JPH10239036A - Three-dimensional measuring optical device - Google Patents
Three-dimensional measuring optical deviceInfo
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- JPH10239036A JPH10239036A JP5548597A JP5548597A JPH10239036A JP H10239036 A JPH10239036 A JP H10239036A JP 5548597 A JP5548597 A JP 5548597A JP 5548597 A JP5548597 A JP 5548597A JP H10239036 A JPH10239036 A JP H10239036A
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Landscapes
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、物体の3次元計測
を行うために用いられる光学装置であり、特に合焦情報
を用いて物体の光軸方向の位置を検出する装置に関す
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical apparatus used for performing three-dimensional measurement of an object, and more particularly to an apparatus for detecting a position of an object in an optical axis direction using focus information.
【0002】[0002]
【従来の技術】共焦点光学系を用いると物体の光軸方向
(以下Z方向と呼ぶ)の位置(以下高さと呼ぶ)を精度
良く計測することが可能である。従来技術の説明に先立
ち共焦点光学系による高さ計測の原理を解説する。共焦
点光学系の基本構成を図11に示す。点光源101から
でた光は対物レンズ103により集光され物体に投影さ
れる。物体から反射して再び対物レンズ103に入射し
た光はハーフミラー102を介して点光源101と光学
的に同じ位置にあるピンホール104に入射し、ピンホ
ール104を通過した光の量が検出器105により計測
される。これが共焦点光学系の基本的な構造である。こ
のような光学系を用いると物体表面上の点の高さが次の
ようにして計測できる。物体表面が点光源101に共役
な位置にある場合、反射光は同じく共役な位置であるピ
ンホール104面に収束し多くの反射光がピンホール1
04を通過する。しかし物体表面が点光源に共役な位置
から離れるとピンホール104を通過する光量は急速に
減少する。このことから物体と対物レンズ103との距
離を変化させて検出器105が最大出力を示す点を見つ
ければ物体表面の高さがわかることになる。以上が共焦
点光学系による高さ計測の原理である。2. Description of the Related Art When a confocal optical system is used, it is possible to accurately measure a position (hereinafter, referred to as a height) of an object in an optical axis direction (hereinafter, referred to as a Z direction). Prior to the description of the prior art, the principle of height measurement using a confocal optical system will be described. FIG. 11 shows the basic configuration of the confocal optical system. Light emitted from the point light source 101 is condensed by the objective lens 103 and projected on an object. The light reflected from the object and incident on the objective lens 103 again enters the pinhole 104 located at the same optical position as the point light source 101 via the half mirror 102, and the amount of light passing through the pinhole 104 is detected by the detector. Measured by 105. This is the basic structure of the confocal optical system. With such an optical system, the height of a point on the surface of an object can be measured as follows. When the object surface is at a position conjugate to the point light source 101, the reflected light converges on the pinhole 104 surface, which is also at the conjugate position, and a large amount of reflected light
Pass through 04. However, when the object surface moves away from the position conjugate to the point light source, the amount of light passing through the pinhole 104 decreases rapidly. From this, if the distance between the object and the objective lens 103 is changed and the detector 105 finds a point showing the maximum output, the height of the object surface can be known. The above is the principle of height measurement by the confocal optical system.
【0003】共焦点光学系は基本的に物体表面上の1点
のみを計測対象としているが、3次元計測のためには面
的な計測が必要である。共焦点光学系を用いて2次元画
像(以下共焦点画像と呼ぶ)を得るためには何らかの走
査手段を持つかまたは共焦点光学系の並列化かを行う必
要がある。後者の並列化を行う典型的な光学系として2
次元配列型共焦点光学系がある。2次元配列型共焦点光
学系は共焦点光学系による2次元画像の各点を同時並列
に露光することが可能であることから非常に高速な計測
が可能であるという特徴がある。2次元配列型共焦点光
学系を持つ装置としては本発明者により既に出願された
特願平8−94682号明細書がある。この装置を2次
元配列型共焦点光学系の代表例として図10を用いて説
明する。[0003] The confocal optical system basically targets only one point on the surface of an object, but three-dimensional measurement requires planar measurement. In order to obtain a two-dimensional image (hereinafter referred to as a confocal image) using a confocal optical system, it is necessary to have some kind of scanning means or to make the confocal optical system parallel. A typical optical system for performing the latter parallelization is 2
There is a dimensional array type confocal optical system. The two-dimensional array type confocal optical system has a feature that extremely high-speed measurement is possible because each point of a two-dimensional image can be simultaneously exposed in parallel by the confocal optical system. As an apparatus having a two-dimensional array type confocal optical system, there is Japanese Patent Application No. 8-94682 already filed by the present inventors. This apparatus will be described with reference to FIG. 10 as a representative example of a two-dimensional array type confocal optical system.
