JP5058080B2 - 光学式変位測定器 - Google Patents

Description

本発明は、測定面に焦点位置を合わせるように、対物レンズまたはフォーカシングレンズを移動させ、この対物レンズまたはフォーカシングレンズの移動から測定面の形状を測定する光学式変位測定器に関する。

従来、測定面に光を照射して、測定面の形状を測定する構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載のものは、信号検出光学系とビームスプリッタとの間の光路上に、空間フィルタが配設されている。この空間フィルタの中央部付近には、遮蔽部が形成されている。物体面からの反射光を遮蔽部に導くことによって、その反射光の光軸近傍の光量を遮断または減衰させ、信号検出光学系において検出される受光量の最大値と最小値との比を小さくして、ＳＮ比の低下を防ぐ構成が採られている。

しかしながら、上述したような特許文献１のような構成では、被測定物の形状が例えば曲面であって、測定面の傾斜角が、レンズで集光されて測定面に入射される収束光の収束角よりも大きい場合、良好な測定ができない場合がある。

具体的には、特許文献１のような構成では、図９に示すように、平行光Ｌ９０１が対物レンズ８００で集光されて被測定物９００に入射される収束光Ｌ９０２は、測定面９０１で反射されて反射光Ｌ９０３となる。測定面９０１の傾斜角θ１１と、収束光Ｌ９０２の収束角θ２１とが等しい場合、収束光Ｌ９０２の外縁（以下、収束光外縁と称す）Ｌ９０２Ａ、および、反射光Ｌ９０３の外縁（以下、反射光外縁と称す）Ｌ９０３Ａのみが重畳し、他の部分が重畳しない状態となる。つまり、収束光外縁Ｌ９０２Ａおよび反射光外縁Ｌ９０３Ａのなす角度は、０°となる。このとき、収束光Ｌ９０２と重畳する反射光外縁Ｌ９０３Ａは、平行光Ｌ９０１の外縁（以下、平行光外縁と称す）Ｌ９０１Ａを進行して、受光ビームとして合焦位置の検出に利用できない。

また、図１０に示すように、被測定物９１０の測定面９１１の傾斜角θ１２が、収束光Ｌ９０２の収束角θ２１よりも大きい場合、収束光Ｌ９０２および反射光Ｌ９１１は、重畳しない状態となる。つまり、収束光外縁Ｌ９０２Ａおよび反射光外縁Ｌ９１１Ａのなす角度は、０°より小さくなる。このとき、反射光外縁Ｌ９１１Ａは、対物レンズ８００を通過した後、平行光外縁Ｌ９０１Ａより外側の位置を進行して、受光ビームとして利用できない。
従って、図９に示すような場合、照射ビームと受光ビームとのなす角度が０°となり、図１０に示すような場合、受光ビームが存在しないため、合焦位置検出感度が失われてしまう。

合焦位置検出感度が失われると、被測定物が曲面を有する形状、例えば球体状や円柱状である場合、その形状を曲面に沿ってなぞろうとしても、測定面の傾斜角が収束光の収束角よりも大きい箇所においては、測定面の曲率中心を測定ビームの延長線が常に貫くよう、フォーカシングレンズの位置決め制御が誤ってなされることがある。このため、形状測定記録において、測定面の傾斜角が収束光の収束角よりも大きい箇所では、測定面から斜めに浮き上がったり、沈み込んだりしたりした無意味な記録しか得られないという問題がある。

そこで、本出願人は、先に、これらの問題を解消できる光学式変位測定器を提案している（特許文献２参照）。
これは、測定面から反射され対物レンズを通過した反射光を２つに分割する光分割手段と、この光分割手段で分割された第１反射光の結像点の前および第２反射光の結像点の後にそれぞれ配置され複数の画素を二次元的に配列した第１受光素子アレイおよび第２受光素子アレイと、この第１受光素子アレイおよび第２受光素子アレイのそれぞれにおいて予め定めたエリア内の複数の画素で受光される受光信号のうち最も明るい画素からｎ（整数）番目までの画素の受光信号を除外して残りの画素の受光信号の合計値を求める受光信号演算手段と、この受光信号演算手段によって求められた第１受光素子アレイの受光信号合計値および第２受光素子アレイの受光信号合計値が等しくなるように、移動手段を動作させて対物レンズの焦点位置を測定面に一致させるサーボ回路とを備えた構成である。

このような構成において、対物レンズによって測定面へ照射された収束光は、測定面において正反射されるとともに、拡散反射される。これらの正反射光および拡散反射光は、対物レンズなどを通過したのち、第１受光素子アレイおよび第２の受光素子アレイの画素で受光される。
すると、第１受光素子アレイおよび第２の受光素子アレイのそれぞれにおいて、予め定めたエリア内の複数の画素で受光される受光信号のうち最も明るい画素からｎ（整数）番目までの画素の受光信号、つまり、測定面からの正反射光を除いて（最も明るい画素をマスク）、暗い拡散反射光を基に焦点合わせを行うため、正しいフォーカシングを行うことができる。従って、偽のフォーカシングにより、測定面形状にない、浮き上がりや沈み込みが生じる恐れを回避できる。

