JP3564210B2 - 共焦点光学装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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、特にホログラムを利用した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】
物体の形状を測定する技術としては、例えば特開平４−２６５９１８号公報に示すように、共焦点光学系を２次元的に配置したものがあり、図２０にその構成を示す。
【０００３】
図２０において、光源１の光はレンズ２、３を介して平行光となりピンホールアレイＰＨ１に入射される。ピンホールアレイＰＨ１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ＰＨ１を通過した光はハーフミラー４を透過し、開口絞りによってテレセントリック系を構成するレンズ５ａ、５ｂによって集光され、被計測物体７に投光される。被計測物体７はＺ軸方向に変位可能な移動ステージ８上に載置されている。被計測物体７で反射された光はレンズ５ａ、５ｂで集光され、ハーフミラー４で反射され、ピンホールアレイＰＨ１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ＰＨ２を配設し、ピンホールを通過する光を、光検出器アレイ９の各光検出器で検出する。
【０００４】
かかる従来構成によれば、移動ステージ８をＺ方向に変位させながら、光検出器９の個々の出力を別々にサンプリングし、各々の光検出器の出力が最大になったときのＺ方向位置を物体７の表面位置として検出することができる。
【０００５】
しかしながら、上記従来装置には以下のような問題点がある。
【０００６】
（１）精度の高い共焦点効果を得るためには、ピンホールアレイＰＨ１およびＰＨ ２をお互いのピンホールのピッチが正確に合うように例えばサブミクロンの精度で精密に作成し、それらをハーフミラー４を挟んで共役な位置に前記 精度で精密に位置決めし、かつこれらを固定維持する必要がある。特にハ ーフミラー４は通常プリズム型が使用されるが、共焦点ユニットの光源の 焦点位置（ピンホールアレイＰＨ１）と受光の焦点（ピンホールアレイＰＨ ２）のハーフミラー４に対する距離は共焦点ユニット毎に違ったものになるので、前記位置決め精度を満足させるために、精度の高いプリズム型ハーフミラーを製作する必要がある。
（２）光線がプリズム型ハーフミラー４を通過する際の収差を考慮して対物レン ズ５の設計を行う必要がある。プリズム型ハーフミラー４の収差は、このプリズム型ハーフミラー４の辺長に相当する厚みを持った平板ガラスの収 差に相当するため、非常に大きく、この大きな収差を考慮した対物レンズ ５の設計は非常に難しいものとなる。
（３）プリズム型ハーフミラー４は立方体領域を必要とするため、対物レンズ５ ａから光源の焦点までの距離及び対物レンズ５ａから受光の焦点までの距 離はハーフミラー４の立方体の辺長より小さくすることはできず、小型軽 量化に限界がある。また、焦点距離の短い対物レンズを使用して計測に必 要な光学的開口率を得たい場合に非常に不利となる。
（４）ピンホールアレイＰＨ１に入射する光源光はピンホール以外の部分は透過しないので、光の利用効率が悪く、光源光の数％しか利用できない。したがって、十分な検出光量を得るために時間がかかり、ひいては物体の形状を 測定する時間を短縮するのに限界がある。
などの問題がある。
【０００７】
そこで、特開平１−５０３４９３号公報においては、上記問題点（１）〜（３）を解決すべく、光源の焦点位置と受光の焦点を同一ピンホールによって構成するようにしており、その構成を図２１に示す。
【０００８】
図２１において、Ｓ偏光の平行光は偏光ハーフミラー１１で反射されて、ピンホール基板１２に入射される。ピンホール基板１２は、円盤にピンホールを螺旋状に配置したニポウ型（Ｎｉｐｋｏｗ）ディスクであり、入射平行光を複数の点光源光に変換する。ピンホール基板１２はモータ１３によって回転されるようになっている。
【０００９】
ピンホール基板１２を通過した光は開口絞り１５によってテレセントリック系を構成したレンズ１４ａ、１４ｂによって集光されるとともに、１／４波長板１６によって円偏光に変換されて被計測物体７に投光される。被計測物体７はＺ方向に移動可能な移動ステージ８上に載置されている。被計測物体７で反射された光は１／４波長板１６によってＰ偏光に変換されると共に、レンズ１４ａ，１４ｂによって集光されてピンホール基板１２の同じピンホールを通過する。ピンホール基板１２を通過した光は、偏光ハーフミラー１１を透過し、Ｐ偏光を通過させる偏光版１８を透過することにより接眼レンズ１７を介して肉眼で観察される。被計測物体７のＸ−Ｙ方向の走査はモータ１３によってピンホール基板１２を回転させることにより行う。
【００１０】
この図２１に示す装置は光学顕微鏡に関する技術であるので、肉眼観察を前提にしている。従って、この図２１に示す構成によって先の図２０に示したような光センサによる３次元計測を行うためには、接眼レンズ１７の結像位置に光検出器アレイを配置すると共に、ニポウ型ディスクのピンホール基板１２を先の図２０に示したようなピンホールマトリックスアレイに置換すればよい。
【００１１】
かかる装置においては、光源の焦点と受光の焦点が同一のピンホールによって構成されるために、先の項目（１）〜（３）で示したような問題は解消されるが、依然として以下のような問題が残る。
【００１２】
（ａ）ピンホールアレイと光検出器アレイとの関係において、偏光ハーフミラー による収差、接眼レンズによる結像収差を考慮して、ピンホールアレイの 各ピンホールと光検出器アレイの各光検出器とを１対１に精度良く位置合 わせする必要がある。
（ｂ）ピンホールアレイ（ピンホール基板１２）に入射する光源光はピンホール 以外の部分は透過しないので、光の利用効率が悪く、光源光の数％しか利 用できない。したがって、十分な検出光量を得るために時間がかかり、ひ いては物体の形状を測定する時間を短縮するのに限界がある。すなわち、 上記（４）の問題は全く改善されない。
【００１３】
又、図２１の装置固有の問題点として、次のようなものが挙げられる。
（ｃ）ピンホール基板１２に入射する光源光はピンホール以外の部分では反射し てしまうので、ピンホール基板１２の反射率を、前記偏向特性を利用した り、あるいはピンホール基板１２自体を光軸に対してオフセットしたりす るなどを対策を行って反射光が観察されないようにすることが必要となる 。すなわちこれは、ピンホール基板の背後から光を投射して点光源を作り 、同一のピンホールによって受光する共焦点光学系によるところの問題で あり、この反射光は観測信号のＳ／Ｎ比を悪化させるので、十分な対策が 必要となる。
【００１４】
さらに、前記図２０または図２１に示す装置においては、形状計測時間を更に高速化するためには移動ステージ８を更に高速移動させる必要があるが、移動ステージ８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。
【００１５】
この問題を解決するための手法として、計測対象７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、上記従来技術では、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。
【００１６】
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、かつ各部の位置合わせを容易にでき、さらに光源光の利用効率を向上させるようにした共焦点光学装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段および作用】
請求項１に対応する第１発明では、開口と、所定の検査点上に配設される被計測物体と、前記開口位置を第１の集光位置とし、前記検査点位置を第２の集光位置とするよう光を導光する光学手段と、ホログラムの参照光用の光源と、前記開口と検査点との間の所定位置に配設され、前記光源からの光を参照光として前記開口から出射される点光源光がこの所定位置を通過する際の光と等価な光を再生するホログラムと、前記開口を挟んで前記光学手段と反対側に配設され、前記開口を通過した光を検出する光検出器とを具え、前記被計測物体で散乱された前記ホログラム再生光を前記ホログラム、光学手段及び開口を介して前記光検出器に入射するようにしたことを特徴とする。前記ホログラムは、実質的に、従来装置における点光源アレイ（ピンホール）とハーフミラーの役割を兼ねる光学部品として機能する。
【００１８】
すなわち、第１発明では、ホログラムに参照光を入射することにより、前記開口から出射される点光源からの光と等価な光を再生し、この再生光を直接あるいは前記光学手段を介して被計測物体上に集光する。被計測物体で散乱した光は光学手段、ホログラムを介することにより開口に集光された後この開口を通過し、光検出器で検出される。
【００１９】
請求項２に対応する第２発明では、２次元配置された複数の開口を有する開口アレイと、所定の検査面上に配設される被計測物体と、前記開口アレイ位置を第１の集光位置とし、前記検査面位置を第２の集光位置とするよう光を導光する光学手段と、ホログラムの参照光用の光源と、前記開口アレイと検査面との間の所定位置に配設され、前記光源からの光を参照光として前記開口アレイの各開口から出射される各点光源光がこの所定位置を通過する際の光と等価な光を再生するホログラムと、前記開口アレイを挟んで前記光学手段と反対側に配設され、前記開口アレイの各開口を通過した光を検出する複数の光検出器を有する光検出器アレイとを具え、前記被計測物体で散乱された前記ホログラム再生光を前記ホログラム、光学手段および開口アレイを介して前記光検出器アレイの各光検出器に入射するようにしたことを特徴とする。
【００２０】
係る第２発明によれば、ホログラムに参照光を入射することにより、前記開口アレイの各開口から出射される点光源からの光と等価な光を再生し、この再生光を直接あるいは前記光学手段を介して被計測物体上に集光する。被計測物体で散乱した光は光学手段、ホログラムを介することにより開口アレイの各開口に集光された後各開口を通過し、光検出器アレイの各光検出器で検出される。
【００２１】
請求項４に対応する第３発明では、２次元配置された複数の開口を有する開口アレイと、所定の検査面上に配設される光透過性を有する被計測物体と、前記開口アレイ位置を第１の集光位置とし、前記検査面位置を第２の集光位置とするよう光を導光する光学手段と、ホログラムの参照光用の光源と、前記検査面上の被計測物体を挟んで前記光学手段と反対側の所定位置に配設され、前記光源からの光を参照光として前記開口アレイの各開口から出射される点光源光が前記所定位置を通過する際の光と逆向きの光と等価な光を再生するホログラムと、前記開口アレイを挟んで前記光学手段と反対側に配設され、前記開口アレイの各開口を通過した光を検出する複数の光検出器を有する光検出器アレイとを具え、前記被計測物体を透過した前記ホログラム再生光を前記光学手段および開口アレイを介して前記光検出器アレイの各光検出器に入射するようにしたことを特徴とする。
【００２２】
係る第３発明によれば、ホログラムは前記検査面上の被計測物体を挟んで前記光学手段と反対側の所定位置に配設される。即ち第３発明では、ホログラムに参照光を入射することにより、前記開口アレイの各開口から出射される点光源光が前記所定位置を通過する際の光と逆向きの光と等価な光を再生し、この再生光を前記被計測物体を透過させる。被計測物体を透過した光は光学手段を介することにより開口アレイの各開口に集光された後各開口を通過し、光検出器アレイの各光検出器で検出される。
