JP2019158527A - 波長検出装置及び共焦点計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学フィルタを用いた分光方式を用いた波長検出装置において、測定対象の波長範囲を広く維持しつつ波長検出精度を向上させることが可能な技術を提供する。【解決手段】複数の光学フィルタ（１２ａ、１２ｂ）と、光を分割して複数の光学フィルタ（１２ａ、１２ｂ）を通過させる分割手段（１１）と、複数の光学フィルタの各々を通過した光の強度を検出する複数の受光素子（１３ａ、１３ｂ）と、複数の受光素子の出力から、複数の光学フィルタの透過率に関わる物理量を導出するとともに、複数の光学フィルタについての、透過率に関わる物理量と光の波長との関係である透過率特性に基づいて、複数の光学フィルタを通過した光の波長を導出する、演算部（１６）と、を備える、波長検出装置（１０）であって、複数の光学フィルタの各々についての透過率特性は、測定対象の波長範囲における異なる波長範囲において傾斜部分を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、光の波長を検出する波長検出装置及び、波長検出装置を備えた共焦点計測装置に関する。

非接触で計測対象物の変位を計測する計測装置のうち、共焦点光学系を利用して計測対象物の変位を計測する共焦点計測装置が特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されている共焦点計測装置は、白色ＬＥＤ２１と、白色ＬＥＤ２１から出射する光に、光軸方向に沿って色収差を生じさせる回折レンズ１と、回折レンズ１より計測対象物２００側に配置され、回折レンズ１で色収差を生じさせた光を計測対象物２００に集光する対物レンズ２と、対物レンズ２で集光した光のうち、計測対象物２００において合焦する光を通過させるピンホールと、ピンホールを通過した光の波長を測定する波長測定部とを備えており、回折レンズ１の焦点距離は、回折レンズ１から対物レンズ２までの距離と、対物レンズ２の焦点距離との差より大きく設定されたものである。

また、特許文献２に開示されている光波長モニタ装置においては、光信号の入射光１００を光分配器１０１によって複数の光に分配し、分配されたこの複数の光の一部分を入射波長によって透過の割合の異なる光フィルタ１０３を透過させ、この透過光と光フィルタ１０３を透過しない非透過光とを各受光器１０５、１０７によって受光して電圧信号に変換する。続いて、比較演算器１０９によって、これら電圧信号を基に透過光と非透過光のそれぞれの光強度の比を算出し、この強度比を基に入射光１００の波長を算出する。

特許文献１に記載の共焦点計測装置においては、回折格子とラインＣＭＯＳを用いて分光し、変位を計測する点が記載されている。しかしながら、ラインＣＭＯＳを用いた場合には、ＣＭＯＳの情報の読出しに時間がかかり、計測時間が長くなる不都合がある。この点では、光学フィルタを用いた分光方式を採用することが有利とも言える。

一方、特許文献２に記載の光波長モニタ装置の基本原理は、図９のように説明できる。すなわち、光波長モニタにおいては、入射光を光学フィルタ等の光分配器１０１で複数の光に分割する。そして、一方の光は、光の波長と透過率の関係が分かっている光フィルタ１０３を通過させて受光器１０７で強度を検出する。他方の光は、光学フィルタを通過させずに受光器１０５で強度を検出する。そして、例えば、受光器１０７の出力を受光器１０５の出力で除することで、光の透過率Ｔが導出される。導出された光の透過率Ｔと、図９（ｂ）に示すような、既知の光の波長と透過率の関係とから、入射光の波長が導出される。

しかしながら、このような技術において、波長検出精度σは以下の（１）式のように示すことが出来る。

ここで、ＳＮは光学フィルタがない光受光器のＳＮ比、Ｔは透過率、λは波長である。すなわち、波長検出の精度は、光フィルタ１０３における、波長λの変化に対する透過率Ｔの変化の傾き（ｄＴ／ｄλ）に反比例する。従って、波長検出の精度を高めるために、（ｄＴ／ｄλ）を大きくすると、波長の測定可能範囲が狭くなるという関係があり、波
長の測定可能範囲を両立することが困難という課題があった。

特開２０１２−２０８１０２号公報 特開２００２−７１４５９号公報 特開平０６−５８８１７号公報

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、光学フィルタを用いた分光方式を用いた波長検出装置において、測定対象の波長範囲を広く維持しつつ波長検出精度を向上させることが可能な技術を提供することである。

上記の課題を解決するための本発明は、複数の光学フィルタと、
光を分割して前記複数の光学フィルタを通過させる分割手段と、
前記複数の光学フィルタの各々を通過または、前記複数の光学フィルタの各々により反射した光の強度を検出する複数の受光素子と、
前記複数の受光素子の出力から、前記複数の光学フィルタの透過率に関わる物理量を導出するとともに、前記複数の光学フィルタについての、透過率に関わる物理量と光の波長との関係である透過率特性に基づいて、前記複数の光学フィルタを通過した光の波長を導出する、演算部と、
を備える、波長検出装置であって、
前記複数の光学フィルタの各々についての透過率特性は、測定対象の波長範囲における異なる波長範囲において傾斜部分を有することを特徴とする、波長検出装置である。

