JP2018200189A - 計測装置および計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光源からの照射光を光学系を介して対象物に照射し、対象物からの反射光を用いて対象物を計測する計測装置において、該反射光の反射角度を保存しない場合と比較して、光学系と対象物との距離を大きくしても計測可能な反射角度の範囲の低下を抑制すること。【解決手段】照射光を発光する発光部と、照射光の発散度合いを変える第１のレンズと、第１のレンズから出射された照射光を絞る絞り部と、絞り部を通過した照射光を対象物の予め定められた方向から照射するように集光する第２のレンズと、絞り部と第２のレンズとの間に配置されかつ照射光が対象物に照射されて反射した反射光を受光する受光部と、第２のレンズと対象物との間への挿入または抜去が可能とされかつ反射光の反射角度を保存する光学素子と、を含み、反射光は反射角度が保存されて光学素子から出射し第２のレンズを通過して受光部の予め定められた位置に入射する。【選択図】図１

Description

本発明は、計測装置および計測方法に関する。

特許文献１には、複屈折性を有さない光学ガラスで構成された平行平板の四辺を支持枠によって密閉性を保つように保持し、撮像素子および平行平板で挟まれる空間の密閉性を保つように支持枠を柔軟性のある柔軟支持部材によって支持し、平行平板（支持枠）を含む面と撮像素子を実装する基板を含む面との間に配設された小型のアクチュエータで平行平板（支持枠）を振動させる構成を備えた撮像ユニットが開示されている。特許文献１に開示された撮像ユニットでは、照射光学系の照射角度を変えるために平行平板を用いている。

特許文献２には、複数の光ビームを発する光源装置と、ミラーおよび、このミラーをその反射面内にほぼ含まれる回転軸を中心に回転させる駆動手段を備えてなる光偏向器と、この光偏向器により反射偏向された光ビームにより主走査される位置において記録材料を湾曲保持するプラテンと、光ビームを記録材料上でビームスポットに収束させる光学系と、プラテンと光偏向器とを、ミラー回転軸と平行な方向に相対移動させる副走査手段とからなる光走査装置において、記録材料上の副走査方向のビームスポット間隔を変更する手段として、光ビームを透過させ、該光ビームに対する傾斜角度を変更自在とされた平行平板を設けられた光走査装置が開示されている。特許文献２に開示された光走査装置では、入射前の光学系において、複数のビーム間隔を変えるために平行平板を用いている。

特許文献３には、均一の厚さの透明な少なくとも２つの平行平板を複数の側面で繋いだ中空筐体の開口部と１つのガラス板とを可撓性のベローズで連結して閉空間を構成し、該閉空間を光学的に透明な液体又はゲルで満たし、該ガラス板の該中空筐体に対する傾きを変えることにより該中空筐体に入射する光線の射出角度を変えることを特徴とする光学素子が開示されている。特許文献３に開示された光学素子では、プリズムに入射する光線の角度を変えるために平行平板を用いている。

特開２００５−２６６６７６号公報 特開平１０−２７４７４４号公報 特開平９−２５８０１４号公報

本発明の課題は、光源からの照射光を光学系を介して対象物に照射し、対象物からの反射光を用いて対象物を計測する計測装置において、該反射光の反射角度を保存しない場合と比較して、光学系と対象物との距離を大きくしても計測可能な反射角度の範囲の低下を抑制することである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の計測装置は、対象物へ照射する照射光を発光する発光部と、前記発光部から発光された前記照射光の発散度合いを変える第１のレンズと、前記第１のレンズから出射された前記照射光を絞る絞り部と、前記絞り部を通過した前記照射光を前記対象物の予め定められた方向から照射するように集光する第２のレンズと、前記絞り部と前記第２のレンズとの間に配置されかつ前記照射光が前記対象物に照射されて反射した反射光を受光する受光部と、前記第２のレンズと前記対象物との間への挿入または抜去が可能とされかつ前記反射光の反射角度を保存する光学素子と、を含み、前記反射光は前記反射角度が保存されて前記光学素子から出射し前記第２のレンズを通過して前記受光部の予め定められた位置に入射するものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記光学素子は対向する２つの面が前記照射光の照射方向と交差する方向に配置された平行平板であり、前記反射光の前記平行平板の一方の前記面に入射する入射角度と、前記平行平板の他方の前記面から出射する出射角度とが等しいものである。

また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記平行平板は前記照射光の照射方向から見た形状が円形状であるものである。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記光学素子は内面の予め定められた領域が反射面とされた反射体であり、前記反射光の前記反射面に入射する入射角度と、前記反射面から出射する出射角度とが等しくされているものである。

また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記反射体は前記内面に接して内部に配置されかつ対向する２つの面が前記照射光の照射方向と交差する方向に配置された平行平板を備えるものである。

また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記平行平板が前記反射体の内部に挿入されたバルク材、または前記反射体の内部に充填された樹脂であるものである。

また、請求項７に記載の発明は、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の発明において、前記光学素子の前記第２のレンズと前記対象物との間への挿入または抜去を制御する制御部をさらに含み、前記制御部は前記対象物の前記照射光の照射方向の高さに応じて前記光学素子の挿入または抜去を制御するものである。

また、請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の発明において、前記制御部は、前記第２のレンズと前記対象物の表面との間の離間距離が予め定められた閾値以上となった場合に前記光学素子を挿入し、前記離間距離が前記閾値未満となった場合に前記光学素子を抜去するものである。

また、請求項９に記載の発明は、請求項７または請求項８に記載の発明において、前記光学素子が前記照射光の照射方向の高さが異なる複数の前記光学素子であり、前記制御部は前記対象物の前記照射光の照射方向の高さに応じて複数の前記光学素子のいずれかを選択しつつ挿入または抜去を制御するものである。

