(57)【要約】      （修正有）【課題】簡素な装置構成で精度高く測定対象物の位置及び傾き調整を可能にする計測機器を提供する。【解決手段】反射面５１を有する測定対象物５０の位置及び傾き情報を取得するための計測機器５００が開示される。計測機器は、所定のビーム断面形状の光ビームを生成する光ビーム生成部１１０と、光ビーム生成部から出射された光ビームを測定対象物の反射面に向けて集光し、反射面の垂線に対して所定の入射角θで反射面に光を入射させる集光光学系１２０と、測定対象物の反射面から反射される光の光強度分布を取得する撮像手段１３０と、撮像手段から出力されるイメージデータを受け取り、イメージデータが示す光強度分布に基づいて所定のビーム断面形状に関する第１及び第２パラメーターを算出可能である計算手段１４０を有する。【選択図】図１
2016109591.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射面を有する測定対象物の位置及び傾き情報を取得するための計測機器であって、
所定のビーム断面形状の光ビームを生成する光ビーム生成部と、
前記光ビーム生成部から出射された前記光ビームを前記測定対象物の前記反射面に向けて集光し、前記反射面の垂線に対して所定の入射角で前記反射面に光を入射させる集光光学系と、
前記測定対象物の前記反射面から反射される光の光強度分布を取得する撮像手段と、
前記撮像手段から出力されるイメージデータを受け取り、前記イメージデータが示す前記光強度分布に基づいて前記所定のビーム断面形状に関する第１及び第２パラメーターを算出可能である計算手段を備える、計測機器。
【請求項２】
前記計算手段は、前記第１及び第２パラメーターの各々について、第１位置及び／又は第１傾きの測定対象物の計測から得られたパラメーターと、第２位置及び／又は第２傾きの測定対象物の計測から得られたパラメーターを比較するように構成される、請求項１に記載の計測機器。
【請求項３】
前記計算手段は、前記イメージデータが示す前記光強度分布に対して前記所定のビーム断面形状をフィッティングし、このフィッティングに基づいて前記パラメーターを算出可能である、請求項２に記載の計測機器。
【請求項４】
前記垂線沿いの前記測定対象物の位置及び前記垂線に対する前記測定対象物の傾きを調整可能である位置及び傾き調整手段を更に備え、前記位置及び傾き調整手段が、前記パラメーターの比較結果に基づいて動作するように構成される、請求項２又は３に記載の計測機器。
【請求項５】
前記位置及び傾き調整手段は、前記垂線沿いの前記測定対象物の位置を調整し、この後に前記垂線に対する前記測定対象物の傾きを調整する手順を一サイクルとして実行するように構成される、請求項４に記載の計測機器。
【請求項６】
前記第１及び第２パラメーターが、前記所定のビーム断面形状から求められる最小幅と最大幅である、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の計測機器。
【請求項７】
前記所定のビーム断面形状が、正円形状、楕円形状、又は多角形状である、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の計測機器。
【請求項８】
反射面を有する測定対象物の位置及び傾きを調整するための方法であって、
所定のビーム断面形状の光ビームを生成し、
前記光ビームを前記測定対象物の前記反射面に向けて集光し、前記反射面の垂線に対して所定の入射角で前記反射面に光を入射させ、
前記測定対象物の前記反射面から反射される光の光強度分布を取得し、
前記光強度分布に基づいて前記所定のビーム断面形状に関する第１及び第２パラメーターを算出し、
前記第１及び第２パラメーターに基づいて前記測定対象物の位置及び傾きを調整する、方法。
【請求項９】
前記第１及び第２パラメーターの各々について、第１位置及び／又は第１傾きの測定対象物の計測から得られたパラメーターと、第２位置及び／又は第２傾きの測定対象物の計測から得られたパラメーターを比較する、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
光ビーム生成部、集光光学系、撮像手段、及び計算手段を含み、反射面を有する測定対象物の位置及び傾き情報を取得するための計測機器の動作方法であって、
前記光ビーム生成部が、所定のビーム断面形状の光ビームを生成し、
前記集光光学系が、前記光ビーム生成部から出射された前記光ビームを前記測定対象物の前記反射面に向けて集光し、前記反射面の垂線に対して所定の入射角で前記反射面に入射させ、
前記撮像手段が、前記測定対象物の前記反射面から反射される光の光強度分布を取得し、
前記計算手段が、前記撮像手段から出力されるイメージデータを受け取り、前記イメージデータが示す前記光強度分布に基づいて前記所定のビーム断面形状に関する複数のパラメーターを算出する、計測機器の動作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、計測機器に関する。特段の限定の意図なく詳細に述べれば、本開示は、反射面を有する測定対象物の位置及び傾きを調整するために用いることができる計測機器及び反射面を有する測定対象物の位置及び傾きを調整するための方法に関し、更にその計測機器の動作方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、その要約に記載のように、被測定対象物の変位及び傾きを精度良く測定する技術が開示されている。特許文献１の変位測定装置においては、音叉２１による振動にて対物レンズ１５を変位させ、ピンホール１６を介した最大の受光強度が受光素子１７で検出され、対物レンズ１５の焦点位置にワークＷを配置することができる。また、ハーフミラー１４と円錐レンズ１８を通過した光の光強度分布の偏りからワークＷの傾きが調整可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−８５４４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
