(57)【要約】      （修正有）【課題】対物レンズの被計測体側に配設された光学素子によりスポット位置を光軸に垂直な面内方向に走査することができるとともにこの光学素子による光学系全体の結像性能の劣化を抑えることができる三次元画像取得装置および三次元画像取得方法を提供する。【解決手段】三次元画像取得装置１０は、共焦点光学系を用いた三次元画像取得装置であって、対物レンズ１３の被計測体１５側の光軸と交差するよう配設された平行平板形の部材を有し、光軸と垂直な面に対する平行平板形の部材の傾きを異ならせることで、傾きに応じて屈折作用により被計測体側共役点の位置を光軸方向に垂直な面内で変更するＸＹ方向焦点位置変更部１４を備え、平行平板形の部材の傾きは、対物レンズ１３の被計測体側共役点に集光される光の直径が、エアリーディスク直径の半分となる所定の傾き以下である。【選択図】図１
2013011492.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共焦点光学系を用いた三次元画像取得装置であって、
被計測体を載置する載置台と、
光源の光を通過する複数の開口部が互いに離間して２次元に配置されて設けられた開口板と、
前記複数の開口部を通過したそれぞれの光を前記被計測体側の共役点に集光するとともに、前記被計測体側共役点における反射光をそれぞれ対応する検出側共役点に集光する対物レンズと、
前記検出側共役点に集光された光の強度変化を検出可能な位置に配設された光検出器を複数有し、前記複数の光検出器のそれぞれは前記検出側共役点における光の強度に応じた信号を出力する光検出器群と、
前記対物レンズの前記被計測体側の光軸と交差するよう配設された平行平板形の部材を有し、光軸と垂直な面に対する前記平行平板形の部材の傾きを異ならせることで、前記傾きに応じて屈折作用により前記被計測体側共役点の位置を光軸方向に垂直な面内で変更するＸＹ方向焦点位置変更部と、
を備え、
前記平行平板形の部材の前記傾きは、
前記対物レンズの前記被計測体側共役点に集光された光の直径が、前記対物レンズの開口数および前記光源の波長から定まるエアリーディスク直径の半分となる所定の傾き以下であることを特徴とする三次元画像取得装置。
【請求項２】
前記ＸＹ方向焦点位置変更部は、
前記対物レンズの前記被計測体側の光軸と交差するよう複数の前記平行平板形の部材が回転方向に沿って配設されるとともに前記複数の平行平板形の部材のそれぞれを光軸と垂直な面に対して前記傾きを有するよう保持する回転体と、前記回転体を回転駆動する駆動部と、を有し、光軸と交わった前記平行平板形の部材の前記傾きに応じて屈折作用により前記被計測体側共役点の位置を光軸方向に垂直な面内で変更する、
請求項１記載の三次元画像取得装置。
【請求項３】
前記被計測体側共役点の位置と前記被計測体の位置との光軸方向に垂直な方向の相対的な位置関係を変更するよう前記載置台を光軸方向に垂直な方向に変位させる載置台変位部、
をさらに備えた請求項１または２に記載の三次元画像取得装置。
【請求項４】
前記ＸＹ方向焦点位置変更部の前記平行平板形の部材は、
前記被計測体側共役点の位置を光軸方向に垂直な面内で前記所定の傾きに応じた所定の距離以下で変更し、
前記載置台変位部は、
前記所定の距離よりも大きい距離で、前記載置台を光軸方向に垂直な方向に変位させる、
請求項３記載の三次元画像取得装置。
【請求項５】
前記載置台変位部は、
前記被計測体の位置を光軸方向に変更するＺ位置関係変更部を有し、
前記Ｚ位置関係変更部および前記光検出器群を制御することにより、前記被計測体の位置を光軸方向に離散的に変更しつつ前記光検出器の信号を取得し、前記被計測体側共役点ごとに前記光検出器の信号の強度が最大となる前記被計測体の光軸方向の位置を求めてこの位置を前記被計測体の光軸方向の位置として決定する高さ決定部、
をさらに備え、
前記回転体は、回転方向に沿う円周上の一部に前記複数の平行平板形の部材が配設されるとともに等速連続回転し、
前記高さ決定部は、
前記回転体の前記円周上の他部が前記対物レンズの前記被計測体側の光軸と交差している間に前記被計測体の位置を光軸方向に変更するよう前記Ｚ位置関係変更部を制御する、
請求項２ないし４のいずれか１項に記載の三次元画像取得装置。
【請求項６】
共焦点光学系を用いて被計測体の三次元画像を取得する三次元画像取得方法であって、
互いに離間して２次元に配置されて開口板に設けられた複数の開口部のそれぞれを光源の光が通過するステップと、
前記複数の開口部を通過したそれぞれの光が対物レンズにより前記被計測体側の共役点に集光されるステップと、
前記対物レンズの前記被計測体側の光軸と交差するよう配設された平行平板形の部材の光軸と垂直な面に対する傾きを異ならせることで、前記傾きに応じて屈折作用により前記被計測体側共役点の位置を光軸方向に垂直な面内で変更するステップと、
を有し、
前記平行平板形の部材の前記傾きは、
前記対物レンズの前記被計測体側共役点に集光された光の半径が、前記対物レンズの開口数および前記光源の波長から定まるエアリーディスク半径の半分となる所定の傾き以下であることを特徴とする三次元画像取得方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共焦点光学系を用いて物体の三次元画像を取得する三次元画像取得装置および三次元画像取得方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
