(57)【要約】【課題】表面形状計測装置において、撮像素子の受光面を有効に利用し、表面形状の計測精度を向上する。【解決手段】凹凸構造を有する被測定物１１の表面に対してスリット光１３を照射する光照射手段と、表面のスリット光照射領域１４からの光を、スリット光１３の照射方向に対して角度をなす方向から受光して、凹凸構造の切断線の像を結像する結像手段Ｍ（Ｍ１〜Ｍ６）と、凹凸構造の切断線の像を撮像する撮像手段と、スリット光照射領域１４から撮像手段に至る光路上に配置され、凹凸構造の高さ方向に像を拡大する像拡大手段Ｍとを備えることを特徴とする表面形状計測装置を提供する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
a) 凹凸構造を有する被測定物の表面に対してスリット光を照射する光照射手段と、
b) 前記表面のスリット光照射領域からの光を、前記スリット光の照射方向に対して角度をなす方向から受光して、前記凹凸構造の切断線の像を結像する結像手段と、
c) 前記凹凸構造の切断線の像を撮像する撮像手段と、
d) 前記スリット光照射領域から前記撮像手段に至る光路上に配置され、前記凹凸構造の高さ方向に前記像を拡大する像拡大手段と、
を備えることを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項２】
前記結像手段が、
e) 前記切断線が伸びる方向に並んで配置された、それぞれが前記表面から異なる高さに位置する複数の反射面であって、前記切断線に対して平行であり前記表面に対して角度をなす、互いに平行な複数の反射面である複数の第１反射面を有する第１の反射手段と、
f) 前記複数の第１反射面からそれぞれ等距離に位置し、前記複数の第１反射面により反射した光がそれぞれ入射する複数の反射面であって、前記表面に対して垂直であり互いに平行な複数の反射面である複数の第２反射面を有する第２の反射手段と、
を有することを特徴とする請求項１に記載の表面形状計測装置。
【請求項３】
g) 前記スリット光照射領域から前記第１の反射手段及び前記第２の反射手段を経由して前記撮像手段に至る、複数の光路のうちの少なくとも１つの光路上に配置され、該光路の全長を変えることなく、前記撮像手段に入射する位置を変化させる光路調整手段と、
を備えることを特徴とする請求項２に記載の表面形状計測装置。
【請求項４】
結像手段に含まれる光学系が、少なくとも被測定物の表面側においてテレセントリックな光学系であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の表面形状計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光切断法を用いて物品の表面の形状を計測する表面形状計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
物品の表面の形状を計測する方法の一つに光切断法がある。
光切断法は、被測定物の表面の凹凸構造を切断するようにスリット光を照射し、凹凸構造の切断線の像を撮像手段の受光面に結像させることによって、その形状を計測する方法である。凹凸構造の切断線の像は、凹凸構造の形状を反映するため、被測定物の表面上でスリット光の照射位置を移動させつつ、撮像手段の受光面に結像させた像を順次解析することによって、被測定物の表面に存在する凹凸形状を３次元計測することができる。
【０００３】
特許文献１には、凹凸構造１０４を有する基板１０１の表面形状を計測する表面形状計測装置が記載されている。その要部構成を図１に示す。
