変位センサ
【課題】共焦点変位計による合焦点の周辺においてもピントが合った画像を撮像する。
【解決手段】計測装置において、共焦点変位計システムＯＰＴ−Ａは、レーザダイオード１と、コリメートレンズ４と、対物レンズ６と、ハーフミラー３と、絞り板３１と、フォトダイオード２とを含む。観察画像撮像系ＯＰＴ−Ｂは、テレセントリック受光光学系であり、白色光源９４と、対物レンズ６と、ダイクロイックミラー５と、絞り板８１と、結像レンズ８２と、イメージセンサ９とを含む。コリメートレンズ４は、振動子７により、両矢印方向に掃引される。絞り板８１の絞り孔の径は、対物レンズ６の被写界深度がコリメートレンズ４の掃引の振幅以上となるように設定される。
【解決手段】計測装置において、共焦点変位計システムＯＰＴ−Ａは、レーザダイオード１と、コリメートレンズ４と、対物レンズ６と、ハーフミラー３と、絞り板３１と、フォトダイオード２とを含む。観察画像撮像系ＯＰＴ−Ｂは、テレセントリック受光光学系であり、白色光源９４と、対物レンズ６と、ダイクロイックミラー５と、絞り板８１と、結像レンズ８２と、イメージセンサ９とを含む。コリメートレンズ４は、振動子７により、両矢印方向に掃引される。絞り板８１の絞り孔の径は、対物レンズ６の被写界深度がコリメートレンズ４の掃引の振幅以上となるように設定される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触で計測対象物体の変位を計測し、かつ、当該計測点周辺の画像を取得する、共焦点光学系を用いた変位センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の変位センサでは、例えば特許文献１に開示されるように、共焦点光学系を用いた変位センサであって、当該変位センサにより変位を測定する被測定物の画像を取得する撮像素子を備えるものがあった。
【０００３】
具体的には、変位センサは、図１６に示されるように、被測定物９００に光を照射する光源９０１と、光源９０１から出射する光の波長と異なる波長の光を、被測定物９００に照射する撮像用光源９１３と、被測定物９００からの光源９０１の反射光および撮像用光源９１３の反射光が通る対物レンズ９０６と、対物レンズ９０６を通った夫々の反射光が入射するビームスプリッタ９０５と、ビームスプリッタ９０５で反射した被測定物の表面像を取得する撮像素子９０９と、被測定物９００からの反射光であってビームスプリッタ９０５を透過した光を受光する受光素子９０２と、ビームスプリッタ９０５を透過した光を受光素子９０２へ導くビームスプリッタ９０３とを備える。
【０００４】
そして、このような変位センサでは、励磁コイルを用いて、対物レンズ９０６を、所定の振幅で振動させ、受光素子９０２における受光量が最大となる対物レンズ９０６の位置で、撮像素子９０９に画像が取得される。これにより、撮像素子９０９にて、当該被測定物９００表面に集光したときの画像を取得することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３５１３８１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記したような従来の変位計では、図１６に示したように被測定物９００表面に凹凸がある場合、被測定物の表面に集光した時点で撮像素子９０９で取得された画像は、図１７に示されるように、変位計測点以外の高さではピントが合っていない画像となっていた。
【０００７】
そして、このような変位センサにおいては、凹凸のある被測定物において計測範囲内で鮮明な画像を用いて計測点を確認できる機能が希望されていた。
【０００８】
本発明はかかる実情に鑑み考え出されたものであり、その目的は、共焦点変位センサによる被測定物において、変位計測点以外の高さにおいても鮮明な画像を取得することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に従った変位センサは、第１の波長の光を出射する第１の投光部と、第１の波長の光を受光する第１の受光部と、第１の投光部が出射する光を、計測対象物へ向けて集光して照射するとともに、集光される光の光軸方向に沿って当該光の集光位置を連続的に変化させ、さらに、計測対象物上に照射された光の反射光を、第１の投光部から出射される光の光路に対して逆方向に進行させて第１の受光部へ導く掃引集光部とを含み、反射光の光路を、第１の投光部から計測対象物への光路から分離させる第１の光路分離部と受光量が最大となる時点の集光位置から表面変位を求める、共焦点変位計において、第１の波長とは異なる第２の波長の光を計測対象物に照射する第２の投光部と、反射光の光路を介した、第２の波長の光の計測対象物での反射光の光路を分離する第２の光路分離部と、第２の光路分離部によって光路を分離された光を受光する第２の受光部とを備え、第２の受光部は、撮像素子と開口絞りとを含む、テレセントリック光学系であり、開口絞り径は、テレセントリック光学系が、掃引集光部による集光位置の変化の範囲以上の被写界深度を有するように設計されている。
【００１０】
また、本発明の変位センサでは、好ましくは、掃引集光部は、第１の投光部が出射する光を計測対象物へ向けて集光して照射する対物レンズと、第１の投光部と対物レンズの間に、第１の投光部から対物レンズへ照射される光を平行光にするために設けられるコリメートレンズとを含み、第２の光路分離部は、対物レンズとコリメートレンズの間に設けられたことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の変位センサでは、好ましくは、第２の光路分離部が、開口絞り径の範囲を照射する第２の波長の光を通過させる開口を有するミラーによって構成され、第２の光路分離部と開口絞りとが一体に構成される。
【００１２】
また、本発明の変位センサでは、好ましくは、第２の受光部は、第２の光路分離部と開口絞りとの間に設けられたリレーレンズをさらに備える。
【００１３】
また、本発明の変位センサでは、好ましくは、共焦点変位計は、第１の投光部が出射する光を計測対象物へ向けて集光して照射する第１の対物レンズを含み、第２の受光部は、計測対象物における反射光であって、第１の対物レンズを介して開口絞りに送られた光を受光し、第１の対物レンズは、開口絞りまでの計測対象物における反射光の光路長が第１の対物レンズの後側焦点距離となる位置に取り付けられ、第１の対物レンズが、１の対物レンズと後側焦点距離の異なる第２の対物レンズに交換可能に構成され、第１の対物レンズが第２の対物レンズに交換された場合には、第２の対物レンズは、開口絞りまでの計測対象物における反射光の光路長が第２の対物レンズの後側焦点距離となる位置に取り付けられる。
【００１４】
また、本発明の変位センサでは、好ましくは、撮像素子を用いて取得された画像に、計測対象物上の第１の投光部からの照射光を含めるか否かを調節する第１の調節部と、撮像素子を用いて取得された画像の明るさを調節する第２の調節部とをさらに備え、第１の調節部および第２の調節部は、撮像素子の蓄積時間と第１の投光部の照射時間と第２の投光部の照射時間とを制御することにより、第１の投光部からの照射光を含めるか否かおよび撮像素子を用いて取得された画像の明るさを調節することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の変位センサでは、掃引集光部によって計測対象物における集光位置が変化した場合であっても、テレセントリック光学系からなる第２の受光部は、当該集光位置が変化する範囲以上の被写界深度を有する。
【００１６】
これにより、本発明によれば、第２の受光部の撮像素子において得られる画像は、共焦点変位計による計測点の周辺に凹凸のある被測定物においてもピントが合った画像となる。
【００１７】
また、本発明の変位センサでは、第２の受光部により計測点周辺の画像を取得する場合に、当該第２の受光部が掃引集光部により生じる光軸方向の合焦点位置変化以上の被写界深度を有するように構成されるため、計測点周辺の画像を取得する場合に鮮明度があがり、変位センサの計測点位置合わせの時間短縮化を図ることができる。
【００１８】
また、第２の受光部が長深度の被写界深度を有するように構成されるため、第２の受光部によるカラー画像を取得する場合であっても、レンズ系の色分散による結像位置の差を吸収することができる。よって、第２の受光部によってカラー画像を取得しても、カラー画像において色によってピントがずれ計測点周辺の画像の鮮明度が低下する不具合を回避できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の変位センサの第１の実施の形態の全体構成を模式的に示す図である。
【図２】図１の変位センサ のブロック構成を示す図である。
【図３】図１の変位センサにおける観察画像撮像系 の詳細な構成を説明するための図である。
【図４】本発明の変位センサの第２の実施の形態の全体構成を模式的に示す図である。
【図５】本発明の変位センサの第３の実施の形態の全体構成を模式的に示す図である。
【図６】本発明の変位センサの第４の実施の形態の構成を説明するための図である。
【図７】本発明の変位センサの第５の実施の形態の構成を説明するための図である。
【図８】本発明の変位センサの第６の実施の形態の構成を説明するための図である。
【図９】図８の変位センサにおける絞り板の絞り孔の開口径についての条件を説明するための図である。
【図１０】本発明の変位センサの第７の実施の形態の全体構成を模式的に示す図である。
【図１１】本発明の変位センサの第８の実施の形態のブロック構成を示す図である。
【図１２】図１１の変位センサにおける、振動子の振動状態の時間変化を模式的に示す図である。
【図１３】図１１の変位センサにおいて、シャッタ開状態とする期間を変更した場合の取得画像の変化を説明するための図である。
【図１４】本発明の第９の実施の形態の変位センサの全体構成を模式的に示す図である。
【図１５】本発明の第９の実施の形態の変位センサの全体構成を模式的に示す図である。
【図１６】従来の変位センサにおける光学系の構成を模式的に示す図である。
【図１７】従来の変位センサにおける取得画像の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の変位センサの実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、同一の構成要素には各図において同一の符号を付し、詳細な説明は繰返さない。
【００２１】
［第１の実施の形態］
（変位センサの概略構成について）
図１は、本発明の変位センサの第１の実施の形態の全体構成を模式的に示す図である。
【００２２】
図１を参照して、変位センサは、主に、計測対象物５００の表面上の変位を計測する共焦点変位計測系ＯＰＴ−Ａと、計測対象物５００の画像を取得する観察画像撮像系ＯＰＴ−Ｂとから構成される。
【００２３】
共焦点変位計測系ＯＰＴ−Ａは、光源１と、コリメートレンズ４と、対物レンズ６と、ビームスプリッタ３と、絞り板３１と、受光素子２とを含む。
【００２４】
観察画像撮像系ＯＰＴ−Ｂは、撮像用光源９４と、対物レンズ６と、ビームスプリッタ５と、絞り板８１と、結像レンズ８２と、撮像素子９とを含む。観察画像撮像系ＯＰＴ−Ｂは、テレセントリック光学系である。
【００２５】
対物レンズ６は、共焦点変位計システムＯＰＴ−Ａと観察画像撮像系ＯＰＴ−Ｂにおいて共通で用いられる。
【００２６】
共焦点変位計システムＯＰＴ−Ａでは、光源１から出射した光が、コリメートレンズ４で略並行光にされ、対物レンズ６を通って、計測対象物５００表面へ照射される。本実施の形態では、対物レンズ６に、コリメートレンズ４で平行光とされた光が入射することから、計測光（光源１から計測対象物５００上に照射される光）の集光位置を観察画像撮像系OPT-Bの被写界深度の中心にすることができる。
