JP6971645B2 - 共焦点変位計 - Google Patents

Description

本発明は、共焦点変位計に係り、さらに詳しくは、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の改良に関する。

共焦点変位計は、光源の像が結像する結像面からの反射光に受光する光を絞り込むという共焦点原理と、光源の像に光軸方向の色ずれが生じるという軸上色収差の現象とを利用して計測対象物の変位を計測する光学式の計測装置である。

共焦点変位計は、光源からの光を点光源として出射するピンホールと、ピンホールを介して出射された検出光に軸上色収差を発生させ、検出光を計測対象物に向かって収束させる光学部材と、計測対象物からの反射光に基づいて、計測対象物の変位を求める測定制御部とにより構成される。検出光には、複数の波長を有する光、例えば、白色光が用いられる。ピンホールは、光学部材を介して計測対象物に照射された検出光のうち、計測対象物上で合焦しつつ反射された波長の検出光を通過させる。

結像面の位置は、軸上色収差により波長ごとに異なるため、ピンホールを通過した検出光の波長を特定することにより、計測対象物の変位が求められる。変位は、予め定められた基準位置から計測対象物までの光軸方向の距離であり、変位を求めることにより、表面の凹凸の深さ又は高さや透明体の厚さ等を測定することができる。

上述した様な従来の共焦点変位計では、光学部材を構成する光学レンズの球面収差が検出光の波長成分によって大きく異なることから、特定の波長成分に対して球面収差を最小化することしかできなかった。このため、波長成分によっては結像面上の像がぼやけ、測定精度が低下するという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、光学部材の球面収差による測定精度の低下を抑制することができる共焦点変位計を提供することを目的とする。特に、広い波長帯域にわたって球面収差を抑制することができる共焦点変位計を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様による共焦点変位計は、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生成する投光用光源と、前記投光用光源からの光を通過させることによって検出光を出射するピンホールと、前記ピンホールを介して出射された前記検出光に軸上色収差を発生させるとともに、前記検出光を計測対象物に向かって収束させる光学部材と、前記光学部材を介して前記計測対象物に照射された前記検出光のうち、前記計測対象物上で合焦しつつ反射されることによって前記ピンホールを通過した検出光に基づいて、前記計測対象物の変位を求める測定制御部と、前記ピンホール及び前記光学部材を収容するヘッド筐体とを備える。前記光学部材は、前記検出光を回折させる第１回折レンズと、前記検出光を屈折させる第１屈折レンズとを有し、前記第１回折レンズは、非回折面を前記ヘッド筐体から露出させて配置される。

この共焦点変位計では、第１回折レンズと第１屈折レンズとで球面収差の極性が異なることを利用してこれらのレンズの球面収差が打ち消されるため、広い波長帯域にわたって球面収差を抑制することができる。

本発明の第２の態様による共焦点変位計は、上記構成に加え、前記第１屈折レンズが、レンズ面が非球面の非球面レンズからなるように構成される。この様な構成によれば、第１屈折レンズの球面収差が抑えられるため、第１回折レンズを含む光学部材の光学設計を容易化することができる。

本発明の第３の態様による共焦点変位計は、上記構成に加え、前記光学部材が、前記第１屈折レンズと略同軸に配置されるとともに、前記第１屈折レンズよりも前記ピンホール側に配置される第２回折レンズ又は第２屈折レンズを有するように構成される。

この様な構成によれば、第１屈折レンズと第２回折レンズ又は第２屈折レンズとで球面収差を調整することができるため、第１回折レンズを含む光学部材の光学設計をさらに容易化することができる。

本発明の第４の態様による共焦点変位計は、上記構成に加え、前記投光用光源からの光を前記ヘッド筐体に伝送する光ファイバであって、端面が前記ピンホールとして機能する光ファイバからなるファイバケーブルを備える。この様な構成によれば、ヘッド筐体を投光用光源や測定制御部から離間して設置することができる。

本発明の第５の態様による共焦点変位計は、上記構成に加え、前記ヘッド筐体が、前記第１回折レンズを取り囲み、前記非回折面よりも前記計測対象物側に突出した開口枠部を有するように構成される。この様な構成によれば、第１回折レンズの非回折面が開口枠部によって保護されるため、ヘッド筐体を設置する際などに、第１回折レンズの非回折面に傷や汚れがつくのを抑制することができる。

