(57)【要約】【課題】２枚のレンズとその間に設けられた絞りを含む光学系を用いた計測装置において、単焦点レンズ単体を用いた場合と比較してより計測精度を向上させること。【解決手段】対象物ＯＢへ照射する照射光を発光する発光部１４と、発光部１４から発光された照射光の発散度合いを変える第１のレンズ３２と、第１のレンズ３２から出射された照射光を絞る絞り部４０と、絞り部４０を通過した照射光を対象物ＯＢの予め定められた方向から照射するように対象物ＯＢ上に集光する第１の光学素子３４ａと、絞り部４０と第１の光学素子３４ａとの間に配置され、照射光が対象物ＯＢに照射されて反射した反射光を受光する受光部１８と、照射光が対象物に照射されて反射し受光部１８で受光される反射光を受光部１８の受光面に集光する第２の光学素子３４ｂと、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物へ照射する照射光を発光する発光部と、
前記発光部から発光された前記照射光の発散度合いを変える第１のレンズと、
前記第１のレンズから出射された前記照射光を絞る絞り部と、
前記絞り部を通過した前記照射光を前記対象物の予め定められた方向から照射するように前記対象物上に集光する第１の光学素子と、
前記絞り部と前記第１の光学素子との間に配置され、前記照射光が前記対象物に照射されて反射した反射光を受光する受光部と、
前記照射光が前記対象物に照射されて反射し前記受光部で受光される前記反射光を前記受光部の受光面に集光する第２の光学素子と、を含む
計測装置。
【請求項２】
前記第２の光学素子は、第１の焦点距離を有する第２のレンズであり、
前記第１の光学素子は、前記照射光を透過するとともに前記第１の焦点距離を補正する補正素子および前記照射光を透過する前記第２の光学素子の一部で構成され、前記補正素子および前記第２の光学素子の一部による焦点位置が前記絞り部の中心とされている
請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記発光部は予め定められた方向に配列された複数の発光素子を備え、
前記第１の光学素子は前記予め定められた方向に延伸されるとともに前記複数の発光素子の各々からの照射光を透過させる長さを有する
請求項２に記載の計測装置。
【請求項４】
前記第１の光学素子と前記第２の光学素子とは多焦点レンズとして一体に構成され、
前記第１の光学素子は、焦点位置が前記絞り部の中心とされている前記多焦点レンズの第１の領域とされ、
前記第２の光学素子は、前記反射光を前記受光面に集光する焦点距離を有する前記多焦点レンズの第２の領域とされた
請求項１に記載の計測装置。
【請求項５】
前記第１の領域と前記第２の領域とは互いに屈折率が異なる
請求項４に記載の計測装置。
【請求項６】
前記第１の領域と前記第２の領域とは互いに表面の曲率が異なる
請求項４に記載の計測装置。
【請求項７】
前記発光部は予め定められた方向に配列された複数の発光素子を備え、
前記第１の領域は前記予め定められた方向に延伸されるとともに前記複数の発光素子の各々からの照射光を透過させる長さを有する
請求項４から請求項６のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項８】
前記第１の領域と前記第２の領域との間に遮光部材を備える
請求項４から請求項７のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項９】
対象物へ照射する照射光を発光する発光部と、
前記発光部から発光された前記照射光の発散度合いを変えるレンズと、
前記レンズから出射された前記照射光を絞る絞り部と、
前記絞り部を通過した前記照射光が前記対象物に照射されて反射した反射光を受光する受光部と、を含む計測装置による計測方法であって、
第１の光学素子により前記絞り部を通過した前記照射光が予め定められた方向から前記対象物に照射されるように前記照射光を前記対象物上に集光させ、
第２の光学素子により前記照射光が前記対象物に照射されて反射し前記受光部で受光される前記反射光を前記受光部の受光面に集光させる
計測方法。
【請求項１０】
第１の焦点距離を有する第１の領域と、
予め定められた方向に延伸された扁平形状の前記第１の焦点距離と異なる第２の焦点距離を有する第２の領域と、を含み、
平面視において、前記第２の領域は前記第１の領域に含まれて形成されているか、または前記予め定められた方向の両端が前記第１の領域の周縁の一部と重なって形成されている
