JP2001066124A - 三次元表面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 移動光学部材を極力少なくして装置の簡素
化、高精度化を図る。 【解決手段】 光源２１から出力される照射光の第１の
光軸にマイクロレンズアレイ２５と第１のピンホールア
レイ２６と偏光ビームスプリッタ２７とを配設し、第１
の光軸と直交する第２の光軸に偏光ビームスプリッタで
反射された光源からの照射光をビームスプリッタへ折り
返す平面ミラー３０と偏光ビームスプリッタを透過しミ
ラーで折り返された照射光を測定対象面３５に照射する
と共に、測定対象面からの反射光を偏光ビームスプリッ
タへ入射させる共焦点レンズ３２，３３とを配設し、さ
らに、第１の光軸に第２のピンホールアレイ３７とこの
ピンホールアレイの各単位貫通孔を透過した各反射光を
受光する受光器４１と、平面ミラーの位置を変化させた
時に、最大光強度が得られる各ミラー位置から、測定対
象面における三次元形状を算出するデータ処理部４３と
を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物体表面の三次元
形状を測定する三次元表面形状測定装置に係わり、特
に、共焦点法を用いた三次元表面形状測定装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】物体表面の例えばμｍオーダの微細な三
次元形状（凹凸）を正確に測定する手法として種々の手
法が提唱されている。

【０００３】これらの手法のうち、共焦点法を採用し、
かつマイクロレンズアレイとピンホールアレイとを用い
た三次元表面形状測定装置が実用化されている。この三
次元表面形状測定装置は図３に示すように構成されてい
る。

【０００４】ハロゲンランプ等からなる光源１から出力
された照射光２はコリメータレンズ３で進行方向が互い
に平行する光に直されて、光軸に対して４５°方向に配
設された偏光ビームスプリッタ４へ入射する。この偏光
ビームスプリッタ４は、入射光のうち偏光方向が基準方
向（０°方向）の光成分を反射し、入射光のうち偏光方
向が基準方向（０°方向）に対して９０°異なる方向の
光成分を透過させる。

【０００５】偏光ビームスプリッタ４へ入射した照射光
２のうち基準方向（０°方向）に対して９０°異なる方
向の光成分からなる直性偏光の照射光２はマイクロレン
ズアレイ５に入射される。

【０００６】マイクロレンズアレイ５は、図４（ａ）に
示すように、マトリックス状に配列された複数の単位レ
ンズ５ａで構成されている。また、このマイクロレンズ
アレイ５に隣接してピンホールアレイ６が設置されてい
る。このピンホールアレイ６は図４（ｂ）に示すよう
に、マトリックス状に配列された複数の貫通孔６ａで構
成されている。そして、マイクロレンズアレイ５の各単
位レンズ５ａの設置位置とピンホールアレイ６の各貫通
孔６ａの穿設位置は１対１で対応している。そして、図
３に示すように、マイクロレンズアレイ５の各単位レン
ズ５ａの焦点位置がピンホールアレイ６の各貫通孔６ａ
に位置するように、マイクロレンズアレイ５とピンホー
ルアレイ６とが位置決めされている。

【０００７】マイクロレンズアレイ５の各単位レンズ５
ａから出力された各照明光２はピンホールアレイ６の各
貫通孔６ａ位置で焦点を結んだ後、距離調整用のレンズ
７へ入射される。距離調整用のレンズ７は入射された各
貫通孔６ａからの各照明光２を進行方向が互いに平行な
照明光２に直して１／４波長板８を介して対物レンズ９
へ入射させる。１／４（λ／４）波長板８は、周知の通
り、入射した直線偏光の光を円偏光とする。なお、この
距離調整用のレンズ７及び対物レンズ９は共焦点レンズ
を構成する。

