JP2017116509A - 共焦点変位計 - Google Patents

Abstract

【課題】周辺環境の影響を受け難く、投光用光源の温度上昇に起因する測定精度の低下を抑制することができる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からなる検出光を生成する投光用光源と、検出光を検出対象物に向けて出射する対物レンズを有し、検出光に軸上色収差を生じさせる共焦点光学系と、検出対象物によって反射された後、共焦点光学系を通過した反射光を分光する分光器と、分光された反射光を受光して受光信号を生成するイメージセンサ２６と、受光信号に基づいて、距離に関する受光強度の分布からなる受光波形を取得する受光波形取得手段１０１と、受光波形に基づいて、特徴部分のピーク位置を特定する特徴部分位置取得手段１０８と、特定されたピーク位置を基準位置と比較して補正量を求める補正量算出手段１１０と、上記受光波形及び上記補正量に基づいて、検出対象物までの距離を求める距離算出手段１０４を備える。
【選択図】図７

Description

本発明は、共焦点変位計に係り、さらに詳しくは、共焦点光学系による軸上色収差を利用して検出対象物までの距離を計測する共焦点変位計の改良に関する。

共焦点変位計は、投光用光源の像が結像する結像面からの反射光に受光する光を絞り込むという共焦点原理と、投光用光源の像に光軸方向の色ずれが生じるという軸上色収差の現象とを利用してワークまでの距離を計測する光学式の距離計測装置である（例えば、特許文献１〜３）。例えば、共焦点変位計は、投光用光源、共焦点光学系、分光器及びイメージセンサを備える。

投光用光源は、複数の波長を有する光からなる検出光を生成する。共焦点光学系は、検出光をワークに向けて出射する対物レンズを有し、検出光による投光用光源の像に軸上色収差を生じさせる。分光器は、ワークによって反射された後、共焦点光学系を通過した反射光を分光する。イメージセンサは、分光された反射光を受光して受光信号を生成する複数の受光素子と、受光信号に基づいて、受光量に応じた電荷を蓄積する複数の容量素子とにより構成される。各受光素子は、直線状に配列される。

結像面の位置は、軸上色収差により波長ごとに異なる。このため、イメージセンサにより受光される反射光は、ワーク上に結像して反射された波長成分に絞り込まれる。ワークまでの距離は、受光信号に基づいて、距離に関する受光強度の分布からなる受光波形を取得し、ピーク位置を特定することによって計測される。この距離計測により、ワークの移動量やワークの高さ等を検知することができる。また、１つの受光波形を取得するだけで、透明体の厚さ等を検知することもできる。この様な共焦点変位計によれば、距離計測の際に、ワークの材質、色、傾きによる影響を受け難い。

従来の共焦点変位計は、投光用光源の光量が少なく、測定可能なワークが制限されるという問題があった。例えば、表面の反射率が小さいワークや、表面が鏡面状のワークを斜め方向から検出する場合、投光量が少なければ、十分な受光強度が得られず、信号波形がノイズに埋もれてしまうことから、ピーク位置の特定が困難になる。

特開２０１３−１３０５８０号公報 特開２０１４−１１５２４２号公報 特開２００５−３２２９９６号公報

上述した通り、従来の共焦点変位計は、投光用光源の光量が少なかった。そこで、投光用光源を高出力化することにより、様々なワークに対応させることが考えられる。しかしながら、投光用光源を高出力化すれば、投光用光源の温度上昇が分光器とイメージセンサとの位置関係にずれを生じさせるという問題がある。特に、分光器及びイメージセンサが共通の筐体内に配置される共焦点変位計では、投光用光源からの伝導熱による筐体の膨張により、分光器及びイメージセンサの相対的な位置関係にずれが生じ易く、距離の測定精度を低下させてしまう虞がある。

この様な投光用光源の高出力化に起因する精度低下を抑制するには、例えば、投光用光源や分光器の周辺に温度センサを配置するとともに、周辺温度と位置ずれとの対応関係を示す温度補正テーブルを予め作成し、温度センサにより計測された周辺温度に応じて測定値を補正することが考えられる。しかし、筐体が設置される場所周辺の環境の影響により、分光器及びイメージセンサ間の実際の位置ずれが温度補正テーブルに規定された値とは大きく異なってしまうという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、様々な検出対象物に対応可能でありながら、測定精度の低下を抑制することができる共焦点変位計を提供することを目的とする。特に、周辺環境の影響を受け難く、投光用光源の温度上昇に起因する測定精度の低下を抑制することができる共焦点変位計を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様による共焦点変位計は、複数の波長を有する光からなる検出光を生成する投光用光源と、上記検出光を検出対象物に向けて出射する対物レンズを有し、上記検出光に軸上色収差を生じさせる共焦点光学系と、上記検出対象物によって反射された後、上記共焦点光学系を通過した反射光を分光する分光器と、２以上の受光素子を有し、分光された上記反射光を受光して受光信号を生成するイメージセンサと、上記受光信号に基づいて、距離に関する受光強度の分布からなる受光波形を取得する受光波形取得手段と、上記受光波形に基づいて、特徴部分のピーク位置を特定する特徴部分位置取得手段と、予め取得された受光波形から得られた特徴部分のピーク位置を基準位置として保持する基準位置記憶手段と、特定された上記ピーク位置を上記基準位置と比較し、補正量を求める補正量算出手段と、上記受光波形及び上記補正量に基づいて、上記検出対象物までの距離を求める距離算出手段とを備える。

この様な構成によれば、特徴部分のピーク位置を予め取得された受光波形から得られた基準位置と比較して補正量を定めるため、周辺環境の影響を受け難く、投光用光源の温度上昇に起因する測定精度の低下を抑制することができる。

本発明の第２の態様による共焦点変位計は、上記構成に加え、上記投光用光源が、励起光を生成する励起光生成手段と、上記励起光によって励起され、上記励起光とは異なる波長の蛍光を放射する蛍光体とを有し、上記検出光が上記蛍光体を透過した上記励起光と上記蛍光体から放射された上記蛍光との混合光であり、上記特徴部分位置取得手段が、上記励起光に対応する波形領域を特徴部分としてピーク位置を特定し、上記距離算出手段が、上記蛍光に対応する波形領域のピーク位置に基づいて、上記検出対象物までの距離を求めるように構成される。この様な構成によれば、励起光に対応する波形領域は、距離計測に用いる蛍光の波形領域から離間して形成されるため、ピーク位置の特定が容易である。

本発明の第３の態様による共焦点変位計は、上記構成に加え、上記励起光生成手段が、レーザ光を上記励起光として生成するレーザ光源であるように構成される。この様な構成によれば、レーザ光は、単色光であり、鋭い受光波形を形成するため、励起光に対応する波形領域のピーク位置の特定が容易である。

本発明の第４の態様による共焦点変位計は、上記構成に加え、上記分光器が、回折格子を用いており、上記イメージセンサが、上記回折格子による０次の回折光及び１次の回折光を同時に受光して上記受光信号を生成し、上記特徴部分位置取得手段が、上記０次の回折光に対応する波形領域を特徴部分としてピーク位置を特定し、上記距離算出手段が、上記１次の回折光に対応する波形領域のピーク位置に基づいて、上記検出対象物までの距離を求めるように構成される。

この様な構成によれば、０次の回折光に対応する波形領域は、距離計測に用いる１次の回折光の波形領域から離間して形成されるため、ピーク位置の特定が容易である。また、０次の回折光は他の次数の回折光に比べて光量が多いため、ノイズに影響されることなく、ピーク位置を特定することができる。

