JP3457047B2 - 共焦点型三次元計測装置 - 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、例えば半導体ウエハ
等の被計測物体の凹凸を高精度，高速に計測する共焦点
型三次元計測装置及び高さ計測方法に関するものであ
る。 【０００２】 【従来の技術】図１２は、例えば特開昭５８−１９３４
０７号公報に示された物体表面の高さ分布測定装置であ
り、図において、１は被計測物体、２は被計測物体１へ
の照射光及び被計測物体１からの反射光、３は被計測物
体１の高さが変化した時の被計測物体１への照射光及び
被計測物体１からの反射光、４は平行ビームを集束して
被計測物体１に照射すると共にその被計測物体からの反
射光２，３を集光する集光レンズ、５はその集光レンズ
４によって集光された反射光２，３を集束する結像レン
ズである。６は僅かな大きさの孔を有し、その結像レン
ズ５によって集束された反射光２，３を僅かに透過させ
るピンホール、７はそのピンホール６を介して受光した
反射光２，３の受光量を検出する受光量検出器である。 【０００３】次に動作について説明する。図１２に示し
たような高さ分布測定装置はレーザからの平行ビームを
集光レンズ４によって細く絞り、キューブミラー（図示
せず）の回転によって走査しながら被計測物体１に照射
し、その反射光２を再び集光レンズ４によって集光し、
結像レンズ５によって結像させる光学系において、その
反射光２の結像位置にピンホール６と受光量検出器７と
を配置することにより、被計測物体１の表面からの特定
の高さの反射光を選択的に受光し、被計測物体１の高さ
を光軸方向に移動させることによって被計測物体１の各
位置の高さを計測するものである。このような高さ分布
測定装置の光学系は共焦点光学系と呼ばれる。 【０００４】図１２を用いて、更に詳しくこの光学系を
用いた装置の動作原理について説明する。図１２の実線
部で示すように被計測物体１の表面で集光されたレーザ
ビームスポットの反射光２は集光レンズ４によって集光
され、さらに結像レンズ５により再び１点に集束され
る。この集束点にピンホール６および受光量検出器７を
配置することにより、集光レンズ４で集められた反射光
の大部分がピンホール６を透過し受光量検出器７で受光
される。ところが破線部のように被計測物体１が光軸方
向にほんの僅かでもずれると、ピンホール６により反射
光３が遮断され、受光量検出器７で受光される反射光３
は実線部の反射光２に比べ極端に低下する。 【０００５】この原理を用いて、計測したい被計測物体
１を光軸方向に段階的に移動させ、被計測物体１の表面
の各位置における受光量検出器７の受光量が最大を示す
高さを検出することにより被計測物体１の高さ分布を計
測することができる。尚、この時の高さ検出精度は、被
計測物体１を光軸方向に移動させる時の分解能で決ま
り、例えばピエゾ素子を用いたステージを使用した場
合、０．１μｍ程度の計測が可能である。 【０００６】 【発明が解決しようとする課題】従来の物体表面の高さ
分布測定装置は以上のように構成されているので、被計
測物体１を光軸方向に移動させながら計測する必要があ
るため、計測に時間がかかってしまい、又、光軸方向へ
の移動が困難な被計測物体１に対しては計測ができない
という問題点があった。更に、高さを高精度に検出した
い場合、被計測物体１を高精度に移動及び位置決め可能
なステージが必要となり、製作費用が高くなると共に、
特に被計測物体１が大きく重量のある場合は、高精度の
移動及び位置決め自体が困難になってしまい、高精度な
検出ができないなどの問題点があった。 【０００７】請求項１の発明は、上記のような問題点を
解消するためになされたもので、光軸方向への移動が困