【００２３】
請求項１０に対応する第４発明では、複数の光検出器を２次元配置した光検出器アレイと、 所定の検査面上に配設される被計測物体と、前記光検出器アレイの各光検出器位置を第１の集光位置とし、前記検査面位置を第２の集光位置とするよう光を導光する光学手段と、ホログラムの参照光用の光源と、前記光検出器アレイと光学手段との間に配設され、前記光源からの光を参照光として前記光検出器アレイの各光検出器位置から出射される点光源光と等価な光を再生するホログラムとを具え、前記再生されたホログラム再生光を前記光学手段を介して被計測物体に照射するとともに、該被計測物体で散乱されたホログラム再生光を前記光学手段およびホログラムを介して前記光検出器アレイの各光検出器に入射するようにしている。
【００２４】
かかる第４発明では開口アレイを省略するようにしている。すなわちこの第４発明では、光検出器アレイの各光検出器の位置にあたかも点光源があるようなホログラム露光を行う。したがって、再生されたホログラム再生光は前記光学手段を介して被計測物体に照射される。そして、被計測物体で散乱されたホログラム再生光は前記光学手段およびホログラムを介して前記光検出器アレイの各光検出器に入射される。
【００２５】
請求項１２に対応する第５発明の光学装置では、複数の開口が２次元配置された開口アレイと、この開口アレイ下に積層されるガラス基板と、このガラス基板下に積層され、参照光が入射されると前記開口アレイの各開口から出射される点光源光と等価な光を再生するホログラムとを具え、前記開口アレイとホログラムによってピンホールの作用をなすようにしたことを特徴としている。
【００２６】
かかる第５発明では、ホログラムによって開口アレイの各開口に点光源が位置しているのと等価な光を再生する。したがって、この場合、点光源光を発生させるためには開口アレイを必要とはしない。開口アレイは、例えば、ホログラム再生光が被計測物体で反射された後の光を受光するために用いられる。すなわち、このピンホール機能を有する光学装置では、発光作用はホログラムで行い、受光作用を開口アレイで行う。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下この発明の実施例を添付図面に従って詳細に説明する。
【００２８】
図１はこの発明の第１実施例を示すもので、７は被計測物体、８はＺ方向に移動可能な移動ステージ、９は複数の光検出器がマトリックス状に配置された光検出器アレイ、ＰＨは複数のピンホールがマトリックス状に配置されたピンホールアレイ、１４ａ，１４ｂは対物レンズ、１５は開口絞り、２０はホログラム、２１は参照光用光源、２２，２３はレンズ、３０は光検出器の出力に基づいて被計測物体７の３次元計測を行う３次元計測部、４０は移動ステージ８の移動制御を行う移動制御部である。レンズ１４ａ，１４ｂは、開口絞り１５によって謂ゆるテレセントリック光学系を形成する。
【００２９】
かかる構成において、ホログラム２０は点光源光の発生手段として用いられるもので、光源２１からの参照光が入射されることによって、あたかもピンホールアレイＰＨの各ピンホールから光が出射したような光を再生する。
【００３０】
したがって、光源１からレンズ２２、２３を介して参照光がホログラム２０に入射されると、ピンホールアレイＰＨの各ピンホールに点光源が存在するのと等価な光がホログラム２０によって再生される。そして、該再生された光はレンズ１４ｂによって移動ステージ８上の被計測物体７上に結像される。なお、図１では、便宜上１つのピンホールから出射した光を示しているが、実際は全てのピンホールから光が出射したのと等価な複数の点像が検査面上に結像される。
【００３１】
被計測物体７で反射された光はレンズ１４ｂ、ホログラム２０、開口絞り１５を介してレンズ１４ａに入射され、レンズ１４ａによってピンホールアレイＰＨの各ピンホール位置に結像される。光検出器アレイの９の各光検出器はピンホールアレイＰＨの各ピンホールに対応する位置に配されており、各ピンホールを通過した光の受光強度を検出する。
【００３２】
光検出器アレイ９の各光検出器の出力は３次元計測部３０に入力されており、３次元計測部３０では移動制御部４０の制御による移動ステージ８のＺ方向への移動に伴って光検出器アレイ９の個々の検出器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方向位置を被計測物体７の表面位置として検出する。
【００３３】
ここで、ホログラム２０に対する参照光の入射角度Φとしては、ホログラム２０で反射または透過した光が直接またはレンズ１４ｂ，開口絞り１５等を介して被計測物体７の検査面あるいは前記光検出器アレイ９の検出面に入射されないようにできるだけ小さくしたほうが望ましい。しかし、入射角度Φを小さくし過ぎるとホログラム媒質中に入る光が少なくなって満足な光量の点光源を再生および露光することができなくなるので、これら両方の条件が満足されるように入射角度Φを設定するようにする。なお、入射角度Φを小さくするということは、テレセントリック系の各光学部品１４ａ、１４ｂ，１５の間隔を詰めて配置することができ、より装置を小型化できるという利点も持つ。
【００３４】
なお、図１において、ホログラム２０は破線で示す位置＊１（ピンホールアレイＰＨとレンズ１４ａの間）、または＊２の位置（レンズ１４ｂと検査面の間）に配置するようにしてもよい。さらにこのホログラム２０は、レンズ１４ａと開口絞り１５の間に配置するようにしてもよい。すなわち、ホログラム２０は、ピンホールアレイＰＨと検査面の間であれば、光路中のどのに配置してもよい。
【００３５】
図２は、ホログラム２０を露光する際の構成を示すもので、ピンホールアレイＰＨ、レンズ１４ａ、開口絞り１５、光源２１、およびレンズ２２，２３として図１と同じものを用い、且つこれらを図１と同じ位置関係に配置する。
【００３６】
この状態で、光源２１から参照光をホログラム２０に入射するとともに、平行光を物体光としてピンホールアレイＰＨに入射する。この結果、ピンホールアレイに形成された複数の点光源像がレンズ１４ａによって平行光になった状態でホログラム２０に入射され、記録される。この場合は、参照光と物体光がホログラム２０の片側から入射されるので、ホログラム２０は透過型となる。
【００３７】
ホログラム２０の回折効率を例えば５０％とすれば、参照光の５０％が被計測物体７に照射され、物体７からの反射光の約５０％がホログラム２０を透過して光検出器アレイ９に入射されることになり、光源光の利用効率を従来より格段に向上させることができる。
【００３８】
ホログラム２０の材質としては、銀塩感光材、ポリマー感光材などを用いることができるが、特にポリマー材の場合は、ホログラム露光後に紫外線照射や加熱により回折効率の調整や定着が可能であるので、露光したホログラム２０を図２の装置から取り外すことなく定着が可能であり、その後のホログラム２０とピンホールアレイＰＨとの位置合わせが不要になる。
【００３９】
以上のようにしてホログラムの露光が終了すると、ピンホールアレイＰＨの各ピンホールに各光検出器の開口が合うように光検出器アレイ９を設置する。そして、先のホログラム露光の際にレンズ１４ｂが未設置の場合は、レンズ１４ｂを設置して光学系が完成する。
【００４０】
なお、ホログラム２０を図示実線で示す位置に配置する場合には、露光の際はレンズ１４ｂは不要である。しかし、破線位置＊２にホログラム２０を配置する場合には、露光の際もレンズ１４ｂを配置する。また、破線位置＊１にホログラム２０を配置する場合には、露光の際、レンズ１４ａ，１４ｂは不要である。
【００４１】
図３は、ホログラム露光時の光の利用率を向上するためと、点光源の開口数ＮＡを所定の値に設定するために、ピンホールアレイＰＨの前面にマイクロレンズアレイ２４を設置した状態を示すもので、この状態でホログラム露光を行うようにする。マイクロレンズアレイ２４のレンズピッチはピンホールアレイＰＨの開口ピッチと同じとする。
【００４２】
図４はこの発明の第２実施例を示すもので、この場合はホログラム２０として反射型ホログラムを用いるようにしている。すなわち、この場合は、ホログラム２０を挟んでピンホールアレイＰＨの反対側から参照光をホログラム２０に入射するようにしている。なお、この図４に示すタイプにおいても、破線位置＊１，＊２にホログラムを配置するようにしてもよい。勿論、この実施例においても、ホログラム２０は、先の第１実施例と同様、ピンホールアレイＰＨの各ピンホールに点光源が存在するのと等価な光を再生する。
【００４３】
また、この図の実施例では、ピンホールアレイＰＨの各ピンホールを通過する光を接眼レンズ１７を介して１対１で光検出器アレイ９の各光検出器に結像するようにしている。この場合、ピンホールアレイＰＨのピンホールのピッチと光検出器アレイ９の光検出器のピッチは同一である必要はなく、接眼レンズ１７の倍率に対応して各々のピッチを設定すればよい。
【００４４】
図５はこの発明の第３実施例を示すものであり、この第３実施例は先の図４の変形例であり、図４の実施例において、ホログラム２０を破線位置＊１に配置した場合の特殊な例である。この第３実施例においては、図４の接眼レンズ１７を削除すると共に、光検出器アレイ９、ピンホールアレイＰＨおよびホログラム２０を、図６に示すように、平板状の積層構造として、一体的に構成している。以下、この一体化部分を積層構造ユニット５０という。
【００４５】
すなわち、積層構造ユニット５０は、図６に示すように、ホログラム２０、透明光学基板（ガラス基板）２５、偏光板２６、ガラス基板２７、ピンホールアレイＰＨ、光ファイバー２８、光検出器アレイ９を有し、これらの積層構造となっている。
【００４６】
かかる図６に示す構成において、ホログラム２０とピンホールアレイＰＨとは近接した位置関係にあるので、ホログラム２０を透過する参照光がピンホールアレイＰＨを介して光検出器アレイ９の検出面に入射される可能性がある。また、ホログラムの特性によっては、散乱光や副次回折光が再生されるので、同様にこれらの光がピンホールアレイＰＨを介して光検出器アレイ９の検出面に入射される可能性がある。
【００４７】
これらを防止するために、ガラス基板２５と２７の間に偏光板２６を配設するとともに、参照光を偏光板２６によって遮断される側の直線偏光とするようにしている。
【００４８】
図５、図６に示す構成においては、ホログラム２０によって再生された点光源光は１／４波長板２９の作用によって円偏光に変換されると共に、テレセントリック光学系レンズ１４ａ、１４ｂによって被計測物体７の検査面上に結像する。被計測物体７で反射された光は、前記同様にして、レンズ１４ｂ，１／４波長板２９、レンズ１４ａを介してピンホールアレイＰＨのピンホールで結像する。なお、この際、被計測物体７で反射された円偏光は１／４波長板２９の作用により参照光と垂直な方向の直線偏光となるため、偏光板２６を通過することができる。ピンホールに入射した光は光ファイバー束２８を介して光検出器アレイ９の各光検出器に入射される。
【００４９】
かかる第３実施例においては、光検出器アレイ９、ピンホールアレイＰＨおよびホログラム２０を平面上に積層して一体構成としているので、小型軽量且つ堅牢な共焦点光学ユニットを実現できる。
【００５０】
また、この第３実施例では、参照光を所定の入射角を持つ平行光としかつ上記積層構造ユニット５０をＸ−Ｙ方向に移動可能なように構成すれば、ピンホールとピンホールの間の部分に対応する位置の３次元計測を行うこともできる。
【００５１】
さらにこの第３実施例では、ホログラム２０が、その再生する点光源の距離がホログラムに近い、謂ゆるイメージホログラムであるため、参照光の入射角度選択性が高い。すなわち、参照光の空間コヒーレンスや角度の許容度が大きいので、空間コヒーレンスの低い光源を採用することができ、光源の位置ズレに対しても許容度の高い構成となる。
