JPH11211439A - Surface form measuring device - Google Patents

Surface form measuring device

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Publication number
JPH11211439A
JPH11211439A JP2407098A JP2407098A JPH11211439A JP H11211439 A JPH11211439 A JP H11211439A JP 2407098 A JP2407098 A JP 2407098A JP 2407098 A JP2407098 A JP 2407098A JP H11211439 A JPH11211439 A JP H11211439A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
imaging system
confocal
confocal imaging
image
surface shape
Prior art date
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Pending
Application number
JP2407098A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Mitsuhiro Ishihara
満宏 石原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Takaoka Toko Co Ltd
Original Assignee
Takaoka Electric Mfg Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Takaoka Electric Mfg Co Ltd filed Critical Takaoka Electric Mfg Co Ltd
Priority to JP2407098A priority Critical patent/JPH11211439A/en
Publication of JPH11211439A publication Critical patent/JPH11211439A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To measure the surface form of an object without performing Z- scanning by arranging a confocal image pickup system so that the object-side focal plane is tilted to the moving direction of the object. SOLUTION: A confocal image pickup system A is arranged while tilting in the X-direction (moving direction) to XY plane which is the placing base plane of an X-table 1. The X-table 1 is step-moved and rested every step movement to input a confocal image to an image processing device 5 by the confocal image pickup system A. Namely, the field of view of the confocal image pickup system A is divided equally to N pieces to provide a confocal image every 1/N field-of-view movement, and the surface form of an object 4 is calculated from a plurality of resulting confocal images by the image processing device 5. Since the object-side focal plane 2 of the confocal image pickup system A is tilted, the focal positions in the same position of the object 4 on N-pieces of confocal images are shifted, respectively, and this corresponds to Z-scanning in N-stages.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、物体の表面形状を
計測する表面形状計測装置の構造に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a structure of a surface shape measuring device for measuring a surface shape of an object.

【0002】[0002]

【従来の技術】共焦点光学系により画像を得る光学シス
テムを共焦点撮像系と呼び、その共焦点撮像系によって
得られる画像を共焦点画像と呼ぶことにして以下従来技
術について説明する。
2. Description of the Related Art An optical system for obtaining an image by a confocal optical system is called a confocal imaging system, and an image obtained by the confocal imaging system is called a confocal image.

【0003】共焦点光学系はオプチカルセクショニング
あるいはデプスディスクリミネイションと呼ばれる特性
をもつ。すなわち光軸(以下ではZ軸と称する)方向に
物体あるいは共焦点撮像系を移動(以下ではZスキャン
と称する)すると、共焦点光学系の物体側ピント面と物
体表面が一致(以下では合焦と称する)したときのみ像
が明るくなる。
A confocal optical system has a characteristic called optical sectioning or depth discrimination. That is, when the object or the confocal imaging system is moved in the direction of the optical axis (hereinafter, referred to as Z axis) (hereinafter, referred to as Z scan), the object side focus surface of the confocal optical system coincides with the object surface (hereinafter, in-focus). ), The image becomes brighter.

【0004】この特性を用いて物体の表面形状測定を行
うことができる。つまり、Zスキャンを行う際に微少距
離移動する毎に共焦点画像を得て、これらZ位置の異な
る多くの共焦点画像の中で最大の明るさを与える共焦点
画像のZ位置を各画素毎に求めることにより、画像各点
毎の物体表面のZ位置すなわち物体表面形状が求められ
る。
The surface shape of an object can be measured using these characteristics. In other words, a confocal image is obtained every time a minute distance is moved when performing the Z scan, and the Z position of the confocal image that gives the maximum brightness among many confocal images having different Z positions is set for each pixel. Thus, the Z position of the object surface for each point of the image, that is, the object surface shape is obtained.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】多くの場合、物体の大
きさは共焦点撮像系の一視野内には収まらない。そこで
実際には物体に対する共焦点光学系の視野の位置をXY
テーブルを用いて移動してやる必要がある。つまりZス
キャンのための移動機構を考えるとXYZ3軸の制御、
移動が必要となる。装置コストおよび取り扱いを考えれ
ば移動軸数はできるだけ少ない方が良い。
In many cases, the size of an object does not fit within one field of view of a confocal imaging system. Therefore, the position of the field of view of the confocal optical system with respect to the object is actually XY
It is necessary to move using a table. That is, considering a moving mechanism for Z scanning, control of XYZ three axes,
You need to move. The number of moving axes should be as small as possible in consideration of the equipment cost and handling.