難な被計測物体であっても計測可能であり、又、高精度
に計測可能な共焦点型三次元計測装置を得ることを目的
とする。 【０００８】 【０００９】 【００１０】 【００１１】請求項３の発明に係る共焦点型三次元計測
装置は、集束位置移動手段を、被計測物体を載せ光軸と
垂直な平面上を移動するステージとしたものである。 【００１２】 【００１３】【課題を解決するための手段】 請求項１ の発明に係る共
焦点型三次元計測装置は、照明光を集束して被計測物体
に照射すると共にその被計測物体からの反射光を集光す
る集光レンズと、その集光レンズによって集光された反
射光を集束する結像レンズと、その結像レンズによって
集束された反射光をピンホールを介して受光しその受光
量を検出する受光量検出器と、上記被計測物体から上記
集光レンズまでの光路長を固定して、当該集光レンズか
ら上記ピンホールまでの光路長を可変にする光路長可変
手段と、複数の異なる光路長に対応した上記受光量検出
器によって検出された受光量と予め設定された光路長に
対応した受光量の特性とに基づいて上記被計測物体の光
軸方向の高さを演算する高さ演算器と、上記被計測物体
と照明光の集束位置を光軸と垂直方向に相対的に移動さ
せる集束位置移動手段とを備え、上記光路長可変手段
は、上記結像レンズによって集束された反射光の光路を
複数に分割する分割反射ミラー群と、その分割された反
射光の光路のうち所定の光路の反射光のみ透過させる反
射光遮光手段と、その反射光遮光手段を透過した反射光
をピンホールを介して受光量検出器に受光させる集光反
射ミラー群とを備えたものである。 【００１４】 【００１５】 【００１６】 【００１７】 【００１８】 【００１９】 【００２０】 【００２１】 【００２２】 【００２３】 【００２４】【作用】 請求項１ の発明における共焦点型三次元計測装
置は、被計測物体からピンホールまでの光路長を変化さ
せた場合に、結像レンズによる結像位置がずれ、上記ピ
ンホールを透過する光量が変化することを利用したもの
であり、光路長可変手段による複数の異なる光路長に対
応して検出された受光量と予め設定された光路長に対応
した受光量の特性とに基づいて、その被計測物体の光軸
方向の高さを高さ演算器によって演算する。又、集束位
置移動手段により、その被計測物体と照明光の集束位置
を光軸と垂直方向に相対的に移動させ、集光レンズはそ
れら被計測物体の反射光を集光することにより、三次元
計測を可能とする。更に、上記光路長可変手段において
特に、被計測物体から集光レンズまでの光路長を固定し
て集光レンズ以降の光路によって光路長を可変にすれ
ば、従来技術のような被計測物体の位置決めに対して、
結像レンズの倍率をｎとすれば、ｎ ² 倍分解能を良好に
する。更に、被計測物体を光軸方向へ移動させる必要が
なく、光軸方向への移動が困難な被計測物体であっても
計測可能にする。また、光路長可変手段を、分割反射ミ
ラー群と、反射光遮光手段と、集光反射ミラー群とで構
成することにより、複数の異なる光路長に対する計測を
受光量検出器を１台のみで可能にする。 【００２５】 【００２６】 【００２７】 【００２８】 【００２９】 【００３０】 【００３１】 【実施例】 実施例１．以下、この発明の一実施例を図について説明
する。図１は請求項１，３，４及び１０の発明の実施例
による共焦点型三次元計測装置及び高さ計測方法を示す
構成図であり、図において、１は被計測物体、２は被計
測物体１への照明光及び被計測物体１からの反射光、４
は照明光２を集束して被計測物体１に照射すると共にそ
の被計測物体１からの反射光２を集光する集光レンズで
ある。５ａ〜５ｃは集光レンズ４によって集光された反
射光２を集束する複数の結像レンズ、６ａ〜６ｃはその