特開平８−１２８８０６号公報 特願２００７−３３２２９６号

しかし、特許文献２の光学式変位測定器は、受光素子アレイとしてＣＣＤ（固体撮像素子）を用い、上述した処理を行っているため、実用化するにあたって、次のような問題が想定される。
（ａ）被測定物の材質や表面凹凸などによって生じるスペックルや回折などの影響により、マスクする画素（受光信号のうち最も明るい画素からｎ番目までの画素）が飛び飛びになり、測定精度に影響を与える。
（ｂ）マスクする画素（受光信号のうち最も明るい画素からｎ番目までの画素）の選択に複雑なデジタル回路が必要である。
（ｃ）ドーナツ型ビームを用いている計測器では、測定面の傾斜が限界角より浅い角度でビームの大半がマスクされるため、適用範囲が限られる。

本発明の目的は、このような問題を解消し、傾斜面や曲面などの測定面を有する被測定物を良好に測定可能な光学式変位測定器を提供することにある。

本発明の光学式変位測定器は、光源と、この光源からの光を平行光にして出射するコリメータレンズと、このコリメータレンズからの平行光を集光し、その収束光を被測定物の測定面に向けて照射するとともに、前記測定面からの反射光を受ける対物レンズと、この対物レンズまたはこの対物レンズと前記光源との間に挿入されたフォーカシングレンズを光軸に沿って移動させる移動手段と、前記対物レンズまたはフォーカシングレンズの位置を検出する位置検出手段と、前記測定面から反射され前記対物レンズを通過した反射光に基づいて、前記対物レンズの焦点位置と前記測定面との位置ずれを認識するとともに、前記移動手段を動作させて前記対物レンズの焦点位置を前記測定面に一致させる焦点合わせ手段とを備え、
前記焦点合わせ手段は、前記測定面から反射され前記対物レンズを通過した反射光を２つに分割する光分割手段と、この光分割手段で分割された第１反射光の結像点の前および第２反射光の結像点の後にそれぞれ配置され受光領域の少なくとも外周縁に沿って複数の受光素子が隣接配列された第１光検出部および第２光検出部と、この第１光検出部によって得られた受光信号と前記第２光検出部によって得られた受光信号から、前記対物レンズの焦点位置と前記測定面とのずれ量を演算する焦点位置検出部と、この焦点位置検出部で演算されたずれ量がなくなるように前記移動手段を動作させて前記対物レンズの焦点位置を前記測定面に一致させるサーボ回路とを備え、
前記焦点位置検出部は、前記第１光検出部および第２光検出部のいずれか一方において、隣接受光素子の受光信号の和の組み合わせの中から最大値を選択する第１最大値選択手段と、この第１最大値選択手段によって選択された最大値を構成する隣接受光素子に対して、前記結像点を基準に、前記第１光検出部および第２光検出部のいずれか他方において対称位置にある隣接受光素子の受光信号の和を最大値とみなして選択する第２最大値選択手段と、前記第１光検出部および第２光検出部のそれぞれにおいて、全受光素子の受光信号の合計値を求める合計値演算手段と、前記第１光検出部および第２光検出部のそれぞれにおいて、前記合計値から前記最大値を減算して光検出信号を求める光検出信号演算手段と、この各光検出信号演算手段によって求められた各光検出信号の差を前記焦点位置と前記測定面とのずれ量に基づく信号として前記サーボ回路へ与えるエラー信号演算手段とを備える、ことを特徴とする。

この構成によれば、光源からの光はコリメータレンズにより平行光となり、対物レンズに入射される。すると、対物レンズによって、平行光が集光され、その光が被測定物の測定面に向けて照射される。測定面によって反射された反射光は、対物レンズを通過し、焦点合わせ手段で受光される。焦点合わせ手段は、対物レンズを通過した反射光に基づいて、対物レンズの焦点位置と測定面とが一致するように、移動手段を動作させる。つまり、対物レンズの焦点位置が測定面と一致するように、測定面形状に応じて、対物レンズまたはフォーカシングレンズが移動されるので、この対物レンズまたはフォーカシングレンズの位置を位置検出手段によって読み取れば、測定面の形状を測定することができる。

本発明では、焦点合わせ手段において、対物レンズを通過した反射光が２つの光路に分割されたのち、それぞれ第１光検出部および第２光検出部で受光される。すると、第１光検出部および第２光検出部のいずれか一方において、隣接受光素子の受光信号の和の組み合わせの中から最大値が第１最大値選択手段によって選択される。すると、この第１最大値選択手段によって選択された最大値を構成する隣接受光素子に対して、結像点を基準に、第１光検出部および第２光検出部のいずれか他方において対称位置にある隣接受光素子の受光信号の和を最大値とみなして、これが最大値として選択される（第２最大値選択手段による）。

