JP2020046357A - 計測装置および計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】テレセントリック光学系を用いた計測装置において、レンズと対象物との間に散乱手段を配置しない場合と比較して、受光素子で受光される光量の抜け漏れを抑制することが可能な計測装置および計測方法を提供すること。【解決手段】対象物へ照射する照射光を発光する発光部と、発光部から発光された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に配置されかつ照射光および反射光を散乱させる散乱手段と、を含み、照射光は散乱手段で散乱されて対象物に照射され、反射光は散乱手段で散乱されて受光部で受光される。【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、面状に並ぶように配置され、発光面から正面側に向かって光を放射する複数の発光パネルと、複数の発光パネルのうちの隣り合う発光パネルの外縁に沿って延在するように位置し、発光面から放射された光の一部を正面側に向けて反射する反射面を有する光量補正部材と、複数の発光パネルおよび光量補正部材に間隔を隔ててこれらと対向するように配置され、発光面から放射された光および反射面に反射した光を拡散させる光拡散部材と、を備え、反射面は、発光面の側から発光パネルの外縁の側に向かうにつれて発光面から遠ざかる方向に延びる形状を有し、反射面は、第１反射領域と、第１反射領域に比べて発光面の近くに位置しかつ第１反射領域の反射率よりも高い反射率を有する第２反射領域と、を含む、面発光ユニットが開示されている。

特許文献２には、２枚の透明基板の間に液晶層を挟持してなる液晶表示素子と、液晶表示素子を背面から照明するバックライトおよび液晶表示素子とバックライトの間に設置した光拡散板を備え、バックライトが、出光面の反対側に反射率向上のためのドット印刷パターンを有する透明な板体で形成した導光板と、この導光板の少なくとも１辺に沿って設置した線状ランプと、導光板の背面に設置した反射板を有し、導光板のドット印刷パターンを有彩色としたことを特徴とする液晶表示装置が開示されている。

特許文献３には、農産物に対して光を照射する投光手段と、該投光手段から照射されて農産物を透過または反射した検出光を導く第１導光手段と、投光手段から照射される光を参照光として導くとともに、第１導光手段と光軸が異なる第２導光手段と、第１導光手段で導かれた検出光または第２導光手段で導かれた参照光を任意選択的に通過させまたは遮光する選択手段と、該選択手段により通過した検出光を分析または参照光により校正される分光分析手段と、を具備し、分光分析手段による検出光の分析に基づき農産物の内部品質を測定し得る農産物の内部品質測定装置において、選択手段は、第２導光手段で導かれた参照光を内部で拡散反射させつつ第１導光手段の光軸まで導く拡散板を備えたことを特徴とする農産物の内部品質測定装置が開示されている。

特開２０１４−２０３６７５号公報 特開２０００−３２１５７０号公報 特開２００８−２９８４６６号公報

本発明の課題は、テレセントリック光学系を用いた計測装置において、レンズと対象物との間に散乱手段を配置しない場合と比較して、受光素子で受光される光量の抜け漏れを抑制することが可能な計測装置および計測方法を提供することである。

上記目的を達成するために、第１の態様の計測装置は、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に配置されかつ前記照射光および前記反射光を散乱させる散乱手段と、を含み、前記照射光は前記散乱手段で散乱されて前記対象物に照射され、前記反射光は前記散乱手段で散乱されて前記受光部で受光されるものである。

第２の態様の計測装置は、第１の態様の計測装置において、前記散乱手段が拡散板であるものである。

第３の態様の計測装置は、第１の態様または第２の態様の計測装置において、前記散乱手段は、前記対象物からの距離が、前記第２のレンズと前記対象物との間の距離の１／２以下となる位置に配置されたものである。

第４の態様の計測装置は、第３の態様の計測装置において、前記散乱手段は、前記対象物からの距離が、前記第２のレンズと前記対象物との間の距離の１／１０以上となる位置に配置されたものである。

第５の態様の計測装置は、第１の態様または第２の態様の計測装置において、前記散乱手段は前記第２のレンズの前記対象物側の面に形成されているものである。

第６の態様の計測装置は、第５の態様の計測装置において、前記散乱手段は前記第２のレンズと一体として形成されているものである。

第７の態様の計測装置は、第１の態様から第４の態様のいずれかの態様の計測装置において、前記散乱手段を前記第２のレンズの光軸方向の異なる複数の位置に保持可能な保持手段をさらに含むものである。

