JP2015504178A - 計測装置 - Google Patents
計測装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2015504178A JP2015504178A JP2014548188A JP2014548188A JP2015504178A JP 2015504178 A JP2015504178 A JP 2015504178A JP 2014548188 A JP2014548188 A JP 2014548188A JP 2014548188 A JP2014548188 A JP 2014548188A JP 2015504178 A JP2015504178 A JP 2015504178A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- lens
- sectional shape
- cross
- confocal sensor
- light
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 64
- 230000004075 alteration Effects 0.000 claims abstract description 16
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 5
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 4
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims description 3
- 238000003754 machining Methods 0.000 claims description 3
- 238000000465 moulding Methods 0.000 claims description 3
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 claims 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 22
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 7
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 7
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 3
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 3
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000001839 endoscopy Methods 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000004441 surface measurement Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/02—Details
- G01J3/0262—Constructional arrangements for removing stray light
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
- G01B11/026—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness by measuring distance between sensor and object
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/30—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/30—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces
- G01B11/303—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces using photoelectric detection means
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/30—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces
- G01B11/306—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces for measuring evenness
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B21/00—Microscopes
- G02B21/0004—Microscopes specially adapted for specific applications
- G02B21/002—Scanning microscopes
- G02B21/0024—Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders
- G02B21/0052—Optical details of the image generation
- G02B21/0064—Optical details of the image generation multi-spectral or wavelength-selective arrangements, e.g. wavelength fan-out, chromatic profiling
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B2210/00—Aspects not specifically covered by any group under G01B, e.g. of wheel alignment, caliper-like sensors
- G01B2210/50—Using chromatic effects to achieve wavelength-dependent depth resolution
