(57)【要約】【課題】Ｓ／Ｎ比を向上させて高精度の測定が可能な光学測定装置を提供する。【解決手段】収束光用透光部材１７はその両端に互いに逆方向に突出した凸状円錐部分が形成され、一端の凸状円錐の外周面が入光面１７ａとなり、他端側の凸状円錐の外周面が出射面１７ｂとなる。分割光Ｌ３が平行光である時に全周縁光が入光面１７ａにて屈折し出射面１７ｂに入射するときの入射角度が臨界角θｘになっている。拡散光用透光部材１９は、一端に凹状円錐部分が形成され、他端は凸状円錐部分が形成されている。一端側の凹状円錐の内周面が入光面１９ａとなり、他端側の凸状円錐の外周面が出射面１９ｂとなる。分割光Ｌ４が平行光である時に全周縁光が入光面１９ａにて屈折して出射面１９ｂに入射するときの入射角度が臨界角θｘになっている。【選択図】  図１
2004257959.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
投光手段から出射された平行光を、光分離手段によって対物レンズに導きこの対物レンズを通して集光させて被測定物体に照射し、この被測定物体で反射して前記対物レンズを通って戻ってきた反射光を前記光分離手段によって前記投光手段への直進方向と異なる方向に導くよう構成され、前記対物レンズの焦点位置に対する前記被測定物体の位置に応じて変化する、前記光分離手段からの反射光の拡散収束度合に基づき前記被測定物体の位置変位又は表面変位を測定する光測定装置において、
前記光分離手段からの反射光を２方向に分割する光分割手段と、
前記光分割手段により分割された一方の分割光を受ける第１の光学素子と、
その第１光学素子を透過した光を受光可能な第１の受光素子と、
前記光分割手段により分割された他方の分割光を受ける第２の光学素子と、
その第２光学素子を透過した光を受光可能な第２の受光素子とを備えて、
前記第１及び第２の光学素子はそれぞれ、前記分割光のうち少なくともその全周にわたる全周縁光が前記分割光の光軸となす拡散収束角の角度によって前記受光素子側に透過させる光透過量を変化させ、かつ、前記光透過量の変化特性が前記第１の光学素子と第２の光学素子とで互いに逆の増減傾向となるよう構成され、
前記第１の受光素子での受光量と前記第２の受光素子での受光量とに基づいて前記対物レンズからの光の光軸方向における前記被測定物体の位置変位又は表面変位を測定することを特徴とする光学測定装置。
【請求項２】
前記第１及び第２の光学素子はそれぞれ、前記分割光を内部に入光させる入光面と、その入光した光を外部に出射可能な出射面とを有する透光部材であって、
前記第１の光学素子の出射面は、凹状円錐の内周面で形成されるとともに、その凹状円錐の中心軸と前記一方の分割光の光軸とが一致した状態で、前記一方の分割光が少なくとも収束光であるときの前記全周縁光が臨界角より小さい入射角度で入射するよう構成され、
前記第２の光学素子の出射面は、凸状円錐の外周面で形成されるとともに、その凸状円錐の中心軸と前記他方の分割光の光軸とが一致した状態で、前記他方の分割光が少なくとも拡散光であるときの前記全周縁光が臨界角より小さい入射角度で入射するよう構成されていることを特徴とする請求項１記載の光学測定装置。
【請求項３】
前記第１及び第２の光学素子はそれぞれ、前記分割光を内部に入光させる入光面と、その入光した光を外部に出射可能な出射面とを有する透光部材であって、
前記第１の光学素子の入光面及び出射面はそれぞれ、同一線上に中心軸を有する一対の凸状円錐の外周面で形成されるとともに、その凸状円錐の中心軸と前記一方の分割光の光軸とが一致した状態で、前記一方の分割光の全周縁光を前記入光面にて前記同一線を交差する方向に屈折させて前記出射面に入射させ、その入射角度は前記一方の分割光が少なくとも収束光であるときは臨界角より小さい角度となるよう構成され、
前記第２の光学素子の出射面は、凸状円錐の外周面で形成されるとともに、その凸状円錐の中心軸と前記他方の分割光の光軸とが一致した状態で、前記他方の分割光が少なくとも拡散光であるときの前記全周縁光が臨界角より小さい入射角度で入射するよう構成されていることを特徴とする請求項１記載の光学測定装置。
【請求項４】
前記全周縁光の前記出射面への入射角度は、前記被測定物体と前記対物レンズとの距離が当該対物レンズの焦点距離に一致した合焦状態で臨界角と同一角度になるよう構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の光学測定装置。
【請求項５】
