JP2006162359A - ３次元形状計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高低差が数ｍｍないし数１００ｍｍの構造部品の３次元形状を１μｍの精度で計測できる３次元形状計測装置を実現する。
【解決手段】波長３８０〜７８０ｎｍのコヒーレント光を発生する光源１ａを有する共焦点光学系１と、対物レンズ光学系２と、光検出器３とを搭載するＺステージ４を上下動させ、計測物体Ｗの反射光をピンホール１ｆに集光させて光検出器３の出力が最大になる位置を求めることで、計測物体Ｗの表面の凹凸を計測する３次元形状計測装置において、対物レンズ光学系２の開口数０．２〜０．４、作動距離１００〜２５０ｍｍの範囲とすることで、一般的な構造部品のサブミクロン精度の３次元計測を可能とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、共焦点光学系を利用して３次元形状の計測を行う３次元形状計測装置に関し、特に、各種機器のプラスチック製の構造部品等の３次元形状を１μｍオーダーの分解能で計測することを可能にする３次元形状計測装置に関するものである。

３次元形状を計測する方法の一つとして共焦点光学系を用いる方法が知られている。図１０は共焦点光学系の原理を示すもので、光源１０１ａから射出された測定光である照射光は、レンズ１０１ｂで集光された後、焦点に配置されたピンホール１０１ｃを介してハーフミラー１０１ｄに入射する。ハーフミラー１０１ｄを透過した照射光は対物レンズ１０２により集光され、物体Ｓの表面Ｓ₁ に収束する。

図１０の（ａ）に示すように、物体Ｓの表面Ｓ₁ が合焦位置にある場合は、物体Ｓからの反射光（散乱光）は照射光と同じ経路を逆進し、対物レンズ１０２に入射した後、ハーフミラー１０１ｄを介して、焦点位置に配置されたピンホール１０１ｅを通過し、光検出器１０３で受光される。ピンホール１０１ｃとピンホール１０１ｅは、光源１０１ａから発生する光の集光位置に配置されて、共役な位置に配置されている。

しかし、図１０の（ｂ）に示すように、物体Ｓの表面Ｓ₁ が表面Ｓ₂ で示す位置に移動した場合、図中の破線で示した通り反射光の収束位置はピンホール１０１ｅから離れた位置となり、従ってピンホール１０１ｅを通過する光は減少する。

すなわち、図１０の（ｃ）に示すように、物体Ｓの表面Ｓ₁ を原点位置とした場合、反射光はピンホール１０１ｅを通過し、光検出器１０３の出力は最大となる。物体ＳがＺ方向に変位して表面Ｓ₂ で示す位置になると、反射光の収束位置はピンホール１０１ｅから離れて、ピンホール１０１ｅを通過する光が減少するため、光検出器１０３の出力は著しく減少する。そこで、共焦点光学系と物体Ｓとの離間距離をＺ方向に変化させ、ピンホール１０１ｅを通過する反射光の強度の変化を光検出器１０３により測定し、光検出器１０３の出力が最大となる位置を求めることで、変位後の表面Ｓ₂ の高さを計測できる。

共焦点光学系を用いて３次元形状計測を行うには、計測対象物である物体ＳをＸ−Ｙ方向に移動可能なＸＹステージに載せ、物体ＳをＸ−Ｙ方向に走査するとともに、上記のＺ方向の高さ計測を繰り返し行うことにより、物体表面の高さの変化を計測する。

このように共焦点の原理を用いた高分解能な観察・計測装置として、例えば、特許文献１に開示された共焦点光学顕微鏡が知られている。
特開平４−１０４１１５号公報

上記従来の装置では高分解能での計測が可能であるが、平面に対して深さ方向のダイナミックレンジが数１００μｍしかなかったため、測定対象物はＺ方向のダイナミックレンジが数１００μｍの平面基板上に製作したデバイスなどに限られる。そのため、高低差が数ｍｍないし数１００ｍｍの複雑な形状を有した構造部品を計測することは、対物レンズの先端が測定対象物に干渉するなどして困難である。

作動距離が長い対物レンズを用いた場合には測定対象物に接触することなく計測できるが、開口数が小さくなるため分解能が著しく低下するという問題があった。

また、一般的に従来の光学式計測方式では、測定対象物の表面の反射光を検出することにより計測を行うことから、傾斜部や段差、あるいは円筒形状など中空の構造部品の内側形状は、測定光を被測定面に照射することができず、計測できないという未解決の課題もあった。

