JP2007064802A - 光学測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 測定対象物の位置や形状などの測定を高精度又は効率的に行なうことが可能な光学測定装置を提供する。
【解決手段】 投光器１１では、互いに同一波長成分の光を出射する発光素子１４同士が、互いに光の干渉が生じない非干渉距離に配置され、互いに異なる波長成分の光を出射する発光素子１４同士が非干渉距離よりも短い干渉距離に配置されている。受光器１３に配列された各受光素子１５の前面には、それぞれに対応した発光素子１４からの光と同一波長成分の光の通過を許容し、他の波長成分の光の通過を阻止するバンドパスフィルタ２１が配されている
【選択図】 図２

Description

本発明は、光学測定装置に関する。

従来より、共焦点の原理を用いた光学測定装置が広く知られている。このものは、光源からの光を測定光学系によって、ワーク上で焦点を結ぶように集光させる。そして、ワークで反射された光はピンホールを通過した後、光検出部によって検出される。これにより、実際に、ワーク上で焦点が結ばれた場合には、光検出部では受光量が多くなるのに対して、ワーク表面の凹凸によりワーク上で焦点が結ばれなった場合には、受光量が小さくなる。このように、光検出部の受光量に基づいて、ワークの表面の凹凸を測定するものである。

この種の光学測定装置では、光源からの光をワーク上に走査させて測定を行なうが、光源１つに対して被測定点が１つであるため、測定の高速化を目的として光源を多点式にするものが提案されている（特許文献１）。特許文献１のものは、レーザ光源の前方に設けられ複数のピンホールを有するピンホールアレイと、ピンホールを通った複数の光をワークに導く測定光学系と、光検出部の前方に設けられワークからの被測定光が測定光学系を介して入射される複数のピンホールを有するスペーシャルフィルタアレイとを備えて構成されている。このような構成によれば、ピンホールアレイのピンホールを通った複数の光をワークの異なる位置に同時に照射することができるため、１つの光源でワーク上の各位置を１点ずつ照射するものに比べて高速測定が可能となる。
実開平５−３３１０９号公報

ところが、特許文献１のものように、同時に複数の光をワークに照射させるものでは、ピンホールアレイの各ピンホールを通った光が、それに対応するスペーシャルフィルタアレイのピンホールに隣接する他のピンホールに入射するという、光の干渉が生じると精度の高い測定ができなくなるという問題が生じる。従って、ピンホールアレイのピンホールのピッチ間隔を、そこを通った光同士が相互に干渉しない非干渉距離に設定する必要がある。しかし、これでは、同時にワークに照射できる光の照射間隔（測定ピッチ）が、上記非干渉距離に応じた間隔となり、ワークの測定面上における分解能の低下を招く。

また、これを防止するために、両アレイを非干渉距離よりも短い距離ずつ変位させて、その都度、各光検出部での測地を時分割的に行う構成も考えられるが、これでは、両アレイを移動させるメカ的機構の速度性能に応じた測定速度性能しか得られないという問題があった。

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、測定対象物の位置や形状などの測定を高精度で行なうことが可能な光学測定装置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の発明に係る光学測定装置は、光を出射する複数の出射部が配置され、互いに光の干渉が生じない非干渉距離に位置する出射部同士は同一の波長成分の光を出射するものとされ、前記非干渉距離よりも短い干渉距離に位置する出射部同士は互いに異なる波長成分の光を出射するものとされた投光器と、波長に対する収差がなく、前記複数の出射部からのそれぞれの光を、測定対象物との対向方向に垂直な一平面上に合焦する光として前記測定対象物側に出射し、その測定対象物上からの各反射光を集光させる共焦点光学系と、前記複数の出射部それぞれに対応して設けられ、かつ、自己に対応する正規の出射部からの光が前記共焦点光学系を介して合焦する前記一平面上の合焦点と光学的に共役な位置に配置され、前記共焦点光学系からの各反射光を受光する複数の受光部を有する受光器と、前記各受光部に対して、前記正規の出射部からの光と同一波長成分の光を受光させ、かつ、当該正規の出射部に対して前記干渉距離に位置する他の出射部からの光の受光を阻止するフィルタ装置と、を備えることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の光学測定装置において、前記共焦点光学系と前記測定対象物との前記対向方向における離間距離を変位させる変位機構と、前記複数の出射部に同時期に出射動作をさせて、前記変位機構を駆動させつつ各離間距離における前記各受光部での受光量に基づき前記測定対象物上の形状測定を行う測定器と、を備えることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の光学測定装置において、前記投光器は、先端部が互いに密接状態で束ねられその先端面が前記出射部とされるとともに、基端部が同一波長成分の光を出射させるためのものごとに束ねられた複数本の光ファイバと、その束ねられた複数の基端部群それぞれに互いに異なる波長成分の光を入射させる複数の光源と、を備えて構成されていることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の光学測定装置において、前記複数の出射部は、互いに波長成分の異なる光を出射する３つ以上のグループから構成され、各グループの出射部に対して、それに近い波長帯域の光を出射する他のグループの出射部よりも遠い波長帯域の光を出射する他のグループの出射部を優先的に近接配置させることを特徴とする。

