JP4216679B2 - 変位計および変位測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば金属、樹脂、ガラス、セラミック、紙等の被測定物の表面に光を投射して、被測定物の表面の変位を測定する変位計及び変位測定方法に関する。

従来、金属や樹脂等の被測定物の表面の変位を測定する装置には、例えば合焦点検出型非接触変位計が利用されている。また、本発明者らは特許文献１に示す変位計を先に開発した。特許文献１に係る変位計を構成例を図１に示す。この図に示す変位計は、レーザパワー制御部１１で駆動されるレーザダイオード１２の出射光は、ビームスプリッタ１３と、コリメートレンズ１４と対物レンズ１５とを順次通過して、被測定物１６に投射されるよう構成されている。被測定物１６からの反射光は対物レンズ１５と、コリメートレンズ１４とを通ってビームスプリッタ１３で反射し、ピンホール１７ａを形成している光絞り部１７のピンホール１７ａを通ってホトダイオード１８へ入射する。ホトダイオード１８で光電変換した信号は増幅器１９へ入力され、その出力信号Ｘは演算部２０へ入力される。

Ｕ字状をした音叉２１の一側長寸部の先端には対物レンズ１５の周縁部分が取付けられる。対物レンズ１５は、音叉２１の振動により、レーザダイオード１２の出射光の光軸方向に所定振幅で振動される。音叉２１の一側長寸部の先端側の側方には、例えば磁気、光又は静電容量を利用したセンサからなる、位置検出部たる音叉振幅検出部２２が配設され、音叉２１の振幅、つまり対物レンズ１５の位置を検出可能としている。音叉振幅検出部２２が検出した検出振幅信号は増幅器２３へ入力され、その出力信号Ｙは演算部２０へ入力される。音叉２１の他側長寸部の先端側の側方には、音叉２１を振動させるためのソレノイド２４が配設されている。ソレノイド２４には音叉振幅制御部２５からの制御電流が供給され、音叉振幅制御部２５には増幅器２３の出力信号が与えられて音叉２１の振幅を一定になすべく制御される。

以下、この変位計の動作を説明する。音叉振幅制御部２５からソレノイド２４に制御電流を供給すると、ソレノイド２４により制御電流に応じた磁界が発生する。この発生磁界により音叉２１が所定振幅で振動し、対物レンズ１５を、それを通る光の光軸方向へ振動させる。音叉振幅検出部２２は音叉２１の振幅、即ち対物レンズ１５の振幅を検出し、対物レンズ１５の振幅たる正弦波信号を出力する。この正弦波信号を、増幅器２３で増幅し、増幅器２３から出力される出力信号Ｙを演算部２０へ入力させる。

一方、レーザパワー制御部１１からレーザダイオード１２に駆動電流を供給すると、レーザダイオード１２はレーザ光を出射する。この出射光はビームスプリッタ１３、コリメートレンズ１４及び対物レンズ１５を通って被測定物１６へ投射される。被測定物１６で反射した反射光は対物レンズ１５とコリメートレンズ１４を通ってビームスプリッタ１３で反射して光絞り部１７側へ投射され、ピンホール１７ａを透過した光のみがホトダイオード１８へ入射する。そのため、ホトダイオード１８には、被測定物１６で生じた潜り光及びレーザダイオード１２で発生した迷光による反射光はピンホール１７ａで遮られてピンホール１７ａを通らず、ホトダイオード１８には、被測定物１６に生じた合焦点の光のみが入射することになる。

この際、対物レンズ１５が振動させられているために、対物レンズ１５と被測定物１６との距離は変化している。所定の距離において、被測定物１６に投射した光の合焦点が被測定物１６に生じると、ホトダイオード１８の受光出力は瞬時に最大となり、この受光出力に応じた信号が増幅器１９へ入力され、増幅器１９から出力信号Ｘが出力され演算部２０へ入力される。この受光量が最大となる位置、すなわち被測定物１６に投射した光の合焦点が被測定物１６上で得られる対物レンズ１５の位置を捉えることで、被測定物１６の表面の変位を測定することによって、変位を高精度に測定できる。また光絞り部を用いているので、被測定物１６で生じる潜り光や迷光による反射光が生じていても、変位の測定値に誤差を生じ難い変位計とすることができる。

しかしながら、この変位計では被測定物に投光する光のスポットサイズが小さいため、被測定物の表面状態によっては測定不可能となることが生じるという問題があった。例えば図２に示すように、被測定物１６の表面に凹部や穴がある等して、光が正常に反射され難い領域が存在するような場合には、変位計から被測定物に投光された光が変位計に正しく反射されなくなり、測定ができなくなる。また被測定物の表面にスポットサイズのオーダで細かな凹凸があるような場合は、少しでも測定位置が変動したり被測定物が動くと光量が大きく変動するため、正確な計測が困難になるという問題もあった。

このような問題を解決するため、本発明者は測定点を線状に移動させることで、変位を測定不可能な点が存在しても、その前後の測定可能な点の変位を用いて補完する方法を開発した（特許文献２）。この方法では、測定点を線状に移動させながらホトダイオードの受光量をモニタし、受光量がピークを示す位置での変位を演算して、さらに各位置での変位を平均することで、測定不可能な点が含まれていても変位を得ることができる。

しかしながら、測定不可能な点が連続する場合は、前後の点から変位を補完することが困難となる。例えば、図２（ｃ）に示すように凹凸が連続する表面形状の変位を測定しようとすると、測定不可能な部位が多数存在するため、近傍の点を使って補完することが困難となる。また、変位が測定可能な点のみを抽出して、各点での変位を平均しようとしても、測定可能な点のサンプル数が少なかったり、各点で求められた変位の精度にばらつきがあり、誤差の多いデータが含まるおそれもあるため、精度の高い変位測定は期待できない。特に変位計においては、一般にホトダイオードで検出された光量の値が大きいほど精度の高い変位が計測でき、逆に光量が小さいほど精度が低下する傾向にある。いいかえると、光量のピーク値をもって変位を演算する場合、そのピークの絶対値が大きいほどデータの信憑性が高く、ピークが低いほど信憑性も低いということができる。しかしながら、図２（ｃ）に示すような不規則な表面形状では、確率的に光量の低いデータが多く含まれることになるため、測定の精度が悪くなる。このため、単にピークが検出された変位を加算して平均を求めたのでは、各データの信憑性が考慮されず、演算された変位の信頼性が期待できない。

一方で、別の問題として被測定物の表面に反射率の異なる部位が存在する場合、正確な変位測定が困難になるという問題もあった。例えば被測定物の表面に反射率の高い部位と低い部位が混在している場合、反射率の低い部位に条件を合わせて測定すると、反射率が高い部位での測定値に誤差が発生する。逆に反射率の高い部位に合わせて条件を設定すると、反射率が低い部位を測定できない問題があった。
特許３３００８０３号 特願２００３−０７９１２２号

このように、従来の変位計では被測定物によっては適切な変位測定を行えないという問題があった。本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、本発明の主な目的は、被測定物の表面状態によらず安定した精度の高い変位計測が可能な変位計および変位測定方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に記載される変位計は、被測定物１６に投射する光を発生させる発光部と、前記発光部から出射された光を受けて、被測定物１６に投射する対物レンズ１５と、前記対物レンズ１５を、所定の振幅で対物レンズ１５を通過する光の光軸の方向に沿って振動させる加振部と、光軸方向に前記対物レンズ１５が移動された位置を検出する位置検出部と、被測定物１６からの反射光が通過する光絞り部と、前記光絞り部を通過した光を受光する受光部と、被測定物１６上で測定対象となる領域を指定する測定領域指定部５１と、前記対物レンズ１５を光軸方向と直交する平面に沿って移動させる対物レンズ走査部５２と、前記対物レンズ走査部５２により対物レンズ１５を光軸方向と直交する平面に沿って所定の移動量で移動させる際、被測定物１６上の複数の測定ポイントにおいてそれぞれ前記受光部で受光した受光量の極大値と、このとき前記位置検出部で検出される振動位置とを関連付けて記憶する受光量ピークメモリ部７２と、前記受光量ピークメモリ部７２で記憶された受光量の極大値を、前記対物レンズ１５の光軸方向における振動位置毎に積算し、積算された受光量に基づいて変位を演算する受光データ処理部７３とを備える。

さらに、請求項２の変位計は、請求項１に記載の変位計であって、前記受光データ処理部７３が、前記受光部で受光された受光量の極大値に基づいて、前記対物レンズ１５の振動位置における受光量の変化を示す受光波形を作成し、作成された受光波形を積算して変位を求めている。

さらにまた、請求項３の変位計は、請求項２に記載の変位計であって、前記受光データ処理部７３が、積算された受光波形に基づいて変位を演算する際、受光波形の重心を求めて変位を算出している。

さらにまた、請求項４の変位計は、請求項２または３に記載の変位計であって、前記受光データ処理部７３で作成される受光波形が、受光量の極大値を高さとする三角波である。

さらにまた、請求項５の変位計は、請求項４または５に記載の変位計であって、前記受光データ処理部７３で作成される受光波形が、受光量の極大値を高さとする正規分布波形である。

