JP5060678B2

JP5060678B2 - 光学式変位計

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Publication number: JP5060678B2
Application number: JP2008121755A
Authority: JP
Inventors: 雄二秋柴
Original assignee: Keyence Corp
Current assignee: Keyence Corp
Priority date: 2008-05-08
Filing date: 2008-05-08
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2028-05-08
Also published as: JP2009270939A

Description

本発明は、光学式変位計に係り、さらに詳しくは、広帯域光を計測用の検出光として用い、検出光を測定対象物に向けて出射する集光レンズの出射側端面及び測定対象物間の距離を測定対象物による反射光と出射側端面による反射光との干渉を利用して計測する光学式変位計に関する。

様々な波長を含む広帯域光を計測用の検出光として透明膜に照射し、透明膜の表面で反射された反射光と裏面で反射された反射光との干渉光を分光することによって透明膜の厚さを測定する膜厚測定装置が従来から知られている（例えば、特許文献１）。透明膜の表面による反射光と裏面による反射光とからなる干渉光は、回折格子、プリズムなどの分散素子を用いて分光され、多数の受光素子が直線上に配置されたイメージセンサーに入射される。膜厚は、このイメージセンサーによって検出される素子ごとの受光量データに基づいて算出される。

特許文献１に記載の膜厚測定装置では、光源装置から出射された検出光がコリメータレンズに入射され、コリメータレンズの中心軸に略平行な光として出射される。このコリメータレンズから出射された検出光は、ビームスプリッタを介して測定対象物に照射される。ビームスプリッタは、測定対象物による反射光を取り出し、イメージセンサーへ出射する方向性結合器（カプラ）である。この様な従来の膜厚測定装置では、コリメータレンズによって検出光を平行光に変換してからビームスプリッタに入射しなければならないので、装置が大型化してしまうという問題があった。
特開昭６２−７１８０４号公報

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、広帯域光を計測用の検出光として用い、検出光を測定対象物に向けて出射する集光レンズの出射側端面及び測定対象物間の距離を測定対象物による反射光と出射側端面による反射光との干渉を利用して計測することができる光学式変位計を提供することを目的とする。特に、集光レンズの出射側端面と測定対象物との間の距離を高い精度で計測することができる光学式変位計を提供することを目的とする。また、広帯域光源装置から伝送された検出光を測定対象物に向けて出射するヘッド部を小型化した光学式変位計を提供することを目的とする。

第１の本発明による光学式変位計は、計測用の検出光として広帯域光を生成する広帯域光源装置と、上記検出光を集光し、測定対象物に向けて出射する出射側端面が平面の集光レンズと、上記集光レンズに入射された上記測定対象物による反射光及び上記出射側端面による反射光を分光し、波長分布の特性曲線の周波数を求めて上記測定対象物及び上記出射側端面間の距離を算出する分光装置とを備え、上記集光レンズが、上記出射側端面から遠ざかるに従って照射スポットが広くなる上記検出光を出射するレンズであるように構成される。

この光学式変位計では、集光レンズから測定対象物に向けて出射される検出光のうち、測定対象物によって反射され、その後、集光レンズに入射された反射光と、集光レンズの出射側端面によって反射された反射光との間に光路差が生じる。この光路差に起因する光の干渉により、反射光は、波長に応じてその強度が周期的に変化することとなる。従って、この様な反射光を分光して波長分布の特性曲線における周波数を求めることによって、測定対象物及び出射側端面間の距離を算出することができる。その際、集光レンズの出射側端面から遠ざかるに従って照射スポットが広くなるような検出光を出射させているので、測定対象物と出射側端面との間の距離を高い精度で計測することができる。

第２の本発明による光学式変位計は、上記構成に加え、上記検出光を伝送する光ファイバーと、上記広帯域光源装置から伝送された検出光を上記光ファイバーに入射させるとともに、上記集光レンズを介して上記光ファイバーに入射された上記測定対象物による上記反射光及び上記出力側端面による上記反射光を上記分光装置へ伝送するビームスプリッタとを備えて構成される。この光学式変位計では、広帯域光源装置から伝送された検出光が光ファイバーを介して集光レンズに伝送される。一方、集光レンズを介して光ファイバーに入射された測定対象物による反射光と集光レンズの出力側端面による反射光とがビームスプリッタによって分光装置へ伝送される。この様な構成によれば、平行光に変換してからビームスプリッタを介して測定対象物に向けて検出光を出射させる場合に比べて、広帯域光源装置から伝送された検出光を測定対象物に向けて出射するヘッド部を小型化することができる。

