JP4962134B2

JP4962134B2 - 計測装置

Info

Publication number: JP4962134B2
Application number: JP2007131476A
Authority: JP
Inventors: 健太山川
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2007-05-17
Filing date: 2007-05-17
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2027-05-17
Also published as: JP2008286624A

Description

本発明は、共焦点原理を用いて被測定物の表面の位置などを計測するのに好適な計測装置に関する。

従来、ピンホール基板を有する共焦点顕微鏡は、被測定物と共役な位置にピンホールが配置されているので、共焦点効果があり、従来の光学顕微鏡に比べて、高解像度、高コントラストを実現することができる。

例えば、特許文献１には、図３２に示すような共焦点顕微鏡が提案されている。

同図において、図示しない照明光学系によって、ステージ７９上の被測定物７０が照明され、被測定物７０から発した光は、対物レンズ７１、色収差発生光学素子７２、結像レンズ７３を通過し、ピンホール基板７４上に１次結像される。ピンホール基板７４のピンホールを通過した光は、撮像レンズ７５により撮像素子７６に再結像される。撮像素子７６に結像される像は、被測定物上の複数の断面情報が色毎に分離したものとなっている。撮像素子７６が色情報を分離して画像として取り込むことができる素子であれば、カラー映像として画像表示装置７７で焦点深度の深い像を観察できる。また、色収差の発生量や色によってピントの合う順番、深さ等を予め設計的に求めるか、実験で測定しておき、画像処理装置７８等に記憶させておくと、その色収差データを基に被測定物の３次元像を構築することができる。
特許３６７３０４９号公報

上記特許文献１では、被測定物のピンホールによる走査は、顕微鏡視野の中にある複数のピンホールの高速回転によって行われるため、人間の眼又は撮像素子上でも従来の光学顕微鏡と同様にリアルタイムで被測定物を観察することができる。

しかしながら、被測定物の光軸方向が色によって分離されたデータであるために、光軸方向の高さ情報を得るためには、予め色収差量を計算又は測定しておき、被測定物の表面の高さの違いで色がどのように分離するかのデータを備えておく必要があり、多種類の被測定物に対応してかかるデータを予め準備しておくのは面倒である。更に、計測毎に、被測定物の反射特性が変化する場合や反射特性が未知な場合は、計測精度が著しく低下する場合がある。

本発明は、上述の点に鑑みて為されたものであって、予め多種類の被測定物に対して変換用のデータを準備する必要がなく、しかも、被測定物の表面を観察できる計測装置を提供することを目的とする。

（１）本発明の計測装置は、被測定物の表面の変位を計測する計測光学系と、前記被測定物の表面の画像を撮像する撮像光学系とを備え、前記計測光学系は、複数の波長成分を含む点状あるいは線状の光源と、前記光源の像と共役な位置に配置され、前記被計測物により反射された反射光を通過させるピンホールまたはスリットと、前記ピンホールまたはスリットを通過した光を、波長成分毎に検出する検出器と、該検出器の出力を処理して、前記被測定物の表面の位置を計測する処理部とを有し、前記撮像光学系は、複数の波長成分を含む点状あるいは線状の光源と、前記光源の像と共役な位置に配置され、前記被検出物により反射された反射光を通過させるピンホールアレーまたはスリットアレーと、前記ピンホールアレーまたはスリットアレーを通過した光を受光して前記被測定物の表面の画像を撮像する撮像部とを有し、さらに、前記両光学系は、色収差を有する結像光学系であって、前記各光源からの複数の波長成分を含む光を前記被測定物へ波長成分毎に集光するように照射するとともに、前記被検出物により反射された反射光を受光して、前記計測光学系の前記ピンホールまたはスリットおよび前記撮像光学系の前記ピンホールアレーまたはスリットアレーへ導く、共通の光学手段を有し、前記撮像光学系の前記ピンホールアレーまたはスリットアレーは、被計測物が置かれる領域において、前記撮像光学系の前記ピンホールアレーまたはスリットアレーが前記光学手段を介して結像される像の最外点で囲まれる領域内に、前記計測光学系の前記ピンホールまたはスリットが前記光学手段を介して結像される像の少なくとも一部が含まれるように配置され、前記計測光学系および前記撮像光学系の光路を共用するとともに、前記共用される光路中で、前記計測光学系の前記ピンホールまたはスリットと、前記撮像光学系のピンホールアレーまたはスリットアレーとを兼用し、前記計測光学系は、前記光路を分岐して前記検出器に導く分岐手段を備え、前記計測光学系には、前記分岐手段と前記検出器との間に、前記ピンホールアレーまたは前記スリットアレーの中から少なくとも一つのピンホールまたはスリットからの光を選択的に通過させる開口を設けた。

計測光学系の光源および撮像光学系の光源は、実光源や、光源から照射された光をピンホールやスリット等の開口を通過させて得られる仮想光源を含むものである。

計測光学系のピンホールまたはスリットを、単数あるいは複数とし、計測点を、１点あるいは複数点としてもよい。

撮像光学系のピンホールアレーまたはスリットアレーは、ボケ画像を遮断できるように、ピンホールあるいはスリットの間隔を離すとともに、該ピンホールアレーまたはスリットアレーを、駆動してピンホールあるいはスリット間を補完した画像を得るのが好ましいが、駆動することなく、静止させたままであってもよい。

ピンホールアレーまたはスリットアレーが前記光学手段を介して結像される像の最外点で囲まれる領域とは、波長成分毎に得られるピンホールアレーまたはスリットアレーの各ピンホールまたは各スリットの像の内、最も外側に位置する像の外周を結んで得られる結像面を、光軸方向に積み重ねて形成される領域をいう。

本発明の計測装置によれば、色収差によって、波長成分毎に異なる合焦位置からの反射光のみが計測光学系のピンホールまたはスリットを通過して検出器によって波長成分毎に検出され、処理部では、検出器の出力が最大となる波長成分に基づいて、被測定物の表面の位置を計測することができる。したがって、従来例のように、予め多種類の被測定物に対して変換用のデータを準備する必要がない。

