(57)【要約】【課題】測定者に負担を掛けることなく、傾斜面や曲面などの測定面を有する被測定物を良好に測定可能な光学式変位測定器を提供。【解決手段】測定面から反射フォーカシング光に基づいて対物レンズ１７０の焦点位置を測定面に一致させる手段を備えた光学式変位測定器。フォーカシング光とは異なる波長の参照光を発する参照光用光源３１０と、参照光を測定面に照射するとともに測定面からの反射参照光をフォーカシング光と分離する波長分岐型ビームスプリッタ３３０と、分離参照光に基づいて測定面の傾き方向を検出する傾き方向検出手段３４０と、フォーカシング光および参照光の光路中において参照光を透過するとともに、フォーカシング光を遮光するフォーカシング光遮光体４１０と、傾き方向検出手段によって検出された測定面の傾き方向に応じて回転駆動機構４２０を介して遮光体を回転させる制御手段５００を備える。【選択図】図１
2011027672.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォーカシング光用光源と、
このフォーカシング光用光源からのフォーカシング光を被測定物の測定面に向けて照射するとともに、前記測定面からの反射光を受ける対物レンズと、
この対物レンズまたはこの対物レンズと前記フォーカシング光用光源との間に挿入されたフォーカシングレンズを光軸に沿って移動させる移動手段と、
前記対物レンズまたは前記フォーカシングレンズの位置を検出する位置検出手段と、
前記測定面から反射され前記対物レンズを透過した前記フォーカシング光に基づいて、前記対物レンズの焦点位置と前記測定面との位置ずれを認識するとともに、前記移動手段を動作させて前記対物レンズの焦点位置を前記測定面に一致させる焦点合わせ手段とを備えた光学式変位測定器において、
前記フォーカシング光用光源からのフォーカシング光とは異なる波長の参照光を発する参照光用光源と、
前記フォーカシング光の光路中に挿入され、前記参照光用光源からの参照光を少なくとも前記対物レンズを透過させて前記測定面に照射する参照光照射手段と、
前記測定面で反射された前記参照光を前記フォーカシング光から分離する参照光分離手段と、
この参照光分離手段によって分離された前記参照光に基づいて、前記測定面の傾き方向を検出する傾き方向検出手段と、
前記測定面で反射された前記フォーカシング光および前記参照光の光路中に挿入され、前記参照光を透過するとともに、前記フォーカシング光を遮光するフォーカシング光遮光体と、
このフォーカシング光遮光体を前記対物レンズの光軸付近を中心として回転させる回転駆動機構と、
前記傾き方向検出手段によって検出された前記測定面の傾き方向に応じて前記回転駆動機構を動作させて前記フォーカシング光遮光体を回転させる制御手段とを備え、
前記フォーカシング光遮光体は、前記フォーカシング光の外周縁の一部を遮光できる形状に形成されている、ことを特徴とする光学式変位測定器。
【請求項２】
請求項１に記載の光学式変位測定器において、
前記フォーカシング光遮光体は、前記フォーカシング光を遮光し、前記参照光を透過する光波長フィルタによって構成されている、ことを特徴とする光学式変位測定器。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の光学式変位測定器において、
前記参照光照射手段および前記参照光分離手段は、前記測定面から反射され前記対物レンズを透過した前記フォーカシング光および前記参照光の光路中に挿入された波長分岐型ビームスプリッタによって構成されている、ことを特徴とする光学式変位測定器。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の光学式変位測定器において、
前記傾き方向検出手段は、円周方向に沿って複数に分割された分割型フォトダイオードを含んで構成されている、ことを特徴とする光学式変位測定器。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の光学式変位測定器において、
前記フォーカシング光遮光体は、前記測定面で反射された正反射フォーカシング光の外周縁の一部を遮光する矩形形状に形成されている、ことを特徴とする光学式変位測定器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定面に焦点位置を合わせるように、対物レンズまたはフォーカシングレンズを移動させ、この対物レンズまたはフォーカシングレンズの移動から測定面の形状を測定する光学式変位測定器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、測定面に光を照射して、測定面の形状を測定する構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載のものは、信号検出光学系とビームスプリッタとの間の光路上に、空間フィルタが配設され、この空間フィルタの中央部付近に遮蔽部が形成されている。物体面からの反射光を遮蔽部に導くことによって、その反射光の光軸近傍の光量を遮断または減衰させ、信号検出光学系において検出される受光量の最大値と最小値との比を小さくして、ＳＮ比の低下を防ぐ構成が採られている。
