JP2005214905A - 変位センサ及び変位測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 位置検出手段に誤差が生じる場合であってもその誤差を考慮した正確な変位検出が可能であり、かつ、誤差補正処理を迅速に行い得る構成及び方法を提供する。
【解決手段】 事前設定処理では、音叉１により振動される発散レンズ１５についての所定時間の位置信号を記憶手段２９に記憶し、次いで、反射検出光において、受光量が最大となる２つの最大受光量時点Ｔ１、Ｔ２を抽出し、さらに、記憶手段２９に記憶された位置信号について、２つの最大受光量時点Ｔ１、Ｔ２からそれぞれ同一時間ｔが経過した後において互いの位置信号の値が一致する一致時点Ｐ１、Ｐ２を抽出する。これら最大受光量時点Ｔ１、Ｔ２と一致時点Ｐ１、Ｐ２とに基づいて位置信号遅れ時間が求められ、その位置信号遅れ時間が記憶手段に記憶される。測定処理では、反射検出光の受光量が最大となる時点を抽出し、その最大受光時点から位置信号遅れ時間が経過した後の位置検出手段からの位置信号に基づいて変位を測定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、変位センサ及び変位測定方法に関する。

従来、合焦装置を備え、光学部品を光軸方向に振動させることに伴って対物レンズを介して出射される光の集光点位置を往復運動させる変位センサとして、特許文献１に示されるものがある。この変位センサは、計測対象物に対面される対物レンズを備えると共に、投光部からの検出光を当該対物レンズに導くことにより対物レンズを介して集光させる構成をなし、この集光させた光の集光点が被測定対象物上と一致するときに、その反射光による受光量が最大受光量となるように構成された合焦点光学系を備えている。さらに、最大受光量となる時点を捉える合焦タイミングを検出するタイミング検出手段と、合焦点光学系を構成する光学部品の少なくとも１つを振動させることにより、集光点を光軸方向に所定周期で往復移動させる加振手段と、振動に対応して変化する光学部品の位置を示す位置信号を出力する位置検出手段とを有しており、合焦タイミングと位置情報とに基づき、被測定対象物の光軸方向における変位を測定するように構成されている。具体的には、光学部品に相当する対物レンズを、加振手段としての音叉により振動させる構成をなしている。
特許第３３００８０３号公報

ところで、このような変位センサでは、受光量が最大となる時点での対物レンズの位置を求める必要があるが、対物レンズの位置を検出する位置検出手段からの位置信号と、実際の対物レンズの位置との間で誤差が生じてしまう。例えば、位置検出手段として磁気センサが用いられる場合、この磁気センサからの位置信号が、実際の対物レンズの位置に対して遅れてしまう。これは、磁気センサの応答時間が受光回路の応答時間に対して遅れ（例えば数十μsec程度の遅れ）があるためである。このため、受光信号のピーク時点に対応する位置信号に基づいて被測定対象物の変位を測定すると、そのままでは測定値が実際の変位とずれてしまう。
したがって、上記特許文献１では、音叉により対物レンズが振動するときの１周期における往復運動で２つのピーク位置での位置信号を平均化することにより補正している。即ち、往路でのズレと復路でのズレとは逆極性であり相殺されるため、前記のような平均化することによりずれ量を補正できることとなる。

しかしながら、上記構成では、最低でも２つのピーク位置を検出しなければ平均化できないため、変位測定時間が少なくとも約１周期分必要である。さらに、変位測定値の正確性を高めるためには、複数回の変位測定値を更に平均化する必要があるが、そのような方法を用いると、測定時間はさらに長くなってしまう。即ち、１つの変位測定値を出すために２つのピーク位置を検出する必要があるため、積分回数が多くなるとピーク位置の検出もその倍の回数が必要となり、測定結果が反映されるのに時間がかかってしまう。このため、より迅速に測定変位量を知りたいという場合には制約がかかってしまうことになる。

