JP6819370B2 - 共焦点計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、共焦点光学系を利用した共焦点計測装置に関するものである。

非接触で計測対象物の変位を測定する計測装置が、従来技術として知られている。中でも、共焦点光学系を用いて変位を測定する計測装置について、さまざまな技術が開示されている。例えば、特許文献１には、対物レンズと回折レンズを組み合わせることにより、光の波長による、計測対象物の変位を計測する精度の変動を抑える共焦点計測装置が開示されている。

特許文献２には、広い計測対象範囲を実現するために、複数の軸方向分散合焦要素を備えるクロマティック共焦点ポイントセンサ光学ペンが開示されている。

特開２０１２−２０８１０２号公報 特開２０１２−１７３２９４号公報

ところで、共焦点計測装置においては、広い計測対象範囲を得ることが好ましい。

例えば、特許文献１の技術において測対象範囲を拡大するために対物レンズの焦点距離を大きくすることが考えられる。しかし、単に対物レンズの焦点距離を大きくすると測定中心距離が変化すると共に、性能が大きく変化してしまう。

また、特許文献２の技術では、複数の軸方向分散合焦要素の間の領域で光を合焦するため、複数の軸方向分散合焦要素の間の距離が大きくなる。それゆえ、クロマティック共焦点ポイントセンサ光学ペンのサイズが大きくなってしまう。

本発明の一態様は、コンパクトな装置構成で計測対象範囲を拡大することができる共焦点計測装置を実現することを目的とする。

本発明の一態様に係る共焦点計測装置は、共焦点光学系を利用した共焦点計測装置であって、複数の波長の光を出射する光源と、前記光源から出射された光に、色収差を生じさせる第１回折レンズと、前記第１回折レンズを通過した光の色収差を増加させる第２回折レンズと、集光された光が光軸に沿った色収差を有するように、前記第２回折レンズを通過した光を前記光軸に沿った計測対象範囲に集光する対物レンズと、前記対物レンズで集光された光のうち、計測対象物上に合焦した波長の光の強度を測定する測定部とを備える構成である。

前記の構成によれば、第１回折レンズによって光に生じた色収差を、第２回折レンズによってさらに増加させる。対物レンズによって集光された光は、光軸に沿った大きな色収差を有する。そのため、波長によって合焦する位置を大きく異ならせることができるため、計測対象範囲を大きくすることができる。また、第２回折レンズを用いるため、装置サイズの増加を抑制することができる。

前記共焦点計測装置では、前記対物レンズに入射する光はコリメートされており、前記対物レンズに入射する光の有効径が変わらない構成とすることが好ましい。

前記の構成によれば、対物レンズの開口数は略変化しない。このため、測定中心距離が変化することはなく、測定中心距離の性能が変化することもない。

前記共焦点計測装置は、前記対物レンズよりも前記光源側に、光を発散させる第１発散光学部を備える構成としてもよい。

対物レンズよりも光源側に、第２回折レンズを追加すると、余分な屈折力が加わり、対物レンズの開口数（ＮＡ）が変化する。対物レンズの開口数は計測の性能に影響する。前記の構成によれば、第２回折レンズの前又は後において、第２回折レンズで生じる光の集束の少なくとも一部を、第１発散光学部によってキャンセルすることができる。それゆえ、対物レンズの開口数を大きくすることができる。

前記共焦点計測装置では、前記第１発散光学部は、少なくとも１つの凹レンズを有する構成としてもよい。

前記共焦点計測装置は、発散系の焦点距離を負値で表現した場合、前記第２回折レンズの焦点距離をｆ１とし、前記第１発散光学部の焦点距離をｆ２とし、かつ前記第２回折レンズと前記第１発散光学部との間の距離をｄとすると、ｆ１＋ｆ２＝ｄを満たすことが好ましい。

前記の構成によれば、合成焦点距離の公式から、第１回折レンズ後の光がコリメートされている場合、ｆ１＋ｆ２＝ｄを満たすとき対物レンズに入射する光もコリメートとなる。

また、第２回折レンズの前又は後において、第２回折レンズで生じる光の集束を、第１発散光学部によってキャンセルすることができる。それゆえ、測定中心距離を変えることなく、第２回折レンズを追加して測定範囲を拡大することができる。

前記共焦点計測装置では、前記第１発散光学部は、前記第１回折レンズと前記第２回折レンズとの間に配置されており、前記第２回折レンズと前記対物レンズとの間において光はコリメートされている構成としてもよい。

前記の構成によれば、第１発散光学部によって光を発散させることにより、第２回折レンズの焦点位置から第２回折レンズに光が入射するかのように、光学系を構成することができる。これにより、測定中心距離を変えることなく効率的に色収差を生じさせることができる。

前記共焦点計測装置は、前記第１回折レンズの焦点距離と前記第２回折レンズの焦点距離とは同じである構成としてもよい。

前記の構成によれば、例えば第１回折レンズ及び第２回折レンズとして、同じ設計の回折レンズを用いることができる。それゆえ、共焦点計測装置の製造が容易になる。

前記共焦点計測装置では、前記第１回折レンズの焦点距離と前記第２回折レンズの焦点距離とは異なる構成としてもよい。

前記共焦点計測装置は、前記第１回折レンズと前記対物レンズとの間に、光の色収差を増加させる第３回折レンズと、光を発散させる第２発散光学部とを備える構成としてもよい。