物体の表面形状などの三次元形状を計測する（三次元画像を取得する）方法の１つに、共焦点光学系を用いて物体表面上の各点の高さの情報を取得することにより物体の表面形状を計測する方法がある。
【０００３】
たとえば、２次元配列型の開口アレイを有する共焦点光学系を用いて被計測体の形状を計測する方法を用いる場合、開口アレイを構成する複数の開口部（ピンホール）を通過した複数の光は、対物レンズによりそれぞれ対応する被計測体側の集光位置に集束される。この被計測体側の集光位置と被計測体との光軸方向の相対的な位置関係（以下、Ｚ位置関係という）を変更しつつ被計測体表面上の複数の観測点からの反射光強度を取得することで、複数の観測点の高さの情報を容易に取得することができるようになっている（たとえば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２４７８１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
２次元配列型の開口アレイを有する共焦点光学系を用いて被計測体の形状を計測する場合には、さらに、被計測体側の複数の集光位置で集束された光（以下、スポットという）と被計測体との光軸方向に垂直な方向の相対的な位置関係（以下、ＸＹ位置関係という）を変更することにより、互いに離間したスポットを補間することや、計測範囲を広げることができる。
【０００６】
スポットと被計測体とのＸＹ位置関係を変更する方法の１つとして、スポットを光軸に垂直な面内方向に走査する方法が考えられる。スポットを光軸に垂直な面内方向に走査する方法としては、光路を変更するための光学素子を対物レンズの被計測体側に配設する方法などが考えられる。
【０００７】
しかし、光学素子は、光学系全体に幾何光学的影響や波動光学的影響を与えてしまう。たとえば対物レンズの被計測体側に光路を変更するための光学素子を配設すると、光学系全体の結像性能が劣化してスポットのサイズが大きくなってしまうおそれがある。
【０００８】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、対物レンズの被計測体側に配設された光学素子によりスポット位置を光軸に垂直な面内方向に走査することができるとともにこの光学素子による光学系全体の結像性能の劣化を抑えることができる三次元画像取得装置および三次元画像取得方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一実施形態に係る三次元画像取得装置は、上述した課題を解決するために、共焦点光学系を用いた三次元画像取得装置であって、被計測体を載置する載置台と、光源の光を通過する複数の開口部が互いに離間して２次元に配置されて設けられた開口板と、前記複数の開口部を通過したそれぞれの光を前記被計測体側の共役点に集光するとともに、前記被計測体側共役点における反射光をそれぞれ対応する検出側共役点に集光する対物レンズと、前記検出側共役点に集光された光の強度変化を検出可能な位置に配設された光検出器を複数有し、前記複数の光検出器のそれぞれは前記検出側共役点における光の強度に応じた信号を出力する光検出器群と、前記対物レンズの前記被計測体側の光軸と交差するよう配設された平行平板形の部材を有し、光軸と垂直な面に対する前記平行平板形の部材の傾きを異ならせることで、前記傾きに応じて屈折作用により前記被計測体側共役点の位置を光軸方向に垂直な面内で変更するＸＹ方向焦点位置変更部と、を備え、前記平行平板形の部材の前記傾きは、前記対物レンズの前記被計測体側共役点に集光された光の直径が、前記対物レンズの開口数および前記光源の波長から定まるエアリーディスク直径の半分となる所定の傾き以下であることを特徴とするものである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る三次元画像取得装置の一例を示す概略的な全体構成図。
【図２】開口板の一構成例を示す平面図。
【図３】ＸＹ方向焦点位置変更部の動作原理を示す説明図。
【図４】ＸＹ方向焦点位置変更部の一構成例を示す斜視図。
【図５】スポットの設定位置（焦点位置）の一例を示す説明図。
【図６】平行平板形部材の傾きが０°である場合におけるスポットダイアグラム。
【図７】平行平板形部材の傾きが０°である場合におけるＭＴＦチャート。
【図８】平行平板形部材の傾きが０．５０９°である場合におけるスポットダイアグラム。
【図９】平行平板形部材の傾きが０．５０９°である場合におけるＭＴＦチャート。
【図１０】平行平板形部材の傾きが１．１８７°である場合におけるスポットダイアグラム。
【図１１】平行平板形部材の傾きが１．１８７°である場合におけるＭＴＦチャート。
【図１２】閾値θｔｈ＝０．５０９°である場合における平行平板形部材の光軸と垂直な面に対する傾きＸθ１、Ｙθ１と被計測体側共役点のＸＹ方向移動量（補間移動量）Ｘｔ、Ｙｔとの関係を示す説明図。
