(57)【要約】【課題】測定軸上において測定範囲を広くしても、焦点位置を変える速度が遅くなることを抑制することができる変位計を提供する。【解決手段】予め定められた測定軸ＡＸ上における被測定物Ｗの変位を測定する変位計１であって、レーザ光源２からの光を被測定物Ｗ側に向かう互いに異なる複数の方向に順次偏向するポリゴンミラー１０と、複数の方向に偏向された光の各々を一の方向に平行な光にする第２のコリメートレンズ１２と、一の方向に平行な光を測定軸ＡＸ上において互いに異なる位置で焦点を結ぶように集光させるとともに、測定軸ＡＸに対して斜め方向に出射する第１の凹面鏡２１と、被測定物Ｗで反射して第２の凹面鏡２２で集光された光を受光する二次元ＣＣＤ８と、制御部と、を備え、制御部は、受光部の受光量が最大となる最大時点におけるポリゴンミラー１０の回転角度に関する情報に基づいて被測定物Ｗの変位を測定する。【選択図】図１
2015068722.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
予め定められた測定軸上における被測定物の変位を測定する変位計であって、
光源と、
前記光源からの光を、前記被測定物側に向かう互いに異なる複数の方向に、順次、偏向する光偏向部と、
前記複数の方向に偏向された光の各々を一の方向に平行な光にするコリメート部と、
前記測定軸に沿って設けられた第１の集光面を有し、前記一の方向に平行な光を、該第１の集光面で前記測定軸上において互いに異なる位置で焦点を結ぶように集光させるとともに、前記測定軸に対して斜め方向に出射する第１の集光部と、
前記被測定物で反射した光を第２の集光面で集光する第２の集光部と、
前記第２の集光部で集光された光を受光する受光部と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記光偏向部の偏向過程で、前記受光部の前記受光量が最大となる最大時点を検出する検出処理と、
前記最大時点における前記光偏向部の偏向方向に基づいて前記被測定物の変位を測定する変位測定処理と、
を実行する変位計。
【請求項２】
請求項１に記載の変位計であって、
前記光偏向部と前記集光部との間に配され、前記一の方向に平行な光の径を拡大して出射する光径拡大部をさらに備える変位計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物の変位を光学的に測定する変位計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、予め定められた測定軸に対する被測定物の変位を光学的に測定する変位計として、三角測量法を応用したものが知られている。三角測量法を応用した変位計では、被測定物に対して斜め方向から光を投射し、その光の受光位置に基づき、被測定物の変位を測定する。しかしながら、このものでは、同じ変位であっても、被測定物の測定軸に対する傾斜角度に応じて、被測定物における光の受光位置が変化するため、良好な精度で変位を測定することが難しい。
【０００３】
特許文献１に、被測定物に対してその変位方向に沿った測定軸上で対物レンズを通して光を投射し、同じ測定軸上で光を受光することで被測定物の変位を測定する変位計が開示されている。この変位計では、対物レンズに音叉が取り付けられており、この音叉を所定の振幅で振動させることで、互いに異なる位置で焦点を結ぶように測定軸上で焦点位置を変化させ、焦点位置で反射した光の受光量の最大値から被測定物の変位を測定する。この変位計では、被測定物の測定軸に対する傾斜角度に関係無く、受光量が最大となるときの焦点位置は変化しないため、被測定物の傾きの有無に拘わらず被測定物の変位を測定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１１３６１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に開示された変位計では、測定範囲を測定軸に沿って広げようとすると、音叉の腕の長さを長くして音叉の振幅を大きくする必要がある。一方、測定軸上で焦点位置を変える速度を速めようとすると、音叉の腕の長さを短くして音叉の振幅を小さくする必要がある。このように測定範囲と焦点位置を変える速度とがトレードオフの関係にあり、両者を独立して制御することができなかった。
【０００６】
本明細書で開示される技術は、上記の課題に鑑みて創作されたものであって、測定軸上において測定範囲を広くしても、焦点位置を変える速度が遅くなることを抑制することが可能な変位計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書で開示される技術は、予め定められた測定軸上における被測定物の変位を測定する変位計であって、光源と、前記光源からの光を、前記被測定物側に向かう互いに異なる複数の方向に、順次、偏向する光偏向部と、前記複数の方向に偏向された光の各々を一の方向に平行な光にするコリメート部と、前記測定軸に沿って設けられた第１の集光面を有し、前記一の方向に平行な光を、該第１の集光面で前記測定軸上において互いに異なる位置で焦点を結ぶように集光させるとともに、前記測定軸に対して斜め方向に出射する第１の集光部と、前記被測定物で反射した光を第２の集光面で集光する第２の集光部と、前記第２の集光部で集光された光を受光する受光部と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記光偏向部の偏向過程で、前記受光部の前記受光量が最大となる最大時点を検出する検出処理と、前記最大時点における前記光偏向部の偏向方向に基づいて前記被測定物の変位を測定する変位測定処理と、を実行することを特徴とする変位計に関する。
