JP2013160612A - 立体形状計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のスポットを被計測体表面上で直線走査することができる立体形状計測装置を提供する。
【解決手段】本発明の一実施形態に係る立体形状計測装置１０は、共焦点光学系を用いた立体形状計測装置であって、光源１１の光を通過する複数の共焦点開口部２５が、所定の配列周期を持つよう２次元に配置されて設けられた開口板１２と、物体側集光点の位置と被計測体１５の位置との光軸方向に垂直な方向の相対的な位置関係を変更するよう開口板１２を光軸方向に垂直な所定の方向に等速に変位させる開口板変位部２６とを少なくとも備える。また、開口板１２には、開口板変位部２６により開口板１２と一体的に変位し、光源の光を透過して複数の共焦点開口部に照射させる透明体６１を有し、複数の共焦点開口部２５を防塵するカバー部材６０が設けられる。また、共焦点開口部２５に再度集光された反射光のそれぞれを対応する光検出器に導く結像光学系３５は、カバー部材６０の透明体６１を含む光学系全体の光学特性を考慮して設計される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、共焦点光学系を用いて物体の立体形状を計測する立体形状計測装置に関する。

物体の表面形状などの立体形状を計測する方法の１つに、共焦点光学系を用いて物体表面上の各点の高さの情報を取得することにより物体の表面形状を計測する方法がある。共焦点光学系による計測は、原理的に「点」単位の計測であるため、面領域を計測するためには特別な工夫が必要となる。

この種の共焦点光学系を用いて物体の表面などの面領域を計測するための技術に、特開平９−３２９７４８号公報（特許文献１）に開示された技術がある。

特許文献１には、光源と、複数の開口が形成されたニポウディスク（Ｎｉｐｋｏｗ ｄｉｓｋ）と、を備えた共焦点顕微鏡が開示されている。各開口は、点光源として機能するとともに検出器として機能する。各開口を通過した複数の光は、対物レンズによりそれぞれ対応する被計測体側の集光位置に集束される。このため、ニポウディスクを回転させることにより、複数の開口を通過して被計測体側の複数の集光位置で集束された光（以下、スポットという）のそれぞれを被計測体表面上で容易かつ高速に走査することができるようになっている。

特開平９−３２９７４８号公報

しかし、ニポウディスクを用いてスポットを被計測体表面上で走査する方法では、ニポウディスクの回転に起因する弊害を防ぐことがむずかしい。ニポウディスクの回転に起因する弊害としては、たとえば、ニポウディスクの回転に伴う開口の軌跡が描く曲線の曲率がディスクの中心からの距離に応じて異なることなどが挙げられる。開口ごとに軌跡の曲率が異なるため、開口ごとに走査速度が異なるなどのバラつきが生じてしまう。また、ディスクの偏心による回転ぶれをはじめ、連続回転により生じる振動が避けられない。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、複数のスポットを被計測体表面上で直線走査することができる立体形状計測装置を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態に係る立体形状計測装置は、上述した課題を解決するために、共焦点光学系を用いた立体形状計測装置であって、光源の光を通過する複数の共焦点開口部が、所定の配列周期を持つよう２次元に配置されて設けられた開口板と、前記複数の共焦点開口部を通過したそれぞれの光を物体側集光点に集光するとともに、この集光した光の被計測体による反射光をそれぞれ対応する共焦点開口部に再度集光する対物レンズと、屈折率および厚さの少なくとも一方が互いに異なる複数の平行平板形の部材が前記対物レンズの光軸と交差するよう回転方向に沿って配設された回転体と、前記回転体を所定の速度で連続回転させる駆動部と、を有し、光軸と交わる前記平行平板形の部材が前記回転体の回転にともない変わるごとに前記物体側集光点の位置を光軸方向に離散的に変更する焦点位置変更部と、前記共焦点開口部を再度通過した前記反射光の強度に応じた信号を出力する光検出器を複数有する光検出器群と、前記物体側集光点の位置と前記被計測体の位置との光軸方向に垂直な方向の相対的な位置関係を変更するよう前記開口板を光軸方向に垂直な所定の方向に等速に変位させる開口板変位部と、前記開口板変位部により前記開口板が光軸方向に垂直な前記所定の方向に等速に変位している期間において前記光検出器群に複数回の露光を行わせるとともに、前記平行平板形の部材内に撮像対象領域が含まれる期間ごとに前記光検出器群の各露光を行わせ、かつ前記光検出器群の露光時間が前記所定の配列周期に第１の正整数を乗じた距離だけ前記開口板が移動する時間と一致するよう、前記開口板の移動速度、前記回転体の回転速度および前記光検出器群の前記露光時間および露光タイミングを制御する撮像制御部と、光軸方向に離散的に変更された前記物体側集光点の位置ごとの前記光検出器の信号にもとづいて、前記光検出器ごとに前記光検出器に入射する前記反射光の強度が最大となる前記被計測体の光軸方向の位置を推定する高さ決定部と、前記開口板に設けられて前記開口板変位部により前記開口板と一体的に変位し、前記光源の光を透過して前記複数の共焦点開口部に照射させる透明体を有し、前記複数の共焦点開口部を防塵するカバー部材と、前記カバー部材の前記透明体を含む光学系全体の光学特性を考慮して設計され、前記共焦点開口部を再度通過した前記反射光を前記光検出器に導く結像光学系と、を備えたものである。

本発明に係る立体形状計測装置によれば、複数のスポットを被計測体表面上で直線走査することができる。

本発明の第１実施形態に係る立体形状計測装置の一構成例を示す概略的な全体図。 開口板の一構成例を示す平面図。 焦点位置変更部の一構成例を示す斜視図。 画像処理装置の内部構成例を概略的に示すブロック図。 （ａ）は従来の方法により反射光の強度が最大となる被計測体のＺ軸座標を算出する方法を説明するための図、（ｂ）は第１実施形態に係る被計測体のＺ軸座標を算出する方法を説明するための図。 （ａ）は図１に示す一例に係るカバー部材が設けられた開口板の側面図、（ｂ）はその斜視図。 鮮明な画像を得るためのタイミングチャートの一例を示す説明図。 反力機構の一構成例を示す斜視図。 本発明の第２実施形態に係る立体形状計測装置の一構成例を示す概略的な全体図。 第２実施形態に係る被計測体のＺ軸座標を算出する方法を説明するための図。

