変位センサ
【課題】多様な表面状態を有する計測対象物に対して、高速に精度よく変位を計測する。
【解決手段】対物レンズ６を光軸に沿って移動させる共焦点光学系を備える変位センサにおいて、レーザダイオード１からの投射光を、シリンドリカルレンズ４によってスリットビームとし、光軸と直行するＹ軸側が計測対象物９０表面で集光するように絞られ、光軸と直行するＸ軸が表面からの反射光成分を平均化するために引き伸ばされた態様で照射する。計測対象物９０の表面からの反射光はレーザダイオード１と共役な位置に配置された開口５ａを通してフォトダイオード２で受光する。開口５ａは、Ｙ軸が短く且つＸ軸が長い形状のスリットである。受光信号がピークとなる対物レンズ６の位置から表面の変位を計測する。
【解決手段】対物レンズ６を光軸に沿って移動させる共焦点光学系を備える変位センサにおいて、レーザダイオード１からの投射光を、シリンドリカルレンズ４によってスリットビームとし、光軸と直行するＹ軸側が計測対象物９０表面で集光するように絞られ、光軸と直行するＸ軸が表面からの反射光成分を平均化するために引き伸ばされた態様で照射する。計測対象物９０の表面からの反射光はレーザダイオード１と共役な位置に配置された開口５ａを通してフォトダイオード２で受光する。開口５ａは、Ｙ軸が短く且つＸ軸が長い形状のスリットである。受光信号がピークとなる対物レンズ６の位置から表面の変位を計測する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触で対象物の変位を計測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】
共焦点光学系を用いた変位センサでは、計測対象物の表面にレーザ光を照射し、その反射光を受光し、受光光量レベルに基づき計測対象物の表面の変位を測定する。ここで、レーザ光は光学系を透過しても可干渉性が高いままで計測対象物の表面に照射されるため、計測対象物の表面状態により計測誤差が発生する。具体的には、レーザ光を計測対象物の表面に照射すると、計測対象物の表面からは、位相の異なる光が反射される。この反射光は、互いに干渉し合うことで強めあったり、打ち消し合い、その結果、受光光量に影響を与える。このような計測対象物の表面状態（凸凹の程度）に対応した斑点状の模様は「スペックル」と呼ばれている。
【０００３】
レーザ光を用いた変位センサとして、共焦点光学系が利用される。共焦点光学系では、計測対象物の表面に照射されるレーザ光のスポットサイズが小さいため、計測対象物の表面からの反射光にはコントラストが高く、スペックルサイズの大きいスペックルが含まれる。したがって、受光信号に含まれるスペックル成分がノイズとなり、計測誤差が大きくなる。計測誤差を解消するために、たとえば特許文献１の共焦点光学系を用いた変位計では、計測対象物表面におけるレーザ光の照射位置を変えながら、複数位置における変位量を連続的に測定することにより、スペックルの影響を平均化している。
【０００４】
特許文献１の変位計によれば、スペックルの影響による計測誤差を少なくすることは可能ではあるが、測定ポイント（計測対象物表面のレーザ光スポット位置）を変えながら複数位置での変位量を連続的に測定する必要があるため、測定に時間がかかる。
【０００５】
この課題を解消するものとして、たとえば特許文献２の共焦点光学系を用いた三次元形状測定光学系がある。特許文献２では、特許文献１のレーザ光スポットの位置を変えることに代替して、ラインビームを対物光学系のレンズ位置を変化させながら測定対象物に照射する。測定対象物表面からの反射光はラインセンサで受光し、その受光レベルに基づき三次元形状測定を行なう。特許文献２によれば、計測対象物表面におけるレーザ光スポットの位置を変える必要はないので、測定に時間がかかるという特許文献１の課題が解消される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２８６５９８号公報
【特許文献２】特開２００３−８３７２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２であっても、測定対象物の表面状態により反射光成分にスペックルが含まれるので高精度な変位測定は困難である。つまり、測定対象物の表面に照射される略長方形状のラインビームの短軸側では、特許文献１のスポットの焦点と同様にその反射光にはスペックルが発生する。また、長軸側ではラインセンサによって受光するため、各画素においてスペックルによる受光光量のばらつきが発生している。このように、特許文献２では、略長方形状のラインビームを測定対象物表面に照射することにより、表面の比較的広いエリアを照射するが、各画素に入射する反射光成分自体がスペックルノイズを含んでいるため、ラインセンサの各画素に対応する変位計測値を平均化しても真の検出値を得ることは困難である。
【０００８】
また、ラインセンサから信号を読出す間は、計測対象物表面にラインビームを投影するための対物光学系のレンズ位置を一定に保つ必要があり、高速応答が困難となる。
【０００９】
また、特許文献２では、共焦点の効果を得るために、ラインビームを形成するためのスリットとラインセンサを共役に配置する必要がある。このように、精密な位置合せを行なう必要があることから特許文献２の装置の組立および調整は困難である。
【００１０】
それゆえに、本発明の目的は、多様な表面状態を有する計測対象物に対して、高速に精度よく変位を計測できる変位センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明の変位センサは、光を出射する光源と、光源から出射された光を、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る投光部と、計測対象物上に照射された光の反射光を、投光部からの照射光の光路に対して逆方向に導く集光部と、集光部によって導かれた反射光の光路を、投光部からの光路から分離する光路分離素子と、第１開口を構成する第１遮光部材を含み、当該第１遮光部材は光路分離素子により投光部の光路から分離された反射光の少なくとも一部分を遮光し、当該第１開口は反射光の他の部分を通過させる第１開口部と、第１開口部を通過した反射光を受光し、受光した光量に応じた受光信号を出力する受光部と、受光信号に基づき計測対象物までの距離についての情報を取得する処理部と、を備える。
【００１２】
投光部は、計測対象物上の集光位置におけるスポットの、光軸と直交する第１軸が延びる方向の径を、光軸と直交する第２軸が延びる方向の径よりも短くして、計測対象物に照射するスポット径変更部、を含む。計測対象物上のスポットは、第１軸が延びる方向において合焦し、第１開口は、略長方形状であって且つ第１軸が延びる方向と共役な位置に配置され、略長方形状の第１軸が延びる方向の辺は、第２軸が延びる方向の辺よりも短い。
【００１３】
この態様によれば、略長方形状のスポットを計測対象物表面に照射し、スポットは第１軸が延びる方向において合焦し、スポットからの反射光は、略長方形であって且つ第１軸が延びる方向と共役な位置に配置され、略長方形の第１軸が延びる方向の辺が、第２軸が延びる方向の辺よりも短い第１開口を通過して受光部で受光される。したがって、計測対象表面状態に応じて反射光に発生するスペックルの影響を第２軸が延びる方向において平均化しながら、第１軸が延びる方向において合焦状態を検出できて、合焦状態の受光信号に基づく変位測定を高精度に行うことができる。
【００１４】
「集光部が光の集光位置を連続的に変化させ」は、予め定められた変化の態様に従って変化することを言い、一定速度で集光位置が変化する場合のほか、集光位置毎に所定の異なる速度により変化する場合を含む。光を集光する光学部品が一定速度や一定の振動周期で移動する結果、光の集光位置が、その位置毎に所定の速さで変化する場合が含まれる。変化には、所定の範囲で、一方向に変化させる場合や往復するように変化させる場合が含まれ、単発的に変化させる場合や周期的に繰り返して変化させる場合が含まれる。
【００１５】
集光部には、複数のレンズやミラー等の光学部品群により構成されて、その全体または一部分を移動させる場合や、単数の移動するレンズやミラーにより構成される場合が含まれる。
【００１６】
光路分離素子にはハーフミラーや偏光ビームスプリッタが含まれる。
好ましくは、スポット径変更部は、光軸が通過する光学レンズを有し、光学レンズは、光軸と直交する第１軸が延びる方向の焦点距離と光軸と第１軸と直交する第２軸が延びる方向の焦点距離とが異なる。
【００１７】
好ましくは、光学レンズは、光軸が延びる方向に沿って移動可能である。これにより、計測対象の表面状態に従い光学レンズを移動させて、表面に集光するスポットの略長方形形状を可変とすることが可能となるから、必要な面内分解能を保持しつつ上述した高精度測定を速やかに行なうことができる。
【００１８】
好ましくは、光学レンズは、シリンドリカルレンズである。
好ましくは、光学レンズは、トーリックレンズである。
【００１９】
好ましくは、スポット径変更部は、第２開口を構成する第２遮光部材を含み、当該第２遮光部材は照射光の少なくとも一部分を遮光し、当該第２開口は照射光の他の部分を通過させる第２開口部を有し、第２開口は矩形形状であって、当該矩形の第１軸が延びる方向の辺は、第２軸が延びる方向の辺よりも短い。
