(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物を照明しその反射光をラインセンサーで焦点検出することにより測定対象物の形状計測を行う焦点検出方式の３次元形状計測器であって、
測定対象物と照明光との相対位置を光軸方向に変化させることにより焦点検出のための走査を往復して行う走査系と、その走査中に前記ラインセンサーからの出力の全て又は一部をデータとして記録するメモリと、往路走査と復路走査との切替を指示する往復切替指示手段と、往路走査と復路走査とで計測感度を所定の比率に切り替える計測感度切替手段と、前記メモリの記録データを用いて焦点検出のための演算を画素毎に行う演算手段と、を有し、
前記メモリが、往路の走査データを記録する第１メモリと、復路の走査データを記録する第２メモリと、を含み、前記演算手段が、往路と復路のどちらの走査データを選択するかの判定を画素毎に行い、選択された走査データを用いて往復走査中に演算を行うことを特徴とする３次元形状計測器。
【請求項２】
測定対象物を照明しその反射光をラインセンサーで焦点検出することにより測定対象物の形状計測を行う焦点検出方式の３次元形状計測器であって、
測定対象物と照明光との相対位置を光軸方向に変化させることにより焦点検出のための走査を往復して行う走査系と、その走査中に前記ラインセンサーからの出力の全て又は一部をデータとして記録するメモリと、往路走査と復路走査との切替を指示する往復切替指示手段と、往路走査と復路走査とで計測感度を所定の比率に切り替える計測感度切替手段と、前記メモリの記録データを用いて焦点検出のための演算を画素毎に行う演算手段と、を有し、
前記メモリが別アドレスの前処理メモリと演算メモリとから成り、往復走査の終了後又は往路走査及び復路走査の各終了後に前記前処理メモリから前記演算メモリへデータが転送され、その演算メモリの記録データを用いて前記演算手段が往復走査中に演算を行うことを特徴とする３次元形状計測器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は３次元形状計測器に関するものであり、更に詳しくは焦点検出方式の３次元形状計測器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
共焦点検出方式の３次元形状計測器のように反射光の焦点検出を利用した形状計測システムでは、試料の表面状態(被測定面の反射率，傾き等)によって、センサーで観測される信号の強度レンジが広くなる。これに対応するには、システムの計測ダイナミックレンジを拡大すればよい。ダイナミックレンジを拡大する方法としては、センサーを２つ用い、被測定面からの反射光をビームスプリッターで所望の強度比に分割して各センサー上に結像させる方法が知られている。この方法によれば、２つのセンサーが異なった感度で同一測定点を観測することになるため、システムの計測ダイナミックレンジは広くなる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、２つのセンサーを全ピクセルについて位置合わせすることは非常に困難である。また、ビームスプリッターが必要であり、センサーだけでなくその周辺のメカ構成や回路系(センサーの駆動回路，センサー出力を処理するアナログ回路，ＡＤ回路，信号計測用のデジタル系等)も２つ必要となり、コストアップを招いてしまう。このため、センサー１つでもダイナミックレンジの広い３次元形状計測器が求められている。
【０００４】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、センサーが１つでも計測のダイナミックレンジが広い３次元形状計測器を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明の３次元形状計測器は、測定対象物を照明しその反射光をラインセンサーで焦点検出することにより測定対象物の形状計測を行う焦点検出方式の３次元形状計測器であって、測定対象物と照明光との相対位置を光軸方向に変化させることにより焦点検出のための走査を往復して行う走査系と、その走査中に前記ラインセンサーからの出力の全て又は一部をデータとして記録するメモリと、往路走査と復路走査との切替を指示する往復切替指示手段と、往路走査と復路走査とで計測感度を所定の比率に切り替える計測感度切替手段と、前記メモリの記録データを用いて焦点検出のための演算を画素毎に行う演算手段と、を有し、前記メモリが、往路の走査データを記録する第１メモリと、復路の走査データを記録する第２メモリと、を含み、前記演算手段が、往路と復路のどちらの走査データを選択するかの判定を画素毎に行い、選択された走査データを用いて往復走査中に演算を行うことを特徴とする。