【図１３】平行平板形部材とＸＹ軸変位部によりＸＹ位置関係を変更する方法の一例を示す説明図。
【図１４】部材支持部の一構成例を示す概略的な三面図。
【図１５】部材支持部の変形例を示す概略的な三面図。
【図１６】回転体の一構成例を示す概略的な平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明に係る三次元画像取得装置および三次元画像取得方法の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
【００１２】
本発明の一実施形態に係る三次元画像取得装置は、２次元配列型の開口アレイを有する共焦点光学系を用いて被計測体の形状を計測して形状画像を生成しこの形状画像を表示装置に表示させるものである。計測対象物としては、たとえばプリント配線板上のバンプや多層プリント配線板のレーザビアなどの貫通孔のほか、光源としてシリコンの透過率が高い近赤外光を用いる場合には、シリコンウエハの積層接合部近辺やシリコンの内部をも含む。
【００１３】
図１は、本発明の第１実施形態に係る三次元画像取得装置の一例を示す概略的な全体構成図である。なお、以下の説明では、光軸方向をＺ軸、光軸方向に垂直な方向をＸ軸およびＹ軸とする場合の例について示す。
【００１４】
三次元画像取得装置１０は、図１に示すように、光源１１、主面が光軸方向に垂直となるよう配置された開口板１２、対物レンズ１３、ＸＹ方向焦点位置変更部１４、被計測体１５を載置するための載置台１６、被計測体１５からの反射光を入射される光検出器を複数有する光検出器群１７、載置台１６をＸＹＺ各方向に移動させるための載置台変位部１８、載置台１６および載置台変位部１８を支持する支持基台１９、および情報処理装置２０を有する。載置台変位部１８は、Ｚ位置関係変更部としてのＺ軸変位部２１およびＸＹ軸変位部２２を有する。
【００１５】
光源１１としては、たとえばハロゲンランプやレーザなどを用いることができる。光源１１から出射された光は、コリメータレンズ２３を介して面状の平行光となる。この光は、偏光ビームスプリッタ２４を介して開口板１２を照明する。
【００１６】
図２は、開口板１２の一構成例を示す平面図である。開口板１２は、直径ｄの複数の開口部２５がＸ方向にｍ個、Ｙ方向にｎ個ずつ２次元に配置して設けられる。各開口部２５は、互いにＸ軸方向に開口部２５のＸ軸方向の中心間距離Ｄｘから直径ｄを減じた距離離間するとともにＹ軸方向に開口部２５のＹ軸方向の中心間距離Ｄｙから直径ｄを減じた距離離間するよう設けられる。以下の説明では、開口板１２に対して直径ｄ＝１μｍの開口部２５が中心間距離Ｄｘ＝Ｄｙ＝８μｍでＸ方向に３２０個（ｍ＝３２０）、Ｙ方向に２５６個（ｎ＝２５６）設けられる場合の例について示す。
【００１７】
開口板１２の開口部２５は、それぞれ点光源として機能する。各開口部２５を通過した光は、対物レンズ１３により、ＸＹ方向焦点位置変更部１４を介して被計測体１５に投光されつつ点光源と共役な点（以下、被計測体側共役点という）に集光されてスポットを形成する。対物レンズ１３は、各開口部２５にそれぞれ対応する被計測体側共役点を、Ｚ軸方向の所定の位置の光軸方向に垂直な面（以下、被計測体側共役面という）上に集光する。なお、対物レンズ１３は、たとえば複数のレンズ２６および絞り２７により構成されて両側テレセントリック光学系を構成することが好ましい。
【００１８】
対物レンズ１３の倍率等の構成に応じて、各開口部２５の配設方向（たとえば図２に示す例ではＸ軸方向およびＹ軸方向）および中心間距離（ＤｘおよびＤｙ）と、これらに対応する被計測体側共役点面上の各共役点間の方向および距離と、の関係は変更可能である。以下の説明では、各開口部２５の配設方向および中心間距離と、これらに対応する被計測体側共役点面上の各共役点間の方向および距離とが同一である場合の例について説明する。すなわち、以下の説明では、各開口部２５は８μｍピッチで設けられ（Ｄｘ＝Ｄｙ＝８μｍ）、スポットのピッチが８μｍとなる場合の例について説明する。
【００１９】
図３は、ＸＹ方向焦点位置変更部１４の動作原理を示す説明図である。
【００２０】
図３に示すように、対物レンズ１３の光路中に、光軸と垂直な面に対して傾きθ１を有するようにガラス板などの平行平板形の部材３１を配置すると、対物レンズ１３の被計測体側共役点の位置がＸＹ方向に移動する。移動量ｔは、部材３１の屈折率ｎ２および厚さＴによって制御することができ、ｔ＝T (tanθ1-tanθ2)・cosθ1の関係を満たす。
【００２１】
図４は、ＸＹ方向焦点位置変更部１４の一構成例を示す斜視図である。
【００２２】
部材３１は、部材支持部３２に載置される。部材支持部３２に載置された部材３１は、回転体３３に対して回転方向に沿うように配設される。以下の説明では、部材３１は全て同一の厚さＴを有し、部材３１を載置する部材支持部３２によって各部材３１のＸＹ面に対する傾きθ１が変更される場合の例について示す。
【００２３】
ここで、傾きθ１の設定方法について、簡単に説明する。
【００２４】
