JPWO2016163355A1 - 変位測定装置 - Google Patents

Abstract

対象物の表面に微細な凹凸が存在する場合に、測定時間の大幅な増加を伴わず、高精度に対象物の表面の変位を測定する。対象物の被照射面（１３１）における被照射位置（２５）に集光された照射光を照射する投光光学系（２１）と、投光光学系（２１）の光軸と斜めに交わる光軸を有しており、照射光が被照射位置（２５）で反射された反射光を撮像素子（２２３）の受光面に集光する受光光学系（２２）と、撮像素子（２２３）の露光時間中は、投光光学系（２１）と対象物とを相対的に移動させて被照射位置（２５）を静止させることなく移動させる駆動ステージとを備え、受光面における反射光の集光位置の変位を計測することで被照射面（１３１）の変位を測定する。

Description

この発明は、対象物までの距離の変位を測定する変位測定装置に関する。

対象物までの距離の変位を計測する方式として、集光した照射光（投光ビーム）を対象物に照射し、照射光の光軸に対して斜め方向の光軸を持つ受光光学系により、対象物上の照射光の照射スポットの位置を計測する方式がある。この方式は、三角測量方式と呼ばれ、産業界で最も一般的に使われている測距方法の一つである。対象物上の照射スポットの位置は、１次元イメージセンサなどで計測される。三角測量方式では、イメージセンサ上の強度分布から照射スポットの像の重心位置を算出し、対象物までの距離の変位を算出する。例えば、照射光を生成するための光源としてレーザを用いる場合、スペックルによって、対象物上の照射スポットにおいて反射光の強度分布にムラが生じる。したがって、測定に用いるイメージセンサ上の照射スポットの像にも強度分布のムラが生じ、変位の測定誤差が生じる。

これに対して、例えば、特許文献１には、微小距離ずつ移動後に静止させ、ステップ状にレーザの照射位置を変えることで、照射スポットの像をイメージセンサに多重露光させ、スペックルによる強度分布のムラを減少させる方法が記載されている。また、表面に線状パターンが形成された基板の相対位置を三角測量方式で計測する方法が、例えば、特許文献２に記載されている。特許文献２には、基板を光照射部および撮像部に対して一方向に相対的に移動し、複数の位置において取得される画像を積算することにより、または、複数の位置を連続的に移動する間に継続して反射光を受光することにより、計測精度を高める方法が記載されている。

特開２００２−５６２３号公報（図２、段落００２４〜００２８など） 特開２００８−２５８３６５号公報（図１８、段落００４５、００６３など）

測定対象となる対象物の表面が粗面であり、対象物の表面に微細な凹凸が存在する場合、ここに照射光が照射されると、照射光が反射される方向は反射位置によって異なる。この結果、それぞれの方向への反射光の強度は、対象物の表面の凹凸を反映した分布となる。例えば、対象物の表面が金属粗面である場合、一般にその表面は研削機で加工されるため、対象物の表面は一方向（Ｙ方向とする）に筋状の加工痕を持つ。この加工痕は、数ミクロン程度の幅、深さを持つ溝であり、溝の方向と垂直な方向には微細な凹凸が存在する。

このような対象物に照射光が照射されると、測定に用いるイメージセンサで受光される反射光の強度分布には、大きなムラが発生する。この強度分布のムラは、加工痕の形状を反映したものとなり、照射光の照射スポットに位置によって異なる分布のムラが発生する。したがって、対象物の表面における照射光の照射スポットの位置に応じて、イメージセンサ上の照射スポットの像にも強度分布のムラが生じ、イメージセンサ上の像から得られる輝度重心位置が不安定になり、変位の計測値も不安定な精度の悪いものになるという課題があった。

このような金属粗面の加工痕に起因する測定精度悪化の課題に対しては、特許文献１に記載された方法では十分に回避することが困難である。金属粗面に起因する照射スポットの像の強度ムラは、スペックルによる強度ムラよりもはるかに大きいため、精度良く測定を行うためには、多重露光を行う場合でも、はるかに多くの露光回数が必要となる。特許文献１に記載された方法では、照射光の照射位置をステップ状に移動させて多重露光しているため、移動の繰り返しに時間がかかり、十分な露光回数を得るためには測定時間が大幅に増加するという課題があった。

また、特許文献１および特許文献２に記載された方法では、表面に微細な凹凸が存在する対象物に対して、照射光の照射位置を移動させる方向によっては、測定精度が十分に向上しない。したがって、対象物の表面に存在する微細な凹凸の方向に対して、照射位置を移動させる方向が適切な関係となるように、使用者は対象物を設置する必要があり、対象物の設置が困難となるという課題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、対象物の表面に微細な凹凸が存在する場合に、測定時間の大幅な増加を伴わず、対象物の設置が容易で、高精度に対象物の表面の変位を測定できる変位測定装置を提供することを目的とする。

本発明における変位測定装置は、対象物の被照射面における被照射位置に集光された照射光を照射する投光光学系と、投光光学系の光軸と斜めに交わる光軸を有しており、照射光が被照射位置で反射された反射光を撮像素子の受光面に集光する受光光学系と、撮像素子の露光時間中は、投光光学系と対象物とを相対的に移動させて被照射位置を静止させることなく移動させる駆動ステージとを備え、駆動ステージが被照射位置を移動させる方向は、撮像素子の１回の露光時間中に変化し、受光面における反射光の集光位置の変位を計測することで被照射面の変位を測定するものである。

本発明における変位測定装置は、対象物の被照射面における被照射位置に集光された照射光を照射する投光光学系と、投光光学系の光軸と斜めに交わる光軸を有しており、照射光が被照射位置で反射された反射光を撮像素子の受光面に集光する受光光学系と、撮像素子の露光時間中は、投光光学系と対象物とを相対的に移動させて被照射位置を静止させることなく移動させる駆動ステージとを備え、受光光学系は、第１の受光光学系と第２の受光光学系とを備え、第１の受光光学系の光軸と投光光学系の光軸とを含む平面は、第２の受光光学系の光軸と投光光学系の光軸とを含む平面とは異なり、駆動ステージは、第１の受光光学系によって受光された光量と第２の受光光学系によって受光された光量との差に基づいて決定された方向に被照射位置を移動させ、第１の受光光学系および第２の受光光学系に備えられる受光面の少なくとも一方における反射光の集光位置の変位を計測することで被照射面の変位を測定するものである。

本発明における変位測定装置は、対象物の被照射面における被照射位置に集光された照射光を照射する投光光学系と、投光光学系の光軸と斜めに交わる光軸を有しており、照射光が被照射位置で反射された反射光を撮像素子の受光面に集光する受光光学系と、撮像素子の露光時間中は、投光光学系と対象物とを相対的に移動させて被照射位置を静止させることなく移動させる駆動ステージとを備え、駆動ステージは、撮像素子によって撮影された画像に基づいて決定された方向に被照射位置を移動させ、受光面における反射光の集光位置の変位を計測することで被照射面の変位を測定するものである。

この発明における変位測定装置によれば、対象物の被照射面における被照射位置に集光された照射光を照射する投光光学系と、投光光学系の光軸と斜めに交わる光軸を有しており、照射光が被照射位置で反射された反射光を撮像素子の受光面に集光する受光光学系と、撮像素子の露光時間中は、投光光学系と対象物とを相対的に移動させて被照射位置を静止させることなく移動させる駆動ステージとを備え、駆動ステージが被照射位置を移動させる方向は、撮像素子の１回の露光時間中に変化し、受光面における反射光の集光位置の変位を計測することで被照射面の変位を測定するので、対象物の表面に微細な凹凸が存在する場合に、測定時間の大幅な増加を伴わず、対象物の設置が容易で、高精度に対象物の表面の変位を測定できる。

本発明における変位測定装置は、対象物の被照射面における被照射位置に集光された照射光を照射する投光光学系と、投光光学系の光軸と斜めに交わる光軸を有しており、照射光が被照射位置で反射された反射光を撮像素子の受光面に集光する受光光学系と、撮像素子の露光時間中は、投光光学系と対象物とを相対的に移動させて被照射位置を静止させることなく移動させる駆動ステージとを備え、受光光学系は、第１の受光光学系と第２の受光光学系とを備え、第１の受光光学系の光軸と投光光学系の光軸とを含む平面は、第２の受光光学系の光軸と投光光学系の光軸とを含む平面とは異なり、駆動ステージは、第１の受光光学系によって受光された光量と第２の受光光学系によって受光された光量との差に基づいて決定された方向に被照射位置を移動させ、第１の受光光学系および第２の受光光学系に備えられる受光面の少なくとも一方における反射光の集光位置の変位を計測することで被照射面の変位を測定するので、対象物の表面に微細な凹凸が存在する場合に、測定時間の大幅な増加を伴わず、対象物の設置が容易で、高精度に対象物の表面の変位を測定できる。

本発明における変位測定装置は、対象物の被照射面における被照射位置に集光された照射光を照射する投光光学系と、投光光学系の光軸と斜めに交わる光軸を有しており、照射光が被照射位置で反射された反射光を撮像素子の受光面に集光する受光光学系と、撮像素子の露光時間中は、投光光学系と対象物とを相対的に移動させて被照射位置を静止させることなく移動させる駆動ステージとを備え、駆動ステージは、撮像素子によって撮影された画像に基づいて決定された方向に被照射位置を移動させ、受光面における反射光の集光位置の変位を計測することで被照射面の変位を測定するので、対象物の表面に微細な凹凸が存在する場合に、測定時間の大幅な増加を伴わず、対象物の設置が容易で、高精度に対象物の表面の変位を測定できる。

