(57)【要約】【課題】被測定物の表面状態によらず安定した計測が可能な変位計および変位測定方法を提供する。【解決手段】変位計は、被測定物１６に投射する対物レンズ１５と、対物レンズ１５を所定の振幅で対物レンズ１５を通過する光の光軸の方向に沿って振動させる加振部と、対物レンズ１５の位置を検出する位置検出部と、対物レンズ１５を光軸方向と直交する平面に沿って移動させる対物レンズ走査部５２と、対物レンズ１５が移動された位置を検出する対物レンズ移動検出部５３と、対物レンズ移動検出部５３によって検出された測定領域内での対物レンズ１５の位置情報と、複数の測定ポイントにおいて測定された変位量とに基づいて、測定領域内における変位量の分布を演算するための演算処理部５８と、演算処理部５８によって演算された結果を出力するための出力部とを備える。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物（１６）に投射する光を発生させる発光部と、
前記発光部から出射された光を受けて、被測定物（１６）に投射する対物レンズ（１５）と、
前記対物レンズ（１５）を、所定の振幅で第１の方向に沿って振動させる加振部と、
第１の方向に前記対物レンズ（１５）が移動された位置を検出する位置検出部と、
被測定物（１６）からの反射光が通過する光絞り部と、
前記光絞り部を通過した光を受光する受光部と、
前記受光部で受光した受光量の最大時点における前記位置検出部での検出位置を取得し、これに基づいて被測定物（１６）に関する変位を演算する変位演算部と、
を備える変位計であって、
前記対物レンズ（１５）を第１の方向と直交する第２の方向に沿って移動させる対物レンズ走査部（５２）と、
前記対物レンズ走査部（５２）により対物レンズ（１５）を第２の方向に沿って移動させることで被測定物（１６）における測定ポイントを所定の移動量で移動させ、複数の測定ポイントで変位を測定し、各測定ポイントでの変位の測定結果に基づいて被測定物（１６）に関する２次元の変位を演算する演算処理部（５８）と、
を備えることを特徴とする変位計。
【請求項２】
被測定物（１６）に投射する光を発生させる発光部と、
前記発光部から出射された光を受けて、被測定物（１６）に投射する対物レンズ（１５）と、
前記対物レンズ（１５）を、所定の振幅で対物レンズ（１５）を通過する光の光軸の方向に沿って振動させる加振部と、
光軸方向に前記対物レンズ（１５）が移動された位置を検出する位置検出部と、
被測定物（１６）からの反射光が通過する光絞り部と、
前記光絞り部を通過した光を受光する受光部と、
前記受光部で受光した受光量の最大時点における前記位置検出部での検出位置を取得し、これに基づいて被測定物（１６）に関する変位を演算する変位演算部と、
を備える変位計であって、
被測定物（１６）上で測定対象となる測定領域を指定する測定領域指定部（５１）と、
前記測定領域指定部（５１）で指定された測定領域にしたがって、前記対物レンズ（１５）を光軸方向と直交する平面に沿って移動させる対物レンズ走査部（５２）と、
前記対物レンズ走査部（５２）により直交平面で前記対物レンズ（１５）が移動された位置を検出する対物レンズ移動検出部（５３）と、
前記対物レンズ移動検出部（５３）によって検出される、測定領域内で測定を行った複数の測定ポイントにおける対物レンズ（１５）の位置情報と、複数の測定ポイントにおいて測定された変位量とに基づいて、測定領域内における変位量の分布を演算するための演算処理部（５８）と、
前記演算処理部（５８）によって演算された結果を出力するための出力部（６６）と、
を備えることを特徴とする変位計。
【請求項３】
前記対物レンズ走査部（５２）は、被測定物（１６）上にて指定された経路もしくは領域内を所定の間隔で走査するように前記対物レンズ（１５）を移動させ、前記演算処理部（５８）が各測定ポイントで測定された変位量を連続量として、前記指定された経路もしくは領域内における被測定物（１６）のプロファイルを表示可能に構成してなることを特徴とする請求項１または２に記載の変位計。
【請求項４】
前記対物レンズ走査部（５２）は、被測定物（１６）上にて指定された経路もしくは領域内を所定の間隔で走査するように前記対物レンズ（１５）を移動させ、前記演算処理部（５８）が各測定ポイントで測定された変位量を平均して前記指定された経路もしくは領域の変位量として演算することを特徴とする請求項１または２に記載の変位計。
【請求項５】
前記測定領域指定部（５１）は、前記対物レンズ（１５）を移動させる範囲である走査幅、移動の中心位置である走査中心、対物レンズ（１５）を周期的に移動させる場合の走査周期、一回当たりの移動量である走査ステップの少なくともいずれかを設定可能とすることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の変位計。
【請求項６】
前記変位計はさらに、前記発光部から出射される光を平行光に変換して、平行光を前記対物レンズ（１５）に入射させるコリメートレンズ（１４）を備えており、前記対物レンズ（１５）は前記対物レンズ走査部（５２）によって、前記コリメートレンズ（１４）からの平行光の光軸に対して垂直な方向に移動可能に構成してなることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の変位計。
【請求項７】
前記対物レンズ走査部（５２）は、前記対物レンズ（１５）を所定の位置を中心として所定の振幅で振動するように移動することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の変位計。
【請求項８】
前記対物レンズ走査部（５２）は、前記対物レンズ（１５）を円弧上に移動させることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の変位計。
【請求項９】
前記対物レンズ走査部（５２）は、前記対物レンズ（１５）を所定の回転軸を中心として円弧上を移動させるサーボモータ（５２Ａ）で構成してなり、前記対物レンズ移動検出部（５３）は、前記サーボモータ（５２Ａ）の回転角を検出する回転角センサ（５３Ａ）で構成してなることを特徴とする請求項８に記載の変位計。
