TWI658256B - 共焦測量裝置 - Google Patents

Abstract

本發明實現能夠以緊湊的裝置結構來擴大測定範圍的共焦測量裝置。共焦測量裝置（1A）的結構包括：衍射透鏡（11），使從白色LED光源（21）出射的光產生色差；衍射透鏡（13b），使通過衍射透鏡（11）的光的色差增加；以及接物透鏡（12），聚光於測量物件範圍，以使被聚光的光具有沿著光軸的色差。

Description

共焦測量裝置

本發明是有關於一種利用共焦光學系統的共焦測量裝置。

非接觸地對測量對象物的位移進行測定的測量裝置已作為習知技術而為人所知。其中，對於使用共焦光學系統來測定位移的測量裝置，揭示有各種技術。例如在專利文獻1中揭示了一種共焦測量裝置，其通過將接物透鏡與衍射透鏡加以組合，從而抑制因光的波長引起的、對測量對象物的位移進行測量的精度變動。

在專利文獻2中揭示了一種彩色共焦點感測器（chromatic confocal point sensor）光學筆，其為了實現寬的測量物件範圍而具備多個軸向分散合焦要素。 [現有技術文獻]

[專利文獻] 專利文獻1：日本專利特開2012-208102號公報 專利文獻2：日本專利特開2012-173294號公報

[發明所要解決的問題] 此外，在共焦測量裝置中，優選的是可獲得寬的測量對象範圍。

例如，在專利文獻1的技術中，為了擴大測量物件範圍而考慮加大接物透鏡的焦距。然而，若簡單地加大接物透鏡的焦距，則測定中心距離會發生變化，並且性能會大幅變化。

而且，專利文獻2的技術中，為了在多個軸向分散合焦要素之間的區域使光合焦，多個軸向分散合焦要素之間的距離變大。因此導致彩色共焦點感測器光學筆的尺寸變大。

本發明的一形態的目的在於實現一種能夠以緊湊的裝置結構來擴大測量物件範圍的共焦測量裝置。

[解決問題的技術手段] 本發明的一形態的共焦測量裝置是利用共焦光學系統的共焦測量裝置，其結構包括：光源，出射具有多個波長的光；第1衍射透鏡，使從所述光源出射的光產生色差；第2衍射透鏡，使通過所述第1衍射透鏡的光的色差增加；接物透鏡，將通過所述第2衍射透鏡的光沿著光軸聚光於測量物件範圍，以使被聚光的光具有沿著所述光軸的色差；以及測定部，對被所述接物透鏡聚光的光中合焦至測量對象物上的波長的光的強度進行測定。

根據所述結構，使通過第1衍射透鏡而在光中產生的色差借助第2衍射透鏡而進一步增加。被接物透鏡聚光的光具有沿著光軸的大的色差。因此，能夠根據波長來使合焦的位置大不相同，因此能夠加大測量物件範圍。而且，由於使用第2衍射透鏡，因此能夠抑制裝置尺寸的增加。

所述共焦測量裝置中，優選的是設為下述結構：入射至所述接物透鏡的光被準直（collimate），入射至所述接物透鏡的光的有效直徑不變。

根據所述結構，接物透鏡的數值孔徑大致不變。因此，測定中心距離不會發生變化，測定中心距離的性能也不會發生變化。

所述共焦測量裝置也可設為下述結構：在所述接物透鏡的光源側，還包括使光發散的第1發散光學部。

若在接物透鏡的光源側追加第2衍射透鏡，則會加上多餘的折射力，接物透鏡的數值孔徑（Numerical Aperture，NA）會變化。接物透鏡的數值孔徑會影響到測量的性能。根據所述結構，在第2衍射透鏡之前或之後，可借助第1發散光學部來消除（cancel）因第2衍射透鏡所產生的光的匯聚的至少一部分。因此，能夠加大接物透鏡的數值孔徑。

所述共焦測量裝置中，也可設為所述第1發散光學部具有至少一個凹透鏡的結構。

所述共焦測量裝置中，優選的是，當以負值來表達發散系統的焦距時，若設所述第2衍射透鏡的焦距為f1、所述第1發散光學部的焦距為f2、且所述第2衍射透鏡與所述第1發散光學部之間的距離為d，則滿足f1+f2=d。

根據所述結構，在根據合成焦距的公式來對第1衍射透鏡後的光進行了準直的情況下，當滿足f1+f2=d時，入射至接物透鏡的光也變得準直。

而且，在第2衍射透鏡之前或之後，可借助第1發散光學部來消除因第2衍射透鏡所產生的光的匯聚。因此，不會改變測定中心距離，而可追加第2衍射透鏡來擴大測定範圍。

所述共焦測量裝置中，也可設為下述結構：所述第1發散光學部是配置於所述第1衍射透鏡與所述第2衍射透鏡之間，光在所述第2衍射透鏡與所述接物透鏡之間被準直。

根據所述結構，通過第1發散光學部來使光發散，由此，能夠如同光從第2衍射透鏡的焦點位置入射至第2衍射透鏡般地，構成光學系統。由此，不會改變測定中心距離而能有效地使色差產生。

