(57)【要約】【課題】構成および処理を簡潔化でき、かつ、測定精度を向上させた非接触式変位計を提供する。【解決手段】非接触式変位計１は、受光信号Ｓｍ，Ｓｒに基づいて、測定光が測定対象物Ｗの表面で合焦した測定側合焦タイミング、参照光が第１参照面７１ｓで合焦した第１参照側合焦タイミング、および、参照光が第２参照面７２ｓで合焦した第２参照側合焦タイミングを算出する合焦タイミング算出部と、第１参照側合焦タイミング、第２参照側合焦タイミング、および、参照側対物レンズ５５から第１参照面７１ｓまでの光路長と参照側対物レンズ５５から第２参照面７２ｓまでの光路長との差である光路長差Ｌに基づいて、液体レンズユニット２の屈折率特性を算出する特性算出部と、駆動信号Ｃｆの周期に対する測定側合焦タイミングの位相および屈折率特性に基づいて、測定対象物Ｗの位置を算出する位置算出部と、を備える。【選択図】図１
2020024126.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を出射する光源と、
入力される駆動信号に応じて屈折率が周期的に変化する液体レンズユニットと、
前記光源から出射されて前記液体レンズユニットを通過した光を測定光および参照光に分離させる光分離部と、
前記光分離部により分離された前記測定光を測定対象物に照射させる測定側対物レンズと、
前記光分離部により分離された前記参照光が入射される参照側対物レンズと、
前記参照側対物レンズからの光路長が互いに異なる第１参照部および第２参照部を有し、前記参照側対物レンズを透過した前記参照光を前記第１参照部および前記第２参照部のそれぞれに入射させる参照光路部と、
前記測定対象物で反射された前記測定光および前記参照光路部を経由した前記参照光を受光して受光信号を出力する受光部と、
前記受光信号に基づいて、前記測定光が前記測定対象物の表面で合焦した測定側合焦タイミング、前記参照光が前記第１参照部で合焦した第１参照側合焦タイミング、および、前記参照光が前記第２参照部で合焦した第２参照側合焦タイミングを算出する合焦タイミング算出部と、
前記第１参照側合焦タイミング、前記第２参照側合焦タイミング、および、前記参照側対物レンズから前記第１参照部までの光路長と前記参照側対物レンズから前記第２参照部までの光路長との差である光路長差に基づいて、前記液体レンズユニットの屈折率特性を算出する特性算出部と、
前記駆動信号の周期に対する前記測定側合焦タイミングの位相および前記屈折率特性に基づいて、前記測定対象物の位置を算出する位置算出部と、を備えることを特徴とする非接触式変位計。
【請求項２】
請求項１に記載の非接触式変位計において、
前記駆動信号に同期した基準信号を出力する基準信号出力部をさらに備え、
前記特性算出部は、前記基準信号に対する前記第１参照側合焦タイミングの遅延時間および前記基準信号に対する前記第２参照側合焦タイミングの遅延時間に基づいて、前記液体レンズユニットの前記屈折率特性を算出し、
前記位置算出部は、前記基準信号に対する前記測定側合焦タイミングの遅延時間に基づいて、前記測定側合焦タイミングの位相を算出することを特徴とする非接触式変位計。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の非接触式変位計において、
前記参照光路部は、
前記参照光の一部が反射される第１参照面を、前記第１参照部として有する部分反射ミラーと、
前記第１参照面を透過した前記参照光が反射される第２参照面を、前記第２参照部として有する反射ミラーと、を備えることを特徴とする非接触式変位計。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の非接触式変位計において、
前記参照光路部は、
前記参照側対物レンズを通過した前記参照光を分離させる参照光路分離部と、
前記参照光路分離部により分離された第１の前記参照光が入射される第１参照端面を、前記第１参照部として有する第１光ファイバと、
前記参照光路分離部により分離された第２の前記参照光が入射される第２参照端面を、前記第２参照部として有する第２光ファイバと、を備えることを特徴とする非接触式変位計。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の非接触式変位計において、
前記光源は、前記測定光を出射する測定光源と、前記参照光を出射する参照光源とを有し、
前記受光部は、前記測定対象物で反射された前記測定光を受光して、前記測定光に起因する前記受光信号を出力する測定光受光部と、前記参照光路部を経由した前記参照光を受光して、前記参照光に起因する前記受光信号を出力する参照光受光部と、を有することを特徴とする非接触式変位計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触式変位計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、測定対象物の表面の変位を測定する非接触式変位計として、レーザ変位センサやクロマティックポイントセンサなどが存在する。このような非接触式変位計では、測定光の合焦位置を変化させながら測定対象物での反射光を検出することで、測定対象物の表面までの距離を求めている。
【０００３】
例えば、レーザ変位センサは、共焦点方式等を利用しており、対物レンズを光軸上で駆動することで合焦位置を変化させる。そして、測定対象物の表面で反射した測定光を検出したときの対物レンズの光軸上の位置情報に基づいて、測定対象物の表面までの距離を求める（例えば特許文献１参照）。
一方、クロマティックポイントセンサは、白色共焦点方式を利用しており、白色光源を軸上色収差によって分散させることで、波長毎の合焦位置を変化させる。そして、波長毎の強度プロファイルを分析することで、測定対象物の表面で合焦した波長光を検出し、当該波長光に基づいて測定対象物の表面までの距離を求める（例えば特許文献２参照）。
【０００４】
ところで、近年、屈折率が周期的に変化する液体レンズシステム（以下単にレンズシステムと呼ぶ）を利用した焦点距離可変レンズが開発されている（例えば特許文献３参照）。
レンズシステムは、圧電材料で形成された円筒状の振動部材を、透明な液体に浸漬して形成される。レンズシステムにおいて、振動部材の内周面と外周面とに交流電圧を印加すると、振動部材が厚み方向に伸縮し、振動部材の内側の液体を振動させる。液体の固有振動数に応じて印加電圧の周波数を調整することで、液体には同心円状の定在波が形成され、振動部材の中心軸線を中心として屈折率が異なる同心円状の領域が形成される。このため、レンズシステムにおいて、振動部材の中心軸線に沿って光を通せば、この光は同心円状の領域ごとの屈折率に従って、発散または収束する経路を辿ることになる。
【０００５】
焦点距離可変レンズは、前述したレンズシステムと、焦点を結ぶための対物レンズ（例えば通常の凸レンズあるいはレンズ群）とを、同じ光軸上に配置して構成される。
通常の対物レンズに平行光を入射させると、レンズを通過した光は所定の焦点距離にある焦点位置に焦点を結ぶ。これに対し、対物レンズと同軸に配置されたレンズシステムに平行光を入射させると、この光はレンズシステムで発散または収束され、対物レンズを通過した光は元の（レンズシステムがなかった状態の）焦点位置よりも遠くまたは近くにずれた位置に焦点を結ぶ。
従って、焦点距離可変レンズにおいては、レンズシステムに入力される駆動信号（内部の液体に定在波を発生させる周波数の交流電圧）を印加し、この駆動信号の振幅を増減させることで、焦点距離可変レンズとしての焦点位置を一定の範囲内（対物レンズの焦点距離を基準としてレンズシステムにより増減できる所定の変化幅）で任意に制御することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１-２３２１９号公報
【特許文献２】特開２００９−１２２１０５号公報
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１０／０１７７３７６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述した従来の非接触式変位計には、以下の問題が存在する。
レーザ変位計では、対物レンズを駆動するレンズ駆動機構およびレンズ駆動機構の駆動量を測定するためのスケールが必須になり、その構造が複雑化してしまう。一方、クロマティックポイントセンサでは、レンズ駆動機構やスケールが必須でないものの、波長毎の強度プロファイルを分析するために、データ処理量が多くなる。
【０００８】