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、反射検出光による受光量が最大となる時点を検出し、その最大となる時点と、位置検出手段からの位置信号とに基づき、被測定対象物の光軸方向における変位を測定する変位センサにおいて、位置検出手段に誤差が生じる場合であってもその誤差を考慮した正確な変位検出が可能であり、かつ、誤差補正処理を迅速に行い得る構成及び方法を提供することを目的とする。

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、検出光を出射する投光手段と、
少なくとも１つの光学部品を備え、前記投光手段からの検出光を収束させて被測定対象物に照射させる光学手段と、
前記光学手段からの収束された検出光の焦点を光軸方向に所定周期で往復移動させるべく、前記光学部品を振動させる加振手段と、
その振動に対応して変化する前記光学部品の位置を示す位置信号を出力する位置検出手段と、
被測定対象物で反射される反射検出光を受光する受光手段と、
この受光手段にて受光される前記反射検出光の受光量が最大となる最大受光量時点を検出し、その最大となる時点と、前記位置検出手段からの位置信号とに基づき、被測定対象物の光軸方向における変位を測定する測定手段とを備える変位センサにおいて、
所定の記憶手段を備え、
被測定対象物に対して前記投光手段による前記検出光が照射されると共に、前記受光手段により前記反射検出光が受光され、
前記測定手段は、前記加振手段により振動される前記光学部品についての所定の設定周期における前記位置信号を前記記憶手段に記憶する一方、前記受光量が最大となる２つの最大受光量時点を抽出し、前記記憶手段に記憶された前記所定の設定周期内の前記位置信号について、前記２つの最大受光量時点からそれぞれ同一時間が経過した後において互いの位置信号の値が一致する２つの一致時点を抽出し、前記最大受光量時点と前記一致時点とに基づいて位置信号遅れ時間を算出し、かつその位置信号遅れ時間を前記記憶手段に記憶し、
前記測定手段により前記記憶手段に記憶された前記位置信号遅れ時間を読み出すと共に、前記反射検出光の前記最大受光量時点から前記位置信号遅れ時間経過した後の前記位置検出手段からの前記位置信号に基づいて被検出対象物の変位を測定することを特徴とする。
なお、測定手段により位置信号遅れ時間を求める際に対象となる被測定対象物は、変位の測定対象となる被検出対象物と同一であっても、異なっていてもよい。

請求項２の発明は、請求項１記載の変位センサにおいて、
前記光学手段は、
被測定対象物と対面する対物レンズと、
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第１レンズとを備え、
前記第１レンズからの前記非平行光を前記対物レンズへと導き、前記対物レンズを介して収束された前記検出光が被測定対象物に照射される構成であって、
前記加振手段により前記第１レンズ及び前記対物レンズのうちの少なくとも一方のレンズを振動させることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２に記載の変位センサにおいて、前記投光手段からの光を平行光とした状態で前記第１レンズに入射させるコリメータレンズを備えたことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の変位センサにおいて、前記各レンズは、複数のレンズからなる複合レンズであることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項２ないし請求項４のいずれかに記載の変位センサにおいて、前記対物レンズは、集束率を変更可能に設けられていることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項２ないし請求項５のいずれかに記載の変位センサにおいて、前記第１レンズの移動中心位置と前記対物レンズとの間隔を可変する間隔可変手段を備えたことを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項２ないし請求項６のいずれかに記載の変位センサにおいて、前記位置検出手段は、前記光学手段の位置を直接的に検出する位置センサを備え、
前記位置センサの出力を前記位置信号として出力することを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項２ないし請求項６のいずれかに記載の変位センサにおいて、前記位置検出手段は、前記測定手段からの駆動信号を前記位置信号として出力することを特徴とする。

請求項９の発明は、請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の変位センサにおいて、前記加振手段は、自由端の先端に前記光学手段が連結された音叉と、制御手段からの駆動信号に基づいて前記音叉を駆動するソレノイドとから構成されていることを特徴とする。