【００２０】
第１および第２開口は、光を通過させる空間内の領域であり、ピンホールやスリットが含まれる。「開口を形成する」とは、第１および第２遮光部材を配置することによって、光を通過させる空間内の領域を制限することをいう。
【００２１】
好ましくは、第２開口の第２軸が延びる方向の辺の長さは可変である。これにより、計測対象の表面状態に従い第２開口の第２軸が延びる方向の辺の長さを変更して、表面に集光するスポットの略長方形形状を可変とすることが可能となるから、第１軸方向において必要な面内分解能を保持しつつ上述した高精度測定を速やかに行なうことができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、計測対象物表面からの反射光に発生する表面状態によって発生するスペックルの影響を、第２軸が延びる方向において平均化しながら、第１軸が延びる方向において合焦状態を検出できて、合焦状態の受光信号に基づく変位測定を高精度に行うことができる。また、表面が凸凹である計測対象物の平均的高さ値として高精度に変位を測定することができる。
【００２３】
また、計測対象の表面状態に従い表面に集光するスポットの略長方形形状を可変にできるから、必要な面内分解能を保持しつつ高精度測定を速やかに行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態１に係る変位センサの全体構成を模式的に示す図である。
【図２】（Ａ）〜（Ｃ）は、図１における光の集光状態を説明する図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｃ）は、図１において計測対象物の表面が鏡面である場合の光の集光状態を説明する図である。
【図４】（Ａ）〜（Ｃ）は、図１において計測対象物の表面が光の散乱面である場合の光の集光状態を説明する図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る変位センサの全体構成を模式的に示す図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係るスリットを説明する図である。
【図７】本発明の実施の形態３に係る変位センサの全体構成を模式的に示す図である。
【図８】本発明の実施の形態３に係る変位センサの変形例を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態４に係る変位センサの全体構成を模式的に示す図である。
【図１０】（Ａ）〜（Ｃ）は、図９における光の集光状態を説明する図である。
【図１１】（Ａ）と（Ｂ）は、図９においてシリンドリカルレンズを上下させた場合の光の集光状態を説明する図である。
【図１２】（Ａ）と（Ｂ）は、図９のシリンドリカルレンズを上下動させるための機構を説明する図である。
【図１３】本発明の実施の形態５に係る変位センサの全体構成を模式的に示す図である。
【図１４】（Ａ）と（Ｂ）は、図１３のスリットとそれを用いた光の集光状態を説明する図である。
【図１５】（Ａ）と（Ｂ）は、図１３のスリット幅の拡大を示す図である。
【図１６】（Ａ）と（Ｂ）は、図１３のスリット幅の縮小を説明する図である。
【図１７】（Ａ）と（Ｂ）は、図１３におけるスリット幅の拡大／縮小のための機構を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の変位センサの各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。
【００２６】
各実施の形態に係る変位センサは、共焦点光学系を含んで構成される。共焦点光学系の光軸をＺ軸として、Ｚ軸に直交するＸ軸およびＹ軸を想定し、Ｘ軸が延びる方向を「Ｘ方向」と称し、Ｙ軸が延びる方向を「Ｙ方向」と称する。各実施の形態の共焦点光学系はＹ方向にのみ共焦点となるように設計されている。
【００２７】
各実施の形態に係る共焦点光学系では、光源である後述のレーザダイオード１と受光部（後述のフォトダイオード２）に光を導出する開口（後述の開口５ａ）とを共役に配置する。「共役に配置する」とは、光源から照射された照明光が、計測対象物９０の表面上で焦点が合った（合焦した）ときに、同時にその反射光も受光部で焦点が合うように、光源と開口と受光部とが配置されるように設計されることを言う。
【００２８】
［実施の形態１］
図１を参照して本実施の形態１に係る共焦点光学系を有する変位センサは、センサヘッド７１と、当該センサヘッド７１を制御するコントローラ５０とを備える。
【００２９】
センサヘッド７１では、光源であるレーザダイオード１から１点鎖線の光軸が延びる方向に一定の強度の光が照射される。照射された光は、計測対象物９０に集光するための集光部の一部を構成するシリンドリカルレンズ４を通過して、対物レンズ６へ導かれる。そして、対物レンズ６を経て計測対象物９０の表面上に集光される。対物レンズ６は、振動子７に支持されている。振動子７の近傍位置には振動子７を駆動するための駆動コイル７Ａが配備される。また、センサヘッド７１には、駆動コイル７Ａに通電するための駆動回路７Ｂが設けられている。駆動コイル７Ａに電流を流す期間と電流の供給を停止する期間とを一定の周期で繰返すことにより振動子７が周期的に図中矢印方向に振動する。対物レンズ６は、振動子７の振動に連動して、計測対象物９０に接近する方向および遠ざかる方向に移動する。駆動信号出力部３０は、駆動回路７Ｂの駆動コイル７Ａへの通電態様を制御する。本実施の形態では、対物レンズ６、ならびに、対物レンズ６をこのように移動させる、振動子７、駆動コイル７Ａおよび駆動回路７Ｂにより、集光部の一部が構成される。さらに、対物レンズ６の位置を検出するために、位置検出部６２を備える。位置検出部６２の検出信号は、後述の中央処理部５１に与えられる。位置検出部６２の出力は、対物レンズ６のレンズ位置を示すレンズ位置信号として後述の中央処理部５１に与えられる。
【００３０】
計測対象物９０へ向けて照射されたレーザ光は、当該計測対象物９０の表面において反射される。そして、反射光は、対物レンズ６、シリンドリカルレンズ４、ハーフミラー３および絞り板５に予め形成された開口（絞り穴）５ａに向けて集光されて、開口（絞り穴）５ａを通過した光がフォトダイオード２により受光される。本実施の形態では、ハーフミラー３は偏光ビームスプリッタで代替さえてもよく、これらにより光路分離素子が構成され、フォトダイオード２により受光部が構成される。フォトダイオード２から出力される受光信号は、コントローラ５０に出力される。
【００３１】
受光信号は、コントローラ５０において、増幅回路１２で増幅された後、さらにＡ／Ｄ（analog/digital）変換回路１３によってデジタル信号に変換され、信号処理部１４で適宜処理されて、中央処理部５１に与えられる。中央処理部５１は、処理を実行するとともにコントローラ５０全体の動作を制御する。また、入出力部５３を通じて外部から入力される設定値を取得し、記憶部５２に記憶させたり、処理結果を入出力部５３で表示し、あるいは外部へ出力する。本実施の形態では、中央処理部５１が処理部を構成している。
【００３２】
中央処理部５１は、受光信号と位置検出部６２からのレンズ位置信号を用いて、変位を計測する。具体的には、共焦点光学系においては、計測対象物９０の表面が対物レンズ６によって集光される光の集光位置に一致すると、計測対象物９０上で反射した光は、光学系を通過して、開口５ａの位置で集光する。このとき、対物レンズ６の位置に応じて受光信号に極大値（ピーク）が周期的に現れる。本実施の形態では、たとえば、予めセンサヘッド７１の端部から計測対象物９０へ向けて集光される光の集光位置までの距離と、レンズ位置信号との関係を示す変換テーブルを生成して、記憶部５２に格納しておく。動作において、中央処理部５１は、受光信号にピークが現れたときの対物レンズ６の位置に基づき、当該変換テーブルを検索して、関連付けされた距離を読出す。これにより、光の集光位置に存在する計測対象物９０までの距離を検出する。
【００３３】
図１においては、シリンドリカルレンズ４は、Ｘ方向とＹ方向において焦点距離が違うという特徴を有し、図１の共焦点光学系は前述のようにＹ方向にのみ共焦点となるように設計されている。これらの特徴を踏まえて、図１の光学系の仮想的な平面（以下、仮想面という）６３ａ〜６３ｄの位置（１）〜（５）において観察される光の集光状態を図２〜図４を参照し説明する。
【００３４】
図１において、仮想面６３ａの下方向（計測対象物９０の表面が位置する方向）の位置（１）において、レーザダイオード１から照射されてシリンドリカルレンズ４に入射する前の光を観察すると、図２（Ａ）のように光のスポット径はＸ方向およびＹ方向についてほぼ等しい。
【００３５】
図１における、シリンドリカルレンズ４と対物レンズ６の間に設けられる仮想面６３ｂの位置（２）においてレーザダイオード１から照射されてシリンドリカルレンズ４と通過した直後の光を観察すると、図２（Ｂ）のように、シリンドリカルレンズ４の特徴から、光のスポット径はＸ方向のみが絞られることにより、Ｙ方向にのみ伸張する。この結果、光のスポット形状は、楕円形状となる。
