JP2018066670A - クロマティック共焦点センサ - Google Patents

Abstract

【課題】高い精度で被測定物を測定することが可能なクロマティック共焦点センサを提供すること。【解決手段】本発明に係るクロマティック共焦点センサは、光源部と、対物レンズと、出射口と、位置算出部と、観察部と、ビームスプリッタとを具備する。前記光源部は、互いに波長の異なる複数の光を出射する。前記対物レンズは、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る。前記出射口は、前記複数の光のうち前記合焦位置にて被測定物により反射された測定光を出射する。前記位置算出部は、前記出射された測定光に基づいて前記被測定物の位置を算出する。前記観察部は、観察光を出射する観察用光源、及びイメージセンサを有する。前記ビームスプリッタは、前記対物レンズを通過する前記測定光の少なくとも一部を前記出射口へ出射し、前記対物レンズを通過する前記被測定物により反射された前記観察光の少なくとも一部を前記イメージセンサへ出射する。【選択図】図４

Description

本発明は、クロマティック共焦点センサに関する。

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、顕微鏡とクロマティック共焦点センサとが一体化した構造について開示されている。特許文献１の図５に示されるように、顕微鏡の対物レンズ７の前段にビームスプリッタ６が配置される。当該ビームスプリッタ６を起点として、アフォーカル分散レンズ５等を含む共焦点光学系が組み合わされている。

米国特許出願公開第２００６／０１０９４８３号明細書

クロマティック共焦点センサによる高精度の測定を実現するためには、センサの位置決めや測定箇所の確認等が重要となる。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、高い精度で被測定物を測定することが可能なクロマティック共焦点センサ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、光源部と、対物レンズと、出射口と、位置算出部と、観察部と、ビームスプリッタとを具備する。
前記光源部は、互いに波長の異なる複数の光を出射する。
前記対物レンズは、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る。
前記出射口は、前記複数の光のうち前記合焦位置にて被測定物により反射された測定光を出射する。
前記位置算出部は、前記出射された測定光に基づいて前記被測定物の位置を算出する。
前記観察部は、観察光を出射する観察用光源、及びイメージセンサを有する。
前記ビームスプリッタは、前記対物レンズを通過する前記測定光の少なくとも一部を前記出射口へ出射し、前記対物レンズを通過する前記被測定物により反射された前記観察光の少なくとも一部を前記イメージセンサへ出射する。

このクロマティック共焦点センサでは、観察用光源及びイメージセンサを有する観察部と、ビームスプリッタとが設けられる。ビームスプリッタにより、被測定物に反射されて対物レンズを通過する測定光及び観察光が出射口及びイメージセンサに向けてそれぞれ出射される。イメージセンサの出力に基づいた画像等により、位置決めの精度を向上させることが可能となり、また測定箇所を容易に確認することが可能となる。この結果、高い精度で被測定物を測定することが可能となる。

前記ビームスプリッタは、前記対物レンズと前記出射口との間に配置され、前記光源部から出射された前記複数の光及び前記観察用光源から出射された前記観察光を、前記対物レンズに向けて同じ光軸に沿って出射してもよい。
これにより対物レンズを用いた同軸観察が可能となり、測定精度を向上させることが可能となる。

前記光源部は、所定の波長帯域に含まれる複数の波長光を出射してもよい。この場合、前記観察用光源は、前記所定の波長帯域に含まれない波長光を出射してもよい。また前記ビームスプリッタは、前記光源部から出射される複数の波長光と、前記観察用光源から出射される波長光とを分離するダイクロイックミラーであってもよい。
これにより測定光及び観察光の各々の光量の損失を抑制することが可能となり、高精度の測定及び観察が可能となる。

前記観察部は、ユニットとして構成されてもよい。この場合、前記クロマティック共焦点センサは、さらに、前記ビームスプリッタの位置を基準として設けられ前記観察部が取り外し可能に接続される接続部を具備してもよい。
これにより他の種類の観察部や他のユニットへの交換を容易に行うことが可能となり、目的に応じた観察やガイド光の照射等を実現することが可能となる。

前記クロマティック共焦点センサは、さらに、前記接続部に接続可能な、ガイド光を出射するレーザ光源を有しユニットとして構成されたガイド光照射部を具備してもよい。この場合、前記ビームスプリッタは、前記接続部に接続された前記ガイド光照射部の前記レーザ光源から出射される前記ガイド光を、前記対物レンズに向けて出射してもよい。
ガイド光により測定箇所を容易に視認することが可能となり、位置決めの精度を向上させることが可能となる。この結果、高い精度で被測定物を測定することが可能となる。

