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KR101418145B1 - 공초점 계측 장치 - Google Patents

공초점 계측 장치 Download PDF

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Publication number
KR101418145B1
KR101418145B1 KR1020120010133A KR20120010133A KR101418145B1 KR 101418145 B1 KR101418145 B1 KR 101418145B1 KR 1020120010133 A KR1020120010133 A KR 1020120010133A KR 20120010133 A KR20120010133 A KR 20120010133A KR 101418145 B1 KR101418145 B1 KR 101418145B1
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KR
South Korea
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lens
light
objective lens
confocal
diffraction
Prior art date
Application number
KR1020120010133A
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English (en)
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KR20120104929A (ko
Inventor
마사유키 하야카와
마리코 히라타
Original Assignee
오므론 가부시키가이샤
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Publication date
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Application filed by 오므론 가부시키가이샤 filed Critical 오므론 가부시키가이샤
Publication of KR20120104929A publication Critical patent/KR20120104929A/ko
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Abstract

[과제]
본 발명은, 공초점 광학계를 이용하여 계측 대상물의 변위를 계측하는 공초점 계측 장치로서, 광의 파장에 의한 계측 대상물의 변위를 계측하는 정밀도의 변동을 억제한 공초점 계측 장치를 제공한다.
[해결 수단]
본 발명은, 공초점 광학계를 이용하여 계측 대상물의 변위를 계측하는 공초점 계측 장치이다. 공초점 계측 장치(100)는, 백색 LED(21)와, 백색 LED(21)로부터 출사하는 광에, 광축 방향에 따라서 색수차를 생기게 하는 회절 렌즈(1)와, 회절 렌즈(1)보다 계측 대상물(200)측에 배치되고, 회절 렌즈(1)에서 색수차를 생기게 한 광을 계측 대상물(200)에 집광하는 대물 렌즈(2)와, 대물 렌즈(2)에서 집광한 광중, 계측 대상물(200)에서 합초하는 광을 통과시키는 핀 홀과, 핀 홀을 통과한 광의 파장을 측정하는 파장 측정부를 구비하고 있다. 회절 렌즈(1)의 초점 거리는, 회절 렌즈(1)로부터 대물 렌즈(2)까지의 거리와, 대물 렌즈(2)의 초점 거리와의 차보다 크다.

Description

공초점 계측 장치{CONFOCAL MEASUREMENT APPARATUS}
본 발명은, 비접촉으로 계측 대상물의 변위(變位)를 계측하는 계측 장치로서, 공초점(共焦点) 광학계를 이용하여 계측 대상물의 변위를 계측하는 공초점 계측 장치에 관한 것이다.
비접촉으로 계측 대상물의 변위를 계측하는 계측 장치 중, 공초점 광학계를 이용하여 계측 대상물의 변위를 계측하는 공초점 계측 장치가 특허 문헌 1에 개시되어 있다. 특허 문헌 1에 개시되어 있는 공초점 계측 장치는, 복수 파장의 광을 출사하는 광원(예를 들면, 백색 광원)으로부터 출사하는 광에, 광축에 따라서 색수차(色收差)를 생기게 하는 색수차 렌즈를 구비하고 있다. 특허 문헌 1에 개시되어 있는 공초점 계측 장치는, 계측 대상물의 변위에 따라, 합초(合焦)하는 색수차 렌즈로부터의 광의 파장이 다르기 때문에, 핀 홀을 통과하는 광의 파장이 변화하고, 핀 홀을 통과한 광의 파장을 측정하여 계측 대상물의 변위를 계측한다.
또한, 특허 문헌 2에 개시하고 있는 공초점 계측 장치는, 색수차 렌즈에 대신하여, 회절 렌즈를 이용하여, 광원으로부터 출사하는 광에, 광축에 따라서 색수차를 생기게 하고 있다. 또한, 특허 문헌 2에 개시하고 있는 공초점 계측 장치는, 광원으로부터 콜리메이트 렌즈까지의 광로(光路), 및 콜리메이트 렌즈로부터 분광기까지의 광로에 광파이버를 이용하고 있다.
[특허 문헌]
특허 문헌 1 : 미국 특허 제4585349호 명세서
특허 문헌 2 : 미국 특허 제5785651호 명세서
그러나, 특허 문헌 1 및 2에 개시하고 있는 공초점 계측 장치는, 색수차 렌즈 또는 회절 렌즈로 광을 계측 대상물에 합초하기 때문에, 색수차 렌즈 또는 회절 렌즈의 광학 특성상, 광의 파장에 의존하여 피사계(被寫界) 심도(深度)가 크게 변화한다. 광의 파장에 의해 피사계 심도가 크게 변화하면, 핀 홀을 통과할 수 있는 광량이 광의 파장마다 다르게 되어, 특허 문헌 1 및 2에 개시하고 있는 공초점 계측 장치는, 계측 대상물의 변위를 계측하는 정밀도(분해 성능)가 광의 파장에 따라 크게 변동하는 문제가 있다.
본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 공초점 광학계를 이용하여 계측 대상물의 변위를 계측하는 공초점 계측 장치로서, 광의 파장에 의한 계측 대상물의 변위를 계측하는 정밀도의 변동을 억제한 공초점 계측 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 공초점 계측 장치는, 공초점 광학계를 이용하여 계측 대상물의 변위를 계측하는 계측 장치이다. 공초점 계측 장치는, 복수 파장의 광을 출사하는 광원과, 광원으로부터 출사하는 광에, 광축 방향에 따라서 색수차를 생기게 하는 회절 렌즈와, 회절 렌즈보다 계측 대상물측에 배치되고, 회절 렌즈에서 색수차를 생기게 한 광을 계측 대상물에 집광하는 대물 렌즈와, 대물 렌즈에서 집광한 광중, 계측 대상물에서 합초(合焦)하는 광을 통과시키는 핀 홀과, 핀 홀을 통과한 광의 강도를 파장마다 측정하는 측정부를 구비하고, 회절 렌즈의 초점 거리는, 회절 렌즈로부터 대물 렌즈까지의 거리와, 대물 렌즈의 초점 거리와의 차(差)보다 크다.
또한, 본 발명의 공초점 계측 장치에서는, 바람직하게는, 회절 렌즈로부터 대물 렌즈까지의 거리는, 대물 렌즈의 초점 거리에 개략 동등하다.
또한, 본 발명의 공초점 계측 장치에서는, 바람직하게는, 대물 렌즈가 교환 가능하다.
또한, 본 발명의 공초점 계측 장치에서는, 바람직하게는, 회절 렌즈로부터 측정부까지의 광로에 광파이버를 구비하고, 광파이버를 핀 홀로서 이용한다.
또한, 본 발명의 공초점 계측 장치에서는, 바람직하게는, 회절 렌즈는, 유리 기판과, 유리 기판의 적어도 한 면에 형성되고, 광축 방향에 따라서 색수차를 생기게 하는 패턴의 수지층을 갖는다.