本発明に係る立体形状計測装置の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。

本発明の一実施形態に係る立体形状計測装置は、２次元配列型の共焦点開口アレイを有する共焦点光学系を用いて被計測体の形状を計測するものである。共焦点開口アレイは、所定の配列周期を持つよう開口板に２次元に配置されて設けられる。計測対象物としては、たとえばＩＣパッケージのような大量生産部品の電極端子（たとえば大きさ数十ミクロン〜数百ミクロン）などが挙げられる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る立体形状計測装置の一構成例を示す概略的な全体図である。なお、以下の説明では、光軸方向をＺ軸、光軸方向に垂直な方向をＸ軸およびＹ軸とする場合の例について示す。

立体形状計測装置１０は、光源１１ａを有する照明光学系１１、主面が光軸方向に垂直となるよう配置された開口板１２、対物レンズ１３、焦点位置変更部１４、被計測体１５を載置するための載物台１６、被計測体１５からの反射光を入射される光検出器１７ａを複数有する光検出器群１７、載物台１６をＸＹＺ各方向に移動させるための載物台駆動部１８、載物台１６および載物台駆動部１８を支持する支持基台１９、および画像処理装置２０を有する。載物台駆動部１８は、載物台Ｚ変位部２１および載物台ＸＹ変位部２２を有する。

光源１１ａとしては、たとえばハロゲンランプやレーザなどを用いることができる。光源１１ａから出射された光は、照明レンズ２３を介して面状の照明光束となる。この光は、偏光ビームスプリッタ２４を介して開口板１２を照明する。

図２は、開口板１２の一構成例を示す平面図である。開口板１２は、複数の共焦点開口部（以下、開口部という）２５が、所定の配列周期Δｄを持つよう２次元に配置されて設けられる。この開口板１２は、開口板変位部２６により駆動されて、光軸方向に垂直な所定の方向に変位する。以下の説明では、開口板１２がＹ軸方向の正の向きおよび負の向きに変位する場合の例について示す。

一般に、２次元配列型の開口アレイの開口部２５同士は、ビーム間のクロストークを小さくするために所定の離間距離をあけて設けられる必要がある。このため、２次元配列型の開口アレイを有する共焦点光学系では、この離間距離のために光軸に垂直な面内方向の分解能が制約されてしまう。一方、近年、固体撮像素子を用いた２次元イメージセンサは、非常に高画素（たとえば、５０００×５０００など）のものが開発されてきている。

そこで、本実施形態では、光検出器群１７を露光させつつ開口板１２を直線的に走査することにより、１つの開口部２５で複数の画素に対応させる。

図２に一部拡大して示すように、所定の配列周期（周期間隔）Δｄだけ開口板１２が変位すると、開口部２５によって撮像対象領域２７の内部を一様に一回走査することができる。図２には、光検出器群１７を構成する光検出器（画素）１７ａに対応する位置を仮想的に破線で示した。

光検出器１７ａの露光時間を、配列周期Δｄに正整数ｍを乗じた距離だけ開口板１２が移動する時間と一致するように制御すれば、各光検出器１７ａに対して開口部２５を介して光が照射される時間を均一にすることができる。この制御は、画像処理装置２０によって実行される。

開口板１２の開口部２５は、それぞれ点光源として機能する。各開口部２５を通過した光は、対物レンズ１３により、焦点位置変更部１４を介して被計測体１５に投光されつつ点光源と共役なスポット（物体側集光点）に集光される。各物体側集光点は、Ｚ軸方向の所定の位置の光軸方向に垂直な面（以下、物体側集光面という）上に位置する。なお、対物レンズ１３は、たとえば複数のレンズおよび絞りにより構成されて両側テレセントリック光学系を構成されてもよい。

開口板変位部２６は、開口板１２を光軸方向に垂直な方向に変位させる。ただし、開口板１２の定速性が悪いと、画像にランダムにムラが発生し、形状計測精度が悪化する。そこで、開口板変位部２６は、制御性の高いダイレクトドライブが可能なリニアモータあるいはボイスコイルモータを使用し、クローズドループ制御を行うことが望ましい。

載物台Ｚ変位部２１は、ステッピングモータやサーボモータ、あるいはピエゾモータなどの一般的な駆動装置により構成され、載物台１６を光軸方向に変位させる。この変位の量、方向およびタイミングは、画像処理装置２０によりＺ軸ドライバ３０を介して制御される。載物台Ｚ変位部２１は、たとえば測定開始前に載物台１６を光軸方向に大まかに変位させる。

図３は、焦点位置変更部１４の一構成例を示す斜視図である。

対物レンズ１３の光路中に平行平板形の透明部材３１を配置すると、対物レンズ１３の物体側集光面の位置がＺ方向に移動する。この移動幅は、透明部材３１の屈折率および厚さによって制御することができる。

このため、図３に示すように、回転体３２に対して回転方向に沿って等間隔に互いに移動幅が異なる透明部材３１を配設する。この回転体３２をモータなどの駆動部３３により所定の速度で連続回転させることにより、透明部材３１のそれぞれが対物レンズ１３の光軸と交わるごとに離散的に（ステップ的に）対物レンズ１３の物体側集光面の位置をＺ方向に移動させることができる。

回転体３２の回転状態はタイミングセンサ３４により検知される。タイミングセンサ３４の出力は画像処理装置２０に与えられる。画像処理装置２０は、あらかじめ各透明部材３１と物体側集光点のＺ軸座標とを関連付けた情報を保持している。画像処理装置２０がタイミングセンサ３４の出力にもとづいて各透明部材３１と光軸とが交わるタイミングで光検出器群１７を露光させることを繰り返すことにより、離散的な複数の物体側集光点の位置のそれぞれで、容易かつ高速に撮像を行うことができる。