本発明の実施の形態１による変位測定装置の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１による変位測定装置にワークが配置された場合を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１による変位測定装置における三角測量光学系の構成と、照射光および反射光の光路とを示す図である。 本発明の実施の形態１による変位測定装置における変位測定の原理を説明するための模式図である。 本発明の実施の形態１による変位測定装置におけるイメージセンサの受光面上の像の位置を示す模式図である。 本発明の実施の形態１による変位測定装置における測定の流れの一例を示す図である。 本発明の実施の形態１による変位測定装置におけるワークの表面の加工痕の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１による変位測定装置におけるワークの表面の高さの分布を示す図である。 本発明の実施の形態１による変位測定装置におけるワーク上の異なる位置に集光された照射スポットに対してイメージセンサで受光される光強度の分布を示す図である。 本発明の実施の形態１による変位測定装置における照射スポットの軌跡の一例を説明するための模式図である。 本発明の実施の形態１による変位測定装置における照射スポットの軌跡の別の例を説明するための模式図である。 本発明の実施の形態１による変位測定装置における照射スポットの軌跡のさらに別の例を説明するための模式図である。 本発明の実施の形態１による変位測定装置における照射スポットの軌跡のさらに別の例を説明するための模式図である。 本発明の実施の形態１による変位測定装置における照射スポットの軌跡のさらに別の例を説明するための模式図である。 本発明の実施の形態２による変位測定装置における三角測量光学系の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態２による変位測定装置における三角測量光学系の構成と、照射光および反射光の光路とを示す図である。 本発明の実施の形態２による変位測定装置における三角測量光学系の構成と、照射光および反射光の光路とを示す図である。 本発明の実施の形態２による変位測定装置におけるワーク上の同一の位置に集光された照射スポットに対してイメージセンサで受光される光強度の分布を示す図である。 本発明の実施の形態２による変位測定装置におけるワークの設置例を示す図である。 本発明の実施の形態２による変位測定装置における測定の流れの一例を示す図である。 本発明の実施の形態３による変位測定装置における三角測量光学系の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態４による変位測定装置における三角測量光学系の構成を示す図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による変位測定装置１００の構成を示す斜視図である。本実施の形態の変位測定装置１００は、駆動ステージ１０、上部ヘッド１１、固定具１２、三角測量光学系２０、信号ケーブル５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、制御部２０１、出力部２０２を備える。三角測量光学系２０と制御部２０１とは、信号ケーブル５１ａで接続される。また、駆動ステージ１０と制御部２０１とは、信号ケーブル５１ｂで接続される。また、制御部２０１と出力部２０２とは、信号ケーブル５１ｃで接続される。駆動ステージ１０の上面には、測定対象となる対象物が配置される。ここで、駆動ステージ１０の上面に平行な方向をＸ方向、Ｙ方向とし、駆動ステージ１０の上面に対して垂直な方向をＺ方向とする。Ｘ方向とＹ方向とは直交する。また、駆動ステージ１０から三角測量光学系２０へ向かう方向（図１の上側に向かう方向）を＋Ｚ方向、三角測量光学系２０から駆動ステージ１０へ向かう方向を−Ｚ方向とする。

図２は、本実施の形態の変位測定装置１００にワーク１３が配置された場合を示す斜視図である。ここで、ワーク１３が、測定対象となる対象物である。ワーク１３の表面は、拡散反射特性を持つ、粗面であることが一般的である。その中でも特に、ワーク１３が金属の場合、測定対象となるワーク１３の表面に、研削による筋状の加工痕が見られる。

また、図３は、本実施の形態の変位測定装置１００における三角測量光学系２０の構成と、照射光および反射光の光路とを示す図である。図３は、三角測量光学系２０の構成と、照射光および反射光の光路とをＸ−Ｚ平面に投影した図である。三角測量光学系２０は、投光光学系２１と受光光学系２２とを備える。また、投光光学系２１は、光源２１１および投光レンズ２１２を備え、受光光学系２２は、受光レンズ２２１、光減衰フィルター２２２およびイメージセンサ２２３を備える。なお、簡単化のため、図３において信号ケーブル５１ａは省略している。

投光光学系２１は、集光された照射光をワーク１３の上面１３１の被照射位置に照射する。受光光学系２２は、照射光が被照射位置で反射された反射光を撮像素子であるイメージセンサ２２３の受光面に集光する。受光光学系２２の光軸２４は、投光光学系２１の光軸２３と斜めに交わる。ここで、投光光学系２１の光軸２３は、ワーク１３に照射される照射光の光軸である。受光光学系２２の光軸２４は、受光レンズ２２１の中心とイメージセンサ２２３の受光面の中心を結んだ直線となる。なお、図３において、投光光学系２１の光軸２３に付した矢印の向きは、照射光の進行方向を表し、受光光学系２２の光軸２４に付した矢印の向きは、イメージセンサ２２３で受光される反射光の進行方向を表す。

以下、図面を用いて本実施の形態の変位測定装置１００の動作について述べる。光源２１１は、レーザダイオード（ＬＤ）である。光源２１１から出射される光線は、投光レンズ２１２により集光され、ワーク１３の上面１３１に照射光として照射され、照射スポット２５を形成する。ここで、ワーク１３の上面１３１が、照射光の被照射面となる。また、被照射面において、照射スポット２５が形成される位置が被照射位置となる。ワーク１３は表面に切削痕のある金属であるので、ワーク１３に照射された照射光は、照射スポット２５の位置によって異なる方向に反射される。ここで、異なる方向に反射されるとは、反射方向に対する反射光の強度分布が異なることを意味する。

表面に切削痕のある場合など、ワーク１３の表面に微細な凹凸が存在すると、照射光が反射される方向は反射位置によって異なる。照射スポット２５の大きさが、ワーク１３の表面の微細な凹凸よりも大きい場合、照射スポット２５の全体からの反射光には、様々な方向への反射成分が含まれ、反射方向に対する反射光の強度分布は、照射スポット２５の位置によって異なる。照射スポット２５からの反射光のうち、受光レンズ２２１に入光される光は、光減衰フィルター２２２で強度が低減（減衰）され、イメージセンサ２２３の受光面に集光され、スポット像として転写される。以降では、単にスポット像と記載した場合には、照射スポット２５からの反射光によってイメージセンサ２２３の受光面に結像される像を意味する。

図４は、本実施の形態の変位測定装置１００における変位測定の原理を説明するための模式図である。図４は、照射光および反射光の光路をＸ−Ｚ平面に投影した図である。図４は、Ｚ＝Ｚ０にあるワーク１３の上面１３１ａからの反射光の光路２６ａと、Ｚ＝Ｚ０＋ｄＺにあるワーク１３の上面１３１ｂからの反射光の光路２６ｂとを模擬的に示している。なお、反射光の光路は、イメージセンサ２２３で受光される光の光路を表している。ここで、Ｚ０は、Ｚ方向の所定の位置（焦点位置）を表す。図４に示すように、ワーク１３の上面の位置が上方向（＋Ｚ方向）に移動すると、イメージセンサ２２３の受光面においてスポット像の位置は、＋Ｘ方向に移動する。

図５は、本実施の形態の変位測定装置１００におけるイメージセンサ２２３の受光面２２４上の像の位置を示す模式図である。図５は、受光面２２４上の像の位置をＸ−Ｙ平面に投影した図である。図５は、Ｚ＝Ｚ０にあるワーク１３の上面１３１ａに対する受光面２２４上の像２７ａと、Ｚ＝Ｚ０＋ｄＺにあるワーク１３の上面１３１ｂに対する受光面２２４上の像２７ｂとを模擬的に示している。図５に示すように、ワーク１３の上面の位置が上方向（＋Ｚ方向）に移動すると、受光面２２４に結像されるスポット像の位置は、＋Ｘ方向にｄＸだけ移動する。受光面２２４におけるスポット像のＸ方向の変位量ｄＸを測定することによって、ワーク１３の上面１３１のＺ方向の変位量ｄＺを求めることができる。このような変位の測定方法は三角測量方式と呼ばれており、光源２１１からイメージセンサ２２３までの光学系は三角測量光学系２０を構成している。なお、ここではイメージセンサ２２３は、２次元のイメージセンサを例示して説明しているが、１次元のイメージセンサを用いることもできる。

図２に示すように、ワーク１３は、駆動ステージ１０に載せられ、固定具１２で固定される。また、図１および図２に示すように、三角測量光学系２０は、上部ヘッド１１に固定されている。駆動ステージ１０は、上部ヘッド１１に対してＸＹ方向に精密に移動させることができ、照射スポット２５が形成される被照射位置をワーク１３の上面１３１内で動かすことができる。駆動ステージ１０は、信号ケーブル５１ｂで制御部２０１と接続されている。制御部２０１は、信号ケーブル５１ｂを介して、駆動ステージ１０のＸ方向の位置情報およびＹ方向の位置情報を駆動ステージ１０から取得する。また、制御部２０１は、信号ケーブル５１ｂを介して、駆動ステージ１０のＸＹ方向の移動を制御する制御信号を駆動ステージ１０へと送信する。

