JP2005077447A - 合焦装置及び変位センサ、並びに共焦点顕微鏡 - Google Patents
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Abstract
【課題】両振動部に連結されるレンズの重さを同一にするといった煩雑な光学設計が不要であり、その一方で高い光学性能を有し、かつ設計の容易化が効果的に計られた光学系を備えた構成を提供する。
【解決手段】補助光学手段は、音叉の一方の振動部２に取り付けられた第１レンズ６５と、他方の振動部に取り付けられた、第１レンズ６５とは質量の異なる第２レンズ６６とを有すると共に、これら第１レンズ６５及び第２レンズ６６は、互いの光軸が一致するように構成されている。そして、本実施形態に係る音叉１は、第１レンズ６５及び第２レンズ６６が取り付けられた状態で、一対の振動部２，２における固有振動数が互いに等しく、かつ所定の共振周波数となるように、両振動部２，２の形状が設定されている。
【選択図】 図１
【解決手段】補助光学手段は、音叉の一方の振動部２に取り付けられた第１レンズ６５と、他方の振動部に取り付けられた、第１レンズ６５とは質量の異なる第２レンズ６６とを有すると共に、これら第１レンズ６５及び第２レンズ６６は、互いの光軸が一致するように構成されている。そして、本実施形態に係る音叉１は、第１レンズ６５及び第２レンズ６６が取り付けられた状態で、一対の振動部２，２における固有振動数が互いに等しく、かつ所定の共振周波数となるように、両振動部２，２の形状が設定されている。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、合焦装置及び変位センサ、並びに共焦点顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、投光素子からの光を収束レンズを通して収束させ、この収束点である焦点を光軸方向に移動させることに基づいて合焦させる合焦装置、或いは、物体の表面までの距離や、厚みを測定する変位センサや共焦点顕微鏡がある。このときに、焦点を光軸方向に移動させるための手段として、音叉を利用して、音叉の自由端に焦点位置を移動させるための少なくとも１枚のレンズからなる補助光学手段を取り付け、音叉の振動により焦点の移動量、つまり、距離を測定するものがある。このとき、音叉には、１つの合焦装置で合焦できる範囲を広げることができ、広いレンジに対応できる合焦装置を提供するために、一方の自由端に第１のレンズを取り付け、他方の自由端に第２のレンズを取り付けるものがある。
【０００３】
従来、合焦装置を利用して被測定対象物の変位を測定するものとして、特許文献１に示されるようなものが提供されており、この技術では、投光部からの光を対物レンズを介して被測定対象物上に照射し、この対物レンズを加振部により振動させることによって、投光部から対物レンズを介して収束された光の焦点を振動させ、この振動させたときの被測定対象物からの反射光を受光部にて受光し、この受光部に受光された受光量の大きさと、そのときの対物レンズの位置に基づいて被測定対象物の変位を測定している。
【０００４】
また、特許文献２に示すように、対物レンズは固定して、被測定対象物を載せるステージを上下動させることにより、このときの被測定対象物体からの反射光の大きさと、ステージの位置に基づいて被測定対象物の変位を測定する技術も提供されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平０７−１１３６１７号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開２０００−３１４６１６公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、特許文献１のような技術においては、投光部からの光をコリメータレンズを介して平行光とし、その平行光を対物レンズで絞る構成であるため、振動させるレンズの変位がそのまま、被測定対象物の変位となって現れてくる。このため、予め設定される測定範囲の変位量より大きい測定範囲の変位量を測定することはできず、広い測定レンジに対応することができなかった。
【０００８】
しかも、被測定対象物の変位の測定精度は、従来はコリメータレンズからの平行光を対物レンズを通して被測定対象物上に収束させて照射させるとともに、変位を測定する際には、対物レンズを移動させる構成であるため、対物レンズを通して収束される光の焦点位置（焦点距離）は予め決まっており、対物レンズを所定距離だけ移動させた場合の焦点位置の移動量は、その対物レンズの移動距離に相当する。
【０００９】
したがって、対物レンズを移動させる距離が焦点位置の移動量と同一であるので、被測定対象物の変位の測定精度は、対物レンズの移動距離そのものであって、対物レンズの最小移動量（最小変位）以上に分解能を細かくするといったように精度を向上することはできないし、大きな測定範囲の変位量を測定するためには、レンズの振動変位を大きくしなくてはならないため、変位計自体が大型化したり、レンズの振動が遅くなることにより測定の速度を遅くすることになってしまうという問題もある。
【００１０】
これに対し、特許文献２の方式であれば、ステージの移動機構の範囲を大きくすることで、測定範囲の大きな変位量に対しても測定を行うことができるが、ステージを移動させる距離分だけ装置が大型化するほか、この方式においてもやはり、被測定対象物の変位の測定精度を、ステージの移動変位を測定する精度以上にすることはできない。しかも、機械的な上下動を伴うために測定精度には限界がある。
【００１１】
このため、本出願人は、上記問題を解決するために、特願２００２−２０５５４５に記載される発明を出願したものを、更なる改善を行って、特願２００３−１５３１６５として出願しており、音叉における一方の自由端側に発散若しくは収束させる補助光学手段を備えており、音叉の振動は微小であるので、補助光学装置における光軸のぶれはないものとみなしている。
【００１２】
さらに本出願人は、微小ながらも音叉の自由端の振動により、補助光学手段の光軸に生じるぶれに着目することに至った。そして、より高精度な測定を考慮すると、この光軸のぶれの問題が大きくなることが想定されるため、このような光軸のぶれの問題についても解決する必要がある。
【００１３】
したがって、両自由端には、特性の異なるレンズが連結され、レンズを構成する部材（高屈折率、低屈折率）、形状により質量が異なる。そして、できあがった音叉に対して、後付けでレンズを取り付けようとした場合、上述したような質量の異なるレンズを取り付けると、音叉の自由端の固有振動数がずれてしまい共振周波数とならないため振動が発生しないという現象が起こる。一方、このような問題を回避するためにレンズの質量を合わせようとすると、光学特性を満たすように両レンズの質量を合わせなければならないため、光学部材の設計に多大の労力と費用がかかってしまう。
【００１４】
本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、両振動部に連結されるレンズの重さを同一にするといった煩雑な光学設計が不要であり、その一方で高い光学性能を有し、かつ設計の容易化が効果的に計られた光学系を備えた構成を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための手段として、請求項１の発明は、
光を出射する投光手段と、
この投光手段からの光を非平行光となるように発散若しくは収束する補助光学手段と、
この補助光学手段からの光を被測定物体に集光状態で照射する対物レンズと、
この対物レンズによる集光を前記被測定物体を介して受光する受光手段と、
前記補助光学手段を移動するための駆動信号を出力する制御手段と、
この制御手段からの駆動信号に応じて前記補助光学手段を前記投光手段からの光の光軸に沿って移動させる可動手段と、
前記補助光学手段の位置を示す位置信号を出力する位置検出手段とを備え、
前記制御手設は、前記駆動信号の出力状態で前記受光手段の受光量が最大となる時を検出する合焦装置であって、
前記可動手段は、両端が自由端とされる一対の振動部を備えると共に、これら振動部においてそれぞれの先端部に前記補助光学手段が連結された音叉と、この音叉の一方の振動部側に設けられ、前記制御手段からの駆動信号に基づいて前記音叉を振動させる加振手段とを備えた構成をなしており、
前記補助光学手段は、前記音叉の少なくとも一方の振動部に取り付けられたレンズ部材を有してなり、
前記音叉は、前記レンズ部材が取り付けられた状態で、前記一対の振動部における固有振動数が互いに等しく、かつ所定の共振周波数となるように、両振動部の形状が設定されていることを特徴とする合焦装置。
【００１６】
請求項２の発明は、請求項１に記載のものにおいて、
前記レンズ部材は、前記音叉の一方の振動部に取り付けられた第１レンズと、他方の振動部に取り付けられた、前記第１レンズとは質量の異なる第２レンズとを有すると共に、これら第１レンズ及び第２レンズは、互いの光軸が一致するように構成されており、
前記音叉は、前記第１レンズ及び前記第２レンズが前記一対の振動部にそれぞれ取り付けられた状態で、前記一対の振動部における固有振動数が互いに等しく、かつ所定の共振周波数となるように、両振動部の形状が設定されていることを特徴とする。
【００１７】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載のものにおいて、
前記音叉は、前記一対の振動部を接続する接続部が、これら一対の振動部の両自由端からの略中間位置に設けられると共に、前記接続部の幅方向両側において前記振動部を支持するように構成される一対の支持部と、前記支持部よりそれぞれ延設されるように設けられた、当該音叉を被固定箇所に固定するための一対の固定部とを備え、
前記両振動部、前記接続部、前記一対の支持部、及び前記一対の固定部が１枚の弾性板からなり、
前記一対の振動部における固有振動数が互いに等しく、かつ所定の共振周波数となるように、前記弾性板の形状が設定されることを特徴とする。
【００１８】
請求項４の発明は、請求項３に記載のものにおいて、前記弾性板において、前記両振動部が、前記略中間位置を基準に対称な形状をなし、これら両振動部における板幅が、前記レンズ部材の質量及び当該弾性板の板厚に基づいてそれぞれ設定されることを特徴とする。
【００１９】
請求項５の発明は、請求項４に記載のものにおいて、前記音叉は、前記一対の振動部を接続する接続部が折り曲げられて構成されると共に、その接続部の頂点部分が前記被固定箇所から離れた状態で前記一対の支持部に支持されるように、前記一対の支持部が前記固定部に対して折り曲げられた構成をなすことを特徴とする。
【００２０】
請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の前記合焦装置を備え、
前記制御手段が検出した受光量が最大となる点における位置信号の変化に基づいて被測定対象物の変位量を測定することを特徴とする変位センサとして構成される。
【００２１】
請求項７の発明は、請求項１ないし請求項５に記載の合焦装置と、
前記制御手段の駆動に応じて前記対物レンズによる集光位置を水平方向に走査する走査手段とを備え、
前記制御手段は、前記受光手段の受光量が最大となる時点における前記位置検出手段からの位置信号及び前記走査手段の走査位置を検出して記憶手段に記憶し、
前記制御手段が検出し、前記記憶手段に記憶された前記位置信号及び前記走査位置に基づいて被測定対象物の表面形状を立体的に測定することを特徴とする共焦点顕微鏡として構成される。
【００２２】
【発明の作用及び効果】
＜請求項１の発明＞
本構成によれば、少なくとも一方の振動部にレンズ部材が取り付けられる音叉において、振動部の形状を調整することにより固有振動数が互いに等しく、かつ所定の共振周波数となるように構成しているため、固有振動数や共振周波数の設定のためにレンズの質量調整を行うといった煩雑な光学設計が不要であり、その一方で高い光学性能を有し、かつ設計の容易化が効果的に計られた光学系を備えた合焦装置となる。
＜請求項２の発明＞
本構成によれば、両振動部にそれぞれレンズが連結される構成において、両レンズの重さを同一にするといった煩雑な光学設計が不要であり、その一方で高い光学性能を有し、かつ設計の容易化が効果的に計られた光学系を備えた合焦装置となる。
＜請求項３の発明＞
本構成によれば、２部材からなる音叉や、削りだしにより構成される音叉に比べ、音叉としての精度を保ちつつ、安価に、かつ、簡単に音叉を製造することができ、より設計時間を効率よく短縮することができるという効果を生ずる。
＜請求項４の発明＞
本構成によれば、略中間位置を基準に対称な形状をなすように両振動部を構成し、レンズ部材の質量及び弾性板の板厚に基づき、両振動部の板幅をそれぞれ設定して固有振動数や共振周波数が調整されるため、振動部について複雑な加工が必要とならず、製造容易な構成となる。
＜請求項５の発明＞
本構成によれば、被固定箇所に取り付けた際に、音叉の振動部の折り曲げ位置の頂点付近が被固定箇所に接触することに起因する音叉の振動伝達効率の低下を防ぐことができるので、より高精度に振動させることができるという効果を生ずる。
【００２３】
＜請求項６の発明＞
本構成によれば、レンズの質量を加味して、両振動部の固有振動数を同一に、かつ所定の共振周波数となるように簡単に音叉を製造することができ、もって、変位センサの測定精度を保ちつつ、装置自体を安価に、かつ、設計時間を短縮することができるという効果を生ずる。
【００２４】
＜請求項７の発明＞
本発明の構成によれば、レンズの質量を加味して、両自由端の固有振動数を同一に、かつ所定の共振周波数となるように簡単に音叉を製造することができ、もって、変位センサの測定精度を保ちつつ、装置自体を安価に、かつ、設計時間を短縮することができるという効果を生ずる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態を図１ないし図５によって説明する。
本実施形態では、後述する変位センサや共焦点顕微鏡などの装置の一構成として使用される合焦装置について説明する。合焦装置は、図１０，図１６等にて後述するような変位センサに用いられるものであり、例えば図１６の例では、光を出射する投光手段（ＬＥＤ６２が投光手段に相当）と、この投光手段からの光を非平行光となるように発散若しくは収束する補助光学手段（第１レンズ６５第２レンズ６６が補助光学手段に相当）と、この補助光学手段からの光を被測定物体に集光状態で照射する対物レンズ６７と、この対物レンズ６７による集光を、被測定物体６８を介して受光する受光手段（７）とを備えている。
【００２６】