第８の態様の計測装置は、第１の態様からは第４の態様、および第７の態様のいずれかの態様の計測装置において、前記散乱手段を前記第２のレンズの光軸方向に沿って移動させる移動手段をさらに備えたものである。

第９の態様の計測装置は、第１の態様からは第４の態様、第７の態様および第８の態様のいずれかの態様の計測装置において、前記散乱手段を前記第２のレンズと前記対象物との間から抜去させる抜去手段をさらに備えたものである。

第１０の態様の計測装置は、第１の態様から第９の態様のいずれかの態様の計測装置において、前記受光部の受光面と前記第２のレンズとの距離が前記第２のレンズの焦点距離と等しくされたものである。

第１１の態様の計測装置は、第１０の態様の計測装置において、前記第１のレンズと前記絞り部との距離が前記第１のレンズの焦点距離と等しくされたものである。

上記目的を達成するために、第１２の態様の計測方法は、対象物へ照射する照射光を発光する発光部、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、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、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、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、および前記第２のレンズと前記対象物との間に配置されかつ前記照射光および前記反射光を散乱させる散乱手段と、を含む計測装置を用いた計測方法であって、前記照射光を前記散乱手段で散乱させて前記対象物に照射し、前記反射光を前記散乱手段で散乱させて前記受光部で受光させ、前記対象物の表面状態を計測するものである。

第１３の態様の計測方法は、第１２の態様の計測方法において、前記対象物に応じて前記散乱手段を変えて前記対象物の表面状態を計測するものである。

第１４の態様の計測装置は、第１３の態様の計測装置において、各々異なる前記散乱手段を含む前記計測装置を複数備えさせ、前記対象物に応じて複数の前記計測装置のいずれかを選択して計測するものである。

第１５の態様の計測装置は、第１４の態様の計測装置において、複数の前記計測装置のうちの１台は前記散乱手段を含まないものである。

第１の態様の計測装置、および第１２の態様の計測方法によれば、テレセントリック光学系を用いた計測装置において、レンズと対象物との間に散乱手段を配置しない場合と比較して、受光素子で受光される光量の抜け漏れを抑制することが可能な計測装置および計測方法が提供される、という効果が得られる。

第２の態様の計測装置によれば、散乱手段が拡散板以外のものである場合と比較して、所望の散乱角度の散乱光が容易に得られる、という効果が得られる。

第３の態様の計測装置によれば、散乱手段を、対象物からの距離が、第２のレンズと対象物との間の距離の１／２を越える位置に配置させる場合と比較して、散乱光の広がり角度が過剰となることが抑制される、という効果が得られる。

第４の態様の計測装置によれば、散乱手段を、対象物からの距離が、第２のレンズと対象物との間の距離の１／１０未満となる位置に配置させる場合と比較して、所望の散乱効果が得られないことが抑制される、という効果が得られる。

第５態様の計測装置によれば、散乱手段を第２のレンズとは独立させて設ける場合と比較して、散乱手段の取り扱いが容易である、という効果が得られる。

第６の態様の計測装置によれば、散乱手段が第２のレンズと別体で形成されている場合と比較して、散乱手段の製造が容易である、という効果が得られる。

第７の態様の計測装置によれば、散乱手段を第２のレンズの光軸方向の異なる複数の位置に保持可能な保持手段を含まない場合と比較して、散乱手段の光軸方向の位置の調整が容易に行われる、という効果が得られる。

第８の態様の計測装置によれば、散乱手段を第２のレンズの光軸方向に沿って移動させる移動手段を備えない場合と比較して、散乱手段の光軸方向の位置の微調整が容易に行われる、という効果が得られる。

第９の態様の計測装置によれば、散乱手段を第２のレンズと対象物との間から抜去させる抜去手段を備えない場合と比較して、対象物における反射光の正反射の程度に応じた計測が可能になる、という効果が得られる。

第１０の態様の計測装置によれば、受光部の受光面と第２のレンズとの距離を第２のレンズの焦点距離と等しくさせない場合と比較して、光学系が片側テレセントリック光学系とされる、という効果が得られる。

第１１の態様の計測装置によれば、第１のレンズと絞り部との距離を第１のレンズの焦点距離と等しくさせない場合と比較して、光学系が両側テレセントリック光学系とされる、という効果が得られる。

