JP6615604B2 - 共焦点変位計 - Google Patents
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本発明は、広い波長帯域の光を用いた共焦点変位計に関する。
計測対象物の表面の変位を非接触方式により計測する装置として、共焦点変位計が知られている。例えば、特許文献１には、計測対象物の表面の変位として所定の基準位置から計測対象物までの距離を計測するクロマティックポイントセンサ（ＣＰＳ）システムが記載されている。特許文献１のＣＰＳは、２個の共焦点系の光路を有する。複数波長の光が各光路に入力され、いずれかの光路を通過した光が選択的に計測対象物に出力される。
第１光路は、光軸方向における計測対象物の表面位置の近傍の異なった距離において異なる波長の光が焦点を結ぶように構成される。第１光路を通過した光は、計測対象物の表面で反射される。反射光のうち、空間的なフィルタとして第１経路に配置された開口部の位置で合焦した光のみが当該開口部を通過して波長検出器に導かれる。波長検出器により検出された光のスペクトルプロファイル（第１出力スペクトルプロファイル）は、計測距離を示す成分（距離依存性のプロファイル成分）を含むとともに、距離非依存性のプロファイル成分をも含む。
第２光路は、計測対象物の表面位置の近傍の略同一距離において異なる波長の光が焦点を結ぶように構成される。第２光路を通過した光は、計測対象物の表面で反射される。反射光のうち、空間的なフィルタとして第２経路に配置された開口部の位置で合焦した光のみが当該開口部を通過して波長検出器に導かれる。波長検出器により検出された光のスペクトルプロファイル（第２出力スペクトルプロファイル）は、距離依存性のプロファイル成分を含まず、距離非依存性のプロファイル成分のみを含む。第２出力スペクトルプロファイルを用いて、第１出力スペクトルプロファイルについて、距離非依存性のプロファイル成分に関連する潜在的な計測誤差のための補正が行われる。
特許文献１記載のＣＰＳシステムにおいては、第１出力スペクトルプロファイルについて上記の補正が行われることにより、信頼性が向上される。具体的には、距離非依存性のプロファイル成分として、計測対象物の材料成分、光源に関連付けられる光源のスペクトルプロファイル成分または波長検出器に関連付けられる成分による計測誤差が低減される。しかしながら、共焦点変位計においては、計測対象物の表面の乱反射の影響により、表面の粗さよりも大きい度合いの計測誤差が発生する。特許文献１のＣＰＳシステムでは、このような計測誤差を低減することができない。
本発明の目的は、計測誤差を低減可能な共焦点変位計を提供することである。
（１）本発明に係る共焦点変位計は、共焦点光学系を利用して計測対象物の変位を計測する共焦点変位計であって、複数の波長を有する光を出射する投光部と、投光部により出射された光に光軸方向に沿った色収差を発生させるとともに、色収差を有する光を収束させて計測対象物に照射する光学部材と、光学部材により計測対象物に照射された光のうち、計測対象物の表面で合焦しつつ反射された波長の光を通過させる１または複数のピンホールを有するピンホール部材と、光学部材から計測対象物の複数の部分に順次光が照射されることにより計測対象物の複数の部分でそれぞれ順次反射された後に１つのピンホールを順次通過した複数の光または光学部材から計測対象物の複数の部分に同時に光が照射されることにより計測対象物の複数の部分でそれぞれ同時に反射された後に複数のピンホールを同時に通過した複数の光について波長ごとの強度の平均に対応する平均信号の波長ごとの信号強度に基づいて計測対象物の変位を算出する変位計測部とを備え、変位計測部は、計測対象物の変位を算出する前に、平均信号から計測対象物の表面で合焦しつつ反射される光を除く不要な光に対応する不要成分の少なくとも一部が除去されるように第１の補正処理を行い、不要成分の少なくとも一部は、平均信号の波長軸上での位置が計測対象物の変位に依存しない不要ピークを含み、不要ピークは、投光部から出射されるとともに光学部材で反射されて変位計測部に導かれる第１の不要光に対応する第１のピークを含む。
その共焦点変位計においては、複数の波長を有する光が投光部により出射される。投光部により出射された光には、光学部材により光軸方向に沿った色収差が発生する。また、色収差を有する光が光学部材により収束されて計測対象物に照射される。
光学部材から計測対象物の複数の部分に順次光が照射されることにより、計測対象物の複数の部分に照射された光のうち、計測対象物の表面の複数の部分で合焦しつつ反射された複数の光がピンホール部材の１つのピンホールを順次通過する。または、光学部材から計測対象物の複数の部分に同時に光が照射されることにより、計測対象物の複数の部分に照射された光のうち、計測対象物の表面の複数の部分で合焦しつつ反射された複数の光がピンホール部材の複数のピンホールを同時に通過する。１または複数のピンホールを通過した複数の光についての波長ごとの強度の平均に対応する平均信号の波長ごとの信号強度に基づいて計測対象物の変位が算出される。
計測対象物の表面での乱反射により、計測対象物の表面の位置とは異なる位置で合焦した光が１または複数のピンホールを通過することがある。そのような場合でも、上記の構成によれば、平均信号において１または複数のピンホールを通過した複数の光についての波長ごとの強度が平均される。それにより、乱反射によるランダムな計測誤差を発生させる光の成分が打ち消される。さらに、計測対象物の変位が算出される前に、第１の補正処理が行われることにより平均信号から計測対象物の表面で合焦しつつ反射される光を除く不要な光に対応する不要成分の少なくとも一部が除去される。これらの結果、共焦点変位計により計測される計測対象物の変位の誤差を低減することができる。
また、上記の構成においては、不要成分の少なくとも一部は、平均信号の波長軸上での位置が計測対象物の変位に依存しない不要ピークを含む。さらに、不要ピークは、投光部から出射されるとともに光学部材で反射されて変位計測部に導かれる第１の不要光に対応する第１のピークを含む。この場合、投光部から出射されるとともに光学部材で反射されて変位計測部に導かれる成分が除去されるので、計測対象物の変位の誤差をより低減することができる。
また、上記の構成においては、不要成分の少なくとも一部は、平均信号の波長軸上での位置が計測対象物の変位に依存しない不要ピークを含む。さらに、不要ピークは、投光部から出射されるとともに光学部材で反射されて変位計測部に導かれる第１の不要光に対応する第１のピークを含む。この場合、投光部から出射されるとともに光学部材で反射されて変位計測部に導かれる成分が除去されるので、計測対象物の変位の誤差をより低減することができる。
（２）共焦点変位計は、処理装置と、ヘッド部と、処理装置とヘッド部とをつなぐ光ファイバとをさらに備え、処理装置は、変位計測部の一部および投光部を含むとともに変位計測部の一部および投光部を収容する第１の筐体をさらに含み、ヘッド部は、光学部材およびピンホール部材を含むとともに光学部材およびピンホール部材を収容する第２の筐体をさらに含み、光ファイバは、投光部により出射された光を光学部材へ導き、光ファイバの少なくとも一部は、変位計測部のうち第１の筐体に収容されない部分であってもよい。
この場合、投光部および変位計測部の一部を含む処理装置と光学部材およびピンホール部材を含むヘッド部とが光ファイバを介して別体的に設けられる。そのため、計測対象物の形状もしくは配置等に応じて適切な色収差を発生させる光学部材または適切な焦点距離を有する光学部材を含むヘッド部を用いることが容易になる。これにより、計測対象物の変位をより容易に計測することができる。
（３）光ファイバの一端は第１の筐体に設けられ、光ファイバの他端は、第２の筐体に設けられ、投光部は、レーザダイオードからなる光源と、光源により発生された光を集光する集光部材と、光ファイバの一端に設けられ、集光部材により集光された光の一部を吸収して複数の波長を有する光を光ファイバを通して光学部材へ出射する蛍光体とを含んでもよい。
この場合、光源で発生された光が集光部材により蛍光体に集光されるので、蛍光体に入射する光の光量を増加させることができる。それにより、蛍光体から発生される複数の波長を有する光の光量も増加する。
また、上記の構成によれば、蛍光体が光ファイバの一端に設けられているので、複数の波長を有する光が蛍光体から光ファイバの一端に効率よく入射し、光ファイバの他端から光学部材を通して計測対象物に照射される。したがって、計測対象物上に形成される照射領域のサイズを小さくした場合でも、１または複数のピンホールを通過する光の光量が著しく低下することが防止される。その結果、照射領域のサイズを小さくすることが可能になる。
（４）変位計測部は、第１の補正処理の前に、平均信号の波長軸上での不要ピークの位置に基づいて、温度に依存する平均信号の波長軸上でのシフトを補正する第２の補正処理を行ってもよい。
第１の不要光は計測対象物には到達しないため、平均信号の波長軸上での第１のピークの位置は計測対象物の変位には依存しない。したがって、平均信号の波長軸上での第１のピークの位置は計測対象物の変位に依存せず、温度に依存して変化する。そのため、平均信号の波長軸上での第１のピークの位置は、温度の変化による平均信号の波長軸上でのシフトに対応する。したがって、平均信号の波長軸上での第１のピークの位置に基づいて、温度に依存する平均信号の波長軸上でのシフトを補正することにより、温度変化による計測結果の変動を補償することができる。
（５）投光部は、光源と、光源により発生された光の一部を吸収して複数の波長を有する光を光学部材へ出射する蛍光体とを含み、不要ピークは、光源により発生されて蛍光体を通過しつつ光学部材へ出射される第２の不要光に対応する第２のピークを含んでもよい。
この場合、第２の不要光は特定の波長を有するため、平均信号の波長軸上での第２のピークの位置は計測対象物の変位には依存しない。したがって、平均信号の波長軸上における第２のピークの位置に基づいて、温度に依存する平均信号の波長軸上でのシフトを補正することにより、温度変化による計測結果の変動を補償することができる。
（６）変位計測部は、１または複数のピンホールを通過した光を回折することにより分光する分光部を含み、不要ピークは、分光部で０次回折される第３の不要光に対応する第３のピークを含んでもよい。
この場合、０次回折光である第３の不要光は波長に関係なく分光部により一定の方向へ導かれるため、平均信号の波長軸上での第３のピークの位置は第３の不要光の波長に依存しない。そのため、平均信号の波長軸上での第３のピークの位置は計測対象物の変位には依存しない。したがって、平均信号の波長軸上における第３のピークの位置に基づいて、温度に依存する平均信号の波長軸上でのシフトを補正することにより、温度変化による計測結果の変動を補償することができる。
（７）不要成分は、不要ピークを少なくとも２つ含み、変位計測部は、第１の補正処理の前に、平均信号の波長軸上での少なくとも２つの不要ピークの位置に基づいて、温度に依存する平均信号の波長軸上での尺度を補正する第３の補正処理を行ってもよい。
この場合、平均信号の波長軸上での不要ピークの位置は計測対象物の変位に依存せず、温度に依存して変化する。そのため、平均信号の波長軸上での２つの不要ピークの間の間隔は、温度の変化による平均信号の波長軸上での尺度のずれに対応する。したがって、平均信号の波長軸上での２つの不要ピークの位置に基づいて、温度に依存する平均信号の波長軸上での尺度を補正することにより、温度変化による計測結果の変動を補償することができる。
（８）投光部は、光源と、光源により発生された光の一部を吸収して複数の波長を有する光を光学部材へ出射する蛍光体とを含み、変位計測部は、１または複数のピンホールを通過した光を反射しつつ分光する分光部を含み、少なくとも２つの不要ピークは、第１のピーク、光源により発生されて蛍光体を通過しつつ光学部材へ出射される第２の不要光に対応する第２のピーク、および分光部で０次回折される第３の不要光に対応する第３のピークのうち少なくとも２つのピークを含んでもよい。
この場合、第１の不要光は計測対象物には到達しないため、平均信号の波長軸上での第１のピークの位置は計測対象物の変位には依存しない。第２の不要光は特定の波長を有するため、平均信号の波長軸上での第２のピークの位置は計測対象物の変位には依存しない。０次回折光である第３の不要光は波長に関係なく分光部により一定の方向へ導かれるため、平均信号の波長軸上での第３のピークの位置は第３の不要光の波長に依存しない。したがって、平均信号の波長軸上における第１〜第３のピークのうち少なくとも２つのピークの位置に基づいて、温度に依存する平均信号の波長軸上での尺度を補正することにより、温度変化による計測結果の変動を補償することができる。
（９）ピンホール部材は、複数のピンホールを含み、変位計測部は、複数の光について波長ごとの強度の平均に対応する平均信号の波長ごとの信号強度に基づいて計測対象物の変位を算出してもよい。
この場合、簡単な構成で計測対象物の複数の部分で合焦しつつ反射される複数の光を取得することができる。
（１０）変位計測部は、複数の光を合成することにより一の合成光を生成する合成部と、合成部により生成された合成光を分光する分光部と、分光部により分光された光を受光し、合成部により生成された合成光について波長ごとの強度を示す電気的な受光信号を平均信号として出力する受光部と、受光部から出力される平均信号について第１の補正処理を行うとともに補正された平均信号に基づいて計測対象物の変位を算出する算出部とをさらに含んでもよい。
この場合、複数のピンホールをそれぞれ通過した複数の光が受光部により受光される前に合成部により合成されることにより、一の合成光が生成される。そのため、受光部から出力される波長ごとの強度を示す電気的な受光信号は、複数の光についての波長ごとの強度が積算された平均信号となる。この構成によれば、平均信号を生成するための演算を行う必要がない。これにより、計測対象物の変位を高速で効率よく算出することができる。
（１１）共焦点変位計は、投光部により出射された光を計測対象物の複数の部分に順次照射する光照射部をさらに備え、光学部材は、光照射部により計測対象物に照射される光に色収差を発生させるとともに、色収差を有する光を収束させ、ピンホール部材は、１つのピンホールを含み、１つのピンホールは、計測対象物の複数の部分で合焦しつつ反射された波長の光を順次通過させ、変位計測部は、１つのピンホールを順次通過した複数の光についての波長ごとの強度の平均に対応する平均信号の波長ごとの信号強度に基づいて計測対象物の変位を算出してもよい。
この場合、簡単な構成で計測対象物の複数の部分で合焦しつつ反射される複数の光を取得することができる。
（１２）変位計測部は、１つのピンホールを順次通過した複数の光を順次分光する分光部と、分光部により順次分光された複数の光を単一の露光期間内に受光し、受光した光について波長ごとの強度を示す電気的な受光信号を平均信号として出力する受光部と、受光部から出力される平均信号について第１の補正処理を行うとともに補正された平均信号に基づいて計測対象物の変位を算出する算出部とを含んでもよい。
この場合、１つのピンホールを順次通過した複数の光が単一の露光期間内に受光部により受光される。そのため、受光部から出力される波長ごとの強度を示す電気的な受光信号は、複数の光についての波長ごとの強度が積算された平均信号となる。この構成によれば、平均信号を生成するための演算を行う必要がない。これにより、計測対象物の変位を効率よく算出することができる。
（１３）変位計測部は、１つのピンホールを順次通過した複数の光を順次分光する分光部と、分光部により順次分光された複数の光を順次受光し、順次受光された複数の光の各々について波長ごとの強度を示す電気的な受光信号を出力する受光部と、受光部から出力される複数の受光信号を波長ごとに平均または積算することにより波長ごとの信号強度として平均信号を算出し、受光部から出力される複数の受光信号または算出された平均信号について第１の補正処理を行うとともに補正された平均信号に基づいて計測対象物の変位を算出する算出部とを含んでもよい。
この場合、１つのピンホールを順次通過した複数の光にそれぞれ対応する複数の受光信号が受光部により出力される。受光部から出力される複数の受光信号が算出部により波長ごとに平均または積算されることにより平均信号が算出される。この構成によれば、平均信号の算出において、複数の光の強度を考慮した所望の平均または積算を行うことができる。これにより、計測対象物の変位をより正確に算出することができる。
（１４）複数の部分は、計測対象物の表面の円環状の領域上に位置し、光照射部は、光が計測対象物の表面の円環状の領域上の複数の部分に照射されるように、投光部により出射された光を計測対象物の表面に沿ってシフトさせてもよい。
この構成によれば、計測対象物の表面の直線状の領域上の複数の部分に光を照射する場合に比べて、光照射部の物理的な動作部分の負担が小さい。これにより、光照射部の寿命を長期化することができる。
（１５）光学部材は、凸型を有する屈折レンズと、凹型を有する回折レンズとを含み、屈折レンズおよび回折レンズは、投光部から出射される光が通過するように配置されてもよい。
この場合、各レンズによって発生する色収差の方向がそれぞれのレンズで同じ方向になるため、結果として光学部材の光軸上の色収差が大きくなる。それにより、共焦点変位計により計測可能な範囲を大きくすることができる。