より簡素な機器構成でより精度高く測定対象物の位置及び傾き調整を可能にする機器が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様に係る計測機器は、
反射面を有する測定対象物の位置及び傾き情報を取得するための計測機器であって、
所定のビーム断面形状の光ビームを生成する光ビーム生成部と、
前記光ビーム生成部から出射された前記光ビームを前記測定対象物の前記反射面に向けて集光し、前記反射面の垂線に対して所定の入射角で前記反射面に光を入射させる集光光学系と、
前記測定対象物の前記反射面から反射される光の光強度分布を取得する撮像手段と、
前記撮像手段から出力されるイメージデータを受け取り、前記イメージデータが示す前記光強度分布に基づいて前記所定のビーム断面形状に関する第１及び第２パラメーターを算出可能である計算手段を備える。
【０００６】
幾つかの実施形態においては、前記計算手段は、前記第１及び第２パラメーターの各々について、第１位置及び／又は第１傾きの測定対象物の計測から得られたパラメーターと、第２位置及び／又は第２傾きの測定対象物の計測から得られたパラメーターを比較するように構成される。
【０００７】
幾つかの実施形態においては、前記計算手段は、前記イメージデータが示す前記光強度分布に対して前記所定のビーム断面形状をフィッティングし、このフィッティングに基づいて前記パラメーターを算出可能である。
【０００８】
幾つかの実施形態においては、前記垂線沿いの前記測定対象物の位置及び前記垂線に対する前記測定対象物の傾きを調整可能である位置及び傾き調整手段を更に備え、前記位置及び傾き調整手段が、前記パラメーターの比較結果に基づいて動作するように構成される。
【０００９】
幾つかの実施形態においては、前記位置及び傾き調整手段は、前記垂線沿いの前記測定対象物の位置を調整し、この後に前記垂線に対する前記測定対象物の傾きを調整する手順を一サイクルとして実行するように構成される。
【００１０】
幾つかの実施形態においては、前記第１及び第２パラメーターが、前記所定のビーム断面形状から求められる最小幅と最大幅である。
【００１１】
幾つかの実施形態においては、前記所定のビーム断面形状が、正円形状、楕円形状、又は多角形状である。
【００１２】
本発明の別態様に係る方法は、反射面を有する測定対象物の位置及び傾きを調整するための方法であって、
所定のビーム断面形状の光ビームを生成し、
前記光ビームを前記測定対象物の前記反射面に向けて集光し、前記反射面の垂線に対して所定の入射角で前記反射面に光を入射させ、
前記測定対象物の前記反射面から反射される光の光強度分布を取得し、
前記光強度分布に基づいて前記所定のビーム断面形状に関する第１及び第２パラメーターを算出し、
前記第１及び第２パラメーターに基づいて前記測定対象物の位置及び傾きを調整する。
【００１３】
幾つかの実施形態においては、前記第１及び第２パラメーターの各々について、第１位置及び／又は第１傾きの測定対象物の計測から得られたパラメーターと、第２位置及び／又は第２傾きの測定対象物の計測から得られたパラメーターを比較する。
【００１４】
本発明の更なる別態様に係る計測機器の動作方法は、光ビーム生成部、集光光学系、撮像手段、及び計算手段を含み、反射面を有する測定対象物の位置及び傾き情報を取得するための計測機器の動作方法であって、
前記光ビーム生成部が、所定のビーム断面形状の光ビームを生成し、
前記集光光学系が、前記光ビーム生成部から出射された前記光ビームを前記測定対象物の前記反射面に向けて集光し、前記反射面の垂線に対して所定の入射角で前記反射面に入射させ、
前記撮像手段が、前記測定対象物の前記反射面から反射される光の光強度分布を取得し、
前記計算手段が、前記撮像手段から出力されるイメージデータを受け取り、前記イメージデータが示す前記光強度分布に基づいて前記所定のビーム断面形状に関する複数のパラメーターを算出する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、より簡素な機器構成でより精度高く測定対象物の位置及び傾き情報を取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る計測機器の概略的な構成を示す模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る計測機器の動作の有効性を説明するための説明図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る計測機器の撮像素子の撮像面上に現れる光強度分布の輪郭を示す模式図であり、（ａ）及び（ｂ）において変位の前後の光強度分布の輪郭を示す。
【図４】本発明の第１実施形態に係る計測機器の動作の有効性を説明するための説明図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る計測機器の撮像素子の撮像面上に現れる光強度分布の輪郭を示す模式図であり、（ａ）及び（ｂ）において変位の前後の光強度分布の輪郭を示す。
【図６】本発明の第１実施形態に係る計測機器におけるフィッティングを説明するための模式図である。
【図７】本発明の第１実施形態に係る計測機器のコンピューターの機能を説明するための概略的なブロック図である。
【図８】本発明の第１実施形態に係る計測機器の位置及び傾き調整部の構成例を示す模式図である。
【図９】本発明の第１実施形態に係る計測機器が組み込まれた測定機器の概略的な構成を示す模式図である。
【図１０】本発明の第１実施形態に係る計測機器の動作を示す概略的なフローチャートである。
【図１１】本発明の第２実施形態に係る計測機器の撮像素子の撮像面上に現れる光強度分布及びその輪郭を示す模式図であり、（ａ）の光強度分布に基づいて目標パラメーターが算出され、（ｂ）の光強度分布に基づいて取得パラメーターが算出される。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。各実施形態は、個々に独立したものではなく、過剰説明をするまでもなく、当業者をすれば、適宜、組み合わせることが可能であり、この組み合わせによる相乗効果も把握可能である。実施形態間の重複説明は、原則的に省略する。
