JPH08101024A

JPH08101024A - 光学式三次元形状計測装置

Info

Publication number: JPH08101024A
Application number: JP6259057A
Authority: JP
Inventors: Kenji Hori; 健治堀
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-09-29
Filing date: 1994-09-29
Publication date: 1996-04-16

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、前記所定のパターン像
と前記観察されたパターン像との相違に基づいて前記被
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、前記照射光学系および前記観察光学系は共通の
対物光学系を有し、前記照射光学系から前記被検物の表
面への光路と前記被検物の表面から前記観察光学系への
光路とを互いに独立に規定するために前記対物光学系の
瞳面の波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。

【０００６】また、従来の光学式三次元形状計測装置で
は、照射光学系および観察光学系がそれぞれ対物レンズ
を備えている。したがって、対物レンズが互いに干渉し
ないように各対物レンズの作動距離（観察物体面から最
も物体側の面までの光軸に沿った距離）を大きくする必
要がある。しかしながら、対物レンズの作動距離を大き
くすることは開口数（ＮＡ）を小さくすることに他なら
ない。その結果、投影パターンを微細化することができ
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。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明においては、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、前記所定のパターン像と前記観察されたパターン
像との相違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、前記照射光学系お
よび前記観察光学系は共通の対物光学系を有し、前記照
射光学系から前記被検物の表面への光路と前記被検物の
表面から前記観察光学系への光路とを互いに独立に規定
するために前記対物光学系の瞳面の波面分割手段を備え
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。

【０００８】好ましい態様によれば、前記波面分割手段
は、少なくとも２つの開口部を備えた開口絞りである。
この場合、前記開口絞りは、複数の照射光学系から前記
被検物の表面への複数の光路を規定するための複数の第
１開口部を有し、前記複数の照射光学系は、前記複数の
第１開口部を介して互いに異なる複数のパターンまたは
互いに異なる色の複数のパターン光を前記被検物の表面
に投影するのが好ましい。

【０００９】

【作用】図１は、本発明の光学式三次元形状計測装置の
作用を説明する図である。本発明の装置では、照射光学
系および観察光学系が共通の対物光学系１を有する。そ
して、照射光学系から被検物５への光路２と被検物５か
ら観察光学系への光路３とを互いに独立に規定するため
に、対物光学系１の瞳面の波面分割手段としてたとえば
開口絞り４を備えている。なお、図１では、構成の明瞭
化のために、照射光学系の照射パターン面（パターン
板）と観察光学系の観察像面とを参照番号６で共通に示
し、開口絞り４とパターン面６または像面６との間に介
在する要素の図示を省略している。

【００１０】図２は、図１の開口絞り４の構成を示す図
である。図２に示すように、波面分割手段としての開口
絞り４は、少なくとも２つの開口部を有する。たとえ
ば、図２（ａ）に示すように、開口絞り４には、その直
径方向に２つの開口部７および８が形成されている。そ
して、一方の開口部７は照射光学系からの光路２を規定
し、他方の開口部８は観察光学系への光路３を規定して
いる。このように、本発明の装置では対物レンズが共通
であるため、従来の装置のような対物レンズの干渉の問
題がない。したがって、作動距離の小さなすなわち開口
数（ＮＡ）の大きな対物レンズを用いて、投影パターン
の微細化を図ることができる。

【００１１】また、図２（ｂ）に示すように、開口絞り
４には、その周方向にたとえば６つの開口部９を形成す
ることもできる。そして、６つの開口部９のうち３つの
開口部を介して照射光学系からの３つの光路２を規定
し、他の３つの開口部を介して観察光学系への３つの光
路３を規定するようにしてもよい。この場合、照射光学
系の複数の光路についてそれぞれ照射条件を変えてパタ
ーン投影を行うことができる。各種照射条件として、た
とえば、照射パターンの模様、パターン光の色、パター
ン像の形成位置、開口部の大きさまたは形状などの変化
が考えられる。

【００１２】また、観察光学系の複数の光路についてそ
れぞれ観察条件を変えてパターン像の観察を行うことも
できる。各種観察条件として、たとえば、焦点位置、照
射光路に対する観察光路の傾き、開口部の大きさまたは
形状、観察像の倍率（変倍光学系の介在の有無）などの
変化が考えられる。さらに、図２（ｃ）に示すように、
開口絞り４には、中央開口部１０とたとえば６つの周辺
開口部１１を形成することもできる。そして、中央開口
部１０を介して照射光学系からの光路２を規定し、６つ
の周辺開口部１１を介して観察光学系への６つの光路３
を規定するようにしてもよい。

