JP5674050B2 - 光学式変位計 - Google Patents

Description

本発明は、光学式変位計に関し、詳しくは小型化、低コスト化、高速応答化を図った光学式変位計に関する。

図５は特開平１０−９８２７に記載された従来の光学式変位計の一般的な構成を示す図である。
図５において、Ｘｅランプ等の光源１から発せられた複数の波長成分を含む光は、ピンホール６ａを通過し、ビームスプリッタ３を通って対物レンズ４で集束され、試料５に照射される。

試料５で反射した光はビームスプリッタ３で反射され、ピンホール６ｂを通過して光検出器７に入射する。光検出器７は色フィルタ８と受光センサ９で構成されている。色フィルタ８は三原色分解用のダイクロイックミラーが用いられ、受光センサ９は三原色用の３つの受光センサ９Ｒ，９Ｇ，９Ｂで構成されている。

ここで、一般にレンズの焦点距離ｆは近似的に、
（１／ｆ）＝（ｎ−１）×｛（１／ｒ１）−（１／ｒ２）｝
と表される。ｎはレンズを構成するガラス材質の屈折率であり、ｒ１，ｒ２はレンズの曲率半径である。

このように焦点距離ｆはレンズの屈折率ｎに依存し、しかもレンズの屈折率ｎは、通過する光の波長λに依存するので、光の合焦位置は波長λに応じ光軸方向に異なる位置となる。

図５に示すように、波長λ２の光が試料５の頂部で合焦したとすると、それより短い波長λ１の光は焦点距離が短くなるため試料５の手前（上方）で合焦することになり、長い波長λ３の光は焦点距離が長くなるため試料５の後方（下方）で合焦することになる。

例えば、波長λ１の光をＢ（青）、波長λ２の光をＧ（緑）、波長λ３の光をＲ（赤）とすれば、試料５の頂部で合焦した波長λ２の光が最も多く色分解フィルタ８を介して受光センサ９Ｇに入射される。処理部１０は各受光センサ９Ｂ，９Ｇ，９Ｒが受光した各光量から受光センサ９Ｇの受光量が最も多いことを検知し、試料５の高さを緑色光の合焦位置と決定する。

図６は、他の従来例を示す構成図で、光検出器７にラインセンサを設けるように構成したものである。
図６において、ピンホール６ａを通過して光検出器７に入射した光は、レンズ１１で平行光となり、スペクトル分光器としてのプリズム１２で各波長成分の光に分光され、レンズ１３で集束された後に、ＣＣＤ（電荷結合素子）等からなるラインセンサ１４に入射する。

このような構成において、前述と同様に試料５の頂部で反射した光が波長λ２の緑色光であれば、ラインセンサ１４上の波長λ２に対応する位置に最も多くの光が照射される。従って、予め試料５の高さ位置とラインセンサ１４の受光位置との関係を求めておけば、処理部１０はラインセンサ１４の受光位置から試料５の高さを求めることができる。

図７は特開２０１１−３９０２６に記載された他の従来例を示すもので、光軸上色収差の大きい対物レンズ４では、光波長（色）により、焦点距離が異なり、青色光は近く、赤色光は遠くに合焦する。対物レンズ４に対し、測定対象である試料５と反対側の共焦点は色によらず共通と見做し、ここに、白色又は広帯域の点光源を配置すると、試料５の高さに応じて、試料５に合焦する色が１対１で変わる。そこで、試料５からの反射光が戻るときの共焦点位置にピンホール等の空間フィルタを設けて透過させれば、試料５に合焦した色の光を抽出できるという原理を利用している。

そして、処理部１０内の回折格子等の分光器２６を用いて、色（光波長）を特定することにより、色と１：１の関係にある試料５の高さ（変位）を測定している。

一般的には光ファイバ３０を用い、白色光（広帯域光）をセンサヘッド１５の共焦点まで導いて、光ファイバ端面３０ａのコアをピンホールに見立てて共焦点とし、コリメートレンズ１６に発散光を与える形をとる。

試料５での反射光は、試料５に照射された白色光のうち、試料５に合焦した色の光が選択的に光ファイバ端面３０ａの共焦点位置に集まり、光ファイバコア内に取り込まれ、光ファイバカプラ２４を経由して分光器２６へと導かれる。一方、他の色の光は、光ファイバ端面３０ａのコアが、ピンホールと同等に入射する光を制限するように機能するため、コアの外周で遮られて、光ファイバ３０内に入射することはない。

