JP2008051576A - 形状測定装置および形状測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より高速に円筒状ワークの３次元形状を測定することのできる、共焦点光学系を用いた形状測定装置および形状測定方法を提供する。
【解決手段】円筒状被検物２１５の測定範囲を拡大するためのマイクロレンズアレイ２０６と、対物レンズ２１８の合焦位置にある円筒状被検物２１５からの反射光が結像する位置に配置されたピンホールアレイ２０７と、各ピンホールを通過して戻ってくる光量を測定する２次元検出器２１４と、円筒状被検物２１５を軸周りに駆動回転させる回転駆動機構と、円筒状被検物２１５の回転と共に２次元検出器２１４で逐次得られる共焦点画像の画素と画素ごとの信号が得られた時刻を選択し、円筒状被検物２１５の形状を測定する形状演算手段２１７と、を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、共焦点光学系を用いて円筒状ワークを含むワークの３次元形状を測定する形状測定装置および形状測定方法に関するものである。

従来、複写機やプリンタに用いられる感光体ドラム、定着ローラ、現像ローラ等の円筒状ワークには、数μｍレベルの凹みやうねりに起因する欠陥がある。これらの欠陥は、目視検査による検出が難しいため、自動的に検出する技術、特に円筒状ワークの３次元的な形状を測定する技術が望まれている。

この種の技術として、共焦点光学系を用いた形状測定方法が知られている。この共焦点光学系では、レーザ等の光を試料面に照射し、ピンホールを通して反射光を検出器に集光する。ここで、焦点の合っている場所からの反射光の大部分はピンホールを通過するが、焦点の合っていない場所からの反射光はピンホールの部分で広がってしまうため、ピンホールを通過する光量は激減する。したがって、焦点が合っている部分だけの画像を得ることができる。さらに、試料をＺ軸方向に移動させ、映像の各画素で最大輝度信号を記憶すると、試料全面に焦点の合った画像が得られる。また、走査ラインの各画素において、焦点の合うＺ軸の高さ情報を記憶することにより、１０ｎｍレベルの分解能で３次元形状を測定できる。

ここで、従来の共焦点光学系を用いた形状測定装置の構成を具体的に説明する。

図６に、従来の共焦点光学系を用いた形状測定装置を示す。図７に、従来の焦点距離変更機構を示す。

図６において、光源３からの照明光はピンホール２を通過してコリメータレンズ４により平行光となって射出される。次いで、光路分岐光学素子５を通過した照明光はマイクロレンズアレイ６に入射し、各マイクロレンズの所定に集光される。マイクロレンズアレイ６の焦点位置にはピンホールアレイ７が配設され、各マイクロレンズにより集光された照明光の焦点の位置に各ピンホールが存在するように構成されている。このピンホールアレイ７により、照明光は、言わば点光源アレイ化されたことになる。各ピンホールを通過した照明光は、対物レンズ８に入射し、各ピンホールの像を物体Ａに投影する。この物体Ａからの反射光は再び対物レンズ８に入射し、集光されて再びピンホールアレイ７に到達する。このピンホールアレイ７のピンホールを通過した反射光は、マイクロレンズアレイ６により平行光束となって射出される。次いで、反射光は結像レンズ１２に入射し、絞り１３を通過して２次元検出器１４に到達する。前記の結像レンズ１２は、マイクロレンズアレイ６の表面と２次元検出器１４の表面が共役になっている。このため、２次元検出器１４上には共焦点画像が得られ、２次元検出器１４により光電変換されて電気信号として出力される（例えば、特許文献１参照）。ここで、被検物の３次元形状を測定するためには、さらに、光軸方向に焦点の位置を変更して（焦点距離を変更して）測定を繰り返し、各受光素子に対してピーク強度が得られる焦点位置を探索する必要がある。例えば、厚みによって焦点距離を変更するための平行平面１５を円弧状に並べた円盤１６（図７に示す焦点距離変更機構）を物体Ａと対物レンズ８の間に配置し、この円盤１６を回転させることにより焦点位置を変更する方法が知られている。

図８に、従来の共焦点光学系を用いた他の形状測定装置（例えば、特許文献２参照）を示す。図８において、前記他の形状測定装置は、共焦点光学系１０１と、観察用光学系１０２と、これらを駆動制御するための制御系と、を有する構成である。

