JP2000329531A - Apparatus and method for measurement of three- dimensional shape - Google Patents

Apparatus and method for measurement of three- dimensional shape

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JP2000329531A
JP2000329531A JP2000071505A JP2000071505A JP2000329531A JP 2000329531 A JP2000329531 A JP 2000329531A JP 2000071505 A JP2000071505 A JP 2000071505A JP 2000071505 A JP2000071505 A JP 2000071505A JP 2000329531 A JP2000329531 A JP 2000329531A
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JP
Japan
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measurement
light
dimensional shape
optical system
measured
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JP2000071505A
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Japanese (ja)
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Akimitsu Ebihara
明光 蛯原
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Minolta Co Ltd
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Minolta Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To make the measuring accuracy of a three-dimensional shape improvable without being influenced by the optical aberration of an optical system. SOLUTION: A laser light source 21, a collimating lens 23 which changes a laser beam into a parallel luminous flux 22, a semitransparent mirror 24a which branches the parallel luminous fluxes 22 into two parallel luminous fluxes 22a, 22b, Galilean optical systems 26a, 26b which convert the parallel luminous fluxes 22a, 22b into beltlike luminous fluxes 25a, 25b, and galvanomirrors 27a, 27b which reflect the beltlike luminous fluxes 25a, 25b so as to change their irradiation direction constitute an illumination means 20. An objective lens group 31 which condenses measuring light from an object 6 to be measured and a reflecting mirror 32 which reflects light passed through the objective lens group 31 constitute an objective optical system 30. The objective lens group 31 is constituted in such a way that its focus can be moved. A light receiving means 40 is constituted in such a way that a plurality of photoelectric conversion elements are arranged side by side two-dimensionally. The light receiving means 40 is arranged in such a way that one row of the photoelectric conversion elements agrees with a position which is conjugate with the focus of the objective optical system 30.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、機械部品その他の
物体の三次元形状を非接触で計測する三次元形状計測装
置および同方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a three-dimensional shape measuring apparatus and method for measuring a three-dimensional shape of a mechanical part or other object without contact.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、物体の三次元形状を非接触で計測
する方法として、光学的に計測する方法が知られている
が、この光学的な計測方法は、以下のように大きく4つ
に分類される。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a method for measuring the three-dimensional shape of an object in a non-contact manner, a method of optically measuring is known. This optical measuring method is roughly divided into four methods as follows. being classified.

【0003】第1の方法は、三角測量法を基本原理と
し、発光部から測定対象までの方向と距離を検出するこ
とにより、その三次元形状を計測する光切断法と称され
るものである。この方法は、発光部及び受光部からなる
簡素な構成で比較的高精度の計測が可能である反面、測
定対象の形状によっては計測上の死角が発生しやすく、
さらに測定対象の表面状態の影響を受けやすいという欠
点を有している。
A first method is based on triangulation, and is called a light-section method in which a three-dimensional shape is measured by detecting a direction and a distance from a light-emitting portion to an object to be measured. . This method is capable of relatively high-precision measurement with a simple configuration including a light-emitting unit and a light-receiving unit, but, depending on the shape of the measurement target, a blind spot in measurement is likely to occur,
Further, it has a disadvantage that it is easily affected by the surface condition of the measurement object.

【0004】第2の方法は、所定の規則的な光学パター
ンを測定対象に投影し、その光学パターンの変化度合い
を検出することによって、その三次元形状を計測するも
のである。この方法も、比較的簡素な構成で高精度の計
測が可能である反面、やはり計測上の死角が大きいとい
う欠点を有している。
In the second method, a predetermined regular optical pattern is projected onto a measurement object, and the three-dimensional shape is measured by detecting the degree of change of the optical pattern. This method also allows high-precision measurement with a relatively simple configuration, but also has the disadvantage that the blind spot in measurement is large.

【0005】第3の方法は、レーダーのごとく光を測定
対象に投射し、その反射光が受光部に到達するまでの時
間を計測することで距離を計算し、投射位置との関係か
ら三次元形状を計測するものである。この方法は、遠距
離を計測するのに適しているが、一般的な小型の機械部
品の形状を高精度で計測するのには適していない。
A third method is to project a light beam on a measuring object like a radar, measure the time required for the reflected light to reach a light receiving section, calculate a distance, and calculate a three-dimensional distance from a projection position. It measures the shape. This method is suitable for measuring a long distance, but is not suitable for measuring the shape of a general small mechanical part with high accuracy.

【0006】第4の方法は、測定対象に光を投射し、光
学系の焦点における反射光の特異な振る舞いを検出する
ことにより距離を計測し、光の投射位置との関係から三
次元形状を計測するもので、ナイフエッジ法、非点収差
法や、共焦点検出法などがある。
A fourth method is to project light onto a measurement object, measure a distance by detecting a peculiar behavior of reflected light at a focal point of an optical system, and form a three-dimensional shape from a relationship with a light projection position. For measuring, there are a knife edge method, an astigmatism method, a confocal detection method, and the like.

【0007】ナイフエッジ法は、例えばナイフエッジの
影が検出器において焦点を境に反転することを利用する
もので、非点収差法は、非点収差を持つ光学系を用いて
スポット光の形状が焦点を境に縦長形状から横長形状に
変化することを利用するものである。
The knife-edge method utilizes, for example, the inversion of the shadow of the knife-edge at the detector at the focal point. The astigmatism method uses an optical system having astigmatism to form the spot light. Changes from a vertically long shape to a horizontally long shape at the focal point.

【0008】また、共焦点検出法は、図15に示すよう
に、測定対象100を共焦点光学系101の焦点を含む
所定範囲を移動させるとともに、この焦点と共役な位置
に第1のピンホール102および第2のピンホール10
3を配置し、第1のピンホール102から出射された光
源104からの照明光を共焦点光学系101により絞り
込んで測定対象100に投射して反射、散乱させ、測定
対象100からの光を再び共焦点光学系101を通過さ
せて第2のピンホール103の直後に設けられた受光部
105で検出するものである。
In the confocal detection method, as shown in FIG. 15, the object to be measured 100 is moved within a predetermined range including the focal point of the confocal optical system 101, and a first pinhole is located at a position conjugate with the focal point. 102 and the second pinhole 10
3, the illumination light from the light source 104 emitted from the first pinhole 102 is narrowed down by the confocal optical system 101, projected on the measurement object 100, reflected and scattered, and the light from the measurement object 100 is again reflected. The light passes through the confocal optical system 101 and is detected by a light receiving unit 105 provided immediately after the second pinhole 103.

【0009】この第4の方法は、焦点位置を境に生じる
変化に基づいているので、第1〜第3の方法に比べて高
分解能で計測が行える。また、共焦点検出法は、測定対
象100の表面が共焦点光学系101の焦点に一致する
ときに受光部105において光が最も強く観測されるの
で、非常に高分解能で計測することができる。
The fourth method is based on a change occurring at the focal position, and therefore can perform measurement with higher resolution than the first to third methods. Further, in the confocal detection method, when the surface of the measurement target 100 coincides with the focus of the confocal optical system 101, light is most strongly observed in the light receiving unit 105, so that measurement can be performed with very high resolution.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】上記第1〜第3の方法
では、投射した光の測定対象からの測定光を受光したと
きに形状情報が得られるのに対して、上記第4の方法で
は、測定対象全体にわたって走査し、測定光の強度が最
大になる位置が検出されるまで形状情報が得られないた
め、第1〜第3の方法に比べて計測に時間を要するとい
う欠点がある。さらに、第4の方法は、光学系が複雑な
構成になり、その収差を小さく抑えるには高度な光学設
計が必要になるという欠点がある。
In the first to third methods, the shape information is obtained when measuring light from the object to be projected is measured, whereas in the fourth method, the shape information is obtained. Since the shape information cannot be obtained until the position where the intensity of the measurement light is maximized is scanned by scanning over the entire measurement object, there is a disadvantage that the measurement requires more time than the first to third methods. Further, the fourth method has a disadvantage that the optical system has a complicated configuration, and an advanced optical design is required to suppress the aberration.

【0011】また、上記図15に示す従来の共焦点検出
法では、光源104から出た光が共焦点光学系101を
経て測定対象100の表面で反射、散乱し、その光が再
び共焦点光学系101を経て受光部105に取り込まれ
る構成になっているので、光学収差が二重に影響するこ
とになる。
In the conventional confocal detection method shown in FIG. 15, the light emitted from the light source 104 is reflected and scattered on the surface of the measurement object 100 via the confocal optical system 101, and the light is again reflected on the confocal optical system. Since the light is received by the light receiving unit 105 via the system 101, the optical aberration has a double effect.

【0012】図16は点光源104からの光がある波面
収差を持つ光学系101を1回通過したときの光強度分
布(点像分布)を示し、図17はその光が測定対象10
0で正反射して再び同一の光学系101を通過、すなわ
ち光学系101を2回通過したときの光強度分布(点像
分布)を示している。図16に比べて図17の点像分布
のピークが大きく低下しており、光が収差を持つ光学系
を2回通過すると像が極端に劣化することが分かる。
FIG. 16 shows a light intensity distribution (point image distribution) when the light from the point light source 104 passes through the optical system 101 having a certain wavefront aberration once, and FIG.
The light intensity distribution (point image distribution) when the light is specularly reflected at 0 and passes through the same optical system 101 again, that is, passes through the optical system 101 twice is shown. The peak of the point image distribution in FIG. 17 is significantly lower than that in FIG. 16, and it can be seen that the image is extremely deteriorated when the light passes through the optical system having the aberration twice.

【0013】このように、光学系101を2回通過する
場合には、光源104からの光の領域全体に亘って高い
光学性能を有する光学系を実現することは非常に困難で
あった。例えば特開平5−332733号公報には、共
焦点光学系を備えた共焦点検出法について開示されてい
るが、測定対象からの光が光学系を2回通過しており、
やはり上述の欠点を有している。
As described above, when the light passes through the optical system 101 twice, it is very difficult to realize an optical system having high optical performance over the entire area of the light from the light source 104. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-332733 discloses a confocal detection method including a confocal optical system. However, light from a measurement target passes through the optical system twice,
It again has the disadvantages mentioned above.

【0014】さらに、共焦点光学系がズーム機能を有す
る場合においては、その光学収差を全ズーム領域に亘っ
て小さく抑えるためには、非常に高度な光学設計と複雑
で高精度な光学系とが要求される。
Further, when the confocal optical system has a zoom function, a very sophisticated optical design and a complicated and high-precision optical system are required to keep the optical aberration small over the entire zoom range. Required.

【0015】また、上記図15に示す従来の共焦点検出
法に用いられる共焦点光学系101では、測定対象10
0の表面からの正反射光や散乱光などの様々な強度の測
定光が受光部105に入射するように構成されているた
めに、受光部105に入射する光強度のレベルの変化幅
が非常に大きいものとなり、受光部105のダイナミッ
クレンジを超える場合が生じていた。
The confocal optical system 101 used in the conventional confocal detection method shown in FIG.
Since the measurement light having various intensities, such as specular reflection light and scattered light from the surface of the light receiving unit 105, is incident on the light receiving unit 105, the variation width of the level of the light intensity incident on the light receiving unit 105 is extremely small. And the dynamic range of the light receiving unit 105 is exceeded.

【0016】本発明は、上記問題を解決するもので、光
学系の光学収差に影響されずに測定精度の向上を可能に
する三次元形状計測装置を提供することを目的とする。
An object of the present invention is to solve the above problem and to provide a three-dimensional shape measuring apparatus capable of improving measurement accuracy without being affected by optical aberration of an optical system.

【0017】また、本発明は、測定精度を低下させずに
計測時間を短縮することを可能にする三次元形状計測装
置および同方法を提供することを目的とする。
It is another object of the present invention to provide a three-dimensional shape measuring apparatus and a method for shortening the measuring time without reducing the measuring accuracy.

【0018】また、本発明は、測定対象の表面性状に起
因する反射特性の相違による受光部への入射光の光強度
の変化幅を狭くすることにより、測定対象の表面性状に
制約されない三次元形状計測装置を提供することを目的
とする。
Further, the present invention reduces the variation of the light intensity of the light incident on the light receiving section due to the difference in the reflection characteristics caused by the surface properties of the object to be measured. An object of the present invention is to provide a shape measuring device.

【0019】[0019]

【課題を解決するための手段】請求項1の発明は、互い
に異なる方向から照射され、所定の位置で交差する2つ
の光束により測定対象を照明する照明手段と、上記照明
手段により照明された上記測定対象からの測定光を取り
込む対物光学系と、複数の光電変換素子が配置されてな
る受光手段と、を備え、上記複数の光電変換素子は、そ
れぞれ、上記対物光学系により取り込まれた上記測定光
を受光して受光強度に応じた電気信号を出力するもので
あることを特徴としている。
According to a first aspect of the present invention, there is provided an illumination means for illuminating an object to be measured with two light beams which are irradiated from different directions and intersect at a predetermined position, and the illumination means illuminated by the illumination means. An objective optical system that captures measurement light from a measurement target, and a light receiving unit in which a plurality of photoelectric conversion elements are arranged, wherein the plurality of photoelectric conversion elements are respectively measured by the objective optical system. It is characterized by receiving light and outputting an electric signal corresponding to the received light intensity.

【0020】この構成によれば、照明手段によって、互
いに異なる方向から照射され、所定の位置で交差する2
つの光束により測定対象が照明され、照明された測定対
象からの測定光が対物光学系によって取り込まれ、取り
込まれた測定光が複数の光電変換素子によって受光され
て、受光強度に応じた電気信号が出力されることによ
り、照明手段と対物光学系とが分離し、2つの光束は対
物光学系を1回だけ通過するので、対物光学系の収差に
よる影響が低減される。
According to this configuration, the illumination means irradiates the light from different directions and intersects at a predetermined position.
The measurement target is illuminated by the two light beams, measurement light from the illuminated measurement target is captured by the objective optical system, and the captured measurement light is received by the plurality of photoelectric conversion elements, and an electric signal corresponding to the received light intensity is generated. By being output, the illumination means and the objective optical system are separated, and the two light beams pass through the objective optical system only once, so that the influence of the aberration of the objective optical system is reduced.

【0021】また、互いに異なる方向から照射される2
つの光束により照明されることにより、測定対象の表面
には、いずれかの光束が到達することとなり、種々の形
状の測定対象に対して計測上の死角になることが低減さ
れる。
Further, irradiation is performed from different directions.
By being illuminated by the two light beams, one of the light beams reaches the surface of the measurement target, and the measurement target having various shapes is prevented from becoming a measurement blind spot.

【0022】また、請求項2の発明は、請求項1記載の
三次元形状計測装置において、上記2つの光束は、それ
ぞれ、コリメートされた光束であることを特徴としてい
る。
According to a second aspect of the present invention, in the three-dimensional shape measuring apparatus according to the first aspect, each of the two light beams is a collimated light beam.

【0023】この構成によれば、測定対象を照明する2
つの光束は、それぞれ、コリメートされた光束であるこ
とにより、受光手段により受光される測定光の受光強度
が安定したものとなり、計測精度が向上する。
According to this configuration, the illumination of the object to be measured 2
Since each of the two light beams is a collimated light beam, the received light intensity of the measurement light received by the light receiving unit becomes stable, and the measurement accuracy is improved.

【0024】また、請求項3の発明は、請求項1記載の
三次元形状計測装置において、上記2つの光束は、それ
ぞれ、互いに交差する上記所定の位置の近傍で集束する
光束であることを特徴としている。
According to a third aspect of the present invention, in the three-dimensional shape measuring apparatus according to the first aspect, each of the two light beams is a light beam converging in the vicinity of the predetermined position crossing each other. And

【0025】この構成によれば、測定対象を照明する2
つの光束は、それぞれ、互いに交差する上記所定の位置
の近傍で集束する光束であることにより、所定の位置の
近傍で測定対象を照射すると、受光手段により受光され
る測定光の受光強度が高いものとなり、計測精度が向上
する。
According to this structure, the illumination of the object to be measured 2
Each of the two light beams is a light beam converging in the vicinity of the predetermined position intersecting with each other, so that when the measurement target is irradiated in the vicinity of the predetermined position, the intensity of the measurement light received by the light receiving means is high. And the measurement accuracy is improved.

【0026】また、請求項4の発明は、請求項1記載の
三次元形状計測装置において、上記受光手段は、複数の
光電変換素子が二次元的に並んで配置されてなるもので
あることを特徴としている。
According to a fourth aspect of the present invention, in the three-dimensional shape measuring apparatus according to the first aspect, the light receiving means comprises a plurality of photoelectric conversion elements arranged two-dimensionally. Features.

【0027】この構成によれば、対物光学系によって取
り込まれた測定光が、二次元的に並んで配置された複数
の光電変換素子によって受光されることにより、測定対
象を照明する2つの光束が広がりを持つ場合には、複数
の光電変換素子が受光することとなり、測定対象の形状
計測に要する時間が短縮される。
According to this configuration, the measurement light taken in by the objective optical system is received by the plurality of photoelectric conversion elements arranged two-dimensionally, so that two light beams illuminating the object to be measured are emitted. When there is a spread, a plurality of photoelectric conversion elements receive light, and the time required for shape measurement of the measurement target is reduced.