本発明の第６の態様による共焦点変位計は、上記構成に加え、前記第１回折レンズが、前記非回折面がガラス材料からなり、起伏を有する回折面が樹脂材料からなるように構成される。この様な構成によれば、第１回折レンズの非回折面に対する損傷を抑制しつつ、回折面の形成を容易化することができる。

本発明によれば、第１回折レンズと第１屈折レンズとで球面収差の極性が異なることを利用してこれらのレンズの球面収差が打ち消されるため、広い波長帯域にわたって球面収差を抑制することができる。従って、光学部材の球面収差による測定精度の低下を抑制することができる。

本発明の実施の形態による共焦点変位計１の一構成例を示したシステム図である。 図１のヘッドユニット２の構成例を模式的に示した断面図である。 図２の回折レンズ２１２の構成例を示した断面図である。 図１の投光用光源４１の構成例を示した図である。 図１の分光器４３の構成例を模式的に示した説明図である。 レンズの球面収差ｘと瞳高さとの関係を模式的に示した説明図である。 入射光の異なる３つの波長について球面収差ｘと瞳高さとの関係を示した図である。 共焦点変位計１の他の構成例を模式的に示した説明図である。 共焦点変位計１の他の構成例を模式的に示した説明図であり、透過型の分光器４３ａが示されている。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。本明細書では、便宜上、ヘッドユニットの光軸の方向を上下方向として説明するが、ヘッドユニットの使用時における姿勢や向きを限定するものではない。

＜共焦点変位計１＞
図１は、本発明の実施の形態による共焦点変位計１の一構成例を示したシステム図である。この共焦点変位計１は、ヘッドユニット２、ファイバケーブル３及び制御装置４により構成され、ヘッドユニット２から検出光ＤＬを出射した際の計測対象物Ｗからの反射光を受光して計測対象物Ｗの変位を計測する光学式の計測装置である。

ヘッドユニット２及び制御装置４は、ファイバケーブル３を介して互いに接続されている。ファイバケーブル３は、投光用の光を伝送する光ファイバ３１からなる。ファイバケーブル３の一端には、コネクタ３２が設けられ、制御装置４と着脱可能に接続される。

ヘッドユニット２は、検出光ＤＬを計測対象物Ｗに向けて出射し、計測対象物Ｗからの反射光が入射する光学ユニットであり、屈折レンズ２１１、回折レンズ２１２等の光学部材２１を備える。光学部材２１は、光ファイバ３１の端面を介して出射された検出光ＤＬに軸上色収差を発生させるとともに、検出光ＤＬを計測対象物Ｗに向かって収束させる。軸上色収差は、分散による光軸方向の像の色ずれである。

共焦点変位計１では、光ファイバ３１を介して投光用の光がヘッドユニット２に伝送され、ヘッドユニット２から出射された検出光ＤＬによって計測対象物Ｗ上に照射スポットが形成される。光ファイバ３１の出射端面は、検出光ＤＬを出射する点光源となるように、投光用光源４１からの光を通過させるピンホールとして機能するとともに、光学部材２１を介して計測対象物Ｗに照射された検出光ＤＬのうち、計測対象物Ｗ上で合焦しつつ反射された波長の検出光を通過させるピンホールとして機能する。

制御装置４は、投受光を制御し、照射スポットに対応する反射光に基づいて、計測対象物Ｗの変位を求める処理ユニットであり、投光用光源４１、カプラ４２、分光器４３、測定制御部４４及びメモリ４５により構成される。投光用光源４１は、複数の波長を有する光、例えば、白色光を投光用の光として生成する光源装置である。

カプラ４２は、投光用光源４１から入力された光をヘッドユニット２に向けて出力する一方、ヘッドユニット２から入力された検出光ＤＬを分光器４３に向けて出力する方向性結合器である。このカプラ４２は、一端から２本の光ファイバ４２１及び４２２が延び、他端から１本の光ファイバ４２３が延びるＹカプラである。