本発明によれば、計測対象物の計測誤差を低減することができる。
以下、本発明の一実施の形態に係る共焦点変位計について図面を参照しながら説明する。
［１］第１の実施の形態
（１）共焦点変位計の基本構成
図１は、第１の実施の形態に係る共焦点変位計の構成を示す模式図である。図１に示すように、共焦点変位計５００は、処理装置１００、計測ヘッド２００、導光部３００、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）６００、主表示部７００および操作部８００を備える。導光部３００は、複数の光ファイバを含み、処理装置１００と計測ヘッド２００とを光学的に接続する。
（１）共焦点変位計の基本構成
図１は、第１の実施の形態に係る共焦点変位計の構成を示す模式図である。図１に示すように、共焦点変位計５００は、処理装置１００、計測ヘッド２００、導光部３００、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）６００、主表示部７００および操作部８００を備える。導光部３００は、複数の光ファイバを含み、処理装置１００と計測ヘッド２００とを光学的に接続する。
処理装置１００は、筐体１１０、投光部１２０、分光部１３０、受光部１４０、演算処理部１５０、電力供給部１６０および副表示部４００を含む。筐体１１０は、投光部１２０、分光部１３０、受光部１４０、演算処理部１５０および電力供給部１６０を収容する。副表示部４００は、７セグメント表示器またはドットマトリクス表示器等の表示器を含み、筐体１１０に取り付けられる。投光部１２０は、広い波長帯域（例えば５００ｎｍ〜７００ｎｍ）の光すなわち複数の波長を有する光を出射可能に構成される。投光部１２０の詳細な構成については後述する。投光部１２０により出射された光は、後述する導光部３００の光ファイバ３１１に入力される。
分光部１３０は、回折格子１３１および複数（本例では２個）のレンズ１３２，１３３を含む。後述するように、投光部１２０により出射されて計測対象物Ｓの表面で反射された光の一部が、導光部３００の光ファイバ３１２から出力される。光ファイバ３１２から出力された光は、レンズ１３２を通過することにより略平行化され、回折格子１３１に入射される。本実施の形態においては、回折格子１３１は反射型の回折格子である。回折格子１３１に入射された光は、波長ごとに異なる角度で反射するように分光され、レンズ１３３を通過することにより波長ごとに異なる一次元上の位置に合焦される。
受光部１４０は、複数の画素が一次元状に配列された撮像素子（一次元ラインセンサ）を含む。撮像素子は、多分割ＰＤ（フォトダイオード）、ＣＣＤ（電荷結合素子）カメラまたはＣＭＯＳ（相補性金属酸化膜半導体）イメージセンサであってもよいし、他の素子であってもよい。受光部１４０は、分光部１３０のレンズ１３３により形成された波長ごとに異なる複数の合焦位置で撮像素子の複数の画素がそれぞれ光を受光するように配置される。受光部１４０の各画素からは、受光量に対応するアナログの電気信号（以下、受光信号と呼ぶ。）が出力される。受光信号は、各画素で受光される光の強度を示す。
演算処理部１５０は、記憶部１５１および制御部１５２を含む。記憶部１５１は、例えばＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）またはハードディスクを含む。記憶部１５１には、処理装置１００内の各構成要素を制御するための制御プログラムおよび変位を算出するための算出プログラムが記憶されるとともに、変位計測に用いられる種々のデータが記憶される。制御部１５２は、例えばＣＰＵ（中央演算処理装置）を含む。
制御部１５２は、受光部１４０により出力される受光信号を取得し、記憶部１５１に記憶された算出プログラムおよびデータに基づいて計測対象物Ｓの変位を計測し、計測結果を副表示部４００に表示する。
ここで、演算処理部１５０には、ＰＣ６００が接続される。ＰＣ６００は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）６０１およびメモリ６０２を含む。メモリ６０２には、変位計測プログラムが記憶されるとともに、変位計測に用いられる種々のデータが記憶される。
処理装置１００の制御部１５２は、さらに受光部１４０から取得された受光信号をＰＣ６００のＣＰＵ６０１に与える。ＣＰＵ６０１は、制御部１５２から与えられた受光信号を取得し、メモリ６０２に記憶された変位計測プログラムおよびデータに基づいて計測対象物Ｓの変位を計測するとともに、その計測結果に関する種々の処理を行う。例えば、ＣＰＵ６０１は、計測結果の値を表示部７００に表示する。また、ＣＰＵ６０１は、制御部１５２から与えられた受光信号の波形を表示部７００に表示する。さらに、ＣＰＵ６０１は、現時点よりも前の複数の時点で取得された複数の計測結果についての統計を表示部７００に表示する。
計測ヘッド２００は、略軸対称形状（例えば、円筒形状）を有する筐体２１０、光ファイバ３１４、光照射部１およびレンズユニット２２０を含む。筐体２１０は、光ファイバ３１４、光照射部１およびレンズユニット２２０を収容する。
筐体２１０の一端に後述する導光部３００のファイバコネクタ３３０が取り付けられている。光ファイバ３１４は、筐体２１０内でファイバコネクタ３３０に接続されている。処理装置１００から光ファイバ３１４に導光部３００を通して光が導かれる。光ファイバ３１４に導かれた光は、筐体２１０内で光ファイバ３１４から出力され、レンズユニット２２０に導かれる。
レンズユニット２２０は、屈折レンズ２２１、回折レンズ２２２および対物レンズ２２３を含む。レンズユニット２２０に導かれた光は、屈折レンズ２２１および回折レンズ２２２を順に通過する。これにより、光軸方向に沿って光に色収差が発生する。色収差が発生した光は、対物レンズ２２３を通して筐体２１０の外部に導かれ、計測対象物Ｓに照射される。対物レンズ２２３は、色収差が発生した光が計測対象物Ｓの表面近傍の位置で合焦可能に配置される。
光照射部１は、例えば電動式の駆動機構を含み、計測ヘッド２００から計測対象物Ｓに向かって照射される光をレンズユニット２２０の光軸に直交する方向へシフトさせる。なお、光照射部１は、計測対象物Ｓに照射される光をシフトさせることができればよく、筐体２１０の内部に設けられなくてもよい。この場合、光照射部１は、例えば筐体２１０を計測対象物Ｓに対して相対的に移動させることが可能に構成されてもよいし、計測対象物Ｓを筐体２１０に対して相対的に移動させることが可能に構成されてもよい。
本例の光照射部１には、図示しない電源ケーブルを介して処理装置１００の電力供給部１６０から電力が供給される。そのため、光照射部１に電力を供給するための装置を筐体２１０に収容する必要がない。これにより、計測ヘッド２００を小型化および軽量化することができる。
導光部３００は、複数（本例では３個）の光ファイバ３１１，３１２，３１９、ファイバカプラ３２０およびファイバコネクタ３３０を含む。図１の例では、ファイバカプラ３２０は処理装置１００の筐体１１０に設けられる。ファイバコネクタ３３０は上記のように計測ヘッド２００の筐体２１０に取り付けられる。本発明はこれに限定されず、ファイバカプラ３２０は処理装置１００の筐体１１０以外の部分に設けられてもよい。また、ファイバコネクタ３３０は計測ヘッド２００の筐体２１０以外の部分に設けられてもよい。
ファイバカプラ３２０は、いわゆる１×２型の構成を有し、３個のポート３２１〜３２３および本体部３２４を含む。ポート３２１，３２２とポート３２３とは、本体部３２４を挟んで対向するように本体部３２４に接続される。ポート３２１，３２２の少なくとも１つのポートに入力された光は、ポート３２３から出力される。ポート３２３に入力された光は、ポート３２１，３２２の各々から出力される。
ファイバコネクタ３３０は、２個のポート３３１，３３２および本体部３３３を含む。ポート３３１とポート３３２とは、本体部３３３を挟んで対向するように本体部３３３に接続される。ポート３３１に入力された光はポート３３２から出力され、ポート３３２に入力された光はポート３３１から出力される。
ファイバカプラ３２０のポート３２１，３２２には、光ファイバ３１１，３１２がそれぞれ接続される。ファイバコネクタ３３０のポート３３２には、光ファイバ３１４が接続される。ファイバカプラ３２０のポート３２３とファイバコネクタ３３０のポート３３１とが光ファイバ３１９により接続される。
この構成によれば、処理装置１００の投光部１２０により出射された光は、光ファイバ３１１を通してファイバカプラ３２０のポート３２１に入力される。ポート３２１に入力された光は、ポート３２３から出力され、光ファイバ３１９を通してファイバコネクタ３３０のポート３３１に入力される。ポート３３１に入力された光は、ポート３３２から出力され、光ファイバ３１４およびレンズユニット２２０を通して計測対象物Ｓに照射される。
計測対象物Ｓの表面で反射された光の一部は、レンズユニット２２０および光ファイバ３１４を通してファイバコネクタ３３０のポート３３２に入力される。ポート３３２に入力された光は、ポート３３１から出力され、光ファイバ３１９を通してファイバカプラ３２０のポート３２３に入力される。ポート３２３に入力された光は、ポート３２１，３２２から出力される。ポート３２２から出力された光は、光ファイバ３１２を通して分光部１３０に導かれる。これにより、変位計測処理が行われる。
主表示部７００は、例えば有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）パネルまたは液晶ディスプレイパネル等の表示装置を含む。操作部８００は、キーボードおよびポインティングデバイスを含む。ポインティングデバイスは、マウスまたはジョイスティック等を含む。主表示部７００および操作部８００は、ＰＣ６００に接続される。上記のように、主表示部７００には、例えば変位の計測結果の値または受光信号の波形等が表示される。使用者は、操作部８００を操作することにより、例えば主表示部７００に表示される種々のボタンを操作すること、および変位計測に関する所望の情報を入力することができる。
図２は、主表示部７００における計測結果の値の表示例である。図３は、主表示部７００における受光信号の波形の表示例である。
図２の例では、主表示部７００に、変位の計測結果を示す数値が表示されるとともに切替ボタン４９１が表示される。また、図３の例では、主表示部７００に、現時点で取得される受光信号の波形が表示されるとともに切替ボタン４９１が表示される。図３の受光信号の波形を示すグラフにおいては、横軸は受光された光の波長を示し、縦軸は受光信号の強度を示す。
使用者は、図１の操作部８００を用いて図２の切替ボタン４９１を操作することにより、主表示部７００の表示状態を図３の受光波形の表示状態に切り替えることができる。また、使用者は、図１の操作部８００を用いて図３の切替ボタン４９１を操作することにより、主表示部７００の表示状態を図２の数値による計測結果の値の表示状態に切り替えることができる。
ＰＣ６００は、さらにプログラマブルコントローラ等の図示しない外部装置に接続可能に構成され、変位の計測結果および受光信号を外部装置に送信することが可能である。
ＰＣ６００には、計測対象物Ｓの計測距離に対する良否判定用の基準範囲が設定されてもよい。この場合、計測距離が基準範囲内であるときには、計測対象物Ｓが良品であることを示す判定結果（例えば「ＯＫ」）が主表示部７００に表示される。一方、計測距離が基準範囲外であるときには、計測対象物Ｓが不良品を示す判定結果（例えば「ＮＧ」）が主表示部７００に表示される。
（２）共焦点変位計の動作原理
図４は、計測ヘッド２００を用いた共焦点変位計５００の動作原理を説明するための図である。図４に示すように、光ファイバ３１４は、コア３１０ａおよびクラッド３１０ｂを含む。コア３１０ａはクラッド３１０ｂにより被覆される。コア３１０ａの一端部に入力された光は、コア３１０ａの他端部から出力される。なお、図１の光ファイバ３１１，３１２，３１９も光ファイバ３１４と同様の構成を有する。コア３１０ａの直径は、２００μｍ以下であることが好ましく、５０μｍ以下であることがより好ましい。
図４は、計測ヘッド２００を用いた共焦点変位計５００の動作原理を説明するための図である。図４に示すように、光ファイバ３１４は、コア３１０ａおよびクラッド３１０ｂを含む。コア３１０ａはクラッド３１０ｂにより被覆される。コア３１０ａの一端部に入力された光は、コア３１０ａの他端部から出力される。なお、図１の光ファイバ３１１，３１２，３１９も光ファイバ３１４と同様の構成を有する。コア３１０ａの直径は、２００μｍ以下であることが好ましく、５０μｍ以下であることがより好ましい。
光ファイバ３１４から出力された光は、屈折レンズ２２１および回折レンズ２２２を通過する。これにより、光に色収差が発生する。色収差が発生した光は、対物レンズ２２３を通過することにより波長ごとに異なる位置で合焦する。例えば、波長が短い光は対物レンズ２２３に近い位置で合焦し、波長が長い光は対物レンズ２２３から遠い位置で合焦する。対物レンズ２２３に最も近い合焦位置Ｐ１と対物レンズ２２３から最も遠い合焦位置Ｐ２との間の範囲が計測範囲ＭＲとなる。本例では、屈折レンズ２２１は凸型を有し、回折レンズ２２２は凹型を有する。この場合、光に発生する色収差が大きくなる。これにより、計測範囲ＭＲを大きくすることができる。
計測範囲ＭＲに計測対象物Ｓの表面が存在する場合には、対物レンズ２２３を通過した光は、計測対象物Ｓの表面に照射された後、当該表面により広範囲に反射される。ここで、本実施の形態においては、光ファイバ３１４の先端部分は、微小なピンホールを有する空間フィルタとして機能する。したがって、計測対象物Ｓの表面で反射された光のほとんどは、光ファイバ３１４に入力されない。
一方、計測対象物Ｓの表面の位置で合焦した特定の波長を有する光は、当該表面で反射されることによりレンズユニット２２０を通過し、光ファイバ３１４のコア３１０ａの先端部分に入力される。光ファイバ３１４に入力された光の波長は、計測距離を示す。ここで、計測距離とは、所定の基準位置ＲＰから計測対象物Ｓの表面の位置までの距離である。なお、本例では、基準位置ＲＰは計測対象物Ｓに最も近い筐体２１０の端部の位置である。
光ファイバ３１４に入力された光は、図１の処理装置１００に導かれ、回折格子１３１により分光されるとともにレンズ１３３により波長ごとに異なる位置に合焦される。受光部１４０の複数の画素は、波長ごとに異なる複数の光の合焦位置にそれぞれ配置される。そのため、受光部１４０の各画素は、当該画素に対応付けられた波長の光を受光し、受光信号を出力する。
この構成によれば、受光信号を出力する受光部１４０の画素の位置を特定することにより、受光された光の波長を特定することができる。また、受光された光の波長を特定することにより、計測距離を特定することができる。しかしながら、計測対象物Ｓの表面における光の乱反射により、計測対象物Ｓの表面の位置とは異なる位置で合焦すべき光が光ファイバ３１４に入力されることがある。この場合、処理装置１００により特定される計測距離には、計測対象物Ｓの表面の粗さよりも大きい度合いの計測誤差が発生する。
本実施の形態に係る共焦点変位計５００においては、光照射部１が、計測対象物Ｓに向かって照射される光をレンズユニット２２０の光軸に直交する方向へシフトさせる。この場合、計測対象物Ｓの表面の複数の領域に光が照射される。以下、計測対象物Ｓの表面上で計測ヘッド２００から光が照射される領域を照射領域と呼ぶ。光がシフトされるごとに、照射領域の位置で合焦した光がレンズユニット２２０を通過して光ファイバ３１４のコア３１０ａに入力され、受光部１４０により受光される。
図５は、受光部１４０により受光された光の波長と受光信号の強度との関係を示す図である。図５の横軸は受光された光の波長を示し、縦軸は受光信号の強度を示す。後述する図８〜図１０および図１２においても同様である。図５ならびに後述する図８〜図１０および図１２の横軸は、受光部１４０の画素の位置に相当する。
本例では、光照射部１は、計測対象物Ｓの表面の互いに異なる４つの部分に光が順次照射されるように、計測ヘッド２００から計測対象物Ｓに向かって照射される光をシフトさせる。図５においては、計測対象物Ｓの表面の４つの部分に光が照射されるときに光ファイバ３１４に入力される光に対応する受光信号の波形（以下、受光波形と呼ぶ。）Ｗ１〜Ｗ４が、点線、一点鎖線、二点鎖線および破線によりそれぞれ示される。受光波形Ｗ１〜Ｗ４のピークの波長（以下、ピーク波長と呼ぶ。）は、それぞれλ１〜λ４である。複数の受光波形Ｗ１〜Ｗ４のピーク波長λ１〜λ４は、計測対象物Ｓの表面の乱反射により互いに異なる。
そこで、受光部１４０は、計測対象物Ｓの表面における照射領域の複数の部分に光が照射される期間の間露光を行う。照射領域の複数の部分について光が照射された後、受光部１４０の各画素から全露光期間に積算された受光信号が出力される。これにより、受光部１４０から出力される受光信号には、強度の平均化処理が行われる。第１の実施の形態における平均化処理とは、計測対象物Ｓの照射領域の複数の部分により反射されてピンホールを順次通過した複数の光についての波長ごとの強度の平均に対応する平均信号を生成する処理を意味する。本例では、平均化処理は積算処理である。図５においては、受光部１４０により出力される平均化処理後の受光波形Ｗ０が実線で示される。受光波形Ｗ０のピーク波長はλ０である。
