JP3509088B2 - ３次元形状計測用光学装置 - Google Patents
３次元形状計測用光学装置Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、物体の３次元形状
計測を行うために用いられる光学装置であり、特に合焦
情報を用いて物体の光軸方向の位置を検出する装置に関
する。
計測を行うために用いられる光学装置であり、特に合焦
情報を用いて物体の光軸方向の位置を検出する装置に関
する。
【０００２】
【従来の技術】共焦点光学系を用いると物体の光軸方向
（以下Ｚ方向と呼ぶ）の位置（以下高さと呼ぶ）を精度
良く計測することが可能である。従来技術の説明に先立
ち共焦点光学系による高さ計測の原理を解説する。共焦
点光学系の基本構成を図１１に示す。点光源１０１から
でた光は対物レンズ１０３により集光され物体に投影さ
れる。物体から反射して再び対物レンズ１０３に入射し
た光はハーフミラー１０２を介して点光源１０１と光学
的に同じ位置にあるピンホール１０４に入射し、ピンホ
ール１０４を通過した光の量が検出器１０５により計測
される。これが共焦点光学系の基本的な構造である。こ
のような光学系を用いると物体表面上の点の高さが次の
ようにして計測できる。物体表面が点光源１０１に共役
な位置にある場合、反射光は同じく共役な位置であるピ
ンホール１０４面に収束し多くの反射光がピンホール１
０４を通過する。しかし物体表面が点光源に共役な位置
から離れるとピンホール１０４を通過する光量は急速に
減少する。このことから物体と対物レンズ１０３との距
離を変化させて検出器１０５が最大出力を示す点を見つ
ければ物体表面の高さがわかることになる。以上が共焦
点光学系による高さ計測の原理である。
（以下Ｚ方向と呼ぶ）の位置（以下高さと呼ぶ）を精度
良く計測することが可能である。従来技術の説明に先立
ち共焦点光学系による高さ計測の原理を解説する。共焦
点光学系の基本構成を図１１に示す。点光源１０１から
でた光は対物レンズ１０３により集光され物体に投影さ
れる。物体から反射して再び対物レンズ１０３に入射し
た光はハーフミラー１０２を介して点光源１０１と光学
的に同じ位置にあるピンホール１０４に入射し、ピンホ
ール１０４を通過した光の量が検出器１０５により計測
される。これが共焦点光学系の基本的な構造である。こ
のような光学系を用いると物体表面上の点の高さが次の
ようにして計測できる。物体表面が点光源１０１に共役
な位置にある場合、反射光は同じく共役な位置であるピ
ンホール１０４面に収束し多くの反射光がピンホール１
０４を通過する。しかし物体表面が点光源に共役な位置
から離れるとピンホール１０４を通過する光量は急速に
減少する。このことから物体と対物レンズ１０３との距
離を変化させて検出器１０５が最大出力を示す点を見つ
ければ物体表面の高さがわかることになる。以上が共焦
点光学系による高さ計測の原理である。
【０００３】共焦点光学系は基本的に物体表面上の１点
のみを計測対象としているが、３次元形状計測のために
は面的な計測が必要である。共焦点光学系を用いて２次
元画像（以下共焦点画像と呼ぶ）を得るためには何らか
の走査手段を持つかまたは共焦点光学系の並列化かを行
う必要がある。後者の並列化を行う典型的な光学系とし
て２次元配列型共焦点光学系がある。２次元配列型共焦
点光学系は共焦点光学系による２次元画像の各点を同時
並列に露光することが可能であることから非常に高速な
計測が可能であるという特徴がある。２次元配列型共焦
点光学系を持つ装置としては本発明者により既に出願さ
れた特願平８−９４６８２号明細書がある。この装置を
２次元配列型共焦点光学系の代表例として図１０を用い
て説明する。
のみを計測対象としているが、３次元形状計測のために
は面的な計測が必要である。共焦点光学系を用いて２次
元画像（以下共焦点画像と呼ぶ）を得るためには何らか
の走査手段を持つかまたは共焦点光学系の並列化かを行
う必要がある。後者の並列化を行う典型的な光学系とし
て２次元配列型共焦点光学系がある。２次元配列型共焦
点光学系は共焦点光学系による２次元画像の各点を同時
並列に露光することが可能であることから非常に高速な
計測が可能であるという特徴がある。２次元配列型共焦
点光学系を持つ装置としては本発明者により既に出願さ
れた特願平８−９４６８２号明細書がある。この装置を
２次元配列型共焦点光学系の代表例として図１０を用い
て説明する。
【０００４】光源１から射出された照明光は照明ピンホ
ール２とコリメーターレンズ３とによって平行光となっ
てビームスプリッター４に入射する。ビームスプリッタ
ー４を下方に通過した照明光はマイクロレンズアレイ５