【０００３】
しかしながら、上述したような特許文献１のような構成では、被測定物の形状が例えば曲面であって、測定面の傾斜角が、レンズで集光されて測定面に入射される収束光の収束角よりも大きい場合、良好な測定ができない場合がある。
【０００４】
具体的には、特許文献１のような構成では、図１０に示すように、平行光Ｌ９０１が対物レンズ８００で集光されて被測定物９００に入射される収束光Ｌ９０２は、測定面９０１で反射されて反射光Ｌ９０３となる。測定面９０１の傾斜角θ１１と、収束光Ｌ９０２の収束角θ２１とが等しい場合、収束光Ｌ９０２の外縁（以下、収束光外縁と称す）Ｌ９０２Ａ、および、反射光Ｌ９０３の外縁（以下、反射光外縁と称す）Ｌ９０３Ａのみが重畳し、他の部分が重畳しない状態となる。つまり、収束光外縁Ｌ９０２Ａおよび反射光外縁Ｌ９０３Ａのなす角度は、０°となる。このとき、収束光Ｌ９０２と重畳する反射光外縁Ｌ９０３Ａは、平行光Ｌ９０１の外縁（以下、平行光外縁と称す）Ｌ９０１Ａを進行して、受光ビームとして合焦位置の検出に利用できない。
【０００５】
また、図１１に示すように、被測定物９１０の測定面９１１の傾斜角θ１２が、収束光Ｌ９０２の収束角θ２１よりも大きい場合、収束光Ｌ９０２および反射光Ｌ９１１は、重畳しない状態となる。つまり、収束光外縁Ｌ９０２Ａおよび反射光外縁Ｌ９１１Ａのなす角度は、０°より小さくなる。このとき、反射光外縁Ｌ９１１Ａは、対物レンズ８００を通過した後、平行光外縁Ｌ９０１Ａより外側の位置を進行して、受光ビームとして利用できない。
従って、図１０に示すような場合、照射ビームと受光ビームとのなす角度が０°となり、図１１に示すような場合、受光ビームが存在しないため、合焦位置検出感度が失われてしまう。
【０００６】
合焦位置検出感度が失われると、被測定物が曲面を有する形状、例えば球体状や円柱状である場合、その形状を曲面に沿ってなぞろうとしても、測定面の傾斜角が収束光の収束角よりも大きい箇所においては、測定面の曲率中心を測定ビームの延長線が常に貫くよう、フォーカシングレンズの位置決め制御が誤ってなされることがある。このため、形状測定記録において、測定面の傾斜角が収束光の収束角よりも大きい箇所では、測定面から斜めに浮き上がったり、沈み込んだりしたりした無意味な記録しか得られないという問題がある。
【０００７】
そこで、本出願人は、先に、このような問題を解決できる「光学式変位測定器」を提案した（特許文献２参照）。
特許文献２に記載の光学式変位測定器では、測定面から反射され対物レンズを通過して焦点合わせ手段に導かれる反射光の光路中に、その反射光の外周縁の一部を遮光する遮光体が挿入されている。
この構成によれば、測定面から反射され対物レンズを通過して焦点合わせ手段に導かれる反射光の光路中に、その反射光の外周縁の一部を遮光する遮光体が挿入されているから、測定面の傾き方向に応じて、測定面からの正反射光が通る部分に遮光体を挿入しておけば、測定面からの正反射光を除外して、測定面の表面粗さに起因する拡散反射光を基に正しいフォーカシングを行うことができる。つまり、偽のフォーカシング信号を生成させる正反射光の発生を防ぐことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平８−１２８８０６号公報
【特許文献２】特開２００９−１５６６１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献２の構造では、予め測定面の傾斜方向が既知でなければ、測定面からの正反射光を遮光体で遮光することができない。すなわち、予め測定面の傾斜方向が既知でなければ、測定面からの正反射光の偏り方向を把握できないから、この正反射光を遮光するように遮光体を回転させることができず、そのため、測定面からの正反射光を遮光体で遮光することができない。
その結果、測定者は、測定面の傾斜方向を把握しなければならないうえ、その傾斜方向に応じて遮光体を回転させなければならないため、測定者への負担が大きく、また、測定面の傾斜方向が既知でない被測定物については測定できない場合も考えられる。
【００１０】