【００３６】
さらに、図１の計測対象物９０の表面にある仮想面６３ｄの下方向の位置（３）においてレーザダイオード１から計測対象物９０の表面に照射された光を観察すると、図２（Ｃ）のようになる。図２（Ｃ）を参照すると、シリンドリカルレンズ４を通過して対物レンズ６によって集光されて計測対象物９０の表面に照射される光のスポットは、Ｙ方向には短く且つＸ方向には長い、略長方形状のビーム（以下、スリットビームという）６３となる。
【００３７】
次に、計測対象物９０の表面で反射された光の集光状態について、表面が鏡面である場合（図３（Ａ）〜（Ｃ））と散乱面である場合（図４（Ａ）〜（Ｃ））について説明する。仮想面６３ｃの位置（４）において対物レンズ６に入射する直前の反射光を観察すると、その集光形状は図３（Ａ）および図４（Ａ）のように、図２（Ｃ）のスリットビーム６３が拡散している。この拡散した反射光を、対物レンズ６およびシリンドリカルレンズ４を通過した直後の仮想面６３ａの位置（５）において観察すると、図３（Ｂ）および図４（Ｂ）のように、シリンドリカルレンズ４を通過したことにより、Ｙ方向には短く、Ｘ方向には長いスリット形状の光のスポットが観察される。このスリット形状の反射光は、その後、ハーフミラー３によって絞り板５上で開口５ａを包含するように集光される（図３（Ｃ）と図４（Ｃ）を参照）。
【００３８】
開口５ａを構成する絞り板５は遮光部材でる。絞り板５はハーフミラー３によりレーザダイオード１の照射光の光路から分離された計測対象物９０表面からの反射光の少なくとも一部分を遮光し、開口５ａは当該反射光の他の部分を通過させて、フォトダイオード２側に出射する。図１に示した共焦点光学系は、前述したようにＹ方向のみ合焦（焦点が合う）ように設計されているので、開口５ａは、Ｙ方向の共焦点状態を検出するために、図３（Ｃ）と図４（Ｃ）に示されるようにＹ方向の辺はＸ方向の辺よりも短い矩形のスリット形状を有する。
【００３９】
上述したように、シリンドリカルレンズ４は、計測対象物９０の表面に照射される、または表面から反射するレーザ光のスポット径を変更するスポット径変更部に相当する。
【００４０】
図４（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、計測対象物９０の表面（散乱面）からの反射光には、鏡面からの反射光には観察されない斜線で示すスペックルが含まれる。ここで、Ｘ方向である長軸の方向では、スポットサイズを大きくしているので、スペックルサイズを小さくできる。そして、スペックルの影響を小さくしながらも、Ｙ方向である共焦点の方向ではスポットサイズを小さくして、すなわち計測対象物表面における面内分解能を小さくできて計測精度を維持することができる。
【００４１】
このように、計測対象物９０の表面状態がレーザダイオード１の波長オーダの凸凹の散乱面であっても、スペックルの影響を平均化し、精度よく変位を測定することが可能となる。また、スリットビーム６３を用いることにより、計測対象物９０の表面が計測分解能を超えるオーダの凸凹であっても、計測対象物表面における平均的な高さ値を精度よく測定できる。また、計測対象物９０の表面においてスポット位置を連続的に移動させる必要はなく、また、受光信号を読取るためにフォトダイオードを用いており、信号読取り時間を待つ必要のあるラインセンサを用いないので高速に変位を計測できる。
【００４２】
実施の形態１では、スポット径変更部としてシリンドリカルレンズを用いたが、Ｘ方向およびＹ方向の焦点距離が異なるレンズであれば、他のレンズ、たとえばトーリックレンズに代替してもよい。
【００４３】
［実施の形態２］
図５には、実施の形態２に係る変位センサの概略構成が示される。図５の変位センサは、図１の変位センサのセンサヘッド７１に代替して、センサヘッド７２を備える。コントローラ５０の構成は、図１に示すものと同じである。
【００４４】
図５において、センサヘッド７２は、図１に示したセンサヘッド７１のシリンドリカルレンズ４に代替して、集光部の一部を構成するスリット板８を備える。スリット板８は、予め開口部であるスリット８ａが形成されている。スリット板８は、レーザダイオード１とハーフミラー３との間の投光の光路上において、スリット８ａの開口を光軸が通過するように配置されて、レーザダイオード１からのレーザビームが通過する。スリット板８はスリット８ａが形成された遮光部材である。当該遮光部材はレーザダイオード１からの照射光の少なくとも一部分を遮光し、スリット８ａは照射光の他の部分を通過させる。センサヘッド７２の他の構成は、図１に示したセンサヘッド７１と同じであり、説明は略す。本実施の形態においても、実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００４５】
図６を参照して、スリット板８のスリット８ａの開口部は、Ｘ方向に長く、かつＹ方向に短い略長方形状を有する。レーザダイオード１からのレーザ光は、スリット板８上で、スリット８ａを包含するように照射される。照射された光の一部は、スリット８ａを通過して対物レンズ６へ導かれる。
【００４６】
本実施の形態では、レーザダイオード１から照射されて、計測対象物９０の表面上における集光位置のスリットビーム６３の形状を、Ｘ方向に長く、かつＹ方向に短いものとするためのスポット径変更部として、シリンドリカルレンズ４に代替してスリット８ａが形成されたスリット板８を用いている。スリット板８に形成されるスリット８ａは、図６に示されるような長方形状に限定されず、Ｘ方向に長く、かつＹ方向に短い形状であればよく、たとえば、楕円形状であってもよい。
【００４７】
［実施の形態３］
図７には、実施の形態３に係る変位センサの概略構成が示される。図７の変位センサの構成と、図１のそれとを比較し異なる点は、センサヘッド７１に代替して、図７の変位センサはセンサヘッド７３を備える点にある。図７のコントローラ５０の構成および機能は、図１に示したものと同じであり説明は略す。本実施の形態においても、実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００４８】
センサヘッド７３では、レーザダイオード１から照射された光が、集光部の一部を構成するコリメートレンズ９により略平行光に変換された後に、集光部の一部を構成するシリンドリカルレンズ４を通して、計測対象物９０の表面に向けて集光される。したがって、計測対象物１の表面において検出されるスリットビーム６３は、Ｘ方向に長く、Ｙ方向に短い略長方形状となる。
【００４９】
ここで、シリンドリカルレンズ４は、対物レンズ６と同様に、計測対象物９０の表面上に集光させるための機能を有する。したがって、図１の対物レンズ６と同様に、振動子７によって支持されて、駆動コイル７Ａによって図中矢印方向（上下方向）に振動する。その振動の位置を指すレンズ位置信号が位置検出部６２によって検出されて中央処理部５１に出力される。
【００５０】
計測対象物９０の表面上の集光位置で反射した光は、シリンドリカルレンズ４、コリメートレンズ９およびハーフミラー３を介して絞り板５の開口５ａを通過してフォトダイオード２によって受光される。
【００５１】
図７では、スリットビーム６３がＸ方向に長いので、反射光量は、すなわちフォトダイオード２の受光量は実施の形態１または２に比較して少なくなる。そこで、反射光量を増加させるために、図８に示すように、図７のシリンドリカルレンズ４を、トーリックレンズ４Ａに代替してもよい。図７のシリンドリカルレンズ４の場合には、Ｙ方向の一方方向にしか集光（光を絞る）することができないが、トーリックレンズ４Ａは、Ｙ方向のみならずＸ方向においても集光をすることができる。したがって、シリンドリカルレンズ４に代替してトーリックレンズ４Ａ用いることにより、図８のスリットビーム６３は、図７に比較しＸ方向に短くなり反射光量を増大、すなわちフォトダイオード２の受光量を増加させることができる。
【００５２】
［実施の形態４］
図９には、実施の形態４に係る変位センサの構成が示される。図９の変位センサの構成と、図１に示した変位センサとを比較し異なる点は、図１のセンサヘッド７１に代替して、センサヘッド７４を有する点にある。図９のコントローラ５０の構成および機能は、図１に示したものと同様であり、説明は略す。本実施の形態においても、実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００５３】
センサヘッド７４と図１に示したセンサヘッド７１とを比較し異なる点は、シリンドリカルレンズ４を光軸が延びる方向に従って移動（上下動）させるための位置調整部４１を追加して備える点にある。センサヘッド７４の他の部分は、図１に示したセンサヘッド７１と同様であり説明は略す。本実施の形態においても、実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００５４】