図８の観察用光学系１０２には、白色光Ｌ２を射出する観察用光源１２０と、集光レンズ１２１と、ハーフミラー１２３と、対物レンズ１１８と、結像レンズ１１７と、第１のハーフミラー１１６と、ＣＣＤカメラ１２４と、を備えている。また、前記制御系は、コントローラ１５０と、Ａ／Ｄコンバータ１４５と、ゲイン制御回路１４４と、ＣＣＤ駆動回路１４３と、同期回路１４０と、ガルバノ駆動回路１４２と、ステージ制御回路１４１と、を備えている。

図８の共焦点光学系１０１において、レーザ１１０の光軸上には、ビームエキスパンダ１１１、ガルバノミラー（偏向手段）１１２、ｆθレンズ１１３が配設されている。レーザ光Ｌ１はｆθレンズ１１３によって点光源となり、この点光源となったレーザ光Ｌ１の光軸上には、ビームスプリッタ１１４、１／４波長板１１５、第１のハーフミラー１１６、結像レンズ１１７および対物レンズ１１８が、順次配設されている。この対物レンズ１１８の焦点位置の付近には、試料ステージ１３０が配設されており、対物レンズ１１８はレーザ光Ｌ１を試料ｗの表面に集光する。次いで、レーザ光Ｌ１は試料ｗで反射され、対物レンズ１１８、結像レンズ１１７を透過する。この結像レンズ１１７の焦点位置には、例えば、ＣＣＤラインセンサのような１次元イメージセンサ１１９が配設されており、結像レンズ１１７を透過したレーザ光Ｌ１は、第１のハーフミラー１１６およびビームスプリッタ１１４で反射されて、１次元イメージセンサ１１９の表面に集光する。前記のガルバノミラー１１２は、不図示の駆動装置により回転駆動され、レーザ光Ｌ１を偏向させることで、試料ｗへの集光位置を紙面に垂直なＹ方向とし、試料ｗを１次元的に走査する。このＹ方向に対応する方向に１次元イメージセンサ１１９の長手方向が設定されている。

図８の共焦点光学系１０１において、１次元イメージセンサ１１９は、結像レンズ１１７の焦点位置に配設されており、１次元イメージセンサ１１９の各素子は極めて微小であることから、レーザ光Ｌ１が試料ｗ上で焦点を結ぶと、その反射光としてのレーザ光Ｌ１が１次元イメージセンサ１１９上で結像し、１次元イメージセンサ１１９の１個の受光素子における受光量が増大する。この逆に、レーザ光Ｌ１が試料ｗ上で広がっていると、その反射光としてのレーザ光Ｌ１も１次元イメージセンサ１１９上で拡がるため、当該素子の受光量が減少する。したがって、試料ステージ１３０を上下方向に移動させると（つまり、Ｚ軸方向に上下させると）、その受光量Ｉは変化し、ピントの合ったＺ軸の位置（ピーク位置Ｚｐ）において最大となる。このピーク位置Ｚｐを１次元イメージセンサ１１９の各受光素子について求めることにより、紙面に垂直なＹ方向についての深さの情報（つまり、断面形状）が得られる。
特開平１１−１１８４４６号公報 特許第３５４４０１９号公報

しかしながら、従来の形状測定装置においては、円筒状ワークの全周を測定する場合、例えば、前述の図７の円盤１６を１回転あるいは被検物をＺ方向に動かすことにより、ある領域の測定が終了すると、次に円筒状被検物を回転させて別の領域の測定を開始するという工程の繰り返しを、周方向の全面に渡って行う必要があるために、測定時間が長いという問題がある。

本発明は、従来の問題を解決するためになされたもので、より高速に円筒状ワークの３次元形状を測定することのできる、共焦点光学系を用いた形状測定装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の形状測定装置は、平行光束を放射する光源と、前記光源の光を円筒状被検物に集光する対物レンズと、前記円筒状被検物からの反射光を結像させるための結像レンズと、前記円筒状被検物の測定点を１次元的又は２次元的に拡大するための測定拡大手段と、前記対物レンズの合焦位置にある前記円筒状被検物からの反射光が結像する位置に配置されたピンホールと、前記ピンホールを通過して戻ってくる光量を測定する、１次元的又は２次元的に配列された受光素子からなる光電センサと、前記円筒状被検物を軸周りに駆動回転させる回転駆動手段と、前記測定拡大手段により拡大された測定範囲で、前記円筒状被検物の回転と共に前記光電センサで逐次得られる共焦点画像に対応する前記受光素子の位置と前記受光素子からの信号が得られた時刻を選択し、前記円筒状被検物の形状を演算する形状演算手段と、を備えた構成を有している。