【０００８】対物レンズ９は、距離調整用のレンズ７を
介して入射された各貫通孔６ａからの各照明光２を測定
対象表面１０の各位置へ照射する。各照明光２は測定対
象表面１０の各照射位置で反射され、各位置からの各反
射光１２として対物レンズ９へ入射する。対物レンズ９
へ入射した各反射光１２は、各照射光２と同じ経路を通
り、距離調整用のレンズ７、ピンホールアレイ６の各貫
通孔６ａを介してマイクロレンズアレイ５の各単位レン
ズ５ａへ逆方向から入射する。各反射光１２はこの各単
位レンズ５ａで進行方向が互いに平行する光に直され
て、偏光ビームスプリッタ４へ逆方向から４５°の角度
で入射する。

【０００９】この偏光ビームスプリッタ４へ入射する反
射光１２は、逆方向の円偏光となり、照射光２のときを
含めて１／４（λ／４）波長板８を再度通過しているの
で、この各反射光１２の偏光方向は９０°回転した基準
方向（０°方向）の直線偏光となっている。その結果、
この各反射光１２はこの偏光ビームスプリッタ４で反射
されて、コンデンサレンズ１１へ入射する。

【００１０】コンデンサレンズ１１は、入射された各反
射光１２をスリット１３を介してコリメータレンズ１４
へ入射させる。コリメータレンズ１４は入射された各反
射光１２をＣＣＤカメラ１５の二次元ＣＣＤ１６上の各
素子上に入射させる。

【００１１】ＣＣＤカメラ１５の二次元ＣＣＤ１６上の
各素子は、測定対象表面１０の各位置に対応してしてい
るので、ＣＣＤカメラ１５の二次元ＣＣＤ１６上の各素
子での受光強度が測定対象表面１０の各位置からの反射
光１２の光強度となる。

【００１２】次に、共焦点法における測定対象面１０ま
での距離測定原理を説明する。ピンホールアレイ６の各
貫通孔６ａから出力された各照明光２は距離調整用のレ
ンズ７と対物レンズ９とからなる共焦点レンズを介して
測定対象表面１０に照射され、その反射光１２が同じピ
ンホールアレイ６の各貫通孔６ａを介して二次元ＣＣＤ
１６上の各素子で受光される。

【００１３】ここで、図５に示すように、光学系と測定
対象表面１０と距離を変化させていった場合に、測定対
象表面１０の光軸方向位置が単位レンズ５ａと共焦点レ
ンズとからなるレンズ系の焦点位置に位置したときに反
射光１２がピンホールアレイ６の同一貫通孔６ａ位置で
結像し、対応するＣＣＤ１６上の素子の検出する光強度
が最大値を示す。

【００１４】したがって、測定対象表面１０又は光学系
を光軸方向に移動させて、各素子の検出光強度が最大値
を示す移動位置を特定すれば、該当移動位置が測定対象
表面１０の光軸方向位置となる。

【００１５】このようにして、各素子における検出光強
度が最大値を示す各移動位置を求めれば、測定対象表面
１０全体の三次元表面形状が得られる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら図３に示
す三次元表面形状測定装置においてもまだ解消すべき次
のような課題があった。

【００１７】すなわち、前述したように各素子における
検出光強度が最大値を示す各移動位置を求めるために
は、測定対象表面１０又は光学系を光軸方向に移動させ
る必要があるが、この測定対象表面１０又はマイクロレ
ンズアレイ５、ピンホールアレイ６、共焦点レンズを含
む光学系全体を光軸方向にμｍオーダの高い制度で移動
させる機構を構築する必要があるので、装置全体が複雑
化する問題がある。

【００１８】特に、マイクロレンズアレイ５、ピンホー
ルアレイ６はマトリックス状に配列された多数の単位レ
ンズや多数の貫通孔から構成されているので、光軸方向
に高い精度で移動させる必要があるのみならず、光軸と
直交する方向の位置も高い精度を維持した状態で光軸方
向に移動させる必要があるので、より高い移動機構が要
求される。