上記目的を達成するために、請求項１０に記載の計測方法は、対象物へ照射する照射光を発光する発光部と、前記発光部から発光された前記照射光の発散度合いを変える第１のレンズと、前記第１のレンズから出射された前記照射光を絞る絞り部と、前記絞り部を通過した前記照射光を前記対象物の予め定められた方向から照射するように集光する第２のレンズと、前記絞り部と前記第２のレンズとの間に配置されかつ前記照射光が前記対象物に照射されて反射した反射光を受光する受光部と、前記第２のレンズと前記対象物との間への挿入または抜去が可能とされかつ前記反射光の反射角度を保存する光学素子と、を含む計測装置を用いた計測方法であって、前記光学素子により前記反射光の前記反射角度を保存させて前記反射光を前記第２のレンズを通過させ前記受光部の予め定められた位置に入射させるものである。

請求項１および請求項１０に記載の発明によれば、光源からの照射光を光学系を介して対象物に照射し、対象物からの反射光を用いて対象物を計測する計測装置において、該反射光の反射角度を保存しない場合と比較して、光学系と対象物との距離を大きくしても計測可能な反射角度の範囲の低下が抑制される、という効果が得られる。

請求項２に記載の発明によれば、光学素子として反射体を用いる場合と比較して、常に入射した反射光の反射角度が保存される、という効果が得られる。

請求項３に記載の発明によれば、円形以外の形状の平行平板を用いる場合と比較して、多様な反射角度の反射光が集光される、という効果が得られる。

請求項４に記載の発明によれば、光学素子として平行平板を用いる場合と比較して、計測される対象物の高さの範囲がより拡大する、という効果が得られる。

請求項５に記載の発明によれば、反射体が内面に接して内部に配置された平行平板を備えない場合と比較して、反射光の伝播における減衰がより抑制される、という効果が得られる。

請求項６に記載の発明によれば、平行平板を前記反射体の内部に挿入されたバルク材、および反射体の内部に充填された樹脂以外のものとする場合と比較して、反射体内部への平行平板の配置がより容易になる、という効果が得られる。

請求項７に記載の発明によれば、制御部により対象物の高さに応じて光学素子の挿入または抜去を制御しない場合と比較して、さまざまな高さの対象物の計測が一括して行える、という効果が得られる。

請求項８に記載の発明によれば、制御部が第２のレンズと対象物の表面との間の離間距離の閾値を用いないで光学素子の挿入または抜去を制御する場合と比較して、対象物の高さに応じた光学素子の制御がより確実に行える、という効果が得られる。

請求項９に記載の発明によれば、高さの固定された単一の光学素子を挿入、抜去する場合と比較して、より多様な高さの対象物の計測が行える、という効果が得られる。

第１の実施の形態に係る計測装置の構成の一例を示す断面図である。 第１の実施の形態に係る計測装置の動作を説明する図である。 （ａ）は実施の形態に係る受光器の構成の一例を示す平面図、（ｂ）は受光 器の光量出力特性を示すグラフである。 実施の形態に係る制御部の構成の一例を示すブロック図である。 比較例に係る計測装置の集光力について説明する図である。 （ａ）から（ｃ）は第１の実施の形態に係る計測装置における光学素子の作 用を説明する図である。 第１の実施の形態に係る計測処理プログラムの処理の流れを示すフローチャ ートである。 （ａ）から（ｃ）は第１の実施の形態に係る受光器における受光素子の配置 のバリエーションを示す図である。 （ａ）は第２の実施の形態に係る計測装置の構成の一例を示す断面図、（ｂ）は 光学素子の斜視図である。 （ａ）から（ｃ）は第２の実施の形態に係る計測装置における光学素子の 作用を説明する図である。 （ａ）から（ｃ）は第２の実施の形態の変形例に係る光学素子の作用を説 明する図である。 第１の実施の形態に係る光学素子の作用を説明する図である。 （ａ）から（ｄ）は第２の実施の形態に係る光学素子の形状、および受光 器における受光素子の配置のバリエーションを示す図である。

［第１の実施の形態］
図１から図８を参照して、本実施の形態に係る計測装置および計測方法について詳細に説明する。まず、図１および図２を参照して、本実施の形態に係る計測装置１０の構成の一例について説明する。図１は、計測装置１０が対象物の計測を行う場合の構成を示している。

図１に示すように、計測装置１０は、発光器１４、光学系３０、受光器１８、光学素子６０および制御部２０を含んで構成されている。計測装置１０は、−Ｘ方向に移動する対象物ＯＢの微細領域にＺ軸方向から順次光を照射し、各照射光に対する反射光の反射角度分布（光量分布の反射角度依存性）を取得する。取得した反射角度分布を用い、対象物ＯＢの形状の変化や表面状態（シボ、エンボス、表面粗さ、表面欠陥、異物付着等）について、対象物ＯＢとの距離や対象物ＯＢの角度の変動に影響されずに計測がなされる。

より詳細には、図１に示すように、発光器１４は、−Ｘ方向に移動する対象物ＯＢが通過する計測領域Ｔに対して、装置上下方向（Ｚ軸方向）の上方に配置されている。また、発光器１４は、基板１４Ａ上Ｙ軸方向に並べて実装され、−Ｚ方向を発光方向とする複数の発光素子１２を備えている。換言すれば、複数の発光素子１２は、対象物ＯＢの移動方向（−Ｘ方向）に対して直交（交差）する方向に並べられている。なお、図１では、基板１４ＡのＹ軸方向の一端部（図中右端）に配置された発光素子１２を発光素子１２Ａと表記し、基板１４ＡのＹ軸方向他端部（図中左端）に配置された発光素子１２を発光素子１２Ｂと表記し、基板１４Ａの中央に配置された発光素子１２を発光素子１２Ｃと表記している。