【００２７】
計測対象物５００へ照射された光は、当該計測対象物５００で反射される。そして、当該反射光の中でビームスプリッタ５を通過した光は、対物レンズ６、コリメートレンズ４を通過し、ビームスプリッタ３で反射され、絞り板２に設けられた絞り孔を介して受光素子２へ送られる。
【００２８】
ビームスプリッタ５は、たとえば、光源１から出射される波長付近の光を通過させ、その他の可視光の波長を反射させるダイクロイックミラーでもよい。ビームスプリッタ３は、ビームスプリッタ５を通過してきた光源１から出射される波長付近の光を反射して、受光素子２に送る。
【００２９】
観察画像撮像系ＯＰＴ−Ｂでは、撮像用光源９４からの光は、計測対象物５００上で反射され、対物レンズ６を通過しビームスプリッタ５で反射されて絞り板８１に形成された絞り孔を介して結像レンズ８２に送られ、当該結像レンズ８２により撮像素子９上で結像される。
【００３０】
図１では、撮像用光源９４からの反射光の一部が模式的に示されている。これらの反射光に関し、計測対象物５００上の反射点の中の３点が点Ｐ５１〜Ｐ５３として示されている。そして、当該反射点における反射光は、それぞれ、絞り板８１の絞り孔を介して結像レンズ８２を通り、結像レンズ８２により撮像素子９上に点Ｑ５１〜Ｑ５３として結像される。
【００３１】
また、図１では、光源１から計測対象物５００までの光軸が一点鎖線で模式的に示されている。
【００３２】
本実施の形態の変位センサでは、測定が行なわれている間、コリメートレンズ４は、振動子７により、光軸方向に、つまり図１の振動子７上の両矢印に示す方向に、位置を変化させることにより光軸方向に光源１からに光の集光位置を変化させる。また計測対象物からの反射光を、受光素子２において受光している。変位センサは、振動子７を図１中の両矢印方向に振動させるための、駆動コイル（後述する駆動コイル７４）等の部材を含む。
【００３３】
コリメートレンズ４は、振動子７の振動に応じて、計測対象物５００に接近する方向および遠ざかる方向に移動する。位置検出手段７１は、コリメートレンズ４の振動中の位置を検出する。信号処理部７３は、たとえばこのような位置検出手段からの信号を適宜処理することにより、コリメートレンズ４の位置を算出する。
【００３４】
本実施の形態の変位センサでは、光源１により第１の投光部が構成され、受光素子２により第１の受光部が構成される。また、本実施の形態の変位センサでは、対物レンズ６、コリメートレンズ４および振動子７により掃引集光部が構成される。
【００３５】
また、本実施の形態の変位センサでは、撮像用光源９４により第２の投光部が構成され、撮像素子９により第２の受光部が構成される。
【００３６】
そして、本実施の形態の変位センサでは、ビームスプリッタ３により第１の光路分離部が構成され、ビームスプリッタ５により第２の光路分離部が構成される。
【００３７】
（変位センサのブロック構成）
図２は、図１の変位センサのブロック構成を示す図である。
【００３８】
変位センサは、上記した構成要素の他に、変位センサの動作を全体的に制御する中央処理部１００を含み、さらに、光源制御部１０、信号処理部７３、増幅回路２２、ＡＤ（Analog to Digital）変換回路２３、信号処理部２４、駆動回路７５、駆動信号出力部７６、を含む。これらの構成要素は、それぞれ、専用のハードウェア資源で実現されても良いし、変位センサが有するＣＰＵ（Central Processing Unit）が、当該変位センサに備えられた記録装置に記録されたプログラムを実行することにより実現されても良い。また、変位センサはキーボード等の入力デバイスおよびモニタ等の出力デバイスからなる入出力部１０１と、記録装置から成る記憶部１０２を含む。
【００３９】
変位センサでは、駆動コイル７４によりコリメートレンズ４が図１の両矢印方向に振動すると、光源１とコリメートレンズ４の距離が変化する。光源１とコリメートレンズ４の間隔が、コリメートレンズ４の焦点距離と等しい場合にはコリメートレンズ４から対物レンズ６へは平行光が送られ、それ以外の間隔にある場合にはコリメートレンズ４から対物レンズ６へ送られる光は拡散光または収束光となる。これにより、光源１とコリメートレンズ４の間隔によって、対物レンズ６から計測対象物５００に対して照射される光の対物レンズ６からの集光位置までの間隔も異なる。変位センサでは、当該集光位置が、計測対象物５００表面が存在すると想定される高さ位置を含む位置で、距離ａ（図２参照）を含む範囲で移動するように、中央処理部１００は、コリメートレンズ４を振動させる。
【００４０】
変位センサでは、駆動コイル７４は、駆動回路７５によって通電される。駆動回路７５の通電態様は、駆動信号出力部７６によって制御される。中央処理部１００は、駆動信号出力部７６の動作を制御することにより、コリメートレンズ４の振動態様を制御する。
【００４１】
変位センサでは、位置検出回路７１からの信号が信号処理部７３に入力される。中央処理部１００は、信号処理部７３からの信号に基づいて、コリメートレンズ４の振動中の位置を得る。
【００４２】
変位センサでは、中央処理部１００は、光源制御部１０を介して、光源１の光の照射のＯＮ／ＯＦＦ等の動作を制御する。
【００４３】
中央処理部１００は、信号処理部７３からの信号に基づいて得られたコリメートレンズ４の振動中の位置が、上記した距離ａの範囲にあるときに、受光素子２で検出した受光信号から計測対象物体の変位を演算する。受光素子２で得られた受光信号は、増幅回路２２で増幅され、ＡＤ変換回路２３でデジタル信号に変換された後、信号処理部２４で適宜処理されて、中央処理部１００へと入力される。
【００４４】
撮像素子９で取得された画像は中央処理部１００に出力される。
変位センサでは、ユーザは、入出力部１０１を介して、測定条件等の情報を入力できる。また、変位センサは中央処理部１００が実行するプログラム等のデータが記憶部１０２に記憶される。
【００４５】
（観察画像撮像系の構成）
次に、図３（Ａ）〜図３（Ｃ）を参照して、変位センサにおける観察画像撮像系ＯＰＴ−Ｂの詳細な構成を説明する。
【００４６】
図３（Ａ）には、図１に示された観察画像撮像系ＯＰＴ−Ｂの各構成要素間の光路上の距離が示されている。具体的には、対物レンズ６の主点とビームスプリッタ５の間の光路長が距離ＲＡで示され、ビームスプリッタ５と絞り板８１の絞り孔の間の光路長が距離ＲＢで示され、絞り板８１の絞り孔と結像レンズ８２の間の光路長が距離ＲＣで示され、結像レンズ８２と撮像素子９の間の光路長が距離ＲＤで示されている。
【００４７】
変位センサにおける、これらの距離の条件について、以下説明する。
変位センサでは、テレセントリック光学系であるため、計測対象物５００上で反射した光のうち略コリメート成分の光のみが撮像素子９上で結像される。このため、絞り板８１の絞り孔の位置は、計測対象物５００上で反射した略コリメート光が集光される対物レンズ８２の後ろ側焦点位置となる。よって、距離ＲＡと距離ＲＢの和は対物レンズ６の後ろ側焦点距離とされている。
【００４８】
変位センサでは、テレセントリック光学系であるため、計測対象物５００で反射した光が、対物レンズ６と絞り板８１を経て結像レンズ８２により、略コリメート成分がセンサ９上に結像される。このため、結像レンズ８２は絞り板８１を通過した光を略コリメート成分にするために、絞り板８１が結像レンズ８２の前側焦点距離になる位置に配置される。よって、距離ＲＣは結像レンズ８２の前側焦点距離となる。
【００４９】
変位センサでは、計測対象物５００上で反射した光のうち略コリメート光が、対物レンズ６と絞り板８１を経て結像レンズ８２により、略コリメート光でセンサ９上に結像される。このため、撮像素子９は、結像レンズ８２で略コリメート光が結像される結像レンズ８２の後ろ側焦点位置に配置される。よって、距離ＲＤは結像レンズ８２の後ろ側焦点距離となる。
【００５０】
次に、絞り板８１の絞り孔の径について説明する。
図３（Ｂ）に、図３（Ａ）の観察画像撮像系ＯＰＴ−Ｂの光路を直線状にした仮想状態を示す。図３（Ｂ）において、点ＰＡ２は、計測対象物５００上の反射点を模式的に示し、また、点ＰＡ２での反射光が絞り板８１の絞り孔を通って撮像素子９上で結像する点が点ＰＢ２で示されている。また、点ＰＡ１，点ＰＡ３における反射光が絞り板８１の絞り孔を通って撮像素子９上で結像する点が点ＰＢ１，点ＰＢ３で示されている。さらに、図３（Ｂ）では、ｆ１は対物レンズ６の焦点距離であり、ｆ２は結像レンズ８２の焦点距離である。
【００５１】
本実施の形態の変位センサにおいて、コリメートレンズ４の掃引（振動）により対物レンズ６から照射される光の集光位置が変化する。この場合、対物レンズ６から照射される光の集光位置が、計測対象物５００の表面上を含み、かつ、対物レンズ６の被写界深度以内で変化するように、観察画像撮像系ＯＰＴ−Ｂが設計されていれば、コリメートレンズ４が掃引されている期間中に取得された画像は、鮮明なものとなる。
【００５２】
なお、対物レンズ６の被写界深度をａとし、その前側被写界深度をａ１とし、後ろ側被写界深度をａ２とした場合、ａとａ１とａ２の関係は、式（１）で表すことができる。
【００５３】
ａ＝ａ１＋ａ２ …（１）
なお、対物レンズ６の前側被写界深度ａ１と後ろ側被写界深度ａ２は、結像レンズ８２の撮像素子９の結像面を基準とした場合の前側被写界深度と後ろ側被写界深度に基づき、また、結像レンズ８２についてのＦ値を用いて、以下の式（２），式（３）のように記載することができる。
【００５４】
ａ１＝ｆ１２・ε・Ｆ／（ｆ２２＋ｆ１・ε・Ｆ） …（２）
ａ２＝ｆ１２・ε・Ｆ／（ｆ２２−ｆ１・ε・Ｆ） …（３）
式（２）および式（３）において、εは、視覚センサとして機能する変位センサにおける許容錯乱円径である。
【００５５】
なお、本実施の形態の変位センサでは、許容錯乱円径εは、撮像素子９のセンサ画素のピッチをＰとした場合、図３（Ｃ）に示すように、画素ピッチＰの２倍の範囲内まではピントがあっていると認識できるように設定される。つまり、次の式（４）に示すように設定される。
【００５６】
【数１】
また、Ｆ値は、一般に、「（レンズの焦点距離）／（レンズの直径）」で表されるが、本実施の形態では、絞り板８１の絞り孔（開口）を通った光のみが結像レンズ８２を介して撮像素子９上で結像される場合を考えるので、式（２）および式（３）中のＦ値は、次の式（５）で表されるものとなる。なお、式（５）中でφＡは、上記絞り孔の開口径である。
【００５７】
Ｆ＝ｆ２／φＡ …（５）
そして、式（５）を式（２）および式（３）に代入すると、それぞれ式（６）および式（７）のように書き換えることができる。
【００５８】
ａ１＝（ｆ１２・ε・ｆ２／φＡ）・（ｆ２２＋ｆ１・ε・ｆ２／φＡ） …（６）
ａ２＝（ｆ１２・ε・ｆ２／φＡ）・（ｆ２２−ｆ１・ε・ｆ２／φＡ） …（７）
そして、本実施の形態の変位センサでは、ａがコリメートレンズ４の掃引の振幅以上となるようなφＡが求められ、絞り板８１の絞り孔の径として設定される。これにより、本実施の形態の変位センサでは、テレセントリック光学系の開口絞りが、当該テレセントリック光学系が掃引集光部による集光位置の変化の範囲以上の被写界深度を有するように設計されることとなる。なお、集光位置の変化の範囲とは、本実施の形態ではコリメートレンズ４の掃引の範囲に共焦点光学系の光学倍率を乗じたものとなる。
【００５９】
（カラー画像の撮像について）
本実施の形態の変位センサでは、計測対象物５００の画像を取得する観察画像撮像系ＯＰＴ−Ｂが掃引集光部による集光位置変化以上の被写界深度を有するように構成されるため、撮像素子９でカラー画像を取得する場合であっても、波長による結像位置の差を観察画像撮像系ＯＰＴ−Ｂの被写界深度で吸収することができる。よって、撮像素子９でカラー画像を撮影しても、カラー画像において計測点周辺画像の鮮明度が低下するという不具合を回避できる。
【００６０】
［第２の実施の形態］