本発明の第５の態様による共焦点変位計は、上記構成に加え、上記分光器が、回折格子を用いており、上記イメージセンサが、上記回折格子による１次の回折光及び２次以上の回折光を同時に受光して上記受光信号を生成し、上記特徴部分位置取得手段が、上記１次の回折光及び上記２次以上の回折光に対応する波形領域を特徴部分としてピーク位置を特定し、上記距離算出手段が、上記１次の回折光に対応する波形領域のピーク位置に基づいて、上記検出対象物までの距離を求めるように構成される。

本発明の第６の態様による共焦点変位計は、上記構成に加え、上記受光波形が、それぞれが上記イメージセンサ上のピクセル位置に関連づけられた２以上の受光強度データからなり、上記補正量算出手段が、上記１次の回折光のうちの上記励起光に対応する波形領域のピーク位置及び上記０次の回折光に対応する波形領域のピーク位置もしくは２次以上の回折光に対応する波形領域のピーク位置をそれぞれ対応する基準位置と比較することにより、上記イメージセンサ上のピクセル位置を上記検出対象物までの距離に変換する際に用いる１次関数のオフセット又はスパンの補正量を求めるように構成される。

分光器及びイメージセンサが相対的に光軸方向にずれれば、イメージセンサ上のピクセル位置を上記検出対象物までの距離に変換する際に用いる１次関数のスパンやオフセットが変化する。また、分光器及びイメージセンサが相対的に光軸と交差する方向にずれれば、１次関数のオフセットが変化する。この様な位置関係のずれに起因する測定精度の低下を抑制することができる。

本発明の第７の態様による共焦点変位計は、上記構成に加え、上記反射光の一部を受光してモニタ信号を生成するモニタ用受光素子と、上記モニタ信号に基づいて、上記イメージセンサの受光量を制御する受光量制御手段とを備えて構成される。この様な構成によれば、投光用光源を高出力化した場合であっても、受光量の自動調整によってイメージセンサにおける受光量の飽和を抑制することができる。

本発明の第８の態様による共焦点変位計は、上記構成に加え、上記共焦点光学系が配置されるヘッド筐体と、上記投光用光源、上記分光器及び上記イメージセンサを収容するコントローラ筐体と、上記ヘッド筐体及び上記コントローラ筐体間で上記検出光及び上記反射光を伝送する光ファイバケーブルとを備えて構成される。この様な構成によれば、投光用光源からの伝導熱によるコントローラ筐体の膨張により、分光器及びイメージセンサの相対的な位置関係にずれが生じた場合であっても、測定精度の低下を抑制することができる。

本発明の第９の態様による共焦点変位計は、上記構成に加え、上記特徴部分位置取得手段が、受光強度が最大のピクセル位置又は受光波形の重心位置を上記ピーク位置として特定するように構成される。

本発明によれば、様々な検出対象物に対応可能でありながら、測定精度の低下を抑制することが可能な共焦点変位計を提供することができる。特に、特徴部分のピーク位置を予め取得された基準位置と比較して補正量を定めるため、周辺環境の影響を受け難く、投光用光源の温度上昇に起因する測定精度の低下を抑制することが可能な共焦点変位計を提供することができる。

本発明の実施の形態による共焦点変位計１の一構成例を示したシステム図である。 図１のヘッドユニット１０の構成例を模式的に示した断面図である。 図１のコントローラ２０の構成例を示したブロック図である。 図３の投光用光源ユニット２１の構成例を示した図である。 図３のイメージセンサ２６の構成例を示した図である。 図３の測定制御部２７の動作の一例を示した図であり、受光波形４及び５が示されている。 図３の測定制御部２７の構成例を示したブロック図である。 分光器２４及びイメージセンサ２６の相対的な位置ずれΔｙによって換算式のスパンａ_ＳＰ及びオフセットｂ_ＯＳが変化することを模式的に示した説明図である。 投光用光源ユニット２１の他の構成例を模式的に示した断面図である。 ヘッドユニット１０の他の構成例を示した断面図である。 コントローラ２０の他の構成例を示した図であり、透過型の分光光学系が示されている。 共焦点変位計１のその他の構成例を示した図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。本明細書では、便宜上、検出光ＤＬの光軸の方向を上下方向として説明するが、本発明による共焦点変位計１やヘッドユニット１０の使用時における姿勢を限定するものではない。

＜共焦点変位計１＞
図１は、本発明の実施の形態による共焦点変位計１の一構成例を示したシステム図である。この共焦点変位計１は、光ファイバケーブル２、ヘッドユニット１０及びコントローラ２０により構成され、ヘッドユニット１０から検出光ＤＬを出射した際のワークＷからの反射光を受光してワークＷまでの距離を計測する光学式の距離計測装置である。

ワークＷは、検出対象物である。このワークＷは、反射率の高い高反射率領域ＨＡと反射率の低い低反射率領域ＬＡとが交互に繰り返し形成されたシート状部材であり、搬送装置により、左方向を搬送方向ＣＤとして移動する。例えば、ワークＷには、ガラス板を基材として、ガラス板の表面にクロムなどの金属膜がスリット状に形成されている。

ヘッドユニット１０及びコントローラ２０は、検出光ＤＬを伝送する光ファイバケーブル２を介して接続されている。コントローラ２０には、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）３が接続されている。ＰＣ３は、コントローラ２０に対して測定条件等の設定を行い、コントローラ２０から計測結果等を取得して画面表示する。

ヘッドユニット１０は、白色光からなる検出光ＤＬをワークＷに向けて出射し、ワークＷからの反射光が入射する投受光部ユニットである。光ファイバケーブル２は、検出光ＤＬを伝送する伝送媒体であり、長尺方向に延びる細線状のコアと、コアを取り囲むクラッドとにより構成される。コントローラ２０は、投受光を制御し、ワークＷからの反射光に基づいて、ワークＷまでの距離を算出する制御ユニットである。

光ファイバケーブル２を介して検出光ＤＬ及び反射光をコントローラ２０及びヘッドユニット１０間で伝送させるため、ヘッドユニット１０を小型化することができる。また、ヘッドユニット１０は、コントローラ２０から離れた場所であっても、容易に設置することができる。

＜ヘッドユニット１０＞
図２は、図１のヘッドユニット１０の構成例を模式的に示した断面図であり、検出光ＤＬの光軸を含む鉛直面によりヘッドユニット１０を切断した場合の切断面が示されている。このヘッドユニット１０は、ファイバ端２ａ、コリメートレンズ１３及び対物レンズ１４により構成される共焦点光学系１１と、共焦点光学系１１が配置されるヘッド筐体１２とを備える。ヘッド筐体１２は、有蓋円筒形状の鏡筒である。

ファイバ端２ａは、光ファイバケーブル２のヘッドユニット側の端部であり、共焦点光学系１１のピンホールとして機能する。具体的には、光ファイバケーブル２のクラッドが光ファイバケーブル２への戻り光を遮光する遮光部材として作用し、コアの端面がピンホールの開口として作用する。戻り光を遮光することにより、共焦点効果が得られる。なお、微小な開口（貫通孔）をピンホールとして有する遮光板をファイバ端２ａとコリメートレンズ１３との間に配置するような構成であっても良い。

このファイバ端２ａは、ヘッド筐体１２の天蓋部から下方に突出させて配置されている。コリメートレンズ１３は、ファイバ端２ａから出射された検出光ＤＬを平行光に集光する集光レンズである。このコリメートレンズ１３は、ファイバ端２ａの端面に対向するとともに、ファイバ端２ａと光軸が一致するように配置されている。

対物レンズ１４は、検出光ＤＬをワークＷに向けて出射する集光レンズである。この対物レンズ１４は、コリメートレンズ１３に対向するとともに、コリメートレンズ１３と光軸が一致するように配置されている。コリメートレンズ１３及び対物レンズ１４は、検出光ＤＬに軸上色収差を生じさせる。軸上色収差は、分散による光軸方向の像の色ずれである。