そして、補助光学手段を移動するための駆動信号を出力する制御手段（図示しないＣＰＵが制御手段に相当する）と、この制御手段からの駆動信号に応じて補助光学手段（第１レンズ６５第２レンズ６６）を投光手段からの光の光軸に沿って移動させる可動手段と、補助光学手段の位置を示す位置信号を出力する位置検出手段（音叉振幅検出器７２が位置検出手段に相当する）とを備え、制御手設は、駆動信号の出力状態で受光手段（ＰＤ７０が受光手段に相当する）の受光量が最大となる時を検出するように構成されるものである。
【００２７】
そして、可動手段は、それぞれ端部が自由端とされる一対の振動部２，２（図１）を備え、これら振動部２，２においてそれぞれの先端側に補助光学手段たる第１レンズ６５第２レンズ６６が連結された音叉１と、この音叉１の一方の自由端２Ａから延びる一方の振動部２に設けられ、制御手段からの駆動信号に基づいて音叉１を振動させる加振手段（ソレノイド７３が加振手段に相当する）とを備えた構成をなすものである。
【００２８】
次に音叉１について図１ないし図５を参照して説明する。
図１は本実施形態に係る音叉を示す平面図、断面図、および背面図であり、図２はこれらを前方及び後方から見た図である。さらに、図３は曲げ加工前の板金状態を示す図であり、図４は当該音叉を被固定部に固定した状態を示す図である。そして、図５は接続部付近の構成を説明する説明図及び変形例を示す図である。
【００２９】
補助光学手段は、音叉の一方の振動部２に取り付けられた第１レンズ６５と、他方の振動部に取り付けられた、第１レンズ６５とは質量の異なる第２レンズ６６とを有すると共に、これら第１レンズ６５及び第２レンズ６６は、互いの光軸が一致するように構成されている。そして、本実施形態に係る音叉１は、第１レンズ６５及び第２レンズ６６が取り付けられた状態で、一対の振動部２における固有振動数が互いに等しく、かつ所定の共振周波数となるように、両振動部２，２の形状が設定されている。具体的には、両振動部２，２の厚み（Ｔ１，Ｔ２（図１））が同一で幅（Ａ，Ｂ（図１））が異なるように形状が設定され、両振動部２，２の固有振動数が略同一となるよう構成されている。
【００３０】
音叉１は、一対の振動部２，２を接続する接続部２Ｂが、これら一対の振動部２，２の両自由端２Ａからの略中間位置に設けられると共に、接続部２Ｂの幅方向両側において前動部２を支持するように構成される一対の支持部４，４と、支持部４，４よりそれぞれ延設されるように設けられ、音叉１を被固定箇所に固定するための一対の固定部３とを備え、両振動部２，２、接続部２Ｂ、一対の支持部４，４、及び一対の固定部３，３が１枚の板金によって構成されている。また、一対の振動部２，２は、略中間位置を基準に対称な形状をなし、両振動部２，２における板幅が、光学部材の質量及び、振動部２を構成する弾性体の板厚に基づいてそれぞれ設定されている。振動部２，支持部４，及び固定部３等を構成する弾性体の材料としては、例えば軟鉄（ＳＰＣＣ）を用いることができる。なお、軟鉄に限らず、例えばセラミックや樹脂を用いてもよい。
【００３１】
まず、図３には、折り曲げ加工前の板材１’の展開図を示しており、この板材１’は、帯状に長く延びた振動部２と、その振動部２の延長方向の中央位置において互いに反対方向に向けて突設された１対の固定部３，３とを一体的に備えて、全体として十字状の形状をなす。なお、この板材１’は、例えば１枚の金属板上で上記十文字状の形状に沿ってレーザを走査させることで切り出し形成されたものである。なお、プレスなどの打ち抜き形成などによって上記板部材を形成する方法であってもよい。振動部２の両端の自由端２Ａ，２Ａは、振動子として機能する。１対の支持部３，３は、所定の取付箇所に螺合される図示しない取付ネジを通す貫通孔３Ａ，３Ａが形成されている。
【００３２】
また、本実施形態では、図２（Ｂ）に示すように、振動部２と各支持部３との連結部分（支持部４，４）の側面は、振動部２の側面と支持部３，３の側面とを滑らかにつなげる曲面をなす。これにより振動部２の振動動作により生じる応力が連結部分４に集中して損傷することを抑制することができる。
【００３３】
本実施形態に係る音叉１は、レーザ加工により１枚の金属板から、振動部２及び支持部３，３が備えた板部材を切り出し形成し、上記振動部２をその両自由端２Ａ，２Ａを同方向に向けるように中央位置を中心に折り曲げ加工を施して製造される。従って、音叉１の製造に際し、溶接やロー付けなどのような熱処理等による振動部２の振動特性変化を生じさせることなく比較的簡単かつ安価な工程によって音叉１を製造することができる。
【００３４】
また、振動部２が取付箇所に接触した状態では、一方の自由端２Ａの振動エネルギーの一部が取付箇所にも伝わり、他方の自由端２Ａへの振動エネルギー伝達効率が低下してしまう。しかしながら、本構成によれば、一対の支持部３，３は、振動部２の中央部分を取付箇所Ｗから離間（所定距離ｔだけ離れた）した状態で当該取付箇所Ｗに固定されるよう構成した。従って、取付箇所Ｗへの振動漏れを極力低下させて一方の自由端２Ａの振動エネルギーを効率よく他方の自由端２Ａへ伝達することができる。
【００３５】
また、図６ないし図９のように構成してもよい。図６は、振動部２に沿う溝２Ｈが形成されたものについて示している。図７は振動部２，２をビード状（ビード部２Ｉ参照）に形成した場合の平面図、断面図、及び背面図である。また、図８の音叉は振動部の延出方向に対してほぼ平行する固定面を備えた固定部を有している。また、図９は、図１、図６、図７に示すものにおいて、接続部が固定面から離れていない場合について示している。振動部２の構造については、図１に示すように、幅を設定するのみならず、機械的強度やレンズ部材（光学素子）の質量に応じて、様々な形状設定手法を用いることができ、図６ないし図９に示すような変形例や、他の構成を適宜用いることができる。
【００３６】
＜第２実施形態＞
以下、第１実施形態の音叉１を使用した変位センサについて図１０ないし図１３に基づいて説明する。
投光手段であるレーザダイオード（以下、ＬＤと称する）１１はレーザ駆動制御回路１２で駆動された状態でレーザ光を出射し、そのレーザ光は、光分割手段である偏光ビームスプリッタ１３を通過した後、コリメータレンズ１４で平行光に変換される。
コリメータレンズ１４で変換された平行光は、後述する補助光学手段としての発散レンズ１５により発散された状態で対物レンズ１６に入射することにより被測定物体１７に集光状態で投射される。これらのコリメータレンズ１４、発散レンズ１５及び対物レンズ１６は複数のレンズからなる複合レンズから構成されている。
【００３７】
被測定物体１７からの反射光は、対物レンズ１６、発散レンズ１５、コリメータレンズ１４を通過して偏光ビームスプリッタ１３で反射することにより、光絞り部１８のピンホール１８ａを通過して受光手段であるフォトダイオード（以下、ＰＤと称する）１９へ入射するようになっている。
なお、図１には示していないが、偏光ビームスプリッタ１３を通過したレーザ光が被測定物体１７で反射して偏光ビームスプリッタ１３に戻った際に光の振動方向を９０°回転させる振動方向変換手段としての１／４波長板が設けられており、これにより、偏光ビームスプリッタ１３に戻ったレーザ光がＬＤ１１の光軸の直交方向に反射されるようになっている。
ＰＤ１９で光電変換した信号は増幅器２０へ入力され、その出力信号は、制御手段であるＣＰＵ２１へ入力されるようになっている。
【００３８】
本実施の形態では、上述したＬＤ１１、偏光ビームスプリッタ１３、コリメータレンズ１４、発散レンズ１５、対物レンズ１６、光絞り部１８、ＰＤ１９、ＣＰＵ２１から合焦装置が構成されている。
【００３９】
ここで、ＬＤ１１の光軸に対して直交する方向を指向するようにレンズ可動手段としての上記第１実施形態の音叉１が配設されており、その音叉１の自由端２Ａの先端に発散レンズ１５の周縁部分が連結されている。この発散レンズ１５は、コリメータレンズ１４からの平行光を発散させた状態で対物レンズ１６へ入射させるもので、音叉１の微振動によりＬＤ１１からのレーザ光の光軸に沿って所定振幅で振動するようになっており、このような構成が本実施形態の特徴となっている。この場合、音叉１の振幅は極めて小さいことから、発散レンズ１５は光軸に沿って振動しているとみなすことができる。
【００４０】
一方、音叉１の自由端２Ａの側方の近接した位置には、例えば渦電流式磁気センサ、或は光センサ、或は静電容量センサを利用した位置検出手段（位置センサ）たる音叉振幅検出器２３が配設されており、音叉１の振動位置、つまり発散レンズ１５の位置を検出するようになっている。音叉振幅検出器２３が検出した検出振幅信号は増幅器２４へ入力され、その出力信号はＣＰＵ２１へ入力される。
音叉１の自由端２Ａの側方には、当該音叉１を振動させるためのソレノイド２５が配設されている。このソレノイド２５は、制御手段としてのＣＰＵ２１からの駆動信号に基づいて音叉振幅制御回路２６から制御電流が供給されることに応じて駆動するようになっている。音叉振幅制御回路２６には増幅器２４の出力信号が与えられており、音叉１の振幅を一定にするようにフィードバック制御するようになっている。
【００４１】
このような構成において、音叉振幅制御回路２６からソレノイド２５に所定周波数のパルス電流又は交流電流を供給すると、ソレノイド２５から磁界（交流磁界）が発生する。この交流磁界により音叉１が所定振幅で微振動し、発散レンズ１５をＬＤ１１の光軸に沿って振動させる。
そして、音叉振幅検出器２３は、音叉１の振幅、即ち発散レンズ１５の振幅を検出し、発散レンズ１５の振幅を示す正弦波状信号を出力する。この正弦波状信号を増幅器２４で増幅し、増幅器２４から出力される出力信号をＣＰＵ２１へ入力させることにより、ＣＰＵ２１は、発散レンズ１５の位置を検出可能となっている。
【００４２】
ここで、上記音叉１、ソレノイド２５、音叉振幅検出器２３は、図１１に示すように一体で移動可能な間隔可変手段２７として構成されており、移動位置に応じて発散レンズ１５の焦点と対物レンズ１６の焦点との距離を調整することが可能となっている。このときの発散レンズ１５の位置も、図示しないが、別に設けてある測定手段によってＣＰＵ２１に入力され、処理手段によって被測定点の位置情報として出力される。
【００４３】
次に、発散レンズ１５と対物レンズ１６の焦点距離との関係について図１２及び図１３に基づいて説明する。
図１２は、物点ｃからの光線が対物レンズ１６により屈折されて像点ｃ’で結像する際の光学系を示している。ここで、物点ｃの微小変位量ｘｃ１とその像点変位量ｘｃ２の比αを縦倍率といい、通常の横倍率に対して光軸に沿った方向の倍率であり、次の式で求めることができる。
【００４４】
【数１】
【００４５】
ここで、対物レンズ１６の焦点距離をｆ、物体側焦点位置から物体までの距離をｘ、像側焦点位置から像までの距離をｘ’とすると、図中に示すように物点ｃを基点とする矢印が像点ｃ’を基点として結像したとすると、矢印の基点と先端のそれぞれに関して、ニュートンの公式に基づいて次に示す式を導き出すことができる。
【００４６】
【数２】
上記（２）式の左辺ｘ’を右辺に移し、上記（２）式を用いて整理すると、
【００４７】
【数３】
となる。従って、対物レンズ１６の縦倍率は、
【００４８】
【数４】
により求めることができる。つまり、対物レンズ１６の縦倍率は、対物レンズ１６の焦点距離を物点ｃと対物レンズ１６の焦点Ｆとの距離で除した値の２乗で示すことができる。この式から、対物レンズ１６の縦倍率は、対物レンズ１６の焦点距離が大きくなるほど大きくなり、物点ｃと対物レンズ１６の焦点Ｆとの距離が大きくなるほど小さくなる関係であることが分る。
【００４９】
ところで、本発明では、コリメータレンズ１４からの平行光を発散レンズ１５により発散させた状態で対物レンズ１６に入射させていることから、発散レンズ１５の焦点位置を物点ｃに一致させるように配置した場合、発散レンズ１５に入射した平行光はあたかも物点ｃから放射されたように出射するようになる。また、発散レンズ１５が変位した場合は、その移動に応じてあたかも物点ｃが同様に変位したことになる。
【００５０】
さて、上記関係式に基づいて、物点ｃと像点ｃ’の微小変位量が互いに等しくなる物点位置ｘは、α＝１であり、
【００５１】
【数５】
の関係になるときである。このような関係は、発散レンズ１５の変位量と対物レンズ１６の集光位置の変位量とが一致する場合であり、従来と同様な関係となる。
また、物点の微小変位量が像点の微小変位量の２倍になる物点位置ｘは、α＝１／２であり、
【００５２】
【数６】
の関係になるときである。このような関係は、発散レンズ１５の変位量よりも対物レンズ１６の集光位置の変位量が小さくなる場合であり、被測定物体１７の測定精度を高めることができる。これは、被測定物体１７の測定範囲を小さく設定できる結果、検出可能な分解能を高められるからである。
【００５３】
また、物点の微小変位量が像点の微小変位量の１／２倍になる物点位置ｘは、α＝２であり、
【００５４】
【数７】
の関係になるときである。このような関係は、発散レンズ１５の変位量よりも対物レンズ１６の集光位置の変位量が大きくなる場合であり、被測定物体１７の測定可能な変位量（測定レンジ）を拡大することができる。
なお、発散レンズ１５と対物レンズ１６の位置関係は、発散レンズ１５の焦点位置が対物レンズ１６の焦点Ｆに対して物点側となるように位置決めする必要がある。これは、発散レンズ１５に平行光が入射したときは、発散レンズ１５の焦点から投光されたように発散レンズ１５から出射することから、発散レンズ１５の焦点位置が対物レンズ１６の焦点位置に対して対物レンズ１６側に位置した状態では、対物レンズ１６からの出射光は集光しないからである。
【００５５】
このような位置関係を満足した場合は、上述した縦倍率αの関係から、発散レンズ１５の変位量と対物レンズ１６による集光位置の変位量とが異なるように設定することが可能となる。つまり、対物レンズ１６の焦点距離に対して発散レンズ１５の焦点位置と対物レンズ１６の焦点位置との距離が小さな場合は、発散レンズ１５の変位量に比べて対物レンズ１６による集光位置の変位量を大きく設定することができる。これに対して、対物レンズ１６の焦点距離に対して発散レンズ１５の焦点位置と対物レンズ１６の焦点位置とが大きな場合は、発散レンズ１５の変位量に比べて対物レンズ１６による集光位置の変位量を小さく設定することができる。
【００５６】
さて、被測定物体１７の変位量を検出する際は、被測定物体１７を検出位置に位置させた状態で装置を駆動する。すると、ＣＰＵ２１は、音叉１を振動させた状態で、レーザ駆動制御回路１２からＬＤ１１に駆動電流を供給する。これにより、ＬＤ１１はレーザ光を出射し、この出射光は、偏光ビームスプリッタ１３、コリメータレンズ１４、発散レンズ１５及び対物レンズ１６を通過して被測定物体１７へ集光状態で投射される。被測定物体１７で反射した反射光は、対物レンズ１６、発散レンズ１５及びコリメータレンズ１４を通過して偏光ビームスプリッタ１３でＰＤ１９側へ反射し、光絞り部１８のピンホール１８ａを通過した光のみがＰＤ１９へ入射する。この結果、被測定物体１７で生じた潜り光及びＬＤ１１で発生した迷光による反射光は、ピンホール１８ａを通過することができず、ＰＤ１９には、コリメータレンズ１４によりピンホール１８ａに集光された光、つまり被測定物体１７に集光状態で反射した光のみが入射することになる。そして、ＰＤ１９からの受光出力に応じた信号が増幅器２０へ出力されるので、増幅器２０からは増幅信号がデジタル化されてＣＰＵ２１へ出力される。