前記の構成によれば、回折レンズと発散光学部とのセットの数を増やすことにより、さらに色収差を増加させることができる。それゆえ、計測対象範囲を大きくすることができる。

本発明の一態様によれば、コンパクトな装置構成で測定範囲を拡大することができる。

本発明の実施の一形態における共焦点計測装置を示すものであって、共焦点計測装置の構成を示す模式図である。 前記共焦点計測装置におけるコントローラの内部構成を示す模式図である。 （ａ）は前記共焦点計測装置における色収差重畳発生部を含むセンサヘッドの構成を示す断面図であり、（ｂ）は前記色収差重畳発生部を除いたセンサヘッドの構成を示す断面図である。 （ａ）は前記共焦点計測装置におけるセンサヘッドの光路を示す図であり、（ｂ）は、計測対象物付近での複数の波長の合焦の位置を示す図である。 （ａ）は前記共焦点計測装置におけるセンサヘッドの回折レンズを通過する光路を示す図であり、（ｂ）は前記センサヘッドの回折レンズ及び凹レンズを通過する光路を示す図であり、（ｃ）は前記センサヘッドの回折レンズ及び色収差重畳発生部を通過する光路を示す図である。 前記共焦点計測装置のセンサヘッドから色収差重畳発生部を取り除いた構成を示す参考図である。 本発明の他の実施の形態における共焦点計測装置を示すものであって、共焦点計測装置におけるセンサヘッドの構成を示す断面図である。 本発明のさらに他の実施の形態における共焦点計測装置を示すものであって、共焦点計測装置におけるセンサヘッドの構成を示す断面図である。

〔実施の形態１〕
共焦点計測装置の計測対象範囲を拡大するためには、光軸に沿った色収差を大きくする必要がある。ただし、計測の精度（分解能）は対物レンズの開口数（ＮＡ：numerical aperture）に依存する。そのため、対物レンズの焦点距離を大きくすると、計測対象範囲は拡大されるが、計測の精度は低下する。一方、回折レンズの開口数を大きくすることで、色収差を大きくすることができる。しかしながら、回折レンズの開口数を大きくするためには回折溝のピッチを小さくする必要がある。回折溝のピッチを小さくするには製造限界があり、それゆえ、回折レンズの開口数には限界がある。

本発明の一実施形態について図１〜図６に基づいて説明すれば、以下のとおりである。

（共焦点計測装置の基本構成）
本実施の形態の共焦点計測装置は、共焦点光学系を利用して計測対象物までの距離を非接触にて計測するものである。本実施の形態の共焦点計測装置で計測する計測対象物には、例えば液晶表示パネルのセルギャップ等がある。ここで、共焦点光学系では、対物レンズの焦点位置と共役な位置(像位置)に開口の効果をもつピンホールを配置することによって、焦点の合った光のみを検出することが可能となる。また、共焦点光学系においては、点光源から出射した光は、対物レンズにより計測対象物上に光軸方向に色収差を持った状態で集光される。計測対象物の表面に集光して反射された光は同じ光路を戻り、ピンホール上に集光される。共焦点光学系では焦点以外からの反射光は、殆どピンホールでカットされ、焦点位置のみの情報が得られる。以上により、共焦点光学系では、光軸方向に分解能をもつこととなり、それにより光軸方向の計測が可能となる。

図１は、本実施の形態における共焦点計測装置１Ａの構成を示す模式図である。図２は、共焦点計測装置１Ａにおけるコントローラ２０の内部構成を示す模式図である。本実施の形態の共焦点計測装置１Ａの構成について、図１及び図２に基づいて説明する。

図１に示すように、本実施の形態の共焦点計測装置１Ａは、共焦点の光学系を有するセンサヘッド１０Ａと、光ファイバケーブル２を介して光学的に接続されたコントローラ２０とを備えている。

センサヘッド１０Ａは、回折レンズ１１（第１回折レンズ）、色収差重畳発生部１３及び対物レンズ１２をこの順に備えている。

回折レンズ１１は、複数の波長の光を出射する光源としての白色ＬＥＤ光源２１（後述）から出射され、かつ光ファイバケーブル２を通してセンサヘッド１０Ａに入射された白色光に対して、光軸方向に沿った色収差を生じさせる光学素子である。

前記回折レンズ１１は、ガラス又は樹脂等の単一材料の基板に、光軸方向に沿って色収差を生じさせるパターンを形成した構成を有している。具体的には、回折レンズ１１のレンズ表面には、例えば、波面形状若しくは階段形状等の微細な起伏形状が周期的に形成されているか、又は光の透過率を周期的に変更する振幅型のゾーンプレートが形成されている。尚、回折レンズ１１は、単一材料の基板に色収差を生じさせるパターンを形成した構成に限定されるものではなく、例えば、複数の材料にて構成することも可能である。具体的には、ガラス基板と、該ガラス基板の片面に形成され、かつ光軸方向に沿って色収差を生じさせるパターンの樹脂層とを有するものであってもよい。この場合、例えば、樹脂層は、ガラス基板に紫外線硬化樹脂を塗布し、所望のパターンの型を紫外線硬化樹脂の塗布面に押し付け、紫外線を照射して紫外線硬化樹脂を硬化することによって形成することができる。