ヘッドユニット１０内の光学系は、図２に示した構成に限られず、図１０に示すような構成であっても良い。また、コリメートレンズ１３に代えて回折レンズを用いる構成、或いは、回折レンズを対物レンズ１４として用いる構成であっても良い。つまり、ヘッドユニット１０内の光学系は、ファイバ端２ａから出射された多波長成分を有する白色光に対し、ヘッドユニット１０内において軸上色収差が与えられ、ヘッドユニット１０からワークＷに向けて軸上色収差を有する光が放出されるようなものであれば良い。

共焦点光学系１１は、共焦点原理を利用して受光する光を絞り込むとともに、検出光ＤＬに軸上色収差を生じさせる。ファイバ端２ａから出射し、コリメートレンズ１３及び対物レンズ１４を透過した検出光ＤＬは、波長に応じて上下方向の異なる位置に結像する。検出光ＤＬに含まれる波長成分のうち、ワークＷ上に結像した特定の波長成分は、ワークＷにより反射され、その反射光が対物レンズ１４及びコリメートレンズ１３を透過してファイバ端２ａの端面上に結像する。一方、特定の波長成分以外の波長成分に対応する反射光は、ファイバ端２ａの端面上に結像せず、ファイバ端２ａによって遮断される。

例えば、ファイバ端２ａのコアの直径は、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。また、対物レンズ１４からワークＷまでの距離は、２０ｍｍ〜７０ｍｍ程度であり、測定レンジＭＲは、±１ｍｍ〜±２０ｍｍ程度である。

＜コントローラ２０＞
図３は、図１のコントローラ２０の構成例を示したブロック図である。このコントローラ２０は、コントローラ筐体２０ａ、投光用光源ユニット２１、スプリッタ２２、凹面鏡２３、分光器２４、結像レンズ２５、イメージセンサ２６、測定制御部２７、表示部２８、モニタ用受光素子２９及びビームスプリッタ３０により構成される。

ファイバ端２ｂ、凹面鏡２３、分光器２４、結像レンズ２５及びイメージセンサ２６は、反射型の分光光学系を構成する。光ファイバケーブル２は、ヘッド筐体１２及びコントローラ筐体２０ａ間で検出光ＤＬと、ワークＷによって反射された後、共焦点光学系１１を通過した反射光とを伝送する。

コントローラ筐体２０ａは、投光用光源ユニット２１、凹面鏡２３、分光器２４、結像レンズ２５、イメージセンサ２６、測定制御部２７、モニタ用受光素子２９及びビームスプリッタ３０を収容する。ファイバ端２ｂ、投光用光源ユニット２１、スプリッタ２２、凹面鏡２３、分光器２４、結像レンズ２５、イメージセンサ２６、モニタ用受光素子２９及びビームスプリッタ３０は、コントローラ筐体２０ａに対し、直接又は間接的に固定されている。

投光用光源ユニット２１は、２以上の波長成分を含む白色光からなる検出光ＤＬを生成する。スプリッタ２２は、投光用光源ユニット２１から光ファイバケーブル２を介して入射される検出光ＤＬをヘッドユニット１０に向けて伝達する一方、ヘッドユニット１０から光ファイバケーブル２を介して入射される反射光を分光光学系に向けて伝達する光学部材である。例えば、スプリッタ２２は、光信号を分岐又は分波するファイバカプラである。

ファイバ端２ｂは、光ファイバケーブル２の分光光学系側の端部である。凹面鏡２３は、ファイバ端２ｂから出射された光を分光器２４に向けて反射するミラーであり、反射面が凹面により形成される。この凹面鏡２３は、ファイバ端２ｂから出射された光を略平行光に集光する。

分光器２４は、ワークＷによって反射された後、共焦点光学系１１を通過した反射光を分光する光学部材である。この分光器２４は、反射角度に応じて異なる波長成分に入射光を分光する反射型の分光器であり、平板状の回折格子からなる。回折格子は、光の回折現象を利用して入射光を分光する光学部材であり、ワークＷからの反射光の入射面又は出射面に微細な格子パターンが形成されている。結像レンズ２５は、分光された反射光をイメージセンサ２６上に結像させる集光レンズである。

イメージセンサ２６は、分光器２４により分光され、結像レンズ２５を透過した光を受光する撮像素子であり、受光強度に応じた受光信号を生成する２以上の受光素子と、受光信号に基づいて、受光量に応じた電荷を蓄積する２以上の容量素子とを有する。例えば、イメージセンサ２６は、ＣＭＯＳ（相補性金属酸化膜半導体）リニアイメージセンサであり、各受光素子が直線状に配列される。なお、イメージセンサ２６には、ＣＣＤ（電荷結合素子）イメージセンサを用いても良い。

測定制御部２７は、イメージセンサ２６から蓄積電荷を読み出して受光波形を取得し、ワークＷまでの距離を算出して表示部２８に測定結果として表示する。また、測定制御部２７は、波形データをＰＣ３へ出力する。表示部２８は、コントローラ２０の筐体２０ａに設けられた７セグメント表示器からなり、距離の計測値や判定用閾値などを表示する。

モニタ用受光素子２９は、ワークＷによって反射された後、共焦点光学系１１を通過した反射光の一部を受光してモニタ信号を生成し、測定制御部２７へ出力する。例えば、モニタ用受光素子２９は、受光強度に応じたモニタ信号を生成する１又は２以上のＰＤ（フォトダイオード）により構成される。測定制御部２７は、モニタ用受光素子２９からのモニタ信号に基づいて、イメージセンサ２６の受光量を制御する。

回折格子は、入射光を０次の回折光、±１次の回折光、±２次の回折光、・・・に分割する。０次の回折光は、回折の次数が０の回折光であり、波長に応じた出射方向のずれを生じることなく、干渉によって強め合う光からなる。０次の回折光は、白色光であり、入射光に含まれる全ての波長成分からなるため、単位面積当たりの光量が他の次数の回折光に比べて多い。回折の次数をｍ＝±１，±２，・・・として、ｍ次の回折光は、干渉によって強め合う光の出射方向が波長に応じて異なる。

このコントローラ２０では、イメージセンサ２６が回折格子（分光器２４）による０次の回折光及び１次の回折光を同時に受光して受光信号を生成する。つまり、イメージセンサ２６は、回折格子（分光器２４）による０次の回折光及び１次の回折光を受光可能な位置に配置される。分光器２４からの０次の回折光及び１次の回折光は、イメージセンサ２６において共通の配線基板上に設けられた受光素子によって受光される。結像レンズ２５は、回折格子（分光器２４）による０次の回折光及び１次の回折光をイメージセンサ２６に結像可能なサイズからなる。なお、イメージセンサ２６は、回折格子からの１次回折光及び２次回折光を同時に受光するような構成であっても良い。

モニタ用受光素子２９は、凹面鏡２３と分光器２４との間に配置されたビームスプリッタ３０により反射された光を受光してモニタ信号を生成する。ビームスプリッタ３０は、凹面鏡２３により反射された後、分光器２４に入射する光の一部をモニタ用受光素子２９に向けて反射する一方、当該光の他の一部を透過させる平板状の光学部材である。この様な構成によれば、分光前の光を受光することにより、モニタ用受光素子２９を大型化することなく、イメージセンサ２６の受光量をモニタリングすることができる。

コントローラ２０の分光光学系に反射型の光学素子、すなわち、凹面鏡２３及び分光器２４を用いることにより、透過型の光学素子を用いる場合に比べ、コントローラ２０を小型化することができる。