상기 구성에 의하면, 본 발명에 따른 공초점 계측 장치는, 대물 렌즈를 회절 렌즈보다 계측 대상물측에 배치하고, 회절 렌즈의 초점 거리를, 회절 렌즈로부터 대물 렌즈까지의 거리와, 대물 렌즈의 초점 거리와의 차보다 크게 함으로써, 광의 파장에 의한 피사계 심도의 변화를 억제하고, 광의 파장에 의한, 계측 대상물의 변위를 계측하는 정밀도의 변동을 억제하고 있다.
도 1은 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 공초점 계측 장치의 구성을 도시하는 모식도.
도 2는 종래의 공초점 계측 장치에서 채용되고 있는 헤드부의 공초점 광학계의 구성을 도시하는 모식도.
도 3은 종래의 공초점 계측 장치에서 계측한 계측 대상물의 변위의 스펙트럼 파형의 한 예를 도시하는 도면.
도 4는 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 공초점 계측 장치에서 채용되고 있는 헤드부의 공초점의 광학계의 구성을 도시하는 모식도.
도 5는 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 공초점 계측 장치에서 계측한 계측 대상물의 변위의 스펙트럼 파형의 한 예를 도시하는 도면.
도 6은 워크 높이에 대한 스펙트럼의 반치폭의 변화를 도시하는 그래프.
도 7은 회절 렌즈의 개구수와, 대물 렌즈의 개구수와의 비교를 도시하는 그래프.
도 8은 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 공초점 계측 장치의 헤드부의 구성을 도시하는 모식도.
도 9는 복수의 재료로 구성한 회절 렌즈의 모식도.
도 10은 본 발명의 실시의 형태 2에 관한 공초점 계측 장치의 헤드부의 구성을 도시하는 개략도.
도 11은 본 발명의 실시의 형태 2에 관한 공초점 계측 장치의 분광기의 구성을 도시하는 개략도.
도 12는 본 발명의 실시의 형태 2에 관한 공초점 계측 장치의 백색 LED와 광파이버의 결합부의 구성을 도시하는 개략도.
도 13은 형광체 방식을 채용한 백색 LED의 분광 스펙트럼을 도시하는 도면.
도 14는 촬상 소자의 수광 파형과 임계치의 관계를 도시한 도면.
도 15는 백색 LED의 발광 강도를 조정하는 동작을 설명하기 위한 플로우 차트.
이하, 본 발명의 실시의 형태에 관해, 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.
(실시의 형태 1)
도 1은, 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 공초점 계측 장치의 구성을 도시하는 모식도이다. 도 1에 도시하는 공초점 계측 장치(100)는, 공초점 광학계를 이용하여 계측 대상물(200)의 변위를 계측하는 계측 장치이다. 공초점 계측 장치(100)에서 계측하는 계측 대상물(200)에는, 예를 들면 액정 표시 패널의 셀 갭 등이 있다.
공초점 계측 장치(100)는, 공초점의 광학계를 갖는 헤드부(10), 광파이버(11)를 통하여 광학적으로 접속된 컨트롤러부(20), 컨트롤러부(20)로부터 출력되는 신호를 표시하는 모니터부(30)를 구비하고 있다.
헤드부(10)는, 회절 렌즈(1), 회절 렌즈(1)보다 계측 대상물(200)측에 배치된 대물 렌즈(2)를 구비하고 있다. 회절 렌즈(1)의 초점 거리는, 회절 렌즈로부터 대물 렌즈까지의 거리와, 대물 렌즈의 초점 거리와의 차보다 크게 하고 있다.
여기서, 회절 렌즈(1)는, 후술하는 복수 파장의 광을 출사하는 광원(예를 들면, 백색 광원)으로부터 출사하는 광에, 광축 방향에 따라서 색수차를 생기게 하는 광학 소자이다. 회절 렌즈(1)는, 렌즈의 표면에, 예를 들면 키노폼 형상 또는 바이너리 형상(스텝 형상, 계단 형상) 등의 미세한 기복(起伏) 형상을 주기적으로 형성하던지, 광의 투과율을 주기적으로 변경한 진폭형의 존 플레이트를 형성하고 있다. 또한, 회절 렌즈(1)의 구성은, 상기에 기재된 구성으로 한정되는 것은 아니다.
대물 렌즈(2)는, 회절 렌즈(1)에서 색수차를 생기게 한 광을 계측 대상물(200)에 집광하는 광학 소자이다. 또한, 공초점 계측 장치(100)는, 복수 파장의 광을 출사하는 광원에, 백색 광원을 이용하는 경우에 관해 이하에 설명한다.
백색 광원으로부터 출사하는 광은, 광파이버(11)를 통하여 헤드부(10)로 유도되고 있다. 광파이버(11)로부터 출사하는 광을, 회절 렌즈(1)에서 유효하게 이용하는데에는, 광파이버(11)의 개구수(開口數)(NA : numerical aperture)와 회절 렌즈(1)의 개구수를 일치시킬 필요가 있다. 그 때문에, 광파이버(11)와 회절 렌즈(1)와의 사이에 집광 렌즈(3)를 마련하여, 광파이버(11)의 개구수와 회절 렌즈(1)의 개구수가 일치하도록 조정하고 있다.
광파이버(11)는, 헤드부(10)로부터 컨트롤러부(20)까지의 광로임과 함께, 핀 홀로서도 기능하고 있다. 즉, 대물 렌즈(2)에서 집광한 광 중, 계측 대상물(200)에서 합초하는 광은, 광파이버(11)의 개구부에서 합초하게 된다. 그 때문에, 광파이버(11)는, 계측 대상물(200)에서 합초하지 않는 파장의 광을 차광(遮光)하고, 계측 대상물(200)에서 합초하는 광을 통과시키는 핀 홀로서 기능하게 된다. 헤드부(10)로부터 컨트롤러부(20)까지의 광로에 광파이버(11)를 이용함으로써, 핀 홀이 불필요하게 된다.
공초점 계측 장치(100)는, 헤드부(10)로부터 컨트롤러부(20)까지의 광로에 광파이버(11)를 이용하지 않는 구성이라도 좋지만, 당해 광로에 광파이버(11)를 이용함으로서, 헤드부(10)를 컨트롤 부에 대해 플렉시블하게 이동하는 것이 가능해진다. 또한, 공초점 계측 장치(100)는, 헤드부(10)로부터 컨트롤러부(20)까지의 광로에 광파이버(11)를 이용하지 않는 구성인 경우, 핀 홀을 구비할 필요가 있지만, 광파이버(11)를 이용하는 구성인 경우, 공초점 계측 장치(100)는, 핀 홀을 구비할 필요가 없다.