【０００８】
上記の変位計では、複数の方向に偏向された光の各々を第１の集光部において被測定物の変位方向に沿った測定軸に対して斜め方向に出射する。このとき、複数の方向に偏向された光の各々は、上記構成とされたコリメート部と第１の集光部とを通過することで、被測定物までの光路長が等しいものとなる。このため、複数の方向に偏向された光の各々について測定軸上において互いに異なる位置で焦点を結ばせることができる。そして、光偏向部による複数の方向への偏向過程において、受光部で受光された光の受光量が最大となるときの光偏向部における光の偏向情報に基づいて被測定物の変位を測定することができる。ここで上記の変位計では、例えば第１の集光部における光を偏向する範囲や光偏向部の駆動条件を変えることで、測定軸上での測定範囲と焦点位置を変える速度とを独立して設定することができる。このため、測定軸上において測定範囲を広くしても、焦点位置を変える速度が遅くなることを抑制することができる。
【０００９】
上記の変位計において、前記光偏向部と前記集光部との間に配され、前記一の方向に平行な光の径を拡大して出射する光径拡大部をさらに備えてもよい。
【００１０】
この構成によると、コリメート部において一の方向に平行とした光について、光径拡大部においてその径を拡大させることで、測定軸上で焦点を結んだときの集光点を一層絞り込むことができる。これにより、光偏向部による複数の方向への偏向過程において、受光部で受光される光の受光量の変化量をより大きくすることができ、被測定物の変位の測定精度を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本明細書で開示される技術によれば、測定軸上において測定範囲を広くしても、焦点位置を変える速度が遅くなることを抑制することができる変位計を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態１に係る変位計の全体構成を示す正面図
【図２】ポリゴンミラーによって反射される光の偏向態様を示す模式図
【図３】変位計におけるビームエキスパンダ以降の構成を示す部分斜視図
【図４】変位計におけるビームエキスパンダ以降の構成を示す部分側面図
【図５】変位計におけるビームエキスパンダ以降の構成を示す部分正面図
【図６】測定軸上で焦点を結ぶ光の進行態様を示す模式図
【図７】被測定物が傾いていない場合の撮像面における受光点の変化を示す平面図
【図８】被測定物が傾いている場合の撮像面における受光点の変化を示す平面図
【図９】変位計の全体構成を示すブロック図
【図１０】測定開始から測定終了までの流れを示すフローチャート
【図１１】実施形態２に係る変位計の全体構成を示す正面図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＜実施形態１＞
図面を参照して実施形態１を説明する。本実施形態で例示する変位計１は、被測定物Ｗの変位を光学的に測定する変位計１である。変位計１は、図１に示すように、レーザ光源２と、第１のコリメートレンズ４と、ビームスプリッタ６と、二次元ＣＣＤ（受光部の一例）８と、ポリゴンミラー（光偏向部の一例）１０と、第２のコリメートレンズ（コリメート部の一例）１２と、ビームエキスパンダ（光径拡大部の一例）１４と、偏光ビームスプリッタ１６と、第１の偏光板１８と、第２の偏光板２０と、第1の凹面鏡（第１の集光部の一例）２１と、第２の凹面鏡（第２の集光部の一例）２２と、を備える。
【００１４】
なお、各図面の一部には互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を示しており、各軸方向が各図面で共通した方向となるように描かれている。このうちＺ軸方向は上下方向及び被測定物Ｗの変位方向と一致しており、Ｘ軸とＹ軸とを含むＸ−Ｙ平面に対して直交する。図１に示すように、変位計１を構成する各部材は、同一のＺ−Ｘ平面上に位置するように配置されている。
【００１５】
図１に示すように、変位計１では、レーザ光源２から出射された光を被測定物Ｗの変位方向（Ｚ軸方向）に沿った測定軸ＡＸ上で焦点を結ぶように集光し、変位方向に対して斜め方向から被測定物Ｗに投射する。そして、被測定物Ｗで反射した光を二次元ＣＣＤ８の撮像面８Ａで受光することで、被測定物Ｗの変位を測定する。
【００１６】
（変位計の機械的構成、及び光の進路）
まず変位計１の機械的構成、及びレーザ光源２から出射された光の進路について説明する。図１に示すように、レーザ光源２は、その出射面が斜め上方に向けられた姿勢で配されており、直線偏光されたレーザ光を被測定物Ｗ側とは反対側である斜め上方に向けて出射する。
【００１７】
第１のコリメートレンズ４は、レーザ光源２の出射面側に配され、レーザ光源２から出射された光をその進行方向と直交する二方向のうち、図１の紙面に平行な一の方向（以下、第１の方向と称する）について収束する。レーザ光源２から出射される光はその光芒がわずかに広がったものとなっているが、第１のコリメートレンズ４を通過することで第１の方向に収束され、平行光とされる。なお本明細書で述べる光源は、平行な光を出射するものをいう。本実施形態では、レーザ光源２と第１のコリメートレンズ４との組み合わせが光源の一例である。
【００１８】