【００１３】この場合、照射光学系の光路については１
つの照射条件であるが、観察光学系の複数の光路につい
てはそれぞれ観察条件を変えてパターン像の観察を行う
ことができる。このように、照射条件および観察条件の
うち少なくともいずれか一方の条件を変化させて形状計
測を行うことができるので、被検物の観察領域における
様々な局所的形状変化にもかかわらず有効な計測データ
を確実に収集することができる。その結果、被検物の全
体の計測時間を短縮することができるとともに、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。

【００１４】

【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３１を備えて
いる。ストロボ光源３１から射出された放射光は図示を
省略したコリメータレンズおよび拡散板を介して照度む
らのない均一な光となってパターン板３２に入射する。
パターン板３２は透明部と不透明部とからなり、パター
ン板３２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、たとえば直交二方向に
規則的に配置されたスポットパターンなどを使用するこ
とができる。

【００１５】パターン板３２を透過したパターン光は、
六角錐台状のプリズム３３の斜面３３ａに入射する。プ
リズム３３の斜面３３ａで図中下方に反射された光は、
開口絞り３４の開口部３４ａを通過する。開口絞り３４
には、図２（ａ）に示すように、直径方向に２つの開口
部が形成されている。開口部３４ａを通過したパターン
光は、共通の対物光学系３５を介して被検物３６に向か
って集光される。なお、共通対物光学系３５の開口数Ｎ
Ａは、所望の測定分解能に応じて決定される。こうし
て、被検物３６の表面には投影パターン像が形成され
る。

【００１６】一方、被検物３６の表面に形成された投影
パターン像からの光は、共通対物光学系３５および開口
絞り３４の開口部３４ｂを介してプリズム３３の斜面３
３ｂに入射する。プリズム３３の斜面３３ｂで図中水平
方向右側に反射された光は、たとえばＣＣＤのような撮
像素子の像面３７に入射する。このように、本実施例で
は、照射光学系および観察光学系が共通の対物光学系３
５を有する。そして、開口絞り３４によって照射光学系
から被検物３６への光路３８と被検物３６から観察光学
系への光路３９とを互いに独立に規定している。

【００１７】なお、図３では、構成の明瞭化のために、
１つの光源と１つの像面とを有する装置を示したが、図
２（ｂ）のように周方向に６つの開口部を有する開口絞
りを用いることもできる。この場合、たとえば６つの開
口部のうち３つの開口部を介して照射光学系からの３つ
の光路を規定し、他の３つの開口部を介して観察光学系
への３つの光路を規定することができる。このように、
３つの光源と３つの像面とを有する装置構成の場合、た
とえば互いに模様の異なる３つのパターンを被検物３６
の表面に投影することができる。したがって、被検物３
６の局所的な表面形状の変化に応じてそれぞれ適した照
射パターンを選択して有効に計測を行うことが可能にな
る。

【００１８】また、たとえば互いに異なる３つの色のパ
ターン光を被検物３６の表面に投影することもできる。
たとえば、赤色光線成分、緑色光線成分および青色光線
成分からなる投影パターンを、赤色光線用ＣＣＤ−Ｒ、
緑色光線用ＣＣＤ−Ｇおよび青色光線用ＣＣＤ−Ｂでそ
れぞれ受光することができる。

【００１９】このように、互いに波長の異なるパターン
光を使用することにより、共通の対物光学系を使用して
いるにも係わらず僅かに異なる結像位置に３つの投影パ
ターンを形成することができる。すなわち、３つの観察
光学系を選択的に使用することにより、局所的に凹凸の
激しい表面に対しても良好な結像性能で観察することが
可能となる。なお、複数の色の投影パターン像を形成す
るには、互いに異なる色の光を発生する複数の光源を備
えてもよいし、あるいは互いに異なる色の光だけを透過
するフィルタを各光路中に設けてもよい。