【００５２】
図７は上記積層構造ユニット５０のホログラム２０を露光する際の構成を示すもので、まず、ガラス基板２７の片面にピンホールアレイマスクＰＨを形成すると共に、ガラス基板２５の片面にホログラム材２０を塗布する。そして、この状態でピンホールアレイＰＨ側から平行光を入射すると共に、ホログラム２０側から参照光を入射することにより、ピンホールアレイＰＨから出射される光をホログラム２０に記録する。但し、この際、平行光と参照光との直線偏光の方向が異なれば露光ができないので、これら双方の光は共に偏光板２６を透過する方向の直線偏光にする。勿論、ホログラムを再生する時の参照光は、前述したように、偏光板２６を透過してピンホールに入射されないように、偏光板２６で吸収される方向の直線偏光とする。
【００５３】
なお、上記積層構造ユニットのホログラム２０を露光する際、図８に示すように、マイクロレンズを２４を配置することにより、光の利用率を向上させるとともに、点光源の開口数ＮＡを所望の値に設定するようにしてもよい。
【００５４】
図９は上記積層構造ユニット５０の変形例を示すもので、この場合は光ファイバー２８とピンホールアレイＰＨの間にマイクロレンズアレイ２４を配置するようにしている。
【００５５】
図１０も上記積層構造ユニットの変形例を示すもので、この場合は光検出器アレイ９とピンホールアレイＰＨの間に平板型のマイクロレンズアレイ２４を配置するようにしている。この場合は、平板型マイクロレンズアレイ２４と光検出器アレイ９との間に充分な密着性が得られるので、光ファイバー２８を省略するようにしている。
【００５６】
図１１はこの発明の第４実施例を示すもので、この場合はホログラム２０として、ＵＳＰ４６４３５１５号に示されるような、エッジイルミネイテッドホログラムを用いるようにしており、参照光はホログラム２０のガラス基板の側面から入射させることができる。図１２は、図１１の積層構造ユニット７０の詳細構成を示すもので、エッジイルミネイテッドホログラム２０、ガラス基板２９、ピンホールアレイＰＨ、光ファイバー２８および光検出器アレイ９から構成されている。
【００５７】
この第４実施例においては、参照光がホログラム側面から入射される点のみが他の実施例と異なり、それ以外は先の実施例と全く同様に動作する。なお、この実施例においても、ホログラム２０を図示破線位置＊１，＊２，＊３に配置するようにしてもよい。
【００５８】
かかる第４実施例においては、参照光をホログラムのガラス基板の側面から入射させることができるので、共焦点光学装置をさらに小型化できる。すなわち、テレセントリック系のレンズ１４ａ，１４ｂは、収差などの特性を改善するために通常は多群、複数枚構成になっているが、先の図１，図４に示した構成において、参照光のホログラムによる反射光や透過光が直接これらのレンズや開口絞りに入射されないようにするためには、これらテレセントリック系の各光学部品をある程度の間隔を持って配置する必要がある。これに対し、上記エッジイルミネイテッドホログラムを用いた場合は、ホログラムでの反射光や透過光の角度が非常に浅いので、上記テレセントリック系の各光学部品の間隔を詰めて配置することができ、より装置を小型化することが可能になる。
【００５９】
また、上記図１２の積層構造ユニット７０においては、参照光のホログラム２０への入射角が浅いので、その反射光は通常はピンホールＰＨに入射されない。また、仮に、該反射光がピンホールに向かったとしても、ピンホール側のガラス界面への入射角度が浅いので、臨界角となった光は全反射し、ピンホールには入射されない。よって、ホログラム２０の散乱光や副次回折光の影響が少なければ、先の図６や図９に示した実施例を用いた偏光板２６が不要になるという利点も持つ。
【００６０】
図２２は、図１２の積層構造ユニット７０の変形であり、反射型エッジイルミネイテッドホログラムになっている。ホログラム２０を透過する参照光、あるいはホログラムの散乱光、副次回折光を遮断するために偏光板２６を配している。さらに１／４波長板１６も積層構造としてガラスＣに密着させ、一体化している。
【００６１】
これら積層構造ユニット７０において、ホログラム２０は透過型あるいは反射型であるが、参照光がエバネッセント波によるエッジイルミネイテッドホログラムにしてもよい。
【００６２】
また、上記積層構造ユニットにおいて、積層する部品の間に光学マッチングのための屈折液を充填し、不要な反射、屈折を防止することが有効である。
【００６３】
また、図６、図１２の各積層構造ユニットにおいて、ピンホールアレイＰＨと光検出器アレイ９との間に適当な密着度、すなわち隣接ピンホールからの迷光が光検出器に入射されない密着性が得られるのであれば、光ファイバー２８を省略するようにしてもよい。
【００６４】
図１３はこの発明の第５実施例を示すもので、この場合は先の図２１に示した構成に本発明を適用するようにしている。
【００６５】
この図１３の実施例においては、先の図２１に示した構成に対し、前記と同様の作用をなすホログラム２０をガラス基板４１を挟んでニポウ型（Ｎｉｐｋｏｗ）ピンホール基板１２の下に配すると共に、ピンホール基板１２の回転中心軸上に拡散球面波を発生する点光源を４２を配置し、この光源４２から参照光をホログラム２０に入射するようにしている。ピンホール基板１２の回転中心軸上に配置される点光源４２を得るために、光をレンズ４３によって集光して、ピンホール４４を通過させるようにしており、ピンホール４４はピンホール基板１２の回転中心軸上に配置する。
【００６６】
このように、拡散球面波の光源４２をピンホール基板１２の回転軸に配置するようにしてるので、ホログラムが回転されたとしても、ホログラム２０の同じ半径距離を有する各位置では常に同じ入射角度を持つ球面波が入射されることになり、ホログラムからの再生光が回転によって変化することはない。
【００６７】
かかる構成においては、ホログラム２０に直線偏光を有する拡散球面波の参照光が入射されると、ホログラム２０は、前記同様、ニポウ型（Ｎｉｐｋｏｗ）ピンホール基板１２の各ピンホールに点光源が存在するのと等価な光を再生する。該再生された光は１／４波長板１６によって円偏光に変換されると共に、レンズ１４ａ，開口絞り１５およびレンズ１４ｂによるテレセントリック光学系によって移動ステージ８上の被計測物体７上に結像される。被計測物体７で反射された光は１／４波長板１６によってその偏光面を９０゜回転されると共に、レンズ１４ａ，１４ｂによって集光されてピンホール基板１２の同じピンホールを通過する。ピンホール基板１２を通過した光は、偏光板１８を介して接眼レンズ１７に入射され、接眼レンズ１７によって光検出器アレイ９の光検出器上に結像される。なお、偏光板１８は、参照光のホログラム２０での透過光、散乱光、副次回折光がピンホール基板１２の各ピンホールを介して光検出器アレイ９に入射されないように設けられたもので、参照光の偏光方向は偏光板１２で吸収されるように設定されている。
【００６８】
かかる実施例によれば、先の図２１に示した従来構成に比べ、光源（参照光）の利用率が格段に向上すると共に、偏光ハーフミラー１１（図２１）による収差も考慮する必要がなくなる。さらに、従来構成のように、ピンホール基板１２の背後から光を投射して点光源を作り同一のピンホール基板の背後で受光するのではなく、ピンホール基板を通過した光と等価な点光源をホログラムによって作り出すので、ピンホール基板１２の反射光による観測信号のＳ／Ｎ比の悪化がない。
【００６９】
図１４および図１５は、それぞれ図１３の実施例で用いるホログラム２０を露光する際の構成を示すもので、図１４はホログラム２０の基板全体を一括で露光する場合を示し、図１５は分割露光する場合を示している。
【００７０】
図１４においては、ニポウ型ピンホール基板１２、ガラス基板４１およびホログラム２０を積層した状態で、回転軸上の適宜位置に配した点光源４２から球面波を参照光としてホログラム２０に一括照射すると共に、平行光を物体光としてピンホールに一括照射することにより、ホログラム２０を一括露光するようにしている。
【００７１】
図１５においては、ニポウ型ピンホール基板１２、ガラス基板４１およびホログラム２０を積層した状態で、回転軸上の適宜位置に配した点光源４２から球面波を参照光としてホログラム２０の一部領域に照射すると共に、この一部領域に対し平行物体光を照射することにより、ホログラムの一部領域を露光する。次に、基板全体を回転させることにより露光位置を変え、同様の露光処理を実行する。このようにして、何回かに分けてホログラムを露光する。なお、部分露光の際、未露光領域および既に露光を終了した領域は、マスクで覆って露光しないようにすることが必要である。
【００７２】
図１６は上記図１３に示した第５実施例の変形例であり、ホログラム２０をニポウ型ピンホール基板１２から離して配置することにより、参照光のホログラム２０での透過光がピンホール基板１２のピンホールに入射されてこれが光検出器で観測されたり、あるいは参照光がピンホール基板１２のピンホール以外の所で反射されてこれらピンホールを通過して光検出器で観測されたりすることを防止し、これにより先の図１３の実施例における１／４波長板１６、偏光板１８を省略するようにしている。勿論、図１６において、参照光は直線偏光にする必要はなく、またホログラム２０の回転軸とピンホールアレイ１２の回転軸は共通であり、これらは完全に同期して回転する。
【００７３】
なお、上記図１６の実施例では、ピンホール基板１２とホログラム２０を共通の回転軸に固定するようにしたが、これらピンホール基板１２とホログラム２０を共通の円筒に配設するようにしてもよい。
【００７４】
図１７〜図１９はこの発明の第６実施例を示すもので、透過型の共焦点光学装置に本発明を適用するようにしている。図１７は、３次元計測時の構成を示すもので、図１８はホログラム露光時の構成を示すものである。
【００７５】
ホログラム露光の際は、図１８に示すように、ピンホールアレイＰＨ、レンズ１４ａ，１４ｂおよびホログラム２０を図１７と同一位置関係に配置すると共に、ピンホールアレイＰＨに物体光を照射し、さらにホログラム２０に対し参照光を入射する。これにより、ピンホールアレイＰＨの各ピンホール位置に配した点光源像がレンズ１４ａ，１４ｂを介してホログラム２０に入射された光を、参照光によってホログラム２０に記録する。
【００７６】
そして、３次元計測の際は、図１７に示すように、検査面に被計測物体７を配置するとともに、ホログラム露光時の参照光と共役な光、すなわち参照光と逆の方向に伝搬する光を、参照光としてホログラム２０に入射する。この参照光によってホログラム２０は、図１７に示すように、検査面で焦点を結び、かつピンホールアレイＰＨでも焦点を結ぶ光、すなわち記録時と逆の方向に進む光を再生する。
【００７７】
したがって、検査面に置かれた被計測物体はホログラム２０の再生光により照射され、その透過光がピンホールアレイＰＨを介して光検出器アレイ９に入射されので、その入射光を光検出器で観察する。なお、この実施例において、図１９に示すように、ホログラム２０と検査面の間にリレーレンズ４５を配置するようにしてもよい。
【００７８】
この実施例によれば、光源をホログラムに置換することにより顕著な小型軽量化がなされ、かつ従来装置で必要な投光側のピンホール、結像レンズおよびそれらの位置合わせが不要となる。また、光源光の利用率も格段に向上する。
【００７９】
図２３はこの発明の更に別の実施例を示すものであり、この実施例ではピンホールアレイＰＨを削除し、その位置にガラス基板２５を配設している。また、ホログラム２０、ガラス基板２５、および光検出器アレイ９を平板状の積層構造として、一体的に構成している。
【００８０】