本発明の目的は、このような実情に鑑みて、測定者に負担を掛けることなく、傾斜面や曲面などの測定面を有する被測定物を良好に測定可能な光学式変位測定器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の光学式変位測定器は、フォーカシング光用光源と、このフォーカシング光用光源からのフォーカシング光を被測定物の測定面に向けて照射するとともに、前記測定面からの反射光を受ける対物レンズと、この対物レンズまたはこの対物レンズと前記フォーカシング光用光源との間に挿入されたフォーカシングレンズを光軸に沿って移動させる移動手段と、前記対物レンズまたは前記フォーカシングレンズの位置を検出する位置検出手段と、前記測定面から反射され前記対物レンズを透過した前記フォーカシング光に基づいて、前記対物レンズの焦点位置と前記測定面との位置ずれを認識するとともに、前記移動手段を動作させて前記対物レンズの焦点位置を前記測定面に一致させる焦点合わせ手段とを備えた光学式変位測定器において、前記フォーカシング光用光源からのフォーカシング光とは異なる波長の参照光を発する参照光用光源と、前記フォーカシング光の光路中に挿入され、前記参照光用光源からの参照光を少なくとも前記対物レンズを透過させて前記測定面に照射する参照光照射手段と、前記測定面で反射された前記参照光を前記フォーカシング光から分離する参照光分離手段と、この参照光分離手段によって分離された前記参照光に基づいて、前記測定面の傾き方向を検出する傾き方向検出手段と、前記測定面で反射された前記フォーカシング光および前記参照光の光路中に挿入され、前記参照光を透過するとともに、前記フォーカシング光を遮光するフォーカシング光遮光体と、このフォーカシング光遮光体を前記対物レンズの光軸付近を中心として回転させる回転駆動機構と、前記傾き方向検出手段によって検出された前記測定面の傾き方向に応じて前記回転駆動機構を動作させて前記フォーカシング光遮光体を回転させる制御手段とを備え、前記フォーカシング光遮光体は、前記フォーカシング光の外周縁の一部を遮光できる形状に形成されている、ことを特徴とする。
【００１２】
この構成によれば、フォーカシング光用光源からのフォーカシング光はコリメータレンズにより平行光とされ、対物レンズに入射される。すると、対物レンズによって、平行光が集光され、その光が被測定物の測定面に向けて照射される。測定面によって反射された反射フォーカシング光は、対物レンズを透過し、焦点合わせ手段で受光される。焦点合わせ手段は、対物レンズを透過した反射フォーカシング光に基づいて、対物レンズの焦点位置と測定面とが一致するように、移動手段を動作させる。つまり、対物レンズの焦点位置が測定面と一致するように、測定面形状に応じて、対物レンズまたはフォーカシングレンズが移動されるので、この対物レンズまたはフォーカシングレンズの位置を位置検出手段によって読み取れば、測定面の形状を測定することができる。
【００１３】
対物レンズによって測定面に照射されたフォーカシング光は、測定面において正反射されるとともに、測定面の表面粗さに起因して拡散反射される。これらの正反射フォーカシング光および拡散反射フォーカシング光は、対物レンズなどを透過したのち、焦点合わせ手段で受光される。
いま、測定面が傾斜し、照射フォーカシング光の外縁と測定面からの正反射フォーカシング光とのなす角がゼロ近傍の場合、測定面からの正反射フォーカシング光については、その一部のみが焦点合わせ手段で受光される結果、偽のフォーカシングにより、測定面形状にない浮き上がりや沈み込みが生じる虞がある。
【００１４】
本発明では、測定面からの反射フォーカシング光および反射参照光の光路中に、参照光を透過するとともに、フォーカシング光を遮光するフォーカシング光遮光体が挿入されているから、測定面の傾き方向に応じて、測定面からの正反射フォーカシング光が通る部分を遮光するように、フォーカシング光遮光体を回転させれば、測定面からの正反射フォーカシング光を除外して、測定面の表面粗さに起因する拡散反射フォーカシング光を基に正しいフォーカシングを行うことができる。
【００１５】
本発明において、参照光用光源からフォーカシング光とは異なる波長の参照光が発せられると、その参照光が参照光照射光学系によって測定面に照射される。測定面からの反射参照光は参照光分離手段によってフォーカシング光から分離、例えば、フォーカシング光の光路外に分離され、傾き検出手段によって偏り方向が検出される。つまり、測定面の傾き方向が検出される。
【００１６】
