JP6654893B2 - 共焦点変位計 - Google Patents

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の第１の光路上に設けられ、投光部により出射された光の光軸を順次シフトすることにより計測対象物に照射される光を当該光の光軸と直交する方向に順次シフトさせて、計測対象物の連続的または断続的な複数の部分に順次照射する光照射部と、光照射部により計測対象物に照射される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る第１の光学部材と、計測対象物の複数の部分で合焦しつつ反射された波長の光を順次通過させる第１のピンホールを有する第１のピンホール部材と、第１のピンホールを順次通過した複数の部分に対応する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の光軸は、光の第１の光路上に設けられた光照射部により順次シフトされることにより、計測対象物に照射される光が当該光の光軸と直交する方向に順次シフトされ、計測対象物の連続的または断続的な複数の部分に順次照射される。光照射部により計測対象物に照射される光には、第１の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、色収差を有する光は第１の光学部材により収束される。計測対象物の複数の部分で合焦しつつ反射された波長の光が第１のピンホール部材の第１のピンホールを順次通過する。第１のピンホールを順次通過した複数の部分に対応する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第１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、平均信号において第１のピンホールを通過した複数の部分に対応する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）変位計測部は、第１のピンホールを順次通過した複数の部分に対応する複数の光を順次分光する分光部と、分光部により順次分光された複数の部分に対応する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、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、第１のピンホールを順次通過した複数の部分に対応する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、複数の部分に対応する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。

（３）変位計測部は、第１のピンホールを順次通過した複数の光を順次分光する分光部と、分光部により順次分光された複数の光を順次受光し、順次受光され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、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、第１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。

（４）変位計測部は、第１のピンホールを順次通過した複数の部分に対応する複数の光を順次分光する分光部と、分光部により順次分光された複数の部分に対応する複数の光を複数の露光期間内に受光し、複数の露光期間において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出力する受光部と、受光部から出力される複数の露光期間に対応す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、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、第１のピンホールを順次通過した複数の部分に対応する複数の光が複数の露光期間内に受光部により受光されることにより、複数の露光期間に対応する複数の受光信号が出力される。受光部から出力される複数の露光期間に対応す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、複数の部分に対応する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。

（５）光照射部は、光が計測対象物の表面の円環状の領域上の複数の部分に照射されるように、投光部により出射された光の光軸を計測対象物の表面に沿ってシフトさせてもよい。この構成によれば、計測対象物の表面の直線状の領域上の複数の部分に光を照射する場合に比べて、光照射部の物理的な動作部分の負担が小さい。これにより、光照射部の寿命を長期化することができる。

（６）円環状の領域の外径は１００μｍ以上であってもよい。この場合、計測対象物の表面における十分に大きな領域の複数の部分で光が反射される。そのため、平均信号において、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十分に打ち消される。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。

（７）円環状の領域の外径は５００μｍ以下であってもよい。この場合、光照射部により計測対象物に照射される光は過度に大きく広がらないので、第１の光学部材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。これにより、計測対象物の変位をより高い精度で計測することができる。

（８）光照射部は、透光性を有する部材により形成されるとともに、第１および第２の面を有する第１の透光部と、駆動部とを含み第１の透光部の第１および第２の面のうち少なくとも一方の面は、投光部により出射された光の第１の光路に直交する面に対して傾斜する状態で第１の光路上に配置され、駆動部は、第１の光路に交差する面内で第１の透光部の第１および第２の面を回転させるように構成されてもよい。

この場合、計測対象物の表面に照射される光の光軸が、第１の透光部が配置されないときに計測対象物の表面に照射される光の光軸からシフトする。したがって、駆動部により第１の透光部を回転させることにより、簡単な構成で計測対象物の表面の円環状の領域上の複数の部分に光を照射することができる。

（９）共焦点変位計は、処理装置と、第１のヘッド部とをさらに備え、処理装置は、投光部および変位計測部を含むとともに、投光部および変位計測部を収容する第１の筐体をさらに含み、第１のヘッド部は、光照射部および第１の光学部材を含むとともに、光照射部および第１の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、投光部および変位計測部を含む処理装置と光照射部および第１の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第１の光学部材または適切な焦点距離を有する第１の光学部材を含む第１の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。