このように、光学的に受光波形Ｗ０の平均化処理が行われることにより、乱反射によるランダムな計測誤差を発生させる光の成分が打ち消される。そのため、ピーク波長λ０は、ピーク波長λ１〜λ４よりも真の計測距離に対応するピーク波長に近い。ここで、真の計測距離とは、光の乱反射が生じないときに特定されるべき計測距離である。したがって、受光波形Ｗ０のピーク波長λ０を特定することにより、計測距離をより正確に特定することができる。
（３）投光部
図６（ａ），（ｂ）は、それぞれ投光部１２０の構成を示す平面図および断面図である。図６（ａ），（ｂ）に示すように、投光部１２０は、光源１２１、蛍光体１２２、フェルール１２３、レンズ１２４、保持具１２５、フィルタ素子１２６および素子ホルダ１２７を含む。素子ホルダ１２７は、光源固定部１２７Ａ、フェルール固定部１２７Ｂおよびレンズ固定部１２７Ｃを含む。光源１２１、フェルール１２３およびレンズ１２４は、素子ホルダ１２７の光源固定部１２７Ａ、フェルール固定部１２７Ｂおよびレンズ固定部１２７Ｃにそれぞれ固定される。
図６（ａ），（ｂ）は、それぞれ投光部１２０の構成を示す平面図および断面図である。図６（ａ），（ｂ）に示すように、投光部１２０は、光源１２１、蛍光体１２２、フェルール１２３、レンズ１２４、保持具１２５、フィルタ素子１２６および素子ホルダ１２７を含む。素子ホルダ１２７は、光源固定部１２７Ａ、フェルール固定部１２７Ｂおよびレンズ固定部１２７Ｃを含む。光源１２１、フェルール１２３およびレンズ１２４は、素子ホルダ１２７の光源固定部１２７Ａ、フェルール固定部１２７Ｂおよびレンズ固定部１２７Ｃにそれぞれ固定される。
光源１２１は、単一波長の光を出射するレーザダイオードである。本実施の形態においては、光源１２１は波長４５０ｎｍ以下の青色領域または紫外領域の光を出射する。蛍光体１２２は、青色領域または紫外領域の励起光を吸収し、励起光の波長領域とは異なる波長領域の蛍光を放出する。
本例の蛍光体１２２から放出される蛍光は、励起光に比べて広い範囲の波長を有する。すなわち、蛍光体１２２から放出される蛍光は、複数の波長を有する。なお、蛍光体１２２は、黄色領域の蛍光を放出してもよいし、緑色領域の蛍光を放出してもよいし、赤色領域の蛍光を放出してもよい。また、蛍光体１２２は、複数の蛍光部材により構成されてもよい。
フェルール１２３は、図１の導光部３００の光ファイバ３１１の端部を保持する。レンズ１２４は、光源１２１とフェルール１２３との間に配置される。フェルール１２３（光ファイバ３１１）の端部には、円環状を有する保持具１２５の一端面が取り付けられる。保持具１２５の内周部に蛍光体１２２が収容される。保持具１２５内の蛍光体１２２を覆うように保持具１２５の他端面にフィルタ素子１２６が取り付けられる。フィルタ素子１２６は反射型フィルタであり、黄色領域、緑色領域または赤色領域の光を反射するとともに、青色領域または紫外領域の光を透過させる。
この構成によれば、光源１２１により出射された光は、レンズ１２４を通過することにより、励起光として蛍光体１２２上に集光される。蛍光体１２２は、励起光を吸収して蛍光を放出する。ここで、蛍光体１２２に吸収されずに透過した励起光と蛍光体１２２からの蛍光とが混合されることにより、広い波長帯域の光が生成される。本例においては、励起光と蛍光とが所望の割合で混合された光を生成するために、光路方向における蛍光体１２２の厚みが、例えば１０μｍ〜２００μｍに形成される。また、保持具１２５内における蛍光体１２２の濃度が、例えば３０％〜６０％に形成される。
投光部１２０において生成された光は、フェルール１２３を通過することにより光ファイバ３１１に入力される。蛍光体１２２により光ファイバ３１１とは反対の方向に放出された蛍光は、フィルタ素子１２６により光ファイバ３１１の方向に反射される。これにより、蛍光を効率よく光ファイバ３１１に入力することができる。
本例においては、蛍光体１２２は保持具１２５内に収容されるが、本発明はこれに限定されない。蛍光体１２２は、フェルール１２３の端面に塗布されてもよい。この場合、投光部１２０は保持具１２５を含まない。また、投光部１２０はフィルタ素子１２６を含むが、本発明はこれに限定されない。十分な蛍光が光ファイバ３１１に入力される場合には、投光部１２０はフィルタ素子１２６を含まなくてもよい。
（４）演算処理部
図１の演算処理部１５０の記憶部１５１には、受光部１４０の画素の位置と、出力される受光波形Ｗ０のピーク波長λ０と、計測距離との換算式が上記の算出プログラムとともに予め記憶されている。演算処理部１５０の制御部１５２は、受光信号を出力する画素の位置を特定するとともに、特定された画素の位置および記憶部１５１に記憶された換算式に基づいて受光波形Ｗ０のピーク波長λ０および計測距離を順次算出し、算出した計測距離を副表示部４００に表示する。これにより、計測対象物Ｓの厚み、距離または変位を計測することができる。また、制御部１５２は、計測距離をより正確に算出するために、以下に説明する不要成分除去補正、受光波形シフト補正および受光波形尺度補正を行う。
図１の演算処理部１５０の記憶部１５１には、受光部１４０の画素の位置と、出力される受光波形Ｗ０のピーク波長λ０と、計測距離との換算式が上記の算出プログラムとともに予め記憶されている。演算処理部１５０の制御部１５２は、受光信号を出力する画素の位置を特定するとともに、特定された画素の位置および記憶部１５１に記憶された換算式に基づいて受光波形Ｗ０のピーク波長λ０および計測距離を順次算出し、算出した計測距離を副表示部４００に表示する。これにより、計測対象物Ｓの厚み、距離または変位を計測することができる。また、制御部１５２は、計測距離をより正確に算出するために、以下に説明する不要成分除去補正、受光波形シフト補正および受光波形尺度補正を行う。
（ａ）不要成分除去補正
計測対象物Ｓの表面で合焦しつつ反射された光とは異なる光が受光部１４０により受光されることがある。以下の説明では、受光部１４０により受光される光のうち計測対象物Ｓの表面で合焦しつつ反射された光を除く光を不要光と呼ぶ。
計測対象物Ｓの表面で合焦しつつ反射された光とは異なる光が受光部１４０により受光されることがある。以下の説明では、受光部１４０により受光される光のうち計測対象物Ｓの表面で合焦しつつ反射された光を除く光を不要光と呼ぶ。
図７は、計測対象物Ｓとは異なる部分で反射される不要光の一例を示す模式図である。図７では、図１の光照射部１の図示は省略する。図７の例においては、レンズユニット２２０の屈折レンズ２２１により直接反射された光（矢印で示す光）が光ファイバ３１４に入力される。このような光に対応する受光波形Ｗ０は、計測距離を示す成分を含まずに、不要な成分を含む。
図８は、不要な成分を含む受光波形Ｗ０を示す図である。図８の受光波形Ｗ０には、３個のピークＰ０，Ｐｘ，Ｐｙが含まれる。ピークＰ０は、計測対象物Ｓの表面で合焦しつつ反射された光により発生する。ピークＰ０は急峻な形状を有し、ピーク波長はλ０である。ピークＰｘは、例えば図７の不要光に対応する成分を含み、計測対象物Ｓとは異なる部分で反射された光により発生する。ピークＰｘは滑らかな形状を有し、ピーク波長はλｘである。ピークＰｙは、発振波長λｙの光源１２１（図６）の光により発生する。より具体的には、ピークＰｙは、光源１２１（図６）により発生されるとともに蛍光体１２２（図６）を通過しつつ計測対象物Ｓの表面に導かれ、計測対象物Ｓの表面で合焦することなく反射された不要光により発生する。ピークＰｙは急峻な形状を有し、ピーク波長はλｙである。
ピーク波長λｘはピーク波長λ０に比較的近く、ピークＰｘの幅は広い。そのため、ピークＰ０はピークＰｘに埋もれることとなる。この場合、ピーク波長λ０を正確に特定することは困難である。そこで、受光波形Ｗ０からピークＰｘに起因する部分（以下、基底波形ＢＬと呼ぶ。）を不要成分として除去するための不要成分除去補正が行われる。
図９は、受光波形Ｗ０の基底波形ＢＬを示す図である。本実施の形態では、制御部１５２は、ピークＰｘとピークＰ０とを識別する低域通過フィルタ処理を受光波形Ｗ０に適用することにより、図９の基底波形ＢＬを取得する。基底波形ＢＬを取得する方式は上記の方式に限定されず、図１の記憶部１５１に基底波形ＢＬを示すデータが予め記憶されていてもよい。この場合、制御部１５２は、取得した図９の基底波形ＢＬに基づいて、図８の受光波形Ｗ０から基底波形ＢＬを除去するように受光波形Ｗ０の補正を行う。
図１０は、基底波形ＢＬが除去された受光波形Ｗ０を示す図である。図１０の例では、ピーク波長λ０が図８のピーク波長λ０よりも短波長側にわずかにシフトしている。このように、受光波形Ｗ０から基底波形ＢＬを除去することにより、ピーク波長λ０をより正確に特定することができる。その結果、計測距離をより正確に算出することが可能になる。
ここで、図８の受光波形Ｗ０のピークＰｙに起因する部分は、ピーク波長λ０の正確な特定に影響を与えない。したがって、不要成分除去補正においては、受光波形Ｗ０のピークＰｙに起因する部分は、受光波形Ｗ０から除去されなくてもよいし、受光波形Ｗ０から除去されてもよい。ピークＰｙに起因する部分が計測範囲ＭＲ（図４）に対応する波長の範囲に近い場合には、基底波形ＢＬとともに受光波形Ｗ０のピークＰｙに起因する部分を受光波形Ｗ０から除去することが好ましい。
なお、本実施の形態では、レーザダイオードからなる光源１２１により出射される励起光の強度が変位の計測に適した強度に対して過剰に大きいので、励起光に相当する波長成分の光を不要光としている。したがって、光源１２１により出射される励起光の強度が変位の計測に適した範囲内であれば励起光を変位の計測に用いてもよい。
不要光のさらに他の例について説明する。図１１は、受光部１４０に導かれる光の経路を示す図である。図１１に示すように、受光部１４０には、回折格子１３１により分光された１次光に加えて、回折格子１３１により０次回折（本例では正反射）された０次光が導かれる。図１１においては、１次光が実線で示され、０次光が一点鎖線で示される。
図１２は、図１１の受光部１４０に導かれる光の受光波形Ｗ０を示す図である。図１２に示すように、受光波形Ｗ０は、１次光に対応する部分と０次光に対応する部分とを含む。図８の受光波形Ｗ０と同様に、１次光に対応する受光波形Ｗ０の部分には、３個のピークＰ０，Ｐｘ，Ｐｙが含まれる。０次光に対応する受光波形Ｗ０の部分には、１個のピークＰｚが含まれる。
０次光は、波長に関係なく回折格子１３１により一定の方向に反射される。回折格子１３１は、０次光が計測範囲ＭＲ（図４）に対応する画素で受光されないように配置される。そのため、０次光は、計測距離の算出には用いられない。図１２に示すように、受光波形Ｗ０が不要光として０次光の成分を含む場合、不要成分除去補正においては、受光波形Ｗ０のピークＰｚに起因する部分は、受光波形Ｗ０から除去されなくてもよいし、受光波形Ｗ０から除去されてもよい。
（ｂ）受光波形シフト補正および受光波形尺度補正
以下の説明では、図７の例で説明したように、投光部１２０から出射されるとともにレンズユニット２２０で反射されて受光部１４０に受光される不要光を第１の不要光と呼ぶ。また、光源１２１により発生されて蛍光体１２２を通過しつつ計測対象物Ｓの表面に導かれ、計測対象物Ｓの表面で合焦することなく反射されて受光部１４０に受光される不要光を第２の不要光と呼ぶ。さらに、図１１の例で説明したように、回折格子１３１により発生されて受光部１４０に受光される０次光を第３の不要光と呼ぶ。
以下の説明では、図７の例で説明したように、投光部１２０から出射されるとともにレンズユニット２２０で反射されて受光部１４０に受光される不要光を第１の不要光と呼ぶ。また、光源１２１により発生されて蛍光体１２２を通過しつつ計測対象物Ｓの表面に導かれ、計測対象物Ｓの表面で合焦することなく反射されて受光部１４０に受光される不要光を第２の不要光と呼ぶ。さらに、図１１の例で説明したように、回折格子１３１により発生されて受光部１４０に受光される０次光を第３の不要光と呼ぶ。
上記のように、特定の波長を有する光は、当該波長に対応付けられた受光部１４０の画素により受光される。しかしながら、周囲の温度変化に伴う受光部１４０の受光面の位置の変化または受光面の傾きの変化により、特定の波長を有する光が予め対応付けられた画素とは異なる画素により受光されることがある。この場合、温度変化に伴って計測結果が変動することにより計測距離を正確に算出することができない。そこで、以下に説明する受光波形シフト補正および受光波形尺度補正が行われる。受光波形シフト補正は、温度に依存する受光波形Ｗ０の波長軸上のシフトを補正する処理である。受光波形尺度補正は、温度に依存する受光波形Ｗ０の波長軸上での尺度を補正する処理である。
計測対象物Ｓの変位を計測する際の受光波形Ｗ０には、例えば図１２に示すように、計測対象物Ｓの変位に依存するピークＰ０とともに第１〜第３の不要光にそれぞれ対応するピークＰｘ，Ｐｙ，Ｐｚが含まれる。
ピークＰｘは、第１の不要光が計測対象物Ｓに到達しないので、計測対象物Ｓの変位に依存しない。また、ピークＰｙは、第２の不要光が光源１２１の発振波長λｙを有するので、計測対象物Ｓの変位に依存しない。また、ピークＰｚは、第３の不要光が波長に関係なく受光部１４０の特定の画素により受光されるので、計測対象物Ｓの変位に依存しない。受光波形シフト補正では、３つのピークＰｘ，Ｐｙ，Ｐｚのうち少なくとも１つが用いられる。受光波形尺度補正では、３つのピークＰｘ，Ｐｙ，Ｐｚのうち少なくとも２つが用いられる。
受光波形シフト補正を行うために、図１の記憶部１５１には、ピークＰｘ，Ｐｙ，Ｐｚのうち少なくとも１つのピークの中心が現れるべき波長が基準波長として予め記憶される。制御部１５２は、記憶部１５１に記憶された基準波長に対応するピークＰｘ〜Ｐｚの波長を特定する。制御部１５２は、特定したピークＰｘ〜Ｐｚの波長と基準波長とを比較することにより受光波形Ｗ０の波長軸上でのシフト量を算出し、算出されたシフト量に基づいて受光波形Ｗ０の波長軸上でのシフトを補正する。図１２には、受光波形Ｗ０の波長軸上でのシフトが補正された後の受光波形Ｗ０が点線で示されている。
受光波形尺度補正を行うために、記憶部１５１には、ピークＰｘ，Ｐｙ，Ｐｚの少なくとも２つのピークの中心が現れるべき波長の間隔が基準間隔として予め記憶される。制御部１５２は、記憶部１５１に記憶された基準間隔に対応するピークＰｘ〜Ｐｚの間隔を特定する。制御部１５２は、特定したピークＰｘ〜Ｐｚの間隔と基準間隔とを比較することにより受光波形Ｗ０の波長軸上での尺度のずれを算出し、算出した尺度のずれに基づいて受光波形Ｗ０の波長軸上での尺度を補正する。
受光部１４０の温度特性に関する補正として、受光波形シフト補正および受光波形尺度補正のうち一方のみが行われてもよいし、両方が行われてもよい。受光波形シフト補正および受光波形尺度補正は、上記の不要成分除去補正よりも先に行われる。受光波形シフト補正および受光波形尺度補正が行われた後の受光波形Ｗ０のピークＰ０を特定することにより、計測距離をより正確に算出することができる。
制御部１５２において不要成分除去補正、受光波形シフト補正および受光波形尺度補正が行われた受光信号がＰＣ６００に与えられる。この場合、ＣＰＵ６０１は、適切に補正された受光信号に基づいて変位を計測することができる。
（５）効果
本実施の形態に係る共焦点変位計５００においては、複数の波長を有する光が投光部１２０により出射される。投光部１２０により出射された光は、計測ヘッド２００において光照射部１により計測対象物Ｓの複数の部分に順次照射される。光照射部１により計測対象物Ｓに照射される光には、レンズユニット２２０により光軸方向に沿った色収差が発生する。また、色収差を有する光はレンズユニット２２０により収束される。
本実施の形態に係る共焦点変位計５００においては、複数の波長を有する光が投光部１２０により出射される。投光部１２０により出射された光は、計測ヘッド２００において光照射部１により計測対象物Ｓの複数の部分に順次照射される。光照射部１により計測対象物Ｓに照射される光には、レンズユニット２２０により光軸方向に沿った色収差が発生する。また、色収差を有する光はレンズユニット２２０により収束される。
計測対象物Ｓの表面の複数の部分で合焦しつつ反射された波長の光が光ファイバ３１４のコア３１０ａを順次通過する。光ファイバ３１４を順次通過した複数の光は、ファイバコネクタ３３０、光ファイバ３１９、ファイバカプラ３２０および光ファイバ３１２を通して分光部１３０に順次導かれ、分光される。分光部１３０により分光された複数の光は、計測対象物Ｓの表面の複数の部分にそれぞれ光が照射される期間に受光部１４０により受光される。そのため、受光部１４０から出力される波長ごとの受光量を示す電気的な受光信号は、複数の部分にそれぞれ対応する複数の光についての波長ごとの強度が積算された平均信号となる。これにより、複数の光の平均化処理を容易に行うことができる。平均化処理後の光の強度に基づいて、制御部１５２により計測対象物Ｓの変位が算出される。