また、三角測量光学系２０が備える光源２１１およびイメージセンサ２２３は、ケーブル５１ａで制御部２０１と接続されている。制御部２０１は、信号ケーブル５１ａを介して、光源２１１の発光タイミングおよびイメージセンサ２２３の露光タイミングを制御する。また、制御部２０１は、信号ケーブル５１ａを介して、イメージセンサ２２３から画像データを取得する。制御部２０１は、取得した画像データからイメージセンサ２２３の受光面２２４におけるスポット像のＸ方向の変位量ｄＸを求める。さらに、制御部２０１は、スポット像のＸ方向の変位量ｄＸから、ワーク１３の上面１３１のＺ方向の変位量ｄＺを求める。制御部２０１で求められた変位測定結果は、信号ケーブル５１ｃを介して出力部２０２に送られ、出力部２０２で出力される。制御部２０１は例えば計算機でプログラムを実行することで構成される。出力部２０２は、例えばディスプレイである。出力部２０２の代わりに、変位測定結果を記憶するメモリなどの記憶部を備えてもよい。

以上のように、制御部２０１は、駆動ステージ１０および三角測量光学系２０の動作を制御する。制御部２０１は、駆動ステージ１０に載せられたワーク１３と、投光光学系２１および受光光学系２２を含む三角測量光学系２０とを相対的に移動させながら、ワーク１３の上面１３１のＺ方向の変位量ｄＺを求める。また、制御部２０１は、イメージセンサ２２３の露光時間中は、投光光学系２１とワーク１３とを静止させることなく相対的に移動させて、照射スポットのワーク１３上の被照射位置を静止させることなく移動させる。

以下では、本実施の形態の変位測定装置１００の動作と、その動作により得られる効果について、詳しく述べる。図６は、本実施の形態の変位測定装置１００における測定の流れの一例を示す図である。図６を用いて、変位測定装置１００における測定の流れを説明する。測定が開始されると、制御部２０１は、光源２１１が点灯するように制御する（ステップＳ１０１）。次に、制御部２０１は、照射光の照射スポット２５がワーク１３の上面１３１の測定開始点に移動するように制御する（ステップＳ１０２）。次に、制御部２０１は、駆動ステージ１０が移動を開始するように制御することで、照射スポット２５の位置の移動を開始させる（ステップＳ１０３）。

次に、制御部２０１は、イメージセンサ２２３が露光を開始するように制御する（ステップＳ１０４）。イメージセンサ２２３の露光が終了すると、制御部２０１は、イメージセンサ２２３から画像データを取得する（ステップＳ１０５）。次に、制御部２０１は、取得した画像データからワーク１３の上面１３１の変位を求める（ステップＳ１０６）。次に、制御部２０１は、測定を終了するか否かを判断する（ステップＳ１０７）。制御部２０１は、所定数の変位を求めた場合、または照射スポット２５が所定の位置に達した場合に測定を終了すると判断する。

ステップＳ１０７において、制御部２０１が測定を終了しないと判断した場合には、変位測定装置１００の動作は、ステップＳ１０４へと戻る。一方、ステップＳ１０７において、制御部２０１が測定を終了すると判断した場合には、変位測定装置１００の動作は、ステップＳ１０８へと進む。ステップＳ１０８では、制御部２０１は、駆動ステージ１０が移動を終了するように制御することで、照射スポット２５の位置の移動を終了させる。次に、制御部２０１は、光源２１１が消灯するように制御し（ステップＳ１０９）、測定を終了する。本実施の形態の変位測定装置１００は、以上の流れで動作する。

図７は、本実施の形態の変位測定装置１００におけるワーク１３の表面の加工痕の一例を示す図であり、ワーク１３の表面の顕微鏡写真を２値化したものである。図７において、画像中の明暗は、ワーク１３の表面の高低に対応している。図７に示すように、測定対象となるワーク１３の表面には、Ｙ方向に研削による加工痕の筋が見られる。図８は、本実施の形態の変位測定装置１００におけるワーク１３の表面の高さの分布を示す図であり、図７に示したワーク表面の所定のＹ位置において、Ｘ方向の位置の変化に対する高さの分布を表す。図８の横軸はＸ方向の位置であり、縦軸はワーク１３の表面の高さ（Ｚ方向の位置）である。図８に示すように、ワーク１３の表面には、Ｘ方向の位置の変化に対して、高さ３μｍ程度の微小な凹凸がある。なお、本実施の形態では、ワーク１３は筋状の加工痕がある金属であるとして、その効果について説明する。しかし、ワーク１３の表面形状はこれに限定される訳では無く、粗面であれば、その効果を得ることができる。

図９は、本実施の形態の変位測定装置１００においてワーク１３上の異なる位置に集光された照射スポット２５に対してイメージセンサ２２３で受光される光強度の分布を示す図である。図９の横軸は照射スポット２５の中心を基準としたＸ方向の相対位置であり、縦軸は正規化された光の強度である。図９の点線のグラフは、ワーク１３の表面が完全拡散面であって、反射光の強度分布が反射角度に依存せずに一様であると仮定した場合に、イメージセンサ２２３で受光される光強度の分布である。図９の点線のグラフは、ワーク１３上の照射スポット２５における照射光の強度分布と同様となる。図９の破線のグラフは、ワーク１３上の第１の位置に照射光を照射した場合に、イメージセンサ２２３で受光される光強度の分布を表す。また、図９の実線のグラフは、ワーク１３上の第２の位置に照射光を照射した場合に、イメージセンサ２２３で受光される光強度の分布を表す。なお、ワーク上の第１の位置と第２の位置とでは、Ｘ方向の位置のみが異なる。

図９に示すように、照射光の照射スポット２５の強度分布は左右対称であったとしても、Ｘ方向に凹凸のあるワーク１３で拡散反射される光のうち受光光学系２２に入射する光線で形成される像は、Ｘ方向の位置により強度分布が大きく異なったものとなる。例えば、第１の位置に対して受光される光の強度分布（図９の破線）でＸ方向の輝度重心位置を計算すると、Ｘ＝−２μｍとなる。一方、第２の位置に対して受光される光の強度分布（図９の実線）でＸ方向の輝度重心位置を計算すると、Ｘ＝＋２μｍとなる。

このようにワーク１３の高さは一定のままでも、ワーク１３の表面上のどこに照射光が照射されるかで、イメージセンサ２２３で受光される光のＸ方向の輝度重心位置が変化する。以降では、単に輝度重心位置と記載した場合には、イメージセンサ２２３で受光される光の輝度重心位置を意味する。図３の三角測量光学系２０のように受光光学系２２の光軸がＸ方向に傾いている場合には、輝度重心位置のＸ方向の変化は、ワーク１３の高さ変位の推定値に変換される。よって、図７のようにＹ方向に研削による加工痕の筋がある場合には、Ｘ方向の凹凸パターンの変化は大きいので、Ｘ方向に安定した輝度重心位置の測定値を得ることができず、高さ変位の測定精度が悪化する。ここで、ワーク１３の高さとは、ワーク１３の表面の微細な凹凸は除き、ワーク１３の表面の平均的な面の高さという意味である。

一方、ワーク１３の表面にＹ方向に研削による加工痕の筋がある場合、ワーク１３の表面の凹凸は、Ｘ方向と比較してＹ方向では変化が小さい。よって、照射光の照射スポット２５の位置がＹ方向に移動しても、輝度重心位置の変化は、Ｘ方向への移動に比べれば小さい。従って、Ｙ方向に傾いた受光光学系を用いる場合には、Ｘ方向に傾いた受光光学系２２を用いる場合に比べれば、変位の測定精度は良い。しかしながら、ワーク１３の表面の凹凸パターンはＹ方向成分についても小さいながらも変化がある。このため、被照射位置がＹ方向に移動することによる輝度重心位置の変化も、無視できない程度に存在し、Ｙ方向に傾いた受光光学系を用いる場合であっても変位の測定値は安定せず、測定精度は悪い。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、本実施の形態の変位測定装置１００は、三角測量光学系２０に対してＸＹ方向に移動する駆動ステージ１０が備え付けられている。例えば、図７のようにワーク１３が取り付けられていた場合、ワーク１３に対して相対的に三角測量光学系２０をＸ方向に移動させ、移動させている間にイメージセンサ２２３を露光させることで、測定精度を向上することができる。移動中の各瞬間にイメージセンサ２２３で受光される光の強度分布、すなわちイメージセンサ２２３の受光面２２４におけるスポット像の輝度分布は、上述のようにワーク１３の表面の凹凸形状を反映したものとなるので、輝度重心位置はばらつく。しかし、移動中に長時間露光させることにより、各瞬間のスポット像を無数に足し合わせたスポット像を得ることができる。長時間露光で得られるスポット像は、ワーク１３上の照射スポット２５の光強度分布を反映した、図９の点線のグラフに近づく。