【００１８】
＜第１実施形態＞
図１乃至図１０を参照して第１実施形態について説明する。図１は、計測機器の概略的な構成を示す模式図である。図２は、計測機器の動作の有効性を説明するための説明図である。図３は、計測機器の撮像素子の撮像面上に現れる光強度分布の輪郭を示す模式図であり、（ａ）及び（ｂ）において変位の前後の光強度分布の輪郭を示す。図４は、計測機器の動作の有効性を説明するための説明図である。図５は、計測機器の撮像素子の撮像面上に現れる光強度分布の輪郭を示す模式図であり、（ａ）及び（ｂ）において変位の前後の光強度分布の輪郭を示す。図６は、計測機器におけるフィッティングを説明するための模式図である。図７は、計測機器のコンピューターの機能を説明するための概略的なブロック図である。図８は、計測機器の位置及び傾き調整部の構成例を示す模式図である。図９は、計測機器が組み込まれた測定機器の概略的な構成を示す模式図である。図１０は、計測機器の動作を示す概略的なフローチャートである。
【００１９】
図１に示すように、計測機器５００にはＶ字状の光路が含まれ、測定対象物５０の反射面５１に向かう直線光路に沿って入射光が伝播し、そこで反射した反射光が測定対象物５０の反射面５１から離れる直線光路に沿って伝播する。詳細には、レーザー光源１１０から出射された所定のビーム断面形状の光ビームが、軸線ＡＸ１に沿って進行し、集光レンズ１２０を介して集光され、測定対象物５０の反射面５１に入射角θで入射する。その後、反射面５１で反射した反射光が軸線ＡＸ２に沿って進行し、ＣＣＤイメージセンサー１３０の撮像面上に投射される。なお、集光レンズ１２０の焦点位置若しくはこの近傍に測定対象物５０が配置されるが、これ以外の形態も想定される。また、別形態においては、Ｖ字状が拡張された光路（例えば、反射面５１とＣＣＤイメージセンサー１３０との間に１以上の反射面が配置される）も採用され得る。
【００２０】
測定対象物５０の反射面５１から反射角θで反射した反射光がＣＣＤイメージセンサー１３０の撮像面上に投影され、ＣＣＤイメージセンサー１３０により光強度分布を示す画像が取得される。ＣＣＤイメージセンサー１３０の撮像面上に現れる光強度分布は、測定対象物５０の位置及び変位を反映した光強度分布になる。なお、ＣＣＤイメージセンサー１３０の撮像面には２次元的にピクセル（画素）が配列されている。なお、ＣＣＤイメージセンサー１３０の撮像面上にセンサー保護用の透明プレートを配置しても良い。
【００２１】
コンピューター１４０は、ＣＣＤイメージセンサー１３０から出力されるイメージデータが示す光強度分布に基づいて所定のビーム断面形状に関するパラメーターを算出可能である。コンピューター１４０において目標パラメーターが予め設定されており、計測の度に取得される取得パラメーターを目標パラメーターに合致させるような後述の調整が行われる。これにより、測定対象物５０の位置及び傾きを目標の位置及び傾きに近づける調整が実行可能である。なお、測定対象物５０は、例えば、測定試料が置かれたスライドガラスであり、スライドガラスの表面が反射面として機能する。なお、測定対象物５０が反射性を具備しない場合、測定対象物５０に反射性部材、例えば、金属コーティングされた薄膜／板材を測定対象物５０に設けることが想定される。他の様々な手段も検討される。
【００２２】
測定対象物５０の位置及び傾き調整は、手動若しくは機械により実施される。一例の非限定の開示の実施形態においては、測定機器に位置及び傾き調整機能が付与されている。
【００２３】
計測機器５００は、所定のビーム断面形状の光ビームを生成するレーザー光源（光ビーム生成部）１１０を備える。
【００２４】
光ビーム生成部としてレーザー光源１１０が一例として採用される。レーザー光源１１０は、任意の波長の光を出射可能なレーザーであり、例えば、半導体レーザー装置（化合物半導体レーザー装置等）、固体レーザー装置（ＹＡＧ（Yttrium aluminum garnet）レーザー装置等）、及びガスレーザー装置（炭酸ガスレーザー装置等）が例示される。幾つかの実施形態においては、小型な固体レーザー装置が採用される。レーザー光源１１０内には不図示の１以上の光学系が組み込まれる形態も想定される。レーザー光源１１０は、ＣＷ若しくはパルスレーザービームのいずれか若しくは双方を出射可能である。レーザー光源１１０のレーザー波長は、７００〜１０００ｎｍ、実用的には１〜２μｍ、より実用的には３８０〜７００ｎｍである。
【００２５】
幾つかの実施形態においては、レーザー光源１１０は、光強度分布がガウシアン分布のレーザー光を出射する。レーザー光が光ビームの一例であり、そのビーム断面形状が円形状になる。他の幾つかの実施形態においては、ビーム断面形状を成形するための成形用の光学素子が組み込まれ、ビーム断面形状が他の形状、例えば、楕円形状若しくは多角形状（三角形状、四角形状、五角形状、六角形状など）になる。所定の開口形状の不透明若しくは反射性の光学素子が成形用光学素子として活用され得る。ガウシアン分布の光強度の一部を選択的に抽出した光強度分布のレーザービームを生成することも想定される。光ビーム生成部の具体的構成は任意であり、非レーザー光源と平行化光学系の組み合わせといった他の様々な態様／構成が想定される。
【００２６】
計測機器５００の集光レンズ（集光光学系）１２０は、レーザー光源１１０から出射された光ビームを測定対象物５０の反射面５１に向けて集光し、反射面５１の垂線ＡＸ５に対して入射角θで反射面５１に入射させる。レーザー光源１１０及び集光レンズ１２０が同軸上に配され、両者の間に追加の光学系が配されず、機器の簡素化が図られる。他の実施形態においては、レーザー光源１１０と集光レンズ１２０の間に他の追加の光学系が配される。
【００２７】