ＸＹ方向焦点位置変更部１４を除く光学系は、ＭＴＦ（Modulated Transfer Function）が回折限界にできるだけ近づくよう最適化されて構成される。ところが、対物レンズ１３の光路上にガラス等で構成された部材３１を配設すると、この部材３１が光学系全体に幾何光学的影響や波動光学的影響を与えてしまう。このため、部材３１を配設することにより、光学系全体の結像性能が劣化してしまう。結像性能の劣化は、部材３１の傾きθ１が大きくなるほど顕著となり、傾きθ１が大きくなるほど、スポットのサイズが大きくなってしまったり、ＭＴＦが悪化してしまったりする。
【００２５】
そこで、部材３１の傾きθ１は、ユーザが所望する結像性能に応じた閾値（所定の傾き）θｔｈを設定しておき、この閾値θｔｈ以下となるようにすることが好ましい。閾値θｔｈは、たとえば、スポットの直径がエアリーディスク直径ε（ε≒１．２２・λ／ＮＡ）の半分となるよう設定されるとよい。ただし、λは光源１１の波長を、ＮＡは対物レンズ１３の開口数を、それぞれ表す。また、開口部２５の直径ｄがエアリーディスク直径εの半分以下（たとえば１／３など）に設定されている場合には、閾値θｔｈは、たとえばスポットの直径が開口部２５の直径ｄとほぼ同等（たとえば１．１倍以下）となるよう設定されるとよい。また、閾値θｔｈは、スポット直径に加え、さらに光学系全体のＭＴＦチャートにもとづいて決定されてもよい。
【００２６】
傾きθ１を、所定の傾きとしての閾値θｔｈ以下とすることにより、対物レンズ１３の被計測体１５側に配設されたガラス等の部材３１によりスポット位置を光軸に垂直な面内方向に走査することができるとともに、部材３１による光学系全体の結像性能の劣化を抑えることができる。なお、閾値θｔｈの決定方法については図面を用いて後述する。
【００２７】
回転体３３をモータなどの駆動部３４により所定の速度で連続回転させることにより、部材３１のそれぞれが対物レンズ１３の光軸と交わるごとに、各部材３１のＸＹ面に対する傾きθ１に応じてスポット（被計測体側共役点で集束された光）の位置をＸＹ方向に移動させることができる。したがって、図４に示す構成を有するＸＹ方向焦点位置変更部１４によれば、ＸＹ位置関係（被計測体側共役点の位置と被計測体１５の位置との光軸方向に垂直な方向の相対的な位置関係）を変更することができる。以下の説明では、部材３１は同一の平行平板形状を有するものとし、この部材を載置する部材支持部３２によって各部材３１が光軸と垂直な面に対して傾きを有するように支持される場合の例について示す。
【００２８】
回転体３３の回転状態はタイミングセンサ３５により検知される。タイミングセンサ３５の出力は情報処理装置２０に与えられる。情報処理装置２０は、あらかじめ各部材支持部３２と被計測体側共役点のＸＹ軸座標とを関連付けた情報を保持している。なお、駆動部３５は、情報処理装置２０により制御可能に構成されてもよい。この場合、情報処理装置２０は回転体３３の回転速度を制御することができる。
【００２９】
Ｚ位置関係変更部としてのＺ軸変位部２１は、ピエゾモータやサーボモータなどの一般的な駆動装置により構成され、載置台１６を光軸方向に変位させる。この変位の量、方向およびタイミングは、図１に示すように、情報処理装置２０によりＺ軸ドライバ２８を介して制御される。Ｚ軸変位部２１は、載置台１６を光軸方向に変位させることにより、被計測体側共役点（被計測体側共役面）の位置と被計測体１５の位置とのＺ軸方向（光軸方向）の相対的な位置関係（Ｚ位置関係）を変更する。
【００３０】
被計測体１５による反射光のうち特に被計測体側共役点における反射光は、対物レンズ１３により、被計測体側共役点と光学的共役関係にある共役点（以下、検出側共役点という）に集光される。点光源としての開口部２５と被計測体側共役点とは、互いに１対１に対応する。被計測体側共役点と検出側共役点とも、互いに１対１に対応する。
【００３１】
本実施形態では、検出側共役点が点光源としての開口部２５に一致する場合の例について説明する。この場合、開口部２５を通過した光は被計測体側共役点に集光されるとともに、この被計測体側共役点で反射されて開口部２５に再度入射することになる。
【００３２】
開口部２５に再度入射した光は、所定の光学素子としての偏光ビームスプリッタ２４および結像光学系３６を介して光検出器群１７を構成する光検出器を照射する。開口部２５（検出側共役点）とこの開口部２５に対応する位置に配設された光検出器とは、所定の光学素子としての偏光ビームスプリッタ２４および結像光学系３６により互いに共役関係となる。
【００３３】
光検出器群１７を構成する光検出器は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサやＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサにより構成され、照射された光の強度に応じた信号を情報処理装置２０に出力する。また、光検出器群１７は、情報処理装置２０により光検出のタイミングを制御される。
【００３４】