しかし、ワーク１３に対して相対的に三角測量光学系２０をＹ方向に移動させた場合、照射スポットは筋状の凹凸に沿って移動することになるため、照射位置に対する反射特性はＸ方向に移動させた時に比べて大きく変化しない。この結果、各瞬間のスポット像を足し合わせても、図９の点線のグラフには近づかない。このように、ワーク上の加工痕の向きが未知の場合には、駆動ステージを動かす方向によって、測定精度が変化してしまう。実際に変位測定装置１００が使われる現場では、ワーク１３上の微細な凹凸形状が、ワーク１３に対してどの方向に加工されているかは分からない場合が多い。そのため、固定具１２を用いて、ワーク１３を駆動ステージ１０上に取り付けた場合にも、どの向きに加工痕が並んでいるかは分からない。設置前にワーク１３上の加工痕の向きを計測し、その向きを駆動ステージ１０のＸ方向またはＹ方向に合わせて設置することは現実的に難しい。

すなわち、一方向に筋状の加工痕を持つ対象物からの反射光の強度分布のムラを低減する場合、筋状の加工痕に対して垂直な方向（凹凸が並ぶ方向）に移動させながら、複数の微細な凹凸からの反射光を蓄積して受光する必要がある。しかし、金属のような対象物の筋の方向の確認が容易ではない場合には、変位測定装置に対してどのような向きに置かれるかは未知であり、一方、全ての加工対象の筋状の加工痕の並ぶ方向を事前に別手段で計測することは作業時間の大幅な増加を伴う。

これに対して、本実施の形態の変位測定装置１００は、イメージセンサ２２３の露光時間中は、投光光学系２１とワーク１３とを静止させることなく相対的に移動させるとともに、１回の露光時間中に移動方向が変化する。この結果、１回の露光時間中に、複数の方向への移動が含まれることになる。したがって、移動ワーク１３上の加工痕の並び方向が未知の場合でも、微細な凹凸形状を横切って移動することができるため、露光時間中に蓄積されたスポット像は、ワーク１３上の照射スポット２５の光強度分布を反映した、図９の点線のグラフに近づけることができる。

本実施の形態の変位測定装置１００において、撮像素子の１回の露光時間中に照射スポットの移動方向が９０度以上変化することが望ましい。このように構成することによって、１回の露光時間中に、直交する２方向への移動が含まれることになり、ワーク１３がどのように設置されていても、筋状の加工痕に対して垂直な方向への移動が含まれる。したがって、対象物の設置が容易となり、高精度に対象物の表面の変位を測定できる。なお、照射スポットの移動方向には、必ずしも筋状の加工痕に対して垂直な方向が含まれる必要はなく、筋状の加工痕に交わる方向が含まれていればよい。筋状の加工痕に交わる方向に移動すれば、筋状の加工痕に垂直な方向への移動成分を含むので、一定の効果を得ることができる。また、本実施の形態の変位測定装置１００は、イメージセンサ２２３の露光時間中は、投光光学系２１とワーク１３とを静止させることなく相対的に移動させるので、測定時間の大幅な増加を伴わず、高精度に対象物の表面の変位を測定できる。

本実施の形態の変位測定装置１００におけるワーク１３上の照射スポットの移動の軌跡について、具体例を挙げて説明する。イメージセンサ２２３を露光させている間の照射スポットの移動方向の軌跡として、例えば、ワーク１３の上面１３１において閉ループの軌跡を描くような円形がある。図１０は、本実施の形態の変位測定装置１００における照射スポット２５の軌跡の一例を説明するための模式図である。測定点３１ａ、３１ｂ、３１ｃを測定するとき、１回の露光中の照射スポット２５の軌跡３３ａ、３３ｂ、３３ｃは、それぞれ測定点３１ａ、３１ｂ、３１ｃを中心とする円を描く。なお、図１０において、測定点３１ａ、３１ｂ、３１ｃの付近に記載した矢印は、照射スポット２５の進行方向を表している。このように、照射スポットが測定点の周囲で円を描くように動けば、照射スポットは全ての方向へ均等に移動することになる。したがって、ワーク１３上の加工痕の並び方向に関わらず、確実に凹凸を横切ることができ、複数の凹凸形状から反射したスポット像を足し合わせることができる。

例えば、図１０に示す照射スポット２５の軌跡３３ａの直径がφ１６０μｍであるとすると、その円周長は約５００μｍとなる。円の接線方向の速度ｖが１０ｍｍ／ｓとなるように、一定の角速度で照射スポット２５が移動するとし、イメージセンサ２２３の１回の露光時間ｔｅｘｐが５０ｍｓとすると、照射スポット２５が円の軌跡をちょうど一周する間に１回の露光が終了する。このように照射スポット２５が円の軌跡を描くように移動する場合、ワーク１３の表面にどの方向の加工痕があったとしても、照射スポット２５は加工痕をまたぐ方向に同じ量だけ移動することができる。照射スポット２５の軌跡３３ａの直径がφ１６０μｍの場合には、照射スポット２５は加工痕をまたぐ方向に１６０μｍ移動することになる。照射スポット２５の軌跡３３ａの直径が、ワーク１３の表面の加工痕の凸凹の周期よりも長ければ、照射スポットは１組以上の凹凸を横切ることになる。すなわち、照射スポット２５のスキャンの方向がワーク１３の表面の加工痕に直交するようにわざわざ設定しなくても、いつでも安定した精度の高い変位測定ができるという顕著な効果が得られる。

本実施の形態の変位測定装置１００においては、駆動ステージ１０の移動を制御することで、照射スポット２５を円運動させている間、どのタイミングでイメージセンサ２２３の露光を開始してもよい。このとき、イメージセンサ２２３の露光のタイミングと、駆動ステージ１０の動作とを厳密に同期させなくても、露光中の軌道は必ず同一の円になるという大きな利点がある。すなわち、高速で移動する駆動ステージ１０と、イメージセンサ２２３の露光開始時間とのタイミングとを厳密に制御しなくても、測定位置を同一にできるという大きな利点がある。高速で移動する駆動ステージ１０の移動開始時間と、イメージセンサ２２３の露光開始時間とのタイミングとを厳密に合わせない場合には、駆動ステージの円運動の回数を２回以上としておけば、露光時間中に１周分移動できる。

Ｘ軸、Ｙ軸の２軸で駆動される駆動ステージ１０を円形に動かすには、時間ｔに対する駆動ステージ１０のＸ軸方向の移動量Ｘ（ｔ）、Ｙ軸方向の移動量Ｙ（ｔ）が、式（１）のように、それぞれ位相がπ／２だけずれたサイン関数となるように制御すれば良い。式（１）において、Ｒは軌道円の半径であり、ここではＲ＝８０μｍである。ωは角速度である。ただし、円運動は、厳密な円形である必要もなく、駆動ステージの加減速により、楕円形状になったとしても、効果が得られることは自明である。

なお、照射スポット２５の軌跡の円周長と、イメージセンサ２２３の露光時間中の移動距離とは、厳密に一致していなくても、ある程度の効果が得られる。例えば、照射スポット２５がφ３２０μｍの円の軌跡を描く場合、その軌跡の円周長は１ｍｍとなる。照射スポット２５の接線方向の移動速度がｖ＝１０ｍｍ／ｓであるとすると、露光時間ｔｅｘｐ＝５０ｍｓでは照射スポット２５は半周しかできない。しかし、ワーク１３の加工痕の方向に対して直交する方向への露光中の移動は含まれているので、平均化の効果は同様にある。ただし、駆動ステージ１０の移動開始のタイミングとイメージセンサ２２３の露光のタイミングを厳密に制御しなくても、測定毎に測定位置を同一にするためには、イメージセンサ２２３の露光時間は円運動の一周にかかる時間以上であることが望ましい。

図１１は、本実施の形態の変位測定装置１００における照射スポット２５の軌跡の別の例を説明するための模式図である。図１１は、照射スポットの軌跡３６が、測定点３１を通る円弧となるように、照射スポット２５が移動する例を表している。また、図１２は、本実施の形態の変位測定装置１００における照射スポット２５の軌跡のさらに別の例を説明するための模式図である。図１２は、照射スポットの軌跡３７が、測定点３１を中心として渦巻き状となるように、照射スポット２５が移動する例を表している。図中の矢印は移動方向を示すが、この方向に限定される訳ではない。これらの場合でも、加工痕の並び方向に関わらず、照射スポット２５は、イメージセンサ２２３の露光時間中に凹凸形状をまたぐように移動する。したがって、これらの場合でも、照射スポット２５が円の軌跡を描くように移動する場合と同様の効果が得られる。図１１に示す軌跡では、露光時間中の駆動ステージの移動方向の変化が小さく、ステージの加減速の影響を受けにくいという利点がある。また、図１２にしめす軌跡では、円形の場合に比べて、同じ距離を移動させる場合に円の半径を小さくできる利点がある。

図１３は、本実施の形態の変位測定装置１００における照射スポット２５の軌跡のさらに別の例を説明するための模式図である。図１３は、４辺がＸ軸またはＹ軸に対して平行となり、測定点３１を取り囲む長方形の軌跡３４を描くように、照射スポット２５が移動する場合を示している。また、図１４は、本実施の形態の変位測定装置１００における照射スポット２５の軌跡のさらに別の例を説明するための模式図である。図１４は、４辺がＸ軸またはＹ軸に対して斜めとなり、測定点３１を取り囲む長方形の軌跡３５を描くように、照射スポット２５が移動する場合を示している。なお、これらのような場合でも、照射スポット２５が円の軌跡を描くように移動する場合と同様の効果が得られる。