컨트롤러부(20)는, 백색 광원인 백색 LED(Light Emitting Diode)(21), 분기 광파이버(22), 분광기(23), 촬상 소자(24), 제어 회로부(25)를 구비하고 있다. 백색 광원으로서 백색 LED(21)를 이용하고 있지만, 백색광을 출사할 수 있는 광원이라면 다른 광원이라도 좋다.
분기 광파이버(22)는, 광파이버(11)와 접속하는 측에 1개의 광파이버(22a), 반대측에 2개의 광파이버(22b, 22c)를 갖고 있다. 그리고, 광파이버(22b)는 백색 LED(21)에, 광파이버(22c)는 분광기(23)에 각각 접속하고 있다. 그 때문에, 분기 광파이버(22)는, 백색 LED(21)로부터 출사하는 광을 광파이버(11)에 유도함과 함께, 광파이버(11)를 통하여 헤드부(10)로부터 되돌아오는 광을 분광기(23)에 유도할 수 있다.
분광기(23)는, 헤드부(10)로부터 되돌아오는 광을 반사하는 요면(凹面) 미러(23a), 요면 미러(23a)에서 반사한 광이 입사하는 회절 격자(23b), 회절 격자(23b)로부터 출사하는 광을 집광하는 집광 렌즈(23c)를 갖고 있다. 분광기(23)는, 헤드부(10)로부터 되돌아오는 광을 파장마다 나눌 수 있으면, 체르니 터너형, 리트로형 등의 어느 구성이라도 좋다.
촬상 소자(24)는, 분광기(23)로부터 출사하는 광의 강도를 측정하는 라인 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)나 CCD(Charge Coupled Device)이다. 여기서, 공초점 계측 장치(100)에서는, 분광기(23) 및 촬상 소자(24)로, 헤드부(10)로부터 되돌아오는 광의 강도를 파장마다 측정하는 측정부를 구성하고 있다. 또한, 측정부는, 헤드부(10)로부터 되돌아오는 광의 강도를 파장마다 측정할 수 있으면, CCD 등의 촬상 소자(24)의 단체(單體)로 구성하여도 좋다. 또한, 촬상 소자(24)는, 2차원의 CMOS나 2차원의 CCD이어도 좋다.
제어 회로부(25)는, 백색 LED(21)나 촬상 소자(24) 등의 동작을 제어하는 회로이다. 또한, 도시하지 않지만, 제어 회로부(25)에는, 백색 LED(21)나 촬상 소자(24) 등을 동작을 조정하기 위한 신호를 입력하는 입력 인터페이스, 촬상 소자(24)의 신호를 출력하는 출력 인터페이스 등을 갖고 있다.
모니터부(30)는, 촬상 소자(24)가 출력한 신호를 표시한다. 예를 들면, 모니터부(30)는, 헤드부(10)로부터 되돌아오는 광의 스펙트럼 파형을 묘화하고, 계측 대상물의 변위가 123.45㎛인 것을 표시한다.
다음에, 헤드부(10)의 공초점 광학계를, 회절 렌즈(1)보다 계측 대상물(200)측에 대물 렌즈(2)를 배치하고, 회절 렌즈(1)의 초점 거리를, 회절 렌즈(1)로부터 대물 렌즈(2)까지의 거리와, 대물 렌즈(2)의 초점 거리와의 차보다 크게 함으로써, 공초점 계측 장치(100)가, 광의 파장에 의한 계측 대상물(200)의 변위를 계측하는 정밀도의 변동을 억제하고 있는 것에 관해 설명한다.
우선, 도 2는, 종래의 공초점 계측 장치에서 채용되고 있던 헤드부의 공초점 광학계의 구성을 도시하는 모식도이다. 도 2에 도시하는 공초점 광학계의 구성은, 콜리메이트 렌즈(300)보다 계측 대상물(200)측에 회절 렌즈(400)를 배치하는 구성이다. 즉, 종래의 공초점 계측 장치에서는, 광파이버(11)의 단부로부터 출사하는 광을 콜리메이트 렌즈(300)에서 평행광으로 하고, 평행광을 회절 렌즈(400)에서 계측 대상물(200)에 집광함과 함께, 광축 방향에 따라서 색수차를 생기게 하고 있다.
종래의 공초점 계측 장치는, 회절 렌즈(400)에서 광을 계측 대상물(200)에 집광하기 때문에, 회절 렌즈(400)의 광학 특성상, 광의 파장에 의존하여 피사계 심도가 크게 변화한다. 광의 파장에 의해 피사계 심도가 크게 변화하면, 광파이버(11)에 입사할 수 있는 광량(핀 홀을 통과할 수 있는 광량)이 광의 파장마다 다르게 되어, 종래의 공초점 계측 장치는, 계측 대상물의 변위를 계측하는 정밀도(분해 성능)가 광의 파장에 의해 크게 변동한다.
계측 대상물의 변위를 계측하는 정밀도는, 공초점 계측 장치의 측정부에서 얻어지는 스펙트럼 파형에 있어서의 스펙트럼의 반치폭(半値幅)으로 평가할 수 있다. 여기서, 스펙트럼의 반치폭이란, 피크의 광의 강도(强度)에 대해 1/2의 광의 강도가 되는 스펙트럼의 2점 사이의 거리를 말한다.
도 3은, 종래의 공초점 계측 장치에서 계측한 계측 대상물의 변위의 스펙트럼 파형의 한 예를 도시하는 도면이다. 도 3에 도시하는 스펙트럼 파형에서는, 횡축이 광의 파장에 대응하는 워크 높이(계측 대상물(200)로부터 헤드부(10)의 선단까지의 높이를 제로로 설정)(㎜), 종축이 광의 강도(규격화한 값)이다. 스펙트럼 파형은, 복수의 스펙트럼의 피크가 도시되어 있고, 워크 높이가 정측(正側)(광의 파장이 긴 측)에 있는 스펙트럼의 반치폭에 비하여, 워크 높이가 부측(광의 파장이 짧은측)에 있는 스펙트럼의 반치폭이 크다. 또한, 이 반치폭은, 광파이버(11)의 직경 및 광파이버(11)측의 렌즈(300)의 초점 심도에도 의존한다. 광파이버(11)의 직경이 작아짐으로써, 또는 렌즈(300)의 초점 심도가 얕아짐으로써, 반치폭이 좁아진다. 단, 광파이버(11)의 직경 및 광파이버(11)측의 렌즈(300)의 초점 심도는, 계측 장치 내에서 고정되어 있기 때문에, 워크의 높이에 의한 반치폭의 상대적인 차이가 변화하는 일은 없다.
구체적으로, 워크 높이가 약 -0.6㎜의 스펙트럼의 반치폭(A)은, 약 0.046㎜이지만, 워크 높이가 약 0.6㎜의 스펙트럼의 반치폭(B)는, 약 0.023㎜이다. 즉, 스펙트럼의 반치폭(A)은, 스펙트럼의 반치폭(B)에 비하여 약 2배로 되어 있고, 워크 높이가 작게(광의 파장이 짧게) 됨에 따라 스펙트럼의 반치폭이 커지고 있다. 또한, 스펙트럼의 피크가, 워크 높이에 의해 변화하는 것은, 백색 광원에 포함된 광의 강도가 광의 파장에 따라 다르기 때문이다.