（１０）処理装置は、第１の筐体に収容される電力供給部をさらに含み、電力供給部は、第１のヘッド部の駆動部に電力を供給可能に光照射部に接続されてもよい。この場合、駆動部に電力を供給するための装置を第２の筐体に収容する必要がない。これにより、第１のヘッド部を小型化および軽量化することができる。

（１１）共焦点変位計は、第２のヘッド部と、第２のピンホールを有する第２のピンホール部材とをさらに備え、第２のヘッド部は、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第２の光学部材と、透光性を有する部材により形成されるとともに、第３および第４の面を有する第２の透光部と、第２の光学部材および第２の透光部を収容する第３の筐体とを含み、第２の透光部の第３および第４の面のうち少なくとも一方の面は、投光部により出射された光の第２の光路に直交する面に対して傾斜する状態で第２の光路上に配置され、第２のピンホールは、第２のヘッド部の第２の光学部材により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、変位計測部は、第２のピンホールを通過した光について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し、投光部により出射された光は、第１のヘッド部と第２のヘッド部とに選択的に導かれてもよい。

この場合、第２のヘッド部を用いた計測においては、計測対象物の複数の部分に光を照射する必要がない。そのため、計測対象物の表面の形状が十分に滑らかであり、乱反射の程度が小さい場合には、第２のヘッド部を用いることにより計測対象物を十分に高い精度でかつ短時間で計測することができる。

また、第２のヘッド部には、第２の光路上に第１のヘッド部における第１の透光部と同様の第２の透光部が配置される。この構成によれば、第２のヘッド部における第２の光路の長さを第１のヘッド部における第１の光路の長さに容易に一致させることができる。そのため、第１のヘッド部を用いた共焦点光学系と第２のヘッド部を用いた共焦点光学系とを独立に構成することが容易になる。

（１２）共焦点変位計は、光ファイバをさらに備え、光ファイバは、投光部により出射された光を第１の光学部材に導くとともに、計測対象物の複数の部分で反射されることにより第１のピンホールを順次通過した複数の光を変位計測部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の光学部材に導くとともに第１のピンホールを通過した複数の光を分光部に導くための光路の構成の自由度が向上する。

（１３）光ファイバの端部が第１のピンホールであってもよい。この場合、第１のピンホールを別個に配置する必要がない。これにより、共焦点変位計の構成をコンパクトにすることができる。

（１４）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。

本発明の一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。 表示装置における計測結果の値の表示例である。 表示装置における受光信号の波形の表示例である。 第２計測ヘッドを用いた共焦点変位計の動作原理を説明するための図である。 第１計測ヘッドを用いた共焦点変位計の動作原理を説明するための図である。 駆動部の回転時における光の光路を示す図である。 光が照射される計測対象物の領域を示す図である。 受光部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。 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１４の受光部に導かれる光の受光波形を示す図である。 駆動部の第１の変形例を示す部分縦断面図である。 駆動部の第２の変形例を示す部分縦断面図である。 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。 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。

（１）共焦点変位計の基本構成
以下、本発明の一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、本発明の一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、複数（本例では２個）の計測ヘッド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といずれかの計測ヘッド２００とを光学的に接続する。以下、２個の計測ヘッド２００を区別する場合は、一方の計測ヘッド２００を第１計測ヘッド２００Ａと呼び、他方の計測ヘッド２００を第２計測ヘッド２００Ｂと呼ぶ。

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、電力供給部１６０および表示部１７０を含む。筐体１１０は、投光部１２０、分光部１３０、受光部１４０、演算処理部１５０および電力供給部１６０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。

第１計測ヘッド２００Ａは、略軸対称形状（例えば円筒形状）を有する筐体２１０、レンズユニット２２０、平板部材２３０および駆動部２４０を含む。筐体２１０は、レンズユニット２２０、平板部材２３０および駆動部２４０を収容する。平板部材２３０は、透過性を有する平板状の部材により形成される。平板部材２３０、例えば平板ガラスであってもよいし、レンズ素子であってもよいし、他の素子であってもよい。