第３の本発明による光学式変位計は、上記構成に加え、上記集光レンズが、中心部から周縁部にかけて屈折率を変化させたロッドレンズであるように構成される。この様な構成によれば、集光レンズを一体的に形成することができるので、ヘッド部をさらに小型化することができる。

第４の本発明による光学式変位計は、上記構成に加え、上記光ファイバーが、単一モードで上記検出光を伝送するシングルモードファイバーであるように構成される。この様な構成によれば、光ファイバーを伝送中の反射光に光路差が生じるのを抑制することができるので、測定対象物及び出射側端面間の距離をさらに高い精度で計測することができる。

第５の本発明による光学式変位計は、上記構成に加え、上記広帯域光源装置が、上記広帯域光として近赤外光を生成するように構成される。この様な構成によれば、光ファイバーのコアを近赤外光の波長に応じた径とすることができるので、製造コストの増大を抑制することができる。

第６の本発明による光学式変位計は、上記構成に加え、上記検出光の照射位置を上記測定対象物上に表示するためのガイド光として、可視光を生成するガイド光源装置を備えて構成される。

第７の本発明による光学式変位計は、上記構成に加え、上記集光レンズが、上記出射側端面付近に焦点を有するように構成される。

第８の本発明による光学式変位計は、上記構成に加え、上記分光装置が、上記測定対象物における膜の表面で反射された反射光と膜の裏面で反射された反射光とを分光し、この分光結果に基づいて上記膜の厚さを算出するように構成される。

本発明による光学式変位計によれば、集光レンズから測定対象物に向けて出射される検出光のうち、測定対象物によって反射され、その後、集光レンズに入射された反射光と、集光レンズの出射側端面によって反射された反射光との間に光路差が生じる。この光路差に起因する光の干渉により、反射光は、波長に応じてその強度が周期的に変化することとなる。従って、この様な反射光を分光して波長分布の特性曲線の周波数を求めることによって、測定対象物及び出射側端面間の距離を算出することができる。特に、集光レンズの出射側端面から遠ざかるに従って照射スポットが広くなる光として検出光を出射させているので、測定対象物と出射側端面との間の距離を高い精度で計測することができる。また、平行光に変換してからビームスプリッタを介して測定対象物に向けて検出光を出射させる場合に比べて、広帯域光源装置から伝送された検出光を測定対象物に向けて出射するヘッド部を小型化することができる。

＜光学式変位計＞
図１は、本発明の実施の形態による光学式変位計１の概略構成の一例を示したシステム図である。この光学式変位計１は、様々な波長を含む広帯域光を計測用の検出光Ｌとして用いて、ワーク（測定対象物）Ｗの変位量を計測する計測装置であり、本体部１０、伝送ケーブル２０、コネクタ２１及びヘッド部３０からなる。

本体部１０は、ワークＷに検出光Ｌとして照射するための広帯域光を生成するとともに、ワークＷによる反射光を分光させることによってワークＷの変位量を計測するユニットである。この本体部１０は、ＳＬＤ駆動回路１１、ＳＬＤ１２、コリメータレンズ１３ａ，１７、集光レンズ１３ｂ、コールドミラー１４、ＬＤ駆動回路１５、ＬＤ１６、フェルール１８、ファイバースプリッタ１９及び分光装置４０により構成される。

ＳＬＤ駆動回路１１は、ＳＬＤ１２の駆動制御を行うドライバ回路である。ＳＬＤ（Super Luminescent Diode：高輝度ダイオード）１２は、計測用の検出光として広帯域光を生成する広帯域光の光源装置であり、ＳＬＥＤ（高輝度発光ダイオード）と呼ばれることもある。例えば、波長０．７０〜１．０μｍ程度の近赤外光が広帯域光として生成される。具体的には、赤外光領域の波長０．８３μｍを中心波長として含む広帯域光がこのＳＬＤ１２によって生成される。

コリメータレンズ１３ａは、ＳＬＤ１２から入射した検出光を集光し、中心軸に略平行な平行光として出射する集光レンズである。集光レンズ１３ｂは、コリメータレンズ１３ａから入射した検出光を集光し、フェルール１８の端面に向けて出射する光学素子である。コリメータレンズ１３ａ及び集光レンズ１３ｂは、フェルール１８を介してＳＬＤ１２から出射された検出光を光ファイバーに入射させるための光ファイバー結合レンズとなっている。

