JP2006337117A - Optical measurement apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光学測定装置に関する。 The present invention relates to an optical measuring device.
従来より、共焦点の原理を用いた光学測定装置が広く知られている。このものは、光源からの光を測定光学系によって、ワーク上で焦点を結ぶように集光させる。そして、ワークで反射された光はピンホールを通過した後、光検出部によって検出される。これにより、実際に、ワーク上で焦点が結ばれた場合には、光検出部では受光量が多くなるのに対して、ワーク表面の凹凸によりワーク上で焦点が結ばれなった場合には、受光量が小さくなる。このように、光検出部の受光量に基づいて、ワークの表面の凹凸を測定するものである。 Conventionally, optical measuring apparatuses using the principle of confocal are widely known. In this apparatus, light from a light source is condensed by a measurement optical system so as to be focused on a workpiece. The light reflected by the workpiece passes through the pinhole and is then detected by the light detection unit. As a result, when the focal point is actually focused on the work, the light detection unit increases the amount of light received, whereas when the focal point is focused on the work due to the unevenness of the work surface, The amount of received light is reduced. As described above, the unevenness on the surface of the workpiece is measured based on the amount of light received by the light detection unit.
この種の光学測定装置では、光源からの光をワーク上に走査させて測定を行なうが、光源1つに対して被測定点が1つであるため、測定の高速化を目的として光源を多点式にするものが提案されている(特許文献1)。特許文献1のものは、レーザ光源の前方に複数のピンホールを有するピンホールアレイを備え、複数の点光源を得るようにしている。また、ピンホールは可動式とされ、ピンホールを可動させると、各点光源からの光がワーク上を走査する構成とされている。
尚、係る光学系において、点光源からの光を受光側のピンホールで受けてやるには、投光側(ピンホールアレイ)の移動に伴って、その相手側となる受光側(スペーシャルフィルタアレイ)をこれと同期したタイミングで移動させることが必要となる。というのも、仮に、両アレイがばらばらに動いてしまうと、点光源からの光が測定対象物上で焦点を結んだ場合であっても、その反射光がスペーシャルフィルタアレイのピンホールを通過せず、測定誤差の原因となる。
In such an optical system, in order to receive the light from the point light source through the pinhole on the light receiving side, the light receiving side (spatial filter) that is the other side as the light projecting side (pinhole array) moves. It is necessary to move the array) at a timing synchronized with this. This is because if both arrays move apart, even if the light from the point light source is focused on the measurement object, the reflected light passes through the pinhole of the spatial filter array. Without causing a measurement error.
上記のように、両アレイの移動を同期させることは、測定精度を補償する上で極めて重要である。一方、先の文献のものは、ピンホールアレイの移動方向は、図11に示す上下方向であるのに対して、その相手側となるスペーシャルフィルタアレイの移動方向は左右方向であり、両アレイの移動方向が異なっている。このように、移動方向が異なる両部材、すなわちピンホールアレイ、スペーシャルフィルタアレイを同期したタイミングで移動させるのは一般に困難であり、仮に、同期させることが出来たとしても、それには、同期制御のための機構が必要となり、コスト高となる。
本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、比較的簡単な構成で、測定を高速、かつ高精度に行なうことが可能な光学測定装置を提供することを目的とする。
As described above, synchronizing the movements of both arrays is extremely important for compensating measurement accuracy. On the other hand, in the previous document, the moving direction of the pinhole array is the vertical direction shown in FIG. 11, whereas the moving direction of the spatial filter array on the other side is the horizontal direction. The moving direction of is different. As described above, it is generally difficult to move both members having different moving directions, that is, a pinhole array and a spatial filter array at a synchronized timing. Even if they can be synchronized, synchronous control is performed. This requires a mechanism for increasing the cost.
The present invention has been completed based on the above-described circumstances, and an object thereof is to provide an optical measurement apparatus capable of performing measurement at high speed and high accuracy with a relatively simple configuration. .
上記の目的を達成するための手段として、請求項1の発明は、投光源から出射された光を被測定対象物で焦点を結ぶように集光させるとともに、その反射光を撮像して撮像信号を出力する光学装置本体と、前記測定対象物が載置される載置テーブルと、前記光学装置本体或いは、前記載置テーブルの少なくともいずれか一方を光の光軸方向に移動させて、前記光学装置本体の光学系に対して前記測定対象物を相対移動させる相対移動手段と、前記相対移動手段によって相対移動をさせた各時点の撮像信号に基づいて測定対象物の形状を決定する形状決定手段と、を備えた光学測定装置であって、前記光学装置本体は、所定間隔をもって周期的に配置される複数の前記投光源を有する投光手段と、前記複数の前記投光源からそれぞれ出射された各出射光を測定対象物上に集光させる対物レンズと、前記測定対象物で反射され、その後、前記対物レンズを通過した反射光を前記投光手段とは異なる方向に分岐させる光分岐手段と、前記投光手段と光学的に共役関係となる位置に配される受光ピンホールアレイと、前記受光ピンホールアレイ上において前記投光源の配置間隔と同じ間隔、或いは相似間隔で開口し、前記対物レンズで収束されつつ前記光分岐手段により分岐された前記各反射光をそれぞれ個別に通過させる受光ピンホールと、前記受光ピンホールを通過した各反射光が入光される撮像面を有し、入光された光の光量に応じた前記撮像信号を出力可能な撮像手段と、を備えてなるとともに、前記投光手段並びに前記受光ピンホールアレイは、前記投光手段の出射光軸及び前記受光ピンホールの軸線(中心線)が互いに平行となるように配され、かつ、前記出射光軸と直交する方向に一体的に移動するように構成されて、前記投光源からの光を前記被測定対象物上に光走査可能とする光走査機構を形成しているところに特徴を有する。 As means for achieving the above object, the invention of claim 1 condenses the light emitted from the light projecting light source so as to focus on the object to be measured, and images the reflected light to obtain an image signal. The optical device main body that outputs the above, a mounting table on which the measurement object is mounted, and at least one of the optical device main body or the mounting table described above is moved in the optical axis direction of the light, and the optical Relative movement means for moving the measurement object relative to the optical system of the apparatus main body, and shape determination means for determining the shape of the measurement object based on the imaging signal at each point of time relative movement by the relative movement means And the optical device body is emitted from the light projecting means having the plurality of light projecting light sources arranged periodically with a predetermined interval, and from the plurality of light projecting light sources, respectively. An objective lens for condensing the emitted light on the measurement object; and a light branching means for branching the reflected light reflected by the measurement object and then passed through the objective lens in a direction different from the light projecting means; A light receiving pinhole array disposed at a position optically conjugate with the light projecting means, and an opening at the same interval as or similar to the arrangement interval of the light projecting light sources on the light receiving pinhole array; A light receiving pinhole for individually passing the reflected lights branched by the light branching means while being converged by the light branching means, and an imaging surface on which the reflected lights passing through the light receiving pinholes are incident. Imaging means capable of outputting the imaging signal according to the amount of the emitted light, and the light projecting means and the light receiving pinhole array include an output optical axis of the light projecting means and the light emitting means. The optical pinholes are arranged so that the axes (center lines) thereof are parallel to each other, and are configured to move integrally in a direction orthogonal to the outgoing optical axis, so that the light from the light projecting light source is received. It is characterized in that an optical scanning mechanism that enables optical scanning is formed on an object to be measured.
