JP6788476B2 - クロマティック共焦点センサ及び測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、クロマティック共焦点センサ及びこれを用いた測定方法に関する。

従来、被測定物の高さ等を測定するために、クロマティック共焦点の技術が用いられている。例えば特許文献１には、その図１に示されるように、複数のヘッド部の共焦点光学系を利用して計測対象物の変位を多点計測する共焦点計測装置について記載されている。

この共焦点計測装置では、各ヘッド部に光学フィルタが備えられ、測定のために使用する光の波長帯域が、各ヘッド部にて互いに異なるように設定されている。例えば特許文献１の図１に示す例では、第１のヘッド部１０ａでは、４００ｎｍ〜６００ｎｍの波長の光が使用される。第２のヘッド部１０ｂでは、６００ｎｍ〜８００ｎｍの波長の光が使用される。（特許文献１の明細書段落［００２８］［００３１］等）。

このように各ヘッド部で使用される光の波長帯域を異ならせることで、分光器内に配置された撮像素子を、各ヘッド部が利用する複数の領域（チャネル）に分割することが可能となる。この結果、複数の光学ヘッドに対して１つの分光器（撮像素子）のみで、計測対象物の多点計測が可能となる（特許文献１の明細書段落［００４５］〜［００４９］等）。

国際公開第２０１４／１４１５３５号

このように多点測定を実行可能なクロマティック共焦点センサにおいて、必要な部品数を削減することが可能な技術が求められている。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、少ない部品数で多点測定を実行することが可能なクロマティック共焦点センサ、及び測定方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るクロマティック共焦点センサは、光源部と、複数の光学ヘッドと、分光器と、位置算出部とを具備する。
前記光源部は、互いに波長の異なる複数の光を出射する。
前記複数の光学ヘッドは、各々が、前記光源部から出射された前記複数の光を異なる合焦位置にそれぞれ収束させ前記合焦位置にて測定点により反射された測定光を出射する。
前記分光器は、ラインセンサと、光学系とを有する。前記光学系は、前記複数の光学ヘッドから出射された複数の測定光を回折する回折格子を有し、前記回折格子により回折された前記複数の測定光の各々を、前記ラインセンサの互いに異なる複数の受光領域に出射する。
前記位置算出部は、前記ラインセンサの前記複数の受光領域における各々の受光位置に基づいて、前記複数の光学ヘッドの測定対象である複数の測定点の各々の位置を算出する。

このクロマティック共焦点センサは、光源部から出射された光を用いて測定を行う複数の光学ヘッドを備える。各光学ヘッドから出射される測定光は回折格子により回折され、ラインセンサの複数の受光領域にそれぞれ出射される。従ってラインセンサの複数の受光領域における各々の受光位置に基づいて、複数の測定点の各々の位置を算出することが可能となる。この結果、回折格子やラインセンサの数を増やすことなく、少ない部品数で多点測定を実行することが可能となる。

前記ラインセンサは、所定の基準軸を基準として配置されてもよい。この場合、前記光学系は、前記所定の基準軸を基準として構成され、前記所定の基準軸を基準として互いに異なる位置に設けられ前記複数の測定光が入射する複数の入射口を有してもよい。
このように所定の基準軸を基準としてラインセンサを配置し光学系を構成することで、各測定光をリニアセンサの互いに異なる受光領域に出射することが可能となる。特に基準軸を基準とした互いに異なる位置に複数の入射口を設けることで、各測定光を容易に複数の受光領域に出射することが可能となる。

前記所定の基準軸は、前記分光器の仮想的な入射口から前記光学系に前記測定光を入射させた場合の光軸に相当してもよい。
このように仮想的な入射口から測定光を入射した場合の光軸を基準としてリニアセンサを配置し光学系を構成することで、複数の入射口から入射される測定光をリニアセンサの複数の受光領域にそれぞれ出射することが可能となる。

前記複数の入射口は、前記複数の入射口から入射する前記複数の測定光の各々光軸が前記所定の基準軸と略平行となるように設けられてもよい。
これにより各測定光を容易に複数の受光領域に出射することが可能となる。

前記複数の入射口は、前記所定の基準軸に対して互いに対称となる位置に設けられてもよい。
これにより分光器の設計が容易となる。

前記複数の入射口は、前記仮想的な入射口に対して互いに対称となる位置に設けられてもよい。
複数の入射口を基準軸の始端となる仮想的な入射口に対して互いに対称となる位置に設けることで、分光器の設計が容易となる。

前記複数の入射口は、前記ラインセンサのライン方向に応じた所定の方向に沿って設けられてもよい。
これにより分光器の設計が容易となる。

前記分光器は、前記複数の入射口が設けられる入射面を有してもよい。この場合、前記複数の入射口は、前記ライン方向及び前記所定の基準軸の方向を含む平面と、前記入射面とが交わる直線上に設けられてもよい。
これにより分光器の設計が容易となる。