ただし、長方形の軌跡を描くように照射スポット２５を移動させるためには、駆動ステージ１０は、長方形の頂点付近で急な加減速を行わなければならない。この結果、照射スポット２５を一定速度で動作させるのが難しくなる。一方、円の軌跡を描くように照射スポット２５を移動させる場合のように、駆動ステージ１０のＸ軸方向の移動と、Ｙ軸方向の移動とを式（１）のようにπ／２位相をずらして制御する必要がないので、制御が簡単であるという利点がある。

上記のような効果を得るために、本実施の形態の変位測定装置１００は、駆動ステージ１０と、光源２１１と、イメージセンサ２２３とを適切に制御する必要がある。駆動ステージ１０は、制御部２０１と信号ケーブル５１ｂにより接続され、制御部２０１から指示された位置に、指示された速度で駆動される。また、駆動ステージ１０にはリニアエンコーダが接続されており、Ｘ、Ｙの位置座標が信号ケーブル５１ｂを介して制御部２０１に送られる。このように、高さ変位Ｚの測定時のＸ，Ｙの位置座標が正確に測定されるので、（Ｘ、Ｙ、Ｚ）の３次元空間上の位置データを得ることができる。

光源２１１には、レーザのＯＮ／ＯＦＦや点灯時の発光量を制御するための信号が、信号ケーブル５１ａによって制御部２０１から送信される。イメージセンサ２２３には、露光時間や露光タイミングを適切に制御するための信号が、信号ケーブル５１ａによって制御部２０１から送信される。また、イメージセンサ２２３によって取得された画像データは、信号ケーブル５１ａによって制御部２０１に送られる。

駆動ステージ１０が移動している間にイメージセンサ２２３を露光させることによってスポット像が平均化されるので、１回の露光中の駆動ステージ１０のＸＹ方向の移動距離が、ワーク１３の表面の凹凸の周期よりも大きい方が、測定精度はより高くなる。１回の露光中の駆動ステージ１０の移動距離が、ワーク１３の表面の凹凸の周期よりも十分に大きければ、測定精度はさらに高くなる。ここで、ワーク１３の表面の凹凸の周期とは、例えば、隣り合う頂部の間の距離または隣り合う底部の間の距離である。ワーク１３の表面の凹凸に様々な大きさのものが含まれる場合には、例えば、平均的な大きさの凹凸の周期、または、代表的な大きさの凹凸の周期を用いることができる。また、ワーク１３の表面の凹凸の周期としては、表面加工により発生すると想定される理論的な凹凸の周期を用いることもできる。

ワーク１３が表面に切削痕のある金属である場合、切削痕の周期は、例えば５μｍ程度である。よって、１回の露光中の駆動ステージ１０の切削痕の並び方向（図７のＸ方向）の移動距離は５μｍ以上である方が、測定精度が向上する。十分な平均化効果を得るには、切削痕の１０周期分の移動量である５０μｍ以上であることが望ましい。Ｘ，Ｙ位置に対するワーク１３の上面の高さの変化が緩やかなものであるならば、５００μｍ程度の移動量にすると、測定値はより安定する。

Ｘ方向またはＹ方向の位置が異なる複数点で高さ変位の測定を行って、その測定値を精度よく比較をする場合には、その複数点での測定間で測定の条件を一定にする必要がある。金属ワークを対象物とする測定では、測定値のばらつきの最大の要因は表面の凹凸なので、ワーク１３の種類ごとに１回の露光中の移動量Ｌを適切に選択し、測定の際には１回の露光中の移動量Ｌを一定にするべきである。１回の露光中の移動量は、１回の露光時間と駆動ステージ１０の移動速度の積で求められる。したがって、１回の露光中の移動量を一定に保つためには、式（２）に示す１回の露光時間ｔｅｘｐと駆動ステージ１０の移動速度ｖとの積Ｌを一定に制御する必要がある。

さらに、露光中の移動速度ｖも一定であることが望ましい。本実施の形態の変位測定装置では、露光中に照射スポット２５の位置が変化することになるが、露光中の移動速度ｖが変化すると、各位置における照射スポットの滞在時間が異なるためである。ここで、議論を具体的にするために、以下では、１回の露光中の移動量をＬ＝５００μｍに一定に保つことにする。例えば、イメージセンサ２２３の１回の露光時間をｔｅｘｐ＝５０ｍｓとして測定を行うとき、１回の露光中の移動量をＬ＝５００μｍにするには、駆動ステージ１０の移動速度をｖ＝１０ｍｍ／ｓとすれば良い。

なお、イメージセンサ２２３で取得される画像データのデジタル出力値は飽和しない程度の適切な値である必要がある。例えば、イメージセンサ２２３が８ｂｉｔの画像データ、すなわち２５６階調の画像データを取得するものであるとすると、イメージセンサ２２３で取得される画像データのピーク値は２００階調程度であることが望ましい。飽和してしまうとピーク値の情報が失われ、またスポット像の外形が大きくなるために輝度重心位置の算出誤差が大きくなる。一方、ピーク値が小さすぎても、量子化誤差や電気ノイズにより、輝度重心位置の算出誤差が大きくなる。

本発明による変位測定装置では、イメージセンサ２２３の受光量の飽和を抑えるために、受光光学系の中に大きな減衰率の光減衰フィルターを挿入することが望ましい。本発明では１回の露光時間中の移動距離を長くするために露光時間が長くなるからである。一方、その飽和を抑えるために照射光強度を小さくすることは望ましくない。通常の室内環境でイメージセンサ２２３により撮像されるスポット像の画像が、背景のノイズ光に対して十分大きな値を持つためには、ワーク１３上の照射スポット２５の光強度が、背景光（例えば蛍光灯の照明）の光強度に対して十分大きな値を持つ必要があるからである。

例えば、発明者らの実験では、照射スポット２５の直径がφ８μｍであるとき、照射光のパワーが１ｍＷあれば背景光との輝度差は十分であった。しかし、この照射スポット２５をイメージセンサ２２３で撮像すると、露光時間ｔｅｘｐ＝５０ｍｓではイメージセンサ２２３の出力が飽和してしまう。そのような課題を解決するために、受光光学系２２の光路中に光減衰フィルター２２２が挿入されている。光減衰フィルター２２２は１％以下の透過率が望ましく、０．０１％という非常に小さな透過率が必要とされる場合もある。

金属ワーク１３は、さまざまな材質があり、また表面研磨の加工法や表面処理の有無等により、光の反射率、反射強度の角度分布はさまざまである。よって、照射スポット２５の光強度が１ｍＷで一定であったとしても、受光光学系２２で受光される光強度には大きな違いが生じる。このとき、上述したようにスポット像の画像のデジタル出力値が適切な値でないと誤差が大きくなる。よって、光源２１１の発光強度を制御する、イメージセンサ２２３の出力信号の増幅率を調整するなどの制御が行われることが望ましい。

以上のように、本実施の形態の変位測定装置１００は、対象物の被照射面における被照射位置に集光された照射光を照射する投光光学系２１と、投光光学系２１の光軸２３と斜めに交わる光軸２４を有しており、照射光が被照射位置で反射された反射光を撮像素子の受光面に集光する受光光学系２２と、撮像素子の露光時間中は、投光光学系２１と対象物とを相対的に移動させて被照射位置を静止させることなく移動させる駆動ステージ１０とを備え、駆動ステージ１０が被照射位置を移動させる方向は、前記撮像素子の１回の露光時間中に変化し、受光面における反射光の集光位置の変位を計測することで被照射面の変位を測定する。したがって、対象物の表面に微細な凹凸が存在する場合に、測定時間の大幅な増加を伴わず、対象物の設置が容易で、高精度に対象物の表面の変位を測定できる。すなわち、本実施の形態の変位測定装置１００は、対象物の設置方向に関わらず、測定時間の大幅な増加を伴わず、高精度に対象物の表面の変位を測定できる。

本実施の形態の変位測定装置１００は、照射光の被照射位置、すなわち照射スポット２５の位置を連続的に移動させている間に露光するので、対象物であるワーク１３の表面に凹凸があっても、短時間で大きな平均化の効果が得られ、計測値の安定した精度のよい変位測定が可能となる。本実施の形態の変位測定装置１００は、駆動ステージ１０の移動を開始した後に、または駆動ステージ１０の移動中に、イメージセンサ２２３の露光を開始する。イメージセンサ２２３の１回の露光が終了した後は、変位測定装置１００は、駆動ステージ１０の移動を一旦停止した後に移動を再度開始してもよいし、駆動ステージ１０の移動を停止せずに続けて次回の露光を開始してもよい。

実施の形態２．
本実施の形態の変位測定装置１００は、実施の形態１の図１に示すものとは三角測量光学系２０の構成が異なる。他の構成は、実施の形態１の図１に示すものと同様である。本発明の実施の形態の変位測定装置１００は、三角測量光学系２０に複数の受光光学系を備え、それぞれの受光光学系で受光される光量の差に基づいて、ワーク１３の表面の加工痕の並び方向を判別し、駆動ステージ１０の移動方向を決定する。したがって、事前に対象物の表面の加工痕の並び方向を計測する必要は無く、変位測定装置１００が自身で並び方向を判別し、駆動ステージの移動方向を決定する。その場合、駆動ステージ１０が被照射位置を移動させる方向を、撮像素子の１回の露光時間中に変化させる必要が無く、直線状に動かすことができる利点がある。