フェルール１８は、検出光を伝送する光ファイバーの端部を保持するための接続部材である。ＳＬＤ１２、コリメータレンズ１３ａ、集光レンズ１３ｂ及びフェルール１８は、中心軸を互いに一致させて配置される。

ＬＤ駆動回路１５は、ＬＤ１６の駆動制御を行うドライバ回路である。ＬＤ（Laser Diode：レーザーダイオード）１６は、検出光の照射位置をワーク上に表示するためのガイド光として、可視光を生成するガイド光の光源装置である。すなわち、ＬＤ１６によるガイド光は、検出光Ｌによる測定スポットを可視化するのに用いられる。

例えば、波長０．６５μｍの赤色光がＬＤ１６によって生成される。ＬＤ１６によるガイド光は、コールドミラー１４よりも後段において、検出光と同じ伝送経路を伝搬してワークＷに照射される。

コールドミラー１４は、コリメータレンズ１３ａを介してＳＬＤ１２から入射した検出光をそのまま集光レンズ１３ｂ側へ透過させ、コリメータレンズ１７を介してＬＤ１６から入射したガイド光を集光レンズ１３ｂに向けて反射させる光学素子である。つまり、コールドミラー１４は、赤外光が入射した場合に当該赤外光をそのまま透過させるのに対して、可視光が入射した場合には、当該可視光を全反射させる。

ファイバースプリッタ１９は、光ファイバーを介して、フェルール１８、分光装置４０及びコネクタ２１に接続され、フェルール１８から伝送された検出光をそのままコネクタ２１側へ伝送するとともに、コネクタ２１から伝送された光を主に分光装置４０側へ伝送するファイバー形状のビームスプリッタである。具体的には、ファイバースプリッタ１９の一方の端部にフェルール１８及び分光装置４０が接続され、他方の端部にコネクタ２１が接続されている。

伝送ケーブル２０は、検出光を本体部１０からヘッド部３０まで伝送する光ファイバーからなる光伝送媒体である。伝送ケーブル２０は、導光体からなる芯線と、芯線を被覆する樹脂膜によって構成され、コネクタ２１を介して本体部１０と着脱可能に接続される。

ヘッド部３０は、本体部１０から伝送された検出光をワークＷに向けて出射するユニットであり、例えば、ワークＷを搬送するための搬送経路上に配置される。

ＳＬＤ１２から出射された検出光は、コリメータレンズ１３ａに入射し、平行光として出射される。この平行光は、コールドミラー１４を介して集光レンズ１３ｂに入射し、フェルール１８端面に向けて出射される。検出光は、このフェルール１８を介して光ファイバー内に入射され、ファイバースプリッタ１９を介してコネクタ２１に伝送される。そして、検出光は、このコネクタ２１及び伝送ケーブル２０を介してヘッド部３０に伝送され、ワークＷに向けて出射される。

一方、検出光Ｌの照射によって検出光Ｌの一部がワークＷの表面で反射され、その反射光の一部は、ヘッド部３０に入射される。この反射光は、伝送ケーブル２０及びファイバースプリッタ１９を介して分光装置４０に伝送される。分光装置４０は、この様な反射光を分光し、その分光結果からワークＷの変位量を算出するユニットである。

＜ヘッド部＞
図２は、図１の光学式変位計１の要部における構成例を示した図であり、ヘッド部３０内の構成が示されている。このヘッド部３０は、伝送ケーブル２０の端面から突出させた芯線３１と、芯線３１の端面に接合されたロッドレンズ３２と、芯線３１及びロッドレンズ３２を収容する筐体３４により構成される。

芯線３１は、検出光を伝送するためのコア及びクラッドからなる光ファイバーであり、伝送ケーブル２０の端部から延伸させて筐体３４内に配置されている。伝送ケーブル２０の端部は、筐体３４に設けられた支持部３５によって保持されている。

ロッドレンズ３２は、伝送ケーブル２０を介して本体部１０から伝送された検出光を集光し、ワーク（測定対象物）Ｗに向けて出射するとともに、出射側端面３３が平面の集光レンズである。このロッドレンズ３２は、中心部から周縁部にかけて屈折率を変化させた円柱形状の屈折率分布レンズであり、中心軸に略平行な光であって、出射側端面３３から遠ざかるに従って照射スポットが広くなる検出光Ｌを出射するレンズとなっている。具体的には、中心部に比べて、周縁部ほど屈折率が低くなっており、中心軸に対する検出光Ｌの広がり角は、１．５〜２．０度程度となっている。