【0028】また、請求項5の発明は、請求項4記載の
三次元形状計測装置において、上記2つの光束のうちの
少なくとも一方の光束により上記測定対象を照射したと
きの当該光束の上記対物光学系の光軸に対する照射角度
と、上記受光手段のうちの上記測定光を受光した光電変
換素子の位置とに基づいて、上記光軸方向における上記
測定対象の表面の位置を判定する位置判定手段を備えた
ことを特徴としている。
According to a fifth aspect of the present invention, in the three-dimensional shape measuring apparatus according to the fourth aspect, the objective optics of the light beam when the object to be measured is irradiated with at least one of the two light beams. Position determining means for determining the position of the surface of the measurement object in the optical axis direction based on the irradiation angle with respect to the optical axis of the system and the position of the photoelectric conversion element of the light receiving means that has received the measurement light. It is characterized by having.

【0029】この構成によれば、2つの光束のうちの少
なくとも一方の光束により測定対象を照射したときの当
該光束の対物光学系の光軸に対する照射角度と、受光手
段のうちの測定光を受光した光電変換素子の位置とに基
づいて、対物光学系の光軸方向における測定対象の表面
の位置が判定されることにより、三角測量法にしたがっ
て測定対象の形状が容易に計測されることとなる。
According to this configuration, when the object to be measured is irradiated with at least one of the two light beams, the irradiation angle of the light beam with respect to the optical axis of the objective optical system and the measurement light of the light receiving means are received. By determining the position of the surface of the measurement target in the optical axis direction of the objective optical system based on the position of the photoelectric conversion element thus determined, the shape of the measurement target can be easily measured according to the triangulation method. .

【0030】また、請求項6の発明は、請求項5記載の
三次元形状計測装置において、上記2つの光束が交差す
る交差部の位置を所定方向に移動させる交差部移動手段
を備えたことを特徴としている。
According to a sixth aspect of the present invention, in the three-dimensional shape measuring apparatus of the fifth aspect, there is provided an intersection moving means for moving a position of the intersection where the two light beams intersect in a predetermined direction. Features.

【0031】この構成によれば、2つの光束が交差する
交差部の位置が所定方向、例えば対物光学系の光軸方向
に移動する。これは、例えば光源から出力される光束を
測定対象に向けて反射する反射鏡を備えている場合に
は、その反射鏡の角度を変更することによって行われ
る。これによって、測定対象の重量が大きいなどによっ
て測定対象の高速移動が困難な場合であっても、2つの
光束による測定対象の表面のカバーが素速く行われるこ
ととなり、測定対象の形状計測が好適に行われる。
According to this configuration, the position of the intersection where the two light beams intersect moves in a predetermined direction, for example, in the optical axis direction of the objective optical system. This is performed, for example, by changing the angle of the reflecting mirror when a reflecting mirror that reflects a light beam output from the light source toward the measurement target is provided. With this, even when it is difficult to move the measurement target at high speed due to the weight of the measurement target or the like, the surface of the measurement target can be quickly covered with the two light beams, and the shape measurement of the measurement target is preferable. Done in

【0032】また、請求項7の発明は、請求項5記載の
三次元形状計測装置において、上記測定対象を所定方向
に移動させる試料移動手段を備えたことを特徴としてい
る。
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided the three-dimensional shape measuring apparatus according to the fifth aspect, further comprising a sample moving means for moving the object to be measured in a predetermined direction.

【0033】この構成によれば、測定対象が所定方向、
例えば対物光学系の光軸方向に移動することにより、2
つの光束による測定対象の表面のカバーが容易に行われ
ることとなり、測定対象の形状計測が好適に行われる。
According to this configuration, the object to be measured is in a predetermined direction,
For example, by moving in the optical axis direction of the objective optical system, 2
The surface of the measurement target is easily covered with the two light beams, and the shape measurement of the measurement target is suitably performed.

【0034】また、請求項8の発明は、請求項1記載の
三次元形状計測装置において、上記2つの光束は、それ
ぞれ、互いに線状に交差する帯状の光束であることを特
徴としている。
According to an eighth aspect of the present invention, in the three-dimensional shape measuring apparatus according to the first aspect, each of the two light fluxes is a strip-shaped light flux intersecting linearly with each other.

【0035】この構成によれば、測定対象を照明する2
つの光束は、それぞれ、互いに線状に交差する帯状の光
束であることにより、測定対象からの帯状の測定光が複
数の光電変換素子が配置されてなる受光手段により受光
されることによって、測定対象の形状計測に要する時間
の短縮を図ることが可能になる。特に、受光手段として
複数の光電変換素子が二次元的に並んで配置されてなる
ものを採用すると、測定対象からの帯状の測定光が複数
の光電変換素子により同時に受光されることによって、
測定対象の形状計測に要する時間が短縮される。
According to this configuration, the illumination of the object to be measured 2
The two luminous fluxes are band-shaped luminous fluxes intersecting linearly with each other, so that the band-shaped measurement light from the measurement target is received by the light receiving means in which a plurality of photoelectric conversion elements are arranged. It is possible to reduce the time required for measuring the shape of the object. In particular, when a plurality of photoelectric conversion elements are two-dimensionally arranged as a light receiving unit, a band-like measurement light from a measurement target is simultaneously received by the plurality of photoelectric conversion elements,
The time required for measuring the shape of the measurement object is reduced.

【0036】また、請求項9の発明は、請求項1記載の
三次元形状計測装置において、上記2つの光束の交差部
の位置と上記対物光学系の焦点とが一致するように構成
されていることを特徴としている。
According to a ninth aspect of the present invention, in the three-dimensional shape measuring apparatus according to the first aspect, the position of the intersection of the two light beams coincides with the focal point of the objective optical system. It is characterized by:

【0037】この構成によれば、2つの光束の交差部の
位置と対物光学系の焦点とが一致するように構成されて
いることにより、この一致した位置にさらに測定対象の
表面が一致すると、対物光学系に取り込まれる測定光の
レベルが最大になり、測定対象の表面位置の判別が容易
に行われることとなる。
According to this configuration, since the position of the intersection of the two light beams and the focal point of the objective optical system are configured to coincide, if the surface of the object to be measured further coincides with the coincident position, The level of the measurement light taken into the objective optical system is maximized, and the surface position of the measurement target can be easily determined.

【0038】また、請求項10の発明は、請求項9記載
の三次元形状計測装置において、上記対物光学系の開口
角は、上記対物光学系の光軸に対する上記2つの光束の
照射角度より小さくなるように構成されていることを特
徴としている。
According to a tenth aspect of the present invention, in the three-dimensional shape measuring apparatus according to the ninth aspect, an opening angle of the objective optical system is smaller than an irradiation angle of the two light beams with respect to an optical axis of the objective optical system. It is characterized by being constituted so that it becomes.

【0039】この構成によれば、対物光学系の開口角
は、対物光学系の光軸に対する2つの光束の照射角度よ
り小さくなるように構成されていることにより、対物光
学系には、測定対象からの正反射光が殆ど入射せず、散
乱光のみが入射することとなり、これによって反射特性
が異なる様々な測定対象に対して、対物光学系に取り込
まれる測定光のレベルの変化幅が狭くなり、受光手段か
ら受光強度に応じた電気信号が好適に出力される。
According to this configuration, the aperture angle of the objective optical system is configured to be smaller than the irradiation angle of the two light beams with respect to the optical axis of the objective optical system. The specularly reflected light from the light is hardly incident, and only the scattered light is incident. This causes the level of change in the level of the measurement light taken into the objective optical system to be narrow for various measurement targets with different reflection characteristics. Thus, an electric signal corresponding to the light receiving intensity is suitably output from the light receiving means.

【0040】また、請求項11の発明は、請求項10記
載の三次元形状計測装置において、上記受光手段は、上
記対物光学系に関して上記対物光学系の焦点と共役な位
置に配置された一列の光電変換素子を含んでいることを
特徴としている。
According to an eleventh aspect of the present invention, in the three-dimensional shape measuring apparatus according to the tenth aspect, the light receiving means is arranged in a row arranged at a position conjugate with the focal point of the objective optical system with respect to the objective optical system. It is characterized by including a photoelectric conversion element.

【0041】この構成によれば、受光手段は、上記対物
光学系に関して上記対物光学系の焦点と共役な位置に配
置された一列の光電変換素子を含んでいるので、この共
役な位置に配置された一列の光電変換素子から出力され
る電気信号のレベルを用いると、2つの光束の交差部の
位置と対物光学系の焦点とが一致した位置に、さらに測
定対象の表面が一致したときには、光電変換素子から出
力される電気信号のレベルが最大になり、測定対象の表
面位置の判別が高精度で容易に行われることとなる。
According to this configuration, since the light receiving means includes a row of photoelectric conversion elements arranged at a position conjugate with the focal point of the objective optical system with respect to the objective optical system, the light receiving means is arranged at this conjugate position. When the level of the electric signal output from the one row of photoelectric conversion elements is used, when the position of the intersection of the two light beams and the focal point of the objective optical system coincide with each other and the surface of the measurement object coincides, the photoelectric The level of the electric signal output from the conversion element is maximized, and the surface position of the measurement target can be easily and accurately determined.

【0042】また、請求項12の発明は、請求項11記
載の三次元形状計測装置において、上記対物光学系の焦
点を上記光軸方向に移動させる焦点移動手段と、上記複
数の光電変換素子から出力される電気信号が最大のとき
の上記焦点の位置を上記測定対象の表面位置と判定する
位置判定手段と、を備えたことを特徴としている。
According to a twelfth aspect of the present invention, in the three-dimensional shape measuring apparatus according to the eleventh aspect, the focus moving means for moving the focal point of the objective optical system in the optical axis direction and the plurality of photoelectric conversion elements. Position determining means for determining the position of the focal point when the output electric signal is at a maximum as the surface position of the measurement target.

【0043】この構成によれば、焦点移動手段により対
物光学系の焦点が光軸方向に移動するときに、2つの光
束の交差部の位置と対物光学系の焦点とが一致するよう
に構成されているので、対物光学系の焦点と測定対象の
表面が一致すると、対物光学系に取り込まれる測定光の
レベルが最大になる。従って、複数の光電変換素子から
出力される電気信号が最大のときの焦点の位置を測定対
象の表面位置と判定することにより、測定対象の三次元
形状の測定が容易に、かつ高精度で行われる。
According to this configuration, when the focal point of the objective optical system moves in the optical axis direction by the focal point moving means, the position of the intersection of the two light beams coincides with the focal point of the objective optical system. Therefore, when the focal point of the objective optical system coincides with the surface of the measurement target, the level of the measurement light taken into the objective optical system becomes maximum. Therefore, by determining the position of the focal point when the electric signals output from the plurality of photoelectric conversion elements are maximum as the surface position of the measurement target, the three-dimensional shape of the measurement target can be measured easily and with high accuracy. Will be

【0044】また、請求項13の発明は、請求項11記
載の三次元形状計測装置において、上記測定対象を上記
光軸方向に移動させる試料移動手段と、上記複数の光電
変換素子から出力される電気信号が最大のときの上記測
定対象の移動量に基づき上記測定対象の表面位置を判定
する位置判定手段と、を備えたことを特徴としている。
According to a thirteenth aspect of the present invention, there is provided the three-dimensional shape measuring apparatus according to the eleventh aspect, wherein the sample moving means for moving the object to be measured in the optical axis direction and the plurality of photoelectric conversion elements are output. Position determining means for determining the surface position of the measurement target based on the amount of movement of the measurement target when the electric signal is at a maximum.

【0045】この構成によれば、試料移動手段により測
定対象が光軸方向に移動するときに、2つの光束の交差
部の位置と対物光学系の焦点とが一致するように構成さ
れているので、対物光学系の焦点と測定対象の表面が一
致すると、対物光学系に取り込まれる測定光のレベルが
最大になる。従って、複数の光電変換素子から出力され
る電気信号が最大のときの測定対象の移動量に基づき測
定対象の表面位置が判定されることにより、測定対象の
三次元形状の測定が容易に、かつ高精度で行われる。
According to this configuration, when the object to be measured moves in the optical axis direction by the sample moving means, the position of the intersection of the two light beams and the focal point of the objective optical system are matched. When the focal point of the objective optical system coincides with the surface of the object to be measured, the level of the measurement light taken into the objective optical system is maximized. Therefore, the surface position of the measurement target is determined based on the movement amount of the measurement target when the electric signals output from the plurality of photoelectric conversion elements are maximum, so that the three-dimensional shape of the measurement target can be easily measured, and Performed with high precision.

【0046】また、請求項14の発明は、請求項9記載
の三次元形状計測装置において、上記2つの光束はそれ
ぞれ帯状の光束で、互いに、上記対物光学系の光軸に直
交する方向に線状に交差するものであることを特徴とし
ている。
According to a fourteenth aspect of the present invention, in the three-dimensional shape measuring apparatus according to the ninth aspect, the two light fluxes are strip-shaped light fluxes, and are mutually linear in a direction orthogonal to the optical axis of the objective optical system. It is characterized by crossing in a shape.

【0047】この構成によれば、共焦点検出法を用いた
場合に、測定対象を照明する2つの光束はそれぞれ帯状
の光束で、互いに、対物光学系の光軸に直交する方向に
線状に交差するものであることにより、2つの光束の交
差部の位置と対物光学系の焦点とが一致した位置に、さ
らに測定対象の表面が一致すると、測定対象からの帯状
の測定光が受光手段により線状に受光されることによっ
て、複数点の計測が同時になされるので、測定対象の形
状計測に要する時間が短縮される。
According to this configuration, when the confocal detection method is used, the two luminous fluxes illuminating the object to be measured are strip-like luminous fluxes, respectively, and are linear in the direction orthogonal to the optical axis of the objective optical system. When the surface of the object to be measured further coincides with the position where the position of the intersection of the two light beams and the focal point of the objective optical system coincide with each other, the band-shaped measurement light from the object to be measured is received by the light receiving means. Since the light is received linearly, measurement at a plurality of points is performed simultaneously, so that the time required for measuring the shape of the measurement target is reduced.

【0048】また、請求項15の発明は、請求項14記
載の三次元形状計測装置において、上記2つの帯状の光
束の交差部が形成する交差線及び上記対物光学系の光軸
の双方に直交する方向に、上記測定対象を移動させる試
料移動手段を備えたことを特徴としている。
According to a fifteenth aspect of the present invention, in the three-dimensional shape measuring apparatus according to the fourteenth aspect, both the intersection line formed by the intersection of the two band-like light beams and the optical axis of the objective optical system are orthogonal. A sample moving means for moving the object to be measured in a moving direction.

【0049】この構成によれば、2つの帯状の光束の交
差部が形成する交差線及び対物光学系の光軸の双方に直
交する方向に測定対象が移動することにより、測定対象
の広い表面の位置の判別が効率良く行われ、測定対象の
三次元形状が好適に計測されることとなる。
According to this configuration, the object to be measured moves in a direction perpendicular to both the intersection line formed by the intersection of the two band-shaped light beams and the optical axis of the objective optical system, and thereby a large surface of the object to be measured is formed. The determination of the position is performed efficiently, and the three-dimensional shape of the measurement target is appropriately measured.

【0050】また、請求項16の発明は、請求項1記載
の三次元形状計測装置において、上記2つの光束のうち
の少なくとも一方の光束により上記測定対象を照射した
ときの当該光束の上記対物光学系の光軸に対する照射角
度と、上記受光手段のうちの上記測定光を受光した光電
変換素子の位置とに基づいて、上記光軸方向における上
記測定対象の表面の位置を判定する位置判定手段と、上
記対物光学系の焦点を上記測定対象に対して上記対物光
学系の光軸方向に相対的に移動させる相対移動手段と、
上記位置判定手段による判定結果に基づいて上記相対移
動手段による上記対物光学系の焦点の相対移動範囲を設
定する範囲設定手段と、を備え、上記相対移動手段は、
設定された上記相対移動範囲のみ上記対物光学系の焦点
を上記測定対象に対して相対的に移動させるものである
ことを特徴としている。
According to a sixteenth aspect of the present invention, in the three-dimensional shape measuring apparatus according to the first aspect, the objective optics of the light beam when the object to be measured is irradiated with at least one of the two light beams. Position determining means for determining the position of the surface of the object to be measured in the optical axis direction, based on the irradiation angle with respect to the optical axis of the system and the position of the photoelectric conversion element that has received the measurement light in the light receiving means. Relative moving means for relatively moving the focal point of the objective optical system relative to the measurement object in the optical axis direction of the objective optical system,
Range setting means for setting a relative movement range of the focal point of the objective optical system by the relative movement means based on the determination result by the position determination means, the relative movement means,
The focus of the objective optical system is moved relatively to the measurement object only in the set relative movement range.

【0051】この構成によれば、2つの光束のうちの少
なくとも一方の光束により測定対象を照射したときの当
該光束の対物光学系の光軸に対する照射角度と、受光手
段のうちの測定光を受光した光電変換素子の位置とに基
づいて、位置判定手段により対物光学系の光軸方向にお
ける測定対象の表面の位置が判定されることにより、三
角測量法にしたがって測定対象の形状が容易に計測され
る。そして、位置判定手段による判定結果に基づいて、
相対移動手段による対物光学系の焦点の測定対象に対す
る相対移動範囲が設定され、この設定された相対移動範
囲のみ上記焦点が測定対象に対して相対的に移動するこ
とにより、相対移動範囲のみ高精度な形状計測が行われ
ることとなり、高精度な形状計測を行いながら、計測に
要する時間が短縮される。
According to this configuration, when the object to be measured is irradiated with at least one of the two light beams, the irradiation angle of the light beam with respect to the optical axis of the objective optical system and the measurement light of the light receiving means are received. The position of the surface of the measurement target in the optical axis direction of the objective optical system is determined by the position determination unit based on the position of the photoelectric conversion element thus obtained, so that the shape of the measurement target is easily measured according to the triangulation method. You. Then, based on the determination result by the position determining means,
The relative movement range of the focus of the objective optical system with respect to the object to be measured by the relative moving means is set, and only the set relative movement range moves the focus relative to the object to be measured. As a result, the time required for measurement is reduced while performing highly accurate shape measurement.