종래의 공초점 계측 장치는, 워크 높이가 작게(광의 파장이 짧게) 됨에 따라 스펙트럼의 반치폭이 커지기 때문에, 워크 높이가 작게(광의 파장이 짧게) 됨에 따라 계측 대상물(200)의 변위를 계측하는 정밀도가 나빠지는 것을 알 수 있다.
다음에, 도 4는, 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 공초점 계측 장치(100)에서 채용되고 있는 헤드부(10)의 공초점 광학계의 구성을 도시하는 모식도이다. 도 4에 도시하는 공초점 광학계의 구성은, 회절 렌즈(1)보다 계측 대상물(200)측에 대물 렌즈(2)를 배치하는 구성이다. 즉, 공초점 계측 장치(100)에서는, 광파이버(11)의 단부로부터 출사하는 광을 회절 렌즈(1)로 광축 방향에 따라서 색수차를 생기게 하고, 색수차가 생긴 광을 대물 렌즈(2)에서 계측 대상물(200)에 집광한다.
공초점 계측 장치(100)는, 회절 렌즈(1)에서 광을 계측 대상물(200)에 집광하는 것이 아니라, 대물 렌즈(2)에서 광을 계측 대상물(200)에 집광하기 때문에, 후술하는 이유에 의해, 광의 파장에 의한 피사계 심도의 변화를 억제하고, 광의 파장에 의한 계측 대상물(200)의 변위를 계측하는 정밀도의 변동을 억제하고 있다.
도 5는, 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 공초점 계측 장치(100)에서 계측한 계측 대상물의 변위의 스펙트럼 파형의 한 예를 도시하는 도면이다. 도 5에 도시하는 스펙트럼 파형에서는, 횡축이 광의 파장에 대응하는 워크 높이(계측 대상물(200)로부터 헤드부(10)의 선단까지의 높이를 제로로 설정)(㎜), 종축이 광의 강도(규격화한 값)이다. 스펙트럼 파형은, 복수의 스펙트럼의 피크가 도시되어 있고, 워크 높이가 부측(광의 파장이 짧은 측)에 있는 스펙트럼의 반치폭과, 워크 높이가 정측(광의 파장이 길은 측)에 있는 스펙트럼의 반치폭이 개략 동등하다.
구체적으로, 워크 높이가 약 -0.6㎜의 스펙트럼의 반치폭(C)은, 약 0.025㎜이고, 워크 높이가 약 0.6㎜의 스펙트럼의 반치폭(D)은, 약 0.029㎜이다. 즉, 스펙트럼의 반치폭(C)는, 스펙트럼의 반치폭(D)에 개략 동등하다.
따라서 공초점 계측 장치(100)는, 워크 높이(광의 파장)가 변화하여도 스펙트럼의 반치폭이 변화하기 어려워지기 때문에, 광의 파장에 의한 계측 대상물(200)의 변위를 계측하는 정밀도의 변동을 억제하고 있다.
도 6은, 워크 높이에 대한 스펙트럼의 반치폭의 변화를 도시하는 그래프이다. 도 6에 도시하는 그래프에는, 종래의 공초점 계측 장치에 관한 스펙트럼의 반치폭(도 3에 도시하는 스펙트럼의 반치폭)을 나타내는 절선 a와, 공초점 계측 장치(100)에 관한 스펙트럼의 반치폭(도 5에 도시하는 스펙트럼의 반치폭)을 나타내는 절선 b를 도시하고 있다. 절선 a는, 워크 높이가 작게(광의 파장이 짧게) 됨에 따라 스펙트럼의 반치폭이 커지고 있지만, 절선 b는, 워크 높이(광의 파장)에 관계없이 개략 일정하다. 구체적으로, 절선 a로 나타내는 스펙트럼의 반치폭은, 기울기를 갖고서 약 0.023㎜부터 약 0.046㎜까지 변화하고 있지만, 절선 b로 나타내는 스펙트럼의 반치폭은, 약 0.030㎜를 중심으로 약 0.023㎜부터 약 0.034㎜까지 변화하고 있다.
다음에, 공초점 계측 장치(100)가, 광의 파장에 의한 피사계 심도의 변화를 억제하고, 광의 파장에 의한 계측 대상물(200)의 변위를 계측하는 정밀도의 변동을 억제하고 있는 것에 관해 수식을 이용하여 이론적으로 설명한다.
우선, 도 4에 도시하는 공초점 계측 장치(100)의 광학계에 있어서, 광파이버(11)의 단부로부터 회절 렌즈(1)까지의 거리를 a, 회절 렌즈(1)로부터 대물 렌즈(2)까지의 거리를 b, 대물 렌즈(2)로부터 대물 렌즈(2)에 의해 합초하는 점까지의 거리를 c(λ)로 한다. 또한, 회절 렌즈(1)는, 광의 파장 λ0일 때의 초점 거리를 fd0로 하고, 유효 지름을 φa로 한다. 또한, 거리 a는, 초점 거리(fd0)와 동등한 것으로 한다. 대물 렌즈(2)는, 초점 거리를 fo로 하고, 유효 지름을 φb(λ)로 한다.
한편, 도 2에 나타내는 종래의 공초점 계측 장치의 광학계에 있어서, 계산을 간단하게 하기 위해, 광파이버(11)의 단부로부터 콜리메이트 렌즈(300)까지의 거리를 a, 콜리메이트 렌즈(300)로부터 회절 렌즈(400)까지의 거리를 b, 회절 렌즈(400)로부터 회절 렌즈(400)에 의해 합초하는 점까지의 거리를 c(λ)로 한다. 또한, 콜리메이트 렌즈(300)는, 초점 거리를 fd0로 한다. 또한, 거리 a는, 초점 거리(fd0)와는 동등한 것으로 한다. 회절 렌즈(400)는, 광의 파장이 λ0일 때의 초점 거리를 fo로 하고, 유효 지름을 φa로 한다.
회절 렌즈(400)의 초점 거리(fd(λ))는, 광의 파장(λ)의 함수이고, 광의 파장이 λ0일 때의 초점 거리를 fo로 하면, 일반적으로는 회절 렌즈의 공식을 이용하여 (식 1)과 같이 표시할 수 있다.
Figure 112012008312810-pat00001
또한, 회절 렌즈(400)의 개구수(NA1(λ))는, (식 1)의 관계를 이용하여, (식 2)과 같이 표시할 수 있다.