本実施の形態に係る複数の発光素子１２は、発光素子１２Ａから発光素子１２Ｂまで、時間差を設けて順次発光されるように構成され、各発光素子１２からの光が対象物ＯＢの異なる位置に個別照射される。そして、対象物ＯＢが計測領域Ｔにおいて−Ｘ方向に移動する間に、発光素子１２Ａから発光素子１２Ｂまでの１周期の発光が複数回繰り返されるように構成されている。

発光素子１２としては特に限定されないが、一例として、面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ：ＶＣＳＥＬ）、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）等が用いられる。

光学系３０は、レンズ３２、レンズ３４、およびレンズ３２とレンズ３４との間に配置された絞り４０を含み、いわゆる両側テレセントリックレンズとして構成されている。光学系３０は、発光器１４と対象物ＯＢとの間に配置され、発光素子１２から発光された照射光を対象物ＯＢに導くとともに、対象物ＯＢで反射された反射光を受光器１８に導く。
つまり、受光器１８は、レンズ３４から出射された発光素子１２からの照射光が対象物ＯＢで反射し、再度レンズ３４を透過した光束の少なくとも一部を受光するように構成されている。また、本実施の形態では、レンズ３２の光軸とレンズ３４の光軸とが共通の光軸Ｍとされ、この光軸Ｍが、発光器１４の発光素子１２Ｃの中心、および後述する絞り４０の開口部４２の中心を通っている。

レンズ３２は、一例として平面視で円形状の平凸レンズとされ、レンズ３２の直径は、発光素子１２Ａから発光素子１２ＢまでのＹ軸方向の寸法より長くされている。そのため、各発光素子１２から発光された光のほぼすべてはレンズ３２を透過し、レンズ３２を透過した光は発散度合を変えられ、平行光とされてレンズ３４に向かう。

レンズ３４は、一例として平面視で円形状の平凸レンズとされ、本実施の形態では、レンズ３４の直径は、レンズ３２の直径より長くされている。そして、レンズ３４は、レンズ３２から出射されてレンズ３４を透過する光束を対象物ＯＢの表面２００に向けて集光する。

絞り４０には、略円形状の開口部４２が形成されており、この開口部４２によって、発光素子１２から発光されレンズ３２を透過してレンズ３４に入射する光束を絞る（図２も参照）。より具体的には、絞り４０は、板面をＸ−Ｙ平面に平行とされた板状とされ、開口部４２によって形成される円形状は光軸Ｍを中心軸としている。そして、Ｚ軸方向において、この開口部４２とレンズ３２との距離は、レンズ３２の焦点距離と略等しくされ、開口部４２とレンズ３４との距離は、レンズ３４の焦点距離と略等しくされている。

図２を参照して、計測装置１０における発光器１４からの照射光ＩＦによる対象物ＯＢへの光の照射について説明する。なお、図２では受光器１８の図示を省略している。発光器１４に搭載された発光素子１２は、一例として−Ｙ方向（図２では方向Ｄ１と表記）に順次発光する。光学系３０は順次発光された各発光素子１２からの光束を、発光素子１２の位置によらずに、細く絞られかつ光軸Ｍに平行な照射光ＩＦとして＋Ｙ方向（図２では方向Ｄ２と表記）に順次対象物ＯＢに照射する。換言すれば、各発光素子１２を発光させて走査することにより、細く絞られ互いに平行な略円形の光束（スポット）が対象物ＯＢに個別照射される。さらに、本実施の形態に係る計測装置１０では、照射光ＩＦの光束のレンズ３４による集光点付近に対象物ＯＢを配置することにより、対象物ＯＢにおける各照射光ＩＦの照射領域がほぼ同径の微細な領域とされている。このことにより、計測装置１０では、対象物ＯＢの位置がＺ軸方向で上下変動しても、ほぼ同じ照射径で各照射光が照射されるため、対象物ＯＢの像のボケが極めて小さくされる。この際照射光ＩＦは光学素子６０を透過するが、光学素子６０の作用については後述する。

受光器１８は、複数の受光素子１６を含んで構成され、対象物ＯＢで反射され光学系３０のレンズ３４を透過した反射光ＲＦを受光する。本実施の形態に係る受光器１８は、レンズ３２とレンズ３４との間に配置された絞り４０の、Ｚ軸方向下側に配置されている。
受光素子１６としては、特に制限はないが、例えば、フォトダイオード（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ：ＰＤ）、電荷結合素子（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ：ＣＣＤ）等が用いられる。

図３（ａ）に、受光器１８の構成の一例を示す。図３（ａ）は、受光器１８を、Ｚ軸方向から見た平面図である。図１に示す受光器１８は、図３（ａ）のＸ−Ｘ’で切断した断面図を表している。図３（ａ）に示すように、受光器１８は、一例として、中央に略円形の開口部１８Ｂを有する略円形の基板１８Ａの上に、複数の受光素子１６（図３（ａ）では、６０個の例が示されている）が面状（アレイ状）に配置されて構成されている。計測装置１０では、この複数の受光素子１６の全体を受光領域ＲＡとして反射光ＲＦを受光する。

