KR20190058444A

KR20190058444A - 3차원 계측 장치

Info

Publication number: KR20190058444A
Application number: KR1020197000562A
Authority: KR
Inventors: 히로유키 이시가키; 타카히로 마미야
Original assignee: 시케이디 가부시키가이샤
Priority date: 2016-09-28
Filing date: 2017-04-19
Publication date: 2019-05-29
Also published as: US11054241B2; JP6513619B2; EP3521749A1; CN109690236A; CN109690236B; KR102137568B1; TWI630367B; JP2018054406A; WO2018061274A1; US20190219379A1; TW201814243A; EP3521749A4

Abstract

파장이 다른 광을 이용하여, 계측 레인지의 확대를 도모하는 동시에, 계측 효율의 향상을 도모할 수 있는 3차원 계측 장치를 제공한다. 3차원 계측 장치(1)는, 입사하는 소정의 광을 편광 방향이 서로 직교하는 2개의 편광으로 분할하여 일방을 계측광으로 하여 워크(W)에 조사하고 또한 타방을 참조광으로 하여 참조면(23)에 조사하는 동시에, 이들을 다시 합성하여 출사 가능한 편광 빔 스플리터(20)와, 이 편광 빔 스플리터(20)의 제1 면(20a)에 대하여 제1 광을 입사시키는 제1 투광계(2A)와, 편광 빔 스플리터(20)의 제2 면(20b)에 대하여 제2 광을 입사시키는 제2 투광계(2B)와, 편광 빔 스플리터(20)의 제1 면(20a)으로부터 출사되는 상기 제1 광을 촬상 가능한 제1 촬상계(4A)와, 편광 빔 스플리터(20)의 제2 면(20b)으로부터 출사되는 상기 제2 광을 촬상 가능한 제2 촬상계(4B)를 구비하고 있다.

Description

3차원 계측 장치

본 발명은, 피계측물의 형상을 계측하는 3차원 계측 장치에 관한 것이다.

종래부터, 피계측물의 형상을 계측하는 3차원 계측 장치로서, 간섭계를 이용한 3차원 계측 장치가 알려져 있다.

이러한 3차원 계측 장치에 있어서는, 계측광의 파장(예를 들어 1500nm)의 절반(예를 들어 750nm)이 계측 가능한 계측 레인지(다이나믹 레인지)가 된다.

그 때문에, 가령 피계측물 상에 계측광의 파장의 절반 이상의 고저차가 있는 경우에는, 계측 레인지가 부족하여, 피계측물의 형상을 적정하게 계측할 수 없을 우려가 있다. 그 반면, 계측광의 파장을 길게 한 경우에는, 분해능이 거칠어져, 계측 정밀도가 악화될 우려가 있다.

이를 감안하여, 최근에는, 레인지 부족을 해소하기 위하여, 파장이 다른 2종류의 광을 이용하여 계측을 행하는 3차원 계측 장치도 제안되어 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).

이러한 3차원 계측 장치에 있어서는, 제1 파장광과 제2 파장광을 합성한 상태에서 간섭 광학계(편광 빔 스플리터 등)로 입사시키고, 여기서 출사되는 간섭광을 소정의 광학 분리 수단(다이크로익 미러 등)에 의해 파장 분리하여, 제1 파장광에 관련된 간섭광과, 제2 파장광에 관련된 간섭광을 얻는다. 그리고, 각 파장광에 관련된 간섭광을 개별적으로 촬상한 간섭 무늬 화상을 기초로 피계측물의 형상 계측을 행한다.

일본 공개특허공보 2010-164389호

파장이 다른 2종류의 광을 이용하여, 3차원 계측에 관련된 계측 레인지를 보다 넓히기 위해서는, 2종류의 광의 파장차를 보다 작게 하면 된다. 2종류의 광의 파장이 가까우면 가까울수록, 계측 레인지를 넓힐 수 있다.

그러나, 2종류의 광의 파장이 가까우면 가까울수록, 2종류의 광의 파장을 적절하게 분리하는 것이 곤란해진다.

바꾸어 말하면, 파장차가 작은 2종류의 광으로 3차원 계측을 행하고자 한 경우, 제1 파장광에 관련된 간섭광의 촬상과, 제2 파장광에 관련된 간섭광의 촬상을 각각 다른 타이밍에 행할 필요가 있어, 계측 효율이 저하될 우려가 있다.

예를 들어 위상 시프트법을 이용한 3차원 계측에 있어서, 위상을 4단계로 변화시키는 경우에는, 4종류의 화상 데이터를 취득할 필요가 있기 때문에, 2종류의 광을 사용하는 경우에는, 각각 다른 타이밍에 4회씩, 총 8회분의 촬상 시간이 필요하게 된다.

본 발명은, 상기 사정 등을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은, 파장이 다른 광을 이용하여, 계측 레인지의 확대를 도모하는 동시에, 계측 효율의 향상을 도모할 수 있는 3차원 계측 장치를 제공하는 것에 있다.

이하, 상기 과제를 해결하기에 적합한 각 수단에 대하여 항을 나누어 설명한다. 한편, 필요에 따라 대응하는 수단에 특유의 작용 효과를 부기한다.

수단 1. 입사하는 소정의 광을 2개의 광으로 분할하여, 일방의 광을 계측광으로 하여 피계측물에 조사 가능하게 하고 또한 타방의 광을 참조광으로 하여 참조면에 조사 가능하게 하는 동시에, 이들을 다시 합성하여 출사 가능한 소정의 광학계(특정 광학계)와,

상기 소정의 광학계의 제1 입출력부에 대하여 입사시키는, 소정의 편광을 포함하는 제1 광을 출사 가능한 제1 조사 수단과,

상기 소정의 광학계의 제2 입출력부에 대하여 입사시키는, 소정의 편광을 포함하는 제2 광을 출사 가능한 제2 조사 수단과,

상기 소정의 광학계의 상기 제1 입출력부에 대하여 상기 제1 광을 입사함으로써 그 제1 입출력부로부터(입사하는 제1 광과 동축에서) 출사되는 상기 제1 광에 관련된 출력광을 입사 가능한 제1 촬상 수단과,

상기 소정의 광학계의 상기 제2 입출력부에 대하여 상기 제2 광을 입사함으로써 그 제2 입출력부로부터(입사하는 제2 광과 동축에서) 출사되는 상기 제2 광에 관련된 출력광을 입사 가능한 제2 촬상 수단과,

상기 제1 촬상 수단 및 상기 제2 촬상 수단에 의해 촬상하여 취득된 간섭 무늬 화상을 기초로 상기 피계측물의 3차원 계측을 실행 가능한 화상 처리 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 3차원 계측 장치.

한편, 이하 동일하지만, 「소정의 광학계(특정 광학계)」로부터 출력되는 「제1 광에 관련된 출력광」에는 「제1 광에 관련된 참조광 및 계측광의 합성광, 또는 그 합성광을 간섭시킨 간섭광」이 포함되고, 「제2 광에 관련된 출력광」에는 「제2 광에 관련된 참조광 및 계측광의 합성광, 또는 그 합성광을 간섭시킨 간섭광」이 포함된다.

즉 「소정의 광학계」에는, 「참조광 및 계측광을 내부에서 간섭시킨 후에 간섭광으로서 출력하는 광학계」뿐만 아니라, 「참조광 및 계측광을 내부에서 간섭시키지 않고, 단순히 합성광으로서 출력하는 광학계」도 포함된다. 단, 「소정의 광학계」로부터 출력되는 「출력광」이 「합성광」인 경우에는, 「간섭 무늬 화상」을 촬상하기 위하여, 적어도 「촬상 수단」으로 촬상되기 전 단계에 있어서, 소정의 간섭 수단을 통하여 「간섭광」을 얻게 된다.

그러므로, 광의 간섭을 발생시키는 것(간섭 무늬 화상을 촬상하는 것)을 목적으로 하여, 입사하는 소정의 광을 2개의 광으로 분할하여, 일방의 광을 계측광으로 하여 피계측물에 조사 가능하게 하고 또한 타방의 광을 참조광으로 하여 참조면에 조사 가능하게 하는 동시에, 이들을 다시 합성하여 출사 가능한 광학계를 「간섭 광학계」라고 칭할 수 있다. 따라서, 상기 수단 1에 있어서(이하의 각 수단에 있어서도 동일), 「소정의 광학계(특정 광학계)」를 「간섭 광학계」라고 바꾸어 말해도 된다.

상기 수단 1에 의하면, 「제1 광」 및 「제2 광」을 각각 소정의 광학계의 다른 위치(「제1 입출력부」 및 「제2 입출력부」)로부터 입사함으로써, 「제1 광」 및 「제2 광」은 서로 간섭하지 않고, 따로따로 소정의 광학계의 다른 위치(「제1 입출력부」 및 「제2 입출력부」)로부터 각각 출사되게 된다. 즉, 소정의 광학계로부터 출사되는 광을 소정의 분리 수단을 사용하여 「제1 광」과 「제2 광」으로 분리할 필요가 없다.

이에 의해, 「제1 광」에 포함되는 편광과, 「제2 광」에 포함되는 편광으로서, 파장이 가까운 2종류의 편광을 사용할 수 있다. 결과적으로, 파장이 가까운 2종류의 편광을 이용하여, 3차원 계측에 관련된 계측 레인지를 보다 넓힐 수 있다.

한편, 이하의 수단에 있어서도 동일하지만, 「제1 조사 수단」으로부터 조사되는 「제1 광」은, 적어도 「소정의 편광」을 포함한 광이면 되며, 그 후 「소정의 광학계」에 있어서 커트되는 다른 여분의 성분을 포함한 광(예를 들어 「무편광」이나 「원 편광」)이어도 된다.

마찬가지로, 「제2 조사 수단」으로부터 조사되는 「제2 광」은, 적어도 「소정의 편광」을 포함한 광이면 되며, 그 후 「소정의 광학계」에 있어서 커트되는 다른 여분의 성분을 포함한 광(예를 들어 「무편광」이나 「원 편광」)이어도 된다.

또한, 본 수단에 의하면, 제1 광에 관련된 출력광의 촬상과, 제2 광에 관련된 출력광의 촬상을 동시에 행할 수 있기 때문에, 총체적인 촬상 시간을 단축할 수 있어, 계측 효율의 향상을 도모할 수 있다.

한편, 복수의 광을 사용하는 경우에는, 복수의 간섭 광학계(간섭계 모듈)를 사용하여 피계측물을 계측하는 구성도 생각할 수 있으나, 이러한 구성에서는, 기준이 되는 참조면이 각 간섭 광학계마다 다르고, 참조광과 계측광에 광로차를 발생시키는 광로 구간이 복수의 광에서 다르게 되기 때문에, 계측 정밀도가 저하될 우려가 있다. 또한, 복수의 간섭 광학계의 광로 길이를 정확하게 일치시키는 것은 어렵고, 그 조정 작업도 매우 곤란한 작업이 된다.

이 점에서, 본 수단은, 기준이 되는 참조면을 1개 구비한 1개의 간섭 광학계(소정의 광학계)에 대하여 2개의 광을 사용하는 구성으로 되어 있기 때문에, 참조광과 계측광에 광로차를 발생시키는 광로 구간이 2개의 광에서 동일하게 된다. 결과적으로, 복수의 간섭 광학계를 구비하는 것에서 기인한 여러 문제의 발생을 방지할 수 있다.

덧붙여, 본 수단에서는, 소정의 광학계의 제1 입출력부에 대하여 입사시킨 제1 광에 관련된 출력광이 동일 위치인 제1 입출력부로부터 출력되고, 제2 입출력부에 대하여 입사시킨 제2 광에 관련된 출력광이 동일 위치인 제2 입출력부로부터 출력되는 구성으로 되어 있다.

이러한 구성으로 함으로써, 간섭 광학계(소정의 광학계)의 내부에 있어서, 편광의 편광 방향을 바꾸기 위한 수단(1/4 파장판 등)을 설치할 필요가 없어, 구성의 간소화를 도모할 수 있다.

수단 2. 상기 소정의 광학계는,

입사하는 소정의 광을 편광 방향이 서로 직교하는 2개의 편광으로 분할하여, 일방의 편광을 상기 계측광으로 하여 상기 피계측물에 조사하고 또한 타방의 편광을 상기 참조광으로 하여 상기 참조면에 조사하는 동시에, 이들을 다시 합성하여 출사 가능한 광학계로서,

상기 제1 입출력부로부터 입사한 상기 제1 광을, 제1 편광 방향을 갖는 편광(예를 들어 P 편광)으로 이루어지는 상기 참조광과, 제2 편광 방향을 갖는 편광(예를 들어 S 편광)으로 이루어지는 상기 계측광으로 분할하고,

상기 제2 입출력부로부터 입사한 상기 제2 광을, 상기 제2 편광 방향을 갖는 편광으로 이루어지는 상기 참조광과, 상기 제1 편광 방향을 갖는 편광으로 이루어지는 상기 계측광으로 분할 가능한 광학계인 것을 특징으로 하는 수단 1에 기재된 3차원 계측 장치.