本発明に係る波長検出装置は、上記のとおり、光を分割して複数の光学フィルタを通過または複数の光学フィルタにより反射させる。そして、複数の受光素子によって、複数の光学フィルタの各々を通過または複数の光学フィルタにより反射した光の強度を検出する。そして演算部によって、複数の受光素子の出力から、複数の光学フィルタの透過率に関わる物理量を導出するとともに、複数の光学フィルタについての既知の透過率特性に基づいて、複数の光学フィルタを通過した光の波長を導出する。

ここで、本発明においては、各光学フィルタについての透過率特性は、測定対象の波長範囲における異なる波長範囲において傾斜部分を有している。すなわち、複数の光学フィルタ全体としては、測定対象の波長範囲における異なる波長範囲に光学フィルタの数だけ傾斜部分を有している。

これによれば、装置としては、透過率特性における異なる波長範囲に設けられた複数の傾斜部分を用いて、光の波長を検出することが可能である。そうすると、測定対象の波長範囲に対して単一の傾斜部分を有する透過率特性を用いて波長を検出する場合と比較して、測定対象の波長範囲を広く維持しつつ、傾斜部分の傾斜角をより急峻にすることができる。そして、透過率特性における、より急峻な傾斜部分を用いて波長の検出をすることで、より明確に波長の値を特定することができる。その結果、波長検出の精度をより高めることが可能となる。

なお、本発明において透過率に関わる物理量とは、透過率であってもよいし反射率であってもよい。そして、光学フィルタを透過した後の光量または光強度を、光学フィルタを透過する前の光量または光強度で除した値であってもよいし、光学フィルタを透過する前
の光量または光強度と、光学フィルタを透過した後の光量または光強度を各々対数変換し、差分をとることで得られる値であってもよい。あるいは、光学フィルタにより反射した後の光量または光強度を、光学フィルタにより反射する前の光量または光強度で除した値であってもよいし、光学フィルタにより反射する前の光量または光強度と、光学フィルタにより反射した後の光量または光強度を各々対数変換し、差分をとることで得られる値であってもよい。また、上記の各々の演算で得られた結果に所定の演算を加えた値であってもよい。また、同等の技術的意味を有する値であれば、他の演算・手法によって導出した値であっても構わない。さらに、光学フィルタを透過または光学フィルタにより反射する前の光量または光強度は、例えば、透明板を透過した後の光量または光強度など、他の手法で得られる同等の値で代用しても構わない。

また、本発明においては、前記透過率に関わる物理量は透過率であって、前記複数の光学フィルタの各々についての透過率特性において、各々の前記光学フィルタの透過率は、前記傾斜部分において略０と略１との間で変化するようにしてもよい。そうすれば、より急峻な傾斜部分をより確実に透過率の０から１の範囲に分布させることができ、測定対象の波長範囲の如何なる波長の光に対しても、より急峻な傾斜部分を用いてより確実に波長を検出することが可能となる。

また、本発明においては、前記透過率に関わる物理量は透過率であって、前記傾斜部分のうちの少なくとも一の傾きの絶対値が０．００３３（１／ｎｍ）以上としてもよい。これは、前述の（１）式を用いた検討によれば、これにより、充分な波長の検出精度を得られることによる。また、本発明においては、前記傾斜部分のうちの少なくとも一の傾きの絶対値が０．００５３（１／ｎｍ）以上であれば、さらに望ましい。

また、本発明においては、前記複数の光学フィルタの各々についての透過率特性における傾斜部分は、前記測定対象の波長範囲を隙間なくカバーするように配置されるようにしてもよい。これによれば、測定対象の波長範囲のうち、如何なる波長の光が入射されたとしても、より確実に前述の何れかの傾斜部分を利用することができる。よって、より確実に、波長の検出精度を高めることが可能となる。

また、本発明においては、前記複数の光学フィルタの各々についての透過率特性のうち二以上は、前記測定対象の波長範囲において周期的に変化する曲線からなり、各々の透過率特性に係る曲線は、異なる位相を有するようにしてもよい。これによれば、まず、測定対象の波長範囲に対して一様に傾斜部分を分布させることが可能であり、測定対象の波長範囲のうちいずれの波長の光が入射されたとしても波長の検出が可能となる。また、周期的に変化する曲線においては、必ずトップまたはボトムの部分で傾斜が緩やかまたは水平になる部分が生じるので、このような場合には、位相の異なる他の光学フィルタの透過率特性の傾斜部分を用いて波長を検出することで、精度よく光の波長を検出することが可能である。

また、本発明においては、前記複数の光学フィルタの各々についての透過率特性は、前記測定対象の波長範囲において単調増加または単調減少する直線または曲線からなる透過率特性をさらに含むようにしてもよい。すなわち、透過率特性として、測定対象の波長範囲において周期的に変化する曲線を用いた場合には、測定対象の波長範囲におけるいずれの波長についても波長の検出が可能となるが、特定の透過率に関わる物理量が得られた際に、いずれの周期の傾斜部分による透過率に関わる物理量かが判別困難になる場合がある。そのような場合には、測定対象の波長範囲において単調増加または単調減少する直線または曲線からなる透過率特性を補助的に用いることで、より確実に、いずれの周期の傾斜部分による透過率に関わる物理量かを判別することが可能となり、より確実に、入射光の波長を検出することが可能となる。

