(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元領域の形状を共焦点作用によって計測する形状計測装置であって、
光源からの出力光を受け伝送する伝送手段と、
該伝送手段から出射される出射光を前記３次元領域に対して入射光として集光する集光手段と、
該集光手段を移動させることで前記入射光の焦点位置を変化させる焦点位置変化手段と、
前記３次元領域から反射した反射光を前記伝送手段を介して受け前記反射光の強度に応じて被測定物の形状を計測する計測手段とを有し、
前記伝送手段は両端面がレンズ状に成形された光ファイバであり、
前記集光手段はテレセントリック光学系を用いた対物レンズであることを特徴とする形状計測装置。
【請求項２】
３次元領域の形状を共焦点作用によって計測する形状計測装置であって、
光源からの出力光を受けて伝送し、複数の出射光を出射する伝送手段と、
前記複数の出射光を前記３次元領域に対して複数の入射光として集光する１つの集光手段と、
前記入射光の焦点位置を変化させる焦点位置変化手段と、
前記３次元領域から反射した反射光を前記伝送手段を介して受け前記反射光の強度に応じて被測定物の形状を計測する計測手段とを有し、
前記伝送手段は、両端面がレンズ状に成形されている光ファイバを複数束ねたバンドルファイバからなり、
前記集光手段はテレセントリック光学系を用いた対物レンズであることを特徴とする形状計測装置。
【請求項３】
３次元領域の形状を共焦点作用によって計測する形状計測装置であって、
光源からの出力光を受けて伝送し、複数の出射光を出射する伝送手段と、
前記複数の出射光を前記３次元領域に対して複数の入射光として集光する集光手段と、
該集光手段を移動させることで前記入射光の焦点位置を変化させる焦点位置変化手段と、
前記３次元領域から反射した反射光を前記伝送手段を介して受け前記反射光の強度に応じて被測定物の形状を計測する計測手段とを有し、
前記伝送手段は、両端面がレンズ状に成形されている光ファイバを複数束ねたバンドルファイバからなり、
前記集光手段はテレセントリック光学系を用いた対物レンズであることを特徴とする形状計測装置。
【請求項４】
前記計測手段は、前記３次元領域で偏光した反射光のみを所定の方向に反射するビームスプリッタと、該ビームスプリッタにより反射された反射光の強度に応じた出力信号を出力するＣＣＤアレイとを含むことを特徴とする請求項２又は３記載の形状計測装置。
【請求項５】
前記ＣＣＤアレイは複数のＣＣＤ素子を有し、該ＣＣＤ素子は前記複数の光ファイバに対して一対一に対応していることを特徴とする請求項４記載の形状計測装置。
【請求項６】
前記光源の出力光を平行光に整形するコリメータレンズを前記光源の後段に設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の形状計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザと光ファイバとの組合せによる共焦点効果を用いた３次元形状計測装置に関し、特に、３次元形状を有する微小な領域の形状計測の際、その表面の材質にかかわらず精密、高速、かつ非接触で形状計測を行うことができる３次元形状計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、微小物体の３次元形状計測を行う手法として、光の干渉現象を用いるもの（以下、第１の手法という）、レーザビームのスポット光で物体表面を走査してその反射光の位置を計測するもの（以下、第２の手法という）、光学系の焦点位置を変化させて得られる画像のボケと焦点位置との関係を用いるもの（以下、第３の手法という）等の手法が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、第１の手法では、使用する参照光の波長以下の精度で物体表面の計測が行うことができるが、光の位相差を用いて計測を行っている関係上、物体形状が波長の１／２以上の大きさの段差を有する場合、位相が不連続になってしまう。このため、第１の手法を用いた際には、計測レンジが狭くなるという問題点がある。さらに、第１の手法では、複数の干渉画像が必要であり、画像処理も不可欠であるため計測に時間がかかるという問題点もある。