この実施例において、ホログラム２０の露光の際は、例えば、光検出器アレイ９の位置にピンホールアレイ（光検出器アレイの各光検出器の位置とピンホールアレイの各ピンホールの位置が１対１に対応している）を配置した状態で例えば図３に示すような平行光をピンホールアレイに入射し、この状態で参照光をホログラムに入射することにより、光検出器アレイ９の各光検出器の位置にあたかも点光源があるような露光を行う。
【００８１】
したがって、この図２３に示す実施例においては、参照光がホログラム２０に入射されると、光検出器アレイ９の各光検出器の位置に点光源が存在するのと等価な光がホログラム２０によって再生され、該再生された光はレンズ１４ａ、開口絞り１５、レンズ１４ｂを介して移動ステージ８上の被計測物体７上に結像される。被計測物体７で反射された光はレンズ１４ｂ、開口絞り１５、レンズ１４ａ、ホログラム２０、ガラス基板２５を介して光検出器アレイの９の各光検出器位置で結像される。
【００８２】
図２４は、先の図７に示した積層構造ユニット５０から偏光板２６を削除した積層構造ユニット８０を示すもので、また先の図１３に示した積層構造ユニット（ニポウ型ピンホール基板１２、ガラス基板４１、ホログラム２０）にも対応するもので、この積層構造ユニット８０は先の各実施例で示した各積層構造ユニットの最も基本的の構成である。
【００８３】
この積層構造ユニット８０は、基本的にはピンホールと同じ作用をなすものであるが、発光作用はホログラム２０によって行い、受光作用をピンホールアレイＰＨによって行っている。すなわち、点光源光は、ピンホールに光を照射することにより発生させるのではなく、ホログラム２０によってこれと等価な光を再生する。
【００８４】
この積層構造ユニット８０によれば、ホログラム２０を用いて点光源光を発生させているので、前述したように、光の利用効率を従来に比べ格段に向上させるとともに、ピンホールアレイＰＨに入射する光源光（図２０の光源１の光）がピンホール以外の部分で反射して光検出器アレイ９（図１参照）に入射されるのを好適に防止することが可能になる。
【００８５】
なお、上記各実施例においては、Ｚ方向の移動走査を行うべく移動ステージ８を設け、被計測物体７をＺ方向に移動可能な構成としたが、共焦点光学装置全体をＺ方向に移動可能なように構成するようにしてもよく、あるいはテレセントリック光学系の対物レンズ１４ａ，１４ｂをＺ方向に移動可能なように構成してもよい。また、テレセントリック光学系においては、その倍率は等倍、拡大、縮小の何れでもよい。
【００８６】
また、上記各実施例で用いたピンホールアレイは不要な反射を防止する目的で遮光部分の反射率が低いことが望ましく、例えばＣｒ２Ｏ３／Ｃｒ／Ｃｒ２Ｏ３の３層膜が好適である。
【００８７】
また、上記各実施例で用いたピンホールアレイの開口径と開口のピッチは他の共焦点光学系におけるパラメータと同様に、例えば開口ピッチが開口径の１０倍以上にするのが十分な共焦点効果を得るために適している。また、開口径の大きさは他の共焦点光学系におけるパラメータと同様にテレセントリック光学系の対物レンズ１４ａ，１４ｂの回折限界を考慮して決定すればよい。
【００８８】
また、上記各実施例で用いたホログラム２０は、ホログラム材をガラス基板に塗布したものを用いるようにしてもよい。この場合、ホログラム面あるいはガラス基板面での光の多重反射を防ぐ目的でホログラムガラス基板を光軸に対して斜めになるように配置するようにしてもよい。
【００８９】
また、上記各実施例で用いたホログラム２０は、ホログラム材をテレセントリック光学系の対物レンズ１４ａあるいは１４ｂに塗布し、レンズ自体をホログラム基板としてもよい。
【００９０】
また、上記各実施例における光検出器アレイ９としては、ＭＯＳ型あるいはＣＣＤ型のエリアセンサが好適である。
【００９１】
また、各実施例において、参照光、物体光は平行光である必要はなく、拡散光でもよい。特に、上記図１，図４，図５，図１１，図１７に示す実施例においては、参照光として平行面光線を用いるようにしたが、走査型のスリット光を用いるようにしてもよい。
【００９２】
また、上記各実施例において、ホログラム再生時の参照光はホログラム２０の再生に必要な空間、時間コヒーレンスをもった電磁波なら何れのコヒーレンスをもった電磁波でもよい。例えば、上記図４、図５、図１３、図１６に示したような反射型ホログラムを採用する場合、反射型ホログラムの波長選択性から参照光は時間コヒーレンス（単色性）の低い参照光を採用することができる。また、上記図５、図１２、図１３に示したようにイメージホログラムを採用する場合、イメージホログラムの角度選択性から空間コヒーレンスの低い参照光光源を採用できる。したがって、参照光用光源としては、空間、時間コヒーレンスともに高いレーザ、空間、時間コヒーレンスともに低い水銀灯やタングステンランプ、その他ＬＥＤ、スーパールミネッセントダイオード、レーザダイオードなどから、ホログラム特性にあわせて必要な空間、時間コヒーレンス、波長をもつ光源を選択するようにすればよい。
【００９３】
さらに、上記図１、図４、図１２、図１６、図１７に示す実施例において、設計上、ホログラム２０を透過する参照光またはホログラム２０の散乱光や副次回折光が光検出器アレイ９の検査面に入射される可能性があるときには、他の実施例と同様、偏光板および１／４波長板を採用すればよい。また、これら偏光板および１／４波長板の配設位置は任意であり、偏光板はピンホールアレイＰＨと光検出器アレイ９の間に配設するようにしてもよいし、ホログラム２０とピンホールアレイＰＨの間に配置するようにしてもよい。１／４波長板はホログラム２０と検査面の間であれば何処に配置してもよい。
【００９４】
また、図２３に示した、ピンホールアレイを省略した積層構造ユニット５０を他の図１、図２、図４、図５、図１１、図１３、図１６、図１７に示した実施例に適用するようにしてもよい。
【００９５】
さらに、上記各実施例において、被計測物体で反射された光を検出するのではなく、被計測物体に投射された光によって被計測物体自身が発生する蛍光を検出するようにしてもよい。この際、蛍光の波長以外の光を遮断する目的で、蛍光の波長を透過するバンドパスフィルタをピンホールアレイＰＨと光検出器アレイ９の間、あるいはホログラム２０とピンホールアレイＰＨの間に配置するようにしてもよい。
【００９６】
また、共焦点光学系の各構成要素はー例を示したもので、上記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。
【００９７】
【発明の効果】
以上説明したようにこの発明によれば、ホログラムによって点光源光と等価な光を再生し、ホログラムを点光源アレイおよびハーフミラーとして機能させるようにしたので、点光源用のピンホールアレイと受光用のピンホールアレイとの位置合わせが不要になる。またホログラムにはハーフミラーのような厚さがないので、光学的収差や対物レンズとの位置的な干渉が非常に少なくなる。
【００９８】
また、ホログラムの回折効率は任意に設定できるので、これを例えば５０％程度に設定すれば、従来のピンホール方式にくらべて光源光の利用効率が格段に向上する。また、ピンホールアレイに入射する光源光がピンホール以外の部分で反射して観察されていた従来の不具合を確実に防止することができる。
【００９９】
また、光検出器アレイ、開口アレイ、ホログラムを平面上に積層して一体構成とするようにすれば、小型、軽量かつ堅牢な共焦点光学ユニットを実現でき、高速移動走査にも耐えられる。また、ホログラムは光検出器アレイと検査面の間に配設すればよいので、設計の自由度が非常に大きくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施例を示す図。
【図２】第１実施例のホログラムを露光する際の構成を示す図。
【図３】ピンホールアレイの前面にマイクロレンズアレイを配置した図。
【図４】この発明の第２実施例を示す図。
【図５】この発明の第３実施例を示す図。
【図６】第３実施例の積層構造ユニットの詳細構成を示す図。
【図７】上記積層構造ユニットの製造法を説明する図。
【図８】上記積層構造ユニットの他の製造法を説明する図。
【図９】上記積層構造ユニットの他の例を示す図。
【図１０】上記積層構造ユニットの更に別の例を示す図。
【図１１】この発明の第４実施例を示す図。
【図１２】第４実施例に用いられる積層構造ユニットの詳細を示す図。
【図１３】この発明の第５実施例を示す図。
【図１４】第５実施例に用いられるホログラムの露光手法を説明する図。
【図１５】第５実施例に用いられるホログラムの他の露光法を説明する図。
【図１６】第５実施例の変形例を示す図。
【図１７】この発明の第６実施例を示す図。
【図１８】第６実施例に用いられるホログラムの露光法を示す図。
【図１９】第６実施例の変形例を示す図。
【図２０】従来技術を示す図。
【図２１】他の従来技術を示す図。
【図２２】積層構造ユニットの他の例を示す図。
【図２３】この発明の更に別の実施例を示す図。
【図２４】積層構造ユニットの他の例を示す図。
【符号の説明】
ＰＨ…ピンホールアレイ
４…ハーフミラー
５…レンズ
６…開口絞り
７…被計測物体
８…移動ステージ
９…光検出器アレイ
１４…レンズ
１５…開口絞り
２０…ホログラム
２４…マイクロレンズアレイ
３０…３次元計測部
４０…移動制御部
５０…積層構造ユニット
【発明の属する技術分野】
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、特にホログラムを利用した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】
物体の形状を測定する技術としては、例えば特開平４−２６５９１８号公報に示すように、共焦点光学系を２次元的に配置したものがあり、図２０にその構成を示す。
【０００３】
図２０において、光源１の光はレンズ２、３を介して平行光となりピンホールアレイＰＨ１に入射される。ピンホールアレイＰＨ１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ＰＨ１を通過した光はハーフミラー４を透過し、開口絞りによってテレセントリック系を構成するレンズ５ａ、５ｂによって集光され、被計測物体７に投光される。被計測物体７はＺ軸方向に変位可能な移動ステージ８上に載置されている。被計測物体７で反射された光はレンズ５ａ、５ｂで集光され、ハーフミラー４で反射され、ピンホールアレイＰＨ１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ＰＨ２を配設し、ピンホールを通過する光を、光検出器アレイ９の各光検出器で検出する。
【０００４】
かかる従来構成によれば、移動ステージ８をＺ方向に変位させながら、光検出器９の個々の出力を別々にサンプリングし、各々の光検出器の出力が最大になったときのＺ方向位置を物体７の表面位置として検出することができる。
【０００５】
しかしながら、上記従来装置には以下のような問題点がある。
【０００６】
（１）精度の高い共焦点効果を得るためには、ピンホールアレイＰＨ１およびＰＨ ２をお互いのピンホールのピッチが正確に合うように例えばサブミクロンの精度で精密に作成し、それらをハーフミラー４を挟んで共役な位置に前記 精度で精密に位置決めし、かつこれらを固定維持する必要がある。特にハ ーフミラー４は通常プリズム型が使用されるが、共焦点ユニットの光源の 焦点位置（ピンホールアレイＰＨ１）と受光の焦点（ピンホールアレイＰＨ ２）のハーフミラー４に対する距離は共焦点ユニット毎に違ったものになるので、前記位置決め精度を満足させるために、精度の高いプリズム型ハーフミラーを製作する必要がある。
