KR101931190B1

KR101931190B1 - 삼차원 계측 장치

Info

Publication number: KR101931190B1
Application number: KR1020177015655A
Authority: KR
Inventors: 히로유키 이시가키; 타카히로 마미야
Original assignee: 시케이디 가부시키가이샤
Priority date: 2015-05-25
Filing date: 2016-05-16
Publication date: 2018-12-20
Also published as: JP6271493B2; JP2017053832A; KR20170083595A; EP3306264A4; EP3306264B1; CN107110640B; CN107110640A; US10704888B2; EP3306264A1; US20180106590A1

Abstract

파장이 다른 2종류의 광을 이용하여, 계측 레인지의 확대를 도모할 수 있음과 아울러, 계측 효율의 향상을 도모할 수 있는 삼차원 계측 장치를 제공한다.
삼차원 계측 장치(1)는, 입사{入射}하는 소정의 광을 편광 방향이 서로 직교하는 2개의 편광으로 분할하고 한쪽을 계측광으로서 워크(W)에 조사하고 또한 다른쪽을 참조광으로서 참조면(23)에 조사함과 아울러, 이들을 다시 합성해서 출사{出射}할 수 있는 편광 빔 스플리터(20)와, 이 편광 빔 스플리터(20)의 제1 면(20a)에 대해, 제1 파장을 가지는 제1 광을 입사시키는 제1 투광계{投光系}(2A)와, 편광 빔 스플리터(20)의 제2 면(20b)에 대해, 제2 파장을 가지는 제2 광을 입사시키는 제2 투광계(2B)와, 편광 빔 스플리터(20)의 제2 면(20b)으로부터 출사되는 상기 제1 광을 촬상할 수 있는 제1 촬상계{撮像系}(4A)와, 편광 빔 스플리터(20)의 제1 면(20a)으로부터 출사되는 상기 제2 광을 촬상할 수 있는 제2 촬상계(4B)를 구비하고 있다.

Description

삼차원 계측 장치{THREE-DIMENSIONAL MEASUREMENT DEVICE}

본 발명은, 피계측물의 형상을 계측하는 삼차원 계측 장치에 관한 것이다.

종래부터, 피계측물의 형상을 계측하는 삼차원 계측 장치로서, 간섭계{干涉計}를 이용한 삼차원 계측 장치가 알려져 있다.

이러한 삼차원 계측 장치에 있어서는, 계측광의 파장(예를 들면 1500㎚)의 절반(예를 들면 750㎚)이 계측 가능한 계측 레인지(다이나믹 레인지)로 된다.

그 때문에, 만일 피계측물 상에 계측광의 파장의 절반 이상의 고저차{高低差}가 있는 경우에는, 계측 레인지가 부족하여, 피계측물의 형상을 적정하게 계측할 수 없을 우려가 있다. 이것에 대해, 계측광의 파장을 길게 한 경우에는, 분해능이 거칠어져{미세하지 않게 되어}, 계측 정밀도가 악화될 우려가 있다.

이것을 감안하여, 근래에는, 레인지 부족을 해소하기 위해, 파장이 다른{상이한} 2종류의 광을 이용하여 계측을 행하는 삼차원 계측 장치도 제안되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조).

이러한 삼차원 계측 장치에 있어서는, 제1 파장광과 제2 파장광을 합성한 상태에서 간섭 광학계{光學系}(편광 빔 스플리터 등)에 입사{入射}시키고, 이곳으로부터 출사{出射}되는 간섭광을 소정의 광학 분리 수단(다이크로익 미러 등)에 의해 파장 분리하고, 제1 파장광에 관계된 간섭광과, 제2 파장광에 관계된 간섭광을 얻는다. 그리고, 각 파장광에 관계된 간섭광을 개별적으로 촬상한 간섭 줄무늬{干涉縞} 화상을 기본으로 피계측물의 형상 계측을 행한다.

일본공개특허공보 특개{特開}2010-164389호

파장이 다른 2종류의 광을 이용하여, 삼차원 계측에 관계된 계측 레인지를 보다 넓히기 위해서는, 2종류의 광의 파장차를 보다 작게 하면 좋다. 2종류의 광의 파장이 가까우면 가까울수록, 계측 레인지를 넓힐 수가 있다.

그렇지만, 2종류의 광의 파장이 가까우면 가까울수록, 2종류의 광의 파장을 적절히 분리하는 것이 곤란해진다.

바꾸어 말하면, 파장차가 작은 2종류의 광으로 삼차원 계측을 행하려고 한 경우, 제1 파장광에 관계된 간섭광의 촬상과, 제2 파장광에 관계된 간섭광의 촬상을 각각 다른 타이밍에서 행할 필요가 있어, 계측 효율이 저하할 우려가 있다.

예를 들면 위상 시프트법을 이용한 삼차원 계측에 있어서, 위상을 4단계로 변화시키는 경우에는, 4가지의 화상 데이터를 취득할 필요가 있기 때문에, 2종류의 광을 이용하는 경우에는, 각각 다른 타이밍에서 4회씩, 합계 8회분의 촬상 시간이 필요하게 된다.

본 발명은, 상기 사정 등을 감안해서 이루어진 것이며, 그 목적은, 파장이 다른 2종류의 광을 이용하여, 계측 레인지의 확대를 도모함과 아울러, 계측 효율의 향상을 도모할 수 있는 삼차원 계측 장치를 제공하는 것에 있다.

이하, 상기 과제를 해결하는데 적합한 각 수단에 대해 항목분류{項分}하여 설명한다. 또한, 필요에 따라서 대응하는 수단에 특유의 작용 효과를 부기한다.

수단 1. 입사하는 소정의 광을 2개의 광으로 분할하고, 한쪽 광을 계측광으로서 피계측물에 조사할 수 있게 하고 또한 다른쪽 광을 참조광으로서 참조면에 조사할 수 있게 함과 아울러, 이들을 다시 합성해서 출사할 수 있는 소정의 광학계(특정 광학계)와,

상기 소정의 광학계에 대해 입사시키는, 제1 파장의 편광을 포함하는 제1 광을 출사할 수 있는 제1 조사 수단과,

상기 소정의 광학계에 대해 입사시키는, 제2 파장의 편광을 포함하는 제2 광을 출사할 수 있는 제2 조사 수단과,

상기 소정의 광학계로부터 출사되는 상기 제1 광에 관계된 출력광을 촬상할 수 있는 제1 촬상 수단과,

상기 소정의 광학계로부터 출사되는 상기 제2 광에 관계된 출력광을 촬상할 수 있는 제2 촬상 수단과,

상기 제1 촬상 수단 및 상기 제2 촬상 수단에 의해 촬상된 간섭 줄무늬 화상을 기본으로 상기 피계측물의 삼차원 계측을 실행할 수 있는 화상 처리 수단을 구비하고,

상기 제1 광과 상기 제2 광을 각각 상기 소정의 광학계의 다른 위치에 입사시키고,

상기 제1 광에 관계된 출력광과 상기 제2 광에 관계된 출력광을 각각 상기 소정의 광학계의 다른 위치로부터 출사시키는 것을 특징으로 하는 삼차원 계측 장치.

수단 2. 입사하는 소정의 광을 2개의 광으로 분할하고, 한쪽 광을 계측광으로서 피계측물에 조사할 수 있게 하고 또한 다른쪽 광을 참조광으로서 참조면에 조사할 수 있게 함과 아울러, 이들을 다시 합성해서 출사할 수 있는 소정의 광학계(특정 광학계)와,

상기 소정의 광학계의 제1 입출력부에 대해 입사시키는, 제1 파장의 편광을 포함하는 제1 광을 출사할 수 있는 제1 조사 수단과,

상기 소정의 광학계의 제2 입출력부에 대해 입사시키는, 제2 파장의 편광을 포함하는 제2 광을 출사할 수 있는 제2 조사 수단과,

상기 제1 입출력부에 대해 상기 제1 광을 입사하는 것에 의해 상기 제2 입출력부로부터 출사되는 상기 제1 광에 관계된 출력광을 촬상할 수 있는 제1 촬상 수단과,

상기 제2 입출력부에 대해 상기 제2 광을 입사하는 것에 의해 상기 제1 입출력부로부터 출사되는 상기 제2 광에 관계된 출력광을 촬상할 수 있는 제2 촬상 수단과,

상기 제1 촬상 수단 및 상기 제2 촬상 수단에 의해 촬상된 간섭 줄무늬 화상을 기본으로 상기 피계측물의 삼차원 계측을 실행할 수 있는 화상 처리 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 삼차원 계측 장치.

수단 3. 입사하는 소정의 광을 편광 방향이 서로 직교하는 2개의 편광으로 분할하는 경계면을 가지고, 그{該} 분할한 한쪽 편광을 계측광으로서 피계측물에 조사하고 또한 다른쪽 편광을 참조광으로서 참조면에 조사함과 아울러, 이들을 다시 합성해서 출사할 수 있는 편광 빔 스플리터와,

상기 경계면을 사이에 두고 서로 인접{隣合}하는 상기 편광 빔 스플리터의 제1 면 및 제2 면 중 제1 입출력부로 되는 상기 제1 면에 대해 입사시키는, 제1 파장의 편광을 포함하는 제1 광을 출사할 수 있는 제1 조사 수단과,

상기 편광 빔 스플리터의 제2 입출력부로 되는 상기 제2 면에 대해 입사시키는, 제2 파장의 편광을 포함하는 제2 광을 출사할 수 있는 제2 조사 수단과,

상기 참조광이 출사 및 입사{出入射}되는 상기 편광 빔 스플리터의 제3 면과 상기 참조면 사이에 배치된 제1의 1/4 파장판과,

상기 계측광이 출사 및 입사되는 상기 편광 빔 스플리터의 제4 면과 상기 피계측물 사이에 배치되는 제2의 1/4 파장판과,

상기 편광 빔 스플리터의 상기 제1 면에 대해 상기 제1 광을 입사하는 것에 의해 상기 제2 면으로부터 출사되는 상기 제1 광에 관계된 출력광을 촬상할 수 있는 제1 촬상 수단과,

상기 편광 빔 스플리터의 상기 제2 면에 대해 상기 제2 광을 입사하는 것에 의해 상기 제1 면으로부터 출사되는 상기 제2 광에 관계된 출력광을 촬상할 수 있는 제2 촬상 수단과,

수단 4. 제1 파장의 편광을 포함하는 제1 광을 출사할 수 있는 제1 조사 수단과,

제2 파장의 편광을 포함하는 제2 광을 출사할 수 있는 제2 조사 수단과,

상기 제1 조사 수단으로부터 입사되는 상기 제1 광을 편광 방향이 서로 직교하는 2개의 편광으로 분할하고, 한쪽 편광을 계측광으로서 피계측물에 대해 조사할 수 있게 하고 또한 다른쪽 편광을 참조광으로서 참조면에 대해 조사할 수 있게 함과 아울러, 상기 피계측물을 거쳐서 입사한 상기 제2 광에 관계된 계측광과, 상기 참조면을 거쳐서 입사한 상기 제2 광에 관계된 참조광을 합성해서 출사할 수 있는 제1 입출력부로서의 제1 편광 빔 스플리터와,

상기 제2 조사 수단으로부터 입사되는 상기 제2 광을 편광 방향이 서로 직교하는 2개의 편광으로 분할하고, 한쪽 편광을 계측광으로서 피계측물에 대해 조사할 수 있게 하고 또한 다른쪽 편광을 참조광으로서 참조면에 대해 조사할 수 있게 함과 아울러, 상기 피계측물을 거쳐서 입사한 상기 제1 광에 관계된 계측광과, 상기 참조면을 거쳐서 입사한 상기 제1 광에 관계된 참조광을 합성해서 출사할 수 있는 제2 입출력부로서의 제2 편광 빔 스플리터와,

상기 제1 편광 빔 스플리터와 상기 참조면 사이에 배치된 제1의 1/4 파장판과,

상기 제1 편광 빔 스플리터와 상기 피계측물 사이에 배치된 제2의 1/4 파장판과,

상기 제2 편광 빔 스플리터와 상기 참조면 사이에 배치된 제3의 1/4 파장판과,

상기 제2 편광 빔 스플리터와 상기 피계측물 사이에 배치된 제4의 1/4 파장판과,

상기 제1 편광 빔 스플리터에 대해 상기 제1 광을 입사하는 것에 의해 상기 제2 편광 빔 스플리터로부터 출사되는 상기 제1 광에 관계된 출력광을 촬상할 수 있는 제1 촬상 수단과,

상기 제2 편광 빔 스플리터에 대해 상기 제2 광을 입사하는 것에 의해 상기 제1 편광 빔 스플리터로부터 출사되는 상기 제2 광에 관계된 출력광을 촬상할 수 있는 제2 촬상 수단과,

수단 5. 제1의 편광 방향을 가지는 편광인 제1 편광(예를 들면 P편광)을 투과시키고, 제2의 편광 방향을 가지는 편광인 제2 편광(예를 들면 S편광)을 반사하는 경계면을 가지는 편광 빔 스플리터와,

상기 경계면을 사이에 두고 서로 인접하는 상기 편광 빔 스플리터의 제1 면 및 제2 면 중 제1 입출력부로 되는 상기 제1 면에 대해 입사시키는, 제1 파장의 상기 제1 편광을 포함하는 제1 광을 출사할 수 있는 제1 조사 수단과,

상기 편광 빔 스플리터의 제2 입출력부로 되는 상기 제2 면에 대해 입사시키는, 제2 파장의 상기 제2 편광을 포함하는 제2 광을 출사할 수 있는 제2 조사 수단과,

상기 경계면을 투과한 제1 광 및 상기 경계면에 반사된 제2 광이 출사되는 상기 편광 빔 스플리터의 제3 면과 서로 대향{相對向}하도록 배치된 1/4 파장판과,

상기 편광 빔 스플리터와는 반대측에서 상기 1/4 파장판과 서로 대향하도록 배치되고, 상기 1/4 파장판을 거쳐서 조사된 광의 일부를 계측광으로서 투과해서 피계측물에 조사하고 또한 나머지 광을 참조광으로서 반사하는 하프미러(참조면)와,

수단 6. 상기 제1 조사 수단으로부터 출사되는 제1 광의 적어도 일부를 상기 제1 입출력부를 향해 입사시킴과 아울러, 상기 제1 입출력부로부터 출사되는 상기 제2 광에 관계된 출력광의 적어도 일부를 상기 제2 촬상 수단을 향해 입사시키는 제1 도광{導光} 수단과,

상기 제2 조사 수단으로부터 출사되는 제2 광의 적어도 일부를 상기 제2 입출력부를 향해 입사시킴과 아울러, 상기 제2 입출력부로부터 출사되는 제1 광에 관계된 출력광의 적어도 일부를 상기 제1 촬상 수단을 향해 입사시키는 제2 도광 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 수단 2 내지 5 중 어느 하나에 기재된 삼차원 계측 장치.

수단 7. 상기 제1 조사 수단과 상기 제1 도광 수단 사이에, 상기 제1 조사 수단으로부터 출사되는 1방향의 광만을 투과하고 또한 역방향의 광을 차단하는 제1 광 아이솔레이터를 구비함과 아울러,

상기 제2 조사 수단과 상기 제2 도광 수단 사이에, 상기 제2 조사 수단으로부터 출사되는 1방향의 광만을 투과하고 또한 역방향의 광을 차단하는 제2 광 아이솔레이터를 구비한 것을 특징으로 하는 수단 6에 기재된 삼차원 계측 장치.

수단 8. 입사하는 소정의 광을 편광 방향이 서로 직교하는 2개의 편광으로 분할하고, 한쪽 편광을 계측광으로서 피계측물에 조사하고 또한 다른쪽 편광을 참조광으로서 참조면에 조사함과 아울러, 이들을 다시 합성해서 출사할 수 있는 소정의 광학계(간섭 광학계)와,

상기 소정의 광학계에 대해 입사시키는, 제1 파장을 가지는 제1 광을 출사할 수 있는 제1 조사 수단과,

상기 소정의 광학계에 대해 입사시키는, 상기 제1 파장과는 다른 제2 파장을 가지는 제2 광을 출사할 수 있는 제2 조사 수단과,

상기 소정의 광학계가,

상기 제1 광을, 제1의 편광 방향을 가지는 제1 편광(예를 들면 P편광)으로 이루어지는 상기 참조광과, 제2의 편광 방향을 가지는 제2 편광(예를 들면 S편광)으로 이루어지는 상기 계측광으로 분할하고,

상기 제2 광을, 상기 제2 편광으로 이루어지는 상기 참조광과, 상기 제1 편광으로 이루어지는 상기 계측광으로 분할하고,

이들을 다시 합성한 상기 제1 광에 관계된 출력광과 상기 제2 광에 관계된 출력광을 각각 상기 소정의 광학계의 다른 위치로부터 출사시키는 것을 특징으로 하는 삼차원 계측 장치.

수단 9. 상기 제1 광에 관계된 상기 참조광과 상기 계측광 사이에 상대적인 위상차를 부여하는 제1 위상 시프트 수단과,

상기 제2 광에 관계된 상기 참조광과 상기 계측광 사이에 상대적인 위상차를 부여하는 제2 위상 시프트 수단을 구비하고,

상기 화상 처리 수단은,

상기 제1 위상 시프트 수단에 의해 복수 가지{종류}(예를 들면 3가지 또는 4가지)로 위상 시프트된 상기 제1 광에 관계된 출력광을 상기 제1 촬상 수단에 의해 촬상한 복수 가지의 간섭 줄무늬 화상을 기본으로, 위상 시프트법에 의해 상기 피계측물의 형상 계측을 행하고, 해당{當該} 계측값을 제1 계측값으로서 취득할 수 있는 제1 계측값 취득 수단과,

상기 제2 위상 시프트 수단에 의해 복수 가지(예를 들면 3가지 또는 4가지)로 위상 시프트된 상기 제2 광에 관계된 출력광을 상기 제2 촬상 수단에 의해 촬상한 복수 가지의 간섭 줄무늬 화상을 기본으로, 위상 시프트법에 의해 상기 피계측물의 형상 계측을 행하고, 해당 계측값을 제2 계측값으로서 취득할 수 있는 제2 계측값 취득 수단과,

상기 제1 계측값 및 상기 제2 계측값으로부터 특정되는 높이 정보를, 상기 피계측물의 높이 정보로서 취득할 수 있는 높이 정보 취득 수단을 구비한 수단 1 내지 8 중 어느 하나에 기재된 삼차원 계측 장치.

수단 10. 상기 제1 광에 관계된 출력광을 복수의 광으로 분할하는 제1의 분광 수단과,

상기 제1 위상 시프트 수단으로서, 상기 제1의 분광 수단에 의해 분할된 복수의 분할광 중, 적어도 상기 위상 시프트법에 의한 계측에 필요한 수(예를 들면 3개 또는 4개)의 분할광에 대해서 각각 다른 위상차를 부여하는 제1의 필터 수단과,

상기 제2 광에 관계된 출력광을 복수의 광으로 분할하는 제2의 분광 수단과,

상기 제2 위상 시프트 수단으로서, 상기 제2의 분광 수단에 의해 분할된 복수의 분할광 중, 적어도 상기 위상 시프트법에 의한 계측에 필요한 수(예를 들면 3개 또는 4개)의 분할광에 대해서 각각 다른 위상차를 부여하는 제2의 필터 수단을 구비하고,

상기 제1 촬상 수단은, 적어도 상기 제1의 필터 수단을 투과하는 상기 복수의 분할광을 동시에 촬상할 수 있게 구성되고,

상기 제2 촬상 수단은, 적어도 상기 제2의 필터 수단을 투과하는 상기 복수의 분할광을 동시에 촬상할 수 있게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 수단 9에 기재된 삼차원 계측 장치.

수단 11. 상기 분광 수단(제1의 분광 수단 및 제2의 분광 수단)은,

제1의 평면을 따른 단면 형상{斷面形狀}이 삼각 형상으로 되는 삼각기둥{三角柱} 형상을 이루고, 그 제1의 평면과 직교하는 방향을 따른 3개의 면 중의 제1 면과 제2 면의 교선{交線}을 지나 제3 면과 직교하는 평면을 따라 제1 분기{分岐} 수단(제1의 하프미러)을 가지는 제1의 광학 부재(제1의 케스터 프리즘)와,

상기 제1의 평면과 직교하는 제2의 평면을 따른 단면 형상이 삼각 형상으로 되는 삼각기둥 형상을 이루고, 그 제2의 평면과 직교하는 방향을 따른 3개의 면 중의 제1 면과 제2 면의 교선을 지나 제3 면과 직교하는 평면을 따라 제2 분기 수단(제2의 하프미러)을 가지는 제2의 광학 부재(제2의 케스터 프리즘)를 구비하고,

상기 제1의 광학 부재의 제3 면과 상기 제2의 광학 부재의 제1 면을 서로 대향하도록 배치하는 것에 의해,

상기 제1의 광학 부재의 상기 제1 면에 대해 (수직으로) 입사되는 광을 상기 제1 분기 수단에 의해 2방향으로 분기시키고, 이 중 상기 제1 분기 수단에 의해 반사된 분할광을 상기 제1 면에서 상기 제3 면 측을 향해 반사시키고, 상기 제1 분기 수단을 투과한 분할광을 상기 제2 면에서 상기 제3 면 측을 향해 반사시키는 것에 의해, 상기 제3 면으로부터 평행하는{나란히 가는} 2개의 분할광으로서 출사시키고,

상기 제1의 광학 부재의 제3 면으로부터 출사된 2개의 분할광을 상기 제2의 광학 부재의 제1 면에 대해 (수직으로) 입사시키고, 그 2개의 분할광을 각각 상기 제2 분기 수단에 의해 2방향으로 분기시키고, 이 중 상기 제2 분기 수단에 의해 반사된 2개의 분할광을 각각 상기 제1 면에서 상기 제3 면 측을 향해 반사시키고, 상기 제2 분기 수단을 투과한 2개의 분할광을 각각 상기 제2 면에서 상기 제3 면 측을 향해 반사시키는 것에 의해, 상기 제3 면으로부터 평행하는 4개의 분할광으로서 출사시키는 것을 특징으로 하는 수단 10에 기재된 삼차원 계측 장치.

수단 12. 상기 제1 촬상 수단은, 적어도 상기 제1의 필터 수단을 투과하는 상기 복수의 분할광을 동시에 촬상할 수 있는 단일의 촬상 소자를 구비하고,

상기 제2 촬상 수단은, 적어도 상기 제2의 필터 수단을 투과하는 상기 복수의 분할광을 동시에 촬상할 수 있는 단일의 촬상 소자를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 수단 10 또는 11에 기재된 삼차원 계측 장치.

수단 13. 상기 피계측물이, 프린트 기판에 인쇄된 크림 땜납, 또는, 웨이퍼 기판에 형성된 땜납 범프인 것을 특징으로 하는 수단 1 내지 12 중 어느 하나에 기재된 삼차원 계측 장치.

상기 수단 1에 의하면, 제1 광과 제2 광을 각각 소정의 광학계의 다른 위치로부터 입사하는 것에 의해, 제1 광과 제2 광은 서로 간섭하는 일없이, 따로따로 소정의 광학계의 다른 위치로부터 출사되게 된다. 다시 말해, 소정의 광학계로부터 출사되는 광을 소정의 분리 수단을 이용하여 제1 광과 제2 광으로 분리할 필요가 없다.

또한, 이하 마찬가지이지만, 「소정의 광학계(특정 광학계)」로부터 출력되는 「제1 광에 관계된 출력광」에는 「제1 광에 관계된 참조광 및 계측광의 합성광, 또는, 그 합성광을 간섭시킨 간섭광」이 포함되고, 「제2 광에 관계된 출력광」에는 「제2 광에 관계된 참조광 및 계측광의 합성광, 또는, 그 합성광을 간섭시킨 간섭광」이 포함된다. 다시 말해 「소정의 광학계」에는, 「참조광 및 계측광을 내부에서 간섭시킨 다음 간섭광으로서 출력하는 광학계」 뿐만 아니라, 「참조광 및 계측광을 내부에서 간섭시키는 일없이, 단지 합성광으로서 출력하는 광학계」도 포함된다. 단, 「소정의 광학계」로부터 출력되는 「출력광」이 「합성광」인 경우에는, 「간섭 줄무늬 화상」을 촬상하기 위해서, 적어도 「촬상 수단」에 의해 촬상되기 전{前} 단계에서, 소정의 간섭 수단을 거쳐서 「간섭광」으로 변환{變換}하게 된다.

다시 말해, 광의 간섭을 일으키게 하는 것(간섭 줄무늬 화상을 촬상하는 것)를 목적으로 하여, 입사하는 소정의 광을 2개의 광으로 분할하고, 한쪽 광을 계측광으로서 피계측물에 조사할 수 있게 하고 또한 다른쪽 광을 참조광으로서 참조면에 조사할 수 있게 함과 아울러, 이들을 다시 합성해서 출사할 수 있는 광학계를 「간섭 광학계」라고 칭할 수가 있다. 따라서, 상기 수단 1에서(이하의 각 수단에서도 마찬가지), 「소정의 광학계(특정 광학계)」를 「간섭 광학계」라고 바꾸어말해도 좋다.

그 결과, 제1 광 및 제2 광으로서 파장이 가까운 2종류의 광을 이용할 수가 있고, 삼차원 계측에 관계된 계측 레인지를 보다 넓힐 수가 있다.

이에 더하여, 제1 광에 관계된 출력광의 촬상과, 제2 광에 관계된 출력광의 촬상을 동시에 행할 수 있기 때문에, 총체적인 촬상 시간을 단축할 수 있고, 계측 효율의 향상을 도모할 수가 있다.

또한, 2개의 광을 이용하는 경우에는, 2개의 간섭 광학계(간섭계 모듈)를 이용하여 피계측물을 계측하는 구성도 생각되지만, 이러한 구성에서는, 기준으로 되는 참조면이 각 간섭 광학계마다 다르고, 참조광과 계측광에 광로차를 일으키게 하는 광로 구간이 2개의 광에서 다르게 되기 때문에, 계측 정밀도가 저하할 우려가 있다. 또, 2개의 간섭 광학계의 광로 길이를 정확하게 일치시키는 것은 어렵고, 그 조정 작업도 매우 곤란한 작업으로 된다.

이 점, 본 수단은, 기준으로 되는 참조면을 1개 구비한 1개의 간섭 광학계(소정의 광학계)에 대해 2개의 광을 이용하는 구성으로 되어 있기 때문에, 참조광과 계측광에 광로차를 일으키게 하는 광로 구간이 2개의 광에서 동일하게 된다. 결과로서, 2개의 간섭 광학계를 구비하는 것에 기인한 여러 가지 문제점의 발생을 방지할 수가 있다.

또한, 이하의 수단에서도 마찬가지이지만, 「제1 조사 수단」으로부터 조사되는 「제1 광」은, 적어도 「제1 파장의 편광(제1 편광)」을 포함한 광이면 좋고, 그 후 「소정의 광학계」에서 컷{cut}되는 다른 여분의 성분을 포함한 광(예를 들면 「무편광{無偏光}」이나 「원 편광{圓偏光}」)이어도 좋다.

마찬가지로, 「제2 조사 수단」으로부터 조사되는 「제2 광」은, 적어도 「제2 파장의 편광(제2 편광)」을 포함한 광이면 좋고, 그 후 「소정의 광학계」에서 컷되는 다른 여분의 성분을 포함한 광(예를 들면 「무편광」이나 「원 편광」)이어도 좋다.

상기 수단 2에 의하면, 제1 광과 제2 광을 각각 소정의 광학계의 다른 위치(제1 입출력부 및 제2 입출력부)로부터 입사하는 것에 의해, 제1 광과 제2 광이 각각 동일한 광로를 역방향으로 거쳐{더듬어, 따라} 가서, 서로 간섭하는 일없이, 따로따로 소정의 광학계의 다른 위치(제1 입출력부 및 제2 입출력부)로부터 출사되게 된다. 다시 말해, 소정의 광학계로부터 출사되는 광을 소정의 분리 수단을 이용하여 제1 광과 제2 광으로 분리할 필요가 없다. 결과로서, 상기 수단 1과 마찬가지 작용 효과가 얻어진다.

또한, 이하의 수단에서도 마찬가지이지만, 상기 수단 2에 관계된 구성을 보다 적정하게 기능시키기 위해서는, 「상기 피계측물을 상기 참조면과 동일한 평면으로 한 경우에 있어서, 상기 제1 입출력부에 대해 입사시키는 상기 제1 광의 편광 방향과, 그 제1 입출력부로부터 출사되는 상기 제2 광에 관계된 출력광의 편광 방향이 동일하게 되고, 또한, 상기 제2 입출력부에 대해 입사시키는 상기 제2 광의 편광 방향과, 그 제2 입출력부로부터 출사되는 상기 제1 광에 관계된 출력광의 편광 방향이 동일하게 되는 것」이 보다 바람직하다.

마찬가지로, 「상기 제1 입출력부에 대해 상기 제1 광을 입사하는 입사 방향과, 상기 제2 입출력부에 대해 상기 제2 광을 입사하는 입사 방향을 그 양{兩}입사 방향을 포함하는 평면상에서 일치시킨 경우에 있어서, 상기 제1 광의 편광 방향과, 상기 제2 광의 편광 방향이 90° 다른 것」이 보다 바람직하다.

또, 「상기 소정의 광학계에서, (예를 들면 피계측물이나 참조면을 향해) 동일 축선 상을 동일 방향으로 향하는 상기 제1 광(또는 그 계측광 혹은 참조광)의 편광 방향과, 상기 제2 광(또는 그 계측광 혹은 참조광)의 편광 방향이 90° 다른 것」이 보다 바람직하다.

상기 수단 3에 의하면, 마이켈슨{Michelson} 간섭계의 원리에 근거한 비교적 간소한 구성으로, 상기 수단 1, 2에 관계된 구성을 실현할 수가 있다.

이하의 수단에서도 마찬가지이지만, 「편광 빔 스플리터」는, 그 경계면에서, 제1의 편광 방향을 가지는 제1 편광(예를 들면 P편광)을 투과시키고, 제2의 편광 방향을 가지는 제2 편광(예를 들면 S편광)을 반사하는 기능을 가진다. 따라서, 편광 빔 스플리터의 제1 면으로부터 입사된 제1 광은, 예를 들면 제1 편광으로 이루어지는 참조광과, 제2 편광으로 이루어지는 계측광으로 분할되고, 편광 빔 스플리터의 제2 면으로부터 입사된 제2 광은, 예를 들면 제2 편광으로 이루어지는 참조광과, 제1 편광으로 이루어지는 계측광으로 분할되게 된다.

다시 말해, 제1 광과 제2 광을 각각 소정의 광학계의 다른 위치(제1 면 및 제2 면)로부터 입사하는 것에 의해, 제1 광에 관계된 참조광 및 계측광과, 제2 광에 관계된 참조광 및 계측광이 각각 다른 편광 성분(P편광 또는 S편광)으로 분할되기 때문에, 제1 광과 제2 광은 서로 간섭하는 일없이, 따로따로 소정의 광학계로부터 출사되게 된다.

또한, 파장이 다른 2종류의 광을 이용하는 경우, 양{兩} 광에 공통하여 이용되는 상기 「1/4 파장판」은, 양 광의 파장차가 커지면 커질수록, 적정하게 기능하지 않게 된다. 이러한 점에서도, 파장차가 작은 2종류의 광을 이용하는 것이 보다 바람직하다.

상기 수단 4에 의하면, 마하젠더{Mach-Zehnder} 간섭계의 원리에 근거한 비교적 간소한 구성으로, 상기 수단 1, 2에 관계된 구성을 실현할 수가 있다.

상기 수단 5에 의하면, 피조{Fizeau} 간섭계의 원리에 근거한 비교적 간소한 구성으로, 상기 수단 1, 2에 관계된 구성을 실현할 수가 있다.

상기 수단 6에 의하면, 비교적 간소한 구성으로, 상기 수단 2 등에 관계된 구성을 실현할 수가 있다.

