JP2010169646A - 光切断法と点光による深さ高さの測定法の融合光学システム - Google Patents

Abstract

【課題】 光切断法による深さ高さの形状観察光学系と点光による深さ高さ測定法による光学系を融合したＺ測定システムを提供する。
【解決手段】 スリット光と点光を同軸上に照射し、スリット像上の中心に点光像が来るように配置した像を斜め方向からの光軸により測定対象物上に結像させ、この合成像を全反射方向の光軸を通して受光し、それぞれ観察側の素子上（１４）及び受光センサー側の素子上（１５）に結像させる光学系を発明。スリット像による深さ高さの形状認識と点光による高精度なＺ軸測定が同一光学系で実現できるのが特徴である。
【選択図】図１

Description

この発明は光切断法と点光による深さ高さ測定法を融合させた光学システムの構築に関するものである。

光切断法はスリット光を斜めから対象物に照射し、それにより表出するスリットの像を全反射側から観察する観察法であり、深さ高さの形状を平面画像上で認識する手段として有効である。この方式を使いさまざまな深さ高さの測定機や画像処理装置に応用がなされている。
点光による深さ高さの測定法は平行光に絞りを入れたスポット光（主にレーザー光）を受光側と対照となる光路を通して対象物に照射し、その像を受光センサー上に結像させてその位置変位のデータを取得することによりＺ軸方向の測定をするものである。

従来、光切断法と点光による深さ高さの測定法の２つの手法はそれぞれ以下のメリット・デメリットがあった。光切断法は深さ高さの形状をリアルタイムで認識できるメリットがあるが、Ｚ軸の位置データの取得についてはマニュアルによる上下動の読取もしくはスリット像を画像処理して測定データを取得する等に限られている。一方、点光による深さ高さの測定法は受光素子上の点光画像をＺ軸位置データに変換するものであり即時に高精度のＺ軸測定が可能であるが、個々の点の位置データを集積してプロファイルにしないと形状認識できない。観察する場合は顕微鏡画像等の平面画像を使用するため対象物の高低差を画像上でリアルタイムには認識できない。
高精度かつ操作性の高いＺ軸測定機を目指すためには上記の個々の手法におけるデメリットを解消させる必要がある。

光切断法におけるスリット光と点光による深さ高さの測定法における点光（レーザー光もしくは白色光）の平行光を同軸上に照射し、光学系を通して斜め方向の光軸により測定対象物上に結像させ、スリット像上の中心に点光像が来るように配置する。この合成像を全反射方向の光軸へ受光し、それぞれ観察側の素子及び受光センサー側の素子上に結像させる。以上の光学系により観察側素子上ではスリット線と点光および対象物表面の合成画像が観察され、受光センサー側素子上ではセンサー上に点光の受光することによりその位置データをリアルタイムで取得する。Ｚ軸駆動系に位置データをフィードバックすることによりオートフォーカス駆動させＺ軸測定システムとして活用する。