多焦点レンズ。
【請求項１１】
前記第１の領域と前記第２の領域との界面は、断面視において、前記多焦点レンズの光軸に対し予め定められた角度傾けられた
請求項１０に記載の多焦点レンズ。
【請求項１２】
前記第１の領域と前記第２の領域との間に、前記多焦点レンズを双方向に透過する光同士を遮光する遮光部をさらに含む
請求項１０または請求項１１に記載の多焦点レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多焦点レンズ、計測装置および計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、往路光軸を有し、測定光を投光する為の投光光学系と、復路光軸を有し、反射光を受光する為の受光光学系とを具備し、該受光光学系が反射光を受光し集光させる為の受光レンズと、反射光が入射する受光面と、該受光面と受光レンズとの間に配置されたリング状の孔明き多焦点光学部材とを有することを特徴とする光波距離測定装置が開示されている。特許文献１に開示された光波距離測定装置では、測定光が受光レンズの孔を通過し、反射光は受光レンズの孔とレンズを通過する構成となっている。
【０００３】
特許文献２には、固体撮像素子と、少なくとも２枚のレンズと、光線を制限する絞りとを有し、レンズのうち１つは、固体撮像素子の光入射側にある複数の焦点距離を有する複数焦点レンズであり、絞りは、複数焦点レンズの光入射側にあることを特徴とする撮像装置が開示されている。特許文献２に開示された撮像装置は、２枚のレンズの間に絞りを配置し、レンズのうちの１枚は２焦点レンズとなっているが、レンズと絞りとの距離はレンズの焦点距離とは異なっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−０６９６１１号公報
【特許文献２】特開２００７−１０８６００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、２枚のレンズとその間に設けられた絞りを含む光学系を用いた計測装置において、単焦点レンズ単体を用いた場合と比較してより計測精度を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の計測装置は、対象物へ照射する照射光を発光する発光部と、前記発光部から発光された前記照射光の発散度合いを変える第１のレンズと、前記第１のレンズから出射された前記照射光を絞る絞り部と、前記絞り部を通過した前記照射光を前記対象物の予め定められた方向から照射するように前記対象物上に集光する第１の光学素子と、前記絞り部と前記第１の光学素子との間に配置され、前記照射光が前記対象物に照射されて反射した反射光を受光する受光部と、前記照射光が前記対象物に照射されて反射し前記受光部で受光される前記反射光を前記受光部の受光面に集光する第２の光学素子と、を含むものである。
【０００７】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第２の光学素子は、第１の焦点距離を有する第２のレンズであり、前記第１の光学素子は、前記照射光を透過するとともに前記第１の焦点距離を補正する補正素子および前記照射光を透過する前記第２の光学素子の一部で構成され、前記補正素子および前記第２の光学素子の一部による焦点位置が前記絞り部の中心とされているものである。
【０００８】
また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記発光部は予め定められた方向に配列された複数の発光素子を備え、前記第１の光学素子は前記予め定められた方向に延伸されるとともに前記複数の発光素子の各々からの照射光を透過させる長さを有するものである。
【０００９】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第１の光学素子と前記第２の光学素子とは多焦点レンズとして一体に構成され、前記第１の光学素子は、焦点位置が前記絞り部の中心とされている前記多焦点レンズの第１の領域とされ、前記第２の光学素子は、前記反射光を前記受光面に集光する焦点距離を有する前記多焦点レンズの第２の領域とされたものである。
【００１０】
また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記第１の領域と前記第２の領域とは互いに屈折率が異なるものである。
【００１１】
