JPH09304031A - 光学的３次元計測装置及びこの装置におけるホログラム露光方法及び光軸調整方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ホログラムに入射される参照光が露光時と再
生時とで同一の条件で入射でき、再生時の計測精度を向
上する。 【解決手段】 被計測物体を支持する検査ステージと、
対物レンズ５ａ，５ｂとホログラム３を光軸部に支持す
ると共に、ホログラム３に参照光を入射する参照光入射
光学系Ａを有する投光ユニット２２と、対物レンズとピ
ンホールアレイ４を光軸部に支持したピンホールアレイ
ユニット２３と、リレーレンズと光検出器アレイ８を光
軸部に支持した計測ユニット２４と、ホログラムに物体
光を入射する物体光入射光学系Ｂと、この物体光入射光
学系から分岐してホログラムに露光時参照光を入射する
露光時参照光入射光学系を有する露光ユニット３４とか
らなり、上記検査ステージ上に、下側から順に投光ユニ
ット２２とピンホールユニット２３と計測ユニット２４
を積み重ね状に配置し、かつ計測ユニットと露光ユニッ
ト３４を交換可能にした構成とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ホログラム、ピン
ホール及び光検出器アレイを用いた共焦点光学系を２次
元的に配列してなる光学的３次元計測装置及びこの装置
におけるホログラム露光方法及び光軸調整方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】この種の光学的３次元計測装置は図１に
示すようになっていて、光源１の光は参照光入射光学系
Ａの拡大レンズ２ａ，２ｂを介して拡大されると共に、
平行光となり、ミラー１５で反射し、ついでプリズム１
６で光の断面形状が補正されてホログラム３に入射光形
状が略円形状になって参照光として入射するようになっ
ている。ホログラム３はピンホールアレイ４の各ピンホ
ール４ａから出射する点光源と等価な光を、上記参照光
を回折することにより再生する。

【０００３】この再生光は、第１対物レンズ５ａによっ
て物体（被計測物体）６に投光され、物体６で散乱し、
反射し、第１対物レンズ５ａ、ホログラム３を透過し、
第２対物レンズ５ｂを介してピンホールアレイ４に集光
する。この図１は１つのピンホール位置の光を代表して
表現している。

【０００４】図２，図３，図４は投光の第１対物レンズ
５ａによる集光点と、物体６の表面の光軸方向（Ｚ方
向）の位置関係に対して、反射光がピンホールアレイ４
付近でどのように結像するかを示したものである。これ
によれば、図３に示すように、集光点と物体６の表面が
一致（合焦）したときのみ反射光がピンホールアレイ４
のピンホール４ａを通過するが、それ以外のとき、すな
わち、図２に示すように集光点が物体６に反射した後に
ある場合（後ピン）、あるいは図４に示すように、反射
する前にある場合（前ピン）には、反射光はピンホール
アレイ４に遮蔽されて殆ど、通過できなくなり、いわゆ
る受光絞り作用がなされる。

【０００５】この特性を利用すれば、物体６を光軸方向
（Ｚ方向）に移動しながらピンホール４ａを通過する反
射光の光量を図１に示すように、第１，第２のリレーレ
ンズ７ａ，７ｂを介して２次元用の光検出器アレイ８に
て計測することにより、最大の光量が得られた位置が物
体の表面であること、すなわち、物体６の表面の位置が
計測できることになる。これをピーク処理という。

【０００６】図１は図２〜図４で説明した共焦点光学系
を２次元的に配列したものであるから、物体６をＺ方向
に移動させながら、各ピンホール４ａを通過する反射光
の光量を計測し、これをピーク処理してやれば、ピンホ
ールに対応した部分の物体６の表面の形状計測をするこ
とができる。実際には、第１，第２の対物レンズ５ａ，
５ｂを共にテレセントリック系（アフォーカル系あるい
はタンデム配置ともいう）で構成し、物体６をＺ方向に
移動するかわりに第１対物レンズ５ａをＺ方向へ移動し
て計測する。

【０００７】ピンホール４ａを通過する光は、第１，第
２のリレーレンズ７ａ，７ｂを介して２次元の光を検出
する光検出器アレイ８に結像し、個々のピンホール４ａ
を通過する光は、独立した光検出部分に結像して計測さ
れ制御装置９にて制御と処理される。この制御装置９
は、物体６を載置するステージ１０のＸＹ位置（必要が
あればＺ方向のオフセット位置）を制御して計測視野を
決め、第１対物レンズ５ａをＺ方向に移動しながら光検
出器アレイ８の計測値を読み出してピーク処理し、その
結果を表示、出力あるいは記録する。

【０００８】次に上記ホログラム３の製造工程を図５を
参照して説明する。光源１１はレーザなどのコヒーレン
トな光源であり、ビームスプリッタ１２により波面分割
され、それぞれホログラム３の参照光入射光学系Ａａの
参照光、物体光入射光学系Ｂの物体光の光源となる。光
源１１の光が直線偏光の特性を示す場合には、第１の１
／２波長板１３ａの回転により直線偏光の偏光方向を回
転させ、ビームスプリッタ１２に偏光ビームスプリッタ
を採用することにより、分割の強度比を所望の値に設定
する。

【０００９】ビームスプリッタ１２にて分割した参照光
は、第１，第２の拡大レンズ１４ａ，１４ｂで拡大平行
光となり、ミラー１５で反射し、プリズム１６で光の断
面形状が補正されてホログラム３に入射光形状が略円形
になって参考光として入射し、また、ビームスプリッタ
１２にて偏光された物体光はミラー１５ａ，１５ｂ，１
５ｃに反射し、第３，第４の拡大レンズ１４ｃ，１４ｄ
にて拡大平行光になってホログラム３の上方に配置され
たピンホールアレイ４に入射され、このピンホールアレ
イ４のピンホール４ａを透過する光は、ホログラム３に
物体光として入射されるようになっている。第２，第３
の１／２波長板１３ｂ，１３ｃの調節により、参照光、
物体光の偏光方向が所望の方向（一般的には同じ方向に
なるようにする）に設定され、ホログラム露光の準備が
完了する。

【００１０】一方図１に示した光学的３次元計測装置に
おいて上記したように、第１の対物レンズ１が上下方向
（Ｚ方向、光軸方向）に移動するようになっているが、
従来のこの対物レンズ移動装置は図６から図９に示すよ
うになっていて、対物レンズ５ａを支持する鏡筒２０１
は、対物レンズ５ａの軸心に対して直角方向の一側部で
垂直ガイド２０２に上下方向に摺動自在にして片持ち状
に支持され、ガイド支持部材２０４に設けたアクチュエ
ータ２０３にて鏡筒２０１が直接上下方向に移動される
ようになっていた。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上記したような光学的
３次元計測装置には次のような技術的課題がある。

【００１２】（１）ホログラム３のホログラム材、例え
ばポリマの感光感度が低い場合、レーザ光源のパワーは
大きい方が望ましい。これは長時間露光時の光学系の機
械的振動、空気の揺らぎがホログラム３の品質を著しく
劣化させるので、高パワーのレーザ光源で短時間で露光
することが切望されるからである。しかしながら、ホロ
グラム再生時（３次元計測時）では、必ずしも高パワー
レーザ光源は必要なく、装置に組み込むレーザ光源は小
型、軽量、低コスト、メインテナンスのかからないもの
を採用したい。そうした場合、露光時と再生時で光源が
違うので、この両光源に同波長のレーザ光源を用いる場
合、露光時とできるだけ同一の条件（波面、ホログラム
への入射角など）で参照光をホログラムに入射すること
が光学系の精度を確保する上で非常に重要となる。

【００１３】（２）一般的に光源（特にレーザ光源）は
消耗品であり、寿命がある。その場合、光源の交換によ
って参照光の条件（波面、ホログラムへの入射角など）
が変わらないようにすることが光学系の精度を確保する
上で必要となる。

【００１４】（３）ホログラム再生時（３次元計測時）
には、露光時に必要な光学部品で不要となるものがあ
る。上記（１）に示した高パワーの露光用のレーザ光源
もその一例であるが、それ以外にも図５で示した第３，
第４の拡大レンズ１４ｃ，１４ｄ、１／２波長板１３ａ
〜１３ｃ、ビームスプリッタ１２、及びミラー１５ｂ〜
１５ｄなどがそれにあたる。これらはホログラムの露光
が終了したら取り外すことができるが、メインテナンス
などで、再度ホログラムの露光が必要なときには、再び
これらの部品の組み付け、調整をする必要がある。ま
た、計測装置を量産するにあたって、１台ごとにこれら
の部品を個々に組み付け、調整し、ホログラムを露光
し、取り外すのでは生産効率が極端に悪くなる。

【００１５】さらに、これらの課題に加えて、（４）光
学系を気密にする必要がある、これは、 ・レンズ、ミラーなどの光学部品にゴミ、埃等が付着す
ると、レーザ光が散乱して光に予期せぬ有害なスペック
ルを生じてしまう。 ・ホログラムの露光時に光路の空気の揺らぎがあると、
製造するホログラムの品質が著しく劣化する。 ・計測時に光路の空気が揺らぐと光路が変化してしま
い、所望の計測精度が得られない。などの理由による。
そして光学系を気密にする目的で密閉すると、光学部品
の調整ができなくなるという問題があった。また、光学
部品を調整するアクチュエータを内蔵して調整を行う
と、調整終了後、アクチュエータが不要になっても、光
学系に内蔵したまま製品になってしまうので、調整箇所
が多い場合など特に、アクチュエータのコストがかか
り、さらに内蔵場所の空間確保などの小型、軽量化にす
る意味でも非常に不利になる。