また、撮像光学系では、波長成分毎に、異なる合焦位置の被測定物からの反射光が、ピンホールアレーまたはスリットアレーの各ピンホールまたは各スリット上に結像されて撮像され、色収差の波長範囲内で合焦画像が取得されることになり、計測光学系によって計測される計測点の周辺の画像を、計測時間内に、深い被写界深度で観察することができ、被測定物の計測位置の調整も容易となる。
さらに、光路を兼用して小型化を図ることができる。

（２）本発明の計測装置の一つの実施形態では、前記撮像光学系のピンホールアレーまたはスリットアレーの波長成分毎の像と、前記ピンホールまたはスリットの波長成分毎の像とが、同じ波長成分については互いに同一面内に存在するようにされている。

この実施形態によると、計測光学系のピンホールまたはスリットの像と、撮像光学系のピンホールアレーまたはスリットアレーの像とが、同波長成分毎に同一面に重なるので、計測光学系によって被測定物の表面の位置を計測できる範囲と、撮像光学系による撮像画像として観察できる範囲とが一致することになるので、ユーザは、撮像画像を観察することによって、被測定物の計測可能な範囲を把握できることになる。

(３) 上記（１）または（２）の実施形態では、前記計測光学系の前記検出器が検出する光の波長範囲が、前記撮像光学系の前記撮像部が受光して撮像する光の波長範囲以上である。

この実施形態によると、撮像光学系の撮像部が受光する光の波長範囲が、計測光学系の検出器が検出する光の波長範囲未満であるので、ユーザが、撮像画像として観察できる領域は、全て計測光学系による計測が可能な領域となり、ユーザが、計測できない領域を誤って計測するといったことを撮像画像の確認をすることによって未然に防ぐことが可能となる。

（４）本発明の計測装置は、被測定物の表面の変位を計測する計測光学系と、前記被測定物の表面の画像を撮像する撮像光学系とを備え、前記計測光学系は、点状あるいは線状の光源と、前記光源の像と共役な位置に配置され、前記被計測物により反射された反射光を通過させるピンホールまたはスリットと、前記ピンホールまたはスリットを通過した光を検出する検出器と、該検出器の出力を処理して、前記被測定物の表面の位置を計測する処理部とを有し、前記撮像光学系は、点状あるいは線状の光源と、前記光源の像と共役な位置に配置され、前記被検出物により反射された反射光を通過させるピンホールアレーまたはスリットアレーと、前記ピンホールアレーまたはスリットアレーを通過した光を受光して前記被測定物の表面の画像を撮像する撮像部とを有し、さらに、前記両光学系は、光源からの光を、前記被測定物に対して、集光するように照射するとともに、前記被検出物により反射された反射光を受光して、計測光学系の前記ピンホールまたはスリットおよび前記撮像光学系の前記ピンホールアレーまたはスリットアレーへ導く共通の光学手段と、当該光学手段が照射する光の集光位置並びに前記計測光学系の前記ピンホールまたはスリットおよび前記撮像光学系の前記ピンホールアレーまたはスリットアレーが被計測物体側へ結像される位置を光軸方向に走査する共通の走査手段を有し、前記撮像光学系の前記ピンホールアレーまたはスリットアレーは、被計測物が置かれる領域において、前記撮像光学系の前記ピンホールアレーまたはスリットアレーが前記光学手段および走査手段を介して結像される像の最外点で囲まれる領域内に、前記計測光学系の前記ピンホールまたはスリットが前記光学手段および走査手段を介して結像される像の少なくとも一部が含まれるように配置され、前記計測光学系および前記撮像光学系の光路を共用するとともに、前記共用される光路中で、前記計測光学系の前記ピンホールまたはスリットと、前記撮像光学系のピンホールアレーまたはスリットアレーとを兼用し、前記計測光学系は、前記光路を分岐して前記検出器に導く分岐手段を備え、前記計測光学系には、前記分岐手段と前記検出器との間に、前記ピンホールアレーまたは前記スリットアレーの中から少なくとも一つのピンホールまたはスリットからの光を選択的に通過させる開口を設けた。

走査手段は、光源からの光を、被測定物に対して、相対的に光軸方向に走査するものであり、例えば、被測定物に光を投射する対物レンズを、所定の振幅で光軸方向に振動させるのが好ましい。

撮像部は、被写界深度の深い画像を得られるように、走査手段による１回の走査に亘る画像を撮像するのが好ましい。

本発明の計測装置によれば、光源からの光を、被測定物に対して、相対的に光軸方向に走査することにより、被測定物との距離が変化し、所定の走査位置で被測定物に合焦し、この合焦位置からの反射光のみが計測光学系のピンホールまたはスリットを通過して検出器によって検出されてその出力が最大となり、処理部では、そのときの走査位置に基づいて、光学系の基準位置から被測定物までの距離、すなわち、被測定物の表面の位置を計測することができる。

したがって、従来例のように、予め多種類の被測定物に対して変換用のデータを準備する必要がない。

また、撮像光学系では、走査位置に応じて、異なった合焦位置の被測定物からの反射光が、ピンホールアレーまたはスリットアレーの各ピンホールまたは各スリット上に結像されて撮像され、走査範囲内での合焦画像が取得されることになり、計測光学系によって計測される計測点の周辺の画像を、計測時間内に、深い被写界深度で観察することができ、被測定物の計測位置の調整も容易となる。
さらに、光路を兼用して小型化を図ることができる。

（５）本発明の計測装置の他の実施形態では、前記撮像光学系は、前記撮像部で撮像した画像を処理する画像処理部を有し、前記画像処理部は、撮像した画像の内、反射光の光量が一定未満の領域を、特定して表示する画像処理を行うようにしてもよい。

この実施形態によると、撮像画像内に、例えば、被測定物の表面の高低差が大きくて合焦できず、十分な反射光量が得られない部分が存在するような場合には、その部分を特定した状態、例えば、赤色で表示することにより、ユーザに、計測ができない部分を知らせることが可能となる。

（７）上記（６）の実施形態では、前記ピンホールアレーまたは前記スリットアレーを駆動する駆動素子を備え、前記開口を、前記ピンホールアレーまたは前記スリットアレーの像に重なる少なくとも一つのピンホールまたはスリットとしてもよい。