상기 수단 2에 의하면, 「제1 광」 및 「제2 광」을 각각 소정의 광학계의 다른 위치(「제1 입출력부」 및 「제2 입출력부」)로부터 입사함으로써, 「제1 광」에 관련된 참조광 및 계측광과, 「제2 광」에 관련된 참조광 및 계측광이 각각 다른 편광 성분(P 편광 또는 S 편광)으로 분할되기 때문에, 소정의 광학계에 입사한 「제1 광」 및 「제2 광」은 서로 간섭하지 않고, 따로따로 소정의 광학계의 다른 위치(「제1 입출력부」 및 「제2 입출력부」)로부터 각각 출사되게 된다. 결과적으로, 상기 수단 1의 작용 효과가 보다 확실하게 발휘되게 된다.

수단 3. 입사하는 소정의 광을 편광 방향이 서로 직교하는 2개의 편광으로 분할하는 경계면을 갖고, 그 분할한 일방의 편광을 계측광으로 하여 피계측물에 조사하고 또한 타방의 편광을 참조광으로 하여 참조면에 조사하는 동시에, 이들을 다시 합성하여 출사 가능한 편광 빔 스플리터와,

상기 경계면을 사이에 두고 이웃하는 상기 편광 빔 스플리터의 제1 면 및 제2 면 중 제1 입출력부가 되는 상기 제1 면에 대하여 입사시키는, 소정의 편광을 포함하는 제1 광을 출사 가능한 제1 조사 수단과,

상기 편광 빔 스플리터의 제2 입출력부가 되는 상기 제2 면에 대하여 입사시키는, 소정의 편광을 포함하는 제2 광을 출사 가능한 제2 조사 수단과,

상기 편광 빔 스플리터의 상기 제1 면에 대하여 상기 제1 광을 입사함으로써 그 제1 면으로부터(입사하는 제1 광과 동축에서) 출사되는 상기 제1 광에 관련된 출력광을 입사 가능한 제1 촬상 수단과,

상기 편광 빔 스플리터의 상기 제2 면에 대하여 상기 제2 광을 입사함으로써 그 제2 면으로부터(입사하는 제2 광과 동축에서) 출사되는 상기 제2 광에 관련된 출력광을 입사 가능한 제2 촬상 수단과,

한편, 「편광 빔 스플리터」는, 그 경계면에 있어서, 제1 편광 방향을 갖는 편광(예를 들어 P 편광)을 투과시키고, 제2 편광 방향을 갖는 편광(예를 들어 S 편광)을 반사하는 기능을 갖는다. 따라서, 편광 빔 스플리터의 제1 면으로부터 입사한 제1 광은, 예를 들어 제1 편광 방향을 갖는 편광(예를 들어 P 편광)으로 이루어지는 참조광과, 제2 편광 방향을 갖는 편광(예를 들어 S 편광)으로 이루어지는 계측광으로 분할되고, 편광 빔 스플리터의 제2 면으로부터 입사한 제2 광은, 예를 들어 제2 편광 방향을 갖는 편광(예를 들어 S 편광)으로 이루어지는 참조광과, 제1 편광 방향을 갖는 편광(예를 들어 P 편광)으로 이루어지는 계측광으로 분할되게 된다.

즉, 「제1 광」과 「제2 광」을 각각 편광 빔 스플리터의 다른 위치(「제1 면」 및 「제2 면」)로부터 입사함으로써, 「제1 광」에 관련된 참조광 및 계측광과, 「제2 광」에 관련된 참조광 및 계측광이 각각 다른 편광 성분(P 편광 또는 S 편광)으로 분할되기 때문에, 「제1 광」과 「제2 광」은 서로 간섭하지 않고, 따로따로 편광 빔 스플리터의 다른 위치(「제1 면」 및 「제2 면」)로부터 출사되게 된다.

따라서, 상기 수단 3에 의하면, 마이켈슨 간섭계의 원리에 기초한 비교적 간소한 구성으로, 상기 수단 1 등에 관련된 구성을 실현할 수 있다.

수단 4. 상기 제1 조사 수단으로부터 출사되는 제1 광의 적어도 일부를 상기 제1 입출력부를 향하여 입사시키는 동시에, 상기 제1 입출력부로부터 출사되는 상기 제1 광에 관련된 출력광의 적어도 일부를 상기 제1 촬상 수단을 향하여 입사시키는 제1 도광 수단과,

상기 제2 조사 수단으로부터 출사되는 제2 광의 적어도 일부를 상기 제2 입출력부를 향하여 입사시키는 동시에, 상기 제2 입출력부로부터 출사되는 제2 광에 관련된 출력광의 적어도 일부를 상기 제2 촬상 수단을 향하여 입사시키는 제2 도광 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 수단 1 내지 3 중 어느 하나에 기재된 3차원 계측 장치.

상기 수단 4에 의하면, 비교적 간소한 구성으로, 상기 수단 1 등에 관련된 구성을 실현할 수 있다.

예를 들어 「상기 제1 조사 수단으로부터 출사되는 제1 광의 일부를 투과시키고 또한 나머지를 반사시켜, 그 제1 광의 투과광 또는 반사광을 상기 제1 입출력부를 향하여 입사시키는 동시에, 상기 제1 입출력부로부터 출사되는 제1 광에 관련된 출력광의 일부를 투과시키고 또한 나머지를 반사시켜, 그 제1 광에 관련된 출력광의 투과광 또는 반사광을 상기 제1 촬상 수단을 향하여 입사시키는 제1 무편광 빔 스플리터(하프 미러 등)와,

상기 제2 조사 수단으로부터 출사되는 제2 광의 일부를 투과시키고 또한 나머지를 반사시켜, 그 제2 광의 투과광 또는 반사광을 상기 제2 입출력부를 향하여 입사시키는 동시에, 상기 제2 입출력부로부터 출사되는 제2 광에 관련된 출력광의 일부를 투과시키고 또한 나머지를 반사시켜, 그 제2 광에 관련된 출력광의 투과광 또는 반사광을 상기 제2 촬상 수단을 향하여 입사시키는 제2 무편광 빔 스플리터(하프 미러 등)를 구비한」 구성을 일례로 들 수 있다.

수단 5. 상기 조사 수단은, 자신이 갖는 소정의 발광부로부터 출사되는 일방향의 광만을 투과하고 또한 역방향의 광을 차단하는 광 아이솔레이터를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 수단 4에 기재된 3차원 계측 장치.

상기 수단 4의 도광 수단으로서, 예를 들어 무편광 빔 스플리터를 구비한 경우에는, 그 무편광 빔 스플리터가, 입출력부로부터 출사된 광의 일부를 투과시키고 또한 나머지를 반사시켜, 그 광의 투과광 또는 반사광의 일방을 촬상 수단을 향하여 입사시킬 때에, 그 촬상 수단에 입사하지 않는 타방의 광이 조사 수단을 향하게 된다. 가령, 이러한 광이 발광부(광원 등)에 입사한 경우에는, 발광부가 손상되거나 동작이 불안정해질 우려가 있다.

이에 대하여, 본 수단 5에 의하면, 광 아이솔레이터를 구비함으로써, 발광부의 손상이나 불안정화 등을 방지할 수 있다.

수단 6. 상기 제1 조사 수단은,

제1 파장(예를 들어 491nm)의 편광을 포함하는 제1 파장광을 출사 가능한 제1 파장광 출사부, 및/또는, 제2 파장(예를 들어 540nm)의 편광을 포함하는 제2 파장광을 출사 가능한 제2 파장광 출사부를 구비하여,

상기 제1 파장의 편광, 및/또는, 상기 제2 파장의 편광을 포함하는 상기 제1 광을 출사 가능하게 구성되고,

상기 제2 조사 수단은,

제3 파장(예를 들어 488nm)의 편광을 포함하는 제3 파장광을 출사 가능한 제3 파장광 출사부, 및/또는, 제4 파장(예를 들어 532nm)의 편광을 포함하는 제4 파장광을 출사 가능한 제4 파장광 출사부를 구비하여,

상기 제3 파장의 편광, 및/또는, 상기 제4 파장의 편광을 포함하는 상기 제2 광을 출사 가능하게 구성되고,

상기 제1 촬상 수단은,

상기 제1 입출력부에 대하여 상기 제1 파장의 편광을 포함하는 상기 제1 광이 입사된 경우에, 상기 제1 입출력부로부터 출사되는 상기 제1 광에 관련된 출력광에 포함되는 상기 제1 파장의 편광에 관련된 출력광을 촬상 가능한 제1 파장광 촬상부,

및/또는,

상기 제1 입출력부에 대하여 상기 제2 파장의 편광을 포함하는 상기 제1 광이 입사된 경우에, 상기 제1 입출력부로부터 출사되는 상기 제1 광에 관련된 출력광에 포함되는 상기 제2 파장의 편광에 관련된 출력광을 촬상 가능한 제2 파장광 촬상부를 구비하고,

상기 제2 촬상 수단은,

상기 제2 입출력부에 대하여 상기 제3 파장의 편광을 포함하는 상기 제2 광이 입사된 경우에, 상기 제2 입출력부로부터 출사되는 상기 제2 광에 관련된 출력광에 포함되는 상기 제3 파장의 편광에 관련된 출력광을 촬상 가능한 제3 파장광 촬상부,

및/또는,

상기 제2 입출력부에 대하여 상기 제4 파장의 편광을 포함하는 상기 제2 광이 입사된 경우에, 상기 제2 입출력부로부터 출사되는 상기 제2 광에 관련된 출력광에 포함되는 상기 제4 파장의 편광에 관련된 출력광을 촬상 가능한 제4 파장광 촬상부를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 수단 1 내지 5 중 어느 하나에 기재된 3차원 계측 장치.

한편, 「제1 광에 관련된 출력광」에 포함되는 「제1 파장의 편광에 관련된 출력광」에는 「제1 파장의 편광에 관련된 참조광 및 계측광의 합성광, 또는 그 합성광을 간섭시킨 간섭광」이 포함되고, 「제2 파장의 편광에 관련된 출력광」에는 「제2 파장의 편광에 관련된 참조광 및 계측광의 합성광, 또는 그 합성광을 간섭시킨 간섭광」이 포함된다.

마찬가지로, 「제2 광에 관련된 출력광」에 포함되는 「제3 파장의 편광에 관련된 출력광」에는 「제3 파장의 편광에 관련된 참조광 및 계측광의 합성광, 또는 그 합성광을 간섭시킨 간섭광」이 포함되고, 「제4 파장의 편광에 관련된 출력광」에는 「제4 파장의 편광에 관련된 참조광 및 계측광의 합성광, 또는 그 합성광을 간섭시킨 간섭광」이 포함된다.

또한, 「제1 파장광 출사부」로부터 출사되는 「제1 파장광」은, 적어도 「제1 파장의 편광」을 포함한 광이면 되며, 다른 여분의 성분을 포함한 광이어도 되고, 「제2 파장광 출사부」로부터 출사되는 「제2 파장광」은, 적어도 「제2 파장의 편광」을 포함한 광이면 되며, 다른 여분의 성분을 포함한 광이어도 된다.

마찬가지로, 「제3 파장광 출사부」로부터 출사되는 「제3 파장광」은, 적어도 「제3 파장의 편광」을 포함한 광이면 되며, 다른 여분의 성분을 포함한 광이어도 되고, 「제4 파장광 출사부」로부터 출사되는 「제4 파장광」은, 적어도 「제4 파장의 편광」을 포함한 광이면 되며, 다른 여분의 성분을 포함한 광이어도 된다.

상기 수단 6에 의하면, 「제1 광(「제1 파장의 편광」 및/또는 「제2 파장의 편광」)」과 「제2 광(「제3 파장의 편광」 및/또는 「제4 파장의 편광」)」을 각각 소정의 광학계(편광 빔 스플리터 등)의 다른 위치(「제1 입출력부」 및 「제2 입출력부」)로부터 입사함으로써, 「제1 광」 및 「제2 광」은 서로 간섭하지 않고, 따로따로 소정의 광학계(편광 빔 스플리터 등)의 다른 위치(「제1 입출력부」 및 「제2 입출력부」)로부터 각각 출사되게 된다.

이에 의해, 「제1 광」에 포함되는 편광(「제1 파장의 편광」 및/또는 「제2 파장의 편광」)과, 「제2 광」에 포함되는 편광(「제3 파장의 편광」 및/또는 「제4 파장의 편광」)으로서 파장이 가까운 2종류의 편광을 사용할 수 있다. 결과적으로, 파장이 가까운 2종류의 편광을 이용하여, 3차원 계측에 관련된 계측 레인지를 보다 넓힐 수 있다. 특히 본 수단에서는, 최대로 4종류의 파장이 다른 광을 이용할 수 있기 때문에, 계측 레인지를 비약적으로 넓히는 것도 가능하게 된다.

또한, 「제1 광에 관련된 출력광(「제1 파장의 편광에 관련된 출력광」 및/또는 「제2 파장의 편광에 관련된 출력광」)」의 촬상과, 「제2 광에 관련된 출력광(「제3 파장의 편광에 관련된 출력광」 및/또는 「제4 파장의 편광에 관련된 출력광」)」의 촬상을 개별 또한 동시에 행할 수 있다. 결과적으로, 총체적인 촬상 시간을 단축할 수 있어, 계측 효율의 향상을 도모할 수 있다. 특히 본 수단에서는, 최대로 4종류의 편광에 관련된 출력광을 개별 또한 동시에 촬상할 수 있기 때문에, 계측 효율 등을 비약적으로 향상시키는 것도 가능하게 된다.