に入射し、マイクロレンズアレイ５の各レンズ毎に各レ
ンズの焦点位置に微小スポットを形成する。マイクロレ
ンズアレイ５の焦点面はピンホールアレイ６となってお
り、各ピンホールはマイクロレンズアレイ５の各レンズ
と同軸である。このため照明光のほとんどはピンホール
アレイ６を通過する。ピンホールアレイ６からでる照明
光はちょうど点光源が並列に並べられていることに相当
し、レンズ７ａ、レンズ７ｂと絞り８よりなる両側テレ
セントリックな対物レンズ７によりピンホールアレイ７
の像（つまり多数の微小スポット）となって物体Ａに投
影されることになる。物体Ａからの反射光は対物レンズ
７によりピンホールアレイ６付近に集光される。ピンホ
ールアレイ６は点計測型の共焦点光学系の検出器の前の
ピンホールの役目を持っており、物体Ａに投影された各
微小スポットの焦点位置（収束位置）に物体表面があれ
ば対応するピンホールを多くの反射光が通過するが、物
体Ａの表面が焦点位置からはずれると反射光がピンホー
ルを通過する光量は小さくなる。ピンホールアレイ６を
通過した反射光はマイクロレンズアレイ５により各レン
ズから平行ビームとなって射出され、ビームスプリッタ
ー４により偏向せられ、縮小レンズ９によりビーム径が
縮小されて２次元検出器１０によりその強度が検出され
る。
ール２とコリメーターレンズ３とによって平行光となっ
てビームスプリッター４に入射する。ビームスプリッタ
ー４を下方に通過した照明光はマイクロレンズアレイ５
に入射し、マイクロレンズアレイ５の各レンズ毎に各レ
ンズの焦点位置に微小スポットを形成する。マイクロレ
ンズアレイ５の焦点面はピンホールアレイ６となってお
り、各ピンホールはマイクロレンズアレイ５の各レンズ
と同軸である。このため照明光のほとんどはピンホール
アレイ６を通過する。ピンホールアレイ６からでる照明
光はちょうど点光源が並列に並べられていることに相当
し、レンズ７ａ、レンズ７ｂと絞り８よりなる両側テレ
セントリックな対物レンズ７によりピンホールアレイ７
の像（つまり多数の微小スポット）となって物体Ａに投
影されることになる。物体Ａからの反射光は対物レンズ
７によりピンホールアレイ６付近に集光される。ピンホ
ールアレイ６は点計測型の共焦点光学系の検出器の前の
ピンホールの役目を持っており、物体Ａに投影された各
微小スポットの焦点位置（収束位置）に物体表面があれ
ば対応するピンホールを多くの反射光が通過するが、物
体Ａの表面が焦点位置からはずれると反射光がピンホー
ルを通過する光量は小さくなる。ピンホールアレイ６を
通過した反射光はマイクロレンズアレイ５により各レン
ズから平行ビームとなって射出され、ビームスプリッタ
ー４により偏向せられ、縮小レンズ９によりビーム径が
縮小されて２次元検出器１０によりその強度が検出され
る。
【０００５】このような構造により共焦点画像全点が同
時並列的に検出されることになる。ｚ軸方向に移動して
焦点位置の異なる複数の共焦点画像を得て、画像各点毎
に強度が最大となる画像を見つければ物体Ａの表面形状
が計測できる。
時並列的に検出されることになる。ｚ軸方向に移動して
焦点位置の異なる複数の共焦点画像を得て、画像各点毎
に強度が最大となる画像を見つければ物体Ａの表面形状
が計測できる。
【０００６】２次元配列型共焦点光学系は画像全点が同
時露光できることから高速であり、可動部がなく、シャ
ッターを用いることができることから工業用として適し
ている。
時露光できることから高速であり、可動部がなく、シャ
ッターを用いることができることから工業用として適し
ている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】この光学系の問題点は
対象物が粗面である場合に発生する。物体Ａに投影され
るスポットは基本的に点光源から射出されたコヒーレン
ト性の高い光であり、スポット内で物体表面上に凸凹が
あるとこれらの反射光が結像面であるピンホールアレイ
６付近で干渉を起こしてしまう。つまりスペックルが発
生する。スペックルが発生すると、高さ計測の結果に著
しい悪影響を与えてしまう。スペックルはコヒーレント
性が高い光であるほどコントラスト（以下スペックルコ
ントラストと呼ぶ）が高く、このスペックルコントラス
トが高いほど高さ計測への影響が大きい。
対象物が粗面である場合に発生する。物体Ａに投影され
るスポットは基本的に点光源から射出されたコヒーレン
ト性の高い光であり、スポット内で物体表面上に凸凹が
あるとこれらの反射光が結像面であるピンホールアレイ
６付近で干渉を起こしてしまう。つまりスペックルが発
生する。スペックルが発生すると、高さ計測の結果に著
しい悪影響を与えてしまう。スペックルはコヒーレント