所述共焦測量裝置也可設為下述結構：所述第1衍射透鏡的焦距與所述第2衍射透鏡的焦距相同。

根據所述結構，例如可使用相同設計的衍射透鏡來作為第1衍射透鏡及第2衍射透鏡。因此，共焦測量裝置的製造變得容易。

所述共焦測量裝置中，也可設為下述結構：所述第1衍射透鏡的焦距與所述第2衍射透鏡的焦距不同。

所述共焦測量裝置也可設為下述結構：在所述第1衍射透鏡與所述接物透鏡之間，具備使光的色差增加的第3衍射透鏡、及使光發散的第2發散光學部。

根據所述結構，通過增加衍射透鏡與發散光學部的套組（set）數，能夠使色差進一步增加。因此，能夠加大測量物件範圍。

[發明的效果] 根據本發明的一形態，能夠以緊湊（compact）的裝置結構來擴大測定範圍。

〔實施方式1〕 為了擴大共焦測量裝置的測量物件範圍，必須加大沿著光軸的色差。但是，測量的精度（解析度）依存於接物透鏡的數值孔徑（Numerical Aperture，NA）。因此，若加大接物透鏡的焦距，則測量物件範圍雖會擴大，但測量精度將下降。另一方面，通過加大衍射透鏡的數值孔徑，能夠加大色差。但是，為了加大衍射透鏡的數值孔徑，必須減小衍射槽的間距。衍射槽間距的減小存在製造極限，因此，衍射透鏡的數值孔徑存在極限。

基於圖1至圖6來說明本發明的一實施方式如下。

（共焦測量裝置的基本結構） 本實施方式的共焦測量裝置是利用共焦光學系統來非接觸地測量直至測量對象物為止的距離。利用本實施方式的共焦測量裝置來測量的測量對象物，例如有液晶顯示面板的胞元（cell）間隙等。此處，在共焦光學系統中，通過在與接物透鏡的焦點位置共軛的位置（像位置）處配置具備孔徑效應的針孔（pin hole），從而能夠僅檢測合焦的光。而且，在共焦光學系統中，從點光源出射的光通過接物透鏡而在沿光軸方向具備色差的狀態下聚光至測量對象物上。聚光至測量對象物的表面而反射的光沿相同的光路返回，並聚光至針孔上。在共焦光學系統中，來自焦點以外的反射光幾乎全部被針孔截止（cut），從而僅獲得焦點位置的資訊。通過以上，在共焦光學系統中，在光軸方向上具備解析度，由此能夠實現光軸方向的測量。

圖1是表示本實施方式中的共焦測量裝置1A的結構的示意圖。圖2是表示共焦測量裝置1A中的控制器20的內部結構的示意圖。基於圖1及圖2來說明本實施方式的共焦測量裝置1A的結構。

如圖1所示，本實施方式的共焦測量裝置1A具備：具有共焦光學系統的感測器頭10A；以及經由光纜（cable）2而光學連接的控制器20。

感測器頭10A依序具備衍射透鏡11（第1衍射透鏡）、色差重疊產生部13及接物透鏡12。

衍射透鏡11是如下所述的光學元件，即，對於從白色發光二極體（Light Emitting Diode，LED）光源21（後述）出射且通過光纜2而入射至感測器頭10A的白色光，使其產生沿著光軸方向的色差，所述白色LED光源21是作為出射具有多個波長的光的光源。

所述衍射透鏡11具有下述結構，即，在玻璃或樹脂等單一材料的基板上，形成有使色差沿著光軸方向產生的圖案（pattern）。具體而言，在衍射透鏡11的透鏡表面，週期性地形成有例如波面形狀或階梯形狀等的細微起伏形狀、或者形成有週期性地變更光的透射率的振幅型波帶片（zone plate）。另外，衍射透鏡11並不限定於在單一材料的基板上形成有使色差產生的圖案的結構，例如也可由多個材料所構成。具體而言，也可具有玻璃基板與樹脂層，所述樹脂層形成在所述玻璃基板的單面，且具有使色差沿著光軸方向而產生的圖案。此時，例如樹脂層可通過下述方法來形成，即，在玻璃基板塗布紫外線固化樹脂，並將所需圖案的模具按壓至紫外線固化樹脂的塗布面，照射紫外線來使紫外線固化樹脂固化。

