JP2017138251A - クロマティック共焦点センサ及び測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】容易に精度よく測定光を測定ポイントに照射することが可能なクロマティック共焦点センサ、及び測定方法を提供すること。
【解決手段】本クロマティック共焦点センサは、第１の光源と、第２の光源と、光学ヘッドと、位置算出部と、切替部とを具備する。前記第１の光源は、各々波長の異なる複数の光を含む測定光を出射する。前記第２の光源は、所定の波長を有する可視光を出射する。前記光学ヘッドは、入射する光を波長に応じた合焦位置に収束させ、当該合焦位置にて被測定物により反射された反射光を出力する。前記位置算出部は、前記光学ヘッドにより出力された前記反射光をもとに、前記被測定物の位置を算出する。前記切替部は、前記測定光のみが前記光学ヘッドに入射する第１の動作と、少なくとも前記可視光が前記光学ヘッドに入射する第２の動作とを選択的に切替える。
【選択図】図２

Description

本発明は、クロマティック共焦点センサ及びこれを用いた測定方法に関する。

従来、被測定物の高さ等を測定するために、クロマティック共焦点の技術が用いられている。例えば特許文献１には、その図１に示すように、クロマティックコンフォーカル変位計（以下クロマティックセンサと記載する）について開示されている。このクロマティックセンサでは、ワークの高さ（変位）に応じて、ワークに合焦する色が１対１で変わる。当該ワークに合焦する色の光を抽出し、色（光波長）を特定することで、色と１対１であるワークの高さが測定される（特許文献１の明細書段落［０００２］［０００３］等）。

特許文献２に記載のクロマティックポイントセンサシステムでは、その図１に示すように、光源と、これに接続された第１光路及び第２の光路とが備えられる。共焦点系の光路である第１光路を用いることで、距離依存性及び距離非依存性の各々の成分を含む第１出力スペクトルプロファイルが取得される。もう一方の第２光路を用いることで、距離非依存性の成分を含む（距離依存性の成分を含まない）第２出力スペクトルプロファイルが取得される。第２出力スペクトルプロファイルをもとに、第１の出力スペクトルプロファイルを補正することで、測定条件の変更に起因する測定誤差、特にワーク特有の分光反射特性に起因する測定誤差の補正することが可能となる（特許文献２の段落［０００９］［００１３］［００２９］−［００３２］等）。

特開２０１１−３９０２６号公報 特開２０１３−１３０５８１号公報

クロマティックセンサを使用する場合には、被測定物上の測定対象となるポイントに、正確に測定光を照射することが求められる。例えば被測定物が透明材料からなる部材等の場合には、測定光の照射スポットを視認することが難しい場合がある。この場合、測定光を精度よく測定ポイントに照射することが難しくなってしまう。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、容易に精度よく測定光を測定ポイントに照射することが可能なクロマティック共焦点センサ、及び測定方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るクロマティック共焦点センサは、第１の光源と、第２の光源と、光学ヘッドと、位置算出部と、切替部とを具備する。
前記第１の光源は、各々波長の異なる複数の光を含む測定光を出射する。
前記第２の光源は、所定の波長を有する可視光を出射する。
前記光学ヘッドは、入射する光を波長に応じた合焦位置に収束させ、当該合焦位置にて被測定物により反射された反射光を出力する。
前記位置算出部は、前記光学ヘッドにより出力された前記反射光をもとに、前記被測定物の位置を算出する。
前記切替部は、前記測定光のみが前記光学ヘッドに入射する第１の動作と、少なくとも前記可視光が前記光学ヘッドに入射する第２の動作とを選択的に切替える。

このクロマティック共焦点センサでは、測定光を出射する第１の光源と、可視光を出射する第２の光源とが備えられる。光学ヘッドから被測定物に向けて測定光が照射される第１の動作時の照射スポットの位置と、可視光が照射される第２の動作時の照射スポットの位置は互いに同一となる。従って視認が容易な可視光の照射スポットの位置を測定ポイントに合わせることで、容易に精度よく測定光を測定ポイントに照射することが可能となる。

前記第２の光源は、レーザ光源又はＬＥＤ（Light Emitting Diode）光源であってもよい。
これにより照射スポットの位置合わせを容易に精度よく実行することができる。

前記可視光は、赤色光、青色光、又は緑色光であってもよい。
これにより照射スポットの位置合わせを容易に精度よく実行することができる。

前記切替部は、前記第１の光源から出射される前記測定光、及び前記第２の光源から出射される前記可視光の各々を、前記光学ヘッドに導く光ファイバ部と、前記第１及び前記第２の光源の各々の駆動を制御する光源制御部とを有してもよい。
ファイバスプリッタを用いることで前記光学ヘッドへの測定光及び可視光の出射の切替えを容易に行うことが可能となる。

