JP2009198376A

JP2009198376A - 表面形状測定装置

Info

Publication number: JP2009198376A
Application number: JP2008041565A
Authority: JP
Inventors: Koshi Kuno; 耕嗣久野; Naoki Ito; 直樹伊藤
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2008-02-22
Filing date: 2008-02-22
Publication date: 2009-09-03

Abstract

【課題】被測定物の表面形状を全面に亘って迅速に測定でき、かつ、製造コストを抑制できる表面形状測定装置を提供する。
【解決手段】互いに異なる焦点Ｆ１〜Ｆ３を同一の光軸Ｌ上に形成するよう、複数の集光部２１を備えた第一集光素子２０と、複数の集光部２１によって得られる被測定物Ａの表面像の夫々を、光軸方向視で離間した位置に再結像させる第二集光素子３０と、第二集光素子３０による表面像の再結像位置に配置可能な受光素子４１と、受光素子４１からの出力に基づき、被測定物Ａの表面形状を判別する演算手段５０と、を備えた表面形状測定装置Ｘ。
【選択図】図１

Description

本発明は、被測定物の表面から得られる画像情報に基づいて被測定物の表面形状を測定する表面形状測定装置に関する。

特許文献１には、被測定物の表面形状を測定する表面形状測定装置が開示してある。当該装置は、光源より被測定物に測定光を照射し、被測定物の表面上の反射光を光検出器により画像として取込む。取り込んだ画像から得られた高さ情報をもとに三次元座標データの演算を行い、当該データの各位置間における変位および変化率から被測定物の表面形状を判別する。

被測定物の表面形状を測定する装置としては、他に、共焦点顕微鏡が公知である。当該共焦点顕微鏡では、被測定物に測定光を照射し、その反射光が合焦点位置（被測定物の表面位置）と光学的に共役な位置に配置されたピンホールを通過し、被測定物の真上に配設された光検出器に入射した場合に、被測定物の高さ情報が得られる。当該反射光がピンホールを通過しなかった場合は、必要な構成を上下移動させることでピンホールを通過する高さを探す。
このように、焦点面を被測定物に対してその高さ方向に相対移動させて、被測定物の画像データを取得すれば、被測定物の表面のうち焦点面と一致した部分だけが明るくなる画像データを高さ毎に得ることができる。これを画像処理することにより、高さ情報が得られる。
その後、Ｘ方向或いはＹ方向に所定量移動し、新たな位置で上記手法により高さ情報を得る。この動作を被測定物の表面全体に亘って行うことで被測定物の表面形状を判別する。

特開平８−１４８５１号公報

特許文献１に記載の表面形状測定装置では、反射光を取り込む光検出器は、光源の光軸に対して傾斜して配設してある。そのため、被測定物の表面に凹凸部が存在する場合、凹部に測定光を照射したとき反射光が凸部に遮られ、光検出器は当該反射光を撮像できない場合がある。このとき、被測定物の表面形状を全面に亘って測定できない。

また、上述した共焦点顕微鏡では、被測定物からの反射光がピンホールを通過するように、必要なシステム構成を上下移動させる必要がある。よって、被測定物の表面の全面に亘って測定を行うと、被測定物の凹凸箇所を測定する度に当該上下移動が必要となり、測定に多大な時間を要する。また、当該上下移動させるための構成が必要となるため、装置の製造コストが上昇する。

従って、本発明の目的は、被測定物の表面形状を全面に亘って迅速に測定でき、かつ、製造コストを抑制できる表面形状測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る表面形状測定装置の第一特徴構成は、被測定物に測定光を照射したとき前記測定光の光束を制限する光束径制限部を備えた光照射手段と、互いに異なる焦点を同一の光軸上に形成するよう、複数の集光部を備えた第一集光素子と、前記複数の集光部によって得られる前記被測定物の表面像の夫々を、前記光軸方向視で離間した位置に再結像させる第二集光素子と、前記第二集光素子による前記表面像の再結像位置に配置可能な受光素子と、前記受光素子からの出力に基づき、前記被測定物の表面形状を判別する演算手段と、を備えた点にある。

本構成によれば、光束を制限する光束径制限部を通過した測定光を被測定物に照射させることで、コントラストの高い状態で被測定物を照射することができ、被測定物の表面認識をより確実に行うことができる。

第一集光素子は光軸上に複数の焦点を結像する。このように多焦点の第一集光素子を使用することで、複数の焦点位置で被測定物の高さ情報を得ることができる。
第二集光素子は、集光部によって前記光軸上の多焦点位置で得られた被測定物の表面像の夫々を、光軸方向視で離間した位置に再結像させる。そのため、各表面像を重なることなく受光素子にて結像させることができる。