性が高い光であるほどコントラスト（以下スペックルコ
ントラストと呼ぶ）が高く、このスペックルコントラス
トが高いほど高さ計測への影響が大きい。
【０００８】画像処理により近傍平滑化処理を行ってス
ペックルコントラストを低減することは可能であり、高
さ計測の精度も向上するが、これではＸＹ方向の解像度
が著しく低下してしまう。
ペックルコントラストを低減することは可能であり、高
さ計測の精度も向上するが、これではＸＹ方向の解像度
が著しく低下してしまう。
【０００９】また物体を振動させることで平滑化を行う
ことも可能であるが、高周波振動による物体へのダメー
ジや、物体の重さや大きさによっては高周波振動が不可
能であり２次元配列型共焦点光学系の高速性が失われる
可能性があり、望ましくない。
ことも可能であるが、高周波振動による物体へのダメー
ジや、物体の重さや大きさによっては高周波振動が不可
能であり２次元配列型共焦点光学系の高速性が失われる
可能性があり、望ましくない。
【００１０】そこで本発明は、物体を動かすことなくか
つＸＹ方向の解像度を大きく低下させることなくスペッ
クルコントラストを低減することができる３次元形状計
測用光学装置を提供することを目的とする。
つＸＹ方向の解像度を大きく低下させることなくスペッ
クルコントラストを低減することができる３次元形状計
測用光学装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】手段の説明に先立ちその
根拠を説明する。スペックルはスポット内での物体表面
の凸凹により発生するから、凸凹がランダムであれば
（粗面は一般的にランダムである）スポットを走査すれ
ば凸凹の状態が変化しスペックルコントラストがランダ
ムに変わる。走査によりランダムに変化するスペックル
コントラストを重畳すれば、平滑化の効果によりスペッ
クルコントラストを低減できる。一般的には走査するこ
とによりスペックルコントラストを重畳すればＸＹ方向
の分解能が低下してしまうが、２次元配列型共焦点光学
系は次のような理由により１画素の範囲内で、つまりＸ
Ｙ方向の分解能が落ちない範囲内で走査することでスペ
ックルコントラストを低減することが可能である。
根拠を説明する。スペックルはスポット内での物体表面
の凸凹により発生するから、凸凹がランダムであれば
（粗面は一般的にランダムである）スポットを走査すれ
ば凸凹の状態が変化しスペックルコントラストがランダ
ムに変わる。走査によりランダムに変化するスペックル
コントラストを重畳すれば、平滑化の効果によりスペッ
クルコントラストを低減できる。一般的には走査するこ
とによりスペックルコントラストを重畳すればＸＹ方向
の分解能が低下してしまうが、２次元配列型共焦点光学
系は次のような理由により１画素の範囲内で、つまりＸ
Ｙ方向の分解能が落ちない範囲内で走査することでスペ
ックルコントラストを低減することが可能である。
【００１２】２次元配列型共焦点光学系はスポット（ピ
ンホールアレイの像）を物体に投影するが、図９に示す
ようにスポット径に対してスポットピッチは５から１０
倍取る必要がある。これは、あるピンホールに隣接のピ
ンホールのぼけた光が入射しないようにするためであ
る。この条件により２次元配列型共焦点光学系の各点の
画素開口率（スポット面積／１画素分の面積）は非常に
低くなっている。このようにスポット径に対して画素サ
イズが大きいことは１画素内でスポットを走査する程度
の微小な走査であってもスポットに含まれる物体表面が
十分に変化できる、つまりスペックルコントラストの変
化が十分に現れることを意味する。この微小走査を２次
元検出器の露光時間内に実行すれば時間的にスペックル
コントラストの変化が重畳されて平滑化されることにな
る。このように２次元配列型共焦点光学系は１画素分程
度の微小な走査を２次元検出器の露光時間内に行うこと
によりＸＹ方向の分解能を落とすことなくスペックルコ
ントラストを低減することができる。以上のような理屈
を３次元形状計測用光学装置として以下のように構成す
る。
ンホールアレイの像）を物体に投影するが、図９に示す
ようにスポット径に対してスポットピッチは５から１０
倍取る必要がある。これは、あるピンホールに隣接のピ
ンホールのぼけた光が入射しないようにするためであ
る。この条件により２次元配列型共焦点光学系の各点の
画素開口率（スポット面積／１画素分の面積）は非常に
低くなっている。このようにスポット径に対して画素サ
イズが大きいことは１画素内でスポットを走査する程度
の微小な走査であってもスポットに含まれる物体表面が
十分に変化できる、つまりスペックルコントラストの変
化が十分に現れることを意味する。この微小走査を２次