図４は、本実施の形態の変位センサの全体構成を模式的に示す。
【００６１】
図１に示した第１の実施の形態の変位センサと比較して、本実施の形態の変位センサでは、コリメートレンズ４の代わりに、対物レンズ６が、振動子７によって、図中両矢印方向に振動されるように構成されている。
【００６２】
このように、本発明の変位センサでは、対物レンズ６を通過した光の集光位置を変更させるために、コリメートレンズ４を掃引（振動）させても良いし、対物レンズ６を掃引（振動）させても良い。
【００６３】
なお、本実施の形態の変位センサでは、上記したａが対物レンズ６の掃引の振幅以上となるようなφＡが求められ、絞り板８１の絞り孔の径として設定される。
【００６４】
［第３の実施の形態］
図５は、本実施の形態の変位センサの全体構成を模式的に示す。
【００６５】
図４に示した第２の実施の形態の変位センサと比較して、本実施の形態の変位センサでは、コリメートレンズ４が省略されている。
【００６６】
本発明の変位センサでは、コリメートレンズ４が省略された場合、光源１からの光が対物レンズを通過し、集光される位置が対物レンズ６の被写界深度の中心とならないが、計測対象物５００の表面の変位測定および表面画像の取得に際し影響とならない程度に低減可能であると考えられる。
【００６７】
したがって、本発明の変位センサは、コリメートレンズ４が省略し、光源１が出射した光を直接対物レンズ６で集光して、計測対象物５００の表面の変位測定を行なうように構成されても良い。
【００６８】
［第４の実施の形態］
図６（Ａ）に、本実施の形態の変位センサの全体構成を模式的に示す。
【００６９】
本実施の形態では、図１等に記載の第１の実施の形態と比較して、ビームスプリッタ５の代わりに、低反射率の透明板５１が設けられている。低反射率の透明板５１の略中央部分には、図６（Ｂ）に示されるように、高反射率領域５２が設けられている。高反射率領域５２は、たとえば低反射率の透明板５１に蒸着されることにより構成される。これにより、計測対象物５００上で反射した可視光は、低反射率の透明板５１では透過するが、高反射率領域５２では反射されて結像レンズ８２を介して撮像素子９に送られる。
【００７０】
高反射率領域５２は、その径を、第１の実施の形態のφＡとすればよい。本実施の形態では、高反射率領域５２を蒸着等により備えた低反射率の透明板５１により、第１の実施の形態におけるビームスプリッタ５と絞り板８１の双方の機能が実現される。
【００７１】
なお、本実施の形態では、対物レンズ６から高反射率領域５２までの距離ＲＳ１は対物レンズ６の後ろ側焦点距離とされ、高反射率領域５２から結像レンズ８２までの距離ＲＳ２は結像レンズ８２の前側焦点距離とされ、結像レンズ８２から撮像素子９までの距離ＲＳ３は結像レンズ８２の後ろ側焦点距離とされる。
【００７２】
本実施の形態のように、ビームスプリッタと絞り板が一体として構成されるような変位センサは、絞り板までの距離を短くすることが可能なため、対物レンズ６のＮＡ（開口数）が高い場合等、対物レンズ６の後ろ側焦点距離が短い場合に特に有効である。
【００７３】
［第５の実施の形態］
図７（Ａ）に、本実施の形態の変位センサの全体構成を模式的に示す。
【００７４】
本実施の形態では、図１等に記載の第１の実施の形態と比較して、ビームスプリッタ５の代わりに、ミラー５３が設けられている。ミラー５３の略中央部分には、図７（Ｂ）に示されるように、絞り孔５４が形成されている。これにより、計測対象物５００上からの反射光は、ミラー５３の絞り孔５４以外の場所では反射されるが、絞り孔５４に到達した計測対象物５００上からの反射光は結像レンズ８２を介して撮像素子９に送られる。
【００７５】
絞り孔５４は、その径を、第１の実施の形態のφＡとすればよい。本実施の形態では、絞り孔５４を形成されたミラー５３により、第１の実施の形態におけるビームスプリッタ５と絞り板８１の双方の機能が実現される。
【００７６】
なお、本実施の形態では、対物レンズ６からミラー５３までの距離ＲＴ１は対物レンズ６の後ろ側焦点距離とされ、ミラー５３から結像レンズ８２までの距離ＲＴ２は結像レンズ８２の前側焦点距離とされ、結像レンズ８２から撮像素子９までの距離ＲＴ３は結像レンズ８２の後ろ側焦点距離とされる。
【００７７】
本実施の形態のように、ビームスプリッタと絞り板が一体的に構成されるような変位センサは絞り板までの距離を短くすることが可能なため、対物レンズ６のＮＡ（開口数）が高い場合等、対物レンズ６の後ろ側焦点距離が短い場合に特に有効である。
【００７８】
［第６の実施の形態］
図８（Ａ）に、本実施の形態の変位センサの全体構成を模式的に示す。
【００７９】
本実施の形態では、図１等に記載の第１の実施の形態と比較して、ビームスプリッタ５と絞り板８１との間に、リレーレンズ８３，８４が設けられている。本実施の形態では、撮像用光源９４の照射光の計測対象物５００上の反射光は、対物レンズ６、ビームスプリッタ５、リレーレンズ８３、リレーレンズ８４、絞り板８１（の絞り孔）、結像レンズ８２を経て、撮像素子９で結像される。図８（Ｂ）に、図８（Ａ）の観察画像撮像系ＯＰＴ−Ｂの光路を直線状にした仮想状態を示す。
【００８０】
以下、本実施の形態の変位センサにおける観察画像撮像系ＯＰＴ−Ｂの詳細な構成を説明する。
【００８１】
図８（Ａ）には、本実施の形態の変位センサの観察画像撮像系ＯＰＴ−Ｂの各構成要素間の光路長が示されている。具体的には、対物レンズ６とビームスプリッタ５の間の光路長が距離ＲＡで示され、ビームスプリッタ５とリレーレンズ８３の間の光路長が距離ＲＢで示され、リレーレンズ８３とリレーレンズ８４の間の仮想的な光の絞りの存在点の間の光路長が距離ＲＣで示され、当該仮想的な絞りの存在点とリレーレンズ８４の間の光路長が距離ＲＤで示され、リレーレンズ８４と絞り板８１の絞り孔の間の光路長が距離ＲＥで示され、絞り板８１の絞り孔と結像レンズ８２の間の光路長が距離ＲＦで示され、そして、結像レンズ８２と撮像素子９の間の光路長が距離ＲＧで示されている。なお、上記した「仮想的な絞りの存在点」とは、対物レンズ６、リレーレンズ８３、リレーレンズ８４を通過する光の中で、絞り板８１の絞り孔を通過することができる光についての、計測対象５００からの反射光が対物レンズ６とリレーレンズ８により結像される点を意味する。
【００８２】
本実施の形態では、対物レンズ６の焦点距離をｆ３、リレーレンズ８３（第１リレーレンズ）の焦点距離をｆ４、リレーレンズ８４（第２リレーレンズ）の焦点距離をｆ５、結像レンズ８２の焦点距離をｆ６とする。
【００８３】
本実施の形態の変位センサでは、計測対象物５００上で反射した光を、結像レンズ８２により撮像素子９上で結像させるために、距離ＲＧが、結像レンズ８２の後ろ側焦点距離とされている。
【００８４】
また、変位センサでは、計測対象物５００上で反射した光を、絞り板８１の絞り孔を介して、結像レンズ８２に撮像素子９上で結像させるために、距離ＲＦが、結像レンズ８２の前側焦点距離とされている。
【００８５】
また、変位センサでは、リレーレンズ８４を通過した光が絞り板８１の絞り孔を通過して結像レンズ８２に到達するために、距離ＲＥが、リレーレンズ８４の後ろ側焦点距離とされている。
【００８６】
また、変位センサでは、距離ＲＤがリレーレンズ８４の前側焦点距離とされ、距離ＲＣがリレーレンズ８３の後ろ側焦点距離とされている。
【００８７】
また、変位センサでは、距離ＲＢと距離ＲＡの和は、対物レンズ６の後ろ側焦点距離とリレーレンズ８３の前側焦点距離の和と等しくなるように構成されている。
【００８８】
次に、絞り板８１の絞り孔の径について説明する。
図８（Ｂ）では、上記した「仮想的な絞りの存在点」の光束径がφＢとして示されており、本実施の形態では、φＢは絞り板８１の絞り孔の径φＡと、次の式（８）の関係にあると考えられる。
【００８９】
φＢ＝φＡ×ｆ４／ｆ５ …（８）
また、本実施の形態においても、図３を参照して説明した第１の実施の形態と同様に、コリメートレンズ４の掃引（振動）により対物レンズ６の合焦位置が変化する。したがって、対物レンズ６の被写界深度をａとし、その前側被写界深度をａ１とし、後ろ側被写界深度をａ２とした場合（図９参照）、ａとａ１とａ２の関係は、式（１）と同様に式（９）で表すことができる。
【００９０】
ａ＝ａ１＋ａ２ …（９）
また、対物レンズ６の前側被写界深度ａ１と後ろ側被写界深度ａ２は、リレーレンズ８３についてのＦ値を用いて、以下の式（１０），式（１１）のように記載することができる。なお、式（１０）および式（１１）において、Ｆ’はリレーレンズ８３についてのＦ値であり、ε’は、本実施の形態の変位センサにおける許容錯乱円径である。
【００９１】
ａ１＝ｆ３２・ε’・Ｆ’／（ｆ４２＋ｆ３・ε’・Ｆ’） …（１０）
ａ２＝ｆ３２・ε’・Ｆ’／（ｆ４２−ｆ３・ε’・Ｆ’） …（１１）
本実施の形態の変位センサでは、許容錯乱円径ε’は、「仮想的な絞りの存在点」での許容錯乱円として考える。このため、許容錯乱円径ε’は、式（４）を利用して次の式（１２）に示すように設定される。
【００９２】
【数２】
また、上記のＦ値（Ｆ’）は、次の式（１３）で表されるものとなる。なお、式（１３）中でφＢは、仮想的な絞り孔の開口径である。
【００９３】
Ｆ’＝ｆ４／φＢ …（１３）
そして、式（１３）を式（１０）および式（１１）に代入すると、それぞれ式（１４）および式（１５）のように書き換えることができる。
【００９４】
ａ１＝（ｆ３２・ε’・ｆ４／φＢ）・（ｆ４２＋ｆ３・ε’・ｆ４／φＢ） …（１４）
ａ２＝（ｆ３２・ε’・ｆ４／φＢ）・（ｆ４２−ｆ３・ε’・ｆ４／φＢ） …（１５）
そして、本実施の形態の変位センサでは、ａがコリメートレンズ４の掃引の振幅以上となるようなφＡが式（１４）、式（１５）および式（８）から求められ、絞り板８１の絞り孔の径として設定される。これにより、本実施の形態の変位センサでは、テレセントリック光学系の開口絞りが、当該テレセントリック光学系が掃引集光部による集光位置の変化の範囲以上の被写界深度を有するように設計されることとなる。なお、集光位置の変化の範囲とは、の範囲に共焦点光学系の光学倍率を乗じたものとなる
また、本実施の形態の変位センサでは、リレーレンズ８３で一度結像させた後、リレーレンズ８４で再びコリメート光にして、絞り孔を通過させて、結像レンズ８２により撮像素子９上に結像させているため、対物レンズ６のＮＡが高い場合等、対物レンズ６の後ろ側焦点距離が短い場合に特に有効であるとともに、図６に示したミラー５２を用いたような場合に生じ得ると考えられる、当該ミラー５２周辺の低反射率の透明板５１からの反射光による撮像素子９上のゴーストの発生を回避できる。
【００９５】
［第７の実施の形態］
図１０に、本実施の形態の変位センサの全体構成を模式的に示す。
【００９６】
本実施の形態では、ビームスプリッタ５は、計測対象物５００からの反射光についての光路において、コリメートレンズ４よりも後方に配置されている。
【００９７】
本実施の形態では、撮像素子９で取得される画像は、計測対象物５００上で反射され、対物レンズ６、コリメートレンズ４、ビームスプリッタ５、リレーレンズ８５、絞り板８１の絞り孔、結像レンズ８２を経て、撮像素子９に導かれた光に基づいて形成される。
【００９８】
［第８の実施の形態］
本実施の形態では、変位センサにおいて、光源１の光出射のＯＮ／ＯＦＦ態様および撮像素子９における撮像のＯＮ／ＯＦＦ態様について、説明される。なお、撮像素子９は、たとえばＣＣＤ（Charge Coupled Devices）により構成され、撮像のＯＮ／ＯＦＦ態様とは、電荷の蓄積時間に関する態様とすることができる。
【００９９】
図１１に、本実施の形態の変位センサのブロック構成を示す。図１１のブロック構成は、図２に示されたブロック構成とほぼ同様であるが、本実施の形態では、特に、中央処理部１００にシャッタ／光源制御部１１０が設けられている。
【０１００】