예를 들면 「상기 제1 조사 수단으로부터 출사되는 제1 광의 일부를 투과시키고 또한 나머지를 반사시키며, 그 제1 광의 투과광 또는 반사광을 상기 제1 입출력부를 향해 입사시킴과 아울러, 상기 제1 입출력부로부터 출사되는 제2 광에 관계된 출력광의 일부를 투과시키고 또한 나머지를 반사시키며, 그 제2 광의 투과광 또는 반사광을 상기 제2 촬상 수단을 향해 입사시키는 제1 무편광 빔 스플리터(하프미러 등)와,

상기 제2 조사 수단으로부터 출사되는 제2 광의 일부를 투과시키고 또한 나머지를 반사시키며, 그 제2 광의 투과광 또는 반사광을 상기 제2 입출력부를 향해 입사시킴과 아울러, 상기 제2 입출력부로부터 출사되는 제1 광에 관계된 출력광의 일부를 투과시키고 또한 나머지를 반사시키며, 그 제1 광의 투과광 또는 반사광을 상기 제1 촬상 수단을 향해 입사시키는 제2 무편광 빔 스플리터(하프미러 등)를 구비한」 구성을 1예로 들 수 있다.

상기 수단 6의 도광 수단으로서, 예를 들면 무편광 빔 스플리터를 구비한 경우에는, 그 무편광 빔 스플리터가, 입출력부로부터 출사된 광의 일부를 투과시키고 또한 나머지를 반사시키며, 그 광의 투과광 또는 반사광의 한쪽을 촬상 수단을 향해 입사시킬 때에, 그 촬상 수단에 입사하지 않는 다른쪽 광이 조사 수단으로 향하게 된다. 만일, 이러한 광이 조사 수단에 입사한 경우에는, 조사 수단이 손상되거나 동작이 불안정하게 될 우려가 있다.

이것에 대해, 본 수단 7에 의하면, 광 아이솔레이터를 구비하는 것에 의해, 조사 수단의 손상이나 불안정화 등을 방지할 수가 있다.

상기 수단 8에 의하면, 제1 광과 제2 광을 각각 소정의 광학계의 다른 위치로부터 입사시키는 것에 의해, 제1 광에 관계된 참조광 및 계측광과, 제2 광에 관계된 참조광 및 계측광이 각각 다른 편광 성분(P편광 또는 S편광)으로 분할되기 때문에, 소정의 광학계에 입사된 제1 광과 제2 광은 서로 간섭하는 일없이, 따로따로 소정의 광학계로부터 출사되게 된다.

따라서, 상기 수단 8에 의하면, 마이켈슨 간섭계나 마하젠더 간섭계의 원리에 근거한 비교적 간소한 구성으로, 상기 수단 1에 관계된 구성을 실현할 수가 있다.

위상 시프트법을 이용한 종래의 삼차원 계측 장치에서는, 위상을 4단계 또는 3단계로 변화시키고, 이들에 대응하는 4가지 또는 3가지의 간섭 줄무늬 화상을 촬상할 필요가 있었다. 그 때문에, 계측 레인지 향상을 위해, 파장차가 작은 2종류의 광을 이용하는 경우에는, 각각 다른 타이밍에서 4회씩(또는 3회씩), 합계 8회분(또는 합계 6회 분)의 촬상 시간이 필요했다.

이것에 대해, 본 수단 9에 의하면, 제1 광에 관계된 출력광의 촬상과, 제2 광에 관계된 출력광의 촬상을 동시에 행할 수 있기 때문에, 합계 4회분(또는 합계 3회분)의 촬상 시간으로, 2종류의 광에 관계된 합계 8가지(또는 6가지)의 간섭 줄무늬 화상을 취득할 수가 있다. 결과로서, 총체적인 촬상 시간을 단축할 수 있고, 계측 효율의 향상을 도모할 수가 있다.

상기 위상 시프트 수단으로서는, 예를 들면 참조면을 광축을 따라 이동시키는 것에 의해 물리적으로 광로 길이를 변화시키는 구성이 생각된다. 그렇지만, 이러한 구성에서는, 계측에 필요한 모든 간섭 줄무늬 화상을 취득하기까지 일정 시간을 요하기 때문에, 계측 시간이 길어질 뿐만 아니라, 그 공기의 흔들림{搖}이나 진동 등의 영향을 받기 때문에, 계측 정밀도가 저하할 우려가 있다.

이 점, 본 수단 10에 의하면, 계측에 필요한 모든 간섭 줄무늬 화상을 동시에 취득할 수가 있다. 다시 말해, 2종류의 광에 관계된 합계 8가지(또는 6가지)의 간섭 줄무늬 화상을 동시에 취득할 수가 있다. 결과로서, 계측 정밀도의 향상을 도모함과 아울러, 총체적인 촬상 시간을 대폭 단축할 수 있어, 계측 효율의 비약적인 향상을 도모할 수가 있다.

또한, 「분광 수단」으로서는, 예를 들면 「입사되는 광을, 각각 광로 길이가 동일하고 또한 진행 방향과 직교하는 평면에서 광로가 매트릭스형으로 배열된{늘어선} 4개의 광으로 분할하는 분광 수단」 등을 들 수 있다. 예를 들면, 하기의 수단 11과 같은 구성을 1예로 들 수 있다.

상기 수단 11에 의하면, 소정의 광학계(간섭 광학계)로부터 출사되는 광을 2행 2열의 매트릭스형으로 배열된 4개의 광으로 분광할 수가 있다. 이것에 의해, 예를 들면 하기의 수단 12와 같이 복수의 분할광을 단일의 촬상 소자에 의해 동시 촬상하는 구성에 있어서, 촬상 소자의 촬상 영역을 매트릭스형으로 4등분한 분할 영역을, 4개의 분할광에 각각 할당할 수 있기 때문에, 촬상 소자의 촬상 영역을 유효 활용할 수가 있다. 예를 들면 애스펙트 비가 4:3인 일반적인 촬상 소자의 촬상 영역을 4등분한 경우, 각 분할 영역의 애스펙트 비는 똑같이 4:3으로 되기 때문에, 각 분할 영역 내의 보다 넓은 범위를 이용할 수 있게 된다. 나아가서는, 더 높은{추가적인} 계측 정밀도의 향상을 도모할 수가 있다.

또, 만일 회절 격자를 분광 수단으로서 이용한 경우에는 분해능이 저하할 우려가 있지만, 본 수단에서는, 1개의 광을 평행하는 2개의 광으로 분할하고, 또 그 2개의 광을 각각 평행하는 2개의 광으로 분할하는 것에 의해, 평행하는 4개의 광으로 분광하는 구성으로 되어 있기 때문에, 분해능의 저하 억제를 도모할 수가 있다.

또, 1개의 광을 평행하는 2개의 광으로 분할하는 수단으로서, 상기 구성을 가지는 광학 부재(케스터 프리즘)를 채용하고 있기 때문에, 분할된 2개의 광의 광로 길이가 광학적으로 똑같아진다. 결과로서, 분할된 2개의 광의 광로 길이를 조정하는 광로 조정 수단을 구비할 필요가 없어, 부품 점수의 삭감을 도모함과 아울러, 구성의 간소화나 장치의 소형화 등을 도모할 수가 있다.

또, 제1의 광학 부재의 제3 면과 제2의 광학 부재의 제1 면이 당접{當接; abut}해 있으면, 분광 수단에 대해 1개의 광이 입사되고 나서, 4개의 광이 출사되기까지의 동안, 광이 광학 부재 내만을 진행하고, 공기 중으로 나오지 않는 구성으로 되기 때문에, 공기의 흔들림 등에 의한 영향을 저감할 수가 있다.

또한, 복수의 분할광을 동시에 촬상하는 경우에는, 촬상 수단을 구성하는 복수의 카메라(촬상 소자)에 의해 각 분할광을 각각 촬상하는 구성도 생각되지만, 이러한 구성에서는, 각 카메라(촬상 소자)의 차이{다름} 등에 의해, 계측 오차가 생길 우려가 있다.

이 점, 본 수단에 의하면, 복수의 분할광을 단일의 촬상 소자에 의해 동시 촬상하는 구성으로 되어 있기 때문에, 계측 오차 등의 발생을 억제하여, 계측 정밀도의 향상을 도모할 수가 있다.

상기 수단 13에 의하면, 프린트 기판에 인쇄된 크림 땜납, 또는, 웨이퍼 기판에 형성된 땜납 범프의 높이 계측 등을 행할 수가 있다. 나아가서는, 크림 땜납 또는 땜납 범프의 검사에서, 그 계측값에 근거하여 크림 땜납 또는 땜납 범프의 양부{良否} 판정을 행할 수가 있다. 따라서, 이러한 검사에서, 상기 각 수단의 작용 효과가 얻어지게 되어, 정밀도 좋게 양부 판정을 행할 수가 있다. 결과로서, 땜납 인쇄 검사 장치 또는 땜납 범프 검사 장치에서의 검사 정밀도의 향상을 도모할 수가 있다.

[도 1] 삼차원 계측 장치의 개략 구성도이다.
[도 2] 삼차원 계측 장치의 전기적 구성을 도시하는 블록도이다.
[도 3] 제1 광의 광로를 도시하는 광로도이다.
[도 4] 제2 광의 광로를 도시하는 광로도이다.
[도 5] 제2 실시 형태에 관계된 분광 광학계 등을 도시하는 개략 구성도이다.
[도 6] 제2 실시 형태에 관계된 필터 유닛의 개략 구성도이다.
[도 7] 제2 실시 형태에 관계된 촬상 소자의 촬상 영역의 개략 구성도이다.
[도 8] 제3 실시 형태에 관계된 삼차원 계측 장치의 개략 구성도이다.
[도 9] 제3 실시 형태에 관계된 제1 광의 광로를 도시하는 광로도이다.
[도 10] 제3 실시 형태에 관계된 제2 광의 광로를 도시하는 광로도이다.
[도 11] 제4 실시 형태에 관계된 삼차원 계측 장치의 개략 구성도이다.
[도 12] 제4 실시 형태에 관계된 제1 광의 광로를 도시하는 광로도이다.
[도 13] 제4 실시 형태에 관계된 제2 광의 광로를 도시하는 광로도이다.
[도 14] 제5 실시 형태에 관계된 삼차원 계측 장치의 개략 구성도이다.
[도 15] 제5 실시 형태에 관계된 분광 광학계를 도시하는 평면도이다.
[도 16] 제5 실시 형태에 관계된 분광 광학계를 도시하는 정면도이다.
[도 17] 제5 실시 형태에 관계된 분광 광학계를 도시하는 우측면도이다.
[도 18] 제5 실시 형태에 관계된 분광 광학계를 도시하는 사시도이다.
[도 19] 제6 실시 형태에 관계된 삼차원 계측 장치의 개략 구성도이다.
[도 20] 제7 실시 형태에 관계된 삼차원 계측 장치의 개략 구성도이다.
[도 21] 땜납 범프의 높이 계측의 원리를 설명하기 위한 설명도이다.
[도 22] 다른{別} 실시 형태에 관계된 필터 유닛의 개략 구성도이다.

[제1 실시 형태]

이하, 삼차원 계측 장치의 일실시 형태에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1은 본 실시 형태에 관계된 삼차원 계측 장치(1)의 개략 구성을 도시하는 모식도이며, 도 2는 삼차원 계측 장치(1)의 전기적 구성을 도시하는 블록도이다. 이하, 편의상, 도 1의 지면{紙面} 전후 방향을 「X축 방향」이라고 하고, 지면 상하 방향을 「Y축 방향」이라고 하고, 지면 좌우 방향을 「Z축 방향」이라고 하여 설명한다.

삼차원 계측 장치(1)는, 마이켈슨 간섭계의 원리에 근거하여 구성된 것이며, 특정 파장의 광을 출력할 수 있는 2개의 투광계{投光系}(2A, 2B)(제1 투광계(2A), 제2 투광계(2B))와, 그 투광계(2A, 2B)로부터 각각 출사{出射}되는 광이 입사{入射}되는 간섭 광학계(3)와, 그 간섭 광학계(3)로부터 출사되는 광을 촬상할 수 있는 2개의 촬상계(4A, 4B)(제1 촬상계(4A), 제2 촬상계(4B))와, 투광계(2A, 2B)나 간섭 광학계, 촬상계{撮像系}(4A, 4B) 등에 관계된 각종 제어나 화상 처리, 연산 처리 등을 행하는 제어 장치(5)를 구비하고 있다.

여기서, 「제어 장치(5)」가 본 실시 형태에서의 「화상 처리 수단」을 구성하고, 「간섭 광학계(3)」가 본 실시 형태에서의 「소정의 광학계(특정 광학계)」를 구성한다. 또한, 본원에 관계된 각 실시 형태에서는, 광의 간섭을 일으키게 하는 것(간섭 줄무늬 화상을 촬상하는 것)을 목적으로 해서, 입사하는 소정의 광을 2개의 광(계측광 및 참조광)으로 분할하고, 그 2개의 광에 광로차를 일으키게 한 다음, 재차{다시} 합성하여 출력하는 광학계를 「간섭 광학계」라고 한다. 다시 말해, 2개의 광을 내부에서 간섭시킨 다음 간섭광으로서 출력하는 광학계 뿐만 아니라, 2개의 광을 내부에서 간섭시키는 일없이, 단지 합성광으로서 출력하는 광학계에 대해서도 「간섭 광학계」라고 칭하고 있다. 따라서, 본 실시 형태에서 후술하는 바와 같이, 「간섭 광학계」로부터, 2개의 광(계측광 및 참조광)이 간섭하는 일없이 합성광으로서 출력되는 경우에는, 적어도 촬상되기 전{前} 단계(예를 들면 촬상계의 내부 등)에서, 소정의 간섭 수단을 거쳐서 간섭광으로 변환하게 된다.

우선, 2개의 투광계(2A, 2B)(제1 투광계(2A), 제2 투광계(2B))의 구성에 대해서 자세하게 설명한다. 제1 투광계(2A)는, 제1 발광부(11A), 제1 광 아이솔레이터(12A), 제1 무편광 빔 스플리터(13A) 등을 구비하고 있다. 여기서 「제1 발광부(11A)」가 본 실시 형태에서의 「제1 조사 수단」을 구성한다.

도시는 생략하지만, 제1 발광부(11A)는, 특정 파장 λ₁의 직선 편광을 출력할 수 있는 레이저 광원이나, 그 레이저 광원으로부터 출력되는 직선 편광을 확대하고 평행광으로서 출사하는 빔 익스팬더, 강도 조정을 행하기 위한 편광판, 편광 방향을 조정하기 위한 1/2 파장판 등을 구비하고 있다.

이러한 구성 하에서, 본 실시 형태에서는, 제1 발광부(11A)로부터, X축 방향 및 Y축 방향에 대해 45° 경사진 방향을 편광 방향으로 하는 파장 λ₁(예를 들면 λ₁=1500㎚)의 직선 편광이 Z축 방향 좌향{左向}으로 출사된다. 여기서 「파장 λ₁」이 본 실시 형태에서의 「제1 파장」에 상당{相當}한다. 이후{以降}, 제1 발광부(11A)로부터 출사되는 파장 λ₁의 광을 「제1 광」이라고 한다.

제1 광 아이솔레이터(12A)는, 1방향(본 실시 형태에서는 Z축 방향 좌향)으로 진행하는 광만을 투과하고 역방향(본 실시 형태에서는 Z축 방향 우향{右向}의 광을 차단하는 광학 소자이다. 이것에 의해, 제1 발광부(11A)로부터 출사된 제1 광만을 투과하게 되어, 귀환광{되돌아오는 광}에 의한 제1 발광부(11A)의 손상이나 불안정화 등을 방지할 수가 있다.

제1 무편광 빔 스플리터(13A)는, 직각 프리즘(직각 이등변 삼각형을 밑면{底面}으로 하는 삼각기둥 모양{三角柱狀}의 프리즘. 이하 마찬가지.)을 붙여 합쳐서{서로 접합하여} 일체로 한 큐브형의 공지의 광학 부재로서, 그의 접합면(13Ah)에는 예를 들면 금속막 등의 코팅이 입혀져{실시되어} 있다. 「제1 무편광 빔 스플리터(13A)」가 본 실시 형태에서의 「제1 도광 수단」을 구성한다.

이하 마찬가지이지만, 무편광 빔 스플리터는, 편광 상태도 포함해서, 입사광을 소정의 비율로 투과광과 반사광으로 분할하는 것이다. 본 실시 형태에서는, 1:1의 분할비를 가진 소위 하프미러를 채용하고 있다. 다시 말해, 투과광의 P편광 성분 및 S편광 성분과, 반사광의 P편광 성분 및 S편광 성분이 모두 동일한 비율로 분할됨과 아울러, 투과광과 반사광의 각 편광 상태는 입사광의 편광 상태와 동일하게 된다.

또한, 본 실시 형태에서는, 도 1의 지면과 평행한 방향(Y축 방향 또는 Z축 방향)을 편광 방향으로 하는 직선 편광을 P편광(P편광 성분)이라고 하고, 도 1의 지면과 수직인 X축 방향을 편광 방향으로 하는 직선 편광을 S편광(S편광 성분)이라고 한다. 「P편광」이 「제1의 편광 방향을 가지는 제1 편광」에 상당하고, 「S편광」이 「제2의 편광 방향을 가지는 제2 편광」에 상당한다.

또, 제1 무편광 빔 스플리터(13A)는, 그의 접합면(13Ah)을 사이에 두고 서로 인접{隣合}하는 2면 중의 한쪽이 Y축 방향과 직교하고 또한 다른쪽이 Z축 방향과 직교하도록 배치되어 있다. 다시 말해, 제1 무편광 빔 스플리터(13A)의 접합면(13Ah)이 Y축 방향 및 Z축 방향에 대해 45° 경사지도록 배치되어 있다. 보다 자세하게는, 제1 광 아이솔레이터(12A)를 거쳐서, 제1 발광부(11A)로부터 Z축 방향 좌향으로 입사하는 제1 광의 일부(절반)를 Z축 방향 좌향으로 투과시키고, 나머지(절반)를 Y축 방향 하향으로 반사시키도록 배치되어 있다.

제2 투광계(2B)는, 상기 제1 투광계(2A)와 마찬가지로, 제2 발광부(11B), 제2 광 아이솔레이터(12B), 제2 무편광 빔 스플리터(13B) 등을 구비하고 있다. 여기서 「제2 발광부(11B)」가 본 실시 형태에서의 「제2 조사 수단」을 구성한다.

제2 발광부(11B)는, 상기 제1 발광부(11A)와 마찬가지로, 특정 파장 λ₂의 직선 편광을 출력할 수 있는 레이저 광원이나, 그 레이저 광원으로부터 출력되는 직선 편광을 확대하고 평행광으로서 출사하는 빔 익스팬더, 강도 조정을 행하기 위한 편광판, 편광 방향을 조정하기 위한 1/2 파장판 등을 구비하고 있다.

이러한 구성 하에서, 본 실시 형태에서는, 제2 발광부(11B)로부터, X축 방향 및 Z축 방향에 대해 45° 경사진 방향을 편광 방향으로 하는 파장 λ₂(예를 들면 λ₂=1503㎚)의 직선 편광이 Y축 방향 상향{上向}으로 출사된다. 여기서 「파장 λ₂」가 본 실시 형태에서의 「제2 파장」에 상당한다. 이후, 제2 발광부(11B)로부터 출사되는 파장 λ₂의 광을 「제2 광」이라고 한다.

제2 광 아이솔레이터(12B)는, 제1 광 아이솔레이터(12A)와 마찬가지로, 1방향(본 실시 형태에서는 Y축 방향 상향)으로 진행하는 광만을 투과하고 역방향(본 실시 형태에서는 Y축 방향 하향)의 광을 차단하는 광학 소자이다. 이것에 의해, 제2 발광부(11B)로부터 출사된 제2 광만을 투과하게 되어, 귀환광에 의한 제2 발광부(11B)의 손상이나 불안정화 등을 방지할 수가 있다.

제2 무편광 빔 스플리터(13B)는, 제1 무편광 빔 스플리터(13A)와 마찬가지로, 직각 프리즘을 붙여 합쳐서 일체로 한 큐브형의 공지의 광학 부재로서, 그의 접합면(13Bh)에는 예를 들면 금속막 등의 코팅이 입혀져 있다. 「제2 무편광 빔 스플리터(13B)」가 본 실시 형태에서의 「제2 도광 수단」을 구성한다.

또, 제2 무편광 빔 스플리터(13B)는, 그의 접합면(13Bh)을 사이에 두고 서로 인접하는 2면 중의 한쪽이 Y축 방향과 직교하고 또한 다른쪽이 Z축 방향과 직교하도록 배치되어 있다. 다시 말해, 제2 무편광 빔 스플리터(13B)의 접합면(13Bh)이 Y축 방향 및 Z축 방향에 대해 45° 경사지도록 배치되어 있다. 보다 자세하게는, 제2 광 아이솔레이터(12B)를 거쳐서, 제2 발광부(11B)로부터 Y축 방향 상향으로 입사하는 제2 광의 일부(절반)를 Y축 방향 상향으로 투과시키고, 나머지(절반)를 Z축 방향 우향으로 반사시키도록 배치되어 있다.

다음에 간섭 광학계(3)의 구성에 대해서 자세하게 설명한다. 간섭 광학계(3)는, 편광 빔 스플리터(PBS)(20), 1/4 파장판(21, 22), 참조면(23), 설치부(24) 등을 구비하고 있다.

편광 빔 스플리터(20)는, 직각 프리즘을 붙여 합쳐서 일체로 한 큐브형의 공지의 광학 부재로서, 그의 접합면(경계면)(20h)에는 예를 들면 유전체 다층막 등의 코팅이 입혀져 있다.

편광 빔 스플리터(20)는, 입사되는 직선 편광을 편광 방향이 서로 직교하는 2개의 편광 성분(P편광 성분과 S편광 성분)으로 분할하는 것이다. 본 실시 형태에서의 편광 빔 스플리터(20)는, P편광 성분을 투과시키고, S편광 성분을 반사하는 구성으로 되어 있다. 또, 본 실시 형태에서의 편광 빔 스플리터(20)는, 입사하는 소정의 광을 2개의 광으로 분할하는 「분할 수단」을 구성함과 아울러, 이들을 다시 합성하는 「합성 수단」을 구성하게 된다.

편광 빔 스플리터(20)는, 그의 접합면(20h)을 사이에 두고 서로 인접하는 2면 중의 한쪽이 Y축 방향과 직교하고 또한 다른쪽이 Z축 방향과 직교하도록 배치되어 있다. 다시 말해, 편광 빔 스플리터(20)의 접합면(20h)이 Y축 방향 및 Z축 방향에 대해 45° 경사지도록 배치되어 있다.

보다 자세하게는, 상기 제1 무편광 빔 스플리터(13A)로부터 Y축 방향 하향으로 반사된 제1 광이 입사하는 편광 빔 스플리터(20)의 제1 면(Y축 방향 상측면)(20a), 및, 그 제1 면(20a)과 서로 대향{相對向}하는 제3 면(Y축 방향 하측면)(20c)이 Y축 방향과 직교하도록 배치되어 있다. 「편광 빔 스플리터(20)의 제1 면(20a)」이 본 실시 형태에서의 「제1 입출력부」에 상당한다.

한편, 제1 면(20a)과 접합면(20h)을 사이에 두고 서로 인접하는 면으로서, 상기 제2 무편광 빔 스플리터(13B)로부터 Z축 방향 우향으로 반사된 제2 광이 입사하는 편광 빔 스플리터(20)의 제2 면(Z축 방향 좌측면)(20b), 및, 그 제2 면(20b)과 서로 대향하는 제4 면(Z축 방향 우측면)(20d)이 Z축 방향과 직교하도록 배치되어 있다. 「편광 빔 스플리터(20)의 제2 면(20b)」이 본 실시 형태에서의 「제2 입출력부」에 상당한다.

또, 편광 빔 스플리터(20)의 제3 면(20c)과 Y축 방향으로 서로 대향하도록 1/4 파장판(21)이 배치되고, 그 1/4 파장판(21)과 Y축 방향으로 서로 대향하도록 참조면(23)이 배치되어 있다.

1/4 파장판(21)은, 본 실시 형태에서의 「제1의 1/4 파장판」에 상당하는 것이며, 직선 편광을 원 편광으로 변환하고 또한 원 편광을 직선 편광으로 변환하는 기능을 가진다. 다시 말해, 편광 빔 스플리터(20)의 제3 면(20c)으로부터 출사되는 직선 편광(참조광)은 1/4 파장판(21)을 거쳐서 원 편광으로 변환된 다음 참조면(23)에 대해 조사된다. 또, 참조면(23)에서 반사된 참조광은, 재차, 1/4 파장판(21)을 거쳐서 원 편광으로부터 직선 편광으로 변환된 다음 편광 빔 스플리터(20)의 제3 면(20c)에 입사한다.

한편, 편광 빔 스플리터(20)의 제4 면(20d)과 Z축 방향으로 서로 대향하도록 1/4 파장판(22)이 배치되고, 그 1/4 파장판(22)과 Z축 방향으로 서로 대향하도록 설치부(24)가 배치되어 있다.

1/4 파장판(22)은, 본 실시 형태에서의 「제2의 1/4 파장판」에 상당하는 것이며, 직선 편광을 원 편광으로 변환하고 또한 원 편광을 직선 편광으로 변환하는 기능을 가진다. 다시 말해, 편광 빔 스플리터(20)의 제4 면(20d)으로부터 출사되는 직선 편광(계측광)은 1/4 파장판(22)을 거쳐서 원 편광으로 변환된 다음 설치부(24)에 놓여진 피계측물로서의 워크(W)에 대해 조사된다. 또, 워크(W)에서 반사된 계측광은, 재차, 1/4 파장판(22)을 거쳐서 원 편광으로부터 직선 편광으로 변환된 다음 편광 빔 스플리터(20)의 제4 면(20d)에 입사한다.

다음에 2개의 촬상계(4A, 4B)(제1 촬상계(4A), 제2 촬상계(4B))의 구성에 대해서 자세하게 설명한다. 제1 촬상계(4A)는, 1/4 파장판(31A), 제1 편광판(32A), 제1 촬상 수단을 구성하는 제1 카메라(33A) 등을 구비하고 있다.

1/4 파장판(31A)은, 제2 무편광 빔 스플리터(13B)를 Z축 방향 좌향으로 투과해서 온 직선 편광(제1 광의 참조광 성분 및 계측광 성분)을 각각 원 편광으로 변환하기 위한 것이다.

제1 편광판(32A)은, 1/4 파장판(31A)에 의해 원 편광으로 변환된 제1 광의 각 성분을 선택적으로 투과시키는 것이다. 이것에 의해, 회전 방향{回轉方向}이 다른 제1 광의 참조광 성분과 계측광 성분을 특정의 위상에 대해서 간섭시킬 수가 있다. 「제1 편광판(32A)」이 본 실시 형태에서의 「제1 위상 시프트 수단」 및 「간섭 수단」을 구성한다.

본 실시 형태에 관계된 제1 편광판(32A)은, Z축 방향을 축심으로 해서 회전 가능하게 구성됨과 아울러, 그 투과축 방향이 45°씩 변화하도록 제어된다. 구체적으로는, 투과축 방향이 Y축 방향에 대해 「0°」, 「45°」, 「90°」, 「135°」로 되도록 변화한다.

이것에 의해, 제1 편광판(32A)을 투과하는 제1 광의 참조광 성분 및 계측광 성분을 4가지의 위상으로 간섭시킬 수가 있다. 다시 말해, 위상이 90°씩 다른 간섭광을 생성할 수가 있다. 구체적으로는, 위상이 「0°」인 간섭광, 위상이 「90°」인 간섭광, 위상이 「180°」인 간섭광, 위상이 「270°」인 간섭광을 생성할 수가 있다.

제1 카메라(33A)는, 렌즈나 촬상 소자 등을 구비해서 이루어지는 공지의 것이다. 본 실시 형태에서는, 제1 카메라(33A)의 촬상 소자로서, CCD 에리어 센서를 채용하고 있다. 물론, 촬상 소자는, 이것에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면 CMOS 에리어 센서 등을 채용해도 좋다.

제1 카메라(33A)에 의해서 촬상된 화상 데이터는, 제1 카메라(33A) 내부에서 디지털 신호로 변환된 다음, 디지털 신호의 형태로 제어 장치(5)(화상 데이터 기억 장치(54))에 입력되도록 되어 있다.

구체적으로는, 제1 광에 관계된 위상 「0°」의 간섭 줄무늬 화상, 위상 「90°」의 간섭 줄무늬 화상, 위상 「180°」의 간섭 줄무늬 화상, 위상 「270°」의 간섭 줄무늬 화상이 제1 카메라(33A)에 의해 촬상되게 된다.

제2 촬상계(4B)는, 제1 촬상계(4A)와 마찬가지로, 1/4 파장판(31B), 제2 편광판(32B), 제2 촬상 수단을 구성하는 제2 카메라(33B) 등을 구비하고 있다.

1/4 파장판(31B)은, 제1 무편광 빔 스플리터(13A)를 Y축 방향 상향으로 투과해 온 직선 편광(제2 광의 참조광 성분 및 계측광 성분)을 각각 원 편광으로 변환하기 위한 것이다.

제2 편광판(32B)은, 제1 편광판(32A)과 마찬가지로, 1/4 파장판(31B)에 의해 원 편광으로 변환된 제2 광의 각 성분을 선택적으로 투과시키는 것이다. 이것에 의해, 회전 방향이 다른 제2 광의 참조광 성분과 계측광 성분을 특정의 위상에 대해서 간섭시킬 수가 있다. 「제2 편광판(32B)」이 본 실시 형태에서의 「제2 위상 시프트 수단」 및 「간섭 수단」을 구성한다.

본 실시 형태에 관계된 제2 편광판(32B)은, Y축 방향을 축심으로 해서 회전 가능하게 구성됨과 아울러, 그 투과축 방향이 45°씩 변화하도록 제어된다. 구체적으로는, 투과축 방향이 X축 방향에 대해 「0°」, 「45°」, 「90°」, 「135°」로 되도록 변화한다.

이것에 의해, 제2 편광판(32B)을 투과하는 제2 광의 참조광 성분 및 계측광 성분을 4가지의 위상으로 간섭시킬 수가 있다. 다시 말해, 위상이 90°씩 다른 간섭광을 생성할 수가 있다. 구체적으로는, 위상이 「0°」인 간섭광, 위상이 「90°」인 간섭광, 위상이 「180°」인 간섭광, 위상이 「270°」인 간섭광을 생성할 수가 있다.

제2 카메라(33B)는, 제1 카메라(33A)와 마찬가지로, 렌즈나 촬상 소자 등을 구비하여 이루어지는 공지의 것이다. 본 실시 형태에서는, 제1 카메라(33A)와 마찬가지로, 제2 카메라(33B)의 촬상 소자로서, CCD 에리어 센서를 채용하고 있다. 물론, 촬상 소자는, 이것에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면 CMOS 에리어 센서 등을 채용해도 좋다.

제1 카메라(33A)와 마찬가지로, 제2 카메라(33B)에 의해서 촬상된 화상 데이터는, 제2 카메라(33B) 내부에서 디지털 신호로 변환된 다음, 디지털 신호의 형태로 제어 장치(5)(화상 데이터 기억 장치(54))에 입력되도록 되어 있다.

구체적으로는, 제2 광에 관계된 위상 「0°」의 간섭 줄무늬 화상, 위상 「90°」의 간섭 줄무늬 화상, 위상 「180°」의 간섭 줄무늬 화상, 위상 「270°」의 간섭 줄무늬 화상이 제2 카메라(33B)에 의해 촬상되게 된다.

여기서 제어 장치(5)의 전기적 구성에 대해서 설명한다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 제어 장치(5)는, 삼차원 계측 장치(1) 전체의 제어를 맡는 CPU 및 입출력 인터페이스(51), 키보드나 마우스, 혹은, 터치 패널로 구성되는 「입력 수단」으로서의 입력 장치(52), 액정 화면 등의 표시 화면을 가지는 「표시 수단」으로서의 표시 장치(53), 카메라(33A, 33B)에 의해 촬상된 화상 데이터 등을 순차{順次} 기억하기 위한 화상 데이터 기억 장치(54), 각종 연산 결과를 기억하기 위한 연산 결과 기억 장치(55), 각종 정보를 미리 기억해 두는 설정 데이터 기억 장치(56)를 구비하고 있다. 또한, 이들 각 장치(52∼56)는, CPU 및 입출력 인터페이스(51)에 대해 전기적으로 접속되어 있다.

다음에 삼차원 계측 장치(1)의 작용에 대해서 설명한다. 또한, 후술하는 바와 같이, 본 실시 형태에서의 제1 광 및 제2 광의 조사는 동시에 행해지는 것이며, 제1 광의 광로와 제2 광의 광로가 일부에서 겹치게 되지만, 여기에서는, 보다 알기 쉽게 하기 위해서, 제1 광 및 제2 광의 광로마다 다른 도면을 이용하여 개별적으로 설명한다.