【0006】また、このような従来技術においてはXY
移動してXYテーブルを停止した状態でZスキャンを行
う必要があるため、XY移動、停止、Zスキャンのサイ
クルを繰り返さなければならない。装置の高速性、取り
扱いの容易性を考えればできるだけXY移動において停
止することなく計測できた方がよい。
Further, in such a conventional technique, XY
Since it is necessary to perform Z-scan while moving and stopping the XY table, the cycle of XY movement, stop, and Z-scan must be repeated. Considering the high speed and easy handling of the apparatus, it is better to be able to measure without stopping in the XY movement as much as possible.

【0007】そこで本発明は、Zスキャンを行うことな
く、かつできるだけXY移動において停止することなく
表面形状が計測できる表面形状計測装置を提供すること
を目的とするものである。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a surface shape measuring apparatus capable of measuring a surface shape without performing a Z scan and stopping as much as possible in the XY movement.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】目的達成のために、少な
くとも一軸の移動機構と、前記移動機構の、ある軸の移
動方向に対して物体側のピント面が傾斜するように配置
された共焦点撮像系と、前記共焦点撮像系の視野を前記
移動方向にN等分し、1/N視野移動する毎に前記共焦
点撮像系により共焦点画像を得て、得られた複数の共焦
点画像から物体の表面形状を演算する画像処理装置とに
より構成する。
In order to achieve the object, at least one-axis moving mechanism and a confocal point arranged such that an object-side focus surface of the moving mechanism is inclined with respect to a moving direction of a certain axis. A plurality of confocal images obtained by dividing the field of view of the imaging system and the confocal imaging system into N parts in the moving direction and obtaining a confocal image by the confocal imaging system each time the 1 / N field of view moves And an image processing device that calculates the surface shape of the object from the image data.

【0009】このようにすると連続するN枚の共焦点画
像には物体の同じ部位が1/N視野分ずつズレて写って
いることになり、共焦点撮像系の物体側ピント面は傾斜
しているためN枚の共焦点画像に写っている、物体の同
じ部位の画像はそれぞれピント位置がずれていることに
なりN段階のZスキャンを行ったことになる。ピント位
置がN段階ずれた画像から従来の共焦点光学系による表
面形状計測と同様に最大の輝度を与える画像を探してく
ればよい。共焦点撮像系の物体側ピント面の傾きは事前
に正確に計測しておくことが可能であるから、最大輝度
を与える画像がN段階中の何段目であるかによって物体
表面のZ位置を正確に求めることが可能になる。
In this manner, the same part of the object is shown in the N consecutive confocal images shifted by 1 / N field of view, and the object-side focus surface of the confocal imaging system is inclined. Therefore, the images of the same part of the object appearing in the N confocal images are out of focus, which means that the N-stage Z scan has been performed. What is necessary is just to search for an image which gives the maximum brightness from the image whose focus position is shifted by N steps, similarly to the surface shape measurement by the conventional confocal optical system. Since the inclination of the object-side focus surface of the confocal imaging system can be accurately measured in advance, the Z position of the object surface can be determined according to the order of the N-stage image that gives the maximum luminance. It is possible to obtain the exact value.

【0010】また、共焦点撮像系を全画素同時露光型共
焦点撮像系とし、共焦点撮像系の物体側ピント面が傾斜
している方向への移動は、計測範囲内を停止することな
く移動し、1/N視野毎にタイミングセンサによる信号
に同期してシャッターまたはストロボまたはその両方を
用いて撮像のための露光を行うようにすれば、非常に広
い視野範囲を高速に計測する事が可能になる。
Further, the confocal imaging system is an all-pixel simultaneous exposure type confocal imaging system, and the movement of the confocal imaging system in the direction in which the object-side focus surface is inclined moves without stopping within the measurement range. However, if exposure for imaging is performed using a shutter or strobe or both in synchronization with a signal from the timing sensor for each 1 / N field of view, a very wide field of view can be measured at high speed. become.

【0011】また、共焦点撮像系は全画素同時露光型共
焦点撮像系とし、共焦点撮像系の物体側ピント面の傾斜
は対物レンズの光軸に対してピンホールアレイ面を傾け
て設置することによるようにすれば物体に対して光学系
の光軸が傾かないため、よりよい照明を施すことができ
る。
The confocal imaging system is an all-pixel simultaneous-exposure confocal imaging system, and the object-side focus surface of the confocal imaging system is tilted with respect to the optical axis of the objective lens. In this case, since the optical axis of the optical system does not tilt with respect to the object, better illumination can be performed.