【請求項１０】
前記対物レンズ走査部（５２）は、前記対物レンズ（１５）を所定の回転軸を中心として回転移動させるボイスコイル（５２Ｂ）で構成してなり、前記対物レンズ移動検出部（５３）は、前記ボイスコイル（５２Ｂ）の移動を検出するホール素子（５３Ｂ）で構成してなることを特徴とする請求項８に記載の変位計。
【請求項１１】
前記対物レンズ走査部（５２）を、前記対物レンズ（１５）を連結した片持ち梁で構成されてなることを特徴とする請求項８に記載の変位計。
【請求項１２】
前記対物レンズ走査部（５２）は、前記対物レンズ（１５）を直線状に移動させることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の変位計。
【請求項１３】
前記変位計はさらに、被測定物（１６）からの反射光の光路上に配置される撮像用受光部（６５）と、前記撮像用受光部（６５）で検出された受光信号に基づいて被測定物（１６）を結像し表示するための撮像モニタ（６３）を備えており、前記撮像モニタ（６３）で表示する画像を撮像するタイミングを、所定の測定ポイントで前記対物レンズ（１５）を前記加振部で加振させ、前記受光部の受光量が最大となった時点とすることを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の変位計。
【請求項１４】
被測定物（１６）へ投射した光の反射光を受光して被測定物（１６）の表面の変位を測定する方法において、
被測定物（１６）へ投射する光が通過する対物レンズ（１５）を、光の光軸方向へ振動させるステップと、
振動させた対物レンズ（１５）の位置を検出し、被測定物（１６）からの反射光の光量最大時点で対物レンズ（１５）の位置を検出するステップと、
検出された位置に基づいて被測定物（１６）の表面の変位を演算するステップと、
を備える変位測定方法であって、
前記対物レンズ（１５）を光軸方向と直交する方向に移動させ、変位を演算する被測定物（１６）上の測定ポイントを移動させるステップと、
移動された測定ポイントにおいて変位量を測定し、複数の測定ポイントにおける変位量を測定するステップと、
各測定ポイントで測定された変位量に基づいて、被測定物（１６）に関する２次元の変位を演算するステップと、
を備えることを特徴とする変位測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば金属、樹脂、ガラス、セラミック、紙等の被測定物の表面に光を投射して、被測定物の表面の変位を測定する変位計及び変位測定方法、同様の測定原理を用いて被測定物の厚みを測定する厚み計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、金属や樹脂等の被測定物の表面の変位を測定する装置には、例えば合焦点検出型非接触変位計が利用されている。また、本発明者らは特許文献１に示す変位計を先に開発した。特許文献１に係る変位計を構成例を図１に示す。この図に示す変位計は、レーザパワー制御部１１で駆動されるレーザダイオード１２の出射光は、ビームスプリッタ１３と、コリメートレンズ１４と対物レンズ１５とを順次通過して、被測定物１６に投射されるよう構成されている。被測定物１６からの反射光は対物レンズ１５と、コリメートレンズ１４とを通ってビームスプリッタ１３で反射し、ピンホール１７ａを形成している光絞り部１７のピンホール１７ａを通ってホトダイオード１８へ入射する。ホトダイオード１８で光電変換した信号は増幅器１９へ入力され、その出力信号Ｘは演算部２０へ入力される。
【０００３】
Ｕ字状をした音叉２１の一側長寸部の先端には対物レンズ１５の周縁部分が取付けられる。対物レンズ１５は、音叉２１の振動により、レーザダイオード１２の出射光の光軸方向に所定振幅で振動される。音叉２１の一側長寸部の先端側の側方には、例えば磁気、光又は静電容量を利用したセンサからなる、位置検出部たる音叉振幅検出器２２が配設され、音叉２１の振幅、つまり対物レンズ１５の位置を検出可能としている。音叉振幅検出器２２が検出した検出振幅信号は増幅器２３へ入力され、その出力信号Ｙは演算部２０へ入力される。音叉２１の他側長寸部の先端側の側方には、音叉２１を振動させるためのソレノイド２４が配設されている。ソレノイド２４には音叉振幅制御部２５からの制御電流が供給され、音叉振幅制御部２５には増幅器２３の出力信号が与えられて音叉２１の振幅を一定になすべく制御される。
【０００４】
以下、この変位計の動作を説明する。音叉振幅制御部２５からソレノイド２４に制御電流を供給すると、ソレノイド２４により制御電流に応じた磁界が発生する。この発生磁界により音叉２１が所定振幅で振動し、対物レンズ１５を、それを通る光の光軸方向へ振動させる。音叉振幅検出器２２は音叉２１の振幅、即ち対物レンズ１５の振幅を検出し、対物レンズ１５の振幅たる正弦波信号を出力する。この正弦波信号を、増幅器２３で増幅し、増幅器２３から出力される出力信号Ｙを演算部２０へ入力させる。
【０００５】
一方、レーザパワー制御部１１からレーザダイオード１２に駆動電流を供給すると、レーザダイオード１２はレーザ光を出射する。この出射光はビームスプリッタ１３、コリメートレンズ１４及び対物レンズ１５を通って被測定物１６へ投射される。被測定物１６で反射した反射光は対物レンズ１５とコリメートレンズ１４を通ってビームスプリッタ１３で反射して光絞り部１７側へ投射され、ピンホール１７ａを透過した光のみがホトダイオード１８へ入射する。そのため、ホトダイオード１８には、被測定物１６で生じた潜り光及びレーザダイオード１２で発生した迷光による反射光はピンホール１７ａで遮られてピンホール１７ａを通らず、ホトダイオード１８には、被測定物１６に生じた合焦点の光のみが入射することになる。
【０００６】
この際、対物レンズ１５が振動させられているために、対物レンズ１５と被測定物１６との距離は変化している。所定の距離において、被測定物１６に投射した光の合焦点が被測定物１６に生じると、ホトダイオード１８の受光出力は瞬時に最大となり、この受光出力に応じた信号が増幅器１９へ入力され、増幅器１９から出力信号Ｘが出力され演算部２０へ入力される。この受光量が最大となる位置、すなわち被測定物１６に投射した光の合焦点が被測定物１６上で得られる対物レンズ１５の位置を捉えることで、被測定物１６の表面の変位を測定することによって、変位を高精度、高速度に測定できる。また光絞り部を用いているので、被測定物１６で生じる潜り光や迷光による反射光が生じていても、変位の測定値に誤差を生じ難い変位計とすることができる。