測定対象物５０の反射面５１の反射性に関しては、幾つかの実施形態においては、全反射条件が満足され、他の実施形態においては全反射条件が満足されない。例えば、入射角θが臨界角以下である。例えば、入射角θが臨界角よりも大きい。入射角θは、０°よりも大きく、９０°よりも小さく、幾つかの実施形態においては２３°〜５０°、若しくは５０°〜７０°、若しくは７０°〜９０°である。
【００２８】
計測機器５００のＣＣＤ（Charge-coupled device）イメージセンサー（撮像手段）１３０は、測定対象物５０の反射面５１から反射される光の光強度分布を取得する。ＣＣＤイメージセンサー１３０は、必ずしもＣＣＤ型に限らず、ＣＭＯＳ（Complementary metal-oxide-semiconductor）型であっても構わない。計測精度を高めるためにはＣＣＤイメージセンサー１３０の画素サイズが小さいことが好ましい。ＣＣＤイメージセンサー１３０には不図示の窓材や制御／読み出し回路が具備され得る。
【００２９】
計測機器５００のコンピューター（計算手段）１４０は、ＣＣＤイメージセンサー１３０から出力されるイメージデータを受け取り、イメージデータが示す光強度分布に基づいて所定のビーム断面形状に関する第１及び第２パラメーターを算出可能である。コンピューター１４０は、当業者が理解するように、演算処理部（ＣＰＵ等）と記憶部（メモリー、ハードディスク、光ディスク等）から構成され、プログラムの実行に応じて所望の処理を実行可能に構成される。コンピューター１４０は、不図示の入力装置、表示装置、及び出力装置を具備し得る。なお、計算手段としてコンピューターが例示されるが、アナログ及びデジタル混成回路や他のハードウェア基準の装置も当業者が想定する範囲内にある。
【００３０】
コンピューター１４０は、ＣＣＤイメージセンサー１３０から出力されるイメージデータが示す光強度分布に基づいて所定のビーム断面形状に関するパラメーターを算出する。コンピューター１４０は、算出されたパラメーターを記憶する。コンピューター１４０は、後述のようにパラメーターの比較を行い、この比較結果に基づく調整を指示する。コンピューター１４０の機能については後述の説明からより具体的に理解される。
【００３１】
計測機器５００の位置及び傾き調整部（位置及び傾き調整手段）１５０は、垂線ＡＸ５に沿う測定対象物５０の位置及び垂線ＡＸ５に対する測定対象物５０の傾きを調整可能である。位置及び傾き調整部１５０の動作は、コンピューター１４０のパラメーター比較／調整指示部１４３におけるパラメーターの比較結果に基づいて実行される。この点についても後述の説明から、より具体的に理解されるだろう。
【００３２】
以下、図２を参照して垂線ＡＸ５沿いの測定対象物５０の変位がＣＣＤイメージセンサー１３０の撮像面上の光強度分布に与える影響を説明する。図３を参照して垂線ＡＸ５に対する測定対象物５０の傾きがＣＣＤイメージセンサー１３０の撮像面上の光強度分布に与える影響を説明する。なお、図２及び図３に示す場合、レーザー光源１１０からガウシアン分布の正円状の断面光強度のレーザー光が出射されるものとする。また第１位置Ｐ５１においては、説明の便宜のため、ＣＣＤイメージセンサー１３０の撮像面には正円形状の輪郭のガウシアン分布の光強度分布が投射されているものとする。なお、第１位置Ｐ５１において、ＣＣＤイメージセンサー１３０の撮像面には楕円形状の輪郭の光強度分布の光が投射されることを想定しても後記と同様に説明することができる。
【００３３】
図２に示すように、測定対象物５０が垂線ＡＸ５沿いで第１位置Ｐ５１から第２位置Ｐ５２へ後退する場合を想定する。この場合、図２を正面視し、軸線ＡＸ１が左上から右下へ斜めに延び、軸線ＡＸ２が右上から左下に斜めに延びるとすれば、反射光が辿る軸線ＡＸ２が距離ｐだけ右斜め下方向へ移動する。ＣＣＤイメージセンサー１３０の撮像面上において正円形状の輪郭の光強度分布の中心が距離ｐだけ移動する。また、ＣＣＤイメージセンサー１３０の撮像面上において正円形状の輪郭の光強度分布の直径がｍだけ大きくなる。
【００３４】
なお、測定対象物５０が垂線ＡＸ５沿いで第１位置Ｐ５１と第２位置Ｐ５２の間の間隔に等しい距離だけ前進する場合、ＣＣＤイメージセンサー１３０の撮像面上において光強度分布の中心が反対方向に距離ｐだけ移動する。またＣＣＤイメージセンサー１３０の撮像面上において正円形状の輪郭の光強度分布の直径がｍだけ小さくなる。
【００３５】
距離ｐについては幾何数学を用いて次のように説明することができる。
【数１】
2016109591.tif 000003
直径の変化量ｍについては幾何数学を用いて次のように説明することができる。なお、Ｗ1が第２位置Ｐ５２の際に観測される直径であり、Ｗ2が第１位置Ｐ５１の際に観測される直径である。
【数２】
2016109591.tif 000004
【００３６】
図３（ａ）は、測定対象物５０が第１位置Ｐ５１にある時のＣＣＤイメージセンサー１３０の撮像面上に投射される正円形状の輪郭の光強度分布である。ＣＣＤイメージセンサー１３０から出力されるイメージデータは、この正円形状の輪郭の光強度分布、端的にはガウシアン分布を示す。ＣＣＤイメージセンサー１３０の撮像面上においてｘ軸及びｙ軸を図示のように設定する場合、正円形状の中心ＣＰ１の位置は、（ｘ，ｙ）＝（０，０）である。正円形状の直径Ｒ１は、最大ｘ値と最小ｘ値の各絶対値の和から算出可能である。最大ｙ値と最小ｙ値の各絶対値の和から直径Ｒ１を算出しても良く、また異なる算出方法を平均化して最終的な直径Ｒ１を決定しても良い。
【００３７】
図３（ｂ）は、測定対象物が第２位置Ｐ５２にある時のＣＣＤイメージセンサー１３０の撮像面上に投射される、拡大され、中心位置がシフトした正円形状の輪郭の光強度分布である。ＣＣＤイメージセンサー１３０から出力されるイメージデータは、この拡大され、中心位置がシフトした正円形状の輪郭の光強度分布を示す。ＣＣＤイメージセンサー１３０の撮像面上においてｘ軸及びｙ軸を図示のように設定する場合、正円形状の中心ＣＰ２の位置がｘ軸の正の方向にシフトしている。正円形状の直径Ｒ２は、最大ｘ値と最小ｘ値の各絶対値の和から算出可能である。最大ｙ値と最小ｙ値の各絶対値の和から直径Ｒ２を算出しても良く、また異なる算出方法を平均化して最終的な直径Ｒ２を決定しても良い。中心ＣＰ２の座標は、（図示の場合、正の）最大ｘ値と（図示の場合、負の）最小ｘ値の和を取ることにより算出可能である。