元検出器の露光時間内に実行すれば時間的にスペックル
コントラストの変化が重畳されて平滑化されることにな
る。このように２次元配列型共焦点光学系は１画素分程
度の微小な走査を２次元検出器の露光時間内に行うこと
によりＸＹ方向の分解能を落とすことなくスペックルコ
ントラストを低減することができる。以上のような理屈
を３次元形状計測用光学装置として以下のように構成す
る。
【００１３】請求項１の発明では、少なくとも一つの対
物レンズを通して一つ以上の微小なスポットを物体に投
影し、物体からの反射光を同じ対物レンズにより集光
し、集光した反射光を検出し、反射光の合焦情報から物
体の表面位置を計測する光学装置において、反射光検出
器の露光時間内に前記スポットを微小走査させる微小走
査手段を備えたことを特徴とする。
物レンズを通して一つ以上の微小なスポットを物体に投
影し、物体からの反射光を同じ対物レンズにより集光
し、集光した反射光を検出し、反射光の合焦情報から物
体の表面位置を計測する光学装置において、反射光検出
器の露光時間内に前記スポットを微小走査させる微小走
査手段を備えたことを特徴とする。
【００１４】請求項２では、微小走査手段は、対物レン
ズと物体との間に配設した平行平面と、この平行平面の
光軸に対する角度を変化させる角度変化手段とにより構
成されたことを特徴とする。
ズと物体との間に配設した平行平面と、この平行平面の
光軸に対する角度を変化させる角度変化手段とにより構
成されたことを特徴とする。
【００１５】請求項３では、微小走査手段を、対物レン
ズと物体との間に光軸に対して傾けて配設した平行平面
と、この平行平面を回転させる回転手段とにより構成さ
れたことを特徴とする。
ズと物体との間に光軸に対して傾けて配設した平行平面
と、この平行平面を回転させる回転手段とにより構成さ
れたことを特徴とする。
【００１６】請求項４では、微小走査手段を、対物レン
ズの開口絞り位置に配設した偏向用ミラーと、この偏向
用ミラーの角度を変化させる角度変化手段とにより構成
されたことを特徴とする。
ズの開口絞り位置に配設した偏向用ミラーと、この偏向
用ミラーの角度を変化させる角度変化手段とにより構成
されたことを特徴とする。
【００１７】請求項５では、微小走査手段を、対物レン
ズの開口絞り位置に配設した光束を偏向する偏向プリズ
ムと、この偏向プリズムを回転させる回転手段とにより
構成されたことを特徴とする。
ズの開口絞り位置に配設した光束を偏向する偏向プリズ
ムと、この偏向プリズムを回転させる回転手段とにより
構成されたことを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。図１に本発明の実施の形態
の第一の例を示す。Ｓは従来技術で説明した２次元配列
型共焦点光学系である。２次元検出器１０として現在最
も一般的なＣＣＤテレビカメラを用いている。対物レン
ズ７と物体Ａの間には微小走査手段１１が挿入されてい
る。微小走査手段１１は平行平面１１ａと平行平面１１
ａの角度を変化させる角度変化手段１１ｂより構成され
る。角度変化手段１１ｂはガルバノメーター１１ｂ
（１）とコントローラ１１ｂ（２）より構成される。コ
ントローラー１１ｂ（２）はガルバノメーター１１ｂ
（１）をコントロールする部分でありガルバノメーター
１１ｂ（１）に対して駆動信号を発生する。また、コン
トローラー１１ｂ（２）はガルバノメーター１１ｂ
（１）に対する駆動信号に同期して２次元検出器１０へ
シャッタータイミング信号も発行する。
施の形態について説明する。図１に本発明の実施の形態
の第一の例を示す。Ｓは従来技術で説明した２次元配列
型共焦点光学系である。２次元検出器１０として現在最
も一般的なＣＣＤテレビカメラを用いている。対物レン
ズ７と物体Ａの間には微小走査手段１１が挿入されてい
る。微小走査手段１１は平行平面１１ａと平行平面１１
ａの角度を変化させる角度変化手段１１ｂより構成され
る。角度変化手段１１ｂはガルバノメーター１１ｂ
（１）とコントローラ１１ｂ（２）より構成される。コ
ントローラー１１ｂ（２）はガルバノメーター１１ｂ
（１）をコントロールする部分でありガルバノメーター
１１ｂ（１）に対して駆動信号を発生する。また、コン
トローラー１１ｂ（２）はガルバノメーター１１ｂ
（１）に対する駆動信号に同期して２次元検出器１０へ
シャッタータイミング信号も発行する。
【００１９】このような構成によりスポットの微小走査
が次のように実現される。ガルバノメーター１１ｂ
（１）は平行平面１１ａの傾きをコントローラ１１ｂ
（２）の駆動信号により高速に変化させることができ
る。図２に示すように光路に挿入された平行平面１１ａ