本発明者は、従来の非接触式変位計における問題を解決するために、前述の焦点距離可変レンズを非接触式変位計に利用することを検討している。しかし、焦点距離可変レンズは、時間の経過や温度の変動等による影響を受けることにより、焦点距離可変範囲などの特性が変化する。このため、焦点距離可変レンズを利用した非接触式変位計では、焦点距離可変レンズの特性の変化に起因して、測定精度が低下する可能性がある。
【０００９】
本発明の目的は、構成および処理を簡潔化でき、かつ、測定精度を向上させた非接触式変位計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の非接触式変位計は、光を出射する光源と、入力される駆動信号に応じて屈折率が周期的に変化する液体レンズユニットと、前記光源から出射されて前記液体レンズユニットを通過した光を測定光および参照光に分離させる光分離部と、前記光分離部により分離された前記測定光を測定対象物に照射させる測定側対物レンズと、前記光分離部により分離された前記参照光が入射される参照側対物レンズと、前記参照側対物レンズからの光路長が互いに異なる第１参照部および第２参照部を有し、前記参照側対物レンズを透過した前記参照光を前記第１参照部および前記第２参照部のそれぞれに入射させる参照光路部と、前記測定対象物で反射された前記測定光および前記参照光路部を経由した前記参照光を受光して受光信号を出力する受光部と、前記受光信号に基づいて、前記測定光が前記測定対象物の表面で合焦した測定側合焦タイミング、前記参照光が前記第１参照部で合焦した第１参照側合焦タイミング、および、前記参照光が前記第２参照部で合焦した第２参照側合焦タイミングを算出する合焦タイミング算出部と、前記第１参照側合焦タイミング、前記第２参照側合焦タイミング、および、前記参照側対物レンズから前記第１参照部までの光路長と前記参照側対物レンズから前記第２参照部までの光路長との差である光路長差に基づいて、前記液体レンズユニットの屈折率特性を算出する特性算出部と、前記駆動信号の周期に対する前記測定側合焦タイミングの位相および前記屈折率特性に基づいて、前記測定対象物の位置を算出する位置算出部と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
このような構成において、液体レンズユニットは、上述したレンズシステムを有しており、入力される駆動信号に応じて屈折率が周期的に変化する。この液体レンズユニットは、測定側対物レンズと共に測定側焦点距離可変レンズを構成しており、測定側焦点距離可変レンズによる合焦位置は、液体レンズユニットに入力される駆動信号に応じて周期的に変化する。このため、光源から出射されて液体レンズユニットを通過した光のうち、光分離部によって分離された測定光は、測定側対物レンズを通過し、光軸方向の集光位置を変化させながら測定対象物に照射される。測定対象物に照射された測定光は、測定側焦点距離可変レンズによる合焦位置の周期的変化に応じて、測定対象物の表面の位置に基づくタイミングで、測定対象物の表面で合焦する。
【００１２】
また、液体レンズユニットは、参照側対物レンズと共に参照側焦点距離可変レンズを構成しており、参照側焦点距離可変レンズによる合焦位置は、液体レンズユニットに入力される駆動信号に応じて周期的に変化する。このため、光源から出射されて液体レンズユニットを通過した光のうち、光分離部によって分離された参照光は、参照側対物レンズを通過し、光軸方向の集光位置を変化させながら参照光路部に入射される。参照光路部に入射された参照光は、参照側焦点距離可変レンズによる合焦位置の周期的変化に応じた所定のタイミングで、第１参照部および第２参照部のそれぞれで合焦する。
【００１３】
受光部は、測定対象物で反射された測定光、および、参照光路部を経由した参照光をそれぞれ受光して受光信号を出力する。
合焦タイミング算出部は、受光信号に基づき、測定光が測定対象物の表面で合焦した測定側合焦タイミング、参照光が第１参照部で合焦した第１参照側合焦タイミング、および、参照光が第２参照部で合焦した第２参照側合焦タイミングを算出する。
なお、測定側合焦タイミングおよび参照側合焦タイミングのそれぞれを求める方法は、共焦点法、ダブルピンホール法、非点収差法、ナイフエッジ法など、様々な焦点検出法を利用することができる。例えば、測定側合焦タイミングを求めるために共焦点法を利用する場合、液体レンズユニット、測定側対物レンズおよび受光部は、測定側焦点距離可変レンズによる合焦位置が測定対象物の表面に一致しているときに受光信号がピークとなるような光学系を構成する。これにより、合焦タイミング算出部は、測定光に起因する受光信号のピーク時刻を測定側合焦タイミングとして算出することができる。第１参照側合焦タイミングおよび第２参照側合焦タイミングを求める方法も同様である。
【００１４】
ここで、参照側対物レンズおよび第１参照部間の光路長と、参照側対物レンズおよび第２参照部間の光路長とは、互いに異なる。このため、第１参照側合焦タイミングと第２参照側合焦タイミングとの間には、参照側対物レンズから第１参照部までの光路長と参照側対物レンズから第２参照部までの光路長との光路長差に基づく時間差が生じる。この時間差は、液体レンズユニットの屈折率特性の変化に応じて変化する。よって、特性算出部は、第１参照側合焦タイミングおよび第２参照側合焦タイミングに基づいて、液体レンズユニットの屈折率特性を算出できる。
【００１５】
また、駆動信号の周期に対する測定側合焦タイミングの位相は、測定側対物レンズを通る光軸上における測定対象物の表面の位置に対応する。
位置算出部は、駆動信号の周期に対する測定側合焦タイミングの位相および屈折率特性に基づいて、測定対象物の位置を算出する。すなわち、測定側合焦タイミングの位相に対応する測定対象物の位置を算出する際、屈折率特性に応じた補正を行うことにより、正確な測定対象物の位置を算出できる。
【００１６】
以上のように、本発明では、液体レンズユニットおよび測定側対物レンズにより測定側焦点距離可変レンズが構成されるため、従来のレーザ変位計で必須の構成であるレンズ駆動機構およびスケールを用いる必要がない。また、測定光および参照光による受光信号を用いて、測定対象物の位置を算出できるため、従来のクロマティックポイントセンサで行うような多量のデータ処理を行わないで済む。
さらに、本発明では、液体レンズユニットが参照側対物レンズと共に参照側焦点距離可変レンズも構成しており、参照光に起因する受光信号を用いて、液体レンズユニットの屈折率特性を算出できる。このため、測定対象物の位置を算出する際、屈折率特性の変化に応じた補正を行うことにより、時間の経過や温度等の環境変化による影響を低減することができる（ロバスト性の向上）。
従って、本発明によれば、構成および処理を簡潔化でき、かつ、測定精度を向上させた非接触式変位計が提供される。
【００１７】
本発明の非接触式変位計において、前記駆動信号に同期した基準信号を出力する基準信号出力部をさらに備え、前記特性算出部は、前記基準信号に対する前記第１参照側合焦タイミングの遅延時間および前記基準信号に対する前記第２参照側合焦タイミングの遅延時間に基づいて、前記液体レンズユニットの前記屈折率特性を算出し、前記位置算出部は、前記基準信号に対する前記測定側合焦タイミングの遅延時間に基づいて、前記測定側合焦タイミングの位相を算出することが好ましい。
本発明では、複雑な演算を行わずとも、液体レンズユニットの屈折率特性および測定側合焦タイミングの位相を簡単に求めることができる。
【００１８】
本発明の非接触式変位計において、前記参照光路部は、前記参照光の一部が反射される第１参照面を、前記第１参照部として有する部分反射ミラーと、前記第１参照面を透過した前記参照光が反射される第２参照面を、前記第２参照部として有する反射ミラーと、を備えることが好ましい。
本発明では、部分反射ミラーおよび反射ミラーを利用することにより、第１参照面と第２参照面との間の光路長、すなわち特性算出部が利用する光路長差を正確に設定することが容易である。
【００１９】
本発明の非接触式変位計において、前記参照光路部は、前記参照側対物レンズを通過した前記参照光を分離させる参照光路分離部と、前記参照光路分離部により分離された第１の前記参照光が入射される第１参照端面を、前記第１参照部として有する第１光ファイバと、前記参照光路分離部により分離された第２の前記参照光が入射される第２参照端面を、前記第２参照部として有する第２光ファイバと、を備えることが好ましい。
本発明では、第１光ファイバおよび第２光ファイバを利用することにより、ミラー等の光学部品を省略できるため、低コスト化が可能である。
【００２０】