請求項５の発明に係る光学測定装置は、複数の波長成分を含む光を出射する出射部を有する投光器と、波長に対する収差があり、前記投光器から前記測定対象物側に波長毎に異なる合焦位置となる光を出射し、当該測定対象物からの反射光を集光させる共焦点光学系と、前記投光器からの複数の波長成分の光それぞれに対応して設けられ、それらの各波長成分の光が前記共焦点光学系を介して集光する合焦点と光学的に共役な位置に配置される複数の受光部を有する受光器と、前記共焦点光学系からの反射光を、波長成分毎に分離して各波長成分の光をそれに対応する受光部に受光させるフィルタ装置と、前記共焦点光学系と前記測定対象物との対向方向における離間距離を変位させる変位機構と、前記変位機構の駆動により変位する各離間距離に対応して、前記各受光部での受光量に基づき前記測定対象物の高さ測定を行う測定動作を繰り返し行うものであって、その繰り返される複数回の測定動作での前記測定対象物に対する前記複数の波長成分の光の合焦点の相対位置が、互いに前記対向方向において等間隔である測定器と、を備えることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項５に記載の光学測定装置において、前記複数回の測定動作での前記複数の波長成分の光の合焦点の相対位置が、互いに前記対向方向において重複しない位置であることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項５又は請求項６に記載の光学測定装置において、前記投光器は、複数本の光ファイバと、光源とを備え、前記複数本の光ファイバの先端面が前記出射部とされ、同一の波長成分の光を出射させるための光ファイバ同士の基端面に当該同一の波長成分の光を出射する光源からの光を入射させる構成であることを特徴とする。

＜請求項１の発明＞
本発明によれば、投光器において互いに出射光が干渉する干渉距離に位置する出射部同士は、互いに異なる波長の光を出射させるようにし、各受光部は、それに対応する正規の出射部に対して干渉距離に位置する他の出射部からの異なる波長の光がフィルタ装置によって排除され、当該正規の出射部からの光を受光する。すなわち、投光器に配置された複数の出射部を同時に投光させても、各受光部は、正規の出射部に対して干渉距離に位置する他の出射部からの光の入光を抑制しつつ正規の出射部からの光を受光できる。従って、本発明は、非干渉距離よりも短い測定ピッチで測定対象物上の複数箇所の位置測定を行うことができる。

＜請求項２の発明＞
本発明によれば、複数の出射部を同時出射動作させても、互いに干渉距離にある出射部同士の光を、互いに干渉することなく、それぞれに対応する受光部に受光させることができる。そして、変位機構を駆動させつつ各離間距離における各受光部での受光量に基づき測定対象物上の形状測定を行うことができる。

＜請求項３の発明＞
本発明によれば、複数の出射部を緊密に並べた高分解能の投光器を比較的に簡単に製作でき、また、光源の数を低減できる。

＜請求項４の発明＞
本構成によれば、互いに隣接配置された出射部同士は、なるべく波長帯域が遠い２つの波長成分の光を出射するものとされているから、フィルタ装置において正規の出射部以外の他の出射部からの干渉光をより確実に排除できる。

＜請求項５の発明＞
本発明によれば、複数の波長成分を含む光を、波長に対する収差がある共焦点光学系を通すことで、波長成分ごとの合焦点をその出射方向（対向方向）において互いに異なった位置にさせることできる。そして、共焦点光学系と測定対象物とを相対的に移動させて、上記複数の合焦点の、測定対象物に対する相対位置が等間隔ずつ移動する時点ごとに受光部の受光動作を繰り返し行って測定対象物の高さ測定を行う。従って、共焦点光学系と測定対象物との対向方向において同時に多点測定が可能となり、また、複数の合焦点が順次位置する、測定対象物に対する相対位置の間隔（測定ピッチ）は、等間隔であるから、測定範囲内において均一な精度での測定が可能となる。

＜請求項６の発明＞
本発明によれば、複数の合焦点が順次位置する、測定対象物に対する相対位置が、対向方向におて互いに重複しない時点で測定動作を行うため、効率的な高さ測定が可能となる。

＜請求項７の発明＞
本構成によれば、同一波長成分の出射する出射部からは共通の光源からの光を利用することができ、個別に光源を設ける必要がない。

＜実施形態１＞
本発明の実施形態１を図１，２を参照しつつ説明する。

１．光学測定装置の全体概要説明
図１は、本実施形態の光学測定装置１０の構成を模式的に示す全体図である。この光学測定装置１０は、投光器１１から出射したレーザ光Ｌ１を、共焦点光学系１２にて集光させつつワークＷ（本発明の「測定対象物」に相当）側に出射し、そのワークＷの被測定面上での反射光Ｌ２を、上記共焦点光学系１２によって集光させつつ上記投光器１１と異なる位置に配された受光器１３に受光させる構成になっている。そして、投光器１１から出射されレーザ光Ｌ１が共焦点光学系１２を通って合焦する合焦点Ｐと、受光器１３とが共焦点光学系１２に対して光学的に共役な位置関係とされている。

このような構成により、ワークＷの被測定面が上記合焦点Ｐに一致する高さにあるときに受光器１３での受光量が最大となり、ワークＷの被測定面が上記合焦点Ｐに対して上下方向（本発明の「共焦点光学系と測定対象物との対向方向」に相当）にずれた位置にあるときに受光器１３での受光量が低減する。この原理を利用して、受光器１３での受光量が最大となった時点での共焦点光学系１２とワークＷとの離間距離Ｚに基づき前記ワークＷの被測定面のうちレーザ光Ｌ１の照射位置における上下方向の高さを測定することができる。