の傾きはスポット全体の平行移動となるから平行平面１
１ａの角度を変化させることによりスポット全体の走査
が可能となる。例えば２ｍｍ程度の厚さの平行平面１１
ａを±１度変化させることにより±１０μｍ程度の微小
走査が可能である。ガルバノメーター１１ｂ（１）はこ
のような角度変化の制御に適している。コントローラー
１１ｂ（２）により２次元検出器１０の露光タイミング
に合わせてガルバノメーター１１ｂ（１）を駆動するこ
とで２次元検出器１０の露光時間内でのスポットの微小
走査が達成できる。
が次のように実現される。ガルバノメーター１１ｂ
（１）は平行平面１１ａの傾きをコントローラ１１ｂ
（２）の駆動信号により高速に変化させることができ
る。図２に示すように光路に挿入された平行平面１１ａ
の傾きはスポット全体の平行移動となるから平行平面１
１ａの角度を変化させることによりスポット全体の走査
が可能となる。例えば２ｍｍ程度の厚さの平行平面１１
ａを±１度変化させることにより±１０μｍ程度の微小
走査が可能である。ガルバノメーター１１ｂ（１）はこ
のような角度変化の制御に適している。コントローラー
１１ｂ（２）により２次元検出器１０の露光タイミング
に合わせてガルバノメーター１１ｂ（１）を駆動するこ
とで２次元検出器１０の露光時間内でのスポットの微小
走査が達成できる。
【００２０】この例では一次元的な微小走査であるが、
２枚の平行平面１１ａを用いて２次元的な微小走査も可
能である。また角度変化手段１１ｂは、平行平面１１ａ
の角度が変化できるものであれば必ずしもガルバノメー
ター１１ｂ（１）である必要はなく、例えば共振型スキ
ャナーであってもよいし音叉でも良い。また、必ずしも
２次元検出器１０の露光タイミングを制御する必要はな
く、制御した方がより精度の高い計測が可能であると考
えられるのでこの例では制御するようになっているにす
ぎない。
２枚の平行平面１１ａを用いて２次元的な微小走査も可
能である。また角度変化手段１１ｂは、平行平面１１ａ
の角度が変化できるものであれば必ずしもガルバノメー
ター１１ｂ（１）である必要はなく、例えば共振型スキ
ャナーであってもよいし音叉でも良い。また、必ずしも
２次元検出器１０の露光タイミングを制御する必要はな
く、制御した方がより精度の高い計測が可能であると考
えられるのでこの例では制御するようになっているにす
ぎない。
【００２１】図３に本発明の実施の形態の第二の例を示
す。微小走査手段１３の構造以外は第一の例と同じであ
る。この例は、第一の例のように平行平面の角度を変化
させるのではなく、平行平面の傾いている方向を変化さ
せて微小走査を実現する。図４は第二の例の微小走査手
段１３を詳細に示している。平行平面１３ａを回転させ
る回転手段１３ｂはリング型超音波モーター１３ｂ
（１）とコントローラー１３ｂ（２）とで構成され、リ
ング型超音波モーター１３ｂ（１）の中空部分には平行
平面１３ａが微小角度傾けて取り付けてある。コントロ
ーラー１３ｂ（２）は第一の例と同じようにリング型超
音波モーター１３ｂ（１）の駆動信号と２次元検出器へ
の露光タイミング信号を出力する。リング型超音波モー
ター１３ｂ（１）の回転軸と対物レンズ７の光軸を一致
させてリング型超音波モーター１３ｂ（１）を回転させ
るとそれに伴って平行平面１３ａが回転し、平行平面１
３ａの傾いている方向が変わることになる。平行平面１
３ａの傾きは第一の例で述べたようにスポット全体の平
行移動の効果があるから、傾きの方向が変わると平行移
動の方向が変わることになり、リング型超音波モーター
１３ｂ（１）の回転によってスポットの円形走査が行わ
れることになる。
す。微小走査手段１３の構造以外は第一の例と同じであ
る。この例は、第一の例のように平行平面の角度を変化
させるのではなく、平行平面の傾いている方向を変化さ
せて微小走査を実現する。図４は第二の例の微小走査手
段１３を詳細に示している。平行平面１３ａを回転させ
る回転手段１３ｂはリング型超音波モーター１３ｂ
（１）とコントローラー１３ｂ（２）とで構成され、リ
ング型超音波モーター１３ｂ（１）の中空部分には平行
平面１３ａが微小角度傾けて取り付けてある。コントロ
ーラー１３ｂ（２）は第一の例と同じようにリング型超
音波モーター１３ｂ（１）の駆動信号と２次元検出器へ
の露光タイミング信号を出力する。リング型超音波モー
ター１３ｂ（１）の回転軸と対物レンズ７の光軸を一致
させてリング型超音波モーター１３ｂ（１）を回転させ
るとそれに伴って平行平面１３ａが回転し、平行平面１
３ａの傾いている方向が変わることになる。平行平面１
３ａの傾きは第一の例で述べたようにスポット全体の平
行移動の効果があるから、傾きの方向が変わると平行移