【0012】[0012]

【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。共焦点撮像系Aが一軸移動テーブル
であるXテーブル1の載物台平面であるXY平面に対し
てX方向に傾けて設置されている。つまり、共焦点撮像
系Aの物体側ピント面2がY方向にはY軸に平行であ
り、X方向にはX軸に対して傾いた状態となっている。
ここで共焦点撮像系Aはレーザー走査型共焦点顕微鏡で
あっても、Nipkow disk走査型共焦点顕微鏡
であっても良く、また、後に詳細に説明する全画素同時
露光型共焦点撮像系であっても良い。ここで説明の簡略
化のために物体4はY方向には共焦点撮像系Aの視野3
に収まる程度の大きさであり、X方向には視野3の数倍
の大きさを持つものとする。Xテーブル1はステップ移
動を行い、ステップ移動毎に静止して共焦点撮像系Aに
より共焦点画像を画像処理装置5に入力する。視野3の
X方向のサイズをa、物体側ピント面2の傾きがθであ
るとするとステップ移動量は(a/N)cosθで表さ
れ、視野3は図2に示すようにN個の領域に分割され
る。視野3に対してXテーブル1は右方向に(a/N)
cosθずつステップ移動していくとして、N個の領域
を左から領域1、領域2、...、領域Nと番号付けす
ると、Xテーブル1の移動に伴って物体4の同じ部位の
画像が領域1から順次2、3、...、Nと移動してい
くことになる。このとき共焦点撮像系Aの物体側ピント
面2はX軸に対して傾いているため、上記の物体4の部
位は領域1から移動していく毎に(a/N)sinθず
つ物体側ピント面2との距離が変化していくことにな
る。つまりZスキャンが成し遂げられることになる。こ
のときZのスキャン範囲はほぼa(N−1/N)sin
θで、N回の移動によりピント位置がN段階異なる1/
Nサイズの画像セットが得られることになる。この1/
Nサイズの画像の各画素毎に、N段階異なるピント位置
の中から最大輝度値を与える(すなわち合焦時の)画像
を探し、その画像中でのX位置からZの位置を求めるこ
とができる。一度前記画像セットが得られれば、その後
は現在の部位の隣の部位の同様な(つまりピント位置が
N段階異なる1/Nサイズの)画像セットが一回の移動
毎に得られるので物体すべての部位の画像セットが得ら
れるまで移動し続ければよい。
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. A confocal imaging system A is installed so as to be tilted in the X direction with respect to an XY plane, which is a mounting table plane of an X table 1 which is a uniaxial movement table. That is, the object-side focus surface 2 of the confocal imaging system A is parallel to the Y axis in the Y direction, and is inclined with respect to the X axis in the X direction.
Here, the confocal imaging system A may be a laser scanning confocal microscope or a Nippow disk scanning confocal microscope, or an all-pixel simultaneous exposure confocal imaging system described in detail later. May be. Here, for simplicity of description, the object 4 is moved in the Y direction in the field of view 3 of the confocal imaging system A.
, And has a size several times larger than the field of view 3 in the X direction. The X table 1 performs step movement, stops at each step movement, and inputs a confocal image to the image processing device 5 by the confocal imaging system A. Assuming that the size of the visual field 3 in the X direction is a and the inclination of the object-side focus surface 2 is θ, the step movement amount is represented by (a / N) cos θ, and the visual field 3 has N areas as shown in FIG. Is divided into X table 1 moves to the right with respect to field of view 3 (a / N)
cos θ, the N regions are divided into regions 1, 2,. . . , Area N, the image of the same part of the object 4 is sequentially moved from the area 1, 2, 3,. . . , N. At this time, since the object-side focus surface 2 of the confocal imaging system A is tilted with respect to the X axis, the object-side focus moves by (a / N) sin θ every time the part of the object 4 moves from the area 1. The distance from the surface 2 will change. That is, the Z scan is achieved. At this time, the scan range of Z is almost a (N−1 / N) sin.
In θ, the focus position differs by N steps by N movements.
An N-size image set is obtained. This 1 /
For each pixel of an N-size image, an image providing the maximum luminance value (that is, at the time of focusing) is searched from among focus positions different in N stages, and the Z position can be obtained from the X position in the image. . Once the image set is obtained, a similar (i.e., 1 / N size) image set of a part next to the current part is obtained for each movement, so that all the objects can be obtained. It is only necessary to keep moving until an image set of the part is obtained.