前記被測定物に照射される前記ガイド光のスポット形状は、リング形状であってもよい。
これにより測定ポイントの周囲にリング形状のガイド光を照射することが可能となり、高い測定精度を実現することが可能となる。

前記観察光は、可視光であってもよい。
これにより観察光をガイド光として用いることが可能となり、高い精度で被測定物を測定することが可能となる。

前記光源部は、白色光を出射してもよい。この場合、前記観察用光源は、赤外光を出射してもよい。
これにより高い精度で被測定物を測定することが可能となる。

前記ガイド光は、可視光であってもよい。
これにより高い精度で被測定物を測定することが可能となる。

前記観察用光源は、前記光源部と同じ光を出射してもよい。この場合、前記ビームスプリッタは、ハーフミラーであってもよい。
これにより測定及び観察を同じ光で実行することが可能となり、測定精度を向上させることが可能となる。

前記光源部及び観察用光源は、白色光を出射してもよい。
これにより測定箇所のフルカラーの画像を生成することが可能となり、測定精度を向上させることが可能となる。

前記観察部は、前記対物レンズにより発生する前記被測定物により反射された前記観察光の収差を補正する補正レンズを有してもよい。
これにより高い精度で観察を行うことが可能となる。

以上のように、本発明によれば、高い精度で被測定物を測定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。

一実施形態に係るクロマティック共焦点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。 光学ヘッドの詳細な構成例を示す外観図である。 光学ヘッドの内部の構成例を示す模式図である。 ガイド光ユニットが接続された場合の構成例を示す模式図である。 被測定物に照射されるガイド光の照射スポットを示す模式図である。 ガイド光ユニットの他の構成例を示す模式図である。 被測定物に照射されるガイド光の照射スポットを示す模式図である。 他の実施形態に係る光学ヘッドの内部の構成例を示す模式図である。

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クロマティック共焦点センサの構成例を示す概略図である。クロマティック共焦点センサは、クロマティックポイントセンサ（ＣＰＳ：chromatic confocal point sensor）とも呼ばれる。以下の説明では、クロマティックセンサと記載して説明を行う。

クロマティックセンサ１００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。

なお図１に示す光学ヘッド１０については、クロマティックセンサ１００の測定原理を説明するための模式的な図示となっており、詳細な構成については後に改めて説明する。

光源部４０には、測定用光源として白色ＬＥＤ４１が設けられる。従って光源部４０からは、青色波長域から赤色波長域までの互いに波長の異なる複数の可視光を含む白色光Ｗが出射される。本実施形態では、約４５０ｎｍ〜約６６０ｎｍの波長帯域に含まれる複数の波長光を含む白色光Ｗが出射されるが、具体的な波長帯域は限定されない。なおＬＥＤ等の固体光源に代えて、水銀ランプ等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、ファイバスプリッタ３２とを有する。複数の光ファイバ３１は、光学ヘッド１０に接続された光ファイバ３１ａと、光源部４０に接続された光ファイバ３１ｂと、分光器５０に接続された光ファイバ３１ｃとを有する。これら光ファイバ３１ａ〜３１ｃは、ファイバスプリッタ３２に接続される。

ファイバスプリッタ３２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３１ｃに導出する。またファイバスプリッタ３２は、光ファイバ３１ｂから導入された光を、光ファイバ３１ａに導出する。

従って光源部４０から出射される白色光Ｗは、光ファイバ部３０を介して、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から出射される測定光Ｍ（詳しくは後述する）が、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、光ファイバカプラ等が用いられてもよい。

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の後端の略中央の接続口１３に、光ファイバ３１ａが接続され、筐体部１１の内部に白色光Ｗが出射される。光ファイバ３１ａから出射された白色光Ｗは、対物レンズ１２を通って、筐体部１１の前端の照射面１４から被測定物Ｏに向けて照射される。

対物レンズ１２は、クロマティックセンサ用に設計されたレンズであり、軸上色収差を発生させる。すなわち対物レンズ１２は、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。従って本実施形態では、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。

図１に示すように、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の照射面１４から被測定物Ｏに向けて出射される。なお図１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）の光も出射されている。