図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）に、振動子７の振動状態の時間変化を模式的に示す。なお、振動子７の振動状態は、コリメートレンズ４の振動状態と同一とする。
【０１０１】
図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）では、振動子７の振幅がＸとされ、観察画像撮像系ＯＰＴ−Ｂの被写界深度がＺとされ、受光素子２による計測対象物５００の表面位置の計測が行なわれる振動位置の範囲がＹとされている。なお、本実施の形態において、ＸとＹとＺの大小関係は図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）に示されたものとされるが、これらの相対的な大きさの比については図１２に示されたものに限定されない。
【０１０２】
まず、図１２（Ａ）を参照して、振動子７は、周期的に振動される。中央処理部１００は、各周期において振動子７の振動位置が範囲Ｙ内にある期間に、光源１を点灯させて受光素子２に受光し、受光量が最大となった振動子７の振動位置における対物レンズ６を通過した光の集光位置に計測対象物５００の表面が存在すると判定する。基本的に、当該期間以外の期間では、光源１の点灯はおこなわれない（図１２（Ａ）中の「ＬＩＧＨＴ＿ＯＦＦ」期間）。
【０１０３】
中央処理部１００のシャッタ／光源制御部１１０は、基本的に、光源１の点灯が行なわれない期間に、撮像用光源９４を点灯し、撮像素子９における電荷の蓄積状態とする。撮像素子９がＣＣＤにより構成される場合には、当該期間以外に蓄積された電荷は捨てられ、当該期間に蓄積された電荷のみの読み取りが行なわれる。
【０１０４】
なお、中央処理部１００のシャッタ／光源制御部１１０は、各周期中のシャッタ開状態の期間を調整することができる。
【０１０５】
シャッタ開状態の期間を、図１２（Ｂ）中に期間Ｃ１〜Ｃ３に示すように、「ＬＩＧＨＴ＿ＯＦＦ」期間のみとした場合および光源１が点灯している期間も含める場合とで変化させた場合の、各期間における撮像素子９の取得画像の変化を図１３（Ａ）〜図１３（Ｃ）に示す。また、図１３では、各画像の、矢印で示される線上の受光強度が示されている。なお、期間Ｃ１ではシャッタ開状態が「ＬＩＧＨＴ＿ＯＦＦ」期間のみとされ、期間Ｃ２ではシャッタ開状態が「ＬＩＧＨＴ＿ＯＦＦ」期間と光源１点灯する期間とに渡り、期間Ｃ３ではシャッタ開状態が「ＬＩＧＨＴ＿ＯＦＦ」期間と期間Ｃ２より多くの時間光源１が点灯する期間とに渡っている。
【０１０６】
図１３をさらに参照して、図１３（Ｂ）および図１３（Ｃ）では、画像の中央部に輝度の高い点が含まれているが、図１３（Ａ）の画像中にはそのような輝度の高い点が含まれていない。この輝度の高い点は、光源１から出射された光による、撮像素子９上の集光点に対応する。光源１によるレーザ光照射期間を含む期間Ｃ２および期間Ｃ３にシャッタ開状態とされて取得された図１３（Ｂ）および図１３（Ｃ）の画像では、点Ｐ１１，点Ｐ１２として示されるように、このような計測点が計測点周辺画像内に輝度の高い点として含まれる。一方、光源の点灯期間を含まない期間Ｃ１にシャッタ開状態とされて取得された図１３（Ａ）の画像では、このような計測点に対応する輝度の高い点は含まれない。また、期間Ｃ２より長くレーザ光照射期間を含む期間Ｃ３にシャッタ開状態とされて取得された図１３（Ｃ）の画像では、期間Ｃ２にシャッタ開状態とされて取得された図１３（Ｂ）の画像よりも、当該計測点が明確に含まれている（当該計測点に対応する点の輝度が高くなっている）。
【０１０７】
以上より、本実施の形態の変位センサでは、シャッタ開状態の期間を調整することにより、計測点を、撮像素子９を用いた取得画像に含めるか否か、また、どの程度の輝度（明確さ）で含めるかを調整することができる。
【０１０８】
具体的には、変位センサでは、たとえば、ユーザが入出力部１０１に対して、取得画像に計測スポットを含めるか否か、また、どの程度含めるかについての情報を入力すると、当該入力された情報に応じて、中央処理部１００のシャッタ／光源制御部１１０は、光源１の点灯期間とシャッタ開状態とする期間との関係を決定する。
【０１０９】
［第９の実施の形態］
図１４は、本実施の形態の変位センサの全体構成を模式的に示す図である。
【０１１０】
図１４（Ｂ）に示される変位センサでは、図１４（Ａ）に示される変位センサに対して、対物レンズ６が対物レンズ６１に変更されている。なお、それぞれの変位センサにおいて、対物レンズ６はケース６０に収納され、対物レンズ６１はケース６２に収納されている。
【０１１１】
本実施の形態の変位センサは、対物レンズ６と対物レンズ６１のように、複数の対物レンズを交換可能に取り付けて、計測対象物５００についての変位測定や画像取得を行なうことができる。
【０１１２】
対物レンズ６と対物レンズ６１とでは、その焦点距離が異なる。
なお、図３等を参照して説明したように、本発明の変位センサでは、撮像素子９を用いた画像の取得に関し、対物レンズからビームスプリッタまでの光路上の距離とビームスプリッタから絞り板の絞り孔までの距離の和（つまり、対物レンズから絞り板の絞り孔までの光路上の距離）が、対物レンズの後ろ側焦点距離とされることが好ましい。
【０１１３】
そこで、本発明の変位センサでは、対物レンズが、当該対物レンズと焦点距離の異なる別の対物レンズに取り替えられる場合、各対物レンズは、絞り板の絞り孔までの距離が上記した条件を満たすような距離で取り付けられる。
【０１１４】
つまり、図１４（Ａ）の変位センサでは、距離ＲＡと距離ＲＢの和が対物レンズ６の後ろ側焦点距離となる位置に対物レンズ６が取り付けられる。また、図１４（Ｂ）の変位センサでは、距離ＲＡＸ（対物レンズ６１からビームスプリッタ５までの光路上の距離）と距離ＲＢの和が対物レンズ６１の後ろ側焦点距離となる位置に対物レンズ６１が取り付けられる。
【０１１５】
また、本実施の形態の変位センサでは、図１５に示されるように、３種類以上の対物レンズが交換可能に、変位センサに用いられることも可能である。
【０１１６】
図１５に示される変位センサでは、対物レンズ６と対物レンズ６３と対物レンズ６５が、交換可能に用いられる。
【０１１７】
各対物レンズの取り付け状態では、対物レンズ６から上記絞り孔までの光路上の距離（距離ＲＡと距離ＲＢの和）は対物レンズ６の後ろ側焦点距離とされ、対物レンズ６３から上記絞り孔までの光路上の距離（距離ＲＡＹと距離ＲＢの和）は対物レンズ６３の後ろ側焦点距離とされ、対物レンズ６５から上記絞り孔までの光路上の距離（距離ＲＡＺと距離ＲＢの和）は対物レンズ６５の後ろ側焦点距離とされる。
【０１１８】
また、図１５に示される変位センサでは、対物レンズ以外の部材が筐体２００内に収納されている。そして、対物レンズ６と対物レンズ６３と対物レンズ６５は、それぞれ、筐体２００に対して、上記した距離関係を満たすように取り付け可能なケース６０，６４，６６に収納されている。これにより、変位センサにおいて、容易に、焦点距離の異なる対物レンズの交換が可能となる。
【０１１９】
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て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。また、各実施の形態において説明された技術的思想は、可能な限り組み合わされて実現されることが意図される。
【符号の説明】
【０１２０】
１ 光源、２ 受光素子、３ ビームスプリッタ、４ コリメートレンズ、５ ビームスプリッタ、６ 対物レンズ、７ 振動子、９ 撮像素子、１０ 制御部、２１ ハイパスフィルタ回路、２２ 増幅回路、２３ 変換回路、２４ 信号処理部、５１ 低反射率の透明板、５２，５３ ミラー、５４ 孔、６０，６４，６６ ケース、６１，６３，６５ 対物レンズ、７１ 位置検出回路、７２ コンパレータ、７３ 信号処理部、７４ 駆動コイル、７５ 駆動回路、７６ 駆動信号出力部、８１ 絞り板、８２ 結像レンズ、８３，８４，８５ リレーレンズ、９１ 画像計測部、９４ 撮像用光源、１００ 中央処理部、１０１ 入出力部、１０２ 記憶部、１１０ シャッタ／ＬＤ制御部、２００ 筐体、５００ 計測対象物。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触で計測対象物体の変位を計測し、かつ、当該計測点周辺の画像を取得する、共焦点光学系を用いた変位センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の変位センサでは、例えば特許文献１に開示されるように、共焦点光学系を用いた変位センサであって、当該変位センサにより変位を測定する被測定物の画像を取得する撮像素子を備えるものがあった。
【０００３】
具体的には、変位センサは、図１６に示されるように、被測定物９００に光を照射する光源９０１と、光源９０１から出射する光の波長と異なる波長の光を、被測定物９００に照射する撮像用光源９１３と、被測定物９００からの光源９０１の反射光および撮像用光源９１３の反射光が通る対物レンズ９０６と、対物レンズ９０６を通った夫々の反射光が入射するビームスプリッタ９０５と、ビームスプリッタ９０５で反射した被測定物の表面像を取得する撮像素子９０９と、被測定物９００からの反射光であってビームスプリッタ９０５を透過した光を受光する受光素子９０２と、ビームスプリッタ９０５を透過した光を受光素子９０２へ導くビームスプリッタ９０３とを備える。
【０００４】
そして、このような変位センサでは、励磁コイルを用いて、対物レンズ９０６を、所定の振幅で振動させ、受光素子９０２における受光量が最大となる対物レンズ９０６の位置で、撮像素子９０９に画像が取得される。これにより、撮像素子９０９にて、当該被測定物９００表面に集光したときの画像を取得することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３５１３８１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記したような従来の変位計では、図１６に示したように被測定物９００表面に凹凸がある場合、被測定物の表面に集光した時点で撮像素子９０９で取得された画像は、図１７に示されるように、変位計測点以外の高さではピントが合っていない画像となっていた。
【０００７】
そして、このような変位センサにおいては、凹凸のある被測定物において計測範囲内で鮮明な画像を用いて計測点を確認できる機能が希望されていた。
【０００８】
本発明はかかる実情に鑑み考え出されたものであり、その目的は、共焦点変位センサによる被測定物において、変位計測点以外の高さにおいても鮮明な画像を取得することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に従った変位センサは、第１の波長の光を出射する第１の投光部と、第１の波長の光を受光する第１の受光部と、第１の投光部が出射する光を、計測対象物へ向けて集光して照射するとともに、集光される光の光軸方向に沿って当該光の集光位置を連続的に変化させ、さらに、計測対象物上に照射された光の反射光を、第１の投光部から出射される光の光路に対して逆方向に進行させて第１の受光部へ導く掃引集光部とを含み、反射光の光路を、第１の投光部から計測対象物への光路から分離させる第１の光路分離部と受光量が最大となる時点の集光位置から表面変位を求める、共焦点変位計において、第１の波長とは異なる第２の波長の光を計測対象物に照射する第２の投光部と、反射光の光路を介した、第２の波長の光の計測対象物での反射光の光路を分離する第２の光路分離部と、第２の光路分離部によって光路を分離された光を受光する第２の受光部とを備え、第２の受光部は、撮像素子と開口絞りとを含む、テレセントリック光学系であり、開口絞り径は、テレセントリック光学系が、掃引集光部による集光位置の変化の範囲以上の被写界深度を有するように設計されている。