駆動部２４０には、図示しない電源ケーブルを介して処理装置１００の電力供給部１６０により電力が供給される。そのため、駆動部２４０に電力を供給するための装置を筐体２１０に収容する必要がない。これにより、第１計測ヘッド２００Ａを小型化および軽量化することができる。第２計測ヘッド２００Ｂは、駆動部２４０を有さない点を除き、第１計測ヘッド２００Ａと同様の構成を有する。平板部材２３０および駆動部２４０により、第１計測ヘッド２００Ａから出射される光の光軸をシフトさせるための光照射部１が構成される。光照射部１の詳細については後述する。

筐体２１０内に後述する導光部３００の光ファイバ３１４が配置される。光ファイバ３１４から出力された処理装置１００からの光は、平板部材２３０を通過してレンズユニット２２０に導かれる。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。平板部材２３０を通して導かれた光は、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。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。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４個）の光ファイバ３１１〜３１４、ファイバカプラ３２０およびファイバコネクタ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、ファイバコネクタ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、ファイバコネクタ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１×２型の構成を有し、３個のポート３２１〜３２３および本体部３２４を含む。ポート３２１，３２２とポート３２３とは、本体部３２４を挟んで対向するように本体部３２４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から出力される。ポート３２３に入力された光は、ポート３２１，３２２の各々から出力される。

ファイバコネクタ３３０は、２個のポート３３１，３３２および本体部３３３を含む。ポート３３１とポート３３２とは、本体部３３３を挟んで対向するように本体部３３３に接続される。ポート３３１に入力された光はポート３３２から出力され、ポート３３２に入力された光はポート３３１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。ファイバコネクタ３３０のポート３３２には、光ファイバ３１４が接続される。ファイバカプラ３２０のポート３２３とファイバコネクタ３３０のポート３３１とが光ファイバ３１３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から出力され、光ファイバ３１３を通してファイバコネクタ３３０のポート３３１に入力される。ポート３３１に入力された光は、ポート３３２から出力され、光ファイバ３１４、平板部材２３０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、平板部材２３０および光ファイバ３１４を通してファイバコネクタ３３０のポート３３２に入力される。ポート３３２に入力された光は、ポート３３１から出力され、光ファイバ３１３を通してファイバカプラ３２０のポート３２３に入力される。ポート３２３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１７０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１７０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１７０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。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。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。

ＣＰＵ４０３は、制御部１５２から与えられた受光信号を取得し、メモリ４０４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の変位を計測するとともに、その計測結果に関する種々の処理を行う。例えば、ＣＰＵ４０３は、計測結果の値を表示装置４０１に表示する。また、ＣＰＵ４０３は、制御部１５２から与えられた受光信号の波形を表示装置４０１に表示する。さらに、ＣＰＵ４０３は、現時点よりも前の複数の時点で取得された複数の計測結果についての統計を表示装置４０１に表示する。

図２は、表示装置４０１における計測結果の値の表示例である。図３は、表示装置４０１における受光信号の波形の表示例である。図２の例では、表示装置４０１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３の例では、表示装置４０１に、現時点で取得される受光信号の波形が表示されるとともに切替ボタン４９１が表示される。図３の受光信号の波形を示すグラフにおいては、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。

使用者は、図１の操作部４０２を用いて図２の切替ボタン４９１を操作することにより、表示装置４０１の表示状態を図３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３の切替ボタン４９１を操作することにより、表示装置４０１の表示状態を図２の数値による計測結果の値の表示状態に切り替えることができる。

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。

（２）共焦点変位計の動作原理
図４は、第２計測ヘッド２００Ｂを用いた共焦点変位計５００の動作原理を説明するための図である。図４に示すように、光ファイバ３１４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。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、図１の光ファイバ３１１〜３１２も光ファイバ３１４と同様の構成を有する。コア３１０ａ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。

平板部材２３０は、略平行な２つの面を有する。平板部材２３０の一方の面を入射面２３１と呼び、他方の面を出射面２３２と呼ぶ。平板部材２３０は、入射面２３１および出射面２３２が光ファイバ３１４の光軸に直交する面に対して傾斜した状態で配置される。第２計測ヘッド２００Ｂにおいて、光ファイバ３１４から出力された光の光路上に平板部材２３０が配置されることにより、第２計測ヘッド２００Ｂにおける光路の長さを第１計測ヘッド２００Ａにおける光路の長さと一致させることができる。これにより、駆動部２４０を有さない第２計測ヘッド２００Ｂにおいても、第１計測ヘッド２００Ａと同様に、収差を最小にすることができる。