【００２０】図４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概略的に示す図である。
第２実施例の装置は図３の装置と類似の構成を有する
が、１つの照射光学系に対して６つの観察光学系を有す
る点が基本的に相違する。したがって、図４の構成要素
のうち図３の構成要素と同じ機能を有するものについて
はその構成および動作について重複する説明を省略す
る。

【００２１】図４の装置は、光源としてたとえばストロ
ボ光源４１を備えている。ストロボ光源４１から射出さ
れた放射光はパターン板４２に入射し、パターン板４２
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。パターン板４２を透過したパターン光は、六角錐台
状のプリズム４３の底面４３ａに入射する。プリズム４
３の底面４３ａから上面４３ｂを透過した光は、開口絞
り４４の中央開口部４４ａを通過する。開口絞り４４に
は、図２（ｃ）に示すように、中央開口部と６つの周辺
開口部が形成されている。開口絞り４４の中央開口部４
４ａを通過したパターン光は、共通の対物光学系４５を
介して被検物４６に向かって集光される。こうして、被
検物４６の表面には投影パターン像が形成される。

【００２２】一方、被検物４６の表面に形成された投影
パターン像からの光は、共通対物光学系４５および開口
絞り４４の６つの周辺開口部を介してプリズム４３の各
斜面に入射する。プリズム４３の各斜面で図中水平方向
に放射状に反射された光は、たとえばＣＣＤのような６
つの像面４７に入射する。このように、本実施例では、
開口絞り４４の中央開口部によって照射光学系から被検
物４６への光路４８を規定し、開口絞り４４の６つの周
辺開口部によって被検物４６から観察光学系への６つの
光路４９を規定することができる。なお、図４では、構
成の明瞭化のために、２つのＣＣＤ４７ａおよび４７ｂ
と、それぞれ対応する光路４９ａおよび４９ｂだけを示
し、他の４つのＣＣＤおよび光路については図示を省略
している。

【００２３】このように、１つの光源と６つの像面とを
有する装置構成の場合、被検物４６の投影された１つの
パターン像を６つの光路を介して様々な角度から観察す
ることが可能になる。したがって、被検物４６の表面が
局所的に急激な傾きを有する場合にも、６つの像面のう
ち少なくとも１つの像面において信頼性のある計測デー
タを得ることができる。

【００２４】なお、図２（ｃ）には中央開口部を中心と
して６つの周辺開口部が円周上に等間隔に、すなわち中
央開口部と各周辺開口部との間隔が一定となるように配
置された例を示している。しかしながら、照射光学系か
らの光路４８に対する観察光学系への各光路４９の傾き
が変化するように、各周辺開口部を中央開口部に対して
互いに異なる距離をもって配置してもよい。この場合
も、局所的に様々な変化を有する被検物４６の表面につ
いて、６つの像面を適宜選択的に使用してさらに信頼性
のある計測データを得ることができる。

【００２５】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。上述の各実施例では、光路切り換え手段と
して六角錐台状のプリズムを用い、照明光学系および観
察光学系について合計６つの光路を形成する例および観
察光学系について６つの光路を形成する例を示したが、
所望の光路数に応じて適当な多角錐台状のプリズムを使
用することができる。

【００２６】また、上述の各実施例では、光路切り換え
手段としてプリズムを用いた例を示したが、他の適当な
光路切り換え手段を用いてもよい。さらに、上述の各実
施例では、開口絞りに一定の大きさの円形開口部が形成
された例を示したが、各開口部の大きさまたは形状が変
化するように構成してもよい。この場合、観察光学系の
被写界深度を変えることができるので有利である。ま
た、各観察光学系の光路中に変倍光学系を備えて、観察
パターン像の倍率を適宜変化させながら観察することが
できるようにしてもよい。

【００２７】なお、本発明において観察光路を複数形成
する原理は、照射光学系を備える光学式三次元形状計測
装置に限定されるものではなく、照射光学系を必要とし
ない二次元像観察装置にも応用することが可能である。

【００２８】

【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、対物レンズが共通であるため、作動距
離の小さなすなわち開口数（ＮＡ）の大きな対物レンズ
を用いて、投影パターンの微細化を図ることができる。
また、照射条件および観察条件のうち少なくともいずれ
か一方の条件を変化させて形状計測を行うことができる
ので、被検物の全体の計測時間を短縮することができる
とともに、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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光学式三次元形状計測装置の作用を説
明する図である。