Figure 112012008312810-pat00002
다음에, 도 4에 도시하는 공초점 계측 장치(100)의 광학계에 있어서, 일반적인 렌즈의 공식을 이용하여, 광파이버(11)의 단부로부터 회절 렌즈(1)까지의 거리(a)와, 회절 렌즈(1)로부터 회절 렌즈(1)에 의해 광파이버(11)로부터의 출사광이 합초하는 점까지 거리(ag(λ))(도시 생략)와, 회절 렌즈(1)의 초점 거리(fd(λ))와의 관계, 및 회절 렌즈(1)로부터 대물 렌즈(2)까지의 거리(b)와, 대물 렌즈(2)로부터 대물 렌즈(2)에 의해 합초하는 점까지의 거리(c(λ))와, 대물 렌즈(2)의 초점 거리(fo)와의 관계를 (식 3)과 같이 표시할 수 있다. 또한 여기서, 대물 렌즈의 색수차는 무시할 수 있는 것으로 하고 있다.
Figure 112012008312810-pat00003
또한, 대물 렌즈(2)의 유효 지름(φb(λ))은, (식 3)의 관계를 이용하여, (식 4)과 같이 표시할 수 있다.
Figure 112012008312810-pat00004
또한, 대물 렌즈(2)로부터 대물 렌즈(2)에 의해 합초하는 점까지의 거리(c(λ))는, (식 3), (식 4)의 관계를 이용하여, (식 5)과 같이 표시할 수 있다.
Figure 112012008312810-pat00005
또한, 대물 렌즈(2)의 개구수(NA2(λ))는, (식 3) 내지 (식 5)의 관계를 이용하여, (식 6)과 같이 표시할 수 있다.
Figure 112012008312810-pat00006
거리 a는, 초점 거리(fd0)와 동등한 것으로 하면, (식 6)은, fd0=a로서, (식 7)과 같이 표시할 수 있다.
Figure 112012008312810-pat00007
여기서, 종래의 구성의 대물 렌즈에 상당하는 회절 렌즈(400)의 개구수(NA1(λ))와, 본 발명의 대물 렌즈(2)의 개구수(NA2(λ))와 비교한다. 이때, (식 8)로 표시하는 조건을 고려한다. (식 8)에 표시하는 조건은, 광의 파장이 λ0일 때의 회절 렌즈(1)의 초점 거리(fd0)(설계 파장의 초점 거리)가, 회절 렌즈(1)로부터 대물 렌즈(2)까지의 거리(b)와, 대물 렌즈의 초점 거리와의 차보다 크다.
Figure 112012008312810-pat00008
(식 8)로 표시하는 조건을 고려하면, 대물 렌즈(2)의 개구수(NA2(λ))는, 회절 렌즈(400)의 개구수(NA1(λ))에 비하여, 광의 파장(λ)에 대한 변화율(광의 파장(λ)의 함수의 기울기)이 작다.
도 7은, 회절 렌즈(400)의 개구수와, 대물 렌즈(2)의 개구수와의 비교를 도시하는 그래프이다. 도 7에 도시하는 그래프는, 횡축이 광의 파장, 종축이 개구수의 역사인값(逆正弦値)이다. 그리고, 직선 c는, 회절 렌즈(400)의 개구수(NA1(λ))를, 직선 d는, 대물 렌즈(2)의 개구수(NA2(λ))를 각각 나타내고 있다.
직선 d는, (식 8)에 표시하는 조건을 고려하면, 직선 c에 비하여 기울기가 작다. 즉, 대물 렌즈(2)의 개구수(NA2(λ))는, 회절 렌즈(400)의 개구수(NA1(λ))에 비하여, 광의 파장(λ)에 대해 변화하기 어려운 것을 나타내고 있다. 대물 렌즈(2)의 개구수(NA2(λ))가 광의 파장(λ)에 대해 변화하기 어렵기 때문에, 대물 렌즈(2)는, 광의 파장(λ)에 의한 피사계 심도의 변화를 억제할 수 있다.
또한, 거리 b와 초점 거리(fd0)가 동등한 경우(b=fd0), 대물 렌즈(2)의 개구수(NA2(λ))는, 광의 파장(λ)의 변수를 포함하지 않는 일정치가 된다. 즉, 대물 렌즈(2)의 개구수(NA2(λ))는, 광의 파장(λ)에 대해 변화하지 않는다. 그 때문에, 공초점 계측 장치(100)는, 광의 파장(λ)을 변화시켜도, 광파이버(11)에 입사할 수 있는 광량(핀 홀을 통과할 수 있는 광량)이 일정하게 되고, 계측 대상물의 변위를 계측하는 정밀도가 광의 파장에 의하지 않고 일정하게 된다.
다음에, 헤드부(10)에 관해 더욱 상세히 설명한다. 도 8은, 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 공초점 계측 장치(100)의 헤드부(10)의 구성을 도시하는 모식도이다. 도 8에 도시하는 헤드부(10)는, 대물 렌즈(2)를 스페이서(4)에 접착하고, 그 스페이서(4)를 착탈 가능하게 하고 있기 때문에, 대물 렌즈(2)를 교환하는 것이 가능하다. 구체적으로, 헤드부(10)로부터 링(5)을 떼어내고, 스페이서(4)를 광축 방향으로 이동시켜서 헤드부(10)로부터 스페이서(4)를 빼내고, 다른 초점 거리의 대물 렌즈(2)를 접착하고 있는 스페이서(4)를 헤드부(10)에 삽입함으로써, 헤드부(10)는, 대물 렌즈(2)를 용이하게 교환할 수 있다. 다른 초점 거리의 대물 렌즈(2)로 교환함으로써, 공초점 계측 장치(100)는, 헤드부(10)와 계측 대상물(200)과의 거리나, 측정 가능한 워크 높이(WD)의 레인지를 변경할 수 있다.
여기서, 대물 렌즈(2)에는, 일반적인 광학 렌즈를 이용하고 있지만, 굴절율이 다른 2종류의 초재(硝材)로 만들어진 볼록 렌즈와 오목 렌즈를, 근접 또는 접착한 애크로매틱 렌즈를 이용하여도 좋다. 애크로매틱 렌즈는, 색수차를 제거하도록 설계하고 있기 때문에, 공초점 계측 장치(100)는, 애크로매틱 렌즈를 대물 렌즈(2)로 이용함으로써, 광의 파장(λ)에 의한 계측 대상물(200)의 변위를 계측하는 정밀도의 변동을 더욱 억제하고 있다.
또한, 광파이버(11)는, 멀티 모드 파이버를 이용하여도, 싱글 모드 파이버를 이용하여도 좋다. 멀티 모드 파이버를 이용한 광파이버(11)는, 파이버의 직경이 크기 때문에, 백색 LED(21)로부터의 출사광을 전송할 때의 광 파워의 로스를 적게 할 수 있고, 광반사율이 낮은 계측 대상물이라도 높은 S/N비로 안정하게 계측할 수 있다. 싱글 모드 파이버를 이용한 광파이버(11)는, 파이버의 직경이 수㎛로 작기 때문에, 핀 홀로서도 기능함으로써, 전술한 바와 같이 수광 파형의 반치폭을 좁게 할 수 있고, 정밀도 좋게 계측할 수 있다. 일반적으로, 광파이버를 공초점 광학계에 이용한 경우, 광 파워의 로스가 커지기 때문에 S/N비가 문제가 되는 일이 많아, 광파이버(11)에 멀티 모드 파이버를 이용하는 것이 바람직하다.