光ファイバ３１４から出力された光は、平板部材２３０を通過した後、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、波長が長い光は対物レンズ２２３に近い位置で合焦し、波長が短い光は対物レンズ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、本実施の形態においては、光ファイバ３１４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３１４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３１４のコア３１０ａの先端部分に入力される。光ファイバ３１４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３１４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。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３１４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。そのため、第２計測ヘッド２００Ｂは、乱反射の程度が小さい計測対象物Ｓ（例えばガラス等の滑らかな表面を有する計測対象物Ｓ）を高い精度でかつ短時間で計測するために用いられる。

一方で、粗い表面を有する計測対象物Ｓを計測する場合には、第１計測ヘッド２００Ａが用いられる。図５は、第１計測ヘッド２００Ａを用いた共焦点変位計５００の動作原理を説明するための図である。上記のように、第１計測ヘッド２００Ａは、駆動部２４０をさらに含む点を除き、第２計測ヘッド２００Ｂと同様の構成を有する。平板部材２３０および駆動部２４０により光照射部１が構成される。図５に示すように、駆動部２４０は、例えば中空モータであり、円筒状の固定部２４１および円筒状の回転軸２４２を含む。回転軸２４２は、固定部２４１と同心になるように固定部２４１の中空部分に設けられる。

光ファイバ３１４の端部は、例えば図示しないフェルールに挿入された状態で、回転軸２４２の中空部分に固定される。平板部材２３０は、入射面２３１および出射面２３２が光ファイバ３１４の光軸に直交する面に対して傾斜した状態で回転軸２４２に取り付けられる。本実施の形態においては、光ファイバ３１４から光が出射された状態で、回転軸２４２が回転する。駆動部２４０の回転速度は１００ｒｐｍ以上が好ましく、６０００ｒｐｍ以上がより好ましい。本実施の形態において、駆動部２４０は連続的に回転するが、本発明はこれに限定されない。駆動部２４０は間欠的に回転してもよい。

図６は、駆動部２４０の回転時における光の光路を示す図である。図６（ａ）は、初期時点における光の光路を示す。図６（ｂ）は、初期時点から一定時間が経過した時点（初期時点から駆動部２４０が９０度回転した時点）における光の光路を示す。図６（ｃ）は、図６（ｂ）の時点からさらに一定時間が経過した時点（図６（ｂ）の時点から駆動部２４０がさらに９０度回転した時点）における光の光路を示す。

図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、光ファイバ３１４から出力された光は、光ファイバ３１４の光軸と略平行に平板部材２３０の入射面２３１に入射される。平板部材２３０の入射面２３１は光ファイバ３１４の光軸に直交する面に対して傾斜しているので、平板部材２３０の入射面２３１に入射された光は、入射角に対して傾斜した角度で平板部材２３０内を透過する。その後、光は、入射角と略等しい角度で平板部材２３０の出射面２３２から出射される。これにより、光の光軸をシフトさせつつ、図１のレンズユニット２２０を通して計測対象物Ｓに光を照射することができる。

図７は、光が照射される計測対象物Ｓの領域を示す図である。図７に示すように、本実施の形態では、計測対象物Ｓの表面の円環状の領域ＩＲ（以下、照射領域ＩＲと呼ぶ。）に光が照射される。この構成によれば、計測対象物Ｓの表面の直線状の領域に光を照射する場合に比べて、光照射部１の物理的な動作部分の負担が小さい。これにより、光照射部１の寿命を長期化することができる。平板部材２３０の傾斜角度、厚みおよび屈折率等を選択することにより、照射領域ＩＲの外径ＯＤを決定することができる。本例では、外径ＯＤは例えば２５０μｍである。このように外径ＯＤは微小であるため、使用者には照射領域ＩＲは円環状ではなく１つの点として認識される。

計測対象物Ｓの照射領域ＩＲで反射された光のうち、照射領域ＩＲの位置で合焦した光がレンズユニット２２０および平板部材２３０を通過して光ファイバ３１４に入力され、受光部１４０により受光される。図８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８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１１〜図１３においても同様である。図８および後述する図１１〜図１３の横軸は、受光部１４０の画素の位置に相当する。