【００１０】
また、本発明の変位センサでは、好ましくは、掃引集光部は、第１の投光部が出射する光を計測対象物へ向けて集光して照射する対物レンズと、第１の投光部と対物レンズの間に、第１の投光部から対物レンズへ照射される光を平行光にするために設けられるコリメートレンズとを含み、第２の光路分離部は、対物レンズとコリメートレンズの間に設けられたことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の変位センサでは、好ましくは、第２の光路分離部が、開口絞り径の範囲を照射する第２の波長の光を通過させる開口を有するミラーによって構成され、第２の光路分離部と開口絞りとが一体に構成される。
【００１２】
また、本発明の変位センサでは、好ましくは、第２の受光部は、第２の光路分離部と開口絞りとの間に設けられたリレーレンズをさらに備える。
【００１３】
また、本発明の変位センサでは、好ましくは、共焦点変位計は、第１の投光部が出射する光を計測対象物へ向けて集光して照射する第１の対物レンズを含み、第２の受光部は、計測対象物における反射光であって、第１の対物レンズを介して開口絞りに送られた光を受光し、第１の対物レンズは、開口絞りまでの計測対象物における反射光の光路長が第１の対物レンズの後側焦点距離となる位置に取り付けられ、第１の対物レンズが、１の対物レンズと後側焦点距離の異なる第２の対物レンズに交換可能に構成され、第１の対物レンズが第２の対物レンズに交換された場合には、第２の対物レンズは、開口絞りまでの計測対象物における反射光の光路長が第２の対物レンズの後側焦点距離となる位置に取り付けられる。
【００１４】
また、本発明の変位センサでは、好ましくは、撮像素子を用いて取得された画像に、計測対象物上の第１の投光部からの照射光を含めるか否かを調節する第１の調節部と、撮像素子を用いて取得された画像の明るさを調節する第２の調節部とをさらに備え、第１の調節部および第２の調節部は、撮像素子の蓄積時間と第１の投光部の照射時間と第２の投光部の照射時間とを制御することにより、第１の投光部からの照射光を含めるか否かおよび撮像素子を用いて取得された画像の明るさを調節することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の変位センサでは、掃引集光部によって計測対象物における集光位置が変化した場合であっても、テレセントリック光学系からなる第２の受光部は、当該集光位置が変化する範囲以上の被写界深度を有する。
【００１６】
これにより、本発明によれば、第２の受光部の撮像素子において得られる画像は、共焦点変位計による計測点の周辺に凹凸のある被測定物においてもピントが合った画像となる。
【００１７】
また、本発明の変位センサでは、第２の受光部により計測点周辺の画像を取得する場合に、当該第２の受光部が掃引集光部により生じる光軸方向の合焦点位置変化以上の被写界深度を有するように構成されるため、計測点周辺の画像を取得する場合に鮮明度があがり、変位センサの計測点位置合わせの時間短縮化を図ることができる。
【００１８】
また、第２の受光部が長深度の被写界深度を有するように構成されるため、第２の受光部によるカラー画像を取得する場合であっても、レンズ系の色分散による結像位置の差を吸収することができる。よって、第２の受光部によってカラー画像を取得しても、カラー画像において色によってピントがずれ計測点周辺の画像の鮮明度が低下する不具合を回避できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の変位センサの第１の実施の形態の全体構成を模式的に示す図である。
【図２】図１の変位センサ のブロック構成を示す図である。
【図３】図１の変位センサにおける観察画像撮像系 の詳細な構成を説明するための図である。
【図４】本発明の変位センサの第２の実施の形態の全体構成を模式的に示す図である。
【図５】本発明の変位センサの第３の実施の形態の全体構成を模式的に示す図である。
【図６】本発明の変位センサの第４の実施の形態の構成を説明するための図である。
【図７】本発明の変位センサの第５の実施の形態の構成を説明するための図である。
【図８】本発明の変位センサの第６の実施の形態の構成を説明するための図である。
【図９】図８の変位センサにおける絞り板の絞り孔の開口径についての条件を説明するための図である。
【図１０】本発明の変位センサの第７の実施の形態の全体構成を模式的に示す図である。
【図１１】本発明の変位センサの第８の実施の形態のブロック構成を示す図である。
【図１２】図１１の変位センサにおける、振動子の振動状態の時間変化を模式的に示す図である。
【図１３】図１１の変位センサにおいて、シャッタ開状態とする期間を変更した場合の取得画像の変化を説明するための図である。
【図１４】本発明の第９の実施の形態の変位センサの全体構成を模式的に示す図である。
【図１５】本発明の第９の実施の形態の変位センサの全体構成を模式的に示す図である。
【図１６】従来の変位センサにおける光学系の構成を模式的に示す図である。
【図１７】従来の変位センサにおける取得画像の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の変位センサの実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、同一の構成要素には各図において同一の符号を付し、詳細な説明は繰返さない。
【００２１】
［第１の実施の形態］
（変位センサの概略構成について）
図１は、本発明の変位センサの第１の実施の形態の全体構成を模式的に示す図である。
【００２２】
図１を参照して、変位センサは、主に、計測対象物５００の表面上の変位を計測する共焦点変位計測系ＯＰＴ−Ａと、計測対象物５００の画像を取得する観察画像撮像系ＯＰＴ−Ｂとから構成される。
【００２３】
共焦点変位計測系ＯＰＴ−Ａは、光源１と、コリメートレンズ４と、対物レンズ６と、ビームスプリッタ３と、絞り板３１と、受光素子２とを含む。
【００２４】
観察画像撮像系ＯＰＴ−Ｂは、撮像用光源９４と、対物レンズ６と、ビームスプリッタ５と、絞り板８１と、結像レンズ８２と、撮像素子９とを含む。観察画像撮像系ＯＰＴ−Ｂは、テレセントリック光学系である。
【００２５】
対物レンズ６は、共焦点変位計システムＯＰＴ−Ａと観察画像撮像系ＯＰＴ−Ｂにおいて共通で用いられる。
【００２６】
共焦点変位計システムＯＰＴ−Ａでは、光源１から出射した光が、コリメートレンズ４で略並行光にされ、対物レンズ６を通って、計測対象物５００表面へ照射される。本実施の形態では、対物レンズ６に、コリメートレンズ４で平行光とされた光が入射することから、計測光（光源１から計測対象物５００上に照射される光）の集光位置を観察画像撮像系OPT-Bの被写界深度の中心にすることができる。
【００２７】
計測対象物５００へ照射された光は、当該計測対象物５００で反射される。そして、当該反射光の中でビームスプリッタ５を通過した光は、対物レンズ６、コリメートレンズ４を通過し、ビームスプリッタ３で反射され、絞り板２に設けられた絞り孔を介して受光素子２へ送られる。
【００２８】
ビームスプリッタ５は、たとえば、光源１から出射される波長付近の光を通過させ、その他の可視光の波長を反射させるダイクロイックミラーでもよい。ビームスプリッタ３は、ビームスプリッタ５を通過してきた光源１から出射される波長付近の光を反射して、受光素子２に送る。
【００２９】
観察画像撮像系ＯＰＴ−Ｂでは、撮像用光源９４からの光は、計測対象物５００上で反射され、対物レンズ６を通過しビームスプリッタ５で反射されて絞り板８１に形成された絞り孔を介して結像レンズ８２に送られ、当該結像レンズ８２により撮像素子９上で結像される。
【００３０】
図１では、撮像用光源９４からの反射光の一部が模式的に示されている。これらの反射光に関し、計測対象物５００上の反射点の中の３点が点Ｐ５１〜Ｐ５３として示されている。そして、当該反射点における反射光は、それぞれ、絞り板８１の絞り孔を介して結像レンズ８２を通り、結像レンズ８２により撮像素子９上に点Ｑ５１〜Ｑ５３として結像される。
【００３１】
また、図１では、光源１から計測対象物５００までの光軸が一点鎖線で模式的に示されている。
【００３２】
本実施の形態の変位センサでは、測定が行なわれている間、コリメートレンズ４は、振動子７により、光軸方向に、つまり図１の振動子７上の両矢印に示す方向に、位置を変化させることにより光軸方向に光源１からに光の集光位置を変化させる。また計測対象物からの反射光を、受光素子２において受光している。変位センサは、振動子７を図１中の両矢印方向に振動させるための、駆動コイル（後述する駆動コイル７４）等の部材を含む。
【００３３】
コリメートレンズ４は、振動子７の振動に応じて、計測対象物５００に接近する方向および遠ざかる方向に移動する。位置検出手段７１は、コリメートレンズ４の振動中の位置を検出する。信号処理部７３は、たとえばこのような位置検出手段からの信号を適宜処理することにより、コリメートレンズ４の位置を算出する。
【００３４】
本実施の形態の変位センサでは、光源１により第１の投光部が構成され、受光素子２により第１の受光部が構成される。また、本実施の形態の変位センサでは、対物レンズ６、コリメートレンズ４および振動子７により掃引集光部が構成される。
【００３５】
また、本実施の形態の変位センサでは、撮像用光源９４により第２の投光部が構成され、撮像素子９により第２の受光部が構成される。
【００３６】
そして、本実施の形態の変位センサでは、ビームスプリッタ３により第１の光路分離部が構成され、ビームスプリッタ５により第２の光路分離部が構成される。
【００３７】
（変位センサのブロック構成）
図２は、図１の変位センサのブロック構成を示す図である。
【００３８】
変位センサは、上記した構成要素の他に、変位センサの動作を全体的に制御する中央処理部１００を含み、さらに、光源制御部１０、信号処理部７３、増幅回路２２、ＡＤ（Analog to Digital）変換回路２３、信号処理部２４、駆動回路７５、駆動信号出力部７６、を含む。これらの構成要素は、それぞれ、専用のハードウェア資源で実現されても良いし、変位センサが有するＣＰＵ（Central Processing Unit）が、当該変位センサに備えられた記録装置に記録されたプログラムを実行することにより実現されても良い。また、変位センサはキーボード等の入力デバイスおよびモニタ等の出力デバイスからなる入出力部１０１と、記録装置から成る記憶部１０２を含む。
【００３９】
変位センサでは、駆動コイル７４によりコリメートレンズ４が図１の両矢印方向に振動すると、光源１とコリメートレンズ４の距離が変化する。光源１とコリメートレンズ４の間隔が、コリメートレンズ４の焦点距離と等しい場合にはコリメートレンズ４から対物レンズ６へは平行光が送られ、それ以外の間隔にある場合にはコリメートレンズ４から対物レンズ６へ送られる光は拡散光または収束光となる。これにより、光源１とコリメートレンズ４の間隔によって、対物レンズ６から計測対象物５００に対して照射される光の対物レンズ６からの集光位置までの間隔も異なる。変位センサでは、当該集光位置が、計測対象物５００表面が存在すると想定される高さ位置を含む位置で、距離ａ（図２参照）を含む範囲で移動するように、中央処理部１００は、コリメートレンズ４を振動させる。
【００４０】
変位センサでは、駆動コイル７４は、駆動回路７５によって通電される。駆動回路７５の通電態様は、駆動信号出力部７６によって制御される。中央処理部１００は、駆動信号出力部７６の動作を制御することにより、コリメートレンズ４の振動態様を制御する。
【００４１】
変位センサでは、位置検出回路７１からの信号が信号処理部７３に入力される。中央処理部１００は、信号処理部７３からの信号に基づいて、コリメートレンズ４の振動中の位置を得る。