図９のセンサヘッド７４は、シリンドリカルレンズ４の光軸方向に沿った位置（上下方向の位置）を、計測対象物９０の表面粗さ（凸凹の状態）や必要な面内分解能に従い、調整するための機能として、位置調整部４１を備えている。シリンドリカルレンズ４は、Ｙ方向にのみ集光させることができるので、図９において、仮想面６３ａの位置（５）において、レーザダイオード１から照射されてシリンドリカルレンズ４に入射する直前の光を観察すると、図１０（Ａ）に示されるように、略円形形状の集光状態が観察される。
【００５５】
図９における仮想面６３ｂの位置（２）においてレーザダイオード１から照射されたシリンドリカルレンズ４を通過し、対物レンズ６に入射する直前の光を観察すると、図１０（Ｂ）のように集光状態が観察される。図１０（Ｂ）では、シリンドリカルレンズ４を光が通過したことにより、Ｙ方向のサイズが大きくなっている。
【００５６】
図９における仮想面６３ｄの位置（３）において計測対象物９０の表面上に照射された光の集光状態を観察すると、図１０（Ｃ）のように、Ｘ方向に長く且つＹ方向に短い（Ｙ方向にのみ絞られた）、略長方形状のレーザスポット６３が観察される。
【００５７】
図１０（Ｃ）の集光状態を示すシリンドリカルレンズ４の位置を、位置制御部４１によりレーザダイオード１方向に上昇させると、図１１（Ａ）に示されるように、位置（３）で観察されるスリットビーム６３の径は、Ｙ方向の長さは変わらずＸ方向に延びた形状に変化し、逆に、シリンドリカルレンズ４１の位置を計測対象物９０の方向に下降させた場合には、図１１（Ｂ）に示されるように、位置（３）で観察されるスリットビーム６３の径は、Ｙ方向の長さはそのままに、Ｘ方向の長さが短くなる。
【００５８】
したがって、計測対象物９０の表面粗さによるスペックルの影響を平均化しながらより測定精度を得たい場合には、シリンドリカルレンズ４の現在位置を位置調整部４１によって上昇させればよく、また、より面内分解能を高める場合には、図１１（Ｂ）に示されるように、シリンドリカルレンズ４の現在位置を、位置制御部４１によって下降させればよい。
【００５９】
図１２（Ａ）と（Ｂ）を参照して位置調整部４１の構成を説明する。図１２（Ａ）には、図９のＹ方向から見た位置調整部４１の構成が示され、図１２（Ｂ）には、図１２（Ａ）の線ＸＩＩＢ−ＸＩＩＢにおける断面が示される。位置調整部４１は、シリンドリカルレンズ４を光軸に沿って上下に移動させるために、支持部材４１３によって支持される。支持部材４１３には、シリンドリカルレンズ４を保持した状態の支持部材４１３を、光軸に沿って上下動させるための案内となるガイド４１２が貫通する。支持部材４１３に一体的に取付けられた凸凹部４１４と、回転可能に支持されるシャフト４１１に一体的に取付けられた螺旋状の凸凹部材４１７とは互いの凸凹が係合している。シャフト４１１が図中の矢印４１５の方向に回転すると、シャフト４１１に一体的に設けられた凸凹部材４１７が螺旋を描いて回転し、これに連動して凸凹部材４１７の凸凹に係合している凸凹部４１４が図中矢印４１６の方向に移動する。その結果、支持部材４１３に保持されたシリンドリカルレンズ４は、図中矢印４１６の方向に上昇する。一方、矢印４１５とは逆方向にシャフト４１１を回転させると、この回転に連動して、支持部材４１３は、矢印４１６とは逆方向、すなわち計測対象物９０の方向に下降し、その結果、支持部材４１３に保持されたシリンドリカルレンズ４は、下降する。
【００６０】
なお、上下動する光学レンズは、シリンドリカルレンズ４に限定されず、トーリックレンズであってもよい。
【００６１】
［実施の形態５］
図５に示したスリット板８に予め形成されたスリット８ａの開口部は、そのサイズが固定であるが、本実施の形態５のように可変であってもよい。
【００６２】
図１３には、実施の形態５に係る変位センサの概略構成が示される。図１３の変位センサの構成と、図５のそれとを比較し異なる点は、センサヘッド７２に代替して、センサヘッド７５を備える点にある。図１３のコントローラ５０の構成および機能は、図１に示したものと同じであり説明は略す。本実施の形態においても、実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００６３】
センサヘッド７５と図５に示したセンサヘッド７２とを比較し異なる点は、スリット８ａの開口部のサイズを可変とするためのスリット幅変更部８２を追加して備える点にある。センサヘッド７５の他の部分は、図５に示したセンサヘッド７２と同様であり説明は略す。
【００６４】
スリット幅が可変のスリット８１ａは、図１４（Ａ）のサイズであるとき、スリットビーム６３は図１４（Ｂ）の形状を有すると想定する。スリット幅変更部８２により図１５（Ａ）のようにスリット８１ａのＸ方向の幅を拡大すると、スリットビーム６３の径は図１５（Ｂ）のようにＸ方向に長くなり、逆に、図１６（Ａ）のように幅を縮小させると、スリットビーム６３の径は図１６（Ｂ）のようにＸ方向に短くなる。
【００６５】
図１７（Ａ）と（Ｂ）を参照してスリット幅変更部８２の構成を説明する。図１７（Ａ）には、図１３の対物レンズ側から見たスリット幅変更部８２の構成が示され、図１７（Ｂ）には、図１７（Ａ）の線ＸＶＩＩＢ−ＸＶＩＩＢにおける断面が示される。スリット幅変更部８２は、スリット８１ａの一部を覆うようにしてＸ方向に移動可能な２枚のプレート８２４が、支持部材８８２によって支持される。支持部材８８２は、２枚のプレート８２４をＸ方向に滑らすように案内するガイドとして機能する。２枚のプレート８２４のそれぞれに一体的に取付けられた凸凹部８２３と、回転可能に支持されるシャフト８２１に一体的に取付けられた螺旋状の凸凹部材８２７ａと８２７ｂとは互いの凸凹が係合している。シャフト８２１が図中の矢印８２５の方向に回転すると、シャフト８２１に一体的に設けられた凸凹部材８２７ａと８２７ｂとは逆方向の螺旋を描いて回転し、これに連動して凸凹部材８２７ａと８２７ｂの凸凹に係合している凸凹部８２４のそれぞれが図中矢印８２６の方向に移動する。その結果、支持部材８２２に保持された２枚のプレート８２４は図中矢印８２６の方向に移動し、スリット８１ａのＸ方向の幅は縮小される。一方、矢印８２５とは逆方向にシャフト８２１を回転させると、この回転に連動して、２枚のプレート８２４は、矢印８２６とは逆方向に移動し、スリット８１ａのＸ方向の幅は拡大する。
【００６６】
このように、計測対象物９０の表面粗さによるスペックルの影響を平均化しながらより測定精度を得たい場合には、スリット幅変更部８２によってスリット８１ａのＸ方向の幅を拡大すればよく、また、より面内分解能を高める場合には、反射光量（フォトダイオード２の受光量）が十分となるように、スリット幅変更部８２によってスリット８１ａのＸ方向の幅を縮小すればよい。
【００６７】
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。
【符号の説明】
【００６８】
１ レーザダイオード、２ フォトダイオード、３ ハーフミラー、４ シリンドリカルレンズ、４Ａ トーリックレンズ、５ 絞り板、５ａ 開口、６ 対物レンズ、８，８１ スリット板、８ａ，８１ａ スリット、５０ コントローラ、７１，７２，７３，７４，７５ センサヘッド、６３ スリットビーム、９０ 計測対象物、４１ 位置調整部、８２ スリット幅変更部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触で対象物の変位を計測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】
共焦点光学系を用いた変位センサでは、計測対象物の表面にレーザ光を照射し、その反射光を受光し、受光光量レベルに基づき計測対象物の表面の変位を測定する。ここで、レーザ光は光学系を透過しても可干渉性が高いままで計測対象物の表面に照射されるため、計測対象物の表面状態により計測誤差が発生する。具体的には、レーザ光を計測対象物の表面に照射すると、計測対象物の表面からは、位相の異なる光が反射される。この反射光は、互いに干渉し合うことで強めあったり、打ち消し合い、その結果、受光光量に影響を与える。このような計測対象物の表面状態（凸凹の程度）に対応した斑点状の模様は「スペックル」と呼ばれている。
【０００３】
レーザ光を用いた変位センサとして、共焦点光学系が利用される。共焦点光学系では、計測対象物の表面に照射されるレーザ光のスポットサイズが小さいため、計測対象物の表面からの反射光にはコントラストが高く、スペックルサイズの大きいスペックルが含まれる。したがって、受光信号に含まれるスペックル成分がノイズとなり、計測誤差が大きくなる。計測誤差を解消するために、たとえば特許文献１の共焦点光学系を用いた変位計では、計測対象物表面におけるレーザ光の照射位置を変えながら、複数位置における変位量を連続的に測定することにより、スペックルの影響を平均化している。
【０００４】
特許文献１の変位計によれば、スペックルの影響による計測誤差を少なくすることは可能ではあるが、測定ポイント（計測対象物表面のレーザ光スポット位置）を変えながら複数位置での変位量を連続的に測定する必要があるため、測定に時間がかかる。
【０００５】