また、請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記第１の領域と前記第２の領域とは互いに表面の曲率が異なるものである。
【００１２】
また、請求項７に記載の発明は、請求項４から請求項６のいずれか１項に記載の発明において、前記発光部は予め定められた方向に配列された複数の発光素子を備え、前記第１の領域は前記予め定められた方向に延伸されるとともに前記複数の発光素子の各々からの照射光を透過させる長さを有するものである。
【００１３】
また、請求項８に記載の発明は、請求項４から請求項７のいずれか１項に記載の発明において、前記第１の領域と前記第２の領域との間に遮光部材を備えるものである。
【００１４】
上記目的を達成するために、請求項９に記載の計測方法は、対象物へ照射する照射光を発光する発光部と、前記発光部から発光された前記照射光の発散度合いを変えるレンズと、前記レンズから出射された前記照射光を絞る絞り部と、前記絞り部を通過した前記照射光が前記対象物に照射されて反射した反射光を受光する受光部と、を含む計測装置による計測方法であって、第１の光学素子により前記絞り部を通過した前記照射光が予め定められた方向から前記対象物に照射されるように前記照射光を前記対象物上に集光させ、第２の光学素子により前記照射光が前記対象物に照射されて反射し前記受光部で受光される前記反射光を前記受光部の受光面に集光させるものである。
【００１５】
上記目的を達成するために、請求項１０に記載の多焦点レンズは、第１の焦点距離を有する第１の領域と、予め定められた方向に延伸された扁平形状の前記第１の焦点距離と異なる第２の焦点距離を有する第２の領域と、を含み、平面視において、前記第２の領域は前記第１の領域に含まれて形成されているか、または前記予め定められた方向の両端が前記第１の領域の周縁の一部と重なって形成されているものである。
【００１６】
また、請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の発明において、前記第１の領域と前記第２の領域との界面は、断面視において、前記多焦点レンズの光軸に対し予め定められた角度傾けられたものである。
【００１７】
また、請求項１２に記載の発明は、請求項１０または請求項１１に記載の発明において、前記第１の領域と前記第２の領域との間に、前記多焦点レンズを双方向に透過する光同士を遮光する遮光部をさらに含むものである。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１、請求項９および請求項１０に記載の発明によれば、２枚のレンズとその間に設けられた絞りを含む光学系を用いた計測装置において、単焦点レンズ単体を用いた場合と比較してより計測精度が向上する、という効果が得られる。
【００１９】
請求項２に記載の発明によれば、第１の光学素子と第２の光学素子とを多焦点レンズとして一体に構成する場合と比較して、よりコストが削減される、という効果が得られる。
【００２０】
請求項３に記載の発明によれば、延伸方向、および発光素子からの照射光を透過させる長さを考慮しない第１の光学素子を用いる場合と比較して、第１の光学素子の大きさが抑制される、という効果が得られる。
【００２１】
請求項４に記載の発明によれば、第１の光学素子を、照射光を透過するとともに第１の焦点距離を補正する補正素子および照射光を透過する第２の光学素子の一部で構成する場合と比較して、部品点数が削減される、という効果が得られる。
【００２２】
請求項５に記載の発明によれば、第１の領域と第２の領域とを互いに表面の曲率が異なるように構成する場合と比較して、多焦点レンズが一般的な形状のレンズとされる、という効果が得られる。
【００２３】
請求項６に記載の発明によれば、第１の領域と第２の領域とを互いに屈折率が異なるように構成する場合と比較して、レンズの材質が均質化される、という効果が得られる。
【００２４】
請求項７に記載の発明によれば、延伸方向および発光素子からの照射光を透過させる長さを考慮しないで第１の領域を構成する場合と比較して、第１の領域の大きさが抑制される、という効果が得られる。
【００２５】
請求項８に記載の発明によれば、第１の領域と第２の領域との間に遮光部材を備えない場合と比較して、照射光と反射光の干渉が抑制される、という効果が得られる。
【００２６】
請求項１１に記載の発明によれば、第１の領域と第２の領域との界面が、断面視において、多焦点レンズの光軸に対し平行な場合と比較して、多焦点レンズへの光の入射方向に応じて光の透過が効率化される、という効果が得られる。