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Lenses (AREA)
- Measurement Of Optical Distance (AREA)
- Investigating Materials By The Use Of Optical Means Adapted For Particular Applications (AREA)
- Microscoopes, Condenser (AREA)
Abstract
計測装置およびそのような装置に使用される共焦点感知器について述べる。共焦点感知器(1)は光束(2)が通過するのに適した光学ピンホール(11)を有する。この感知器の光学的組立体は、屈折断面形状(121)および回折断面形状(122)を有する第1のレンズ(12)と、少なくとも屈折断面形状(131)を有する第2のレンズ(13)を有する。第1のレンズ(12)の屈折断面形状(121)および第2のレンズ(13)の屈折断面形状(131)は光束(2)を集光して集光束(21)にする。第1のレンズ(12)の回折断面形状(122)は、集光束(21)が縦方向の深度(R)を持つ焦点領域を有するように縦方向の色収差を生じさせる。【選択図】図1
Description
本発明は、共焦点感知器を用いて表面の特性を決定する計測装置、およびそのような装置に使用する共焦点感知器に関する。
共焦点感知器は被検面上の焦点から反射された光以外の光を、一般に一連の感知要素すなわち感知画素を備える検出器に入れないように設計された共焦点開口(ピンホール)を有する。焦点外の迷光をこのように除去するまたは低減することにより、分解能を上げ信号対雑音比を上げることができる。
被検面の測定点(表面領域すなわち表面画素)が焦点に有るか無いかは、被検面上の測定点の面の相対的高さによって決まる。試料と検出配置(検出器自身または対物レンズ)が光路(z方向)に沿って相対的に移動すると、被検面上の相対的高さの異なる測定点が共焦点感知器の焦面を通過する。走査経路に沿って異なる位置の検出器の感知要素の出力信号を用いて被検面の表面形状を形成してもよい。収束光が被検面の異なる表面画素へ入射するようにx方向およびy方向に相対的に走査して、この被検面の二次元画像を形成してもよい。
z方向の走査を不要にするために、色共焦点感知器が提案されている。色共焦点感知器は、異なる波長に対し焦点位置が変わる縦方向の色収差を持つ対物組立体すなわち対物レンズを使用しており、縦方向の深度を有する焦点域を作る。そのような共焦点感知器は広帯域光源または多色(例えば白色光)光源および分光器を用いてもよく、波長調整式の光源を用いてもよい。
色共焦点感知器で検出可能な相対的表面高さの範囲は、規定されたスペクトル帯域幅に対し対物レンズによって与えられる縦方向の色収差の程度に制限される。
色収差を大きくするために回折光学素子(DOE=diffractive optical element)、一般的にはゾーンプレートレンズ(ZPL=Zone Plate Lens)を使用することが提案されており、それによって焦点域の縦方向の深度を大きくし、感知器の測定範囲を広げている。しかし、光学要素すなわちDOEを追加すると感知器は光学的に複雑になる。また一般的にDOEの製造には、ガラス板に複数段階(一般的に8段階)の回折断面形状の刻み込みが必要である。この製造法は高価格のリソグラフ装置が必要なため費用が掛かり、かつ8段階のDOEの製造に約2時間を要するため遅い。
本発明の態様は上記問題に対処し、または少なくともこの事態を改善する。
一態様によれば、本発明は共焦点感知器を提供し、共焦点感知器は光学組立体を有し、光学組立体は光源からの光を測定されるべき特性を有する表面に向け、その表面から反射された光を検出器に供給する。光学組立体は感知器の光路に沿って順に位置決めされた第1および第2のレンズを備える。第1および第2のレンズはそれぞれ屈折断面形状を有して光源からの光を集光させて集光束にする。また、第1および第2のレンズの少なくとも1つは回折断面形状を有して色収差を導入し、異なる波長を光路に沿って異なる焦点に集光させ、その結果、焦点域は光軸に沿って縦方向の深度を有することになる。共焦点感知器は光学的開口を有して、焦点からの反射光以外の光が検出器に入らないようにしている。
一態様によれば、本発明は共焦点感知器を提供し、共焦点感知器は光学組立体を有し、光学組立体は光源からの光を測定されるべき特性を有する表面に向け、その表面から反射された光を検出器に供給する。光学組立体は感知器の光路に沿って順に位置決めされた第1および第2のレンズを備える。第1および第2のレンズはそれぞれ屈折断面形状を有して光源からの光を集光させて集光束にする。また、第1および第2のレンズの少なくとも1つは回折断面形状を有して色収差を導入し、異なる波長を光路に沿って異なる焦点に集光させ、その結果、焦点域は光軸に沿って縦方向の深度を有することになる。共焦点感知器は光学的開口を有して、焦点からの反射光以外の光が検出器に入らないようにしている。
いくつかの実施形態は少なくとも1つのレンズを備え、レンズは縦方向の色収差を生じさせる回折断面形状を備える。そのため焦点域の縦方向の深度は比較的大きく、それによって測定範囲が広がるようになっている。この回折断面形状はレンズ上に設けられており、レンズには屈折力もあるため感知器は追加の光学要素を必要としない。したがってこの感知器は光学的に単純である。第2のレンズは回折断面形状をさらに備え、第1のレンズの回折断面形状と協働して縦方向の色収差をさらに大きくしてもよい。
回折断面形状は、型成形および/または機械加工で作ることもでき、高価格のリソグラフ装置が不要であることから安価に製造することができる。特に製造過程が型成形の場合は、製造過程の速度を上げることができる。
第1および第2のレンズの間隔を調整式にして焦点域の縦方向の深度を変更できるようにし、測定範囲を能動的に調整できるようにしてもよい。第1のレンズおよび第2のレンズを、その間隔距離がどのように変化しても開口数はほぼ一定に維持されるように設計してもよい。感知器を比較的小型にすることもできる。
集光束の複数の回折モードを重複させて、測定分解能を向上させるように第1のレンズおよび第2のレンズを構成してもよい。
別の態様によれば、本発明は、本発明の態様による少なくとも1つの感知器、および光学的開口を通過する光を検出し波長に依存した信号を提供する検出器を備える装置を提供する。
検出器は波長分離器および感知器を備えてもよい。本装置は多色光源をさらに備えてもよく、光源からの光を感知器に伝達する光ファイバー結合器、および感知器からの光を検出器に伝達する光ファイバー結合器を備えてもよい。検出器は帯域通過フィルターまたは光強度検出器を備えてもよい。