【０００４】
第２の手法では、レーザビームのスポット光走査は、基本的には１点の三角測量を平面内で繰返し行うものであり、レーザビームをガルバノミラー等で走査させる必要があり、構造が複雑になる。また、平面内での分解能はレーザビームのスポット光に依存しており、精度を上げると極端に測定レンジが狭くなるという問題点がある。
【０００５】
第３の手法においては、比較的高速に３次元計測を行うことができるが、一般に、画像のボケを検出することが困難であり、その精度が限られてしまう。また、第３の手法において、精度を上げるために画像処理を用いると、計測時間が増大するという問題点がある。
【０００６】
これらの手法に対して、光学系の焦点位置にピンホールを設置する手法がある。この手法では、ピンホールによって、被測定物からの反射光強度がその光軸方向の位置で非常に感度が高いという共焦点の原理を用いている。この手法では、高さ方向に被測定物の位置を変化させて、ピンホール通過光の強度を測定すると、３次元形状を得ることができる。
【０００７】
しかしながら、ピンホールを設置する手法は、基本的にはスポットによる点の計測であり、２次元的にガルバノミラー等で走査する必要がある。
【０００８】
本発明の課題は、共焦点の原理を用いて平面内を一括に走査して計測時間を短縮することのできる微小３次元形状計測装置を提供することにある。
【０００９】
本発明の他の課題は、簡単な構成を備える微小３次元形状計測装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の形態によれば、３次元領域の形状を共焦点作用によって計測する形状計測装置であって、光源からの出力光を受け伝送する伝送手段と、該伝送手段から出射される出射光を前記３次元領域に対して入射光として集光する集光手段と、該集光手段を移動させることで前記入射光の焦点位置を変化させる焦点位置変化手段と、前記３次元領域から反射した反射光を前記伝送手段を介して受け前記反射光の強度に応じて被測定物の形状を計測する計測手段とを有し、前記伝送手段は両端面がレンズ状に成形された光ファイバであり、前記集光手段はテレセントリック光学系を用いた対物レンズであることを特徴とする形状計測装置が提供される。
【００１１】
本発明の第２の形態によれば、３次元領域の形状を共焦点作用によって計測する形状計測装置であって、光源からの出力光を受けて伝送し、複数の出射光を出射する伝送手段と、前記複数の出射光を前記３次元領域に対して複数の入射光として集光する１つの集光手段と、前記入射光の焦点位置を変化させる焦点位置変化手段と、前記３次元領域から反射した反射光を前記伝送手段を介して受け前記反射光の強度に応じて被測定物の形状を計測する計測手段とを有し、前記伝送手段は、両端面がレンズ状に成形されている光ファイバを複数束ねたバンドルファイバからなり、前記集光手段はテレセントリック光学系を用いた対物レンズであることを特徴とする形状計測装置が提供される。
【００１２】
本発明の第３の形態によれば、３次元領域の形状を共焦点作用によって計測する形状計測装置であって、光源からの出力光を受けて伝送し、複数の出射光を出射する伝送手段と、前記複数の出射光を前記３次元領域に対して複数の入射光として集光する集光手段と、該集光手段を移動させることで前記入射光の焦点位置を変化させる焦点位置変化手段と、前記３次元領域から反射した反射光を前記伝送手段を介して受け前記反射光の強度に応じて被測定物の形状を計測する計測手段とを有し、前記伝送手段は、両端面がレンズ状に成形されている光ファイバを複数束ねたバンドルファイバからなり、前記集光手段はテレセントリック光学系を用いた対物レンズであることを特徴とする形状計測装置が提供される。
【００１３】
第１〜第３の形態において、前記光源にはハロゲン光源又は半導体レーザが使用される。
【００１６】
第１〜第３の形態において、前記焦点位置変化手段はボイスコイルモータで実現できる。
【００１７】
第２、第３の形態において、前記計測手段は、前記３次元領域で偏光した反射光のみを所定の方向に反射するビームスプリッタと、該ビームスプリッタにより反射された反射光の強度に応じた出力信号を出力するＣＣＤアレイとを含み、この場合、前記ＣＣＤアレイは複数のＣＣＤ素子を有し、該ＣＣＤ素子は前記複数の光ファイバに対して一対一に対応している。