前記光分離手段と前記光分割手段との間に配されて、前記光分離手段からの前記反射光の光軸中心付近の光を遮光する遮光部材を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の光学測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、投光手段からの平行光を対物レンズにより集光して被測定物体上に照射させ、前記対物レンズを通って戻ってきた反射光の拡散収束度合に基づき被測定物体の位置変位等を測定する光学測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０には、従来の光学測定装置の一例の全体構成図が示されている。これは、投光手段１から出射された平行光を、ビームスプリッタ２及び１／４波長板３を介して対物レンズ４側に導き、その対物レンズ４にて集光させて被測定物体Ｗ上に照射させる。この被測定物体Ｗで反射して再び対物レンズ４及び１／４波長板３を通って戻ってきた反射光Ｌを上記ビームスプリッタ２によって直角プリズム５側に導き、この直角プリズム５の反射面５ａにて反射した光を２分割受光素子６で受光するようになっている。そして、直角プリズム５は反射面５ａがビームスプリッタ２からの反射光Ｌの光軸に対して臨界角θ１となるように配されており、２分割受光素子６はその２つの受光領域（同図中の斜線領域）の間に直角プリズム５からの光の光軸が突き当たるように配置されている。
【０００３】
ここで、図１１（Ａ）に示すように、被測定物体Ｗ表面と対物レンズ４との距離が当該対物レンズ４の焦点距離に一致した、いわゆる合焦状態時には、被測定物体Ｗで反射した反射光Ｌは対物レンズ４を通って平行光Ｌ１になるので、直角プリズム５の反射面５ａに入光する平行光Ｌ１の入射角度は全て等しく臨界角θ１で入射することになる。これにより２分割受光素子の２つの受光領域上下端Ｅ１，Ｅ１の受光量は等しくなる。
【０００４】
これに対して、被測定物体Ｗが対物レンズ４側に近づくと上記反射光Ｌは拡散光Ｌ２となる。そうすると、同図（Ｂ）に示すように、拡散光Ｌ２のうち光軸中心に対して左端の光は上記合焦状態時に比べて入射角度θ２ｂ（＞θ１）が大きくなる一方で、右端の光は合焦状態時に比べて入射角度θ２ａ（＜θ１）が小さくなって反射率が低下する。これにより、２分割受光素子６では図１０における上側受光領域の受光量レベルが下側受光領域に比べて低減する。
【０００５】
次に、被測定物体Ｗが対物レンズ４から遠のくと上記反射光Ｌは収束光Ｌ３となる。そうすると、同図（Ｃ）に示すように、今度は収束光Ｌ３の左端の光が合焦状態時に比べて入射角度θ３ｂ（＜θ１）が小さくなって反射率が低下する一方で、右端の光が合焦状態時に比べて入射角度θ３ａ（＞θ１）が大きくなる。これにより、２分割受光素子６では図１０における下側受光領域の受光量レベルが上側受光領域に比べて低減する。
従って、２分割領域の受光量レベル差に基づいて被測定物体Ｗの位置変位及び表面変位を測定することができるのである（下記、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特公平３−６３００１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の直角プリズム５を利用した従来構成では、２分割受光素子６のうち上述の上下端部分Ｅ１（直角プリズムの反射面の傾斜方向に沿った方向における両端部分）の受光量は、反射光の拡散収束度合によって大きく変化するが、左右端部分Ｅ２（直角プリズムの反射面の傾斜方向に対して直交する方向における両端部分）の受光量は、反射光Ｌの拡散収束度合にかかわらずほとんど変化しない。従って、反射光Ｌの拡散収束度合に対する、２分割受光素子６の２つの分割領域の受光量変化が小さくＳ／Ｎ比が悪いために測定精度に支障をきたすおそれがあった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、Ｓ／Ｎ比を向上させて高精度の測定が可能な光学測定装置を提供するところにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明に係る光学測定装置は、投光手段から出射された平行光を、光分離手段によって対物レンズに導きこの対物レンズを通して集光させて被測定物体に照射し、この被測定物体で反射して対物レンズを通って戻ってきた反射光を光分離手段によって投光手段への直進方向と異なる方向に導くよう構成され、対物レンズの焦点位置に対する被測定物体の位置に応じて変化する、光分離手段からの反射光の拡散収束度合に基づき被測定物体の位置変位又は表面変位を測定する光測定装置において、光分離手段からの反射光を２方向に分割する光分割手段と、光分割手段により分割された一方の分割光を受ける第１の光学素子と、その第１光学素子を透過した光を受光可能な第１の受光素子と、光分割手段により分割された他方の分割光を受ける第２の光学素子と、その第２光学素子を透過した光を受光可能な第２の受光素子とを備えて、第１及び第２の光学素子はそれぞれ、分割光のうち少なくともその全周にわたる全周縁光が分割光の光軸となす拡散収束角の角度によって受光素子側に透過させる光透過量を変化させ、かつ、光透過量の変化特性が第１の光学素子と第２の光学素子とで互いに逆の増減傾向となるよう構成され、第１の受光素子での受光量と第２の受光素子での受光量とに基づいて対物レンズからの光の光軸方向における被測定物体の位置変位又は表面変位を測定するところに特徴を有する。