JP6256316B2 - 変位センサ及び変位測定装置 - Google Patents

Description

この発明は、対象物までの距離の変位を測定する変位センサ及び変位測定装置に関する。

産業界で最も一般的に使われている測距方法の一つに、三角測量方式と呼ばれる方式がある。この方式は、光源からの出射光を集光した投光ビームを照射光として対象物に照射し、照射光の光軸に対して斜め方向に光軸を持つ受光光学系により、対象物上の照射光のスポットの位置を測定して、対象物までの距離の変位を測定する方式である。照射光のスポットの位置は、１次元イメージセンサなどを用いて測定される。

しかし、三角測量方式では、表面が完全な平面ではない対象物に対しては、測定精度が低下する場合がある。これに対して、例えば、特許文献１には、同一平面内に光軸を持つ複数の照射光を対象物に照射することで、照射光の影になる部分の測定精度を向上する変位センサが記載されている。

特開２００８−１７５６０４号公報

しかし、特許文献１に記載の変位センサは、表面に微細な筋状の形状を有する対象物に対して、十分な測定精度が得られない場合があるという課題があった。例えば、測定対象物が金属粗面である場合、一般にその表面は研削機で加工されるため、一方向に筋状の加工痕を持つ。この加工痕は、数ミクロン程度の幅、深さを持つ溝であり、溝の方向と垂直な方向には微細な凹凸が存在する。このような測定対象物に照射光が照射されると、変位センサで受光される反射光の強度分布は、加工痕と平行な方向には安定した強度となるが、加工痕と垂直な方向には変動が大きく、不安定な強度となる。したがって、対象物の高さが変位した場合に、照射光が照射される位置が加工痕と平行な方向に移動するように対象物を配置しないと、測定結果が不安定となり、十分な測定精度が得られない。測定現場においてはさまざまな加工痕の向きの測定対象物があり、加工痕の向きを常に一定とすることは困難となる。特許文献１に記載の変位センサでは、複数の照射光の光軸が同一平面内にあるため、加工痕の向きによって必ずしも十分な測定精度が得られなかった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、測定対象物の表面に微細な筋状の形状が存在する場合に、筋状の形状の向きに関わらず高精度に測定対象物の表面の変位を測定できる変位センサを提供することを目的とする。

本発明における変位センサは、互いに異なる方向から被照射面に照射される第１の照射光と第２の照射光とを含む集光された複数の照射光を照射する投光光学系と、撮像素子を備えて複数の照射光が被照射面で反射された反射光を撮像素子の受光面に集光する受光光学系とを備え、第１の照射光の光軸と受光光学系の光軸とがなす第１の平面と第２の照射光の光軸と受光光学系の光軸とがなす第２の平面とが直角に交わり、第１の照射光及び第２の照射光は第１の照射光の光軸と第２の照射光の光軸とが交わる点で集光され、受光面における反射光の集光位置の変位を計測することで被照射面の変位を測定するものである。

本発明における変位センサによれば、互いに異なる方向から被照射面に照射される第１の照射光と第２の照射光とを含む集光された複数の照射光を照射する投光光学系と、撮像素子を備えて複数の照射光が被照射面で反射された反射光を撮像素子の受光面に集光する受光光学系とを備え、第１の照射光の光軸と受光光学系の光軸とがなす第１の平面と第２の照射光の光軸と受光光学系の光軸とがなす第２の平面とが直角に交わり、第１の照射光及び第２の照射光は第１の照射光の光軸と第２の照射光の光軸とが交わる点で集光され、受光面における反射光の集光位置の変位を計測するので、測定対象物の表面に微細な筋状の形状が存在する場合に、筋状の形状の向きに関わらず高精度に測定対象物の表面の変位を測定できる。

本発明の実施の形態１による変位センサの構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１による変位センサにおける投光光学系の構成と照射光の光路を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１による変位センサにおける受光光学系の構成と反射光の光路を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１による変位センサにおける第１の照射光の光路を示す図である。 本発明の実施の形態１による変位センサにおける第２の照射光の光路を示す図である。 本発明の実施の形態１による変位センサにおける三角測量の原理を説明するための図である。 本発明の実施の形態１による変位センサにおけるワーク上の集光スポットの位置の変化を示す図である。 本発明の実施の形態１による変位センサにおける２次元イメージセンサの受光面上での集光スポットの像の位置の変化を示す図である。 本発明の実施の形態１による変位センサにおけるワークの表面の加工痕を示す図である。 本発明の実施の形態１による変位センサにおけるワークの表面の高さの分布を示す図である。 本発明の実施の形態１による変位センサにおけるワーク上の異なる位置に照射される集光スポットに対する受光強度の分布を示す図である。 本発明の実施の形態１による変位センサを用いた変位測定装置を示す図である。 本発明の実施の形態１による変位センサにおいてワークの面取り部を測定する場合を示す模式図である。 本発明の実施の形態２による変位センサの構成を示す図である。 本発明の実施の形態２による変位センサにおける照射光の光路を示す図である。 本発明の実施の形態２による変位センサにおけるワークから２次元イメージセンサまでの光路を示す図である。 本発明の実施の形態２による変位センサにおけるワークからフォトダイオードまでの光路を示す図である。 本発明の実施の形態２による変位センサにおける結像アパーチャアレイ及び結像レンズアレイの拡大図である。 本発明の実施の形態２による変位センサにおける集光レンズから２次元イメージセンサまでの光路を説明するための模式図である。 本発明の実施の形態２による変位センサにおける２次元イメージセンサの受光面上の像を示す模式図である。 集光レンズから２次元イメージセンサまでの光路の比較例を説明するための模式図である。 本発明の実施の形態２による変位センサにおいてワークが変位した場合の２次元イメージセンサの受光面上の像を示す模式図である。 本発明の実施の形態２による変位センサにおける第５の照射光による像の変位を示す模式図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による変位センサ１００の構成を示す斜視図である。本実施の形態の変位センサ１００は、光源１と、コリメートレンズアレイ２と、アパーチャアレイ３と、ビームスプリッター４と、対物レンズ５と、集光レンズ７と、２次元イメージセンサ８とを備える。変位センサ１００は、平面上に配置されたワーク６の上面に複数の照射光を照射し、反射された反射光を撮像素子である２次元イメージセンサ８で検出する。ワーク６が測定対象物であり、ワーク６の上面が照射光の被照射面となる。光源１は、４つの点光源１０１、１０２、１０３、１０４で構成されている。点光源１０１、１０２、１０３、１０４は、例えば、それぞれレーザダイオード（ＬＤ）である。

