JP2008275453A - 光学的変位測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学的変位測定装置において、測定対象物の表面が平坦でない場合でも、高精度の変位測定を可能とすることである。
【解決手段】光学的変位測定装置１０は、光源２０と、コリメートレンズ２２と、ミラー２４と、円錐台形状プリズム３０とを有し、さらに、測定対象物８から円錐台形状プリズム３０を介して戻される光のうち入射光７２の光軸に平行な光のみを抽出するための結像レンズ４０とピンホール光学素子５０と、光位置検出センサ６０とを有する。円錐台形状プリズム３０は、頂角に応じたある一定の角度で円錐面に戻された光のみが入射光の光軸に平行になるという光学的性質を有する。この平行な戻り光は、測定対象物８と円錐台形状プリズム３０との間の変位に応じて、入射光７２の光軸８０からオフセットする。光位置検出センサ６０はオフセット量を検出して測定対象物８の変位を測定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学的変位測定装置に係り、特に、 光源からの光を、対物光学系を介して測定対象物に入射し、測定対象物からの反射光を検出部で検出して、対物光学系と測定対象物との間の変位を測定する光学的変位測定装置に関する。

対象物の変位を非接触により測定するものとして、特許文献１，２には、「光を用いる三角測量方式」、「光触針法」、「オートフォーカス技術」等の従来技術が述べられている。

ここで、「光を用いる三角測量方式」は、半導体レーザ等からの光ビームを被測定表面に照射し、この照射された表面の反射光を集光レンズ等で像を結ばせ、照射方向とは異なる方向に置かれた光位置検出器上に結ばせるもので、表面が移動すれば位置検出器上のビームの位置が変化するので、三角測量の原理で、高速に被測定表面の変位を求めることができる。しかしながら、三角測量法の原理上、高精度のためには光源と光位置検出器との距離を大きくとる必要がある。したがって、測定面の近くに測定のための十分な空間を要し、例えば狭い入り口を有する筐体内部のワークの変位測定等に向いていない。

「光触針法」には、臨界角法、非点収差法、ナイフエッジ法、ヘテロダイン法等があるが、いずれも微小スポットを対象の物上に結ばせ、その反射光を集光し、その状態を検出する。したがってきわめて感度が高く、小型軽量であり、例えば光学的表面粗さ計用の光触針子として利用される。しかしながら、高精度検出の範囲が合焦位置の近傍に限られるため、測定範囲が極めて狭い。例えば通常数μｍの範囲でのみ測定が可能である。また、物体の表面の状態によって測定値が左右される問題を有する。

「オートフォーカス技術」は、常に対象物の上で焦点が合わせるようにし、そのときのレンズの移動量から対象物の変位を測定できるので測定範囲が広くとれる。しかしながら、オートフォーカス動作においては、例えば段差等で対象物表面の変位が不連続な場合等にレンズ追従の方向を見失い、新たなサーチ動作を要する恐れがあり、高速測定に対応が困難なことがある。

そこで、特許文献１には、光学的変位測定器として、対象物の前方に円錐形状の対物レンズを配置し、対物レンズの後方からの光が対物レンズを通りその円錐形状の界面で屈折して対象物に入射され、対象物で反射された光が対物レンズに戻されてその円錐形状の界面で再び曲げられて元の光線に平行になる性質を利用することが開示されている。この戻された光は、対象物と対物レンズとの間の距離、すなわち対象物の変位に応じた大きさで、対物レンズの中心光軸からオフセットするので、このオフセット量に基づいて対象物の変位を測定できることが述べられている。

また、特許文献２には、光学変位測定器として、測定対象物の前方に円錐形状の対物プリズムを配置し、対物プリズムの中心光軸から平行に偏移した往路光を対物プリズムの後方から対象物に入射することが開示されている。この場合にも、対物プリズムを通って対象物で反射された光が戻されて対物プリズムを通ると、往路光に平行な復路光になり、中心光軸からの復路光のオフセット量は、測定対象物の変位に応じて変化する。また、復路光を集光レンズで焦点に集光し、焦点に配置されたピンホール光学素子で散乱光の影響を抑制することが述べられている。

特開２００５−２６５６１６号公報 特開２００６−５８１１５号公報

特許文献１，２に述べられる円錐形状の対物光学系を用いれば、先端部をコンパクトに構成でき、狭い入口を有する筐体内部のワークの変位も測定でき、また、機械的動作の必要もなく、高速に広い範囲の測定が可能になる。しかしながら、これらにおいては、円錐形状の対物光学系を通して測定対象物に入射される光は、測定対象物を斜めに照射しているので、測定対象物の表面が平坦でなく、例えば凹凸、段差等を有していると、入射される光の当る部位が測定対象物の変位に応じて異なることが生じ、変位測定結果に誤差が発生する場合がある。

本発明の目的は、測定対象物の表面が平坦でない場合でも、高精度の変位測定を可能とする光学的変位測定装置を提供することである。

本発明に係る光学的変位測定装置は、光源からの光を、対物光学系を介して測定対象物に入射し、測定対象物からの反射光を検出部で検出して、対物光学系と測定対象物との間の変位を測定する光学的変位測定装置において、対物光学系は、光軸に垂直な平坦部をそれぞれ有する広面積平坦部と狭面積平坦部と、広面積平坦部と狭面積平坦部を接続する円錐面とを含む円錐台形状プリズムであって、狭面積平坦部を有する頂角側を測定対象物に向け、広面積平坦部側から狭面積平坦部側を通って測定対象物に光を入射し、測定対象物からの反射光を円錐面で受けて検出部に導く円錐台形状プリズムであることを特徴とする。

また、円錐台形状プリズムは、中心部に光源からの光を通す中空穴を有することが好ましい。

また、本発明に係る光学的変位測定装置は、光源からの光を、対物光学系を介して測定対象物に入射し、測定対象物からの反射光を検出部で検出して、対物光学系と測定対象物との間の変位を測定する光学的変位測定装置において、対物光学系は、光軸に垂直な平坦部をそれぞれ有する広面積平坦部と狭面積平坦部と、広面積平坦部と狭面積平坦部を接続する円錐面とを含む円錐台形状プリズムを円柱状にカットし、円柱の中心軸から狭面積平坦部の中心軸をずらして配置される形状を有する半円錐台形状プリズムであって、狭面積平坦部側を測定対象物に向け、広面積平坦部側から狭面積平坦部側を通って測定対象物に光を入射し、測定対象物からの反射光を円錐面で受けて検出部に導く半円錐台形状プリズムであることを特徴とする。