また、本発明においては、前記複数の光学フィルタは、一枚のフィルタ板を異なる透過率特性を有する複数の領域に分割することで構成され、前記異なる透過率特性を有する複数の領域の少なくとも一つは透明板で形成されるようにしてもよい。この場合には、複数の領域に分割されたフィルタ板に直接、入射光を照射することで入射光を分割する分割手段の機能を兼ねることが可能となる。また、複数の光学フィルタを一枚のフィルタ板に形成することが可能となる。その結果、部品点数を低減し、装置構成を容易にすることが可能となる。

また、本発明においては、前記複数の受光素子は、同一の基板上に、前記複数の領域を透過した光を各々受光可能に配置されるようにしてもよい。これによれは、上述のフィルタ板上に形成された複数の光学フィルタと組み合わせて、より確実に、部品点数を低減し、装置構成を容易にすることが可能となる。

また、本発明においては、前記複数の光学フィルタおよび前記透明板に入射する光の強度が不均一となるように構成されてもよい。ここで、複数の光学フィルタおよび前記透明板に入射する光の強度を不均一とすることで、各受光素子の出力にノイズが含まれた場合でも、得られる透過率に関わる物理量のばらつきを低減できる場合があることが分かっている。すなわち、本発明において、各光学フィルタおよび前記透明板に入射する光の強度を不均一にすることで、ノイズの影響を低減することができる。このことによっても、より精度よく、波長を検出することが可能となる。

また、本発明は、複数の波長の光を出射する光源と、
前記光源から出射する光に、光軸方向に沿って色収差を生じさせる色収差付与手段と、
前記色収差付与手段によって色収差を生じさせた光を計測対象物に集光する対物レンズと、
前記対物レンズで集光した光のうち、前記計測対象物において合焦する光を通過させるピンホールと、
請求項１から９のいずれか一項に記載の波長検出装置と、を備え、
前記ピンホールを通過した光の波長から、前記計測対象物の変位を計測する、共焦点計測装置であってもよい。

これにより、より高精度に入射光の波長を検出することが可能であるので、結果として、より精度よく、計測対象物の変位を計測可能な共焦点計測装置を提供することが可能となる。また、入射光の波長の検出に回折格子を使用する必要がなくなるので、装置の小型化、低コスト化が可能となる。

本発明によれば、光学フィルタを用いた分光方式を用いた波長検出装置において、測定対象の波長範囲を広く維持しつつ波長検出精度を向上させることができる。

本発明の適用例に係る波長検出装置の概略構成及び、各フィルタの透過率特性を示す図である。 本発明の適用例に係る共焦点計測装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施例１に係る波長検出装置の概略構成及び、各フィルタの透過率特性を示す図である。 本発明の実施例１に係る各フィルタの透過率特性の別の例を示す図である。 本発明の実施例２に係る各フィルタの透過率特性及び光源の波長毎の強度分布を示す図である。 本発明の実施例３に係る各フィルタの透過率特性を示す図である。 本発明の実施例３における透過率特性と光源における波長分布との関係を示す図である。 本発明の実施例４におけるフィルタ板への光の入射の態様及び、フィルタ板に不均一に光を入射した場合の透過率と波長検出精度との関係を示す図である。 従来の、光学フィルタを用いた光波長モニタ装置の基本原理を説明するための図である。

〔適用例〕
以下、本発明の適用例について、図面を参照しつつ説明する。本実施例に係る波長検出装置１０においては、図１に示すように、入射光ファイバ１４に入射した光を、分割手段としての分岐カプラ１１で第１分岐ファイバ１４ａ、第２分岐ファイバ１４ｂ、第３分岐ファイバ１４ｃに分岐する。そして、第１分岐ファイバ１４ａ、第２分岐ファイバ１４ｂ、第３分岐ファイバ１４ｃの各々から出射された光は、第１集光レンズ１５ａ、第２集光レンズ１５ｂ、第３集光レンズ１５ｃで各々、平行光にされる。

第１集光レンズ１５ａを通過した光は第１フィルタ１２ａを通過した後、第１受光素子１３ａで受光され、その強度が電気信号に変換される。同様に、第２集光レンズ１５ｂを通過した光は第２フィルタ１２ｂを通過した後、第２受光素子１３ｂで受光され、その強度が電気信号に変換される。第３集光レンズ１５ｃを通過した光はそのまま第３受光素子１３ｃで参照光として受光され、その強度が電気信号に変換される。

そして演算部としての演算装置１６において、第１受光素子１３ａで受光された光の強度が、第３受光素子１３ｃで受光された光の強度により除されることで、第１フィルタ１２ａの透過率が演算・導出される。また、第２受光素子１３ｂで受光された光の強度が、第３受光素子１３ｃで受光された光の強度により除されることで、第２フィルタ１２ｂの透過率が演算・導出される。

図１（ｂ）には、第１フィルタ１２ａと第２フィルタ１２ｂの透過率と波長との関係（以下、透過率特性ともいう）を示す。図１（ｂ）に示すように、第１フィルタ１２ａは波長５００ｎｍ〜５７５ｎｍの波長範囲で透過率が１から０に急峻に変化する特性を有し、波長５００ｎｍより短波長側では全ての光を透過させ（透過率１）、波長が５７５ｎｍより長波長側では光を透過させない（透過率０）という特性を有する。一方、第２フィルタ１２ｂは波長５７５ｎｍ〜６５０ｎｍの波長範囲で透過率が１から０に急峻に変化する特性を有し、波長５７５ｎｍより短波長側では全ての光を透過させ（透過率１）、波長が６５０ｎｍより長波長側では光を透過させない（透過率０）という特性を有する。

