JPH0629714B2 - 三次元形状測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明は三次元形状測定装置に関し、特に非接触にて高
速に形状測定を行ない得る三次元形状測定装置に関す
る。

〔従来技術〕 従来、物体の三次元形状即ち立体的形状を非接触にて測
定するために種々の方法が用いられている。この様な測
定方法としては、コヒーレント光を利用した干渉計測法
や、スリツト光による光切断像を読取る方法等が用いら
れている。しかしながら、干渉計測法は被測定物の表面
全体を同時に精度良く測定できるという利点を有する反
面、被測定物表面の凹凸が光の波長に対してかなり大き
い場合には測定が困難であるという欠点がある。また、
光切断像を読取る方法は光の波長のオーダーの凹凸形状
の測定は困難であり従つて高精度は望めないという欠点
がある。

そこで、内部光源を有する合焦状態判別光学系を移動台
上に載置し、該光学系を被測定物表面にフオーカシング
せしめるべく移動台を移動せしめることにより、該移動
台の移動量から三次元形状を測定す方式が提案されてい
る（特公昭４６−４０２３１号公報）。ことによれば、
被測定物表面の凹凸の程度によらず、かなりの精度で形
状測定を行なうことができる。

しかしながら、この様な移動台を相対的に走査させる方
法では、被検物体が非球面レンズや曲率の大きなレンズ
等、開角が大きい物体である場合には走査方向に於る被
測定面の傾角が大きくなる。従つて、この種の光学的測
定装置では該装置の対物レンズの瞳に被測定面からの反
射光が入ることが出来ず測定が出来ない。又、測定が可
能であつても測長のストロークを大きく取らなければな
らないという欠点を有していた。

一方、この種の問題点を改善した装置が特開昭60−1042
06号公報に開示されている。該公開公報によれば、レー
ザ光を対物レンズで被測定面上に集光し、その反射光の
周波数の被測定面の移動に伴ない生ずるドツプラーシフ
トを検出して面形状を測定する装置であつて、被測定物
を回転可能にしてＸ方向とθ方向に被測定物を移動させ
て上記方法で測定することにより、被測定物の被測定面
での傾角が大きい場合でも前面の測定を可能にしてい
る。

しかしながら、この方式は被測定面の移動に伴なうドツ
プラーシフトを利用し、被測定面から直接反射してくる
光を位置情報を備えた物体光として同一光源から出射し
他の光路を介して得た参照光との重ね合わせにより信号
を検出しており、被測定面にキズやほこり等の欠陥が存
する場合、反射光が散乱してしまい、連続的な測定が不
可能となつていた。

〔発明の目的〕

本発明は、上記従来の種々の欠点に鑑み、高精度且つ高
速に如何なる面形状の被測定をも測定し得、且つ、被測
定面にキズやほこり等が存していても連続して測定が可
能な３次元形状測定装置を提供することにある。

〔発明の要旨〕

本発明によれば、上記目的は、内部光源を有し少なくと
も一部を移動させることが可能な可動部を有する合焦状
態判別光学系と、該可動部の移動量を測定する手段と、
該合焦状態判別光学系の対物レンズの光軸と交わり且つ
該光軸に対し略直交する回転軸を中心に旋回可能な被検
物体の支持手段とを有し、該被検物体の曲率中心が該回
転軸に存することにより達成される。

〔発明の実施例〕

以下、図面を参照しつつ本３次元形状測定装置の実施例
を説明する。

第１図(A),(B)は本発明に係る３次元形状測定装定装置
の第１の実施例を示す概略構成図であり、第１図(A)は
上面図、第１図(B)は側面図を示す。尚、第１図(B)に於
ては理解を図る為に光学系の概略構成を示している。こ
こで、２は合焦状態判別光学系であり、４は傾斜角測定
光学系である。光学系２及び４はケーシング６に組込ま
れている。

合焦状態判別光学系２において、８は光源であり、１０
はコリメーターレンズであり、１２はナイフエツジであ
り、１４は偏光ビームスプリツターであり、１６はハー
フミラーであり、１８は1/4波長板であり、２０は対物
レンズであり、２２はバンドパスフイルターであり、２
４はレンズであり、２６は光学的センサーである。

傾斜角測定光学系４において、２８は光源であり、３０
及び３２はレンズであり、３４は偏光ビームスプリツタ
ーであり、３６はバンドパスフイルターであり、３８は
光学的センサーである。尚、この光学系４においてはハ
ーフミラー１６、1/4波長板１８及び対物レンズ２０は
光学系２と共用されている。

ケーシング６は外部に固設されたアクチユエーター４０
に接続されている。該アクチユエーター４０を駆動せし
めることにより、ケーシング６は対物レンズ２０の光軸
Ｘに沿つて移動することができる。アクチユエーター４
０としては高精度な移動量コントロールを実現すべく流
体移動軸受スライド機構を備えたもの等を用いるのが好
ましい。