【０００６】
第２の発明の３次元形状計測器は、測定対象物を照明しその反射光をラインセンサーで焦点検出することにより測定対象物の形状計測を行う焦点検出方式の３次元形状計測器であって、測定対象物と照明光との相対位置を光軸方向に変化させることにより焦点検出のための走査を往復して行う走査系と、その走査中に前記ラインセンサーからの出力の全て又は一部をデータとして記録するメモリと、往路走査と復路走査との切替を指示する往復切替指示手段と、往路走査と復路走査とで計測感度を所定の比率に切り替える計測感度切替手段と、前記メモリの記録データを用いて焦点検出のための演算を画素毎に行う演算手段と、を有し、前記メモリが別アドレスの前処理メモリと演算メモリとから成り、往復走査の終了後又は往路走査及び復路走査の各終了後に前記前処理メモリから前記演算メモリへデータが転送され、その演算メモリの記録データを用いて前記演算手段が往復走査中に演算を行うことを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施した３次元形状計測器を、図面を参照しつつ説明する。図２にスリット共焦点検出方式の３次元形状計測器全体の光学構成例を示し、図１にその一部を成すスリット照明光学系(9)の光学構成例を示す。図１及び図２において、1はレーザーダイオード、2はコリメータレンズ、3は矩形開口板、4はウェッジプリズムペア、5は１／２波長板、6は可変ＮＤ(Neutral Density)フィルター、7はアナモルフィックプリズムペア、8はシリンドリカルレンズ、9はスリット照明光学系、10はスリットマスク、11は偏光ビームスプリッター、12は対物光学系、13はＸＹステージ、14はラインセンサー、15は測定対象物、16は遮光マスクである。また、L1はレーザービーム(照明光)、L2は反射光、AX1はスリット照明光学系(9)の光軸、AX2は対物光学系(12)の光軸である。なお、各図中のＸ，Ｙ，Ｚは、光路展開状態において互いに直交する方向を示しており、図１(Ａ)はＹＺ断面に相当し、図１(Ｂ)はＸＺ断面に相当する。
【０００８】
レーザーダイオード(1)は、照明光としてレーザービーム(L1)を放射する点光源である。そして、レーザーダイオード(1)から放射されるレーザービーム(L1)は、楕円錐体状に放射するガウシアンビームである。レーザーダイオード(1)から放射されたレーザービーム(L1)は、コリメータレンズ(2)，矩形開口板(3)，ウェッジプリズムペア(4)，１／２波長板(5)，可変ＮＤフィルター(6)，アナモルフィックプリズムペア(7)及びシリンドリカルレンズ(8)から成るスリット照明光学系(9)によって、以下に説明するようにスリットマスク(10)の開口位置{すなわちスリット(10h)の位置}でスリット状に結像することになる。
【０００９】
レーザーダイオード(1)から放射されたレーザービーム(L1)は、まず回転対称なコリメータ光学系であるコリメータレンズ(2)によって、放射光からコリメート光(すなわち平行光)に変換される。そしてレーザービーム(L1)は、矩形開口板(3)の矩形開口(3h)を通過することにより、必要な光束範囲だけに制限される。レーザーダイオード(1)は、レーザービーム(L1)の楕円の長軸方向がスリット(10h)のスリット長手方向(dL)と一致するように配置されている。これにより、スリット長手方向(dL)の光量分布を概略均一に保ちながら光量利用効率を高めることができる。
【００１０】