本発明の非接触式変位計において、前記光源は、前記測定光を出射する測定光源と、前記参照光を出射する参照光源とを有し、前記受光部は、前記測定対象物で反射された前記測定光を受光して、前記測定光に起因する前記受光信号を出力する測定光受光部と、前記参照光路部を経由した前記参照光を受光して、前記参照光に起因する前記受光信号を出力する参照光受光部と、を有してもよい。
本発明では、測定光に起因する受光信号と参照光に起因する受光信号とを容易に区別することができるため、信号処理部による演算が簡易化される。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、構成および処理を簡潔化でき、かつ、測定精度を向上させた非接触式変位計が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る非接触式変位計を示す模式図。
【図２】前記第１実施形態の液体レンズユニットの構成を示す模式図。
【図３】前記第１実施形態の液体レンズユニットの振動状態を示す模式図。
【図４】前記第１実施形態の液体レンズユニットの合焦位置を示す模式図。
【図５】前記第１実施形態のレンズ制御部および制御部を模式的に示すブロック図。
【図６】前記第１実施形態の信号処理部を模式的に示すブロック図。
【図７】前記第１実施形態における駆動信号、基準信号、測定側合焦位置、測定系の受光信号を示すグラフ。
【図８】前記第１実施形態における駆動信号、基準信号、参照側合焦位置、参照系の受光信号を示すグラフ。
【図９】液体レンズユニットの屈折率特性の変化を説明するためのグラフ。
【図１０】前記第１実施形態における校正テーブルを示す図。
【図１１】本発明の第２実施形態に係る非接触式変位計を示す模式図。
【図１２】本発明の第３実施形態に係る非接触式変位計を示す模式図。
【図１３】本発明の第４実施形態に係る非接触式変位計を示す模式図。
【図１４】本発明の第５実施形態に係る非接触式変位計を示す模式図。
【図１５】前記第５実施形態における駆動信号、基準信号、合焦位置、受光信号を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の各実施形態を図面を参照して説明する。
〔第１実施形態〕
（非接触式変位計）
図１に示すように、非接触式変位計１は、周期的に屈折率が変化する液体レンズユニット２を含んで構成され、液体レンズユニット２を通る光軸ＯＡ１に交差して配置された測定対象物Ｗの表面の変位を測定するものである。また、非接触式変位計１は、液体レンズユニット２の特性を測定しながら測定対象物Ｗの表面の変位を測定するように構成され、測定対象物Ｗの測定結果に対する液体レンズユニット２の特性変化の影響を抑制している。
【００２４】
具体的には、非接触式変位計１は、測定対象物Ｗの変位を測定するための測定系３を有し、当該測定系３は、測定光を出射する測定光源３１と、測定光の光路を形成する光学系（コリメートレンズ３２および導光部４）と、液体レンズユニット２と共に測定側焦点距離可変レンズ１０１を構成する測定側対物レンズ３３と、測定対象物Ｗで反射された測定光を受光する測定光受光部３４と、を備えている。
また、非接触式変位計１は、液体レンズユニット２の特性を測定するための参照系５を有し、当該参照系５は、参照光を出射する参照光源５１と、参照光の光路を形成する光学系（コリメートレンズ５２、導光部６および光分離部５３，５４）と、液体レンズユニット２と共に参照側焦点距離可変レンズ１０２を構成する参照側対物レンズ５５と、参照側対物レンズ５５を通過した参照光が入射される参照光路部７と、参照光路部７を経由した参照光を受光する参照光受光部５６と、を備えている。
なお、測定光源３１および参照光源５１は、本発明の光源に相当するものであり、測定光受光部３４および参照光受光部５６は、本発明の受光部に相当するものである。
【００２５】
さらに、非接触式変位計１は、液体レンズユニット２の動作を制御するレンズ制御部８と、レンズ制御部８を操作するための制御部９と、を備えている。制御部９は、受光信号Ｓｍ，Ｓｒを取り込んで処理し、液体レンズユニット２の特性を測定しながら、光軸ＯＡ１上における測定対象物Ｗの表面の位置を算出する機能も含んでいる。
【００２６】
液体レンズユニット２は、内部に液体レンズシステムが構成され、入力される駆動信号Ｃｆに応じて屈折率が変化する。駆動信号Ｃｆは、液体レンズユニット２に定在波を発生させる周波数の交流であって、正弦波状の交流信号である。
液体レンズユニット２および測定側対物レンズ３３の組み合わせである測定側焦点距離可変レンズ１０１による合焦位置Ｐｆ１は、測定側対物レンズ３３の焦点位置を基本としつつ、液体レンズユニット２の屈折率を変化させることで任意に変化させることができる。
一方、液体レンズユニット２および参照側対物レンズ５５の組み合わせである参照側焦点距離可変レンズ１０２による合焦位置Ｐｆ２は、参照側対物レンズ５５の焦点位置を基本としつつ、液体レンズユニット２の屈折率を変化させることで任意に変化させることができる。
【００２７】
（焦点距離可変レンズ）
図２を参照して、液体レンズユニット２および当該液体レンズユニット２を含んで構成される測定側焦点距離可変レンズ１０１について説明する。
図２において、液体レンズユニット２は、円筒形のケース２１を有し、ケース２１の内部には円筒状の振動部材２２が設置されている。振動部材２２は、その外周面２３とケース２１の内周面２４との間に介装されたエラストマ製のスペーサ２９で支持されている。
振動部材２２は、圧電材料を円筒状に形成したものであり、外周面２３と内周面２４との間に駆動信号Ｃｆの交流電圧が印加されることで、厚み方向に振動する。
ケース２１の内部には、透過性の高い液体２５が充填されており、振動部材２２は全体を液体２５に浸漬され、円筒状の振動部材２２の内側は液体２５で満たされている。駆動信号Ｃｆの交流電圧は、振動部材２２の内側にある液体２５に定在波を発生させる周波数に調整されている。
【００２８】
図３に示すように、液体レンズユニット２においては、振動部材２２を振動させると、内部の液体２５に定在波が生じ、屈折率が交替する同心円状の領域が生じる（図３（Ａ）部および図３（Ｂ）部参照）。
このとき、液体レンズユニット２の中心軸線からの距離（半径）と液体２５の屈折率との関係は、図３（Ｃ）部に示す屈折率分布Ｒのようになる。
【００２９】
図４において、駆動信号Ｃｆは正弦波状の交流信号であるため、液体レンズユニット２における液体２５の屈折率分布Ｒの変動幅もこれに従って変化する。そして、液体２５に生じる同心円状の領域の屈折率が正弦波状に変化し、これにより合焦位置Ｐｆ１が正弦波状に変動する。なお、図４では、測定側対物レンズ３３の焦点位置から合焦位置Ｐｆ１までの距離Ｄが示される。
図４（Ａ）の状態では、屈折率分布Ｒの振れ幅が最大となり、液体レンズユニット２は通過する光を収束させ、合焦位置Ｐｆ１は測定側対物レンズ３３に最も近くなっている。
図４（Ｂ）の状態では、屈折率分布Ｒが平坦となり、液体レンズユニット２は通過する光をそのまま通過させ、合焦位置Ｐｆ１は標準的な値となっている。
図４（Ｃ）の状態では、屈折率分布Ｒが図４（Ａ）と逆極性で振れ幅が最大となり、液体レンズユニット２は通過する光を拡散させ、合焦位置Ｐｆ１は測定側対物レンズ３３から最も遠くなっている。
図４（Ｄ）の状態では、再び屈折率分布Ｒが平坦となり、液体レンズユニット２は通過する光をそのまま通過させ、合焦位置Ｐｆ１は標準的な値となっている。
図４（Ｅ）の状態では、再び図４（Ａ）の状態に戻っており、以下同様の変動を繰り返すことになる。
【００３０】
このように、測定側焦点距離可変レンズ１０１においては、駆動信号Ｃｆは正弦波状の交流信号であり、合焦位置Ｐｆ１は、図４の変動波形Ｍｆ１のように正弦波状に変動する。
【００３１】
なお、測定側焦点距離可変レンズ１０１では、測定側焦点距離可変レンズ１０１の主点が変動することで、焦点距離（測定側焦点距離可変レンズ１０１の主点から合焦位置Ｐｆ１までの距離）が一定のまま、合焦位置Ｐｆ１が変化する場合もある。
また、上述では測定側焦点距離可変レンズ１０１について説明したが、参照側焦点距離可変レンズ１０２についても同様の説明を適用できる。
【００３２】
（測定系）
図１を再び参照して、非接触式変位計１における測定系３の各構成について説明する。
測定光源３１は、例えばレーザ光源等であり、測定光を出射する。
導光部４は、ファイバスプリッタ４１および光ファイバ４２〜４４を有する。ファイバスプリッタ４１は、光ファイバ４２〜４４のそれぞれの一端部が接合される光路を有しており、光ファイバ４２から入射される光を光ファイバ４３に導き、光ファイバ４３から入射される光を光ファイバ４４に導くように構成されている。
【００３３】