この装置では、レーザ光源１２１から基板１０１の表面に対して垂直にスリット光１２２を照射する。そして、基板１０１表面からの光をミラー１２６Ａで反射し、ハーフミラー１２５Ａで分割して、水平方向（紙面に垂直な方向）にずらして配置した２つのＣＣＤカメラ１１３a、１１３bに入射させる。また、スリット光を挟んで反対側においても、上記同様の経路により、基板１０１表面からの光を、水平方向にずらして配置した２つのＣＣＤカメラ１１３c、１１３dに入射させる。こうして、互いにずらして配置した４つのＣＣＤカメラにより視野分担して凹凸構造１０４の像を得る（図２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平11-37734号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
光切断法を用いた表面形状計測装置では、被測定物の表面の凹凸構造を切断するように幅広なスリット光を照射し、凹凸構造の切断線の像を取得するため、被測定物の表面に高い凸構造が存在する場合には、その影になる部分の像を得ることができない。そのため、こうした表面形状計測装置は、幅広で低い凹凸構造を有する表面の形状を計測するために用いられることが多く、ＣＣＤカメラ等の撮像手段の受光面上には、図３に示すように、幅方向に長く、高さ方向に短い像が結像する。従って、撮像手段の受光面は、その中央部における帯状の領域のみが用いられることになり、それ以外の領域が無駄になってしまう。
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、光切断法を用いて被測定物の表面の形状を計測する表面形状計測装置において、撮像手段の受光面上の領域を有効に利用するとともに、その計測精度を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために成された本発明に係る表面形状計測装置は、
a) 凹凸構造を有する被測定物の表面に対してスリット光を照射する光照射手段と、
b) 前記表面のスリット光照射領域からの光を、前記スリット光の照射方向に対して角度をなす方向から受光して、前記凹凸構造の切断線の像を結像する結像手段と、
c) 前記凹凸構造の切断線の像を撮像する撮像手段と、
d) 前記スリット光照射領域から前記撮像手段に至る光路上に配置され、前記凹凸構造の高さ方向に前記像を拡大する像拡大手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００８】
上記スリット光は、スリットを通過したような形状、つまりシート状の光を意味し、スリットを通過した光のみに限定されない。また、ワークの表面を点で照射する線状の光を走査して上記スリット光としてもよい。線状の光を走査する場合には、光の走査とワークの移動を交互に行う。
像拡大手段としては、例えば、シリンドリカル凹面鏡やシリンドリカル凸面鏡、シリンドリカルレンズを用いることができる。また、これらを複数、組み合わせて上記方向に像を拡大してもよい。
【０００９】
本発明に係る表面形状計測装置では、被測定物の表面の凹凸構造の切断線の像が、像拡大手段によって該凹凸構造の高さ方向に拡大され、撮像手段の受光面上に結像する。撮像手段の受光面上では、従来、用いられていなかった領域に、高さ方向に拡大された凹凸構造の切断線の像が結像するため、高さ方向において従来よりも解像度の高い像が得られる。このように、本発明に係る表面形状計測装置を用いることにより、従来用いられていない受光面上の領域を有効に利用して、表面形状の計測精度を高めることができる。
【００１０】
本発明に係る表面形状計測装置では、前記結像手段が、
e) 前記切断線が伸びる方向に並んで配置された、それぞれが前記表面から異なる高さに位置する複数の反射面であって、前記切断線に対して平行であり前記表面に対して角度をなす、互いに平行な複数の反射面である複数の第１反射面を有する第１の反射手段と、
f) 前記複数の第１反射面からそれぞれ等距離に位置し、前記複数の第１反射面により反射した光がそれぞれ入射する複数の反射面であって、前記表面に対して垂直であり互いに平行な複数の反射面である複数の第２反射面を有する第２の反射手段と、
を備えるように構成することができる。
【００１１】
