(57)【要約】      （修正有）【課題】一軸の走査のみでＸＹＺの三軸分の走査が可能な、簡素でかつ高速な共焦点三次元計測装置を提供する。【解決手段】一軸の移動テーブル１０１に共焦点開口アレイ１０３と、くさび型の空間を内部に有する移動プリズム１０４を取付け、移動テーブル１０１の外部にくさび型の頂角を有する固定プリズム１０５を設ける。移動テーブル１０１の移動により開口のＸＹ走査が実現されまた同時に、移動プリズム１０４と固定プリズム１０５のペアにより等価平行平面基板の厚さが変化し、焦点移動（Ｚ走査）も同時に実現される。【選択図】図１
2014142183.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一軸の移動軸を有する移動テーブルと、
前記移動テーブルに取り付けられて前記移動テーブルとともに移動する多数の共焦点開口を有する開口アレイと、
前記移動テーブルに取り付けられて前記移動テーブルとともに移動する移動プリズムと、
前記移動プリズムと組み合わせることで等価的な平行平面基板を構成するように前記移動テーブル外に設置された固定プリズムとから構成され、前記移動テーブルの移動に伴い前記等価的な平行平面基板の厚さが変化することを特徴とする共焦点スキャナ。
【請求項２】
前記移動テーブルに取り付けられて前記移動テーブルとともに移動する、前記開口アレイへの異物付着防止のための少なくとも１枚の保護透明板、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の共焦点スキャナ。
【請求項３】
前記開口アレイはピンホールアレイであり、共焦点効果が発揮されるように各ピンホールを間隔Ｐごとに設け、移動方向に隣り合うピンホールは移動方向に直交する方向に微小距離ＳずらしてかつＰ／Ｓが整数となるように配置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の共焦点スキャナ。
【請求項４】
前記開口アレイはスリットアレイであり、各スリット間は共焦点効果が発揮されるように移動方向に一定間隔Ｐを空けて配置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の共焦点スキャナ。
【請求項５】
前記移動プリズムおよび前記固定プリズムの一方は、
互いに等しい角度で互いに逆方向に前記移動テーブルの移動軸に対して傾斜した２つの面を有するプリズムであり、
前記移動プリズムおよび前記固定プリズムの他方は、
直方体形状の部材に対して、前記一方のプリズムが挿抜可能な開口部であって互いに等しい前記角度で互いに逆方向に前記移動テーブルの移動軸に対して傾斜した２つの面に挟まれた開口部が形成された形状を有するプリズムであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の共焦点スキャナ。
【請求項６】
前記等価的な平行平面基板は、
前記移動テーブルの移動に伴い前記一方のプリズムが前記他方のプリズムの前記開口部に対して挿抜されることにより厚さが変化することを特徴とする請求項５記載の共焦点スキャナ。
【請求項７】
光を利用した計測装置において、
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の共焦点スキャナと、
像面位置に前記開口アレイが配置された対物レンズと、
前記対物レンズの有効像面全体を照射する照明光学系と、
計測物体で反射して前記対物レンズに入射し、前記開口アレイを通過した物体反射光を前記照明光学系とは異なる方向へ偏向する偏向光学素子と、
前記偏向光学素子により偏向した前記物体反射光を受光して光電変換し画像信号として出力する２次元検出器と、
前記開口アレイの像を、前記偏向光学素子を介して前記２次元検出器上に結像せしめる結像光学系と、
前記２次元検出器の出力をデジタル信号として入力し、得られた一連の焦点位置の異なるデータを用いて、最大値を与える焦点位置を探索し、探索した焦点位置よりその点の高さを特定する画像処理装置とにより構成され、