【００１６】（５）一方上記従来の対物レンズ移動装置
では、これの鏡筒２０１がガイド２０２に対して片持ち
状態に支持されていたため、ブラケット２０４に固着さ
れたアクチュエータ２０３を駆動してこれを移動したと
きに、これの重心によるモーメントにより、図８，図９
に示すように、光軸方向に首振り（ハンチング）してし
まい、移動時に微振動が発生し、移動位置の精度が悪く
なる場合があった。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記した従来の
技術における課題を解決することができるようにした光
学的３次元計測装置及びこの光学的３次元計測装置にお
けるホログラム露光方法及び光軸調整方法を提供しよう
とするもので、光学的３次元計測装置は、ホログラム、
ピンホールアレイ及び光検出器アレイを用いた共焦点光
学系を２次元的に配列してなると共に、光源にレーザ光
源等コヒーレント性を有する光源を用いた光学的３次元
計測装置において、被計測物体を支持する検査ステージ
と、対物レンズとホログラムを光軸部に支持すると共
に、ホログラムに参照光を入射する参照光入射光学系を
有する投光ユニットと、対物レンズとピンホールアレイ
を光軸部に支持したピンホールアレイユニットと、リレ
ーレンズと光検出器アレイを光軸部に支持した計測ユニ
ットと、ホログラムに物体光を入射する物体光入射光学
系と、この物体光入射光学系から分岐してホログラムに
露光時参照光を入射する露光時参照光入射光学系を有す
る露光ユニットとからなり、上記検査ステージ上に、下
側から順に投光ユニットとピンホールユニットと計測ユ
ニットを積み重ね状に配置し、かつ計測ユニットと露光
ユニットを交換可能にした構成となっている。

【００１８】そして上記検査ステージ上に、投光ユニッ
トとピンホールユニットと計測ユニットを重箱状に着脱
可能に積み重ねた構成となっている。

【００１９】また上記ピンホールアレイ、光検出器アレ
イ等を支持する支持部材を、光軸方向におけるあおりと
軸方向への移動可能にしたベースに支持し、上記支持部
材に、この支持部材をＸ，Ｙ，θ方向に移動する調整治
具を係脱可能に連結した構成となっている。

【００２０】また、被計測物体に対して光軸方向に移動
可能に支持した対物レンズを保持する鏡筒を、この鏡筒
の光軸に対する軸直角方向両側を支持部材で支持し、こ
の支持部材を介して鏡筒を光軸方向の移動するようにし
た構成となっている。

【００２１】さらに、上記投光ユニット、露光ユニット
の各光学系を蓋体でカバーすると共に、各ユニット間を
筒体でカバーした。

【００２２】一方上記光学的３次元計測装置におけるホ
ログラム露光方法において、計測ユニットに代えて露光
ユニットを装着し、露光ユニットの物体光入射光学系に
て投光ユニットに支持されたホログラムの上面に物体光
を入射し、物体光入射光学系から露光参照光を分岐し、
これを投光ユニットの参照光入射光学系を経由してホロ
グラムに入射するようにした。

【００２３】また上記光学的３次元計測装置における光
軸調整方法において、光路内に介装したエキスパンダ内
の可動ピンホールをエキスパンダから出射する光量が最
大になるように調整して固定し、光源の交換時等以後の
光軸調整をこの可動ピンホールを基準にして行うように
した。

【００２４】また上記光学的３次元計測装置における光
軸調整方法において、光路内の光を角度計測手段にて
ｐ，ｓ偏光に分岐すると共に、両偏光を異なるミラーで
反射して重ね合せ、この重ね合せ状態により光路内に介
装した可動ミラーを作動して光軸を調整するようにし
た。

【００２５】さらに上記重ね合せ光をＣＣＤカメラ等の
撮像手段及び画像処理手段にて処理するようにした。

【００２６】

【作 用】ホログラムの露光を行うときには、検査ス
テージに、投光ユニットとピンホールユニットと計測ユ
ニットを積み重ねてなる光学的３次元計測装置の上記計
測ユニットに代えて露光ユニットをピンホールユニット
上に積み重ね載置する。そしてこの露光ユニットの光源
からの光を物体光入射光学系にてホログラムに物体光と
して入射すると共に、この物体光入射光学系から露光時
参照光を分岐し、この露光時参照光を投光ユニットの参
照光入射光学系を介してホログラムに入射する。

【００２７】上記各ユニットは個々に着脱される。また
各ユニットのホログラム、ピンホールアレイ、光検出器
アレイは、あおり方向、光軸方向及びＸ，Ｙ，θに調整
されて装着される。

【００２８】また対物レンズを保持する鏡筒は、これの
光軸に対して直角方向両側に作用する力にて光軸方向に
作動される。さらに、各ユニットの光学系は蓋体にて密
閉され、また各ユニット間の光軸部筒体にて密閉され
る。

【００２９】

【発明の効果】上記本発明の請求項１に記載された構成
によれば、検査ステージと投光ユニットとピンホールユ
ニットと計測ユニットとからなる光学的３次元計測装置
の上記投光ユニットに備えたホログラムの露光を、上記
計測ユニットに代えて露光ユニットをピンホールユニッ
トに装着し、さらに本発明の請求項６に記載のホログラ
ム露光方法によって、露光時参照光の入射光学系を投光
ユニットの参照光入射光学系を共通して用いることがで
きるから、ホログラムに入射される参照光は露光時と再
生時とで全く同一の条件で入射されることになって上記
課題（１）を解決できて、再生時における計測精度を向
上することができる。またこの露光ユニットを、各光学
的３次元計測装置のホログラム露光用として共通に用い
ることができて、上記課題（３）を解決でき、生産効率
を向上することができる。

【００３０】また上記のように、露光ユニットを光学的
３次元計測装置と別構成とすると共に、各装置に共通に
用いるようにしたことにより、露光時に高パワーの光源
を、計測時に小型、軽量、低コストのレーザ光源が採用
できるので、露光時には高品質なホログラムの製造が望
め、商品においては商品自体の小型、軽量、低コスト化
に寄与できる。

【００３１】また請求項２に記載の構成では、各ユニッ
トは相互に容易に組立てることができると共に、各ユニ
ットごとにメンテナンスを行うことができ、メンテナン
スの容易化を図ることができる。

【００３２】また請求項３に記載の構成では、各ユニッ
トのホログラム、ピンホールアレイ、光検出器アレイ
は、光軸に対して６軸調整されて正確に配置することが
できる。

【００３３】また請求項４に記載の構成では、光軸方向
に移動可能にした対物レンズは、光軸方向に首振りする
ことがなくなり、移動時の微振動発生を防止できて上記
課題（５）を解決できる。

【００３４】また請求項５に記載の構成では、各ユニッ
トの光学系及び各ユニット間が密閉されることにより、
各光学系を構成する機器にゴミ等の異物が付着するのを
防止できると共に、光路の空気による揺らぎを防止で
き、上記各光路が空気にさらされることによる上記課題
（４）の不具合を解決することができる。

【００３５】また請求項７に記載の光軸調整方法によれ
ば、光路内に介装したエキスパンダ内の可変ピンホール
を１度調整して固定することにより、それ以後は、この
可変ピンホールを基準にして光軸調整をすればよく、レ
ーザ光源を交換したときの光軸調整が容易となり、上記
課題（１），（２）を解決することができる。

【００３６】さらに、本発明の請求項８に記載の光軸調
整方法によれば、光軸調整を正確に行うことができ、ま
た請求項９に記載の光軸調整方法によれば、光学系の光
の位置、強度分布などの解析、記録を定量的に行うこと
ができる。

【００３７】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図１０以下
に基づいて説明する。図１０は光学的３次元計測装置の
全体を示すもので、図中下側から順に、検査ステージボ
ックス２１、投光ユニット２２、ピンホールユニット２
３、計測ユニット２４であり、各ユニット２２，２３，
２４は検査ステージボックス２１に重箱状に積み重ねら
れている。

【００３８】投光ユニット２２のフレーム２５の力学的
に最も安定した位置となる周囲３個所に同一長さの柱２
５ａ，２５ｂ，２５ｃが固着されている。そしてこの各
柱２５ａ〜２５ｃを、貫通するボルト２６にてこの投光
ユニット２２が検査ステージボックス２１に着脱可能に
固着されている。

【００３９】ピンホールユニット２３のフレーム２７の
周囲３個所に同長の柱２７ａ，２７ｂ，２７ｃが固着さ
れている。そしてこの各柱２７ａ〜２７ｃが上記投光ユ
ニット２２の各柱２５ａ〜２５ｃの上端に当接され、そ
れぞれの柱を貫通するボルト２８が、上記投光ユニット
２２の柱２５ａ〜２５ｃを固着するボルト２６の頭部に
設けたねじ孔に螺合することによりこのピンホールユニ
ット２３が投光ユニット２２に着脱可能に固着されてい
る。