＜投光用光源ユニット２１＞
図４は、図３の投光用光源ユニット２１の構成例を示した図であり、図中の（ａ）には、投光用光源ユニット２１の側面が示され、（ｂ）には、投光用光源ユニット２１をＡ−Ａ線により切断した場合の切断面が示されている。この投光用光源ユニット２１は、発光素子２１１、配線基板２１２、素子ホルダ２１３、集光レンズ２１４、レンズホルダ２１５、フェルール２１６、フェルール押え２１７、蛍光体２２０、枠体２２１及び反射型フィルタ２２２により構成される。

発光素子２１１は、単一波長のレーザ光を生成する蛍光体励起用のレーザ光源である。この発光素子２１１は、発光部を水平方向の前方に向けた状態で配線基板２１２に配設されている。例えば、発光素子２１１は、波長が４５０ｎｍ以下の青色光又は紫外光を生成する。素子ホルダ２１３は、配線基板２１２を保持する部材であり、レンズホルダ２１５に背面側から挿入されている。

集光レンズ２１４は、発光素子２１１から出射されたレーザ光を光ファイバケーブル２の投光用光源ユニット側のファイバ端に集光させる光学部材であり、発光素子２１１に対向させて配置されている。レンズホルダ２１５は、集光レンズ２１４を保持する鏡筒であり、集光レンズ２１４の前方において縮径している。フェルール２１６は、光ファイバケーブル２の投光用光源ユニット側のファイバ端が組み込まれ、前後方向に延びる円筒状の接続部材である。フェルール押え２１７は、レンズホルダ２１５の縮径部に前面側から挿入されたフェルール２１６を固定するための有底円筒形状の部材であり、円筒部を上記縮径部の外周面に被せた状態でレンズホルダ２１５に取り付けられている。

蛍光体２２０は、発光素子２１１からのレーザ光によって励起され、レーザ光とは異なる波長の蛍光を放射する発光体である。この蛍光体２２０は、その外周面が枠体２２１によって保持され、光ファイバケーブル２のファイバ端の端面に接触させた状態でレンズホルダ２１５内に配置されている。例えば、蛍光体２２０は、青色のレーザ光の照射によって黄色の蛍光を放射する。なお、蛍光体２２０は、２以上の種類の蛍光材料から形成されるものであっても良い。例えば、蛍光体２２０は、青色のレーザ光の照射により、緑色の蛍光を放射する蛍光材料と、赤色の蛍光を放射する蛍光材料とにより形成される。

反射型フィルタ２２２は、発光素子２１１からのレーザ光を透過し、蛍光体２２０からの光を反射する光学部材であり、枠体２２１の発光素子側の面を覆うように配置されている。光ファイバケーブル２のファイバ端には、蛍光体２２０を通過したレーザ光と、蛍光体２２０から放射された蛍光とが混合した複数の波長を有する混合光が検出光ＤＬとして入射される。

投光用光源ユニット２１は、光ファイバケーブル２のファイバ端に、発光素子２１１からのレーザ光と蛍光体２２０からの蛍光とが混合した光を直接に入射させる構成である。この様なファイバ型光源を用いることにより、ヘッドユニット１０及びコントローラ２０間の光ファイバケーブル２との接続を簡素化することができる。

＜イメージセンサ２６＞
図５は、図３のイメージセンサ２６の構成例を示した図であり、ＣＭＯＳリニアイメージセンサが示されている。このイメージセンサ２６は、多数のピクセルユニットＰＵ_０，ＰＵ_１，・・・と、これらのピクセルユニットＰＵ_０，ＰＵ_１，・・・に共通の直流電源Ｖｃｃ及び出力バッファＢＦ_２とにより構成される。ＣＭＯＳリニアイメージセンサは、受光素子を含む２以上の画素が１列に配列された１次元のイメージセンサである。

ピクセルユニットＰＵ_０，ＰＵ_１，・・・は、それぞれ画素を構成する画素構成部である。ピクセルユニットＰＵ_０は、フォトダイオードＰＤ_０、コンデンサＣ_０、トランジスタＴＲ_１０〜ＴＲ_３０及びバッファＢＦ_１０により構成される。

フォトダイオードＰＤ_０は、受光強度に応じた受光信号を生成する受光素子である。コンデンサＣ_０は、フォトダイオードＰＤ_０からの受光信号に基づいて、受光量に応じた電荷を蓄積する容量素子である。トランジスタＴＲ_１０は、リセット信号によりスイッチングし、オン状態において、ＰＤ_０に直流電源Ｖｃｃによる逆バイアスを付加するための制御素子である。

トランジスタＴＲ_２０は、ＧＳ（グローバルシャッタ）信号によりスイッチングし、オン状態において、ＰＤ_０からの受光信号によってコンデンサＣ_０に電荷を蓄積させる制御素子である。リセット信号及びＧＳ信号は、イメージセンサ２６の露光時間を調整するための露光制御信号であり、測定制御部２７により生成される。

トランジスタＴＲ_３０は、アドレス０の読出信号によりスイッチングし、オン状態において、コンデンサＣ_０の蓄積電荷に対応する信号を出力するための制御素子である。読出信号は、イメージセンサ２６から蓄積電荷を読み出すための制御信号であり、測定制御部２７により生成される。コンデンサＣ_０の蓄積電荷を示す信号は、バッファＢＦ_１０及びＴＲ_３０を介して出力バッファＢＦ_２に入力される。

ピクセルユニットＰＵ_１は、フォトダイオードＰＤ_１、コンデンサＣ_１、トランジスタＴＲ_１１〜ＴＲ_３１及びバッファＢＦ_１１により構成され、これらのデバイスは、ピクセルユニットＰＵ_０の各デバイスと同様に機能する。他のピクセルユニットＰＵ_２，ＰＵ_３，・・・についても、ＰＵ_０及びＰＵ_１と同様に構成される。

このイメージセンサ２６の距離計測時の動作は、以下の通りである。まず、初期化ステップでは、全てのアドレス０，１，・・・について、読出信号がＨレベルに切り替えられ、ＴＲ_３０，ＴＲ_３１，・・・は、いずれもオフ状態になる。また、リセット信号及びＧＳ信号が、いずれもＬレベルに切り替えられ、ＴＲ_１０，ＴＲ_１１，・・・は、同時にオフ状態になり、ＴＲ_２０，ＴＲ_２１，・・・は、同時にオン状態になる。このとき、コンデンサＣ_０，Ｃ_１，・・・には、Ｖｃｃの電源電圧に応じた電荷が蓄積される。

次に、露光ステップでは、リセット信号がＨレベルに切り替えられ、ＴＲ_１０，ＴＲ_１１，・・・が同時にオン状態に移行すれば、露光を開始し、ＰＤ_０，ＰＤ_１，・・・は、受光強度に応じた受光信号を生成し、コンデンサＣ_０，Ｃ_１，・・・は、受光量に応じた電荷蓄積を開始する。次に、ＧＳ信号がＨレベルに切り替えられ、ＴＲ_２０，ＴＲ_２１，・・・が同時にオフ状態に移行すれば、露光を終了し、コンデンサＣ_０，Ｃ_１，・・・に対する電荷蓄積が停止する。

次に、読出ステップでは、アドレス０，１，・・・について、読出信号を順次にＬレベルに切り替えることにより、コンデンサＣ_０，Ｃ_１，・・・から蓄積電荷が時系列に読み出される。コンデンサＣ_０，Ｃ_１，・・・の蓄積電荷は、電圧信号Ｖｏｕｔとして測定制御部２７へ出力される。距離計測時には、この様な初期化ステップ、露光ステップ及び読出ステップが露光周期ごとに繰り返される。