【００５７】
ここで、発散レンズ１５は微振動していることから、発散レンズ１５と被測定対象物１７との距離、つまり、対物レンズ１６により集光される光の位置が変化する。この場合、対物レンズ１６により集光される光の位置の変位量は、発散レンズ１５の変位量に対して上述した縦倍率を掛け合わせた値となる。
そして、対物レンズ１６から被測定物体１７に投射した光の集光位置が被測定対象物１７上となると、ＰＤ１９の受光出力は瞬時に最大となるので、ＰＤ１９からの受光出力は最大となる。
【００５８】
ＣＰＵ２１は、増幅器２４からの増幅信号を監視しており、増幅信号が最大となる時点における音叉振幅検出器２３からの検出信号に基づいて発散レンズ１５の変位量を求める。この場合、被測定物体１７の表面の変位量は、発散レンズ１５の変位量に対物レンズ１６の縦倍率を掛け合わせることにより求めることができる。
【００５９】
このような実施の形態によれば、ＬＤ１１からの光を平行光に変換するコリメータレンズ１４と対物レンズ１６との問に発散レンズ１５を介在させ、対物レンズ１６の焦点距離に対する発散レンズ１５の焦点位置と対物レンズ１６の焦点位置との距離の関係から、振動させる発散レンズ１５の変位量と被測定物体１７に対する集光位置の変位量との割合を任意に設定可能としたので、対物レンズを振動させることにより被測定物体の変位を測定する構成と違って、より高精度な測定や、より広い範囲の測定が可能となる。
【００６０】
また、コリメータレンズ１４からの平行光を発散レンズ１５により発散させるようにしたので、発散レンズ１５を対物レンズ１６よりも小さくすることができる。従って、発散レンズ１５をより高速に振動させることが可能であり、高速測定が容易にできるという利点を生じると共に、コリメータレンズ１４からの平行光の光芒幅を抑制することができるので、装置の小型化を図ることができる。
また、上記実施形態１の音叉１を用いて可動手段を構成したから、振動特性を保持しつつ製造された安価で精度の高い音叉１を用いて、製造コストを抑えつつ精度の高い合焦装置を得ることができる。
【００６１】
＜第３実施形態＞
以下、第１実施形態の音叉を使用した共焦点顕微鏡について図１４及び図１５に基づいて説明する。なお、この実施形態の特徴は、補助光学手段として発散レンズの代わりに収束レンズを用いた点である。
【００６２】
共焦点顕微鏡の構造を概略的に示す図１４において、投光手段としてＬＤ３１は、レーザ駆動回路３２により駆動された状態でレーザ光を投光し、そのレーザ光は、コリメータレンズ３３で平行光に変換された状態で偏光ビームスプリッタ３４に照射され当該偏光ビームスプリッタ３４で反射されることにより１／４波長板３５、走査手段としての水平偏光装置３６及び垂直偏光装置３７、リレーレンズ３８、ハーフミラー３９、補助光学手段としての収束レンズ４０、ハーフミラー４１、対物レンズ４２を介して被測定物体４３に集光状態で照射される。
【００６３】
被測定物体４３で反射した光は、対物レンズ４２、ハーフミラー４１、収束レンズ４０、ハーフミラー３９、リレーレンズ３８、垂直偏光装置３７、水平偏光装置３６、１／４波長板３５、偏光ビームスプリッタ３４、結像レンズ４４、ピンホール４５を介して受光手段としてのＰＤ４６で受光される。
【００６４】
ここで、収束レンズ４０は可動手段としての変位機構４７により支持されており、その変位機構４７がレンズ位置制御回路４８で制御されることにより、収束レンズ４０が垂直方向、つまりＬＤ３１からのレーザ光の光軸方向に沿って移動可能に構成されている。
一方、白色光源４９からの光は、コリメータレンズ５０で略平行光とされた状態でハーフミラー４１で反射してから対物レンズ４２により集光状態で被測定物体４３に照射される。被測定物体４３で反射した光は、対物レンズ４２、ハーフミラー４１、収束レンズ４０を通過してハーフミラー３９で反射することによりＣＣＤ５１で受光される。このＣＣＤ５１は、ＣＣＤ駆動回路５２により駆動されることにより被測定物体４３の表面を画像信号として出力する。
【００６５】
上述した光学系を収納した筐体５３全体はＸＹステージ５４に載置されており、ＸＹステージ５４の動作に応じて筐体５３が水平方向に移動可能となっている制御手段及び記憶手段としての制御装置５５は、レンズ位置制御回路４８に指令を与え、それに応じて変位機構４７が収束レンズ４０を所定の初期位置に移動した状態で水平偏光装置３６及び垂直偏光装置３７を駆動することにより対物レンズ４２による集光位置を平面走査すると共に、その平面走査状態でＰＤ４６の受光レベルを収束レンズ４０の位置に対応して平面情報として記憶する。そして、平面走査が終了したときは、レンズ位置制御回路４８に対する指令により収束レンズ４０を１ステップ移動した状態で集光位置を平面走査しながら受光レベルを収束レンズ４０の位置に対応して平面情報として記憶する。
【００６６】
そして、制御装置５５は、被測定物体４３に対する測定が終了したときは、記憶した平面情報に基づいて受光量が最大受光量となる位置、つまり被測定物体４３の表面形状を立体的に求め、図示しない表示装置に立体画像として表示したり、被測定物体４３の所定ラインの断面形状画像をＣＣＤ５１が受光した被測定物体４３の画像に重ねて表示したりする。
【００６７】
本実施形態では、上述したＬＤ３１、コリメータレンズ３３、偏光ビームスプリッタ３４、１／４波長板３５、リレーレンズ３８、収束レンズ４０、対物レンズ４２、結像レンズ４４、ピンホール４５，ＰＤ４６、制御装置５５から合焦装置が構成されている。
なお、被測定物体４３に対する平面測定領域が水平偏光装置３６及び垂直偏光装置３７による最大平面走査領域を上回る場合は、制御装置５５は、ＸＹステージ５４を駆動して被測定物体４３に対する平面走査領域を水平方向にずらすことにより平面走査領域の拡大を図るようにしている。
図１５は、収束レンズ４０と対物レンズ４２との光学系を示している。この図１５において、収束レンズ４０と対物レンズ４２とで構成される組合わせレンズ系の有効焦点距離ｆは、次の式で求めることができる。
【００６８】
【数８】
但し、ｆ１は収束レンズ４０の有効焦点距離、ｆ２は対物レンズ４２の有効焦点距離、ｄはレンズ間隔で、収束レンズ４０の第２主点と対物レンズ４２の第１主点の距離、ｓ”は対物レンズ４２の第２主点と組合わせ後の最終焦点との距離、ｚは対物レンズ４２の第２主点と組合わせ後の第２主点との距離である。
上記式から、レンズ間隔ｄを変化させることにより組合わせレンズ系の有効焦点距離は変化することから、収束レンズ４０を変位させることにより焦点距離ｆを変化させることが可能なことが分る。
【００６９】
従って、第２実施形態で説明した縦倍率を求める式に基づいて、収束レンズ４０の１ステップの変位に応じた縦倍率を求めることができることから、収束レンズ４０の変位量にそのときの縦倍率を掛け合わせることにより垂直方向への集光位置の変位量を求めることができ、最終的に被測定物体４３の表面形状を立体的に測定することができる。
【００７０】
このような実施形態によれば、収束レンズ４０と対物レンズ４２とから構成される組合わせレンズ系において、収束レンズ４０を変位させることにより対物レンズ４２の集光位置を光軸方向に沿って変位させことにより縦倍率を変更可能としたので、縦倍率を適切に調整することにより第２実施形態と同様に、より高精度な測定や、より広い範囲の測定が可能となる。
【００７１】
しかも、被測定物体が載置されたステージを垂直方向に間欠移動させ、移動停止状態で被検査対象物の水平方向の平面情報を検出する構成のものでは、被測定対象物によってはステージの上下動により振動を生じるために、ステージを１ステップ移動する毎に一定時間停止させ、被測定物体が安定するのを待ってから測定する必要を生じるものの、本実施形態では、光学系のみで測定を実施するととができるので、ステージを無くすことにより測定精度を一層高めることができると共に、計測の１ステップ毎に被測定物体４３の安定化のための待機時間が不要となり、高速計測が可能となる。
また、測定のための駆動部は光学部分のみでよいことから、高速計測に有効であると共に、被測定物体４３の大きさや形状、重量、或は形態などによる制約が著しく軽減され、用途を格段に広げることができる。
また、上記実施形態１の音叉１を用いて可動手段を構成したから、振動特性を保持しつつ製造された安価で精度の高い音叉１を用いて、製造コストを抑えつつ精度の高い共焦点顕微鏡を得ることができる
【００７２】
＜第４実施形態＞
以下、第１実施形態の音叉１を使用した変位センサについて図１６に基づいて説明する。第２実施形態では、発散レンズを音叉の一方の自由端２Ａに連結したが、このような構成では、音叉の振動に伴う発散レンズの変位により当該発散レンズの光軸が対物レンズの光軸に対して僅かに傾き、対物レンズによる集光位置がＬＤの光軸からずれてしまうことから、この本実施形態では、発散レンズの変位による光軸ぶれを防止したことを特徴とする。
【００７３】
図１６は、変位センサにおける光学系の構成を概略的に示している。同図において、ケース６１内には光学系が構成されており、投光手段であるＬＤ６２は、図示しないレーザ駆動制御回路で駆動された状態でレーザ光を出射し、そのレーザ光は、光分割手段であるハーフミラー６３（偏光ビームスプリッタでも可）を通過した後、コリメータレンズ６４で平行光に変換される。
【００７４】
コリメータレンズ６４で変換された平行光は、後述する補助光学手投としての第１レンズ６５及び第２レンズ６６により若干発散された状態でケース６１に装着された対物レンズ６７に入射することにより被測定物体６８に集光状態で投射される。
【００７５】
ここで、第１レンズ６５は光を発散させるレンズであり、本実施形態においては発散レンズ（以下、発散レンズ６５と称する）を用いているが、これに限らず、収束レンズを用いてもよい。この場合、収束レンズで収束した光も収束点（焦点位置）を越えた領域では発散されることになるので、発散レンズと同様の作用を得ることができる。第２レンズ６６は光を収束させるレンズであり、本実施形態においては収束レンズ（以下、収束レンズ６６と称する）を用いている。
【００７６】
以上のコリメータレンズ６４、発散レンズ６５、収束レンズ６６及び対物レンズ６７は複数のレンズからなる複合レンズから構成されていてもよく、この場合、主平面及ぴ主曲面で規定することができ、一方の面が平面、他方の面が曲面で形成された単レンズとみなすことができる。
なお、レンズが平凸の単レンズで形成されている場合は、平凸レンズの平面が主平面に一致し、他面が主曲面に一致する。図１６では、コリメータレンズ６４、発散レンズ６５、収束レンズ６６、対物レンズ６７は単レンズとして図示したが、主平面及び主曲面からなる複合レンズであってもよい。
【００７７】
被測定物体６８からの反射光は、対物レンズ６７、収束レンズ６６、発散レンズ６５、コリメータレンズ６４を通過してハーフミラー６３で反射することにより、ＬＤ６２に対して直交する方向に反射され、光絞り部６９のピンホールを通過して受光手段であるＰＤ７０へ入射するようになっている。
なお、図１６には示していないが、光分割手段をハーフミラー６３に代えて偏光ビームスプリッタで構成した場合には、偏光ビームスプリンタを通過したレーザ光が被測定物体６８で反射して偏光ビームスプリンタに戻った際に光の振動方向を９０度回転させる振動方向変換手段としての１／４波長板が設けられており、これにより、偏光ビームスプリッタに戻ったレーザ光がＬＤ６２の光軸の直交方向に反射されるようになっている。
【００７８】
ＰＤ７０で光電変換した信号は、図示しない増幅器へ入力され、その出力信号は、制御手段であるＣＰＵ（図示しない）へ入力されるようになっている。本実施の形態では、上述しだＰＤ６２、ハーフミラー６３、コリメータレンズ６４、発散レンズ６５、収束レンズ６６、対物レンズ６７、光絞り部６９、ＰＤ７０、ＣＰＵから合焦装置が構成されている。
【００７９】
ここで、ＬＤ６２の光軸に対して直交する方向を指向するようにレンズ可動手段としてのＵ字形状の音叉１が配設されており、その音叉の一方の自由端２Ａの先端に発散レンズ６５の周縁部分が連結されていると共に、他方の自由端２Ａの先端に収束レンズ６６の周縁部分が連結されている。発散レンズ６５は、コリメータレンズ６４からの平行光を発散させた状態で収束レンズ６６に入射させ、収束レンズ６６は、発散レンズ６５で発散された光を若干収束させることにより対物レンズ６７に若干発散させた状態で入射させる。これらの発散レンズ６５及び収束レンズ６６は、音叉１の微振動によりＬＤ６２からのレーザ光の光軸に沿って所定振幅で振動するようになっている。
【００８０】
ところで、第２実施形態で示したように音叉１の一方の自由端２Ａの先端に発散レンズ６５のみを連結した構成の場合、音叉１の振幅は極めて小さいことから、発散レンズ６５は光軸に沿って振動しているとみなすことができるものの、発散レンズ６５は音叉１の自由端２Ａの振動中心点（図１６にＡで示す）を中心として円弧状に振動していることから、微小現象としては、発散レンズ６５の光軸は当該発散レンズ６５の移動に伴ってＬＤ６２の光軸から僅かに傾いて光軸ぶれを生じている。このため、極めて精度の高い検出を行う際に検出精度の低下を招来する虞がある。
【００８１】
そこで、本実施形態では、音叉１の一方の自由端２Ａの先端に発散レンズ６５を連結した上で、他方の自由端２Ａの先端に収束レンズ６６を連結するように構成した。つまり、音叉１が振動した際に、一方の自由端２Ａの振動による発散レンズ６５の微小な光軸ぶれを、他方の自由端２Ａの振動による収束レンズ６６の微小な反対方向への光軸ぶれにより相殺するのである。
【００８２】
ここで、発散レンズ６５の光軸中心（レンズ中心軸）と収束レンズ６６の光軸中心（レンズ中心軸）とが一致するように音叉１の自由端２Ａの先端に連結されている。また、発散レンズ６５及び収束レンズ６６が音叉１に連結された状態で、音叉１における一方の自由端２Ａと他方の自由端２Ａの固有振動数は等しく構成されている。この場合、音叉１の固有振動数は、音叉の材質、厚み、梁の長さ（振動する棒状部分）、重さ、音叉に連結するレンズ部の形状（大きさ、重さ、材質）により決定されるもので、これらを適宜組み合わせて、所望の振動を得るように設計されている。
【００８３】