【００４０】計測ユニット２４も同様に、これのフレー
ム２９の周囲３個所に同長の柱２９ａ，２９ｂ，２９ｃ
が固着されていて、この各柱２９ａ〜２９ｃが上記ピン
ホールユニット２３の各柱２７ａ〜２７ｃの上端に当接
され、それぞれの柱を貫通するボルト３０が、上記ピン
ホールユニット２３を固着するボルト２８の頭部に設け
たねじ孔に螺合することにより、ピンホールユニット２
３に着脱可能に固着されている。

【００４１】検査ステージボックス２１には装置の光軸
方向（Ｚ軸方向）に対してＹ方向に移動可能にしたＹス
テージ３１、Ｘ方向に移動可能にしたＸステージ３２、
垂直の軸心に対して回転可能にしたθステージ３３が積
み重ね配置したステージ装置が設けてある。θステージ
３３にはワーク（ウエハ）を固定する真空チャック（図
示せず）が設けられている。またこの検査ステージボッ
クス２１は図示したように必ずしもボックス状にするこ
となく、上記各ユニットのように柱構造にして、より力
学的に剛性を向上するようにしてもよい。

【００４２】図１０で示す光学的３次元計測装置の投光
ユニット２２に装備されるホログラム３は前述したよう
に、あらかじめ露光してホログラム部を構成しておく必
要があり、このホログラム３の露光は、図１１に示すよ
うに、図１０で示した計測ユニット２４のかわりに、露
光ユニット３４をピンホールユニット２３上に積み重ね
て行い、露光操作の終了後は、これを取り外して計測ユ
ニット２４を装着して完成品とする（図１０）。

【００４３】露光ユニット３４は上記計測ユニット２４
等と同様に、これのフレーム３５の周囲３個所に同長の
柱３５ａ，３５ｂ，３５ｃが固着されていて、この各柱
３５ａ〜３５ｃの下端がピンホールユニット２３の各柱
２７ａ〜２７ｃの上端に当接され、それぞれの柱を貫通
するボルト３６が、上記ピンホーユニット２３の固着す
るボルト２８の頭部に設けたねじ孔に螺合することによ
りピンホールユニット２３に着脱可能に固着されてい
る。

【００４４】次に上記した装置における各ユニットの構
成を説明する。そしてこの説明において、図１から図５
に示した従来技術のものと同一構成部材は同一の符号で
示し説明を省略する。

【００４５】投光ユニット２２には、図１に示すところ
の、ホログラム３と第１の対物レンズ５ａと、ホログラ
ム３の下側面に参照光を入射する参照光入射光学系Ａが
フレーム２５に支持して装備されている。上記第１の対
物レンズ５ａは光軸方向（Ｚ方向）に移動調整できるよ
うになっている。

【００４６】ピンホールユニット２３にはピンホールア
レイ４と第２の対物レンズ５ｂがフレーム２７に支持し
て装備されている。また計測ユニット２４には第１，第
２のリレーレンズ７ａ，７ｂ、センサ部８ａを有する光
検出器アレイ８がフレーム２９に支持して装備されてい
る。一方図１１に示した露光ユニット３４には、図５に
示したところの、ホログラム３の下面へ参照光を入射す
る参照光入射光学系Ａａとホログラム３の上側面へ物体
光を入射する物体光入射光学系Ｂへの分岐部材（８２）
がフレーム３５に支持して装備されている。

【００４７】図１２は投光ユニット２２の平面構成を示
すもので、これの参照光入射光学系Ａは、光源１に１０
０ｍｗ定常出力のレーザ光源が用いられており、この光
源１から出力されたレーザ光は、第１シフタ３７を通
り、第１のエキスパンダ３８によってビーム径が拡大さ
れると共に平行光となって第２シフタ３９を通り、可動
ミラー４０にて反射し、第１の１／２波長板４１、角度
計測ブロック４２、第２の１／２波長板４３を通過し、
固定ミラー４４で反射され、ついで固定拡大レンズ４５
と可動ピンホール（スペーシャルフィルタ）４６とコリ
メートレンズ４７からなる第２のエキスパンダ４８にて
ホログラム３の参照光に適した径のビームとなり、固定
ミラー４９を反射し、固定絞り５０にて絞り、プリズム
１６によって、ホログラム３に入射する光の形状が物体
光の光径と略同の略円形になるように楕円補正されてホ
ログラム３の下側面に入射されるようになっている。な
お、この投光ユニット２２において、ホログラム３に入
射する参照光は、特願平７−２４７６５８号に開示する
ように、これの下面（反射型ホログラム）、上面（透過
型ホログラム）、側面（エッジイルミネイテッドホログ
ラム、エバセント波によるホログラム）などの形態でも
よい。

【００４８】この参照光入射光学系Ａ内には、可動ミラ
ー４０と第１の１／２波長板４１の間に、上方からの光
を第１の１／２波長板４１側へ反射する脱着ミラー５１
が、この光学系Ａの光路に対して脱着自在に設けてあ
る。また第２のエキスパンダ４８と固定ミラー４９の間
に、参照光を上方へ反射するための移動ミラー５２が移
動シャフト５３を介してこの光学系Ａの光路に対して出
没可能に設けられている。

【００４９】図１３はこの投光ユニット２２のフレーム
２５の上面に固着される蓋体５４を示すもので、この蓋
体５４にはホログラム３、ピンホール４等の計測用光路
Ｃの光が通る計測用光路用窓５５と、上記脱着ミラー５
１に対して上方からの光が通る連絡口５６と、移動ミラ
ー５２による上方への反射光が通る参照光を観察する観
察窓５７が設けてある。またそのほかに、第１，第２の
各シフタ３７，３９の各調整ノブ３７ａ，３７ｂ，３９
ａ，３９ｂを上方へ貫通して臨ませる穴５８ａ，５８
ｂ，５８ｃ，５８ｄと、第１のエキスパンダ３８の調整
部材を上方へ貫通して臨ませる穴５９と、可動ミラー４
０の調整部材を上方へ貫通して臨ませる穴６０ａ，６０
ｂ，６０ｃと、第１，第２の各１／２波長板４１，４３
の各調整ノブ４１ａ，４３ａを上方へ貫通して臨ませる
穴６１ａ，６１ｂと、第２のエキスパンダ４８の可動ピ
ンホール４６の調整部材を上方へ貫通して臨ませる６２
ａ，６２ｂ，６２ｃと、コリメートレンズ４７の調整部
材を上方へ貫通して臨ませる穴６３とを有している。

【００５０】図１４はピンホールユニット２３の平面形
状を示すもので、このピンホールユニット２３のフレー
ム２７には、これの計測用光路Ｃに対応する部分に、ピ
ンホールアレイ４と第２の対物レンズ５ｂが支持されて
いる。そしてこれのフレーム２７には投光ユニット２２
の蓋体５４に設けた連絡口５６に対応する連絡口６４が
設けてある。

【００５１】図１５は計測ユニット２４の平面形状を示
すもので、これのフレーム２９の計測用光路Ｃに対応す
る部分に、第１，第２のリレーレンズ７ａ，７ｂと光検
出器アレイ８が支持されている。

【００５２】図１６は露光ユニット３４の平面構成を示
すもので、これの物体光入射光学系Ｂは、光源１１に４
００ｍｗ定常出力のレーザ光源が用いられており、この
光源１１から出力されたレーザ光は、シャッタ６５、第
１シフタ６６を通り、第１のエキスパンダ６７によって
ビーム径が拡大されると共に平行光となって第２シフタ
６８を通り、第１の可動ミラー６９ａにて反射し、第
１，第２の１／２波長板７０，７１を通過し、第３シフ
タ７２を経て可動ミラー６９ｂに反射され、角度計測ブ
ロック７３、第３の１／２波長板７４を通り、その後、
固定拡大レンズ７５と可動ピンホール（スペーシャルフ
ィルタ）７６とコリメートレンズ７７からなる第２のエ
キスパンダ７８にてホログラム３の物体光に適した径の
ビームとなり、固定ミラー７９を反射し、絞りとシフタ
８０を通過し、さらに固定ミラー８１を反射してピンホ
ールアレイ４に入射するようになっている。

【００５３】この露光ユニット３４の物体光入射光学系
Ｂ内には、第１と第２の１／２波長板７０，７１の間
に、第１の１／２波長板７０を通過した光の一部を下方
へ分岐する固定ビームスプリッタ８２が介装してあり、
また絞りとシフタ８０と固定ミラー８１の間に物体光を
上方へ反射するための移動ミラー８３が移動シャフト８
４を介してこの物体光入射光学系Ｂの光路に対して出没
可能に設けられている。