図６は、図３の測定制御部２７の動作の一例を示した図であり、受光波形４及び５が示されている。この図には、横軸をピクセル位置ｘとし、縦軸を受光強度として、受光波形４及び５が描画されている。

受光波形４は、イメージセンサ２６上のピクセル位置と受光強度との関係を表す特性曲線であり、イメージセンサ２６から読み出した蓄積電荷に基づいて作成される。受光波形４には、短波長側と長波長側とに鋭いピークが形成され、これらのピーク間には、受光強度が緩やかに変化する１つのピークが形成されている。

短波長側のピーク波形は、蛍光体励起用のレーザ光に対応する波形領域ＷＡ_１に形成される受光波形である。短波長側のピーク位置ｘ_１は、レーザ光の波長に対応する。一方、長波長側のピーク波形と緩やかに変化するピーク波形とは、蛍光に対応する波形領域ＷＡ_２に形成される受光波形である。波形領域ＷＡ_１及びＷＡ_２は、分光器２４による１次の回折光に対応する波形領域である。

長波長側のピーク波形は、ワークＷからの反射光に対応する信号波形であり、そのピーク位置ｘ_２は、ワークＷからの反射光の波長に対応する。ピーク位置ｘ_２を特定することにより、ワークＷまでの距離が求められる。これに対し、短波長側のピーク波形と緩やかに変化するピーク波形とは、ワークＷ以外の部材からの反射光に対応する受光波形である。

受光波形５は、分光器２４による０次の回折光に対応する波形領域ＷＡ_３に形成される受光波形もしくは２次以上の高次の回折光のレーザ光の波長に対応する受光波形である。この受光波形５には、１つの鋭いピークが形成されている。ピーク位置ｘ_１と受光波形５のピーク位置ｘ_３とは、コントローラ２０に固有のパラメータである。

投光用光源にレーザ光源を用い、レーザ光によって励起された蛍光体２２０が発する蛍光と蛍光体２２０を透過したレーザ光との混合光を検出光ＤＬとして使用することにより、検出光ＤＬの光量を極めて大きくすることができる。このため、表面の反射率が低い低反射率領域ＬＡを計測する場合であっても、十分な受光強度が得られるため、信号波形がノイズに埋もれることはなく、ピーク位置ｘ_２を正確に特定することができる。

本実施の形態による共焦点変位計１では、受光波形４及び５の特徴部分について、ピーク位置を基準位置と比較することにより、温度環境の変化に起因する分光器２４及びイメージセンサ２６間の相対的な位置ずれを検知し、波形データや測定値を補正する温度補正処理が行われる。

＜測定制御部２７＞
図７は、図３の測定制御部２７の構成例を示したブロック図である。この測定制御部２７は、受光波形取得部１０１、基底波形推定部１０２、信号波形算出部１０３、距離算出部１０４、換算式記憶部１０５、参照範囲受付部１０６、受光量制御部１０７、特徴部分位置取得部１０８、基準位置記憶部１０９及び補正量算出部１１０により構成される。

受光波形取得部１０１は、イメージセンサ２６から蓄積電荷を順次に読み出すことにより、距離に関する受光強度の分布からなる受光波形４及び５を取得し、基底波形推定部１０２、信号波形算出部１０３及び特徴部分位置取得部１０８へ出力する。

イメージセンサ２６には、多数の受光素子が直線状に配列されていることから、受光素子ごとの受光量を示す受光強度データが配列方向の位置に関連づけて管理される。受光波形４及び５は、受光素子の配列方向の位置をピクセル位置と呼ぶことにすれば、それぞれがイメージセンサ２６上のピクセル位置に関連づけられた多数の受光強度データからなる。

基底波形推定部１０２は、受光波形取得部１０１により取得された受光波形４の形状に基づいて、その基底波形を推定する。基底波形は、ノイズ成分を示す受光波形であり、ヘッドユニット１０の対物レンズ１４から出射されなかった検出光ＤＬに対応する。

例えば、基底波形推定部１０２は、代表点列生成手段、強度差分算出手段、重み係数算出手段及び代表点列更新手段により構成される。代表点列生成手段は、受光波形４を構成する２以上のデータ点ＤＰからなるデータ点列に対し、参照範囲ＲＲを一定距離だけ移動させるごとに、参照範囲ＲＲ内のデータ点列にフィッティングする回帰曲線を求めて代表点ＲＰを定めることにより、２以上の代表点ＲＰからなる代表点列を生成する。強度差分算出手段は、データ点ＤＰ及び代表点ＲＰ間における受光強度の差分を求める。重み係数算出手段は、上記差分に基づいて、重み係数ｗを求める。代表点列更新手段は、データ点列に重み係数ｗを割り当て、参照範囲ＲＲを一定距離だけ移動させるごとに、参照範囲ＲＲ内のデータ点列に重み付きでフィッティングする回帰曲線を求めて代表点ＲＰを新たに定めることにより、代表点列を更新する。基底波形は、更新後の代表点列により構成される。

信号波形算出部１０３は、受光波形４及び基底波形に基づいて、信号波形を求め、距離算出部１０４へ出力する。信号波形は、対物レンズ１４から出射され、ワークＷによって反射された検出光ＤＬに対応する受光波形であり、受光波形４及び基底波形の差分から求められる。

距離算出部１０４は、信号波形算出部１０３により求められた信号波形に基づいて、ワークＷまでの距離ＷＤを求め、表示部２８へ出力する。受光波形上のピクセル位置は、イメージセンサ２６上の該当する位置に結像する光の波長に対応し、波長は距離ＷＤに対応することから、距離ＷＤは、信号波形のピーク位置ｘ_２を特定することによって求められる。

例えば、信号波形を構成するデータ点列に対し、受光強度が判定閾値以上のデータ点列が存在すれば、ワークＷからの反射光成分に対応すると判断し、当該データ点列において受光強度が最大のデータ点のピクセル位置がピーク位置ｘ_２として特定される。或いは、受光強度が判定閾値以上のデータ点列にフィッティングする曲線を求め、その曲線の最大点のピクセル位置をピーク位置ｘ_２としても良い。或いは、受光強度が判定閾値以上のデータ点列に対し、その重心の位置をピーク位置ｘ_２としても良い。

また、距離算出部１０４は、算出した距離ＷＤを基準値と比較することにより、変位量を求め、表示部２８へ出力する。換算式記憶部１０５には、ピクセル位置、波長及び距離ＷＤを互いに対応づけるための換算式又はテーブルが保持される。

また、距離算出部１０４は、信号波形算出部１０３により求められた信号波形を画面表示するための波形データをＰＣ３へ出力する。参照範囲受付部１０６は、ＰＣ３から参照範囲ＲＲを受け付ける。参照範囲ＲＲは、受光波形４を構成するデータ点列を解析する際の処理単位であり、参照範囲ＲＲに基づいて基底波形が推定される。

受光量制御部１０７は、モニタ用受光素子２９からのモニタ信号に基づいて、イメージセンサ２６の受光量を制御する。この受光量制御は、イメージセンサ２６内の受光素子による露光時間を調整することによって行われる。

例えば、受光量制御部１０７は、モニタ用受光素子２９の受光量を判定閾値ＤＴと比較し、受光量が判定閾値ＤＴ以上になった場合に、イメージセンサ２６内の容量素子への電荷蓄積を停止させることにより、露光時間を短縮する。一方、イメージセンサ２６の露光中に受光量が判定閾値ＤＴを上回らなければ、予め定められた露光時間が経過するまで、容量素子への電荷蓄積が継続される。