ビームスプリッタ６は、第１のコリメートレンズ４を通過して入射する光の一部を透過させてポリゴンミラー１０に入射させる。またビームスプリッタ６は、被測定物Ｗで反射してビームスプリッタ６まで戻った光の一部を反射させて二次元ＣＣＤ８の撮像面８Ａに入射させる。
【００１９】
二次元ＣＣＤ８は、受光素子が行列状に配された撮像面８Ａを有し、この撮像面８Ａで光を受光する。撮像面８Ａには座標平面が設定されており、二次元ＣＣＤ８は、撮像面８Ａ上において光が受光された位置の座標に関する情報を受光位置情報として後述する制御部４０に出力する。また、二次元ＣＣＤ８は、撮像面８Ａで受光した光の受光素子毎の受光量に応じた信号を受光量情報として後述する制御部４０に出力する。
【００２０】
ポリゴンミラー１０は、図１に示す正面図において略六角形状をなしており、６つの面がそれぞれ光反射面１０Ａとされている。ポリゴンミラー１０は、測定軸ＡＸに直交する方向、図１ではＺ−Ｘ平面に直交する方向（Ｙ軸方向）に沿って延びる回転軸周りに回転駆動される（図１の矢印Ａ参照）。
【００２１】
ポリゴンミラー１０の光反射面１０Ａに入射した光Ｌは、入射したときのポリゴンミラー１０の回転角度に応じて光反射面１０Ａに対する入射角が変化することで、被測定物Ｗ側に向かう互いに異なる複数の方向に順次偏向される。ここでポリゴンミラー１０はＹ軸方向に沿って延びる回転軸周りに回転駆動するので、ポリゴンミラー１０に入射した光は、回転軸に直交する複数の方向、図１ではＹ軸方向と直交するＸ−Ｚ平面に沿った複数の方向に偏向される。レーザ光源２から斜め上方に向けて出射された光は、ポリゴンミラー１０によって反射されることで、被測定物Ｗ側に向かう斜め下方に投射される。
【００２２】
ここで図２に示す模式図を参照して、ポリゴンミラー１０によって反射される光の偏向態様について説明する。図２の参照符号１０Ｐは、ポリゴンミラー１０の光反射面１０Ａ上における任意の点を示している。図２に示すように、ポリゴンミラー１０によって複数の方向に偏向される光の各々は、連続して視ると、光反射面１０Ａ上の点１０Ｐから所定の角度θをなして扇状に走査される軌跡を描く。従って本実施形態の変位計１では、ポリゴンミラー１０は、図２に示す第１の走査範囲ＭＲ１において扇状に光を走査するということもできる。
【００２３】
本実施形態では、ポリゴンミラー１０の回転速度は、所定の速度に達した後、一定とされる。このため、ポリゴンミラー１０によって複数の方向に偏向される光の各々が第１の走査範囲ＭＲ１内で扇状に走査される速度は一定となる。
【００２４】
第２のコリメートレンズ１２は、例えばＦθレンズとされ、ポリゴンミラー１０によって複数の方向に偏向された光の各々が入射するようにポリゴンミラー１０の斜め下方に配されている。図１等に示すように、第２のコリメートレンズ１２は、ポリゴンミラー１０によって複数の方向に偏向された光の各々を一の方向に平行な光とする。換言すれば、第２のコリメートレンズ１２は、ポリゴンミラー１０によって走査される扇状の光の集合を一の方向に沿った平行光とする。第２のコリメートレンズ１２から出射される光の各々は、連続して視ると、等しい時間間隔で出射される。
【００２５】
ビームエキスパンダ１４は、拡大レンズ１４Ａと収束レンズ１４Ｂとにより構成される。第２のコリメートレンズ１２を通過した光は、拡大レンズ１４Ａと収束レンズ１４Ｂとを順に通過する。拡大レンズ１４Ａは、通過する光の径をその進行方向と直交する二方向のうち、図１の紙面に直交する一の方向（以下、第２の方向と称する）について拡大する。収束レンズ１４Ｂは、通過する光の径を第２の方向について収束する。
【００２６】
第２のコリメートレンズ１２を通過した一の方向に平行な光は、ビームエキスパンダ１４に入射して拡大レンズ１４Ａを通過することで、その径が拡大されるように進行する拡散光とされる。この拡散光が次に収束レンズ１４Ｂを通過することで、一の方向に平行となるまでその径が収束され、一の方向に平行な光となってビームエキスパンダ１４から出射される。即ちビームエキスパンダ１４に入射した一の方向に平行な光は、その径が第２の方向について拡大された一の方向に平行な光となってビームエキスパンダ１４から出射される（図３及び図４参照）。
【００２７】
偏光ビームスプリッタ１６は、その表面がＹ−Ｚ平面に沿った姿勢で配され、通過する光の偏光状態に応じて光を透過又は反射させる。偏光ビームスプリッタ１６は、レーザ光源２から出射される光の位相と同じ位相の直線偏光された光を透過し、レーザ光源２から出射される光と位相がπ異なる直線偏光された光を反射するように設定されている。従って、ビームエキスパンダ１４を通過した光は、偏光ビームスプリッタ１６を透過して第１の偏光板１８へと投射される。
【００２８】
第１の偏光板１８と第２の偏光板２０は、いずれも１／４波長板により構成されており、通過する光の位相にπ／２の位相差を生じさせる。このため、偏光ビームスプリッタ１６から出射された光は、第１の偏光板１８を通過することでその位相にπ／２の位相差が生じ、直線偏光から円偏光に変換される。これにより、被測定物Ｗに対して偏光依存性のない光が投射されることとなる。
【００２９】
第１の凹面鏡２１と第２の凹面鏡２２は、それぞれ被測定物Ｗの変位方向（Ｚ軸方向）に沿って延在する凹状の第１の集光面２１Ａと第２の集光面２２Ａとを有している。両集光面２１Ａ，２２Ａは、測定軸ＡＸに沿って湾曲した形状で設けられており、入射した光を第２の方向について集光する（図３及び図４参照）。また、第１の凹面鏡２１と第２の凹面鏡２２は、両集光面２１Ａ，２２Ａが被測定物Ｗの測定軸ＡＸを挟む形でＸ軸方向について対向するとともに、同じ高さ（Ｚ軸方向における位置）で配置されている。