そして、波長検出装置１０においては、第１フィルタ１２ａを通過した光の透過率と、第２フィルタ１２ｂを通過した光の透過率から、演算装置１６が入射光の波長を検出する。図１（ｂ）の例では、第１フィルタ１２ａを通過した光の透過率は０、第２フィルタ１２ｂを通過した光の透過率は０．５となる。そして、第２フィルタ１２ｂを通過した光の透過率が０．５となる波長λが導出される。より具体的には、演算装置１６には、図１（ｂ）のグラフに相当する、波長λと、第１フィルタ１２ａの透過率と、第２フィルタ１２ｂの透過率との関係を格納したテーブルが備えられており、当該テーブルと、第１フィルタ１２ａを通過した光の透過率と、第２フィルタ１２ｂを通過した光の透過率の値から、入射した光の波長λが導出される。

この適用例においては、５００ｎｍ〜５７５ｎｍ、５７５ｎｍ〜６５０ｎｍという異なる波長範囲において、波長の変化に対して急峻な傾斜を有する透過率特性を有する２つの
フィルタを用いて、入射光の波長を検出している。よって、５００ｎｍ〜６５０ｎｍという広い波長範囲に対して、急峻な透過率特性を利用して波長を検出することが可能である。なお、上記の適用例においては、分岐カプラ１１によって入射光を３つの光に分岐した。そして、測定対象の波長範囲を２種類のフィルタの透過率特性を用いて測定したが、フィルタの数は２つに限られない。フィルタの数は３種類以上でも構わない。

また、上記の適用例では、傾きの絶対値が、０．０１３３（１／ｎｍ）となっており、充分に急峻な傾斜となっている。また、第１フィルタ１２ａの透過率特性と、第２フィルタ１２ｂの透過率特性が波長に対して隙間なく配置されているので、測定対象の波長範囲（５００ｎｍ〜６５０ｎｍ）における何れの波長を有する光についても波長検出が可能になっている。さらに、第１フィルタ１２ａの透過率特性と、第２フィルタ１２ｂの透過率特性が透過率に対して０から１まで分布しているので、より急峻な透過率特性が容易に実現可能となっている。

次に、本発明に係る波長検出装置１０を備える、共焦点計測装置５０について説明する。

図２は、波長検出装置１０を備える共焦点計測装置５０の構成を示す模式図である。図２に示す共焦点計測装置５０は、共焦点光学系を利用して計測対象物ｏｂの変位を計測する計測装置である。共焦点計測装置５０は、共焦点の光学系を有するヘッド部６０、光ファイバ６１を介して光学的に接続されたコントローラ部７０、コントローラ部７０から出力される信号を表示するモニタ部８０を備えている。ヘッド部６０は、色収差付与手段としての回折レンズ６２を有しており、後述する複数の波長の光を出射する光源７１（たとえば、白色光源）から出射する光に、光軸方向に沿って色収差を生じさせる。そして、回折レンズで色収差を生じさせた光を対物レンズ６４で計測対象物ｏｂに集光する。

コントローラ部７０内に設けられた光源７１から出射する光は、光ファイバ６１を介してヘッド部６０に導かれている。光ファイバ６１は、ヘッド部６０からコントローラ部７０までの光路であるとともに、ピンホール６３としても機能している。つまり、ヘッド部６０で集光した光のうち、計測対象物ｏｂで合焦する光は、光ファイバ６１の開口部で合焦することになる。そのため、光ファイバ６１は、計測対象物ｏｂで合焦しない波長の光を遮光し、計測対象物ｏｂで合焦する光を通過させるピンホール６３として機能する。ヘッド部６０からコントローラ部７０までの光路に光ファイバ６１を用いることで、ピンホールを別途設けることが不要となる。

共焦点計測装置５０は、ヘッド部６０からコントローラ部７０までの光路に光ファイバ６１を用いず、ピンホールを別途設ける構成であっても良い。コントローラ部７０は、白色光源である光源７１及び波長検出装置１０を備えている。光源７１の例としては白色ＬＥＤが例示できるが、白色光を出射することができる光源であれば他の光源であってもよい。

すなわち、共焦点計測装置５０においては、光源７１から出射した複数の波長を含む光に、ヘッド部６０の回折レンズ６２において色収差を与え、計測対象物ｏｂ上に結像する。計測対象物ｏｂ上に正確に結像した波長の光だけがピンホール６３を兼用する光ファイバ６１の開口を通過し、光ファイバ６１を通じてコントローラ部７０に到達する。そして、波長検出装置１０によって波長が検出される。そして、コントローラ部７０には、計測対象物ｏｂからの反射光の波長と、計測対象物ｏｂの変位との関係のテーブルを備える変位算出部７３が備えられており、波長検出装置１０によって測定された波長から、計測対象物ｏｂの変位を算出し、モニタ部８０にて結果を表示する。

本実施例における共焦点計測装置５０においては、本発明における波長検出装置１０を備えているので、より精度よく計測対象物ｏｂに結像し反射した光の波長を計測することが可能である。その結果、より精度よく、計測対象物ｏｂの変位を計測することが可能となる。なお、共焦点計測装置５０に用いられる波長検出装置は、本適用例で説明されたものに限られず、以下の実施例で説明されるものとしてもよい。