計測対象物Ｓの表面での乱反射により、計測対象物Ｓの表面の位置とは異なる位置で合焦した光が光ファイバ３１４を通過することがある。そのような場合でも、上記の構成によれば、平均化処理において光ファイバ３１４を通過した複数の光についての波長ごとの強度が平均される。それにより、乱反射によるランダムな計測誤差を発生させる光の成分が打ち消される。さらに、上記の構成においては、計測対象物Ｓの変位が算出される前に、不要成分除去補正により受光波形Ｗ０から少なくとも基底波形ＢＬを含む不要光の成分が除去される。これらの結果、共焦点変位計５００により計測される計測対象物Ｓの変位の誤差を低減することができる。
また、上記の構成においては、不要成分除去補正の前に受光波形シフト補正が行われる。受光波形シフト補正として、計測対象物Ｓの変位に依存しない第１〜第３の不要光にそれぞれ対応するピークＰｘ，Ｐｙ，Ｐｚのうち少なくとも１つのピークに基づいて温度に依存する受光波形Ｗ０の波長軸上でのシフトが補正される。それにより、温度変化に伴って受光波形Ｗ０が波長軸上でシフトすることによる計測結果の変動を補償することができる。
さらに、上記の構成においては、不要成分除去補正の前に受光波形尺度補正が行われる。受光波形尺度補正として、計測対象物Ｓの変位に依存しない第１〜第３の不要光にそれぞれ対応するピークＰｘ，Ｐｙ，Ｐｚのうち少なくとも２つのピークに基づいて温度に依存する受光波形Ｗ０の波長軸上での尺度が補正される。それにより、温度変化に伴う受光波形Ｗ０の波長軸上での尺度のずれによる計測結果の変動を補償することができる。
また、上記の構成においては、平均化処理を行うための演算を行う必要がないので、計測対象物Ｓの変位を効率よく算出することができる。
また、本実施の形態においては、光ファイバ３１４の先端部分がピンホールとして機能する。この場合、ピンホールを別個に配置する必要がない。これにより、共焦点変位計５００の構成をコンパクトにすることができる。このように、光ファイバ３１４のクラッド３１０ｂを遮光部とし、コア３１０ａをピンホールとして用いることにより、簡易な構成で共焦点光学系を実現することができる。一方で、光の損失を許容できる場合には、遮光性を有する板にピンホールを設けた遮光部材を計測ヘッド２００側における光ファイバ３１４の端部に配置してもよい。
さらに、本実施の形態においては、処理装置１００と計測ヘッド２００とが別体的に設けられ、導光部３００により光学的に接続される。そのため、計測対象物Ｓの形状もしくは配置等に応じて適切な色収差を発生させるレンズユニット２２０または適切な焦点距離を有するレンズユニット２２０を含む計測ヘッド２００を用いることが容易になる。これにより、計測対象物Ｓの変位をより容易に計測することができる。
また、導光部３００が光ファイバを含むことにより、処理装置１００と計測ヘッド２００とを離間して配置することができる。計測ヘッド２００には発熱源が存在しない。そのため、計測ヘッド２００を多様な環境に配置することができる。また、後述するように、計測ヘッド２００の露出する部分をガラスにより形成することにより、計測ヘッド２００をより多様な環境に配置することができる。
上記のように、投光部１２０においては、レーザダイオードからなる光源１２１により出射された光の一部が蛍光体１２２に吸収される。それにより、蛍光体１２２から複数の波長を有する光が発生される。発生された光は、レンズユニット２２０を通して色収差が発生されつつ計測対象物Ｓに照射される。それにより、計測対象物Ｓの変位を計測するための複数の波長の光を容易に発生させることができる。
光源１２１としてレーザダイオードを用いる場合には、導光部３００が光ファイバを含むことが好ましい。例えば、図６に示すように、光源１２１により出射されるレーザ光により蛍光体１２２を励起し、複数の波長を有する光を生成する場合には、光ファイバを用いることにより生成された光を効率よく抽出することができる。また、光ファイバを用いることにより、抽出された光を計測ヘッド２００に効率よく供給できる。
また、投光部１２０においては、光源１２１により出射された光がレンズ１２４を通過することにより蛍光体１２２上に集光される。それにより、蛍光体１２２に入射する光の光量を増大させることができる。それにより、蛍光体１２２からレンズユニット２２０へ出射される複数の波長の光の光量が増加する。したがって、計測対象物Ｓの表面上に形成される照射領域のサイズを小さくした場合でも、光ファイバ３１４のコア３１０ａを通過する光の光量が著しく低下することが防止される。したがって、照射領域のサイズを小さくすることが可能となる。
上記のように、レンズユニット２２０は、凸型を有する屈折レンズ２２１と凹型を有する回折レンズ２２２を含む。また、屈折レンズ２２１および回折レンズ２２２は、光ファイバ３１４から出力された光が、屈折レンズ２２１および回折レンズ２２２を通過するように配置される。この場合、屈折レンズ２２１および回折レンズ２２２によって発生する色収差の方向がそれぞれのレンズで同じ方向になるため、結果としてレンズユニット２２０の光軸上の色収差が大きくなる。したがって、共焦点変位計５００の計測範囲ＭＲを大きくすることができる。
（６）光照射部の具体的な構成
図１３は、図１の共焦点変位計５００のより具体的な構成を示す模式図である。図１３の共焦点変位計５００では、図１の光照射部１として計測ヘッド２００の筐体２１０の内部に平板部材２３０および駆動部２４０が設けられる。
図１３は、図１の共焦点変位計５００のより具体的な構成を示す模式図である。図１３の共焦点変位計５００では、図１の光照射部１として計測ヘッド２００の筐体２１０の内部に平板部材２３０および駆動部２４０が設けられる。
平板部材２３０は、透過性を有する平板状の部材により形成される。平板部材２３０は、例えば平板ガラスであってもよいし、レンズ素子であってもよいし、他の素子であってもよい。駆動部２４０は、例えば中空モータである。駆動部２４０には、図示しない電源ケーブルを介して処理装置１００の電力供給部１６０から電力が供給される。
図１４は、図１３の計測ヘッド２００を用いた共焦点変位計５００の動作原理を説明するための図である。図１４に示すように、駆動部２４０は、円筒状の固定部２４１および円筒状の回転軸２４２を含む。回転軸２４２は、固定部２４１と同心になるように固定部２４１の中空部分に設けられる。
光ファイバ３１４の端部は、例えば図示しないフェルールに挿入された状態で、回転軸２４２の中空部分に固定される。平板部材２３０は、入射面２３１および出射面２３２が光ファイバ３１４の光軸に直交する面に対して傾斜した状態で回転軸２４２に取り付けられる。光ファイバ３１４から光が出射された状態で、回転軸２４２が回転する。駆動部２４０の回転速度は１００ｒｐｍ以上が好ましく、６０００ｒｐｍ以上がより好ましい。駆動部２４０は連続的に回転するが、本発明はこれに限定されない。駆動部２４０は間欠的に回転してもよい。
図１５は、図１４の駆動部２４０の回転時における光の光路を示す図である。図１５（ａ）は、初期時点における光の光路を示す。図１５（ｂ）は、初期時点から一定時間が経過した時点（初期時点から駆動部２４０が９０度回転した時点）における光の光路を示す。図１５（ｃ）は、図１５（ｂ）の時点からさらに一定時間が経過した時点（図１５（ｂ）の時点から駆動部２４０がさらに９０度回転した時点）における光の光路を示す。
図１５（ａ）〜（ｃ）に示すように、光ファイバ３１４から出力された光は、光ファイバ３１４の光軸と略平行に平板部材２３０の入射面２３１に入射される。平板部材２３０の入射面２３１は光ファイバ３１４の光軸に直交する面に対して傾斜しているので、平板部材２３０の入射面２３１に入射された光は、入射角に対して傾斜した角度で平板部材２３０内を透過する。その後、光は、入射角と略等しい角度で平板部材２３０の出射面２３２から出射される。これにより、光をシフトさせつつ、図１４のレンズユニット２２０を通して計測対象物Ｓに光を照射することができる。
図１６は、図１４の計測ヘッド２００により光が照射される計測対象物Ｓの領域を示す図である。図１６に示すように、計測対象物Ｓの表面の円環状の領域に光が照射される。このように、計測対象物Ｓの表面に円環状の照射領域ＩＲが形成される。この構成によれば、計測対象物Ｓの表面の直線状の領域に光を照射する場合に比べて、光照射部１の物理的な動作部分の負担が小さい。これにより、平板部材２３０および駆動部２４０の寿命を長期化することができる。平板部材２３０の傾斜角度、厚みおよび屈折率等を選択することにより、照射領域ＩＲの外径ＯＤを決定することができる。本例では、外径ＯＤは例えば２５０μｍである。このように外径ＯＤは微小であるため、使用者には照射領域ＩＲは円環状ではなく１つの点として認識される。
計測対象物Ｓの照射領域ＩＲで反射された光のうち、照射領域ＩＲの位置で合焦した光がレンズユニット２２０および平板部材２３０を通過して光ファイバ３１４に入力され、受光部１４０により受光される。
駆動部２４０が１回転する期間のうち互いに異なる複数の時点では、計測対象物Ｓの互いに異なる複数の部分にそれぞれ光が照射される。それにより、複数の時点においては、例えば図５に示されるような複数の受光波形Ｗ１〜Ｗ４を取得することができる。そこで、受光部１４０は、駆動部２４０が１回転する期間の間露光を行う。なお、本例では受光部１４０は連続的に露光を行うが、本発明はこれに限定されない。受光部１４０は間欠的に露光を行ってもよい。
駆動部２４０が１回転した後、受光部１４０の各画素から露光期間に積算された受光信号が出力される。これにより、受光部１４０から出力される受光信号には、強度の平均化処理が行われる。その結果、図５の受光波形Ｗ０が得られる。したがって、受光波形Ｗ０のピーク波長λ０を特定することにより、計測距離をより正確に特定することができる。
照射領域ＩＲの外径ＯＤは１００μｍ以上であることが好ましい。この場合、計測対象物Ｓの表面における十分に大きな領域の複数の部分で光が反射される。そのため、平均分布の信号において、乱反射によるランダムな計測誤差を発生させる光の成分が十分に打ち消される。これにより、共焦点変位計５００により計測される計測対象物Ｓの変位の誤差をより低減することができる。
また、照射領域ＩＲの外径ＯＤは５００μｍ以下であることが好ましい。この場合、光照射部１により計測対象物Ｓに照射される光は過度に大きく広がらないので、レンズユニット２２０の中心付近を通過することができる。そのため、コマ収差等の測定精度を低下させる収差がほとんど発生しない。これにより、計測対象物Ｓの変位をより高い精度で計測することができる。
上記のように、駆動部２４０が１回転する間の単一の露光期間に受光部１４０により受光される。その後、受光部１４０から受光信号が出力される。それにより、平均化処理を行うための演算を行う必要がないので、計測対象物Ｓの変位を効率よく算出することができる。
（７）レンズユニットの変形例
本実施の形態において、レンズユニット２２０は屈折レンズ２２１および回折レンズ２２２を含むが、本発明はこれに限定されない。レンズユニット２２０は屈折レンズ２２１および回折レンズ２２２の一方または両方を含まなくてもよい。図１７（ａ）〜（ｄ）は、レンズユニット２２０の第１〜第４の変形例を示す図である。
本実施の形態において、レンズユニット２２０は屈折レンズ２２１および回折レンズ２２２を含むが、本発明はこれに限定されない。レンズユニット２２０は屈折レンズ２２１および回折レンズ２２２の一方または両方を含まなくてもよい。図１７（ａ）〜（ｄ）は、レンズユニット２２０の第１〜第４の変形例を示す図である。
図１７（ａ）に示すように、第１の変形例におけるレンズユニット２２０は、図１の屈折レンズ２２１を含まずに回折レンズ２２２および対物レンズ２２３を含む。図１７（ｂ）に示すように、第２の変形例におけるレンズユニット２２０は、第１の変形例と同様に、図１の屈折レンズ２２１を含まずに回折レンズ２２２および対物レンズ２２３を含む。第２の変形例においては、回折レンズ２２２および対物レンズ２２３は、第１の変形例における回折レンズ２２２および対物レンズ２２３の位置とは逆に配置される。
図１７（ｃ）に示すように、第３の変形例におけるレンズユニット２２０は、第１の変形例の回折レンズ２２２に代えて、ダブレットレンズ２２４を含む。図１７（ｄ）に示すように、第４の変形例におけるレンズユニット２２０は、第２の変形例の回折レンズ２２２に代えて、ダブレットレンズ２２４を含む。このように、レンズユニット２２０は、例えば回折レンズ、ダブレットレンズ、ＧＲＩＮ（グレーデッドインデックス）レンズもしくはプリズムまたはこれらの組み合わせにより構成されてもよい。これらのレンズユニット２２０の構成によれば、投光部１２０により出射された光に光軸方向に沿った色収差を発生させるとともに、色収差を有する光を収束させて計測対象物Ｓに照射することができる。
上記のレンズは、ガラスレンズであってもよいし、樹脂レンズであってもよいし、表面上に樹脂がコーティングされたガラスレンズであってもよい。ガラスレンズは、高い耐熱性を有する。樹脂レンズは、安価に製造することができる。樹脂がコーティングされたガラスレンズは、比較的安価に製造することができ、かつ比較的高い耐熱性を有する。
レンズユニット２２０のうち、計測対象物Ｓに最も接近させることが可能なレンズは、例えば外部に露出する状態で配置される。このように、外部に露出するレンズは、ガラスにより形成されることが好ましい。工場等の製造ラインにおいては、計測ヘッド２００は、水分または油分等が存在する環境に配置される。計測ヘッド２００の外部に露出している部分の光学系をガラスにより形成することにより、計測ヘッド２００の耐油性、耐水性および耐汚染性を向上させることができる。
上記の例と同じ理由により、レンズユニット２２０に外部に露出する部分が存在する場合、その露出部分はガラスにより形成されることが好ましい。なお、レンズユニット２２０の全体を計測ヘッド２００の外部の雰囲気から遮断することができるのであれば、屈折レンズ２２１、回折レンズ２２２、対物レンズ２２３またはダブレットレンズ２２４がガラスではなく、樹脂により形成されてもよい。例えば、図１７（ａ）〜（ｄ）の例においては、レンズユニット２２０が筐体２１０内に配置された状態で、レンズユニット２２０の下側（計測対象物Ｓ側）にカバーガラスが設けられてもよい。
（８）投光部の変形例
本実施の形態において、光源１２１から出射される光とフェルール１２３の中心軸とが一直線上に配置されるが、本発明はこれに限定されない。図１８は、投光部１２０の変形例を示す図である。図１８に示すように、変形例における投光部１２０は、光源１２１、蛍光体１２２、フェルール１２３、レンズ１２４，１２８および反射部材１２９を含む。レンズ１２４は、光源１２１と反射部材１２９との間に配置される。レンズ１２８は、反射部材１２９とフェルール１２３との間に配置される。蛍光体１２２は、反射部材１２９の反射面に塗布される。
本実施の形態において、光源１２１から出射される光とフェルール１２３の中心軸とが一直線上に配置されるが、本発明はこれに限定されない。図１８は、投光部１２０の変形例を示す図である。図１８に示すように、変形例における投光部１２０は、光源１２１、蛍光体１２２、フェルール１２３、レンズ１２４，１２８および反射部材１２９を含む。レンズ１２４は、光源１２１と反射部材１２９との間に配置される。レンズ１２８は、反射部材１２９とフェルール１２３との間に配置される。蛍光体１２２は、反射部材１２９の反射面に塗布される。
光源１２１により出射された光は、レンズ１２４を通過することにより、励起光として反射部材１２９に塗布された蛍光体１２２上に集光される。蛍光体１２２は、励起光を吸収して蛍光を放出する。ここで、蛍光体１２２に吸収されずに透過した励起光と蛍光体１２２からの蛍光とが混合されることにより、広い波長帯域の光が生成される。生成された光は、反射部材１２９の反射面で反射されることにより、レンズ１２８を通してフェルール１２３に導かれる。これにより、光ファイバ３１１に光が入力される。この構成においては、光学素子の配置の自由度が大きくなる。そのため、投光部１２０を小型化することが容易になる。
投光部１２０により生成される光の強度を増加させるために、光源１２１により出射される光の光量を大きくすることが好ましい。一方で、光源１２１からの光の光量を大きくすると、蛍光体１２２の発熱が大きくなることにより、反射部材１２９の反射効率が低下するとともに、蛍光体１２２からの蛍光の放出が飽和しやすくなる。そこで、反射部材１２９が回転または移動可能に構成されてもよい。これにより、蛍光体１２２が冷却され、発熱を抑制することができる。その結果、投光部１２０により生成される光の強度をより増加させることができる。
（９）分光部の変形例
本実施の形態において、分光部１３０の回折格子１３１は反射型を有するが、本発明はこれに限定されない。図１９は、分光部１３０の変形例を示す図である。図１９に示すように、分光部１３０の変形例においては、回折格子１３１は透過型を有する。回折格子１３１に入射された光は、波長ごとに異なる角度で透過するように分光される。回折格子１３１により分光された光は、レンズ１３３を通過することにより波長ごとに異なる受光部１４０の画素の位置に合焦される。
本実施の形態において、分光部１３０の回折格子１３１は反射型を有するが、本発明はこれに限定されない。図１９は、分光部１３０の変形例を示す図である。図１９に示すように、分光部１３０の変形例においては、回折格子１３１は透過型を有する。回折格子１３１に入射された光は、波長ごとに異なる角度で透過するように分光される。回折格子１３１により分光された光は、レンズ１３３を通過することにより波長ごとに異なる受光部１４０の画素の位置に合焦される。