ガラスのみで構成した回折レンズ１１は、硬いガラスを加工することにより、光軸方向に沿って色収差を生じさせるパターンを形成するので、製造コストが高価になる。しかし、ガラス基板と樹脂層とで構成する回折レンズ１１は、所望のパターンの型で樹脂層を加工することにより、光軸方向に沿って色収差を生じさせるパターンを形成する。このため、製造コストが安価になる。

尚、樹脂のみで構成した回折レンズ１１は、環境温度による形状の変化が大きく、温度特性が悪い。しかし、前述したガラス基板と樹脂層とで構成する回折レンズ１１は、環境温度による形状の変化が小さいガラス基板が構成の大部分を占める。このため、温度特性がよい。

色収差重畳発生部１３は、回折レンズ１１にて発生させた軸上色収差に対して、重ねて軸上色収差を発生させるものである。色収差重畳発生部１３については、後に詳述する。

対物レンズ１２は、回折レンズ１１及び色収差重畳発生部１３で色収差を生じさせた光を計測対象範囲に集光する光学素子である。集光された光は光軸に沿った色収差を有している。計測対象範囲は、共焦点計測装置１Ａによって計測可能な光軸方向の位置範囲である。計測対象範囲に計測対象物Ｍが配置される。本実施の形態の対物レンズ１２は、一般的な光学レンズを用いている。しかし、必ずしもこれに限らず、例えば、屈折率の異なる２種類のガラス材で作られた凸レンズと凹レンズとを近接又は接着したアクロマティックレンズを用いてもよい。

光ファイバケーブル２は、後述するコントローラ２０の内部に設けられた白色ＬＥＤ光源２１から出射する光を、センサヘッド１０Ａに導くものである。光ファイバケーブル２から出射する光を回折レンズ１１にて有効に利用するには、光ファイバケーブル２の開口数と回折レンズ１１の開口数とを一致させるのが好ましい。

また、本実施の形態の共焦点計測装置１Ａでは、光ファイバケーブル２は、コントローラ２０からセンサヘッド１０Ａまでの光路であると共に、ピンホールとしても機能している。すなわち、対物レンズ１２で集光した光のうち、計測対象物Ｍ上に合焦する波長の光は、光ファイバケーブル２のコアに合焦することになる。そのため、光ファイバケーブル２は、計測対象物Ｍ上に合焦しない波長の光を遮光し、計測対象物Ｍ上に合焦する光を通過させるピンホールとして機能することになる。この結果、本実施の形態では、コントローラ２０からセンサヘッド１０Ａまでの光路に光ファイバケーブル２を用いることによって、ピンホールが不要となるメリットを有している。

尚、本実施の形態の共焦点計測装置１Ａにおいては、コントローラ２０からセンサヘッド１０Ａまでの光路に光ファイバケーブル２を用いない構成であってもよい。しかしながら、該光路に光ファイバケーブル２を用いることによって、センサヘッド１０Ａをコントローラ２０に対してフレキシブルに移動することが可能になる。

また、光ファイバケーブル２は、マルチモードファイバ又はシングルモードファイバのいずれを用いてもよい。

マルチモードファイバを用いた光ファイバケーブル２は、ファイバの直径が大きいため、白色ＬＥＤ光源２１からの出射光を伝送するときの光パワーのロスを少なくすることができ、光反射率の低い計測対象物でも高いＳ／Ｎ比で安定して計測することができる。

一方、シングルモードファイバを用いた光ファイバケーブル２は、ファイバの直径が数μｍと小さいため、ピンホールとして機能させるためには好ましい。これにより、受光波形の半値幅を狭くすることができ、精度よく計測することができる。

また、光ファイバケーブル２には、耐屈曲ファイバを用いることが望ましい。センサヘッド１０Ａは、電子部品実装装置等の駆動部分に取り付けられることが多く、その場合にはセンサヘッド１０Ａ自体も移動することになる。そのため、センサヘッド１０Ａに接続された光ファイバケーブル２は、センサヘッド１０Ａの移動方向に絶えず曲げられるため、耐屈曲ファイバを用いることによって、損傷を防ぐことができる。

次に、コントローラ２０は、内部に白色光源としての白色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）光源２１と、分岐光ファイバ２２と、分光器２３と、受光素子２４と、処理部２５とを備えていると共に、外部にモニタ２６を備えている。

白色ＬＥＤ光源２１は、ＬＥＤ光源からなり、本実施の形態では、白色光を出射するようになっている。尚、本実施の形態では、光源として白色ＬＥＤ光源２１を使用しているが、必ずしもこれに限らず、複数の波長の光を出射することができる光源であれば他の光源であってもよい。

分岐光ファイバ２２は、光ファイバケーブル２と接続する側に一本の光ファイバ２２ａを有していると共に、光ファイバケーブル２とは反対側に２本の光ファイバ２２ｂ・２２ｃを有している。光ファイバ２２ｂは白色ＬＥＤ光源２１に接続されている。一方、光ファイバ２２ｃは分光器２３に接続されている。この結果、分岐光ファイバ２２は、白色ＬＥＤ光源２１から出射する光を光ファイバケーブル２に導くと共に、光ファイバケーブル２を通してセンサヘッド１０Ａから戻る光を分光器２３に導く。