さらにまた、請求項６の変位計は、被測定物１６に投射する光を発生させる発光部と、前記発光部から出射された光を受けて、被測定物１６に投射する対物レンズ１５と、前記対物レンズ１５を、所定の振幅で対物レンズ１５を通過する光の光軸の方向に沿って振動させる加振部と、光軸方向に前記対物レンズ１５が移動された位置を検出する位置検出部と、被測定物１６からの反射光が通過する光絞り部と、前記光絞り部を通過した光を受光する受光部と、前記受光部で受光した受光量をＡ／Ｄ変換するためのＡ／Ｄ変換部７５と、前記対物レンズ１５を光軸方向と直交する平面に沿って移動させる対物レンズ走査部５２と、前記対物レンズ走査部５２により直交平面上で前記対物レンズ１５が移動された位置を検出する対物レンズ移動検出部５３と、前記対物レンズ走査部５２により対物レンズ１５を光軸方向と直交する平面に沿って所定の移動量で移動させる際、前記対物レンズ移動検出部５３によって検出される、複数の測定ポイントにおける対物レンズ１５の位置情報と、該複数の測定ポイントにおいて前記受光部で受光した受光量を所定の前記対物レンズ１５の振動位置毎に前記Ａ／Ｄ変換部７５でＡ／Ｄ変換した値と、これに対応する前記位置検出部での振動位置とを関連付けて記憶する受光量ピークメモリ部７２と、前記受光量ピークメモリ部７２で記憶された受光量を、前記対物レンズ１５の光軸方向における振動位置毎に積算して前記対物レンズ１５の振動位置における受光量の変化を示す受光波形を作成し、作成された受光波形に基づいて変位を演算する受光データ処理部７３とを備える。
ことを特徴とする変位計。

さらにまた、請求項７の変位計は、被測定物１６に投射する光を発生させる発光部と、前記発光部から出射された光を受けて、被測定物１６に投射する対物レンズ１５と、前記対物レンズ１５を、所定の振幅で対物レンズ１５を通過する光の光軸の方向に沿って振動させる加振部と、光軸方向に前記対物レンズ１５が移動された位置を検出する位置検出部と、被測定物１６からの反射光が通過する光絞り部と、前記光絞り部を通過した光を受光する受光部と、前記対物レンズ１５を光軸方向と直交する平面に沿って移動させる対物レンズ走査部５２と、前記対物レンズ走査部５２により直交平面上で前記対物レンズ１５が移動された位置を検出する対物レンズ移動検出部５３と、前記対物レンズ走査部５２により対物レンズ１５を光軸方向と直交する平面に沿って所定の移動量で移動させる際、前記対物レンズ移動検出部５３によって検出される、複数の測定ポイントにおける対物レンズ１５の位置情報と、該複数の測定ポイントにおいて前記受光部で受光した受光量の極大値およびこのとき前記位置検出部で検出される振動位置とを関連付けて記憶する受光量ピークメモリ部７２と、前記受光量ピークメモリ部７２で記憶された各受光量のデータに対し、その近傍に位置する複数の受光量データから受光量の平均値を演算して受光量閾値を設定し、前記受光量閾値を超える受光量データに基づいて変位を演算する受光データ処理部７３とを備える。

さらにまた、請求項８の変位計は、被測定物１６に投射する光を発生させる発光部と、前記発光部から出射された光を受けて、被測定物１６に投射する対物レンズ１５と、前記対物レンズ１５を、所定の振幅で対物レンズ１５を通過する光の光軸の方向に沿って振動させる加振部と、光軸方向に前記対物レンズ１５が移動された位置を検出する位置検出部と、被測定物１６からの反射光が通過する光絞り部と、前記光絞り部を通過した光を受光する受光部と、被測定物を上面に載置したまま光軸方向と直交する平面に沿って移動可能なステージ７６と、直交平面上で前記ステージ７６が移動された位置を検出するステージ移動検出部７８と、前記ステージ移動検出部７８により前記ステージ７６を直交平面に沿って所定の移動量で移動させる際、前記ステージ移動検出部７８によって検出される、複数の測定ポイントにおける対物レンズ１５の位置情報と、該複数の測定ポイントにおいて前記受光部で受光した受光量の極大値およびこのとき前記位置検出部で検出される振動位置とを関連付けて記憶する受光量ピークメモリ部７２と、前記受光量ピークメモリ部７２で記憶された受光量の極大値を、前記対物レンズ１５の光軸方向における振動位置毎に積算し、積算された受光量に基づいて変位を演算する受光データ処理部７３とを備える。

さらにまた、請求項９の変位計は、請求項１から８のいずれか一に記載の変位計であって、前記加振部が音叉２１を使用しており、前記位置検出部が音叉２１の振幅を検出する音叉振幅検出部２２である。

また、請求項１０に記載の変位測定方法は、振動される対物レンズ１５を介して発光部から被測定物１６へ投射した光を反射させ、反射光の内光絞り部を通過した光を受光する受光部で検出して、被測定物１６の表面の変位を測定する方法である。この方法は、被測定物１６上の測定対象となる領域内の複数の測定ポイントで、被測定物１６へ投射される光を通過させる対物レンズ１５を、加振部で前記対物レンズ１５を通過する前記光の光軸方向へ振動させながら受光部で受光量を測定しつつ、受光量がピークを示す時点での受光量と、この時点での振動された対物レンズ１５の位置とを関連付けて受光量ピークメモリ部７２に保持するステップと、前記受光量ピークメモリ部７２で記憶された受光量の極大値を、前記対物レンズ１５の振動方向における位置毎に積算し、積算された受光量に基づいて変位を演算するステップとを備える。

本発明の変位計および変位測定方法によれば、被測定物の表面状態によらず安定した精度の高い変位測定が実現される。それは、本発明の変位計および変位測定方法が、複数部位での変位を測定してその平均値を用いるのでなく、各測定位置で検出された受光量のピーク値に基づいて対物レンズの位置を求める処理を行っているからである。受光量が得られた段階で直ちに変位を求めず、複数部位での受光量を一旦積算して平均変位を求める方法では、ピークの大きさに応じた重み付けが行われるため、精度の高いデータが反映された形で変位を算出することができる。さらに、受光量のピーク値から受光量の波形を復元する方法では、ピーク値が最大の精度の高いデータに基づいて元波形を復元するため精度が良く、また近似波形を生成することで実際に受光量を逐次Ａ／Ｄ変換して波形を測定する必要がないため、複雑な演算処理を排除して簡易な処理で安価に実現できる。以上のように、受光量を積算することにより精度の高いデータを重視した演算結果が得られ、被測定物に段差や凹凸があったり、反射率の異なる部位が含まれている等、被測定物の表面状態が悪く測定不能な部位を含む場合であっても、精度良く信頼性の高い変位測定が実現される。

また本発明によれば、被測定物の表面に反射率の異なる部位が含まれていても、精度良く変位を測定できる。それは、受光量の低いデータを排除するための閾値を、被測定物の反射率に応じて動的に変化させているからである。特に、対象となる部位の近傍の受光量に応じて閾値を設定することにより、反射率の高い部位、低い部位ではそれぞれに応じた受光量の閾値が設定され、これによって適切な閾値が選択されて精度の高いデータのみを抽出でき、結果として精度の高い変位測定が得られる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための変位計および変位測定方法を例示するものであって、本発明は変位計および変位測定方法を以下のものに特定しない。

さらに、本明細書は、特許請求の範囲を理解し易いように、実施の形態に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲の欄」、および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。

本発明において変位計とは、被測定物の表面の変位を測定する変位計であって、被測定物の高さや深さ、厚さ、高度差、段差、傾斜や角度等を測定する装置に限られず、高さや傾斜等の測定結果に基づいて表面形状等を測定可能な装置も包含する意味で使用する。同様に変位測定方法においても、これら被測定物の高さや深さ、厚さ、高度差、段差、傾斜や角度等を測定する方法に限られず、これらの測定結果に基づいて表面形状等を測定する方法も包含する意味で使用する。さらに本明細書においてピークとは極大値を意味する。

［実施の形態１］
図３に、本発明の実施の形態１に係る変位計の構成図を示す。この図に示す変位計は、発光部としてレーザダイオード１２と、レーザダイオード１２から出射される光を平行光に変換するコリメートレンズ１４と、対物レンズ１５と、対物レンズ１５を保持する音叉２１と、光軸方向に音叉２１を振動させるための加振部であるソレノイド２４と、ソレノイド２４で振動される音叉２１の位置を検出する位置検出部である音叉振幅検出部２２を備える。またこの変位計は、被測定物１６からの反射光が通過する光絞り部１７にピンホール１７ａを形成している。さらに光絞り部１７のピンホール１７ａの位置には、受光部としてホトダイオード１８が設けられる。

レーザパワー制御部１１で駆動されるレーザダイオード１２の出射光は、ビームスプリッタ１３と、コリメートレンズ１４と対物レンズ１５とを順次通過して、被測定物１６に投射される。被測定物１６からの反射光は、対物レンズ１５と、コリメートレンズ１４とを通ってハーフミラーを構成するビームスプリッタ１３で反射され、光絞り部１７のピンホール１７ａを通ってホトダイオード１８へ入射する。

