JP4721685B2

JP4721685B2 - 形状測定方法及び形状測定装置

Info

Publication number: JP4721685B2
Application number: JP2004294381A
Authority: JP
Inventors: 英俊宇津呂; 和政高田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-10-07
Filing date: 2004-10-07
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2024-10-07
Also published as: JP2006105835A

Description

本発明は、共焦点光学系を応用して三次元形状を測定する形状測定方法及び形状測定装置に関するものである。

共焦点光学系によって画像を得る光学システムを共焦点撮像系と呼び、その共焦点撮像系によって得られる画像を共焦点画像と呼ぶ。共焦点撮像系として一般的なものに、レーザー走査顕微鏡やニポウディスク ( Nipkow disk ) 走査顕微鏡がある。その他、走査機構を持たない高速性の共焦点撮像系として、共焦点光学系、共焦点ピンホールを二次元に配列して共焦点画像の各画素を同時露光する二次元配列型共焦点撮像系がある（例えば特許文献１参照）。

図４に二次元配列型共焦点撮像系の形状測定装置の概略構成を示す。
この形状測定装置では、光源１の光はコリメーターレンズ２によって平行光となり、その内、ピンホールアレイ７にマトリックス状に配列されたピンホール７ａを通過した光はハーフミラー等の光路分岐光学素子４を透過し、対物レンズ５によって集光され、移動ステージ１０の上に載置された被測定物体９の上に投光される。

そして被測定物体９で反射した光が再び対物レンズ５で集光され、光路分岐光学素子４で分岐され、結像レンズ６によってピンホールアレイ７と共役な位置に結像し、この結像位置に配置されたもう一つのピンホールアレイ７のピンホール７ａを通過して光検出器アレイ８の各光検出器で検出され、光電変換されて電気信号として出力される。

このとき、被測定物体９は移動ステージ１０によって高さ方向（Ｚ方向）に次第に変位させられて、被測定物体９の高さ方向に走査され、各位置の被測定物体９に基づく光検出器アレイ８の個々の出力が別々にサンプリングされていて、各光検出器の出力が最大になった時のＺ方向の位置が被計測物体９の表面位置として検出され、移動ステージ１０の時々の走査位置のデータと対でデータ処理することによって、被計測物体９の高さ方向（Ｚ方向）の表面形状を三次元測定できる。
特開平４−２６５９１８号公報

しかしながら、前記従来の方法には次のような問題点がある。
（１）精度の高い共焦点効果を得るためには、２つのピンホールアレイ７を互いのピンホール７ａ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、それらを光路分岐光学素子４を挟んで共役な位置に前記精度で精密に位置決めし、固定維持する必要がある。しかし数十万個に及ぶピンホール７ａを持ったピンホールアレイ７を上記精度で作成するのは技術的に難しく、またその位置決め、固定維持も容易ではない。
（２）ピンホールアレイ７に入射する光はピンホール７ａ以外の部分は透過しないので、光の利用効率が悪く、光源１の光の数％しか利用されない。そのため十分な検出光量を得るのに時間がかかり、被測定物体９の形状測定に長い時間を要する。
（３）ピンホールアレイ７の遮光部分で反射する光が光検出器アレイ８（二次元検出器）に届かないようにする対策も必要である。
（４）二次元配列型共焦点撮像系においては、照明光はできるだけ可干渉性の低い光であることが要求される。局所的な光の干渉によって発生する粒状雑音（以下、スペックルと記す）がなるべく少ない画像を得るためである。

この点において、上述した走査型の共焦点撮像系では、二次元検出器の露光中も被測定物体９に投射されるスポットは移動しているため、スペックルが発生してもスポット移動に伴ってスペックルの状態が変化し平均化されるのに対し、二次元配列型共焦点撮像系では、二次元検出器の露光中にはスポットは全く動かないため、スポット内で前記スペックルが発生した場合にはそのまま画像に影響してしまう。このような画像への影響は、特に低倍率、低開口数の対物レンズを用いてスポットサイズが大きい状態で粗面観察する場合に著しい。このため二次元配列型共焦点撮像系では、インコヒーレントな光源を用いるか、またはコヒーレント光を位相ランダマイザでインコヒーレント化して用いているのであるが、インコヒーレントな光源を使用する場合には、ピンホールアレイのピンホールを通過させることで結局は可干渉性が高くなり、画像に影響する前記スペックルが発生してしまう。

本発明はかかる実情に鑑みてなされたもので、二次元配列型共焦点光学系を用いながら、三次元形状計測を高速に精度よくなし得る形状測定方法と、製造や各部の位置合わせも容易な形状測定装置を提供することを目的とする。