そして、本実施形態の光学測定装置１０は、図１に示すように、投光器１１を、個別に光を出射する複数の発光素子１４（例えば面発光型レーザ素子 本発明の「出射部」に相当）を二次元的に配列したものとし、これら複数の発光素子１４からのそれぞれのレーザ光Ｌ１を、共焦点光学系１２を介してワークＷの被測定面上に照射させる。そして、光学測定装置１０は、その被測定面での各反射光Ｌ２を、受光器１３において上記複数の発光素子１４に対応して二次元的に配列された複数の受光素子１５（受光セル 本発明の「受光部」に相当）に受光させる構成となっている。このような構成により、光学測定装置１０は、ワークＷの被測定面上の複数箇所の高さ測定を同時に行うことが可能な多点測定方式を採用している。

２．具体的構成
上述したように、投光器１１は、複数の発光素子１４がマトリックス状に互いに均等間隔で隣接配置された発光面を有して構成されている（図２参照）。そして、投光器１１は、処理部１６（本発明の「測定器」に相当）からの駆動信号Ｓ１を受けて複数の発光素子１４を同時に発光させる。そして、各発光素子１４から出射されたレーザ光Ｌ１は、光分岐手段としてのビームスプリッタ１７に照射され、そのビームスプリッタ１７を透過したレーザ光Ｌ１がコリメータレンズ１８によって平行光とされ、対物レンズ１９を介して、載置テーブル２０上に配置されたワークＷ側へ出射される。これにより、各発光素子１４からのレーザ光Ｌ１は、ビームスプリッタ１７、コリメータレンズ１８及び対物レンズ１９を介して、各発光素子１４の配置位置に対応する、ワークＷの被測定面上の異なる箇所にそれぞれ照射される。

一方、ワークＷの被測定面上で反射した各反射光Ｌ２は、再び対物レンズ１９及びコリメータレンズ１８を通過してビームスプリッタ１７に照射され、このビームスプリッタ１７で反射した反射光Ｌ２が受光器１３の各受光素子１５に受光される。また、本実施形態では、処理部１６からの位置信号Ｓ２を受けて、その位置信号Ｓ２に応じた位置に、対物レンズ１９を上下動させる上下動機構２２（本発明の「変位機構」に相当）が設けられており、この上下動機構２２によってレーザ光Ｌ１の合焦点Ｐの、ワークＷに対する相対位置を変位させる構成になっている。

３．本実施形態の特徴的構成
さて、このような構成において、投光器１１の複数の発光素子１４を同時発光させた場合、受光器１３の各受光素子１５では、それに対応する正規の発光素子１４からのレーザ光以外に、その正規の発光素子１４に近接する他の発光素子１４からレーザ光も受光する、いわゆる光の干渉が生じて正常な高さ測定が行えなくなる可能性がある。これを避けるために、投光器１１上での複数の発光素子１４の配置間隔を広げることも考えられるが、これでは、ワークＷの被測定面に照射されるレーザ光Ｌ１の照射間隔が広くなってしまい、当該被測定面上において測定ピッチが広くなり精度の高いにワークＷの形状測定が行えなくなるという問題が生じる。

そこで、本実施形態では、図２の上段に示すように、投光器１１は、いわゆる面発光型レーザアレイであり、複数の発光素子１４をマトリックス状に均等間隔で緊密に配列することで、それらの発光素子１４から出射されるレーザ光Ｌ１がワークＷの被測定面上に照射される照射間隔をなるべく狭くしている。また、受光器１３は、上記複数の発光素子１４に対応して、やはり複数の受光素子１５がマトリックス状に緊密に配列されている。

投光器１１の複数の発光素子１４は、例えば４つのグループに分けられ、グループごとに互いに波長成分の異なるレーザ光を出射するように構成されている。同図において、互いに同一波長成分の光を出射する発光素子１４には、数値１〜４のいずれかに番号を付してある。この図によれば、互いに同一波長成分の光を出射する発光素子１４同士は、１発光素子分以上離れた位置に配置され、互いに異なる波長成分の光を出射する発光素子１４同士は、隣同士に配置されたものも存在する。要するに、互いに同一波長成分の光を出射する発光素子１４同士（例えば番号１同士の発光素子１４）は、互いに光の干渉が生じない非干渉距離に配置され、互いに異なる波長成分の光を出射する発光素子１４同士（例えば番号１と番号２〜４の発光素子同士）は上記非干渉距離よりも短い干渉距離に配置されているのである。

ここで、干渉距離は、各発光素子１４のエリアーディスク径（回折限界スポット径）によって決まる。このエリアーディスク径は、周知のように、次の式で求まる。
＜数１＞
エリアーディスク径ａ＝１．２２λ／（ＮＡ）
λ：光の波長 ＮＡ：像側の開口数
従って、各発光素子１４について、その発光中心を中心とし直径がエリアーディスク径ａである円内に配置された他の発光素子１４からのレーザ光とは光の干渉を生じ、上記円外に配置された他の発光素子１４からのレーザ光とは光の干渉が生じない。従って、互いに同一波長成分の光を出射する発光素子１４同士は、それらの発光中心間距離Ｘ１が、エリアーディスク径ａの半分の距離を超える距離（非干渉距離）に配置され、互いに異なる波長成分の光を出射する発光素子１４同士は、それらの発光中心間距離Ｘ２が、エリアーディスク径ａの半分の距離以下の距離（干渉距離）に配置されている。