【０００７】
【特許文献１】
特許３３００８０３号
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この変位計では被測定物に投光する光のスポットサイズが小さいため、被測定物の表面状態によっては測定不可能となることが生じるという問題があった。例えば被測定物の表面に凹部や穴がある等して、光が正常に反射され難い領域が存在するような場合には、変位計から被測定物に投光された光が変位計に正しく反射されなくなり、測定ができなくなる。また被測定物の表面にスポットサイズのオーダで細かな凹凸があるような場合は、少しでも測定位置が変動したり被測定物が動くと測定値が大きく変動するため、正確な計測が困難になるという問題もあった。
【０００９】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、被測定物の表面状態によらず安定した計測が可能な変位計および変位測定方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に記載される変位計は、被測定物１６に投射する光を発生させる発光部と、前記発光部から出射された光を受けて、被測定物１６に投射する対物レンズ１５と、前記対物レンズ１５を、所定の振幅で第１の方向に沿って振動させる加振部と、第１の方向に前記対物レンズ１５が移動された位置を検出する位置検出部と、被測定物１６からの反射光が通過する光絞り部と、前記光絞り部を通過した光を受光する受光部と、前記受光部で受光した受光量の最大時点における前記位置検出部での検出位置を取得し、これに基づいて被測定物１６に関する変位を演算する変位演算部とを備える。この変位計はさらに、前記対物レンズ１５を第１の方向と直交する第２の方向に沿って移動させる対物レンズ走査部５２と、前記対物レンズ走査部５２により対物レンズ１５を第２の方向に沿って移動させることで被測定物１６における測定ポイントを所定の移動量で移動させ、複数の測定ポイントで変位を測定し、各測定ポイントでの変位の測定結果に基づいて被測定物１６に関する２次元の変位を演算する演算処理部５８とを備えることを特徴とする。
【００１１】
この構成によって、対物レンズ１５を第１の方向と直交する第２の方向に沿って移動させ、測定ポイントを変えながら複数の位置での変位量を連続的に測定することが可能となり、たとえ１点において測定不可能となっても、他の近傍の点での測定結果によって変位量もしくは変位量の近似値を得ることができる。
【００１２】
また、請求項２の変位計は、被測定物１６に投射する光を発生させる発光部と、前記発光部から出射された光を受けて、被測定物１６に投射する対物レンズ１５と、前記対物レンズ１５を、所定の振幅で対物レンズ１５を通過する光の光軸の方向に沿って振動させる加振部と、光軸方向に前記対物レンズ１５が移動された位置を検出する位置検出部と、被測定物１６からの反射光が通過する光絞り部と、前記光絞り部を通過した光を受光する受光部と、前記受光部で受光した受光量の最大時点における前記位置検出部での検出位置を取得し、これに基づいて被測定物１６に関する変位を演算する変位演算部とを備える。この変位計はさらに、被測定物１６上で測定対象となる測定領域を指定する測定領域指定部５１と、前記測定領域指定部５１で指定された測定領域にしたがって、前記対物レンズ１５を光軸方向と直交する平面に沿って移動させる対物レンズ走査部５２と、前記対物レンズ走査部５２により直交平面で前記対物レンズ１５が移動された位置を検出する対物レンズ移動検出部５３と、前記対物レンズ移動検出部５３によって検出される、測定領域内で測定を行った複数の測定ポイントにおける対物レンズ１５の位置情報と、複数の測定ポイントにおいて測定された変位量とに基づいて、測定領域内における変位量の分布を演算するための演算処理部５８と、前記演算処理部５８によって演算された結果を出力するための出力部６６とを備えることを特徴とする。
【００１３】
この構成によって、対物レンズ１５を第１の方向と直交する第２の方向に沿って移動させ、測定ポイントを変えながら複数の位置での変位量を連続的に測定することが可能となり、たとえ１点において測定不可能となっても、他の近傍の点での測定結果によって変位量もしくは変位量の近似値を得ることができる。
【００１４】
さらに、請求項３の変位計は、請求項１又は２に加えて、前記対物レンズ走査部５２は、被測定物１６上にて指定された経路もしくは領域内を所定の間隔で走査するように前記対物レンズ１５を移動させ、前記演算処理部５８が各測定ポイントで測定された変位量を連続量として、前記指定された経路もしくは領域内における被測定物１６のプロファイルを表示可能に構成してなることを特徴とする。
【００１５】
この構成によって、線で指定された部分の変位量を連続的に取得でき、指定部分の形状や傾きを検出することが可能となる。
【００１６】
さらにまた、請求項４の変位計は、請求項１又は２に加えて、前記対物レンズ走査部５２は、被測定物１６上にて指定された経路もしくは領域内を所定の間隔で走査するように前記対物レンズ１５を移動させ、前記演算処理部５８が各測定ポイントで測定された変位量を平均して前記指定された経路もしくは領域の変位量として演算することを特徴とする。
【００１７】
この構成によって、線で指定された領域の変位量の平均値を取得でき、変位計が被測定物１６に投光する光のスポットサイズを、近似的に大きくした測定を得ることが可能となる。
【００１８】
さらにまた、請求項５の変位計は、請求項１から４のいずれかに加えて、前記測定領域指定部５１は、前記対物レンズ１５を移動させる範囲である走査幅、移動の中心位置である走査中心、対物レンズ１５を周期的に移動させる場合の走査周期、一回当たりの移動量である走査ステップの少なくともいずれかを設定可能とすることを特徴とする。