ここで、ワーク６が配置される平面に平行な方向をＸ方向、Ｙ方向とし、ワーク６が配置される平面に対して垂直な方向をＺ方向とする。Ｘ方向とＹ方向とは直交する。また、ワーク６から変位センサ１００へ向かう方向（図１の上側に向かう方向）を＋Ｚ方向、変位センサ１００からワーク６へ向かう方向を−Ｚ方向とする。

光源１から光が出射し、複数の照射光がワーク６に照射されるまでの光学系を投光光学系２００とする。図２は、本実施の形態の変位センサ１００における投光光学系２００の構成と照射光の光路を示す斜視図である。投光光学系２００は、光源１と、コリメートレンズアレイ２と、アパーチャアレイ３と、ビームスプリッター４と、対物レンズ５とを備える。点光源１０１、１０２、１０３、１０４からの出射光は、それぞれコリメートレンズアレイ２が備える４つのレンズで平行光にコリメートされる。

コリメートレンズアレイ２で平行光にコリメートされた４つの光線束は、４つの円形の開口を有するアパーチャアレイ３によって、それぞれのビーム直径（光線束の直径）が規定される。アパーチャアレイ３を通った４つの光線束は、ビームスプリッター４によって−Ｚ方向に反射された後に、対物レンズ５でワーク６の上面に集光されて４つの照射光となる。対物レンズ５の焦点位置において、４つの光線束は１点で交わりかつそれぞれ集光される。ここで、点光源１０１からの出射光によって生成された照射光を第１の照射光、点光源１０２からの出射光によって生成された照射光を第２の照射光、点光源１０３からの出射光によって生成された照射光を第３の照射光、点光源１０４からの出射光によって生成された照射光を第４の照射光と呼ぶ。４つの照射光はワーク６の上面で拡散反射され、反射光が発生する。

ワーク６の上面からの反射光を受光し、２次元イメージセンサ８で検出するまでの光学系を受光光学系３００とする。図３は、本実施の形態の変位センサ１００における受光光学系３００の構成と反射光の光路を示す斜視図である。受光光学系３００は、対物レンズ５と、ビームスプリッター４と、集光レンズ７と、２次元イメージセンサ８とを備える。なお、ビームスプリッター４及び対物レンズ５は、投光光学系２００と受光光学系３００とで共有される。ワーク６の上面で拡散反射された反射光の一部は対物レンズ５に再度入射し、対物レンズ５で平行光にコリメートされる。平行光にコリメートされた反射光は、ビームスプリッター４に入射する。ビームスプリッター４で分割された光線束のうち＋Ｚ方向に進む光線束は、集光レンズ７によって、２次元イメージセンサ８の受光面に集光される。

次に、複数の照射光について述べる。図４は、本実施の形態の変位センサ１００における第１の照射光の光路を示す図である。図４において、図４Ａは斜視図、図４ＢはＹＺ平面における平面図、図４ＣはＸＺ平面における平面図である。図４Ｂに示されているように、点光源１０１からの出射光によって生成された第１の照射光は、ＹＺ平面において−Ｙ方向からワーク６の上面に斜めに入射する。

図５は、本実施の形態の変位センサ１００における第２の照射光の光路を示す図である。図５において、図５Ａは斜視図、図５ＢはＹＺ平面における平面図、図５ＣはＸＺ平面における平面図である。図５Ｃに示されているように、点光源１０２からの出射光によって生成された第２の照射光は、ＸＺ平面において＋Ｘ方向からワーク６の上面に斜めに入射する。

図示されていないが、点光源１０３からの出射光によって生成される第３の照射光は、図４と同様にＹＺ面内で＋Ｙ方向からワーク６の上面に斜め入射し、点光源１０４からの出射光によって生成される第４の照射光は、図５と同様にＸＺ面内で−Ｘ方向からワーク６の上面に斜め入射する。４つの点光源１０１、１０２、１０３、１０４は、順次点灯され、一回点灯されるごとに２次元イメージセンサ８で集光スポットの像１２が取得され、その輝度重心位置が計算される。

なお、投光光学系２００のうち、光源１０１から光が出射されて、ワーク６の上面に第１の照射光が照射されるまでの光学系を第１投光部と呼ぶ。また、投光光学系２００のうち、光源１０２から光が出射されて、ワーク６の上面に第２の照射光が照射されるまでの光学系を第２投光部と呼ぶ。また、投光光学系２００のうち、光源１０３から光が出射されて、ワーク６の上面に第３の照射光が照射されるまでの光学系を第３投光部と呼ぶ。また、投光光学系２００のうち、光源１０４から光が出射されて、ワーク６の上面に第４の照射光が照射されるまでの光学系を第４投光部と呼ぶ。なお、対物レンズ５は、第１投光部、第２投光部、第３投光部及び第４投光部で共用されている。すなわち、投光光学系２００では、１枚の対物レンズ５によって複数の照射光を集光している。