【0013】より具体的に図3、図4を用いてN=4の
場合について説明する。連続して得られた共焦点画像4
枚I1,I2,I3,I4から物体の同じ部位(図3で
は物体の先端部位)が写っている部分をそれぞれひっぱ
り出してくる(I1から領域1、 I2から領域2、 I
3から領域3、 I4から領域4)。これが一つの画像
セットであり、この画像セット内でそれぞれの画像の対
応する画素どうしを比較して最大の輝度値を与える画像
を探す。例えばI1中の画素(x、y)とI2の画素
(x+a/4、y)とI3の画素( x+a/2、y)
とI4の画素( x+3a/4、y)の輝度を比較す
る。図4に示すように視野のx=0の位置をz=0と定
義すればzの位置はxの値によってz=x・sinθで
与えられるから、最大輝度を与える画像が例えばI3で
あれば物体のその点での表面位置は(x+a/2)si
nθとして求めることができる。すべての画素について
同様の演算を行うことでこの画像セット部位の表面形状
データを得ることができる。
The case where N = 4 will be described more specifically with reference to FIGS. Confocal image 4 obtained continuously
From the sheets I1, I2, I3 and I4, the portions where the same part of the object (the tip part of the object in FIG. 3) is shown are pulled out (region I1 to region 1, region I2 to region 2, I
3 to region 3, I4 to region 4). This is one image set, and corresponding pixels of each image are compared in this image set to find an image that gives the maximum luminance value. For example, the pixel (x, y) in I1, the pixel (x + a / 4, y) of I2, and the pixel (x + a / 2, y) of I3
And the luminance of the pixel (x + 3a / 4, y) of I4. As shown in FIG. 4, if the position of x = 0 in the field of view is defined as z = 0, the position of z is given by z = x · sin θ according to the value of x. The surface position of the object at that point is (x + a / 2) si
nθ. By performing the same calculation for all the pixels, surface shape data of this image set portion can be obtained.

【0014】もう一回移動してI5の画像が得られる
と、I2,I3,I4,I5の画像のそれぞれ領域1、
領域2、領域3、領域4から新しい部位の画像セットが
得られるので、同様な演算により物体の表面形状データ
を得ることができる。物体の全部位の画像セットが得ら
れるまで移動して全データを得る。
When the image is moved again to obtain the image of I5, the regions 1 and 2 of the images of I2, I3, I4 and I5 are obtained.
Since an image set of a new part is obtained from the region 2, the region 3, and the region 4, the surface shape data of the object can be obtained by the same calculation. Move until an image set of all parts of the object is obtained to obtain all data.

【0015】画像セットにおける各画像のピント位置の
ピッチ(a/N)sinθが十分に小さい値となる場合
は上記のように、対応するN個のピント位置の異なる点
から最大輝度となる点を見つけてきて、そのX座標値に
sinθを掛ければよいが、上記ピッチが小さいと、非
常に多くの画像を処理しなくてはならないあるいは十分
なZスキャン範囲を得ることができない等の問題があ
る。
When the pitch (a / N) sin θ of the focus positions of each image in the image set is a sufficiently small value, as described above, the point at which the maximum luminance is obtained from the different points of the corresponding N focus positions is determined. It is sufficient to find it and multiply the X coordinate value by sinθ. However, if the pitch is small, there is a problem that a very large number of images must be processed or a sufficient Z scan range cannot be obtained. .

【0016】一方上記ピッチを大きくとると、x・si
nθの演算ではピッチが計測分解能に相当するから、計
測分解能が低下してしまう。そこで補間演算を用いてピ
ッチを広げてかつ計測分解能を低下させないようにする
ことを考える。
On the other hand, if the pitch is increased, x · si
Since the pitch corresponds to the measurement resolution in the calculation of nθ, the measurement resolution is reduced. Therefore, it is considered that the pitch is widened by using the interpolation calculation and the measurement resolution is not reduced.