光検出器は、検出側共役点に集光された光の強度変化を検出可能な位置に配設される。この位置としては、たとえば検出側共役点そのものや、検出側共役点の光が光ファイバなどのイメージガイドにより導かれた位置や、検出側共役点と光学的に共役な位置などが挙げられる。本実施形態では、光検出器は、対応する開口部２５（検出側共役点）と光学的に共役な位置に配設される。このため、光検出器が受ける光の強度は、この光検出器に対応する開口部２５に再度入射した光の強度変化に応じて変化し、一方が最大強度の際には他方も最大強度となる。なお、１つの開口部２５（検出側共役点）に対応する光検出器は１個であってもよいし複数個であってもよい。
【００３５】
載置台変位部１８のＸＹ軸変位部２２は、載置台１６を光軸方向に垂直な方向に変位させる。このＸＹ軸変位部２２は、載置台１６のＸ軸方向およびＹ軸方向の位置決めをそれぞれ行うＸ軸変位機構４１およびＹ軸変位機構４２を有する。
【００３６】
Ｘ軸変位機構４１およびＹ軸変位機構４２は、ピエゾモータやサーボモータなどの一般的な駆動装置により構成され、変位の量、方向およびタイミングは、情報処理装置２０によりＸＹ軸ドライバ４５を介して制御される。載置台１６が光軸方向に垂直な方向に変位することにより、ＸＹ位置関係が変更されることになる。
【００３７】
情報処理装置２０は、たとえばデスクトップ型やノートブック型のパーソナルコンピュータなどにより構成することができる。情報処理装置２０は、入力部５１、表示部５２、記憶部５３および主制御部を有する。
【００３８】
入力部５１は、たとえばキーボード、タッチパネル、テンキーなどの一般的な入力装置により構成され、ユーザの操作に対応した操作入力信号を主制御部に出力する。
【００３９】
表示部５２は、たとえば液晶ディスプレイやＯＬＥＤ（Organic Light Emitting Diode）ディスプレイなどの一般的な表示出力装置により構成され、主制御部の制御に従って各種情報を表示する。
【００４０】
記憶部５３は、ＣＰＵにより読み書き可能な記憶媒体であり、あらかじめ平行平板形の部材３１の傾きθ１がゼロである場合（または部材３１がない場合）における載置台１６の位置と被計測体側共役点のＸＹ座標とを関連付けて記憶しておく。また、記憶部５３はあらかじめ、平行平板形の部材３１の傾きθ１と被計測体側共役点のＸＹ方向の変位量とを関連付けた情報を保持している。
【００４１】
主制御部は、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭをはじめとする記憶媒体などにより構成される。主制御部のＣＰＵは、ＲＯＭをはじめとする記憶媒体に記憶された三次元画像取得プログラムおよびこのプログラムの実行のために必要なデータをＲＡＭへロードし、このプログラムに従って三次元画像取得処理を実行する。
【００４２】
主制御部のＲＡＭは、ＣＰＵが実行するプログラムおよびデータを一時的に格納するワークエリアを提供する。主制御部のＲＯＭをはじめとする記憶媒体は、情報処理装置２０の起動プログラム、三次元画像取得プログラムや、これらのプログラムを実行するために必要な各種データを記憶する。
【００４３】
なお、ＲＯＭをはじめとする記憶媒体および記憶部５３は、磁気的もしくは光学的記録媒体または半導体メモリなどの、ＣＰＵにより読み取り可能な記録媒体を含んだ構成を有し、これら記憶媒体内のプログラムおよびデータの一部または全部は電子ネットワークを介してダウンロードされるように構成してもよい。ここで電子ネットワークとは、電気通信技術を利用した情報通信網全般を意味し、無線／有線ＬＡＮ（Local Area Network）やインターネット網のほか、電話通信回線網、光ファイバ通信ネットワーク、ケーブル通信ネットワークおよび衛星通信ネットワークなどを含む。
【００４４】
主制御部のＣＰＵは、三次元画像取得プログラムによって、少なくとも高さ決定部５４、形状情報取得部５５および画像生成部５６として機能する。この各部５４〜５６は、ＲＡＭの所要のワークエリアをデータの一時的な格納場所として利用する。なお、これらの機能実現部５４〜５６は、ＣＰＵを用いることなく回路などのハードウエアロジックによって構成してもよい。
【００４５】
高さ決定部５４は、Ｚ軸変位部２１および光検出器群１７を制御することにより、Ｚ位置関係（被計測体側共役点の位置と被計測体１５の位置との光軸方向の相対的な位置関係）を変更しつつ光検出器の信号を離散的に複数取得する。そして、高さ決定部５４は、被計測体側共役点ごとに、離散的に取得した複数の信号の強度にもとづいて信号の強度が最大となる被計測体１５のＺ軸座標（光軸方向の位置）を算出する。高さ決定部５４は、この算出したＺ軸座標を、複数の開口部２５に対応する複数の被計測体側共役点における被計測体１５のＺ軸座標と決定する。
【００４６】
なお、高さ決定部５４は、Ｚ位置関係を連続的に変更させつつ光検出器の信号を取得しても良いし、Ｚ位置関係を所定の位置関係で停止した後に光検出器の信号を取得することを繰り返しても良い。後者の場合、前者の場合に比べモアレ現象が生じる可能性を低減することができる。
【００４７】
なお、共焦点光学系を用いた形状計測技術において光検出器の出力から離散的に取得した複数の信号の強度にもとづいて信号の強度が最大となる被計測体１５のＺ軸座標を算出する方法は、従来各種の方法が知られており、これらのうち任意のものを使用することが可能である（たとえば本願と同一の出願人による特許文献である特開平９−１２６７３９号公報の段落［００１４］−［００１７］など参照）。