また、請求項２に記載の形状測定装置は、平行光束を放射する光源と、前記光源の光を被検物に集光する対物レンズと、前記被検物からの反射光を結像させるための結像レンズと、前記被検物の測定点を１次元的又は２次元的に拡大するための測定拡大手段と、前記対物レンズの合焦位置にある前記被検物からの反射光が結像する位置に配置されたピンホールと、前記ピンホールを通過して戻ってくる光量を測定する、１次元的又は２次元的に配列された受光素子からなる光電センサと、前記光源を含む走査光学系の光軸と垂直な方向に対して所定の角度傾いた方向に前記被検物を移動する移動手段と、前記測定拡大手段により拡大された測定範囲で、前記被検物の移動と共に前記光電センサで逐次得られる共焦点画像に対応する前記受光素子の位置と前記受光素子からの信号が得られた時刻を選択し、前記被検物の形状を演算する形状演算手段と、を備えた構成を有している。

また、請求項３に記載の形状測定装置は、請求項１又は請求項２において、前記光源は、前記光電センサの受光タイミングに同期して点滅する構成を有している。

さらに、請求項４に記載の形状測定方法は、円筒状被検物を軸回りに回転させながら、平行光束を放射する光源からの光を前記円筒状被検物に集光し、１次元的又は２次元的に配列された受光素子からなる光電センサを用いて前記円筒状被検物からの反射光の光量を測定し、前記光電センサで得られる共焦点画像に対応する前記受光素子の位置と前記受光素子からの信号が得られた時刻のデータを、１次元的又は２次元的な配列データから選択することにより、前記円筒状被検物の周面を走査して形状を測定している。

また、請求項５に記載の形状測定方法は、平行光束を放射する光源を含む走査光学系の光軸と垂直な方向に対して所定の角度傾いた方向に被検物を移動させながら、前記光源からの光を前記被検物に集光し、１次元的又は２次元的に配列された受光素子からなる光電センサを用いて前記被検物からの反射光の光量を測定し、前記光電センサで得られる共焦点画像に対応する前記受光素子の位置と前記受光素子からの信号が得られた時刻のデータを、１次元的又は２次元的な配列データから選択することにより、前記被検物の表面を走査して形状を測定している。ここで、測定対象の被検物は非円筒状被検物（例えば、平板状被検物）である。

本発明は、平行光束を放射する光源と、前記光源の光を円筒状被検物に集光する対物レンズと、前記円筒状被検物からの反射光を結像させるための結像レンズと、前記円筒状被検物の測定点を１次元的又は２次元的に拡大するための測定拡大手段と、前記対物レンズの合焦位置にある前記円筒状被検物からの反射光が結像する位置に配置されたピンホールと、前記ピンホールを通過して戻ってくる光量を測定する、１次元的又は２次元的に配列された受光素子からなる光電センサと、前記円筒状被検物を軸周りに駆動回転させる回転駆動手段と、前記測定拡大手段により拡大された測定範囲で、前記円筒状被検物の回転と共に前記光電センサで逐次得られる共焦点画像に対応する前記受光素子の位置と前記受光素子からの信号が得られた時刻を選択し、前記円筒状被検物の形状を演算する形状演算手段と、を設けることにより、より高速に円筒状ワークの３次元形状を測定することができるという効果を有する、共焦点光学系を用いた形状測定装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の一形態としての形状測定装置について、図面を用いて説明する。