ホトダイオード１８で光電変換した信号は、増幅器１９へ入力され、その出力信号Ｘは演算部２０へ入力される。Ｕ字状に形成された音叉２１の一側長寸部の先端には、対物レンズ１５の周縁部分が取付けられている。対物レンズ１５は、音叉２１の振動により、レーザダイオード１２の出射光の光軸方向に所定の振幅で振動される。音叉２１の一側長寸部の先端側の側方には、位置検出部として音叉振幅検出部２２が配設されている。音叉振幅検出部２２は、例えば磁気、光又は静電容量を利用したセンサが利用でき、音叉２１の振幅位置を検出することで、音叉２１に接続された対物レンズ１５の位置を検出する。なお位置検出部は、このように音叉の振幅を検出する他、音叉に連結されて振動される対物レンズの位置を直接検出する構成としても良い。

音叉振幅検出部２２が検出した検出振幅信号は増幅器２３へ入力され、その出力信号Ｙは演算部２０へ入力される。音叉２１の他側長寸部の先端側の側方には、音叉２１を振動させるためのソレノイド２４が配設されている。

ソレノイド２４は、音叉振幅制御部２５から供給される制御電流によって駆動される。音叉振幅制御部２５には、増幅器２３の出力信号が与えられ、音叉２１の振幅を一定になすように制御されるよう構成される。なお音叉２１は、例えば８００Ｈｚ、振幅が±０．３ｍｍで振動するものが利用できる。演算部２０で演算されて出力される変位信号は、距離変換部５０へ入力される。

この変位計は、ホトダイオード１８で受光した受光量が最大となる時点での対物レンズ１５の位置を音叉振幅検出部２２で検出し、これに基づいて被測定物１６での光の反射点、すなわち表面の変位を、変位演算部である演算部２０および距離変換部５０で演算する。

次にこのように構成した変位計の動作を説明する。音叉振幅制御部２５からソレノイド２４に電流を供給すると、ソレノイド２４により磁界が発生する。この発生磁界により音叉２１が所定振幅で振動し、対物レンズ１５を、それを通る光の光軸方向へ振動させる。音叉振幅検出部２２は音叉２１の振幅、即ち対物レンズ１５の振幅を検出し、対物レンズ１５の振幅たる正弦波信号を出力する。この正弦波信号を、増幅器２３で増幅し、増幅器２３から出力される出力信号Ｙを演算部２０へ入力させる。

一方、レーザパワー制御部１１からレーザダイオード１２に駆動電流を供給すると、レーザダイオード１２はレーザ光を出射する。この出射光はビームスプリッタ１３、コリメートレンズ１４及び対物レンズ１５を通って被測定物１６へ投射される。被測定物１６で反射した反射光は対物レンズ１５とコリメートレンズ１４を通ってビームスプリッタ１３で反射して光絞り部１７側へ投射され、ピンホール１７ａを透過した光のみがホトダイオード１８へ入射する。そのため、ホトダイオード１８には、被測定物１６で生じた潜り光及びレーザダイオード１２で発生した迷光による反射光はピンホール１７ａで遮られてピンホール１７ａを通らずホトダイオード１８には、被測定物１６に生じた合焦点の光のみが入射することになる。

ところで、対物レンズ１５が振動させられているために、対物レンズ１５と被測定物１６との距離が変化し、所定距離に達した時点で、被測定物１６に投射した光の合焦点が被測定物１６に生じると、ホトダイオード１８の受光出力は瞬時に最大となり、この受光出力に応じた信号が増幅器１９へ入力され、増幅器１９から出力信号Ｘが出力され演算部２０へ入力される。演算部２０は出力信号Ｘの極大値を検出することで、被測定物１６に投射した光の合焦点が生じた時点を正確に検出することができる。演算部２０は出力信号Ｘが極大値となる時点での出力信号Ｙのレベル、即ち対物レンズ１５の振幅をサンプリングし、変位信号Ｓとして出力する。そしてサンプリングした変位信号Ｓを距離変換部５０へ入力して、変位信号Ｓを、変位信号Ｓに応じた距離に変換して、被測定物１６の表面の変位を測定する。

なお、この例では対物レンズ１５の変位を、音叉振幅検出部２２の出力する正弦波信号をサンプルホールドすることで直接的に求めている。ただ、対物レンズ１５の変位を取得する方法はこの方法に限られない。例えば、特許文献１である特許３３００８０３号に開示されるように、音叉振幅検出部２２の出力する信号が、振幅と位相が既知である正弦波信号であることを利用して、被測定物１６の合焦点の生じた時点の位相または位相差から間接的に対物レンズ１５の変位を取得する方法も利用できる。

また、加振部の他の実施形態として、図４に示すように、対物レンズ１５のみならずコリメートレンズ１４も音叉２１に接続してもよい。図４の例では、音叉２１の一側長寸部の先端に対物レンズ１５の周縁部分を取付け、他側長寸部の先端に対物レンズ１５と同一光軸上に配置したコリメートレンズ１４の周縁部分を取付けている。そして対物レンズ１５及びコリメートレンズ１４を共に振動可能なように構成している。このようにすると音叉２１の一側長寸部と他側長寸部との重量を平衡させ得て、音叉２１を効率良く振らせることができる。さらに音叉２１の一側長寸部の外側面及び他側長寸部の外側面夫々に圧電素子を固着し、この圧電素子に電圧を印加することで音叉２１を振動させることができる。

このような、被測定物１６上の任意の一点における変位の演算方法は、例えば上記特許文献１に記載した方法や、その他の既知の方法又は将来開発される方法が適宜利用でき、詳細な説明は割愛する。

［測定領域］
以上のようにして変位計は、指定された測定ポイントにおける変位量を測定する。さらに変位計は、測定ポイントを複数指定可能である。具体的には、測定領域指定部５１によって測定対象となる測定領域を指定する。測定領域は、円弧や直線等の線状で指定する。測定領域指定部５１による指定方法は、例えば線分の始点と終点を指定する方法、自由曲線を直接指定する方法等が適宜利用できる。また指定された測定領域の直線や曲線において、測定ポイントの間隔である走査ステップも指定できる。あるいは、測定したい複数の位置を測定ポイントとしてユーザが直接指定しても良い。または、ユーザが指定した位置に基づいて変位計が測定領域を自動的に設定する方法としてもよい。例えば、指定された位置を基準として、測定ポイントの間隔も所定値に設定される。

このようにして設定された測定領域内で、変位計は複数の測定ポイントにてそれぞれ変位量を測定する。そして測定された複数位置の変位量に基づいて、被測定物１６の表面状態を知ることができる。例えば、測定領域における凹凸形状等を表示するプロファイル、傾き、最大高さ、最小高さ、平均高さ、高低差、厚み等を演算し、必要に応じて表示する。

もちろん、対物レンズ走査部５２を停止させて任意の一点のみの変位量を測定する使用も可能であることはいうまでもない。

［対物レンズ走査部５２］
測定ポイントの移動は、対物レンズ１５を移動させることによって行われる。対物レンズ１５は、光の光軸と直交する方向に移動され、図５において水平方向に移動される。発光部から対物レンズ１５に入光される光は、介在するコリメートレンズ１４によって平行光とされている。その結果、図５に示すように平行光と直交する方向に移動させても、光軸方向の焦点距離は不変で被測定物１６上にて焦点を結ぶことができるので、変位測定が可能となる。対物レンズ１５が移動されても、平行光を受けられるように、好ましくは対物レンズ１５の大きさはコリメートレンズ１４よりもレンズ面の直径を小さくし、かつ対物レンズ１５の移動可能範囲がコリメートレンズ１４の直径に収まるように設定する。

対物レンズ１５は対物レンズ走査部５２によって移動される。図３に示す変位計は、対物レンズ走査部５２としてサーボモータ５２Ａと、対物レンズ走査部５２により対物レンズ１５が移動された位置を検出する対物レンズ移動検出部５３として、サーボモータ５２Ａの回転角を検出する回転角センサ５３Ａを備える。サーボモータ５２Ａは、加振部を構成する音叉２１を保持する音叉ホルダ５６に設けられた回転軸５４を介して、加振部を回転自在に連結している。回転軸５４は、加振部に連結された対物レンズ１５が光軸と直交する平面に沿って移動させるように位置決めされる。図３においては、回転軸５４は音叉ホルダ５６の後端に貫通されて、音叉２１を水平面内で回転させ、コリメートレンズ１４からの平行光を対物レンズ１５が垂直に受けられるように構成している。サーボモータ５２Ａの回転は、サーボモータ５２Ａに接続された走査位置制御部５７によって制御される。走査位置制御部５７は、演算処理部５８から出力される走査位置制御信号に基づいてサーボモータ５２Ａの回転を制御する。