この態様の表面形状計測装置では、被測定物の表面からの光が、該表面の凹凸構造の切断線に対して平行であり該表面に対して角度をなす複数の第１反射面により反射され、さらに、被測定物の表面に対して垂直な複数の第２反射面により反射されて撮像手段の受光面に向かう。表面から異なる高さに位置し、互いに平行な複数の第１反射面で反射された光が入射する複数の第２反射面は、互いに表面から異なる高さに配置される。これら複数の第２反射面により反射された光によって撮像手段の受光面上に結ばれる像は、凹凸構造の切断線の像を複数に分割し、それらを９０°回転したものとなる。
この態様の表面形状計測装置では、凹凸構造の切断線の像を複数の像に分割して受光面上に結像させるため、撮像手段の受光面の形状や凹凸構造の切断線の像の形状を考慮して、撮像手段の受光面上の領域を有効に利用することができる。
【００１２】
この態様の表面形状計測装置は、さらに、
g) 前記スリット光照射領域から前記第１の反射手段及び前記第２の反射手段を経由して前記撮像手段に至る、複数の光路のうちの少なくとも１つの光路上に配置され、該光路の全長を変えることなく、前記撮像手段に入射する位置を変化させる光路調整手段と、
を備えることが望ましい。
【００１３】
上記光路調整手段は、例えば、空気と異なる屈折率を有する光透過部材や、迂回する光路を形成する複数のミラーにより構成することができる。
【００１４】
この態様の表面形状計測装置では、光路調整手段によって、複数の単位照射領域の像の離間距離を調整する。つまり、撮像手段の受光面の形状や大きさを考慮して像の離間距離を調整し、撮像手段の受光面をさらに無駄なく利用することができる。この光路調整手段は、該手段が配置された光路の全長を変化させないため、撮像手段により撮像される像の解像度は変化しない。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る表面形状計測装置では、撮像手段の受光面のうち、従来、用いられていない領域に、高さ方向に拡大した凹凸構造の切断線の像を結像させて、該高さ方向において解像度を高めた像を取得する。従って、撮像手段の受光面上の領域を有効に利用し、かつ表面形状の計測精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】従来の表面形状計測装置の要部構成図。
【図２】従来の表面形状計測装置における４台のＣＣＤカメラによる視野分担の状況を示す図。
【図３】従来の表面形状計測装置における撮像素子の受光面の使用について説明する図。
【図４】実施例１の表面形状計測装置の要部構成図。
【図５】実施例１の表面形状計測装置における像の回転と拡大について説明する図。
【図６】実施例１の表面形状計測装置における撮像素子の受光面の使用と従来の装置における撮像素子の受光面の使用とを比較説明する図。
【図７】実施例２の表面形状計測装置における光路調整手段の構成を説明する図。
【図８】実施例２の表面形状計測装置の撮像素子の受光面上での結像位置について説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明に係る表面形状計測装置の実施例について、以下、図面を参照して説明する。
【００１８】
図４に実施例１の表面形状計測装置の要部構成を示す。
本実施例の表面形状計測装置は、ワーク１１表面の凹凸構造の形状を計測する装置である。ワーク１１は載置台１２上に載置されており、図示しない移動機構によって図面右方向に向かって所定のステップで順次移動する。
図示しない光源から発せられ、スリットを通過したスリット光１３は、ワーク１１の表面の凹凸構造を切断するように照射される。スリット光照射領域１４はスリット光が凹凸構造を切断する線（切断線）が伸びる方向において仮想的に３分割（１４a、１４b、１４c）される。
【００１９】
ワーク１１の上方には、スリット光照射領域１４からの光をＣＣＤカメラの受光面１５に入射させて凹凸構造の切断線の像を結像させるための、６枚のシリンドリカル凹面ミラーＭ１〜Ｍ６が配置されている。
【００２０】