前記位置算出部は、分光器と、信号処理・制御部とを有してもよい。
前記分光器は、前記光学ヘッドにより出力された前記反射光を回折する回折格子と、前記回折格子により回折された回折光を受光するセンサとを有する。
前記信号処理・制御部は、前記センサにより受光される前記回折光の受光位置をもとに、前記被測定物の位置を算出する。
分光器及び信号処理・制御部により、精度よく被測定物の位置を算出することができる。

前記切替部は、前記第１及び前記第２の動作を、１／１０秒以下の時間毎に切替えてもよい。
これにより照射スポットの位置を確認しながら位置測定を行うことが可能となる。

前記位置算出部は、前記第２の動作の選択時に、前記可視光が前記合焦位置にて校正用の被測定物により反射された前記反射光をもとに、前記位置の算出に用いられる補正値を生成してもよい。
これにより高い精度で被測定物の位置を算出することが可能となる。

前記信号処理・制御部は、前記校正用の被測定物により反射された前記反射光が前記回折格子により回折された前記回折光の受光位置をもとに、前記補正値を生成してもよい。
これにより容易に補正値を算出することが可能となる。

本発明の一形態に係る測定方法は、光学ヘッドに所定の波長を有する可視光を入射することを含む。
前記光学ヘッドから被測定物に向けて出射される前記可視光の照射スポットの位置が、前記被測定物上の測定ポイント上に移動される。
各々波長の異なる複数の光を含む測定光が前記光学ヘッドに入射される。
前記光学ヘッドにより、前記複数の光の各々が互いに異なる合焦位置に収束され、前記合焦位置にて前記被測定物により反射された反射光が出力される。
前記光学ヘッドにより出力された前記反射光をもとに、前記被測定物の位置が算出される。

前記測定方法は、さらに、前記光学ヘッドから校正用の被測定物に向けて前記可視光を出射すること、及び前記光学ヘッドにより出力された前記合焦位置にて前記校正用の被測定物により反射された前記反射光をもとに、前記位置の算出に用いられる補正値を生成することを含んでもよい。

以上のように、本発明によれば、容易に精度よく測定光を測定ポイントに照射することが可能となる。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。

本発明の一実施形態に係る非接触測定システムの構成例を模式的に示すブロック図である。 図１に示すクロマティックセンサの構成例を示す概略図である。 制御部による被測定物の位置の算出例を示すチャートである。 非接触システムによる測定動作の一例を示すフローチャートである。 測定用光源及びガイド光源の切替駆動の一例を示す図である。 ガイド光を利用した補正値の生成を説明するための概略図である。

以下、本発明に係る実施形態を、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る非接触測定システムの構成例を模式的に示すブロック図である。非接触測定システム１００は、ステージ１１０と、移動機構１２０と、クロマティック共焦点センサ（以下、単にクロマティックセンサと記載する）１３０と、ＰＣ（Personal Computer）１４０とを有する。ステージ１１０上の所定の位置に、被測定物Ｏが載置される。

移動機構１２０は、クロマティックセンサ１３０を移動させるセンサ移動機構１２０ａと、ステージ１１０を移動させるステージ移動機構１２０ｂとを有する。センサ移動機構１２０ａ及びステージ移動機構１２０ｂを駆動することで、３次元方向において、被測定物Ｏに対するクロマティックセンサ１３０の相対的な位置を移動させることができる。

本実施形態では、センサ移動機構１２０ａにより、クロマティックセンサ１３０の光学ヘッド１０（図２参照）が移動される。これに代えて、光学ヘッド１０、コントローラ２０、及び光ファイバ部３０を含むクロマティックセンサ１３０の全体が、一体的に移動されてもよい。移動機構１２０の具体的な構成は限定されず、任意に設計されてよい。

ＰＣ１４０は、任意の接続形態により、移動機構１２０及びクロマティックセンサ１３０の各々に接続される。ＰＣ１４０は、移動機構１２０及びクロマティックセンサ１３０の各々の駆動を制御することが可能である。例えば被測定物Ｏ上に複数の測定ポイントが設定される場合には、各測定ポイントを測定するための複数の座標値が、ＰＣ１４０に入力される。ＰＣ１４０は、入力された座標値をもとに、クロマティックセンサ１３０の位置を自動的に移動させる。

オペレータがＰＣ１４０を操作して、移動機構１２０及びクロマティックセンサ１３０の各々の駆動を制御することも可能である。例えばオペレータにより、クロマティックセンサ１３０の測定位置を調整することが可能である。

図１では図示を省略しているが、本非接触システム１００では、ステージ１１０上の被測定物Ｏを撮影可能なカメラが設けられている。当該カメラにより撮影された画像をＰＣ１４０のディスプレイに表示された画像を見ながら測定位置の位置合わせ等が行われる。なおカメラが設けられる場合に限定されず、被測定物Ｏを肉眼で目視しながら位置合わせが行われてもよい。

ＰＣ１４０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等のコンピュータの構成に必要なハードウェアを有する。またＰＣ１４０による制御は、例えばＣＰＵが、ＲＯＭやＨＤＤ等に記憶された所定のプログラムを、ＲＡＭにロードして実行することにより実現される。プログラムは、任意の方法でＰＣにインストールされてよい。