【００１９】
この構成によって、変位測定の精度や測定時間をユーザの所望に応じて適宜変更することが可能となる。例えば、変位測定の精度を向上させるには、走査ステップを小さくすればよい。また測定時間を速くするには走査ステップを大きくする、あるいは移動範囲を小さくする等に設定すればよい。
【００２０】
さらにまた、請求項６の変位計は、請求項１から５のいずれかに加えて、さらに前記発光部から出射される光を平行光に変換して、平行光を前記対物レンズ１５に入射させるコリメートレンズ１４を備えており、前記対物レンズ１５は前記対物レンズ走査部５２によって、前記コリメートレンズ１４からの平行光の光軸に対して垂直な方向に移動可能に構成してなることを特徴とする。
【００２１】
さらにまた、請求項７の変位計は、請求項１から６のいずれかに加えて、前記対物レンズ走査部５２は、前記対物レンズ１５を所定の位置を中心として所定の振幅で振動するように移動することを特徴とする。
【００２２】
さらにまた、請求項８の変位計は、請求項１から７のいずれかに加えて、前記対物レンズ走査部５２は、前記対物レンズ１５を円弧上に移動させることを特徴とする。
【００２３】
さらにまた、請求項９の変位計は、請求項８に加えて、前記対物レンズ走査部５２は、前記対物レンズ１５を所定の回転軸を中心として円弧上を移動させるサーボモータ５２Ａで構成してなり、前記対物レンズ移動検出部５３は、前記サーボモータ５２Ａの回転角を検出する回転角センサ５３Ａで構成してなることを特徴とする。
【００２４】
さらにまた、請求項１０の変位計は、請求項８に加えて、前記対物レンズ走査部５２は、前記対物レンズ１５を所定の回転軸を中心として回転移動させるボイスコイル５２Ｂで構成してなり、前記対物レンズ移動検出部５３は、前記ボイスコイル５２Ｂの移動を検出するホール素子５３Ｂで構成してなることを特徴とする。
【００２５】
さらにまた、請求項１１の変位計は、請求項８に加えて、前記対物レンズ走査部５２を、前記対物レンズ１５を連結した片持ち梁で構成されてなることを特徴とする。
【００２６】
さらにまた、請求項１２の変位計は、請求項１から７のいずれかに加えて、前記対物レンズ走査部５２は、前記対物レンズ１５を直線状に移動させることを特徴とする。
【００２７】
さらにまた、請求項１３の変位計は、請求項１から１２のいずれかに加えて、前記変位計はさらに、被測定物１６からの反射光の光路上に配置される撮像用受光部６５と、前記撮像用受光部６５で検出された受光信号に基づいて被測定物１６を結像し表示するための撮像モニタ６３を備えており、前記撮像モニタ６３で表示する画像を撮像するタイミングを、所定の測定ポイントで前記対物レンズ１５を前記加振部で加振させ、前記受光部の受光量が最大となった時点とすることを特徴とする。
【００２８】
この構成によって、被測定物１６に対して焦点の合った画像を表示することができる。
【００２９】
また、請求項１４の変位測定方法は、被測定物１６へ投射した光の反射光を受光して被測定物１６の表面の変位を測定する方法に関する。この方法は、被測定物１６へ投射する光が通過する対物レンズ１５を、光の光軸方向へ振動させるステップと、振動させた対物レンズ１５の位置を検出し、被測定物１６からの反射光の光量最大時点で対物レンズ１５の位置を検出するステップと、検出された位置に基づいて被測定物１６の表面の変位を演算するステップとを備える。さらに変位測定方法は、前記対物レンズ１５を光軸方向と直交する方向に移動させ、変位を演算する被測定物１６上の測定ポイントを移動させるステップと、移動された測定ポイントにおいて変位量を測定し、複数の測定ポイントにおける変位量を測定するステップと、各測定ポイントで測定された変位量に基づいて、被測定物１６に関する２次元の変位を演算するステップとを備えることを特徴とする。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための変位計および変位測定方法を例示するものであって、本発明は変位計および変位測定方法を以下のものに特定しない。
【００３１】
また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。
【００３２】
本発明において変位計とは、被測定物の表面の変位を測定する変位計であって、被測定物の高さや深さ、厚さ、高度差、段差、傾斜や角度等を測定する装置に限られず、高さや傾斜等の測定結果に基づいて表面形状等を測定可能な装置も包含する意味で使用する。同様に変位測定方法においても、これら被測定物の高さや深さ、厚さ、高度差、段差、傾斜や角度等を測定する方法に限られず、これらの測定結果に基づいて表面形状等を測定する方法も包含する意味で使用する。
【００３３】
［実施の形態１］
図２に、本発明の実施の形態１に係る変位計の構成図を示す。この図に示す変位計は、発光部としてレーザダイオード１２と、レーザダイオード１２から出射される光を平行光に変換するコリメートレンズ１４と、対物レンズ１５と、対物レンズ１５を保持する音叉２１と、光軸方向に音叉２１を振動させるための加振部であるソレノイド２４と、ソレノイド２４で振動される音叉２１の位置を検出する位置検出部である音叉振幅検出器２２を備える。またこの変位計は、被測定物１６からの反射光が通過する光絞り部１７にピンホール１７ａを形成している。さらに光絞り部１７のピンホール１７ａの位置には、受光部としてホトダイオード１８が設けられる。
【００３４】
レーザパワー制御部１１で駆動されるレーザダイオード１２の出射光は、ビームスプリッタ１３と、コリメートレンズ１４と対物レンズ１５とを順次通過して、被測定物１６に投射される。被測定物１６からの反射光は、対物レンズ１５と、コリメートレンズ１４とを通ってハーフミラーを構成するビームスプリッタ１３で反射され、光絞り部１７のピンホール１７ａを通ってホトダイオード１８へ入射する。
【００３５】