複数の結像レンズ５ａ〜５ｃにそれぞれ対応して、且つ
光軸方向にずらして設けられた複数のピンホール、７ａ
〜７ｃは結像レンズ５ａ〜５ｃによって集束された反射
光をピンホール６ａ〜６ｃを介して受光しその受光量を
検出する複数の受光量検出器である。 【００３２】８は照射光を放出するレーザ、９は照射光
を平行光にするコリメーター、１０は平行光となった照
射光中のＰ偏向成分のみ反射する偏向ビームスプリッ
タ、１１は照射光中のＰ偏向成分を直線偏向の光にする
λ／４板である。１２ａ〜１２ｃは集光レンズ４によっ
て集光されλ／４板１１，偏向ビームスプリッタ１０を
通過した反射光の光路を複数に分割するビームスプリッ
タ及び反射ミラー（分割反射ミラー群）、１３は複数の
受光量検出器７ａ〜７ｃによって検出された受光量と図
３に示すように、予め設定された光路長に対応した受光
量の特性とに基づいて被計測物体１の光軸方向の高さを
演算し、三次元形状表示部１７に出力する高さ演算器、
１４，１５は被計測物体１を載せ光軸と垂直な平面上を
移動するＸステージ及びＹステージ、１６はＸステージ
１４及びＹステージ１５を駆動すると共に、駆動位置を
三次元形状表示部１７に出力するＸＹステージ駆動部で
ある。尚、Ｘステージ１４，Ｙステージ１５及びＸＹス
テージ駆動部１６により、集束位置移動手段を構成す
る。又、三次元形状表示部１７はＸＹステージ駆動部１
６からの被計測物体１のＸＹ方向と高さ演算器１３から
の被計測物体１の光軸方向の高さ、即ち、Ｚ方向とから
被計測物体１の三次元形状を表示する。 【００３３】次に動作について説明する。図２は高さ計
測の際の基本原理を説明する説明図であり、説明を容易
にするために光学系を等価的に倍率ｎ，焦点距離ｆのレ
ンズで表す。近軸理論で考えると、図で示す寸法の関係
は、 １／ａ＋１／ｂ＝１／ｆ ・・・・（１） で表される。また、倍率ｎは、 ｎ＝ｂ／ａ ・・・・（２） である。今、ａの距離が微少変化したときのｂの変化を
考えると、ｂをａで微分し、計算を行うと、 ｄｂ／ｄａ＝−ｎ² ・・・・（３） となる。例えば、高さ計測を０．１μｍの分解能で行う
時、倍率１００倍のレンズを用いれば、ａの距離変化
０．１μｍに対し、ｂでの変化は０．１×１００²μ
ｍ、即ち１ｍｍとなる。これは、高さ計測を行うとき
に、被計測物体を移動させてａの距離を変えるよりもピ
ンホールを移動させてｂの距離を変化させる方が移動に
対する位置決めが容易であることを示している。又、更
にピンホール移動を精密に行うことにより、被計測物体
を移動させるよりも分解能を向上させることができるこ
とを示している。 【００３４】このようにピンホールを移動させ光学系の
光路長を変化させることにより、計算で被計測物体の光
軸方向の位置（即ち被計測物体の高さ）を高精度に演算
することができ、被計測物体を高さ方向に移動させる動
作が不要になる。又、図３に示すように予めピンホール
の移動量（光路長）と受光量検出器に検出される受光量
の関係を求めておけば、光路長を変えた複数の光路の受
光量から求めた光路長と受光量の関係を用いて受光量が
最大となる光路長が求まり、高速に高さを演算すること
ができる。 【００３５】次に図１の構成の動作について更に詳しく
説明する。図１において、光源としてのレーザ８はコリ
メーター９により平行光となり偏向ビームスプリッタ１
０に入射する。偏向ビームスプリッタ１０はＰ偏向成分
のみ反射し、λ／４板１１によって直線偏向の照射光と
なり、集光レンズ４により被計測物体１上で一点に集束
される。被計測物体１からの反射光２は再び集光レンズ
３により集光され、λ／４板１１を通過することにより
Ｓ偏向の光となる。 【００３６】更に、偏向ビームスプリッタ１０を通過し
たこの反射光２を例えば、２個のビームスプリッタ１２