前記複数の光学ヘッドの各々について、前記複数の光のうち波長が最も短い光が前記測定光として出射される場合の受光位置から、波長が最も長い光が前記測定光として出射される場合の受光位置までの前記リニアセンサの領域を測定対象領域とすると、
前記複数の受光領域は、前記複数の光学ヘッドの各々に対応する複数の測定対象領域に相当してもよい。
測定対象領域が互いに異なる領域となるようにリニアセンサや光学系等を構成することで、高い精度で多点測定が実行可能となる。

前記複数の光学ヘッドは、２つ又は３つの光学ヘッドであってもよい。
本技術により、２点又は３点の同時測定を少ない部品数で実行することが可能となる。

本発明の一形態に係る測定方法は、互いに波長の異なる複数の光を出射することを含む。
複数の光学ヘッドの各々により、前記光源部から出射された前記複数の光が異なる合焦位置にそれぞれ収束され前記合焦位置にて測定点により反射された測定光が出射される。
前記複数の光学ヘッドから出射された複数の測定光が回折されてラインセンサの互いに異なる複数の受光領域に出射される。
前記ラインセンサの前記複数の受光領域における各々の受光位置に基づいて、前記複数の光学ヘッドの測定対象である複数の測定点の各々の位置が算出される。

以上のように、本発明によれば、少ない部品数で多点測定を実行することが可能となる。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。

一実施形態に係るクロマティック共焦点センサの構成例を示す概略図である。 一実施形態に係るクロマティック共焦点センサの構成例を示す概略図である。 分光器の構成例を示す概略図である。 基準軸の設定例を説明するための模式図である。 第１及び第２の入射口間の距離の設定例について説明するための模式図である。 制御部による２つの測定点の各々の位置の算出例を示すチャートである。 分光器の他の構成例を示す概略図である。

以下、本発明に係る実施形態を、図面を参照しながら説明する。

図１及び図２は、本発明の一実施形態に係るクロマティック共焦点センサの構成例を示す概略図である。クロマティック共焦点センサは、クロマティックポイントセンサ（ＣＰＳ：chromatic confocal point sensor）とも呼ばれる。以下の説明では、クロマティックセンサと記載して説明を行う。

クロマティックセンサ１００は、複数の光学ヘッド１０と、コントローラ２０と、光ファイバ部３０とを有する。コントローラ２０は、光源部４０と、分光器５０と、信号処理・制御部（以下、単に制御部と記載する）７０とを有する。

図１に示すように複数の光学ヘッド１０として、第１の光学ヘッド１０ａ、及び第２の光学ヘッド１０ｂの２つの光学ヘッド１０が備えられる。第１及び第２の光学ヘッド１０ａ及び１０ｂは、互いに略等しい構成を有し、光ファイバ３１ａ及び３１ｂを介してコントローラ２０に接続される。

光ファイバ３１ａ及び３１ｂにより、コントローラ２０から出射される測定用の光が、第１及び第２の光学ヘッド１０ａ及び１０ｂに導かれる。本実施形態では、測定用の光として、青色波長域から赤色波長域までの互いに波長の異なる複数の可視光を含む白色光Ｗが使用される。白色光Ｗの具体的な波長帯域は限定されず、適宜設定されてよい。

第１及び第２の光学ヘッド１０ａ及び１０ｂの共通する要素について、光学ヘッド１０と記載してまとめて説明する。

光学ヘッド１０は、長手方向を光軸Ａとするペン形状の筐体部１１と、この筐体部１１内に設けられた対物レンズ１２とを有する。筐体部１１の後端の略中央の接続口１３に、光ファイバ３１ａ（光ファイバ３１ｂ）が接続され、筐体部１１の内部に白色光Ｗが出射される。光ファイバ３１ａ（光ファイバ３１ｂ）から出射された白色光Ｗは、対物レンズ１２を通って、筐体部１１の前端の照射面１４から被測定物Ｏ上の測定点Ｑ１（Ｑ２）に向けて照射される。

対物レンズ１２は、クロマティックセンサ用に設計されたレンズであり、軸上色収差を発生させる。すなわち対物レンズ１２は、光学ヘッド１０に入射する光を、光軸Ａ上の波長λに応じた合焦位置Ｐに収束させる。従って本実施形態では、対物レンズ１２により、白色光Ｗに含まれる複数の可視光の各々が、波長λに応じた互いに異なる合焦位置Ｐに収束される。

図１に示すように、白色光Ｗに含まれる複数の可視光が互いに分離されて、筐体部１１から被測定物Ｏの測定点Ｑ１（Ｑ２）に向けて出射される。なお図１では、対物レンズ１２により分光された複数の可視光を代表して、ＲＧＢの３色の光が図示されている。もちろん他の色（他の波長）の光も出射されている。

図１に示す波長λ１及び合焦位置Ｐ１は、複数の可視光のうち最も波長が短い可視光の波長及び合焦位置を表し、例えば青色光Ｂが該当する。波長λｎ及び合焦位置Ｐｎは、最も波長が長い可視光の波長及び合焦位置を表し、例えば赤色光Ｒが該当する。波長λｋ及び合焦位置Ｐｋは、複数の可視光のうちの任意の可視光についての波長及び合焦位置を表し、図２では、緑色光Ｇが例示されている（ｋ＝１〜ｎである）。