傾き方向検出手段によって測定面の傾き方向が検出されると、この測定面の傾き方向に応じてフォーカシング光遮光体が回転、つまり、測定面からの正反射フォーカシング光が遮光されるように、フォーカシング光遮光体が自動的に回転される。そのため、測定面の傾斜方向が既知でなくても、自動的にフォーカシング光遮光体を回転させて測定面からの正反射フォーカシング光を遮光することができる。従って、測定者に負担を掛けることなく、傾斜面や曲面などの測定面を有する被測定物を良好に測定することができる。
【００１７】
本発明の光学式変位測定器において、前記フォーカシング光遮光体は、前記フォーカシング光を遮光し、前記参照光を透過する光波長フィルタによって構成されている、ことが好ましい。
この構成によれば、フォーカシング光遮光体が、フォーカシング光を遮光し、参照光を透過する光波長フィルタによって構成されているから、簡単な構成で、フォーカシング光によるフォーカシングを行いつつ、参照光による測定面の傾き方向の検出も行える。
【００１８】
本発明の光学式変位測定器において、前記参照光照射手段および前記参照光分離手段は、前記測定面から反射され前記対物レンズを透過した前記フォーカシング光および前記参照光の光路中に挿入された波長分岐型ビームスプリッタによって構成されている、ことが好ましい。
この構成によれば、参照光照射手段および参照光分離手段を１つの波長分岐型ビームスプリッタによって構成できるから、部品点数を削減できる。また、測定面からの反射光のうち、参照光はフォーカシング光から分離され、焦点合わせ手段には到達しないので、正しいフォーカシングを行える。
【００１９】
本発明の光学式変位測定器において、前記傾き方向検出手段は、円周方向に沿って複数に分割された分割型フォトダイオードを含んで構成されている、ことが好ましい。
この構成によれば、傾き方向検出手段が、円周方向に沿って複数に分割された多分割型フォトダイオードを含んで構成されているから、測定面がどの方向に傾いても、正しいフォーカシングを行うことができる。つまり、測定面の傾きによる誤差を少なくできる。また、市販の分割型ダイオードを利用できるから安価に構成できる。
【００２０】
本発明の光学式変位測定器において、  前記フォーカシング光遮光体は、前記測定面で反射された正反射フォーカシング光の外周縁の一部を遮光する矩形形状に形成されている、ことが好ましい。
例えば、反射光の中心を通り反射光を横切る部分を遮光する矩形形状であってもよく、あるいは、反射光の略中心から外周縁の一部に掛けた部分を遮光できる矩形形状であってもよい。
この構成によれば、フォーカシング光遮光体は、測定面で反射された正反射フォーカシング光の外周縁の一部を遮光する矩形形状に形成されているから、測定面の表面粗さに起因する拡散反射フォーカシング光については透過させることができる。従って、これを通過した拡散反射フォーカシング光を利用してフォーカシングを確実に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光学式変位測定器の概略構成を示す模式図。
【図２】前記第１実施形態において、多分割フォトダイオードを示す図。
【図３】前記第１実施形態において、フォーカシング光遮光体とフォーカシング光および参照光との関係を示す図。
【図４】前記第１実施形態において、測定面限界角傾斜時の参照光およびフォーカシング光の受光状態を示す図。
【図５】前記第１実施形態において、測定面限界角傾斜時の動作後の参照光およびフォーカシング光の受光状態を示す図。
【図６】本発明の第２実施形態に係る光学式変位測定器の概略構成を示す模式図。
【図７】本発明の第３実施形態に係る光学式変位測定器の概略構成を示す模式図。
【図８】遮光体の変形例を示す図。
【図９】遮光体駆動機構の変形例を示す斜視図。
【図１０】従来構成における測定面の傾斜角および収束光の収束角が等しい場合における測定状態を示す概念図。
【図１１】従来構成における測定面の傾斜角が収束光の収束角よりも大きい場合における測定状態を示す概念図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
＜第１実施形態＞
（光学式変位測定器の構成）
図１は、本発明の第１実施形態に係る光学式変位測定器の概略構成を示す模式図である。