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１に記載の光測定装置において、第１及び第２の光学素子はそれぞれ、分割光を内部に入光させる入光面と、その入光した光を外部に出射可能な出射面とを有する透光部材であって、第１の光学素子の出射面は、凹状円錐の内周面で形成されるとともに、その凹状円錐の中心軸と一方の分割光の光軸とが一致した状態で、一方の分割光が少なくとも収束光であるときの全周縁光が臨界角より小さい入射角度で入射するよう構成され、第２の光学素子の出射面は、凸状円錐の外周面で形成されるとともに、その凸状円錐の中心軸と他方の分割光の光軸とが一致した状態で、他方の分割光が少なくとも拡散光であるときの全周縁光が臨界角より小さい入射角度で入射するよう構成されているところに特徴を有する。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１記載の光測定装置において、第１及び第２の光学素子はそれぞれ、分割光を内部に入光させる入光面と、その入光した光を外部に出射可能な出射面とを有する透光部材であって、第１の光学素子の入光面及び出射面はそれぞれ、同一線上に中心軸を有する一対の凸状円錐の外周面で形成されるとともに、その凸状円錐の中心軸と一方の分割光の光軸とが一致した状態で、一方の分割光の全周縁光を入光面にて同一線を交差する方向に屈折させて出射面に入射させ、その入射角度は一方の分割光が少なくとも収束光であるときは臨界角より小さい角度となるよう構成され、第２の光学素子の出射面は、凸状円錐の外周面で形成されるとともに、その凸状円錐の中心軸と他方の分割光の光軸とが一致した状態で、他方の分割光が少なくとも拡散光であるときの全周縁光が臨界角より小さい入射角度で入射するよう構成されているところに特徴を有する。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の光学測定装置において、全周縁光の出射面への入射角度は、被測定物体と対物レンズとの距離が当該対物レンズの焦点距離に一致した合焦状態で臨界角と同一角度になるよう構成されているところに特徴を有する。
請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の光学測定装置において、光分離手段と光分割手段との間に配されて、光分離手段からの反射光の光軸中心付近の光を遮光する遮光部材を備えているところに特徴を有する。
【００１２】
【発明の作用及び効果】
＜請求項１の発明＞
本構成によれば、光分離手段からの反射光は光分割手段によって２方向に分割され、その一方の分割光は第１光学素子に入光し、他方の分割光は第２の光学素子に入光する。
ここで、第１光学素子は、少なくとも上記一方の分割光の全周縁光が当該分割光の光軸となす拡散収束角の角度によって第１の受光素子側に透過させる光透過量を変化させる。また、第２の光学素子は、少なくとも上記他方の分割光の全周縁光が当該分割光の光軸となす拡散収束角の角度によって、第１の光学素子とは逆の増減特性で第２の受光素子側に透過させる光透過量を変化させる。つまり、例えば第１の光学素子が一方の分割光の収束度合の増加に応じて光透過量を増大（減少）させる構成であれば、第２の光学素子は他方の分割光の拡散度合の増加（減少）に応じて光透過量を増大させる。
従って、例えば、光分離手段からの反射光が収束光であるときは、第２の受光素子の受光量に比べて第１の受光素子での受光量が多くなる。逆に、光分離手段からの反射光が拡散光であるときは、第１の受光素子の受光量に比べて第２の受光素子での受光量が多くなる。これにより、第１及び第２の受光素子での受光量（例えば両受光素子の受光量の差）に基づいて前記対物レンズに集光された光の光軸方向における被測定物体の位置変位或いは表面変位を測定することが可能になる。
【００１３】
以上のように、本構成では、光分離手段からの分割光の全周にわたる全周縁光の拡散収束度合に応じて各受光素子での受光量レベルが変化するから、上述の直角プリズムを利用した従来構成に比べてＳ／Ｎ比を向上させることができ、高精度の測定を行うことができる。