また、合計値演算手段によって、第１光検出部および第２光検出部のそれぞれにおいて、全受光素子の受光信号の合計値が求められたのち、光検出信号演算手段において、第１光検出部および第２光検出部のそれぞれの合計値から最大値が減算されて光検出信号が求められる。すると、エラー信号演算手段によって、各光検出信号演算手段によって求められた各光検出信号の差が、焦点位置と測定面とのずれ量に基づく信号としてサーボ回路へ与えられる結果、各光検出信号の差がなくなるように、移動手段により対物レンズまたはフォーカシングレンズの位置が制御される。

対物レンズによって測定面へ照射された収束光は、測定面において正反射されるとともに、拡散反射される。これらの正反射光および拡散反射光は、対物レンズなどを通過したのち、第１光検出部および第２光検出部で受光される。
いま、測定面が傾斜し、収束光の外縁と測定面からの反射光（正反射光）とのなす角がゼロ近傍の場合、測定面からの正反射光については、その一部のみが第１光検出部および第２光検出部で受光される結果、偽のフォーカシングにより、測定面形状にない浮き上がりや沈み込みが生じる恐れがある。

本発明では、第１光検出部および第２光検出部のそれぞれにおいて、全受光素子の受光信号の合計値から、隣接受光素子の受光信号の和の組み合わせの中から最大値を減算して、各光検出部の光検出信号としているので、つまり、正反射光が受光される隣接受光素子の受光信号の和を除いて（マスクして）、暗い拡散反射光を基に焦点合わせを行うため、正しいフォーカシングを行うことができる。従って、偽のフォーカシングにより、測定面形状にない、浮き上がりや沈み込みが生じる恐れを回避できる。
また、第１光検出部および第２光検出部を構成する複数の受光素子のうち、隣接する受光信号の和の組み合わせの中から最大値を除外しているので、（ａ）スペックルや回折などの影響で、マスクする画素が飛び飛びになるのを防止できる、（ｂ）マスクする画素の選択に複雑なデジタル回路が必要なく、（ｃ）ドーナツ型ビームを用いている計測器であっても、測定面の傾斜が限界角より浅い角度でビームの大半がマスクされるのを防ぐことができる、などの利点がある。

本発明の光学式変位測定器において、前記第１光検出部および第２光検出部は、扇形形状の複数の受光素子が環状に隣接配列されて構成されている、ことが好ましい。
ここで、扇形形状とは、中心から半径方向へ所定角度で拡がる２本の直線部と、この直線部の外端を前記中心までを半径とする円弧で繋ぐ円弧部とを有する一般的な形状に限らず、中心部分がカットされた台形状の扇形形状も含む意味である。
この構成によれば、測定面がどの方向に傾いても、正しいフォーカッシングを行うことができる。つまり、測定面の傾きによる誤差を少なくできる。

本発明の光学式変位測定器において、前記第１光検出部および第２光検出部は、分割型フォトダイオードによって構成されている、ことが好ましい。
この際、これらの第１光検出部および第２光検出部を構成する受光素子は、３個以上である、ことが好ましい。
この構成によれば、市販の分割型ダイオードを利用できるため、安価に構成できる。しかも、フォトダイオードを用いたので、アナログ回路処理が可能で、高速処理できる。ちなみに、従来の場合（特許文献２の場合）、デジタル回路が不可欠で、低速なＣＣＤやＣ−ＭＯＳなどの受光素子を用いなくてはならないため、応答性が低下するという問題が考えられるが、本発明では、この点も解消できる。

＜実施形態＞
（光学式変位測定器の構成）
図１は、本発明の実施形態に係る光学式変位測定器の概略構成を示す模式図である。
光学式変位測定器１００は、図１に示すように、光源１１０と、この光源１１０からの光を平行光にして出射する第１コリメータレンズ１２０と、この第１コリメータレンズ１２０からの平行光を発散させた発散光を出射するフォーカシングレンズ１３０と、このフォーカシングレンズ１３０からの発散光を平行光にして出射する第２コリメータレンズ１５０と、対物レンズ１７０と、フォーカシングレンズ１３０を光軸に沿って移動させる移動手段としてのアクチュエータ２００と、フォーカシングレンズ１３０の位置を検出する位置検出手段としてのリニアエンコーダ２１０と、測定面９０１から反射され対物レンズ１７０、第２コリメータレンズ１５０、フォーカシングレンズ１３０、および、第１コリメータレンズ１２０を通過した反射光の焦点位置に基づいて、対物レンズ１７０の焦点位置と測定面９０１との位置ずれを認識するとともに、アクチュエータ２００によりフォーカシングレンズ１３０の位置を制御して対物レンズ１７０の焦点位置を測定面９０１に一致させる焦点合わせ手段２２０と、を備えて構成されている。