【００３０】
第１の偏光板１８によって円偏光に変換されて第１の凹面鏡２１に入射した光は、第１の集光面２１Ａによって第２の方向について集光されるとともに、被測定物Ｗ側に向かって反射する。第１の凹面鏡２１で反射した光の各々は、集光されながら被測定物Ｗ側へ投射される。これら投射される光の各々が測定軸ＡＸ上で被測定物Ｗに到達すると、測定軸ＡＸ上において互いに異なる複数の位置で焦点が結ばれる。
【００３１】
ここで図５及び図６を参照して、第１の凹面鏡２１から被測定物Ｗへ向かう光の進行態様について説明する。図５及び図６に示すように、第１の凹面鏡２１に入射した光の各々は、被測定物Ｗの変位方向（Ｚ軸方向）に対して斜め方向に反射しながら集光する。第１の凹面鏡２１で反射した光の各々は、集光しながら測定軸ＡＸと交わる位置でその径が最小となる。
【００３２】
第１の凹面鏡２１で反射した光が被測定物Ｗに到達した位置が測定軸ＡＸ上である場合、被測定物Ｗに対して焦点が結ばれる（図６に示すＰ１、Ｐ３参照）。一方、第１の凹面鏡２１で反射した光が被測定物Ｗに到達した位置が測定軸ＡＸ上でない場合、被測定物Ｗに対して焦点が結ばれることなく被測定物Ｗ上で光が反射される（図６に示すＰ２参照）。
【００３３】
本実施形態の変位計１では、測定軸ＡＸ上のうち第１の凹面鏡２１によって反射された光の各々と測定軸ＡＸとが交わる範囲が測定範囲ＭＲ２とされる。従って、測定軸ＡＸ上における上記測定範囲ＭＲ２を第２の走査範囲ということもできる。また、ポリゴンミラー１０によって光が走査される速度は一定であるので、測定軸ＡＸ上の測定範囲ＭＲ２内で光が走査される速度も一定とされる。
【００３４】
以上のような構成とされていることで、変位計１では、被測定物Ｗの変位方向に沿った測定軸ＡＸ上の測定範囲（第２の走査範囲）ＭＲ２において、一の方向に平行な光が一定の速度で走査されながら、測定軸ＡＸ上の互いに異なる位置で被測定物Ｗに対して焦点を結ぶように集光される。
【００３５】
第１の凹面鏡２１で反射して被測定物Ｗに到達した光の各々は、当該被測定物Ｗで反射して第２の凹面鏡２２に入射する。被測定物Ｗで反射して第２の凹面鏡２２に入射した光は、第２の集光面２２Ａによって第２の方向について集光され、第２の偏光板２０側に向かって反射する。第２の偏光板２０側に向かった光は、第２の偏光板２０を通過することでその位相にπ／２の位相差が生じ、円偏光から直線偏光に変換されて偏光ビームスプリッタ１６へと向かう。
【００３６】
第２の偏光板２０から偏光ビームスプリッタ１６へと向かう直線偏光された光は、第１の偏光板１８と第２の偏光板２０を通過することで、レーザ光源２から出射されて偏光ビームスプリッタ１６を透過した光とはその位相がπ異なったものとなっている。このため、第２の偏光板２０から偏光ビームスプリッタ１６へと向かった光は、偏光ビームスプリッタ１６によって反射される。
【００３７】
偏光ビームスプリッタ１６によって反射された光は、被測定物Ｗへの投射時とは逆の経路を辿ってビームスプリッタ６まで戻る。即ち、ビームエキスパンダ１４と第２のコリメートレンズ１２を順に通過し、ポリゴンミラー１０の反射面によって反射されてビームスプリッタ６に到達する。被測定物Ｗで反射してビームスプリッタ６まで戻った光は、その一部がビームスプリッタ６で反射し、二次元ＣＣＤ８の撮像面８Ａに入射する。
【００３８】
ここで、二次元ＣＣＤ８の撮像面８Ａに入射した光の受光点の変化について図７及び図８を参照して説明する。図７及び図８において、図中の×は、被測定物Ｗの測定面がその変位方向に対して傾いていない場合に、測定軸ＡＸ上で焦点を結んだ光が撮像面８Ａに入射する位置を示しており、図中の○は、被測定物Ｗで反射した光の受光点をそれぞれ示している。
【００３９】
まず被測定物Ｗの測定面がその変位方向に対して傾いていない場合について説明する。図７に示す矢印は、測定範囲ＭＲ２内で光が走査された場合に受光点が変化する範囲を示している。図７に示すように、撮像面８Ａに入射した光の受光点のうち、測定軸ＡＸ上で焦点を結んだ光の受光点の大きさが最小となり、被測定物Ｗへの到達点が測定軸ＡＸから離れるにつれてその受光点の大きさは拡大する。また撮像面８Ａに入射する光の受光量は、受光点が最小となるとき、即ち測定軸ＡＸ上で焦点を結んだとき、最大となる。
【００４０】
被測定物Ｗが測定軸ＡＸに沿って変位した場合、二次元ＣＣＤ８の撮像面８Ａに入射する光の受光量が最大となるときのポリゴンミラー１０の回転角度も変化する。従って、受光量が最大となるときのポリゴンミラー１０の回転角度と被測定物Ｗの変位量とを予め対応付けておくことで、撮像面８Ａに入射する光の受光量が最大となるときのポリゴンミラー１０の回転角度から、被測定物Ｗの変位を算出することができる。
【００４１】
次に被測定物Ｗの測定面がその変位方向に対して傾いている場合について説明する。被測定物Ｗの測定面が傾いている場合、測定軸ＡＸ上で焦点を結ぶ光は、被測定物Ｗの測定面がその変位方向に対して傾いていない場合とは異なる入射角で被測定物Ｗに入射する。このため、図８に示すように、被測定物Ｗの測定面が傾いている場合、測定軸ＡＸ上で焦点を結ぶ光は、被測定物Ｗの測定面がその変位方向に対して傾いていない場合に測定軸ＡＸ上で焦点を結んだ光が撮像面８Ａに入射する位置からずれた位置に入射する（図８の破線の矢印参照）。
【００４２】