【００１４】
＜請求項２の発明＞
本構成によれば、光分離手段からの一方の分割光は、第１の光学素子の入光面から内部に入光して出射面に至る。ここで、この出射面は、凹状円錐の内周面で形成されるとともに、その凹状円錐の中心軸と上記一方の分割光の光軸とが一致した状態で、その一方の分割光が少なくとも収束光であるときの全周縁光が臨界角より小さい入射角度で入射するよう構成されている。従って、一方の分割光が収束光のときは、その全周縁光の入射角度に応じた受光量の光が出射面から出射され第１の受光素子に受光される。また、平行光又は拡散光のときその全周縁光は上記収束光のときよりも少ない受光量の光が出射面から出射され第１の受光素子に至り、特に、その入射角度が臨界角以上の場合には出射面で全反射して第１の受光素子に受光されなくなる。
一方、他方の分割光は、第２の光学素子の入光面から内部に入光して出射面に至る。ここで、この出射面は、凸状円錐の外周面で形成されるとともに、その凸状円錐の中心軸と上記他方の分割光の光軸とが一致した状態で、その他方の分割光が少なくとも拡散光であるときの全周縁光が臨界角より小さい入射角度で入射するよう構成されている。従って、他方の分割光が拡散光のときはその全周縁光の入射角度に応じた受光量の光が出射面から出射され第１の受光素子に受光される。また、平行光又は拡散光のときその全周縁光は拡散光のときよりも少ない受光量の光が出射面から出射され第２の受光素子に至り、特に、その入射角度が臨界角以上の場合には出射面で全反射して第２の受光素子に受光されなくなる。
【００１５】
また、出射面を形成する円錐の中心軸と上記分割光の光軸とを一致させた状態で、第１及び第２の光学素子をそれぞれ配置することで、各受光素子が受ける光を全周縁にわたって均一レベルに設定することができ、より高精度の測定が可能になる。
【００１６】
＜請求項３の発明＞
本構成によれば、一方の分割光の全周縁光は、第１の光学素子において凸状円錐の外周面で形成された入光面にて上記同一線上を交差する方向に屈折し、同じく凸状円錐の外周面で形成された出射面に入射する。ここで、この出射面への入射角度は一方の分割光が少なくとも収束光であるときは臨界角より小さい角度となるよう構成されているから、一方の分割光の収束度合の増加に応じて第１の受光素子での受光量レベルを増大させることができる。
一方、他方の分割光の全周縁光は、第２の光学素子の入光面に入光し、凸状円錐の外周面で形成された出射面に至る。ここで、この出射面は他方の分割光が少なくとも拡散光であるときの全周縁光が臨界角より小さい入射角度で入射するよう構成されているから、他方の分割光の拡散度合の増加に応じて第２の受光素子での受光量レベルを増大させることができる。
【００１７】
また、出射面を形成する円錐の中心軸と上記分割光の光軸とを一致させた状態で、第１及び第２の光学素子をそれぞれ配置することで、各受光素子が受ける光を全周縁にわたって均一レベルに設定することができ、より高精度の測定が可能になる。
【００１８】
＜請求項４の発明＞
本構成によれば、分割光の全周縁光が各出射面に入射する入射角度は、被測定物体と対物レンズとの距離が当該対物レンズの焦点距離に一致した、いわゆる合焦状態で臨界角と同一角度になるよう構成されている。これにより、第１の光学素子側では一方の分割光が収束光であるときにのみその全周縁光を第１の受光素子側に透過させ、第１の光学素子側では他方の分割光が拡散光であるときにのみその全周縁光を第２の受光素子側に透過させて、上記合焦状態時には第１及び第２の受光素子での受光量レベルを所定レベル（例えば０レベル）にすることが可能となる。従って、被測定物体の初期位置設定が容易になるとともに、測定時のＳ／Ｎ比をより向上させることができる。
【００１９】
＜請求項５の発明＞
上記各構成において、光分離手段からの反射光の拡散収束度合の変化に対して、その光軸中心付近の光の進出方向変化は、全周縁光のそれに比べて小さい。そこで、本構成によれば、上記反射光の光軸中心付近の光を、光分離手段と光分割手段との間に配された遮光部材によって遮るようにしている。これにより、各受光素子には全周縁光による光のみが受光されることになり、もって反射光の拡散収束度合の変化による各受光素子での受光量レベル変化を大きくさせて、Ｓ／Ｎ比をより一層向上させることができる。なお、上記遮光部材を、投光手段と光分離手段との間に配置する構成も考えられる。しかしながら、投光手段からの平行光の光軸中心付近の光であっても、対物レンズにて集光され被測定物体で乱反射して再び対物レンズを通って戻ってきたときには周縁光になっていることがある。また、被測定物体への照射光量自体が低減してしまう。従って、被測定物体や対物レンズに向かう前の平行光についてその光軸中心付近の光を遮光してしまう構成よりも、被測定物体や対物レンズを通った後の反射光についてその光軸中心付近の光を遮光させる本構成の方が効果的にＳ／Ｎ比の向上を図ることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態を図１ないし図４を参照しつつ説明する。