図１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１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。すなわち筐体部１１の後端の接続口１３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設けられる。当該接続口１３に光ファイバ３１ａを接続することで、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、測定光Ｍとして選択して出射することが可能となる。

図１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１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３１ａに収束される。この結果、緑色光Ｇの反射光が、測定光Ｍとして光ファイバ３１ａを介して出射される。このように出射される測定光Ｍ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。

なお光ファイバ３１ａが接続される接続口１３は、本実施形態において、測定光Ｍを出射する出射口に相当する。測定光Ｍを選択して出射するために、ピンホールやアパーチャ等が用いられてもよい。また筐体部１１内の共焦点光学系の構成は限定されず、適宜設計されてよい。

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

分光器５０には、測定光Ｍが入射される側から順番に、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が配置される。コリメータレンズ５１は、光ファイバ３１ｃから出射された測定光Ｍを回折格子５２上に略均一に照射する。

回折格子５２は、略均一に照射された測定光Ｍ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、測定光Ｍの波長にかかわらず、回折光Ｌ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、測定光Ｍ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、測定光Ｍ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１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。

このような位置算出により、例えばｍｍオーダーの輪郭・形状の測定、μｍオーダーの微細形状の測定、ワークの表面性状の測定等、様々な測定が可能となる。

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。

図２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２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１００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測定光Ｍ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３は、光学ヘッド１０の詳細な構成例を示す外観図である。図４は、光学ヘッド１０の内部の構成例を示す模式図である。図１を参照して説明した通り、光学ヘッド１０は、筐体部１１と、色収差を有する対物レンズ１２と、光ファイバ３１ａが接続される接続口１３とを有する。また光学ヘッド１０は、光軸Ａ上で分離された複数の可視光を被測定物Ｏに向けて照射する照射面１４を有する。

さらに光学ヘッド１０は、筐体部１１内に設けられたダイクロイックミラー１５と、観察ユニット７０と、観察ユニット７０を筐体部１１に接続するための接続部１７とを有する。

ダイクロイックミラー１５は、対物レンズ１２と接続口１３との間の、光軸Ａ上に配置される。ダイクロイックミラー１５は波長選択性を有し、光ファイバ３１ａから出射される白色光Ｗを透過する。すなわち本実施形態では、約４５０ｎｍ〜約６６０ｎｍの波長帯域に含まれる光を透過する。

一方で、ダイクロイックミラー１５は、観察ユニット７０内に設けられた観察用光源７１から出射される観察光Ｎ（約６８０ｎｍの単波長）を反射する。ダイクロイックミラー１５の具体的な構成は限定されず適宜設計されてよい。

被測定物Ｏにより反射された測定光Ｍは、対物レンズ１２を通過してダイクロイックミラー１５に入射する。ダイクロイックミラー１５は、測定光Ｍを接続口１３へ向けて透過する。すなわちダイクロイックミラー１５は、対物レンズ１２を通過する測定光Ｍを、接続口１３へ出射する。

観察ユニット７０は、観察用光源７１と、照明レンズ７２と、ハーフミラー７３と、結像レンズ７４と、イメージセンサ７５と、これらを収容する筐体部７６とを有する。観察ユニット７０は、１つのユニットとして構成され、例えば筐体部７６を保持することで一体的に取り扱うことが可能である。なお図３及び図４の両方において、筐体部７６の外形が異なっているが、筐体部７６の外形は限定されず適宜設計されてよい。

観察用光源７１は、波長が約６８０ｎｍの観察光Ｎを出射するＬＥＤである。観察光Ｎの波長は限定されず、白色光Ｗの波長帯域に含まれない任意の波長光を採用可能である。例えば短波長側に外れた約４３０ｎｍの単波長光が用いられてもよい。また観察用光源として、他の固体光源やランプ等が用いられてもよい。

図４に示すように、観察用光源７１の光軸Ｂ１に沿って、照明レンズ７２及びハーフミラー７３が配置される。照明レンズ７２及びハーフミラー７３の具体的な構成は限定されず、適宜設計されてよい。

照明レンズ７２を通過する観察光Ｎの約５０％が、ハーフミラー７３により、略直交する方向に反射される。当該反射された観察光Ｎが、図示を省略した出射口から外部へ出射される。その出射される観察光Ｎの光軸（ハーフミラーにより反射された観察光Ｎの光軸）Ｂ２に沿って、ハーフミラー７３の背後側に結像レンズ７４及びイメージセンサ７５が配置される。ハーフミラー７３の背後側とは、観察光Ｎが出射される側とは反対側のことである。