そして、図１に示すように、複数の発光素子１４から出射される複数のレーザ光Ｌ１は、ビームスプリッタ１７、コリメータレンズ１８及び対物レンズ１９を備えて構成される共焦点光学系１２を介して一水平面Ｍ（本発明の「対向方向に垂直な一平面」に相当）上において互いに異なる箇所に合焦する光として、ワークＷ側に出射される。具体的には、図１に示すように、互いに異なる波長成分の光を出射する発光素子１４からのレーザ光Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃ（同図では、３つの波長成分のレーザ光Ｌ１を、点線、実線、一点鎖線で例示してある）が、共焦点光学系１２を介して集光され、一水平面Ｍ上において互いに異なる箇所で合焦する。換言すれば、各発光素子１４の配置位置と、そこから出射されたレーザ光Ｌ１が共焦点光学系１２を介して合焦する合焦点Ｐとは、光学的に共役な位置関係となっている。本発明でいう「波長に対する収差がない」とは、このように、互いに異なる波長成分の光を、共焦点光学系１２とワークＷとの対向方向に直交する一平面上において合焦させるという意味である。

次に、図２の下段に示すように、受光器１３に配列された各受光素子１５の前面には、それぞれに対応した発光素子１４からの光と同一波長成分の光の通過を許容し、他の波長成分の光の通過を阻止するバンドパスフィルタ２１（本発明のフィルタ装置」（フィルタ手段）に相当）が配されている（同図で網掛け部分）。

４．本実施形態の効果
以上の構成によれば、ワークＷの被測定面上での測定ピッチを狭くするために、投光器１１上の発光素子１４の配置間隔を干渉距離よりも短くしても、各受光素子１５は、それに対応する正規の発光素子１４からのレーザ光Ｌ１（例えばＬ１ａ）の反射光Ｌ２（Ｌ２ａ）を受光し、上記正規の発光素子１４に対して干渉距離にある他の発光素子１４からのレーザ光Ｌ１（Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃなど）の反射光Ｌ２（Ｌ２ｂ，Ｌ２ｃなど）を受光せず光の干渉が防止される。

そして、光学測定装置１０を起動させると、処理部１６は、上下動機構２２を例えば所定のタイミングごとに順次駆動するとともに、その各タイミングに同期して全発光素子１４を同時発光させるとともに各受光素子１５での受光量に応じた受光信号Ｓ３を取り込む。そして、処理部１６は、各受光素子１５において受光量が最大となった時点での上下動機構２２による対物レンズ１９の位置情報（Ｚ）と、当該受光量が最大となった受光素子１５の受光器１３上における配置位置とに基づき、ワークＷの被側面上における各箇所の高さ測定を行い、最終的に被測定面全体の高さ測定を行うことによりワークＷの表面形状を測定する。

このような構成であれば、ワークＷの被測定面上における測定ピッチを極力狭くして分解能の向上を図りつつ、発光素子１４の同時発光によって被測定面の複数箇所の高さ測定を効率よく行うことができる。

＜実施形態２＞
図３は実施形態２を示す。前記実施形態１との相違は、主として、受光器及びフィルタ装置の構成にあり、その他の点は前記実施形態１と同様である。従って、実施形態１と同一符号を付して重複する説明を省略し、異なるところのみを次に説明する。

本実施形態の光学測定装置３０は、上記実施形態１の光学測定装置１０に対して、バンドパスフィルタ２１を備えていない。その代わりに、光学測定装置３０は、投光器１１から出射される互いに異なる波長成分（λ１，λ２，λ３，λ４）の光から、固有の波長成分の光をそれぞれ抽出する抽出手段としての複数のダイクロックミラー３１と、各ダイクロックミラー３１によって抽出された固有の波長成分の光を受光する複数の受光器３２を備えて構成されている。

具体的には、本実施形態では、ダイクロックミラー３１を３台（投光器１１から出射される光の波長成分数より１つ少ない数分）備えている。複数の発光素子１４から出射されたレーザ光Ｌ１が共焦点光学系１２を介してワークＷに照射され、その各反射光Ｌ２がビームスプリッタ１７によって分岐される。そして、その反射光Ｌ２は、それに含まれる波長成分λ１のレーザ光（図２の数字１を付した発光素子１４からのレーザ光）だけが第１のダイクロックミラー３１ａによって反射されて、第１の受光器１３ａ上に照射される。

次に、第１のダイクロックミラー３１ａを透過したレーザ光Ｌ２のうち、波長成分λ２のレーザ光（図２の数字２を付した発光素子１４からのレーザ光）だけが第２のダイクロックミラー３１ｂによって反射されて、第２の受光器１３ｂ上に照射される。以下同じように、第２のダイクロックミラー３１ｂを透過したレーザ光Ｌ２のうち、波長成分λ３のレーザ光（図２の数字３を付した発光素子１４からのレーザ光）だけが第３のダイクロックミラー３１ｃによって反射されて、第３の受光器１３ｃ上に照射され、第３のダイクロックミラー３１ｃを透過した波長成分λ４のレーザ光（図２の数字４を付した発光素子１４からのレーザ光）が第４の受光器１３ｄ上に照射される。