投光用光源４１からの光は、光ファイバ４２１の入射端に入力され、光ファイバ４２３及びコネクタ３２を介して光ファイバ３１へ出力される。一方、計測対象物Ｗによって反射された検出光ＤＬは、光ファイバ３１及びコネクタ３２を介して光ファイバ４２３に入力され、光ファイバ４２２の出射端から分光器４３に向けて出射される。

分光器４３は、光ファイバ３１の出射端面を通過した検出光ＤＬを分光し、受光信号を生成する。測定制御部４４は、分光器４３の受光信号に基づいて、投光用光源４１を制御し、投光用の光の強度、反射光を受光する際の露光時間、受光信号を増幅する際のゲインを調整する。

また、測定制御部４４は、分光器４３の受光信号に基づいて、計測対象物Ｗの変位を求め、測定値として図示しない表示装置や外部機器へ出力する。具体的には、分光器４３から波長ごとの受光強度からなる受光波形を取得し、受光波形のピーク位置を特定することにより、計測対象物Ｗの変位が算出される。ピーク位置は、受光強度が最大の画素位置であり、特定の波長に対応する。メモリ４５には、測定条件や各種の補正情報が保持される。

なお、カプラ４２には、Ｘカプラを用いてもよい。Ｘカプラは、Ｙカプラと比較して端面の反射を抑制し易い。この様な光ファイバカプラは、複数の光ファイバを融着した融着型カプラであるが、ビームスプリッタを用いて光を分割するタイプのカプラであってもよい。

＜ヘッドユニット２＞
図２は、図１のヘッドユニット２の構成例を模式的に示した断面図であり、光軸Ｊを含む平面によりヘッドユニット２を切断した場合の切断面が示されている。このヘッドユニット２は、ヘッド筐体２０、光学部材２１及び光ファイバフェルール２２により構成される。

ヘッド筐体２０は、光学部材２１及び光ファイバフェルール２２を収容する鏡筒部材である。ヘッド筐体２０は、例えば、中心軸を光軸Ｊとする有蓋円筒形状からなる。このヘッド筐体２０は、光軸Ｊに沿って径が変化しており、先端側が大径部２０ａ、根元側は、大径部２０ａよりも径が小さい小径部２０ｂとなっている。小径部２０ｂは、ヘッドユニット２を支持する治具の取付金具が取り付けられる金具取付部である。また、小径部２０ｂとファイバケーブル３の先端との間は、接続部２０ｃとなっている。

光学部材２１は、屈折レンズ２１１、回折レンズ２１２、屈折レンズ２１３及び２１４により構成される。屈折レンズ２１３，２１４，２１１及び回折レンズ２１２は、この順序で配列されている。

屈折レンズ２１１，２１３及び２１４は、光の屈折現象を利用して入射光を集光又は拡散させる光学レンズであり、光ファイバ３１の出射端面を介して出射された検出光ＤＬを屈折させる。

屈折レンズ２１１は、中心軸と交差する２つのレンズ面のうちの少なくとも一方のレンズ面が非球面の曲面からなる非球面レンズである。非球面レンズは、球面レンズに比べ、球面収差が小さい光学素子である。この屈折レンズ２１１は、中心軸を光軸Ｊと一致させた状態で配置され、上側のレンズ面が凸面形状であり、下側のレンズ面が平坦面形状である。

回折レンズ２１２は、光の回折現象を利用して入射光を集光又は拡散させる光学素子であり、光ファイバ３１の出射端面を介して出射された検出光ＤＬを回折させる。この回折レンズ２１２は、レリーフ型の回折レンズであり、検出光ＤＬを入射させる上側のレンズ面が回折面ＫＳであり、微細なレリーフ（起伏）が形成されている。レリーフは、光軸方向の深さが光の波長程度であり、光軸Ｊを中心とする複数の円環状のパターンが配置される。回折レンズ２１２の下側のレンズ面は、平坦な非回折面ＦＳである。なお、回折レンズ２１２には、光軸を中心として光の透過率を径方向に変化させることによって形成される振幅型の回折レンズを用いてもよい。