従って光軸Ｂ２に沿ってハーフミラー７３に観察光Ｎが入射する場合には、ハーフミラー７３を透過する約５０％の観察光Ｎが、結像レンズ７４を介してイメージセンサ７５に入射する。結像レンズ７４の具体的な構成は限定されず、適宜設計されてよい。イメージセンサ７５としては、例えばＣＭＯＳエリアセンサやＣＣＤエリアセンサ等が用いられる。

本実施形態では、観察ユニット７０は、観察用光源及びイメージセンサを含む観察部に相当する。観察ユニット７０内の観察光学系の構成は、上記で説明したものに限定されず、任意に設計されてよい。

接続部１７は、筐体部１１内に配置されるダイクロイックミラー１５の位置を基準として設けられ、観察ユニット７０が取り外し可能に接続される。図４に示すように、観察ユニット７０から出射された観察光Ｎが、ダイクロイックミラー１５により対物レンズ１２に向けて光軸Ａに沿って反射されるように、観察ユニット７０が筐体部１１に接続される。このような接続を実現するために、接続部１７が構成される。

例えばダイクロイックミラー１５の位置に応じて、筐体部１１に開口（図示省略）が形成される。当該開口に観察ユニット７０の出射口が合わせられ固定される。例えば開口付近に係合孔や係合溝が形成され、観察ユニット７０の出射口が形成された先端部分が当該係合孔等に嵌め込められる。そしてネジ等により両方の部材が固定される。その他、異なる部材を接続するための任意の構成が採用されてよいが、それらの任意の構成が本技術に係る接続部に含まれる。

観察用光源７１が駆動すると、観察ユニット７０からダイクロイックミラー１５に向けて、光軸Ｂ２に沿って観察光Ｎが出射される。ダイクロイックミラー１５は、観察光Ｎを対物レンズ１２に向けて、光軸Ａに沿って反射する。すなわちダイクロイックミラー１５は、白色光Ｗ及び観察光Ｎを、対物レンズ１２に向けて同じ光軸に沿って出射する。

対物レンズ１２に向けて反射された観察光Ｎは、対物レンズ１２を介して被測定物Ｏに照射される。図４に示す例では、観察光Ｎと測定光Ｍ（白色光Ｗ）とが同じ光束で図示されているが、これに限定されない。例えば対物レンズ１２による収差特性により、被測定物Ｏに照射される観察光Ｎの照射スポットの径が、合焦時と比べて若干大きくなる場合もある。その場合でも、例えば観察光Ｎの波長等を適宜設定することで、十分な観察精度を発揮することが可能である。

被測定物Ｏにより反射された観察光Ｎは、対物レンズ１２を通過してダイクロイックミラー１５に入射する。ダイクロイックミラー１５は、観察光Ｎを観察ユニット７０に向けて光軸Ｂ２に沿って反射する。光軸Ｂ２に沿って反射された観察光Ｎは、ハーフミラー７３及び結像レンズ７４を介して、イメージセンサ７５に入射する。従ってダイクロイックミラー１５は、被測定物Ｏにより反射された観察光Ｎを、イメージセンサ７５へ出射することが可能である。本実施形態において、ダイクロイックミラー１５は、ビームスプリッタに相当する。

観察用光源７１及びイメージセンサ７５の駆動は、例えばコントローラ２０の制御部６０により制御される。制御部６０と、観察用光源７１及びイメージセンサ７５とが、有線又は無線等により接続される。そして制御部６０により、観察用光源７１の発光量や発光タイミングを含む制御信号が出力され、観察用光源７１が駆動される。

またイメージセンサ７５からの出力信号が、制御部６０に送信され、測定箇所の画像等が生成され外部のモニタ等に出力される。本実施形態では、単波長光である観察光Ｎに基づいて、濃淡により表現された画像が生成される。もちろん制御部６０とは別のブロック等により、観察用光源７１やイメージセンサ７５の制御や、画像の生成等が実行されてもよい。

なお観察光Ｎとして、近赤外光や赤外光等の不可視光が用いられる場合でも、イメージセンサ７５の出力に基づいて測定部位の画像を生成することが可能である。いずれにせよ位置測定に用いられる光（以下、測定用光と記載する）の波長帯域に含まれない波長光を用いることで、ビームスプリッタとしてダイクロイックミラー１５を用いることができる。これにより測定光Ｍ及び観察光Ｎの光量の損失を抑制することが可能となり、高精度の測定及び観察が可能となる。