ａ，１２ｂで３分割する。まず、ビームスプリッタ１２
ａで１：２に反射光２を分割し、次に、２／３に光量を
分割された反射光をビームスプリッタ１２ｂで更に光量
が１：１になるように分割する。こうして３分割された
反射光をそれぞれ結像レンズ５ａ〜５ｃで集束させる。
この時、各光路で結像位置に対してピンホール６ａ〜６
ｃをそれぞれずらして配置し、各ピンホール６ａ〜６ｃ
に対して受光量検出器７ａ〜７ｃを設ける。こうするこ
とにより各ピンホール６ａ〜６ｃで遮断される光量が変
化し、受光量検出器７ａ〜７ｃではそれぞれ異なった受
光量の信号が得られる。ピンホール６ａ〜６ｃのずれに
対する受光量検出器７ａ〜７ｃに入る受光量の関係を予
め図３のように求めておき、ピンホール６ａ〜６ｃのず
れ量に相当する各受光量検出器７ａ〜７ｃの受光量から
高さ演算部１３で予め求めた関係を用いて、受光量の最
大となる位置、即ち、結像レンズ５ａ〜５ｃによる反射
光の結像位置を決定する。 【００３７】この結像位置から被計測物体１の高さの演
算を行い、高さ情報を三次元形状表示部１７に出力す
る。被計測物体１はＸステージ１４、Ｙステージ１５に
よって光軸に対して垂直な面で走査され、この位置をＸ
Ｙステージ駆動部１６から三次元形状表示部１７に出力
することにより、ＸＹ位置に同期した高さ情報が得ら
れ、被計測物体１の三次元形状を計測し表示することが
できる。 【００３８】このように、結像レンズ５ａ〜５ｃ以降の
光路によって光路長を可変にする構成にしたので、分解
能を良好にし高精度な計測ができる。又、被計測物体１
を光軸方向に移動させる必要がなく、光軸方向への移動
が困難な被計測物体１であっても計測できる。更に、ピ
ンホール６ａ〜６ｃを光軸方向にずらして設けるように
構成したので、ピンホール６ａ〜６ｃの光軸方向への移
動を不要にし、計測速度を速くすることができる。 【００３９】実施例２． 実施例１においては、反射光を分割して各光路に結像レ
ンズ５ａ〜５ｃ，ピンホール６ａ〜６ｃ及び受光量検出
器７ａ〜７ｃを設けたが、これを反射光の光路長をミラ
ーによって変え、スイッチによって光路を選択し、一対
のピンホール６と受光量検出器７で受光量を検出するよ
うにしても実現できる。図４は請求項１，３，５，１０
の発明の実施例による共焦点型三次元計測装置及び高さ
計測方法を示す構成図であり、図において、１９は分割
された反射光の光路のうち所定の光路の反射光のみ透過
させる遮光板、２０は遮光板１９を移動させる遮光板移
動機構、２１は遮光板移動機構２０を制御し遮光板１９
の位置を制御すると共に遮光板１９の位置を高さ演算部
１３に出力する遮光板位置制御部であり、上記遮光板１
９，遮光板移動機構２０及び遮光板位置制御部２１によ
り反射光遮光手段を構成する。２２ａ，２２ｂはビーム
スプリッタ、２３ａ，２３ｂは反射ミラーであり、集光
反射ミラー群を構成する。 【００４０】次に動作について説明する。実施例１で３
分割した反射光を遮光板１９で光路を遮断することによ
って、３つの光路中１つだけの光路が選択できるように
する。遮光板１９には一部分にのみ光を透過できる開口
部を設けておき、この開口部をステージのような遮光板
移動機構２０により各光路へ移動させる。選択された光
路の反射光は反射ミラー２３ａ，２３ｂやビームスプリ
ッタ２２ａ，２２ｂによりピンホール６、受光量検出部
７に達する。ビームスプリッタの反射光と透過光の比は
各光路を選択したときに減衰率が変わらないようにビー
ムスプリッタ２２ａを１：１にビームスプリッタ２２ｂ
を１：２になるように構成する。こうして高さ演算器１
３では、受光量検出部７から得られた受光量信号と遮光
板位置制御部２１から得られた遮光板１９の位置情報か
ら各光路長に対応した受光量が得られ、実施例１と同様