このように斜めから照射された照射光の集光スポットをワーク６の上面に対して垂直方向の光軸をもつ受光光学系３００で撮像すると、三角測量の原理によりワーク６までの距離を計測することができる。本実施の形態の変位センサにおいて、受光光学系３００の光軸は、対物レンズ５及び集光レンズ７の中心軸となる。また、ワーク６の上面に対して垂直方向とは、ワーク６の微細な凸凹は除き、ワーク６の平均的な面に対して垂直方向という意味である。

図６は、本実施の形態の変位センサ１００における三角測量の原理を説明するための図であり、変位センサ１００をＹＺ平面で見た平面図である。第１投光部で生成される投光ビームの光線束である第１の照射光を例として、図６を用いて三角測量の原理を説明する。第１の照射光の光軸９と受光光学系３００の光軸１０とがなす角をθとする。例えば、θ＝１０度である。本実施の形態の変位センサにおいては、受光光学系３００の光軸１０とワーク６の上面の法線方向は一致している。

第１の照射光がワーク６の上面に対して斜めθの角度で照射されているので、ワーク６の上面が＋Ｚ方向にｄＺだけ変位すると、ワーク６の上面上で第１の照射光が照射される集光スポットの位置が−Ｙ方向にｄＺ×ｔａｎθだけ移動する。図７は、本実施の形態の変位センサ１００におけるワーク６上の集光スポットの位置の変化を示す図であり、ワーク６の上面をＸＹ平面で見た平面図である。ワーク６の上面が＋Ｚ方向に変位すると、ワーク６上で第１の照射光が照射される集光スポットは、１１ａから１１ｂへと移動する。

受光光学系３００により、ワーク６の上面の像が２次元イメージセンサ８に作られる。ワーク６の上面が＋Ｚ方向にｄＺだけ変位すると、２次元イメージセンサ８の受光面上の集光スポットの像は＋Ｙ方向にｄＹだけ移動する。図８は、本実施の形態の変位センサ１００における２次元イメージセンサ８の受光面上での集光スポットの像の位置の変化を示す図であり、２次元イメージセンサ８の受光面をＸＹ平面で見た平面図である。ワーク６の上面が＋Ｚ方向に変位すると、２次元イメージセンサ８の受光面上で集光スポットの像は、１２ａから１２ｂへと移動する。受光光学系３００の転写倍率をＭとすると、２次元イメージセンサ８の受光面上での集光スポットの像の移動量ｄＹは、ｄＹ＝Ｍ×ｄＺ×ｔａｎθとなる。このように、２次元イメージセンサ８の受光面上での集光スポットの像の移動距離ｄＹを測定することで、ワーク６の上面の変位を知ることができる。ここで、角度θが大きければ大きいほど集光スポットの像の移動量ｄＹが大きいので、ワーク６の上面の変位ｄＺに対して感度が高くなり、より精度の高い測定ができる。

本実施の形態の変位センサ１００の特徴は、図４及び図５に示したように、ＸＹ面内で直交する２方向からの投光ビームによって、距離を計測することである。すなわち、本実施の形態の変位センサ１００では、第１の照射光の光軸と受光光学系の光軸とがＹＺ平面上にあり、第２の照射光の光軸と前記受光光学系の光軸とがＸＺ平面上にあり、ＹＺ平面とＸＺ平面とが直角に交わっている。測定対象物が金属粗面を有する場合、一般にその表面は研削機で加工されるため、一方向に加工痕を持つ。ここで、ワーク６の上面はＹ方向に加工痕を持つものとする。

図９は、本実施の形態の変位センサ１００におけるワーク６の表面の加工痕を示す図であり、ワーク６の表面の顕微鏡写真を２値化したものである。図９に示すように、測定対象となるワーク６の表面には、Ｙ方向に研削による加工痕の筋が見られる。図１０は、本実施の形態の変位センサ１００におけるワーク６の表面の高さの分布を示す図である。図１０は、図９に示したワーク表面の所定のＹ位置において、Ｘ方向の位置の変化に対する高さの分布を示す。図１０の横軸はＸ方向の位置であり、縦軸はワーク６の表面の高さ（Ｚ方向の位置）である。図１０に示すように、ワーク６の表面には、Ｘ方向の位置の変化に対して、高さ３μｍ程度の微小な凹凸がある。

図１１は、本実施の形態の変位センサ１００においてワーク６上の異なる位置に照射される集光スポットに対する受光強度の分布を示す図である。図１１の横軸は集光スポットの中心を基準としたＸ方向の位置であり、縦軸は光の強度である。図１１の点線は、ワーク６に照射される照射光の集光スポットにおける照射光の強度分布を表す。図１１の破線は、ワーク６上の第１の位置に照射光を照射した場合に、受光光学系３００で受光される光のＸ方向の強度分布を表す。図１１の実線は、ワーク６上の第２の位置に照射光を照射した場合に、受光光学系３００で受光される光のＸ方向の強度分布を表す。ワーク上の第１の位置と第２の位置とでは、Ｘ方向の位置のみが異なる。

図１１に示すように、照射光の集光スポットは左右対称な強度分布であったとしても、Ｘ方向に凹凸のあるワークで拡散反射される光のうち受光光学系に入射する光線で形成される像は、Ｘ方向の位置により強度分布が大きく異なったものとなる。例えば、第１の位置に対して受光される光の強度分布（図１１の破線）でＸ方向の輝度重心位置を計算すると、Ｘ＝−２μｍとなる。一方、第２の位置に対して受光される光の強度分布（図１１の実線）でＸ方向の輝度重心位置を計算すると、Ｘ＝＋２μｍとなる。