尚、請求項1に記載された「相対移動手段」は、光軸方向において相対移動をさせたときの移動量を計測可能な計測機能を含んでいる。そして、請求項1に記載された「形状決定手段」は、相対移動手段から得られる光軸方向に関する相対移動量と、相対移動させた各時点の撮像手段上の受光位置と、該受光位置における受光信号強度に基づいて被測定対象物の形状の決定を行なうものである。
また、請求項1に記載された「前記光学装置本体或いは、前記載置テーブルの少なくともいずれか一方」とは光学測定装置本体、載置テーブルに加えて、光学装置本体の一部(例えば、対物レンズ)も含まれるものである。
The “relative movement means” described in claim 1 includes a measurement function capable of measuring the movement amount when the relative movement is performed in the optical axis direction. The “shape determining means” described in claim 1 includes a relative movement amount in the optical axis direction obtained from the relative movement means, a light receiving position on the image pickup means at each point of relative movement, and a light receiving position at the light receiving position. The shape of the object to be measured is determined based on the received light signal intensity.
Further, “the optical device main body or at least one of the mounting tables” described in claim 1 is a part of the optical device main body (for example, an objective) in addition to the optical measuring device main body and the mounting table. Lens).
請求項2の発明は、請求項1に記載のものにおいて、前記受光ピンホールを通過した前記反射光を収束させつつ前記撮像面上に入光させる収束手段を備えるところに特徴を有する。 According to a second aspect of the present invention, there is provided the apparatus according to the first aspect, further comprising a converging means for converging the reflected light that has passed through the light receiving pinhole and entering the imaging surface.
請求項3の発明は、請求項2に記載のものにおいて、前記収束手段は、前記収束手段は、前記各受光ピンホールごとにそれぞれ個別に設けられる収束レンズの集まりからなる収束レンズ群よりなり、同収束レンズ群は前記受光ピンホールアレイに一体化されているところに特徴を有する。前記各受光ピンホールごとにそれぞれ個別に設けられる複数の収束レンズ群よりなり、同複数の収束レンズ群は前記受光ピンホールアレイに一体化されているところに特徴を有する。 The invention of claim 3 is the one described in claim 2, wherein the converging means comprises a converging lens group consisting of a collection of converging lenses provided individually for each of the light receiving pinholes, The converging lens group is characterized in that it is integrated with the light receiving pinhole array. Each of the light receiving pinholes includes a plurality of converging lens groups that are individually provided, and the plurality of converging lens groups are integrated with the light receiving pinhole array.
請求項4の発明は、請求項2に記載のものにおいて、前記収束手段は前記受光ピンホールアレイと前記撮像手段との間にあって、大きさが前記各受光ピンホールを通過した全反射光の光路の全長に亘る大きさに形成された単一の収束レンズよりなるところに特徴を有する。
尚、請求項4における「単一の収束レンズ」とは、単一光軸の収束レンズを意味しており、これには、複数のレンズから構成されるアクロマチックレンズ、トリプレットレンズ、或いは2群レンズ等のレンズユニットも含まれる。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the optical path of the total reflected light according to the second aspect, wherein the converging means is located between the light receiving pinhole array and the imaging means, and has a size passing through the light receiving pinholes. It is characterized in that it consists of a single converging lens formed in a size over the entire length.
The “single converging lens” in
請求項5の発明は、請求項1ないし請求項4のいずれかに記載のものにおいて、前記形状決定手段は、前記コリメータレンズ並びに前記撮像手段の一体移動が開始されてから所定時間以上経過後に、当該撮像手段に入光された光の撮像信号に基づいて前記測定対象物の形状を決定するところに特徴を有する。 According to a fifth aspect of the present invention, the shape determining means according to any one of the first to fourth aspects, wherein a predetermined time or more has elapsed since the integrated movement of the collimator lens and the imaging means was started. It is characterized in that the shape of the measurement object is determined based on an imaging signal of light incident on the imaging means.
請求項6の発明は、請求項1ないし請求項5のいずれかに記載のものにおいて、前記相対移動手段は、前記対物レンズを前記光軸方向に移動させる対物レンズ移動手段よりなるところに特徴を有する。 A sixth aspect of the present invention is characterized in that, in any one of the first to fifth aspects, the relative moving means comprises objective lens moving means for moving the objective lens in the optical axis direction. Have.