光源１１０としては、例えばレーザ素子等を使用することができる。
光源１１０と第１コリメータレンズ１２０は、光源１１０からの光が第１コリメータレンズ１２０により平行光として出射されるように所定距離を隔てて配置されている。

フォーカシングレンズ１３０は、第１コリメータレンズ１２０および第２コリメータレンズ１５０に対向する状態で配置されている。このフォーカシングレンズ１３０は、レンズホルダ１４０により周縁が保持されている。レンズホルダ１４０は、アーム１４１を介してアクチュエータ２００に連結され、フォーカシングレンズ１３０の光軸に沿って変位可能に設けられているとともに、接続部１４２を介してリニアエンコーダ２１０に連結されている。すなわち、フォーカシングレンズ１３０は、第１コリメータレンズ１２０と第２コリメータレンズ１５０との距離が変更可能に配置されている。

第２コリメータレンズ１５０は、対物レンズ１７０に対向し、かつ、対物レンズ１７０から所定距離を隔てて配置されている。

対物レンズ１７０は、第２コリメータレンズ１５０から出射された平行光を収束光として測定面９０１に向けて照射するとともに、測定面９０１からの反射光を第２コリメータレンズ１５０へ出射する。

焦点合わせ手段２２０は、焦点位置を検出する焦点位置検出手段２３０と、焦点位置検出手段２３０からの信号をもとにアクチュエータ２００を制御するサーボ回路２４０とを備えて構成されている。

焦点位置検出手段２３０は、疑似ピンホール法により焦点位置を検出する焦点位置検出光学系２３１と、焦点位置検出光学系２３１からの信号に基づいてフォーカシングレンズ１３０および測定面９０１の位置関係を演算する焦点位置検出部としての焦点位置検出回路２３２とを備えて構成されている。
焦点位置検出光学系２３１は、光源１１０と第１コリメータレンズ１２０の間に配置され第１コリメータレンズ１２０からの光を分割する第１ビームスプリッタ２３３と、この第１ビームスプリッタ２３３からの光を二方向に分割する光分割手段としての第２ビームスプリッタ２３４と、第２ビームスプリッタ２３４により分割された各光（第１反射光および第２反射光）の合焦位置（結像点）よりも前および後にそれぞれ配置された第１光検出部２３５Ａおよび第２光検出部２３５Ｂとを備えて構成されている。

第１光検出部２３５Ａおよび第２光検出部２３５Ｂは、図２に示すように、中心に円形形状の１個の受光素子ｐ１が配置され、この受光素子ｐ１の外周に沿って、扇形形状の複数（１６個）の受光素子ｐ２〜ｐ１７が環状に隣接配列されて構成されている。具体的には、疑似ピンホールに相当する円形の受光領域の中心に受光素子ｐ１が配置され、受光領域の外周縁に沿って、扇形形状の複数の受光素子ｐ２〜ｐ１７が環状に隣接配列された、１７分割型フォトダイオードによって構成されている。
受光素子ｐ１は、円形に形成されている。受光素子ｐ２〜ｐ１７は、受光領域の中心から半径方向へ所定角度（２２．５度）で拡がる２本の直線部と、この直線部の外端を前記中心までを半径とする円弧で繋ぐ円弧部と、直線部の内端部を前記中心を半径とする円弧で繋ぐ円弧部とを有する、いわゆる、台形状の扇形形状に形成されている。
従って、第１光検出部２３５Ａおよび第２光検出部２３５Ｂにおいて、疑似ピンホールに相当する円形の受光領域内に配置された受光素子ｐ１〜ｐ１７の受光信号を合計すると、ピンホール相当信号とみなすことができる。

焦点位置検出回路２３２は、第１光検出部２３５Ａからの受光信号を基に、局部的な信号を除外した光検出信号（前ピンホール信号）を演算する前ピンホール信号演算回路２３６Ａと、第２光検出部２３５Ｂからの受光信号を基に、局部的な信号を除外した光検出信号（後ピンホール信号）を演算する後ピンホール信号演算回路２３６Ｂと、第２最大値選択手段２３７と、前ピンホール信号演算回路２３６Ａからの前ピンホール信号および後ピンホール信号演算回路２３６Ｂからの後ピンホール信号の差を対物レンズ１７０の焦点位置と測定面とのずれ量に基づく信号（フォーカシングエラー信号）としてサーボ回路２４０へ与えるエラー信号演算手段としてのエラー信号演算回路２３８とを備える。