このようにワーク６の高さは一定のままでも、ワーク６の表面上のどこに照射光が照射されるかで、Ｘ方向の輝度重心位置が変化し、そこから算出されるワーク６の高さ変位値も変化する。すなわち、図５のようなワーク６に対してＸ方向に斜めに入射する投光系においては、Ｙ方向に研削による加工痕の筋がある場合に、安定した測定値を得ることができず、変位の測定精度が悪化する。一方、Ｙ方向に対してはワーク６表面の微細な形状による高さはほとんど変化しないので、照射光の集光スポットの位置がＹ方向に移動しても、その輝度重心位置は変化しない。よって、図４のようなワーク６に対してＹ方向に斜めに入射する投光系においては、変位の測定値は安定する。

ここで、ワーク６の設置方向は、上述の例のようにＹ方向に加工痕の筋のある場合もあれば、Ｘ方向に加工痕の筋のある場合もある。よって、Ｘ方向とＹ方向の２つの直交する方向から斜めにワーク６に照射光を照射する投光系（投光部）を両方備えておけば、どちらの方向にサンプルの加工痕があったとしても、どちらかの投光系を選択することで、ワーク６を回転することなく安定した変位出力を得ることができる。Ｘ方向又はＹ方向のどちらの投光系を用いるかは、あらかじめワーク６の加工痕の向きが分かっている場合は、その情報を使って加工痕の向きと同じ方向に斜め入射する投光系を用いれば良い。ワーク６の加工痕の向きが分からない場合は、Ｘ方向及びＹ方向の両方の投光系で高さを変化させずに測定を行い、測定値のばらつきを求めれば、測定値のばらつきの小さい方が加工痕の向きであると推定することができる。

図２に示す投光光学系２００においては、光源１からアパーチャアレイ３までの光路が、複数の照射光のそれぞれで独立している。点光源１０１、１０２、１０３、１０４は、レーザダイオード（ＬＤ）を用いることができる。この構成によれば、４つのＬＤそれぞれに設けられた駆動回路を備え、各駆動回路が所定のタイミングで駆動電流をオン・オフするだけで高速に発光のオン・オフをすることができる。したがって、どの方向からの照射光で測定するのかを高速に切り替えることができるという利点がある。一方、アパーチャアレイ３から後の光路においては、ビームスプリッター４及び対物レンズ５が共用されており、部品点数が削減され、変位センサを小型化できるという大きな利点がある。

一方、光源１に備えるＬＤを一つとし、ＬＤから出射される発散光をコリメートする一枚のコリメートレンズを置いて平行光とし、そのあとにアパーチャアレイ３を置く構成も可能である。この場合、どの方向からの照射光を用いるかを選択するために、例えばアパーチャアレイ３のそれぞれの開口部に機械的なシャッターを設けることができる。このように構成すれば、ＬＤは点灯したままで、どの開口のシャッターを開けるかによってどの方向から照射光を照射するかを選択することが可能である。

図１２は、本実施の形態の変位センサ１００を用いた変位測定装置を示す図である。変位センサ１００を用いた変位測定装置においては、照射光の焦点近傍で変位を測定できるように、変位センサ１００を駆動ステージ（Ｚ軸ステージ）１３に設置し、変位センサ１００をＺ軸方向に精密に移動できるように構成することが望ましい。照射光が斜めから照射されるので、ワーク６の上面が照射光の焦点位置から大きくずれると、照射光が照射される集光スポットと、受光光学系３００の光軸１０がワーク６の上面と交わる点とのずれが大きくなるからである。駆動ステージ１３の移動量と、変位センサ１００から演算される値とを加算した値が測定点の変位量となる。

また、本実施の形態の変位センサ１００のようにＸ方向とＹ方向との２方向から照射光を照射して変位を測定することは、ワーク６のエッジ部に形成された面取り部など、斜めの部位の高さを計測する時にも利点がある。図１３は、本実施の形態の変位センサ１００においてワーク６の面取り部を測定する場合を示す模式図である。図１３は、Ｘ方向に４５度の斜面のある面取り部６０に対し、＋Ｘ方向から照射光を照射する場合の模式図を示す。図１３において、対物レンズ５から面取り部６０への矢印は、照射光の光軸を表す。

対物レンズ５の中心を通る光軸５１が面取り部６０と交わる点の高さはＺ＝Ｚ１であり、この値Ｚ１を求めたい。なお、本実施の形態の変位センサ１００において、対物レンズ５の中心を通る光軸５１は、受光光学系３００の光軸１０と同じとなる。しかし、面取り部６０の位置が照射光の焦点位置からずれていると、図１３から明らかなように、照射光が照射される位置はＺ＝Ｚ１の平面よりも上にあるＺ＝Ｚ２の位置である。このとき、三角測量により変位センサ１００で計算される高さはＺ＝Ｚ２であり、誤った値が算出される。この不具合を解消するためには、変位センサ１００をＺ軸方向に動く駆動ステージ１３に設置し、常に焦点近傍で測定をおこなうようにフィードバック制御を行う必要がある。

このような場合には、Ｙ方向に斜めから照射される照射光を用いれば良い。照射光の光軸はＸ方向には傾いていないので、Ｘ方向に傾斜のある斜面でも、ＸＺ平面内では照射光の照射される位置は光軸５１上にある。ワーク６が高さ方向（Ｚ方向）に変位することより、Ｙ方向に投光ビームの照射される位置がずれ、それに伴い２次元イメージセンサ８の受光面上においてＹ方向に撮像スポットの位置がずれるので、その変位量から高さを検出することができる。ただ、この場合においても、Ｙ方向においては測定位置が光軸からずれているので、できるだけ焦点位置になるようＺ軸ステージ１３でフィードバック制御をかける方が望ましい。

