JP2014106094A - Shape measurement device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、形状測定装置に関する。 The present invention relates to a shape measuring apparatus.
三角測距方式の形状測定装置では、ステージの上面に測定対象物が載置された状態で、測定対象物の表面に光が照射され、その反射光が1次元または2次元に配列された画素を有する受光素子により受光される。受光素子により得られる受光量分布のピーク位置に基づいて、測定対象物の表面の高さを計測することができる。これにより、測定対象物の形状を測定することができる。 In the shape measuring apparatus of the triangulation system, a pixel in which light is irradiated on the surface of the measurement object while the measurement object is placed on the upper surface of the stage, and the reflected light is arranged one-dimensionally or two-dimensionally. It is received by a light receiving element having The height of the surface of the measurement object can be measured based on the peak position of the received light amount distribution obtained by the light receiving element. Thereby, the shape of the measurement object can be measured.
非特許文献1においては、符号化された光と位相シフト法とを組み合わせた三角測距方式の形状測定が提案されている。また、非特許文献2においては、符号化された光とストライプ状の光とを組み合わせた三角測距方式の形状測定が提案されている。これらの方式においては、測定対象物の形状測定の精度を向上させることができる。
Non-Patent
測定対象物に照射される光(以下、測定光束と呼ぶ。)は、所定のパターンを有し、光源で発生される光をDMD(デジタルマイクロミラーデバイス)で反射することにより生成することができる。DMDは2次元に配列された複数の画素をそれぞれ構成する複数のマイクロミラーを備える。DMDの複数の画素がそれぞれ制御されることにより、測定光束のパターンが調整される。 Light irradiated on the measurement object (hereinafter referred to as measurement light beam) has a predetermined pattern, and can be generated by reflecting light generated by a light source with a DMD (digital micromirror device). . The DMD includes a plurality of micromirrors that respectively configure a plurality of pixels arranged two-dimensionally. The pattern of the measurement light beam is adjusted by controlling each of the plurality of pixels of the DMD.
例えば、ステージの上面に向かって斜め上方から矩形の断面を有する測定光束が照射される。このとき、ステージの上面上における測定光束の照射領域が矩形ではなく台形を有する場合がある。このように、ステージの上面上における測定光束の照射領域がDMDにより生成される測定光束の断面形状に対して全く異なる形状を有する場合には、測定対象物の形状を正確に測定することができない。 For example, a measurement light beam having a rectangular cross section is irradiated obliquely from above toward the upper surface of the stage. At this time, the irradiation region of the measurement light beam on the upper surface of the stage may have a trapezoidal shape instead of a rectangular shape. Thus, when the irradiation region of the measurement light beam on the upper surface of the stage has a completely different shape from the cross-sectional shape of the measurement light beam generated by the DMD, the shape of the measurement object cannot be measured accurately. .
そこで、受光素子が測定対象物からの反射光を受けることにより得られる受光データを補正することにより三角測距方式の形状測定を行うことが考えられる。しかしながら、この補正時には、DMDの複数の画素からそれぞれ出射される光線が受光素子の受光面のいずれの位置に入射するかをそれぞれ算出する必要がある。DMDにおける光線の出射位置とその光線の受光素子における受光位置との関係がDMDの画素ごとに異なると、互いに異なる多数の演算処理を行う必要が生じる。そのため、複雑な演算処理に時間を要し、測定時間が長くなる。演算処理を短時間化するためには、高い性能を有する高価な処理装置が必要になる。この場合、形状測定装置のコストが増加する。 In view of this, it is conceivable to perform shape measurement by the triangulation method by correcting the light reception data obtained when the light receiving element receives the reflected light from the measurement object. However, at the time of this correction, it is necessary to calculate at which position on the light receiving surface of the light receiving element the light beams respectively emitted from the plurality of pixels of the DMD are incident. If the relationship between the emission position of the light beam in the DMD and the light reception position of the light beam in the light receiving element is different for each DMD pixel, it is necessary to perform a number of different arithmetic processes. Therefore, time is required for complicated arithmetic processing, and the measurement time becomes long. In order to shorten the arithmetic processing time, an expensive processing device having high performance is required. In this case, the cost of the shape measuring apparatus increases.
本発明の目的は、測定対象物の形状を短時間かつ高い精度で測定することが可能になるとともに低コスト化が実現可能な形状測定装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a shape measuring apparatus that can measure the shape of an object to be measured in a short time with high accuracy and can realize cost reduction.
(1)本発明に係る形状測定装置は、測定対象物に測定光束を照射するとともに測定対象物からの反射光束に基づいて三角測距方式により測定対象物の立体形状を測定する形状測定装置であって、測定対象物が載置される上面を有するステージと、ステージの上面に向かって斜め上方から測定光束を投光する第1の投光装置と、ステージに載置された測定対象物からステージの上方に反射される光束を受光し、受光量を示す受光信号を出力するように構成される受光装置とを備え、第1の投光装置は、光を発生する第1の光源と、第1の光源により発生された光から形状測定用のパターンを有する光を測定光束として生成して出射する第1のパターン生成部と、第1のパターン生成部により出射された測定光束をステージの上面に導く第1の両側テレセントリック光学系とを含み、ステージ、第1のパターン生成部および第1の両側テレセントリック光学系は、第1のパターン生成部の出射面とステージの上面とが第1の両側テレセントリック光学系の主平面に関してシャインプルーフの原理に従うように配置されるものである。 (1) A shape measuring apparatus according to the present invention is a shape measuring apparatus that irradiates a measurement light beam to a measurement object and measures a three-dimensional shape of the measurement object by a triangulation method based on a reflected light beam from the measurement object. A stage having an upper surface on which the measurement object is placed, a first light projecting device that projects a measurement light beam obliquely from above toward the upper surface of the stage, and a measurement object placed on the stage. A light receiving device configured to receive a light beam reflected above the stage and output a light reception signal indicating the amount of light received, the first light projecting device includes a first light source that generates light, A first pattern generation unit that generates and emits light having a pattern for shape measurement as a measurement light beam from light generated by the first light source, and a measurement light beam emitted by the first pattern generation unit 1st leading to the top The stage, the first pattern generation unit, and the first double-sided telecentric optical system include a first telecentric optical system in which the exit surface of the first pattern generation unit and the upper surface of the stage are the main ones of the first double-side telecentric optical system. It is arranged to follow the Scheinproof principle with respect to the plane.
その形状測定装置においては、第1の光源により光が発生され、第1のパターン生成部により形状測定用のパターンを有する光が測定光束として生成される。生成された測定光束が、第1のパターン生成部の出射面から出射される。出射された測定光束は、第1の両側テレセントリック光学系を通してステージの斜め上方からステージの上面に向かって照射される。それにより、ステージの上面に載置された測定対象物に測定光束が照射される。 In the shape measuring apparatus, light is generated by a first light source, and light having a pattern for shape measurement is generated as a measurement light beam by a first pattern generation unit. The generated measurement light beam is emitted from the emission surface of the first pattern generation unit. The emitted measurement light beam is irradiated from the obliquely upper side of the stage toward the upper surface of the stage through the first both-side telecentric optical system. Thereby, the measurement light beam is irradiated to the measurement object placed on the upper surface of the stage.
ステージに載置された測定対象物からステージの上方に向かう反射光束が受光装置により受光される。それにより、受光装置から受光量を示す受光信号が出力される。出力される受光信号に基づいて、三角測距方式により測定対象物の立体形状が測定される。 A reflected light beam traveling upward from the measurement object placed on the stage is received by the light receiving device. As a result, a light receiving signal indicating the amount of light received is output from the light receiving device. Based on the received light signal, the three-dimensional shape of the measurement object is measured by the triangulation method.
第1のパターン生成部の出射面とステージの上面とが第1の両側テレセントリック光学系の主平面に関してシャインプルーフの原理に従うので、ステージの上面上に、第1のパターン生成部の出射面全体の焦点を合わせることができる。 Since the exit surface of the first pattern generation unit and the upper surface of the stage follow the Scheinproof principle with respect to the main plane of the first double-sided telecentric optical system, the entire output surface of the first pattern generation unit is formed on the upper surface of the stage. Can be focused.
また、第1のパターン生成部の出射面から第1の両側テレセントリック光学系に出射される測定光束(以下、出射光束と呼ぶ。)および第1の両側テレセントリック光学系からステージの上面に照射される測定光束(以下、照射光束と呼ぶ。)はそれぞれ平行光束である。したがって、出射光束の断面の大きさおよび形状は、その進行方向の任意の位置で一定であり、第1のパターン生成部の出射面上での測定光束の断面の大きさおよび形状と等しい。また、照射光束の断面の大きさおよび形状は、その進行方向の任意の位置で一定である。照射光束の断面の形状は、出射光束の断面の形状と相似である。照射光束の断面の大きさおよび形状が任意の位置で一定であるため、ステージ上の測定対象物の高さが異なる場合でも、測定対象物上での照射光束の照射領域の大きさおよび形状が等しくなる。その結果、異なる高さの複数の部分を有する測定対象物を測定する場合に、複数の部分のそれぞれの測定結果の精度にばらつきが生じることが抑制される。 Further, a measurement light beam (hereinafter referred to as an outgoing light beam) emitted from the emission surface of the first pattern generation unit to the first both-side telecentric optical system and the upper surface of the stage are irradiated from the first both-side telecentric optical system. Each measurement light beam (hereinafter referred to as an irradiation light beam) is a parallel light beam. Therefore, the cross-sectional size and shape of the outgoing light beam are constant at an arbitrary position in the traveling direction, and are equal to the cross-sectional size and shape of the measurement light beam on the outgoing surface of the first pattern generation unit. Further, the size and shape of the cross section of the irradiated light beam are constant at an arbitrary position in the traveling direction. The cross-sectional shape of the irradiated light beam is similar to the cross-sectional shape of the emitted light beam. Since the size and shape of the cross section of the irradiated light beam are constant at an arbitrary position, the size and shape of the irradiation region of the irradiated light beam on the measurement object are different even when the height of the measurement object on the stage is different. Will be equal. As a result, when measuring a measurement object having a plurality of portions having different heights, it is possible to suppress variations in the accuracy of the measurement results of the plurality of portions.
照射光束は、主光線が光軸に平行な光線束である。そのため、照射光束が広がり角を有する場合には、照射光束の断面は光の進行方向に進むにつれて大きくなる。このような場合でも、照射光束の広がり角が所定範囲内にある場合には、照射光束の断面は進行方向においてほぼ一定となる。したがって、照射光束を平行光束とみなすことができる。 The irradiation light beam is a light beam whose chief ray is parallel to the optical axis. Therefore, when the irradiation light beam has a divergence angle, the cross section of the irradiation light beam becomes larger as the light travels in the traveling direction. Even in such a case, when the spread angle of the irradiation light beam is within a predetermined range, the cross section of the irradiation light beam is substantially constant in the traveling direction. Therefore, the irradiation light beam can be regarded as a parallel light beam.
ここで、第1の投光装置の照射光束の中心軸を含みかつステージの上面に垂直な面とステージの上面との交線に平行な方向を第1の方向と呼び、第1の方向に直交しかつステージの上面に平行な方向を第2の方向と呼ぶ。照射光束は、ステージの上面に斜め上方から照射されるので、ステージの上面での照射光束の照射領域は、照射光束の断面に対して第1の方向において拡大され、第2の方向においては拡大されない。 Here, a direction including the central axis of the irradiation light beam of the first light projecting device and parallel to the intersecting line of the surface perpendicular to the upper surface of the stage and the upper surface of the stage is referred to as a first direction. A direction perpendicular to and parallel to the upper surface of the stage is referred to as a second direction. Since the irradiation light beam is irradiated obliquely on the upper surface of the stage, the irradiation region of the irradiation light beam on the upper surface of the stage is expanded in the first direction with respect to the cross section of the irradiation light beam, and is expanded in the second direction. Not.
この場合、照射領域は、第2の方向の任意の位置において照射光束の断面に対して第1の方向に同じ比率で拡大される。ステージの上面から第1の受光装置へ向かう反射光束の断面の大きさおよび形状は、その進行方向における任意の位置で一定である。 In this case, the irradiation area is enlarged at the same ratio in the first direction with respect to the cross section of the irradiation light beam at an arbitrary position in the second direction. The size and shape of the cross section of the reflected light beam traveling from the upper surface of the stage toward the first light receiving device is constant at an arbitrary position in the traveling direction.
このように、受光装置に向かう反射光束の断面は、出射光束の断面に対して第2の方向の任意の位置で第1の方向に一定の比率で拡大され、第1の方向の任意の位置で第2の方向に一定の比率で拡大されている。したがって、第1のパターン生成部の出射面の任意の位置から出射される光線が受光装置の受光面のいずれの位置に入射するかを容易に算出することができる。それにより、受光装置の受光面のいずれの位置についても同一の演算式を用いることが可能になる。その結果、三角測距方式の形状測定のための演算処理が単純化されるとともに、測定時間を短縮することができる。また、高い性能を有する高価な処理装置を用いる必要がなくなるので、形状測定装置の低コスト化が実現される。 As described above, the cross section of the reflected light beam toward the light receiving device is enlarged at a certain ratio in the first direction at an arbitrary position in the second direction with respect to the cross section of the emitted light beam, and is at an arbitrary position in the first direction. In the second direction, it is enlarged at a constant ratio. Therefore, it is possible to easily calculate at which position of the light receiving surface of the light receiving device the light beam emitted from any position on the output surface of the first pattern generation unit is incident. Thereby, the same arithmetic expression can be used for any position on the light receiving surface of the light receiving device. As a result, the calculation processing for the shape measurement of the triangulation method is simplified and the measurement time can be shortened. In addition, since it is not necessary to use an expensive processing apparatus having high performance, the cost of the shape measuring apparatus can be reduced.