【0004】光源1から射出された照明光は照明ピンホ
ール2とコリメーターレンズ3とによって平行光となっ
てビームスプリッター4に入射する。ビームスプリッタ
ー4を下方に通過した照明光はマイクロレンズアレイ5
に入射し、マイクロレンズアレイ5の各レンズ毎に各レ
ンズの焦点位置に微小スポットを形成する。マイクロレ
ンズアレイ5の焦点面はピンホールアレイ6となってお
り、各ピンホールはマイクロレンズアレイ5の各レンズ
と同軸である。このため照明光のほとんどはピンホール
アレイ6を通過する。ピンホールアレイ6からでる照明
光はちょうど点光源が並列に並べられていることに相当
し、レンズ7a、レンズ7bと絞り8よりなる両側テレ
セントリックな対物レンズ7によりピンホールアレイ7
の像(つまり多数の微小スポット)となって物体Aに投
影されることになる。物体Aからの反射光は対物レンズ
7によりピンホールアレイ6付近に集光される。ピンホ
ールアレイ6は点計測型の共焦点光学系の検出器の前の
ピンホールの役目を持っており、物体Aに投影された各
微小スポットの焦点位置(収束位置)に物体表面があれ
ば対応するピンホールを多くの反射光が通過するが、物
体Aの表面が焦点位置からはずれると反射光がピンホー
ルを通過する光量は小さくなる。ピンホールアレイ6を
通過した反射光はマイクロレンズアレイ5により各レン
ズから平行ビームとなって射出され、ビームスプリッタ
ー4により偏向せられ、縮小レンズ9によりビーム径が
縮小されて2次元検出器10によりその強度が検出され
る。[0004] Illumination light emitted from the light source 1 is collimated by the illumination pinhole 2 and the collimator lens 3 and is incident on the beam splitter 4. The illumination light that has passed down the beam splitter 4 is
At the focal position of each lens of the microlens array 5. The focal plane of the microlens array 5 is a pinhole array 6, and each pinhole is coaxial with each lens of the microlens array 5. Therefore, most of the illumination light passes through the pinhole array 6. The illumination light emitted from the pinhole array 6 is equivalent to the point light sources being arranged in parallel. The two-sided telecentric objective lens 7 composed of the lenses 7a and 7b and the aperture 8 serves as the pinhole array 7.
(That is, a large number of minute spots) are projected onto the object A. The reflected light from the object A is collected by the objective lens 7 near the pinhole array 6. The pinhole array 6 has a role of a pinhole in front of a detector of a point measurement type confocal optical system, and if there is an object surface at a focal position (convergence position) of each minute spot projected on the object A, Although a large amount of reflected light passes through the corresponding pinhole, when the surface of the object A deviates from the focal position, the amount of reflected light passing through the pinhole decreases. The reflected light that has passed through the pinhole array 6 is emitted as a parallel beam from each lens by the microlens array 5, deflected by the beam splitter 4, reduced in beam diameter by the reduction lens 9, and reduced by the two-dimensional detector 10. Its intensity is detected.
【0005】このような構造により共焦点画像全点が同
時並列的に検出されることになる。z軸方向に移動して
焦点位置の異なる複数の共焦点画像を得て、画像各点毎
に強度が最大となる画像を見つければ物体Aの表面形状
が計測できる。[0005] With such a structure, all points of the confocal image are detected simultaneously and in parallel. By moving in the z-axis direction to obtain a plurality of confocal images having different focal positions and finding an image having the maximum intensity at each point of the image, the surface shape of the object A can be measured.