光学式変位測定器１００は、図１に示すように、フォーカシング光用光源１１０と、このフォーカシング光用光源１１０からのフォーカシング光を平行光にして出射する第１コリメータレンズ１２０と、この第１コリメータレンズ１２０からの平行光を発散させた発散光を出射するフォーカシングレンズ１３０と、このフォーカシングレンズ１３０からの発散光を平行光にして出射する第２コリメータレンズ１５０と、対物レンズ１７０と、フォーカシングレンズ１３０を光軸に沿って移動させる移動手段としてのアクチュエータ２００と、フォーカシングレンズ１３０の位置を検出する位置検出手段としてのリニアエンコーダ２１０と、測定面９０１で反射され対物レンズ１７０、第２コリメータレンズ１５０およびフォーカシングレンズ１３０を通過した反射光（フォーカシング光）の焦点位置に基づいて、対物レンズ１７０の焦点位置と測定面９０１との位置ずれを認識するとともに、アクチュエータ２００によりフォーカシングレンズ１３０の位置を制御して対物レンズ１７０の焦点位置を測定面９０１に一致させる焦点合わせ手段２２０と、参照光を用いて測定面９０１の傾き方向を検出する傾き方向検出光学系３００と、測定面９０１で反射されたフォーカシング光および参照光の光路中に挿入されフォーカシング光の一部を遮光する遮光機構４００と、傾き方向検出光学系３００によって検出された測定面９０１の傾きに応じて遮光機構４００を回転させる制御手段５００を備えて構成されている。
【００２３】
フォーカシング光用光源１１０としては、例えば、赤色レーザダイオード等が使用されている。
フォーカシング光用光源１１０と第１コリメータレンズ１２０は、フォーカシング光用光源１１０からのフォーカシング光が第１コリメータレンズ１２０により平行光として出射されるように所定距離を隔てて配置されている。
【００２４】
フォーカシングレンズ１３０は、第１コリメータレンズ１２０および第２コリメータレンズ１５０に対向する状態で配置されている。フォーカシングレンズ１３０は、レンズホルダ１４０により周縁が保持されている。レンズホルダ１４０は、アーム１４１を介してアクチュエータ２００に連結され、フォーカシングレンズ１３０の光軸に沿って変位可能に設けられているとともに、接続部１４２を介してリニアエンコーダ２１０に連結されている。すなわち、フォーカシングレンズ１３０は、第１コリメータレンズ１２０と第２コリメータレンズ１５０との距離が変更可能に配置されている。
【００２５】
第２コリメータレンズ１５０は、対物レンズ１７０に対向し、かつ、対物レンズ１７０から所定距離を隔てて配置されている。
【００２６】
対物レンズ１７０は、第２コリメータレンズ１５０から出射された平行光を集光し収束光として測定面９０１に向けて照射するとともに、測定面９０１からの反射光を第２コリメータレンズ１５０へ出射する。
【００２７】
焦点合わせ手段２２０は、焦点位置を検出する焦点位置検出手段２３０と、焦点位置検出手段２３０からの信号をもとにアクチュエータ２００を制御するサーボ回路２４０とを備えて構成されている。
焦点位置検出手段２３０は、ダブルピンホール法により焦点位置を検出する焦点位置検出光学系２３１と、焦点位置検出光学系２３１からの信号に基づいてフォーカシングレンズ１３０および測定面９０１の位置関係を演算する焦点位置検出回路２３２とを備えて構成されている。
【００２８】
焦点位置検出光学系２３１は、フォーカシング光用光源１１０と第１コリメータレンズ１２０の間に配置され第１コリメータレンズ１２０からの光を分割する第１ビームスプリッタ２３３と、この第１ビームスプリッタ２３３からの光を二方向に分割する第２ビームスプリッタ２３４と、第２ビームスプリッタ２３４により分割された各光の合焦位置よりも前および後にそれぞれ配置された二つのピンホール２３５Ａ，２３５Ｂと、このピンホール２３５Ａ，２３５Ｂを通過した光の光量をそれぞれ検出するフォトダイオードなどの受光素子２３６Ａ，２３６Ｂとを備えて構成されている。
【００２９】
焦点位置検出回路２３２は、受光素子２３６Ａおよび受光素子２３６Ｂから得られる受光信号を入力として、フォーカシングレンズ１３０と測定面９０１との位置関係を演算し、受光素子２３６Ａおよび受光素子２３６Ｂから得られる受光信号の差をフォーカシングエラー信号としてサーボ回路２４０に与える。
【００３０】
サーボ回路２４０は、焦点位置検出回路２３２からのフォーカシングエラー信号に基づいてアクチュエータ２００を制御し、フォーカシングレンズ１３０の位置を調整する。つまり、対物レンズ１７０からの収束光が測定面９０１で結像するように、フォーカシングレンズ１３０の位置を調整する。
【００３１】
傾き方向検出光学系３００は、参照光用光源３１０と、この参照光用光源３１０からの参照光を平行光として出射するコリメータレンズ３２０と、フォーカシング光の光路中に挿入され、参照光用光源３１０からの参照光を測定面９０１に向けて反射するとともに、測定面９０１からの反射光のうち参照光をフォーカシング光から分離する波長分岐型ビームスプリッタ３３０と、波長分岐型ビームスプリッタ３３０によって分離された測定面９０１からの反射光（参照光）に基づいて測定面９０１の傾き方向を検出する傾き方向検出手段３４０とを備えて構成されている。
【００３２】