第１３の態様の計測装置によれば、対象物が変わっても散乱手段を変えないで対象物の表面状態を計測する場合と比較して、対象物の表面状態に応じた散乱の程度が選択される、という効果が得られる。

第１４の態様の計測装置によれば、対象物が変わっても固定された散乱手段を含む計測装置で計測する場合と比較して、対象物の表面状態に応じた計測装置が選択される、という効果が得られる。

第１５の態様の計測装置によれば、複数の計測装置のすべてが散乱手段を含む場合と比較して、散乱手段のない場合の反射光が容易に確認される、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側面図である。 第１の実施の形態に係る計測装置の、拡散板がない場合の動作を説明する図である。 （ａ）は第１の実施の形態に係る計測装置の計測原理について説明する図、（ｂ）は受光素子の出力分布の比較について説明する図である。 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。 第１の実施の形態に係る計測装置の、拡散板の位置について説明する図である。 第１の実施の形態に係る計測装置の、拡散板の配置について説明する図である。 第２の実施の形態に係る計測装置の構成の一例を示す側面図である。 第２の実施の形態の変形例に係る計測装置の構成の一例を示す側面図である。 比較例に係る計測装置の特性について説明する図である。

以下、図面を参照し、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
図１から図６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により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、拡散板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。なお、本実施の形態では、光学系３０を両側テレセントリックレンズとして構成する形態を例示して説明するが、これに限られず、レンズ３２側およびレンズ３４側のいずれか一方をテレセントリックレンズとする片側テレセントリックレンズとして構成する形態としてもよい。

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。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。なお、以上の、開口部４２、レンズ３２、およびレンズ３４の配置と、レンズ３２、３４の焦点距離との関係は光学系３０を両側テレセントリック光学系とするための条件である。しかしながら、この距離関係は要求されるテレセントリック光学系としての機能（性能）に応じて定めればよいもので、厳密性は要求されず、例えば焦点距離（焦点面）から±１０％程度ずれたとしても問題とはならない。

制御部２０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を含んで構成され、発光素子１２の発光タイミングの制御や、受光素子１６による受光光量の取り込みタイミングの制御等を行う。また、制御部２０は、後述する拡散板６０の移動における制御や、拡散板６０の位置調整等の制御を行う場合もある。

計測装置１０はさらに拡散板６０を備えている。図１に示すように、本実施の形態に係る拡散板６０はレンズ３４と対象物ＯＢとの間に挿入、抜去がなされるように配置されている。すなわち、拡散板６０は回転軸Ｃを中心に回転がなされるように構成されており、レンズ３４と対象物ＯＢとの間に出し入れが可能となるように構成されている。拡散板６０の詳細については後述する。

次に、図２を参照して、計測装置１０の動作について説明する。図２は発光器１４からの照射光ＩＦによる対象物ＯＢへの光の照射、および対象物ＯＢにおける反射光ＲＦの受光素子１６への入射を示している。なお、図２では、照射光ＩＦおよび反射光ＲＦについて容易に理解できるよう拡散板６０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方向に順次対象物ＯＢに照射する。図２（ａ）は、複数の発光素子１２のうちの１番目の発光素子１２が発光した状態を、図２（ｂ）は、複数の発光素子１２のうちの２番目の発光素子１２が発光した状態を、図２（ｃ）は、複数の発光素子１２のうちのｎ番目の発光素子１２が発光した状態を、各々示している。

図２（ａ）から（ｃ）に示すように、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は拡散板６０を透過するが、拡散板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。すなわち、図２（ａ）から（ｃ）に示すように、発光素子１２の各々からの照射光ＩＦが対象物ＯＢに順次照射され、反射することにより反射光ＲＦが発生する。対象物ＯＢの表面２００の状態に応じ照射光ＩＦは様々な方向に反射されるが、本実施の形態では、一例として照射光のＩＦの表面２００への入射点を通る、光軸Ｍに平行な軸を中心として０°〜６０°の角度の範囲の反射光ＲＦを受光する。従って、１個の発光素子１２から発光される照射光ＩＦに対応する受光器１８の受光領域は、略円形となる。そして、対象物ＯＢのＺ軸方向の位置によらず、同じ反射角度の反射光ＲＦは同じ受光素子１６で受光される。以上の動作により、計測装置１０では対象物ＯＢ上の複数の照射点における各々の反射強度分布が計測される。なお、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、受光面のＺ軸方向の位置は開口部４２の位置と同じ位置とされている。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。なお、本実施の形態では「反射角度」はＺ軸方向を基準にして（０度として）測るものとしている。