本例の分光部１３０においては、回折格子１３１を直進して通過する０次光が発生する場合がある。その０次光が受光部１４０により受光される場合には、０次光に対応する受光波形のピークを、上記の受光波形シフト補正および受光波形尺度補正に用いることができる。
［２］第２の実施の形態
（１）共焦点変位計の基本構成および動作原理
本発明の第２の実施の形態に係る共焦点変位計について、第１の実施の形態に係る共焦点変位計５００と異なる点を説明する。図２０は、第２の実施の形態に係る共焦点変位計の構成を示す模式図である。本実施の形態に係る共焦点変位計５００は、計測ヘッド２００および導光部３００の構成が第１の実施の形態に係る共焦点変位計５００とは異なる。
（１）共焦点変位計の基本構成および動作原理
本発明の第２の実施の形態に係る共焦点変位計について、第１の実施の形態に係る共焦点変位計５００と異なる点を説明する。図２０は、第２の実施の形態に係る共焦点変位計の構成を示す模式図である。本実施の形態に係る共焦点変位計５００は、計測ヘッド２００および導光部３００の構成が第１の実施の形態に係る共焦点変位計５００とは異なる。
図２０の計測ヘッド２００は、複数（本例では４個）の光ファイバ３９３〜３９６を含む。また、導光部３００は、複数（本例では４個）の光ファイバ３９１，３９２，３９７，３９８および複数（本例では２個）のファイバカプラ３４０，３５０を含む。ファイバカプラ３４０は処理装置１００の筐体１１０に設けられ、ファイバカプラ３５０は計測ヘッド２００の筐体２１０に設けられる。本発明はこれに限定されず、ファイバカプラ３４０は処理装置１００の筐体１１０以外の部分に設けられてもよいし、ファイバカプラ３５０は計測ヘッド２００の筐体２１０以外の部分に設けられてもよい。
ファイバカプラ３４０は、いわゆる２×２型の構成を有し、４個のポート３４１〜３４４および本体部３４５を含む。ポート３４１，３４２とポート３４３，３４４とは、本体部３４５を挟んで対向するように本体部３４５に接続される。ポート３４１，３４２の少なくとも１つのポートに入力された光は、ポート３４３，３４４の各々から出力される。ポート３４３，３４４の少なくとも１つのポートに入力された光は、ポート３４１，３４２の各々から出力される。
ファイバカプラ３５０は、いわゆる２×４型の構成を有し、６個のポート３５１〜３５６および本体部３５７を含む。ポート３５１，３５２とポート３５３〜３５６とは、本体部３５７を挟んで対向するように本体部３５７に接続される。ポート３５１，３５２の少なくとも１つのポートに入力された光は、ポート３５３〜３５６の各々から出力される。ポート３５３〜３５６の少なくとも１つのポートに入力された光は、ポート３５１，３５２の各々から出力される。
ファイバカプラ３４０のポート３４１，３４２には、光ファイバ３９１，３９２がそれぞれ接続される。ファイバカプラ３５０のポート３５３〜３５６には、光ファイバ３９３〜３９６がそれぞれ接続される。ファイバカプラ３４０のポート３４３とファイバカプラ３５０のポート３５１とが光ファイバ３９７により接続される。ファイバカプラ３４０のポート３４４とファイバカプラ３５０のポート３５２とが光ファイバ３９８により接続される。
この構成によれば、処理装置１００の投光部１２０により出射された光は、光ファイバ３９１を通してファイバカプラ３４０のポート３４１に入力される。ポート３４１に入力された光は、ポート３４３，３４４から出力され、光ファイバ３９７，３９８を通してファイバカプラ３５０のポート３５１，３５２に入力される。ポート３５１，３５２に入力された光は、ポート３５３〜３５６から出力され、光ファイバ３９３〜３９６およびレンズユニット２２０を通して計測対象物Ｓに照射される。
計測対象物Ｓの表面で反射された光の一部は、レンズユニット２２０および光ファイバ３９３〜３９６を通してファイバカプラ３５０のポート３５３〜３５６に入力される。ポート３５３〜３５６に入力された光は、ポート３５１，３５２から出力され、光ファイバ３９７，３９８を通してファイバカプラ３４０のポート３４３，３４４に入力される。ポート３４３，３４４に入力された光は、ポート３４１，３４２から出力される。ポート３４２から出力された光は、光ファイバ３９２を通して分光部１３０に導かれる。これにより、変位計測処理が行われる。
図２１は、図２０の計測ヘッド２００を用いた共焦点変位計５００の動作原理を説明するための図である。本例の計測ヘッド２００においては、処理装置１００から導光部３００を通して入力された光が４個の光ファイバ３９３〜３９６の各々から出力される。４個の光ファイバ３９３〜３９６からそれぞれ出力された光は、レンズユニット２２０を通過することにより色収差が発生されつつ計測対象物Ｓの表面の互いに異なる４つの部分に照射される。この場合、計測対象物Ｓの表面上では、４個の光ファイバ３９３〜３９６にそれぞれ対応する４つの照射領域が形成される。
図２２は、図２１の４個の光ファイバ３９３〜３９６の配置を示す断面図である。図２２に示すように、本例では、４個の光ファイバ３９３〜３９６が保持部材３０２により束ねられた状態で一体的に保持されている。以下の説明では、４個の光ファイバ３９３〜３９６と保持部材３０２とを含む構成をファイバユニット３０１と呼ぶ。
各光ファイバ３９３〜３９６は、コア３１０ａおよびクラッド３１０ｂを含む。コア３１０ａはクラッド３１０ｂにより被覆される。光ファイバ３９３〜３９６のコア３１０ａの一端部に入力された光は、コア３１０ａの他端部から出力される。なお、図２０の光ファイバ３９１，３９２，３９７，３９８も光ファイバ３９３〜３９６と同様の構成を有する。
ファイバユニット３０１は、その軸の中心と図２１のレンズユニット２２０の光軸とが略一致するように配置される。この場合、ファイバユニット３０１の光ファイバ３９３〜３９６は、レンズユニット２２０の光軸に対して対称に配置されることが好ましい。図２２の例においては、ファイバユニット３０１の中心は、光学系２２０の光軸上に配置され、各光ファイバ３９３〜３９６のコア３１０ａ（光軸）は、レンズユニット２２０の光軸に対して対称に配置される。この場合、各光ファイバ３９３〜３９６のコア３１０ａ（光軸）は、ファイバユニット３０１の中心、すなわちレンズユニット２２０の光軸から略同一距離離間する。
このように、レンズユニット２２０の光軸から略等間隔離れた位置に各光ファイバ３９３〜３９６のコア３１０ａが配置されることにより、光軸方向に沿った収差を生じさせるためのレンズユニット２２０の光学設計を容易に行うことができる。ここで、光軸とは、屈折レンズ２２１、回折レンズ２２２および対物レンズ２２３の各々の光軸が略一致している場合における当該光軸を意味するだけでなく、屈折レンズ２２１、回折レンズ２２２および対物レンズ２２３のいずれか１つ以上の光軸を意味してもよい。
図２２の例では、光ファイバ３９３〜３９６は正方形の４つの角部に位置するように配置される。各コア３１０ａの直径Ｌ１は、２００μｍ以下であることが好ましく、５０μｍ以下であることがより好ましい。この場合、４個の光ファイバ３９３〜３９６は近接して配置されるので、使用者には計測対象物Ｓの表面の１つの部分に光が照射されているように認識される。
計測対象物Ｓの表面の４つの部分（照射領域）で反射された光のうち、計測対象物Ｓの表面の位置で合焦した光が対応する光ファイバ３９３〜３９６に入力され、図２０の処理装置１００に導かれる。処理装置１００に導かれた光は、回折格子１３１により分光されつつ受光部１４０により受光される。ここで、隣り合うコア３１０ａの中心間の距離Ｌ２は、直径Ｌ１の３倍以上であることが好ましい。距離Ｌ２が直径Ｌ１の３倍以上である場合には、計測対象物Ｓの表面の一部分で合焦しつつ反射された光が当該一部分に対応する光ファイバ３９３〜３９６のピンホールを通過し、外乱光として当該一部分に対応しない他の光ファイバ３９３〜３９６のピンホールを通過することがほとんどない。
隣り合うコア３１０ａの中心間の距離Ｌ２は、直径Ｌ１の５倍以上１０倍以下であることがより好ましい。距離Ｌ２が直径Ｌ１の５倍以上１０倍以下以上である場合には、計測対象物Ｓの表面の一部分で合焦しつつ反射された光が外乱光として当該一部分に対応しない他のピンホールを通過することがさらに抑制される。また、複数の光は大きく離間していないので、レンズユニット２２０の中心付近を通過することができる。そのため、コマ収差等の測定精度を低下させる収差がほとんど発生しない。本例では、直径Ｌ１は例えば５０μｍであり、距離Ｌ２は例えば２５０μｍである。
上記のように、計測対象物Ｓの４つの部分で合焦しつつ反射されて光ファイバ３９３〜３９６に入力された光は、光信号としてファイバカプラ３５０、光ファイバ３９７，３９８およびファイバカプラ３４０を通して光ファイバ３９２から出力されるまでの過程で混合される。その後、混合された光信号は、分光部１３０を経て受光部１４０により電気信号に変換される。すなわち、本例では、光信号の状態で平均化処理が行われる。
上記のように、混合されつつ光ファイバ３９２から出力される光信号に、強度の平均化処理が行われる。第２の実施の形態における平均化処理とは、複数のピンホールを通過した複数の光についての波長ごとの強度の平均に対応する平均分布の信号を生成する処理を意味する。本例では、平均化処理は積算処理である。
それにより、計測対象物Ｓの４つの部分で合焦しつつ反射される光に対応する受光信号の波形が例えば図５の受光波形Ｗ１〜Ｗ４で表される場合に、演算を行うことなく図５の受光波形Ｗ０を得ることができる。したがって、受光波形Ｗ０のピーク波長λ０を特定することにより、計測距離をより正確に特定することができる。
（２）効果
本実施の形態に係る共焦点変位計５００においては、投光部１２０から出射された光は、計測ヘッド２００において複数の光ファイバ３９３〜３９６により計測対象物Ｓの複数の部分にそれぞれ照射される。計測対象物Ｓの複数の照射領域で合焦しつつ反射された波長の光が複数の光ファイバ３９３〜３９６を通過する。
本実施の形態に係る共焦点変位計５００においては、投光部１２０から出射された光は、計測ヘッド２００において複数の光ファイバ３９３〜３９６により計測対象物Ｓの複数の部分にそれぞれ照射される。計測対象物Ｓの複数の照射領域で合焦しつつ反射された波長の光が複数の光ファイバ３９３〜３９６を通過する。
複数の光ファイバ３９３〜３９６を通過した複数の光は、ファイバカプラ３５０、光ファイバ３９７，３９８、ファイバカプラ３４０および光ファイバ３９２を通して分光部１３０に導かれる。そのため、複数の光ファイバ３９３〜３９６を通過した複数の光が、分光部１３０に導かれる過程で一の光に合成される。この場合、複数の光ファイバ３９３〜３９６を通過した複数の光についての波長ごとの強度の平均分布を生成するために演算を行う必要がない。したがって、複数の光の平均化処理を高速で効率よく容易に行うことができる。
図２０に示すように、ファイバカプラ３４０が処理装置１００側に配置され、ファイバカプラ３５０が計測ヘッド２００側に配置される。また、ファイバカプラ３４０，３５０間が２つのコア３１０ａを有する光ファイバ３９７，３９８により接続される。この構成によれば、計測対象物Ｓから反射される光信号の損失を抑制しつつ、ファイバカプラ３４０，３５０の配置のための設計自由度を向上させることができる。
図２０においては、ファイバカプラ３５０は、計測ヘッド２００の筐体２１０に設けられているが、ファイバカプラ３５０は、筐体２１０と光ファイバ３９３〜３９６とのコネクタ部内に設けられていてもよい。金属等の強固な筐体（コネクタ部）の中にファイバカプラ３５０が配置されることにより、ファイバカプラ３５０を固定および保護しつつ計測ヘッド２００が大型化することを防止することができる。ファイバカプラ３５０は、コネクタ部の近傍に設けられてもよい。
（３）導光部の変形例
第２の実施の形態に係る導光部３００は、処理装置１００内の投光部１２０および分光部１３０と計測ヘッド２００の光ファイバ３９３〜３９６との間で光を伝送するための構成として２×２型のファイバカプラ３４０、２×４型のファイバカプラ３５０および４個の光ファイバ３９１，３９２，３９７，３９８を含むが、本発明はこれに限定されない。
第２の実施の形態に係る導光部３００は、処理装置１００内の投光部１２０および分光部１３０と計測ヘッド２００の光ファイバ３９３〜３９６との間で光を伝送するための構成として２×２型のファイバカプラ３４０、２×４型のファイバカプラ３５０および４個の光ファイバ３９１，３９２，３９７，３９８を含むが、本発明はこれに限定されない。
光ファイバ３９１をファイバカプラ３５０のポート３５１に接続し、光ファイバ３９２をファイバカプラ３５０のポート３５２に接続してもよい。それにより、投光部１２０および分光部１３０と計測ヘッド２００の光ファイバ３９３〜３９６との間で光を伝送させることができる。この構成によれば、図２０のファイバカプラ３４０および光ファイバ３９７，３９８が不要になる。
または、第２の実施の形態に係る導光部３００は、２×４型のファイバカプラ３５０に代えて１×２型のファイバカプラを２つ備え、それらの２つのファイバカプラが計測ヘッド２００に設けられてもよい。この場合、一方のファイバカプラにおいては、１つのポートに光ファイバ３９７を接続し、その１つのポートに対向する２つのポートに光ファイバ３９３，３９４を接続する。また、他方のファイバカプラにおいては、１つのポートに光ファイバ３９８を接続し、その１つのポートに対向する２つのポートに光ファイバ３９５，３９６を接続する。それにより、投光部１２０および分光部１３０と計測ヘッド２００の光ファイバ３９３〜３９６との間で光を伝送させることができる。
または、第２の実施の形態に係る導光部３００は、２×２型のファイバカプラ３４０および２×４型のファイバカプラ３５０に代えて１×２型のファイバカプラおよび１×４型のファイバカプラを備えてもよい。この場合、例えば１×２型のファイバカプラを処理装置１００に設け、１×４型のファイバカプラを計測ヘッド２００に設ける。また、１×２型のファイバカプラの２つのポートに光ファイバ３９１，３９２を接続し、それら２つのポートに対向する１つのポートに光ファイバ３９７の一端を接続する。さらに、１×４型のファイバカプラの１つのポートに光ファイバ３９７の他端を接続し、その１つのポートに対向する４つのポートに光ファイバ３９３〜３９６を接続する。それにより、投光部１２０および分光部１３０と計測ヘッド２００の光ファイバ３９３〜３９６との間で光を伝送させることができる。この構成によれば、図２０の光ファイバ３９８が不要になる。
［３］他の実施の形態
（１）第１の実施の形態においては、導光部３００は光ファイバを含み、光ファイバを用いて処理装置１００と計測ヘッド２００との間で光が伝送されるが、本発明はこれに限定されない。導光部３００は光ファイバを含まず、ミラーおよびハーフミラー等の光学素子を用いて処理装置１００と計測ヘッド２００との間で光が伝送されてもよい。
（１）第１の実施の形態においては、導光部３００は光ファイバを含み、光ファイバを用いて処理装置１００と計測ヘッド２００との間で光が伝送されるが、本発明はこれに限定されない。導光部３００は光ファイバを含まず、ミラーおよびハーフミラー等の光学素子を用いて処理装置１００と計測ヘッド２００との間で光が伝送されてもよい。
図２３は、他の実施の形態に係る共焦点変位計の構成を示す模式図である。図２３の計測ヘッド２００は、図１および図１３の光ファイバ３１４を有さない。また、本例の導光部３００は、図１および図１３の光ファイバ３１１，３１２，３１９、ファイバカプラ３２０およびファイバコネクタ３３０に代えて、ハーフミラー３７１および複数（本例では２個）の空間フィルタ３７２，３７３を含む。空間フィルタ３７２，３７３には、ピンホール３７２ａ，３７３ａがそれぞれ形成される。
投光部１２０から出射された光は、空間フィルタ３７２のピンホール３７２ａを通過した後、ハーフミラー３７１を通過する。ハーフミラー３７１を通過した光は、平板部材２３０およびレンズユニット２２０を通して計測対象物Ｓに照射される。この状態で、平板部材２３０が図示しない駆動部２４０により回転される。それにより、計測対象物Ｓ上の円環状の領域に光が照射される。計測対象物Ｓの表面で反射された光の一部は、平板部材２３０およびレンズユニット２２０を通過し、ハーフミラー３７１により反射される。ハーフミラー３７１により反射された光は、空間フィルタ３７３のピンホール３７３ａを通過して分光部１３０に導かれる。受光部１４０は、分光部１３０により分光された光を受光し、受光信号を出力する。
演算処理部１５０は、受光部１４０により出力される受光信号に基づいて、平均化処理が行われた受光波形Ｗ０を取得する。このように、受光波形Ｗ０の平均化処理が行われることにより、乱反射によるランダムな計測誤差を発生させる光の成分が打ち消される。受光波形Ｗ０のピーク波長λ０を特定することにより、計測距離をより正確に特定することができる。
第２の実施の形態においても、上記の図２３の例と同様に、導光部３００は光ファイバを含まず、ミラーおよびハーフミラー等の光学素子を用いて処理装置１００と計測ヘッド２００との間で光が伝送されてもよい。なお、この場合、共焦点計測装置５００には、例えば４個の光源１２１と、これらにそれぞれ対応する４個の空間フィルタ３７２および４個の空間フィルタ３７３が設けられる。