【００１８】
第１〜第３の形態において、前記光源の出力光を平行光に整形するコリメータレンズを前記光源の後段に設けても良い。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１を参照して、本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１において、本形態による微小３次元形状計測装置は、半導体レーザ又はハロゲン光源（以下、単に光源という）１、バンドルファイバ２、ＣＣＤアレイ３、コリメータレンズ４、ビームスプリッタ５、対物レンズ６、集光レンズ７、及びワークステージ８を備えており、ワークステージ８には測定対象物（ワーク）が配置される。
【００２０】
図示の計測装置では、光源１からの出力光は、均一化を図るためにコリメータレンズを用いた集光レンズ４によって平行光に整形されて、バンドルファイバ２に入射される。
【００２１】
バンドルファイバ２は光の偏光を保存する偏波保存ファイバを等間隔で２次元状に束ねたものであり、ＣＣＤアレイ３はＣＣＤ素子を２次元に配列したもので、縦横の素子数はバンドルファイバ２のそれぞれの本数と１対１に対応している。
【００２２】
対物レンズ６はテレセントリック光学系を用いており、平行に入射された光を平行光のまま集光することができる。対物レンズ６はボイスコイルモータ等により上下に駆動され、これによって、ワークステージ８上において焦点位置を変化させることができる。
【００２３】
ビームスプリッタ５として、例えば、偏光フィルタが用いられており、測定対象物で反射して入射光から９０度偏光した反射光のみをビームスプリッタ５で反射させて、集光レンズ７へ反射光を入射させる。
【００２４】
バンドルファイバ２から出射された反射光は集光レンズ７によってＣＣＤアレイ３上に集光される。入射する光の強さによりＣＣＤアレイ３の各素子の出力は変化する。そして、ＣＣＤアレイ３の各素子の出力は、判定手段としてのパソコン（ＰＣ）等により処理されて形状が判定される。
【００２５】
図２を参照して、共焦点の原理について説明する。図示の例では、光源２１から出射された光がピンホール２２を通り、光学系（ビームスプリッタ２３及びレンズ２４及び２５等）を経て測定対象物にあたり、その反射光が再び光学系を戻り、ビームスプリッタ２３を経てピンホール２６を通り光検出器２７に至る構成となっている。そして、ピンホール２６は光学系の光源側の焦点の位置に設置されている。測定対象物が光学系の焦点の位置にあるとき、ピンホール２６を通過する戻り光は最大となる。
【００２６】
一方、測定対象物が光学系の焦点から外れた位置にある場合、ピンホール２６を戻る戻り光は大部分がピンホール周囲の壁にさえぎられ全体として光量は急激に減少する。その光の強度は高さｚの関数として以下の数１で表すことができる。数１で、｜Ｖ（ｚ）｜2 は光の強度、ｋは波数、ｓｉｎθは対物レンズの開口数である。
【００２７】
【数１】
0003726028.tif 000002
【００２８】
ここで、高さｚを変化させたときの光強度の変化の様子の一例を図３に示す。図３から、光学系の焦点近傍において、高さ方向の感度が非常に高いことがわかる。このような特性をＯｐｔｉｃａｌ  Ｓｅｃｔｉｏｎｉｎｇ特性と呼ぶ。本発明ではこの原理を用いて被測定物の高さ方向の測定を行う。
【００２９】
図１において、バンドルファイバ２の各ファイバの両端面はそれぞれ凸レンズ状に研磨されている。そして、各ファイバ端面はピンホールの働きをする。対物レンズ６とバンドルファイバ２の各端面と集光レンズ７によって形成されるレンズ系の焦点は予めＣＣＤアレイ３の位置に結ぶように設置されている。
【００３０】
なお、各ファイバの両端を凸レンズ状に成形する代わりに、バンドルファイバの両端面側にマイクロレンズアレイを設けても良い。その際、マイクロレンズアレイの各レンズとバンドルファイバの各ファイバを一対一に対応させる。
【００３１】