請求項7の発明は、請求項1ないし請求項6のいずれかに記載のものにおいて、前記投光手段は、支持部材に複数個の投光素子が所定間隔で周期的に配置された投光素子アレイよりなるところに特徴を有する。
尚、請求項7に記載の「投光素子アレイ」について例示しておくと、例えば、VCSEL(面発光型半導体レーザ)、DMD(反射型光素子(ディジタルマイクロミラーディバイス))等である。
A seventh aspect of the present invention is the light emitting device according to any one of the first to sixth aspects, wherein the light projecting means is a light projecting device in which a plurality of light projecting elements are periodically arranged at predetermined intervals on a support member. It is characterized by a device array.
Examples of the “light projecting element array” described in claim 7 are VCSEL (surface emitting semiconductor laser), DMD (reflection type optical element (digital micromirror device)), and the like.
その他の手段として、以下のものであってもよい。すなわち、請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の発明において、前記光走査機構は、投光手段並びに前記受光ピンホールアレイとを連結状態に保持するスライダと、前記スライダをスライド可能に支持するベース部材とからなり、前記スライダを移動開始位置から移動させることで被測定対象物に対する光の走査が行なわれるものであって、前記スライダの移動開始位置は、当該スライダの移動が開始されてから所定時間以上経過した後に、前記測定対象物の測定範囲領域内に投光源からの光が進入して、形状検出のための走査が行なわれるように設定されてものである。 Other means may be as follows. That is, in the invention according to any one of claims 1 to 4, the optical scanning mechanism includes a slider that holds the light projecting means and the light receiving pinhole array in a connected state, and the slider is slidably supported. The base member is configured to perform scanning of light on the object to be measured by moving the slider from the movement start position. The movement start position of the slider is determined by the movement of the slider being started. After a predetermined time or more has elapsed, light from a light projecting source enters the measurement range region of the measurement object, and scanning for shape detection is performed.
また、請求項1に記載の発明にコリメータレンズを追加するものであってもよい。すなわち、投光源から出射された光を被測定対象物で焦点を結ぶように集光させるとともに、その反射光を撮像して撮像信号を出力する光学装置本体と、前記測定対象物が載置される載置テーブルと、前記光学装置本体或いは、前記載置テーブルの少なくともいずれか一方を光の光軸方向に移動させて、前記光学装置本体の光学系に対して前記測定対象物を相対移動させる相対移動手段と、前記相対移動手段によって相対移動をさせた各時点の撮像信号に基づいて測定対象物の形状を決定する形状決定手段と、を備えた光学測定装置であって、前記光学装置本体は、所定間隔をもって周期的に配置される複数の前記投光源を有する投光手段と、前記複数の前記投光源からそれぞれ出射された各出射光を略平行光にするコリメータレンズと、前記コリメータレンズによって略平行光とされた各出射光を測定対象物上に集光させる対物レンズと、前記測定対象物で反射され、その後、前記対物レンズ並びに前記コリメータレンズを通過した反射光を前記投光手段とは異なる方向に分岐させる光分岐手段と、前記投光手段と光学的に共役関係となる位置に配される受光ピンホールアレイと、前記受光ピンホールアレイ上において前記投光源の配置間隔と同じ間隔で開口し、前記コリメータレンズにより収束されつつ前記光分岐手段により分岐された前記各反射光をそれぞれ個別に通過させる受光ピンホールと、前記受光ピンホールを通過した各反射光が入光される撮像面を有し、入光された光の光量に応じた前記撮像信号を出力可能な撮像手段と、を備えてなるとともに、前記投光手段並びに前記受光ピンホールアレイは、前記投光手段の出射光軸及び前記受光ピンホールの軸線が互いに平行となるように配され、かつ、前記出射光の光軸と直交する方向に一体的に移動するように構成されて、前記投光源からの光を前記被測定対象物上に光走査可能とする光走査機構を形成していることを特徴とする光学測定装置である。 Further, a collimator lens may be added to the invention described in claim 1. That is, the light emitted from the light projecting light source is collected so as to be focused on the object to be measured, and the optical device main body that images the reflected light and outputs an imaging signal, and the measurement object are mounted. And moving the measurement object relative to the optical system of the optical device main body by moving at least one of the mounting table and the optical device main body or the mounting table described above in the optical axis direction of the light. An optical measurement apparatus comprising: a relative movement unit; and a shape determination unit that determines a shape of an object to be measured based on an imaging signal at each time point relatively moved by the relative movement unit. Includes a light projecting unit having a plurality of the light projecting light sources arranged periodically with a predetermined interval, a collimator lens for making each light emitted from the plurality of light projecting light sources substantially parallel light, An objective lens that condenses each output light that has been made substantially parallel light by the collimator lens onto the measurement object, and is reflected by the measurement object, and then the reflected light that has passed through the objective lens and the collimator lens is projected. A light branching means for branching in a direction different from the light means, a light receiving pinhole array disposed at a position optically conjugate with the light projecting means, and an arrangement interval of the light projecting light sources on the light receiving pinhole array A light receiving pinhole that individually passes the reflected light branched by the light branching means while being converged by the collimator lens, and each reflected light that has passed through the light receiving pinhole is incident. And an imaging means capable of outputting the imaging signal in accordance with the amount of incident light. The light receiving pinhole array is arranged so that the output optical axis of the light projecting means and the axis of the light receiving pinhole are parallel to each other and move integrally in a direction perpendicular to the optical axis of the emitted light The optical measurement device is configured so as to form an optical scanning mechanism that allows the light from the light projecting light source to be optically scanned on the object to be measured.
<請求項1の発明>
請求項1の発明によれば、測定対象物に対して光を走査させる光走査機構を投光手段並びに受光ピンホールアレイにより構成し、しかも、投光手段並びに受光ピンホールアレイは一体的に移動するように構成されている。このような構成であれば、移動によって投光手段並びにコリメータレンズの相対的な位置関係が変化してしまうことがなく、また、投光手段と受光ピンホールアレイを独立させて移動させる場合に比べて、装置の構成を簡素化できる(同期をとるための機構を必要としない)。
<Invention of Claim 1>
According to the first aspect of the present invention, the light scanning mechanism for scanning the object to be measured is constituted by the light projecting means and the light receiving pinhole array, and the light projecting means and the light receiving pinhole array move integrally. Is configured to do. With such a configuration, the relative positional relationship between the light projecting means and the collimator lens does not change due to the movement, and compared with the case where the light projecting means and the light receiving pinhole array are moved independently. Thus, the configuration of the apparatus can be simplified (no mechanism is required for synchronization).