（２）第１の実施の形態においては、計測対象物Ｓの複数の部分に対応する受光波形の平均化処理として光学的な積算処理が行われるが、本発明はこれに限定されない。受光波形の平均化処理として、電気的な積算処理、平均処理または加重平均処理が行われてもよいし、他の処理が行われてもよい。
例えば、受光部１４０は、分光部１３０により順次分光された複数の光を順次受光し、順次受光された複数の光の各々について受光信号を出力してもよい。この場合、制御部１５２は、受光部１４０から出力される複数の受光信号を波長ごとに平均または積算等することにより波長ごとの信号強度として平均信号を算出し、算出された平均信号に基づいて計測対象物Ｓの変位を算出することができる。
あるいは、受光部１４０は、分光部１３０により順次分光された複数の光を複数の露光期間内に受光し、各露光期間内に受光した光について受光信号を出力してもよい。この場合、制御部１５２は、受光部１４０から出力される複数の受光信号を波長ごとに平均または積算等することにより波長ごとの信号強度として平均信号を算出し、算出された平均信号に基づいて計測対象物Ｓの変位を算出することができる。これらの構成によれば、平均信号の算出において、複数の光の強度を考慮した所望の演算を行うことができる。これにより、計測対象物Ｓの変位をより正確に算出することができる。
（３）第１の実施の形態の図１３の具体例においては、平板部材２３０を回転させるため駆動部２４０として中空モータが用いられるが、本発明はこれに限定されない。駆動部２４０は、平板部材２３０を回転させることが可能であればよく、中空モータ以外のモータ、１または複数のロータおよびベルト等により構成されてもよい。
（４）第１の実施の形態においては、ファイバカプラ３２０を用いて光の結合および分岐が行われるが、本発明はこれに限定されない。ファイバカプラ３２０が用いられず、複数のコア３１０ａが１つに融着された複数の光ファイバ３１１，３１２，３１９を用いて光の結合および分岐が行われてもよい。
（５）第１の実施の形態の図１３の例においては、平板部材２３０は光ファイバ３１４とレンズユニット２２０との間に配置されるが、本発明はこれに限定されない。平板部材２３０は、光路上におけるいずれの位置に配置されてもよい。
（６）第２の実施の形態においては、共焦点変位計５００は計測対象物Ｓの表面の４つの部分に光が照射されるように構成されるが、本発明はこれに限定されない。共焦点変位計５００は、計測対象物Ｓの表面の２つの部分、３つの部分または５つ以上の部分に光が照射されるように構成されてもよい。
したがって、ファイバユニット３０１に含まれる光ファイバの数は、２個以上であることが好ましく、４個以上であることがより好ましい。ファイバユニット３０１の光ファイバの数を増加させた場合、平均化処理により測定精度をより向上させることができる一方で、ファイバユニット３０１の外径が大型化する。そのため、要求される測定精度とファイバユニット３０１の外径とに応じて光ファイバの数が決定されてもよい。
（７）第２の実施の形態において、ファイバユニット３０１は、その中心がレンズユニット２２０の光軸と略一致するように配置されるが、本発明はこれに限定されない。ファイバユニット３０１は、その中心がレンズユニット２２０の光軸から離間して配置されてもよい。
（８）第２の実施の形態において、ファイバユニット３０１の中心を重ならないように複数の光ファイバ３１３〜３１６が配置されるが、本発明はこれに限定されない。例えば、ファイバユニット３０１の中心に重なるように１個の光ファイバが配置され、当該光ファイバの周囲に他の複数のファイバが配置されてもよい。
また、光ファイバ３９３，３９５が、図２２における光ファイバ３９３，３９５の位置よりも光ファイバ３９３，３９５の配列方向に距離Ｌ２の半分だけ変位して配置されてもよい。この場合、光ファイバ３９３が光ファイバ３９４，３９６に接触するとともに、光ファイバ３９６が光ファイバ３９３，３９５に接触するように光ファイバ３９３〜３９６が配置されてもよい。
（９）第２の実施の形態においては、複数のファイバカプラ３４０，３５０を用いて光の結合および分岐が行われるが、本発明はこれに限定されない。ファイバカプラ３４０，３５０が用いられず、複数のコア３１０ａが１つに融着された複数の光ファイバ３９１〜３９８を用いて光の結合および分岐が行われてもよい。
（１０）第２の実施の形態においては、４個の光ファイバ３９３〜３９６を通過する４つの光が分光部１３０に導かれる過程で一の光に合成されるように導光部３００が構成されるが、本発明はこれに限定されない。
光ファイバ３９３〜３９６を通過する４つの光が個別に分光部１３０に導かれるように導光部３００が構成されてもよい。また、分光部１３０により分光された４つの光が受光部１４０で個別に受光されるように、分光部１３０および受光部１４０が構成されてもよい。
この場合、受光部１４０から４つの光にそれぞれ対応する４つの受光信号が出力される。そこで、制御部１５２は、受光部１４０から出力される４つの受光信号を波長ごとに平均または積算等することにより波長ごとの信号強度として平均信号を算出し、算出された平均信号に基づいて計測対象物Ｓの変位を算出することができる。
分光部１３０により分光された４つの光を個別にかつ同時に受光する受光部１４０として、複数の画素が二次元状に配列された二次元ラインセンサを用いることができる。この場合、４つの光にそれぞれ対応する一次元ラインセンサとして、その二次元ラインセンサに４個の受光領域が設定される。なお、受光部１４０として二次元ラインセンサを用いる代わりに、４個の一次元ラインセンサを用いてもよい。また、本例では、分光部１３０は、４つの光の各々に対応するように４個設けられてもよい。
（１１）第２の実施の形態においては、４個の光ファイバ３９３〜３９６を通過する４つの光が分光部１３０に導かれる過程で一の光に合成されるように導光部３００が構成されるが、本発明はこれに限定されない。
光ファイバ３９３〜３９６を通過する４つの光が分光部１３０に導かれる過程で、４つの光のうち２つの光からなる一の合成光と残りの２つの光からなる他の合成光とが生成され、それらの合成光が個別に分光部１３０に導かれるように導光部３００が構成されてもよい。また、分光部１３０により分光された２つの合成光が受光部１４０で個別に受光されるように、分光部１３０および受光部１４０が構成されてもよい。
この場合、受光部１４０から２つの合成光にそれぞれ対応する２つの受光信号が出力される。そこで、制御部１５２は、受光部１４０から出力される２つの受光信号を波長ごとに平均または積算等することにより波長ごとの信号強度として平均信号を算出し、算出された平均信号に基づいて計測対象物Ｓの変位を算出することができる。
分光部１３０により分光された２つの合成光を個別にかつ同時に受光する受光部１４０として、複数の画素が二次元状に配列された二次元ラインセンサを用いることができる。この場合、２つの合成光にそれぞれ対応する一次元ラインセンサとして、その二次元ラインセンサに２つの受光領域が設定される。なお、受光部１４０として二次元ラインセンサを用いる代わりに、２個の一次元ラインセンサを用いてもよい。また、本例では、分光部１３０は、２つの合成光の各々に対応するように２個設けられてもよい。
（１２）第２の実施の形態においては、投光部１２０により出射された光が同時に４個の光ファイバ３９３〜３９６に導かれるとともに、４個の光ファイバ３９３〜３９６を通過する４つの光が分光部１３０に同時に導かれるように導光部３００が構成されるが、本発明はこれに限定されない。
投光部１２０により出射される光が光ファイバ３９３〜３９６に順次切り替えて入力されるように、導光部３００が構成されてもよい。この場合、投光部１２０により出射される光が光ファイバ３９３〜３９６に順次入力されることにより、計測対象物Ｓの表面で反射されて光ファイバ３９３〜３９６をそれぞれ通過する４つの光が順次受光部１４０に受光される。
ここで、受光部１４０は、４つの光が受光部１４０に照射される間露光を行ってもよい。この場合、露光終了後に受光部１４０の各画素から露光期間に積算された受光信号が出力される。これにより、受光部１４０から出力される受光信号には、強度の平均化処理が行われる。したがって、制御部１５２は、取得される受光信号に基づいて計測対象物Ｓの変位を算出することができる。
一方、受光部１４０は、分光部１３０により順次分光された複数の光を順次受光し、順次受光された４つの光の各々について受光信号を出力してもよい。この場合、制御部１５２は、受光部１４０から出力される４つの受光信号を波長ごとに平均または積算等することにより波長ごとの信号強度として平均信号を算出し、算出された平均信号に基づいて計測対象物Ｓの変位を算出することができる。
（１３）第１および第２の実施の形態においては、図６および図１８の投光部１２０の光源１２１として単一波長の光を出射するレーザダイオードが用いられるが、本発明はこれに限定されない。光源１２１として単一波長の光を出射するＬＥＤ（発光ダイオード）が用いられてもよいし、広い波長帯域の光を出射するＬＥＤが用いられてもよい。光源１２１として白色光等の広い波長帯域の光を出射するＬＥＤが用いられる場合には、蛍光体１２２を設けてもよいし、蛍光体１２２を設けなくてもよい。
（１４）第１および第２の実施の形態においては、投光部１２０は波長５００ｎｍ〜７００ｎｍの光を出射するが、本発明はこれに限定されない。投光部１２０は他の波長帯域の光を出射してもよい。例えば、投光部１２０は赤外領域の光を出射してもよいし、紫外領域の光を出射してもよい。
（１５）第１および第２の実施の形態においては、処理装置１００と計測ヘッド２００とが別体として構成されるが、本発明はこれに限定されない。処理装置１００と計測ヘッド２００とが一体的に構成されてもよい。
（１６）上記実施の形態においては、演算処理部１５０の制御部１５２は、受光部１４０から取得される受光信号について補正を行うとともに計測対象物Ｓの変位を計測し、計測結果を副表示部４００に表示する。また、制御部１５２は、受光部１４０から取得される受光信号をＰＣ６００に与える。一方、ＰＣ６００のＣＰＵ６０１は、変位計測プログラムに基づいて計測対象物Ｓの変位計測処理を実行する。本発明はこれに限定されない。
例えば、ＰＣ６００は設けられなくてもよい。この場合、主表示部７００および操作部８００を処理装置１００の演算処理部１５０に接続してもよい。また、演算処理部１５０の記憶部１５１に変位計測プログラムを記憶させてもよい。それにより、制御部１５２が変位計測プログラムに基づく変位計測処理および変位計測結果に関する種々の処理を実行してもよい。
［４］請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応関係
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。
上記実施の形態では、計測対象物Ｓが計測対象物の例であり、共焦点変位計５００が共焦点変位計の例であり、投光部１２０が投光部の例であり、レンズユニット２２０が光学部材の例であり、光ファイバ３１４の先端部分または空間フィルタ３７３のピンホール３７３ａが１のピンホールの例であり、光ファイバ３９３〜３９６の先端部分が複数のピンホールの例であり、光ファイバ３１４，３９３〜３９６または空間フィルタ３７３がピンホール部材の例である。
また、分光部１３０、受光部１４０、演算処理部１５０、導光部３００およびＣＰＵ６０１が変位計測部の例であり、不要成分除去補正が第１の補正処理の例であり、受光波形シフト補正が第２の補正処理の例であり、受光波形尺度補正が第３の補正処理の例であり、ピークＰｘが第１のピークの例であり、ピークＰｙが第２のピークの例であり、ピークＰｚが第３のピークの例である。
また、光ファイバ３１９，３９７，３９８が光ファイバの例であり、光源１２１が光源の例であり、蛍光体１２２が蛍光体の例であり、分光部１３０が分光部の例であり、受光部１４０が受光部の例であり、演算処理部１５０およびＣＰＵ６０１が算出部の例であり、ファイバカプラ３４０，３５０が合成部の例であり、光照射部１が光照射部の例であり、照射領域ＩＲが領域の例である。
また、処理装置１００が処理装置の例であり、計測ヘッド２００がヘッド部の例であり、筐体１１０が第１の筐体の例であり、筐体２１０が第２の筐体の例であり、レンズ１２４が集光部材の例であり、屈折レンズ２２１が屈折レンズの例であり、回折レンズ２２２が回折レンズの例である。
請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する他の種々の要素を用いることもできる。
［５］参考形態
（１）本参考形態に係る共焦点変位計は、共焦点光学系を利用して計測対象物の変位を計測する共焦点変位計であって、複数の波長を有する光を出射する投光部と、投光部により出射された光に光軸方向に沿った色収差を発生させるとともに、色収差を有する光を収束させて計測対象物に照射する光学部材と、光学部材により計測対象物に照射された光のうち、計測対象物の表面で合焦しつつ反射された波長の光を通過させる１または複数のピンホールを有するピンホール部材と、計測対象物の複数の部分で反射されるとともに１または複数のピンホールを通過した複数の光について波長ごとの強度の平均に対応する平均信号の波長ごとの信号強度に基づいて計測対象物の変位を算出する変位計測部とを備え、変位計測部は、計測対象物の変位を算出する前に、平均信号から計測対象物の表面で合焦しつつ反射される光を除く不要な光に対応する不要成分の少なくとも一部が除去されるように第１の補正処理を行う。
その共焦点変位計においては、複数の波長を有する光が投光部により出射される。投光部により出射された光には、光学部材により光軸方向に沿った色収差が発生する。また、色収差を有する光が光学部材により収束されて計測対象物に照射される。
光学部材により計測対象物に照射された光のうち、計測対象物の表面の複数の部分で合焦しつつ反射された波長の光がピンホール部材の１または複数のピンホールを通過する。１または複数のピンホールを通過した複数の光についての波長ごとの強度の平均に対応する平均信号の波長ごとの信号強度に基づいて計測対象物の変位が算出される。
計測対象物の表面での乱反射により、計測対象物の表面の位置とは異なる位置で合焦した光が１または複数のピンホールを通過することがある。そのような場合でも、上記の構成によれば、平均信号において１または複数のピンホールを通過した複数の光についての波長ごとの強度が平均される。それにより、乱反射によるランダムな計測誤差を発生させる光の成分が打ち消される。さらに、計測対象物の変位が算出される前に、第１の補正処理が行われることにより平均信号から計測対象物の表面で合焦しつつ反射される光を除く不要な光に対応する不要成分の少なくとも一部が除去される。これらの結果、共焦点変位計により計測される計測対象物の変位の誤差を低減することができる。
（２）共焦点変位計は、処理装置と、ヘッド部と、処理装置とヘッド部とをつなぐ光ファイバとをさらに備え、処理装置は、変位計測部の一部および投光部を含むとともに変位計測部の一部および投光部を収容する第１の筐体をさらに含み、ヘッド部は、光学部材およびピンホール部材を含むとともに光学部材およびピンホール部材を収容する第２の筐体をさらに含み、光ファイバは、投光部により出射された光を光学部材へ導き、光ファイバの少なくとも一部は、変位計測部のうち第１の筐体に収容されない部分であってもよい。
この場合、投光部および変位計測部の一部を含む処理装置と光学部材およびピンホール部材を含むヘッド部とが光ファイバを介して別体的に設けられる。そのため、計測対象物の形状もしくは配置等に応じて適切な色収差を発生させる光学部材または適切な焦点距離を有する光学部材を含むヘッド部を用いることが容易になる。これにより、計測対象物の変位をより容易に計測することができる。
（３）光ファイバの一端は第１の筐体に設けられ、光ファイバの他端は、第２の筐体に設けられ、投光部は、レーザダイオードからなる光源と、光源により発生された光を集光する集光部材と、光ファイバの一端に設けられ、集光部材により集光された光の一部を吸収して複数の波長を有する光を光ファイバを通して光学部材へ出射する蛍光体とを含んでもよい。
この場合、光源で発生された光が集光部材により蛍光体に集光されるので、蛍光体に入射する光の光量を増加させることができる。それにより、蛍光体から発生される複数の波長を有する光の光量も増加する。
また、上記の構成によれば、蛍光体が光ファイバの一端に設けられているので、複数の波長を有する光が蛍光体から光ファイバの一端に効率よく入射し、光ファイバの他端から光学部材を通して計測対象物に照射される。したがって、計測対象物上に形成される照射領域のサイズを小さくした場合でも、１または複数のピンホールを通過する光の光量が著しく低下することが防止される。その結果、照射領域のサイズを小さくすることが可能になる。
（４）不要成分は、平均信号の波長軸上での位置が計測対象物の変位に依存しない不要ピークを含み、変位計測部は、第１の補正処理の前に、平均信号の波長軸上での不要ピークの位置に基づいて、温度に依存する平均信号の波長軸上でのシフトを補正する第２の補正処理を行ってもよい。
この場合、平均信号の波長軸上での不要ピークの位置は計測対象物の変位に依存せず、温度に依存して変化する。そのため、平均信号の波長軸上での不要ピークの位置は、温度の変化による平均信号の波長軸上でのシフトに対応する。したがって、平均信号の波長軸上での不要ピークの位置に基づいて、温度に依存する平均信号の波長軸上でのシフトを補正することにより、温度変化による計測結果の変動を補償することができる。