図１５は、本実施の形態の変位測定装置１００における三角測量光学系２０の構成を示す斜視図である。また、図１６及び図１７は、本実施の形態の変位測定装置１００における三角測量光学系２０の構成と、照射光および反射光の光路とを示す図である。図１６は、Ｘ−Ｚ平面に投影した平面図であり、図１７は、Ｙ−Ｚ平面に投影した平面図である。本実施の形態の変位測定装置１００では、三角測量光学系２０は、投光光学系２１、第１の受光光学系２２ａ、第２の受光光学系２２ｂを備える。なお、本実施の形態の変位測定装置１００において、受光光学系は、第１の受光光学系２２ａと第２の受光光学系２２ｂとを備えることになる。

投光光学系２１は、光源２１１および投光レンズ２１２を備える。第１の受光光学系２２ａは、受光レンズ２２１ａ、光減衰フィルター２２２ａ、イメージセンサ２２３ａを備える。第２の受光光学系２２ｂは、受光レンズ２２１ｂ、光減衰フィルター２２２ｂ、イメージセンサ２２３ｂを備える。なお、イメージセンサ２２３ａ、２２３ｂを個別に備える代わりに、第１の受光光学系２２ａ及び第２の受光光学系２２ｂの受光スポットを両方とも撮像できる大きさのイメージセンサを１つ備えても良い。

第１の受光光学系２２ａの光軸２４ａと投光光学系２１の光軸２３とは、Ｘ−Ｚ平面に対して平行な平面内にあり、第２の受光光学系２２ｂの光軸２４ｂと投光光学系２１の光軸２３とは、Ｙ−Ｚ平面に対して平行な平面内にある。したがって、第１の受光光学系２２ａの光軸２４ａと投光光学系２１の光軸２３とを含む平面は、第２の受光光学系２２ｂの光軸２４ｂと投光光学系２１の光軸２３とを含む平面とは異なる。図７のように筋状の加工痕を持つワークを計測する場合には、第１の受光光学系２２ａの光軸２４ａと投光光学系２１の光軸２３とを含む平面と、第２の受光光学系２２ｂの光軸２４ｂと投光光学系２１の光軸２３とを含む平面とのなす角度は、９０度が望ましい。しかし、厳密に９００度である必要は無く、第１の受光光学系２２ａの光軸２４ａと投光光学系２１の光軸２３とを含む平面と、第２の受光光学系２２ｂの光軸２４ｂと投光光学系２１の光軸２３とを含む平面とが異なっていれば、効果が得られる。

図１８は、本実施の形態の変位測定装置１００において、ワーク１３上の同一の位置に集光された照射スポット２５に対してイメージセンサ２２３ａ及び２２３ｂで受光される光強度の分布を示す図である。図１８において、横軸はＸ方向またはＹ方向の位置を表し、縦軸は光強度を表す。図１８の実線は、イメージセンサ２２３ａで受光される光強度の分布を表し、図１９の実線は、イメージセンサ２２３ｂで受光される光強度の分布を表す。本実施の形態の変位測定装置１００は、第１の受光光学系２２ａおよび第２の受光光学系２２ｂを投光光学系２１から見て異なる方向に備えているので、ワーク１３上の凹凸形状で拡散反射した反射光を２方向から受光することができる。ここで、イメージセンサ２２３ａで受光される光強度のピーク値をＰａ、イメージセンサ２２３ａで受光される光強度のピーク値をＰｂとした場合、ピーク強度の比Ｐｄｅｆは、式（３）で表される。

例えば、図７に示す通り、Ｙ方向の筋状の加工痕がＸ方向に並んでいた場合、Ｘ方向に凹凸形状が並んでいるため、照射された光はＸ方向に多く反射し、Ｙ方向への反射は相対的に少なくなる。その結果、Ｙ方向と比較してＸ方向に反射される光が大きくなるので、イメージセンサ２２３ａで受光されるピーク光量Ｐａが、イメージセンサ２２３ｂで受光されるピーク光量Ｐｂに対して大きくなり、受光光量の比Ｐｄｅｆ＜１となる。したがって、本実施の形態の変位測定装置１００は、Ｐｄｅｆ＜１の場合には、Ｙ方向の筋状の加工痕がＸ方向に並んでいると判別し、照射スポットの位置をＸ方向に移動させる。一方、本実施の形態の変位測定装置１００は、Ｐｄｅｆ＞１の場合には、Ｘ方向の筋状の加工痕がＹ方向に並んでいると判別し、照射スポットの位置をＹ方向に移動させる。

なお、ここでは光強度のピーク値を用いる場合を例示して説明したが、平均値、合計値など、イメージセンサで受光される光量を表す他の値を用いても良い。また、ここでは光強度の比を用いる場合を例示して説明したが、差分など、複数のイメージセンサで受光される光量の違いを表す他の値を用いても良い。以上のように、本実施の形態の変位測定装置１００は、第１の受光光学系によって受光された光量と前記第２の受光光学系によって受光された光量との違いに基づいて決定された方向に照射スポットの位置を移動させる。

次に、ワーク１３がＸ軸及びＹ軸に対して回転して設置された場合について説明する。図１９は、本実施の形態の変位測定装置１００におけるワーク１３の設置例を示す図である。図１９は、ワーク１３がＸ軸及びＹ軸に対してθ度回転した場合について示している。図１９において、画像中の明暗は、ワーク１３の表面の高低に対応している。図１９に示すように、測定対象となるワーク１３の表面には、Ｘ軸及びＹ軸に対して傾いた方向に加工痕の筋が見られる。

０度≦θ＜３６０度とすると、０度≦θ＜４５度、１３５度＜θ＜２２５度、３１５度＜θ＜３６０度の場合、ワーク１３上の凹凸の並び方向はＹ方向よりもＸ方向の成分の方が多いので、Ｙ方向に拡散反射される光よりもＸ方向に拡散反射される光が多くなる。そのため、イメージセンサ２２３ａで受光される光量が、イメージセンサ２２３ｂで受光される光量に対して大きくなり、Ｐｄｅｆ＜１となる。この場合、露光時間中に駆動ステージ１０が、被照射位置をＸ方向に直線状に移動させれば、平均化の効果が得られ、加工痕による測定のばらつきを低減することができる。

一方で、４５度＜θ＜１３５度、２２５度＜θ＜３１５度の場合には、ワーク１３上の凹凸の並び方向はＸ方向よりもＹ方向の成分の方が多いので、Ｘ方向に拡散反射される光よりもＹ方向に拡散反射される光が多くなる。そのため、イメージセンサ２２３ｂで受光される光量が、イメージセンサ２２３ａで受光される光量に対して大きくなり、Ｐｄｅｆ＞１となる。この場合、露光時間中に駆動ステージ１０が、被照射位置をＹ方向に直線状に移動させれば、平均化の効果が得られ、加工痕による測定のばらつきを低減することができる。

最後に、θ＝４５度、１３５度、２２５度、３１５度の場合には、ワーク１３上の凹凸の並び方向はＸ方向とＹ方向で同等になるので、Ｘ方向に拡散反射される光量とＹ方向に拡散反射される光量とは、ほぼ等しくなる。そのため、イメージセンサ２２３ａで受光される光量とイメージセンサ２２３ｂで受光される光量とが等しくなり、受光光量の比Ｐｄｅｆ＝１となる。この場合、露光時間中に駆動ステージ１０が、被照射位置をＸ方向、Ｙ方向のどちらに直線状に移動させても、同様の平均化の効果が得られ、加工痕による測定のばらつきを低減することができる。

本実施の形態の変位測定装置１００において、制御部２０１は、イメージセンサ２２３ａおよび２２３ｂから画像データを取得し、取得した２つの画像データの平均である平均画像データを算出する。制御部２０１は、算出した平均画像データからスポット像の変位量を求める。さらに、制御部２０１は、スポット像の変位量から、ワーク１３の上面１３１のＺ方向の変位量を求める。上述したワーク１３の上面１３１の変位を求める方法は一例であり、他の方法も考えられる。例えば、制御部２０１は、平均画像データを求めるのではなく、それぞれの画像データからイメージセンサ２２３ａおよび２２３ｂにおけるスポット像の変位量を求め、求められた２つのスポット像の変位量の平均値を算出しても良い。さらに別の例としては、制御部２０１は、イメージセンサ２２３ａおよび２２３ｂのいずれか一方の画像データを用いて良い。第１の受光光学系２２ａで受光される光量と、第２の受光光学系２２ｂで受光される光量との間に大きな差がある場合には、大きな光量が得られている光学系のデータのみ用いればよい。

このように、Ｘ方向とＹ方向に受光光学系を設けた場合、ワーク１３の設置方向が未知であっても、変位測定装置１００は、２方向の受光光学系で受光される光量の比Ｐｄｅｆを用いて、その加工痕の並び方向を判別できる。また、変位測定装置１００は、判別結果に基づいて、露光時間中に被照射位置を移動させる方向を決定することができる。ここで、ワークの設置角度θと平行に駆動ステージ１０を動かした場合に、最大の平均化効果が得られる。しかし、Ｘ方向又はＹ方向に動かすだけでも凹凸を横切ることができ、平均化効果は得られる。また、Ｘ又はＹ方向のみに動かす方が、制御が簡単であるという利点がある。

