(57)【要約】【課題】簡易な構成で、撮像素子によって検出される光量を向上させることが可能な計測装置を提供する。【解決手段】この計測装置１は、被検体を計測する計測装置であって、被検体に向けて光を照射する投光部２と、被検体上の被検面からの反射光を導光する光学系７と、光学系７からの光を回折させる回折格子１４と、回折格子１４からの回折光を撮像面１５で受光する撮像素子１３とを有し、被検面、光学系７および撮像面１５の間でシャインプルーフの条件を満たし、回折格子１４は、撮像面１５に入射する光の入射角が小さくなるように設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体を計測する計測装置であって、
前記被検体に向けて光を照射する投光部と、
前記被検体上の被検面からの反射光を導光する光学系と、
前記光学系からの光を回折させる回折格子と、
前記回折格子からの回折光を撮像面で受光する撮像素子と、を有し、
前記被検面、前記光学系および前記撮像面の間でシャインプルーフの条件を満たし、
前記回折格子は、前記撮像面に入射する光の入射角が小さくなるように設けられていることを特徴とする計測装置。
【請求項２】
前記回折格子は、前記光学系よりも前記撮像素子の撮像面に近接して設置されていることを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記回折格子の射出面と前記撮像面との距離は、０より大きく７ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の計測装置。
【請求項４】
前記回折格子への光の入射角は、４０°以上９０°未満であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項５】
前記光学系は、その瞳近傍に非球面形状の非回転対称レンズを有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項６】
前記計測装置は、三角測量の原理を用いて、前記撮像素子で撮像された前記被検面の画像に基づいて前記被検面の位置を求める演算部を有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項７】
前記計測装置は、光切断方式で被検体を計測する計測装置であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三角測量の原理を用いて被検体の位置を計測する計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被検体の表面形状を計測する計測装置として、高密度な多点の計測データを一度に取得できる非接触方式の計測プローブを用いた３次元計測装置がある。そして、非接触プローブとしては、例えば、光切断方式のものが用いられうる。光切断方式のプローブは、ライン光を被検体表面に走査させながら反射したライン光を撮像し、撮像された画像に対し画素毎に三角測量の原理を用いて被検体表面の高さ位置を導出することにより被検体表面の形状を計測する。光切断法のプローブにおいて、物体面と像面との関係は、シャインプルーフの条件を満たし、レンズの光軸に対し傾斜した像面に合わせ、撮像素子が、傾斜して配置されることにより撮像素子の撮像面に常にピントが合う。また、計測可能な被検体構造のフレキシビリティを考慮すると、プローブにおいて、被検体に対し投光する光と撮像される光の成す角である輻輳角は、小さいことが望ましい。輻輳角を小さくすることにより、表面に深い凹部を有する被検体を計測することが可能となる。
【０００３】
しかし、このようにシャインプルーフ条件を満たし、輻輳角の小さなプローブは、結果として、撮像面に対する光の入射角がある大きさを有することとなる。そのため、入射角ゼロすなわち垂直入射で用いる場合と比較して、ＣＣＤやＣＭＯＳなど撮像素子の感度が低く、検出される光量が低下しうる。そこで、特許文献１は、楔型プリズムを用いて入射角を軽減する方法を開示している。また、特許文献２は、シャインプルーフ条件により発生する軸非対称収差を、軸非対称レンズを含むレンズ群を用いて軽減する方法を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２５６４８３号公報
【特許文献２】特開２０１３−１０４８１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の方法は、楔形プリズムの厚さの不均一性から像高毎に光路長が異なってしまい、収差像高差が発生する。この収差像高差は、計測装置の精度を低下させうる。また、特許文献２は、軸非対称レンズを含むレンズ群を装置内に設置する構成であるため、その装置構成が複雑化し、製造コストおよび装置サイズが増加しうる。