【００４２】
変位センサでは、中央処理部１００は、光源制御部１０を介して、光源１の光の照射のＯＮ／ＯＦＦ等の動作を制御する。
【００４３】
中央処理部１００は、信号処理部７３からの信号に基づいて得られたコリメートレンズ４の振動中の位置が、上記した距離ａの範囲にあるときに、受光素子２で検出した受光信号から計測対象物体の変位を演算する。受光素子２で得られた受光信号は、増幅回路２２で増幅され、ＡＤ変換回路２３でデジタル信号に変換された後、信号処理部２４で適宜処理されて、中央処理部１００へと入力される。
【００４４】
撮像素子９で取得された画像は中央処理部１００に出力される。
変位センサでは、ユーザは、入出力部１０１を介して、測定条件等の情報を入力できる。また、変位センサは中央処理部１００が実行するプログラム等のデータが記憶部１０２に記憶される。
【００４５】
（観察画像撮像系の構成）
次に、図３（Ａ）〜図３（Ｃ）を参照して、変位センサにおける観察画像撮像系ＯＰＴ−Ｂの詳細な構成を説明する。
【００４６】
図３（Ａ）には、図１に示された観察画像撮像系ＯＰＴ−Ｂの各構成要素間の光路上の距離が示されている。具体的には、対物レンズ６の主点とビームスプリッタ５の間の光路長が距離ＲＡで示され、ビームスプリッタ５と絞り板８１の絞り孔の間の光路長が距離ＲＢで示され、絞り板８１の絞り孔と結像レンズ８２の間の光路長が距離ＲＣで示され、結像レンズ８２と撮像素子９の間の光路長が距離ＲＤで示されている。
【００４７】
変位センサにおける、これらの距離の条件について、以下説明する。
変位センサでは、テレセントリック光学系であるため、計測対象物５００上で反射した光のうち略コリメート成分の光のみが撮像素子９上で結像される。このため、絞り板８１の絞り孔の位置は、計測対象物５００上で反射した略コリメート光が集光される対物レンズ８２の後ろ側焦点位置となる。よって、距離ＲＡと距離ＲＢの和は対物レンズ６の後ろ側焦点距離とされている。
【００４８】
変位センサでは、テレセントリック光学系であるため、計測対象物５００で反射した光が、対物レンズ６と絞り板８１を経て結像レンズ８２により、略コリメート成分がセンサ９上に結像される。このため、結像レンズ８２は絞り板８１を通過した光を略コリメート成分にするために、絞り板８１が結像レンズ８２の前側焦点距離になる位置に配置される。よって、距離ＲＣは結像レンズ８２の前側焦点距離となる。
【００４９】
変位センサでは、計測対象物５００上で反射した光のうち略コリメート光が、対物レンズ６と絞り板８１を経て結像レンズ８２により、略コリメート光でセンサ９上に結像される。このため、撮像素子９は、結像レンズ８２で略コリメート光が結像される結像レンズ８２の後ろ側焦点位置に配置される。よって、距離ＲＤは結像レンズ８２の後ろ側焦点距離となる。
【００５０】
次に、絞り板８１の絞り孔の径について説明する。
図３（Ｂ）に、図３（Ａ）の観察画像撮像系ＯＰＴ−Ｂの光路を直線状にした仮想状態を示す。図３（Ｂ）において、点ＰＡ２は、計測対象物５００上の反射点を模式的に示し、また、点ＰＡ２での反射光が絞り板８１の絞り孔を通って撮像素子９上で結像する点が点ＰＢ２で示されている。また、点ＰＡ１，点ＰＡ３における反射光が絞り板８１の絞り孔を通って撮像素子９上で結像する点が点ＰＢ１，点ＰＢ３で示されている。さらに、図３（Ｂ）では、ｆ１は対物レンズ６の焦点距離であり、ｆ２は結像レンズ８２の焦点距離である。
【００５１】
本実施の形態の変位センサにおいて、コリメートレンズ４の掃引（振動）により対物レンズ６から照射される光の集光位置が変化する。この場合、対物レンズ６から照射される光の集光位置が、計測対象物５００の表面上を含み、かつ、対物レンズ６の被写界深度以内で変化するように、観察画像撮像系ＯＰＴ−Ｂが設計されていれば、コリメートレンズ４が掃引されている期間中に取得された画像は、鮮明なものとなる。
【００５２】
なお、対物レンズ６の被写界深度をａとし、その前側被写界深度をａ１とし、後ろ側被写界深度をａ２とした場合、ａとａ１とａ２の関係は、式（１）で表すことができる。
【００５３】
ａ＝ａ１＋ａ２ …（１）
なお、対物レンズ６の前側被写界深度ａ１と後ろ側被写界深度ａ２は、結像レンズ８２の撮像素子９の結像面を基準とした場合の前側被写界深度と後ろ側被写界深度に基づき、また、結像レンズ８２についてのＦ値を用いて、以下の式（２），式（３）のように記載することができる。
【００５４】
ａ１＝ｆ１２・ε・Ｆ／（ｆ２２＋ｆ１・ε・Ｆ） …（２）
ａ２＝ｆ１２・ε・Ｆ／（ｆ２２−ｆ１・ε・Ｆ） …（３）
式（２）および式（３）において、εは、視覚センサとして機能する変位センサにおける許容錯乱円径である。
【００５５】
なお、本実施の形態の変位センサでは、許容錯乱円径εは、撮像素子９のセンサ画素のピッチをＰとした場合、図３（Ｃ）に示すように、画素ピッチＰの２倍の範囲内まではピントがあっていると認識できるように設定される。つまり、次の式（４）に示すように設定される。
【００５６】
【数１】
また、Ｆ値は、一般に、「（レンズの焦点距離）／（レンズの直径）」で表されるが、本実施の形態では、絞り板８１の絞り孔（開口）を通った光のみが結像レンズ８２を介して撮像素子９上で結像される場合を考えるので、式（２）および式（３）中のＦ値は、次の式（５）で表されるものとなる。なお、式（５）中でφＡは、上記絞り孔の開口径である。
【００５７】
Ｆ＝ｆ２／φＡ …（５）
そして、式（５）を式（２）および式（３）に代入すると、それぞれ式（６）および式（７）のように書き換えることができる。
【００５８】
ａ１＝（ｆ１２・ε・ｆ２／φＡ）・（ｆ２２＋ｆ１・ε・ｆ２／φＡ） …（６）
ａ２＝（ｆ１２・ε・ｆ２／φＡ）・（ｆ２２−ｆ１・ε・ｆ２／φＡ） …（７）
そして、本実施の形態の変位センサでは、ａがコリメートレンズ４の掃引の振幅以上となるようなφＡが求められ、絞り板８１の絞り孔の径として設定される。これにより、本実施の形態の変位センサでは、テレセントリック光学系の開口絞りが、当該テレセントリック光学系が掃引集光部による集光位置の変化の範囲以上の被写界深度を有するように設計されることとなる。なお、集光位置の変化の範囲とは、本実施の形態ではコリメートレンズ４の掃引の範囲に共焦点光学系の光学倍率を乗じたものとなる。
【００５９】
（カラー画像の撮像について）
本実施の形態の変位センサでは、計測対象物５００の画像を取得する観察画像撮像系ＯＰＴ−Ｂが掃引集光部による集光位置変化以上の被写界深度を有するように構成されるため、撮像素子９でカラー画像を取得する場合であっても、波長による結像位置の差を観察画像撮像系ＯＰＴ−Ｂの被写界深度で吸収することができる。よって、撮像素子９でカラー画像を撮影しても、カラー画像において計測点周辺画像の鮮明度が低下するという不具合を回避できる。
【００６０】
［第２の実施の形態］
図４は、本実施の形態の変位センサの全体構成を模式的に示す。
【００６１】
図１に示した第１の実施の形態の変位センサと比較して、本実施の形態の変位センサでは、コリメートレンズ４の代わりに、対物レンズ６が、振動子７によって、図中両矢印方向に振動されるように構成されている。
【００６２】
このように、本発明の変位センサでは、対物レンズ６を通過した光の集光位置を変更させるために、コリメートレンズ４を掃引（振動）させても良いし、対物レンズ６を掃引（振動）させても良い。
【００６３】
なお、本実施の形態の変位センサでは、上記したａが対物レンズ６の掃引の振幅以上となるようなφＡが求められ、絞り板８１の絞り孔の径として設定される。
【００６４】
［第３の実施の形態］
図５は、本実施の形態の変位センサの全体構成を模式的に示す。
【００６５】
図４に示した第２の実施の形態の変位センサと比較して、本実施の形態の変位センサでは、コリメートレンズ４が省略されている。
【００６６】
本発明の変位センサでは、コリメートレンズ４が省略された場合、光源１からの光が対物レンズを通過し、集光される位置が対物レンズ６の被写界深度の中心とならないが、計測対象物５００の表面の変位測定および表面画像の取得に際し影響とならない程度に低減可能であると考えられる。
【００６７】
したがって、本発明の変位センサは、コリメートレンズ４が省略し、光源１が出射した光を直接対物レンズ６で集光して、計測対象物５００の表面の変位測定を行なうように構成されても良い。
【００６８】
［第４の実施の形態］
図６（Ａ）に、本実施の形態の変位センサの全体構成を模式的に示す。
【００６９】
本実施の形態では、図１等に記載の第１の実施の形態と比較して、ビームスプリッタ５の代わりに、低反射率の透明板５１が設けられている。低反射率の透明板５１の略中央部分には、図６（Ｂ）に示されるように、高反射率領域５２が設けられている。高反射率領域５２は、たとえば低反射率の透明板５１に蒸着されることにより構成される。これにより、計測対象物５００上で反射した可視光は、低反射率の透明板５１では透過するが、高反射率領域５２では反射されて結像レンズ８２を介して撮像素子９に送られる。
【００７０】
高反射率領域５２は、その径を、第１の実施の形態のφＡとすればよい。本実施の形態では、高反射率領域５２を蒸着等により備えた低反射率の透明板５１により、第１の実施の形態におけるビームスプリッタ５と絞り板８１の双方の機能が実現される。
【００７１】
なお、本実施の形態では、対物レンズ６から高反射率領域５２までの距離ＲＳ１は対物レンズ６の後ろ側焦点距離とされ、高反射率領域５２から結像レンズ８２までの距離ＲＳ２は結像レンズ８２の前側焦点距離とされ、結像レンズ８２から撮像素子９までの距離ＲＳ３は結像レンズ８２の後ろ側焦点距離とされる。
【００７２】
本実施の形態のように、ビームスプリッタと絞り板が一体として構成されるような変位センサは、絞り板までの距離を短くすることが可能なため、対物レンズ６のＮＡ（開口数）が高い場合等、対物レンズ６の後ろ側焦点距離が短い場合に特に有効である。
【００７３】
［第５の実施の形態］
図７（Ａ）に、本実施の形態の変位センサの全体構成を模式的に示す。
【００７４】
本実施の形態では、図１等に記載の第１の実施の形態と比較して、ビームスプリッタ５の代わりに、ミラー５３が設けられている。ミラー５３の略中央部分には、図７（Ｂ）に示されるように、絞り孔５４が形成されている。これにより、計測対象物５００上からの反射光は、ミラー５３の絞り孔５４以外の場所では反射されるが、絞り孔５４に到達した計測対象物５００上からの反射光は結像レンズ８２を介して撮像素子９に送られる。
【００７５】
絞り孔５４は、その径を、第１の実施の形態のφＡとすればよい。本実施の形態では、絞り孔５４を形成されたミラー５３により、第１の実施の形態におけるビームスプリッタ５と絞り板８１の双方の機能が実現される。
【００７６】
なお、本実施の形態では、対物レンズ６からミラー５３までの距離ＲＴ１は対物レンズ６の後ろ側焦点距離とされ、ミラー５３から結像レンズ８２までの距離ＲＴ２は結像レンズ８２の前側焦点距離とされ、結像レンズ８２から撮像素子９までの距離ＲＴ３は結像レンズ８２の後ろ側焦点距離とされる。
【００７７】
本実施の形態のように、ビームスプリッタと絞り板が一体的に構成されるような変位センサは絞り板までの距離を短くすることが可能なため、対物レンズ６のＮＡ（開口数）が高い場合等、対物レンズ６の後ろ側焦点距離が短い場合に特に有効である。
【００７８】
［第６の実施の形態］
図８（Ａ）に、本実施の形態の変位センサの全体構成を模式的に示す。
【００７９】
本実施の形態では、図１等に記載の第１の実施の形態と比較して、ビームスプリッタ５と絞り板８１との間に、リレーレンズ８３，８４が設けられている。本実施の形態では、撮像用光源９４の照射光の計測対象物５００上の反射光は、対物レンズ６、ビームスプリッタ５、リレーレンズ８３、リレーレンズ８４、絞り板８１（の絞り孔）、結像レンズ８２を経て、撮像素子９で結像される。図８（Ｂ）に、図８（Ａ）の観察画像撮像系ＯＰＴ−Ｂの光路を直線状にした仮想状態を示す。