<請求項2ないし請求項4の発明>
請求項2ないし請求項4の発明によれば、受光ピンホールを通過した光は、収束手段によって収束されつつ撮像手段に入光する。これにより、収束手段が設けられていない場合に比べて、撮像手段上における受光スポットを小さく結像できるから測定精度が向上する。
<Invention of Claims 2 to 4>
According to the second to fourth aspects of the present invention, the light that has passed through the light receiving pinhole enters the imaging unit while being converged by the converging unit. Thereby, compared with the case where the convergence means is not provided, the light receiving spot on the imaging means can be imaged smaller, so that the measurement accuracy is improved.
また、請求項4の発明によれば、収束手段を単一の収束レンズにより構成している。このような構成であれば、収束手段に汎用のレンズを用いることが可能となり、低コスト化に寄与する。
According to the invention of
<請求項5の発明>
投光手段並びに受光ピンホールアレイの移動開始直後は、速度が安定しないことが多いため、正確な形状の測定が行われないおそれがある。しかし、本構成によれば、形状決定手段は、移動が開始されてから所定時間以上経過した後の撮像信号に基づいて、被測定対象物の形状を決定する。換言すれば、移動開始直後の速度が安定していないときの撮像信号が排除されるから、測定精度が高まる。
<Invention of Claim 5>
Immediately after the start of movement of the light projecting means and the light receiving pinhole array, the speed is often not stable, and there is a risk that accurate shape measurement will not be performed. However, according to this configuration, the shape determining means determines the shape of the measurement object based on the imaging signal after a predetermined time or more has elapsed since the start of movement. In other words, since the imaging signal when the speed immediately after the start of movement is not stable is excluded, the measurement accuracy is increased.
<請求項6の発明>
光学装置本体の光学系に対して測定対象物を相対移動させるには、光学装置本体(一部を含む)或いは、載置テーブルの少なくともいずれか一方を光の光軸方向に移動させればよいが、請求項6の発明によれば、対物レンズを移動させて相対移動させている。このような構成であれば、移動の対象となる部品(対物レンズ)が比較的小さいから、移動のための機構を小型化、並びに簡素化できる。
<Invention of Claim 6>
In order to move the measurement object relative to the optical system of the optical device main body, it is only necessary to move at least one of the optical device main body (including part of the optical device main body) or the mounting table in the optical axis direction of the light. However, according to the invention of claim 6, the objective lens is moved and relatively moved. With such a configuration, since the component (objective lens) to be moved is relatively small, the mechanism for movement can be reduced in size and simplified.
<請求項7の発明>
請求項7の発明によれば、投光手段が投光素子アレイにより構成され、一の部品として取り扱うことが出来る。また、係る構成とすることで、独立した単一の光源を複数個配して投光手段を構成するものに比べて、以下の効果を得ることが出来る。第一に小型化が可能となる。第二に、光源相互間の位置調整が不要となる。第三に、輝度の斑がなくなる(素子を高密度に配することが出来るため)。第四に、寿命が長くなる等である。
<Invention of Claim 7>
According to the invention of claim 7, the light projecting means is constituted by the light projecting element array and can be handled as one component. Further, by adopting such a configuration, the following effects can be obtained as compared with a configuration in which a plurality of independent single light sources are arranged to constitute the light projecting means. First, miniaturization is possible. Second, position adjustment between the light sources is not necessary. Third, there is no brightness spot (because the elements can be arranged at high density). Fourthly, the life is increased.
<実施形態1>
本発明の実施形態1を図1ないし図5によって説明する。
<Embodiment 1>
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
1.システムの全体構成
光学測定装置は、被測定対象物としてのワークWが載置される載置テーブル15を図1における上下方向に昇降させる昇降機構(本発明の相対移動手段に相当)10、CPUからなる処理部(本発明の形状決定手段に相当)20並びに光学装置本体30を主体として構成される。
1. Overall Configuration of System An optical measuring apparatus includes an elevating mechanism (corresponding to the relative movement means of the present invention) 10 for moving up and down a mounting table 15 on which a workpiece W as a measurement target is placed in FIG. The processing unit (corresponding to the shape determining means of the present invention) 20 and the optical device
2.光学装置本体の構成
光学装置本体30は光を出射する投光部(本発明の投光手段に相当)31と、コリメータレンズ38と、対物レンズ39とを備えるとともに、イメージセンサ(本発明の撮像手段に相当する)51、受光ピンホールアレイ55並びに、第一の導光手段41、第二の導光手段45を備える。