【0052】また、請求項17の発明は、測定対象の表
面位置に関する第1位置データを測定する第1測定手段
と、上記測定対象の表面位置に関する第2位置データを
測定する第2測定手段と、上記第1測定手段で得られた
上記第1位置データに基づき測定領域を決定する測定領
域決定手段と、上記第1測定手段を用いて上記第1位置
データを求めた後、上記測定領域決定手段により決定さ
れた測定領域内で上記第2測定手段を用いて上記第2位
置データを求める測定制御手段と、を備えたことを特徴
としている。
The invention according to claim 17 is characterized in that the first measuring means for measuring first position data relating to the surface position of the object to be measured, and the second measuring means for measuring second position data relating to the surface position of the measuring object. Measuring area determining means for determining a measuring area based on the first position data obtained by the first measuring means; and determining the first position data using the first measuring means, and then determining the measuring area. Measurement control means for obtaining the second position data using the second measurement means within the measurement area determined by the means.

【0053】この構成によれば、第1測定手段により測
定対象の表面位置に関する第1位置データが求められ、
求められた第1位置データに基づき測定領域決定手段に
より測定領域が決定され、決定された測定領域内で第2
測定手段により第2位置データが求められる。まず、第
1測定手段で求めた位置データに基づき測定領域が粗く
決定され、次に、その測定領域内で第2測定手段で求め
た位置データに基づき正確な測定対象の表面位置が算出
されるので、高精度の測定でありながら測定時間の増大
を抑制し、測定対象の三次元形状が効率良く求められる
こととなる。
According to this structure, the first position data relating to the surface position of the object to be measured is obtained by the first measuring means,
The measurement area is determined by the measurement area determining means based on the obtained first position data, and the second measurement area is determined within the determined measurement area.
The second position data is obtained by the measuring means. First, the measurement area is roughly determined based on the position data obtained by the first measurement means, and then the accurate surface position of the measurement target is calculated within the measurement area based on the position data obtained by the second measurement means. Therefore, it is possible to suppress the increase in the measurement time while performing the measurement with high accuracy, and to efficiently obtain the three-dimensional shape of the measurement target.

【0054】また、請求項18の発明は、請求項17記
載の三次元形状計測装置において、上記第1測定手段に
より測定される第1位置データの測定精度は、上記第2
測定手段により測定される第2位置データの測定精度よ
り低いことを特徴としている。
The invention of claim 18 is the three-dimensional shape measuring device according to claim 17, wherein the measurement accuracy of the first position data measured by the first measuring means is the second position data.
It is characterized in that the measurement accuracy is lower than the measurement accuracy of the second position data measured by the measurement means.

【0055】この構成によれば、第1位置データは、測
定領域を粗く決定するためのものであるから、その測定
精度を第2位置データの測定精度より低くすることで、
迅速に測定領域を決定でき、計測時間の増大をより抑制
することができる。
According to this configuration, since the first position data is for roughly determining the measurement area, by making the measurement accuracy lower than the measurement accuracy of the second position data,
The measurement area can be determined quickly, and the increase in the measurement time can be further suppressed.

【0056】また、請求項19の発明は、請求項17記
載の三次元形状計測装置において、上記第1測定手段お
よび第2測定手段は、それぞれ、対物レンズの焦点と測
定対象とを当該対物レンズの光軸方向に相対的に移動さ
せることにより測定対象の表面位置を測定するもので、
上記対物レンズは、上記第1測定手段と第2測定手段と
で共用されていることを特徴としている。
According to a nineteenth aspect of the present invention, in the three-dimensional shape measuring apparatus according to the seventeenth aspect, the first measuring means and the second measuring means respectively determine a focal point of the objective lens and an object to be measured. It measures the surface position of the measurement target by relatively moving in the direction of the optical axis,
The objective lens is shared by the first measuring means and the second measuring means.

【0057】この構成によれば、対物レンズを第1測定
手段と第2測定手段とで共用しているので、部品点数の
削減および装置の小型化が可能になる。
According to this configuration, since the objective lens is shared by the first measuring means and the second measuring means, the number of parts can be reduced and the size of the apparatus can be reduced.

【0058】また、請求項20の発明は、請求項17記
載の三次元形状計測装置において、上記第1測定手段
は、三角測量法により測定対象の表面位置を測定するも
ので、上記第2測定手段は、対物レンズの焦点を測定対
象に対して当該対物レンズの光軸方向に相対的に移動さ
せることにより測定対象の表面位置を測定するものであ
ることを特徴としている。
According to a twentieth aspect of the present invention, in the three-dimensional shape measuring apparatus according to the seventeenth aspect, the first measuring means measures the surface position of the object to be measured by triangulation. The means is characterized in that the surface position of the object to be measured is measured by moving the focal point of the object lens relative to the object to be measured in the optical axis direction of the object lens.

【0059】この構成によれば、第1測定手段を用い
て、三角測量法により測定対象の表面位置が測定される
ことから、第1位置データが粗く求められる。一方、第
2測定手段により、対物レンズの焦点を測定対象に対し
て当該対物レンズの光軸方向に相対的に移動させて測定
対象の表面位置が測定されることから、第2位置データ
が高精度で求められる。この第2位置データは、第1位
置データに基づき決定された測定領域内で測定される。
すなわち、対物レンズの焦点の測定対象に対する相対移
動は、決定された測定領域内で行われる。従って、第2
位置データの測定時間の増大が抑制される。
According to this configuration, since the surface position of the object to be measured is measured by the triangulation method using the first measuring means, the first position data is roughly obtained. On the other hand, since the second measuring means moves the focal point of the objective lens relative to the measurement target in the optical axis direction of the objective lens and measures the surface position of the measurement target, the second position data is high. It is required with precision. The second position data is measured in a measurement area determined based on the first position data.
That is, the relative movement of the focus of the objective lens with respect to the measurement target is performed within the determined measurement area. Therefore, the second
An increase in the measurement time of the position data is suppressed.

【0060】また、請求項21の発明は、請求項17記
載の三次元形状計測装置において、座標変換手段をさら
に備え、上記第1測定手段および第2測定手段は、それ
ぞれ互いに異なる座標系に基づいて上記測定対象の表面
位置を測定するもので、上記座標変換手段は、上記第1
測定手段により測定された第1位置データを上記第2測
定手段の座標系に基づくデータに変換するもので、上記
測定領域決定手段は、上記第2測定手段の座標系に基づ
くデータに変換された第1位置データに基づき測定領域
を決定するものであることを特徴としている。
According to a twenty-first aspect of the present invention, there is provided the three-dimensional shape measuring apparatus according to the seventeenth aspect, further comprising a coordinate conversion means, wherein the first measurement means and the second measurement means are based on mutually different coordinate systems. Measuring the surface position of the object to be measured, wherein the coordinate conversion means comprises:
The first position data measured by the measuring means is converted into data based on the coordinate system of the second measuring means, and the measuring area determining means is converted into data based on the coordinate system of the second measuring means. The measurement area is determined based on the first position data.

【0061】この構成によれば、第1測定手段および第
2測定手段は、例えば測定対象に対して互いに異なる位
置に配置されており、第1、第2測定手段により、それ
ぞれ互いに異なる座標系に基づいて測定対象の表面位置
が測定される。そして、第1測定手段により測定された
第1位置データが、第2測定手段の座標系に基づくデー
タに変換され、この第2測定手段の座標系に基づくデー
タに変換された第1位置データに基づき測定領域が決定
されて、その測定領域内で第2測定手段により第2位置
データが測定される。従って、第1、第2測定手段の測
定対象に対する配置位置の設定が自由になり、計測装置
の設計の自由度が増すこととなる。
According to this configuration, the first measuring means and the second measuring means are arranged at positions different from each other with respect to the object to be measured, for example, so that the first and second measuring means use different coordinate systems. The surface position of the measurement object is measured based on the measurement. Then, the first position data measured by the first measuring means is converted into data based on the coordinate system of the second measuring means, and the first position data converted into data based on the coordinate system of the second measuring means is converted into the first position data. A measurement area is determined based on the measurement area, and second position data is measured by the second measurement means in the measurement area. Therefore, the position of the first and second measuring means with respect to the object to be measured can be freely set, and the degree of freedom in designing the measuring device increases.

【0062】また、請求項22の発明は、測定対象の表
面位置に関する位置データを第1の精度で測定し、測定
された位置データに基づき測定領域を決定し、この決定
された測定領域内において上記位置データを上記第1の
精度より高い第2の精度で測定し、この第2の精度で測
定された位置データを用いて上記測定対象の三次元形状
を求めることを特徴としている。
According to a twenty-second aspect of the present invention, the position data relating to the surface position of the object to be measured is measured with a first accuracy, and a measurement region is determined based on the measured position data. The method is characterized in that the position data is measured with a second accuracy higher than the first accuracy, and the three-dimensional shape of the measurement object is obtained using the position data measured with the second accuracy.

【0063】この方法によれば、測定対象の表面位置に
関する位置データが第1の精度で測定され、この測定さ
れた位置データに基づき測定領域が決定され、この決定
された測定領域内において測定対象の表面位置に関する
位置データが第1の精度より高い第2の精度で測定され
る。すなわち、測定対象の表面位置に関する位置データ
が、まず粗く測定され、この位置データに基づき測定領
域が決定され、この測定領域内において、測定対象の表
面位置に関する位置データが高精度で測定されることと
なる。従って、第1の精度より高い第2の精度での測定
は、測定領域内においてのみ行われることになるので、
高精度の計測を行いながら、計測に要する時間が短縮さ
れる。
According to this method, the position data relating to the surface position of the measurement object is measured with the first accuracy, the measurement area is determined based on the measured position data, and the measurement object is determined within the determined measurement area. Is measured with a second accuracy higher than the first accuracy. That is, the position data relating to the surface position of the measurement target is measured roughly first, the measurement region is determined based on the position data, and the position data relating to the surface position of the measurement target is measured with high accuracy within this measurement region. Becomes Therefore, since the measurement with the second accuracy higher than the first accuracy is performed only in the measurement area,
The time required for measurement is reduced while performing high-precision measurement.

【0064】[0064]

【発明の実施の形態】図11は本発明に係る三次元形状
計測装置の一実施形態の外観を示す斜視図である。
FIG. 11 is a perspective view showing the appearance of one embodiment of a three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention.

【0065】この三次元形状計測装置1は、計測開始の
指示や設定データなどを入力するためのキーボード2
と、計測結果などを表示するための表示部3と、装置の
全体制御を行うための制御部4と、計測部5とから構成
されている。制御部4の機能についてはさらに後述す
る。
The three-dimensional shape measuring apparatus 1 has a keyboard 2 for inputting a measurement start instruction and setting data.
And a display unit 3 for displaying measurement results and the like, a control unit 4 for performing overall control of the apparatus, and a measurement unit 5. The function of the control unit 4 will be further described later.

【0066】計測部5は、測定対象6を載置するための
試料台11と、カメラ部12をY軸方向に移動可能に支
持するY軸駆動コラム13とが、基台14上に配設され
て構成されている。試料台11は、図中、矢印で示すよ
うに、基台14に対してX軸方向及びZ軸方向に移動可
能に構成されるとともに、中心の回り(θ方向)に回転
可能に構成されている。なお、3次元座標系(X,Y,
Z)は、図11に示すように設定している。
The measuring section 5 includes a sample table 11 on which the object 6 to be measured is mounted, and a Y-axis driving column 13 for supporting the camera section 12 so as to be movable in the Y-axis direction. It is configured. The sample stage 11 is configured to be movable in the X-axis direction and the Z-axis direction with respect to the base 14 as shown by an arrow in the figure, and is configured to be rotatable around the center (θ direction). I have. Note that the three-dimensional coordinate system (X, Y,
Z) is set as shown in FIG.

【0067】図1はカメラ部12の内部構成を示す図、
図2は三次元形状計測装置の電気的構成を示すブロック
図である。
FIG. 1 is a diagram showing the internal configuration of the camera unit 12,
FIG. 2 is a block diagram showing an electrical configuration of the three-dimensional shape measuring device.

【0068】カメラ部12は、図1に示すように、照明
手段20、対物光学系30および受光手段40を備えて
いる。
As shown in FIG. 1, the camera section 12 includes an illumination means 20, an objective optical system 30, and a light receiving means 40.

【0069】照明手段20は、レーザ光を発光するレー
ザ光源21と、このレーザ光を平行光束22にコリメー
トするコリメータレンズ23と、この平行光束22を2
つの平行光束22a,22bに分岐するハーフミラー2
4aと、この平行光束22aを反射して平行光束22b
に平行にする反射鏡24bと、平行光束22a,22b
をそれぞれ微小な厚さ(本実施形態では、例えば10μ
m)の帯状のコリメートされた光束(以下、単に「帯状
光束」という。)25a,25bに変換するガリレオ光
学系26a,26bと、この帯状光束25a,25bを
それぞれ反射して照射方向を変化させるガルバノミラー
27a,27bとから構成される。
The illuminating means 20 includes a laser light source 21 for emitting laser light, a collimator lens 23 for collimating the laser light into a parallel light flux 22,
Half mirror 2 branched into two parallel light beams 22a and 22b
4a and a parallel light beam 22b that reflects the parallel light beam 22a.
A reflecting mirror 24b for making the light beams parallel with each other, and parallel light beams 22a and 22b
With a very small thickness (for example, 10 μm in this embodiment)
m), the Galilean optical systems 26a and 26b for converting into a strip-shaped collimated light flux (hereinafter, simply referred to as "strip-shaped light flux") 25a and 25b, and the irradiation directions are changed by reflecting the strip-shaped light fluxes 25a and 25b, respectively. It is composed of galvanomirrors 27a and 27b.

【0070】このガルバノミラー27a,27bは、互
いに連動して、または単独で個別に角度がマイクロラデ
ィアンオーダーで高精度に変更可能に構成されており、
連動して角度変更することにより、帯状光束25a,2
5bの交差部28の位置が対物光学系30の光軸L1上
で図1中、左右に移動可能になっている。なお、この実
施形態では、帯状光束25a,25bの交差部28の位
置は、通常、対物レンズ群31の焦点に一致するように
構成されている。
The galvanometer mirrors 27a and 27b are configured so that their angles can be changed with high precision in the microradian order individually or individually in conjunction with each other.
By changing the angle in conjunction therewith, the belt-like light beams 25a, 25
The position of the intersection 28 of 5b is movable left and right in FIG. 1 on the optical axis L1 of the objective optical system 30. In this embodiment, the position of the intersection 28 between the belt-like light beams 25a and 25b is usually configured to coincide with the focal point of the objective lens group 31.

【0071】対物光学系30は、照明手段20の帯状光
束25a,25bによって照明された測定対象6からの
測定光を集光する対物レンズ群31と、対物レンズ群3
1を通過した光を反射する反射鏡32とからなり、テレ
セントリックな光学系が構成されている。対物レンズ群
31は、ズーム機能を有しており、その焦点が移動可能
に構成されている。
The objective optical system 30 includes an objective lens group 31 for condensing measurement light from the measurement target 6 illuminated by the belt-like light beams 25a and 25b of the illumination means 20, and an objective lens group 3
A telecentric optical system is constituted by a reflecting mirror 32 that reflects the light passing through 1. The objective lens group 31 has a zoom function, and its focal point is movable.

【0072】また、カメラ部12は、図1に示すよう
に、対物光学系30(対物レンズ群31)の開口角を
θ、帯状光束25aの光軸L1に対する照射角度をα、
帯状光束25bの光軸L1に対する照射角度をβとする
と、θ<α,θ<βが成立するように構成されている。
すなわち、対物光学系30の開口角θは、帯状光束25
a,25bの照射角度α,βより、小さくなるように構
成されている。
Further, as shown in FIG. 1, the camera section 12 sets the opening angle of the objective optical system 30 (objective lens group 31) to θ, the irradiation angle of the belt-like light beam 25a with respect to the optical axis L1 to α,
Assuming that the irradiation angle of the belt-like light beam 25b with respect to the optical axis L1 is β, θ <α and θ <β are established.
That is, the aperture angle θ of the objective optical system 30 is
a, 25b are configured to be smaller than the irradiation angles α, β.

【0073】受光手段40は、CCD又はフォトダイオ
ードなどの光電変換素子41(図2参照)が複数個二次
元的に並べて配置されて構成されている。光電変換素子
41(図2)の1列は、対物光学系30の焦点と共役な
位置に配置されている。
The light receiving means 40 is constituted by arranging a plurality of photoelectric conversion elements 41 (see FIG. 2) such as CCDs or photodiodes two-dimensionally. One row of the photoelectric conversion elements 41 (FIG. 2) is arranged at a position conjugate with the focal point of the objective optical system 30.

【0074】図2において、発光回路51はレーザ光源
21を駆動するもので、カメラ本体駆動部52はY軸駆
動コラム13を駆動するもので、試料台駆動部53は試
料台11を駆動するものである。
In FIG. 2, a light emitting circuit 51 drives the laser light source 21, a camera main body driving unit 52 drives the Y-axis driving column 13, and a sample stage driving unit 53 drives the sample stage 11. It is.