（５）不要ピークは、投光部から出射されるとともに光学部材で反射されて変位計測部に導かれる第１の不要光に対応する第１のピークを含んでもよい。
この場合、第１の不要光は計測対象物には到達しないため、平均信号の波長軸上での第１のピークの位置は計測対象物の変位には依存しない。したがって、平均信号の波長軸上における第１のピークの位置に基づいて、温度に依存する平均信号の波長軸上でのシフトを補正することにより、温度変化による計測結果の変動を補償することができる。
（６）投光部は、光源と、光源により発生された光の一部を吸収して複数の波長を有する光を光学部材へ出射する蛍光体とを含み、不要ピークは、光源により発生されて蛍光体を通過しつつ光学部材へ出射される第２の不要光に対応する第２のピークを含んでもよい。
この場合、第２の不要光は特定の波長を有するため、平均信号の波長軸上での第２のピークの位置は計測対象物の変位には依存しない。したがって、平均信号の波長軸上における第２のピークの位置に基づいて、温度に依存する平均信号の波長軸上でのシフトを補正することにより、温度変化による計測結果の変動を補償することができる。
（７）変位計測部は、１または複数のピンホールを通過した光を回折することにより分光する分光部を含み、不要ピークは、分光部で０次回折される第３の不要光に対応する第３のピークを含んでもよい。
この場合、０次回折光である第３の不要光は波長に関係なく分光部により一定の方向へ導かれるため、平均信号の波長軸上での第３のピークの位置は第３の不要光の波長に依存しない。そのため、平均信号の波長軸上での第３のピークの位置は計測対象物の変位には依存しない。したがって、平均信号の波長軸上における第３のピークの位置に基づいて、温度に依存する平均信号の波長軸上でのシフトを補正することにより、温度変化による計測結果の変動を補償することができる。
（８）不要成分は、平均信号の波長軸上での位置が計測対象物の変位に依存しない少なくとも２つの不要ピークを含み、変位計測部は、第１の補正処理の前に、平均信号の波長軸上での少なくとも２つの不要ピークの位置に基づいて、温度に依存する平均信号の波長軸上での尺度を補正する第３の補正処理を行ってもよい。
この場合、平均信号の波長軸上での不要ピークの位置は計測対象物の変位に依存せず、温度に依存して変化する。そのため、平均信号の波長軸上での２つの不要ピークの間の間隔は、温度の変化による平均信号の波長軸上での尺度のずれに対応する。したがって、平均信号の波長軸上での２つの不要ピークの位置に基づいて、温度に依存する平均信号の波長軸上での尺度を補正することにより、温度変化による計測結果の変動を補償することができる。
（９）投光部は、光源と、光源により発生された光の一部を吸収して複数の波長を有する光を光学部材へ出射する蛍光体とを含み、変位計測部は、１または複数のピンホールを通過した光を反射しつつ分光する分光部を含み、少なくとも２つの不要ピークは、投光部から出射されるとともに光学部材で反射されて変位計測部に導かれる第１の不要光に対応する第１のピーク、光源により発生されて蛍光体を通過しつつ光学部材へ出射される第２の不要光に対応する第２のピーク、および分光部で０次回折される第３の不要光に対応する第３のピークのうち少なくとも２つのピークを含んでもよい。
この場合、第１の不要光は計測対象物には到達しないため、平均信号の波長軸上での第１のピークの位置は計測対象物の変位には依存しない。第２の不要光は特定の波長を有するため、平均信号の波長軸上での第２のピークの位置は計測対象物の変位には依存しない。０次回折光である第３の不要光は波長に関係なく分光部により一定の方向へ導かれるため、平均信号の波長軸上での第３のピークの位置は第３の不要光の波長に依存しない。したがって、平均信号の波長軸上における第１〜第３のピークのうち少なくとも２つのピークの位置に基づいて、温度に依存する平均信号の波長軸上での尺度を補正することにより、温度変化による計測結果の変動を補償することができる。
（１０）ピンホール部材は、複数のピンホールを含み、変位計測部は、計測対象物の複数の部分で反射されるとともに複数のピンホールを通過した複数の光について波長ごとの強度の平均に対応する平均信号の波長ごとの信号強度に基づいて計測対象物の変位を算出してもよい。
この場合、簡単な構成で計測対象物の複数の部分で合焦しつつ反射される複数の光を取得することができる。
（１１）変位計測部は、複数の光取得部により取得される複数の光を合成することにより一の合成光を生成する合成部と、合成部により生成された合成光を分光する分光部と、分光部により分光された光を受光し、合成部により生成された合成光について波長ごとの強度を示す電気的な受光信号を平均信号として出力する受光部と、受光部から出力される平均信号について第１の補正処理を行うとともに補正された平均信号に基づいて計測対象物の変位を算出する算出部とをさらに含んでもよい。
この場合、複数のピンホールをそれぞれ通過した複数の光が受光部により受光される前に合成部により合成されることにより、一の合成光が生成される。そのため、受光部から出力される波長ごとの強度を示す電気的な受光信号は、複数の光についての波長ごとの強度が積算された平均信号となる。この構成によれば、平均信号を生成するための演算を行う必要がない。これにより、計測対象物の変位を高速で効率よく算出することができる。
（１２）共焦点変位計は、投光部により出射された光を計測対象物の複数の部分に順次照射する光照射部をさらに備え、光学部材は、光照射部により計測対象物に照射される光に色収差を発生させるとともに、色収差を有する光を収束させ、ピンホール部材は、１つのピンホールを含み、１つのピンホールは、計測対象物の複数の部分で合焦しつつ反射された波長の光を順次通過させ、変位計測部は、１つのピンホールを順次通過した複数の光についての波長ごとの強度の平均に対応する平均信号の波長ごとの信号強度に基づいて計測対象物の変位を算出してもよい。
この場合、簡単な構成で計測対象物の複数の部分で合焦しつつ反射される複数の光を取得することができる。
（１３）変位計測部は、１つのピンホールを順次通過した複数の光を順次分光する分光部と、分光部により順次分光された複数の光を単一の露光期間内に受光し、受光した光について波長ごとの強度を示す電気的な受光信号を平均信号として出力する受光部と、受光部から出力される平均信号について第１の補正処理を行うとともに補正された平均信号に基づいて計測対象物の変位を算出する算出部とを含んでもよい。
この場合、１つのピンホールを順次通過した複数の光が単一の露光期間内に受光部により受光される。そのため、受光部から出力される波長ごとの強度を示す電気的な受光信号は、複数の光についての波長ごとの強度が積算された平均信号となる。この構成によれば、平均信号を生成するための演算を行う必要がない。これにより、計測対象物の変位を効率よく算出することができる。
（１４）変位計測部は、１つのピンホールを順次通過した複数の光を順次分光する分光部と、分光部により順次分光された複数の光を順次受光し、順次受光された複数の光の各々について波長ごとの強度を示す電気的な受光信号を出力する受光部と、受光部から出力される複数の受光信号を波長ごとに平均または積算することにより波長ごとの信号強度として平均信号を算出し、受光部から出力される複数の受光信号または算出された平均信号について第１の補正処理を行うとともに補正された平均信号に基づいて計測対象物の変位を算出する算出部とを含んでもよい。
この場合、１つのピンホールを順次通過した複数の光にそれぞれ対応する複数の受光信号が受光部により出力される。受光部から出力される複数の受光信号が算出部により波長ごとに平均または積算されることにより平均信号が算出される。この構成によれば、平均信号の算出において、複数の光の強度を考慮した所望の平均または積算を行うことができる。これにより、計測対象物の変位をより正確に算出することができる。
（１５）複数の部分は、計測対象物の表面の円環状の領域上に位置し、光照射部は、光が計測対象物の表面の円環状の領域上の複数の部分に照射されるように、投光部により出射された光の光軸を計測対象物の表面に沿ってシフトさせてもよい。
この構成によれば、計測対象物の表面の直線状の領域上の複数の部分に光を照射する場合に比べて、光照射部の物理的な動作部分の負担が小さい。これにより、光照射部の寿命を長期化することができる。
（１６）光学部材は、凸型を有する屈折レンズと、凹型を有する回折レンズとを含み、屈折レンズおよび回折レンズは、投光部から出射される光が通過するように配置されてもよい。
この場合、各レンズによって発生する色収差の方向がそれぞれのレンズで同じ方向になるため、結果として光学部材の光軸上の色収差が大きくなる。それにより、共焦点変位計により計測可能な範囲を大きくすることができる。
［５］参考形態
（１）本参考形態に係る共焦点変位計は、共焦点光学系を利用して計測対象物の変位を計測する共焦点変位計であって、複数の波長を有する光を出射する投光部と、投光部により出射された光に光軸方向に沿った色収差を発生させるとともに、色収差を有する光を収束させて計測対象物に照射する光学部材と、光学部材により計測対象物に照射された光のうち、計測対象物の表面で合焦しつつ反射された波長の光を通過させる１または複数のピンホールを有するピンホール部材と、計測対象物の複数の部分で反射されるとともに１または複数のピンホールを通過した複数の光について波長ごとの強度の平均に対応する平均信号の波長ごとの信号強度に基づいて計測対象物の変位を算出する変位計測部とを備え、変位計測部は、計測対象物の変位を算出する前に、平均信号から計測対象物の表面で合焦しつつ反射される光を除く不要な光に対応する不要成分の少なくとも一部が除去されるように第１の補正処理を行う。
その共焦点変位計においては、複数の波長を有する光が投光部により出射される。投光部により出射された光には、光学部材により光軸方向に沿った色収差が発生する。また、色収差を有する光が光学部材により収束されて計測対象物に照射される。
光学部材により計測対象物に照射された光のうち、計測対象物の表面の複数の部分で合焦しつつ反射された波長の光がピンホール部材の１または複数のピンホールを通過する。１または複数のピンホールを通過した複数の光についての波長ごとの強度の平均に対応する平均信号の波長ごとの信号強度に基づいて計測対象物の変位が算出される。
計測対象物の表面での乱反射により、計測対象物の表面の位置とは異なる位置で合焦した光が１または複数のピンホールを通過することがある。そのような場合でも、上記の構成によれば、平均信号において１または複数のピンホールを通過した複数の光についての波長ごとの強度が平均される。それにより、乱反射によるランダムな計測誤差を発生させる光の成分が打ち消される。さらに、計測対象物の変位が算出される前に、第１の補正処理が行われることにより平均信号から計測対象物の表面で合焦しつつ反射される光を除く不要な光に対応する不要成分の少なくとも一部が除去される。これらの結果、共焦点変位計により計測される計測対象物の変位の誤差を低減することができる。
（２）共焦点変位計は、処理装置と、ヘッド部と、処理装置とヘッド部とをつなぐ光ファイバとをさらに備え、処理装置は、変位計測部の一部および投光部を含むとともに変位計測部の一部および投光部を収容する第１の筐体をさらに含み、ヘッド部は、光学部材およびピンホール部材を含むとともに光学部材およびピンホール部材を収容する第２の筐体をさらに含み、光ファイバは、投光部により出射された光を光学部材へ導き、光ファイバの少なくとも一部は、変位計測部のうち第１の筐体に収容されない部分であってもよい。
この場合、投光部および変位計測部の一部を含む処理装置と光学部材およびピンホール部材を含むヘッド部とが光ファイバを介して別体的に設けられる。そのため、計測対象物の形状もしくは配置等に応じて適切な色収差を発生させる光学部材または適切な焦点距離を有する光学部材を含むヘッド部を用いることが容易になる。これにより、計測対象物の変位をより容易に計測することができる。
（３）光ファイバの一端は第１の筐体に設けられ、光ファイバの他端は、第２の筐体に設けられ、投光部は、レーザダイオードからなる光源と、光源により発生された光を集光する集光部材と、光ファイバの一端に設けられ、集光部材により集光された光の一部を吸収して複数の波長を有する光を光ファイバを通して光学部材へ出射する蛍光体とを含んでもよい。
この場合、光源で発生された光が集光部材により蛍光体に集光されるので、蛍光体に入射する光の光量を増加させることができる。それにより、蛍光体から発生される複数の波長を有する光の光量も増加する。
また、上記の構成によれば、蛍光体が光ファイバの一端に設けられているので、複数の波長を有する光が蛍光体から光ファイバの一端に効率よく入射し、光ファイバの他端から光学部材を通して計測対象物に照射される。したがって、計測対象物上に形成される照射領域のサイズを小さくした場合でも、１または複数のピンホールを通過する光の光量が著しく低下することが防止される。その結果、照射領域のサイズを小さくすることが可能になる。
（４）不要成分は、平均信号の波長軸上での位置が計測対象物の変位に依存しない不要ピークを含み、変位計測部は、第１の補正処理の前に、平均信号の波長軸上での不要ピークの位置に基づいて、温度に依存する平均信号の波長軸上でのシフトを補正する第２の補正処理を行ってもよい。
この場合、平均信号の波長軸上での不要ピークの位置は計測対象物の変位に依存せず、温度に依存して変化する。そのため、平均信号の波長軸上での不要ピークの位置は、温度の変化による平均信号の波長軸上でのシフトに対応する。したがって、平均信号の波長軸上での不要ピークの位置に基づいて、温度に依存する平均信号の波長軸上でのシフトを補正することにより、温度変化による計測結果の変動を補償することができる。
（５）不要ピークは、投光部から出射されるとともに光学部材で反射されて変位計測部に導かれる第１の不要光に対応する第１のピークを含んでもよい。
この場合、第１の不要光は計測対象物には到達しないため、平均信号の波長軸上での第１のピークの位置は計測対象物の変位には依存しない。したがって、平均信号の波長軸上における第１のピークの位置に基づいて、温度に依存する平均信号の波長軸上でのシフトを補正することにより、温度変化による計測結果の変動を補償することができる。
（６）投光部は、光源と、光源により発生された光の一部を吸収して複数の波長を有する光を光学部材へ出射する蛍光体とを含み、不要ピークは、光源により発生されて蛍光体を通過しつつ光学部材へ出射される第２の不要光に対応する第２のピークを含んでもよい。
この場合、第２の不要光は特定の波長を有するため、平均信号の波長軸上での第２のピークの位置は計測対象物の変位には依存しない。したがって、平均信号の波長軸上における第２のピークの位置に基づいて、温度に依存する平均信号の波長軸上でのシフトを補正することにより、温度変化による計測結果の変動を補償することができる。
（７）変位計測部は、１または複数のピンホールを通過した光を回折することにより分光する分光部を含み、不要ピークは、分光部で０次回折される第３の不要光に対応する第３のピークを含んでもよい。
この場合、０次回折光である第３の不要光は波長に関係なく分光部により一定の方向へ導かれるため、平均信号の波長軸上での第３のピークの位置は第３の不要光の波長に依存しない。そのため、平均信号の波長軸上での第３のピークの位置は計測対象物の変位には依存しない。したがって、平均信号の波長軸上における第３のピークの位置に基づいて、温度に依存する平均信号の波長軸上でのシフトを補正することにより、温度変化による計測結果の変動を補償することができる。
（８）不要成分は、平均信号の波長軸上での位置が計測対象物の変位に依存しない少なくとも２つの不要ピークを含み、変位計測部は、第１の補正処理の前に、平均信号の波長軸上での少なくとも２つの不要ピークの位置に基づいて、温度に依存する平均信号の波長軸上での尺度を補正する第３の補正処理を行ってもよい。
この場合、平均信号の波長軸上での不要ピークの位置は計測対象物の変位に依存せず、温度に依存して変化する。そのため、平均信号の波長軸上での２つの不要ピークの間の間隔は、温度の変化による平均信号の波長軸上での尺度のずれに対応する。したがって、平均信号の波長軸上での２つの不要ピークの位置に基づいて、温度に依存する平均信号の波長軸上での尺度を補正することにより、温度変化による計測結果の変動を補償することができる。
（９）投光部は、光源と、光源により発生された光の一部を吸収して複数の波長を有する光を光学部材へ出射する蛍光体とを含み、変位計測部は、１または複数のピンホールを通過した光を反射しつつ分光する分光部を含み、少なくとも２つの不要ピークは、投光部から出射されるとともに光学部材で反射されて変位計測部に導かれる第１の不要光に対応する第１のピーク、光源により発生されて蛍光体を通過しつつ光学部材へ出射される第２の不要光に対応する第２のピーク、および分光部で０次回折される第３の不要光に対応する第３のピークのうち少なくとも２つのピークを含んでもよい。