対物レンズ６を上下に移動させることによって、測定対象物物上にバンドルファイバ２内のあるファイバに対応したレンズ系が焦点を結んだ際に、共焦点効果によって、そのファイバに対応したＣＣＤアレイ３内の素子に強い反射光が入射される。また、対物レンズ６が別の位置にあるときに、同様に、ＣＣＤアレイ３内のある素子上で強い反射光が入射される。この対物レンズ６の移動とＣＣＤアレイ３の読み取りを同期させて、対物レンズ６の位置に対応したＣＣＤ素子で観察された画像が複数枚取得される。
【００３２】
例えば、図４に示されるような突起状の測定対象物上に対物レンズ６を移動させて焦点を結ばせた場合には、対物レンズ６の位置Ａ、位置Ｂ、及び位置Ｃに対応した図５のような大きさの異なる環状の画像が得られる。
【００３３】
図５のように、ＣＣＤアレイ３内の素子のうち強い反射光の素子を結ぶと被測定物の等高線を描くことができる。得られたすべてのＣＣＤ素子による画像を合成することで被測定物の高さ方向の分布を得る。この得られた分布図の各等高線と対物レンズの位置を対応させることによって、測定対象物の３次元形状を得ることができる。
【００３４】
得られた３次元画像の平面内の分解能はバンドルファイバ２に使用するファイバの径に依存するが、対物レンズ６及び集光レンズ７の倍率により調整することが可能であり、ＣＣＤアレイの素子間のピッチには直接影響は受けない。
【００３５】
図示の計測装置では、原理的に反射光の強度の絶対値は重要ではないので、測定対象物の表面の反射率の影響は受けにくいため、測定対象の範囲が広い。
【００３６】
なお、ＣＣＤアレイの代替品としてフォトダイオードアレイを用いることも可能である。この場合、個々のフォトダイオード出力の直線性が重要になる。
【００３７】
上述のように、従来の共焦点の原理を用いた手法は高精度ではあるが、全面を走査する際に時間がかかり、平面内の分解能はワークステージの駆動分解能に影響される。また、平面内を一括に走査する際、光学系が複雑になり、装置自体が高価となる。
【００３８】
これに対して、本発明による計測装置では、３次元形状を有する微小な領域の形状計測を行う際、平面内を一括で走査することができるばかりでなく、質量の軽い対物レンズを移動させるようにしたから、計測時間を短縮できる。加えて、光ファイバを使用するようにしたから、装置の設置自由度が大きくなる。
【００３９】
以上、本発明の実施の形態を、光伝送手段としてバンドルファイバ２を使用する、請求項２に対応する場合について説明したが、本発明による計測装置は図１に示される構成に限定されるものではない。例えば、バンドルファイバ２は他の光伝送手段、例えば１本の光ファイバに置き換えられても良い。この場合にも、光ファイバの両端面は凸レンズ状に成形されていることが好ましい。また、測定対象物側の集光手段としての対物レンズ６も必ずしも１つのレンズで実現する必要はない。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、３次元形状を有する微小な領域の形状計測を行う際、平面内を一括で走査することができるばかりでなく、質量の軽い対物レンズを移動させるようにしたから、計測時間を短縮できるという効果がある。
【００４１】
加えて、本発明では、光ファイバを使用するようにしたから、装置の設置自由度が大きくなるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による３次元形状計測装置の一例を示す図である。
【図２】図１に示す３次元形状計測装置の動作原理ついて説明するための図である。
【図３】図２に示す例において、高さ（ｚ）を変化させた際の光強度変化の様子を示す図である。
【図４】図１に示された計測装置において対物レンズを移動させて測定対象物上に焦点を結ばせた場合の作用を説明するための図である。
【図５】図４に示された対物レンズの移動により得られるＣＣＤアレイの画像の例を示した図である。
【符号の説明】
１  半導体レーザ又はハロゲン光源（光源）
２  バンドルファイバ
３  ＣＣＤアレイ
４  コリメータレンズ
５  ビームスプリッタ
６  対物レンズ
７  集光レンズ
８  ワークステージ
【図１】
0003726028.tif 000003
【図２】
0003726028.tif 000004
【図３】
0003726028.tif 000005
【図４】
0003726028.tif 000006
【図５】
0003726028.tif 000007