受光領域ＲＡで受光される反射光ＲＦの範囲は、一例として、光軸Ｍに平行な軸を中心とした角度０°〜４０°の範囲の反射光ＲＦである。この反射光ＲＦが受光領域ＲＡで受光されると、各受光素子１６の受光光量により立体的な分布が形成される。完全拡散面において反射された場合のように、反射光ＲＦが等方的な場合には、この立体的な分布の、Ｚ軸を含む平面で切断した断面の形状は、図３（ｂ）に示すように略ガウス曲線となる。
なお、図３（ｂ）の横軸の受光素子番号１〜６は、図３（ａ）に示した受光素子１６の番号１〜６に対応している。また、受光領域ＲＡにおける受光素子１６と受光素子１６との間では反射光ＲＦが受光されないので、実際の出力分布は離散的となるが、図３（ｂ）ではこれを省略して図示している。

さらに、計測装置１０では、受光素子１６の受光面と開口部４２とがＺ軸方向上同じ位置とされているので、受光素子１６の受光面とレンズ３４との距離は、レンズ３４の焦点距離と同じ長さとされている。このため、対象物ＯＢの位置がＺ軸方向において上下に変動して、あるいは、Ｙ軸方向において左右に変動して、異なる発光素子からの照射光ＩＦが照射されても、対象物ＯＢへの照射位置が同じである限り、受光領域ＲＡにおける出力分布は常に一定となる。

換言すれば、対象物ＯＢとして照射径程度の大きさの微小な領域を仮定すると、この対象物ＯＢがＺ軸方向において上下に、あるいは、Ｙ軸方向において左右に移動した場合、異なる発光素子１２による異なる照射光ＩＦで照射され、異なる反射光ＲＦを反射することになるが、本実施の形態に係る計測装置１０では、受光領域ＲＡに含まれる受光素子１６全体による出力分布は、反射光ＲＦの発生位置によらず常に同じ出力分布となる。

再び図１を参照し、光学素子６０は、光学系３０（レンズ３４）と対象物ＯＢとの距離が予め定められた距離より離間した場合においても、計測装置１０によって計測される反射光ＲＦの反射角度範囲の低下を抑制する機能を有する。すなわち、光学素子６０によって、光学系３０と対象物ＯＢとの距離が離間した場合でもより広範囲の反射角度の反射光ＲＦが集光される。

本実施の形態に係る光学素子６０は、照射光ＩＦに対して透明かつ屈折率が１より大きい材料により形成された平面視（図１のＺ軸方向から見た）円形の平行平板で構成されている。すなわち、本実施の形態に係る光学素子６０は円柱形状とされている。光学素子６０を形成する材料としては、一例としてガラス、プラスチック等が挙げられる。特に、金属をドーブしたガラスや一部のプラスチック等は屈折率を大きくすることが比較的容易なため好適に用いられる。本実施の形態に係る光学素子６０は光学素子駆動部５４（図４も参照）によって、図１に示すように中心軸Ｃを中心として回転可能とされ、計測装置１０への挿入／抜去が選択可能なように構成されている。図１では、光学素子６０の挿入位置を実線で、抜去位置を破線で各々示している。光学素子６０の詳細については後述する。

制御部２０は、図４に示すように、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１００、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）１０２、およびＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）１０４を含んで構成されている。ＣＰＵ１００は、計測装置１０の全体を統括、制御し、ＲＯＭ１０２は、計測装置１０の制御プログラム、あるいは後述する計測処理プログラム等を予め記憶する記憶手段であり、ＲＡＭ１０４は、制御プログラム等のプログラムの実行時のワークエリア等として用いられる記憶手段である。ＣＰＵ１００、ＲＯＭ１０２、およびＲＡＭ１０４は、バスＢＵＳによって相互に接続されている。

バスＢＵＳには、発光器１４、受光器１８、対象物ＯＢを移動させるための移動装置（図示省略）を駆動する移動装置駆動部５２、および光学素子６０を回転させるための回転装置（図示省略）を駆動する光学素子駆動部５４が接続されており、発光器１４、受光器１８、移動装置駆動部５２、および光学素子駆動部５４の各々は、バスＢＵＳを介してＣＰＵ１００の制御を受ける。

ここで、図５および図６を参照して本実施の形態に係る光学素子６０の作用について説明する。まず、図５を参照して、光学素子６０を挿入しない場合の計測装置１０について説明する。図５は、レンズ３４（光学系３０における対象物ＯＢ側のレンズ）と対象物ＯＢとの距離（以下、「離間距離Ｈ」）の違いによる、反射光ＲＦに含まれる反射光の反射角度の範囲（以下、「集光角度範囲」）の違いを説明する図である。なお、本実施の形態において反射角度θは、図５に示すように、Ｙ軸方向から反時計回りに測った角度と定義する。

図５の＜１＞で示す図は、離間距離Ｈ１において、ある集光角度範囲の反射光ＲＦがレンズ３４によって集光され、受光素子１６に入射されている状態を示している。このとき、図５の＜２＞に示すように、＜１＞の状態から対象物ＯＢを距離ｈだけ下方に移動させて離間距離ＨをＨ２（Ｈ２＝Ｈ１＋ｈ）とすると、＜１＞と同じ反射角度範囲の反射光がレンズ３４で集光されなくなる。対象物ＯＢを距離ｈだけ下方に移動させることは対象物のＯＢの高さがｈだけ低くなったことと等価である。つまり、対象物ＯＢの高さが低くなると反射角度の小さな反射光（＜２＞において破線で示す光線）がレンズ３４の外側を進行し、レンズ３４を通過しなくなる。このため、受光器１８で計測される反射光ＲＦの集光角度範囲が低下する。集光角度範囲が低下すると、対象物ＯＢのある照射点における反射光において反射角度の小さい反射光が計測されなくなる、つまり、図３（ｂ）に示す光量出力の裾に近い部分の光量出力が取得されなくなるので、計測装置１０の計測において細部の計測能力が低下する。例えば、さまざまなＺ軸方向の高さの対象物ＯＢを連続して計測するような場合にこの計測能力の低下が顕在化する。本実施の形態に係る計測装置１０では、この計測能力の低下を抑制するために光学素子６０を設けている。