シリンドリカル凹面ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３は、それぞれスリット光照射領域１４a、１４b、１４cの鉛直上方であって、高さＨ１、Ｈ２、Ｈ３の位置（Ｈ１＜Ｈ２＜Ｈ３）に配置されており、凹凸構造の切断線に平行で、ワーク１１の表面に対して４５度の角度をなす方向に傾斜している。シリンドリカル凹面ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３は凹凸構造の切断線の像を、該凹凸構造の高さ方向に拡大する像拡大手段であるとともに、第１反射手段を構成する。
【００２１】
また、シリンドリカル凹面ミラーＭ４、Ｍ５、Ｍ６は、それぞれＭ１、Ｍ２、Ｍ３からワークの移動方向と逆の方向に距離Ｌずつ離れた位置に配置されており、ワーク１１の表面に対して垂直で、凹凸構造の切断線に対して４５度の角度をなす方向に傾斜している。また、シリンドリカル凹面ミラーＭ４、Ｍ５、Ｍ６は、ＣＣＤカメラの受光面１５からそれぞれＤ１、Ｄ２、Ｄ３（Ｄ１＞Ｄ２＞Ｄ３）だけ離間している。ここで、Ｈ１＋Ｌ＋Ｄ１＝Ｈ２＋Ｌ＋Ｄ２＝Ｈ３＋Ｌ＋Ｄ３である。即ち、３分割されたスリット光照射領域１４a、１４b、１４cのそれぞれからの光が２枚のミラーで反射されてＣＣＤカメラの受光面１５に到達するまでの光路長が互いに等しくなるように構成されている。シリンドリカル凹面ミラーＭ４、Ｍ５、Ｍ６は、第２反射手段を構成する。シリンドリカル凹面ミラーの凹面形状等はシリンドリカル凹面ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３と同じであり、シリンドリカル凹面ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３によって凹凸構造の像を高さ方向に拡大するように曲げられた光路を平行な光路に戻す（テレセントリック性を保つ）役割も担っている。
【００２２】
スリット光照射領域１４aから発せられた光は、該領域１４aの鉛直上方に配置されたシリンドリカル凹面ミラーＭ１により水平方向（ワークの移動方向と逆の方向）に反射され、さらにシリンドリカル凹面ミラーＭ４により水平面内で垂直方向に進行方向が変えられた後、ＣＣＤカメラの受光面１５の下部領域に入射する。
スリット光照射領域１４bから発せられた光も同様に、シリンドリカル凹面ミラーＭ２、Ｍ５によって反射され、ＣＣＤカメラの受光面１５の中央部の領域に入射する。さらに、スリット光照射領域１４cから発せられた光も同様に、シリンドリカル凹面ミラーＭ３、Ｍ６によって反射され、ＣＣＤカメラの受光面１５の上部領域に入射する。
【００２３】
ワーク１１の表面では、スリット光照射領域１４a、１４b、１４cにおける凹凸構造の切断線の像が、該切断線が伸びる方向に隣接している（図５(a)）。しかし、これら３つの像は、第１反射手段と第２反射手段によって９０°回転し、また、シリンドリカル凹面ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３によって高さ方向に像が１．５倍拡大されてＣＣＤカメラの受光面１５上に結像する（図５(c)）。なお、図５では、便宜上、縦横比を実際の比率から変更して示している。
【００２４】
従来の表面形状計測装置において、同じ凹凸構造の切断線の像（９０ｍｍ×５ｍｍ）を正方形状の受光面上に結像させるためには、９０ｍｍ四方の受光面が必要である（図６(b)）。受光面１５の中央の帯状の領域のみが使用され、受光面の上部、下部の広い領域が用いられることがない。
【００２５】
これに対し本実施例の表面形状計測装置では、図６(a)に示すように、３０ｍｍ四方の受光面内に３つの像を並べて結像させることによって切断像を得ることができる。このように、従来の９分の１の面積の受光面１５上で、受光面１５上の中央部だけでなく、上部領域や下部領域も活用して、従来よりも解像度の高い像を得ることができる。
【００２６】