なお、駆動部３３は、画像処理装置２０により制御可能に構成されてもよい。この場合、画像処理装置２０は回転体３２の回転速度を制御することができる。

被計測体１５による反射光のうち特に物体側集光点における反射光は、対物レンズ１３により、物体側集光点と光学的共役関係にある点（以下、像側集光点という）に集光される。点光源としての開口部２５と物体側集光点とは、１対１に対応する。

本実施形態では、像側集光点が点光源としての開口部２５に一致する場合の例について説明する。この場合、開口部２５を通過した光は物体側集光点に集光されるとともに、この物体側集光点で反射されて開口部２５に再度入射することになる。

開口部２５に再度入射した光は、偏光ビームスプリッタ２４により偏向されて結像光学系３５に入射し、光検出器群１７を構成する光検出器１７ａに入射する。ここで、結像光学系３５は、開口部２５の像を光検出器群１７の光電変換面に結ぶように構成される。開口部２５（像側集光点）とこの開口部２５に対応する位置に配設された光検出器１７ａとは、偏光ビームスプリッタ２４および結像光学系３５により互いに共役関係となる。

光検出器群１７は、いわゆる２次元イメージセンサであり、光検出器群１７を構成する光検出器１７ａは、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサやＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサにより構成されて、照射された光の強度に応じた信号を画像処理装置２０に出力する。また、光検出器群１７は、画像処理装置２０により光検出のタイミングを制御される。

画像処理装置２０は、この光検出器群１７から受けた信号を、画像（以下、共焦点画像という）を生成するための画像データ（以下、共焦点画像データという）として用いることができる。また、画像処理装置２０は、たとえば共焦点画像データにもとづく共焦点画像を露光ごとに生成してもよい。本実施形態では、画像処理装置２０が光検出器群１７の露光ごとに共焦点画像を生成する場合の例について説明する。なお、画像処理装置２０は、露光ごとに光検出器群１７の出力信号を得ることができれば、この出力信号にもとづいて立体形状計測を行うことが可能であり、共焦点画像は必ずしも生成せずともよい。

載物台駆動部１８の載物台ＸＹ変位部２２は、載物台１６を光軸方向に垂直な方向に変位させる。たとえば、載物台ＸＹ変位部２２は、測定の合間に測定対象領域をＸＹ面内で移動させるために用いられる。

この載物台ＸＹ変位部２２は、載物台１６のＸ軸方向およびＹ軸方向の位置決めを行うＸ軸変位機構４１およびＹ軸変位機構４２を有する。Ｘ軸変位機構４１およびＹ軸変位機構４２は、たとえばサーボモータにより構成され、変位の量、方向およびタイミングは、画像処理装置２０によりＸＹ軸ドライバ４５を介して制御される。

図４は、画像処理装置２０の内部構成例を概略的に示すブロック図である。画像処理装置２０は、たとえばデスクトップ型やノートブック型のパーソナルコンピュータなどにより構成することができる。画像処理装置２０は、入力部５１、表示部５２、記憶部５３および主制御部を有する。

入力部５１は、たとえばキーボード、タッチパネル、テンキーなどの一般的な入力装置により構成され、ユーザの操作に対応した操作入力信号を主制御部に出力する。

表示部５２は、たとえば液晶ディスプレイやＯＬＥＤ（Organic Light Emitting Diode）ディスプレイなどの一般的な表示出力装置により構成され、主制御部の制御に従って各種情報を表示する。

記憶部５３は、ＣＰＵにより読み書き可能な記憶媒体である。記憶部５３は、あらかじめ平行平板形の各透明部材３１と物体側集光点のＺ軸座標とを関連付けた情報を保持している。

主制御部は、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭをはじめとする記憶媒体などにより構成される。主制御部のＣＰＵは、ＲＯＭをはじめとする記憶媒体に記憶された直線走査プログラムおよびこのプログラムの実行のために必要なデータをＲＡＭへロードし、このプログラムに従って、被計測体表面上を直線走査する処理を実行する。

主制御部のＲＡＭは、ＣＰＵが実行するプログラムおよびデータを一時的に格納するワークエリアを提供する。主制御部のＲＯＭをはじめとする記憶媒体は、画像処理装置２０の起動プログラム、直線走査プログラムや、これらのプログラムを実行するために必要な各種データを記憶する。

なお、ＲＯＭをはじめとする記憶媒体および記憶部５３は、磁気的もしくは光学的記録媒体または半導体メモリなどの、ＣＰＵにより読み取り可能な記録媒体を含んだ構成を有し、これら記憶媒体内のプログラムおよびデータの一部または全部は電子ネットワークを介してダウンロードされるように構成してもよい。ここで電子ネットワークとは、電気通信技術を利用した情報通信網全般を意味し、無線／有線ＬＡＮ（Local Area Network）やインターネット網のほか、電話通信回線網、光ファイバ通信ネットワーク、ケーブル通信ネットワークおよび衛星通信ネットワークなどを含む。

主制御部のＣＰＵは、直線走査プログラムによって、少なくとも撮像制御部５４、高さ決定部５５、および画像生成部５６として機能する。この各部５４〜５６は、ＲＡＭの所要のワークエリアをデータの一時的な格納場所として利用する。なお、これらの機能実現部５４〜５６は、ＣＰＵを用いることなく回路などのハードウエアロジックによって構成してもよい。

撮像制御部５４は、焦点位置変更部１４、光検出器群１７および開口板変位部２６を制御することにより、開口板変位部２６により開口板１２がＹ軸方向に等速に変位している期間において、平行平板形の透明部材３１内に撮像対象領域２７が含まれる期間ごとに光検出器群１７による露光（撮像）を行わせる。このとき、撮像制御部５４は、光検出器群１７の露光時間が配列周期Δｄに正整数ｍを乗じた距離だけ開口板１２が移動する時間と一致するよう、開口板１２の移動速度、回転体３２の回転速度および光検出器群１７の露光時間および露光タイミングを制御する。