参照光用光源３１０は、フォーカシング光用光源１１０からのフォーカシング光とは異なる波長の参照光を発する素子、例えば、青色レーザダイオード等により構成されている。
波長分岐型ビームスプリッタ３３０は、参照光用光源３１０からの参照光を測定面９０１に向けて照射する参照光照射手段と、測定面９０１から反射され対物レンズ１７０を通過した反射光のうち参照光をフォーカシング光から分離する参照光分離手段とを構成している。ここで、参照光は、測定面９０１上において、フォーカシング光と略同じ位置、高さに焦点を結ぶように光学系が構成されている。
【００３３】
傾き方向検出手段３４０は、参照光用光源３１０とコリメータレンズ３２０との間に挿入されたビームスプリッタ３４１と、このビームスプリッタ３４１によって反射された反射参照光の位置を検出する光位置検出部３４２とから構成されている。
光位置検出部３４２は、図２に示すように、扇形形状の複数（８個）の受光素子３４２ａ〜３４２ｈが円環状に隣接配置された多分割フォトダイオードによって構成されている。なお、光位置検出部３４２としては、４分割以上の多分割フォトダイオードであればよく、あるいは、多分割フォトダイオードに代えてＣＣＤやＣ−ＭＯＳセンサなどでもよい。
【００３４】
遮光機構４００は、測定面９０１から反射された反射フォーカシング光および反射参照光の光路中、本実施形態では対物レンズ１７０と測定面９０１との間に挿入されたフォーカシング光遮光体４１０と、このフォーカシング光遮光体４１０を対物レンズ１７０の光軸付近を中心として回転させる回転駆動機構４２０とを含んで構成されている。
フォーカシング光遮光体４１０は、図３（測定面側からフォーカシング光遮光体４１０を見た図）に示すように、長さがリング状のフォーカシング光および参照光の外径よりも大きく、幅寸法がフォーカシング光および参照光の内径よりも小さい矩形形状に形成され、フォーカシング光を遮光（図３（Ａ）参照）し、参照光を透過（図３（Ｂ）参照）する光波長フィルタによって構成されている。
回転駆動機構４２０は、対物レンズ１７０の下面中心に中央遮光体４３０を介して固定されたモータなどにより構成されている。なお、中央遮光体４３０は、モータでの反射光（フォーカシング光および参照光を共に遮光）を防止するために設けられている。
【００３５】
（光学式変位測定器の作用）
フォーカシング光用光源１１０から出射されたフォーカシング光は、第１コリメータレンズ１２０によって平行光とされたのち、フォーカシングレンズ１３０に入射され発散光とされる。フォーカシングレンズ１３０からの発散光は、第２コリメータレンズ１５０に入射され平行光とされる。第２コリメータレンズ１５０からの平行光は、対物レンズ１７０によって収束光とされ測定面９０１へ照射される。
【００３６】
測定面９０１で反射された反射フォーカシング光は、対物レンズ１７０、第２コリメータレンズ１５０、フォーカシングレンズ１３０、第１コリメータレンズ１２０を通過し、第１ビームスプリッタ２３３によって焦点位置検出光学系２３１に導かれる。
焦点位置検出光学系２３１では、反射フォーカシング光が、第２ビームスプリッタ２３４によって２つの光路に分割されたのち、それぞれ受光素子２３６Ａおよび受光素子２３６Ｂで受光される。すると、焦点位置検出回路２３２は、受光素子２３６Ａおよび受光素子２３６Ｂのそれぞれにおいて、受光信号の差を演算し、この受光信号の差をフォーカシングエラー信号としてサーボ回路２４０に与える。
【００３７】
サーボ回路２４０は、受光素子２３６Ａおよび受光素子２３６Ｂで受光される受光信号が等しくなるように、アクチュエータ２００を動作させ、フォーカシングレンズ１３０の位置を制御する。
これにより、対物レンズ１７０の焦点位置が測定面９０１と一致するように、測定面形状に応じて、フォーカシングレンズ１３０が移動されるので、このフォーカシングレンズ１３０の位置をリニアエンコーダ２１０によって読み取れば、測定面９０１の形状を測定することができる。
【００３８】
ところで、測定面９０１へ照射された収束光は、測定面９０１において正反射されるとともに、測定面９０１の表面粗さに起因して拡散反射される。これらの正反射光および拡散反射光は、対物レンズ１７０などを通過したのち、受光素子２３６Ａおよび受光素子２３６Ｂで受光される。
いま、測定面９０１が傾斜し、収束光の外縁と測定面９０１からの反射光（正反射光）とのなす角がゼロ近傍の場合（測定面限界角傾斜時の場合）、測定面９０１からの正反射光については、その一部が受光素子２３６Ａおよび受光素子２３６Ｂで受光される。すると、偽のフォーカシングにより、測定面形状にない浮き上がりや沈み込みが生じる虞がある。
【００３９】