(2)第1の投光装置からステージの上面に向かう第1の投光装置の光軸とステージの上面から受光装置に向かう受光装置の光軸とを含む第1の面内において、ステージの上面上での測定光束の照射領域の長さは受光装置が受光可能な反射光束の幅よりも大きくてもよい。 (2) In the first plane including the optical axis of the first light projecting device from the first light projecting device toward the upper surface of the stage and the optical axis of the light receiving device from the upper surface of the stage toward the light receiving device, The length of the irradiation region of the measurement light beam on the upper surface may be larger than the width of the reflected light beam that can be received by the light receiving device.
ステージの上面に斜め上方から照射光束が照射されるので、受光装置が受光可能な反射光束の断面の領域(以下、受光可能領域と呼ぶ。)とステージの上面での照射光束の照射領域とが等しい場合、第1の投光装置から遠い測定対象物の部分に照射光束が照射されないことがある。その場合、測定光束が照射されない測定対象物の部分は、測定不可能な部分となる。 Since the irradiation light beam is irradiated on the upper surface of the stage obliquely from above, the cross-sectional area of the reflected light beam that can be received by the light receiving device (hereinafter referred to as the light receiving area) and the irradiation region of the irradiation light beam on the upper surface of the stage If they are equal, the portion of the measurement object far from the first light projecting device may not be irradiated with the irradiation light beam. In that case, the portion of the measurement object that is not irradiated with the measurement light beam is a portion that cannot be measured.
上記の構成によれば、第1の面内において、受光装置が受光可能な反射光束の幅よりもステージの上面上での測定光束の照射領域の長さが大きいので、第1の投光装置を用いた形状測定時に、ステージの上面上での測定光束の照射領域が受光可能領域と一致している場合に比べて測定対象物における測定不可能な部分の発生を低減することが可能になる。 According to the above configuration, the length of the irradiation region of the measurement light beam on the upper surface of the stage is larger than the width of the reflected light beam that can be received by the light receiving device in the first surface. When measuring the shape of the object, it is possible to reduce the occurrence of non-measurable parts in the measurement object compared to the case where the irradiation area of the measurement light beam on the upper surface of the stage coincides with the light receiving area. .
(3)第1の投光装置からステージの上面に向かう第1の投光装置の光軸とステージの上面に直交する軸とがなす角度をαで表し、第1の面内において第1の投光装置からステージの上面に導かれる測定光束の幅をwpで表し、第1の面内において受光装置が受光可能な反射光束の幅をwiで表し、受光装置の光軸方向における測定可能な範囲の大きさを2・vで表す場合に、wp≧ wi・cosα+2・v・sinαの関係が満たされてもよい。 (3) The angle formed by the optical axis of the first light projecting device from the first light projecting device toward the upper surface of the stage and the axis orthogonal to the upper surface of the stage is represented by α, and the first The width of the measurement light beam guided from the light projecting device to the upper surface of the stage is represented by wp, the width of the reflected light beam that can be received by the light receiving device in the first surface is represented by wi, and can be measured in the optical axis direction of the light receiving device. When the size of the range is represented by 2 · v, the relationship of wp ≧ wi · cos α + 2 · v · sin α may be satisfied.
この場合、測定対象物を受光可能領域上に載置することにより、受光装置の光軸方向における測定可能な範囲内で、測定対象物の全体に渡って第1の投光装置からの照射光束を照射することができる。したがって、測定不可能な部分の発生をさらに低減することが可能になる。 In this case, by placing the measurement object on the light receivable region, the irradiation light beam from the first light projecting device over the entire measurement object within the measurable range in the optical axis direction of the light receiving device. Can be irradiated. Therefore, it is possible to further reduce the occurrence of a portion that cannot be measured.
(4)受光装置は、第1の受光素子と、ステージに載置された測定対象物からの反射光束を第1の受光素子に導く第1の受光光学系とを含み、第1の受光光学系は、物体側テレセントリック光学系または両側テレセントリック光学系であってもよい。 (4) The light receiving device includes a first light receiving element and a first light receiving optical system that guides the reflected light beam from the measurement object placed on the stage to the first light receiving element. The system may be an object side telecentric optical system or a double side telecentric optical system.
この場合、物体側テレセントリック光学系または両側テレセントリック光学系に向かう反射光束の断面の大きさおよび形状は、その進行方向の任意の位置で一定である。そのため、ステージ上の測定対象物の高さが異なる場合でも、測定対象物上での反射領域の大きさおよび形状が等しくなる。その結果、異なる高さの複数の部分を有する測定対象物を測定する場合に、複数の部分のそれぞれの測定結果の精度にばらつきが生じることが抑制される。 In this case, the size and shape of the cross-section of the reflected light beam directed toward the object-side telecentric optical system or both-side telecentric optical system are constant at an arbitrary position in the traveling direction. Therefore, even when the height of the measurement object on the stage is different, the size and shape of the reflection region on the measurement object are equal. As a result, when measuring a measurement object having a plurality of portions having different heights, it is possible to suppress variations in the accuracy of the measurement results of the plurality of portions.
(5)第1の投光装置の第1の両側テレセントリック光学系のステージ上の焦点深度の範囲は、受光装置の第1の受光光学系の被写界深度の範囲よりも大きくてもよい。 (5) The range of the focal depth on the stage of the first both-side telecentric optical system of the first light projecting device may be larger than the range of the depth of field of the first light receiving optical system of the light receiving device.
この場合、第1の両側テレセントリック光学系の光軸方向において一定以上の精度で測定光束を照射可能な範囲が、第1の受光光学系の光軸方向において一定以上の精度で反射光束を受光可能な範囲よりも大きくなる。それにより、三角測距方式の形状測定時に一定以上の精度で測定可能な測定対象物の高さを、受光装置の光軸方向における測定可能な範囲に基づいて定めることができる。 In this case, the range in which the measurement light beam can be irradiated with a certain degree of accuracy in the optical axis direction of the first double-sided telecentric optical system can receive the reflected light beam with a certain degree of accuracy in the optical axis direction of the first light receiving optical system. It becomes larger than the range. Accordingly, the height of the measurement object that can be measured with a certain level of accuracy during the shape measurement by the triangulation method can be determined based on the measurable range in the optical axis direction of the light receiving device.
(6)受光装置は、第2の受光素子と、ステージに載置された測定対象物からの反射光束を第2の受光素子に導く第2の受光光学系とを含み、記第2の受光光学系は、物体側テレセントリック光学系または両側テレセントリック光学系であり、第1の受光光学系の倍率と第2の受光光学系の倍率とが互いに異なってもよい。それにより、互いに異なる複数種類の倍率で測定対象物を観察することが可能になる。 (6) The light receiving device includes a second light receiving element and a second light receiving optical system that guides the reflected light beam from the measurement object placed on the stage to the second light receiving element. The optical system is an object-side telecentric optical system or a double-sided telecentric optical system, and the magnification of the first light receiving optical system and the magnification of the second light receiving optical system may be different from each other. This makes it possible to observe the measurement object at a plurality of different magnifications.
(7)ステージの上面に向かって斜め上方から測定光束を投光する第2の投光装置をさらに備え、第2の投光装置は、光を発生する第2の光源と、第2の光源により発生された光から形状測定用のパターンを有する光を測定光束として生成して出射する第2のパターン生成部と、第2のパターン生成部により出射された測定光束をステージの上面に導く第2の両側テレセントリック光学系とを含み、ステージ、第2のパターン生成部および第2の両側テレセントリック光学系は、第2のパターン生成部の出射面とステージの上面とが第2の両側テレセントリック光学系の主平面に関してシャインプルーフの原理に従うように配置されてもよい。 (7) The apparatus further includes a second light projecting device that projects the measurement light beam obliquely from above toward the upper surface of the stage. The second light projecting device includes a second light source that generates light and a second light source. A second pattern generation unit that generates and emits a light having a pattern for shape measurement as a measurement light beam from the light generated by the first step, and a second pattern generation unit that guides the measurement light beam emitted by the second pattern generation unit to the upper surface of the stage. The two-side telecentric optical system, and the stage, the second pattern generation unit, and the second double-side telecentric optical system are configured such that the exit surface of the second pattern generation unit and the upper surface of the stage are the second both-side telecentric optical system. It may be arranged to follow the Scheinproof principle with respect to the main plane of the.
この場合、第2の投光装置においては、第2の光源により光が発生され、第2のパターン生成部により形状測定用のパターンを有する光が測定光束として生成される。生成された測定光束が、第2のパターン生成部の出射面から出射される。出射された測定光束は、第2の両側テレセントリック光学系を通してステージの斜め上方からステージの上面に向かって照射される。それにより、ステージの上面に載置された測定対象物に測定光束が照射される。 In this case, in the second projector, light is generated by the second light source, and light having a pattern for shape measurement is generated as a measurement light beam by the second pattern generation unit. The generated measurement light beam is emitted from the emission surface of the second pattern generation unit. The emitted measurement light beam is irradiated from the obliquely upper side of the stage toward the upper surface of the stage through the second both-side telecentric optical system. Thereby, the measurement light beam is irradiated to the measurement object placed on the upper surface of the stage.
ステージに載置された測定対象物からステージの上方に向かう反射光束が受光装置により受光される。それにより、受光装置から受光量を示す受光信号が出力される。出力される受光信号に基づいて、三角測距方式により測定対象物の立体形状が測定される。 A reflected light beam traveling upward from the measurement object placed on the stage is received by the light receiving device. As a result, a light receiving signal indicating the amount of light received is output from the light receiving device. Based on the received light signal, the three-dimensional shape of the measurement object is measured by the triangulation method.
第2のパターン生成部の出射面とステージの上面とが第2の両側テレセントリック光学系の主平面に関してシャインプルーフの原理に従うので、ステージの上面上に、第2のパターン生成部の出射面全体の焦点を合わせることができる。 Since the emission surface of the second pattern generation unit and the upper surface of the stage follow the Scheinproof principle with respect to the main plane of the second double-sided telecentric optical system, the entire emission surface of the second pattern generation unit is formed on the upper surface of the stage. Can be focused.
また、第2のパターン生成部の出射面から第2の両側テレセントリック光学系に出射される出射光束および第2の両側テレセントリック光学系からステージの上面に照射される照射光束はそれぞれ平行光束である。したがって、出射光束の断面の大きさおよび形状は、その進行方向の任意の位置で一定であり、第2のパターン生成部の出射面上での測定光束の断面の大きさおよび形状と等しい。また、照射光束の断面の大きさおよび形状は、その進行方向の任意の位置で一定である。照射光束の断面の形状は、出射光束の断面の形状と相似である。照射光束の断面の大きさおよび形状が任意の位置で一定であるため、ステージ上の測定対象物の高さが異なる場合でも、測定対象物上での照射光束の照射領域の大きさおよび形状が等しくなる。その結果、異なる高さの複数の部分を有する測定対象物を測定する場合に、複数の部分のそれぞれの測定結果の精度にばらつきが生じることが抑制される。 Further, the outgoing light beam emitted from the emission surface of the second pattern generation unit to the second both-side telecentric optical system and the irradiation light beam emitted from the second both-side telecentric optical system onto the upper surface of the stage are parallel light beams, respectively. Therefore, the cross-sectional size and shape of the outgoing light beam are constant at an arbitrary position in the traveling direction, and are equal to the cross-sectional size and shape of the measurement light beam on the outgoing surface of the second pattern generation unit. Further, the size and shape of the cross section of the irradiated light beam are constant at an arbitrary position in the traveling direction. The cross-sectional shape of the irradiated light beam is similar to the cross-sectional shape of the emitted light beam. Since the size and shape of the cross section of the irradiated light beam are constant at an arbitrary position, the size and shape of the irradiation region of the irradiated light beam on the measurement object are different even when the height of the measurement object on the stage is different. Will be equal. As a result, when measuring a measurement object having a plurality of portions having different heights, it is possible to suppress variations in the accuracy of the measurement results of the plurality of portions.
ここで、第2の投光装置の照射光束の中心軸を含みかつステージの上面に垂直な面とステージの上面との交線に平行な方向を第3の方向と呼び、第3の方向に直交しかつステージの上面に平行な方向を第4の方向と呼ぶ。第2の投光装置においても、照射光束がステージの上面に斜め上方から照射されるので、ステージの上面での照射光束の照射領域は、照射光束の断面に対して第3の方向において拡大され、第4の方向においては拡大されない。 Here, the direction including the central axis of the irradiation light beam of the second light projecting device and parallel to the intersecting line of the surface perpendicular to the upper surface of the stage and the upper surface of the stage is referred to as a third direction, A direction perpendicular to and parallel to the upper surface of the stage is referred to as a fourth direction. Also in the second light projecting device, the irradiation light beam is irradiated obliquely from above on the upper surface of the stage, so that the irradiation region of the irradiation light beam on the upper surface of the stage is expanded in the third direction with respect to the cross section of the irradiation light beam. In the fourth direction, it is not enlarged.