【0006】2次元配列型共焦点光学系は画像全点が同
時露光できることから高速であり、可動部がなく、シャ
ッターを用いることができることから工業用として適し
ている。The two-dimensional array type confocal optical system is suitable for industrial use because it can be exposed at a high speed because all points of an image can be exposed at the same time, has no moving parts, and can use a shutter.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】この光学系の問題点は
対象物が粗面である場合に発生する。物体Aに投影され
るスポットは基本的に点光源から射出されたコヒーレン
ト性の高い光であり、スポット内で物体表面上に凸凹が
あるとこれらの反射光が結像面であるピンホールアレイ
6付近で干渉を起こしてしまう。つまりスペックルが発
生する。スペックルが発生すると、高さ計測の結果に著
しい悪影響を与えてしまう。スペックルはコヒーレント
性が高い光であるほどコントラスト(以下スペックルコ
ントラストと呼ぶ)が高く、このスペックルコントラス
トが高いほど高さ計測への影響が大きい。The problem with the optical system occurs when the object has a rough surface. The spot projected on the object A is basically light having a high coherence emitted from a point light source. If there are irregularities on the object surface in the spot, these reflected lights are converted into a pinhole array 6 which is an image plane. It causes interference in the vicinity. That is, speckle occurs. The occurrence of speckle has a significant adverse effect on the height measurement result. The speckle has higher contrast (hereinafter referred to as speckle contrast) as the light has higher coherence, and the higher the speckle contrast, the greater the influence on the height measurement.
【0008】画像処理により近傍平滑化処理を行ってス
ペックルコントラストを低減することは可能であり、高
さ計測の精度も向上するが、これではXY方向の解像度
が著しく低下してしまう。Although it is possible to reduce speckle contrast by performing neighborhood smoothing processing by image processing and improve the accuracy of height measurement, the resolution in the X and Y directions is significantly reduced.
【0009】また物体を振動させることで平滑化を行う
ことも可能であるが、高周波振動による物体へのダメー
ジや、物体の重さや大きさによっては高周波振動が不可
能であり2次元配列型共焦点光学系の高速性が失われる
可能性があり、望ましくない。Although smoothing can be performed by vibrating an object, high-frequency vibration is not possible depending on the damage to the object due to high-frequency vibration and the weight and size of the object, and the two-dimensional array type cannot be used. The high speed of the focusing optical system may be lost, which is not desirable.
【0010】そこで本発明は、物体を動かすことなくか
つXY方向の解像度を大きく低下させることなくスペッ
クルコントラストを低減することができる3次元計測用
光学装置を提供することを目的とする。Accordingly, an object of the present invention is to provide an optical device for three-dimensional measurement capable of reducing speckle contrast without moving an object and without significantly reducing resolution in the XY directions.
【0011】[0011]
【課題を解決するための手段】手段の説明に先立ちその
根拠を説明する。スペックルはスポット内での物体表面
の凸凹により発生するから、凸凹がランダムであれば
(粗面は一般的にランダムである)スポットを走査すれ
ば凸凹の状態が変化しスペックルコントラストがランダ
ムに変わる。走査によりランダムに変化するスペックル
コントラストを重畳すれば、平滑化の効果によりスペッ
クルコントラストを低減できる。一般的には走査するこ
とによりスペックルコントラストを重畳すればXY方向
の分解能が低下してしまうが、2次元配列型共焦点光学
系は次のような理由により1画素の範囲内で、つまりX
Y方向の分解能が落ちない範囲内で走査することでスペ
ックルコントラストを低減することが可能である。Prior to the description of the means, the basis thereof will be described. Since speckles are generated by irregularities on the object surface in the spot, if the irregularities are random (rough surfaces are generally random), scanning the spot will change the state of the irregularities and the speckle contrast will be random. change. By superimposing a speckle contrast that changes randomly by scanning, the speckle contrast can be reduced by the effect of smoothing. In general, if the speckle contrast is superimposed by scanning, the resolution in the X and Y directions is reduced. However, the two-dimensional array type confocal optical system is within one pixel for the following reason, that is, X
Speckle contrast can be reduced by scanning within a range in which the resolution in the Y direction does not decrease.