【００２７】
請求項１２に記載の発明によれば、第１の領域と第２の領域との間に、多焦点レンズを双方向に透過する光同士を遮光する遮光部を含まない場合と比較して、多焦点レンズを双方向に透過する光同士の干渉が抑制される、という効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】第１の実施の形態に係る計測装置の構成の一例を示す断面図である。
【図２】（ａ）は実施の形態に係る受光器の構成の一例を示す平面図、（ｂ）は受光    器の光量出力特性を示すグラフである。
【図３】第１の実施の形態に係る計測装置の動作を説明する、（ａ）は発光素子の配列方向に直交する方向から見た図、（ｂ）は対象物側のレンズの詳細を示す図、（ｃ）、（ｄ）は発光素子の配列方向に平行な方向から見た図、である。
【図４】（ａ）は第１の実施の形態に係る多焦点レンズを計測装置の上方から見た図、（ｂ）は変形例に係る多焦点レンズを計測装置の上方から見た図である。
【図５】第２の実施の形態に係る計測装置の構成の一例を示す断面図である。
【図６】第３の実施の形態に係る計測装置の構成の一例を示す断面図である。
【図７】（ａ）から（ｃ）は、比較例に係る計測装置の動作を説明する図、（ｄ）は、絞りの変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
［第１の実施の形態］
図１から図４を参照して、本実施の形態に係る多焦点レンズ、計測装置および計測方法について詳細に説明する。まず、図１および図２を参照して、本実施の形態に係る計測装置１０の構成の一例について説明する。図１は、計測装置１０が対象物の計測を行う場合の構成を示している。
【００３０】
図１に示すように、計測装置１０は、発光器１４、光学系３０、および受光器１８を含んで構成されている。計測装置１０は、−Ｘ方向に移動する対象物ＯＢの微細領域にＺ軸方向から順次光を照射し、各照射光に対する反射光の反射角度分布（光量分布の反射角度依存性）を取得する。取得した反射角度分布を用い、対象物ＯＢの形状の変化や表面状態（シボ、エンボス、表面粗さ、表面欠陥、異物付着等）について、対象物ＯＢとの距離や対象物ＯＢの角度の変動に影響されずに計測がなされる。
【００３１】
より詳細には、図１に示すように、発光器１４は、−Ｘ方向に移動する対象物ＯＢが通過する計測領域Ｔに対して、装置上下方向（Ｚ軸方向）の上方に配置されている。また、発光器１４は、基板１４Ａ上Ｙ軸方向に並べて実装され、−Ｚ方向を発光方向とする複数の発光素子１２を備えている。換言すれば、複数の発光素子１２は、対象物ＯＢの移動方向（−Ｘ方向）に対して直交（交差）する方向に並べられている。なお、図１では、基板１４ＡのＹ軸方向の一端部（図中右端）に配置された発光素子１２を発光素子１２Ａと表記し、基板１４ＡのＹ軸方向他端部（図中左端）に配置された発光素子１２を発光素子１２Ｂと表記し、基板１４Ａの中央に配置された発光素子１２を発光素子１２Ｃと表記している。
【００３２】
本実施の形態に係る複数の発光素子１２は、発光素子１２Ａから発光素子１２Ｂまで、時間差を設けて順次発光されるように構成され、各発光素子１２からの光が対象物ＯＢの異なる位置に個別照射される。そして、対象物ＯＢが計測領域Ｔにおいて−Ｘ方向に移動する間に、発光素子１２Ａから発光素子１２Ｂまでの１周期の発光が複数回繰り返されるように構成されている。
【００３３】
発光素子１２としては特に限定されないが、一例として、面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ：ＶＣＳＥＬ）、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）等が用いられる。
【００３４】
光学系３０は、レンズ３２、レンズ３４、およびレンズ３２とレンズ３４との間に配置された絞り４０を含み、いわゆる両側テレセントリックレンズとして構成されている。光学系３０は、発光器１４と対象物ＯＢとの間に配置され、発光素子１２から発光された照射光を対象物ＯＢに導くとともに、対象物ＯＢで反射された反射光を受光器１８に導く。
つまり、受光器１８は、レンズ３４から出射された発光素子１２からの照射光が対象物ＯＢで反射し、再度レンズ３４を透過した光束の少なくとも一部を受光するように構成されている。また、本実施の形態では、レンズ３２の光軸とレンズ３４の光軸とが共通の光軸Ｍとされ、この光軸Ｍが、発光器１４の発光素子１２Ｃの中心、および後述する絞り４０の開口部４２の中心を通っている。