【００１９】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、マイクロレンズアレイから共焦点レンズま
での距離を可変する簡単な光学機構を設けることによ
り、移動対象の光学部材を極力少なくでき、移動機構を
簡素化でき、簡単な構成で測定精度を大幅に向上できる
三次元表面形状測定装置を提供することを目的とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解消するため
に、本発明の三次元表面形状測定装置は、直線偏光され
た照射光を出力する光源と、この光源から出力される照
射光の光軸である第１の光軸に直交する面内に配設さ
れ、マトリックス配列された複数の単位レンズからなる
マイクロレンズアレイと、このマイクロレンズアレイの
各単位レンズの焦点位置にそれぞれ貫通孔が形成された
第１のピンホールアレイと、第１の光軸に４５°傾斜し
て挿入された偏光ビームスプリッタと、第１の光軸と直
交する第２の光軸に設けられ、偏光ビームスプリッタで
反射された光源からの照射光をビームスプリッタへ折り
返す平面ミラーと、この平面ミラーと偏光ビームスプリ
ッタとの間に介挿された第１の１／４波長板と、第２の
光軸に設けられ、ビームスプリッタを透過した平面ミラ
ーで折り返された照射光を測定対象面に照射すると共
に、この測定対象面からの反射光を偏光ビームスプリッ
タへ入射させる共焦点レンズと、測定対象面と偏光ビー
ムスプリッタとの間に介挿された第２の１／４波長板
と、第１の光軸に設けられ、マトリックス配列された複
数の貫通孔が形成された第２のピンホールアレイと、第
１の光軸に設けられ、第２のピンホールアレイの各単位
貫通孔を透過した各反射光を受光するマトリックス配列
された複数の受光素子からなる受光器と、平面ミラーを
第２の光軸方向に移動させるミラー移動部と、このミラ
ー移動部で平面ミラーの位置を変化させた時に、受光器
の各受光素子の最大光強度が得られる各ミラー位置か
ら、測定対象面における三次元形状を算出するデータ処
理部とを備えたものである。

【００２１】このように構成された三次元表面形状測定
装置においては、光源から出力された照射光はマイクロ
レンズアレイ及び第１のピンホールアレイへ入射され
る。ピンホールアレイの各貫通孔で焦点を結んだ各照射
光は、偏光ビームスプリッタで反射されて第２の光軸に
沿って移動可能に設けられた平面ミラーで折り返されて
再度偏光ビームスプリッタへ入射される。この各照射光
は偏光ビームスプリッタを透過して共焦点レンズ系を介
して測定対象面へ照射される。

【００２２】測定対象面からの各反射光は、照射光と同
じ経路を通り偏光ビームスプリッタへ入射される。この
各反射光は偏光ビームスプリッタで反射されて、第２の
ピンホールアレイの各貫通孔へ入射され、この各貫通孔
の後方に位置する受光器の各受光素子へ入射される。

【００２３】このような構成において、平面ミラーの第
２の光軸方向の位置を可変することによって、マイクロ
レンズアレイから共焦点レンズまでの距離、すなわち、
マイクロレンズアレイの単位レンズと共焦点レンズとで
構成されるレンズ系の焦点距離が変化する。したがっ
て、従来装置における光学系全体を光軸方向に移動させ
ることと同一の作用効果が得られる。

【００２４】よって、平面ミラーを移動させたときに受
光器の各受光素子にて最大光強度が得られる各ミラー位
置から測定対象面の各照射光の照射位置における第２の
光軸方向位置、すなわち、測定対象面の三次元形状が得
られる。

【００２５】この場合、移動するのは平面ミラーのみで
あるので、光学系全体を移動させる従来装置に比較し
て、移動機構が大幅に簡素化される。

【００２６】また、別の発明においては、上述した発明
の三次元表面形状測定装置に対して、さらに、第２のピ
ンホールアレイと受光器との間に介挿され、この第２の
ピンホールアレイの各貫通孔を透過した各反射光を受光
器の各受光素子へ導くための複数の単位レンズからなる
第２のマイクロレンズアレイとを備えている。

【００２７】このように構成された三次元表面形状測定
装置においては、第２のマイクロレンズアレイを用いる
ことにより、第２のピンホールアレイと受光器との間の
距離を任意に設定できると共に、受光器を任意の大きさ
に設計できる。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図面
を用いて説明する。図１は実施形態に係る三次元表面形
状測定装置の概略構成図である。また、図２は、この三
次元表面形状測定装置に組込まれた偏光ビームスプリッ
タ２７に対して入出力される照射光２２及び反射光３６
の各偏光方向を示す図である。