【0012】2次元配列型共焦点光学系はスポット(ピ
ンホールアレイの像)を物体に投影するが、図9に示す
ようにスポット径に対してスポットピッチは5から10
倍取る必要がある。これは、あるピンホールに隣接のピ
ンホールのぼけた光が入射しないようにするためであ
る。この条件により2次元配列型共焦点光学系の各点の
画素開口率(スポット面積/1画素分の面積)は非常に
低くなっている。このようにスポット径に対して画素サ
イズが大きいことは1画素内でスポットを走査する程度
の微小な走査であってもスポットに含まれる物体表面が
十分に変化できる、つまりスペックルコントラストの変
化が十分に現れることを意味する。この微小走査を2次
元検出器の露光時間内に実行すれば時間的にスペックル
コントラストの変化が重畳されて平滑化されることにな
る。このように2次元配列型共焦点光学系は1画素分程
度の微小な走査を2次元検出器の露光時間内に行うこと
によりXY方向の分解能を落とすことなくスペックルコ
ントラストを低減することができる。以上のような理屈
を3次元計測用光学装置として以下のように構成する。The two-dimensional array type confocal optical system projects a spot (an image of a pinhole array) on an object, and the spot pitch is 5 to 10 with respect to the spot diameter as shown in FIG.
Need to double. This is to prevent blurred light from an adjacent pinhole from entering a certain pinhole. Under these conditions, the pixel aperture ratio (spot area / 1 pixel area) of each point of the two-dimensional array type confocal optical system is extremely low. The large pixel size with respect to the spot diameter as described above allows the surface of the object included in the spot to sufficiently change even in a minute scan that scans the spot within one pixel. Means to appear enough. If this minute scanning is performed within the exposure time of the two-dimensional detector, the change in the speckle contrast is temporally superimposed and smoothed. As described above, the two-dimensional array type confocal optical system can reduce the speckle contrast without lowering the resolution in the XY directions by performing a minute scan of about one pixel within the exposure time of the two-dimensional detector. . The above-described theory is configured as an optical device for three-dimensional measurement as follows.
【0013】請求項1の発明では、少なくとも一つの対
物レンズを通して一つ以上の微小なスポットを物体に投
影し、物体からの反射光を同じ対物レンズにより集光
し、集光した反射光を検出し、反射光の合焦情報から物
体の表面位置を計測する光学装置において、反射光検出
器の露光時間内に前記スポットを微小走査させる微小走
査手段を備えたことを特徴とする。According to the first aspect of the present invention, one or more minute spots are projected onto an object through at least one objective lens, reflected light from the object is collected by the same objective lens, and the collected reflected light is detected. The optical device for measuring the surface position of the object from the focus information of the reflected light is provided with a micro-scanning means for micro-scanning the spot within the exposure time of the reflected light detector.
【0014】請求項2では、微小走査手段は、対物レン
ズと物体との間に配設した平行平面と、この平行平面の
光軸に対する角度を変化させる角度変化手段とにより構
成されたことを特徴とする。According to a second aspect of the present invention, the minute scanning means comprises a parallel plane disposed between the objective lens and the object, and an angle changing means for changing an angle of the parallel plane with respect to the optical axis. And
【0015】請求項3では、微小走査手段を、対物レン
ズと物体との間に光軸に対して傾けて配設した平行平面
と、この平行平面を回転させる回転手段とにより構成さ
れたことを特徴とする。According to a third aspect of the present invention, the minute scanning means is constituted by a parallel plane disposed between the objective lens and the object at an angle to the optical axis, and a rotating means for rotating the parallel plane. Features.
【0016】請求項4では、微小走査手段を、対物レン
ズの開口絞り位置に配設した偏向用ミラーと、この偏向
用ミラーの角度を変化させる角度変化手段とにより構成
されたことを特徴とする。According to a fourth aspect of the present invention, the micro-scanning means is constituted by a deflecting mirror disposed at the aperture stop position of the objective lens and an angle changing means for changing the angle of the deflecting mirror. .
【0017】請求項5では、微小走査手段を、対物レン
ズの開口絞り位置に配設した光束を偏向する偏向プリズ
ムと、この偏向プリズムを回転させる回転手段とにより
構成されたことを特徴とする。According to a fifth aspect of the present invention, the minute scanning means is constituted by a deflecting prism disposed at the position of the aperture stop of the objective lens for deflecting a light beam and a rotating means for rotating the deflecting prism.