ケーシング６にはまたその移動量を測定するための測長
手段４２が付設されている。測長手段４２としてはたと
えば格子干渉測長方式によるもの（O plns E.1981年４
月号p84〜）が用いられ、この場合、第１図における４
４はケーシング６に固定された基準格子であり、４６は
外部に固設された格子ピツチ読取装置である。

５０は形状を測定されるべき被測定物である。又、６０
は非球面レンズ等の被測定物５０を設置するマウント
で、図示する如く被測定物５０をその曲率中心を通る回
転軸に対しθ方向に回転させることが出来る。従つて被
測定物５０はマウント６０に組込まれた駆動手段により
θ方向に旋回し、この時、被測定物５０の所定の断面形
状（表面形状）を測定する為に、合焦状態判別光学系２
は該断面の一方の端部から他方の端部までを相対的にス
ポツト光で走査することになり、各走査位置に於てスポ
ツト光が被測定面に対して合焦する様に所定の部材（対
物レンズ２０）を光軸方向に移動させる。そして、この
所定の部材の移動量を順次検出して、最終的に被測定面
の任意の断面で表面形状を得ることが出来る。

以上の如く被測定物５０をその曲率中心を軸として回転
させることにより、被測定物５０の被測定面上に後述す
る対物レンズ２０の光軸に対して大きな傾角が存在して
いても、実質的に測定時の被測定面の傾きが小さくな
る。従つて非球面レンズ、曲率の大きなレンズ等の開角
の大きなレンズの測定も容易となる。

更に本実施例では後に詳述する如く、対物レンズ２０の
如き部材の移動量を測定する為の測長系が被測定物５０
と分離されており、又、合焦状態判別光学系とは異なる
系から成つている。従つて、従来の装置では被測定物５
０の被測定面にキズやホコリ等がある場合に測定が中断
されていたのに対し、本発明によればスポツト光の連続
走査により中断されることなく測定可能である。

従つて、被測定面上のある箇所に欠陥が生じていたとし
ても、被測定物５０がレンズ等の対称形を成していれ
ば、被測定物５０の複数断面を走査して各表面形状を得
ることにより、複数の表面形状の情報に基づき欠陥が存
する断面の表面形状をも修正して得ることが出来る。

尚、本実施例では第１図(A)に於ける紙面面内方向へ被
測定物５０を旋回させているが、この旋回方向は、回転
中心が被測定物５０の曲率中心と略々一致しており且つ
対物レンズ２０の光軸に存していれば如何なる方向でも
構わない。又、被測定物５０を旋回させる為の各部材や
駆動機構も如何なる構成であつても構わない。

更に、被測定物５０の被測定面に於る複数断面の形状を
測定する為には、例えば被測定物５０を対物レンズ２０
の光軸のまわりに相対的に回転させる機構を設ければ良
い。この様な機構を設けることにより、被測定物５０に
於る被測定面の所定方向へのスポツト光束の走査が終わ
り次第、続いて被測定物５０を任意の角度対物レンズ２
０の光軸のまわりに回転させ、被測定面上をスポツト光
束により再び走査すれば、複数の断面の表面形状を得る
ことが出来る。

尚、本実施例では後述する様に合焦状態判別光学系２の
他に被測定物５０の被測定面の傾きを測定する傾斜角測
定光学系４を配し、面形状測定の精度を更に向上させて
いる。以下、この２つの光学系に関し詳述する。

本実施例における合焦状態判別光学系２の合焦状態判別
法につき以下説明する。

光源８から発せられた光はコリメーターレンズ１０によ
り平行光束とされ、該平行光束は偏光ビームスプリツタ
ー１４を透過してハーフミラー１６により反射されて1/
4波長板１８を透過し対物レンズ２０に入射する。尚、
コリメーターレンズ１０を出た平行光束はナイフエツジ
１２により一部遮光され、対物レンズ２０にはその光軸
Ｘを通る境界面により２分される２つのゾーンのうちの
一方（図においては上半分のゾーン）にのみ入射する。
かくして、対物レンズ２０により集束せしめられた光は
被測定物５０の表面上にスポツトを結ぶ。該スポツトか
ら反射された光は、再び対物レンズ２０を透過し、1/4
波長板１８を経てハーフミラー１６により反射せしめら
れ、ビームスプリツター１４により反射せしめられ、バ
ンドパスフイルター２２及びレンズ２４を透過した後、
センサー２６に到達する。