受光器１８における受光素子１６の個数については特に制限はないが、本実施の形態では一例として３２個としている。３２個の受光素子１６は一例として絞り４０の開口部４２を挟んで１列に配置されている。一方、発光器１４における発光素子１２の個数についても特に制限はないが、本実施の形態では一例として２５０個とされている。つまり、対象物ＯＢを計測する場合、１個の発光素子１２からの照射光ＩＦによって３２個の受光光量が取得される。従って、対象物ＯＢが計測領域Ｔを移動する間の１回の走査において２５０個の照射光ＩＦが照射され、各々の照射光ＩＦに対する反射光ＲＦによって３２個ずつの受光光量が取得される

ここで、図９を参照して、比較例に係る計測装置１００の特性のひとつについて説明する。テレセントリック光学系を用いた比較例に係る計測装置１００では、対象物ＯＢからの反射光ＲＦにおいて正反射光が支配的であった場合、大部分の反射光ＲＦが絞り４０の開口部４２を通過して十分な光量を受光できない場合があった。正反射光が支配的となるのは、例えば対象物ＯＢの表面が鏡面に近い場合である。この状態を図示したのが図９（ａ）である。すなわち、照射光ＩＦが対象物ＯＢに照射されて反射した反射光ＲＦにおいて、正反射光、すなわち反射角度が約０度の反射光が支配的である場合、大部分の反射光ＲＦが絞り４０の開口部４２を通過してレンズ３２の方向に戻ってしまう。この場合は反射光ＲＦがほとんど受光素子１６に入射されないことになる。

反射光ＲＦが開口部４２に向かわないようにする一つの方法として、図９（ｂ）に示すように対象物ＯＢを傾ける、すなわち反射角度を０度以外の角度とすることで反射光ＲＦの方向を受光素子１６の方向に変換することが考えられる。しかしながら、この場合は光量が光軸を中心とする狭い範囲に集中した反射光ＲＦが特定の受光素子１６に入射されるので、該受光素子１６が飽和する場合がある。受光素子１６が飽和すると、当然ながら異なる対象物ＯＢの間での反射光量、あるいは反射率を比較することができない。あるいは、対象物ＯＢを傾けても、図９（ｃ）に示すように対象物ＯＢに凹凸７０がある場合には、凹凸の表面の状態によって反射光ＲＦの反射角度がほとんど０度となってやはり開口部４２を通過してしまうことも考えられる。

そこで本発明では、レンズ３４と対象物ＯＢとの間に散乱手段（拡散板６０）を配置した。このことにより、照射光ＩＦおよび反射光ＲＦが完全拡散に近い状態の光となるので、テレセントリック光学系を用いた計測装置において、レンズと対象物との間に散乱手段を配置しない場合と比較して、受光素子で受光される光量の抜け漏れが抑制される。

図３を参照して、計測装置１０の計測原理について説明する。図３（ａ）は拡散板６０を配置させた場合の計測装置１０の構成を示している。図３（ａ）に示すように、拡散板６０の作用によって照射光ＩＦは拡散されて対象物ＯＢに照射される。本実施の形態では拡散板６０として完全拡散に近い特性を有する透過型の拡散板を用いている。そのため拡散板６０から出射する照射光ＩＦは等方的に広がり、方向によらずほぼ等しい強度の照射光ＩＦが対象物ＯＢに照射される。なお、拡散板６０の形態に特に制限はないが、例えば基材の表面にマイクロレンズ状の凹凸が形成されたものが好ましい。また、凹凸は照射光ＩＦのスポットサイズと比較して小さい方が、計測精度の観点からは好ましい。

一方、照射光ＩＦが対象物ＯＢに照射されて発生した反射光ＲＦも拡散板６０を通過することにより拡散される。反射光ＩＦが拡散されることにより複数の受光素子１６に分散されて受光される。以上の拡散板の作用によって、たとえ対象物ＯＢにおける反射光ＲＦにおいて正反射光が支配的であった場合でも、多方向へ向かうほぼ均一な拡散反射光となる。その結果、反射光ＲＦのほぼすべてが絞り４０の開口部４２に向かうということがなくなり、複数の受光素子１６で分散して受光されるので、受光素子１６で受光される光量の抜け漏れが抑制されるとともに、受光素子１６が飽和するということも抑制される。従って、正反射光が大きい対象物ＯＢ同士の反射光量、あるいは反射率の比較が容易になされる。