図２に示すように、分光器２３は、コリメートレンズ２３ａ、回折格子２３ｂ、及び集光レンズ２３ｃを備える。コリメートレンズ２３ａは、センサヘッド１０Ａから戻る光をコリメートする。回折格子２３ｂは、コリメートレンズ２３ａにてコリメートされた光を回折することにより分光する。集光レンズ２３ｃは、回折格子２３ｂから出射された光を、波長毎に受光素子２４の異なる位置に集光する。

受光素子２４としては、分光器２３から出射された光の強度を測定する例えばラインＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）又はＣＣＤ（Charge Coupled Device）を用いることができる。ここで、本実施の形態の共焦点計測装置１Ａでは、分光器２３及び受光素子２４によって、センサヘッド１０Ａから戻る光の強度を波長毎に測定する測定部を構成している。すなわち、測定部は、対物レンズで集光された光のうち、計測対象物Ｍ上に合焦した波長の光の強度を測定する。尚、測定部は、センサヘッド１０Ａから戻る光の強度を波長毎に測定することができれば、ＣＣＤ等の受光素子２４の単体で構成してもよい。また、受光素子２４は、２次元のＣＭＯＳ又は２次元のＣＣＤであってもよい。

図１に示すように、処理部２５は、白色ＬＥＤ光源２１及び受光素子２４等の動作を制御する回路である。処理部２５には、白色ＬＥＤ光源２１又は受光素子２４等の動作を制御するための信号を出力する図示しない出力インターフェース、及び受光素子２４からの信号を入力する図示しない入力インターフェース等が設けられている。処理部２５は、各画素において受光した光の強度から、計測対象物Ｍ上に合焦した光の波長を特定し、該波長から計測対象物Ｍの位置（光軸方向の位置）を特定する。処理部２５は、特定された位置をモニタ２６に表示させる。モニタ２６は、処理部２５からの指示に基づき、特定された計測対象物Ｍの位置を表示する。

（共焦点計測装置における距離の測定動作）
次に、前記構成の共焦点計測装置１Ａにおける計測対象物Ｍまでの距離の測定動作について、図１に基づいて説明する。

図１に示すように、共焦点計測装置１Ａでは、白色ＬＥＤ光源２１から複数の波長の光を含む白色光が出射される。この白色光は、光ファイバケーブル２を通してセンサヘッド１０Ａの回折レンズ１１に入射される。

回折レンズ１１では、光軸に沿って色収差が生じる。色収差が生じた光は、対物レンズ１２を通すことによって、高さ方向（光軸方向）に色分離される。光軸に沿った色収差が生じた光は、集光されることによって所謂虹色に色分離される。対物レンズ１２から近くでは波長の長い赤色が集光され、対物レンズ１２から遠くになるに伴って波長の短い青色が集光される。計測対象範囲は、いずれかの波長の光が合焦している範囲である。

ここで、センサヘッド１０Ａにおける計測対象範囲に計測対象物Ｍが存在すると、計測対象物Ｍの表面上に合焦した波長の反射光のみが、共焦点光学系（対物レンズ１２、色収差重畳発生部１３、回折レンズ１１）を通って光ファイバケーブル２の端面に合焦される。コントローラ２０では、図２にも示すように、反射光は、まず、分光器２３に入射され、回折格子２３ｂを介してＣＣＤ等からなる受光素子２４に入射される。ここで、本実施の形態では、光ファイバケーブル２がピンホールの機能を有しているので、光ファイバケーブル２に合焦していない波長の光は受光されない。

この結果、ＣＣＤ等からなる受光素子２４では、光の波長によって、ＣＣＤにおいてどの画素が受光するかが変わる。このため、処理部２５にて画素の特定を行うことにより、計測対象物Ｍの表面において合焦していた光の波長が分かる。処理部２５では、波長毎にセンサヘッド１０Ａ（例えばセンサヘッド１０Ａの端面又は対物レンズ１２）から計測対象物Ｍまでの距離が換算式により対応付けられている。このため、ＣＣＤ等からなる受光素子２４での受光波形の情報によって、センサヘッド１０Ａの端面（或いは対物レンズ１２）から計測対象物Ｍの表面までの距離を計測することができる。計測した値は、モニタ２６に表示される。

このように、本実施の形態の共焦点計測装置１Ａでは、回折レンズ１１及び色収差重畳発生部１３で色を分離し、色（波長）によって計測対象物Ｍの高さ方向の位置を計測して、計測対象物Ｍの距離を求めるようになっている。

（共焦点計測装置の色収差重畳発生部）
次に、本実施の形態の共焦点計測装置１Ａにおける色収差重畳発生部１３について、以下に説明する。

図３の（ａ）は、共焦点計測装置１Ａにおける色収差重畳発生部１３を含むセンサヘッド１０Ａの構成を示す断面図であり、図３の（ｂ）は色収差重畳発生部１３を除いたセンサヘッドの構成を示す断面図である。

図３の（ｂ）に示すように、センサヘッドでは、光ファイバケーブル２の端部から出射する光を回折レンズ１１に入射させ、回折レンズ１１にて軸上色収差を生じさせている。そして、回折レンズ１１の焦点距離ｆ１１と対物レンズ１２の焦点距離ｆ１２との組み合わせにより、測定範囲Ｒ（計測対象範囲）を制御している。