우선 제1 광의 광로에 대해서 도 3을 참조하여 설명한다. 도 3에 도시하는 바와 같이, 파장 λ₁의 제1 광(편광 방향이 X축 방향 및 Y축 방향에 대해 45° 경사진 직선 편광)이 제1 발광부(11A)로부터 Z축 방향 좌향으로 출사된다.

제1 발광부(11A)로부터 출사된 제1 광은, 제1 광 아이솔레이터(12A)를 통과하고, 제1 무편광 빔 스플리터(13A)에 입사한다. 제1 무편광 빔 스플리터(13A)에 입사된 제1 광의 일부는 Z축 방향 좌향으로 투과하고, 나머지는 Y축 방향 하향으로 반사된다.

이 중, Y축 방향 하향으로 반사된 제1 광(편광 방향이 X축 방향 및 Z축 방향에 대해 45° 경사진 직선 편광)은, 편광 빔 스플리터(20)의 제1 면(20a)에 입사한다. 한편, Z축 방향 좌향으로 투과한 제1 광은, 어떠한 광학계 등에 입사하는 일없이, 버리는 광{捨光}으로 된다.

여기서, 버리는 광으로 되는 광을, 필요에 따라서 파장 계측 혹은 광의 파워 계측에 이용하면, 광원을 안정화시키고 나아가서는 계측 정밀도의 향상을 도모할 수가 있다(이하 마찬가지).

편광 빔 스플리터(20)의 제1 면(20a)으로부터 Y축 방향 하향으로 입사된 제1 광은, 그의 P편광 성분이 Y축 방향 하향으로 투과해서 제3 면(20c)으로부터 참조광으로서 출사되는 한편, 그의 S편광 성분이 Z축 방향 우향으로 반사되어 제4 면(20d)으로부터 계측광으로서 출사된다.

편광 빔 스플리터(20)의 제3 면(20c)으로부터 출사된 제1 광에 관계된 참조광(P편광)은, 1/4 파장판(21)을 통과하는 것에 의해 우회전{右回}의 원 편광으로 변환된 후, 참조면(23)에서 반사된다. 여기서, 광의 진행 방향에 대한 회전 방향은 유지된다. 그 후, 제1 광에 관계된 참조광은, 재차, 1/4 파장판(21)을 통과함으로써, 우회전의 원 편광으로부터 S편광으로 변환된 다음 편광 빔 스플리터(20)의 제3 면(20c)에 재입사{再入射}한다.

한편, 편광 빔 스플리터(20)의 제4 면(20d)으로부터 출사된 제1 광에 관계된 계측광(S편광)은, 1/4 파장판(22)을 통과하는 것에 의해 좌회전{左回}의 원 편광으로 변환된 후, 워크(W)에서 반사된다. 여기서, 광의 진행 방향에 대한 회전 방향은 유지된다. 그 후, 제1 광에 관계된 계측광은, 재차, 1/4 파장판(22)을 통과함으로써, 좌회전의 원 편광으로부터 P편광으로 변환된 다음 편광 빔 스플리터(20)의 제4 면(20d)에 재입사한다.

여기서, 편광 빔 스플리터(20)의 제3 면(20c)으로부터 재입사된 제1 광에 관계된 참조광(S편광)이 접합면(20h)에서 Z축 방향 좌향으로 반사되는 한편, 제4 면(20d)으로부터 재입사된 제1 광에 관계된 계측광(P편광)은 접합면(20h)을 Z축 방향 좌향으로 투과한다. 그리고, 제1 광에 관계된 참조광 및 계측광이 합성된 상태의 합성광이 출력광으로서 편광 빔 스플리터(20)의 제2 면(20b)으로부터 출사된다.

편광 빔 스플리터(20)의 제2 면(20b)으로부터 출사된 제1 광에 관계된 합성광(참조광 및 계측광)은, 제2 무편광 빔 스플리터(13B)에 입사한다. 제2 무편광 빔 스플리터(13B)에 대해 Z축 방향 좌향으로 입사된 제1 광에 관계된 합성광은, 그의 일부가 Z축 방향 좌향으로 투과하고, 나머지가 Y축 방향 하향으로 반사된다. 이 중, Z축 방향 좌향으로 투과한 합성광(참조광 및 계측광)은 제1 촬상계(4A)에 입사하게 된다. 한편, Y축 방향 하향으로 반사된 합성광은, 제2 광 아이솔레이터(12B)에 의해 그의 진행이 차단되고, 버리는 광으로 된다.

제1 촬상계(4A)에 입사된 제1 광에 관계된 합성광(참조광 및 계측광)은, 우선 1/4 파장판(31A)에 의해, 그의 참조광 성분(S편광 성분)이 좌회전의 원 편광으로 변환되고, 그의 계측광 성분(P편광 성분)이 우회전의 원 편광으로 변환된다. 여기서, 좌회전의 원 편광과 우회전의 원 편광은 회전 방향이 다르므로 간섭하지 않는다.

제1 광에 관계된 합성광은, 계속해서 제1 편광판(32A)을 통과하는 것에 의해, 그의 참조광 성분과 계측광 성분이 제1 편광판(32A)의 각도에 따른 위상으로 간섭한다. 그리고, 이러한 제1 광에 관계된 간섭광이 제1 카메라(33A)에 의해 촬상된다.

다음에 제2 광의 광로에 대해서 도 4를 참조하여 설명한다. 도 4에 도시하는 바와 같이, 파장 λ₂의 제2 광(편광 방향이 X축 방향 및 Z축 방향에 대해 45° 경사진 직선 편광)이 제2 발광부(11B)로부터 Y축 방향 상향으로 출사된다.

제2 발광부(11B)로부터 출사된 제2 광은, 제2 광 아이솔레이터(12B)를 통과하고, 제2 무편광 빔 스플리터(13B)에 입사한다. 제2 무편광 빔 스플리터(13B)에 입사된 제2 광의 일부는 Y축 방향 상향으로 투과하고, 나머지는 Z축 방향 우향으로 반사된다.

이 중, Z축 방향 우향으로 반사된 제2 광(편광 방향이 X축 방향 및 Y축 방향에 대해 45° 경사진 직선 편광)은, 편광 빔 스플리터(20)의 제2 면(20b)에 입사한다. 한편, Y축 방향 상향으로 투과한 제2 광은, 어떠한 광학계 등에 입사하는 일없이, 버리는 광으로 된다.

편광 빔 스플리터(20)의 제2 면(20b)으로부터 Z축 방향 우향으로 입사된 제2 광은, 그의 S편광 성분이 Y축 방향 하향으로 반사되어 제3 면(20c)으로부터 참조광으로서 출사되는 한편, 그의 P편광 성분이 Z축 방향 우향으로 투과해서 제4 면(20d)으로부터 계측광으로서 출사된다.

편광 빔 스플리터(20)의 제3 면(20c)으로부터 출사된 제2 광에 관계된 참조광(S편광)은, 1/4 파장판(21)을 통과하는 것에 의해 좌회전의 원 편광으로 변환된 후, 참조면(23)에서 반사된다. 여기서, 광의 진행 방향에 대한 회전 방향은 유지된다. 그 후, 제2 광에 관계된 참조광은, 재차, 1/4 파장판(21)을 통과함으로써, 좌회전의 원 편광으로부터 P편광으로 변환된 다음 편광 빔 스플리터(20)의 제3 면(20c)에 재입사한다.

한편, 편광 빔 스플리터(20)의 제4 면(20d)으로부터 출사된 제2 광에 관계된 계측광(P편광)은, 1/4 파장판(22)을 통과하는 것에 의해 우회전의 원 편광으로 변환된 후, 워크(W)에서 반사된다. 여기서, 광의 진행 방향에 대한 회전 방향은 유지된다. 그 후, 제2 광에 관계된 계측광은, 재차, 1/4 파장판(22)을 통과함으로써, 우회전의 원 편광으로부터 S편광으로 변환된 다음 편광 빔 스플리터(20)의 제4 면(20d)에 재입사한다.

여기서, 편광 빔 스플리터(20)의 제3 면(20c)으로부터 재입사된 제2 광에 관계된 참조광(P편광)은 접합면(20h)을 Y축 방향 상향으로 투과하는 한편, 제4 면(20d)으로부터 재입사된 제2 광에 관계된 계측광(S편광)은 접합면(20h)에서 Y축 방향 상향으로 반사된다. 그리고, 제2 광에 관계된 참조광 및 계측광이 합성된 상태의 합성광이 출력광으로서 편광 빔 스플리터(20)의 제1 면(20a)으로부터 출사된다.

편광 빔 스플리터(20)의 제1 면(20a)으로부터 출사된 제2 광에 관계된 합성광(참조광 및 계측광)은, 제1 무편광 빔 스플리터(13A)에 입사한다. 제1 무편광 빔 스플리터(13A)에 대해 Y축 방향 상향으로 입사된 제2 광에 관계된 합성광은, 그의 일부가 Y축 방향 상향으로 투과하고, 나머지가 Z축 방향 우향으로 반사된다. 이 중, Y축 방향 상향으로 투과한 합성광(참조광 및 계측광)은 제2 촬상계(4B)에 입사하게 된다. 한편, Z축 방향 우향으로 반사된 합성광은, 제1 광 아이솔레이터(12A)에 의해 그의 진행이 차단되고, 버리는 광으로 된다.

제2 촬상계(4B)에 입사된 제2 광에 관계된 합성광(참조광 및 계측광)은, 우선 1/4 파장판(31B)에 의해, 그의 참조광 성분(P편광 성분)이 우회전의 원 편광으로 변환되고, 그의 계측광 성분(S편광 성분)이 좌회전의 원 편광으로 변환된다. 여기서, 좌회전의 원 편광과 우회전의 원 편광은 회전 방향이 다르므로 간섭하지 않는다.

제2 광에 관계된 합성광은, 계속해서 제2 편광판(32B)을 통과하는 것에 의해, 그의 참조광 성분과 계측광 성분이 제2 편광판(32B)의 각도에 따른 위상으로 간섭한다. 그리고, 이러한 제2 광에 관계된 간섭광이 제2 카메라(33B)에 의해 촬상된다.

다음에, 제어 장치(5)에 의해서 실행되는 형상 계측 처리의 수순{手順}에 대해서 자세하게 설명한다. 우선은, 설치부(24)에 워크(W)를 설치한 후, 제1 촬상계(4A)의 제1 편광판(32A)의 투과축 방향을 소정의 기준 위치(예를 들면 「0°」)로 설정함과 아울러, 제2 촬상계(4B)의 제2 편광판(32B)의 투과축 방향을 소정의 기준 위치(예를 들면 「0°」)로 설정한다.

계속해서, 제1 투광계(2A)로부터 제1 광을 조사함과 동시에, 제2 투광계(2B)로부터 제2 광을 조사한다. 그 결과, 간섭 광학계(3)의 편광 빔 스플리터(20)의 제2 면(20b)으로부터 제1 광에 관계된 합성광(참조광 및 계측광)이 출사됨과 동시에, 편광 빔 스플리터(20)의 제1 면(20a)으로부터 제2 광에 관계된 합성광(참조광 및 계측광)이 출사된다.

그리고, 편광 빔 스플리터(20)의 제2 면(20b)으로부터 출사된 제1 광에 관계된 합성광을 제1 촬상계(4A)에 의해 촬상함과 동시에, 편광 빔 스플리터(20)의 제1 면(20a)으로부터 출사된 제2 광에 관계된 합성광을 제2 촬상계(4B)에 의해 촬상한다.

또한, 여기에서는 제1 편광판(32A) 및 제2 편광판(32B)의 투과축 방향이 각각 「0°」로 설정되어 있기 때문에, 제1 카메라(33A)에서는 제1 광에 관계된 위상 「0°」의 간섭 줄무늬 화상이 촬상되고, 제2 카메라(33B)에서는 제2 광에 관계된 위상 「0°」의 간섭 줄무늬 화상이 촬상되게 된다.

그리고, 각 카메라(33A, 33B)로부터 각각 촬상된 화상 데이터가 제어 장치(5)에 출력된다. 제어 장치(5)는, 입력된 화상 데이터를 화상 데이터 기억 장치(54)에 기억한다.

다음에 제어 장치(5)는, 제1 촬상계(4A)의 제1 편광판(32A), 및, 제2 촬상계(4B)의 제2 편광판(32B)의 전환{切替} 처리를 행한다. 구체적으로는, 제1 편광판(32A) 및 제2 편광판(32B)을 각각 투과축 방향이 「45°」로 되는 위치까지 회동{回動} 변위시킨다.

그 전환 처리가 종료하면, 제어 장치(5)는, 상기 일련의 1회째의 촬상 처리와 마찬가지인 2회째의 촬상 처리를 행한다. 다시 말해, 제어 장치(5)는, 제1 투광계(2A)로부터 제1 광을 조사함과 동시에, 제2 투광계(2B)로부터 제2 광을 조사하고, 편광 빔 스플리터(20)의 제2 면(20b)으로부터 출사된 제1 광에 관계된 합성광을 제1 촬상계(4A)에 의해 촬상함과 동시에, 편광 빔 스플리터(20)의 제1 면(20a)으로부터 출사된 제2 광에 관계된 합성광을 제2 촬상계(4B)에 의해 촬상한다. 이것에 의해, 제1 광에 관계된 위상 「90°」의 간섭 줄무늬 화상이 취득됨과 아울러, 제2 광에 관계된 위상 「90°」의 간섭 줄무늬 화상이 촬상되게 된다.

이후, 상기 1회째 및 2회째의 촬상 처리와 마찬가지인 촬상 처리가 2회 반복하여 행해진다. 다시 말해, 제1 편광판(32A) 및 제2 편광판(32B)의 투과축 방향을 「90°」로 설정한 상태에서 3회째의 촬상 처리를 행하고, 제1 광에 관계된 위상 「180°」의 간섭 줄무늬 화상을 취득함과 아울러, 제2 광에 관계된 위상 「180°」의 간섭 줄무늬 화상을 취득한다.

그 후, 제1 편광판(32A) 및 제2 편광판(32B)의 투과축 방향을 「135°」로 설정한 상태에서 4회째의 촬상 처리를 행하고, 제1 광에 관계된 위상 「270°」의 간섭 줄무늬 화상을 취득함과 아울러, 제2 광에 관계된 위상 「270°」의 간섭 줄무늬 화상을 취득한다.

이와 같이, 4회의 촬상 처리를 행하는 것에 의해, 삼차원 계측을 행하는데 있어서 필요한 모든 화상 데이터(제1 광에 관계된 4가지의 간섭 줄무늬 화상 데이터, 및, 제2 광에 관계된 4가지의 간섭 줄무늬 화상 데이터로 이루어지는 합계 8개의 간섭 줄무늬 화상 데이터)를 취득할 수가 있다.

그리고, 제어 장치(5)는, 화상 데이터 기억 장치(54)에 기억된 제1 광에 관계된 4가지의 간섭 줄무늬 화상 데이터, 및, 제2 광에 관계된 4가지의 간섭 줄무늬 화상 데이터를 기본으로, 위상 시프트법에 의해 워크(W)의 표면 형상을 계측한다. 다시 말해, 워크(W)의 표면 상의 각 위치에서의 높이 정보를 산출한다.

우선은 일반적인 위상 시프트법에 의한 높이 계측의 원리에 대해서 설명한다. 제1 광 또는 제2 광에 관계된 4가지의 간섭 줄무늬 화상 데이터의 동일 좌표 위치(x, y)에서의 간섭 줄무늬 강도, 즉 휘도 I₁(x, y), I₂(x, y), I₃(x, y), I₄(x, y)는, 하기 [수학식 1]의 관계식으로 나타낼 수가 있다.

여기서, Δφ(x, y)는, 좌표(x, y)에서의 계측광과 참조광의 광로차에 근거하는 위상차를 나타내고 있다. 또, A(x, y)는 간섭광의 진폭, B(x, y)는 바이어스를 나타내고 있다. 단, 참조광은 균일하기 때문에, 이것을 기준으로 해서 보면, Δφ(x, y)는 「계측광의 위상」을 나타내고, A(x, y)는 「계측광의 진폭」을 나타내게 된다.

따라서, 계측광의 위상 Δφ(x, y)는, 상기 ［수학식 1]의 관계식을 기본으로, 하기 [수학식 2]의 관계식으로 구할 수가 있다.

또, 계측광의 진폭 A(x, y)는, 상기［수학식 1]의 관계식을 기본으로, 하기 [수학식 3]의 관계식으로 구할 수가 있다.

다음에, 상기 위상 Δφ(x, y)와 진폭 A(x, y)로부터, 하기 [수학식 4]의 관계식을 기본으로 촬상 소자면 상에서의 복소{複素} 진폭 Eo(x, y)를 산출한다. 여기서, i는 허수{虛數} 단위를 나타내고 있다.

계속해서, 복소 진폭 Eo(x, y)를 기본으로, 워크(W)면 상의 좌표(ξ, η)에서의 복소 진폭 Eo(ξ, η)를 산출한다.

우선은, 하기 [수학식 5]에 나타내는 바와 같이, 상기 복소 진폭 Eo(x, y)를 프레넬 변환한다. 여기서,λ는 파장을 나타낸다.

이것을 Eo(ξ, η)에 대해서 풀면, 하기 [수학식 6]과 같이 된다.

또, 얻어진 복소 진폭 Eo(ξ, η)로부터, 하기 [수학식 7]의 관계식을 기본으로, 계측광의 위상 φ(ξ, η)과, 계측광의 진폭 A(ξ, η)를 산출한다.

계측광의 위상 φ(ξ, η)는, 하기 [수학식 8]의 관계식에 의해 구할 수가 있다.

계측광의 진폭 A(ξ, η)는, 하기 [수학식 9]의 관계식에 의해 구할 수가 있다.

그 후, 위상-높이 변환 처리를 행하고, 워크(W) 표면의 요철 형상{凹凸形狀}을 3차원적으로 나타내는 높이 정보 z(ξ, η)를 산출한다.

높이 정보 z(ξ, η)는, 하기 [수학식 10]의 관계식에 의해 산출할 수가 있다.

다음에 2파장 위상 시프트법의 원리에 대해서 설명한다. 파장이 다른 2종류의 광을 이용함으로써 계측 레인지를 넓힐 수가 있다.

파장이 다른 2종류의 광(파장 λ₁, λ₂)을 이용하여 계측을 행한 경우에는, 그 합성 파장 λ₀의 광으로 계측을 행한 것과 동일한 것으로 된다. 그리고, 그 계측 레인지는 λ₀/2로 확대하게 된다. 합성 파장 λ₀은, 하기 식(M1)로 나타낼 수가 있다.

단, λ₂＞λ₁로 한다.

여기서, 예를 들면 λ₁=1500㎚, λ₂=1503㎚로 하면, 상기 식 (M1)로부터, λ₀=751.500㎛로 되며, 계측 레인지는 λ₀/2=375.750㎛로 된다.

2파장 위상 시프트법을 행할 때에는, 우선 파장 λ₁의 제1 광에 관계된 4가지의 간섭 줄무늬 화상 데이터의 휘도 I₁(x, y), I₂(x, y), I₃(x, y), I₄(x, y)를 기본으로(상기 [수학식 1］참조), 워크(W)면 상의 좌표(ξ, η)에서의 제1 광에 관계된 계측광의 위상 φ₁(ξ, η)를 산출한다(상기［수학식 8］참조). 여기서 구해지는 위상 φ₁(ξ, η)이 본 실시 형태에서의 「제1 계측값」에 상당하고, 이것을 산출하는 처리 기능에 의해 「제1 계측값 취득 수단」이 구성된다.

또한, 제1 광에 관계된 계측 하에서, 좌표(ξ, η)에서의 높이 정보 z(ξ, η)는, 하기 식(M2)로 나타낼 수가 있다.

단, d₁(ξ, η)는, 제1 광에 관계된 계측광과 참조광의 광로차를 나타내고, m₁(ξ, η)는, 제1 광에 관계된 줄무늬 차수{次數}를 나타낸다.

따라서, 위상 φ₁(ξ, η)는 하기 식(M2′)로 나타낼 수가 있다.

마찬가지로, 파장 λ₂의 제2 광에 관계된 4가지의 간섭 줄무늬 화상 데이터의 휘도 I₁(x, y), I₂(x, y), I₃(x, y), I₄(x, y)를 기본으로(상기［수학식 1］참조), 워크(W)면 상의 좌표(ξ, η)에서의 제2 광에 관계된 계측광의 위상 φ₂(ξ, η)를 산출한다(상기［수학식 8］참조). 여기서 구해지는 위상 φ₂(ξ, η)가 본 실시 형태에서의 「제2 계측값」에 상당하고, 이것을 산출하는 처리 기능에 의해 「제2 계측값 취득 수단」이 구성된다.

또한, 제2 광에 관계된 계측 하에서, 좌표(ξ, η)에서의 높이 정보 z(ξ, η)는, 하기 식(M3)으로 나타낼 수가 있다.

단, d₂(ξ, η)는, 제2 광에 관계된 계측광과 참조광의 광로차를 나타내고, m₂(ξ, η)는, 제2 광에 관계된 줄무늬 차수를 나타낸다.

따라서, 위상 φ₂(ξ, η)는 하기 식(M3′)로 나타낼 수가 있다.

계속해서, 파장 λ₁의 제1 광에 관계된 줄무늬 차수 m₁(ξ, η), 또는, 파장 λ₂의 제2 광에 관계된 줄무늬 차수 m₁(ξ, η)를 결정한다. 줄무늬 차수 m₁, m₂는, 2종류의 광(파장 λ₁, λ₂)의 광로차 Δd 및 파장차 Δλ를 기본으로 구할 수가 있다. 여기서 광로차 Δd 및 파장차 Δλ는, 각각 하기 식(M4), (M5)와 같이 나타낼 수가 있다.

단, λ₂＞λ₁로 한다.

또한, 2파장의 합성 파장 λ₀의 계측 레인지 내에서, 줄무늬 차수 m₁, m₂의 관계는, 이하의 3개의 경우로 나뉘며, 각 경우마다 줄무늬 차수 m₁(ξ, η), m₂(ξ, η)를 결정하는 계산식이 다르다. 여기서, 예를 들면 줄무늬 차수 m₁(ξ, η)를 결정하는 경우에 대해서 설명한다. 물론, 줄무늬 차수 m₂(ξ, η)에 대해서도, 마찬가지 수법에 의해 구할 수가 있다.

예를 들면 「φ_1-φ₂＜-π」의 경우에는 「m_1-m₂=-1」로 되며, 이러한 경우, m₁은 하기 식(M6)과 같이 나타낼 수가 있다.

「-π＜φ₁ _-φ₂＜π」의 경우에는 「m_1-m₂=0」으로 되며, 이러한 경우, m₁은 하기 식(M7)과 같이 나타낼 수가 있다.

「φ₁ _-φ₂＞π」의 경우에는 「m_1-m₂=+1」로 되며, 이러한 경우, m₁은 하기 식(M8)과 같이 나타낼 수가 있다.

그리고, 이와 같이 해서 얻어진 줄무늬 차수 m₁(ξ, η) 또는 m₂(ξ, η)를 기본으로, 상기 식 (M2), (M3)으로부터 높이 정보 z(ξ, η)를 얻을 수가 있다. 이러한 처리 기능에 의해 「높이 정보 취득 수단」이 구성된다. 그리고, 이와 같이 구해진 워크(W)의 계측 결과(높이 정보)는, 제어 장치(5)의 연산 결과 기억 장치(55)에 저장{格納}된다.

이상 상세하게 기술한 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 파장 λ₁의 제1 광을 편광 빔 스플리터(20)의 제1 면(20a)으로부터 입사시킴과 아울러, 파장 λ₂의 제2 광을 편광 빔 스플리터(20)의 제2 면(20b)으로부터 입사시키는 것에 의해, 제1 광에 관계된 참조광 및 계측광과, 제2 광에 관계된 참조광 및 계측광이 각각 다른 편광 성분(P편광 또는 S편광)으로 분할되기 때문에, 편광 빔 스플리터(20)에 입사된 제1 광과 제2 광은 서로 간섭하는 일없이, 따로따로 편광 빔 스플리터(20)로부터 출사되게 된다. 다시 말해, 편광 빔 스플리터(20)로부터 출사되는 광을 소정의 분리 수단을 이용하여 제1 광과 제2 광으로 분리할 필요가 없다.

그 결과, 제1 광 및 제2 광으로서 파장이 가까운 2종류의 광을 이용할 수가 있고, 삼차원 계측에 관계된 계측 레인지를 보다 넓힐 수가 있다. 이에 더하여, 제1 광에 관계된 출력광의 촬상과, 제2 광에 관계된 출력광의 촬상을 동시에 행할 수가 있기 때문에, 총체적인 촬상 시간을 단축할 수 있어, 계측 효율의 향상을 도모할 수가 있다.

또, 본 실시 형태에서는, 기준으로 되는 참조면(23)을 1개 구비한 1개의 간섭 광학계(3)에 대해 2종류의 광을 이용하는 구성으로 되어 있기 때문에, 참조광과 계측광에 광로차를 일으키게 하는 광로 구간이 2종류의 광에서 동일하게 된다. 이 때문에, 2개의 간섭 광학계(간섭계 모듈)를 이용하는 구성에 비해, 계측 정밀도{精度}가 향상함과 아울러, 2개의 간섭 광학계의 광로 길이를 정확하게 일치시키는 곤란한 작업을 행할 필요도 없다.

[제2 실시 형태]

이하, 제2 실시 형태에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 제1 실시 형태와 동일 구성 부분에 대해서는, 동일 부호를 붙이고, 그 상세한 설명을 생략한다. 제2 실시 형태에서는, 제1 촬상계(4A) 및 제2 촬상계(4B)에 관련하는 구성이 제1 실시 형태와 다르다.

본 실시 형태에 관계된 제1 촬상계(4A)는, 1/4 파장판(31A)을 투과한 제1 광에 관계된 합성광(참조광 성분 및 계측광 성분)을 4개의 광으로 분할하는 분광 수단으로서의 분광 광학계(125)를 구비함과 아울러, 제1 편광판(32A) 대신에, 상기 분광 광학계(125)로부터 출사된 4개의 광의 소정 성분을 선택적으로 투과시키는 필터 수단으로서의 필터 유닛(126)을 구비하고, 그 필터 유닛(126)을 투과한 4개의 광을 제1 카메라(33A)에 의해 동시 촬상하는 구성으로 되어 있다.

제1 촬상계(4A)와 마찬가지로, 제2 촬상계(4B)는, 1/4 파장판(31B)을 투과한 제2 광에 관계된 합성광(참조광 성분 및 계측광 성분)을 4개의 광으로 분할하는 분광 수단으로서의 분광 광학계(125)를 구비함과 아울러, 제2 편광판(32B) 대신에, 상기 분광 광학계(125)로부터 출사된 4개의 광의 소정 성분을 선택적으로 투과시키는 필터 수단으로서의 필터 유닛(126)을 구비하고, 그 필터 유닛(126)을 투과한 4개의 광을 제2 카메라(33B)에 의해 동시 촬상하는 구성으로 되어 있다.

또한, 본 실시 형태에서의 제1 촬상계(4A) 및 제2 촬상계(4B)에 이용되는 분광 광학계(125) 및 필터 유닛(126)은 동일 구성이기 때문에, 이하, 제1 촬상계(4A)를 예로 하여 도 5를 참조하면서 설명한다.

본 실시 형태에서는, 제1 카메라(33A)의 광축 방향이, 제1 촬상계(4A)에 입사하는 제1 광에 관계된 합성광(L0)의 입사 방향(진행 방향)과 평행하도록 설정되어 있다. 다시 말해, 본 실시 형태에서는, 제1 광에 관계된 합성광(L0)의 입사 방향인 Z축 방향을 따라 설정되어 있다.

분광 광학계(125)는, 무편광형{無偏光型}의 4개의 광학 부재(프리즘)를 조합하여 일체로 한 1개의 광학 부재로서 구성되어 있다. 보다 자세하게는, 분광 광학계(125)는, 합성광(L0)의 진행 방향(Z축 방향)을 따라, 간섭 광학계(3)에 가까운 측으로부터 차례로 제1의 프리즘(131), 제2의 프리즘(132), 제3의 프리즘(133), 제4의 프리즘(134)이 배치된 구성으로 되어 있다.

또한, 상기 각 프리즘(131∼134)은, 각각 공기보다도 굴절률이 높은 소정의 굴절률을 가지는 광학 재료(예를 들면 유리나 아크릴 등)에 의해 형성되어 있다. 따라서, 각 프리즘(131∼134) 내를 진행하는 광의 광로 길이는, 공기 중을 진행하는 광의 광로 길이보다도 광학적으로 길어진다. 여기서, 예를 들면 4개의 프리즘(131∼134)을 모두 동일한 재료에 의해 형성해도 좋고, 적어도 1개를 다른 재료에 의해 형성해도 좋다. 후술하는 분광 광학계(125)의 기능을 만족시키는 것이면, 각 프리즘(131∼134)의 재질은 각각 임의로 선택 가능하다.

제1의 프리즘(131)은, 정면시{正面視}(Z-Y 평면) 평행 사변 형상을 이루고, X축 방향을 따라 연장하는 사각기둥 형상의 프리즘이다. 이하, 「제1의 프리즘(131)」을 「제1 마름모꼴{菱形} 프리즘(131)」이라고 한다.

제1 마름모꼴 프리즘(131)은, X축 방향을 따른 장방 형상{長方形狀}의 4면 중, 간섭 광학계(3) 측으로 되는 Z축 방향 우측에 위치하는 면(131a)(이하, 「입사면(131a)」이라고 한다) 및 Z축 방향 좌측에 위치하는 면(131b)(이하, 「출사면(131b)」이라고 한다)이 각각 Z축 방향과 직교하도록 배치되고, Y축 방향 하측에 위치하는 면(131c) 및 Y축 방향 상측에 위치하는 면(131d)이 각각 Z축 방향 및 Y축 방향에 대해 45° 경사지도록 배치되어 있다.

이 2개의 경사진 면(131c, 131d) 중, Y축 방향 하측에 위치하는 면(131c)에는 무편광의 하프미러(141)가 설치되고, Y축 방향 상측에 위치하는 면(131d)에는 내측을 향해 전반사{全反射}하는 무편광의 전반사 미러(142)가 설치되어 있다. 이하, 하프미러(141)가 설치된 면(131c)을 「분기면{分岐面}(131c)」이라고 하고, 전반사 미러(142)가 설치된 면(131d)을 「반사면(131d)」이라고 한다.

또한, 도 5에서는, 편의상, 분기면(131c)(하프미러(141)) 및 반사면(131d)(전반사 미러(142))에 해당하는 부위에 흩어진 점 모양{散点模樣; ▒}을 부가하여 나타내고 있다. 「하프미러(141)」가 본 실시 형태에서의 「제1 분기 수단」을 구성하고, 「전반사 미러(142)」가 「제1 반사 수단」을 구성한다. 다시 말해, 「제1 마름모꼴 프리즘(131)」이 본 실시 형태에서의 「제1 광 분할 수단」을 구성한다.

제2의 프리즘(132)은, 정면시(Z-Y 평면) 사다리꼴 형상{台形狀}을 이루고, X축 방향을 따라 연장하는 사각기둥 형상의 프리즘이다. 이하, 「제2의 프리즘(132)」을 「제1 사다리꼴{台形} 프리즘(132)」이라고 한다.

제1 사다리꼴 프리즘(132)은, X축 방향을 따른 장방 형상의 4면 중, Y축 방향 상측에 위치하는 면(132a) 및 Y축 방향 하측에 위치하는 면(132b)이 각각 Y축 방향과 직교하도록 배치되고, Z축 방향 우측에 위치하는 면(132c)이 Z축 방향 및 Y축 방향에 대해 45° 경사지도록 배치되고, Z축 방향 좌측에 위치하는 면(132d)이 Z축 방향과 직교하도록 배치되어 있다.

이 중, Z축 방향 우측에 위치하는 면(132c)은, 제1 마름모꼴 프리즘(131)의 분기면(131c)(하프미러(141))에 밀착해 있다. 이하, Z축 방향 우측에 위치하는 면(132c)을 「입사면(132c)」이라고 하고, Z축 방향 좌측에 위치하는 면(132d)을 「출사면(132d)」이라고 한다. 「제1 사다리꼴 프리즘(132)」이 본 실시 형태에서의 「제1 광로 조정 수단」을 구성한다.

제3의 프리즘(133)은, 평면시(X-Z 평면) 평행 사변 형상을 이루고, Y축 방향을 따라 연장하는 사각기둥 형상의 프리즘이다. 이하, 「제3의 프리즘(133)」을 「제2 마름모꼴 프리즘(133)」이라고 한다.