［対物レンズ移動検出部５３］
またサーボモータ５２Ａの回転軸５４には、対物レンズ移動検出部５３として回転角センサ５３Ａが取り付けられ、回転角センサ５３Ａによって対物レンズ１５の位置が検出される。回転角センサ５３Ａは対物レンズ移動位置信号を走査位置制御部５７に送出し、走査位置制御部５７は対物レンズ移動位置信号と走査位置制御信号に基づいて対物レンズ１５の位置を正確に制御できる。また、走査位置制御部５７は対物レンズ１５の位置情報を演算部２０に報告する。これによって、変位計は測定位置を把握しながら走査することができる。演算部２０は対物レンズ１５の位置情報を受けて、測定ポイント毎の変位量を距離変換部５０で演算し、演算結果を演算処理部５８に出力する。演算処理部５８はメモリ部５９を備えてなり、各測定ポイントにおける変位量を保持する。そして所定の演算処理を行い、その結果を必要に応じて出力する。例えばディスプレイに表示させる、プリンタに印刷する、記憶媒体に保存する、あるいはその他の処理のために外部機器に送出される。出力部６６は、これらの処理に応じてディスプレイ等の表示部、プリンタ等の印刷部、ストレージデバイス等の媒体記録部、コンピュータ等の外部機器等が利用できる。なお演算部２０と演算処理部５８は、システムＬＳＩ等のＩＣで構成でき、これらを同一の回路で構成することもできる。

［測定領域指定部５１］
図３に示す変位計は、ユーザが所望の測定領域を指定するための測定領域指定部５１を備える。測定領域は、測定を行う領域を線で指定する。測定領域指定部５１は、例えばコンソールやキーボード、マウス、タッチパネル等の入力手段が適宜利用できる。測定領域指定部５１は変位計に備え付ける他、脱着自在な部材として有線、無線で変位計本体と接続される。あるいは、変位計に接続されたコンピュータに接続される入力デバイスを利用しても良い。

測定領域指定部５１は演算処理部５８に接続されている。ユーザが測定領域指定部５１から測定領域を指示することで、この情報に基づいて演算処理部５８は音叉位置制御信号、走査位置制御信号をそれぞれ音叉振幅制御部２５、走査位置制御部５７に出力し、これらを制御する。図６は、走査位置制御信号の概要を示す。測定領域は、対物レンズ１５を移動させる範囲である走査幅、移動の中心位置である走査中心、対物レンズ１５を周期的に移動させる場合の走査周期、一回当たりの移動量である走査ステップ等で決定される。ユーザは、例えば走査ステップと走査幅を指定すると、対物レンズ１５は指定された走査ステップで段階的に移動され、走査幅分移動すると折り返して反対方向に移動し、周期的に移動することで被対象物の表面を走査する。また、指定を簡単にするためにユーザが被測定物上で任意の一点を指定すると、この点を走査中心として、予め設定された走査幅、走査ステップで走査領域を自動的に設定することもできる。あるいはまた、対物レンズ１５を周期的に走査させる方法に限られず、ユーザが指定した任意の経路に沿って移動させたり、任意の点での変位を測定するよう、このような経路や点を指定するよう構成しても良い。

走査に要する時間または走査速度は、主に走査ステップと走査幅によって決定される。走査ステップを大きくとり、走査幅を狭くする程、走査速度は速くなる。一方、走査ステップを小さくとる程、走査精度は向上し、より微細な変位測定が可能となる。よって、測定領域やそのパラメータは、速度と精度のバランスに応じて所望の値に設定される。

一方、図６に示すように、走査位置制御信号と並行して、音叉位置信号が演算処理部５８から音叉振幅制御部２５に対して送出されている。よって対物レンズ１５を光軸と垂直な面に沿って移動させる間にも、加振部によって対物レンズ１５は光軸の方向に振動されており、上述したように受光部の極大値を検出することで変位を演算している。好ましくは、一の走査ステップ毎に対物レンズ１５を加振部で光軸方向に一周期以上振幅させて、各ステップ毎に変位を測定できるようにする。このために、走査位置制御信号と音叉位置検出信号は演算処理部５８で同期させて出力する。

［変位測定手順］
次に、上記の変位計を使って所定範囲の変位を測定する手法を説明する。変位計は、図７に示すように、音叉を使用して対物レンズを加振することにより、図７の上下方向に対物レンズの位置を変更することができる。光軸方向への対物レンズの移動（振動）は、位置検出部である音叉振幅検出部２２で振動位置として検出される。また一方で、対物レンズ走査部により音叉を水平面内に揺動させることで、対物レンズを図７の横方向に動かして測定ポイントを移動させる。このようにして、各々の測定ポイントにおいて対物レンズの振動位置を移動させながら、受光部で受光量を測定する。

振動位置によって受光量が変化する状態を図８に示す。図において、横軸の受光量が最大となる縦軸の対物レンズの振動位置が、焦点が合った位置（焦点距離）である。したがって、受光量が最大となる振動位置を取得することで、変位を算出できる。図７に示すように、焦点の近傍では対物レンズの振動位置に応じて受光量が大きく変化する。図において破線で示す波形は理想的な受光量を示しているが、実際の波形は実線のように複数のピークを持つ波形となる。これは、被測定物の表面が粗面であったり異物が付着している等の理由で、対物レンズの振動範囲内で受光量の極値が複数測定されるためである。

このようにして測定された受光量に基づいて、各測定ポイントにおいて各々振動位置を決定、これらを平均することで平均変位を求めることができる。図９は、平均変位を求める所定領域に含まれるｎ個の測定ポイントＰ_０、Ｐ_１、Ｐ_２、・・・Ｐ_ｎ−１において、それぞれ測定された受光量のピークを示している。一般に、測定の精度は受光量の大きさに依存し、受光量が高いほど精度の高い測定ができる一方、受光量が低いと精度が悪くなる。このため、各測定ポイントＰ_０、Ｐ_１、Ｐ_２、・・・Ｐ_ｎ−１において、受光量のピークが最大となる振動位置Ｙ_０、Ｙ_１、Ｙ_２、・・・Ｙ_ｎ−１を抽出し、これらの平均をとることで所定領域の振動位置とする。この例では、（Ｙ_０＋Ｙ_１＋Ｙ_２＋・・・＋Ｙ_ｎ−１）／ｎを平均振動位置とし、この位置に対物レンズがあるとき合焦点が得られると仮定して平均変位を求める。

しかしながら、この方法では測定精度に関わる受光量の大きさが反映されていない。例えば、図９において測定ポイントＰ_１では低い受光量しか得られておらず、このポイントにおける測定精度は低いと思われるにも拘わらず、平均変位の演算においては他の測定ポイントと同じ位置付けで扱われている。これでは、精度の高いデータと低いデータが区別されず、同じ重み付けのまま単純な平均として処理されるため、演算結果の信頼性も低くなり、精度の高い変位測定ができない。

そこで本実施の形態においては、受光量の大小を考慮し、測定精度に関与する受光量のピークで重み付けすることにより、受光量の大きい精度の高いデータを重視した演算としてより正確な変位を得ている。この手法の原理を、図１０に基づいて説明する。

図１０も図９と同じく、ｎ個の測定ポイントＰ_０、Ｐ_１、Ｐ_２、・・・Ｐ_ｎ−１において、それぞれ測定された受光量のピークを示している。各測定ポイントで測定された受光量はピーク値のみであり、実際には図８で示すような波形で受光量が生じている。そこで、受光量のピーク値に基づいて、元の受光量の波形を近似的に復元する。波形の復元には、図１１に示す手法が利用できる。図１１（ａ）は、受光量のピークを高さとする三角波で受光量の波形を近似する方法を示す。三角波による復元波形は簡単かつ安価に生成でき、精度的にも他の方法と比べて遜色のない結果が得られたので好ましい。また、図１１（ｂ）は、ピークを中心とする正規分布の波形で受光量の波形を近似する方法を示している。この近似波形は高い精度が期待できる。また、これらに限られず正弦波やその他の基本波形で近似する方法や、後述する図２０で示すように受光量の実測値で波形を構築する手法も適宜採用できる。なお近似波形の裾の広がりは、図７の縦方向に示した音叉による対物レンズの加振に相当するため、変位計の光学系の設定や仕様に応じて適切な値に決定される。例えばレーザのスポット径が狭い場合は裾が狭くピークの高い波形となり、スポット径が広い場合はブロードでピークの低い波形となる。

さらに、ここで使用する受光量のピークは、所定の閾値をもって取捨選択することもできる。例えば、ピークが所定の閾値以下の場合は、以後の演算からそのデータを排除することで、精度の悪いデータを演算に算入しないことによる精度の向上が図られる。閾値の設定の詳細については後述する。

以上のようにして、各測定ポイントにおいて得られたピーク値に基づき、受光量の近似波形を生成する。そして、図１０に示すように得られた受光量の波形をすべての測定ポイントについて積算する。積算は、振動位置に基づいて受光量波形を重ね合わせるようにして行う。さらに、積算された波形から重心を求めて、この重心に相当する位置を振動位置として変位を演算する。この方法によれば、単に測定ポイント中の最大ピークを得た振動位置を機械的に抽出する方法に比して、測定精度に拘わる受光量の大きさで重み付けがなされ、また極大値以外のピーク値も演算に組み込まれて考慮されるので、より精度の高い振動位置の演算が行われ、その結果得られる変位測定も同様に高精度となる。特に、各測定ポイントにおいて受光量を測定した段階で直ちに振動位置を特定せず、すべての測定ポイントで受光量を積算した上で最終的な振動位置を求めている。この方法は、特別なハードウェアを追加することなく、既存の設備で実現できるため、実装が簡単で安価に実現でき、現行の変位計にも適用できる。一般に変位計の測定精度を向上させるには、光学系を高精度なものとするなど、コストがかかることが多いが、本実施の形態は既存の設備のままで、安価に精度を向上できるという優れた利点を有する。