또한, 본 수단에 의하면, 예를 들어 「제1 파장의 편광」 및 「제3 파장의 편광」의 2종류의 편광을 사용한 계측과, 「제2 파장의 편광」 및 「제4 파장의 편광」의 2종류의 편광을 사용한 계측을, 피계측물의 종류에 따라 바꿀 수 있다. 즉, 본 수단에 의하면, 파장이 가까운 2종류의 편광을 사용하여 계측 레인지의 확대를 도모하면서도, 피계측물의 종류에 따라 광의 종류(파장)를 바꿀 수 있다. 결과적으로, 편리성이나 범용성의 향상을 도모할 수 있다.

예를 들어 적계 광이 적합하지 않은 웨이퍼 기판 등의 피계측물에 대해서는, 「제1 파장의 편광」 및 「제3 파장의 편광」의 2종류의 편광(예를 들어 491nm와 488nm의 청계 색의 2광)을 사용한 계측을 행하는 한편, 청계 광이 적합하지 않은 구리 등의 피계측물에 대해서는, 「제2 파장의 편광」 및 「제4 파장의 편광」의 2종류의 편광(예를 들어 540nm와 532nm의 녹계 색의 2광)을 사용한 계측을 행할 수 있다. 물론, 각 편광의 파장은 상기 예시한 것에 한정되는 것은 아니며, 다른 파장의 편광을 채용해도 된다.

수단 7. 상기 제1 조사 수단은,

상기 제1 파장광 출사부로부터 출사되는 상기 제1 파장광, 및 상기 제2 파장광 출사부로부터 출사되는 상기 제2 파장광을, 상기 제1 광으로서 합성 가능한 제1 합성 수단을 구비하고,

상기 제2 조사 수단은,

상기 제3 파장광 출사부로부터 출사되는 상기 제3 파장광, 및 상기 제4 파장광 출사부로부터 출사되는 상기 제4 파장광을, 상기 제2 광으로서 합성 가능한 제2 합성 수단을 구비하고,

상기 제1 촬상 수단은,

상기 제1 파장의 편광 및 상기 제2 파장의 편광을 포함하는 상기 제1 광이 상기 제1 조사 수단으로부터 출사된 경우에, 상기 제1 입출력부로부터 출사되는 상기 제1 광에 관련된 출력광을, 상기 제1 파장의 편광에 관련된 출력광, 및 상기 제2 파장의 편광에 관련된 출력광으로 분리 가능한 제1 분리 수단을 구비하고,

상기 제2 촬상 수단은,

상기 제3 파장의 편광 및 상기 제4 파장의 편광을 포함하는 상기 제2 광이 상기 제2 조사 수단으로부터 출사된 경우에, 상기 제2 입출력부로부터 출사되는 상기 제2 광에 관련된 출력광을, 상기 제3 파장의 편광에 관련된 출력광, 및 상기 제4 파장의 편광에 관련된 출력광으로 분리 가능한 제2 분리 수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 수단 6에 기재된 3차원 계측 장치.

상기 수단 7에 의하면, 제1 파장광과 제2 파장광을 합성한 상태에서 소정의 광학계(편광 빔 스플리터 등)로 입사시키고, 여기서 출사되는 출력광을 분리 수단(다이크로익 미러 등)에 의해 파장 분리하여, 제1 파장의 편광에 관련된 출력광과, 제2 파장의 편광에 관련된 출력광을 얻을 수 있다.

마찬가지로, 제3 파장광과 제4 파장광을 합성한 상태에서 소정의 광학계(편광 빔 스플리터 등)로 입사시키고, 여기서 출사되는 출력광을 분리 수단(다이크로익 미러 등)에 의해 파장 분리하여, 제3 파장의 편광에 관련된 출력광과, 제4 파장의 편광에 관련된 출력광을 얻을 수 있다.

결과적으로, 종래와 동일한 간섭 광학계(소정의 광학계)를 사용하는 것이 가능하게 되기 때문에, 구성의 간소화를 도모할 수 있다. 또한, 본 수단에 의하면, 최대로 4종류의 광을 동시에 이용하는 것이 가능하게 되기 때문에, 계측 레인지의 가일층의 확대를 도모하는 동시에, 계측 효율의 가일층의 향상을 도모할 수 있다.

따라서, 제1 합성 수단에 의해 「제1 파장의 편광」과 「제2 파장의 편광」을 합성하는 경우에는, 「제1 광」에 포함되는 「제1 파장의 편광」과 「제2 파장의 편광」은 제1 분리 수단(다이크로익 미러 등)으로 분리 가능한 정도로 파장이 떨어진 편광인 것이 바람직하다. 마찬가지로, 제2 합성 수단에 의해 「제3 파장의 편광」과 「제4 파장의 편광」을 합성하는 경우에는, 「제2 광」에 포함되는 「제3 파장의 편광」과 「제4 파장의 편광」은 제2 분리 수단(다이크로익 미러 등)으로 분리 가능한 정도로 파장이 떨어진 편광인 것이 바람직하다.

수단 8. 상기 피계측물을 상기 참조면과 동일한 평면으로 한 경우에 있어서, 상기 제1 입출력부에 대하여 입사시키는 상기 제1 광에 포함되는 편광(예를 들어 「제1 파장의 편광」 및/또는 「제2 파장의 편광」)의 편광 방향과, 그 제1 입출력부로부터 출사되는 상기 제1 광에 관련된 출력광에 포함되는 편광(예를 들어 「제1 파장의 편광」 및/또는 「제2 파장의 편광」)의 편광 방향이 동일하게 되고, 또한, 상기 제2 입출력부에 대하여 입사시키는 상기 제2 광에 포함되는 편광(예를 들어 「제3 파장의 편광」 및/또는 「제4 파장의 편광」)의 편광 방향과, 그 제2 입출력부로부터 출사되는 상기 제2 광에 관련된 출력광에 포함되는 편광(예를 들어 「제3 파장의 편광」 및/또는 「제4 파장의 편광」)의 편광 방향이 동일하게 되는 것을 특징으로 하는 수단 1 내지 7 중 어느 하나에 기재된 3차원 계측 장치.

상기 수단 8에 의하면, 상기 수단 1 등의 작용 효과가 보다 확실하게 발휘되게 된다.

수단 9. 상기 제1 입출력부에 대하여 상기 제1 광을 입사하는 입사 방향과, 상기 제2 입출력부에 대하여 상기 제2 광을 입사하는 입사 방향을 그 양 입사 방향을 포함하는 평면 상에 있어서 일치시킨 경우에 있어서, 상기 제1 광에 포함되는 편광(예를 들어 「제1 파장의 편광」 및/또는 「제2 파장의 편광」)의 편광 방향과, 상기 제2 광에 포함되는 편광(예를 들어 「제3 파장의 편광」 및/또는 「제4 파장의 편광」)의 편광 방향이 90° 다른 것을 특징으로 하는 수단 1 내지 8 중 어느 하나에 기재된 3차원 계측 장치.

상기 수단 9에 의하면, 상기 수단 1 등의 작용 효과가 보다 확실하게 발휘되게 된다.

수단 10. (예를 들어 피계측물이나 참조면을 향하여) 동일 축선 상을 동일 방향을 향하는 상기 제1 광에 포함되는 편광(예를 들어 「제1 파장의 편광」 및/또는 「제2 파장의 편광」) 또는 그 계측광 혹은 참조광의 편광 방향과, 상기 제2 광에 포함되는 편광(예를 들어 「제3 파장의 편광」 및/또는 「제4 파장의 편광」) 또는 그 계측광 혹은 참조광의 편광 방향이 90° 다른 것을 특징으로 하는 수단 1 내지 9 중 어느 하나에 기재된 3차원 계측 장치.

수단 11. 상기 참조광과 상기 계측광 사이에 상대적인 위상차를 부여하는 위상 시프트 수단을 구비하고,

상기 화상 처리 수단은,

상기 위상 시프트 수단에 의해 복수 종류(예를 들어 3 또는 4종류)로 위상 시프트된 상기 출력광을 촬상하여 취득된 복수 종류의 간섭 무늬 화상을 기초로, 위상 시프트법에 의해 상기 피계측물의 3차원 계측을 실행 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 수단 1 내지 10 중 어느 하나에 기재된 3차원 계측 장치.

위상 시프트법을 이용한 종래의 3차원 계측 장치에 있어서는, 위상을 4단계 또는 3단계로 변화시켜, 이들에 대응하는 4종류 또는 3종류의 간섭 무늬 화상을 촬상할 필요가 있었다. 그 때문에, 계측 레인지 향상을 위하여, 파장차가 작은 2종류의 광을 사용하는 경우에는, 각각 다른 타이밍에 4회씩(또는 3회씩), 총 8회분(또는 총 6회분)의 촬상 시간이 필요하였다.

이에 대하여, 본 수단 11에 의하면, 제1 광에 관련된 출력광의 촬상과, 제2 광에 관련된 출력광의 촬상을 동시에 행할 수 있기 때문에, 총 4회분(또는 총 3회분)의 촬상 시간에, 2종류의 광에 관련된 총 8종류(또는 6종류)의 간섭 무늬 화상을 취득할 수 있다. 결과적으로, 총체적인 촬상 시간을 단축할 수 있어, 계측 효율의 향상을 도모할 수 있다.

특히, 상기 수단 6에 관련된 구성 하에서는, 제1 광에 관련된 출력광에 포함되는 「제1 파장의 편광에 관련된 출력광」 및/또는 「제2 파장의 편광에 관련된 출력광」의 촬상과, 제2 광에 관련된 출력광에 포함되는 「제3 파장의 편광에 관련된 출력광」 및/또는 「제4 파장의 편광에 관련된 출력광」의 촬상을 개별 또한 동시에 행할 수 있기 때문에, 예를 들어 총 4회분의 촬상 시간에, 최대 4종류의 광에 관련된 총 16종류(4×4종류)의 간섭 무늬 화상을 취득할 수 있다.

수단 12. 상기 출력광을 복수의 광으로 분할하는 분광 수단과,

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

상기 촬상 수단은, 적어도 상기 필터 수단을 투과하는 상기 복수의 분할광을 동시에 촬상 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 수단 11에 기재된 3차원 계측 장치.

상기 위상 시프트 수단으로는, 예를 들어 참조면을 광축을 따라 이동시킴으로써 물리적으로 광로 길이를 변화시키는 구성을 생각할 수 있다. 그러나, 이러한 구성에서는, 계측에 필요한 모든 간섭 무늬 화상을 취득할 때까지 일정 시간을 필요로 하기 때문에, 계측 시간이 길어질 뿐만 아니라, 그 공기의 흔들림이나 진동 등의 영향을 받기 때문에, 계측 정밀도가 저하될 우려가 있다.

이 점에서, 본 수단 12에 의하면, 계측에 필요한 모든 간섭 무늬 화상을 동시에 취득할 수 있다. 예를 들어 2종류의 광에 관련된 총 8종류(또는 6종류)의 간섭 무늬 화상을 동시에 취득할 수 있다. 특히, 상기 수단 6에 관련된 구성 하에서는, 최대로 4종류의 광에 관련된 총 16종류(4×4종류)의 간섭 무늬 화상을 동시에 취득할 수 있다. 결과적으로, 계측 정밀도의 향상을 도모하는 동시에, 총체적인 촬상 시간을 대폭 단축할 수 있어, 계측 효율의 비약적인 향상을 도모할 수 있다.

한편, 「분광 수단」으로는, 예를 들어 「입사되는 광을, 각각 광로 길이가 동등하고 또한 진행 방향과 직교하는 평면에 있어서 광로가 매트릭스상으로 늘어서는 4개의 광으로 분할하는 분광 수단」 등을 들 수 있다. 예를 들어, 하기의 수단 13과 같은 구성을 일례로 들 수 있다.

수단 13. 상기 분광 수단은,

제1 평면을 따른 단면 형상이 삼각형상이 되는 삼각기둥 형상을 이루고, 그 제1 평면과 직교하는 방향을 따른 3개의 면 중의 제1 면과 제2 면의 교선을 지나 제3 면과 직교하는 평면을 따라 제1 분기 수단(제1 하프 미러)을 갖는 제1 광학 부재(제1 쾨스터 프리즘)와,

상기 제1 평면과 직교하는 제2 평면을 따른 단면 형상이 삼각형상이 되는 삼각기둥 형상을 이루고, 그 제2 평면과 직교하는 방향을 따른 3개의 면 중의 제1 면과 제2 면의 교선을 지나 제3 면과 직교하는 평면을 따라 제2 분기 수단(제2 하프 미러)을 갖는 제2 광학 부재(제2 쾨스터 프리즘)를 구비하고,

상기 제1 광학 부재의 제3 면과 상기 제2 광학 부재의 제1 면을 서로 대향하도록 배치함으로써,

상기 제1 광학 부재의 상기 제1 면에 대하여(수직으로) 입사되는 광을 상기 제1 분기 수단으로 2방향으로 분기시키고, 이 중 상기 제1 분기 수단에서 반사한 분할광을 상기 제1 면에서 상기 제3 면측을 향하여 반사시키고, 상기 제1 분기 수단을 투과한 분할광을 상기 제2 면에서 상기 제3 면측을 향하여 반사시킴으로써, 상기 제3 면으로부터 평행한 2개의 분할광으로서 출사시키고,

상기 제1 광학 부재의 제3 면으로부터 출사된 2개의 분할광을 상기 제2 광학 부재의 제1 면에 대하여(수직으로) 입사시키고, 그 2개의 분할광을 각각 상기 제2 분기 수단으로 2방향으로 분기시키고, 이 중 상기 제2 분기 수단에서 반사한 2개의 분할광을 각각 상기 제1 면에서 상기 제3 면측을 향하여 반사시키고, 상기 제2 분기 수단을 투과한 2개의 분할광을 각각 상기 제2 면에서 상기 제3 면측을 향하여 반사시킴으로써, 상기 제3 면으로부터 평행한 4개의 분할광으로서 출사시키는 것을 특징으로 하는 수단 12에 기재된 3차원 계측 장치.