本発明の第１の実施形態としての形状測定装置を図１に示す。これは、請求項１、４の実施の一形態に相当する。

図１の形状測定装置において、光源（例えば、レーザ光源）２０３からの照射光は、ピンホール２０２を通過してコリメータレンズ２０４により平行光となって射出される。光路分岐光学素子２０５を通過した照射光は、マイクロレンズアレイ２０６に入射し、各マイクロレンズの焦点に集光される。マイクロレンズアレイ２０６の焦点位置には、ピンホールアレイ２０７が配設され、各マイクロレンズにより集光された照射光の焦点位置に各ピンホールがあるように構成されている。このピンホールアレイ２０７により前記照射光は、言わば点光源アレイ化されたことになる。ピンホールアレイ２０７を通過した照射光は、対物レンズ２１８に入射し、ピンホールの像を円筒状被検物２１５に投影する。円筒状被検物２１５からの反射光は、再び対物レンズ２１８に入射して集光され、再びピンホールアレイ２０７に到達する。ピンホールアレイ２０７のピンホールを通過した反射光は、マイクロレンズアレイ２０６により平行光束となって射出される。前記反射光は結像レンズ２１２に入射し、絞り２１３を通過して２次元検出器２１４に到達する。結像レンズ２１２は、マイクロレンズアレイ２０６の表面と２次元検出器２１４の表面が共役になっている。この構成により、２次元検出器２１４上には共焦点画像が得られ、この共焦点画像は２次元検出器２１４により光電変換されて電気信号として出力される。２次元検出器２１４の出力は、形状演算手段２１７（例えば、後述のマイクロコンピュータ）に入力される。ここで、ピンホール２０２、レーザ光源２０３、コリメータレンズ２０４、光路分岐光学素子２０５、マイクロレンズアレイ２０６、ピンホールアレイ２０７および対物レンズ２１８が前記走査光学系を形成している。

円筒状被検物２１５は、紙面に垂直な軸回りにＸ方向に回転駆動される。ここでは、円筒状被検物２１５を回転可能に保持する回転機構と、前記回転機構を回転させる駆動モータ（例えば、ステッピングモータ）を有する駆動機構と、円筒状被検物２１５の周面に対する走査と同期するように前記駆動モータの駆動を制御する制御手段（例えば、ＣＰＵとＲＡＭ、ＲＯＭ等のメモリを有するマイクロコンピュータ）と、を有している。円筒状被検物２１５が例えば、感光体ドラムである場合、前記回転機構は感光体ドラムの軸を保持する機構に相当し、前記駆動機構は、前記軸に連結されたステッピングモータおよび駆動回路に相当する。この円筒状被検物２１５の回転により、焦点位置の異なる共焦点画像が得られる。つまり、前述した従来技術の円盤（例えば、図７の１６）を回転させて焦点位置を変更する動作、あるいはステージ駆動によるＺ方向の走査（図８に示す）を、円筒状被検物２１５の回転動作によって行うようにしている。

以上のように構成された形状測定装置について、図２、図３を用いて円筒状被検物２１５の回転動作を説明する。ここで、時刻ｔにおける２次元検出器２１４のデータを共焦点画像と呼ぶ。また、円筒状被検物２１５の所定の領域に対応する画素の位置と、当該画素の信号（画像信号）が得られた時刻を示す時系列のデータ群が、前記した１次元的又は２次元的な配列データに相当する。この配列データ（前記時系列のデータ群）を構成する画素（測定点に相当する）群が、前記した測定拡大手段により拡大された測定範囲に相当する。

まず、２次元検出器２１４の１方向（例えば、図１のＸ方向（円筒状被検物２１５の周方向））の画素配列について説明する。

例えば、時刻ｔ_１において円筒状被検物２１５の領域ａが２次元検出器２１４上の画素_３に結像されていたと仮定する。次の時刻ｔ_２においては、円筒状被検物２１５は回転し、領域ａは２次元検出器２１４上の画素_２に結像され、さらに時刻ｔ_３で画素_１に結像されるものとする。このように円筒状被検物２１５を回転させることにより、領域ａの光軸方向（Ｚ方向）の高さが変化するため、焦点位置の異なる画像が得られる。

同様に、円筒状被検物２１５の領域ｂについては、時刻ｔ_２で画素_３に結像され、時刻ｔ_３で画素_２に結像され、時刻ｔ_４で画素_１に結像されたものを用いれば、焦点位置の異なる共焦点画像が得られる。

同様に、円筒状被検物２１５の領域ｃについては、時刻ｔ_３で画素_３に結像され、時刻ｔ_４で画素_２に結像され、時刻ｔ_５で画素_１に結像されたものを用いれば、焦点位置の異なる共焦点画像が得られる。ここでは、円筒状被検物２１５の周面における所定の領域ごとに３枚の共焦点画像を取得する場合を示したが、分割数を増やせば、さらに高精度の測定を行うことができる。