光ファイバ４２の他端部は、測定光源３１に接続されている。このため、測定光源３１から出射された測定光は、光ファイバ４２、ファイバスプリッタ４１および光ファイバ４３を経由して、光ファイバ４３の他端部の端面４３ｅから出射する。すなわち、光ファイバ４３の端面４３ｅは、測定光の点光源として機能する。
また、光ファイバ４４の他端部は、測定光受光部３４に接続されている。このため、光ファイバ４３の端面４３ｅに入射された測定光は、光ファイバ４３、ファイバスプリッタ４１および光ファイバ４４を経由して測定光受光部３４に入射される。
ここで、光ファイバ４３の端面４３ｅは、コリメートレンズ３２の後側焦点に配置されている。すなわち、光ファイバ４３の端面４３ｅは、光軸ＯＡ１上において、測定側焦点距離可変レンズ１０１による合焦位置Ｐｆ１に対して共役関係を成す位置に配置されている。
【００３４】
コリメートレンズ３２は、光軸ＯＡ１上に配置され、光ファイバ４３の端面４３ｅから出射された測定光を平行光に変換し、液体レンズユニット２に入射させる。また、コリメートレンズ３２は、測定対象物Ｗで反射して液体レンズユニット２を再通過した測定光を集光する。
【００３５】
測定側対物レンズ３３は、既存の凸レンズあるいはレンズ群で構成され、光軸ＯＡ１上における液体レンズユニット２と測定対象物Ｗとの間に配置され、液体レンズユニット２と共に上述した測定側焦点距離可変レンズ１０１を構成する。測定対象物Ｗは、測定側焦点距離可変レンズ１０１による合焦位置Ｐｆ１の可変範囲ＶＲ１内に配置される。
なお、測定側対物レンズ３３は、他の構成と一体化されておらず、倍率の異なる別個の測定側対物レンズ３３に切り替え可能に構成されている。
【００３６】
測定光受光部３４は、例えば光電子増倍管やフォトダイオード等であり、光ファイバ４４の他端部に接続されている。測定光受光部３４は、光ファイバ４４を介して入射される測定光を受光し、受光した光の強度に応じた受光信号Ｓｍを出力する。
【００３７】
以上の測定系３において、光ファイバ４３の端面４３ｅから出射された測定光は、コリメートレンズ３２によって光軸ＯＡ１に沿って平行化された後、測定側焦点距離可変レンズ１０１を介して測定対象物Ｗに照射される。測定対象物Ｗで反射された測定光は、測定側焦点距離可変レンズ１０１を再び通過した後、コリメートレンズ３２により集光される。
ここで、測定側焦点距離可変レンズ１０１による合焦位置Ｐｆ１は、光軸ＯＡ１上で周期的に変化するものである。このため、合焦位置Ｐｆ１が測定対象物Ｗの表面に一致しているときのみ、当該表面で反射した測定光が、コリメートレンズ３２の後側焦点にスポットを形成し、光ファイバ４３の端面４３ｅに入射される。
よって、測定光受光部３４に入射される測定光は、合焦位置Ｐｆ１が測定対象物Ｗの表面に一致しているときに極大化する。すなわち、測定光受光部３４が出力する受光信号Ｓｍは、合焦位置Ｐｆ１が測定対象物Ｗの表面に一致したときにピークを示す。
【００３８】
（参照系）
図１を参照して、非接触式変位計１における参照系５の各構成について説明する。
参照光源５１は、例えばレーザ光源等であり、測定光とは波長の異なる参照光を出射する。
導光部６は、ファイバスプリッタ６１および光ファイバ６２〜６４を有する。ファイバスプリッタ６１は、光ファイバ６２〜６４のそれぞれの一端部が接合される光路を有しており、光ファイバ６２から入射される光を光ファイバ６３に導き、光ファイバ６３から入射される光を光ファイバ６４に導くように構成されている。
【００３９】
光ファイバ６２の他端部は、参照光源５１に接続されている。このため、参照光源５１から出射された参照光は、光ファイバ６２、ファイバスプリッタ６１および光ファイバ６３を経由して、光ファイバ６３の他端部の端面６３ｅから出射する。すなわち、光ファイバ６３の端面６３ｅは、参照光の点光源として機能する。
また、光ファイバ６４の他端部は、参照光受光部５６に接続されている。このため、光ファイバ６３の端面６３ｅに入射された測定光は、光ファイバ６３、ファイバスプリッタ６１および光ファイバ６４を経由して参照光受光部５６に入射される。
ここで、光ファイバ６３の端面６３ｅは、光軸ＯＡ２上におけるコリメートレンズ５２の後側焦点に配置されている。すなわち、光ファイバ６３の端面６３ｅは、参照側焦点距離可変レンズ１０２による合焦位置Ｐｆ２に対して共役関係を成す位置に配置されている。
【００４０】
コリメートレンズ５２は、光軸ＯＡ２上に配置され、光ファイバ６３の端面６３ｅから出射された測定光を平行光に変換し、光分離部５３を介して液体レンズユニット２に入射させる。また、コリメートレンズ５２は、参照光路部７を経由して液体レンズユニット２を再通過した参照光を集光する。
【００４１】
光分離部５３，５４は、例えばビームスプリッタまたはダイクロイックミラーであり、測定光を透過させると共に参照光を反射する機能を有している。光分離部５３，５４は、光軸ＯＡ１上において液体レンズユニット２を挟むように配置されており、液体レンズユニット２の前後において光軸ＯＡ１が分岐した光軸ＯＡ２，ＯＡ３を形成する。
【００４２】
参照側対物レンズ５５は、既存の凸レンズあるいはレンズ群で構成され、光軸ＯＡ３上において液体レンズユニット２と参照光路部７との間に配置され、液体レンズユニット２と共に上述した参照側焦点距離可変レンズ１０２を構成する。
【００４３】
参照光路部７は、光軸ＯＡ３上において、参照側対物レンズ５５からの光路長が互いに異なる部分反射ミラー７１および反射ミラー７２を備えている。部分反射ミラー７１は、参照側対物レンズ５５から近い側に配置され、参照光の一部を反射すると共に他の一部を透過させる第１参照面７１ｓ（第１参照部）を有している。反射ミラー７２は、参照側対物レンズ５５から遠い側に配置され、部分反射ミラー７１を透過した参照光を反射する第２参照面７２ｓ（第２参照部）を有している。
第１参照面７１ｓおよび第２参照面７２ｓの間の光路長、すなわち、参照側対物レンズ５５から第１参照面７１ｓまでの光路長と参照側対物レンズ５５から第２参照面７２ｓまでの光路長との差である光路長差Ｌには、既知の値が設定されている。
なお、第１参照面７１ｓおよび第２参照面７２ｓの各位置は、参照側焦点距離可変レンズ１０２による合焦位置Ｐｆ２の可変範囲ＶＲ２内であれば、任意の位置に設定可能である。
【００４４】
参照光受光部５６は、例えば光電子増倍管やフォトダイオード等であり、光ファイバ６４の他端部に接続されている。参照光受光部５６は、光ファイバ６４を介して入射される参照光を受光し、受光した光の強度に応じた受光信号Ｓｒを出力する。
【００４５】
以上の参照系５において、光ファイバ６３の端面６３ｅから出射された参照光は、コリメートレンズ５２により光軸ＯＡ２に沿って平行化された後、光分離部５３によって光軸ＯＡ１方向の物体側に折り曲げられる。その後、参照光は、液体レンズユニット２を通過し、光分離部５４によって光軸ＯＡ３方向に折り曲げられた後、参照側対物レンズ５５により集光されながら参照光路部７に入射される。
参照光路部７に入射された参照光は、第１参照面７１ｓで反射される第１の参照光と、第１参照面７１ｓを透過した後に第２参照面７２ｓで反射される第２の参照光とに分離する。第１参照面７１ｓまたは第２参照面７２ｓで反射された第１および第２の参照光は、逆の径路をたどった後、コリメートレンズ５２により集光される。
ここで、参照側焦点距離可変レンズ１０２による合焦位置Ｐｆ２は、光軸ＯＡ３方向に周期的に変化するものである。このため、合焦位置Ｐｆ２が第１参照面７１ｓおよび第２参照面７２ｓのいずれかの参照面に一致しているときのみ、当該参照面で反射された第１または第２の参照光が、コリメートレンズ５２の後側焦点にスポットを形成し、光ファイバ６３の端面６３ｅに入射される。
よって、参照光受光部５６に入射される参照光は、合焦位置Ｐｆ２が第１参照面７１ｓおよび第２参照面７２ｓのいずれか一方に一致しているときに極大化する。すなわち、参照光受光部５６が出力する受光信号Ｓｒは、合焦位置Ｐｆ２が第１参照面７１ｓおよび第２参照面７２ｓのいずれか一方に一致しているときにピークを示す。
【００４６】
（レンズ制御部）
図５に示すように、レンズ制御部８は、液体レンズユニット２の動作を制御する制御ユニットとして構成され、液体レンズユニット２に対して正弦波状の駆動信号Ｃｆを出力する駆動信号出力部８１を有する。
また、レンズ制御部８は、制御部９に対して駆動信号Ｃｆの周期に同期したパルス状の基準信号Ｓｃを出力する基準信号出力部８２を有する。駆動信号Ｃｆの周期に対する基準信号Ｓｃの出力タイミングは、任意に設定可能であるが、本実施形態では、駆動信号Ｃｆが０レベルに交差する２回に１回のタイミング（例えば図７では合焦位置Ｐｆ１の変動波形Ｍｆ１が正のピークになるタイミング）で基準信号Ｓｃが立ち上がる。