本発明の形状測定方法は、光源から出射した光を対物レンズを介して被測定物体に照射し、光軸方向に前記被測定物体を相対移動させて、その移動の時々の前記被測定物体からの反射光または投射光によって前記被測定物体自体が発する蛍光量を光検出器アレイで検出し、前記被測定物体の前記光軸方向における時々の位置データとそのときの前記光検出器アレイの検出信号とを対にしてデータ処理して、前記被測定物体の表面形状を三次元計測するに際し、前記光源から出射した光を、その溝に直交する方向に面内変位することによりスペックルのコントラストの打ち消し合いを生じさせる回折格子を介して複数に分岐させた後に、前記対物レンズを介して前記被測定物体に照射し、前記被測定物体からの反射光または前記被測定物体自体が発する蛍光を、ピンホールアレイを通過させた後に前記光検出器アレイで検出して前記被測定物体の表面形状を三次元計測することを特徴とする。

また、本発明の形状測定装置は、光源から出射した光を複数の点光源に分岐させる回折格子と、前記回折格子をその溝に直交する方向に、スペックルのコントラストの打ち消し合いが生じるように面内変位させる回折格子移動ステージと、前記回折格子によって分岐された点光源を被測定物体に投影する対物レンズと、前記対物レンズと前記回折格子の間の光路中に配設され前記回折格子から対物レンズに向かう光を透過し、前記被測定物体で反射して再び前記対物レンズを通過した反射光を前記光路から分岐させる光路分岐光学素子と、前記光路分岐光学素子によって分岐された反射光を結像させる結像レンズと、二次元配置された複数のピンホールを有し前記結像レンズの後ろ側焦点位置に配置されたピンホールアレイと、前記ピンホールアレイの複数のピンホールのそれぞれに対応する複数の光検出器を有し、前記結像レンズにより前記光検出器のそれぞれに結像された像を光電変換する光検出器アレイと、前記被測定物体を前記対物レンズの光軸方向に移動させて走査する移動ステージと、前記移動ステージによる前記被測定物体の前記光軸方向における時々の位置データとそのときの前記光検出器アレイの検出信号とを対にしてデータ処理して、前記被測定物体の表面形状を三次元計測する三次元計測部とを備えたことを特徴とする。

また、光路分岐光学素子として偏光ビームスプリッタを備え、この偏光ビームスプリッタと対物レンズとの間に１／４波長板を備えたことを特徴とする。
また、前記ピンホールは、遮光膜でなく反射防止膜が施されたものであることを特徴とする。

また、本発明の形状測定方法は、前記投射光によって被測定物体自体が発する蛍光量を光検出器アレイで検出する経路中に、蛍光波長を透過するバンドパスフィルタを介装して前記蛍光以外の光を遮断することを特徴とする。

本発明の形状測定方法は、光源から出射した光を回折格子を介して複数に分岐して、対物レンズを介して被測定物体に照射し、被測定物体の表面形状を三次元測定することで、光源光の利用効率のよい光を利用し、三次元形状計測を高速に行うことが可能である。

本発明の形状測定装置は、非走査型（二次元配列型）の共焦点画像を得るために、照明系に従来用いられているピンホールに代えて回折格子を設けたものであり、従来のピンホール照明方式に比べて次の利点がある。

ａ）光源光の利用効率を格段に向上させることができ、三次元形状計測を高速に精度よく行うことが可能である。
ｂ）構造が簡単であるため、製作容易であり、各部の位置合わせも容易である。

ｃ）照明系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であるため、装置の小型軽量化を実現できる。
ｄ）照明系の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（遮光膜）で反射して観察される、という従来の不具合を低減できる。

さらに、偏光ビームスプリッタと１／４波長板とを設けることによって、ノイズ光をカットできる。
また、回折格子移動ステージを設けることによって、低倍率、低開口数の対物レンズを用いる時もスペックルの発生を抑制可能である。ファクトリーオートメーションの自動検査ラインでの三次元計測などでは低倍率の対物レンズによる粗面観察が求められることが多いため、スペックル抑制効果は非常に有効である。

以下、本発明の形状測定方法を具体的な実施の形態を示す図１〜図３に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の形状測定方法の実施の形態１における形状測定装置を示す。

図中、１は光源、２はコリメーターレンズ、３は透過型回折格子、４はハーフミラーなどの光路分岐光学素子、５は対物レンズであり、この順に配置されている。回折格子３は点光源アレイの発生手段として用いられるもので、光源１から光が入射すると、あたかも光源がマトリックス状に並んだアレイから出射したかのような光を発生する。６は結像レンズ、７は複数のピンホール７ａがマトリックス状に配置されたピンホールアレイ、８は複数の光検出器がそれぞれ前記ピンホール７ａに対応してマトリックス状に配置された光検出器アレイであり、前記対物レンズ５等と光軸が交わる方向に沿ってこの順に配置されている。これら１〜８で示す部材が共焦点光学装置を構成している。