次に、形状演算手段１７において円筒状被検物２１５の各領域の形状を測定する手順を説明する。

本実施形態では、前述の回転駆動機構により円筒状被検物２１５（例えば、感光体ドラム）を軸回りに回転させながら、平行光束を放射する光源としてのレーザ光源２０３からの光を円筒状被検物２１５に集光し、１次元的又は２次元的に配列された受光素子（画素に相当する）からなる光電センサとしての２次元検出器２１４により円筒状被検物２１５からの反射光の光量を測定し、２次元検出器２１４で得られる共焦点画像に対応する画素と前記画素に対応する信号（前記受光素子からの信号）が得られた時刻を選択することにより、円筒状被検物２１５の周面を走査して形状を測定する。

ここで、レーザ光源２０３の光は、前述のようにピンホール２０２およびコリメータレンズ２０４を通過して平行光束となり、光路分岐光学素子２０５、マイクロレンズアレイ２０６、ピンホールアレイ２０７および対物レンズ２１８を通過して、ピンホールアレイ２０７の各ピンホールの像（前述の点光源アレイ化された照射光に相当する）を円筒状被検物２１５に投影する。次いで、円筒状被検物２１５からの反射光は、再び対物レンズ２１８に入射し、ピンホールアレイ２０７およびマイクロレンズアレイ２０６を通過して平行光束となり、さらに、光路分岐光学素子２０５、結像レンズ２１２および絞り２１３を通過して２次元検出器２１４に入射される。ここで、２次元検出器２１４に入射された前記反射光は光電変換され、前述の共焦点画像を表す画素ごとの電気信号として形状演算手段２１７へ出力される。

例えば、前述の領域ａの形状を測定する。この場合、時刻ｔ_１における共焦点画像の画素_３の受光強度、時刻ｔ_２における共焦点画像の画素_２の受光強度、時刻ｔ_３における共焦点画像の画素_１の受光強度を読み取り、図３に示すように並べ、いずれの画素でピークとなるかを算出する。図３では、受光量は画素_２でピークとなっている。

同様に、前述の領域ｂの形状を測定する。この場合、時刻ｔ_２における共焦点画像の画素_３の受光強度、時刻ｔ_３における共焦点画像の画素_２の受光強度、時刻ｔ_４における共焦点画像の画素_１の受光強度を読み取り、いずれの画素でピークとなるかを算出する。

同様に、前述の領域ｃの形状を測定する。この場合、時刻ｔ_３における共焦点画像の画素_３の受光強度、時刻ｔ_４における共焦点画像の画素_２の受光強度、時刻ｔ_５における共焦点画像の画素_１の受光強度を読み取り、いずれの画素でピークとなるかを算出する。

ここで、円筒状被検物２１５の周面に凹みやうねりが無ければ、同一画素、例えば画素_２で受光量がピークとなる。これに対し、前記周面におけるいずれかの領域に凹みやうねりがあれば、すなわち、円筒状被検物２１５の周面の形状が変化すると、ピークを示す画素の位置が変化することになる。

なお、本実施形態では、２次元検出器２１４の１方向（例えば、図１のＸ方向（円筒状被検物２１５の周方向））の画素配列に関して説明したが、同様に、円筒状被検物２１５の軸方向（例えば、図１のＹ方向）の画素配列についても、各時刻における各画素の受光量を並べ、そのピークを算出することにより、２次元的に形状を測定することができる。
このような本発明の第１の実施形態としての形状測定装置によれば、平行光束を放射する光源（例えば、図１の２０２、２０３、２０４）と、前記光源の光を円筒状被検物２１５に集光する対物レンズ（例えば、図１の２１８）と、円筒状被検物２１５からの反射光を結像させるための結像レンズ（例えば、図１の２１２）と、円筒状被検物２１５の測定点（又は測定範囲）を１次元的又は２次元的に拡大するための測定拡大手段（例えば、図１の２０６）と、対物レンズ２１８の合焦位置にある円筒状被検物２１５からの反射光が結像する位置に配置されたピンホール（例えば、図１の２０７に含まれる）と、ピンホールアレイ２０７の各ピンホールを通過して戻ってくる光量を測定する、１次元的又は２次元的に配列された受光素子からなる光電センサ（例えば、図１の２１４に相当する）と、円筒状被検物２１５を軸周りに駆動回転させる回転駆動手段（不図示の回転駆動機構）と、円筒状被検物２１５の回転と共に２次元検出器２１４で逐次得られる共焦点画像に対応する前記受光素子の位置（画素に相当する）と画素に対応する信号が得られた時刻を選択し、円筒状被検物２１５の形状を演算する形状演算手段（例えば、図１の２１７）と、を備えた構成を有している。

