JP3404607B2 - 共焦点光学装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は共焦点光学系を応用し
た３次元形状計測装置に関し、特にホログラムや回折格
子型ハーフミラーを利用して３次元計測を行う共焦点光
学装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】距離を
測定する技術として所謂共焦点光学系がある。図２２に
共焦点光学系の原理を示す。

【０００３】図２２において、光源１の光はレンズ１２
で集光された後、焦点Ｆ1に配置されたピンホールＰＨ1
を介してハーフミラー３１に入射される。光源１の光は
焦点Ｆ1に配置されたピンホールＰＨ1によって点光源と
等価な光になる。ハーフミラー３１で反射された光はレ
ンズ８によって集光されて物体９の表面に投光される。
この場合はレンズ８の焦点位置Ｆ2に物体９の表面があ
る場合を示しており、物体９は３次元移動ステージ４０
によってＸ−Ｙ−Ｚ方向に移動走査される。物体９の表
面で散乱した光はレンズ８を通りハーフミラー３１を透
過した後、光源１の焦点位置と共役な点Ｆ3に集光され
る。この焦点Ｆ3の位置にピンホールＰＨ2を置き、通過
する光を光センサ１０で検出するようにする。

【０００４】かかる構成によれば、図２３(a)(b)に示す
如く、物体表面Ｚ0が焦点位置Ｆ2の前後Ｚ1、Ｚ2に外れ
た場合、共役点側の焦点Ｆ3が移動しピンホールの作用
で光センサ１０の出力が著しく低下する。図２４に物体
表面の位置と光センサ１０の出力との関係を示す。

【０００５】かかる構成によれば、３次元移動ステージ
４０によって被計測物体９をＸ−Ｙ座標位置毎にＺ軸方
向（光軸方向）に変位させ、この変位にともなって光セ
ンサ１０の出力をサンプリングし、サンプリング出力が
最大になったときのＺ位置を物体９の表面位置として検
出することができる。従って、順次Ｘ−Ｙ座標位置を変
化させて同様の計測を行うようにすれば、被計測物体９
の３次元計測を行うことができる。

【０００６】しかし、この従来装置では、各計測時点に
おいて空間の１点の情報しか得られないために、表面形
状の検出に多くの時間を必要とする欠点がある。

【０００７】そこで、特開平４−２６５９１８号公報に
おいては、共焦点光学系を２次元的に配置し、各物体位
置を並列に検出するようにしており、図２５にその構成
を示す。

【０００８】すなわちこの図２５に示す装置では、光源
１の光はレンズ１２、２を介して平行光となりピンホー
ルアレイＰＨＡ1に入射される。ピンホールアレイＰＨ
Ａ1は、ピンホールがマトリックス状に配設されたもの
である。ピンホールアレイＰＨＡ1を通過した光はハー
フミラー３１を透過し、レンズ８ａ、８ｂによって集光
され、被計測物体９に投光される。被計測物体９はＺ軸
方向に変位可能な移動ステージ３５上に載置されてい
る。被計測物体９で反射された光はレンズ８ａ、８ｂで
集光され、ハーフミラー３１で反射され、ピンホールア
レイＰＨＡ1と共役な位置に結像する。この結像位置に
ピンホールアレイＰＨＡ2を配設し、ピンホールを通過
する光を、光センサアレイの各光センサ１０で検出す
る。

【０００９】かかる従来構成によれば、移動ステージ３
５をＺ軸方向に変位させながら、光センサアレイの個々
の光センサ１０の出力を別々にサンプリングし、各々の
光センサ出力が最大になったときのＺ方向位置を物体９
の表面位置として検出することができる。

【００１０】この従来技術によれば、ＸＹ方向に移動ス
テージを移動させる必要がなくなるので、先の図２２に
示す従来構成より計測時間を短縮することができる。

【００１１】ところで、この図２５に示す装置において
も、形状計測時間を更に高速化するためには移動ステー
ジ３５を更に高速移動させる必要があるが、移動ステー
ジ３５は計測対象を載置しなくてはいけないので、その
高速移動には限界がある。すなわち、例えば、非常に重
く大きな計測対象や、非常に繊細な構造を有するために
高速変位による慣性力に耐えられない計測対象等は、高
速移動ステージによる移動が困難となる。

【００１２】この問題を解決するための手法として、計
測対象９を固定して計測器自体をＺ方向に移動変位させ
ることが考えられる。しかし、計測器を高速変位させる
ためには、計測器自体が小型軽量でかつその構造が堅牢
で高速変位による慣性力に耐えられなくてはならない。
ところが、図２５に示す従来技術では、高速移動用の対
策がなされていないために、高速移動した場合、共焦点
光学系がくずれるなどの問題が発生する可能性がある。
特に共焦点光学系においては、共焦点光学系が常に有効
になるように、ピンホールアレイＰＨＡ1、ＰＨＡ2をハ
ーフミラー３１に対して共役な位置に常に正確に位置さ
せることが重要であるが、このことと小型軽量化の要望
とを双方満足させるには従来限界があった。

【００１３】また、図２５のハーフミラー３１は通常プ
リズム型が使用されるが、このプリズム型は立方体領域
を必要とするため、光源の焦点位置（ピンホールアレイ
ＰＨＡ1）と受光の焦点（ピンホールアレイＰＨＡ2）は
ハーフミラー３１のある立方体領域の外側に配置しなく
てはならず、このためレンズ８ａから各々の焦点までの
距離はハーフミラー３１の立方体の長さより小さくする
ことはできない。また、共焦点ユニットの光源の焦点と
受光の焦点のハーフミラー３１に対する幾何学的な距離
は共焦点ユニット毎に違ったものとなる。よって、図２
５に示す従来構成では小型、軽量化には限界があると共
に、光源の焦点と受光の焦点の正確な位置合わせが必要
になる。

【００１４】この発明はこのような実情に鑑みてなされ
たもので、装置の小型軽量化を図ると共に、３次元形状
計測を高速に精度よくなし得、更に各部の位置合わせを
容易にできる共焦点光学装置を提供することを目的とす
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段及び作用】この発明では、
光源と、この光源から発した光を通過させて点光源光に
する第１の開口部と、この第１の開口部を通過した光を
被計測物体上に集光する対物レンズと、この被計測物体
上の集光面に共役な面に位置する第２の開口部と、該第
２の開口部を通過した光を検出する光検出器とを有する
共焦点光学装置において、前記第１及び第２の開口部を
同一位置に配して同一開口部で共用すると共に、前記光
検出器の検出面を前記共用される同一の開口部とほぼ同
一の面上に配設するようにしたことを特徴とする。