矩形開口(3h)を通過したレーザービーム(L1)は、ウェッジプリズムペア(4)に入射する。ウェッジプリズムペア(4)は、レーザービーム(L1)の結像位置を所望の位置へ微調整するための光軸方向偏向手段である。このウェッジプリズムペア(4)の鏡筒を光軸(AX1)中心に回転させることにより、スリット状の光源像を微小に平行シフトさせることが可能である。したがって、レーザービーム(L1)位置の微調整により、光学調整時のスリットマスク(10)の位置とスリット結像位置との位置合わせを行うことができる。
【００１１】
ウェッジプリズムペア(4)を射出したレーザービーム(L1)は、１／２波長板(5)，可変ＮＤフィルター(6)，アナモルフィックプリズムペア(7)，シリンドリカルレンズ(8)を順に通って、スリット(10h)位置でスリット状の光源像を形成する。１／２波長板(5)は、図１(Ａ),(Ｂ)中に示すようにレーザービーム(L1)の偏光方向を９０°回転させる偏光方向変換素子である。第１，第２プリズム(7a,7b)から成るアナモルフィックプリズムペア(7)は、レーザービーム(L1)をその楕円状の長軸方向{つまりスリット長手方向(dL)}にのみ拡大するエキスパンダー光学系である。レーザーダイオード(1)は、一般的なレーザーダイオードと同様、その接合面に対して平行な方向(つまり楕円錐体状ビームの短軸方向)に偏光したレーザービーム(L1)を放射し、また前述したように、レーザービーム(L1)の楕円の長軸方向がスリット長手方向(dL)と一致するように配置されている。したがってレーザービーム(L1)は、１／２波長板(5)によりＳ偏光からＰ偏光に変換された状態でアナモルフィックプリズムペア(7)に入射することになる。
【００１２】
１／２波長板(5)での偏光方向変換により、アナモルフィックプリズムペア(7)のプリズム面{特に第１，第２プリズム(7a,7b)の各第１面}にレーザービーム(L1)が入射する際の透過率を最大にすることができる。このため、アナモルフィックプリズムペア(7)での光量損失が少なくなり、光量利用の高効率化を達成することができる。さらに、入射角をブリュースター角に近づけることで、プリズム入射面の反射防止膜を不要にすることができる。また、偏光方向がスリット方向と一致するので、効率良くレーザービーム(L1)がスリットを通過することができる。なお、図１には示していないが、１／２波長板(5)のすぐ後に偏光板を配置し、レーザービーム(L1)の偏光方向をより精度良く揃える構成としてもよい。
【００１３】
アナモルフィックプリズムペア(7)は、レーザービーム(L1)をスリット長手方向(dL)へのみ拡大することができる。所望のスリット長を得ながらもスリット短手方向(dS)の光束幅は変化しないので、スリット結像光学系であるシリンドリカルレンズ(8)の焦点距離を伸ばすことなく所望のＮＡ(Numerical Aperture)を得ることができ、スリット照明光学系(9)の全長を短くコンパクトにすることができる。また、アナモルフィックプリズムペア(7)の使用は、拡大方向であるスリット長手方向(dL)の光量を均一に保つことに対しても有効である。
【００１４】
可変ＮＤフィルター(6)は、図３に示すように、ガラス基板上にＮＤ蒸着膜が形成されたＮＤ蒸着部(6a)と、ガラス基板上にＮＤ蒸着膜が形成されていないＮＤ非蒸着部(6b)と、を有する構造になっている。そして、レーザービーム(L1)がＮＤ蒸着部(6a)、ＮＤ非蒸着部(6b)のいずれか一方のみを通過するように、レーザービーム(L1)の光路に対してＮＤ蒸着部(6a)又はＮＤ非蒸着部(6b)を切替挿入することが可能になっている。
【００１５】
測定対象物(15)の高さ位置(Ｚ方向)を測定する際、その走査は往路と復路との２回行われる。往路の走査{測定対象物(15)の低い位置から高い位置へのＺ方向のスキャニング}では、レーザービーム(L1)がＮＤ非蒸着部(6b)を通過し、復路の走査{測定対象物(15)の高い位置から低い位置へのＺ方向のスキャニング}では、レーザービーム(L1)がＮＤ蒸着部(6a)を通過する。このように可変ＮＤフィルター(6)を用いてレーザービーム(L1)による照明の明暗を切り替えれば、ラインセンサー(14)による計測のダイナミックレンジを拡大することができ、したがって測定対象物(15)の測定可能な反射率範囲を広げることができる。このダイナミックレンジの拡大に関しては、後で詳しく説明する。
【００１６】