図２は、クロマティックセンサ１３０の構成例を示す概略図である。クロマティックセンサ１３０は、光学ヘッド１０と、コントローラ２０と、光ファイバ部３０とを有する。コントローラ２０は、光源部４０と、分光器５０と、信号処理・制御部（以下、単に制御部と記載する）６０とを有する。

図２に示すように、光源部４０は、測定光を出射する測定用光源４１と、ガイド光を出射するガイド光源４２とを有する。本実施形態では、測定用光源４１として白色ＬＥＤ光源が用いられる。従って測定用光源４１からは、青色波長域から赤色波長域までの各々波長の異なる複数の可視光を含む白色光Ｗが、測定光として出射される。

測定用光源４１は、本実施形態において、第１の光源に相当する。また複数の可視光は、各々波長の異なる複数の光に相当する。なおＬＥＤ光源に代えて、水銀ランプ等の他の白色光源が用いられてもよい。

ガイド光源４２としては、赤色レーザ光ＬＲを出射する赤色レーザ光源が用いられる。ガイド光源４２は、本実施形態において、第２の光源に相当する。またガイド光として用いられる赤色レーザ光ＬＲは、所定の波長を有する可視光に相当する。なおガイド光の色は限定されず、青色光や緑色光等の他の単色光が用いられてもよい。またガイド光源４２として、ＬＥＤ光源等の他の固体光源が用いられてもよい。

光ファイバ部３０は、複数の光ファイバ３１と、複数のファイバスプリッタ３２とを有する。本実施形態では、ファイバスプリッタ３２ａ及び３２ｂと、光学ヘッド１０に接続される光ファイバ３１ａと、分光器５０に接続される光ファイバ３１ｂとが用いられる。またファイバスプリッタ３２ａ及び３２ｂを接続する光ファイバ３１ｃと、測定用光源４１に接続される光ファイバ３１ｄと、ガイド光源４２に接続される光ファイバ３１ｅとが用いられる。

図２に示すように、ファイバスプリッタ３２ａは、光ファイバ３１ａから導入された光を分岐して、光ファイバ３１ｂに導出することが可能である。また光ファイバ３１ｃから導入された光を、光ファイバ３１ａに導出することが可能である。ファイバスプリッタ３２ｂは、光ファイバ３１ｄ及び３１ｅの各々から導入された光を、光ファイバ３１ｃに導出することが可能である。

従って測定用光源４１及びガイド光源４２が駆動すると、光ファイバ部３０を介して、白色光Ｗ及び赤色レーザ光ＬＲの各々が光学ヘッド１０に導かれる。また光ファイバ部３０を介して、光学ヘッド１０から出力される反射光Ｓ（詳しくは後述する）が光分光器５０に導かれる。なおファイバスプリッタ３２に代えて、光ファイバカプラが用いられてもよい。

図２に示すように光学ヘッド１０は、長手方向を光軸Ａとするペン形状の筐体部１１と、この筐体部１１内に設けられた対物レンズ１２とを有する。筐体部１１の後端の略中央に、光ファイバ３１ａが接続される。光ファイバ３１ａから出射された光は、対物レンズ１２を通って、筐体部１１の前端から被測定物Ｏに向けて照射される。

対物レンズ１２は、色収差が大きいレンズであり、光学ヘッド１０に入射する光を、光軸Ａ上の波長λに応じた合焦位置Ｐに収束させる。例えば光学ヘッド１０に、測定光である白色光Ｗが入射される。この場合、対物レンズ１２により、白色光Ｗに含まれる複数の可視光の各々が、波長λに応じた互いに異なる合焦位置Ｐに収束される。

従って対物レンズ１２により、白色光Ｗに含まれる複数の可視光が互いに分離されて、筐体部１１の前端から被測定物Ｏに向けて出射される。図２では、対物レンズ１２により分光された複数の可視光を代表して、ＲＧＢの３色の光が図示されている。もちろん他の色（他の波長域）の光も出射されている。

図２に示す波長λ１及び合焦位置Ｐ１は、複数の可視光のうち最も波長が短い可視光の波長及び合焦位置を表し、例えば青色光Ｂが該当する。波長λｎ及び合焦位置Ｐｎは、最も波長が長い可視光の波長及び合焦位置を表し、例えば赤色光Ｒが該当する。波長λｋ及び合焦位置Ｐｋは、複数の可視光のうちの任意の可視光についての波長及び合焦位置を表し、図２では、緑色光Ｇが例示されている（ｋ＝１〜ｎである）。

また対物レンズ１２は、合焦位置Ｐｋにて被測定物Ｏにより反射された可視光を、光ファイバ３１ａに収束させる。従って筐体部１１の後端に接続される光ファイバ３１ａは、被測定物Ｏ上で合焦して反射される可視光が、対物レンズ１２により収束されるときの共焦点の位置に接続される。これにより複数の可視光のうち合焦位置Ｐｋにて被測定物Ｏにより反射された可視光を選択することが可能となる。被測定物Ｏ上により反射された反射光Ｓは、光ファイバ３１ａを介して出力される。