ここで図８において、紙面上下方向を向いた矢印は被測定物Ｗの測定面のＸ軸方向における傾きに基づくずれ量を示しており、紙面左右方向を向いた矢印は被測定物Ｗの測定面のＹ軸方向における傾きに基づくずれ量を示している。これらのずれ量、及び受光点がずれた方向から被測定物Ｗの測定面の傾き角度や傾き方向を算出することができる。
【００４３】
以上が変位計１の機械的構成及び変位計１における光の進路であるが、変位計１では、ポリゴンミラー１０から被測定物Ｗまでの距離を任意に設定することで、変位計１の外形の大きさを任意に設計することができる。
【００４４】
（変位計の電気的構成）
続いて本実施形態に係る変位計１の電気的構成について説明する。図９は、変位計１の構成に関するブロック図を示している。図９に示すように、変位計１は、上述した機械的構成の他、電気的構成として、ロータリーエンコーダ３０と、光源駆動回路３２と、ミラー駆動回路３４と、制御部４０と、を備えている。
【００４５】
ロータリーエンコーダ３０は、ポリゴンミラー１０と電気的に接続されており、ポリゴンミラー１０の回転を開始させてから回転を終了させるまでポリゴンミラー１０の回転角度を所定の間隔で検出する。またロータリーエンコーダ３０は、後述する制御部４０と電気的に接続されており、検出したポリゴンミラー１０の回転角度に関する情報を制御部４０に出力するようになっている。
【００４６】
光源駆動回路３２は、レーザ光源２及び制御部４０と電気的に接続されており、制御部４０からの信号に応じてレーザ光源２を発光又は消灯させる。ミラー駆動回路３４は、ポリゴンミラー１０及び制御部４０と電気的に接続されており、制御部４０からの信号に応じてポリゴンミラー１０の回転駆動を制御する。
【００４７】
制御部４０は、ＣＰＵ等により構成され、メモリ４２と、最大時点検出部４４と、変位算出部４６と、傾き量算出部４８と、を備えている。なお、メモリ４２は制御部４０外の別の場所に設けてもよい。
【００４８】
メモリ４２は、ＲＯＭやＲＡＭ等で構成され、変位計１の動作を制御するための制御プログラムが記憶されているとともに、制御部４０が各種の処理を実行するための記憶装置として用いられる。制御部４０は、上記制御プログラムに従って後述する各種の処理を実行する。
【００４９】
メモリ４２には、変位量対応情報が予め記憶されている。この変位量対応情報は、ポリゴンミラー１０から出射された光が被測定物Ｗに対して焦点が結ばれるとき、即ち二次元ＣＣＤ８の撮像面８Ａに入射する光の受光量が最大となるときのポリゴンミラー１０の回転角度と、その回転角度から算出される被測定物Ｗの変位量と、が対応付けられた情報である。
【００５０】
またメモリ４２には、基準座標情報が予め記憶されている。この基準座標情報は、被測定物Ｗの測定面がその変位方向に対して傾いていない場合に、被測定物Ｗの変位に伴って測定軸ＡＸ上の異なる複数の点で焦点を結ぶ光の各々が出射されるときのポリゴンミラー１０の回転角度と、二次元ＣＣＤ８の撮像面８Ａに設定された座標平面においてそれらの光が入射する受光点の座標（以下、基準座標と称する）と、が対応付けられた情報である。
【００５１】
またメモリ４２には、傾き量対応情報が予め記憶されている。この傾き量対応情報は、仮に被測定物Ｗの測定面がその変位方向に対して傾いているとした場合に、被測定物Ｗの変位に伴って測定軸ＡＸ上の異なる複数の点で焦点を結ぶ光の各々について、それらの光の撮像面８Ａにおける受光点の座標の上記基準座標からのずれ量及びずれ方向と、それらのずれ量及びずれ方向から算出される被測定物Ｗの測定面の傾き角度及び傾き方向と、が対応付けられた情報である。
【００５２】
最大時点検出部４４は、二次元ＣＣＤ８から出力される受光量情報を取得する。最大時点検出部４４は、取得した受光量情報から、ポリゴンミラー１０の回転開始から回転終了までの間に二次元ＣＣＤ８の撮像面８Ａに入射した光の受光素子毎の受光量を比較し、その最大時点を検出する。
【００５３】
変位算出部４６は、ロータリーエンコーダ３０から出力されるポリゴンミラー１０の回転角度に関する情報を取得する。変位算出部４６は、取得した回転角度に関する情報から最大時点検出部４４が検出した受光量の最大時点における回転角度を検出し、検出した回転角度から上記変位量対応情報に基づいて被測定物Ｗの変位を算出する。
【００５４】
傾き量算出部４８は、二次元ＣＣＤ８から出力される受光位置情報を取得するとともに、ロータリーエンコーダ３０から出力されるポリゴンミラー１０の回転角度に関する情報を取得する。傾き量算出部４８は、取得した受光位置情報から最大時点検出部４４が検出した受光量の最大時点における受光素子と対応する座標を検出する。
【００５５】
また傾き量算出部４８は、取得した回転角度に関する情報から最大時点検出部４４が検出した受光量の最大時点における回転角度を検出し、上記基準座標情報に基づいて検出した回転角度に対応付けられた基準座標を検出する。さらに傾き量算出部４８は、検出した基準座標から上記傾き量対応情報に基づいて被測定物Ｗの測定面の傾き量、即ち被測定物Ｗの測定面の傾き角度及び傾き方向を算出する。
【００５６】
（制御部が実行する処理）
続いて、変位計１において、被測定物Ｗの変位の測定開始から測定終了までに制御部４０が実行する処理について、図１０に示すフローチャートを参照して説明する。被測定物Ｗが変位計１にセットされて測定が開始されると、制御部４０は、光源駆動回路３２を介してレーザ光源２から光を出射するとともに、ミラー駆動回路３４を介してポリゴンミラー１０の回転駆動を開始する（Ｓ２）。制御部４０は、ポリゴンミラー１０が所定の回転速度に到達すると、ポリゴンミラー１０の回転速度を一定とする。