図６を参照して、本実施の形態に係る光学素子６０の作用について説明する。光学素子６０は、上述したように、上下に対向する端面Ｓ１、Ｓ２を有する平行平板とされている。図６（ａ）に示すように、端面Ｓ２からＤ３で示す方向の光軸を有する光Ｌが角度θｉで入射すると、光Ｌは光学素子６０内で屈折され角度θｏで端面Ｓ１からＤ４で示す方向に出射する。このとき、θｉ＝θｏが成立している。計測装置１０は、光学素子６０のこの作用を利用している。すなわち、上記θｉ(θｏ）が図５に示す反射角度θに相当し、方向Ｄ３の光が図５＜２＞で説明した反射角度θの小さい光に相当する。そして、計測装置１０では光学素子６０上記屈折作用によって本来集光されない反射角度θの光を集光し、図６（ｂ）に示すように、離間距離Ｈが大きくなった場合でも集光角度範囲の低下を抑制している。

ここで、平行平板の特性から、上述したように対象物ＯＢの表面２００のある点からの反射光の反射角度θは光学素子６０を通過しても変わらず、反射角度θを維持したままレンズ３４、そして受光素子１６に入射される。換言すると、光学素子６０は反射角度θを保存する機能を有している。つまり、離間距離Ｈが大きくなった場合でも計測装置１０の、反射角度に応じた光強度を受光する、という上記の特徴はそのまま活かされている。なお、光学素子６０の集光角度範囲は光学素子６０を形成する材料の屈折率、および光学素子６０のＺ軸方向の厚さに依存するため、複数種の対象物ＯＢの高さの範囲等を勘案して光学素子６０の屈折率および厚さを選定するとよい。また、光学素子６０は平行平板の特性から光軸Ｍに対して厳密に直交している必要はなく、傾いていても反射角度θは保存される。

ここで、本実施の形態における「反射角度が保存される」という表現は、光学素子６０に対する入射角度と出射角度が等しいという意味で用いている。受光素子１６との関係においては、同じ反射角度θの反射光は同じ受光素子１６で受光されるが、必ずしも反射点における反射角度θと同じ角度で受光素子１６に入射することを意味していない。

ここで、図６（ｃ）を参照して、光学素子６０の照射光ＩＦに対する作用について付言する。図６（ｃ）は、広がり角度がα（実際の広がり角度を誇張して大きく表している）の照射光ＩＦが端面Ｓ１に対して略垂直に入射された場合の状態を図示している。すなわち、照射光ＩＦは、光学素子６０がない場合には集光点Ｆ１に集光する（図６（ｃ）では破線で示している）。一方、この状態において集光点Ｆ１を含む照射光ＩＦの領域に光学素子６０を介在させると、図６（ｃ）に示すように、照射光ＩＦは屈折され、広がり角度αを維持（保存）したまま端面Ｓ２から出射される。つまり、発光素子１２から順次照射される個々の照射光ＩＦの光軸および照射角度は平行平板の有無に影響されず一定であり、集光点Ｆ１が集光点Ｆ２に移動する（すなわち、集光点が下方にシフトする）ので、光学系３０からより離間した対象物ＯＢまで照射光ＩＦが照射される。その結果、上述した反射角度の保存と同様、離間距離Ｈが拡大しても照射光ＩＦの集光点の位置がその拡大に合わせて移動される。

次に、図７を参照し、光学素子６０を備えた本実施の形態に係る計測装置１０によって計測を行う場合の計測処理プログラムについて説明する。図７は、本実施の形態に係る計測処理プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。図７に示す処理は、例えば、ユーザにより図示しない入力部を介して実行開始の指示がなされると、制御部２０のＣＰＵ１００がＲＯＭ１０２等の記憶手段から本計測処理プログラムを読み込み、実行する。

本実施の形態では、一例として、高さ（図１におけるＺ軸方向の高さ）等が異なる複数種類の対象物ＯＢの表面を計測する場合を例示して説明する。複数の対象物ＯＢの各々には該対象物の高さ、識別コード等の情報が記憶されたタグ（送信機）が固着されており、ベルトコンベア等によって搬送され、順次計測領域Ｔ（図１も参照）に侵入する。計測装置１０はタグからの送信信号を受信する受信機（図示省略）を備え、各対象物が計測領域Ｔに侵入するたびに該対象物の高さ等の情報が取得可能とされている。

まずステップＳ１００で計測装置１０の初期設定処理を行う。本実施の形態に係る初期設定処理は、計測装置１０の各種パラメータの初期設定とともに、光学素子６０の位置（図１における挿入／抜去の位置）の初期設定を行う。初期状態において光学素子６０を挿入した状態とするか抜去した状態とするかは扱う対象物ＯＢの高さ等に応じて決めればよいが、本実施の形態では初期状態で抜去した状態とする。

次のステップＳ１０２で、計測領域に侵入した対象物ＯＢの情報（高さ等）を取得する。対象物情報の取得は、該対象物に固着されたタグからの送信信号を受信、解読して行う。

次のステップＳ１０４では、光学素子６０の位置の変更が必要か否か判定する。当該判定が否定判定となった場合にはステップＳ１０８に移行する一方、肯定判定となった場合にはステップＳ１０６に移行して光学素子６０の位置を変更する。