【００２９】例えばレーザ光源からなる光源２１から出
力された偏光方向が基準方向（０°）に設定された照射
光２２はコリメータレンズ２４で進行方向が互いに平行
する光に直されて、この照射光２２の光軸である第１の
光軸２３に対して直交する面内に配設された第１のマイ
クロレンズアレイ２５に入射される。

【００３０】この第１のマイクロレンズアレイ２５は、
前述した図４（ａ）に示したマイクロレンズアレイ５と
同様に、マトリックス状に配列された複数の単位レンズ
２５ａで構成されている。また、この第１のマイクロレ
ンズアレイ２５に隣接して第１のピンホールアレイ２６
が設置されている。この第１のピンホールアレイ２６
は、図４（ｂ）に示したピンホールアレイ６と同様に、
マトリックス状に配列された複数の貫通孔２６ａで構成
されている。そして、第１のマイクロレンズアレイ２５
の各単位レンズ２５ａの設置位置と第１のピンホールア
レイ２６の各貫通孔２６ａの穿設位置は１対１で対応し
ている。そして、第１のマイクロレンズアレイ２５の各
単位レンズ２５ａの焦点位置が第１のピンホールアレイ
２６の各貫通孔２６ａに位置するように、第１のマイク
ロレンズアレイ２５と第１のピンホールアレイ２６とが
位置決めされている。

【００３１】第１のマイクロレンズアレイ２５の各単位
レンズ２５ａから出力された各照明光２２は第１のピン
ホールアレイ２６の各貫通孔２６ａ位置で焦点を結んだ
後、第１の光軸２３に対して４５°傾斜して挿入された
偏光ビームスプリッタ２７へ入射される。この偏光ビー
ムスプリッタ２７は図３に示した従来装置の偏光ビーム
スプリッタ４と同一構成を有している。

【００３２】図２に示すように、偏光方向が基準方向
（０°）である照射光２２は、この偏光ビームスプリッ
タ２７で反射されて、第１の光軸２３に直交する第２の
光軸２８方向へ反射される。第２の光軸２８方向へ反射
された照射光２２は第１の１／４（λ／４）波長板２９
を介して、この第２の光軸２８に対して直交する方向に
配設された平面ミラー３０で折返される。

【００３３】平面ミラー３０は第２の光軸２８方向へ移
動自在に設けられた移動機構３１ａに固定されている。
そして、この移動機構３１ａは駆動部３１ｂで光軸２８
方向へ移動制御させられる。よって、移動機構３１ａと
駆動部３１ｂとはミラー移動部３１を構成する。なお、
第２の光軸２８方向にμｍオーダの移動精度を確保する
ために圧電素子を用いる。

【００３４】平面ミラー３０で折返された照射光２２は
再度第１の１／４（λ／４）波長板２９を介して再度偏
光ビームスプリッタ２７へ入射される。この場合、図２
に示すように、照射光２２は偏光方向が９０°方向に回
転されているので、照射光２２は偏光ビームスプリッタ
２７をそのまま透過して、第２の光軸２８上に配設され
た距離調整用のレンズ３２へ入射される。距離調整用の
レンズ３２は入射された各照明光２２を進行方向が互い
に平行な照明光２に直して対物レンズ３３へ入射させ
る。この距離調整用のレンズ３２と対物レンズ３３とは
共焦点レンズを構成する。

【００３５】対物レンズ９は、入射された各各照明光２
２を第２の１／４（λ／４）波長板３４を介して測定対
象表面３５の各位置へ照射する。

【００３６】したがって、前述したミラー移動部３１
は、結果的に、第１のマイクロレンズアレイ２５の各単
位レンズ２５ａと共焦点レンズで構成されるレンズ系の
焦点距離（焦点位置）を変化させる。