【００５７】
制御部４０は、ポリゴンミラー１０の回転速度が一定となると、被測定物Ｗで反射して二次元ＣＣＤ８の撮像面８Ａで受光される光の受光素子毎の受光量と、ロータリーエンコーダ３０で検出されるポリゴンミラー１０の回転角度と、を所定の間隔で同期させてメモリ４２に記憶させる（Ｓ４）。なお、被測定物Ｗに到達する光の各々は上述したように測定軸ＡＸ上の測定範囲ＭＲ２内を等速で走査されるので、所定の間隔で受光量が記憶される光の各々について測定軸ＡＸとの各交点を視ると、それらの間隔は等しいものとなる。
【００５８】
制御部４０は、ポリゴンミラー１０から出射される光を測定軸ＡＸ上の測定範囲ＭＲ２内において設定された回数で往復走査させると、ポリゴンミラー１０の回転を終了させる（Ｓ６）。次に制御部４０は、ポリゴンミラー１０の回転開始から回転終了までの間に二次元ＣＣＤ８の撮像面８Ａに入射した光の受光素子毎の受光量を比較し、その最大時点を最大時点検出部４４で検出する（Ｓ８）。制御部４０がＳ８で実行する処理は検出処理の一例である。
【００５９】
次に制御部４０は、Ｓ８で検出した光の受光量の最大時点から、その最大時点におけるポリゴンミラー１０の回転角度を取得する（Ｓ１０）。具体的には、制御部４０は、その光の受光量の最大時点と同期して記憶されているポリゴンミラー１０の回転角度をメモリ４２から読み出す。
【００６０】
次に制御部４０は、変位量対応情報をメモリ４２から読み出し、変位量対応情報に基づいてＳ１０で取得した回転角度から被測定物Ｗの変位を算出する（Ｓ１２）。制御部４０がＳ１２で実行する処理は変位測定処理の一例である。
【００６１】
制御部４０は、被測定物Ｗの変位を算出すると、二次元ＣＣＤ８の撮像面８Ａにおいて、上記受光素子毎の受光量の最大時点における受光素子と対応する座標を傾き量算出部４８で検出する（Ｓ１４）。次に制御部４０は、基準座標情報をメモリ４２から読み出し、Ｓ１４で検出した座標について、基準座標情報に基づいて、上記受光素子毎の受光量の最大時点におけるポリゴンミラー１０の回転角度に対応付けられた基準座標を傾き量算出部４８で検出する（Ｓ１６）
【００６２】
さらに制御部４０は、傾き量対応情報をメモリ４２から読み出し、検出した基準座標から傾き量対応情報に基づいて被測定物Ｗの測定面の傾き量、即ち被測定物Ｗの測定面の傾き角度及び傾き方向を傾き量算出部４８で算出する（Ｓ１８）。制御部４０は、被測定物Ｗの測定面の傾き量を算出すると、変位計１での測定を終了する。
【００６３】
（実施形態１の効果）
以上説明したように変位計１では、ポリゴンミラー１０によって複数の方向に偏向された光の各々が第２のコリメートレンズ１２を通過することで一の方向に平行な光とされ、第１の凹面鏡２１に入射する。そして、これらの光が第１の凹面鏡２１によって反射されるとともに測定軸ＡＸ上において互いに異なる位置で焦点を結ぶように集光されることで、被測定物Ｗまでの光路長が等しいものとなる。このため、複数の方向に偏向された光の各々について測定軸ＡＸ上の互いに異なる位置で焦点を結ばせることができる。
【００６４】
さらに変位計１では、制御部４０は、ポリゴンミラー１０の回転開始から回転終了までの間に、二次元ＣＣＤ８の撮像面８Ａで受光される光の受光素子毎の受光量が最大時点におけるポリゴンミラー１０の回転角度に基づいて被測定物Ｗの変位を算出する。ここで本実施形態の変位計１では、例えばポリゴンミラー１０の光反射面１０Ａの数を増減させて扇状とされる光の走査範囲を変更することやポリゴンミラー１０の駆動条件を変えることで、測定軸ＡＸ上での測定範囲ＭＲ２と焦点位置を変える速度とを独立して設定することができる。このため、測定軸ＡＸ上において測定範囲（光の走査範囲）を広くしても、焦点位置を変える速度（光の走査速度）が遅くなることを抑制することができる。
【００６５】
また変位計１では、被測定物Ｗの測定面がその変位方向に対して傾いている場合であっても、二次元ＣＣＤ８の撮像面８Ａで受光される光の受光素子毎の受光量が最大時点となるときの撮像面８Ａにおける受光点の座標から算出される基準座標は変化することがない。このため、被測定物Ｗの測定面がその変位方向に対して傾いている場合であっても、ポリゴンミラー１０の回転角度に基づいて被測定物Ｗの変位を算出することができる。
【００６６】
また変位計１では、被測定物Ｗの測定面が傾いている場合、二次元ＣＣＤ８の撮像面８Ａで受光される光の受光素子毎の受光量が最大時点となるときの撮像面８Ａでの受光点の座標から算出される基準座標から、傾き量対応情報とに基づいて被測定物Ｗの測定面の傾き量を算出することもできる。
【００６７】
また変位計１では、第２のコリメートレンズ１１２と偏光ビームスプリッタ１１６の間にビームエキスパンダ１１４が配されているため、第２のコリメートレンズ１１２において一の方向に平行とした光をビームエキスパンダ１１４においてその径を拡大させることで、測定軸ＡＸ上で被測定物Ｗに対して焦点を結んだときの集光点を一層絞り込むことができる。これにより、ポリゴンミラー１０による複数の方向への偏向過程において、二次元ＣＣＤ８の撮像面８Ａで受光される光の受光素子毎の受光量の変化量をより大きくすることができ、制御部４０において被測定物Ｗの変位を算出するときの算出精度を向上させることができる。
【００６８】
また変位計１では、第２のコリメートレンズ１２の下方にビームエキスパンダ１４が配されていることで、第２のコリメートレンズ１２において一の方向に平行とした光をビームエキスパンダ１４に入射させることができる。このため、変位計１における光学設計を容易にすることができる。