（８）本発明の計測装置の他の実施形態では、前記ピンホールアレーまたはスリットアレーとして、ニポーディスクを備える構成としてもよい。

本発明によれば、被測定物における合焦位置からの反射光のみが計測光学系のピンホールまたはスリットを通過して検出器によって検出されて被測定物の表面の位置を計測できるので、従来例のように、予め多種類の被測定物に対して変換用のデータを準備する必要がない。

また、撮像光学系では、計測光学系による計測点の周辺の撮像画像を、深い被写界深度で取得して観察することが可能となり、被測定物の計測位置を、光軸に合わせるといった調整作業も容易となる。

以下、図面によって本発明の実施の形態について詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の一つの実施の形態に係る計測装置の概略構成を示す図である。

この実施形態の計測装置は、計測領域の被測定物６０の表面位置を計測するとともに、被測定物６０の表面の計測点の周辺の撮像画像を取得して観察するものである。

この計測装置は、被測定物６０の表面位置を計測する計測光学系として、複数の波長（スペクトル）成分を有する計測入射光を発する光源モジュール２と、後述の光路分岐モジュール４および集光モジュール８を通過した計測入射光を、色収差に応じて、波長成分毎に異なる位置に集光させる結像光学モジュール３と、被測定物６０の表面から反射して結像光学モジュール３を再び通過した計測反射光を、計測入射光の光路から空間的に分離する光路分岐モジュール４と、分離された計測反射光を、波長成分毎に分離する分光モジュール５と、分光モジュール５で分離された波長成分毎の強度値を検出する検出器としての受光モジュール６と、光路分岐モジュール４と結像光学モジュール３との間に配置される一つのピンホール７を含む集光モジュール８と、波長成分毎に検出される計測反射光の強度値から当該計測装置と被測定物６０の表面との間隔、すなわち、被測定物６０の表面の位置を算出する処理モジュール９とを有している。

光源モジュール２は、例えば、白色光源などからなり、色収差を生じさせる光学手段としての結像光学モジュール３は、例えば、屈折レンズ群や回折レンズからなり、光路分岐モジュール４は、例えば、ハーフミラー、偏光ビームスプリッタなどからなる。また、分光モジュール５は、例えば、反射型／透過型回折格子、マルチ可変フィルタなどからなる。

受光モジュール６は、例えば、一次元あるいは二次元のＣＣＤ、ＣＭＯＳ、ＰＤなどからなる。

集光モジュール８は、例えば、レンズおよびピンホール、光ファイバ、あるいは、ピンホールのみからなる。この集光モジュール８のピンホール７は、光源像の共役位置に配置される。

処理モジュール９は、例えば、パーソナルコンピュータ、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などからなる。

この実施形態の計測装置は、被測定物６０の表面を観察できるように表面の計測点周辺の撮像画像を取得する撮像光学系として、ピンホールアレーモジュール１０と、このピンホールアレーモジュール１０のピンホールアレー１１を、矢符Ａ方向に駆動する駆動モジュール３５と、光源モジュール２から発する計測入射光を、分岐してピンホールアレー１１に観察入射光として照射する光路分岐モジュール１２と、ピンホールアレー１１を通過した観察入射光を結像光学モジュール３へ空間的に合流させ、かつ、被測定物６０の表面から反射して結像光学モジュール３を再び通過した観察反射光を、観察入射光の光路から空間的に分離する光路合流分岐モジュール１３と、ピンホールアレー１１を再び通過した観察反射光を、観察入射光の光路から空間的に分離する光路分岐モジュール１４と、ピンホールアレー１１からの反射光の像を撮像する撮像モジュール１５と、この撮像モジュール１５の出力を画像処理する画像処理モジュール６１とを有している。

計測光学系の処理モジュール９および撮像光学系の画像処理モジュール６１の処理結果は、液晶ディスプレイ等の出力モジュール６２に表示出力される。

撮像光学系のピンホールアレーモジュール１０は、例えば、レンズアレーとピンホールアレー、光ファイバアレー、あるいは、ピンホールアレーのみからなる。

駆動モジュール３５は、例えば、モータやピエゾ素子などからなる。

光路分岐モジュール１２は、例えば、レンズ、ハーフミラー、偏光ビームスプリッターなどからなる。光路分岐モジュール１４は、例えば、ハーフミラー、偏光ビームスプリッターなどからなる。

光路合流分岐モジュール１３は、例えば、ハーフミラー、偏光ビームスプリッターとアルミミラーなどからなる。

撮像モジュール１５は、一次元あるいは二次元のＣＣＤ、ＣＭＯＳ、ＰＤなどからなる。

図２は、図１の計測装置の要部の詳細な構成の一例を示す図である。

この実施形態の計測装置は、光源モジュールとしてのハロゲンランプ１６から照射された複数の波長成分（スペクトル）を含む光が、コリメートレンズ１７によって平行光とされ、その一部は、光路分岐モジュールとしてのハーフミラー１８を通過し、結像レンズ１９によって集光モジュールのピンホール２０上に結像される。

結像レンズ２１と結像光学モジュールとしての色収差発生モジュール２２とによって、ピンホール２０の像が結像される位置に、ピンホール２０を通過した光が集光される。このとき、色収差発生モジュール２２によって、各波長成分毎に異なる位置にビームが集光される。

各波長成分毎に異なる位置に集光されたビームが、被測定物としてのワーク２３によって反射され、その反射光が、再び同じ経路を通ってピンホール２０上に結像する。

このとき、ハーフミラー２４を往復して通過する際に、それぞれ一部が反射し、一部が通過してピンホール２０を最終的に通過する。

結像レンズ１９と結像レンズ２５とにより、ピンホール２０の像が受光モジュールとしてのラインＣＣＤ２６上に結像するように構成されているので、ピンホール２０を通過する光の強度に応じて、ラインＣＣＤ２６上で強度データが得られる。

なお、ピンホール２０を通過する光は、分光モジュールとしての分光素子２７で反射することより、波長成分に応じて反射角が異なり、結果として、ラインＣＣＤ２６の異なる位置に結像するようになっている。