請求項１０の発明は、請求項９記載の変位センサにおいて、前記光学手段は、前記第１レンズと、第２レンズとからなり、前記音叉の一方の自由端に前記第１レンズが連結されるとともに、他方の自由端に、前記第２レンズが連結されており、かつ、前記第１レンズ及び前記第２レンズの中心軸が一致しており、前記一方及び他方の自由端における固有振動数が等しく構成されることを特徴とする。

請求項１１の発明は、請求項９記載の変位センサにおいて、前記第１レンズ及び前記第２レンズは、光軸方向に対して、一方の面が平面で構成されるとともに、他方の面が曲面で構成されており、前記第１レンズ及び第２レンズのそれぞれ前記曲面の頂点が、前記音叉の自由端の厚み方向における振動中心軸と交わることを特徴とする。

請求項１２の発明は、請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載の変位センサにおいて、前記測定手段により前記位置信号遅れ時間を求める際の前記設定周期は、被検出対象物の前記測定を行う測定周期よりも所定間隔前の周期であり、かつ前記位置信号遅れ時間を求める際の被検出対象物として、前記測定の対象となる被検出対象物と同一のものが用いられることを特徴とする

請求項１３の変位測定方法は、検出光を出射する投光手段と、
少なくとも１つの光学部品を備え、前記投光手段からの検出光を収束させて被測定対象物に照射させる光学手段と、
前記光学手段からの収束された検出光の焦点を光軸方向に所定周期で往復移動させるべく、前記光学部品を振動させる加振手段と、
その振動に対応して変化する前記光学部品の位置を示す位置信号を出力する位置検出手段と、
被測定対象物で反射される反射検出光を受光する受光手段と、
この受光手段にて受光される前記反射検出光の受光量が最大となる最大受光量時点を検出し、その最大となる時点と、前記位置検出手段からの位置信号とに基づき、被測定対象物の光軸方向における変位を測定する測定手段とを用い、
被測定対象物に対して前記投光手段により前記検出光を照射すると共に、前記受光手段により前記反射検出光を受光し、
前記加振手段により振動される前記光学部品についての所定の設定周期における前記位置信号を、前記測定手段により前記記憶手段に記憶する一方、
当該測定手段により、前記受光量が最大となる２つの最大受光量時点を抽出し、前記記憶手段に記憶された前記所定の設定周期内の前記位置信号について、前記２つの最大受光量時点からそれぞれ同一時間が経過した後において互いの位置信号の値が一致する２つの一致時点を抽出し、前記最大受光量時点と前記一致時点とに基づいて位置信号遅れ時間を算出し、かつその位置信号遅れ時間を前記記憶手段に記憶しておき、
前記測定手段により前記記憶手段に記憶された前記位置信号遅れ時間を読み出すと共に、前記反射検出光の前記最大受光量時点から前記位置信号遅れ時間経過した後の前記位置検出手段からの前記位置信号に基づいて被検出対象物の変位を測定することを特徴とする。

＜請求項１，１３の発明＞
このような構成によれば、反射検出光による受光量が最大となる時点を検出し、その最大となる時点と、位置検出手段からの位置信号とに基づき、被測定対象物の光軸方向における変位を測定する変位センサにおいて、位置検出手段の位置信号に誤差が生じる場合であってもその誤差を考慮した正確な変位検出が可能であり、かつ、誤差補正処理を迅速に行い得ることとなる。

＜請求項２の発明＞
このような構成によれば、投光手段からの光は第１レンズにより非平行光となるように発散若しくは収束されてから、対物レンズにより集光状態で被測定対象物に照射される。さて、対物レンズの縦倍率(光軸に沿った方向の倍率)は、対物レンズの焦点距離を対物レンズの焦点と発散レンズの焦点との距離で除した値の２乗で示すことができるので、対物レンズの焦点距離を大きくすることにより対物レンズの縦倍率を大きくすることができると共に、対物レンズの焦点と発散レンズの焦点との距離を大きくすることにより対物レンズの縦倍率を小さくすることができる。これにより、対物レンズの縦倍率を適切に設定することにより、対物レンズの集光位置の移動範囲を調整でき、測定範囲を拡大したり、測定精度を高めたりすることができる。この場合、対物レンズの縦倍率は、受光手段の受光量が最大となる時における光学部品の位置に基づいて求めることができるので、測定手段は、受光手段の受光量が最大となる時を検出する。