しかして、この際、被測定物５０の表面と対物レンズ２
０との距離によりセンサー２６に到達する光に差が生ず
る。即ち、第２図に示される様に、被測定物５０の表面
がちようど対物レンズ２０の焦点位置に存在する場合
（図中のイの位置）には、被測定物５０の表面における
スポツトはちようど光軸Ｘ上にその中心が位置するた
め、反射光はセンサー２６において光軸Ｘ上に中心をも
つて位置することになる。また、被測定物５０の表面が
対物レンズ２０の焦点位置よりも遠くに位置する場合
（図中のロの位置）には、被測定物５０の表面における
スポツトは光軸Ｘからずれた図におけるＡゾーン内に中
心をもつて位置する様になるため、その反射光はセンサ
ー２６において光軸Ｙからずれた図におけるＡ′ゾーン
に中心をもつて位置することになる。一方、被測定物５
０の表面が対物レンズ２０の焦点位置よりも近くに位置
する場合（図中のハの位置）には、被測定物５０の表面
におけるスポツトは光軸Ｘからずれた図におけるＢゾー
ンに中心をもつて位置する様になるため、その反射光は
センサー２６において光軸Ｙからずれた図におけるＢ′
ゾーンに中心をもつて位置することになる。

センサー２６としてはCCD(Charge Coupled Device)等の
アレイセンサーが用いられる。第３図はこの様なセンサ
ー２６の平面図である。この図は第２図におけるセンサ
ー２６を左方から見たものである。図中、斜線を付した
部分はセンサーセグメント間を分離しているチヤンネル
ストツパー部を示す。第３図のセンサー２６には、被測
定物５０の表面位置が第２図のイ，ロ又はハである場合
のスポツト位置及びその光量分布のグラフが記されてい
る。

センサー２６において、Ａ′ゾーンにおける全センサー
セグメントの出力の和をＩ_Ａ′としＢ′ゾーンにおけつ
全センサーセグメントの出力の和をＩ_Ｂ′とすると、光
学系２の被測定物５０に対する合焦状態に応じてΔＩ＝
Ａ_Ａ′−Ｉ_Ｂ′が変化する。その関係を第４図に示す。
第４図から分る様に、フオーカシングが完全になされて
いる場合（上記イの状態）の近傍においてはΔＩはほぼ
リニアに変化する。この特性を利用することによつて光
学系２が前ピンと外れ状態であるか、完全フオーカシン
グ状態であるか、後ピント外れ状態であるかが判別でき
る。

従つて、この出力ΔＩに基づきΔＩを０にするべくアク
チユエーター４０をサーボ駆動せしめることにより、自
動フオーカシングが実現できる。この際のケーシング６
の移動量を測長手段４２で測定することにより被測定物
５０の表面の光軸Ｘと交わる部分の位置が測定される。
この位置測定を被測定物表面の全体について行なうこと
により３次元形状が測定できる。

次に、本実施例における傾斜角測定光学系４の傾斜角測
定法につき以下説明する。

光源２８から発せられた光はレンズ３０及び３２を透過
した後、平行光束となつて偏光ビームスプリツター３４
に入射して反射せしめられ、ハーフミラー１６及び1/4
波長板１８を透過して、対物レンズ２０により集束せし
められる。尚、この光学系４においては対物レンズ２０
に入射する光束が光軸Ｘ上に中心を有し且つ該光軸Ｘに
平行に入射す様になつている。かくして対物レンズ２０
により集束せしめられた光は被測定物５０の表面上にお
いてＸ軸上に中心を有するスポツトを結ぶ。該スポツト
から反射される光束は再び対物レンズ２０を透過し、1/
4波長板１８、ハーフミラー１６、偏光ビームスプリツ
ター３４及びバンドパスフイルター３６を透過した後、
センサー３８に到達する。

しかして、この際、被測定物５０の表面の傾斜角により
センサー３８に到達する光に差が生ずる。即ち、第５図
に示される様に、被測定物５０の表面が光軸Ｘ上の位置
において光軸Ｘと垂直の面に対し角度αだけ傾いている
とすると、投光スポツトからの反射光束は光軸Ｘに対し
角度２ａをなす方向に中心を有して対物レンズ２０に入
射する。かくして、対物レンズ２０に入射した光束は光
軸Ｘと平行に進行し、その光速中心は光軸Ｘからｈ≒fs
in2α（ここで、ｆは対物レンズ２０の焦点距離をあら
わす）だけ隔てられている。

センサー３８としては光束の重心位置検知センサーいわ
ゆるポジシヨンセンサーなどが用いられ、これにより上
記のｈを測定することによつて上記αを求めることがで
きる。

以上の説明から分かる様に、傾斜角測定に際しては被測
定物５０の表面が対物レンズ２０の焦点位置にあること
が必要であるが、上記光学系２とアクチユエーター４０
との作用により常にフオーカシングがなされているので
この条件は常に満たされている。