本実施形態に係る光学測定装置は、被測定物体Ｗの微少な位置変位や表面変位を測定するためのものであり、この全体構成図が図１に示されている。同図中の符号１０は、レーザ光源１１とコリメータレンズ１２とからなる投光手段であって、レーザ光源１１からの光がコリメータレンズ１２を介して平行光Ｌ１として出射される。この平行光Ｌ１は、本発明の光分離手段に相当するビームスプリッタ１３及び１／４波長板１４を介して対物レンズ１５側に導かれ、この対物レンズ１５で集光されて被測定物体Ｗの表面に照射される。そして、この被測定物体Ｗ表面で反射した反射光が、再び対物レンズ１５及び１／４波長板１４を逆進して上記ビームスプリッタ１３に至り、ここで反射して例えば略９０度向きが変えられることにより上記反射光Ｌ２を投光手段１０からの平行光Ｌ１の光路から分離して抜き出すことができる。
【００２１】
以上の構成によって、ビームスプリッタ１３からの反射光Ｌ２は、被測定物体Ｗ及び対物レンズ１５間の距離が当該対物レンズ１５の焦点距離と一致する、いわゆる合焦状態時には平行光となる。また、被測定物体Ｗが対物レンズ１５から遠ざかれば（図１で白抜き矢印方向）収束光となり、対物レンズ１５側に近づけば（同図で白抜き矢印と逆方向）拡散光となる。
なお、以上の構成は、従来の光学測定装置と同様の構成であり、光分離手段としてビームスプリッタ１３以外にハーフミラーや偏光プリズム等を利用した構成であってもよい。
【００２２】
さて、本実施形態では、ビームスプリッタ１３にて分離された上記反射光Ｌ２を、ハーフミラー１６によって２方向に分割し、一方の分割光Ｌ３は収束光用透光部材１７側に導かれて、ここを透過した光が収束光用受光素子１８で受光される。また、他方の分割光Ｌ４は拡散光用透光部材１９側に導かれ、ここを透過した光が拡散光用受光素子２０で受光される。従って、収束光用透光部材１７及び拡散光用透光部材１９が本発明の「第１及び第２の光学素子」に相当し、収束光用受光素子１８及び拡散光用受光素子２０が本発明の「第１及び第２の受光素子」に相当する。
【００２３】
ここで、上記収束光用透光部材１７は、図２（Ａ）に示すように全体として例えば円柱状をなし、その両端は互いに逆方向に突出し、同一線上に中心軸が位置する凸状円錐部分が形成されている。これらのうちの一端側の凸状円錐の外周面がハーフミラー１６側に向けられる入光面１７ａとなり、他端側の凸状円錐の外周面が出射面１７ｂとなる（請求項２の構成に相当）。そして、この収束光用透光部材１７は、その入光面１７ａをハーフミラー１６側に向けて、かつ、上記中心軸が一方の分割光Ｌ３の光軸と一致するように配置される。ここで、上記入光面１７ａ及び出射面１７ｂの傾斜度は次のように設定されている。即ち、図３に示すように、一方の分割光Ｌ３が平行光（同図の破線Ｌ３ａ）であるときに、その全周縁光が入光面１７ａにて屈折して出射面１７ｂに入射するときの入射角度が臨界角θｘになるよう設定されている（請求項４の構成に相当）。
【００２４】
このような構成によって、図３に示すように、一方の分割光Ｌ３が平行光Ｌ３ａ又は拡散光（同図の実線Ｌ３ｂ）であるときには、その全周縁光は出射面１７ｂに対して臨界角以上の角度（θｘ，θｂ）で入射することになるからこの出射面１７ｂで全反射して収束光用受光素子１８の配置位置から反れた方向に向かう。これに対して、一方の分割光Ｌ３が収束光（同図の点線Ｌ３ｃ）であるときには、その全周縁光は出射面１７ｂに対して臨界角θｘより小さい角度θａで入射することになり、その一部が出射面１７ｂを透過して収束光用受光素子１８に受光されるようになる。また、所定の収束範囲内で上記全周縁光の出射面１７ｂに対する入射角度の減少（収束度合の増加）に応じて収束光用受光素子１８への光透過量が増大する。
【００２５】