ここで、共焦点計測装置においては、測定範囲Ｒを大きくすることが、広い範囲を測定できるので好ましい。

そこで、測定範囲Ｒを増加させる方法として、例えば、対物レンズ１２の焦点距離ｆ１２を大きくすることが考えられる。しかし、対物レンズ１２の焦点距離ｆ１２を大きくするためには、別の対物レンズ１２を用意しなければならない。また、対物レンズ１２の焦点距離ｆ１２を大きくすると、測定中心距離が長くなる（すなわち対物レンズ１２の開口数が小さくなる）。このため、分解能が低下するので、精度が劣化する。

また、測定範囲Ｒを増加させる他の方法として、例えば、回折レンズ１１の焦点距離ｆ１１を小さくする（開口数を大きくする）ことが考えられる。しかし、回折レンズ１１の焦点距離ｆ１１を小さくするためには、別の回折レンズ１１を用意しなければならない。回折レンズ１１の開口数には製造上の限界がある。

図３の（ａ）に示すように、本実施の形態の共焦点計測装置１Ａでは、回折レンズ１１に加えて、回折レンズ１１と対物レンズ１２との間に色収差重畳発生部１３を設けている。

具体的には、本実施の形態の色収差重畳発生部１３は、凹レンズ１３ａ（第１発散光学部）と回折レンズ１３ｂ（第２回折レンズ）とを含む。凹レンズ１３ａは、回折レンズ１３ｂに対して回折レンズ１１側、つまり対物レンズ１２とは反対側の位置つまり負側の位置に設けている。凹レンズ１３ａは光を発散させる発散光学素子である。

ここで、回折レンズ１３ｂの焦点距離をｆ１とし、凹レンズ１３ａの焦点距離をｆ２とし、かつ回折レンズ１３ｂと凹レンズ１３ａのとの間の距離をｄとすると、ｆ１＋ｆ２＝ｄを満たす。これにより、合成焦点距離の公式から、回折レンズ１１後の光がコリメートされている場合、対物レンズ１２に入射する光（回折レンズ１３ｂから出射される光）もコリメートとなる。尚、発散系の焦点距離を負値で表現している。

尚、焦点距離は、白色光に含まれる代表波長に対する値である。代表波長は、測定範囲に合焦される光の波長であれば限定されない。ここでは、測定範囲の中心に合焦される光の波長（白色光の波長範囲のほぼ中心の波長）を代表波長とする。

回折レンズ１１を通過した光は、回折レンズ１１と凹レンズ１３ａとの間において、コリメートされている。コリメートされた光は凹レンズ１３ａによって発散され、回折レンズ１３ｂに入射する。凹レンズ１３ａで発散された光は、回折レンズ１３ｂの焦点位置から回折レンズ１３ｂに入射するのと同じ角度で、回折レンズ１３ｂに入射する。回折レンズ１３ｂは通過する光の色収差を増加させる。回折レンズ１３ｂを通過した光は、回折レンズ１３ｂと対物レンズ１２との間において、コリメートされている。対物レンズ１２は、集光された光が光軸に沿った色収差を有するように、回折レンズ１３ｂを通過した光を光軸に沿った測定範囲に集光する。より正確には、生じた色収差によって波長毎に光の進行方向は異なり、回折レンズ１１と凹レンズ１３ａとの間、及び回折レンズ１３ｂと対物レンズ１２との間において、代表波長の光が平行光となっている。

この結果、回折レンズ１１と色収差重畳発生部１３とを組み合わせたときの回折レンズ群３１の焦点距離ｆ３１は、回折レンズ１１の焦点距離ｆ１１と変わらない。したがって、回折レンズ１１と色収差重畳発生部１３とを組み合わせても、対物レンズ１２の測定中心距離は変化しないことになる。

一方、本実施の形態では、回折レンズ１１にて軸上色収差を発生していると共に、色収差重畳発生部１３でも軸上色収差を重ねて発生している。そして、回折レンズ１１と回折レンズ１３ｂとはいずれも同じ焦点距離であり、かつ回折レンズ１３ｂ後の光がコリメートされている。この結果、共焦点計測装置１Ａの測定範囲は、色収差重畳発生部１３が存在しない場合（Ｒ）に比べて、約２倍（２Ｒ）に拡大される。

図４の（ａ）は、共焦点計測装置１Ａにおけるセンサヘッド１０Ａの光路を示す図である。図４の（ｂ）は、計測対象物Ｍ付近での複数の波長の合焦の位置を示す図である。図５の（ａ）は、共焦点計測装置１Ａにおけるセンサヘッド１０Ａの回折レンズ１１を通過する光路を示す図である。図５の（ｂ）は、センサヘッド１０Ａの回折レンズ１１及び凹レンズ１３ａを通過する光路を示す図である。図５の（ｃ）は、センサヘッド１０Ａの回折レンズ１１及び色収差重畳発生部１３を通過する光路を示す図である。