2. Configuration of Optical Device Body The
投光部31は光源32、コリメータレンズ33、複数の投光ピンホール36を有する投光ピンホールアレイ35から構成される。また、各投光ピンホールアレイ35の上面であって、各投光ピンホール36の光の導入口となる入り口部分には、マイクロレンズ37がそれぞれ取り付けられている。以上のことから、光源32から光が出射されると、その光はコリメータレンズ33によって平行光に変えられる。
The
その後、平行光はマイクロレンズ37によって収束光に変えられるが、投光ピンホール36の通過した後に、発散する。これにより、投光部31は、発散光を図1における紙面の下向きに出射する複数の点光源(本発明の複数の投光源に相当)として機能する。
Thereafter, the parallel light is converted into convergent light by the
また、図2には、投光ピンホール36の配置が示されている。投光ピンホール36の配置は、各点光源同士が干渉しないように、所定間隔あけて配置されるが、X軸方向、Y軸方向共に重複しないように規則的に配置され、しかも、その間隔はX軸方向に広く、Y方向に狭くなっている。このように、X軸方向に間隔を広くとっているのは、後述する光走査機構による光の走査方向がX軸方向になされるからである。
FIG. 2 shows the arrangement of the
第一の導光手段41は、投光部31から出射された各光をコリメータレンズ38に対して導くものであって、第1の全反射ミラー42、第2の全反射ミラー44からなる。第1の全反射ミラー42は投光部31の下方に配されるのに対し、第2の全反射ミラー44は第1の全反射ミラー42の右側方において対向配置れている。コリメータレンズ38並びに、対物レンズ39は第2の全反射ミラー44の下方において上下に並んで配されている。
The first
以上のことから、投光部31から出射された各光は、第1の全反射ミラー42によって右方向に向きを変えられた後に、第2の全反射ミラー44によって下向きに向きを変えられる。そして、コリメータレンズ38によって平行光に変えられた後、対物レンズ39によってワークW上に焦点に結ぶように集光される。
From the above, the direction of each light emitted from the
第二の導光手段45はワークW上で反射された光を次述する受光ピンホールアレイ55に導くものであるが、本実施形態では、これを、ビームスプリッタ(本発明の光分岐手段)46並びに、第3の全反射ミラー48により構成している。ビームスプリッタ46は、コリメータレンズ38と第2の全反射ミラー44との間に配されるのに対し、第3の全反射ミラー48はビームスプリッタ46と対向するように配置される。
The second light guide means 45 guides the light reflected on the workpiece W to the light receiving
かくして、ワークW上で反射された反射光は対物レンズ39、コリメータレンズ38を通過した後、ビームスプリッタ46で図示右方向に反射され、その後、全反射ミラー44によって図示上方へと反射される。
Thus, after the reflected light reflected on the workpiece W passes through the
このように、第二の導光手段45をビームスプリッタ46と第3の全反射ミラー48により形成してワークW上で反射した光を複数回(2回)反射させることで、反射後の光の光軸(以下、受光軸ともいう)L1が投光部31からワークWに向かう光の投光軸(本発明の出射光軸に相当)L0と平行になる。
In this way, the second light guide means 45 is formed by the
これにより、次述する受光ピンホールアレイ55を投光ピンホールアレイ35と同じ向き、より具体的に説明すると、両アレイ35、55にそれぞれ形成されるピンホール36、56の軸線が共に上下方向を向くように配置することが可能となる。
Thus, the light receiving
受光ピンホールアレイ55は、平板状をなす板状の遮光部材に貫通孔(光貫通孔であって以下、受光ピンホール56)を投光ピンホール36の配置間隔と同じ間隔で複数個形成したものであって、投光ピンホールアレイ35に対して光学的に共役関係となる位置に配されている。すなわち、投光部31から出射され、ワークW上で反射した反射光が焦点を結ぶ位置に、受光ピンホールアレイ55が配置されている。
In the light receiving
また、投光軸L0と受光軸L1が光学系の中心軸(対物レンズ39のレンズ軸)Lを中心として左右対称となり、かつ、点光源の出射位置(投光ピンホールアレイ35の配置位置)と、その光がワークWで反射された後に、焦点を結ぶ位置(受光ピンホールアレイ55の配置位置)が、図1における上下方向で同じ高さになるように、本実施形態では、ビームスプリッタ46並びに、第3の全反射ミラー48の配置が以下のようになっている。
Further, the light projecting axis L0 and the light receiving axis L1 are symmetric with respect to the central axis (lens axis of the objective lens 39) L of the optical system, and the emission position of the point light source (positioning position of the light projecting pinhole array 35). In this embodiment, the beam splitter is arranged so that the focal point (the arrangement position of the light receiving pinhole array 55) is the same height in the vertical direction in FIG. 1 after the light is reflected by the workpiece W. 46 and the arrangement of the third
すなわち、上下方向に位置ずれしているものの、ビームスプリッタ46は中心軸Lを中心とした場合に、第2の全反射ミラー44と略左右対称な配置とされており、更に、第3の全反射ミラー48は、第1の全反射ミラー42と略左右対称な配置となっている。
That is, although the beam is displaced in the vertical direction, the
また、各受光ピンホール56の出口(図1に示す上面)側の開口部には、マイクロレンズ57がそれぞれ取り付けられている。このマイクロレンズ57は、受光ピンホール56を通過した光を収束させつつ、イメージセンサ51の撮像面51Aに入光させるように機能するものである。尚、このマイクロレンズ57の集まりが、本発明における収束レンズ群(収束手段)に相当するものである。
In addition, microlenses 57 are respectively attached to openings on the exit (upper surface shown in FIG. 1) side of the respective
イメージセンサ51は、受光素子(画素とも言う、図示せず)を行列状に配した撮像面51Aを有する二次元CCDからなるとともに、受光ピンホール56に対して、所定間隔をあけて平行に配置されている。そして、マイクロレンズ57によって収束された光が入光すると、その受光量に応じた電圧レベルの撮像信号Scを出力するようになっている。
尚、図1にあっては、光の光路を分かり易くするため、一の点光源から光が出射された状態を例示してあるが、図5においては複数(2個)の点光源から光が出射された状態を例示してある。
The
In FIG. 1, in order to make the optical path of light easy to understand, a state in which light is emitted from one point light source is illustrated, but in FIG. 5, light from a plurality of (two) point light sources is illustrated. The state in which is emitted is illustrated.