【００４８】
形状情報取得部５５は、ＸＹ方向焦点位置変更部１４および高さ決定部５４を制御することにより、初期位置と、ＸＹ方向焦点位置変更部１４によりスポットを初期位置からＸＹ方向に被計測体側共役点の互いの離間距離Ｄｘ−ｄおよびＤｙ−ｄより小さい距離移動させた１または複数の補間位置と、のそれぞれにおいて高さ決定部５４に複数の開口部２５に対応する複数の被計測体側共役点のそれぞれにおける被計測体１５のＺ軸座標を決定させる。また、形状情報取得部５５は、ＸＹ軸変位部２２を制御して載置台１６を初期位置からＸＹ方向に移動させることにより観測領域を拡大することができる。
【００４９】
ここで、補間位置同士は互いにＸ方向およびＹ方向に移動距離単位Δｘ＜Ｄｘ−ｄおよびΔｙ＜Ｄｘ−ｄだけそれぞれ離間した位置とする。この移動距離単位ΔｘおよびΔｙは、Ｘ方向およびＹ方向の離間距離をそれぞれ所定の正の整数で除した距離とするとよい。この結果、形状情報取得部５５は、初期位置および補間位置の各位置での複数の被計測体側共役点における被計測体１５のＺ軸座標の情報からなる被計測体１５の三次元形状情報を取得することができる。
【００５０】
画像生成部５６は、三次元形状情報を用いて被計測体１５の形状画像を生成し、この形状画像を表示部５２に表示させる。
【００５１】
すなわち、本実施形態に係る三次元画像取得装置１０は、ＸＹ位置関係について、閾値θｔｈ以下の傾きθ１で対応できる所定の距離内はＸＹ方向焦点位置変更部１４で変更し、この所定の距離内の範囲より広い範囲を観測する際は、ＸＹ軸変位部２２により載置台１６を所定の距離より大きい距離移動させてから再度ＸＹ方向焦点位置変更部１４を利用することで、光学系全体の結像性能の劣化を抑えつつ、互いに離間したスポットを補間したり、観測範囲を広げたりすることができる。
【００５２】
続いて、閾値θｔｈの決定方法について説明する。
【００５３】
部材３１の傾きθ１は、ユーザが所望する結像性能に応じた閾値θｔｈを設定しておき、この閾値θｔｈ以下とすることで結像性能を確保することが好ましい。たとえば、直径ｄ＝１μｍ、中心間距離Ｄｘ＝Ｄｙ＝８μｍ、Δｘ＝Δｙ＝１μｍとする場合、すなわち分解能を１μｍとする場合は、スポットの直径が約１μｍ以下（たとえば１．１μｍ以下など）となるよう閾値θｔｈを設定することが好ましい。一方、たとえば開口部２５の直径ｄがより大きく設定されて分解能の粗い高速なデータ収集を行う場合には、スポットの直径は１μｍより大きくなってもよく、閾値θｔｈはより大きくてもよい。
【００５４】
部材３１の傾きθ１とスポット直径との関係は、光学設計ソフトウエアを用いて光線追跡を行うことにより計算することができる。光学設計ソフトウエアとしては、ゼマックス（登録商標）など従来各種のものが知られており、これらのうち任意のものを使用することが可能である。
【００５５】
図５は、スポットの設定位置（焦点位置）の一例を示す説明図である。図５には、光線追跡を行う焦点位置（Ｔ、Ｓ）としてＰ１（０．００ｍｍ、０．００ｍｍ）、Ｐ２（０．００ｍｍ、１２．２９ｍｍ）、Ｐ３（０．００ｍｍ、２４．５９ｍｍ）を設定する場合の例を示した。これらの焦点位置の設定情報を光学設計ソフトウエアに与えて光線追跡を行うことにより、各焦点位置でのスポットサイズを計算させることができる。ただし、Ｔはタンジェンシャル方向の座標を、Ｓはサジタル方向の座標を、それぞれ表す。
【００５６】
図６は、平行平板形部材３１の傾きθ１が０°である場合におけるスポットダイアグラムである。また、図７は、平行平板形部材３１の傾きθ１が０°である場合におけるＭＴＦチャートである。図６および図７に示すように、光学設計ソフトウエアによりスポットダイアグラムやＭＴＦチャートを計算させることができる。なお、以下の説明では、光学設計ソフトウエアに入力される値として、対物レンズ１３の開口数ＮＡを０．５、対物レンズ１３の倍率を１／７．５、部材３１を厚さＴ＝０．５ｍｍの平行平板ガラス（屈折率ｎ２＝１．５１）、部材３１の外部媒体を空気（屈折率ｎ１＝１．０００２９２）、光源１１の波長を１３１０ｎｍとした場合の例について示す。
【００５７】
図６に示すように、部材３１の傾きθ１が０°のとき、たとえば焦点位置Ｐ１のスポットのＲＭＳ半径は０．１９６μｍであると計算された。また、図７に示すように、部材３１の傾きθ１が０°のときは、焦点位置Ｐ１〜Ｐ３のいずれの位置においても、回折限界（Diffraction Limit）に対してほとんど劣化のないＭＴＦを得ることができた。
【００５８】
図８は、平行平板形部材３１の傾きθ１が０．５０９°である場合におけるスポットダイアグラムである。また、図９は、平行平板形部材３１の傾きθ１が０．５０９°である場合におけるＭＴＦチャートである。
【００５９】
図８に示すように、部材３１の傾きθ１が０．５０９°のとき、たとえば焦点位置Ｐ１のスポットのＲＭＳ半径は０．５１７μｍであると計算された。また、図９に示すように、部材３１の傾きθ１が０．５０９°のときも、焦点位置Ｐ１〜Ｐ３のいずれの位置においても回折限界（Diffraction Limit）に対してほとんど劣化のないＭＴＦを得ることができた。
【００６０】