この構成によって、２次元検出器２１４の画素と、この画素に対応する信号が取得された時刻を適宜選択することにより、円筒状被検物２１５を１回転させるだけで、円筒状被検物２１５の各領域の焦点位置が異なる共焦点画像が得られるため、従来の技術に比べて測定時間を大幅に短縮することができる。また、円筒状被検物２１５の軸方向に対して、２次元検出器２１４の画素が並んでいる範囲では、同時に共焦点画像を取得することができる。本実施形態では、２次元検出器２１４の１次元的又は２次元的な配列データに基づいて、当該データを取得した時刻と当該画素を適宜選択する必要があるため、１次元的又は２次元的に測定点の範囲（測定範囲）を拡大している。このように所定の測定範囲を設定するので、２次元検出器２１４からポイント計測で取得したデータは使用することができない。

なお、円筒状被検物２１５が等速で回転し、２次元検出器２１４の画素の取り込み速度が一定の場合、得られる共焦点画像の焦点位置の変化量は一定でない。これに対し、２次元検出器２１４の各画素において、強度がピークになる焦点位置を算出する際、変化させる焦点位置は等間隔である方が正確な測定ができる。そこで図４に示すように、円筒状被検物２１５を等速で回転させ、光軸方向において焦点位置の間隔が一定量ｍとなるように、２次元検出器２１４の画素と、その取り込み時刻を適宜選択することが好ましい。

また、前述した実施形態では、光源としてレーザ光源２０３とコリメータレンズ２０４とピンホール２０２を用いた場合について説明したが、本発明はレーザ光源２０３のほかに、ＬＤあるいはＬＥＤ等を用いても同様の効果が得られるものである。

次に、本発明の第２の実施形態としての形状測定装置を図５に示す。これは、請求項２、５の実施の一形態に相当する。また、第１の実施形態とは、円筒状被検物２１５に代えて他の形状（例えば、平板状）の被検物２１６を所定の方向（例えば、レーザ光源２０３を含む走査光学系の光軸と垂直な方向に対して所定の角度傾いた方向）に移動させながら測定する点が相違している。

図５において、被検物２１６は、不図示の傾斜移動機構により、走査光学系の光軸と垂直な方向に対して所定の角度傾いた方向に移動する。この傾斜移動機構は、例えば、被検物２１６を載置するためのワーク台と、前記ワーク台の角度θを設定する傾き変更機構と、前記ワーク台をＸＹ方向に移動する移動機構と、前記傾き変更機構および前記移動機構を駆動する駆動モータ（例えば、ステッピングモータ）と、被検物２１６の表面に対する走査と同期するように前記駆動モータの駆動を制御する制御手段（例えば、ＣＰＵとＲＡＭ、ＲＯＭ等のメモリを有するマイクロコンピュータ）と、を有している。

ここで、形状演算手段２１７において被検物２１６の各領域の形状を測定する手順を説明する。第１の実施形態と同様にして被検物２１６の移動と共に、焦点位置の異なる共焦点画像が得られる。

本実施形態では、前述の傾斜移動機構によって、平行光束を放射する光源としてのレーザ光源２０３を含む走査光学系の光軸と垂直な方向に対して所定の角度傾いた方向に被検物２１６を移動させながら、レーザ光源２０３からの光を被検物２１６に集光し、１次元的又は２次元的に配列された受光素子からなる光電センサとしての２次元検出器２１４を用いて被検物２１６からの反射光の光量を測定し、２次元検出器２１４で得られる共焦点画像に対応する画素と前記画素に対応する受光素子からの信号が得られた時刻を選択することにより、被検物２１６の表面を走査して形状を測定する。

ここで、レーザ光源２０３の光は前述のように点光源アレイ化された照射光として被検物２１６に照射され、被検物２１６からの反射光は結像レンズ２１２および絞り２１３を通過して２次元検出器２１４に入射され、２次元検出器２１４は、前述の共焦点画像を表す画素ごとの信号を形状演算手段２１７へ出力する。