にして三次元情報が得られる。 【００４１】このように、実施例１では高価な受光量検
出器を３台用いたが、この実施例２では１台で済ませる
ことができ、安価に構成できる。 【００４２】実施例３．実施例２では、光路を遮光板１
９にて選択したが、光スイッチにより選択してもよい。
図５は請求項１，３，５，１０の発明の実施例による共
焦点型三次元計測装置及び高さ計測方法を示す構成図で
あり、図において、２４ａ〜２４ｃは光路に設けられた
電気光学素子と偏光子を組み合わせた光スイッチ、２５
は光スイッチ２４ａ〜２４ｃのオン動作を選択すると共
に、オン状態の光スイッチ２４ａ〜２４ｃを高さ演算部
１３に出力する光スイッチ制御部であり、光スイッチ２
４ａ〜２４ｃ，光スイッチ制御部２５により反射光遮光
手段を構成する。 【００４３】次に動作について説明する。図６は光スイ
ッチの動作を説明する説明図である。偏光子２６によっ
てＳ偏光の反射光は偏光状態が直線偏光に変えられる。
図６（ａ）に示すように、電気光学素子２７に対する印
加電圧が０の時は、直線偏光の偏光方向は変わらないの
で、偏光子２８を透過することはできない。しかし、図
６（ｂ）に示すように、電気光学素子２７の印加電圧を
半波長電圧にすると直線偏光の偏光方向が９０゜回転
し、偏光子２８を透過するようになる。この素子を各光
路に入れ、光スイッチ制御部２５により印加電圧をオ
ン，オフ制御することにより光路選択を行うことができ
る。 【００４４】このように、実施例２では遮光板１９を移
動して選択したが、光スイッチ２４ａ〜２４ｃにより選
択することにより選択速度を速め、従って、計測速度を
速めることができる。 【００４５】実施例４．実施例１〜３においては、複数
の光路長に対応した受光量から被計測物体の高さを計測
したが、受光量が最大となる光路長を検出することによ
って被計測物体の高さを計測することができる。図７は
請求項２，３，６，１１の発明の実施例による共焦点型
三次元計測装置及び高さ計測方法を示す構成図であり、
図において、２９はピンホール６及び受光量検出器７を
光軸方向に移動自在なＺステージ、３０はＺステージ２
９を移動させると共に、その移動量を高さ演算器３１に
出力するＺステージ駆動部であり、Ｚステージ２９及び
Ｚステージ駆動部３０により受光量検出器移動手段を構
成する。尚、高さ演算器３１は受光量が最大となる光路
長に基づいて被計測物体１の光軸方向の高さを演算する
ものである。 【００４６】次に動作について説明する。偏向ビームス
プリッタ１０を通過した被計測物体１からの反射光２を
結像レンズ５により一点に結像させる。光軸上に置かれ
た一対のピンホール６と受光量検出器７を光軸に沿って
Ｚステージ２９により移動させると、受光量検出器７に
より検出される受光量は図３に示す曲線のように変化す
る。そこで、図７のようにピンホール６と受光量検出器
７を光軸に沿って移動させ、高さ演算器３１でＺステー
ジ駆動部３０からＺステージ２９の位置情報を得ながら
検出受光量を比較していき、この値が最大となる光路長
を検出する。この光路長が結像位置となり、この光路長
から計算により被計測物体１の光軸方向の高さを演算す
る。更に、ＸＹステージ１４，１５により被計測物体１
を移動させ、ＸＹステージ駆動部１６からのＸＹステー
ジの位置情報とその時の被計測物体１の高さから三次元
形状表示部１７で三次元形状を計測、表示することがで
きる。 【００４７】このように、実施例１〜３ではミラー群等
を配置したが、この実施例４ではピンホール６及び受光
量検出器７を光軸方向に移動する構成にしたので、上記
ミラー群等を全く配置する必要がなく、ミラー群等の乱
反射等による計測精度の低下を防ぐことができる。 【００４８】実施例５．実施例４においては結像レンズ