（２）光線がプリズム型ハーフミラー４を通過する際の収差を考慮して対物レン ズ５の設計を行う必要がある。プリズム型ハーフミラー４の収差は、このプリズム型ハーフミラー４の辺長に相当する厚みを持った平板ガラスの収 差に相当するため、非常に大きく、この大きな収差を考慮した対物レンズ ５の設計は非常に難しいものとなる。
（３）プリズム型ハーフミラー４は立方体領域を必要とするため、対物レンズ５ ａから光源の焦点までの距離及び対物レンズ５ａから受光の焦点までの距 離はハーフミラー４の立方体の辺長より小さくすることはできず、小型軽 量化に限界がある。また、焦点距離の短い対物レンズを使用して計測に必 要な光学的開口率を得たい場合に非常に不利となる。
（４）ピンホールアレイＰＨ１に入射する光源光はピンホール以外の部分は透過しないので、光の利用効率が悪く、光源光の数％しか利用できない。したがって、十分な検出光量を得るために時間がかかり、ひいては物体の形状を 測定する時間を短縮するのに限界がある。
などの問題がある。
【０００７】
そこで、特開平１−５０３４９３号公報においては、上記問題点（１）〜（３）を解決すべく、光源の焦点位置と受光の焦点を同一ピンホールによって構成するようにしており、その構成を図２１に示す。
【０００８】
図２１において、Ｓ偏光の平行光は偏光ハーフミラー１１で反射されて、ピンホール基板１２に入射される。ピンホール基板１２は、円盤にピンホールを螺旋状に配置したニポウ型（Ｎｉｐｋｏｗ）ディスクであり、入射平行光を複数の点光源光に変換する。ピンホール基板１２はモータ１３によって回転されるようになっている。
【０００９】
ピンホール基板１２を通過した光は開口絞り１５によってテレセントリック系を構成したレンズ１４ａ、１４ｂによって集光されるとともに、１／４波長板１６によって円偏光に変換されて被計測物体７に投光される。被計測物体７はＺ方向に移動可能な移動ステージ８上に載置されている。被計測物体７で反射された光は１／４波長板１６によってＰ偏光に変換されると共に、レンズ１４ａ，１４ｂによって集光されてピンホール基板１２の同じピンホールを通過する。ピンホール基板１２を通過した光は、偏光ハーフミラー１１を透過し、Ｐ偏光を通過させる偏光版１８を透過することにより接眼レンズ１７を介して肉眼で観察される。被計測物体７のＸ−Ｙ方向の走査はモータ１３によってピンホール基板１２を回転させることにより行う。
【００１０】
この図２１に示す装置は光学顕微鏡に関する技術であるので、肉眼観察を前提にしている。従って、この図２１に示す構成によって先の図２０に示したような光センサによる３次元計測を行うためには、接眼レンズ１７の結像位置に光検出器アレイを配置すると共に、ニポウ型ディスクのピンホール基板１２を先の図２０に示したようなピンホールマトリックスアレイに置換すればよい。
【００１１】
かかる装置においては、光源の焦点と受光の焦点が同一のピンホールによって構成されるために、先の項目（１）〜（３）で示したような問題は解消されるが、依然として以下のような問題が残る。
【００１２】
（ａ）ピンホールアレイと光検出器アレイとの関係において、偏光ハーフミラー による収差、接眼レンズによる結像収差を考慮して、ピンホールアレイの 各ピンホールと光検出器アレイの各光検出器とを１対１に精度良く位置合 わせする必要がある。
（ｂ）ピンホールアレイ（ピンホール基板１２）に入射する光源光はピンホール 以外の部分は透過しないので、光の利用効率が悪く、光源光の数％しか利 用できない。したがって、十分な検出光量を得るために時間がかかり、ひ いては物体の形状を測定する時間を短縮するのに限界がある。すなわち、 上記（４）の問題は全く改善されない。
【００１３】
又、図２１の装置固有の問題点として、次のようなものが挙げられる。
（ｃ）ピンホール基板１２に入射する光源光はピンホール以外の部分では反射し てしまうので、ピンホール基板１２の反射率を、前記偏向特性を利用した り、あるいはピンホール基板１２自体を光軸に対してオフセットしたりす るなどを対策を行って反射光が観察されないようにすることが必要となる 。すなわちこれは、ピンホール基板の背後から光を投射して点光源を作り 、同一のピンホールによって受光する共焦点光学系によるところの問題で あり、この反射光は観測信号のＳ／Ｎ比を悪化させるので、十分な対策が 必要となる。
【００１４】
さらに、前記図２０または図２１に示す装置においては、形状計測時間を更に高速化するためには移動ステージ８を更に高速移動させる必要があるが、移動ステージ８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。
【００１５】
この問題を解決するための手法として、計測対象７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、上記従来技術では、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。
【００１６】
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、かつ各部の位置合わせを容易にでき、さらに光源光の利用効率を向上させるようにした共焦点光学装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段および作用】
請求項１に対応する第１発明では、開口と、所定の検査点上に配設される被計測物体と、前記開口位置を第１の集光位置とし、前記検査点位置を第２の集光位置とするよう光を導光する光学手段と、ホログラムの参照光用の光源と、前記開口と検査点との間の所定位置に配設され、前記光源からの光を参照光として前記開口から出射される点光源光がこの所定位置を通過する際の光と等価な光を再生するホログラムと、前記開口を挟んで前記光学手段と反対側に配設され、前記開口を通過した光を検出する光検出器とを具え、前記被計測物体で散乱された前記ホログラム再生光を前記ホログラム、光学手段及び開口を介して前記光検出器に入射するようにしたことを特徴とする。前記ホログラムは、実質的に、従来装置における点光源アレイ（ピンホール）とハーフミラーの役割を兼ねる光学部品として機能する。
【００１８】
すなわち、第１発明では、ホログラムに参照光を入射することにより、前記開口から出射される点光源からの光と等価な光を再生し、この再生光を直接あるいは前記光学手段を介して被計測物体上に集光する。被計測物体で散乱した光は光学手段、ホログラムを介することにより開口に集光された後この開口を通過し、光検出器で検出される。
【００１９】
請求項２に対応する第２発明では、２次元配置された複数の開口を有する開口アレイと、所定の検査面上に配設される被計測物体と、前記開口アレイ位置を第１の集光位置とし、前記検査面位置を第２の集光位置とするよう光を導光する光学手段と、ホログラムの参照光用の光源と、前記開口アレイと検査面との間の所定位置に配設され、前記光源からの光を参照光として前記開口アレイの各開口から出射される各点光源光がこの所定位置を通過する際の光と等価な光を再生するホログラムと、前記開口アレイを挟んで前記光学手段と反対側に配設され、前記開口アレイの各開口を通過した光を検出する複数の光検出器を有する光検出器アレイとを具え、前記被計測物体で散乱された前記ホログラム再生光を前記ホログラム、光学手段および開口アレイを介して前記光検出器アレイの各光検出器に入射するようにしたことを特徴とする。
【００２０】
係る第２発明によれば、ホログラムに参照光を入射することにより、前記開口アレイの各開口から出射される点光源からの光と等価な光を再生し、この再生光を直接あるいは前記光学手段を介して被計測物体上に集光する。被計測物体で散乱した光は光学手段、ホログラムを介することにより開口アレイの各開口に集光された後各開口を通過し、光検出器アレイの各光検出器で検出される。
【００２１】
請求項４に対応する第３発明では、２次元配置された複数の開口を有する開口アレイと、所定の検査面上に配設される光透過性を有する被計測物体と、前記開口アレイ位置を第１の集光位置とし、前記検査面位置を第２の集光位置とするよう光を導光する光学手段と、ホログラムの参照光用の光源と、前記検査面上の被計測物体を挟んで前記光学手段と反対側の所定位置に配設され、前記光源からの光を参照光として前記開口アレイの各開口から出射される点光源光が前記所定位置を通過する際の光と逆向きの光と等価な光を再生するホログラムと、前記開口アレイを挟んで前記光学手段と反対側に配設され、前記開口アレイの各開口を通過した光を検出する複数の光検出器を有する光検出器アレイとを具え、前記被計測物体を透過した前記ホログラム再生光を前記光学手段および開口アレイを介して前記光検出器アレイの各光検出器に入射するようにしたことを特徴とする。
【００２２】
係る第３発明によれば、ホログラムは前記検査面上の被計測物体を挟んで前記光学手段と反対側の所定位置に配設される。即ち第３発明では、ホログラムに参照光を入射することにより、前記開口アレイの各開口から出射される点光源光が前記所定位置を通過する際の光と逆向きの光と等価な光を再生し、この再生光を前記被計測物体を透過させる。被計測物体を透過した光は光学手段を介することにより開口アレイの各開口に集光された後各開口を通過し、光検出器アレイの各光検出器で検出される。
【００２３】
請求項１０に対応する第４発明では、複数の光検出器を２次元配置した光検出器アレイと、 所定の検査面上に配設される被計測物体と、前記光検出器アレイの各光検出器位置を第１の集光位置とし、前記検査面位置を第２の集光位置とするよう光を導光する光学手段と、ホログラムの参照光用の光源と、前記光検出器アレイと光学手段との間に配設され、前記光源からの光を参照光として前記光検出器アレイの各光検出器位置から出射される点光源光と等価な光を再生するホログラムとを具え、前記再生されたホログラム再生光を前記光学手段を介して被計測物体に照射するとともに、該被計測物体で散乱されたホログラム再生光を前記光学手段およびホログラムを介して前記光検出器アレイの各光検出器に入射するようにしている。
【００２４】
かかる第４発明では開口アレイを省略するようにしている。すなわちこの第４発明では、光検出器アレイの各光検出器の位置にあたかも点光源があるようなホログラム露光を行う。したがって、再生されたホログラム再生光は前記光学手段を介して被計測物体に照射される。そして、被計測物体で散乱されたホログラム再生光は前記光学手段およびホログラムを介して前記光検出器アレイの各光検出器に入射される。
【００２５】
請求項１２に対応する第５発明の光学装置では、複数の開口が２次元配置された開口アレイと、この開口アレイ下に積層されるガラス基板と、このガラス基板下に積層され、参照光が入射されると前記開口アレイの各開口から出射される点光源光と等価な光を再生するホログラムとを具え、前記開口アレイとホログラムによってピンホールの作用をなすようにしたことを特徴としている。
【００２６】
かかる第５発明では、ホログラムによって開口アレイの各開口に点光源が位置しているのと等価な光を再生する。したがって、この場合、点光源光を発生させるためには開口アレイを必要とはしない。開口アレイは、例えば、ホログラム再生光が被計測物体で反射された後の光を受光するために用いられる。すなわち、このピンホール機能を有する光学装置では、発光作用はホログラムで行い、受光作用を開口アレイで行う。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下この発明の実施例を添付図面に従って詳細に説明する。
【００２８】