なお、各受光器１３ａ〜１３ｄは、上記実施形態１の受光器１３と同様の構成をなし、各発光素子１４に対応する受光素子１５が、その正規の発光素子１４の合焦点Ｐと光学的に共役な位置関係に配置されている。この実施形態では、各発光素子１４から出射されその合焦点Ｐに至るレーザ光の光路長と、その合焦点Ｐから上記各発光素子１４に対応する受光素子１５に至るレーザ光の光路長とが同じになっている。また、波長成分λ１のレーザ光の合焦点Ｐからそのレーザ光が受光器１３ａの受光素子１５に至る光路長と、波長成分λ２のレーザ光の合焦点Ｐからそのレーザ光が受光器１３ｂの受光素子１５に至る光路長と、波長成分λ３のレーザ光の合焦点Ｐからそのレーザ光が受光器１３ｃの受光素子１５に至る光路長と、波長成分λ４のレーザ光の合焦点Ｐからそのレーザ光が受光器１３ｄの受光素子１５に至る光路長と、が同一長になっている。

そして、ワークＷの被測定面上において波長成分λ１のレーザ光の照射位置の高さ測定は、第１の受光器１３ａでの受光素子１５の受光量に基づいて測定され、波長成分λ２のレーザ光の照射位置の高さ測定は、第２の受光器１３ｂでの受光素子１５の受光量に基づいて測定され、波長成分λ３のレーザ光の照射位置の高さ測定は、第３の受光器１３ｃでの受光素子１５の受光量に基づいて測定され、波長成分λ４のレーザ光の照射位置の高さ測定は、第４の受光器１３ｄでの受光素子１５の受光量に基づいて測定される。
このような構成であっても、上記実施形態１と同様の効果を得ることができる。

＜実施形態３＞
本発明の実施形態３（請求項５，６の発明に相当）を図４〜６を参照しつつ説明する。

１．光学測定装置の全体概要説明
図４は、本実施形態の光学測定装置４０の構成を模式的に示す全体図である。この光学測定装置４０は、投光器４１から出射したレーザ光Ｌ１を、共焦点光学系４２にて集光させつつワークＷ（本発明の「測定対象物」に相当）側に出射し、そのワークＷの被測定面上での反射光Ｌ２を、上記共焦点光学系４２によって集光させつつ上記投光器４１と異なる位置に配された受光器４３に受光させる構成になっている。そして、投光器４１から出射されレーザ光Ｌ１が共焦点光学系４２を通って合焦する合焦点Ｐと、受光器４３とが共焦点光学系４２に対して光学的に共役な位置関係とされている。

このような構成により、ワークＷの被測定面が上記合焦点Ｐに一致する高さにあるときに受光器４３での受光量が最大となり、ワークＷの被測定面が上記合焦点Ｐに対して上下方向（本発明の「共焦点光学系と測定対象物との対向方向」に相当）にずれた位置にあるときに受光器４３での受光量が低減する。この原理を利用して、受光器４３での受光量が最大となった時点での共焦点光学系４２とワークＷとの離間距離Ｚに基づき前記ワークＷの被測定面のうちレーザ光Ｌ１の照射位置における上下方向の高さを測定することができる。

２．具体的構成
投光器４１は、後述するように、複数の発光素子４４を備え、処理部４６（本発明の「測定器」に相当）からの駆動信号Ｓ１を受けて複数の発光素子４４（図５参照）を発光させる。そして、各発光素子４４から出射されたレーザ光Ｌ１は、光分岐手段としてのビームスプリッタ４７に照射され、そのビームスプリッタ４７を透過したレーザ光Ｌ１がコリメータレンズ４８によって平行光とされ、対物レンズ４９を介して載置テーブル２０上に配置されたワークＷ側へ出射される。これにより、各発光素子４４からのレーザ光Ｌ１は、ビームスプリッタ４７、コリメータレンズ４８及び対物レンズ４９を介して発光素子４４の配置位置に対応する、ワークＷの被測定面上の異なる箇所にそれぞれ照射される（同図ではそのうちの１つの発光素子４４からのレーザ光のみ図示）。

一方、ワークＷの被測定面上で反射した各反射光Ｌ２は、再び対物レンズ４９及びコリメータレンズ４８を通過してビームスプリッタ４７に照射され、このビームスプリッタ４７で反射した反射光Ｌ２が受光器４３の各受光素子４５に受光される。また、本実施形態では、処理部４６からの位置信号Ｓ２を受けて、その位置信号Ｓ２に応じた位置に、対物レンズ４９を上下動させる上下動機構２２（本発明の「変位機構」に相当）が設けられており、この上下動機構２２によってレーザ光Ｌ１の合焦点Ｐの、ワークＷに対する相対位置を変位させる構成になっている。

３．本実施形態の特徴的構成
さて、本実施形態の光学測定装置４０では、投光器４１は、図５に示すように、複数の発光素子４４（同図で網掛け部分の素子）がマトリックス状に配列されいる。複数の発光素子４４はいずれも、複数（本実施形態では３つ）の波長成分（λ１，λ２，λ３）を含むレーザ光Ｌ１をそれぞれ出射する。これは、例えば可視光レーザを出射するものであってもよいし、レッド、ブルー及びグリーンのレーザ光を出射する素子を備えてこれらの混色光を出射するものであってもよい。

また、本実施形態では、複数の発光素子４４は、互いのレーザ光の干渉が生じない非干渉距離だけ隔てて配置されている。なお、これらを同時発光させて測定を行う場合には、本実施形態のように非干渉距離だけ隔てて複数の発光素子４４を配列させる必要があるが、これに以外に次の方式がある。即ち、複数の発光素子４４を干渉距離内に配列した構成であっても、互いに非干渉距離にある発光素子４４同士を同時に発光させ、互いに干渉距離にある発光素子同士は異なるタイミングで発光させる、いわゆる時分割方式で行う構成とすることで、光の干渉を防止できる。