また、本発明に係る光学的変位測定装置は、光源からの光を、対物光学系を介して測定対象物に入射し、測定対象物からの反射光を検出部で検出して、対物光学系と測定対象物との間の変位を測定する光学的変位測定装置において、対物光学系は、光軸に垂直な平坦部をそれぞれ有する広面積平坦部と狭面積平坦部と、広面積平坦部と狭面積平坦部を接続する傾斜面とを含む円柱台形状プリズムであって、狭面積平坦部側を測定対象物に向け、広面積平坦部側から狭面積平坦部側を通って測定対象物に光を入射し、測定対象物からの反射光を傾斜面で受けて検出部に導く円柱台形状プリズムであることを特徴とする。

また、本発明に係る光学的変位測定装置は、光源からの光を、対物光学系を介して測定対象物に入射し、測定対象物からの反射光を検出部で検出して、対物光学系と測定対象物との間の変位を測定する光学的変位測定装置において、対物光学系は、測定対象物に光を入射する光軸に垂直な平坦面と、平坦面に対し傾斜する傾斜面とを有する三角プリズムであって、傾斜面側を測定対象物に向け、三角プリズムを通さずに測定対象物に光を入射し、測定対象物からの反射光を傾斜面で受けて検出部に導く三角プリズムであることを特徴とする。

また、本発明に係る光学的変位測定装置において、光源からの光の光軸の方向を変えて対物光学系に導く偏向ビームスプリッタと、四分の一波長板と、を含む入射光学系を備えることが好ましい。

また、本発明に係る光学的変位測定装置において、対物光学系と検出部との間に設けられる結像レンズと、結像レンズと検出部との間であって、結像レンズの焦点位置に配置されるピンホール光学素子と、を備えることが好ましい。

また、本発明に係る光学的変位測定装置において、ピンホール光学素子を通過後の検出光を光軸に平行な円柱状の光に戻す復元レンズと、頂角側を検出部に向ける円錐形状プリズムであって、復元レンズによって戻された光軸に平行な円柱状の光を再び集光させる円錐形状プリズムと、を含む検出光学系を備えることが好ましい。

上記構成の少なくとも１つにより、光学的変位測定装置の対物光学系は、光軸に垂直な平坦部をそれぞれ有する広面積平坦部と狭面積平坦部と、広面積平坦部と狭面積平坦部を接続する円錐面とを含む円錐台形状プリズムであって、狭面積平坦部を有する頂角側を測定対象物に向け、広面積平坦部側から狭面積平坦部側を通って測定対象物に光を入射し、測定対象物からの反射光を円錐面で受けて検出部に導く円錐台形状プリズムである。したがって、狭面積平坦部の平坦部面積よりも小さい光束断面積の細いビームが測定対象物の表面に垂直に入射する。これにより、測定対象物の表面が平坦でなくても、入射される光の当る部位が測定対象物の変位に応じて異なることを抑制でき、高精度の変位測定が可能となる。

また、円錐台形状プリズムは、中心部に光源からの光を通す中空穴を有するので、測定対象物への入射光の損失とプリズムがあった場合の内部反射を防ぐことができる。

また、上記構成の少なくとも１つにより、光学的変位測定装置の対物光学系は、光軸に垂直な平坦部をそれぞれ有する広面積平坦部と狭面積平坦部と、広面積平坦部と狭面積平坦部を接続する円錐面とを含む円錐台形状プリズムを円柱状にカットし、円柱の中心軸から狭面積平坦部の中心軸をずらして配置される形状を有する半円錐台形状プリズムである。この構成において、狭面積平坦部の平坦部面積よりも小さい光束断面積の細いビームが測定対象物の表面に垂直に入射することは、円錐台形状プリズムと同じである。したがって、入射される光の当る部位が測定対象物の変位に応じて異なることを抑制でき、高精度の変位測定が可能となる。さらに、測定対象物に入射する光の軸が、円柱の中心軸からずれているので、同じ寸法であれば入射光と検出光との間の角度が大きくとれるので、変位の分解能の向上が図れる。これにより、変位測定装置の先端部の小型化を図ることができる。

また、上記構成の少なくとも１つにより、光学的変位測定装置の対物光学系は、光軸に垂直な平坦部をそれぞれ有する広面積平坦部と狭面積平坦部と、広面積平坦部と狭面積平坦部を接続する傾斜面とを含む円柱台形状プリズムである。この構成において、狭面積平坦部の平坦部面積よりも小さい光束断面積の細いビームが測定対象物の表面に垂直に入射することは、円錐台形状プリズムと同じである。したがって、入射される光の当る部位が測定対象物の変位に応じて異なることを抑制でき、高精度の変位測定が可能となる。また、この構成によっても、同じ寸法であれば入射光と検出光との間の角度が大きくとれるので、変位の分解能の向上が図れる。これにより、変位測定装置の先端部の小型化を図ることができる。

また、上記構成の少なくとも１つにより、光学的変位測定装置の対物光学系は、測定対象物に光を入射する光軸に垂直な平坦面と、平坦面に対し傾斜する傾斜面とを有する三角プリズムであり、三角プリズムを通さずに測定対象物に光を入射し、測定対象物からの反射光を傾斜面で受けて検出部に導く。この構成においても、光束断面積の細いビームを測定対象物の表面に垂直に入射させることができるので、入射される光の当る部位が測定対象物の変位に応じて異なることを抑制でき、高精度の変位測定が可能となる。

また、光学的変位測定装置は、入射光学系を、光源からの光の光軸の方向を変えて対物光学系に導く偏向ビームスプリッタと、四分の一波長板とを含むものとするので、反射鏡を用いて光軸の方向を変える場合に比較し、測定対象物の位置が対物光学系に近い距離にある場合のミラーと戻り光との干渉をなくすことができる。

また、光学的変位測定装置は、対物光学系と検出部との間に設けられる結像レンズと、結像レンズと検出部との間であって、結像レンズの焦点位置に配置されるピンホール光学素子とを備える。円錐台形状の対物光学系等を用いて細束光を測定対象物の表面に垂直に入射しても、その照射面積の範囲で、測定対象物の表面が平坦でないときは、反射光の反射方向は広範囲になる。円錐台形状プリズム、半円錐台形状プリズム、円柱台形状プリズム、三角プリズムにおいて、これらの斜面形状の頂角と、測定対象物の変位に応じて、ある範囲の反射光のみが入射光の光軸に平行となり、この平行光の光軸と入射光の光軸との偏移量は、測定対象物の変位が大きいほど大きくなる。この光が結像レンズを介してピンホール光学素子を通ると、その光の光路は、測定対象物の変位に応じて変化する。適当な検出手段でその光の光路を検出することで、測定対象物の変位を測定できる。