【００１６】係る発明によれば、第１及び第２の開口を
同一開口で共用すると共に、この同一開口とほぼ同一の
面に光検出器の検出面を配設するようにしており、これ
により、第１、第２の開口および光検出器の精度のよい
位置合わせを容易になし得るとともに、これら部分の構
成を薄型、小型、堅牢にできる。

【００１７】またこの発明によれば、光源と、この光源
からの光を入射してハーフミラーおよび回折格子の作用
をなす光学素子と、この光学素子に密着または近接して
配設され、光学素子からの０次光を集光する第１の集光
手段と、この第１の集光手段によって集光された光を通
過させるピンホールと、このピンホールを通過した光を
集光して被計測物体に投光するとともに、被計測物体で
散乱された光を前記ピンホールに集光する第２の集光手
段とを備えると共に、前記光学素子は、前記ピンホール
および前記第１の集光手段を介して再入射された光の１
次回折光を前記第１の集光手段に入射するものであり、
さらに前記第１の集光手段によって集光された前記１次
回折光を受光する光検出器を備えるようにしている。

【００１８】すなわち係る本発明の構成によれば、共焦
点光学系の光源の焦点と受光の焦点は同じ位置であるた
め、この位置に両焦点に共通のピンホールを配置すれば
よくなるので、安定した共焦点効果が得られると共に、
各焦点の位置合わせが不要になり、さらに装置の小型軽
量化を図ることができる。また、平板状のホログラムや
平板状の回折格子型ハーフミラーなどの光学素子を用い
て、ハーフミラー及び回折格子の作用を得るようにして
いるので、極めて薄い領域に共焦点光学系を配置するこ
とができる。

【００１９】またこの発明では、順次移動走査される平
行スリット光を発生する平行スリット光発生手段と、
光通過用の開口が複数個２次元的に配置され、前記平行
光発生手段からの平行スリット光を入射する開口アレイ
と、前記開口アレイを通過した光が入射され、ハーフミ
ラーおよび回折素子の作用をなす光学素子と、前記光学
素子に近接して配設され、光学素子からの０次光を集光
するレンズが複数個２次元的に配列されたレンズアレイ
と、前記レンズアレイの各レンズによって集光された光
を通過させるピンホールが複数個２次元配列されたピン
ホールアレイと、前記各ピンホールを通過した光を集光
して被計測物体に投光するとともに、被計測物体で散乱
された光を各ピンホールに集光する集光手段と備えると
共に、前記光学素子は、前記各ピンホールおよび前記レ
ンズアレイを介して再入射された光の１次回折光を前記
レンズアレイに入射するものであり、さらに前記レンズ
アレイの各レンズによって集光された前記１次回折光を
受光する光検出器が複数個２次元配列された光検出器ア
レイと、前記平行スリット光発生手段、開口アレイ、光
学素子、レンズアレイ、ピンホールアレイ、集光手段お
よび光検出器アレイの少なくとも一部を光軸方向に移動
させる移動制御手段と、前記平行スリット光の移動走査
および前記移動制御手段の移動制御に対応する前記各光
検出器の出力に基づき前記被計測物体の３次元距離計測
を行う３次元距離計測手段とを備えるようにしている。

【００２０】係る発明によれば、開口、レンズ、ピンホ
ール、光検出器が２次元的に配列された共焦点光学系に
平行スリット光を入射し、各光検出器で被計測物体から
の反射光を受光する。そして、平行スリット光の移動走
査および前記移動制御手段による移動走査に対応する前
記各光検出器の出力に基づき前記被計測物体の３次元距
離計測を行う。

【００２１】またこの発明では、面光線を発生する面光
線発生手段と、光通過用の開口が複数個２次元的に配置
され、前記面光線発生手段からの面光線を入射する開口
アレイと、前記開口アレイを通過した光が入射され、ハ
ーフミラーおよび回折素子の作用をなす光学素子と、こ
の光学素子に近接して配設され、光学素子からの０次光
を集光するレンズが複数個２次元的に配列されたレンズ
アレイと、前記レンズアレイの各レンズによって集光さ
れた光を通過させるピンホールが複数個２次元配列され
たピンホールアレイと、 前記各ピンホールを通過した
光を集光して被計測物体に投光するとともに、被計測物
体で散乱された光を各ピンホールに集光する集光手段と
備えると共に、前記光学素子は、前記各ピンホールおよ
び前記レンズアレイを介して再入射された光の１次回折
光を前記レンズアレイに入射するものであり、さらに前
記レンズアレイの各レンズによって集光された前記１次
回折光を受光する光検出器が複数個２次元配列された光
検出器アレイと、前記面光線発生手段、開口アレイ、光
学素子、レンズアレイ、ピンホールアレイ、集光手段お
よび光検出器アレイの少なくとも一部を光軸方向に移動
させる移動制御手段と、前記移動制御手段の移動制御に
対応する前記各光検出器の出力に基づき前記被計測物体
の３次元距離計測を行う３次元距離計測手段とを備える
ようにしている。

【００２２】係る発明によれば、開口、レンズ、ピンホ
ール、光検出器が２次元的に配列された共焦点光学系に
面光線を入射し、各光検出器で被計測物体からの反射光
を受光する。そして、前記移動制御手段による移動走査
に対応する前記各光検出器の出力に基づき前記被計測物
体の３次元距離計測を行う。

【００２３】

【実施例】以下この発明を添付図面に示す実施例に従っ
て詳細に説明する。

【００２４】図２にこの発明の基本的構成を示す。

【００２５】図２において、光源１から出力されたレー
ザ光（或いは該レーザ光に準ずる単色光）は、レンズ２
によって平行光３になって反射型ホログラム４に入射さ
れる。反射型ホログラム４は、ハーフミラーおよび回折
格子の作用をなすもので、図３(a)に示すように、光軸
方向と角度Φを成す平行光によって露光される。このホ
ログラム４を例えば回折効率４０％となるように現像処
理した場合は、図３(b)の実線で示す平行光を入射する
と、０次光（ー点鎖線）、１次光（破線）が各々入射光
の６０％、４０％の強度で得られる。また、このホログ
ラムに図３(b)とは逆向きの平行光を入射すれば、図３
(c)に示すように、０次光、１次光が各々入射光の６０
％、４０％の強度で得られる。