また、回折レンズ２１２は、屈折レンズ２１１と略同軸に配置されるとともに、光学部材２１の中で光ファイバ３１の出射端から最も遠い位置に配置されている。この回折レンズ２１２は、非回折面ＦＳがヘッド筐体２０の投光用開口２０ｄを介して露出するように配置されている。投光用開口２０ｄは、大径部２０ａの下端開口である。回折面ＫＳは、屈折レンズ２１１の平坦なレンズ面と対向している。

非回折面ＦＳをヘッド筐体２０から露出させ、回折面ＫＳをヘッド筐体２０の内部に向けて回折レンズ２１２を配置することにより、回折面ＫＳにごみなどの異物が付着するのを防止するとともに、傷がつくのを防止することができる。よって、回折レンズ２１２よりも計測対象物側に保護用のレンズやカバーガラスを配置する必要がないため、良好な光学特性を得ることができる。

ヘッド筐体２０の大径部２０ａには、回折レンズ２１２を取り囲み、回折レンズ２１２の非回折面ＦＳよりも計測対象物Ｗ側に突出した開口枠部２０ｅが設けられている。開口枠部２０ｅは、回折レンズ２１２を外囲するヘッド筐体２０の一部が光軸Ｊに沿って延びるとともに、回折レンズ２１２の非回折面ＦＳに沿って径方向の内側に延びる形状からなる。

この様な開口枠部２０ｅを設けることにより、回折レンズ２１２の非回折面ＦＳが開口枠部２０ｅによって保護されるため、ヘッド筐体２０を設置する際に、回折レンズ２１２の非回折面ＦＳに傷や汚れがつくのを抑制することができる。

屈折レンズ２１３及び２１４は、屈折レンズ２１１と略同軸に配置されるとともに、屈折レンズ２１１よりも光ファイバ３１の出射端側に配置される。屈折レンズ２１３は、光ファイバ３１の出射端と対向する光学レンズであり、光学部材２１の中で光ファイバ３１の出射端に最も近い位置に配置されている。この屈折レンズ２１３は、中心軸を光軸Ｊと一致させた状態で小径部２０ｂに配置され、上側のレンズ面が平坦面形状であり、下側のレンズ面が凹面形状である。

屈折レンズ２１４は、屈折レンズ２１３と対向し、屈折レンズ２１３と略同軸に配置される光学レンズであり、上側のレンズ面が平坦面形状であり、下側のレンズ面が凸面形状である。

屈折レンズ２１４，２１１及び回折レンズ２１２は、大径部２０ａに配置されている。なお、屈折レンズ２１１，２１３，２１４は、いずれも単レンズであるが、それぞれ複数の光学レンズを組み合わせた複レンズ又はレンズ群であってもよい。また、回折レンズ２１２よりも計測対象物側に保護用のカバーガラスやアタッチメント、透明フィルムが配置されるような構成であってもよい。

光ファイバフェルール２２は、ファイバケーブル３を構成する光ファイバ３１を保持する保持部材であり、光ファイバ３１の出射端が樹脂部材によって保持されている。この光ファイバフェルール２２は、ヘッド筐体２０の天蓋部から下側に突出させて配置されている。

光ファイバ３１は、コア及びクラッドにより構成され、コアの端面がピンホールとして機能する。つまり、光ファイバ３１のコアの端面は、光ファイバ３１の出射端が配置される空間に比べて径が十分に小さく、光学部材２１を介して入射する光を選択的に通過させることができる。屈折レンズ２１１，２１３及び２１４は、光ファイバフェルール２２と回折レンズ２１２との間に配置されている。光ファイバ３１の出射端面と光学部材２１とは、共焦点光学系を構成している。

この共焦点光学系は、共焦点原理を利用して受光する光を絞り込むとともに、検出光ＤＬに軸上色収差を生じさせる。このため、光ファイバ３１の出射端面から出射し、光学部材２１を透過した検出光ＤＬは、波長に応じて上下方向の異なる位置に結像する。検出光ＤＬに含まれる波長成分のうち、計測対象物Ｗ上に結像した特定の波長成分は、計測対象物Ｗにより反射され、その反射光が光学部材２１を透過して光ファイバ３１の出射端面上に結像する。一方、特定の波長成分以外の波長成分に対応する反射光は、光ファイバ３１の出射端面上に結像せず、遮断される。