この課題を解消するものとして、たとえば特許文献２の共焦点光学系を用いた三次元形状測定光学系がある。特許文献２では、特許文献１のレーザ光スポットの位置を変えることに代替して、ラインビームを対物光学系のレンズ位置を変化させながら測定対象物に照射する。測定対象物表面からの反射光はラインセンサで受光し、その受光レベルに基づき三次元形状測定を行なう。特許文献２によれば、計測対象物表面におけるレーザ光スポットの位置を変える必要はないので、測定に時間がかかるという特許文献１の課題が解消される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２８６５９８号公報
【特許文献２】特開２００３−８３７２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２であっても、測定対象物の表面状態により反射光成分にスペックルが含まれるので高精度な変位測定は困難である。つまり、測定対象物の表面に照射される略長方形状のラインビームの短軸側では、特許文献１のスポットの焦点と同様にその反射光にはスペックルが発生する。また、長軸側ではラインセンサによって受光するため、各画素においてスペックルによる受光光量のばらつきが発生している。このように、特許文献２では、略長方形状のラインビームを測定対象物表面に照射することにより、表面の比較的広いエリアを照射するが、各画素に入射する反射光成分自体がスペックルノイズを含んでいるため、ラインセンサの各画素に対応する変位計測値を平均化しても真の検出値を得ることは困難である。
【０００８】
また、ラインセンサから信号を読出す間は、計測対象物表面にラインビームを投影するための対物光学系のレンズ位置を一定に保つ必要があり、高速応答が困難となる。
【０００９】
また、特許文献２では、共焦点の効果を得るために、ラインビームを形成するためのスリットとラインセンサを共役に配置する必要がある。このように、精密な位置合せを行なう必要があることから特許文献２の装置の組立および調整は困難である。
【００１０】
それゆえに、本発明の目的は、多様な表面状態を有する計測対象物に対して、高速に精度よく変位を計測できる変位センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明の変位センサは、光を出射する光源と、光源から出射された光を、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る投光部と、計測対象物上に照射された光の反射光を、投光部からの照射光の光路に対して逆方向に導く集光部と、集光部によって導かれた反射光の光路を、投光部からの光路から分離する光路分離素子と、第１開口を構成する第１遮光部材を含み、当該第１遮光部材は光路分離素子により投光部の光路から分離された反射光の少なくとも一部分を遮光し、当該第１開口は反射光の他の部分を通過させる第１開口部と、第１開口部を通過した反射光を受光し、受光した光量に応じた受光信号を出力する受光部と、受光信号に基づき計測対象物までの距離についての情報を取得する処理部と、を備える。
【００１２】
投光部は、計測対象物上の集光位置におけるスポットの、光軸と直交する第１軸が延びる方向の径を、光軸と直交する第２軸が延びる方向の径よりも短くして、計測対象物に照射するスポット径変更部、を含む。計測対象物上のスポットは、第１軸が延びる方向において合焦し、第１開口は、略長方形状であって且つ第１軸が延びる方向と共役な位置に配置され、略長方形状の第１軸が延びる方向の辺は、第２軸が延びる方向の辺よりも短い。
【００１３】
この態様によれば、略長方形状のスポットを計測対象物表面に照射し、スポットは第１軸が延びる方向において合焦し、スポットからの反射光は、略長方形であって且つ第１軸が延びる方向と共役な位置に配置され、略長方形の第１軸が延びる方向の辺が、第２軸が延びる方向の辺よりも短い第１開口を通過して受光部で受光される。したがって、計測対象表面状態に応じて反射光に発生するスペックルの影響を第２軸が延びる方向において平均化しながら、第１軸が延びる方向において合焦状態を検出できて、合焦状態の受光信号に基づく変位測定を高精度に行うことができる。
【００１４】
「集光部が光の集光位置を連続的に変化させ」は、予め定められた変化の態様に従って変化することを言い、一定速度で集光位置が変化する場合のほか、集光位置毎に所定の異なる速度により変化する場合を含む。光を集光する光学部品が一定速度や一定の振動周期で移動する結果、光の集光位置が、その位置毎に所定の速さで変化する場合が含まれる。変化には、所定の範囲で、一方向に変化させる場合や往復するように変化させる場合が含まれ、単発的に変化させる場合や周期的に繰り返して変化させる場合が含まれる。
【００１５】
集光部には、複数のレンズやミラー等の光学部品群により構成されて、その全体または一部分を移動させる場合や、単数の移動するレンズやミラーにより構成される場合が含まれる。
【００１６】
光路分離素子にはハーフミラーや偏光ビームスプリッタが含まれる。
好ましくは、スポット径変更部は、光軸が通過する光学レンズを有し、光学レンズは、光軸と直交する第１軸が延びる方向の焦点距離と光軸と第１軸と直交する第２軸が延びる方向の焦点距離とが異なる。
【００１７】
好ましくは、光学レンズは、光軸が延びる方向に沿って移動可能である。これにより、計測対象の表面状態に従い光学レンズを移動させて、表面に集光するスポットの略長方形形状を可変とすることが可能となるから、必要な面内分解能を保持しつつ上述した高精度測定を速やかに行なうことができる。
【００１８】
好ましくは、光学レンズは、シリンドリカルレンズである。
好ましくは、光学レンズは、トーリックレンズである。
【００１９】
好ましくは、スポット径変更部は、第２開口を構成する第２遮光部材を含み、当該第２遮光部材は照射光の少なくとも一部分を遮光し、当該第２開口は照射光の他の部分を通過させる第２開口部を有し、第２開口は矩形形状であって、当該矩形の第１軸が延びる方向の辺は、第２軸が延びる方向の辺よりも短い。
【００２０】
第１および第２開口は、光を通過させる空間内の領域であり、ピンホールやスリットが含まれる。「開口を形成する」とは、第１および第２遮光部材を配置することによって、光を通過させる空間内の領域を制限することをいう。
【００２１】
好ましくは、第２開口の第２軸が延びる方向の辺の長さは可変である。これにより、計測対象の表面状態に従い第２開口の第２軸が延びる方向の辺の長さを変更して、表面に集光するスポットの略長方形形状を可変とすることが可能となるから、第１軸方向において必要な面内分解能を保持しつつ上述した高精度測定を速やかに行なうことができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、計測対象物表面からの反射光に発生する表面状態によって発生するスペックルの影響を、第２軸が延びる方向において平均化しながら、第１軸が延びる方向において合焦状態を検出できて、合焦状態の受光信号に基づく変位測定を高精度に行うことができる。また、表面が凸凹である計測対象物の平均的高さ値として高精度に変位を測定することができる。
【００２３】
また、計測対象の表面状態に従い表面に集光するスポットの略長方形形状を可変にできるから、必要な面内分解能を保持しつつ高精度測定を速やかに行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態１に係る変位センサの全体構成を模式的に示す図である。
【図２】（Ａ）〜（Ｃ）は、図１における光の集光状態を説明する図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｃ）は、図１において計測対象物の表面が鏡面である場合の光の集光状態を説明する図である。
【図４】（Ａ）〜（Ｃ）は、図１において計測対象物の表面が光の散乱面である場合の光の集光状態を説明する図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る変位センサの全体構成を模式的に示す図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係るスリットを説明する図である。
【図７】本発明の実施の形態３に係る変位センサの全体構成を模式的に示す図である。
【図８】本発明の実施の形態３に係る変位センサの変形例を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態４に係る変位センサの全体構成を模式的に示す図である。
【図１０】（Ａ）〜（Ｃ）は、図９における光の集光状態を説明する図である。
【図１１】（Ａ）と（Ｂ）は、図９においてシリンドリカルレンズを上下させた場合の光の集光状態を説明する図である。
【図１２】（Ａ）と（Ｂ）は、図９のシリンドリカルレンズを上下動させるための機構を説明する図である。
【図１３】本発明の実施の形態５に係る変位センサの全体構成を模式的に示す図である。
【図１４】（Ａ）と（Ｂ）は、図１３のスリットとそれを用いた光の集光状態を説明する図である。
【図１５】（Ａ）と（Ｂ）は、図１３のスリット幅の拡大を示す図である。
【図１６】（Ａ）と（Ｂ）は、図１３のスリット幅の縮小を説明する図である。
【図１７】（Ａ）と（Ｂ）は、図１３におけるスリット幅の拡大／縮小のための機構を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の変位センサの各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。