本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、高低差が数ｍｍないし数１００ｍｍの構造部品の３次元形状を１μｍの精度で計測することを可能にするとともに、構造部品の内面形状や、急峻な傾斜部の３次元計測も自在である３次元形状計測装置を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため、本発明の３次元形状計測装置は、光源と、前記光源から出射した測定光の光路に配設された共焦点光学系と、前記共焦点光学系を経て前記測定光を計測対象物に集光する対物レンズ光学系と、前記計測対象物をＸ−Ｙ方向に移動させるＸＹステージと、前記光源、前記共焦点光学系および前記対物レンズ光学系を前記計測対象物に対してＺ方向に相対移動させる移動手段と、を備えており、前記対物レンズ光学系の開口数が０．２以上０．４以下であり、かつ、作動距離が１００ｍｍ以上２５０ｍｍ以下の範囲であることを特徴とする。

開口数０．２以上０．４以下、作動距離１００ｍｍ以上２５０ｍｍ以下の範囲の対物レンズ光学系と、波長３８０〜７８０ｎｍの範囲であるコヒーレント光を測定光として用いることにより、従来の共焦点光学系を用いた３次元形状計測装置では計測が困難であった複雑な外形を有する構造部品や、プリンタのカートリッジのように深い凹形状や段差あるいは傾斜部等を有する構造部品の３次元計測をサブミクロン精度で行い、品質検査・寸法検査などに応用できる。また、３次元形状の点群データによる構造解析に適用することもできる。

図１に示すように、光源１ａを有する共焦点光学系１と、共焦点光学系１から射出した測定光が入射する対物レンズ光学系２とを有し、対物レンズ光学系２を経て計測対象物である計測物体Ｗを照射し、計測物体Ｗの表面Ｗ₁ で反射した光は対物レンズ光学系２に逆進する。対物レンズ光学系２を逆進して共焦点光学系１のハーフミラー１ｇによって反射された光を光検出器３によって検出する。さらに、共焦点光学系１と対物レンズ光学系２を計測物体Ｗに対して光軸方向（Ｚ方向）に移動する移動手段であるＺステージ４と、共焦点光学系１と対物レンズ光学系２に対して計測物体Ｗを光軸に垂直なＸ−Ｙ方向に移動するＸＹステージ１０が設けられる。

この３次元形状計測装置において、対物レンズ光学系２から照射される測定光の光路を所定の方向に変更する光学手段や計測物体Ｗを傾ける傾斜手段を設ける。そして、光源１ａには、波長が３８０〜７８０ｎｍの範囲であるコヒーレント光を発生するレーザ等を用いるとともに、対物レンズ光学系２は、開口数０．２以上０．４以下、作動距離は１００ｍｍ以上２５０ｍｍ以下の範囲となるように構成することにより、一般的に数ｍｍ〜数１００ｍｍの高低差を有する構造部品の３次元形状計測を１μｍオーダーの分解能で行うことを可能とする。

すなわち、共焦点光学系を用いた形状計測装置においてサブミクロンの精度を得るためには、対物レンズ光学系の開口数は０．２以上０．４以下にする必要がある。図９は、対物レンズの開口数に対する光検出器の出力とＺ変位との関係を調べた実験結果を示すもので、曲線Ｄ₁ 、Ｄ₂ 、Ｄ₃ 、Ｄ₄ 、Ｄ₅ はそれぞれ、対物レンズ光学系の開口数が０．１５、０．２、０．３、０．４、０．５の場合の、光検出器の出力と計測物体のＺ変位の関係を示すグラフである。

このグラフから、開口数が０．２以下であると、光軸方向（Ｚ方向）の分解能が低下し、ノイズレベルに左右され、従ってサブミクロン精度で計測することが困難であるため、サブミクロン精度の計測を行うには、対物レンズ系の開口数は０．２以上が好ましいことが分かる。他方、開口数を０．４以上にしても実質的な精度上の変化はみられない。

また、構造部品の形状は一般的に１００ｍｍ以上の凹凸形状が多く、これに合わせた作動距離が必要とされる。加えて、複数個あった部品点数が一体化され、ひとつひとつの形状は複雑化されている。このため、対物レンズ光学系の作動距離を１００ｍｍ以上２５０ｍｍ以下の範囲に拡大することが必要である。