そして、円錐台形状プリズム、半円錐台形状プリズム、円柱台形状プリズム、三角プリズムにおいて、これらの斜面形状の頂角と、測定対象物の変位に応じて、ある範囲の反射光のみが入射光の光軸に平行となるので、結像レンズとピンホール光学素子とを用いることで、入射光の光軸に平行となるある範囲の反射光のみをピンホール光学素子を通すものとできる。したがって、その他の光、すなわち、測定対象物の表面が平坦でないときに、広範囲に反射する光のうちで、入射光の光軸に平行でない反射光を検出部に導かないようにできる。

また、光学的変位測定装置は、検出光学系として、ピンホール光学素子を通過後の検出光を光軸に平行な円柱状の光に戻す復元レンズと、頂角側を検出部に向ける円錐形状プリズムであって、復元レンズによって戻された光軸に平行な円柱状の光を再び集光させる円錐形状プリズムとを含む。このように、ピンホール光学素子を通過した光を集光するので、検出感度を向上させることができ、あるいは光源のパワーを小さくすることが可能となる。

以下では、光学的変位測定装置の構成について、対物光学系、入射光学系、検出光学系のそれぞれについていくつかの実施形態を述べるが、これらのうち１つを単独で光学的変位測定装置に適用することができ、また、これらを組み合わせて、光学的変位測定装置に適用するものとしてもよい。また、以下で述べる材質等は説明の一例であって、光学的変位測定装置の仕様等に合わせ、適当に変更が可能である。

図１は、光学的変位測定装置１０の構成を示す図である。ここでは、光学的変位測定装置１０の構成要素ではないが、測定対象物８が図示されている。光学的変位測定装置１０は、円錐台形状プリズムの光学的性質を用いて変位を測定するものである。ここで、円錐台形形状プリズムとは、光軸に垂直な平坦部をそれぞれ有する広面積平坦部と狭面積平坦部と、広面積平坦部と狭面積平坦部を接続する円錐面とを含む光学素子である。そして、測定対象物の変位を測定するために、光源からの光を円錐台形状プリズムの中心、すなわち、狭面積平坦部から測定対象物に入射し、その反射光を円錐台形状の円錐面で受けて戻す。

円錐台形状プリズムは、頂角に応じたある一定の角度で円錐面に戻された光のみが入射光の光軸に平行になるという光学的性質を有する。そして、この平行な戻り光は、測定対象物と円錐台形状プリズムとの間の変位に応じて、入射光の光軸からオフセットする。例えば、測定対象物と円錐台形状プリズムとの間が遠く離れると、平行な戻り光は、入射光の光軸から遠くオフセットし、測定対象物と円錐台形状プリズムとの間が近い場合は、平行な戻り光は、入射光の光軸からのオフセットは少ない。このオフセット量を検出部で検出することで、測定対象物の変位を測定することができる。

したがって、円錐台形状プリズムの中心から測定対象物に光を入射し、その反射光を円錐面で受けて、その中で入射光に平行な戻り光のみを、例えばピンホール光学素子等を用いて抽出し、その平行な戻り光の入射光の光軸からのオフセット量を検出することで、測定対象物の変位を精密に測定できる。そして、この測定は、円錐台形状プリズムの中心、すなわち光軸に垂直な狭面積平坦面から測定対象物に対し細束光を入射するので、測定対象物の表面の凹凸等の変位測定に対する影響を抑制することができる。また、入射光に平行な戻り光のみを用いて測定するので、測定対象物の表面の凹凸等による変位測定に対するノイズを抑制することができる。

図１は、上記の測定原理を具体化した光学的変位測定装置１０の構成図、図２は、光学的変位測定装置１０の光経路の各位置における光像の様子を示す図、図３は、測定対象物の変位によって光経路が異なる様子を説明する図である。

光学的変位測定装置１０は、入射光学系として、光源２０、コリメートレンズ２２、ミラー２４を有し、対物光学系として円錐台形状プリズム３０を有し、測定対象物８から円錐台形状プリズム３０を介して戻される光のうち入射光の光軸に平行な光のみを抽出するための結像レンズ４０とピンホール光学素子５０を有し、検出光学系として、光位置検出センサ６０を有する。

光源２０は、レーザ光を放出するレーザ光源である。コリメートレンズ２２は、光源２０からの光をコリメート、すなわち同軸化して平行にする機能を有する光学素子である。図１では、コリメートされた平行光７０が示されている。平行光７０のビーム径は、測定に必要な光量を有する限度でできるだけ細く絞られたものが好ましい。ミラー２４は、コリメートレンズによって同軸化された平行光７０の光軸の方向を変えて対物光学系である円錐台形状プリズム３０に入射光７２として導く機能を有する反射鏡である。ミラー２４によって、平行光７０は、対物光学系の光軸８０に中心軸が一致する細束光とされる。

円錐台形状プリズム３０は、測定対象物８に向かい合い、対物光学系を構成する光学素子である。円錐台形状プリズム３０は、光軸８０に垂直な平坦部をそれぞれ有する広面積平坦部３２と狭面積平坦部３４と、広面積平坦部３２と狭面積平坦部３４を接続する円錐面３６とを含む円錐台形状のプリズムである。そして、狭面積平坦部３４を有する頂角側を測定対象物８に向け、広面積平坦部側３２から狭面積平坦部側３４を通って測定対象物８に入射光７２を入射し、測定対象物８からの反射光を円錐面３６で受けて検出部である光位置検出センサ６０に導く機能を有する。

円錐面の頂角は、測定対象物８との間隔、あるいは変位の所要分解能等で定めることができる。例えば、対象物との間隔が広い環境で測定を行うときは頂角が大きい方が適しており、変位の分解能をあげるには頂角が小さい方が適している。円錐面の中心軸は、広面積平坦部３２の中心軸、狭面積平坦部３４の中心軸と同じとされ、つまり円錐台形状プリズム３０の光学的中心軸とされる。この円錐台形状プリズム３０の光学的中心軸は図８の光軸８０と一致するように配置される。かかる円錐台形状プリズム３０は、光学用ガラス、光学用プラスチック等の光学材料を加工又は成形して得ることができる。

図１において、変位測定方向は光軸８０方向となるので、測定対象物８が光軸８０に垂直として示されているが、これは、変位測定面が光軸８０と垂直であることを示すためであって、測定対象物８は任意の形状であってよい。いずれにせよ、測定対象物８に対する入射光７２は、光軸８０に垂直な平坦面を有する広面積平坦部側３２から、やはり光軸８０に垂直な平坦面を有する狭面積平坦部側３４を通って入射される。したがって、測定対象物８の測定対象面に対し、垂直に入射光７２が入射される。上記のように、入射光７２は細く絞られているが、狭面積平坦部３４を通って測定対象物８に入射されるので、その
ビーム径は、狭面積平坦部３４の径よりも小さく設定される。