例えば、時刻ｔ_１において被検物２１６の領域ａが、２次元検出器２１４の画素_３に結像されたとする。この後、被検物２１６は移動し、次の時刻ｔ_２において、被検物２１６の領域ａは２次元検出器２１４の画素_２に結像され、次の時刻ｔ_３において、被検物２１６の領域ａは２次元検出器２１４の画素_１に結像されたとする。

また、時刻ｔ_２において被検物２１６の領域ｂが、２次元検出器２１４の画素_３に結像されたとする。この後、被検物２１６は移動し、次の時刻ｔ_３において、被検物２１６の領域ｂは２次元検出器２１４の画素_２に結像され、次の時刻ｔ_４において、被検物２１６の領域ｂは２次元検出器２１４の画素_１に結像されたとする。

また、時刻ｔ_３において被検物２１６の領域ｃが、２次元検出器２１４の画素_３に結像されたとする。この後、被検物２１６は移動し、次の時刻ｔ_４において、被検物２１６の領域ｃは２次元検出器２１４の画素_２に結像され、次の時刻ｔ_５において、被検物２１６の領域ｃは２次元検出器２１４の画素_１に結像されたとする。

このように、被検物２１６を走査光学系の光軸と垂直な方向に対して所定の角度傾いた方向に移動させることにより、各領域について焦点位置の異なる共焦点画像が得られる。ここで、２次元検出器２１４の画素と、信号が取得された時刻を適宜選択することにより、被検物２１６を１方向（例えば、図５に示すＢ方向）に移動させるだけで、被検物２１６の領域ａ、領域ｂ、領域ｃの焦点位置が異なる共焦点画像が得られるため、従来の技術に比べて大幅に測定時間を短縮することができる。また、被検物２１６のＹ軸方向（紙面に垂直な方向）に対しては、２次元検出器２１４の画素が並んでいる範囲について、同時に共焦点画像を得ることができる。

形状演算手段２１７は、第１の実施形態を適用し、被検物２１６の各領域において、戻ってきた前記反射光の光強度が最も高くなる画素位置を焦点位置として検出し、被検物２１６の表面の３次元形状を算出する。

このような本発明の第２の実施形態としての形状測定装置によれば、前記光源（例えば、図１の２０２、２０３、２０４）を含む走査光学系の光軸と垂直な方向に対して所定の角度傾いた方向に被検物２１６を移動する移動手段としての前記傾斜移動機構と、被検物２１６の移動と共に２次元検出器２１４で逐次得られる共焦点画像に対応する受光素子の位置（画素に相当する）と前記受光素子からの信号が得られた時刻を選択し、被検物２１６の形状を演算する形状演算手段（例えば、図１の２１７）と、を設けたことにより、前述のように従来の技術に比べて測定時間を大幅に短縮することができる。

ここで、従来の形状測定装置には、被測定面からの反射光を受光する位置センサ（例えば、ＣＣＤカメラ）と、この位置センサの出力に対して所定の演算を行う演算手段と、を備え、前記被測定面の傾斜分布を測定し、得られた傾斜分布を積分することにより前記被測定面の形状を求めているものがある（例えば、特開平８−２６１７３４号公報（以下「特許文献３」という）を参照）。しかしながら、特許文献３に記載の形状測定装置では、位置センサとしてＣＣＤカメラを用いた場合、被測定物の１点を測定するのに１回の撮像動作（例えば、ＮＴＳＣ方式のＣＣＤカメラならば１／３０秒かかる）を要するので、被検物全体のデータを取得するのに多大な時間を費やすことになる。これに対し、本実施形態によれば、被検物２１６を１方向に移動させながら（第１の実施形態によれば、円筒状被検物２１５を１回転させるだけで）、被検物２１６（又は円筒状被検物２１５）の各領域の焦点位置が異なる共焦点画像を取得して３次元形状を測定するため、測定時間が少なくて済む。

なお、前述した第１および第２の実施形態では、被検物の移動中に撮像を行うため、露光中に位置が変動して測定精度が低下することがあり得る。そこで、第１および第２の実施形態に限らず、例えば、２次元検出器２１４の撮像タイミングに同期させてレーザ光源２０３を短時間点灯させる構成とする。２次元検出器２１４のシャッタ機能を用い、露光時間を短縮するようにしてもよい。ここでは、２次元検出器２１４の受光タイミングに同期して点滅するレーザ光源２０３を用いることにより、撮像時における被検物の移動に起因する測定精度の低下が抑制される。この構成は、請求項３の実施の一形態に相当する。この構成により、第１および第２の実施形態に比べて、さらに測定精度を向上させることができる。