さらに、本実施形態では、発散レンズ６５及び収束レンズ６６の主曲面の頂点が、音叉１における振動中心軸に略位置する構成となっている。具体的には、図１６中に示すＡが音叉１の自由端２Ａの振動中心点であり、音叉１の自由端２Ａはこの振動中心点Ａを中心とする円弧状に振動している、この場合、振動中心点Ａを基点としてＬＤ６２の光軸に直交する線が振動中心軸（図中に一点鎖線で示す）であり、レンズは振動中心軸の変位に応じて変位する。本実施形態では、発散レンズ６５及び収束レンズ６６の主曲面の頂点が振動中心軸に略位置するように設定されている。つまり、主平面及び主曲面で規定されるレンズは、その主曲面が光の屈折に主に寄与することから、レンズの主曲面の頂点を振動中心軸に一致させることによりレンズの主曲面の変位を最小とすることができる。これにより、発散レンズ６５及び収束レンズ６６の光軸がＬＤ６２の光軸から大きくずれないようにすることができるので、音叉１の振動による光軸ぶれを極力抑制することができる。
【００８４】
ところで、音叉１の自由端２Ａの先端に発散レンズ６５及び収束レンズ６６を直接的に連結した構成において、自由端２Ａの指向方向と振動中心軸の指向方向とを一致させた場合（自由端２Ａの指向方向がＬＤ６２の光軸と直交している場合）、凹レンズで示される発散レンズ６５に関してはその主曲面の頂点を振動中心軸に一致させることができるものの、凸レンズで示される収束レンズ６６に関してはその主曲面の頂点を振動中心軸に一致させることができないことから、収束レンズ６６が連結された自由端２Ａを内側に折曲した形状とした。
【００８５】
一方、音叉１の自由端２Ａの側方の近接した位置には、例えば渦電流式磁気センサ、或は光センサ、或は静電容量センサを利用した位置検出手段（位置センサ）たる音叉振幅検出器７２が配設されており、音叉１の振動位置、つまり発散レンズ６５の位置を検出するようになっている。音叉振幅検出器７２が検出した検出振幅信号は増幅器へ入力され、その出力信号はＣＰＵへ入力される。
【００８６】
音叉１の自由端２Ａの側方には、当該音叉１を振動させるためのソレノイド７３が配設されている。このソレノイド７３は、ＣＰＵからの駆動信号に基づいて音叉振幅制御回路から制御電流が供給されることに応じて駆動するようになっており、圧電素子を用いるようにしてもよい。音叉振幅制御回路には増幅器の出力信号が与えられており、音叉の振幅を一定にするようにフィードバック制御するようになっている。
【００８７】
このような構成において、音叉振幅制御回路からソレノイド７３に所定周波数の交流電流を供給すると、ソレノイド７３から交流磁界が発生する。この交流磁界により音叉１が所定振幅で微振動し、発散レンズ６５がＬＤ６２の光軸に沿って振動する。そして、音叉振幅検出器７２は、音叉１の振幅、即ち発散レンズ６５の振幅を検出し、発散レンズ６５の振幅を示す正弦波信号を出力する。この正弦波信号を増幅器で増幅し、増幅器から出力される出力信号をＣＰＵへ入力させることにより、ＣＰＵは、発散レンズ６５の位置を検出可能となっている。
【００８８】
このような実施形態によれば、音叉１の自由端２Ａの一方に発散レンズ６５を連結した上で、他方の自由端２Ａに収束レンズ６６を連結するようにしたので、音叉の振動による発散レンズ６５の移動に伴う光軸ぶれを収束レンズ６６による反対方向への光軸ぶれにより抑制することができ、第２実施形態のものに比較して、検出精度を高めることができる。
【００８９】
また、本実施の形態では、発散レンズ６５と収束レンズ６６とは音叉１の振動に伴って光軸に沿って互いに反対方向に移動するようにアフォーカル系を構成していることから、例えば発散レンズ６５と収束レンズ６６とが接近するように移動する場合は、発散レンズ６５は対物レンズ６７に接近するように移動すると同時に、収束レンズ６６は対物レンズ６７から離間するように移動する。ここで、発散レンズ６５が対物レンズ６７に接近するように移動した場合は、対物レンズ６７による集光位置は対物レンズ６７から離間するように変位すると共に、収束レンズ６６が対物レンズ６７から離間するように移動した場合も、対物レンズ６７による集光位置は対物レンズ６７から離間するように変位する。この結果、対物レンズ６７による集光位置は、発散レンズ６５と収束レンズ６６との協調動作により、発散レンズ６５及び収束レンズ６６を単体で移動した場合に比較して、対物レンズ６７から離間する変位（発散レンズ６５と収束レンズ６６とが離間するように移動する場合は、対物レンズ６７による集光位置が対物レンズ６７に近接する変位）を増大することができる。このことは、第２実施形態で説明した縦倍率を大きくできることを意味しており、第２実施形態のものよりも検出精度を高めながら、音叉１の振動による振幅を抑制することができ、結果として検出の高速化を図ることができる。
【００９０】
なお、発散レンズ６５及び収束レンズ６６の周縁部を音叉１の自由端２Ａの先端に直接連結する構造としては、図１７に示すように収束レンズ６６と連結された自由端２Ａを外側に折曲した形状としてもよい。また、発散レンズ６５と収束レンズ６６との位置関係及び主平面と主曲面の向きについては図１８ないし図２４に示すように種々の組合せが可能である。この場合、収束レンズ６６をホルダ７４により保持することにより音叉１の自由端２Ａの指向方向と振動中心軸の指向方向とを一致させることが可能となり、音叉１の両方の自由端２Ａを平行な形状とすることができる。
また、上記実施形態１の音叉１を用いて可動手段を構成したから、振動特性を保持しつつ製造された安価で精度の高い音叉１を用いて、製造コストを抑えつつ精度の高い変位センサを得ることができる。
【００９１】
＜第５実施形態＞
第４実施形態で説明した合焦装置を共焦点顕微鏡に適用した第５実施形態を図２５に基づいて説明するに、第４実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。
【００９２】
光学系を概略的に示す図２５において、ハーフミラー６３とコリメータレンズ６４との問には第２ハーフミラー８１及び第３ハーフミラー８２が配置されており、照明用光源である白色光源８３からの光がレンズ８４で平行光に変換した状態で第２ハーフミラー８１により合流されてから、コリメータレンズ６４で略平行光とされた状態で対物レンズ６７により集光状態で被測定物体６８に照射される。被測定物体６８で反射した光は、対物レンズ６７、収束レンズ６６、発散レンズ６５、コリメータレンズ６４を通過して第３ハーフミラー８２によりＬＤ６２に対して直交する方向に反射されて撮像手段であるＣＣＤ８５で受光される。このＣＣＤ８５は、ＣＣＤ駆動回路により駆動されることにより被測定物体の表面を画像信号として出力する。
【００９３】
このような実施形態によれば、音叉１の自由端２Ａの先端に発散レンズ６５及び収束レンズ６６を連結した合焦装置を共焦点顕微鏡に適用するようにしたので、対物レンズ６７による集光位置がＬＤ６２の光軸からずれてしまうことを極力抑制することができ、共焦点顕微鏡の検出精度を高めることができる。
また、上記実施形態１の音叉１を用いて可動手段を構成したから、振動特性を保持しつつ製造された安価で精度の高い音叉１を用いて、製造コストを抑えつつ精度の高い共焦点顕微鏡を得ることができる。
【００９４】
＜第６実施形態＞
次に本発明の第６実施の形態を図２６に基づいて説明するに、第２実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。本実施形態は、対物レンズの集束率を変更可能としたものである。
【００９５】
図２６は対物レンズ交換装置を示している。同図において、対物レンズ交換装置９１は、回動部材９２に異なる集束率（焦点距離）の複数の対物レンズ９３，９４を装着して構成されている。
ここで、第２実施形態で説明した対物レンズの縦倍率を求める式に基づいて、対物レンズの焦点距離を変更することによっても縦倍率を変更することができることから、対物レンズ９３，９４を適宜交換することにより縦倍率を変更することができる。つまり、焦点距離の大きな対物レンズに交換することにより、縦倍率を大きくすることができる。
【００９６】
このような実施の形態によれば、対物レンズ交換装置９１により対物レンズ９３，９４を交換可能としたので、第２実施形態のように発散レンズ１５の位置、或は第３実施形態のように収束レンズ４０の位置を調整することなく、対物レンズの縦倍率を調整することができ、第２実施形態と同様に、より高精度な測定や、より広い範囲の測定が可能となる。
【００９７】
＜他の実施形態＞
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に説明するような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
【００９８】
（１）被測定物体の変位量を、縦倍率を求める数式に基づいて演算するのに代えて、第２実施形態における発散レンズ１５或は第３実施形態における収束レンズ４０の位置に基づいて求めるようにしてもよい。つまり、発散レンズ１５或は収束レンズ４０と集光位置との対応関係をテーブルに記憶したり、或は関数で演算したりするようにし、受光量が最大となる時点における発散レンズ１５或は収束レンズ４０の位置に基づいて被測定物体の変位量を求めるものである。
この場合、発散レンズ１５或は収束レンズ４０と集光位置との対応関係は、理論値ではなく実際の実験結果から求めるようにしてもよい。
【００９９】
（２）また、サンプルモデルを使ってティーチングを行うようにしてもよい。つまり、例えば、所定高さ（具体的に、１．０ｍｍ）のサンプルにおいて、この高さ情報を記憶させると共に、このときの受光量最大点における位置信号を検出し記憶させる。次に、先ほどと高さの違うサンプル（具体的に、１，１ｍｍ）をおいて、この高さ情報を記憶させると共に、このときの受光量最大点における位置信号を検出して記憶させる。これによって、Ｏ．１ｍｍの変位量に対する位置信号の変位量との関係が求められる。従って、この位置信号の変位量に対応する被測定物体の変位量をテーブルに記憶したり、数式として求めて記憶させたりしてもよい。
【０１００】
（３）第２実施形態において、発散レンズ１５の位置を検出する手段としては、音叉振幅制御回路２６からの駆動信号に基づいて検出するようにしてもよい。この場合、発散レンズ１５の位置を検出する手段を省略することができる。発散レンズ１５を振動させるのに代えて、単に直線的に移動させるようにしてもよい。また、光絞り部１８を省略するようにしてもよい。第３実施形態において、透過型の共焦点顕微鏡に適用するようにしてもよい。
対物レンズを取り外し可能に設け、集束率の異なる対物レンズを装着荷能としてもよい。対物レンズとして、例えば液体が封入され表面の湾曲率を調整することにより集束率を可変可能な構造のものを用いるようにしてもよい。発散レンズ或は収束レンズを変位させると同時に対物レンズの収束率を変更するようにしてもよい。
【０１０１】
（４）上記各実施形態では、音叉１を製造するための素材として軟鉄（ＳＰＣＣ）板としたが、これに限らず、弾性を有する板状部材であれば、例えばセラミックや樹脂等からなるものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る音叉を示す平面図、断面図、および背面図
【図２】図１を前方及び後方から見た図
【図３】曲げ加工前の板金状態を示す展開図で
【図４】音叉を被固定部に固定した状態を示す図
【図５】接続部付近の構成を説明する説明図及び変形例を示す図
【図６】図１の変形例１を示す図
【図７】図１の変形例２を示す図
【図８】図１の変形例３を示す図
【図９】図１の変形例４を示す図
【図１０】第２実施形態における変位センサの構成を示す概略図
【図１１】間隔可変手段を示す概略図
【図１２】対物レンズの光学系を示す模式図
【図１３】発散レンズと対物レンズとを組合わせた光学系を示す模式図
【図１４】第３実施形態における共焦点顕微鏡の構成を示す概略図
【図１５】収束レンズと対物レンズとを組合わせた光学系を示す模式図
【図１６】第４実施形態における光学系を概略的に示す側面図
【図１７】音叉の異なる形状を示す側面図
【図１８】音叉の異なる形状を示す側面図
【図１９】音叉の異なる形状を示す側面図
【図２０】音叉の異なる形状を示す側面図
【図２１】音叉の異なる形状を示す側面図
【図２２】音叉の異なる形状を示す側面図
【図２３】音叉の異なる形状を示す側面図
【図２４】音叉の異なる形状を示す側面図
【図２５】第５実施形態を示す光学系を概略的に示す側面図
【図２６】第６実施形態における対物レンズ交換装置を示す斜視図
【符号の説明】
１…音叉
２…振動部
２Ａ…自由端
２Ｂ…接続部
３…固定部
４…支持部
１１，３１，６２…レーザダイオード（投光手段）
１５，６５…発散レンズ（補助光学手段、第１レンズ、レンズ部材）
１６，４２，６７，９１，９４，９４…対物レンズ
１９…フォトダイオード（受光手段）
２１…ＣＰＵ（制御手段）
２３，７２…音叉振幅検出器（位置検出手段）
２５，７３…ソレノイド（加振手段）
４０，６６…収束レンズ（補助光学手段、第２レンズ、レンズ部材）
４７…変位機構（可動手段）
５５…制御装置（制御手段）
７０…フォトダイオード（受光手段）
【発明の属する技術分野】
本発明は、合焦装置及び変位センサ、並びに共焦点顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、投光素子からの光を収束レンズを通して収束させ、この収束点である焦点を光軸方向に移動させることに基づいて合焦させる合焦装置、或いは、物体の表面までの距離や、厚みを測定する変位センサや共焦点顕微鏡がある。このときに、焦点を光軸方向に移動させるための手段として、音叉を利用して、音叉の自由端に焦点位置を移動させるための少なくとも１枚のレンズからなる補助光学手段を取り付け、音叉の振動により焦点の移動量、つまり、距離を測定するものがある。このとき、音叉には、１つの合焦装置で合焦できる範囲を広げることができ、広いレンジに対応できる合焦装置を提供するために、一方の自由端に第１のレンズを取り付け、他方の自由端に第２のレンズを取り付けるものがある。
【０００３】
従来、合焦装置を利用して被測定対象物の変位を測定するものとして、特許文献１に示されるようなものが提供されており、この技術では、投光部からの光を対物レンズを介して被測定対象物上に照射し、この対物レンズを加振部により振動させることによって、投光部から対物レンズを介して収束された光の焦点を振動させ、この振動させたときの被測定対象物からの反射光を受光部にて受光し、この受光部に受光された受光量の大きさと、そのときの対物レンズの位置に基づいて被測定対象物の変位を測定している。
【０００４】
また、特許文献２に示すように、対物レンズは固定して、被測定対象物を載せるステージを上下動させることにより、このときの被測定対象物体からの反射光の大きさと、ステージの位置に基づいて被測定対象物の変位を測定する技術も提供されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平０７−１１３６１７号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開２０００−３１４６１６公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、特許文献１のような技術においては、投光部からの光をコリメータレンズを介して平行光とし、その平行光を対物レンズで絞る構成であるため、振動させるレンズの変位がそのまま、被測定対象物の変位となって現れてくる。このため、予め設定される測定範囲の変位量より大きい測定範囲の変位量を測定することはできず、広い測定レンジに対応することができなかった。