상기 수단 13에 의하면, 소정의 광학계(간섭 광학계) 등으로부터 출사되는 광을 2행 2열의 매트릭스상으로 늘어서는 4개의 광으로 분광할 수 있다. 이에 의해, 예를 들어 하기의 수단 14와 같이 복수의 분할광을 단일의 촬상 소자에 의해 동시 촬상하는 구성에 있어서, 촬상 소자의 촬상 영역을 매트릭스상으로 4등분한 분할 영역을, 4개의 분할광에 각각 할당할 수 있기 때문에, 촬상 소자의 촬상 영역을 유효 활용할 수 있다. 예를 들어 애스펙트비가 4:3인 일반적인 촬상 소자의 촬상 영역을 4등분한 경우, 각 분할 영역의 애스펙트비는 마찬가지로 4:3이 되기 때문에, 각 분할 영역 내의 보다 광범위를 이용 가능하게 된다. 나아가서는, 가일층의 계측 정밀도의 향상을 도모할 수 있다.

또한, 가령 회절 격자를 분광 수단으로서 사용한 경우에는 분해능이 저하될 우려가 있으나, 본 수단에서는, 1개의 광을 평행한 2개의 광으로 분할하고, 다시 그 2개의 광을 각각 평행한 2개의 광으로 분할함으로써, 평행한 4개의 광으로 분광하는 구성으로 되어 있기 때문에, 분해능의 저하 억제를 도모할 수 있다.

또한, 1개의 광을 평행한 2개의 광으로 분할하는 수단으로서, 상기 구성을 갖는 광학 부재(쾨스터 프리즘)를 채용하고 있기 때문에, 분할된 2개의 광의 광로 길이가 광학적으로 동등해진다. 결과적으로, 분할된 2개의 광의 광로 길이를 조정하는 광로 조정 수단을 구비할 필요가 없어, 부품점수의 삭감을 도모하는 동시에, 구성의 간소화나 장치의 소형화 등을 도모할 수 있다.

또한, 제1 광학 부재의 제3 면과 제2 광학 부재의 제1 면이 맞닿아 있으면, 분광 수단에 대하여 1개의 광이 입사되고 나서, 4개의 광이 출사될 때까지의 동안에, 광이 광학 부재 내만을 진행하고, 공기 중으로 나가지 않는 구성이 되기 때문에, 공기의 흔들림 등에 의한 영향을 저감할 수 있다.

수단 14. 상기 촬상 수단은, 적어도 상기 필터 수단을 투과하는 상기 복수의 분할광을 단일의 촬상 소자에 의해 동시에 촬상 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 수단 12 또는 13에 기재된 3차원 계측 장치.

한편, 복수의 분할광을 동시에 촬상하는 경우에는, 복수의 카메라(촬상 소자)에 의해 각 분할광을 각각 촬상하는 구성도 생각할 수 있으나, 이러한 구성에서는, 각 카메라(촬상 소자)의 차이 등에 의해, 계측 오차가 발생할 우려가 있다.

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

수단 15. 상기 피계측물이, 프린트 기판에 인쇄된 크림 땜납, 또는 웨이퍼 기판에 형성된 땜납 범프인 것을 특징으로 하는 수단 1 내지 14 중 어느 하나에 기재된 3차원 계측 장치.

상기 수단 15에 의하면, 프린트 기판에 인쇄된 크림 땜납, 또는 웨이퍼 기판에 형성된 땜납 범프의 높이 계측 등을 행할 수 있다. 나아가서는, 크림 땜납 또는 땜납 범프의 검사에 있어서, 그 계측값에 기초하여 크림 땜납 또는 땜납 범프의 양부(良否) 판정을 행할 수 있다. 따라서, 이러한 검사에 있어서, 상기 각 수단의 작용 효과가 발휘되게 되어, 양호한 정밀도로 양부 판정을 행할 수 있다. 결과적으로, 땜납 인쇄 검사 장치 또는 땜납 범프 검사 장치에 있어서의 검사 정밀도의 향상을 도모할 수 있다.

도 1은 3차원 계측 장치의 개략 구성도이다.
도 2는 3차원 계측 장치의 전기적 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 제1 광의 광로를 나타내는 광로도이다.
도 4는 제2 광의 광로를 나타내는 광로도이다.
도 5는 제2 실시형태에 따른 분광 광학계 등을 나타내는 개략 구성도이다.
도 6은 제2 실시형태에 따른 필터 유닛의 개략 구성도이다.
도 7은 제2 실시형태에 따른 촬상 소자의 촬상 영역의 개략 구성도이다.
도 8은 제3 실시형태에 따른 3차원 계측 장치의 개략 구성도이다.
도 9는 제3 실시형태에 따른 분광 광학계를 나타내는 평면도이다.
도 10은 제3 실시형태에 따른 분광 광학계를 나타내는 정면도이다.
도 11은 제3 실시형태에 따른 분광 광학계를 나타내는 우측면도이다.
도 12는 제3 실시형태에 따른 분광 광학계를 나타내는 사시도이다.
도 13은 제4 실시형태에 따른 3차원 계측 장치의 개략 구성도이다.
도 14는 제5 실시형태에 따른 3차원 계측 장치의 개략 구성도이다.
도 15는 땜납 범프의 높이 계측의 원리를 설명하기 위한 설명도이다.
도 16은 다른 실시형태에 따른 필터 유닛의 개략 구성도이다.

〔제1 실시형태〕

이하, 3차원 계측 장치의 일 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1은 본 실시형태에 따른 3차원 계측 장치(1)의 개략 구성을 나타내는 모식도이고, 도 2는 3차원 계측 장치(1)의 전기적 구성을 나타내는 블록도이다. 이하, 편의상, 도 1의 지면 앞뒤 방향을 「X축 방향」으로 하고, 지면 상하 방향을 「Y축 방향」으로 하고, 지면 좌우 방향을 「Z축 방향」으로 하여 설명한다.

3차원 계측 장치(1)는, 마이켈슨 간섭계의 원리에 기초하여 구성된 것으로, 소정의 광을 출력 가능한 2개의 투광계(2A, 2B)(제1 투광계(2A), 제2 투광계(2B))와, 그 투광계(2A, 2B)로부터 각각 출사되는 광이 입사되는 간섭 광학계(3)와, 그 간섭 광학계(3)로부터 출사되는 광이 입사되는 2개의 촬상계(4A, 4B)(제1 촬상계(4A), 제2 촬상계(4B))와, 투광계(2A, 2B)나 간섭 광학계(3), 촬상계(4A, 4B) 등에 관련된 각종 제어나 화상 처리, 연산 처리 등을 행하는 제어 장치(5)를 구비하고 있다.

여기서, 「제어 장치(5)」가 본 실시형태에 있어서의 「화상 처리 수단」을 구성하고, 「간섭 광학계(3)」가 본 실시형태에 있어서의 「소정의 광학계(특정 광학계)」를 구성한다. 한편, 본원에 따른 각 실시형태에 있어서는, 광의 간섭을 발생시키는 것(간섭 무늬 화상을 촬상하는 것)을 목적으로 하여, 입사하는 소정의 광을 2개의 광(계측광 및 참조광)으로 분할하고, 그 2개의 광에 광로차를 발생시킨 후에, 다시 합성하여 출력하는 광학계를 「간섭 광학계」라고 한다. 즉, 2개의 광(계측광 및 참조광)을 내부에서 간섭시킨 후에 간섭광으로서 출력하는 광학계뿐만 아니라, 2개의 광(계측광 및 참조광)을 내부에서 간섭시키지 않고, 단순히 합성광으로서 출력하는 광학계에 대해서도 「간섭 광학계」라고 칭하고 있다. 따라서, 본 실시형태에서 후술하는 바와 같이, 「간섭 광학계」로부터, 2개의 광(계측광 및 참조광)이 간섭하지 않고 합성광으로서 출력되는 경우에는, 적어도 촬상되기 전 단계(예를 들어 촬상계의 내부 등)에 있어서, 소정의 간섭 수단을 통하여 간섭광을 얻게 된다.

먼저, 2개의 투광계(2A, 2B)(제1 투광계(2A), 제2 투광계(2B))의 구성에 대하여 상세하게 설명한다. 제1 투광계(2A)는, 제1 발광부(11A), 제1 광 아이솔레이터(12A), 제1 무편광 빔 스플리터(13A) 등을 구비하고 있다. 여기서 「제1 발광부(11A)」 및 「제1 광 아이솔레이터(12A)」에 의해 본 실시형태에 있어서의 「제1 조사 수단」이 구성된다.

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

이러한 구성 하, 본 실시형태에서는, 제1 발광부(11A)로부터, X축 방향 및 Y축 방향에 대하여 45° 경사진 방향을 편광 방향으로 하는 파장 λ₁(예를 들어 λ₁=1500nm)의 직선 편광이 Z축 방향 좌향으로 출사된다. 이후, 제1 발광부(11A)로부터 출사되는 파장 λ₁의 광을 「제1 광」이라고 한다.

제1 광 아이솔레이터(12A)는, 일방향(본 실시형태에서는 Z축 방향 좌향)으로 진행하는 광만을 투과하고 역방향(본 실시형태에서는 Z축 방향 우향)의 광을 차단하는 광학 소자이다. 이에 의해, 제1 발광부(11A)로부터 출사된 제1 광만을 투과하게 되어, 복귀광에 의한 제1 발광부(11A)의 손상이나 불안정화 등을 방지할 수 있다.

제1 무편광 빔 스플리터(13A)는, 직각 프리즘(직각이등변삼각형을 밑면으로 하는 삼각기둥상의 프리즘. 이하 동일.)을 첩합하여 일체로 한 큐브형의 공지의 광학 부재로서, 그 접합면(13Ah)에는 예를 들어 금속막 등의 코팅이 실시되어 있다. 「제1 무편광 빔 스플리터(13A)」에 의해 본 실시형태에 있어서의 「제1 도광 수단」이 구성된다.

이하 동일하지만, 무편광 빔 스플리터는, 편광 상태도 포함시켜, 입사광을 소정의 비율로 투과광과 반사광으로 분할하는 것이다. 본 실시형태에서는, 1:1의 분할비를 가진 소위 하프 미러를 채용하고 있다. 즉, 투과광의 P 편광 성분 및 S 편광 성분, 그리고, 반사광의 P 편광 성분 및 S 편광 성분이 모두 동일한 비율로 분할되는 동시에, 투과광과 반사광의 각 편광 상태는 입사광의 편광 상태와 동일하게 된다.

한편, 본 실시형태에서는, 도 1의 지면과 평행한 방향(Y축 방향 또는 Z축 방향)을 편광 방향으로 하는 직선 편광을 P 편광(P 편광 성분)이라고 하고, 도 1의 지면과 수직한 X축 방향을 편광 방향으로 하는 직선 편광을 S 편광(S 편광 성분)이라고 한다. 「P 편광」이 본 실시형태에 있어서의 「제1 편광 방향을 갖는 편광」에 상당하고, 「S 편광」이 「제2 편광 방향을 갖는 편광」에 상당한다.

또한, 제1 무편광 빔 스플리터(13A)는, 그 접합면(13Ah)을 사이에 두고 이웃하는 2면 중의 일방이 Y축 방향과 직교하고 또한 타방이 Z축 방향과 직교하도록 배치되어 있다. 즉, 제1 무편광 빔 스플리터(13A)의 접합면(13Ah)이 Y축 방향 및 Z축 방향에 대하여 45° 경사지도록 배치되어 있다. 보다 상세하게는, 제1 광 아이솔레이터(12A)를 통하여, 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)」 및 「제2 광 아이솔레이터(12B)」에 의해 본 실시형태에 있어서의 「제2 조사 수단」이 구성된다.

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

이러한 구성 하, 본 실시형태에서는, 제2 발광부(11B)로부터, X축 방향 및 Z축 방향에 대하여 45° 경사진 방향을 편광 방향으로 하는 파장 λ₂(예를 들어 λ₂=1503nm)의 직선 편광이 Y축 방향 상향으로 출사된다. 이후, 제2 발광부(11B)로부터 출사되는 파장 λ₂의 광을 「제2 광」이라고 한다.

