を示す概略図である。図１２に示す白色ＬＥＤ２１と光ファイバ２２ｂとの結合部は、保持筐体２１０、ファイバ留め具２１１を含んでいる。保持筐体２１０には、白色ＬＥＤ２１を実装した基板２１ａをネジなどで固定してある。保持筐体２１０は、アルミ合金等の金属製であり、白色ＬＥＤ２１を点灯したときに発生する熱を基板２１ａ介して放熱しやすくなっている。なお、白色ＬＥＤ２１は、発熱量を抑えるためにはパルス点灯が望ましいが、ノイズを抑えるためには連続点灯の方が望ましい。

保持筐体２１０は、白色ＬＥＤ２１の光軸上に設けた凹部に光ファイバ２２ｂのファイバフェルール部２２ｂ１を差込み、ファイバ留め具２１１で光ファイバ２２ｂすることで、白色ＬＥＤ２１と光ファイバ２２ｂとの結合部を構成している。光ファイバ２２ｂのファイバフェルール部２２ｂ１は、ファイバ先端保護する金属もしくはセラミック製の部品であり、先端の直径が５０μｍ程度である。

なお、白色ＬＥＤ２１とファイバフェルール部２２ｂ１の先端との距離は、光の利用効率向上のため、できるだけ短い方がよい。しかし、製造バラツキを考慮して、白色ＬＥＤ２１、ファイバフェルール部２２ｂ１などの寸法公差分だけ、白色ＬＥＤ２１とファイバフェルール部２２ｂ１の先端との距離を開けておく必要がある。

次に、実施の形態２に係る共焦点計測装置１００に用いる白色ＬＥＤ２１について詳しく説明する。白色ＬＥＤ２１は、蛍光体方式のものを採用している。蛍光体方式の白色ＬＥＤは、青またはそれよりも波長の短い発光ダイオードのチップを蛍光体で覆った構造で、チップからの出射光とそれによる蛍光体の励起光とを得ることで白色光を得ている。

図１３は、蛍光体方式を採用した白色ＬＥＤ２１の分光スペクトルを示す図である。図１３に示す分光スペクトルは、青色の部分（波長４４０ｎｍ付近）に強い強度をもつ成分と、波長５００ｎｍ〜７００ｎｍにかけて滑らかに強度が変化する成分との、２つの成分を含んでいる。分光スペクトルの強い強度をもつ成分は、チップからの出射光の成分であり、分光スペクトルの滑らかに強度が変化する成分は、蛍光体の励起光の成分である。

ここで、本発明の実施の形態２に係る共焦点計測装置１００では、波長軸に対して均一に近い強度分布を持つ光源が理想であるため、分光スペクトルの滑らかに強度が変化する成分を用いることが望ましい。分光スペクトルの滑らかに強度が変化する成分のピーク（波長５６０ｎｍあたり）に対して、半分以上の強度が得られる波長を、共焦点計測装置１００の計測領域（波長５２０〜６５０ｎｍ）とする。

次に、本発明の実施の形態２に係る共焦点計測装置１００では、安定した測定結果を得るために白色ＬＥＤ２１の発光強度を調整している。つまり、共焦点計測装置１００は、白色ＬＥＤ２１の発光強度が大きすぎると、撮像素子２４の受光波形が飽和してしまうため正しいピークを得ることができず、逆に白色ＬＥＤ２１の発光強度が小さすぎると、撮像素子２４の受光波形がノイズに埋もれてしまうため正しいピークを得ることができない。

また、白色ＬＥＤ２１の分光スペクトルは、前述したように、波長に対して発光強度が変化して一定ではない。そのため、安定した測定結果を得るために白色ＬＥＤ２１の発光強度を調整する必要がある。

図１４は、撮像素子２４の受光波形と閾値の関係を示した図である。安定した測定結果を得るために、撮像素子２４の受光波形のピークが第１閾値と第２閾値との間となるように白色ＬＥＤ２１の発光強度を調整する。