【０００６】
本発明は、このような状況を鑑みてなされたものであり、例えば、簡易な構成で、撮像素子によって検出される光量を向上させることが可能な計測装置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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、被検体を計測する計測装置であって、被検体に向けて光を照射する投光部と、被検体上の被検面からの反射光を導光する光学系と、光学系からの光を回折させる回折格子と、回折格子からの回折光を撮像面で受光する撮像素子とを有し、被検面、光学系および撮像面の間でシャインプルーフの条件を満たし、回折格子は、撮像面に入射する光の入射角が小さくなるように設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、例えば、簡易な構成で、撮像素子によって検出される光量を向上させることが可能な計測装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係る計測装置の構成を示す図である。
【図２】透過型回折格子の断面形状の一例を示す図である。
【図３】従来の計測装置における撮像面近傍の構成を示す図である。
【図４】被検体表面における計測光の動きを示す図である。
【図５】一実施形態に係る計測装置における撮像面近傍の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための形態について図面などを参照して説明する。
【００１１】
まず、本発明の一実施形態に係る計測装置の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る計測装置１の構成を示す概略図である。この計測装置１は、部品、または部品を製造するための金型などを被検体５とし、被検体５の各点までの距離を非接触で測長（計測）する非接触３次元計測装置である。被検体５の複数の点の距離を計測することにより、被検体５の形状を求めることができる。なお、以下の各図において、被検体５が載置された状態のステージ４の平面内に互いに直交するＸ軸およびＹ軸を取り、ＸＹ平面に垂直（本実施形態では計測プローブ１０と被検体５とが向かい合う方向）にＺ軸を取っている。計測装置１は、ステージ４、計測プローブ１０、および制御部９を備える。
【００１２】
ステージ４は、被検体５を搭載して、ＸＹ方向に移動することができる。ステージ４が不図示のリニアエンコーダなどによりその位置を制御された状態で駆動することにより、後述する計測プローブ１０から射出されるライン光３を用いて被検体５の表面を走査することができる。
【００１３】
計測プローブ１０は、本実施形態では、ライン光投影型で三角測量の原理を用いた光切断方式の計測プローブであるものとする。光切断方式の測長原理は、被検体５にライン光（照明された形がライン状となる照明光）３を照明し、被検体５の表面（被検面）形状に応じて生じるラインの歪み量をピーク検出により検出する。そして、そのラインの歪み量に基づいて被検体５の高さ情報（位置または被検体５までの距離に関する情報）を求めるものである。計測プローブ１０は、投光部２と、撮像部８とを備える。
【００１４】
投光部２は、不図示ではあるが、レーザーなどの光源、投光レンズ、および走査用ミラーなどを含む。この投光部２より出射するライン光３は、ステージ４の上に載置された被検体５に向けて照射される。
【００１５】
撮像部８は、撮像光学系（光学系）７と、回折格子１４と、撮像素子１３とを備える。撮像光学系７は、結像レンズなど複数のレンズを含み、被検体上の被検面から反射または散乱したライン光（反射光）６を導光し、回折格子１４を介して撮像素子１３の撮像面１５に結像させる。回折格子１４は、石英等で製造され、微細な凹凸繰り返し形状を形成した表面レリーフの透過型回折格子であり、撮像光学系７からの光を撮像面１５への入射角が小さくなるよう回折させる。撮像素子１３は、ＣＣＤまたはＣＭＯＳなどを含む複数の画素が集合する受光素子であり、回折格子１４からの回折光を撮像面１５にて受光し、被検面の画像を撮像する。なお、投光部２がステージ４に対し傾斜して配置されているため、撮像部８で形成される像面も傾斜して結像される。そこで、シャインプルーフの条件を満たすよう、撮像素子１３の撮像面１５は、傾斜した像面に合わせ、傾斜して設置される。つまり、被検体５の被検面、撮像光学系７および撮像面１５がシャインプルーフの条件を満たす。この配置により、フォーカス起因のＰＳＦ（Ｐｏｉｎｔ  Ｓｐｒｅａｄ  Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）劣化によって生じる精度低下を低減することができる。