この共焦点変位計１では、光ファイバ３１の出射端面で反射した光の影響によって測定精度が低下するのを抑制するために、光ファイバフェルール２２の出射端面２２ａが斜めに加工されている。すなわち、出射端面２２ａは、光ファイバフェルール２２の中心軸に垂直な平面に対して傾斜した傾斜面となっている。出射端面２２ａの傾斜は、例えば、研磨加工によって形成される。また、検出光ＤＬが光ファイバ３１の出射端面を通過する際の屈折を考慮して、光ファイバフェルール２２は、その中心軸を光軸Ｊに対して傾斜させて配置されている。

ヘッドユニット２から計測対象物Ｗまでの距離は、例えば、１０ｍｍ〜７０ｍｍ程度であり、測定範囲ＭＲは、１ｍｍ〜２０ｍｍ程度である。この測定範囲ＭＲは、検出光ＤＬの帯域幅に対応し、広い測定範囲ＭＲを確保するために、広帯域の検出光ＤＬが用いられる。検出光ＤＬは、例えば、５００ｎｍ〜７００ｎｍの波長成分を含む。

＜回折レンズ２１２＞
図３は、図２の回折レンズ２１２の構成例を示した断面図であり、光軸Ｊを含む平面により回折レンズ２１２を切断した場合の切断面が示されている。この回折レンズ２１２は、ガラス材料からなるガラス基板ＧＬ上に樹脂材料からなる樹脂層ＲＪが形成された平板からなる。ガラス基板ＧＬの下面が非回折面ＦＳであり、樹脂層ＲＪの上面に対し、同心円状に起伏を加工することによって回折面ＫＳが形成されている。

ガラス面は樹脂面に比べて硬度が高いことから、非回折面ＦＳの損傷を抑制することができる。一方、樹脂面はガラス面に比べて加工が容易である。このため、回折レンズ２１２の非回折面ＦＳに対する損傷を抑制しつつ、回折面ＫＳの形成を容易化することができる。

＜投光用光源４１＞
図４は、図１の投光用光源４１の構成例を示した図であり、（ａ）には、投光用光源４１の側面が示され、（ｂ）には、投光用光源４１をＡ−Ａ切断線により切断した場合の切断面が示されている。この投光用光源４１は、レーザ光を蛍光体に照射して白色光を発生させる光源装置であり、発光素子４１１、配線基板４１２、素子ホルダ４１３、集光レンズ４１４、レンズホルダ４１５、フェルール４１６、フェルール押え４１７、蛍光体５０、枠体５１及びフィルタ素子５２により構成される。

発光素子４１１は、レーザーダイオード（ＬＤ）等の半導体発光素子であり、単一波長のレーザ光を生成する。この発光素子４１１は、発光部を水平方向の前方に向けた状態で配線基板４１２に配設されている。例えば、発光素子４１１は、波長が４５０ｎｍ以下の青色光又は紫外光を生成する。素子ホルダ４１３は、配線基板４１２を保持する部材であり、レンズホルダ４１５に背面側から挿入されている。

集光レンズ４１４は、発光素子４１１から出射されたレーザ光を光ファイバ４２１の入射端に集光させる光学部材であり、発光素子４１１に対向させて配置されている。レンズホルダ４１５は、集光レンズ４１４を保持する鏡筒であり、集光レンズ４１４の前方において縮径している。フェルール４１６は、光ファイバ４２１の入射端が組み込まれ、前後方向に延びる円筒状の接続部材である。フェルール押え４１７は、レンズホルダ４１５の縮径部に前面側から挿入されたフェルール４１６を固定するための有底円筒形状の部材であり、円筒部を上記縮径部の外周面に被せた状態でレンズホルダ４１５に取り付けられている。

蛍光体５０は、発光素子４１１からのレーザ光によって励起され、レーザ光とは異なる波長の蛍光を発生する発光体である。この蛍光体５０は、その外周面が枠体５１によって保持され、光ファイバ４２１の入射端面に接触させた状態でレンズホルダ４１５内に配置されている。例えば、蛍光体５０は、青色のレーザ光の照射によって黄色の蛍光を発生する。なお、蛍光体５０は、２以上の種類の蛍光材料から形成されるものであっても良い。例えば、蛍光体５０は、青色のレーザ光の照射により、緑色の蛍光を発生する蛍光材料と、赤色の蛍光を発生する蛍光材料とにより形成される。