제2 광 아이솔레이터(12B)는, 제1 광 아이솔레이터(12A)와 마찬가지로, 일방향(본 실시형태에서는 Y축 방향 상향)으로 진행하는 광만을 투과하고 역방향(본 실시형태에서는 Y축 방향 하향)의 광을 차단하는 광학 소자이다. 이에 의해, 제2 발광부(11B)로부터 출사된 제2 광만을 투과하게 되어, 복귀광에 의한 제2 발광부(11B)의 손상이나 불안정화 등을 방지할 수 있다.

제2 무편광 빔 스플리터(13B)는, 제1 무편광 빔 스플리터(13A)와 마찬가지로, 직각 프리즘을 첩합하여 일체로 한 큐브형의 공지의 광학 부재로서, 그 접합면(13Bh)에는 예를 들어 금속막 등의 코팅이 실시되어 있다. 「제2 무편광 빔 스플리터(13B)」에 의해 본 실시형태에 있어서의 「제2 도광 수단」이 구성된다.

또한, 제2 무편광 빔 스플리터(13B)는, 그 접합면(13Bh)을 사이에 두고 이웃하는 2면 중의 일방이 Y축 방향과 직교하고 또한 타방이 Z축 방향과 직교하도록 배치되어 있다. 즉, 제2 무편광 빔 스플리터(13B)의 접합면(13Bh)이 Y축 방향 및 Z축 방향에 대하여 45° 경사지도록 배치되어 있다. 보다 상세하게는, 제2 광 아이솔레이터(12B)를 통하여, 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.

다음으로 간섭 광학계(3)의 구성에 대하여 상세하게 설명한다. 간섭 광학계(3)는, 편광 빔 스플리터(PBS)(20), 참조면(23), 설치부(24) 등을 구비하고 있다.

편광 빔 스플리터(20)는, 직각 프리즘을 첩합하여 일체로 한 큐브형의 공지의 광학 부재로서, 그 접합면(경계면)(20h)에는 예를 들어 유전체 다층막 등의 코팅이 실시되어 있다.

편광 빔 스플리터(20)는, 입사되는 직선 편광을 편광 방향이 서로 직교하는 2개의 편광 성분(P 편광 성분과 S 편광 성분)으로 분할하는 것이다. 본 실시형태에 있어서의 편광 빔 스플리터(20)는, P 편광 성분을 투과시키고, S 편광 성분을 반사하는 구성으로 되어 있다. 따라서, 본 실시형태에 있어서의 편광 빔 스플리터(20)는, 입사하는 소정의 광을 2개의 광(계측광 및 참조광)으로 분할하는 동시에, 이들을 다시 합성하는 기능을 갖게 된다.

편광 빔 스플리터(20)는, 그 접합면(20h)을 사이에 두고 이웃하는 2면 중의 일방이 Y축 방향과 직교하고 또한 타방이 Z축 방향과 직교하도록 배치되어 있다. 즉, 편광 빔 스플리터(20)의 접합면(20h)이 Y축 방향 및 Z축 방향에 대하여 45° 경사지도록 배치되어 있다.

보다 상세하게는, 상기 제1 무편광 빔 스플리터(13A)로부터 Y축 방향 하향으로 반사한 제1 광이 입사하는 편광 빔 스플리터(20)의 제1 면(Y축 방향 상측면)(20a), 그리고, 그 제1 면(20a)과 서로 대향하는 제3 면(Y축 방향 하측면)(20c)이 Y축 방향과 직교하도록 배치되어 있다. 「편광 빔 스플리터(20)의 제1 면(20a)」이 본 실시형태에 있어서의 「제1 입출력부」에 상당한다.

한편, 제1 면(20a)과 접합면(20h)을 사이에 두고 이웃하는 면으로서, 상기 제2 무편광 빔 스플리터(13B)로부터 Z축 방향 우향으로 반사한 제2 광이 입사하는 편광 빔 스플리터(20)의 제2 면(Z축 방향 좌측면)(20b), 그리고, 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 실시형태에 있어서의 「제2 입출력부」에 상당한다.

또한, 편광 빔 스플리터(20)의 제3 면(20c)과 Y축 방향으로 서로 대향하도록 참조면(23)이 배치되어 있다. 그리고, 편광 빔 스플리터(20)의 제3 면(20c)으로부터 출사되는 직선 편광(참조광)은 참조면(23)에 대하여 조사된다. 또한, 참조면(23)에서 반사한 참조광은, 다시, 편광 빔 스플리터(20)의 제3 면(20c)에 입사한다.

한편, 편광 빔 스플리터(20)의 제4 면(20d)과 Z축 방향으로 서로 대향하도록 설치부(24)가 배치되어 있다. 그리고, 편광 빔 스플리터(20)의 제4 면(20d)으로부터 출사되는 직선 편광(계측광)은 설치부(24)에 놓인 피계측물로서의 워크(W)에 대하여 조사된다. 또한, 워크(W)에서 반사한 계측광은, 다시, 편광 빔 스플리터(20)의 제4 면(20d)에 입사한다.

다음으로 2개의 촬상계(4A, 4B)(제1 촬상계(4A), 제2 촬상계(4B))의 구성에 대하여 상세하게 설명한다. 「제1 촬상계(4A)」에 의해 본 실시형태에 있어서의 「제1 촬상 수단」이 구성되고, 「제2 촬상계(4B)」에 의해 「제2 촬상 수단」이 구성된다.

제1 촬상계(4A)는, 1/4 파장판(31A), 제1 편광판(32A), 제1 카메라(33A) 등을 구비하고 있다.

1/4 파장판(31A)은, 제1 무편광 빔 스플리터(13A)를 Y축 방향 상향으로 투과해 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. 이에 의해, 회전 방향이 다른 제1 광의 참조광 성분과 계측광 성분을 특정한 위상에 대하여 간섭시킬 수 있다. 「제1 편광판(32A)」이 본 실시형태에 있어서의 「위상 시프트 수단」 및 「간섭 수단」을 구성한다.

본 실시형태에 따른 제1 편광판(32A)은, Y축 방향을 축심으로 하여 회전 가능하게 구성되는 동시에, 그 투과축 방향이 45°씩 변화하도록 제어된다. 구체적으로는, 투과축 방향이 X축 방향에 대하여 「0°」, 「45°」, 「90°」, 「135°」가 되도록 변화한다.

이에 의해, 제1 편광판(32A)을 투과하는 제1 광의 참조광 성분 및 계측광 성분을 4종류의 위상에서 간섭시킬 수 있다. 즉, 위상이 90°씩 다른 간섭광을 생성할 수 있다. 구체적으로는, 위상이 「0°」인 간섭광, 위상이 「90°」인 간섭광, 위상이 「180°」인 간섭광, 위상이 「270°」인 간섭광을 생성할 수 있다.

제1 카메라(33A)는, 렌즈나 촬상 소자 등을 구비하여 이루어지는 공지의 것이다. 본 실시형태에서는, 제1 카메라(33A)의 촬상 소자로서, CCD 에어리어 센서를 채용하고 있다. 물론, 촬상 소자는, 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 CMOS 에어리어 센서 등을 채용해도 된다.

제1 카메라(33A)에 의해 촬상되어 얻어진 화상 데이터는, 제1 카메라(33A) 내부에 있어서 디지털 신호로 변환된 후에, 디지털 신호의 형태로 제어 장치(5)(화상 데이터 기억 장치(54))에 입력되도록 되어 있다.

구체적으로는, 제1 광에 관련된 위상 「0°」의 간섭 무늬 화상, 위상 「90°」의 간섭 무늬 화상, 위상 「180°」의 간섭 무늬 화상, 위상 「270°」의 간섭 무늬 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 카메라(33B) 등을 구비하고 있다.

1/4 파장판(31B)은, 제2 무편광 빔 스플리터(13B)를 Z축 방향 좌향으로 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. 이에 의해, 회전 방향이 다른 제2 광의 참조광 성분과 계측광 성분을 특정한 위상에 대하여 간섭시킬 수 있다. 「제2 편광판(32B)」이 본 실시형태에 있어서의 「위상 시프트 수단」 및 「간섭 수단」을 구성한다.

본 실시형태에 따른 제2 편광판(32B)은, Z축 방향을 축심으로 하여 회전 가능하게 구성되는 동시에, 그 투과축 방향이 45°씩 변화하도록 제어된다. 구체적으로는, 투과축 방향이 Y축 방향에 대하여 「0°」, 「45°」, 「90°」, 「135°」가 되도록 변화한다.

이에 의해, 제2 편광판(32B)을 투과하는 제2 광의 참조광 성분 및 계측광 성분을 4종류의 위상에서 간섭시킬 수 있다. 즉, 위상이 90°씩 다른 간섭광을 생성할 수 있다. 구체적으로는, 위상이 「0°」인 간섭광, 위상이 「90°」인 간섭광, 위상이 「180°」인 간섭광, 위상이 「270°」인 간섭광을 생성할 수 있다.

제2 카메라(33B)는, 제1 카메라(33A)와 마찬가지로, 렌즈나 촬상 소자 등을 구비하여 이루어지는 공지의 것이다. 본 실시형태에서는, 제1 카메라(33A)와 마찬가지로, 제2 카메라(33B)의 촬상 소자로서, CCD 에어리어 센서를 채용하고 있다. 물론, 촬상 소자는, 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 CMOS 에어리어 센서 등을 채용해도 된다.

제1 카메라(33A)와 마찬가지로, 제2 카메라(33B)에 의해 촬상되어 얻어진 화상 데이터는, 제2 카메라(33B) 내부에 있어서 디지털 신호로 변환된 후에, 디지털 신호의 형태로 제어 장치(5)(화상 데이터 기억 장치(54))에 입력되도록 되어 있다.

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

여기서 제어 장치(5)의 전기적 구성에 대하여 설명한다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 제어 장치(5)는, 3차원 계측 장치(1) 전체의 제어를 담당하는 CPU 및 입출력 인터페이스(51), 키보드나 마우스, 혹은, 터치 패널로 구성되는 「입력 수단」으로서의 입력 장치(52), 액정 화면 등의 표시 화면을 갖는 「표시 수단」으로서의 표시 장치(53), 카메라(33A, 33B)에 의해 촬상되어 얻어진 화상 데이터 등을 순차 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. 한편, 이들 각 장치(52∼56)는, CPU 및 입출력 인터페이스(51)에 대하여 전기적으로 접속되어 있다.

다음으로 3차원 계측 장치(1)의 작용에 대하여 설명한다. 한편, 후술하는 바와 같이, 본 실시형태에 있어서의 제1 광 및 제2 광의 조사는 동시에 행하여지는 것으로, 제1 광의 광로와 제2 광의 광로가 일부에서 겹쳐지게 되는데, 여기서는, 보다 알기 쉽게 하기 위하여, 제1 광 및 제2 광의 광로마다 다른 도면을 사용하여 개별적으로 설명한다.

먼저 제1 광의 광로에 대하여 도 3을 참조하여 설명한다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 파장 λ₁의 제1 광(편광 방향이 X축 방향 및 Y축 방향에 대하여 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 입사한 제1 광의 일부는 Z축 방향 좌향으로 투과하고, 나머지는 Y축 방향 하향으로 반사한다.

이 중, Y축 방향 하향으로 반사한 제1 광(편광 방향이 X축 방향 및 Z축 방향에 대하여 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 입사하지 않고, 버리는 광이 된다.

여기서, 버리는 광이 되는 광을, 필요에 따라 파장 계측 혹은 광의 파워 계측에 이용하면, 광원을 안정화시키고 나아가서는 계측 정밀도의 향상을 도모할 수 있다.

편광 빔 스플리터(20)의 제1 면(20a)으로부터 Y축 방향 하향으로 입사한 제1 광은, 그 P 편광 성분이 Y축 방향 하향으로 투과하여 제3 면(20c)으로부터 참조광으로서 출사되는 한편, 그 S 편광 성분이 Z축 방향 우향으로 반사하여 제4 면(20d)으로부터 계측광으로서 출사된다.

편광 빔 스플리터(20)의 제3 면(20c)으로부터 출사한 제1 광에 관련된 참조광(P 편광)은, 참조면(23)에서 반사한다. 그 후, 제1 광에 관련된 참조광(P 편광)은, 다시, 편광 빔 스플리터(20)의 제3 면(20c)에 입사한다.

한편, 편광 빔 스플리터(20)의 제4 면(20d)으로부터 출사한 제1 광에 관련된 계측광(S 편광)은, 워크(W)에서 반사한다. 그 후, 제1 광에 관련된 계측광(S 편광)은, 다시, 편광 빔 스플리터(20)의 제4 면(20d)에 입사한다.

여기서, 편광 빔 스플리터(20)의 제3 면(20c)으로부터 재입사한 제1 광에 관련된 참조광(P 편광)이 접합면(20h)을 Y축 방향 상향으로 투과하는 한편, 제4 면(20d)으로부터 재입사한 제1 광에 관련된 계측광(S 편광)은 접합면(20h)에서 Y축 방향 상향으로 반사한다. 그리고, 제1 광에 관련된 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 제1 광에 관련된 합성광(참조광 및 계측광)은, 제1 무편광 빔 스플리터(13A)에 입사한다. 제1 무편광 빔 스플리터(13A)에 대하여 Y축 방향 상향으로 입사한 제1 광에 관련된 합성광은, 그 일부가 Y축 방향 상향으로 투과하고, 나머지가 Z축 방향 우향으로 반사한다. 이 중, Y축 방향 상향으로 투과한 합성광(참조광 및 계측광)은 제1 촬상계(4A)에 입사하게 된다. 한편, Z축 방향 우향으로 반사한 합성광은, 제1 광 아이솔레이터(12A)에 의해 그 진행이 차단되어, 버리는 광이 된다.

