JPH07218232A

JPH07218232A - 光学式三次元形状計測装置

Info

Publication number: JPH07218232A
Application number: JP6027269A
Authority: JP
Inventors: Kenji Hori; 健治堀
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-01-31
Filing date: 1994-01-31
Publication date: 1995-08-18

Abstract

(57)【要約】【目的】広い範囲の表面領域について迅速且つ高精度
に形状測定することが可能な光学式三次元形状計測装置
を提供すること。【構成】本発明の光学式三次元形状計測装置は、被検
物の表面に所定のパターン像を投影するための照射光学
系と、前記被検物の表面に投影されたパターン像を観察
するための観察光学系とを備え、前記観察されたパター
ン像の変化に基づいて前記被検物の表面形状を計測する
光学式三次元形状計測装置において、前記照射光学系
は、その光軸に沿って複数の合焦面にそれぞれ前記所定
のパターン像を形成するための合焦面分割手段を備えて
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光学式三次元形状計測装
置に関し、特にパターン照射型の光学式三次元形状計測
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のパターン照射型の光学式三次元形
状計測装置では、照射光学系を介して被検物の表面に所
定パターンを投影し、観察光学系を介して投影パターン
を観察する。そして、観察された投影パターンの変化に
基づいて被検物の表面形状を測定する。換言すれば、従
来のパターン照射型の光学式三次元形状計測装置は、非
接触型の面計測によるパターン投影法を利用するもので
ある。この方法によれば、光学鏡面など表面反射率が入
射角度によって著しく変化するもの（換言すれば、正反
射光ばかりで散乱光があまり発生しないもの）や、反射
光（散乱光）がほとんど発生しない透明なものを除き、
あらゆる物体の表面形状を測定することが可能である。

【０００３】上述の光計測では、形状測定精度を高める
ために、すなわち測定の分解能を高めるために、投影パ
ターンを微細化する必要がある。一般に、光線をどこま
で微細に集光することができるかは光学系の開口数（Ｎ
Ａ）に依存し、開口数ＮＡを大きくするほど投影パター
ンを微細化することができる。しかしながら、開口数Ｎ
Ａを大きくすると、光学系の焦点深度が浅くなる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
光学式三次元形状計測装置では、被検物の表面形状を高
精度に（高分解能で）測定しようとする場合、光学系の
焦点深度が浅くなる。すなわち、被検物の表面が比較的
平坦な（平面的な）場合には、１回の操作で光学系の投
影領域（観察領域に対応）の全体に亘り高精度に形状測
定を行うことが可能である。しかしながら、被検物の表
面に凹凸がある場合には光学系の投影領域のうち合焦状
態が所望状態に達しない領域については高精度に形状測
定を行うことができないことはもとより、形状測定その
ものが不可能であった。

【０００５】したがって、従来の光学式三次元形状計測
装置では、表面が平坦ではない一般的な被検物の表面形
状を高精度に測定しようとする場合、たとえば１個の点
像（スポット）などからなる極めて単純な照射パターン
を用い、この小さな投影パターンに対応する極めて狭い
領域について光学系との位置決め（すなわち合焦）を精
密に行いながら測定を順次繰り返さなければならないと
いう不都合があった。本発明は、前述の課題に鑑みてな
されたものであり、広い範囲の表面領域について迅速且
つ高精度に形状測定することが可能な光学式三次元形状
計測装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、被検物の表面に所定のパターン像を投影するための
照射光学系と、前記被検物の表面に投影されたパターン
像を観察するための観察光学系とを備え、前記観察され
たパターン像の変化に基づいて前記被検物の表面形状を
計測する光学式三次元形状計測装置において、前記照射
光学系は、その光軸に沿って複数の合焦面にそれぞれ前
記所定のパターン像を形成するための合焦面分割手段を
備えていることを特徴とする光学式三次元形状計測装置
を提供する。

【０００７】好ましい態様によれば、前記合焦面分割手
段は、所定距離だけ間隔を隔てて互いにほぼ平行に配置
され且つ前記照射光学系の光軸にほぼ垂直な一対のハー
フミラーからなり、前記一対のハーフミラーは、１つの
パターン光を複数のパターン光に分割する。前記一対の
ハーフミラーは、光の波長に応じて反射率が変化する
か、あるいは前記合焦面分割手段は、前記一対のハーフ
ミラーの間に、特定の波長を有する光を所定の比率で吸
収する光吸収手段を備えているのが好ましい。