分光器２６は、光ファイバ３０内に戻った光の波長を検出し、その出力は、電子回路２８に入力されて処理される。

図８は、光ファイバ出射光を平行光とするための色収差の補正されたコリメートレンズ５０と、コリメートされて一方向（Ｚ方向）に伝搬される被測定光を、その伝搬方向Ｚと直交する２方向Ｘ、Ｙの直線偏光にほぼ等分するための、偏光子５２と、偏光子５２出側の２本の直線偏光を透過させて、楕円偏光とするための零オーダーの波長板５４と、波長板５４出側の楕円偏光を、ＸＹ間４５度方向の偏光成分と、ＸＹ間１３５度方向の偏光成分とに分けるための、ＸＹ間４５度方向に傾けて配置した偏光分離素子５６と、各偏光成分の光量をそれぞれ検出するための受光素子５８Ａ、５８Ｂと、受光素子５８Ａ、５８Ｂで検出した光量電圧信号Ａ、Ｂを用いて、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）の演算を行なうアナログ演算回路６０とで構成されている。

特開平１０−９８２７号公報 特開２０１１−３９０２６号公報

ところで、図５に示すダイクロイックミラーにより３経路を用いたものは、比較的大型化となり、ダイクロイックミラーが高価で、測定レンジ精度に限界があり、コストが高くなるという課題がある。
また、図６に示すプリズムと配列型検出器を用いたものは、比較的大型化となり、検出回路が高価で読み出しレートを高速化することができないという課題があった。
また、図８に示す偏光子と波長板を用いたものは、偏光分離素子や波長板が高価であり、偏光子を用いたことによる効率低下を招くという課題があった。

従って本発明は、色収差レンズと非点収差素子と複数の検出部を持つ検出器を用いることにより、コスト減、読み出しレート高速化、小型化を図った光学式変位計を提供することを目的としている。

複数の波長を含む光源と
前記光源からの光を光ファイバ及び色収差のある対物レンズを介して試料に入射し、波長ごとに異なる軸上位置で合焦させる結像光学系と、
前記試料表面からの反射光を前記結像光学系の経路から光ファイバカプラによって空間的に分離する分離手段と、
前記分離手段から出射された反射光を波長ごとに焦点距離を異なる位置にする色収差レンズと、
この色収差レンズを透過した反射光に非点収差を生じさせ、波長に依存した結像形状を生み出す光学素子と、
複数の検出部からなり、前記結像形状の変化によって前記複数の検出部の強度比が変化する検出器と、
前記検出器からの出力を元に距離を算出する演算手段を備えたことを特徴とする。

請求項２においては、請求項１に記載の光学式変位計において、
前記光ファイバ出口が前記試料の表面に対して共焦点位置となるように配置することを特徴とする。

請求項３においては、光学式変位計において、
複数の波長を含む光源と
前記光源からの光を第１ピンポール及び色収差のある対物レンズを介して試料に入射し、波長ごとに異なる軸上位置で合焦させる結像光学系と、
前記試料表面からの反射光を前記結像光学系の経路からビームスプリッタによって空間的に分離する分離手段と、分離後の反射光が焦点を結ぶ位置に配置された第２ピンホールと、
前記第２ピンホールから出射された反射光を波長ごとに焦点距離を異なる位置にする色収差レンズと、
この色収差レンズを透過した反射光に非点収差を生じさせ、波長に依存した結像形状を生み出す光学素子と、
複数の検出部からなり、前記結像形状の変化によって前記複数の検出部の強度比が変化する検出器と、
前記検出器からの出力を元に距離を算出する演算手段を備えたことを特徴とする。

請求項４においては、請求項３記載の光学式変位計において、
前記第１ピンホール出口が前記試料の表面に対して共焦点位置となるように配置することを特徴とする。

請求項５においては、請求項１または請求項３に記載の光学式変位計において、
前記非点収差を発生させる手段は、シリンドリカルレンズであることを特徴とする。

請求項６においては、請求項１または請求項３に記載の光学式変位計において、
前記非点収差を発生させる手段は、光軸上に傾いて配置した平行平板ガラスであることを特徴とする。
請求項７においては、請求項１〜６のいずれかに記載の光学式変位計において、
前記検出器は、４分割フォトダイオードであることを特徴とする。