結像レンズ４０は、光軸８０に平行な光線を、光軸８０上にある焦点に集光する機能を有する光学素子であり、例えば凸レンズのような集光レンズを用いることができる。したがって、結像レンズの集光軸は、光軸８０と一致するように設定される。

ピンホール光学素子５０は、小さなピンホールを有する光遮蔽板で、結像レンズ４０の焦点の位置に光軸８０に垂直に置かれる。そして、ちょうど光軸８０がピンホールの中を通過するように配置される。ピンホール光学素子５０は、結像レンズ４０と協働し、測定対象物８から円錐台形状プリズム３０の円錐面を介して戻された反射光のうち、光軸８０に平行でない光を遮蔽し、光軸８０に平行な成分の平行光７４，７６のみピンホールを通過するようにする平行光抽出機能を有する。

図１においては、光７５，７７が、測定対象物８から円錐台形状プリズム３０の円錐面を介して戻された反射光のうち、光軸８０に平行でない戻り光の例として示されている。この光軸８０に平行でない光７５，７７は、結像レンズ４０によって結像されるとき、平行光７４，７６が結像されて結ぶ焦点とは異なるところに焦点を結ぶ。上記のように、ピンホール光学素子５０は、光軸８０がちょうどピンホールの中を通り、そのピンホールのところが結像レンズ４０によって平行光７４，７６が結像する焦点の位置とされる。したがって、光軸８０に平行でない光７５，７７は、結像レンズ４０によって結像されるとき、ピンホール光学素子５０のピンホールを通過することができず、遮蔽され、光位置検出センサ６０の側に向かうことができない。このようにして、ピンホール光学素子５０は、測定対象物８から円錐台形状プリズム３０の円錐面を介して戻された反射光のうち、光軸８０に平行でない戻り光を、ノイズ光として除去する。

かかるピンホール光学素子５０は、光を遮蔽する材質の板材に、適当な貫通穴を設けたものを用いることができる。板材の厚さ及びピンホールの大きさは、光位置検出センサ６０の感度等で定めることができる。

光位置検出センサ６０は、結像レンズ４０、ピンホール光学素子５０と協働して、平行光７４，７６の光軸８０からのオフセット量の変化を検出する機能を有する。光位置検出センサ６０は、結像レンズ４０の焦点に対し結像レンズ４０の反対側に配置され、光点の位置あるいは光像を検出できる光学素子で、市場で一般にＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ：ＰＳＤ）と呼ばれているものを用いることができる。また、２次元配置ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ：ＣＣＤ）等の撮像素子を用いることもできる。光位置検出センサ６０の検出面は、光軸８０に垂直とすることが好ましい。こうすることで、測定対象物８の変位量を、検出面上の移動量として検出することができる。

図２は、光学的変位測定装置１０の光経路の各位置における光像の様子を、図１の各要素の配置に対応する順序で並べて示す図である。なお、以下では、図１と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。また、以下では図１の符号を用いて説明する。光学的変位測定装置１０の光経路の各位置における光像を、光の進む順序で説明すると、図２（ｃ）が入射光７２で、図２（ｄ）が測定対象物８の表面における反射光７３であり、図２（ｂ）が反射光７３のうち光軸８０に平行な成分の平行光７４，７６であり、図２（ａ）が光位置検出センサ６０の位置における光７８，７９である。

入射光７２は、上記で説明したように、円錐台形状プリズム３０の狭面積平坦部３４の平坦部よりも狭く絞られた細束光であるので、図２（ｃ）では、小さい径の光として示されている。

反射光７３は、測定対象物８の表面に垂直に入射された光が反射されるときの光であり、測定対象物８の表面が鏡面であれば、図２（ｃ）と同じような小さい径の光となる。実際には、測定対象物８の表面は鏡面でなく、例えば凹凸、段差等を有するので、図２（ｄ）に示されるように、四方八方に広範囲に散乱する光となる。

平行光７４，７６は、反射光７３の中で光軸８０に平行な光の成分を抜き出して示すもので、仮想的に示した光である。この平行光７４，７６は、円錐台形状プリズム３０の屈折率ｎ、頂角２α、円錐台形状プリズム３０と測定対象物８との間の距離ｄに応じて定まるオフセット量を半径とする円柱状の光の成分である。

すなわち、測定対象物８の表面における反射光７３のうち、光軸８０に対し対称形で所定の角度２βを有する成分の光が、頂角２αと屈折率ｎを有する円錐台形状プリズム３０の円錐面に戻されたときに、光軸８０に平行な平行光７４，７６となる。この所定の角度２βは、頂角２αと屈折率ｎから容易に求めることができる。そして、所定の角度２βを満たす成分の光は、円錐台形状プリズム３０と測定対象物８との間の距離ｄ、すなわち測定対象物８の光軸８０方向の変位量に応じて、円錐台形状プリズム３０の円錐面に交わる位置が異なる。したがって、平行光７４，７６の光軸８０からのオフセット量は、測定対象物８の光軸８０方向の変位量に応じて異なってくる。

その様子を図３に示す。なお、図３においては、図１における入射光学系を省略してある。また、図１，２と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。また、以下では図１，２の符号を用いて説明する。

図３では、測定対象物８を標準的位置とし、その標準的位置の前後に変位した状態を測定対象物７，９として示されている。例えば、測定対象物８が光軸８０に沿って円錐台形状プリズム３０の側に近づく方向に変位した状態が測定対象物７として示されている。この状態における測定対象物７の表面において上記の角度２βを満たす光が円錐台形状プリズム３０の円錐面３６と交わる位置は、測定対象物８において上記の角度２βを満たす光が円錐台形状プリズム３０の円錐面３６と交わる位置よりも、光軸８０に近い。したがって、測定対象物７の表面で角度２βを満たす光が屈折率ｎの円錐台形状プリズム３０において頂角２αを有する円錐面３６において屈折して光軸８０に平行な光となるとき、その平行光の光軸８０からのオフセット量は、測定対象物８における場合の平行光７４，７６の光軸８０からのオフセット量よりも小さくなる。