【0018】[0018]
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。図1に本発明の実施の形態
の第一の例を示す。Sは従来技術で説明した2次元配列
型共焦点光学系である。2次元検出器10として現在最
も一般的なCCDテレビカメラを用いている。対物レン
ズ7と物体Aの間には微小走査手段11が挿入されてい
る。微小走査手段11は平行平面11aと平行平面11
aの角度を変化させる角度変化手段11bより構成され
る。角度変化手段11bはガルバノメーター11b
(1)とコントローラ11b(2)より構成される。コ
ントローラー11b(2)はガルバノメーター11b
(1)をコントロールする部分でありガルバノメーター
11b(1)に対して駆動信号を発生する。また、コン
トローラー11b(2)はガルバノメーター11b
(1)に対する駆動信号に同期して2次元検出器10へ
シャッタータイミング信号も発行する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a first example of an embodiment of the present invention. S is a two-dimensional array type confocal optical system described in the related art. As the two-dimensional detector 10, the most common CCD television camera at present is used. A minute scanning means 11 is inserted between the objective lens 7 and the object A. The minute scanning means 11 includes a parallel plane 11a and a parallel plane 11
It comprises angle changing means 11b for changing the angle of a. The angle changing means 11b is a galvanometer 11b
(1) and the controller 11b (2). The controller 11b (2) is a galvanometer 11b
This is a part for controlling (1), and generates a drive signal for the galvanometer 11b (1). The controller 11b (2) is a galvanometer 11b.
A shutter timing signal is also issued to the two-dimensional detector 10 in synchronization with the drive signal for (1).
【0019】このような構成によりスポットの微小走査
が次のように実現される。ガルバノメーター11b
(1)は平行平面11aの傾きをコントローラ11b
(2)の駆動信号により高速に変化させることができ
る。図2に示すように光路に挿入された平行平面11a
の傾きはスポット全体の平行移動となるから平行平面1
1aの角度を変化させることによりスポット全体の走査
が可能となる。例えば2mm程度の厚さの平行平面11
aを±1度変化させることにより±10μm程度の微小
走査が可能である。ガルバノメーター11b(1)はこ
のような角度変化の制御に適している。コントローラー
11b(2)により2次元検出器10の露光タイミング
に合わせてガルバノメーター11b(1)を駆動するこ
とで2次元検出器10の露光時間内でのスポットの微小
走査が達成できる。With such a configuration, fine scanning of the spot is realized as follows. Galvanometer 11b
(1) The controller 11b calculates the inclination of the parallel plane 11a.
It can be changed at high speed by the drive signal of (2). Parallel plane 11a inserted in the optical path as shown in FIG.
Is the parallel movement of the entire spot, so the parallel plane 1
By changing the angle of 1a, it is possible to scan the entire spot. For example, a parallel plane 11 having a thickness of about 2 mm
By changing a by ± 1 degree, a minute scan of about ± 10 μm is possible. The galvanometer 11b (1) is suitable for controlling such an angle change. By driving the galvanometer 11b (1) in accordance with the exposure timing of the two-dimensional detector 10 by the controller 11b (2), minute scanning of the spot within the exposure time of the two-dimensional detector 10 can be achieved.
【0020】この例では一次元的な微小走査であるが、
2枚の平行平面11aを用いて2次元的な微小走査も可
能である。また角度変化手段11bは、平行平面11a
の角度が変化できるものであれば必ずしもガルバノメー
ター11b(1)である必要はなく、例えば共振型スキ
ャナーであってもよいし音叉でも良い。また、必ずしも
2次元検出器10の露光タイミングを制御する必要はな
く、制御した方がより精度の高い計測が可能であると考
えられるのでこの例では制御するようになっているにす
ぎない。In this example, one-dimensional minute scanning is performed.
Two-dimensional minute scanning is also possible using two parallel planes 11a. Further, the angle changing means 11b includes a parallel plane 11a.
If the angle can be changed, the galvanometer 11b (1) is not necessarily required, and for example, a resonance type scanner or a tuning fork may be used. In addition, it is not always necessary to control the exposure timing of the two-dimensional detector 10, and it is considered that more accurate measurement can be performed by controlling the exposure timing. Therefore, only the control is performed in this example.