＜請求項３の発明＞
このような構成によれば、補助光学手段に入射する光芒の大きさを抑制することができるので、補助光学手段、ひいては全体の小型化を図ることができる。

＜請求項４の発明＞
このような構成によれば、複数のレンズによりレンズ収差を抑制することができるので、投光手段から被測定対象物に対する集光の位置精度を高めることができ、対物レンズが単一のレンズである場合に比較して、より高精度に受光手段の受光量に基づいた測定が可能となる。

＜請求項５の発明＞
このような構成によれば、測定対象、測定範囲に応じて、対物レンズの集束率(焦点距離)を変更することで、複雑な調整・設定を行うことなく、測定範囲を拡大したり、測定精度を高めたりすることができる。

＜請求項６の発明＞
このような構成によれば、測定対象、測定範囲に応じて、発散レンズの移動中心位置と対物レンズとの間隔を可変することで、複雑な調整・設定を行うことなく、測定範囲を拡大したり、測定精度を高めたりすることができる。

＜請求項７の発明＞
このような構成によれば、受光手段の受光量が最大となる時点における補助光学手段の位置をより正確に測定できるので、被測定対象物の変位を高精度に測定することができる。

＜請求項８の発明＞
このような構成によれば、補助光学手段の位置を検出するための位置センサが不要となるので、構成を簡単にしつつ、被測定対象物の変位を測定することができる。

＜請求項９の発明＞
このような構成によれば、補助光学手段を移動させる際、制御手段から所定の信号を出力することにより、音叉が所定振幅幅で振動するので、発散レンズの位置を容易に制御することができる。

＜請求項１０の発明＞
このような構成によれば、音叉の一方の自由端の振動に伴って当該自由端に連結された第１レンズに光軸ぶれ(ずれ)が生ずるにしても、他方の自由端の振動は、一方の自由端の振動と振動量が等しく且つ逆方向の振動となることから、他方の自由端に連結された第２レンズに第１レンズと反対方向の光軸ずれを生じるようになる。この結果、第１レンズの光軸のぶれが第２レンズのぶれにより打ち消されるようになるので、合点装置における焦点位置のぶれを抑制して合点させることができる。

＜請求項１１の発明＞
このような構成によれば、音叉の自由端の振動に伴うレンズの変位は振動中心軸上に位置する部位が最も小さいことから、レンズの主曲面を振動中心軸に略位置させることにより自由端の振動による第１レンズ及び第２レンズの光軸ぶれ(ずれ)量を最小限に抑えることができ、より確実に合点装置における焦点位置のぶれを抑制して合点させることができる。

＜請求項１２の発明＞
このようにすれば、位置信号遅れ時間を求める処理と、測定処理とを一連の流れで行うことができ、これらをそれぞれ別個に独立して行う場合と比較して効率的処理が可能となる。

なお、請求項１２の発明では、設定周期を、測定を行う測定周期の２周期以上前とすることが望ましい。このようにすれば、位置信号遅れ時間を求める処理と測定をそれぞれ好適に行うことができる。

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態を図１ないし図４によって説明する。
図１は本実施形態に係る変位センサの構成を示す概略図であり、図２は変位センサの機能を概念的に説明するブロック、図３は、遅れ時間の検出方法を説明する説明図、図４は、遅れ時間設定処理の流れを例示するフローチャート、図５は、測定処理の流れを例示するフローチャートである。