９は被測定物体、１０は被測定物体９を載置して対物レンズ５の下方で被測定物体９の高さ方向（Ｚ方向で、光軸に沿う方向）に移動可能な移動ステージである。１２は移動ステージ１０の移動制御を行う移動制御部である。１１は三次元計測部で、移動制御部１２から得られる前記移動ステージ１０による被測定物体９の前記光軸方向における時々の位置データと、そのときの前記光検出器アレイ８の検出信号とを対にしてデータ処理して、被測定物体９の表面形状を三次元計測している。

上記構成における作用を説明する。
光源１より出た光はコリメーターレンズ２によってほぼ平行光とされ、透過型回折格子３で点光源アレイであるかのように分岐された後、光路分岐光学素子４を通過し、対物レンズ５に入射して被測定物体９に向けて集光される。ここでは簡便のために一部の分岐光（回折光）のみ図示しているが、実際は分岐光のそれぞれから生じる点像が被測定物体９の検査面の上に結像される。

被測定物体９で反射した反射光は再び対物レンズ５に入射して集光され、光路分岐光学素子４により偏向され、次いで結像レンズ６に入射してピンホールアレイ７の各ピンホール７ａの位置に結像される。そして各ピンホール７ａを通過した光が光検出器アレイ８の各光検出器で検出されて光電変換され、受光強度に応じた電気信号として出力される。ここで光検出器アレイ８の上には共焦点画像が得られている。

このとき被測定物体９は移動ステージ１０に載置された状態で移動制御部１２の制御によりＺ方向に変位されていて、各位置での反射光に基づく光検出器アレイ８の各光検出器の出力が三次元計測部１１で順次にサンプリングされ、移動制御部１２から得られる前記移動ステージ１０による被測定物体９の前記光軸方向における時々の位置データと、そのときの光検出器アレイ８の検出信号とを対にしてデータ処理して、被測定物体９の表面形状を三次元計測している。なお、光検出器アレイ８の各光検出器の出力が最大になった時のＺ方向の位置が被測定物体９の表面位置として検出される。

以上のように、この実施の形態１の装置では、点光源の像を対物レンズにより物体に投射する二次元配列型共焦点撮像系において、点光源を作るために照明系に従来利用されていたピンホール（ピンホールアレイ）に代えて回折格子３を使用して、非走査型（二次元配列型）の共焦点画像を得るのである。

この方式によれば、回折格子３の回折効率を例えば５０％とした時には、照明光の５０％が被測定物体９に照射され反射光が光検出器アレイ８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。

また照明系にピンホール（ピンホールアレイ）を用いないことから、遮光膜は存在せず、従来装置で問題となっていた遮光膜での反射を考慮しなくて済む。遮光膜としては一般に酸化クロム／クロム／酸化クロムの三層膜が用いられているが、酸化クロムであっても５パーセント程度の反射は発生する。これに対し、遮光膜が無い場合には、多層ＡＲコート（Anti-Reflection Coat：反射防止膜）を系内の各光学素子表面に施すことになるが、それによって迷光の発生を防止できるため、反射を０．２パーセント程度まで減らすことが可能である。

光源１としては、空間、時間コヒーレンスともに高いレーザーが好適であり、回折格子特性に合わせて必要な空間、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。光検出器アレイ８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。

なお、この実施の形態１では、被測定物体９で反射された光を検出するようにしたが、投射光によって被測定物体９自体が発する蛍光量を検出するようにしてもよい。その場合、検出する蛍光以外の光を遮断する目的でその蛍光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７と光検出器アレイ８との間、あるいは結像レンズ６とピンホールアレイ７との間に配置するようにしてもよい。

またＺ方向の移動走査を行うべく、移動ステージ１０を設けて被測定物体９をＺ方向に移動させるようにしたが、共焦点光学装置の全体をＺ方向に移動可能に構成しても同様であって、光軸方向に被測定物体９を相対移動させて、その移動の時々の反射光を光検出器アレイ８で検出すればよい。

（実施の形態２）
図２は本発明の形状測定方法の実施の形態２における形状測定装置を示す。
この実施の形態２の形状測定装置は、光路分岐光学素子として偏光ビームスプリッタ１３が設けられ、この偏光ビームスプリッタ１３と対物レンズ５の間に１／４波長板１４が設けられている点だけが実施の形態１とは異なっている。

この構成によれば、光源１より出た照明光はコリメーターレンズ２によってほぼ平行光とされ、透過型回折格子３で分岐された後、偏光ビームスプリッタ１３を通過して直線偏光になり、次に１／４波長板１４により円偏光となって、対物レンズ５に入射し被測定物体９の上に集光される。

そして被測定物体９の上で反射した光が再び対物レンズ５に入射して集光され、１／４波長板により照明光と直交する直線偏光となり、偏光ビームスプリッタ１３により偏向され、結像レンズ６に入射してピンホールアレイ７の各ピンホール７ａ位置に結像される。