【００３８】
ｍ＝Ｒ２−Ｒ１が成立し、ｐ＝ｘCP2−ｘCP1が成立する。なお、ｘcp1は、中心位置ＣＰ１のｘ座標であり、ｘCP2は、中心位置ＣＰ２のｘ座標である。
【００３９】
図４に示すように、測定対象物５０が垂線ＡＸ５に対して垂直な状態から反射位置を中心に反時計回りに角度α°だけ傾斜／回転して第１位置及び傾きＰ５１から第３位置及び傾きＰ５３に変化する場合を想定する。この場合、軸線ＡＸ２が反射位置を中心に反時計回りの方向へ角度２α°だけ回転する。ＣＣＤイメージセンサー１３０の撮像面上において光強度分布の中心が距離ｑだけ反時計回りの方向に移動する。また、ガウシアン分布の正円形状の輪郭が楕円形状に変化する。楕円形状の短軸の長さは、ガウシアン分布の正円形状の輪郭の直径に等しい。楕円形状の長軸の長さは、ガウシアン分布の正円形状の輪郭の直径と比較してｎだけ変化する。楕円形状の長軸の長さは最大幅と理解することができる。ガウシアン分布の正円形状の輪郭の直径については一定値であるが、計算に際しては、これを最大幅若しくは最小幅として用いることもできる。
【００４０】
なお、測定対象物５０が反射位置を中心に時計回りに角度α°だけ時計回りに傾斜／回転する場合、軸線ＡＸ２が反射位置を中心に時計回りの方向へ角度２α°だけ回転し、ＣＣＤイメージセンサー１３０の撮像面上において光強度分布の中心が反対方向に距離ｑだけ時計回りの方向に移動する。またＣＣＤイメージセンサー１３０の撮像面上において正円形状の直径が楕円形状の長軸へ長さがｎだけ変化する。
【００４１】
距離ｑについて幾何数学を用いて次のように説明することができる。
【数３】
2016109591.tif 000005
正円形状の直径から楕円形状の長軸への幅の変化量ｎについては幾何数学を用いて次のように説明することができる。
【数４】
2016109591.tif 000006
【００４２】
例えば、図５（ａ）は、測定対象物５０が第１位置及び傾きＰ５１にある時のＣＣＤイメージセンサー１３０の撮像面上に投射される正円形状の輪郭の光強度分布である。ＣＣＤイメージセンサー１３０から出力されるイメージデータは、この正円形状の輪郭の光強度分布、端的にはガウシアン分布を示す。ＣＣＤイメージセンサー１３０の撮像面上においてｘ軸及びｙ軸を図示のように設定する場合、正円形状の中心ＣＰ１の位置は、（ｘ，ｙ）＝（０，０）である。正円形状の直径Ｒ１は、最大ｘ値と最小ｘ値の各絶対値の和から算出可能である。最大ｙ値と最小ｙ値の各絶対値の和から直径Ｒ１を算出しても良く、また異なる算出方法を平均化して最終的な直径Ｒ１を決定しても良い。
【００４３】
図５（ｂ）は、測定対象物が第３位置及び傾きＰ５３にある時のＣＣＤイメージセンサー１３０の撮像面上に投射される、中心位置がシフトした楕円形状の輪郭の光強度分布である。ＣＣＤイメージセンサー１３０から出力されるイメージデータは、この楕円形状の輪郭の光強度分布を示す。正円形状の中心ＣＰ１と比較すると、楕円形状の中心ＣＰ３の位置がｘ軸の正の方向にシフトしている。楕円形状の短軸Ｌ１は、輪郭の最大ｙ値と最小ｙ値から算出可能である。楕円形状の長軸Ｌ２は、輪郭の最大ｘ値と最小ｘ値から算出可能である。楕円形状の中心は、最大ｘ値と最小ｘ値を結ぶ線と最大ｙ値と最小ｙ値を結ぶ線の交点であり、これらの値から算出可能である。
【００４４】
ｎ＝Ｌ２−Ｒ１が成立し、ｑ＝ｘCP3−ｘCP1が成立する。なお、ｘcp1は、中心位置ＣＰ１のｘ座標であり、ｘCP3は、中心位置ＣＰ３のｘ座標である。
【００４５】
上述の説明に基づけば、垂線ＡＸ５上での測定対象物の変位及び垂線ＡＸ５に対する測定対象物５０の傾きの変動が、ＣＣＤイメージセンサー１３０の撮像面上において光強度分布の中心位置の変化及びその径（幅）の変化として現れる。上述の変位距離ｄや変動角度αが十分に小さい場合、垂線ＡＸ５上での測定対象物の変位及び垂線ＡＸ５に対する測定対象物５０の傾きの変動を互いに独立なものと考えることができる。従って、中心位置の最大変化Ｚ１がｐとｑの和としてＺ１＝ｐ＋ｑとして表すことができる。同様に、最大幅の最大変化Ｚ２が、ｍとｎの和としてＺ２＝ｍ＋ｎとして表すことができる。端的には、次の数式に示すとおりである。
【数５】
2016109591.tif 000007
【数６】
2016109591.tif 000008
【００４６】
ここで注目すべきは、図５に示すように楕円形状の短軸の長さが、角度α°に依存していないことである。従って、楕円形状の短軸の長さ（換言すれば、最小幅）が正円形状の直径（目標とする幅）に合致するように垂線ＡＸ５沿いに測定対象物５０の位置を調整し、この後、楕円形状の長軸の長さ（換言すれば、最大幅）が正円形状の直径（目標とする値）に合致するように測定対象物５０の傾きを調整し、この調整手順を測定対象物５０の調整の基本サイクルとして採用する。通常、この調整結果を再計測により評価する。つまり、再度、ＣＣＤイメージセンサー１３０の撮像面上の光強度分布から楕円形状の長軸と短軸の長さを求める。そして上述の基本サイクルに則り、楕円形状の短軸の長さを正円形状の直径に合致するように垂線ＡＸ５沿いに測定対象物５０の位置を調整し、この後、楕円形状の長軸の長さが正円形状の直径に合致するように測定対象物５０の傾きを調整する。そして再計測する。このようなフローを繰り返し実行することにより、ＣＣＤイメージセンサー１３０の撮像面上において光強度分布の輪郭が楕円形状から正円形状に徐々に近づき、測定対象物５０の位置及び傾きが目標の位置及び傾きに徐々に近づく。
【００４７】
上述の数式においては、測定対象物５０の反射面における反射率が１であることが前提として距離や角度の変化を算出している。しかしながら、その反射率が１未満である場合にも同様に説明することができる。反射率Ｒ（Ｒ＜１）において、光強度分布の中心位置が上記と同様に算出され、光強度分布の径の変化やその長軸長さの変化がＲ倍になる。