僅包含玻璃的衍射透鏡11是通過對硬的玻璃進行加工，來形成使色差沿著光軸方向產生的圖案，因此製造成本昂貴。但是，包含玻璃基板和樹脂層的衍射透鏡11是通過利用所需圖案的模具來對樹脂層進行加工，而形成使色差沿著光軸方向產生的圖案。因此，製造成本變得廉價。

另外，僅包含樹脂的衍射透鏡11因環境溫度造成的形狀變化大，溫度特性差。然而，前述包含玻璃基板和樹脂層的衍射透鏡11中，因環境溫度造成的形狀變化小的玻璃基板佔據了結構的大部分。因此，溫度特性佳。

色差重疊產生部13是在衍射透鏡11所產生的軸上色差上重疊地產生軸上色差。色差重疊產生部13將在後文詳述。

接物透鏡12是將因衍射透鏡11及色差重疊產生部13產生了色差的光聚光至測量物件範圍的光學元件。經聚光的光具有沿著光軸的色差。測量物件範圍是可通過共焦測量裝置1A來測量的光軸方向的位置範圍。測量對象物M被配置在測量物件範圍內。本實施方式的接物透鏡12是使用普通的光學透鏡。然而，未必限於此，例如也可使用將由折射率不同的兩種玻璃材所製作的凸透鏡與凹透鏡靠近或粘合而成的消色差透鏡（achromatic lens）。

光纜2將從後述的控制器20的內部所設的白色LED光源21出射的光導向感測器頭10A。為了使從光纜2出射的光在衍射透鏡11中得到有效利用，優選使光纜2的數值孔徑與衍射透鏡11的數值孔徑一致。

而且，本實施方式的共焦測量裝置1A中，光纜2是從控制器20直至感測器頭10A為止的光路，並且也作為針孔發揮功能。即，經接物透鏡12聚光的光中的、合焦至測量對象物M上的波長的光將合焦至光纜2的芯線（core）。因此，光纜2將作為針孔發揮功能，阻擋未合焦至測量對象物M上的波長的光而使合焦至測量對象物M上的光通過。其結果，本實施方式中，通過對從控制器20直至感測器頭10A為止的光路使用光纜2，具有不需要針孔的優點（merit）。

另外，本實施方式的共焦測量裝置1A中，也可為對從控制器20直至感測器頭10A為止的光路不使用光纜2的結構。但是，通過對此光路使用光纜2，能夠使感測器頭10A相對於控制器20而可撓性（flexible）地移動。

而且，光纜2使用多模光纖（multimode fiber）或單模光纖（singlemode fiber）中的哪一種皆可。

使用多模光纖的光纜2由於光纖的直徑大，因此能夠減少對來自白色LED光源21的出射光進行傳輸時的光功率（power）的損失（loss），即便是反光率低的測量對象物，也能夠以高的訊噪比（Signal-to-Noise，S/N）比來穩定地進行測量。

另一方面，使用單模光纖的光纜2由於光纖的直徑小至數μm，因此可理想地作為針孔發揮功能。由此，能夠縮窄受光波形的半值寬度，從而能夠高精度地進行測量。

而且，對於光纜2，理想的是使用耐彎曲光纖。感測器頭10A多安裝於電子零件安裝裝置等的驅動部分，此時，感測器頭10A自身也將移動。因此，連接於感測器頭10A的光纜2會不斷地朝感測器頭10A的移動方向彎曲，因此通過使用耐彎曲光纖，能夠防止損傷。

接下來，控制器20在內部具備作為白色光源的白色發光二極體（Light Emitting Diode，LED）光源21、分支光纖22、分光器23、受光元件24及處理部25，並且在外部具備監視器（monitor）26。

白色LED光源21包含LED光源，本實施方式中，出射白色光。另外，本實施方式中，是使用白色LED光源21來作為光源，但未必限於此，只要是能夠出射具有多個波長的光的光源，則也可為其他光源。

分支光纖22在與光纜2的連接側具有一根光纖22a，並且在與光纜2的相反側具有兩根光纖22b、22c。光纖22b連接於白色LED光源21。另一方面，光纖22c連接於分光器23。其結果，分支光纖22將從白色LED光源21出射的光導向光纜2，並且將通過光纜2而從感測器頭10A返回的光導向分光器23。

如圖2所示，分光器23具備準直透鏡23a、衍射光柵23b及聚光透鏡23c。準直透鏡23a對從感測器頭10A返回的光進行準直。衍射光柵23b使被準直透鏡23a準直的光發生衍射，由此來進行分光。聚光透鏡23c使從衍射光柵23b出射的光對應於每個波長而聚光至受光元件24的不同位置。