以上のように、上記の方法によって各測定ポイントの変位測定や所定領域での平均変位を精度良く求めることができ、またこれを利用して表面プロファイルや傾きなども求めることができる。例えば測定領域における凹凸形状等を表示するプロファイル、傾き、最大高さ、最小高さ、平均高さ、高低差、厚み等を演算により求め、必要に応じて表示部の画面などに数値やイメージなどで出力する。

［測定フローチャート］
次に、実際に変位を測定する具体的な手順をフローチャートに基づいて説明する。ここでは、変位計で被測定物の表面を線状に走査してプロファイルを測定する際に、図１２に示すように測定領域の線分を１〜１０の１０個の所定領域に分け、各所定領域においてＰ_１〜Ｐ_９の９個の測定ポイントにおいて変位の測定を行う。ここで、１〜１０に分割された所定領域の一区間が、変位やプロファイル測定の分解能となる。所定領域の一区間の大きさは、分解能と処理時間に応じて調整される。

以下、複数の測定データから変位を求める方法として、図１３、図１４に示す方法をそれぞれ説明する。まず図１３に示す方法は、本発明の他の実施の形態２に係る変位測定方法として、所定領域の内で受光量が最大となるときの測定値を、この所定領域での測定値とする方法である。例えば、所定領域内で測定ポイントを移動させながら受光量を測定する際に、測定ポイントＰ_０、Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３、Ｐ_４で図１５に示すような受光量のピークが得られたとする。この内、最も受光量のピークが大きい測定ポイントを選択し（図１５の例では測定ポイントＰ_３）、これを測定値として変位の演算に用いる。上述の通り、受光量の大きいデータほど精度が高いので、極大値をもって測定値とすることで精度を確保しつつ、処理を簡素化した高速な変位測定が実現できる。

［所定領域内の受光量極大値を利用］
図１３に示す方法では、まず観測位置にスポットを移動させ（ステップＳ１３−１）、その位置での受光量を測定し、測定された受光量と振動位置とを受光量ピークメモリ部７２に保持する（ステップＳ１３−２）。そしてステップＳ１３−３で該所定領域の測定ポイントＰ_１〜Ｐ_９における測定が完了したか否かを判定し、未だの場合はステップＳ１３−１に戻って上記ループを繰り返し、完了した場合はステップＳ１３−４に進む。ステップＳ１３−４では、Ｐ_１〜Ｐ_９の測定ポイントの内、受光量が最大となる測定ポイントを選択する。選択された測定ポイントでの受光量を該所定領域の振動位置とし、変位を演算する。そしてステップＳ１３−５で、１〜１０すべての所定領域の測定を完了したか否かを判定し、未だの場合はステップＳ１３−１に戻って上記ループを繰り返し、完了した場合は処理を終了する。この方法では、最も高い受光量を得たデータを代表データとして変位の演算に採用すると共に、他のデータを破棄する。この方法は複雑な演算処理が不要であり、簡易な処理として高速かつ低負荷で演算でき、安価に実現できるという利点がある。図１０で説明した方法との違いは、各測定ポイントで得た振動位置を平均するのでなく、測定ポイントの内で最も受光量の高いデータを代表データとして扱うことである。受光量が最大となるデータは精度が高いので、ある程度の精度が期待できる。

図１３の手順を実現する変位計のブロック図を図１６に示す。この図に示す変位計は、受光部１１８と、音叉位置検出器２２と、受光量検出部７０と、ピーク検出部７１と、対物レンズ移動検出部５３と、受光量ピークメモリ部７２と、受光データ処理部７３と、受光データメモリ部７４と、出力部６６とを備える。受光部１１８は図３などに示すようにホトダイオードなどで構成され、発光部からの反射光の内ビームスプリッタで反射されて光絞り部を通過する光を受光する。受光部１１８で受光される反射光は、受光量検出部７０で受光量を検出される。また、ピーク検出部７１はリアルタイムに変化する受光量の波形がピークとなる状態を検出する。ピーク検出部７１がピークを検出すると、このとき受光量検出部７０で検出された受光量が受光量ピークメモリ部７２に保持される。このようにピーク検出部７１は、受光量を保持するタイミングのトリガとなる。なお図１６で示す受光量検出部７０と、ピーク検出部７１と、受光量ピークメモリ部７２とは、図３において演算部２０に相当する。これらの部材も所定のゲートアレイ（ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ）等のハードウエアやソフトウエア、あるいはこれらの混在により実現できる。

また音叉振幅検出部２２は、同様にピーク検出部７１をトリガとして、受光量がピークとなった時点での音叉の位置を検出し、この情報を受光量ピークメモリ部７２に保持する。このようにして、受光量がピークとなる時点でのピーク量および音叉の位置（振動位置）が受光量ピークメモリ部７２に保持され、図１５に示すように各測定ポイントで複数のピークに関する情報が保持される。

一方、対物レンズ移動検出部５３は音叉に接続された対物レンズの加振部によるスキャン位置を検出し、測定ポイントの座標等、位置情報を検出する。そして、受光量ピークメモリ部７２および対物レンズ移動検出部５３と接続された受光データ処理部７３は、保持されたピークの内で受光量が最大のピークを抽出し、この測定ポイントのデータを所定領域の測定値として選択する。選択されたデータに基づき変位が演算され、出力部６６から出力される。

［所定領域内の受光量を積算］
一方図１４に示す方法は、図１０で説明した方法であり、所定領域の区間内で受光量を積算することにより変位を演算する。図１４のステップＳ１４−１〜ステップＳ１４−３は図１３と同様である。ステップＳ１４−４では、所定領域のＰ_１〜Ｐ_９の測定ポイントに対し、受光量を積算する。受光量の積算は、受光量ピークメモリ部７２で記憶された受光量の極大値およびこのときの対物レンズの振動位置のデータから、振動位置を基準に受光量を足し合わせていき、一の受光波形を得るものである。さらに続くステップＳ１４−５では、積算された受光波形から、重心位置を算出してこの位置に基づき変位を演算する。波形から重心を求める手順は、既存のアルゴリズムが適宜利用できる。さらにステップＳ１４−６ですべての所定領域について測定が完了するまで上記ループを繰り返す。この方法では、すべての測定ポイントにおいて得たデータを使って、受光量の大きさで重み付けを行うため、単一のデータのみを用いて他を破棄する図１３の方法と比較して、より精度の高い変位測定が期待できる。反面、処理が図１３よりも複雑化するため、処理時間が長くかかり処理が重くなる。

［受光量の元波形を再現］
具体的には、図１４の方法はさらに図１７や図１８の方法で実現できる。図１７の方法は、上述した図１０と同様の方法であり、対物レンズを加振する音叉を振動させ、受光量がピークとなる音叉の位置すなわち振動位置と、そのときの受光量を保持し、このデータに基づいて受光量の波形を再現して受光量を積算する方法である。具体的には、図１７のステップＳ１７−１において、Ｐ_１〜Ｐ_９の各測定ポイントにおいて音叉を全幅移動させながら、受光量がピークとなる音叉の位置およびそのときの受光量を検出し保持する。さらに、同じくステップＳ１７−２において、受光量ピークメモリ部７２から所定領域における受光量の極大値と音叉の位置を選択する。そして選択された最大データに基づいて受光量の近似波形を生成すると共に、近似波形を用いて受光量の積算を行う。ここでは近似波形生成用のメモリ領域に近似波形を再現すると共に、生成された近似波形を受光量積算用のメモリ領域に順次加算していく。これによって、すべての測定ポイントで得られたピーク位置に基づく近似波形がすべて積算されて、積算波形データを得ることができ、この積算波形の重心を振動位置として変位を演算する。

図１７の手順を実現する変位計は、図１６のブロック図と同様の構成が利用できる。図１３の手順と同様に、ピーク検出部７１をトリガとして受光量がピークを示す振動位置及び受光量の情報を、音叉振幅検出部２２および受光量検出部７０がそれぞれ検出して、受光量ピークメモリ部７２に保持する。さらに、受光データ処理部７３は受光量積算を行うため、受光量ピークメモリ部７２で保持されるデータを読み出して受光データメモリ部７４で順次積算していく。これにより受光データメモリ部７４内で受光量の積算波形が生成されて、図１０のように積算波形から重心を求めることにより振動位置が決定される。後は図１３で説明したのと同様に、振動位置から変位を演算して出力部６６で出力される。なお図１６において受光データ処理部７３と受光データメモリ部７４は、図３において演算処理部５８およびメモリ部５９にそれぞれ相当する。

この方法では、後述する手法のように実際に測定したピーク値を積算して波形を得るのでなく、最も高い測定ピーク値に基づいて波形を作成するものであるが、予測データを使用するにも関わらず実際の評価を行うと精度的には後述の手法と同等の結果を得ている。また受光量を一々Ａ／Ｄ変換する必要がなく、処理が比較的容易で高速、低負荷で実現できるという利点が得られる。