以上、本実施形態に係るクロマティックセンサ１００では、筐体部１１内の共焦点光学系にダイクロイックミラー１５が配置され、その位置に合わせて観察ユニット７０が接続される。これによりＣＰＳ用の対物レンズ１２を用いた同軸観察が可能となり、測定箇所のモニタリング機能を実現することが可能となる。

例えばイメージセンサ７５の出力に基づいた画像により、光学ヘッド１０の位置決めの精度を向上させることが可能となり、また測定箇所を容易に確認することが可能となる。これにより高い精度で被測定物Ｏを測定することが可能となる。また本実施形態のように観察光Ｎを可視光とすることで、観察光Ｎをガイド光として使用することが可能である。これにより位置測定の操作作業性や測定精度を向上させることが可能となる。

コントローラ２０の光源部４０と、観察ユニット７０の観察用光源７１を同時に駆動させることで、測定箇所の画像をモニタで確認しながら、測定操作やプログラミングを実行することも可能である。またパートプログラムに従って動作するクロマティックセンサ１００の測定状況を、モニタの映像によりリアルタイムで確認することも可能である。この結果、プログラムの修正等を即座に実行することが可能となり、非常に高い測定精度を容易に実現することが可能となる。

なお白色光Ｗ及び観察光Ｎを同時に照射する場合に限定されず、各光の照射タイミングは適宜制御されてよい。例えば観察光Ｎを照射して測定箇所の観察が行われた後に、観察光Ｎに代えて白色光Ｗを照射して被測定物Ｏが測定されてもよい。

また本実施形態では、ダイクロイックミラー１５の位置を基準として、ユニットを取り外し可能に接続することが可能な接続部１７が構成されるので、他の種類の観察ユニットや他のユニットへの交換を容易に行うことが可能となる。従って目的に応じた観察やガイド光の照射等を容易に実現することが可能となる。

図５は、観察ユニット７０に代えて、ガイド光ユニットが接続された場合の構成例を示す模式図である。図６は、被測定物に照射されるガイド光の照射スポットを示す模式図である。ガイド光ユニット８０は、本実施形態において、ガイド光照射部に相当する。

接続部１７に接続されるユニットの変更は、手動により実行されてもよいし、制御部６０等の制御により自動で実行されてもよい。自動でユニットが変更される場合には、例えばユニットを保持して取外し／取付けを実行する保持アーム等を含む取付け機構が構成される。当該保持機構は、クロマティックセンサ１００内に構成されてもよいし、外部に構成されてもよい。

ガイド光ユニット８０は、ガイド光（レーザ光）Ｌを出射するレーザ光源８１と、出射されたガイド光Ｌをリレーするレンズ８２とを有する。ガイド光Ｌとしては、目視で確認可能なように、可視光のレーザ光が用いられる。ガイド光Ｌの具体的な波長は限定されないが、本実施形態では、位置測定用の白色光Ｗの波長帯域（約４５０ｎｍ〜約６６０ｎｍの波長帯域）に含まれない波長のレーザ光が用いられる。例えば約６８０ｎｍ又は約４３０ｎｍの波長のレーザ光が用いられる。

ガイド光ユニット８０が接続部１７に接続されると、光軸Ｃに沿って出射されるガイド光Ｌが、ダイクロイックミラー１５に入射する。ダイクロイックミラー１５は、ガイド光Ｌを対物レンズ１２に向けて、光軸Ａに沿って反射する。従ってガイド光Ｌは、白色光Ｗと同じ光軸に沿って、被測定物Ｏに出射される。これにより図６に示すように、被測定物Ｏの測定箇所にガイド光Ｌが照射され、照射スポットＳが視認可能となる。

このようにガイド光ユニット８０を取付けることで、ガイド機能を実現することが可能となり、測定箇所を容易に視認することが可能となる。この結果、高い精度で被測定物Ｏを測定することが可能となる。また測定操作やプログラミングの作業性を大幅に向上させることが可能となる。なお典型的には、光源部４０とレーザ光源８１とを同時に駆動させ、ガイド光Ｌを照射しながら測定が実行される。もちろんこれに限定される訳ではなく、白色光Ｗ及びガイド光Ｌの照射タイミングが適宜制御されてよい。