또한, 광파이버(11)로는, 내굴곡(耐屈曲) 파이버를 이용하는 것이 바람직하다. 헤드부(10)는, 전자 부품 실장 장치 등의 구동 부분에 부착되는 일이 많고, 그 경우에는 헤드부(10) 자체도 이동하게 된다. 그 때문에, 헤드부(10)에 접속된 광파이버(11)는, 헤드부(10)의 이동 방향으로 끊임없이 구부러지기 때문에, 내굴곡 파이버를 이용함으로써 손상을 막을 수 있다.
또한, 회절 렌즈(1)는, 유리 또는 수지 등의 단일 재료의 기판에, 광축 방향에 따라서 색수차를 생기게 하는 패턴을 형성한 구성으로 한정되는 것은 아니고, 복수의 재료로 구성하여도 좋다. 도 9는, 복수의 재료로 구성한 회절 렌즈(1)의 모식도이다. 도 9에 도시하는 회절 렌즈(1)는, 유리 기판(1a)과, 유리 기판(1a)의 편면(片面)에 형성되고, 광축 방향에 따라서 색수차를 생기게 하는 패턴의 수지층(1b)을 갖는다.
수지층(1b)은, 유리 기판(1a)에 자외선 경화 수지를 도포하고, 소망하는 패턴의 형(型)을 자외선 경화 수지를 도포한 유리 기판(1a)의 면에 꽉 누르고, 자외선을 조사하여 자외선 경화 수지를 경화함으로써 형성할 수 있다.
유리만으로 구성한 회절 렌즈(1)는, 딱딱한 유리를 가공하여, 광축 방향에 따라서 색수차를 생기게 하는 패턴을 형성하기 때문에 제조 비용이 고가로 된다. 그러나, 유리 기판(1a)과, 수지층(1b)으로 구성한 회절 렌즈(1)는, 소망하는 패턴의 형으로 수지층(1b)을 가공하고, 광축 방향에 따라서 색수차를 생기게 하는 패턴을 형성하기 때문에 제조 비용이 염가로 된다.
또한, 수지만으로 구성한 회절 렌즈(1)는, 환경 온도에 의한 형상의 변화가 크고, 온도 특성이 나쁘다. 그러나, 유리 기판(1a)과, 수지층(1b)으로 구성하는 회절 렌즈(1)는, 환경 온도에 의한 형상의 변화가 작은 유리 기판(1a)이 구성의 대부분을 차지하기 때문에, 온도 특성이 좋다.
또한, 도 9에 도시하는 회절 렌즈(1)는, 유리 기판(1a)의 편면에 수지층(1b)을 형성한 경우로 한정하는 것은 아니고, 유리 기판(1a)의 양면에 수지층(1b)을 형성하고 있어도 좋다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 공초점 계측 장치(100)는, 대물 렌즈(2)를 회절 렌즈(1)보다 계측 대상물(200)측에 배치하고, 회절 렌즈(1)의 초점 거리를, 회절 렌즈(1)로부터 대물 렌즈(2)까지의 거리와, 대물 렌즈(2)의 초점 거리와의 차보다 크게 함으로써, 광의 파장에 의한 피사계 심도의 변화를 억제하고, 광의 파장에 의한 계측 대상물(200)의 변위를 계측하는 정밀도의 변동을 억제하고 있다.
(실시의 형태 2)
도 1에 도시한 공초점 계측 장치(100)를 구성한 헤드부(10), 분광기(23), 백색 LED(21)와 광파이버(22b)와의 결합부에 관해, 다른 구성의 헤드부, 분광기, 백색 LED와 광파이버와의 결합부에 관해 설명한다.
도 10은, 본 발명의 실시의 형태 2에 관한 공초점 계측 장치(100)의 헤드부의 구성을 도시하는 개략도이다. 도 10에 도시하는 헤드부(10a)는, 회절 렌즈(1)를 갖는 본체 유닛(12)과, 대물 렌즈(2)를 갖는 대물 렌즈 유닛(13)을 포함하고 있다. 대물 렌즈 유닛(13)은, 측정하는 대상물에 따라 다른 대물 렌즈(2)를 갖는 것이 준비되어 있고, 본체 유닛(12)에 감합(嵌合)하는 구성이기 때문에, 용이하게 교환할 수 있다. 본체 유닛(12)과, 대물 렌즈 유닛(13)와의 감합 방식은, 본체 유닛(12)과 대물 렌즈 유닛(13)을 고정하는 것이 가능하면, 나사식, 감입(嵌入)식 등 어느 방식이라도 좋다.
본체 유닛(12)에는, 광파이버(11)와 접속하기 위한 파이버 리셉터클(14)을 마련하고 있다. 또한, 광파이버(11)는, 본체 유닛(12)에 접속하는 측의 단부에 파이버 리셉터클(14)과 감합시키는 것이 가능한 광커넥터(15)를 마련하고 있다. 본체 유닛(12)은, 파이버 리셉터클(14)과 광커넥터(15)를 감합시킴으로써, 광파이버(11)를 착탈 가능하게 접속할 수 있다. 본체 유닛(12)과 광파이버(11)를 착탈 가능하게 함으로써, 공초점 계측 장치(100)를 설치한 현장에서 광파이버(11)가 파손된 경우에도, 헤드부(10a) 전체를 교환하는 일없이, 광파이버(11)를 교환하는 것만으로 끝나고, 공초점 계측 장치(100)의 러닝 코스트를 저감할 수 있다. 또한, 광파이버(11)를 교환하는 것뿐이기 때문에, 헤드부(10a)의 광축을 재조정할 필요도 없고, 광파이버(11)의 교환 후 곧바로 측정을 재개하는 것이 가능하다.
광파이버(11)는, 본체 유닛(12)에 접속하는 측의 단부의 면(단면(端面))이, 광축에 대해 비스듬하게 컷트된 APC(Angled PC) 연마(硏磨)의 파이버를 이용하고 있다. 그 때문에, 광파이버(11)의 단면에서의 반사광을 저감할 수 있고, 반사광에 의한 수광 파형에의 오프셋을 줄여서 계측 레인지가 좁아지는 것을 억제할 수 있다. 또한, APC 연마한 광파이버(11)를 이용하는 경우, 광의 출사 방향이 광파이버(11)의 광축에 대해 비스듬하게 되기 때문에, 광의 출사 방향이 본체 유닛(12)의 중심축에 따르도록, 파이버 리셉터클(14)의 중심축을 본체 유닛(12)의 중심축에 대해 비스듬하게 설치할 필요가 있다.