これによって、ピンホール２０を通過した光は、波長成分に応じて、ラインＣＣＤ２６の異なる位置に結像され、波長成分毎の強度情報が一括で取得可能になる。

このなかで、強度が最大の位置の波長成分を検出し、波長成分の値からワーク２３の相対深さ位置、すなわち、ワーク２３の高さの算出を行う。

一方、コリメートレンズ１７からの平行光の別の一部は、偏光板５５、光路分岐モジュールとしての偏光ビームスプリッター３１を通過し、ピンホールアレーモジュールのピンホールアレー２８上に照射される。撮像光学系のピンホールアレー２８の一つのピンホールと、計測光学系のピンホール２０とが共役な位置となっている。

この実施形態のピンホールアレー２８は、ピエゾアクチュエータ３４によって、矢符Ａ方向に駆動される。

このピンホールアレー２８には、図３に示すように、多数のピンホール２８ａが配列形成されており、矢符Ａで示される駆動方向の間隔は、広くなっている。

なお、ピンホールアレー２８のピンホール２８ａの間隔が十分に離れていない場合には、図４（ａ）に示すように、隣のピンホールからの焦点ボケした破線で示される光が通過して画質劣化の要因となることから、この実施形態では、図４（ｂ）に示すように十分に離れたピンホール２８ａの間隔をもつピンホールアレー２８を使用し、二次元ＣＣＤ３０が画像を取り込んでいる一定時間に、矢符Ａ方向に駆動し、ワーク２３の面内を走査することで、ピンホール間の離散補完をすることにより、視野全面の合焦点画像を取り込むようにしている。

なお、ピンホールアレー２８に代えて、図５に示す複数のスリット５７ａを有するスリットアレー５７を用いてもよい。

再び、図２を参照して、結像レンズ３２と色収差モジュール２２によってピンホールアレー２８の各ピンホールの像が結像される位置にピンホールアレー２８を通過した光が、それぞれ集光される。このとき、色収差発生モジュール２２によって、各波長成分毎に異なる位置にビームが集光されている。

各波長成分毎に異なる位置に集光されたビームのワーク２３からの反射光が、１／４波長板５６、光路合流分岐モジュールとしてのハーフミラー２４およびミラー３３を介してピンホールアレー２８の面へ集光され、結像レンズ２９により、ピンホールアレーの像が、撮像モジュールの二次元ＣＣＤ３０上に結像するように構成されている。これによって、焦点位置にワーク２３が存在する波長成分の光のみ二次元ＣＣＤ３０上に集光し、異なる波長成分による合焦点画像が形成される。

このように色収差の波長範囲内で合焦点画像を取得することができ、計測光学系による計測点の周辺の画像を、深い被写界深度で観察することができる。しかも、各波長成分のボケ画像を、ピンホールアレー２８によって遮断できるため、分解能を落とさずに被写界深度を深くすることができる。

したがって、例えば、ワーク２３の計測点に、光軸を位置合わせする調整作業時には、その調整状態を画像で確認でき、調整作業が容易となる。

更に、被写界深度が深いので、高低差の大きな被測定物の深さの調整も容易となる。

なお、ピンホールアレー２８に光を照射する際に、図６（ａ）に示すように、ピンホールアレー２８のピンホール２８ａ以外の場所からの破線で示される反射戻り光が二次元ＣＣＤ３０ヘのノイズとなってしまい、Ｓ／Ｎ比の低下が生じてしまう。

このため、この実施形態では、図６（ｂ）に示すように、偏光板５５にてＰ偏光を形成し、Ｐ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する偏光ビームスプリッター３１を利用して、破線で示すように、ノイズ光と計測入射光を透過させるようにしている。

一方、ピンホール２８ａを通過したＰ偏光は、１／４波長板５６で円偏光になり、ワーク２３から反射して再び１／４波長板５６を通過してＳ偏光になる。最後に偏光ビームスプリッター３１で反射されて受光される。

この実施形態によると、ピンホールアレー２８は、図７に示すように、ワークが置かれる領域において、各波長成分毎のピンホールアレー２８の点像がなす面５８に、同波長成分毎のピンホール２０の点像５９が重なり、各波長成分毎の点像を重ねると、図８に示すように、ワークが置かれる領域におけるピンホールアレー２８による点像の最外点で囲まれる略直方体状の領域内に、ピンホール２０の円柱状の点像５９が含まれるように配置されている。

これによって、計測光学系によるワーク２３の位置を計測する領域と、撮像光学系による計測位置の周辺を観察する領域の深さ方向（光軸方向）の領域が同じとなり、計測光学系によるワーク２３の表面の計測位置を含む周辺の撮像画像を取得することができる。

図９は、説明の便宜上、計測光学系と撮像光学系とを分離して示す図であり、計測光学系による計測可能領域Ｒ１と、撮像光学系による撮像画像として観察可能領域Ｒ２とを示しており、更に、波長成分λ１〜λ３を示している。

この実施形態では、計測可能領域Ｒ１の各波長成分毎の像と、観察可能領域Ｒ２の各波長成分毎の像とが、同一面上に重なって実計測領域Ｒ３が形成される。

このように、計測可能領域Ｒ１と、観察可能領域Ｒ２とが、一致しているので、例えば、図１０に示すように、ワーク２３の表面の高低差によって、実計測領域Ｒ３（＝Ｒ１＝Ｒ２）から外れて計測および観察ができない領域Ｒ４が存在する場合には、計測点Ｐを含む周辺の撮像画像の画像処理によって、その部分を、例えば、赤色で警告表示してユーザに計測できないことを知らせることができる。

また、例えば、図１１に示すように、ワーク２３の表面に形成されている薄膜などの材質によって、波長成分による反射特性が異なるような場合、例えば、波長成分λ３の反射率が低いような場合には、図１２に示すように、波長成分λ１およびλ２の焦点位置のワーク２３からは十分な反射光が得られるが、波長成分λ３の焦点位置のワーク２３からは反射光が得られず、計測および観察ができないことになるが、かかる場合にも、撮像画像の画像処理によって、ユーザに対して、警告表示を行うといったことが可能となる。

なお、本発明では、上述の図８に示される計測領域におけるピンホールアレー２８による点像の最外点で囲まれる領域に、ピンホール２０による点像の少なくとも一部が含まれておれば、その領域で、位置の計測を行うとともに、周辺の画像を取得して観察を行うことができる。