図４の（ａ）（ｂ）に示すように、白色ＬＥＤ光源２１からは種々の波長の光が出射される。この光は、回折レンズ１１、色収差重畳発生部１３、及び対物レンズ１２を通して計測対象物Ｍにて反射（散乱）される。このとき、対物レンズ１２は光を集光するが、発生した色収差により波長によって合焦する位置が異なっている。そして、計測対象物Ｍ上に合焦し、反射された光は、元の光路とは逆向きに進む。

図５の（ａ）に示すように、前記の光路をレンズ毎に検証すると、焦点距離ｆ１１の回折レンズ１１を通過した光のうち、代表波長の光は平行に進み、それ以外の光は集束又は発散しながら進む。

図５の（ｂ）に示すように、回折レンズ１１の対物レンズ１２側に焦点距離ｆ２の凹レンズ１３ａが存在すると、凹レンズ１３ａを出射した光が少し発散して進む。すなわち、凹レンズ１３ａは、回折レンズ１１と回折レンズ１３ｂとの間に位置し、回折レンズ１１から入射される平行光を、回折レンズ１３ｂの焦点位置から発光しているように見せかけて回折レンズ１３ｂに導く。

図５の（ｃ）に示すように、凹レンズ１３ａの対物レンズ１２側に焦点距離ｆ１の回折レンズ１３ｂが存在すると、回折レンズ１１にて発生した軸上色収差を有する光に対して回折レンズ１３ｂにて重畳して軸上色収差が発生される。回折レンズ１３ｂは入射した光の色収差をさらに増加させる。焦点距離ｆ１の回折レンズ１３ｂを通過した光のうち、代表波長の光は平行に進み、それ以外の光は集束又は発散しながら進む。この結果、光は回折レンズ１１で発生した色収差よりも大きい色収差を有して対物レンズ１２に導かれることになる。

尚、回折レンズ１１の焦点距離ｆ１１が小さい方が、軸上色収差が大きくなる。このため、製造限界の焦点距離ｆ１１からなる回折レンズ１１を採用していた場合、回折レンズ１３ｂとして同じ焦点距離ｆ１の回折レンズを使う場合に、最も測定範囲が大きくなる。

このように、本実施の形態の共焦点計測装置１Ａでは、光が対物レンズ１２に対してコリメートに入射されるため、測定中心距離を変えることなく、より大きな測定範囲を得ることができる。

図６は、共焦点計測装置１Ａのセンサヘッド１０Ａから色収差重畳発生部１３を取り除いた構成を示す参考図である。

共焦点計測装置の性能を維持したまま測定範囲を増加させることが好ましい。ここで、測定範囲内で性能が変わらないとは、受光素子が受光する光の強度について波長によって半値全幅が変わらないことを示す。すなわち、対物レンズ１２側の開口数ＮＡ_２が一定であることを示す。

半値全幅が測定範囲内で異なるのは、波長によって対物レンズ１２側の開口数ＮＡ_２が異なるために起こる。尚、半値全幅は、被写界深度で決まり、ピンホール径、ピンホール側の開口数ＮＡ_１と対物レンズ１２の開口数ＮＡ_２とで決まる。ここで、ピンホール径、及びピンホール側の開口数ＮＡ_１はどの波長でも共通であるので、対物レンズ１２の開口数ＮＡ_２の波長依存性が半値全幅の変化の要因となる。

ただし、色収差重畳発生部１３を追加することにより、対物レンズ１２の開口数ＮＡ_２が変化すると精度が変化する。仮に、回折レンズ１１と対物レンズ１２との間に回折レンズ１３ｂのみを追加すると、余分な屈折力が追加されるので、対物レンズ１２側の焦点距離（＝測定中心距離）が変化し、開口数ＮＡ_２も変化する。

そこで、本実施の形態では、前記の問題を防止するために、凹レンズ１３ａを追加している。すなわち、凹レンズ１３ａにて、追加した回折レンズ１３ｂの屈折力を打ち消している。

〔実施の形態２〕
本発明の他の実施の形態について図７に基づいて説明すれば、以下のとおりである。尚、本実施の形態において説明すること以外の構成は、前記実施の形態１と同じである。また、説明の便宜上、前記の実施の形態１の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。

前記実施の形態１の共焦点計測装置１Ａでは、センサヘッド１０Ａにおいて、回折レンズ１１に加えて色収差重畳発生部１３が１個追加されていた。これに対して、本実施の形態の共焦点計測装置１Ｂでは、センサヘッド１０Ｂにおいて色収差重畳発生部１３が２つ設けられている点が相違している。本実施の形態の共焦点計測装置１Ｂの構成について、以下に説明する。

図７は、本実施の形態における共焦点計測装置１Ｂのセンサヘッド１０Ｂの構成を示す断面図である。

図７に示すように、本実施の形態における共焦点計測装置１Ｂのセンサヘッド１０Ｂには、回折レンズ１１に加えて、該回折レンズ１１と対物レンズ１２との間に２つの色収差重畳発生部１３・１３が追加されている。色収差重畳発生部１３は、実施の形態１において説明したように、凹レンズ１３ａと回折レンズ１３ｂとを組み合わせたものからなっている。ここでは、２つの色収差重畳発生部１３・１３は互いに同じものである。いずれの色収差重畳発生部１３においても、回折レンズ１１の焦点距離ｆ１１に対して、凹レンズ１３ａは焦点距離ｆ２であり、回折レンズ１３ｂの焦点距離はｆ１である。尚、実施の形態１と同様に、回折レンズ１３ｂと凹レンズ１３ａのとの間の距離をｄとすると、ｆ１＋ｆ２＝ｄを満たす。