別の態様によれば、本発明は、本発明の態様による装置を備えるシステム、内視鏡システム、工具調整装置の少なくとも1つを提供する。
添付図面を参照して、本発明の実施形態を例示的に説明する。
共焦点感知器および検出器を備える本発明による計測装置の概略図である。
感知器の一実施例の概略図である。
白色光で照明した場合の525nmの設計波長に対する厚み次数p=6の対物レンズの回折モードm=8、7、6、5、4の回折効率曲線である。
3つの異なる回折モードに対応する3つの光線の空間的重なりを示す図である。
本発明による感知器を工具調整に用いた概略図である。
本発明による感知器を工具調整に用いた概略図である。
添付図を参照すると、図1に計測装置の概略図が示されている。この装置は光2を第1の光路51に沿って光結合器57へ向ける多色光源5を備える。光結合器57は、多色光源5から受けた光を第2の光路53に沿って共焦点感知器1の光学ピンホールすなわち開口11へ向けるように構成されている。共焦点感知器は、光源5から受けた光が試料台100に固定された加工品のような試料物体3の表面31に入射し、その表面からの反射光が光学ピンホールすなわち開口11経由で光路53に沿って光結合器57に戻るように構成されている。光結合器57は反射光を第3の光路55に沿って検出器4へ向けるように構成されている。
本実施例では、光路51、53、および55は光ファイバーケーブルで提供されているが、状況によって光路は空気でもよい。図示の実施例では、光結合器57はY結合器である。別の可能性として、光結合器は光束分離プリズムでもよい。
光学ピンホール11は板または絞りの実際の穴でもよいが、本実施例では、感知器1に連結されている光ファイバーケーブル53の端面で提供されている。
本実施例では、検出器4は感知器45を有する。感知器45は一次元配列または二次元配列の感知要素を備えてもよく、例えば荷電結合素子(CCD)または相補型金属酸化膜半導体(CMOS)感知器でもよい。また検出器は異なる波長を分離する波長分離器43を有して、異なる波長を感知器45の異なる感知要素に入射するようにしてもよい。波長分離器43は分光回折格子でもよいが、線形可変フィルターまたは帯域通過フィルターでもよく、または撮像装置でもよい。検出器4は必要なら光学ピンホール41を有して光の選別を改善してもよい。
共焦点感知器1の実施形態を図2に示す。
本実施例では、共焦点感知器1は第1および第2のレンズ12、13を有する。第1および第2のレンズ12、13は光学ピンホール11から共焦点感知器1の射出孔1a(図1)までの光路に沿って間隔を置いて配置されている。
本実施例では、共焦点感知器1は第1および第2のレンズ12、13を有する。第1および第2のレンズ12、13は光学ピンホール11から共焦点感知器1の射出孔1a(図1)までの光路に沿って間隔を置いて配置されている。
第1のレンズ12は屈折断面形状121および回折断面形状122を有し、第2のレンズ13は少なくとも屈折断面形状131を有する。
第1および第2のレンズ12、13の屈折断面形状121、131は集光束を物体3の表面31に向けるように作用する。図2に示した実施例では、屈折断面形状121、131は、第1のレンズ12の光学的開口11に向いた表面、および第2のレンズ13の第1のレンズ12と反対側を向いた表面によって提供されている。
第1のレンズ12の回折断面形状122は縦方向の色収差を取り入れて異なる波長を異なる焦点に合焦させ、集光束21が縦方向の深度Rを持つ焦点域を有するようになっている。ここにRは近位焦点R1と遠位焦点R2の間の距離である。深度Rによって共焦点感知器の測定範囲、すなわち共焦点感知器で測定可能な例えば表面高さの差が決まる。
装置の稼働中は、測定されるべき表面形状を有する物体は試料台100上に位置決めされている。多色光源5の前方の光路の光20は共焦点感知器によって試料3の表面に合焦し、その表面から反射された光22は戻り光路に沿ってレンズ13およびレンズ12を通って伝達される。
試料表面に合焦した光は後方へ反射され、ピンホール11に合焦し、その表面からの他の反射光は全てではないがほとんどがピンホール11で遮断または選別される。特定の波長が試料3の表面に合焦するか否かは、その表面の相対的高さ、すなわち、その表面が存在する範囲R内の場所によって決まる。
ピンホール11を通る光はY結合器57を経由して光路55へ進み、ピンホール41(存在すれば)を通り、検出器4に到達し、波長分離器43によって感知器45に結像する。異なる波長は異なる感知要素へ入射する。次に感知要素の出力を演算装置(図示せず)で処理して出力信号が最大の感知要素(つまり波長)を決定してもよい。試料台100と検出器(または対物レンズ)の間のx方向および/またはy方向の相対移動によってその表面の他の位置の測定を繰り返し、得られるパワースペクトルを解析して(x方向またはy方向の)表面形状を作り、または(x方向およびy方向の)表面地図を作ることができる。この表面地図ではパワースペクトルから特定される合焦波長が相対的表面高さに関連付けされている。物体が少なくとも部分的に透明である場合、パワースペクトルに他の頂部が含まれる場合がある。これらの頂部は、例えば物体内または背面のような試料の前側表面下にある屈折率境界部からの反射に起因する。これらのパワースペクトルを解析して物体内の構造を決定してもよい。
正確に規定された既知形状の表面を有する校正物体を用いて本装置を校正してもよい。
第2のレンズ13は回折断面形状132を有してもよく、これが第1のレンズ12の回折断面形状122と協働して縦方向の色収差をさらに大きくし、深度Rひいては測定範囲を広げる。図2に示した実施例では、回折断面形状は第1および第2のレンズ12、13の対向面に設けられている。
第2のレンズ13は回折断面形状132を有してもよく、これが第1のレンズ12の回折断面形状122と協働して縦方向の色収差をさらに大きくし、深度Rひいては測定範囲を広げる。図2に示した実施例では、回折断面形状は第1および第2のレンズ12、13の対向面に設けられている。
有益な一実施形態によれば、第1のレンズ12の屈折断面形状121および第2のレンズ13の屈折断面形状131は球面形状である。球面形状は製造し易く安価である。しかし当然だが、形状121、131を非球面形状にすることもできる。第1および第2のレンズの屈折断面形状は異なっていてもよい。
第1のレンズ12の回折断面形状122および/または第2のレンズ13の回折断面形状132は球面形状でも、または非球面形状でもよい。回折断面形状122および/または132の設計に関し、非球面形状は高効率を提供するという点で有利である。