【００２６】
各実施の形態に係る変位センサは、共焦点光学系を含んで構成される。共焦点光学系の光軸をＺ軸として、Ｚ軸に直交するＸ軸およびＹ軸を想定し、Ｘ軸が延びる方向を「Ｘ方向」と称し、Ｙ軸が延びる方向を「Ｙ方向」と称する。各実施の形態の共焦点光学系はＹ方向にのみ共焦点となるように設計されている。
【００２７】
各実施の形態に係る共焦点光学系では、光源である後述のレーザダイオード１と受光部（後述のフォトダイオード２）に光を導出する開口（後述の開口５ａ）とを共役に配置する。「共役に配置する」とは、光源から照射された照明光が、計測対象物９０の表面上で焦点が合った（合焦した）ときに、同時にその反射光も受光部で焦点が合うように、光源と開口と受光部とが配置されるように設計されることを言う。
【００２８】
［実施の形態１］
図１を参照して本実施の形態１に係る共焦点光学系を有する変位センサは、センサヘッド７１と、当該センサヘッド７１を制御するコントローラ５０とを備える。
【００２９】
センサヘッド７１では、光源であるレーザダイオード１から１点鎖線の光軸が延びる方向に一定の強度の光が照射される。照射された光は、計測対象物９０に集光するための集光部の一部を構成するシリンドリカルレンズ４を通過して、対物レンズ６へ導かれる。そして、対物レンズ６を経て計測対象物９０の表面上に集光される。対物レンズ６は、振動子７に支持されている。振動子７の近傍位置には振動子７を駆動するための駆動コイル７Ａが配備される。また、センサヘッド７１には、駆動コイル７Ａに通電するための駆動回路７Ｂが設けられている。駆動コイル７Ａに電流を流す期間と電流の供給を停止する期間とを一定の周期で繰返すことにより振動子７が周期的に図中矢印方向に振動する。対物レンズ６は、振動子７の振動に連動して、計測対象物９０に接近する方向および遠ざかる方向に移動する。駆動信号出力部３０は、駆動回路７Ｂの駆動コイル７Ａへの通電態様を制御する。本実施の形態では、対物レンズ６、ならびに、対物レンズ６をこのように移動させる、振動子７、駆動コイル７Ａおよび駆動回路７Ｂにより、集光部の一部が構成される。さらに、対物レンズ６の位置を検出するために、位置検出部６２を備える。位置検出部６２の検出信号は、後述の中央処理部５１に与えられる。位置検出部６２の出力は、対物レンズ６のレンズ位置を示すレンズ位置信号として後述の中央処理部５１に与えられる。
【００３０】
計測対象物９０へ向けて照射されたレーザ光は、当該計測対象物９０の表面において反射される。そして、反射光は、対物レンズ６、シリンドリカルレンズ４、ハーフミラー３および絞り板５に予め形成された開口（絞り穴）５ａに向けて集光されて、開口（絞り穴）５ａを通過した光がフォトダイオード２により受光される。本実施の形態では、ハーフミラー３は偏光ビームスプリッタで代替さえてもよく、これらにより光路分離素子が構成され、フォトダイオード２により受光部が構成される。フォトダイオード２から出力される受光信号は、コントローラ５０に出力される。
【００３１】
受光信号は、コントローラ５０において、増幅回路１２で増幅された後、さらにＡ／Ｄ（analog/digital）変換回路１３によってデジタル信号に変換され、信号処理部１４で適宜処理されて、中央処理部５１に与えられる。中央処理部５１は、処理を実行するとともにコントローラ５０全体の動作を制御する。また、入出力部５３を通じて外部から入力される設定値を取得し、記憶部５２に記憶させたり、処理結果を入出力部５３で表示し、あるいは外部へ出力する。本実施の形態では、中央処理部５１が処理部を構成している。
【００３２】
中央処理部５１は、受光信号と位置検出部６２からのレンズ位置信号を用いて、変位を計測する。具体的には、共焦点光学系においては、計測対象物９０の表面が対物レンズ６によって集光される光の集光位置に一致すると、計測対象物９０上で反射した光は、光学系を通過して、開口５ａの位置で集光する。このとき、対物レンズ６の位置に応じて受光信号に極大値（ピーク）が周期的に現れる。本実施の形態では、たとえば、予めセンサヘッド７１の端部から計測対象物９０へ向けて集光される光の集光位置までの距離と、レンズ位置信号との関係を示す変換テーブルを生成して、記憶部５２に格納しておく。動作において、中央処理部５１は、受光信号にピークが現れたときの対物レンズ６の位置に基づき、当該変換テーブルを検索して、関連付けされた距離を読出す。これにより、光の集光位置に存在する計測対象物９０までの距離を検出する。
【００３３】
図１においては、シリンドリカルレンズ４は、Ｘ方向とＹ方向において焦点距離が違うという特徴を有し、図１の共焦点光学系は前述のようにＹ方向にのみ共焦点となるように設計されている。これらの特徴を踏まえて、図１の光学系の仮想的な平面（以下、仮想面という）６３ａ〜６３ｄの位置（１）〜（５）において観察される光の集光状態を図２〜図４を参照し説明する。
【００３４】
図１において、仮想面６３ａの下方向（計測対象物９０の表面が位置する方向）の位置（１）において、レーザダイオード１から照射されてシリンドリカルレンズ４に入射する前の光を観察すると、図２（Ａ）のように光のスポット径はＸ方向およびＹ方向についてほぼ等しい。
【００３５】
図１における、シリンドリカルレンズ４と対物レンズ６の間に設けられる仮想面６３ｂの位置（２）においてレーザダイオード１から照射されてシリンドリカルレンズ４と通過した直後の光を観察すると、図２（Ｂ）のように、シリンドリカルレンズ４の特徴から、光のスポット径はＸ方向のみが絞られることにより、Ｙ方向にのみ伸張する。この結果、光のスポット形状は、楕円形状となる。
【００３６】
さらに、図１の計測対象物９０の表面にある仮想面６３ｄの下方向の位置（３）においてレーザダイオード１から計測対象物９０の表面に照射された光を観察すると、図２（Ｃ）のようになる。図２（Ｃ）を参照すると、シリンドリカルレンズ４を通過して対物レンズ６によって集光されて計測対象物９０の表面に照射される光のスポットは、Ｙ方向には短く且つＸ方向には長い、略長方形状のビーム（以下、スリットビームという）６３となる。
【００３７】
次に、計測対象物９０の表面で反射された光の集光状態について、表面が鏡面である場合（図３（Ａ）〜（Ｃ））と散乱面である場合（図４（Ａ）〜（Ｃ））について説明する。仮想面６３ｃの位置（４）において対物レンズ６に入射する直前の反射光を観察すると、その集光形状は図３（Ａ）および図４（Ａ）のように、図２（Ｃ）のスリットビーム６３が拡散している。この拡散した反射光を、対物レンズ６およびシリンドリカルレンズ４を通過した直後の仮想面６３ａの位置（５）において観察すると、図３（Ｂ）および図４（Ｂ）のように、シリンドリカルレンズ４を通過したことにより、Ｙ方向には短く、Ｘ方向には長いスリット形状の光のスポットが観察される。このスリット形状の反射光は、その後、ハーフミラー３によって絞り板５上で開口５ａを包含するように集光される（図３（Ｃ）と図４（Ｃ）を参照）。
【００３８】
開口５ａを構成する絞り板５は遮光部材でる。絞り板５はハーフミラー３によりレーザダイオード１の照射光の光路から分離された計測対象物９０表面からの反射光の少なくとも一部分を遮光し、開口５ａは当該反射光の他の部分を通過させて、フォトダイオード２側に出射する。図１に示した共焦点光学系は、前述したようにＹ方向のみ合焦（焦点が合う）ように設計されているので、開口５ａは、Ｙ方向の共焦点状態を検出するために、図３（Ｃ）と図４（Ｃ）に示されるようにＹ方向の辺はＸ方向の辺よりも短い矩形のスリット形状を有する。
【００３９】
上述したように、シリンドリカルレンズ４は、計測対象物９０の表面に照射される、または表面から反射するレーザ光のスポット径を変更するスポット径変更部に相当する。
【００４０】
図４（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、計測対象物９０の表面（散乱面）からの反射光には、鏡面からの反射光には観察されない斜線で示すスペックルが含まれる。ここで、Ｘ方向である長軸の方向では、スポットサイズを大きくしているので、スペックルサイズを小さくできる。そして、スペックルの影響を小さくしながらも、Ｙ方向である共焦点の方向ではスポットサイズを小さくして、すなわち計測対象物表面における面内分解能を小さくできて計測精度を維持することができる。
【００４１】
このように、計測対象物９０の表面状態がレーザダイオード１の波長オーダの凸凹の散乱面であっても、スペックルの影響を平均化し、精度よく変位を測定することが可能となる。また、スリットビーム６３を用いることにより、計測対象物９０の表面が計測分解能を超えるオーダの凸凹であっても、計測対象物表面における平均的な高さ値を精度よく測定できる。また、計測対象物９０の表面においてスポット位置を連続的に移動させる必要はなく、また、受光信号を読取るためにフォトダイオードを用いており、信号読取り時間を待つ必要のあるラインセンサを用いないので高速に変位を計測できる。
【００４２】
実施の形態１では、スポット径変更部としてシリンドリカルレンズを用いたが、Ｘ方向およびＹ方向の焦点距離が異なるレンズであれば、他のレンズ、たとえばトーリックレンズに代替してもよい。