【0075】ミラー駆動部54はガルバノミラー27
a,27bを互いに連動して、または単独で個別に駆動
してその角度を変更するもので、ズーム駆動部55は対
物レンズ群31を駆動してその焦点をZ軸方向に移動さ
せるものである。
The mirror driving unit 54 is a galvanomirror 27
The zoom drive unit 55 drives the objective lens group 31 to move the focal point in the Z-axis direction by driving the a and 27b in conjunction with each other or individually to change the angle. .

【0076】制御部4は、RAM61と、ROM62
と、CPU63とを備え、RAM61はデータを一時的
に保管するもので、ROM62は予め設定されたデータ
などを含むCPU63の制御プログラムを記憶するもの
である。
The control unit 4 includes a RAM 61 and a ROM 62
And a CPU 63. The RAM 61 temporarily stores data, and the ROM 62 stores a control program of the CPU 63 including data set in advance.

【0077】CPU63は、この装置全体の制御を行う
もので、後述するように、まず、帯状光束25aまたは
帯状光束25bを用いて三角測量法により測定対象6の
概略形状を計測するプリスキャンを行い、次いで、対物
光学系30の焦点を移動させて測定対象6の形状を精密
に計測する焦点スキャンを行うようにしており、以下の
機能を有する。
The CPU 63 controls the entire apparatus. As will be described later, first, the CPU 63 performs a prescan for measuring the approximate shape of the measurement object 6 by the triangulation method using the strip light beam 25a or the strip light beam 25b. Next, the focus of the objective optical system 30 is moved to perform a focus scan for precisely measuring the shape of the measurement target 6, and has the following functions.

【0078】(1) 発光回路51を介してレーザ光源21
の発光を制御する発光制御手段71としての機能。
(1) Laser light source 21 via light emitting circuit 51
Function as light emission control means 71 for controlling light emission of the light emitting device.

【0079】(2) カメラ本体駆動部52を介してカメラ
部12のY軸方向における位置を制御する光学系位置制
御手段72としての機能。
(2) Function as an optical system position control means 72 for controlling the position of the camera section 12 in the Y-axis direction via the camera body drive section 52.

【0080】(3) 試料台駆動部53を介して測定対象6
のX軸方向およびZ軸方向の位置と、回転角度φとを制
御する試料位置制御手段73としての機能。
(3) Measurement target 6 via sample stage drive unit 53
Function as sample position control means 73 for controlling the position in the X-axis direction and the Z-axis direction and the rotation angle φ.

【0081】(4) ミラー駆動部54を介してガルバノミ
ラー27a,27bの角度を個別に制御するミラー制御
手段74としての機能。
(4) Function as mirror control means 74 for individually controlling the angles of the galvanometer mirrors 27a and 27b via the mirror drive unit 54.

【0082】(5) ズーム駆動部55を介して対物レンズ
群31の焦点をZ軸方向に移動させるズーム制御手段7
5としての機能。
(5) Zoom control means 7 for moving the focal point of the objective lens group 31 in the Z-axis direction via the zoom drive unit 55
Function as 5.

【0083】(6) ズーム駆動部55に連動してミラー駆
動部54によりガルバノミラー27a,27bの角度を
変更して帯状光束25a,25bの交差部28の位置を
対物レンズ群31の焦点に一致するように制御する交差
位置制御手段76としての機能。
(6) The angle of the galvanomirrors 27a and 27b is changed by the mirror drive unit 54 in conjunction with the zoom drive unit 55 to make the position of the intersection 28 of the belt-like light beams 25a and 25b coincide with the focal point of the objective lens group 31. Function as the intersection position control means 76 for controlling the operation.

【0084】(7) 帯状光束25a,25bにより測定対
象6を照射したときの測定対象6からの測定光を受光し
た受光手段40の光電変換素子41から出力される電気
信号のレベルを検出する信号レベル検出手段77として
の機能。
(7) A signal for detecting the level of an electric signal output from the photoelectric conversion element 41 of the light receiving means 40 that has received the measurement light from the measurement target 6 when the measurement target 6 is irradiated with the belt-like light beams 25a and 25b. Function as level detecting means 77.

【0085】(8) 帯状光束25aまたは帯状光束25b
により測定対象6を照射したときの当該光束の対物光学
系30の光軸L1に対する角度と測定対象6からの測定
光を受光した光電変換素子41の位置とに基づいて、光
軸L1方向における測定対象6の表面の位置を三角測量
法により判定する位置判定手段78としての機能。この
機能による動作については後述する。
(8) Strip light beam 25a or strip light beam 25b
Is measured in the direction of the optical axis L1 based on the angle of the light beam with respect to the optical axis L1 of the objective optical system 30 and the position of the photoelectric conversion element 41 that has received the measurement light from the measurement object 6 when the measurement object 6 is irradiated with the light beam. A function as position determining means 78 for determining the position of the surface of the object 6 by triangulation. The operation by this function will be described later.

【0086】(9) 帯状光束25a,25bの交差部28
の位置および対物レンズ群31の焦点を光軸L1方向に
移動させたときに、測定対象6からの測定光を受光した
受光手段40の光電変換素子41から出力される電気信
号のレベルが最大になるときの交差部28の位置を判定
する焦点判定手段79としての機能。この機能による動
作については後述する。
(9) Intersection 28 of strip-like light beams 25a and 25b
When the position of and the focal point of the objective lens group 31 are moved in the direction of the optical axis L1, the level of the electric signal output from the photoelectric conversion element 41 of the light receiving unit 40 that has received the measurement light from the measurement target 6 is maximized. Function as focus determination means 79 for determining the position of the intersection 28 when The operation by this function will be described later.

【0087】(10)位置判定手段78による判定結果に基
づいて、焦点判定手段79による判定を行う際の帯状光
束25a,25bの交差部28の位置の光軸L1方向に
おける移動範囲を設定する範囲設定手段80としての機
能。この機能による動作については後述する。
(10) A range for setting the moving range in the direction of the optical axis L1 of the position of the intersection 28 of the belt-like light beams 25a and 25b when making the determination by the focus determining means 79 based on the determination result by the position determining means 78. Function as setting means 80. The operation by this function will be described later.

【0088】なお、図2に一点鎖線で示すように、ズー
ム駆動部55が駆動されるときのみズーム駆動部55と
ミラー駆動部54とを連結するギア機構56を備え、対
物レンズ群31の焦点が移動するときはミラー駆動部5
4が連動して2つの帯状光束25a,25bの交差部2
8の位置もその焦点に一致して移動するように構成して
もよい。この場合には、CPU63は、交差位置制御手
段76としての機能が不要になる。
As shown by a dashed line in FIG. 2, a gear mechanism 56 for connecting the zoom drive unit 55 and the mirror drive unit 54 only when the zoom drive unit 55 is driven is provided. When the mirror moves, the mirror driving unit 5
4 interlocks with each other and intersects 2 between two belt-like light beams 25a and 25b.
The position 8 may also be configured to move in accordance with the focal point. In this case, the function of the CPU 63 as the intersection position control means 76 becomes unnecessary.

【0089】以上の構成において、試料台駆動部53お
よび試料台11は、相対移動手段を構成している。ま
た、試料台駆動部53および試料台11は、試料移動手
段を構成している。ミラー駆動部54およびガルバノミ
ラー27a,27bは、相対移動手段を構成している。
また、ミラー駆動部54およびガルバノミラー27a,
27bは、交差位置移動手段を構成している。ズーム駆
動部55は、ズーム手段(焦点移動手段)を構成してい
る。
In the above configuration, the sample stage driving section 53 and the sample stage 11 constitute a relative moving means. The sample stage drive unit 53 and the sample stage 11 constitute a sample moving unit. The mirror driving unit 54 and the galvanometer mirrors 27a and 27b constitute a relative moving unit.
Further, the mirror driving unit 54 and the galvanometer mirror 27a,
27b constitutes the intersection position moving means. The zoom drive unit 55 constitutes a zoom unit (focus moving unit).

【0090】なお、焦点スキャンにおいて対物光学系3
0の焦点を移動させるときは、2つの帯状光束25a,
25bの交差部28の位置もその焦点に一致して移動す
るようにしているので、以下において、「対物光学系3
0の焦点の走査」というときは、「2つの帯状光束25
a,25bの交差部28の走査」と同一の作用を意味し
ている。
In the focus scan, the objective optical system 3
When the focal point of 0 is moved, the two luminous fluxes 25a,
Since the position of the intersection 28b of the lens 25b also moves so as to coincide with the focal point thereof, the following description will be made of the "objective optical system 3".
When the “scan of the focal point of 0” is referred to, “the two band-like light beams 25
Scanning the intersection 28 between a and 25b ".

【0091】次に、図1、図2に示す構成の光学系にお
ける作用について説明する。
Next, the operation of the optical system having the structure shown in FIGS. 1 and 2 will be described.

【0092】レーザ光源21から出射されたレーザ光は
平行光束22にコリメートされ、ハーフミラー24aに
より2方向に分岐され、それぞれガリレオ光学系26
a,26bにより帯状光束25a,25bに変換され、
ガルバノミラー27a,27bに導かれる。ガルバノミ
ラー27a,27bの角度が個別に変更されると、対物
光学系30の光軸L1に対する帯状光束25a,25b
の各角度が変更され、ガルバノミラー27a,27bの
角度が連動して変更されると、2つの帯状光束25a,
25bの交差部28の位置が光軸L1上で移動される。
そして、帯状光束25a,25bによって照明された測
定対象6からの測定光が対物光学系30を介して受光手
段40に入射する。
The laser light emitted from the laser light source 21 is collimated into a parallel light flux 22 and branched in two directions by a half mirror 24a.
a and 26b are converted into belt-like luminous fluxes 25a and 25b,
The light is guided to the galvanomirrors 27a and 27b. When the angles of the galvanometer mirrors 27a and 27b are individually changed, the belt-like light beams 25a and 25b with respect to the optical axis L1 of the objective optical system 30 are provided.
Are changed and the angles of the galvanometer mirrors 27a and 27b are changed in conjunction with each other, the two band-shaped light beams 25a and
The position of the intersection 28 of 25b is moved on the optical axis L1.
Then, the measurement light from the measurement target 6 illuminated by the belt-like light beams 25a and 25b enters the light receiving unit 40 via the objective optical system 30.

【0093】ここで、対物光学系30の開口角θは、光
軸L1に対する帯状光束25a,25bの照射角度α,
βより小さくなるように構成されているので、対物光学
系30には、測定対象6からの正反射光(0次光)が殆
ど入射せず、散乱光のみが入射する。
Here, the opening angle θ of the objective optical system 30 is determined by the irradiation angle α of the belt-like light beams 25a and 25b with respect to the optical axis L1,
Since it is configured to be smaller than β, the specularly reflected light (zero-order light) from the measurement target 6 hardly enters the objective optical system 30, and only the scattered light enters.

【0094】これは、光学的ハイパスフィルタを用いる
のと同一の効果を奏し、測定対象6の表面からの反射光
における低周波成分が遮断され、高周波成分の光強度の
みが受光手段40に取り込まれることとなる。これによ
って、測定対象6の表面性状の反射特性の相違に起因す
る受光手段40への入射光の光強度の変化幅が狭くなる
ので、光電変換素子41のダイナミックレンジを超える
ことがなくなり、種々の表面性状を有する測定対象6の
形状計測を行うことができる。
This has the same effect as the use of the optical high-pass filter. The low-frequency component in the reflected light from the surface of the measuring object 6 is cut off, and only the light intensity of the high-frequency component is taken into the light receiving means 40. It will be. Thereby, the variation width of the light intensity of the light incident on the light receiving unit 40 due to the difference in the reflection characteristics of the surface properties of the measurement object 6 is narrowed, so that the dynamic range of the photoelectric conversion element 41 is not exceeded. The shape of the measurement target 6 having the surface property can be measured.

【0095】次に、図3、図4を用いて、プリスキャン
における形状計測動作について説明する。図3はプリス
キャンを説明するための2つの帯状光束25a,25b
および測定対象6を示す斜視図、図4は受光手段40に
おける2次元受光画像を示す図である。
Next, the shape measurement operation in the pre-scan will be described with reference to FIGS. FIG. 3 shows two belt-like light beams 25a and 25b for explaining pre-scanning.
FIG. 4 is a perspective view showing the object 6 to be measured, and FIG.

【0096】図3に示すように、2つの帯状光束25
a,25bが、それぞれ光軸面LSに対して角度α,β
を持って2方向から測定対象6に向けて投光され、2つ
の帯状光束25a,25bによって測定対象6が照射さ
れると、図4に示すように、受光手段40によって散乱
光42a,42b,42c,42d,42eが観測され
る。ここで、図4に示すように、2つの帯状光束25
a,25bの交差部28に対応する受光手段40の2次
元受光画像における位置を基準線43とすると、この基
準線43の位置(例えば図4の寸法D)が既知になって
いる。
As shown in FIG. 3, the two zonal light beams 25
a and 25b are angles α and β with respect to the optical axis plane LS, respectively.
When the light is projected from two directions toward the measurement object 6 and the measurement object 6 is irradiated by the two band-shaped light beams 25a and 25b, the scattered light 42a, 42b, 42c, 42d, and 42e are observed. Here, as shown in FIG.
Assuming that the position in the two-dimensional light receiving image of the light receiving means 40 corresponding to the intersection 28 between a and 25b is the reference line 43, the position of the reference line 43 (for example, the dimension D in FIG. 4) is known.

【0097】例えば、図3に示す測定対象6上における
帯状光束25bの照射位置Aの座標(x,y,z)は、以
下のように求められる。すなわち、図4に示すように、
受光手段40により観測される2次元受光画像によっ
て、散乱光A’の座標(x1,y 1)を求めるとともに、基
準線43と散乱光A’の距離eを求める。そして、帯状
光束25a,25bの交差部28のz座標をHとし、図
3に示すように帯状光束25bの照射角度をβとする
と、下記式(1)により照射位置Aの座標(x,y,z)が
求められる。
For example, on the measuring object 6 shown in FIG.
The coordinates (x, y, z) of the irradiation position A of the belt-like light beam 25b are as follows.
It is required as below. That is, as shown in FIG.
According to the two-dimensional light receiving image observed by the light receiving means 40,
And the coordinates (x1, Y 1)
The distance e between the quasi-line 43 and the scattered light A 'is determined. And a strip
Assuming that the z coordinate of the intersection 28 between the light beams 25a and 25b is H, FIG.
As shown in FIG. 3, the irradiation angle of the belt-like light beam 25b is β.
And the coordinates (x, y, z) of the irradiation position A are given by the following equation (1).
Desired.

【0098】 (x,y,z) =(x1,y1,e・cotβ+H) …(1) そして、試料台11を駆動して測定対象6を交差部28
が形成する交差線と直交する方向、すなわちX軸方向に
移動させながら、逐次、観測される散乱光の座標を取り
込むことにより、測定対象6の形状が計測され、この計
測結果から焦点スキャンにおける焦点の走査範囲(本実
施形態では、例えば測定対象6の表面からZ軸方向に±
50μm)が設定される。
(X, y, z) = (x 1 , y 1 , e · cotβ + H) (1) Then, the sample stage 11 is driven to move the measurement target 6 to the intersection 28
The shape of the measurement target 6 is measured by successively taking in the coordinates of the scattered light observed while moving in the direction orthogonal to the intersection line formed by, that is, in the X-axis direction. Scanning range (in the present embodiment, for example, ±± in the Z-axis direction from the surface of the measurement target 6)
50 μm) is set.

【0099】このプリスキャンにおいて、2つの帯状光
束25a,25bを測定対象6に同時に照射すると、図
4に示すように、散乱光42a,42b,42c,42
d,42eが同時に観測されるので、測定対象6からの
散乱光がいずれの帯状光束から生じたかを判別する必要
が生じる。このときは、ガルバノミラー27a,27b
の一方を帯状光束が受光手段40の2次元受光画像から
振り切れるまで変化させ、2次元受光画像に他方の帯状
光束による散乱光のみが映るようにすれば、いずれの帯
状光束による散乱光であるかを判別することができる。
In this pre-scan, when the two band-like light beams 25a and 25b are simultaneously irradiated on the measurement object 6, as shown in FIG. 4, the scattered lights 42a, 42b, 42c and 42
Since d and 42e are observed at the same time, it is necessary to determine from which band light flux the scattered light from the measurement target 6 originated. At this time, the galvanomirrors 27a and 27b
Is changed until the zonal light flux is shaken off from the two-dimensional light-receiving image of the light receiving means 40, and only the scattered light by the other zonal light flux is reflected in the two-dimensional light-receiving image. Can be determined.

【0100】このプリスキャンにおける計測精度は、2
つの帯状光束25a,25bの照射角度、受光手段40
の倍率、光電変換素子41(図2)の画素の大きさに依
存するが、本実施形態では、例えば数十〜百μmの計測
精度が得られるように構成されている。
The measurement accuracy in this prescan is 2
Angles of the two strip-shaped light beams 25a and 25b,
Although it depends on the magnification of the pixel and the size of the pixel of the photoelectric conversion element 41 (FIG. 2), the present embodiment is configured so that a measurement accuracy of, for example, several tens to hundreds of μm can be obtained.