有利なことに、第1のレンズ12および/または第2のレンズ13は型成形および/または機械加工される。
レンズ12および/または13を例えばダイヤモンド旋盤を用いて正確に機械加工することができる。好ましくは、回折断面形状122および/または132の機械加工はそれぞれレンズ12および/または13の既存の非球面(または球面)形状に施される。
有利なことに、レンズ12および/または13を型成形すると製造時間が大きく削減される。
レンズ12および/または13をプラスチック材料またはガラスで作ってもよく、プラスチック材料の場合はレンズ12および/または13の重量が大きく低減される。
レンズ12、13の一方または両方とも、縦方向に(つまり光路すなわち光軸沿って)移動可能でもよい。例えば第2のレンズ13は第1のレンズ12の方へ、またはそれから離れるように移動可能にして、焦点域の縦方向の深度Rを変え測定範囲Rを能動的に調整できるようにしてもよい。
第1のレンズではなく第2のレンズ13が縦方向に移動可能であることには利点がある。理由は、第1のレンズ12はピンホール11からの光束20を受け、被験試料すなわち物体に向かう前方光路に最初に色収差を生じさせるからである。したがって、第2のレンズ13だけを縦方向に移動させることによって、第1のレンズ12は常にピンホール11から最適な距離にあり、集光束21の深度Rを一般にさらに5倍だけ変えることができる。しかし当然だが、第2のレンズ13の代わりにまたは第2のレンズ13と同様に、第1のレンズ12を縦方向に動かすこともできる。
本発明の実施形態では、屈折断面形状121、131の屈折力によって光束2は物体3上に合焦することができ、第2のレンズ13が第1のレンズ12に対して縦方向に移動可能な場合であっても、感知器1に対する開口数はほぼ一定であり倍率も小さい。
本発明の実施形態では、回折断面形状122(および任意選択的に回折断面形状132)の回折色収差は波長に非常に敏感であり、したがって屈折断面形状に比べて高効率の色収差が得られる。
感知器1の比rを次式で規定してもよい。
式中WDは第2のレンズ13と焦点域の近位の焦点R1の距離、Rは集光束21の縦方向の深度である。これらは図1および2に示されている。
第1のレンズ12および第2のレンズ13は感知器1の比rが小さくなるように構成されていると都合が良い。感知器1の比rが小さい場合、感知器1の焦点距離(およびしたがって深度R)の分散曲線は波長λの関数としてほぼ線形挙動を示す。rの一般的な値は1.5〜3でもよい。しかし、第1のレンズ12および第2のレンズ13は、感知器1の比rがさらに小さくなるように構成されてもよい。
一般にRは100μm〜30mm(例えば400μmまたは25mm)の範囲である。WDは10〜80mm(例えば12.6または71mm)の範囲でもよい。
R=25mmかつWD=71mmの感知器の場合、rは2.84に等しく、深度Rは波長λの関数としてほぼ線形に変更されることになる。
R=10mmかつWD=12.6mmの感知器は小型で専有面積が小さく、場所が限られる場合に適するようになっており、例えば凹みがある面および/または形状が複雑な面など近づくことが難しい表面の測定を要する場合に適している。そのような感知器1は内視鏡装置の場合にも役に立つ。
R=400μmの場合、感知器の開口数を0.48まで大きくすることができる。感知器の開口数が大きいと、集光束に対する角度が大きい(すなわち急勾配の)面を測定することができるようになる。
図3には、波長に対する回折効率η(%)のグラフが示されている。実線の曲線は、白色LED(点線の曲線)で照明した場合の厚み次数p=6(設計波長λ0が525nm(焦点距離F0)の場合)の回折対物レンズの回折モードm=8、7、6、5、4の回折効率を示している。モードm=7、6、および5がスペクトル的に(すなわち波長λに対して)重なっていることがわかる。
下の式1に示す様に、焦点距離Fは波長λによって決まることから、複数のモードmは集光束21内で空間的に重なることもできる。
F(λ)=pλ0F0/mλ(式1)
F(λ)=pλ0F0/mλ(式1)
したがって、スペクトル的に重なっている複数のモード(例えば図3のモードm=7、6、および5)が空間的にも重なるように、第1のレンズ12および第2のレンズ13を設計することができる。
図4には、感知器の光路に沿った距離に対する回折効率ηのグラフが示されている。スペクトル的に重なっている複数の回折モードの複数の光線が焦点領域のCで示した主重複領域で空間的に少なくとも部分的に重なるように、かつ領域Cの両端領域に部分的な空間的重なりが存在するように、レンズ12およびレンズ13は設計されている。例えば図4に示した実施例では、3つのモードm−1、m、およびm+1が領域Cで重なっており、2つのモードm−1およびmが領域P1で重なっており、2つのモードmおよびm+1が領域P2で重なっている。しかし領域E1には1つのモードm−1だけが存在し、領域E2には1つのモードm+1だけが存在している。好ましくは、領域Cは焦点領域の中央に配置される。
そのような構成では、被検面に対応する焦点には、範囲R内のその表面の縦方向位置に応じて、1つ以上の回折モードからの複数の光線が含まれており、単一光線ではなく対応する数の複数の光線が反射され、検出器で検出される。そのような実施例では、検出器4は追加の帯域通過フィルターを有して異なる回折モードの複数の光線を分離してもよく、追加の感知器を有して各光線をそれぞれ測定してもよい。
このようにすると、異なる回折モードの各光線によって独立した測定が行われ信号対雑音比が改善されることから、表面31の形状測定の分解能が上がる。一般に、x個の異なる回折モードの光線が集光束21内で重なるようにレンズ12および13を設計することができる。信号対雑音比を最大次式まで改善することができる。
これは、例えばその表面が範囲Rの領域Cにある場合、測定値を単に平均するだけで得られる。一実施例として、xが例えば3の場合、図3のモード7、6、および5に対応してもよく、信号対雑音比を最大次式まで改善することができる。
これは3つのモードの3個の測定値を平均することで得られる。
もちろん、領域P1およびP2で得た測定値で信号対雑音比を改善してもよく、その場合は上記実施例で次式となり
これら領域にはスペクトル的に重なっているモードが2つだけなので、2つのモードの2個の測定値を平均して得られる。
レンズ12および13の厚み次数を増やして重なっているモードの数を増やしてもよく、レンズ12および13の厚み次数を減らして重なっているモードの数を減らしてもよい。