【００６９】
＜実施形態１の変形例＞
実施形態１の変形例について説明する。変形例に係る変位計では、偏光ビームスプリッタの下方に、内壁がミラーとされた１つの円筒状ミラーが配されている。そして、この円筒状ミラーの内壁における対向する二つの部位が、実施形態１における第１の凹面鏡２１及び第２の凹面鏡２２と同様の機能を果たす。
【００７０】
このように第１の凹面鏡２１及び第２の凹面鏡２２の替わりに１つの円筒状ミラーを配することで、第１の凹面鏡２１と第２の凹面鏡２２をそれぞれ位置調整する場合と比べて円筒状ミラーの位置調整のみ行えばよいので、位置調整が容易となり、変位計の製造工程において精度の高い組み付けを行うことができる。なお、円筒状ミラーの替わりに円柱状ガラスを用いた構成であっても同様の効果を得ることができる。
【００７１】
＜実施形態２＞
続いて実施形態２に係る変位計１０１について説明する。実施形態２に係る変位計１０１では、第３の偏光板１０９を備える点、及び偏光ビームスプリッタ１１６を通過する光の進行態様が実施形態１のものと異なっている。その他の構成については実施形態１の変位計１と同様であるため、構造、作用、及び効果の説明は省略する。なお、図１１において図１の参照符号に数字１００を加えた部位は、実施形態１で説明した部位と同一である。
【００７２】
実施形態２の変位計１０１では、図１１に示すように、ビームスプリッタ１０６とポリゴンミラー１１０との間に第３の偏光板１０９が配されている。この第３の偏光板１０９は１／４波長板により構成されている。このため、ビームスプリッタ１０６からポリゴンミラー１１０に向かう光は、第３の偏光板１０９を通過することでその位相にπ／２の位相差が生じ、直線偏光から円偏光に変換される。
【００７３】
このように第３の偏光板１０９によって円偏光に変換された光は、偏光ビームスプリッタ１１６に入射すると、その偏光状態に応じて二つ分岐される。即ち、円偏光とされた光の成分のうちレーザ光源１０２から出射される位相と同位相の直線偏光成分は、偏光ビームスプリッタ１１６を透過して第１の凹面鏡１２１へと投射される。一方、円偏光とされた光の成分のうちレーザ光源１０２から出射される位相と位相がπ異なる直線偏光成分は、偏光ビームスプリッタ１１６によって反射され、第１の凹面鏡１２１へと投射される。
【００７４】
偏光ビームスプリッタ１１６から第１の凹面鏡１２１へと投射される直線偏光の光は、第１の偏光板１１８を通過することで円偏光に変換される。同様に、偏光ビームスプリッタ１１６から第２の凹面鏡１２２へと投射される直線偏光の光についても、第２の偏光板１２０を通過することで円偏光に変換される。
【００７５】
このように偏光ビームスプリッタ１１６によって二分岐された直線偏光の光は、それぞれ直線偏光から円偏光へと変換され、第１の凹面鏡１２１と第２の凹面鏡１２２で反射して被測定物Ｗ側へ投射される。被測定物Ｗ側へ投射される光がそれぞれ測定軸ＡＸ上で被測定物Ｗに到達すると、被測定物Ｗに対して焦点が結ばれる。
【００７６】
第１の凹面鏡１２１で反射して被測定物Ｗに到達した光の各々は、当該被測定物Ｗで反射して第２の凹面鏡１２２に入射する。第２の凹面鏡１２２に入射した光は、第２の凹面鏡１２２で反射して第２の偏光板１２０を通過することでその位相にπ／２の位相差が生じ、円偏光から直線偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ１１６へと投射される。この光は、第１の偏光板１１８と第２の偏光板１２０を通過することで偏光ビームスプリッタ１１６を透過した光とはその位相がπ異なったものとなっている。このため、第２の偏光板１２０から偏光ビームスプリッタ１１６へと向かった光は、偏光ビームスプリッタ１１６によって反射される。
【００７７】
一方、第２の凹面鏡１２２で反射して被測定物Ｗに到達した光の各々は、当該被測定物Ｗで反射して第１の凹面鏡１２１に入射する。第１の凹面鏡１２１に入射した光は、第１の凹面鏡１２１で反射して第１の偏光板１１８を通過することでその位相にπ／２の位相差が生じ、円偏光から直線偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ１１６へと投射される。この光は、第２の偏光板１２０と第１の偏光板１１８を通過することで偏光ビームスプリッタ１１６によって反射した光とはその位相がπ異なったものとなっている。このため、第１の偏光板１１８から偏光ビームスプリッタ１１６へと向かった光は、偏光ビームスプリッタ１１６を透過する。
【００７８】
第２の凹面鏡１２２で反射して偏光ビームスプリッタ１１６で反射した光、及び第１の凹面鏡１２１で反射して偏光ビームスプリッタ１１６を透過した光は、互いに統合され、被測定物Ｗへの投射時とは逆の経路を辿ってビームスプリッタ１０６まで戻される。ビームスプリッタ１０６まで戻された光は、その一部がビームスプリッタ１０６で反射し、二次元ＣＣＤ１０８の撮像面１０８Ａに入射する。
【００７９】
本実施形態に係る変位計１０１では、上記のように偏光ビームスプリッタ１１６で光が二分岐されて被測定物Ｗ側に向かうため、測定軸ＡＸ上で焦点が結ばれなかった場合、被測定物上に二つの受光点が形成され、二次元ＣＣＤ１０８の撮像面１０８Ａにおいて二ヶ所に受光点が形成される。このため、被測定物Ｗの測定面がその変位方向に対して傾いている場合、二ヶ所の受光点の位置や間隔から、被測定物Ｗの測定面の傾き量を算出することができる。このように本実施形態では、光の受光量の最大時点を検出することなく、被測定物Ｗの測定面の傾き量を算出することができる。