受光部１４０は、駆動部２４０が１回転する期間の各時点に光ファイバ３１４に入力された光を受光する。図８においては、任意の４つの時点に光ファイバ３１４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。

そこで、第１計測ヘッド２００Ａが用いられる場合には、受光部１４０は、駆動部２４０が１回転する期間の間露光を行う。本実施の形態において、受光部１４０は連続的に露光を行うが、本発明はこれに限定されない。受光部１４０は間欠的に露光を行ってもよい。

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出力される。これにより、受光部１４０から出力される受光信号には、強度の平均化処理が行われる。平均化処理とは、計測対象物Ｓの照射領域ＩＲの複数の部分により反射されてピンホールを順次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。図８においては、受光部１４０により出力される平均化処理後の受光波形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、各時点におけるピーク波長λ１〜λ４等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。

照射領域ＩＲの外径ＯＤは１００μｍ以上であることが好ましい。この場合、計測対象物Ｓの表面における十分に大きな領域の複数の部分で光が反射される。そのため、平均信号において、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十分に打ち消される。これにより、共焦点変位計５００により計測される計測対象物Ｓの変位の誤差をより低減することができる。

また、照射領域ＩＲの外径ＯＤは５００μｍ以下であることが好ましい。この場合、光照射部１により計測対象物Ｓに照射される光は過度に大きく広がらないので、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。これにより、計測対象物Ｓの変位をより高い精度で計測することができる。

（３）投光部
図９（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９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１０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１０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３１４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１１は、不要な成分を含む受光波形Ｗ０を示す図である。図１１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９）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１２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１２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１２の基底波形ＢＬに基づいて、図１１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１３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１３の例では、ピーク波長λ０が図１１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１４は、受光部１４０に導かれる光の経路を示す図である。図１４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１４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１５は、図１４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１５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１５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１１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１５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）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は、第１計測ヘッド２００Ａにおいて光照射部１により計測対象物Ｓの照射領域ＩＲに順次照射される。光照射部１により計測対象物Ｓに照射される光には、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、色収差を有する光はレンズユニット２２０により収束される。計測対象物Ｓの照射領域ＩＲの複数の部分で合焦しつつ反射された波長の光が光ファイバ３１４を順次通過する。

光ファイバ３１４を通過した複数の光は、ファイバコネクタ３３０、光ファイバ３１３、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に順次導かれ、分光される。分光部１３０により分光された複数の光は、単一の露光期間内に受光部１４０により受光される。そのため、受光部１４０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光ファイバ３１４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光ファイバ３１４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５００により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３１４の先端部分がピンホールとして機能する。この場合、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、光ファイバ３１４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３１４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と第１計測ヘッド２００Ａ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の形状もしく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を含む第１計測ヘッド２００Ａ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、第２計測ヘッド２００Ｂには、光路上に第１計測ヘッド２００Ａの平板部材２３０と同様の平板部材２３０が配置される。この構成によれば、第２計測ヘッド２００Ｂにおける光路の長さを第１計測ヘッド２００Ａにおける光路の長さに容易に一致させることができる。そのため、第１計測ヘッド２００Ａを用いた共焦点光学系と第２計測ヘッド２００Ｂを用いた共焦点光学系とを独立に構成することが容易になる。

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。第２計測ヘッド２００Ｂ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、第２計測ヘッド２００Ｂ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９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。

（６）変形例
（ａ）駆動部の変形例
本実施の形態において、駆動部２４０が中空モータにより実現されるが、本発明はこれに限定されない。駆動部２４０は、平板部材２３０を移動させることが可能な他のアクチュエータにより実現されてもよいし、他の構成により実現されてもよい。図１６は、駆動部２４０の第１の変形例を示す部分縦断面図である。図１６に示すように、第１の変形例における駆動部２４０は、モータ２４３および２個のロータ２４４，２４５を含む。