ホトダイオード１８で光電変換した信号は、増幅器１９へ入力され、その出力信号Ｘは演算部２０へ入力される。Ｕ字状に形成された音叉２１の一側長寸部の先端には、対物レンズ１５の周縁部分が取付けられている。対物レンズ１５は、音叉２１の振動により、レーザダイオード１２の出射光の光軸方向に所定の振幅で振動される。音叉２１の一側長寸部の先端側の側方には、位置検出部として音叉振幅検出器２２が配設されている。音叉振幅検出器２２は、例えば磁気、光又は静電容量を利用したセンサが利用でき、音叉２１の振幅位置を検出することで、音叉２１に接続された対物レンズ１５の位置を検出する。なお位置検出部は、このように音叉の振幅を検出する他、音叉に連結されて振動される対物レンズの位置を直接検出する構成としても良い。
【００３６】
音叉振幅検出器２２が検出した検出振幅信号は増幅器２３へ入力され、その出力信号Ｙは演算部２０へ入力される。音叉２１の他側長寸部の先端側の側方には、音叉２１を振動させるためのソレノイド２４が配設されている。
【００３７】
ソレノイド２４は、音叉振幅制御部２５から供給される制御電流によって駆動される。音叉振幅制御部２５には、増幅器２３の出力信号が与えられ、音叉２１の振幅を一定になすように制御されるよう構成される。なお音叉２１は、例えば８００Ｈｚ、振幅が±０．３ｍｍで振動するものが利用できる。演算部２０で演算されて出力される変位信号は、距離変換部５０へ入力される。
【００３８】
この変位計は、ホトダイオード１８で受光した受光量が最大となる時点での対物レンズ１５の位置を音叉振幅検出器２２で検出し、これに基づいて被測定物１６での光の反射点、すなわち表面の変位を、変位演算部である演算部２０および距離変換部５０で演算する。
【００３９】
次にこのように構成した変位計の動作を説明する。音叉振幅制御部２５からソレノイド２４に電流を供給すると、ソレノイド２４により磁界が発生する。この発生磁界により音叉２１が所定振幅で振動し、対物レンズ１５を、それを通る光の光軸方向へ振動させる。音叉振幅検出器２２は音叉２１の振幅、即ち対物レンズ１５の振幅を検出し、対物レンズ１５の振幅たる正弦波信号を出力する。この正弦波信号を、増幅器２３で増幅し、増幅器２３から出力される出力信号Ｙを演算部２０へ入力させる。
【００４０】
一方、レーザパワー制御部１１からレーザダイオード１２に駆動電流を供給すると、レーザダイオード１２はレーザ光を出射する。この出射光はビームスプリッタ１３、コリメートレンズ１４及び対物レンズ１５を通って被測定物１６へ投射される。被測定物１６で反射した反射光は対物レンズ１５とコリメートレンズ１４を通ってビームスプリッタ１３で反射して光絞り部１７側へ投射され、ピンホール１７ａを透過した光のみがホトダイオード１８へ入射する。そのため、ホトダイオード１８には、被測定物１６で生じた潜り光及びレーザダイオード１２で発生した迷光による反射光はピンホール１７ａで遮られてピンホール１７ａを通らずホトダイオード１８には、被測定物１６に生じた合焦点の光のみが入射することになる。
【００４１】
ところで、対物レンズ１５が振動させられているために、対物レンズ１５と被測定物１６との距離が変化し、所定距離に達した時点で、被測定物１６に投射した光の合焦点が被測定物１６に生じると、ホトダイオード１８の受光出力は瞬時に最大となり、この受光出力に応じた信号が増幅器１９へ入力され、増幅器１９から出力信号Ｘが出力され演算部２０へ入力される。演算部２０は出力信号Ｘの最大値を検出することで、被測定物１６に投射した光の合焦点が生じた時点を正確に検出することができる。演算部２０は出力信号Ｘが最大値となる時点での出力信号Ｙのレベル、即ち対物レンズ１５の振幅をサンプリングし、変位信号Ｓとして出力する。そしてサンプリングした変位信号Ｓを距離変換部５０へ入力して、変位信号Ｓを、変位信号Ｓに応じた距離に変換して、被測定物１６の表面の変位を測定する。
【００４２】
なお、この例では対物レンズ１５の変位を、音叉振幅検出部２２の出力する正弦波信号をサンプルホールドすることで直接的に求めている。ただ、対物レンズ１５の変位を取得する方法はこの方法に限られない。例えば、特許文献１である特許３３００８０３号に開示されるように、音叉振幅検出器２２の出力する信号が、振幅と位相が既知である正弦波信号であることを利用して、被測定物１６の合焦点の生じた時点の位相または位相差から間接的に対物レンズ１５の変位を取得する方法も利用できる。
【００４３】
また、加振部の他の実施形態として、図３に示すように、対物レンズ１５のみならずコリメートレンズ１４も音叉２１に接続してもよい。図３の例では、音叉２１の一側長寸部の先端に対物レンズ１５の周縁部分を取付け、他側長寸部の先端に対物レンズ１５と同一光軸上に配置したコリメートレンズ１４の周縁部分を取付けている。そして対物レンズ１５及びコリメートレンズ１４を共に振動可能なように構成している。このようにすると音叉２１の一側長寸部と他側長寸部との重量を平衡させ得て、音叉２１を効率良く振らせることができる。さらに音叉２１の一側長寸部の外側面及び他側長寸部の外側面夫々に圧電素子を固着し、この圧電素子に電圧を印加することで音叉２１を振動させることができる。
【００４４】
このような、被測定物１６上の任意の一点における変位の演算方法は、例えば上記特許文献１に記載した方法や、その他の既知の方法又は将来開発される方法が適宜利用でき、詳細な説明は割愛する。
【００４５】
［測定領域］
以上のようにして変位計は、指定された測定ポイントにおける変位量を測定する。さらに変位計は、測定ポイントを複数指定可能である。具体的には、測定領域指定部５１によって測定対象となる測定領域を指定する。測定領域は、円弧や直線等の線状で指定する。測定領域指定部５１による指定方法は、例えば線分の始点と終点を指定する方法、自由曲線を直接指定する方法等が適宜利用できる。また指定された測定領域の直線や曲線において、測定ポイントの間隔である走査ステップも指定できる。あるいは、測定したい複数の位置を測定ポイントとしてユーザが直接指定しても良い。または、ユーザが指定した位置に基づいて変位計が測定領域を自動的に設定する方法としてもよい。例えば、指定された位置を基準として、測定ポイントの間隔も所定値に設定される。
【００４６】