図１の（ａ）は実施例１による３次元形状計測装置の構成を示すもので、光源１ａ、レンズ１ｂ〜１ｄ、ピンホール１ｅ、１ｆ、ハーフミラー１ｇを有する共焦点光学系１と、複数のレンズからなる対物レンズ光学系２と、光検出器３と、共焦点光学系１と対物レンズ光学系２と光検出器３とをサブミクロン単位でＺ方向に移動可能なＺステージ４と、計測物体ＷをＸ−Ｙ方向に移動させるＸＹステージ１０を有する。

光源１ａには例えばＨｅ−Ｎｅレーザを用い、光検出器３には光電変換センサであるシリコンフォトダイオード、レンズ１ｂの焦点距離は７０ｍｍ、レンズ１ｃとレンズ１ｄは焦点距離２００ｍｍであり、ピンホール１ｅとピンホール１ｆはφ２５μｍのピンホール開口を有する。対物レンズ光学系２は作動距離１００ｍｍ、開口数０．３５、焦点距離１０ｍｍ、使用波長はＨｅ−Ｎｅレーザ波長域である複数のレンズからなるレンズ光学系である。

本実施例ではこのような対物レンズ光学系を用いることにより、構造部品の計測が可能な作動距離１００ｍｍであって、サブミクロン分解能を有する３次元形状計測装置を実現した。

ピンホール１ｅとピンホール１ｆは共役の位置に配置されており、ピンホール１ｅとレンズ１ｃ、ピンホール１ｆとレンズ１ｄとの距離は等しい。光源１ａから出射されたレーザ光は、レンズ１ｂで集光され、焦点位置（７０ｍｍ）に配置されたピンホール１ｅを通過し、ピンホール１ｅから焦点距離（２００ｍｍ）の位置に配置されたレンズ１ｃに入射しφ８．５ｍｍの平行光になる。平行光はハーフミラー１ｇを介して対物レンズ光学系２により計測物体Ｗの表面Ｗ₁ に集光される（集光時のビーム径２μｍ）。照射された光の反射光は対物レンズ光学系２に入射し、ハーフミラー１ｇで反射され、レンズ１ｄで集光され、レンズ１ｄの焦点位置（２００ｍｍ）に配置されたピンホール１ｆを通過して光検出器３で受光される。

図１の（ｂ）に示すように、計測物体Ｗの表面Ｗ₁ が対物レンズ光学系２の焦点位置にあるとき、ピンホール１ｆには集光された光が通過するが、同図の（ｃ）に示すように計測物体Ｗが表面Ｗ₂ で示す位置に移動した場合、図中の破線で示したように反射光の収束位置はピンホール１ｆから離れた位置となり、ピンホール１ｆを通過する光は減少する。

すなわち、計測物体Ｗが表面Ｗ₁ で示す位置にある場合、反射光はピンホール１ｆを通過し、光検出器３の出力は最大となる。計測物体Ｗが表面Ｗ₂ で示す位置に移動すると、反射光の収束位置はピンホール１ｆから離れた位置となり、ピンホール１ｆを通過する光が減少するため、光検出器３の出力は著しく減少する。

従って、Ｚステージ４を駆動して対物レンズ光学系２と計測物体Ｗとの間の距離をＺ方向に変化させ、ピンホール１ｆを通過する反射光の強度の変化を光検出器３により測定すれば、光検出器３の出力が最大となる位置から計測物体Ｗの表面形状（高さ）が計測できる。また、ＸＹステージ１０をＸ−Ｙ方向に走査するとともに、Ｚ方向の計測を繰り返し行うことにより、計測物体Ｗの３次元形状を計測することになる。

図２は、本実施例により計測物体Ｗには黒色樹脂によるプラスチック成形品である構造部品を用いて計測した場合の実験結果を示す。図２の（ａ）に示すように、計測物体Ｗの表面が対物レンズ光学系２の集光位置にある場合、光検出器３には原点位置（Ｚ変位０）で示すように最大の出力が得られるが、Ｚステージ４をＺ方向に１μｍ移動させ、対物レンズ光学系２が計測物体Ｗから１μｍだけ離れると、ピンホール１ｆを通過する光は減少し、光検出器３の出力は９１％まで減少する。

図２の（ｂ）は、計測物体Ｗの形状を示す概略図であり、計測物体Ｗの段差ａを含む部位を本実施例の計測装置で計測したところ、同図の（ｃ）に示す計測結果が得られた。この計測結果より段差ａの高さを算出した結果と、比較のために触針式計測器で計測した結果を表１に示す。