表面31のスペクトル反射が分かったら、異なる複数モードの複数の反射光線の間の反射強度の釣り合いを追加の独立した測定値として用いて、信号対雑音比をさらに改善してもよい。その場合、検出器4は追加の光強度検出器が必要である。
図2に示した実施例では、第1のレンズ12の屈折断面形状121および回折断面形状122は、レンズ12と逆の面に配置されている。当然だが、形状121および形状122それぞれの光路に沿った位置は感知器の働きには影響しない。すなわち、図3のレンズ12の形状121および形状122のそれぞれの位置が逆になるように第1のレンズを光路に対して図示の状態の鏡像にすることができる。同様に、形状131が第2のレンズ13の反対側の面にあるように第2のレンズを光路に対して図2に示した状態の鏡像にすることができる。また、試料表面に向けられた光が最初に第2のレンズを通り次に第1のレンズを通るように、第1のレンズ12および第2のレンズ13の順序を逆にすることもできる。
感知器を種々の計測分野の距離および形状の正確迅速な非接触測定に使用してもよく、例えば内視鏡検査や工具計測用に用いてもよい。
図5Aおよび5Bには上記感知器を組み込んだ工具計測装置6の使用が概略的に示されている。
この実施例では、装置6は3つの直交した感知器1を備えて、3つの直交したx方向、y方向、およびz方向それぞれの測定ができるようになっている。これらの感知器は各集光束21が測定中心Oで交差するように構成されている。したがって、集光束21で規定される領域によって測定領域61が規定されている。装置6は例えば以下の用途に用いてもよい。
・工具検査。領域61に置かれた例えば(フライス盤の側面刃物のような)工具の歯の破損、欠け、摩耗その他の検査。
・寸法検査。例えば真円度、切削直径その他。
・三次元描画。
・三次元の簡単な参照。
・工具検査。領域61に置かれた例えば(フライス盤の側面刃物のような)工具の歯の破損、欠け、摩耗その他の検査。
・寸法検査。例えば真円度、切削直径その他。
・三次元描画。
・三次元の簡単な参照。
上記実施例は本発明の説明を目的としたものである。本発明の別の実施例も考えられる。任意の一実施例に関連して説明されたどの特徴も、それを単独で用いても、または他の説明済みの特徴と組み合わせて用いてもよく、任意の他の実施例の1つ以上の特徴と組み合わせて用いても、任意の他の実施例の任意の組み合わせに用いてもよい。さらに、本明細書に説明されていない均等物および改変形態を用いてもよく、添付の特許請求の範囲に規定されている本発明の範囲に含まれる。
Claims (25)
- 光源からの光を測定されるべき特性を有する表面に向け、前記表面からの反射光を検出器へ供給する光学組立体を有する共焦点感知器であって、
前記光学組立体は、前記共焦点感知器の光路に沿って順に位置決めされている第1のレンズおよび第2のレンズを備え、
前記第1のレンズおよび第2のレンズのそれぞれは、前記光源からの光を集光させて集光束にする屈折断面形状を有し、
前記第1のレンズおよび第2のレンズの少なくとも1つは、前記集光束が前記光路に沿う縦方向の深度を持つ焦点領域を有するように、色収差を導入して異なる複数の波長を前記光路に沿って異なる複数の点に合焦させる回折断面形状を有し、
前記共焦点感知器は、焦点からの反射光以外の光の前記検出器への進入を抑制する光学的開口を有する、
ことを特徴とする共焦点感知器。 - 前記第1のレンズおよび第2のレンズの少なくとも1つは、前記光路に沿って移動可能で、前記集光束の前記縦方向の焦点深度を変える、
請求項1記載の共焦点感知器。 - 前記第1のレンズおよび第2のレンズの少なくとも1つは、型成形および機械加工から成る群から選ばれた少なくとも1つの方法で製造されている、
請求項1または2記載の共焦点感知器。 - 前記第1のレンズの前記屈折断面形状および前記第2のレンズの前記屈折断面形状の少なくとも1つは、非球面形状を備える、
請求項1乃至3のいずれかに記載の共焦点感知器。 - 前記第1のレンズの前記回折断面形状は、非球面形状を備える、
請求項1乃至4のいずれかに記載の共焦点感知器。 - 前記第1のレンズの前記回折断面形状は、前記第1のレンズの前記屈折断面形状の反対側に配置されている、
請求項1乃至5のいずれかに記載の共焦点感知器。 - 前記第2のレンズ(13)の前記屈折断面形状は、前記第2のレンズの前記第1のレンズと反対側にある、
請求項1乃至6のいずれかに記載の共焦点感知器。 - 前記第2のレンズは、前記第1のレンズの前記回折断面形状と協働して縦方向の色収差を大きくする回折断面形状を備える、
請求項1乃至7のいずれかに記載の共焦点感知器。 - 前記第2のレンズの前記回折断面形状は、前記第1のレンズに面している、
請求項8記載の共焦点感知器。 - 前記第2のレンズの前記回折断面形状は、非球面形状を備える、
請求項8または9記載の共焦点感知器。 - 前記第1のレンズおよび前記第2のレンズは、前記焦点領域内に複数の回折モードの重なりを生じさせるように構成されている、
請求項1乃至10のいずれかに記載の共焦点感知器。 - 前記第1のレンズおよび前記第2のレンズは、前記共焦点感知器が次式のような比rを有するように構成されており、
1.5≦r≦3.0
ここにrは次式で規定され、
Rは縦方向の深度である、
請求項1乃至11のいずれかに記載の共焦点感知器。 - 共焦点感知器であって、
光束を通過させるのに適した光学的開口と、
前記光学的開口の下流の前記光束の前方光路に配置されている第1のレンズを備え、前記第1のレンズは
前記光学的開口に面している屈折断面形状と、
前記第1のレンズの前記屈折断面形状と反対側の面に配置されている回折断面形状を有し、前記共焦点感知器はさらに
前記第1のレンズの下流の前記光束の前方光路に配置されている第2のレンズを備え、前記第2のレンズは
前記第2のレンズの前記第1のレンズと反対側の面に配置されている屈折断面形状を備え、前記第1のレンズの前記回折断面形状および前記第2のレンズの前記屈折断面形状は、前記光束を前記前方光路内で集光させて集光束にするのに適しており、前記第2のレンズはさらに
前記集光束が縦方向の深度を有するように前記第1のレンズの前記回折断面形状と協働して大きな縦方向の色収差を生じさせるのに適し、かつ前記第1のレンズに面している回折断面形状を備え、
前記第2のレンズはさらに、焦点領域の前記縦方向の深度を変えるために他方のレンズに対する縦方向の移動に適している、
共焦点感知器。 - 請求項1乃至13のいずれかに記載の少なくとも1つの共焦点感知器と、前記光学的開口を通過する光を検出し波長に依存した信号を提供する検出器
を備える装置。 - 前記検出器は波長分離器と感知器を備える、