제1 촬상계(4A)에 입사한 제1 광에 관련된 합성광(참조광 및 계측광)은, 먼저 1/4 파장판(31A)에 의해, 그 참조광 성분(P 편광 성분)이 시계 방향의 원 편광으로 변환되고, 그 계측광 성분(S 편광 성분)이 반시계 방향의 원 편광으로 변환된다. 여기서, 반시계 방향의 원 편광과 시계 방향의 원 편광은 회전 방향이 다르므로 간섭하지 않는다.

제1 광에 관련된 합성광은, 계속해서 제1 편광판(32A)을 통과함으로써, 그 참조광 성분과 계측광 성분이 제1 편광판(32A)의 각도에 따른 위상에서 간섭한다. 그리고, 이러한 제1 광에 관련된 간섭광이 제1 카메라(33A)에 의해 촬상된다.

다음으로 제2 광의 광로에 대하여 도 4를 참조하여 설명한다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 파장 λ₂의 제2 광(편광 방향이 X축 방향 및 Z축 방향에 대하여 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 입사한 제2 광의 일부는 Y축 방향 상향으로 투과하고, 나머지는 Z축 방향 우향으로 반사한다.

이 중, Z축 방향 우향으로 반사한 제2 광(편광 방향이 X축 방향 및 Y축 방향에 대하여 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 입사하지 않고, 버리는 광이 된다.

편광 빔 스플리터(20)의 제2 면(20b)으로부터 Z축 방향 우향으로 입사한 제2 광은, 그 S 편광 성분이 Y축 방향 하향으로 반사하여 제3 면(20c)으로부터 참조광으로서 출사되는 한편, 그 P 편광 성분이 Z축 방향 우향으로 투과하여 제4 면(20d)으로부터 계측광으로서 출사된다.

편광 빔 스플리터(20)의 제3 면(20c)으로부터 출사한 제2 광에 관련된 참조광(S 편광)은, 참조면(23)에서 반사한다. 그 후, 제2 광에 관련된 참조광(S 편광)은, 다시, 편광 빔 스플리터(20)의 제3 면(20c)에 입사한다.

한편, 편광 빔 스플리터(20)의 제4 면(20d)으로부터 출사한 제2 광에 관련된 계측광(P 편광)은, 워크(W)에서 반사한다. 그 후, 제2 광에 관련된 계측광(P 편광)은, 다시, 편광 빔 스플리터(20)의 제4 면(20d)에 입사한다.

여기서, 편광 빔 스플리터(20)의 제3 면(20c)으로부터 재입사한 제2 광에 관련된 참조광(S 편광)은 접합면(20h)에서 Z축 방향 좌향으로 반사하는 한편, 제4 면(20d)으로부터 재입사한 제2 광에 관련된 계측광(P 편광)은 접합면(20h)을 Z축 방향 좌향으로 투과한다. 그리고, 제2 광에 관련된 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 제2 광에 관련된 합성광(참조광 및 계측광)은, 제2 무편광 빔 스플리터(13B)에 입사한다. 제2 무편광 빔 스플리터(13B)에 대하여 Z축 방향 좌향으로 입사한 제2 광에 관련된 합성광은, 그 일부가 Z축 방향 좌향으로 투과하고, 나머지가 Y축 방향 하향으로 반사한다. 이 중, Z축 방향 좌향으로 투과한 합성광(참조광 및 계측광)은 제2 촬상계(4B)에 입사하게 된다. 한편, Y축 방향 하향으로 반사한 합성광은, 제2 광 아이솔레이터(12B)에 의해 그 진행이 차단되어, 버리는 광이 된다.

제2 촬상계(4B)에 입사한 제2 광에 관련된 합성광(참조광 및 계측광)은, 먼저 1/4 파장판(31B)에 의해, 그 참조광 성분(S 편광 성분)이 반시계 방향의 원 편광으로 변환되고, 그 계측광 성분(P 편광 성분)이 시계 방향의 원 편광으로 변환된다. 여기서, 반시계 방향의 원 편광과 시계 방향의 원 편광은 회전 방향이 다르므로 간섭하지 않는다.

제2 광에 관련된 합성광은, 계속해서 제2 편광판(32B)을 통과함으로써, 그 참조광 성분과 계측광 성분이 제2 편광판(32B)의 각도에 따른 위상에서 간섭한다. 그리고, 이러한 제2 광에 관련된 간섭광이 제2 카메라(33B)에 의해 촬상된다.

다음으로, 제어 장치(5)에 의해 실행되는 형상 계측 처리의 순서에 대하여 상세하게 설명한다. 우선은, 설치부(24)에 워크(W)를 설치한 후, 제1 촬상계(4A)의 제1 편광판(32A)의 투과축 방향을 소정의 기준 위치(예를 들어 「0°」)로 설정하는 동시에, 제2 촬상계(4B)의 제2 편광판(32B)의 투과축 방향을 소정의 기준 위치(예를 들어 「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 제1 면(20a)으로부터 제1 광에 관련된 합성광(참조광 및 계측광)이 출사됨과 동시에, 편광 빔 스플리터(20)의 제2 면(20b)으로부터 제2 광에 관련된 합성광(참조광 및 계측광)이 출사된다.

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

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

그리고, 각 카메라(33A, 33B)에 있어서 각각 촬상되어 얻어진 화상 데이터가 제어 장치(5)로 출력된다. 제어 장치(5)는, 입력한 화상 데이터를 화상 데이터 기억 장치(54)에 기억한다.

다음으로 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°」가 되는 위치까지 회전 운동 변위시킨다.

그 전환 처리가 종료되면, 제어 장치(5)는, 상기 일련의 1회째의 촬상 처리와 동일한 2회째의 촬상 처리를 행한다. 즉, 제어 장치(5)는, 제1 투광계(2A)로부터 제1 광을 조사함과 동시에, 제2 투광계(2B)로부터 제2 광을 조사하고, 편광 빔 스플리터(20)의 제1 면(20a)으로부터 출사된 제1 광에 관련된 합성광을 제1 촬상계(4A)에 의해 촬상함과 동시에, 편광 빔 스플리터(20)의 제2 면(20b)으로부터 출사된 제2 광에 관련된 합성광을 제2 촬상계(4B)에 의해 촬상한다. 이에 의해, 제1 광에 관련된 위상 「90°」의 간섭 무늬 화상이 취득되는 동시에, 제2 광에 관련된 위상 「90°」의 간섭 무늬 화상이 촬상되게 된다.

이후, 상기 1회째 및 2회째의 촬상 처리와 동일한 촬상 처리가 2회 반복하여 행하여진다. 즉, 제1 편광판(32A) 및 제2 편광판(32B)의 투과축 방향을 「90°」로 설정한 상태에서 3회째의 촬상 처리를 행하여, 제1 광에 관련된 위상 「180°」의 간섭 무늬 화상을 취득하는 동시에, 제2 광에 관련된 위상 「180°」의 간섭 무늬 화상을 취득한다.

그 후, 제1 편광판(32A) 및 제2 편광판(32B)의 투과축 방향을 「135°」로 설정한 상태에서 4회째의 촬상 처리를 행하여, 제1 광에 관련된 위상 「270°」의 간섭 무늬 화상을 취득하는 동시에, 제2 광에 관련된 위상 「270°」의 간섭 무늬 화상을 취득한다.

이와 같이, 4회의 촬상 처리를 행함으로써, 3차원 계측을 행함에 있어서 필요한 모든 화상 데이터(제1 광에 관련된 4종류의 간섭 무늬 화상 데이터, 및 제2 광에 관련된 4종류의 간섭 무늬 화상 데이터로 이루어지는 총 8개의 간섭 무늬 화상 데이터)를 취득할 수 있다.

그리고, 제어 장치(5)는, 화상 데이터 기억 장치(54)에 기억된 제1 광에 관련된 4종류의 간섭 무늬 화상 데이터, 및 제2 광에 관련된 4종류의 간섭 무늬 화상 데이터를 기초로, 위상 시프트법에 의해 워크(W)의 표면 형상을 계측한다. 즉, 워크(W)의 표면 상의 각 위치에 있어서의 높이 정보를 산출한다.

우선은 일반적인 위상 시프트법에 의한 높이 계측의 원리에 대하여 설명한다. 소정의 광(제1 광 또는 제2 광)에 관련된 4종류의 간섭 무늬 화상 데이터의 동일 좌표 위치(x, y)에 있어서의 간섭 무늬 강도, 즉 휘도 I₁(x, y), I₂(x, y), I₃(x, y), I₄(x, y)는, 하기 [수학식 1]의 관계식으로 나타낼 수 있다.

[수학식 1]

여기서, Δφ(x, y)는, 좌표(x, y)에 있어서의 계측광과 참조광의 광로차에 기초하는 위상차를 나타내고 있다. 또한, A(x, y)는 간섭광의 진폭, B(x, y)는 바이어스를 나타내고 있다. 단, 참조광은 균일하기 때문에, 이것을 기준으로 하여 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 기초로, 하기 [수학식 2]의 관계식으로 구할 수 있다.

[수학식 2]

또한, 계측광의 진폭 A(x, y)는, 상기 [수학식 1]의 관계식을 기초로, 하기 [수학식 3]의 관계식으로 구할 수 있다.

[수학식 3]

다음으로, 상기 위상 Δφ(x, y)와 진폭 A(x, y)로부터, 하기 [수학식 4]의 관계식을 기초로 촬상 소자면 상에 있어서의 복소 진폭 Eo(x, y)를 산출한다. 여기서, i는 허수 단위를 나타내고 있다.

[수학식 4]

계속해서, 복소 진폭 Eo(x, y)를 기초로, 워크(W)면 상의 좌표(ξ, η)에 있어서의 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.

[수학식 5]

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

[수학식 6]

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

[수학식 7]

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

[수학식 8]

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

[수학식 9]

그 후, 위상-높이 변환 처리를 행하여, 워크(W)의 표면의 요철 형상을 3차원적으로 나타내는 높이 정보 z(ξ, η)를 산출한다.

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

[수학식 10]

다음으로, 파장이 다른 2종류의 광을 사용한 2파장 위상 시프트법의 원리에 대하여 설명한다. 파장이 다른 2종류의 광을 사용함으로써 계측 레인지를 넓힐 수 있다. 한편, 이러한 원리는 3종류 또는 4종류의 광을 사용한 경우에도 응용할 수 있다.

파장이 다른 2종류의 광(파장 λ₁, λ₂)을 사용하여 계측을 행한 경우에는, 그 합성 파장 λ₀의 광으로 계측을 행한 것과 동일하게 된다. 그리고, 그 계측 레인지는 λ₀/2로 확대되게 된다. 합성 파장 λ₀은, 하기 식(M1)로 나타낼 수 있다.

λ₀=(λ₁×λ₂)/(λ₂-λ₁)···(M1)

단, λ₂>λ₁로 한다.

여기서, 예를 들어 λ₁=1500nm, λ₂=1503nm로 하면, 상기 식(M1)로부터, λ₀=751.500μm가 되고, 계측 레인지는 λ₀/2=375.750μm가 된다.

2파장 위상 시프트법을 행할 때에는, 먼저 파장 λ₁의 제1 광에 관련된 4종류의 간섭 무늬 화상 데이터의 휘도 I₁(x, y), I₂(x, y), I₃(x, y), I₄(x, y)를 기초로(상기 [수학식 1] 참조), 워크(W)면 상의 좌표(ξ, η)에 있어서의 제1 광에 관련된 계측광의 위상 φ₁(ξ, η)을 산출한다(상기 [수학식 8] 참조).

한편, 제1 광에 관련된 계측 하, 좌표(ξ, η)에 있어서의 높이 정보 z(ξ, η)는, 하기 식(M2)로 나타낼 수 있다.

z(ξ, η)=d₁(ξ, η)/2

=[λ₁×φ₁(ξ, η)/4π]+[m₁(ξ, η)×λ₁/2]···(M2)

단, d₁(ξ, η)은, 제1 광에 관련된 계측광과 참조광의 광로차를 나타내고, m₁(ξ, η)은, 제1 광에 관련된 프린지 차수를 나타낸다.

따라서, 위상 φ₁(ξ, η)은 하기 식(M2´)로 나타낼 수 있다.

φ₁(ξ, η)=(4π/λ₁)×z(ξ, η)-2πm₁(ξ, η)···(M2´)

마찬가지로, 파장 λ₂의 제2 광에 관련된 4종류의 간섭 무늬 화상 데이터의 휘도 I₁(x, y), I₂(x, y), I₃(x, y), I₄(x, y)를 기초로(상기 [수학식 1] 참조), 워크(W)면 상의 좌표(ξ, η)에 있어서의 제2 광에 관련된 계측광의 위상 φ₂(ξ, η)를 산출한다(상기 [수학식 8] 참조).