前ピンホール信号演算回路２３６Ａおよび後ピンホール信号演算回路２３６Ｂは、基本的に同じに構成され、例えば、図３に示す回路構成によって実現されている。
これは、図３に示すように、第１光検出部２３５Ａおよび第２光検出部２３５Ｂを構成する受光素子ｐ１〜ｐ１７のうち、全受光素子ｐ１〜ｐ１７の受光信号の合計値を求める合計値演算手段１１と、第１光検出部２３５Ａおよび第２光検出部２３５Ｂを構成する扇形形状の受光素子ｐ２〜ｐ１７のうち、隣接する複数（ここでは３つ）の受光素子（ｐ１７，ｐ２，ｐ３）（ｐ２，ｐ３，ｐ４）…（ｐ１６，ｐ１７，ｐ２）の受光信号の和を算出する隣接受光素子演算手段１２と、この隣接する受光素子の受光信号の和の組み合わせの中から最大値を選択する第１最大値選択手段１３と、第１光検出部２３５Ａおよび第２光検出部２３５Ｂのそれぞれにおいて、合計値から最大値を減算して前ピンホール信号および後ピンホール信号を演算する光検出信号演算手段１４とから構成されている。
なお、これらの合計値演算手段１１および隣接受光素子演算手段１２は、オペアンプからなる加算器とアンプとから構成されている。第１最大値選択手段１３は、オペアンプとダイオードとから構成されている。光検出信号演算手段１４は、オペアンプからなる加算器によって構成されている。

ここで、第１光検出部２３５Ａおよび第２光検出部２３５Ｂについて、結像点の対称位置にある受光素子ｐ１〜ｐ１７どうしがマスクされる必要があるため、第１最大値選択手段１３によって選択される３つの受光素子については前ピンホール信号演算回路２３６Ａのみで行い、他方の後ピンホール信号演算回路２３６Ｂについては、その結果によって、第２最大値選択手段２３７が、結像点対称受光素子が除外（マスク）されるように、選択を行う。
第２最大値選択手段２３７は、前ピンホール信号演算回路２３６Ａおよび後ピンホール信号演算回路２３６Ｂのうち一方、ここでは、前ピンホール信号演算回路２３６Ａの最大値選択手段１３によって選択された最大値を構成する隣接受光素子に対して、結像点を基準に、第１光検出部２３５Ａおよび第２光検出部２３５Ｂのいずれか他方、ここでは、第２光検出部２３５Ｂにおいて対称位置にある隣接受光素子の受光信号の和を最大値とみなして、これを選択する。例えば、後ピンホール信号演算回路２３６Ｂにおいて、第１最大値選択手段１３などにアナログスイッチなどを設けて、これにより選択を行う。

エラー信号演算回路２３８は、前ピンホール信号演算回路２３６Ａからの前ピンホール信号および後ピンホール信号演算回路２３６Ｂからの後ピンホール信号の差を対物レンズ１７０の焦点位置と測定面とのずれ量に基づく信号（フォーカシングエラー信号）としてサーボ回路２４０へ与える。

サーボ回路２４０は、エラー信号演算回路２３８からのフォーカシングエラー信号に基づいてアクチュエータ２００を制御し、フォーカシングレンズ１３０の位置を調整する。つまり、対物レンズ１７０からの収束光が測定面９０１で結像するように、フォーカシングレンズ１３０の位置を調整する。

（光学式変位測定器の作用・効果）
光源１１０から出射された光は、第１コリメータレンズ１２０によって平行光とされたのち、フォーカシングレンズ１３０に入射され発散光とされる。フォーカシングレンズ１３０からの発散光は、第２コリメータレンズ１５０に入射され平行光とされる。第２コリメータレンズ１５０からの平行光は、対物レンズ１７０によって収束光とされ測定面９０１へ照射される。

測定面９０１によって反射された反射光は、対物レンズ１７０、第２コリメータレンズ１５０、フォーカシングレンズ１３０、第１コリメータレンズ１２０を通過し、第１ビームスプリッタ２３３によって焦点位置検出光学系２３１に導かれる。
焦点位置検出光学系２３１では、反射光が、第２ビームスプリッタ２３４によって２つの光路に分割されたのち、それぞれ第１光検出部２３５Ａおよび第２光検出部２３５Ｂで受光される。すると、焦点位置検出回路２３２では、第１光検出部２３５Ａおよび第２光検出部２３５Ｂのそれぞれにおいて、全受光素子ｐ１〜ｐ１７の受光信号の合計値が演算される。つまり、ｐ１＋ｐ２＋ｐ３…＋ｐ１７が演算される。
また、隣接する３つの受光素子（ｐ１７，ｐ２，ｐ３）（ｐ２，ｐ３，ｐ４）…（ｐ１６，ｐ１７，ｐ２）の受光信号の和が求められる。つまり、ｐ１７＋ｐ２＋ｐ３、ｐ２＋ｐ３＋ｐ４、…ｐ１６＋ｐ１７＋ｐ２が求められる。こののち、これらの和の組み合わせの中から最大値が選択され、この最大値が合計値から減算されて前ピンホール信号および前ピンホール信号が演算される。
すると、エラー信号演算回路２３８において、前ピンホール信号と前ピンホール信号との差が演算され、このピンホール信号の差が、焦点位置と測定面とのずれ量に基づく信号（フォーカシングエラー信号）としてサーボ回路２４０へ与えられる。