例えば、図１３に示すように、計測可能領域Ｒ１と観察可能領域Ｒ２とが、同じ波長成分で重ならない場合であっても、重なる実計測領域Ｒ３の波長成分のみを計測あるいは観察にそれぞれ用いるようにすればよい。また、計測可能領域Ｒ１と観察可能領域Ｒ２との差の領域を、ピンホールアレー２８の組立て調整の誤差範囲として利用することができ、調整が容易となる。なお、観察可能領域Ｒ２を、計測可能領域Ｒ１よりも狭くするには、例えば、波長範囲を制限するフィルタを設けたり、あるいは、異なる光源を用いればよい。

本発明の他の実施形態として、上述の図１に対応する図１４に示すように、集光モジュール８−１を、光路分岐モジュール４と受光モジュール６との間に配置する一方、ピンホールアレーモジュール１０を、光路合流分岐モジュール１３−１と光路分岐モジュール１４との間に配置してもよく、更に、図１および図１４にそれぞれ対応する図１５および図１６に示すように、二つの個別の光源モジュール２−１，２−２を用いて構成してもよい。

また、本発明の他の実施形態として、時間的にスペクトルを可変に走査可能な計測入射光を発する光源モジュール、例えば、波長可変レーザなどを用いて、投光側では、特定の波長成分の光を、時間的に変化させながら投光し、それぞれの波長成分毎の受光強度を計測して、色収差による焦点が異なる位置ごとの強度情報を得るように構成してもよく、この場合には、分光モジュール５が不要となる。

（実施の形態２）
図１７は、本発明の他の実施形態の図１に対応する図である。

この実施形態では、計測光学系と撮像光学系との光路を共有し、この光路内にピンホールアレーモジュール１０を配置しており、光路合流分岐モジュールなどを省略して小型化を図っている。

この計測装置は、光源モジュール２と、計測入射光を、色収差に基づいて波長成分毎に異なる位置に集光させる結像光学モジュール３と、被測定物６０の表面からの計測反射光を、計測入射光の光路から分離する光路分岐モジュール４と、計測反射光を、波長成分毎に分離する分光モジュール５と、波長成分毎の強度値を検出する受光モジュール６と、被測定物の表面の位置を算出する処理モジュール９とを有している。

更に、ピンホールアレーモジュール１０と、ピンホールアレー１１を駆動する駆動モジュール３５と、ピンホールアレー１１を再び通過した観察反射光を、観察入射光の光路から空間的に分離する光路分岐モジュール１４と、ピンホールアレー１１からの反射光の像を撮像する撮像モジュール１５と、画像処理モジュール６１と、出力モジュール６２と、光路分岐モジュール４と受光部との間に配置された一つのピンホール３６を含む集光モジュール３７とを有している。

図１８は、図１７の計測装置の要部の詳細な構成の一例を示す図である。

この実施形態の計測装置は、ハロゲンランプ１６から照射された複数の波長成分を含む光が、ハーフミラー３８を通過し、結像レンズ３９によって集光され、ハーフミラー４０を通過して、ピンホールアレー２８面上に結像される。

ピンホールアレー２８の各ピンホールを通過した光は、結像レンズ２１と色収差発生モジュール２２とによって、ピンホールアレー２８の各ピンホールの像が結像される位置に、ピンホールを通過した光が集光される。このとき、色収差発生モジュール２２によって、各波長成分毎に異なる位置にビームが集光される。

各波長成分毎に異なる位置に集光されたビームのワーク２３からの反射光が、再び同じ経路を通ってピンホールアレー２８上に結像し、更に、結像レンズ２９により、ピンホールアレーの像が、二次元ＣＣＤ３０上に結像する。これによって、焦点位置にワーク２３が存在する波長成分の光のみ二次元ＣＣＤ３０上で集光し、異なる波長成分による合焦画像が形成される。

また、ピンホールアレー２８を通過する光の一部が、ハーフミラー４０を通過し、更に、一部の光が、ハーフミラー３８を反射してピンホール４１上に、結像レンズ３９によって集光される。このとき、結像レンズ３９により形成されるピンホールの像は、ピンホールアレー２８面上に重なっているようにピンホールを設置する必要がある。

ピンホールアレー２８から通過する光のうちピンホール４１上に結像される光のみが通過し、結像レンズ４２により、ピンホール４１の像がラインＣＣＤ２６上に結像され、ピンホール４１を通過する光の強度に応じて、ラインＣＣＤ２６上で強度データが得られる。なお、このピンホール４１を通過する光は、分光素子２７で反射することにより、波長成分に応じて反射角度が異なり、結果として、ラインＣＣＤ２６の異なる位置に結像するようになっている。また、ピンホールアレー２８は、駆動されているので、ラインＣＣＤ２６上にピンホール４１の像が現れる任意の間隔よりも長いシャッタ時間でラインＣＣＤ２６を露光して強度データを取得する必要がある。

（実施の形態３）
図１９は、本発明の他の実施の形態に係る計測装置の概略構成を示す図である。

この実施形態では、上述の図１の実施形態のピンホールアレー１１を、ニポーディスク４４に置き換えたものである。

この計測装置は、光源モジュール２と、計測入射光を、色収差に基づいて波長成分毎に異なる位置に集光させる結像光学モジュール３と、被測定物６０の表面からの計測反射光を、計測入射光の光路から分離する光路分岐モジュール４と、分離された計測反射光を、波長成分毎に分離する分光モジュール５と、波長成分毎の強度値を検出する受光モジュール６と、光路分岐モジュール４と結像光学モジュール３との間に配置されている一つのピンホール７を含む集光モジュール８と、計測反射光の強度値から被測定物の表面の位置を算出する処理モジュール９とを有している。

また、この計測位置は、ピンホールアレーモジュール４３と、ピンホールアレー４４を駆動する駆動モジュール４５と、光源モジュール２から発する計測入射光を、分岐してピンホールアレー４４に観察入射光として照射する光路分岐モジュール１２と、ピンホールアレー４４を通過した観察入射光を結像光学モジュール３へ空間的に合流させ、かつ、被測定物の表面から反射して結像光学モジュール３を再び通過した観察反射光を、観察入射光の光路から空間的に分離する光路合流分岐モジュール１３と、ピンホールアレー１１を再び通過した観察反射光を、観察入射光の光路から空間的に分離する光路分岐モジュール１４と、ピンホールアレーからの反射光の像を撮像する撮像モジュール１５と、画像処理モジュール６１と、出力モジュール６２とを有している。