【００２６】図２においては、このホログラム４に図３
(b)と同じ方向でスリット平行光が入射され、その０次
光は反射型ホログラム４に近接したレンズ５によってそ
の焦点位置６に集光される。この焦点位置６にピンホー
ル７が配置され、該ピンホール７の孔を光が通過する。
ピンホール７を通過した光は、再びレンズ８によって集
光され、被計測物体９上に照射される。被計測物体９で
反射された光はレンズ８によって再び集光されてピンホ
ール７を再び通過する。ピンホール７を通過した光はレ
ンズ５によって集光され、光源からの平行光３とは逆向
きの平行光としてホログラム４に入射される。ホログラ
ム４に入射された平行光の１次回折光は、図３(c)に示
すように、角度Φをもって反射されてレンズ５を介して
集光される。この集光位置に光検出器１０が配置され、
該光検出器１０によって入射された光の光量を検出す
る。

【００２７】すなわち、この構成によれば、共焦点光学
系の光源側の焦点位置と受光側の焦点位置とが同じ位置
６となり、ピンホール７を共通化することができる。し
たがっ安定した共焦点効果が得られると共に、従来のよ
うな光源の焦点と受光の焦点との位置合わせが不要にな
る。さらに、反射型ホログラム４をハーフミラーとして
機能させることにより、従来の構成ではなし得なかった
小型化（平面化）および軽量化を実現できる。

【００２８】図１は、この発明の第１の実施例を示すも
ので、本装置は固定部２０と、光軸方向（Ｚ方向）に沿
って移動する可動部３０とで構成されている。

【００２９】レーザ光源１から発生されたレーザ光はレ
ンズ１１、１２によってスリット平行光に変換され、多
面体回転ミラー１３によって偏向される。偏向されたス
リット平行光は、テレセントリックに配置されたシリン
ドリカルレンズ２に入射され、光軸方向に偏向されると
ともに、多面体回転ミラー１３による回転によって図示
矢印Ａ方向に順次走査される。多面体回転ミラー１３は
移動制御部５０によって回転走査される。このようにし
て、固定部２０から可動部３０に対してＡ方向に走査さ
れる平行スリット光Ｌaが順次入射される。

【００３０】なお、多面体回転ミラー１３の代わりにガ
ルバノミラーを使用してもよく、またシリンドリカルレ
ンズ２の代わりにｆ−θレンズを採用して等速走査を行
うようにしてもよい。

【００３１】可動部３０の光入口には、レンズアレイ５
の個々のレンズ５ａに光を有効に入射させるための開口
１４ａが各レンズに対応する位置に形成された開口アレ
イ１４が配置され、その下にハーフミラーおよび回折格
子として機能する反射型ホログラム４が配置されてい
る。反射型ホログラム４は、先の第２図及び第３図に示
したものと同様に機能する。なお、反射型ホログラム４
と開口アレイ１４の上下の位置関係を逆にしてもよい。

【００３２】反射型ホログラム４の下には、レンズアレ
イ５が反射型ホログラム４に近接または密着して配置さ
れ、ホログラム４に入射された光の０次光を各レンズ５
ａの焦点位置にそれぞれ集光する。各レンズ５ａの焦点
位置には、ピンホールアレイ７の各ピンホール７ａが配
置され、前記集光された各光はピンホール７ａを通過す
る。なお、前記平行スリット光の幅はレンズアレイ５の
各レンズ５ａのピッチより細いものとする。

【００３３】レンズ８ａ、８ｂは、所謂テレセントリッ
ク系であり、ピンホールアレイ７の全ての像を光軸方向
に平行に結像する。したがって、可動部３０を光軸（Ｚ
軸）方向に移動した場合でも、計測物体９上に結像する
光点のＸ−Ｙ位置は変化しない。

【００３４】計測物体９で散乱した光は、レンズ８ｂ，
８ａによって集光され、共焦点効果を持つピンホールア
レイ７を通過し、レンズアレイ５に入射され、レンズア
レイ５の個々のレンズ５ａによってレンズ２から出射さ
れたスリット平行光とは逆向きの平行光として図３(c)
に示したのと同じ方向に反射型ホログラム４に入射す
る。反射型ホログラム４の１次回折光は再びレンズアレ
イ５の個々のレンズ５ａに入射され、それぞれ角度Φで
集光される。これら各集光位置に個々の光検出器１０ａ
が配置されるように光検出器アレイ１０を配置する。

【００３５】かかる構成においては、計測物体９は適宜
のテーブル３３上に固定配置する。一方、可動部３０
は、移動制御部５０によって多面体回転ミラー１３によ
る回転走査に同期して光軸（Ｚ軸）方向にそって移動さ
れる。３次元計測部６０では、可動部３０の移動に伴っ
て光検出器アレイ１０の個々の検出器１０ａの出力を順
次サンプリングし、各々の出力が最大になったときのＺ
位置を物体表面の位置として検出する。

【００３６】また、かかる構成において、開口アレイ１
４、反射型ホログラム４、レンズアレイ５、光検出器ア
レイ１０およびピンホールアレイ７は、図４および図５
に示すように、半導体プロセスを用いて平面状に一体的
に形成される。

【００３７】すなわち、図４及び図５において、開口ア
レイ１４は遮光プレートから成っており、このプレート
の各レンズ５ａに対応した位置に開口１４ａが形成され
ている。開口アレイ１４の遮光膜は、例えば、Ｃｒ2Ｏ3
／Ｃｒ／Ｃｒ2Ｏ3の３層膜をスパッタリングで形成す
る。上記３層膜の中間層のＣｒで反射された光はＣｒ2
Ｏ3膜によって多重反射し減衰する。

【００３８】レンズアレイ５は、この場合平板マイクロ
レンズ（ＰＭＬ）を用いるようにしている。平板マイク
ロレンズは、平面状のガラス基板５中にイオンを選択的
に拡散することによって屈折率分布を形成することによ
り複数のレンズ５ａ部分を作成する。このレンズアレイ
５の各レンズ部分５ａの光の入射部分には、無反射コー
トが施されている。