＜実施例１＞
次に、本発明の実施例１について説明する。本実施例においては、一枚のフィルタ板に、異なる透過率特性を有する複数のフィルタを形成し、受光素子についても複数の受光素子を一枚の基板上に配置した分割受光素子を用いることで、より構造を簡略化するとともに測定対象の波長範囲における傾斜部分の数を増やした例について説明する。

図３には、本実施例における波長検出装置２０の構成を示す。本実施例では、入射光が図示しないコリメータレンズによって平行光化される。そして、分岐カプラを用いずに、４分割フィルタ２２に入射する。この４分割フィルタ２２においては、フィルタの入射面が４分割されており、３種類の異なる透過率特性を有するフィルタ２２ａ〜２２ｃと、測定対象の波長範囲の全波長の光を通過させる透明板２２ｄが形成されている。そして、平行光化された光はフィルタ２２ａ〜２２ｃと、透明板２２ｄに均等に入射するように４分割フィルタ２２に入射され透過する。そして、その後側に配置された４分割受光素子２３の各受光素子２３ａ〜２３ｄにおいて、各々、フィルタ２２ａ〜２２ｃと、透明板２２ｄを透過した光の強度が測定される。

そして演算部としての演算装置２６において、受光素子２３ａ〜２３ｃで受光された光の強度が、受光素子２３ｄで受光された光の強度により除されることで、フィルタ２２ａ〜２２ｃを通過した光の透過率が演算・導出される。さらに、演算装置２６において、フィルタ２２ａ〜２２ｃを通過した光の透過率と、フィルタ２２ａ〜２２ｃの既知の透過率特性から、入射光の波長が検出される。なお、フィルタ２２ａ〜２２ｃは透明基板上に蒸着などで形成してもよいし、色ガラスフィルタや多層膜フィルタにより形成しても構わない。なお、本実施例においては、フィルタ２２ａ〜２２ｃ及び透明板２２ｄは、複数の領域に相当する。また、平行光化された光が、フィルタ２２ａ〜２２ｃと透明板２２ｄに均等に入射するように４分割フィルタ２２に入射される構成は、分割手段に相当する。

ここで、図３（ｂ）には、フィルタ２２ａ〜２２ｃの透過率特性を示す。４分割フィルタ２２において、フィルタ２２ａの透過率特性は、５００ｎｍ〜５５０ｎｍの波長範囲に対して急峻な傾斜部分を有する。フィルタ２２ｂの透過率特性は、５５０ｎｍ〜６００ｎｍの波長範囲に対して急峻な傾斜部分を有する。フィルタ２２ｃの透過率特性は、６００ｎｍ〜６５０ｎｍの波長範囲に対して急峻な傾斜部分を有する。そして、各々の波長範囲において、フィルタ２２ａ〜２２ｃの透過率は０から１に変化する。このように、本実施例の４分割フィルタ２２においては、３つのフィルタ２２ａ〜２２ｃの透過率特性が各々異なる波長範囲で傾斜部分を有している。また、各々の傾斜部分の傾きの絶対値は、０．０２（１／ｎｍ）と充分に大きくなっており、光の波長を精度よく検出可能になっている。

あるいは、各々のフィルタ２２ａ〜２２ｃの透過率特性をより緩やかなものとすれば、より広い波長範囲の光に対して波長の検出を行うことが可能である。

次に、図４には、波長検出装置２０に用いるべきフィルタ２２ａ〜２２ｃの透過率特性の別の例を示す。本実施例では、４分割フィルタ２２のフィルタ２２ａ〜フィルタ２２ｃの各々の透過率特性において、透過率が０から１へと増加する際の傾斜部分と、透過率が１から０へ減少する際の傾斜部分の二つの傾斜部分が設けられている。これによれば、測
定対象の波長範囲に関し、傾斜部分をフィルタの数の２倍の数だけ設けることができる。そうすれば、図４に示すように、測定対象の波長範囲により多くの傾斜部分を分布させることができ、当該波長範囲における測定精度をより高くすることが可能である。

なお、図４に示すように、この場合の各フィルタ２２ａ〜２２ｃの透過率特性は、ピークあるいはボトムにおいて平坦部を有している。例えば、フィルタ２２ａの透過率特性では、５２５ｎｍ〜５７５ｎｍでは、透過率が波長の変化に関わらず変化しない部分が発生している。このような部分においてはフィルタ２２ａの透過率から光の波長を検出することが不可能となる。これに対し、本実施例は、５２５ｎｍ〜５５０ｎｍの波長範囲については、フィルタ２２ｂの透過率特性の傾斜部分により、５５０ｎｍ〜５７５ｎｍの波長範囲においては、フィルタ２２ｃの透過率特性の傾斜部分により、光の波長の検出することを可能としている。このように、この例では、測定対象の波長範囲において、３つのフィルタ２２ａ〜２２ｃの透過率特性の少なくとも一つが傾斜部分を有しているようにした。従って、いずれの波長についても高精度に検出することが可能となる。

なお、本実施例におけるフィルタ２２ａ〜２２ｄは４分割受光素子２３の表面に設置されてもよいし、４分割受光素子２３の表面に直接蒸着等の手法で形成されてもよい。また、本実施例においては、フィルタ数は透明板を入れて４枚としたが、フィルタの数はこれに限定されない。例えば、３枚あるいは、５枚以上であっても構わない。

＜実施例２＞
次に、本発明の実施例２について説明する。本実施例においては、実施例１と同様、４分割フィルタを用いた例であって、光源における波長毎の強度分布に応じて、各フィルタの透過率特性を選択する例について説明する。