作為受光元件24，可使用對從分光器23出射的光的強度進行測定的例如線形互補金屬氧化物半導體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）或電荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）。此處，本實施方式的共焦測量裝置1A中，由分光器23及受光元件24構成對應於每個波長來對從感測器頭10A返回的光的強度進行測定的測定部。即，測定部對被接物透鏡聚光的光中合焦至測量對象物M上的波長的光的強度進行測定。另外，測定部只要能夠對應於每個波長來對從感測器頭10A返回的光的強度進行測定，則也可由CCD等的受光元件24的單體所構成。而且，受光元件24也可為二維的CMOS或二維的CCD。

如圖1所示，處理部25是對白色LED光源21及受光元件24等的動作進行控制的電路。在處理部25中，設有輸出用於對白色LED光源21或受光元件24等的動作進行控制的訊號的未圖示的輸出介面（interface）、及輸入來自受光元件24的訊號的未圖示的輸入介面等。處理部25根據在各圖元中所接收的光的強度，來確定合焦至測量對象物M上的光的波長，並根據此波長來確定測量對象物M的位置（光軸方向的位置）。處理部25使所確定的位置顯示於監視器26上。監視器26基於來自處理部25的指示，顯示所確定的測量對象物M的位置。

（共焦測量裝置中的距離測定動作） 接下來，基於圖1來說明所述結構的共焦測量裝置1A中的直至測量對象物M為止的距離的測定動作。

如圖1所示，在共焦測量裝置1A中，從白色LED光源21出射具有多個波長的光的白色光。所述白色光通過光纜2而入射至感測器頭10A的衍射透鏡11。

在衍射透鏡11中，沿著光軸而產生色差。產生了色差的光通過接物透鏡12，由此在高度方向（光軸方向）上受到分色。產生了沿著光軸的色差的光被聚光，由此被分色為所謂的彩虹色。在靠近接物透鏡12處，長波長的紅色被聚光，隨著遠離接物透鏡12，短波長的藍色被聚光。測量物件範圍是任一波長的光合焦的範圍。

此處，若在感測器頭10A中的測量物件範圍記憶體在測量對象物M，則僅有合焦至測量對象物M表面上的波長的反射光會通過共焦光學系統（接物透鏡12、色差重疊產生部13、衍射透鏡11）而合焦至光纜2的端面。控制器20中，也如圖2中所示，反射光首先入射至分光器23，並經由衍射光柵23b而入射至包含CCD等的受光元件24。此處，本實施方式中，由於光纜2具有針孔功能，因此未合焦至光纜2的波長的光不會被接收。

其結果，在包含CCD等的受光元件24中，根據光的波長，在CCD中哪個圖元進行受光將會變化。因此，通過在處理部25中進行圖元的確定，便可知合焦至測量對象物M表面的光的波長。在處理部25中，對應於每個波長，從感測器頭10A（例如感測器頭10A的端面或接物透鏡12）直至測量對象物M的距離通過換算式而相關聯。因此，根據包含CCD等的受光元件24中的受光波形的資訊，便可測量出從感測器頭10A的端面（或接物透鏡12）直至測量對象物M表面為止的距離。所測量出的值被顯示在監視器26上。

如此，本實施方式的共焦測量裝置1A中，利用衍射透鏡11及色差重疊產生部13來分色，通過色（波長）來對測量對象物M的高度方向的位置進行測量，以求出測量對象物M的距離。

（共焦測量裝置的色差重疊產生部） 接下來，以下說明本實施方式的共焦測量裝置1A中的色差重疊產生部13。

圖3中的（a）是表示共焦測量裝置1A中的包含色差重疊產生部13的感測器頭10A的結構的剖面圖，圖3中的（b）是表示除了色差重疊產生部13以外的感測器頭的結構的剖面圖。

如圖3中的（b）所示，在感測器頭中，使從光纜2的端部出射的光入射至衍射透鏡11，利用衍射透鏡11來使其產生軸上色差。並且，通過衍射透鏡11的焦距f11與接物透鏡12的焦距f12的組合，來控制測定範圍R（測量物件範圍）。

此處，在共焦測量裝置中，加大測定範圍R便能夠測定寬的範圍，因而優選。

因此，作為使測定範圍R增加的方法，例如可考慮加大接物透鏡12的焦距f12。然而，為了加大接物透鏡12的焦距f12，必須準備另外的接物透鏡12。而且，若加大接物透鏡12的焦距f12，則測定中心距離將變長（即，接物透鏡12的數值孔徑將變小）。因此，解析度會下降，因此精度將發生惡化。

而且，作為使測定範圍R增加的其他方法，例如可考慮減小衍射透鏡11的焦距f11（加大數值孔徑）。然而，為了減小衍射透鏡11的焦距f11，必須準備另外的衍射透鏡11。衍射透鏡11的數值孔徑存在製造上的極限。