前記開口アレイおよび前記移動プリズムは前記移動テーブルにより一定速度で移動させられ、移動中に複数回前記２次元検出器により画像取得され、前記２次元検出器の１回の露光時間は、前記開口アレイ移動方向の開口配列周期の整数倍の移動時間と同じになるよう設定することを特徴とする光学的計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を利用した計測装置に関する。特に、共焦点光学系を用いて、物体の三次元計測あるいは表面形状計測を行う装置の高速化、簡素化に関する。
【背景技術】
【０００２】
共焦点光学系を用いて画像を撮る（以下では共焦点光学系による画像を共焦点画像と呼ぶことにする）と、ピントが合わずぼけて広がった光は画像化されず、ピントの合った部分の光だけが画像化される。一般の結像光学系ではピントが合わずぼけた光は像面上に広がり画像を劣化させるが、共焦点光学系ではそのようなことがない（あるいは非常に少ない）ため、コントラストの高いシャープな画像が得られる。また、ピントの合った部分の光だけが画像化される特徴を用いて撮像物体の三次元形状が計測可能なことでも知られており、このような特徴を生かして、近年その産業界への適用が広がりつつある。
【０００３】
共焦点光学系（反射型）の基本構造を図７に示す。点光源７０１から射出された光は対物レンズ７０３により集光され、物体に投影される。物体から反射して再び対物レンズ７０３に入射した光はハーフミラー７０２を介して点光源７０１と光学的に同じ位置にあるピンホール７０４に入射し、ピンホール７０４を通過した光の量が検出器７０５により検知される。これが共焦点光学系の基本的な構造である。
【０００４】
この光学系を利用することにより次のようにして物体表面の各位置の高さが計測できる。物体表面が点光源７０１に共役な位置にある場合、反射光は同じく共役な位置であるピンホール７０４面に収束し多くの反射光がピンホール７０４を通過する。しかし物体表面が点光源７０１に共役な位置から離れると、ピンホール７０４を通過する光量は急速に減少する。このことから物体と対物レンズ７０３との距離を変化させて検出器７０５が最大出力を示す点を見つければ物体表面の高さがわかることになる。
【０００５】
共焦点光学系は基本的に点検出の光学系であるため、共焦点画像を得るためには一般にＸＹの走査を行う必要がある。ＸＹ走査の方法としてはレーザービーム走査または螺旋状のピンホール列を多数有するＮｉｐｋｏｗ  ｄｉｓｋと呼ばれる回転円盤を用いた走査が一般的であり、これらの走査手法を使って共焦点画像を得る光学系は、共焦点顕微鏡として知られている。
【０００６】
共焦点顕微鏡を使った三次元計測も、基本的には先ほどの点計測型の共焦点光学系を用いた高さ計測と同じで、物体と対物レンズ７０３との距離を変化させて検出器７０５が最大出力を示す点を見つける訳であるが、物体と対物レンズ７０３との距離を変化させるごとに得られるデータは物体表面１点のデータではなく、２次元的な画像データであり、最大出力位置は画像データの画素ごとに求める、という点で異なっている。
【０００７】
具体的には、高さ計測の分解能をａとすると、物体と対物レンズ７０３との距離をａずつ変化させる毎に共焦点画像を取得、保存し、光軸方向計測範囲すべてを走査（つまり物体と対物レンズ７０３との距離を変化）し終わった後、画素毎に最も検出器７０５の出力が大きい画像の位置を探索することで、画素毎に物体表面の位置を求めることができ、三次元的な形状計測データが得られることになる。特許文献１には、物体と対物レンズの距離を光学的に変化させる方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特願平７−２３７９４７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のように、共焦点光学系による三次元計測では、結局ＸＹＺの三軸全ての走査を行う必要がある。そのため構造が複雑・大規模となり高コスト化を招いている。また計測速度の観点からも高速化を求められている。
【００１０】