以上説明したことから明らかなように本発明によれば、複数の波長を含む光源と
前記光源からの光を光ファイバ及び色収差のある対物レンズを介して試料に入射し、波長ごとに異なる軸上位置で合焦させる結像光学系と、
前記試料表面からの反射光を前記結像光学系の経路から光ファイバカプラによって空間的に分離する分離手段と、
前記分離手段からの反射光を色収差レンズ及び非点収差を生じさせる光学素子を介して入射する複数の検出部を持つ検出器からなる反射光結像光学系と、
前記複数の検出部を持つ検出器からの出力を元に距離を算出する演算手段を備えたので、この演算手段が算出した値から対応する波長または距離を算出することができる。

本発明の光学式変位計の実施形態の一例を示す要部構成図である。 反射光が検出器の表面で異なる楕円率となっている状態を示す図である。 本発明の光学式変位計の他の実施形態を示す要部構成図である。 本発明の光学式変位計の他の実施形態を示す要部構成図である。 従来の光学式変位計の構成を示す図である。 従来の光学式変位計の構成を示す図である。 従来の光学式変位計の構成を示す図である。 図７における処理部の要部構成を示す図である。

図１は本発明の光学式変位計を示す構成図である。
図において光源１は複数の波長を含む白色光源である。光源１からの光は光ファイバ３０ａに入射し、その出射口３０ｃから出射して結像光学系４０に導入される。結像光学系４０には対物レンズ（色収差レンズ）４及び，その後段には試料５が配置されており、対物レンズを透過した光は試料５を照射する。

ここで、試料からは例えば波長λ１の光（青）、波長λ２の光（緑）、波長λ３の光（赤）が反射光として生じる。なお、光ファイバ３０ａの出射口３０ｃは点光源とみなすことができ、試料５の表面に対して共焦点位置となるように配置されている。

試料５で反射した反射光は、入射経路と同様の経路を逆に辿り光ファイバ３０ａに形成した光ファイバカプラ２４によって空間的に分離されて、光ファイバ３０ｂを介して反射光結像光学系４１に入射する。光ファイバ３０ｂの出射口３０ｄから出射した反射光は焦点距離を波長ごとに異なる位置にするための色収差レンズ４ａを透過し、更にシリンドリカルレンズ（円柱レンズ）４３を透過する。

シリンドリカルレンズ４３は反射光に非点収差を生じさせ、４分割フォトダイオード４４の表面で波長に依存した結像形状を生み出す。シリンドリカルレンズ４３では断面が非平面となる面に含まれる光は集光するが、断面が平面となる面に含まれる光は集光しない。その結果、シリンドリカルレンズ４３を透過した光を光軸に垂直な面で見た場合、一般的には楕円の強度分布を有する。

シリンドリカルレンズは非点収差を生じさせるために用いており、同様の作用をする素子であれば他のものを用いてもよい。光軸について回転対象でない光学系であればよく、一例として、光軸上に傾いて配置した平行平板ガラスを用いても非点収差を生じさせることができる。

図２は図１に示す光ファイバ３０ｂの出射口３０ｄから出射した反射光が色収差レンズ４ａを透過してシリンドリカルレンズ（円柱レンズ）４３を透過し、４分割フォトダイオード４４の表面で異なる楕円率となっている状態を示している。

４分割フォトダイオード４４からの出力はそれぞれ演算手段４２に入力され、各素子の出力が演算され検出面上の像形状についての情報を得ることができる。たとえば図２の素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの出力から、（（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ））／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）という演算をすれば、縦長形状のとき正の値、横長形状のとき負の値となる。このような計算結果から波長を特定することができるので、最終的に高さを求めることができる。なお、演算手段としては電気回路やパソコン、マイクロコントローラなどを用いても良い。

検出素子は４分割フォトダイオードに限らず、結像形状の変化によって複数の検出部の強度比が変化すればよい。例えば２分割フォトダイオードを用いてもよい。

図３、図４は他の実施例を示すもので、これらの例においては光ファイバの替わりにピンホールを用いた点、反射光をビームスプリッタを用いて分離する点及び分離された反射光をピンホールを介して結像光学系に入射させる点が異なっている。
図３では、光源１からの光を第１ピンホール６ａを通して結像光学系４０へ導入し、図４では結像光学系４０に直接第１ピンホール６ａを設ける。そしてこれらのピンホールは試料表面に対して共焦点位置となるように配置する。