動の方向が変わることになり、リング型超音波モーター
１３ｂ（１）の回転によってスポットの円形走査が行わ
れることになる。
【００２２】もちろん回転手段１１ｂのモーターはリン
グ型超音波モーター１３ｂ（１）である必要はなく、一
般的な中心軸を持つモーターでギアやベルトなどを用い
て平行平面１３ａを回転させても良い。また、図５のよ
うに大きい平行平面の円周部を対物レンズ７の光路に挿
入するような形でも同様な効果が得られる。
グ型超音波モーター１３ｂ（１）である必要はなく、一
般的な中心軸を持つモーターでギアやベルトなどを用い
て平行平面１３ａを回転させても良い。また、図５のよ
うに大きい平行平面の円周部を対物レンズ７の光路に挿
入するような形でも同様な効果が得られる。
【００２３】図６に本発明の実施の形態の第三の例を示
す。２次元配列型共焦点光学系は第一、第二の例のもの
と基本的に同じであるが対物レンズ７の光路が絞りの位
置で９０度折れ曲がっている点が異なる。絞りの位置に
は偏向用ミラー１４ａと偏向用ミラー１４ａの角度を変
化させる角度変化手段１４ｂが取り付けられており、偏
向用ミラー１４ａは光軸に対して４５度の角度となって
いる。角度変化手段１４ｂの構成は第一の例と同じくガ
ルバノメーター１４ｂ（１）とコントローラー１４ｂ
（２）よりなり、コントローラー１４ｂ（２）の役割は
第一の例と同じである。偏向用ミラー１４ａの角度が変
わると全主光線の方向が変わることになるから結果的に
スポット全体が平行移動することになる。つまり角度変
化手段１４ｂにより偏向用ミラー１４ａの角度を振るこ
とにより走査が可能となる。この走査機構は一般的なレ
ーザー走査顕微鏡の走査機構と同じである。ただ異なる
のはレーザー走査の場合は１つのスポットを走査するの
に対し、本例は全スポットを同時に走査することにな
る。
す。２次元配列型共焦点光学系は第一、第二の例のもの
と基本的に同じであるが対物レンズ７の光路が絞りの位
置で９０度折れ曲がっている点が異なる。絞りの位置に
は偏向用ミラー１４ａと偏向用ミラー１４ａの角度を変
化させる角度変化手段１４ｂが取り付けられており、偏
向用ミラー１４ａは光軸に対して４５度の角度となって
いる。角度変化手段１４ｂの構成は第一の例と同じくガ
ルバノメーター１４ｂ（１）とコントローラー１４ｂ
（２）よりなり、コントローラー１４ｂ（２）の役割は
第一の例と同じである。偏向用ミラー１４ａの角度が変
わると全主光線の方向が変わることになるから結果的に
スポット全体が平行移動することになる。つまり角度変
化手段１４ｂにより偏向用ミラー１４ａの角度を振るこ
とにより走査が可能となる。この走査機構は一般的なレ
ーザー走査顕微鏡の走査機構と同じである。ただ異なる
のはレーザー走査の場合は１つのスポットを走査するの
に対し、本例は全スポットを同時に走査することにな
る。
【００２４】図７に本発明の実施の形態の第四の例を示
す。２次元配列型共焦点光学系は第一、第二の例のもの
と基本的に同じである。対物レンズ７の絞りの位置には
微小走査手段１５が配置されている。微小走査手段１５
は、図８に示すように偏向プリズム１５ａと偏向プリズ
ム１５ａの回転手段１５ｂよりなり、偏向プリズム１５
ａはくさび形の形状でリング型超音波モーター１５ｂ
（１）の中空部に取り付けられている。コントローラー
１５ｂ（２）の役割は第二の例と同じである。偏向プリ
ズム１５ｂは主光線を含む全ての光線の方向を変えるか
ら、第三の例のミラーが傾いているのと同じようにスポ
ット全体が平行移動する。回転手段１５ｂにより偏向プ
リズム１５ｂを回転させると平行移動する方向が変化す
るから円形の走査がなされることになる。
す。２次元配列型共焦点光学系は第一、第二の例のもの
と基本的に同じである。対物レンズ７の絞りの位置には
微小走査手段１５が配置されている。微小走査手段１５
は、図８に示すように偏向プリズム１５ａと偏向プリズ
ム１５ａの回転手段１５ｂよりなり、偏向プリズム１５
ａはくさび形の形状でリング型超音波モーター１５ｂ
（１）の中空部に取り付けられている。コントローラー
１５ｂ（２）の役割は第二の例と同じである。偏向プリ
ズム１５ｂは主光線を含む全ての光線の方向を変えるか
ら、第三の例のミラーが傾いているのと同じようにスポ
ット全体が平行移動する。回転手段１５ｂにより偏向プ
リズム１５ｂを回転させると平行移動する方向が変化す
るから円形の走査がなされることになる。
【００２５】以上の例は２次元配列型共焦点光学系を対
象としたものであるが、当然のことながら１次元配列型
共焦点光学系であっても点計測型共焦点光学系であって
もよい。基本的に対物レンズを通して微小なスポットを
物体に投影し、同じ対物レンズを通して反射光を集光し