この場合、第１の不要光は計測対象物には到達しないため、平均信号の波長軸上での第１のピークの位置は計測対象物の変位には依存しない。第２の不要光は特定の波長を有するため、平均信号の波長軸上での第２のピークの位置は計測対象物の変位には依存しない。０次回折光である第３の不要光は波長に関係なく分光部により一定の方向へ導かれるため、平均信号の波長軸上での第３のピークの位置は第３の不要光の波長に依存しない。したがって、平均信号の波長軸上における第１〜第３のピークのうち少なくとも２つのピークの位置に基づいて、温度に依存する平均信号の波長軸上での尺度を補正することにより、温度変化による計測結果の変動を補償することができる。
（１０）ピンホール部材は、複数のピンホールを含み、変位計測部は、計測対象物の複数の部分で反射されるとともに複数のピンホールを通過した複数の光について波長ごとの強度の平均に対応する平均信号の波長ごとの信号強度に基づいて計測対象物の変位を算出してもよい。
この場合、簡単な構成で計測対象物の複数の部分で合焦しつつ反射される複数の光を取得することができる。
（１１）変位計測部は、複数の光取得部により取得される複数の光を合成することにより一の合成光を生成する合成部と、合成部により生成された合成光を分光する分光部と、分光部により分光された光を受光し、合成部により生成された合成光について波長ごとの強度を示す電気的な受光信号を平均信号として出力する受光部と、受光部から出力される平均信号について第１の補正処理を行うとともに補正された平均信号に基づいて計測対象物の変位を算出する算出部とをさらに含んでもよい。
この場合、複数のピンホールをそれぞれ通過した複数の光が受光部により受光される前に合成部により合成されることにより、一の合成光が生成される。そのため、受光部から出力される波長ごとの強度を示す電気的な受光信号は、複数の光についての波長ごとの強度が積算された平均信号となる。この構成によれば、平均信号を生成するための演算を行う必要がない。これにより、計測対象物の変位を高速で効率よく算出することができる。
（１２）共焦点変位計は、投光部により出射された光を計測対象物の複数の部分に順次照射する光照射部をさらに備え、光学部材は、光照射部により計測対象物に照射される光に色収差を発生させるとともに、色収差を有する光を収束させ、ピンホール部材は、１つのピンホールを含み、１つのピンホールは、計測対象物の複数の部分で合焦しつつ反射された波長の光を順次通過させ、変位計測部は、１つのピンホールを順次通過した複数の光についての波長ごとの強度の平均に対応する平均信号の波長ごとの信号強度に基づいて計測対象物の変位を算出してもよい。
この場合、簡単な構成で計測対象物の複数の部分で合焦しつつ反射される複数の光を取得することができる。
（１３）変位計測部は、１つのピンホールを順次通過した複数の光を順次分光する分光部と、分光部により順次分光された複数の光を単一の露光期間内に受光し、受光した光について波長ごとの強度を示す電気的な受光信号を平均信号として出力する受光部と、受光部から出力される平均信号について第１の補正処理を行うとともに補正された平均信号に基づいて計測対象物の変位を算出する算出部とを含んでもよい。
この場合、１つのピンホールを順次通過した複数の光が単一の露光期間内に受光部により受光される。そのため、受光部から出力される波長ごとの強度を示す電気的な受光信号は、複数の光についての波長ごとの強度が積算された平均信号となる。この構成によれば、平均信号を生成するための演算を行う必要がない。これにより、計測対象物の変位を効率よく算出することができる。
（１４）変位計測部は、１つのピンホールを順次通過した複数の光を順次分光する分光部と、分光部により順次分光された複数の光を順次受光し、順次受光された複数の光の各々について波長ごとの強度を示す電気的な受光信号を出力する受光部と、受光部から出力される複数の受光信号を波長ごとに平均または積算することにより波長ごとの信号強度として平均信号を算出し、受光部から出力される複数の受光信号または算出された平均信号について第１の補正処理を行うとともに補正された平均信号に基づいて計測対象物の変位を算出する算出部とを含んでもよい。
この場合、１つのピンホールを順次通過した複数の光にそれぞれ対応する複数の受光信号が受光部により出力される。受光部から出力される複数の受光信号が算出部により波長ごとに平均または積算されることにより平均信号が算出される。この構成によれば、平均信号の算出において、複数の光の強度を考慮した所望の平均または積算を行うことができる。これにより、計測対象物の変位をより正確に算出することができる。
（１５）複数の部分は、計測対象物の表面の円環状の領域上に位置し、光照射部は、光が計測対象物の表面の円環状の領域上の複数の部分に照射されるように、投光部により出射された光の光軸を計測対象物の表面に沿ってシフトさせてもよい。
この構成によれば、計測対象物の表面の直線状の領域上の複数の部分に光を照射する場合に比べて、光照射部の物理的な動作部分の負担が小さい。これにより、光照射部の寿命を長期化することができる。
（１６）光学部材は、凸型を有する屈折レンズと、凹型を有する回折レンズとを含み、屈折レンズおよび回折レンズは、投光部から出射される光が通過するように配置されてもよい。
この場合、各レンズによって発生する色収差の方向がそれぞれのレンズで同じ方向になるため、結果として光学部材の光軸上の色収差が大きくなる。それにより、共焦点変位計により計測可能な範囲を大きくすることができる。
本発明は、種々の共焦点変位計に有効に利用することができる。
１ 光照射部
１００ 処理装置
１１０，２１０ 筐体
１２０ 投光部
１２１ 光源
１２２ 蛍光体
１２３ フェルール
１２４，１２８，１３２，１３３ レンズ
１２５ 保持具
１２６ フィルタ素子
１２７ 素子ホルダ
１２７Ａ 光源固定部
１２７Ｂ フェルール固定部
１２７Ｃ レンズ固定部
１２９ 反射部材
１３０ 分光部
１３１ 回折格子
１４０ 受光部
１５０ 演算処理部
１５１ 記憶部
１５２ 制御部
１６０ 電力供給部
２００ 計測ヘッド
２２０ レンズユニット
２２１ 屈折レンズ
２２２ 回折レンズ
２２３ 対物レンズ
２２４ ダブレットレンズ
２３０ 平板部材
２３１ 入射面
２３２ 出射面
２４０ 駆動部
２４１ 固定部
２４２ 回転軸
３００ 導光部
３０１ ファイバユニット
３０２ 保持部材
３１０ａ コア
３１０ｂ クラッド
３１１，３１２，３１４，３１９，３９１，３９２，３９３，３９４，３９５，３９６，３９７，３９８ 光ファイバ
３２０，３４０，３５０ ファイバカプラ
３２１，３２２，３２３，３３１，３３２，３４１，３４２，３４３，３４４，３５１，３５２，３５３，３５４，３５５，３５６ ポート
３２４，３３３，３４５，３５７ 本体部
３３０ ファイバコネクタ
３７１ ハーフミラー
３７２，３７３ 空間フィルタ
３７２ａ，３７３ａ ピンホール
４００ 副表示部
４９１ 切替ボタン
５００ 共焦点変位計
６００ ＰＣ
６０１ ＣＰＵ
６０２ メモリ
７００ 主表示部
８００ 操作部
ＢＬ 基底波形
ＩＲ 照射領域
Ｌ１ 直径
Ｌ２ 距離
ＭＲ 計測範囲
ＯＤ 外径
Ｐ０，Ｐｘ，Ｐｙ，Ｐｚ ピーク
Ｐ１，Ｐ２ 合焦位置
ＰＤ 多分割
ＲＰ 基準位置
Ｓ 計測対象物
Ｗ０，Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４ 受光波形
λ０〜λ４，λｘ，λｙ ピーク波長
１００ 処理装置
１１０，２１０ 筐体
１２０ 投光部
１２１ 光源
１２２ 蛍光体
１２３ フェルール
１２４，１２８，１３２，１３３ レンズ
１２５ 保持具
１２６ フィルタ素子
１２７ 素子ホルダ
１２７Ａ 光源固定部
１２７Ｂ フェルール固定部
１２７Ｃ レンズ固定部
１２９ 反射部材
１３０ 分光部
１３１ 回折格子
１４０ 受光部
１５０ 演算処理部
１５１ 記憶部
１５２ 制御部
１６０ 電力供給部
２００ 計測ヘッド
２２０ レンズユニット
２２１ 屈折レンズ
２２２ 回折レンズ
２２３ 対物レンズ
２２４ ダブレットレンズ
２３０ 平板部材
２３１ 入射面
２３２ 出射面
２４０ 駆動部
２４１ 固定部
２４２ 回転軸
３００ 導光部
３０１ ファイバユニット
３０２ 保持部材
３１０ａ コア
３１０ｂ クラッド
３１１，３１２，３１４，３１９，３９１，３９２，３９３，３９４，３９５，３９６，３９７，３９８ 光ファイバ
３２０，３４０，３５０ ファイバカプラ
３２１，３２２，３２３，３３１，３３２，３４１，３４２，３４３，３４４，３５１，３５２，３５３，３５４，３５５，３５６ ポート
３２４，３３３，３４５，３５７ 本体部
３３０ ファイバコネクタ
３７１ ハーフミラー
３７２，３７３ 空間フィルタ
３７２ａ，３７３ａ ピンホール
４００ 副表示部
４９１ 切替ボタン
５００ 共焦点変位計
６００ ＰＣ
６０１ ＣＰＵ
６０２ メモリ
７００ 主表示部
８００ 操作部
ＢＬ 基底波形
ＩＲ 照射領域
Ｌ１ 直径
Ｌ２ 距離
ＭＲ 計測範囲
ＯＤ 外径
Ｐ０，Ｐｘ，Ｐｙ，Ｐｚ ピーク
Ｐ１，Ｐ２ 合焦位置
ＰＤ 多分割
ＲＰ 基準位置
Ｓ 計測対象物
Ｗ０，Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４ 受光波形
λ０〜λ４，λｘ，λｙ ピーク波長
Claims (15)
- 共焦点光学系を利用して計測対象物の変位を計測する共焦点変位計であって、
複数の波長を有する光を出射する投光部と、
前記投光部により出射された光に光軸方向に沿った色収差を発生させるとともに、色収差を有する光を収束させて前記計測対象物に照射する光学部材と、
前記光学部材により前記計測対象物に照射された光のうち、前記計測対象物の表面で合焦しつつ反射された波長の光を通過させる１または複数のピンホールを有するピンホール部材と、
前記光学部材から前記計測対象物の複数の部分に順次光が照射されることにより前記計測対象物の前記複数の部分でそれぞれ順次反射された後に１つのピンホールを順次通過した複数の光または前記光学部材から前記計測対象物の複数の部分に同時に光が照射されることにより前記計測対象物の前記複数の部分でそれぞれ同時に反射された後に複数のピンホールを同時に通過した複数の光について波長ごとの強度の平均に対応する平均信号の波長ごとの信号強度に基づいて前記計測対象物の変位を算出する変位計測部とを備え、
前記変位計測部は、前記計測対象物の変位を算出する前に、前記平均信号から前記計測対象物の表面で合焦しつつ反射される光を除く不要な光に対応する不要成分の少なくとも一部が除去されるように第１の補正処理を行い、
前記不要成分の少なくとも一部は、前記平均信号の波長軸上での位置が前記計測対象物の変位に依存しない不要ピークを含み、
前記不要ピークは、前記投光部から出射されるとともに前記光学部材で反射されて前記変位計測部に導かれる第１の不要光に対応する第１のピークを含む、共焦点変位計。 - 処理装置と、
ヘッド部と、
前記処理装置と前記ヘッド部とをつなぐ光ファイバとをさらに備え、
前記処理装置は、前記変位計測部の一部および前記投光部を含むとともに前記変位計測部の一部および前記投光部を収容する第１の筐体をさらに含み、
前記ヘッド部は、前記光学部材および前記ピンホール部材を含むとともに前記前記光学部材および前記ピンホール部材を収容する第２の筐体をさらに含み、
前記光ファイバは、前記投光部により出射された光を前記光学部材へ導き、
前記光ファイバの少なくとも一部は、前記変位計測部のうち前記第１の筐体に収容されない部分である、請求項１記載の共焦点変位計。 - 前記光ファイバの一端は前記第１の筐体に設けられ、
前記光ファイバの他端は、前記第２の筐体に設けられ、
前記投光部は、
レーザダイオードからなる光源と、
前記光源により発生された光を集光する集光部材と、
前記光ファイバの一端に設けられ、前記集光部材により集光された光の一部を吸収して複数の波長を有する光を前記光ファイバを通して前記光学部材へ出射する蛍光体とを含む、請求項２記載の共焦点変位計。 - 前記変位計測部は、前記第１の補正処理の前に、前記平均信号の波長軸上での前記不要ピークの位置に基づいて、温度に依存する前記平均信号の波長軸上でのシフトを補正する第２の補正処理を行う、請求項１記載の共焦点変位計。
- 前記投光部は、
光源と、
前記光源により発生された光の一部を吸収して複数の波長を有する光を前記光学部材へ出射する蛍光体とを含み、
前記不要ピークは、前記光源により発生されて前記蛍光体を通過しつつ前記光学部材へ出射される第２の不要光に対応する第２のピークを含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の共焦点変位計。 - 前記変位計測部は、前記１または複数のピンホールを通過した光を回折することにより分光する分光部を含み、
前記不要ピークは、前記分光部で０次回折される第３の不要光に対応する第３のピークを含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の共焦点変位計。 - 前記不要成分は、前記不要ピークを少なくとも２つ含み、
前記変位計測部は、前記第１の補正処理の前に、前記平均信号の波長軸上での前記少なくとも２つの不要ピークの位置に基づいて、温度に依存する前記平均信号の波長軸上での尺度を補正する第３の補正処理を行う、請求項１、２または４記載の共焦点変位計。 - 前記投光部は、
光源と、
前記光源により発生された光の一部を吸収して複数の波長を有する光を前記光学部材へ出射する蛍光体とを含み、
前記変位計測部は、前記１または複数のピンホールを通過した光を反射しつつ分光する分光部を含み、
前記少なくとも２つの不要ピークは、前記第１のピーク、前記光源により発生されて前記蛍光体を通過しつつ前記光学部材へ出射される第２の不要光に対応する第２のピーク、および前記分光部で０次回折される第３の不要光に対応する第３のピークのうち少なくとも２つのピークを含む、請求項７記載の共焦点変位計。 - 前記ピンホール部材は、複数のピンホールを含み、
前記変位計測部は、
前記複数の光について波長ごとの強度の平均に対応する平均信号の波長ごとの信号強度に基づいて前記計測対象物の変位を算出する、請求項１〜５または７のいずれか一項に記載の共焦点変位計。 - 前記変位計測部は、
前記複数の光を合成することにより一の合成光を生成する合成部と、
前記合成部により生成された合成光を分光する分光部と、
前記分光部により分光された光を受光し、前記合成部により生成された合成光について波長ごとの強度を示す電気的な受光信号を平均信号として出力する受光部と、
前記受光部から出力される平均信号について前記第１の補正処理を行うとともに補正された平均信号に基づいて前記計測対象物の変位を算出する算出部とをさらに含む、請求項９記載の共焦点変位計。 - 前記投光部により出射された光を前記計測対象物の前記複数の部分に順次照射する光照射部をさらに備え、
前記光学部材は、前記光照射部により前記計測対象物に照射される光に色収差を発生させるとともに、色収差を有する光を収束させ、
前記ピンホール部材は、１つのピンホールを含み、
前記１つのピンホールは、前記計測対象物の前記複数の部分で合焦しつつ反射された波長の光を順次通過させ、
前記変位計測部は、
前記１つのピンホールを順次通過した前記複数の光についての波長ごとの強度の平均に対応する平均信号の波長ごとの信号強度に基づいて前記計測対象物の変位を算出する、請求項１〜５、７または９のいずれか一項に記載の共焦点変位計。 - 前記変位計測部は、
前記１つのピンホールを順次通過した前記複数の光を順次分光する分光部と、
前記分光部により順次分光された前記複数の光を単一の露光期間内に受光し、前記受光した光について波長ごとの強度を示す電気的な受光信号を平均信号として出力する受光部と、
前記受光部から出力される平均信号について前記第１の補正処理を行うとともに補正された平均信号に基づいて前記計測対象物の変位を算出する算出部とを含む、請求項１１記載の共焦点変位計。 - 前記変位計測部は、
前記１つのピンホールを順次通過した前記複数の光を順次分光する分光部と、
前記分光部により順次分光された前記複数の光を順次受光し、順次受光された前記複数の光の各々について波長ごとの強度を示す電気的な受光信号を出力する受光部と、
前記受光部から出力される複数の受光信号を波長ごとに平均または積算することにより前記波長ごとの信号強度として平均信号を算出し、前記受光部から出力される複数の受光信号または算出された平均信号について前記第１の補正処理を行うとともに補正された平均信号に基づいて前記計測対象物の変位を算出する算出部とを含む、請求項１１記載の共焦点変位計。 - 前記複数の部分は、前記計測対象物の表面の円環状の領域上に位置し、
前記光照射部は、光が前記計測対象物の表面の円環状の領域上の前記複数の部分に照射されるように、前記投光部により出射された光を前記計測対象物の表面に沿ってシフトさせる、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の共焦点変位計。 - 前記光学部材は、
凸型を有する屈折レンズと、
凹型を有する回折レンズとを含み、
前記屈折レンズおよび前記回折レンズは、前記投光部から出射される光が通過するように配置される、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の共焦点変位計。
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