【００３５】
レンズ３２は、一例として平面視で円形状の平凸レンズとされ、レンズ３２の直径は、発光素子１２Ａから発光素子１２ＢまでのＹ軸方向の寸法より長くされている。そのため、各発光素子１２から発光された光のほぼすべてはレンズ３２を透過し、レンズ３２を透過した光は発散度合を変えられ、平行光とされてレンズ３４に向かう。
【００３６】
レンズ３４は、一例として平面視で円形状の平凸レンズとされ、本実施の形態では、レンズ３４の直径は、レンズ３２の直径より長くされている。そして、レンズ３４は、レンズ３２から出射されてレンズ３４を透過する光束（照射光）を対象物ＯＢの表面２００に向けて集光するとともに、照射光が対象物ＯＢで反射された反射光を受光素子１６に集光する。レンズ３４は多焦点レンズとされ、本実施の形態では一例として二焦点レンズとされている。すなわち、焦点距離がｆ１とされた第１のレンズ部３４ａと、焦点距離がｆ２とされた第２のレンズ部３４ｂとを有している。本実施の形態では、焦点距離ｆ１はレンズ３４と後述する絞り４０の中心との距離と等しくされ、焦点距離ｆ２は、レンズ３４と後述する受光素子１６の受光面との距離と等しくされている。第１のレンズ部３４ａおよび第２のレンズ部３４ｂは、例えばレンズ３４において屈折率の異なる領域を形成することによって、あるいは、レンズ３４の表面に曲率の異なる領域を形成することによって構成される。屈折率の違いを用いる場合にはレンズ３４の形状は一般的な形状とされ、曲率の違いを用いる場合にはレンズの材質が均質化されるという特徴があるので、光学系の設計条件等を勘案していずれかを選択すればよい。レンズ３４の詳細については後述する。
【００３７】
絞り４０には、略円形状の開口部４２が形成されており、この開口部４２によって、発光素子１２から発光されレンズ３２を透過してレンズ３４に入射する光束を絞る。より具体的には、絞り４０は、板面をＸ−Ｙ平面に平行とされた板状とされ、開口部４２によって形成される円形状は光軸Ｍを中心軸としている。そして、Ｚ軸方向において、この開口部４２の中心とレンズ３２との距離は、レンズ３２の焦点距離と略等しくされ、開口部４２の中心とレンズ３４との距離は、レンズ３４の焦点距離と略等しくされている。
【００３８】
受光器１８は、複数の受光素子１６を含んで構成され、対象物ＯＢで反射され光学系３０のレンズ３４を透過した反射光ＲＦ（図３（ｄ）参照）を受光する。本実施の形態に係る受光器１８は、レンズ３２とレンズ３４との間に配置された絞り４０の、Ｚ軸方向下側に配置されている。受光素子１６としては、特に制限はないが、例えば、フォトダイオード（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ：ＰＤ）、電荷結合素子（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ：ＣＣＤ）等が用いられる。
【００３９】
図２（ａ）に、受光器１８の構成の一例を示す。図２（ａ）は、受光器１８を、Ｚ軸方向から見た平面図である。図１に示す受光器１８は、図２（ａ）のＸ−Ｘ’で切断した断面図を表している。図２（ａ）に示すように、受光器１８は、一例として、中央に略円形の開口部１８Ｂを有する略円形の基板１８Ａの上に、複数の受光素子１６（図２（ａ）では、６０個の例が示されている）が面状（アレイ状）に配置されて構成されている。計測装置１０では、この複数の受光素子１６の全体を受光領域ＲＡとして反射光ＲＦを受光する。
【００４０】
受光領域ＲＡで受光される反射光ＲＦの範囲は、一例として、光軸Ｍに平行な軸を中心とした角度０°〜４０°の範囲の反射光ＲＦである。この反射光ＲＦが受光領域ＲＡで受光されると、各受光素子１６の受光光量により立体的な分布が形成される。完全拡散面において反射された場合のように、反射光ＲＦが等方的な場合には、この立体的な分布の、Ｚ軸を含む平面で切断した断面の形状は、図２（ｂ）に示すように略ガウス曲線となる。
なお、図２（ｂ）の横軸の受光素子番号１〜６は、図２（ａ）に示した受光素子１６の番号１〜６に対応している。また、受光領域ＲＡにおける受光素子１６と受光素子１６との間では反射光ＲＦが受光されないので、実際の出力分布は離散的となるが、図２（ｂ）ではこれを省略して図示している。
【００４１】