図１及び図２を参照して変位センサ１の概要を説明すると、変位センサ１は、図に示すように、検出光を出射する投光手段に相当するレーザダイオード(以下、ＬＤと称する)１１と、ＬＤ１１からの検出光を収束させて被測定物体１７（被測定物体１７が被検出対象物に相当する）に照射させる光学手段としてのコリメータレンズ１４、発散レンズ１５、及び対物レンズ１６が設けられている。さらに、この光学手段からの収束された検出光の焦点を光軸方向に所定周期で往復移動させるべく、光学手段の少なくとも１つの光学部品を振動させる加振手段として音叉１が設けられており、その振動に対応して変化する光学部品の位置を示す位置信号を出力する位置検出手段として音叉振幅検出器２３が設けられる。なお、本実施形態では、発散レンズ１５を振動対象の光学部品としている。また、被測定物体１７で反射される反射検出光を受光する受光手段としてフォトダイオード(以下、ＰＤと称する)１９が設けられている。

さらに、本実施形態では、図２の機能ブロック図に示すように、受光手段たるＰＤ１９にて受光される反射検出光の受光量と、位置検出手段たる音叉振幅検出器２３からの位置信号とがＣＰＵ２１（ＣＰＵ２１が特許請求の範囲でいう測定手段に相当する）によって取得され、このＣＰＵ２１によって被測定物体１７の光軸方向における変位が検出されるように構成されている。なお、具体的な変位検出方法及び変位検出の流れについては後述する。

次に変位センサの具体的構成について説明する。
図１に示すように、投光手段であるレーザダイオード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。

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。

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。

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。

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。

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また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。

ここで、上記音叉１、ソレノイド２５、音叉振幅検出器２３は、図３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。

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４及び図５に基づいて説明する。
図４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。

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。

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、

となる。従って、対物レンズ１６の縦倍率は、

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。

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。

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、

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、

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。

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、

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

次に図６ないし図８を参照し、事前設定処理及び測定処理について説明する。
図６は、事前設定処理について説明する説明図であり、図７は事前設定処理の流れを例示するフローチャートである。また、図８は測定処理の流れを例示するフローチャートである。事前設定処理では、ＬＤ１１により基準対象物に対して検出光が照射され、ＰＤ１９により反射検出光が受光される。そして、音叉１により振動される発散レンズ１５についての所定の設定周期の位置信号（Ｗ１で示される信号）を記憶手段２９に記憶する（Ｓ１１０）。具体的には、少なくとも１周期以上の位置信号を記憶しておくことが望ましく、ここでは谷を示すＴ３、Ｔ４の間を事前設定に用いる設定周期としている。なお、ここで用いる設定周期はあくまで一例であり、これ以外の周期であってもよい。

一方、反射検出光において、受光量が最大となる２つの最大受光量時点Ｔ１、Ｔ２を抽出し（Ｓ１２０）、記憶手段２９に記憶された上記設定周期における位置信号について、２つの最大受光量時点Ｔ１、Ｔ２からそれぞれ同一時間ｔが経過した後において互いの位置信号の値が一致する一致時点Ｐ１、Ｐ２を抽出する（Ｓ１３０）。これら最大受光量時点Ｔ１、Ｔ２と一致時点Ｐ１、Ｐ２とに基づいて位置信号遅れ時間が求められ、その位置信号遅れ時間が記憶手段に記憶される（Ｓ１４０）。具体的には、Ｐ１とＴ１の間隔ｔ（Ｐ２とＴ２の間隔と同値）が位置信号遅れ時間とされ、この値が記憶手段２９（図１、図２）に記憶される。

一方、図８に示す測定処理では、ＰＤ１９での受光量を検出する。そして、反射検出光の受光量が最大となる時点を抽出し（Ｓ２２０）、その最大受光時点から位置信号遅れ時間が経過した後の位置検出手段からの位置信号に基づいて変位を測定する（Ｓ２３０）。