また対物レンズ１２は、合焦位置Ｐｋにて測定点Ｑ１（Ｑ２）により反射された可視光を、光ファイバ３１ａ（光ファイバ３１ｂ）に収束させる。すなわち筐体部１１の後端の接続口１３は、測定点Ｑ１（Ｑ２）で合焦して反射される可視光が、対物レンズ１２により収束されるときの共焦点の位置に設けられる。当該接続口１３に光ファイバ３１ａ（光ファイバ３１ｂ）を接続することで、複数の可視光のうち合焦位置Ｐｋにて測定点Ｑ１（Ｑ２）により反射された可視光を、測定光Ｍ１（Ｍ２）として選択して出射することが可能となる。

図１では、対物レンズ１２から接続口１３までの間に、被測定物Ｏにより反射されたＲＧＢの３色の光が図示されている。図１に示す例では、合焦位置Ｐｋ（図中では緑色光Ｇの合焦位置）に測定点Ｑ１（Ｑ２）が存在する。従って測定点Ｑ１（Ｑ２）により反射された緑色光Ｇが、光ファイバ３１ａ（光ファイバ３１ｂ）に収束される。この結果、緑色光Ｇの反射光が、測定光Ｍ１（Ｍ２）として光ファイバ３１ａ（（光ファイバ３１ｂ）を介して出射される。このように出射される測定光Ｍ１（Ｍ２）の波長と、光軸Ａ上における測定点Ｑの位置は、１対１に対応する。

光学ヘッド１０内の構成は限定されず、適宜設計されてよい。例えばピンホールやコリメータレンズ等の他のレンズが使用されてもよい。

本実施形態では、第１及び第２の光学ヘッド１０ａ及び１０ｂにより、被測定物Ｏ上の２つの測定点Ｑ１及びＱ２の位置を測定することが可能である。すなわち第１及び第２の光学ヘッド１０ａ及び１０ｂの測定対象である２つの測定点Ｑ１及びＱ２を同時に多点測定することが可能である。もちろん同じ被測定物Ｏに対して多点測定を行う場合に限定されず、異なる２つの被測定物Ｏの各々を同時に測定することも可能である。

第１及び第２の光学ヘッド１０ａ及び１０ｂから出射される測定光Ｍ１及びＭ２は、光ファイバ３１ａ及び３１ｂを介してコントローラ２０に導かれる。図１に示す例では、測定光Ｍ１及びＭ２として緑色光Ｇが出射されている。もちろん同じ波長光が出射される場合に限定されず、各々の測定点Ｑ１及びＱ２の位置に応じた波長光が出射される。

図２に示すように、光源部４０には、測定用光源として白色ＬＥＤ４１が設けられる。なおＬＥＤ等の固体光源に代えて、水銀ランプ等が用いられてもよい。

光ファイバ部３０は、第１の光学ヘッド１０ａ用に設けられた、光ファイバ３１ａ、３２ａ、及び３３ａと、これらが接続されるファイバスプリッタ３４ａとを有する。また光ファイバ部３０は、第２の光学ヘッド１０ｂ用に設けられた、光ファイバ３１ｂ、３２ｂ、及び３３ｂと、これらが接続されるファイバスプリッタ３４ｂとを有する。

図２に示すように、光ファイバ３２ａと、光ファイバ３２ｂとが、白色ＬＥＤ４１に接続される。具体的には、白色ＬＥＤ４１の発光領域に２つの光ファイバ３２ａ及び３２ｂの端部が十分に近接するように配置される。これにより１つの白色ＬＥＤ４１から光ファイバ３２ａ及び３２ｂへ白色光Ｗを出射することが可能となる。なお発光領域の面積や光ファイバのコア径等が適宜設計されてもよく、また２つの光ファイバに白色光Ｗを出射するための光学系等が構成されてもよい。

ファイバスプリッタ３４ａは、光ファイバ３２ａから導入された白色光Ｗを第１の光学ヘッド１０ａに接続された光ファイバ３１ａに導出する。またファイバスプリッタ３４ａは、光ファイバ３１ａから導入された測定光Ｍ１を分岐して、分光器５０に接続された光ファイバ３３ａに導出する。従って第１の光学ヘッド１０ａから出射された測定光Ｍ１は、光ファイバ３３ａから分光器５０内へ出射される。

ファイバスプリッタ３４ｂは、光ファイバ３２ｂから導入された白色光Ｗを第２の光学ヘッド１０ｂに接続された光ファイバ３１ｂに導出する。またファイバスプリッタ３４ｂは、光ファイバ３１ｂから導入された測定光Ｍ２を分岐して、分光器５０に接続された光ファイバ３３ｂに導出する。従って第２の光学ヘッド１０ｂから出射された測定光Ｍ２は、光ファイバ３３ｂから分光器５０内へ出射される。