アナモルフィックプリズムペア(7)によってスリット長手方向(dL)へ拡大されたレーザービーム(L1)は、スリット結像光学系であるシリンドリカルレンズ(8)によって、その楕円状光束断面の短軸方向{つまりスリット短手方向(dS)，図１(Ｂ)}にのみ結像し、長軸方向{つまりスリット長手方向(dL)，図１(Ａ)}にはコリメート状態が保たれる。レーザービーム(L1)の結像位置は、スリットマスク(10)のスリット(10h)位置である。このようにスリット状に結像させてスリットマスク(10)を通過させる、いわゆるクリティカル照明を用いることにより、光量損失を軽減することができる。なお、スリット照明光学系(9)でスリット(10h)位置に光源像を形成する代わりに、その光源像と同様の発散光を放射するスリット光源をスリット(10h)位置に配置してもよい。
【００１７】
上記スリット照明光学系(9)は、図２に示すように、対物光学系(12)の光軸(AX2)に対して角度を持って配置されている。つまり、スリット照明光学系(9)の光軸(AX1)が対物光学系(12)の光軸(AX2)に対して傾いた配置になっている。このため、スリットマスク(10)のスリット(10h)を通過したレーザービーム(L1)は、斜入射照明光として対物光学系(12)に入射することになる。ただし、レーザービーム(L1)は対物光学系(12)に入射する前に偏光ビームスプリッター(11)に入射する。偏光ビームスプリッター(11)は、対物光学系(12)に入射する照明光(L1)と対物光学系(12)から射出した反射光(L2)との光路分離を行う偏光分離素子である。照明光としてのレーザービーム(L1)はＹ方向に偏光しているため、偏光ビームスプリッター(11)に対してＳ偏光として入射する。したがって、レーザービーム(L1)は光路を対物光学系(12)側へ偏向されることになる。
【００１８】
対物光学系(12)は両側テレセントリック光学系であり、照明光(L1)を測定対象物(15)に向けてスリット状に結像させるとともに、測定対象物(15)からの反射光(L2)をラインセンサー(14)に向けてスリット状に結像させる。この対物光学系(12)内には、１／４波長板(12q)が偏光方向変換素子として配置されている。対物光学系(12)に対して斜入射した照明光(L1)は、光軸(AX2)を中心として２分割された一方の片側領域において１／４波長板(12q)を通過し、測定対象物(15)の被測定面(15s)からの反射光(L2)は、光軸(AX2)を中心として２分割された他方の片側領域において１／４波長板(12q)を通過する。
【００１９】
上記のように１／４波長板(12q)を光路が往復することにより、反射光(L2)の偏光方向は照明光(L1)の偏光方向に対して９０°回転したものとなる。その結果、対物光学系(12)を射出した反射光(L2)は、偏光ビームスプリッター(11)に対しＰ偏光として入射することになる。したがって、反射光(L2)は偏光ビームスプリッター(11)を透過することができ、偏光ビームスプリッター(11)を通過した反射光(L2)はラインセンサー(14)の受光面(14s)に入射する。なお、１／４波長板(12q)を用いて照明光(L1)と反射光(L2)に対する偏光方向変換を行う代わりに、１／２波長板を用いて照明光(L1)又は反射光(L2)に対する偏光方向変換を行う構成としてもよい。
【００２０】
前述したように、各像高の照明光(L1)は両側テレセントリックの対物光学系(12)に対して斜入射するため、受光面(14s)でのデフォーカスに対する入射光量変化のコントラストが良くなり、高さ位置検出精度も向上する。また、照明光(L1)が対物光学系(12)の瞳の片側領域のみを通過して被測定面(15s)を照明し、被測定面(15s)からの反射光(L2)が他方の片側領域を通過して対物光学系(12)を射出するため、被測定面(15s)がスリット(10h)の像側共役位置から外れている場合に被測定面(15s)で生じた拡散反射光が照明光(L1)と同様の光路を通って対物光学系(12)を射出したとしても、その拡散反射光は遮光マスク(16)によって遮光される。したがって、拡散反射光に起因する測定ノイズは軽減され、高さ位置検出精度が向上する。
【００２１】