以上のように、本実施の形態の変位センサ１００によれば、互いに異なる方向から被照射面に照射される第１の照射光と第２の照射光とを含む集光された複数の照射光を照射する投光光学系と、撮像素子を備えて複数の照射光が被照射面で反射された反射光を撮像素子の受光面に集光する受光光学系とを備え、第１の照射光の光軸と受光光学系の光軸とがなす第１の平面と第２の照射光の光軸と受光光学系の光軸とがなす第２の平面とが直角に交わり、受光面における反射光の集光位置の変位を計測するので、測定対象物の表面に微細な筋状の形状が存在する場合に、筋状の形状の向きに関わらず高精度に測定対象物の表面の変位を測定できる。なお、本実施の形態の変位センサ１００によれば、ＹＺ平面が第１の平面となり、ＸＺ平面が第２の平面となる。

また、本実施の形態の変位センサ１００では、投光光学系２００は、第３の照射光と第４の照射光とをワーク２の上面に照射するように構成されている。第３の照射光の光軸は、第１の平面上にあり、受光光学系の光軸に対して第１の照射光の光軸の反対側に存在する。また、第４の照射光の光軸は、第２の平面上にあり、受光光学系の光軸に対して第２の照射光の光軸の反対側に存在する。第３の照射光及び第４の照射光は必須ではないが、これらも用いることで、照射光を照射した際にワーク６表面の傾斜などによって影が発生するのを軽減することができる。また、第３の照射光及び第４の照射光も用いることで、変位測定に用いるデータ数を増やすことができる。この結果、より安定した高精度の測定が可能となる。

前述の通り、測定対象物が金属粗面である場合、一般にその表面は研削機で加工されるため、一方向に加工痕を持つ。その加工痕は、数ミクロン程度の幅、深さを持つ溝であり、ここに光ビームが照射されると、その反射散乱光はその加工痕を反映した分布となる。受光光学系で検出される集光スポットの光強度分布は、Ｙ方向には一様であるが、Ｘ方向にムラのあるものとなる。このような集光スポットの輝度重心位置は、Ｙ方向には安定するが、Ｘ方向には不安定になる。

よって、従来の三角測量による変位センサにおいては、測定対象物のＺ方向の変位に対して集光スポットの変位する方向がＹ方向となるように変位センサと被測定物が配置されている場合には、計測値は安定したものとなる。しかし、実際の測定現場においてはさまざまな加工痕の向きの測定対象物があり、集光スポットの変位方向がＸ方向となる場合もありうる。この場合、従来の変位センサにおいては、集光スポットの輝度ムラを反映して、変位の測定精度が悪化してしまう。本実施の形態の変位センサは、このような測定精度の悪化を改善するものである。

本実施の形態の変位センサ１００では、第１の照射光の光軸と受光光学系の光軸とから生成される第１の平面と、第２の照射光の光軸と受光光学系の光軸とから生成される第２の平面とが直交するように構成しているが、必ずしもこれに限定されるものではない。第１の平面と第２の平面とが交わるように変位センサが構成されれば、測定精度を向上することができる。しかし、点光源を大幅に増やすことなく、より高精度の測定を行うためには、第１の平面と第２の平面とが直交していることが望ましい。

また、本実施の形態の変位センサ１００は、表面に一方向の加工痕を有する測定対象物のみでなく、表面に他の微細形状を有する測定対象物に対しても効果を有する。例えば、本実施の形態の変位センサ１００は、表面に同心円状の加工痕を有する測定対象物に対しても有する。このような測定対象物に対しては、変位センサ１００は、どの照射光を測定に使用するかを測定位置ごとに選択すればよい。また、本実施の形態の変位センサ１００では、投光光学系２００と受光光学系３００とは、対物レンズ５を共用している。このような構成とすることで、変位センサ１００を小型化することができる。

実施の形態２．
図１４は、本発明の実施の形態２による変位センサ１００ｂの構成を示す図である。図１４において、図１４Ａは斜視図であり、図１４ＢはＹＺ平面における平面図である。本実施の形態の変位センサ１００ｂは、実施の形態１における変位センサ１００とは、光源１ｂ、コリメートレンズアレイ２ｂ、アパーチャアレイ３ｂの構成が異なる。また、本実施の形態の変位センサ１００ｂは、第２ビームスプリッター２１と、結像アパーチャアレイ２２と、結像レンズアレイ２３と、第２集光レンズ２４と、フォトダイオード２５とを備える点で、実施の形態１における変位センサ１００とは異なる。その他の構成部分については、実施の形態１における変位センサ１００と同様のため同じ符号を付加し、その説明は省略する。また、実施の形態１と同様に、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向を定義する。

光源１ｂは、５つの点光源１０１〜１０５を備える。４つの点光源１０１〜１０４は、実施の形態１の変位センサ１００と同様に配置され、その中央に点光源１０５が配置される。点光源１０１〜１０５は、例えば、それぞれレーザダイオード（ＬＤ）である。コリメートレンズアレイ２ｂは、点光源１０１〜１０５のそれぞれに対応して５つのレンズを備える。また、アパーチャアレイ３ｂは、点光源１０１〜１０５のそれぞれに対応して５つの開口部を備える。

図１５は、本実施の形態の変位センサ１００ｂにおける照射光の光路を示す図である。図１５において、図１５Ａは斜視図であり、図１５ＢはＹＺ平面における平面図である。点光源１０１〜１０５から放出された光線束は、コリメートレンズアレイ２ｂ、アパーチャアレイ３ｂを通過した後、それぞれ平行光となってビームスプリッター４に入射する。ビームスプリッター４で反射された光線束は、対物レンズ５を介してワーク６の上面に照射される。点光源１０１〜１０５は、順次点灯される。本実施の形態の変位センサ１００ｂにおける投光光学系は、光源１ｂと、コリメートレンズアレイ２ｂと、アパーチャアレイ３ｂと、ビームスプリッター４と、対物レンズ５とを備える。