한편, 제2 광에 관련된 계측 하, 좌표(ξ, η)에 있어서의 높이 정보 z(ξ, η)는, 하기 식(M3)으로 나타낼 수 있다.

z(ξ, η)=d₂(ξ, η)/2

=[λ₂×φ₂(ξ, η)/4π]+[m₂(ξ, η)×λ₂/2]···(M3)

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

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

φ₂(ξ, η)=(4π/λ₂)×z(ξ, η)-2πm₂(ξ, η)···(M3´)

계속해서, 파장 λ₁의 제1 광에 관련된 프린지 차수 m₁(ξ, η), 또는 파장 λ₂의 제2 광에 관련된 프린지 차수 m₂(ξ, η)를 결정한다. 프린지 차수 m₁, m₂는, 2종류의 광(파장 λ₁, λ₂)의 광로차 Δd 및 파장차 Δλ를 기초로 구할 수 있다. 여기서 광로차 Δd 및 파장차 Δλ는, 각각 하기 식(M4), (M5)와 같이 나타낼 수 있다.

Δd=(λ₁×φ₁-λ₂×φ₂)/2π···(M4)

Δλ=λ₂-λ₁···(M5)

단, λ₂>λ₁로 한다.

한편, 2파장의 합성 파장 λ₀의 계측 레인지 내에 있어서, 프린지 차수 m₁, m₂의 관계는, 이하의 3개의 경우로 나누어지고, 각 경우마다 프린지 차수 m₁(ξ, η), m₂(ξ, η)를 결정하는 계산식이 다르다. 여기서, 예를 들어 프린지 차수 m₁(ξ, η)을 결정하는 경우에 대하여 설명한다. 물론, 프린지 차수 m₂(ξ, η)에 대해서도, 동일한 방법에 의해 구할 수 있다.

예를 들어 「φ₁-φ₂<-π」의 경우에는 「m₁-m₂=-1」이 되고, 이러한 경우, m₁은 하기 식(M6)과 같이 나타낼 수 있다.

m₁=(Δd/Δλ)-(λ₂/Δλ)

=(λ₁×φ₁-λ₂×φ₂)/2π(λ₂-λ₁)-λ₂/(λ₂-λ₁)···(M6)

「-π<φ₁-φ₂<π」의 경우에는 「m₁-m₂=0」이 되고, 이러한 경우, m₁은 하기 식(M7)과 같이 나타낼 수 있다.

m₁=Δd/Δλ

=(λ₁×φ₁-λ₂×φ₂)/2π(λ₂-λ₁)···(M7)

「φ₁-φ₂>π」의 경우에는 「m₁-m₂=+1」이 되고, 이러한 경우, m₁은 하기 식(M8)과 같이 나타낼 수 있다.

m₁=(Δd/Δλ)+(λ₂/Δλ)

=(λ₁×φ₁-λ₂×φ₂)/2π(λ₂-λ₁)+λ₂/(λ₂-λ₁)···(M8)

그리고, 이와 같이 하여 얻어진 프린지 차수 m₁(ξ, η) 또는 m₂(ξ, η)를 기초로, 상기 식(M2), (M3)으로부터 높이 정보 z(ξ, η)를 얻을 수 있다. 그리고, 이와 같이 구해진 워크(W)의 계측 결과(높이 정보)는, 제어 장치(5)의 연산 결과 기억 장치(55)에 저장된다.

이상, 상세히 서술한 바와 같이, 본 실시형태에서는, 파장 λ₁의 제1 광을 편광 빔 스플리터(20)의 제1 면(20a)으로부터 입사시키는 동시에, 파장 λ₂의 제2 광을 편광 빔 스플리터(20)의 제2 면(20b)으로부터 입사시킴으로써, 제1 광에 관련된 참조광 및 계측광과, 제2 광에 관련된 참조광 및 계측광이 각각 다른 편광 성분(P 편광 또는 S 편광)으로 분할되기 때문에, 편광 빔 스플리터(20)에 입사한 제1 광과 제2 광은 서로 간섭하지 않고, 따로따로 편광 빔 스플리터(20)로부터 출사되게 된다. 즉, 편광 빔 스플리터(20)로부터 출사되는 광을 소정의 분리 수단을 사용하여 제1 광과 제2 광으로 분리할 필요가 없다.

그 결과, 제1 광 및 제2 광으로서 파장이 가까운 2종류의 광을 사용할 수 있어, 3차원 계측에 관련된 계측 레인지를 보다 넓힐 수 있다. 덧붙여, 제1 광에 관련된 출력광의 촬상과, 제2 광에 관련된 출력광의 촬상을 동시에 행할 수 있기 때문에, 총체적인 촬상 시간을 단축할 수 있어, 계측 효율의 향상을 도모할 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 기준이 되는 참조면(23)을 1개 구비한 1개의 간섭 광학계(3)에 대하여 2종류의 광을 사용하는 구성으로 되어 있기 때문에, 참조광과 계측광에 광로차를 발생시키는 광로 구간이 2종류의 광에서 동일하게 된다. 이 때문에, 2개의 간섭 광학계(간섭계 모듈)를 사용하는 구성에 비하여, 계측 정밀도가 향상되는 동시에, 2개의 간섭 광학계의 광로 길이를 정확하게 일치시키는 곤란한 작업을 행할 필요도 없다.

덧붙여, 본 실시형태에서는, 편광 빔 스플리터(20)의 제1 면(20a)에 대하여 입사시킨 제1 광에 관련된 출력광이 동일 위치인 제1 면(20a)으로부터 출력되고, 편광 빔 스플리터(20)의 제2 면(20b)에 대하여 입사시킨 제2 광에 관련된 출력광이 동일 위치인 제2 면(20b)으로부터 출력되는 구성으로 되어 있다.

이러한 구성으로 함으로써, 간섭 광학계(3)의 내부에 있어서, 편광의 편광 방향을 바꾸기 위한 수단(1/4 파장판 등)을 설치할 필요가 없어, 구성의 간소화를 도모할 수 있다.

〔제2 실시형태〕

이하, 제2 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다. 한편, 제1 실시형태와 동일 구성 부분에 대해서는, 동일 부호를 붙이고, 그 상세한 설명을 생략한다. 제2 실시형태에서는, 제1 촬상계(4A) 및 제2 촬상계(4B)에 관련된 구성이 제1 실시형태와 다르다.

본 실시형태에 따른 제1 촬상계(4A)는, 1/4 파장판(31A)을 투과한 제1 광에 관련된 합성광(참조광 성분 및 계측광 성분)을 4개의 광으로 분할하는 분광 수단으로서의 분광 광학계(125)를 구비하는 동시에, 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 관련된 합성광(참조광 성분 및 계측광 성분)을 4개의 광으로 분할하는 분광 수단으로서의 분광 광학계(125)를 구비하는 동시에, 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.

한편, 본 실시형태에 있어서의 제1 촬상계(4A) 및 제2 촬상계(4B)에 사용되는 분광 광학계(125) 및 필터 유닛(126)은 동일 구성이기 때문에, 이하, 제2 촬상계(4B)를 예로 하여 도 5를 참조하면서 설명한다.

본 실시형태에서는, 제2 카메라(33B)의 광축 방향이, 제2 촬상계(4B)에 입사하는 제2 광에 관련된 합성광(L0)의 입사 방향(진행 방향)과 평행하도록 설정되어 있다. 즉, 본 실시형태에서는, 제2 광에 관련된 합성광(L0)의 입사 방향인 Z축 방향을 따라 설정되어 있다.

분광 광학계(125)는, 무편광형의 4개의 광학 부재(프리즘)를 조합하여 일체로 한 1개의 광학 부재로서 구성되어 있다.

보다 상세하게는, 분광 광학계(125)는, 제2 무편광 빔 스플리터(13B)로부터 입사하는 합성광(L0)의 진행 방향(Z축 방향 좌향)을 따라, 간섭 광학계(3)에 가까운 쪽으로부터 순서대로 제1 프리즘(131), 제2 프리즘(132), 제3 프리즘(133), 제4 프리즘(134)이 배치된 구성으로 되어 있다.

한편, 상기 각 프리즘(131∼134)은, 각각 공기보다 굴절률이 높은 소정의 굴절률을 갖는 광학 재료(예를 들어 유리나 아크릴 등)에 의해 형성되어 있다. 따라서, 각 프리즘(131∼134) 내를 진행하는 광의 광로 길이는, 공기 중을 진행하는 광의 광로 길이보다 광학적으로 길어진다. 여기서, 예를 들어 4개의 프리즘(131∼134)을 전부 동일한 재료에 의해 형성해도 되고, 적어도 1개를 다른 재료에 의해 형성해도 된다. 후술하는 분광 광학계(125)의 기능을 만족하는 것이면, 각 프리즘(131∼134)의 재질은 각각 임의로 선택 가능하다.

제1 프리즘(131)은, 정면에서 보았을 때(Z-Y 평면) 평행사변형상을 이루고, X축 방향을 따라 연장되는 사각기둥 형상의 프리즘이다. 이하, 「제1 프리즘(131)」을 「제1 마름모꼴 프리즘(131)」이라고 한다.

제1 마름모꼴 프리즘(131)은, X축 방향을 따른 장방형상의 4면 중, 간섭 광학계(3)측이 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 대하여 45° 경사지도록 배치되어 있다.

이 2개의 경사진 면(131c, 131d) 중, Y축 방향 하측에 위치하는 면(131c)에는 무편광의 하프 미러(141)가 설치되고, Y축 방향 상측에 위치하는 면(131d)에는 내측을 향하여 전반사하는 무편광의 전반사 미러(142)가 설치되어 있다. 이하, 하프 미러(141)가 설치된 면(131c)을 「분기면(131c)」이라고 하고, 전반사 미러(142)가 설치된 면(131d)을 「반사면(131d)」이라고 한다.

한편, 도 5에 있어서는, 편의상, 분기면(131c)(하프 미러(141)) 및 반사면(131d)(전반사 미러(142))에 해당하는 부위에 산점 모양을 붙여 나타내고 있다.

제2 프리즘(132)은, 정면에서 보았을 때(Z-Y 평면) 사다리꼴상을 이루고, X축 방향을 따라 연장되는 사각기둥 형상의 프리즘이다. 이하, 「제2 프리즘(132)」을 「제1 사다리꼴 프리즘(132)」이라고 한다.

제1 사다리꼴 프리즘(132)은, X축 방향을 따른 장방형상의 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 대하여 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)(하프 미러(141))에 밀착되어 있다. 이하, Z축 방향 우측에 위치하는 면(132c)을 「입사면(132c)」이라고 하고, Z축 방향 좌측에 위치하는 면(132d)을 「출사면(132d)」이라고 한다.

제3 프리즘(133)은, 평면에서 보았을 때(X-Z 평면) 평행사변형상을 이루고, Y축 방향을 따라 연장되는 사각기둥 형상의 프리즘이다. 이하, 「제3 프리즘(133)」을 「제2 마름모꼴 프리즘(133)」이라고 한다.

제2 마름모꼴 프리즘(133)은, Y축 방향을 따른 장방형상의 4면 중, Z축 방향 우측에 위치하는 면(133a) 및 Z축 방향 좌측에 위치하는 면(133b)이 각각 Z축 방향과 직교하도록 배치되고, X축 방향 앞쪽에 위치하는 면(133c) 및 X축 방향 안쪽에 위치하는 면(133d)이 각각 Z축 방향 및 X축 방향에 대하여 45° 경사지도록 배치되어 있다.

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

한편, 도 5에 있어서는, 편의상, 분기면(133c)(하프 미러(143)) 및 반사면(133d)(전반사 미러(144))에 해당하는 부위에 산점 모양을 붙여 나타내고 있다.

제2 마름모꼴 프리즘(133)의 Z축 방향 우측에 위치하는 면(133a) 중, Y축 방향 하측 절반은, 제1 사다리꼴 프리즘(132)의 출사면(132d)에 밀착되고, Y축 방향 상측 절반은, 제1 마름모꼴 프리즘(131)의 출사면(131b)과 서로 대향한 상태가 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.

제4 프리즘(134)은, 평면에서 보았을 때(X-Z 평면) 사다리꼴상을 이루고, Y축 방향을 따라 연장되는 사각기둥 형상의 프리즘이다. 이하, 「제4 프리즘(134)」을 「제2 사다리꼴 프리즘(134)」이라고 한다.

제2 사다리꼴 프리즘(134)은, Y축 방향을 따른 장방형상의 4면 중, X축 방향 안쪽에 위치하는 면(134a) 및 X축 방향 앞쪽에 위치하는 면(134b)이 각각 X축 방향과 직교하도록 배치되고, Z축 방향 우측에 위치하는 면(134c)이 Z축 방향 및 X축 방향에 대하여 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)(하프 미러(143))에 밀착되어 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 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 대하여 도 5를 참조하면서 상세하게 설명한다. 1/4 파장판(31B)을 투과한 합성광(L0)은, 제1 마름모꼴 프리즘(131)의 입사면(131a)에 입사한다.

입사면(131a)으로부터 입사한 합성광(L0)은, 분기면(131c)(하프 미러(141))에서 2방향으로 분기된다. 상세하게는, Y축 방향 상측을 향하여 반사하는 분광(LA1)과, Z축 방향을 따라 하프 미러(141)를 투과하는 분광(LA2)으로 분기된다.