この場合、照射領域は、第4の方向の任意の位置において照射光束の断面に対して第3の方向に同じ比率で拡大される。ステージの上面から受光装置へ向かう反射光束の断面の大きさおよび形状は、その進行方向における任意の位置で一定である。 In this case, the irradiation region is enlarged at the same ratio in the third direction with respect to the cross section of the irradiation light beam at an arbitrary position in the fourth direction. The size and shape of the cross section of the reflected light beam traveling from the upper surface of the stage toward the light receiving device is constant at an arbitrary position in the traveling direction.
このように、受光装置に向かう反射光束の断面は、出射光束の断面に対して第4の方向の任意の位置で第3の方向に一定の比率で拡大され、第3の方向の任意の位置で第4の方向に一定の比率で拡大されている。したがって、第2のパターン生成部の出射面の任意の位置から出射される光線が受光装置の受光面のいずれの位置に入射するかを容易に算出することができる。それにより、例えば受光装置の受光面のいずれの位置についても同一の演算式を用いることが可能になる。その結果、三角測距方式の形状測定のための演算処理が単純化されるとともに、測定時間を短縮することができる。また、高い性能を有する高価な処理装置を用いる必要がなくなるので、形状測定装置の低コスト化が実現される。 As described above, the cross section of the reflected light beam toward the light receiving device is enlarged at a certain ratio in the third direction at an arbitrary position in the fourth direction with respect to the cross section of the outgoing light beam, and is at an arbitrary position in the third direction. In the fourth direction, it is enlarged at a constant ratio. Therefore, it is possible to easily calculate at which position of the light receiving surface of the light receiving device the light beam emitted from any position on the output surface of the second pattern generation unit is incident. Thereby, for example, the same arithmetic expression can be used for any position on the light receiving surface of the light receiving device. As a result, the calculation processing for the shape measurement of the triangulation method is simplified and the measurement time can be shortened. In addition, since it is not necessary to use an expensive processing apparatus having high performance, the cost of the shape measuring apparatus can be reduced.
上記のように、第1の投光装置から投光される測定光束と第2の測定装置から投光される測定光束とに基づいて高い精度で三角測距方式の形状測定を行うことができる。 As described above, it is possible to measure the shape of the triangulation method with high accuracy based on the measurement light beam projected from the first light projecting device and the measurement light beam projected from the second measurement device. .
(8)第2の投光装置からステージの上面に向かう第2の投光装置の光軸とステージの上面から受光装置に向かう受光装置の光軸とを含む第2の面内において、ステージの上面上での測定光束の照射領域の長さは受光装置が受光可能な反射光束の幅よりも大きくてもよい。 (8) In the second plane including the optical axis of the second light projecting device from the second light projecting device toward the upper surface of the stage and the optical axis of the light receiving device from the upper surface of the stage toward the light receiving device, The length of the irradiation region of the measurement light beam on the upper surface may be larger than the width of the reflected light beam that can be received by the light receiving device.
上記の構成によれば、第2の面内において、受光装置が受光可能な反射光束の幅よりもステージの上面上での測定光束の照射領域の長さが大きいので、第2の投光装置を用いた形状測定時に、ステージの上面上での測定光束の照射領域が受光可能領域と一致している場合に比べて測定対象物における測定不可能な部分の発生を低減することが可能になる。 According to the above configuration, the length of the irradiation region of the measurement light beam on the upper surface of the stage is larger than the width of the reflected light beam that can be received by the light receiving device in the second surface. When measuring the shape of the object, it is possible to reduce the occurrence of non-measurable parts in the measurement object compared to the case where the irradiation area of the measurement light beam on the upper surface of the stage coincides with the light receiving area. .
(9)第2の投光装置からステージの上面に向かう第2の投光装置の光軸とステージの上面に直交する軸とがなす角度をαで表し、第2の面内において第2の投光装置からステージの上面に導かれる測定光束の幅をwpで表し、第2の面内において受光装置が受光可能な反射光束の幅をwiで表し、受光装置の光軸方向における測定可能な範囲の大きさを2・vで表す場合に、wp≧ wi・cosα+2・v・sinαの関係が満たされてもよい。 (9) The angle formed by the optical axis of the second light projecting device from the second light projecting device toward the upper surface of the stage and the axis orthogonal to the upper surface of the stage is represented by α, and the second in the second plane The width of the measurement light beam guided from the light projecting device to the upper surface of the stage is represented by wp, the width of the reflected light beam that can be received by the light receiving device in the second surface is represented by wi, and can be measured in the optical axis direction of the light receiving device. When the size of the range is represented by 2 · v, the relationship of wp ≧ wi · cos α + 2 · v · sin α may be satisfied.
この場合、測定対象物を受光可能領域上に載置することにより、受光装置の光軸方向における測定可能な範囲内で、測定対象物の全体に渡って第2の投光装置からの照射光束を照射することができる。したがって、測定不可能な部分の発生をさらに低減することが可能になる。 In this case, by placing the measurement object on the light receivable region, the irradiation light beam from the second light projecting device over the entire measurement object within the measurable range in the optical axis direction of the light receiving device. Can be irradiated. Therefore, it is possible to further reduce the occurrence of a portion that cannot be measured.
(10)第1の投光装置および第2の投光装置は、ステージの上面上で第1の投光装置からの測定光束の照射領域の少なくとも一部と第2の投光装置からの測定光束の照射領域の少なくとも一部とが重なるように、ステージの上面から受光装置に向かう受光装置の光軸を含む面の一方側および他方側に配置されてもよい。 (10) The first light projecting device and the second light projecting device are configured to measure at least a part of the irradiation region of the measurement light beam from the first light projecting device and the second light projecting device on the upper surface of the stage. It may be arranged on one side and the other side of the surface including the optical axis of the light receiving device from the upper surface of the stage toward the light receiving device so that at least a part of the irradiation region of the light flux overlaps.
この場合、ステージの上面に載置される測定対象物に対して互いに異なる複数の方向から測定光束を投光することができる。それにより、第1の投光装置から投光される測定光束により測定不可能な部分がある場合に、その測定不可能な部分の形状を第2の投光装置から投光される測定光束を用いて測定することができる。同様に、第2の投光装置から投光される測定光束により測定不可能な部分がある場合に、その測定不可能な部分の形状を第1の投光装置から投光される測定光束を用いて測定することができる。これらの結果、測定不可能な部分をさらに低減することができる。 In this case, the measurement light beam can be projected from a plurality of directions different from each other on the measurement object placed on the upper surface of the stage. Accordingly, when there is a portion that cannot be measured by the measurement light beam projected from the first light projecting device, the shape of the portion that cannot be measured is changed to the measurement light beam projected from the second light projection device. Can be measured. Similarly, when there is a portion that cannot be measured by the measurement light beam projected from the second light projecting device, the shape of the portion that cannot be measured is changed to the measurement light beam projected from the first light projection device. Can be measured. As a result, the portion that cannot be measured can be further reduced.
本発明によれば、測定対象物の形状を短時間かつ高い精度で測定することが可能になるとともに、形状測定装置の低コスト化が実現される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, while being able to measure the shape of a measuring object for a short time and with high precision, the cost reduction of a shape measuring apparatus is implement | achieved.
[1]形状測定装置の構成
図1は、本発明の一実施の形態に係る形状測定装置の構成を示すブロック図である。図2は、図1の形状測定装置500の測定部の構成を示す模式図である。図3は、図1の形状測定装置500の測定部の外観斜視図である。以下、本実施の形態に係る形状測定装置500について、図1、図2および図3を参照しながら説明する。
[1] Configuration of Shape Measuring Device FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a shape measuring device according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a configuration of a measurement unit of the
図1に示すように、形状測定装置500は、測定部100、PC(パーソナルコンピュータ)200、制御部300および表示部400を備える。測定部100は、例えば顕微鏡であり、複数の投光部110A,110B、受光部120、照明光出力部130、ステージ140および制御基板150を含む。図2に示すように、各投光部110A,110Bは、測定光源111、パターン生成部112、複数のレンズ113,114,115、絞り116および複数の折り曲げミラー117,118を含む。受光部120は、複数のカメラ121A,121B、複数のレンズ122,123A,123B、ハーフミラー124および絞り125A,125Bを含む。ステージ140上には、測定対象物Sが載置される。
As shown in FIG. 1, the
図3に示すように、ステージ140は台座190に設けられる。台座190から上方に延びるように支柱191が設けられている。支柱191の上端部に光学系支持体192が取り付けられている。光学系支持体192は、ステージ140の上方に位置するように受光部120を支持する。また、光学系支持体192は、それぞれステージ140の斜め上方に位置するように2つの投光部110A,110Bを支持する。2つの投光部110A,110Bは、受光部120の光軸ROAを含みかつ測定部100の前後方向に延びる面を挟んで対称に配置される。
As shown in FIG. 3, the
各投光部110A,110Bの測定光源111は、例えば白色光を出射するハロゲンランプである。測定光源111は、白色光を出射する白色LED(発光ダイオード)等の他の光源であってもよい。
The
図2および図3に示すように、測定光源111から出射された光は、レンズ113により適切に集光された後、折り曲げミラー117により反射され、パターン生成部112に入射する。
As shown in FIGS. 2 and 3, the light emitted from the
ここで、レンズ113はコリメートレンズである。それにより、パターン生成部112に入射する光の広がり角が微小な所定範囲内となるように調整される。それにより、パターン生成部112に入射する光束を平行光束とみなすことができる。なお、測定光源111から出射される光が平行光または極めて小さい広がり角を有する光である場合、レンズ113は設けられなくてもよい。
Here, the
また、パターン生成部112は、例えばDMD(デジタルマイクロミラーデバイス)である。この場合、パターン生成部112は、マトリクス状に配列された複数のマイクロミラーからなるパターン出射面112S(図3)を有する。複数のマイクロミラーにより複数の画素がそれぞれ構成される。パターン生成部112は、透過型LCD(液晶ディスプレイ)、反射型LCD、LCOS(Liquid Crystal on Silicon:反射型液晶素子)またはマスクであってもよい。パターン生成部112は、入射した光から予め設定された形状測定用のパターンおよび予め設定された強度(明るさ)を有する光束(以下、測定光束と呼ぶ。)を生成し、生成された測定光束をパターン出射面112Sから出射する。
The
パターン生成部112により出射された測定光束は、複数のレンズ114,115および絞り116により測定対象物Sの寸法よりも大きい径を有する光束に変換された後、折り曲げミラー118により反射され、ステージ140上の測定対象物Sに照射される。本実施の形態においては、複数のレンズ114,115および絞り116により両側テレセントリック光学系TTが構成される。各投光部110A,110Bにおける両側テレセントリック光学系TTの詳細は後述する。
The measurement light beam emitted from the
受光部120においては、測定対象物Sによりステージ140の上方に反射された測定光束が、受光部120のレンズ122に入射する。レンズ122に入射された測定光束の一部は、ハーフミラー124を透過し、レンズ123Aおよび絞り125Aにより集光および結像され、カメラ121Aで受光される。また、レンズ122に入射された測定光束の残りは、ハーフミラー124で反射され、受光部120の複数のレンズ123Bおよび絞り125Bにより集光および結像され、カメラ121Bで受光される。