【０００８】また、前記合焦面分割手段は、所定距離だ
け間隔を隔てて互いに対向する一対のハーフミラーから
なり、前記一対のハーフミラーのうち一方のハーフミラ
ーは前記照射光学系の光軸にほぼ垂直で、他方のハーフ
ミラーは前記照射光学系の光軸に対する垂直面からわず
かに傾いており、前記一対のハーフミラーは、１つのパ
ターン光を複数のパターン光に分割するのが好ましい。

【０００９】さらに、前記一対のハーフミラーは、光の
波長に応じて反射率が変化するか、あるいは前記合焦面
分割手段は、前記一対のハーフミラーの間に、特定の波
長を有する光を所定の比率で吸収する光吸収手段を備え
ているのが好ましい。また、前記合焦面分割手段は光路
中に配置されたハーフミラーからなり、前記ハーフミラ
ーを透過した光によって第１の合焦面に第１のパターン
像が形成され、前記ハーフミラーで反射した光によって
第２の合焦面に第２のパターン像が形成されるのが好ま
しい。

【００１０】前記観察光学系は、前記照射光学系の光軸
と所定角度で交差する光軸を有するのが好ましい。この
場合、前記観察光学系は、前記照射光学系の光軸と第１
の所定角度で交差する光軸を有する第１の観察光学ユニ
ットと、前記照射光学系の光軸と第２の所定角度で交差
する光軸を有する第２の観察光学ユニットとを備えてい
るのが好ましい。また、前記観察光学系は、前記照射光
学系の光軸とほぼ平行な第１の光軸を有する第１の観察
光学ユニットと、前記照射光学系の光軸とほぼ平行な第
２の光軸を有する第２の観察光学ユニットとを備え、前
記第１の観察光学ユニットの受光手段および前記第２の
観察光学ユニットの受光手段は、前記第１の光軸および
前記第２の光軸からそれぞれ所定距離だけずれて位置決
めされているのが好ましい。

【００１１】さらに、前記観察光学系は、前記パターン
像からの光を分割するための分割手段と、該分割手段を
介して複数に分割された光をそれぞれ受けるための複数
の受光手段とを備え、各受光手段に対応して複数の観察
物体面が前記観察光学系の光軸に沿って形成されている
のが好ましい。この場合、前記分割手段は、光路中に配
置されたハーフミラーからなり、第１の受光手段は前記
ハーフミラーを透過した光を受光し、第２の受光手段は
前記ハーフミラーで反射した光を受光するのが好まし
い。

【００１２】あるいは、前記分割手段は、光路中に配置
されたダイクロイックミラーからなり、第１の受光手段
は前記ダイクロイックミラーで分割された第１の所定色
の光線を受光し、第２の受光手段は前記ダイクロイック
ミラーで分割された第２の所定色の光線を受光するのが
好ましい。この場合、前記観察光学系の光軸は、前記照
射光学系の光軸と所定角度で交差しているのが好まし
い。あるいは、前記観察光学系の光軸は、前記照射光学
系の光軸とほぼ平行であり、前記ダイクロイックミラー
は前記観察光学系の光軸から所定距離だけずれて配置さ
れているのが好ましい。

【００１３】

【作用】本発明の光学式三次元形状計測装置では、照射
光学系の光軸に沿って複数の合焦面を有し、各合焦面上
に所定のパターン像が形成される。換言すれば、照射光
学系の光軸に沿って所定距離だけ間隔を隔てて複数のパ
ターンが形成されるので、あたかも照射光学系の光軸に
沿って所定の深度に亘り所望の結像状態でパターン像が
形成されるのと等価な状態を実現することができる。し
たがって、照射光学系の開口数を大きくして分解能を高
めた場合、光学系の焦点深度は浅くなる欠点を解消する
ことが可能になる。

【００１４】すなわち、被検物の表面が平坦ではなく凹
凸が激しいような場合、被検物の各表面領域にそれぞれ
最も近接している各焦点面のパターン像が混在するよう
な態様で、広範囲に亘りパターン像が所望の結像状態で
形成される。こうして、１回の計測操作において、広い
範囲の表面領域について迅速且つ高精度に形状測定する
ことが可能になる。なお、観察光学系の光軸を照射光学
系の光軸と所定角度で交差するように構成することによ
り、受光手段に対応する観察物体面を焦点面と交差する
ように形成することができる。したがって、照射光学系
の光軸に沿って所定の深度で多重化形成されたパターン
像をより広範囲に観察することが可能になる。