ここで、光学素子６０の位置の変更が必要か否かの判定は以下のように行う。すなわち、本実施の形態に係る計測装置１０では、予め離間距離Ｈの最小値Ｈｍｉｎが設定されている。そして、Ｈ≧Ｈｍｉｎの場合には光学素子６０を挿入し、Ｈ＜Ｈｍｉｎの場合には抜去する。本実施の形態では初期状態で抜去されているので、最初の対象物ＯＢに対する離間距離ＨがＨ≧Ｈｍｉｎの場合にはステップＳ１０６に移行して光学素子６０を挿入した後ステップＳ１０８に移行する。一方、Ｈ＜Ｈｍｉｎの場合には抜去の状態のままステップＳ１０８に移行する。

ステップＳ１０８では上述した手順によって計測を実行する。

ステップＳ１１０では全ての対象物ＯＢについて計測を終了したか否か判定し、当該判定が否定判定となった場合にはステップＳ１０２に移行して次の対象物ＯＢのデータを取得する。一方、ステップＳ１１０で肯定判定となった場合には本計測処理プログラムを終了する。

なお、本実施の形態では複数種類の対象物ＯＢの計測において光学素子６０を挿入／抜去する形態を例示して説明したが、これに限られず、例えば高さの異なる複数の光学素子６０を配置し、対象物ＯＢの高さに応じて光学素子６０を変更しつつ挿入／抜去する形態としてもよい。

また、本実施の形態では対象物ＯＢに固着されたタグからの送信信号を受信して該対象物の高さを取得する形態を例示して説明したが、これに限られない。例えば、対象物ＯＢにタグを固着する代わりに計測装置１０に高さ計測器を備えさせ、対象物ＯＢの高さを計測しつつ光学素子６０の挿入／抜去を制御する形態としてもよい。さらに、本実施の形態では離間距離Ｈに閾値を設ける形態を例示して説明したが、これに限られず、例えば対象物ＯＢの高さ自体に閾値を設け、この閾値に基づいて光学素子の挿入、抜去を制御する形態としてもよい。

ここで、本実施の形態では、図３（ａ）に示すように、基板１８Ａの受光領域ＲＡ上に受光素子１６が一様に配置された受光器１８によって反射光ＲＦを受光する形態を例示して説明したが、これに限られない。光学素子６０に対する受光素子１６の配置は、集光する反射光ＲＦの範囲等に応じて多様な形態としてよい。図８に受光素子１６の配置形態のバリエーションの一例を示す。

図８（ａ）は光学素子６０の中心から放射状（図８（ａ）では８方向）に受光素子１６を配置した例を示している。図８（ｂ）は予め定められた方向（例えば、発光素子１２の配列方向と交差（直交）する方向）に複数行配置した例を示している。図８（ｃ）は図８（ｂ）の複数行のうち中央の一行に配置した形態である。図８（ｃ）に示すように、受光素子１６は必ずしも光学素子６０に対して全面に配置する必要はなく、１行であってもよい。

なお、対象物ＯＢの表面２００上の照射光ＩＦに対する反射点と受光素子１６とをつなぐ光軸上に光学素子６０が存在すればよいので、平面視での（図１のＺ軸方向から見た）光学素子６０の直径は、図８（ａ）から（ｃ）に示すように受光素子１６の配置範囲より小さくてもよい。また、本実施の形態では平面視での光学素子６０の形状が円形状の場合を例示して説明したが、これに限られず、四角形、楕円形等他の形状としてもよい。

以上詳述したように、本実施の形態に係る計測装置および計測方法によれば、光源からの照射光を光学系を介して対象物に照射し、対象物からの反射光を用いて対象物を計測する計測装置において、該反射光の反射角度を保存しない場合と比較して、光学系と対象物との距離を大きくしても計測可能な反射角度の範囲の低下が抑制される。

［第２の実施の形態］
図９から図１３を参照して、本実施の形態に係る計測装置１０Ａ、および計測装置１０Ａを用いた計測方法について説明する。計測装置１０Ａは上述した計測装置１０において光学素子６０を光学素子６０Ａに置き換えた形態である。従って、計測装置１０と同様の構成には同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

図９（ａ）に示すように、計測装置１０Ａでは、計測装置１０の光学素子６０が配置される位置に光学素子６０Ａが配置されている。なお、図９（ａ）では受光器１８の図示を省略している。図９（ｂ）に示すように、光学素子６０Ａは円環形状とされ、内面６２が鏡面とされた鏡筒となっている。鏡筒の内面６２の反射面の材質は通常の鏡と同等でよく、例えばガラスなどの透明部材に、アルミニウムや銀などの金属メッキ（または蒸着）施したものが用いられる。なお、図示を省略するが、光学素子６０Ａにも光学素子６０と同様に照射光ＩＦの経路に対して挿入／抜去するための光学素子駆動部５４が備えられている。なお、図９（ａ）に示すように照射光ＩＦは対象物ＯＢに対して略垂直に入射するため、光学素子６０Ａは照射光ＩＦに対しては影響を及ぼさない。

図１０から図１２を参照して、光学素子６０と比較しつつ光学素子６０Ａの作用について説明する。計測装置１０では予め定められたＺ軸方向の厚さを有する光学素子６０を配置することにより、レンズ３４と対象物ＯＢとの距離である離間距離Ｈを拡大することが可能となった。しかしながら、図１２に示すように、光学素子６０の厚さが一定以上の厚さになると（離間距離Ｈが一定以上の距離になると）、受光素子１６に入射する反射光ＲＦｉ以外にレンズ３４を通過せず受光素子１６に入射されない反射光ＲＦｏが発生する。
そこで、本実施の形態では光学素子６０の代わりに光学素子６０Ａを採用している。