図４は、図９に示す比較例に係る計測装置の動作に対応させた本実施の形態に係る計測装置１０の動作を示している。計測装置１０では拡散板６０を配置させているので、いずれの場合にも照射光ＩＦおよび反射光ＲＦが拡散し、特定の方向に大きな光強度を有する正反射光が支配的な反射光ＲＦが多方向に向かうほぼ均一な拡散反射光となる。図４では特定の一の発光素子１２からの照射光ＩＦについて示しているが、他の発光素子１２からの照射光ＩＦについても同様である。すなわち、照射光ＩＦの照射点（反射点）は発光素子１２に応じて異なるが、計測装置１０では受光素子１６がレンズ３４の焦点面に配置されているので、照射点（反射点）がＸ−Ｙ平面内のいずれの位置に存在しても、反射角度に対応した受光素子１６で受光される。

次に図３（ｂ）を参照して、本実施の形態に係る計測装置１０における受光素子１６の出力分布の比較（反射率の比較）について説明する。図３（ｂ）は受光光量（図３（ｂ）では「光強度」と表記）の反射角度依存性（以下、「光強度特性」）を示している。すなわち、横軸は０度を中心として正方向（＋）、負方向（−）に反射角度をとり、縦軸は任意スケールの光強度としている。反射角度と受光素子１６は対応している（換言すれば、同じ反射角度の反射光は同じ受光素子１６で受光される）ので、横軸は受光素子１６の位置と考えてもよい。図３（ｂ）では各々曲線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３で示された３個の対象物ＯＢの光強度特性を示している。これらの光強度特性を比較する場合は、ある特定の角度θにおける光強度で比較してもよいし、あるいは特定の角度範囲における光強度で比較してもよい。さらに、図３（ｂ）に示す特性の全反射角度範囲の積分値で比較してもよい。なお、受光可能な反射角度の範囲は計測装置１０のＹ軸方向の大きさに影響を与えるが、本実施の形態では、上述したように一例として−６０度＜θ＜＋６０度の範囲としている。

次に、図５を参照して、計測装置１０における拡散板６０のＺ軸方向の位置について説明する。拡散板６０の性質から、図５において拡散板６０のＺ軸方向上の位置が対象物ＯＢから遠ざかるにつれて照射光ＩＦのスポットサイズが大きくなる。本実施の形態に係る計測装置１０の主旨から照射光ＩＦのスポットサイズは拡散板がない場合に比べてある程度大きくされるが、必要以上に大きくなると計測精度が落ちる可能性がある。そのため、原則的には拡散板６０を対象物ＯＢに近接させて配置することが望ましい。例えば、レンズ３４と対象物ＯＢとの間の距離の１／２以下となる位置に拡散板６０を配置させてもよい。この場合、拡散板６０を必要以上に対象物ＯＢに近づける散乱の効果が減少するので、例えばレンズ３４と対象物ＯＢとの間の距離の１／１０以上となる位置に配置させてもよい。

拡散板６０のＺ軸方向の位置の設定についてより詳細に説明する。上記の拡散板６０の性質から、拡散板６０のＺ軸方向の位置はスポットサイズ、拡散された反射光ＲＦの広がりの範囲等を勘案して設定するのが好ましい。例えば、スポットサイズに上限を設けておき、そのスポットサイズの範囲内で、必要な反射光ＲＦの広がり角度が得られるように拡散板６０のＺ軸上の位置を設定してもよい。あるいは逆に反射光ＲＦの広がり角度に上限を設けてもよい。以上のような考え方で拡散板６０を対象物ＯＢに極力近づけて配置することにより、照射光ＩＦの拡散が必要最小限に抑えられ、かつ照射スポットサイズが必要以上に大きくなることが回避された上で、反射光ＲＦの大部分が絞り４０の開口部４２に向かうことが抑制され、かつ複数の受光素子１６で分散されて受光されるので、受光素子１６の出力の飽和も抑制される。

ここで、照射光ＩＦのスポットサイズの具体的な大きさは、拡散板６０への入射前で一例として１０μｍから１００μｍの範囲の大きさである。スポットサイズをこの範囲の値とすることにより、対象物ＯＢの面内、あるいは対象物の内部が高い空間分解能で計測される。そのため、図５に示すように拡散板６０を対象物ＯＢと近接させて配置することにより、照射光ＩＦの拡散が必要最低限に抑えられ、対象物ＯＢの反射率の面内バラツキも評価される。