また、今回は被照射位置を直線状に動かす例を示したが、凹凸を横切れば、直線以外の軌跡であっても同様の平均効果が得られる。すなわち、直線以外の軌跡であっても、測定終了時の被照射位置が、測定開始時の被照射位置と比較して、２つの受光光学系によって受光された光量に基づいて決定された方向に移動していれば、同様の平均効果が得られる。ここで、１回の露光時間中に被照射位置を移動させる量は、被照射面に存在する凹凸の周期よりも大きいことが望ましく、この場合には、平均化の効果がより大きくなる。

次に、本実施の形態の変位測定装置１００における測定の流れを説明する。図２０は、本実施の形態の変位測定装置１００における測定の流れの一例を示す図である。測定が開始されると、制御部２０１は、光源２１１が点灯するように制御する（ステップＳ１０１）。次に、制御部２０１は、照射光の照射スポット２５がワーク１３の上面１３１の測定開始点に移動するように制御する（ステップＳ１０２）。次に、制御部２０１は、前述のように、２方向に設置された受光光学系で受光される光量に基づいて、駆動ステージ１０を移動させる方向、すなわち、照射スポット２５の位置の移動させる方向を決定する（ステップＳ２０１）。次に、制御部２０１は、駆動ステージ１０が移動を開始するように制御することで、照射スポット２５の位置の移動を開始させる（ステップＳ１０３）。ただし、本実施の形態の変位測定装置１００では、制御部２０１は、ステップＳ２０１で決定された方向に、照射スポット２５の位置を移動させる。ステップＳ１０４以降の測定の流れは、実施の形態１におけるものと同様である。

実施の形態３．
実施の形態２における三角測量光学系２０は、受光光学系として第１の受光光学系２２ａと第２の受光光学系２２ｂとを備えていたが、三角測量光学系２０は、さらに別の構成を備えても良い。図２１は、本実施の形態の変位測定装置１００における三角測量光学系２０の構成を示す斜視図である。他の構成は、実施の形態１の図１に示すものと同様である。図２０に示す三角測量光学系２０は、第１の受光光学系２２ａ、第２の受光光学系２２ｂに加え、第３の受光光学系２２ｃと第４の受光光学系２２ｄも備える。第３の受光光学系２２ｃは、投光光学系２１を中心として第１の受光光学系２２ａと対向する位置に備えられる。また、第４の受光光学系２２ｄは、投光光学系２１を中心として第２の受光光学系２２ｂと対向する位置に備えられる。したがって、図２１の三角測量光学系２０は、＋Ｘ方向、−Ｘ方向、＋Ｙ方向、−Ｙ方向の４方向からの三角測量を行うことが可能である。

この場合、Ｘ方向において＋Ｘ方向及び−Ｘ方向の２つの受光スポットが得られ、Ｙ方向においても＋Ｙ方向及び−Ｙ方向の２つの受光スポットが得られるので、より高精度に加工痕の並び方向の判別を行うことができる。また、図２１ではＸ方向とＹ方向とにそれぞれ２つ以上の受光光学系を配列する例を説明したが、厳密にＸ方向とＹ方向とに配列されている必要は無く、また、投光光学系２１から見て直交する方向に設置されている必要もない。ただし、投光光学系２１から見て直交する方向に複数の受光光学系が配置されている方が最も判別の精度が良く、望ましい配置である。なお、本実施の形態の変位測定装置１００における測定の流れは、実施の形態２におけるものと同様である。

本実施の形態の変位測定装置１００において、イメージセンサの画像データからワーク１３の上面１３１のＺ方向の変位量を求める方法は、実施の形態２と同様に、４つの画像の平均画像から算出しても良く、４つのスポットの変位量の平均値を算出しても良い。また、本実施の形態では、＋Ｘ方向、−Ｘ方向、＋Ｙ方向、−Ｙ方向の４方向から三角測量を行うことができるので、Ｘ方向、Ｙ方向それぞれにある対向する２つのスポット像間の距離を算出し、その距離の変化からワーク１３の上面１３１のＺ方向の変位量を求めることができる。

同じ方向の対向する２つのスポットの像の照度分布は、投光スポットに対して対称にあるので、同様の形状となる。したがって、対向するスポット像間の距離を計算すれば、ワーク１３の上面１３１にある凹凸の影響で、イメージセンサ上のスポット像の照度分布にばらつきが生じても、照度分布のばらつきの影響によるスポット像の変位位置の誤差をキャンセルすることができ、より高精度に計測することができる。また、Ｘ方向とＹ方向のスポット像間の距離の平均値からワーク１３の上面１３１のＺ方向の変位量を求めることで、４方向から反射したスポット像を使用することができ、より精度良く計測することができる。

実施の形態４．
三角測量光学系２０は、さらに別の構成とすることもできる。図２２は、本実施の形態の変位測定装置１００における三角測量光学系２０の構成を示す図である。図２２において、矢印は、照射光および反射光の光路を示す。なお、図２２は、Ｘ−Ｚ平面に投影した平面図を示しているが、Ｙ−Ｚ平面に投影した平面図も同様の構成となる。したがって、本実施の形態の三角測量光学系２０は、実施の形態３の図２１におけるものと同様に、４方向から三角測量を行う。本実施の形態の変位測定装置１００における他の構成は、実施の形態１の図１に示すものと同様である。図２２に示す三角測量光学系２０では、構成の一部を投光光学系と受光光学系とで共用している。

投光光学系は、光源２１１、投光レンズ２１２、ビームスプリッタ２１４、対物レンズ２１３を備えている。光源２１１から出射された光は、投光レンズ２１２により集光され、ビームスプリッタ２１４によって進行方向が変更された後に、対物レンズ２１３を介してワーク１３の上面１３１に照射され、照射スポット２５を形成する。受光光学系は、対物レンズ２１３、ビームスプリッタ２１４。遮光板２１５、受光レンズ２２１ａ、２２１ｃ、イメージセンサ２２３を備えている。照射スポット２５からの反射光のうち、対物レンズ２１３に入光される光は、対物レンズ２１３によって平行光となる。平行光となった反射光は、ビームスプリッタ２１４を通過する。遮光板２１５には開口部が設けられており、この開口部に受光レンズ２２１ａ、２２１ｃが配置されている。ビームスプリッタを通過した光のうち開口部を通過した光は、受光レンズ２２１ａ、２２１ｃによってイメージセンサ２２３の受光面に集光される。

以上のように、本実施の形態の三角測量光学系２０では、入射した拡散反射光を一度平行光にする構成となっている。この構成では、ワーク１３の上面１３１で拡散反射した光を対物レンズで平行光にすることでＸ方向、Ｙ方向に小型化することができる。平行光となった反射光は、受光レンズ２２１ａ、２２１ｃに入射する光以外は、遮光板２１５によって遮光され、受光レンズ２２１ａ、２２１ｃでイメージセンサ上に集光される。その結果、４方向から取得した反射光を１枚のイメージセンサで測定することができ、部品点数を削減でき、低コスト化できるメリットがある。ここで、対物レンズは拡散反射光を平行光にしているが、厳密に平行にする必要は無く、拡散反射光の広がり角よりも少しでも集光されれば、小型化の効果が得られる。また、本実施の形態では、４方向から三角測量を行う例を示したが、２方向、１方向でも同様に小型化の効果が得られる。

実施の形態５．
本実施の形態の変位測定装置１００は、実施の形態１におけるものと構成は同様であるが、動作が異なる。ただし、イメージセンサ２２３としては、２次元のイメージセンサが必要となる。本実施の形態の変位測定装置１００は、イメージセンサ２２３を用いて、ワーク１３の表面を撮像する。その撮像した画像を元に加工痕の並び方向を画像処理により判別し、駆動ステージの移動方向を決定する。その場合、ワーク１３上の凹凸が並ぶ方向が既知となるので、駆動ステージ１０が被照射位置を移動させる方向を、撮像素子の１回の露光時間中に変化させる必要が無く、Ｘ方向又はＹ方向に直線状に動かすことができる利点がある。本実施の形態の変位測定装置１００における測定の流れは、基本的には実施の形態２におけるものと同様である。ただし、ステップＳ２０１において、制御部２０１は、イメージセンサ２２３を用いて撮像した画像に基づいて、照射スポットの移動方向を決定する。

ここで、受光光学系２２には、光減衰フィルター２２２が挿入されている。したがって、加工痕の並び方向を判別する際に、光量が小さくなり過ぎ、ワーク１３上の表面の画像を撮像できない可能性もある。この場合、加工痕の並び方向を判別する間は、イメージセンサ２２３の露光時間を長くするか、出力信号の増幅率を高くすれば良い。また、加工痕の並び方向を判別する間は、撮影用の補助光源を用いても良い。具体的には、例えば、リング状の照明を三角測量光学系２０の周囲に取り付ける方法が考えられる。このようにすれば、図７に示したようなワーク１３上の加工痕のパターンをイメージセンサ２２３で直接撮影することができる。

変位測定装置１００は、撮影した画像を処理して、加工痕の並び方向のＸ軸及びＹ軸に対する傾きθを算出する。また、変位測定装置１００は、算出したθの値を元に駆動ステージ１０の移動方向を決定する。本実施の形態の変位測定装置１００は、実施の形態２における変位測定装置１００と同様に、決定された方向に駆動ステージ１０を動かしながら露光するので、平均化の効果を得ることができる。本実施の形態の変位測定装置１００では、受光光学系を追加することなく、ワーク１３の設置方向を判別できるので、変位測定装置のサイズが大きくならず、また、コストの増加もない。