高さ決定部５５は、撮像制御部５４から現在の物体側集光点のＺ軸座標（現在光軸と交わっている透明部材３１の情報）を取得するとともに光検出器群１７の出力を取得し、光軸方向に離散的に変更された物体側集光点の位置ごとの光検出器１７ａの信号にもとづいて、光検出器１７ａごとに光検出器１７ａに入射する反射光の強度が最大となる被計測体１５の光軸方向の位置を算出する。

ここで、たとえば載物台１６の中心を原点とする座標系（載物台座標系）を考えると、この載物台座標系における測定対象領域（撮像対象領域２７）のＸＹ座標は、載物台ＸＹ変位部２２の現在の位置から一意に求めることができる。このため、載物台ＸＹ変位部２２の現在の位置に応じて、各光検出器１７ａに対応する載物台座標系のＸＹ座標は一意に定まる。

共焦点光学系を用いた形状計測技術において光検出器１７ａの出力から離散的に取得した複数の信号の強度にもとづいて反射光の強度が最大となる被計測体１５のＺ軸座標を算出する方法は、従来各種の方法が知られており、これらのうち任意のものを使用することが可能である。

図５（ａ）は従来の方法により反射光の強度が最大となる被計測体１５のＺ軸座標を算出する方法を説明するための図であり、（ｂ）は本実施形態に係る被計測体１５のＺ軸座標を算出する方法を説明するための図である。

図５の山型のカーブは、共焦点光学系の軸上応答曲線（被計測体１５に対して、対物レンズ１３の焦点位置（物体側集光点の位置）と被計測体１５との光軸方向に平行な方向の相対位置を変化させた場合の光検出器１７ａの出力）を示す。軸上応答曲線のうち、中央の山のピーク位置は、最もピントが合った位置といえる。このピーク位置は、この光検出器１７ａに入射する反射光の強度が最大となる相対位置（以下、表面合焦位置という）である。したがって、ピーク位置の情報にもとづいて、この光検出器１７ａに対応する被計測体１５の表面上のＸＹ位置における、光軸方向の位置（表面高さ）の情報を取得することができる。

しかし、従来の技術では、図５（ａ）に示すように物体側集光点の位置を細かく、必要分解能ステップで移動させて光検出器１７ａの出力信号をとり、得られた出力信号の中から最大を与える位置を見つけるという方法をとっていた。この方法では、たとえば載物台１６をｚ方向に移動させることにより対物レンズ１３の物体側集光点の位置と被計測体１５との光軸方向に平行な方向の相対位置を変えながら、１回の計測に２００枚を越えるような共焦点画像を得る必要がある。

一方、開口板１２を直線走査させる場合、これらの多数の共焦点画像のすべてを取得する期間において開口板１２を等速移動させておくためには、非常に長い開口板１２が必要になってしまう。そこで、本実施形態では、１回の計測に必要な共焦点画像を減らすことができる演算方法を用いる。

具体的には、図５（ｂ）に示すように、必要分解能より大幅に大きいステップ（たとえば中央の山の中において３点程度のデータが得られるようなステップ）で相対位置を変えながら各位置で露光を行い、中央のピーク位置は補間演算を用いて推定する。

補間演算方法としては、たとえば山の形をＧａｕｓｓ分布であると考える方法などが挙げられる。Ｇａｕｓｓ関数にフィッティングして求める場合、最大値ｆｐとその前後の各１点ｆｐ−１、ｆｐ＋１の計３点から以下の式（１）から推定できる。
zfocus = zp + (ln(fp+1)-ln(fp-1)) /(2(2ln(fp)-ln(fp-1)-ln(fp+1))) （１）

ここで、ｚｆｏｃｕｓは山のピークを与える焦点位置であり、ｚｐは最大値ｆｐを与える焦点位置を示している。

このような補間演算を行うことで、高さ決定において必要な光軸方向に離散的に変更された物体側集光点の位置（光軸方向測定位置）の数、すなわち入力共焦点画像の数を、従来法に比べて大幅に少なくすることが可能になる。たとえば、従来２００枚必要であった画像を、２０枚以下とすることができる。

画像生成部５６は、高さ決定部５５により算出された光検出器１７ａごとの被計測体１５の光軸方向の位置にもとづいて、被計測体１５の形状画像を生成し、この形状画像を表示部５２に表示させる。

なお、１回の計測（１枚の形状画像を生成する処理）に必要な、光軸方向に離散的に変更された物体側集光点の位置（光軸方向測定位置）の数は、回転体３２の透明部材３１の枚数の正整数分の１（たとえば１／２や１／３など）としてもよい。たとえば、光軸方向測定位置の数が回転体３２の透明部材３１の枚数と一致する場合、回転体３２が１回転すると１回の計測を行うことができる。また、開口板１２に設けられる開口部２５の周期の数は、開口板１２がＹ軸方向の所定の向き（正の向きおよび負の向きの一方）に等速移動している間に少なくとも１回の計測を行うことができる数とするとよい。

また、開口板１２がＹ軸方向の所定の向き（正の向きおよび負の向きの一方）に等速移動している間に少なくとも１回の計測を行い、開口板１２の移動向きを反転させて等速状態になってから次の計測を行ってもよい。また、このとき、開口板１２の移動向きの反転などに伴う開口板１２の加減速期間に、被計測体１５をＸＹ移動させて計測対象領域を変更してもよい。この場合、複数回の測定全体にかかる時間を短縮することができる。

なお、共焦点「顕微鏡」では、観察が主目的であるため、とぎれることのない撮像が求められる。この点、ニポウディスクを用いた共焦点顕微鏡は、ニポウディスクが回転している限り、共焦点画像がとぎれることなく得られるため便利であるといえる。しかしながら、表面形状計測においては、１回（１視野）の計測という区切りがあることから、とぎれのない撮像は必要不可欠ではなく、ニポウディスクの回転のような終端のないスキャンでなく、本実施形態に係る開口板１２の移動を用いる方法のように終端のあるスキャンであっても、開口板１２の等速移動中に一回の計測が終了してしまえば問題はない。