サーボ回路２４０は、第１光検出部２３５Ａおよび第２光検出部２３５Ｂのピンホール信号が等しくなるように、アクチュエータ２００を動作させ、フォーカシングレンズ１３０の位置を制御する。
これにより、対物レンズ１７０の焦点位置が測定面９０１と一致するように、測定面形状に応じて、フォーカシングレンズ１３０が移動されるので、このフォーカシングレンズ１３０の位置をリニアエンコーダ２１０によって読み取れば、測定面９０１の形状を測定することができる。

ところで、測定面９０１へ照射された収束光は、測定面９０１において正反射されるとともに、拡散反射される。これらの正反射光および拡散反射光は、対物レンズ１７０などを通過したのち、第１光検出部２３５Ａおよび第２光検出部２３５Ｂで受光される。
いま、測定面９０１が傾斜し、収束光の外縁と測定面９０１からの反射光（正反射光）とのなす角がゼロ近傍の場合、測定面９０１からの正反射光については、その一部のみが第１光検出部２３５Ａおよび第２光検出部２３５Ｂで受光される。すると、偽のフォーカシングにより、測定面形状にない浮き上がりや沈み込みが生じる恐れがある。

本実施形態では、第１光検出部２３５Ａおよび第２光検出部２３５Ｂのそれぞれにおいて、全受光素子ｐ１〜ｐ１７の受光信号の合計値から、隣接受光素子の受光信号の和の組み合わせの中から最大値を減算して、つまり、正反射光が受光される隣接受光素子の受光信号の和を減算して、第１光検出部２３５Ａおよび第２光検出部２３５Ｂのピンホール信号としているので、正しいフォーカシングを行うことができる。つまり、測定面からの正反射光を除外して（マスクして）、暗い拡散反射光を基に焦点合わせを行うため、正しいフォーカシングを行うことができる。従って、偽のフォーカシングにより、測定面形状にない、浮き上がりや沈み込みが生じる恐れを回避できる。

また、第１光検出部２３５Ａおよび第２光検出部２３５Ｂを構成する複数の受光素子ｐ１〜ｐ１７のうち、隣接する受光信号の和の組み合わせの中から最大値を除外しているので、（ａ）スペックルや回折などの影響で、マスクする画素が飛び飛びになるのを防止できる、（ｂ）マスクする画素の選択に複雑なデジタル回路が必要なく、（ｃ）ドーナツ型ビームを用いている測定器であっても、測定面の傾斜が限界角より浅い角度でビーム全体がマスクされない、などの利点がある。

例えば、ドーナツ型ビームを用いている計測器の場合、測定面の傾斜が限界角時は、図４の状態となる。図４の場合、正反射光が受光される受光素子ｐ５〜ｐ７の受光信号の和が最大値として合計値から除外（マスク）されるため、測定面がどの方向に傾いても、正反射光を確実に遮光できることが判る。このとき、残りの受光素子ｐ１〜ｐ４、ｐ８〜ｐ１７において、拡散反射光を受光できるため、フォーカシングが可能である。
また、測定面の傾斜が限界角より浅い状態では、図５に示すようになる。この場合、２箇所に分かれた反射光の片方は遮光（マスク）されるが、他方ではフォーカシングが可能であるから、従来のように、ドーナツ型ビームの場合、ビームの大半がマスクされるという問題を解消できる。

また、第１光検出部２３５Ａおよび第２光検出部２３５Ｂは、扇形形状の複数の受光素子ｐ２〜ｐ１７が環状に隣接配列されて構成されているから、測定面がどの方向に傾いても、正しいフォーカッシングを行うことができる。つまり、測定面の傾きによる誤差を少なくできる。
また、第１光検出部２３５Ａおよび第２光検出部２３５Ｂは、１７分割型フォトダイオードによって構成されているから、市販の分割型ダイオードを利用できるため、安価に構成できる。しかも、フォトダイオードを用いたので、アナログ回路処理が可能で、高速処理できるため、応答性の低下が心配ない。ちなみに、従来の場合（特許文献２の場合）、デジタル回路が不可欠で、低速なＣＣＤやＣ−ＭＯＳなどの受光素子を用いなくてはならないため、応答性が低下するという問題が考えられるが、本実施形態では、この点も解消できる。