また、ロッドレンズ３２は、その直径を芯線３１の直径Ａ１と一致させ、出射側端面３３付近に焦点が位置するように形成されている。具体的には、ロッドレンズ３２の直径が１２５μｍ（Ａ１＝１２５μｍ）であり、長さがＡ２＝１〜２ｍｍである場合、出射側端面３３の前後１００μｍの範囲内に焦点が位置するように形成される。

ロッドレンズ３２は、出射側端面３３と反対側の端面において芯線３１の端面に融着されている。

検出光Ｌは、ロッドレンズ３２の出射側端面３３から中心軸に略平行な平行光として出射され、ワークＷに照射される。ワークＷに照射された検出光Ｌの一部は、ワークＷの表面で反射され、その反射光の一部が出射側端面３３を介してロッドレンズ３２内に入射される。この光学式変位計１では、ワークＷによる反射光と、出射側端面３３による反射光との干渉現象を利用することによって、出射側端面３３及びワークＷ間の距離が算出される。つまり、出射側端面３３は、干渉現象を利用してワークＷまでの距離を算出する際の基準面となっている。

ロッドレンズ３２の中心軸に略平行な平行光を検出光Ｌとして用いてワークＷまでの距離を計測させているので、検出光ビームの中心部と周縁部とでワークＷによる反射光に光路差が生じるのを抑制することができる。これにより、ワークＷと出射側端面３３との間の距離を高い精度で計測することができる。

また、ロッドレンズ３２の出射側端面３３から遠ざかるに従って照射スポット、すなわち、ビーム断面が広がるような検出光Ｌを出射させることにより、出射側端面３３に対してワークＷが多少傾斜していても、伝播するに従ってビーム径が拡大することによってワークＷの表面による反射光が出射側端面３３に入射し易くなるので、検出光が完全に平行な場合に比べて、ワークＷが傾斜していることの影響を抑制することができる。また、ヘッド部３０の出射側端面３３からワークＷまでの距離は、０〜１ｍｍ程度であり、測定できる変位量は、１ｍｍ以下と短くなっている。

ここでは、ワークＷ及び出射側端面３３間の距離の計測精度を向上させるという観点から、芯線３１を構成する光ファイバーが、単一モードで検出光を伝送するシングルモードファイバーであるものとする。

シングルモードファイバーとは、コアを細くしたゼロ分散型の光ファイバーのことであり、コア内に入射された光をコア及びクラッドの界面で全反射させることによって、コアからクラッド内への光の進入を阻止するものである。これによって、光ファイバーを伝送中の反射光に光路差が生じるのが抑制されるので、伝送中の光が干渉するのを防止することができる。

一般に、光ファイバーは、コアの直径が伝送しようとする光の波長で決まる値以下であれば、シングルモードファイバーとなり、それよりも太ければマルチモードファイバーとなる。

例えば、波長０．８３μｍの赤外光を中心波長として含む検出光Ｌの場合、芯線３１のモードフィールド径は、５．６μｍとなっている。

＜分光装置＞
図３は、図１の光学式変位計１における分光装置４０の構成例を示した図である。この分光装置４０は、フェルール４１、コリメータレンズ４２、回折格子４３、結像レンズ４４、１次元イメージセンサー４５、イメージセンサー駆動回路４６、アンプ４７、ＡＤコンバータ４８、バッファメモリ４９、演算回路５０及び表示部６０により構成される。

フェルール４１は、検出光を伝送する光ファイバーの端部を保持するための接続部材であり、ファイバースプリッタ１９から延伸する光ファイバーの端部に設けられている。コリメータレンズ４２は、フェルール４１から出射された干渉光、すなわち、ワークＷ表面で反射された反射光とロッドレンズ３２の出射側端面３３で反射された反射光とが入射され、これらの光を集光して、中心軸に略平行な平行光として出射する集光レンズである。

回折格子４３は、入射光を光学的に分光する分散素子であり、コリメータレンズ４２から入射された干渉光を波長に応じた角度で出射させる。結像レンズ４４は、回折格子４３から入射された干渉光（平行光となっている）を集光し、１次元イメージセンサー４５上に結像させる集光レンズである。

回折格子４３によって回折された干渉光は、結像レンズ４４を透過後、１次元イメージセンサー４５上で波長に応じて異なる位置に結像される。その際、伝搬経路の異なる反射光間の干渉によって、その波長に応じて干渉光は強め合ったり、弱め合ったりすることとなる。