次に、図３を参照して、計測装置１０の動作について説明する。図３（ａ）は計測装置１０を図１と同じ方向から見た図、図３（ｃ）、（ｄ）は計測装置１０を図１と９０°異なる方向から見た図である。一方、図３（ｂ）は、図３（ｃ）、（ｄ）と同じ方向から見た場合のレンズ３４の詳細を示している。
【００４２】
図３（ａ）に示すように、発光器１４に搭載された発光素子１２は、一例として−Ｙ方向（図２では方向Ｄ１と表記）に順次発光する。光学系３０は順次発光された各発光素子１２からの光束を、発光素子１２の位置によらずに、細く絞られかつ光軸Ｍに平行な照射光ＩＦとして＋Ｙ方向（図２では方向Ｄ２と表記）に順次対象物ＯＢに照射する。この際、照射光ＩＦは、レンズ３４の第１のレンズ部３４ａを透過する。すなわち、照射光ＩＦは、第１のレンズ部３４ａによって対象物ＯＢ上に集光される。
【００４３】
換言すれば、各発光素子１２を発光させて走査することにより、細く絞られ互いに平行な略円形の光束（スポット）が対象物ＯＢに個別照射される。さらに、本実施の形態に係る計測装置１０では、照射光ＩＦの光束のレンズ３４による集光点付近に対象物ＯＢを配置することにより、対象物ＯＢにおける各照射光ＩＦの照射領域がほぼ同径の微細な領域とされている。このことにより、計測装置１０では、対象物ＯＢの位置がＺ軸方向で上下変動しても、ほぼ同じ照射径で各照射光が照射されるため、対象物ＯＢの像のボケが極めて小さくされる。なお、本実施の形態では、図示の煩雑さを避けるために、必ずしも焦点距離等実際の比率で現していない。
【００４４】
発光素子１２は発光器１４上のＹ軸方向に配列されているため、図３（ｃ）に示すように、発光素子１２が順次発光してもＹ軸方向から見ると照射光ＩＦは一定に見える。つまり、照射光ＩＦは比較的細い光束となるので第１のレンズ部３４ａのレンズ３４に占める割合も小さくなる。また、図３（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る第１のレンズ部３４ａと第２のレンズ部３４ｂとの界面（以下、「界面」。第１のレンズ部３４ａの「側面」ともいえる）は、照射光ＩＦの光束の傾斜角度に合わせ、光軸Ｍ（図１も参照）に対して予め定められた角度θだけ傾けられている。この角度θの傾きは、界面全周に亘って設けてもよいし、例えば第１のレンズ部３４ａの長手方向の界面にのみ設けてもよい。第１のレンズ部３４ａの側面を傾けることによって第２のレンズ部３４ｂの領域が増加し、反射光ＲＦの透過がより効率化される。なお、第１のレンズ部３４ａの側面は光軸Ｍに対して必ずしも傾ける必要はなく、光軸Ｍに平行であってもよい。
【００４５】
図３（ｄ）は、照射光ＩＦが対象物ＯＢで反射された反射光ＲＦが受光器１８（図３（ｄ）では図示省略）の受光素子１６に集光する状態を示している。図３（ｄ）に示すように、反射光ＲＦの大部分は焦点距離ｆ２の第２のレンズ部３４ｂを透過して、受光素子１６の受光面上に集光される。本実施の形態では、焦点距離ｆ２はｆ２＜焦点距離ｆ１とされている。
【００４６】
以上のように構成された計測装置１０では、対象物ＯＢの位置がＺ軸方向において上下に変動して、あるいは、Ｙ軸方向において左右に変動して、異なる発光素子からの照射光ＩＦが照射されても、対象物ＯＢへの照射位置が同じである限り、受光領域ＲＡにおける出力分布は常に一定となる。換言すれば、対象物ＯＢとして照射径程度の大きさの微小な領域を仮定すると、この対象物ＯＢがＺ軸方向において上下に、あるいは、Ｙ軸方向において左右に移動した場合、異なる発光素子１２による異なる照射光ＩＦで照射され、異なる反射光ＲＦを反射することになるが、本実施の形態に係る計測装置１０では、受光領域ＲＡに含まれる受光素子１６全体による出力分布は、反射光ＲＦの発生位置によらず常に同じ出力分布となる。
【００４７】
ここで、絞り４０の下面のＺ軸方向の位置をＳ１、受光素子１６の受光面のＺ軸方向の位置をＳ２とすると、計測装置１０では位置Ｓ１とＳ２とは異なっている。この理由は、図１に示すように、本実施の形態では絞り４０の下面に受光器１８を配置していることによる。本実施の形態のような計測装置では、絞り４０とレンズ３４との距離と、受光素子１６の受光面とレンズ３４との距離とがともにレンズ３４の焦点距離となっていることが好ましい。しかしながら、本実施の形態では上記実装上の理由からレンズ３４の焦点距離をこのように設定することが困難となっている。
【００４８】