より詳細には、光路を折り曲げる際の角度がすべて９０°であると、図４において、Ｄ１〜Ｄ３の値はＤ１＝Ｄ２＋３０ｍｍ＝Ｄ３＋６０ｍｍとなり、Ｈ１〜Ｈ３の値も自ずとＨ３＝Ｈ２＋３０ｍｍ＝Ｈ１＋６０ｍｍとなるので、６０ｍｍ＋α四方の受光面内に３つの像を並べることができる。そして、Ｍ４〜Ｍ６での光路の折り曲げ角度を９０°以外とする、あるいは、後述する実施例２のように光路調整手段を設けることにより、Ｈ３とＨ１、Ｈ２との差を小さくでき、その結果、３０ｍｍ四方の受光面内に３つの像を並べることができる。なお、受光面のサイズを６０ｍｍ＋α四方とさほど小さくはできずとも、光路を横方向に折り曲げることで、通常はレンズの焦点距離を確保するために上下方向に高くなりがちな装置を小型化できる利点がある。
【００２７】
本実施例では、シリンドリカル凹面ミラーＭ１〜Ｍ６を用いているが、これらに代えてシリンドリカル凸面ミラーを用いてもよい。あるいは、像を回転する平面ミラーと像を拡大するシリンドリカルレンズを組み合わせてもよい。この場合には、第１反射手段を構成する平面ミラーと第２反射手段を構成する平面ミラーで順に反射されることによって像が９０°回転し（図５(b)）、シリンドリカルレンズを通過することによって像が高さ方向に拡大される（図５(c)）。なお、この構成において、シリンドリカルレンズはスリット光照射領域から受光面に至る光路上の別の位置に配置してもよい。さらに、上述した構成を組み合わせて用いることもできる。
【００２８】
次に、本発明に係る表面形状計測装置の別の実施例２について説明する。本実施例の表面形状計測装置の要部構成は図４に示した実施例１と同様の構成であるため、要部構成に関する説明を省略し、実施例１と異なる点についてのみ説明する。
【００２９】
実施例１の表面形状計測装置では、スリット光照射領域１４a、１４b、１４cを決定すると距離Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３が決まり、続いて高さＨ１、Ｈ２、Ｈ３が決まる。また、ＣＣＤカメラの受光面１５において、スリット光照射領域１４a、１４b、１４cにおける切断線の像は、それぞれ高さＨ１、Ｈ２、Ｈ３の位置に結像する。つまり、実施例１の構成では、スリット光照射領域１４a、１４b、１４cを決定すると、受光面１５上での結像位置が固定される。実施例１では、図５(c)に示したように、受光面１５で上下に隣接する２つの像の間に、受光面１５の不使用領域が多少、存在する。このような場合に、受光面１５上での結像位置を上下方向に適宜に変更して不使用領域を小さくする（あるいは、なくす）ことができれば、例えば、受光面１５上に結像するスリット光照射領域１４を広げることができる。あるいは、スリット光照射領域１４が同じ場合には、実施例１の場合よりも受光面１５が小さいＣＣＤカメラで撮像することができる。実施例２の表面形状計測装置はこのような目的を達成するために構成される装置である。
【００３０】
具体的には、実施例２の表面形状計測装置では、スリット光照射領域１４b、１４cにおける切断線の像を、それぞれ高さＨ２−ΔＬ２（実施例１ではＨ２）、高さＨ３−ΔＬ３（実施例１ではＨ３）の位置に結像させる。そのために、ミラーＭ２とＭ５を高さＨ２−ΔＬ２（実施例１ではＨ２）に、ミラーＭ３とＭ６を高さＨ３−ΔＬ３（実施例１ではＨ３）に配置する。ここで、ΔＬ３＝ΔＬ２×２である。
【００３１】
上記のようにミラーの配置を変更すると、切断線の結像位置は下方に移動するが、スリット光照射領域１４a、１４b、１４cのそれぞれから受光面１５に至る３つの光路の光路長にばらつきが生じる。具体的には、スリット光照射領域１４aに対応する光路が最も長く、これに対してスリット光照射領域１４b、１４cに対応する光路がそれぞれΔＬ２、ΔＬ３だけ短くなる。光路長にばらつきが生じると、受光面１５において結ばれる像の解像度にばらつきが生じ、それら像から解析される凹凸構造の形状の計測精度にも違いが生じてしまう。従って、３つの光路の間に生じる光路長の差（ΔＬ２、ΔＬ３）を解消する必要がある。
【００３２】