【００５４】図１７はこの露光ユニット３４のフレーム
３５の上面に固着される蓋体８５を示すもので、この蓋
体８５の露光光軸位置には固定ミラー８１を上方から観
察すると共に、移動ミラー８３からの反射光を観察する
観察窓８６と、第１，第２シフタ６６，６８の各調整ノ
ブ６６ａ，６６ｂ，６８ａ，６８ｂを上方へ貫通して臨
ませる穴８７ａ，８７ｂ，８７ｃ，８７ｄと、第１のエ
キスパンダ６７の調整部材を上方へ貫通して臨ませる穴
８８と、第１の可動ミラー６９ａの調整部材を上方へ貫
通して臨ませる穴８９ａ，８９ｂ，８９ｃと、第１，第
２の１／２波長板７０，７１の調整ノブ７０ａ，７１ａ
を上方へ貫通して臨ませる穴９０ａ，９０ｂと、第３シ
フタ７２の調整ノブ７２ａ，７２ｂを上方へ貫通して臨
ませる穴９１ａ，９１ｂと、第２の可動ミラー６９ｂの
調整部材が上方へ貫通して臨ませる穴９２ａ，９２ｂ，
９２ｃと、第３の１／２波長板７４の調整ノブ７４ａと
上方へ貫通して臨ませる穴９３と、第２のエキスパンダ
７８の可動ピンホール７６の調整部材を上方へ貫通して
臨ませる穴９４ａ，９４ｂ，９４ｃと、コリメートレン
ズ７７の調整部材を上方へ臨ませる穴９５とを有してい
る。

【００５５】上記した各ユニット２２，２３，２４，３
４はそれぞれ柱の部分に重箱状に積み重ねられるように
なっているが、この各柱の重ね合わせ部ははめ合いによ
って必要な精度で位置決めされた状態で各ボルトにて結
合されるようになっている。

【００５６】また上記露光ユニット３４の蓋８５の各穴
のうち、観察窓８６を透明体にて閉じ、あるいは不透明
体にて開閉自在に閉じ、他の各穴と、これに貫通する調
整ノブの間をＯリング等でシールし、その上で、図１
０，図１１に示すように、各ユニット間の光軸部を円筒
状のカバー９６ａ，９６ｂ，９６ｃ，１４６にて覆うこ
とにより装置の密閉度を向上することができる。そして
このカバーにより、固定ミラー８１、リレーレンズ７
ａ，７ｂ、ピンホールアレイ４、ホログラム３、対物レ
ンズ５ａ，５ｂ間の振動モードを同位相にして、相対的
な変位が少なくなるという効果があり、ひいては、装置
のホログラム露光性能、計測精度に寄与することができ
る。

【００５７】上記実施の形態では各ユニット２２，２
３，２４，３４の平面形状を４角状にした例で示した
が、これは図１８に示す投光ユニット２２ａ、図１９に
示すピンホールユニット２３ａ、図２０に示す計測ユニ
ット２４、図２１に示す露光ユニット３４ａのように、
各ユニットの平面形状を３角状に構成してもよい。この
構成によれば、装置の全体の容積が小さくなり、かつ力
学的により優れた構造となる。

【００５８】次に上記実施の形態で示した各光学部品の
機能及び調整治具について説明する。

【００５９】図２２（ａ），（ｂ）、図２３はシフタ３
７，３９，６６，６８，７２の機能とその調整治具を示
す。シフタは、例えば厚さＴの平行光学基板１０１を、
光軸に対するあおり角度（ｐ，ｒ）を調整することによ
り、ビーム角度を変えずに光軸に対してδＬだけ平行に
変位させる作用を持つ。治具はジンバル機構が望まし
く、これの各対の調整ノブ３７ａ，３７ｂ，３９ａ，３
９ｂ，６６ａ，６６ｂ，６８ａ，６８ｂ，７２ａ，７２
ｂを回転することにより各方向ｐ，ｒに調整されるよう
になっている。この各調整ノブが図１３，図１７で示す
各ユニットの蓋体５４，８５の各穴に貫通して上方へ臨
ませてあり、これらの調整ノブは各蓋体５４，８５の上
側にて調整される。

【００６０】図１２に示す固定絞り５０は、光学基板に
開口マスクを蒸着などで形成したもので、マスク厚が薄
いのでナイフエッジマスクとして機能する。また図１６
に示す絞りとシフタ８０は、図２３で示すシフタと上記
絞り共通化したもので、これの平行光学基板１０１に開
口マスクを蒸着などで形成したものである。

【００６１】図２４は１／２波長板４１，４３，７０，
７１，７４の調整治具を示すものである。この１／２波
長板はその回転θによって、直線偏光の偏光方向を変え
るためのもので、治具はウォームギヤなどを使ったもの
で、これの調整ノブ４１ａ，４３ａ，７０ａ，７１ａ，
７４ａが図１３，図１７で示す各ユニットの蓋体５４，
８５の各穴に貫通して上方へ臨ませてあり、これらの調
整ノブは各蓋体５４，８５の上側にて調整される。

【００６２】図２５，図２６は光路に対して出没する移
動ミラー５２，８３の機能とその移動手段である移動シ
ャフト５３，８４を示すものである。この移動ミラー５
３，８４は光路中に突出することによりビームを上方へ
反射して蓋体５４，８５に設けた観察窓５７，８６より
観察できるようにしたもので、移動ミラー５２，８３
は、これを支持する移動台１０２を直動ガイド１０３に
沿って、ユニットの壁１０４から移動シャフト５３，８
４にて引き押しすることにより光路に対して出没される
ようになっている。またこの移動シャフト５３，８４は
ユニットの壁１０４の外側にて、上記出没の両位置にて
クランパ１０５にて固定されるようになっている。

【００６３】上記移動ミラー５２，８３を光路中に入れ
たときに、参照光、あるいは物体光が各ユニット２２，
３４の上方へ反射されて各ユニット２２，３４の蓋体５
４，８５の観察窓５７，８６にあらかじめ備えたＣＣＤ
カメラ１０６等の撮像手段にて観察できる。このＣＣＤ
カメラ１０６の画像信号は画像処理機などにより処理す
れば、位置、強度分布などの解析、記録が定量的に行え
る。上記観察窓５４，８６は、これを使用しないときに
は蓋をしてユニットの密閉度を向上したり、光学基板
（ガラス）を窓にしたりしてもよい。ＣＣＤカメラ１０
６を用いることにより、より安全で正確な観察が可能と
なる。

【００６４】図２７，図２８は投光ユニット２２と、露
光ユニット３４に用いられる角度計測ブロック４２，７
３の機能と、これの基準ミラー１０７の機能と、それら
を使った光軸の調整方法を説明する図であり、図２７は
角度計測ブロック４２，７３と基準ミラー１０７の位置
関係を示す側面図である。

【００６５】角度計測ブロック４２，７３は偏光ビーム
スプリッタ１０８、１／４波長板１０９、ミラー１１０
から構成される。基準ミラー１０７は直角プリズム型ミ
ラー１１１及び１／４波長板１１２から構成される。例
えば入射光の偏光の成分がｐ偏光５０％、ｓ偏光５０％
とすれば、ｐ偏光はビームスプリッタ１０８を透過して
基準ミラー１０７に進む。基準ミラー１０７へ入射する
ｐ偏光が１／４波長板１１２を通り、光軸に対して直角
状に構成された基準ミラー１０７のプリズム型ミラー１
１１の端面１１１ａに反射し、再び１／４波長板１１２
を通過したときに、このｐ偏光の偏光方向がｓ偏光にな
るように１／４波長板１１２の回転方向をあらかじめ調
整しておけば、その光はビームスプリッタ１０８を反射
してＣＣＤカメラ１１３等の撮像手段に向かう。

【００６６】一方、最初に偏光ビームスプリッタ１０８
を反射するｓ偏光は、角度計測ブロックの１／４波長板
１０９、ミラー１１０の反射、再度１／４波長板１０９
を通過したときはこれの偏光方向がｐ偏光になるように
１／４波長板１０９の回転方向をあらかじめ調整してお
けば、その光は偏光ビームスプリッタ１０８を透過して
ＣＣＤカメラ１１３へ向かう。

【００６７】ＣＣＤカメラ１１３で観測するこれら２つ
の像が重なるように、可動ミラー４０，６９ｂにより入
射光の角度を調整することにより、一定の角度を設定す
ることができる。このときの偏光ビームスプリッタ１０
８からの観察光は人間の目によってもよいが、ＣＣＤカ
メラ１１３によればより安全で正確に観察ができる。Ｃ
ＣＤカメラ１１３の画像信号は画像処理機構などで処理
すれば、位置、強度分布などの解析、記録が定量的に行
える。

【００６８】上記した基準ミラー１０７は両ユニット２
２，３４において、各蓋体５４，８５を閉じる前のレー
ザビームの角度調整をするときにのみ用いるもので、角
度調整後は、上記ＣＣＤカメラ１１３と共に、この基準
ミラー１０７は両ユニット２２，３４から取り外す。そ
してこの基準ミラー１０７は両ユニット２２，３４にお
ける第２のエキスパンダ４８，７８を取り外し、この部
分に図２７に示したようにあらかじめ設けられた位置決
め部材１１４に精度よく取り付けられるようになってい
る。図２８は投光ユニット２２におけるその使用例を示
すもので、まず、第２のエキスパンダ４８を外し、その
位置に基準ミラー１０７を配置する。この基準ミラー１
０７の設置位置は、上記したように各ユニット２２，２
３のフレーム２５，３５に製作された基準面に正確に設
置することが重要である。そして計測時には、１／２波
長板４３を回転することにより、例えば、ｐ偏光５０
％、ｓ偏光５０％になるようにして、さらに可動ミラー
４０を調整し、ＣＣＤカメラ１１３で観察される２つの
像を一致させればよい。