제2 마름모꼴 프리즘(133)은, Y축 방향을 따른 장방 형상의 4면 중, Z축 방향 우측에 위치하는 면(133a) 및 Z축 방향 좌측에 위치하는 면(133b)이 각각 Z축 방향과 직교하도록 배치되고, X축 방향 바로앞측{手前側}에 위치하는 면(133c) 및 X축 방향 안쪽측{奧側}에 위치하는 면(133d)이 각각 Z축 방향 및 X축 방향에 대해 45° 경사지도록 배치되어 있다.

이 2개의 경사진 면(133c, 133d) 중, X축 방향 바로앞측에 위치하는 면(133c)에는 무편광의 하프미러(143)가 설치되고, X축 방향 안쪽측에 위치하는 면(133d)에는 내측을 향해 전반사하는 무편광의 전반사 미러(144)가 설치되어 있다. 이하, 하프미러(143)가 설치된 면(133c)을 「분기면(133c)」이라고 하고, 전반사 미러(144)가 설치된 면(133d)을 「반사면(133d)」이라고 한다.

또한, 도 5에서는, 편의상, 분기면(133c)(하프미러(143)) 및 반사면(133d)(전반사 미러(144))에 해당하는 부위에 흩어진 점 모양을 부가하여 나타내고 있다. 「하프미러(143)」가 본 실시 형태에서의 「제2 분기 수단」 및 「제3 분기 수단」을 구성하고, 「전반사 미러(144)」가 「제2 반사 수단」 및 「제3 반사 수단」을 구성한다. 다시 말해, 「제2 마름모꼴 프리즘(133)」이 본 실시 형태에서의 「제2 광 분할 수단」 및 「제3 광 분할 수단」을 구성한다.

제2 마름모꼴 프리즘(133)의 Z축 방향 우측에 위치하는 면(133a) 중, Y축 방향 하측 절반은, 제1 사다리꼴 프리즘(132)의 출사면(132d)에 밀착하고, Y축 방향 상측 절반은, 제1 마름모꼴 프리즘(131)의 출사면(131b)과 서로 대향한 상태로 되어 있다. 이하, Z축 방향 우측에 위치하는 면(133a)을 「입사면(133a)」이라고 하고, Z축 방향 좌측에 위치하는 면(133b)을 「출사면(133b)」이라고 한다.

제4의 프리즘(134)은, 평면시(X-Z 평면) 사다리꼴 형상을 이루고, Y축 방향을 따라 연장하는 사각기둥 형상의 프리즘이다. 이하, 「제4의 프리즘(134)」을 「제2 사다리꼴 프리즘(134)」이라고 한다.

제2 사다리꼴 프리즘(134)은, Y축 방향을 따른 장방 형상의 4면 중, X축 방향 안쪽측에 위치하는 면(134a) 및 X축 방향 바로앞측에 위치하는 면(134b)이 각각 X축 방향과 직교하도록 배치되고, Z축 방향 우측에 위치하는 면(134c)이 Z축 방향 및 X축 방향에 대해 45° 경사지도록 배치되고, Z축 방향 좌측에 위치하는 면(134d)이 Z축 방향과 직교하도록 배치되어 있다.

이 중, Z축 방향 우측에 위치하는 면(134c)은, 제2 마름모꼴 프리즘(133)의 분기면(133c)(하프미러(143))에 밀착해 있다. 이하, Z축 방향 우측에 위치하는 면(134c)을 「입사면(134c)」이라고 하고, Z축 방향 좌측에 위치하는 면(134d)을 「출사면(134d)」이라고 한다. 「제2 사다리꼴 프리즘(134)」이 본 실시 형태에서의 「제2 광로 조정 수단」 및 「제3 광로 조정 수단」을 구성한다.

제2 마름모꼴 프리즘(133)의 출사면(133b) 및 제2 사다리꼴 프리즘(134)의 출사면(134d)은, 각각 필터 유닛(126)과 서로 대향하도록 배치되어 있다.

여기서, 분광 광학계(125)의 작용에 대해서 도 5를 참조하면서 자세하게 설명한다. 1/4 파장판(31A)을 투과한 합성광(L0)은, 제1 마름모꼴 프리즘(131)의 입사면(131a)에 입사한다.

입사면(131a)으로부터 입사된 합성광(L0)은, 분기면(131c)(하프미러(141))에서 2방향으로 분기한다. 자세하게는, Y축 방향 상측을 향해 반사되는 분광(LA1)과, Z축 방향을 따라 하프미러(141)를 투과하는 분광(LA2)으로 분기한다.

이 중, 하프미러(141)에서 반사된 분광(LA1)은, 제1 마름모꼴 프리즘(131) 내를 Y축 방향을 따라 진행하고, 반사면(131d)(전반사 미러(142))에서 Z축 방향 좌측을 향해 반사되고, 출사면(131b)으로부터 출사한다. 출사면(131b)으로부터 출사된 분광(LA1)은, Z축 방향을 따라 공기 중을 진행하고, 제2 마름모꼴 프리즘(133)의 입사면(133a)에 입사한다.

한편, 하프미러(141)를 투과한 분광(LA2)은, 제1 사다리꼴 프리즘(132)의 입사면(132c)에 입사하고, 그 내부를 Z축 방향을 따라 진행하고, 출사면(132d)으로부터 출사한다. 출사면(132d)으로부터 출사된 분광(LA2)은, 제2 마름모꼴 프리즘(133)의 입사면(133a)에 입사한다.

본 실시 형태에서는, 제1 마름모꼴 프리즘(131)의 분기면(131c)으로부터, 제2 마름모꼴 프리즘(133)의 입사면(133a)에 도달할 때까지의 양{兩} 분광(LA1, LA2)의 광로 길이가 광학적으로 동일하게 되도록, 제1 마름모꼴 프리즘(131) 및 제1 사다리꼴 프리즘(132)의 굴절률 및 길이(Z축 방향 또는 Y축 방향의 길이)가 임의로 설정되어 있다.

제2 마름모꼴 프리즘(133)의 입사면(133a)에 입사된 분광(LA1, LA2)은, 분기면(133c)(하프미러(143))에서 각각 2방향으로 분기한다. 자세하게는, 한쪽 분광(LA1)은, Z축 방향을 따라 하프미러(143)를 투과하는 분광(LB1)과, X축 방향 안쪽측을 향해 반사되는 분광(LB2)으로 분기한다. 다른쪽 분광(LA2)은, Z축 방향을 따라 하프미러(143)를 투과하는 분광(LB3)과, X축 방향 안쪽측을 향해 반사되는 분광(LB4)으로 분기한다.

이 중, 하프미러(143)에서 반사된 분광(LB2, LB4)은, 각각 제2 마름모꼴 프리즘(133) 내를 X축 방향을 따라 진행하고, 반사면(133d)(전반사 미러(144))에서 Z축 방향 좌측을 향해 반사되고, 출사면(133b)으로부터 출사한다. 출사면(133b)으로부터 출사된 분광(LB2, LB4)은, 각각 Z축 방향을 따라 공기중으로 진행하고, 필터 유닛(126)에 입사한다.

한편, 하프미러(143)를 투과한 분광(LB1, LB3)은, 제2 사다리꼴 프리즘(134)의 입사면(134c)에 입사하고, 그 내부를 Z축 방향을 따라 진행하고, 출사면(134d)으로부터 출사한다. 출사면(134d)으로부터 출사된 분광(LB1, LB3)은, 각각 필터 유닛(126)에 입사한다.

본 실시 형태에서는, 제2 마름모꼴 프리즘(133)의 분기면(133c)으로부터, 필터 유닛(126)에 도달할 때까지의 4개의 분광(LB1∼LB4)의 광로 길이가 광학적으로 동일하게 되도록, 제2 마름모꼴 프리즘(133) 및 제2 사다리꼴 프리즘(134)의 굴절률 및 길이(Z축 방향 또는 X축 방향의 길이)가 임의로 설정되어 있다.

필터 유닛(126)은, X-Y 평면시로 동일 직사각형 모양{矩形狀}을 이루는 4개의 편광판(126a, 126b, 126c, 126d)이 X-Y 평면을 따라 2행 2열의 매트릭스형으로 배치되어 이루어진다(도 6 참조). 도 6은, 필터 유닛(126)의 개략 구성을 모식적으로 도시하는 평면도이다.

4개의 편광판(126a∼126d)은, Y축 방향에 대한 투과축 방향이 45°씩 다른 편광판이다. 보다 자세하게는, 투과축 방향이 0°인 제1 편광판(126a), 투과축 방향이 45°인 제2 편광판(126b), 투과축 방향이 90°인 제3 편광판(126c), 투과축 방향이 135°인 제4 편광판(126d)에 의해 구성되어 있다.

그리고, 분광 광학계(125)로부터 출사된 4개의 분광(LB1∼LB4)이 각각 각 편광판(126a∼126d)에 입사하도록 배치되어 있다. 자세하게는, 분광(LB1)이 제1 편광판(126a)에 입사하고, 분광(LB2)이 제2 편광판(126b)에 입사하고, 분광(LB3)이 제3 편광판(126c)에 입사하고, 분광(LB4)이 제4 편광판(126d)에 입사한다.

이것에 의해, 필터 유닛(126)을 투과한 4개의 분광(LB1∼LB4)은, 각각 위상을 90°씩 달리한 간섭광으로 된다. 자세하게는, 제1 편광판(126a)을 투과한 분광(LB1)은 위상 「0°」의 간섭광으로 되고, 제2 편광판(126b)을 투과한 분광(LB2)은 위상 「90°」의 간섭광으로 되고, 제3 편광판(126c)을 투과한 분광(LB3)은 위상 「180°」의 간섭광으로 되고, 제4 편광판(126d)을 투과한 분광(LB4)은 위상 「270°」의 간섭광으로 된다. 따라서, 필터 유닛(126)은 본 실시 형태에서의 간섭 수단을 구성한다.

본 실시 형태에 관계된 제1 카메라(33A)의 촬상 소자(33Ai)는, 그의 촬상 영역이, 필터 유닛(126)(편광판(126a∼126d))에 대응해서, 4개의 촬상 에리어(H1, H2, H3, H4)로 구분되어 있다. 자세하게는, X-Y 평면시로 동일 직사각형 모양을 이루는 4개의 촬상 에리어(H1, H2, H3, H4)가 X-Y 평면을 따라 2행 2열의 매트릭스형으로 배열되도록{늘어서도록} 구분되어 있다(도 7 참조). 도 7은, 촬상 소자(33Ai)의 촬상 영역의 개략 구성을 모식적으로 도시하는 평면도이다.

이것에 의해, 제1 편광판(126a)을 투과한 분광(LB1)이 제1 촬상 에리어(H1)에서 촬상되고, 제2 편광판(126b)을 투과한 분광(LB2)이 제2 촬상 에리어(H2)에서 촬상되고, 제3 편광판(126c)을 투과한 분광(LB3)이 제3 촬상 에리어(H3)에서 촬상되고, 제4 편광판(126d)을 투과한 분광(LB4)이 제4 촬상 에리어(H4)에서 촬상되게 된다.

다시 말해, 제1 촬상 에리어(H1)에서 위상 「0°」의 간섭 줄무늬 화상이 촬상되고, 제2 촬상 에리어(H2)에서 위상 「90°」의 간섭 줄무늬 화상이 촬상되고, 제3 촬상 에리어(H3)에서 위상 「180°」의 간섭 줄무늬 화상이 촬상되고, 제4 촬상 에리어(H4)에서 위상 「270°」의 간섭 줄무늬 화상이 촬상되게 된다.

또한, 본 실시 형태에 관계된 화상 데이터 기억 장치(54)는, 제1 카메라(33A)의 촬상 소자(33Ai)의 제1 촬상 에리어(H1)에서 촬상된 간섭 줄무늬 화상 데이터를 기억하는 제1 화상 메모리와, 제2 촬상 에리어(H2)에서 촬상된 간섭 줄무늬 화상 데이터를 기억하는 제2 화상 메모리와, 제3 촬상 에리어(H3)에서 촬상된 간섭 줄무늬 화상 데이터를 기억하는 제3 화상 메모리와, 제4 촬상 에리어(H4)에서 촬상된 간섭 줄무늬 화상 데이터를 기억하는 제4 화상 메모리를 구비하고 있다.

다음에, 본 실시 형태에서 실행되는 형상 계측 처리의 수순에 대해서 자세하게 설명한다. 간섭 광학계(3)로부터 제1 촬상계(4A)에 대해 제1 광에 관계된 출력광인 합성광(L0)이 입사되면, 그 합성광(L0)은, 1/4 파장판(31A)을 거쳐, 분광 광학계(125)에 의해 4개의 분광(LB1∼LB4)으로 분할된다.

이들 4개의 분광(LB1, LB2, LB3, LB4)은, 각각 제1 편광판(126a), 제2 편광판(126b), 제3 편광판(126c), 제4 편광판(126d)을 거쳐서, 제1 카메라(33A)(촬상 소자(33Ai))에 의해 동시 촬상된다.

제1 카메라(33A)는, 촬상 소자(33Ai)의 촬상 에리어(H1∼H4)에서 동시 촬상된 4가지의 간섭 줄무늬 화상(4개의 분광(LB1∼LB4))을 1개의 화상 데이터로서 제어 장치(5)에 출력한다.

제어 장치(5)는, 입력된 화상 데이터를 4가지의 간섭 줄무늬 화상 데이터로(촬상 소자(33Ai)의 촬상 에리어(H1∼H4)에 대응하는 범위마다) 분할해서, 화상 데이터 기억 장치(54) 내의 제1∼제4 화상 메모리에 각각 기억한다.

그리고, 제어 장치(5)는, 제1 카메라(33A)에 관계된 제1∼제4 화상 메모리에 기억된 제1 광에 관계된 4가지의 간섭 줄무늬 화상 데이터, 및, 제2 카메라(33B)에 관계된 제1∼제4 화상 메모리에 기억된 제2 광에 관계된 4가지의 간섭 줄무늬 화상 데이터를 기본으로, 상기 제1 실시 형태와 마찬가지로, 위상 시프트법에 의해 워크(W)의 표면 형상을 계측한다. 다시 말해, 워크(W)의 표면 상의 각 위치에서의 높이 정보를 산출한다.

이상 상세하게 기술한 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 상기 제1 실시 형태의 작용 효과에 더하여, 간섭 광학계(3)로부터 입사되는 합성광(L0)을 매트릭스형으로 배열된 4개의 광(LB1∼LB4)으로 분광함과 아울러, 그 4개의 광(LB1∼LB4)을 필터 유닛(126)(4개의 편광판(126a∼126d))을 거쳐서 단일의 촬상 소자에 의해 동시에 촬상하는 구성으로 되어 있다. 그리고, 각 카메라(33A, 33B)에 의해 각각 촬상된 4가지의 간섭 줄무늬 화상을 기본으로 위상 시프트법에 의해 워크(W)의 형상 계측을 행한다. 결과로서, 계측 정밀도의 향상이나, 계측 시간의 단축, 장치의 대형화 억제 등을 도모할 수가 있다.

이에 더하여, 본 실시 형태에 의하면, 촬상 소자의 촬상 영역을 매트릭스형으로 4등분한 촬상 에리어(H1∼H4)를, 4개의 광(LB1∼LB4)에 각각 할당할 수 있기 때문에, 예를 들면 3분광 방식에 비해, 촬상 소자의 촬상 영역을 유효 활용할 수가 있다. 나아가서는, 더 높은 계측 정밀도의 향상을 도모할 수가 있다. 예를 들면 애스펙트 비가 4:3인 일반적인 촬상 소자의 촬상 영역을 4등분한 경우, 각 분할 영역의 애스펙트 비는 똑같이 4:3으로 되기 때문에, 각 분할 영역 내의 보다 넓은 범위를 이용할 수 있게 된다. 나아가서는, 더 높은 계측 정밀도의 향상을 도모할 수가 있다.

또한, 만일 회절 격자를 분광 수단으로서 이용한 경우에는 분해능이 저하할 우려가 있지만, 본 실시 형태에서는, 1개의 광(L0)을 평행하는 2개의 광(LA1, LA2)으로 분할하고, 또 그 2개의 광(LA1, LA2)을 각각 평행하는 2개의 광으로 분할하는 것에 의해, 평행하는 4개의 광(LB1, LB2, LB3, LB4)으로 분광하는 구성의 분광 광학계(125)를 채용하고 있기 때문에, 분해능의 저하 억제를 도모할 수가 있다.

또, 본 실시 형태에서의 분광 광학계(125)는, 마름모꼴 프리즘(131, 133)을 직진해서 빠져나가는 한쪽 광과, 크랭크모양으로 꺾여{折曲} 빠져나가는 다른쪽 광의 광로 길이를 조정하는(광학적으로 동일하게 하는) 광로 조정 수단으로서, 직진해서 빠져나가는 한쪽 광의 광로 상에 사다리꼴 프리즘(132, 134)을 배치한다고 하는 비교적 간단한 구성으로 되어 있어, 구성의 간소화를 도모할 수가 있다.

또, 본 실시 형태에서는, 필터 유닛(126)이, 투과축 방향이 0°인 제1 편광판(126a), 투과축 방향이 45°인 제2 편광판(126b), 투과축 방향이 90°인 제3 편광판(126c), 투과축 방향이 135°인 제4 편광판(126d)에 의해 구성되어 있고, 하나의 촬상 소자에 의한 1회의 촬상으로, 위상이 90°씩 다른 4가지의 간섭 줄무늬 화상을 취득할 수가 있다. 결과로서, 3가지의 간섭 줄무늬 화상을 기본으로 위상 시프트법에 의해 형상 계측을 행하는 경우에 비해, 보다 정밀도가 높은 계측을 행할 수가 있다.

[제3 실시 형태]

이하, 제3 실시 형태에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다. 제3 실시 형태에서는, 간섭 광학계에 관련하는 구성이 제1 실시 형태와 다르다. 또한, 제1 실시 형태와 동일 구성 부분에 대해서는, 동일 부호를 붙이고, 그 상세한 설명을 생략한다.

도 8은 본 실시 형태에 관계된 삼차원 계측 장치(200)의 개략 구성을 도시하는 모식도이다. 이하, 편의상, 도 8의 지면 전후 방향을 「X축 방향」이라고 하고, 지면 상하 방향을 「Y축 방향」이라고 하고, 지면 좌우 방향을 「Z축 방향」이라고 하여 설명한다.

삼차원 계측 장치(200)는, 마하젠더 간섭계의 원리에 근거하여 구성된 것이며, 특정 파장의 광을 출력할 수 있는 2개의 투광계(2A, 2B)(제1 투광계(2A), 제2 투광계(2B))와, 그 투광계(2A, 2B)로부터 각각 출사되는 광이 입사되는 간섭 광학계(203)와, 그 간섭 광학계(203)로부터 출사되는 광을 촬상할 수 있는 2개의 촬상계(4A, 4B)(제1 촬상계(4A), 제2 촬상계(4B))와, 투광계(2A, 2B)나 간섭 광학계(203), 촬상계(4A, 4B) 등에 관계된 각종 제어나 화상 처리, 연산 처리 등을 행하는 제어 장치(5)를 구비하고 있다. 「제어 장치(5)」가 본 실시 형태에서의 「화상 처리 수단」을 구성하고, 「간섭 광학계(203)」가 본 실시 형태에서의 「소정의 광학계」를 구성한다.

우선, 2개의 투광계(2A, 2B)(제1 투광계(2A), 제2 투광계(2B))의 구성에 대해서 자세하게 설명한다. 제1 투광계(2A)는, 제1 발광부(11A), 제1 광 아이솔레이터(12A), 제1 무편광 빔 스플리터(13A) 등을 구비하고 있다. 여기서 「제1 발광부(11A)」가 본 실시 형태에서의 「제1 조사 수단」을 구성하고, 「제1 무편광 빔 스플리터(13A)」가 본 실시 형태에서의 「제1 도광 수단」을 구성한다.

이러한 구성 하에서, 본 실시 형태에서는, 제1 발광부(11A)로부터, X축 방향 및 Z축 방향에 대해 45° 경사진 방향을 편광 방향으로 하는 파장 λ₁(예를 들면 λ₁=1500㎚)의 직선 편광이 Y축 방향 상향으로 출사된다. 여기서 「파장 λ₁」이 본 실시 형태에서의 「제1 파장」에 상당한다. 이후, 제1 발광부(11A)로부터 출사되는 파장 λ₁의 광을 「제1 광」이라고 한다.

제1 광 아이솔레이터(12A)는, 1방향(본 실시 형태에서는 Y축 방향 상향)으로 진행하는 광만을 투과하고 역방향(본 실시 형태에서는 Y축 방향 하향)의 광을 차단하는 광학 소자이다. 이것에 의해, 제1 발광부(11A)로부터 출사된 제1 광만을 투과하게 되어, 귀환광에 의한 제1 발광부(11A)의 손상이나 불안정화 등을 방지할 수가 있다.

본 실시 형태에서는, 도 8의 지면과 평행한 방향(Y축 방향 또는 Z축 방향)을 편광 방향으로 하는 직선 편광을 P편광(P편광 성분)이라고 하고, 도 8의 지면과 수직인 X축 방향을 편광 방향으로 하는 직선 편광을 S편광(S편광 성분)이라고 한다. 「P편광」이 「제1의 편광 방향을 가지는 제1 편광」에 상당하고, 「S편광」이 「제2의 편광 방향을 가지는 제2 편광」에 상당한다.

제1 무편광 빔 스플리터(13A)는, 그의 접합면(13Ah)을 사이에 두고 서로 인접하는 2면 중의 한쪽이 Y축 방향과 직교하고 또한 다른쪽이 Z축 방향과 직교하도록 배치되어 있다. 다시 말해, 제1 무편광 빔 스플리터(13A)의 접합면(13Ah)이 Y축 방향 및 Z축 방향에 대해 45° 경사지도록 배치되어 있다. 보다 자세하게는, 제1 광 아이솔레이터(12A)를 거쳐서, 제1 발광부(11A)로부터 Y축 방향 상향으로 입사하는 제1 광의 일부(절반)를 Y축 방향 상향으로 투과시키고, 나머지(절반)를 Z축 방향 우향으로 반사시키도록 배치되어 있다.

제2 투광계(2B)는, 제2 발광부(11B), 제2 광 아이솔레이터(12B), 제2 무편광 빔 스플리터(13B) 등을 구비하고 있다. 여기서 「제2 발광부(11B)」가 본 실시 형태에서의 「제2 조사 수단」을 구성하고, 「제2 무편광 빔 스플리터(13B)」가 본 실시 형태에서의 「제2 도광 수단」을 구성한다.

이러한 구성 하에서, 본 실시 형태에서는, 제2 발광부(11B)로부터, X축 방향 및 Z축 방향에 대해 45° 경사진 방향을 편광 방향으로 하는 파장 λ₂(예를 들면 λ₂=1503㎚)의 직선 편광이 Y축 방향 하향으로 출사된다. 여기서 「파장 λ₂」가 본 실시 형태에서의 「제2 파장」에 상당한다. 이후, 제2 발광부(11B)로부터 출사되는 파장 λ₂의 광을 「제2 광」이라고 한다.

제2 광 아이솔레이터(12B)는, 1방향(본 실시 형태에서는 Y축 방향 하향)으로 진행하는 광만을 투과하고 역방향(본 실시 형태에서는 Y축 방향 상향)의 광을 차단하는 광학 소자이다. 이것에 의해, 제2 발광부(11B)로부터 출사된 제2 광만을 투과하게 되어, 귀환광에 의한 제2 발광부(11B)의 손상이나 불안정화 등을 방지할 수가 있다.

제2 무편광 빔 스플리터(13B)는, 그의 접합면(13Bh)을 사이에 두고 서로 인접하는 2면 중의 한쪽이 Y축 방향과 직교하고 또한 다른쪽이 Z축 방향과 직교하도록 배치되어 있다. 다시 말해, 제2 무편광 빔 스플리터(13B)의 접합면(13Bh)이 Y축 방향 및 Z축 방향에 대해 45° 경사지도록 배치되어 있다. 보다 자세하게는, 제2 광 아이솔레이터(12B)를 거쳐서, 제2 발광부(11B)로부터 Y축 방향 하향으로 입사하는 제2 광의 일부(절반)를 Y축 방향 하향으로 투과시키고, 나머지(절반)를 Z축 방향 좌향으로 반사시키도록 배치되어 있다.

다음에 간섭 광학계(203)의 구성에 대해서 자세하게 설명한다. 간섭 광학계(203)는, 2개의 편광 빔 스플리터(211, 212)(제1 편광 빔 스플리터(211), 제2 편광 빔 스플리터(212)), 4개의 1/4 파장판(215, 216, 217, 218)(제1의 1/4 파장판(215), 제2의 1/4 파장판(216), 제3의 1/4 파장판(217), 제4의 1/4 파장판(218)), 2개의 전반사 미러(221, 222)(제1 전반사 미러(221), 제2 전반사 미러(222)), 설치부(224) 등을 구비하고 있다.

편광 빔 스플리터(211, 212)는, 직각 프리즘을 붙여 합쳐서 일체로 한 큐브형의 공지의 광학 부재로서, 그의 접합면(경계면)(211h, 212h)에는 예를 들면 유전체 다층막 등의 코팅이 입혀져 있다.

편광 빔 스플리터(211, 212)는, 입사되는 직선 편광을 편광 방향이 서로 직교하는 2개의 편광 성분(P편광 성분과 S편광 성분)으로 분할하는 것이다. 본 실시 형태에서의 편광 빔 스플리터(211, 212)는, P편광 성분을 투과시키고, S편광 성분을 반사하는 구성으로 되어 있다. 또, 본 실시 형태에서의 편광 빔 스플리터(211, 212)는, 입사하는 소정의 광을 2개의 광으로 분할하는 「분할 수단」을 구성함과 아울러, 입사하는 소정의 2개의 광을 합성하는 「합성 수단」을 구성하게 된다.

제1 편광 빔 스플리터(211)는, 그의 접합면(211h)을 사이에 두고 서로 인접하는 2면 중의 한쪽이 Y축 방향과 직교하고 또한 다른쪽이 Z축 방향과 직교하도록 배치되어 있다. 다시 말해, 제1 편광 빔 스플리터(211)의 접합면(211h)이 Y축 방향 및 Z축 방향에 대해 45° 경사지도록 배치되어 있다.

보다 자세하게는, 상기 제1 무편광 빔 스플리터(13A)로부터 Z축 방향 우향으로 반사된 제1 광이 입사하는 제1 편광 빔 스플리터(211)의 제1 면(Z축 방향 좌측면)(211a), 및, 그 제1 면(211a)과 서로 대향하는 제3 면(Z축 방향 우측면)(211c)이 Z축 방향과 직교하도록 배치되어 있다. 「제1 편광 빔 스플리터(211)(제1 면(211a))」가 본 실시 형태에서의 「제1 입출력부」에 상당한다.

한편, 제1 면(211a)과 접합면(211h)을 사이에 두고 서로 인접하는 면인 제1 편광 빔 스플리터(211)의 제2 면(Y축 방향 상측면)(211b), 및, 그 제2 면(211b)과 서로 대향하는 제4 면(Y축 방향 하측면)(211d)이 Y축 방향과 직교하도록 배치되어 있다.

제2 편광 빔 스플리터(212)는, 그의 접합면(212h)을 사이에 두고 서로 인접하는 2면 중의 한쪽이 Y축 방향과 직교하고 또한 다른쪽이 Z축 방향과 직교하도록 배치되어 있다. 다시 말해, 제2 편광 빔 스플리터(212)의 접합면(212h)이 Y축 방향 및 Z축 방향에 대해 45° 경사지도록 배치되어 있다.

보다 자세하게는, 상기 제2 무편광 빔 스플리터(13B)로부터 Z축 방향 좌향으로 반사된 제2 광이 입사하는 제2 편광 빔 스플리터(212)의 제1 면(Z축 방향 우측면)(212a), 및, 그 제1 면(212a)과 서로 대향하는 제3 면(Z축 방향 좌측면)(212c)이 Z축 방향과 직교하도록 배치되어 있다. 「제2 편광 빔 스플리터(212)(제1 면(212a))」가 본 실시 형태에서의 「제2 입출력부」에 상당한다.

한편, 제1 면(212a)과 접합면(212h)을 사이에 두고 서로 인접하는 면인 제2 편광 빔 스플리터(212)의 제2 면(Y축 방향 하측면)(212b), 및, 그 제2 면(212b)과 서로 대향하는 제4 면(Y축 방향 상측면)(212d)이 Y축 방향과 직교하도록 배치되어 있다.

1/4 파장판(215, 216, 217, 218)은, 직선 편광을 원 편광으로 변환하고 또한 원 편광을 직선 편광으로 변환하는 기능을 가지는 광학 부재이다.

제1의 1/4 파장판(215)은, 제1 편광 빔 스플리터(211)의 제3 면(211c)과 Z축 방향으로 서로 대향하도록 배치되어 있다. 다시 말해, 제1의 1/4 파장판(215)은, 제1 편광 빔 스플리터(211)의 제3 면(211c)으로부터 출사되는 직선 편광을 원 편광으로 변환해서 Z축 방향 우향으로 출사한다. 또, 제1의 1/4 파장판(215)은, Z축 방향 좌향으로 입사하는 원 편광을 직선 편광으로 변환한 다음, 제1 편광 빔 스플리터(211)의 제3 면(211c)을 향해 Z축 방향 좌향으로 출사한다.

제2의 1/4 파장판(216)은, 제1 편광 빔 스플리터(211)의 제4 면(211d)과 Y축 방향으로 서로 대향하도록 배치되어 있다. 다시 말해, 제2의 1/4 파장판(216)은, 제1 편광 빔 스플리터(211)의 제4 면(211d)으로부터 출사되는 직선 편광을 원 편광으로 변환해서 Y축 방향 하향으로 출사한다. 또, 제2의 1/4 파장판(216)은, Y축 방향 상향으로 입사하는 원 편광을 직선 편광으로 변환한 다음, 제1 편광 빔 스플리터(211)의 제4 면(211d)을 향해 Y축 방향 상향으로 출사한다.

제3의 1/4 파장판(217)은, 제2 편광 빔 스플리터(212)의 제4 면(212d)과 Y축 방향으로 서로 대향하도록 배치되어 있다. 다시 말해, 제3의 1/4 파장판(217)은, 제2 편광 빔 스플리터(212)의 제4 면(212d)으로부터 출사되는 직선 편광을 원 편광으로 변환해서 Y축 방향 상향으로 출사한다. 또, 제3의 1/4 파장판(217)은, Y축 방향 하향으로 입사하는 원 편광을 직선 편광으로 변환한 다음, 제2 편광 빔 스플리터(212)의 제4 면(212d)을 향해 Y축 방향 하향으로 출사한다.

제4의 1/4 파장판(218)은, 제2 편광 빔 스플리터(212)의 제3 면(212c)과 Z축 방향으로 서로 대향하도록 배치되어 있다. 다시 말해, 제4의 1/4 파장판(218)은, 제2 편광 빔 스플리터(212)의 제3 면(212c)으로부터 출사되는 직선 편광을 원 편광으로 변환해서 Z축 방향 좌향으로 출사한다. 또, 제4의 1/4 파장판(218)은, Z축 방향 우향으로 입사하는 원 편광을 직선 편광으로 변환한 다음, 제2 편광 빔 스플리터(212)의 제3 면(212c)을 향해 Z축 방향 우향으로 출사한다.

전반사 미러(221, 222)는, 입사광을 전반사시키는 광학 부재이다. 이 중, 본 실시 형태에서의 참조면을 구성하는 제1 전반사 미러(221)는, 제1 편광 빔 스플리터(211) 및 제1의 1/4 파장판(215)을 지나 Z축 방향으로 연장하는 축선과, 제2 편광 빔 스플리터(212)및 제3의 1/4 파장판(217)을 지나 Y축 방향으로 연장하는 축선이 교차하는 위치에서, Y축 방향 및 Z축 방향에 대해 45° 경사지도록 배치되어 있다.

이것에 의해, 제1 전반사 미러(221)는, 제1 편광 빔 스플리터(211)의 제3 면(211c)으로부터 (제1의 1/4 파장판(215)을 거쳐서) Z축 방향 우향으로 출사된 광을, Y축 방향 하향으로 반사시키고, 제2 편광 빔 스플리터(212)의 제4 면(212d)에 (제3의 1/4 파장판(217)을 거쳐서) 입사시킬 수가 있다. 또 거꾸로{역으로}, 제1 전반사 미러(221)는, 제2 편광 빔 스플리터(212)의 제4 면(212d)으로부터 (제3의 1/4 파장판(217)을 거쳐서) Y축 방향 상향으로 출사된 광을, Z축 방향 좌향으로 반사시키고, 제1 편광 빔 스플리터(211)의 제3 면(211c)에 (제1의 1/4 파장판(215)을 거쳐서) 입사시킬 수가 있다.