【０００８】
しかも、被測定対象物の変位の測定精度は、従来はコリメータレンズからの平行光を対物レンズを通して被測定対象物上に収束させて照射させるとともに、変位を測定する際には、対物レンズを移動させる構成であるため、対物レンズを通して収束される光の焦点位置（焦点距離）は予め決まっており、対物レンズを所定距離だけ移動させた場合の焦点位置の移動量は、その対物レンズの移動距離に相当する。
【０００９】
したがって、対物レンズを移動させる距離が焦点位置の移動量と同一であるので、被測定対象物の変位の測定精度は、対物レンズの移動距離そのものであって、対物レンズの最小移動量（最小変位）以上に分解能を細かくするといったように精度を向上することはできないし、大きな測定範囲の変位量を測定するためには、レンズの振動変位を大きくしなくてはならないため、変位計自体が大型化したり、レンズの振動が遅くなることにより測定の速度を遅くすることになってしまうという問題もある。
【００１０】
これに対し、特許文献２の方式であれば、ステージの移動機構の範囲を大きくすることで、測定範囲の大きな変位量に対しても測定を行うことができるが、ステージを移動させる距離分だけ装置が大型化するほか、この方式においてもやはり、被測定対象物の変位の測定精度を、ステージの移動変位を測定する精度以上にすることはできない。しかも、機械的な上下動を伴うために測定精度には限界がある。
【００１１】
このため、本出願人は、上記問題を解決するために、特願２００２−２０５５４５に記載される発明を出願したものを、更なる改善を行って、特願２００３−１５３１６５として出願しており、音叉における一方の自由端側に発散若しくは収束させる補助光学手段を備えており、音叉の振動は微小であるので、補助光学装置における光軸のぶれはないものとみなしている。
【００１２】
さらに本出願人は、微小ながらも音叉の自由端の振動により、補助光学手段の光軸に生じるぶれに着目することに至った。そして、より高精度な測定を考慮すると、この光軸のぶれの問題が大きくなることが想定されるため、このような光軸のぶれの問題についても解決する必要がある。
【００１３】
したがって、両自由端には、特性の異なるレンズが連結され、レンズを構成する部材（高屈折率、低屈折率）、形状により質量が異なる。そして、できあがった音叉に対して、後付けでレンズを取り付けようとした場合、上述したような質量の異なるレンズを取り付けると、音叉の自由端の固有振動数がずれてしまい共振周波数とならないため振動が発生しないという現象が起こる。一方、このような問題を回避するためにレンズの質量を合わせようとすると、光学特性を満たすように両レンズの質量を合わせなければならないため、光学部材の設計に多大の労力と費用がかかってしまう。
【００１４】
本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、両振動部に連結されるレンズの重さを同一にするといった煩雑な光学設計が不要であり、その一方で高い光学性能を有し、かつ設計の容易化が効果的に計られた光学系を備えた構成を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための手段として、請求項１の発明は、
光を出射する投光手段と、
この投光手段からの光を非平行光となるように発散若しくは収束する補助光学手段と、
この補助光学手段からの光を被測定物体に集光状態で照射する対物レンズと、
この対物レンズによる集光を前記被測定物体を介して受光する受光手段と、
前記補助光学手段を移動するための駆動信号を出力する制御手段と、
この制御手段からの駆動信号に応じて前記補助光学手段を前記投光手段からの光の光軸に沿って移動させる可動手段と、
前記補助光学手段の位置を示す位置信号を出力する位置検出手段とを備え、
前記制御手設は、前記駆動信号の出力状態で前記受光手段の受光量が最大となる時を検出する合焦装置であって、
前記可動手段は、両端が自由端とされる一対の振動部を備えると共に、これら振動部においてそれぞれの先端部に前記補助光学手段が連結された音叉と、この音叉の一方の振動部側に設けられ、前記制御手段からの駆動信号に基づいて前記音叉を振動させる加振手段とを備えた構成をなしており、
前記補助光学手段は、前記音叉の少なくとも一方の振動部に取り付けられたレンズ部材を有してなり、
前記音叉は、前記レンズ部材が取り付けられた状態で、前記一対の振動部における固有振動数が互いに等しく、かつ所定の共振周波数となるように、両振動部の形状が設定されていることを特徴とする合焦装置。
【００１６】
請求項２の発明は、請求項１に記載のものにおいて、
前記レンズ部材は、前記音叉の一方の振動部に取り付けられた第１レンズと、他方の振動部に取り付けられた、前記第１レンズとは質量の異なる第２レンズとを有すると共に、これら第１レンズ及び第２レンズは、互いの光軸が一致するように構成されており、
前記音叉は、前記第１レンズ及び前記第２レンズが前記一対の振動部にそれぞれ取り付けられた状態で、前記一対の振動部における固有振動数が互いに等しく、かつ所定の共振周波数となるように、両振動部の形状が設定されていることを特徴とする。
【００１７】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載のものにおいて、
前記音叉は、前記一対の振動部を接続する接続部が、これら一対の振動部の両自由端からの略中間位置に設けられると共に、前記接続部の幅方向両側において前記振動部を支持するように構成される一対の支持部と、前記支持部よりそれぞれ延設されるように設けられた、当該音叉を被固定箇所に固定するための一対の固定部とを備え、
前記両振動部、前記接続部、前記一対の支持部、及び前記一対の固定部が１枚の弾性板からなり、
前記一対の振動部における固有振動数が互いに等しく、かつ所定の共振周波数となるように、前記弾性板の形状が設定されることを特徴とする。
【００１８】
請求項４の発明は、請求項３に記載のものにおいて、前記弾性板において、前記両振動部が、前記略中間位置を基準に対称な形状をなし、これら両振動部における板幅が、前記レンズ部材の質量及び当該弾性板の板厚に基づいてそれぞれ設定されることを特徴とする。
【００１９】
請求項５の発明は、請求項４に記載のものにおいて、前記音叉は、前記一対の振動部を接続する接続部が折り曲げられて構成されると共に、その接続部の頂点部分が前記被固定箇所から離れた状態で前記一対の支持部に支持されるように、前記一対の支持部が前記固定部に対して折り曲げられた構成をなすことを特徴とする。
【００２０】
請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の前記合焦装置を備え、
前記制御手段が検出した受光量が最大となる点における位置信号の変化に基づいて被測定対象物の変位量を測定することを特徴とする変位センサとして構成される。
【００２１】
請求項７の発明は、請求項１ないし請求項５に記載の合焦装置と、
前記制御手段の駆動に応じて前記対物レンズによる集光位置を水平方向に走査する走査手段とを備え、
前記制御手段は、前記受光手段の受光量が最大となる時点における前記位置検出手段からの位置信号及び前記走査手段の走査位置を検出して記憶手段に記憶し、
前記制御手段が検出し、前記記憶手段に記憶された前記位置信号及び前記走査位置に基づいて被測定対象物の表面形状を立体的に測定することを特徴とする共焦点顕微鏡として構成される。
【００２２】
【発明の作用及び効果】
＜請求項１の発明＞
本構成によれば、少なくとも一方の振動部にレンズ部材が取り付けられる音叉において、振動部の形状を調整することにより固有振動数が互いに等しく、かつ所定の共振周波数となるように構成しているため、固有振動数や共振周波数の設定のためにレンズの質量調整を行うといった煩雑な光学設計が不要であり、その一方で高い光学性能を有し、かつ設計の容易化が効果的に計られた光学系を備えた合焦装置となる。
＜請求項２の発明＞
本構成によれば、両振動部にそれぞれレンズが連結される構成において、両レンズの重さを同一にするといった煩雑な光学設計が不要であり、その一方で高い光学性能を有し、かつ設計の容易化が効果的に計られた光学系を備えた合焦装置となる。
＜請求項３の発明＞
本構成によれば、２部材からなる音叉や、削りだしにより構成される音叉に比べ、音叉としての精度を保ちつつ、安価に、かつ、簡単に音叉を製造することができ、より設計時間を効率よく短縮することができるという効果を生ずる。
＜請求項４の発明＞
本構成によれば、略中間位置を基準に対称な形状をなすように両振動部を構成し、レンズ部材の質量及び弾性板の板厚に基づき、両振動部の板幅をそれぞれ設定して固有振動数や共振周波数が調整されるため、振動部について複雑な加工が必要とならず、製造容易な構成となる。
＜請求項５の発明＞
本構成によれば、被固定箇所に取り付けた際に、音叉の振動部の折り曲げ位置の頂点付近が被固定箇所に接触することに起因する音叉の振動伝達効率の低下を防ぐことができるので、より高精度に振動させることができるという効果を生ずる。
【００２３】
＜請求項６の発明＞
本構成によれば、レンズの質量を加味して、両振動部の固有振動数を同一に、かつ所定の共振周波数となるように簡単に音叉を製造することができ、もって、変位センサの測定精度を保ちつつ、装置自体を安価に、かつ、設計時間を短縮することができるという効果を生ずる。
【００２４】
＜請求項７の発明＞
本発明の構成によれば、レンズの質量を加味して、両自由端の固有振動数を同一に、かつ所定の共振周波数となるように簡単に音叉を製造することができ、もって、変位センサの測定精度を保ちつつ、装置自体を安価に、かつ、設計時間を短縮することができるという効果を生ずる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態を図１ないし図５によって説明する。
本実施形態では、後述する変位センサや共焦点顕微鏡などの装置の一構成として使用される合焦装置について説明する。合焦装置は、図１０，図１６等にて後述するような変位センサに用いられるものであり、例えば図１６の例では、光を出射する投光手段（ＬＥＤ６２が投光手段に相当）と、この投光手段からの光を非平行光となるように発散若しくは収束する補助光学手段（第１レンズ６５第２レンズ６６が補助光学手段に相当）と、この補助光学手段からの光を被測定物体に集光状態で照射する対物レンズ６７と、この対物レンズ６７による集光を、被測定物体６８を介して受光する受光手段（７）とを備えている。
【００２６】
そして、補助光学手段を移動するための駆動信号を出力する制御手段（図示しないＣＰＵが制御手段に相当する）と、この制御手段からの駆動信号に応じて補助光学手段（第１レンズ６５第２レンズ６６）を投光手段からの光の光軸に沿って移動させる可動手段と、補助光学手段の位置を示す位置信号を出力する位置検出手段（音叉振幅検出器７２が位置検出手段に相当する）とを備え、制御手設は、駆動信号の出力状態で受光手段（ＰＤ７０が受光手段に相当する）の受光量が最大となる時を検出するように構成されるものである。
【００２７】
そして、可動手段は、それぞれ端部が自由端とされる一対の振動部２，２（図１）を備え、これら振動部２，２においてそれぞれの先端側に補助光学手段たる第１レンズ６５第２レンズ６６が連結された音叉１と、この音叉１の一方の自由端２Ａから延びる一方の振動部２に設けられ、制御手段からの駆動信号に基づいて音叉１を振動させる加振手段（ソレノイド７３が加振手段に相当する）とを備えた構成をなすものである。
【００２８】
次に音叉１について図１ないし図５を参照して説明する。
図１は本実施形態に係る音叉を示す平面図、断面図、および背面図であり、図２はこれらを前方及び後方から見た図である。さらに、図３は曲げ加工前の板金状態を示す図であり、図４は当該音叉を被固定部に固定した状態を示す図である。そして、図５は接続部付近の構成を説明する説明図及び変形例を示す図である。
【００２９】
補助光学手段は、音叉の一方の振動部２に取り付けられた第１レンズ６５と、他方の振動部に取り付けられた、第１レンズ６５とは質量の異なる第２レンズ６６とを有すると共に、これら第１レンズ６５及び第２レンズ６６は、互いの光軸が一致するように構成されている。そして、本実施形態に係る音叉１は、第１レンズ６５及び第２レンズ６６が取り付けられた状態で、一対の振動部２における固有振動数が互いに等しく、かつ所定の共振周波数となるように、両振動部２，２の形状が設定されている。具体的には、両振動部２，２の厚み（Ｔ１，Ｔ２（図１））が同一で幅（Ａ，Ｂ（図１））が異なるように形状が設定され、両振動部２，２の固有振動数が略同一となるよう構成されている。
【００３０】
音叉１は、一対の振動部２，２を接続する接続部２Ｂが、これら一対の振動部２，２の両自由端２Ａからの略中間位置に設けられると共に、接続部２Ｂの幅方向両側において前動部２を支持するように構成される一対の支持部４，４と、支持部４，４よりそれぞれ延設されるように設けられ、音叉１を被固定箇所に固定するための一対の固定部３とを備え、両振動部２，２、接続部２Ｂ、一対の支持部４，４、及び一対の固定部３，３が１枚の板金によって構成されている。また、一対の振動部２，２は、略中間位置を基準に対称な形状をなし、両振動部２，２における板幅が、光学部材の質量及び、振動部２を構成する弾性体の板厚に基づいてそれぞれ設定されている。振動部２，支持部４，及び固定部３等を構成する弾性体の材料としては、例えば軟鉄（ＳＰＣＣ）を用いることができる。なお、軟鉄に限らず、例えばセラミックや樹脂を用いてもよい。
【００３１】
まず、図３には、折り曲げ加工前の板材１’の展開図を示しており、この板材１’は、帯状に長く延びた振動部２と、その振動部２の延長方向の中央位置において互いに反対方向に向けて突設された１対の固定部３，３とを一体的に備えて、全体として十字状の形状をなす。なお、この板材１’は、例えば１枚の金属板上で上記十文字状の形状に沿ってレーザを走査させることで切り出し形成されたものである。なお、プレスなどの打ち抜き形成などによって上記板部材を形成する方法であってもよい。振動部２の両端の自由端２Ａ，２Ａは、振動子として機能する。１対の支持部３，３は、所定の取付箇所に螺合される図示しない取付ネジを通す貫通孔３Ａ，３Ａが形成されている。
【００３２】
また、本実施形態では、図２（Ｂ）に示すように、振動部２と各支持部３との連結部分（支持部４，４）の側面は、振動部２の側面と支持部３，３の側面とを滑らかにつなげる曲面をなす。これにより振動部２の振動動作により生じる応力が連結部分４に集中して損傷することを抑制することができる。
【００３３】