【００６９】投光ユニット２２と露光ユニット２３にお
ける各エキスパンダ３８，６７，４８，７８は第２のエ
キスパンダ４８，７８に示すように、固定拡大レンズ４
５，７５とコリメートレンズ４７，７７とからなってい
て、それぞれのコリメートレンズを図２９（ａ），
（ｂ），（ｃ）に示すように光軸方向（Ｚ方向）に移動
調整することにより、拡大されたビームの平行度が調整
されるようになっている。

【００７０】また両ユニット２２，２３における第２の
エキスパンダ４８，７８にはスペーシャルフィルタの役
割をする可動ピンホール４６，７６が拡大レンズ４５，
７５の焦点位置に介装されていて、それぞれの可動ピン
ホールは図３０に示すように光軸と直角方向（Ｘ，Ｙ方
向）及び光軸方向（Ｚ方向）に移動調整可能になってい
る。

【００７１】上記投光ユニット２２と露光ユニット３４
における第１，第２のエキスパンダ３８，６７，４８，
７８のそれぞれのコリメートレンズと、第２のエキスパ
ンダ４８，７８の可動ピンホール４６，７６と、可動ミ
ラー４０，６９ａ，６９ｂはそれぞれの調整シャフトを
押すことによりそれぞれ調整されるようになっている。
そしてこれらの調整には図３１から図３４に示す調整伝
達機構１１５にて行う。

【００７２】図３１、図３２、図３３は調整伝達機構１
１５の一例を示すもので、機枠１１６に第１，第２のシ
ャフト１１７，１１８が上下方向と横方向に９０°の姿
勢で摺動自在に支持されている。そして両シャフト１１
７，１１８の内側端が機枠１１６に回動自在に支持され
たテコ１１９の端面に当接されていて、第１のシャフト
１１７を軸方向に押し込むことにより、このテコ１１９
を介して第２のシャフト１１８が横方向に突出動するよ
うになっている。この押し出し作動位置は第１のシャフ
ト１１７をシャフトクランパ１２０にて機枠１１６に固
着することにより固定されるようになっている。

【００７３】図３４は調整伝達機構１１５の他例を示す
もので、上記回動するテコ１１９のかわりに楔片１２１
を第２のシャフト１１８の移動方向に摺動自在に設け、
これの楔面１２１ａに第１のシャフト１１７の先端を当
接させてあり、第１のシャフト１１７を押し込むことに
より、楔片１２１が移動して第２のシャフト１１８が突
出動されるようになっている。

【００７４】上記構成の調整伝達機構１１５は、両ユニ
ット２２，２３の各第１，第２のエキスパンダのコリメ
ートレンズのＺ方向と第２のエキスパンダの可動ピンホ
ールのＸ，Ｙ，Ｚ方向及び、可動ミラーのそれぞれの従
動部材に第２のシャフト１１８の先端を対向させて各ユ
ニット２２，２３のフレーム２５，３５に固着し、かつ
各機枠１１６の上端をそれぞれの蓋体５４，８５の各調
整用の穴５９，６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６２ａ，６２
ｂ，６３，８８，８９ａ，８９ｂ，８９ｃ，９２ａ，９
２ｂ，９２ｃ，９４ａ，９４ｂ，９５にシャフト１１７
を貫通して設置する。このとき各穴にシール１２２を介
装することにより各ユニットに対する密閉性を向上する
ことができる。可動ピンホールのＹ方向の調整は図３１
から図３４に示したようなアクチュエータの駆動方向を
９０°方向に変換する伝達機構は必要なく、一般的な直
動アクチュエータを用いて蓋体５４，８５の穴６２ｃ，
９４ｃより調整つまみを出して調整する。

【００７５】上記調整伝達機構１１５は、各エキスパン
ダ、可動ミラー…の被作動部材の従動部に第２シャフト
１１８の先端と対向させて各ユニット２２，３４に設置
され、各蓋体５４，８５の上側で油圧シリンダ等の適当
なアクチュエータ１２３にて操作する。

【００７６】図３５は可動ミラー４０，６９ａ，６９ｂ
を上記調整伝達機構１１５を用いて調整作動するための
調整構成を示すものである。この可動ミラー４０，６９
ａ，６９ｂは、これの略中央に連結した関節ピボット１
２４のばね１２５によって支持枠１２６側へ付勢されて
いる。そしてこの関節ピボット１２４の周囲の３個所に
支持シャフト１２７ａ，１２７ｂ，１２７ｃが対向支持
されており、この各支持シャフト１２７ａ，〜１２７ｃ
の端面に、上記各調整伝達機構１１５の第２のシャフト
１１８が当接されている。

【００７７】そして上記各調整伝達機構１１５にて３本
の支持シャフト１２７ａ，〜１２７ｃを調整することに
より、図３６に示すように、可動ミラー４０，６９ａ，
６９ｂがｐ，ｒ，ｙ（光軸方向）に回動及び移動され
る。調整後は各支持シャフトはシャフトクランパ１２８
にて支持枠１２６に固定し、また上記各調整伝達機構１
１５を作動したアクチュエータを取りはずす。

【００７８】ピンホールユニット２３において、ピンホ
ールアレイ４及び光検出器アレイ８は図３７から図４２
に示す６軸調整治具１３１にて支持される。この６軸調
整治具１３１はピンホールアレイ４あるいは光検出器ア
レイ８を取り付ける移動駒１３２はあおり（ｐ，ｙ），
Ｚ，Ｘ，Ｙ，θの６軸方向に移動できるようになってい
る。

【００７９】上記移動駒１３２はベース１３３に固定具
１３４にて固着されている。そしてこのベース１３３は
シャフト１３５とシャフトクランパ１３６にてピンホー
ルユニット２３、計測ユニット２４のフレーム２７，２
９に支持されている。ベース１３３に調整用アクチュエ
ータ取り付け穴１３７が３個所等分位置に設けてある。
また移動駒１３２に調整爪受け１３８が３個所等分位置
に設けてある。

【００８０】図３９、図４０及び図４１は上記６軸調整
治具１３１の調整手段を示すもので、１３９はリニア型
のアクチュエータであり、このアクチュエータ１３９の
作動片をベース１３３の調整用アクチュエータ取り付け
穴１３７に挿入して、これの突引りによってベース１３
３のあおり（ｐ，ｙ）及びＺ方向の調整が行われる。こ
の調整後は３個のシャフト１３５にシャフトクランパ１
３６を介して固定し、アクチュエータ１３９を取り外
す。

【００８１】図３９から図４１及び図４２に示す１４０
は移動駒調整治具であり、これは、Ｘステージ１４１
と、Ｙステージ１４２とθステージ１４３とフランジ１
４４を介して３本の移動駒調整爪１４５を持ち、この３
本の移動駒調整爪１４５を移動駒１３２の調整爪受け１
３８に係合し、上記各ステージ１４１，１４２，１４３
の作動により上記爪１４５を介してＸ，Ｙ，θ方向に位
置調整される。この調整後は移動駒１３２を駒固定具１
３４で固定し、移動駒調整具１４０を取り外す。

【００８２】この６軸調整治具１３１は、必要があれ
ば、リレーレンズ７ａ，７ｂ、対物レンズ５ａ，５ｂな
どの位置調整に用いてもよい。

【００８３】上記構成において、まずホログラム３の露
光、及びその後の装置の光学調整方法を説明する。この
露光操作時には、図１１に示すように、ピンホールユニ
ット２３の上側に露光ユニット３４を重ね合わせ組立て
る。

【００８４】（１）投光ユニットの調整（図１２） ・投光ユニット２２の脱着ミラー５１を外しておく。 ・第１のエキスパンダ３８から光が偏りなく出射するよ
うに第１シフタ３７を調整する。 ・第１のエキスパンダ３８を光軸方向（Ｚ方向）に調整
してビームが平行光になるようにする。 ・図２８に示すように、角度計測ブロック４２と基準ミ
ラー１０７により、可動ミラー４０を調整してビームの
角度を決定する。 ・基準ミラー１０７を外して第２のエキスパンダ４８を
取り付ける。 ・移動ミラー５２を図２５、図２６に示すように光路内
に移動して蓋体５６を固着する。次に可動ピンホール４
６を通過する光の強さをＣＣＤカメラ１０６などで観測
し、最大光量になるように可動ピンホール４６のＸ，
Ｙ，Ｚの調整する。以後、この可動ピンホール４６の位
置はいかなる場合にも動かすことなく、光学調整上の基
準とする。 ・第２シフタ３９を調整して上記ＣＣＤカメラ１０６に
よる観測光が光軸に対して偏りなく位置するように調整
する。 ・移動ミラー５２を光路から外す。 ・第２のエキスパンダ４８のコリメートレンズ４７のＺ
を図２９に示すように調整して、参照光が平行になるよ
うにする。