［受光量の実測値をＡ／Ｄ変換］
一方、図１８の方法は、対物レンズを加振する音叉を振動させる間、受光量を常時測定して受光量積算する方法である。すなわち、図１７の方法のように近似波形を利用せず、実際に測定した受光量に基づいて受光量積算を行う。具体的には、Ｐ_１〜Ｐ_９の各測定ポイントにおいて、図１８のステップＳ１８−１に示すように音叉が一定量移動する度に受光量を測定し、受光量データをＡ／Ｄ変換して光量積算用のメモリ領域に順次積算し（ステップＳ１８−２）、音叉の移動範囲にわたって上記工程を繰り返す（ステップＳ１８−３）。この方法では、受光量のピークに基づく近似でなく、実際の受光量を測定しているため、より正確な変位測定が期待できる。反面、リアルタイムで受光量を測定するために処理速度の高い高分解能のＡ／Ｄ変換器が必要となり、回路が複雑となるため処理が重くなり、実現コストがかかる。

図１８の手順を実現する変位計のブロック図を図１９に示す。この図に示す変位計は、音叉振幅検出部２２と、Ａ／Ｄ変換部７５と、対物レンズ移動検出部５３と、受光データ処理部７３と出力部６６とを備える。この変位計では、受光量のピークを保持せず、検出したすべての値を積算する。具体的には、受光部１１８で受光された反射光を、Ａ／Ｄ変換部７５によりデジタル信号に変換して受光データ処理部７３に送出すると共に、このときの音叉の振幅変位および対物レンズのスキャン位置を、それぞれ音叉振幅検出部２２および対物レンズ移動検出部５３で検出して、受光データ処理部７３に送出する。受光データ処理部７３は、順次測定された受光量のデジタル値をメモリ部６６に積算していき、受光量が積算された積算波形を取得する。Ａ／Ｄ変換器でＡ／Ｄ変換された受光量が積算されると、図２０に示すような階段状の波形を示す。そして図１６と同様に、得られた積算波形から重心を求めることにより振動位置が決定される。

このように、各点での受光量を一旦測定した後、測定された受光量をＡ／Ｄ変換して積算し、その波形の重心から距離データを求める方法でも、受光量の大きいデータ程精度が高いことを反映して重み付けを行った振動位置が取得される。またこの方法では、受光量の予測によらず、実際の受光量を逐次測定した上で振動位置を求めるため、より精度の高い測定を行える。反面、高速、高分解能のＡ／Ｄ変換器が必要となるためコスト高となる。

［可変閾値］
次に、本発明の実施の形態３として、受光量のピーク値の採択を判断する閾値を設定する手順について、図２１〜図２３に基づき説明する。この方法は、測定された受光量から変位を演算する際に、受光量の少ないデータ、すなわち精度の低いデータを排除することで、精度の向上を図るものである。

受光量の低いデータを排除する方法では、基準となる閾値の設定が問題となる。例えば、測定された受光量のすべてのデータから平均値を求め、この平均値に基づいて閾値を設定し、閾値以上のデータのみを利用する方法がある。しかしながらこの方法では、図２１に示すような反射率の異なる部分が存在する被測定物を測定する場合に正確な測定が困難になるという問題があった。図２１の被測定物で線状に設定された測定領域で観測された受光量を図２２に示す。この図に示すように、反射率の高い部分では平均的に高い受光量が得られるのに対し、反射率の低い部分では低い受光量しか得られない。このため、閾値を高く設定すると反射率の低い領域での測定ができず、逆に閾値を低く設定すると反射率の高い領域でデータの選別が行われなくなり、閾値としての機能を果たさなくなる。このように、図２２に破線で示すように閾値を全体の平均値など一定値としてデータの排除を行うと、精度の高い変位測定が得られなかった。

これに対して本実施の形態に係る方法では、受光量の閾値を一定に固定せず、ピーク値に応じて可変としている。具体的には、判定対象となるピークを含む近傍のデータに基づいて判定している。例えば、判定対象のデータについて、そのデータ自体に加えて前後それぞれ２つのデータを抽出し、計５つのデータから平均値を求める。そして、この平均値を基準として閾値を設定して、これよりも低いデータを排除する。あるいは、被測定物の観測領域を分割して、分割された区分毎に平均値を求める方法でも良い。これらの方法であれば、反射率の異なる部位を混同した全体の受光量の平均でなく、特定の部位につき近傍の受光量を基準として閾値が設定される。このため、図２２に実線で示すように反射率の高い部分では閾値が高くなり、反射率の低い領域では閾値も低くなり、反射率に応じて適切な閾値が設定されるので、データの採択が適切に行われて、反射率の分布に依らず精度の高い変位測定が実現できる。

上記の手順を、図２３のフローチャートに基づいて説明する。ここでは、受光量を測定しながら閾値を演算し、演算された閾値に基づいて測定データの採択を判定している。ただ、予めすべての測定ポイントで受光量を測定した後、閾値を設定してデータの採択を判別することもできる。また閾値は、複数のピーク値を含む所定の区間内でピーク値の平均値を演算し、この値を基準に閾値を設定している。

まずステップＳ２３−１で装置を初期化した後、測定ポイントを所定の位置に移動させる（ステップＳ２３−２）そして移動した位置で受光量のピーク値を測定すると共に、測定された受光量のピーク値とそのときの振動位置を受光量ピークメモリ部７２に保持する（ステップＳ２３−３）。そしてステップＳ２３−４で、受光量の閾値を設定できるまでの測定が完了したかどうかを判定する。例えば、受光量の平均値を演算するためのサンプル数が揃ったかどうかを判定する。未だの場合はステップＳ２３−２に戻って測定を繰り返し、閾値設定のため必要なデータが得られるまでループする。得られた場合はステップＳ２３−５で閾値を設定する。例えば、所定の区間内で平均値を演算して閾値とすることで、区間内の５０％のデータが有効とされる。あるいは、平均値よりも大きい閾値としてピークの大きなデータのみを抽出するよう設定したり、逆に平均値よりも低い閾値としてなるべく多くのデータを利用できるように設定できる。

以上のようにして閾値が決定されると、ステップＳ２３−６に進み閾値を各ピーク値と比較し、データの排除と出力を行う。閾値よりも大きいピーク値のデータは、ステップＳ２３−７を経て測定値を更新して出力し、閾値よりも低いピーク値のデータについてはステップＳ２３−８を経て、測定値を更新せず、すなわちデータを破棄して出力する（ステップＳ２３−９）。そしてステップＳ２３−１０で区間内のすべてのデータが出力されたか否かを判定し、未だの場合はステップＳ２３−６に戻って閾値による判別を繰り返す。すべてのデータが出力された場合はステップＳ２３−１１に進み、すべての所定領域で測定が完了したか否かを判定し、未だの場合はステップＳ２３−２に戻って上記ループを繰り返し、測定が完了した場合は処理を終了する。

図２３の手順では、手動で閾値を設定することなく自動的に適切な閾値を設定することができ、簡単かつ正確な変位測定が実現される。特に受光量の低いピーク値のデータを、前後のデータを参照して効果的に排除できるので、正確な判別が行われ、測定精度の向上に寄与する。

なお受光量閾値を設定する手法は、上記のように受光量の平均値から求める他、近傍に位置する複数の受光データから受光量の最大値と最小値を抽出して平均しても良いし、あるいは移動平均で求めても良い。

このようにして、変位計は複数の測定ポイントにて受光量をそれぞれ測定し、測定された複数位置の受光量に基づいて正確な変位を演算でき、被測定物の表面状態を知ることができる。また上記の構成においては、発光部から発する光の光軸を移動させず、対物レンズ側を移動させることによって、被測定物表面の測定ポイントの走査を実現している。このため、発光部の光軸を走査させるための複雑な機構を設ける必要が無く、走査機構を極めて安価に構成できるという優れた特長が実現される。

また、このようにして測定領域内のプロファイルを正確に測定できるので、２次元、３次元領域での高さや高低差、段差、幅、角度等も精度良く測定可能となる。特に、連続的に複数位置での測定を行って、その結果を統計的に確認できる構成とすることで、一々測定ポイントを指定する手間を省き、さらに平均や極大値、最小値、傾き演算といった処理も容易に実現でき、極めて使い勝手の良い環境が実現される。

以上の方法は、変位を求める際の演算手法のみ変更することで、変位測定の精度を改善できる。したがって特別なハードウェア的な改良を要せず、既存の変位計のハードウェアを利用して、演算処理のアルゴリズムのみの変更で適用でき、安価に実装できるという利点も得られる。

［実施の形態４］
以上の図３に示す構成では、対物レンズ走査部５２としてサーボモータ５２Ａを使用したが、対物レンズ走査部はこれに限られない。本発明の他の実施の形態として、実施の形態４に係る変位計を、図２４に示す。図２４に示す変位計は、図３とほぼ同じ構成であるが、対物レンズ走査部５２としてボイスコイル５２Ｂとボイスコイル用磁石５２Ｃを利用した回転機構を採用し、また対物レンズ移動検出部５３としてホール素子５３Ｂとホール素子用磁石５３Ｃを利用している。