3.光走査機構
イメージセンサ51の下方には、スライド機構60が設けられている。このスライド機構60はスライダベース61とスライダ63とからなり、処理部20からの制御信号Sdに基づいて、スライダ63を図1における水平方向(より具体的に言えば、図2におけるX軸方向)に安定した速度で進退させるものである。
3. Optical Scanning Mechanism
そして、スライダ63の左右両端部には投光ピンホールアレイ35の右端部と受光ピンホールアレイ55の左端部がそれぞれ固定され、スライダ63を進退させると、これと一体的に投光ピンホールアレイ35、並びに受光ピンホールアレイ55が水平移動するようになっている。これにより、投光部31から出射された光をワークW上に走査させるようになっている。
The right end portion of the light projecting
図3を参照して、光の走査について具体的に説明する。図3は、図1の状態からスライダ63を同図の右方向に距離Dだけ移動させた際の、光の光路を示す図である。同図に示すように、スライダ63を移動させると、図1の状態ではコリメータレンズ38の中心位置A0に入光していた光の入光位置が外側のA1点に移動するから、光はコリメータレンズ38の中心に向かう方向に屈折する。これにより、光が対物レンズ39に対して斜めに入光するから、スライダ移動前においては、ワークW上のB0の位置に照射されていた光が、スライダ移動後にはワークW上のB1の位置に照射される。
With reference to FIG. 3, the light scanning will be specifically described. FIG. 3 is a diagram showing an optical path of light when the
ワークW上に照射された光はワークWの表面で反射し、その後、先に述べた経路を逆に辿って投光部31側へと進み、その途中で、ビームスプリッタ46、全反射ミラー48によって反射されて、受光ピンホールアレイ55に向かう。そして、受光ピンホールアレイ55は投光ピンホールアレイ35と一体的に移動するから、両部材の共役関係が移動後においても維持されるため、反射光は受光ピンホール56を通過する。そして、移動前の図1の状態においては撮像面51A上のC0の位置に入光していた光は、移動後には図3に示すように、C1の位置に入光することとなる。
The light irradiated onto the workpiece W is reflected by the surface of the workpiece W, and then travels back to the
このように、スライダ63を水平方向に移動させることで、ワークW上に光を走査させることが出来る。そして、ワークWに対する一通りの走査が完了すると、処理部20からの指令により昇降機構10が駆動されるようになっている。
Thus, the light can be scanned on the workpiece W by moving the
昇降機構10は載置テーブル15とともにワークW全体を図1に示す上下方向に昇降させるものであり、例えば、処理部20から指令がある度に、所定間隔ずつ上昇して停止する。そして、載置テーブル15が停止した各時点において、ワークWに対する光の走査がなされ、その反射光がイメージセンサ51によって撮像され、その撮像信号Scが処理部20に対して出力される。かくして、上下方向に関する各位置において、それぞれ撮像信号Scが得られ、これを処理部20によってデータ処理(より具体的には、載置テーブル15の停止間隔、撮像信号Scから得られる受光位置と、該受光位置における受光信号強度に基づいてデータ処理)することでワークWの3次元的な形状を計測することが出来る。
The raising / lowering
以上述べたように、本実施形態においては、ワークWの3次元的な形状を計測するのに、光をワークW上に走査させているが、この走査を投光ピンホールアレイ35を進退させることによって行なっている。そして、このときには、投光ピンホールアレイ35と同期したタイミングで受光ピンホールアレイ55を進退させる必要があるが、仮に、両アレイ35、55にそれぞれ専用の駆動系を設けて進退動作をそれぞれ独立して行なうと、同期をとるための制御機構が必要となり、装置全体の構成が複雑になるが、本実施形態では投光ピンホールアレイ35と受光ピンホールアレイ55とがスライダ63によって連結され一体的に進退するから、移動に伴って両アレイが位置ずれすることがなく、また、同期をとるための機構を必要としない。従って、比較的簡単な構成で、測定を高速、かつ高精度に行なうことが可能な光学測定装置を提供することが可能となる。
As described above, in this embodiment, light is scanned on the workpiece W in order to measure the three-dimensional shape of the workpiece W. This scanning is advanced and retracted by the
また、本実施形態のものは、受光ピンホール56を通過した光をイメージセンサ51で受光する構成をとっているが、受光ピンホール56を通過した光は、一般的には図4(a)に示すように、発散しつつイメージセンサ51に入光する。そのため、撮像面51Aに形成される受光スポットを小さく(仮に、受光スポットが大きくなると、受光スポットが隣接する画素に跨って形成されるため、測定誤差の要因となる)するには、イメージセンサ51を極力受光ポンホールアレイ55に接近させて配置する必要があるが、これには限界がある。
Moreover, although the thing of this embodiment has taken the structure which receives the light which passed the light-receiving
そこで、本実施形態では、図4の(b)に示すように、受光ピンホールアレイ55の裏面にマイクロレンズ57を設けて、受光ピンホール56を通過した光を収束させつつイメージセンサ51に入光させている。
Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 4B, a
これにより、撮像面51A上における受光スポットを小さく結像できるから、隣接する画素に跨って受光スポットが形成されることが回避され、測定精度が向上する。
また、これに伴って、撮像面51A上に入光する光の光量の多くなるから、以下の効果が得られる。すなわち、測定に必要な電荷を受光素子(画素)に蓄積するために要する時間が短くなるため、形状測定に必要な時間を短縮させることができる。
Thereby, since the light receiving spot on the
In addition, since the amount of light incident on the
<実施形態2>
次に、本発明の実施形態2を図6を参照して説明する。
実施形態1では、各受光ピンホール56の出口部分にそれぞれマイクロレンズ37を個別に設け、これにより、各受光ピンホール56を通過した光を収束させたが、実施形態2は、マイクロレンズ57に変えて、単一の収束レンズ75を設け、これにより光の収束を図るものである。その他の構成については実施形態1と同一であるため、同じ部品には同じ符号を付して説明を省略するものとする。
<Embodiment 2>
Next, Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIG.
In the first embodiment, the
図6に示すように、実施形態2のものは、受光ピンホールアレイ55に対してイメージセンサ51が間隔が広くあけて配置されており、両間に位置して収束レンズ75が設けられている。収束レンズ75は、その大きさが各受光ピンホール56を通過した光の光路幅(図6におけるF区間で示す幅)の全長に亘る大きさに形成されており、各受光ピンホール56を通過した各光は、いずれも収束レンズ75によって収束されつつ、イメージセンサ51に入光する。
As shown in FIG. 6, in the second embodiment, the
このように、マイクロレンズ57に変えて、収束レンズ75を設けた場合であっても、実施形態1と同様の効果、すなわち、受光スポットを小さく結像できるから、測定精度が高まる。また、イメージセンサ51に入光される光量が多くなるから、その分、測定に必要な電荷を蓄積するために要する時間が短くでき、これにより、光走査を高速で行なうことが出来ることとなる。
As described above, even when the converging
また、実施形態1におけるマイクロレンズ57は、受光ピンホール56の大きさ、配置に従って専用に設ける必要があり、その分、コスト高となるが、本実施形態のものであれば、収束レンズ75は汎用のものを使用できるため、低コスト化にもなる。
In addition, the
<実施形態3>
本発明の実施形態3について、図7を参照して説明する。
実施形態3は、実施形態1のものとシステム全体の構成は同じであるが、測定精度を高めるために、スライダ63の移動速度が所定の速度になった後に、ワーク表面の測定エリアに光の照射が開始されるようにしたものである。
<Embodiment 3>
Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIG.