【００３７】各照明光２２は測定対象表面３５の各照射
位置で反射され、各位置からの各反射光３６として第２
の１／４（λ／４）波長板３４を介して対物レンズ３３
へ入射する。対物レンズ３３へ入射した各反射光３６
は、各照射光２２と同じ経路を通り、距離調整用のレン
ズ３２を介して、再度偏光ビームスプリッタ２７へ入射
される。

【００３８】この場合、各反射光３６は照射光２２のと
きを含めて第２の１／４（λ／４）波長板３４を２回通
過するので、図２に示すように、各反射光３６の偏光方
向はさらに９０°回転して元の基準方向（０°）とな
る。

【００３９】したがって、偏光ビームスプリッタ２７へ
入射された各反射光３６はこの偏光ビームスプリッタ２
７で第１の光軸２３方向に反射されて、この第１の光軸
２３に直交する面内に設けられた第１のピンホールアレ
イ２６と同一構成の第２のピンホールアレイ３７の各貫
通孔３７ａを介して第２のマイクロレンズアレイ３８の
各単位レンズ３８ａへ入射する。

【００４０】第２のマイクロレンズアレイ３８の各単位
レンズ３８ａから出力された各反射光３６は距離調整用
のレンズ３９へ入射される。距離調整用のレンズ３９は
入射された各反射光３６を進行方向が互いに平行な反射
光３６に直してコンデンサレンズ４０へ入射する。

【００４１】コンデンサレンズ４０は、入射された各反
射光３６を、第１の光軸２３に直交する面内に設けられ
た受光器４１の各受光素子４１ａ上に入射させる。

【００４２】受光器４１の第１の光軸２３に直交する面
内にマトリックス状に配設された各受光素子４１ａは、
測定対象表面３５の各位置に対応しているので、受光器
４１の各受光素子４１ａでの各受光強度が測定対象表面
３５の各位置からの反射光３６の光強度となる。受光器
４１の各受光素子４１ａの各受光強度は入力ＩＦ４２で
デジタル値に変換されて、マイクロコンピユータからな
るデータ処理部４３へ入力される。

【００４３】マイクロコンピユータからなるデータ処理
部４３は、移動機構３１ａと駆動部３１ｂとからなるミ
ラー移動部３１を駆動して、平面ミラー３０を第２の光
軸２８方向へμｍオーダ単位で移動させながら、受光器
４１の各受光素子４１ａの各光強度を測定していく。

【００４４】そして、各受光素子４１ａにおける平面ミ
ラー３０の各移動位置ｄと該当移動位置における各光強
度Ｉとの関係から、光強度が最大となる移動位置ｄｍを
求め、この光強度が最大となる移動位置ｄｍを該当受光
素子４１ａに対応する測定対象面３５の二次元位置にお
ける第２の光軸方向位置Ｄとなる。すなわち、ミラー移
動部３１を制御して第１のマイクロレンズアレイ２５の
各単位レンズ２５ａと共焦点レンズで構成されるレンズ
系の焦点位置を変化させる。このことは、図３で示した
従来装置における光学系全体を光軸方向に移動させるこ
とと同一の作用効果が得られる。

【００４５】したがって、上述した手法で受光器４１の
全ての受光素子４１ａに対応する測定対象面３５の各位
置における光軸方向位置Ｄを求めて二次元配列すれば、
図３に示した従来装置と同様に、他測定対象面３５の三
次元表面形状が得られる。

【００４６】このように構成された三次元表面形状測定
装置においては、移動すべき光学部部材は、平面ミラー
３０のみであるので、全部の光学系を移動させる従来装
置に比較して移動機構を大幅に簡素化できる。

【００４７】さらに、マイクロレンズアレイ２５、３８
や、ピンホールアレイ２６、３７を含む大部分の光学部
品は一つのべース上に固定することができるので、全部
の光学系を移動可能にした従来装置に比較して測定精度
を大幅に向上きる。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の三次元表
面形状測定装置においては、マイクロレンズアレイから
共焦点レンズ系までの距離を可変する簡単な光学機構を
設けることにより、マイクロレンズアレイの単位レンズ
と共焦点レンズとで構成されるレンズ系の焦点位置を可
変としている。したがって、移動すべき光学系を平面ミ
ラーのみとでき、移動機構を大幅に簡素化でき、簡単な
構成で測定精度を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の三次元表面形状測定装置
の概略構成図