【００１５】

【実施例】本発明の実施例を、添付図面に基づいて説明
する。図１は、本発明の第１実施例にかかる光学式三次
元形状計測装置の構成を概略的に示す図である。図１の
装置は、光源としてたとえばストロボ光源１を備えてい
る。光軸ＡＸ１上に配置されたストロボ光源１から射出
された放射光はコリメータレンズ２によって平行光にな
り、拡散板３を介して照度むらのない均一な光となって
パターン板４に入射する。パターン板４は透明部と不透
明部とからなり、パターン板４の透明部を透過した光は
所定の照射パターンを形成する。照射パターンとして、
たとえば後述の図６で示すように、直交二方向に規則的
に配置されたスポットパターンを使用することができ
る。

【００１６】パターン板４を透過したパターン光は、焦
点面分割板５に入射する。焦点面分割板５は、図２に示
すように、所定の間隔を隔てて互いに平行に位置決めさ
れ且つ光軸ＡＸ２に垂直な２つのハーフミラー２１およ
び２２からなる。ハーフミラー２１および２２は、それ
ぞれ所定の反射率を有する。

【００１７】したがって、図２（ｂ）に示すように、焦
点面分割板５への入射光２３は、ハーフミラー２１にお
いてその一部が透過し（図中実線）、残部が反射する
（図中破線）。ハーフミラー２１を透過した光は、ハー
フミラー２２においてその一部が透過し（図中２４）、
残部が反射する。ハーフミラー２２で反射した光は、ハ
ーフミラー２１においてその一部が透過し（図中破
線）、残部が反射する（図中実線）。ハーフミラー２１
で反射した光は、ハーフミラー２２においてその一部が
透過し（図中２５）、残部が反射する。ハーフミラー２
２で再び反射した光は、ハーフミラー２１においてその
一部が透過し（図中破線）、残部が反射する（図中実
線）。ハーフミラー２１で再び反射した光は、ハーフミ
ラー２２においてその一部が透過し（図中２６）、残部
が反射する。以下、２つのハーフミラーにおいてさらに
反射および透過を繰り返す。本実施例では、分割された
３つの光線２４、２５および２６に着目して本発明を説
明する。

【００１８】たとえば、ハーフミラー２１および２２の
反射率をともに８０％とすると、光線２４はハーフミラ
ーで反射することなく透過した光であり、その光量は入
射光２３の光量の４％である。また、光線２５はハーフ
ミラーで２回反射した光であり、その光量は入射光２３
の光量の２．５６％である。さらに、光線２６はハーフ
ミラーで４回反射した光であり、その光量は入射光２３
の光量の約１．６４％である。このように、焦点面分割
板５で３つに分割されたパターン光２４乃至２６は、照
射用対物レンズ６により被検物７に向かって集光され
る。照射用対物レンズ６の開口数ＮＡは、所望の測定分
解能に応じて決定される。

【００１９】こうして、パターン光は光軸ＡＸ１に垂直
で互いに平行な３つの焦点面１１、１２および１３上に
結像する。図２より明らかなように、ハーフミラーで反
射することなく透過した光線２４に対応する第１パター
ン像は、第１焦点面１３に形成される。また、ハーフミ
ラーで２回反射した光線２５に対応する第２パターン像
は、第２焦点面１２に形成される。さらに、ハーフミラ
ーで４回反射した光線２６に対応する第３パターン像
は、第３焦点面１１に形成される。光源１、コリメータ
レンズ２、拡散板３、パターン板４、焦点面分割板５お
よび照射用対物レンズはともに光軸ＡＸ１上に配置さ
れ、照射光学系を構成している。

【００２０】一方、図１の装置は、照射光学系の光軸Ａ
Ｘ１と所定角度で交差する光軸ＡＸ２を有する観察光学
系を備えている。観察光学系は、被検物７の表面に投影
された３つのパターン像を観察するための光学系であっ
て、投影パターン像からの光を集光するための観察用対
物レンズ８を備えている。観察用対物レンズ８を介した
光は、ダイクロイックミラー９を介して受光手段である
３つのＣＣＤに入射する。