図２では、対物レンズ１２から光ファイバ３１ａまでの間に、被測定物Ｏにより反射されたＲＧＢの３色の光が図示されている。図２に示す例では、合焦位置Ｐｋ（図中では緑色光Ｇの合焦位置）に被測定物Ｏが存在する。従って被測定物Ｏにより反射された緑色光Ｇが、光ファイバ３２ａに収束される。この結果、緑色光Ｇの反射光Ｓが光ファイバ３１ａを介して出力される。このように出力される反射光Ｓの波長と、光軸Ａ上における被測定物Ｏの位置は、１対１に対応する。

光学ヘッド１０にガイド光である赤色レーザ光ＬＲが入射する場合には、当該赤色レーザ光ＬＲが被測定物Ｏに向けて出射される。被測定物Ｏ上の赤色レーザ光ＬＲの照射スポットの径は、例えば数μｍ程度であるが、ディスプレイ上で十分に視認可能である。もちろん肉眼で視認可能なサイズの照射スポットとなるように、赤色レーザ光ＬＲが照射されてもよい。

被測定部Ｏが赤色光Ｒの合焦位置Ｐｎに存在する場合には、赤色レーザ光ＬＲは被測定物Ｏ上で合焦するので、照射スポットの径は小さくなる。一方、被測定物Ｏが他の単色光の合焦位置に存在する場合には、赤色レーザ光ＬＲの照射スポットの径は若干大きくなる。しかしながら、照射スポットの視認については、ほとんど影響はない。すなわち被測定物Ｏがどの位置に存在する場合でも、赤色レーザ光ＬＲの照射スポットを十分に視認することが可能である。

なお被測定部Ｏが赤色光Ｒの合焦位置Ｐｎに存在する場合には、被測定物Ｏにより反射された赤色レーザ光ＬＲの反射光Ｓが、光ファイバ３１ａを介して出力される。

光学ヘッド１０内の構成は限定されず、適宜設計されてよい。例えばピンホールやコリメータレンズ等の他のレンズが使用されてもよい。

分光器５０は、光学ヘッド１０により光ファイバ３１ａを介して出力された反射光Ｓの波長を検出するためのブロックである。反射光Ｓは、光ファイバ３１ａ、ファイバスプリッタ３２ａ、及び光ファイバ３１ｂを介して、分光器５０内に照射される。

分光器５０は、反射光Ｓが入射される側から順番に配置される、コリメータレンズ５１、回折格子５２、結像レンズ５３、及びリニアセンサ５５を有する。コリメータレンズ５１は、光ファイバ３１ｂから出射された反射光Ｓを回折格子５２上に略均一に照射する。

回折格子５２は、光学ヘッド１０により出力された反射光Ｓを回折する。結像レンズ５３は、回折格子５２により回折された回折光Ｌを、リニアセンサ５５上にてスポット状に結像する。典型的には、+１次の回折光Ｌがリニアセンサ５５上に結像されるが、−１次の回折光等、他の回折光が結像されてもよい。なお回折格子５２の具体的な構成は限定されない。

リニアセンサ５５は、一方向に並ぶ複数のピクセル（受光素子）５６を有する。各ピクセル５６は、受光した光の強度に応じた信号を出力する。リニアセンサ５５の具体的な構成は限定されず、例えばＣＭＯＳラインセンサやＣＣＤラインセンサ等が用いられる。

なお結像レンズ５３は、色収差が小さいレンズであり、反射光Ｓの波長にかかわらず、回折光Ｌ１をリニアセンサ５５上にスポット状に結像することができる。一方で、回折格子５２から出射される回折光Ｌの出射角は、反射光Ｓの波長に依存する。従ってリニアセンサ５５上のスポットの位置は、反射光Ｓの波長に依存するパラメータとなる。

リニアセンサ５５により出力された信号は、信号ケーブル５７を介して制御部６０に送信される。なおスポット位置の検出対象となる回折光Ｌ以外の回折光がリニアセンサ５５に入射しないように、遮光機構等が設けられてもよい。また回折格子５２やリニアセンサ５５の配置角度等が適宜調整されてもよい。

制御部６０は、本実施形態において位置算出部として機能し、リニアセンサ５５から受信した信号をもとに被測定物Ｏの位置を算出する。例えば所定の基準位置にて光学ヘッド１０が保持され、被測定物Ｏに白色光Ｗが出射される。そしてリニアセンサ５５からの信号をもとに、基準位置を基準とした被測定物Ｏの位置が算出される。

また被測定物Ｏの位置として、光学ヘッド１０から被測定物Ｏまでの距離が算出されてもよい。また被測定物Ｏが移動する場合でも、当該移動に応じて出力されるリニアセンサ５５からの信号をもとに、被測定物Ｏの移動量を算出することも可能である（図２に示す矢印Ｙ参照）。