この様にイメージセンサ２６の受光量を制御することにより、イメージセンサ２６の飽和を抑制することができる。特に、イメージセンサ２６から全受光素子分の蓄積電荷を読み出さなくても良いため、受光量制御の追従性が向上し、露光周期ごとに反射率が大きく変化するようなワークＷを測定する場合であっても、イメージセンサ２６の飽和を抑制することができる。

特徴部分位置取得部１０８は、受光波形取得部１０１により取得された受光波形４及び５に基づいて、特徴部分のピーク位置を特定する。例えば、特徴部分位置取得部１０８は、１次の回折光のうちの励起光に対応する波形領域ＷＡ_１を特徴部分としてピーク位置ｘ_１を特定する。また、特徴部分位置取得部１０８は、０次の回折光に対応する波形領域ＷＡ_３を特徴部分としてピーク位置ｘ_３を特定する。

励起光に対応する波形領域ＷＡ_１は、距離計測に用いる蛍光の波形領域ＷＡ_２から離間して形成されるため、ピーク位置ｘ_１の特定が容易である。また、０次の回折光に対応する波形領域ＷＡ_３は、距離計測に用いる１次の回折光の波形領域ＷＡ_１及びＷＡ_２から離間して形成されるため、ピーク位置ｘ_３の特定が容易である。特に、０次の回折光は他の次数の回折光に比べて光量が多いため、ノイズに影響されることなく、ピーク位置ｘ_３を特定することができる。

例えば、受光波形を構成するデータ点列に対し、受光強度が判定閾値以上のデータ点列が存在すれば、当該データ点列において受光強度が最大のデータ点のピクセル位置がピーク位置ｘ_１，ｘ_３として特定される。或いは、受光強度が判定閾値以上のデータ点列にフィッティングする曲線を求め、その曲線の最大点のピクセル位置をピーク位置ｘ_１，ｘ_３としても良い。或いは、受光強度が判定閾値以上のデータ点列に対し、その重心の位置をピーク位置ｘ_１，ｘ_３としても良い。

基準位置記憶部１０９には、予め取得された受光波形から得られた特徴部分のピーク位置が基準位置として保持される。例えば、基準位置は、共焦点変位計１の製造時に取得される。或いは、基準位置は、ユーザが任意に指示したタイミングで取得される。

補正量算出部１１０は、特徴部分位置取得部１０８により特定されたピーク位置ｘ_１及びｘ_３をそれぞれ対応する基準位置と比較することにより、分光器２４及びイメージセンサ２６間の位置ずれに対応する測定値の誤差を補正するための補正量を求める。

例えば、補正量算出部１１０は、イメージセンサ２６上のピクセル位置ｘをワークＷまでの距離ｚ_ＷＤに変換する際に用いる１次関数（換算式）のオフセットｂ_ＯＳ又はスパンａ_ＳＰの補正量を求める。波形領域ＷＡ_２内における１画素目のピクセル位置をｘ_ｆとすれば、換算式は、ｚ_ＷＤ＝ａ_ＳＰ（ｘ−ｘ_ｆ）＋ｂ_ＯＳにより表される。

オフセットｂ_ＯＳは、波形領域ＷＡ_２内の１画素目のピクセル位置ｘ_ｆに対応づける距離ｚ_ＷＤである。スパンａ_Ｓｐは、画素の配列ピッチに対応づける距離ｚ_ＷＤの変化率である。ａ_ＳＰ，ｂ_ＯＳ及びｘ_ｆは、既知のパラメータである。また、ピーク位置ｘ_１及びｘ_３の基準位置にそれぞれ対応づける距離ｚ_ＷＤも既知である。

オフセットｂ_ＯＳの補正量をΔｂとし、スパンａ_ＳＰの補正量をΔａとすれば、分光器２４及びイメージセンサ２６間の位置ずれを考慮した換算式は、ｚ_ＷＤ＝（ａ_ＳＰ＋Δａ）（ｘ−ｘ_ｆ）＋（ｂ_ＯＳ＋Δｂ）・・・（１）により表される。

補正量算出部１１０は、ピーク位置ｘ_１及びｘ_３が取得されれば、これらのピーク位置ｘ_１及びｘ_３に対応づける距離ｚ_ＷＤが基準位置の場合と同一であるものとして、上式（１）により補正量Δａ及びΔｂを算出する。

距離算出部１０４は、受光波形４及び補正量Δａ及びΔｂに基づいて、距離ＷＤを求める。すなわち、距離算出部１０４は、１次の回折光のうちの蛍光に対応する波形領域ＷＡ_２について、ピーク位置ｘ_２を特定し、上式（１）を用いて距離ｚ_ＷＤを算出する。この様な構成によれば、投光用光源ユニット２１からの伝導熱によるコントローラ筐体２０ａの膨張により、分光器２４及びイメージセンサ２６の相対的な位置関係にずれが生じた場合であっても、測定精度の低下を抑制することができる。

図８は、分光器２４及びイメージセンサ２６の相対的な位置ずれΔｙによって換算式のスパンａ_ＳＰ及びオフセットｂ_ＯＳが変化することを模式的に示した説明図である。図中の（ａ）には、イメージセンサ２６が光軸方向にΔｙだけずれた場合に、１番目の画素に対応づける波長と、画素の配列ピッチΔｘに対応づける波長の増分Δλとが変化する様子が示されている。

分光器２４による１次の回折光は、反射角度が波長成分に応じて連続的に変化する。このため、分光器２４に対して相対的にイメージセンサ２６が光軸方向にΔｙだけ移動すれば、１番目の画素（ピクセル位置ｘ_ｆ）に対応づける波長、すなわち、オフセットｂ_ＯＳが変化する。また、画素の配列ピッチΔｘに対応づける波長の増分Δλ、すなわち、スパンａ_ＳＰも変化する。

図中の（ｂ）には、横軸をピクセル位置ｘとし、縦軸を距離ｚ_ＷＤとして、１次の換算式を表すグラフ６が示されている。グラフ６は、上式（１）により表される直線であり、その傾きがスパンａ_ＳＰである。この様に分光器２４及びイメージセンサ２６の相対的な位置ずれΔｙによってオフセットｂ_ＯＳ及びスパンａ_ＳＰが変化することから、補正量Δａ及びΔｂを求めて換算式を校正することにより、位置ずれに起因する距離ＷＤの測定誤差を低減させることができる。

本実施の形態によれば、特徴部分のピーク位置ｘ_１及びｘ_３を予め取得された基準位置と比較して補正量を定めるため、周辺環境の影響を受け難く、投光用光源ユニット２１の温度上昇に起因する測定精度の低下を抑制することができる。特に、分光器２４及びイメージセンサ２６が相対的に光軸方向にずれれば、イメージセンサ２６上のピクセル位置ｘをワークＷまでの距離ｚ_ＷＤに変換する際に用いる１次関数のスパンａ_ＳＰやオフセットｂ_ＯＳが変化する。また、分光器２４及びイメージセンサ２６が相対的に光軸と交差するｘ軸方向にずれれば、１次関数のオフセットｂ_ＯＳが変化する。この様な位置関係のずれに起因する測定精度の低下を抑制することができる。

なお、本実施の形態では、１次の回折光のうちの励起光に対応する波形領域ＷＡ_１と０次の回折光に対応する波形領域ＷＡ_３とを特徴部分としてピーク位置が特定される場合の例について説明したが、本発明は特徴部分の選択をこれに限定するものではない。例えば、波形領域ＷＡ_１及びＷＡ_３のいずれか一方のみを特徴部分としてピーク位置を特定するような構成であっても良い。或いは、１次の回折光のうちの蛍光に対応する波形領域ＷＡ_２について、基底波形を推定し、基底波形を特徴部分としてその形状から位置を特定するような構成であっても良い。或いは、より高次の回折光に対応する波形領域を特徴部分として用いるような構成であっても良い。