【００３９】したがって、このようにして作成したレン
ズアレイのガラス基板５上に、図３(a)に示した要領で
露光現像したホログラム４を密着させ、さらにその上に
開口アレイ１４を形成するようにする。なお、ホログラ
ム４の製造時の耐熱性が問題となる場合は、レンズアレ
イ５のガラス基板上に開口アレイ１４を形成した後、そ
の上に露光現像されたホログラム４を密着するようにし
てもよい。

【００４０】また、ガラス基板５との密着面に無反射コ
ートが施された平面ガラス基板１５に、前記レンズアレ
イの５のレンズピッチに対応するピッチで光検出器アレ
イ１０およびピンホールアレイ７を形成する。

【００４１】そして、光検出器アレイ１０およびピンホ
ールアレイ７が形成された平面ガラス基板１５と、前記
開口アレイ１４、ホログラム４及びレンズアレイ５が形
成されたガラス基板５とを位置合わせして密着させるこ
とにより、この部分を形成する。

【００４２】なお、マイクロレンズ基板５とガラスセン
サ基板１５を接合する場合、これらの間にガラスとほぼ
同じ屈折率を有する透明屈折液を充填するようにして、
これら基板界面での不都合な反射を防ぐことができる。

【００４３】また、同様に、マイクロレンズ基板５とホ
ログラム４を接合する場合、これらの間にガラスとほぼ
同じ屈折率を有する透明屈折液を充填するようにして、
これら基板間での不都合な反射を防ぐこともできる。

【００４４】図６は、ピンホールアレイ７及び光検出器
アレイ１０の製造過程を示すもので、以下その詳細を製
造順に説明する。

【００４５】(a)平面ガラス基板１５ (b)平面ガラス基板１５上に透明導電膜（ＴＣＯ）１６
を形成する。ＴＣＯはＳｎＯ2等を使用する。 (c)例えばエッチングなどにより透明導電膜１６から光
検出素子部分１７、ピンホール部分１８以外を除去す
る。なお、この工程で、ピンホール部分の透明導電膜を
残すのは、この後の工程(g)のエッチングでピンホール
の開口部のガラスが侵食されるのを防ぐためである。 (d)この上にアモルファスシリコン１９を形成する。 (e)アモルファスシリコン１９のピンホール部分１８を
エッチングなどを用いて除去する。 (f)ニッケル膜２１を形成する。 (g)例えばエッチングなどによりニッケル膜２１から光
検出素子部分２２、ピンホール部分２３以外を除去す
る。また、ピンホールの各開口もエッチングによって形
成する。 (h)この上層に透明絶縁膜２４を形成する。 (i)さらに、ニッケル膜２５を形成する。 (j)ニッケル膜２５のピンホール部分２６をエッチング
によって形成する。

【００４６】これら一連の処理によって、アモルファス
シリコン１９、透明アノード電極１７および金属カソー
ド電極２２から成る光検出素子を形成すると共に、ピン
ホールの遮光部分をニッケル膜２３、２５によって形成
する。

【００４７】図７は、他の製造方法を示すもので、以下
その詳細を製造順に説明する。

【００４８】(a)平面ガラス基板１５ (b)平面ガラス基板１５上に透明導電膜（ＴＣＯ）１６
を形成する。 (c)例えばエッチングなどにより透明導電膜１６から光
検出素子部分１７、ピンホール部分１８以外を除去す
る。なお、この工程で、ピンホール部分の透明導電膜を
残すのは、この後の工程(e)(k)のエッチングでピンホー
ルの開口部のガラスが侵食されるのを防ぐためである。 (d)この上にアモルファスシリコン１９を形成する。 (e)アモルファスシリコン１９のピンホール部分１８を
エッチングなどを用いて除去する。 (f)ニッケル膜２１を形成する。 (g)例えばエッチングなどによりニッケル膜２１から光
検出素子部分２２以外を除去する。 (h)この上層に絶縁膜２４を形成する。 (i)エッチングなどにより絶縁膜２４およびアモルファ
スシリコン１９からピンホール部分２７を除去する。 (j)ニッケル膜２５を形成する。 (k)エッチングによってニッケル膜２５のピンホール２
６部分を除去しピンホールを形成する。

【００４９】これら一連の処理によって、アモルファス
シリコン１９、透明アノード電極１７および金属カソー
ド電極２２から成る光検出素子を形成すると共に、ピン
ホールの遮光部分をニッケル膜２５によって形成する。

【００５０】図８は、更に別の製造方法を示すもので、
以下その詳細を製造順に従って説明する。

【００５１】(a)平面ガラス基板１５ (b)平面ガラス基板１５上に透明導電膜（ＴＣＯ）１６
を形成する。 (c)例えばエッチングなどにより透明導電膜１６から光
検出素子部分１７、ピンホール部分１８以外を除去す
る。なお、この工程で、ピンホール部分の透明導電膜を
残すのは、この後の工程(j)のエッチングでピンホール
の開口部のガラスが侵食されるのを防ぐためである。 (d)この上にアモルファスシリコン１９を形成する。 (e)ニッケル膜２１を形成する。 (f)例えばエッチングなどによニッケル膜２１から光検
出素子部分２２以外を除去する。 (g)この上層に絶縁膜２４を形成する。 (h)エッチングなどにより絶縁膜２４からピンホール部
分２７を除去する。

【００５２】(i)ニッケル膜２５を形成する。 (j)エッチングによってニッケル膜２５およびアモルフ
ァスシリコン１９のピンホール部分２８を除去しピンホ
ールを形成する。

【００５３】これら一連の処理によって、アモルファス
シリコン１９、透明アノード電極１７および金属カソー
ド電極２２から成る光検出素子を形成すると共に、ピン
ホールの遮光部分をニッケル膜２５によって形成する。
すなわち、この製造方法によれば、工程(j)のエッチン
グによって、ニッケル膜２５およびアモルファスシリコ
ン１９のピンホール部分をー度に削除するようにしてい
る。