In the
本実施の形態に係る受光部120においては、後述するようにレンズ122,123Aおよび絞り125Aによりカメラ121Aに対応する一の両側テレセントリック光学系が構成される。また、レンズ122,123Bおよび絞り125Bによりカメラ121Bに対応する他の両側テレセントリック光学系が構成される。
In the
各カメラ121A,121Bは、例えば撮像素子121aおよびレンズを含むCCD(電荷結合素子)カメラである。撮像素子121aは、例えばモノクロCCD(電荷結合素子)である。撮像素子121aは、CMOS(相補性金属酸化膜半導体)イメージセンサ等の他の撮像素子であってもよい。撮像素子121aの各画素からは、受光量に対応するアナログの電気信号(以下、受光信号と呼ぶ。)が制御基板150(図1)に出力される。
Each of the
モノクロCCDには、カラーCCDとは異なり、赤色波長の光を受光する画素、緑色波長の光を受光する画素および青色波長の光を受光する画素を設ける必要がない。そのため、モノクロCCDの計測の分解能はカラーCCDの分解能よりも高くなる。また、モノクロCCDには、カラーCCDとは異なり、各画素にカラーフィルタを設ける必要がない。そのため、モノクロCCDの感度はカラーCCDの感度よりも高くなる。これらの理由により、本例におけるカメラ121A,121BにはモノクロCCDが設けられる。
Unlike a color CCD, a monochrome CCD does not need to be provided with pixels that receive red wavelength light, pixels that receive green wavelength light, and pixels that receive blue wavelength light. Therefore, the measurement resolution of the monochrome CCD is higher than the resolution of the color CCD. Further, unlike a color CCD, a monochrome CCD does not require a color filter for each pixel. Therefore, the sensitivity of the monochrome CCD is higher than that of the color CCD. For these reasons, the
本例においては、照明光出力部130は、測定対象物Sに赤色波長の光、緑色波長の光および青色波長の光を時分割で出射する。この構成によれば、モノクロCCDを用いた受光部120により測定対象物Sのカラー画像を撮像することができる。
In this example, the illumination
一方、カラーCCDが十分な分解能および感度を有する場合には、撮像素子121aは、カラーCCDであってもよい。この場合、照明光出力部130は、測定対象物Sに赤色波長の光、緑色波長の光および青色波長の光を時分割で照射する必要はなく、白色光を測定対象物Sに照射する。そのため、照明光源320の構成を単純にすることができる。
On the other hand, when the color CCD has sufficient resolution and sensitivity, the
図1の制御基板150には、図示しないA/D変換器(アナログ/デジタル変換器)およびFIFO(First In First Out)メモリが実装される。カメラ121A,121Bのいずれか一方から出力される受光信号は、制御部300による制御に基づいて、制御基板150のA/D変換器により一定のサンプリング周期でサンプリングされるとともにデジタル信号に変換される。A/D変換器から出力されるデジタル信号は、FIFOメモリに順次蓄積される。FIFOメモリに蓄積されたデジタル信号は画素データとして順次PC200に転送される。
An A / D converter (analog / digital converter) and a FIFO (First In First Out) memory (not shown) are mounted on the
図1に示すように、PC200は、CPU(中央演算処理装置)210、ROM(リードオンリメモリ)220、作業用メモリ230、記憶装置240および操作部250を含む。また、操作部250は、キーボードおよびポインティングデバイスを含む。ポインティングデバイスとしては、マウスまたはジョイスティック等が用いられる。
As shown in FIG. 1, the
ROM220には、システムプログラムが記憶される。作業用メモリ230は、RAM(ランダムアクセスメモリ)からなり、種々のデータの処理のために用いられる。記憶装置240は、ハードディスク等からなる。記憶装置240には、画像処理プログラムおよび形状測定プログラムが記憶される。また、記憶装置240は、制御基板150から与えられる画素データ等の種々のデータを保存するために用いられる。
The
CPU210は、制御基板150から与えられる画素データに基づいて画像データを生成する。また、CPU210は、生成した画像データに作業用メモリ230を用いて各種処理を行うとともに、画像データに基づく画像を表示部400に表示させる。さらに、CPU210は、後述するステージ駆動部146に駆動パルスを与える。表示部400は、例えばLCDパネルまたは有機EL(エレクトロルミネッセンス)パネルにより構成される。
The
図2および図3において、測定対象物Sが載置されるステージ140上の平面(以下、載置面と呼ぶ。)内で互いに直交する2方向をX方向およびY方向と定義し、それぞれ矢印X,Yで示す。ステージ140の載置面に対して直交する方向をZ方向と定義し、矢印Zで示す。Z方向に平行な軸を中心に回転する方向をθ方向と定義し、矢印θで示す。
2 and 3, two directions orthogonal to each other in a plane (hereinafter referred to as a placement surface) on the
ステージ140は、X−Yステージ141、Zステージ142、θステージ143およびチルトステージ144を含む。X−Yステージ141は、X方向移動機構およびY方向移動機構を有する。Zステージ142は、Z方向移動機構を有する。θステージ143は、θ方向回転機構を有する。チルトステージ144は、載置面に平行な軸を中心に回転可能な機構(以下、あおり回転機構と呼ぶ。)を有する。図2および図3の例では、チルトステージ144は回転していない。X−Yステージ141、Zステージ142、θステージ143およびチルトステージ144により、ステージ140が構成される。また、ステージ140は、載置面に測定対象物Sを固定する図示しない固定部材(クランプ)をさらに含む。
The
ここで、受光部120の焦点に位置しかつ受光部120の光軸ROAに垂直な平面を受光部120の焦点面と呼ぶ。図2および図3に示すように、投光部110A,110B、受光部120およびステージ140の相対的な位置関係は、投光部110Aからステージ140の載置面に向かう投光部110Aの光軸TOA1、投光部110Bからステージ140の載置面に向かう投光部110Bの光軸TOA2、およびステージ140の載置面から受光部120に向かう受光部120の光軸ROAが受光部120の焦点面で互いに交差するように設定される。図3においては、投光部110Bの光軸TOA2の一部の図示が省略される。
Here, a plane located at the focal point of the
また、投光部110Aの焦点を含みXY方向に平行な平面を投光部110Aの焦点面と呼び、投光部110Bの焦点を含みXY方向に平行な平面を投光部110Bの焦点面と呼ぶ。この場合、各投光部110A,110Bは、投光部110Aの焦点面および投光部110Bの焦点面が受光部120の焦点を含む位置で交差するように構成される。
A plane including the focal point of the
θステージ143のθ方向の回転軸の中心は、受光部120の光軸と一致している。そのため、θステージ143をθ方向に回転させた場合に、測定対象物Sを視野から外すことなく、回転軸を中心に視野内で回転させることができる。また、X−Yステージ141、θステージ143およびチルトステージ144は、Zステージ142により支持されている。
The center of the rotation axis of the
すなわち、θステージ143をθ方向に回転させるか、またはチルトステージ144をあおり方向に回転させた状態であっても、受光部120の中心軸とZステージ142の移動軸とにずれが生じないように構成されている。ここで、あおり方向とは、載置面に平行な軸を中心とする回転方向である。この構成により、測定対象物Sの位置または姿勢を変化させた状態であっても、Z方向にステージ140を移動させて受光部120の異なる複数の焦点位置においてそれぞれ撮像した複数の画像を合成することが可能となる。
That is, even if the
ステージ140のX方向移動機構、Y方向移動機構、Z方向移動機構、θ方向回転機構およびあおり回転機構には、それぞれステッピングモータが用いられる。ステージ140のX方向移動機構、Y方向移動機構、Z方向移動機構、θ方向回転機構およびあおり回転機構は、図1のステージ操作部145またはステージ駆動部146により駆動される。
Stepping motors are used for the X direction moving mechanism, the Y direction moving mechanism, the Z direction moving mechanism, the θ direction rotating mechanism, and the tilt rotating mechanism of the
使用者は、ステージ操作部145を手動で操作することにより、ステージ140の載置面を受光部120に対して相対的にX方向、Y方向もしくはZ方向に移動させるか、またはθ方向もしくはあおり方向に回転させることができる。ステージ駆動部146は、PC200より与えられる駆動パルスに基づいて、ステージ140のステッピングモータに電流を供給することにより、ステージ140を受光部120に相対的にX方向、Y方向もしくはZ方向に移動させるか、またはθ方向もしくはあおり方向に回転させることができる。
The user manually operates the
ステージ140のX方向移動機構、Y方向移動機構、Z方向移動機構、θ方向回転機構およびあおり回転機構の各々に用いられるステッピングモータにはエンコーダが取り付けられている。各エンコーダの出力信号は、例えばCPU210に与えられる。CPU210は、ステージ140の各エンコーダから与えられる信号に基づいて、ステージ140の載置面のX方向の位置(X位置)、Y方向の位置(Y位置)、Z方向の位置(Z位置)、θ方向の回転角(θ回転角)、またはあおり方向の回転角の変化量を算出することができる。
An encoder is attached to a stepping motor used for each of the X direction moving mechanism, Y direction moving mechanism, Z direction moving mechanism, θ direction rotating mechanism, and tilt rotating mechanism of the
なお、本実施の形態では、ステージ140はステッピングモータにより駆動することが可能であるとともに手動により操作することが可能な電動ステージであるが、これに限定されない。ステージ140はステッピングモータでのみ駆動することが可能な電動ステージであってもよいし、手動でのみ操作することが可能な手動ステージであってもよい。
In the present embodiment,
図1の制御部300は、制御基板310および照明光源320を含む。制御基板310には、図示しないCPUが実装される。制御基板310のCPUは、PC200のCPU210からの指令に基づいて、投光部110A,110B、受光部120および制御基板150を制御する。
1 includes a
照明光源320は、例えば赤色光、緑色光および青色光を出射する3つのLEDを含む。各LEDから出射される光の輝度を制御することにより、照明光源320から任意の色の光を発生することができる。照明光源320から発生される光(以下、照明光と呼ぶ。)は、導光部材(ライトガイド)を通して測定部100の照明光出力部130から出力される。なお、制御部300に照明光源320を設けずに、測定部100に照明光源320を設けてもよい。この場合、測定部100には照明光出力部130が設けられない。
The
図2の照明光出力部130は、円環形状を有し、受光部120を取り囲むようにステージ140の上方に配置される。これにより、影が発生しないように照明光出力部130から測定対象物Sに照明光が照射される。
The illumination
図3に示すように、受光部120の内部では、ハーフミラー124からカメラ121Bに向かう光軸ROAがY方向に延びる。また、投光部110Aの内部では、パターン生成部112から折り曲げミラー118に向かう光軸TOA1がY方向に延びる。さらに、投光部110Bの内部では、パターン生成部112から折り曲げミラー118に向かう光軸TOA2がY方向に延びる。
As shown in FIG. 3, in the
このように、測定部100においては、ハーフミラー124および複数の折り曲げミラー117,118が用いられることにより、受光部120の光軸ROAの一部および投光部110A,110Bの光軸TOA1,TOA2の一部が互いに並行となる。
As described above, in the
それにより、受光部120におけるハーフミラー124からカメラ121Bまでの間の光学系の部分と、投光部110A,110Bにおけるパターン生成部112から折り曲げミラー118までの間の光学系の部分とが、X方向に並ぶように光学系支持体192により支持される。これにより、複数種類の光学系を含む測定部100の構成がXZ方向に大型化することが防止される。
Thereby, the portion of the optical system between the
[2]測定対象物の形状測定
(1)三角測距方式による形状測定
測定部100においては、三角測距方式により測定対象物Sの形状が測定される。図4は、三角測距方式の原理を説明するための図である。図4に示すように、例えば投光部110Aから出射される光線の光軸と受光部120に入射する反射光の光軸(受光部120の光軸)との間の角度γが予め設定される。角度γは、0度よりも大きく90度よりも小さい。
[2] Shape Measurement of Measurement Object (1) Shape Measurement by Triangular Distance Measurement In the
ステージ140上に測定対象物Sが載置されない場合、投光部110Aから出射される光線は、ステージ140の載置面の点Oにより反射され、受光部120に入射する。一方、ステージ140上に測定対象物Sが載置される場合、投光部110Aから出射される光線は、測定対象物Sの表面の点Aにより反射され、受光部120に入射する。
When the measurement object S is not placed on the
点Oと点Aとの間のX方向における距離をdとすると、ステージ140の載置面に対する測定対象物Sの点Aの高さhは、h=d÷tan(γ)により与えられる。図1のPC200のCPU210は、制御基板150により与えられる測定対象物Sの画素データに基づいて、X方向における点Oと点Aとの間の距離dを測定する。また、CPU210は、測定された距離dに基づいて、測定対象物Sの表面の点Aの高さhを算出する。測定対象物Sの表面の全ての点の高さを算出することにより、測定対象物Sの三次元的な形状が測定される。
If the distance in the X direction between the point O and the point A is d, the height h of the point A of the measuring object S with respect to the mounting surface of the
三角測距方式の形状測定時には、測定対象物Sの表面の全ての点に測定光束を照射するために、図1の投光部110A,110Bからステージ140の載置面上に向かって種々のパターンを有する測定光束が出射される。測定光束のパターンは、図1のパターン生成部112により制御される。
At the time of measuring the shape of the triangulation method, in order to irradiate all the points on the surface of the measuring object S with the measurement light beam, various kinds of projections from the
例えば第1のパターンとして、Y方向に平行な直線状の断面を有する測定光束(以下、ライン状測定光束と呼ぶ。)が投光部110A,100Bから出射される。また、第2のパターンとして、Y方向に平行な直線状の断面を有しかつX方向に強度が正弦波状に変化するパターンを有する測定光束(以下、正弦波状測定光束と呼ぶ。)が投光部110A,100Bから複数回(本例においては4回)出射される。さらに、第3のパターンとして、Y方向に平行でかつX方向に並ぶような直線状の断面を有する測定光束(以下、縞状測定光束と呼ぶ。)が投光部110A,100Bから複数回(本例においては16回)出射される。さらに、第4のパターンとして、Y方向に平行な直線状の断面を有しかつ明部分と暗部分とがX方向に並ぶ測定光束(以下、コード状測定光束と呼ぶ。)が投光部110A,100Bから複数回(本例においては4回)出射される。コード状測定光束の明部分および暗部分の割合は、それぞれ50%である。
For example, as a first pattern, a measurement light beam (hereinafter referred to as a linear measurement light beam) having a linear cross section parallel to the Y direction is emitted from the
上述のライン状測定光束を測定対象物S上で走査する方法は一般に光切断法と呼ばれる。一方、正弦波状測定光束、縞状測定光束またはコード状測定光束を測定対象物Sに照射する方法は、パターン投影法に分類される。また、パターン投影法の中でも、正弦波状測定光束または縞状測定光束を測定対象物Sに照射する方法は位相シフト法に分類され、コード状測定光束を測定対象物Sに照射する方法は空間コード法に分類される。 The method of scanning the above-described line-shaped measurement light beam on the measurement object S is generally called a light cutting method. On the other hand, the method of irradiating the measuring object S with a sinusoidal measurement light beam, a striped measurement light beam or a code-shaped measurement light beam is classified as a pattern projection method. Among the pattern projection methods, a method of irradiating the measuring object S with a sinusoidal measuring light beam or a striped measuring light beam is classified as a phase shift method, and a method of irradiating the measuring object S with a code-like measuring light beam is a spatial code. Classified into law.