光学ヘッド１０が、被測定物Ｏの上方から使用される場合には、被測定物Ｏの高さが被測定物Ｏの位置として算出される。もちろんこれに限定されず、任意の方向にて光学ヘッド１０が使用され、当該方向における位置が算出されてもよい。

また制御部６０は、測定用光源４１及びガイド光源４２の各々の駆動を制御する光源制御部としても機能する。例えば制御部６０により、測定用光源４１による白色光Ｗの出射、及びガイド光源４２による赤色レーザ光ＬＲの出射を、所定の時間毎に切替えて実行することが可能である。あるいは白色光Ｗを常時出射させた状態で、赤色レーザ光ＬＲのＯＮ／ＯＦＦを切替えるといったことも可能である。

制御部６０は、例えばＣＰＵ、メモリ（ＲＡＭ、ＲＯＭ）、Ｉ／Ｏ（Input/Output）等が１チップに収められたマイコン（マイクロコンピュータ）により実現可能である。マイコンによる種々の処理は、チップ内のＣＰＵがメモリに記憶された所定のプログラムに従って動作することで実行される。これに限定されず、制御部６０を実現するために、他のＩＣ（集積回路）等が適宜用いられてもよい。

本実施形態では、光ファイバ部３０及び光源制御部として機能する制御部６０により、切替部が実現される。当該切替部は、白色光Ｗのみが光学ヘッド１０に入射する第１の動作と、少なくとも赤色レーザ光ＬＲが光学ヘッド１０に入射する第２の動作とを選択的に切替えることが可能である。

例えば制御部６０により、測定用光源４１のみを駆動させることで、第１の動作が実行される。また少なくともガイド光源４２を駆動させることで第２の動作が実行される。所定の時間毎に測定用光源４１及びガイド光源４２の各々の駆動を切替えることで、第１及び第２の動作を所定の時間毎に切替えることが可能である。

第２の動作時に、測定用光源４１が駆動されていてもよい。すなわち測定用光源４１が常時駆動された状態で、ガイド光源４２の駆動のＯＮ／ＯＦＦが切替えられてもよい。この場合、ガイド光源４２のＯＦＦ時が第１の動作に相当し、ＯＮ時が第２の動作に相当する。

なお制御部６０とは別に、光源制御部として機能するブロックが設けられてもよい。すなわち光源制御部が、被測定物Ｏの位置を算出するブロックとは別に構成されてもよい。

図３は、制御部６０による被測定物Ｏの位置の算出例を示すチャートである。まずリニアセンサ５５から出力される信号をもとに、信号強度のピーク値を出力するピクセル５６の位置（ピークピクセル位置）が検出される。ピークピクセル位置は、センサにより受光される回折光Ｌの受光位置に相当し、本実施形態では、ピクセルナンバーにより表される。

検出されたピクセルナンバーをもとに、被測定物Ｏの位置（ここでは距離Ｄｉｓｔと記載する）が算出される。図３に示すように、距離Ｄｉｓｔは、校正テーブルを用いることで算出される。校正テーブルは、例えば距離Ｄｉｓｔを調整しながらクロマティックセンサ１３０を動作させることで予め作成され、制御部６０のメモリ等に格納される。校正テーブルの作成方法及び作成するタイミング等は限定されない。

距離Ｄｉｓｔの算出は、校正テーブルが用いられる方法に限定されない。例えばメモリ等に所定の演算式が格納され、当該演算式を用いてピクセルナンバーから距離Ｄｉｓｔへの演算が実行されてもよい。あるいはピクセルナンバーから反射光Ｓの波長が算出されてもよい。そして校正テーブルや演算等により、波長から距離Ｄｉｓｔが算出されてもよい。

図４は、非接触システム１００による測定動作の一例を示すフローチャートである。まずガイド光源４２が点灯される（ステップ１０１）。赤色レーザ光ＬＲの照射スポットの位置が、被測定物Ｏ上の測定ポイントに移動される（ステップ１０２）。典型的には、カメラにより撮影された画像をもとに、オペレータがＰＣ１４０を操作することで、移動機構１２０が制御される。もちろん肉眼で目視しながら位置合わせが行われてもよい。

またカメラにより撮影された画像をもとに、自動的に照射スポットの位置が合わせられてもよい。例えば画像をもとに赤色に光る照射スポットの座標値が算出される。当該座標値が、測定ポイントの座標値と一致するように、移動機構１２０が制御される。これにより自動測定を高い精度で実行することが可能となる。

照射スポットの位置が合わせられたか否かが判定される（ステップ１０３）。典型的には、オペレータにより、位置合わせが完了した旨の操作が入力される。当該入力があった場合には、スポット位置がＯＫであると判定される（ステップ１０３のＹｅｓ）。位置合わせが完了した旨の操作の入力があるまで、位置合わせが実行される（ステップ１０３のＮｏ）。