本実施形態に係る音叉１は、レーザ加工により１枚の金属板から、振動部２及び支持部３，３が備えた板部材を切り出し形成し、上記振動部２をその両自由端２Ａ，２Ａを同方向に向けるように中央位置を中心に折り曲げ加工を施して製造される。従って、音叉１の製造に際し、溶接やロー付けなどのような熱処理等による振動部２の振動特性変化を生じさせることなく比較的簡単かつ安価な工程によって音叉１を製造することができる。
【００３４】
また、振動部２が取付箇所に接触した状態では、一方の自由端２Ａの振動エネルギーの一部が取付箇所にも伝わり、他方の自由端２Ａへの振動エネルギー伝達効率が低下してしまう。しかしながら、本構成によれば、一対の支持部３，３は、振動部２の中央部分を取付箇所Ｗから離間（所定距離ｔだけ離れた）した状態で当該取付箇所Ｗに固定されるよう構成した。従って、取付箇所Ｗへの振動漏れを極力低下させて一方の自由端２Ａの振動エネルギーを効率よく他方の自由端２Ａへ伝達することができる。
【００３５】
また、図６ないし図９のように構成してもよい。図６は、振動部２に沿う溝２Ｈが形成されたものについて示している。図７は振動部２，２をビード状（ビード部２Ｉ参照）に形成した場合の平面図、断面図、及び背面図である。また、図８の音叉は振動部の延出方向に対してほぼ平行する固定面を備えた固定部を有している。また、図９は、図１、図６、図７に示すものにおいて、接続部が固定面から離れていない場合について示している。振動部２の構造については、図１に示すように、幅を設定するのみならず、機械的強度やレンズ部材（光学素子）の質量に応じて、様々な形状設定手法を用いることができ、図６ないし図９に示すような変形例や、他の構成を適宜用いることができる。
【００３６】
＜第２実施形態＞
以下、第１実施形態の音叉１を使用した変位センサについて図１０ないし図１３に基づいて説明する。
投光手段であるレーザダイオード（以下、ＬＤと称する）１１はレーザ駆動制御回路１２で駆動された状態でレーザ光を出射し、そのレーザ光は、光分割手段である偏光ビームスプリッタ１３を通過した後、コリメータレンズ１４で平行光に変換される。
コリメータレンズ１４で変換された平行光は、後述する補助光学手段としての発散レンズ１５により発散された状態で対物レンズ１６に入射することにより被測定物体１７に集光状態で投射される。これらのコリメータレンズ１４、発散レンズ１５及び対物レンズ１６は複数のレンズからなる複合レンズから構成されている。
【００３７】
被測定物体１７からの反射光は、対物レンズ１６、発散レンズ１５、コリメータレンズ１４を通過して偏光ビームスプリッタ１３で反射することにより、光絞り部１８のピンホール１８ａを通過して受光手段であるフォトダイオード（以下、ＰＤと称する）１９へ入射するようになっている。
なお、図１には示していないが、偏光ビームスプリッタ１３を通過したレーザ光が被測定物体１７で反射して偏光ビームスプリッタ１３に戻った際に光の振動方向を９０°回転させる振動方向変換手段としての１／４波長板が設けられており、これにより、偏光ビームスプリッタ１３に戻ったレーザ光がＬＤ１１の光軸の直交方向に反射されるようになっている。
ＰＤ１９で光電変換した信号は増幅器２０へ入力され、その出力信号は、制御手段であるＣＰＵ２１へ入力されるようになっている。
【００３８】
本実施の形態では、上述したＬＤ１１、偏光ビームスプリッタ１３、コリメータレンズ１４、発散レンズ１５、対物レンズ１６、光絞り部１８、ＰＤ１９、ＣＰＵ２１から合焦装置が構成されている。
【００３９】
ここで、ＬＤ１１の光軸に対して直交する方向を指向するようにレンズ可動手段としての上記第１実施形態の音叉１が配設されており、その音叉１の自由端２Ａの先端に発散レンズ１５の周縁部分が連結されている。この発散レンズ１５は、コリメータレンズ１４からの平行光を発散させた状態で対物レンズ１６へ入射させるもので、音叉１の微振動によりＬＤ１１からのレーザ光の光軸に沿って所定振幅で振動するようになっており、このような構成が本実施形態の特徴となっている。この場合、音叉１の振幅は極めて小さいことから、発散レンズ１５は光軸に沿って振動しているとみなすことができる。
【００４０】
一方、音叉１の自由端２Ａの側方の近接した位置には、例えば渦電流式磁気センサ、或は光センサ、或は静電容量センサを利用した位置検出手段（位置センサ）たる音叉振幅検出器２３が配設されており、音叉１の振動位置、つまり発散レンズ１５の位置を検出するようになっている。音叉振幅検出器２３が検出した検出振幅信号は増幅器２４へ入力され、その出力信号はＣＰＵ２１へ入力される。
音叉１の自由端２Ａの側方には、当該音叉１を振動させるためのソレノイド２５が配設されている。このソレノイド２５は、制御手段としてのＣＰＵ２１からの駆動信号に基づいて音叉振幅制御回路２６から制御電流が供給されることに応じて駆動するようになっている。音叉振幅制御回路２６には増幅器２４の出力信号が与えられており、音叉１の振幅を一定にするようにフィードバック制御するようになっている。
【００４１】
このような構成において、音叉振幅制御回路２６からソレノイド２５に所定周波数のパルス電流又は交流電流を供給すると、ソレノイド２５から磁界（交流磁界）が発生する。この交流磁界により音叉１が所定振幅で微振動し、発散レンズ１５をＬＤ１１の光軸に沿って振動させる。
そして、音叉振幅検出器２３は、音叉１の振幅、即ち発散レンズ１５の振幅を検出し、発散レンズ１５の振幅を示す正弦波状信号を出力する。この正弦波状信号を増幅器２４で増幅し、増幅器２４から出力される出力信号をＣＰＵ２１へ入力させることにより、ＣＰＵ２１は、発散レンズ１５の位置を検出可能となっている。
【００４２】
ここで、上記音叉１、ソレノイド２５、音叉振幅検出器２３は、図１１に示すように一体で移動可能な間隔可変手段２７として構成されており、移動位置に応じて発散レンズ１５の焦点と対物レンズ１６の焦点との距離を調整することが可能となっている。このときの発散レンズ１５の位置も、図示しないが、別に設けてある測定手段によってＣＰＵ２１に入力され、処理手段によって被測定点の位置情報として出力される。
【００４３】
次に、発散レンズ１５と対物レンズ１６の焦点距離との関係について図１２及び図１３に基づいて説明する。
図１２は、物点ｃからの光線が対物レンズ１６により屈折されて像点ｃ’で結像する際の光学系を示している。ここで、物点ｃの微小変位量ｘｃ１とその像点変位量ｘｃ２の比αを縦倍率といい、通常の横倍率に対して光軸に沿った方向の倍率であり、次の式で求めることができる。
【００４４】
【数１】
ここで、対物レンズ１６の焦点距離をｆ、物体側焦点位置から物体までの距離をｘ、像側焦点位置から像までの距離をｘ’とすると、図中に示すように物点ｃを基点とする矢印が像点ｃ’を基点として結像したとすると、矢印の基点と先端のそれぞれに関して、ニュートンの公式に基づいて次に示す式を導き出すことができる。
【００４６】
【数２】
【００４７】
【数３】
【００４８】
【数４】
【００４９】
ところで、本発明では、コリメータレンズ１４からの平行光を発散レンズ１５により発散させた状態で対物レンズ１６に入射させていることから、発散レンズ１５の焦点位置を物点ｃに一致させるように配置した場合、発散レンズ１５に入射した平行光はあたかも物点ｃから放射されたように出射するようになる。また、発散レンズ１５が変位した場合は、その移動に応じてあたかも物点ｃが同様に変位したことになる。
【００５０】
さて、上記関係式に基づいて、物点ｃと像点ｃ’の微小変位量が互いに等しくなる物点位置ｘは、α＝１であり、
【００５１】
【数５】
また、物点の微小変位量が像点の微小変位量の２倍になる物点位置ｘは、α＝１／２であり、
【００５２】
【数６】
【００５３】
また、物点の微小変位量が像点の微小変位量の１／２倍になる物点位置ｘは、α＝２であり、
【００５４】
【数７】
なお、発散レンズ１５と対物レンズ１６の位置関係は、発散レンズ１５の焦点位置が対物レンズ１６の焦点Ｆに対して物点側となるように位置決めする必要がある。これは、発散レンズ１５に平行光が入射したときは、発散レンズ１５の焦点から投光されたように発散レンズ１５から出射することから、発散レンズ１５の焦点位置が対物レンズ１６の焦点位置に対して対物レンズ１６側に位置した状態では、対物レンズ１６からの出射光は集光しないからである。
【００５５】
このような位置関係を満足した場合は、上述した縦倍率αの関係から、発散レンズ１５の変位量と対物レンズ１６による集光位置の変位量とが異なるように設定することが可能となる。つまり、対物レンズ１６の焦点距離に対して発散レンズ１５の焦点位置と対物レンズ１６の焦点位置との距離が小さな場合は、発散レンズ１５の変位量に比べて対物レンズ１６による集光位置の変位量を大きく設定することができる。これに対して、対物レンズ１６の焦点距離に対して発散レンズ１５の焦点位置と対物レンズ１６の焦点位置とが大きな場合は、発散レンズ１５の変位量に比べて対物レンズ１６による集光位置の変位量を小さく設定することができる。
【００５６】
さて、被測定物体１７の変位量を検出する際は、被測定物体１７を検出位置に位置させた状態で装置を駆動する。すると、ＣＰＵ２１は、音叉１を振動させた状態で、レーザ駆動制御回路１２からＬＤ１１に駆動電流を供給する。これにより、ＬＤ１１はレーザ光を出射し、この出射光は、偏光ビームスプリッタ１３、コリメータレンズ１４、発散レンズ１５及び対物レンズ１６を通過して被測定物体１７へ集光状態で投射される。被測定物体１７で反射した反射光は、対物レンズ１６、発散レンズ１５及びコリメータレンズ１４を通過して偏光ビームスプリッタ１３でＰＤ１９側へ反射し、光絞り部１８のピンホール１８ａを通過した光のみがＰＤ１９へ入射する。この結果、被測定物体１７で生じた潜り光及びＬＤ１１で発生した迷光による反射光は、ピンホール１８ａを通過することができず、ＰＤ１９には、コリメータレンズ１４によりピンホール１８ａに集光された光、つまり被測定物体１７に集光状態で反射した光のみが入射することになる。そして、ＰＤ１９からの受光出力に応じた信号が増幅器２０へ出力されるので、増幅器２０からは増幅信号がデジタル化されてＣＰＵ２１へ出力される。
【００５７】
ここで、発散レンズ１５は微振動していることから、発散レンズ１５と被測定対象物１７との距離、つまり、対物レンズ１６により集光される光の位置が変化する。この場合、対物レンズ１６により集光される光の位置の変位量は、発散レンズ１５の変位量に対して上述した縦倍率を掛け合わせた値となる。
そして、対物レンズ１６から被測定物体１７に投射した光の集光位置が被測定対象物１７上となると、ＰＤ１９の受光出力は瞬時に最大となるので、ＰＤ１９からの受光出力は最大となる。
【００５８】
ＣＰＵ２１は、増幅器２４からの増幅信号を監視しており、増幅信号が最大となる時点における音叉振幅検出器２３からの検出信号に基づいて発散レンズ１５の変位量を求める。この場合、被測定物体１７の表面の変位量は、発散レンズ１５の変位量に対物レンズ１６の縦倍率を掛け合わせることにより求めることができる。
【００５９】
このような実施の形態によれば、ＬＤ１１からの光を平行光に変換するコリメータレンズ１４と対物レンズ１６との問に発散レンズ１５を介在させ、対物レンズ１６の焦点距離に対する発散レンズ１５の焦点位置と対物レンズ１６の焦点位置との距離の関係から、振動させる発散レンズ１５の変位量と被測定物体１７に対する集光位置の変位量との割合を任意に設定可能としたので、対物レンズを振動させることにより被測定物体の変位を測定する構成と違って、より高精度な測定や、より広い範囲の測定が可能となる。
【００６０】
また、コリメータレンズ１４からの平行光を発散レンズ１５により発散させるようにしたので、発散レンズ１５を対物レンズ１６よりも小さくすることができる。従って、発散レンズ１５をより高速に振動させることが可能であり、高速測定が容易にできるという利点を生じると共に、コリメータレンズ１４からの平行光の光芒幅を抑制することができるので、装置の小型化を図ることができる。
また、上記実施形態１の音叉１を用いて可動手段を構成したから、振動特性を保持しつつ製造された安価で精度の高い音叉１を用いて、製造コストを抑えつつ精度の高い合焦装置を得ることができる。
【００６１】
＜第３実施形態＞
以下、第１実施形態の音叉を使用した共焦点顕微鏡について図１４及び図１５に基づいて説明する。なお、この実施形態の特徴は、補助光学手段として発散レンズの代わりに収束レンズを用いた点である。
【００６２】
共焦点顕微鏡の構造を概略的に示す図１４において、投光手段としてＬＤ３１は、レーザ駆動回路３２により駆動された状態でレーザ光を投光し、そのレーザ光は、コリメータレンズ３３で平行光に変換された状態で偏光ビームスプリッタ３４に照射され当該偏光ビームスプリッタ３４で反射されることにより１／４波長板３５、走査手段としての水平偏光装置３６及び垂直偏光装置３７、リレーレンズ３８、ハーフミラー３９、補助光学手段としての収束レンズ４０、ハーフミラー４１、対物レンズ４２を介して被測定物体４３に集光状態で照射される。
【００６３】
被測定物体４３で反射した光は、対物レンズ４２、ハーフミラー４１、収束レンズ４０、ハーフミラー３９、リレーレンズ３８、垂直偏光装置３７、水平偏光装置３６、１／４波長板３５、偏光ビームスプリッタ３４、結像レンズ４４、ピンホール４５を介して受光手段としてのＰＤ４６で受光される。
【００６４】
ここで、収束レンズ４０は可動手段としての変位機構４７により支持されており、その変位機構４７がレンズ位置制御回路４８で制御されることにより、収束レンズ４０が垂直方向、つまりＬＤ３１からのレーザ光の光軸方向に沿って移動可能に構成されている。
一方、白色光源４９からの光は、コリメータレンズ５０で略平行光とされた状態でハーフミラー４１で反射してから対物レンズ４２により集光状態で被測定物体４３に照射される。被測定物体４３で反射した光は、対物レンズ４２、ハーフミラー４１、収束レンズ４０を通過してハーフミラー３９で反射することによりＣＣＤ５１で受光される。このＣＣＤ５１は、ＣＣＤ駆動回路５２により駆動されることにより被測定物体４３の表面を画像信号として出力する。
【００６５】
上述した光学系を収納した筐体５３全体はＸＹステージ５４に載置されており、ＸＹステージ５４の動作に応じて筐体５３が水平方向に移動可能となっている制御手段及び記憶手段としての制御装置５５は、レンズ位置制御回路４８に指令を与え、それに応じて変位機構４７が収束レンズ４０を所定の初期位置に移動した状態で水平偏光装置３６及び垂直偏光装置３７を駆動することにより対物レンズ４２による集光位置を平面走査すると共に、その平面走査状態でＰＤ４６の受光レベルを収束レンズ４０の位置に対応して平面情報として記憶する。そして、平面走査が終了したときは、レンズ位置制御回路４８に対する指令により収束レンズ４０を１ステップ移動した状態で集光位置を平面走査しながら受光レベルを収束レンズ４０の位置に対応して平面情報として記憶する。
【００６６】