ピンホールアレーモジュール４３は、例えば、ニポーディスクと集光レンズからなる。
図２０は、図１９の計測装置の要部の詳細な構成の一例を示す図である。

この実施形態の計測装置は、ハロゲンランプ１６からの照射された複数の波長成分を含む光が、コリメートレンズ１７によって平行光とされ、その一部は、ハーフミラー１８を通過し、結像レンズ４６によってピンホール４７上に結像される。ピンホール４７を通過した光は、結像レンズ４８によってほぼ平行な光線に形成され、結像レンズ１９によって、例えば、図２１の平面図に示されるように、多数のピンホール４９ａを有するニポーディスク４９上に結像する。

なお、ニポーディスク４９上のピンホールの像は、ニポーディスク４９内のピンホール径と同等か若しくは小さい方が望ましい。

結像レンズ２１と色収差発生モジュール２２とによって、ニポーディスク４９内の光線が通過している少なくとも一つのピンホールの像が結像される位置に、ピンホールを通過した光が集光される。このとき、色収差発生モジュール２２によって、各波長成分毎に異なる位置にビームが集光される。

各波長成分毎に異なる位置に集光されたビームのワーク２３からの反射光が、再び同じ経路を通ってニポーディスク４９上に結像する。

このとき、ハーフミラー２４を往復で通過する際に、それぞれ一部が反射し、一部が通過してニポーディスク４９の少なくとも一つのピンホールを最終的に通過する。

結像レンズ１９と結像レンズ４８とにより、ニポーディスク４９の少なくとも一つのピンホールの像が、ピンホール４７上に結像され、そのピンホール４７の像が結像レンズ４６と結像レンズ２５とによりラインＣＣＤ２６上に結像されることから、ニポーディスク４９の少なくとも一つのピンホール、及びピンホール４７を通過する光の強度に応じて、ラインＣＣＤ２６上で強度データが得られる。

なお、ピンホールを通過する光は、分光素子２７で反射することより、波長成分に応じて反射角が異なり、結果として、ラインＣＣＤ２６の異なる位置に結像するようになっている。

また、ニポーディスク４９は、回転していることから、ラインＣＣＤ２６上に、少なくとも一つのピンホールの像が現れる任意の間隔よりも長いシャッタ時間でラインＣＣＤ２６を露光して強度データを取得する必要がある。

ニポーディスク４９の少なくとも一つのピンホールを通過した光は、スペクトルに応じて、ラインＣＣＤ２６の異なる位置に結像され、スペクトルごとの強度情報が一括で取得可能になる。

このなかで、強度が最大の位置、すなわち、波長成分を検出し、波長成分の値からワーク２３の相対深さ位置の算出を行う。

一方、コリメートレンズ１７からの平行光の別の一部は、偏光板５５、偏光ビームスプリッター３１を通過し、ニポーディスク４９上に照射される。

結像レンズ３２と色収差モジュール２２によってニポーディスク４９の各ピンホールの像が結像される位置にニポーディスク４９の各ピンホールを通過した光が、それぞれ集光される。このとき、色収差発生モジュール２２によって、各波長毎に異なる位置にビームが集光されている。

各波長毎に異なる位置に集光されたビームのワーク２３からの反射光が、再び同じ経路を通ってそれぞれピンホール上に結像する。

このとき、ハーフミラー２４を往復で通過する際に、それぞれ一部が通過し、一部が反射し、ニポーディスク４９の各ピンホールを最終的に通過する。

結像レンズ２９により、ニポーディスク４９の像が、二次元ＣＣＤ３０上に結像するように構成されているので、焦点位置にワーク２３が存在する波長成分の光のみ二次元ＣＣＤ３０上で集光し、異なる波長成分による合焦画像が形成される。

この実施形態では、ニポーディスク４９の１／２ずつの領域を、撮像光学系のピンホールアレーと、計測光学系のピンホールとして同時に利用するので、小型化を図ることができる。

本発明の他の実施形態として、図１９に対応する図２２に示すように、二つの個別の光源モジュール２−１，２−２を用いて構成してもよい。

（実施の形態４）
図２３は、本発明の更に他の実施の形態に係る計測装置の概略構成を示す図である。

上述の各実施形態では、色収差を利用したけれども、この実施形態では、ビームを深さ方向（光軸方向）に走査するものである。

すなわち、この計測装置は、計測入射光を発する光源モジュール２と、計測入射光を、集光させる結像光学モジュール３−１と、被測定物の表面から反射して結像光学モジュール３−１を再び通過した計測反射光を、計測入射光の光路から空間的に分離する光路分岐モジュール４と、結像光学モジュールで集光されたビームを深さ方向に走査するための走査モジュール５０と、計測入射光の光路から空間的に分離された計測反射光の強度値を検出する受光モジュール６と、光路分岐モジュール４と結像光学モジュール３との間に配置されている一つのピンホール７を含む集光モジュール８と、計測反射光の強度値から当該計測装置と被測定物の表面との間隔を算出する処理モジュール９とを有している。

光源モジュール２は、例えば、白色光源やレーザ光源などからなり、走査モジュールは、ピエゾステージ、ソレノイド、音叉などからなる。

また、計測装置は、ピンホールアレーモジュール１０と、ピンホールアレー１１を駆動する駆動モジュール３５と、光源モジュール２から発する計測入射光を、分岐してピンホールアレー１１に観察入射光として照射する光路分岐モジュール１２と、ピンホールアレー１１を通過した観察入射光を結像光学モジュール３へ空間的に合流させ、かつ、被測定物の表面から反射して結像光学モジュール３を再び通過した観察反射光を、観察入射光の光路から空間的に分離する光路合流分岐モジュール１３と、ピンホールアレー１１を再び通過した観察反射光を、観察入射光の光路から空間的に分離する光路分岐モジュール１４と、ピンホールアレーからの反射光の像を撮像する撮像モジュール１５と、画像処理モジュール６１と、出力モジュール６２とを有する。