本実施形態では、傾き方向検出光学系３００によって測定面９０１の傾き方向を検出し、この測定面９０１の傾き方向に応じてフォーカシング光遮光体４１０を回転、つまり、測定面９０１からの正反射フォーカシング光が遮光されるように、フォーカシング光遮光体４１０を自動的に回転させるようにしたので、測定面９０１の傾斜方向が既知でなくても、自動的にフォーカシング光遮光体４１０を回転させて測定面９０１からの正反射フォーカシング光を遮光することができる。
【００４０】
つまり、参照光用光源３１０から参照光が出射されると、その参照光は、コリメータレンズ３２０によって平行光とされたのち、波長分岐型ビームスプリッタ３３０で反射され、フォーカシングレンズ１３０、第２コリメータレンズ１５０、フォーカシング光遮光体４１０、対物レンズ１７０を通って測定面９０１へ照射される。測定面９０１で反射された反射参照光は、対物レンズ１７０、フォーカシング光遮光体４１０、第２コリメータレンズ１５０、フォーカシングレンズ１３０を通って波長分岐型ビームスプリッタ３３０に達する。
【００４１】
すると、反射参照光は、波長分岐型ビームスプリッタ３３０でフォーカシング光と分離されたのち、コリメータレンズ３２０、ビームスプリッタ３４１を通って、光位置検出部３４２で受光される。測定面９０１が傾斜していると、測定面９０１の傾斜方向によって、反射参照光が受光される光位置検出部３４２の位置が偏る。
本実施形態では、光位置検出部３４２を構成する複数の受光素子３４２ａ〜３４２ｈのなかから、最も受光量の多い受光素子３４２ａ〜３４２ｈの角度位置を検出し、この受光素子３４２ａ〜３４２ｈが遮光されるように、フォーカシング光遮光体４１０を自動的に回転させて、偽のフォーカシングを防止する。
【００４２】
（測定面限界角傾斜時の動作前）
図４は、測定面限界角傾斜時において、フォーカシング光遮光体４１０が回転する前の状態を示している。
フォーカシング光遮光体４１０は参照光を透過するから、図４（Ａ）に示すように、測定面９０１で正反射された正反射参照光は、フォーカシング光遮光体４１０を透過し、光位置検出部３４２に対して偏った位置で受光される。すると、制御手段５００により、光位置検出部３４２を構成する複数の受光素子３４２ａ〜３４２ｈのなかから、最も受光量の多い受光素子、例えば、受光素子３４２ｃの角度位置が検出され、この受光素子３４２ｃが遮光されるように、フォーカシング光遮光体４１０が回転され始める。
【００４３】
このとき、図４（Ｂ）に示すように、測定面９０１で反射したフォーカシング光（正反射フォーカシング光および拡散反射フォーカシング光）の一部は、フォーカシング光遮光体４１０で遮光されるが、フォーカシング光遮光体４１０で遮られなかった正反射フォーカシング光および拡散反射フォーカシング光の一部がピンホールを通って受光素子２３６Ａ，２３６Ｂで受光される。そのため、ピンホールを通った正反射フォーカシング光の一部により偽のフォーカシング信号が生成される状態にある。
【００４４】
（測定面限界角傾斜時の動作後）
図５は、測定面限界角傾斜時において、フォーカシング光遮光体４１０が回転した後の状態を示している。
図５（Ａ）は、図４（Ａ）の状態から、光位置検出部３４２のなかから受光量が最大の受光素子、例えば、受光素子３４２ｃを覆い隠すように、フォーカシング光遮光体４１０が回転された後の状態を示している。
すると、測定面９０１で反射したフォーカシング光（正反射フォーカシング光および拡散反射フォーカシング光）は、図５（Ｂ）のように受光される。つまり、測定面９０１で反射した正反射フォーカシング光は、フォーカシング光遮光体４１０に完全に遮られているため、偽のフォーカシング信号は生成されない。拡散反射フォーカシング光がピンホールを通って受光素子２３６Ａ，２３６Ｂで受光されるため、これを利用してフォーカシングが実行される。
【００４５】
＜第２実施形態＞
図６は、本発明の第２実施形態に係る光学式変位測定器の概略構成を示す模式図である。
第１実施形態では、光学系を、フォーカシング光用光源１１０と、第１コリメータレンズ１２０と、フォーカシングレンズ１３０と、第２コリメータレンズ１５０と、対物レンズ１７０とから構成したが、第２実施形態では、フォーカシング光用光源１１０と、第１コリメータレンズ１２０と、この第１コリメータレンズ１２０から出射される平行光を集光した集光光を被測定物９００の測定面９０１に向けて照射するとともに測定面９０１からの反射光を受ける対物レンズ１７０とを備えて構成されている。
【００４６】
対物レンズ１７０は、レンズホルダ１４０によって保持されている。レンズホルダ１４０は、アーム１４１を介してアクチュエータ２００に連結されているとともに、接続部１４２を介してリニアエンコーダ２１０に連結されている。