図１５は、白色ＬＥＤ２１の発光強度を調整する動作を説明するためのフローチャートである。まず、撮像素子２４は、図１４に示すような受光波形を取込む（ステップＳ１５１）。次に、図１に示す制御回路部２５は、撮像素子２４で取込んだ受光波形にピークが含まれているか否かを判断する（ステップＳ１５２）。制御回路部２５は、撮像素子２４で取込んだ受光波形にピークが含まれていないと判断した場合（ステップＳ１５２：ＮＯ）、白色ＬＥＤ２１の発光強度が大きくなるように、投入電流を大きくしたり、発光パルス幅を広くしたりする（ステップＳ１５３）。

制御回路部２５は、撮像素子２４で取込んだ受光波形にピークが含まれていると判断した場合（ステップＳ１５２：ＹＥＳ）、受光波形のピークが図１４に示すような第１閾値以上であるか否かを判断する（ステップＳ１５４）。制御回路部２５は、受光波形のピークが第１閾値以上でない（第１閾値より小さい）と判断した場合（ステップＳ１５４：ＮＯ）、処理をステップＳ１５３に進め、白色ＬＥＤ２１の発光強度が大きくなるように、投入電流を大きくしたり、発光パルス幅を広くしたりする。

制御回路部２５は、受光波形のピークが第１閾値以上であると判断した場合（ステップＳ１５４：ＹＥＳ）、受光波形のピークが図１４に示すような第２閾値より小さいか否かを判断する（ステップＳ１５５）。制御回路部２５は、受光波形のピークが第２閾値より小さくない（第２閾値以上）と判断した場合（ステップＳ１５５：ＮＯ）、白色ＬＥＤ２１の発光強度が小さくなるように、投入電流を小さくしたり、発光パルス幅を狭くしたりする（ステップＳ１５６）。

制御回路部２５は、受光波形のピークが第２閾値より小さいと判断した場合（ステップＳ１５５：ＹＥＳ）、処理を終了する。

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１００は、図１５に示すフローチャートのように白色ＬＥＤ２１の発光強度を調整することで、白色ＬＥＤ２１の波長により受光波形のピークが変化しても、計測対象物の反射率によって受光波形のピークが変化しても、安定した測定結果を得ることができる。

なお、図１５に示すフローチャートでは、白色ＬＥＤ２１の投入電流を調整したり、発光パルス幅を調整したりすることで、白色ＬＥＤ２１の発光強度を調整する場合について説明したが、撮像素子２４の撮像時間や増幅率を変化させて、安定した測定結果を得るように受光波形のピークを調整してもよい。

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。

１，４００ 回折レンズ、２ 対物レンズ、３，２３ｃ 集光レンズ、４ スペーサ、５ リング、１０、１０ａ ヘッド部、１１，２２ａ，２２ｂ，２２ｃ 光ファイバ、１２ 本体ユニット、１３ 対物レンズユニット、１４，２３ｅ ファイバレセプタクル、１５ 光コネクタ、２０ コントローラ部、２１ 白色ＬＥＤ、２２ 分岐光ファイバ、２２ｂ１，２２ｃ１ ファイバフェルール部、２３，２３０ 分光器、２３ａ 凹面ミラー、２３ｂ 回折格子、２３ｄ コリメートレンズ、２３ｆ 分光器ベース部、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、２１０ 保持筐体、２１１ ファイバ留め具、３００ コリメートレンズ。

Claims (5)

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と、
   前記対物レンズで集光した光のうち、前記計測対象物において合焦する光を通過させるピンホールと、
   前記ピンホールを通過した光の強度を波長ごとに測定する測定部と
   を備え、
   前記回折レンズの焦点距離は、前記回折レンズから前記対物レンズまでの距離と、前記対物レンズの焦点距離との差より大きい、共焦点計測装置。
2. 前記回折レンズから前記対物レンズまでの距離は、前記対物レンズの焦点距離に略等しい、請求項１に記載の共焦点計測装置。
3. 前記対物レンズが交換可能である、請求項１または２に記載の共焦点計測装置。
4. 前記回折レンズから前記測定部までの光路に光ファイバを備え、
   前記光ファイバを前記ピンホールとして用いる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の共焦点計測装置。
5. 前記回折レンズは、ガラス基板と、前記ガラス基板の少なくとも一面に形成され、光軸方向に沿って色収差を生じさせるパターンの樹脂層とを有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の共焦点計測装置。

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