一方、拡散光用透光部材１９は、図２（Ｂ）に示すように全体として例えば円柱状をなし、ハーフミラー１６側に向けられる一端は凹状円錐部分が形成されており、他端は上記凹状円錐と同一線上の中心軸を有する凸状円錐が形成されている。そして、上記一端側の凹状円錐の内周面が入光面１９ａとなり、他端側の凸状円錐の外周面が出射面１９ｂとなる（請求項２の構成に相当）。そして、この拡散光用透光部材１９は、その入光面１９ａをハーフミラー１６側に向けて、かつ、上記中心軸が他方の分割光Ｌ４の光軸と一致するように配置される。ここで、入光面１９ａ及び出射面１９ｂの傾斜度は次のように設定されている。即ち、図４に示すように、他方の分割光Ｌ４が平行光（同図の破線Ｌ４ａ）であるときに、その全周縁光が入光面１９ａにて屈折して出射面１９ｂに入射するときの入射角度が臨界角θｘになるよう設定されている（請求項４の構成に相当）。
【００２６】
このような構成によって、図４に示すように、他方の分割光Ｌ４が平行光Ｌ４ａ又は収束光（同図の点線Ｌ４ｃ）であるときには、その全周縁光は出射面１９ｂに対して臨界角以上の角度（θｘ，θｄ）で入射することになるからこの出射面１９ｂで全反射して拡散光用受光素子２０の配置位置から反れた方向に向かう。これに対して、他方の分割光Ｌ４が拡散光（同図の実線Ｌ４ｂ）であるときには、その全周縁光は出射面１９ｂに対して臨界角θｘより小さい角度θｃで入射することになり、その一部が出射面１９ｂを透過して拡散光用受光素子２０に受光されるようになる。また、所定の拡散範囲内で上記全周縁光の出射面１９ｂに対する入射角度の減少（拡散度合の増加）に応じて拡散光用受光素子２０への光透過量が増大する。
なお、本実施形態では、拡散光用透光部材１９にはその中心軸に沿って貫通孔１９ｃが形成されている。これは、他方の分割光Ｌ４が平行光Ｌ４ａ又は収束光Ｌ４ｃであるときに出射面１９ｂで全反射した光が再び出射面１９ｂに入射して屈折等して拡散光用受光素子２０に受光されることを防止するための構造であり、更に貫通孔１９ｃ内に遮光部材を充填させることでより確実に防止することができる。
【００２７】
以上の構成により、被測定物体Ｗが上記合焦状態にあるときには、ビームスプリッタ１３からの反射光Ｌ２が平行光となり、ハーフミラー１６からの分割光Ｌ３，Ｌ４の全周縁光は両透光部材１７，１９を透過できず、いずれの受光素子１８，２０の受光量も略０レベルとなる。一方、被測定物体Ｗが対物レンズ１５から遠ざかる方向に変位すると、反射光Ｌ２が収束光となり、他方の分割光Ｌ４の全周縁光は拡散光用透光部材１９をやはり透過できず、拡散光用受光素子２０の受光量は略０レベルを示すが、一方の分割光Ｌ３の全周縁光の一部は収束光用透光部材１７を透過して収束光用受光素子１８で受光されることになる。反対に、被測定物体Ｗが対物レンズ１５に近づく方向に変位すると、反射光Ｌ２が拡散光となり、一方の分割光Ｌ３の全周縁光は収束光用透光部材１７を透過できず、収束光用受光素子１８の受光量は略０レベルを示すが、他方の分割光Ｌ４の全周縁光の一部は拡散光用透光部材１９を透過して拡散光用受光素子２０で受光されることになる。従って、両受光素子１８，２０での受光量の差に基づいて被測定物体Ｗの位置変位や表面変位を測定することができる。
【００２８】
このような構成であれば、ハーフミラー１６からの分割光Ｌ３，Ｌ４の全周にわたる全周縁光の拡散収束度合に応じて各受光素子１８，２０での受光量レベルが変化するから、上述の直角プリズムを利用した従来構成に比べてＳ／Ｎ比を向上させることができ、高精度の測定を行うことができる。
【００２９】
また、収束光用及び拡散光用の透光部材１７，１９は、入光面１７ａ，１９ａ及び出射面１７ｂ，１９ｂの傾斜角度を適宜調整することで、互いの透過光の光束幅を同等にすることが可能となり、これにより収束光用及び拡散光用の受光素子１８，２０を同一規格のものとすることができるとともに、安定かつ正確な測定を行うことができる。
【００３０】
更に、図１に示すように、収束光用透光部材１７の入光面１７ａの中心部分に遮光部材（同図で符号２１）を付加することで一方の分割光Ｌ３の光軸中心付近の光を遮光して全周縁光のみの光を入光させるようにすることで収束光用受光素子１８での受光量変化におけるＳ／Ｎ比の更なる向上を図ることができる。なお、拡散光用透光部材１９について、上述したように、その貫通孔１９ｃ内の全部又は一部に遮光部材（図示せず）を充填することで、出射面１９ｂで全反射した光が拡散光用受光素子２０に受光されることを防止できるとともに、やはり他方の分割光ｌ４の光軸中心付近の光を遮光してＳ／Ｎ比の向上を図ることができる。
なお、収束光用透光部材１７及び拡散光用透光部材１９のいずれか一方のみに上記の遮光部材を設ける構成であってよく、このような構成であっても、全く遮光部材を設けない構成に比べてＳ／Ｎ比の向上を図ることができる。
【００３１】
＜第２実施形態＞
図５〜図８は（請求項３の発明に対応する）第２実施形態を示す。上記実施形態との相違は、各透光部材の形状にあり、その他の点は前記第１実施形態と同様である。従って、第１実施形態と同一符号を付して重複する説明を省略し、異なるところのみを次に説明する。