【0021】図3に本発明の実施の形態の第二の例を示
す。微小走査手段13の構造以外は第一の例と同じであ
る。この例は、第一の例のように平行平面の角度を変化
させるのではなく、平行平面の傾いている方向を変化さ
せて微小走査を実現する。図4は第二の例の微小走査手
段13を詳細に示している。平行平面13aを回転させ
る回転手段13bはリング型超音波モーター13b
(1)とコントローラー13b(2)とで構成され、リ
ング型超音波モーター13b(1)の中空部分には平行
平面13aが微小角度傾けて取り付けてある。コントロ
ーラー13b(2)は第一の例と同じようにリング型超
音波モーター13b(1)の駆動信号と2次元検出器へ
の露光タイミング信号を出力する。リング型超音波モー
ター13b(1)の回転軸と対物レンズ7の光軸を一致
させてリング型超音波モーター13b(1)を回転させ
るとそれに伴って平行平面13aが回転し、平行平面1
3aの傾いている方向が変わることになる。平行平面1
3aの傾きは第一の例で述べたようにスポット全体の平
行移動の効果があるから、傾きの方向が変わると平行移
動の方向が変わることになり、リング型超音波モーター
13b(1)の回転によってスポットの円形走査が行わ
れることになる。FIG. 3 shows a second embodiment of the present invention. Except for the structure of the micro-scanning means 13, it is the same as the first example. In this example, instead of changing the angle of the parallel plane as in the first example, fine scanning is realized by changing the direction in which the parallel plane is inclined. FIG. 4 shows the fine scanning means 13 of the second example in detail. The rotating means 13b for rotating the parallel plane 13a is a ring type ultrasonic motor 13b
It is composed of (1) and a controller 13b (2), and a parallel plane 13a is attached to the hollow portion of the ring type ultrasonic motor 13b (1) at a slight angle. The controller 13b (2) outputs a drive signal for the ring-type ultrasonic motor 13b (1) and an exposure timing signal to the two-dimensional detector as in the first example. When the rotation axis of the ring-type ultrasonic motor 13b (1) is made to coincide with the optical axis of the objective lens 7 and the ring-type ultrasonic motor 13b (1) is rotated, the parallel plane 13a is rotated accordingly, and the parallel plane 1 is rotated.
The direction in which 3a is inclined changes. Parallel plane 1
Since the inclination of 3a has the effect of parallel movement of the entire spot as described in the first example, if the direction of inclination changes, the direction of parallel movement will change, and the ring-type ultrasonic motor 13b (1) The rotation results in a circular scan of the spot.
【0022】もちろん回転手段11bのモーターはリン
グ型超音波モーター13b(1)である必要はなく、一
般的な中心軸を持つモーターでギアやベルトなどを用い
て平行平面13aを回転させても良い。また、図5のよ
うに大きい平行平面の円周部を対物レンズ7の光路に挿
入するような形でも同様な効果が得られる。Of course, the motor of the rotating means 11b does not need to be the ring-type ultrasonic motor 13b (1), but may be a general motor having a central axis to rotate the parallel plane 13a using gears or belts. . A similar effect can be obtained by inserting a large parallel plane circumferential portion into the optical path of the objective lens 7 as shown in FIG.
【0023】図6に本発明の実施の形態の第三の例を示
す。2次元配列型共焦点光学系は第一、第二の例のもの
と基本的に同じであるが対物レンズ7の光路が絞りの位
置で90度折れ曲がっている点が異なる。絞りの位置に
は偏向用ミラー14aと偏向用ミラー14aの角度を変
化させる角度変化手段14bが取り付けられており、偏
向用ミラー14aは光軸に対して45度の角度となって
いる。角度変化手段14bの構成は第一の例と同じくガ
ルバノメーター14b(1)とコントローラー14b
(2)よりなり、コントローラー14b(2)の役割は
第一の例と同じである。偏向用ミラー14aの角度が変
わると全主光線の方向が変わることになるから結果的に
スポット全体が平行移動することになる。つまり角度変
化手段14bにより偏向用ミラー14aの角度を振るこ
とにより走査が可能となる。この走査機構は一般的なレ
ーザー走査顕微鏡の走査機構と同じである。ただ異なる
のはレーザー走査の場合は1つのスポットを走査するの
に対し、本例は全スポットを同時に走査することにな
る。FIG. 6 shows a third embodiment of the present invention. The two-dimensional confocal optical system is basically the same as that of the first and second examples, except that the optical path of the objective lens 7 is bent 90 degrees at the position of the stop. At the position of the stop, a deflecting mirror 14a and an angle changing means 14b for changing the angle between the deflecting mirror 14a are attached, and the deflecting mirror 14a has an angle of 45 degrees with respect to the optical axis. The configuration of the angle changing means 14b is the same as that of the first example, except that the galvanometer 14b (1) and the controller 14b are used.