図２４は、図２３の計測装置の要部の詳細構成の一例を示す図である。

この実施形態の計測装置は、半導体レーザ素子１６−１からの出射光が、コリメートレンズ１７によって平行光とされ、その一部は、ハーフミラー１８を通過し、結像レンズ１９によってピンホール２０上に結像される。

結像レンズ２１と対物レンズ５１とによって、ピンホール２０の像が結像される位置に、ピンホール２０を通過した光が集光される。

集光されたビームのワーク２３からの反射光が、再び同じ経路を通ってピンホール２０上に結像する。

このとき、ハーフミラー２４を往復で通過する際に、それぞれ一部が反射し、一部が通過してピンホール２０を最終的に通過している。

結像レンズ１９と結像レンズ５２とにより、ピンホール２０の像がフォトダイオードからなる光検出器５３上に結像するように構成されていることから、被測定物２３に生じた合焦点の光のみが光検出器５３に入射することになり、ピンホールを通過する光の強度に応じて、光検出器５３上で強度データが得られる。

このとき、Ｕ字状をした音叉５４の共振による振動により、該音叉５４に取り付けられた対物レンズ５１が、光軸方向に周期的に走査される。この走査における振動の振幅を、図示しないセンサで検出し、強度が最大になるときの対物レンズ５１の位置を検出し、その値からワーク２３の相対深さ位置の算出を行う。

一方、コリメートレンズ１７からの平行光の別の一部は、偏光板５５および偏光ビームスプリッター３１を通過し、光量の一部が通過してピンホールアレー２８上に照射される。

結像レンズ３２と対物レンズ５１によってピンホールアレー２８の各ピンホールの像が結像される位置にピンホールアレー２８を通過した光が、それぞれ集光される。

集光されたビームのワーク２３からの反射光が、再び同経路を通ってピンホール上に結像する。このとき、ハーフミラー２４を往復で通過する際に、それぞれ一部が通過し、一部が反射してピンホールアレー２８の各ピンホールを最終的に通過する。

結像レンズ２９により、ピンホールアレーの像が、二次元ＣＣＤ３０上に結像するので、焦点位置がワークの存在する位置に集光されたときのみ二次元ＣＣＤ３０上で集光し、異なる時間で得られた複数の焦点画像による合焦点画像が形成される。

この実施形態においても、ピンホールアレー２８は、計測領域において、各走査位置毎のピンホールアレー２８の点像がなす面５８に、走査位置毎のピンホール２０の点像５９が重なり、各走査位置毎の点像を重ねると、計測領域におけるピンホールアレー２８による点像の最外点で囲まれる略直方体状の領域内に、ピンホール２０の円柱状の点像５９が含まれるように配置されている。

図２５は、異なる走査位置における合焦点画像を説明するための図であり、３つの走査位置におけるピンホールアレー２８およびピンホール２０を通過した光線Ｂ１，Ｂ２をそれぞれ示すととともに、被写界深度Ｄ内のワーク２３を実線で併せて示している。

同図（ａ）の上方の走査位置では、ピンホール２０を通過した光線Ｂ２は、共焦点の状態となっておらず、ピンホールアレー２８を通過した光線Ｂ１の内の共焦点の状態にある光線によって、被写界深度Ｄ内の鮮明な画像が得られる。

同図（ｂ）の中間の走査位置では、ピンホール２０を通過した光線Ｂ２は、共焦点の状態となっており、このときのワーク２３の位置が計測されるとともに、ピンホールアレー２８を通過した光線Ｂ１の内、共焦点の状態にある光線によって、被写界深度Ｄ内の鮮明な画像が得られる。

更に、同図（ｃ）の下方位置では、ピンホール２０を通過した光線Ｂ２は、共焦点の状態となっておらず、ピンホールアレー２８を通過した光線Ｂ１の内、共焦点の状態にある光線によって、被写界深度Ｄ内の鮮明な画像が得られる。

この走査中は、ピンホール２０を通過した光線Ｂ２が共焦点状態あるか否かに拘わらず、二次元ＣＣＤ３０に電荷を蓄積するので、図２６に示されるように、１回の走査によって、すべての合焦点画像を取得できる。また、合焦点画像は、被写界深度Ｄを複数重ねた高低差の画像となる。

本発明の他の実施形態として、上述の図２３に対応する図２７に示すように、集光モジュール８−１を、光路分岐モジュール４と受光モジュール６との間に配置する一方、ピンホールアレーモジュール１０を、光路合流分岐モジュール１３−１と光路分岐モジュール１４との間に配置してもよく、更に、図２３および図２７にそれぞれ対応する図２８および図２９に示すように、二つの個別の光源モジュールを用いて構成してもよい。

また、上述の実施形態の図１７の色収差に代えて、図３０に示すように、光軸方向に走査するようにしてもよく、また、上述の実施形態の図１９の色収差に代えて、図３１に示すように、光軸方向に走査するようにしてもよい。

本発明は、被測定物の表面位置などの計測に有用である。

本発明の実施形態に係る計測装置の概略構成図である。図１の詳細構成の一例を示す図である。図２のスリットアレーを示す図である。画像の劣化を抑制するためのピンホールアレーの構成を示す図である。スリットアレーを示す図である。ピンホールアレーからの反射ノイズを抑制するための構成を示す図である。各波長成分毎のピンホールアレーおよびピンホールの像を示す図である。各波長成分毎のピンホールアレーおよびピンホールの像を重ねた状態を示す図である。計測光学系による計測領域および撮像光学系による観察領域の対応を示す図である。ワーク表面の高低差による計測可能領域および計測不可領域を示す図である。ワークの反射特性を示す図である。ワーク表面の波長成分による反射を示す図である。他の実施形態の図９に対応する図である。他の実施形態の図１に対応する概略構成図である。他の実施形態の図１に対応する概略構成図である。他の実施形態の図１４に対応する概略構成図である。本発明の他の実施形態の概略構成図である。図１７の詳細構成の一例を示す図である。本発明の更に他の実施形態の概略構成図である。図１９の詳細構成の一例を示す図である。図２０のニポーディスクの平面図である。他の実施形態の図１９に対応する図である。本発明の他の実施形態の概略構成図である。図２３の詳細構成の一例を示す図である。各走査位置における合焦状態を示す図である。１回の走査によって得られる撮像画像を説明するための図である。他の実施形態の図２３に対応する図である。他の実施形態の図２３に対応する図である。他の実施形態の図２７に対応する図である。他の実施形態の図１７に対応する図である。他の実施形態の図１９に対応する図である。従来例の構成図である。