このような状況を鑑み、本発明は簡素でかつ高速な共焦点三次元計測装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、少なくとも一軸の移動軸を有する移動テーブルと、前記移動テーブルに取り付けられて移動する多数の共焦点開口を有する開口アレイと、前記移動テーブルの移動軸に対し互いに逆方向に同じ角度で傾斜した対面する２つの面を有し、前記移動テーブルに取り付けられて移動する移動プリズムと、前記移動テーブルの移動軸に対し前記移動プリズムと正確に同じ角度で互いに逆方向に傾斜した対面する２つの面を有し、前記移動テーブル外に設置され移動しない固定プリズムとから構成され、前記移動プリズムと前記固定プリズムとを組み合わせることで等価的な平行平面基板となり、前記移動テーブルの移動に伴い等価的な平行平面基板の厚さが変化することを特徴とする共焦点スキャナを構成する。
【００１２】
もしくは、前記移動テーブルに取り付けられて前記移動テーブルとともに移動する、前記開口アレイへの異物付着防止のための少なくとも１枚の保護透明板、をさらに備えた共焦点スキャナを構成する。
【００１３】
前記開口アレイはピンホールアレイであり、共焦点効果が発揮されるように各ピンホールを間隔Ｐごとに設け、移動方向に隣り合うピンホールは移動方向と直交する方向に微小距離ＳずらしてかつＰ／Ｓが整数となるように配置する。
【００１４】
また、前記開口アレイはピンホールアレイに代えたスリットアレイであり、各スリットは共焦点効果が発揮されるように移動方向に一定間隔Ｐを空けて配置する。
【００１５】
前記移動プリズムおよび前記固定プリズムの一方は、互いに等しい角度で互いに逆方向に前記移動テーブルの移動軸に対して傾斜した２つの面を有するプリズムであり、前記移動プリズムおよび前記固定プリズムの他方は、直方体形状の部材に対して、前記一方のプリズムが挿抜可能な開口部であって互いに等しい前記角度で互いに逆方向に前記移動テーブルの移動軸に対して傾斜した２つの面に挟まれた開口部が形成された形状を有するプリズムである。
【００１６】
前記前記等価的な平行平面基板は、前記移動テーブルの移動に伴い前記一方のプリズムが前記他方のプリズムの前記開口部に対して挿抜されることにより厚さが変化する。
【００１７】
前記の共焦点スキャナと、像面位置に前記開口アレイが配置された対物レンズと、前記対物レンズの有効像面全体を照射する照明光学系と、計測物体で反射して前記対物レンズに入射し、前記開口アレイを通過した物体反射光を前記照明光学系とは異なる方向へ偏向する偏向光学素子と、前記偏向光学素子により偏向した前記物体反射光を受光して光電変換し画像信号として出力する２次元検出器と、前記開口アレイの像を、前記偏向光学素子を介して前記２次元検出器上に結像せしめる結像光学系と、前記２次元検出器の出力をデジタル信号として入力し、得られた一連の焦点位置の異なるデータを用いて、最大値を与える焦点位置を探索し、探索した焦点位置をその点の高さを特定する画像処理装置とにより構成され、前記開口アレイおよび前記移動プリズムは前記移動テーブルにより一定速度で移動させられ、移動中に複数回前記２次元検出器により画像取得され、前記２次元検出器の１回の露光時間は、前記開口アレイ移動方向の開口配列周期の整数倍の移動時間と同じになるよう設定するようにする。
【発明の効果】
【００１８】
以上のように構成することで、一軸の走査のみでＸＹＺの三軸分の走査が可能となり簡素で低コスト、そして高速な共焦点三次元計測装置が実現できる。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下では、本発明を具体的に実施するにあたり最良と思われる実施形態について述べる。
【００２０】
まず、本発明の共焦点スキャナを具現化した実施形態の例を、図１〜図４を参照して説明する。
【００２１】
図１に示すように本発明の共焦点スキャナは、一軸の移動テーブル１０１と、その移動テーブル１０１上に取り付けられたブラケット１０２に開口アレイ１０３と移動プリズム１０４と、移動テーブル１０１とは独立して設けられる固定プリズム１０５より構成される。
【００２２】
開口アレイ１０３は、図２に示すようにピンホールアレイとなっており各ピンホール相互間の間隔Ｐは、共焦点の効果が出るようにピンホール直径の数倍程度に設定される。図２に示すように移動軸方向に隣り合うピンホールは、移動軸に垂直な方向に微小距離Ｓずらして配置される。