このようにして設定された測定領域内で、変位計は複数の測定ポイントにてそれぞれ変位量を測定する。そして測定された複数位置の変位量に基づいて、被測定物１６の表面状態を知ることができる。例えば、測定領域における凹凸形状等を表示するプロファイル、傾き、最大高さ、最小高さ、平均高さ、高低差、厚み等を演算し、必要に応じて表示する。表示方法は、例えば図６〜図１０に示すように、被測定物１６のプロファイルを断面形状として視覚的に出力部６６のディスプレイ等にて表示する。また平均高さや傾き等の数値を併せて表示する。
【００４７】
この方法によれば、連続する複数の位置で変位を測定するため、仮にある位置において被測定物の表面状態等により測定が不可能となった場合でも、その近辺において測定可能な位置で測定された変位量を利用して、測定不可能となった位置での変位量を予測、補完することができる。これによって、被測定物に投光する光のスポットサイズが小さい変位計を使用する際においても、測定不可能となる事態を回避できる。
【００４８】
さらに、測定領域を点状から線状とすることで、光のスポットサイズが等価的に大きくなる測定が実現できる。例えば、所定の線分を測定領域として指定し、この領域内の複数の測定ポイントの変位量を測定することで、変位量の平均値等を得ることができ、結果としてスポットを線状に延長した変位測定と同等の測定が実現される。
【００４９】
さらに加えて、測定領域内のプロファイルを測定することもできるので、従来実現できなかった２次元、３次元領域での高さや高低差、段差、幅、角度等も測定可能となる。特に、連続的に複数位置での測定を行って、その結果を統計的に確認できる構成とすることで、一々測定ポイントを指定する手間を省き、さらに平均や最大値、最小値、傾き演算といった処理も容易に実現でき、極めて使い勝手の良い環境が実現される。
【００５０】
もちろん、対物レンズ走査部５２を停止させて任意の一点のみの変位量を測定する使用も可能であることはいうまでもない。
【００５１】
［対物レンズ走査部５２］
測定ポイントの移動は、対物レンズ１５を移動させることによって行われる。対物レンズ１５は、光の光軸と直交する方向に移動され、図４において水平方向に移動される。発光部から対物レンズ１５に入光される光は、介在するコリメートレンズ１４によって平行光とされている。その結果、図４に示すように平行光と直交する方向に移動させても、光軸方向の焦点距離は不変で被測定物１６上にて焦点を結ぶことができるので、変位測定が可能となる。対物レンズ１５が移動されても、平行光を受けられるように、好ましくは対物レンズ１５の大きさはコリメートレンズ１４よりもレンズ面の直径を小さくし、かつ対物レンズ１５の移動可能範囲がコリメートレンズ１４の直径に収まるように設定する。
【００５２】
対物レンズ１５は対物レンズ走査部５２によって移動される。図２に示す変位計は、対物レンズ走査部５２としてサーボモータ５２Ａと、対物レンズ走査部５２により対物レンズ１５が移動された位置を検出する対物レンズ移動検出部５３として、サーボモータ５２Ａの回転角を検出する回転角センサ５３Ａを備える。サーボモータ５２Ａは、加振部を構成する音叉２１を保持する音叉ホルダ５６に設けられた回転軸５４を介して、加振部を回転自在に連結している。回転軸５４は、加振部に連結された対物レンズ１５が光軸と直交する平面に沿って移動させるように位置決めされる。図２においては、回転軸５４は音叉ホルダ５６の後端に貫通されて、音叉２１を水平面内で回転させ、コリメートレンズ１４からの平行光を対物レンズ１５が垂直に受けられるように構成している。サーボモータ５２Ａの回転は、サーボモータ５２Ａに接続された走査位置制御部５７によって制御される。走査位置制御部５７は、演算処理部５８から出力される走査位置制御信号に基づいてサーボモータ５２Ａの回転を制御する。
【００５３】
［対物レンズ移動検出部５３］
またサーボモータ５２Ａの回転軸５４には、対物レンズ移動検出部５３として回転角センサ５３Ａが取り付けられ、回転角センサ５３Ａによって対物レンズ１５の位置が検出される。回転角センサ５３Ａは対物レンズ移動位置信号を走査位置制御部５７に送出し、走査位置制御部５７は対物レンズ移動位置信号と走査位置制御信号に基づいて対物レンズ１５の位置を正確に制御できる。また、走査位置制御部５７は対物レンズ１５の位置情報を演算部２０に報告する。これによって、変位計は測定位置を把握しながら走査することができる。演算部５０は対物レンズ１５の位置情報を受けて、測定ポイント毎の変位量を距離変換部５０で演算し、演算結果を演算処理部５８に出力する。演算処理部５８はメモリ部５９を備えてなり、各測定ポイントにおける変位量を保持する。そして所定の演算処理を行い、その結果を必要に応じて出力する。例えばディスプレイに表示させる、プリンタに印刷する、記憶媒体に保存する、あるいはその他の処理のために外部機器に送出される。出力部６６は、これらの処理に応じてディスプレイ等の表示部、プリンタ等の印刷部、ストレージデバイス等の媒体記録部、コンピュータ等の外部機器等が利用できる。なお演算部５０と演算処理部５８は、システムＬＳＩ等のＩＣで構成でき、これらを同一の回路で構成することもできる。
【００５４】
［測定領域指定部５１］
図２に示す変位計は、ユーザが所望の測定領域を指定するための測定領域指定部５１を備える。測定領域は、測定を行う領域を線で指定する。測定領域指定部５１は、例えばコンソールやキーボード、マウス、タッチパネル等の入力手段が適宜利用できる。測定領域指定部５１は変位計に備え付ける他、脱着自在な部材として有線、無線で変位計本体と接続される。あるいは、変位計に接続されたコンピュータに接続される入力デバイスを利用しても良い。
【００５５】
測定領域指定部５１は演算処理部５８に接続されている。ユーザが測定領域指定部５１から測定領域を指示することで、この情報に基づいて演算処理部５８は音叉位置制御信号、走査位置制御信号をそれぞれ音叉振幅制御部２５、走査位置制御部５７に出力し、これらを制御する。図５は、走査位置制御信号の概要を示す。測定領域は、対物レンズ１５を移動させる範囲である走査幅、移動の中心位置である走査中心、対物レンズ１５を周期的に移動させる場合の走査周期、一回当たりの移動量である走査ステップ等で決定される。ユーザは、例えば走査ステップと走査幅を指定すると、対物レンズ１５は指定された走査ステップで段階的に移動され、走査幅分移動すると折り返して反対方向に移動し、周期的に移動することで被対象物の表面を走査する。また、指定を簡単にするためにユーザが被測定物上で任意の一点を指定すると、この点を走査中心として、予め設定された走査幅、走査ステップで走査領域を自動的に設定することもできる。あるいはまた、対物レンズ１５を周期的に走査させる方法に限られず、ユーザが指定した任意の経路に沿って移動させたり、任意の点での変位を測定するよう、このような経路や点を指定するよう構成しても良い。