【0017】光軸方向の物体の移動に対する共焦点光学
系の出力特性は、オプティカルセクショニング特性と呼
ばれる図5に示すような山形の特性となる。この曲線の
ピーク位置が合焦位置を示しており、この位置を求める
ことが必要である。上記ピッチが小さい場合はこの曲線
をほぼ連続的にサンプリングしていることになるからそ
の最大値のサンプリング点の位置から求めることができ
る。今、図5の点線で示すような荒いピッチでサンプリ
ングした場合、各サンプリング点の位置はxi・sin
θ(xi+1=xi+a/N)で与えられ、サンプリング点
中の最大値をfiとしてfiの前後のサンプリング値をそ
れぞれfi-1、fi+1とするとピーク位置はガウス関数に
フィッティングすることでz=xi・sinθ+(lo
g(fi+1)−log(fi-1))・(a/N)・sin
θ/(2・(2・log(fi)−log(fi+1)−l
og(fi-1)))として正確に求めることができる。
もちろんフィッティング関数は必ずしもガウス関数でな
くてもよく2次曲線(放物線)関数やガウス関数の近似
関数等も用いることができる。また、フィッティング演
算以外でも、例えば重心演算であるとか山の形のテンプ
レートを用意しておいてテンプレートとの相互相関から
求めることもできる。また、必ずしも3点で演算する必
要もなく5点でも7点でも良い。このような補間演算を
用いることによりNの数を小さくして、演算に必要な画
像の枚数を減らし、かつ分解能を落とさないことも可能
になる。
The output characteristic of the confocal optical system with respect to the movement of an object in the direction of the optical axis has a mountain-shaped characteristic called an optical sectioning characteristic as shown in FIG. The peak position of this curve indicates the focus position, and it is necessary to find this position. When the pitch is small, the curve is sampled almost continuously, so that the curve can be obtained from the position of the sampling point of the maximum value. Now, when sampling is performed at a coarse pitch as shown by a dotted line in FIG. 5, the position of each sampling point is x i · sin
given by θ (x i + 1 = x i + a / N), the peak position when the front and rear of the sampled values, respectively and f i-1, f i + 1 of the f i the maximum value in the sampling points as f i is By fitting to a Gaussian function, z = x i · sin θ + (lo
g (f i + 1 ) -log (f i-1 )) · (a / N) · sin
θ / (2 · (2 · log (f i ) −log (f i + 1 ) −1 )
og (fi -1 ))).
Of course, the fitting function is not necessarily a Gaussian function, and a quadratic curve (parabolic) function, an approximate function of a Gaussian function, or the like can be used. In addition to the fitting calculation, for example, a center-of-gravity calculation or a mountain-shaped template may be prepared, and it may be obtained from the cross-correlation with the template. In addition, it is not always necessary to calculate three points, and five points or seven points may be used. By using such an interpolation operation, the number of N can be reduced, the number of images required for the operation can be reduced, and the resolution can be maintained.

【0018】次に本発明の実施の形態の第二の例を示
す。ここでは共焦点撮像系として全画素同時露光型の共
焦点撮像系が用いられる。全画素同時露光型共焦点撮像
系は、Nipkow disk走査型やレーザー走査型
のようなXY走査を行わず、対物レンズに対してピンホ
ールを2次元的に並べること(あるいはそれと同等の効
果の光学系)により画像全体を同時に露光する共焦点撮
像系であり、シャッタやストロボを用いた高速撮像が可
能である特徴を有している。この全画素同時露光型共焦
点撮像系は例えば本発明と同一発明者により特願平8−
94682として出願されている。以下で詳細に説明す
る。
Next, a second example of the embodiment of the present invention will be described. Here, an all-pixel simultaneous exposure type confocal imaging system is used as the confocal imaging system. The all-pixel simultaneous-exposure confocal imaging system does not perform XY scanning such as a Nippow disk scanning type or a laser scanning type, and two-dimensionally arranges pinholes with respect to an objective lens (or an optical effect having an equivalent effect). System), and is a confocal imaging system that simultaneously exposes the entire image by using a system, and has a feature that high-speed imaging using a shutter or a strobe is possible. This all-pixel simultaneous exposure type confocal imaging system is disclosed, for example, in Japanese Patent Application No.
94682. This will be described in detail below.