１次元イメージセンサー４５は、結像レンズ４４によって集光された干渉光の結像位置（１次元位置）を検出可能なイメージセンサーであり、ＣＣＤ（Charge Coupled Devices：電荷結合素子）、ＰＤ（Photo Diode）などの撮像素子からなる。例えば、受光量に応じた検出信号をそれぞれ出力する多数の受光素子を直線上に配列することによって構成される。イメージセンサー駆動回路４６は、１次元イメージセンサー４５の駆動制御を行うドライバ回路である。

１次元イメージセンサー４５から出力される検出信号は、アンプ４７に入力され、電力増幅される。このアンプ４７による電力増幅後の検出信号は、ＡＤコンバータ４８に入力され、アナログ信号からデジタル信号に変換されバッファメモリ４９内に蓄積される。

演算回路５０は、バッファメモリ４９内の検出データ、すなわち、受光素子ごとのピクセルデータに基づいて、ワークＷ及び出射側端面３３間の距離を算出し、計測結果として外部機器へ出力する動作を行っている。表示部６０は、計測結果を測定モニター画面上に表示するディスプレイ装置である。

図４は、図３の分光装置４０における演算回路５０の構成例を示したブロック図である。この演算回路５０は、波長波数変換部５１、ＦＦＴ処理部５２、ピーク検出部５３及び距離算出部５４からなり、ワークＷによる反射光とロッドレンズ３２の出射側端面３３による反射光とからなる干渉光の分光結果から波長に対する強度変化の周波数を求めてワークＷ及び出射側端面３３間の距離を算出する動作が行われる。

波長波数変換部５１は、バッファメモリ４９からピクセルデータを読み出し、受光素子ごとの受光量分布が示す光量Ｉと波長λとの関係を光量Ｉと波数（波長の逆数）１／λとの関係に変換してその変換結果をＦＦＴ処理部５２へ出力する動作を行っている。光量Ｉと波長λとの関係を光量Ｉと波数１／λとの関係に変換することにより、受光素子ごとの受光量分布が有する周期を単一周期の分布にすることができる。

ＦＦＴ処理部５２は、受光素子ごとの受光量分布から得られる光量Ｉと波数１／λとの関係をＦＦＴ（高速フーリエ変換）し、波数に対する光量変化の周波数成分を抽出する処理を行っている。

ピーク検出部５３は、ＦＦＴ処理部５２による処理結果から強度の大きな周波数成分を抽出し、そのピーク位置を検出する動作を行っている。ピーク位置は、例えば、強度が所定の閾値を越えている周波数成分について、強度分布の重心位置から定められる。この様にして定められるピーク位置における周波数は、空間周波数と呼ばれる。

距離算出部５４は、ピーク検出部５３によって検出されたピーク位置における周波数に基づいて、ワークＷ表面とロッドレンズ３２の出射側端面３３との間の距離を算出し、計測結果として出力する動作を行っている。具体的には、ピーク位置における周波数が、ワークＷ表面で反射された反射光と出射側端面３３で反射された反射光との光路差に比例することから、ワークＷ表面及び出射側端面３３間の距離は、ピーク位置における周波数の１／２倍として算出される。

図５は、ロッドレンズ３２の出射側端面３３から出射される検出光Ｉ_０のうち、出射側端面３３で反射された反射光Ｉ_１と、ワークＷ表面で反射された反射光Ｉ_２とが干渉光Ｉとして観測される様子を模式的に示した説明図である。

検出光Ｉ_０をｉ_０＝ａ_０×ｓｉｎ（ωｔ）、反射光Ｉ_１をｉ_１＝ａ_１×ｓｉｎ（ωｔ＋２πｘ_１／λ）、反射光Ｉ_２をｉ_２＝ａ_２×ｓｉｎ（ωｔ＋２πｘ_２／λ）としてそれぞれ表すと、干渉光Ｉの強度は、（ｉ_１＋ｉ_２）^２の時間平均＝（ａ_１ ^２＋ａ_２ ^２）＋２×ａ_１×ａ_２×ｃｏｓ（４πｄ／λ）と表される。ただし、ワークＷの表面とロッドレンズ３２の出射側端面３３との間の距離ｄを用いて、ｘ_２−ｘ_１＝２ｄとしている。

上記関係式から、干渉光Ｉの強度は、４πｄ／λ＝２ｎπ（ｎは整数）で最大値（ａ_１＋ａ_２）^２となり、４πｄ／λ＝（２ｎ＋１）πで最小値（ａ_１−ａ_２）^２となることが分かる。