請求項14記載の装置。 - 多色光源をさらに備える、
請求項14または15記載の装置。 - 前記光源からの光を前記共焦点感知器へ伝達する光ファイバー結合器と、前記共焦点感知器からの光を前記検出器へ伝達する光ファイバー結合器をさらに備える、
請求項14乃至16のいずれかに記載の装置。 - 前記検出器は帯域通過フィルターをさらに備える、
請求項14乃至17のいずれかに記載の装置。 - 前記検出器は光強度検出器をさらに備える、
請求項14乃至18のいずれかに記載の装置。 - 請求項14乃至19のいずれかに記載の装置を備える、内視鏡システム。
- 請求項14乃至19のいずれかに記載の装置を備える、工具計測装置。
- 光束を生成する多色光源と、
共焦点感知器と、
前記光源からの前記光束を前記共焦点感知器へ伝達する光ファイバー結合器を備えるシステムであって、前記光ファイバー結合器は光学的開口を備え、
前記共焦点感知器は、前記光学的開口を通過する光を受ける第1のレンズおよび前記第1のレンズからの光を受ける第2のレンズによる光路を有し、
前記第1のレンズは
前記光学的開口に面している前記第1のレンズの第1の面で提供されている屈折断面形状と、
前記第1のレンズの前記第1の面と反対側の第2の面で提供されている回折断面形状
を備え、
前記第2のレンズは、前記第1のレンズの前記第2の面に対向している前記第2のレンズの第1の面で提供されている屈折断面形状を少なくとも備え、
前記第1のレンズの前記屈折断面形状および前記第2のレンズの前記屈折断面形状は、前記光束を集束させて被検物体に向けられる集光束にし、
前記第1のレンズの前記回折断面形状は、前記集光束が縦方向の深度を持つ焦点領域を有するように、前記光路に沿って縦方向の色収差を生じさせ、
前記システムはさらに、
前記被検物体からの反射光を前記光学的開口へ伝達する第2の光ファイバー結合器と、
前記光学的開口を通過する光を受ける検出器を備え、前記検出器は波長分離器および少なくとも1つの感知器を備える、
システム。 - 実質的に、添付図面の図1〜5Bを参照してここまで説明された感知器および/またはそれらの図面に説明された感知器。
- 実質的に、添付図面の図1〜4を参照してここまで説明された装置および/またはそれらの図面に説明された装置。
- 実質的に、添付図面の図1〜5Bを参照してここまで説明されたシステムおよび/またはそれらの図面に説明されたシステム。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
GB1122052.2A GB2497792A (en) | 2011-12-21 | 2011-12-21 | Metrological apparatus comprising a confocal sensor |
GB1122052.2 | 2011-12-21 | ||
PCT/GB2012/053187 WO2013093459A2 (en) | 2011-12-21 | 2012-12-19 | Metrological apparatus |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2015504178A true JP2015504178A (ja) | 2015-02-05 |
Family
ID=45572825
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2014548188A Pending JP2015504178A (ja) | 2011-12-21 | 2012-12-19 | 計測装置 |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20140347660A1 (ja) |
EP (1) | EP2795246A2 (ja) |
JP (1) | JP2015504178A (ja) |
GB (1) | GB2497792A (ja) |
WO (1) | WO2013093459A2 (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2019525194A (ja) * | 2016-08-25 | 2019-09-05 | ナノフォーカス アーゲーNanoFocus AG | クロマティック共焦点センサ |
WO2024071533A1 (ko) * | 2022-09-29 | 2024-04-04 | 주식회사 고영테크놀러지 | 3차원 형상 검사 장치 및 3차원 형상 검사 방법 |
Families Citing this family (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102013113265B4 (de) * | 2013-11-29 | 2019-03-07 | Grintech Gmbh | Vorrichtung zur berührungslosen optischen Abstandsmessung |
CN106443996A (zh) * | 2016-12-07 | 2017-02-22 | 深圳立仪科技有限公司 | 光谱共聚焦镜片组件 |
JP6939360B2 (ja) * | 2017-10-02 | 2021-09-22 | オムロン株式会社 | 共焦点計測装置 |
CN114207391A (zh) * | 2019-04-16 | 2022-03-18 | 华为技术有限公司 | 信号采集光谱仪 |
US11415674B2 (en) * | 2019-10-31 | 2022-08-16 | Mitutoyo Corporation | Chromatic point sensor optical pen with adjustable range and adjustable stand-off distance |
WO2021255584A1 (de) * | 2020-06-19 | 2021-12-23 | Precitec Optronik Gmbh | Chromatisch konfokale messvorrichtung |
CN112945130B (zh) * | 2021-02-04 | 2022-09-23 | 重庆大学 | 同时获得深度和表面信息的超快显微成像系统 |