＜変形例＞
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は、本発明に含まれる。
前記実施形態では、光学系を、光源１１０と、第１コリメータレンズ１２０と、フォーカシングレンズ１３０と、第２コリメータレンズ１５０と、対物レンズ１７０とから構成したが、これに限られない。
例えば、図６に示す構成でもよい。これは、光源１１０と、第１コリメータレンズ１２０と、この第１コリメータレンズ１２０から出射される平行光を集光した収束光を被測定物９００の測定面９０１に向けて照射するとともに測定面９０１からの反射光を受ける対物レンズ１７０とを備えて構成されている。

対物レンズ１７０は、レンズホルダ１４０によって保持されている。レンズホルダ１４０は、アーム１４１を介してアクチュエータ２００に連結されているとともに、接続部１４２を介してリニアエンコーダ２１０に連結されている。
つまり、第１実施形態に対して、フォーカシングレンズ１３０および第２コリメータレンズ１５０が省略されている。そのため、対物レンズ１７０が光軸方向へ移動可能に構成されているとともに、対物レンズ１７０の位置がリニアエンコーダ２１０によって検出できるように構成されている。

この変形例の場合、焦点合わせ手段２２０は、測定面９０１から反射され対物レンズ１７０を通過した反射光に基づいて、対物レンズ１７０の焦点位置と測定面９０１との位置ずれを認識するとともに、アクチュエータ２００を動作させて対物レンズ１７０を光軸方向へ移動させ、対物レンズ１７０の焦点位置を測定面９０１に一致させるように動作させるから、対物レンズ１７０の位置をリニアエンコーダ２１０によって読み取れば、測定面９０１の形状を測定することができる。

また、前記実施形態および変形例（図６）において、第１光検出部２３５Ａおよび第２光検出部２３５Ｂを１７分割型フォトダイオードによって構成したが、第１光検出部２３５Ａおよび第２光検出部２３５Ｂの分割数については、これに限られない。少なくとも３以上であればよく、好ましくは、４以上であればよい。
例えば、図７に示すように、９分割型フォトダイオードによって構成してもよい。

また、前記実施形態および変形例の図７では、中心に円形の受光素子ｐ１を配置し、その周囲に複数の扇形形状の受光素子ｐ２〜ｐ１７、ｐ２〜ｐ９を環状に隣接配列した構成であったが、中心の円形の受光素子ｐ１については省略してもよい。
例えば、図８（Ａ）に示すように、扇形形状の３枚以上（ここでは８枚）の受光素子ｐ２〜ｐ９を環状に隣接配列した構成でもよい。この場合、扇形形状の受光素子ｐ２〜ｐ９は、内端部がカットされていない一般的な扇形である。
ちなみに、受光領域の中心に円形の受光素子ｐ１があれば、疑似ピンホールをアライメントする際、デフォーカスして小さくなったビームが受光素子間のギャップに隠れて調整しにくくならず、また、扇形形状の受光素子ｐ２〜ｐ１７の内端部（中心部分）を尖鋭化して加工しなくてもよいので、受光信号が受光素子ｐ２〜ｐ１７の内端部（中心部分）の加工精度（加工形状）による影響を受けやすいという問題も解消できる利点がある。

また、前記実施形態、変形例の図７，図８（Ａ）の例では、擬似ピンホール相当円内に、受光素子ｐ１〜ｐ１７、ｐ２〜ｐ９を環状に隣接配列して形成し、これらの受光素子ｐ１〜ｐ１７、ｐ２〜ｐ９の外径を円形受光領域そのものとしたが、これ以外に、図８（Ｂ）に示すように、扇形形状の３枚以上（ここでは８枚）の受光素子ｐ２〜ｐ９を環状に隣接配列し、この手前にピンホール２１を置いて、このピンホール２１によって円形の受光領域を形成するようにしてもよい。更に、図８（Ｂ）で示した受光素子ｐ２〜ｐ９の輪郭形状は、円形でなくてもよい。例えば、図８（Ｃ）に示すように、長方形形状の受光領域を４つに分割、つまり、４つの受光素子ｐ２〜ｐ５に分割した４分割型フォトダイオードとし、これらの中央にピンホール２１を配置したものであってもよい。
あるいは、フォトダイオードの受光素子ｐ２〜ｐ９の表面を覆っている透明樹脂膜に対して、金属蒸着膜を形成し、この金属蒸着膜にピンホール相当円を形成して、このピンホール相当円内に受光領域を形成してもよい。

また、前記実施形態では、扇形形状の受光素子ｐ２〜ｐ１７のうち、隣接する３つの受光素子の受光信号の和を求めるようにしたが、和を求める受光素子の数は２以上であればよい。これは、第１光検出部２３５Ａおよび第２光検出部２３５Ｂを構成する受光素子の分割数に応じて適宜決定すればよく、例えば、図７や図８に示す分割数では、受光素子のうち、隣接する２つの受光素子の受光信号の和を求めるようにするとよい。

本発明は、測定面に焦点位置を合わせるように、対物レンズまたはフォーカシングレンズ位置を移動させ、この対物レンズまたはフォーカシングレンズの移動から測定面の形状を測定する光学式変位測定器に利用できる。特に、傾斜面や曲面などの測定面を有する被測定物の測定に好適である。