本実施例におけるハード構成は、実施例１における波長検出装置２０におけるものと同等であるので、符号は同じものを使用し、各々の説明は省略する。そして、本実施例では、４分割フィルタ２２の各フィルタ２２ａ〜２２ｃの透過率特性は図５（ａ）に示されるようなものとなっている。本実施例においては、フィルタ２２ａは波長範囲５００ｎｍ〜５３５ｎｍにおいて相対的に急峻な傾斜部分を有している。また、フィルタ２２ｂは波長範囲５３５ｎｍ〜６２０ｎｍにおいて相対的に緩やかな傾斜部分を有している。さらに、フィルタ２２ｃは波長範囲６２０ｎｍ〜６５０ｎｍにおいて相対的に急峻な傾斜部分を有している。

図５（ｂ）には、波長検出装置２０における光源の波長毎の強度分布を示す。この強度分布においては、波長が５２０ｎｍ以下となる範囲及び、波長が６２０ｎｍ以上となる範囲では、特に光強度が弱くなっている。そうすると、この波長範囲においては受光素子２３におけるＳＮ比が低くなる危険性がある。

これに対し、本実施例では、各フィルタにおける透過率特性を図５（ａ）に示すような透過率特性とすることで、５３５ｎｍ以下の波長範囲と６２０ｎｍ以上における波長範囲において、特に急峻な傾斜部分を有することとし、この部分における波長検出の測定精度が低下することを抑制している。

以上、説明したように、本実施例においては、光源における波長毎の強度分布に応じて、４分割フィルタ２２の各フィルタ２２ａ〜２２ｃの透過率特性の傾斜を決定し組み合わせることにより、光源の強度分布に関わらず精度が高く且つ精度の変動が少ない波長検出をすることが可能となった。

＜実施例３＞
次に、本発明の実施例３について説明する。本実施例においても実施例２と同様、ハード構成は実施例１で説明した波長検出装置２０と同等である。本実施例では、フィルタが、測定対象の波長範囲において周期的に変化する透過率特性を有する例について説明する。

図６には、本実施例におけるフィルタ２２のフィルタ２２ａ〜２２ｃについての透過率特性を示す。本実施例においてはフィルタ２２ａ及びフィルタ２２ｂは、波長の変化に対して、互いに位相の異なる周期的な変化をする透過率特性を有している。これにより、非常に急峻な傾斜部を測定対象の波長範囲において多数設けることが可能となり、より精度よく、波長の検出を行うことが可能となる。また、フィルタ２２ａ及びフィルタ２２ｂにおける透過率特性の変化は、互いに位相が異なっているので、フィルタ２２ａまたはフィルタ２２ｂの一方における透過率特性が、ピークまたはボトムで傾きが小さいあるいは水平となる波長範囲においては、フィルタ２２ａまたはフィルタ２２ｂの他方が急峻な傾斜部分を有するようになっており、フィルタ２２ａまたはフィルタ２２ｂのいずれかの透過率特性を用いて精度の良い波長検出を行うことが可能となっている。

また、本実施例においては、フィルタ２２ｃの透過率特性は、測定対象の波長範囲において緩やかに直線的に増加する特性を有している。すなわち、フィルタ２２ａ及びフィルタ２２ｂの透過率特性は周期的な変化をするために、何番目の周期における傾斜部分に基づく透過率なのかが判別困難となるところ、フィルタ２２ｃによる透過率と組み合わせて測定することで、何番目の周期における傾斜部分に基づき透過率が測定されているかを判別することが可能となる。

以上、説明したように、本実施例においては、まず、２つのフィルタにおいて周期的で急峻な傾斜部を有する透過率特性を採用したので、測定対象となる波長範囲により多くの傾斜部分を分布させることが可能となり、波長の検出精度を向上させることが可能である。また、２つのフィルタにおける周期的な透過率特性に位相差を設け、一方のフィルタにおける透過率特性がピークまたはボトムで傾きが小さいあるいは平坦となる波長範囲では、他方のフィルタにおける透過率特性が傾斜部分を有するようにした。さらに、測定対象となる波長範囲において緩やかに単調減少または単調増加する透過率特性を有するフィルタと組み合わせることで、いずれの周期における傾斜部分に基づいて透過率が測定されているかを判別することが可能となった。以上により、より精度良く、より広い波長範囲において波長検出を行うことが可能となった。

図６（ｂ）には、実際のフィルタ２２ａおよび、フィルタ２２ｂの透過率特性のシュミレーション結果を示す。このように、実際のフィルタの透過率特性として、周期的に変化する特性は充分に実現可能であることが分かる。このようなフィルタはファブリペロ干渉計の原理により構成されるエタロン等を利用することにより実現可能である。

また、本実施例におけるフィルタの透過率特性の山部分の半値幅は、図７に示すように、光源の波長分布の半値幅より大きくすることが望ましい。さもないと、光源の波長分布がフィルタの透過率特性における隣の周期に掛ってしまい、正確な測定が困難になるからである。この条件を満たすことで、光源がある程度の波長分布を有していたとしてもより精度の良い波長測定を行うことが可能となる。