【0019】図6を用いて特願平8−94682記載の
全画素同時露光型共焦点撮像系を説明する。光源601
よりでた照明光はピンホール602を通過してコリメー
ターレンズ603により平行光となって射出される。光
路分岐光学素子604は偏光ビームスプリッターであり
照明光を直線偏光にして通過させる。光路分岐光学素子
604を通過した照明光はマイクロレンズアレイ605
に入射し各マイクロレンズの焦点に集光される。マイク
ロレンズアレイ605の焦点位置にはピンホールアレイ
606が設置され、各マイクロレンズにより集光された
照明光の焦点の位置に各ピンホールが存在する形となっ
ている。このピンホールアレイ606により照明光は、
いわば点光源アレイ化されたことになる。ピンホールを
通過した照明光は対物レンズ607に入射し、対物レン
ズ607内部に設けた1/4波長板609により円偏光
となって、ピンホールの像を物体4に投影する。対物レ
ンズ607は、内部にテレセントリック絞り608とレ
ンズ607aと607bとをもつ両側テレセントリック
なレンズであり、物体4あるいは光学系を光軸方向に移
動させても倍率変化が発生しないようになっている。物
体4からの反射光は、再び対物レンズ607に入射し
て、1/4波長板609により照明光と直交する直線偏
光となり、集光されて再びピンホールアレイ606に到
達する。ピンホールアレイ606のピンホールを通過し
た反射光は、マイクロレンズアレイ605により平行光
束となって射出される。反射光は照明光とは直交する直
線偏光光であるから偏光ビームスプリッターである光路
分岐光学素子604により偏向されて結像レンズ610
に入射する。結像レンズ610に入射した反射光は2次
元検出器611に到達する。結像レンズ610はマイク
ロレンズアレイ605面と2次元検出器611表面が共
役になっている。これにより2次元検出器611上には
共焦点画像が得られ、2次元検出器611により光電変
換されて電気信号として出力される。
An all-pixel simultaneous exposure confocal imaging system described in Japanese Patent Application No. 8-94682 will be described with reference to FIG. Light source 601
The emitted illumination light passes through the pinhole 602 and is emitted as collimated light by the collimator lens 603. The optical path branching optical element 604 is a polarization beam splitter, and passes illumination light as linearly polarized light. The illumination light that has passed through the optical path branching optical element 604 is
And is collected at the focal point of each microlens. A pinhole array 606 is provided at the focal position of the microlens array 605, and each pinhole is present at the position of the focal point of the illumination light collected by each microlens. The illumination light by the pinhole array 606 is
In other words, it is a point light source array. The illumination light having passed through the pinhole is incident on the objective lens 607, becomes a circularly polarized light by the quarter-wave plate 609 provided inside the objective lens 607, and projects the image of the pinhole onto the object 4. The objective lens 607 is a double-sided telecentric lens having a telecentric stop 608 and lenses 607a and 607b inside, so that a change in magnification does not occur even if the object 4 or the optical system is moved in the optical axis direction. The reflected light from the object 4 enters the objective lens 607 again, becomes linearly polarized light orthogonal to the illumination light by the 波長 wavelength plate 609, is collected, and reaches the pinhole array 606 again. The reflected light that has passed through the pinholes of the pinhole array 606 is emitted by the microlens array 605 as a parallel light flux. Since the reflected light is linearly polarized light orthogonal to the illumination light, the reflected light is deflected by the optical path branching optical element 604, which is a polarization beam splitter, to form an imaging lens 610.
Incident on. The reflected light that has entered the imaging lens 610 reaches the two-dimensional detector 611. In the imaging lens 610, the surface of the microlens array 605 and the surface of the two-dimensional detector 611 are conjugate. As a result, a confocal image is obtained on the two-dimensional detector 611, photoelectrically converted by the two-dimensional detector 611, and output as an electric signal.

【0020】上述のようにこのような構造の光学系を用
いると全画素同時露光で共焦点画像を得ることができる
ため、2次元検出器611の電子シャッター機能やスト
ロボ照明、またはそれらを組み合わせることにより移動
物体を静止画像として得ることが可能となる。
As described above, when an optical system having such a structure is used, a confocal image can be obtained by simultaneous exposure of all pixels. Therefore, the electronic shutter function of the two-dimensional detector 611, strobe lighting, or a combination thereof can be used. Thus, the moving object can be obtained as a still image.

【0021】この第二の実施例は第一の実施例と基本的
に同じであるが異なるのは上述した全画素同時露光型共
焦点撮像系を用いることで、Xテーブルの移動をステッ
プ移動ではなく連続移動とすることで高速化が可能とな
るとゆうものである。
The second embodiment is basically the same as the first embodiment, but differs from the first embodiment in that the X-table can be moved stepwise by using the all-pixel simultaneous exposure type confocal imaging system described above. It would be possible to increase the speed by using continuous movement instead.