【００８５】（２）露光ユニット３４の調整（図１６） ・まずシャッタ６５を開く。 ・第１のエキスパンダ６７から光が偏りなく出射するよ
うに第１シフタ６６を調整する。 ・第１のエキスパンダ６７のＺの調整をしてビームが平
行光になるようにする。 ・図１１、図１２に示すように、投光ユニット２２に投
光ユニット２２の蓋体５４の連絡口５６を利用して脱着
ミラー（プリズム型）５１を装着する。露光ユニット３
４の光は固定ビームスプリッタ８２にて、直進光と下方
光とに分岐され、直進光は物体光となり、下方光は参照
光となる。ここで図１１で示すように、この参照光の光
路を円筒カバー１４６にてカバーすることにより、ホロ
グラム露光中の空気の揺ぎの悪影響をなくすことができ
る。この参照光は露光ユニット３４のフレーム３５、ピ
ンホールユニット２３及び投光ユニット２２の蓋体５４
の連絡口５６を通過して投光ユニット２２の脱着ミラー
５１に入射される。

【００８６】・露光ユニット３４の第１の１／２波長板
７０を回転して固定ビームスプリッタ８２から投光ユニ
ット２２側へ光が行くようにする。 ・投光ユニット２２の移動ミラー５２を光路内に移動し
て、この露光時における参照光の第２のエキスパンダ４
８の可動ピンホール４６を通過する光の強さをＣＣＤカ
メラ１０６等で観測する（図２５，図２６）。 ・露光ユニット３４の第１の可動ミラー６９ａを調整し
て投光ユニット２２の上記ＣＣＤカメラ１０６による観
測光量が一番強くなる位置に調整する。この調整によ
り、投光ユニット２２と露光ユニット３４のビームの角
度が一致することになる。

【００８７】・露光ユニット３４の第２シフタ６８を調
整して上記ＣＣＤカメラ１０６による観測光が光軸に対
して偏りなく位置するように調整する。 ・光量ユニット２２の移動ミラー５２を光路から外す。 ・露光ユニット３４の第１の１／２波長板７０を回転し
て固定ビームスプリッタ８２を透過する光が行くように
する。 ・露光ユニット３４の第２のエキスパンダ７８を外し
て、上記投光ユニット２２の場合の図２８にて示したの
と同様に、第２のエキスパンダに置換して基準ミラー１
０７を取り付け、角度計測ブロック７３の像一致による
調整を第２の可動ミラー６９ｂの調整により行う。 ・基準ミラー１０７を外して第２のエキスパンダ７８を
取り付ける。 ・移動ミラー８３を光路内に移動して蓋体５６を固着す
る。次に第２のエキスパンダ７８の可動ピンホール７６
を通過する光の強さをＣＣＤカメラ１０６などで観測
し、これが最大量になるように可動ピンホール７６を調
整する。 ・第３のシフタ７２を調整して上記ＣＣＤカメラ１０６
による観測光が光軸に対して偏りなく位置するようにす
る。 ・移動ミラー８３を光路内から外す。 ・絞りとシフタ７９を調整して物体光のピンホールアレ
イ４に入射する位置を調整する。

【００８８】（３）露光準備 ・露光ユニット３４の第１の１／２波長板７０を回転し
て、固定ビームスプリッタ８２を透過する物体光と、下
方へ分岐する参照光のそれぞれの強度分岐比を決める。 ・露光ユニット３４の第２の１／２波長板７２、及び投
光ユニット２２の第１の１／２波長板４１を調整して、
それぞれの角度計測ブロック７３，４２を通過する光量
を決める。 ・露光ユニット３４の第２，第３の１／２波長板７２，
７４により物体光の偏光方向を決定する。 ・投光ユニット２２の第２の１／２波長板４３により参
照光の偏光方向を決定する。 ・ピンホールアレイ４を６軸調整治具１３１にて調整す
る。 ・ホログラム３を設置する。 ・シャッタ６５を開閉してホログラム３を露光する。

【００８９】（４）ホログラム３を現像する。 （５）ピンホールユニット２３の調整 ・投光ユニット２２の脱着ミラー５１を取り外し投光ユ
ニット２２のレーザー光の光でホログラム３を再生す
る。 ・投光ユニット２２の蓋体５４の連絡口５６を封止す
る。 ・ホログラム３で再生した像と、露光ユニット３４の物
体光を、たとえば第１の対物レンズ５ａの焦点面（計測
面）において比較し両者が一致するようにピンホールア
レイ４の位置を６軸調整治具１３１にて調整する。

【００９０】（６）計測ユニット２４の調整 ・露光ユニット３４を取り外し、計測ユニット２４を付
ける。ピンホールアレイ４の各ピンホールを通過する光
を光検出器アレイ８の個々のセンサ部８ａで受光するよ
うに、センサ部８ａの位置を６軸調整治具１３１にて調
整する。

【００９１】さらに、投光ユニット２２の脱着ミラー５
１は固定偏光ビームスプリッタでも良く、この場合は、
投光ユニット２２のレーザーの出力光はＰ偏光であるこ
とが必要である。そして、この場合上記の投光ユニット
２２と露光ユニット３４の調整（１），（２）は次のよ
うに変更する。 ・投光ユニット２２の第１のエキスパンダ３８から光が
偏りなく出射するように第１シフタ３７を調整する。 ・投光ユニット２２の第１のエキスパンダ３８のＺの調
整をしてビームが平行光になるようにする。 ・投光ユニット２２の角度計測ブロック４２と基準ミラ
ー１０７により、可動ミラー４０を調整してビームの角
を決定する。

【００９２】・露光ユニット３４のシャッタ６５を開
く。 ・露光ユニット３４の第１のエキスパンダ６７から光が
偏りなく出射するように第１のシフタ６６を調整する。 ・露光ユニット３４の第２のエキスパンダ６７のＺの調
整をしてビームが平行光になるようにする。 ・露光ユニット３４の第１の１／２波長板７０を回転し
て投光ユニット２２に光が行くようにする。 ・投光ユニット２２のレーザー光を止める。 ・露光ユニット３４の第１の可動ミラー６９ａを調整し
て投光ユニット２２の位置計測ブロック４２のＣＣＤカ
メラによる観測像が一致するように調整する。この調整
により、投光ユニット２２と露光ユニット３４のビーム
の角度が一致することになる。 ・露光ユニット３４の第１の１／２波長板７０を回転し
て投光ユニット２２に光が行かないようにする。 ・投光ユニット２２のレーザー光を出す。 ・投光ユニット２２の基準ミラー１０７を外して第２の
エキスパンダ４８を取り付ける。 ・投光ユニット２２の移動ミラー５２を光路に移動し
て、蓋体５４を固定する。次に可動ピンホール４６を通
過する光の強さをＣＣＤカメラなどで観測し、最大光量
になるように可動ピンホール４６のＸ，Ｙ，Ｚの調整を
する。以後この可動ピンホール４６の位置はいかなる場
合にも動かすことなく、光学調整の基準とする。 ・投光ユニット２２の第２のシフタ３９を調整して上記
ＣＣＤカメラによる観測光が光軸に対して偏りなく位置
するように調整する。

【００９３】・露光ユニット３４の第１の１／２波長板
７０を回転して投光ユニット２２に光が行くようにす
る。 ・投光ユニット２２の移動ミラー５２を光路に移動し
て、可動ピンホール４６を通過する光の強さをＣＣＤカ
メラなどで観測できるようにする。 ・露光ユニット３４の第２のシフタ６８を調整して投光
ユニット２２の上記ＣＣＤカメラによる観測光が光軸に
対して偏りなく位置するように調整する。この調整よ
り、投光ユニット２２と露光ユニット３４のビームの位
置が一致することになる。 ・投光ユニット２２の移動ミラー５２を光路から外す。 ・露光ユニット３４の第１の１／２波長板７０を回転し
て固定ビームスプリッタ８２を透過する方向に光が行く
ようにする。 ・露光ユニット３４の第２のエキスパンダ７８を外し基
準

【００９４】・ミラー１０７を付け、角度計測ブロック
７３の像一致による調整を第２の可動ミラー６９ｂの調
整に行う。（投光ユニットの調整と同様） ・基準ミラー１０７を外して第２のエキスパンダ７８を
取り付ける。 ・移動ミラー８３を光路に移動して蓋体５６を固着し、
その後可動ピンホール７６を通過する光の強さをＣＣＤ
カメラなどで観測し、最大光量になるように可動ピンホ
ール７６のＸ，Ｙ，Ｚの調整をする。 ・第３のシフタ７２を調整して上記ＣＣＤカメラによる
観測光が光軸に対して偏りなく位置するようにする。 ・第３のシフタ７２を調整して上記ＣＣＤカメラによる
観測光量がさらに強くなる位置に調整する。 ・移動ミラー８３を光路から外す。 ・絞り＆シフタ７９を調整して物体光のピンホールアレ
イ４に当たる位置を調整する。

【００９５】以上の手順により、上記（１），（２）の
手順と同様の調整が達成される。また、固定ビームスプ
リッタを採用する場合には、上記（５）のピンホールユ
ニット２３の調整において、固定ビームスプリッタ（脱
着ミラーに相当）の取り外しは当然必要ない。