図６は、拡散板６０の位置のさまざまな形態を示している。図６（ａ）は、拡散板６０を対象物ＯＢに近接して配置した場合の照射光ＩＦ、反射光ＲＦの状態を、図６（ｂ）は、拡散板６０を対象物ＯＢから離間させて配置した場合の照射光ＩＦ、反射光ＲＦの状態を、各々示している。また、計測装置１０に係る拡散板６０はＺ軸方向の移動だけではなく、図６（ｃ）に示すようにレンズ３４と対象物ＯＢとの間からの抜去もなされるように構成されている。拡散板６０の抜去機能は、例えば反射光ＲＦの性質の確認のために用いられる。つまり、通常は計測装置１０を拡散板６０がない状態で用いる場合で、例えば受光器１８からの出力信号が異常に小さい等の現象が発生した場合に、拡散板６０を挿入してみる。その場合、原因が正反射光の過剰な発生にあれば受光器１８からは出力信号が正常に出力されるので、受光器１８の出力異常の原因が速やかに把握される。

［第２の実施の形態］
図７を参照して本実施の形態に係る計測装置１０Ａについて説明する。計測装置１０Ａは、上記実施の形態に係る計測装置１０に拡散板６０の保持手段を付加した形態である。
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７（ａ）に示すように、計測装置１０Ａは拡散板６０の保持手段６２を備えている。保持手段６２は、複数のスロット６６を有し、拡散板６０をそのいずれかのスロット６６に差し込むことによって、拡散板６０のＺ軸方向の位置が設定されるように構成されている。保持手段６２の平面視での形状はスロット６６が直線状に配置された棒状の形状としてもよいし、スロット６６が三方に配置されたコの字型の形状としてもよい。

図７（ａ）は拡散板６０が対象物ＯＢに一番近いスロット６６に挿入された状態を示し、図７（ｂ）は拡散板６０が対象物ＯＢから一番遠いスロット６６に挿入された状態を示している。また、図７（ｃ）は拡散板６０が保持手段６２から抜去された状態を示している。このように、本実施の形態に係る計測装置１０Ａによれば、拡散板６０の位置が自由に設定される。

＜第２の実施の形態の変形例＞
図８を参照して、第２の実施の形態の変形例に係る計測装置１０Ｂについて説明する。
上記実施の形態に係る計測装置１０Ａでは拡散板６０の位置の設定を人手により行う形態を例示して説明したが、本実施の形態は保持手段６２への挿抜を自動で行って拡散板６０の位置の変更を自動的に行う形態である。従って、計測装置１０Ａ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。

計測装置１０Ｂは、図８に示すように、拡散板６０の移動手段６４を備えている。移動手段６４は拡散板６０を挟持し、図８（ａ）、（ｂ）に示すように挟持した拡散板６０をＺ軸方向に移動させ、目的とするスロット６６に拡散板６０を差し込んで位置決めを行う。あるいは、図８（ｃ）に示すように拡散板６０を光路から抜去する。本変形例によれば、拡散板６０の位置が自動的に設定される。

ここで、上記各実施の形態に係る計測装置（１０、１０Ａ、１０Ｂ）を用いた計測方法について説明する。本発明に係る計測装置（１０、１０Ａ、１０Ｂ）は、例えば製造工程における検査装置としても用いられる。すなわち、例えば対象物ＯＢ（製品）の表面の状態、あるいは内部の散乱状態を計測して当該製品の検査が行われる場合がある。この場合例えば、計測装置１０Ｂのように拡散板６０が自動的に位置決め、あるいは挿抜される計測装置が用いられる。

計測装置（１０、１０Ａ、１０Ｂ）を用いた検査では、例えば対象物ＯＢの正反射光成分の大きさ等を勘案し、対象物ＯＢに応じて散乱板６０を変えて計測してもよい。あるいは、計測装置（１０、１０Ａ、１０Ｂ）を複数台設置し、対象物ＯＢに応じて計測装置（１０、１０Ａ、１０Ｂ）を選択して計測してもよい。その場合、例えば複数の計測装置（１０、１０Ａ、１０Ｂ）のうちの少なくとも１台は散乱板６０を備えない（あるいは光路から抜去されている）計測装置（１０、１０Ａ、１０Ｂ）としてもよい。このことで、受光される反射光ＲＦがさまざまな正反射光成分を含む場合であっても容易に計測がなされる。