ロータ２４４は、円柱状を有し、モータ２４３に取り付けられる。ロータ２４４の外周面にはマグネット２４４Ｍが設けられる。ロータ２４５は円筒状を有し、ロータ２４５の内周面にはマグネット２４５Ｍが設けられる。ロータ２４５は、マグネット２４５Ｍとマグネット２４４Ｍとが離間しかつ引力を及ぼし合う状態で対向するようにロータ２４４と共通の軸上に配置され、図示しないベアリングにより保持される。これにより、ロータ２４５は、ロータ２４４と離間した状態でかつ回転可能にロータ２４４と磁力的に結合される。

光ファイバ３１４の端部は、例えば図示しないフェルールに挿入された状態で、ロータ２４４とロータ２４５との間を通してロータ２４５の中空部分に固定される。平板部材２３０は、入射面２３１および出射面２３２が光ファイバ３１４の光軸に直交する面に対して傾斜した状態でロータ２４５の端部に取り付けられる。この構成によれば、モータ２４３が回転することにより、ロータ２４４，２４５および平板部材２３０が回転する。これにより、第１計測ヘッド２００Ａから出射される光の光軸をシフトさせることができる。

駆動部２４０の第１の変形例において、ロータ２４４とロータ２４５とが磁力的に結合されるが、本発明はこれに限定されない。ロータ２４４とロータ２４５とが電気的に結合されてもよいし、非接触方式の他の力により結合されてもよい。

図１７は、駆動部２４０の第２の変形例を示す部分縦断面図である。第２の変形例における駆動部２４０について、第１の変形例における駆動部２４０と異なる点を説明する。図１７に示すように、第２の変形例における駆動部２４０は、マグネット２４４Ｍ，２４５Ｍに代えて、動力伝達部材２４６を含む。ロータ２４４とロータ２４５とは、略平行な異なる軸上に配置される。動力伝達部材２４６は、例えばベルトであり、ロータ２４４，２４５に架け渡される。これにより、ロータ２４５は、ロータ２４４と機械的に結合される。

この構成によれば、モータ２４３が回転することにより、ロータ２４４，２４５および平板部材２３０が回転する。これにより、第１計測ヘッド２００Ａから出射される光の光軸をシフトさせることができる。駆動部２４０の第２の変形例において、動力伝達部材２４６はベルトにより実現されるが、本発明はこれに限定されない。動力伝達部材２４６は、チェーンにより実現されてもよいし、ロータ２４４の回転力をロータ２４５に伝達するように配置された１または複数のギアであってもよいし、他の部材であってもよい。

（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１８（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１８（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１８（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１８（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１８（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１８（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１９は、投光部１２０の変形例を示す図である。図１９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２０は、分光部１３０の変形例を示す図である。図２０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。

（７）他の実施の形態
（ａ）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２１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２１においては、図２１に示すように、導光部３００は、図１の光ファイバ３１１〜３１４、ファイバカプラ３２０およびファイバコネクタ３３０に代えて、ハーフミラー３７１および複数（本例では２個）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、平板部材２３０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、平板部材２３０およびレンズユニット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、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、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。

（ｂ）上記実施の形態において、図９または図１９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。

（ｃ）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。

（ｄ）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。

（ｅ）上記実施の形態において、ファイバカプラ３２０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３１１〜３１３を用いて光の結合および分岐が行われてもよい。

（ｆ）上記実施の形態において、受光波形Ｗ０の平均化処理として光学的な積算処理が行われるが、本発明はこれに限定されない。受光波形Ｗ０の平均化処理として、電気的な積算処理、平均処理または加重平均処理が行われてもよいし、他の処理が行われてもよい。

例えば、受光部１４０は、分光部１３０により順次分光された複数の光を順次受光し、順次受光された複数の光の各々について受光信号を出力してもよい。この場合、制御部１５２は、受光部１４０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等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Ｓの変位を算出することができる。

あるいは、受光部１４０は、分光部１３０により順次分光された複数の光を複数の露光期間内に受光し、各露光期間内に受光した光について受光信号を出力してもよい。この場合、制御部１５２は、受光部１４０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等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Ｓの変位を算出することができる。これらの構成によれば、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演算を行うことができる。これにより、計測対象物Ｓの変位をより正確に算出することができる。

（ｇ）上記実施の形態において、平板部材２３０は光ファイバ３１４とレンズユニット２２０との間に配置されるが、本発明はこれに限定されない。平板部材２３０は、光路上におけるいずれの位置に配置されてもよい。