WO2024025865A1 (en) * | 2022-07-28 | 2024-02-01 | Summer Robotics, Inc. | Folded single sensor 3-d capture system |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH1194543A (ja) * | 1997-07-09 | 1999-04-09 | Yeda Res & Dev Co Ltd | カラーコード形光学式プロフイル測定用の三角測量方法及びシステム |
JP2007536535A (ja) * | 2004-05-06 | 2007-12-13 | カール マール ホールディング ゲーエムベーハー | 光プローブチップを有する測定装置 |
JP2010271071A (ja) * | 2009-05-19 | 2010-12-02 | Disco Abrasive Syst Ltd | チャックテーブルに保持された被加工物の計測装置およびレーザー加工機 |
Family Cites Families (15)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3864044A (en) * | 1972-11-27 | 1975-02-04 | Combustion Equip Ass | Method and apparatus for the analysis of a dispersed phase capable of transmitting and focusing light |
DE4025577C2 (de) * | 1990-08-11 | 1999-09-09 | Fraunhofer Ges Forschung | Vorrichtung zum berührungslosen Messen des Abstands von einem Objekt |
EP0679864A4 (en) * | 1993-09-30 | 1997-12-17 | Komatsu Mfg Co Ltd | OPTICAL APPARATUS WITH COMMON FIREPLACE. |
US5785651A (en) * | 1995-06-07 | 1998-07-28 | Keravision, Inc. | Distance measuring confocal microscope |
DE19713362A1 (de) * | 1997-03-29 | 1998-10-01 | Zeiss Carl Jena Gmbh | Konfokale mikroskopische Anordnung |
JP2000329690A (ja) * | 1999-05-20 | 2000-11-30 | Olympus Optical Co Ltd | 走査型共焦点光学装置 |
FR2848664B1 (fr) * | 2002-12-11 | 2005-03-11 | Micro Module | Detecteur de position, forme et reflectivite d'une surface |
DE102005006724A1 (de) * | 2004-10-20 | 2006-08-10 | Universität Stuttgart | Verfahren und Anordung zur konfokalen Spektral-Interferometrie, insbesondere auch zur optischen Kohärenz-Tomografie (OCT)und/oder optischen Kohärenz-Mikroskopie (OCM)von biologischen und technischen Objekten |
DE102005006723B3 (de) * | 2005-02-03 | 2006-06-08 | Universität Stuttgart | Interferometrisches,konfokales Verfahren und interferometrische, konfokale Anordung für optische Datenspeicher, insbesondere Terabyte-Volumenspeicher |
US7522292B2 (en) * | 2005-03-11 | 2009-04-21 | Carl Zeiss Smt Ag | System and method for determining a shape of a surface of an object and method of manufacturing an object having a surface of a predetermined shape |
JP2011501209A (ja) * | 2007-10-11 | 2011-01-06 | スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー | 色共焦点センサ |
DE102008029459B4 (de) * | 2008-06-20 | 2011-07-14 | MEL Mikroelektronik GmbH, 85386 | Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen Abstandsmessung |
ES2364916B1 (es) * | 2010-03-05 | 2012-09-04 | Consejo Superior De Investigaciones Científicas (Csic) | Instrumento para la realizacion de imagenes de campo ancho a distintas profundidades de un especimen |
US20110286006A1 (en) * | 2010-05-19 | 2011-11-24 | Mitutoyo Corporation | Chromatic confocal point sensor aperture configuration |
JP5790178B2 (ja) * | 2011-03-14 | 2015-10-07 | オムロン株式会社 | 共焦点計測装置 |
-
2011
- 2011-12-21 GB GB1122052.2A patent/GB2497792A/en not_active Withdrawn
-
2012
- 2012-12-19 WO PCT/GB2012/053187 patent/WO2013093459A2/en active Application Filing