本発明の第１の実施形態としての形状測定装置の構成図である。 本発明の第１の実施形態としての２次元検出器の画素配列を示す図である。 本発明の第１の実施形態としての２次元検出器の各画素の受光強度を示す図である。 本発明の第１の実施形態としての共焦点画像の画素と前記画素の信号が得られた時刻との関係を示す図である。 本発明の第２の実施形態としての形状測定装置の構成図である。 従来の形状測定装置の一例を示す構成図である。 図６に追加した円盤を示す構成図である。 従来の形状測定装置の他の例を示す構成図である。

符号の説明

２０２ ピンホール
２０３ 光源（レーザ光源）
２０４ コリメータレンズ
２０５ 光路分岐光学素子
２０６ マイクロレンズアレイ
２０７ ピンホールアレイ
２１２ 結像レンズ
２１３ 絞り
２１４ ２次元検出器
２１５ 円筒状被検物
２１６ 被検物
２１７ 形状演算手段
２１８ 対物レンズ

Claims (5)

1. 平行光束を放射する光源と、
   前記光源の光を円筒状被検物に集光する対物レンズと、
   前記円筒状被検物からの反射光を結像させるための結像レンズと、
   前記円筒状被検物の測定点を１次元的又は２次元的に拡大するための測定拡大手段と、
   前記対物レンズの合焦位置にある前記円筒状被検物からの反射光が結像する位置に配置されたピンホールと、
   前記ピンホールを通過して戻ってくる光量を測定する、１次元的又は２次元的に配列された受光素子からなる光電センサと、
   前記円筒状被検物を軸周りに駆動回転させる回転駆動手段と、
   前記測定拡大手段により拡大された測定範囲で、前記円筒状被検物の回転と共に前記光電センサで逐次得られる共焦点画像に対応する前記受光素子の位置と前記受光素子からの信号が得られた時刻を選択し、前記円筒状被検物の形状を演算する形状演算手段と、
   を備えたことを特徴とする形状測定装置。
2. 平行光束を放射する光源と、
   前記光源の光を被検物に集光する対物レンズと、
   前記被検物からの反射光を結像させるための結像レンズと、
   前記被検物の測定点を１次元的又は２次元的に拡大するための測定拡大手段と、
   前記対物レンズの合焦位置にある前記被検物からの反射光が結像する位置に配置されたピンホールと、
   前記ピンホールを通過して戻ってくる光量を測定する、１次元的又は２次元的に配列された受光素子からなる光電センサと、
   前記光源を含む走査光学系の光軸と垂直な方向に対して所定の角度傾いた方向に前記被検物を移動する移動手段と、
   前記測定拡大手段により拡大された測定範囲で、前記被検物の移動と共に前記光電センサで逐次得られる共焦点画像に対応する前記受光素子の位置と前記受光素子からの信号が得られた時刻を選択し、前記被検物の形状を演算する形状演算手段と、
   を備えたことを特徴とする形状測定装置。
3. 前記光源は、前記光電センサの受光タイミングに同期して点滅することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の形状測定装置。
4. 円筒状被検物を軸回りに回転させながら、平行光束を放射する光源からの光を前記円筒状被検物に集光し、１次元的又は２次元的に配列された受光素子からなる光電センサを用いて前記円筒状被検物からの反射光の光量を測定し、前記光電センサで得られる共焦点画像に対応する前記受光素子の位置と前記受光素子からの信号が得られた時刻のデータを、１次元的又は２次元的な配列データから選択することにより、前記円筒状被検物の周面を走査して形状を測定することを特徴とする共焦点光学系を用いた形状測定方法。
5. 平行光束を放射する光源を含む走査光学系の光軸と垂直な方向に対して所定の角度傾いた方向に被検物を移動させながら、前記光源からの光を前記被検物に集光し、１次元的又は２次元的に配列された受光素子からなる光電センサを用いて前記被検物からの反射光の光量を測定し、前記光電センサで得られる共焦点画像に対応する前記受光素子の位置と前記受光素子からの信号が得られた時刻のデータを、１次元的又は２次元的な配列データから選択することにより、前記被検物の表面を走査して形状を測定することを特徴とする共焦点光学系を用いた形状測定方法。

Images