演算手段では、受光素子にて再結像した表面像に基づき、被測定物の表面形状を判別する。
このとき、それぞれの表面像は受光素子の異なる位置で結像するため、当該表面像が結像した位置における出力を基に、演算手段によって被測定物の表面の高さ情報を得ることができる。

また、集光部の焦点が被測定物の高さ位置に一致した場合には、集光部によって得られる表面像は、第二集光素子によってコントラストの高い状態で受光素子の受光面で再結像する。
一方、被測定物における所定の高さ位置が、第一集光素子が結像する二つの焦点の間に存在する場合、集光部によって得られる表面像はコントラストの低い状態で第二集光素子によって受光素子の受光面で再結像する。
このようにコントラストの高低を考慮して演算すれば、被測定物の高さ情報を取得できる。

従って、本構成であれば、焦点面を被測定物に対してその高さ方向に相対移動させることなく、被測定物の高さに対応した高さ情報を得ることができる。そのため、被測定物の全面に亘って凹凸箇所を有する表面を測定する場合であっても、迅速に測定を行うことができる。
また、高さ方向に相対移動させる構成が必要ないため、その分、装置の製造コストを抑えることができる。

本発明に係る表面形状測定装置の第二特徴構成は、前記受光素子の数を前記第二集光素子が結像する数と等しくした点にある。

本構成によれば、第二集光素子が再結像する複数の表面像を、それぞれ異なる受光素子で受光できる。これにより、各表面像が再結像する領域のみに受光素子を配置すればよいため、受光素子を小型化することができる。
また、予め決められた高さ範囲では、所定の集光素子で結像した表面像を所定の受光素子で受光するように設定できる。
仮に、受光素子が受光した光情報を演算して算出された位置座標が、前記予め決められた高さの範囲に無い場合は、当該受光した光情報をノイズと判断することができる。そのため、本構成では、正確な高さ情報を確実に取得することができる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
本発明の表面形状測定装置は、例えば測定光を被測定物に照射し、その反射光に基づいて検出された情報から被測定物の表面形状を三次元的に測定する。
集光素子は、回折レンズ・屈折レンズ等が適用可能である。本実施形態では、集光素子として回折レンズを利用した場合を例示する。

図１〜５に示したように、表面形状測定装置Ｘは、被測定物Ａに測定光を照射したとき測定光の光束を制限する光照射手段１０と、互いに異なる焦点Ｆ１〜Ｆ３を同一の光軸Ｌ上に形成するよう、複数の集光部２１ａ〜２１ｃを備えた第一集光素子２０と、複数の集光部２１ａ〜２１ｃによって得られる被測定物Ａの表面像の夫々を、光軸方向視で離間した位置に再結像させる第二集光素子３０と、第二集光素子３０による表面像の再結像位置に配置可能な受光素子４１と、受光素子４１からの出力に基づき、被測定物Ａの表面形状を判別する演算手段５０と、を備える。

（光照射手段）
光照射手段１０は、被測定物の表面形状を測定する際に、被測定物Ａに対して垂直方向から測定光を照射可能に構成する。光照射手段１０は、測定光を光源１１から被測定物Ａに導くため、対物レンズ１２ａ，１２ｂ、開口１３ａが形成してある光束径制限部１３、光束偏向手段１４を備える。

ハロゲンランプ等の光源１１から側方に投射された測定光は、集光レンズである対物レンズ１２ａによって集光される。対物レンズ１２ａの集光点の位置に光束径制限部１３が配置してある。光束径制限部１３には、測定光の光束を制限するため、ピンホール等の開口１３ａが形成してある。
当該開口１３ａを通過した測定光は、コリメータレンズ等の対物レンズ１２ｂによって平行な光束に形成される。その後、当該光束はハーフミラー等の光束偏向手段１４に入射して、光束の一部において、その進行方向を被測定物Ａの側へと偏向することができる。
これにより、光源１１から照射された光を点光源とすることができ、被測定物Ａの表面を極めて狭い領域に照射することができる。

（第一集光素子）
第一集光素子２０は、測定光の光軸Ｌ上に焦点Ｆを形成する集光部２１を複数備えている。本実施形態では、三つの焦点Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３を光軸Ｌ上の異なる位置に形成するよう、第一集光素子２０の同軸芯上に三つの集光部２１、即ち第一集光部２１ａ・第二集光部２１ｂ・第三集光部２１ｃを設けてある（図４）。
このように多焦点の第一集光素子２０を使用することで、複数の焦点位置で被測定物Ａの高さ情報を得ることができる。

第一集光素子２０の中心に形成された第一集光部２１ａは、第一集光素子２０に最も近い位置に焦点Ｆ１を有し（図１）、第一集光素子２０の最も外側に形成された第三集光部２１ｃは、第一集光素子２０に最も遠い位置に焦点Ｆ３を有する（図３）。第一集光部２１ａの直ぐ外側に形成された第二集光部２１ｂは、焦点Ｆ１および焦点Ｆ３の間に焦点Ｆ２を有する（図２）。