上記の一連のシステムで、リアルタイムでのオートフォーカス駆動、対象物の形状確認、Ｚ軸測定が同時にできるようになる。通常の平面画像では認識できない測定画面上の高低差を光切断スリット像で確認しながら測定箇所を決めることができるので作業性が良く、オートフォーカス駆動により測定時における目視でのＺ軸焦点合わせも不要であり測定時間が大幅に短縮でき、人的要素による測定誤差の発生や繰り返し測定精度も改善できる。測定画面上でスリット線と点光の中心が合致していない場合は正確に測定できていないと認識できるので、微小な異物があるとか濃淡の強いパターンがある場合や斜面にかかった測定の際でも誤った数値での測定を防ぐことができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
スリット光及び点光を照射する側を照射側ユニット（１）、対物レンズ及び光学系を配置するボックスを本体ユニット（２）、観察側の素子及び受光センサーを配置する側を受光側ユニット（３）とし、全体図を［図１］に表示する。照射側ユニット（１）の一方より半導体レーザー光もしくは白色光の平行光（４）をピンホール状の小径絞り（５）に照射する。もう一方より（４）とは波長域を変えた白色平行光（６）を暗視野もしくは半透過のスリットフィルター（７）に照射する。（５）と（７）の像（ピンホール像とスリット形状の像）は照射側ユニット（１）に配置したビームスプリッタ（８）を通して同軸上に合成され本体ユニット（２）内に配置した照射側対物レンズ（９）を通して測定対象物上（１０）に結像させる。この像は受光側光軸（１１）を経て本体ユニット（２）内に配置した受光側対物レンズ（１２）を通り受光側ユニット（３）に到達し、同じく（３）内に配置したビームスプリッタ（１３）により分岐され、観察素子（１４）と受光センサー素子（１５）上にそれぞれ結像する。
照射側対物レンズ（９）の光軸と測定対象物上（１０）の水平面との交角（１６）および受光側対物レンズ（１２）の光軸と測定対象物上（１０）の水平面との交角（１７）は同一で、（９）と（１２）は（１０）の水平面を中心として互いに全反射で送受光する位置関係となる。
観察素子（１４）上の画像は撮像装置等を介して観察及び画像処理の用途に供され、受光センサー素子（１５）上の画像は位置データに変換されＺ軸駆動系にフィードバックされオートフォーカス駆動させＺ軸自動測定に供される。
観察素子上（１４）及び受光センサー素子上（１５）の画像の状態は［図２］のようになる。この際、画像上のスリット線像（１８）と点光像（１９）の位置はスリット線の幅の中心と点光の中心が合致するように配置する。（７）で半透過のスリットフィルターを使用した場合は、点光像・スリット光像・対象物の表面像が同時に観察できる。測定対象物（１０）が平面の場合においては（２０）の通りスリット線像（１８）は直線となりその中心と点光像（１９）の中心は合致する。測定対象物（１０）が段差形状部分（２１）をまたぐ地点では段差における画像状態（通常時）（２２）の通りスリット線像（１８）と点光像（１９）の中心点は段差部分上に中心を一致して観察される。段差における画像状態（測定不能時）（２３）のようにスリット線像（１８）と点光像（１９）の中心点が一致しない場合は正確なＺ軸測定が行なわれていないことが判別できる。

本発明の光学系システムの全体図である。 本発明の観察素子（１４）及び受光センサー素子（１５）の画像図である。

（１） 照射側ユニット
（２） 本体ユニット
（３） 受光側ユニット
（４） レーザーもしくは白色光の平行光
（５） ピンホール状の小径絞り
（６） （４）とは波長域を変えた白色平行光
（７） 暗視野もしくは半透過のスリットフィルター
（８） ビームスプリッタ
（９） 照射側対物レンズ
（１０） 測定対象物
（１１） 受光側光軸
（１２） 受光側対物レンズ
（１３） ビームスプリッタ
（１４） 観察素子
（１５） 受光センサー素子
（１６） 照射側光軸と対象物面との交角
（１７） 受光側光軸と対象物面との交角
（１８） スリット線像
（１９） 点光像
（２０） 平面における画像状態
（２１） 段差形状部分（斜線部）
（２２） 段差における画像状態（通常時）
（２３） 段差における画像状態（測定不能時）

Claims (2)

1. 個別に配置したスリット光と点光の２つの光像をスリット像の中心に点光像が来るように光軸を一致合わせし、斜め方向から測定対象物面（１０）に照射側対物レンズ（９）を通し結像させ、この像を照射側対物レンズ（９）と対象的に置いた拡大系の受光側対物レンズ（１２）で受け、観察側の素子上（１４）及び受光センサー側の素子上（１５）の２つに個別結像させる光学系。
2. 光切断法と点光による深さ高さ位置測定法を融合し、スリット像による深さ高さの形状を観察しながら点光位置の測定をリアルタイムで行なうＺ軸測定システム。

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