同様に、図３では、測定対象物８が光軸８０に沿って円錐台形状プリズム３０の側から遠ざかる方向に変位した状態が測定対象物９として示されている。この状態における測定対象物９の表面において上記の角度２βを満たす光が円錐台形状プリズム３０の円錐面３６と交わる位置は、測定対象物８において上記の角度２βを満たす光が円錐台形状プリズム３０の円錐面３６と交わる位置よりも、光軸８０から遠くなる。したがって、測定対象物９の表面で角度２βを満たす光が屈折率ｎの円錐台形状プリズム３０において頂角２αを有する円錐面３６において屈折して光軸８０に平行な光となるとき、その平行光の光軸８０からのオフセット量は、測定対象物８における場合の平行光７４，７６の光軸８０からのオフセット量よりも大きくなる。

このように、円錐台形状プリズム３０の光学的性質を用いると、円錐台形状プリズム３０の中心から測定対象物８に光を入射し、測定対象物８の表面で散乱された光のうち、円錐台形状プリズム３０の円錐面３６において平行な光に戻された平行光７４，７６の光軸８０からのオフセット量は、測定対象物８の光軸８０方向の変位量に応じて異なってくることになる。

再び図２に戻り、図２（ａ）の光位置検出センサ６０の位置における光７８，７９は、上記の平行光７４，７６が結像レンズ４０によって焦点を結び、再び円錐状の光として広がる場合の光である。具体的には、光位置検出センサ６０の位置における光軸８０に垂直な面上の円錐状の光の像であり、図２（ａ）に示されるように、円錐状の光の底面に相当する円環状光である。光位置検出センサ６０は、円錐状の光の位置の変化をカバーできる範囲で設けられる。図２（ａ）では、円錐状の光の像である円環状光のうち、光位置検出センサ６０の部分を光７８として示されている。その他の光７９は、光位置検出センサ６０によって検出されず、空間に放散される。

ここで、測定対象物８の変位と、光位置検出センサ６０の上の光像の位置との関係を説明する。再び図３を用いると、標準的位置の測定対象物８による平行光７４，７６は結像レンズ４０によって焦点が結ばれ、再び円錐状の光７８，７９として光位置検出センサ６０の側に広がる。

ここで、標準的位置よりも円錐台形状プリズム３０に近づく方向に変位した測定対象物７による平行光は、上記のように、光軸８０からのオフセット量が、標準的位置の測定対象物８による平行光７４，７６のオフセット量よりも小さい。したがって、結像レンズ４０によって焦点が結ばれ、再び広がるときの円錐状光の頂角は、標準的位置の場合の円錐状の光７８，７９の頂角よりも小さくなる。これにより、光位置検出センサ６０における光像の位置は、光軸８０に近い側となる。

同様に、標準的位置よりも円錐台形状プリズム３０から遠ざかる方向に変位した測定対象物９による平行光は、上記のように、光軸８０からのオフセット量が、標準的位置の測定対象物８による平行光７４，７６のオフセット量よりも大きい。したがって、結像レンズ４０によって焦点が結ばれ、再び広がるときの円錐状光の頂角は、標準的位置の場合の円錐状の光７８，７９の頂角よりも大きくなる。これにより、光位置検出センサ６０における光像の位置は、光軸８０に遠い側となる。

このようにして、円錐台形状プリズム３０の光学的性質を用いて、測定対象物８の光軸８０方向の変位量に応じて異なってくる平行光の光軸からのオフセット量は、結像レンズ４０とピンホール光学素子５０を用いることで、光位置検出センサ６０における光像の位置の光軸８０からの変化量に変換される。これにより、光位置検出センサ６０において、測定対象物８の変位を測定することができる。

以下では、いくつかの変形例を図４から図１２を用いて説明する。なお、以下では、図１から図３と同様の要素には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。また、以下では図１から図３の符号を用いて説明する。

上記では、入射光学系として、ミラー２４を用いて光の方向を変換して測定対象物８に細束光である入射光７２を入射するものとした。図４に示す光学的変位測定装置１２は、入射光学系にミラーを用いず、光源２０からコリメートレンズ２２によってコリメートされた細束光をそのまままっすぐに入射光７２として、円錐台形状プリズム３０に与える構成を有する。この場合には、測定対象物８から円錐台形状プリズム３０を介して戻される光が、ミラー８９を用いて光路の方向が変換され、結像レンズ４０、ピンホール光学素子５０、光位置検出センサ６０に導かれる。

このような構成とすることで、熱源でもある光源２０を測定対象物８から離すことができ、レーザ光源等の発熱による測定対象物８の変形等の影響を抑制することができる。

上記では、入射光７２は、円錐台形状プリズムの材料、例えば、光学的ガラス材料を通過するものとして説明したが、図５に示す光学的変位測定装置１３は、入射光７２の通過する部分をくりぬいて中空の貫通穴３８とした円錐台形状プリズム３１を用いる例である。貫通穴３８の径は、入射光７２の径より大きく、狭面積平坦部３４の径と同じまたはそれ以下に設定される。

このような構成とすることで、入射光７２の損失と、円錐台形状プリズム３１の内部における反射を抑制することができる。

上記では、ピンホール光学素子５０のピンホールからの円錐状の光の一部を光位置検出センサで受け止めるものとして説明したが、図６に示す光学的変位測定装置１４は、ピンホール光学素子５０からの円錐状の光７８，７９を全面的に受け止める光位置検出センサ６１を備える。場合によっては、円錐状の光７８，７９を全面的に受け止めるのではなく、少なくとも、光軸８０に対し、両側で円錐状の光７８，７９をそれぞれ受け止めるものとしてもよい。すなわち、光位置検出センサ６１を、２つの部分から構成されるものとできる。

このような構成とすることで、例えば、測定対象物８の部分的な反射ムラにより、円錐状の光の一部の光量が少ないときでも、光量が多い領域の測定で、測定対象物８の変位を精度よく測定することが可能となる。

図７に示す光学的変位測定装置１５は、入射光学系にミラーを用いず、これに代えて、
偏向ビームスプリッタ２６と、四分の一波長板２８とを含む構成を有する。

偏向ビームスプリッタ２６は、光源２０からコリメートレンズ２２を経由して同軸化された平行光を受け、この平行光のＳ偏光成分の光の方向を９０度変えて、測定対象物８の側、すなわち円錐台形状プリズム３０側に向かわせる入射光８２とする機能を有する光学部品である。かかる偏向ビームスプリッタ２６は、図７に示すように、半透膜を間にはさんだ２つの直角プリズムで構成することができる。この場合半透膜の傾きは、入射光８２の光軸方向に対し４５度に設定される。