なお、本実施例における周期的に変化する透過率特性とは、正弦的な変化の他、台形的変化であってもよい。また、三角波的変化であってもよい。なお、透過率特性として三角波的変化を採用した場合であっても、トップまたはボトムの頂点部分においては、必ずしも鋭角な変化を実現できない場合があるので、この場合には、２つのフィルタの透過率特性の周期的変化の位相が異なるようにすべきである。また、本実施例において、２つのフ
ィルタの透過率特性について、波形を変えても構わないし、周期を変えても構わない。

＜実施例４＞
次に、本発明の実施例４について説明する。本実施例においても、ハード構成は実施例１で説明した波長検出装置２０と同等である。本実施例においては、４分割フィルタ２２を用いた例であって、入射光の入射を４つのフィルタ２２ａ〜２２ｄについて、不均一にする例について説明する。

ここで、波長検出装置２０によって波長検出を行う場合、４分割フィルタ２２の中心から、透明板２２ｄの方向あるいは、反対方向にずらして光を入射させた場合には、波長検出の精度は以下の（２）式のように表すことが出来る。

ここで、σ_λは波長検出精度、σ_Ｔは透過率のばらつきを示す。また、αは図８（ａ）に示したように４分割フィルタ２２上における光の入射位置が透明板２２ｄの方向あるいは、反対方向（フィルタ２２ａの方向）にずれた場合の、フィルタ２２ａと透明板２２ｄに照射される光量の比である光量分割比（フィルタ２２ａへの光量／透明板２２ｄへの光量）である。また、ｄＴ／ｄλはフィルタの透過率特性における傾き、Ｔは透過率、ＳＮは透明板２２ｄを透過した光を受光する受光素子２３ｄにおける受信信号のＳＮ比を示す。

このように、波長精度は光量分割比αの影響を受ける。図８（ｂ）は、透過率と波長検出精度との関係を、光量分割比αをパラメータとして示した図である。図８（ｂ）において、横軸は透過率Ｔ、縦軸は波長検出精度σλであるが、この波長検出精度σλは、数値が小さいほど精度が高くなる数値である。図８（ｂ）に示すように、光量分割比αが１、すなわち、光をフィルタ２２ａと透明板２２ｄに均等に入射した場合と比較して、αを大きくした場合には、透過率が低い領域において波長検出精度を向上させることが可能となる。また、αを小さくすることで、透過率による波長検出精度の変化を低減することが可能である。このように、透明板を含む４つのフィルタ２２ａ〜２２ｄに対して、意図的に光を不均一に照射することにより、波長検出精度を適宜に制御することが可能となる。

なお、上記の実施例においては、透過率に関わる物理量が透過率であり、フィルタ１２ａ、１２ｂ、２２ａ〜２２ｄを透過した光を受光素子によって受光する例について説明したが、上記の実施例において、フィルタ１２ａ、１２ｂ、２２ａ〜２２ｄにおいて反射した光を受光素子によって受光し、反射光の強度から透過率に関わる物理量を検出しても構わない。この場合は、透過率に関わる物理量を反射率としてもよいし、反射率を１から差し引く等して、透過率を求めてもよい。

なお、以下には本発明の構成要件と実施例の構成とを対比可能とするために、本発明の構成要件を図面の符号付きで記載しておく。
＜発明１＞
複数の光学フィルタ（１２ａ、１２ｂ）と、
光を分割して前記複数の光学フィルタ（１２ａ、１２ｂ）を通過させる分割手段（１１）と、
前記複数の光学フィルタ（１２ａ、１２ｂ）の各々を通過または、前記複数の光学フィルタ（１２ａ、１２ｂ）の各々により反射した光の強度を検出する複数の受光素子（１３ａ、１３ｂ）と、
前記複数の受光素子（１３ａ、１３ｂ）の出力から、前記複数の光学フィルタ（１２ａ、１２ｂ）の透過率に関わる物理量を導出するとともに、前記複数の光学フィルタ（１２ａ、１２ｂ）についての、透過率に関わる物理量と光の波長との関係である透過率特性に基づいて、前記複数の光学フィルタ（１２ａ、１２ｂ）を通過した光の波長を導出する、演算部と、
を備える、波長検出装置（１０）であって、
前記複数の光学フィルタ（１２ａ、１２ｂ）の各々についての透過率特性は、測定対象の波長範囲における異なる波長範囲において傾斜部分を有することを特徴とする、波長検出装置（１０）。
＜発明２＞
前記透過率に関わる物理量は透過率であって、
前記複数の光学フィルタ（１２ａ、１２ｂ）の各々についての透過率特性において、各々の前記光学フィルタ（１２ａ、１２ｂ）の透過率は、前記傾斜部分において略０と略１との間で変化することを特徴とする、波長検出装置。
＜発明３＞
前記透過率に関わる物理量は透過率であって、
前記傾斜部分のうちの少なくとも一の傾きの絶対値が０．００３３（１／ｎｍ）以上であること特徴とする、請求項１または２に記載の波長検出装置。
＜発明４＞
前記複数の光学フィルタ（１２ａ、１２ｂ）の各々についての透過率特性における傾斜部分は、前記測定対象の波長範囲を隙間なくカバーするように配置されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の波長検出装置。
＜発明５＞
前記複数の光学フィルタ（１２ａ、１２ｂ）の各々についての透過率特性のうち二以上は、前記測定対象の波長範囲において周期的に変化する曲線からなり、各々の透過率特性に係る曲線は、異なる位相を有することを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の波長検出装置。
＜発明６＞
前記複数の光学フィルタ（１２ａ、１２ｂ）の各々についての透過率特性は、前記測定対象の波長範囲において単調増加または単調減少する直線または曲線からなる透過率特性をさらに含むことを特徴とする、請求項５に記載の波長検出装置。
＜発明７＞
前記複数の光学フィルタは、一枚のフィルタ板（２２）を異なる透過率特性を有する複数の領域（２２ａ〜２２ｄ）に分割することで構成され、前記異なる透過率特性を有する複数の領域（２２ａ〜２２ｄ）の少なくとも一つは透明板（２２ｄ）で形成されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の波長検出装置。
＜発明８＞
前記複数の受光素子（２３ａ〜２３ｄ）は、同一の基板（２３）上に、前記複数の領域を透過した光を各々受光可能に配置されたことを特徴とする、請求項７に記載の波長検出装置。
＜発明９＞
前記複数の光学フィルタ（２３ａ〜２３ｃ）および前記透明板（２２ｄ）に入射する光の強度が不均一となるように構成されたことを特徴とする、請求項７または８に記載の波長検出装置。
＜発明１０＞
複数の波長の光を出射する光源（７１）と、
前記光源（７１）から出射する光に、光軸方向に沿って色収差を生じさせる色収差付与手段（６２）と、
前記色収差付与手段（６２）によって色収差を生じさせた光を計測対象物に集光する対物レンズ（６４）と、
前記対物レンズ（６４）で集光した光のうち、前記計測対象物において合焦する光を通過させるピンホール（６３）と、
請求項１から９のいずれか一項に記載の波長検出装置（１０）と、を備え、
前記ピンホール（６３）を通過した光の波長から、前記計測対象物の変位を計測する、共焦点計測装置（５０）。