【００４８】
上述の説明においては、ＣＣＤイメージセンサー１３０の撮像面上に明瞭な輪郭の光強度分布が投射されることが前提となっている。しかしながら、ＣＣＤイメージセンサー１３０の画素サイズが明瞭な輪郭の取得の障害になる可能性がある。また、ＣＣＤイメージセンサー１３０によるセンシング時の様々なノイズ（外来若しくは内来ノイズ）、若しくはピクセル間の光電変換率の差も影響し得る。
【００４９】
非限定の例示の実施形態においては、図６に模式的に示すようにＣＣＤイメージセンサー１３０から出力されるイメージデータが示す光強度分布に対してレーザー光源１１０から出射されるレーザー光のビーム断面光強度分布に一致するモデル（上述の場合にはガウシアン分布のモデル）をフィッティングし、このフィッティングから光強度分布の輪郭の最大幅、最小幅、中心位置を求める。この場合、ＣＣＤイメージセンサー１３０の画素サイズの制約を回避し、より高い精度においてＣＣＤイメージセンサー１３０の撮像面に投影された像のパラメーター（最大幅、最小幅、及び中心位置など）を取得することができる。なお、図６においては、Ｘ軸上の各画素の出力電圧値及びそれにより示される光強度が縦棒にて模式的に示されている。
【００５０】
非限定の例示の形態のコンピューター１４０は、上述のフィッティングに基づくパラメーターの算出、パラメーターの比較、及び調整の指示を行うことができるように構成される。測定対象物５０の調整が人手により行われるならば、コンピューター１４０は、調整の指示まで行う必要はない。
【００５１】
例えば、コンピューター１４０は、事前にＣＣＤイメージセンサー１３０により取得された目標とする像と、今回取得された像を表示し、各像のパラメーター（最大幅、最小幅、中心位置）をディスプレイに表示する。人は、各像の位置関係から垂線ＡＸ５に沿って測定対象物５０をどの方向に動かすのか理解することができ、またどの程度だけ動かすのかを理解することができる。好適には、測定対象物５０を動かす時、測定対象物５０の計測を同時に実行し、ＣＣＤイメージセンサー１３０により像をモニタリングしてディスプレスに表示する。より好適には、コンピューター１４０は、モニタリングする像の最小幅を算出し、目標値に合致するか否かを判定し、それらが合致する時に調整終了を表示する。ディスプレイは、液晶表示装置やＣＲＴ等の各種の表示装置であり得る。
【００５２】
垂線ＡＸ５に対する測定対象物５０の傾きの調整についても同様に理解することができる。つまり、人は、各像の位置関係から垂線ＡＸ５に対して測定対象物５０をどの方向に傾けるのか理解することができ、また大きく動かすのか僅かに動かすのかを理解することができる。好適には、測定対象物５０を動かす時、測定対象物５０の計測を同時に実行し、ＣＣＤイメージセンサー１３０により像をモニタリングしてディスプレスに表示する。より好適には、コンピューター１４０は、モニタリングする像の最大幅を算出し、目標値に合致するか否かを判定し、それらが合致する時に調整終了を表示する。
【００５３】
計測機器５００は、上述のように、位置及び傾き調整部１５０を備える。コンピューター１４０は、垂線ＡＸ５に沿う測定対象物５０の変位方向及び変位量を位置及び傾き調整部１５０に指示するように構成される。コンピューター１４０は、垂線ＡＸ５に対する測定対象物５０の傾きを調整するべく、傾ける方向及び傾ける程度を位置及び傾き調整部１５０に指示するようにも構成される。好適には、上述の例と同様、測定対象物５０を動かす時、測定対象物５０の計測を同時に実行し、ＣＣＤイメージセンサー１３０により像をモニタリングし、その像のパラメーターを算出し、目標値に合致するか否かを判定し、それらが合致する時に調整終了を表示する。
【００５４】
図７に示すようなブロック構成によりコンピューター１４０の構成／機能を説明する。コンピューター１４０の記憶部（例えば、メモリー若しくはハードディスク若しくは光学記録媒体）に記憶されたプログラムがＣＰＵにより実行されることによりコンピューター１４０に本願に開示の機能性が付与される。
【００５５】
コンピューター１４０は、ＣＣＤイメージセンサー１３０から出力され、入出力部（不図示）を介して入力するイメージデータに対してフィッティングを実行する。端的には、コンピューター１４０のフィッティング実行部が、イメージデータが示す光強度分布に対してモデル（開示の例においてはガウシアン分布モデル）を適用する。次に、コンピューター１４０は、このフィッティングに基づいてパラメーターを算出する。具体的には、コンピューター１４０のパラメーター算出部が、フィッティングにより得られた変形後のモデルの最大幅、最小幅、中心位置を算出する。次に、コンピューター１４０は、算出された最大幅をレジスタＳｗ＿ｍａｘに記憶する（この値を取得最大幅と呼ぶ）。コンピューター１４０は、算出された最小幅をレジスタＳｗ＿ｍｉｎに記憶する（この値を取得最小幅と呼ぶ）。コンピューター１４０は、算出された中心座標値をレジスタＳ＿ｃｐに記憶する（この値を取得中心座標と呼ぶ）。レジスタＴｗ＿ｍｉｎには予め事前に算出された最小幅が記憶されている（この値を目標最小幅と呼ぶ）。レジスタＴｗ＿ｍａｘには予め事前に算出された最大幅が記憶されている（この値を目標最大幅と呼ぶ）。レジスタＴ＿ｃｐには予め事前に算出された中心座標が記憶されている（この値を目標中心座標と呼ぶ）。
【００５６】
コンピューター１４０は、取得中心座標と目標中心座標を比較し、この差分値を出力する。端的には、コンピューター１４０の比較器ＣＯＭＰ０は、入力側の各レジスタの値を比較し、差分値を出力する。比較器ＣＯＭＰ０の出力側のレジスタＣ＿ｃｐに差分値が記憶される。コンピューター１４０は、取得最小幅と目標最小幅を比較し、この差分値を出力する。端的には、コンピューター１４０の比較器ＣＯＭＰ１が入力側の各レジスタの値を比較し、差分値を出力する。比較器ＣＯＭＰ１の出力側のレジスタＣＶ＿ｍｉｎに差分値が記憶される。同様に、コンピューター１４０は、取得最大幅と目標最大幅を比較し、この差分値を出力する。端的には、コンピューター１４０の比較器ＣＯＭＰ２が入力側の各レジスタの値を比較し、差分値を出力する。比較器ＣＯＭＰ２の出力側のレジスタＣＶ＿ｍａｘに差分値が記憶される。