表１において、本実施例の計測装置の計測結果と触針式計測器との差は０．８μｍであった。この結果から分かるように、本実施例の装置では８５ｍｍ程度の段差を１μｍ以下の精度で計測可能である。

図３は実施例２による３次元形状計測装置を示すもので、実施例１のＸＹステージ１０に、測定光の向きを変更する光学手段２０を設けたものであり、共焦点光学系１、対物レンズ光学系２、光検出器３、Ｚステージ４等は実施例１の装置と同様であるから、同一符号で表わし、説明は省略する。

本実施例による３次元形状計測装置は、長作動距離の対物レンズ光学系２と光学手段２０を用いることにより、円筒形の構造部品Ｔの内面Ｔ₁ の凹凸形状を非破壊で計測するものであり、その構成は、共焦点光学系１と、対物レンズ光学系２と、光検出器３と、共焦点光学系１と対物レンズ光学系２と光検出器３とをサブミクロン分解能でＺ方向に移動可能なＺステージ４と、計測物体ＴをＸ−Ｙ方向に移動させるＸＹステージ１０を備え、対物レンズ光学系２より照射される測定光の向きを所定の方向に変更する光学手段２０は、図３の（ｂ）、（ｃ）に示すように、測定光の向きを９０°変更するミラー２１と、ミラー２１をＸＹＺ方向に移動するミラーステージ２２からなる。

光学手段２０は、計測物体Ｔを移動するＸＹステージ１０上に配置されているが、試料支持台２３とは別構造であるため、ミラー２１は円筒面に沿って走査することができる。なお、ミラー２１の代わりにプリズムを用いてもよい。

図４の（ａ）に示すように、測定光Ｃは対物レンズ光学系２の対物レンズを経て、ミラー２１により光路を９０°曲げられ、計測物体Ｔの内面Ｔ₁ に照射される。この状態で、Ｚステージ４をＺ方向に走査することにより、計測物体Ｔの内面Ｔ₁ の凹凸形状が計測できる。次いで、図４の（ｂ）に示すように、光学手段２０のミラーステージ２２を移動させ、ミラー２１をＺ方向に変位させた状態で、Ｚステージ４をＺ方向に走査することにより、同様に計測物体Ｔの内面Ｔ₁ を計測する。

図５の（ａ）は、本実施例の計測装置により、計測物体Ｔには黒色樹脂によるプラスチック成形品を用いて測定した実験結果を示す。計測物体Ｔの内面Ｔ₁ が対物レンズ光学系２の集光位置に配置されている場合、光検出器３には原点位置で示すように最大の出力が得られるが、Ｚステージ４をＺ方向に１μｍ移動させると、ピンホールを通過する光は減少し、光検出器３の出力は８９％となる。このようにミラー２１をＺ方向に走査するとともに、Ｚ方向の計測を繰り返し行うことにより、計測物体Ｔの内面Ｔ₁ の凹凸形状を計測できる。

本実施例の装置により、図５の（ｂ）で示すように計測物体Ｔの円ｂで示す部位の内面形状を計測した結果を、同図の（ｃ）に示す。

この計測結果より内面形状のＰＶ値を算出した結果と、比較のために触針式計測器で計測したＰＶ値の結果を表２に示す。

本実施例の装置による計測値と触針式計測器による計測値との差は０．４μｍであった。以上の結果からわかるように、本実施例の装置を用いて円筒形状の内面を１μｍ以下の精度で計測可能である。

図６は実施例３を示す。これは、実施例１のＸＹステージ１０に傾斜手段３０を設けたものであり、傾斜手段３０と長作動距離の対物レンズ光学系２を用いることにより、対物レンズ光学系２の開口数以上の傾斜を持つ計測物体Ｒの測定面Ｒ₁ の計測を行うことを可能にする。

本実施例による３次元形状計測装置は、共焦点光学系１と、対物レンズ光学系２と、光検出器３と、共焦点光学系１と対物レンズ光学系２と光検出器３とをサブミクロン分解能でＺ方向に移動可能なＺステージ４と、計測物体ＲをＸ−Ｙ方向に移動可能なＸＹステージ１０と、計測物体Ｒを傾ける傾斜手段３０を有し、傾斜手段３０は、例えば、計測物体Ｒを水平面に対して±４５°傾けることが可能なチルトステージである。