【００５４】図９は、ｎ×ｍ個の光検出器Ｓ11〜Ｓnmか
ら成る光検出器アレイ１０とこれら光検出器Ｓ11〜Ｓnm
の信号を読み出すの為の回路構成を示すもので、奇数行
の光検出器は列毎に共通な接続線でアナログマルチプレ
クサＭ１に接続され、偶数行の光検出器は列毎に共通な
接続線でアナログマルチプレクサＭ２に接続されてい
る。ハッチングが施された光検出器Ｅ1〜Ｅmは行単位の
読み出しタイミング信号ＶＤ1、ＶＤ2を発生するための
もので、また光検出器Ｆは１回の読み取り走査の開始タ
イミング信号ＦＤを出力させるためのものである。

【００５５】図９の破線で囲まれた領域が図１の平行ス
リット光Ｌaのある時点における照射領域であり、前記
多面体回転ミラーによる走査によって該照射領域が矢印
Ａ方向に移動走査される。すなわち、平行スリット光の
移動走査は、奇数行→偶数行の順番に交互に行われ、奇
数行の光検出器で検出された信号はマルチプレクサＭ１
によって順次列毎に読み出され、偶数行の光検出器で検
出された信号はマルチプレクサＭ２によって順次列毎に
読み出される。

【００５６】かかる構成によれば、入射平行スリット光
が奇数行と偶数行にまたがって入射された場合でも、両
者の信号を各行から独立して読みだすことができる。し
たがって、各光検出器を接近させて配置することができ
るとともに、開口アレイ１４の遮光部分の面積を小さく
することができ、この部分の構成をより小型化すること
ができる。

【００５７】なお、図９において、ハッチングが施され
たタイミング信号発生用の光検出器Ｅ1〜Ｅmは、光検出
器マトリックスの端のピンホール７が位置されるべきマ
トリックス位置に配置され、固定部２０からの平行スリ
ット光Ｌaが直接入射される。信号ＶＤ1は奇数行の読み
出しタイミングを判断するための信号であり、信号ＶＤ
2は偶数行の読み出しタイミングを判断するための信号
である。また、読み取り開始タイミング信号ＦＤ発生用
の光検出器Ｆは、例えば第１行目の光検出器Ｅ1と逆端
においてピンホール７が位置されるべきマトリックス位
置に配置される。

【００５８】図１０は、各タイミング信号ＦＤ，ＶＤ
1、ＶＤ2及びマルチプレクサＭ1、Ｍ2からの出力信号Ｖ
1、Ｖ2のタイミングを示すもので、各光検出器Ｓ11〜Ｓ
mnはこの場合、電荷蓄積型として機能するので、ＶＤ1
の立下がりで奇数行の検出器の出力を読み出し、ＶＤ2
の立下がりで偶数行の検出器の出力を読み出すよう作用
する。したがって、この回路構成によれば、奇数行の検
出器に光が入射されている間に、既に電荷蓄積された偶
数行の検出器の出力を読み出す、あるいはその逆を交互
に繰り返す。

【００５９】なお、マルチプレクサＭ1、Ｍ2の代わりに
ＣＣＤカメラセンサで応用されている電荷転送方法を用
いるようにしてもよい。

【００６０】また、上記回路において、信号ＶＤ1を遅
延させこの遅延信号をトリガとして偶数行の検出器の出
力を読み出すとともに、信号ＶＤ2を遅延させこの遅延
信号をトリガとして奇数行の検出器の出力を読み出すよ
うにしてもよい。さらに、信号ＶＤ1およびＶＤ2の立上
がりをそれぞれ遅延させ、これらの遅延信号によって各
検出器の出力の読み出しを行うようにしてもよい。

【００６１】図１１は、この発明の他の実施例を示すも
ので、この場合は先の図１の実施例のように走査型のス
リット平行光を用いるのではなく、非走査型の平行面光
線Ｌbを用いるようにする。また、可動部３０をレンズ
８ａのみで構成し、その他の部分を固定部２０側に配設
するようにしている。その他の構成は図１の実施例と同
様であり、同じ機能を達成する構成要素には同一符号を
付してある。

【００６２】すなわち、図１１において、レーザ光源１
から発生されたレーザ光はシリンドリカルレンズ１２、
２によって平行面光線にＬbに変換され、開口アレイ１
４に入射される。開口アレイ１４の開口を通過した光
は、前記同様、ホログラム４、レンズアレイ５、ピンホ
ールアレイ７、レンズ８ａ、８ｂを経由して計測物体９
に集光される。計測物体９で散乱した光は、レンズ８
ｂ，８ａ、ピンホールアレイ７、レンズアレイ５を経由
してホログラム４に入射され、該ホログラム４で回折さ
れて光検出器アレイ１０の各検出器に入射される。

【００６３】この場合は、平行面光線Ｌbを用いるよう
にしているので、光検出器アレイ１０の全ての検出器に
平行面光線Ｌbの帰り光が同時に入射される。

【００６４】かかる実施例によれば、可動部３０をレン
ズ８ｂのみで構成しているので、荷搬重量を軽くでき、
移動走査の為の構成を簡素化することができる。

【００６５】なお、図１１のように、平行面光線Ｌbを
用いた場合においても、先の図１に示したように、開口
アレイ１４により下の部分（開口アレイ１４、ホログラ
ム４、レンズアレイ５、光検出器アレイ１０、ピンホー
ルアレイ７、レンズ８ａ，８ｂ）を可動部分として構成
するようにしてもよい。さらに、図１１において、計測
対象物体９以外の全ての構成要素を可動部３０として構
成するようにしてもよい。

【００６６】図１２は、この発明の更に別の実施例を示
すもので、この場合は装置全体を可動部３０として構成
している。また、面光線を発生するための光源として、
複数のレーザエレメントがマトリックス配置されたレー
ザ光源アレイ４０を用いるようにしている。このレーザ
光源アレイは、PHOTONICS RESERCH INCORPORATED のア
レイタイプ面発光半導体レーザとして公知である。ま
た、前記アレイタイプ面発光半導体レーザ４０から出力
される光線を平行光に変化するためのレンズとして、レ
ンズアレイ５０を用いるようにしている。その他の構成
は図１または図１１の実施例と同様であり、同じ機能を
達成する構成要素には同一の符号を付してある。