これにより、回折レンズ１１側の色収差重畳発生部１３では、凹レンズ１３ａの焦点距離ｆ２と回折レンズ１３ｂの焦点距離ｆ１とにより、コリメートされた光が色収差重畳発生部１３に入射すると、色収差重畳発生部１３からコリメートされた光が出射される。

このように、色収差重畳発生部１３を複数設ける場合に、対物レンズ１２に入射させる光をコリメートさせることが重要である。これにより、測定中心距離を変えることなく効率よく測定範囲を拡大することができるからである。

この結果、回折レンズ１１と２つの色収差重畳発生部１３・１３とを組み合わせた回折レンズ群３２の焦点距離は、回折レンズ１１の焦点距離ｆ１１と同じ焦点距離ｆ３２である。

したがって、回折レンズ１１と２つの色収差重畳発生部１３・１３とを組み合わせた回折レンズ群３２の焦点距離ｆ３２が、回折レンズ１１のみの焦点距離ｆ１１に対して変化しない。このため、対物レンズ１２における測定中心距離は変化しない。

しかしながら、回折レンズ１１に対して２つの回折レンズ１３ｂを追加しているので、回折レンズ１１にて発生した軸上色収差が、３倍の大きさになっている。この結果、測定範囲Ｒ’＝３×Ｒに拡大される。

すなわち、本実施の形態では、回折レンズ１１及び回折レンズ１３ｂ・１３ｂの合計が３個であるので、測定範囲Ｒ’＝３×Ｒとなる。

したがって、一般的に、回折レンズ１１及び回折レンズ１３ｂの合計がＮ（Ｎは正の整数）個になると、
測定範囲Ｒ’＝Ｎ×Ｒ
となる。このため、共焦点計測装置１Ｂの測定範囲Ｒ’が回折レンズ１１のみの場合に比べてＮ倍となることが分かる。すなわち、回折レンズ群３２の回折レンズ１１と回折レンズ１３ｂとの数をＮ個にすれば、色収差がＮ倍となり、同一の対物レンズ１２と組み合わせると測定中心距離は同じまま測定範囲Ｒ’をＮ倍にすることができる。

このように、本実施の形態における共焦点計測装置１Ｂでは、色収差重畳発生部１３における凹レンズ１３ａの焦点距離をｆ１、回折レンズ１３ｂの焦点距離をｆ２、２つのレンズ間距離をｄとすると、ｆ１＋ｆ２＝ｄを満たすのであれば、色収差重畳発生部１３が何組存在する構成であってもよい。さらに、追加する凹レンズ１３ａの数も何枚でもよい。

（変形例）
２つの凹レンズ１３ａ及び２つの回折レンズ１３ｂの配置順は、図示の例に限らず、任意の配置順としてよい。例えば、回折レンズ１１、回折レンズ１３ｂ、回折レンズ１３ｂ、凹レンズ１３ａ、凹レンズ１３ａ、対物レンズ１２の配置順に並べてもよい。

尚、複数の色収差重畳発生部１３のうち、１つの色収差重畳発生部１３の凹レンズ１３ａ（及び回折レンズ１３ｂ）の焦点距離と、他の色収差重畳発生部１３の凹レンズ１３ａ（及び回折レンズ１３ｂ）の焦点距離とは異なっていてもよい。また、１つの色収差重畳発生部１３における凹レンズ１３ａ及び回折レンズ１３ｂの位置関係と、他の色収差重畳発生部１３の凹レンズ１３ａ及び回折レンズ１３ｂの位置関係とは異なっていてもよい。ただし、回折レンズ１３ｂ後の光がコリメートでないと効率よく色収差を重畳することができないことから、色収差重畳発生部１３をＮ個追加したとしても測定範囲Ｒ’が（元の測定範囲Ｒ）＊（Ｎ＋１）にならない。

〔実施の形態３〕
本発明のさらに他の実施の形態について図８に基づいて説明すれば、以下のとおりである。尚、本実施の形態において説明すること以外の構成は、前記実施の形態１及び実施の形態２と同じである。また、説明の便宜上、前記の実施の形態１及び実施の形態２の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。

前記実施の形態１の共焦点計測装置１Ａでは、センサヘッド１０Ａにおいて、色収差重畳発生部１３が１個設けられていた。そして、色収差重畳発生部１３における回折レンズ１３ｂの焦点距離は、回折レンズ１１の焦点距離ｆ１１と同じ焦点距離ｆ１であった。

これに対して、本実施の形態の共焦点計測装置１Ｃでは、センサヘッド１０Ｃにおいて、回折レンズ１１に加えて色収差重畳発生部１４が１個追加されている点は同じであるが、色収差重畳発生部１４における回折レンズ１４ｂの焦点距離が回折レンズ１３ｂの焦点距離ｆ１とは異なる焦点距離ｆ３となっている点が相違している。本実施の形態の共焦点計測装置１Ｃの構成について、以下に説明する。