照射スポットの位置合わせが完了すると、測定用光源４１が点灯される（ステップ１０４）。白色光Ｗの照射スポットの位置は、赤色レーザ光ＬＲの照射スポットの位置と同一である。従って白色光Ｗは、測定ポイントに精度よく照射され、当該測定ポイントにおける位置が高い精度で測定される（ステップ１０５）。

全ての測定ポイントで測定が終了したか否かが判定される（ステップ１０６）。終了していない場合には（ステップ１０６のＮｏ）、次の測定ポイントにクロマティックセンサ１３０が移動される（ステップ１０７）。そしてステップ１０１に戻り、ガイド光を利用した位置合わせから測定光による測定までの処理が繰り返される（ステップ１０１からステップ１０５）。全ての測定ポイントで測定が終了した場合には（ステップ１０６のＹｅｓ）、測定動作は終了する。

以上、本実施形態に係るクロマティックセンサ１３０では、測定光（白色光Ｗ）を出射する測定用光源４１と、可視光（赤色レーザ光ＬＲ）を出射する赤色レーザ光源４２とが備えられる。光学ヘッド１０から被測定物Ｏに向けて白色光Ｗが照射される第１の動作時の照射スポットの位置と、赤色レーザ光ＬＲが照射される第２の動作時の照射スポットの位置は互いに同一となる。従って視認が容易な赤色レーザ光ＬＲの照射スポットの位置を測定ポイントに合わせることで、容易に精度よく白色光Ｗを測定ポイントに照射することが可能となる。

例えば測定対象となる部分が透明材料からなる部材や、金属光沢面等である場合には、白色光Ｗの照射スポットを視認することが難しい場合がある。本実施形態では、ガイド光として単色光が照射されるので、その光の照射スポットの位置を容易に視認することが可能である。

ガイド光の色は、例えば測定対象となる部分の材料や色等に応じて適宜選択されてよい。例えばＲＧＢの各レーザ光源やＬＥＤ光源を用いることで、ＲＧＢの各色の光を、ガイド光として簡単に利用することができる。またこれらのＲＧＢの各色の光は、視認が容易であるので、非常に有効である。

光源部に、互いに異なる色の単色光を出射する複数のガイド光源が設けられてもよい。そして被測定物Ｏの種類に合わせて、ガイド光の色が選択可能であってもよい。これにより例えば複数の種類の被測定物Ｏが測定される場合等に効果的である。

ガイド光源として、レーザ光源やＬＥＤ光源を用いることで、波長が安定した単波長光をガイド光として照射することが可能となる。この結果、照射スポットの視認が容易となり、精度の高い位置合わせを実行することが可能となる。

図５は、測定用光源４１及びガイド光源４２の切替駆動の一例を示す図である。図５に示す例では、測定用光源４１及びガイド光源４２の駆動が、時間Ｔ毎に切替えられる。この場合、切替周期はＴ×２＝２Ｔとなる。例えばパルス周期がＴであり互いに位相が反転する２つのパルス信号を生成して利用することで、図５に示す駆動が可能となる。もちろんこれに限定されず、任意のクロック信号等を用いて切替駆動が実行されてもよい。

図５に示す時間Ｔを短くすることで、照射スポットの位置を確認しながら位置測定を行うことが可能となる。例えば複数の測定ポイントを順に移動して測定する場合、当該測定を実行しながら、測定ポイントにおける照射スポットの位置、及び照射スポットの移動経路を確認することができる。これにより被測定物Ｏに対するスキャニング測定等も可能となる。

例えば時間Ｔとして１／１０秒以下の時間を設定することで、ガイド光の照射スポットがほぼ常に視認可能な状態で、各測定ポイントにおける位置測定が実行可能である。もちろんこの時間に限定されず、適宜設定されてよい。

なお高速で切替駆動が実行される場合には、測定用光源４１の駆動タイミングに合わせて、リニアセンサ５５からの出力値が、測定結果のデータとして取得される。典型的には、リニアセンサ５５からは常時ピクセルナンバーが出力される。そして制御部６０により、測定用光源４１の駆動タイミングに応じて出力されたピクセルナンバーが抽出され、被測定物Ｏの位置が測定される。もちろんこれに限定されるわけではない。

図６は、ガイド光を利用した補正値の生成を説明するための概略図である。例えば温度や湿度等の環境変動や、クロマティックセンサ１３０の運搬中の状況、あるいは長時間の使用等により、回折格子５２やリニアセンサ５５の位置にずれが生じてしまう場合がある。この場合、リニアセンサ５５上のスポットの位置もずれてしまい、測定精度が低下してしまう。

本実施形態では、第２の動作時に被測定物Ｏに出射される赤色レーザＬＲ（ガイド光）を利用して補正値を算出することが可能である。そのために制御部６０のメモリには、補正値を算出するための校正用データが予め記憶されている。

校正用データは、ステージ１１０に載置された校正用の被測定物Ｐに対して赤色レーザ光ＬＲを照射した際に、リニアセンサ５５に反射光Ｓが入射する、すなわち所定のピーク値を出力するピクセル５６が出現する際の、被測定物Ｐに対する光学ヘッド１０の相対的な高さ、及びピクセルナンバーを含む。