또한, 도 10에 도시하는 헤드부(10a)는, 형상을 작게 하기 위해, 대물 렌즈(2)의 초점 거리에 비하여, 회절 렌즈(1)와 대물 렌즈(2)와의 거리를 짧게 하고 있다. 또한, 도 10에 도시하는 헤드부(10a)는, 도 8에 도시하는 집광 렌즈(3)를 채용하고 있지 않다. 그 때문에, 도 10에 도시하는 헤드부(10a)는, 도 8에 도시하는 헤드부(10)에 비하여 광의 이용 효율이 나빠지지만, 렌즈의 매수를 줄일 수 있기 때문에, 렌즈의 비용과 렌즈의 조정 공수를 삭감할 수 있다.
다음에, 도 11은, 본 발명의 실시의 형태 2에 관한 공초점 계측 장치(100)의 분광기의 구성을 도시하는 개략도이다. 도 11에 도시하는 분광기(230)는, 체르니 터너형이고, 회절 격자(23b), 집광 렌즈(23c), 콜리메이트 렌즈(23d)를 포함하고 있다. 또한, 도 11에서 분광기(230)는, 도 1에 도시하는 분광기(23)와 같은 구성 요소에 대해 같은 번호를 부여하고 있다.
분광기(230)에는, 광파이버(22c)를 경유하여 헤드부(10)로부터 되돌아오는 광이 입사된다. 광파이버(22c)로부터 출사한 광은 콜리메이트 렌즈(23d)에 의해 콜리메이트 광으로 되고, 회절 격자(23b)에서 반사된 후, 집광 렌즈(23c)에서 집광되어 촬상 소자(24)인 CCD에 조사한다.
광파이버(22c)의 단부에는 파이버 페루울부(22c1)를 마련하고, 파이버 페루울부(22c1)는 파이버 리셉터클부(23e)에 고정된다. 회절 격자(23b), 집광 렌즈(23c), 콜리메이트 렌즈(23d), 파이버 리셉터클(23e), 및 촬상 소자(24)는, 각각의 위치가 용이하게 어긋나지 않도록, 분광기 베이스부(23f)에 고정하고 있다.
분광기(230)는, 광파이버(22c)로부터 입사한 광을 콜리메이트 광으로 하기 위해, 반사경이 아니라 단(單)렌즈의 콜리메이트 렌즈(23d)를 이용하고 있기 때문에, 비용을 저감할 수 있다.
다음에, 도 12는, 본 발명의 실시의 형태 2에 관한 공초점 계측 장치(100)의 백색 LED와 광파이버의 결합부의 구성을 도시하는 개략도이다. 도 12에 도시하는 백색 LED(21)와 광파이버(22b)의 결합부는, 지지 몸체(210), 파이버 잠그개(留具)(211)를 포함하고 있다. 지지 몸체(210)에는, 백색 LED(21)를 실장한 기판(21a)을 나사 등으로 고정하고 있다. 지지 몸체(210)는, 알루미늄 합금 등의 금속제이고, 백색 LED(21)를 점등한 때에 발생한 열을 기판(21a) 통하여 방열하기 쉽게 되어 있다. 또한, 백색 LED(21)는, 발열량을 억제하기 위해서는 펄스 점등이 바람직하지만, 노이즈를 억제하기 위해서는 연속 점등 쪽이 바람직하다.
지지 몸체(210)는, 백색 LED(21)의 광축상에 마련한 오목부에 광파이버(22b)의 파이버 페루울부(22b1)를 삽입하고, 파이버 잠그개(211)로 광파이버(22b)를 고정함으로써, 백색 LED(21)와 광파이버(22b)의 결합부를 구성하고 있다. 광파이버(22b)의 파이버 페루울부(22b1)는, 파이버 선단을 보호하는 금속 또는 세라믹제의 부품이고, 선단의 직경이 50㎛ 정도이다.
또한, 백색 LED(21)와 파이버 페루울부(22b1)의 선단과의 거리는, 광의 이용 효율 향상을 위해, 가능한 한 짧은 쪽이 좋다. 그러나, 제조 편차를 고려하여, 백색 LED(21), 파이버 페루울부(22b1) 등의 치수 공차분만큼, 백색 LED(21)와 파이버 페루울부(22b1)의 선단과의 거리를 벌려 둘 필요가 있다.
다음에, 실시의 형태 2에 관한 공초점 계측 장치(100)에 이용하는 백색 LED(21)에 관해 상세히 설명한다. 백색 LED(21)는, 형광체 방식의 것을 채용하고 있다. 형광체 방식의 백색 LED는, 청(靑) 또는 그보다도 파장이 짧은 발광 다이오드의 칩을 형광체로 덮은 구조로서, 칩으로부터의 출사광과 그것에 의한 형광체의 여기광을 얻음으로써 백색광을 얻고 있다.
도 13은, 형광체 방식을 채용한 백색 LED(21)의 분광 스펙트럼을 도시하는 도면이다. 도 13에 도시하는 분광 스펙트럼은, 청색의 부분(파장 440㎚ 부근)에 강한 강도를 갖는 성분과, 파장 500㎚ 내지 700㎚에 걸쳐서 매끈하게 강도가 변화하는 성분의, 2개의 성분을 포함하고 있다. 분광 스펙트럼이 강한 강도를 갖는 성분은, 칩으로부터의 출사광의 성분이고, 분광 스펙트럼이 매끈하게 강도가 변화한 성분은, 형광체의 여기광의 성분이다.
여기서, 본 발명의 실시의 형태 2에 관한 공초점 계측 장치(100)에서는, 파장축에 대해 균일에 가까운 강도 분포를 갖는 광원이 이상적이기 때문에, 분광 스펙트럼이 매끈하게 강도가 변화한 성분을 이용하는 것이 바람직하다. 분광 스펙트럼이 매끈하게 강도가 변화하는 성분의 피크(파장 560㎚당)에 대해, 반분(半分) 이상의 강도를 얻을 수 있는 파장을, 공초점 계측 장치(100)의 계측 영역(파장 520 내지 650㎚)으로 한다.
다음에, 본 발명의 실시의 형태 2에 관한 공초점 계측 장치(100)에서는, 안정된 측정 결과를 얻기 위해 백색 LED(21)의 발광 강도를 조정하고 있다. 즉, 공초점 계측 장치(100)는, 백색 LED(21)의 발광 강도가 너무 크면, 촬상 소자(24)의 수광 파형이 포화되어 버리기 때문에 올바른 피크를 얻을 수가 없고, 역으로 백색 LED(21)의 발광 강도가 너무 작으면, 촬상 소자(24)의 수광 파형이 노이즈에 묻혀 버리기 때문에 올바른 피크를 얻을 수가 없다.
또한, 백색 LED(21)의 분광 스펙트럼은, 전술한 바와 같이, 파장에 대해 발광 강도가 변화하여 일정하지가 않다. 그 때문에, 안정된 측정 결과를 얻기 위해 백색 LED(21)의 발광 강도를 조정할 필요가 있다.