【００９６】・次に、投光ユニット２２のレーザ光源１
の交換手順について記述する。 ・投光ユニット２２の蓋体５４を開ける。 ・レーザ光源１を交換する。 ・第１のエキスパンダ３８から光が偏りなく出射するよ
うに第１シフタ３７を調整する。 ・第１のエキスパンダ３８のＺの調整をしてビームが平
行光になるようにする。 ・投光ユニット２２の蓋体５４を閉じる。 ・移動ミラー５２を光路に移動して、可動ピンホール４
６を通過する光の強さをＣＣＤカメラなどで観測し、最
大光量になるように可動ミラー４０の調整をする。 ・第２シフタ３９を調整して上記ＣＣＤカメラによる観
測光が光軸に対して偏りなく位置するように調整する。 ・移動ミラー５２を光路から外す。 以上によってレーザ光源１の交換が終了する。投光ユニ
ット２２の可動ピンホール４６が光学的な基準位置とな
っているため、レーザ光源１の交換による参照光のず
れ、ひいてはホログラム再生像の受光ピンホールに対す
るずれが生じない。

【００９７】次に、対物レンズ移動装置の実施の形態を
図４３以下に基づいて説明する。図４３から図４６は第
１の実施の形態であり、１５１は投光ユニット２２の蓋
体５４に水平に固着されるベースであり、このベース１
５１には第１の対物レンズ５ａのための光軸穴１５２が
設けてある。このベース１５１の上記光軸穴１５２に対
して直角方向の一側部に一対の垂直ガイド１５３，１５
３が設けてある。

【００９８】１５４は第１の対物レンズ５ａを保持する
鏡筒であり、この鏡筒１５４の軸直角方向の一側部が上
記ベース１５１の一対の垂直ガイド１５３，１５３に移
動自在に係合されている。そしてこの鏡筒１５４の前後
方向両側の下面には平行な斜面１５５が設けてある。

【００９９】１５６は平面コ字状に形成された移動駒
で、この移動駒１５６の上面には上記鏡筒１５４の斜面
１５５に対応する斜面１５７が設けてあり、両斜面１５
５，１５７が摺動自在に対接する状態で、この移動駒１
５６が水平方向に移動自在にベース１５１に支持されて
いる。この移動駒１５６はコイルばね１６０にて引き出
し方向に付勢されている。１５８はこの移動駒１５６を
コイルばね１６０に抗して押し込み移動するためのアク
チュエータで、ベース１５１に設けたブラケット１５９
に支持されている。

【０１００】この構成において、アクチュエータ１５８
を伸長作動して移動駒１５６を押し込むことにより、こ
れの楔作用により鏡筒１５４は垂直ガイド１５３，１５
３に沿って垂直方向（光軸方向）に平行にベース１５１
から離間する方向に平行に移動する。またアクチュエー
タ１５８を縮長作動してコイルばね１６０にて移動駒１
５６を引き出すことにより、鏡筒１５４は自重により光
軸方向に平行に下降する。このとき、ブラケット１５９
と移動駒１５７の間に介装したコイルばね１６０にて移
動駒１５６のガタ付きが防止される。上記各摺動部はガ
タの少ない滑らかのものが望ましく、例えば、クロスロ
ーラガイド、ＬＭガイドなどの滑り軸受けが好適であ
る。アクチュエータ１５８の動きは楔作用によって減速
されて滑らかな減速が行われる。移動駒１５６はコの字
状になって、鏡筒１５４は光軸に対して両側で支持され
ることにより、鏡筒１５４は首振りなどの微振動が生じ
ることなく光軸方向に移動される。

【０１０１】図４７はこの対物レンズの移動装置の第２
の実施の形態を示すもので、鏡筒１５４ａの両側の斜面
部に、対物レンズ５ａの光軸の両側に位置する部分に移
動駒１５６の斜面１５７に当接するピボット１６１を設
け、このピボット１６１を介して移動駒１５６により移
動されるようになっている。この実施例によれば、対物
レンズ５ａの重心を駆動することになり、スムーズに移
動される。ピボット１６１には必要な硬度と精度をもっ
た鋼球などが適している。

【０１０２】図４８から図４９は、対物レンズ移動装置
の第３の実施の形態を示すもので、第１の対物レンズ５
ａを保持する鏡筒１５４ｂはベース１５１ａに対して、
光軸に対して４方に設けた垂直ガイド１５３に案内され
て上下方向（光軸方向）に摺動自在に支持されている。
そしてこの鏡筒１５４ｂの光軸に対する両側下面にピボ
ット１６１が設けてある。

【０１０３】鏡筒１５４ｂの下側には、Ｙ字状に形成し
たテコ部材１６２が上記両ピボット１６１，１６１を結
ぶ線と平行にしてベース１５１ａのブラケット１６４に
設けた枢支点１６３を中心に回動自在に支持されてい
る。そしてこのテコ部材１６２の先端部の上面に上記鏡
筒１５４ｂのピボット１６１が当接されている。テコ部
材１６２の他端の上面にはベース１５１ａに設けたブラ
ケット１６４の支持したアクチュエータ１６５の作動子
１６６の先端が当接されている。

【０１０４】この構成において、アクチュエータ１６５
を伸縮作動することよりテコ部材１６２が枢支点１６３
を中心に回動し、これにより、ピボット１６１，１６１
を介して鏡筒１５４ｂが光軸方向に平行移動される。こ
のとき、アクチュエータ１６５の動きはテコ部材１６２
を介して滑らかに減速して鏡筒１５４ｂ側へ伝達され
る。そしてこのときの鏡筒１５４ｂは、これの光軸の両
側で押し上げ力が作用されることと、光軸に対して４方
に設けた垂直ガイド１５３にて上下動が案内されること
により、首振りなどの微振動が生じることなくスムーズ
に上下動される。

【０１０５】図５０は上記アクチュエータ１５８，１６
５の取り付け構成を示すもので、スペーサ１６７を介し
て軸方向に位置調整して取り付けナット１６８にてブラ
ケットに固着する。また図５１に示すように上記アクチ
ュエータ１５８，１６５の軸方向の位置調整に代えて、
アクチュエータ１５８，１６５にて作動される移動駒１
５６、テコ部材１６２側にねじ１６９を螺設し、これの
長さを変えようにしてもよい。

【０１０６】この対物レンズ移動装置における上記各実
施の形態において、対物レンズ５ａの移動量はあるきめ
られた範囲（例えば１００μｍ）を繰り返し往復動する
ことが多い。そのため、各ガイド部分やアクチュエータ
に繰り返しによる局所的な疲労や油ぎれによる磨耗が生
じ、精度が悪化する可能性がある。これらのことから以
下の対策がとられる。

【０１０７】（ａ）繰り返し往復運動の何回かに数回
（たとえば１００回に１回）は、移動する範囲を変えて
動かし、移動ガイドの局所的な油ぎれや、磨耗、あるい
はアクチュエータの局所的な磨耗を緩和するようにして
やる。 （ｂ）移動ガイドに接触部分のないエアスライドガイド
などを用い、油ぎれや、磨耗がないような装置にする。 （ｃ）図５０に示すようにアクチュエータの取り付け位
置がストローク方向に変えられるか、あるいは図５１に
示すように、アクチュエータと移動３、テコ部材とこの
距離を調整できるようにしておき、繰り返し往復運動の
回数（たとえば１０万回毎）や、使用時間（３０００時
間毎）に応じて、アクチュエータのストローク位置を変
え、アクチュエータの局所的な磨耗を防止する。などの
対策をすることが効果的である。

【０１０８】また、これらの実施の形態において、全て
の実施例において、移動ガイド、ピボットは移動をがた
なく滑らかにするための一例であって、これに代わるガ
イド機構、ピボットであればいずれでも構わない。ま
た、アクチュエータは、所望のストロークと精度を持つ
直動のアクチュエータであればいずれでもかまわない。
たとえば、ステップモーターが好適である。必要に応じ
てハーモニックドライブなどの減速機付のアクチュエー
タを用いてもかまわない。また、ＤＣモーター、ボイス
コイルモーターのように連続的な駆動ができるものでも
よい。さらに、アクチュエータの代わりに油圧やエアシ
リンダによって駆動してもよい。さらに、他の一般の移
動ステージと同様、移動範囲を越えたアクチュエータの
駆動を防止するために、移動リミッターを配置すること
が有効である。そしてさらに移動する駒や、テコ部材な
どのがたつきをなくす目的で、必要な予圧がかかるよう
に、コイルバネや、板バネを配置することが有効であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】共焦点光学装置を示す構成説明図である。