図１０は、平行平板形部材３１の傾きθ１が１．１８７°である場合におけるスポットダイアグラムである。また、図１１は、平行平板形部材３１の傾きθ１が１．１８７°である場合におけるＭＴＦチャートである。
【００６１】
図１０に示すように、部材３１の傾きθ１が１．１８７°のとき、たとえば焦点位置Ｐ１のスポットのＲＭＳ半径は１．１１９μｍであると計算された。また、図１１に示すように、部材３１の傾きθ１が１．１８７°のときは、０°や０．５０９°の場合にくらべ、明らかに回折限界（Diffraction Limit）から劣化したＭＴＦが得られた。
【００６２】
これらの結果にもとづいて、所定の傾きとしての閾値θｔｈを決定する。たとえば、対物レンズ１３の開口数ＮＡ＝０．５、光源１１の波長λが１３１０ｎｍである場合、エアリーディスク直径ε≒３．１９６μｍとなる。したがって、本実施形態において、開口部２５の直径ｄ＝１μｍは、エアリーディスク直径εの１／３以下となっている。そこで、分解能を1μｍとする場合、スポットの直径が開口部２５の直径ｄ＝1μｍとほぼ同等（たとえば１．１倍以下）となるよう設定されるとよく、光学系全体のＭＴＦの劣化が少ないとさらに好ましい。したがって、図６〜図１１から明らかなように、θｔｈは約０．５０９°とするとよい。部材３１の傾きθ１が０．５０９°のとき、ＲＭＳ半径は約０．５２μｍ以下でありスポット直径は約１．０４μｍ（＜１．１μｍ）以下となるとともに、ＭＴＦの劣化も少ない。
【００６３】
図１２は、閾値θｔｈ＝０．５０９°である場合における平行平板形部材３１の光軸と垂直な面に対する傾きＸθ１、Ｙθ１と被計測体側共役点のＸＹ方向移動量（補間移動量）Ｘｔ、Ｙｔとの関係を示す説明図である。なお、Ｘθ１はＸＺ面内における部材３１の光軸と垂直な面に対する傾きを、Ｙθ１はＹＺ面内における部材３１の光軸と垂直な面に対する傾きを、それぞれ示すものとする。図１２には、部材３１の外部媒体を空気（屈折率ｎ１＝１．０００２９２）とし、部材３１をガラス（屈折率ｎ２＝１．５１）とし、部材３１の厚さＴを０．５ｍｍとする場合の例について示した。
【００６４】
図３から明らかなように、入射角Ｘθ１、Ｙθ１は部材３１の光軸と垂直な面に対する傾きに等しい。図１２に示すように、たとえば入射角Ｘθ１が０．５０９度であると、Ｘ方向の補間移動量Ｘｔは１．５０μｍとなる（図１２のスポット位置番号ｎ＝４参照）。また、入射角Ｘθ１が０．１６９度ではＸ方向の補間移動量Ｘｔは０．５０μｍとなる（図１２のスポット位置番号ｎ＝３参照）。
【００６５】
閾値θｔｈ＝０．５０９°以下では、たとえば図１２に示すような部材３１の傾きＸθ１とＹθ１の組み合わせにより１６か所のスポット位置（ｎ＝１〜１６）にスポットを移動させることにより、分解能１μｍで４μｍ四方の補間計測を行うことができる。
【００６６】
図１３は、平行平板形部材３１とＸＹ軸変位部２２によりＸＹ位置関係を変更する方法の一例を示す説明図である。図１３には、説明の便宜上、隣接する４つのスポットの遷移について示した。
【００６７】
たとえば、１つの開口部２５（ｄ＝１μｍ）ごとに８μｍ四方の計測を行う場合には、部材３１により４μｍ四方を走査した後（図１３の１〜１６）、ＸＹ軸変位部２２により４μｍステップで移動し（図１３の１６と１７の間）、さらに部材３１により４μｍ四方を走査する（図１３の１７〜３２）ことを繰り返せばよい。この場合、開口部２５が直径ｄ＝１μｍ、中心間距離Ｄｘ＝Ｄｙ＝８μｍで３２０×２５６個設けられていれば、２．５６ｍｍ×２．０４８ｍｍの範囲で分解能１μｍで補間計測を行うことができる。
【００６８】
図１２および図１３に示すように、部材３１の傾きθ１を所定の傾きθｔｈ以下に抑える場合、傾きθｔｈで移動可能な所定の距離より大きくＸＹ方向に移動させるときは、載置台１６をステップ的に移動させることで補う。
【００６９】
図１４は、部材支持部３２の一構成例を示す概略的な三面図であり、図１５は部材支持部３２の変形例を示す概略的な三面図である。また、図１６は、回転体３３の一構成例を示す概略的な平面図である。図１６には、部材支持部３２の載置部に対して１−１６までの載置位置番号を付した。
【００７０】
図１４に示すように、部材支持部３２は、回転体３３と接する下面に幅ｓの段差３２ａを有する。回転体３３の載置部にこの部材支持部３２が載置されると、この段差３２ａにより、部材支持部３２の上面が光軸に垂直な面に対してθ１傾く。この部材支持部３２の上面に平行平板形の部材３１を載置することにより、部材３１に対する光軸の入射角はθ１となる。
【００７１】
また、図１５に示すように、部材支持部３２は、回転体３３と接する下面が傾斜するよう削り加工して構成してもよい。図１５に示すような構成によっても、回転体３３の載置部にこの部材支持部３２が載置されると、部材支持部３２の上面が光軸に垂直な面に対してθ１傾くことになる。
【００７２】
図１６に示すように、回転体３３の載置部のうち、回転方向に沿う円周上の一部に複数の部材３１を載置するとともに、この円周上の他部をＺ位置関係を変更するためのスペースとしてもよい。この場合、載置位置番号１−１６に載置された部材支持部３２および部材３１によりＸＹ位置関係が変更されたあと、光軸と円周上の他部が交差する間にＺ位置関係を変更することができる。