そして、本実施形態では、例えば対物レンズ４９が波長に対する収差を有したレンズで構成されており、図４に示すように、各発光素子４４から出射されたレーザ光Ｌ１は、対物レンズ４９を通過した後、波長成分ごとに上下方向において異なる位置で合焦する光として出射される。図４では、Ｐ１が波長λ１のレーザ光Ｌ１ａの合焦点であり、Ｐ２が波長λ２のレーザ光Ｌ１ｂの合焦点であり、Ｐ３が波長λ３のレーザ光Ｌ１ｃの合焦点である。なお、本実施形態では、合焦点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３が上下方向において等間隔ｄで並ぶようにレーザ光Ｌ１の波長成分が選択されている。

次に、光学測定装置４０は、ダイクロックミラー５０を例えば３台備えている。各発光素子４４から出射されたレーザ光Ｌ１が共焦点光学系４２を介してワークＷに照射され、その各反射光Ｌ２がビームスプリッタ４７によって分岐される。そして、その反射光Ｌ２は、それに含まれる波長成分λ１のレーザ光Ｌ１ａだけが第１のダイクロックミラー５０ａによって反射されて、第１の受光器４３ａ上に照射される。次に、第１のダイクロックミラー５０ａを透過したレーザ光Ｌ２のうち、波長成分λ２のレーザ光Ｌ１ｂだけが第２のダイクロックミラー５０ｂによって反射されて、第２の受光器４３ｂ上に照射される。同様に、第２のダイクロックミラー５０ｂを透過したレーザ光Ｌ２のうち、波長成分λ３のレーザ光Ｌ１ｃだけが第３のダイクロックミラー５０ｃによって反射されて、第３の受光器４３ｃ上に照射される。各受光器４３ａ〜４３ｃは、複数の受光素子４５が、投光器４１の複数の発光素子４４に対応してマトリックス状に配列されている。

そして、各受光器４３ａ〜４３ｃは、自己が受ける波長成分のレーザ光Ｌ１の各合焦点Ｐ１（Ｐ２，Ｐ３）と光学的に共役な位置関係となるように複数の受光素子４５が配置されている。この実施形態では、波長成分λ１のレーザ光の合焦点Ｐ１からそのレーザ光Ｌ１ａが受光器４３ａの受光素子４５に至る光路長と、波長成分λ２のレーザ光の合焦点Ｐ２からそのレーザ光Ｌ１ｂが受光器４３ｂの受光素子４５に至る光路長と、波長成分λ３のレーザ光の合焦点Ｐ３からそのレーザ光Ｌ１ｃが受光器４３ｃの受光素子４５に至る光路長とが同一長になっている。

このような構成により、光学測定装置４０は、ワークＷの被測定面上の各箇所に対して、上下方向に並ぶ複数（本実施形態では３つ）の合焦点に基づき高さ測定を行うことができる。そして、光学測定装置４０が起動されると、処理部４６は、図６に示すように、上記３つの合焦点を上下動させるように上下動機構２２に位置信号Ｓ２を与えて駆動する。具体的には、光学測定装置４０は、まず、上下方向での所定の測定範囲において、例えば合焦点Ｐ１が最下点に位置する時点で投光器４１を発光させ、各受光器４３からの受光信号に基づき最大受光量を示す受光素子４５の位置を検出する（ステップ１）。このとき、光学測定装置４０は、３つの合焦点Ｐ１〜Ｐ３に基づき上下方向の３点で同時に高さ測定（これら３つの合焦点のうちいずれの点にワークＷの被測定面が一致するかどうか）を行うことができる。

次に、処理部４６は、３つの合焦点を、それらの配置間隔ｄの半分の距離だけ上方に移動させてその３点に基づく高さ測定を同時に行う（ステップ２）。次に、処理部４６は、３つの合焦点を、それらの配置間隔（２ｄ＋（ｄ／２）：{（合焦点数−１）×配置間隔ｄ}＋（ｄ／２））の距離だけ上方に移動させてその３点に基づく高さ測定を同時に行う（ステップ３）。要するに、処理部４６は、次の測定タイミングでの最下点の合焦点Ｐ１が、その前の測定タイミングでの最上点の合焦点Ｐ３よりも配置間隔ｄの半分の距離だけ上の高さになるように、対物レンズ４９を移動させる。その後は、ステップ２と同様、３つの合焦点を、それらの配置間隔ｄの半分の距離だけ上方に移動させてその３点に基づく高さ測定を同時に行う（ステップ４）。

４．本実施形態の効果
このように、上下方向の１３段階の位置に対して、３つの合焦点の移動を３回行う（最初の測定位置から３回の移動・合計４回の測定）だけで高さ測定を行うことができる。しかも、ステップ１〜４の実行過程で、３つの合焦点Ｐ１〜Ｐ３が位置する一連の高さ位置は、上記配置間隔ｄの半分の等間隔となり、上下方向における測定ピッチを等間隔としている。従って、上下方向の測定範囲内において均一の精度での高さ測定が可能となる。しかも、各ステップ１〜４において、３つの合焦点Ｐ１〜Ｐ３はいずれも異なる高さに位置し、重複する高さに対する測定を行わないようにしており、効率的な測定が実現されている。