【0101】プリスキャンによる計測精度、すなわち測
定データを得る各測定点の間隔は、焦点スキャンによる
走査距離より粗くならない程度であればよい。これは、
プリスキャンが焦点スキャンによる走査範囲を決めるた
めの測定であり、詳細な形状データを得るための測定で
はないからである。これにより、焦点スキャンによる詳
細測定に比較して、プリスキャンによる粗測定は短時間
で行われる。
The measurement accuracy by the prescan, that is, the interval between the measurement points for obtaining the measurement data may be any value as long as it is not coarser than the scan distance by the focus scan. this is,
This is because the prescan is a measurement for determining the scanning range by the focus scan, and is not a measurement for obtaining detailed shape data. Thus, the coarse measurement by the prescan is performed in a shorter time than the detailed measurement by the focus scan.

【0102】プリスキャンによれば、受光手段40の2
次元受光画像内で測定対象6の走査が可能になるように
ガルバノミラー27a,27bの角度を変化させること
により、測定対象6の表面の位置を求めることができ、
測定対象6の表面を必ず含む焦点の走査範囲を設定する
ことができる。
According to the prescan, the light receiving means 40-2
By changing the angles of the galvanometer mirrors 27a and 27b so that the measurement target 6 can be scanned in the two-dimensional light reception image, the position of the surface of the measurement target 6 can be obtained.
It is possible to set the scanning range of the focal point including the surface of the measurement target 6 without fail.

【0103】また、測定対象6に向けて2つの帯状光束
25a,25bを2方向から投光しているので、測定対
象6の形状による「けられ」を低減することができる。
すなわち、帯状光束25a,25bの一方に「けられ」
が生じても、他方の帯状光束に「けられ」が生じなけれ
ば測定対象6の形状計測が可能になるので、形状計測の
死角を低減することができる。
Further, since the two belt-like light beams 25a and 25b are projected toward the measurement target 6 from two directions, "shaking" due to the shape of the measurement target 6 can be reduced.
In other words, the “beam” is applied to one of the belt-like light beams 25a and 25b.
Even if the light beam is generated, the shape of the measurement target 6 can be measured unless the other band-shaped light beam is "blurred", so that the blind spot of the shape measurement can be reduced.

【0104】また、一般に、測定対象6は様々な側面形
状を持っているため、一方向からの走査では全体の形状
を計測することは困難であるが、本実施形態では、試料
台11がθ方向に回転可能にしているので、測定対象6
の側面形状を様々な角度から計測することを可能にして
おり、計測の死角を低減している。
In general, since the measurement target 6 has various side shapes, it is difficult to measure the entire shape by scanning from one direction. It is possible to rotate in the direction
It is possible to measure the side surface shape from various angles, reducing the blind spot of the measurement.

【0105】また、帯状光束25a,25bの照射角度
α,βが大きいほど精度良く計測することができ、受光
手段40の光電変換素子41の画素が小さいほど精度良
く計測することができる。これによって走査範囲を小さ
くすることができるので、焦点スキャンにおける計測の
時間短縮を図ることができる。
In addition, the larger the irradiation angles α and β of the belt-like light beams 25a and 25b, the more accurate the measurement can be made, and the smaller the pixel of the photoelectric conversion element 41 of the light receiving means 40, the more accurate the measurement. As a result, the scanning range can be reduced, so that the measurement time in the focus scan can be reduced.

【0106】また、測定対象6がカメラ部12の視野範
囲を超える位置にある場合には、試料台11を順次X軸
方向およびZ軸方向に移動させることによって、測定対
象6の形状を計測することができる。
When the measuring object 6 is located outside the visual field range of the camera section 12, the shape of the measuring object 6 is measured by sequentially moving the sample stage 11 in the X-axis direction and the Z-axis direction. be able to.

【0107】次に、図1、図5〜図8を用いて、焦点ス
キャンにおける計測動作について説明する。
Next, the measurement operation in the focus scan will be described with reference to FIGS.

【0108】図1において、焦点スキャンでは、プリス
キャンで設定された走査範囲内で2つの帯状光束25
a,25bの交差部28の位置および対物光学系30の
焦点を測定対象6の断面方向、すなわち光軸L1方向
(Z軸方向)に予め設定された微小距離ずつ順次移動さ
せ、各位置における測定対象6の表面からの散乱光を受
光手段40により受光する。
In FIG. 1, in the focus scan, two band-like luminous fluxes 25 are set within a scan range set by the pre-scan.
The positions of the intersections 28a and 25b and the focal point of the objective optical system 30 are sequentially moved by a predetermined minute distance in the cross-sectional direction of the measurement target 6, that is, in the direction of the optical axis L1 (Z-axis direction), and the measurement at each position Light scattered from the surface of the target 6 is received by the light receiving means 40.

【0109】図5(a)はμmオーダーの厚さにコリメ
ートされた2つの帯状光束25a,25bがガルバノミ
ラー27a,27b(図1)により2方向から投射され
て、交差部28において交差した状態を示している。図
6は交差部28の近傍における光強度分布を示す図で、
2つの帯状光束25a,25bの交差部28において光
強度が最大になっていることが分かる。
FIG. 5A shows a state in which two belt-like light beams 25a and 25b collimated to a thickness on the order of μm are projected from two directions by galvanometer mirrors 27a and 27b (FIG. 1) and intersect at an intersection 28. Is shown. FIG. 6 is a diagram showing the light intensity distribution near the intersection 28.
It can be seen that the light intensity is maximized at the intersection 28 between the two belt-like light beams 25a, 25b.

【0110】この交差部28の位置は、ガルバノミラー
27a,27bの角度をマイクロラディアンオーダーの
精密さで制御することにより、三次元空間内で任意に移
動させることができる。この場合、交差部28の位置を
変化させても収差に変化がないため、光強度分布が変化
することはない。
The position of the intersection 28 can be arbitrarily moved in a three-dimensional space by controlling the angles of the galvanometer mirrors 27a and 27b with a precision of the order of microradians. In this case, since the aberration does not change even if the position of the intersection 28 is changed, the light intensity distribution does not change.

【0111】したがって、図5(b)に示すように結像
により光強度が最大の位置を形成する従来の共焦点光学
系において、ズームレンズを用いる場合には、焦点の位
置が変化すると収差特性が変化し、集光したときの光強
度分布が変化してしまう。
Therefore, as shown in FIG. 5B, in a conventional confocal optical system in which the position of the maximum light intensity is formed by image formation, when a zoom lens is used, when the position of the focal point changes, the aberration characteristic is changed. Changes, and the light intensity distribution when condensed changes.

【0112】これに対して、本実施形態では、常に同一
の光強度分布を持つ2つの帯状光束25a,25bが測
定対象6に照射されるとともに、測定対象6からの測定
光が1回だけ対物光学系30を通過することになるの
で、総合的な収差を従来に比べて低減することができ、
これによって計測精度を向上することができる。
On the other hand, in the present embodiment, the measurement target 6 is irradiated with the two band-like light beams 25a and 25b having the same light intensity distribution at all times, and the measurement light from the measurement target 6 is used only once. Since the light passes through the optical system 30, the total aberration can be reduced as compared with the related art.
Thereby, measurement accuracy can be improved.

【0113】このように、本実施形態では、測定対象6
に光束を照射する照明手段20と、測定対象6からの測
定光を受光する対物光学系30とが分離されているが、
従来の共焦点光学系と同様の機能を果たす疑似共焦点光
学系が構成されている。
As described above, in the present embodiment, the measurement target 6
Illumination means 20 for irradiating a light beam and objective optical system 30 for receiving measurement light from measurement object 6 are separated,
A pseudo-confocal optical system that performs the same function as a conventional confocal optical system is configured.

【0114】図1に戻って、焦点スキャンでは、受光手
段40の光電変換素子41(図2)のうちで、2つの帯
状光束25a,25bの交差部28が形成する交差線に
平行で、かつ対物光学系30の焦点と共役な位置に配置
された1列(例えば図4に示す基準線43に一致する
列)の光電変換素子41から出力される電気信号のみが
測定データとして計測に用いられる。これによって、受
光手段の直前にスリットが配置され、焦点と測定対象の
表面とが一致したときに最大強度の散乱光が受光手段に
入射する共焦点効果と同一の効果を得ることができる。
Returning to FIG. 1, in the focus scan, among the photoelectric conversion elements 41 (FIG. 2) of the light receiving means 40, the intersection line formed by the intersection 28 of the two band-like light beams 25a and 25b is parallel to the intersection line. Only electric signals output from one row of photoelectric conversion elements 41 (for example, a row corresponding to the reference line 43 shown in FIG. 4) arranged at a position conjugate with the focal point of the objective optical system 30 are used for measurement as measurement data. . Thereby, the slit is arranged immediately before the light receiving means, and the same effect as the confocal effect in which the scattered light of the maximum intensity is incident on the light receiving means when the focus coincides with the surface of the object to be measured can be obtained.

【0115】そして、受光手段40から出力される1列
の光電変換素子41の電気信号は順次A/D変換されて
RAM61に格納される。設定された走査範囲の計測が
終了すると、RAM61に格納されたデータから焦点と
光強度の関係を表わす曲線を求め、その最大値の位置か
ら合焦点の位置を知ることができ、その位置が測定対象
6の表面の位置を示すことになる。一断面の計測が終了
すると、測定対象6がX軸方向に予め設定された微小距
離だけ移動され、次の一断面の計測が同様に行われる。
The electric signals of one row of photoelectric conversion elements 41 output from the light receiving means 40 are sequentially A / D converted and stored in the RAM 61. When the measurement of the set scanning range is completed, a curve representing the relationship between the focal point and the light intensity is obtained from the data stored in the RAM 61, and the position of the focal point can be known from the position of the maximum value. The position of the surface of the object 6 will be indicated. When the measurement of one cross section is completed, the measurement target 6 is moved by a predetermined minute distance in the X-axis direction, and the measurement of the next one cross section is performed similarly.

【0116】図7は交差部28の位置を測定対象6の表
面から光軸L1方向(Z軸方向)に−90μmから90μm
に亘って走査させたときに観測される光束の幅方向に対
する光強度分布の変化をシミュレーションした結果を示
す図で、対物光学系30の開口数を0.1とし、帯状光束
25a,25bの厚さを10μmとし、光強度を1に正規
化している。図8は図7と同一条件で、光電変換素子4
1として10μm幅のCCD画素を用いたときに観測され
る測定対象6の表面からのデフォーカス量に対する光強
度信号の変化をシミュレーションした結果を示す図であ
る。
FIG. 7 shows that the position of the intersection 28 is from −90 μm to 90 μm in the direction of the optical axis L1 (Z-axis direction) from the surface of the object 6 to be measured.
FIG. 10 is a diagram showing a result of simulating a change in light intensity distribution in a width direction of a light beam observed when scanning is performed over a range of 0.1, where the numerical aperture of the objective optical system 30 is 0.1, and the thickness of the band-like light beams 25a and 25b is 10 μm, and the light intensity is normalized to 1. FIG. 8 shows the photoelectric conversion element 4 under the same conditions as FIG.
FIG. 9 is a diagram showing a result of simulating a change in a light intensity signal with respect to a defocus amount from the surface of a measurement target 6 observed when a CCD pixel having a width of 10 μm is used as 1.

【0117】図7、図8に示すように、コリメートされ
た帯状光束25a,25bを交差させると、交差部28
が疑似的に焦点として作用し、従来の共焦点光学系と同
様に焦点移動による光強度信号変化を得ることができ、
高精度な形状計測が可能であることが分かる。
As shown in FIGS. 7 and 8, when the collimated belt-like light beams 25a and 25b cross each other, the intersection 28
Acts as a focal point in a pseudo manner, and can obtain a light intensity signal change due to a focal point shift similarly to the conventional confocal optical system,
It can be seen that highly accurate shape measurement is possible.

【0118】このように、焦点スキャンでは、プリスキ
ャンによる計測結果に基づいて設定された走査範囲のみ
計測を行うようにしているので、計測時間を短縮するこ
とができるとともに、光電変換素子41からの測定デー
タを格納するのに必要なRAM61の容量を低減するこ
とができる。
As described above, in the focus scan, the measurement is performed only in the scan range set based on the measurement result of the pre-scan, so that the measurement time can be shortened and the signal from the photoelectric conversion element 41 can be reduced. The capacity of the RAM 61 required to store the measurement data can be reduced.

【0119】この焦点スキャンにおける測定精度は、本
実施形態では、例えば0.5〜10μm程度の測定精度が得
られるように構成される。
In the present embodiment, the measurement accuracy in the focus scan is configured such that a measurement accuracy of, for example, about 0.5 to 10 μm is obtained.

【0120】次に、図1を参照しながら、図9、図10
のフローチャートにしたがって、本装置による計測動作
の手順について説明する。
Next, referring to FIG. 1, FIGS.
The procedure of the measurement operation by the present apparatus will be described with reference to the flowchart of FIG.

【0121】図9、図10のフローチャートにおいて、
#100〜#210はプリスキャンの手順を表わし、#
220〜#320は焦点スキャンの手順を表わす。
In the flowcharts of FIG. 9 and FIG.
# 100 to # 210 indicate a pre-scanning procedure, and
Reference numerals 220 to # 320 denote a focus scanning procedure.

【0122】まず、2つの帯状光束25a,25bが照
射され(#100)、測定対象6からの測定光による光
強度データが受光手段40を介して取り込まれてRAM
61に格納され(#110)、この光強度データから2
次元受光画像における帯状光束25a,25bの当接位
置が抽出され(#120)、この当接位置から三角測量
法の演算により測定対象6の表面位置が特定される(#
130)。
First, the two belt-like light beams 25a and 25b are irradiated (# 100), and the light intensity data by the measuring light from the measuring object 6 is taken in through the light receiving means 40 and the RAM is used.
61 (# 110), and 2
The contact positions of the band-like light beams 25a and 25b in the two-dimensional light receiving image are extracted (# 120), and the surface position of the measurement target 6 is specified from the contact positions by calculation of triangulation (# 120).
130).

【0123】次いで、X軸方向の計測が終了したか否か
が判別され(#140)、未だ終了していなければ(#
140でNO)、ガルバノミラー27a,27bの角度
が所定角度だけ変更されて(#150)、#100に戻
る。
Next, it is determined whether or not the measurement in the X-axis direction has been completed (# 140). If the measurement has not been completed yet (# 140)
(NO at 140), the angles of the galvanometer mirrors 27a and 27b are changed by a predetermined angle (# 150), and the process returns to # 100.

【0124】一方、X軸方向の計測が終了すれば(#1
40でYES)、Y軸方向の計測が終了したか否かが判
別される(#160)。測定対象6が帯状光束25a,
25bの幅寸法よりY軸方向に大きくて、Y軸方向の計
測が未だ終了していなければ(#160でNO)、カメ
ラ部12がY軸方向に未計測領域まで移動されて(#1
70)、#100に戻る。
On the other hand, when the measurement in the X-axis direction is completed (# 1)
It is determined whether the measurement in the Y-axis direction has been completed or not (# 160). The measurement object 6 is a belt-like light beam 25a,
If the width in the Y-axis direction is larger than the width dimension of 25b and the measurement in the Y-axis direction has not been completed yet (NO in # 160), the camera unit 12 is moved to the unmeasured area in the Y-axis direction (# 1).
70), returning to # 100.

【0125】一方、Y軸方向の計測が終了すれば(#1
60でYES)、測定対象6の側面の計測が終了したか
否かが判別され(#180)、未だ終了していなければ
(#180でNO)、測定対象6が所定角度だけ回転移
動されて(#190)、#100に戻る。
On the other hand, when the measurement in the Y-axis direction is completed (# 1)
(YES at 60), it is determined whether or not the measurement of the side surface of the measurement target 6 has been completed (# 180). If the measurement has not been completed yet (NO at # 180), the measurement target 6 is rotated and moved by a predetermined angle. (# 190), and return to # 100.

【0126】一方、測定対象6の側面の計測が終了して
いれば(#180でYES)、次いで、座標変換などを
行うことによって測定対象6の3次元形状が作成され
て、測定対象6の概略形状が計測されることとなる(#
200)。次いで、この計測結果を用いて焦点スキャン
における焦点の走査範囲が設定される(#210)。
On the other hand, if the measurement of the side surface of the measuring object 6 has been completed (YES in # 180), then a three-dimensional shape of the measuring object 6 is created by performing coordinate transformation and the like, The approximate shape is measured (#
200). Next, the scanning range of the focal point in the focal point scanning is set using the measurement result (# 210).

【0127】以上のようにプリスキャンの動作において
は、三角測量法により、比較的粗い測定精度で、高速な
測定が行われる。
As described above, in the prescan operation, high-speed measurement is performed by triangulation with relatively coarse measurement accuracy.

【0128】以上のプリスキャンに続いて焦点スキャン
が実行される。まず、設定された走査範囲だけ焦点がZ
軸方向に走査されて各位置の光強度データが取り込まれ
てRAM61に格納され(#220)、次いで、光強度
データの最大値が抽出されて測定対象6の表面位置が特
定される(#230)。
Following the pre-scan, a focus scan is performed. First, the focal point is set to Z only in the set scanning range.
Scanning is performed in the axial direction, light intensity data at each position is captured and stored in the RAM 61 (# 220), and then the maximum value of the light intensity data is extracted to specify the surface position of the measurement target 6 (# 230). ).