한편, 제2 전반사 미러(222)는, 제1 편광 빔 스플리터(211) 및 제2의 1/4 파장판(216)을 지나 Y축 방향으로 연장하는 축선과, 제2 편광 빔 스플리터(212) 및 제4의 1/4 파장판(218)을 지나 Z축 방향으로 연장하는 축선이 교차하는 위치에서, Y축 방향 및 Z축 방향에 대해 45° 경사지도록 배치되어 있다.

이것에 의해, 제2 전반사 미러(222)는, 제1 편광 빔 스플리터(211)의 제4 면(211d)으로부터 (제2의 1/4 파장판(216)을 거쳐서) Y축 방향 하향으로 출사된 광을, Z축 방향 우향으로 반사시키고, 제2 편광 빔 스플리터(212)의 제3 면(212c)에 (제4의 1/4 파장판(218)을 거쳐서) 입사시킬 수가 있다. 또 거꾸로, 제2 전반사 미러(222)는, 제2 편광 빔 스플리터(212)의 제3 면(212c)으로부터 (제4의 1/4 파장판(218)을 거쳐서) Z축 방향 좌향으로 출사된 광을, Y축 방향 상향으로 반사시키고, 제1 편광 빔 스플리터(211)의 제4 면(211d)에 (제2의 1/4 파장판(216)을 거쳐서) 입사시킬 수가 있다.

설치부(224)는, 피계측물로서의 워크(W)를 설치하기 위한 것이다. 본 실시 형태에서는 워크(W)로서, 필름 등의 투광성을 가지는 것을 상정하고 있다. 설치부(224)는, 제2 편광 빔 스플리터(212) 및 제2 전반사 미러(222)를 지나 Z축 방향으로 연장하는 축선 상에서, 제4의 1/4 파장판(218)과 제2 전반사 미러(222) 사이에 배치되어 있다.

1/4 파장판(31A)은, 제2 무편광 빔 스플리터(13B)를 Z축 방향 우향으로 투과해 온 직선 편광(후술하는 제1 광의 참조광 성분 및 계측광 성분)을 각각 원 편광으로 변환하기 위한 것이다.

제1 편광판(32A)은, 1/4 파장판(31A)에 의해 원 편광으로 변환된 제1 광의 각 성분을 선택적으로 투과시키는 것이다. 이것에 의해, 회전 방향이 다른 제1 광의 참조광 성분과 계측광 성분을 특정의 위상에 대해서 간섭시킬 수가 있다. 「제1 편광판(32A)」이 본 실시 형태에서의 「제1 위상 시프트 수단」 및 「간섭 수단」을 구성한다.

결과로서, 제1 카메라(33A)에 의해, 제1 광에 관계된 위상 「0°」의 간섭 줄무늬 화상, 위상 「90°」의 간섭 줄무늬 화상, 위상 「180°」의 간섭 줄무늬 화상, 위상 「270°」의 간섭 줄무늬 화상이 촬상되게 된다. 또한, 제1 카메라(33A)에 의해서 촬상된 화상 데이터는, 제1 카메라(33A) 내부에서 디지털 신호로 변환된 다음, 디지털 신호의 형태로 제어 장치(5)(화상 데이터 기억 장치(54))에 입력된다.

제2 촬상계(4B)는, 1/4 파장판(31B), 제2 편광판(32B), 제2 촬상 수단을 구성하는 제2 카메라(33B) 등을 구비하고 있다.

1/4 파장판(31B)은, 제1 무편광 빔 스플리터(13A)를 Z축 방향 좌향으로 투과해 온 직선 편광(후술하는 제2 광의 참조광 성분 및 계측광 성분)을 각각 원 편광으로 변환하기 위한 것이다.

제2 편광판(32B)은, 1/4 파장판(31B)에 의해 원 편광으로 변환된 제2 광의 각 성분을 선택적으로 투과시키는 것이다. 이것에 의해, 회전 방향이 다른 제2 광의 참조광 성분과 계측광 성분을 특정의 위상에 대해서 간섭시킬 수가 있다. 「제2 편광판(32B)」이 본 실시 형태에서의 「제2 위상 시프트 수단」 및 「간섭 수단」을 구성한다.

본 실시 형태에 관계된 제2 편광판(32B)은, Z축 방향을 축심으로 해서 회전 가능하게 구성됨과 아울러, 그 투과축 방향이 45°씩 변화하도록 제어된다. 구체적으로는, 투과축 방향이 Y축 방향에 대해 「0°」, 「45°」, 「90°」, 「135°」로 되도록 변화한다.

결과로서, 제2 카메라(33B)에 의해, 제2 광에 관계된 위상 「0°」의 간섭 줄무늬 화상, 위상 「90°」의 간섭 줄무늬 화상, 위상 「180°」의 간섭 줄무늬 화상, 위상 「270°」의 간섭 줄무늬 화상이 촬상되게 된다. 또한, 제2 카메라(33B)에 의해서 촬상된 화상 데이터는, 제2 카메라(33B) 내부에서 디지털 신호로 변환된 다음, 디지털 신호의 형태로 제어 장치(5)(화상 데이터 기억 장치(54))에 입력된다.

다음에 삼차원 계측 장치(200)의 작용에 대해서 설명한다. 또한, 후술하는 바와 같이, 본 실시 형태에서의 제1 광 및 제2 광의 조사는 동시에 행해지는 것이며, 제1 광의 광로와 제2 광의 광로가 일부에서 겹치게 되지만, 여기에서는, 보다 알기 쉽게 하기 위해서, 제1 광 및 제2 광의 광로마다 다른 도면을 이용하여 개별적으로 설명한다.

우선 제1 광의 광로에 대해서 도 9를 참조하여 설명한다. 도 9에 도시하는 바와 같이, 파장 λ₁의 제1 광(편광 방향이 X축 방향 및 Z축 방향에 대해 45° 경사진 직선 편광)이 제1 발광부(11A)로부터 Y축 방향 상향으로 출사된다.

제1 발광부(11A)로부터 출사된 제1 광은, 제1 광 아이솔레이터(12A)를 통과하고, 제1 무편광 빔 스플리터(13A)에 입사한다. 제1 무편광 빔 스플리터(13A)에 입사된 제1 광의 일부는 Y축 방향 상향으로 투과하고, 나머지는 Z축 방향 우향으로 반사된다.

이 중, Z축 방향 우향으로 반사된 제1 광(편광 방향이 X축 방향 및 Y축 방향에 대해 45° 경사진 직선 편광)은, 제1 편광 빔 스플리터(211)의 제1 면(211a)에 입사한다. 한편, Y축 방향 상향으로 투과한 제1 광은, 어떠한 광학계 등에 입사하는 일없이, 버리는 광으로 된다.

제1 편광 빔 스플리터(211)의 제1 면(211a)으로부터 Z축 방향 우향으로 입사된 제1 광은, 그의 P편광 성분이 Z축 방향 우향으로 투과해서 제3 면(211c)으로부터 참조광으로서 출사되는 한편, 그의 S편광 성분이 Y축 방향 하향으로 반사되어 제4 면(211d)으로부터 계측광으로서 출사된다.

제1 편광 빔 스플리터(211)의 제3 면(211c)으로부터 출사된 제1 광에 관계된 참조광(P편광)은, 제1의 1/4 파장판(215)을 통과하는 것에 의해 우회전의 원 편광으로 변환된 후, 제1 전반사 미러(221)에서 Y축 방향 하향으로 반사된다. 여기서, 광의 진행 방향에 대한 회전 방향은 유지된다.

그 후, 제1 광에 관계된 참조광은, 제3의 1/4 파장판(217)을 통과함으로써, 우회전의 원 편광으로부터 S편광으로 변환된 다음 제2 편광 빔 스플리터(212)의 제4 면(212d)에 입사한다.

한편, 제1 편광 빔 스플리터(211)의 제4 면(211d)으로부터 출사된 제1 광에 관계된 계측광(S편광)은, 제2의 1/4 파장판(216)을 통과하는 것에 의해 좌회전의 원 편광으로 변환된 후, 제2 전반사 미러(222)에서 Z축 방향 우향으로 반사된다. 여기서, 광의 진행 방향에 대한 회전 방향은 유지된다.

그 후, 제1 광에 관계된 계측광은, 설치부(224)에 설치된 워크(W)를 투과한 후, 제4의 1/4 파장판(218)을 통과함으로써, 좌회전의 원 편광으로부터 P편광으로 변환된 다음 제2 편광 빔 스플리터(212)의 제3 면(212c)에 입사한다.

그리고, 제2 편광 빔 스플리터(212)의 제4 면(212d)으로부터 입사된 제1 광에 관계된 참조광(S편광)이 접합면(212h)에서 Z축 방향 우향으로 반사되는 한편, 제2 편광 빔 스플리터(212)의 제3 면(212c)으로부터 입사된 제1 광에 관계된 계측광(P편광)은 접합면(212h)을 Z축 방향 우향으로 투과한다. 그리고, 제1 광에 관계된 참조광 및 계측광이 합성된 상태의 합성광이 출력광으로서 제2 편광 빔 스플리터(212)의 제1 면(212a)으로부터 출사된다.

제2 편광 빔 스플리터(212)의 제1 면(212a)으로부터 출사된 제1 광에 관계된 합성광(참조광 및 계측광)은, 제2 무편광 빔 스플리터(13B)에 입사한다. 제2 무편광 빔 스플리터(13B)에 대해 Z축 방향 우향으로 입사된 제1 광에 관계된 합성광은, 그의 일부가 Z축 방향 우향으로 투과하고, 나머지가 Y축 방향 상향으로 반사된다. 이 중, Z축 방향 우향으로 투과한 합성광(참조광 및 계측광)은 제1 촬상계(4A)에 입사하게 된다. 한편, Y축 방향 상향으로 반사된 합성광은, 제2 광 아이솔레이터(12B)에 의해 그의 진행이 차단되고, 버리는 광으로 된다.

다음에 제2 광의 광로에 대해서 도 10을 참조하여 설명한다. 도 10에 도시하는 바와 같이, 파장 λ₂의 제2 광(편광 방향이 X축 방향 및 Z축 방향에 대해 45° 경사진 직선 편광)이 제2 발광부(11B)로부터 Y축 방향 하향으로 출사된다.

제2 발광부(11B)로부터 출사된 제2 광은, 제2 광 아이솔레이터(12B)를 통과하고, 제2 무편광 빔 스플리터(13B)에 입사한다. 제2 무편광 빔 스플리터(13B)에 입사된 제2 광의 일부는 Y축 방향 하향으로 투과하고, 나머지는 Z축 방향 좌향으로 반사된다.

이 중, Z축 방향 좌향으로 반사된 제2 광(편광 방향이 X축 방향 및 Y축 방향에 대해 45° 경사진 직선 편광)은, 제2 편광 빔 스플리터(212)의 제1 면(212a)에 입사한다. 한편, Y축 방향 하향으로 투과한 제2 광은, 어떠한 광학계 등에 입사하는 일없이, 버리는 광으로 된다.

제2 편광 빔 스플리터(212)의 제1 면(212a)으로부터 Z축 방향 좌향으로 입사된 제2 광은, 그의 S편광 성분이 Y축 방향 상향으로 반사되어 제4 면(212d)으로부터 참조광으로서 출사되는 한편, 그의 P편광 성분이 Z축 방향 좌향으로 투과해서 제3 면(212c)으로부터 계측광으로서 출사된다.

제2 편광 빔 스플리터(212)의 제4 면(212d)으로부터 출사된 제2 광에 관계된 참조광(S편광)은, 제3의 1/4 파장판(217)을 통과하는 것에 의해 좌회전의 원 편광으로 변환된 후, 제1 전반사 미러(221)에서 Z축 방향 좌향으로 반사된다. 여기서, 광의 진행 방향에 대한 회전 방향은 유지된다.

그 후, 제2 광에 관계된 참조광은, 제1의 1/4 파장판(215)을 통과함으로써, 좌회전의 원 편광으로부터 P편광으로 변환된 다음 제1 편광 빔 스플리터(211)의 제3 면(211c)에 입사한다.

한편, 제2 편광 빔 스플리터(212)의 제3 면(212c)으로부터 출사된 제2 광에 관계된 계측광(P편광)은, 제4의 1/4 파장판(218)을 통과하는 것에 의해 우회전의 원 편광으로 변환된 후, 설치부(224)에 설치된 워크(W)를 투과한다. 그 후, 제2 광에 관계된 계측광은, 제2 전반사 미러(222)에서 Y축 방향 상향으로 반사된다. 여기서, 광의 진행 방향에 대한 회전 방향은 유지된다.

제2 전반사 미러(222)에서 반사된 제1 광에 관계된 계측광은, 제2의 1/4 파장판(216)을 통과함으로써, 우회전의 원 편광으로부터 S편광으로 변환된 다음 제1 편광 빔 스플리터(211)의 제4 면(211d)에 입사한다.

그리고, 제1 편광 빔 스플리터(211)의 제3 면(211c)으로부터 입사된 제2 광에 관계된 참조광(P편광)이 접합면(211h)을 Z축 방향 좌향으로 투과하는 한편, 제1 편광 빔 스플리터(211)의 제4 면(211d)으로부터 입사된 제2 광에 관계된 계측광(S편광)은 접합면(211h)에서 Z축 방향 좌향으로 반사된다. 그리고, 제2 광에 관계된 참조광 및 계측광이 합성된 상태의 합성광이 출력광으로서 제1 편광 빔 스플리터(211)의 제1 면(211a)으로부터 출사된다.

제1 편광 빔 스플리터(211)의 제1 면(211a)으로부터 출사된 제2 광에 관계된 합성광(참조광 및 계측광)은, 제1 무편광 빔 스플리터(13A)에 입사한다. 제1 무편광 빔 스플리터(13A)에 대해 Z축 방향 좌향으로 입사된 제2 광에 관계된 합성광은, 그의 일부가 Z축 방향 좌향으로 투과하고, 나머지가 Y축 방향 하향으로 반사된다. 이 중, Z축 방향 좌향으로 투과한 합성광(참조광 및 계측광)은 제2 촬상계(4B)에 입사하게 된다. 한편, Y축 방향 하향으로 반사된 합성광은, 제1 광 아이솔레이터(12A)에 의해 그의 진행이 차단되고, 버리는 광으로 된다.

다음에, 제어 장치(5)에 의해서 실행되는 형상 계측 처리의 수순에 대해서 자세하게 설명한다. 우선은, 설치부(224)에 워크(W)를 설치한 후, 제1 촬상계(4A)의 제1 편광판(32A)의 투과축 방향을 소정의 기준 위치(예를 들면 「0°」)로 설정함과 아울러, 제2 촬상계(4B)의 제2 편광판(32B)의 투과축 방향을 소정의 기준 위치(예를 들면 「0°」)로 설정한다.

계속해서, 제1 투광계(2A)로부터 제1 광을 조사함과 동시에, 제2 투광계(2B)로부터 제2 광을 조사한다. 그 결과, 간섭 광학계(203)의 제2 편광 빔 스플리터(212)의 제1 면(212a)으로부터 제1 광에 관계된 합성광(참조광 및 계측광)이 출사됨과 동시에, 제1 편광 빔 스플리터(211)의 제1 면(211a)으로부터 제2 광에 관계된 합성광(참조광 및 계측광)이 출사된다.

그리고, 제2 편광 빔 스플리터(212)의 제1 면(212a)으로부터 출사된 제1 광에 관계된 합성광을 제1 촬상계(4A)에 의해 촬상함과 동시에, 제1 편광 빔 스플리터(211)의 제1 면(211a)으로부터 출사된 제2 광에 관계된 합성광을 제2 촬상계(4B)에 의해 촬상한다.

다음에 제어 장치(5)는, 제1 촬상계(4A)의 제1 편광판(32A), 및, 제2 촬상계(4B)의 제2 편광판(32B)의 전환 처리를 행한다. 구체적으로는, 제1 편광판(32A) 및 제2 편광판(32B)을 각각 투과축 방향이 「45°」로 되는 위치까지 회동 변위시킨다.

그 전환 처리가 종료하면, 제어 장치(5)는, 상기 일련의 1회째의 촬상 처리와 마찬가지인 2회째의 촬상 처리를 행한다. 다시 말해, 제어 장치(5)는, 제1 투광계(2A)로부터 제1 광을 조사함과 동시에, 제2 투광계(2B)로부터 제2 광을 조사하고, 제2 편광 빔 스플리터(212)의 제1 면(212a)으로부터 출사된 제1 광에 관계된 합성광을 제1 촬상계(4A)에 의해 촬상함과 동시에, 제1 편광 빔 스플리터(211)의 제1 면(211a)으로부터 출사된 제2 광에 관계된 합성광을 제2 촬상계(4B)에 의해 촬상한다. 이것에 의해, 제1 광에 관계된 위상 「90°」의 간섭 줄무늬 화상이 취득됨과 아울러, 제2 광에 관계된 위상 「90°」의 간섭 줄무늬 화상이 촬상되게 된다.

이후, 상기 1회째 및 2회째의 촬상 처리와 마찬가지 촬상 처리가 2회 반복하여 행해진다. 다시 말해, 제1 편광판(32A) 및 제2 편광판(32B)의 투과축 방향을 「90°」로 설정한 상태에서 3회째의 촬상 처리를 행하고, 제1 광에 관계된 위상 「180°」의 간섭 줄무늬 화상을 취득함과 아울러, 제2 광에 관계된 위상 「180°」의 간섭 줄무늬 화상을 취득한다.

이상 상세하게 기술한 바와 같이, 본 실시 형태에 의하면, 마하젠더 간섭계의 원리에 근거한 비교적 간소한 구성 하에서, 상기 제1 실시 형태와 마찬가지 작용 효과가 얻어지게 된다.

[제4 실시 형태]

이하, 제4 실시 형태에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 제1 실시 형태와 동일 구성 부분에 대해서는, 동일 부호를 붙이고, 그 상세한 설명을 생략한다.

도 11은 본 실시 형태에 관계된 삼차원 계측 장치(300)의 개략 구성을 도시하는 모식도이다. 이하, 편의상, 도 11의 지면 전후 방향을 「X축 방향」이라고 하고, 지면 상하 방향을 「Y축 방향」이라고 하고, 지면 좌우 방향을 「Z축 방향」이라고 하여 설명한다.

삼차원 계측 장치(300)는, 피조 간섭계의 원리에 근거하여 구성된 것이며, 특정 파장의 광을 출력할 수 있는 2개의 투광계(302A, 302B)(제1 투광계(302A), 제2 투광계(302B))와, 그 투광계(302A, 302B)로부터 각각 출사되는 광이 입사되는 간섭 광학계(303)와, 그 간섭 광학계(303)로부터 출사되는 광을 촬상할 수 있는 2개의 촬상계(304A, 304B)(제1 촬상계(304A), 제2 촬상계(304B))와, 투광계(302A, 302B)나 간섭 광학계(303), 촬상계(304A, 304B) 등에 관계된 각종 제어나 화상 처리, 연산 처리 등을 행하는 제어 장치(5)를 구비하고 있다. 「제어 장치(5)」가 본 실시 형태에서의 「화상 처리 수단」을 구성하고, 「간섭 광학계(303)」가 본 실시 형태에서의 「소정의 광학계」를 구성한다.

우선, 2개의 투광계(302A, 302B)(제1 투광계(302A), 제2 투광계(302B))의 구성에 대해서 자세하게 설명한다. 제1 투광계(302A)는, 제1 발광부(311A), 제1 광 아이솔레이터(312A), 제1 무편광 빔 스플리터(313A) 등을 구비하고 있다. 여기서 「제1 발광부(311A)」가 본 실시 형태에서의 「제1 조사 수단」을 구성한다.

도시는 생략하지만, 제1 발광부(311A)는, 특정 파장 λ₁의 직선 편광을 출력할 수 있는 레이저 광원이나, 그 레이저 광원으로부터 출력되는 직선 편광을 확대하고 평행광으로서 출사하는 빔 익스팬더, 강도 조정을 행하기 위한 편광판, 편광 방향을 조정하기 위한 1/2 파장판 등을 구비하고 있다.

이러한 구성 하에서, 본 실시 형태에서는, 제1 발광부(311A)로부터, Y축 방향을 편광 방향으로 하는 파장 λ₁(예를 들면 λ₁=1500㎚)의 직선 편광이 Z축 방향 우향으로 출사된다. 여기서 「파장 λ₁」이 본 실시 형태에서의 「제1 파장」에 상당한다. 이후, 제1 발광부(311A)로부터 출사되는 파장 λ₁의 광을 「제1 광」이라고 한다.

제1 광 아이솔레이터(312A)는, 1방향(본 실시 형태에서는 Z축 방향 우향)으로 진행하는 광만을 투과하고 역방향(본 실시 형태에서는 Z축 방향 좌향)의 광을 차단하는 광학 소자이다. 이것에 의해, 제1 발광부(311A)로부터 출사된 제1 광만을 투과하게 되어, 귀환광에 의한 제1 발광부(311A)의 손상이나 불안정화 등을 방지할 수가 있다.

제1 무편광 빔 스플리터(313A)는, 직각 프리즘을 붙여 합쳐서 일체로 한 큐브형의 공지의 광학 부재로서, 그의 접합면(313Ah)에는 예를 들면 금속막 등의 코팅이 입혀져 있다. 「제1 무편광 빔 스플리터(313A)」가 본 실시 형태에서의 「제1 도광 수단」을 구성한다.

또한, 본 실시 형태에서는, 도 11의 지면과 평행한 방향(Y축 방향 또는 Z축 방향)을 편광 방향으로 하는 직선 편광을 P편광(P편광 성분)이라고 하고, 도 11의 지면과 수직인 X축 방향을 편광 방향으로 하는 직선 편광을 S편광(S편광 성분)이라고 한다. 「P편광」이 「제1의 편광 방향을 가지는 제1 편광」에 상당하고, 「S편광」이 「제2의 편광 방향을 가지는 제2 편광」에 상당한다.

또, 제1 무편광 빔 스플리터(313A)는, 그의 접합면(313Ah)을 사이에 두고 서로 인접하는 2면 중의 한쪽이 Y축 방향과 직교하고 또한 다른쪽이 Z축 방향과 직교하도록 배치되어 있다. 다시 말해, 제1 무편광 빔 스플리터(313A)의 접합면(313Ah)이 Y축 방향 및 Z축 방향에 대해 45° 경사지도록 배치되어 있다. 보다 자세하게는, 제1 광 아이솔레이터(312A)를 거쳐서, 제1 발광부(311A)로부터 Z축 방향 우향으로 입사하는 제1 광의 일부(절반)를 Z축 방향 우향으로 투과시키고, 나머지(절반)를 Y축 방향 하향으로 반사시키도록 배치되어 있다.

제2 투광계(302B)는, 제2 발광부(311B), 제2 광 아이솔레이터(312B), 제2 무편광 빔 스플리터(313B) 등을 구비하고 있다. 여기서 「제2 발광부(311B)」가 본 실시 형태에서의 「제2 조사 수단」을 구성한다.

제2 발광부(311B)는, 상기 제1 발광부(311A)와 마찬가지로, 특정 파장 λ₂의 직선 편광을 출력할 수 있는 레이저 광원이나, 그 레이저 광원으로부터 출력되는 직선 편광을 확대하고 평행광으로서 출사하는 빔 익스팬더, 강도 조정을 행하기 위한 편광판, 편광 방향을 조정하기 위한 1/2 파장판 등을 구비하고 있다.

이러한 구성 하에서, 본 실시 형태에서는, 제2 발광부(311B)로부터, X축 방향을 편광 방향으로 하는 파장 λ₂(예를 들면 λ₂=1503㎚)의 직선 편광이 Z축 방향 우향으로 출사된다. 여기서 「파장 λ₂」가 본 실시 형태에서의 「제2 파장」에 상당한다. 이후, 제2 발광부(311B)로부터 출사되는 파장 λ₂의 광을 「제2 광」이라고 한다.

제2 광 아이솔레이터(312B)는, 1방향(본 실시 형태에서는 Z축 방향 우향)으로 진행하는 광만을 투과하고 역방향(본 실시 형태에서는 Z축 방향 좌향)의 광을 차단하는 광학 소자이다. 이것에 의해, 제2 발광부(311B)로부터 출사된 제2 광만을 투과하게 되어, 귀환광에 의한 제2 발광부(311B)의 손상이나 불안정화 등을 방지할 수가 있다.

제2 무편광 빔 스플리터(313B)는, 직각 프리즘을 붙여 합쳐서 일체로 한 큐브형의 공지의 광학 부재로서, 그의 접합면(313Bh)에는 예를 들면 금속막 등의 코팅이 입혀져 있다. 「제2 무편광 빔 스플리터(313B)」가 본 실시 형태에서의 「제2 도광 수단」을 구성한다.

또, 제2 무편광 빔 스플리터(313B)는, 그의 접합면(313Bh)을 사이에 두고 서로 인접하는 2면 중의 한쪽이 Y축 방향과 직교하고 또한 다른쪽이 Z축 방향과 직교하도록 배치되어 있다. 다시 말해, 제2 무편광 빔 스플리터(313B)의 접합면(313Bh)이 Y축 방향 및 Z축 방향에 대해 45° 경사지도록 배치되어 있다. 보다 자세하게는, 제2 광 아이솔레이터(312B)를 거쳐서, 제2 발광부(311B)로부터 Z축 방향 우향으로 입사하는 제2 광의 일부(절반)를 Z축 방향 우향으로 투과시키고, 나머지(절반)를 Y축 방향 상향으로 반사시키도록 배치되어 있다.

다음에 간섭 광학계(303)의 구성에 대해서 자세하게 설명한다. 간섭 광학계(303)는, 편광 빔 스플리터(320), 1/4 파장판(321), 하프미러(323), 설치부(324) 등을 구비하고 있다.

편광 빔 스플리터(320)는, 직각 프리즘을 붙여 합쳐서 일체로 한 큐브형의 공지의 광학 부재로서, 그의 접합면(경계면)(320h)에는 예를 들면 유전체 다층막 등의 코팅이 입혀져 있다.

본 실시 형태에서의 편광 빔 스플리터(320)는, P편광 성분을 투과시키고, S편광 성분을 반사하는 구성으로 되어 있다.

편광 빔 스플리터(320)는, 그의 접합면(320h)을 사이에 두고 서로 인접하는 2면 중의 한쪽이 Y축 방향과 직교하고 또한 다른쪽이 Z축 방향과 직교하도록 배치되어 있다. 다시 말해, 편광 빔 스플리터(320)의 접합면(320h)이 Y축 방향 및 Z축 방향에 대해 45° 경사지도록 배치되어 있다.

보다 자세하게는, 상기 제1 무편광 빔 스플리터(313A)로부터 Z축 방향 우향으로 투과한 제1 광이 입사하는 편광 빔 스플리터(320)의 제1 면(Z축 방향 좌측면)(320a), 및, 그 제1 면(320a)과 서로 대향하는 제3 면(Z축 방향 우측면)(320c)이 Z축 방향과 직교하도록 배치되어 있다. 「편광 빔 스플리터(320)의 제1 면(320a)」이 본 실시 형태에서의 「제1 입출력부」에 상당한다.

한편, 제1 면(320a)과 접합면(320h)을 사이에 두고 서로 인접하는 면으로서, 상기 제2 무편광 빔 스플리터(313B)로부터 Y축 방향 상향으로 반사된 제2 광이 입사하는 편광 빔 스플리터(320)의 제2 면(Y축 방향 하측면)(320b), 및, 그 제2 면(320b)과 서로 대향하는 제4 면(Y축 방향 상측면)(320d)이 Y축 방향과 직교하도록 배치되어 있다. 「편광 빔 스플리터(320)의 제2 면(320b)」이 본 실시 형태에서의 「제2 입출력부」에 상당한다.

그리고, 편광 빔 스플리터(320)의 제3 면(320c)과 Z축 방향으로 서로 대향하도록 1/4 파장판(321)이 배치되고, 또 그 Z축 방향 우측에서, 그 1/4 파장판(321)과 Z축 방향으로 서로 대향하도록 하프미러(323)가 배치되고, 또 그 Z축 방향 우측에서, 그 하프미러(323)와 Z축 방향으로 서로 대향하도록 설치부(324)가 배치되어 있다. 단, 하프미러(323)는, 주기적인 간섭 줄무늬(캐리어)를 일으키게 하기 위해서, 엄밀하게는 Z축 방향에 대해 약간 기운 상태로 설치되어 있다.

1/4 파장판(321)은, 직선 편광을 원 편광으로 변환하고 또한 원 편광을 직선 편광으로 변환하는 기능을 가진다. 다시 말해, 편광 빔 스플리터(320)의 제3 면(320c)으로부터 출사되는 직선 편광(P편광 또는 S편광)은 1/4 파장판(321)을 거쳐서 원 편광으로 변환된 다음 하프미러(323)에 대해 조사된다.

하프미러(323)는, 입사광을 1:1의 비율로 투과광과 반사광으로 분할하는 것이다. 구체적으로는, 1/4 파장판(321)으로부터 Z축 방향 우향으로 입사하는 원 편광의 일부(절반)를 계측광으로서 Z축 방향 우향으로 투과시키고, 나머지(절반)를 참조광으로서 Z축 방향 좌향으로 반사시킨다. 그리고, 하프미러(323)를 투과한 원 편광(계측광)이 설치부(324)에 놓여진 피계측물로서의 워크(W)에 대해 조사된다. 다시 말해, 「하프미러(323)」가 본 실시 형태에서의 「참조면」을 구성하게 된다. 또, 「하프미러(323)」는, 입사하는 소정의 광을 2개의 광으로 분할하는 「분할 수단」을 구성함과 아울러, 이들을 다시 합성하는 「합성 수단」을 구성하게 된다.

다음에 2개의 촬상계(304A, 304B)(제1 촬상계(304A), 제2 촬상계(304B))의 구성에 대해서 자세하게 설명한다. 제1 촬상계(304A)는, 제1 촬상 수단을 구성하는 제1 카메라(333A)를 구비하고, 제2 촬상계(304B)는, 제2 촬상 수단을 구성하는 제2 카메라(333B)를 구비하고 있다.

각 카메라(333A, 333B)는, 렌즈나 촬상 소자 등을 구비해서 이루어지는 공지의 것이다. 본 실시 형태에서는, 카메라(333A, 333B)의 촬상 소자로서, CCD 에리어 센서를 채용하고 있다. 물론, 촬상 소자는, 이것에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면 CMOS 에리어 센서 등을 채용해도 좋다.

각 카메라(333A, 333B)에 의해서 촬상된 화상 데이터는, 각 카메라(333A, 333B) 내부에서 디지털 신호로 변환된 다음, 디지털 신호의 형태로 제어 장치(5)(화상 데이터 기억 장치(54))에 입력되도록 되어 있다.

다음에 삼차원 계측 장치(300)의 작용에 대해서 설명한다. 또한, 후술하는 바와 같이, 본 실시 형태에서의 제1 광 및 제2 광의 조사는 동시에 행해지는 것이며, 제1 광의 광로와 제2 광의 광로가 일부에서 겹치게 되지만, 여기에서는, 보다 알기 쉽게 하기 위해서, 제1 광 및 제2 광의 광로마다 다른 도면을 이용하여 개별적으로 설명한다.

우선 제1 광의 광로에 대해서 도 12를 참조하여 설명한다. 도 12에 도시하는 바와 같이, 파장 λ₁의 제1 광(Y축 방향을 편광 방향으로 하는 P편광)이 제1 발광부(311A)로부터 Z축 방향 우향으로 출사된다.

제1 발광부(311A)로부터 출사된 제1 광은, 제1 광 아이솔레이터(312A)를 통과하고, 제1 무편광 빔 스플리터(313A)에 입사한다. 제1 무편광 빔 스플리터(313A)에 입사된 제1 광의 일부는 Z축 방향 우향으로 투과하고, 나머지는 Y축 방향 하향으로 반사된다.

이 중, Z축 방향 우향으로 투과한 제1 광은, 편광 빔 스플리터(320)의 제1 면(320a)에 입사한다. 한편, Y축 방향 하향으로 반사된 제1 광은, 어떠한 광학계 등에 입사하는 일없이, 버리는 광으로 된다.