また、本実施の形態では、スパン及びオフセットの両方の補正量を求めて換算式が校正される場合の例について説明したが、本発明は分光光学系の温度特性を補正する補正方法をこれに限定するものではない。例えば、スパン及びオフセットのいずれか一方についてのみ、補正量を求めて換算式を校正するような構成であっても良い。或いは、受光波形や信号波形を構成するデータ点列に対し、ピクセル位置を補正するような構成であっても良い。

また、本実施の形態では、励起光及び蛍光の混合光が検出光ＤＬとして用いられる場合の例について説明したが、本発明は投光用光源の構成をこれに限定するものではない。例えば、白色光を生成する白色光源と、特徴的な受光波形を形成するための特定波長の単色光を生成する単色光源とを投光用光源とし、白色光及び単色光の混合光を検出光ＤＬとして用いるような構成であっても良い。

また、本実施の形態では、発光素子２１１と光ファイバケーブル２のファイバ端とが同軸に配置される場合の例について説明したが、本発明は、投光用光源ユニット２１の構成をこれに限定するものではない。例えば、投光用光源ユニット２１は、発光素子２１１から出射されたレーザ光を光ファイバケーブル２のファイバ端に向けて反射する反射鏡を備える。

図９は、投光用光源ユニット２１の他の構成例を模式的に示した断面図である。この投光用光源ユニット２１は、発光素子２１１、集光レンズ２１４、フェルール２１６、蛍光体２２０、反射鏡２３１及び集光レンズ２３２により構成される。

発光素子２１１から出射されたレーザ光は、集光レンズ２１４を介して反射鏡２３１に集光される。蛍光体２２０は、反射鏡２３１の反射面に配置され、発光素子２１１からのレーザ光によって励起され、蛍光を発生する。反射鏡２３１により反射されたレーザ光と、蛍光体２２０からの蛍光とが混合した光は、集光レンズ２３２を介してフェルール２１６内の光ファイバケーブル２のファイバ端に集光され、光ファイバケーブル２に検出光ＤＬとして入射される。

また、本実施の形態では、ヘッドユニット１０の共焦点光学系１１が、ファイバ端２ａ、コリメートレンズ１３及び対物レンズ１４により構成される場合の例について説明したが、本発明は、共焦点光学系１１の構成をこれに限定するものではない。

図１０は、ヘッドユニット１０の他の構成例を示した断面図である。図中の（ａ）には、筐体１２内に回折レンズ１５及び対物レンズ１４を備えたヘッドユニット１０が示されている。

この回折レンズ１５は、レリーフ型の回折レンズであり、光の回折現象を利用して入射光を集光又は拡散させる光学部材であり、検出光ＤＬの入射面又は出射面に微細なレリーフ（起伏）が形成されている。レリーフは、光軸方向の深さが光の波長程度であり、光軸を中心とする複数の円環状のパターンが同軸に配置される。

ヘッドユニット１０の共焦点光学系１１に回折レンズ１５を使用する場合、光学特性をヘッドユニット１０とコントローラ２０との間で一致させることができるため、分光器２４には回折格子を用いることが望ましい。

図中の（ｂ）には、ダブレットレンズ１６及び対物レンズ１４を備えたヘッドユニット１０が示されている。ダブレットレンズ１６は、凹レンズと凸レンズとを組み合わせた光学部材である。

ヘッドユニット１０の共焦点光学系１１にダブレットレンズ１６を使用する場合、光学特性をヘッドユニット１０とコントローラ２０との間で一致させることができるため、分光器２４にはプリズムを用いることが望ましい。

図中の（ｃ）には、集光レンズ１７及び対物レンズ１４を備えたヘッドユニット１０が示されている。集光レンズ１７は、ファイバ端２ａから出射された検出光ＤＬを対物レンズ１４に向けて集光する光学部材である。このヘッドユニット１０では、ダブレットレンズが対物レンズ１４として用いられている。

図中の（ｄ）には、集光レンズ１７及び対物レンズ１４を備えたヘッドユニット１０が示されている。このヘッドユニット１０では、回折レンズが対物レンズ１４として用いられている。この様な光学部材の組み合わせによっても、共焦点光学系１１として検出光ＤＬに軸上色収差を生じさせることができる。例えば、プリズム、径方向に屈折率分布を有する円筒状のレンズを共焦点光学系１１として用いることができる。

また、本実施の形態では、分光器２４が反射型の回折格子である場合の例について説明したが、本発明は、分光器２４の構成をこれに限定するものではない。例えば、透過角度に応じて異なる波長成分に入射光を分光する透過型の回折格子を分光器２４として用いても良い。

図１１は、コントローラ２０の他の構成例を示した図であり、透過型の分光光学系が示されている。この分光光学系は、図３の分光光学系と比較すれば、分光器２４が透過型の回折格子である点で異なる。

光ファイバケーブル２のファイバ端２ｂから出射され、分光器用レンズ４１を介して分光器２４に入射された光は、透過角度に応じて異なる波長成分に分光される。分光器用レンズ４１は、ファイバ端２ｂから出射された光を集光する集光レンズであり、ファイバ端２ｂの端面に対向するとともに、ファイバ端２ｂと光軸が一致するように配置されている。例えば、分光器用レンズ４１は、ファイバ端２ｂから出射された光を平行光に集光するコリメートレンズである。結像レンズ２５は、分光された透過光をイメージセンサ２６上に結像させる。

イメージセンサ２６は、結像レンズ２５を介し、分光器２４による０次の回折光及び１次の回折光を同時に受光する。この様な構成によれば、イメージセンサ２６が分光器２４を透過した回折光を受光するので、回折格子によって反射された回折光を受光させる場合に比べ、回折格子の位置ずれが受光波形に与える影響を抑制することができる。

また、本実施の形態では、ヘッドユニット１０及びコントローラ２０が光ファイバケーブル２を介して接続された共焦点変位計１の例について説明したが、本発明は、共焦点変位計１の構成をこれに限定するものではない。例えば、共焦点変位計１は、光ファイバケーブルを用いることなく、投光用光源から出射された検出光ＤＬを共焦点光学系に誘導し、また、ワークＷによって反射され、共焦点光学系を通過した光を直接に分光光学系に誘導するような構成であっても良い。

図１２は、共焦点変位計１のその他の構成例を示した図である。この共焦点変位計１は、光ファイバケーブルを備えず、投光用光源３１、集光レンズ３２，３４、ピンホール板３３，３７、対物レンズ３５、ビームスプリッタ３６、凹面鏡２３、分光器２４、結像レンズ２５、イメージセンサ２６、モニタ用受光素子２９及びビームスプリッタ３０により構成される。ピンホール板３７、凹面鏡２３、分光器２４、結像レンズ２５及びイメージセンサ２６は、反射型の分光光学系であり、図３に示した分光光学系と同様に構成される。

投光用光源３１は、検出光ＤＬを生成する。集光レンズ３２は、投光用光源３１から出射された検出光ＤＬをピンホール板３３の開口部に集光させる光学部材であり、投光用光源３１の発光面に対向させて配置されている。ピンホール板３３は、微小な開口を有する平板状の遮光部材である。

集光レンズ３４は、ピンホール板３３の開口から出射された検出光ＤＬを対物レンズ３５に向けて集光する。対物レンズ３５は、検出光ＤＬをワークＷに向けて出射する。集光レンズ３２，３４、ピンホール板３３及び対物レンズ３５は、同軸に配置されている。