符号の説明

１６ハロゲンランプ
１６−１半導体レーザ素子
２０ピンホール
２２色収差モジュール
２６ラインＣＣＤ
２８ピンホールアレー
３０二次元ＣＣＤ
４９ニポーディスク
５４音叉

Claims

被測定物の表面の変位を計測する計測光学系と、前記被測定物の表面の画像を撮像する撮像光学系とを備え、
前記計測光学系は、複数の波長成分を含む点状あるいは線状の光源と、前記光源の像と共役な位置に配置され、前記被計測物により反射された反射光を通過させるピンホールまたはスリットと、前記ピンホールまたはスリットを通過した光を、波長成分毎に検出する検出器と、該検出器の出力を処理して、前記被測定物の表面の位置を計測する処理部とを有し、
前記撮像光学系は、複数の波長成分を含む点状あるいは線状の光源と、前記光源の像と共役な位置に配置され、前記被検出物により反射された反射光を通過させるピンホールアレーまたはスリットアレーと、前記ピンホールアレーまたはスリットアレーを通過した光を受光して前記被測定物の表面の画像を撮像する撮像部とを有し、
さらに、前記両光学系は、色収差を有する結像光学系であって、前記各光源からの複数の波長成分を含む光を前記被測定物へ波長成分毎に集光するように照射するとともに、前記被検出物により反射された反射光を受光して、前記計測光学系の前記ピンホールまたはスリットおよび前記撮像光学系の前記ピンホールアレーまたはスリットアレーへ導く、共通の光学手段を有し、
前記撮像光学系の前記ピンホールアレーまたはスリットアレーは、被計測物が置かれる領域において、前記撮像光学系の前記ピンホールアレーまたはスリットアレーが前記光学手段を介して結像される像の最外点で囲まれる領域内に、前記計測光学系の前記ピンホールまたはスリットが前記光学手段を介して結像される像の少なくとも一部が含まれるように配置され、
前記計測光学系および前記撮像光学系の光路を共用するとともに、前記共用される光路中で、前記計測光学系の前記ピンホールまたはスリットと、前記撮像光学系のピンホールアレーまたはスリットアレーとを兼用し、
前記計測光学系は、前記光路を分岐して前記検出器に導く分岐手段を備え、
前記計測光学系には、前記分岐手段と前記検出器との間に、前記ピンホールアレーまたは前記スリットアレーの中から少なくとも一つのピンホールまたはスリットからの光を選択的に通過させる開口を設けたことを特徴とする計測装置。
前記撮像光学系のピンホールアレーまたはスリットアレーの波長成分毎の像と、前記ピンホールまたはスリットの波長成分毎の像とが、同じ波長成分については互いに同一面内に存在するようにされた請求項１に記載の計測装置。
前記計測光学系の前記検出器が検出する光の波長範囲が、前記撮像光学系の前記撮像部が受光して撮像する光の波長範囲以上である請求項１または２に記載の計測装置。
被測定物の表面の変位を計測する計測光学系と、前記被測定物の表面の画像を撮像する撮像光学系とを備え、
前記計測光学系は、点状あるいは線状の光源と、前記光源の像と共役な位置に配置され、前記被計測物により反射された反射光を通過させるピンホールまたはスリットと、前記ピンホールまたはスリットを通過した光を検出する検出器と、該検出器の出力を処理して、前記被測定物の表面の位置を計測する処理部とを有し、
前記撮像光学系は、点状あるいは線状の光源と、前記光源の像と共役な位置に配置され、前記被検出物により反射された反射光を通過させるピンホールアレーまたはスリットアレーと、前記ピンホールアレーまたはスリットアレーを通過した光を受光して前記被測定物の表面の画像を撮像する撮像部とを有し、
さらに、前記両光学系は、光源からの光を、前記被測定物に対して、集光するように照射するとともに、前記被検出物により反射された反射光を受光して、計測光学系の前記ピンホールまたはスリットおよび前記撮像光学系の前記ピンホールアレーまたはスリットアレーへ導く共通の光学手段と、当該光学手段が照射する光の集光位置並びに前記計測光学系の前記ピンホールまたはスリットおよび前記撮像光学系の前記ピンホールアレーまたはスリットアレーが被計測物体側へ結像される位置を光軸方向に走査する共通の走査手段を有し、
前記撮像光学系の前記ピンホールアレーまたはスリットアレーは、被計測物が置かれる領域において、前記撮像光学系の前記ピンホールアレーまたはスリットアレーが前記光学手段および走査手段を介して結像される像の最外点で囲まれる領域内に、前記計測光学系の前記ピンホールまたはスリットが前記光学手段および走査手段を介して結像される像の少なくとも一部が含まれるように配置され、
前記計測光学系および前記撮像光学系の光路を共用するとともに、前記共用される光路中で、前記計測光学系の前記ピンホールまたはスリットと、前記撮像光学系のピンホールアレーまたはスリットアレーとを兼用し、
前記計測光学系は、前記光路を分岐して前記検出器に導く分岐手段を備え、
前記計測光学系には、前記分岐手段と前記検出器との間に、前記ピンホールアレーまたは前記スリットアレーの中から少なくとも一つのピンホールまたはスリットからの光を選択的に通過させる開口を設けたことを特徴とする計測装置。
前記撮像光学系は、前記撮像部で撮像した画像を処理する画像処理部を有し、
前記画像処理部は、撮像した画像の内、反射光の光量が一定未満の領域を、特定して表示する画像処理を行う請求項１ないし４のいずれか一項に記載の計測装置。
前記ピンホールアレーまたは前記スリットアレーを駆動する駆動素子を備え、前記開口は、前記ピンホールアレーまたは前記スリットアレーの像に重なる少なくとも一つのピンホールまたはスリットである請求項１ないし５のいずれか一項に記載の計測装置。
前記ピンホールアレーまたはスリットアレーとして、ニポーディスクを備える請求項１ないし６のいずれか一項に記載の計測装置。