照明光(L1)はできるだけ対物光学系(12)の光軸(AX2)から離れた位置を通過するようにした方が、拡散反射光に対する遮光効果は良くなり、さらに検出光量変化のコントラストも良くなる。なお、遮光マスク(16)で拡散反射光を遮光する構成は、スリット共焦点検出方式に限らず、ポイント(ピンホール)共焦点検出方式を採用した場合でも有効である。
【００２２】
ラインセンサー(14)は１次元配列型のＣＣＤ(Charge Coupled Device)から成っており、複数の受光素子で構成された受光面(14s)をスリット(10h)の共焦点位置に有するとともに、その受光面(14s)上に測定対象物(15)の像が投影されるように固定配置されている。つまり、スリット(10h)と受光面(14s)は、共に測定対象物(15)に対して共役な位置関係{すなわち対物光学系(12)について光学的に等価な共焦点位置}に配置されているのである。したがって、測定対象物(15)の被測定面(15s)に対して焦点が合っている場合には、その共役位置にあるラインセンサー(14)の受光面(14s)上で反射光(L2)が結像し、反射光(L2)の光量が画素毎に検出されることになる。
【００２３】
対物光学系(12)は、その内部に配置されたフォーカスレンズ群(12f)の移動により、像側共役位置{つまり測定対象物(15)側の共役位置}のみを移動させて、測定対象物(15)の高さ方向(Ｚ方向)の走査を行う。このＺ方向の走査はフォーカスレンズ群(12f)の移動による簡単な構成で行われるため、走査機構の小型化及び走査の高速化が可能である。またＸＹステージ(13)は、載置された測定対象物(15)と共にＸ，Ｙ方向に移動することにより、測定対象物(15)と照明光(L1)とのＸ，Ｙ方向の相対位置を変化させて、測定対象物(15)に対する測定領域全域の計測を行う。
【００２４】
測定対象物(15)の３次元形状の測定において、Ｘ方向のサイズは、ＸＹステージ(13)による測定対象物(15)の移動走査により求められ、Ｙ方向のサイズは、対物光学系(12)により受光面(14s)上に投影された像のサイズから求められる。受光面(14s)のピクセル方向(すなわちＹ方向)に電子走査を行う構成になっているため、メカ走査に頼らない高信頼性の高速走査が可能であるが、投影像が受光面(14s)のＹ方向範囲を超える場合には、ＸＹステージ(13)をＹ方向に移動させる制御が行われる。一方、Ｚ方向{光軸(AX2)に対して平行な方向}のサイズ(すなわち高さ位置)は、フォーカスレンズ群(12f)を光軸(AX2)に沿って移動させながら、ラインセンサー(14)の各受光素子からの出力変動を読み取り、測定対象物(15)が受光面(14s)で合焦したとき{つまり、被測定面(15s)と受光面(14s)との共役関係の成立により出力がピークになったとき}のフォーカスレンズ群(12f)の位置を検出することにより求められる。
【００２５】
したがって、ＸＹステージ(13)で測定対象物(15)を移動させながらフォーカスレンズ群(12f)を移動させると、スリット状に照明された部分に対するＹ方向(スリット方向)の高速電子走査が異なるＺ位置毎に行われ、測定対象物(15)のＹＺ断面形状がスライスされるようにして順次検出される。それを演算することにより測定対象物(15)の３次元形状が測定される。図４のグラフに、測定対象物(15)のＹＺ走査により得られる信号強度(i)の一例を示す。Ｙ方向の各画素について出力信号のカーブが得られ、その山脈の稜線(太線)をＹＺ平面に投影したものが測定対象物(15)のＹＺ断面形状に相当する。
【００２６】
一般にスリット共焦点検出方式で留意しなければならないのが、入力信号のダイナミックレンジである。ポイント共焦点検出方式では、１ポイントごとにセンサーの適正レンジを設定することが可能であるが、走査速度は犠牲になってしまう。これに対しスリット共焦点検出方式では、走査を高速化することはできても、ＹＺ断面の１スライスの間は一定のゲインで走査を行う必要があるため、計測可能な信号レンジを大きくとっておかなければならない。通常ＣＣＤによって達成できるレンジは約６０ｄＢである。したがって、暗時出力やピーク位置を精密に計測するためにピーク位置以外のデフォーカス状態の信号も使おうとすると、計測に用いる最低の信号を暗時出力よりも若干上に設定する必要がある。このため、現実には５０：１程度のレンジしか得られない場合がある。測定対象物(15)の傾斜面と正対面を考えると、１０００：１のレンジは必要である。