【００５７】
幾つかの実施形態においては、コンピューター１４０と位置及び傾き調整部１５０が協働してレジスタＣＶ＿ｍｉｎの値を所定の閾値未満若しくは実質的に０に近づける若しくは収束させるように垂線ＡＸ５沿いの測定対象物５０の位置を調整する。レジスタＣ＿ｃｐの値が、ｘ座標に関する差分値、ｙ座標に関する差分値を示す。目標中心座標が（ｘ，ｙ）＝（０，０）であれば、レジスタＣ＿ｃｐのｘ座標に関する差分値やｙ座標に関する差分値の正又は負やその絶対値から垂線ＡＸ５沿いで測定対象物５０を動かす方向を判定することができる。例えば、図２及び図３に示す場合、ｘ座標に関する中心位置の差分値が正を示すため、測定対象物５０を第２位置Ｐ５２から第１位置Ｐ５１側へ垂線ＡＸ５に沿って移動させることが判定できる。
【００５８】
レジスタＣＶ＿ｍｉｎの値が所定の閾値未満若しくは実質的に０になった時、このフィードバック制御が終了する。この調整の後、コンピューター１４０と位置及び傾き調整部１５０が協働してレジスタＣＶ＿ｍａｘの値を所定の閾値未満若しくは実質的に０に近づける若しくは収束させるように垂線ＡＸ５に対する測定対象物５０の傾きを調整する。レジスタＣ＿ｃｐの値が、ｘ座標に関する差分値、ｙ座標に関する差分値を示す。目標中心座標が（ｘ，ｙ）＝（０，０）であれば、レジスタＣ＿ｃｐのｘ座標に関する差分値やｙ座標に関する差分値の正又は負やその絶対値から垂線ＡＸ５に対して測定対象物５０を傾ける方向を判定することができる。例えば、図４及び図５に示す場合、ｘ座標に関する中心位置の差分値が正を示すため、第３位置及び傾きＰ５３から第１位置及び傾きＰ５１になるように測定対象物５０を傾ける。レジスタＣＶ＿ｍａｘのｘ座標に関する差分値が所定の閾値未満若しくは実質的に０になった時、このフィードバック制御が終了する。
【００５９】
なお、図４に示す場合、図４の紙面に垂直な軸線を回転軸として測定対象物５０が傾くように理解される。他方、図４の紙面に平行であり垂線ＡＸ５に対して垂直な軸線を回転軸として測定対象物５０が傾く場合も想定される。この場合、レジスタＣＶ＿ｍａｘのｙ座標に関する差分値に基づいて調整を行えば良い。レジスタＣＶ＿ｍａｘのｘ座標に関する差分値及びレジスタＣＶ＿ｍａｘのｙ座標に関する差分値の両方に基づく調整も想定される。
【００６０】
位置及び傾き調整部１５０の具体的構成は任意である。例えば、図８に示すように、位置及び傾き調整部１５０は、制御部１５１と伸縮自在な３個のアクチュエーター１５２を有する。制御部１５１は、コンピューター１４０からの指令に応じて各アクチュエーター１５２の伸縮を制御する。アクチュエーター１５２は、本体１５２ａと本体１５２ａに対して軸方向に変位される可動部１５２ｂを有し、例えば、制御部１５１からの指令に応じて可動部１５２ｂが本体１５２ａに対して可動する。
【００６１】
計測機器５００による測定対象物５０の計測に基づいて測定対象物５０を目標とする位置及び傾きに配置することができる。目標とする位置及び傾きは、必ずしも絶対的なものではなく相対的なものであっても構わない。例えば、５個のサンプルの試験を予定する場合、１個目のサンプルの試験時の位置及び傾きに２個目以降のサンプルの位置及び傾きをできる限り合致させたいニーズが存在する。この場合、目標とするパラメーター（具体的には、目標最大幅、目標最小幅、目標中心座標）が、１回目のサンプルの試験の際に測定されたパラメーターになる。図７を参照して説明すれば、レジスタＴ＿ｃｐには、１個目のサンプルから計測された中心位置が記憶される。レジスタＴｗ＿ｍｉｎには、１個目のサンプルから計測された最小幅が記憶される。レジスタＴｗ＿ｍａｘには、１個目のサンプルから計測された最大幅が記憶される。
【００６２】
測定対象物５０の種類は任意であるが、幾つかの実施形態においては、特定の試料の物性評価用のサンプルである。例えば、サンプルは、ガラスプレート上に試料が置かれ、カバーガラスにより試料が被覆されたものである。このサンプルは、図９に示すように超短パルスレーザー装置１６０と分光装置等の評価装置１７０の間に配される。超短パルスレーザー装置１６０がやや大型な装置であり、この装置への組み込みに関しては、図１に示す小型及び簡素な構成の装置が適する。
【００６３】
図１０のフローチャートを参照して計測機器５００の動作について説明する。まず、レーザー光源１１０からレーザー光が出射され、集光レンズ１２０の通過により測定対象物５０に向かって集光される。レーザー光が測定対象物５０により反射され、ＣＣＤイメージセンサー１３０の撮像面に投射され、ＣＣＤイメージセンサー１３０が撮像面に投射された像を示すイメージデータを取得する（Ｓ１００）。
【００６４】
次に、コンピューター１４０は、ＣＣＤイメージセンサー１３０から供給されたイメージデータが示す光強度分布に対してフィッティングを行う（Ｓ１１０）。上述のようにレーザー光源１１０から出射されるレーザー光のビーム断面光強度分布に対応するモデルがフィッティングに用いられる。
【００６５】
次に、コンピューター１４０は、フィッティングにより変形したモデルからパラメーターを取得する（Ｓ１２０）。例えば、上述のように最大幅、最小幅、中心座標を算出する。
【００６６】
次に、コンピューター１４０は、目標パラメーター値と取得パラメーターの比較を行う（Ｓ１３０）。例えば、上述のように目標最大幅と取得最大幅が比較される。目標最小幅と取得最小幅が比較される。目標中心座標と取得中心座標が比較される。
【００６７】
次に、コンピューター１４０は、垂線ＡＸ５沿いの測定対象物５０の位置調整を指示する（Ｓ１４０）。位置及び傾き調整部１５０が測定対象物５０を変位させる際、測定対象物５０の計測が連続的に実行され、例えば、０．２秒間隔でレジスタＣＶ＿ｍｉｎ、レジスタＣ＿ｃｐ、レジスタＣＶ＿ｍａｘが更新される。例えば、コンピューター１４０は、レジスタＣＶ＿ｍｉｎの値が閾値未満になるまで位置及び傾き調整部１５０へコマンドを送信し、レジスタＣＶ＿ｍｉｎの値が閾値未満になると位置及び傾き調整部１５０へ調整終了を指示する。