ボイスコイル用磁石５２Ｃは、回転軸５４を保持して静止状態で固定され、断面コ字状の開口部６０を備える回転軸保持部５５の、開口部内面に固定される。一方ボイスコイル５２Ｂは、音叉ホルダ５６の上面に突出して、開口部６０に挿入された状態でボイスコイル５２Ｂ磁石と対抗するように音叉ホルダ５６に固定される。この変位計は、走査位置制御部５７によってボイスコイル５２Ｂに流れる電流を調整し、この電流と交叉する磁界の相互作用に基づいてボイスコイル用磁石５２Ｃとの間で駆動力を発生させ、回転軸５４を中心に対物レンズ１５を回転させる。

また対物レンズ１５の移動位置は、ホール素子５３Ｂとホール素子用磁石５３Ｃによって検出される。図２４の例では、音叉ホルダ５６にホール素子用磁石５３Ｃを固定し、このホール素子用磁石５３Ｃと対抗する位置に静止するホール素子５３Ｂを設けている。ホール素子５３Ｂは、ＧａＡｓやＩｎＳｂのホール効果を利用して磁界強度を検出する素子である。ホール素子５３Ｂはホール素子用磁石５３Ｃとの距離に応じた磁界強度を検出して、音叉ホルダ５６の回転角または回転距離を対物レンズ移動位置信号として走査位置制御部５７に出力する。

さらに、対物レンズ１５の移動方式は、図２５、図２６に示すような方法も利用できる。これらの図は、対物レンズ１５の固定状態を示す平面図である。図２５では対物レンズ１５を板バネ６１に固定しており、板バネ６１を振動させることによって水平面内に移動させている。板バネ６１は、図示しない加振部によって加振される。この構成は極めて安価に構成することができる。

なお、上述した対物レンズの移動方式においては、いずれもその軌跡が円弧状となる。この場合、円弧の半径を大きくすることによって、軌跡を円弧状から直線上に近付けることができる。

また図２６においては、対物レンズ１５を直線上に移動させるために摺動可能なリニアガイド６２を利用している。リニアガイド６２はガイドレールに沿って直線上に摺動可能である。よってリニアガイド６２に固定された対物レンズ１５は、確実に直線移動される。これらの図に示す方式においても対物レンズ移動検出部を適宜設けることが可能であることはいうまでもない。

［実施の形態５］
さらにまた、本発明の実施の形態５として、撮像モニタ６３を備える例を図２７に示す。この図に示す変位計は、図３とほぼ同様の構成に加えて、発光部の光路に備えられた第２ビームスプリッタ６４を構成する第２ハーフミラーと、第２ハーフミラーからの反射光の光路上に備えられた撮像用受光部６５としてＣＣＤカメラ等のイメージセンサと、ＣＣＤカメラに接続された撮像モニタ６３とを備える。撮像モニタ６３はＣＣＤカメラで検出された受光信号に基づいて被測定物１６を表示する。この撮像モニタ６３は、対物レンズ１５の移動時に常時被測定物１６を表示し続けるのでなく、特定のタイミングでのみ撮像を行うことで、ピントのあった鮮明な画像を表示させることができる。撮像モニタ６３で表示する画像を撮像するタイミングは、対物レンズ１５の焦点が合った時点で、かつＣＣＤカメラが撮像モニタ６３で表示する画像を撮像するタイミングは、振動して移動する対物レンズ１５の走査幅の内所定の走査位置、好ましくは走査中心であって、かつ対物レンズ１５の合焦点の時点である。これによって、対物レンズ１５の走査位置が時々刻々と変化していても、撮像モニタ６３上では所定の走査位置における静止状態の画像が表示される。また合焦点のタイミングは、上述した方法と同様に受光部の光量が最大となった時点とする。必要に応じて照明装置を設け、このタイミングに連動させてフラッシュを照射させても良い。これによって、焦点の合うタイミングを確実にかつ瞬時に捕捉でき、特別な機構を要せず極めて高性能なオートフォーカス機能が実現される。撮像モニタ６３は、このようにして撮像された画像のみを表示させ、新たな撮像が行われるタイミングで画像表示を更新させてもよい。これによって、撮像モニタ６３には常にきれいな画像のみを表示させることができる。あるいは、走査幅や走査ステップにも依存するが、一周期の走査速度が撮像モニタ６３の更新速度（テレビレートでは６０Ｈｚ程度）よりも遅い場合には、フレームメモリを設けることでちらつきの少ない画像が表示できる。フレームメモリは、１フレームすなわち１画面分の画像データを記憶するメモリである。撮像された画像データを保持して、同一の画像データを繰り返し表示させることで、倍速表示にも対応可能な高品質な表示が可能となる。なお、この例では撮像モニタを出力部と別に表示しているが、撮像モニタは出力部の一例である表示部と兼用しても良い。

［実施の形態６］
以上の例では、対物レンズ走査部で対物レンズを移動させることにより、異なる測定ポイントでの受光量を検出して被測定物の変位を測定している。ただ、対物レンズを固定したまま被測定物側を移動させることでも、複数の測定ポイントにおける受光量及び変位測定ができる。図２８に、本発明の実施の形態６として被測定物を載置するステージ７６を移動させる機構を備えた変位計を示す。なお、図２８において図３等と同じ符号を付した部材は上記実施例と同じ構成であり、詳細な説明は省略する。

この図に示す変位計は、対物レンズを水平面内で移動させる対物レンズ走査部に替えて、被測定物１６を載置するステージ７６と、ステージ７６を水平面内で移動させるためのステージ移動部としてステッピングモータ７７を備える。ステッピングモータ７７は走査位置制御部５７により制御される。ステッピングモータ７７で移動されたステージ７６の位置はステージ移動検出部７８で検出されて、走査位置制御部５７に送られる。これによってレーザ光が焦点を結ぶ振動位置を固定したまま被測定物１６側を水平面内でＸ−Ｙ方向に移動させることにより、相対的に測定ポイントを変更することができる。

なお、測定ポイントを変更する構成は上記の例に限られず、例えば対物レンズとステージを共に移動可能とする構成や、対物レンズを通過する光軸を偏光させて被測定物上を走査する構成等も利用できる。

本発明の変位計および変位測定方法は、共焦点の原理を利用して金属や樹脂等の表面の変位や高度差、傾き、プロファイルなどを測定、表示するシステムに利用でき、同様の測定原理を用いて被測定物の厚みを測定する厚み計にも適用できる。

従来の変位計の一例を示す模式的構成図である。 被測定物の表面形状によって変位測定が困難となる状態を示す概略図である。 本発明の実施の形態１に係る変位計を示す模式的構成図である。 加振部の他の実施の形態を示す構成図である。 対物レンズに入光する光の状態を示す模式図である。 走査位置制御信号の概要を示すグラフである。 振動位置および測定ポイントを変更する様子を説明する概念図である。 振動位置によって受光量が変化する状態を示すグラフである。 各測定ポイントにおいて測定された受光量のピークを示すグラフである。 各測定ポイントにおいて測定された受光量のピークから受光量の波形を復元して積算する状態を示すグラフである。 元の受光量の波形を近似的に復元する例を示すグラフである。 被測定物の表面を線状に走査して測定する際の所定領域および測定ポイントの設定を示す概念図である。 本発明の実施の形態２に係る変位測定方法として、所定領域で受光量が最大となるときの測定値を、この所定領域での測定値とする方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施の形態に係る変位測定方法として、所定領域で受光量を積算することにより変位を演算する方法を示すフローチャートである。 複数の測定ポイントで得られた受光量のピークから、極大値を含む測定ポイントを選択する状態を示すグラフである。 図１３の手順を実現する変位計のブロック図である。 図１４の方法を実現する一例を示すフローチャートである。 図１４の方法を実現する他の例を示すフローチャートである。 図１８の手順を実現する変位計のブロック図である。 受光量をＡ／Ｄ変換した波形を示すグラフである。 反射率の異なる被測定物の表面に測定領域を設定する状態を示す平面図である。 図２１の被測定物で観測された受光量を示すグラフである。 本発明の実施の形態３に係る変位測定方法として、特定の受光量ピークから閾値を演算して測定データの採択を判定する方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態４に係る変位計を示す模式的構成図である。 対物レンズ走査部の他の実施の形態を示す構成図である。 対物レンズ走査部のさらに他の実施の形態を示す構成図である。 本発明の実施の形態５に係る変位計を示す模式的構成図である。 本発明の実施の形態６に係る変位計を示す模式構成図である。