【００２１】観察用対物レンズ８は照射用対物レンズ６
とほぼ同等の光学特性を有し、その開口数ＮＡは所望の
測定分解能に応じて決定される。ダイクロイックミラー
９に入射した光のうち赤色光線成分がＣＣＤ−Ｒで、緑
色光線成分がＣＣＤ−Ｇで、青色光線成分がＣＣＤ−Ｂ
でそれぞれ受光される。すなわち、３つのＣＣＤが互い
に独立な３つの観察像面を構成し、この３つの観察像面
ＣＣＤ−Ｒ、ＣＣＤ−ＧおよびＣＣＤ−Ｂにそれぞれ対
応して光軸ＡＸ２に垂直で互いに平行な３つの観察物体
面１４、１５および１６が存在する。

【００２２】したがって、被検物７の表面上において３
つの観察物体面１４、１５および１６に相当する位置
（観察物体面を中心として所定の焦点深度内の位置）に
形成されたパターン像を所望の分解能で観察することが
できる。なお、３つの合焦面１１、１２および１３で示
される投影領域と、３つの観察物体面１４、１５および
１６で示される観察領域とは、互いに十分重なるように
構成されている。このように、観察用対物レンズ８、ダ
イクロイックミラー９および３つのＣＣＤはともに光軸
ＡＸ２上に配置され、観察光学系を構成している。

【００２３】図１のように構成された光学式三次元形状
計測装置の動作について説明する。まず、光源１から射
出された光はコリメータレンズ２および拡散板３を介し
てパターン板４に入射する。パターン板４を透過したパ
ターン光は、焦点面分割板５によって分割され、照射用
対物レンズ６によって集光され、３つのパターン像を形
成する。３つのパターン像は、上述したように第１焦点
面１３、第２焦点面１２および第３焦点面１１上にそれ
ぞれ形成される。

【００２４】次いで、被検物７の測定表面領域において
いずれかのパターン像が所望の結像状態で形成されるよ
うに装置全体（照射光学系および観察光学系）を被検物
７に対して位置決めする。具体的には、照射光学系の光
軸ＡＸ１と被検物７とのアライメントを行った後、図示
の矢印で示すように被検物７の表面に対して光学系全体
を進退させることによってフォーカシングを行う。

【００２５】こうして、被検物の表面が平坦ではなく凹
凸が激しいような場合でも、被検物の各表面領域にそれ
ぞれ最も近接している各焦点面のパターン像が混在する
ような態様で、広範囲に亘りパターン像が所望の結像状
態で形成される。すなわち、一般的には、第１パターン
像が所望の結像状態で形成された領域と、第２パターン
像が所望の結像状態で形成された領域と、第３パターン
像が所望の結像状態で形成された領域とが混在するよう
に、被検物７の測定表面領域には３つのパターン像が多
重化されて投影され、測定表面領域が平坦でなくてもあ
る程度広範囲に亘って所望の結像状態を有するパターン
像が形成される。

【００２６】一方、観察光学系では、上述したように３
つの観察物体面１４、１５および１６に相当する位置に
形成されたパターン像を所望の分解能で観察することが
できる。したがって、照射光学系によって被検物７の表
面に所望の結像状態で形成されたパターン像のうち、３
つの観察物体面１４、１５および１６に相当する位置に
形成された広範囲に亘るパターン像を、それぞれＣＣＤ
−Ｒ、ＣＣＤ−ＧおよびＣＣＤ−Ｂを介して高い分解能
で観察することができる。なお、３つの観察物体面１
４、１５および１６が光軸ＡＸ１に対して傾斜している
ので、広範囲に亘るパターン像を観察するのに有利であ
る。

【００２７】なお、観察されたパターン像の変形に基づ
いて、対応する領域の表面形状を求める方法については
「投影パターン法」としてすでに周知であり詳細な説明
を省略する。このように、被検物７を適宜回転させなが
ら上述の計測動作を繰り返すことにより、被検物７の表
面のほぼ全体領域に亘りその表面形状を高精度に且つ迅
速に測定することができる。

【００２８】図３は、焦点面分割板の変形例を示す図で
ある。図３の焦点面分割板３５は、対向した２つのハー
フミラーからなる点では図２の焦点面分割板５と同様で
あるが、第１のハーフミラー２１が光軸ＡＸ１に垂直に
配置されているのに対し、第２のハーフミラー２２が光
軸ＡＸ１に対する垂直面からわずかに傾いて配置されて
いる点が図２の焦点面分割板５と基本的に相違する。