５からピンホール６までの光路をピンホール６，受光量
検出器７を移動させることにより変化させていたが、反
射ミラーを移動させてもよい。図８は請求項２，３，
７，１１の発明の実施例による共焦点型三次元計測装置
及び高さ計測方法を示す構成図であり、図において、３
２は結像レンズ５によって集束された反射光を反射し、
ピンホール６を介して受光量検出器７に受光させる反射
ミラー（集光反射ミラー群）であり、この反射ミラー３
２はＺステージ（集光反射ミラー群移動手段）２９によ
り移動される。 【００４９】次に動作について説明する。Ｚステージ２
９により反射ミラー３２を移動させ、結像レンズ５から
ピンホール６までの光路長を変化させる。この時のＺス
テージ２９の位置情報より求めた光路長から実施例４と
同様にして被計測物体１の高さを計測することができ
る。 【００５０】このように、この実施例５では反射光を反
射ミラー３２で反射させる構成なので、少ない反射ミラ
ー３２の移動量で計測することができる。 【００５１】実施例６．実施例５において結像レンズ５
からピンホール６までの光路長を変化させる手段は、反
射ミラー３２を移動させることにより実現したが、屈折
率が異なり厚みが可変自在な光学素子を配置してもよ
い。図９は請求項２，３，８，１１の発明の実施例によ
る共焦点型三次元計測装置及び高さ計測方法を示す構成
図であり、図において、３３は結像レンズ５によって集
束された反射光の光路上に設けられ、空気に対して屈折
率が異なり且つ厚みが可変自在なガラス（光学素子）、
３４はガラス３３をスライドさせると共に、高さ演算器
３１にガラス３３のスライド量に応じた光路長の変化を
出力する光学素子駆動部である。 【００５２】次に動作について説明する。結像レンズ５
とピンホール６の間にガラス３３のような光を透過する
物体を置いて、その厚さを変化させることにより光路長
を変化させる。光が例えばガラス３３中を距離ｔだけ通
過するすれば、ガラス３３の屈折率をｎとすると（ｎ−
１）×ｔだけ空気中を進むより光路長が変化する。図で
矢印のようにガラス３３を光学素子駆動部３４により斜
め方向に移動させると光が通過する部分のガラス３３の
厚さが変化し、光路長の変化が生じる。従ってこのガラ
ス３３の位置情報を光学素子駆動部３４から得ることに
より光路長が算出でき、実施例５と同様にして被計測物
体１の高さを計測することができる。 【００５３】又、ガラスの厚さを変化させる手段として
は、図１０（ｂ）に示すようなｔ₁からｔ_m の厚さ分布
をもつガラス円盤（光学素子）３５を、図１０（ａ）に
示すようなθステージ３６により回転させ、θステージ
制御部３７でガラス厚を制御する手段も考えられる。こ
の場合は、ガラス（光学素子）の厚さを変化させている
が、屈折率の異なる光学素子を組み合わせれば、屈折率
変化によっても同様の効果が得られる。 【００５４】このように、この実施例６では光学素子の
厚さ及び屈折率で光路長を変化させる構成なので、ミラ
ー群等の大がかりな構成を不要とし、構成が小型にでき
る。又、光学素子の厚みの可変時の移動量も小さくする
ことができる。 【００５５】実施例７．実施例４から６では、光路長を
連続的に移動させ、受光量検出器７に入る受光量が最大
となる光路長の検出をしているが、このような光路長変
化機構を用いて、数点の光路長、光検出器の受光量のデ
ータの組み合わせから実施例１から３のように計算によ
り結像位置を算出することもできる。 【００５６】実施例８．実施例１から実施例７では、Ｘ
Ｙステージ１４，１５のＸＹ方向の移動により被計測物
体１を三次元計測したが、被計測物体１を静止状態にし
て、照明光を被計測物体１上で走査することによっても
三次元計測することができる。図１１は請求項１，２，