図１６は、本実施の形態の変位センサ１００ｂにおけるワーク６から２次元イメージセンサ８までの光路を示す図である。図１６において、図１６Ａは斜視図であり、図１６ＢはＹＺ平面における平面図である。ただし、図１６Ｂにおいては、図の煩雑さを避けるため、光線束の一部の光路のみを示した。なお、図１６には、対物レンズ５の中心と集光レンズ７の中心を通る軸１５も一点鎖線で示している。ワーク６で拡散反射された光線は、図１６で示される光路を通って、２次元イメージセンサ８に到達する。図１６で示される光路により、高精度な変位測定を行うことができる。この光学系を高精度変位測定系と呼ぶ。高精度変位測定系は、対物レンズ５と、ビームスプリッター４と、集光レンズ７と、第２ビームスプリッター２１と、結像アパーチャアレイ２２と、結像レンズアレイ２３と、２次元イメージセンサ８とを備える。

また、図１７は、本実施の形態の変位センサ１００ｂにおけるワーク６からフォトダイオード２５までの光路を示す図である。図１７において、図１７Ａは斜視図であり、図１７ＢはＹＺ平面における平面図である。ワーク６で拡散反射された光線は、図１７で示される光路を通って、フォトダイオード２５に到達する。図１７で示される光路では、高速で広範囲の変位計測を行うことができる。この光学系を広範囲変位測定系と呼ぶ。広範囲変位測定系は、対物レンズ５と、ビームスプリッター４と、集光レンズ７と、第２ビームスプリッター２１と、第２集光レンズ２４と、フォトダイオード２５とを備える。本実施の形態の変位センサ１００ｂにおける受光光学系は、高精度変位測定系と、広範囲変位測定系とを備える。受光光学系の構成要素の一部は、高精度変位測定系と、広範囲変位測定系とで共用される。受光光学系の光軸は、軸１５となる。また、軸１５の方向は、ワーク６の上面に対して垂直方向となる。

次に、高精度変位測定系について説明する。図１６に示すように、高精度変位測定系を通る光は、集光レンズ７を通った後に、結像アパーチャアレイ２２と、結像レンズアレイ２３とを通り、２次元イメージセンサ８で受光される。図１８は、本実施の形態の変位センサ１００ｂにおける結像アパーチャアレイ２２及び結像レンズアレイ２３の拡大図である。図１８において、図１８Ａは斜視図であり、図１８ＢはＸＹ平面における平面図である。結像アパーチャアレイ２２は、４つの結像アパーチャ２２１、２２２、２２３、２２４を備える。結像アパーチャは、円形の開口である。結像レンズアレイ２３は、４つの結像レンズ２３１、２３２、２３３、２３４で構成される。

結像アパーチャ２２１、２２２、２２３、２２４及び結像レンズ２３１、２３２、２３３、２３４は、対物レンズ５の中心と集光レンズ７の中心を通る軸１５に対し、Ｘ方向およびＹ方向に対称な位置に配置されている。軸１５をＸ軸、Ｙ軸の原点とすると、ＸＹ平面内で、結像アパーチャ２２１、２２２、２２３、２２４及び結像レンズ２３１、２３２、２３３、２３４は、Ｘ軸およびＹ軸上にある。結像アパーチャ２２１、２２２、２２３、２２４のそれぞれの中心を結ぶ補助円をＣ１とし、及び結像レンズ２３１、２３２、２３３、２３４のそれぞれの中心を結ぶ補助円をＣ２とすると、Ｃ２の半径の方がＣ１の半径よりも大きい。

図１９は、本実施の形態の変位センサ１００ｂにおける集光レンズ７から２次元イメージセンサ８までの光路を説明するための模式図である。図１９は、集光レンズ７から２次元イメージセンサ８までの光路のＹＺ平面での断面の模式図である。ただし、第二ビームスプリッター２１は省略した。結像アパーチャ２２１を通る光線束は、集光レンズ７により集光されつつ−Ｙ方向に偏向されている。ここで、結像アパーチャを通る光線束の光軸を結像光軸と呼ぶ。結像アパーチャ２２１の後に設置されている結像レンズ２３１の中心軸２７１は、結像アパーチャ２２１を通る光線束の結像光軸２６１が結像レンズ２３１を通る位置に対して外側（＋Ｙ方向）に設置されている。したがって、結像レンズ２３１を通過した光線束は集光作用を受けると同時に＋Ｙ方向に偏向される。

一方、結像アパーチャ２２３を通る光線束は、集光レンズ７により集光されつつ＋Ｙ方向に偏向されている。結像アパーチャ２２３の後に設置されている結像レンズ２３３の中心軸２７３は、結像アパーチャ２２３を通る光線束の結像光軸２６３が結像レンズ２３３を通る位置に対し外側（−Ｙ方向）に設置されている。したがって、結像レンズ２３３を通過した光線束は集光作用を受けると同時に−Ｙ方向に偏向される。結像レンズ２３１及び結像レンズ２３３を通った光は、２次元イメージセンサ８の受光面上で、軸１５から離れた位置に集光されて像が生成される。同様に他の２つの結像アパーチャ２２２、２２４を通過する光線も、２次元イメージセンサ８の受光面上の対称な位置に集光されて像が生成される。