本実施形態に係る立体形状計測装置１０は、開口板１２を直線走査することができる。このため、光検出器群１７を露光させつつ開口板１２を直線的に走査することにより、１つの開口部２５で複数の画素に対応させることができ、高分解能を実現することができる。また、物体側集光点の走査軌跡を厳密な直線とすることができ、被計測体１５の表面上の走査領域（計測対象領域）を矩形とすることができるため、ニポウディスクを用いる場合に比べ、二次元イメージセンサとの相性を向上させることができる。

なお、本実施形態では開口板１２が複数のピンホール（開口部２５）が設けられたピンホールアレイ型である場合の例について示したが、所定の配列周期Δｄを持つように開口していればよく、たとえばスリットアレイ型であってもよい。開口板１２をスリットアレイ型とする場合は、開口板１２の移動方向に直交する方向に長辺を持つスリットが、移動方向にスリット中心間隔がΔｄの正整数分の１となるように複数並べて設けると、所定の配列周期をΔｄとして扱うことが可能である。

このようなスリットを持つ開口板１２を用いる場合には、共焦点画像を得るのに必要な最低限のスキャン幅はスリット中心間隔（ピッチ）Δｄに等しい。つまり、スリットのピッチ分だけ開口板１２が移動すれば、光検出器群１７を構成する全ての光検出器１７ａで共焦点データが得られることになる。このため、スリットアレイ型の開口板１２を用いる場合、ピンホールアレイ型の開口板１２を用いる場合に比べて１枚の共焦点画像を得るために必要な開口板１２の移動距離は少なくすることが可能である。

次に、開口板１２の詳細な構成および開口板１２の防塵方法について説明する。

開口部２５は、直径１〜数μｍのサイズで開口板１２に設けられる。このため、開口板１２のうち、少なくとも複数の開口部２５が設けられた領域（以下、開口領域という）は、防塵対策を施されることが好ましい。開口領域の防塵方法として、立体形状計測装置１０の光学系全体を筐体で密閉する方法や、開口板１２および開口板変位部２６を筐体で密閉する方法を採用する場合、いずれも大掛かりになってしまうほか、開口板変位部２６などの駆動部より塵が発生し開口アレイ領域に付着してしまう可能性がある。

そこで、本実施形態に係る立体形状計測装置１０は、開口板１２を防塵するためのカバー部材６０を備える。カバー部材６０は、開口板１２の開口領域を両側から防塵するために用いられる。図１には、カバー部材６０の構成の一例を概略的に示してある。また、図６（ａ）は、図１に示す一例に係るカバー部材６０が設けられた開口板１２の側面図であり、（ｂ）はその斜視図である。

図１および図６に示すカバー部材６０の一構成例は、開口板１２が透明基板１２ａで構成され、この透明基板１２ａの光源側の側面がクロムエッチングされて開口部２５が形成される場合に好適である。この場合、開口領域の対物レンズ側の側面は透明基板１２ａで防塵される。このため、カバー部材６０は、開口領域の光源側の側面を防塵すればよい。したがって、図１および図６に示すように、カバー部材６０は、開口板１２の光源側（開口部２５が形成された側面）に開口部２５を覆うように着脱自在に設けられて、開口領域の光源側の側面を防塵すればよい。この場合の開口板１２およびカバー部材６０の構成の詳細について、以下さらに説明する。

カバー部材６０は、透明体６１、透明体６１の支持部材６２および中間板６３を有する。一方、開口板１２は、透明基板１２ａの光源側の側面に複数の開口部２５が形成された開口領域を有する。

支持部材６２および中間板６３には、光源１１ａの光を透過するための開口が設けられる。透明体６１は、支持部材６２の開口の内側または外側に全周接着される。支持部材６２は、支持部材６２の開口中心と中間板６３の開口中心とがほぼ一致するように中間板６３にネジ止めされる。なお、支持部材６２と中間板６３の接触面には、中間板６３の開口を囲むようにＯリングなどのパッキン６４を入れておくと、防塵効果をより高めることができる。

また、中間板６３の支持部材６２固着側の反対側の側面には、開口部２５の形成面６５と中間板６３の開口とが対向するよう、開口板１２が全周接着される。この結果、開口板１２と透明体６１と支持部材６２と中間板６３とで形成される密閉空間内に、複数の開口部２５が形成された開口領域を収めることができる。また、開口板１２とカバー部材６０とは開口板変位部２６により一体的にＹ軸方向に変位することになる。

なお、開口板１２は、中間板６３に対して全周接着されずともよく、たとえば中間板６３に対して着脱自在となるようＯリングなどのパッキンを介してネジ止めされてもよい。この場合、カバー部材６０は開口板１２に対して着脱自在となる。開口板１２がカバー部材６０に対して着脱自在に圧着される場合、開口板１２の交換やメンテナンスを容易に行うことができる。

中間板６３は、Ｌ字治具６６の開口に開口板１２が収まるように、Ｌ字治具６６の縦部にネジ止めされる。Ｌ字治具６６の横部は、開口板載置部６７にネジ止めされる。開口板載置部６７は、撮像制御部５４を介してリニアモータ６８によりリニアガイド６８ａに沿ってＹ軸方向に変位する。リニアモータ６８による駆動制御は、リニアガイド６８ａの近傍に設けられた各種のセンサ群６９の出力信号を利用して行われる。センサ群６９には、原点センサやリミットセンサなどが含まれる。

カバー部材６０は、開口板１２の光源側の開口部２５の形成面６５に、開口領域を覆うように設けられて開口領域の光源側を防塵する。このため、開口板変位部２６ごと覆う場合や立体形状計測装置１０の光学系全体を覆う場合に比べ、非常に軽量かつ簡単な構成で防塵することができるとともに、モータの発塵による弊害を未然に防ぐことができる。

透明体６１あるいは透明基板１２ａは開口板１２の開口領域に塵埃が付着することを防ぐ機能を有するが、透明体６１あるいは透明基板１２ａそれ自身に付着する塵埃は防ぐことはできない。しかし、透明体６１あるいは透明基板１２ａの厚さが十分厚ければ、透明体６１あるいは透明基板１２ａの表面に付着する塵埃は、結像光学系３５あるいは対物レンズ１３の結像位置である開口板１２の位置から離れることになり、結像光束が太い位置であるため結像光束を完全に塞いでしまうことは無くなるため計測への影響は小さくてすむ。