【００５６】
走査に要する時間または走査速度は、主に走査ステップと走査幅によって決定される。走査ステップを大きくとり、走査幅を狭くする程、走査速度は速くなる。一方、走査ステップを小さくとる程、走査精度は向上し、より微細な変位測定が可能となる。よって、測定領域やそのパラメータは、速度と精度のバランスに応じて所望の値に設定される。
【００５７】
一方、図５に示すように、走査位置制御信号と並行して、音叉位置信号が演算処理部５８から音叉振幅制御部２５に対して送出されている。よって対物レンズ１５を光軸と垂直な面に沿って移動させる間にも、加振部によって対物レンズ１５は光軸の方向に振動されており、上述したように受光部の最大値を検出することで変位を演算している。好ましくは、一の走査ステップ毎に対物レンズ１５を加振部で光軸方向に一周期以上振幅させて、各ステップ毎に変位を測定できるようにする。このために、走査位置制御信号と音叉位置検出信号は演算処理部５８で同期させて出力する。
【００５８】
以上のようにして設定された測定領域において、実際に様々な被測定物１６の変位を測定する例を図６〜図１０に示す。それぞれの図は、被測定物１６の形状と、その測定結果として表面高さのグラフを示している。なお各図においては、測定のイメージを説明してものであって被測定物１６の表面と測定結果とは一致させていない。
【００５９】
図６は、金属製で光沢面を有する被測定物１６の表面プロファイルを測定した測定値である。この図のように、光沢面を有する被測定物１６であっても指定された測定領域内の高さの変化を表示させることができる。
【００６０】
図７は、測定不可能な点を含む被測定物１６を測定する例を示す。この例では、凹凸を有するセラミックの表面を順次測定しており、ある位置では変位の測定が不可能であったため、測定結果でプロットされていないが、その前後の測定結果から、変位量を推測することが可能となる。また、測定不能点の前後の変位量から、不能点の変位量を演算して補完することもできる。あるいは、全体の変位量を平均化したり、特異な値を抽出して補正したり、平滑化するといった処理を加えることもできる。
【００６１】
図８は、被測定物１６の高さを測定する例を示す。この例では、透明ガラス上にシリコン接着剤を突出させた場合の高低差を検出している。このように、被測定物１６の表面を走査して、最大高さと最小高さを検出し、その差を演算することで正確な高低差が得られる。
【００６２】
また図９は、傾きを測定する例を示す。この例では、フェライトと電極が構成されたヘッド部の先端における変位を測定し、そのその近似直線から傾斜角度を求めている。このように、各点における変位の測定値にばらつきが生じても、一定の範囲全体の測定結果から角度特性を得ることができる。また同様にして、測定範囲での平均高さを求めることもできる。
【００６３】
さらに図１０は、深さ測定を行う例を示す。この例では、被測定物１６の表面に凹部が形成されており、その上面と底面の変位を測定して深さを測定している。
【００６４】
このようにして、変位計は複数の測定ポイントにて変位量をそれぞれ測定し、測定された複数位置の変位量に基づいて、被測定物の表面状態を知ることができる。また上記の構成においては、発光部から発する光の光軸を移動させず、対物レンズ側を移動させることによって、被測定物表面の測定ポイントの走査を実現している。このため、発光部の光軸を走査させるための複雑な機構を設ける必要が無く、走査機構を極めて安価に構成できるという優れた特長が実現される。
【００６５】
［実施の形態２］
以上の図２に示す構成では、対物レンズ走査部５２としてサーボモータ５２Ａを使用したが、対物レンズ走査部はこれに限られない。本発明の他の実施の形態に係る変位計を、図１１に示す。図１１に示す変位計は、図２とほぼ同じ構成であるが、対物レンズ走査部５２としてボイスコイル５２Ｂとボイスコイル用磁石５２Ｃを利用した回転機構を採用し、また対物レンズ移動検出部５３としてホール素子５３Ｂとホール素子用磁石５３Ｃを利用している。
【００６６】
ボイスコイル用磁石５２Ｃは、回転軸５４を保持して静止状態で固定され、断面コ字状の開口部６０を備える回転軸保持部５５の、開口部内面に固定される。一方ボイスコイル５２Ｂは、音叉ホルダ５６の上面に突出して、開口部６０に挿入された状態でボイスコイル５２Ｂ磁石と対抗するように音叉ホルダ５６に固定される。この変位計は、走査位置制御部５７によってボイスコイル５２Ｂに流れる電流を調整し、この電流と交叉する磁界の相互作用に基づいてボイスコイル用磁石５２Ｃとの間で駆動力を発生させ、回転軸５４を中心に対物レンズ１５を回転させる。
【００６７】
また対物レンズ１５の移動位置は、ホール素子５３Ｂとホール素子用磁石５３Ｃによって検出される。図１１の例では、音叉ホルダ５６にホール素子用磁石５３Ｃを固定し、このホール素子用磁石５３Ｃと対抗する位置に静止するホール素子５３Ｂを設けている。ホール素子５３Ｂは、ＧａＡｓやＩｎＳｂのホール効果を利用して磁界強度を検出する素子である。ホール素子５３Ｂはホール素子用磁石５３Ｃとの距離に応じた磁界強度を検出して、音叉ホルダ５６の回転角または回転距離を対物レンズ移動位置信号として走査位置制御部５７に出力する。
【００６８】
さらに、対物レンズ１５の移動方式は、図１２、図１３に示すような方法も利用できる。これらの図は、対物レンズ１５の固定状態を示す平面図である。図１２では対物レンズ１５を板バネ６１に固定しており、板バネ６１を振動させることによって水平面内に移動させている。板バネ６１は、図示しない加振部によって加振される。この構成は極めて安価に構成することができる。
【００６９】
なお、上述した対物レンズの移動方式においては、いずれもその軌跡が円弧状となる。この場合、円弧の半径を大きくすることによって、軌跡を円弧状から直線上に近付けることができる。