【００８０】
以下、本実施の形態の変位センサにおける観察画像撮像系ＯＰＴ−Ｂの詳細な構成を説明する。
【００８１】
図８（Ａ）には、本実施の形態の変位センサの観察画像撮像系ＯＰＴ−Ｂの各構成要素間の光路長が示されている。具体的には、対物レンズ６とビームスプリッタ５の間の光路長が距離ＲＡで示され、ビームスプリッタ５とリレーレンズ８３の間の光路長が距離ＲＢで示され、リレーレンズ８３とリレーレンズ８４の間の仮想的な光の絞りの存在点の間の光路長が距離ＲＣで示され、当該仮想的な絞りの存在点とリレーレンズ８４の間の光路長が距離ＲＤで示され、リレーレンズ８４と絞り板８１の絞り孔の間の光路長が距離ＲＥで示され、絞り板８１の絞り孔と結像レンズ８２の間の光路長が距離ＲＦで示され、そして、結像レンズ８２と撮像素子９の間の光路長が距離ＲＧで示されている。なお、上記した「仮想的な絞りの存在点」とは、対物レンズ６、リレーレンズ８３、リレーレンズ８４を通過する光の中で、絞り板８１の絞り孔を通過することができる光についての、計測対象５００からの反射光が対物レンズ６とリレーレンズ８により結像される点を意味する。
【００８２】
本実施の形態では、対物レンズ６の焦点距離をｆ３、リレーレンズ８３（第１リレーレンズ）の焦点距離をｆ４、リレーレンズ８４（第２リレーレンズ）の焦点距離をｆ５、結像レンズ８２の焦点距離をｆ６とする。
【００８３】
本実施の形態の変位センサでは、計測対象物５００上で反射した光を、結像レンズ８２により撮像素子９上で結像させるために、距離ＲＧが、結像レンズ８２の後ろ側焦点距離とされている。
【００８４】
また、変位センサでは、計測対象物５００上で反射した光を、絞り板８１の絞り孔を介して、結像レンズ８２に撮像素子９上で結像させるために、距離ＲＦが、結像レンズ８２の前側焦点距離とされている。
【００８５】
また、変位センサでは、リレーレンズ８４を通過した光が絞り板８１の絞り孔を通過して結像レンズ８２に到達するために、距離ＲＥが、リレーレンズ８４の後ろ側焦点距離とされている。
【００８６】
また、変位センサでは、距離ＲＤがリレーレンズ８４の前側焦点距離とされ、距離ＲＣがリレーレンズ８３の後ろ側焦点距離とされている。
【００８７】
また、変位センサでは、距離ＲＢと距離ＲＡの和は、対物レンズ６の後ろ側焦点距離とリレーレンズ８３の前側焦点距離の和と等しくなるように構成されている。
【００８８】
次に、絞り板８１の絞り孔の径について説明する。
図８（Ｂ）では、上記した「仮想的な絞りの存在点」の光束径がφＢとして示されており、本実施の形態では、φＢは絞り板８１の絞り孔の径φＡと、次の式（８）の関係にあると考えられる。
【００８９】
φＢ＝φＡ×ｆ４／ｆ５ …（８）
また、本実施の形態においても、図３を参照して説明した第１の実施の形態と同様に、コリメートレンズ４の掃引（振動）により対物レンズ６の合焦位置が変化する。したがって、対物レンズ６の被写界深度をａとし、その前側被写界深度をａ１とし、後ろ側被写界深度をａ２とした場合（図９参照）、ａとａ１とａ２の関係は、式（１）と同様に式（９）で表すことができる。
【００９０】
ａ＝ａ１＋ａ２ …（９）
また、対物レンズ６の前側被写界深度ａ１と後ろ側被写界深度ａ２は、リレーレンズ８３についてのＦ値を用いて、以下の式（１０），式（１１）のように記載することができる。なお、式（１０）および式（１１）において、Ｆ’はリレーレンズ８３についてのＦ値であり、ε’は、本実施の形態の変位センサにおける許容錯乱円径である。
【００９１】
ａ１＝ｆ３２・ε’・Ｆ’／（ｆ４２＋ｆ３・ε’・Ｆ’） …（１０）
ａ２＝ｆ３２・ε’・Ｆ’／（ｆ４２−ｆ３・ε’・Ｆ’） …（１１）
本実施の形態の変位センサでは、許容錯乱円径ε’は、「仮想的な絞りの存在点」での許容錯乱円として考える。このため、許容錯乱円径ε’は、式（４）を利用して次の式（１２）に示すように設定される。
【００９２】
【数２】
また、上記のＦ値（Ｆ’）は、次の式（１３）で表されるものとなる。なお、式（１３）中でφＢは、仮想的な絞り孔の開口径である。
【００９３】
Ｆ’＝ｆ４／φＢ …（１３）
そして、式（１３）を式（１０）および式（１１）に代入すると、それぞれ式（１４）および式（１５）のように書き換えることができる。
【００９４】
ａ１＝（ｆ３２・ε’・ｆ４／φＢ）・（ｆ４２＋ｆ３・ε’・ｆ４／φＢ） …（１４）
ａ２＝（ｆ３２・ε’・ｆ４／φＢ）・（ｆ４２−ｆ３・ε’・ｆ４／φＢ） …（１５）
そして、本実施の形態の変位センサでは、ａがコリメートレンズ４の掃引の振幅以上となるようなφＡが式（１４）、式（１５）および式（８）から求められ、絞り板８１の絞り孔の径として設定される。これにより、本実施の形態の変位センサでは、テレセントリック光学系の開口絞りが、当該テレセントリック光学系が掃引集光部による集光位置の変化の範囲以上の被写界深度を有するように設計されることとなる。なお、集光位置の変化の範囲とは、の範囲に共焦点光学系の光学倍率を乗じたものとなる
また、本実施の形態の変位センサでは、リレーレンズ８３で一度結像させた後、リレーレンズ８４で再びコリメート光にして、絞り孔を通過させて、結像レンズ８２により撮像素子９上に結像させているため、対物レンズ６のＮＡが高い場合等、対物レンズ６の後ろ側焦点距離が短い場合に特に有効であるとともに、図６に示したミラー５２を用いたような場合に生じ得ると考えられる、当該ミラー５２周辺の低反射率の透明板５１からの反射光による撮像素子９上のゴーストの発生を回避できる。
【００９５】
［第７の実施の形態］
図１０に、本実施の形態の変位センサの全体構成を模式的に示す。
【００９６】
本実施の形態では、ビームスプリッタ５は、計測対象物５００からの反射光についての光路において、コリメートレンズ４よりも後方に配置されている。
【００９７】
本実施の形態では、撮像素子９で取得される画像は、計測対象物５００上で反射され、対物レンズ６、コリメートレンズ４、ビームスプリッタ５、リレーレンズ８５、絞り板８１の絞り孔、結像レンズ８２を経て、撮像素子９に導かれた光に基づいて形成される。
【００９８】
［第８の実施の形態］
本実施の形態では、変位センサにおいて、光源１の光出射のＯＮ／ＯＦＦ態様および撮像素子９における撮像のＯＮ／ＯＦＦ態様について、説明される。なお、撮像素子９は、たとえばＣＣＤ（Charge Coupled Devices）により構成され、撮像のＯＮ／ＯＦＦ態様とは、電荷の蓄積時間に関する態様とすることができる。
【００９９】
図１１に、本実施の形態の変位センサのブロック構成を示す。図１１のブロック構成は、図２に示されたブロック構成とほぼ同様であるが、本実施の形態では、特に、中央処理部１００にシャッタ／光源制御部１１０が設けられている。
【０１００】
図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）に、振動子７の振動状態の時間変化を模式的に示す。なお、振動子７の振動状態は、コリメートレンズ４の振動状態と同一とする。
【０１０１】
図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）では、振動子７の振幅がＸとされ、観察画像撮像系ＯＰＴ−Ｂの被写界深度がＺとされ、受光素子２による計測対象物５００の表面位置の計測が行なわれる振動位置の範囲がＹとされている。なお、本実施の形態において、ＸとＹとＺの大小関係は図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）に示されたものとされるが、これらの相対的な大きさの比については図１２に示されたものに限定されない。
【０１０２】
まず、図１２（Ａ）を参照して、振動子７は、周期的に振動される。中央処理部１００は、各周期において振動子７の振動位置が範囲Ｙ内にある期間に、光源１を点灯させて受光素子２に受光し、受光量が最大となった振動子７の振動位置における対物レンズ６を通過した光の集光位置に計測対象物５００の表面が存在すると判定する。基本的に、当該期間以外の期間では、光源１の点灯はおこなわれない（図１２（Ａ）中の「ＬＩＧＨＴ＿ＯＦＦ」期間）。
【０１０３】
中央処理部１００のシャッタ／光源制御部１１０は、基本的に、光源１の点灯が行なわれない期間に、撮像用光源９４を点灯し、撮像素子９における電荷の蓄積状態とする。撮像素子９がＣＣＤにより構成される場合には、当該期間以外に蓄積された電荷は捨てられ、当該期間に蓄積された電荷のみの読み取りが行なわれる。
【０１０４】
なお、中央処理部１００のシャッタ／光源制御部１１０は、各周期中のシャッタ開状態の期間を調整することができる。
【０１０５】
シャッタ開状態の期間を、図１２（Ｂ）中に期間Ｃ１〜Ｃ３に示すように、「ＬＩＧＨＴ＿ＯＦＦ」期間のみとした場合および光源１が点灯している期間も含める場合とで変化させた場合の、各期間における撮像素子９の取得画像の変化を図１３（Ａ）〜図１３（Ｃ）に示す。また、図１３では、各画像の、矢印で示される線上の受光強度が示されている。なお、期間Ｃ１ではシャッタ開状態が「ＬＩＧＨＴ＿ＯＦＦ」期間のみとされ、期間Ｃ２ではシャッタ開状態が「ＬＩＧＨＴ＿ＯＦＦ」期間と光源１点灯する期間とに渡り、期間Ｃ３ではシャッタ開状態が「ＬＩＧＨＴ＿ＯＦＦ」期間と期間Ｃ２より多くの時間光源１が点灯する期間とに渡っている。
【０１０６】
図１３をさらに参照して、図１３（Ｂ）および図１３（Ｃ）では、画像の中央部に輝度の高い点が含まれているが、図１３（Ａ）の画像中にはそのような輝度の高い点が含まれていない。この輝度の高い点は、光源１から出射された光による、撮像素子９上の集光点に対応する。光源１によるレーザ光照射期間を含む期間Ｃ２および期間Ｃ３にシャッタ開状態とされて取得された図１３（Ｂ）および図１３（Ｃ）の画像では、点Ｐ１１，点Ｐ１２として示されるように、このような計測点が計測点周辺画像内に輝度の高い点として含まれる。一方、光源の点灯期間を含まない期間Ｃ１にシャッタ開状態とされて取得された図１３（Ａ）の画像では、このような計測点に対応する輝度の高い点は含まれない。また、期間Ｃ２より長くレーザ光照射期間を含む期間Ｃ３にシャッタ開状態とされて取得された図１３（Ｃ）の画像では、期間Ｃ２にシャッタ開状態とされて取得された図１３（Ｂ）の画像よりも、当該計測点が明確に含まれている（当該計測点に対応する点の輝度が高くなっている）。
【０１０７】
以上より、本実施の形態の変位センサでは、シャッタ開状態の期間を調整することにより、計測点を、撮像素子９を用いた取得画像に含めるか否か、また、どの程度の輝度（明確さ）で含めるかを調整することができる。
【０１０８】
具体的には、変位センサでは、たとえば、ユーザが入出力部１０１に対して、取得画像に計測スポットを含めるか否か、また、どの程度含めるかについての情報を入力すると、当該入力された情報に応じて、中央処理部１００のシャッタ／光源制御部１１０は、光源１の点灯期間とシャッタ開状態とする期間との関係を決定する。
【０１０９】
［第９の実施の形態］
図１４は、本実施の形態の変位センサの全体構成を模式的に示す図である。
【０１１０】
図１４（Ｂ）に示される変位センサでは、図１４（Ａ）に示される変位センサに対して、対物レンズ６が対物レンズ６１に変更されている。なお、それぞれの変位センサにおいて、対物レンズ６はケース６０に収納され、対物レンズ６１はケース６２に収納されている。
【０１１１】
本実施の形態の変位センサは、対物レンズ６と対物レンズ６１のように、複数の対物レンズを交換可能に取り付けて、計測対象物５００についての変位測定や画像取得を行なうことができる。
【０１１２】
対物レンズ６と対物レンズ６１とでは、その焦点距離が異なる。