また、合焦状態判別光学系２と傾斜角測定光学系４とは
一部共通部分を有するので、各光学系において用いる光
源の波長帯域を異ならせたり、偏光状態を異ならせたり
して、クロストークが生じない様にする。このため、バ
ンドパスフイルター２２及び３６、更には偏光ビームス
プリツター１４及び３４及び1/4波長板１８が用いられ
ている。

以上の如き実施例の３次元形状測定装置の性能につき以
下に評価を試みる。

先ず、位置測定の精度は光学系２の合焦状態判別分解能
と測長手段４２の測定精度とにより定まる。たとえば、
対物レンズ２０として焦点距離ｆ＝2.1mm,NA＝0.9のも
のを、レンズ１０として焦点距離f₁＝6.6mmのものを、
レンズ２４として焦点距離f₂＝85mmのものを用い、セン
サー２６としてCCDセンサーアレイを用いた場合には、
第４図のグラフにおけるリニア部分の傾きとして200〜1
000mV/μｍが得られ、更にこの時のΔＩの出力のノイズ
として１〜２mV以下が達成される。これにより、光学系
２の合焦状態判別分解能として0.01〜0.02μｍが得られ
る。また、測長手段４２として格子干渉測長方式による
ものを用いれば0.1〜0.01μｍの精度が達成される。
尚、測長手段４２としては、その他光ヘテロダインの干
渉方式によるもの（たとえば、Hewlett Packard社のレ
ーザー測長機、O plus E.1982年１２月号p86〜）や、レ
ーザー干渉計の波数読取り方式によるもの等を用いるこ
ともでき、これらによつても同様な精度が達成される。

次に、位置測定のストロークはアクチユエーター４０の
ストローク及び測長手段４２のストロークにより決ま
る。上記の如き格子干渉測長方式、光ヘテロダイン干渉
方式、レーザー干渉計の波数読取り方式等はいづれも１
００mm以上の高いストロークを実行することができ、ま
たアクチユエーターも同様なストロークを実現できる。

更に、投光スポツト径は対物レンズ２０のNAにより定ま
る。たとえば、対物レンズ２０としてNA＝0.8のものを
用いれば光学系２の投光スポツト径は＝2.44Ｆλ≒
2.38μｍ（ここで、 λ＝0.78μｍとした）となり、２μｍ程度のスポツト計
測が可能となる。尚、スポツト径を大きくしたい場合に
は光学系２の投光有効光束径を小さくして実効的な光束
のＮＡを小さくすればよい。

また、傾斜角測定精度はセンサー３８の位置検出精度に
より定まる。たとえば、センサー３８の検出精度0.3μ
ｍで、対物レンズ２０の焦点距離ｆ＝3.3mmの場合には
約９″の傾斜角測定精度が実現できる。更に、傾斜角の
測定範囲としては、対物レンズ２０としてNA＝0.5〜0.9
のものを用いれば１０〜30°位まで測定が可能となる。

以上の実施例においては自動合焦の方式としていわゆる
TTL-A²F(Through the Taking Lens Active Auto Focus)
方式（テレビジヨン学会誌，第３５巻第８号、１９８１
年，p637〜）を用いた例を示したが自動合焦の方式とし
ては他の方式たとえばビデオのピツクアツプに用いられ
ている方式やカメラのオートフオーカスで使用されてい
る方式等を用いることもできる。

〔発明の効果〕

以上の如き本発明の３次元形状測定によれば、高精度，
高ストロークにて微小スポツトによる３次元形状測定を
高速にて行なうことができ、同時に被測定物表面の欠陥
に関係なく行なうことができるので、３次元形状に関す
る正確な情報を短時間のうちに得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の構成図であり、第２図及び第５図
はその部分図であり、第３図はセンサーの平面図であ
り、第４図はセンサーの出力のグラフである。 ２：合焦状態判別光学系 ４：傾斜角測定光学系 ６：ケーシング ８，２８，６０：光源 ２０：対物レンズ ２６，３８，７６，７８：センサー ４０：アクチユエーター ４２：測長手段 ５０：被測定物 ６０：マウント

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 丹羽 雄吉 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 福田 仁 神奈川県川崎市中原区今井上町53番地 キ ヤノン株式会社小杉事業所内 (56)参考文献 特開 昭60−200108（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−173416（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内部光源を有し、少なくとも一部を光軸方
   向に移動させる事が可能な可動部を有する合焦状態判別
   光学系と、該可動部の移動量を測定する手段と、該合焦
   状態判別光学系の対物レンズの光軸と交わり且つ該光軸
   に対し略直交する回転軸を中心に旋回可能な被検物体の
   支持手段とを有し、前記被検物体の被検面の曲率中心と
   前記回転軸とが略合致するように前記支持手段を配した
   事を特徴とする三次元形状測定装置。