図７は、ガイド光ユニットの他の構成例を示す模式図である。図８は、被測定物に照射されるガイド光の照射スポットを示す模式図である。

このガイド光ユニット９０は、被測定物Ｏに照射されるガイド光Ｌのスポット形状を整形する整形機構を有する。具体的には、レーザ光源９１から出力されるガイド光Ｌの光軸Ｄ上に配置されたコーンミラー９２と、その周囲に配置された反射ミラー９３とを有する。

図７に示すように整形機構により、ガイド光Ｌの断面の形状がリング形状に整形される。これにより被測定物Ｏ上に照射されるガイド光Ｌのスポット形状が、リング形状となる。当該ガイド光Ｌの照射スポットＳの内部領域９５が、複数の可視光が照射される測定領域となる。

本ガイド光ユニット８０を取付け、ガイド光Ｌの投影パターンをリング形状とすることで、レーザサイト機能を実現することが可能となる。すなわち測定ポイント（測定箇所）の周囲にガイド光Ｌを照射することが可能となり、位置測定に影響を与えることなく、位置決めや測定箇所の確認が可能となる。この結果、高い測定精度を実現することが可能となる。なお測定ポイントにガイド光Ｌが照射される場合に、必ず位置測定に影響があるという訳ではなく、その可能性を十分に排除できるという意味である。

整形される照射スポットＳの形状は限定されず、任意の形状が採用されてよい。また照射スポットＳの形状を整形する整形機構の構成も限定されず、任意に設計されてよい。

共焦点（コンフォーカル）光学系により発生する色収差を積極的に利用した波長コンフォーカル方式の非接触変位計は、ｍｍオーダーの輪郭・形状の測定、μｍオーダーの微細形状の測定、ワークの表面性状の測定等、様々な測定が可能である。一方で、その測定原理から、同軸での測定ワークの観察が困難であった。

ワークを観察出来ないため、特にμｍオーダーのワークを測定する場合、位置決めや測定箇所の確認に時間を要していた。また光の色分散をスケールとし、距離・変位を測定する原理のため、軸上色収差を持つ対物レンズを使用しての同軸観察は極めて困難であり、さらに同軸外の観察は、ワークが急斜面の場合などで、観察困難であった。

本実施形態では、図４に例示する観察ユニット７０を追加することで、モニタリング機能が実現され、測定ワークの同軸観察が可能となる。これにより、位置決めや測定箇所の確認が容易になり、測定の高速化が可能となり、測定精度の向上を図ることが可能となる。また観察光Ｎの波長を可視光とすることで、ガイド光としても使用可能となる。これにより目視により大まかな位置決めが可能となり、より測定の高速化が可能となる。また測定ワークの状態が観察できるため異常データを検出したとき等において、ゴミ、キズ、汚れ等の判別が可能となり、使い勝手の向上、及び信頼性の向上を図ることが可能となる。

また図５及び図７に例示するガイド光ユニット８０及び９０を取付けることで、ガイド光機能及びレーザサイト機能を実現することが可能となる。この結果、測定操作の作業性の向上、及び測定精度の向上を十分に図ることが可能となる。

また本実施形態では、共焦点光学系内の色収差を有する対物レンズ１２と、接続口１３との間にダイクロイックミラー１５が配置される。当該ダイクロイックミラー１５を基準として、観察ユニット７０やガイド光ユニット８０及び９０が取付けられる。これにより波長コンフォーカル方式の測定精度を高く維持したまま、他の観察光学系やレーザ光学系を組み合わせることが可能となり、その設計も容易となる。また対物レンズ１２から被測定物Ｏまでの間に光学部材等を追加する必要がないので、作動距離（対物レンズ１２から被測定物Ｏまでの距離）を十分に確保することが可能となり、高い作業性を発揮することが可能となる。

例えば上記特許文献１に記載の、顕微鏡とクロマティック共焦点センサとが一体化した構造では、顕微鏡の対物レンズが共通して用いられている。この場合、アフォーカル分散レンズの色収差により軸上で分離された複数の光の各々の光路が、対物レンズの波長依存性等により乱されてしまう場合があり得る。この結果、高さ測定の精度が著しく低下してしまう可能性も高い。これに対して本技術に係るクロマティックセンサでは、共焦点光学系を基準として、他の光学系が追加されているので、高い測定精度を発揮することが可能である。