【図２】反射光のピンホール付近での結像状態を示す説
明図である。

【図３】反射光のピンホール付近での結像状態を示す説
明図である。

【図４】反射光のピンホール付近での結像状態を示す説
明図である。

【図５】ホログラムを露光する際の構成説明図である。

【図６】従来の対物レンズの保持機構を示す平面図であ
る。

【図７】従来の対物レンズの保持機構を示す側面図であ
る。

【図８】従来の対物レンズの保持機構の作用説明図であ
る。

【図９】従来の対物レンズの保持機構の作用説明図であ
る。

【図１０】本発明の実施の形態における光学的３次元計
測装置を示す正面図である。

【図１１】本発明の実施の形態において、露光ユニット
を装着した状態を示す正面図である。

【図１２】投光ユニットを示す平面図である。

【図１３】投光ユニットの蓋体を示す平面図である。

【図１４】ピンホールユニットを示す平面図である。

【図１５】計測ユニットを示す平面図である。

【図１６】露光ユニットを示す平面図である。

【図１７】露光ユニットの蓋体を示す平面図である。

【図１８】平面形状を３角形にした構成の投光ユニット
を示す平面図である。

【図１９】平面形状を３角形にした構成のピンホールユ
ニットを示す平面図である。

【図２０】平面形状を３角形にした構成の計測ユニット
を示す平面図である。

【図２１】平面形状を３角形にした構成の露光ユニット
を示す平面図である。

【図２２】（ａ），（ｂ）はシフタの機能を示す説明図
である。

【図２３】シフタの調整治具を示す斜視図である。

【図２４】１／２波長板の調整治具を示す斜視図であ
る。

【図２５】移動ミラーの概略的な構成を示す正面図であ
る。

【図２６】移動ミラーの概略的な構成を示す平面図であ
る。

【図２７】角度計測ブロックと基準ミラーの関係を示す
説明図である。

【図２８】角度計測ブロックと基準ミラーの使用例を示
す説明図である。

【図２９】（ａ），（ｂ），（ｃ）はエキスパンダの平
行度調整作用を示す説明図である。

【図３０】可動ピンホールの調整作用を示す説明図であ
る。

【図３１】調整伝達機構を示す側面図である。

【図３２】調整伝達機構を示す正面図である。

【図３３】調整伝達機構を示す平面図である。

【図３４】調整伝達機構の他例を示す側面図である。

【図３５】可動ミラーの調整作動機構を示す平面図であ
る。

【図３６】可動ミラーの作用説明図である。

【図３７】６軸調整治具を示す断面図である。

【図３８】６軸調整治具を示す平面図である。

【図３９】６軸調整治具の移動駒調整治具を示す分解断
面図である。

【図４０】６軸調整治具の移動駒調整治具を示す断面図
である。

【図４１】６軸調整治具の全体を示す分解斜視図であ
る。

【図４２】移動駒調整治具を示す分解斜視図である。

【図４３】本発明に係る対物レンズの保持機構の第１の
実施の形態を示す平面図である。

【図４４】本発明に係る対物レンズの保持機構の第１の
実施の形態を示す正面図である。

【図４５】本発明に係る対物レンズの保持機構の第１の
実施の形態を示す斜視図である。

【図４６】本発明に係る対物レンズの保持機構の第１の
実施の形態における移動駒を示す斜視図である。

【図４７】本発明に係る対物レンズの保持機構の第２の
実施の形態を示す正面図である。

【図４８】本発明に係る対物レンズの保持機構の第３の
実施の形態を示す平面図である。

【図４９】本発明に係る対物レンズの保持機構の第３の
実施の形態を示す正面図である。

【図５０】対物レンズの保持機構におけるアクチュエー
タの取り付け構成を示す一部破断断面図である。

【図５１】対物レンズの保持機構におけるアクチュエー
タの位置調整機構の他例を示す説明図である。

【符号の説明】

１，１１…光源 ２，２ａ，２ｂ，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ…拡
大レンズ ３…ホログラム ４…ピンホールアレイ ４ａ…ピンホール ５ａ，５ｂ…対物レンズ ６…物体 ７，７ａ，７ｂ…リレーレンズ ８…光検出器アレイ ８ａ…センサ部 ９…制御装置 １０…ステージ １２…ビームスプリッタ １６…プリズム ２１…検査ステージボックス ２２，２２ａ…投光ユニット ２３，２３ａ…ピンホールユニット ２４，２４ａ…計測ユニット ２５，２６，２７，２９，３５…フレーム ３４，３４ａ…露光ユニット ３７，３９，６６，６８，７２…シフタ ４０，６９ａ，６９ｂ…可動ミラー ４１，４３，７０，７１，７４…１／２波長板 ４２，７３…角度計測ブロック ４６，７６…可動ピンホール ４７，７７…コリメータレンズ ４８，７８…エキスパンダ ５１…脱着ミラー ５２，８３…移動ミラー ５３，８４…移動シャフト ５４，８５…蓋体 ５５…計測用光路用穴 ５６，６４…連絡口 ５７，８６…観察窓 ８１…固定ミラー ８２…固定ビームスプリッタ ９６ａ，９６ｂ，９６ｃ，１４６…カバー １０１…平行光学基板 １０７…基準ミラー １０８…偏光ビームスプリッタ １１３…ＣＣＤカメラ １１５…調整伝達機構 １１６…機枠 １１７，１１８…シャフト １１９…テコ １２１…楔片 １３１…６軸調整治具 １３２…移動駒 １３３，１５１，１５１ａ…ベース １４０…移動駒調整治具 １５４，１５４ａ，１５４ｂ，２０１…鏡筒 １５３，２０２…垂直ガイド １５６…移動駒 １５７…斜面 １５８，１６５…アクチュエータ １６１…ピボット １６２…テコ部材 １６３…枢支点 １６６…作動子 １６７…スペーサ １６９…ねじ Ａ，Ａａ…参照光入射光学系 Ｂ…物体光入射光学系

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中池 孝昇 神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製 作所研究所内 (72)発明者 安部 慎一 神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製 作所研究所内 (72)発明者 関 正暢 神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製 作所研究所内 (72)発明者 守屋 正人 神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製 作所研究所内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ホログラム、ピンホールアレイ及び光検
   出器アレイを用いた共焦点光学系を２次元的に配列して
   なると共に、光源にレーザ光源等コヒーレント性を有す
   る光源を用いた光学的３次元計測装置において、 被計測物体を支持する検査ステージと、 対物レンズとホログラムを光軸部に支持すると共に、ホ
   ログラムに参照光を入射する参照光入射光学系を有する
   投光ユニットと、 対物レンズとピンホールアレイを光軸部に支持したピン
   ホールアレイユニットと、 リレーレンズと光検出器アレイを光軸部に支持した計測
   ユニットと、 ホログラムに物体光を入射する物体光入射光学系と、こ
   の物体光入射光学系から分岐してホログラムに露光時参
   照光を入射する露光時参照光入射光学系を有する露光ユ
   ニットとからなり、 上記検査ステージ上に、下側から順に投光ユニットとピ
   ンホールユニットと計測ユニットを積み重ね状に配置
   し、かつ計測ユニットと露光ユニットを交換可能にした
   ことを特徴とする光学的３次元計測装置。
2. 【請求項２】 検査ステージ上に、投光ユニットとピン
   ホールユニットと計測ユニットを重箱状に着脱可能に積
   み重ねたことを特徴とする請求項１記載の光学的３次元
   計測装置。
3. 【請求項３】 ピンホールアレイ、光検出器アレイ等を
   支持する支持部材を、光軸方向におけるあおりと軸方向
   への移動可能にしたベースに支持し、上記支持部材に、
   この支持部材をＸ，Ｙ，θ方向に移動する調整治具を係
   脱可能に連結したことを特徴とする請求項１または２記
   載の光学的３次元計測装置。
4. 【請求項４】 被計測物体に対して光軸方向に移動可能
   に支持した対物レンズを保持する鏡筒を、この鏡筒の光
   軸に対する軸直角方向両側を支持部材で支持し、この支
   持部材を介して鏡筒を光軸方向の移動するようにしたこ
   とを特徴とする請求項１または２記載の光学的３次元計
   測装置。
5. 【請求項５】 投光ユニット、露光ユニットの各光学系
   を蓋体でカバーすると共に、各ユニット間を筒体でカバ
   ーしたことを特徴とする請求項１または２記載の光学的
   ３次元計測装置。
6. 【請求項６】 請求項１または２記載の光学的３次元計
   測装置におけるホログラム露光方法において、 計測ユニットに代えて露光ユニットを装着し、露光ユニ
   ットの物体光入射光学系にて投光ユニットに支持された
   ホログラムに物体光を入射し、物体光入射光学系から露
   光参照光を分岐し、これを投光ユニットの参照光入射光
   学系を経由してホログラムに入射するようにしたことを
   特徴とする光学的３次元計測装置におけるホログラム露
   光方法。
7. 【請求項７】 請求項１または２記載の光学的３次元計
   測装置における光軸調整方法において、 光路内に介装したエキスパンダ内の可動ピンホールをエ
   キスパンダから出射する光量が最大になるように調整し
   て固定し、光源の交換時等以後の光軸調整をこの可動ピ
   ンホールを基準にして行うようにしたことを特徴とする
   光学的３次元計測装置における光軸調整方法。
8. 【請求項８】 請求項１または２記載の光学的３次元計
   測装置における光軸調整方法において、光路内の光を角
   度計測手段にてｐ，ｓ偏光に分岐すると共に、両偏光を
   異なるミラーで反射して重ね合せ、この重ね合せ状態に
   より光路内に介装した可動ミラーを作動して光軸を調整
   するようにした光学的３次元計測装置における光軸調整
   方法。
9. 【請求項９】 請求項８記載における重ね合せ光をＣＣ
   Ｄカメラ等の撮像手段及び画像処理手段にて処理するよ
   うにしたことを特徴とする光学的３次元計測装置におけ
   る光軸調整方法。