本実施の形態に係る測定部100においては、ステージ140の上面に載置される測定対象物Sに対して互いに異なる複数(本例では2つ)の方向から測定光束を投光することができる。それにより、投光部110Aから投光される測定光束により測定不可能な部分がある場合に、その測定不可能な部分の形状を投光部110Bから投光される測定光束を用いて測定することができる。同様に、投光部110Bから投光される測定光束により測定不可能な部分がある場合に、その測定不可能な部分の形状を投光部110Aから投光される測定光束を用いて測定することができる。これらの結果、測定対象物Sにおける測定不可能な部分を低減することができる。
In the
(2)受光系測定可能範囲
三角測距方式の形状測定においては、測定対象物Sの表面の位置が受光部120の焦点から光軸方向に遠ざかるほど測定対象物Sからカメラ121A,121Bの撮像素子121aに入射する光のぼけの度合いが大きくなる。同様に、測定対象物Sの表面の位置が受光部120の焦点よりも近接するほど測定対象物Sからカメラ121A,121Bの撮像素子121aに入射する光のぼけの度合いが大きくなる。受光部120の撮像素子121aに入射する光のぼけの度合いは、例えば受光部120の受光光学系の倍率および開口数等に応じて変化する。
(2) Receiving system measurable range In the shape measurement of the triangulation method, the images of the
測定対象物Sから受光部120に入射する光のぼけの度合いが大きくなると、測定対象物Sの表面の高さの測定精度が低下する。そこで、本実施の形態では、一定以上の測定精度を得ることが可能であると考えられる受光部120の光軸方向の範囲が受光部120の構成に応じて形状測定装置500ごとに予め定められる。以下の説明では、このようにして予め定められる受光部120のZ方向における範囲を受光系測定可能範囲と呼ぶ。本実施の形態では、受光系測定可能範囲は、カメラ121A,121Bにそれぞれ対応するように設定される。
When the degree of blur of light incident on the
例えば、カメラ121Aに対応する受光系測定可能範囲は、測定対象物Sの表面に縞状測定光束を照射した状態で測定対象物Sを受光部120の光軸方向に移動させた場合に、カメラ121Aの撮像素子121aに入射する光のぼけの度合いが所定のしきい値を超えない範囲に定められる。同様に、カメラ121Bに対応する受光系測定可能範囲は、測定対象物Sの表面に縞状測定光束を照射した状態で測定対象物Sを受光部120の光軸方向に移動させた場合に、カメラ121Bの撮像素子121aに入射する光のぼけの度合いが所定のしきい値を超えない範囲に定められる。
For example, the light receiving system measurable range corresponding to the camera 121 </ b> A is obtained when the measuring object S is moved in the optical axis direction of the
カメラ121Aに対応する受光系測定可能範囲は、カメラ121Aに対応する受光光学系の被写界深度の範囲を含みかつカメラ121Aに対応する受光光学系の被写界深度の範囲よりも大きい。同様に、カメラ121Bに対応する受光系測定可能範囲は、カメラ121Bに対応する受光光学系の被写界深度の範囲を含みかつカメラ121Bに対応する受光光学系の被写界深度の範囲よりも大きい。
The light receiving system measurable range corresponding to the
[3]顕微鏡モードおよび形状測定モード
本実施の形態に係る形状測定装置500は、顕微鏡モードで動作可能であるとともに形状測定モードで動作可能である。図5および図6は、動作モード選択時における表示部400のGUI(Graphical User Interface)の一例を示す図である。図5および図6に示すように、画像表示領域550および設定変更領域570,580が表示部400に表示される。画像表示領域550には、受光部120により撮像された測定対象物Sの画像が表示される。
[3] Microscope Mode and Shape Measurement Mode The
設定変更領域570には、明るさ選択欄571、明るさ設定バー572、表示切換欄573、倍率切換欄574、倍率選択欄575および焦点調整欄576が表示される。明るさ設定バー572は、水平方向に移動可能なスライダ572sを有する。
In the setting
使用者は、明るさ選択欄571において受光部120の露光時間の方式を選択することにより、受光部120の露光時間の方式をオート(自動)と手動との間で切り換えることができる。受光部120の露光時間の方式として手動が選択されている場合、使用者は、PC200の操作部250を操作して明るさ設定バー572のスライダ572sを水平方向に移動させることにより、受光部120の露光時間を調整することができる。使用者は、表示切換欄573から画像の表示の種類を選択することにより、画像の表示の種類をカラーとモノクロとの間で切り換えることができる。
The user can switch the exposure time method of the
受光部120においては、一方のカメラ121Aに対応するレンズの倍率が、他方のカメラ121Bに対応するレンズの倍率よりも低い。そこで、本例では、一方のカメラ121Aを低倍率カメラと呼び、他方のカメラ121Bを高倍率カメラと呼ぶ。使用者は、倍率切換欄574においてカメラの倍率を選択することにより、受光部120の低倍率カメラ(カメラ121A)と高倍率カメラ(カメラ121B)とを切り替えて使用することができる。それにより、制御基板150に受光信号を出力するカメラが低倍率カメラ(カメラ121A)と高倍率カメラ(カメラ121B)との間で切り換えられる。
In the
受光部120はデジタルズーム機能を有する。本例においては、2つのカメラ121A,121Bとデジタルズーム機能とを組み合わせることにより、カメラの倍率を実質的に2種類以上に変更することができる。使用者は、倍率選択欄575において倍率を選択することにより、受光部120のカメラの倍率を設定することができる。デジタルズーム機能が用いられる際には、カメラの種類(高倍率カメラおよび低倍率カメラ)ごとに定められる受光系測定可能範囲が倍率の変化量に基づいて補正されてもよい。
The
使用者は、焦点調整欄576に数値を入力することにより、入力された数値に対応する距離だけZ方向に受光部120の焦点位置を変化させることができる。受光部120の焦点位置の変化は、ステージ140のZステージ142の位置、すなわち受光部120と測定対象物Sとの間のZ方向の相対的な距離を変化させることにより行われる。
The user can change the focus position of the
設定変更領域580には、顕微鏡モード選択タブ580Aおよび形状測定モード選択タブ580Bが表示される。顕微鏡モード選択タブ580Aが選択されている場合には、形状測定装置500は、顕微鏡モードで動作する。顕微鏡モードにおいては、照明光出力部130から照明光が測定対象物Sに照射される。この状態で、測定対象物Sの拡大観察を行うことができる。
In the setting
図5に示すように、顕微鏡モード選択タブ580Aが選択されている場合、設定変更領域580には、ツール選択欄581および撮影ボタン582が表示される。使用者は、撮影ボタン582を操作することにより、画像表示領域550に表示されている測定対象物Sの画像を撮影(キャプチャ)することができる。
As shown in FIG. 5, when the microscope
ツール選択欄581には、複数の実行ツールをそれぞれ選択するための複数のアイコンが表示される。使用者は、ツール選択欄581の複数のアイコンのいずれかを操作することにより、観察されている測定対象物Sの画像の平面測定、画像への目盛りの挿入、深度合成、画像へのコメントの挿入または画像の改善等の実行ツールを実行することができる。
The
例えば、平面測定の実行が選択されている場合、ツール選択欄581の下方には測定ツール表示欄581aおよび補助ツール表示欄581bが表示される。測定ツール表示欄581aには、2点間の距離の測定、2つの平行線間の距離の測定、円の直径または半径の測定、および2つの直線がなす角度の測定等をそれぞれ実行するための複数のアイコンが表示される。補助ツール表示欄581bには、画像表示領域550の画像に点、線または円等の補助的な描画をそれぞれ実行するための複数のアイコンが表示される。
For example, when execution of plane measurement is selected, a measurement
形状測定モード選択タブ580Bが選択されている場合には、形状測定装置500は、形状測定モードで動作する。図6に示すように、形状測定モード選択タブ580Bが選択されている場合、設定変更領域580には、測定ボタン583が表示される。使用者は、形状測定の準備が終了した後、測定ボタン583を操作することにより、三角測距方式により測定対象物Sの三次元的な形状を測定する形状測定処理を実行することができる。
When the shape measurement
図7は、形状測定処理実行後における表示部400のGUIの一例を示す図である。図7に示すように、形状測定処理において生成されたデータに基づいて、測定対象物Sの画像が画像表示領域550に表示される。使用者は、合成画像上で、測定対象物Sの測定結果の確認または簡単な計測を実行することができる。
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the GUI of the
[4]両側テレセントリック光学系
(1)投光部について
図8は、図3の投光部110Aの両側テレセントリック光学系TTの機能を説明するための図である。図8に示すように、本実施の形態では、パターン生成部112のパターン出射面112Sが両側テレセントリック光学系TTの一方側の焦点面FS1に含まれるように、パターン生成部112が配置される。
[4] Double-sided telecentric optical system (1) About the light projecting unit FIG. 8 is a diagram for explaining the function of the double-sided telecentric optical system TT of the
この場合、パターン出射面112Sから両側テレセントリック光学系TTに出射される測定光束(以下、出射光束と呼ぶ。)の主光線PRが光軸TOA1と平行になる。上記のように、パターン生成部112に入射する光の広がり角は、コリメートレンズであるレンズ113により所定範囲内となるように調整される。それにより、出射光束の広がり角も所定範囲内にある。したがって、出射光束の断面の大きさおよび形状は、光軸TOA1上の任意の位置でほぼ一定となる。
In this case, the chief ray PR of the measurement light beam (hereinafter referred to as an output light beam) emitted from the
また、両側テレセントリック光学系TTから図3のステージ140の載置面に照射される測定光束(以下、照射光束と呼ぶ。)の主光線PRも光軸TOA1と平行になる。出射光束と同様に、照射光束の広がり角も所定範囲内にある。それにより、照射光束の断面の大きさおよび形状が光軸TOA1上の任意の位置でほぼ一定となる。
Also, the principal ray PR of the measurement light beam (hereinafter referred to as the irradiation light beam) irradiated from the both-side telecentric optical system TT onto the mounting surface of the
上記のように、パターン出射面112Sが両側テレセントリック光学系TTの一方側の焦点面FS1に含まれる場合、照射光束が測定対象物Sに照射されると、光軸TOA1の方向における測定対象物Sの位置が両側テレセントリック光学系TTの他方側の焦点面FS2から離間するほど測定対象物Sに投影されるパターンのぼけの度合いが大きくなる。
As described above, when the
測定対象物Sに投影されるパターンのぼけの度合いが大きくなると、測定対象物Sの表面形状の測定精度が低下する。そこで、一定以上の測定精度を得ることが可能であると考えられる投光部110Aの光軸方向の範囲が投光系測定可能範囲CAとして定められる。
When the degree of blurring of the pattern projected onto the measuring object S increases, the measurement accuracy of the surface shape of the measuring object S decreases. Therefore, a range in the optical axis direction of the
図8の例では、両側テレセントリック光学系TTの光軸方向において焦点面FS2よりも前方に距離SF離れた位置から焦点面FS2よりも後方に距離SB離れた位置までの範囲が投光系測定可能範囲CAとして示される。 In the example of FIG. 8, the range from the position separated from the focal plane FS2 by the distance SF to the position separated from the focal plane FS2 by the distance SB in the optical axis direction of the both-side telecentric optical system TT can be measured. Shown as range CA.
投光系測定可能範囲CAは、両側テレセントリック光学系TTの焦点深度の範囲を含みかつ両側テレセントリック光学系TTの焦点深度の範囲よりも大きい。 The light projecting system measurable range CA includes the focal depth range of the double telecentric optical system TT and is larger than the focal depth range of the double telecentric optical system TT.