如圖3中的（a）所示，本實施方式的共焦測量裝置1A中，除了衍射透鏡11以外，在衍射透鏡11與接物透鏡12之間還設有色差重疊產生部13。

具體而言，本實施方式的色差重疊產生部13包含凹透鏡13a（第1發散光學部）與衍射透鏡13b（第2衍射透鏡）。凹透鏡13a是相對於衍射透鏡13b而設在衍射透鏡11側、即設在與接物透鏡12為相反側的位置即負側的位置。凹透鏡13a是使光發散的發散光學元件。

此處，若設衍射透鏡13b的焦距為f1、凹透鏡13a的焦距為f2、且衍射透鏡13b與凹透鏡13a的之間的距離為d，則滿足f1+f2=d。由此，在根據合成焦距的公式而對衍射透鏡11後的光進行了準直的情況下，入射至接物透鏡12的光（從衍射透鏡13b出射的光）也變得準直。另外，以負值表達發散系統的焦距。

另外，焦距是相對於白色光中所含的代表波長的值。代表波長只要是合焦至測定範圍的光的波長，則並無限定。此處，將合焦至測定範圍中心的光的波長（白色光的波長範圍的大致中心的波長）設為代表波長。

通過了衍射透鏡11的光在衍射透鏡11與凹透鏡13a之間被準直。被準直的光通過凹透鏡13a而發散，並入射至衍射透鏡13b。被凹透鏡13a發散的光以與從衍射透鏡13b的焦點位置入射至衍射透鏡13b的光相同的角度，而入射至衍射透鏡13b。衍射透鏡13b使通過的光的色差增加。通過了衍射透鏡13b的光在衍射透鏡13b與接物透鏡12之間被準直。接物透鏡12是使通過了衍射透鏡13b的光沿著光軸聚光至測定範圍內，以使被聚光的光具有沿著光軸的色差。更準確而言，因所產生的色差，每個波長的光的行進方向不同，在衍射透鏡11與凹透鏡13a之間以及衍射透鏡13b與接物透鏡12之間，代表波長的光成為平行光。

其結果，將衍射透鏡11與色差重疊產生部13加以組合時的衍射透鏡群31的焦距f31與衍射透鏡11的焦距f11相同。因此，即使將衍射透鏡11與色差重疊產生部13加以組合，接物透鏡12的測定中心距離也不會發生變化。

另一方面，本實施方式中，在衍射透鏡11中產生軸上色差，並且在色差重疊產生部13中也重疊地產生軸上色差。並且，衍射透鏡11與衍射透鏡13b均為相同的焦距，且衍射透鏡13b後的光被準直。其結果，共焦測量裝置1A的測定範圍與不存在色差重疊產生部13的情況（R）相比，擴大為約2倍（2R）。

圖4（a）是表示共焦測量裝置1A中的感測器頭10A的光路的圖。圖4（b）是表示測量對象物M附近的多個波長的合焦位置的圖。圖5（a）是表示通過共焦測量裝置1A中的感測器頭10A的衍射透鏡11的光路的圖。圖5（b）是表示通過感測器頭10A的衍射透鏡11及凹透鏡13a的光路的圖。圖5（c）是表示通過感測器頭10A的衍射透鏡11及色差重疊產生部13的光路的圖。

如圖4（a）及圖4（b）所示，從白色LED光源21出射各種波長的光。所述光通過衍射透鏡11、色差重疊產生部13及接物透鏡12後被測量對象物M反射（散射）。此時，接物透鏡12對光進行聚光，但因所產生的色差，根據波長而合焦的位置不同。並且，合焦至測量對象物M上並被反射的光是與原始的光路逆向地前進。

如圖5（a）所示，若對每個透鏡來驗證所述光路，則通過焦距f11的衍射透鏡11的光中，代表波長的光是平行地前進，除此以外的光則一邊匯聚或發散一邊前進。

如圖5（b）所示，若在衍射透鏡11的接物透鏡12側存在焦距f2的凹透鏡13a，則從凹透鏡13a出射的光會稍許發散而前進。即，凹透鏡13a是位於衍射透鏡11與衍射透鏡13b之間，使從衍射透鏡11入射的平行光看起來如同從衍射透鏡13b的焦點位置發光般地導向衍射透鏡13b。

如圖5（c）所示，若在凹透鏡13a的接物透鏡12側存在焦距f1的衍射透鏡13b，則對於具有以衍射透鏡11所產生的軸上色差的光，利用衍射透鏡13b來重疊地產生軸上色差。衍射透鏡13b使入射的光的色差進一步增加。通過焦距f1的衍射透鏡13b的光中，代表波長的光是平行地前進，除此以外的光則一邊匯聚或發散一邊前進。其結果，光具有比因衍射透鏡11所產生的色差大的色差而被導向接物透鏡12。