【００２７】
図２に示す３次元形状計測器では、ＣＣＤから成るラインセンサー(14)を１つ使用するとともに、フォーカスレンズ群(12f)の移動による往復走査において、計測感度(つまり計測ゲイン)を往路と復路とで変化させている。その結果得られた計測データを合成計算することにより、５０：１しかないレンジを拡大している。計測感度を往路と復路とで変化させる方法としては、センサー露光量やセンサー増幅率を変化させる以下の方法(ａ)〜(ｆ)が挙げられる。
【００２８】
(ａ)：光源のパワーを変える方法。
(ｂ)：ＣＣＤ出力増幅時のアンプの増幅率を変える方法。
(ｃ)：光路中へのＮＤフィルターの出入り等により照明の明暗を切り替える方法。
(ｄ)：ＣＣＤの電子シャッター機能を用いる方法。
(ｅ)：光源{例えばレーザーダイオード(1)}のデューティ比を変える方法。
(ｆ)：(ａ)〜(ｅ)を組み合わせる方法。
【００２９】
今、往復走査で４０：１の計測感度比が必要な場合を考える。つまり、往路走査を高感度の４０とし、復路走査を低感度の１とする。ＣＣＤの最大読み出しレートを１０ＭＨｚ、画素を２０００ピクセルとすれば、ピクセル方向(Ｙ方向)の電子走査を行いながらＺ方向の走査を行うときの最大のレートは、５ｋＨｚ(ライン周期２００μｓ)である。Ｚ方向の走査ラインを２０００とすれば、４００ｍｓでＹＺ断面の往路走査(高感度走査)が完了する。復路走査時のセンサー露光量又はセンサー増幅率を往路走査時の１／４０に制限すれば、復路走査(低感度走査)も４００ｍｓで完了する。
【００３０】
上記制限は、増幅率に余裕のある場合には方法(ｂ)の出力増幅のゲインを下げることで実現する。その際、回路のオフセットが変わるので、オフセットのキャリブレーションは必要となる。増幅率がとれない場合には、方法(ａ)，(ｃ)，(ｄ)，(ｅ)等と組み合わせればよい。レーザーダイオード(1)を用いて方法(ａ)のみを採用した場合には、計測感度比の設定においてレーザー発振がしきい値を超えず、特性が変わることがある。方法(ｄ)又は(ｅ)のみを採用する場合には、電子シャッターや光変調の応答を考慮する必要がある。方法(ｃ)のみを採用すると、ＮＤフィルターの透過率のバラツキが往復比率に影響を与える場合がある。例えば、４０：１を実現するのに１００％と２．５％の透過率を設定しても、透過率０．５％のエラーにより約３３：１と大きく比率がずれてしまう。したがって、単独よりも２以上の方法を組み合わせる方が好ましい。
【００３１】
図２に示す３次元形状計測器は、図３に示す可変ＮＤフィルター(6)を備えているので、方法(ｃ)を採用することができる。図５のタイムチャートに、方法(ｃ)と方法(ｄ)又は(ｅ)とを組み合わせた場合の露光タイミングの一例を示す。図５(Ａ)は往路走査時の露光タイミングを示しており、図５(Ｂ)は復路走査時の露光タイミングを示している。図３に示すように、レーザービーム(L1)は往路走査時にＮＤ非蒸着部(6b)を通過し、復路走査時にＮＤ蒸着部(6a)を透過率１０％で通過する。また、往路走査時の露光時間は２００μｓであり、復路走査時の露光時間は５０μｓである。したがって、可変ＮＤフィルター(6)通過後の光量の往復相対比率が１０：１、露光時間の往復相対比率が４：１であることから、往復走査で４０：１の計測感度比が得られる。このように計測感度が往路走査と復路走査とで所定比率に切り替わる構成にすると、ラインセンサー(14)１つでも広いダイナミックレンジの３次元形状計測が可能である。
【００３２】
なお、可変ＮＤフィルター(6)は、ＮＤ蒸着部(6a)とＮＤ非蒸着部(6b)との切り替えが光学的な変化を生じさせないように、コリメート光の光路部分(図１)に設けられている。また、ＮＤ蒸着部(6a)とＮＤ非蒸着部(6b)とで厚みを同じにするために、ガラス基板に対する蒸着によりＮＤフィルターを形成している。これにより、厚み誤差をほぼ無視できるようにすることが可能である。
【００３３】