図７を参照して、上記点についてより詳細に説明する。図７（ａ）は比較例に係る計測装置１００を示している。計測装置１００は、レンズ３４が単焦点のレンズ５０に変更されている以外は、図１に示す計測装置１０と同様なので、同様の構成には同じ符号を付して詳細な説明を省略する。図７（ｂ）は反射光ＲＦがレンズ５０を介して受光素子１６に進行する状態を示しており、図７（ｃ）は計測装置１００の絞り４０と受光素子１６の配置関係を示している。
【００４９】
図７（ａ）、（ｂ）に示すように、計測装置１００では絞り４０の底面のＺ軸方向の位置Ｓ１と、受光素子１６の受光面のＺ軸方向の位置Ｓ２が異なっている。図７（ｃ）は、この違いを拡大して示したものであり、図７（ｃ）に示すように、位置Ｓ１と位置Ｓ２とは高低差Δｈだけ異なっている。従って、レンズ５０の焦点距離は、絞り４０からレンズ５０までの距離か、受光素子１６の受光面からレンズ５０までの距離か、いずれか一方に合わせて設定せざるをえない。例えば、レンズ５０の焦点距離を絞り４０からレンズ５０までの距離に合わせると、計測装置１００の計測精度が低下する。つまり、上述したように、図２（ａ）に示す受光器１８において、本来は異なる位置で反射した光でも同じ角度であれば同じ受光素子１６で受光されることになるが、この精度が不十分なのでこの際の角度分解能が低下する。
【００５０】
上記現象を回避する構成として、図７（ｄ）に示すような絞り４４を用いる構成も考えられる。図７（ｄ）に示すように、絞り４４は曲がり部４６を備えるとともに、曲がり部４６の先端が受光素子１６の受光面と面一な開口部４８となるように構成されている。このような構成であれば絞り４４とレンズ５０との距離と、受光素子１６の受光面とレンズ５０との距離とが等しくされる。しかしながら、本絞り４４の場合、長さΔｄの曲がり部４６の部分には受光素子１６を配置できないというデメリットがある。
【００５１】
上記現象を回避するために、本実施の形態に係る計測装置１０ではレンズ３４を多焦点レンズとしている。そして、上述したように、第１のレンズ部３４ａの焦点距離ｆ１はレンズ３４と絞り４０の中心との距離と等しくされ、第２のレンズ部３４ｂの焦点距離ｆ２は、レンズ３４と受光素子１６の受光面との距離と等しくされている。このことにより、計測装置１０では、光学系３０をテレセントリック光学系とするとともに、対象物ＯＢで反射した反射光ＲＦが受光素子１６の受光面に集光される。従って、対象物ＯＢで反射された反射光ＲＦが常に焦点が合った状態で受光素子１６の受光面に入射されるので、レンズ３４を単焦点レンズとする場合と比較して、計測装置１０の計測精度が向上する。
【００５２】
次に、図４を参照して、照射光ＩＦおよび反射光ＲＦのレンズ３４における透過領域についてより詳細に説明する。図４（ａ）は、計測装置１０の一部についてＺ軸方向上方から見た平面図であり、図４（ａ）の＜１＞は照射光ＩＦの透過、＜２＞は反射光ＲＦの透過を示している。図４（ａ）＜１＞に示すように、本実施の形態では、略円形状のレンズ３４の直径方向に延伸された略矩形の領域が第１のレンズ部３４ａとされ、その余の領域が第２のレンズ部３４ｂとされている。発光器１４に配列された発光素子１２は、照射光ＩＦが第１のレンズ部３４ａを透過する位置に配置される。
【００５３】
一方、図４（ａ）の＜２＞に示すように、反射光ＲＦは上述したように対象物ＯＢ上の反射点から等方的に反射されるので、平面視で略円形状の分布となり、主としてレンズ３４の第２のレンズ部３４ｂを透過する。この際、一部の反射光ＲＦが第１のレンズ部３４ａを透過するが、この角度の反射光ＲＦの大部分は絞り４０の開口部４２の方向に向かうので、受光器１８における受光に大きく影響することはない。
【００５４】
図４（ｂ）は、レンズ３４の変形例であるレンズ３４Ａを示しており、図４（ａ）と同様、図４（ｂ）＜１＞が照射光ＩＦの透過、＜２＞は反射光ＲＦの透過を示している。レンズ３４Ａとレンズ３４とは、第１のレンズ部３４Ａａの形状が異なっている。すなわち、レンズ３４の第１のレンズ部３４ａは、レンズ３４の周縁部まで延伸され、延伸方向の両端がレンズ３４の周縁部と重なっている。一方、レンズ３４Ａの第１のレンズ部３４Ａａは、レンズ３４Ａ含まれ、延伸方向の両端がレンズ３４Ａ周縁まで達していない。このように、第１のレンズ部３４ａ、あるいは３４Ａａは発光素子１２からの照射光ＩＦが透過される大きさであること以外、レンズ３４あるいは３４Ａに対する第１のレンズ部３４ａ、あるいは３４Ａａの占める大きさについて特に制限はない。さらに、第１のレンズ部３４ａ、あるいは３４Ａａは発光素子１２からの照射光ＩＦが透過される形状であればよいので、矩形に限られず、扁平形状の楕円、ひし形等、レンズ設計等に応じて適切な形状を選択してよい。