【００４７】
（制御部）
制御部９は、例えばＣＰＵ（Central Precessing Unit）およびメモリ等を有するパーソナルコンピュータ等により構成される。制御部９は、所定のソフトウェアを実行することで所期の機能が実現されるものであり、レンズ制御部８の設定を行うレンズ設定部９１と、入力される各種信号の処理を行う信号処理部９２とを有する。また、制御部９は、メモリ等により構成される記憶部９３を有する。
【００４８】
レンズ設定部９１は、レンズ制御部８が出力する駆動信号Ｃｆの周波数、振幅および最大駆動電圧の設定などを行う。
なお、液体レンズユニット２は、周囲温度の変化等により共振変化数が変化する。このため、レンズ設定部９１は、フィードバック制御により駆動信号Ｃｆの周波数をリアルタイムに変化させ、液体レンズユニット２の安定した動作を実現する。
【００４９】
信号処理部９２には、測定光受光部３４から受光信号Ｓｍが入力され、参照光受光部５６から受光信号Ｓｒが入力され、レンズ制御部８から基準信号Ｓｃが入力される。信号処理部９２は、入力された受光信号Ｓｍ，Ｓｒに基づく処理を行うことにより、測定対象物位置Ｚｃａｌｃを算出する。このため、信号処理部９２は、図６に示すように、合焦タイミング算出部９２１、遅延時間算出部９２２、特性算出部９２３、および、位置算出部９２４として機能する。
【００５０】
記憶部９３には、予めターゲットなどを用いて作成された校正テーブル９４が記憶されている。後述にて詳述するが、校正テーブル９４には、信号処理による演算値である測定対象物位置Ｚｃａｌｃ（光軸ＯＡ１における測定対象物Ｗの位置Ｐｗに関する演算値）と、測定結果である表示値としての測定対象物位置Ｚとが対応付けられている。
【００５１】
（受光信号）
図７，図８に示すように、液体レンズユニット２に正弦波状の駆動信号Ｃｆが入力されると、駆動信号Ｃｆの周期に同期し、基準信号Ｓｃがパルス状に出力される。
また、液体レンズユニット２に正弦波状の駆動信号Ｃｆが入力されると、液体レンズユニット２の屈折率が周期的に変化することにより、各焦点距離可変レンズ１０１，１０２による合焦位置Ｐｆ１，Ｐｆ２は、駆動信号Ｃｆに同期して周期的に変化する。
【００５２】
図７には、合焦位置Ｐｆ１の変化範囲内に位置する測定対象物Ｗについて、光軸ＯＡ１上の測定対象物Ｗの位置Ｐｗの例を示している。受光信号Ｓｍは、合焦位置Ｐｆ１が測定対象物Ｗの位置Ｐｗに一致したタイミングでピークを示し、駆動信号Ｃｆの１周期当たりに２回のピークを示す。
ここで、基準信号Ｓｃの立ち上がり時刻から、１回目および２回目の受光信号Ｓｍの各ピーク時刻（測定側合焦タイミングＴｍ）までの時間を、遅延時間Δｔｍ１，Δｔｍ２とする。
なお、本実施形態では、遅延時間Δｔｍ１，Δｔｍ２の一方の値（例えばΔｔｍ１）を用いた処理を行うが、後述する変形例では遅延時間Δｔｍ１，Δｔｍ２の両方を用いてもよい。
【００５３】
図８には、合焦位置Ｐｆ２の変化範囲内に位置する第１参照面７１ｓおよび第２参照面７２ｓの各位置Ｐｒ１，Ｐｒ２の例を示している。受光信号Ｓｒは、合焦位置Ｐｆ２が第１参照面７１ｓおよび第２参照面７２ｓのいずれかの位置Ｐｒ１，Ｐｒ２に一致したタイミングでピークを示し、駆動信号Ｃｆの１周期当たりに４回のピークを示す。
ここで、基準信号Ｓｃの立ち上がり時刻から１〜４回目の受光信号Ｓｒの各ピーク時刻までの時間を、遅延時間Δｔｒ１，Δｔｒ２，Δｔｒ３，Δｔｒ４とする。
なお、１回目，４回目の受光信号Ｓｒの各ピーク時刻は、合焦位置Ｐｆ２が第１参照面７１ｓに一致した参照側合焦タイミングＴｒ（第１参照側合焦タイミング）に相当する。また、２回目，３回目の受光信号Ｓｒの各ピーク時刻は、合焦位置Ｐｆ２が第２参照面７２ｓに一致した参照側合焦タイミングＴｒ（第２参照側合焦タイミング）に相当する。
【００５４】
（液体レンズユニットの屈折率特性）
液体レンズユニット２が、時間の経過や温度変化等の影響を受けることにより、その屈折率特性が変化し、焦点距離可変レンズ１０１，１０２による各合焦位置Ｐｆ１，Ｐｆ２の可変範囲ＶＲ１，ＶＲ２などが変化する。このような場合、合焦位置Ｐｆ１，Ｐｆ２の変動波形Ｍｆ１，Ｍｆ２は、それぞれ、駆動信号Ｃｆから計算される理想的な波形から変化する。
【００５５】
図９では、合焦位置Ｐｆ２について、駆動信号Ｃｆから計算される理想的な変動波形Ｍｆ２Ｉを点線で示し、温度変化等により液体レンズユニット２の屈折率特性が変化した後の実際の変動波形Ｍｆ２を実線で示している。図９に示すように、実際の変動波形Ｍｆ２は、理想的な変動波形Ｍｆ２Ｉに対して、位相遅れΦｄおよび偏りＢを有している。なお、偏りＢは、合焦位置Ｐｆ２の可変範囲ＶＲ２の中間位置Ｐｃのずれ量に相当する。
【００５６】
本実施形態では、液体レンズユニット２の屈折率特性を、合焦位置Ｐｆ２の変動波形Ｍｆ２の振幅Ａ、偏りＢおよび位相遅れΦｄとして算出する。
ここで、受光信号Ｓｒの遅延時間Δｔｒ１，Δｔｒ２，Δｔｒ３，Δｔｒ４、参照側対物レンズ５５に対する第１参照面７１ｓと第２参照面７２ｓとの間の光路長差Ｌ、および、駆動信号Ｃｆの周波数νを用いると、変動波形Ｍｆ２の振幅Ａ、偏りＢおよび位相遅れΦｄは、以下の式（１）〜（４）により表わされる。
L/2＝B＋Acos(2πνΔtr1＋Φd)      ・・・式（１）
−L/2＝B＋Acos（2πνΔtr2＋Φd）  ・・・式（２）
−L/2＝B＋Acos（2πνΔtr3＋Φd）  ・・・式（３）
L/2＝B＋Acos（2πνΔtr4＋Φd）    ・・・式（４）
【００５７】
上記式（１）〜（４）によれば、未知量である変動波形Ｍｆ２の振幅Ａ、偏りＢおよび位相遅れΦｄは、それぞれ以下の式（５）、式（６）および式（７）（または式（８））によって表わされる。
A＝L/｛cos［πν（Δtr3−Δtr2）］−cos［πν（Δtr4−Δtr1）］｝
・・・式（５）
B＝(L/2){cos［πν(Δtr3−Δtr2)]＋cos[πν(Δtr4−Δtr1)]}
/{cos[πν(Δtr3−Δtr2)]−cos[πν(Δtr4−Δtr1)]}      ・・・式（６）
Φd＝π[1−ν(Δtr1＋Δtr4)]  ・・・式（７）
Φd＝π[1−ν(Δtr2＋Δtr3)]  ・・・式（８）
【００５８】
（信号処理部）
次に、非接触式変位計１の測定動作中における信号処理部９２の信号処理について説明する。信号処理部９２は、非接触式変位計１の測定動作開始後、図７，図８に示すような基準信号Ｓｃおよび受光信号Ｓｍ，Ｓｒを取得する。
【００５９】
まず、信号処理部９２において、合焦タイミング算出部９２１は、受光信号Ｓｍのピーク時刻を、測定側合焦タイミングＴｍとして算出する。同様に、合焦タイミング算出部９２１は、受光信号Ｓｒのピーク時刻を、参照側合焦タイミングＴｒとして算出する。
【００６０】
次いで、遅延時間算出部９２２は、基準信号Ｓｃの立ち上がり時刻から測定側合焦タイミングＴｍまでの遅延時間Δｔｍ１，Δｔｍ２、および、基準信号Ｓｃの立ち上がり時刻から参照側合焦タイミングＴｒまでの遅延時間Δｔｒ１，Δｔｒ２，Δｔｒ３，Δｔｒ４を算出する。なお、遅延時間算出部９２２は、クロック信号等を用いてもよい。
【００６１】
次いで、特性算出部９２３は、算出された参照側合焦タイミングＴｒの遅延時間Δｔｒ１，Δｔｒ２，Δｔｒ３，Δｔｒ４を用いて、上記式（５）、式（６）および式（７）（または式（８））に基づき、液体レンズユニット２の屈折率特性としての変動波形Ｍｆ２の振幅Ａ、偏りＢおよび位相遅れΦｄを算出する。
【００６２】
また、位置算出部９２４は、算出された測定側合焦タイミングＴｍの遅延時間Δｔｍ１を用いて、以下の式（９）に基づき、駆動信号Ｃｆの周期に対する測定側合焦タイミングＴｍの位相Φｍｐ１を算出する。
Φmp1＝2πνΔtm1  ・・・（式９）
【００６３】
その後、位置算出部９２４は、算出した測定側合焦タイミングＴｍの位相Φｍｐ１および位相遅れΦｄを用いて、以下の式（１０）に基づき、液体レンズユニット２の屈折率特性によって補正された測定側合焦タイミングＴｍの位相Φｍ１を求める。
Φm1＝Φmp1−Φd  ・・・（式１０）
【００６４】
また、位置算出部９２４は、変動波形Ｍｆ２の振幅Ａおよび偏りＢ、参照側対物レンズ５５の焦点距離Ｆｒ、ならびに、測定側対物レンズ３３の焦点距離Ｆｍを用いて、以下の式（１１）に基づき、測定対象物位置Ｚｃａｌｃを算出する。
Zcalc＝（Fm／Fr)(B＋AcosΦm1）  ・・・（式１１）
【００６５】
そして、位置算出部９２４は、図１０に示すような校正テーブル９４を参照することにより、上記式（１１）により算出した測定対象物位置Ｚｃａｌｃに対応する測定対象物位置Ｚを求める。