図３は、分光器５０の構成例を示す概略図である。分光器５０は、第１の光学ヘッド１０ａにより光ファイバ３１ａを介して出射された測定光Ｍ１、及び第２の光学ヘッド１０ｂにより光ファイバ３１ｂを介して出射された測定光Ｍ２の各々の波長を検出するためのブロックである。

分光器５０は、ラインセンサ５１と、分光光学系５２とを有する。分光光学系５２は、複数の入射口５３ａ及び５３ｂが設けられる入射面５４と、コリメータレンズ５５と、回折格子５６と、結像レンズ５７とを有する。分光光学系５２により、第１及び第２の測定光Ｍ１及びＭ１が回折され、ラインセンサ５１の互いに異なる２つの受光領域５８ａ及び５８ｂに出射される。

コリメータレンズ５５は、光ファイバ３３ａ及び３３ｂから出射された測定光Ｍ１及びＭ２の各々を回折格子５６上に照射する。

回折格子５６は、照射された測定光Ｍ１及びＭ２を回折する。結像レンズ５７は、回折格子５６により回折された測定光Ｍ１及びＭ２（以下、回折光Ｌ１及びＬ２と記載する）を、ラインセンサ５１上にてスポット状に結像する。本実施形態では、+１次の回折光Ｌ１及びＬ２がラインセンサ５１上に結像されるが、−１次の回折光等、他の回折光が結像されてもよい。なお回折格子５６の具体的な構成は限定されない。

ラインセンサ５１は、一方向に並ぶ複数のピクセル（受光素子）５９を有する。各ピクセル５９は、受光した光の強度に応じた信号を出力する。ラインセンサ５１の具体的な構成は限定されず、例えばＣＭＯＳラインセンサやＣＣＤラインセンサ等が用いられる。

なお結像レンズ５７は、色収差が小さいレンズであり、測定光Ｍ１及びＭ２の波長にかかわらず、回折光Ｌ１及びＬ２をラインセンサ５１上にスポット状に結像することができる。一方で、回折格子５６から出射される回折光Ｌ１及びＬ２の出射角は、測定光Ｍ１及びＭ２の波長に依存する。従ってラインセンサ５１上のスポットの位置は、測定光Ｍ１及びＭ２の波長に依存するパラメータとなる。

ラインセンサ５１により出力された信号は、信号ケーブル６０を介して制御部７０に送信される。本実施形態では、第１の受光領域５８ａにて受光される回折光Ｌ１の信号、及び第２の受光領域５８ｂにて受光される回折光Ｌ２の信号の２つの信号が送信される。なおスポット位置の検出対象となる回折光Ｌ１及びＬ２以外の回折光がラインセンサ５１に入射しないように、遮光機構等が設けられてもよい。また回折格子５６やラインセンサ５１の配置角度等が適宜調整されてもよい。

ラインセンサ５１及び分光光学系５２は、基準軸Ｄを基準として構成される。本実施形態では、入射面５４に対して略垂直方向に延在し、中間点Ｅで所定の方向に角度を変えて延在する基準軸Ｄが設定される。当該基準軸Ｄ上にコリメータレンズ５５が配置される。コリメータレンズ５５は、基準軸Ｄがレンズの中央を通るように、すなわちコリメータレンズ５５の光軸と基準軸Ｄとが略一致するように配置される。

回折格子５６は、基準軸Ｄの方向が変わる中間点Ｅに、角度が変わった基準軸Ｄの方向と略直交する向きで配置される。回折格子５６は、基準軸Ｄが略中央を通るように配置される。

結像レンズ５７は、角度が変わって延在する基準軸Ｄ上に配置される。結像レンズ５７は、基準軸Ｄがレンズの中央を通るように、すなわち結像レンズ５７の光軸と基準軸Ｄとが略一致するように配置される。

ラインセンサ５１は、基準軸Ｄと略直交する向きで、略中央のピクセル５９ｔが基準軸Ｄ上に位置するように配置される。またラインセンサ５１は、回折格子５６の回折方向と、ラインセンサ５１の延在方向であるセンサ方向とが略一致するように配置される。なお略中央のピクセル５９ｔは、第１及び第２の受光領域５８ａ及び５８ｂの境界となる。

図４は、基準軸Ｄの設定例を説明するための模式図である。図４に示すように、入射面５４の基準軸Ｄと略垂直に交わる点を、分光器５０の仮想的な入射口９０とする。当該仮想的な入射口９０から測定光Ｍを入射した場合に、その入射光Ｍの１次の回折光Ｌが、ラインセンサ５１の略中央のピクセル５９ｔに入射するように、分光光学系５２が構成され、ラインセンサ５１が配置される。なお想定される測定光Ｍの波長は限定されないが、典型的には、白色光Ｗの波長帯域の略中央の波長光（例えば緑色光Ｇ）が想定される。

従って図３等に示す基準軸Ｄは、仮想的な入射口９０から分光光学系５２に入射された測定光Ｍの光軸（光束の中央を通る軸）Ｆに相当する。仮想的な入射口９０から分光光学系５２へ所定の波長の測定光Ｍを入射させた場合に、その回折光Ｌがラインセンサ５１の所定のピクセル５９に入射するように、ラインセンサ５１を配置し分光光学系５２を構成する。このことは、基準軸Ｄを基準としてラインセンサ５１を配置し分光光学系５２を構成することに含まれる。もちろんこれに限定される訳ではない。