そこで、実施例２の表面形状計測装置では、実施例１の表面形状計測装置の構成に、図７に示す光路調整手段を追加する。光路調整手段２０は、２枚の平面ミラーＭ２a、Ｍ２bで構成されており、シリンドリカル凹面ミラーＭ２に代えて配置される。このように平面ミラーＭ２a、Ｍ２bを配置すると迂回光路２１を形成されるため、この領域での光路長がΔＬ２だけ長くなる。また、シリンドリカル凹面ミラーＭ３に代えて、平面ミラーＭ３a、Ｍ３bを配置して同様に迂回光路を形成させ、この領域での光路長をΔＬ３だけ長くする。こうして、上述した光路長の差を解消する。さらに、シリンドリカル凹面ミラーＭ１、Ｍ４、Ｍ５、Ｍ６に代えてそれぞれ平面ミラーを配置し、３つの光路上にぞれぞれ凹凸構造の高さ方向に像を拡大するシリンドリカルレンズを配置する。
【００３３】
本実施例では、実施例１のシリンドリカル凹面ミラーＭ２、Ｍ３の位置に光路調整手段を配置しているが、必ずしもこれらの位置には限定されず、Ｍ１〜Ｍ６のいずれの位置にも光路調整手段２０を配置することができる。光路調整手段２０の配置と、迂回光路の長さを適宜に変更することによって、受光面１５における結像位置を上下に任意の距離だけ移動させることができる。従って、撮像手段の受光面１５の形状とスリット光照射領域の形状とを考慮し、該受光面１５全体を有効に活用することができる。また、光路調整手段２０を構成するミラーとして、シリンドリカル凹面ミラーやシリンドリカル凸面ミラーを用いてもよい。
【００３４】
光路調整手段として屈折率部材を用いることもできる。屈折率ｎ、厚さｄの屈折率部材を光路上に配置すると、物理的な長さを変えることなく実質的な光路長を(１‐１ｎ／)ｄだけ長くすることができる。従って、部材の屈折率ｎや厚さｄを適宜に変更するとともに、各ミラーの配置を適宜に設定することによっても、光路長を変化させることなく、受光面１５上での結像位置を変化させることができる。
【００３５】
上記実施例は一例であって、本願発明の趣旨に沿って適宜に変更することができる。
実施例１及び２では、スリット光照射領域を３つに分割し、それぞれにおける切断線の像を撮像手段の受光面上に結像させる構成としたが、スリット光照射領域の分割数は受光面の形状等を考慮して適宜に決めることができる。あるいは、スリット光照射領域を分割することなく、切断線の像を凹凸構造の高さ方向に拡大して受光面上に結像させてもよい。なお、スリット光照射領域を分割しない場合には、実施例１及び２のように像を回転させるための反射手段を配置しなくてもよい。
【００３６】
実施例１及び２の構成における各ミラーの位置及び傾斜方向は、第１反射手段と第２反射手段による反射で像を９０°回転させることができさえすれば、適宜に変更できる。また、各光路上に、像拡大によって生じる収差を補正するためのレンズを配置してもよい。これにより、像の収差を補正して計測精度を高めることができる。また、ワーク１１の表面と、第１反射手段の間に物体側テレセントリックレンズ３０を配置することによって、物体側テレセントリック光学系を構成し、像の解像度を高めることもできる（図７参照）。さらに、光路上の適宜の位置に、像を縮小（あるいは拡大）するレンズを配置して切断線の像の大きさを変更し、撮像手段の受光面の大きさに合致させるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１１…ワーク
１２…載置台
１３…スリット光
１４、１４a、１４b、１４c…スリット光照射領域
１５…受光面
２０…光路調整手段
Ｍ１〜Ｍ６…シリンドリカル凹面ミラー
Ｍ２a、Ｍ２b、Ｍ３a、Ｍ３b…平面ミラー
１０１…基板
１０４…凹凸構造
１１３a…ＣＣＤカメラ
１１３c…ＣＣＤカメラ
１２１…レーザ光源
１２２…スリット光
１２５Ａ…ハーフミラー
１２６Ａ…ミラー
【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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