しかし、光路中に厚い透明体６１を挿入すると結像光学系３５の結像性能への影響を無視できなくなる。そのため、結像光学系３５はこの透明体６１の厚みを考慮して設計されるべきである。もちろん、透明体６１は、脈理がなく面精度および平行度が十分高い光学ガラスを用いる必要がある。

なお、図１および図６には、透明基板１２ａの光源側に開口部２５が形成されるとともにカバー部材６０が開口領域の光源側を防塵する場合の例について示したが、開口板１２およびカバー部材６０は光路上で全体として反転して配置されてもよい。すなわち、透明基板１２ａの対物レンズ側に開口部２５が形成されるとともにカバー部材６０が開口領域の対物レンズ側を防塵してもよい。

また、カバー部材６０は、開口板１２の開口領域が両側から防塵されるために必要な構成を有すればよく、図１および図６に示すような構成に限られない。図１および図６に示した構成例では、開口板１２の開口領域の一側面が透明基板１２ａで防塵されるため、カバー部材６０は、開口領域の他の側面を防塵可能に構成されればよい。一方、たとえば開口板１２が、遮光性の高い板（金属板のほか、遮光性塗料を塗布されたプラスチック板等を含む）により構成され、この板に孔を設けることにより開口部２５が形成されている場合は、カバー部材６０は、開口板１２の開口領域を光源側および対物レンズ側の両側から覆うよう構成されるとよい。このとき、たとえばカバー部材６０は図１に示す透明体６１および支持部材６２からなる組を２組有し、各組を遮光性の高い板により構成された開口板１２の開口領域の光源側および対物レンズ側にそれぞれ着脱自在に設けるとよい。

次に、撮像制御部５４による撮像制御方法について説明する。

撮像制御部５４は、焦点位置変更部１４、光検出器群１７および開口板変位部２６を制御することにより、光検出器群１７の露光時間が配列周期Δｄに正整数ｍを乗じた距離だけ開口板１２が移動する時間と一致するよう、開口板１２の移動速度、回転体３２の回転速度および光検出器群１７の露光時間および露光タイミングを制御する。たとえば、開口部２５の配列周期Δｄが１００μｍであり、開口板１２の定速移動の速度ｖが１０ｍｍ／ｓである場合、配列周期Δｄの移動に要する時間Δｔは１０ｍｓである。この場合、光検出器群１７の露光時間Δｔ１は、正確にΔｔ＝１０ｍｓに正整数ｍを乗じた時間に一致するように制御される。

しかし、たとえ露光時間Δｔ１が正確にｍ・Δｔに一致していても、露光時間Δｔ１に微妙な誤差があると、画像にパターンが発生することになる。そのパターンは、露光開始時における開口部２５の位置によって決まる。つまり、露光開始時の開口部２５の位置付近の画素に露光不足もしくは露光過剰が発生し、パターンとなって表れることになる。他にも、開口部２５の配列方向と開口板１２の移動方向とが正確に一致せず互いに傾いている場合、傾きが微小であっても同じようなパターンが表れることになる。これらのパターンもまた露光の開始時の開口部２５の位置で決まる。したがって、露光の開始時の開口部２５の位置がランダムであると、パターンもランダムに変動することになる。

一方、露光の開始タイミングは、焦点位置変更部１４のタイミングセンサ３４のトリガのタイミングに応じて決定されることになる。このため、たとえば開口板変位部２６とは全く独立で回転体３２の回転数を決定している場合、取込画像毎に上記パターンはほぼランダムに変動し、計測演算に用いる軸上応答曲線にノイズ成分として反映されてしまうため、計測精度が低下することになる。

これを回避するためには、ランダムなタイミングで露光を開始するのを禁止し、開口板１２が配列周期Δｄ分移動する時間（上記の例では１０ｍｓ）の倍数のインターバルでしか露光開始を認めないことで、パターンのランダム発生を防ぎ、より鮮明な画像を得ることができる。

図７は、鮮明な画像を得るためのタイミングチャートの一例を示す説明図である。

図７に示すように、撮像制御部５４は、回転体３２の透明部材３１が光軸と交差するごとに光検出器群１７を露光させる。このとき、撮像制御部５４は、光検出器群１７の露光時間Δｔ１が配列周期Δｄの移動に要する時間Δｔに正整数ｍを乗じた時間ｍ・Δｔだけに一致させる。このとき、撮像制御部５４は、開口板１２の移動速度ｖをｖ＝Δｄ／Δｔとなるように制御する。また、撮像制御部５４は、隣り合う露光の開始時刻どうしの間隔をΔｔに正整数ｎ（ただしｎ＞ｍ）を乗じた時間ｎ・Δｔに一致させる。

たとえば、上記の例において、ｍ＝１、ｎ＝２である場合について考える。この場合、カメラの最高撮像速度が６０ｆｐｓ（約１７ｍｓ／枚）であるとして、計測の開始の１枚目の画像の露光開始タイミング（これはランダムでも良い）で露光を実行した後、この露光開始タイミングから２０ｍｓ間隔で次の画像の露光を開始するようにして画像を得ることにする。もちろん露光時間は正確に１０ｍｓであるとする。この場合、得られる全ての画像に表れるパターンは、最初の１枚目の画像のパターンと全く同じ位置に表れることになる。露光の開始時の開口部２５がランダムである場合、軸上応答曲線にノイズとして混入することから精度に影響することになるが、パターンの位置が変動せず固定である場合は、軸上応答曲線にノイズとして表れず単に曲線全体の高さ（強度）の違いとして表れる形となり、精度にはほとんど影響しない。