そして、制御装置５５は、被測定物体４３に対する測定が終了したときは、記憶した平面情報に基づいて受光量が最大受光量となる位置、つまり被測定物体４３の表面形状を立体的に求め、図示しない表示装置に立体画像として表示したり、被測定物体４３の所定ラインの断面形状画像をＣＣＤ５１が受光した被測定物体４３の画像に重ねて表示したりする。
【００６７】
本実施形態では、上述したＬＤ３１、コリメータレンズ３３、偏光ビームスプリッタ３４、１／４波長板３５、リレーレンズ３８、収束レンズ４０、対物レンズ４２、結像レンズ４４、ピンホール４５，ＰＤ４６、制御装置５５から合焦装置が構成されている。
なお、被測定物体４３に対する平面測定領域が水平偏光装置３６及び垂直偏光装置３７による最大平面走査領域を上回る場合は、制御装置５５は、ＸＹステージ５４を駆動して被測定物体４３に対する平面走査領域を水平方向にずらすことにより平面走査領域の拡大を図るようにしている。
図１５は、収束レンズ４０と対物レンズ４２との光学系を示している。この図１５において、収束レンズ４０と対物レンズ４２とで構成される組合わせレンズ系の有効焦点距離ｆは、次の式で求めることができる。
【００６８】
【数８】
上記式から、レンズ間隔ｄを変化させることにより組合わせレンズ系の有効焦点距離は変化することから、収束レンズ４０を変位させることにより焦点距離ｆを変化させることが可能なことが分る。
【００６９】
従って、第２実施形態で説明した縦倍率を求める式に基づいて、収束レンズ４０の１ステップの変位に応じた縦倍率を求めることができることから、収束レンズ４０の変位量にそのときの縦倍率を掛け合わせることにより垂直方向への集光位置の変位量を求めることができ、最終的に被測定物体４３の表面形状を立体的に測定することができる。
【００７０】
このような実施形態によれば、収束レンズ４０と対物レンズ４２とから構成される組合わせレンズ系において、収束レンズ４０を変位させることにより対物レンズ４２の集光位置を光軸方向に沿って変位させことにより縦倍率を変更可能としたので、縦倍率を適切に調整することにより第２実施形態と同様に、より高精度な測定や、より広い範囲の測定が可能となる。
【００７１】
しかも、被測定物体が載置されたステージを垂直方向に間欠移動させ、移動停止状態で被検査対象物の水平方向の平面情報を検出する構成のものでは、被測定対象物によってはステージの上下動により振動を生じるために、ステージを１ステップ移動する毎に一定時間停止させ、被測定物体が安定するのを待ってから測定する必要を生じるものの、本実施形態では、光学系のみで測定を実施するととができるので、ステージを無くすことにより測定精度を一層高めることができると共に、計測の１ステップ毎に被測定物体４３の安定化のための待機時間が不要となり、高速計測が可能となる。
また、測定のための駆動部は光学部分のみでよいことから、高速計測に有効であると共に、被測定物体４３の大きさや形状、重量、或は形態などによる制約が著しく軽減され、用途を格段に広げることができる。
また、上記実施形態１の音叉１を用いて可動手段を構成したから、振動特性を保持しつつ製造された安価で精度の高い音叉１を用いて、製造コストを抑えつつ精度の高い共焦点顕微鏡を得ることができる
【００７２】
＜第４実施形態＞
以下、第１実施形態の音叉１を使用した変位センサについて図１６に基づいて説明する。第２実施形態では、発散レンズを音叉の一方の自由端２Ａに連結したが、このような構成では、音叉の振動に伴う発散レンズの変位により当該発散レンズの光軸が対物レンズの光軸に対して僅かに傾き、対物レンズによる集光位置がＬＤの光軸からずれてしまうことから、この本実施形態では、発散レンズの変位による光軸ぶれを防止したことを特徴とする。
【００７３】
図１６は、変位センサにおける光学系の構成を概略的に示している。同図において、ケース６１内には光学系が構成されており、投光手段であるＬＤ６２は、図示しないレーザ駆動制御回路で駆動された状態でレーザ光を出射し、そのレーザ光は、光分割手段であるハーフミラー６３（偏光ビームスプリッタでも可）を通過した後、コリメータレンズ６４で平行光に変換される。
【００７４】
コリメータレンズ６４で変換された平行光は、後述する補助光学手投としての第１レンズ６５及び第２レンズ６６により若干発散された状態でケース６１に装着された対物レンズ６７に入射することにより被測定物体６８に集光状態で投射される。
【００７５】
ここで、第１レンズ６５は光を発散させるレンズであり、本実施形態においては発散レンズ（以下、発散レンズ６５と称する）を用いているが、これに限らず、収束レンズを用いてもよい。この場合、収束レンズで収束した光も収束点（焦点位置）を越えた領域では発散されることになるので、発散レンズと同様の作用を得ることができる。第２レンズ６６は光を収束させるレンズであり、本実施形態においては収束レンズ（以下、収束レンズ６６と称する）を用いている。
【００７６】
以上のコリメータレンズ６４、発散レンズ６５、収束レンズ６６及び対物レンズ６７は複数のレンズからなる複合レンズから構成されていてもよく、この場合、主平面及ぴ主曲面で規定することができ、一方の面が平面、他方の面が曲面で形成された単レンズとみなすことができる。
なお、レンズが平凸の単レンズで形成されている場合は、平凸レンズの平面が主平面に一致し、他面が主曲面に一致する。図１６では、コリメータレンズ６４、発散レンズ６５、収束レンズ６６、対物レンズ６７は単レンズとして図示したが、主平面及び主曲面からなる複合レンズであってもよい。
【００７７】
被測定物体６８からの反射光は、対物レンズ６７、収束レンズ６６、発散レンズ６５、コリメータレンズ６４を通過してハーフミラー６３で反射することにより、ＬＤ６２に対して直交する方向に反射され、光絞り部６９のピンホールを通過して受光手段であるＰＤ７０へ入射するようになっている。
なお、図１６には示していないが、光分割手段をハーフミラー６３に代えて偏光ビームスプリッタで構成した場合には、偏光ビームスプリンタを通過したレーザ光が被測定物体６８で反射して偏光ビームスプリンタに戻った際に光の振動方向を９０度回転させる振動方向変換手段としての１／４波長板が設けられており、これにより、偏光ビームスプリッタに戻ったレーザ光がＬＤ６２の光軸の直交方向に反射されるようになっている。
【００７８】
ＰＤ７０で光電変換した信号は、図示しない増幅器へ入力され、その出力信号は、制御手段であるＣＰＵ（図示しない）へ入力されるようになっている。本実施の形態では、上述しだＰＤ６２、ハーフミラー６３、コリメータレンズ６４、発散レンズ６５、収束レンズ６６、対物レンズ６７、光絞り部６９、ＰＤ７０、ＣＰＵから合焦装置が構成されている。
【００７９】
ここで、ＬＤ６２の光軸に対して直交する方向を指向するようにレンズ可動手段としてのＵ字形状の音叉１が配設されており、その音叉の一方の自由端２Ａの先端に発散レンズ６５の周縁部分が連結されていると共に、他方の自由端２Ａの先端に収束レンズ６６の周縁部分が連結されている。発散レンズ６５は、コリメータレンズ６４からの平行光を発散させた状態で収束レンズ６６に入射させ、収束レンズ６６は、発散レンズ６５で発散された光を若干収束させることにより対物レンズ６７に若干発散させた状態で入射させる。これらの発散レンズ６５及び収束レンズ６６は、音叉１の微振動によりＬＤ６２からのレーザ光の光軸に沿って所定振幅で振動するようになっている。
【００８０】
ところで、第２実施形態で示したように音叉１の一方の自由端２Ａの先端に発散レンズ６５のみを連結した構成の場合、音叉１の振幅は極めて小さいことから、発散レンズ６５は光軸に沿って振動しているとみなすことができるものの、発散レンズ６５は音叉１の自由端２Ａの振動中心点（図１６にＡで示す）を中心として円弧状に振動していることから、微小現象としては、発散レンズ６５の光軸は当該発散レンズ６５の移動に伴ってＬＤ６２の光軸から僅かに傾いて光軸ぶれを生じている。このため、極めて精度の高い検出を行う際に検出精度の低下を招来する虞がある。
【００８１】
そこで、本実施形態では、音叉１の一方の自由端２Ａの先端に発散レンズ６５を連結した上で、他方の自由端２Ａの先端に収束レンズ６６を連結するように構成した。つまり、音叉１が振動した際に、一方の自由端２Ａの振動による発散レンズ６５の微小な光軸ぶれを、他方の自由端２Ａの振動による収束レンズ６６の微小な反対方向への光軸ぶれにより相殺するのである。
【００８２】
ここで、発散レンズ６５の光軸中心（レンズ中心軸）と収束レンズ６６の光軸中心（レンズ中心軸）とが一致するように音叉１の自由端２Ａの先端に連結されている。また、発散レンズ６５及び収束レンズ６６が音叉１に連結された状態で、音叉１における一方の自由端２Ａと他方の自由端２Ａの固有振動数は等しく構成されている。この場合、音叉１の固有振動数は、音叉の材質、厚み、梁の長さ（振動する棒状部分）、重さ、音叉に連結するレンズ部の形状（大きさ、重さ、材質）により決定されるもので、これらを適宜組み合わせて、所望の振動を得るように設計されている。
【００８３】
さらに、本実施形態では、発散レンズ６５及び収束レンズ６６の主曲面の頂点が、音叉１における振動中心軸に略位置する構成となっている。具体的には、図１６中に示すＡが音叉１の自由端２Ａの振動中心点であり、音叉１の自由端２Ａはこの振動中心点Ａを中心とする円弧状に振動している、この場合、振動中心点Ａを基点としてＬＤ６２の光軸に直交する線が振動中心軸（図中に一点鎖線で示す）であり、レンズは振動中心軸の変位に応じて変位する。本実施形態では、発散レンズ６５及び収束レンズ６６の主曲面の頂点が振動中心軸に略位置するように設定されている。つまり、主平面及び主曲面で規定されるレンズは、その主曲面が光の屈折に主に寄与することから、レンズの主曲面の頂点を振動中心軸に一致させることによりレンズの主曲面の変位を最小とすることができる。これにより、発散レンズ６５及び収束レンズ６６の光軸がＬＤ６２の光軸から大きくずれないようにすることができるので、音叉１の振動による光軸ぶれを極力抑制することができる。
【００８４】
ところで、音叉１の自由端２Ａの先端に発散レンズ６５及び収束レンズ６６を直接的に連結した構成において、自由端２Ａの指向方向と振動中心軸の指向方向とを一致させた場合（自由端２Ａの指向方向がＬＤ６２の光軸と直交している場合）、凹レンズで示される発散レンズ６５に関してはその主曲面の頂点を振動中心軸に一致させることができるものの、凸レンズで示される収束レンズ６６に関してはその主曲面の頂点を振動中心軸に一致させることができないことから、収束レンズ６６が連結された自由端２Ａを内側に折曲した形状とした。
【００８５】
一方、音叉１の自由端２Ａの側方の近接した位置には、例えば渦電流式磁気センサ、或は光センサ、或は静電容量センサを利用した位置検出手段（位置センサ）たる音叉振幅検出器７２が配設されており、音叉１の振動位置、つまり発散レンズ６５の位置を検出するようになっている。音叉振幅検出器７２が検出した検出振幅信号は増幅器へ入力され、その出力信号はＣＰＵへ入力される。
【００８６】
音叉１の自由端２Ａの側方には、当該音叉１を振動させるためのソレノイド７３が配設されている。このソレノイド７３は、ＣＰＵからの駆動信号に基づいて音叉振幅制御回路から制御電流が供給されることに応じて駆動するようになっており、圧電素子を用いるようにしてもよい。音叉振幅制御回路には増幅器の出力信号が与えられており、音叉の振幅を一定にするようにフィードバック制御するようになっている。
【００８７】
このような構成において、音叉振幅制御回路からソレノイド７３に所定周波数の交流電流を供給すると、ソレノイド７３から交流磁界が発生する。この交流磁界により音叉１が所定振幅で微振動し、発散レンズ６５がＬＤ６２の光軸に沿って振動する。そして、音叉振幅検出器７２は、音叉１の振幅、即ち発散レンズ６５の振幅を検出し、発散レンズ６５の振幅を示す正弦波信号を出力する。この正弦波信号を増幅器で増幅し、増幅器から出力される出力信号をＣＰＵへ入力させることにより、ＣＰＵは、発散レンズ６５の位置を検出可能となっている。
【００８８】
このような実施形態によれば、音叉１の自由端２Ａの一方に発散レンズ６５を連結した上で、他方の自由端２Ａに収束レンズ６６を連結するようにしたので、音叉の振動による発散レンズ６５の移動に伴う光軸ぶれを収束レンズ６６による反対方向への光軸ぶれにより抑制することができ、第２実施形態のものに比較して、検出精度を高めることができる。
【００８９】
また、本実施の形態では、発散レンズ６５と収束レンズ６６とは音叉１の振動に伴って光軸に沿って互いに反対方向に移動するようにアフォーカル系を構成していることから、例えば発散レンズ６５と収束レンズ６６とが接近するように移動する場合は、発散レンズ６５は対物レンズ６７に接近するように移動すると同時に、収束レンズ６６は対物レンズ６７から離間するように移動する。ここで、発散レンズ６５が対物レンズ６７に接近するように移動した場合は、対物レンズ６７による集光位置は対物レンズ６７から離間するように変位すると共に、収束レンズ６６が対物レンズ６７から離間するように移動した場合も、対物レンズ６７による集光位置は対物レンズ６７から離間するように変位する。この結果、対物レンズ６７による集光位置は、発散レンズ６５と収束レンズ６６との協調動作により、発散レンズ６５及び収束レンズ６６を単体で移動した場合に比較して、対物レンズ６７から離間する変位（発散レンズ６５と収束レンズ６６とが離間するように移動する場合は、対物レンズ６７による集光位置が対物レンズ６７に近接する変位）を増大することができる。このことは、第２実施形態で説明した縦倍率を大きくできることを意味しており、第２実施形態のものよりも検出精度を高めながら、音叉１の振動による振幅を抑制することができ、結果として検出の高速化を図ることができる。
【００９０】
なお、発散レンズ６５及び収束レンズ６６の周縁部を音叉１の自由端２Ａの先端に直接連結する構造としては、図１７に示すように収束レンズ６６と連結された自由端２Ａを外側に折曲した形状としてもよい。また、発散レンズ６５と収束レンズ６６との位置関係及び主平面と主曲面の向きについては図１８ないし図２４に示すように種々の組合せが可能である。この場合、収束レンズ６６をホルダ７４により保持することにより音叉１の自由端２Ａの指向方向と振動中心軸の指向方向とを一致させることが可能となり、音叉１の両方の自由端２Ａを平行な形状とすることができる。
また、上記実施形態１の音叉１を用いて可動手段を構成したから、振動特性を保持しつつ製造された安価で精度の高い音叉１を用いて、製造コストを抑えつつ精度の高い変位センサを得ることができる。
【００９１】
＜第５実施形態＞
第４実施形態で説明した合焦装置を共焦点顕微鏡に適用した第５実施形態を図２５に基づいて説明するに、第４実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。
【００９２】