【００１６】
制御部（演算部）９は、例えば、電気回路またはソフトウェアなどで構成され、計測装置１内の各構成要素の動作を制御する。この制御部９は、ＸＹ方向へステージ４を駆動させることにより得られた計測情報を取得し、解析する。特に、制御部９は、計測プローブ１０内の撮像素子１３から出力された画像を取得し、三角測量の原理を用いてラインの歪み量に基づいて被検体５の表面までの距離（位置）を求め、被検体５の高さ情報を取得する。制御部９は、被検体５の複数の点に対する複数の高さ情報を取得することにより、最終的に被検体５の形状を求めうる。
【００１７】
なお、本実施形態においては、ステージ４の移動により被検体５の表面を走査可能な計測装置を例示したが、この構成に限定せず、投光部２に含まれる走査用ミラーを用いて、被検体５の表面を走査する構成としてもよい。
【００１８】
次に、回折格子１４の構成について説明する。図２は、本実施形態の計測装置１に適用可能な透過型回折格子の構成を示す概略断面図である。この回折格子１４は、石英表面に微細な凹凸を繰り返す形状を石英基板に直接エッチングすることにより形成し、製造される。本実施形態では、凹凸繰り返し形状として矩形格子形状を有する回折格子１４を採用している。しかし、この構成に限定せず、三角形または正弦波形状など本実施形態と異なる断面形状を有する表面レリーフ型回折格子、体積型回折格子または反射型回折格子も採用可能である。また、本実施形態の回折格子１４は、平面回折格子であるが、球面型の回折格子を採用してもよい。
【００１９】
次に、回折格子１４の設計方法について説明する。まず、回折格子１４は、１軸方向に等間隔の格子パターンを形成することにより回折現象を発生させることができる。この格子パターンのピッチの逆数を本数と呼び、通常１ｍｍあたりの本数で示される。回折格子１４に対する光線の入射角αおよび出射角βは、格子法線１８を基準に定義される。図２に示すように、格子ピッチをｄ（ｎｍ）、入射角をα（°）、出射角をβ（°）と定義すると、波長λ（ｎｍ）に対するｍ次光の回折方程式は、以下の式
ｍλ＝ｄ（ｓｉｎα＋ｓｉｎβ）
で表すことができる。
【００２０】
この式を用いて、入射角αで入射する特定の波長を有する光線に対し対応する回折次数ｍおよび格子ピッチｄを調整することにより、所望の出射角βで出射する光線を得ることができる。このように設計された回折格子１４を用いて出射角βを調整することにより、簡易な構成で、撮像素子１３への光の入射角を軽減することができる。また、入射角の軽減により、撮像素子１３によって検出される光量が増加し、計測精度を向上させることができる。
【００２１】
ここで、このような本実施形態の効果を撮像光学系７を通過した光をそのまま撮像素子１３の撮像面１５に結像させる従来例と比較し、詳説する。図３は、従来例に係る撮像素子１３近傍の構成を示す概略図である。説明の簡単化のため、図３に示す従来の構成要素のうち、本実施形態における構成要素に対応するものには同一の符号を付す。図３に示すように、従来の計測装置において、撮像光学系７を通過したライン光６は、その角度を変更することなく、シャインプルーフの条件を満たすよう傾斜して配置された撮像素子１３の撮像面１５に入射する。
【００２２】
ここで、図４を用いて、被検体５の表面における輻輳角について説明する。図４に示すように、被検体５の表面に、Ｚ軸方向の深さ構造（凹部）が存在し、この深さ構造を光切断方式のプローブを有する計測装置を用いて計測する場合を想定する。このとき、投光部２からのライン光３と、被検体５の表面で反射するライン光６との成す角度である輻輳角が、図４（ａ）に示す輻輳角θ１のように、深さ構造の幅および深さに対し、大きくなる場合がある。この場合、被検体５から反射したライン光は、深さ構造の側面に接触するため、正確にその形状を計測することができない。そのため、計測可能な計測箇所範囲を凹部の深さ方向に広げるよう、図４（ｂ）に示す輻輳角θ２のように、輻輳角は小さいことが望ましい。
【００２３】