【0129】次いで、X軸方向の計測が終了したか否か
が判別され(#240)、未だ終了していなければ(#
240でNO)、測定対象6が所定距離だけX軸方向に
移動され(#250)、このX座標において設定された
走査範囲が、対物レンズ群31の焦点移動範囲内にある
か否かが判別され(#260)、焦点移動範囲内であれ
ば(#260でYES)、#220に戻る。一方、走査
範囲が焦点移動範囲内になければ(#260でNO)、
焦点移動範囲内になるまで測定対象6がZ軸方向に移動
されて(#270)、#220に戻る。
Next, it is determined whether or not the measurement in the X-axis direction has been completed (# 240). If the measurement has not been completed yet (# 240)
The measurement target 6 is moved in the X-axis direction by a predetermined distance (# 250), and it is determined whether or not the scanning range set at this X coordinate is within the focus movement range of the objective lens group 31. Then, if it is within the focus movement range (YES in # 260), the process returns to # 220. On the other hand, if the scanning range is not within the focus moving range (NO in # 260),
The measurement target 6 is moved in the Z-axis direction until it is within the focus movement range (# 270), and the process returns to # 220.

【0130】一方、X軸方向の計測が終了していれば
(#240でYES)、Y軸方向の計測が終了したか否
かが判別され(#280)、未だ終了していなければ
(#280でNO)、カメラ部12がY軸方向に未計測
領域まで移動されて(#290)、#220に戻る。
On the other hand, if the measurement in the X-axis direction has been completed (YES in # 240), it is determined whether the measurement in the Y-axis direction has been completed (# 280), and if not completed (# 240). (NO in 280), the camera section 12 is moved to the unmeasured area in the Y-axis direction (# 290), and the process returns to # 220.

【0131】一方、Y軸方向の計測が終了していれば
(#280でYES)、測定対象6の側面の計測が終了
したか否かが判別され(#300)、未だ終了していな
ければ(#300でNO)、測定対象6が所定角度だけ
回転移動されて(#310)、#220に戻る。
On the other hand, if the measurement in the Y-axis direction has been completed (YES in # 280), it is determined whether or not the measurement on the side surface of measurement target 6 has been completed (# 300). (NO in # 300), the measurement target 6 is rotated by a predetermined angle (# 310), and the process returns to # 220.

【0132】一方、測定対象6の側面の計測が終了した
か否かが判別され(#300)、座標変換などによって
計測データがつなぎあわされて、3次元形状が作成され
る(#310)。
On the other hand, it is determined whether or not the measurement of the side surface of the measurement target 6 has been completed (# 300), and the measurement data is connected by coordinate transformation or the like to create a three-dimensional shape (# 310).

【0133】以上のように焦点スキャンの動作において
は、プリスキャンによって得られた測定範囲を、プリス
キャン時とは異なる焦点スキャンによる測定を行う。従
って、より精密な測定データが得られるとともに、必要
な領域のみを精密測定するため、測定時間が短縮でき
る。
As described above, in the focus scan operation, the measurement range obtained by the prescan is measured by a focus scan different from that at the time of the prescan. Therefore, more accurate measurement data can be obtained, and the measurement time can be shortened because only the necessary area is precisely measured.

【0134】なお、本発明は、上記実施形態に限られ
ず、以下の変形形態を採用することができる。
Note that the present invention is not limited to the above embodiment, but can adopt the following modified embodiments.

【0135】(1)上記実施形態では、図1に示すよう
に、ハーフミラー24aを用いてレーザ光源21からの
レーザ光を2つに分離しているが、これに限られず、ハ
ーフミラー24aに代えて、2つのレーザ光源を用いる
ようにしてもよい。この場合には、2つのレーザ光源を
交互に点滅させ、その点滅に同期して受光手段40から
の光強度データを取り込むことによって、2次元受光画
像における光強度データが2つの帯状光束25a,25
bのうちのいずれの帯状光束によるものであるかを判別
することができる。
(1) In the above embodiment, as shown in FIG. 1, the laser beam from the laser light source 21 is separated into two beams by using the half mirror 24a, but the invention is not limited to this. Alternatively, two laser light sources may be used. In this case, the two laser light sources are turned on and off alternately, and the light intensity data from the light receiving means 40 is taken in synchronism with the blinking, so that the light intensity data in the two-dimensional light-receiving image becomes two band-like light beams 25a and 25
It is possible to determine which one of b is caused by the band light beam.

【0136】(2)上記実施形態では、プリスキャン及
び焦点スキャンのときにガルバノミラー27a,27b
の角度を変化させているが、これに限られず、ガルバノ
ミラー27a,27bを固定し、測定対象6をZ軸方向
に走査するようにしても、同様に計測を行うことができ
る。
(2) In the above embodiment, the galvanometer mirrors 27a and 27b are used during the pre-scan and the focus scan.
However, the measurement is not limited to this, and the measurement can be similarly performed by fixing the galvanometer mirrors 27a and 27b and scanning the measurement target 6 in the Z-axis direction.

【0137】(3)図12はカメラ部12の変形形態を
示す図である。図12において、図1と同一物には同一
符号を付している。
(3) FIG. 12 is a view showing a modification of the camera section 12. As shown in FIG. 12, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.

【0138】上記実施形態では、図1に示すように、プ
リスキャンと焦点スキャンとにおいて同一の受光手段4
0で受光しているが、この変形形態では、それぞれ別の
受光手段で受光するようにしている。
In the above embodiment, as shown in FIG. 1, the same light receiving means 4 is used for the pre-scan and the focus scan.
Although the light is received at 0, in this modified embodiment, the light is received by different light receiving means.

【0139】すなわち、図12に示すように、受光手段
40と反射鏡32との間に、ハーフミラー33を配設す
るとともに、このハーフミラー33で反射された光を受
光する受光手段42を備えている。そして、プリスキャ
ン時は受光手段40からの受光信号を用いて計測を行
い、焦点スキャン時は受光手段42からの受光信号を用
いて計測を行う。
That is, as shown in FIG. 12, a half mirror 33 is provided between the light receiving means 40 and the reflecting mirror 32, and a light receiving means 42 for receiving the light reflected by the half mirror 33 is provided. ing. Then, at the time of prescan, measurement is performed using the light reception signal from the light receiving means 40, and at the time of focus scanning, measurement is performed using the light reception signal from the light receiving means 42.

【0140】受光手段40は、焦点スキャンの測定領域
を決めるためのプリスキャンに用いられるので、受光手
段40として、比較的低解像度のエリアセンサを採用す
ればよい。例えば市販のビデオカメラに採用されている
ものを用いることにより、低コストで受光手段40を構
成することができる。
Since the light receiving means 40 is used for pre-scan for determining the measurement area of the focus scan, an area sensor having a relatively low resolution may be employed as the light receiving means 40. For example, by using a camera adopted in a commercially available video camera, the light receiving unit 40 can be configured at low cost.

【0141】一方、受光手段42は、本スキャンである
焦点スキャンに用いられるので、受光手段42として、
高解像度のラインセンサを採用している。そして、この
ラインセンサを対物光学系30の焦点と共役な位置に配
置する。
On the other hand, since the light receiving means 42 is used for the focus scan which is the main scan,
A high-resolution line sensor is used. Then, the line sensor is disposed at a position conjugate with the focal point of the objective optical system 30.

【0142】上記実施形態では、プリスキャンと焦点ス
キャンとにおいて同一の受光手段40で受光しているの
で、焦点スキャンで高精度のデータを得るためには、高
解像度のエリアセンサを用いる必要があり、装置構成の
ためのコストが増大する虞がある。これに対して、この
変形形態によれば、受光手段40,42として、それぞ
れ測定精度に応じた構成のものを採用することができる
ので、上記実施形態に比べて低コストで装置を構成する
ことができる。
In the above embodiment, since the same light receiving means 40 is used for the pre-scan and the focus scan, it is necessary to use a high-resolution area sensor in order to obtain high-precision data in the focus scan. In addition, there is a possibility that the cost for the device configuration may increase. On the other hand, according to this modification, the light receiving means 40 and 42 can be configured according to the measurement accuracy, so that the device can be configured at a lower cost than in the above embodiment. Can be.

【0143】(4)図13はカメラ部12の別の変形形
態を示す図である。図13において、図1と同一物には
同一符号を付している。
(4) FIG. 13 is a view showing another modification of the camera section 12. As shown in FIG. 13, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.

【0144】この形態では、図1のガリレオ光学系26
a,26bに代えて、それぞれ非常に小さい開口数を有
する光学系26c,26dを備えている。
In this embodiment, the Galileo optical system 26 shown in FIG.
Optical systems 26c and 26d having very small numerical apertures are provided instead of the optical systems 26a and 26b.

【0145】光学系26c,26dは、コリメートされ
た光束22a,22bを、それぞれ微小な厚さ(本変形
形態では、例えば十数μm)に集束された帯状光束25
c,25dに変換してガルバノミラー27a,27bに
導くものである。この光学系26c,26dは、帯状光
束25c,25dの最も集束された位置が交差部28の
近傍になるように設定されている。
The optical systems 26c and 26d respectively convert the collimated light beams 22a and 22b into a band-like light beam 25 converged to a very small thickness (in the present modified example, for example, over ten μm).
c and 25d, and are guided to the galvanometer mirrors 27a and 27b. The optical systems 26c and 26d are set so that the most focused positions of the strip-shaped light beams 25c and 25d are in the vicinity of the intersection 28.

【0146】この変形形態によれば、コリメートされた
帯状光束を生成するのが困難な場合でも、ガルバノミラ
ー27a,27bから測定対象6までの距離が、交差部
28の走査範囲に比べて十分長くなるように構成するこ
とにより、コリメートされた帯状光束を用いた場合と同
等の精度で計測することができる。
According to this modification, even when it is difficult to generate a collimated belt-like light beam, the distance from the galvanomirrors 27a, 27b to the object 6 is sufficiently longer than the scanning range of the intersection 28. With such a configuration, it is possible to perform measurement with the same accuracy as in the case of using the collimated zonal light beam.

【0147】(5)図14はカメラ部12の別の変形形
態を示す図である。図14において、図13と同一物に
は同一符号を付している。
(5) FIG. 14 is a view showing another modification of the camera section 12. As shown in FIG. 14, the same components as those in FIG. 13 are denoted by the same reference numerals.

【0148】図1や図13の形態では、プリスキャンを
行う光学系と焦点スキャンを行う光学系とを共通の光学
系で構成しているが、図14の形態では、両者をそれぞ
れ別の光学系で構成している。すなわち、図14に示す
カメラ部12は、対物光学系30の外部に配設された三
角測量測定装置90を備え、この三角測量測定装置90
は、照明手段91および受光手段92を備えている。
In the embodiments shown in FIGS. 1 and 13, the optical system for performing the prescan and the optical system for performing the focus scan are constituted by a common optical system. In the embodiment shown in FIG. It consists of a system. That is, the camera unit 12 shown in FIG. 14 includes a triangulation measurement device 90 provided outside the objective optical system 30.
Includes an illuminating unit 91 and a light receiving unit 92.

【0149】照明手段91は、帯状のスリット光を出力
するもので、このスリット光により測定対象6を照明す
る。受光手段92は、照明手段91により照明された測
定対象6からの反射光を受光するもので、受光強度に応
じた電気信号を出力する。この受光手段92は、光電変
換素子が2次元的に配置されてなるエリアセンサで構成
されている。
The illuminating means 91 outputs band-like slit light, and illuminates the measuring object 6 with the slit light. The light receiving unit 92 receives the reflected light from the measurement target 6 illuminated by the illumination unit 91, and outputs an electric signal corresponding to the intensity of the received light. The light receiving means 92 is constituted by an area sensor in which photoelectric conversion elements are two-dimensionally arranged.

【0150】また、この形態では、受光手段40に代え
て、受光手段43を備えている。この受光手段43は、
光電変換素子が一列に配置されてなるラインセンサで構
成され、このラインセンサは対物光学系30の焦点と共
役な位置に配置されている。
In this embodiment, a light receiving means 43 is provided in place of the light receiving means 40. This light receiving means 43
It is constituted by a line sensor in which photoelectric conversion elements are arranged in a line, and this line sensor is arranged at a position conjugate with the focal point of the objective optical system 30.

【0151】受光手段43のラインセンサの画素密度
は、受光手段92のエリアセンサの画素密度に比べて高
いものが採用されている。これは、受光手段92による
測定が、焦点スキャンによる走査範囲を決めるための粗
い測定であり、受光手段43による測定が、焦点スキャ
ンにより測定対象6の形状を求めるための精密な測定で
あるからである。
The pixel density of the line sensor of the light receiving means 43 is higher than the pixel density of the area sensor of the light receiving means 92. This is because the measurement by the light receiving means 92 is a coarse measurement for determining the scanning range by the focus scan, and the measurement by the light receiving means 43 is a precise measurement for obtaining the shape of the measurement target 6 by the focus scan. is there.

【0152】図14の形態でも、測定手順としては、上
記図9、図10の手順と同様に行うことができる。但
し、この形態では、焦点スキャンの測定系と三角測量測
定装置90とは、測定対象6に対して異なる位置に配置
されているので、両者は異なる座標系を基準として測定
を行う。すなわち、図14に示すように、焦点スキャン
の測定系は座標系(X,Y,Z)を基準として測定を行う
のに対して、三角測量測定装置90は座標系(Xp,Y
p,Zp)を基準として測定を行う。従って、図9のス
テップ#210の動作を行う前に、座標変換を行う必要
がある。この座標変換は、CPU63(図2)によって
行われる。
In the embodiment shown in FIG. 14, the measurement procedure can be performed in the same manner as the procedure shown in FIGS. However, in this embodiment, since the measurement system for the focus scan and the triangulation measurement device 90 are arranged at different positions with respect to the measurement target 6, they perform measurement with reference to different coordinate systems. That is, as shown in FIG. 14, the measurement system of the focus scan performs the measurement based on the coordinate system (X, Y, Z), whereas the triangulation measuring device 90 uses the coordinate system (Xp, Y).
(p, Zp) is measured. Therefore, it is necessary to perform coordinate conversion before performing the operation of step # 210 in FIG. This coordinate conversion is performed by the CPU 63 (FIG. 2).

【0153】座標系(Xp,Yp,Zp)で表わされる点
Vpが座標系(X,Y,Z)で点Vと表わされるとき、点
Vpと点Vとの間には、 V=T・Vp …(A) の座標変換の関係が成立する。
When a point Vp represented in the coordinate system (Xp, Yp, Zp) is represented as a point V in the coordinate system (X, Y, Z), there is a relation V = T · The relationship of the coordinate transformation of Vp (A) is established.

【0154】ここで、Vp,Vは、それぞれ、Here, Vp and V are respectively

【0155】[0155]

【数1】 (Equation 1)

【0156】[0156]

【数2】 (Equation 2)

【0157】と、4×1のベクトルで表わされる。And a 4 × 1 vector.

【0158】そして、座標変換行列Tは、各座標系間の
傾斜を表わす回転行列Rと、原点の変位量を表わす並進
行列Hとを用いて、
The coordinate transformation matrix T is obtained by using a rotation matrix R representing the inclination between the coordinate systems and a translation row H representing the displacement of the origin.

【0159】[0159]

【数3】 (Equation 3)

【0160】と表わされる。ここで、Rは3×3行列、
Hは4×1ベクトルであり、Tは4×4行列になる。
Are represented as follows. Where R is a 3 × 3 matrix,
H is a 4 × 1 vector and T is a 4 × 4 matrix.

【0161】なお、上記数1、数2において、点Vp,
Vの実際の座標を表わすのは最初の3要素であり、1は
並進値を加算するために必要な要素である。
In the above equations (1) and (2), the points Vp,
The first three elements represent the actual coordinates of V, and 1 is the element needed to add the translation value.

【0162】図9のステップ#200までの動作によ
り、三角測量測定装置90により測定が行われた後、測
定された各点の座標は、座標変換行列Tを用いて上記式
(A)に従って焦点スキャンの座標系に変換される。そし
て、図9のステップ#210において、座標変換された
各点のZ座標に対して正負方向に焦点スキャンの走査範
囲が設定される。例えば、走査幅が1mmで座標変換され
たZ座標が100mmのときは、走査範囲は99.5〜100.5mmと
なる。そして、以下は上記実施形態と同様に、図10の
手順に従って測定が行われる。
After the measurement up to the step # 200 in FIG. 9 is performed by the triangulation measuring device 90, the coordinates of each measured point are calculated using the coordinate transformation matrix T in the above equation.
It is converted into a focal scan coordinate system according to (A). Then, in step # 210 of FIG. 9, the scanning range of the focal point scanning is set in the positive and negative directions with respect to the Z coordinate of each coordinate-converted point. For example, when the scanning width is 1 mm and the Z coordinate converted is 100 mm, the scanning range is 99.5 to 100.5 mm. Then, similarly to the above embodiment, the measurement is performed according to the procedure of FIG.

【0163】(6)上記実施形態では、2つの帯状光束
25a,25bとしているが、これに限られず、互いに
交差する2本の細い光束を用いて、その交差する点を例
えば図1のY軸方向に振らせるようにしてもよい。ま
た、この場合には、3本以上の細い光束を用いるように
してもよい。
(6) In the above embodiment, the two band-shaped light beams 25a and 25b are used. However, the present invention is not limited to this. You may make it shake in a direction. In this case, three or more thin light beams may be used.