図１０を参照して光学素子６０Ａの作用について説明する。図１０（ａ）は、反射角度θ１、θ２の反射光ＲＦが光学素子６０Ａの底部側から入射光Ｐｉ（θ１）、Ｐｉ（θ２）として光学素子６０Ａの内面６２に入射し、各々出射光Ｐｏ（θ１）、Ｐｏ（θ２）として光学素子６０Ａから出力された状態を示している。図１０では、鏡面での反射における一般的な表記に従い、反射のつど反射角度の正負の符号が入れ替わるものとして表記している。

図１０（ａ）では、入射光Ｐｉ（θ１）は、反射角度θ１の符号も含めて保存されて出射光Ｐｏ（θ１）として出射され、入射光Ｐｉ（θ２）は、反射角度θ２の符号も含めて保存されて出射光Ｐｏ（θ２）として出射されている。これは入射光Ｐｉ（θ１）、Ｐ（θ２）に対する反射の回数がともに偶数回（２回）だからである。

一方図１０（ｂ）は、入射光Ｐｉ（θ３）、Ｐｉ（θ４）に対する反射の回数がともに奇数回（３回）の場合を示している。この場合、出射光Ｐｏ（θ３）の出射角度は−θ３となり、出射光Ｐｏ（θ４）の出射角度は−θ４となる。つまり、反射角度θの光を光学素子６０Ａの内面６２に入射させると出射角度はθまたは−θとなり、符号は保存されない場合がある。符号が反転しても、角度の絶対値が保存される限り計測時の情報が保持された状態で受光素子１６によって受光される。ただし、受光素子１６に対する入射角度はθまたは−θのいずれかに限定されるため、出射角度θの光強度と出射角度−θの光強度とを同時に計測してその違いを取得することはできない。

図１０（ｃ）は、光学素子６０Ａを備えた計測装置１０Ａにおける反射光ＲＦの経路を示している。すなわち、対象物ＯＢの表面２００で反射した反射角度θ１の反射光ＲＦ１、反射角度θ２のＲＦ２は、各々反射角度が保存されてレンズ３４に角度θ１、θ２で入射する。反射光ＲＦ１、ＲＦ２の各々はレンズ３４で屈折され、対応する受光素子１６に入射される。図１０（ｃ）に示すように、反射光ＲＦ１、ＲＦ２の反射の回数には原則的に制限がないため、屈折が２回に制限される平行平板である光学素子６０と比較して離間距離Ｈがより大きな距離とされる。

次に、図１１を参照して、光学素子６０Ａの変形例である光学素子６０Ｂについて説明する。図１１（ａ）は光学素子６０Ｂの断面図を示している。図１１（ａ）に示すように、光学素子６０Ｂは、光学素子６０Ａと同じ構成の鏡筒６４の内部に平行平板６６が配置されて構成されている。図１１（ｂ）は、図１０（ａ）を再掲したものであり、光学素子６０Ａの内部には空気（屈折率＝１）が充填されている。

図１１（ｃ）は、図１１（ｂ）の状態において鏡筒６４の内側に平行平板６６を配置させた場合の、光学素子６０Ｂの内部における入射光Ｐｉ（θ１）、Ｐｉ（θ２）の経路の変化を示している。ただし、平行平板６６の屈折率は１より大きくされている。図１１（ｃ）に示すように、光学素子６０Ｂによれば平行平板６６の屈折率が１より大きいことによって、図１１（ｂ）に示す光学素子６０Ａと比較して内面６２における反射の回数が減少する。その結果、光学素子における反射光ＲＦの減衰が抑制される。

なお、本実施の形態では鏡筒６４内にバルクの平行平板６６を配置して平行面対を得る形態を例示して説明したが、これに限られず、例えば照射光ＩＦに対して透明な樹脂を鏡筒６４内に充填した後該樹脂を固化させて平行面対を得る形態としてもよい。

ここで、平行平板６６と空気との界面においても光の減衰が発生するので、光学素子６０Ａに比べて光学素子６０Ｂの方が必ず光の減衰が少ないとは言い切れないため、シミュレーション等によって両者の減衰量を比較検討した上でいずれを選択するか決めることが望ましい。また、図１１（ａ）において、鏡筒６４の内側の面と平行平板６６の外側の面とは密着していることが望ましい。両者の間に間隙があると両者が空気を介在して接することになるので、平行平板６６と空気との界面で光の減衰が発生するからである。

次に図１３を参照して、本実施の形態に係る光学素子の形状および受光素子１６の配置形態のバリエーションについて説明する。図１３（ａ）から（ｄ）は、図１のＺ軸方向から見た光学素子の形状および受光素子１６の配置形態の一例を示している。なお、図１３では絞り４０、レンズ３４の図示を省略している。

図１３（ａ）は、光学素子６０Ａの中心に対応する位置から放射状（図１３（ａ）では８方向の場合を例示している）に受光素子１６が配置された形態である。図１３（ｂ）は、光学素子６０Ａに対し予め定められた方向、例えば発光素子１２の配列方向と交差（直交）する方向に配列された複数の受光素子１６の行を複数行配置した形態である。図１３（ｃ）は、矩形の内面を有する光学素子６０Ｃに対し、予め定められた方向に１行だけ受光素子１６を配列した形態である。このように受光素子１６の配列が１行のみの場合には光学素子の外形を矩形としてもよい。さらに、受光素子１６の配列が１行である場合には対向する反射面が少なくとも１対あればよいので、図１３（ｄ）に示すように２面の反射面（鏡面）を有する光学素子６０Ｄとしてもよい。