上記のように、照射光束の断面の大きさおよび形状が任意の位置でほぼ一定であると、ステージ140上の測定対象物Sの高さが異なる場合でも、測定対象物S上での照射光束の断面の大きさおよび形状がほぼ等しくなる。その結果、異なる高さの複数の部分を有する測定対象物Sを測定する場合に、複数の部分のそれぞれの測定結果の精度にばらつきが生じることが抑制される。
As described above, if the size and shape of the cross section of the irradiated light beam are substantially constant at an arbitrary position, the irradiated light beam on the measurement object S even when the height of the measurement object S on the
図3の投光部110Bにおいても、パターン生成部112のパターン出射面112Sが両側テレセントリック光学系TTの一方側の焦点面FS1に含まれるように、パターン生成部112が配置される。それにより、上記の例と同様の効果を得ることができる。
Also in the
(2)受光部について
形状測定装置500においては、投光部110A,110Bに限らず、受光部120にも両側テレセントリック光学系が用いられる。具体的には、受光部120においては、図3のレンズ122,123Aおよび絞り125Aにより一の両側テレセントリック光学系が構成され、レンズ122,123Bおよび絞り125Bにより他の両側テレセントリック光学系が構成される。
(2) About the light receiving unit In the
各両側テレセントリック光学系においては、測定対象物Sからレンズ122に向かう反射光束の主光線が一の両側テレセントリック光学系の光軸と平行になる。上記のように、照射光束の広がり角が所定範囲内にある場合には、反射光束の広がり角も所定範囲内にある。それにより、測定対象物Sからレンズ122に向かう反射光束の断面の大きさおよび形状が光軸ROA上の任意の位置でほぼ一定となる。
In each double-sided telecentric optical system, the principal ray of the reflected light beam from the measuring object S toward the
この場合、ステージ140上の測定対象物Sの高さが異なる場合でも、測定対象物S上での反射光束の断面の大きさおよび形状がほぼ等しくなる。その結果、異なる高さの複数の部分を有する測定対象物Sを測定する場合に、複数の部分のそれぞれの測定結果の精度にばらつきが生じることが抑制される。
In this case, even when the height of the measuring object S on the
本実施の形態においては、投光部110A,110Bの両側テレセントリック光学系TTの焦点深度の範囲が、受光部120の各両側テレセントリック光学系の被写界深度の範囲よりも大きくなるように設定される。
In the present embodiment, the range of the focal depth of the both-side telecentric optical system TT of the
例えば、投光部110A,110Bの両側テレセントリック光学系TTの倍率と受光部120の一の両側テレセントリック光学系の倍率とがほぼ等しい場合に、投光部110A,110Bの両側テレセントリック光学系TTの開口数は、受光部120の一の両側テレセントリック光学系の開口数よりも小さくなるように設定される。また、投光部110A,110Bの両側テレセントリック光学系TTの倍率と受光部120の他の両側テレセントリック光学系の倍率とがほぼ等しい場合に、投光部110A,110Bの両側テレセントリック光学系TTの開口数は、受光部120の他の両側テレセントリック光学系の開口数よりも小さくなるように設定される。この場合、測定部100の投光部110A,110Bの焦点深度の範囲が受光部120の被写界深度の範囲よりも大きくなる。それにより、測定部100の投光部110A,110Bの投光系測定可能範囲CAを受光部120の受光系測定可能範囲よりも大きくすることができる。したがって、形状測定装置500により一定以上の精度で測定可能な測定対象物Sの高さの範囲を受光部120の受光系測定可能範囲に基づいて定めることができる。
For example, when the magnification of the both-side telecentric optical system TT of the
[5]シャインプルーフの原理を利用した投光光学系の配置
以下の説明では、図2および図3のステージ140に測定対象物Sが載置されておらずかつステージ140があおり方向に回転していない状態(例えば、載置面が水平に保持された状態)で、各投光部110A,110Bから照射光束が照射されるステージ140の載置面上の領域を照射領域と呼ぶ。
[5] Arrangement of the Projection Optical System Utilizing the Scheinproof Principle In the following description, the measuring object S is not placed on the
測定部100においては、三角測距方式の形状測定を行うために、投光部110A,110Bの光軸TOA1,TOA2がそれぞれステージ140の載置面から受光部120に向かう受光部120の光軸方向(Z方向)に対して傾斜する。このような構成においては、各投光部110A,110Bの両側テレセントリック光学系TTの他方側の焦点面FS2が光軸TOA1,TOA2に対して直交していると、ステージ140をZ方向に移動させてもステージ140の載置面上にパターン生成部112のパターン出射面112S全体の焦点を合わせることができない。そのため、測定対象物Sの測定精度が低下する。そこで、本実施の形態では、以下のようにして投光部110A,110Bの各構成要素の配置が定められる。
In the measuring
図9は、ステージ140に対するパターン生成部112および両側テレセントリック光学系TTの位置関係を示す図である。図9に示すように、シャインプルーフの定理に従ってパターン生成部112のパターン出射面112S、両側テレセントリック光学系TTおよびステージ140の載置面の配置が定められる。
FIG. 9 is a diagram illustrating a positional relationship between the
具体的には、ステージ140があおり方向に回転しておらずステージ140が特定のZ位置にある状態で、両側テレセントリック光学系TTの主平面を含む面PP、パターン生成部112のパターン出射面112Sを含む面IS、およびステージ140の載置面を含む面SSが共通の直線LP上で互いに交差するようにパターン生成部112および両側テレセントリック光学系TTが配置される。
Specifically, in a state where the
ステージ140の載置面が両側テレセントリック光学系TTの他方側の焦点面FS2(図8)に含まれる場合には、ステージ140の載置面上の照射領域140Sにパターン出射面112S全体の焦点が合う。それにより、高い精度で測定対象物Sを測定することができる。
When the mounting surface of the
また、本例では、ステージ140がZ方向に移動する場合に、ステージ140の上面に照射される照射光束のぼけの度合いが、測定光束の焦点面からの載置面のずれ量に応じてほぼ均一に変化する。したがって、測定対象物Sが投光系測定可能範囲CA内に位置するようにステージ140の載置面をZ方向に移動させることにより、種々のパターンを有する測定光束を一定以上の精度で測定対象物Sに容易に照射させることができる。
Further, in this example, when the
図10(a)は図9のパターン出射面112Sを示す図であり、図10(b)は図9のステージ140の載置面上の照射領域140Sを示す図である。図10(a)に示すように、図9のパターン出射面112Sは矩形状を有する。以下の説明においては、図9のパターン出射面112Sの全面から平行光が出射されることにより、断面矩形の照射光束がステージ140の載置面に照射されるものとする。ここで、パターン出射面112Sの横方向の長さをaとし、縦方向の長さをbとする。また、図10(b)に示すように、照射領域140Sの横方向の長さをA1とし、照射領域140Sの縦方向の長さをB1とする。図10(a),(b)のパターン出射面112Sおよび照射領域140Sにおいては、横方向は図9の直線LPに平行な方向を示し、縦方向は図9の面IS,SS上で直線LPに直交する方向を示す。
FIG. 10A is a diagram showing the
両側テレセントリック光学系TTの光軸TOA1,TOA2に直交する面に対する面ISの傾きをφとし、光軸TOA1,TOA2に直交する面に対する面SSの傾きをθとし、両側テレセントリック光学系TTの倍率をβとする。この場合、照射領域140Sの横方向の長さA1および照射領域140Sの縦方向の長さB1は、それぞれ下記式(1),(2)で表すことができる。
The inclination of the surface IS with respect to the surface orthogonal to the optical axes TOA1, TOA2 of the double-sided telecentric optical system TT is φ, the inclination of the surface SS with respect to the surface orthogonal to the optical axes TOA1, TOA2 is θ, and the magnification of the double-sided telecentric optical system TT is Let β. In this case, the horizontal length A1 of the
A1=β・a …(1)
B1=(1/cosθ)・cosφ・β・b …(2)
上記の式(1),(2)によれば、照射領域140Sの縦方向の長さB1は、倍率βで拡大されたパターン出射面112Sの縦方向の長さbに対してさらに(1/cosθ)・cosφ分拡大されている。一方、照射領域140Sの横方向の長さA1は、倍率βで拡大されたパターン出射面112Sの横方向の長さaに対して拡大されていない。
A1 = β · a (1)
B1 = (1 / cos θ) · cos φ · β · b (2)
According to the above formulas (1) and (2), the length B1 of the
この場合、照射領域140Sは、横方向の任意の位置においてパターン出射面112Sの断面、すなわち照射光束の断面に対して縦方向に同じ比率で拡大される。また、照射領域140Sは、縦方向の任意の位置において照射光束の断面に対して横方向に同じ比率で拡大される。
In this case, the
図11は、図9のパターン出射面112Sを構成する複数の画素の位置と複数の画素にそれぞれ対応する照射領域140Sの複数の部分の位置との関係を説明するための図である。
FIG. 11 is a diagram for explaining the relationship between the positions of a plurality of pixels constituting the
図11(a)に図9のパターン出射面112Sを構成する複数の画素が示される。複数の画素はそれぞれ正方形状を有する。図11(a)では、各画素の中心部にその画素位置を示す黒点が付される。パターン出射面112Sは横方向にj個の画素を有し、縦方向にk個の画素を有するものとする。以下の説明では、パターン出射面112Sにおける複数の画素をそれぞれ識別するために、例えば横方向にm(mはj以下の自然数)番目かつ縦方向にn(nはk以下の自然数)番目の位置にある画素を画素[m,n]と表記する。さらに、図11(a)に示すように、画素[1,1]の位置を原点として横方向に延びるようにx軸を定義し、縦方向に延びるようにy軸を定義する。
FIG. 11A shows a plurality of pixels constituting the
この場合、x軸方向において互いに隣り合う画素間の距離(画素ピッチ)およびy軸方向において互いに隣り合う画素間の距離(画素ピッチ)をUとすると、画素[m,n]の位置は(U・m,U・n)と表すことができる。 In this case, if the distance between pixels adjacent to each other in the x-axis direction (pixel pitch) and the distance between pixels adjacent to each other in the y-axis direction (pixel pitch) are U, the position of the pixel [m, n] is (U M, U · n).
図11(b)に図11(a)の複数の画素にそれぞれ対応する図9の照射領域140Sの複数の部分が示される。ここで、パターン出射面112Sの複数の画素にそれぞれ対応する照射領域140Sの複数の部分とは、パターン出射面112Sの複数の画素からそれぞれ出射された光線がステージ140の載置面上に照射される複数の部分をいう。図11(b)の例では、各部分の中心部にその部分の位置を示す黒点が付される。照射領域140Sにおける複数の部分をそれぞれ識別するために、図11(a)の画素[m,n]に対応する部分を対応部分[m,n]と表記する。さらに、対応部分[1,1]の位置を原点として横方向に延びるようにx軸を定義し、縦方向に延びるようにy軸を定義する。
FIG. 11B shows a plurality of portions of the
この場合、上記の式(1),(2)を参照すると、対応部分[m,n]の位置は(β・U・m,(1/cosθ)・cosφ・β・U・n)と表すことができる。このように、パターン出射面112Sおよびステージ140の載置面上に共通のxy座標系を定義した場合には、対応部分のx座標を対応する画素のx座標を用いた一次式で表すことができる。また、対応部分のy座標を対応する画素のy座標を用いた一次式で表すことができる。したがって、パターン出射面112Sを構成する複数の画素の位置と複数の画素にそれぞれ対応する照射領域140Sの複数の対応部分の位置との間には共通の線形関係が存在する。
In this case, referring to the above equations (1) and (2), the position of the corresponding portion [m, n] is represented as (β · U · m, (1 / cos θ) · cos φ · β · U · n). be able to. As described above, when a common xy coordinate system is defined on the
図11(b)に一点鎖線で示すように、照射領域140S内で照射領域140Sよりも小さい矩形領域121vから図2および図3の受光部120の光軸方向(Z方向)に反射する反射光束が受光部120のカメラ121Aおよびカメラ121Bに入射する。ステージ140の載置面から受光部120に向かう反射光束の断面の大きさおよび形状は、受光部120の光軸ROA(図3)の任意の位置でほぼ一定である。
As shown by the alternate long and short dash line in FIG. 11B, the reflected light beam reflected in the optical axis direction (Z direction) of the
受光部120においては、カメラ121Aの撮像素子121aの受光面およびカメラ121Bの撮像素子121aの受光面はそれぞれ受光部120の光軸ROAに対して直交する。それにより、各撮像素子121aの受光面においては、縦方向および横方向に対して一定の比率で縮小された矩形領域121vの反射光束が受光される。
In the
この場合、パターン生成部112のパターン出射面112Sの複数の画素から出射される光線が、それぞれカメラ121A,121Bの各撮像素子121aのいずれの位置にある画素に入射するかを容易に算出することができる。
In this case, it is easy to calculate which light beam emitted from the plurality of pixels on the
それにより、カメラ121A,121Bの各撮像素子121aのいずれの位置についても同一の演算式を用いることが可能になる。このように、三角測距方式の形状測定のための演算処理が単純化されると共に、測定時間を短縮することができる。また、高い性能を有する高価な処理装置を用いる必要がなくなるので、形状測定装置500の低コスト化が実現される。
Thereby, the same arithmetic expression can be used for any position of each
参考例として、両側テレセントリック光学系TTの代わりにテレセントリック性を有さない光学系(以下、非テレセントリック光学系と呼ぶ。)を用いた場合の測定部100の例を説明する。
As a reference example, an example of the
図12は、参考例に係る測定部100を説明するための図である。図12では、ステージ140に対するパターン生成部112および非テレセントリック光学系の位置関係が示される。図12に示すように、本例の非テレセントリック光学系TXは、0°よりも大きい画角を有する複数のレンズ114x,115xおよび絞り116xを含む。
FIG. 12 is a diagram for explaining the
本例においても、図9の例と同様に、シャインプルーフの条件を満たすようにパターン生成部112のパターン出射面112S、非テレセントリック光学系TXおよびステージ140の載置面の配置が定められる。この場合、パターン出射面112Sが非テレセントリック光学系TXの一方の焦点面に含まれるようにパターン生成部112が配置されかつステージ140の載置面が非テレセントリック光学系TXの他方の焦点面に含まれる場合には、ステージ140の載置面上の照射領域140Sにパターン出射面112S全体の焦点が合う。
Also in this example, as in the example of FIG. 9, the arrangement of the
図13は図12のステージ140の載置面上の照射領域140Sを示す図である。図13に示すように、投光部110A,110Bに両側テレセントリック光学系TTに代えて非テレセントリック光学系TXを用いた場合には、矩形状を有する図12のパターン出射面112Sに対して載置面上の照射領域140Sが台形に歪む。
FIG. 13 is a diagram showing an
この場合、照射領域140Sの縦方向の長さB1は、非テレセントリック光学系TXの倍率をβとすると上記の式(2)で表すことができる。しかしながら、照射領域140Sは、縦方向の任意の位置において照射光束の断面に対して横方向に異なる比率で拡大される。そのため、上記の式(1)と同様に表すことはできない。
In this case, the length B1 in the vertical direction of the
図14は、図12のパターン出射面112Sを構成する複数の画素の位置と複数の画素にそれぞれ対応する照射領域140Sの複数の部分の位置との関係を説明するための図である。
FIG. 14 is a diagram for explaining the relationship between the positions of a plurality of pixels constituting the
図14(a)に図12のパターン出射面112Sを構成する複数の画素が示される。図12のパターン出射面112Sは、図9のパターン出射面112Sと同じである。したがって、本例においても、パターン出射面112Sにおける画素[m,n]の位置を(U・m,U・n)と表す。