【００２９】したがって、図３の焦点面分割板３５を反
射することなく透過した光線は、照射用対物レンズ６を
介して光軸ＡＸ１に対して垂直な第１焦点面１３上に結
像する。また、焦点面分割板３５で２回反射した光線
は、光軸ＡＸ１に対する垂直面からわずかに傾き且つ光
軸ＡＸ１から所定距離だけずれた第２焦点面１２上に結
像する。さらに、焦点面分割板３５で４回反射した光線
は、光軸ＡＸ１に対する垂直面からさらに傾き且つ光軸
ＡＸ１からさらに所定距離だけずれた第３焦点面１１上
に結像する。このように、図３の焦点面分割板３５を使
用すれば、３つの焦点面における各パターン像の傾きお
よび相対的位置ずれにより、隣接するパターン像との識
別が容易になる。

【００３０】図４は、焦点面分割板のもう１つの変形例
を示す図である。図４（ａ）の焦点面分割板４５は、所
定の間隔を隔てて互いに平行に位置決めされ且つ光軸Ａ
Ｘ１に垂直な２つのハーフミラー２１および２２からな
る。したがって、外見的な構成は図２の焦点面分割板５
と一致している。しかしながら、図４（ｂ）に示すよう
に、ハーフミラー２１および２２の反射率が光の波長に
応じて変化する点が図２の焦点面分割板５と基本的に相
違する。

【００３１】こうして、焦点面分割板４５で反射するこ
となく第１焦点面１３に結ぶ第１パターン像と、焦点面
分割板４５で２回反射して第２焦点面１２に結ぶ第２パ
ターン像と、焦点面分割板４５で４回反射して第３焦点
面１１に結ぶ第３パターン像とでは、分光透過率分布が
変化する。換言すれば、各パターン像の見かけの色合い
が互いに異なる。このように、図４の焦点面分割板４５
を使用すれば、３つの焦点面における各パターン像の分
光透過率分布の変化により、隣接するパターン像との識
別が容易になる。

【００３２】また、ハーフミラー２１および２２の反射
率が光の波長に依存して変化しなくても、２つのハーフ
ミラーの間に特定波長の光を所定の比率で吸収する吸収
体を備えることにより、同様の作用効果を奏することが
できる。すなわち、光吸収体をそれぞれ１回、３回およ
び５回通過して結ぶ第１、第２および第３のパターン像
では、互いに分光透過率分布が変化し、隣接するパター
ン像との識別が容易になる。

【００３３】図５は、被検物の表面に多重化パターン像
を形成するために複数のパターン板を備えた照射光学系
の変形例を示す図である。なお、図５では特徴的な構成
要素のみを示しており、図１に示す第１実施例の要素と
同様の作用を有する構成要素には同じ参照符号が付され
ている。図５の照射光学系は、３つのパターン板４ａ、
４ｂおよび４ｃと、光路中に配置された２つのハーフミ
ラー５１、５２とを備えている。そして、図示を省略し
た第１の光源からの光は第１のパターン板４ａを介して
光路中に配置された２つのハーフミラー５１および５２
を透過し、照射用対物レンズ６に入射する。また、図示
を省略した第２の光源および第３の光源からの光は、そ
れぞれ第２のパターン板４ｂおよび第３のパターン板４
ｃを介して第１のハーフミラー５１および第２のハーフ
ミラー５２で図中右側に反射され、照射用対物レンズ６
に入射する。

【００３４】こうして、第１のパターン板４ａからの光
は、第１焦点面１３上に第１パターン像を結ぶ。また、
第２のパターン板４ｂからの光は、第２焦点面１２上に
第２パターン像を結ぶ。さらに、第３のパターン板４ｃ
からの光は、第３焦点面１１上に第３パターン像を結
ぶ。なお、第１焦点面１３、第２焦点面１２および第３
焦点面１１は、光軸ＡＸ１に対して垂直で互いに所定距
離だけ間隔を隔てている。

【００３５】図６は、本発明の第２実施例にかかる光学
式三次元形状計測装置の構成を示す図であって、（ａ）
は斜視図であり、（ｂ）は照射光学系の光軸と観察光学
系の光軸とを含む面に沿った平面図である。図６では、
図１の第１実施例の装置のうち特徴的な構成要素のみを
示しており、第１実施例の要素と同様の作用を有する構
成要素には同じ参照符号が付されている。図１に示す第
１実施例の装置と図６に示す本実施例の装置との間の基
本的な相違点は、第１実施例の装置では観察光学系が３
つの受光手段と対応する３つの観察物体面を有するのに
対し、本実施例の装置では１つの受光手段しか備えてお
らず観察光学系の観察物体面が１つしかないことであ
る。受光手段１０は、たとえばＣＣＤのような受光光学
素子である。