另外，衍射透鏡11的焦距f11小，則軸上色差大。因此，若採用包含製造極限焦距f11的衍射透鏡11，當使用相同焦距f1的衍射透鏡來作為衍射透鏡13b時，則測定範圍將達到最大。

如此，本實施方式的共焦測量裝置1A中，光相對於接物透鏡12而準直地入射，因此不會改變測定中心距離，而能夠獲得更大的測定範圍。

圖6是表示從共焦測量裝置1A的感測器頭10A拆除了色差重疊產生部13後的結構的參考圖。

優選在維持共焦測量裝置的性能的狀態下增加測定範圍。此處，在測定範圍內性能不變，是指受光元件所接收的光的強度的半值全寬不會根據波長而變化。即是指接物透鏡12側的數值孔徑NA2為固定。

半值全寬在測定範圍內不同是因為根據波長而接物透鏡12側的數值孔徑NA2不同所引起。另外，半值全寬是由景深所決定，且由針孔直徑、針孔側的數值孔徑NA1與接物透鏡12的數值孔徑NA2所決定。此處，針孔直徑及針孔側的數值孔徑NA1無論在哪個波長下均為共用，因此接物透鏡12的數值孔徑NA2的波長依存性成為半值全寬變化的主要因素。

但是，通過追加色差重疊產生部13，當接物透鏡12的數值孔徑NA2發生變化時，精度會發生變化。假設僅在衍射透鏡11與接物透鏡12之間追加衍射透鏡13b，則會追加多餘的折射力，因此接物透鏡12側的焦距（=測定中心距離）將發生變化，數值孔徑NA2也會發生變化。

因此，本實施方式中，為了防止所述問題，追加了凹透鏡13a。即，利用凹透鏡13a來抵消所追加的衍射透鏡13b的折射力。

〔實施方式2〕 基於圖7來說明本發明的另一實施方式如下。另外，本實施方式中所說明的結構以外的結構與所述實施方式1相同。而且，為了便於說明，對於與所述實施方式1的附圖中所示的構件具有相同功能的構件，標注相同的符號，並省略其說明。

所述實施方式1的共焦測量裝置1A中，在感測器頭10A中，除了衍射透鏡11以外，還追加了一個色差重疊產生部13。與此相對，本實施方式的共焦測量裝置1B中，不同之處在於，在感測器頭10B中，設有兩個色差重疊產生部13。以下說明本實施方式的共焦測量裝置1B的結構。

圖7是表示本實施方式中的共焦測量裝置1B的感測器頭10B的結構的剖面圖。

如圖7所示，在本實施方式中的共焦測量裝置1B的感測器頭10B中，除了衍射透鏡11以外，還在所述衍射透鏡11與接物透鏡12之間追加了兩個色差重疊產生部13、13。色差重疊產生部13如實施方式1中所說明般，包含將凹透鏡13a與衍射透鏡13b組合而成者。此處，兩個色差重疊產生部13、13彼此相同。在任一色差重疊產生部13中，相對於衍射透鏡11的焦距f11，凹透鏡13a均為焦距f2，且衍射透鏡13b的焦距均為f1。另外，與實施方式1同樣，若設衍射透鏡13b與凹透鏡13a之間的距離為d，則滿足f1+f2=d。

由此，在衍射透鏡11側的色差重疊產生部13中，借助凹透鏡13a的焦距f2與衍射透鏡13b的焦距f1，當被準直的光入射至色差重疊產生部13時，從色差重疊產生部13出射被準直的光。

如此，在設置多個色差重疊產生部13的情況下，關鍵在於使入射至接物透鏡12的光準直。其原因在於，由此可不改變測定中心距離而高效地擴大測定範圍。

其結果，將衍射透鏡11與兩個色差重疊產生部13、13組合而成的衍射透鏡群32的焦距為與衍射透鏡11的焦距f11相同的焦距f32。

因此，將衍射透鏡11與兩個色差重疊產生部13、13組合而成的衍射透鏡群32的焦距f32僅相對於衍射透鏡11的焦距f11未發生變化。因此，接物透鏡12中的測定中心距離未發生變化。