また、回転体３２に設けられた透明部材３１の枚数に対応する数の画像により１回の測定が終了する場合には、回転体３２の回転速度は、露光（画像入力）周期×透明部材３１の枚数の逆数に一致させるとよい。たとえば、透明部材３１の枚数が１０枚とすると、上記の例では２０ｍｓ×１０枚＝２００ｍｓであるから１／２００ｍｓ＝５ｒｐｓで回転させる。回転体３２の速度が正確で、かつタイミングセンサ３４の精度が高く、正確に（無視できる程度の誤差で）２０ｍｓ間隔でタイミング信号を発生できるのであれば、上記の目的は達せられる。また、回転体３２のタイミング信号が正確でない場合は、計測開始指示後、最初のタイミングセンサ３４の信号をトリガとして露光を開始し、後は正確に２０ｍｓ間隔で露光を開始するようにして１０枚の画像を取得すればよい。このようにすると、高々１回転だけの間、大きなズレが発生しなければ良いだけであるから、回転速度精度的には厳しくない。

次に、開口板１２の加減速にともない生じる力の影響を低減させる方法について説明する。

開口板１２は、できるだけ素早く等速状態まで加速されることが好ましい。しかし、強い加減速を行うと、加減速にともなう力の発生により振動が発生し精度を低下させる可能性が考えられる。このような加減速にともない生じる力の影響低減させるため、反力機構を設けるとよい。

図８は、反力機構７０の一構成例を示す斜視図である。反力機構７０は、リニアモータ６８によりリニアガイド６８ａに沿ってＹ軸方向に変位する移動体７１と、移動体７１に設けられ移動体７１と一体的に変位する調整部材７２とを有する。

移動体７１は、開口板１２の加減速にともない生じる力の影響を低減させる（打ち消す）ように、撮像制御部５４を介してリニアモータ６８により駆動される。たとえば、開口板載置部６７を含む開口板載置部６７の載置物の重量と反力機構７０の重量とが一致するよう調整部材７２の重さを選択した場合、これらの重心は開口板載置部６７と移動体７１の中間に存在する。この場合、移動体７１は、たとえば開口板載置部６７と重心対称に、反対方向に同じ大きさで加減速運動させることにより開口板１２の加減速にともない生じる力の影響を低減させることができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明に係る立体形状計測装置の第２実施形態について説明する。

図９は、本発明の第２実施形態に係る立体形状計測装置１０Ａの一構成例を示す概略的な全体図である。

この第２実施形態に示す立体形状計測装置１０Ａは、焦点位置変更部１４が対物レンズ１３の開口板１２側に設けられる点で第１実施形態に示す立体形状計測装置１０と異なる。他の構成および作用については図１に示す立体形状計測装置１０と実質的に異ならないため、同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。

顕微鏡では対物レンズを交換することでより拡大して（観察）精度を上げたり、逆に精度は低いが広い視野で全体を観察したりと、目的に応じて最適な拡大倍率を選ぶことができるため汎用性が高い。

計測でも同様な汎用性を持つことが望まれるが、第１実施形態に係る立体形状計測装置１０のように回転体３２を含む焦点位置変更部１４が被計測体１５側（被計測体１５と対物レンズ１３との間）に挿入されると、このような汎用性は得られない。これは、回転体３２上の透明部材３１の厚さピッチは、共焦点の軸上応答曲線（Ｚ移動した場合の検出器変化の曲線）の中央の山内で３点以上の値をサンプリングできるように決定される一方、対物レンズ１３を交換するということは、対物レンズ１３の被計測体１５側のＮＡ（開口数）が変化することになるためである。

中央の山の幅は、被計測体１５側のＮＡによって決定される。このため、対物レンズ１３が交換されると、回転体３２の透明部材３１のピッチも変えなければならなくなる。つまり、対物レンズ１３だけでなく回転体３２自体も交換する必要が生じてしまう。

図１０は、第２実施形態に係る被計測体のＺ軸座標を算出する方法を説明するための図である。

対物レンズ１３の被計測体１５側のＮＡは、像側（対物レンズ１３の開口板１２側）のＮＡが変化しない（つまり像側の結像レンズを交換しない。通常の顕微鏡はこの形で対物レンズ１３を交換する）のであれば、像側ＮＡ×倍率で決まる。また、中央の山の幅は被計測体１５側のＮＡの二乗に反比例する。つまり倍率の二乗に反比例する。

したがって、図９に示すように回転体３２が像側（開口板１２側）空間にある場合には、透明部材３１の厚さピッチで決まる像側空間でのサンプリングピッチは、被計測体１５側の空間ではレンズ縦倍率（横倍率の二乗）に反比例することになる。このため、図５（ｂ）と図１０とを比較すると明らかなように、対物レンズ１３を交換して倍率を変えても、中央の山の幅だけでなく、被計測体１５側のサンプリングピッチも横倍率の二乗に反比例して同じように自動的に変化することになる。したがって、図９に示すように回転体３２が像側（開口板１２側）空間にある場合には、対物レンズ１３を交換しても回転体３２を交換する必要はないことになる。もちろん実際に計測できる光軸方向の物体空間（Ｚ計測レンジ）も横倍率の二乗に反比例して変化するが、通常高倍率であるほど、より小さいものを観察することになるから合理的である。

したがって、第２実施形態に係る立体形状計測装置１０Ａによれば、対物レンズ１３の倍率変更を容易に行うことができる。また、焦点位置変更部１４を被計測体１５側に設ける場合にくらべ、被計測体１５側の空間のワーキングディスタンスを十分に確保することができ、作業性を向上させることができるともに、斜入射照明のような付属の照明を容易に設けることができる。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

たとえば、焦点位置変更部１４は、対物レンズ１３の物体側集光点の位置をＺ方向に移動させることができれば図３に示した構成に限られず、たとえば所定の屈折率を有する透明体により形成されるとともに透明体の光軸方向の厚さが可変な光路長調節部材と、透明体の光軸方向の厚さを変更する調節部材駆動部と、により構成されてもよい。この場合、焦点位置変更部１４は、光軸と交わる透明体の光軸方向の厚さを変更して光路長調節部材を光線が貫く光路長を変更することにより、物体側集光点の位置を光軸方向に変更することができる。光路長調節部材は、たとえば互いに平行に設置された２枚の平行平板ガラスと、これらのガラスの間に充填された液体とにより構成することができる。この場合、調節部材駆動部は、この液体の体積を変更することで光路長を変更することが可能である。