共焦点光学系の原理は、対物レンズの開口数に依存して比較的傾斜の大きな面を計測できるという利点がある。つまり、開口数が大きい程、大きな傾斜を計測できる。しかしながら、従来の装置においては、深さ方向のダイナミックレンジが数１００μｍしかなかったため、構造部品の段差や傾斜のある部位を計測する場合、計測物体を傾斜させたとしても、対物レンズの先端が計測物体にぶつかるなどして、計測を行うことが困難であった。

しかし、本実施例においては、対物レンズ光学系２は１００ｍｍの作動距離を有することから、段差や傾斜のある面を傾けて計測することが可能となった。

例えば、図６の（ｂ）に示すような対物レンズ光学系２の開口数を超える傾斜角度をもつ場合は、計測物体Ｒの測定面Ｒ₁ で反射した測定光が対物レンズ光学系２に入射せず、計測が困難である。このような場合には、図６の（ｃ）に示すように、対物レンズ光学系２の開口数を超えない角度になるようにチルトステージである傾斜手段３０を動かすことにより、計測が可能となる。

図７は本実施例の３次元形状計測装置により３０°の傾斜面を有する黒色樹脂の構造部品であるプラスチック成形品を計測した結果を示す。このように、計測物体Ｒを傾斜させることで対物レンズ光学系２の開口数以上の斜面が計測可能である。

本実施例は、実施例１と同様の３次元形状計測装置において、対物レンズ光学系２には、作動距離２５０ｍｍ、開口数０．４、焦点距離１０ｍｍ、使用波長がＨｅ−Ｎｅレーザ波長域であるレンズ光学系を用い、光検出器３にアバランシェフォトダイオードを用いた。

本実施例の計測装置により、計測物体に黒色の構造部品であるプラスチック成形品を用いた場合の実験結果を図８に示す。このグラフからわかるように、本実施例の計測装置は１μｍ以下の分解能を有する。

実施例１による３次元形状計測装置を示すもので、（ａ）はその全体構成を示すブロック図、（ｂ）および（ｃ）は装置の計測原理を説明する図である。 実施例１の装置による実験結果を示すもので、（ａ）は光検出器の出力とＺ変位との関係を示すグラフであり、（ｂ）は計測物体の形状を表す断面図、（ｃ）は実施例１の装置による計測結果を示すグラフである。 実施例２による３次元形状計測装置を示すので、（ａ）はその全体構成を示すブロック図、（ｂ）はミラーを含む光学手段を示す平面図、（ｃ）はその断面図である。 実施例２の光学手段の動作を説明する図である。 実施例２の装置による実験結果を示すもので、（ａ）は光検出器の出力とＺ変位との関係を示すグラフであり、（ｂ）は円筒形の構造部品の計測部位を示す図であり、（ｃ）はその計測結果を示すグラフである。 実施例３による３次元形状計測装置を示すもので、（ａ）はその全体構成を示すブロック図、（ｂ）および（ｃ）は傾斜手段の動作を説明する図である。 実施例３による計測結果を示すグラフである。 実施例４による光検出器の出力とＺ変位との関係を示すグラフである。 対物レンズの開口数に対する光検出器の出力とＺ変位との関係を示すグラフである。 共焦点光学系による３次元形状計測の原理を説明する図である。

符号の説明

１ 共焦点光学系
２ 対物レンズ光学系
３ 光検出器
４ Ｚステージ
１０ ＸＹステージ
２０ 光学手段
３０ 傾斜手段

Claims (4)

1. 光源と、前記光源から出射した測定光の光路に配設された共焦点光学系と、前記共焦点光学系を経て前記測定光を計測対象物に集光する対物レンズ光学系と、前記計測対象物をＸ−Ｙ方向に移動させるＸＹステージと、前記光源、前記共焦点光学系および前記対物レンズ光学系を前記計測対象物に対してＺ方向に相対移動させる移動手段と、を備えており、前記対物レンズ光学系の開口数が０．２以上０．４以下であり、かつ、作動距離が１００ｍｍ以上２５０ｍｍ以下の範囲であることを特徴とする３次元形状計測装置。
2. 前記測定光は波長が３８０〜７８０ｎｍの範囲のコヒーレント光であることを特徴とする請求項１記載の３次元形状計測装置。
3. 前記対物レンズ光学系から出射した測定光を所定の方向に折り返して計測対象物の内面へ入射させる光学手段が設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の３次元形状計測装置。
4. 前記ＸＹステージ上において計測対象物を傾斜させるための傾斜手段が設けられていることを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項記載の３次元形状計測装置。

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