図３に示すように、入射面５４に、基準軸Ｄを基準として互いに異なる位置に、第１の入射口５３ａ及び第２の入射口５３ｂが形成される。第１の入射口５３ａには、第１の測定光Ｍ１を導く光ファイバ３３ａが接続される。第２の入射口５３ｂには、第２の測定光Ｍ２を導く光ファイバ３３ｂが接続される。従って第１の入射口５３ａから第１の測定光Ｍ１が出射され、第２の入射口５３ｂから第２の測定光Ｍ２が出射される。

第１及び第２の測定光Ｍ１及びＭ２は、各々の光軸Ｆ１及びＦ２が、基準軸Ｄと平行となるように、分光器５０内に出射される。すなわち各々の光軸Ｆ１及びＦ２が図４に示す測定光Ｍの光軸Ｆと略平行となるように、光ファイバ３３ａ及び３３ｂが第１及び第２の入射口５３ａ及び５３ｂに接続される。

また第１及び第２の入射口５３ａ及び５３ｂは、基準軸Ｄに対して互いに対称となる位置に設けられる。すなわち第１及び第２の入射口５３ａ及び５３ｂは、基準軸Ｄと入射面５４との交点である仮想的な入射口９０からの距離が等しくなるように設けられる。

また第１及び第２の入射口５３ａ及び５４ｂは、ラインセンサ５１のライン方向に応じた所定の方向に沿った直線上に設けられる。具体的には、ライン方向及び基準軸Ｄの方向を含む平面（図では紙面に平行な面）と、入射面５４とが交わる直線上に、第１及び第２の入射口５３ａ及び５３ｂが設けられる。すなわち基準軸Ｄに対して略垂直な方向にずらした位置に、第１及び第２の入射口５３ａ及び５３ｂが設けられる。

このように分光光学系５２を構成し、ラインセンサ５１を配置することで、第１及び第２の測定光Ｍ１及びＭ１の回折光Ｌ１及びＬ２の各々を、ラインセンサ５１の互いに異なる第１及び第２の受光領域５８ａ及び５８ｂにそれぞれ出射させることが可能となる。

図５は、第１及び第２の入射口５３ａ及び５３ｂ間の距離の設定例について説明するための模式図である。例えば第１の測定光Ｍ１として、最も波長が短い光λ１ｍｉｎが出射される場合のラインセンサ５１上の受光位置（ピクセル）５９ｍ１から、最も波長が長い光λ１ｍａｘが出射される場合の受光位置（ピクセル）５９Ｍ１までの領域を第１の測定対象領域Ｓ１とする。

また第２の測定光Ｍ２として、最も波長が短い光λ２ｍｉｎが出射される場合のラインセンサ５１上の受光位置（ピクセル）５９ｍ２から、最も波長が長い光λ２ｍａｘが出射される場合の受光位置（ピクセル）５９Ｍ２までの領域を第２の測定対象領域Ｓ２とする。

例えば第１及び第２の測定対象領域Ｓ１及びＳ２が互いに重複することなく、ラインセンサ５１上に設定可能なように、第１及び第２の入射口５３ａ及び５３ｂ間の距離が適宜設定される。これにより第１及び第２の測定光Ｍ１及びＭ２（回折光Ｌ１及びＬ２）の受光領域を、ラインセンサ５１上に明確に分けて設定することが可能となる。この結果、各々の受光位置に基づいて、測定点Ｑ１及びＱ２の位置を高精度に測定することが可能となる。

なお本実施形態では、図５に示す第１及び第２の測定対象領域Ｓ１及びＳ２が、図３に示す第１及び第２の受光領域５８ａ及び５８ｂにそのまま相当する。これに限定されず、ラインセンサ５１上に第１及び第２の受光領域５８ａ及び５８ｂを設定し、それらの内部に第１及び第２の測定対象領域Ｓ１及びＳ２が含まれるように分光光学系５２を構成する、といったこともあり得る。

制御部７０は、本実施形態において位置算出部として機能し、ラインセンサ５１から受信した信号をもとに測定点Ｑ１及びＱ２の位置を算出する。例えば所定の基準位置にて光学ヘッド１０ａ及び１０ｂが保持され、測定点Ｑ１及びＱ２に白色光Ｗが出射される。そしてラインセンサ５１からの信号をもとに、基準位置を基準とした測定点Ｑ１及びＱ２の位置が算出される。

また測定点Ｑ１及びＱ２の位置として、光学ヘッド１０ａ及び１０ｂから測定点Ｑ１及びＱ２までの距離が算出されてもよい。また測定点Ｑ１及びＱ２が移動する場合でも、当該移動に応じて出力されるラインセンサ５１からの信号をもとに、測定点Ｑ１及びＱ２の移動量を算出することも可能である（図１に示す矢印Ｙ参照）。