なお、図７に示す事前設定処理は、図８に示す測定処理に先立って予め行うことができ、事前設定処理と測定処理とが独立した流れをとるようにしてもよく、一連の流れで行われるようにしてもよい。独立した流れで行う場合には、被測定対象物（即ち図１でいう被測定物体１７）以外の基準対象物を用いて前もって事前設定処理を行っておくと共に、得られた位置信号遅れ時間を記憶手段２９に記憶しておき、実際に被測定対象物の変位を測定する際にはその記憶される位置信号遅れ時間を用いて上記のように行うことができる。なお、記憶手段２９はＲＡＭ等の揮発性のものであってもよいが、ＥＥＰＲＯＭ等の不揮発性メモリを用いれば、電源の遮断に関係なく位置信号遅れ時間のデータを利用できる構成となる

他方、事前設定における設定周期を、被検出対象物の測定を行う測定周期よりも所定間隔前の周期とし、かつ当該事前設定における基準対象物として、測定の対象となる被検出対象物（即ち、被測定物体１７)を用いるようにしてもよい。即ち、図７及び図８の処理を同一の被検出対象物に対して一連の流れで行うことができる。例えば、図６にて説明されるような事前設定を行う設定周期（Ｔ３とＴ４の間の周期）の所定間隔後に測定処理を行うようにすることができる。一例としては、例えばＰ２の時点から少なくとも２周期あけた後を測定周期とすることができる。

＜第２実施形態＞
以下、第１実施形態とは異なるの変位センサを使用した共焦点顕微鏡について図９及び図１０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。なお、本実施形態においても図示はしていないが、第１実施形態と同様の記憶手段（ＲＡＭ、不揮発性メモリ等）が設けられ、位置信号遅れ時間が記憶されるようになっている。また、本実施形態においても被測定対象物の変位を検出するため、第１実施形態と同様の事前設定処理（図６及び図７）及び測定処理（図８）がなされるようになっている。

共焦点顕微鏡の構造を概略的に示す図９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。

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。

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。

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。

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。

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１０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１０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。

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。

従って、第１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。

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１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。

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。

＜第３実施形態＞
以下、第１実施形態とは異なる変位センサについて図１１に基づいて説明する。第１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。なお、本実施形態においても図示はしていないが、第１実施形態と同様の記憶手段（ＲＡＭ、不揮発性メモリ等）が設けられ、位置信号遅れ時間が記憶されるようになっている。また、本実施形態においても被測定対象物の変位を検出するため、第１実施形態と同様の事前設定処理（図６及び図７）及び測定処理（図８）がなされるようになっている。

図１１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。

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。

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。

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１１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。

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１１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。

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。

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。

ところで、第１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１１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。

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。

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。

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１１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。

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。

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。

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。

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。

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１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。

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１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１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。

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１２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１３ないし図１９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

＜第４実施形態＞
第３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４実施形態を図２０に基づいて説明するに、第３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。なお、本実施形態においても図示はしていないが、第１実施形態と同様の記憶手段（ＲＡＭ、不揮発性メモリ等）が設けられ、位置信号遅れ時間が記憶されるようになっている。また、本実施形態においても被測定対象物の変位を検出するため、第１実施形態と同様の事前設定処理（図６及び図７）及び測定処理（図８）がなされるようになっている。

光学系を概略的に示す図２０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。

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。

＜第５実施形態＞
次に本発明の第６実施の形態を図２１に基づいて説明するに、第１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。なお、本実施形態においても図示はしていないが、第１実施形態と同様の記憶手段（ＲＡＭ、不揮発性メモリ等）が設けられ、位置信号遅れ時間が記憶されるようになっている。また、本実施形態においても被測定対象物の変位を検出するため、第１実施形態と同様の事前設定処理（図６及び図７）及び測定処理（図８）がなされるようになっている。

図２１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１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。

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１実施形態のように発散レンズ１５の位置、或は第２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１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。

＜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。

（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１実施形態における発散レンズ１５或は第２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。

（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。

（３）第１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２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。