また、反射光を空間的に経路分離する手段として、ピンホール６ａから試料表面までの間にビームスプリッタ３を配置し、ビームスプリッタ３で分離された反射光が焦点を結ぶ位置に第２ピンホール６ｂを配置する。これ以降の反射光結像光学系の構成と機能は図１に示すものと同様なのでここでの説明は省略する。

図２、図３に示すような構成においても図１に示す光学式変位計と同様に機能する。
上述の構成によれば、反射光結像光学系を構成する色収差および非点収差を作る光学素子や光電変換素子は低コストのものが使用可能なので市販の分光器よりも低いコストで構成することができる。

また、４分割フォトダイオードは、分光器に使われる数百〜数千の素子配列に比べて低価格で高速に動作できる。
更に単純な光学系であるため、光学系が小型軽量となり組み込み用のセンサとして応用可能である。

本発明の光学式変位計はシート状または薄板状の測定対象に対して、その表面とセンサとが相対的に移動しながら測定することにより正確な高さ測定が可能である。
また、シート状または薄板状の測定対象に対して、一対のセンサで測定対象を挟んで両側に配置して各々測定することで、測定対象の厚みを算出することができる。
また、両側に配置したセンサ同士が光源光結像光学系の光軸方向で相対的に変位する可能性があるとき、センサ同士の距離を測定する手段を別途設けることで測定対象の厚みを正しく算出できる

なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。例えば入射光経路や反射光経路の途中にコリメートレンズを配置してコリメート区間を設けても良い。
従って本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。

１ 光源
３ ビームスプリッタ
４ 対物レンズ（色収差レンズ）
５ 試料
６ ピンホール
７ 光検出器
８ 色フィルタ
９ 受光センサ
１０ 処理部
１１、１３ レンズ
１２ プリズム
１４ ラインセンサ
１５ センサヘッド
１６ コリメートレンズ
２４ 光ファイバカプラ
２８ 電子回路
３０ 光ファイバ
３０ａ、３０ｄ 出射口
４０ 結像光学系
４１ 反射光結像光学系
４２ 演算手段
４３ シリンドリカルレンズ
４４ ４分割フォトダイオード
５０ コリメートレンズ
５２ 偏光子
５４ 波長板
５６ 偏光分離素子
５８ 受光素子
６０ アナログ演算回路

Claims (7)

1. 複数の波長を含む光源と
   前記光源からの光を光ファイバ及び色収差のある対物レンズを介して試料に入射し、波長ごとに異なる軸上位置で合焦させる結像光学系と、
   前記試料表面からの反射光を前記結像光学系の経路から光ファイバカプラによって空間的に分離する分離手段と、
   前記分離手段から出射された反射光を波長ごとに焦点距離を異なる位置にする色収差レンズと、
   この色収差レンズを透過した反射光に非点収差を生じさせ、波長に依存した結像形状を生み出す光学素子と、
   複数の検出部からなり、前記結像形状の変化によって前記複数の検出部の強度比が変化する検出器と、
   前記検出器からの出力を元に距離を算出する演算手段を備えたことを特徴とする光学式変位計。
2. 前記光ファイバ出口が前記試料の表面に対して共焦点位置となるように配置することを特徴とする請求項１に記載の光学式変位計。
3. 複数の波長を含む光源と
   前記光源からの光を第１ピンポール及び色収差のある対物レンズを介して試料に入射し、波長ごとに異なる軸上位置で合焦させる結像光学系と、
   前記試料表面からの反射光を前記結像光学系の経路からビームスプリッタによって空間的に分離する分離手段と、分離後の反射光が焦点を結ぶ位置に配置された第２ピンホールと、
   前記第２ピンホールから出射された反射光を波長ごとに焦点距離を異なる位置にする色収差レンズと、
   この色収差レンズを透過した反射光に非点収差を生じさせ、波長に依存した結像形状を生み出す光学素子と、
   複数の検出部からなり、前記結像形状の変化によって前記複数の検出部の強度比が変化する検出器と、
   前記検出器からの出力を元に距離を算出する演算手段を備えたことを特徴とする光学式変位計。
4. 前記第１ピンホール出口が前記試料の表面に対して共焦点位置となるように配置することを特徴とする請求項３記載の光学式変位計。
5. 前記非点収差を発生させる手段は、シリンドリカルレンズであることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の光学式変位計。
6. 前記非点収差を発生させる手段は、光軸上に傾いて配置した平行平板ガラスであることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の光学式変位計。
7. 前記検出器は、４分割フォトダイオードであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光学式変位計。