光学ヘッド１０ａ及び１０ｂが、測定点Ｑ１及びＱ２の上方から使用される場合には、測定点Ｑ１及びＱ２の高さが測定点Ｑ１及びＱ２の位置として算出される。もちろんこれに限定されず、任意の方向にて光学ヘッド１０ａ及び１０ｂが使用され、当該方向における位置が算出されてもよい。

このような位置算出により、例えばｍｍオーダーの輪郭・形状の測定、μｍオーダーの微細形状の測定、ワークの表面性状の測定等、様々な測定が可能となる。

制御部７０は、例えばＣＰＵ、メモリ（ＲＡＭ、ＲＯＭ）、Ｉ／Ｏ（Input/Output）等が１チップに収められたマイコン（マイクロコンピュータ）により実現可能である。マイコンによる種々の処理は、チップ内のＣＰＵがメモリに記憶された所定のプログラムに従って動作することで実行される。これに限定されず、制御部７０を実現するために、他のＩＣ（集積回路）等が適宜用いられてもよい。

図６は、制御部７０による測定点Ｑ１及びＱ２の各々の位置の算出例を示すチャートである。まずラインセンサ５１から出力される信号をもとに、信号強度のピーク値を出力するピクセル５９の位置（ピークピクセル位置）が検出される。ピークピクセル位置は、センサにより受光される第１及び第２の回折光Ｌ１及びＬ２の受光位置に相当し、本実施形態では、ピクセルナンバーにより表される。

本実施形態では、ピクセルナンバー１〜Ｎ／２が第１の受光領域５８ａとして設定され、ピクセルナンバーＮ／２〜Ｎまでが第２の受光領域５８ｂとして設定されている。従ってピクセルナンバー１〜Ｎ／２までの間のピークピクセル位置の第１のピクセルナンバーＰｉｘＮ１と、ピクセルナンバーＮ／２〜Ｎまでのピークピクセル位置の第２のピクセルナンバーＰｉｘＮ２とが検出される。

検出された各ピクセルナンバーをもとに、測定点Ｑ１及びＱ２の位置（ここでは距離Ｄｉｓｔと記載する）が算出される。図６に示すように、第１の光学ヘッド１０ａ用の校正テーブルを参照して、第１のピクセルナンバーＰｉｘＮ１から第１の測定点Ｑ１の距離Ｄｉｓｔが算出される。また第２の光学ヘッド１０ｂ用の校正テーブルを参照して、第２のピクセルナンバーＰｉｘＮ２から第２の測定点Ｑ２の距離Ｄｉｓｔが算出される。

第１及び第２の光学ヘッド１０ａ及び１０ｂ用の各々の校正テーブルは、例えば高さ等が規定された校正用治具等を用いて、校正（キャリブレーション）を実行することで予め作成され、制御部７０のメモリ等に格納される。校正テーブルの作成方法及び作成するタイミング等は限定されない。

距離Ｄｉｓｔの算出として、校正テーブルが用いられる方法に限定される訳ではない。例えばメモリ等に所定の演算式が格納され、当該演算式を用いて第１及び第２のピクセルナンバーＰｉｘＮ１及びＰｉｘＮ２から距離Ｄｉｓｔへの演算が実行されてもよい。あるいは第１及び第２ピクセルナンバーＰｉｘＮ１及びＰｉｘＮ２から測定光Ｍ１及びＭ２の波長が算出されてもよい。そして校正テーブルや演算等により、波長から距離Ｄｉｓｔが算出されてもよい。

以上、本実施形態に係るクロマティック共焦点センサ１００は、光源部４０から出射された光を用いて測定を行う複数の光学ヘッド１０を備える。各光学ヘッド１０から出射される測定光Ｍ１及びＭ２は回折格子５６により回折され、ラインセンサ５１の複数の受光領域５８ａ及び５８ｂにそれぞれ出射される。従ってラインセンサ５１の複数の受光領域５８ａ及び５８ｂにおける各々の受光位置に基づいて、複数の測定点Ｑ１及びＱ２の各々の位置を算出することが可能となる。この結果、回折格子５６やラインセンサ５１の数を増やすことなく、少ない部品数で多点測定を実行することが可能となる。

例えば光学ヘッド１０の数に合わせて複数の分光器５０を準備することで、各分光器５０内のラインセンサ５１の受光位置に基づいて、複数の測定点を同時に測定する多点測定が可能となる。しかしながら光学ヘッド１０と同じ数の分光器５０が用いられる場合には、部品数の増加による装置の大型化や、装置コストの増大等が大きな問題となる。

本技術に係るクロマティック共焦点センサ１００では、複数の測定光Ｍ１及びＭ２を１つのラインセンサ５１の互いに異なる受光領域５８ａ及び５８ｂにそれぞれ出射することが可能である。すなわち各光学ヘッド１０に対応する受光領域をそれぞれ設定することが可能となる。これにより１つの分光器５０にて多点測定を実現することが可能となり、必要な装置の削減、装置の小型化、装置の低価格化、設置面積の低減による使い勝手の向上等を図ることが可能となる。