なお、上記各実施の形態では、独立させて拡散板６０を配置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、レンズ３４と一体的化して配置してもよい。すなわち、例えばレンズ３４の対象物ＯＢ側の面を光が散乱するように加工して拡散板を配置させてもよい。この場合、レンズ３４とは別体のシート状の拡散板をレンズ３４に貼り付け拡散板を配置してもよいし、レンズ３４自体を凹凸加工して拡散板を配置してもよい。

また、上記各実施の形態では、すべての発光素子１２の照射光ＩＦに拡散板６０が挿入される形態を例示して説明したが、これに限られない。複数の発光素子１２のうちの一部、例えば半数には拡散板６０が挿入され、残りの半数には挿入されないように構成してもよい。このような構成によれば、１つの計測装置で照射光ＩＦの拡散の程度の差による対象物ＯＢの表面での反射特性の違いについて把握される。

また、上記各実施の形態では拡散板６０を１枚配置させる形態を例示して説明したが、これに限られず、要求される拡散の程度等に応じて複数枚用いてもよい。

１０、１０Ａ、１０Ｂ 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
２０ 制御部
３０ 光学系
３２ レンズ
３４ レンズ
４０ 絞り
４２ 開口部
６０ 拡散板
６２ 保持手段
６４ 移動手段
６６ スロット
７０ 凹凸
１００ 計測装置
２００ 表面
Ｃ 回転軸
ＩＦ 照射光
Ｍ 光軸
ＲＦ 反射光
ＯＢ 対象物
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３ 曲線
Ｔ 計測領域

Claims (15)

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に配置されかつ前記照射光および前記反射光を散乱させる散乱手段と、を含み、
   前記照射光は前記散乱手段で散乱されて前記対象物に照射され、前記反射光は前記散乱手段で散乱されて前記受光部で受光される
   計測装置。
2. 前記散乱手段が拡散板である
   請求項１に記載の計測装置。
3. 前記散乱手段は、前記対象物からの距離が、前記第２のレンズと前記対象物との間の距離の１／２以下となる位置に配置された
   請求項１または請求項２に記載の計測装置。
4. 前記散乱手段は、前記対象物からの距離が、前記第２のレンズと前記対象物との間の距離の１／１０以上となる位置に配置された
   請求項３に記載の計測装置。
5. 前記散乱手段は前記第２のレンズの前記対象物側の面に形成されている
   請求項１または請求項２に記載の計測装置。
6. 前記散乱手段は前記第２のレンズと一体として形成されている
   請求項５に記載の計測装置。
7. 前記散乱手段を前記第２のレンズの光軸方向の異なる複数の位置に保持可能な保持手段をさらに含む
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の計測装置。
8. 前記散乱手段を前記第２のレンズの光軸方向に沿って移動させる移動手段をさらに備えた
   請求項１から請求項４、および請求項７のいずれか１項に記載の計測装置。
9. 前記散乱手段を前記第２のレンズと前記対象物との間から抜去させる抜去手段をさらに備えた
   請求項１から請求項４、請求項７、および請求項８のいずれか１項に記載の計測装置。
10. 前記受光部の受光面と前記第２のレンズとの距離が前記第２のレンズの焦点距離と等しくされた
    請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の計測装置。
11. 前記第１のレンズと前記絞り部との距離が前記第１のレンズの焦点距離と等しくされた 請求項１０に記載の計測装置。
12. 対象物へ照射する照射光を発光する発光部、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、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、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、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、および前記第２のレンズと前記対象物との間に配置されかつ前記照射光および前記反射光を散乱させる散乱手段と、を含む計測装置を用いた計測方法であって、
    前記照射光を前記散乱手段で散乱させて前記対象物に照射し、前記反射光を前記散乱手段で散乱させて前記受光部で受光させ、前記対象物の表面状態を計測する
    計測方法。
13. 前記対象物に応じて前記散乱手段を変えて前記対象物の表面状態を計測する
    請求項１２に記載の計測方法。
14. 各々異なる前記散乱手段を含む前記計測装置を複数備えさせ、
    前記対象物に応じて複数の前記計測装置のいずれかを選択して計測する
    請求項１３に記載の計測方法。
15. 複数の前記計測装置のうちの１台は前記散乱手段を含まない
    請求項１４に記載の計測方法。