【図２】同三次元表面形状測定装置に組込まれた偏光ビ
ームスプリッタに対して入出力される照射光と反射光と
の偏光方向を示す図

【図３】状態の三次元表面形状測定装置の概略構成図

【図４】同三次元表面形状測定装置内に組込まれたマイ
クロレンズアレイ及びピンホールアレイを示す図

【図５】同三次元表面形状測定装置で測定される測定対
象面の光軸方向の位置と素子の光強度との関係を示す図

【符号の説明】

２１…光源 ２２…照射光 ２３…第１の光軸 ２４…コリメータレンズ ２５…第１のマイクロレンズアレイ ２６…第１のピンホールアレイ ２７…偏光ビームスプリッタ ２８…第２の光軸 ２９…第１の１／４波長板 ３０…平面ミラー ３１…ミラー移動部 ３２，３９…距離調整用のレンズ ３３…対物レンズ ３４…第２の１／４波長板 ３５…測定対象面 ３６…反射光 ３７…第２のピンホールアレイ ３８…第２のマイクロレンズアレイ ４０…コンデンサレンズ ４１…受光器 ４２…入力ＩＦ ４３…データ処理部

フロントページの続き (72)発明者 近藤 秀人 東京都港区南麻布五丁目10番27号 アンリ ツ株式会社内 Ｆターム(参考） 2F065 AA04 AA49 AA54 BB13 DD00 DD14 FF00 FF01 FF49 GG02 JJ03 JJ26 LL10 LL12 LL16 LL30 LL36 LL37 QQ03 QQ29

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直線偏光された照射光を出力する光源
   （２１）と、この光源から出力される照射光の光軸であ
   る第１の光軸に直交する面内に配設され、マトリックス
   配列された複数の単位レンズからなるマイクロレンズア
   レイ（２５）と、 このマイクロレンズアレイの各単位レンズの焦点位置に
   それぞれ貫通孔が形成された第１のピンホールアレイ
   （２６）と、 前記第１の光軸に４５°傾斜して挿入された偏光ビーム
   スプリッタ（２７）と、 前記第１の光軸と直交する第２の光軸に設けられ、前記
   偏光ビームスプリッタで反射された前記光源からの照射
   光を前記ビームスプリッタへ折り返す平面ミラー（３
   ０）と、 この平面ミラーと前記偏光ビームスプリッタとの間に介
   挿された第１の１／４波長板（２９）と、 前記第２の光軸に設けられ、前記ビームスプリッタを透
   過し前記平面ミラーで折り返された照射光を測定対象面
   （３５）に照射すると共に、この測定対象面からの反射
   光を前記偏光ビームスプリッタへ入射させる共焦点レン
   ズ（３２，３３）と、 前記測定対象面と前記偏光ビームスプリッタとの間に介
   挿された第２の１／４波長板（３４）と、 前記第１の光軸に設けられ、マトリックス配列された複
   数の貫通孔が形成された第２のピンホールアレイ（３
   ７）と、 前記第１の光軸に設けられ、前記第２のピンホールアレ
   イの各単位貫通孔を透過した各反射光を受光するマトリ
   ックス配列された複数の受光素子からなる受光器（４
   １）と、 前記平面ミラーを前記第２の光軸方向に移動させるミラ
   ー移動部（３１）と、 このミラー移動部で平面ミラーの位置を変化させた時
   に、前記受光器の各受光素子の最大光強度が得られる各
   ミラー位置から、前記測定対象面における三次元形状を
   算出するデータ処理部（４３）とを備えた三次元表面形
   状測定装置。
2. 【請求項２】 前記第２のピンホールアレイと前記受光
   器との間に介挿され、この第２のピンホールアレイの各
   貫通孔を透過した各反射光を前記受光器の各受光素子へ
   導くための複数の単位レンズからなる第２のマイクロレ
   ンズアレイ（３８）とを備えたことを特徴とする請求項
   １記載の三次元表面形状測定装置。