フィルタ素子５２は、発光素子４１１からのレーザ光を透過し、蛍光体５０からの光を反射する光学部材であり、枠体５１の発光素子側の面を覆うように配置されている。光ファイバ４２１の入射端には、発光素子４１１からのレーザ光と、蛍光体５０からの蛍光とが混合した複数の波長を有する光が入射される。

投光用光源４１は、光ファイバ４２１の入射端に、発光素子４１１からのレーザ光と蛍光体５０からの蛍光とが混合した光を直接に入射させる構成である。この様なファイバ型光源を用いることにより、ヘッドユニット２及び制御装置４間のファイバケーブル３との接続を簡素化することができる。

なお、投光用光源４１には、広帯域な光を発生する光源、例えば、ハロゲンランプ、スーパーコンティニウム（ＳＣ）光を発生するＳＣ光源、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）を用いても良い。また、通常の白色ＬＥＤ光でもよい。ＳＣ光源は、パルスレーザによる非線形光学効果により、連続かつ広帯域なレーザ光を生成する。

＜分光器４３＞
図５は、図１の分光器４３の構成例を模式的に示した説明図であり、反射型の分光器４３が示されている。この分光器４３は、コリメータレンズ４３１、回折格子４３２、結像レンズ４３３及びイメージセンサ４３４により構成され、カプラ４２の光ファイバ４２２の出射端から出射された検出光ＤＬを分光する。

光ファイバ４２２の出射端、回折格子４３２及びイメージセンサ４３４は、例えば、水平方向に向けて配置される。コリメータレンズ４３１は、平行光を得るための光学レンズであり、光ファイバ４２２の出射端面に対向するように配置される。

回折格子４３２は、波長に応じて異なる角度で検出光ＤＬを反射させる反射型の色分散素子であり、平板形状からなる。結像レンズ４３３は、回折格子４３２により分光された検出光ＤＬをイメージセンサ４３４上に結像させる。なお、コリメータレンズ４３１及び結像レンズ４３３は、いずれも単レンズであるが、それぞれ複数の光学レンズを組み合わせた複レンズであってもよい。

イメージセンサ４３４は、例えば、水平方向に延びる一次元のラインイメージセンサであり、多数の受光素子が直線状に配列される。各受光素子の受光信号によって受光波形が形成される。なお、イメージセンサ４３４には、多数の受光素子が二次元的に配列された撮像素子を用いてもよい。

回折格子４３２は、イメージセンサ４３４に入射した光が受光面で正反射し、回折格子４３２により反射されて再度受光されるのを防ぐために、イメージセンサ４３４の受光面に正対する状態から僅かに傾けて配置される。なお、プリズムを用いて検出光ＤＬを分光させてもよい。

図６は、レンズの球面収差ｘと瞳高さとの関係を模式的に示した説明図である。レンズの球面収差ｘは、光軸に沿って入射した光がレンズ面で屈折し、瞳高さによって異なる位置に結像することによって生じる光軸上のずれである。瞳高さは、入射光の入射高さであり、レンズの光軸（中心軸）からの距離に対応する。光軸上の基準点に対し、レンズから遠ざかる側に結像位置がある場合、補正過剰な状態であり、球面収差ｘは正極性である。一方、光軸上の基準点に対し、レンズに近づく側に結像位置がある場合、補正不足の状態であり、球面収差ｘは負極性である。

例えば、凸レンズの場合、瞳高さが高い入射光（瞳高さｂ）の結像位置は、瞳高さが低い入射光（瞳高さａ）の結像位置よりもレンズ側に形成され、球面収差ｘ＜０である。また、入射光の波長によって球面収差ｘは異なる。

図７は、入射光の異なる３つの波長について球面収差ｘと瞳高さとの関係を示した図であり、瞳高さごとの球面収差ｘが縦収差表示形式で示されている。縦収差表示形式では、横軸が球面収差ｘを表し、縦軸が瞳高さを表している。