図１はこの発明の第１実施例を示すもので、７は被計測物体、８はＺ方向に移動可能な移動ステージ、９は複数の光検出器がマトリックス状に配置された光検出器アレイ、ＰＨは複数のピンホールがマトリックス状に配置されたピンホールアレイ、１４ａ，１４ｂは対物レンズ、１５は開口絞り、２０はホログラム、２１は参照光用光源、２２，２３はレンズ、３０は光検出器の出力に基づいて被計測物体７の３次元計測を行う３次元計測部、４０は移動ステージ８の移動制御を行う移動制御部である。レンズ１４ａ，１４ｂは、開口絞り１５によって謂ゆるテレセントリック光学系を形成する。
【００２９】
かかる構成において、ホログラム２０は点光源光の発生手段として用いられるもので、光源２１からの参照光が入射されることによって、あたかもピンホールアレイＰＨの各ピンホールから光が出射したような光を再生する。
【００３０】
したがって、光源１からレンズ２２、２３を介して参照光がホログラム２０に入射されると、ピンホールアレイＰＨの各ピンホールに点光源が存在するのと等価な光がホログラム２０によって再生される。そして、該再生された光はレンズ１４ｂによって移動ステージ８上の被計測物体７上に結像される。なお、図１では、便宜上１つのピンホールから出射した光を示しているが、実際は全てのピンホールから光が出射したのと等価な複数の点像が検査面上に結像される。
【００３１】
被計測物体７で反射された光はレンズ１４ｂ、ホログラム２０、開口絞り１５を介してレンズ１４ａに入射され、レンズ１４ａによってピンホールアレイＰＨの各ピンホール位置に結像される。光検出器アレイの９の各光検出器はピンホールアレイＰＨの各ピンホールに対応する位置に配されており、各ピンホールを通過した光の受光強度を検出する。
【００３２】
光検出器アレイ９の各光検出器の出力は３次元計測部３０に入力されており、３次元計測部３０では移動制御部４０の制御による移動ステージ８のＺ方向への移動に伴って光検出器アレイ９の個々の検出器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方向位置を被計測物体７の表面位置として検出する。
【００３３】
ここで、ホログラム２０に対する参照光の入射角度Φとしては、ホログラム２０で反射または透過した光が直接またはレンズ１４ｂ，開口絞り１５等を介して被計測物体７の検査面あるいは前記光検出器アレイ９の検出面に入射されないようにできるだけ小さくしたほうが望ましい。しかし、入射角度Φを小さくし過ぎるとホログラム媒質中に入る光が少なくなって満足な光量の点光源を再生および露光することができなくなるので、これら両方の条件が満足されるように入射角度Φを設定するようにする。なお、入射角度Φを小さくするということは、テレセントリック系の各光学部品１４ａ、１４ｂ，１５の間隔を詰めて配置することができ、より装置を小型化できるという利点も持つ。
【００３４】
なお、図１において、ホログラム２０は破線で示す位置＊１（ピンホールアレイＰＨとレンズ１４ａの間）、または＊２の位置（レンズ１４ｂと検査面の間）に配置するようにしてもよい。さらにこのホログラム２０は、レンズ１４ａと開口絞り１５の間に配置するようにしてもよい。すなわち、ホログラム２０は、ピンホールアレイＰＨと検査面の間であれば、光路中のどのに配置してもよい。
【００３５】
図２は、ホログラム２０を露光する際の構成を示すもので、ピンホールアレイＰＨ、レンズ１４ａ、開口絞り１５、光源２１、およびレンズ２２，２３として図１と同じものを用い、且つこれらを図１と同じ位置関係に配置する。
【００３６】
この状態で、光源２１から参照光をホログラム２０に入射するとともに、平行光を物体光としてピンホールアレイＰＨに入射する。この結果、ピンホールアレイに形成された複数の点光源像がレンズ１４ａによって平行光になった状態でホログラム２０に入射され、記録される。この場合は、参照光と物体光がホログラム２０の片側から入射されるので、ホログラム２０は透過型となる。
【００３７】
ホログラム２０の回折効率を例えば５０％とすれば、参照光の５０％が被計測物体７に照射され、物体７からの反射光の約５０％がホログラム２０を透過して光検出器アレイ９に入射されることになり、光源光の利用効率を従来より格段に向上させることができる。
【００３８】
ホログラム２０の材質としては、銀塩感光材、ポリマー感光材などを用いることができるが、特にポリマー材の場合は、ホログラム露光後に紫外線照射や加熱により回折効率の調整や定着が可能であるので、露光したホログラム２０を図２の装置から取り外すことなく定着が可能であり、その後のホログラム２０とピンホールアレイＰＨとの位置合わせが不要になる。
【００３９】
以上のようにしてホログラムの露光が終了すると、ピンホールアレイＰＨの各ピンホールに各光検出器の開口が合うように光検出器アレイ９を設置する。そして、先のホログラム露光の際にレンズ１４ｂが未設置の場合は、レンズ１４ｂを設置して光学系が完成する。
【００４０】
なお、ホログラム２０を図示実線で示す位置に配置する場合には、露光の際はレンズ１４ｂは不要である。しかし、破線位置＊２にホログラム２０を配置する場合には、露光の際もレンズ１４ｂを配置する。また、破線位置＊１にホログラム２０を配置する場合には、露光の際、レンズ１４ａ，１４ｂは不要である。
【００４１】
図３は、ホログラム露光時の光の利用率を向上するためと、点光源の開口数ＮＡを所定の値に設定するために、ピンホールアレイＰＨの前面にマイクロレンズアレイ２４を設置した状態を示すもので、この状態でホログラム露光を行うようにする。マイクロレンズアレイ２４のレンズピッチはピンホールアレイＰＨの開口ピッチと同じとする。
【００４２】
図４はこの発明の第２実施例を示すもので、この場合はホログラム２０として反射型ホログラムを用いるようにしている。すなわち、この場合は、ホログラム２０を挟んでピンホールアレイＰＨの反対側から参照光をホログラム２０に入射するようにしている。なお、この図４に示すタイプにおいても、破線位置＊１，＊２にホログラムを配置するようにしてもよい。勿論、この実施例においても、ホログラム２０は、先の第１実施例と同様、ピンホールアレイＰＨの各ピンホールに点光源が存在するのと等価な光を再生する。
【００４３】
また、この図の実施例では、ピンホールアレイＰＨの各ピンホールを通過する光を接眼レンズ１７を介して１対１で光検出器アレイ９の各光検出器に結像するようにしている。この場合、ピンホールアレイＰＨのピンホールのピッチと光検出器アレイ９の光検出器のピッチは同一である必要はなく、接眼レンズ１７の倍率に対応して各々のピッチを設定すればよい。
【００４４】
図５はこの発明の第３実施例を示すものであり、この第３実施例は先の図４の変形例であり、図４の実施例において、ホログラム２０を破線位置＊１に配置した場合の特殊な例である。この第３実施例においては、図４の接眼レンズ１７を削除すると共に、光検出器アレイ９、ピンホールアレイＰＨおよびホログラム２０を、図６に示すように、平板状の積層構造として、一体的に構成している。以下、この一体化部分を積層構造ユニット５０という。
【００４５】
すなわち、積層構造ユニット５０は、図６に示すように、ホログラム２０、透明光学基板（ガラス基板）２５、偏光板２６、ガラス基板２７、ピンホールアレイＰＨ、光ファイバー２８、光検出器アレイ９を有し、これらの積層構造となっている。
【００４６】
かかる図６に示す構成において、ホログラム２０とピンホールアレイＰＨとは近接した位置関係にあるので、ホログラム２０を透過する参照光がピンホールアレイＰＨを介して光検出器アレイ９の検出面に入射される可能性がある。また、ホログラムの特性によっては、散乱光や副次回折光が再生されるので、同様にこれらの光がピンホールアレイＰＨを介して光検出器アレイ９の検出面に入射される可能性がある。
【００４７】
これらを防止するために、ガラス基板２５と２７の間に偏光板２６を配設するとともに、参照光を偏光板２６によって遮断される側の直線偏光とするようにしている。
【００４８】
図５、図６に示す構成においては、ホログラム２０によって再生された点光源光は１／４波長板２９の作用によって円偏光に変換されると共に、テレセントリック光学系レンズ１４ａ、１４ｂによって被計測物体７の検査面上に結像する。被計測物体７で反射された光は、前記同様にして、レンズ１４ｂ，１／４波長板２９、レンズ１４ａを介してピンホールアレイＰＨのピンホールで結像する。なお、この際、被計測物体７で反射された円偏光は１／４波長板２９の作用により参照光と垂直な方向の直線偏光となるため、偏光板２６を通過することができる。ピンホールに入射した光は光ファイバー束２８を介して光検出器アレイ９の各光検出器に入射される。
【００４９】
かかる第３実施例においては、光検出器アレイ９、ピンホールアレイＰＨおよびホログラム２０を平面上に積層して一体構成としているので、小型軽量且つ堅牢な共焦点光学ユニットを実現できる。
【００５０】
また、この第３実施例では、参照光を所定の入射角を持つ平行光としかつ上記積層構造ユニット５０をＸ−Ｙ方向に移動可能なように構成すれば、ピンホールとピンホールの間の部分に対応する位置の３次元計測を行うこともできる。
【００５１】
さらにこの第３実施例では、ホログラム２０が、その再生する点光源の距離がホログラムに近い、謂ゆるイメージホログラムであるため、参照光の入射角度選択性が高い。すなわち、参照光の空間コヒーレンスや角度の許容度が大きいので、空間コヒーレンスの低い光源を採用することができ、光源の位置ズレに対しても許容度の高い構成となる。
【００５２】
図７は上記積層構造ユニット５０のホログラム２０を露光する際の構成を示すもので、まず、ガラス基板２７の片面にピンホールアレイマスクＰＨを形成すると共に、ガラス基板２５の片面にホログラム材２０を塗布する。そして、この状態でピンホールアレイＰＨ側から平行光を入射すると共に、ホログラム２０側から参照光を入射することにより、ピンホールアレイＰＨから出射される光をホログラム２０に記録する。但し、この際、平行光と参照光との直線偏光の方向が異なれば露光ができないので、これら双方の光は共に偏光板２６を透過する方向の直線偏光にする。勿論、ホログラムを再生する時の参照光は、前述したように、偏光板２６を透過してピンホールに入射されないように、偏光板２６で吸収される方向の直線偏光とする。
【００５３】
なお、上記積層構造ユニットのホログラム２０を露光する際、図８に示すように、マイクロレンズを２４を配置することにより、光の利用率を向上させるとともに、点光源の開口数ＮＡを所望の値に設定するようにしてもよい。
【００５４】
図９は上記積層構造ユニット５０の変形例を示すもので、この場合は光ファイバー２８とピンホールアレイＰＨの間にマイクロレンズアレイ２４を配置するようにしている。
【００５５】
図１０も上記積層構造ユニットの変形例を示すもので、この場合は光検出器アレイ９とピンホールアレイＰＨの間に平板型のマイクロレンズアレイ２４を配置するようにしている。この場合は、平板型マイクロレンズアレイ２４と光検出器アレイ９との間に充分な密着性が得られるので、光ファイバー２８を省略するようにしている。
【００５６】
図１１はこの発明の第４実施例を示すもので、この場合はホログラム２０として、ＵＳＰ４６４３５１５号に示されるような、エッジイルミネイテッドホログラムを用いるようにしており、参照光はホログラム２０のガラス基板の側面から入射させることができる。図１２は、図１１の積層構造ユニット７０の詳細構成を示すもので、エッジイルミネイテッドホログラム２０、ガラス基板２９、ピンホールアレイＰＨ、光ファイバー２８および光検出器アレイ９から構成されている。
【００５７】
この第４実施例においては、参照光がホログラム側面から入射される点のみが他の実施例と異なり、それ以外は先の実施例と全く同様に動作する。なお、この実施例においても、ホログラム２０を図示破線位置＊１，＊２，＊３に配置するようにしてもよい。
【００５８】