【0164】[0164]

【発明の効果】以上説明したように、請求項1の発明に
よれば、照明手段によって、互いに異なる方向から照射
され、所定の位置で交差する2つの光束により測定対象
を照明ぢ、照明された測定対象からの測定光を対物光学
系によって取り込み、取り込まれた測定光を、複数の光
電変換素子によって受光して、受光強度に応じた電気信
号を出力するようにしたので、照明手段と対物光学系と
が分離し、2つの光束は対物光学系を1回だけ通過する
ので、対物光学系の収差による影響を低減することがで
きる。
As described above, according to the first aspect of the present invention, the object to be measured is illuminated by the illuminating means from two directions different from each other and illuminated by two light beams intersecting at a predetermined position. The measurement light from the object to be measured is captured by an objective optical system, and the captured measurement light is received by a plurality of photoelectric conversion elements and an electric signal corresponding to the received light intensity is output. The system is separated, and the two light beams pass through the objective optical system only once, so that the influence of the aberration of the objective optical system can be reduced.

【0165】また、請求項2の発明によれば、測定対象
を照明する2つの光束は、それぞれ、コリメートされた
光束であることにより、受光手段により受光される測定
光の受光強度が安定したものとなり、計測精度を向上す
ることができる。
According to the second aspect of the present invention, the two light beams illuminating the object to be measured are each a collimated light beam, so that the intensity of the measurement light received by the light receiving means is stabilized. And the measurement accuracy can be improved.

【0166】また、請求項3の発明によれば、測定対象
を照明する2つの光束は、それぞれ、互いに交差する上
記所定の位置の近傍で集束する光束であることにより、
所定の位置の近傍で測定対象を照射すると、受光手段に
より受光される測定光の受光強度が高いものとなり、計
測精度を向上することができる。
According to the third aspect of the present invention, the two luminous fluxes for illuminating the object to be measured are luminous fluxes which are focused in the vicinity of the predetermined position crossing each other.
When the measurement target is irradiated near the predetermined position, the intensity of the measurement light received by the light receiving unit becomes high, and the measurement accuracy can be improved.

【0167】また、請求項4の発明によれば、受光手段
は、複数の光電変換素子が二次元的に並んで配置されて
なるものであるので、測定対象を照明する2つの光束が
広がりを持つ場合には、複数の光電変換素子が受光する
こととなり、測定対象の形状計測に要する時間を短縮す
ることができる。
According to the fourth aspect of the present invention, since the light receiving means comprises a plurality of photoelectric conversion elements arranged two-dimensionally, two light beams illuminating the object to be measured spread. If it has, the plurality of photoelectric conversion elements receive light, and the time required for shape measurement of the measurement target can be reduced.

【0168】また、請求項5の発明によれば、2つの光
束のうちの少なくとも一方の光束により測定対象を照射
したときの当該光束の対物光学系の光軸に対する照射角
度と、受光手段のうちの測定光を受光した光電変換素子
の位置とに基づいて、対物光学系の光軸方向における測
定対象の表面の位置を判定することにより、三角測量法
にしたがって測定対象の形状を容易に計測することがで
きる。
Further, according to the invention of claim 5, when the object to be measured is irradiated with at least one of the two light beams, the irradiation angle of the light beam with respect to the optical axis of the objective optical system, and the light receiving means The position of the surface of the measurement target in the optical axis direction of the objective optical system is determined based on the position of the photoelectric conversion element that has received the measurement light, and the shape of the measurement target is easily measured according to the triangulation method. be able to.

【0169】また、請求項6の発明によれば、2つの光
束が交差する交差部の位置を所定方向に移動させるよう
にしているので、測定対象の重量が大きいなどによって
測定対象の高速移動が困難な場合であっても、2つの光
束による測定対象の表面のカバーが素速く行われること
となり、測定対象の形状計測を好適に行うことができ
る。
According to the sixth aspect of the present invention, the position of the intersection where two light beams intersect is moved in a predetermined direction. Even in a difficult case, the surface of the object to be measured is quickly covered with the two light beams, and the shape of the object to be measured can be suitably measured.

【0170】また、請求項7の発明によれば、測定対象
を所定方向に移動させるようにしているので、2つの光
束による測定対象の表面のカバーが容易に行われること
となり、測定対象の形状計測を好適に行うことができ
る。
According to the seventh aspect of the present invention, since the object to be measured is moved in a predetermined direction, the surface of the object to be measured can be easily covered by two light beams, and the shape of the object to be measured can be improved. Measurement can be suitably performed.

【0171】また、請求項8の発明によれば、測定対象
を照明する2つの光束は、それぞれ、互いに線状に交差
する帯状の光束であることにより、測定対象からの帯状
の測定光を受光手段により二次元的に受光することによ
って、測定対象の形状計測に要する時間を短縮すること
ができる。
According to the eighth aspect of the present invention, the two luminous fluxes illuminating the object to be measured are each a band-shaped light beam intersecting linearly with each other, thereby receiving the band-shaped measurement light from the object to be measured. By receiving light two-dimensionally by the means, the time required for measuring the shape of the measurement object can be reduced.

【0172】また、請求項9の発明によれば、2つの光
束の交差部の位置と対物光学系の焦点とが一致するよう
に構成されていることにより、この一致した位置にさら
に測定対象の表面が一致すると、対物光学系に取り込ま
れる測定光のレベルが最大になり、測定対象の表面位置
の判別を容易に行うことができる。
Further, according to the ninth aspect of the present invention, since the position of the intersection of the two light beams and the focal point of the objective optical system are configured to coincide with each other, the object to be measured is further located at the coincident position. When the surfaces match, the level of the measurement light taken into the objective optical system becomes maximum, and the surface position of the measurement target can be easily determined.

【0173】また、請求項10の発明によれば、対物光
学系の開口角を、対物光学系の光軸に対する2つの光束
の照射角度より小さくなるように構成することにより、
対物光学系には、測定対象からの正反射光が殆ど入射せ
ず、散乱光のみが入射することとなり、これによって受
光手段への入射光の光強度の変化幅を狭くすることがで
き、受光手段から受光強度に応じた電気信号を好適に出
力することができる。
According to the tenth aspect of the present invention, the aperture angle of the objective optical system is configured to be smaller than the irradiation angle of the two light beams with respect to the optical axis of the objective optical system.
The specularly reflected light from the object to be measured hardly enters the objective optical system, and only the scattered light enters, thereby making it possible to narrow the variation width of the light intensity of the light incident on the light receiving means. An electric signal corresponding to the received light intensity can be suitably output from the means.

【0174】また、請求項11の発明によれば、受光手
段は、対物光学系に関して対物光学系の焦点と共役な位
置に配置された一列の光電変換素子を含んでいるので、
この共役な位置に配置された一列の光電変換素子から出
力される電気信号のレベルを用いると、2つの光束の交
差部の位置と対物光学系の焦点とが一致した位置に、さ
らに測定対象の表面が一致したときには、光電変換素子
から出力される電気信号のレベルが最大になり、測定対
象の表面位置の判別を高精度で容易に行うことができ
る。
According to the eleventh aspect, the light receiving means includes a row of photoelectric conversion elements arranged at a position conjugate with the focal point of the objective optical system with respect to the objective optical system.
Using the level of the electric signal output from the one row of photoelectric conversion elements arranged at the conjugate position, the position of the intersection of the two light fluxes and the position of the focal point of the objective optical system coincide with each other, and When the surfaces coincide with each other, the level of the electric signal output from the photoelectric conversion element becomes maximum, and the surface position of the measurement target can be easily determined with high accuracy.

【0175】また、請求項12の発明によれば、対物光
学系の焦点を光軸方向に移動させ、複数の光電変換素子
から出力される電気信号が最大のときの焦点の位置を測
定対象の表面位置と判定するようにしているので、2つ
の光束の交差部の位置と対物光学系の焦点とが一致する
ように構成されていることから、対物光学系の焦点と測
定対象の表面が一致すると、対物光学系に取り込まれる
測定光のレベルが最大になり、これによって、測定対象
の三次元形状の測定を容易に、かつ高精度で行うことが
できる。
According to the twelfth aspect of the present invention, the focal point of the objective optical system is moved in the optical axis direction, and the position of the focal point when the electric signals output from the plurality of photoelectric conversion elements are maximum is measured. Since the position is determined as the surface position, the position of the intersection of the two light beams and the focal point of the objective optical system are configured to match, so that the focal point of the objective optical system and the surface of the measurement target match. Then, the level of the measurement light taken into the objective optical system is maximized, so that the three-dimensional shape of the measurement target can be measured easily and with high accuracy.

【0176】また、請求項13の発明によれば、測定対
象を光軸方向に移動させ、複数の光電変換素子から出力
される電気信号が最大のときの測定対象の移動量に基づ
き測定対象の表面位置を判定するようにしているので、
2つの光束の交差部の位置と対物光学系の焦点とが一致
するように構成されていることから、対物光学系の焦点
と測定対象の表面が一致すると、対物光学系に取り込ま
れる測定光のレベルが最大になり、これによって、測定
対象の三次元形状の測定を容易に、かつ高精度で行うこ
とができる。
According to the thirteenth aspect of the present invention, the measuring object is moved in the optical axis direction, and the measuring object is moved based on the moving amount of the measuring object when the electric signals output from the plurality of photoelectric conversion elements are maximum. Since the surface position is determined,
Since the configuration is such that the position of the intersection of the two light beams and the focal point of the objective optical system match, when the focal point of the objective optical system and the surface of the measurement object match, the measurement light taken into the objective optical system The level is maximized, so that the three-dimensional shape of the measurement object can be measured easily and with high accuracy.

【0177】また、請求項14の発明によれば、測定対
象を照明する2つの光束はそれぞれ帯状の光束で、互い
に、対物光学系の光軸に直交する方向に線状に交差する
ものであることにより、2つの光束の交差部の位置と対
物光学系の焦点とが一致した位置に、さらに測定対象の
表面が一致すると、測定対象からの帯状の測定光が受光
手段により線状に受光されることによって、複数点の計
測が同時になされるので、測定対象の形状計測に要する
時間を短縮することができる。
According to the fourteenth aspect of the present invention, the two luminous fluxes illuminating the object to be measured are strip-shaped luminous fluxes, and linearly cross each other in a direction orthogonal to the optical axis of the objective optical system. Thus, when the position of the intersection of the two light beams and the position of the focal point of the objective optical system coincide with each other and the surface of the measurement object coincides, the band-like measurement light from the measurement object is linearly received by the light receiving means. By doing so, measurement at a plurality of points is performed simultaneously, so that the time required for measuring the shape of the measurement target can be reduced.

【0178】また、請求項15の発明によれば、2つの
帯状の光束の交差部が形成する交差線及び対物光学系の
光軸の双方に直交する方向に測定対象を移動させること
により、測定対象の広い表面の位置の判別を効率良く行
うことができ、測定対象の三次元形状を好適に計測する
ことができる。
According to the fifteenth aspect of the present invention, the measurement object is moved in a direction perpendicular to both the intersection line formed by the intersection of the two band-shaped light beams and the optical axis of the objective optical system. It is possible to efficiently determine the position of the wide surface of the object, and it is possible to suitably measure the three-dimensional shape of the measurement object.

【0179】また、請求項16の発明によれば、2つの
光束のうちの少なくとも一方の光束により測定対象を照
射したときの当該光束の対物光学系の光軸に対する照射
角度と、受光手段のうちの測定光を受光した光電変換素
子の位置とに基づいて、位置判定手段により対物光学系
の光軸方向における測定対象の表面の位置を判定し、そ
の判定結果に基づいて、相対移動手段による対物光学系
の焦点の相対移動範囲を設定し、この設定された相対移
動範囲のみ上記焦点が測定対象に対して相対的に移動す
るようにしたので、相対移動範囲のみ高精度な形状計測
を行うことができ、高精度な形状計測を行いながら、計
測時間を短縮することができる。
According to the sixteenth aspect of the present invention, when the object to be measured is irradiated with at least one of the two light beams, the irradiation angle of the light beam with respect to the optical axis of the objective optical system and the light receiving means The position of the surface of the object to be measured in the direction of the optical axis of the objective optical system is determined by the position determining means based on the position of the photoelectric conversion element that has received the measuring light, and the objective by the relative moving means is determined based on the determination result. Since the relative movement range of the focus of the optical system is set, and the focus moves relative to the measurement target only in the set relative movement range, high-precision shape measurement is performed only in the relative movement range. The measurement time can be shortened while performing highly accurate shape measurement.

【0180】また、請求項17の発明によれば、第1測
定手段により測定対象の表面位置に関する第1位置デー
タを求め、求められた第1位置データに基づき測定領域
決定手段により測定領域を決定し、決定された測定領域
内で第2測定手段により第2位置データを求めるように
しているので、測定対象の三次元形状の効率良い測定を
図ることができる。
According to the seventeenth aspect of the present invention, first position data relating to the surface position of the object to be measured is obtained by the first measurement means, and the measurement area is determined by the measurement area determination means based on the obtained first position data. Since the second position data is obtained by the second measuring means in the determined measurement area, it is possible to efficiently measure the three-dimensional shape of the measurement target.

【0181】また、請求項18の発明によれば、第1測
定手段により測定される第1位置データの測定精度は、
第2測定手段により測定される第2位置データの測定精
度より低いので、第1位置データにより測定領域が粗く
決定され、その測定領域内で第2位置データが精度良く
求められることから、高精度の計測を行いながら、計測
に要する時間を短縮することができる。
According to the eighteenth aspect, the measurement accuracy of the first position data measured by the first measuring means is:
Since the measurement accuracy of the second position data measured by the second measurement means is lower, the measurement region is roughly determined by the first position data, and the second position data is obtained with high accuracy within the measurement region. , The time required for measurement can be reduced.

【0182】また、請求項19の発明によれば、第1測
定手段と第2測定手段とで対物レンズを共用しているの
で、部品点数の削減および装置の小型化を図ることがで
きる。
According to the nineteenth aspect of the present invention, the objective lens is shared by the first measuring means and the second measuring means, so that the number of parts can be reduced and the size of the apparatus can be reduced.

【0183】また、請求項20の発明によれば、第1測
定手段は、三角測量法により測定対象の表面位置を測定
するもので、第2測定手段は、対物レンズの焦点を測定
対象に対して当該対物レンズの光軸方向に相対的に移動
させることにより測定対象の表面位置を測定するもので
あるので、三角測量法により第1位置データを粗く求
め、第1位置データに基づき決定された測定領域内で対
物レンズの焦点の相対移動を行って第2位置データを高
精度で求めることから、第2位置データの測定時間の増
大を抑制することができる。
According to the twentieth aspect, the first measuring means measures the surface position of the object to be measured by triangulation, and the second measuring means sets the focus of the objective lens on the object to be measured. Since the surface position of the object to be measured is measured by relatively moving the objective lens in the optical axis direction, the first position data is roughly obtained by triangulation and determined based on the first position data. Since the relative position of the focal point of the objective lens is moved within the measurement area to obtain the second position data with high accuracy, it is possible to suppress an increase in the measurement time of the second position data.

【0184】また、請求項21の発明によれば、第1測
定手段および第2測定手段は、それぞれ互いに異なる座
標系に基づいて測定対象の表面位置を測定するもので、
第1測定手段により測定された第1位置データを上記第
2測定手段の座標系に基づくデータに変換し、第2測定
手段の座標系に基づくデータに変換された第1位置デー
タに基づき測定領域を決定するようにしているので、第
1、第2測定手段の測定対象に対する配置位置の設定が
自由になり、計測装置の設計の自由度を増すことができ
る。
According to the twenty-first aspect, the first measuring means and the second measuring means measure the surface position of the object to be measured based on mutually different coordinate systems.
The first position data measured by the first measurement means is converted into data based on the coordinate system of the second measurement means, and the measurement area is determined based on the first position data converted into data based on the coordinate system of the second measurement means. Is determined, the setting of the arrangement position of the first and second measuring means with respect to the measurement object becomes free, and the degree of freedom in designing the measuring device can be increased.

【0185】また、請求項22の発明によれば、測定対
象の表面位置に関する位置データを第1の精度で測定
し、測定された位置データに基づき測定領域を決定し、
この決定された測定領域内において上記位置データを上
記第1の精度より高い第2の精度で測定し、この第2の
精度で測定された位置データを用いて上記測定対象の三
次元形状を求めるようにしているので、第1の精度より
高い第2の精度での測定は、測定領域内においてのみ行
われることになり、高精度の計測を行いながら、計測に
要する時間の短縮を図ることができる。
According to the twenty-second aspect of the present invention, the position data relating to the surface position of the object to be measured is measured with the first accuracy, and the measurement area is determined based on the measured position data.
In the determined measurement area, the position data is measured with a second accuracy higher than the first accuracy, and the three-dimensional shape of the measurement object is obtained using the position data measured with the second accuracy. As a result, the measurement with the second accuracy higher than the first accuracy is performed only in the measurement area, and the time required for the measurement can be reduced while performing the high accuracy measurement. it can.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に係る三次元形状計測装置の一実施形態
のカメラ部の内部構成を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing an internal configuration of a camera unit of an embodiment of a three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention.

【図2】三次元形状計測装置の電気的構成を示すブロッ
ク図である。
FIG. 2 is a block diagram illustrating an electrical configuration of the three-dimensional shape measuring apparatus.

【図3】プリスキャンを説明するための2つの帯状光束
および測定対象を示す斜視図である。
FIG. 3 is a perspective view showing two belt-like light beams and a measurement target for explaining pre-scanning.

【図4】受光手段における2次元受光画像を示す図であ
る。
FIG. 4 is a diagram showing a two-dimensional light receiving image in a light receiving unit.