第一集光素子２０として利用する回折レンズは、図４に示したように、光軸Ｌを中心とする同心円状に多数の段差構造（輪帯構造）を設けて、集光部２１ａ〜２１ｃを形成する。このような輪帯構造を有する集光素子は、平面状に形成することが可能となり、第一集光素子２０を薄型化することができる。

光束偏向手段１４によって偏向された測定光は、例えば第一集光素子２０の第一集光部２１ａを透過して被測定物Ａの表面上に位置する焦点Ｆ１を結像する。この反射光は、第一集光部２１ａによって得られる被測定物Ａの表面像として、当該第一集光部２１ａを透過して光束偏向手段１４に入射する。入射した当該反射光の一部は、そのまま直進して第二集光素子３０に入射する。他の集光部２１ｂ，２１ｃについても同様である。

（第二集光素子）
第二集光素子３０は、集光部２１によって光軸Ｌの方向に沿って各焦点Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３で得られた被測定物Ａの表面像の夫々を、光軸方向視で互いに異なる位置に再結像させる。即ち、第二集光素子３０は、複数の集光部２１からの各表面像を再結像する複数の再結像部３１ａ，３１ｂ，３１ｃを設ける。これにより、各表面像を重ねることなく各受光素子４１ａ，４１ｂ，４１ｃにて結像させることができる。

本実施形態では、これら複数の表面像を、同一平面Ｐ上の異なる位置に分散させて結像するように、第二集光素子３０の中心から外側方向に三つの再結像部３１、即ち、第一再結像部３１ａ・第二再結像部３１ｂ・第三再結像部３１ｃを設けてある（図５）。

通常、受光素子４１の受光面は平面状となっている。そのため、第二集光素子３０からの複数の表面像を同一平面状の異なる位置で結像させることにより、被測定物Ａに対面させて配置した受光素子４１によって確実に受光することができる。

第二集光素子３０の中心に形成された第一再結像部３１ａからの光は、左方に偏向して平面Ｐ上の焦点ｆ１で結像し（図１）、第二集光素子３０の最も外側に形成された第三再結像部３１ｃからの光は、右方に偏向して平面Ｐ上の焦点ｆ３で結像する（図３）。第一再結像部３１ａの直ぐ外側に形成された第二再結像部３１ｂからの光は、焦点ｆ１および焦点ｆ３の間の焦点ｆ２で結像する（図２）。

第二集光素子３０として利用する回折レンズは、図５に示したように、第一再結像部３１ａおよび第三再結像部３１ｃとして、第二集光素子３０の円周上に設定した中心を基準とした同心円状の輪帯構造が形成してある。第二再結像部３１ｂは、光軸Ｌを中心とした同心円状の輪帯構造が形成してある。

（受光素子）
受光素子４１は、第二集光素子３０により再結像した表面像を受光する。本実施形態では、平面Ｐ上に受光面を形成し、三つの再結像部３１ａ，３１ｂ，３１ｃからの各表面像を受光する三つの受光素子４１ａ，４１ｂ，４１ｃを設ける。
受光素子４１は、例えばＣＣＤ素子等を用いることができる。本実施形態では、それぞれ赤・緑・青のＣＣＤ素子４１ａ〜４１ｃを三列併置したカラーラインセンサとしてある。

本装置において、測定光は被測定物Ａに対してほぼ垂直に照射される。このため、被測定物Ａの表面に凹凸が存在する場合であっても、被測定物Ａからの反射光は遮られることなく、撮像手段４０によって確実に受光することができる。これにより、被測定物Ａの表面形状を全面に亘って測定できる。

本実施形態では、受光素子４１の数を、第二集光素子３０による結像位置の数と等しく設定してある。
これにより、第二集光素子３０が再結像する複数の表面像を、それぞれ異なる受光素子４１で受光できる。よって、例えば被測定物Ａの表面が焦点Ｆ１から焦点Ｆ３の間にあるような予め決められた高さ範囲では、所定の再結像部３１で結像した表面像を所定の受光素子４１で素早く受光することができる。

（演算手段）
演算手段５０は、受光素子４１からの出力に基づき、被測定物Ａの表面形状を判別する。
受光素子４１が表面像を受像すると、その情報を演算手段５０に出力する。それぞれの表面像は異なる位置に配置してある受光素子４１で結像するため、当該表面像が結像した受光素子４１における出力を基に、演算手段５０によって被測定物Ａの表面の高さ情報を得ることができる。
演算手段５０は、例えば受光素子４１が受光した光情報を、位置座標等の形状情報に変換できるコンピュータで構成する。