かかる第４実施例においては、参照光をホログラムのガラス基板の側面から入射させることができるので、共焦点光学装置をさらに小型化できる。すなわち、テレセントリック系のレンズ１４ａ，１４ｂは、収差などの特性を改善するために通常は多群、複数枚構成になっているが、先の図１，図４に示した構成において、参照光のホログラムによる反射光や透過光が直接これらのレンズや開口絞りに入射されないようにするためには、これらテレセントリック系の各光学部品をある程度の間隔を持って配置する必要がある。これに対し、上記エッジイルミネイテッドホログラムを用いた場合は、ホログラムでの反射光や透過光の角度が非常に浅いので、上記テレセントリック系の各光学部品の間隔を詰めて配置することができ、より装置を小型化することが可能になる。
【００５９】
また、上記図１２の積層構造ユニット７０においては、参照光のホログラム２０への入射角が浅いので、その反射光は通常はピンホールＰＨに入射されない。また、仮に、該反射光がピンホールに向かったとしても、ピンホール側のガラス界面への入射角度が浅いので、臨界角となった光は全反射し、ピンホールには入射されない。よって、ホログラム２０の散乱光や副次回折光の影響が少なければ、先の図６や図９に示した実施例を用いた偏光板２６が不要になるという利点も持つ。
【００６０】
図２２は、図１２の積層構造ユニット７０の変形であり、反射型エッジイルミネイテッドホログラムになっている。ホログラム２０を透過する参照光、あるいはホログラムの散乱光、副次回折光を遮断するために偏光板２６を配している。さらに１／４波長板１６も積層構造としてガラスＣに密着させ、一体化している。
【００６１】
これら積層構造ユニット７０において、ホログラム２０は透過型あるいは反射型であるが、参照光がエバネッセント波によるエッジイルミネイテッドホログラムにしてもよい。
【００６２】
また、上記積層構造ユニットにおいて、積層する部品の間に光学マッチングのための屈折液を充填し、不要な反射、屈折を防止することが有効である。
【００６３】
また、図６、図１２の各積層構造ユニットにおいて、ピンホールアレイＰＨと光検出器アレイ９との間に適当な密着度、すなわち隣接ピンホールからの迷光が光検出器に入射されない密着性が得られるのであれば、光ファイバー２８を省略するようにしてもよい。
【００６４】
図１３はこの発明の第５実施例を示すもので、この場合は先の図２１に示した構成に本発明を適用するようにしている。
【００６５】
この図１３の実施例においては、先の図２１に示した構成に対し、前記と同様の作用をなすホログラム２０をガラス基板４１を挟んでニポウ型（Ｎｉｐｋｏｗ）ピンホール基板１２の下に配すると共に、ピンホール基板１２の回転中心軸上に拡散球面波を発生する点光源を４２を配置し、この光源４２から参照光をホログラム２０に入射するようにしている。ピンホール基板１２の回転中心軸上に配置される点光源４２を得るために、光をレンズ４３によって集光して、ピンホール４４を通過させるようにしており、ピンホール４４はピンホール基板１２の回転中心軸上に配置する。
【００６６】
このように、拡散球面波の光源４２をピンホール基板１２の回転軸に配置するようにしてるので、ホログラムが回転されたとしても、ホログラム２０の同じ半径距離を有する各位置では常に同じ入射角度を持つ球面波が入射されることになり、ホログラムからの再生光が回転によって変化することはない。
【００６７】
かかる構成においては、ホログラム２０に直線偏光を有する拡散球面波の参照光が入射されると、ホログラム２０は、前記同様、ニポウ型（Ｎｉｐｋｏｗ）ピンホール基板１２の各ピンホールに点光源が存在するのと等価な光を再生する。該再生された光は１／４波長板１６によって円偏光に変換されると共に、レンズ１４ａ，開口絞り１５およびレンズ１４ｂによるテレセントリック光学系によって移動ステージ８上の被計測物体７上に結像される。被計測物体７で反射された光は１／４波長板１６によってその偏光面を９０゜回転されると共に、レンズ１４ａ，１４ｂによって集光されてピンホール基板１２の同じピンホールを通過する。ピンホール基板１２を通過した光は、偏光板１８を介して接眼レンズ１７に入射され、接眼レンズ１７によって光検出器アレイ９の光検出器上に結像される。なお、偏光板１８は、参照光のホログラム２０での透過光、散乱光、副次回折光がピンホール基板１２の各ピンホールを介して光検出器アレイ９に入射されないように設けられたもので、参照光の偏光方向は偏光板１２で吸収されるように設定されている。
【００６８】
かかる実施例によれば、先の図２１に示した従来構成に比べ、光源（参照光）の利用率が格段に向上すると共に、偏光ハーフミラー１１（図２１）による収差も考慮する必要がなくなる。さらに、従来構成のように、ピンホール基板１２の背後から光を投射して点光源を作り同一のピンホール基板の背後で受光するのではなく、ピンホール基板を通過した光と等価な点光源をホログラムによって作り出すので、ピンホール基板１２の反射光による観測信号のＳ／Ｎ比の悪化がない。
【００６９】
図１４および図１５は、それぞれ図１３の実施例で用いるホログラム２０を露光する際の構成を示すもので、図１４はホログラム２０の基板全体を一括で露光する場合を示し、図１５は分割露光する場合を示している。
【００７０】
図１４においては、ニポウ型ピンホール基板１２、ガラス基板４１およびホログラム２０を積層した状態で、回転軸上の適宜位置に配した点光源４２から球面波を参照光としてホログラム２０に一括照射すると共に、平行光を物体光としてピンホールに一括照射することにより、ホログラム２０を一括露光するようにしている。
【００７１】
図１５においては、ニポウ型ピンホール基板１２、ガラス基板４１およびホログラム２０を積層した状態で、回転軸上の適宜位置に配した点光源４２から球面波を参照光としてホログラム２０の一部領域に照射すると共に、この一部領域に対し平行物体光を照射することにより、ホログラムの一部領域を露光する。次に、基板全体を回転させることにより露光位置を変え、同様の露光処理を実行する。このようにして、何回かに分けてホログラムを露光する。なお、部分露光の際、未露光領域および既に露光を終了した領域は、マスクで覆って露光しないようにすることが必要である。
【００７２】
図１６は上記図１３に示した第５実施例の変形例であり、ホログラム２０をニポウ型ピンホール基板１２から離して配置することにより、参照光のホログラム２０での透過光がピンホール基板１２のピンホールに入射されてこれが光検出器で観測されたり、あるいは参照光がピンホール基板１２のピンホール以外の所で反射されてこれらピンホールを通過して光検出器で観測されたりすることを防止し、これにより先の図１３の実施例における１／４波長板１６、偏光板１８を省略するようにしている。勿論、図１６において、参照光は直線偏光にする必要はなく、またホログラム２０の回転軸とピンホールアレイ１２の回転軸は共通であり、これらは完全に同期して回転する。
【００７３】
なお、上記図１６の実施例では、ピンホール基板１２とホログラム２０を共通の回転軸に固定するようにしたが、これらピンホール基板１２とホログラム２０を共通の円筒に配設するようにしてもよい。
【００７４】
図１７〜図１９はこの発明の第６実施例を示すもので、透過型の共焦点光学装置に本発明を適用するようにしている。図１７は、３次元計測時の構成を示すもので、図１８はホログラム露光時の構成を示すものである。
【００７５】
ホログラム露光の際は、図１８に示すように、ピンホールアレイＰＨ、レンズ１４ａ，１４ｂおよびホログラム２０を図１７と同一位置関係に配置すると共に、ピンホールアレイＰＨに物体光を照射し、さらにホログラム２０に対し参照光を入射する。これにより、ピンホールアレイＰＨの各ピンホール位置に配した点光源像がレンズ１４ａ，１４ｂを介してホログラム２０に入射された光を、参照光によってホログラム２０に記録する。
【００７６】
そして、３次元計測の際は、図１７に示すように、検査面に被計測物体７を配置するとともに、ホログラム露光時の参照光と共役な光、すなわち参照光と逆の方向に伝搬する光を、参照光としてホログラム２０に入射する。この参照光によってホログラム２０は、図１７に示すように、検査面で焦点を結び、かつピンホールアレイＰＨでも焦点を結ぶ光、すなわち記録時と逆の方向に進む光を再生する。
【００７７】
したがって、検査面に置かれた被計測物体はホログラム２０の再生光により照射され、その透過光がピンホールアレイＰＨを介して光検出器アレイ９に入射されので、その入射光を光検出器で観察する。なお、この実施例において、図１９に示すように、ホログラム２０と検査面の間にリレーレンズ４５を配置するようにしてもよい。
【００７８】
この実施例によれば、光源をホログラムに置換することにより顕著な小型軽量化がなされ、かつ従来装置で必要な投光側のピンホール、結像レンズおよびそれらの位置合わせが不要となる。また、光源光の利用率も格段に向上する。
【００７９】
図２３はこの発明の更に別の実施例を示すものであり、この実施例ではピンホールアレイＰＨを削除し、その位置にガラス基板２５を配設している。また、ホログラム２０、ガラス基板２５、および光検出器アレイ９を平板状の積層構造として、一体的に構成している。
【００８０】
この実施例において、ホログラム２０の露光の際は、例えば、光検出器アレイ９の位置にピンホールアレイ（光検出器アレイの各光検出器の位置とピンホールアレイの各ピンホールの位置が１対１に対応している）を配置した状態で例えば図３に示すような平行光をピンホールアレイに入射し、この状態で参照光をホログラムに入射することにより、光検出器アレイ９の各光検出器の位置にあたかも点光源があるような露光を行う。
【００８１】
したがって、この図２３に示す実施例においては、参照光がホログラム２０に入射されると、光検出器アレイ９の各光検出器の位置に点光源が存在するのと等価な光がホログラム２０によって再生され、該再生された光はレンズ１４ａ、開口絞り１５、レンズ１４ｂを介して移動ステージ８上の被計測物体７上に結像される。被計測物体７で反射された光はレンズ１４ｂ、開口絞り１５、レンズ１４ａ、ホログラム２０、ガラス基板２５を介して光検出器アレイの９の各光検出器位置で結像される。
【００８２】
図２４は、先の図７に示した積層構造ユニット５０から偏光板２６を削除した積層構造ユニット８０を示すもので、また先の図１３に示した積層構造ユニット（ニポウ型ピンホール基板１２、ガラス基板４１、ホログラム２０）にも対応するもので、この積層構造ユニット８０は先の各実施例で示した各積層構造ユニットの最も基本的の構成である。
【００８３】
この積層構造ユニット８０は、基本的にはピンホールと同じ作用をなすものであるが、発光作用はホログラム２０によって行い、受光作用をピンホールアレイＰＨによって行っている。すなわち、点光源光は、ピンホールに光を照射することにより発生させるのではなく、ホログラム２０によってこれと等価な光を再生する。
【００８４】
この積層構造ユニット８０によれば、ホログラム２０を用いて点光源光を発生させているので、前述したように、光の利用効率を従来に比べ格段に向上させるとともに、ピンホールアレイＰＨに入射する光源光（図２０の光源１の光）がピンホール以外の部分で反射して光検出器アレイ９（図１参照）に入射されるのを好適に防止することが可能になる。
【００８５】
なお、上記各実施例においては、Ｚ方向の移動走査を行うべく移動ステージ８を設け、被計測物体７をＺ方向に移動可能な構成としたが、共焦点光学装置全体をＺ方向に移動可能なように構成するようにしてもよく、あるいはテレセントリック光学系の対物レンズ１４ａ，１４ｂをＺ方向に移動可能なように構成してもよい。また、テレセントリック光学系においては、その倍率は等倍、拡大、縮小の何れでもよい。
【００８６】