しかし、従来の計測装置において、シャインプルーフの条件を満たすと同時に輻輳角を小さく設定した場合、撮像素子１３の撮像面１５に入射するライン光６の入射角αは、撮像面１５の法線１６に対し、大きくなる。しかし、撮像素子１３への入射角が大きくなると、撮像素子１３のマイクロレンズアレイへの入射角が垂直からずれることにより、またＳｉ結晶の吸収特性により、撮像素子１３によって検出される光量が低下しうる。
【００２４】
より詳細には、従来例の計測装置において、輻輳角を小さく設定したことにより、撮像面１５に対する撮像光学系７からのライン光６の入射角αが、例えば８０°となった場合を仮定する。この場合、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子１３の受光量は、垂直に光が入射される場合よりも大幅に低下する。受光量の低下は撮像素子１３の性能に依存するが、例えば、あるＣＣＤ撮像素子において、入射角４０°における受光量は、垂直入射時と比較して２０％程度であり、入射角が大きくなるにつれ、受光量は低下する。そのため、撮像素子１３への入射角が、例えば４０°以上９０°未満となる場合には、その角度を調整し受光量を向上させる必要がある。
【００２５】
これに対して、本発明の計測装置１は、図５に示すように、撮像素子１３の撮像面１５の近傍に回折格子１４を備える。図５は、本発明の計測装置における撮像素子１３近傍の構成を示す概略図である。本発明の計測装置１において、回折格子１４に入射する光の入射角αが８０°であり、光の波長λが５００ｎｍである場合を想定する。この場合、１次の透過光の出射角βは、上述の回折方程式を用いて、ピッチｄを設定することにより、調整することができる。例えば、出射角βを０°とする場合には、ピッチｄが、５０７．７１３ｎｍの回折格子１４を使用すればよい。図５に示すように、回折格子１４から出射角０°で出射した光は、撮像面１５に垂直に入射するため、撮像素子１３の理想的な光量を得ることができ、簡易な構成で計測精度が向上する。
【００２６】
ここで、本実施形態の回折格子１４として使用する透過型回折格子は、入射角と出射角とが等しいリトロー条件で使用された場合、入射する光量に対する特定の次数へ向かう光量比すなわち回折効率が良好であることが一般的に知られている。したがって、入射角と出射角とに大きな差がある場合、透過型回折格子の回折効率は、低下するが、計測に十分な光量を得ることは可能である。また、上述の例のように、撮像面１５への光の出射角βは、必ずしも０°である必要はない。計測装置に適用する撮像素子の感度に基づき、その撮像素子が要する光量の範囲に収まるよう設定することにより、回折効率を改善することも可能である。
【００２７】
回折格子１４に入射するライン光６は、平行光ではなく光束に拡がりがあり、その拡がりに応じて回折格子１４への入射角αが異なり、収差が発生する場合がある。その場合には、撮像光学系７の瞳近傍に非球面形状の非回転対称レンズを用いることにより収差を補正することができる。より詳細には、光束のバラつきの少ない瞳に対し±５ｍｍ近傍に非回転対称な非球面レンズを挿入することにより収差を補正することができる。この構成によれば、楔形プリズムを用いて、撮像面への光の入射角を軽減するような従来の計測装置に比べて、収差量を小さくすることができる。
【００２８】
さらに、回折格子１４の射出面と撮像素子１３の撮像面１５との距離は、短いほど収差の影響を受けにくくなるため、回折格子１４の射出面と撮像素子１３の撮像面１５とは、近接して設置されていることが好ましい。例えば、回折格子１４の射出面と撮像面１５との距離を０より大きく７ｍｍ以下に設定することにより、被検体５の形状を高精度に計測することが可能となる。
【００２９】
なお、上記実施形態では、計測プローブが光切断方式（ライン光投影型の三角測量方式）の非接触プローブであるものとした。ただし、本発明は、これに限定されるものではなく、計測プローブは、例えば、ポイント光投影型の三角測量方式の非接触プローブであってもよい。
【００３０】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定せず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。例えば、制御部９は、計測装置の外部にあって、計測装置に有線や無線などで電気的に接続された状態にあってもよい。
【符号の説明】
【００３１】
１    計測装置
２    投光部
７    撮像光学系
１４  回折格子
１３  撮像素子
【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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