편광 빔 스플리터(320)의 제1 면(320a)으로부터 Z축 방향 우향으로 입사된 제1 광(P편광)은, 접합면(320h)을 Z축 방향 우향으로 투과해서 제3 면(320c)으로부터 출사된다.

편광 빔 스플리터(320)의 제3 면(320c)으로부터 출사된 제1 광은, 1/4 파장판(321)을 통과함으로써, Y축 방향을 편광 방향으로 하는 P편광으로부터 우회전의 원 편광으로 변환된 다음 하프미러(323)에 조사된다.

하프미러(323)에 조사된 제1 광은, 그의 일부(절반)가 계측광으로서 하프미러(323)를 Z축 방향 우향으로 투과하고, 나머지가 참조광으로서 Z축 방향 좌향으로 반사된다. 여기서, 투과광(계측광) 및 반사광(참조광) 모두, 광의 진행 방향에 대한 회전 방향(우회전)은 유지된다.

그리고, 하프미러(323)를 Z축 방향 우향으로 투과한 제1 광에 관계된 계측광(우회전의 원 편광)은, 설치부(324)에 놓여진 워크(W)에 조사되고 반사된다. 여기에서도, 광의 진행 방향에 대한 회전 방향(우회전)은 유지된다.

워크(W)에서 반사된 제1 광에 관계된 계측광은, 재차, 하프미러(323)를 Z축 방향 좌향으로 통과하고, 상기 하프미러(323)에서 Z축 방향 좌향으로 반사된 제1 광에 관계된 참조광(우회전의 원 편광)과 합성된다. 회전 방향이 동일한 우회전의 원 편광인 계측광 및 참조광이 합성됨으로써, 양자{兩者}는 간섭한다.

계속해서, 이 제1 광에 관계된 간섭광은, 1/4 파장판(321)을 통과함으로써, 우회전의 원 편광으로부터, X축 방향을 편광 방향으로 하는 S편광으로 변환된 다음 편광 빔 스플리터(320)의 제3 면(320c)에 재입사한다.

여기서, 편광 빔 스플리터(320)의 제3 면(320c)으로부터 재입사된 제1 광에 관계된 간섭광(S편광)은, 접합면(320h)에서 Y축 방향 하향으로 반사되고, 출력광으로서 편광 빔 스플리터(320)의 제2 면(320b)으로부터 출사된다.

편광 빔 스플리터(320)의 제2 면(320b)으로부터 출사된 제1 광에 관계된 간섭광은, 제2 무편광 빔 스플리터(313B)에 입사한다. 제2 무편광 빔 스플리터(313B)에 대해 Y축 방향 하향으로 입사된 제1 광에 관계된 간섭광은, 그의 일부가 Y축 방향 하향으로 투과하고, 나머지가 Z축 방향 좌향으로 반사된다. 이 중, Y축 방향 하향으로 투과한 간섭광은 제1 촬상계(304A)(제1 카메라(333A))에 입사하고 촬상되게 된다. 한편, Z축 방향 좌향으로 반사된 간섭광은, 제2 아이솔레이터(312B)에 의해 그의 진행이 차단되고, 버리는 광으로 된다.

다음에 제2 광의 광로에 대해서 도 13을 참조하여 설명한다. 도 13에 도시하는 바와 같이, 파장 λ₂의 제2 광(X축 방향을 편광 방향으로 하는 S편광)이 제2 발광부(311B)로부터 Z축 방향 우향으로 출사된다.

제2 발광부(311B)로부터 출사된 제2 광은, 제2 광 아이솔레이터(312B)를 통과하고, 제2 무편광 빔 스플리터(313B)에 입사한다. 제2 무편광 빔 스플리터(313B)에 입사된 제2 광의 일부는 Z축 방향 우향으로 투과하고, 나머지는 Y축 방향 상향으로 반사된다.

이 중, Y축 방향 상향으로 반사된 제2 광은, 편광 빔 스플리터(320)의 제2 면(320b)에 입사한다. 한편, Z축 방향 우향으로 투과한 제2 광은, 어떠한 광학계 등에 입사하는 일없이, 버리는 광으로 된다.

편광 빔 스플리터(320)의 제2 면(320b)으로부터 Y축 방향 상향으로 입사된 제2 광(S편광)은, 접합면(320h)에서 Z축 방향 우향으로 반사되어 제3 면(320c)으로부터 출사된다.

편광 빔 스플리터(320)의 제3 면(320c)으로부터 출사된 제2 광은, 1/4 파장판(321)을 통과함으로써, X축 방향을 편광 방향으로 하는 S편광으로부터, 좌회전의 원 편광으로 변환된 다음 하프미러(323)에 조사된다.

하프미러(323)에 조사된 제2 광은, 그의 일부(절반)가 계측광으로서 하프미러(323)를 Z축 방향 우향으로 투과하고, 나머지가 참조광으로서 Z축 방향 좌향으로 반사된다. 여기서, 투과광(계측광) 및 반사광(참조광) 모두, 광의 진행 방향에 대한 회전 방향(좌회전)은 유지된다.

그리고, 하프미러(323)를 Z축 방향 우향으로 투과한 제2 광에 관계된 계측광(좌회전의 원 편광)은, 설치부(324)에 놓여진 워크(W)에 조사되고 반사한다. 여기에서도, 광의 진행 방향에 대한 회전 방향(좌회전)은 유지된다.

워크(W)에서 반사된 제2 광에 관계된 계측광은, 재차, 하프미러(323)를 Z축 방향 좌향으로 통과하고, 상기 하프미러(323)에서 Z축 방향 좌향으로 반사된 제2 광에 관계된 참조광(좌회전의 원 편광)과 합성된다. 회전 방향이 동일한 좌회전의 원 편광인 계측광 및 참조광이 합성됨으로써, 양자는 간섭한다.

계속해서, 이 제2 광에 관계된 간섭광은, 1/4 파장판(321)을 통과함으로써, 좌회전의 원 편광으로부터, Y축 방향을 편광 방향으로 하는 P편광으로 변환된 다음 편광 빔 스플리터(320)의 제3 면(320c)에 재입사한다.

여기서, 편광 빔 스플리터(320)의 제3 면(320c)으로부터 재입사된 제2 광에 관계된 간섭광(P편광)은, 접합면(320h)을 Z축 방향 좌향으로 투과하고, 출력광으로서 편광 빔 스플리터(320)의 제1 면(320a)으로부터 출사된다.

편광 빔 스플리터(320)의 제1 면(320a)으로부터 출사된 제2 광에 관계된 간섭광은, 제1 무편광 빔 스플리터(313A)에 입사한다. 제1 무편광 빔 스플리터(313A)에 대해 Z축 방향 좌향으로 입사된 제2 광에 관계된 간섭광은, 그의 일부가 Z축 방향 좌향으로 투과하고, 나머지가 Y축 방향 상향으로 반사된다. 이 중, Y축 방향 상향으로 반사된 간섭광은 제2 촬상계(304B)(제2 카메라(333B))에 입사하고 촬상되게 된다. 한편, Z축 방향 좌향으로 투과한 간섭광은, 제1 광 아이솔레이터(312A)에 의해 그의 진행이 차단되고, 버리는 광으로 된다.

다음에, 제어 장치(5)에 의해서 실행되는 형상 계측 처리의 수순에 대해서 자세하게 설명한다. 우선은, 설치부(324)에 워크(W)를 설치한 후, 제1 투광계(302A)로부터 제1 광을 조사함과 동시에, 제2 투광계(302B)로부터 제2 광을 조사한다. 그 결과, 간섭 광학계(303)의 편광 빔 스플리터(320)의 제2 면(320b)으로부터 제1 광에 관계된 간섭광이 출사됨과 동시에, 편광 빔 스플리터(320)의 제1 면(320a)으로부터 제2 광에 관계된 간섭광이 출사된다.

그리고, 편광 빔 스플리터(320)의 제2 면(320b)으로부터 출사된 제1 광에 관계된 간섭광을 제1 촬상계(304A)에 의해 촬상함과 동시에, 편광 빔 스플리터(320)의 제1 면(320a)으로부터 출사된 제2 광에 관계된 간섭광을 제2 촬상계(304B)에 의해 촬상한다.

그리고, 각 카메라(333A, 333B)로부터 각각 촬상된 화상 데이터가 제어 장치(5)에 출력된다. 제어 장치(5)는, 입력된 화상 데이터를 화상 데이터 기억 장치(54)에 기억한다.

그리고, 제어 장치(5)는, 화상 데이터 기억 장치(54)에 기억된 제1 광에 관계된 간섭 줄무늬 화상 데이터, 및, 제2 광에 관계된 간섭 줄무늬 화상 데이터를 기본으로, 푸리에 변환법에 의해 워크(W)의 표면 형상을 계측한다. 다시 말해, 워크(W)의 표면 상의 각 위치에서의 높이 정보를 산출한다.

여기서, 일반적인 푸리에 변환법에 의한 높이 계측의 원리에 대해서 설명한다. 제1 광 또는 제2 광에 관계된 간섭 줄무늬 화상 데이터의 동일 좌표 위치(x, y)에서의 간섭 줄무늬 강도, 즉 휘도 g(x, y)는, 하기 [수학식 11]의 관계식으로 나타낼 수가 있다.

단, a(x, y)는 오프셋, b(x, y)는 진폭, φ(x, y)는 위상, f_x0은 x방향의 캐리어 주파수, f_y0은 y방향의 캐리어 주파수를 나타낸다.

그리고, 휘도 g(x, y)를 2차원 푸리에 변환하고, 2차원 공간 주파수 스펙트럼을 얻는다. 이 좌우의 스펙트럼 중의 한쪽을 남기고, 중앙으로 시프트한 후, 역푸리에 변환한다.

이 시프트한 스펙트럼은, 하기 [수학식 12]의 관계식으로 나타낼 수가 있으므로, 위상 φ에 대해서 풀면 각 좌표의 위상을 구할 수가 있다.

단, c(x, y)는 스펙트럼.

그리고, 파장이 다른 2종류의 광을 이용하는 경우에는, 상기 제1 실시 형태와 마찬가지로, 우선 파장 λ₁의 제1 광에 관계된 간섭 줄무늬 화상 데이터의 휘도 g₁(x, y)를 기본으로, 워크(W)면 상의 좌표(ξ, η)에서의 제1 광에 관계된 위상 φ₁(ξ, η)를 산출한다.

마찬가지로, 파장 λ₂의 제2 광에 관계된 간섭 줄무늬 화상 데이터의 휘도 g₂(x, y)를 기본으로, 워크(W)면 상의 좌표(ξ, η)에서의 제2 광에 관계된 위상 φ₂(ξ, η)를 산출한다.

계속해서, 이와 같이 해서 얻어진 제1 광에 관계된 위상 φ₁(ξ, η)와, 제2 광에 관계된 위상 φ₂(ξ, η)로부터, 워크(W)면 상의 좌표(ξ, η)에서의 높이 정보 z(ξ, η)를 산출한다. 그리고, 이와 같이 구해진 워크(W)의 계측 결과(높이 정보)는, 제어 장치(5)의 연산 결과 기억 장치(55)에 저장된다.

이상 상세하게 기술한 바와 같이, 본 실시 형태에 의하면, 피조 간섭계의 원리에 근거한 비교적 간소한 구성 하에서, 상기 제1 실시 형태와 마찬가지 작용 효과가 얻어지게 된다.

[제5 실시 형태]

이하, 제5 실시 형태에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다. 도 14는 본 실시 형태에 관계된 삼차원 계측 장치의 개략 구성을 도시하는 모식도이다.

본 실시 형태는, 제2 실시 형태와는 다른 분광 광학계를 구비한 것이며, 마이켈슨 간섭계의 광학 구성을 채용한 제1 실시 형태와 제1 촬상계(4A) 및 제2 촬상계(4B)에 관련하는 구성이 다르다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 제1, 제2 실시 형태와 다른 구성 부분에 대해서 자세하게 설명하며, 동일 구성 부분에 대해서는 동일 부호를 붙이고, 그 상세한 설명을 생략한다.

본 실시 형태에 관계된 제1 촬상계(4A)는, 제2 무편광 빔 스플리터(13B)를 투과한 제1 광에 관계된 합성광(참조광 성분 및 계측광 성분)을 4개의 분광으로 분할하는 제1의 분광 수단으로서의 분광 광학계(600A)와, 그 분광 광학계(600A)에 의해 분할된 4개의 분광을 각각 원 편광으로 변환하는 1/4 파장판(610A)과, 그 1/4 파장판(610A)을 투과한 4개의 분광의 소정 성분을 선택적으로 투과시키는 필터 유닛(615A)과, 그 필터 유닛(615A)을 투과한 4개의 분광을 동시에 촬상하는 카메라(633A)를 구비하고 있다.

본 실시 형태에 관계된 제2 촬상계(4B)는, 제1 무편광 빔 스플리터(13A)를 투과한 제2 광에 관계된 합성광(참조광 성분 및 계측광 성분)을 4개의 분광으로 분할하는 제2의 분광 수단으로서의 분광 광학계(600B)와, 그 분광 광학계(600B)에 의해 분할된 4개의 분광을 각각 원 편광으로 변환하는 1/4 파장판(610B)과, 그 1/4 파장판(610B)을 투과한 4개의 분광의 소정 성분을 선택적으로 투과시키는 필터 유닛(615B)과, 그 필터 유닛(615B)을 투과한 4개의 분광을 동시에 촬상하는 카메라(633B)를 구비하고 있다.

또한, 「1/4 파장판(610A)」 및 「1/4 파장판(610B)」은, 상기 제1 실시 형태의 「1/4 파장판(31A)」 및 「1/4 파장판(31B)」과 마찬가지 구성을 가지는 것이며, 그 상세한 설명은 생략한다. 단, 4개의 분광 각각에 대응해서 개별적으로 1/4 파장판을 구비하는 구성으로 해도 좋다.

「필터 유닛(615A)」 및 「필터 유닛(615B)」은, 본 실시 형태에서의 필터 수단 및 간섭 수단을 구성한다. 「필터 유닛(615A)」 및 「필터 유닛(615B)」은, 상기 제2 실시 형태의 「필터 유닛(126)」과 마찬가지 구성을 가지는 것이며, 그 상세한 설명은 생략한다. 단, 4개의 분광 각각에 대응해서 개별적으로 투과축 방향이 45°씩 다른 4개의 편광판(편광판(126a, 126b, 126c, 126d))을 구비한 구성으로 해도 좋다.

「카메라(633A)」 및 「카메라(633B)」와 이들에 관련하는 제어 처리나 화상 데이터 기억 장치(54) 등에 관계된 구성은, 상기 제1, 제2 실시 형태의 「제1 카메라(33A)(촬상 소자(33Ai))」 및 「제2 카메라(33B)」 등에 관계된 구성과 마찬가지 구성을 가지는 것이며, 그 상세한 설명은 생략한다.

다음에 분광 광학계(600A) 및 분광 광학계(600B)의 구성에 대해서 도 15∼도 18을 참조하여 자세하게 설명한다. 또한, 본 실시 형태에서의 분광 광학계(600A) 및 분광 광학계(600B)는 동일 구성이다.

이하, 도 15∼도 18을 참조하여, 분광 광학계(600A)((600B))에 대해서 설명할 때에는, 편의상, 도 15의 지면 상하 방향을 「X′축 방향」이라고 하고, 지면 전후 방향을 「Y′축 방향」이라고 하고, 지면 좌우 방향을 「Z′축 방향」이라고 하여 설명한다. 단, 분광 광학계(600A)((600B)) 단체{單體}를 설명하기 위한 좌표계(X′, Y′, Z′)와, 삼차원 계측 장치(1) 전체를 설명하기 위한 좌표계(X, Y, Z)는 다른 좌표계이다.

분광 광학계(600A)((600B))는, 무편광의 2개의 광학 부재(프리즘)를 붙여 합쳐서 일체로 한 1개의 무편광 광학 부재이다.

보다 자세하게는, 분광 광학계(600A)((600B))는, 제2 무편광 빔 스플리터(13B)(제1 무편광 빔 스플리터(13A))를 투과한 제1 광에 관계된 합성광(제2 광에 관계된 합성광)을 2개의 분광으로 분할하는 제1 프리즘(601)과, 그 제1 프리즘(601)에 의해 분할된 2개의 분광을 각각 2개의 분광으로 분할해서 합계 4개의 분광을 출사하는 제2 프리즘(602)으로 이루어진다.

제1 프리즘(601) 및 제2 프리즘(602)은, 각각 「케스터 프리즘」이라고 칭해지는 공지의 광학 부재에 의해 구성되어 있다. 단, 본 실시 형태에서, 「케스터 프리즘」이란, 「내각이 각각 30°, 60°, 90°로 되는 직각 삼각형의 단면 형상을 가지는 한쌍의 광학 부재(삼각기둥 형상의 프리즘)를 붙여 합쳐서 일체로 한 정삼각형의 단면 형상을 가지는 정삼각기둥 형상의 광학 부재로서, 그의 접합면에 무편광의 하프미러를 가진 것」을 가리킨다. 물론, 각 프리즘(601, 602)으로서 이용되는 케스터 프리즘은, 이것에 한정되는 것은 아니다. 후술하는 분광 광학계(600A)((600B))의 기능을 만족시키는 것이면, 예를 들면 정삼각기둥 형상이 아닌 것 등, 각 프리즘(601, 602)으로서 본 실시 형태와는 다른 광학 부재(케스터 프리즘)를 채용해도 좋다.

구체적으로, 제1의 광학 부재(제1의 케스터 프리즘)로서의 제1 프리즘(601)은, 평면시(X′-Z′평면) 정삼각 형상을 이룸과 아울러, Y′축 방향을 따라 연장하는 정삼각기둥 형상을 이룬다(도 15 참조). 「X′-Z′평면」이 본 실시 형태에서의 「제1의 평면」에 상당한다.

제1 프리즘(601)은, Y′축 방향을 따른 장방 형상의 3개의 면(제1 면(601a), 제2 면(601b), 제3 면(601c)) 중, 제1 면(601a)과 제2 면(601b)의 교선을 지나 제3 면(601c)과 직교하는 평면을 따라 하프미러(601M)가 형성되어 있다. 「하프미러(601M)」가 본 실시 형태에서의 「제1 분기 수단」을 구성한다.

제1 프리즘(601)은, 제3 면(601c)이 X′-Y′평면을 따라 Z′축 방향과 직교하도록 배치됨과 아울러, 하프미러(601M)가 Y′-Z′평면을 따라 X′축 방향과 직교하도록 배치되어 있다. 따라서, 제1 면(601a) 및 제2 면(601b)은, 각각 X′축 방향 및 Z′축 방향에 대해 30° 또는 60° 경사지도록 배치되어 있다.

한편, 제2의 광학 부재(제2의 케스터 프리즘)로서의 제2 프리즘(602)은, 정면시(Y′-Z′평면) 정삼각 형상을 이룸과 아울러, X′축 방향을 따라 연장하는 정삼각기둥 형상을 이룬다(도 16 참조). 「Y′-Z′평면」이 본 실시 형태에서의 「제2의 평면」에 상당한다.

제2 프리즘(602)은, X′축 방향을 따른 정방 형상의 3개의 면(제1 면(602a), 제2 면(602b), 제3 면(602c)) 중, 제1 면(602a)과 제2 면(602b)의 교선을 지나 제3 면(602c)과 직교하는 평면을 따라 하프미러(602M)가 형성되어 있다. 「하프미러(602M)」가 본 실시 형태에서의 「제2 분기 수단」을 구성한다.

제2 프리즘(602)은, 제1 면(602a)이 X′-Y′평면을 따라 Z′축 방향과 직교하도록 배치되어 있다. 따라서, 제2 면(602b), 제3 면(602c) 및 하프미러(602M)는, 각각 Y′축 방향 및 Z′축 방향에 대해 30° 또는 60° 경사지도록 배치되어 있다.

그리고, 제1 프리즘(601)의 제3 면(601c)과 제2 프리즘(602)의 제1 면(602a)이 접합되어 있다. 다시 말해, 제1 프리즘(601)과 제2 프리즘(602)은, 하프미러(601M)를 포함하는 평면(Y′-Z′평면)과, 하프미러(602M)를 포함하는 평면이 직교하는 방향으로 접합되어 있다.

여기서, X′축 방향에서의 제1 프리즘(601)의 제3 면(601c)의 길이와, X′축 방향에서의 제2 프리즘(602)의 제1 면(602a)의 길이는 동일하게 되어 있다(도 15 참조). 한편, Y′축 방향에서의 제1 프리즘(601)의 제3 면(601c)의 길이는, Y′축 방향에서의 제2 프리즘(602)의 제1 면(602a)의 길이의 절반으로 되어 있다(도 16, 도 17 참조). 그리고, 제1 프리즘(601)의 제3 면(601c)은, 제2 프리즘(602)의 제1 면(602a)과 제2 면(602b)의 교선을 따라 접합되어 있다(도 18 등 참조).

양프리즘(601, 602)은, 각각 공기보다도 굴절률이 높은 소정의 굴절률을 가지는 광학 재료(예를 들면 유리나 아크릴 등)에 의해 형성되어 있다. 여기서, 양프리즘(601, 602)을 동일 재료에 의해 형성해도 좋고, 다른 재료에 의해 형성해도 좋다. 후술하는 분광 광학계(600A)((600B))의 기능을 만족시키는 것이면, 각 프리즘(601, 602)의 재질은 각각 임의로 선택 가능하다.

계속해서, 분광 광학계(600A) 및 분광 광학계(600B)의 작용에 대해서 도면을 참조하면서 자세하게 설명한다. 단, 상술한 대로, 제1 촬상계(4A) 및 제2 촬상계(4B)에 이용되는 분광 광학계(600A) 및 분광 광학계(600B)는 동일 구성이기 때문에, 이하, 제1 촬상계(4A)에 관계된 분광 광학계(600A)를 예로 하여 설명하며, 제2 촬상계(4B)에 관계된 분광 광학계(600B)에 대해서는 생략한다.

분광 광학계(600A)는, 제2 무편광 빔 스플리터(13B)를 투과한 제1 광에 관계된 합성광(F0)이 제1 프리즘(601)의 제1 면(601a)에 대해 수직으로 입사하도록 배치되어 있다(도 14, 도 15 참조). 단, 도 14에서는, 간소화를 위해, 분광 광학계(600A)의 정면이 바로앞측을 향하도록 제1 촬상계(4A)를 도시하고 있다.

제1 면(601a)으로부터 제1 프리즘(601) 내에 입사한 합성광(F0)은, 하프미러(601M)에서 2방향으로 분기한다. 자세하게는, 제1 면(601a) 측을 향해 하프미러(601M)에서 반사하는 분광(FA1)과, 제2 면(601b) 측을 향해 하프미러(601M)를 투과하는 분광(FA2)으로 분기한다.

이 중, 하프미러(601M)에서 반사된 분광(FA1)은, 제1 면(601a)에서 제3 면(601c) 측을 향해 전반사하고, 제3 면(601c)으로부터 수직으로 출사한다. 한편, 하프미러(601M)를 투과한 분광(FA2)은, 제2 면(601b)에서 제3 면(601c) 측을 향해 전반사하고, 제3 면(601c)으로부터 수직으로 출사한다. 다시 말해, 제1 프리즘(601)의 제3 면(601c)으로부터 평행하는 2개의 분광(FA1, FA2)이 출사된다.

제1 프리즘(601)의 제3 면(601c)으로부터 출사된 분광(FA1, FA2)은, 각각 제2 프리즘(602)의 제1 면(602a)에 수직으로 입사한다(도 16 참조).

제1 면(602a)으로부터 제2 프리즘(602) 내에 입사한 분광(FA1, FA2)은, 각각 하프미러(602M)에서 2방향으로 분기한다.

자세하게는, 한쪽 분광(FA1)은, 제1 면(602a) 측을 향해 하프미러(602M)에서 반사하는 분광(FB1)과, 제2 면(602b) 측을 향해 하프미러(602M)를 투과하는 분광(FB2)으로 분기한다.

다른쪽 분광(FA2)은, 제1 면(602a) 측을 향해 하프미러(602M)에서 반사하는 분광(FB3)과, 제2 면(602b) 측을 향해 하프미러(602M)를 투과하는 분광(FB4)으로 분기한다.

이 중, 하프미러(602M)에서 반사된 분광(FB1, FB3)은, 각각 제1 면(602a)에서 제3 면(602c) 측을 향해 전반사하고, 제3 면(602c)으로부터 수직으로 출사한다. 한편, 하프미러(602M)를 투과한 분광(FB2, FB4)은, 각각 제2 면(602b)에서 제3 면(602c) 측을 향해 전반사하고, 제3 면(602c)으로부터 수직으로 출사한다. 다시 말해, 제2 프리즘(602)의 제3 면(602c)으로부터, 2행 2열의 매트릭스형으로 배열된 4개의 광(FB1∼FB4)이 평행해서 출사된다.

분광 광학계(600A)(제2 프리즘(602)의 제3 면(602c))로부터 출사된 4개의 분광(FB1∼FB4)은, 각각 1/4 파장판(610A)에 의해 원 편광으로 변환된 후, 필터 유닛(615A)에 매트릭스형으로 배치된 각 편광판(126a∼126d)에 입사한다.

이것에 의해, 필터 유닛(615A)을 투과한 4개의 분광(FB1∼FB4)은, 각각 위상을 90°씩 달리한 간섭광으로 된다. 그리고, 이들 4개의 분광(FB1∼FB4)이 카메라(633A)의 촬상 소자(33Ai)에 의해 동시에 촬상된다. 결과로서, 위상이 90°씩 다른 4가지의 간섭 줄무늬 화상이 얻어진다.

이상 상세하게 기술한 바와 같이, 본 실시 형태에 의하면, 상기 제1, 제2 실시 형태와 마찬가지 작용 효과가 얻어진다.

이에 더하여, 본 실시 형태에서는, 분광 광학계(600A, 600B)에서, 1개의 광을 평행하는 2개의 광으로 분할하는 수단으로서, 케스터 프리즘인 프리즘(601, 602)을 채용하고 있기 때문에, 분할된 2개의 광의 광로 길이가 광학적으로 똑같아진다. 결과로서, 상기 제2 실시 형태와 같이, 분할된 2개의 광의 광로 길이를 조정하는 광로 조정 수단을 구비할 필요가 없어, 부품 점수의 삭감을 도모함과 아울러, 구성의 간소화나 장치의 소형화 등을 도모할 수가 있다.

또, 분광 광학계(600A, 600B)에 대해 1개의 광(F0)이 입사되고 나서, 4개의 광(FB1∼FB4)이 출사될 때까지의 동안, 광이 광학 부재 내만을 진행하고, 공기 중으로 나오지 않는 구성으로 되기 때문에, 공기의 흔들림 등에 의한 영향을 저감할 수가 있다.

[제6 실시 형태]

이하, 제6 실시 형태에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다. 도 19는 본 실시 형태에 관계된 삼차원 계측 장치의 개략 구성을 도시하는 모식도이다.

본 실시 형태는, 제2 실시 형태나 제5 실시 형태와는 다른 분광 광학계를 구비한 것이며, 마이켈슨 간섭계의 광학 구성을 채용한 제1 실시 형태와 제1 촬상계(4A) 및 제2 촬상계(4B)에 관련하는 구성이 다르다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 제1, 제2, 제5 실시 형태와 다른 구성 부분에 대해서 자세하게 설명하고, 동일 구성 부분에 대해서는 동일 부호를 붙이고, 그 상세한 설명을 생략한다.

본 실시 형태에 관계된 제1 촬상계(4A)는, 제2 무편광 빔 스플리터(13B)를 투과한 제1 광에 관계된 합성광(참조광 성분 및 계측광 성분)을 4개의 분광으로 분할하는 제1의 분광 수단으로서의 분광 광학계(700A)를 구비하고 있다.

분광 광학계(700A)는, 제2 무편광 빔 스플리터(13B)를 투과한 제1 광에 관계된 합성광을 2개의 분광으로 분할하는 무편광 빔 스플리터(701A)와, 그 무편광 빔 스플리터(701A)에 의해 분할된 2개의 분광 중의 한쪽 분광을 또 2개의 분광으로 분할하는 제1 프리즘(702A)과, 상기 무편광 빔 스플리터(701A)에 의해 분할된 2개의 분광 중의 다른쪽 분광을 또 2개의 분광으로 분할하는 제2 프리즘(703A)을 구비하고 있다.

또, 본 실시 형태에 관계된 제1 촬상계(4A)는, 제1 프리즘(702A)에 의해 분할된 2개의 분광을 각각 원 편광으로 변환하는 1/4 파장판(704A)과, 제2 프리즘(703A)에 의해 분할된 2개의 분광을 각각 원 편광으로 변환하는 1/4 파장판(705A)과, 상기 1/4 파장판(704A)을 투과한 2개의 분광의 소정 성분을 선택적으로 투과시키는 필터 유닛(706A)과, 상기 1/4 파장판(705A)을 투과한 2개의 광의 소정 성분을 선택적으로 투과시키는 필터 유닛(707A)과, 상기 필터 유닛(706A)을 투과한 2개의 분광을 동시에 촬상하는 카메라(708A)와, 상기 필터 유닛(707A)을 투과한 2개의 분광을 동시에 촬상하는 카메라(709A)를 구비하고 있다.

한편, 본 실시 형태에 관계된 제2 촬상계(4B)는, 제1 무편광 빔 스플리터(13A)를 투과한 제2 광에 관계된 합성광(참조광 성분 및 계측광 성분)을 4개의 분광으로 분할하는 제2의 분광 수단으로서의 분광 광학계(700B)를 구비하고 있다.

분광 광학계(700B)는, 제1 무편광 빔 스플리터(13A)를 투과한 제2 광에 관계된 합성광을 2개의 분광으로 분할하는 무편광 빔 스플리터(701B)와, 그 무편광 빔 스플리터(701B)에 의해 분할된 2개의 분광 중의 한쪽 분광을 또 2개의 분광으로 분할하는 제1 프리즘(702B)과, 상기 무편광 빔 스플리터(701B)에 의해 분할된 2개의 분광 중의 다른쪽 분광을 또 2개의 분광으로 분할하는 제2 프리즘(703B)을 구비하고 있다.

또, 본 실시 형태에 관계된 제2 촬상계(4B)는, 제1 프리즘(702B)에 의해 분할된 2개의 분광을 각각 원 편광으로 변환하는 1/4 파장판(704B)과, 제2 프리즘(703B)에 의해 분할된 2개의 분광을 각각 원 편광으로 변환하는 1/4 파장판(705B)과, 1/4 파장판(704B)을 투과한 2개의 분광의 소정 성분을 선택적으로 투과시키는 필터 유닛(706B)과, 1/4 파장판(705B)을 투과한 2개의 광의 소정 성분을 선택적으로 투과시키는 필터 유닛(707B)과, 필터 유닛(706B)을 투과한 2개의 분광을 동시에 촬상하는 카메라(708B)와, 필터 유닛(707B)을 투과한 2개의 분광을 동시에 촬상하는 카메라(709B)를 구비하고 있다.

「무편광 빔 스플리터(701A)」 및 「무편광 빔 스플리터(701B)」는, 직각 프리즘을 붙여 합쳐서 일체로 한 큐브형의 공지의 광학 부재로서, 그의 접합면에는 무편광의 하프미러가 설치되어 있다.

제1 촬상계(4A)에 관계된 「제1 프리즘(702A)」 및 「제2 프리즘(703A)」, 과, 제2 촬상계(4B)에 관계된 「제1 프리즘(702B)」 및 「제2 프리즘(703B)」은, 공지의 케스터 프리즘으로서, 상기 제5 실시 형태에 관계된 「제1 프리즘(601)」 및 「제2 프리즘(602)」과 마찬가지 구성을 가지는 것이며, 그 상세한 설명은 생략한다.

제1 촬상계(4A)에 관계된 「1/4 파장판(704A)」 및 「1/4 파장판(705A)」과, 제2 촬상계(4B)에 관계된 「1/4 파장판(704B)」 및 「1/4 파장판(705B)」은, 상기 제1 실시 형태의 「1/4 파장판(31A)」 및 「1/4 파장판(31B)」과 마찬가지 구성을 가지는 것이며, 그 상세한 설명은 생략한다. 단, 본 실시 형태에 관계된 「1/4 파장판(704A)」등은, 각각 2개의 분광에 대응하는 것이다. 물론, 각 분광 각각에 대응해서 개별적으로 1/4 파장판을 구비하는 구성으로 해도 좋다.