このように、偏光ビームスプリッタ１３と１／４波長板１４とを備えることで、被測定物体９の上で反射した光が再び偏光ビームスプリッタ１３よりも照明光学系側に戻るのを防止し、迷光によるノイズの発生を防ぐことができる。

（実施の形態３）
図３は本発明の形状測定方法の実施の形態３における形状測定装置を示す。
この実施の形態３の形状測定装置は、回折格子をその面方向に沿って移動させる回折格子移動ステージ１５が設けられている点だけが実施の形態１とは異なっている。

回折格子３をその溝に直交する方向に面内変位させると、回折光の波面の位相が変化し、透過光と回折光との干渉縞の白黒のコントラストが変化する。この形状測定装置では、回折格子移動ステージ１５によって回折格子３を高速に面内変位させることにより、干渉によって発生する雑音（スペックル）のコントラストの打ち消し合いを生ぜしめ、スペックルを低減することができる。

これに対して従来装置では、光源が例えばハロゲンランプのような白色のインコヒーレント光源であっても、照明系のピンホールから出た光は可干渉性が高くなってしまうため、低倍率、低開口数の共焦点撮像系で粗面観察する際にスペックルが発生し、画質の劣化、三次元計測精度の低下を招いていた。

本発明の形状測定方法は、ファクトリーオートメーションの自動検査ラインでの三次元計測などに有用である。

本発明の実施の形態１における形状測定装置の構成図本発明の実施の形態２における形状測定装置の構成図本発明の実施の形態３における形状測定装置の構成図従来の形状測定装置の構成図

符号の説明

１光源
２コリメーターレンズ
３回折格子
４光路分岐光学素子
５対物レンズ
６結像レンズ
７ピンホールアレイ
７ａピンホール
８光検出器アレイ
９被測定物体
１０移動ステージ
１１三次元計測部
１２移動制御部
１３偏光ビームスプリッタ
１４１／４波長板
１５回折格子移動ステージ

Claims

光源から出射した光を対物レンズを介して被測定物体に照射し、光軸方向に前記被測定物体を相対移動させて、その移動の時々の前記被測定物体からの反射光または投射光によって前記被測定物体自体が発する蛍光量を光検出器アレイで検出し、前記被測定物体の前記光軸方向における時々の位置データとそのときの前記光検出器アレイの検出信号とを対にしてデータ処理して、前記被測定物体の表面形状を三次元計測するに際し、
前記光源から出射した光を、その溝に直交する方向に面内変位することによりスペックルのコントラストの打ち消し合いを生じさせる回折格子を介して複数に分岐させた後に、前記対物レンズを介して前記被測定物体に照射し、前記被測定物体からの反射光または前記被測定物体自体が発する蛍光を、ピンホールアレイを通過させた後に前記光検出器アレイで検出して前記被測定物体の表面形状を三次元計測する形状測定方法。
光源から出射した光を複数の点光源に分岐させる回折格子と、
前記回折格子をその溝に直交する方向に、スペックルのコントラストの打ち消し合いが生じるように面内変位させる回折格子移動ステージと、
前記回折格子によって分岐された点光源を被測定物体に投影する対物レンズと、
前記対物レンズと前記回折格子の間の光路中に配設され前記回折格子から対物レンズに向かう光を透過し、前記被測定物体で反射して再び前記対物レンズを通過した反射光を前記光路から分岐させる光路分岐光学素子と、
前記光路分岐光学素子によって分岐された反射光を結像させる結像レンズと、
二次元配置された複数のピンホールを有し前記結像レンズの後ろ側焦点位置に配置されたピンホールアレイと、
前記ピンホールアレイの複数のピンホールのそれぞれに対応する複数の光検出器を有し、前記結像レンズにより前記光検出器のそれぞれに結像された像を光電変換する光検出器アレイと、
前記被測定物体を前記対物レンズの光軸方向に移動させて走査する移動ステージと、
前記移動ステージによる前記被測定物体の前記光軸方向における時々の位置データとそのときの前記光検出器アレイの検出信号とを対にしてデータ処理して、前記被測定物体の表面形状を三次元計測する三次元計測部とを備えた形状測定装置。
光路分岐光学素子として偏光ビームスプリッタを備え、この偏光ビームスプリッタと対物レンズとの間に１／４波長板を備えた請求項２記載の形状測定装置。
前記ピンホールは、遮光膜でなく反射防止膜が施されたものである請求項２または請求項３に記載の形状測定装置。
投射光によって被測定物体自体が発する蛍光量を光検出器アレイで検出する経路中に、蛍光波長を透過するバンドパスフィルタを介装して前記蛍光以外の光を遮断する請求項１記載の形状測定方法。