具体的には、位置算出部９２４は、測定対象物位置Ｚｃａｌｃを間に挟む２つの測定対象物位置Ｚｋと、当該測定対象物位置Ｚｋに対応する測定対象物位置Ｚｃａｌｃ，ｋとに基づき、線形二乗法などを利用して、測定対象物位置Ｚｃａｌｃに対応する測定対象物位置Ｚを算出する。
【００６６】
以上の信号処理部９２の信号処理により、非接触式変位計１は、光軸ＯＡ１上の測定対象物Ｗの位置Ｐｗを表す値である測定対象物位置Ｚを算出することができる。なお、信号処理部９２は、以上の処理を一定期間毎に行い、測定した測定対象物位置Ｚを記憶部９３に逐次記憶させてもよい。
【００６７】
（校正テーブル作成方法）
校正テーブル９４の作成方法について説明する。校正テーブル９４は、上述した変位測定を実施する前に、非接触式変位計１を用いて作成しておく。
まず、測定対象物Ｗの替わりにターゲットを配置し、干渉計等を用いてターゲットを光軸方向の複数の位置Ｚｋ（ｋ＝１〜ｎ）に高精度に順に位置決めする。ターゲットが位置決めされた状態で、非接触式変位計１により上述した測定を実施することにより、測定対象物位置Ｚｃａｌｃ，ｋが算出される。
そして、高精度に位置決めしたターゲットの位置Ｚｋを表す値である測定対象物位置Ｚｋと、演算値である測定対象物位置Ｚｃａｌｃ，ｋとを互いに関連付けて記憶部９３に記憶させる。
以上により、図１０に示すような校正テーブル９４が作成される。
【００６８】
なお、校正テーブル９４は、測定側対物レンズ３３として準備される複数種類の倍率毎に作成しておくことが好ましい。測定時、測定側対物レンズ３３の倍率を切り替える際には、参照する校正テーブル９４を切り替えるものとする。
【００６９】
〔第１実施形態の効果〕
本実施形態では、液体レンズユニット２および測定側対物レンズ３３によって測定側焦点距離可変レンズ１０１が構成されるため、従来のレーザ変位計で必須の構成であるレンズ駆動機構およびスケールを用いる必要がない。また、受光信号Ｓｍを用いて、測定対象物位置Ｚｃａｌｃを算出できるため、従来のクロマティックポイントセンサで行うような多量のデータ処理を行わないで済む。
さらに、本実施形態では、測定側焦点距離可変レンズ１０１を構成している液体レンズユニット２が、参照側対物レンズ５５と共に参照側焦点距離可変レンズ１０２も構成しており、参照光による受光信号Ｓｒを用いて、液体レンズユニット２の屈折率特性を算出している。このため、屈折率特性の変化に応じた補正を行うことにより、測定結果が時間の経過や温度等の環境変化によって変化することを抑制できる（ロバスト性の向上）。
従って、本実施形態によれば、構成および処理を簡潔化でき、かつ、測定精度を向上させた非接触式変位計１が提供される。
【００７０】
本実施形態の非接触式変位計１は、駆動信号Ｃｆに同期した基準信号Ｓｃを出力する基準信号出力部８２をさらに備え、特性算出部９２３は、基準信号Ｓｃに対する参照側合焦タイミングＴｒの遅延時間Δｔｒ１〜Δｔｒ４に基づいて、液体レンズユニット２の屈折率特性を算出し、位置算出部９２４は、基準信号Ｓｃに対する測定側合焦タイミングＴｍの遅延時間Δｔｍ１に基づいて、駆動信号Ｃｆの周期に対する測定側合焦タイミングＴｍの位相Φｍ１を算出する。このため、複雑な演算を行わずとも、液体レンズユニット２の屈折率特性および測定側合焦タイミングＴｍの位相Φｍ１を簡単に求めることができる。
【００７１】
本実施形態において、参照光路部７は、参照光の一部が反射される第１参照面７１ｓ（第１参照部）を有する部分反射ミラー７１と、第１参照面７１ｓを透過した参照光が反射される第２参照面７２ｓ（第２参照部）を有する反射ミラー７２と、を備える。このような構成では、部分反射ミラー７１および反射ミラー７２を利用することにより、第１参照面７１ｓおよび第２参照面７２ｓによる光路長差Ｌの設定が容易である。
【００７２】
本実施形態の非接触式変位計１は、本発明の光源として、測定光を出射する測定光源３１と、参照光を出射する参照光源５１とを備えており、本発明の受光部として、測定光受光部３４および参照光受光部５６を備える。このため、受光信号Ｓｍ，Ｓｒを容易に区別することができるため、信号処理部９２による演算が簡易化される。
【００７３】
本実施形態の非接触式変位計１では、従来技術では困難であった測定側対物レンズ３３の倍率切換えが可能である。
具体的には、従来技術において、レーザ変位計では、対物レンズがレンズ駆動機構に組み込まれており、クロマティックポイントセンサでは、対物レンズが白色光を軸上色収差によって分散させる特殊レンズ群と共にモジュール化されている。このため、レーザ変位計およびクロマティックポイントセンサでは、対物レンズのみを倍率の異なる別個のものに交換することは困難であり、異なる測定範囲および分解能で測定するためには、別個の装置を準備することが必要であった。
これに対して、本実施形態の非接触式変位計１では、従来技術のように測定側対物レンズ３３を他の構成と一体化する必要がないため、測定側対物レンズ３３を倍率の異なる別個の測定側対物レンズ３３に切り替え可能な構成とすることが容易である。
【００７４】
本実施形態では、測定側合焦タイミングＴｍおよび参照側合焦タイミングＴｒを検出するために、測定系３および参照系５のそれぞれにおいて共焦点光学系を構成している。このため、他の焦点検出方式を用いた場合よりも、測定対象物Ｗの表面の傾斜や粗さ等の表面性状による測定精度やの影響を受け難く、測定精度をより向上できる。
また、光ファイバ４３，６３を利用することにより、熱源となる光源（測定光源３１，参照光源５１）や受光部（測定光受光部３４，参照光受光部５６）を測定ヘッドとなる部分から離れて配置でき、測定への熱影響を低減できる。
さらに、光ファイバ４３の端面４３ｅおよび光ファイバ６３の端面６３ｅのそれぞれは、共焦点光学系の点光源および検出用ピンホールの両方の役割を果たしているため、製造時の調整工数を大幅に低減することができる。
【００７５】
〔第１実施形態の変形〕
上述した第１実施形態では、測定側合焦タイミングＴｍの遅延時間Δｔｍ１を用いて、上記式（９）および式（１０）の演算を行うことにより、測定側合焦タイミングＴｍの位相Φｍ１を算出しているが、これに限られない。
例えば、測定側合焦タイミングＴｍの遅延時間Δｔｍ２を用いて、上記式（９）および式（１０）と同様の演算を行うことにより、測定側合焦タイミングＴｍの位相Φｍ２を算出してもよい。
【００７６】
あるいは、第１実施形態における式（９）および式（１０）を省略し、測定側合焦タイミングＴｍの遅延時間Δｔｍ１，Δｔｍ２を用いて、以下の式（１２）による演算を行うことにより、測定側合焦タイミングＴｍの位相Φｍ１を算出してもよい。なお、式（１２）において、νは駆動信号Ｃｆの周波数である。
Φm1＝π[1−ν(Δtm2−Δtm1)]    ・・・式（１２）
この方法によれば、第１実施形態における演算工程を一部省略できるため、演算時間の短縮による測定の高速化を図ることができる。
なお、式（１２）において、「Δtm2−Δtm1」は、駆動信号Ｃｆの１周期中に現れる２つの測定側合焦タイミングＴｍの時間差に相当する。このため、測定側合焦タイミングＴｍの遅延時間Δｔｍ１，Δｔｍ２を計測する替わりに、当該時間差を直接計測してもよい。
【００７７】
第１実施形態では、基準信号Ｓｃに対する測定側合焦タイミングＴｍの遅延時間Δｔｍ１，Δｔｍ２として、基準信号Ｓｃの立ち上がり時刻から計測を開始しているが、基準信号Ｓｃの立ち下がり時刻から計測を開始してもよい。なお、参照側合焦タイミングＴｒの遅延時間Δｔｒ１〜Δｔｒ４についても同様である。
【００７８】
第１実施形態は、参照側合焦タイミングＴｒの遅延時間Δｔｒ１〜Δｔｒ４に基づいて、合焦位置Ｐｆ２の変動波形Ｍｆ２の振幅Ａ、偏りＢおよび位相遅れΦｄを算出しているが、本発明はこれに限られず、駆動信号Ｃｆが示す正弦波に基づいて演算等により求めてもよい。
同様に、測定側合焦タイミングＴｍの遅延時間Δｔｍ１，Δｔｍ２に基づいて、測定側合焦タイミングＴｍの位相Φｍ１を算出しているが、本発明はこれに限られず、駆動信号Ｃｆが示す正弦波に基づいて演算等により求めてもよい。
【００７９】
〔第２実施形態〕
第２実施形態の非接触式変位計１Ａについて、図１１を参照して説明する。なお、第２実施形態において、第１実施形態と同様の構成には同一の符号を付し、その詳細な説明については省略する。
図１１に示すように、非接触式変位計１Ａでは、測定系３および参照系５のそれぞれにおいて、ピンホール式の共焦点光学系が構成されている。具体的には、非接触式変位計１Ａは、第１実施形態の導光部４に替えて、ビームスプリッタ４５およびピンホール部材４６，４７を備えている。また、非接触式変位計１Ａは、第１実施形態の導光部６に替えて、ビームスプリッタ６５およびピンホール部材６６，６７を備えている。