光量Ｉと波数１／λとの関係におけるピーク位置の周波数、すなわち、空間周波数は、（１／λ_１−１／λ_２）の逆数に相当する。従って、上記関係式から得られる４πｄ×（１／λ_１−１／λ_２）＝２πを用いることにより、距離ｄは、（空間周波数）×１／２から求めることができる。

＜測定モニター画面＞
図６（ａ）〜（ｃ）は、図３の分光装置４０における動作の一例を示した図であり、測定モニター画面上に表示される計測結果が示されている。図６（ａ）には、横軸を波長λ、縦軸を光量として、波長λが増加するに従って受光量が激しく変化している波長分布の特性曲線が示されている。

１次元イメージセンサー４５で検出される受光量は、４πｄ／λ＝２ｎπを満たす波長λで極大となり、４πｄ／λ＝（２ｎ＋１）πを満たす波長λで極小となる。このため、波長λが増加するに従って、受光量は、周期的に激しく変化することとなる。

なお、光量分布における極大点を結ぶ包絡線は、検出光Ｌに含まれる光の強度分布がガウス分布であることに対応して、山型の曲線となっている。

図６（ｂ）には、横軸を波数１／λ、縦軸を光量として、波数１／λが増加するに従って受光量が周期的に変化している波長分布の特性曲線の他の表示例が示されている。１次元イメージセンサー４５の検出データについて、受光素子ごとの受光量分布が示す光量Ｉと波長λとの関係を光量Ｉと波数１／λとの関係に変換することにより、受光素子ごとの受光量分布が有する周期を単一周期の分布にすることができる。

この様な波長分布の特性曲線における周波数、すなわち、空間周波数を求めることにより、ワークＷとロッドレンズ３２の出射側端面３３との間の距離ｄを算出することができる。

図６（ｃ）には、横軸を距離ｄ、縦軸を強度として、光量Ｉと波数１／λとの関係から得られたＦＦＴスペクトルが示されている。光量Ｉと波数１／λとの関係を周波数解析することによって得られるＦＦＴスペクトルでは、ピーク位置における周波数が、ワークＷ表面で反射された反射光とロッドレンズ３２の出射側端面３３で反射された反射光との光路差に比例することから、ワークＷ表面及び出射側端面３３間の距離ｄは、ピーク位置における周波数の１／２倍として算出される。

図７は、ワークＷまでの距離ｄを変化させた場合のＦＦＴスペクトルの一例を示した図であり、距離ｄが異なる複数の周波数解析の結果が重ねて示されている。ＦＦＴスペクトルにおけるピーク点の強度は、通常、ワークＷ表面及び出射側端面３３間の距離ｄが大きくなるほど単調に減少する。

図８（ａ）及び（ｂ）は、測定モニター画面上に表示される計測結果の一例を示した図である。図８（ａ）には、図７のピーク点Ｂ１に対応して距離ｄが小さい場合の光量変化が示され、図８（ｂ）には、図７のピーク点Ｂ２に対応して距離ｄが大きい場合の光量変化が示されている。

ワークＷ表面及び出射側端面３３間の距離ｄが大きい場合と小さい場合とを比較すると、距離ｄが大きくなるほど分光装置４０の分解能による測定ばらつきの影響が大きくなることから、距離ｄが大きい場合の方が、光量変化における極大値と極小値との差、すなわち、コントラストが小さくなっている。

この様に距離ｄが大きくなるほど光量変化における極大値及び極小値の差が小さくなることに起因して、ＦＦＴスペクトルにおけるピーク点の強度は、距離ｄに応じて減少することとなる。

ＦＦＴスペクトルにおけるピーク位置の周波数からワークＷ表面と出射側端面３３との間の距離ｄを算出する際には、ノイズによる影響を除去するために、強度が所定の閾値を越えている周波数成分を抽出してピーク位置が決定される。

ピーク位置を決定する際の閾値は、計測対象とする距離ｄの大きさに応じて異ならせても良いが、距離ｄに関わらず一定値である方がオペレータにとって分かり易い。そこで、本実施の形態による光学式変位計１では、光量Ｉ及び波数１／λの関係から得られたＦＦＴスペクトルを測定モニター画面上に表示する際に、ピーク点の強度が距離ｄに関わらず一定となるように周波数解析の結果を補正する処理が行われる。

＜ＦＦＴスペクトルの補正処理＞
図９は、補正後のＦＦＴスペクトルの一例を示した図である。光量Ｉ及び波数１／λの関係を周波数解析することによって得られる補正前のＦＦＴスペクトルに対して、距離に応じて値が異なる所定係数を乗算することにより、補正後のＦＦＴスペクトルが求められる。