【００２３】
距離Ｐとずらし量Ｓとを、Ｐ／Ｓが整数となるように設定することで、移動方向にＰ／Ｓ個分、つまりＰ×（Ｐ／Ｓ）毎の周期構造となる。
【００２４】
ずらし量Ｓは出来るだけ小さい方が移動に直交する方向の走査が細かくなるが、対物レンズの分解能から考えて無駄に細かくする必要はなく、ピンホールの半径分程度でＰ／Ｓが整数となる量に設定するのが良い。
【００２５】
開口アレイ１０３はそのままでは非開口部分の透過光（情報）が得られないことになるが、上記の周期Ｐ×（Ｐ／Ｓ）だけ移動することで開口アレイ１０３全面がくまなく走査され、全面の情報を得ることが出来る。
【００２６】
ここで、移動テーブル１０１を一定速度ｖで移動させれば、任意のタイミングの（Ｐ×Ｐ／Ｓ）／ｖ時間で上記全面走査が行われることになる。これでＸＹ走査が１軸で実現できたことになる。
【００２７】
また、開口アレイ１０３とともに移動する移動プリズム１０４は、たとえば図１に示すように、２つのくさび型のプリズムを互いに斜面が向かい合うように組み合わせた形状を有し、斜面間にＶの字型の空間を有する。一方、移動テーブル１０１とは独立に設けられて物体に対して移動しない固定プリズム１０５は、移動プリズム１０４の斜面どうしがなすＶの字の角度と同一の角度の頂角を持つくさび型の形状を有する。移動プリズム１０４と固定プリズム１０５とを組み合わせて用いることで等価的な平行平面基板が形成される。この等価平行平面基板は移動プリズム１０４の移動に伴い、厚さが変化することになる。なお、移動プリズム１０４の斜面どうしがなすＶの字の頂角の２等分面と固定プリズム１０５の頂角の２等分面とは一致させておくことが好ましい。
【００２８】
ここで云うくさび型とは、図８（１）に示すような断面形状を有する三角柱あるいは図８（２）に示すように対面する長辺が平行でない断面形状を有する四角柱を主に意味しているが、重要なことは対面する長辺が平行でない断面形状と云うことであって、図８（３）に示すように短辺部分の形状は限定されない。
【００２９】
図３に示すように一般に結像レンズの焦点位置は、結像レンズの光路中に挿入された平行平面基板の厚さにより変化させることが出来る。すなわち平行平面基板の厚さ変化により焦点移動＝Ｚ走査をすることが出来る。平行平面基板の厚さ変化は、くさび型プリズムを組み合わせて使うことにより実現できる。くさび型プリズムを一つだけ使っても焦点変化は可能であるが、結像光学系に対して致命的な収差を与えることになる。図９に示すように２つのくさび型プリズムを組み合わせて平行平面基板として使えば収差は小さく抑えることができるが、移動テーブル１０１の移動に伴いプリズム間の空間の距離が変化することから、光線がシフトしてしまう。図１に示す移動プリズム１０４と固定プリズム１０５の組み合わせにおいては、図９のくさび型プリズムペアが反対方向に２段組み合わされたと同等の構造となっており、プリズム間の空間の距離の変化による光線のシフトが再度もとに戻され補償される構造となっている。
【００３０】
当然のことながら、移動プリズム１０４と固定プリズム１０５は組み合わさって等価平行平面基板を構成すればよいから、逆であってもかまわない。つまり、くさび型の頂角を有するプリズムが移動プリズム１０４であり、Ｖ字型の空間を有するプリズムが固定プリズム１０５であっても良い。すなわち、移動プリズム１０４および固定プリズム１０５の一方が、互いに等しい角度で互いに逆方向に移動テーブル１０１の移動軸に対して傾斜した対向する２つの面を有するよう構成され、かつ、他方が、このプリズムが挿抜可能な開口部（開口空間）が直方体形状の部材に対して形成された形状を有するよう構成されていればよい。このとき、直方体形状の部材に形成された空間は、空間に挿抜されるプリズムが有する２つの対向面と同一の互いに等しい角度で互いに逆方向に移動テーブル１０１の移動軸に対して傾斜した２つの面に挟まれた空間とするとよい。たとえば、この空間の形状は、空間に挿抜されるプリズムと相似形をなすとよい。また、当該空間は直方体形状の部材を分断するように形成してもよく、この場合、直方体形状の部材は２つのプリズムに分けられる。このとき、２つのプリズムのそれぞれは、挿抜されるプリズムと対向する面の反対面が移動テーブル１０１の移動軸に対して平行となるように形成されるとよい。このように構成された移動プリズム１０４および固定プリズム１０５がなす等価的な平行平面基板は、移動テーブル１０１の移動に伴って、一方のくさび形のプリズムが他方の嵌合可能な空間に挿抜されることになり、その等価的な厚さが変化することになる。