FIG. 14A shows a plurality of pixels constituting the
図14(b)に図14(a)の複数の画素にそれぞれ対応する図12の照射領域140Sの複数の部分が示される。図11(b)の例と同様に、照射領域140Sにおける複数の部分をそれぞれ識別するために、図14(a)の画素[m,n]に対応する部分を対応部分[m,n]と表記する。さらに、対応部分[1,1]の位置を原点として横方向に延びるようにx軸を定義し、縦方向に延びるようにy軸を定義する。
FIG. 14B shows a plurality of portions of the
この場合、図12の照射領域140Sは台形に歪んでいるので、例えば横方向に並ぶ複数の対応部分のx座標は、縦方向の任意の位置で異なる演算式で表される。
In this case, since the
図14(b)にも、照射領域140Sのうちカメラ121A,121Bの各撮像素子121aに入射する反射光束の矩形領域121vが一点鎖線で示される。図14(b)に示すように、本例では、矩形領域121v内の複数の部分で複数の対応部分の分布が異なる。そのため、パターン生成部112のパターン出射面112Sの複数の画素から出射される光線が、それぞれカメラ121A,121Bの各撮像素子121aのいずれの位置にある画素に入射するかを、パターン出射面112Sの画素ごとに互いに異なる演算処理で算出する必要がある。この場合、パターン生成部112のパターン出射面112Sの複数の画素から出射される光線が、それぞれカメラ121A,121Bの各撮像素子121aのいずれの位置にある画素に入射するかを算出することは容易ではない。
Also in FIG. 14B, the
このように、本参考例では、三角測距方式の形状測定のための演算処理が単純化されず、測定時間が長時間化する。また、複雑な演算処理を繰り返し行うために高い性能を有する高価な処理装置が必要となり、形状測定装置500の製造コストが増加する。
As described above, in this reference example, the calculation process for the shape measurement by the triangulation method is not simplified, and the measurement time is prolonged. In addition, an expensive processing device having high performance is required to repeatedly perform complicated arithmetic processing, and the manufacturing cost of the
[6]測定光束の投光幅と受光幅との好ましい関係
以下の説明においては、ステージ140の載置面上で受光部120が受光可能な反射光束の断面の領域を受光可能領域と呼ぶ。また、ステージ140の載置面に向かう各投光部110A,110Bの光軸TOA1,TOA2とステージ140の上面から受光部120に向かう受光部120の光軸ROAとを含む面を光軸通過面と呼ぶ。さらに、XY方向において受光可能領域の範囲内でかつZ方向における受光系測定可能範囲内の空間を測定可能空間と呼ぶ。
[6] Preferred Relationship Between Projection Width and Receiving Width of Measurement Light Beam In the following description, a cross-sectional area of the reflected light beam that can be received by the
図15は、光軸通過面における照射領域140Sと受光可能領域との好ましい関係を説明するための図である。例えばステージ140の載置面が受光部120の焦点に位置する場合には、Z方向におけるステージ140の載置面から受光系測定可能範囲の1/2の高さvまでの範囲で測定対象物Sの形状を一定以上の精度で測定することができる。
FIG. 15 is a diagram for explaining a preferable relationship between the
しかしながら、例えばパターン生成部112のパターン出射面112Sの全体から出射光束が出射されることによりステージ140の載置面に照射される照射光束の照射領域140Sの形状および大きさと受光可能領域140Rの形状および大きさとが一致する場合には、測定対象物Sの高さが受光系測定可能範囲の1/2の高さv以下であっても測定対象物Sに照射光束が照射されない部分が生じる可能性がある。
However, for example, the shape and size of the
例えば、図15(a)の例では、太い点線で示すように、各投光部110A,110Bから遠い測定対象物Sの一部分PAに照射光束が照射されない。そのため、測定対象物Sの一部分PAの形状を測定することはできない。
For example, in the example of FIG. 15A, as shown by the thick dotted line, the irradiation light beam is not irradiated to a part PA of the measurement object S far from the
したがって、光軸通過面におけるステージ140の載置面上での照射領域140Sの長さは光軸通過面におけるステージ140の載置面上での受光可能領域140Rの長さよりも大きくなるように設定されることが好ましい。
Therefore, the length of the
この場合、光軸通過面内におけるステージ140の載置面上での照射領域140Sの長さが光軸通過面におけるステージ140の載置面上での受光可能領域140Rの長さと一致している場合に比べて、測定対象物Sにおける照射光束が照射されない部分を少なくすることができる。
In this case, the length of the
光軸通過面におけるステージ140の載置面上での照射領域140Sの長さおよび光軸通過面におけるステージ140の載置面上での受光可能領域140Rの長さは以下の条件に従って設定されることがより好ましい。
The length of the
図15(b)に、測定可能空間CSと光軸通過面におけるステージ140の載置面上での照射領域140Sの長さおよび光軸通過面におけるステージ140の載置面上での受光可能領域140Rの長さとのより好ましい関係が示される。図15(b)の例では、Z方向における測定可能空間CSの中心位置にステージ140の載置面が配置される。
FIG. 15B shows the length of the
この場合、ステージ140の載置面に向かう各投光部110A,110Bの光軸TOA1,TOA2とステージ140の載置面に直交する軸とがなす角度をαで表すと、測定可能空間CSを通る照射光束が投影されることになる載置面のX方向の最大範囲cは、受光系測定可能範囲の1/2の高さv、および光軸通過面内での受光可能領域140Rの幅wi(測定可能空間CSのX方向の大きさ)を用いて次のように表すことができる。
In this case, if the angle formed by the optical axes TOA1, TOA2 of the
c=wi+2・v・tanα …(3)
また、光軸通過面内で各投光部110A,110Bの光軸TOA1,TOA2に直交する方向にwpの幅を有する照射光束がステージ140の載置面上に照射される場合の照射領域140SのX方向の範囲dは、次のように表すことができる。
c = wi + 2 · v · tan α (3)
Further, an
d=wp/cosα …(4)
図15(b)に示すように、d≧cである場合に、測定可能空間CS内にある測定対象物Sのほぼ全体に照射光束を照射することができる。したがって、上記の式(3),(4)から、光軸通過面内における受光可能領域140RのX方向の幅wiと、光軸通過面内における各投光部110A,110Bの光軸TOA1,TOA2に直交する方向の幅wpとの間に下記式(5)の関係が満たされる場合には、測定可能空間CS内に位置する測定対象物Sにおける照射光束が照射されない部分を十分に少なくすることができる。また、測定可能空間CS内に位置する測定対象物Sの部分を一定以上の精度で測定することができる。
d = wp / cos α (4)
As shown in FIG. 15 (b), when d ≧ c, it is possible to irradiate almost all of the measuring object S in the measurable space CS with the irradiation light beam. Therefore, from the above formulas (3) and (4), the width wi in the X direction of the
wp≧ wi・cosα+2・v・sinα …(5)
[7]受光部の撮像素子および投光部のパターン生成部の一制御例
(1)受光部の撮像素子
本実施の形態においては、カメラ121Aの撮像素子121aおよびカメラ121Bの撮像素子121aには、同じ画素数および同じ画素ピッチを有する同一構造の撮像素子が用いられる。それにより、受光部120の構成が単純化する。
wp ≧ wi · cos α + 2 · v · sin α (5)
[7] One Control Example of Image Sensor of Light Receiving Unit and Pattern Generation Unit of Light Emitting Unit (1) Image Sensor of Light Receiving Unit In the present embodiment, the
ステージ140の載置面上に照射されるパターン光束は、ステージ140の載置面または測定対象物Sの表面で反射された後、低倍率および高倍率のカメラ121A,121Bの撮像素子121aにそれぞれ入射する。このとき、反射光束として高倍率のカメラ121Bの撮像素子121aに入射するパターン光束は、低倍率のカメラ121Aの撮像素子121aに入射するパターン光束に対して大きくなるように調整される。そのため、例えばステージ140の載置面上に縞状測定光束が照射された場合に、高倍率のカメラ121Bの撮像素子121aに入射する縞状測定光束の一つの縞パターンを受ける画素数は、低倍率のカメラ121Aの撮像素子121aに入射する縞状測定光束の一つの縞パターンを受ける画素数よりも多くなる。
The pattern light beam irradiated on the mounting surface of the
この場合、高倍率のカメラ121Bから取得される画像データに対して、低倍率のカメラ121Aから取得される画像データとは異なる画像処理を適用する。例えば、高倍率のカメラ121Bから取得される画像データに対して強度の高いガウシアンフィルタを適用し、低倍率のカメラ121Aから取得される画像データに対して強度の低いガウシアンフィルタを適用する。
In this case, image processing different from the image data acquired from the
(2)投光部のパターン生成部の一制御例
低倍率のカメラ121Aと高倍率のカメラ121Bとを切り替えて使用する場合には、切り替えられたカメラの倍率に応じてパターン生成部112により生成されるパターン光束の大きさを変更してもよい。
(2) One control example of the pattern generation unit of the light projecting unit When the low-
例えば高倍率のカメラ121Bで撮像する場合にピッチの細かいパターン光束がステージ140の載置面上に照射され、低倍率のカメラ121Aで撮像する場合にピッチの粗いパターン光束がステージ140の載置面上に照射されるように、パターン生成部112が制御されてもよい。
For example, when imaging with a high-
それにより、低倍率および高倍率のカメラ121A,121Bに同一構造の撮像素子を用いる場合に、カメラ121Aの撮像素子121aに入射するパターン光束を受ける画素数とカメラ121Bの撮像素子121aに入射するパターン光束を受ける画素数との差を0にする、あるいは小さくすることができる。その結果、高倍率のカメラ121Bから取得される画像データおよび低倍率のカメラ121Aから取得される画像データに共通の画像処理を適用することができる。
Thereby, when using the imaging device having the same structure for the low-magnification and high-
[8]他の実施形態
(1)上記の実施の形態では、測定部100は、2つの投光部110A,110Bを備える。これに限らず、測定部100は、測定対象物Sに測定光束を照射する構成として、2つの投光部110A,110Bのうち一方の投光部のみを有してもよい。この場合、測定部100の構成が単純化する。
[8] Other Embodiments (1) In the above embodiment, the
(2)上記の実施の形態に係る受光部120においては、図3のレンズ122,123Aおよび絞り125Aにより一の両側テレセントリック光学系が構成され、レンズ122,123Bおよび絞り125Bにより他の両側テレセントリック光学系が構成される。これに代えて、受光部120においては、図3のレンズ122のみがテレセントリックレンズにより構成されてもよい。この場合、レンズ122,123Aおよび絞り125Aにより一の物体側テレセントリック光学系が構成され、レンズ122,123Bおよび絞り125Bにより他の物体側テレセントリック光学系が構成される。
(2) In the
この場合においても、測定対象物Sからレンズ122に向かう反射光束の主光線が一の両側テレセントリック光学系の光軸と平行になる。それにより、測定対象物Sからレンズ122に向かう反射光束の断面の大きさおよび形状が光軸ROA上の任意の位置で一定となる。したがって、ステージ140上の測定対象物Sの高さが異なる場合でも、測定対象物S上での反射光束の反射領域の大きさおよび形状が等しくなる。その結果、異なる高さを有する測定対象物Sの形状を高い精度で測定することが可能となる。
Even in this case, the principal ray of the reflected light beam directed from the measuring object S toward the
(3)上記の実施の形態では、高倍率のカメラ121Bで撮像する場合も低倍率のカメラ121Aで撮像する場合も、パターン出射面112Sから出射されるパターン光束が同一の拡大率でステージ140の載置面上に照射される。
(3) In the above-described embodiment, the pattern luminous flux emitted from the
これに限らず、各投光部110A,110Bにレボルバ等の変倍機構を設けてもよい。この場合、例えば高倍率のカメラ121Bで撮像する場合にピッチの細かいパターン光束がステージ140の載置面上に照射され、低倍率のカメラ121Aで撮像する場合にピッチの粗いパターン光束がステージ140の載置面上に照射されるように、変倍機構を調整することができる。
Not limited to this, each of the
それにより、低倍率および高倍率のカメラ121A,121Bに同一構造の撮像素子を用いる場合に、カメラ121Aの撮像素子121aに入射するパターン光束を受ける画素数とカメラ121Bの撮像素子121aに入射するパターン光束を受ける画素数との差を0にする、あるいは小さくすることができる。その結果、高倍率のカメラ121Bから取得される画像データおよび低倍率のカメラ121Aから取得される画像データに共通の画像処理を適用することができる。
Thereby, when using the imaging device having the same structure for the low-magnification and high-
(4)上記の実施の形態では、受光部120に変倍機構としてハーフミラー124を用いた二分岐光学系および2つのカメラ121A,121Bが用いられる。これに限らず、受光部120においては、上記の二分岐光学系に代えてズームレンズを設けてもよい。この場合、受光部120に設ける撮像素子121aを1つにすることができる。
(4) In the above-described embodiment, the two-branch optical system using the
受光部120にズームレンズを用いる場合には、三角測距方式の形状測定時に、ズームレンズにより調整可能な範囲を所定範囲内に制限することが好ましい。それにより、高いテレセントリック性を有さないズームレンズを用いる場合でも、受光部120に物体側テレセントリックレンズを用いた場合とほぼ同様の測定精度を維持することができる。
When a zoom lens is used for the
また、受光部120にズームレンズを用いる場合には、各倍率における補正パラメータを予め作業用メモリ230等に保持してもよい。この場合、形状測定時のズームレンズの倍率および保持された補正パラメータに基づいて、画像データを補正することにより高い測定精度を維持することができる。
When a zoom lens is used for the
(5)図2および図3に示される投光部110A,110Bにおいては、レンズ113および折り曲げミラー117,118は設けられなくてもよい。この場合、測定部100の構成が単純化する。
(5) In the
(6)上記の実施の形態では、受光部120は倍率が互いに異なる複数のカメラ121A,121Bを有する。これに限らず、受光部120は、上記の2つのカメラ121A,121Bのうち一方のカメラのみを含んでもよい。
(6) In the above embodiment, the
(7)上記の実施の形態では、2つの投光部110A,110Bは、受光部120の光軸ROAを含みかつ測定部100の前後方向に延びる面を挟んで対称に配置される。これに限らず、投光部110A,110Bは、受光部120の光軸ROAを含みかつ測定部100の前後方向に延びる面を挟んで対称に配置されなくてもよい。すなわち、ステージ140の載置面から受光部120に向かう受光部120の光軸ROAと投光部110Aからステージ140の載置面に向かう光軸TOA1とを含む光軸通過面と、ステージ140の載置面から受光部120に向かう受光部120の光軸ROAと投光部110Bからステージ140の載置面に向かう光軸TOA2とを含む光軸通過面とが互いに交差してもよい。この場合においても、ステージ140に載置された測定対象物Sに異なる方向から測定光束を照射することができる。それにより、測定対象物Sにおける測定不可能な部分を低減することができる。
(7) In the above embodiment, the two light projecting units 110 </ b> A and 110 </ b> B are arranged symmetrically across a plane that includes the optical axis ROA of the
[9]請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応関係
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。
[9] Correspondence relationship between each constituent element of claim and each part of the embodiment Hereinafter, an example of correspondence between each constituent element of the claim and each part of the embodiment will be described. It is not limited.