補正後のＦＦＴスペクトルでは、ワークＷ表面及び出射側端面３３間の距離ｄに関わらず、ピーク点の強度が一定となることから、共通の閾値Ｔｈを用いてピーク位置における周波数を決定することができる。

図１０は、ワークＷが透光性を有する膜である場合に、ロッドレンズ３２の出射側端面３３から出射される検出光Ｉ_０のうち、出射側端面３３で反射された反射光Ｉ_１と、膜の表面で反射された反射光Ｉ_２と、膜の裏面で反射された反射光Ｉ_３とが干渉光Ｉとして観測される様子を模式的に示した説明図である。

ワークＷが透明膜の場合、透明膜の表面で反射された反射光Ｉ_２と、透明膜の裏面で反射された反射光Ｉ_３とは、それぞれその一部が出射側端面３３を介してロッドレンズ３２に入射され、反射光Ｉ_１及びＩ_２の場合と同様に、干渉光として分光装置４０に伝送される。

分光装置４０では、光量Ｉ及び波数１／λの関係を周波数解析することによって得られるＦＦＴスペクトルからピーク位置における周波数を検出することにより、ワークＷ表面及び出射側端面３３間の距離ｄ_１を算出する場合と同様にして、透明膜の膜厚ｄ_２が算出される。具体的には、距離ｄ_１を誤抽出することなく膜厚ｄ_２を正しく抽出するために、ＦＦＴスペクトルについてピーク検出する際に、計測対象とする距離ｄの範囲を絞り込む所定のマスク処理が行われる。

＜ピーク検出のマスク処理＞
図１１は、図３の分光装置４０における動作の一例を示した図であり、ＦＦＴスペクトルなどの計測結果を表示する測定モニター画面６１が示されている。この測定モニター画面６１は、表示部６０上に表示される入力画面であり、ＦＦＴスペクトルの表示領域６２と、測定値の表示欄６３と、マスク処理におけるパラメータの入力欄６４，６５と、閾値Ｔｈの入力欄６６が配置されている。

表示領域６２には、光量Ｉ及び波数１／λの関係を周波数解析することによって得られるＦＦＴスペクトルが表示される。このＦＦＴスペクトルは、横軸を距離ｄ、縦軸を強度として表示され、表示領域６２内には、ピーク位置を検出するための強度に対する閾値Ｔｈと、ピーク検出時に計測対象とする距離範囲を絞り込むためのマスク位置７１，７２とがそれぞれ破線で示されている。

ＦＦＴスペクトルからピーク位置を検出する場合、まず、強度が閾値Ｔｈを越えている周波数成分が抽出される。そして、抽出した周波数成分について重心位置を求めることにより、ピーク位置における周波数が決定される。ＦＦＴスペクトルから周波数成分を抽出する際、マスク位置７１及び７２で区分された距離範囲内を計測対象として抽出が行われる。

例えば、マスク位置７１とマスク位置７２との間を計測対象として抽出を行うことにより、透明膜の膜厚ｄ_２を示すピークＣ１を抽出することができる。また、マスク位置７２を越える範囲を計測対象として抽出を行うことにより、ワークＷ表面までの距離ｄ_１を示すピークＣ２を抽出することができる。

入力欄６４及び６５は、この様なマスク位置７１，７２を指定するためのパラメータの入力欄となっている。

この例では、マスク位置７１とマスク位置７２との間の区間が計測対象として指定されており、表示領域６２内には、計測対象であることを示すアイコン７３がピークＣ１に対応付けて表示されている。また、表示欄６３には、このピークＣ１から得られた距離が測定値として表示されている。

本実施の形態によれば、ワークＷによる反射光と、ロッドレンズ３２の出射側端面３３による反射光との間の光路差に起因する光の干渉により、反射光は、波長に応じてその強度が周期的に変化することとなる。この様な反射光を分光して波長に対する強度変化の周波数を求めることによって、ワークＷ及び出射側端面３３間の距離を算出することができる。その際、ロッドレンズ３２の中心軸に略平行な光として検出光Ｌを出射させているので、ワークＷと出射側端面３３との間の距離を高い精度で計測することができる。

また、平行光に変換してからビームスプリッタを介してワークＷに向けて検出光を出射させる場合に比べて、ヘッド部３０を小型化することができる。特に、検出光を集光して中心軸に略平行な平行光を出射する集光レンズがロッドレンズ３２として一体的に形成されているので、ヘッド部３０をさらに小型化することができる。