四分の一波長板２８は、Ｓ偏光成分の光を入射するときはこれを円偏光の光に変換し、円偏光の光を入射するときはＳ偏光成分の光と９０度の位相差を有するＰ偏光成分の光に変換する光学素子である。かかる四分の一波長板２８は、周知の複屈折性材料のフィルム等を、入射光８２の光軸方向に対し所定の光軸傾きで配置して構成することができる。

そして、図７においても図１と同様に、円錐台形状プリズム３０の中心光軸は、結像レンズ４０の集光軸と同軸とされ、偏向ビームスプリッタ２６の中心光軸も円錐台形状プリズム３０の中心光軸上にくるように配置される。

このような構成の光学的変位測定装置１５の作用を説明する。光源２０からのレーザ光はコリメートレンズ２２により平行光となり、円錐台形状プリズム３０の中心光軸に対し９０度をなす角度で偏向ビームスプリッタ２６に供給される。この光は偏向ビームスプリッタ２６で９０度曲げられ、四分の一波長板２８を経て円偏向の光としての入射光８２となる。入射光８２は、円錐台形状プリズム３０の狭面積平坦部から測定対象物８に入射され、測定対象物８から反射して円錐台形状プリズム３０の円錐面で曲げられる。図７では、入射光８２に平行な成分の平行光８４，８６が示されている。

円錐台形状プリズム３０から戻された平行光８４，８６等は、四分の一波長板２８により円偏向の光からＰ偏向の光に変換され、偏向ビームスプリッタ２６をそのまま中心光軸に沿って直進し、結像レンズ４０に導かれる。

なお、０次反射光９０を光位置検出センサ６１の検出結果に影響を与えぬように、光位置検出センサ６１は、０次反射光９０の光経路を通過させる構成とされる。例えば、光位置検出センサ６１の中心部に中空の貫通穴を設け、０次反射光を通過させるものとできる。光位置検出センサ６１を２つの部分に分割し、その間に０次反射光９０を通過させるものとしてもよい。あるいは、光位置検出センサ６１を図１の構成のように、円錐光の一部を検出する構成とし、０次反射光９０と光位置検出センサとの干渉を避けるものとしてもよい。

このように、偏向ビームスプリッタ２６と四分の一波長板２８とは、入射光学系としては、光源２０、コリメートレンズ２２からの光の光軸の方向を変えて円錐台形状プリズム３０に導く機能を有し、また、円錐台形状プリズム３０を通過する戻り光を結像レンズ４０の側に導く機能を有する。

上記構成によれば、入射光学系にミラーを用いずに偏向ビームスプリッタ２６と四分の一波長板２８とを配置するので、測定対象物８が対物光学系に近い場合に、ミラーと戻り光との干渉を抑制することができる。

図８に示す光学的変位測定装置１６は、光源２０とコリメートレンズ２２からの入射光７２の光軸を、円錐台形状プリズム３０の中心光軸に合わせた構成において、図７で説明した偏向ビームスプリッタ２６と四分の一波長板２８とを用いる例である。

このような構成とすることで、熱源でもある光源２０を測定対象物８から離すことができ、レーザ光源等の発熱による測定対象物８の変形等の影響を抑制することができ、また、ミラーを用いないので、ミラーと戻り光との干渉を抑制することができる。

図９に示す光学的変位測定装置１７は、図８の構成において光位置検出センサ６０が０次反射光９０に対し片側に配置されているものを改善する構成の例である。すなわち、ここでは、０次反射光９０の影響を避けながら、広い範囲で円錐形状の検出光を受け止める光位置検出センサ６１が用いられる。すなわち、図６で説明したと同様に、例えば、光位置検出センサ６１の中心部に中空の貫通穴を設け、０次反射光を通過させるものとできる。また、光位置検出センサ６１を２つの部分に分割し、その間に０次反射光９０を通過させるものとしてもよい。

このような構成とすることで、熱源でもある光源２０を測定対象物８から離すことができるので、レーザ光源等の発熱による測定対象物８の変形等の影響を抑制することができ、また、ミラーを用いないので、ミラーと戻り光との干渉を抑制することができ、さらに、例えば、測定対象物８の部分的な反射ムラにより、円錐状の光の一部の光量が少ないときでも、光量が多い領域の測定で、測定対象物８の変位を精度よく測定することが可能となる。

上記では、光位置検出センサの検出面が光軸８０に対して垂直であるとして説明した。図１０に示す光学的変位測定装置１８は、光位置検出センサ６２の検出面が光軸８０に対して平行とする構成例である。なお、図１０では、結像レンズ４０以後の光経路に関する部分のみが図示されている。ここでは、検出光学系として、ピンホール光学素子５０を通過後の検出光を光軸８０に平行な円柱状の平行光９４，９６に戻す復元レンズ５２と、頂角側を光位置検出センサ６２に向ける円錐形状の光学素子であって、復元レンズ５２によって戻された光軸８０に平行な円柱状の平行光９４，９６を再び集光させる円錐形状プリズム５４とを含む。

かかる構成の作用について図１１を用いて説明する。図１１は、光学的変位測定装置１８の光経路の各位置における光像の様子を、図１０の各要素の配置に対応する順序で並べて示す図である。以下では図１０の符号を用いて説明する。光学的変位測定装置１８の光経路の各位置における光像を、光の進む順序で説明すると、図１１（ｄ）は、測定対象物８の表面における反射光７３とその中の光軸８０に平行な成分である平行光７４，７６であり、図１１（ｃ）は、ピンホール光学素子５０の焦点に結像した光９２であり、図１１（ｂ）は、ピンホール光学素子５０を通過した円錐状の光が復元レンズ５２によって光軸８０に平行とされた平行光９４，９６であり、図１１（ａ）は、平行光９４，９６が円錐形状プリズム５４によって再び集光された円錐状の光９５，９７である。

円錐形状プリズム５４によって集光された円錐状の光９５，９７は、光位置検出センサ６２側に頂点を有し、光軸８０に平行な中心軸を有する。したがって、その頂点に、円錐状の光９５，９７の全光量が集中することになる。そして、この円錐状の光９５，９７の頂点がちょうど光位置検出センサ６２の検出面上に来るように、光位置検出センサ６２の検出面が光軸８０に平行に配置される。この構成により、測定対象物８からの戻り光のうち、光軸８０に平行な成分の平行光７４，７６の全光量の約１／２を光位置検出センサ６２で受け止めることができる。これにより、検出感度の向上を図ることができ、あるいは、入射光のパワーを小さくすることができる。