【００４３】
［実施の形態２］
図５には、実施の形態２に係る変位センサの概略構成が示される。図５の変位センサは、図１の変位センサのセンサヘッド７１に代替して、センサヘッド７２を備える。コントローラ５０の構成は、図１に示すものと同じである。
【００４４】
図５において、センサヘッド７２は、図１に示したセンサヘッド７１のシリンドリカルレンズ４に代替して、集光部の一部を構成するスリット板８を備える。スリット板８は、予め開口部であるスリット８ａが形成されている。スリット板８は、レーザダイオード１とハーフミラー３との間の投光の光路上において、スリット８ａの開口を光軸が通過するように配置されて、レーザダイオード１からのレーザビームが通過する。スリット板８はスリット８ａが形成された遮光部材である。当該遮光部材はレーザダイオード１からの照射光の少なくとも一部分を遮光し、スリット８ａは照射光の他の部分を通過させる。センサヘッド７２の他の構成は、図１に示したセンサヘッド７１と同じであり、説明は略す。本実施の形態においても、実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００４５】
図６を参照して、スリット板８のスリット８ａの開口部は、Ｘ方向に長く、かつＹ方向に短い略長方形状を有する。レーザダイオード１からのレーザ光は、スリット板８上で、スリット８ａを包含するように照射される。照射された光の一部は、スリット８ａを通過して対物レンズ６へ導かれる。
【００４６】
本実施の形態では、レーザダイオード１から照射されて、計測対象物９０の表面上における集光位置のスリットビーム６３の形状を、Ｘ方向に長く、かつＹ方向に短いものとするためのスポット径変更部として、シリンドリカルレンズ４に代替してスリット８ａが形成されたスリット板８を用いている。スリット板８に形成されるスリット８ａは、図６に示されるような長方形状に限定されず、Ｘ方向に長く、かつＹ方向に短い形状であればよく、たとえば、楕円形状であってもよい。
【００４７】
［実施の形態３］
図７には、実施の形態３に係る変位センサの概略構成が示される。図７の変位センサの構成と、図１のそれとを比較し異なる点は、センサヘッド７１に代替して、図７の変位センサはセンサヘッド７３を備える点にある。図７のコントローラ５０の構成および機能は、図１に示したものと同じであり説明は略す。本実施の形態においても、実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００４８】
センサヘッド７３では、レーザダイオード１から照射された光が、集光部の一部を構成するコリメートレンズ９により略平行光に変換された後に、集光部の一部を構成するシリンドリカルレンズ４を通して、計測対象物９０の表面に向けて集光される。したがって、計測対象物１の表面において検出されるスリットビーム６３は、Ｘ方向に長く、Ｙ方向に短い略長方形状となる。
【００４９】
ここで、シリンドリカルレンズ４は、対物レンズ６と同様に、計測対象物９０の表面上に集光させるための機能を有する。したがって、図１の対物レンズ６と同様に、振動子７によって支持されて、駆動コイル７Ａによって図中矢印方向（上下方向）に振動する。その振動の位置を指すレンズ位置信号が位置検出部６２によって検出されて中央処理部５１に出力される。
【００５０】
計測対象物９０の表面上の集光位置で反射した光は、シリンドリカルレンズ４、コリメートレンズ９およびハーフミラー３を介して絞り板５の開口５ａを通過してフォトダイオード２によって受光される。
【００５１】
図７では、スリットビーム６３がＸ方向に長いので、反射光量は、すなわちフォトダイオード２の受光量は実施の形態１または２に比較して少なくなる。そこで、反射光量を増加させるために、図８に示すように、図７のシリンドリカルレンズ４を、トーリックレンズ４Ａに代替してもよい。図７のシリンドリカルレンズ４の場合には、Ｙ方向の一方方向にしか集光（光を絞る）することができないが、トーリックレンズ４Ａは、Ｙ方向のみならずＸ方向においても集光をすることができる。したがって、シリンドリカルレンズ４に代替してトーリックレンズ４Ａ用いることにより、図８のスリットビーム６３は、図７に比較しＸ方向に短くなり反射光量を増大、すなわちフォトダイオード２の受光量を増加させることができる。
【００５２】
［実施の形態４］
図９には、実施の形態４に係る変位センサの構成が示される。図９の変位センサの構成と、図１に示した変位センサとを比較し異なる点は、図１のセンサヘッド７１に代替して、センサヘッド７４を有する点にある。図９のコントローラ５０の構成および機能は、図１に示したものと同様であり、説明は略す。本実施の形態においても、実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００５３】
センサヘッド７４と図１に示したセンサヘッド７１とを比較し異なる点は、シリンドリカルレンズ４を光軸が延びる方向に従って移動（上下動）させるための位置調整部４１を追加して備える点にある。センサヘッド７４の他の部分は、図１に示したセンサヘッド７１と同様であり説明は略す。本実施の形態においても、実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００５４】
図９のセンサヘッド７４は、シリンドリカルレンズ４の光軸方向に沿った位置（上下方向の位置）を、計測対象物９０の表面粗さ（凸凹の状態）や必要な面内分解能に従い、調整するための機能として、位置調整部４１を備えている。シリンドリカルレンズ４は、Ｙ方向にのみ集光させることができるので、図９において、仮想面６３ａの位置（５）において、レーザダイオード１から照射されてシリンドリカルレンズ４に入射する直前の光を観察すると、図１０（Ａ）に示されるように、略円形形状の集光状態が観察される。
【００５５】
図９における仮想面６３ｂの位置（２）においてレーザダイオード１から照射されたシリンドリカルレンズ４を通過し、対物レンズ６に入射する直前の光を観察すると、図１０（Ｂ）のように集光状態が観察される。図１０（Ｂ）では、シリンドリカルレンズ４を光が通過したことにより、Ｙ方向のサイズが大きくなっている。
【００５６】
図９における仮想面６３ｄの位置（３）において計測対象物９０の表面上に照射された光の集光状態を観察すると、図１０（Ｃ）のように、Ｘ方向に長く且つＹ方向に短い（Ｙ方向にのみ絞られた）、略長方形状のレーザスポット６３が観察される。
【００５７】
図１０（Ｃ）の集光状態を示すシリンドリカルレンズ４の位置を、位置制御部４１によりレーザダイオード１方向に上昇させると、図１１（Ａ）に示されるように、位置（３）で観察されるスリットビーム６３の径は、Ｙ方向の長さは変わらずＸ方向に延びた形状に変化し、逆に、シリンドリカルレンズ４１の位置を計測対象物９０の方向に下降させた場合には、図１１（Ｂ）に示されるように、位置（３）で観察されるスリットビーム６３の径は、Ｙ方向の長さはそのままに、Ｘ方向の長さが短くなる。
【００５８】
したがって、計測対象物９０の表面粗さによるスペックルの影響を平均化しながらより測定精度を得たい場合には、シリンドリカルレンズ４の現在位置を位置調整部４１によって上昇させればよく、また、より面内分解能を高める場合には、図１１（Ｂ）に示されるように、シリンドリカルレンズ４の現在位置を、位置制御部４１によって下降させればよい。
【００５９】
図１２（Ａ）と（Ｂ）を参照して位置調整部４１の構成を説明する。図１２（Ａ）には、図９のＹ方向から見た位置調整部４１の構成が示され、図１２（Ｂ）には、図１２（Ａ）の線ＸＩＩＢ−ＸＩＩＢにおける断面が示される。位置調整部４１は、シリンドリカルレンズ４を光軸に沿って上下に移動させるために、支持部材４１３によって支持される。支持部材４１３には、シリンドリカルレンズ４を保持した状態の支持部材４１３を、光軸に沿って上下動させるための案内となるガイド４１２が貫通する。支持部材４１３に一体的に取付けられた凸凹部４１４と、回転可能に支持されるシャフト４１１に一体的に取付けられた螺旋状の凸凹部材４１７とは互いの凸凹が係合している。シャフト４１１が図中の矢印４１５の方向に回転すると、シャフト４１１に一体的に設けられた凸凹部材４１７が螺旋を描いて回転し、これに連動して凸凹部材４１７の凸凹に係合している凸凹部４１４が図中矢印４１６の方向に移動する。その結果、支持部材４１３に保持されたシリンドリカルレンズ４は、図中矢印４１６の方向に上昇する。一方、矢印４１５とは逆方向にシャフト４１１を回転させると、この回転に連動して、支持部材４１３は、矢印４１６とは逆方向、すなわち計測対象物９０の方向に下降し、その結果、支持部材４１３に保持されたシリンドリカルレンズ４は、下降する。
【００６０】
なお、上下動する光学レンズは、シリンドリカルレンズ４に限定されず、トーリックレンズであってもよい。
【００６１】
［実施の形態５］
図５に示したスリット板８に予め形成されたスリット８ａの開口部は、そのサイズが固定であるが、本実施の形態５のように可変であってもよい。
【００６２】