【００３２】
収束光用透光部材３０は、図６（Ａ）に示すように全体として例えば円柱状をなし、その一端は平坦面になっておりこの平坦面が入光面３０ａとなり、他端は上記円柱の中心軸と一致した中心軸をなす凹状円錐部分が形成されており、この凹状円錐の内周面が出射面３０ｂとなる。そして、この収束光用透光部材３０は、入光面３０ａ側をハーフミラー１６側に向けて、かつ、上記中心軸が一方の分割光Ｌ３の光軸と一致するように配置される。ここで、上記出射面３０ｂの傾斜度は次のように設定されている。即ち、図７に示すように、一方の分割光Ｌ３が平行光（同図の破線Ｌ３ａ）であるときに、その全周縁光が入光面３０ａに入光して出射面３０ｂに入射するときの入射角度が臨界角θｘになるよう設定されている（請求項４の構成に相当）。
【００３３】
このような構成によって、図７に示すように、一方の分割光Ｌ３が平行光Ｌ３ａ又は拡散光（同図の実線Ｌ３ｂ）であるときには、その全周縁光は出射面３０ｂに対して臨界角以上の角度（θｘ，θｂ）で入射することになるからこの出射面３０ｂで全反射して収束光用受光素子１８の配置位置から反れた方向に向かう。これに対して、一方の分割光Ｌ３が収束光（同図の点線Ｌ３ｃ）であるときには、その全周縁光は出射面３０ｂに対して臨界角θｘより小さい角度θａで入射することになり、その一部が出射面１７ｂを透過して収束光用受光素子１８に受光されるようになる。また、所定の収束範囲内で上記全周縁光の出射面１７ｂに対する入射角度の減少（収束度合の増加）に応じて収束光用受光素子１８への光透過量が増大する。
【００３４】
なお、本実施形態の収束光用透光部材３０では、上記凹状円錐を囲むように前方に突出する集光部３０ｃが形成されている。この目的は、収束光用受光素子１８の受光面の大型化を回避するためである。即ち、図７でも明らかなように、収束光Ｌ３ｃの全周縁光は出射面３０ｂにて屈折し、収束光用透光部材３０の中心軸を中心に放射状に広がる方向に向かうことになり、その放射状の出射光を受光できる程度の大きさの受光面を備えた受光素子を収束光用受光素子１８として使用する必要が生じる。そこで、上述のような集光部３０ｃを設けて上記出射光を集光させることで収束光用受光素子１８の大型化を回避することができる。
【００３５】
一方、拡散光用透光部材３１は、図６（Ｂ）に示すように全体として例えば円柱状をなし、その一端は平坦面になっておりこの平坦面が入光面３１ａとなり、他端は上記円柱の中心軸と一致した中心軸をなす凸状円錐部分が形成されており、この凸状円錐の外周面が出射面３１ｂとなる。そして、この拡散光用透光部材３１は、入光面３１ａをハーフミラー１６側に向けて、かつ、上記中心軸が他方の分割光Ｌ４の光軸と一致するように配置される。ここで、入光面３１ａ及び出射面３１ｂの傾斜度は次のように設定されている。即ち、図８に示すように、他方の分割光Ｌ４が平行光（同図の破線Ｌ４ａ）であるときに、その全周縁光が入光面３０ａに入光して出射面３１ｂに入射するときの入射角度が臨界角θｘになるよう設定されている（請求項４の構成に相当）。
【００３６】
このような構成によって、図８に示すように、他方の分割光Ｌ４が平行光Ｌ４ａ又は収束光（同図の点線Ｌ４ｃ）であるときには、その全周縁光は出射面３１ｂに対して臨界角以上の角度（θｘ，θｄ）で入射することになるからこの出射面３１ｂで全反射して拡散光用受光素子２０の配置位置から反れた方向に向かう。これに対して、他方の分割光Ｌ４が拡散光（同図の実線Ｌ４ｂ）であるときには、その全周縁光は出射面３１ｂに対して臨界角θｘより小さい角度θｃで入射することになり、その一部が出射面３１ｂを透過して拡散光用受光素子２０に受光されるようになる。また、所定の拡散範囲内で上記全周縁光の出射面３１ｂに対する入射角度の減少（拡散度合の増加）に応じて拡散光用受光素子２０への光透過量が増大する。
【００３７】
このような構成であっても上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。ただし、上記第１実施形態の構成であれば、収束光用透光部材に上記集光部３０ｃを設ける必要がないために、その分だけ屈折回数が少なくなり、収束光用受光素子１８での受光量の低減を抑えることができる。従って、収束光用透光部材と拡散光用透光部材（第１及び第２の光学素子）との屈折回数を同じにすることができるから、両透光部材間での光透過量変化特性のバラツキを抑制して確実にＳ／Ｎ比を向上させるとともに測定精度の向上を図ることができる。
【００３８】
＜第３実施形態＞