In the third embodiment, the configuration of the entire system is the same as that of the first embodiment. However, in order to increase the measurement accuracy, after the moving speed of the
実施形態1でも述べたように、スライド機構60はスライダ63と共に投光ピンホールアレイ35、受光ピンホールアレイ55を安定した速度で水平移動させるが、図7の(a)に示すように、移動速度は開始直後から緩やかに立ち上がって、所定時間t1後に、目標速度V0に達する。
As described in the first embodiment, the
そこで、本実施形態のものは、予め、このt1時間を見込んでおき、スライダ63による移動が開始されてから、t1時間経過後から、ワークW上に光が走査されるようにしている。すなわち、図7の(b)に示すように、スライダ63の移動ストロークは、移動開始位置に続いて、まず、移動速度を目標速度V0まで上昇させるための予備領域が設けられている。この予備領域においても、投光部31から光は出射された状態にあるが、その光はワークWの測定エリア外に照射される設定とされている。そして、予備領域に続いて、実際の走査領域が設けられており、スライダ63がこの走査領域に至ることで、始めて、ワークWの測定エリア内に光が照射されることとなる。
Therefore, in the present embodiment, the time t1 is anticipated in advance, and light is scanned on the workpiece W after the time t1 has elapsed since the movement by the
このように、スライダ63が目標速度V0に達し、速度が安定した後に、ワークWの測定エリアに対する光の照射が行なわれる構成とすれば、同じ光量の光を同じ時間だけ、ワークW上の各点に照射できるから、その分、測定精度が高くなる。
As described above, when the
尚、以下のような変形例も実施可能である。すなわち、スライダ63が走査領域に至ることで、ワークWの測定エリア内に光が照射されることになればよいから、スライダ63が予備領域にあるときには、投光部31からの光の出射を停止させるものであってもよい。
In addition, the following modifications are also possible. That is, since it is sufficient that the
また、スライダ63を周期的に往復運動させて光走査を行なう場合には、動作が反転する折り返し部分の前後で、速度が安定しない。そのため、係る場合には、折り返し前後部分の速度が安定しない領域のデータを測定から省く構成としてやれば、本実施形態の場合と同様に測定精度が高まることとなる。
そして、以上の述べたように、速度が安定していない部分については、測定データから積極的に排除することが、本発明における「前記形状決定手段は、前記コリメータレンズ並びに前記撮像手段の一体移動が開始されてから所定時間以上経過後に、当該撮像手段に入光された光の撮像信号に基づいて前記測定対象物の形状を決定する」に相当する。
Further, when optical scanning is performed by periodically reciprocating the
As described above, the portion where the speed is not stable is positively excluded from the measurement data. In the present invention, “the shape determining unit moves the collimator lens and the imaging unit integrally. Corresponds to “determining the shape of the measurement object based on the imaging signal of the light incident on the imaging means after a lapse of a predetermined time from the start”.
<実施形態4>
次に、本発明の実施形態4を、図8を参照して説明する。
実施形態1のものは、投光ピンホールアレイ35を一方向(X軸方向)にのみ移動させたが、実施形態4のものは、二方向(X軸方向、Y軸方向)に移動させるようにしたものであり、これに伴って、投光ピンホールアレイ81に形成される投光ピンホール83の配置を図8に示すように格子状の配置に変更している。
<
Next,
In the first embodiment, the
このような構成であれば、X軸方向に対するスライダ63の移動量はA、Y方向に対するスライダの移動量はBで済むから、実施形態1の場合に比べて、X軸方向への移動量が飛躍的に小さくすることが出来、これにより、走査のための移動機構(実施形態1におけるスライド機構)の小型化が期待できる。
尚、投光ピンホール83の配置の変更に伴って、受光ピンホールアレイに形成される受光ピンホールの配置も格子状に配置する必要がある(図示せず)。
With such a configuration, the amount of movement of the
With the change in the arrangement of the light projecting pinholes 83, the arrangement of the light receiving pinholes formed in the light receiving pinhole array must also be arranged in a grid pattern (not shown).
<他の実施形態>
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
<Other embodiments>
The present invention is not limited to the embodiments described with reference to the above description and drawings. For example, the following embodiments are also included in the technical scope of the present invention, and further, within the scope not departing from the gist of the invention other than the following. Various modifications can be made.