図１２に示す光学的変位測定装置１９は、図１１で説明した光学的変位測定装置１８において光位置検出センサ６２が１つで、円錐状の光９５，９７の光量の約１／２を受け止めるものであったものを、２つの光位置検出センサ６２，６３を設けた構成を有する。そのために、復元レンズ５２の後に、三角プリズム５６を設け、復元レンズ５２によって平行な円柱状の平行光９４，９６を２分し、それぞれを円錐形状プリズム５４，５５に導く。円錐形状プリズム５４，５５は、図１１で説明したと同様に、平行光を円錐状の光に集光し、それぞれ光位置検出センサ６２，６３の検出面に円錐状の光の頂点が来るように集光する。

したがって、結像レンズ４０、ピンホール光学素子５０、復元レンズ５２に共通の光軸８０と、２つの円錐形状プリズム５４，５５の中心光軸８１とは、直交し、ちょうど三角プリズム５６の頂点で交わるように設定される。三角プリズム５６は、それぞれの反射面がこの光軸８０と中心光軸８１と等角をなすように配置される。すなわち、復元レンズ５２によって復元された平行な光は、三角プリズム５６によって、それぞれ反対向きに９０度の方向に反射されて、円錐形状プリズム５４，５５に導かれる。

この構成により、例えば、測定対象物８の部分的な反射ムラにより、円錐状の光の一部の光量が少ないときでも、２つの光位置検出センサ６２，６３の光量の多い方の測定で、測定対象物８の変位を精度よく測定することが可能となる。

上記において、対物光学系としては円錐台形状プリズムを用いるものとして説明した。円錐台形状プリズムは、光軸に対し軸対称形を有する。しかし、これを光軸の一方側のみの形状としても、測定対象物の変位測定に関し、ほぼ同様の効果とすることができる。

図１３は、対物光学系として、円錐台形状プリズムを実質的に半分の形状とした半円錐台形状プリズムを用いる光学的変位測定装置１１０の構成を示す図である。以下では、図１から図１２と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。また、以下では、図１から図１２の符号を用いて説明する。

図１３に示される光学的変位測定装置１１０は、円錐台形状プリズムを実質的に半分の形状とした半円錐台形状プリズム１２０を用いる。その他の構成は、図１で説明した光学的変位測定装置１０と同様である。図１４は、半円錐台形状プリズム１２０の詳細図である。半円錐台形状プリズム１２０は、光軸８０に垂直な平坦部をそれぞれ有する広面積平坦部１２２と狭面積平坦部１２４と、広面積平坦部１２２と狭面積平坦部１２４を接続する円錐面１２６とを含む円錐台形状プリズムを円柱状にカットしたものである。

ここで、半円錐台形状プリズム１２０における狭面積平坦部１２４の中心軸は、光軸８０である。この光軸８０に対し、広面積平坦部１２２の円柱の中心軸１２３がずらされて配置される。なお、円錐面１２６は、光軸８０を中心軸とする円錐面の一部である。また、狭面積平坦部１２４の側が測定対象物８に向けられ、広面積平坦部１２２の側から狭面積平坦部１２４の側を通って測定対象物８に光が入射され、測定対象物８からの反射光は、円錐面１２６で受け止められて、半円錐台形状プリズム１２０を経由した光が、光位置検出センサ６０の側に導かれる。

この構成において、狭面積平坦部１２４の平坦部面積よりも小さい光束断面積の細いビームが測定対象物８の表面に垂直に入射することは、図１で説明した円錐台形状プリズムと同じである。したがって、入射される光の当る部位が測定対象物８の変位に応じて異なることを抑制でき、高精度の変位測定が可能となる。

さらに、上記のように、測定対象物８に入射する入射光の光軸８０が、円柱の中心軸１２３からずれているので、半円錐台形状プリズム１２０と図１で説明した円錐台形状プリズム３０の形状が同じような寸法であれば、半円錐台形状プリズム１２０の方が、入射光７２と検出光である平行光７６との間の角度が大きくとれる。したがって、円錐台形状プリズム３０を用いる場合に比較し、変位の分解能の向上が図れる。これにより、光学的変位測定装置１１０の小型化を図ることができる。図１３においては、光学的変位測定装置１１０の筐体１１２の輪郭を示したが、特に、対物光学系の部分を細くでき、小型化を図ることができる。

図１３においては、半円錐台形状プリズム１２０を用いる光学的変位測定装置１１０を説明したが、半円錐台形状プリズム１２０に代えて、図１５に示す円柱台形状プリズム１３０を用いることもできる。以下では、図１から図１４と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。また、以下では、図１から図１４の符号を用いて説明する。

円柱台形状プリズム１３０は、光軸８０に垂直な平坦部をそれぞれ有する広面積平坦部１３２と狭面積平坦部１３４と、広面積平坦部１３２と狭面積平坦部１３４を接続する傾斜面１３６とを含んで構成される。ここで、狭面積平坦部１３４の中心軸は、光軸８０である。この光軸８０に対し、広面積平坦部１２２の円柱の中心軸１３３がずらされて配置される。そして、狭面積平坦部１３４の側が測定対象物８に向けられ、広面積平坦部１３２の側から狭面積平坦部１３４の側を通って測定対象物８に光が入射され、測定対象物８からの反射光が傾斜面１３６で受け止められ、円柱台形状プリズム１３０を経由した光が、光位置検出センサ６０の側に導かれる。

上記構成によっても、図１３、図１４で説明したと同様の効果を奏することができる。すなわち、入射される光の当る部位が測定対象物８の変位に応じて異なることを抑制でき、高精度の変位測定が可能となり、また、入射光と検出光との間の角度が大きくとれる。したがって、円錐台形状プリズム３０を用いる場合に比較し、変位の分解能の向上が図れる。これにより、光学的変位測定装置の小型化を図ることができる。

図１３、図１４の例では、入射光と検出光との間が広くとれるが、いずれも入射光は、対物光学系の狭面積平坦部を経由して測定対象物８に入射される。ここで、既に図５で説明したように、入射光は、対物光学系の材料を経由する必要は必ずしもなく、むしろ、経由しない方が光学的損失を抑制することができる。以下では、図１から図１５と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。また、以下では図１から図１５の符号を用いて説明する。

図１６は、対物光学系として三角プリズム１４２を用いる光学的変位測定装置１４０の構成図である。ここで、三角プリズム１４２は、測定対象物８に光を入射する光軸８０に垂直な平坦面と、平坦面に対し傾斜する傾斜面とを有する。そして、三角プリズム１４２の傾斜面側が測定対象物８に向けられ、三角プリズム１４２を通さずに測定対象物８に入射光７２が入射され、測定対象物８からの反射光が傾斜面で受け止められ、三角プリズム１４２を経由した光１４６が、光位置検出センサ６０の側に導かれる。なお、光１４６の光軸８０に平行な光束の断面形状は、図１６丸印で拡大して示すように矩形形状となる。