【0022】図7を用いて説明する。ここで共焦点撮像
系Aは全画素同時露光型共焦点撮像系である。Xテーブ
ル1にはリニアエンコーダ6が取り付けられており、移
動量を示すパルスをタイミングセンサー7に出力する。
タイミングセンサー7はこのパルスをカウントすること
によって移動量を把握することができるようになってい
る。第一の実施例のようにステップ移動量(a/N)c
osθ毎にXテーブル1を停止させるのではなく、この
例ではXテーブル1は連続的に移動して、上記ステップ
移動量毎にタイミングセンサー7が共焦点撮像系Aに撮
像タイミング信号を発するようになっている。共焦点撮
像系Aはタイミング信号を受け取ると即座に電子シャッ
ター機能により短時間露光し、画像処理装置5に画像信
号を伝送する。このときXテーブル1の移動速度は共焦
点撮像系Aの電子シャッターによる露光時間に対して十
分に低速であるようにする。より具体的にいえば例えば
露光時間中のXテーブル1の移動距離は共焦点撮像系A
の横分解能(1画素相当視野サイズ)の1/10以下と
なるようにする。このようにすれば精度をほとんど落と
すことなく、Xテーブル1を連続移動させて高速に共焦
点画像を取得できることになる。
This will be described with reference to FIG. Here, the confocal imaging system A is an all-pixel simultaneous exposure type confocal imaging system. A linear encoder 6 is attached to the X table 1 and outputs a pulse indicating a moving amount to the timing sensor 7.
The timing sensor 7 can grasp the movement amount by counting the pulses. Step moving amount (a / N) c as in the first embodiment
Instead of stopping the X table 1 every osθ, in this example, the X table 1 moves continuously, and the timing sensor 7 issues an imaging timing signal to the confocal imaging system A every step movement amount. Has become. Upon receiving the timing signal, the confocal imaging system A immediately performs short-time exposure by the electronic shutter function, and transmits the image signal to the image processing device 5. At this time, the moving speed of the X table 1 is set to be sufficiently low with respect to the exposure time by the electronic shutter of the confocal imaging system A. More specifically, for example, the moving distance of the X table 1 during the exposure time depends on the confocal imaging system A.
Is set to be 1/10 or less of the horizontal resolution (the field of view equivalent to one pixel). By doing so, the confocal image can be acquired at a high speed by continuously moving the X table 1 with almost no reduction in accuracy.

【0023】露光時間が短いことで、光量が不足する場
合は、照明は連続点灯照明ではなくストロボ照明とす
る。この場合はタイミング信号はストロボ照明装置側に
も送られることになり、共焦点撮像系の電子シャッター
と連動して発光するようにする。このようにすれば外乱
光の影響をほとんど受けることなく、十分な光量の画像
を得ることができる。
If the amount of light is insufficient due to the short exposure time, the illumination is not strobed illumination but strobe illumination. In this case, the timing signal is also sent to the strobe lighting device side, and light is emitted in conjunction with the electronic shutter of the confocal imaging system. In this way, an image with a sufficient light amount can be obtained with little influence of disturbance light.

【0024】次に本発明の実施の形態の第三の例を示
す。この例では共焦点撮像系を傾けることによって物体
面側ピント面を傾けるのではなく、共焦点撮像系自体は
傾けずに、共焦点撮像系のピンホールアレイ部を傾けて
物体面側ピント面を傾けるようにする。図8にこの様子
を示す。共焦点撮像系Bは全画素同時露光型共焦点撮像
系で、第二の例で述べたものであるが、マイクロレンズ
アレイ605とピンホールアレイ606の一体化部分が
傾いている点が異なる。Xテーブル1は第一の例と同じ
であるが、第二の例のように連続移動でも良い。
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In this example, instead of tilting the object-side focus surface by tilting the confocal imaging system, the confocal imaging system itself is not tilted, and the pinhole array unit of the confocal imaging system is tilted to shift the object-side focus surface. Try to tilt. FIG. 8 shows this state. The confocal imaging system B is an all-pixel simultaneous-exposure confocal imaging system, which is described in the second example, except that the integrated part of the microlens array 605 and the pinhole array 606 is inclined. The X table 1 is the same as in the first example, but may be a continuous movement as in the second example.