【００３１】
また、ここでは移動プリズム１０４と固定プリズム１０５の２つのプリズムとしているが、前記のように図９のくさび型プリズムペアを２段に重ね４個のプリズムで構成しても良い。
【００３２】
以上のことから、移動テーブル１０１を一定速度で移動させると、ＸＹ方向の走査とＺ方向の走査を同時に行うことが出来ることになる。
【００３３】
また、開口アレイ１０３は、例えば図４のようなスリットアレイとすることも出来る。スリットアレイでは移動方向に垂直な方向には走査をする必要がないので、スリットピッチＰがそのまま周期となる。
【００３４】
また、開口アレイ１０３はゴミ等の異物の付着があると致命的であるため、異物が付着しないようにする対策が不可欠である。そのため、図１に示すように移動テーブル１０１上に保護透明板１０６を設ける必要がある。保護透明板１０６上に、例えばクロムの不透明膜が蒸着されていて、リソグラフィの技術により開口アレイ１０３をパターニングしているような場合は開口アレイ１０３の片側に関しては敢えて保護透明板１０６を設ける必要は無い。また、もう片側の保護は、移動プリズム１０４にその役割を担わせることも可能である。
【００３５】
次に、上記の共焦点スキャナを用いた共焦点三次元計測装置の一例を示す。図５を用いて説明する。
【００３６】
光源５０１からの光は、照明光学系５０２により最適な状態で開口アレイ１０３を照明する。光源５０１は、レーザのようなコヒーレントな光源でも使用可能であるし、インコヒーレントな熱光源であっても良い。ただ、それぞれ最適な光学系は異なる。照明光のコヒーレント性は共焦点光学系においては不必要なので、レーザを使用する場合はインコヒーレント化するような機構が照明光学系５０２内部に設けられることになる。
【００３７】
開口アレイ１０３を透過した照明光は、共焦点スキャナの移動プリズム１０４を通過し、更に固定プリズム１０５を通過した後、再度移動プリズム１０４を通過して対物レンズ５０３に入射する。対物レンズ５０３の結像作用により照明光は開口アレイ１０３の像となって物体５０４を照明する。物体５０４で反射した照明光は反射光となって対物レンズ５０３に入射し再び対物レンズ５０３の結像作用により像空間で結像し、一部あるいはそのほぼ全部が開口アレイ１０３の開口を通過することになる。
【００３８】
開口アレイ１０３を通過した反射光は、照明光学系５０２の内部または照明光学系５０２と開口アレイ１０３との間に設けられた偏向光学素子５０５により偏向され、結像光学系５０６を介して２次元検出器５０７に到達する。結像光学系５０６は開口アレイ１０３の像を２次元検出器５０７上に結像するように配置されている。
【００３９】
２次元検出器５０７で検出された物体５０４からの反射光は、光電変換されて画像データ（２次元データ）として出力され画像処理装置５０８に格納され、その後、演算により物体の三次元情報に変換される。
【００４０】
通常は、開口アレイ１０３で反射した照明光が２次元検出器５０７の方に行くことを防ぐために偏向光学素子５０５として偏光ビームスプリッタを用い、また、対物レンズ５０３内部あるいは対物レンズ５０３と物体５０４の間にλ／４位相差板５０９を挿入するのが一般的である。
【００４１】
開口アレイ１０３で反射した照明光はまったくの不要光であり、一方で物体５０４からの信号光である反射光は必ずしも強度的に大きいものではないことから、出来るだけ完全に除去する必要がある。上記のような構成にすれば、照明光は偏光ビームスプリッタである偏向光学素子５０５で直線偏光となり開口アレイ１０３で反射しても偏向光学素子５０５で偏向されることなくそのまま直進透過して２次元検出器５０７の方に行くことはない。一方、開口アレイ１０３を通過した直線偏光照明光は、λ／４位相差板５０９を一度通過した時点で円偏光となり、物体５０４で反射して再びλ／４位相差板５０９を通過すると照明光と直交する方向の直線偏光に変換され、偏向光学素子５０５で偏向されて２次元検出器５０７に到達できる。