【００７３】
また、たとえば回転方向に沿って設けられた載置位置の数に対し１つのＺ位置関係におけるデータ収集に必要なＸＹ位置関係の数が半分未満である場合、回転体３３が１周する間に２箇所以上のＺ位置関係のデータ収集および２度以上のＺ位置関係の変更を行ってもよい。たとえば載置位置が載置位置番号１−２４の２４箇所であり、１つのＺ位置関係におけるデータ収集に必要なＸＹ位置関係の数が８つである場合、載置位置番号１−８および１３−２０に部材支持部３２を載置してデータ収集用とし、載置位置番号９−１２および２１−２４をＺ位置変更用としてもよい。
【００７４】
図１２および図１６から明らかなように、ＸＹ方向焦点位置変更部１４によれば、開口部２５の中心間距離がそれぞれＤｘ＝Ｄｙ＝８μｍであるとき、載置位置番号１−１６にスポット位置番号１−１６に対応する部材支持部３２を載置することにより、Ｘ方向およびＹ方向の分解能を１μｍとすることができる。このとき、載置位置番号とスポット位置番号とが一致する必要はなく、異なっていてもよい。また分解能を２μｍとする場合は、たとえばスポット位置番号ｎ＝１、３、９、１１に対応する部材支持部３２を用いればよい。すなわち、平行平板形の部材３１の傾きの組み合わせにより、分解能を容易に変更することができる。
【００７５】
また、他の分解能に対応する部材支持部３２の組が載置された回転体３３を用意しておき、所望の分解能に応じて回転体３３を交換してもよい。また、主制御部のＲＡＭのメモリアドレスとの関連付けが行いやすいように部材支持部３２を配置すれば、主制御部のＣＰＵによる処理を容易に行うことができる。
【００７６】
本実施形態において、高さ決定処理は、離散的な複数のＺ位置で全ての補間位置における光検出器出力を取得した後に、最後に行われてもよい。すなわち、本実施形態に係る三次元画像取得装置１０は、Ｚ位置を固定しておいて回転体３３を回転し載置台１６を移動することによりＸＹ方向に走査し（図１３参照）、次にＺ位置を移動して再びＸＹ方向の走査を行うことを繰り返すことにより離散的な複数のＺ位置で全ての補間位置における光検出器出力を取得してから、高さ決定処理を実行してもよい。もちろん、回転体３３の載置部ごとにいったん停止してそのＸＹ位置ごとに高さ決定処理を行ってもよい。
【００７７】
本実施形態に係る三次元画像取得装置１０は、対物レンズ１３の被計測体１５側に配設された平行平板形部材３１によりスポット位置を光軸に垂直な面内方向に走査することができるとともに、部材３１の傾きを所定の傾きθｔｈ以下に抑えて大きなＸＹ方向移動は載置台１６をステップ的に移動させることで補うことにより、平行平板形部材３１による光学系全体の結像性能の劣化を抑えることができる。
【００７８】
なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【００７９】
たとえば、ＸＹ方向焦点位置変更部１４としては、一枚の平行平板形部材３１のみを用い、この部材３１の傾きをＸ軸およびＹ軸の２軸で制御可能に構成してもよい。このとき、各軸の駆動にはガルバノモータなどを用いるとよい。
【００８０】
また、画像生成部５６は、三次元形状情報を用いて被計測体１５の形状画像を生成する際に、必要に応じてコントラスト調整を行ってもよい。
【００８１】
また、ＸＹ方向の分解能を開口部２５の直径ｄと同一にする場合、移動距離単位ΔｘおよびΔｙを直径ｄの半分（半径）としてもよく、この場合、画像生成部５６は、重複部分の情報を用いることによりコントラストの向上を図ることができる。
【符号の説明】
【００８２】
１０  三次元画像取得装置
１１  光源
１２  開口板
１３  対物レンズ
１４  ＸＹ方向焦点位置変更部
１５  被計測体
１６  載置台
１７  光検出器群
１８  載置台変位部
１９  支持基台
２０  情報処理装置
２１  Ｚ軸変位部（Ｚ位置関係変更部）
２２  ＸＹ軸変位部
２４  偏光ビームスプリッタ
２５  開口部
３１  平行平板部材
３３  回転体
３４  駆動部
３６  結像光学系
４１  Ｘ軸変位機構
４２  Ｙ軸変位機構
４７  開口板変位部（ＸＹ位置関係変更部）
５４  高さ決定部
５５  形状情報取得部
５６  画像生成部
【図１】
2013011492.tif 000003
【図２】
2013011492.tif 000004
【図３】
2013011492.tif 000005
【図４】
2013011492.tif 000006
【図５】
2013011492.tif 000007
【図６】
2013011492.tif 000008
【図７】
2013011492.tif 000009
【図８】
2013011492.tif 000010
【図９】
2013011492.tif 000011
【図１０】
2013011492.tif 000012
【図１１】
2013011492.tif 000013
【図１２】
2013011492.tif 000014
【図１３】
2013011492.tif 000015
【図１４】
2013011492.tif 000016
【図１５】
2013011492.tif 000017
【図１６】
2013011492.tif 000018