図中の（ａ）には、回折レンズ２１２の場合が示されている。回折レンズ２１２の場合、球面収差ｘは正極性であり、瞳高さが高いほど大きくなっている。また、球面収差ｘは、入射光の波長が長いほど小さくなっている。各波長における球面収差ｘの最大値ｘ_１〜ｘ_３は、ｘ_１＜ｘ_２＜ｘ_３となっている。

図中の（ｂ）には、屈折レンズ２１１，２１３及び２１４の場合が示されている。屈折レンズ２１１，２１３及び２１４の場合、球面収差ｘは負極性であり、瞳高さが高いほど大きくなっている。また、球面収差ｘは、入射光の波長が長いほど小さくなっている。各波長における球面収差ｘの絶対値の最大値（−ｘ_４）〜（−ｘ_６）は、（−ｘ_４）＜（−ｘ_５）＜（−ｘ_６）となっている。

測定範囲ＭＲに対応する波長帯域を使用波長域と呼べば、回折レンズ２１２は、使用波長域外の波長の入射光に対して最適化される。すなわち、回折レンズ２１２は、使用波長域よりも長い波長の入射光に対し、球面収差ｘが０程度に小さくなるような光学設計がなされる。

この様な回折レンズ２１２を用いると、回折レンズ２１２と屈折レンズ２１１，２１３及び２１４とで球面収差ｘの極性が異なるとともに、各波長における球面収差ｘの絶対値が同程度であることから、屈折レンズ２１１，２１３及び２１４の球面収差ｘを使用波長域にわたって打ち消すことができる。

屈折レンズ２１１，２１３及び２１４の球面収差ｘをこれらのレンズの光学設計によって完全に除去することは難しいことから、使用波長域外で最適化した回折レンズ２１２と組み合わせることが望ましい。

本実施の形態によれば、回折レンズ２１２と屈折レンズ２１１，２１３及び２１４とで球面収差ｘの極性が異なることを利用してこれらのレンズの球面収差が打ち消されるため、広い波長帯域にわたって球面収差ｘを抑制することができる。

また、屈折レンズ２１１の球面収差ｘが抑えられるため、回折レンズ２１２を含む光学部材２１の光学設計を容易化することができる。特に、屈折レンズ２１１，２１３及び２１４によって球面収差ｘを調整することができるため、光学部材２１の光学設計をさらに容易化することができる。

なお、本実施の形態では、光学部材２１が回折レンズ２１２と屈折レンズ２１１，２１３及び２１４とにより構成される場合の例について説明したが、本発明は、光学部材２１の構成をこれに限定するものではない。例えば、光学部材２１は、２以上の回折レンズと１以上の屈折レンズとにより構成されるものであってもよい。

図８は、共焦点変位計１の他の構成例を模式的に示した説明図であり、２つの回折レンズ２１２及び２１６と２つの屈折レンズ２１５及び２１７とを有するヘッドユニット２が示されている。このヘッドユニット２における光学部材２１は、回折レンズ２１２，２１６、屈折レンズ２１５及び２１７により構成される。

回折レンズ２１２、屈折レンズ２１５、回折レンズ２１６及び屈折レンズ２１７は、この順序で配列されている。屈折レンズ２１５及び２１７は、検出光を屈折させる光学レンズである。

回折レンズ２１２は、屈折レンズ２１５と略同軸に配置されるとともに、光学部材２１の中で光ファイバ３１の出射端から最も遠い位置に配置される。回折レンズ２１６は、図２の回折レンズ２１２と同様の光学素子である。この回折レンズ２１６は、中心軸を光軸Ｊと一致させた状態で、屈折レンズ２１５よりも光ファイバ３１の出射端側に配置されている。屈折レンズ２１７は、光ファイバ３１の出射端と対向する光学レンズであり、光学部材２１の中で光ファイバ３１の出射端に最も近い位置に配置されている。

回折レンズ２１２及び２１６は、互いの球面収差が使用波長域にわたって打ち消されるように最適化される。また、屈折レンズ２１５及び２１７は、軸上色収差及び球面収差が小さくなるように設計される。打ち消し合う度合いが小さくなるように、回折レンズ２１２及び２１６は、使用波長域の中心波長で最適化することが望ましい。