て焦点ずれやぼけ量を評価するタイプの計測光学系は、
たとえ照明光がレーザー光でなくても（白色光であって
も）そのスポット内の物体表面に凸凹があればスペック
ルの問題は発生すると考えられる。本発明はこのような
計測光学系すべてに対して適用できる。
象としたものであるが、当然のことながら１次元配列型
共焦点光学系であっても点計測型共焦点光学系であって
もよい。基本的に対物レンズを通して微小なスポットを
物体に投影し、同じ対物レンズを通して反射光を集光し
て焦点ずれやぼけ量を評価するタイプの計測光学系は、
たとえ照明光がレーザー光でなくても（白色光であって
も）そのスポット内の物体表面に凸凹があればスペック
ルの問題は発生すると考えられる。本発明はこのような
計測光学系すべてに対して適用できる。
【００２６】
【発明の効果】本発明によれば、モーターやガルバノメ
ーターのような高速動作が可能なアクチュエーターを用
いて１画素程度の微小距離の走査を検出器の露光時間内
に行うため計測光学系の高速性や、ＸＹ方向の解像度を
ほとんど落とすことなく粗面の物体に対するスペックル
コントラストを低減することが可能であり、高速、高精
度な３次元形状計測が実現できる。
ーターのような高速動作が可能なアクチュエーターを用
いて１画素程度の微小距離の走査を検出器の露光時間内
に行うため計測光学系の高速性や、ＸＹ方向の解像度を
ほとんど落とすことなく粗面の物体に対するスペックル
コントラストを低減することが可能であり、高速、高精
度な３次元形状計測が実現できる。
【図１】本発明の実施の形態の第一の例を示した図であ
る。
る。
【図２】本発明の実施の形態の第一の例の微小走査手段
を説明するための図である。
を説明するための図である。
【図３】本発明の実施の形態の第二の例を示した図であ
る。
る。
【図４】本発明の実施の形態の第二の例の微小走査手段
を説明するための図である。
を説明するための図である。
【図５】本発明の実施の形態の第二の例の微小走査手段
の他の実現方法を説明するための図である。
の他の実現方法を説明するための図である。
【図６】本発明の実施の形態の第三の例を示した図であ
る。
る。
【図７】本発明の実施の形態の第四の例を示した図であ
る。
る。
【図８】本発明の実施の形態の第四の例の微小走査手段
を説明するための図である。
を説明するための図である。
【図９】ピンホール径とピンホールピッチの関係を説明
するための図である。
するための図である。
【図１０】本発明の従来技術を説明するための図であ
る。
る。
【図１１】共焦点光学系を説明するための図である。
【符号の説明】
Ａ 物体
１ 光源部
２ 照明ピンホール
３ コリメーターレンズ
４ 偏光ビームスプリッター
５ マイクロレンズアレイ
６ ピンホールアレイ
７ 対物レンズ
８ 絞り
９ 縮小レンズ
１０ ２次元検出器
１１ 微小走査手段
１３ 微小走査手段
１４ 微小走査手段
１５ 微小走査手段
Claims (5)
- 【請求項１】 少なくとも一つの対物レンズを通して一
つ以上の微小なスポットを物体に投影し、物体からの反
射光を同じ対物レンズにより集光し、集光した反射光を
検出し、反射光の合焦情報から物体の表面位置を計測す
る光学装置において、反射光検出器の露光時間内に前記
スポットを微小走査させる微小走査手段を備えたことを
特徴とする３次元形状計測用光学装置。 - 【請求項２】 微小走査手段は、対物レンズと物体との
間に配設した平行平面と、この平行平面の光軸に対する
角度を変化させる角度変化手段とにより構成されたこと
を特徴とする請求項１記載の３次元形状計測用光学装
置。 - 【請求項３】 微小走査手段は、対物レンズと物体との
間に光軸に対して傾けて配設した平行平面と、この平行
平面を回転させる回転手段とにより構成されたことを特
徴とする請求項１記載の３次元形状計測用光学装置。 - 【請求項４】 微小走査手段は、対物レンズの開口絞り
位置に配設した偏向用ミラーと、この偏向用ミラーの角
度を変化させる角度変化手段とにより構成されたことを
特徴とする請求項１記載の３次元形状計測用光学装置。 - 【請求項５】 微小走査手段は、対物レンズの開口絞り
位置に配設した光束を偏向する偏向プリズムと、この偏
向プリズムを回転させる回転手段とにより構成されたこ
とを特徴とする請求項１記載の３次元形状計測用光学装