校正用の被測定物Ｐは、高さ（位置）が定められている物体であり、具体的な構成や材料等は限定されない。

校正用データの取得方法は限定されない。例えば非接触測定システム１００が組み立てられて使用される際に、ステージ１１０に校正用の被測定物Ｐが載置され、光学ヘッド１０を高さ方向において相対的に移動させることで取得される。あるいは、被測定物Ｐの高さ、分光器５０の具体的な構成、ガイド光の波長等をもとに理論値が算出され、校正用データとして用いられてもよい。

なお典型的には、校正用データ、及び図３に示す校正テーブルは、互いに対応するデータとして記憶される。例えばキャリブレーション等により校正用データが取得された場合、当該校正用データをもとに校正テーブルが補正されてもよい。

補正値が算出される際には、まずステージ１１０に校正用の被測定物Ｐが載置される。ガイド光源４２が点灯された状態で、高さ方向における被測定物Ｐに対する光学ヘッド１０の相対的な位置が移動される。図６Ａ及びＢに示すように、被測定物Ｐ上で赤色レーザ光ＬＲが合焦すると、光学ヘッド１０から分光器５０に向けて反射光Ｓが出力される。反射光Ｓの回折光Ｌのスポット位置を表すピクセルナンバーが取得される。取得されたピクセルナンバーと、校正用データとして記憶されているピクセルナンバーとの差（正負を含む）が、補正値として算出される。

なおリニアセンサ５５の出力結果がＰＣ１４０のディスプレイ等により監視可能であり、所定のピーク値が出力されたタイミングで、オペレータにより所定の操作が入力されてもよい。そのタイミングでのピクセルナンバーをもとに補正値が算出されてもよい。

位置測定が実行される際には、リニアセンサ５５から出力されるピクセルナンバーに補正値が加えられる。その補正された値が校正テーブルに対する入力値となり、被測定物Ｏの位置が算出される。これにより位置測定の精度を十分に向上させることができる。また環境変化にロバストで高精度なクロマティックセンサ１３０を実現することができる。

補正値として、光学ヘッド１０により反射光Ｓが出力される際の、被測定物Ｐに対する光学ヘッド１０の相対的な高さと、校正用データとして記憶されている光学ヘッド１０の高さとの差（正負を含む）が算出されてもよい。当該補正値が、位置測定の際に校正テーブルにより出力された位置に加えられてもよい。これにより例えば光学ヘッド１０内の部材の位置ずれ等に起因する測定誤差を補正することが可能となる。

このように補正値は、ピクセルナンバーや光学ヘッド１０の高さ等をもとに、容易に算出することが可能である。もちろん補正値の算出方法や、補正値を用いた補正方法等は限定されず、宜設定されてよい。例えば環境温度等に応じた複数の校正テーブルが記憶されており、補正値に基づいて、使用する校正テーブルが選択されてもよい。また補正値に基づいて校正テーブル自体が補正されてもよい。例えば図３示す校正テーブルの曲線形状等が補正されてもよい。

＜その他の実施形態＞
本発明は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態を実現することができる。

上記では、光ファイバ部３０及び光源制御部として機能する制御部６０により、第１及び第２の動作を選択的に切替える切替部が実現された。切替部の構成はこれに限定されず、適宜設計されてよい。例えば図１に示す光ファイバ３１ｃに、測定用光源４１及びガイド光源４２のいずれかが切替え可能に接続されてもよい。例えば両方の光源の位置を切替え可能なスイッチング機構を用いることで、当該構成は実現可能である。これによりファイバスプリッタ３２の数を減らすことが可能となり、ファイバスプリッタ３２による光量の損失を抑えることが可能となる。

複数の測定ポイントを順番に測定する場合に、測定前に、ガイド光源４２を点灯させた状態で測定時の移動経路に沿って、光学ヘッド１０が移動されてもよい。これにより照射スポットの移動経路を視認することが可能となり、測定時の移動経路が適正か否かを確認することが可能となる。その際に、各測定ポイントにおける最終的な位置合わせも合わせて行ってもよい。当該位置合わせ後の座標値をメモリに記憶させることで、測定時には、ガイド光の照射をすることなく（第２の動作に切替えることなく）、複数の測定ポイントの位置を効率よく測定することが可能となる。

同じ種類の被測定物Ｏに対して同じ測定動作を実行する場合等においては、最初にガイド光を利用した移動経路の確認及び各測定ポイントでの位置合わせを行うことで、測定にかかる時間を大幅に短縮することが可能となる。

上記では、測定光として、複数の可視光を含む白色光が用いられた。これに限定されず、測定光として、広帯域の他の光が用いられてもよい。すなわち各々波長の異なる複数の光を含む測定光として、不可視光である紫外線や赤外線等を含む光が用いられてもよい。例えば紫外線を出射するＬＥＤ等が光源部に備えられてもよい。