符号の説明

１１・・・レーザパワー制御部
１２・・・レーザダイオード
１３・・・ビームスプリッタ
１４・・・コリメートレンズ
１５・・・対物レンズ
１６・・・被測定物
１７・・・光絞り部
１７ａ・・・ピンホール
１８・・・ホトダイオード
１１８・・・受光部
１９・・・増幅器
２０・・・演算部
２１・・・音叉
２２・・・音叉振幅検出部
２３・・・増幅器
２４・・・ソレノイド
２５・・・音叉振幅制御部
５０・・・距離変換部
５１・・・測定領域指定部
５２・・・対物レンズ走査部
５２Ａ・・・サーボモータ
５２Ｂ・・・ボイスコイル
５２Ｃ・・・ボイスコイル用磁石
５３・・・対物レンズ移動検出部
５３Ａ・・・回転角センサ
５３Ｂ・・・ホール素子
５３Ｃ・・・ホール素子用磁石
５４・・・回転軸
５５・・・回転軸保持部
５６・・・音叉ホルダ
５７・・・走査位置制御部
５８・・・演算処理部
５９・・・メモリ部
６０・・・開口部
６１・・・板バネ
６２・・・リニアガイド
６３・・・撮像モニタ
６４・・・第２ビームスプリッタ
６５・・・撮像用受光部
６６・・・出力部
７０・・・受光量検出部
７１・・・ピーク検出部
７２・・・受光量ピークメモリ部
７３・・・受光データ処理部
７４・・・受光データメモリ部
７５・・・Ａ／Ｄ変換部
７６・・・ステージ
７７・・・ステッピングモータ
７８・・・ステージ移動検出部

Claims (10)

1. 被測定物(16)に投射する光を発生させる発光部と、
   前記発光部から出射された光を受けて、被測定物(16)に投射する対物レンズ(15)と、
   前記対物レンズ(15)を、所定の振幅で対物レンズ(15)を通過する光の光軸の方向に沿って振動させる加振部と、
   光軸方向に前記対物レンズ(15)が移動された位置を検出する位置検出部と、
   被測定物(16)からの反射光が通過する光絞り部と、
   前記光絞り部を通過した光を受光する受光部と、
   被測定物(16)上で測定対象となる領域を指定する測定領域指定部(51)と、
   前記対物レンズ(15)を光軸方向と直交する平面に沿って移動させる対物レンズ走査部(52)と、
   前記対物レンズ走査部(52)により対物レンズ(15)を光軸方向と直交する平面に沿って所定の移動量で移動させる際、被測定物(16)上の複数の測定ポイントにおいてそれぞれ前記受光部で受光した受光量の極大値と、このとき前記位置検出部で検出される振動位置とを関連付けて記憶する受光量ピークメモリ部(72)と、
   前記受光量ピークメモリ部(72)で記憶された受光量の極大値を、前記対物レンズ(15)の光軸方向における振動位置毎に積算し、積算された受光量に基づいて変位を演算する受光データ処理部(73)と、
   を備えることを特徴とする変位計。
2. 請求項１に記載の変位計であって、前記受光データ処理部(73)が、前記受光部で受光された受光量の極大値に基づいて、前記対物レンズ(15)の振動位置における受光量の変化を示す受光波形を作成し、作成された受光波形を積算して変位を求めることを特徴とする変位計。
3. 請求項２に記載の変位計であって、前記受光データ処理部(73)が、積算された受光波形に基づいて変位を演算する際、受光波形の重心を求めて変位を算出することを特徴とする変位計。
4. 請求項２または３に記載の変位計であって、前記受光データ処理部(73)で作成される受光波形が、受光量の極大値を高さとする三角波であることを特徴とする変位計。
5. 請求項２または３に記載の変位計であって、前記受光データ処理部(73)で作成される受光波形が、受光量の極大値を高さとする正規分布波形であることを特徴とする変位計。
6. 被測定物(16)に投射する光を発生させる発光部と、
   前記発光部から出射された光を受けて、被測定物(16)に投射する対物レンズ(15)と、
   前記対物レンズ(15)を、所定の振幅で対物レンズ(15)を通過する光の光軸の方向に沿って振動させる加振部と、
   光軸方向に前記対物レンズ(15)が移動された位置を検出する位置検出部と、
   被測定物(16)からの反射光が通過する光絞り部と、
   前記光絞り部を通過した光を受光する受光部と、
   前記受光部で受光した受光量をＡ／Ｄ変換するためのＡ／Ｄ変換部(75)と、
   前記対物レンズ(15)を光軸方向と直交する平面に沿って移動させる対物レンズ走査部(52)と、
   前記対物レンズ走査部(52)により直交平面上で前記対物レンズ(15)が移動された位置を検出する対物レンズ移動検出部(53)と、
   前記対物レンズ走査部(52)により対物レンズ(15)を光軸方向と直交する平面に沿って所定の移動量で移動させる際、前記対物レンズ移動検出部(53)によって検出される、複数の測定ポイントにおける対物レンズ(15)の位置情報と、該複数の測定ポイントにおいて前記受光部で受光した受光量を所定の前記対物レンズ(15)の振動位置毎に前記Ａ／Ｄ変換部(75)でＡ／Ｄ変換した値と、これに対応する前記位置検出部での振動位置とを関連付けて記憶する受光量ピークメモリ部(72)と、
   前記受光量ピークメモリ部(72)で記憶された受光量を、前記対物レンズ(15)の光軸方向における振動位置毎に積算して前記対物レンズ(15)の振動位置における受光量の変化を示す受光波形を作成し、作成された受光波形に基づいて変位を演算する受光データ処理部(73)と、
   を備えることを特徴とする変位計。
7. 被測定物(16)に投射する光を発生させる発光部と、
   前記発光部から出射された光を受けて、被測定物(16)に投射する対物レンズ(15)と、
   前記対物レンズ(15)を、所定の振幅で対物レンズ(15)を通過する光の光軸の方向に沿って振動させる加振部と、
   光軸方向に前記対物レンズ(15)が移動された位置を検出する位置検出部と、
   被測定物(16)からの反射光が通過する光絞り部と、
   前記光絞り部を通過した光を受光する受光部と、
   前記対物レンズ(15)を光軸方向と直交する平面に沿って移動させる対物レンズ走査部(52)と、
   前記対物レンズ走査部(52)により直交平面上で前記対物レンズ(15)が移動された位置を検出する対物レンズ移動検出部(53)と、
   前記対物レンズ走査部(52)により対物レンズ(15)を光軸方向と直交する平面に沿って所定の移動量で移動させる際、前記対物レンズ移動検出部(53)によって検出される、複数の測定ポイントにおける対物レンズ(15)の位置情報と、該複数の測定ポイントにおいて前記受光部で受光した受光量の極大値およびこのとき前記位置検出部で検出される振動位置とを関連付けて記憶する受光量ピークメモリ部(72)と、
   前記受光量ピークメモリ部(72)で記憶された各受光量のデータに対し、その近傍に位置する複数の受光量データから受光量の平均値を演算して受光量閾値を設定し、前記受光量閾値を超える受光量データに基づいて変位を演算する受光データ処理部(73)と、
   を備えることを特徴とする変位計。
8. 被測定物(16)に投射する光を発生させる発光部と、
   前記発光部から出射された光を受けて、被測定物(16)に投射する対物レンズ(15)と、
   前記対物レンズ(15)を、所定の振幅で対物レンズ(15)を通過する光の光軸の方向に沿って振動させる加振部と、
   光軸方向に前記対物レンズ(15)が移動された位置を検出する位置検出部と、
   被測定物(16)からの反射光が通過する光絞り部と、
   前記光絞り部を通過した光を受光する受光部と、
   被測定物を上面に載置したまま光軸方向と直交する平面に沿って移動可能なステージ(76)と、
   直交平面上で前記ステージ(76)が移動された位置を検出するステージ移動検出部(78)と、
   前記ステージ移動検出部(78)により前記ステージ(76)を直交平面に沿って所定の移動量で移動させる際、前記ステージ移動検出部(78)によって検出される、複数の測定ポイントにおける対物レンズ(15)の位置情報と、該複数の測定ポイントにおいて前記受光部で受光した受光量の極大値およびこのとき前記位置検出部で検出される振動位置とを関連付けて記憶する受光量ピークメモリ部(72)と、
   前記受光量ピークメモリ部(72)で記憶された受光量の極大値を、前記対物レンズ(15)の光軸方向における振動位置毎に積算し、積算された受光量に基づいて変位を演算する受光データ処理部(73)と、
   を備えることを特徴とする変位計。
9. 請求項１から８のいずれか一に記載の変位計であって、前記加振部が音叉(21)を使用しており、前記位置検出部が音叉(21)の振幅を検出する音叉振幅検出部(22)であることを特徴とする変位計。
10. 振動される対物レンズ(15)を介して発光部から被測定物(16)へ投射した光を反射させ、反射光の内光絞り部を通過した光を受光する受光部で検出して、被測定物(16)の表面の変位を測定する方法であって、
    被測定物(16)上の測定対象となる領域内の複数の測定ポイントで、被測定物(16)へ投射される光を通過させる対物レンズ(15)を、加振部で前記対物レンズ(15)を通過する前記光の光軸方向へ振動させながら受光部で受光量を測定しつつ、受光量がピークを示す時点での受光量と、この時点での振動された対物レンズ(15)の位置とを関連付けて受光量ピークメモリ部(72)に保持するステップと、
    前記受光量ピークメモリ部(72)で記憶された受光量の極大値を、前記対物レンズ(15)の振動方向における位置毎に積算し、積算された受光量に基づいて変位を演算するステップと、
    を備えることを特徴とする変位測定方法。

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