方法(ｄ)の電子シャッター機能を利用すれば、２００μｓ以下の露光が可能になるとともに{図５(Ｂ)}、Ｚ方向の走査機構の速度ムラがあっても、所望の露光時間でセンサー露光量を制限をすることが可能になる。方法(ａ)による光源のパワーや方法(ｂ)によるＣＣＤ出力の増幅を最大にしても、電荷蓄積時間：２００μｓで測定したい信号が所定のカウント値に達しないほど測定対象物(15)の反射率が低い場合には、高感度側(往路走査)の電荷蓄積時間を長くするとともにＺ方向の走査速度を遅くして計測を行えばよい。例えば、電荷蓄積時間を８倍長くする場合、ライン周期を１６００μｓに設定し、３．２秒で高感度側の往路走査を終えた後、復路走査を最大レート(０．４秒)で行えば、往復走査は３．６秒で終了する。
【００３４】
ＣＣＤの電子シャッター機能が使えない場合には、方法(ｅ)により光源を所望の時間(電子シャッター機能に相当する時間)点灯させることで、センサー露光量を制御すればよい。なお、往復走査の計測感度比を４０：１にしてダイナミックレンジを拡大する場合、ＣＣＤの線形領域は前述の６０ｄＢ程度でよいが、それ以上の像面照度になっても飽和画素からの信号が他の画素にもれないようにする必要がある。これはアンチブルーミング機能を適正に効かしたＣＣＤを使用することで達成することができる。
【００３５】
測定対象物(15)の３次元計測には、上述した往復走査に要する走査時間以外に、演算時間やホストコンピュータへのデータ転送時間も必要であり、また、走査時間には含まれないＺ方向の助走時間も必要である。そこで、３次元形状測定結果を短時間でホストコンピュータに転送するために「並列処理」を行うことが望ましい。ここでは、図６に示す形状計測構成により図７に示す形状計測手順で「並列処理」を行う場合を以下に説明する。図６において、21は前演算ブロック(ＣＤＳ回路，アンプ，ＡＤ回路等を内蔵している。)、22は演算制御系、23は電子シャッター機能を有するＣＣＤ駆動系、24はフォーカスレンズ群(12f)を移動させるフォーカス駆動系、25は可変ＮＤフィルター(6)を移動させるＮＤフィルター駆動系、26は通信ライン、27はホストコンピュータ(パーソナルコンピュータ等)、M1〜M3は第１〜第３メモリである。
【００３６】
ＹＺ断面に対するＮ回目の往復走査を考えた場合、その往復走査期間は図７に示すように、往路Ｎ助走期間(#10)，往路Ｎ走査期間(#20)，復路Ｎ助走期間(#30)及び復路Ｎ走査期間(#40)の順に分けられ、その後にＮ＋１回目の往復走査における往路Ｎ＋１助走期間(#50)が続くことになる。演算制御系(22)は、往路Ｎ助走期間(#10)及び復路Ｎ助走期間(#30)において、Ｚ方向の走査速度やその走査方向(往路：＋，復路：−)を示す信号(α)を前演算ブロック(21)に送る(B11,B31)。前演算ブロック(21)は、「第１メモリ(M1)へ往路走査データ(d1)を書き込む」か「第２メモリ(M2)へ復路走査データ(d2)を書き込む」かの判定を、演算制御系(22)からの信号(α)の切替指示に基づいて行う。
【００３７】
往路Ｎ走査期間(#20)及び復路Ｎ走査期間(#40)において、２０００ラインスキャンがＣＣＤ駆動系(23)，フォーカス駆動系(24)，ＮＤフィルター駆動系(25)等によりそれぞれ行われ(A21,A41)、ラインセンサー(14)から前演算ブロック(21)にデータが取り込まれる。前演算ブロック(21)は、走査中のＣＣＤ出力をリアルタイムでＡＤ変換し、その結果得られたデータ(２０００×２０００)のうち、各画素毎のピーク付近のデータのみ(d1,d2)を第１，第２メモリ(M1,M2)にそれぞれ残す(A22,A42)。つまり、ラインセンサー(14)からの出力の一部が、第１メモリ(M1)には往路走査データとして、第２メモリ(M2)には復路走査データとしてデータ記録される(ただし、必要に応じて全データをそれぞれ記録するようにしても構わない。)。
【００３８】