【００３６】本実施例においても、第１実施例の場合と
同様、被検物７の測定表面領域には３つのパターン像が
それぞれ第１合焦面１３、第２合焦面１２および第３合
焦面１１上に形成され、測定表面領域が平坦でなくても
ある程度広範囲に亘って所望の結像状態を有するパター
ン像が多重化されて形成される。一方、観察光学系の光
軸ＡＸ２は照明光学系の光軸ＡＸ１と所定角度で交差し
ているので、受光手段１０に対応する観察物体面１４
は、上述の３つの焦点面１１、１２および１３と交差す
るように形成される。したがって、照射光学系によって
光軸ＡＸ１に沿って所定の深度で多重化形成されたパタ
ーン像をＣＣＤ１０を介してより広範囲に観察すること
ができる。

【００３７】図７は、本発明の第３実施例にかかる光学
式三次元形状計測装置の構成を示す図である。本実施例
の装置は、２つの観察光学系を有する点が上述の２つの
実施例と基本的に相違する。図７は、図６の第２実施例
で示した特徴的な構成要素のみを示しており、第２実施
例の要素と同様の作用を有する構成要素には同じ参照符
号が付されている。

【００３８】図７（ａ）の装置では、照射光学系の光軸
ＡＸ１と第１の所定角度で交差する第１の光軸ＡＸ２ａ
を有する第１の観察光学系と、照射光学系の光軸ＡＸ１
と第２の所定角度で交差する第２の光軸ＡＸ２ｂを有す
る第２の観察光学系とを備えている。こうして、図７
（ａ）の装置では、光軸ＡＸ２ａおよびＡＸ２ｂ上に配
置されたＣＣＤのような受光手段１０ａおよび１０ｂに
対応して、それぞれ２つの観察物体面１４ａおよび１４
ｂが形成される。なお、観察物体面１４ａおよび１４ｂ
は、光軸ＡＸ２ａおよびＡＸ２ｂに対して垂直である。

【００３９】このように、被検物７の表面に多重化され
て投影されたパターン像を２つの角度から観察すること
ができる。したがって、互いに死角になる表面領域につ
いていずれかの観察光学系によりパターン像の観察が可
能になるので、凹凸の激しい表面に対しても広範囲な計
測を行うことができる。また、同じ表面領域について２
つの観察光学系で同時にパターン像の観察ができる場合
には、観察されたパターン像のデータをたとえば平均化
処理することにより、ノイズを減らして高精度な計測が
可能になる。この場合、観察光学系の数が２つに限定さ
れるものではなく、さらに多くの観察光学系を備えるこ
とも可能である。

【００４０】一方、図７（ｂ）の装置では、２つの観察
光学系の光軸ＡＸ２ａおよびＡＸ２ｂが照射光学系の光
軸ＡＸ１とほぼ平行に構成されているが、受光手段１０
ａおよび１０ｂがそれぞれＡＸ２ａおよびＡＸ２ｂ上に
配置されていない。したがって、受光手段１０ａおよび
１０ｂの中心と観察用対物レンズ８ａおよび８ｂの中心
とを通る中心線ＬａおよびＬｂ上に、それぞれ２つの観
察物体面１４ａおよび１４ｂが形成される。なお、観察
物体面１４ａおよび１４ｂは、光軸ＡＸ２ａおよびＡＸ
２ｂに対して垂直である。このように、図７（ａ）に示
す構成と同様に、被検物７の表面に多重化されて投影さ
れたパターン像を２つの角度から観察することができ
る。したがって、補完的な観察による広範囲な計測およ
び平均化処理による高精度な計測が可能になる。

【００４１】図８は、本発明の第４実施例にかかる光学
式三次元形状計測装置の構成を示す図である。第４実施
例の装置は第１実施例の装置とほぼ同様の構成を有する
が、観察光学系における振幅分割の方法が第１実施例と
は基本的に相違する。図８の観察光学系は、光路中に配
置された２つのハーフミラー８１および８２を備えてい
る。そして、被検物７の表面に投影された３つのパター
ン像からの光のうち、観察用対物レンズ８を介して２つ
のハーフミラー８１および８２を透過した光は第１の受
光手段であるＣＣＤ１０ａで受光される。また、観察用
対物レンズ８を介してハーフミラー８２を透過しハーフ
ミラー８１で反射された光は、第２の受光手段であるＣ
ＣＤ１０ｂに入射する。さらに、観察用対物レンズ８を
介してハーフミラー８２で反射された光は、第３の受光
手段であるＣＣＤ１０ｃに入射する。