＜実施形態４＞
図７は実施形態４を示す。前記実施形態３との相違は、各合焦点Ｐの設定高さとその変位動作にあり、その他の点は前記実施形態３と同様である。従って、実施形態３と同一符号を付して重複する説明を省略し、異なるところのみを次に説明する。

本実施形態では、例えば上下方向において複数の合焦点Ｐが互いに等間隔ｄで配置される複数組の合焦点Ｐを形成された構成になっている。換言すれば、本実施形態は、波長に対する収差を有する共焦点光学系４２によって上下方向に並ぶ複数の合焦点Ｐを形成する構成であって、これら複数の合焦点Ｐが複数組に分けられ、各組の合焦点Ｐは上下方向において等間隔ｄで配するよう構成されている。更に、複数の組単位の合焦点Ｐ群は、上下方向において互いに上記等間隔ｄの整数倍だけ離れた位置に配される。

具体的には、本実施形態では、投光器４１の各発光素子４４から例えば４つの互いに波長成分（λ１，λ２，λ３，λ４）を含むレーザ光を出射させ、これらのうち、２つの波長成分のレーザ光の合焦点Ｐ１，Ｐ２が上下方向に間隔ｄだけ離間した位置に形成され、他の２つの波長成分のレーザ光の合焦点Ｐ３，Ｐ４が上下方向に間隔ｄだけ離間した位置に形成され、これら２組の合焦点群が、上記間隔ｄの整数倍（図７では５ｄ）だけ離間した位置になるように構成されている。そして、これら４つの合焦点Ｐ１〜Ｐ４を、各ステップごとに間隔２ｄ（間隔ｄ×１組の合焦点数）ずつ移動させることで、２回の移動動作（最初の測定位置から２回の移動・合計３回の測定）で全１２点について高さ測定を行うことができる。

このような構成であって、上下動機構２２の少ない移動動作で上下方向の複数点について効率よく高さ測定を行うことができる。

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次の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）上記実施形態１では、各発光素子１４の前面にそれぞれに対応してピンホールを配した構成であってもよい。この場合、各発光素子１４のエリアーディスク径ａは、このピンホールの開口径によって定まる。

（２）上記各実施形態では、対物レンズ１９，４９を上下動させる上下動機構２２によって本発明の変位機構を構成したが、これに限らず、載置テーブル２０を上下動させる昇降機構によって変位機構を構成するものであってもよい。

（３）上記実施形態１，２では、上下動機構２２を駆動させて形状測定を行うものであったが、これに限らず、上下動機構２２を設けずに、測定対象物の被測定面上の複数箇所に対して特定の高さにある箇所を検出するものであっても、本発明を適用することができる。

（４）上記実施形態２〜４では、反射光Ｌ２を波長成分ごとに分離するフィルタ装置として、ダイクロックミラー３１，５０を採用したが、これに限らず、プリズムを採用したものであってもよい。

（５）図８は、上記投光器１１を光ファイバＦを用いて構成したものである。これは、複数の光ファイバＦを先端側において一括にチューブ６１を介して束ねる一方で、基端側は、同一波長成分のレーザ光を出射させる光ファイバＦ同士を束ねた構成になっている。
波長成分λ１のレーザ光Ｌ１を出射させるための光ファイバＦ群の基端部は嵌合体６２によって一まとめにされ、その基端面に波長成分λ１のレーザ光Ｌ１を出射する発光源６３が向けられている。波長成分λ２のレーザ光Ｌ１を出射させるための光ファイバＦ群の基端部は嵌合体６２によって一まとめにされ、その基端面に波長成分λ２のレーザ光Ｌ１を出射する発光源６４が向けられている。また、波長成分λ３のレーザ光Ｌ１を出射させるための光ファイバＦ群の基端部は嵌合体６２によって一まとめにされ、その基端面に波長成分λ３のレーザ光Ｌ１を出射する発光源６５が向けられている。更に、波長成分λ４のレーザ光Ｌ１を出射させるための光ファイバＦ群の基端部は嵌合体６２によって一まとめにされ、その基端面に波長成分λ４のレーザ光Ｌ１を出射する発光源６６が向けられている。
そして、光ファイバＦは、先端面がチューブ６１によって緊密状態でまとめられ、且つ、同一波長成分のレーザ光を出射する光ファイバＦ同士の先端面が非干渉距離に配置され、互いに異なる波長成分のレーザ光を出射する光ファイバＦ同士の先端面が干渉距離に配置されている。先端部及び基端部のそれぞれは、例えば融点の低い素材のグラッド層を溶融して固める方法などであってもよい。
このような構成であれば、最小限数の発光源で上記投光器１１を構成することができる。なお、上記実施形態３，４の投光器４１に対しても複数の光ファイバの先端部を緊密状態で束ねて、これらのうち先端面が上記各発光素子４４の配される位置に配される光ファイバの基端部を一括でまとめて同一の発光源からレーザ光を入射させる構成とすることができる。

（６）上記実施形態１，２及び上記（８）において、例えば波長帯域の小さい順にλ１，λ２，λ３，λ４．．．の波長成分のレーザ光を投光器１１，４１から出射させる場合、例えば波長λ１のレーザ光を出射するグループの出射部（発光素子１４，４４、光ファイバＦの先端面）に隣接配置させるものは、それに波長帯域が近接するλ２ではなく、λ３、λ４の波長帯域が遠いレーザ光を出射するグループの出射部が望ましい。他のグループの出射部についても、波長帯域が遠いレーザ光を出射する他のグループの出射部を優先的に隣接配置することが望ましい。