１０、２０・・・波長検出装置
１１・・・分岐カプラ
１２ａ、１２ｂ・・・第１、第２フィルタ
１３ａ〜１３ｃ・・・第１〜第３受光素子
１４ａ〜１４ｃ・・・第１〜第３分岐ファイバ
１５ａ〜１５ｃ・・・第１〜第３集光レンズ
１６・・・演算装置
２２・・・４分割フィルタ
２２ａ〜２２ｃ・・・フィルタ
２２ｄ・・・透明板
２３・・・４分割受光素子
５０・・・共焦点計測装置
６０・・・ヘッド部
７０・・・コントローラ部
８０・・・モニタ部

Claims (10)

1. 複数の光学フィルタと、
   光を分割して前記複数の光学フィルタを通過させる分割手段と、
   前記複数の光学フィルタの各々を通過または、前記複数の光学フィルタの各々により反射した光の強度を検出する複数の受光素子と、
   前記複数の受光素子の出力から、前記複数の光学フィルタの透過率に関わる物理量を導出するとともに、前記複数の光学フィルタについての、透過率に関わる物理量と光の波長との関係である透過率特性に基づいて、前記複数の光学フィルタを通過した光の波長を導出する、演算部と、
   を備える、波長検出装置であって、
   前記複数の光学フィルタの各々についての透過率特性は、測定対象の波長範囲における異なる波長範囲において傾斜部分を有することを特徴とする、波長検出装置。
2. 前記透過率に関わる物理量は透過率であって、
   前記複数の光学フィルタの各々についての透過率特性において、各々の前記光学フィルタの透過率は、前記傾斜部分において略０と略１との間で変化することを特徴とする、波長検出装置。
3. 前記透過率に関わる物理量は透過率であって、
   前記傾斜部分のうちの少なくとも一の傾きの絶対値が０．００３３（１／ｎｍ）以上であること特徴とする、請求項１または２に記載の波長検出装置。
4. 前記複数の光学フィルタの各々についての透過率特性における傾斜部分は、前記測定対象の波長範囲を隙間なくカバーするように配置されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の波長検出装置。
5. 前記複数の光学フィルタの各々についての透過率特性のうち二以上は、前記測定対象の波長範囲において周期的に変化する曲線からなり、各々の透過率特性に係る曲線は、異なる位相を有することを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の波長検出装置。
6. 前記複数の光学フィルタの各々についての透過率特性は、前記測定対象の波長範囲において単調増加または単調減少する直線または曲線からなる透過率特性をさらに含むことを特徴とする、請求項５に記載の波長検出装置。
7. 前記複数の光学フィルタは、一枚のフィルタ板を異なる透過率特性を有する複数の領域に分割することで構成され、前記異なる透過率特性を有する複数の領域の少なくとも一つは透明板で形成されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の波長検出装置。
8. 前記複数の受光素子は、同一の基板上に、前記複数の領域を透過した光を各々受光可能に配置されたことを特徴とする、請求項７に記載の波長検出装置。
9. 前記複数の光学フィルタおよび前記透明板に入射する光の強度が不均一となるように構成されたことを特徴とする、請求項７または８に記載の波長検出装置。
10. 複数の波長の光を出射する光源と、
    前記光源から出射する光に、光軸方向に沿って色収差を生じさせる色収差付与手段と、
    前記色収差付与手段によって色収差を生じさせた光を計測対象物に集光する対物レンズ
    と、
    前記対物レンズで集光した光のうち、前記計測対象物において合焦する光を通過させるピンホールと、
    請求項１から９のいずれか一項に記載の波長検出装置と、を備え、
    前記ピンホールを通過した光の波長から、前記計測対象物の変位を計測する、共焦点計測装置。

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