【0025】このように全画素同時露光型共焦点撮像系
のピンポールアレイ606面を傾けることで、物体面側
ピント面2を傾けるようにすれば、光軸自体は傾かない
から、垂直落斜照明となり、例えば物体4が平面ミラー
であった場合でも、照明光と反射光が同一光路を通るこ
とになって照明効率が向上する。
By tilting the pin-pole array 606 of the all-pixel simultaneous-exposure confocal imaging system to tilt the object-side focusing surface 2, the optical axis itself does not tilt. For example, even when the object 4 is a plane mirror, the illumination light and the reflected light pass through the same optical path, and the illumination efficiency is improved.

【0026】[0026]

【発明の効果】本発明により、Zスキャンを行うことな
く、XY移動において停止することなく高速に表面形状
が計測できるようになる。
According to the present invention, the surface shape can be measured at high speed without stopping the XY movement without performing the Z scan.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【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】本発明の共焦点撮像系の視野について説明する
ための図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating a field of view of a confocal imaging system according to the present invention.

【図3】本発明の画像処理方法について説明するための
図である。
FIG. 3 is a diagram for explaining an image processing method of the present invention.

【図4】本発明の共焦点撮像系の視野の位置とZ座標の
位置の関係を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the position of the visual field and the position of the Z coordinate of the confocal imaging system of the present invention.

【図5】共焦点光学系のオプティカルセクショニング特
性を示す図である。
FIG. 5 is a diagram illustrating optical sectioning characteristics of a confocal optical system.

【図6】全画素同時露光型共焦点撮像系を説明するため
の図である。
FIG. 6 is a diagram for explaining an all-pixel simultaneous exposure confocal imaging system.

【図7】本発明の実施の形態の第二の例を示した図であ
る。
FIG. 7 is a diagram showing a second example of the embodiment of the present invention.

【図8】本発明の実施の形態の第三の例を示した図であ
る。
FIG. 8 is a diagram showing a third example of the embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 Xテーブル 2 物体側ピント面 3 視野 4 物体 5 画像処理装置 6 リニアエンコーダ 7 タイミングセンサ A,B 共焦点撮像系 Reference Signs List 1 X table 2 Object-side focus surface 3 Field of view 4 Object 5 Image processing device 6 Linear encoder 7 Timing sensor A, B Confocal imaging system

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 少なくとも一軸の移動機構と、前記移動
機構の、ある軸の移動方向に対して物体側のピント面が
傾斜するように配置された共焦点撮像系と、前記共焦点
撮像系の視野を前記移動方向にN等分し、1/N視野移
動する毎に前記共焦点撮像系により共焦点画像を得て、
得られた複数の共焦点画像から物体の表面形状を演算す
る画像処理装置とにより構成されることを特徴とする表
面形状計測装置。
1. A confocal imaging system, comprising: a moving mechanism having at least one axis; a confocal imaging system arranged such that a focus surface on an object side of the moving mechanism is inclined with respect to a moving direction of a certain axis; The field of view is divided into N equal parts in the moving direction, and a confocal image is obtained by the confocal imaging system every time the 1 / N field of view moves,
A surface shape measurement device comprising: an image processing device that calculates a surface shape of an object from a plurality of obtained confocal images.
【請求項2】 共焦点撮像系は全画素同時露光型共焦点
撮像系であり、共焦点撮像系の物体側ピント面が傾斜し
ている方向への移動は、計測範囲内を停止することなく
移動し、1/N視野毎にタイミングセンサによる信号に
同期してシャッターまたはストロボまたはその両方を用
いて撮像のための露光を行うことを特徴とする請求項1
記載の表面形状計測装置。
2. The confocal imaging system is an all-pixel simultaneous-exposure confocal imaging system. Movement of the confocal imaging system in a direction in which the object-side focus surface is inclined does not stop within the measurement range. 2. The exposure apparatus according to claim 1, wherein the exposure is performed by using a shutter and / or a strobe in synchronization with a signal from a timing sensor for each 1 / N field of view.
The surface shape measuring device according to the above.
【請求項3】 共焦点撮像系は全画素同時露光型共焦点
撮像系であり、共焦点撮像系の物体側ピント面の傾斜は
対物レンズの光軸に対してピンホールアレイ面を傾けて
設置することによることを特徴とする請求項1及び請求
項2記載の表面形状計測装置。
3. The confocal imaging system is an all-pixel simultaneous-exposure confocal imaging system, and the object-side focusing surface of the confocal imaging system is tilted with respect to the optical axis of the objective lens. The surface shape measuring device according to claim 1, wherein the surface shape is measured.
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