【００４２】
さらに、より完全に開口アレイ１０３で反射した照明光を除去するために、偏光ビームスプリッタである偏向光学素子５０５とは別に、照明光学系５０２内に偏光板を設けさらに結像光学系５０６内に検光子を設ける場合もありうる。
【００４３】
近年は、光学素子表面の反射をほぼ完全になくすことが可能な無反射表面処理なども開発されてきていることから、このような偏光素子を使った対策は必ずしも必要ではない。
【００４４】
以上の構成で、実際の計測時にどのように動作するのかを以下に述べていく。
【００４５】
計測動作のスタートは、共焦点スキャナの移動テーブル１０１の移動開始で始まる。移動テーブル１０１が加速され所定の速度に達し安定すると画像データ取得が開始される。
【００４６】
画像データ取得は、いわゆるビデオカメラである２次元検出器５０７の各センサ画素が露光され、露光で光電変換された電荷量に応じた画素毎の電気信号が画像データとして出力され画像処理装置５０８に格納されることを意味している。
【００４７】
このとき、露光の時間を開口アレイ１０３の周期構造の一周期分あるいはその倍数分に移動テーブル１０１が移動する時間に設定すると、ＸＹに完全に走査された共焦点画像を得ることが出来る。以下具体的に示す。
【００４８】
開口アレイ１０３を図２で示したピンホールアレイタイプとすると一周期はＰ×Ｐ／Ｓであるから、移動テーブルの定速時の速度をｖとすると露光時間Ｔは（Ｐ×Ｐ／Ｓ）／ｖに設定する。あるいはその倍数Ｎ×（Ｐ×Ｐ／Ｓ）／ｖに設定する。Ｎは自然数である。このように設定すると開口アレイ１０３のピンホールが、移動方向のあらゆる位置で均等な時間存在することになり、また、移動方向に直交する方向に関してもピンホール間隔Ｐの間をＰ／Ｓライン分走査することになり、完全なＸＹ走査を実現できる。移動テーブル１０１が定速で移動中であれば任意のタイミングでＸＹ走査された共焦点画像を取得することが出来る。条件は露光時間をＴとすることだけである。
【００４９】
一方、移動プリズム１０４と固定プリズム１０５は、それらを通過する結像光束に対して、等価的に平行平面基板と見なすことが出来る。ここで移動テーブル１０１が移動するとそれに伴って平行平面基板の厚さが連続的に変化することになる。前記のように、結像レンズの光路中で平行平面基板の厚さが変化すると、焦点位置が移動することになるから、この装置においては対物レンズ５０３の焦点位置が移動しＺ走査が実現される。移動テーブル１０１の速度が一定であれば時間に比例して厚さが変化することになり、焦点位置が等速で変化することになる。
【００５０】
以上のことから、移動テーブル１０１がスタートして加速後定速状態になった後、等時間間隔で画像を複数枚取得すると、焦点位置が一定間隔で変化した一連の共焦点画像を得ることが出来ることになり、一軸の移動のみでＸＹＺ三軸の走査が実現できたことになる。画像取得後は、画像処理装置５０８により三次元計測演算が可能となる。
【００５１】
三次元計測演算は、焦点位置が一定間隔で変化した一連の共焦点画像を用いて、画素毎に最大値となる共焦点画像を探索処理することにより実現される。最大値を与える共焦点画像が得られた焦点位置に物体表面（あるいは界面）が存在することになるので、Ｚ方向の位置すなわち高さを特定できる。
【００５２】
一定間隔で焦点位置を変えた共焦点画像を得る場合に、必ずしも必要計測精度間隔で画像を取得する必要はない。比較的粗い焦点位置変化間隔であっても内挿処理により、間隔を超える精度で物体の表面（あるいは界面）の位置を特定することは可能である。
【００５３】
また、分かり易く焦点位置間隔を一定と上記では示したが、これは絶対要件ではない。間隔がバラバラであっても物体の表面（あるいは界面）の位置を特定することは可能である。
【００５４】