光学系を概略的に示す図２５において、ハーフミラー６３とコリメータレンズ６４との問には第２ハーフミラー８１及び第３ハーフミラー８２が配置されており、照明用光源である白色光源８３からの光がレンズ８４で平行光に変換した状態で第２ハーフミラー８１により合流されてから、コリメータレンズ６４で略平行光とされた状態で対物レンズ６７により集光状態で被測定物体６８に照射される。被測定物体６８で反射した光は、対物レンズ６７、収束レンズ６６、発散レンズ６５、コリメータレンズ６４を通過して第３ハーフミラー８２によりＬＤ６２に対して直交する方向に反射されて撮像手段であるＣＣＤ８５で受光される。このＣＣＤ８５は、ＣＣＤ駆動回路により駆動されることにより被測定物体の表面を画像信号として出力する。
【００９３】
このような実施形態によれば、音叉１の自由端２Ａの先端に発散レンズ６５及び収束レンズ６６を連結した合焦装置を共焦点顕微鏡に適用するようにしたので、対物レンズ６７による集光位置がＬＤ６２の光軸からずれてしまうことを極力抑制することができ、共焦点顕微鏡の検出精度を高めることができる。
また、上記実施形態１の音叉１を用いて可動手段を構成したから、振動特性を保持しつつ製造された安価で精度の高い音叉１を用いて、製造コストを抑えつつ精度の高い共焦点顕微鏡を得ることができる。
【００９４】
＜第６実施形態＞
次に本発明の第６実施の形態を図２６に基づいて説明するに、第２実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。本実施形態は、対物レンズの集束率を変更可能としたものである。
【００９５】
図２６は対物レンズ交換装置を示している。同図において、対物レンズ交換装置９１は、回動部材９２に異なる集束率（焦点距離）の複数の対物レンズ９３，９４を装着して構成されている。
ここで、第２実施形態で説明した対物レンズの縦倍率を求める式に基づいて、対物レンズの焦点距離を変更することによっても縦倍率を変更することができることから、対物レンズ９３，９４を適宜交換することにより縦倍率を変更することができる。つまり、焦点距離の大きな対物レンズに交換することにより、縦倍率を大きくすることができる。
【００９６】
このような実施の形態によれば、対物レンズ交換装置９１により対物レンズ９３，９４を交換可能としたので、第２実施形態のように発散レンズ１５の位置、或は第３実施形態のように収束レンズ４０の位置を調整することなく、対物レンズの縦倍率を調整することができ、第２実施形態と同様に、より高精度な測定や、より広い範囲の測定が可能となる。
【００９７】
＜他の実施形態＞
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に説明するような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
【００９８】
（１）被測定物体の変位量を、縦倍率を求める数式に基づいて演算するのに代えて、第２実施形態における発散レンズ１５或は第３実施形態における収束レンズ４０の位置に基づいて求めるようにしてもよい。つまり、発散レンズ１５或は収束レンズ４０と集光位置との対応関係をテーブルに記憶したり、或は関数で演算したりするようにし、受光量が最大となる時点における発散レンズ１５或は収束レンズ４０の位置に基づいて被測定物体の変位量を求めるものである。
この場合、発散レンズ１５或は収束レンズ４０と集光位置との対応関係は、理論値ではなく実際の実験結果から求めるようにしてもよい。
【００９９】
（２）また、サンプルモデルを使ってティーチングを行うようにしてもよい。つまり、例えば、所定高さ（具体的に、１．０ｍｍ）のサンプルにおいて、この高さ情報を記憶させると共に、このときの受光量最大点における位置信号を検出し記憶させる。次に、先ほどと高さの違うサンプル（具体的に、１，１ｍｍ）をおいて、この高さ情報を記憶させると共に、このときの受光量最大点における位置信号を検出して記憶させる。これによって、Ｏ．１ｍｍの変位量に対する位置信号の変位量との関係が求められる。従って、この位置信号の変位量に対応する被測定物体の変位量をテーブルに記憶したり、数式として求めて記憶させたりしてもよい。
【０１００】
（３）第２実施形態において、発散レンズ１５の位置を検出する手段としては、音叉振幅制御回路２６からの駆動信号に基づいて検出するようにしてもよい。この場合、発散レンズ１５の位置を検出する手段を省略することができる。発散レンズ１５を振動させるのに代えて、単に直線的に移動させるようにしてもよい。また、光絞り部１８を省略するようにしてもよい。第３実施形態において、透過型の共焦点顕微鏡に適用するようにしてもよい。
対物レンズを取り外し可能に設け、集束率の異なる対物レンズを装着荷能としてもよい。対物レンズとして、例えば液体が封入され表面の湾曲率を調整することにより集束率を可変可能な構造のものを用いるようにしてもよい。発散レンズ或は収束レンズを変位させると同時に対物レンズの収束率を変更するようにしてもよい。
【０１０１】
（４）上記各実施形態では、音叉１を製造するための素材として軟鉄（ＳＰＣＣ）板としたが、これに限らず、弾性を有する板状部材であれば、例えばセラミックや樹脂等からなるものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る音叉を示す平面図、断面図、および背面図
【図２】図１を前方及び後方から見た図
【図３】曲げ加工前の板金状態を示す展開図で
【図４】音叉を被固定部に固定した状態を示す図
【図５】接続部付近の構成を説明する説明図及び変形例を示す図
【図６】図１の変形例１を示す図
【図７】図１の変形例２を示す図
【図８】図１の変形例３を示す図
【図９】図１の変形例４を示す図
【図１０】第２実施形態における変位センサの構成を示す概略図
【図１１】間隔可変手段を示す概略図
【図１２】対物レンズの光学系を示す模式図
【図１３】発散レンズと対物レンズとを組合わせた光学系を示す模式図
【図１４】第３実施形態における共焦点顕微鏡の構成を示す概略図
【図１５】収束レンズと対物レンズとを組合わせた光学系を示す模式図
【図１６】第４実施形態における光学系を概略的に示す側面図
【図１７】音叉の異なる形状を示す側面図
【図１８】音叉の異なる形状を示す側面図
【図１９】音叉の異なる形状を示す側面図
【図２０】音叉の異なる形状を示す側面図
【図２１】音叉の異なる形状を示す側面図
【図２２】音叉の異なる形状を示す側面図
【図２３】音叉の異なる形状を示す側面図
【図２４】音叉の異なる形状を示す側面図
【図２５】第５実施形態を示す光学系を概略的に示す側面図
【図２６】第６実施形態における対物レンズ交換装置を示す斜視図
【符号の説明】
１…音叉
２…振動部
２Ａ…自由端
２Ｂ…接続部
３…固定部
４…支持部
１１，３１，６２…レーザダイオード（投光手段）
１５，６５…発散レンズ（補助光学手段、第１レンズ、レンズ部材）
１６，４２，６７，９１，９４，９４…対物レンズ
１９…フォトダイオード（受光手段）
２１…ＣＰＵ（制御手段）
２３，７２…音叉振幅検出器（位置検出手段）
２５，７３…ソレノイド（加振手段）
４０，６６…収束レンズ（補助光学手段、第２レンズ、レンズ部材）
４７…変位機構（可動手段）
５５…制御装置（制御手段）
７０…フォトダイオード（受光手段）
Claims (7)
- 光を出射する投光手段と、
この投光手段からの光を非平行光となるように発散若しくは収束する補助光学手段と、
この補助光学手段からの光を被測定物体に集光状態で照射する対物レンズと、
この対物レンズによる集光を前記被測定物体を介して受光する受光手段と、
前記補助光学手段を移動するための駆動信号を出力する制御手段と、
この制御手段からの駆動信号に応じて前記補助光学手段を前記投光手段からの光の光軸に沿って移動させる可動手段と、
前記補助光学手段の位置を示す位置信号を出力する位置検出手段とを備え、
前記制御手設は、前記駆動信号の出力状態で前記受光手段の受光量が最大となる時を検出する合焦装置であって、
前記可動手段は、両端が自由端とされる一対の振動部を備えると共に、これら振動部においてそれぞれの先端部に前記補助光学手段が連結された音叉と、この音叉の一方の振動部側に設けられ、前記制御手段からの駆動信号に基づいて前記音叉を振動させる加振手段とを備えた構成をなしており、
前記補助光学手段は、前記音叉の少なくとも一方の振動部に取り付けられたレンズ部材を有してなり、
前記音叉は、前記レンズ部材が取り付けられた状態で、前記一対の振動部における固有振動数が互いに等しく、かつ所定の共振周波数となるように、両振動部の形状が設定されていることを特徴とする合焦装置。 - 前記レンズ部材は、前記音叉の一方の振動部に取り付けられた第１レンズと、他方の振動部に取り付けられた、前記第１レンズとは質量の異なる第２レンズとを有すると共に、これら第１レンズ及び第２レンズは、互いの光軸が一致するように構成されており、
前記音叉は、前記第１レンズ及び前記第２レンズが前記一対の振動部にそれぞれ取り付けられた状態で、前記一対の振動部における固有振動数が互いに等しく、かつ所定の共振周波数となるように、両振動部の形状が設定されていることを特徴とする請求項１に記載の合焦装置。 - 前記音叉は、前記一対の振動部を接続する接続部が、これら一対の振動部の両自由端からの略中間位置に設けられると共に、前記接続部の幅方向両側において前記振動部を支持するように構成される一対の支持部と、前記支持部よりそれぞれ延設されるように設けられた、当該音叉を被固定箇所に固定するための一対の固定部とを備え、
前記両振動部、前記接続部、前記一対の支持部、及び前記一対の固定部が１枚の弾性板からなり、
前記一対の振動部における固有振動数が互いに等しく、かつ所定の共振周波数となるように、前記弾性板の形状が設定されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の合焦装置。 - 前記弾性板において、前記両振動部が、前記略中間位置を基準に対称な形状をなし、これら両振動部における板幅が、前記レンズ部材の質量及び当該弾性板の板厚に基づいてそれぞれ設定されることを特徴とする請求項３に記載の合焦装置。
- 前記音叉は、前記一対の振動部を接続する接続部が折り曲げられて構成されると共に、その接続部の頂点部分が前記被固定箇所から離れた状態で前記一対の支持部に支持されるように、前記一対の支持部が前記固定部に対して折り曲げられた構成をなすことを特徴とする請求項４記載の合焦装置。
- 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の前記合焦装置を備え、
前記制御手段が検出した受光量が最大となる点における位置信号の変化に基づいて被測定対象物の変位量を測定することを特徴とする変位センサ。 - 請求項１ないし請求項５に記載の合焦装置と、
前記制御手段の駆動に応じて前記対物レンズによる集光位置を水平方向に走査する走査手段とを備え、
前記制御手段は、前記受光手段の受光量が最大となる時点における前記位置検出手段からの位置信号及び前記走査手段の走査位置を検出して記憶手段に記憶し、
前記制御手段が検出し、前記記憶手段に記憶された前記位置信号及び前記走査位置に基づいて被測定対象物の表面形状を立体的に測定することを特徴とする共焦点顕微鏡。
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|---|---|---|---|
| JP2003209856A JP2005077447A (ja) | 2003-08-29 | 2003-08-29 | 合焦装置及び変位センサ、並びに共焦点顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2003209856A JP2005077447A (ja) | 2003-08-29 | 2003-08-29 | 合焦装置及び変位センサ、並びに共焦点顕微鏡 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2005077447A true JP2005077447A (ja) | 2005-03-24 |
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ID=34402648
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2003209856A Pending JP2005077447A (ja) | 2003-08-29 | 2003-08-29 | 合焦装置及び変位センサ、並びに共焦点顕微鏡 |
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| Country | Link |
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| JP (1) | JP2005077447A (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2016109517A (ja) * | 2014-12-04 | 2016-06-20 | リコーインダストリアルソリューションズ株式会社 | レーザレーダ装置 |
| WO2019130372A1 (ja) * | 2017-12-25 | 2019-07-04 | 株式会社 日立ハイテクノロジーズ | 光学分析装置 |
| CN114518633A (zh) * | 2020-11-18 | 2022-05-20 | 河源友华微机电科技有限公司 | 微型相机的压电式低耗电驱动装置 |
| CN114545582A (zh) * | 2020-11-18 | 2022-05-27 | 河源友华微机电科技有限公司 | 微型相机的压电式弹片式驱动装置 |
-
2003
- 2003-08-29 JP JP2003209856A patent/JP2005077447A/ja active Pending
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2016109517A (ja) * | 2014-12-04 | 2016-06-20 | リコーインダストリアルソリューションズ株式会社 | レーザレーダ装置 |
| WO2019130372A1 (ja) * | 2017-12-25 | 2019-07-04 | 株式会社 日立ハイテクノロジーズ | 光学分析装置 |
| JPWO2019130372A1 (ja) * | 2017-12-25 | 2020-11-19 | 株式会社日立ハイテク | 光学分析装置 |
| JP7002565B2 (ja) | 2017-12-25 | 2022-01-20 | 株式会社日立ハイテク | 光学分析装置 |
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