（ｈ）上記実施の形態において、共焦点変位計５００は、第１計測ヘッド２００Ａおよび第２計測ヘッド２００Ｂの両方を含むが、本発明はこれに限定されない。共焦点変位計５００は、第１計測ヘッド２００Ａを含み、第２計測ヘッド２００Ｂを含まなくてもよい。あるいは、乱反射の程度が小さい計測対象物Ｓの変位を計測する場合には、光照射部１の駆動部２４０の回転を停止させた状態で第１計測ヘッド２００Ａを用いてもよい。この場合、第１計測ヘッド２００Ａを用いた変位計測の原理は第２計測ヘッド２００Ｂを用いた変位計測の原理と同一である。

（８）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、光照射部１が光照射部の例である。分光部１３０、受光部１４０および演算処理部１５０が変位計測部の例であり、分光部１３０が分光部の例であり、受光部１４０が受光部の例であり、演算処理部１５０が算出部の例であり、照射領域ＩＲが領域の例である。駆動部２４０が駆動部の例であり、処理装置１００が処理装置の例であり、電力供給部１６０が電力供給部の例であり、光ファイバ３１４が光ファイバの例であり、コア３１０ａがコアの例であり、光源１２１が光源の例であり、蛍光体１２２が蛍光体の例である。

第１計測ヘッド２００Ａおよび第２計測ヘッド２００Ｂがそれぞれ第１および第２のヘッド部の例であり、第１計測ヘッド２００Ａのレンズユニット２２０が第１の光学部材の例である。第２計測ヘッド２００Ｂのレンズユニット２２０が第２の光学部材の例であり、第１計測ヘッド２００Ａの光ファイバ３１４または空間フィルタ３７３が第１のピンホール部材の例である。第２計測ヘッド２００Ｂの光ファイバ３１４または空間フィルタ３７３が第２のピンホール部材の例であり、第１計測ヘッド２００Ａの光ファイバ３１４の先端部分またはピンホール３７３ａが第１のピンホールの例である。

第２計測ヘッド２００Ｂの光ファイバ３１４の先端部分またはピンホール３７３ａが第２のピンホールの例であり、第１計測ヘッド２００Ａの平板部材２３０が第１の透光部の例であり、第２計測ヘッド２００Ｂの平板部材２３０が第２の透光部の例である。第１計測ヘッド２００Ａの平板部材２３０の入射面２３１および出射面２３２がそれぞれ第１および第２の面の例であり、第２計測ヘッド２００Ｂの平板部材２３０の入射面２３１および出射面２３２がそれぞれ第３および第４の面の例である。筐体１１０が第１の筐体の例であり、第１計測ヘッド２００Ａの筐体２１０が第２の筐体の例であり、第２計測ヘッド２００Ｂの筐体２１０が第３の筐体の例である。

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。

１ 光照射部
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 分光部
１３１ 回折格子
１４０ 受光部
１５０ 演算処理部
１５１ 記憶部
１５２ 制御部
１６０ 電力供給部
１７０ 表示部
２００ 計測ヘッド
２００Ａ 第１計測ヘッド
２００Ｂ 第２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
２３０ 平板部材
２３１ 入射面
２３２ 出射面
２４０ 駆動部
２４１ 固定部
２４２ 回転軸
２４３ モータ
２４４，２４５ ロータ
２４４Ｍ，２４５Ｍ マグネット
２４６ 動力伝達部材
３００ 導光部
３１０ａ コア
３１０ｂ クラッド
３１１〜３１４ 光ファイバ
３２０ ファイバカプラ
３２１〜３２３，３３１，３３２ ポート
３２４，３３３ 本体部
３３０ ファイバコネクタ
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
４９１ 切替ボタン
５００ 共焦点変位計
ＢＬ 基底波形
ＩＲ 照射領域
ＭＲ 計測範囲
ＯＤ 外径
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 (14)