＜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、位置測定用の光（上記では白色光Ｗ）の波長帯域に含まれない波長光が、観察光及びガイド光として用いられたが、これに限定されない。例えば位置測定用の光と同じ波長帯域の光が、観察光等として用いられてもよい。

例えば図４に例示する光学ヘッド１０を参照して、観察用光源７１として、白色ＬＥＤが用いられてもよい。この場合、ビームスプリッタとして、ダイクロイックミラー１５の代わりにハーフミラーが用いられる。これにより、イメージセンサ７５の出力に基づいて、測定箇所のカラー画像を生成することが可能となる。この結果、測定箇所の観察精度が十分に向上し、高い測定精度が発揮される。なおこの場合、光源部４０及び観察用光源７１による白色光の発光タイミングが適宜制御される。

なお観察用光源７１として白色ＬＥＤが用いられる場合に、被測定物Ｏにより反射された観察光（白色光）が対物レンズ１２を通過する際に発生する色収差を補正する補正レンズが配置されてもよい。例えば図４に示す結像レンズ７４に、当該補正機能を備えさせてもよい。例えば対物レンズ１２とは逆の収差特性を有する結像レンズ７４が配置される。これにより観察光の色収差を補正することが可能となり、精度の高い観察箇所の画像を生成することが可能となる。

なお筐体部１１内にハーフミラーを配置し、観察ユニット７０の観察用光源を省略する構成もあり得る。この場合、被測定物Ｏにより反射された白色光（複数の可視光）から測定光Ｍを除く光が、イメージセンサ７５に入射する。これにより生成された画像を用いて、測定箇所を観察することが可能であるが、観察できる被測定物Ｏ上の領域はそれほど広くはない。

その他、位置測定用の光の波長帯域と重複する波長帯域を有する観察光が用いられてもよい。これらの光を分割するビームスプリッタを適宜設計して配置することで、被測定物Ｏの位置測定及び観察箇所の観察が可能となる。ガイド光についても、位置測定用の光の波長帯域に含まれる可視光が用いられてもよい。例えばハーフミラーを用いることで、当該ガイド光を被測定物Ｏに照射することが可能である。

図９は、他の実施形態に係る光学ヘッドの内部の構成例を示す模式図である。この光学ヘッド２１０では、対物レンズ２１２と接続口２１３との間に、コリメータレンズ２１８と、リレーレンズ２１９とが配置される。コリメータレンズ２１８は、接続口２１３の近傍に配置され、筐体部２１１内に出射される白色光Ｗを平行化する。リレーレンズ２１９は、対物レンズ２１２の近傍に配置され、平行化された白色光Ｗを対物レンズ２１２に向けて収束する。

測定光Ｍを透過し、観察光Ｎを反射するダイクロイックミラー２１５は、コリメータレンズ２１８とリレーレンズ２１９との間に配置される。これにより光線（光束）が光軸Ａと平行となる位置で光を分離することが可能となり、光軸ずれの発生等を十分に防止することが可能となる。またダイクロイックミラー２１５の角度依存性を抑えることが可能となる。この結果、ダイクロイックミラー２１５の追加による、波長コンフォーカル方式の測定への影響を抑制することが可能となる。なおコリメータレンズ２１８やリレーレンズ２１９等が用いられない構成において、ダイクロイックミラー２１５の追加による影響が必ず発生するという訳ではない。

図４に示す例では、１つのユニットとして構成された観察ユニット７０が用いられた。これに限定されず、観察用光源７１と、イメージセンサ７５とが互いに独立して配置されてもよい。例えば筐体部１１の接続部１７には、イメージセンサ７５及び結像レンズ７４を収容する撮像ユニットが接続される。そして観察用光源７１は、筐体部１１の照射面１４の近傍に配置される。このような構成でも、測定箇所の画像を生成することが可能である。

また観察光ユニット７０の観察用光源７１が配置されている部分が、さらに取り外し可能なユニット構成を有していてもよい。そしてその部分に、レーザ光を備える光源ユニットが取り付けられてもよい。これにより観察光及びガイド光の切り替えが容易に可能となる。

図４に示す観察ユニット７０が、筐体部１１に一体的に構成されてもよい。すなわち取り外し可能な接続構成が実現されていなくてもよい。この場合でも、上記したモニタリング機能が発揮されるので、高い精度で被測定物を測定することが可能となる。ガイド光ユニットも同様に、筐体部に一体的に構成されてもよい。