なお、図３等を参照して説明したように、本発明の変位センサでは、撮像素子９を用いた画像の取得に関し、対物レンズからビームスプリッタまでの光路上の距離とビームスプリッタから絞り板の絞り孔までの距離の和（つまり、対物レンズから絞り板の絞り孔までの光路上の距離）が、対物レンズの後ろ側焦点距離とされることが好ましい。
【０１１３】
そこで、本発明の変位センサでは、対物レンズが、当該対物レンズと焦点距離の異なる別の対物レンズに取り替えられる場合、各対物レンズは、絞り板の絞り孔までの距離が上記した条件を満たすような距離で取り付けられる。
【０１１４】
つまり、図１４（Ａ）の変位センサでは、距離ＲＡと距離ＲＢの和が対物レンズ６の後ろ側焦点距離となる位置に対物レンズ６が取り付けられる。また、図１４（Ｂ）の変位センサでは、距離ＲＡＸ（対物レンズ６１からビームスプリッタ５までの光路上の距離）と距離ＲＢの和が対物レンズ６１の後ろ側焦点距離となる位置に対物レンズ６１が取り付けられる。
【０１１５】
また、本実施の形態の変位センサでは、図１５に示されるように、３種類以上の対物レンズが交換可能に、変位センサに用いられることも可能である。
【０１１６】
図１５に示される変位センサでは、対物レンズ６と対物レンズ６３と対物レンズ６５が、交換可能に用いられる。
【０１１７】
各対物レンズの取り付け状態では、対物レンズ６から上記絞り孔までの光路上の距離（距離ＲＡと距離ＲＢの和）は対物レンズ６の後ろ側焦点距離とされ、対物レンズ６３から上記絞り孔までの光路上の距離（距離ＲＡＹと距離ＲＢの和）は対物レンズ６３の後ろ側焦点距離とされ、対物レンズ６５から上記絞り孔までの光路上の距離（距離ＲＡＺと距離ＲＢの和）は対物レンズ６５の後ろ側焦点距離とされる。
【０１１８】
また、図１５に示される変位センサでは、対物レンズ以外の部材が筐体２００内に収納されている。そして、対物レンズ６と対物レンズ６３と対物レンズ６５は、それぞれ、筐体２００に対して、上記した距離関係を満たすように取り付け可能なケース６０，６４，６６に収納されている。これにより、変位センサにおいて、容易に、焦点距離の異なる対物レンズの交換が可能となる。
【０１１９】
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て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。また、各実施の形態において説明された技術的思想は、可能な限り組み合わされて実現されることが意図される。
【符号の説明】
【０１２０】
１ 光源、２ 受光素子、３ ビームスプリッタ、４ コリメートレンズ、５ ビームスプリッタ、６ 対物レンズ、７ 振動子、９ 撮像素子、１０ 制御部、２１ ハイパスフィルタ回路、２２ 増幅回路、２３ 変換回路、２４ 信号処理部、５１ 低反射率の透明板、５２，５３ ミラー、５４ 孔、６０，６４，６６ ケース、６１，６３，６５ 対物レンズ、７１ 位置検出回路、７２ コンパレータ、７３ 信号処理部、７４ 駆動コイル、７５ 駆動回路、７６ 駆動信号出力部、８１ 絞り板、８２ 結像レンズ、８３，８４，８５ リレーレンズ、９１ 画像計測部、９４ 撮像用光源、１００ 中央処理部、１０１ 入出力部、１０２ 記憶部、１１０ シャッタ／ＬＤ制御部、２００ 筐体、５００ 計測対象物。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の波長の光を出射する第１の投光部と、
前記第１の波長の光を受光する第１の受光部と、
前記第１の投光部が出射する光を、計測対象物へ向けて集光して照射するとともに、集光される光の光軸方向に沿って当該光の集光位置を連続的に変化させ、さらに、前記計測対象物上に照射された光の反射光を、前記第１の投光部から出射される光の光路に対して逆方向に進行させて前記第１の受光部へ導く掃引集光部とを含み、
前記反射光の光路を、前記第１の投光部から前記計測対象物への光路から分離させる第１の光路分離部と受光量が最大となる時点の集光位置から表面変位を求める、共焦点変位計において、
前記第１の波長とは異なる第２の波長の光を前記計測対象物に照射する第２の投光部と、
前記反射光の光路を介した、前記第２の波長の光の前記計測対象物での反射光の光路を分離する第２の光路分離部と、
前記第２の光路分離部によって光路を分離された光を受光する第２の受光部とを備え、
前記第２の受光部は、撮像素子と開口絞りとを含む、テレセントリック光学系であり、
前記開口絞り径は、前記テレセントリック光学系が、前記掃引集光部による集光位置の変化の範囲以上の被写界深度を有するように設計されている、変位センサ。
【請求項２】
前記掃引集光部は、
前記第１の投光部が出射する光を前記計測対象物へ向けて集光して照射する対物レンズと、
前記第１の投光部と前記対物レンズの間に、前記第１の投光部から前記対物レンズへ照射される光を平行光にするために設けられるコリメートレンズとを含み、
前記第２の光路分離部は、前記対物レンズと前記コリメートレンズの間に設けられたことを特徴とする、請求項１に記載の変位センサ。
【請求項３】
前記第２の光路分離部が、前記開口絞り径の範囲を照射する前記第２の波長の光を通過させる開口を有するミラーによって構成され、前記第２の光路分離部と前記開口絞りとが一体に構成される、請求項１に記載の変位センサ。
【請求項４】
前記第２の受光部は、前記第２の光路分離部と前記開口絞りとの間に設けられたリレーレンズをさらに備える、請求項１に記載の変位センサ。
【請求項５】
前記共焦点変位計は、前記第１の投光部が出射する光を前記計測対象物へ向けて集光して照射する第１の対物レンズを含み、
前記第２の受光部は、前記計測対象物における反射光であって、前記第１の対物レンズを介して前記開口絞りに送られた光を受光し、
前記第１の対物レンズは、前記開口絞りまでの前記計測対象物における反射光の光路長が前記第１の対物レンズの後側焦点距離となる位置に取り付けられ、
前記第１の対物レンズが、前記１の対物レンズと後側焦点距離の異なる第２の対物レンズに交換可能に構成され、
前記第１の対物レンズが前記第２の対物レンズに交換された場合には、前記第２の対物レンズは、前記開口絞りまでの前記計測対象物における反射光の光路長が前記第２の対物レンズの後側焦点距離となる位置に取り付けられる、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の変位センサ。
【請求項６】
前記撮像素子を用いて取得された画像に、前記計測対象物上の前記第１の投光部からの照射光を含めるか否かを調節する第１の調節部と、
前記撮像素子を用いて取得された画像の明るさを調節する第２の調節部とをさらに備え、
前記第１の調節部および前記第２の調節部は、撮像素子の蓄積時間と第１の投光部の照射時間と第２の投光部の照射時間とを制御することにより、前記第１の投光部からの照射光を含めるか否かおよび前記撮像素子を用いて取得された画像の明るさを調節することを特徴とする、請求項１〜請求項５のいずれかに記載の変位センサ。
【請求項１】
第１の波長の光を出射する第１の投光部と、
前記第１の波長の光を受光する第１の受光部と、
前記第１の投光部が出射する光を、計測対象物へ向けて集光して照射するとともに、集光される光の光軸方向に沿って当該光の集光位置を連続的に変化させ、さらに、前記計測対象物上に照射された光の反射光を、前記第１の投光部から出射される光の光路に対して逆方向に進行させて前記第１の受光部へ導く掃引集光部とを含み、
前記反射光の光路を、前記第１の投光部から前記計測対象物への光路から分離させる第１の光路分離部と受光量が最大となる時点の集光位置から表面変位を求める、共焦点変位計において、
前記第１の波長とは異なる第２の波長の光を前記計測対象物に照射する第２の投光部と、
前記反射光の光路を介した、前記第２の波長の光の前記計測対象物での反射光の光路を分離する第２の光路分離部と、
前記第２の光路分離部によって光路を分離された光を受光する第２の受光部とを備え、
前記第２の受光部は、撮像素子と開口絞りとを含む、テレセントリック光学系であり、
前記開口絞り径は、前記テレセントリック光学系が、前記掃引集光部による集光位置の変化の範囲以上の被写界深度を有するように設計されている、変位センサ。
【請求項２】
前記掃引集光部は、
前記第１の投光部が出射する光を前記計測対象物へ向けて集光して照射する対物レンズと、
前記第１の投光部と前記対物レンズの間に、前記第１の投光部から前記対物レンズへ照射される光を平行光にするために設けられるコリメートレンズとを含み、
前記第２の光路分離部は、前記対物レンズと前記コリメートレンズの間に設けられたことを特徴とする、請求項１に記載の変位センサ。
【請求項３】
前記第２の光路分離部が、前記開口絞り径の範囲を照射する前記第２の波長の光を通過させる開口を有するミラーによって構成され、前記第２の光路分離部と前記開口絞りとが一体に構成される、請求項１に記載の変位センサ。
【請求項４】
前記第２の受光部は、前記第２の光路分離部と前記開口絞りとの間に設けられたリレーレンズをさらに備える、請求項１に記載の変位センサ。
【請求項５】
前記共焦点変位計は、前記第１の投光部が出射する光を前記計測対象物へ向けて集光して照射する第１の対物レンズを含み、
前記第２の受光部は、前記計測対象物における反射光であって、前記第１の対物レンズを介して前記開口絞りに送られた光を受光し、
前記第１の対物レンズは、前記開口絞りまでの前記計測対象物における反射光の光路長が前記第１の対物レンズの後側焦点距離となる位置に取り付けられ、
前記第１の対物レンズが、前記１の対物レンズと後側焦点距離の異なる第２の対物レンズに交換可能に構成され、
前記第１の対物レンズが前記第２の対物レンズに交換された場合には、前記第２の対物レンズは、前記開口絞りまでの前記計測対象物における反射光の光路長が前記第２の対物レンズの後側焦点距離となる位置に取り付けられる、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の変位センサ。
【請求項６】
前記撮像素子を用いて取得された画像に、前記計測対象物上の前記第１の投光部からの照射光を含めるか否かを調節する第１の調節部と、
前記撮像素子を用いて取得された画像の明るさを調節する第２の調節部とをさらに備え、
前記第１の調節部および前記第２の調節部は、撮像素子の蓄積時間と第１の投光部の照射時間と第２の投光部の照射時間とを制御することにより、前記第１の投光部からの照射光を含めるか否かおよび前記撮像素子を用いて取得された画像の明るさを調節することを特徴とする、請求項１〜請求項５のいずれかに記載の変位センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１３】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
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【図１１】
【図１２】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１３】
【図１７】
【公開番号】特開２０１０−２１６８７３（Ｐ２０１０−２１６８７３Ａ）
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−６１６３６（Ｐ２００９−６１６３６）
【出願日】平成２１年３月１３日（２００９．３．１３）
【出願人】（０００００２９４５）オムロン株式会社 (3,542)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１３日（２００９．３．１３）
【出願人】（０００００２９４５）オムロン株式会社 (3,542)
【Ｆターム（参考）】
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