【００５５】
［第２の実施の形態］
図５を参照して、本実施の形態に係る計測装置１０Ａについて説明する。計測装置１０Ａは、計測装置１０のレンズ３４をレンズ３４Ｂに置き換えた形態である。従って、同様の構成には同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
【００５６】
図５（ａ）に示すように、本実施の形態に係るレンズ３４Ｂは、焦点距離がｆ１の第１のレンズ部３４Ｂａ、および焦点距離がｆ２の第２のレンズ部３４Ｂｂを備えるとともに、第１のレンズ部３４Ｂａと第２のレンズ部３４Ｂｂとの界面に遮光部３４Ｂｃを備えている。遮光部３４Ｂｃは、例えば第１のレンズ部３４Ｂａと第２のレンズ部３４Ｂｂを別体とし、第１のレンズ部３４Ｂａ、第２のレンズ部３４Ｂｂの一方、あるいは双方の側面に金属膜等の反射部材を蒸着して形成される。本実施の形態に係る計測装置１０Ａは、上記実施の形態に係るレンズ３４、あるいは３４Ａにおいて、照射光ＩＦと反射光ＲＦとの干渉が懸念される場合に好適な形態である。
【００５７】
［第３の実施の形態］
図６を参照して、本実施の形態に係る計測装置１０Ｂについて説明する。本実施の形態は、上記各実施の形態に係る多焦点のレンズ３４（レンズ３４Ａ、３４Ｂ）の代わりに、単焦点レンズと補正素子を用いた形態である。従って、上記各実施の形態に係る計測装置と同様の構成には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００５８】
図６（ａ）、（ｂ）に示すように、計測装置１０Ｂは、レンズ６０と補正素子６２とを備えている。レンズ６０は単焦点レンズであり、レンズ６０の焦点距離ｆ２はレンズ６０と受光素子１６の受光面との間の距離とされている。この場合、絞り４０とレンズ６０との距離は、焦点距離ｆ２よりも高低差Δｈだけ長くなる。そのため、補正素子６２を設けている。すなわち、補正素子６２は、発光素子１２からの照射光ＩＦが透過するレンズ６０の領域の焦点距離を、レンズ６０の焦点距離ｆ２から、レンズ６０と絞り４０の中心との距離である焦点距離ｆ１に変更する機能を有している。
【００５９】
本実施の形態に係る計測装置１０Ｂによっても、光学系３０がテレセントリック光学系とされるとともに、反射光ＲＦが受光素子１６の受光面に本来受光されるべき反射角度の光が受光されるので、単焦点レンズ単体を用いた場合と比較してより計測精度が向上する。本実施の形態に係る計測装置１０Ｂによれば、単焦点レンズと簡易な補正素子ですむため、多焦点レンズを用いる場合と比較してコストが削減される。また、補正素子を変更すればよいので、焦点距離の変更もより容易である。
【００６０】
なお、本実施の形態ではレンズ６０の照射光ＩＦが透過する領域の焦点距離を補正する形態を例示して説明したが、これに限られず、反射光ＲＦが透過する領域の焦点距離を補正する形態としてもよい。この場合レンズ６０の焦点距離は、絞り４０の中心とレンズ６０との距離と等しくされる。
【符号の説明】
【００６１】
１０、１０Ａ、１０Ｂ  計測装置
１２、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ  発光素子
１４      発光器
１４Ａ    基板
１６      受光素子
１８      受光器
１８Ａ    基板
１８Ｂ    開口部
３０      光学系
３２      レンズ
３４、３４Ａ、３４Ｂ  レンズ
３４ａ、３４Ａａ、３４Ｂａ  第１のレンズ部
３４ｂ、３４Ａｂ、３４Ｂｂ  第２のレンズ部
３４Ｂｃ  遮光部
４０      絞り
４２      開口部
４４      絞り
４６      曲がり部
４８      開口部
５０      レンズ
６０      レンズ
６２      補正素子
１００    計測装置
２００    表面
Ｄ１、Ｄ２  方向
ｆ１、ｆ２  焦点距離
ＩＦ      照射光
Ｍ        光軸
ＲＦ      反射光
ＯＢ      対象物
ＲＡ      受光領域
Ｓ１、Ｓ２  位置
Ｔ        計測領域
Δｈ      高低差
【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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