【００６７】すなわち、図１２において、レーザ光源４
０から発生されたレーザ光はレンズアレイ５０によって
平行面光線に変換され、開口アレイ１４に入射される。
開口アレイ１４の開口を通過した光は、前記同様、ホロ
グラム４、レンズアレイ５、ピンホールアレイ７、レン
ズ８ａ、８ｂを経由して計測物体９に集光される。計測
物体９で散乱した光は、レンズ８ｂ，８ａ、ピンホール
アレイ７、レンズアレイ５を経由してホログラム４に入
射され、該ホログラム４で回折されて光検出器アレイ１
０の各検出器に入射される。

【００６８】なお、この実施例において、アレイタイプ
面発光半導体レーザ４０を行単位に順次発光させ、先の
図１の実施例のようにスリット光として機能させるよう
にしてもよい。

【００６９】図１３は、この発明の更に別の実施例を示
すもので、この実施例では先の各実施例における反射型
ホログラム４の代わりに、図１４に示すような回折格子
型ハーフミラー４１を用いると共に、レンズ８ａ、８ｂ
の間に１／４波長版４２を介在させるようにしている。
なお、図１３において、１／４波長版４２の配設位置
は、共焦点光学系の光路中であれば、任意位置でよい。

【００７０】上記回折格子型ハーフミラー４１は、上記
反射型ホログラム４と同様、ハーフミラー及び回折格子
として作用するもので、特開昭６１−１７１０３号公報
にその開示がある。すなわち、ほぼ同一屈折率を有する
透明部材４３，４４に複数の傾斜面を設けると共に、こ
れら傾斜面に偏光依存性の反射膜４５を形成してレリー
フ型の回折格子を形成しており、その両側に設けられた
平行平板４６、４７で支持されている。反射膜４５は、
Ｐ偏光に対してはほぼ１００％の透過率を有し、Ｓ偏光
に対しほぼ１００％の反射率を有するよう構成されてい
る。

【００７１】したがって、図１３において、直線偏光特
性を有するレーザを用いて光源１からＰ偏光波を発射す
ると、このＰ偏光波は回折格子型ハーフミラー４１に入
射され、そのほとんどが透過される。さらにこのＰ偏光
波は、１／４波長版４２を通って円偏光になり、対物レ
ンズ８ｂによって被計測物体９上に集光される。被計測
物体９で反射された光は１／４波長版４２を通過するこ
とによりＳ偏光波になり、レンズ８ａ，ピンホール７を
介して回折格子型ハーフミラー４１に入射され、該ハー
フミラー４１の反射膜４５で反射されて、光検出器１０
に入射されることになる。

【００７２】なお、先の図２，図１１または図１２に示
した実施例においても、ホログラム４の代わりに図１４
に示したような回折格子型ハーフミラー４１を用いるよ
うにしてもよい。勿論その場合には、共焦点光学系の光
路中に１／４波長版４２を配設するようにする。

【００７３】次に、図１５は先の図５に示した薄板状光
学器部分の変形例を示すものであり、この場合は、先の
図５のようにマイクロレンズアレイ５とガラス基板１５
を密着させるのではなく、マイクロレンズアレイ５と光
検出器アレイ１０を密着させるようにしている。

【００７４】すなわち、上部遮光膜５１，下部遮光膜５
２，上部絶縁膜５３，下部絶縁膜５４，上部電極５５，
下部電極５６および光検出器部分５７による構成によっ
て光検出器アレイ１０の機能とピンホールアレイ７の機
能を実現し、かかる構成部分を屈折率調整液５８などに
よってマイクロレンズアレイ５と密着させるようにして
いる。

【００７５】図１６は、図１５の構成における光検出器
アレイ１０およびピンホールアレイ７の製造過程を示す
もので、以下その詳細を製造順に説明する。

【００７６】(a)平面ガラス基板１５ (b)平面ガラス基板１５上に下部遮光膜５２を成膜す
る。 (c)下部遮光膜５２にピンホールアレイ７Ａを形成す
る。 (d)この上に下部絶縁膜５４を形成する。 (e)更にこの上に下部電極５６を成膜する (f)下部電極５６のパターンを形成する。 (g)更にこの上に光検出部分（アモルファスシリコン）
５７を成膜する (h)光検出器部分５７にピンホールアレイ７Ｂを形成す
る。 (i)上部電極５５を成膜する (j)上部電極５５のパターンを形成する。 (k)上部絶縁膜５３を成膜する。 (l)上部遮光膜５１を成膜する。 (m)上部遮光膜５１にピンホールアレイ７Ｃを形成する
とともに、光検出器の開口部７Ｄを形成する 次に、図１７は光検出器部分５７をアモルファスシリコ
ンではなく、単結晶シリコン半導体で構成した例を示す
もので、図１５に示したものと同じ構成要素については
同一符号を付している。

【００７７】すなわち、この場合はシリコン基板の両面
に熱酸化法やＣＶＤ法を用いてＳｉＯ2膜を形成し、こ
のＳｉＯ2膜をマスクとして熱拡散法やイオン注入法を
用いてｐｎ接合を形成し、光検出器アレイ部分を形成す
る。この後再度ＳｉＯ2膜を形成、パターニングし、Ｒ
ＩＥ法などのエッチング技術によってピンホールアレイ
部分を形成する。そして、このようにして作成したピン
ホールを有する光検出器アレイを屈折率調整液５８によ
ってマイクロレンズアレイ５と密着させる。なお、マイ
クロレンズとの密着の際は、張り合わせＳＯＩ技術を用
いて、直接シリコンとマイクロレンズアレイを接合する
ようにしてもよい。また、単結晶シリコンの代わりに I
II − V 族半導体などの光電変換の可能な材料を用いる
ようにしても良い。さらに、上部電極５５および下部電
極５６は図１５や図１７の例のように、サンドイッチ状
にしてもよいが、図１８に示すように、同一平面内に形
成するようにしてもよい。

【００７８】次に、図１９(a)は、図５や図１５に示し
た薄板状光学器部分のさらに別の変形例を示すものであ
り、同図(b)は円環状光検出器１０ａの平面図である。

【００７９】すなわちこの図１９においては、ハーフミ
ラーの作用をハーフミラーコーティング膜５９で実現す
ると共に、光検出器１０を円環状にすることによってハ
ーフミラー膜５９で反射された光を光検出器１０で検出
できるようにしている。