- 2012-12-19 JP JP2014548188A patent/JP2015504178A/ja active Pending
- 2012-12-19 US US14/366,812 patent/US20140347660A1/en not_active Abandoned
- 2012-12-19 EP EP12820876.6A patent/EP2795246A2/en not_active Withdrawn
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH1194543A (ja) * | 1997-07-09 | 1999-04-09 | Yeda Res & Dev Co Ltd | カラーコード形光学式プロフイル測定用の三角測量方法及びシステム |
JP2007536535A (ja) * | 2004-05-06 | 2007-12-13 | カール マール ホールディング ゲーエムベーハー | 光プローブチップを有する測定装置 |
JP2010271071A (ja) * | 2009-05-19 | 2010-12-02 | Disco Abrasive Syst Ltd | チャックテーブルに保持された被加工物の計測装置およびレーザー加工機 |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2019525194A (ja) * | 2016-08-25 | 2019-09-05 | ナノフォーカス アーゲーNanoFocus AG | クロマティック共焦点センサ |
WO2024071533A1 (ko) * | 2022-09-29 | 2024-04-04 | 주식회사 고영테크놀러지 | 3차원 형상 검사 장치 및 3차원 형상 검사 방법 |
WO2024071532A1 (ko) * | 2022-09-29 | 2024-04-04 | 주식회사 고영테크놀러지 | 3차원 형상 검사 장치 및 3차원 형상 검사 방법 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
GB201122052D0 (en) | 2012-02-01 |
GB2497792A (en) | 2013-06-26 |
WO2013093459A2 (en) | 2013-06-27 |
US20140347660A1 (en) | 2014-11-27 |
WO2013093459A3 (en) | 2014-01-09 |
EP2795246A2 (en) | 2014-10-29 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2015504178A (ja) | 計測装置 | |
US7477401B2 (en) | Trench measurement system employing a chromatic confocal height sensor and a microscope | |
EP2500685B2 (en) | Confocal measurement device | |
US8773757B2 (en) | Slit-scan multi-wavelength confocal lens module and slit-scan microscopic system and method using the same | |
KR101819006B1 (ko) | 광학 측정 장치 | |
JP5966982B2 (ja) | 共焦点計測装置 | |
KR102567597B1 (ko) | 광학 측정 장치 | |
US8829402B2 (en) | Autofocusing device for microscopes and suitable autofocus aperture stops | |
CN109791040B (zh) | 用于借助彩色共焦传感器进行光学表面测量的方法和装置 | |
US9989754B2 (en) | Light scanning microscope with spectral detection | |
KR102115498B1 (ko) | 공초점 계측 장치 | |
KR101890047B1 (ko) | 무접촉식 광학 거리 측정용 장치 | |
US8098374B2 (en) | Highly sensitive spectroscopic unit | |
WO2021197207A1 (en) | Apparatus for surface profile measurement | |
CN109945800B (zh) | 一种用于三维面型测量的线形光谱共焦系统 | |
US7715021B2 (en) | Microscope and microscope microexamination procedure method for the measurement of the surface profile of an object | |
TWI673474B (zh) | 光學測量裝置 | |
JP2011237272A (ja) | 光距離計及び距離測定方法 | |
Ruprecht et al. | Confocal micro-optical distance sensor: principle and design | |
JP5336959B2 (ja) | プローブ顕微鏡 | |
CN115060191A (zh) | 一种基于线性滤光器分光的用于三维面型测量的光谱共焦系统 | |
CN113959367A (zh) | 多波长点共焦显微探测方法与装置 | |
CN114941998A (zh) | 三维线光谱共焦传感方法与装置 | |
CN113959366A (zh) | 多波长单光纤共焦显微探测方法与装置 | |
Macedo et al. | Development and assessment of image reconstruction algorithms using a low-cost bench-microscope based on a linear CMOS image sensor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20150527 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20150602 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20160303 |