図２０は、本実施の形態の変位センサ１００ｂにおける２次元イメージセンサ８の受光面上の像を示す模式図である。図２０に示すように、２次元イメージセンサ８の受光面上に４つの像２８１、２８２、２８３、２８４が現れる。比較例として、結像アパーチャを通る光線束の光軸が、結像レンズの中心を通る場合の光路を考える。図２１は、集光レンズ７から２次元イメージセンサ８までの光路の比較例を説明するための模式図である。図２１に示す比較例では、結像アパーチャ２２１を通る光線束の結像光軸２６１は、結像レンズ２３１の中心を通り、結像アパーチャ２２３を通る光線束の結像光軸２６３は、結像レンズ２３３の中心を通る。この場合、２次元イメージセンサ８の受光面上で、結像レンズ２３１、２３２、２３３、２３４を通った光線束は軸１５の上に焦点を結ぶ。したがって、イメージセンサ８の受光面上で、４つの像２８１、２８２、２８３、２８４は一点に集まってしまい、それぞれの像の輝度重心位置を計算することは困難となる。

次に、本実施の形態の変位センサ１００ｂにおいて、ワーク６が変位した場合の作用について説明する。図２２は、本実施の形態の変位センサ１００ｂにおいてワーク６が変位した場合の２次元イメージセンサ８の受光面上の像を示す模式図である。図２２は、ワーク６が＋Ｚ方向に変位した場合の像を示している。また、図２２は、点光源１０３が点灯された場合に生成される第３の照射光が照射された場合の像を示している。ここで、第３の照射光がワーク６へ入射する角度をθ１＝１０度とする。第３の照射光は、＋Ｙ方向からワーク６へ入射する。

また、高精度変位測定系のそれぞれの光軸とワーク６の法線との角度をθ２＝１０度とする。ここで、高精度変位測定系の光軸とは、ワーク６が第１から第４の照射光の焦点位置にあるときに、結像アパーチャ２２１、２２２、２２３、２２４のそれぞれを通る光線束が、ワーク６の上面から出射される時点の光軸である。結像アパーチャ２２１を通る高精度変位測定系の光軸は、出射方向が＋Ｙ方向となるように傾いており、結像アパーチャ２２３を通る高精度変位測定系の光軸は、出射方向が−Ｙ方向となるように傾いている。

第３の照射光の光軸と、結像アパーチャ２２３を通る高精度変位測定系の光軸とがなす角は、θ１＋θ２＝２０度となる。よって、図２２に示すように、結像アパーチャ２２３を通る光線束によって生成される像２８３は、ワーク６が変位すると−Ｙ方向に大きく移動する。一方、第３の照射光の光軸と、結像アパーチャ２２１を通る高精度変位測定系の光軸とがなす角は、θ１−θ２＝０度となる。よって、図２２に示すように、結像アパーチャ２２１を通る光線束によって生成される像２８１は、ワーク６が変位しても移動しない。また、結像アパーチャ２２２、２２４を通る高精度変位測定系の光軸は、Ｘ方向に傾いているので、結像アパーチャ２２２、２２４を通る光線束によって生成される像２８２、２８４は、斜め方向に移動する。

このように、本実施の形態の変位センサ１００ｂにおいては、複数の照射光の光軸のいずれかと、高精度変位測定系の複数の光軸のいずれかとがなす角度θを大きくとることができるので、ワークの変位ｄＺに対して、２次元イメージセンサ８の受光面上の像の移動量を大きくすることができる。対物レンズ５の端部付近をそれぞれの光軸が通過するようにすれば、実施の形態１の変位センサ１００と比べて、本実施の形態の変位センサ１００ｂでは、約２倍の角度θを取ることができる。よって、実施の形態１の変位センサ１００と比較して、より精度の高い変位センサを得ることができる。

また、上述のように、本実施の形態の変位センサ１００ｂにおいては、一つの点光源からの照射光によって、４個の像が生成される。生成された４つの像のうち、ワーク６の変位によって３個の像が、２次元イメージセンサ８の受光面上で変位する。よって、それら３個の像の輝度重心計算をそれぞれ行えば、像が１個だけの場合よりもデータ数が増え、精度を高めることができる。さらに、本実施の形態の変位センサ１００ｂは、５つの点光源を備えており、順次点灯することにより、それぞれ４つの像が生成される。それぞれの像の輝度重心計算を行うことにより、多数のデータの平均を取ることができ、より安定した精度の高い変位計測を行うことができる。

なお、点光源１０５によって生成される第５の照射光は、Ｚ軸に平行な光軸でワーク６に照射される。よって、ワーク６がＺ軸方向に変位しても、第５の照射光が照射される位置は変化しない。しかし、高精度変位測定系の複数の光軸はそれぞれ傾いているので、２次元イメージセンサ８の受光面上の像は、ワーク６の変位に伴って、放射状に変位する。図２３は、本実施の形態の変位センサ１００ｂにおける第５の照射光による像の変位を示す模式図である。第５の照射光により生成される４つの像２８１、２８２、２８３、２８４の輝度重心位置を求めることによっても、変位を計測することが可能である。

次に、広範囲変位測定系について説明する。本実施の形態の変位センサ１００ｂは、広範囲変位測定系を備えている。図１７に示すように、ワーク６で拡散反射される光のうち、第２ビームスプリッター２１で分割されて−Ｙ方向に偏向された光線束は第２集光レンズ２４によって、フォトダイオード２５に集光される。フォトダイオード２５によって、ワーク６で拡散反射される光のうち受光光学系に入射する光量が測定される。フォトダイオード２５は画素が一つしかないので、高速にデータを取得できる。また、広範囲変位測定系の開口は、対物レンズ５の有効口径いっぱいに取ることにより、大きな開口数（ＮＡ）とすることができる。よって、ワーク６上に多少の凹凸があるために反射光強度の角度分布に偏りが多少生じたとしても、その変動を受けず、一定の受光光量を得ることができる。