【００８０】
測定系３において、ビームスプリッタ４５は、測定光源３１から出射された測定光をコリメートレンズ３２側に折り曲げると共に、コリメートレンズ３２側から入射された光を測定光受光部３４側に透過させるよう構成されている。
ピンホール部材４６は、ビームスプリッタ４５と測定光源３１との間に配置されている。測定光源３１は、ピンホール部材４６のピンホールを介して測定光を出射することにより、当該ピンホールは点光源となる。
ピンホール部材４７は、ビームスプリッタ４５と測定光受光部３４との間に配置され、コリメートレンズ３２の後側焦点に配置されたピンホールを有している。測定対象物Ｗの表面で合焦して反射された測定光は、ピンホール部材４７のピンホールを通過した後、測定光受光部３４に入射される。
【００８１】
参照系５において、ビームスプリッタ６５は、参照光源５１から出射された測定光をコリメートレンズ５２側に折り曲げると共に、コリメートレンズ５２側から入射された光を参照光受光部５６側に透過させるよう構成されている。
ピンホール部材６６は、ビームスプリッタ６５と参照光源５１との間に配置されている。参照光源５１は、ピンホール部材６６のピンホールを介して参照光を出射することにより、当該ピンホールは点光源となる。
ピンホール部材６７は、ビームスプリッタ６５と参照光受光部５６との間に配置され、コリメートレンズ５２の後側焦点に配置されたピンホールを有している。測定対象物Ｗの表面で合焦して反射された参照光は、ピンホール部材６７のピンホールを通過した後、参照光受光部５６に入射される。
【００８２】
このような非接触式変位計１Ａによれば、第１実施形態と同様、構成および処理を簡潔化でき、かつ、測定精度を向上できる。
また、非接触式変位計１Ａによれば、第１実施形態の光ファイバ４２〜４４，６２〜６４が省略されるため、これらの光ファイバを取りまわすためのスペースを必要とせず、非接触式変位計１Ａ全体のコンパクト化を図ることができる。
【００８３】
〔第３実施形態〕
第３実施形態の非接触式変位計１Ｂについて、図１２を参照して説明する。なお、第３実施形態において、第１実施形態と同様の構成には同一の符号を付し、その詳細な説明については省略する。
【００８４】
図１２に示すように、非接触式変位計１Ｂは、第１実施形態の参照光路部７に替えて、参照光路部７とは構成の異なる参照光路部７Ｂを備えている。
具体的には、参照光路部７Ｂは、参照光を分離させる参照光路分離部７３と、参照光路分離部７３に分離された第１の参照光が向かう先に配置された光ファイバ７４（第１光ファイバ）と、参照光路分離部７３に分離された第２の参照光が向かう先に配置された光ファイバ７５（第２光ファイバ）とを備える。
【００８５】
参照光路分離部７３は、例えばハーフミラー等のビームスプリッタである。参照側対物レンズ５５を透過した参照光は、参照光路分離部７３を透過する第１の参照光と、参照光路分離部７３で反射される第２の参照光とに分離される。換言すると、参照光路分離部７３は、光軸ＯＡ３上に配置され、光軸ＯＡ３から分岐する光軸ＯＡ４を形成する。
【００８６】
光ファイバ７４の一端部の端面である第１参照端面７４ｅ（第１参照部）は、光軸ＯＡ３上に配置されている。一方、光ファイバ７５の一端部の端面である第２参照端面７５ｅ（第２参照部）は、光軸ＯＡ４上に配置されている。第１参照端面７４ｅおよび第２参照端面７５ｅの各位置は、参照側焦点距離可変レンズ１０２による合焦位置Ｐｆ２の可変範囲内であれば、任意の位置に設定可能である。
本実施形態では、参照側対物レンズ５５から第１参照面７１ｓまでの光路長と参照側対物レンズ５５から第２参照面７２ｓまでの光路長との差である光路長差Ｌが、既知の値に設定されている。
なお、光路長差Ｌは、参照光路分離部７３から光ファイバ７４の第１参照端面７４ｅまでの光軸ＯＡ３上の距離Ｌａと、参照光路分離部７３から光ファイバ７５の第２参照端面７５ｅまでの光軸ＯＡ４上の距離Ｌｂとの差をとった長さとなる。
【００８７】
また、参照光路部７Ｂは、参照光受光部５６に一端部が接続された光ファイバ７６と、光ファイバ７４〜７６の各他端部が接続されるファイバスプリッタ７７と、をさらに備える。ファイバスプリッタ７７は、光ファイバ７４および光ファイバ７５のそれぞれから入射される光を光ファイバ７６に導くように構成されている。
【００８８】
参照光路部７Ｂに入射された参照光は、参照光路分離部７３を透過した第１の参照光と、参照光路分離部７３で反射された第２の参照光とに分離される。分離後、第１の参照光は、光ファイバ７４の第１参照端面７４ｅに向かって進み、第２の参照光は、光ファイバ７５の第２参照端面７５ｅに向かって進む。
ここで、参照側焦点距離可変レンズ１０２による合焦位置Ｐｆ２は、光軸ＯＡ３上および光軸ＯＡ４上のそれぞれで周期的に変化するものである。このため、合焦位置Ｐｆ２が第１参照端面７４ｅに一致しているとき、集光された第１の参照光が第１参照端面７４ｅに入射され、光ファイバ７４，７６を介して参照光受光部５６に入射される。一方、合焦位置Ｐｆ２が第２参照端面７５ｅに一致しているとき、集光された第２の参照光が第２参照端面７５ｅに入射され、光ファイバ７５，７６を介して参照光受光部５６に入射される。
よって、参照光受光部５６に入射される参照光は、合焦位置Ｐｆ２が第１参照端面７４ｅおよび第２参照端面７５ｅのいずれか一方に一致しているときに極大化する。すなわち、参照光受光部５６が出力する受光信号Ｓｍは、合焦位置Ｐｆ２が第１参照端面７４ｅおよび第２参照端面７５ｅのいずれか一方に一致しているときにピークを示す。
【００８９】
また、非接触式変位計１Ｂは、第１実施形態の導光部６に替えて、導光部６とは構成の異なる導光部６Ｂを備えている。
具体的には、導光部６Ｂは、一端部が参照光源５１に接続された光ファイバ６８を有する。参照光源５１から出射された参照光は、光ファイバ６８を経由して、光ファイバ６８の他端部の端面６８ｅから出射する。すなわち、光ファイバ６８の端面６８ｅは、参照光の点光源として機能する。
なお、光ファイバ６８の端面６８ｅは、参照光を受光することがないため、光軸ＯＡ２上における任意の位置に配置できる。
【００９０】
このような非接触式変位計１Ｂによれば、第１実施形態と同様、構成および処理を簡潔化でき、かつ、測定精度を向上できる。
また、非接触式変位計１Ｂによれば、第１実施形態の部分反射ミラー７１および反射ミラー７２を省略できるため、光学部品の点数削減による低コスト化が可能である。
【００９１】
〔第３実施形態の変形〕
第３実施形態の参照光路部７Ｂは、光ファイバ７４，７５に替えて、光軸ＯＡ３，ＯＡ４上にそれぞれ配置されたピンホール部材と、各ピンホール部材の後側にそれぞれ配置された参照光受光部と、を備えてもよい。この場合、各ピンホール部材のピンホールが、本発明の第１参照部および第２参照部にそれぞれ相当する。
また、導光部４，６Ｂは、第２実施形態と同様、ピンホール部材を利用した構成に置き換えてもよい。
【００９２】
第３実施形態において、光分離部５４が、測定光源３１から出射された光を測定光と参照光とに分離させる場合、参照光源５１、導光部６Ｂ、コリメートレンズ５２および光分離部５３を省略してもよい。
【００９３】
〔第４実施形態〕
第４実施形態の非接触式変位計１Ｃについて、図１３を参照して説明する。なお、第４実施形態において、第１実施形態と同様の構成には同一の符号を付し、その詳細な説明については省略する。
図１３に示すように、非接触式変位計１Ｃでは、測定系３および参照系５のそれぞれにおいて、コリメートレンズ３２，５２が省略されており、有限補正光学系が構成されている。
このように構成された測定系３では、測定対象物Ｗで反射された測定光は、測定側対物レンズ３３によって結像される。また、光ファイバ４３の端面４３ｅは、第１実施形態のようにコリメートレンズ３２の後側焦点に配置されるのではなく、測定側対物レンズ３３の後側焦点よりも後ろ側に、測定側対物レンズ３３の焦点距離に結像倍率を乗じた距離だけ離れた位置に配置される。
一方、参照系５では、第１参照面７１ｓおよび第２参照面７２ｓのいずれか一方で反射された参照光は、参照側対物レンズ５５によって結像される。また、光ファイバ６３の端面６３ｅは、第１実施形態のようにコリメートレンズ５２の後側焦点に配置されるのではなく、参照側対物レンズ５５の後側焦点よりも後ろ側に、参照側対物レンズ５５の焦点距離に結像倍率を乗じた距離だけ離れた位置に配置される。
【００９４】
このような非接触式変位計１Ｃによれば、第１実施形態と同様、構成および処理を簡潔化でき、かつ、測定精度を向上できる。