제1 촬상계(4A)에 관계된 「필터 유닛(706A)」 및 「필터 유닛(707A)」과, 제2 촬상계(4B)에 관계된 「필터 유닛(706B)」 및 「필터 유닛(707B)」은, 상기 제2 실시 형태의 「필터 유닛(126)」과 마찬가지 구성을 가지는 것이며, 그 상세한 설명은 생략한다. 단, 본 실시 형태에 관계된 「필터 유닛(706A)」 등은, 각각 2개의 분광에 대응하는 것이다. 예를 들면 제1 촬상계(4A)에 관계된 「필터 유닛(706A)」이 「편광판(126a, 126b)」을 구비하고, 「필터 유닛(707A)」이 「편광판(126c, 126d)」을 구비한 구성으로 해도 좋다(제2 촬상계(4B)에 대해서도 마찬가지). 물론, 4개의 분광 각각에 대응해서 개별적으로 투과축 방향이 45°씩 다른 4개의 편광판(편광판(126a, 126b, 126c, 126d))을 구비한 구성으로 해도 좋다.

제1 촬상계(4A)에 관계된 「카메라(708A)」 및 「카메라(709A)」, 제2 촬상계(4B)에 관계된 「카메라(708B)」 및 「카메라(709B)」와, 이들에 관련하는 제어 처리나 화상 데이터 기억 장치(54) 등에 관계된 구성은, 상기 제1, 제2 실시 형태의 「제1 카메라(33A)」 및 「제2 카메라(33B)」 등에 관계된 구성과 마찬가지 구성을 가지는 것이며, 그 상세한 설명은 생략한다. 단, 본 실시 형태에 관계된 「카메라(708A)(촬상 소자)」 등은, 각각 2개의 분광에 대응하는 것이다. 예를 들면 제1 촬상계(4A)에 관계된 「카메라(708A)(촬상 소자)」의 촬상 영역이 「필터 유닛(706A)(편광판(126a, 126b))」에 대응해서 2개의 촬상 에리어(H1, H2)로 구분 되고, 「카메라(709A)(촬상 소자)」의 촬상 영역이 「필터 유닛(707A)(편광판(126c, 126d))」에 대응해서 2개의 촬상 에리어(H3, H4)로 구분된 구성으로 해도 좋다(제2 촬상계(4B)에 대해서도 마찬가지). 이러한 경우, 애스펙트 비가 2:1인 촬상 소자를 구비하는 것이 바람직하다.

계속해서, 분광 광학계(700A) 및 분광 광학계(700B)의 작용에 대해서 설명한다. 단, 상술한 대로, 제1 촬상계(4A) 및 제2 촬상계(4B)에 이용되는 분광 광학계(700A) 및 분광 광학계(700B)는 동일 구성이기 때문에, 이하, 제1 촬상계(4A)에 관계된 분광 광학계(700A)를 예로 하여 설명하고, 제2 촬상계(4B)에 관계된 분광 광학계(700B)에 대해서는 생략한다.

제2 무편광 빔 스플리터(13B)를 투과한 제1 광에 관계된 합성광은, 우선 분광 광학계(700A)의 무편광 빔 스플리터(701A)에 입사하고, 하프미러에서 2방향으로 분기한다. 이 중, 하프미러에서 반사된 분광은 제1 프리즘(702A)에 입사한다. 한편, 하프미러를 투과한 분광은 제2 프리즘(703A)에 입사한다.

제1 프리즘(702A)의 제1 면에 입사한 분광은, 하프미러에서 2방향으로 분기한다. 자세하게는, 제1 면 측을 향해 하프미러에서 반사하는 분광과, 제2 면 측을 향해 하프미러를 투과하는 분광으로 분기한다.

이 중, 하프미러에서 반사된 분광은, 제1 면에서 제3 면 측을 향해 전반사하고, 제3 면으로부터 수직으로 출사한다. 한편, 하프미러를 투과한 분광은, 제2 면에서 제3 면 측을 향해 전반사하고, 제3 면으로부터 수직으로 출사한다. 다시 말해, 제1 프리즘(702A)의 제3 면으로부터 평행하는 2개의 분광이 출사된다.

마찬가지로, 제2 프리즘(703A)의 제1 면에 입사된 분광은, 하프미러에서 2방향으로 분기한다. 자세하게는, 제1 면 측을 향해 하프미러에서 반사하는 분광과, 제2 면 측을 향해 하프미러를 투과하는 분광으로 분기한다.

이 중, 하프미러에서 반사된 분광은, 제1 면에서 제3 면 측을 향해 전반사하고, 제3 면으로부터 수직으로 출사한다. 한편, 하프미러를 투과한 분광은, 제2 면에서 제3 면 측을 향해 전반사하고, 제3 면으로부터 수직으로 출사한다. 다시 말해, 제2 프리즘(703A)의 제3 면으로부터 평행하는 2개의 분광이 출사된다.

그리고, 제1 프리즘(702A)으로부터 출사된 2개의 분광은, 각각 1/4 파장판(704A)에 의해 원 편광으로 변환된 후, 필터 유닛(706A)(예를 들면 편광판(126a, 126b))에 입사한다.

필터 유닛(706A)을 투과한 2개의 분광은, 예를 들면 위상 「0°」의 간섭광과 위상 「90°」의 간섭광으로 된다. 그리고, 이들 2개의 분광이 카메라(708A)의 2개의 촬상 에리어에서 동시에 촬상되고, 예를 들면 위상 「0°」의 간섭 줄무늬 화상과 위상 「90°」의 간섭 줄무늬 화상이 얻어진다.

마찬가지로, 제2 프리즘(703A)으로부터 출사된 2개의 분광은, 각각 1/4 파장판(705A)에 의해 원 편광으로 변환된 후, 필터 유닛(707A)(예를 들면 편광판(126c, 126d))에 입사한다.

필터 유닛(707A)을 투과한 2개의 분광은, 예를 들면 위상 「180°」의 간섭광과 위상 「270°」의 간섭광으로 된다. 그리고, 이들 2개의 분광이 카메라(709A)의 2개의 촬상 에리어에서 동시에 촬상되고, 예를 들면 위상 「180°」의 간섭 줄무늬 화상과 위상 「270°」의 간섭 줄무늬 화상이 얻어진다.

결과로서, 제1 촬상계(4A)(카메라(708A) 및 카메라(709A))에 의해, 위상이 90°씩 다른 4가지의 간섭 줄무늬 화상이 취득되게 된다.

이상 상세하게 기술한 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 상기 제5 실시 형태와 마찬가지 작용 효과가 얻어진다.

[제7 실시 형태]

이하, 제7 실시 형태에 대해서 설명한다. 본 실시 형태는, 2개의 광원으로부터 출사되는 파장이 다른 2종류의 광을 겹쳐 합친{중합한} 상태에서 간섭 광학계에 입사시키고, 이곳으로부터 출사되는 광을 광학 분리 수단에 의해 파장 분리하고, 상기 각 파장의 광에 관계된 간섭광을 개별적으로 촬상하는 구성을, 마이켈슨 간섭계의 광학 구성을 채용한 상기 제1 실시 형태 등(제5 실시 형태 등을 포함한다)에 조합하고, 파장이 다른 4종류의 광을 이용한 계측을 가능하게 한 것이다.

이하, 도면을 참조하면서 자세하게 설명한다. 도 20은 본 실시 형태에 관계된 삼차원 계측 장치의 개략 구성을 도시하는 모식도이다. 본 실시 형태는, 상기 제1 실시 형태 등과는, 제1 투광계(2A) 및 제2 투광계(2B)와, 제1 촬상계(4A) 및 제2 촬상계(4B)에 관련하는 구성이 다르다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 상기 각 실시 형태와 다른 구성 부분에 대해서 자세하게 설명하고, 동일 구성 부분에 대해서는 동일 부호를 붙이고, 그 상세한 설명을 생략한다.

본 실시 형태에 관계된 제1 투광계(2A)는, 2개의 발광부(751A, 752A), 발광부(751A)에 대응하는 광 아이솔레이터(753A), 발광부(752A)에 대응하는 광 아이솔레이터(754A), 다이크로익 미러(755A), 무편광 빔 스플리터(756A) 등을 구비하고 있다.

「발광부(751A)」 및 「발광부(752A)」는, 「제1 발광부(11A)」와 마찬가지구성을 가지는 것이며, 그 상세한 설명은 생략한다. 단, 발광부(751A)는 제1의 파장(예를 들면 491㎚)의 직선 편광을 출사하고, 발광부(752A)는 제2의 파장(예를 들면 540㎚)의 직선 편광을 출사한다고 한 바와 같이, 양발광부(751A, 752A)는 파장이 다른 광을 출사한다.

「광 아이솔레이터(753A)」 및 「광 아이솔레이터(754A)」는 「제1 광 아이솔레이터(12A)」와 마찬가지 구성을 가지는 것이며, 그 상세한 설명은 생략한다.

이러한 구성 하에서, 발광부(751A)로부터 Y축 방향 하향으로 출사된 제1의 파장의 직선 편광(이하, 「제1 파장광」이라고 한다)은, 광 아이솔레이터(753A)를 거쳐서 다이크로익 미러(755A)에 입사한다.

마찬가지로, 발광부(752A)로부터 Z축 방향 좌향으로 출사된 제2의 파장의 직선 편광(이하, 「제2 파장광」이라고 한다)은, 광 아이솔레이터(754A)를 거쳐서 다이크로익 미러(755A)에 입사한다.

다이크로익 미러(755A)는, 직각 프리즘을 붙여 합쳐서 일체로 한 큐브형의 공지의 광학 부재(다이크로익 프리즘)로서, 그의 접합면(755Ah)에 유전체 다층막이 형성되어 있다.

다이크로익 미러(755A)는, 그의 접합면(755Ah)을 사이에 두고 서로 인접하는 2면 중의 한쪽이 Y축 방향과 직교하고 또한 다른쪽이 Z축 방향과 직교하도록 배치되어 있다. 다시 말해, 다이크로익 미러(755A)의 접합면(755Ah)이 Y축 방향 및 Z축 방향에 대해 45° 경사지도록 배치되어 있다.

본 실시 형태에서의 다이크로익 미러(755A)는, 적어도 제1 파장광을 반사하고, 제2 파장광을 투과하는 특성을 가진다. 이것에 의해, 도 20에 도시하는 본 실시 형태의 배치 구성에서는, 다이크로익 미러(755A)에 입사된 제1 파장광과 제2 파장광이 합성된 다음 무편광 빔 스플리터(756A)를 향해 Z축 방향 좌향으로 출사되게 된다.

이후, 발광부(751A)로부터 출사되는 제1 파장광과, 발광부(752A)로부터 출사되는 제2 파장광을 합성한 합성광을 「제1 광」이라고 한다. 다시 말해, 「발광부(751A, 752A)」나 「다이크로익 미러(755A)」 등에 의해 본 실시 형태에서의 「제1 조사 수단」이 구성되게 된다.

「무편광 빔 스플리터(756A)」는, 「제1 무편광 빔 스플리터(13A)」와 마찬가지 구성을 가지는 것이며, 그 상세한 설명은 생략한다. 본 실시 형태에서는, 다이크로익 미러(755A)로부터 Z축 방향 좌향으로 입사하는 제1 광의 일부(절반)를 Z축 방향 좌향으로 투과시키고, 나머지(절반)를 Y축 방향 하향으로 반사시킨다.

본 실시 형태에 관계된 제2 투광계(2B)는, 2개의 발광부(751B, 752B), 발광부(751B)에 대응하는 광 아이솔레이터(753B), 발광부(752B)에 대응하는 광 아이솔레이터(754B), 다이크로익 미러(755B), 무편광 빔 스플리터(756B) 등을 구비하고 있다.

「발광부(751B)」 및 「발광부(752B)」는, 「제2 발광부(11B)」와 마찬가지 구성을 가지는 것이며, 그 상세한 설명은 생략한다. 단, 발광부(751B)는 제3의 파장(예를 들면 488㎚)의 직선 편광을 출사하고, 발광부(752B)는 제4의 파장(예를 들면 532㎚)의 직선 편광을 출사한다고 한 바와 같이, 양발광부(751B, 752B)는 파장이 다른 광을 출사한다.

「광 아이솔레이터(753B)」 및 「광 아이솔레이터(754B)」는 「제2 광 아이솔레이터(12B)」와 마찬가지 구성을 가지는 것이며, 그 상세한 설명은 생략한다.

이러한 구성 하에서, 발광부(751B)로부터 Z축 방향 좌향으로 출사된 제3의 파장의 직선 편광(이하, 「제3 파장광」이라고 한다)은, 광 아이솔레이터(753B)를 거쳐서 다이크로익 미러(755B)에 입사한다.

마찬가지로, 발광부(752B)로부터 Y축 방향 상향으로 출사된 제4의 파장의 직선 편광(이하, 「제4 파장광」이라고 한다)은, 광 아이솔레이터(754B)를 거쳐서 다이크로익 미러(755B)에 입사한다.

다이크로익 미러(755B)는, 직각 프리즘을 붙여 합쳐서 일체로 한 큐브형의 공지의 광학 부재(다이크로익 프리즘)로서, 그의 접합면(755Bh)에 유전체 다층막이 형성되어 있다.

다이크로익 미러(755B)는, 그의 접합면(755Bh)을 사이에 두고 서로 인접하는 2면 중의 한쪽이 Y축 방향과 직교하고 또한 다른쪽이 Z축 방향과 직교하도록 배치되어 있다. 다시 말해, 다이크로익 미러(755B)의 접합면(755Bh)이 Y축 방향 및 Z축 방향에 대해 45° 경사지도록 배치되어 있다.

본 실시 형태에서의 다이크로익 미러(755B)는, 적어도 제3 파장광을 반사하고, 제4 파장광을 투과하는 특성을 가진다. 이것에 의해, 도 20에 도시하는 본 실시 형태의 배치 구성에서는, 다이크로익 미러(755B)에 입사된 제3 파장광과 제4 파장광이 합성된 다음 무편광 빔 스플리터(756B)를 향해 Y축 방향 상향으로 출사되게 된다.

이후, 발광부(751B)로부터 출사되는 제3 파장광과, 발광부(752B)로부터 출사되는 제4 파장광을 합성한 합성광을 「제2 광」이라고 한다. 다시 말해, 「발광부(751B, 752B)」나 「다이크로익 미러(755B)」등에 의해 본 실시 형태에서의 「제2 조사 수단」이 구성되게 된다.

「무편광 빔 스플리터(756B)」는, 「제2 무편광 빔 스플리터(13B)」와 마찬가지 구성을 가지는 것이며, 그 상세한 설명은 생략한다. 본 실시 형태에서는, 다이크로익 미러(755B)로부터 Y축 방향 상향으로 입사하는 제2 광의 일부(절반)를 Y축 방향 상향으로 투과시키고, 나머지(절반)를 Z축 방향 우향으로 반사시킨다.

본 실시 형태에 관계된 제1 촬상계(4A)는, 무편광 빔 스플리터(756B)를 투과한 제1 광(2파장 합성광)에 관계된 참조광 성분 및 계측광 성분의 합성광을, 제1 파장광에 관계된 합성광(참조광 성분 및 계측광 성분)과, 제2 파장광에 관계된 합성광(참조광 성분 및 계측광 성분)으로 분리하는 다이크로익 미러(800A)를 구비하고 있다. 이하, 다이크로익 미러(800A)에 대해서 자세하게 설명한다.

다이크로익 미러(800A)는, 직각 프리즘을 붙여 합쳐서 일체로 한 큐브형의 공지의 광학 부재(다이크로익 프리즘)로서, 그의 접합면(800Ah)에 유전체 다층막이 형성되어 있다.

다이크로익 미러(800A)는, 그의 접합면(800Ah)을 사이에 두고 서로 인접하는 2면 중의 한쪽이 Y축 방향과 직교하고 또한 다른쪽이 Z축 방향과 직교하도록 배치되어 있다. 다시 말해, 다이크로익 미러(800A)의 접합면(800Ah)이 Y축 방향 및 Z축 방향에 대해 45° 경사지도록 배치되어 있다.

본 실시 형태에서의 다이크로익 미러(800A)는, 상기 다이크로익 미러(755A)와 마찬가지 특성을 가지는 것이다. 즉, 다이크로익 미러(800A)는, 적어도 제1 파장광을 반사하고, 제2 파장광을 투과하는 특성을 가진다.

이것에 의해, 도 20에 도시하는 본 실시 형태의 배치 구성에서는, 다이크로익 미러(800A)에 입사된 제1 광에 관계된 합성광은, Y축 방향 하향으로 출사되는 제1 파장광(예를 들면 491㎚)에 관계된 합성광과, Z축 방향 좌향으로 출사되는 제2 파장광(예를 들면 540㎚)에 관계된 합성광으로 분리되게 된다.

또, 본 실시 형태에 관계된 제1 촬상계(4A)는, 다이크로익 미러(800A)로부터 Y축 방향 하향으로 출사되는 제1 파장광에 관계된 합성광을 4개의 분광으로 분할하는 분광 광학계(801A)와, 그 분광 광학계(801A)에 의해 분할된 4개의 분광을 각각 원 편광으로 변환하는 1/4 파장판(803A)과, 그 1/4 파장판(803A)을 투과한 4개의 분광의 소정 성분을 선택적으로 투과시키는 필터 유닛(805A)과, 그 필터 유닛(805A)을 투과한 4개의 분광을 동시에 촬상하는 카메라(807A)를 구비하고 있다.

마찬가지로, 본 실시 형태에 관계된 제1 촬상계(4A)는, 다이크로익 미러(800A)로부터 Z축 방향 좌향으로 출사되는 제2 파장광에 관계된 합성광을 4개의 분광으로 분할하는 분광 광학계(802A)와, 그 분광 광학계(802A)에 의해 분할된 4개의 분광을 각각 원 편광으로 변환하는 1/4 파장판(804A)과, 그 1/4 파장판(804A)을 투과한 4개의 분광의 소정 성분을 선택적으로 투과시키는 필터 유닛(806A)과, 그 필터 유닛(806A)을 투과한 4개의 분광을 동시에 촬상하는 카메라(808A)를 구비하고 있다.

또한, 제1 파장광에 관계된 「분광 광학계(801A)」, 「1/4 파장판(803A)」, 「필터 유닛(805A)」 및 「카메라(807A)」에 관계된 구성과, 제2 파장광에 관계된 「분광 광학계(802A)」, 「1/4 파장판(804A)」, 「필터 유닛(806A)」 및 「카메라(808A)」에 관계된 구성은, 각각 상기 제5 실시 형태에 관계된 「분광 광학계(600A)」, 「1/4 파장판(610A)」, 「필터 유닛(615A)」 및 「카메라(633A)」에 관계된 구성과 동일하기 때문에, 그 상세한 설명은 생략한다.

본 실시 형태에 관계된 제2 촬상계(4B)는, 무편광 빔 스플리터(756A)를 투과한 제2 광(2파장 합성광)에 관계된 참조광 성분 및 계측광 성분의 합성광을, 제3 파장광에 관계된 합성광(참조광 성분 및 계측광 성분)과, 제4 파장광에 관계된 합성광(참조광 성분 및 계측광 성분)으로 분리하는 다이크로익 미러(800B)를 구비하고 있다. 이하, 다이크로익 미러(800B)에 대해서 자세하게 설명한다.

다이크로익 미러(800B)는, 직각 프리즘을 붙여 합쳐서 일체로 한 큐브형의 공지의 광학 부재(다이크로익 프리즘)로서, 그의 접합면(800Bh)에 유전체 다층막이 형성되어 있다.

다이크로익 미러(800B)는, 그의 접합면(800Bh)을 사이에 두고 서로 인접하는 2면 중의 한쪽이 Y축 방향과 직교하고 또한 다른쪽이 Z축 방향과 직교하도록 배치되어 있다. 다시 말해, 다이크로익 미러(800B)의 접합면(800Bh)이 Y축 방향 및 Z축 방향에 대해 45° 경사지도록 배치되어 있다.

본 실시 형태에서의 다이크로익 미러(800B)는, 상기 다이크로익 미러(755B)와 마찬가지 특성을 가지는 것이다. 즉, 다이크로익 미러(800B)는, 적어도 제3 파장광을 반사하고, 제4 파장광을 투과하는 특성을 가진다.

이것에 의해, 도 20에 도시하는 본 실시 형태의 배치 구성에서는, 다이크로익 미러(800B)에 입사된 제3 광에 관계된 합성광은, Z축 방향 좌향으로 출사되는 제3 파장광(예를 들면 488㎚)에 관계된 합성광과, Y축 방향 상향으로 출사되는 제4 파장광(예를 들면 532㎚)에 관계된 합성광으로 분리되게 된다.

또, 본 실시 형태에 관계된 제2 촬상계(4B)는, 다이크로익 미러(800B)로부터 Z축 방향 좌향으로 출사되는 제3 파장광에 관계된 합성광을 4개의 분광으로 분할하는 분광 광학계(801B)와, 그 분광 광학계(801B)에 의해 분할된 4개의 분광을 각각 원 편광으로 변환하는 1/4 파장판(803B)과, 그 1/4 파장판(803B)을 투과한 4개의 분광의 소정 성분을 선택적으로 투과시키는 필터 유닛(805B)과, 그 필터 유닛(805B)을 투과한 4개의 분광을 동시에 촬상하는 카메라(807B)를 구비하고 있다.

마찬가지로, 본 실시 형태에 관계된 제2 촬상계(4B)는, 다이크로익 미러(800B)로부터 Y축 방향 상향으로 출사되는 제4 파장광에 관계된 합성광을 4개의 분광으로 분할하는 분광 광학계(802B)와, 그 분광 광학계(802B)에 의해 분할된 4개의 분광을 각각 원 편광으로 변환하는 1/4 파장판(804B)과, 그 1/4 파장판(804B)을 투과한 4개의 분광의 소정 성분을 선택적으로 투과시키는 필터 유닛(806B)과, 그 필터 유닛(806B)을 투과한 4개의 분광을 동시에 촬상하는 카메라(808B)를 구비하고 있다.

또한, 제3 파장광에 관계된 「분광 광학계(801B)」, 「1/4 파장판(803B)」, 「필터 유닛(805B)」 및 「카메라(807B)」에 관계된 구성과, 제4 파장광에 관계된 「분광 광학계(802B)」, 「1/4 파장판(804B)」, 「필터 유닛(806B)」 및 「카메라(808B)」에 관계된 구성은, 각각 상기 제5 실시 형태에 관계된 「분광 광학계(600B)」, 「1/4 파장판(610B)」, 「필터 유닛(615B)」 및 「카메라(633B)」에 관계된 구성과 동일하기 때문에, 그 상세한 설명은 생략한다.

상기 구성에 의해, 위상이 90°씩 다른 제1 파장광에 관계된 4가지의 간섭 줄무늬 화상, 위상이 90°씩 다른 제2 파장광에 관계된 4가지의 간섭 줄무늬 화상, 위상이 90°씩 다른 제3 파장광에 관계된 4가지의 간섭 줄무늬 화상, 및, 위상이 90°씩 다른 제4 파장광에 관계된 4가지의 간섭 줄무늬 화상을 취득할 수가 있다.

이상 상세하게 기술한 바와 같이, 본 실시 형태에 의하면, 상기 제5 실시 형태와 마찬가지 작용 효과가 얻어진다. 또, 본 실시 형태에 의하면, 파장이 다른 4종류의 광을 이용하는 것에 의해, 더 많은{추가적인} 계측 레인지의 확대를 도모함과 아울러, 계측 효율의 더 높은{추가적인} 향상을 도모할 수가 있다.

또, 제1 파장광과 제3 파장광(예를 들면 491㎚와 488㎚의 파랑계열{靑系} 색의 광)의 2광을 이용한 계측과, 제2 파장광과 제4 파장광(예를 들면 540㎚와 532㎚의 초록계열{綠系} 색의 광)의 2광을 이용한 계측을 워크(W)의 종류에 따라 전환할 수가 있다.

결과로서, 파장이 가까운 2종류의 광을 이용하여 계측 레인지의 확대를 도모하면서도, 워크(W)의 종류에 따라 광의 종류(파장)를 전환할 수가 있다.

예를 들면 빨강계열{赤系} 광이 적합하지 않은 웨이퍼 기판 등의 워크(W)에 대해서는, 제1 파장광과 제3 파장광(예를 들면 491㎚와 488㎚의 파랑계열 색의 광)의 2광을 이용한 계측을 행하는 한편, 파랑계열 광이 적합하지 않은 구리{銅} 등의 워크(W)에 대해서는 제2 파장광과 제4 파장광(예를 들면 540㎚와 532㎚의 초록계열 색의 광)의 2광을 이용한 계측을 행하면 좋다. 물론, 각 광의 파장은 본 실시 형태의 예에 한정되는 것은 아니고, 다른 파장의 광을 채용해도 좋다.

또한, 상기 실시 형태의 기재 내용에 한정되지 않고, 예를 들면 다음과 같이 실시해도 좋다. 물론, 이하에서 예시하지 않는 다른 응용예, 변경예도 당연히 가능하다.

(a) 상기 각 실시 형태에서는, 워크(W)의 구체예에 대해서 특별히 언급하고 있지 않지만, 피계측물로서는, 예를 들면 프린트 기판에 인쇄된 크림 땜납이나, 웨이퍼 기판에 형성된 땜납 범프 등을 들 수 있다.

여기서 땜납 범프 등의 높이 계측의 원리에 대해서 설명한다. 도 21에 도시하는 바와 같이, 전극(501)(기판(500))에 대한 범프(503)의 높이(HB)는, 범프(503)의 절대 높이(ho)로부터, 그 범프(503) 주변의 전극(501)의 절대 높이(hr)를 감산{減算}하는 것에 의해 구할 수가 있다[HB=ho-hr]. 여기서, 전극(501)의 절대 높이(hr)로서는, 예를 들면 전극(501) 상의 임의의 1점의 절대 높이나, 전극(501) 상의 소정 범위의 절대 높이의 평균값 등을 이용할 수가 있다. 또, 「범프(503)의 절대 높이(ho)」나, 「전극(501)의 절대 높이(hr)」는, 상기 각 실시 형태에서 높이 정보 z(ξ, η)로서 구할 수가 있다.

따라서, 미리 설정된 양부{良否}의 판정 기준에 따라서 크림 땜납이나 땜납 범프의 양부를 검사하는 검사 수단을 설치한 땜납 인쇄 검사 장치 또는 땜납 범프 검사 장치에서, 삼차원 계측 장치(1)((200, 300))를 구비한 구성으로 해도 좋다.

또한, 마이켈슨 간섭계의 광학 구성을 채용한 상기 제1 실시 형태 등에 관계된 삼차원 계측 장치(1)나, 피조 간섭계의 광학 구성을 채용한 상기 제4 실시 형태에 관계된 삼차원 계측 장치(300)는, 반사 워크에 적합하며, 마하젠더 간섭계의 광학 구성을 채용한 상기 제3 실시 형태에 관계된 삼차원 계측 장치(200)는, 투과 워크에 적합하다. 또, 위상 시프트법을 이용함으로써, 0차 광(투과광)을 배제한 계측이 가능해진다.

단, 제3 실시 형태에서, 제2 전반사 미러(222) 및 설치부(224)를 생략하고, 제2 전반사 미러(222)의 위치에 워크(W)를 설치하고, 반사 워크를 계측할 수 있는 구성으로 해도 좋다.

또, 상기 각 실시 형태에서 워크(W)를 설치하는 설치부(24)((224, 324))를 변위할 수 있게 구성하고, 워크(W)의 표면을 복수의 계측 에리어로 분할하고, 각 계측 에리어를 순차 이동하면서 각 에리어의 형상 계측을 행해 가고, 복수회로 나누어 워크(W) 전체의 형상 계측을 행하는 구성으로 해도 좋다.

(b) 간섭 광학계(소정의 광학계)의 구성은 상기 각 실시 형태에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면 상기 제1 실시 형태 등에서는, 간섭 광학계로서, 마이켈슨 간섭계의 광학 구성을 채용하고, 제3 실시 형태에서는 마하젠더 간섭계의 광학 구성을 채용하고, 제4 실시 형태에서는 피조 간섭계의 광학 구성을 채용하고 있지만, 이것에 한하지 않고, 입사광을 참조광과 계측광으로 분할해서 워크(W)의 형상 계측을 행하는 구성이면, 다른 광학 구성을 채용해도 좋다.

(c) 투광계(2A, 2B)((302A, 302B))의 구성은 상기 각 실시 형태에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면 상기 각 실시 형태(제7 실시 형태를 제외한다)에서는, 제1 투광계(2A)((302A))로부터 파장 λ₁=1500㎚의 광이 조사되고, 제2 투광계(2B)((302B))로부터 파장 λ₂=1503㎚의 광이 조사되는 구성으로 되어 있지만, 각 광의 파장은 이것에 한정되는 것은 아니다. 단, 계측 레인지를 넓히기 위해서는, 2개의 광의 파장차를 보다 작게 하는 것이 바람직하다.

또, 제1 투광계(2A)((302A)) 및 제2 투광계(2B)((302B))로부터 동일 파장의 광이 조사되는 구성으로 해도 좋다.

상술한 바와 같이, 종래부터, 피계측물의 형상을 계측하는 삼차원 계측 장치로서, 레이저광 등을 이용한 삼차원 계측 장치(간섭계)가 알려져 있다. 이러한 삼차원 계측 장치에서는, 레이저 광원으로부터의 출력광의 흔들림{요동} 등의 영향에 의해, 계측 정밀도가 저하할 우려가 있다.

이것에 대해, 예를 들면 피계측물이 비교적 작고, 1개의 광(1개의 파장)이라도 계측 레인지가 부족하지 않는 바와 같은 경우에는, 다른 2개의 광원으로부터 동일 파장의 광을 조사해서, 그 2개의 광으로 각각 삼차원 계측을 행하는 것에 의해, 계측 정밀도의 향상을 도모할 수가 있다.

그렇지만, 2개의 광으로 삼차원 계측을 행하려고 한 경우, 제1 광에 관계된 출력광의 촬상과, 제2 광에 관계된 출력광의 촬상을 각각 다른 타이밍에서 행할 필요가 있어, 계측 효율이 저하할 우려가 있다.

예를 들면 위상 시프트법을 이용한 삼차원 계측에서, 위상을 4단계로 변화시키는 경우에는, 4가지의 화상 데이터를 취득할 필요가 있기 때문에, 2개의 광을 이용하는 경우에는, 각각 다른 타이밍에서 4회씩, 합계 8회분의 촬상 시간이 필요하게 된다.

동일 파장의 2개의 광을 조사하는 본 발명은, 상기 사정 등을 감안해서 이루어진 것이며, 그 목적은, 2개의 광을 이용하여, 계측 효율의 향상을 도모할 수 있는 삼차원 계측 장치를 제공하는 것에 있다.

본 발명에 의하면, 제1 광에 관계된 출력광의 촬상과, 제2 광에 관계된 출력광의 촬상을 동시에 행할 수가 있기 때문에, 합계 4회분(또는 합계 3회분)의 촬상 시간으로, 2개의 광에 관계된 합계 8가지(또는 6가지)의 간섭 줄무늬 화상을 취득할 수가 있다. 결과로서, 총체적인 촬상 시간을 단축할 수 있어, 계측 효율의 향상을 도모할 수가 있다.

특히 마하젠더 간섭계의 원리에 근거하여 구성된 상기 제3 실시 형태에 관계된 삼차원 계측 장치(200)에서는, 1개의 워크(W)에 대해 다른 방향으로부터 2개의 광(계측광)을 조사할 수가 있기 때문에, 예를 들면 복잡한 형상을 가지는 워크 등의 전체 상{像}을 보다 정밀도 좋게 계측하는 것이 가능해진다.

또, 상기 각 실시 형태에서는, 투광계(2A, 2B)((302A, 302B))에서, 광 아이솔레이터(12A, 12B)((312A, 312B)) 등을 구비한 구성으로 되어 있지만, 광 아이솔레이터(12A, 12B)((312A, 312B)) 등을 생략한 구성으로 해도 좋다.

또, 상기 각 실시 형태에서, 제1 투광계(2A)((302A))와 제2 촬상계(4B)((304B))의 양자의 위치 관계를 제1 무편광 빔 스플리터(13A)((313A)) 등을 사이에 두고 교체한 구성으로 해도 좋고, 제2 투광계(2B)((302B))와 제1 촬상계(4A)((304A))의 양자의 위치 관계를 제2 무편광 빔 스플리터(13B)((313B)) 등을 사이에 두고 교체한 구성으로 해도 좋다.