（４）振動させる光学部品としては、上記のようなレンズに限らず、投光経路上の他の光学部品であってもよい。即ち、自身の振動によって検出光の焦点位置が光軸方向に移動しうる構成であれば、ミラーやピンホール板など、他の光学部品であってもよい。

第１実施形態における変位センサの構成を示す概略図 第１実施形態に係る変位センサの要部を概念的に示すブロック図 間隔可変手段を示す概略図 対物レンズの光学系を示す模式図 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 事前設定処理について説明する説明図 事前設定処理を例示するフローチャート 測定処理を例示するフローチャート 第２実施形態における共焦点顕微鏡の構成を示す概略図 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 第３実施形態における光学系を概略的に示す側面図 音叉の異なる形状を示す側面図 音叉の異なる形状を示す側面図 音叉の異なる形状を示す側面図 音叉の異なる形状を示す側面図 音叉の異なる形状を示す側面図 音叉の異なる形状を示す側面図 音叉の異なる形状を示す側面図 音叉の異なる形状を示す側面図 第４実施形態を示す光学系を概略的に示す側面図 第５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（加振手段）
１１，３１，６２…レーザダイオード(投光手段)
１４…コリメータレンズ（光学手段）
１５，６５…発散レンズ（光学手段、第１レンズ）
１６，４２，６７，９１，９４，９４…対物レンズ（光学手段）
１９…フォトダイオード(受光手段)
２１…ＣＰＵ(測定手段)
２３，７２…音叉振幅検出器(位置検出手段、位置センサ)
２５，７３…ソレノイド
２９…記憶手段
４０，６６…収束レンズ(補助光学手段)
５５…制御装置(制御手段)
７０…フォトダイオード(受光手段)

Claims (13)