(1)上記実施形態では、投光部31を光源32、コリメータレンズ33、投光ピンホールアレイ35等複数の光学部品から構成したが、投光部31は複数の点光源を有するものであればよく、例えば、図9に示すように、投光素子アレイ85、すなわち、基板86に対して垂直方向にレーザ光を出射する面発光素子87を整列状に配したもの(例えば、VCSEL)により構成してもよい。そして、この場合には投光素子アレイ85の右端部がスライダ63に固定されて、スライダ63と共に、投光素子アレイ85と受光ピンホールアレイ55とが一体的に移動する構成となる。
(1) In the above embodiment, the
(2)実施形態1では、昇降機構10によって載置テーブル15を昇降させたが、光学装置本体の光学系の焦点位置に対してワークWを相対移動させるものであればよく、例えば、光学装置本体或いはその一部を昇降させてもよい。図10には、昇降機構(本発明の対物レンズ移動手段に相当)90として対物レンズ39を昇降させるものが例示してある。係る構成であれば、比較的小さな部品(対物レンズ)の昇降で済むから、昇降機構90の小型化、軽量化が期待出来る。
(2) In the first embodiment, the mounting table 15 is moved up and down by the
(3)実施形態1では、受光ピンホールアレイ55にマイクロレンズ57を設け、実施形態2では、これに変えて、単一の収束レンズ75を設けたが、これら収束手段(マイクロレンズ57、並びに収束レンズ75)を廃止してもよい。尚、この場合に、受光ピンホール56を通過した光は発散しつつ、イメージセンサ51に向かうから、撮像面51A上に形成される受光スポットが大きくなる。そのため、収束手段を廃止する場合には、イメージセンサ51を受光ピンホールアレイ55に極力接近させた状態で配置するのが好ましく、これにより、受光スポットを小さくすることが可能となる。
(3) In the first embodiment, the light receiving
(4)実施形態1では、載置テーブル15を所定間隔ごとに停止させ、その状態でワークWに光を走査させることとしたが、載置テーブル15の移動速度に比べて走査速度(スライダ63の移動速度)が十分速い場合には、載置テーブル15を移動させた状態のまま走査を行なうことも可能である。 (4) In the first embodiment, the mounting table 15 is stopped at predetermined intervals, and the workpiece W is scanned with light in this state. However, the scanning speed (slider 63) is higher than the moving speed of the mounting table 15. (Moving speed) of the head is sufficiently high, it is possible to perform scanning while the mounting table 15 is moved.
(5)実施形態3では、スライダ63の速度が安定した領域を使用して、ワークWの形状測定を行なう例について説明したが、スライダ63の速度は必ずしも走査領域の全範囲に亘って同じである必要はなく、以下の構成であってもよい。すなわち、ワークWの形状測定は載置テーブル15を所定間隔ごとに停止させ、その都度、ワークWの測定エリアに光を照射(スキャン)させて行なうが、異なる走査点間では条件が異なっていても、同一の走査点に対して、スキャンごとに同じ条件(同一時間、同一光量)で光が照射されていればよい。
(5) In the third embodiment, the example in which the shape of the workpiece W is measured using an area where the speed of the
(6)上記実施形態では、ビームスプリッタ46と対物レンズ39との間に、コリメータレンズ38を設けたが、コリメータメンズ38については、廃止してもよい。
(6) In the above embodiment, the
10…昇降機構(相対移動手段)
15…載置テーブル
20…処理部(形状決定手段)
30…光学装置本体
31…投光部
35…投光ピンホールアレイ
39…対物レンズ
46…ビームスプリッタ(光分岐手段)
51…イメージセンサ(撮像手段)
55…受光ピンホールアレイ
10: Elevating mechanism (relative movement means)
15 ... Placement table 20 ... Processing section (shape determining means)
DESCRIPTION OF
51 ... Image sensor (imaging means)
55. Light receiving pinhole array
Claims (7)
前記測定対象物が載置される載置テーブルと、
前記光学装置本体或いは、前記載置テーブルの少なくともいずれか一方を光の光軸方向に移動させて、前記光学装置本体の光学系に対して前記測定対象物を相対移動させる相対移動手段と、
前記相対移動手段によって相対移動をさせた各時点の撮像信号に基づいて測定対象物の形状を決定する形状決定手段と、を備えた光学測定装置であって、
前記光学装置本体は、
所定間隔をもって周期的に配置される複数の前記投光源を有する投光手段と、
前記複数の前記投光源からそれぞれ出射された各出射光を測定対象物上に集光させる対物レンズと、
前記測定対象物で反射され、その後、前記対物レンズを通過した反射光を前記投光手段とは異なる方向に分岐させる光分岐手段と、
前記投光手段と光学的に共役関係となる位置に配される受光ピンホールアレイと、
前記受光ピンホールアレイ上において前記投光源の配置間隔と同じ間隔、或いは相似間隔で開口し、前記対物レンズで収束されつつ前記光分岐手段により分岐された前記各反射光をそれぞれ個別に通過させる受光ピンホールと、
前記受光ピンホールを通過した各反射光が入光される撮像面を有し、入光された光の光量に応じた前記撮像信号を出力可能な撮像手段と、を備えてなるとともに、
前記投光手段並びに前記受光ピンホールアレイは、前記投光手段の出射光軸及び前記受光ピンホールの軸線が互いに平行となるように配され、かつ、前記出射光軸と直交する方向に一体的に移動するように構成されて、前記投光源からの光を前記被測定対象物上に光走査可能とする光走査機構を形成していることを特徴とする光学測定装置。 An optical device main body for condensing the light emitted from the light projecting source so as to focus on the object to be measured, imaging the reflected light, and outputting an imaging signal;
A mounting table on which the measurement object is mounted;
A relative movement means for moving the measurement object relative to the optical system of the optical device body by moving at least one of the optical device body or the mounting table in the optical axis direction of light;
A shape determination unit that determines a shape of a measurement object based on an imaging signal at each time point that is relatively moved by the relative movement unit, and an optical measurement device comprising:
The optical device body includes:
Projecting means having a plurality of the projecting light sources arranged periodically with a predetermined interval;
An objective lens for condensing each outgoing light emitted from each of the plurality of light projecting light sources on a measurement object;
A light branching unit that branches the reflected light reflected by the measurement object and then passed through the objective lens in a direction different from the light projecting unit;
A light receiving pinhole array disposed at a position optically conjugate with the light projecting means;
Light reception that opens on the light receiving pinhole array at the same interval as the arrangement interval of the light projecting light sources or at a similar interval, and individually passes the reflected lights branched by the light branching means while being converged by the objective lens. Pinholes,
An imaging surface having an imaging surface on which each reflected light that has passed through the light receiving pinhole is incident, and an imaging means capable of outputting the imaging signal according to the amount of the incident light.
The light projecting means and the light receiving pinhole array are arranged so that an output optical axis of the light projecting means and an axis of the light receiving pinhole are parallel to each other, and are integrated in a direction orthogonal to the output optical axis. And an optical scanning mechanism that allows the light from the light projecting light source to be optically scanned on the object to be measured.
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-
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