上記の実施の形態においては、測定対象物Sが測定対象物の例であり、形状測定装置500が形状測定装置の例であり、ステージ140がステージの例であり、ステージ140の載置面がステージの上面の例であり、投光部110Aが第1の投光装置の例である。
In the above embodiment, the measuring object S is an example of the measuring object, the
また、受光部120が受光装置の例であり、投光部110Aの測定光源111が第1の光源の例であり、投光部110Aのパターン生成部112が第1のパターン生成部の例であり、投光部110Aの両側テレセントリック光学系TTが第1の両側テレセントリック光学系の例であり、投光部110Aのパターン生成部112のパターン出射面112Sが第1のパターン生成部の出射面の例である。
The
また、投光部110Aの光軸TOA1が第1の投光装置の光軸の例であり、受光部120の光軸ROAが受光装置の光軸の例であり、ステージ140の載置面から受光部120に向かう受光部120の光軸ROAと投光部110Aからステージ140の上面に向かう光軸TOA1とを含む光軸通過面が第1の面の例であり、ステージ140の載置面から受光部120に向かう受光部120の光軸ROAと投光部110Bからステージ140の載置面に向かう光軸TOA2とを含む光軸通過面が第2の面の例であり、カメラ121Aの撮像素子121aが第1の受光素子の例であり、受光部120において一の両側テレセントリック光学系を構成するレンズ122,123Aおよび絞り125Aが第1の受光光学系の例であり、カメラ121Bの撮像素子121aが第2の受光素子の例である。
In addition, the optical axis TOA1 of the
また、受光部120において他の両側テレセントリック光学系を構成するレンズ122,123Bおよび絞り125Bが第2の受光光学系の例であり、投光部110Bが第2の投光装置の例であり、投光部110Bの測定光源111が第2の光源の例であり、投光部110Bのパターン生成部112が第2のパターン生成部の例である。
Further, in the
また、投光部110Bの両側テレセントリック光学系TTが第2の両側テレセントリック光学系の例であり、投光部110Bのパターン生成部112のパターン出射面112Sが第2のパターン生成部の出射面の例であり、投光部110Bの光軸TOA2が第2の投光装置の光軸の例である。
Further, the both-side telecentric optical system TT of the
請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する他の種々の要素を用いることもできる。 As each constituent element in the claims, various other elements having configurations or functions described in the claims can be used.
本発明は、三角測距方式の形状測定を行う種々の形状測定装置に有効に利用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be effectively used for various shape measuring devices that perform shape measurement using a triangulation system.
100 測定部
111 測定光源
112 パターン生成部
112S パターン出射面
113,114,115,122 レンズ
117,118 ミラー
120 受光部
121A,121B カメラ
121a 撮像素子
124 ハーフミラー
130 照明光出力部
140 ステージ
141 X−Yステージ
142 Zステージ
143 θステージ
144 チルトステージ
145 ステージ操作部
146 ステージ駆動部
150 制御基板
190 台座
191 支柱
192 光学系支持体
200 PC
210 CPU
220 ROM
230 作業用メモリ
240 記憶装置
250 操作部
300 制御部
310 制御基板
320 照明光源
400 表示部
500 形状測定装置
550 画像表示領域
570,580 設定変更領域
571 選択欄
572 設定バー
573 表示切換欄
574 倍率切換欄
575 倍率選択欄
576 焦点調整欄
580 設定変更領域
581 ツール選択欄
582 撮影ボタン
583 測定ボタン
CA 投光系測定可能範囲
CS 測定可能空間
IS,PP,SS 面
FS1,FS2 焦点面
LP 直線
PA 一部分
PR 主光線
S 測定対象物
SF,SB 距離
ROA,TOA1,TOA2 光軸
TT 両側テレセントリック光学系
TX 非テレセントリック光学系
DESCRIPTION OF
210 CPU
220 ROM
230
Claims (10)
測定対象物が載置される上面を有するステージと、
前記ステージの上面に向かって斜め上方から測定光束を投光する第1の投光装置と、
前記ステージに載置された測定対象物から前記ステージの上方に反射される光束を受光し、受光量を示す受光信号を出力するように構成される受光装置とを備え、
前記第1の投光装置は、
光を発生する第1の光源と、
前記第1の光源により発生された光から形状測定用のパターンを有する光を測定光束として生成して出射する第1のパターン生成部と、
前記第1のパターン生成部により出射された測定光束を前記ステージの上面に導く第1の両側テレセントリック光学系とを含み、
前記ステージ、前記第1のパターン生成部および前記第1の両側テレセントリック光学系は、前記第1のパターン生成部の出射面と前記ステージの上面とが前記第1の両側テレセントリック光学系の主平面に関してシャインプルーフの原理に従うように配置される、形状測定装置。 A shape measuring device that irradiates a measurement light beam to a measurement object and measures a three-dimensional shape of the measurement object by a triangulation method based on a reflected light beam from the measurement object,
A stage having an upper surface on which a measurement object is placed;
A first light projecting device for projecting a measurement light beam obliquely from above toward the upper surface of the stage;
A light receiving device configured to receive a light beam reflected above the stage from a measurement object placed on the stage and to output a light reception signal indicating the amount of light received;
The first light projecting device includes:
A first light source that generates light;
A first pattern generation unit that generates and emits light having a pattern for shape measurement as a measurement light beam from light generated by the first light source;
A first double-sided telecentric optical system that guides the measurement light beam emitted by the first pattern generation unit to the upper surface of the stage;
In the stage, the first pattern generation unit, and the first both-side telecentric optical system, the exit surface of the first pattern generation unit and the upper surface of the stage are related to the main plane of the first both-side telecentric optical system. A shape measuring device arranged to follow the Scheimpflug principle.
wp≧ wi・cosα+2・v・sinα
の関係が満たされる、請求項2記載の形状測定装置。 An angle formed by an optical axis of the first light projecting device from the first light projecting device toward the upper surface of the stage and an axis orthogonal to the upper surface of the stage is represented by α, and the angle within the first surface The width of the measurement light beam guided from the first light projecting device to the upper surface of the stage is represented by wp, and the width of the reflected light beam that can be received by the light receiving device in the first surface is represented by wi. When the size of the measurable range in the optical axis direction is expressed by 2 · v,
wp ≧ wi · cos α + 2 · v · sin α
The shape measuring device according to claim 2, wherein the relationship is satisfied.
第1の受光素子と、
前記ステージに載置された測定対象物からの反射光束を前記第1の受光素子に導く第1の受光光学系とを含み、
前記第1の受光光学系は、物体側テレセントリック光学系または両側テレセントリック光学系である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の形状測定装置。 The light receiving device is:
A first light receiving element;
A first light receiving optical system that guides a reflected light beam from a measurement object placed on the stage to the first light receiving element;
The shape measuring apparatus according to claim 1, wherein the first light receiving optical system is an object-side telecentric optical system or a double-sided telecentric optical system.
第2の受光素子と、
前記ステージに載置された測定対象物からの反射光束を前記第2の受光素子に導く第2の受光光学系とを含み、
記第2の受光光学系は、物体側テレセントリック光学系または両側テレセントリック光学系であり、
前記第1の受光光学系の倍率と前記第2の受光光学系の倍率とが互いに異なる、請求項4または5記載の形状測定装置。 The light receiving device is:
A second light receiving element;
A second light receiving optical system that guides the reflected light beam from the measurement object placed on the stage to the second light receiving element;
The second light receiving optical system is an object side telecentric optical system or a both side telecentric optical system,
The shape measuring apparatus according to claim 4 or 5, wherein a magnification of the first light receiving optical system and a magnification of the second light receiving optical system are different from each other.
前記第2の投光装置は、
光を発生する第2の光源と、
前記第2の光源により発生された光から形状測定用のパターンを有する光を測定光束として生成して出射する第2のパターン生成部と、
前記第2のパターン生成部により出射された測定光束を前記ステージの上面に導く第2の両側テレセントリック光学系とを含み、
前記ステージ、前記第2のパターン生成部および前記第2の両側テレセントリック光学系は、前記第2のパターン生成部の出射面と前記ステージの上面とが前記第2の両側テレセントリック光学系の主平面に関してシャインプルーフの原理に従うように配置される、請求項1〜6のいずれか一項に記載の形状測定装置。 A second light projecting device for projecting a measurement light beam obliquely from above toward the upper surface of the stage;
The second light projecting device is:
A second light source that generates light;
A second pattern generation unit that generates and emits light having a pattern for shape measurement as measurement light flux from light generated by the second light source;
A second double-sided telecentric optical system that guides the measurement light beam emitted by the second pattern generation unit to the upper surface of the stage;
In the stage, the second pattern generation unit, and the second both-side telecentric optical system, the exit surface of the second pattern generation unit and the upper surface of the stage are related to the main plane of the second both-side telecentric optical system. The shape measuring device according to any one of claims 1 to 6, which is arranged to follow the Scheinproof principle.
wp≧ wi・cosα+2・v・sinα
の関係が満たされる、請求項8記載の形状測定装置。 An angle formed by an optical axis of the second light projecting device from the second light projecting device toward the upper surface of the stage and an axis orthogonal to the upper surface of the stage is represented by α, and the angle within the second surface is The width of the measurement light beam guided from the second light projecting device to the upper surface of the stage is represented by wp, and the width of the reflected light beam that can be received by the light receiving device in the second surface is represented by wi. When the size of the measurable range in the optical axis direction is expressed by 2 · v,
wp ≧ wi · cos α + 2 · v · sin α
The shape measuring device according to claim 8, wherein the relationship is satisfied.
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