但是，由於相對於衍射透鏡11追加了兩個衍射透鏡13b，因此以衍射透鏡11所產生的軸上色差成為三倍的大小。其結果，測定範圍擴大至R'=3×R。

即，本實施方式中，衍射透鏡11及衍射透鏡13b、13b合計為三個，因此測定範圍R'=3×R。

因此，一般而言，若衍射透鏡11及衍射透鏡13b合計為N（N為正整數）個，則 測定範圍R'=N×R。 因此可知，共焦測量裝置1B的測定範圍R'與僅有衍射透鏡11的情況相比成為N倍。即，若將衍射透鏡群32的衍射透鏡11與衍射透鏡13b的數量設為N個，則色差成為N倍，若與同一接物透鏡12組合，則可在保持測定中心距離相同的狀態下使測定範圍R'成為N倍。

如此，本實施方式中的共焦測量裝置1B中，當設色差重疊產生部13中的凹透鏡13a的焦距為f2、衍射透鏡13b的焦距為f1、兩個透鏡間距離為d時，只要滿足f1+f2=d，則為存在任何組色差重疊產生部13的結構皆可。進而，所追加的凹透鏡13a的數量為任何片皆可。

（變形例） 兩個凹透鏡13a及兩個衍射透鏡13b的配置順序並不限於圖示例，可設為任意配置順序。例如，也可依衍射透鏡11、衍射透鏡13b、衍射透鏡13b、凹透鏡13a、凹透鏡13a、接物透鏡12的配置順序而排列。

另外，多個色差重疊產生部13中，一個色差重疊產生部13的凹透鏡13a（及衍射透鏡13b）的焦距與另一色差重疊產生部13的凹透鏡13a（及衍射透鏡13b）的焦距也可不同。而且，一個色差重疊產生部13中，凹透鏡13a及衍射透鏡13b的位置關係與另一色差重疊產生部13的凹透鏡13a及衍射透鏡13b的位置關係也可不同。但是，若衍射透鏡13b後的光並非準直，則無法高效率地重疊色差，因此即使追加N個色差重疊產生部13，測定範圍R'也達不到（原始的測定範圍R）×（N+1）。

〔實施方式3〕 基於圖8來說明本發明的又一實施方式如下。另外，本實施方式中所說明的結構以外的結構與所述實施方式1及實施方式2相同。而且，為了便於說明，對於與所述實施方式1及實施方式2的附圖中所示的構件具有相同功能的構件，標注相同的符號，並省略其說明。

所述實施方式1的共焦測量裝置1A中，在感測器頭10A中設有一個色差重疊產生部13。並且，色差重疊產生部13中的衍射透鏡13b的焦距為與衍射透鏡11的焦距f11相同的焦距f1。

與此相對，本實施方式的共焦測量裝置1C中，相同之處在於，在感測器頭10C中，除了衍射透鏡11以外，還追加有一個色差重疊產生部14，但不同之處在於，色差重疊產生部14中的衍射透鏡14b的焦距為與衍射透鏡13b的焦距f1不同的焦距f3。以下說明本實施方式的共焦測量裝置1C的結構。

圖8是表示本實施方式中的共焦測量裝置1C的感測器頭10C的結構的剖面圖。

如圖8所示，在本實施方式中的共焦測量裝置1C的感測器頭10C中，除了衍射透鏡11以外，還追加了一個色差重疊產生部14。此處，本實施方式中，色差重疊產生部14中的衍射透鏡14b（第3衍射透鏡）的焦距為與衍射透鏡11（第1衍射透鏡）的焦距f11不同的焦距f3。而且，與所述衍射透鏡14b的焦距f3對應地，當凹透鏡14a（第2發散光學部）的焦距f4滿足f3+f4=d（透鏡間距離）時，在色差重疊產生部14中，凹透鏡14a消除衍射透鏡14b的匯聚。由此，通過了衍射透鏡14b的光被準直。

其結果，將衍射透鏡11與一個色差重疊產生部14組合而成的衍射透鏡群33的焦距為與衍射透鏡11的焦距f11相同的焦距f33。因此，接物透鏡12中的測定中心距離不會發生變化。

本實施方式中，是將焦距互不相同的衍射透鏡11與衍射透鏡14b予以組合。由此，以衍射透鏡11所產生的色差成為A倍（A為大於1的實數）。其結果，測定範圍為R'=A×R。本實施方式的共焦測量裝置1C中，可自由地改變測定範圍。

因此，通過此共焦測量裝置1C的結構，也能夠與實施方式2的共焦測量裝置1B同樣地獲得擴大的測定範圍。並且，在本實施方式的情況下，色差重疊產生部14的個數不增加，因此共焦測量裝置1C能夠簡化共焦測量裝置1B的結構。

另外，本實施方式中，是以不增加色差重疊產生部14的個數為前提，但在本發明的一形態中，未必限於此，也可增加色差重疊產生部14的個數。 （變形例） 也可在共焦測量裝置1C的共焦光學系統中進一步追加實施方式2的色差重疊產生部13。如此，也可配置焦距f1的衍射透鏡13b與焦距f3的衍射透鏡14b。