９，１０，１１の発明の実施例による共焦点型三次元計
測装置及び高さ計測方法を示す構成図であり、図におい
て、３８，３９は偏光ビームスプリッタ１０で反射され
た照射光を光軸に対して垂直方向に移動させ被計測物体
１を走査するＸ方向ガルバノミラー，Ｙ方向ガルバノミ
ラー（照明光走査ミラー群）である。 【００５７】次に動作について説明する。偏光ビームス
プリッタ１０で反射された照射光をＸ方向ガルバノミラ
ー３８およびＹ方向ガルバノミラー３９で走査し、この
走査情報と同期させて各点の高さを計測することにより
三次元情報が得られる。 【００５８】このように、この実施例８では、Ｘ方向ガ
ルバノミラー３８およびＹ方向ガルバノミラー３９で走
査する構成なので、ステージによる被計測物体１の移動
よりも高速に走査をすることができ、計測速度を速く、
三次元計測することができる。以上実施例について説明
してきたが、実施例中で複数の光路長と受光量の関係か
ら、計算により受光量の最大となる光路長を求めるもの
では、３つの光路長から求めたが、一般的にはこの光路
長数を多くしていった方が検出精度が向上する。また、
高さ計測を実現する上で被計測物体１側にも上下機構を
設け、被計測物体１側の上下位置情報と組み合わせて実
施することが可能なことはいうまでもない。 【００５９】 【００６０】 【００６１】 【００６２】 【００６３】【発明の効果】 以上のように、請求項１ の発明によれ
ば、光路長可変手段により、被計測物体から集光レンズ
までの光路長を固定して集光レンズ以降の光路長を可変
にし、高さ演算器により、複数の異なる光路長に対応し
て検出された受光量と予め設定された光路長に対応した
受光量の特性とに基づいて被計測物体の光軸方向の高さ
を演算し、更に、集束位置移動手段により、被計測物体
と照明光の集束位置を光軸と垂直方向に相対的に移動さ
せ、光路長可変手段を、分割反射ミラー群と、反射光遮
光手段と、集光反射ミラー群とで構成したので、被計測
物体の高さを三次元計測することができる。又、上記光
路長可変手段において特に、被計測物体から集光レンズ
までの光路長を固定して集光レンズ以降の光路長を可変
すれば、分解能を良好にし、高精度な計測ができる。更
に、被計測物体を光軸方向へ移動させる必要がなく、光
軸方向への移動が困難な被計測物体であっても計測でき
る効果がある。複数の異なる光路長の計測を受光量検出
器を１台のみで可能にし、構成を簡単に、又、安価にす
ることができる効果がある。 【００６４】 【００６５】 【００６６】 【００６７】 【００６８】 【００６９】

【図面の簡単な説明】 【図１】請求項１，３，４，１０の発明の実施例による
共焦点型三次元計測装置及び高さ計測方法を示す構成図
である。 【図２】高さ計測の際の基本原理を説明する説明図であ
る。 【図３】光路長と受光量の対応関係を示す特性図であ
る。 【図４】請求項１，３，５，１０の発明の実施例による
共焦点型三次元計測装置及び高さ計測方法を示す構成図
である。 【図５】請求項１，３，５，１０の発明の実施例による
共焦点型三次元計測装置及び高さ計測方法を示す構成図
である。 【図６】光スイッチの構成図である。 【図７】請求項２，３，６，１１の発明の実施例による
共焦点型三次元計測装置及び高さ計測方法を示す構成図
である。 【図８】請求項２，３，７，１１の発明の実施例による
共焦点型三次元計測装置及び高さ計測方法を示す構成図
である。 【図９】請求項２，３，８，１１の発明の実施例による
共焦点型三次元計測装置及び高さ計測方法を示す構成図
である。 【図１０】請求項２，３，８，１１の発明の実施例によ
る共焦点型三次元計測装置及び高さ計測方法を示す構成
図である。 【図１１】請求項１，２，９，１１の発明の実施例によ