つまり、第１実施形態に対して、フォーカシングレンズ１３０および第２コリメータレンズ１５０が省略されている。そのため、対物レンズ１７０が光軸方向へ移動可能に構成されているとともに、対物レンズ１７０の位置がリニアエンコーダ２１０によって検出できるように構成されている。
【００４７】
第２実施形態によれば、第１実施形態と同様に、焦点合わせ手段２２０が、アクチュエータ２００を動作させて対物レンズ１７０を光軸方向へ移動させ、対物レンズ１７０の焦点位置を測定面９０１に一致させるように動作させる。従って、対物レンズ１７０の位置をリニアエンコーダ２１０によって読み取れば、測定面９０１の形状を測定することができる。
【００４８】
＜第３実施形態＞
図７は、本発明の第３実施形態に係る光学式変位測定器の概略構成を示す模式図である。
第１実施形態および第２実施形態では、焦点位置検出光学系２３１については、ダブルピンホール法による合焦点式であったが、第３実施形態では、共焦点式の例である。
図７に示すように、第１実施形態および第２実施形態と同様に、第１ビームスプリッタ２３３により反射された光の合焦位置にピンホール２３５Ｃが配置され、このピンホール２３５Ｃを通過した光が受光素子２３６Ｃにより検出される。受光素子２３６Ｃからの出力は焦点位置検出回路２３２に与えられる。
【００４９】
この第３実施形態によれば、第１実施形態および第２実施形態に比べ、部品点数を少なくできる利点がある。
【００５０】
＜変形例＞
本発明は、前記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、改良は、本発明に含まれる。
フォーカシング光遮光体４１０の形状については、第１〜第３実施形態で説明した形状に限らず、他の形状であってもよい。
例えば、図８に示すように、反射光（正反射フォーカシング光）の略中心から外周縁の一部に掛けた部分を遮光できる矩形形状に形成されていてもよい。この場合、フォーカシング光遮光体４１０は、その内端部側を中心として回転可能に設けられている。
また、フォーカシング光遮光体４１０の配置位置については、対物レンズ１７０の下面側に限らず、他の位置であってもよい。例えば、対物レンズ１７０と第２コリメータレンズ１５０との間、第２コリメータレンズ１５０とフォーカシングレンズ１３０との間、フォーカシングレンズ１３０と波長分岐型ビームスプリッタ３３０との間でもよい。
【００５１】
フォーカシング光遮光体４１０を回転させる回転駆動機構４２０については、光路中心に配置されたモータに限らず、他の構成であってもよい。
例えば、図９に示す構成では、フォーカシング光遮光体４１０の外端に円環状の歯車部４４０が一体的に形成され、この歯車部４４０に噛合するピニオン４５０をモータなどの回転駆動機構４２０で回転させるように構成されている。このようにすれば、モータなどの回転駆動機構４２０を光学系の光路中に配置しなくてもよいので、中央遮光体４３０をを省略でき、光学系の構成を簡易にできる利点がある。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、測定面に焦点位置を合わせるように、対物レンズまたはフォーカシングレンズ位置を移動させ、この対物レンズまたはフォーカシングレンズの移動から測定面の形状を測定する光学式変位測定器に利用できる。特に、傾斜面や曲面などの測定面を有する被測定物の測定に好適である。
【符号の説明】
【００５３】
１００…光学式変位測定器、
１１０…フォーカシング光用光源、
１３０…フォーカシングレンズ、
１７０…対物レンズ、
２００…アクチュエータ（移動手段）、
２１０…リニアエンコーダ（位置検出手段）、
２２０…焦点合わせ手段、
３００…傾斜方向検出光学系、
３１０…参照光用光源、
３３０…波長分岐型ビームスプリッタ（参照光照射光学系、参照光分離手段）、
３４０…傾き方向検出手段、
３４２ａ〜３４２ｈ…受光素子、
４１０…フォーカシング光遮光体、
４２０…回転駆動機構、
５００…制御手段。
【図１】
2011027672.tif 000003
【図２】
2011027672.tif 000004
【図３】
2011027672.tif 000005
【図４】
2011027672.tif 000006
【図５】
2011027672.tif 000007
【図６】
2011027672.tif 000008
【図７】
2011027672.tif 000009
【図８】
2011027672.tif 000010
【図９】
2011027672.tif 000011
【図１０】
2011027672.tif 000012
【図１１】
2011027672.tif 000013