【００６８】
次に、コンピューター１４０は、垂線ＡＸ５に対する測定対象物５０の傾き調整を指示する（Ｓ１５０）。位置及び傾き調整部１５０が測定対象物５０を変位させる際、測定対象物５０の計測が連続的に実行され、例えば、０．２秒間隔でレジスタＣＶ＿ｍｉｎ、レジスタＣ＿ｃｐ、レジスタＣＶ＿ｍａｘが更新される。例えば、コンピューター１４０は、レジスタＣＶ＿ｍａｘの値が閾値未満になるまで位置及び傾き調整部１５０へコマンドを送信し、レジスタＣＶ＿ｍｉｎの値が閾値未満になると位置及び傾き調整部１５０へ調整終了を指示する。
【００６９】
次に、コンピューター１４０は、Ｓ１４０、Ｓ１５０の調整結果を評価する（Ｓ１６０）。想定される実施形態においては、ステップＳ１４０とＳ１５０の１回の基本サイクルの実行で測定対象物５０を目標の位置及び傾きに配置することは困難である。ステップＳ１４０の後、ステップＳ１５０を行うことにより測定対象物５０の位置及び傾きの再調整が必要になることが予想される。従って、ステップＳ１６０においては、Ｓ１００〜Ｓ１３０を再実行し、目標パラメーターと取得パラメーターの比較を行う。レジスタＣＶ＿ｍａｘの値が条件（例えば、閾値未満若しくは０に近い）を満足しても、レジスタＣＶ＿ｍｉｎの値が条件（例えば、閾値未満若しくは０に近い）を満足せず、またレジスタＣ＿ｃｐの値が条件（例えば、閾値未満若しくは０に近い）を満足しないことが想定される。
【００７０】
次に、コンピューター１４０は、レジスタＣ＿ｃｐ、レジスタＣＶ＿ｍａｘ、レジスタＣＶ＿ｍｉｎの各値について条件を満足するか否かを判断する（Ｓ１７０）。条件に関しては、上述のように所定の閾値未満であるのか、実質的にゼロであるのか等が採用される。条件が満足されれば、実際の測定に移行する。条件が満足されなければ、ステップＳ１４０に戻り、条件が満足するまでループが繰り返される。なお、ステップＳ１７０で採用される条件が厳しければ厳しいほど、ループ回数が増加し、調整に要求される時間が長くなるが、より高い精度での測定対象物５０の配置が達成されることが予期される。
【００７１】
上述の実施形態においては、いわゆるソフトウェア制御に基づいてパラメーターの取得や活用が確保されている。しかしながら、本願に開示の制御／メカニズムの一部若しくは全体をハードウェアにて実装することも想定される。この点は、図７に示したブロック図や本願明細書の説明に照らして当業者が理解できることである。当業者は、アナログ及び／又はデジタル回路の活用で本願に開示の制御／メカニズムを実現可能である。
【００７２】
＜第２実施形態＞
図１１を参照して第２実施形態について説明する。第１実施形態においては、図３を参照して説明したように、測定対象物５０の傾きのためにＣＣＤイメージセンサー１３０の撮像面上において正円形状の輪郭のレーザー光が楕円形状に変化することが示されている。レーザー光源１１０から出射されるレーザー光のビーム断面形状若しくはビーム断面輪郭は必ずしも正円に限らず、正方形であっても構わない。この場合、第１実施形態に係る図３と同様、図１１に示すように、ＣＣＤイメージセンサー１３０の撮像面上において正方形状の輪郭のレーザー光が長方形状に変化することが予期される。なお、この場合、フィッティングに用いられるモデルは、正方形状の輪郭を有し、正方形の頂点で最大光強度を示すモデルが採用されることが予期される。幾つかの実施形態においては、レーザー光源１１０からの出射光のビーム断面形状を成形することが予期される。
【００７３】
上述の教示を踏まえると、当業者をすれば、各実施形態に対して様々な変更を加えることができる。図１においては測定対象物５０からＣＣＤイメージセンサー１３０の撮像面までの距離が焦点距離に一致して示されているが、測定対象物５０とＣＣＤイメージセンサー１３０の間の距離をより長く若しくは短く確保しても構わない。測定対象物５０とＣＣＤイメージセンサー１３０の撮像面の間に１以上の反射面を介在させても構わない。測定対象物５０とＣＣＤイメージセンサー１３０の間にビームスプリッターを配置し、２つのＣＣＤイメージセンサーを併用しても構わない。
【００７４】
コンピューターは、ＣＰＵ等の演算処理部と、メモリー、ハードディスク、光記録ディスクなどの記憶部を含む。記憶部に記憶されたプログラムが演算処理部により実行され、コンピューターによる様々な制御が実現する。コンピューターは、一部又は全体が遠隔地に設けられ、ネットワークを介して情報の伝達が確保され得る。ネットワークは、ローカルエリアネットワーク、プライベートネットワーク、キャンパスネットワーク、インターネット等の様々なネットワークを含む。
【００７５】
楕円形の長軸は最大幅と理解され、短軸が最小幅と理解される。長方形の長辺が最大幅と理解され、短辺が最小幅と理解される。正円の直径が、最大幅及び／又は最小幅と理解される。
【符号の説明】
【００７６】
５００            計測機器
１１０            レーザー光源
１２０            集光レンズ
１３０            ＣＣＤイメージセンサー
１４０            コンピューター
１５０            位置及び傾き調整部
【図１】
2016109591.tif 000009
【図２】
2016109591.tif 000010
【図３】
2016109591.tif 000011
【図４】
2016109591.tif 000012
【図５】
2016109591.tif 000013
【図６】
2016109591.tif 000014
【図７】
2016109591.tif 000015
【図８】
2016109591.tif 000016
【図９】
2016109591.tif 000017
【図１０】
2016109591.tif 000018
【図１１】
2016109591.tif 000019