【００７０】
また図１３においては、対物レンズ１５を直線上に移動させるために摺動可能なリニアガイド６２を利用している。リニアガイド６２はガイドレールに沿って直線上に摺動可能である。よってリニアガイド６２に固定された対物レンズ１５は、確実に直線移動される。これらの図に示す方式においても対物レンズ移動検出部を適宜設けることが可能であることはいうまでもない。
【００７１】
［実施の形態３］
さらにまた、本発明の実施の形態３として、撮像モニタ６３を備える例を図１４に示す。この図に示す変位計は、図２とほぼ同様の構成に加えて、発光部の光路に備えられた第２ビームスプリッタ６４を構成する第２ハーフミラーと、第２ハーフミラーからの反射光の光路上に備えられた撮像用受光部６５としてＣＣＤカメラ等のイメージセンサと、ＣＣＤカメラに接続された撮像モニタ６３とを備える。撮像モニタ６３はＣＣＤカメラで検出された受光信号に基づいて被測定物１６を表示する。この撮像モニタ６３は、対物レンズ１５の移動時に常時被測定物１６を表示し続けるのでなく、特定のタイミングでのみ撮像を行うことで、ピントのあった鮮明な画像を表示させることができる。撮像モニタ６３で表示する画像を撮像するタイミングは、対物レンズ１５の焦点が合った時点で、かつＣＣＤカメラが撮像モニタ６３で表示する画像を撮像するタイミングは、振動して移動する対物レンズ１５の走査幅の内所定の走査位置、好ましくは走査中心であって、かつ対物レンズ１５の合焦点の時点である。これによって、対物レンズ１５の走査位置が時々刻々と変化していても、撮像モニタ６３上では所定の走査位置における静止状態の画像が表示される。また合焦点のタイミングは、上述した方法と同様に受光部の光量が最大となった時点とする。必要に応じて照明装置を設け、このタイミングに連動させてフラッシュを照射させても良い。これによって、焦点の合うタイミングを確実にかつ瞬時に捕捉でき、特別な機構を要せず極めて高性能なオートフォーカス機能が実現される。撮像モニタ６３は、このようにして撮像された画像のみを表示させ、新たな撮像が行われるタイミングで画像表示を更新させてもよい。これによって、撮像モニタ６３には常にきれいな画像のみを表示させることができる。あるいは、走査幅や走査ステップにも依存するが、一周期の走査速度が撮像モニタ６３の更新速度（テレビレートでは６０Ｈｚ程度）よりも遅い場合には、フレームメモリを設けることでちらつきの少ない画像が表示できる。フレームメモリは、１フレームすなわち１画面分の画像データを記憶するメモリである。撮像された画像データを保持して、同一の画像データを繰り返し表示させることで、倍速表示にも対応可能な高品質な表示が可能となる。なお、この例では撮像モニタを出力部と別に表示しているが、撮像モニタは出力部の一例である表示部と兼用しても良い。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の変位計および変位測定方法は、変位測定を被測定物上の一点で行うのみならず、線状の範囲をもった領域で測定することができる。これによって、たとえ検出不能な測定ポイントが存在しても、その近辺の変位量を測定することによって、推測、補完することができる。このため、微小なスポットで被測定物の緻密な変位測定を行う際にも、測定不可能に陥ることなく信頼性の高い変位計および変位測定方法が実現される。さらに、測定領域において測定された複数の測定値を組み合わせた処理も可能で、平均値や高低差、傾き検出、プロファイルといった情報を得ることができ、より詳細な測定が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の変位計の一例を示す模式的構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る変位計を示す模式的構成図である。
【図３】加振部の他の実施の形態を示す構成図である。
【図４】対物レンズに入光する光の状態を示す模式図である。
【図５】走査位置制御信号の概要を示すグラフである。
【図６】被測定物１６の変位を測定した測定結果の一例を示す模式図である。
【図７】他の被測定物１６の変位を測定した測定結果の一例を示す模式図である。
【図８】他の被測定物１６の変位を測定した測定結果の一例を示す模式図である。
【図９】他の被測定物１６の変位を測定した測定結果の一例を示す模式図である。
【図１０】他の被測定物１６の変位を測定した測定結果の一例を示す模式図である。
【図１１】本発明の実施の形態２に係る変位計を示す模式的構成図である。
【図１２】対物レンズ走査部の他の実施の形態を示す構成図である。
【図１３】対物レンズ走査部のさらに他の実施の形態を示す構成図である。
【図１４】本発明の実施の形態３に係る変位計を示す模式的構成図である。
【符号の説明】
１１・・・レーザパワー制御部
１２・・・レーザダイオード
１３・・・ビームスプリッタ
１４・・・コリメートレンズ
１５・・・対物レンズ
１６・・・被測定物
１７・・・光絞り部
１７ａ・・・ピンホール
１８・・・ホトダイオード
１９・・・増幅器
２０・・・演算部
２１・・・音叉
２２・・・音叉振幅検出器
２３・・・増幅器
２４・・・ソレノイド
２５・・・音叉振幅制御部
５０・・・距離変換部
５１・・・測定領域指定部
５２・・・対物レンズ走査部
５２Ａ・・・サーボモータ
５２Ｂ・・・ボイスコイル
５２Ｃ・・・ボイスコイル用磁石
５３・・・対物レンズ移動検出部
５３Ａ・・・回転角センサ
５３Ｂ・・・ホール素子
５３Ｃ・・・ホール素子用磁石
５４・・・回転軸
５５・・・回転軸保持部
５６・・・音叉ホルダ
５７・・・走査位置制御部
５８・・・演算処理部
５９・・・メモリ部
６０・・・開口部
６１・・・板バネ
６２・・・リニアガイド
６３・・・撮像モニタ
６４・・・第２ビームスプリッタ
６５・・・撮像用受光部
６６・・・出力部
【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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