【００４２】こうして、３つの観察像面を構成するＣＣ
Ｄ１０ａ、１０ｂおよび１０ｃに対応して、３つの観察
物体面１４、１５および１６が形成される。３つの観察
物体面１４、１５および１６は、光軸ＡＸ２に垂直で且
つ互いに所定距離だけ間隔を隔てている。この構成によ
り、第１実施例とほぼ同様の作用効果を奏する。

【００４３】図９は、本発明の第５の実施例にかかる光
学式三次元形状計測装置の構成を示す図である。なお、
９図（ａ）は、照射光学系の光軸ＡＸ１と観察光学系の
光軸ＡＸ２とが所定の角度で交差する装置を示し、９図
（ｂ）は照射光学系の光軸ＡＸ１と観察光学系の光軸Ａ
Ｘ２とが互いに平行な装置を示している。９図（ａ）の
装置は第１実施例の装置とほぼ同様の構成を有するが、
ダイクロイックミラーに代えてハーフミラープリズムを
備えている点が第１実施例とは基本的に相違する。

【００４４】したがって、図９（ａ）の観察光学系で
は、被検物７の表面に投影されたパターン像からの光が
ハーフミラープリズム９１で３つに分割され、それぞれ
受光手段であるＣＣＤ１０ａ、ＣＣＤ１０ｂおよびＣＣ
Ｄ１０ｃに入射する。こうして、３つの観察像面を構成
するＣＣＤ１０ａ、１０ｂおよび１０ｃに対応して、３
つの観察物体面１４、１５および１６が形成される。３
つの観察物体面１４、１５および１６は、光軸ＡＸ２に
垂直で且つ互いに所定距離だけ間隔を隔てている。この
構成により、第１実施例とほぼ同様の作用効果を奏す
る。

【００４５】図９（ｂ）の観察光学系では、光軸ＡＸ２
が照射光学系の光軸ＡＸ１と平行になっている点が図９
（ａ）の装置と基本的に異なる。したがって、図９
（ｂ）の観察光学系においても、３つの観察像面を構成
するＣＣＤ１０ａ、１０ｂおよび１０ｃに対応して、３
つの観察物体面１４、１５および１６が形成される。３
つの観察物体面１４、１５および１６は観察光学系の光
軸ＡＸ２と垂直で且つ互いに所定距離だけ間隔を隔てて
おり、図示のように３つのパターン像面とほぼ同じ領域
に位置するように受光手段が光軸ＡＸ２からずれて配置
されている。こうして、図９（ｂ）の装置も図９（ａ）
の装置とほぼ同じ作用効果を奏することは明らかであ
る。

【００４６】図１０は、３つの焦点面に投影された各パ
ターン像の様子と、各パターン像からそれぞれ観察され
たパターンの重ね合わせについて説明する図である。図
１０（ａ）に示すように、上述の各実施例にかかる光学
式三次元形状計測装置では、たとえば直交二方向に規則
的に配置されたスポットパターン像が、３つの焦点面１
１、１２および１３上に形成される。ここで、各焦点面
上に形成されたスポット像のうち互いに対応する領域の
スポットに着目すると、各焦点面に対応する３つのスポ
ットは図１０（ｂ）に示すように互いに重なり合って観
察される。因みに、各スポットに対応する光強度分布
は、図１０（ｃ）に示すような分布を呈する。

【００４７】図１０（ｂ）において、最も小さく観察さ
れるスポットは被検物の表面に最も近い焦点面上の投影
スポットに対応している。逆に、最も大きく観察される
スポットは被検物の表面から最も遠い焦点面上の投影ス
ポットに対応している。各焦点面間の距離は装置に固有
であり、投影パターンも装置に固有であるから、各焦点
面に対応する各観察スポットの相互位置関係すなわち重
なりあわせパターンは、各焦点面と被検物の表面との位
置関係を、ひいては装置と被検物との位置関係を示して
いることになる。

【００４８】このように、重なりあわされたパターンの
様子に基づいて、被検物と装置との位置関係、たとえば
距離を計測することができるので、このように計測した
距離に基づいてフォーカシングを行うことができる。こ
の場合、図４に示すように、各焦点面に形成される各パ
ターン像を個別に識別し易いように構成するのが好まし
い。