また上記では、位置測定用の複数の可視光を含む光として白色光が用いられた。これに限定されず、広帯域の他の光が用いられる場合でも本発明は適用可能である。すなわち各々波長の異なる複数の光として、不可視光である紫外線や赤外線等が出射されてもよい。例えば紫外線を出射するＬＥＤ等を、本発明に係る光源部として使用することが可能である。

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…ガイド光
Ｍ…測定光
Ｎ…観察光
Ｗ…白色光
１０、２１０…光学ヘッド
１１、２１１…筐体部
１２、２１２…対物レンズ
１３、２１３…接続口
１５、２１５…ダイクロイックミラー
１７…接続部
２０…コントローラ
３０…光ファイバ部
４０…光源部
５０…分光器
６０…制御部
７０…観察用光源
７０…観察光ユニット
７１…観察用光源
７５…イメージセンサ
８０、９０…ガイド光ユニット
８１、９１…レーザ光源
９２…コーンミラー
９３…反射ミラー
１００…クロマティックセンサ

Claims (12)

1. 互いに波長の異なる複数の光を出射する光源部と、
   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る対物レンズと、
   前記複数の光のうち前記合焦位置にて被測定物により反射された測定光を出射する出射口と、
   前記出射された測定光に基づいて前記被測定物の位置を算出する位置算出部と、
   観察光を出射する観察用光源、及びイメージセンサを有する観察部と、
   前記対物レンズを通過する前記測定光の少なくとも一部を前記出射口へ出射し、前記対物レンズを通過する前記被測定物により反射された前記観察光の少なくとも一部を前記イメージセンサへ出射するビームスプリッタと
   を具備するクロマティック共焦点センサ。
2. 請求項１に記載にクロマティック共焦点センサであって、
   前記ビームスプリッタは、前記対物レンズと前記出射口との間に配置され、前記光源部から出射された前記複数の光及び前記観察用光源から出射された前記観察光を、前記対物レンズに向けて同じ光軸に沿って出射する
   クロマティック共焦点センサ。
3. 請求項１又は２に記載にクロマティック共焦点センサであって、
   前記光源部は、所定の波長帯域に含まれる複数の波長光を出射し、
   前記観察用光源は、前記所定の波長帯域に含まれない波長光を出射し、
   前記ビームスプリッタは、前記光源部から出射される複数の波長光と、前記観察用光源から出射される波長光とを分離するダイクロイックミラーである
   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つに記載にクロマティック共焦点センサであって、
   前記観察部は、ユニットとして構成され、
   前記クロマティック共焦点センサは、さらに、前記ビームスプリッタの位置を基準として設けられ前記観察部が取り外し可能に接続される接続部を具備する
   クロマティック共焦点センサ。
5. 請求項４に記載にクロマティック共焦点センサであって、さらに、
   前記接続部に接続可能な、ガイド光を出射するレーザ光源を有しユニットとして構成されたガイド光照射部を具備し、
   前記ビームスプリッタは、前記接続部に接続された前記ガイド光照射部の前記レーザ光源から出射される前記ガイド光を、前記対物レンズに向けて出射する
   クロマティック共焦点センサ。
6. 請求項５に記載にクロマティック共焦点センサであって、
   前記被測定物に照射される前記ガイド光のスポット形状は、リング形状である
   クロマティック共焦点センサ。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載にクロマティック共焦点センサであって、
   前記観察光は、可視光である
   クロマティック共焦点センサ。
8. 請求項３に記載にクロマティック共焦点センサであって、
   前記光源部は、白色光を出射し、
   前記観察用光源は、赤外光を出射する
   クロマティック共焦点センサ。
9. 請求項５又は６に記載にクロマティック共焦点センサであって、
   前記ガイド光は、可視光である
   クロマティック共焦点センサ。
10. 請求項１又は２に記載にクロマティック共焦点センサであって、
    前記観察用光源は、前記光源部と同じ光を出射し、
    前記ビームスプリッタは、ハーフミラーである
    クロマティック共焦点センサ。
11. 請求項１０に記載にクロマティック共焦点センサであって、
    前記光源部及び観察用光源は、白色光を出射する
    クロマティック共焦点センサ。
12. 請求項１０又は１１に記載にクロマティック共焦点センサであって、
    前記観察部は、前記対物レンズにより発生する前記被測定物により反射された前記観察光の収差を補正する補正レンズを有する
    クロマティック共焦点センサ。

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