図８は、本実施の形態における共焦点計測装置１Ｃのセンサヘッド１０Ｃの構成を示す断面図である。

図８に示すように、本実施の形態における共焦点計測装置１Ｃのセンサヘッド１０Ｃにおいては、回折レンズ１１に加えて、１個の色収差重畳発生部１４が追加されている。ここで、本実施の形態では、色収差重畳発生部１４における回折レンズ１４ｂ（第２回折レンズ）の焦点距離は、回折レンズ１１（第１回折レンズ）の焦点距離ｆ１１とは異なる焦点距離ｆ３となっている。また、この回折レンズ１４ｂの焦点距離ｆ３に対応して、凹レンズ１４ａ（第１発散光学部）の焦点距離がｆ３＋ｆ４＝ｄ（レンズ間距離）を満たすとき、色収差重畳発生部１４では、回折レンズ１４ｂの集束を凹レンズ１４ａがキャンセルする。これにより、回折レンズ１４ｂを通過した光はコリメートされている。

この結果、回折レンズ１１と１つの色収差重畳発生部１４とを組み合わせた回折レンズ群３３の焦点距離は、回折レンズ１１の焦点距離ｆ１１と同じ焦点距離ｆ３３である。このため、対物レンズ１２における測定中心距離は変化しない。

本実施の形態では、焦点距離が互いに異なる回折レンズ１１と回折レンズ１４ｂとを組み合わせている。これにより、回折レンズ１１にて発生した色収差が、Ａ倍となっている（Ａは１よりも大きい実数）。この結果、測定範囲Ｒ’＝Ａ×Ｒとなる。本実施の形態の共焦点計測装置１Ｃでは、自由に測定範囲を変えることが可能となる。

したがって、この共焦点計測装置１Ｃの構成によっても、実施の形態２の共焦点計測装置１Ｂと同様に拡大した測定範囲を得ることができる。そして、本実施の形態の場合、色収差重畳発生部１４の個数は増加しないので、共焦点計測装置１Ｃは、共焦点計測装置１Ｂの構成を簡略化することができる。

尚、本実施の形態では、色収差重畳発生部１４の個数を増加しないことを前提にしているが、本発明の一態様においては、必ずしもこれに限らず、色収差重畳発生部１４の個数を増加することも可能である。
（変形例）
共焦点計測装置１Ｃの共焦点光学系にさらに、実施の形態２の色収差重畳発生部１３を追加してもよい。このように、焦点距離ｆ１の回折レンズ１３ｂと焦点距離ｆ３の回折レンズ１４ｂを配置してもよい。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１Ａ・１Ｂ・１Ｃ 共焦点計測装置
２ 光ファイバケーブル
１０Ａ・１０Ｂ・１０Ｃ センサヘッド
１１ 回折レンズ（第１回折レンズ）
１２ 対物レンズ
１３ａ・１４ａ 凹レンズ（第１発散光学部、第２発散光学部）
１３・１４ 色収差重畳発生部
１３ｂ・１４ｂ 回折レンズ（第２回折レンズ、第３回折レンズ）
２０ コントローラ
２１ 白色ＬＥＤ光源（光源）
２２ 分岐光ファイバ
２３ 分光器（測定部）
２４ 受光素子（測定部）
２５ 処理部
２６ モニタ
３１・３２・３３ 回折レンズ群

Claims (9)

1. 共焦点光学系を利用した共焦点計測装置であって、
   複数の波長の光を出射する光源と、
   前記光源から出射された光に、色収差を生じさせる第１回折レンズと、
   前記第１回折レンズを通過した光の色収差を増加させる第２回折レンズと、
   集光された光が光軸に沿った色収差を有するように、前記第２回折レンズを通過した光を前記光軸に沿った計測対象範囲に集光する対物レンズと、
   前記対物レンズで集光された光のうち、計測対象物上に合焦した波長の光の強度を測定する測定部とを備えることを特徴とする共焦点計測装置。
2. 前記対物レンズに入射する光はコリメートされていることを特徴とする請求項１に記載の共焦点計測装置。
3. 前記対物レンズよりも前記光源側に、光を発散させる第１発散光学部を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の共焦点計測装置。
4. 前記第１発散光学部は、少なくとも１つの凹レンズを有することを特徴とする請求項３に記載の共焦点計測装置。
5. 発散系の焦点距離を負値で表現した場合、前記第２回折レンズの焦点距離をｆ１とし、前記第１発散光学部の焦点距離をｆ２とし、かつ前記第２回折レンズと前記第１発散光学部との間の距離をｄとすると、ｆ１＋ｆ２＝ｄを満たすことを特徴とする請求項３又は４に記載の共焦点計測装置。
6. 前記第１発散光学部は、前記第１回折レンズと前記第２回折レンズとの間に配置されており、
   前記第２回折レンズと前記対物レンズとの間において光はコリメートされていることを特徴とする請求項３から５のいずれか一項に記載の共焦点計測装置。
7. 前記第１回折レンズの焦点距離と前記第２回折レンズの焦点距離とは同じであることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の共焦点計測装置。
8. 前記第１回折レンズの焦点距離と前記第２回折レンズの焦点距離とは異なることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の共焦点計測装置。
9. 前記第１回折レンズと前記対物レンズとの間に、光の色収差を増加させる第３回折レンズと、光を発散させる第２発散光学部とを備えることを特徴とする請求項３から６のいずれか一項に記載の共焦点計測装置。

Images