1. 検出光を出射する投光手段と、
   少なくとも１つの光学部品を備え、前記投光手段からの検出光を収束させて被測定対象物に照射させる光学手段と、
   前記光学手段からの収束された検出光の焦点を光軸方向に所定周期で往復移動させるべく、前記光学部品を振動させる加振手段と、
   その振動に対応して変化する前記光学部品の位置を示す位置信号を出力する位置検出手段と、
   被測定対象物で反射される反射検出光を受光する受光手段と、
   この受光手段にて受光される前記反射検出光の受光量が最大となる最大受光量時点を検出し、その最大となる時点と、前記位置検出手段からの位置信号とに基づき、被測定対象物の光軸方向における変位を測定する測定手段とを備える変位センサにおいて、
   所定の記憶手段を備え、
   被測定対象物に対して前記投光手段による前記検出光が照射されると共に、前記受光手段により前記反射検出光が受光され、
   前記測定手段は、前記加振手段により振動される前記光学部品についての所定の設定周期における前記位置信号を前記記憶手段に記憶する一方、前記受光量が最大となる２つの最大受光量時点を抽出し、前記記憶手段に記憶された前記所定の設定周期内の前記位置信号について、前記２つの最大受光量時点からそれぞれ同一時間が経過した後において互いの位置信号の値が一致する２つの一致時点を抽出し、前記最大受光量時点と前記一致時点とに基づいて位置信号遅れ時間を算出し、かつその位置信号遅れ時間を前記記憶手段に記憶し、
   前記測定手段により前記記憶手段に記憶された前記位置信号遅れ時間を読み出すと共に、前記反射検出光の前記最大受光量時点から前記位置信号遅れ時間経過した後の前記位置検出手段からの前記位置信号に基づいて被検出対象物の変位を測定することを特徴とする変位センサ。
2. 前記光学手段は、
   被測定対象物と対面する対物レンズと、
   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第１レンズとを備え、
   前記第１レンズからの前記非平行光を前記対物レンズへと導き、前記対物レンズを介して収束された前記検出光が被測定対象物に照射される構成であって、
   前記加振手段により前記第１レンズ及び前記対物レンズのうちの少なくとも一方のレンズを振動させることを特徴とする請求項１記載の変位センサ。
3. 前記投光手段からの光を平行光とした状態で前記第１レンズに入射させるコリメータレンズを備えたことを特徴とする請求項２に記載の変位センサ。
4. 前記各レンズは、複数のレンズからなる複合レンズであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の変位センサ。
5. 前記対物レンズは、集束率を変更可能に設けられていることを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれかに記載の変位センサ。
6. 前記第１レンズの移動中心位置と前記対物レンズとの間隔を可変する間隔可変手段を備えたことを特徴とする請求項２ないし請求項５のいずれかに記載の変位センサ。
7. 前記位置検出手段は、前記光学手段の位置を直接的に検出する位置センサを備え、
   前記位置センサの出力を前記位置信号として出力することを特徴とする請求項２ないし請求項６のいずれかに記載の変位センサ。
8. 前記位置検出手段は、前記測定手段からの駆動信号を前記位置信号として出力することを特徴とする請求項２ないし請求項６のいずれかに記載の変位センサ。
9. 前記加振手段は、自由端の先端に前記光学手段が連結された音叉と、制御手段からの駆動信号に基づいて前記音叉を駆動するソレノイドとから構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の変位センサ。
10. 前記光学手段は、前記第１レンズと、第２レンズとからなり、前記音叉の一方の自由端に前記第１レンズが連結されるとともに、他方の自由端に、前記第２レンズが連結されており、かつ、前記第１レンズ及び前記第２レンズの中心軸が一致しており、前記一方及び他方の自由端における固有振動数が等しく構成されることを特徴とする請求項９記載の変位センサ。
11. 前記第１レンズ及び前記第２レンズは、光軸方向に対して、一方の面が平面で構成されるとともに、他方の面が曲面で構成されており、
    前記第１レンズ及び第２レンズのそれぞれ前記曲面の頂点が、前記音叉の自由端の厚み方向における振動中心軸と交わることを特徴とする請求項９記載の変位センサ。
12. 前記測定手段により前記位置信号遅れ時間を求める際の前記設定周期は、被検出対象物の前記測定を行う測定周期よりも所定間隔前の周期であり、かつ前記位置信号遅れ時間を求める際の被検出対象物として、前記測定の対象となる被検出対象物と同一のものが用いられることを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載の変位センサ。
13. 検出光を出射する投光手段と、
    少なくとも１つの光学部品を備え、前記投光手段からの検出光を収束させて被測定対象物に照射させる光学手段と、
    前記光学手段からの収束された検出光の焦点を光軸方向に所定周期で往復移動させるべく、前記光学部品を振動させる加振手段と、
    その振動に対応して変化する前記光学部品の位置を示す位置信号を出力する位置検出手段と、
    被測定対象物で反射される反射検出光を受光する受光手段と、
    この受光手段にて受光される前記反射検出光の受光量が最大となる最大受光量時点を検出し、その最大となる時点と、前記位置検出手段からの位置信号とに基づき、被測定対象物の光軸方向における変位を測定する測定手段とを用い、
    被測定対象物に対して前記投光手段により前記検出光を照射すると共に、前記受光手段により前記反射検出光を受光し、
    前記加振手段により振動される前記光学部品についての所定の設定周期における前記位置信号を、前記測定手段により前記記憶手段に記憶する一方、
    当該測定手段により、前記受光量が最大となる２つの最大受光量時点を抽出し、前記記憶手段に記憶された前記所定の設定周期内の前記位置信号について、前記２つの最大受光量時点からそれぞれ同一時間が経過した後において互いの位置信号の値が一致する２つの一致時点を抽出し、前記最大受光量時点と前記一致時点とに基づいて位置信号遅れ時間を算出し、かつその位置信号遅れ時間を前記記憶手段に記憶しておき、
    前記測定手段により前記記憶手段に記憶された前記位置信号遅れ時間を読み出すと共に、前記反射検出光の前記最大受光量時点から前記位置信号遅れ時間経過した後の前記位置検出手段からの前記位置信号に基づいて前記被検出対象物の変位を測定することを特徴とする変位測定方法。

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