る共焦点型三次元計測装置及び高さ計測方法を示す構成
図である。 【図１２】従来の物体表面の高さ分布測定装置を示す構
成図である。 【符号の説明】 １ 被計測物体 ２ 照明光，反射光 ４ 集光レンズ ５，５ａ〜５ｃ 結像レンズ ６，６ａ〜６ｃ ピンホール ７，７ａ〜７ｃ 受光量検出器 １２ａ，１２ｂ ビームスプリッタ（分割反射ミラー
群，光路長可変手段） １２ｃ 反射ミラー（分割反射ミラー群，光路長可変手
段） １３，３１ 高さ演算器 １４ Ｘステージ（ステージ，集束位置移動手段） １５ Ｙステージ（ステージ，集束位置移動手段） １６ ＸＹステージ駆動部（集束位置移動手段） １９ 遮光板（反射光遮光手段，光路長可変手段） ２０ 遮光板移動機構（反射光遮光手段，光路長可変手
段） ２１ 遮光板位置制御部（反射光遮光手段，光路長可変
手段） ２２ａ，２２ｂ ビームスプリッタ（集光反射ミラー
群，光路長可変手段） ２３ａ，２３ｂ，３２ 反射ミラー（集光反射ミラー
群，光路長可変手段） ２４ａ〜２４ｃ 光スイッチ（反射光遮光手段，光路長
可変手段） ２５ 光スイッチ制御部（反射光遮光手段，光路長可変
手段）２７ 電気光学素子 ２９ Ｚステージ（受光量検出器移動手段，集光反射ミ
ラー群移動手段，光路長可変手段） ３０ Ｚステージ駆動部（受光量検出器移動手段，集光
反射ミラー群移動手段，光路長可変手段） ３３ ガラス（光学素子，光路長可変手段） ３５ ガラス円盤（光学素子，光路長可変手段） ３８ Ｘ方向ガルバノミラー（照明光走査ミラー群，集
束位置移動手段） ３９ Ｙ方向ガルバノミラー（照明光走査ミラー群，集
束位置移動手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−18716（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−240607（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−71931（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−256621（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 G01C 3/00 - 3/32

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 照明光を集束して被計測物体に照射する
   と共にその被計測物体からの反射光を集光する集光レン
   ズと、その集光レンズによって集光された反射光を集束
   する結像レンズと、その結像レンズによって集束された
   反射光をピンホールを介して受光しその受光量を検出す
   る受光量検出器と、上記被計測物体から上記集光レンズ
   までの光路長を固定して、当該集光レンズから上記ピン
   ホールまでの光路長を可変にする光路長可変手段と、複
   数の異なる光路長に対応した上記受光量検出器によって
   検出された受光量と予め設定された光路長に対応した受
   光量の特性とに基づいて上記被計測物体の光軸方向の高
   さを演算する高さ演算器と、上記被計測物体と照明光の
   集束位置を光軸と垂直方向に相対的に移動させる集束位
   置移動手段とを備え、 上記光路長可変手段は、上記結像レンズによって集束さ
   れた反射光の光路を複数に分割する分割反射ミラー群
   と、その分割された反射光の光路のうち所定の光路の反
   射光のみ透過させる反射光遮光手段と、その反射光遮光
   手段を透過した反射光をピンホールを介して受光量検出
   器に受光させる集光反射ミラー群とを備えた 共焦点型三
   次元計測装置。