【００４９】なお、上述の各実施例において、直交二方
向に規則的に配置されたスポットパターンを例にとって
本発明を説明したが、図１１（ａ）に示すような直交二
方向交差格子パターンや、図１１（ｂ）に示すような三
方向交差格子パターンを照射してもよい。また、被検物
の全体形状に合わせて、たとえば被検物の全体形状が回
転対称形であれば回転対称パターンを、被検物に筋状の
凹凸がある場合には筋状のパターンを使用するのが好ま
しい。また、上述の各実施例では、３つの焦点面を有す
る照射光学系を例示しているが、焦点面の数が３に限定
されるものではなく複数（２つ以上）であればよいこと
は明らかである。

【００５０】

【効果】以上説明したように、本発明の光学式三次元形
状計測装置では、照射光学系の光軸に沿って所定距離だ
け間隔を隔てて複数のパターンが形成されるので、あた
かも照射光学系の光軸に沿って所定の深度に亘り所望の
結像状態でパターン像が形成されるのと等価な状態を実
現することができる。したがって、照射光学系の開口数
を大きくして分解能を高めた場合、光学系の焦点深度は
浅くなる欠点を解消し、広い範囲の表面領域について迅
速且つ高精度に形状測定することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例にかかる光学式三次元形状
計測装置の構成を概略的に示す図である。

【図２】図１の装置の焦点面分割板の構成を示す図であ
る。

【図３】焦点面分割板の変形例を示す図である。

【図４】焦点面分割板のもう１つの変形例を示す図であ
る。

【図５】被検物の表面に多重化パターン像を形成するた
めに複数のパターン板を備えた照射光学系の変形例を示
す図である。

【図６】本発明の第２実施例にかかる光学式三次元形状
計測装置の構成を示す図であって、（ａ）は斜視図であ
り、（ｂ）は照射光学系の光軸と観察光学系の光軸とを
含む面に沿った平面図である。

【図７】本発明の第３実施例にかかる光学式三次元形状
計測装置の構成を示す図である。

【図８】本発明の第４実施例にかかる光学式三次元形状
計測装置の構成を示す図である。

【図９】本発明の第５の実施例にかかる光学式三次元形
状計測装置の構成を示す図である。

【図１０】３つの焦点面に投影された各パターン像の様
子と、各パターン像からそれぞれ観察されたパターンの
重ね合わせについて説明する図である。

【図１１】パターンの変形例を示す図である。

【符号の説明】

１光源２コリメータレンズ３拡散板４パターン板５焦点面分割板６照射用対物レンズ７被検物８観察用対物レンズ９ダイクロイックミラー１０受光手段１１〜１３焦点面１４〜１６観察物体面２１、２２ハーフミラーＡＸ１照射光学系の光軸ＡＸ２観察光学系の光軸

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０６Ｔ 7/00 1/00

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被検物の表面に所定のパターン像を投影
するための照射光学系と、前記被検物の表面に投影され
たパターン像を観察するための観察光学系とを備え、前
記観察されたパターン像の変化に基づいて前記被検物の
表面形状を計測する光学式三次元形状計測装置におい
て、前記照射光学系は、その光軸に沿って複数の合焦面にそ
れぞれ前記所定のパターン像を形成するための合焦面分
割手段を備えていることを特徴とする光学式三次元形状
計測装置。
【請求項２】前記合焦面分割手段は、所定距離だけ間
隔を隔てて互いにほぼ平行に配置され且つ前記照射光学
系の光軸にほぼ垂直な一対のハーフミラーからなり、前記一対のハーフミラーは、１つのパターン光を複数の
パターン光に分割することを特徴とする請求項１に記載
の装置。
【請求項３】前記観察光学系は、前記照射光学系の光
軸と所定角度で交差する光軸を有することを特徴とする
請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】前記観察光学系は、前記照射光学系の光
軸と第１の所定角度で交差する光軸を有する第１の観察
光学ユニットと、前記照射光学系の光軸と第２の所定角
度で交差する光軸を有する第２の観察光学ユニットとを
備えていることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】前記観察光学系は、前記パターン像から
の光を分割するための分割手段と、該分割手段を介して
複数に分割された光をそれぞれ受けるための複数の受光
手段とを備え、各受光手段に対応して複数の観察物体面
が前記観察光学系の光軸に沿って形成されていることを
特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の装
置。