【００８０】かかる図１９に示す構成においては、光源
からの光は遮光膜で形成された開口アレイ１４を透過
し、マイクロレンズアレイ５のマイクロレンズによって
集光され、ガラス基板１５上に形成されたピンホール７
ａを通過する。被計測物体からの反射光はピンホール７
ａを通過した後、ハーフミラーコーティング膜５９で反
射されて円環状光検出器１０ａに入射される。

【００８１】円環状光検出器１０とピンホールアレイ７
はガラス基板１５上に半導体プロセスを用いて形成す
る。

【００８２】図２０は、先の図９に示した光検出器アレ
イ１０の各検出器の信号を読み出すの為の回路構成の変
形例を示すもので、この場合は各検出器を４つのブロッ
クに分割するようにしている。

【００８３】すなわち、(４ｎ−３)行の光検出器はアナ
ログマルチプレクサＭ1に接続され、(４ｎ−２)行の光
検出器はアナログマルチプレクサＭ2に接続され、(４ｎ
−１)行の光検出器はアナログマルチプレクサＭ3に接続
され、４ｎ行の光検出器はアナログマルチプレクサＭ4
に接続されており、先の２分割の実施例に比べてその分
割数を増やすことで、信号読み出しの高速化を図るよう
にしている。

【００８４】なお、アナログマルチプレクサは、光検出
器アレイとワイヤボンディングなどで結線してもよい
し、光検出器アレイと同一基板内にモノリシックに構成
してもよい。また、行方向のみならず列方向を複数のブ
ロックに分割するようにしてもよい。

【００８５】次に、図２１は、図１１や図１２に示した
ように、面光線が照射される場合の光検出器アレイの信
号読み出し回路を例示するもので、この場合は光検出器
アレイにトランジスタなどのスイッチング素子を組み込
んだＸ−Ｙアドレス方式を採用するようにしている。な
お、読み出し方式として電荷転送方式を採用するように
してもよい。

【００８６】ところで、図１、図１１および図１２に示
す実施例では、被計測物体９は固定するようにしたが、
被計測物体９をＸ−Ｙ移動ステージに載せて移動可能に
構成し、計測対象領域を適宜変えて計測できるようにし
ても良い。さらに、このＸ−Ｙ移動ステージまたは可動
部３０をＸ−Ｙ方向に微小変位可能に構成することによ
りより高分解能の計測が可能になる。

【００８７】また、図１、図１１および図１２に示す実
施例において、計測器側を全て固定とし、被計測物体９
を３次元方向に移動走査して３次元計測を行うようにし
ても良い。

【００８８】また、共焦点光学系の構成はー例を示した
もので、実施例に示したものと同一の機能を達成できる
ものであれば、他の構成を採用するようにしてもよい。

【００８９】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明によれば、
共焦点光学系の光源の焦点と受光の焦点を同一位置に配
したピンホールによって得るようにしたので、計測装置
を小型軽量かつ堅牢にすることができ、計測装置の全体
又は一部を移動する構成に採用すれば、高速計測、位置
合わせ、安定性、計測精度などの各種の面で非常に有利
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明を第１実施例を示す図。