The role of the controller 14b (2) is the same as that of the first example. When the angle of the deflecting mirror 14a changes, the directions of all the principal rays change, and as a result, the entire spot moves in parallel. That is, scanning can be performed by changing the angle of the deflecting mirror 14a by the angle changing means 14b. This scanning mechanism is the same as the scanning mechanism of a general laser scanning microscope. The only difference is that in the case of laser scanning, one spot is scanned, whereas in this example, all spots are scanned simultaneously.
【0024】図7に本発明の実施の形態の第四の例を示
す。2次元配列型共焦点光学系は第一、第二の例のもの
と基本的に同じである。対物レンズ7の絞りの位置には
微小走査手段15が配置されている。微小走査手段15
は、図8に示すように偏向プリズム15aと偏向プリズ
ム15aの回転手段15bよりなり、偏向プリズム15
aはくさび形の形状でリング型超音波モーター15b
(1)の中空部に取り付けられている。コントローラー
15b(2)の役割は第二の例と同じである。偏向プリ
ズム15bは主光線を含む全ての光線の方向を変えるか
ら、第三の例のミラーが傾いているのと同じようにスポ
ット全体が平行移動する。回転手段15bにより偏向プ
リズム15bを回転させると平行移動する方向が変化す
るから円形の走査がなされることになる。FIG. 7 shows a fourth embodiment of the present invention. The two-dimensional array type confocal optical system is basically the same as those of the first and second examples. At the position of the stop of the objective lens 7, a minute scanning means 15 is arranged. Micro scanning means 15
Comprises a deflecting prism 15a and a rotating means 15b for the deflecting prism 15a as shown in FIG.
a is a wedge shaped ring type ultrasonic motor 15b
It is attached to the hollow part of (1). The role of the controller 15b (2) is the same as in the second example. Since the deflecting prism 15b changes the direction of all the light beams including the chief light beam, the entire spot is translated in the same manner as the mirror in the third example is inclined. When the deflecting prism 15b is rotated by the rotating means 15b, the direction of parallel movement changes, so that a circular scan is performed.
【0025】以上の例は2次元配列型共焦点光学系を対
象としたものであるが、当然のことながら1次元配列型
共焦点光学系であっても点計測型共焦点光学系であって
もよい。基本的に対物レンズを通して微小なスポットを
物体に投影し、同じ対物レンズを通して反射光を集光し
て焦点ずれやぼけ量を評価するタイプの計測光学系は、
たとえ照明光がレーザー光でなくても(白色光であって
も)そのスポット内の物体表面に凸凹があればスペック
ルの問題は発生すると考えられる。本発明はこのような
計測光学系すべてに対して適用できる。Although the above example is directed to a two-dimensional array type confocal optical system, it goes without saying that a one-dimensional array type confocal optical system is a point measurement type confocal optical system. Is also good. Basically, a measurement optical system that projects a minute spot on an object through an objective lens, collects reflected light through the same objective lens, and evaluates defocus and blur amount,
Even if the illumination light is not a laser light (even a white light), it is considered that a speckle problem occurs if the object surface in the spot has irregularities. The present invention is applicable to all such measurement optical systems.
【発明の効果】本発明によれば、モーターやガルバノメ
ーターのような高速動作が可能なアクチュエーターを用
いて1画素程度の微小距離の走査を検出器の露光時間内
に行うため計測光学系の高速性や、XY方向の解像度を
ほとんど落とすことなく粗面の物体に対するスペックル
コントラストを低減することが可能であり、高速、高精
度な3次元計測が実現できる。According to the present invention, the scanning of a minute distance of about one pixel is performed within the exposure time of the detector by using an actuator capable of high-speed operation such as a motor or a galvanometer. It is possible to reduce the speckle contrast with respect to an object having a rough surface without substantially reducing the resolution and the resolution in the X and Y directions, and high-speed and high-accuracy three-dimensional measurement can be realized.
【図1】本発明の実施の形態の第一の例を示した図であ
る。FIG. 1 is a diagram showing a first example of an embodiment of the present invention.
【図2】本発明の実施の形態の第一の例の微小走査手段
を説明するための図である。FIG. 2 is a diagram for explaining a minute scanning unit according to the first embodiment of the present invention;
【図3】本発明の実施の形態の第二の例を示した図であ
る。FIG. 3 is a diagram showing a second example of the embodiment of the present invention.