上記構成によっても、図１３から図１５で説明したと同様の効果を奏することができる。すなわち、入射される光の当る部位が測定対象物８の変位に応じて異なることを抑制でき、高精度の変位測定が可能となり、また、入射光と検出光との間の角度が大きくとれる。したがって、円錐台形状プリズム３０を用いる場合に比較し、変位の分解能の向上が図れる。これにより、光学的変位測定装置の小型化を図ることができる。また、入射光が対物光学系の材料を通らないので、入射光の損失を抑制できる。

本発明に係る実施の形態における光学的変位測定装置の構成を示す図である。 本発明に係る実施の形態において、光学的変位測定装置の光経路の各位置における光像の様子を示す図である。 本発明に係る実施の形態において、測定対象物の変位によって光経路が異なる様子を説明する図である。 第２実施例の構成を説明する図である。 第３実施例の構成を説明する図である。 第４実施例の構成を説明する図である。 第５実施例の構成を説明する図である。 第６実施例の構成を説明する図である。 第７実施例の構成を説明する図である。 第８実施例の構成を説明する図である。 図１０の構成において光学的変位測定装置の光経路の各位置における光像の様子を示す図である。 第９実施例の構成を説明する図である。 第１０実施例の構成を説明する図である。 図１３における半円錐台形状プリズムの詳細図である。 第１１実施例の構成を説明する図である。 第１２実施例の構成を説明する図である。

符号の説明

７，８，９ 測定対象物、１０，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８，１９，１１０，１４０ 光学的変位測定装置、２０ 光源、２２ コリメートレンズ、２４，８９ ミラー、２６ 偏向ビームスプリッタ、２８ 四分の一波長板、３０，３１ 円錐台形状プリズム、３８ 貫通穴、３２，１２２，１３２ 広面積平坦部、３４，１２４，１３４ 狭面積平坦部、３６，１２６ 円錐面、４０ 結像レンズ、５０ ピンホール光学素子、５２ 復元レンズ、５４，５５ 円錐形状プリズム、５６，１４２ 三角プリズム、６０，６１，６２，６３，６４ 光位置検出センサ、７０，７４，７６，８４，８６，９４，９６ 平行光、７８，７９ （光位置検出センサのところにおける）光、７２，８２ 入射光、７３ 反射光、７５，７７ （平行光でない）光、８０ 光軸、８１ 中心光軸、９０ ０次反射光、９２ （焦点の）光、９５，９７ 円錐状の光、１１２ 筐体、１２０ 半円錐台形状プリズム、１２３，１３３ 中心軸、１３０ 円柱台形状プリズム、１３６ 傾斜面、１４６ 光。

Claims (8)

1. 光源からの光を、対物光学系を介して測定対象物に入射し、測定対象物からの反射光を検出部で検出して、対物光学系と測定対象物との間の変位を測定する光学的変位測定装置において、
   対物光学系は、光軸に垂直な平坦部をそれぞれ有する広面積平坦部と狭面積平坦部と、広面積平坦部と狭面積平坦部を接続する円錐面とを含む円錐台形状プリズムであって、狭面積平坦部を有する頂角側を測定対象物に向け、広面積平坦部側から狭面積平坦部側を通って測定対象物に光を入射し、測定対象物からの反射光を円錐面で受けて検出部に導く円錐台形状プリズムであることを特徴とする光学的変位測定装置。
2. 請求項１に記載の光学的変位測定装置において、
   円錐台形状プリズムは、中心部に光源からの光を通す中空穴を有することを特徴とする光学的変位測定装置。
3. 光源からの光を、対物光学系を介して測定対象物に入射し、測定対象物からの反射光を検出部で検出して、対物光学系と測定対象物との間の変位を測定する光学的変位測定装置において、
   対物光学系は、光軸に垂直な平坦部をそれぞれ有する広面積平坦部と狭面積平坦部と、広面積平坦部と狭面積平坦部を接続する円錐面とを含む円錐台形状プリズムを円柱状にカットし、円柱の中心軸から狭面積平坦部の中心軸をずらして配置される形状を有する半円錐台形状プリズムであって、狭面積平坦部側を測定対象物に向け、広面積平坦部側から狭面積平坦部側を通って測定対象物に光を入射し、測定対象物からの反射光を円錐面で受けて検出部に導く半円錐台形状プリズムであることを特徴とする光学的変位測定装置。
4. 光源からの光を、対物光学系を介して測定対象物に入射し、測定対象物からの反射光を検出部で検出して、対物光学系と測定対象物との間の変位を測定する光学的変位測定装置において、
   対物光学系は、光軸に垂直な平坦部をそれぞれ有する広面積平坦部と狭面積平坦部と、広面積平坦部と狭面積平坦部を接続する傾斜面とを含む円柱台形状プリズムであって、狭面積平坦部側を測定対象物に向け、広面積平坦部側から狭面積平坦部側を通って測定対象物に光を入射し、測定対象物からの反射光を傾斜面で受けて検出部に導く円柱台形状プリズムであることを特徴とする光学的変位測定装置。
5. 光源からの光を、対物光学系を介して測定対象物に入射し、測定対象物からの反射光を検出部で検出して、対物光学系と測定対象物との間の変位を測定する光学的変位測定装置において、
   対物光学系は、測定対象物に光を入射する光軸に垂直な平坦面と、平坦面に対し傾斜する傾斜面とを有する三角プリズムであって、傾斜面側を測定対象物に向け、三角プリズムを通さずに測定対象物に光を入射し、測定対象物からの反射光を傾斜面で受けて検出部に導く三角プリズムであることを特徴とする光学的変位測定装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１に記載の光学的変位測定装置において、
   光源からの光の光軸の方向を変えて対物光学系に導く偏向ビームスプリッタと、
   四分の一波長板と、
   を含む入射光学系を備えることを特徴とする光学的変位測定装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１に記載の光学的変位測定装置において、
   対物光学系と検出部との間に設けられる結像レンズと、
   結像レンズと検出部との間であって、結像レンズの焦点位置に配置されるピンホール光学素子と、
   を備えることを特徴とする光学的変位測定装置。
8. 請求項７に記載の光学的変位測定装置において、
   ピンホール光学素子を通過後の検出光を光軸に平行な円柱状の光に戻す復元レンズと、
   頂角側を検出部に向ける円錐形状プリズムであって、復元レンズによって戻された光軸に平行な円柱状の光を再び集光させる円錐形状プリズムと、
   を含む検出光学系を備えることを特徴とする光学的変位測定装置。

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