なお、本実施の形態では、検出光を集光して中心軸に略平行な光として検出光Ｌを出射する集光レンズがロッドレンズ３２である場合の例について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。検出光をワークＷに向けて出射する出射側端面が平面であれば、検出光を集光して中心軸に略平行な光として検出光Ｌを出射する集光レンズは、２以上の単レンズを組み合わせた複合レンズであっても良い。

本発明の実施の形態による光学式変位計１の概略構成の一例を示したシステム図である。図１の光学式変位計１の要部における構成例を示した図であり、ヘッド部３０内の構成が示されている。図１の光学式変位計１における分光装置４０の構成例を示した図である。図３の分光装置４０における演算回路５０の構成例を示したブロック図である。出射側端面３３から出射される検出光Ｉ_０のうち、出射側端面３３による反射光Ｉ_１、ワークＷ表面による反射光Ｉ_２が観測される様子を示した説明図である。図３の分光装置４０における動作の一例を示した図であり、測定モニター画面上に表示される計測結果が示されている。ワークＷまでの距離ｄを変化させた場合のＦＦＴスペクトルの一例を示した図であり、距離ｄが異なる複数の周波数解析の結果が重ねて示されている。測定モニター画面上に表示される計測結果の一例を示した図である。補正後のＦＦＴスペクトルの一例を示した図である。出射側端面３３による反射光Ｉ_１、膜の表面による反射光Ｉ_２、膜の裏面による反射光Ｉ_３が観測される様子を模式的に示した説明図である。図３の分光装置４０における動作の一例を示した図であり、ＦＦＴスペクトルなどの計測結果を表示する測定モニター画面６１が示されている。

符号の説明

１光学式変位計
１０本体部
１１ＳＬＤ駆動回路
１２ＳＬＤ
１３ａ，１７コリメータレンズ
１３ｂ集光レンズ
１４コールドミラー
１５ＬＤ駆動回路
１６ＬＤ
１８フェルール
１９ファイバースプリッタ
２０伝送ケーブル
２１コネクタ
３０ヘッド部
３１芯線
３２ロッドレンズ
３３出射側端面
３４筐体
３５支持部
４０分光装置
４１フェルール
４２コリメータレンズ
４３回折格子
４４結像レンズ
４５１次元イメージセンサー
４６イメージセンサー駆動回路
４７アンプ
４８ＡＤコンバータ
４９バッファメモリ
５０演算回路
５１波長波数変換部
５２ＦＦＴ処理部
５３ピーク検出部
５４距離算出部
６０表示部
Ｌ検出光
Ｗワーク

Claims

計測用の検出光として広帯域光を生成する広帯域光源装置と、
上記検出光を集光し、測定対象物に向けて出射する出射側端面が平面の集光レンズと、
上記集光レンズに入射された上記測定対象物による反射光及び上記出射側端面による反射光を分光し、波長分布の特性曲線の周波数を求めて上記測定対象物及び上記出射側端面間の距離を算出する分光装置とを備え、
上記集光レンズは、上記出射側端面から遠ざかるに従って照射スポットが広くなる上記検出光を出射するレンズであることを特徴とする光学式変位計。
上記検出光を伝送する光ファイバーと、
上記広帯域光源装置から伝送された検出光を上記光ファイバーに入射させるとともに、上記集光レンズを介して上記光ファイバーに入射された上記測定対象物による上記反射光及び上記出力側端面による上記反射光を上記分光装置へ伝送するビームスプリッタとを備えたことを特徴とする請求項１に記載の光学式変位計。
上記集光レンズが、中心部から周縁部にかけて屈折率を変化させたロッドレンズであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学式変位計。
上記光ファイバーが、単一モードで上記検出光を伝送するシングルモードファイバーであることを特徴とする請求項２に記載の光学式変位計。
上記広帯域光源装置が、上記広帯域光として近赤外光を生成することを特徴とする請求項４に記載の光学式変位計。
上記検出光の照射位置を上記測定対象物上に表示するためのガイド光として、可視光を生成するガイド光源装置を備えたことを特徴とする請求項５に記載の光学式変位計。
上記集光レンズが、上記出射側端面付近に焦点を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学式変位計。
上記分光装置が、上記測定対象物における膜の表面で反射された反射光と膜の裏面で反射された反射光とを分光し、この分光結果に基づいて上記膜の厚さを算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学式変位計。