ビームスプリッタ３６は、ピンホール板３３からの光を透過する一方、ワークＷによって反射され、対物レンズ３５及び集光レンズ３４を透過した光をピンホール板３７に向けて反射する光学部材である。ピンホール板３３，３７、集光レンズ３４、対物レンズ３５及びビームスプリッタ３６は、共焦点光学系である。

凹面鏡２３は、ピンホール板３７の開口から出射された光を分光器２４に向けて反射する。分光器２４は、ワークＷによって反射され、共焦点光学系１１を通過した光を分光する反射型の回折格子であり、反射角度に応じて異なる波長成分に入射光を分光する。

また、本実施の形態では、受光素子による露光時間を調整することによってイメージセンサ２６の受光量が制御される場合の例について説明したが、本発明は、受光量制御の方法をこれに限定するものではない。例えば、モニタ用受光素子２９からのモニタ信号に基づいて、検出光ＤＬの光量を調整することにより、イメージセンサ２６の受光量を制御するような構成であっても良い。

また、本実施の形態では、レーザ光を発生するレーザ光源が投光用光源として用いられる場合の例について説明した。投光用光源には、ＬＥＤ（発光ダイオード）を用いても良い。また、レーザ光源には、ＳＣ（スーパーコンティニューム）光を発生するＳＣ光源を用いても良い。ＳＣ光源は、パルスレーザによる非線形光学効果により、連続かつ広帯域なレーザ光を生成する。

また、特定されたピーク位置を基準位置と比較して補正量を求める補正量算出処理は、共焦点変位計１の動作中に常に行っている必要はない。例えば、共焦点変位計１の起動時（電源投入時）に補正量算出処理を行うか、或いは、共焦点変位計１の起動時間（電源投入からの経過時間）がある閾値を超えたことをトリガーとして補正量算出処理を行うような構成であっても良い。また、共焦点変位計１の測定をある回数行った後に、その測定回数が閾値を超えたことをトリガーとして補正量算出処理を行っても良い。

また、共焦点変位計１の起動時、共焦点変位計１の起動時間がある閾値を超えたことをトリガーとし、或いは、共焦点変位計１の測定をある回数行った後に、その測定回数が閾値を超えたことをトリガーとして補正量を求める際に、受光信号のゲイン、受光強度を上げて補正量を求めるような構成であっても良い。受光強度を上げて補正量を算出し易いように測定条件を変えても良い。

１ 共焦点変位計
１０ ヘッドユニット
１１ 共焦点光学系
１２ ヘッド筐体
１３ コリメートレンズ
１４ 対物レンズ
１５ 回折レンズ
１６ ダブレットレンズ
２０ コントローラ
２０ａ コントローラ筐体
２１ 投光用光源ユニット
２２ スプリッタ
２３ 凹面鏡
２４ 分光器
２５ 結像レンズ
２６ イメージセンサ
２７ 測定制御部
２８ 表示部
２９ モニタ用受光素子
３０ ビームスプリッタ
３１ 投光用光源
３２，３４ 集光レンズ
３３，３７ ピンホール板
３５ 対物レンズ
３６ ビームスプリッタ
４１ 分光器用レンズ
１０１ 受光波形取得部
１０２ 基底波形推定部
１０３ 信号波形算出部
１０４ 距離算出部
１０５ 換算式記憶部
１０６ 参照範囲受付部
１０７ 受光量制御部
１０８ 特徴部分位置取得部
１０９ 基準位置記憶部
１１０ 補正量算出部
２１１ 発光素子
２２０ 蛍光体
２ 光ファイバケーブル
２ａ,２ｂ ファイバ端
３ ＰＣ
４，５ 受光波形

Claims (9)

1. 複数の波長を有する光からなる検出光を生成する投光用光源と、
   上記検出光を検出対象物に向けて出射する対物レンズを有し、上記検出光に軸上色収差を生じさせる共焦点光学系と、
   上記検出対象物によって反射された後、上記共焦点光学系を通過した反射光を分光する分光器と、
   ２以上の受光素子を有し、分光された上記反射光を受光して受光信号を生成するイメージセンサと、
   上記受光信号に基づいて、距離に関する受光強度の分布からなる受光波形を取得する受光波形取得手段と、
   上記受光波形に基づいて、特徴部分のピーク位置を特定する特徴部分位置取得手段と、
   予め取得された受光波形から得られた特徴部分のピーク位置を基準位置として保持する基準位置記憶手段と、
   特定された上記ピーク位置を上記基準位置と比較し、補正量を求める補正量算出手段と、
   上記受光波形及び上記補正量に基づいて、上記検出対象物までの距離を求める距離算出手段とを備えたことを特徴とする共焦点変位計。
2. 上記投光用光源は、励起光を生成する励起光生成手段と、上記励起光によって励起され、上記励起光とは異なる波長の蛍光を放射する蛍光体とを有し、上記検出光が上記蛍光体を透過した上記励起光と上記蛍光体から放射された上記蛍光との混合光であり、
   上記特徴部分位置取得手段は、上記励起光に対応する波形領域を特徴部分としてピーク位置を特定し、
   上記距離算出手段は、上記蛍光に対応する波形領域のピーク位置に基づいて、上記検出対象物までの距離を求めることを特徴とする請求項１に記載の共焦点変位計。
3. 上記励起光生成手段は、レーザ光を上記励起光として生成するレーザ光源であることを特徴とする請求項２に記載の共焦点変位計。
4. 上記分光器は、回折格子を用いており、
   上記イメージセンサは、上記回折格子による０次の回折光及び１次の回折光を同時に受光して上記受光信号を生成し、
   上記特徴部分位置取得手段は、上記０次の回折光に対応する波形領域を特徴部分としてピーク位置を特定し、
   上記距離算出手段は、上記１次の回折光に対応する波形領域のピーク位置に基づいて、上記検出対象物までの距離を求めることを特徴とする請求項２に記載の共焦点変位計。
5. 上記分光器は、回折格子を用いており、
   上記イメージセンサは、上記回折格子による１次の回折光及び２次以上の回折光を同時に受光して上記受光信号を生成し、
   上記特徴部分位置取得手段は、上記１次の回折光及び上記２次以上の回折光に対応する波形領域を特徴部分としてピーク位置を特定し、
   上記距離算出手段は、上記１次の回折光に対応する波形領域のピーク位置に基づいて、上記検出対象物までの距離を求めることを特徴とする請求項２に記載の共焦点変位計。
6. 上記受光波形は、それぞれが上記イメージセンサ上のピクセル位置に関連づけられた２以上の受光強度データからなり、
   上記補正量算出手段は、上記１次の回折光のうちの上記励起光に対応する波形領域のピーク位置及び上記０次の回折光に対応する波形領域のピーク位置もしくは２次以上の回折光に対応する波形領域のピーク位置をそれぞれ対応する基準位置と比較することにより、上記イメージセンサ上のピクセル位置を上記検出対象物までの距離に変換する際に用いる１次関数のオフセット又はスパンの補正量を求めることを特徴とする請求項４又は５に記載の共焦点変位計。
7. 上記反射光の一部を受光してモニタ信号を生成するモニタ用受光素子と、
   上記モニタ信号に基づいて、上記イメージセンサの受光量を制御する受光量制御手段とを備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の共焦点変位計。
8. 上記共焦点光学系が配置されるヘッド筐体と、
   上記投光用光源、上記分光器及び上記イメージセンサを収容するコントローラ筐体と、
   上記ヘッド筐体及び上記コントローラ筐体間で上記検出光及び上記反射光を伝送する光ファイバケーブルとを備えたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の共焦点変位計。
9. 上記特徴部分位置取得手段は、受光強度が最大のピクセル位置又は受光波形の重心位置を上記ピーク位置として特定することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の共焦点変位計。

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