１０、１０Ａ 立体形状計測装置
１１ 照明光学系
１１ａ 光源
１２ 開口板
１３ 対物レンズ
１４ 焦点位置変更部
１５ 被計測体
１６ 載物台
１７ 光検出器群
１８ 載物台駆動部
２０ 画像処理装置
２１ 載物台Ｚ変位部
２２ 載物台ＸＹ変位部
２５ 開口部
２６ 開口板変位部
２７ 撮像対象領域
３１ 透明部材
３２ 回転体
３４ タイミングセンサ
３５ 結像光学系
５４ 撮像制御部
５５ 高さ決定部
６０ カバー部材
６１ 透明体
６２ 支持部材
６３ 中間板
６４ パッキン
６７ 開口板載置部
６８ リニアモータ
７０ 反力機構

Claims (8)

1. 共焦点光学系を用いた立体形状計測装置であって、
   光源の光を通過する複数の共焦点開口部が、所定の配列周期を持つよう２次元に配置されて設けられた開口板と、
   前記複数の共焦点開口部を通過したそれぞれの光を物体側集光点に集光するとともに、この集光した光の被計測体による反射光をそれぞれ対応する共焦点開口部に再度集光する対物レンズと、
   屈折率および厚さの少なくとも一方が互いに異なる複数の平行平板形の部材が前記対物レンズの光軸と交差するよう回転方向に沿って配設された回転体と、前記回転体を所定の速度で連続回転させる駆動部と、を有し、光軸と交わる前記平行平板形の部材が前記回転体の回転にともない変わるごとに前記物体側集光点の位置を光軸方向に離散的に変更する焦点位置変更部と、
   前記共焦点開口部を再度通過した前記反射光の強度に応じた信号を出力する光検出器を複数有する光検出器群と、
   前記物体側集光点の位置と前記被計測体の位置との光軸方向に垂直な方向の相対的な位置関係を変更するよう前記開口板を光軸方向に垂直な所定の方向に等速に変位させる開口板変位部と、
   前記開口板変位部により前記開口板が光軸方向に垂直な前記所定の方向に等速に変位している期間において前記光検出器群に複数回の露光を行わせるとともに、前記平行平板形の部材内に撮像対象領域が含まれる期間ごとに前記光検出器群の各露光を行わせ、かつ前記光検出器群の露光時間が前記所定の配列周期に第１の正整数を乗じた距離だけ前記開口板が移動する時間と一致するよう、前記開口板の移動速度、前記回転体の回転速度および前記光検出器群の前記露光時間および露光タイミングを制御する撮像制御部と、
   光軸方向に離散的に変更された前記物体側集光点の位置ごとの前記光検出器の信号にもとづいて、前記光検出器ごとに前記光検出器に入射する前記反射光の強度が最大となる前記被計測体の光軸方向の位置を推定する高さ決定部と、
   前記開口板に設けられて前記開口板変位部により前記開口板と一体的に変位し、前記光源の光を透過して前記複数の共焦点開口部に照射させる透明体を有し、前記複数の共焦点開口部を防塵するカバー部材と、
   前記カバー部材の前記透明体を含む光学系全体の光学特性を考慮して設計され、前記共焦点開口部を再度通過した前記反射光を前記光検出器に導く結像光学系と、
   を備えた立体形状計測装置。
2. 前記カバー部材は、前記開口板に対して着脱自在である、請求項１記載の立体形状計測装置。
3. 前記撮像制御部は、さらに、
   前記複数回の露光のうち任意の露光の開始時刻から次の露光の開始時刻までの期間が、前記所定の配列周期に前記第１の正整数よりも大きい第２の正整数を乗じた距離だけ前記開口板が移動する時間と一致するよう、前記開口板の移動速度、前記回転体の回転速度および前記光検出器群の前記露光時間および前記露光タイミングを制御する、
   請求項１または２に記載の立体形状計測装置。
4. 前記焦点位置変更部は、
   前記複数の平行平板形の部材が前記対物レンズの前記開口板側の光軸と交差するよう、前記開口板と前記対物レンズとの間に配設された、
   請求項１ないし３のいずれか１項に記載の立体形状計測装置。
5. 前記被計測体を載置する載物台と、
   前記物体側集光点の位置と前記被計測体の位置との光軸方向に垂直な方向の相対的な位置関係を変更するよう前記載物台を光軸方向に垂直な方向に変位させる載物台変位部と、
   をさらに備え、
   前記載物台変位部は、
   前記開口板が光軸方向に垂直な前記所定の方向に等速で変位している期間を除く期間において前記物体側集光点の位置と前記被計測体の位置との光軸方向に垂直な方向の相対的な位置関係を変更し、
   前記開口板が光軸方向に垂直な前記所定の方向に等速で変位している期間を除く期間は、
   前記開口板変位部により前記開口板が前記所定の方向に加速および減速される期間ならびに前記開口板変位部により前記開口板の移動向きが前記所定の方向内で反転する時または期間である、
   請求項１ないし４のいずれか１項に記載の立体形状計測装置。
6. 前記開口板変位部は、
   前記開口板を載置する開口板載置部と、
   前記撮像制御部により制御され、前記開口板載置部を光軸方向に垂直な前記所定の方向に変位させるリニアモータと、
   を有する請求項１ないし５のいずれか１項に記載の立体形状計測装置。
7. 前記開口板変位部は、
   光軸方向に垂直な前記所定の方向に変位する反力機構、
   をさらに備え、
   前記撮像制御部は、
   前記リニアモータによる前記開口板載置部の加減速にともない生じる力の影響を低減するように前記反力機構を動作させる、
   請求項６記載の立体形状計測装置。
8. 前記焦点位置変更部は、
   前記対物レンズの光軸と交差する位置に設けられ、所定の屈折率を有する透明部材により形成されるとともに前記透明部材の光軸方向の厚さが可変な光路長調節部材と、
   前記透明部材の光軸方向の厚さを変更する調節部材駆動部と、
   により構成され、光軸と交わる前記透明部材の光軸方向の厚さを変更して光路長を変更することにより前記物体側集光点の位置を光軸方向に変更する、
   請求項１または２に記載の立体形状計測装置。

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