도 14는, 촬상 소자(24)의 수광 파형과 임계치의 관계를 도시한 도면이다. 안정된 측정 결과를 얻기 위해, 촬상 소자(24)의 수광 파형의 피크가 제 1 임계치와 제 2 임계치의 사이가 되도록 백색 LED(21)의 발광 강도를 조정한다.
도 15는, 백색 LED(21)의 발광 강도를 조정하는 동작을 설명하기 위한 플로우 차트이다. 우선, 촬상 소자(24)는, 도 14에 도시하는 바와 같은 수광 파형을 받아들인다(스텝 S151). 다음에, 도 1에 도시하는 제어 회로부(25)는, 촬상 소자(24)에서 받아들인 수광 파형에 피크가 포함되어 있는지의 여부를 판단한다(스텝 S152). 제어 회로부(25)는, 촬상 소자(24)에서 받아들인 수광 파형에 피크가 포함되어 있지 않다고 판단한 경우(스텝 S152 : NO), 백색 LED(21)의 발광 강도가 커지도록, 투입 전류를 크게 하거나, 발광 펄스 폭을 넓게 하거나 한다(스텝 S153).
제어 회로부(25)는, 촬상 소자(24)에서 받아들인 수광 파형에 피크가 포함되어 있다고 판단한 경우(스텝 S152 : YES), 수광 파형의 피크가 도 14에 도시하는 바와 같은 제 1 임계치 이상인지의 여부를 판단한다(스텝 S154). 제어 회로부(25)는, 수광 파형의 피크가 제 1 임계치 이상이 아니다(제 1 임계치보다 작다)라고 판단한 경우(스텝 S154 : NO), 처리를 스텝 S153으로 진행하여, 백색 LED(21)의 발광 강도가 커지도록, 투입 전류를 크게 하거나, 발광 펄스 폭을 넓게 하거나 한다.
제어 회로부(25)는, 수광 파형의 피크가 제 1 임계치 이상이라고 판단한 경우(스텝 S154 : YES), 수광 파형의 피크가 도 14에 도시하는 바와 같은 제 2 임계치보다 작은지의 여부를 판단한다(스텝 S155). 제어 회로부(25)는, 수광 파형의 피크가 제 2 임계치보다 작지 않다(제 2 임계치 이상)고 판단한 경우(스텝 S155 : NO), 백색 LED(21)의 발광 강도가 작아지도록, 투입 전류를 작게 하거나, 발광 펄스 폭을 좁게 하거나 한다(스텝 S156).
제어 회로부(25)는, 수광 파형의 피크가 제 2 임계치보다 작다고 판단한 경우(스텝 S155 : YES), 처리를 종료한다.
이상과 같이, 본 발명의 실시의 형태 2에 관한 공초점 계측 장치(100)는, 도 15에 도시하는 플로우 차트와 같이 백색 LED(21)의 발광 강도를 조정함으로써, 백색 LED(21)의 파장에 의해 수광 파형의 피크가 변화하여도, 계측 대상물의 반사율에 의해 수광 파형의 피크가 변화하여도, 안정된 측정 결과를 얻을 수 있다.
또한, 도 15에 도시하는 플로우 차트에서는, 백색 LED(21)의 투입 전류를 조정하거나, 발광 펄스 폭을 조정하거나 함으로써, 백색 LED(21)의 발광 강도를 조정하는 경우에 관해 설명하였지만, 촬상 소자(24)의 촬상 시간이나 증폭률을 변화시켜서, 안정된 측정 결과를 얻도록 수광 파형의 피크를 조정하여도 좋다.
금회 개시된 실시의 형태는 모든 점에서 예시이고 제한적인 것은 아니라고 생각하여야 할 것이다. 본 발명의 범위는, 상기한 설명이 아니라, 특허청구의 범위에 의해 나타나고, 특허청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
1, 400 : 회절 렌즈 2 : 대물 렌즈
3, 23c : 집광 렌즈 4 : 스페이서
5 : 링 10, 10a : 헤드부
11, 22a, 22b, 22c : 광파이버 12 : 본체 유닛
13 : 대물 렌즈 유닛 14, 23e : 파이버 리셉터클
15 : 광커넥터 20 : 컨트롤러부
21 : 백색 LED 22 : 분기 광파이버
22b1, 22c1 : 파이버 페루울부 23, 230 : 분광기
23a : 요면 미러 23b : 회절 격자
23d : 콜리메이트 렌즈 23f : 분광기 베이스부
24 : 촬상 소자 25 : 제어 회로부
30 : 모니터부 100 : 공초점 계측 장치
200 : 계측 대상물 210 : 지지 몸체
211 : 파이버 잠그개 300 : 콜리메이트 렌즈

Claims (5)

  1. 공초점 광학계를 이용하여 계측 대상물의 변위를 계측하는 공초점 계측 장치로서,
    복수 파장의 광을 출사하는 광원과,
    상기 광원으로부터 출사하는 광에, 광축 방향에 따라서 색수차를 생기게 하는 회절 렌즈와,
    상기 회절 렌즈보다 상기 계측 대상물측에 배치되고, 상기 회절 렌즈에서 색수차를 생기게 한 광을 상기 계측 대상물에 집광하는 대물 렌즈와,
    상기 대물 렌즈에서 집광한 광 중, 상기 계측 대상물에서 합초하는 광을 통과시키는 핀 홀과,
    상기 핀 홀을 통과한 광의 강도를 파장마다 측정하는 측정부를 구비하고,
    상기 회절 렌즈의 초점 거리는, 상기 회절 렌즈의 설계 파장에서, 상기 회절 렌즈로부터 상기 대물 렌즈까지의 거리와 상기 대물 렌즈의 초점 거리와의 차보다 크며,
    설계 파장(λ0 )일 때, 대물 렌즈의 초점 거리(fo)와, 회절 렌즈의 초점 거리(fdo)로, 회절 렌즈로부터 대물 렌즈까지의 거리(b)는,
    Figure 112014027721514-pat00024

    의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 공초점 계측 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 회절 렌즈로부터 상기 대물 렌즈까지의 거리는, 상기 대물 렌즈의 초점 거리에 개략 동등한 것을 특징으로 하는 공초점 계측 장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 대물 렌즈가 교환 가능한 것을 특징으로 하는 공초점 계측 장치.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 회절 렌즈로부터 상기 측정부까지의 광로에 광파이버를 구비하고,
    상기 광파이버를 상기 핀 홀로서 이용하는 것을 특징으로 하는 공초점 계측 장치.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 회절 렌즈는, 유리 기판과, 상기 유리 기판의 적어도 한 면에 형성되고, 광축 방향에 따라서 색수차를 생기게 하는 패턴의 수지층을 갖는 것을 특징으로 하는 공초점 계측 장치.
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