【図4】本発明の実施の形態の第二の例の微小走査手段
を説明するための図である。FIG. 4 is a diagram for explaining a micro-scanning unit according to a second example of the embodiment of the present invention;
【図5】本発明の実施の形態の第二の例の微小走査手段
の他の実現方法を説明するための図である。FIG. 5 is a diagram for explaining another method for realizing the micro-scanning means of the second example of the embodiment of the present invention.
【図6】本発明の実施の形態の第三の例を示した図であ
る。FIG. 6 is a diagram showing a third example of the embodiment of the present invention.
【図7】本発明の実施の形態の第四の例を示した図であ
る。FIG. 7 is a diagram showing a fourth example of an embodiment of the present invention.
【図8】本発明の実施の形態の第四の例の微小走査手段
を説明するための図である。FIG. 8 is a diagram for explaining a minute scanning unit according to a fourth example of the embodiment of the present invention;
【図9】ピンホール径とピンホールピッチの関係を説明
するための図である。FIG. 9 is a diagram for explaining a relationship between a pinhole diameter and a pinhole pitch.
【図10】本発明の従来技術を説明するための図であ
る。FIG. 10 is a diagram for explaining the prior art of the present invention.
【図11】共焦点光学系を説明するための図である。FIG. 11 is a diagram for explaining a confocal optical system.
A 物体 1 光源部 2 照明ピンホール 3 コリメーターレンズ 4 偏光ビームスプリッター 5 マイクロレンズアレイ 6 ピンホールアレイ 7 対物レンズ 8 絞り 9 縮小レンズ 10 2次元検出器 11 微小走査手段 13 微小走査手段 14 微小走査手段 15 微小走査手段 A Object 1 Light source unit 2 Illumination pinhole 3 Collimator lens 4 Polarization beam splitter 5 Microlens array 6 Pinhole array 7 Objective lens 8 Aperture 9 Reduction lens 10 2D detector 11 Microscanning means 13 Microscanning means 14 Microscanning means 15 Micro scanning means
Claims (5)
つ以上の微小なスポットを物体に投影し、物体からの反
射光を同じ対物レンズにより集光し、集光した反射光を
検出し、反射光の合焦情報から物体の表面位置を計測す
る光学装置において、反射光検出器の露光時間内に前記
スポットを微小走査させる微小走査手段を備えたことを
特徴とする3次元計測用光学装置。At least one minute spot is projected onto an object through at least one objective lens, reflected light from the object is collected by the same objective lens, the collected reflected light is detected, and reflected light is detected. An optical device for measuring a surface position of an object from focusing information, comprising: a micro-scanning means for micro-scanning the spot within an exposure time of a reflected light detector.
間に配設した平行平面と、この平行平面の光軸に対する
角度を変化させる角度変化手段とにより構成されたこと
を特徴とする請求項1記載の3次元計測用光学装置。2. The micro-scanning means according to claim 1, wherein the micro-scanning means comprises a parallel plane disposed between the objective lens and the object, and angle changing means for changing an angle of the parallel plane with respect to the optical axis. Item 3. The optical device for three-dimensional measurement according to Item 1.
間に光軸に対して傾けて配設した平行平面と、この平行
平面を回転させる回転手段とにより構成されたことを特
徴とする請求項1記載の3次元計測用光学装置。3. The micro-scanning means comprises a parallel plane disposed between the objective lens and the object at an angle to the optical axis, and a rotating means for rotating the parallel plane. The optical device for three-dimensional measurement according to claim 1.
位置に配設した偏向用ミラーと、この偏向用ミラーの角
度を変化させる角度変化手段とにより構成されたことを
特徴とする請求項1記載の3次元計測用光学装置。4. The micro-scanning means according to claim 1, wherein said micro-scanning means comprises a deflecting mirror disposed at an aperture stop position of said objective lens and an angle changing means for changing an angle of said deflecting mirror. The optical device for three-dimensional measurement according to claim 1.
位置に配設した光束を偏向する偏向プリズムと、この偏
向プリズムを回転させる回転手段とにより構成されたこ
とを特徴とする請求項1記載の3次元計測用光学装置。5. The micro-scanning means according to claim 1, wherein said micro-scanning means comprises a deflecting prism disposed at an aperture stop position of said objective lens for deflecting a light beam, and a rotating means for rotating said deflecting prism. Optical device for three-dimensional measurement.
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