Ｎ回目の往復走査が終了した後、Ｎ＋１回目の往復走査がスタートし、往路Ｎ＋１助走期間(#50)において、Ｎ回目の往復走査により得られたピーク付近データ(d1,d2)が、第１，第２メモリ(M1,M2)から第３メモリ(M3)へ転送される(A51,A52)。このデータ転送(A51,A52)により、Ｎ＋１回目の往復走査で得られるピーク付近データ(d1,d2)を第１，第２メモリ(M1,M2)にそれぞれ残すことが可能となる(A22,A42)。なお、第１メモリ(M1)から第３メモリ(M3)への往路走査データ(d1)の転送に関しては、復路Ｎ助走期間(#30)に行うようにしてもよい。つまり、第１，第２メモリ(M1,M2)から第３メモリ(M3)へのピーク付近データ(d1,d2)の転送は、往復走査の終了後(A51)に限らず、往路走査及び復路走査の各終了後に行ってもよい。
【００３９】
演算制御系(22)は、Ｎ＋１回目の往路Ｎ＋１走査期間(#20)において、各画素毎に往路(＋)／復路(−)のどちらの走査データ(d1,d2)を選択するかの判定を行う(B21)。そして、選択されたピーク付近の走査データ(d1又はd2)からピーク位置を精密に計算して、転送データ(d3)を作成する(B22)。作成された転送データ(d3)は、復路Ｎ＋１走査期間(#40)において、第３メモリ(M3)から通信ライン(26)を経てホストコンピュータ(27)へ転送される(B41)。なお、転送データ(d3)の作成(B22)が早く完了した場合には、第３メモリ(M3)からのデータ転送(B41)を往路Ｎ＋１走査期間(#20)又は復路Ｎ＋１助走期間(#30)に行うようにしてもよい。また、転送データ(d3)の作成(B22)に時間がかかる場合には、その作成途中に(例えば計算が半分完了した時点で)信号(α)を送る(B31)ようにしてもよい。
【００４０】
上記のように図６に示す形状計測構成は、往路走査，復路走査にそれぞれ対応する前処理用の第１，第２メモリ(M1,M2)と、それとは別アドレスの演算用の第３メモリ(M3)と、を備えているため、図７に示すように、演算やデータ転送を往復走査と並行して行うことができる。したがって、走査時間及びその助走時間と演算時間及びデータ転送時間とのオーバーラップにより、計測時間の大幅な増大を防ぐことができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、計測感度が往路走査と復路走査とで所定比率に切り替わる構成になっているため、センサーが１つでも広いダイナミックレンジの３次元形状計測が可能である。さらに、使用するメモリを前処理メモリと演算メモリとに分ければ演算と走査の並列処理が可能となり、計測時間の大幅な増大を防ぐことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る３次元形状計測器に搭載されるスリット照明光学系の構成例を模式的に示す光学構成図。
【図２】図１のスリット照明光学系を備えた３次元形状計測器全体の光学構成を模式的に示す概略構成図。
【図３】計測システムのダイナミックレンジを拡大するための可変ＮＤフィルターの動作を説明するための図。
【図４】測定対象物のＹＺ走査により得られる信号強度の一例を示すグラフ。
【図５】計測システムのダイナミックレンジを拡大する際の露光タイミングの一例を示すタイムチャート。
【図６】図２の３次元形状計測器における形状計測構成を示すブロック図。
【図７】図２の３次元形状計測器における形状計測手順を示すフローチャート。
【符号の説明】
1  …レーザーダイオード
6  …可変ＮＤフィルター(計測感度切替手段)
9  …スリット照明光学系
12  …対物光学系
12f  …フォーカスレンズ群(走査系)
14  …ラインセンサー(ＣＣＤ)
14s  …受光面
15  …測定対象物
15s  …被測定面
21  …前演算ブロック
22  …演算制御系(往復切替指示手段，演算手段)
23  …ＣＣＤ駆動系(計測感度切替手段)
24  …フォーカス駆動系(走査系)
25  …ＮＤフィルター駆動系(計測感度切替手段)
26  …通信ライン
27  …ホストコンピュータ
M1  …第１メモリ(前処理メモリ)
M2  …第２メモリ(前処理メモリ)
M3  …第３メモリ(演算メモリ)
L1  …照明光(レーザービーム)
L2  …反射光
AX1  …スリット照明光学系の光軸
AX2  …対物光学系の光軸
【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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