なお、図１３では光学素子の内面の位置と略一致する範囲まで受光素子１６を配置させる形態を例示して図示しているが、これに限られない。反射光ＲＦが受光素子１６まで導かれればよいので、受光素子１６を光学素子の内面より内側の範囲に配置させる形態としてもよいし、光学素子の内面より外側の範囲まで配置させる形態としてもよい。

ここで、上記各実施の形態における光学素子（６０、６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ、６０Ｄ）の配置とレンズ（３２、３４）の光軸Ｍとの関係について述べる。まず、平行平板型の光学素子（６０）では、上述したように、端面Ｓ１、Ｓ２（上面、下面）は光軸Ｍに対し必ずしも垂直である必要はない。これは、平行平板では必ず上面と下面で２回の屈折があるためである。それに対し、鏡筒型の光学素子（６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ、６０Ｄ）については円環内面が光軸（Ｍ）と平行である必要がある。ただし、これは鏡筒内面における反射が奇数回の場合の制約であり、鏡筒内面における反射が偶数回の場合にはこのような制限はない。

１０、１０Ａ 計測装置
１２、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ 発光素子
１４ 発光器
１４Ａ 基板
１６ 受光素子
１８ 受光器
１８Ａ 基板
１８Ｂ 開口部
２０ 制御部
３０ 光学系
３２ レンズ
３４ レンズ
４０ 絞り
４２ 開口部
５２ 移動装置駆動部
５４ 光学素子駆動部
６０、６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ、６０Ｄ 光学素子
６２ 内面
６４ 鏡筒
６６ 平行平板
１００ ＣＰＵ
１０２ ＲＯＭ
１０４ ＲＡＭ
２００ 表面
ＢＵＳ バス
Ｃ 中心軸
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４ 方向
Ｆ１、Ｆ２ 集光点
Ｈ、Ｈ１、Ｈ２ 離間距離
ＩＦ 照射光
Ｌ 光
Ｍ 光軸
ＲＦ 反射光
ＯＢ 対象物
ＲＡ 受光領域
Ｓ１、Ｓ２ 端面
Ｔ 計測領域

Claims (10)

1. 対象物へ照射する照射光を発光する発光部と、
   前記発光部から発光された前記照射光の発散度合いを変える第１のレンズと、
   前記第１のレンズから出射された前記照射光を絞る絞り部と、
   前記絞り部を通過した前記照射光を前記対象物の予め定められた方向から照射するように集光する第２のレンズと、
   前記絞り部と前記第２のレンズとの間に配置されかつ前記照射光が前記対象物に照射されて反射した反射光を受光する受光部と、
   前記第２のレンズと前記対象物との間への挿入または抜去が可能とされかつ前記反射光の反射角度を保存する光学素子と、を含み、
   前記反射光は前記反射角度が保存されて前記光学素子から出射し前記第２のレンズを通過して前記受光部の予め定められた位置に入射する
   計測装置。
2. 前記光学素子は対向する２つの面が前記照射光の照射方向と交差する方向に配置された平行平板であり、前記反射光の前記平行平板の一方の前記面に入射する入射角度と、前記平行平板の他方の前記面から出射する出射角度とが等しい
   請求項１に記載の計測装置。
3. 前記平行平板は前記照射光の照射方向から見た形状が円形状である
   請求項２に記載の計測装置。
4. 前記光学素子は内面の予め定められた領域が反射面とされた反射体であり、前記反射光の前記反射面に入射する入射角度と、前記反射面から出射する出射角度とが等しくされている
   請求項１に記載の計測装置。
5. 前記反射体は前記内面に接して内部に配置されかつ対向する２つの面が前記照射光の照射方向と交差する方向に配置された平行平板を備える
   請求項４に記載の計測装置。
6. 前記平行平板が前記反射体の内部に挿入されたバルク材、または前記反射体の内部に充填された樹脂である
   請求項５に記載の計測装置。
7. 前記光学素子の前記第２のレンズと前記対象物との間への挿入または抜去を制御する制御部をさらに含み、
   前記制御部は前記対象物の前記照射光の照射方向の高さに応じて前記光学素子の挿入または抜去を制御する
   請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の計測装置。
8. 前記制御部は、前記第２のレンズと前記対象物の表面との間の離間距離が予め定められた閾値以上となった場合に前記光学素子を挿入し、前記離間距離が前記閾値未満となった場合に前記光学素子を抜去する
   請求項７に記載の計測装置。
9. 前記光学素子が前記照射光の照射方向の高さが異なる複数の前記光学素子であり、
   前記制御部は前記対象物の前記照射光の照射方向の高さに応じて複数の前記光学素子のいずれかを選択しつつ挿入または抜去を制御する
   請求項７または請求項８に記載の計測装置。
10. 対象物へ照射する照射光を発光する発光部と、前記発光部から発光された前記照射光の発散度合いを変える第１のレンズと、前記第１のレンズから出射された前記照射光を絞る絞り部と、前記絞り部を通過した前記照射光を前記対象物の予め定められた方向から照射するように集光する第２のレンズと、前記絞り部と前記第２のレンズとの間に配置されかつ前記照射光が前記対象物に照射されて反射した反射光を受光する受光部と、前記第２のレンズと前記対象物との間への挿入または抜去が可能とされかつ前記反射光の反射角度を保存する光学素子と、を含む計測装置を用いた計測方法であって、
    前記光学素子により前記反射光の前記反射角度を保存させて前記反射光を前記第２のレンズを通過させ前記受光部の予め定められた位置に入射させる
    計測方法。