本発明の実施形態１に係る光学測定装置の構成を模式的に示す全体図 投光器の発光面及び受光器の受光面の配置構成を説明するための模式図 実施形態２に係る光学測定装置の構成を模式的に示す全体図 実施形態３に係る光学測定装置の構成を模式的に示す全体図 投光器の発光面の配置構成を説明するための模式図 各ステップごとの３つの合焦点の変位位置を説明するための模式図 実施形態４の各ステップごとの３つの合焦点の変位位置を説明するための模式図 投光器を光ファイバで構成した変形例を示した斜視図

符号の説明

１０，４０…光学測定装置
１１，４１…投光器
１２，４２…共焦点光学系
１３（１３ａ〜１３ｃ），４３（４３ａ〜４３ｃ）…受光器
１４，４４…発光素子（出射部）
１５，４５…受光素子（受光部）
１６，４６…処理部（測定器）
１７，４７…ビームスプリッタ（共焦点光学系）
１８，４８…コリメータレンズ（共焦点光学系）
１９，４９…対物レンズ（共焦点光学系）
２１…バンドパスフィルタ（フィルタ装置）
２２…上下動機構（変位機構）
３１（３１ａ〜３１ｃ），５０（５０ａ〜５０ｃ）…ダイクロックミラー（フィルタ装置）
６３〜６６…発光源（光源）
Ｆ…光ファイバ
Ｗ…ワーク（測定対象物）

Claims (7)

1. 光を出射する複数の出射部が配置され、互いに光の干渉が生じない非干渉距離に位置する出射部同士は同一の波長成分の光を出射するものとされ、前記非干渉距離よりも短い干渉距離に位置する出射部同士は互いに異なる波長成分の光を出射するものとされた投光器と、
   波長に対する収差がなく、前記複数の出射部からのそれぞれの光を、測定対象物との対向方向に垂直な一平面上に合焦する光として前記測定対象物側に出射し、その測定対象物上からの各反射光を集光させる共焦点光学系と、
   前記複数の出射部それぞれに対応して設けられ、かつ、自己に対応する正規の出射部からの光が前記共焦点光学系を介して合焦する前記一平面上の合焦点と光学的に共役な位置に配置され、前記共焦点光学系からの各反射光を受光する複数の受光部を有する受光器と、
   前記各受光部に対して、前記正規の出射部からの光と同一波長成分の光を受光させ、かつ、当該正規の出射部に対して前記干渉距離に位置する他の出射部からの光の受光を阻止するフィルタ装置と、を備えることを特徴とする光学測定装置。
2. 前記共焦点光学系と前記測定対象物との前記対向方向における離間距離を変位させる変位機構と、
   前記複数の出射部に同時期に出射動作をさせて、前記変位機構を駆動させつつ各離間距離における前記各受光部での受光量に基づき前記測定対象物上の形状測定を行う測定器と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の光学測定装置。
3. 前記投光器は、先端部が互いに密接状態で束ねられその先端面が前記出射部とされるとともに、基端部が同一波長成分の光を出射させるためのものごとに束ねられた複数本の光ファイバと、その束ねられた複数の基端部群それぞれに互いに異なる波長成分の光を入射させる複数の光源と、を備えて構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光学測定装置。
4. 前記複数の出射部は、互いに波長成分の異なる光を出射する３つ以上のグループから構成され、各グループの出射部に対して、それに近い波長帯域の光を出射する他のグループの出射部よりも遠い波長帯域の光を出射する他のグループの出射部を優先的に近接配置させることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の光学測定装置。
5. 複数の波長成分を含む光を出射する出射部を有する投光器と、
   波長に対する収差があり、前記投光器から前記測定対象物側に波長毎に異なる合焦位置となる光を出射し、当該測定対象物からの反射光を集光させる共焦点光学系と、
   前記投光器からの複数の波長成分の光それぞれに対応して設けられ、それらの各波長成分の光が前記共焦点光学系を介して集光する合焦点と光学的に共役な位置に配置される複数の受光部を有する受光器と、
   前記共焦点光学系からの反射光を、波長成分毎に分離して各波長成分の光をそれに対応する受光部に受光させるフィルタ装置と、
   前記共焦点光学系と前記測定対象物との対向方向における離間距離を変位させる変位機構と、
   前記変位機構の駆動により変位する各離間距離に対応して、前記各受光部での受光量に基づき前記測定対象物の高さ測定を行う測定動作を繰り返し行うものであって、その繰り返される複数回の測定動作での前記測定対象物に対する前記複数の波長成分の光の合焦点の相対位置が、互いに前記対向方向において等間隔である測定器と、を備えることを特徴とする光学測定装置。
6. 前記複数回の測定動作での前記複数の波長成分の光の合焦点の相対位置が、互いに前記対向方向において重複しない位置であることを特徴とする請求項５に記載の光学測定装置。
7. 前記投光器は、複数本の光ファイバと、光源とを備え、前記複数本の光ファイバの先端面が前記出射部とされ、同一の波長成分の光を出射させるための光ファイバ同士の基端面に当該同一の波長成分の光を出射する光源からの光を入射させる構成であることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の光学測定装置。

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