本実施形態は、請求項５の発明に対応する。図１及び図５で２点破線で示したように、ビームスプリッタ１３とハーフミラー１６との間には、ビームスプリッタ１３からの反射光の光軸中心付近の光を遮光させる遮光部材４０が配置されている。
【００３９】
このような構成であれば、ビームスプリッタ１３からの反射光Ｌ２の拡散収束度合に応じて光量変化が少ない光軸中心付近の光を排除して、全周縁光の光だけを各透光部材１７，１９，３０，３１に導くことができるため、各受光素子１８，２０での受光量レベル変化を大きくさせて、よりＳ／Ｎ比をより向上させることができる。しかも、この遮光部材４０を、ビームスプリッタ１３とハーフミラー１６との間に配置したから、投光手段１０とビームスプリッタ１３との間に配置する構成に比べて効果的にＳ／Ｎ比の向上を図ることができる。
【００４０】
なお、遮光部材４０の代わりに、反射光Ｌ２の光軸中心付近の光を反射させてハーフミラー１６から反れた方向に導く反射部材を配して、その反射部材からの光を別途設けた光量測定用受光素子（図示せず）にて受光し、この受光量レベルに基づいて被測定物体Ｗの位置変位等以外の原因（例えばレーザ光源１１からのレーザ出射量の変動等）による収束光用及び拡散光用の各受光素子（１８，２０）での受光量変化を補正するようにしても良い。
【００４１】
＜他の実施形態＞
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に説明するような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
（１）上記第１実施形態で説明した拡散光用透光部材１９の貫通孔１９ｃの断面は、合焦状態時の平行光Ｌ４ａの光束断面と略同一サイズの断面に形成し、そこに遮光部材を充填する構成にしてもよい。また、第１実施形態の収束光用透光部材１７に付加する透光部材２１、及び、第３実施形態における遮光部材４０は、合焦状態時の反射光Ｌ２の光束断面と略同一サイズの断面に形成してもよい。このように構成すれば、拡散光用受光素子２０には、拡散光Ｌ４ｂの周縁光だけを受光させることができ、より一層のＳ／Ｎ比の向上を図ることができる。
【００４２】
（２）また、上記第２実施形態の収束光用及び拡散光用の透光部材３０，３１について、図９に示すようにその中心軸を通過する貫通孔５０ａ，５１ａを形成した構成５０．５１（同図中、透光部材３０，３１と同一部分は同符号が付してある。透光部材５０については上記集光部３０ｃがない構成）としてもよい。また、その貫通孔の断面を、合焦状態時の平行光Ｌ３ａ，Ｌ４ａの光束断面と略同一サイズに形成してもよい。
【００４３】
（３）上記各実施形態では、正円錐の内周面或いは外周面を入光面及び出射面としたが、これに限らず、例えば四角錐等の多角錐形状であってもよい。
【００４４】
（４）上記各実施形態では、投光手段と光分離手段と対物レンズとを一直線上に配した構成としたが、これ以外に、例えば対物レンズと光分離手段と光分割手段とを一直線上に配した構成であっても良い。この場合、他の方向から出射した投光手段の平行光を光分離手段で反射させて対物レンズ側に導き、その対物レンズからの反射光を光分離手段にて透過させて光分割手段側に導くよう構成することになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光学測定装置の全体構成図
【図２】各透光部材の斜視図
【図３】収束光用透光部材の光透過状態を示した模式図
【図４】拡散光用透光部材の光透過状態を示した模式図
【図５】第２実施形態に係る光学測定装置の全体構成図
【図６】各透光部材の斜視図
【図７】収束光用透光部材の光透過状態を示した模式図
【図８】拡散光用透光部材の光透過状態を示した模式図
【図９】第２実施形態の各透光部材の変形例を示した断面図及び斜視図
【図１０】従来の光学測定装置の全体構成図
【図１１】直角プリズムの光反射状態を示した模式図
【符号の説明】
１０…投光手段
１３…ビームスプリッタ（光分離手段）
１５…対物レンズ
１６…ハーフミラー（光分割手段）
１７，３０，５０…収束光用透光部材（第１光学素子）
１９，３１，５１…拡散光用透光部材（第２光学素子）
１７ａ，１９ａ，３０ａ，３１ａ…入光面
１７ｂ，１９ｂ，３０ｂ，３１ｂ…出射面
１８…収束光用受光素子（第１受光素子）
２０…拡散光用受光素子（第２受光素子）
４０…遮光部材
Ｌ１…平行光
Ｌ２…反射光
Ｌ３，Ｌ４…分割光
Ｌ３ａ，Ｌ４ａ…平行光
Ｌ３ｂ，Ｌ４ｂ…拡散光
Ｌ３ｃ，Ｌ４ｃ…収束光
Ｗ…被測定物体
θｘ…臨界角
【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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