また、本実施の形態では、反射型の分光器４３の例について説明したが、本発明は、分光器の構成をこれに限定するものではない。例えば、透過角度に応じて異なる波長成分に入射光を分光する透過型の分光器を用いてもよい。

図９は、共焦点変位計１の他の構成例を模式的に示した説明図であり、透過型の分光器４３ａが示されている。この分光器４３ａは、図５の分光器４３と比較すれば、回折格子４３５が透過型である点で異なる。回折格子４３５は、透過角度に応じて異なる波長成分に入射光を分光する色分散素子である。

光ファイバ４２２の出射端から出射された検出光ＤＬは、コリメータレンズ４３１を介して回折格子４３５に入射する。回折格子４３５を透過した検出光ＤＬは、結像レンズ４３３を介してイメージセンサ４３４に入射する。

また、本実施の形態では、投光用光源４１の光をヘッドユニット２に伝送する光ファイバ３１の端面を共焦点光学系のピンホールとして機能させる場合の例について説明したが、本発明は、光ファイバを用いることなく、投光用光源の光がピンホールに誘導され、計測対象物Ｗによって反射され、ピンホールを通過した検出光が分光器４３に誘導されるものにも適用することができる。

１ 共焦点変位計
２ ヘッドユニット
２０ ヘッド筐体
２０ａ 大径部
２０ｂ 小径部
２０ｃ 接続部
２０ｄ 投光用開口
２０ｅ 開口枠部
２１ 光学部材
２１１，２１３，２１４ 屈折レンズ
２１２ 回折レンズ
２２ 光ファイバフェルール
３ ファイバケーブル
３１ 光ファイバ
３２ コネクタ
４ 制御装置
４１ 投光用光源
４２ カプラ
４３ 分光器
４３２ 回折格子
４３４ イメージセンサ
４４ 測定制御部
４５ メモリ

Claims (7)

1. 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生成する投光用光源と、
   前記投光用光源からの光を通過させることによって検出光を出射するピンホールと、
   前記ピンホールを介して出射された前記検出光に軸上色収差を発生させつつ、球面収差を抑えるとともに、前記検出光を計測対象物に向かって収束させる光学部材と、
   前記光学部材を介して前記計測対象物に照射された前記検出光のうち、前記計測対象物上で合焦しつつ反射されることによって前記ピンホールを通過した検出光を波長ごとに分光して得られた受光信号に基づいて、前記計測対象物の変位を求める測定制御部と、
   前記ピンホール及び前記光学部材を収容するヘッド筐体とを備え、
   前記光学部材は、前記検出光を回折させる第１回折レンズと、前記検出光を屈折させる第１屈折レンズとを有し、
   前記第１回折レンズは、非回折面を前記ヘッド筐体から露出させて配置されることを特徴とする共焦点変位計。
2. 前記第１屈折レンズは、レンズ面が非球面の非球面レンズからなることを特徴とする請求項１に記載の共焦点変位計。
3. 前記光学部材は、前記第１屈折レンズと略同軸に配置されるとともに、前記第１屈折レンズよりも前記ピンホール側に配置される第２回折レンズ又は第２屈折レンズを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の共焦点変位計。
4. 前記投光用光源からの光を前記ヘッド筐体に伝送する光ファイバであって、端面が前記ピンホールとして機能する光ファイバからなるファイバケーブルを備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の共焦点変位計。
5. 前記第１回折レンズのうち、前記非回折面は平坦形状であり、
   前記ヘッド筐体は、前記第１回折レンズを取り囲み、前記非回折面よりも前記計測対象物側に突出し、前記第１回折レンズの非回折面に沿って径方向の内側に延びる開口枠部を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の共焦点変位計。
6. 前記第１回折レンズは、前記非回折面がガラス材料からなり、起伏を有する回折面が樹脂材料からなることを特徴とする請求項４又は５に記載の共焦点変位計。
7. 前記ヘッド筐体は、前記光学部材の光軸に沿って径が異なり、大径部と前記大径部よりも径が小さい小径部とを有し、
   前記検出光を出射する前記ピンホールの直後のレンズは、前記小径部に設けられ、
   前記第１屈折レンズ及び前記第１回折レンズは、前記大径部に設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の共焦点変位計。

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