【図２】図１の開口絞りの構成を示す図である。

【図３】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４】本発明の第２実施例にかかる光学式三次元形状
計測装置の構成を概略的に示す図である。

【符号の説明】

１共通対物光学系４開口絞り６像面またはパターン板３１、４１光源３２、４２パターン板３３、４３プリズム３４、４４開口絞り３５、４５対物光学系３６、４６被検物３７、４７観察像面

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
記所定のパターン像と前記観察されたパターン像との相
違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、前記照射光学系および前記観察光学系は共通の対物光学
系を有し、前記照射光学系から前記被検物の表面への光路と前記被
検物の表面から前記観察光学系への光路とを互いに独立
に規定するために前記対物光学系の瞳面の波面分割手段
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】前記波面分割手段は、少なくとも２つの
開口部を備えた開口絞りであることを特徴とする請求項
１に記載の光学式三次元形状計測装置。
【請求項３】前記開口絞りは、複数の照射光学系から
前記被検物の表面への複数の光路を規定するための複数
の第１開口部を有し、前記複数の照射光学系は、前記複数の第１開口部を介し
て互いに異なる複数のパターンを前記被検物の表面に投
影することを特徴とする請求項２に記載の光学式三次元
形状計測装置。
【請求項４】前記開口絞りは、複数の照射光学系から
前記被検物の表面への複数の光路を規定するための複数
の第１開口部を有し、前記複数の照射光学系は、前記複数の第１開口部を介し
て互いに異なる色の複数のパターン光を前記被検物の表
面に投影することを特徴とする請求項２に記載の光学式
三次元形状計測装置。
【請求項５】前記複数の照射光学系は、互いに異なる
色の光を発生する光源をそれぞれ有することを特徴とす
る請求項４に記載の光学式三次元形状計測装置。
【請求項６】前記複数の照射光学系は、互いに異なる
色の光だけを透過するフィルタをそれぞれ有することを
特徴とする請求項４に記載の光学式三次元形状計測装
置。
【請求項７】前記開口絞りは、前記被検物の表面から
複数の観察光学系への光路を規定するための複数の第２
開口部をさらに有し、前記複数の観察光学系は、前記被検物の表面に投影され
た互いに異なる複数のパターン像を前記複数の第２開口
部を介して観察することを特徴とする請求項３乃至６の
いずれか１項に記載の光学式三次元形状計測装置。
【請求項８】前記第１開口部および前記第２開口部の
各々は、光軸を中心とする円周上において互いに等間隔
を隔てて配置されていることを特徴とする請求項７に記
載の光学式三次元形状計測装置。
【請求項９】前記複数の照射光学系は、前記被検物に
対して互いに異なる位置に複数のパターン像をそれぞれ
形成し、前記複数の観察光学系は、前記被検物に対して互いに異
なる焦点位置をもって前記複数のパターン像をそれぞれ
観察することを特徴とする請求項７または８に記載の光
学式三次元形状計測装置。
【請求項１０】前記開口絞りは、中央に形成された前
記照射光学系のための中央開口部と、該中央開口部の周
囲に形成された前記観察光学系のための複数の周辺開口
部とを有することを特徴とする請求項２に記載の光学式
三次元形状計測装置。
【請求項１１】多角錐台状のプリズムをさらに備え、前記照射光学系の光源からの光は、前記プリズムの底面
および上面を透過し前記中央開口部を介して前記被検物
に入射し、前記被検物の表面からの光は、前記複数の周辺開口部を
介し前記プリズムの各斜面で反射して前記観察光学系の
像面に入射することを特徴とする請求項１０に記載の光
学式三次元形状計測装置。
【請求項１２】前記中央開口部は光軸を中心として形
成され、前記複数の周辺開口部の各々は光軸を中心とす
る円周上において互いに等間隔を隔てて配置されている
ことを特徴とする請求項１０または１１に記載の光学式
三次元形状計測装置。
【請求項１３】前記開口部の大きさまたは形状が可変
であることを特徴とする請求項２乃至１２のいずれか１
項に記載の光学式三次元形状計測装置。
【請求項１４】前記観察光学系は、観察パターン像の
倍率を変化させるための変倍光学系をさらに備えている
ことを特徴とする請求項２乃至１３のいずれか１項に記
載の光学式三次元形状計測装置。