例えば集光部２１ａを透過した測定光が焦点Ｆ１で結像し、そこに被測定物Ａの表面がある場合、集光部２１ａが捉えた表面像はコントラストの高い状態で再結像部３１ａを透過し、受光素子４１ａの受光面上の焦点ｆ１で再結像する。
一方、被測定物Ａにおける所定の高さ位置が、例えば第一集光素子２０の焦点Ｆ１および焦点Ｆ２の間に存在する場合、集光部２１ａ，２１ｂからの光は所定の受光素子４１ａ，４１ｂで結像しない。このとき、それぞれの集光部２１によって得られる表面像はピントがボケた状態で受光素子４１ａ，４１ｂに再結像する。これらの像はコントラストの低いものとなる。
このようにコントラストの高低を考慮して演算手段５０によって演算すれば、被測定物Ａの高さ情報を取得することができる。

尚、演算手段５０は、三つ以上の受光素子４１からの光情報に基づいて演算することも可能である。さらに、非常にコントラストの弱い光を受光素子４１が受光した場合は、演算手段５０による演算を行わないようにすることができる。このとき、演算手段５０では光強度の閾値を設定しておき、当該閾値より小さい光情報は、演算から除外する。

本発明の表面形状測定装置Ｘであれば、焦点面を被測定物Ａに対してその高さ方向に相対移動させることなく、被測定物Ａの高さに対応した高さ情報を得ることができる。そのため、被測定物Ａの全面に亘って凹凸箇所を有する表面を測定する場合であっても、迅速に測定を行うことができる。

被測定物Ａは、ステージ（図外）の上に載置された状態でその表面形状を測定するとよい。被測定物Ａの表面形状を全面に亘って測定するため、例えばステージを二次元的方向（Ｘ，Ｙ方向）にスライド移動ができるように構成する。被測定物Ａの表面を全面に亘って測定する場合、例えばステージ１０を一定速度でスライド移動させるようにしてもよい。

〔別実施の形態〕
（１）上述した実施形態では、第一集光素子２０は、輪帯構造を適用する場合について説明した。しかし、これに限られるものではなく、第一集光素子２０は、屈折率の異なる複数の曲面で形成された非球面構造とすることができる。
当該非球面構造を適用すると、鮮明な被測定物の表面像を得易くなる。

（２）上述した実施形態では、再結像部３１における複数の焦点ｆを、同一平面Ｐ上の異なる位置に分散させて結像する例を示したが、必ずしも同一平面Ｐ上に結像させなくてもよい。例えば、複数の受光素子４１を高さが異なる位置に配設すると、複数の受光素子４１を配設する撮像手段４０における設計の自由度が増す。

（３）演算手段５０には、被測定物Ａの表面の形状を予測する表面形状予測手段（図外）を備えてもよい。
例えば被測定物Ａの表面形状の起伏が比較的緩やかなことが予め判明している場合、或いは、表面形状の測定時間を短縮したい場合等においては、被測定物Ａの表面形状を全面に亘って測定する際に、被測定物Ａの測定部位を減らして測定を行うことがある。このとき、表面形状予測手段によって、所定の測定位置の高さ情報およびその近傍の測定位置の高さ情報に基づき、これらの位置の中間位置における高さ情報を演算する。
本構成では、測定部位を減少させた場合であっても、迅速に被測定物Ａの全面における表面形状の情報を得ることができる。

本発明の表面形状測定装置の概略図（第一集光部の焦点が被測定物の表面にある場合）本発明の表面形状測定装置の概略図（第二集光部の焦点が被測定物の表面にある場合）本発明の表面形状測定装置の概略図（第三集光部の焦点が被測定物の表面にある場合）第一集光素子の概略図第二集光素子の概略図

符号の説明

Ｘ表面形状測定装置
Ａ被測定物
Ｆ焦点
Ｌ光軸
１０光照射手段
１３光束径制限部
２０第一集光素子
２１集光部
３０第二集光素子
４１受光素子
５０演算手段

Claims

被測定物に測定光を照射したとき前記測定光の光束を制限する光束径制限部を備えた光照射手段と、
互いに異なる焦点を同一の光軸上に形成するよう、複数の集光部を備えた第一集光素子と、
前記複数の集光部によって得られる前記被測定物の表面像の夫々を、前記光軸方向視で離間した位置に再結像させる第二集光素子と、
前記第二集光素子による前記表面像の再結像位置に配置可能な受光素子と、
前記受光素子からの出力に基づき、前記被測定物の表面形状を判別する演算手段と、を備えた表面形状測定装置。
前記受光素子の数を前記第二集光素子が結像する数と等しくしてある請求項１に記載の表面形状測定装置。