以上のように、一軸の移動のみでＸＹＺ三軸の走査が実現できたが、Ｚの移動は連続的であることから、２次元検出器５０７の露光時間中にも焦点位置が変化していると考えられる。そのため、得られる共焦点画像には露光時間分焦点位置が異なるデータが含まれることになる。例えば、Ｚ移動すなわち焦点移動が１ｍｍ／ｓである場合露光時間が１ｍｓであるとすると１μｍ程度焦点位置が移動していることになり共焦点画像中に１μｍ程度焦点位置の異なるデータが混在している状態となる。
【００５５】
図６に示すように、ピンホールに囲まれたＰ×Ｐ領域を考えてみる。露光時間中に、このＰ×Ｐ領域はＰ／Ｓ本のラインで走査されることになるが、それぞれのラインでその位置を通過するタイミングは異なっている。Ｌ１のラインがこの位置を通過するのは露光時間の始め頃であり、ラインＬ１０が通過するのは露光時間の終わり頃となる。
【００５６】
つまり、この領域中には露光開始時から終了時までの全てのタイミングが揃っている。この条件は画像内の任意の位置で同じであり、任意の位置のＰ×Ｐの領域には露光時間の全てのタイミングが含まれている。微小領域であるＰ×Ｐ領域内で物体５０４の高さは均一であると仮定すれば、画素サイズをＰ×Ｐに設定することで、各画素は単に露光時間Ｔの間の高さ変化を積分しているだけとなり、平均である露光開始後Ｔ／２での焦点位置のデータを表していると考えて差し支えない。Ｐ×Ｐの倍数でも同様である。
【００５７】
必ずしも画素サイズをＰ×Ｐに合わせなくても、光学的に直径Ｐ相当以上の平滑化がかかっている、つまりボケている状態であれば画像中の任意の点が露光時間中の平均位置を表している状態と見なせることになり、同様の効果が得られる。
【００５８】
つまり、共焦点画像にピンホール間隔Ｐレベル以上の高い横分解能を求めない計測であるのならこの問題は大きな問題とはならないと云える。
【００５９】
ピンホール間隔Ｐレベルより高い分解能での計測が必要な場合は、露光時間Ｔを短くするあるいはＺ方向の走査速度を小さくするなどして、露光時間中の焦点位置変化が必要計測精度にとって問題とならない程度に設定する必要がある。
【００６０】
以上、本発明の実施例を説明したが、これは本発明の一例にすぎない。開口アレイ１０３のパターンは同じような効果を上げることが可能な他のパターンはありうるし、また、開口アレイ１０３がピンホール毎にマイクロレンズを伴っている、つまり開口アレイとマイクロレンズアレイが組み合わさった構造となっているような場合も考えられる。これらも、本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明により、一軸の走査のみでＸＹＺの三軸分の走査が可能となり簡素で低コスト、そして高速な共焦点三次元計測装置が実現できる。これにより光による高速かつ高精度の計測が必要な部品が数多く存在する半導体産業において特に大きな需要があるものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の共焦点スキャナの実施例を示した図である。
【図２】ピンホールタイプの開口アレイを説明するための図である。
【図３】平行平面基板による焦点移動を説明するための図である。
【図４】スリットタイプの開口アレイを説明するための図である。
【図５】本発明の共焦点スキャナを使用した計測装置の実施例を示した図である。
【図６】本発明の露光時間中の焦点位置変動を説明するための図である。
【図７】従来技術を説明するための図である。
【図８】くさび型を説明するための図である。
【図９】くさび型プリズムペアを説明するための図である。
【符号の説明】
【００６３】
１０１  移動テーブル
１０２  ブラケット
１０３  開口アレイ
１０４  移動プリズム
１０５  固定プリズム
１０６  保護透明板
５０１  光源
５０２  照明光学系
５０３  対物レンズ
５０４  物体
５０５  偏向光学素子
５０６  結像光学系
５０７  ２次元検出器
５０８  画像処理装置
５０９  λ／４位相差板
７０１  点光源
７０２  ハーフミラー
７０３  対物レンズ
７０４  ピンホール
７０５  検出器
【図１】
2014142183.tif 000003
【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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