また、非接触式変位計１Ｃでは、第１実施形態のコリメートレンズ３２，５２が省略されることによるコストダウンを図ることができる。
【００９５】
〔第４実施形態の変形〕
第４実施形態では、測定系３および参照系５のそれぞれにおいて、有限補正光学系が構成されているが、いずれか一方において有限補正光学系が構成され、他方において第１実施形態のような無限補正光学系（コリメートレンズ３２または５２を含む）が構成されてもよい。
【００９６】
〔第５実施形態〕
第５実施形態の非接触式変位計１Ｄについて、図１４を参照して説明する。なお、第５実施形態において、第１実施形態と同様の構成には同一の符号を付し、その詳細な説明については省略する。
図１４に示すように、非接触式変位計１Ｄでは、測定系３および参照系５において、光源３５および受光部３６を共有している。
具体的には、非接触式変位計１Ｄでは、第１実施形態の参照光源５１、コリメートレンズ５２、光分離部５３、参照光受光部５６および導光部６が省略されている。そして、第１実施形態の測定光源３１および測定光受光部３４が、測定系３および参照系５において共用の光源３５および受光部３６として構成されている。
【００９７】
このような構成において、光源３５から出射された光は、導光部４を経由して光ファイバ４３の端面４３ｅから出射する。当該光は、コリメートレンズ３２により平行化された後、液体レンズユニット２を通過し、光分離部５４によって、測定光と参照光とに分離される。
光分離部５４を透過した測定光は、第１実施形態と同様、測定対象物Ｗに照射され、逆の径路をたどった後、コリメートレンズ３２により集光される。ここで、合焦位置Ｐｆ１が測定対象物Ｗの表面に一致しているときに測定対象物Ｗで反射された測定光が、光ファイバ４３の端面４３ｅに入射され、導光部４を介して受光部３６に入射される。
一方、光分離部５４に反射された参照光は、第１実施形態と同様、参照光路部７に入射される。そして、第１参照面７１ｓまたは第２参照面７２ｓで反射された参照光は、逆の径路をたどった後、コリメートレンズ３２により集光される。ここで、合焦位置Ｐｆ２が第１参照面７１ｓおよび第２参照面７２ｓのいずれかの参照面に一致しているときに、当該参照面で反射された参照光が、光ファイバ４３の端面４３ｅに入射され、導光部４を介して受光部３６に入射される。
よって、受光部３６が出力する受光信号Ｓｍｒは、合焦位置Ｐｆ１が測定対象物Ｗの表面に一致しているとき、ならびに、合焦位置Ｐｆ２が第１参照面７１ｓおよび第２参照面７２ｓのいずれか一方に一致しているときにピークを示す。
【００９８】
図１５に示すように、受光信号Ｓｍｒは、第１実施形態の受光信号Ｓｍ，Ｓｒが入り混じったものになる。
合焦タイミング算出部９２１は、受光部３６が出力する受光信号Ｓｍｒに基づき、受光信号Ｓｍｒのピーク時刻を合焦タイミングＴｍｒとして求める。
遅延時間算出部９２２は、算出された合焦タイミングＴｍｒと基準信号Ｓｃとに基づいて、合焦タイミングＴｍｒの遅延時間Δｔ１〜Δｔ６を算出する。なお、遅延時間算出部９２２は、クロック信号等を用いてもよい。
【００９９】
ここで、駆動信号Ｃｆの１周期中に存在する複数の合焦タイミングＴｍｒは、第１実施形態における測定側合焦タイミングＴｍおよび参照側合焦タイミングＴｒの両方を含んだものとなる。すなわち、遅延時間Δｔ１〜Δｔ６は、第１実施形態における遅延時間Δｔｍ１，Δｔｍ２，Δｔｒ１，Δｔｒ２，Δｔｒ３，Δｔｒ４のいずれかに、それぞれ対応する。
【０１００】
そこで、第５実施形態では、第１参照面７１ｓおよび第２参照面７２ｓを、参照側焦点距離可変レンズ１０２による合焦位置Ｐｆ２の可変範囲ＶＲ２の両側の境界付近に配置している。これにより、測定光に起因する受光信号Ｓｍｒのピーク（測定側合焦タイミング）は、１つのピーク毎に、参照光に起因する受光信号Ｓｍｒのピーク（参照側合焦タイミング）に挟まれるように出力される。
よって、特性算出部９２３および位置算出部９２４は、駆動信号Ｃｆの１周期中の合焦タイミングＴｍｒの順番に基づいて、第１実施形態の遅延時間Δｔｍ１，Δｔｍ２，Δｔｒ１，Δｔｒ２，Δｔｒ３，Δｔｒ４を、これらに対応する遅延時間Δｔ１〜Δｔ６に置き換えて扱う。
なお、第１実施形態の遅延時間Δｔｍ１，Δｔｍ２，Δｔｒ１，Δｔｒ２，Δｔｒ３，Δｔｒ４と、図１５に示す遅延時間Δｔ１〜Δｔ６との対応関係は、以下のようになるが、基準信号Ｓｃの位相に応じて変更されてもよい。
Δｔｍ１→Δｔ２
Δｔｍ２→Δｔ５
Δｔｒ１→Δｔ１
Δｔｒ２→Δｔ３
Δｔｒ３→Δｔ４
Δｔｒ４→Δｔ６
【０１０１】
このような非接触式変位計１Ｄによれば、第１実施形態と同様、構成および処理を簡潔化でき、かつ、測定精度を向上できる。
また、非接触式変位計１Ｄによれば、測定系３および参照系５において光源３５および受光部３６を共有するため、大幅な低コスト化を図ることができる。
【０１０２】
〔変形例〕
本発明は、前述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は、本発明に含まれる。例えば、上述した各実施形態の構成は、他の実施形態の構成と組み合わせてもよい。
【０１０３】
前記各実施形態では、駆動信号Ｃｆおよび変動波形Ｍｆ１，Ｍｆ２は正弦波であるが、これは三角波、鋸歯状波、矩形波、その他の波形であってもよい。
液体レンズユニット２の具体的構成は、適宜変更してよく、ケース２１および振動部材２２は円筒状のほか六角筒状などであってもよく、これらの寸法や、液体２５の属性も適宜選択することができる。
【０１０４】
前記各実施形態では、レンズ制御部８が基準信号出力部８２を有しているが、制御部９が基準信号出力部を有していてもよい。あるいは、レンズ制御部８および制御部９とは別に基準信号出力部が構成されていてもよい。また、レンズ制御部８および制御部９が一体の制御装置として構成されてもよい。
【０１０５】
また、前記各実施形態において、非接触式変位計１，１Ａ〜１Ｄは、測定系３および参照系５のそれぞれにおいて共焦点法による光学系を構成することにより、各合焦タイミングＴｍ，Ｔｒ，Ｔｍｒを求めているが、本発明はこれに限定されない。具体的には、非接触式変位計１，１Ａ〜１Ｄは、ダブルピンホール法、非点収差法、ナイフエッジ法など、他の様々な焦点検出法を利用することにより、各合焦タイミングＴｍ，Ｔｒ，Ｔｍｒを求めることができる。
例えば、非接触式変位計１，１Ａ〜１Ｄが、測定系３において、ダブルピンホール形式による光学系を構成する場合、合焦位置Ｐｆ１と共役関係を成す集光位置の前後にそれぞれ受光部を設け、各受光部から出力される受光信号に基づいて演算を行うことにより、測定側合焦タイミングＴｍを求めることができる。参照系５において参照側合焦タイミングＴｒを求める場合も同様である。
なお、共焦点法では、各合焦タイミングＴｍ，Ｔｒ，Ｔｍｒを求めるために受光信号Ｓｍ，Ｓｒ，Ｓｍｒのピーク位置を検出する必要があり、この検出のための演算が複雑であるが、ダブルピンホール法、非点収差法、ナイフエッジ法は、共焦点法に比べて、各合焦タイミングＴｍ，Ｔｒ，Ｔｍｒを求めるために要する演算が簡潔である。このため、これらの方法を採用することにより、演算時間を短縮し、測定の高速化を図ってもよい。
【符号の説明】
【０１０６】
１，１Ａ〜１Ｄ…非接触式変位計、１０１…測定側焦点距離可変レンズ、１０２…参照側焦点距離可変レンズ、２…液体レンズユニット、３…測定系、３１…測定光源、３２…コリメートレンズ、３３…測定側対物レンズ、３４…測定光受光部、３５…光源、３６…受光部、４，６，６Ｂ…導光部、５…参照系、５１…参照光源、５２…コリメートレンズ、５３，５４…光分離部、５５…参照側対物レンズ、５６…参照光受光部、７，７Ｂ…参照光路部、７１…部分反射ミラー、７１ｓ…第１参照面、７２…反射ミラー、７２ｓ…第２参照面、７３…参照光路分離部、８…レンズ制御部、８１…駆動信号出力部、８２…基準信号出力部、９…制御部、９１…レンズ設定部、９２…信号処理部、９２１…合焦タイミング算出部、９２２…遅延時間算出部、９２３…特性算出部、９２４…位置算出部、９３…記憶部、９４…校正テーブル、Ｍｆ１，Ｍｆ２…変動波形、ＯＡ１〜ＯＡ４…光軸、Ｐｆ１，Ｐｆ２…合焦位置、Ｓｃ…基準信号、Ｓｍ，Ｓｒ，Ｓｍｒ…受光信号、Ｔｍ…測定側合焦タイミング、Ｔｒ…参照側合焦タイミング、Ｔｍｒ…合焦タイミング、Ｗ…測定対象物、Δｔｍ１，Δｔｍ２，Δｔｒ１〜Δｔｒ４，Δｔ１〜Δｔ６…遅延時間。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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