置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05548597A JP3509088B2 (ja) | 1997-02-25 | 1997-02-25 | ３次元形状計測用光学装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05548597A JP3509088B2 (ja) | 1997-02-25 | 1997-02-25 | ３次元形状計測用光学装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10239036A JPH10239036A (ja) | 1998-09-11 |
| JP3509088B2 true JP3509088B2 (ja) | 2004-03-22 |
Family
ID=12999935
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP05548597A Expired - Fee Related JP3509088B2 (ja) | 1997-02-25 | 1997-02-25 | ３次元形状計測用光学装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3509088B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2762828A1 (en) | 2013-02-05 | 2014-08-06 | Canon Kabushiki Kaisha | Measurement apparatus and method of manufacturing article |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3440465B2 (ja) * | 1998-12-17 | 2003-08-25 | 株式会社高岳製作所 | マルチスリット走査撮像装置 |
| JP4060494B2 (ja) * | 1999-08-30 | 2008-03-12 | アンリツ株式会社 | 三次元表面形状測定装置 |
| US20030025918A1 (en) * | 2001-07-16 | 2003-02-06 | August Technology Corp. | Confocal 3D inspection system and process |
| US7030383B2 (en) | 2003-08-04 | 2006-04-18 | Cadent Ltd. | Speckle reduction method and apparatus |
| JP2006106378A (ja) * | 2004-10-06 | 2006-04-20 | Yokogawa Electric Corp | 共焦点顕微鏡 |
| JP4788968B2 (ja) * | 2006-12-11 | 2011-10-05 | 株式会社高岳製作所 | 焦点面傾斜型共焦点表面形状計測装置 |
| JP4970211B2 (ja) * | 2007-10-18 | 2012-07-04 | ヘキサゴン・メトロジー株式会社 | ３次元形状測定器 |
| DE102011054914A1 (de) * | 2011-10-28 | 2013-05-02 | Leica Microsystems Cms Gmbh | Verfahren und Anordnung zur Beleuchtung einer Probe |
| JP5955574B2 (ja) * | 2012-02-03 | 2016-07-20 | 株式会社東光高岳 | 立体形状計測装置 |
| JP2014010216A (ja) * | 2012-06-28 | 2014-01-20 | Lithotech Co Ltd | 多焦点共焦点顕微鏡 |
| CN107991766A (zh) * | 2016-10-26 | 2018-05-04 | 中国科学技术大学 | 一种具有三维成像能力的显微镜和成像方法 |
-
1997
- 1997-02-25 JP JP05548597A patent/JP3509088B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2762828A1 (en) | 2013-02-05 | 2014-08-06 | Canon Kabushiki Kaisha | Measurement apparatus and method of manufacturing article |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH10239036A (ja) | 1998-09-11 |
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