本発明の実施形態に係る光学式変位測定器の概略構成を示す模式図。 前記実施形態における光検出部の受光素子を示す図。 前記実施形態におけるピンホール信号演算回路を示す回路図。 前記実施形態において、測定面の傾斜が限界角における測定状態を示す図。 前記実施形態において、測定面の傾斜が限界角より浅い角度における測定状態を示す図。 前記実施形態の変形例を示す概念図。 前記実施形態において、光検出部の受光素子の変形例を示す図。 前記実施形態において、光検出部の受光素子の更に他の変形例を示す図。 従来例における測定面の傾斜角および収束光の収束角が等しい場合における測定状態を示す概念図。 従来例における測定面の傾斜角が収束光の収束角よりも大きい場合における測定状態を示す概念図。

符号の説明

１１…合計値演算手段、
１３…第１最大値選択手段、
１４…光検出信号演算手段、
１００…光学式変位測定器、
１１０…光源、
１２０…第１コリメータレンズ、
１３０…フォーカシングレンズ、
１７０…対物レンズ、
２００…アクチュエータ（移動手段）、
２１０…リニアエンコーダ（位置検出手段）、
２２０…焦点合わせ手段、
２３２…焦点位置検出回路（焦点位置検出部）
２３４…第２ビームスプリッタ（光分割手段）、
２３５Ａ…第１光検出部、
２３５Ｂ…第２光検出部、
２３７…第２最大値選択手段、
２３８…エラー信号演算回路（エラー信号演算手段）、
２４０…サーボ回路。
ｐ１〜ｐ１７…受光素子。

Claims (4)

1. 光源と、
   この光源からの光を平行光にして出射するコリメータレンズと、
   このコリメータレンズからの平行光を集光し、その収束光を被測定物の測定面に向けて照射するとともに、前記測定面からの反射光を受ける対物レンズと、
   この対物レンズまたはこの対物レンズと前記光源との間に挿入されたフォーカシングレンズを光軸に沿って移動させる移動手段と、
   前記対物レンズまたはフォーカシングレンズの位置を検出する位置検出手段と、
   前記測定面から反射され前記対物レンズを通過した反射光に基づいて、前記対物レンズの焦点位置と前記測定面との位置ずれを認識するとともに、前記移動手段を動作させて前記対物レンズの焦点位置を前記測定面に一致させる焦点合わせ手段とを備え、
   前記焦点合わせ手段は、前記測定面から反射され前記対物レンズを通過した反射光を２つに分割する光分割手段と、この光分割手段で分割された第１反射光の結像点の前および第２反射光の結像点の後にそれぞれ配置され受光領域の少なくとも外周縁に沿って複数の受光素子が隣接配列された第１光検出部および第２光検出部と、この第１光検出部によって得られた受光信号と前記第２光検出部によって得られた受光信号から、前記対物レンズの焦点位置と前記測定面とのずれ量を演算する焦点位置検出部と、この焦点位置検出部で演算されたずれ量がなくなるように前記移動手段を動作させて前記対物レンズの焦点位置を前記測定面に一致させるサーボ回路とを備え、
   前記焦点位置検出部は、前記第１光検出部および第２光検出部のいずれか一方において、隣接受光素子の受光信号の和の組み合わせの中から最大値を選択する第１最大値選択手段と、この第１最大値選択手段によって選択された最大値を構成する隣接受光素子に対して、前記結像点を基準に、前記第１光検出部および第２光検出部のいずれか他方において対称位置にある隣接受光素子の受光信号の和を最大値とみなして選択する第２最大値選択手段と、前記第１光検出部および第２光検出部のそれぞれにおいて、全受光素子の受光信号の合計値を求める合計値演算手段と、前記第１光検出部および第２光検出部のそれぞれにおいて、前記合計値から前記最大値を減算して光検出信号を求める光検出信号演算手段と、この各光検出信号演算手段によって求められた各光検出信号の差を前記焦点位置と前記測定面とのずれ量に基づく信号として前記サーボ回路へ与えるエラー信号演算手段とを備える、ことを特徴とする光学式変位測定器。
2. 請求項１に記載の光学式変位測定器において、
   前記第１光検出部および第２光検出部は、扇形形状の複数の受光素子が環状に隣接配列されて構成されている、ことを特徴とする光学式変位測定器。
3. 請求項２に記載の光学式変位測定器において、
   前記第１光検出部および第２光検出部は、分割型フォトダイオードによって構成されている、ことを特徴とする光学式変位測定器。
4. 請求項１〜請求項３のいずれかに記載の光学式変位測定器において、
   前記第１光検出部および第２光検出部を構成する前記受光素子は、３個以上である、ことを特徴とする光学式変位測定器。

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