또, 도광 수단의 구성은, 상기 각 실시 형태에 관계된 무편광 빔 스플리터(13A, 13B)((313A, 313B)) 등에 한정되는 것은 아니다. 제1 조사 수단(제2 조사 수단)으로부터 출사되는 제1 광(제2 광)의 적어도 일부를 제1 입출력부(제2 입출력부)를 향해 입사시킴과 아울러, 제1 입출력부(제2 입출력부)로부터 출사되는 제2 광에 관계된 출력광(제1 광에 관계된 출력광)의 적어도 일부를 제2 촬상 수단(제1 촬상 수단)을 향해 입사시키는 구성이면, 다른 구성을 채용해도 좋다. 다시 말해, 제1 실시 형태에서는, 제1 투광계(2A)(제2 투광계(2B))로부터 조사된 제1 광(제2 광)을 편광 빔 스플리터(20)의 제1 면(20a)(제2 면(20b))에 입사시키고, 또한, 편광 빔 스플리터(20)의 제1 면(20a)(제2 면(20b))으로부터 출사된 제2 광에 관계된 출력광(제1 광에 관계된 출력광)을 제2 촬상계(4B)(제1 촬상계(4A))에 의해 촬상할 수 있게 하는 구성이면, 다른 구성을 채용해도 좋다.

또, 상기 각 실시 형태에서는, 제1 무편광 빔 스플리터(13A)((313A)) 및 제2 무편광 빔 스플리터(13B)((313B)) 등으로서, 직각 프리즘을 붙여 합쳐서 일체로 한 큐브형을 채용하고 있지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면 플레이트 타입의 소정의 하프미러를 채용해도 좋다.

마찬가지로, 상기 각 실시 형태에서는, 편광 빔 스플리터(20)((211, 212, 320))로서, 직각 프리즘을 붙여 합쳐서 일체로 한 큐브형을 채용하고 있지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면 플레이트형 편광 빔 스플리터를 채용해도 좋다.

(d) 상기 각 실시 형태(제4 실시 형태를 제외한다)에서는, 위상이 다른 4가지의 간섭 줄무늬 화상 데이터를 기본으로 위상 시프트법을 행하는 구성으로 되어 있지만, 이것에 한하지 않고, 예를 들면 위상이 다른 2가지 또는 3가지의 간섭 줄무늬 화상 데이터를 기본으로 위상 시프트법을 행하는 구성으로 해도 좋다.

물론, 제1 실시 형태등에 관계된 삼차원 계측 장치(1)나, 제3 실시 형태에 관계된 삼차원 계측 장치(200)는, 예를 들면 제4 실시 형태의 푸리에 변환법과 같이, 위상 시프트법과는 다른 그 밖의 방법에 의해 삼차원 계측을 행하는 구성에도 적용할 수가 있다.

거꾸로, 제4 실시 형태에 관계된 삼차원 계측 장치(300)는, 위상 시프트법 등, 푸리에 변환법과는 다른 그 밖의 방법에 의해 삼차원 계측을 행하는 구성에도 적용할 수가 있다.

(e) 상기 제1, 제3 실시 형태에서는, 위상 시프트 수단으로서, 투과축 방향을 변경할 수 있게 구성된 편광판(32A, 32B)을 채용하고, 상기 제2 실시 형태 등에서는, 투과축 방향이 다른 4개의 편광판으로 이루어지는 필터 유닛(126)을 채용하고 있다.

위상 시프트 수단의 구성은, 이들에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면 제1 실시 형태에서 피에조 소자 등에 의해 참조면(23)을 광축을 따라 이동시킴으로써 물리적으로 광로 길이를 변화시키는 구성을 채용해도 좋다.

또, 제3 실시 형태에서, 제2 실시 형태 등에 관계된 구성(필터 유닛(126) 등)을 위상 시프트 수단으로서 채용해도 좋다. 또, 전반사 미러(221)(참조면)를, Y축 방향 및 Z축 방향에 대해 45° 경사진 상태를 유지하면서, 피에조 소자 등에 의해 그 경사 방향과 직교하는 방향을 따라 이동시킴으로써 물리적으로 광로 길이를 변화시키는 구성을 위상 시프트 수단으로서 채용해도 좋다.

또, 제4 실시 형태에서, 위상 시프트법을 채용하는 경우에는, 예를 들면 피에조 소자 등에 의해 하프미러(323)(참조면)를 광축을 따라 이동시킴으로써 물리적으로 광로 길이를 변화시키는 구성을 채용해도 좋다.

(f) 상기 각 실시 형태(제4 실시 형태를 제외한다)에서는, 2파장 위상 시프트법을 행함에 있어서, 높이 정보 z(ξ, η)를 계산식에 의해 구하는 구성으로 되어 있지만, 이것에 한하지 않고, 예를 들면 위상 φ₁, φ₂, 줄무늬 차수 m₁, m₂, 높이 정보 z의 대응 관계를 나타낸 숫자표{數表}나 테이블 데이터를 미리 기억해 두고, 이것을 참작해서 높이 정보 z를 취득하는 구성으로 해도 좋다. 이러한 경우, 반드시 줄무늬 차수를 특정할 필요는 없다.

(g) 분광 수단의 구성은 상기 제2 실시 형태 등에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면 상기 제2 실시 형태에 관계된 분광 광학계(125) 등에서는, 간섭 광학계(3)로부터 입사되는 광을 4개로 분광하는 구성으로 되어 있지만, 이것에 한하지 않고, 예를 들면 3개로 분광하는 구성 등, 적어도 위상 시프트법에 의한 계측에 필요한 수의 광으로 분할할 수 있는 구성으로 되어 있으면 좋다.

또, 상기 제2 실시 형태 등에서는, 입사되는 합성광(L0) 등을, 진행 방향과 직교하는 평면에서 광로가 매트릭스형으로 배열된 4개의 광(LB1∼LB4) 등으로 분할하는 구성으로 되어 있지만, 복수의 카메라를 이용하여 각 분광(LB1∼LB4) 등을 촬상하는 구성이면, 반드시 매트릭스형으로 배열되도록 분광될 필요는 없다.

또, 상기 제2 실시 형태 등에서는, 분광 수단으로서, 복수의 광학 부재(프리즘)를 조합하여 일체로 한 분광 광학계(125)를 채용하고 있지만, 이것에 한하지 않고, 분광 수단으로서 회절 격자를 채용해도 좋다.

(h) 필터 수단의 구성은 상기 제2 실시 형태 등에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면 상기 제2 실시 형태에서는, 필터 유닛(126)이, 투과축 방향이 0°인 제1 편광판(126a), 투과축 방향이 45°인 제2 편광판(126b), 투과축 방향이 90°인 제3 편광판(126c), 투과축 방향이 135°인 제4 편광판(126d)에 의해 구성되고, 투과축 방향이 45°씩 다른 이들 4개의 편광판(126a∼126d)을 이용하여, 위상이 90°씩 다른 4가지의 간섭 줄무늬 화상을 취득하고, 그 4가지의 간섭 줄무늬 화상을 기본으로 위상 시프트법에 의해 형상 계측을 행하는 구성으로 되어 있다.

이것 대신에, 위상이 다른 3가지의 간섭 줄무늬 화상을 기본으로 위상 시프트법에 의해 형상 계측을 행하는 경우에는, 이하와 같은 구성으로 해도 좋다. 예를 들면 도 22에 도시하는 바와 같이, 필터 유닛(126)의 제1 편광판(126a), 제2 편광판(126b), 제3 편광판(126c), 제4 편광판(126d)을 각각, 투과축 방향이 0°인 편광판, 투과축 방향이 60°(또는 45°)인 편광판, 투과축 방향이 120°(또는 90°)인 편광판, 계측광(예를 들면 우회전의 원 편광) 및 참조광(예를 들면 좌회전의 원 편광)을 직선 편광으로 변환하는 1/4 파장판과, 계측광의 직선 편광을 선택적으로 투과시키는 편광판을 조합한 것으로 한 구성으로 해도 좋다. 여기서, 「1/4 파장판」 및 「편광판」의 조를 소위 「원 편광판」이라고 한 구성으로 해도 좋다.

이러한 구성에 의하면, 1개의 촬상 소자에 의한 1회의 촬상으로, 120°(또는 90°)씩 위상이 다른 3가지의 간섭 줄무늬 화상에 더하여, 워크(W)의 휘도 화상을 취득할 수가 있다. 이것에 의해, 3가지의 간섭 줄무늬 화상을 기본으로 위상 시프트법에 의해 행하는 형상 계측에 더하여, 휘도 화상을 기본으로 한 계측을 조합하여 행하는 것이 가능해진다. 예를 들면 위상 시프트법에 의한 형상 계측에 의해 얻어진 삼차원 데이터에 대해 매핑{mapping}을 행하는 것이나, 계측 영역의 추출을 행하는 것 등이 가능해진다. 결과로서, 복수 종류의 계측을 조합한 종합적인 판단을 행할 수 있어, 계측 정밀도의 더 높은{추가적인} 향상을 도모할 수가 있다.

또한, 도 15에 도시한 예에서는, 제4 편광판(126d)으로서, 원 편광을 직선 편광으로 변환하는 1/4 파장판과, 계측광의 직선 편광을 선택적으로 투과시키는 편광판을 조합한 것을 채용하고 있지만, 이것에 한하지 않고, 계측광만을 선택적으로 투과시키는 구성이면, 다른 구성을 채용해도 좋다.

또, 제4 편광판(126d)을 생략한 구성으로 해도 좋다. 다시 말해, 필터 유닛(126)의 제1 편광판(126a), 제2 편광판(126b), 제3 편광판(126c)을 각각 투과한 3개의 광과, 필터 유닛(126)(편광판)을 거치는 일없이 직접 입사되는 1개의 광을 동시에 1개의 촬상 소자에 의해 촬상하는 구성으로 해도 좋다.

이러한 구성에 의하면, 제4 편광판(126d)으로서, 「1/4 파장판」 및 「편광판」의 조를 배치한 상기 구성과 마찬가지 작용 효과가 얻어진다. 다시 말해, 1개의 촬상 소자에 의한 1회의 촬상으로, 120°(또는 90°)씩 위상이 다른 3가지의 간섭 줄무늬 화상에 더하여, 워크(W)의 휘도 화상을 취득할 수가 있다.

또한, 계측광(예를 들면 우회전의 원 편광)과 참조광(예를 들면 좌회전의 원 편광)을 그대로 촬상했다고 해도, 참조광은 이미 알고 있고{旣知}(미리 계측해서 얻는 것이 가능하다) 균일하므로 촬상 후의 처리에 의해, 이 참조광분을 없애는 처리나 균일광을 없애는 처리를 행하는 것에 의해, 계측광의 신호를 추출하는 것이 가능해진다.

제4 편광판(126d)을 생략한 구성의 이점으로서는, 「1/4 파장판」 및 「편광판」의 조를 배치한 구성과 비교하여, 이들 「1/4 파장판」 및 「편광판」을 생략할 수가 있기 때문에, 광학 부품이 줄어들어, 구성의 간소화나 부품 점수의 증가 억제 등을 도모할 수가 있다.

(i) 상기 각 실시 형태에서는, 렌즈를 구비한 카메라를 사용하고 있지만, 반드시 렌즈는 필요없고, 렌즈가 없는 카메라를 사용해도 상기［수학식 6]의 관계식을 이용하는 등 해서 핀트가 맞은 화상을 계산에 의해 구하는 것에 의해 행해도 좋다.

1…삼차원 계측 장치, 2A…제1 투광계, 2B…제2 투광계, 3…간섭 광학계, 4A…제1 촬상계, 4B…제2 촬상계, 5…제어 장치, 11A…제1 발광부, 11B…제2 발광부, 12A…제1 광 아이솔레이터, 12B…제2 광 아이솔레이터, 13A…제1 무편광 빔 스플리터, 13B…제2 무편광 빔 스플리터, 20…편광 빔 스플리터, 20a…제1 면, 20c…제3 면, 20b…제2 면, 20d…제4 면, 21, 22…1/4 파장판, 23…참조면, 24…설치부, 31A…1/4 파장판, 31B…1/4 파장판, 32A…제1 편광판, 32B…제2 편광판, 33A…제1 카메라, 33B…제2 카메라, W…워크.

Claims

입사{入射}하는 소정의 광을 2개의 광으로 분할하고, 한쪽 광을 계측광으로서 피계측물에 조사할 수 있게 하고 또한 다른쪽 광을 참조광으로서 참조면에 조사할 수 있게 함과 아울러, 이들을 다시 합성해서 출사{出射}할 수 있는 소정의 광학계{光學系}와,
상기 소정의 광학계의 제1 입출력부에 대해 입사시키는, 제1 파장의 편광을 포함하는 제1 광을 출사할 수 있는 제1 조사 수단과,
상기 소정의 광학계의 제2 입출력부에 대해 입사시키는, 제2 파장의 편광을 포함하는 제2 광을 출사할 수 있는 제2 조사 수단과,
상기 제1 입출력부에 대해 상기 제1 광을 입사하는 것에 의해 상기 제2 입출력부로부터 출사되는 상기 제1 광에 관계된 출력광을 촬상할 수 있는 제1 촬상 수단과,
상기 제2 입출력부에 대해 상기 제2 광을 입사하는 것에 의해 상기 제1 입출력부로부터 출사되는 상기 제2 광에 관계된 출력광을 촬상할 수 있는 제2 촬상 수단과,
상기 제1 촬상 수단 및 상기 제2 촬상 수단에 의해 촬상된 간섭 줄무늬{干涉縞} 화상을 기본으로 상기 피계측물의 삼차원 계측을 실행할 수 있는 화상 처리 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 삼차원 계측 장치.
입사하는 소정의 광을 편광 방향이 서로 직교하는 2개의 편광으로 분할하는 경계면을 가지고, 그 분할한 한쪽 편광을 계측광으로서 피계측물에 조사하고 또한 다른쪽 편광을 참조광으로서 참조면에 조사함과 아울러, 이들을 다시 합성해서 출사할 수 있는 편광 빔 스플리터와,
상기 경계면을 사이에 두고 서로 인접{隣合}하는 상기 편광 빔 스플리터의 제1 면 및 제2 면 중 제1 입출력부로 되는 상기 제1 면에 대해 입사시키는, 제1 파장의 편광을 포함하는 제1 광을 출사할 수 있는 제1 조사 수단과,
상기 편광 빔 스플리터의 제2 입출력부로 되는 상기 제2 면에 대해 입사시키는, 제2 파장의 편광을 포함하는 제2 광을 출사할 수 있는 제2 조사 수단과,
상기 참조광이 출사 및 입사{出入射}되는 상기 편광 빔 스플리터의 제3 면과 상기 참조면 사이에 배치된 제1의 1/4 파장판과,
상기 계측광이 출사 및 입사되는 상기 편광 빔 스플리터의 제4 면과 상기 피계측물 사이에 배치되는 제2의 1/4 파장판과,
상기 편광 빔 스플리터의 상기 제1 면에 대해 상기 제1 광을 입사하는 것에 의해 상기 제2 면으로부터 출사되는 상기 제1 광에 관계된 출력광을 촬상할 수 있는 제1 촬상 수단과,
상기 편광 빔 스플리터의 상기 제2 면에 대해 상기 제2 광을 입사하는 것에 의해 상기 제1 면으로부터 출사되는 상기 제2 광에 관계된 출력광을 촬상할 수 있는 제2 촬상 수단과,
상기 제1 촬상 수단 및 상기 제2 촬상 수단에 의해 촬상된 간섭 줄무늬 화상을 기본으로 상기 피계측물의 삼차원 계측을 실행할 수 있는 화상 처리 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 삼차원 계측 장치.
제1 파장의 편광을 포함하는 제1 광을 출사할 수 있는 제1 조사 수단과,
제2 파장의 편광을 포함하는 제2 광을 출사할 수 있는 제2 조사 수단과,
상기 제1 조사 수단으로부터 입사되는 상기 제1 광을 편광 방향이 서로 직교하는 2개의 편광으로 분할하고, 한쪽 편광을 계측광으로서 피계측물에 대해 조사할 수 있게 하고 또한 다른쪽 편광을 참조광으로서 참조면에 대해 조사할 수 있게 함과 아울러, 상기 피계측물을 거쳐서 입사한 상기 제2 광에 관계된 계측광과, 상기 참조면을 거쳐서 입사한 상기 제2 광에 관계된 참조광을 합성해서 출사할 수 있는 제1 입출력부로서의 제1 편광 빔 스플리터와,
상기 제2 조사 수단으로부터 입사되는 상기 제2 광을 편광 방향이 서로 직교하는 2개의 편광으로 분할하고, 한쪽 편광을 계측광으로서 피계측물에 대해 조사할 수 있게 하고 또한 다른쪽 편광을 참조광으로서 참조면에 대해 조사할 수 있게 함과 아울러, 상기 피계측물을 거쳐서 입사한 상기 제1 광에 관계된 계측광과, 상기 참조면을 거쳐서 입사한 상기 제1 광에 관계된 참조광을 합성해서 출사할 수 있는 제2 입출력부로서의 제2 편광 빔 스플리터와,
상기 제1 편광 빔 스플리터와 상기 참조면 사이에 배치된 제1의 1/4 파장판과,
상기 제1 편광 빔 스플리터와 상기 피계측물 사이에 배치된 제2의 1/4 파장판과,
상기 제2 편광 빔 스플리터와 상기 참조면 사이에 배치된 제3의 1/4 파장판과,
상기 제2 편광 빔 스플리터와 상기 피계측물 사이에 배치된 제4의 1/4 파장판과,
상기 제1 편광 빔 스플리터에 대해 상기 제1 광을 입사하는 것에 의해 상기 제2 편광 빔 스플리터로부터 출사되는 상기 제1 광에 관계된 출력광을 촬상할 수 있는 제1 촬상 수단과,
상기 제2 편광 빔 스플리터에 대해 상기 제2 광을 입사하는 것에 의해 상기 제1 편광 빔 스플리터로부터 출사되는 상기 제2 광에 관계된 출력광을 촬상할 수 있는 제2 촬상 수단과,
상기 제1 촬상 수단 및 상기 제2 촬상 수단에 의해 촬상된 간섭 줄무늬 화상을 기본으로 상기 피계측물의 삼차원 계측을 실행할 수 있는 화상 처리 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 삼차원 계측 장치.
제1의 편광 방향을 가지는 편광인 제1 편광을 투과시키고, 제2의 편광 방향을 가지는 편광인 제2 편광을 반사하는 경계면을 가지는 편광 빔 스플리터와,
상기 경계면을 사이에 두고 서로 인접하는 상기 편광 빔 스플리터의 제1 면 및 제2 면 중 제1 입출력부로 되는 상기 제1 면에 대해 입사시키는, 제1 파장의 상기 제1 편광을 포함하는 제1 광을 출사할 수 있는 제1 조사 수단과,
상기 편광 빔 스플리터의 제2 입출력부로 되는 상기 제2 면에 대해 입사시키는, 제2 파장의 상기 제2 편광을 포함하는 제2 광을 출사할 수 있는 제2 조사 수단과,
상기 경계면을 투과한 제1 광 및 상기 경계면에 반사된 제2 광이 출사되는 상기 편광 빔 스플리터의 제3 면과 서로 대향{相對向}하도록 배치된 1/4 파장판과,
상기 편광 빔 스플리터와는 반대측에서 상기 1/4 파장판과 서로 대향하도록 배치되고, 상기 1/4 파장판을 거쳐서 조사된 광의 일부를 계측광으로서 투과해서 피계측물에 조사하고 또한 나머지 광을 참조광으로서 반사하는 하프미러와,
상기 편광 빔 스플리터의 상기 제1 면에 대해 상기 제1 광을 입사하는 것에 의해 상기 제2 면으로부터 출사되는 상기 제1 광에 관계된 출력광을 촬상할 수 있는 제1 촬상 수단과,
상기 편광 빔 스플리터의 상기 제2 면에 대해 상기 제2 광을 입사하는 것에 의해 상기 제1 면으로부터 출사되는 상기 제2 광에 관계된 출력광을 촬상할 수 있는 제2 촬상 수단과,
상기 제1 촬상 수단 및 상기 제2 촬상 수단에 의해 촬상된 간섭 줄무늬 화상을 기본으로 상기 피계측물의 삼차원 계측을 실행할 수 있는 화상 처리 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 삼차원 계측 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 조사 수단으로부터 출사되는 제1 광의 적어도 일부를 상기 제1 입출력부를 향해 입사시킴과 아울러, 상기 제1 입출력부로부터 출사되는 상기 제2 광에 관계된 출력광의 적어도 일부를 상기 제2 촬상 수단을 향해 입사시키는 제1 도광{導光} 수단과,
상기 제2 조사 수단으로부터 출사되는 제2 광의 적어도 일부를 상기 제2 입출력부를 향해 입사시킴과 아울러, 상기 제2 입출력부로부터 출사되는 제1 광에 관계된 출력광의 적어도 일부를 상기 제1 촬상 수단을 향해 입사시키는 제2 도광 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 삼차원 계측 장치.
제2항에 있어서,
상기 제1 조사 수단으로부터 출사되는 제1 광의 적어도 일부를 상기 제1 입출력부를 향해 입사시킴과 아울러, 상기 제1 입출력부로부터 출사되는 상기 제2 광에 관계된 출력광의 적어도 일부를 상기 제2 촬상 수단을 향해 입사시키는 제1 도광 수단과,
상기 제2 조사 수단으로부터 출사되는 제2 광의 적어도 일부를 상기 제2 입출력부를 향해 입사시킴과 아울러, 상기 제2 입출력부로부터 출사되는 제1 광에 관계된 출력광의 적어도 일부를 상기 제1 촬상 수단을 향해 입사시키는 제2 도광 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 삼차원 계측 장치.
제3항에 있어서,
상기 제1 조사 수단으로부터 출사되는 제1 광의 적어도 일부를 상기 제1 입출력부를 향해 입사시킴과 아울러, 상기 제1 입출력부로부터 출사되는 상기 제2 광에 관계된 출력광의 적어도 일부를 상기 제2 촬상 수단을 향해 입사시키는 제1 도광 수단과,
상기 제2 조사 수단으로부터 출사되는 제2 광의 적어도 일부를 상기 제2 입출력부를 향해 입사시킴과 아울러, 상기 제2 입출력부로부터 출사되는 제1 광에 관계된 출력광의 적어도 일부를 상기 제1 촬상 수단을 향해 입사시키는 제2 도광 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 삼차원 계측 장치.
제4항에 있어서,
상기 제1 조사 수단으로부터 출사되는 제1 광의 적어도 일부를 상기 제1 입출력부를 향해 입사시킴과 아울러, 상기 제1 입출력부로부터 출사되는 상기 제2 광에 관계된 출력광의 적어도 일부를 상기 제2 촬상 수단을 향해 입사시키는 제1 도광 수단과,
상기 제2 조사 수단으로부터 출사되는 제2 광의 적어도 일부를 상기 제2 입출력부를 향해 입사시킴과 아울러, 상기 제2 입출력부로부터 출사되는 제1 광에 관계된 출력광의 적어도 일부를 상기 제1 촬상 수단을 향해 입사시키는 제2 도광 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 삼차원 계측 장치.
제5항에 있어서,
상기 제1 조사 수단과 상기 제1 도광 수단 사이에, 상기 제1 조사 수단으로부터 출사되는 1방향의 광만을 투과하고 또한 역방향의 광을 차단하는 제1 광 아이솔레이터를 구비함과 아울러,
상기 제2 조사 수단과 상기 제2 도광 수단 사이에, 상기 제2 조사 수단으로부터 출사되는 1방향의 광만을 투과하고 또한 역방향의 광을 차단하는 제2 광 아이솔레이터를 구비한 것을 특징으로 하는 삼차원 계측 장치.
제6항에 있어서,
상기 제1 조사 수단과 상기 제1 도광 수단 사이에, 상기 제1 조사 수단으로부터 출사되는 1방향의 광만을 투과하고 또한 역방향의 광을 차단하는 제1 광 아이솔레이터를 구비함과 아울러,
상기 제2 조사 수단과 상기 제2 도광 수단 사이에, 상기 제2 조사 수단으로부터 출사되는 1방향의 광만을 투과하고 또한 역방향의 광을 차단하는 제2 광 아이솔레이터를 구비한 것을 특징으로 하는 삼차원 계측 장치.
제7항에 있어서,
상기 제1 조사 수단과 상기 제1 도광 수단 사이에, 상기 제1 조사 수단으로부터 출사되는 1방향의 광만을 투과하고 또한 역방향의 광을 차단하는 제1 광 아이솔레이터를 구비함과 아울러,
상기 제2 조사 수단과 상기 제2 도광 수단 사이에, 상기 제2 조사 수단으로부터 출사되는 1방향의 광만을 투과하고 또한 역방향의 광을 차단하는 제2 광 아이솔레이터를 구비한 것을 특징으로 하는 삼차원 계측 장치.
제8항에 있어서,
상기 제1 조사 수단과 상기 제1 도광 수단 사이에, 상기 제1 조사 수단으로부터 출사되는 1방향의 광만을 투과하고 또한 역방향의 광을 차단하는 제1 광 아이솔레이터를 구비함과 아울러,
상기 제2 조사 수단과 상기 제2 도광 수단 사이에, 상기 제2 조사 수단으로부터 출사되는 1방향의 광만을 투과하고 또한 역방향의 광을 차단하는 제2 광 아이솔레이터를 구비한 것을 특징으로 하는 삼차원 계측 장치.
삭제
제1항 내지 제12항 중 어느 한항에 있어서,
상기 제1 광에 관계된 상기 참조광과 상기 계측광 사이에 상대적인 위상차를 부여하는 제1 위상 시프트 수단과,
상기 제2 광에 관계된 상기 참조광과 상기 계측광 사이에 상대적인 위상차를 부여하는 제2 위상 시프트 수단을 구비하고,
상기 화상 처리 수단은,
상기 제1 위상 시프트 수단에 의해 복수 가지로 위상 시프트된 상기 제1 광에 관계된 출력광을 상기 제1 촬상 수단에 의해 촬상한 복수 가지의 간섭 줄무늬 화상을 기본으로, 위상 시프트법에 의해 상기 피계측물의 형상에 대응한 위상의 계측을 행하고, 해당{當該} 위상을 제1 계측값으로서 취득할 수 있는 제1 계측값 취득 수단과,
상기 제2 위상 시프트 수단에 의해 복수 가지로 위상 시프트된 상기 제2 광에 관계된 출력광을 상기 제2 촬상 수단에 의해 촬상한 복수 가지의 간섭 줄무늬 화상을 기본으로, 위상 시프트법에 의해 상기 피계측물의 형상에 대응한 위상의 계측을 행하고, 해당 위상을 제2 계측값으로서 취득할 수 있는 제2 계측값 취득 수단과,
상기 제1 계측값 및 상기 제2 계측값으로부터 특정되는 높이 정보를, 상기 피계측물의 높이 정보로서 취득할 수 있는 높이 정보 취득 수단을 구비한 삼차원 계측 장치.
제14항에 있어서,
상기 제1 광에 관계된 출력광을 복수의 광으로 분할하는 제1의 분광 수단과,
상기 제1 위상 시프트 수단으로서, 상기 제1의 분광 수단에 의해 분할된 복수의 분할광 중, 적어도 상기 위상 시프트법에 의한 계측에 필요한 수의 분할광에 대해서 각각 다른 위상차를 부여하는 제1의 필터 수단과,
상기 제2 광에 관계된 출력광을 복수의 광으로 분할하는 제2의 분광 수단과,
상기 제2 위상 시프트 수단으로서, 상기 제2의 분광 수단에 의해 분할된 복수의 분할광 중, 적어도 상기 위상 시프트법에 의한 계측에 필요한 수의 분할광에 대해서 각각 다른 위상차를 부여하는 제2의 필터 수단을 구비하고,
상기 제1 촬상 수단은, 적어도 상기 제1의 필터 수단을 투과하는 상기 복수의 분할광을 동시에 촬상할 수 있게 구성되고,
상기 제2 촬상 수단은, 적어도 상기 제2의 필터 수단을 투과하는 상기 복수의 분할광을 동시에 촬상할 수 있게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 삼차원 계측 장치.
제15항에 있어서,
상기 제1의 분광 수단 및 상기 제2의 분광 수단은,
제1의 평면을 따른 단면 형상{斷面形狀}이 삼각 형상으로 되는 삼각기둥{三角柱} 형상을 이루고, 그 제1의 평면과 직교하는 방향을 따른 3개의 면 중의 제1 면과 제2 면의 교선{交線}을 지나 제3 면과 직교하는 평면을 따라 제1 분기{分岐} 수단을 가지는 제1의 광학 부재와,
상기 제1의 평면과 직교하는 제2의 평면을 따른 단면 형상이 삼각 형상으로 되는 삼각기둥 형상을 이루고, 그 제2의 평면과 직교하는 방향을 따른 3개의 면 중의 제1 면과 제2 면의 교선을 지나 제3 면과 직교하는 평면을 따라 제2 분기 수단을 가지는 제2의 광학 부재를 구비하고,
상기 제1의 광학 부재의 제3 면과 상기 제2의 광학 부재의 제1 면을 서로 대향하도록 배치하는 것에 의해,
상기 제1의 광학 부재의 상기 제1 면에 대해 입사되는 광을 상기 제1 분기 수단에 의해 2방향으로 분기시키고, 이 중 상기 제1 분기 수단에 의해 반사된 분할광을 상기 제1 면에서 상기 제3 면 측을 향해 반사시키고, 상기 제1 분기 수단을 투과한 분할광을 상기 제2 면에서 상기 제3 면 측을 향해 반사시키는 것에 의해, 상기 제3 면으로부터 평행하는 2개의 분할광으로서 출사시키고,
상기 제1의 광학 부재의 제3 면으로부터 출사된 2개의 분할광을 상기 제2의 광학 부재의 제1 면에 대해 입사시키고, 그 2개의 분할광을 각각 상기 제2 분기 수단에 의해 2방향으로 분기시키고, 이 중 상기 제2 분기 수단에 의해 반사된 2개의 분할광을 각각 상기 제1 면에서 상기 제3 면 측을 향해 반사시키고, 상기 제2 분기 수단을 투과한 2개의 분할광을 각각 상기 제2 면에서 상기 제3 면 측을 향해 반사시키는 것에 의해, 상기 제3 면으로부터 평행하는 4개의 분할광으로서 출사시키는 것을 특징으로 하는 삼차원 계측 장치.
제15항에 있어서,
상기 제1 촬상 수단은, 적어도 상기 제1의 필터 수단을 투과하는 상기 복수의 분할광을 동시에 촬상할 수 있는 단일의 촬상 소자를 구비하고,
상기 제2 촬상 수단은, 적어도 상기 제2의 필터 수단을 투과하는 상기 복수의 분할광을 동시에 촬상할 수 있는 단일의 촬상 소자를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 삼차원 계측 장치.
제16항에 있어서,
상기 제1 촬상 수단은, 적어도 상기 제1의 필터 수단을 투과하는 상기 복수의 분할광을 동시에 촬상할 수 있는 단일의 촬상 소자를 구비하고,
상기 제2 촬상 수단은, 적어도 상기 제2의 필터 수단을 투과하는 상기 복수의 분할광을 동시에 촬상할 수 있는 단일의 촬상 소자를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 삼차원 계측 장치.
제1항 내지 제12항 중 어느 한항에 있어서,
상기 피계측물이, 프린트 기판에 인쇄된 크림 땜납, 또는, 웨이퍼 기판에 형성된 땜납 범프인 것을 특징으로 하는 삼차원 계측 장치.
제14항에 있어서,
상기 피계측물이, 프린트 기판에 인쇄된 크림 땜납, 또는, 웨이퍼 기판에 형성된 땜납 범프인 것을 특징으로 하는 삼차원 계측 장치.
제15항에 있어서,
상기 피계측물이, 프린트 기판에 인쇄된 크림 땜납, 또는, 웨이퍼 기판에 형성된 땜납 범프인 것을 특징으로 하는 삼차원 계측 장치.
제16항에 있어서,
상기 피계측물이, 프린트 기판에 인쇄된 크림 땜납, 또는, 웨이퍼 기판에 형성된 땜납 범프인 것을 특징으로 하는 삼차원 계측 장치.
제17항에 있어서,
상기 피계측물이, 프린트 기판에 인쇄된 크림 땜납, 또는, 웨이퍼 기판에 형성된 땜납 범프인 것을 특징으로 하는 삼차원 계측 장치.
제18항에 있어서,
상기 피계측물이, 프린트 기판에 인쇄된 크림 땜납, 또는, 웨이퍼 기판에 형성된 땜납 범프인 것을 특징으로 하는 삼차원 계측 장치.