分光器５０として、基準軸Ｄを基準としてライセンサ５１を配置し分光光学系５２を構成することで、各測定光Ｍ１及びＭ２をラインセンサ５１の互いに異なる受光領域５８ａ及び５８ｂに出射することが可能となる。特に基準軸Ｄを基準として互いに異なる位置に複数の入射口５３ａ及び５３ｂを設けることで、各測定光Ｍ１及びＭ２を容易に複数の受光領域５８ａ及び５８ｂに出射することが可能となる。

また分光器５０の入射面５４に仮想的な入射口９０を設定し、当該仮想的な入射口９０から入射する測定光Ｍの光軸Ｆを基準軸Ｄとすることで、容易に分光器５０を構成することが可能となる。例えば１つの測定光Ｍのみが入射するように設計された分光器５０に対して、元々の入射口を基準として複数の入射口５３ａ及び５３ｂを形成する。例えば上記したように元々の入射光の光軸に対して略垂直な方向にずらして、複数の入射口５３ａ及び５３ｂを形成する。そして元々の入射光の光軸と略平行に複数の測定光Ｍ１及びＭ２をそれぞれ入射させる。これにより簡単に本技術に係る多点測定用の分光器５０を構成することが可能となる。

なお複数の入射口５３ａ及び５３ｂの位置を、基準軸Ｄ（仮想的な入射口９０）に対して互いに対称となる位置に設定する。すなわちラインセンサ５１のセンサ方向（回折格子５６の回折方向）に沿って、基準軸Ｄに対して対称となるように複数の入射口５３ａ及び５３ｂを形成する。これにより分光器５０の容易に設計することが可能となる。例えば図６に示すように、第１の光学ヘッド１０ａ用の第１の測定対象領域Ｓ１と、第２の光学ヘッド１０ｂ用の第２の測定対象領域Ｓ２とを互いに重複することなく、ラインセンサ５１上に設定することが可能となる。

＜その他の実施形態＞
本発明は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態を実現することができる。

上記では、２つの光学ヘッドが備えられる場合について説明した。本技術に係るクロマティック共焦点センサに備えられる複数の光学ヘッドの数は限定されず、任意の数の光学ヘッドが備えられてもよい。例えばラインセンサの配置や分光光学系の構成等を適宜設計し、各光学ヘッドから出力される測定光をラインセンサ上の互いに異なる受光領域に出射させることで、１つの分光器にて多点測定を実行することが可能となる。

例えば２点の測定により、被測定物の傾きを測定することが可能となる。また３点の測定により、被測定物の表面の向きを測定することが可能となる。このような本技術を用いることで、種々の多点測定を実行することが可能となる。

図７は、分光器の他の構成例を示す概略図である。図７に示す分光器２５０には、光ファイバ２３３ａ〜２３３ｃを介して３つの光学ヘッドが接続される。光ファイバ２３３ａ〜２３３ｃは、３つの入射口２５３ａ〜２５３ｃに接続され、当該入射口を介して測定光Ｍ１〜Ｍ３が分光器２５０内に出射される。

入射口２５３ａ〜２５３ｃは、ラインセンサ２５１のライン方向に対応する方向に沿って設けられる。図７に示す例では、図４に示す仮想的な入射口９０に、測定光Ｍ２を入射するための入射口２５３ｂが形成される。当該入射口２５３ｂから入射される測定光Ｍ２の光軸Ｆ２が、所定の基準軸Ｄとなる。このように１つの測定光Ｍ２の光軸Ｆ２を基準軸Ｄとして、ラインセンサ２５１が配置され分光光学系２５２が構成されてもよい。これにより分光器２５０の設計が容易となる。もちろんこれに限定される訳ではない。

上記では、基準軸や仮想的な入射口からの入射光の光軸等を基準としてラインセンサが配置され、分光光学系が構成される例について説明した。これらの配置方法や構成方法に限定されず、他の方法が採用されてもよい。各光学ヘッド用の受光領域を、ラインセンサ上の互いに異なる領域に設定可能であれば、任意の方法が採用されてよい。

測定用の光の波長帯域を狭めることで、各光学ヘッド用の受光領域（測定対象領域）のサイズを小さくすることも可能である。これにより各受光領域の設定が容易となり、光学ヘッドの数、すなわち測定対象となる測定点の数を増加することが可能となる。

なお分光器の数は十分に削減しつつ、光源の数は複数用いるといった構成も、本技術に含まれる。例えば光学ヘッドの数に合わせて、同じ数のＬＥＤ等が準備される。あるいは所定の数の光学ヘッドに対して１つのＬＥＤ等を割り当てるといったことも可能である。この場合でも、上記で例示した種々の効果を発揮することが可能となる。

上記では、位置測定用の複数の可視光を含む光として白色光が用いられた。これに限定されず、広帯域の他の光が用いられる場合でも本発明は適用可能である。すなわち互いに波長の異なる複数の光として、不可視光である紫外線や赤外線等が出射されてもよい。例えば紫外線を出射するＬＥＤ等を、本発明に係る光源部として使用することが可能である。