【００８０】
＜他の実施形態＞
本発明は上記既述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
【００８１】
（１）上記の各実施形態では、レーザ光源とコリメートレンズの組み合わせを光源の一例とすることでポリゴンミラーに向かう光を平行光とする構成を例示したが、例えばＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）とコリメートレンズの組み合わせを光源として用いる構成や、略平行な光を出射するＬＤ（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）を光源として用いる構成であってもよい。
【００８２】
（２）上記の各実施形態では、光源が一つのみとされた構成を例示したが、光源を複数備える構成であってもよい。または、複数の波長の光を一つの光軸とする構成であってもよい。
【００８３】
（３）上記の各実施形態では、光偏向部の一例としてポリゴンミラーを用いた構成を例示したが、光偏向部の構成は限定されない。光を複数の方向に反射することで光の方向を偏向するものだけでなく、例えば光の屈折率を超音波等で複数回変えることで光を複数の方向に偏向するものであってもよい。例えば光偏向部としてガルバノミラーを用いた構成であってもよいし、音響光学素子（ＡＯ素子）を用いた構成であってもよい。
【００８４】
（４）上記の各実施形態では、第２のコリメートレンズと偏光ビームスプリッタとの間にビームエキスパンダを備える構成を例示したが、ビームエキスパンダを備えない構成であってもよい。
【００８５】
（５）上記の実施形態では、集光部の一例として凹面鏡を用いた構成を例示したが、集光部の構成は限定されない。例えば集光部としてシリンドリカルレンズや集光レンズを用いた構成であってもよい。
【００８６】
（６）上記の各実施形態では、第２のコリメートレンズの下方にビームエキスパンダが配置された構成を例示したが、両者の配置が逆とされた構成であってもよい。即ち、ポリゴンミラーと偏光ビームスプリッタの間に、ビームエキスパンダと第２のコリメートレンズが順に配置された構成であってもよい。このような構成であっても、径が拡大された一の方向に平行な光を偏光ビームスプリッタに入射させることができる。
【００８７】
（７）上記の各実施形態では、第１のコリメートレンズとポリゴンミラーとの間にビームスプリッタが配された構成を例示したが、ビームスプリッタの替わりに偏光ビームスプリッタが配された構成であってもよい。偏光ビームスプリッタを配することで、ビームスプリッタを配する場合と比べて通過及び反射する光の光損失を抑制することができる。
【００８８】
（８）上記の各実施形態では、光源から出射された光が第１の方向と第２の方向の両者に集光される構成を例示したが、光源から出射される光が少なくとも第２の方向について集光される構成であればよい。光が第１の方向と第２の方向の両者に集光される構成の場合、光が第２の方向にのみ集光される構成と比べて測定精度を向上させることができる。
【００８９】
（９）上記の各実施形態では、被測定物で反射した光が被測定物に到達するまでに辿った経路と同一の経路を辿って二次元ＣＣＤに入射する構成を例示したが、被測定物で反射した光が二次元ＣＣＤに入射するまでの経路は限定されない。
【００９０】
（１０）上記の各実施形態では、制御部が傾き量算出部において被測定物の測定面の傾き量を算出する構成を例示したが、傾き量算出部を備えず、被測定物の変位のみを測定する構成であってもよい。
【００９１】
以上、本発明の各実施形態について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
【符号の説明】
【００９２】
１、１０１…変位計
２、１０２…レーザ光源
４、１０４…第１のコリメートレンズ
６、１０６…ビームスプリッタ
８、１０８…二次元ＣＣＤ
１０、１１０…ポリゴンミラー
１０Ａ、１１０Ａ…光反射面
１２、１１２…第２のコリメートレンズ
１４、１１４…ビームエキスパンダ
１６、１１６…偏光ビームスプリッタ
１８、１１８…第１の偏光板
２０、１２０…第２の偏光板
２１、１２１…第１の凹面鏡
２２、１２２…第２の凹面鏡
３０…ロータリーエンコーダ
３２…光源駆動回路
３４…ミラー駆動回路
４０…制御部
４２…メモリ
４４…最大時点検出部
４６…変位算出部
４８…傾き量算出部
１０９…第３の偏光板
【図１】
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【図２】
2015068722.tif 000004
【図３】
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【図４】
2015068722.tif 000006
【図５】
2015068722.tif 000007
【図６】
2015068722.tif 000008
【図７】
2015068722.tif 000009
【図８】
2015068722.tif 000010
【図９】
2015068722.tif 000011
【図１０】
2015068722.tif 000012
【図１１】
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