【図5】(a)はμmオーダーの厚さにコリメートされ
た2つの帯状光束がガルバノミラーにより2方向から投
射されて交差部において交差した状態を示し、(b)は
結像により光強度が最大の位置を形成する光束を示す図
である。
FIG. 5A shows a state in which two belt-like light beams collimated to a thickness of the order of μm are projected from two directions by a galvanometer mirror and intersect at an intersection, and FIG. It is a figure showing a light beam which forms the maximum position.

【図6】交差部の近傍における光強度分布のシミュレー
ション結果を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing a simulation result of a light intensity distribution near an intersection.

【図7】交差部の位置を測定対象の表面から光軸L1方
向(Z軸方向)に−90μmから90μmに亘って走査させ
たときに観測される光束の幅方向に対する光強度分布の
変化をシミュレーションした結果を示す図である。
FIG. 7 shows a change in the light intensity distribution in the width direction of the light beam observed when the position of the intersection is scanned from the surface of the measurement target in the direction of the optical axis L1 (Z-axis direction) from −90 μm to 90 μm. It is a figure showing the result of simulation.

【図8】図7と同一条件で、光電変換素子として10μm
幅のCCD画素を用いたときに観測される測定対象の表
面からのデフォーカス量に対する光強度信号の変化をシ
ミュレーションした結果を示す図である。
FIG. 8 shows the same conditions as in FIG.
FIG. 11 is a diagram illustrating a result of simulating a change in a light intensity signal with respect to a defocus amount from a surface of a measurement target observed when a CCD pixel having a width is used.

【図9】計測動作の手順を示すフローチャートである。FIG. 9 is a flowchart illustrating a procedure of a measurement operation.

【図10】計測動作の手順を示すフローチャートであ
る。
FIG. 10 is a flowchart illustrating a procedure of a measurement operation.

【図11】本発明に係る三次元形状計測装置の一実施形
態の外観を示す斜視図である。
FIG. 11 is a perspective view showing an external appearance of an embodiment of a three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention.

【図12】カメラ部の変形形態を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing a modification of the camera unit.

【図13】カメラ部の別の変形形態を示す図である。FIG. 13 is a view showing another modification of the camera unit.

【図14】カメラ部の別の変形形態を示す図である。FIG. 14 is a view showing another modification of the camera unit.

【図15】従来の共焦点光学系を示す構成図である。FIG. 15 is a configuration diagram showing a conventional confocal optical system.

【図16】点光源からの光がある波面収差を持つ光学系
を通過したときの光強度分布を示す図である。
FIG. 16 is a diagram showing a light intensity distribution when light from a point light source passes through an optical system having a certain wavefront aberration.

【図17】点光源からの光がある波面収差を持つ光学系
を通過し、その正反射光が同光学系を再度通過したとき
の光強度分布を示す図である。
FIG. 17 is a diagram showing a light intensity distribution when light from a point light source passes through an optical system having a certain wavefront aberration and specularly reflected light passes through the optical system again.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 試料台 20 照明手段 27a,27b ガルバノミラー 30 対物光学系 31 対物レンズ群 40 受光手段 41 光電変換素子 42 受光手段 43 受光手段(第2測定手段) 53 試料台駆動部 54 ミラー駆動部 55 ズーム駆動部 63 CPU(第1測定制御手段、第2測定制御手段、
座標変換手段) 77 信号レベル検出手段 78 位置判定手段 79 焦点判定手段 80 範囲設定手段(測定領域決定手段) 90 三角測量測定装置(第1測定手段)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Sample stand 20 Illumination means 27a, 27b Galvano mirror 30 Objective optical system 31 Objective lens group 40 Light receiving means 41 Photoelectric conversion element 42 Light receiving means 43 Light receiving means (second measuring means) 53 Sample table driving part 54 Mirror driving part 55 Zoom drive Unit 63 CPU (first measurement control means, second measurement control means,
Coordinate conversion means) 77 signal level detection means 78 position determination means 79 focus determination means 80 range setting means (measurement area determination means) 90 triangulation measurement device (first measurement means)

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2F065 AA04 AA53 BB05 DD06 DD11 DD15 EE08 FF41 FF67 GG04 HH05 HH12 HH14 HH18 JJ02 JJ03 JJ05 JJ19 JJ25 JJ26 LL00 LL06 LL13 LL59 LL62 MM16 MM21 NN02 PP12 QQ00 QQ03 QQ29  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F-term (reference) 2F065 AA04 AA53 BB05 DD06 DD11 DD15 EE08 FF41 FF67 GG04 HH05 HH12 HH14 HH18 JJ02 JJ03 JJ05 JJ19 JJ25 JJ26 LL00 LL06 LL13 LL59 LL62 MM16 Q21Q

Claims (22)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 互いに異なる方向から照射され、所定の
位置で交差する2つの光束により測定対象を照明する照
明手段と、 上記照明手段により照明された上記測定対象からの測定
光を取り込む対物光学系と、 複数の光電変換素子が配置されてなる受光手段と、を備
え、 上記複数の光電変換素子は、それぞれ、上記対物光学系
により取り込まれた上記測定光を受光して受光強度に応
じた電気信号を出力するものであることを特徴とする三
次元形状計測装置。
An illumination means for illuminating a measurement target with two light beams which are irradiated from different directions and intersect at a predetermined position, and an objective optical system for taking in measurement light from the measurement target illuminated by the illumination means And a light receiving means in which a plurality of photoelectric conversion elements are arranged. Each of the plurality of photoelectric conversion elements receives the measurement light captured by the objective optical system, A three-dimensional shape measuring device for outputting a signal.
【請求項2】 請求項1記載の三次元形状計測装置にお
いて、上記2つの光束は、それぞれ、コリメートされた
光束であることを特徴とする三次元形状計測装置。
2. The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 1, wherein each of the two light beams is a collimated light beam.
【請求項3】 請求項1記載の三次元形状計測装置にお
いて、上記2つの光束は、それぞれ、互いに交差する上
記所定の位置の近傍で集束する光束であることを特徴と
する三次元形状計測装置。
3. The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 1, wherein each of the two light beams is a light beam converging in the vicinity of the predetermined position crossing each other. .
【請求項4】 請求項1記載の三次元形状計測装置にお
いて、上記受光手段は、複数の光電変換素子が二次元的
に並んで配置されてなるものであることを特徴とする三
次元形状計測装置。
4. A three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 1, wherein said light receiving means comprises a plurality of photoelectric conversion elements arranged two-dimensionally. apparatus.
【請求項5】 請求項4記載の三次元形状計測装置にお
いて、上記2つの光束のうちの少なくとも一方の光束に
より上記測定対象を照射したときの当該光束の上記対物
光学系の光軸に対する照射角度と、上記受光手段のうち
の上記測定光を受光した光電変換素子の位置とに基づい
て、上記光軸方向における上記測定対象の表面の位置を
判定する位置判定手段を備えたことを特徴とする三次元
形状計測装置。
5. The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 4, wherein an irradiation angle of the light beam with respect to an optical axis of the objective optical system when the object to be measured is irradiated with at least one of the two light beams. And a position determining unit that determines a position of the surface of the measurement target in the optical axis direction based on a position of the photoelectric conversion element that has received the measurement light in the light receiving unit. 3D shape measuring device.
【請求項6】 請求項5記載の三次元形状計測装置にお
いて、上記2つの光束が交差する交差部の位置を所定方
向に移動させる交差部移動手段を備えたことを特徴とす
る三次元形状計測装置。
6. The three-dimensional shape measurement apparatus according to claim 5, further comprising an intersection moving means for moving a position of the intersection where the two light beams intersect in a predetermined direction. apparatus.
【請求項7】 請求項5記載の三次元形状計測装置にお
いて、上記測定対象を所定方向に移動させる試料移動手
段を備えたことを特徴とする三次元形状計測装置。
7. The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 5, further comprising a sample moving means for moving the object to be measured in a predetermined direction.
【請求項8】 請求項1記載の三次元形状計測装置にお
いて、上記2つの光束は、それぞれ、互いに線状に交差
する帯状の光束であることを特徴とする三次元形状計測
装置。
8. The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 1, wherein each of the two light beams is a band-like light beam that linearly intersects with each other.
【請求項9】 請求項1記載の三次元形状計測装置にお
いて、上記2つの光束の交差部の位置と上記対物光学系
の焦点とが一致するように構成されていることを特徴と
する三次元形状計測装置。
9. The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 1, wherein a position of an intersection of the two light beams and a focal point of the objective optical system coincide with each other. Shape measuring device.
【請求項10】 請求項9記載の三次元形状計測装置に
おいて、上記対物光学系の開口角は、上記対物光学系の
光軸に対する上記2つの光束の照射角度より小さくなる
ように構成されていることを特徴とする三次元形状計測
装置。
10. The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 9, wherein an aperture angle of said objective optical system is smaller than an irradiation angle of said two light beams with respect to an optical axis of said objective optical system. A three-dimensional shape measuring device, characterized in that:
【請求項11】 請求項10記載の三次元形状計測装置
において、上記受光手段は、上記対物光学系に関して上
記対物光学系の焦点と共役な位置に配置された一列の光
電変換素子を含んでいることを特徴とする三次元形状計
測装置。
11. A three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 10, wherein said light receiving means includes a row of photoelectric conversion elements arranged at a position conjugate with a focal point of said objective optical system with respect to said objective optical system. A three-dimensional shape measuring device, characterized in that:
【請求項12】 請求項11記載の三次元形状計測装置
において、上記対物光学系の焦点を上記光軸方向に移動
させる焦点移動手段と、 上記複数の光電変換素子から出力される電気信号が最大
のときの上記焦点の位置を上記測定対象の表面位置と判
定する位置判定手段と、を備えたことを特徴とする三次
元形状計測装置。
12. A three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 11, wherein a focal point moving means for moving a focal point of said objective optical system in said optical axis direction, and wherein electric signals output from said plurality of photoelectric conversion elements are maximum. A position judging means for judging the position of the focal point at the time of (1) as the surface position of the object to be measured.
【請求項13】 請求項11記載の三次元形状計測装置
において、 上記測定対象を上記光軸方向に移動させる試料移動手段
と、 上記複数の光電変換素子から出力される電気信号が最大
のときの上記測定対象の移動量に基づき上記測定対象の
表面位置を判定する位置判定手段と、を備えたことを特
徴とする三次元形状計測装置。
13. The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 11, wherein the sample moving means for moving the object to be measured in the optical axis direction, and wherein the electric signals output from the plurality of photoelectric conversion elements are maximum. A three-dimensional shape measuring apparatus, comprising: position determining means for determining a surface position of the measurement target based on a movement amount of the measurement target.
【請求項14】 請求項9記載の三次元形状計測装置に
おいて、上記2つの光束はそれぞれ帯状の光束で、互い
に、上記対物光学系の光軸に直交する方向に線状に交差
するものであることを特徴とする三次元形状計測装置。
14. The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 9, wherein each of the two light beams is a band-like light beam and linearly intersects each other in a direction orthogonal to an optical axis of the objective optical system. A three-dimensional shape measuring device, characterized in that:
【請求項15】 請求項14記載の三次元形状計測装置
において、上記2つの帯状の光束の交差部が形成する交
差線及び上記対物光学系の光軸の双方に直交する方向
に、上記測定対象を移動させる試料移動手段を備えたこ
とを特徴とする三次元形状計測装置。
15. The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 14, wherein the object to be measured is in a direction orthogonal to both an intersection line formed by an intersection of the two band-shaped light beams and an optical axis of the objective optical system. A three-dimensional shape measuring apparatus comprising a sample moving means for moving the object.
【請求項16】 請求項1記載の三次元形状計測装置に
おいて、 上記2つの光束のうちの少なくとも一方の光束により上
記測定対象を照射したときの当該光束の上記対物光学系
の光軸に対する照射角度と、上記受光手段のうちの上記
測定光を受光した光電変換素子の位置とに基づいて、上
記光軸方向における上記測定対象の表面の位置を判定す
る位置判定手段と、 上記対物光学系の焦点を上記測定対象に対して上記対物
光学系の光軸方向に相対的に移動させる相対移動手段
と、 上記位置判定手段による判定結果に基づいて上記相対移
動手段による上記対物光学系の焦点の相対移動範囲を設
定する範囲設定手段と、を備え、 上記相対移動手段は、設定された上記相対移動範囲のみ
上記対物光学系の焦点を上記測定対象に対して相対的に
移動させるものであることを特徴とする三次元形状計測
装置。
16. The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 1, wherein an irradiation angle of the light beam with respect to an optical axis of the objective optical system when the measurement object is irradiated with at least one of the two light beams. And position determination means for determining the position of the surface of the measurement object in the optical axis direction based on the position of the photoelectric conversion element that has received the measurement light of the light receiving means, and the focal point of the objective optical system Relative moving means for relatively moving the objective optical system with respect to the measurement object in the optical axis direction of the objective optical system; and relative movement of the focal point of the objective optical system by the relative moving means based on the determination result by the position determining means. Range setting means for setting a range, wherein the relative movement means moves the focal point of the objective optical system relative to the measurement target only in the set relative movement range. Three-dimensional shape measuring apparatus, characterized in that the shall.
【請求項17】 測定対象の表面位置に関する第1位置
データを測定する第1測定手段と、 上記測定対象の表面位置に関する第2位置データを測定
する第2測定手段と、 上記第1測定手段で得られた上記第1位置データに基づ
き測定領域を決定する測定領域決定手段と、 上記第1測定手段を用いて上記第1位置データを求めた
後、上記測定領域決定手段により決定された測定領域内
で上記第2測定手段を用いて上記第2位置データを求め
る測定制御手段と、を備えたことを特徴とする三次元形
状計測装置。
17. A first measuring means for measuring first position data relating to a surface position of a measuring object, a second measuring means for measuring second position data relating to a surface position of the measuring object, and the first measuring means. Measuring area determining means for determining a measuring area based on the obtained first position data; measuring area determined by the measuring area determining means after obtaining the first position data using the first measuring means And a measurement control means for obtaining the second position data using the second measurement means within the three-dimensional shape measurement apparatus.
【請求項18】 請求項17記載の三次元形状計測装置
において、上記第1測定手段により測定される第1位置
データの測定精度は、上記第2測定手段により測定され
る第2位置データの測定精度より低いことを特徴とする
三次元形状計測装置。
18. The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 17, wherein the measurement accuracy of the first position data measured by the first measuring means is the measurement accuracy of the second position data measured by the second measuring means. A three-dimensional shape measuring device characterized by lower accuracy.
【請求項19】 請求項17記載の三次元形状計測装置
において、上記第1測定手段および第2測定手段は、そ
れぞれ、対物レンズの焦点と測定対象とを当該対物レン
ズの光軸方向に相対的に移動させることにより測定対象
の表面位置を測定するもので、上記対物レンズは、上記
第1測定手段と第2測定手段とで共用されていることを
特徴とする三次元形状計測装置。
19. The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 17, wherein each of the first measuring means and the second measuring means sets a focal point of the objective lens and a measurement target relative to an optical axis direction of the objective lens. A three-dimensional shape measuring apparatus for measuring the surface position of an object to be measured by moving the objective lens, wherein the objective lens is shared by the first measuring means and the second measuring means.
【請求項20】 請求項17記載の三次元形状計測装置
において、上記第1測定手段は、三角測量法により測定
対象の表面位置を測定するもので、上記第2測定手段
は、対物レンズの焦点を測定対象に対して当該対物レン
ズの光軸方向に相対的に移動させることにより測定対象
の表面位置を測定するものであることを特徴とする三次
元形状計測装置。
20. A three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 17, wherein said first measuring means measures a surface position of a measuring object by a triangulation method, and said second measuring means measures a focal point of an objective lens. A surface position of the object to be measured by moving the object relative to the object to be measured in the optical axis direction of the objective lens.
【請求項21】 請求項17記載の三次元形状計測装置
において、座標変換手段をさらに備え、 上記第1測定手段および第2測定手段は、それぞれ互い
に異なる座標系に基づいて上記測定対象の表面位置を測
定するもので、 上記座標変換手段は、上記第1測定手段により測定され
た第1位置データを上記第2測定手段の座標系に変換す
るもので、 上記測定領域決定手段は、上記第2測定手段の座標系に
変換された第1位置データに基づき測定領域を決定する
ものであることを特徴とする三次元形状計測装置。
21. The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 17, further comprising a coordinate conversion unit, wherein the first measurement unit and the second measurement unit are each based on a coordinate system different from each other. Wherein the coordinate conversion means converts the first position data measured by the first measurement means into a coordinate system of the second measurement means, and the measurement area determination means comprises: A three-dimensional shape measuring apparatus for determining a measurement area based on first position data converted into a coordinate system of a measuring means.
【請求項22】 測定対象の表面位置に関する位置デー
タを第1の精度で測定し、測定された位置データに基づ
き測定領域を決定し、この決定された測定領域内におい
て上記位置データを上記第1の精度より高い第2の精度
で測定し、この第2の精度で測定された位置データを用
いて上記測定対象の三次元形状を求めることを特徴とす
る三次元形状計測方法。
22. Position data relating to a surface position of a measurement target is measured with a first accuracy, a measurement region is determined based on the measured position data, and the position data is converted to the first position within the determined measurement region. A three-dimensional shape of the object to be measured, the position being measured with a second accuracy higher than the second accuracy, and using the position data measured with the second accuracy.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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