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の第１の光路上に設けられ、前記投光部により出射された光の光軸を順次シフトすることにより前記計測対象物に照射される光を当該光の光軸と直交する方向に順次シフトさせて、前記計測対象物の連続的または断続的な複数の部分に順次照射する光照射部と、
   前記光照射部により前記計測対象物に照射される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る第１の光学部材と、
   前記計測対象物の前記複数の部分で合焦しつつ反射された波長の光を順次通過させる第１のピンホールを有する第１のピンホール部材と、
   前記第１のピンホールを順次通過した前記複数の部分に対応する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. 前記変位計測部は、
   前記第１のピンホールを順次通過した前記複数の部分に対応する複数の光を順次分光する分光部と、
   前記分光部により順次分光された前記複数の部分に対応する複数の光を単一の露光期間内に受光し、前記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前記平均信号として出力する受光部と、
   前記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１記載の共焦点変位計。
3. 前記変位計測部は、
   前記第１のピンホールを順次通過した複数の光を順次分光する分光部と、
   前記分光部により順次分光された複数の光を順次受光し、順次受光され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前記平均信号を算出し、前記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１記載の共焦点変位計。
4. 前記変位計測部は、
   前記第１のピンホールを順次通過した前記複数の部分に対応する複数の光を順次分光する分光部と、
   前記分光部により順次分光された前記複数の部分に対応する複数の光を複数の露光期間内に受光し、前記複数の露光期間において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出力する受光部と、
   前記受光部から出力される前記複数の露光期間に対応す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前記平均信号を算出し、前記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１記載の共焦点変位計。
5. 前記光照射部は、光が前記計測対象物の表面の円環状の領域上の複数の部分に照射されるように、前記投光部により出射された光の光軸を前記計測対象物の表面に沿ってシフトさせる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の共焦点変位計。
6. 前記円環状の領域の外径は１００μｍ以上である、請求項５記載の共焦点変位計。
7. 前記円環状の領域の外径は５００μｍ以下である、請求項５または６記載の共焦点変位計。
8. 前記光照射部は、
   透光性を有する部材により形成されるとともに、第１および第２の面を有する第１の透光部と、
   駆動部とを含み
   前記第１の透光部の前記第１および第２の面のうち少なくとも一方の面は、前記投光部により出射された光の前記第１の光路に直交する面に対して傾斜する状態で前記第１の光路上に配置され、
   前記駆動部は、前記第１の光路に交差する面内で前記第１の透光部の前記第１および第２の面を回転させるように構成される、請求項５〜７のいずれか一項に記載の共焦点変位計。
9. 処理装置と、
   第１のヘッド部とをさらに備え、
   前記処理装置は、前記投光部および前記変位計測部を含むとともに、前記投光部および前記変位計測部を収容する第１の筐体をさらに含み、
   前記第１のヘッド部は、前記光照射部および前記第１の光学部材を含むとともに、前記光照射部および前記第１の光学部材を収容する第２の筐体をさらに含む、請求項８記載の共焦点変位計。
10. 前記処理装置は、前記第１の筐体に収容される電力供給部をさらに含み、
    前記電力供給部は、前記第１のヘッド部の前記駆動部に電力を供給可能に前記光照射部に接続される、請求項９記載の共焦点変位計。
11. 第２のヘッド部と、
    第２のピンホールを有する第２のピンホール部材とをさらに備え、
    前記第２のヘッド部は、
    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第２の光学部材と、
    透光性を有する部材により形成されるとともに、第３および第４の面を有する第２の透光部と、
    前記第２の光学部材および前記第２の透光部を収容する第３の筐体とを含み、
    前記第２の透光部の前記第３および第４の面のうち少なくとも一方の面は、前記投光部により出射された光の第２の光路に直交する面に対して傾斜する状態で前記第２の光路上に配置され、
    前記第２のピンホールは、前記第２のヘッド部の前記第２の光学部材により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、
    前記変位計測部は、前記第２のピンホールを通過した光について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し、
    前記投光部により出射された光は、前記第１のヘッド部と前記第２のヘッド部とに選択的に導かれる、請求項９または１０記載の共焦点変位計。
12. 光ファイバをさらに備え、
    前記光ファイバは、前記投光部により出射された光を前記第１の光学部材に導くとともに、前記計測対象物の前記複数の部分で反射されることにより前記第１のピンホールを順次通過した複数の光を前記変位計測部に導くように設けられる、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の共焦点変位計。
13. 前記光ファイバの端部が前記第１のピンホールである、請求項１２記載の共焦点変位計。
14. 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１〜１３のいずれか一項に記載の共焦点変位計。

Images