ここで、フォトダイオード２５は有限の受光領域を持っている。ワーク６がＺ方向に大きく変位すると、フォトダイオード２５上での結像スポットは広がりを持ち、フォトダイオード２５の受光領域をはみ出し、受光される光量が減少する。すなわち、フォトダイオード２５の光量をモニターすることで、ワーク６のＺ方向の大きな変化を測定することができる。この広範囲変位測定系は、高精度変位測定系と比較して、より測定範囲が広く、かつ高速に測定を行うことができる。

高精度変位測定系は、照射光の集光位置付近にワーク６の上面がある場合に、２次元イメージセンサ８上の像も最小となり、測定精度が最大となる。また、照射光の集光位置付近にワーク６の上面がある場合に、５つの照射光がワーク６の上面の同じ位置に照射され、照射光によって高さを測定している位置がずれない。よって、高精度変位測定系における測定では、ワーク６の上面はできるだけ照射光の集光位置付近にあるのが望ましい。そこで、変位センサ１００ｂをＺ軸方向に移動できる駆動ステージ１３に設置する。ワーク６との距離をまず広範囲変位測定系で測定し、駆動ステージ１３により高速に焦点位置に大まかに移動する。その後で、高精度変位測定系により、高精度にワーク６の変位を測定すれば、広範囲な測定を高速かつ高精度に行うことができる。

本実施の形態の変位センサ１００ｂは、以上のように動作する。本実施の形態の変位センサ１００ｂによれば、より高精度に測定対象物の表面の変位を測定することができる。また、本実施の形態の変位センサ１００ｂは、実施の形態１で述べたのと同様の効果も有する。

１、１ｂ 光源、２、２ｂ コリメートレンズアレイ、３、３ｂ アパーチャアレイ、４ ビームスプリッター、５ 対物レンズ、６ ワーク、７ 集光レンズ、８ ２次元イメージセンサ、９ 第１の照射光の光軸、１０ 受光光学系の光軸、１１ａ、１１ｂ 集光スポット、１２ａ、１２ｂ 集光スポットの像、１３ 駆動ステージ、１５ 軸、２１ 第２ビームスプリッター、２２ 結像アパーチャアレイ、２３ 結像レンズアレイ、２４ 第２集光レンズ、２５ フォトダイオード、５１ 対物レンズの光軸、６０ 面取り部、１００、１００ｂ 変位センサ、１０１、１０２、１０３、１０４ 点光源、２００ 投光光学系、２２１、２２２、２２３、２２４ 結像アパーチャ、２３１、２３２、２３３、２３４ 結像レンズ、２６１、２６３ 結像光軸、２７１、２７３ 結像レンズの中心軸、２８１、２８２、２８３、２８４ 受光面上の像、３００ 受光光学系。

Claims (9)

1. 互いに異なる方向から被照射面に照射される第１の照射光と第２の照射光とを少なくとも含む集光された複数の照射光を照射する投光光学系と、
   撮像素子を備えて前記複数の照射光が前記被照射面で反射された反射光を前記撮像素子の受光面に集光する受光光学系とを備え、
   前記第１の照射光の光軸と前記受光光学系の光軸とがなす第１の平面と前記第２の照射光の光軸と前記受光光学系の光軸とがなす第２の平面とが直角に交わり、
   前記第１の照射光及び前記第２の照射光は、前記第１の照射光の光軸と前記第２の照射光の光軸とが交わる点で集光され、
   前記受光面における前記反射光の集光位置の変位を計測することで前記被照射面の変位を測定する
   ことを特徴とする変位センサ。
2. 前記投光光学系は、
   前記第１の平面上に光軸があり、前記受光光学系の光軸に対して前記第１の照射光の光軸の反対側に光軸がある第３の照射光と、
   前記第２の平面上に光軸があり、前記受光光学系の光軸に対して前記第２の照射光の光軸の反対側に光軸がある第４の照射光と
   を前記被照射面に照射することを特徴とする請求項１に記載の変位センサ。
3. 前記投光光学系は、１枚の対物レンズによって前記複数の照射光を集光することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の変位センサ。
4. 前記受光光学系は、前記対物レンズを介して前記反射光を前記撮像素子の前記受光面に集光することを特徴とする請求項３に記載の変位センサ。
5. 前記複数の照射光は、それぞれ異なる光源から生成され、
   前記投光光学系は、前記複数の照射光を切り替えて照射する
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の変位センサ。
6. 前記受光光学系は、前記反射光に対して並列に配置されて前記反射光を前記撮像素子の前記受光面の互いに異なる位置に集光する複数の結像レンズを備え、
   前記受光光学系の光軸に対して垂直な平面内において、前記複数の結像レンズのうちの１つは、前記複数の結像レンズのうちの他の少なくとも１つに対して、前記受光光学系の光軸を中心として９０度回転した位置に設けられ、
   前記受光面における前記反射光の複数の集光位置の変位を計測することで前記被照射面の変位を測定する
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の変位センサ。
7. 前記受光光学系に入射する前記反射光の光量を測定する受光素子を備え、測定した前記反射光の前記光量も用いて前記被照射面の変位を測定することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の変位センサ。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の変位センサと、
   前記変位センサと前記被照射面との相対距離を変化させる駆動ステージと
   を備え、
   前記第１の照射光及び前記第２の照射光が集光される点の近傍に前記被照射面が位置するように前記駆動ステージを移動させ、
   前記反射光の集光位置の変位と前記駆動ステージの移動量とに基づいて前記被照射面の変位を測定する
   ことを特徴とする変位測定装置。
9. 前記受光光学系は、前記受光光学系に入射する前記反射光を所定の大きさの受光領域で受光する受光素子を備え、
   前記受光素子で受光される光量に基づいて前記駆動ステージを移動させることを特徴とする請求項８に記載の変位測定装置。

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