図１３には、実施の形態５に係る変位センサの概略構成が示される。図１３の変位センサの構成と、図５のそれとを比較し異なる点は、センサヘッド７２に代替して、センサヘッド７５を備える点にある。図１３のコントローラ５０の構成および機能は、図１に示したものと同じであり説明は略す。本実施の形態においても、実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００６３】
センサヘッド７５と図５に示したセンサヘッド７２とを比較し異なる点は、スリット８ａの開口部のサイズを可変とするためのスリット幅変更部８２を追加して備える点にある。センサヘッド７５の他の部分は、図５に示したセンサヘッド７２と同様であり説明は略す。
【００６４】
スリット幅が可変のスリット８１ａは、図１４（Ａ）のサイズであるとき、スリットビーム６３は図１４（Ｂ）の形状を有すると想定する。スリット幅変更部８２により図１５（Ａ）のようにスリット８１ａのＸ方向の幅を拡大すると、スリットビーム６３の径は図１５（Ｂ）のようにＸ方向に長くなり、逆に、図１６（Ａ）のように幅を縮小させると、スリットビーム６３の径は図１６（Ｂ）のようにＸ方向に短くなる。
【００６５】
図１７（Ａ）と（Ｂ）を参照してスリット幅変更部８２の構成を説明する。図１７（Ａ）には、図１３の対物レンズ側から見たスリット幅変更部８２の構成が示され、図１７（Ｂ）には、図１７（Ａ）の線ＸＶＩＩＢ−ＸＶＩＩＢにおける断面が示される。スリット幅変更部８２は、スリット８１ａの一部を覆うようにしてＸ方向に移動可能な２枚のプレート８２４が、支持部材８８２によって支持される。支持部材８８２は、２枚のプレート８２４をＸ方向に滑らすように案内するガイドとして機能する。２枚のプレート８２４のそれぞれに一体的に取付けられた凸凹部８２３と、回転可能に支持されるシャフト８２１に一体的に取付けられた螺旋状の凸凹部材８２７ａと８２７ｂとは互いの凸凹が係合している。シャフト８２１が図中の矢印８２５の方向に回転すると、シャフト８２１に一体的に設けられた凸凹部材８２７ａと８２７ｂとは逆方向の螺旋を描いて回転し、これに連動して凸凹部材８２７ａと８２７ｂの凸凹に係合している凸凹部８２４のそれぞれが図中矢印８２６の方向に移動する。その結果、支持部材８２２に保持された２枚のプレート８２４は図中矢印８２６の方向に移動し、スリット８１ａのＸ方向の幅は縮小される。一方、矢印８２５とは逆方向にシャフト８２１を回転させると、この回転に連動して、２枚のプレート８２４は、矢印８２６とは逆方向に移動し、スリット８１ａのＸ方向の幅は拡大する。
【００６６】
このように、計測対象物９０の表面粗さによるスペックルの影響を平均化しながらより測定精度を得たい場合には、スリット幅変更部８２によってスリット８１ａのＸ方向の幅を拡大すればよく、また、より面内分解能を高める場合には、反射光量（フォトダイオード２の受光量）が十分となるように、スリット幅変更部８２によってスリット８１ａのＸ方向の幅を縮小すればよい。
【００６７】
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。
【符号の説明】
【００６８】
１ レーザダイオード、２ フォトダイオード、３ ハーフミラー、４ シリンドリカルレンズ、４Ａ トーリックレンズ、５ 絞り板、５ａ 開口、６ 対物レンズ、８，８１ スリット板、８ａ，８１ａ スリット、５０ コントローラ、７１，７２，７３，７４，７５ センサヘッド、６３ スリットビーム、９０ 計測対象物、４１ 位置調整部、８２ スリット幅変更部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を出射する光源と、
前記光源から出射された光を、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る投光部と、
前記計測対象物上に照射された光の反射光を、前記投光部からの照射光の光路に対して逆方向に導く集光部と、
前記集光部における前記反射光の光路を、前記投光部の光路から分離する光路分離素子と、
第１開口を構成する第１遮光部材を含み、当該第１遮光部材は前記光路分離素子により前記投光部の光路から分離された前記反射光の少なくとも一部分を遮光し、当該第１開口は前記反射光の他の部分を通過させる第１開口部と、
前記第１開口部を通過した前記反射光を受光し、受光した光量に応じた受光信号を出力する受光部と、
前記受光信号に基づき前記計測対象物までの距離についての情報を取得する処理部と、を備え、
前記投光部は、
前記計測対象物上の前記集光位置におけるスポットの、前記光軸と直交する第１軸が延びる方向の径を、前記光軸と直交する第２軸が延びる方向の径よりも短くして、前記計測対象物に出射するスポット径変更部、を含み、
前記計測対象物上の前記スポットは、前記第１軸が延びる方向において合焦し、
前記第１開口は、略長方形状であって且つ前記第１軸が延びる方向において、前記光源と共役な位置に配置され、
前記略長方形状の前記第１軸が延びる方向の辺は、前記第２軸が延びる方向の辺よりも短い、変位センサ。
【請求項２】
前記スポット径変更部は、
前記光軸が主軸と一致する光学レンズを有し、
前記光学レンズは、前記第１軸が延びる方向の焦点距離と前記第２軸が延びる方向の焦点距離とが異なる、請求項１に記載の変位センサ。
【請求項３】
前記光学レンズは、前記光軸の方向に沿って移動可能である、請求項２に記載の変位センサ。
【請求項４】
前記光学レンズは、シリンドリカルレンズである、請求項２または３に記載の変位センサ。
【請求項５】
前記光学レンズは、トーリックレンズである、請求項２または３に記載の変位センサ。
【請求項６】
前記スポット径変更部は、
第２開口を構成する第２遮光部材を含み、当該第２遮光部材は前記照射光の少なくとも一部分を遮光し、当該第２開口は前記照射光の他の部分を通過させる第２開口部を有し、
前記第２開口は矩形形状であって、当該矩形の前記第１軸が延びる方向の辺は、前記第２軸が延びる方向の辺よりも短い、請求項１に記載の変位センサ。
【請求項７】
前記第２開口の前記第２軸が延びる方向の辺の長さは可変である、請求項２に記載の変位センサ。
【請求項１】
光を出射する光源と、
前記光源から出射された光を、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る投光部と、
前記計測対象物上に照射された光の反射光を、前記投光部からの照射光の光路に対して逆方向に導く集光部と、
前記集光部における前記反射光の光路を、前記投光部の光路から分離する光路分離素子と、
第１開口を構成する第１遮光部材を含み、当該第１遮光部材は前記光路分離素子により前記投光部の光路から分離された前記反射光の少なくとも一部分を遮光し、当該第１開口は前記反射光の他の部分を通過させる第１開口部と、
前記第１開口部を通過した前記反射光を受光し、受光した光量に応じた受光信号を出力する受光部と、
前記受光信号に基づき前記計測対象物までの距離についての情報を取得する処理部と、を備え、
前記投光部は、
前記計測対象物上の前記集光位置におけるスポットの、前記光軸と直交する第１軸が延びる方向の径を、前記光軸と直交する第２軸が延びる方向の径よりも短くして、前記計測対象物に出射するスポット径変更部、を含み、
前記計測対象物上の前記スポットは、前記第１軸が延びる方向において合焦し、
前記第１開口は、略長方形状であって且つ前記第１軸が延びる方向において、前記光源と共役な位置に配置され、
前記略長方形状の前記第１軸が延びる方向の辺は、前記第２軸が延びる方向の辺よりも短い、変位センサ。
【請求項２】
前記スポット径変更部は、
前記光軸が主軸と一致する光学レンズを有し、
前記光学レンズは、前記第１軸が延びる方向の焦点距離と前記第２軸が延びる方向の焦点距離とが異なる、請求項１に記載の変位センサ。
【請求項３】
前記光学レンズは、前記光軸の方向に沿って移動可能である、請求項２に記載の変位センサ。
【請求項４】
前記光学レンズは、シリンドリカルレンズである、請求項２または３に記載の変位センサ。
【請求項５】
前記光学レンズは、トーリックレンズである、請求項２または３に記載の変位センサ。
【請求項６】
前記スポット径変更部は、
第２開口を構成する第２遮光部材を含み、当該第２遮光部材は前記照射光の少なくとも一部分を遮光し、当該第２開口は前記照射光の他の部分を通過させる第２開口部を有し、
前記第２開口は矩形形状であって、当該矩形の前記第１軸が延びる方向の辺は、前記第２軸が延びる方向の辺よりも短い、請求項１に記載の変位センサ。
【請求項７】
前記第２開口の前記第２軸が延びる方向の辺の長さは可変である、請求項２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１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１０−２１６８８０（Ｐ２０１０−２１６８８０Ａ）
【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２００９−６１７４０（Ｐ２００９−６１７４０）
【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）】
[ Back to top ]