以上説明した本発明に係る特徴部分のうち、少なくとも２つの特徴部分を組み合わせる
ことも可能である。また上記で記載した種々の効果は、あくまで例示であって限定される
ものではなく、また他の効果が発揮されてもよい。

Ｄ…基準軸
Ｆ…光軸
Ｌ…回折光
Ｍ…測定光
Ｏ…被測定物
Ｐｋ…合焦位置
Ｑ…測定点
Ｓ１…第１の測定対象領域
Ｓ２…第２の測定対象領域
１０…光学ヘッド
２０…コントローラ
３０…光ファイバ部
４０…光源部
４１…白色ＬＥＤ
５０、２５０…分光器
５１、２５１…ライセンサ
５２、２５２…分光光学系
５３ａ…第１の入射口
５３ｂ…第２の入射口
５６…回折格子
５８ａ…第１の受光領域
５８ｂ…第２の受光領域
７０…制御部
９０…仮想的な入射口
１００…クロマティック共焦点センサ

Claims (10)

1. 互いに波長の異なる複数の光を出射する光源部と、
   各々が、前記光源部から出射された前記複数の光を異なる合焦位置にそれぞれ収束させ前記合焦位置にて測定点により反射された測定光を出射する複数の光学ヘッドと、
   ラインセンサと、
   前記複数の光学ヘッドから出射された複数の測定光を回折する回折格子を有し、前記回折格子により回折された前記複数の測定光の各々を、前記ラインセンサの互いに異なる複数の受光領域に出射する光学系と
   を有する分光器と、
   前記ラインセンサの前記複数の受光領域における各々の受光位置に基づいて、前記複数の光学ヘッドの測定対象である複数の測定点の各々の位置を算出する位置算出部と
   を具備し、
   前記ラインセンサは、所定の基準軸を基準として配置され、
   前記光学系は、前記所定の基準軸を基準として構成され、前記所定の基準軸を基準として互いに異なる位置に設けられ前記複数の測定光が入射する複数の入射口を有する
   クロマティック共焦点センサ。
2. 請求項１に記載のクロマティック共焦点センサであって、
   前記所定の基準軸は、前記分光器の仮想的な入射口から前記光学系に前記測定光を入射させた場合の光軸に相当する
   クロマティック共焦点センサ。
3. 請求項１又は２に記載のクロマティック共焦点センサであって、
   前記複数の入射口は、前記複数の入射口から入射する前記複数の測定光の各々の光軸が前記所定の基準軸と略平行となるように設けられる
   クロマティック共焦点センサ。
4. 請求項１から３のうちいずれか１項に記載のクロマティック共焦点センサであって、
   前記複数の入射口は、前記所定の基準軸に対して互いに対称となる位置に設けられる
   クロマティック共焦点センサ。
5. 請求項２に記載のクロマティック共焦点センサであって、
   前記複数の入射口は、前記仮想的な入射口に対して互いに対称となる位置に設けられる
   クロマティック共焦点センサ。
6. 請求項１から５のうちいずれか１項に記載のクロマティック共焦点センサであって、
   前記複数の入射口は、前記ラインセンサのライン方向に応じた所定の方向に沿って設けられる
   クロマティック共焦点センサ。
7. 請求項６に記載のクロマティック共焦点センサであって、
   前記分光器は、前記複数の入射口が設けられる入射面を有し、
   前記複数の入射口は、前記ライン方向及び前記所定の基準軸の方向を含む平面と、前記入射面とが交わる直線上に設けられる
   クロマティック共焦点センサ。
8. 請求項１から７のうちいずれか１項に記載のクロマティック共焦点センサであって、
   前記複数の光学ヘッドの各々について、前記複数の光のうち波長が最も短い光が前記測定光として出射される場合の受光位置から、波長が最も長い光が前記測定光として出射される場合の受光位置までの前記ラインセンサの領域を測定対象領域とすると、
   前記複数の受光領域は、前記複数の光学ヘッドの各々に対応する複数の測定対象領域に相当する
   クロマティック共焦点センサ。
9. 請求項１から８のうちいずれか１項に記載のクロマティック共焦点センサであって、
   前記複数の光学ヘッドは、２つ又は３つの光学ヘッドである
   クロマティック共焦点センサ。
10. 互いに波長の異なる複数の光を出射するステップと、
    複数の光学ヘッドの各々により、出射された前記複数の光を異なる合焦位置にそれぞれ収束させ前記合焦位置にて測定点により反射された測定光を出射するステップと、
    光学系により、前記複数の光学ヘッドから出射された複数の測定光を回折してラインセンサの互いに異なる複数の受光領域に出射するステップと、
    前記ラインセンサの前記複数の受光領域における各々の受光位置に基づいて、前記複数の光学ヘッドの測定対象である複数の測定点の各々の位置を算出するステップと
    を含み、
    前記ラインセンサは、所定の基準軸を基準として配置され、
    前記光学系は、前記所定の基準軸を基準として構成され、前記所定の基準軸を基準として互いに異なる位置に設けられ前記複数の測定光が入射する複数の入射口を有する
    測定方法。

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