本發明並不限定於所述的各實施方式，可在權利要求所示的範圍內進行各種變更，將不同實施方式中分別揭示的技術手段適當組合獲得的實施方式也包含在本發明的技術範圍內。

1A、1B、1C‧‧‧共焦測量裝置

2‧‧‧光纜

10A、10B、10C‧‧‧感測器頭

11‧‧‧衍射透鏡（第1衍射透鏡）

12‧‧‧接物透鏡

13a、14a‧‧‧凹透鏡（第1發散光學部、第2發散光學部）

13、14‧‧‧色差重疊產生部

13b、14b‧‧‧衍射透鏡（第2衍射透鏡、第3衍射透鏡）

20‧‧‧控制器

21‧‧‧白色LED光源（光源）

22‧‧‧分支光纖

22a、22b、22c‧‧‧光纖

23‧‧‧分光器（測定部）

23a‧‧‧準直透鏡

23b‧‧‧衍射光柵

23c‧‧‧聚光透鏡

24‧‧‧受光元件（測定部）

25‧‧‧處理部

26‧‧‧監視器

31、32、33‧‧‧衍射透鏡群

M‧‧‧測量對象物

NA₁、NA₂‧‧‧數值孔徑

R、R'‧‧‧測定範圍

N‧‧‧正整數

A‧‧‧大於1的實數

圖1是表示本發明的一實施方式中的共焦測量裝置，是表示共焦測量裝置的結構的示意圖。 圖2是表示所述共焦測量裝置中的控制器的內部結構的示意圖。 圖3中的（a）是表示所述共焦測量裝置中的包含色差重疊產生部的感測器頭的結構的剖面圖，圖3中的（b）是表示除了所述色差重疊產生部以外的感測器頭的結構的剖面圖。 圖4（a）是表示所述共焦測量裝置中的感測器頭的光路的圖，圖4（b）是表示測量對象物附近的多個波長的合焦位置的圖。 圖5（a）是表示通過所述共焦測量裝置中的感測器頭的衍射透鏡的光路的圖，圖5（b）是表示通過所述感測器頭的衍射透鏡及凹透鏡的光路的圖，圖5（c）是表示通過所述感測器頭的衍射透鏡及色差重疊產生部的光路的圖。 圖6是表示從所述共焦測量裝置的感測器頭中拆除色差重疊產生部後的結構的參考圖。 圖7是表示本發明的另一實施方式中的共焦測量裝置，是表示共焦測量裝置中的感測器頭的結構的剖面圖。 圖8是表示本發明的又一實施方式中的共焦測量裝置，是表示共焦測量裝置中的感測器頭的結構的剖面圖。

Claims (9)

1. 一種共焦測量裝置，其利用共焦光學系統，所述共焦測量裝置的特徵在於包括：光源，出射具有多個波長的光；第1衍射透鏡，使從所述光源出射的光產生色差；第2衍射透鏡，使通過所述第1衍射透鏡的光的色差增加；接物透鏡，將通過所述第2衍射透鏡的光沿著光軸聚光於測量物件範圍，以使被聚光的光具有沿著所述光軸的色差；測定部，對被所述接物透鏡聚光的光中合焦至測量對象物上的波長的光的強度進行測定；以及使光發散的第1發散光學部，在所述第1衍射透鏡的接物透鏡側。
2. 如申請專利範圍第1項所述的共焦測量裝置，其中，入射至所述接物透鏡的光被準直。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的共焦測量裝置，其中，使光發散的所述第1發散光學部在所述接物透鏡的光源側。
4. 如申請專利範圍第3項所述的共焦測量裝置，其中，所述第1發散光學部具有至少一個凹透鏡。
5. 如申請專利範圍第3項所述的共焦測量裝置，其中，當以負值來表達發散系統的焦距時，滿足f1+f2=d，其中所述第2衍射透鏡的焦距為f1，所述第1發散光學部的焦距為f2，且所述第2衍射透鏡與所述第1發散光學部之間的距離為d。
6. 如申請專利範圍第3項所述的共焦測量裝置，其中，所述第1發散光學部是配置於所述第1衍射透鏡與所述第2衍射透鏡之間，光在所述第2衍射透鏡與所述接物透鏡之間被準直。
7. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的共焦測量裝置，其中，所述第1衍射透鏡的焦距與所述第2衍射透鏡的焦距相同。
8. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的共焦測量裝置，其中，所述第1衍射透鏡的焦距與所述第2衍射透鏡的焦距不同。
9. 如申請專利範圍第3項所述的共焦測量裝置，其中更包括，使光的色差增加的第3衍射透鏡以及使光發散第2發散光學部，在所述第1衍射透鏡與所述接物透鏡之間。