【図２】この発明を原理的に示す図

【図３】ホログラムの露光態様などを示す図。

【図４】ホログラム、レンズアレイおよび光検出器アレ
イなどの部分の構成を示す斜視断面図。

【図５】ホログラム、レンズアレイおよび光検出器アレ
イなどの部分の構成を示す断面図。

【図６】光検出器アレイ及びピンホールアレイ部分の製
造手順の一例を示す工程図。

【図７】光検出器アレイ及びピンホールアレイ部分の他
の製造手順を示す工程図。

【図８】光検出器アレイ及びピンホールアレイ部分の他
の製造手順を示す工程図。

【図９】光検出器アレイの駆動回路の一例を示す図。

【図１０】上記駆動回路の各信号のタイムチャート。

【図１１】この発明の第２実施例を示す図。

【図１２】この発明の第３実施例を示す図。

【図１３】この発明の第４実施例を示す図。

【図１４】第４実施例で用いられる回折格子型ハーフミ
ラーを示す図。

【図１５】ホログラム、レンズアレイおよび光検出器ア
レイなどの部分の他の構成を示す断面図。

【図１６】図１５の構成の製造手順の一例を示す工程
図。

【図１７】ホログラム、レンズアレイおよび光検出器ア
レイなどの部分の他の構成を示す断面図。

【図１８】ホログラム、レンズアレイおよび光検出器ア
レイなどの部分の他の構成を示す断面図。

【図１９】この発明の第５実施例を示す図。

【図２０】光検出器アレイの駆動回路の他の構成例を示
す図。

【図２１】光検出器アレイの駆動回路の他の構成例を示
す図。

【図２２】共焦点光学系の原理図。

【図２３】共焦点光学系の焦点のずれ態様を示す図。

【図２４】物体表面のレンズからの距離に対応する光セ
ンサ出力を示す図。

【図２５】共焦点光学系を用いた従来の３次元形状計測
器の一例を示す図。

【符号の説明】

１…光源 ２…レンズ ３…平行光 ４…反射ホログラム ５…レンズアレイ ７…ピンホールアレイ ８…レンズ ９…被計測物体 １０…光検出器アレイ １４…開口アレイ １５…ガラス基板 １６…透明導電膜 １９…アモルファスシリコン ２０…固定部 ２１…ニッケル膜 ２４…絶縁膜 ２５…ニッケル膜 ３０…可動部 ４０…移動ステージ ４１…回折格子型ハーフミラー ５０…移動制御部 ６０…３次元計測部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 寺田 啓治 神奈川県平塚市万田1200 株式会社 小 松製作所 研究所内 (72)発明者 守屋 正人 神奈川県平塚市万田1200 株式会社 小 松製作所 研究所内 (72)発明者 安藤 学 神奈川県平塚市万田1200 株式会社 小 松製作所 研究所内 (72)発明者 塩 耕史 神奈川県平塚市万田1200 株式会社 小 松製作所 研究所内 (56)参考文献 特開 平４−265918（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−2650（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−17103（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−323197（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−297279（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−330412（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−347801（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−108625（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−120107（ＪＰ，Ａ) 実開 平６−55112（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源と、この光源から発した光を通過させ
   て点光源光にする第１の開口部と、この第１の開口部を
   通過した光を被計測物体上に集光する対物レンズと、こ
   の被計測物体上の集光面に共役な面に位置する第２の開
   口部と、該第２の開口部を通過した光を検出する光検出
   器とを有する共焦点光学装置において、 前記第１及び第２の開口部を同一位置に配して同一の開
   口部をもって共用すると共に、前記光検出器の検出面を
   前記共用される同一の開口部とほぼ同一の面上に配設す
   るようにしたことを特徴とする共焦点光学装置。
2. 【請求項２】光源と、 この光源からの光を入射してハーフミラーおよび回折格
   子の作用をなす光学素子と、 この光学素子に密着または近接して配設され、光学素子
   からの０次光を集光する第１の集光手段と、 この第１の集光手段によって集光された光を通過させる
   ピンホールと、 このピンホールを通過した光を集光して被計測物体に投
   光するとともに、被計測物体で散乱された光を前記ピン
   ホールに集光する第２の集光手段と、 を備えると共に、 前記光学素子は、前記ピンホールおよび前記第１の集光
   手段を介して再入射された光の１次回折光を前記第１の
   集光手段に入射するものであり、 さらに前記第１の集光手段によって集光された前記１次
   回折光を受光する光検出器を備えるようにした共焦点光
   学装置。
3. 【請求項３】順次移動走査される平行スリット光を発生
   する平行スリット光発生手段と、 光通過用の開口が複数個２次元的に配置され、前記平行
   光発生手段からの平行スリット光を入射する開口アレイ
   と、 前記開口アレイを通過した光が入射され、ハーフミラー
   および回折素子の作用をなす光学素子と、 前記光学素子に近接して配設され、光学素子からの０次
   光を集光するレンズが複数個２次元的に配列されたレン
   ズアレイと、 前記レンズアレイの各レンズによって集光された光を通
   過させるピンホールが複数個２次元配列されたピンホー
   ルアレイと、 前記各ピンホールを通過した光を集光して被計測物体に
   投光するとともに、被計測物体で散乱された光を各ピン
   ホールに集光する集光手段と、 備えると共に、 前記光学素子は、前記各ピンホールおよび前記レンズア
   レイを介して再入射された光の１次回折光を前記レンズ
   アレイに入射するものであり、 さらに前記レンズアレイの各レンズによって集光された
   前記１次回折光を受光する光検出器が複数個２次元配列
   された光検出器アレイと、 前記平行スリット光発生手段、開口アレイ、光学素子、
   レンズアレイ、ピンホールアレイ、集光手段および光検
   出器アレイの少なくとも一部を光軸方向に移動させる移
   動制御手段と、 前記平行スリット光の移動走査および前記移動制御手段
   の移動制御に対応する前記各光検出器の出力に基づき前
   記被計測物体の３次元距離計測を行う３次元距離計測手
   段と、 を備えるようにした共焦点光学装置。
4. 【請求項４】前記開口アレイ、光学素子、レンズアレ
   イ、ピンホールアレイおよび光検出器アレイは、積層構
   造をとっていることを特徴とする請求項３記載の共焦点
   光学装置。
5. 【請求項５】前記光検出器アレイの各光検出器はマトリ
   ックス状に２次元配置され、かつこれら検出器は複数の
   ブロックに区分されるとともに、各ブロックの光検出器
   は共通な接続線で接続されて各ブロック毎に共通の信号
   取り出し回路に接続されている請求項３記載の共焦点光
   学装置。
6. 【請求項６】３次元距離計測手段は、前記平行スリット
   光の移動走査にともなって、各ブロック単位に光検出器
   の検出信号の読み取りを順次実行することを特徴とする
   請求項３記載の共焦点光学装置。
7. 【請求項７】面光線を発生する面光線発生手段と、光通
   過用の開口が複数個２次元的に配置され、前記面光線発
   生手段からの面光線を入射する開口アレイと、 前記開口アレイを通過した光が入射され、ハーフミラー
   および回折素子の作用をなす光学素子と、 この光学素子に近接して配設され、光学素子からの０次
   光を集光するレンズが複数個２次元的に配列されたレン
   ズアレイと、 前記レンズアレイの各レンズによって集光された光を通
   過させるピンホールが複数個２次元配列されたピンホー
   ルアレイと、 前記各ピンホールを通過した光を集光して被計測物体に
   投光するとともに、被計測物体で散乱された光を各ピン
   ホールに集光する集光手段と、 備えると共に、 前記光学素子は、前記各ピンホールおよび前記レンズア
   レイを介して再入射された光の１次回折光を前記レンズ
   アレイに入射するものであり、 さらに前記レンズアレイの各レンズによって集光された
   前記１次回折光を受光する光検出器が複数個２次元配列
   された光検出器アレイと、 前記面光線発生手段、開口アレイ、光学素子、レンズア
   レイ、ピンホールアレイ、集光手段および光検出器アレ
   イの少なくとも一部を光軸方向に移動させる移動制御手
   段と、 前記移動制御手段の移動制御に対応する前記各光検出器
   の出力に基づき前記被計測物体の３次元距離計測を行う
   ３次元距離計測手段と、 を備えるようにした共焦点光学装置。
8. 【請求項８】前記開口アレイ、光学素子、レンズアレ
   イ、ピンホールアレイおよび光検出器アレイは、積層構
   造をとっていることを特徴とする請求項７記載の共焦点
   光学装置。
9. 【請求項９】前記面光線発生手段は、複数の発光素子が
   マトリックス状に配列された光源アレイである請求項７
   記載の共焦点光学装置。
10. 【請求項１０】光通過用の開口が複数個２次元配置され
    た開口アレイと、 ハーフミラー及び回折格子の作用をなす光学素子と、 前記開口アレイの各開口を通過した光を集光するレンズ
    が複数個２次元配列されたレンズアレイと、 前記各レンズによって集光された光を通過させるピンホ
    ールが複数個２次元配列されたピンホールアレイと、 前記ピンホールアレイの各ピンホールに再入射された光
    の前記光学素子での反射光の前記レンズによる集光光が
    入射される光検出器が複数個２次元配列された光検出器
    アレイと、 を有し、これら開口アレイ、光学素子、レンズアレイ、
    ピンホールアレイ、光検出器アレイの積層構造からなる
    光学装置。