また、上記各実施例で用いたピンホールアレイは不要な反射を防止する目的で遮光部分の反射率が低いことが望ましく、例えばＣｒ２Ｏ３／Ｃｒ／Ｃｒ２Ｏ３の３層膜が好適である。
【００８７】
また、上記各実施例で用いたピンホールアレイの開口径と開口のピッチは他の共焦点光学系におけるパラメータと同様に、例えば開口ピッチが開口径の１０倍以上にするのが十分な共焦点効果を得るために適している。また、開口径の大きさは他の共焦点光学系におけるパラメータと同様にテレセントリック光学系の対物レンズ１４ａ，１４ｂの回折限界を考慮して決定すればよい。
【００８８】
また、上記各実施例で用いたホログラム２０は、ホログラム材をガラス基板に塗布したものを用いるようにしてもよい。この場合、ホログラム面あるいはガラス基板面での光の多重反射を防ぐ目的でホログラムガラス基板を光軸に対して斜めになるように配置するようにしてもよい。
【００８９】
また、上記各実施例で用いたホログラム２０は、ホログラム材をテレセントリック光学系の対物レンズ１４ａあるいは１４ｂに塗布し、レンズ自体をホログラム基板としてもよい。
【００９０】
また、上記各実施例における光検出器アレイ９としては、ＭＯＳ型あるいはＣＣＤ型のエリアセンサが好適である。
【００９１】
また、各実施例において、参照光、物体光は平行光である必要はなく、拡散光でもよい。特に、上記図１，図４，図５，図１１，図１７に示す実施例においては、参照光として平行面光線を用いるようにしたが、走査型のスリット光を用いるようにしてもよい。
【００９２】
また、上記各実施例において、ホログラム再生時の参照光はホログラム２０の再生に必要な空間、時間コヒーレンスをもった電磁波なら何れのコヒーレンスをもった電磁波でもよい。例えば、上記図４、図５、図１３、図１６に示したような反射型ホログラムを採用する場合、反射型ホログラムの波長選択性から参照光は時間コヒーレンス（単色性）の低い参照光を採用することができる。また、上記図５、図１２、図１３に示したようにイメージホログラムを採用する場合、イメージホログラムの角度選択性から空間コヒーレンスの低い参照光光源を採用できる。したがって、参照光用光源としては、空間、時間コヒーレンスともに高いレーザ、空間、時間コヒーレンスともに低い水銀灯やタングステンランプ、その他ＬＥＤ、スーパールミネッセントダイオード、レーザダイオードなどから、ホログラム特性にあわせて必要な空間、時間コヒーレンス、波長をもつ光源を選択するようにすればよい。
【００９３】
さらに、上記図１、図４、図１２、図１６、図１７に示す実施例において、設計上、ホログラム２０を透過する参照光またはホログラム２０の散乱光や副次回折光が光検出器アレイ９の検査面に入射される可能性があるときには、他の実施例と同様、偏光板および１／４波長板を採用すればよい。また、これら偏光板および１／４波長板の配設位置は任意であり、偏光板はピンホールアレイＰＨと光検出器アレイ９の間に配設するようにしてもよいし、ホログラム２０とピンホールアレイＰＨの間に配置するようにしてもよい。１／４波長板はホログラム２０と検査面の間であれば何処に配置してもよい。
【００９４】
また、図２３に示した、ピンホールアレイを省略した積層構造ユニット５０を他の図１、図２、図４、図５、図１１、図１３、図１６、図１７に示した実施例に適用するようにしてもよい。
【００９５】
さらに、上記各実施例において、被計測物体で反射された光を検出するのではなく、被計測物体に投射された光によって被計測物体自身が発生する蛍光を検出するようにしてもよい。この際、蛍光の波長以外の光を遮断する目的で、蛍光の波長を透過するバンドパスフィルタをピンホールアレイＰＨと光検出器アレイ９の間、あるいはホログラム２０とピンホールアレイＰＨの間に配置するようにしてもよい。
【００９６】
また、共焦点光学系の各構成要素はー例を示したもので、上記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。
【００９７】
【発明の効果】
以上説明したようにこの発明によれば、ホログラムによって点光源光と等価な光を再生し、ホログラムを点光源アレイおよびハーフミラーとして機能させるようにしたので、点光源用のピンホールアレイと受光用のピンホールアレイとの位置合わせが不要になる。またホログラムにはハーフミラーのような厚さがないので、光学的収差や対物レンズとの位置的な干渉が非常に少なくなる。
【００９８】
また、ホログラムの回折効率は任意に設定できるので、これを例えば５０％程度に設定すれば、従来のピンホール方式にくらべて光源光の利用効率が格段に向上する。また、ピンホールアレイに入射する光源光がピンホール以外の部分で反射して観察されていた従来の不具合を確実に防止することができる。
【００９９】
また、光検出器アレイ、開口アレイ、ホログラムを平面上に積層して一体構成とするようにすれば、小型、軽量かつ堅牢な共焦点光学ユニットを実現でき、高速移動走査にも耐えられる。また、ホログラムは光検出器アレイと検査面の間に配設すればよいので、設計の自由度が非常に大きくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施例を示す図。
【図２】第１実施例のホログラムを露光する際の構成を示す図。
【図３】ピンホールアレイの前面にマイクロレンズアレイを配置した図。
【図４】この発明の第２実施例を示す図。
【図５】この発明の第３実施例を示す図。
【図６】第３実施例の積層構造ユニットの詳細構成を示す図。
【図７】上記積層構造ユニットの製造法を説明する図。
【図８】上記積層構造ユニットの他の製造法を説明する図。
【図９】上記積層構造ユニットの他の例を示す図。
【図１０】上記積層構造ユニットの更に別の例を示す図。
【図１１】この発明の第４実施例を示す図。
【図１２】第４実施例に用いられる積層構造ユニットの詳細を示す図。
【図１３】この発明の第５実施例を示す図。
【図１４】第５実施例に用いられるホログラムの露光手法を説明する図。
【図１５】第５実施例に用いられるホログラムの他の露光法を説明する図。
【図１６】第５実施例の変形例を示す図。
【図１７】この発明の第６実施例を示す図。
【図１８】第６実施例に用いられるホログラムの露光法を示す図。
【図１９】第６実施例の変形例を示す図。
【図２０】従来技術を示す図。
【図２１】他の従来技術を示す図。
【図２２】積層構造ユニットの他の例を示す図。
【図２３】この発明の更に別の実施例を示す図。
【図２４】積層構造ユニットの他の例を示す図。
【符号の説明】
ＰＨ…ピンホールアレイ
４…ハーフミラー
５…レンズ
６…開口絞り
７…被計測物体
８…移動ステージ
９…光検出器アレイ
１４…レンズ
１５…開口絞り
２０…ホログラム
２４…マイクロレンズアレイ
３０…３次元計測部
４０…移動制御部
５０…積層構造ユニット
Claims (12)
- 開口と、
所定の検査点上に配設される被計測物体と、
前記開口位置を第１の集光位置とし、前記検査点位置を第２の集光位置とするよう光を導光する光学手段と、
ホログラムの参照光用の光源と、
前記開口と検査点との間の所定位置に配設され、前記光源からの光を参照光として、前記開口から出射される点光源光がこの所定位置を通過する際の光と等価な光を再生するホログラムと、
前記開口を挟んで前記光学手段と反対側に配設され、前記開口を通過した光を検出する光検出器と、
を具え、
前記被計測物体で散乱された前記ホログラム再生光を前記ホログラム、光学手段及び開口を介して前記光検出器に入射するようにしたことを特徴とする共焦点光学装置。 - ２次元配置された複数の開口を有する開口アレイと、
所定の検査面上に配設される被計測物体と、
前記開口アレイ位置を第１の集光位置とし、前記検査面位置を第２の集光位置とするよう光を導光する光学手段と、
ホログラムの参照光用の光源と、
前記開口アレイと検査面との間の所定位置に配設され、前記光源からの光を参照光として、前記開口アレイの各開口から出射される各点光源光がこの所定位置を通過する際の光と等価な光を再生するホログラムと、
前記開口アレイを挟んで前記光学手段と反対側に配設され、前記開口アレイの各開口を通過した光を検出する複数の光検出器を有する光検出器アレイと、
を具え、
前記被計測物体で散乱された前記ホログラム再生光を前記ホログラム、光学手段および開口アレイを介して前記光検出器アレイの各光検出器に入射するようにしたことを特徴とする共焦点光学装置。 - 前記開口アレイの各開口を通過した光を前記光検出器アレイの各光検出器に導く接眼レンズを更に具えることを特徴とする請求項２記載の共焦点光学装置。
- ２次元配置された複数の開口を有する開口アレイと、
所定の検査面上に配設される光透過性を有する被計測物体と、
前記開口アレイ位置を第１の集光位置とし、前記検査面位置を第２の集光位置とするよう光を導光する光学手段と、
ホログラムの参照光用の光源と、
前記検査面上の被計測物体を挟んで前記光学手段と反対側の所定位置に配設され、前記光源からの光を参照光として前記開口アレイの各開口から出射される点光源光が前記所定位置を通過する際の光と逆向きの光と等価な光を再生するホログラムと、
前記開口アレイを挟んで前記光学手段と反対側に配設され、前記開口アレイの各開口を通過した光を検出する複数の光検出器を有する光検出器アレイと、
を具え、
前記被計測物体を透過した前記ホログラム再生光を前記光学手段および開口アレイを介して前記光検出器アレイの各光検出器に入射するようにしたことを特徴とする共焦点光学装置。 - 前記ホログラムで反射または透過した光が前記被計測物体の検査面および前記光検出器の検出面に向かわないように前記参照光の入射角度が設定されている請求項１、２または４記載の共焦点光学装置。
- 前記開口アレイとホログラムを積層して一体にしたことを特徴とする請求項２記載の共焦点光学装置。
- 前記開口アレイと光検出器アレイの間にレンズアレイを設け、該レンズアレイ、開口アレイおよびホログラムを積層して一体にしたことを特徴とする請求項２記載の共焦点光学装置。
- 前記開口アレイの各開口から光検出器アレイの各光検出器まで検査光を導くための光ファイバー束を更に具えることを特徴とする請求項２記載の共焦点光学装置。
- 前記参照光は直線偏光であり、前記ホログラムと被計測物体との間に１／４波長板を設けると共に、前記ホログラムと光検出器アレイとの間に偏光板を設けるようにしたことを特徴とする請求項２記載の共焦点光学装置。
- 複数の光検出器を２次元配置した光検出器アレイと、
所定の検査面上に配設される被計測物体と、
前記光検出器アレイの各光検出器位置を第１の集光位置とし、前記検査面位置を第２の集光位置とするよう光を導光する光学手段と、
ホログラムの参照光用の光源と、
前記光検出器アレイと光学手段との間に配設され、前記光源からの光を参照光として、前記光検出器アレイの各光検出器位置から出射される点光源光と等価な光を再生するホログラムと、
を具え、
前記再生されたホログラム再生光を前記光学手段を介して被計測物体に照射するとともに、該被計測物体で散乱されたホログラム再生光を前記光学手段およびホログラムを介して前記光検出器アレイの各光検出器に入射するようにしたことを特徴とする共焦点光学装置。 - 前記ホログラムと光検出器アレイはガラス基板が介在されて積層されている請求項１０記載の共焦点光学装置。
- 複数の開口が２次元配置された開口アレイと、
この開口アレイ下に積層されるガラス基板と、
このガラス基板下に積層され、参照光が入射されると前記開口アレイの各開口から出射される点光源光と等価な光を再生するホログラムと、
を具え、前記開口アレイとホログラムによってピンホールの作用をなすようにしたことを特徴とする光学装置。
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