図２に示すクロマティックセンサ１３０のコントローラ２０に、ＰＣ１４０の機能やディスプレイ等が備えられてもよい。一方で、コントローラ２０が有する機能の一部が、ＰＣ１４０により実行されてもよい。この場合、当該ＰＣ１４０の機能を合わせて、本技術に係るクロマティックセンサが構築されることになる。

以上説明した本発明に係る特徴部分のうち、少なくとも２つの特徴部分を組み合わせることも可能である。また上記で記載した種々の効果は、あくまで例示であって限定されるものではなく、また他の効果が発揮されてもよい。

Ｌ…回折光
ＬＲ…赤色レーザ光
Ｓ…反射光
Ｗ…白色光
１０…光学ヘッド
２０…コントローラ
３０…光ファイバ部
３１…光ファイバ
３２…複ファイバスプリッタ
４０…光源部
４１…測定用光源
４２…ガイド光源
５０…分光器
５２…回折格子
５５…リニアセンサ
６０…信号処理・制御部
１００…非接触測定システム
１１０…ステージ
１２０…移動機構
１３０…クロマティック共焦点センサ
１４０…ＰＣ

Claims (10)

1. 各々波長の異なる複数の光を含む測定光を出射する第１の光源と、
   所定の波長を有する可視光を出射する第２の光源と、
   入射する光を波長に応じた合焦位置に収束させ、当該合焦位置にて被測定物により反射された反射光を出力する光学ヘッドと、
   前記光学ヘッドにより出力された前記反射光をもとに、前記被測定物の位置を算出する位置算出部と、
   前記測定光のみが前記光学ヘッドに入射する第１の動作と、少なくとも前記可視光が前記光学ヘッドに入射する第２の動作とを選択的に切替える切替部と
   を具備するクロマティック共焦点センサ。
2. 請求項１に記載のクロマティック共焦点センサであって、
   前記第２の光源は、レーザ光源又はＬＥＤ（Light Emitting Diode）光源である
   クロマティック共焦点センサ。
3. 請求項１又は２に記載のクロマティック共焦点センサであって、
   前記可視光は、赤色光、青色光、又は緑色光である
   クロマティック共焦点センサ。
4. 請求項１から３のうちいずれか１項に記載のクロマティック共焦点センサであって、
   前記切替部は、前記第１の光源から出射される前記測定光、及び前記第２の光源から出射される前記可視光の各々を、前記光学ヘッドに導く光ファイバ部と、前記第１及び前記第２の光源の各々の駆動を制御する光源制御部とを有する
   クロマティック共焦点センサ。
5. 請求項１から４のうちいずれか１項に記載のクロマティック共焦点センサであって、
   前記位置算出部は、
   前記光学ヘッドにより出力された前記反射光を回折する回折格子と、前記回折格子により回折された回折光を受光するセンサとを有する分光器と、
   前記センサにより受光される前記回折光の受光位置をもとに、前記被測定物の位置を算出する信号処理・制御部とを有する
   クロマティック共焦点センサ。
6. 請求項１から５のうちいずれか１項に記載のクロマティック共焦点センサであって、
   前記切替部は、前記第１及び前記第２の動作を、１／１０秒以下の時間毎に切替える
   クロマティック共焦点センサ。
7. 請求項１から６のうちいずれか１項に記載のクロマティック共焦点センサであって、
   前記位置算出部は、前記第２の動作の選択時に、前記可視光が前記合焦位置にて校正用の被測定物により反射された前記反射光をもとに、前記位置の算出に用いられる補正値を生成する
   クロマティック共焦点センサ。
8. 請求項７に記載のクロマティック共焦点センサであって、
   前記位置算出部は、
   前記光学ヘッドにより出力された前記反射光を回折する回折格子と、前記回折格子により回折された回折光を受光するセンサとを有する分光器と、
   前記センサにより受光される前記回折光の受光位置をもとに、前記被測定物の位置を算出する信号処理・制御部とを有し、
   前記信号処理・制御部は、前記校正用の被測定物により反射された前記反射光が前記回折格子により回折された前記回折光の受光位置をもとに、前記補正値を生成する
   クロマティック共焦点センサ。
9. 光学ヘッドに所定の波長を有する可視光を入射し、
   前記光学ヘッドから被測定物に向けて出射される前記可視光の照射スポットの位置を、前記被測定物上の測定ポイント上に移動し、
   各々波長の異なる複数の光を含む測定光を前記光学ヘッドに入射し、
   前記光学ヘッドにより、前記複数の光の各々を互いに異なる合焦位置に収束させ、前記合焦位置にて前記被測定物により反射された反射光を出力し、
   前記光学ヘッドにより出力された前記反射光をもとに、前記被測定物の位置を算出する
   測定方法。
10. 請求項９に記載の測定方法であって、さらに、
    前記光学ヘッドから校正用の被測定物に向けて前記可視光を出射し、
    前記光学ヘッドにより出力された前記合焦位置にて前記校正用の被測定物により反射された前記反射光をもとに、前記位置の算出に用いられる補正値を生成する
    測定方法。

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