１０ 駆動ステージ、１１ 上部ヘッド、１２ 固定具、１３ ワーク、２０ 三角測量光学系、２１ 投光光学系、２２ 受光光学系、２２ａ 第１の受光光学系、２２ｂ 第２の受光光学系、２２ｃ 第３の受光光学系、２２ｄ 第４の受光光学系、２３ 投光光学系の光軸、２４ 受光光学系の光軸、２４ａ 第１の受光光学系の光軸、２４ｂ 第２の受光光学系の光軸、２５ 照射スポット、２６ａ、２６ｂ 反射光の光路、２７ａ、２７ｂ 受光面上の像、３１、３１ａ〜３１ｃ 測定点、３３ａ〜３３ｃ、３４、３５、３６、３７ 照射スポットの軌跡、５１ａ、５１ｂ、５１ｃ 信号ケーブル、１００ 変位測定装置、１３１、１３１ａ、１３１ｂ ワークの上面、２０１ 制御部、２０２ 出力部、２１１ 光源、２１２ 投光レンズ、２１３ 対物レンズ、２１４ ビームスプリッタ、２１５ 遮光板、２２１、２２１ａ、２２１ｂ、２２１ｃ 受光レンズ、２２２、２２２ａ、２２２ｂ 光減衰フィルター、２２３、２２３ａ、２２３ｂ イメージセンサ、２２４ 受光面。

本発明における変位測定装置は、対象物の被照射面における被照射位置に集光された照射光を照射して照射スポットを形成する投光光学系と、投光光学系の光軸と斜めに交わる光軸を有しており、照射光が被照射位置で反射された反射光を撮像素子の受光面に集光する受光光学系と、撮像素子の露光時間中は、投光光学系と対象物とを相対的に移動させて被照射位置を静止させることなく移動させる駆動ステージとを備え、駆動ステージが被照射位置を移動させる方向は、撮像素子の１回の露光時間中に変化し、受光面における反射光の集光位置の変位を計測することで被照射面の変位を測定するものである。

この発明における変位測定装置によれば、対象物の被照射面における被照射位置に集光された照射光を照射して照射スポットを形成する投光光学系と、投光光学系の光軸と斜めに交わる光軸を有しており、照射光が被照射位置で反射された反射光を撮像素子の受光面に集光する受光光学系と、撮像素子の露光時間中は、投光光学系と対象物とを相対的に移動させて被照射位置を静止させることなく移動させる駆動ステージとを備え、駆動ステージが被照射位置を移動させる方向は、撮像素子の１回の露光時間中に変化し、受光面における反射光の集光位置の変位を計測することで被照射面の変位を測定するので、対象物の表面に微細な凹凸が存在する場合に、測定時間の大幅な増加を伴わず、対象物の設置が容易で、高精度に対象物の表面の変位を測定できる。

本発明における変位測定装置は、対象物の被照射面における被照射位置に集光された照射光を照射して照射スポットを形成する投光光学系と、投光光学系の光軸と斜めに交わる光軸を有しており、照射光が被照射位置で反射された反射光を撮像素子の受光面に集光する受光光学系と、撮像素子の露光時間中は、投光光学系と対象物とを相対的に移動させて被照射位置を静止させることなく移動させる駆動ステージとを備え、撮像素子の１回の露光時間中に駆動ステージが被照射位置を移動させる軌跡は、測定点を中心とする円周となり、受光面における反射光の集光位置の変位を計測することで被照射面の変位を測定するものである。
また、本発明における変位測定装置は、対象物の被照射面における被照射位置に集光された照射光を照射して照射スポットを形成する投光光学系と、投光光学系の光軸と斜めに交わる光軸を有しており照射光が被照射位置で反射された反射光を撮像素子の受光面に集光する受光光学系と、撮像素子の露光時間中は、投光光学系と対象物とを相対的に移動させて被照射位置を静止させることなく移動させる駆動ステージとを備え、駆動ステージが被照射位置を移動させる方向は、撮像素子の１回の露光時間中に変化し、駆動ステージが被照射位置を移動させる速度は、撮像素子の１回の露光時間中は一定であり、受光面における反射光の集光位置の変位を計測することで被照射面の変位を測定するものである。

この発明における変位測定装置によれば、対象物の被照射面における被照射位置に集光された照射光を照射して照射スポットを形成する投光光学系と、投光光学系の光軸と斜めに交わる光軸を有しており、照射光が被照射位置で反射された反射光を撮像素子の受光面に集光する受光光学系と、撮像素子の露光時間中は、投光光学系と対象物とを相対的に移動させて被照射位置を静止させることなく移動させる駆動ステージとを備え、撮像素子の１回の露光時間中に駆動ステージが被照射位置を移動させる軌跡は、測定点を中心とする円周となり、受光面における反射光の集光位置の変位を計測することで被照射面の変位を測定するので、対象物の表面に微細な凹凸が存在する場合に、測定時間の大幅な増加を伴わず、対象物の設置が容易で、高精度に対象物の表面の変位を測定できる。
また、本発明における変位測定装置は、対象物の被照射面における被照射位置に集光された照射光を照射して照射スポットを形成する投光光学系と、投光光学系の光軸と斜めに交わる光軸を有しており照射光が被照射位置で反射された反射光を撮像素子の受光面に集光する受光光学系と、撮像素子の露光時間中は、投光光学系と対象物とを相対的に移動させて被照射位置を静止させることなく移動させる駆動ステージとを備え、駆動ステージが被照射位置を移動させる方向は、撮像素子の１回の露光時間中に変化し、駆動ステージが被照射位置を移動させる速度は、撮像素子の１回の露光時間中は一定であり、受光面における反射光の集光位置の変位を計測することで被照射面の変位を測定するので、対象物の表面に微細な凹凸が存在する場合に、測定時間の大幅な増加を伴わず、対象物の設置が容易で、高精度に対象物の表面の変位を測定できる。

Claims (9)

1. 対象物の被照射面における被照射位置に集光された照射光を照射する投光光学系と、
   前記投光光学系の光軸と斜めに交わる光軸を有しており前記照射光が前記被照射位置で反射された反射光を撮像素子の受光面に集光する受光光学系と、
   前記撮像素子の露光時間中は、前記投光光学系と前記対象物とを相対的に移動させて前記被照射位置を静止させることなく移動させる駆動ステージとを備え、
   前記駆動ステージが前記被照射位置を移動させる方向は、前記撮像素子の１回の露光時間中に変化し、
   前記受光面における前記反射光の集光位置の変位を計測することで前記被照射面の変位を測定する
   ことを特徴とする変位測定装置。
2. 前記駆動ステージが前記被照射位置を移動させる方向は、前記撮像素子の１回の露光時間中に９０度以上変化することを特徴とする請求項１に記載の変位測定装置。
3. 前記撮像素子の１回の露光時間中に前記駆動ステージが前記被照射位置を移動させる軌跡は、少なくとも一部が円弧となることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の変位測定装置。
4. 前記撮像素子の１回の露光時間中に前記駆動ステージが前記被照射位置を移動させる軌跡は、円周となることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の変位測定装置。
5. 前記円周の直径は、前記被照射面に存在する凹凸の周期よりも大きいことを特徴とする請求項４に記載の変位測定装置。
6. 対象物の被照射面における被照射位置に集光された照射光を照射する投光光学系と、
   前記投光光学系の光軸と斜めに交わる光軸を有しており前記照射光が前記被照射位置で反射された反射光を撮像素子の受光面に集光する第１の受光光学系および第２の受光光学系と、
   前記撮像素子の露光時間中は、前記投光光学系と前記対象物とを相対的に移動させて前記被照射位置を静止させることなく移動させる駆動ステージとを備え、
   前記第１の受光光学系の光軸と前記投光光学系の光軸とを含む平面は、前記第２の受光光学系の光軸と前記投光光学系の光軸とを含む平面とは異なり、
   前記駆動ステージは、前記第１の受光光学系によって受光された光量と前記第２の受光光学系によって受光された光量との違いに基づいて決定された方向に前記被照射位置を移動させ、
   前記第１の受光光学系の前記受光面および前記第２の受光光学系の前記受光面の少なくとも一方における前記反射光の集光位置の変位を計測することで前記被照射面の変位を測定する
   ことを特徴とする変位測定装置。
7. 対象物の被照射面における被照射位置に集光された照射光を照射する投光光学系と、
   前記投光光学系の光軸と斜めに交わる光軸を有しており前記照射光が前記被照射位置で反射された反射光を撮像素子の受光面に集光する受光光学系と、
   前記撮像素子の露光時間中は、前記投光光学系と前記対象物とを相対的に移動させて前記被照射位置を静止させることなく移動させる駆動ステージとを備え、
   前記駆動ステージは、前記撮像素子によって撮影された画像に基づいて決定された方向に前記被照射位置を移動させ、
   前記受光面における前記反射光の集光位置の変位を計測することで前記被照射面の変位を測定する
   ことを特徴とする変位測定装置。
8. 前記撮像素子の１回の露光時間中に前記駆動ステージが前記被照射位置を移動させる量は、前記被照射面に存在する凹凸の周期よりも大きいことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の変位測定装置。
9. 前記受光光学系は、透過率が１％以下のフィルターを備えることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の変位測定装置。

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