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

한편, 하프 미러(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 출사한 분광(LA2)은, 제2 마름모꼴 프리즘(133)의 입사면(133a)에 입사한다.

본 실시형태에서는, 제1 마름모꼴 프리즘(131)의 분기면(131c)으로부터, 제2 마름모꼴 프리즘(133)의 입사면(133a)에 이르기까지의 양 분광(LA1, LA2)의 광로 길이가 광학적으로 동일해지도록, 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 입사한 분광(LA1, LA2)은, 분기면(133c)(하프 미러(143))에서 각각 2방향으로 분기된다. 상세하게는, 일방의 분광(LA1)은, Z축 방향을 따라 하프 미러(143)를 투과하는 분광(LB1)과, X축 방향 안쪽을 향하여 반사하는 분광(LB2)으로 분기된다. 타방의 분광(LA2)은, Z축 방향을 따라 하프 미러(143)를 투과하는 분광(LB3)과, X축 방향 안쪽을 향하여 반사하는 분광(LB4)으로 분기된다.

이 중, 하프 미러(143)에서 반사한 분광(LB2, LB4)은, 각각 제2 마름모꼴 프리즘(133) 내를 X축 방향을 따라 진행하고, 반사면(133d)(전반사 미러(144))에서 Z축 방향 좌측을 향하여 반사하고, 출사면(133b)으로부터 출사한다. 출사면(133a)으로부터 출사한 분광(LB2, LB4)은, 각각 Z축 방향을 따라 공기 중을 진행하고, 필터 유닛(126)에 입사한다.

한편, 하프 미러(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 출사한 분광(LB1, LB3)은, 각각 필터 유닛(126)에 입사한다.

본 실시형태에서는, 제2 마름모꼴 프리즘(133)의 분기면(133c)으로부터, 필터 유닛(126)에 이르기까지의 4개의 분광(LB1∼LB4)의 광로 길이가 광학적으로 동일해지도록, 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 평면에서 보았을 때 동일 직사각형상을 이루는 4개의 편광판(126a, 126b, 126c, 126d)이 X-Y 평면을 따라 2행 2열의 매트릭스상으로 배치되어 이루어진다(도 6 참조). 도 6은, 필터 유닛(126)의 개략 구성을 모식적으로 나타내는 평면도이다.

4개의 편광판(126a∼126d)은, Y축 방향에 대한 투과축 방향이 45°씩 다른 편광판이다. 보다 상세하게는, 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. 상세하게는, 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.

이에 의해, 필터 유닛(126)을 투과한 4개의 분광(LB1∼LB4)은, 각각 위상을 90°씩 다르게 한 간섭광이 된다. 상세하게는, 제1 편광판(126a)을 투과한 분광(LB1)은 위상 「0°」의 간섭광이 되고, 제2 편광판(126b)을 투과한 분광(LB2)은 위상 「90°」의 간섭광이 되고, 제3 편광판(126c)을 투과한 분광(LB3)은 위상 「180°」의 간섭광이 되고, 제4 편광판(126d)을 투과한 분광(LB4)은 위상 「270°」의 간섭광이 된다. 따라서, 필터 유닛(126)은 본 실시형태에 있어서의 간섭 수단을 구성한다.

본 실시형태에 따른 제2 카메라(33B)의 촬상 소자(33Bi)는, 그 촬상 영역이, 필터 유닛(126)(편광판(126a∼126d))에 대응하여, 4개의 촬상 에어리어(H1, H2, H3, H4)로 구분되어 있다. 상세하게는, X-Y 평면에서 보았을 때 동일 직사각형상을 이루는 4개의 촬상 에어리어(H1, H2, H3, H4)가 X-Y 평면을 따라 2행 2열의 매트릭스상으로 늘어서도록 구분되어 있다(도 7 참조). 도 7은, 촬상 소자(33Bi)의 촬상 영역의 개략 구성을 모식적으로 나타내는 평면도이다.

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

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

또한, 본 실시형태에 따른 화상 데이터 기억 장치(54)는, 제2 카메라(33B)의 촬상 소자(33Bi)의 제1 촬상 에어리어(H1)에서 촬상되어 취득된 간섭 무늬 화상 데이터를 기억하는 제1 화상 메모리와, 제2 촬상 에어리어(H2)에서 촬상되어 취득된 간섭 무늬 화상 데이터를 기억하는 제2 화상 메모리와, 제3 촬상 에어리어(H3)에서 촬상되어 취득된 간섭 무늬 화상 데이터를 기억하는 제3 화상 메모리와, 제4 촬상 에어리어(H4)에서 촬상되어 취득된 간섭 무늬 화상 데이터를 기억하는 제4 화상 메모리를 구비하고 있다.

다음으로, 본 실시형태에 있어서 실행되는 형상 계측 처리의 순서에 대하여 상세하게 설명한다. 간섭 광학계(3)로부터 제2 촬상계(4B)에 대하여 제2 광에 관련된 출력광인 합성광(L0)이 입사되면, 그 합성광(L0)은, 1/4 파장판(31B)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 통하여, 제2 카메라(33B)(촬상 소자(33Bi))에 의해 동시 촬상된다.

제2 카메라(33B)는, 촬상 소자(33Bi)의 촬상 에어리어(H1∼H4)에서 동시 촬상되어 얻어진 4종류의 간섭 무늬 화상(4개의 분광(LB1∼LB4))을 1개의 화상 데이터로서 제어 장치(4)로 출력한다.

제어 장치(4)는, 입력한 화상 데이터를 4종류의 간섭 무늬 화상 데이터(촬상 소자(33Bi)의 촬상 에어리어(H1∼H4)에 대응하는 범위마다)로 분할하여, 화상 데이터 기억 장치(54) 내의 제1∼제4 화상 메모리에 각각 기억한다.

그리고, 제어 장치(5)는, 제1 카메라(33A)에 관련된 제1∼제4 화상 메모리에 기억된 제1 광에 관련된 4종류의 간섭 무늬 화상 데이터, 및 제2 카메라(33B)에 관련된 제1∼제4 화상 메모리에 기억된 제2 광에 관련된 4종류의 간섭 무늬 화상 데이터를 기초로, 상기 제1 실시형태와 마찬가지로, 위상 시프트법에 의해 워크(W)의 표면 형상을 계측한다. 즉, 워크(W)의 표면 상의 각 위치에 있어서의 높이 정보를 산출한다.

이상, 상세히 서술한 바와 같이, 본 실시형태에서는, 상기 제1 실시형태의 작용 효과에 더하여, 간섭 광학계(3)로부터 입사되는 합성광(L0)을 매트릭스상으로 늘어서는 4개의 광(LB1∼LB4)으로 분광하는 동시에, 그 4개의 광(LB1∼LB4)을 필터 유닛(126)(4개의 편광판(126a∼126d))을 통하여 단일의 촬상 소자에 의해 동시에 촬상하는 구성으로 되어 있다. 그리고, 각 카메라(33A, 33B)에 의해 각각 촬상되어 취득된 4종류의 간섭 무늬 화상을 기초로 위상 시프트법에 의해 워크(W)의 형상 계측을 행한다. 결과적으로, 계측 정밀도의 향상이나, 계측 시간의 단축, 장치의 대형화 억제 등을 도모할 수 있다.

덧붙여, 본 실시형태에 의하면, 촬상 소자의 촬상 영역을 매트릭스상으로 4등분한 촬상 에어리어(H1∼H4)를, 4개의 광(LB1∼LB4)에 각각 할당할 수 있기 때문에, 예를 들어 3분광 방식에 비하여, 촬상 소자의 촬상 영역을 유효 활용할 수 있다. 나아가서는, 가일층의 계측 정밀도의 향상을 도모할 수 있다. 예를 들어 애스펙트비가 4:3인 일반적인 촬상 소자의 촬상 영역을 4등분한 경우, 각 분할 영역의 애스펙트비는 마찬가지로 4:3이 되기 때문에, 각 분할 영역 내의 보다 광범위를 이용 가능하게 된다. 나아가서는, 가일층의 계측 정밀도의 향상을 도모할 수 있다.

한편, 가령 회절 격자를 분광 수단으로서 사용한 경우에는 분해능이 저하될 우려가 있으나, 본 실시형태에서는, 1개의 광(L0)을 평행한 2개의 광(LA1, LA2)으로 분할하고, 다시 그 2개의 광(LA1, LA2)을 각각 평행한 2개의 광으로 분할함으로써, 평행한 4개의 광(LB1, LB2, LB3, LB4)으로 분광하는 구성의 분광 광학계(125)를 채용하고 있기 때문에, 분해능의 저하 억제를 도모할 수 있다.

또한, 본 실시형태에 있어서의 분광 광학계(125)는, 마름모꼴 프리즘(131, 133)을 직진하여 빠져나가는 일방의 광과, 크랭크상으로 절곡되어 빠져나가는 타방의 광의 광로 길이를 조정하는(광학적으로 동일하게 하는) 광로 조정 수단으로서, 직진하여 빠져나가는 일방의 광의 광로 상에 사다리꼴 프리즘(132, 134)을 배치한다는 비교적 간단한 구성으로 되어 있어, 구성의 간소화를 도모할 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 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 있어, 1개의 촬상 소자에 의한 1회의 촬상으로, 위상이 90°씩 다른 4종류의 간섭 무늬 화상을 취득할 수 있다. 결과적으로, 3종류의 간섭 무늬 화상을 기초로 위상 시프트법에 의해 형상 계측을 행하는 경우와 비교하여, 보다 정밀도가 높은 계측을 행할 수 있다.

〔제3 실시형태〕

이하, 제3 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다. 도 8은 본 실시형태에 따른 3차원 계측 장치의 개략 구성을 나타내는 모식도이다.

본 실시형태는, 제2 실시형태와는 다른 분광 광학계를 구비한 것으로, 마이켈슨 간섭계의 광학 구성을 채용한 제1 실시형태와 제1 촬상계(4A) 및 제2 촬상계(4B)에 관련된 구성이 다르다. 따라서, 본 실시형태에서는, 제1, 제2 실시형태와 다른 구성 부분에 대하여 상세하게 설명하고, 동일 구성 부분에 대해서는 동일 부호를 붙이고, 그 상세한 설명을 생략한다.

본 실시형태에 따른 제1 촬상계(4A)는, 제1 무편광 빔 스플리터(13A)를 투과한 제1 광에 관련된 합성광(참조광 성분 및 계측광 성분)을 4개의 분광으로 분할하는 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 실시형태에 따른 제2 촬상계(4B)는, 제2 무편광 빔 스플리터(13B)를 투과한 제2 광에 관련된 합성광(참조광 성분 및 계측광 성분)을 4개의 분광으로 분할하는 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.

한편, 「1/4 파장판(610A)」 및 「1/4 파장판(610B)」은, 상기 제1 실시형태의 「1/4 파장판(31A)」 및 「1/4 파장판(31B)」과 동일한 구성을 갖는 것으로, 그 상세한 설명은 생략한다. 단, 4개의 분광 각각에 대응하여 개별적으로 1/4 파장판을 구비하는 구성으로 해도 된다.

「필터 유닛(615A)」 및 「필터 유닛(615B)」은, 본 실시형태에 있어서의 필터 수단 및 간섭 수단을 구성한다. 「필터 유닛(615A)」 및 「필터 유닛(615B)」은, 상기 제2 실시형태의 「필터 유닛(126)」과 동일한 구성을 갖는 것으로, 그 상세한 설명은 생략한다. 단, 4개의 분광 각각에 대응하여 개별적으로 투과축 방향이 45°씩 다른 4개의 편광판(편광판(126a, 126b, 126c, 126d))을 구비한 구성으로 해도 된다.

「카메라(633A)」 및 「카메라(633B)」 그리고 이들에 관련된 제어 처리나 화상 데이터 기억 장치(54) 등에 관련된 구성은, 상기 제1, 제2 실시형태의 「제1 카메라(33A)」 및 「제2 카메라(633B)(촬상 소자(33Bi))」 등에 관련된 구성과 동일한 구성을 갖는 것으로, 그 상세한 설명은 생략한다.

다음으로 분광 광학계(600A) 및 분광 광학계(600B)의 구성에 대하여 도 9∼도 12를 참조하여 상세하게 설명한다. 한편, 본 실시형태에 있어서의 분광 광학계(600A) 및 분광 광학계(600B)는 동일 구성이다.

이하, 도 9∼도 12를 참조하여, 분광 광학계(600A)(600B)에 대하여 설명할 때에는, 편의상, 도 9의 지면 상하 방향을 「X´축 방향」으로 하고, 지면 앞뒤 방향을 「Y´축 방향」으로 하고, 지면 좌우 방향을 「Z´축 방향」으로 하여 설명한다. 단, 분광 광학계(600A)(600B) 단체를 설명하기 위한 좌표계(X´, Y´, Z´)와, 3차원 계측 장치(1) 전체를 설명하기 위한 좌표계(X, Y, Z)는 다른 좌표계이다.

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

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

제1 프리즘(601) 및 제2 프리즘(602)은, 각각 「쾨스터 프리즘」이라고 칭해지는 공지의 광학 부재에 의해 구성되어 있다. 단, 본 실시형태에 있어서, 「쾨스터 프리즘」이란, 「내각이 각각 30°, 60°, 90°가 되는 직각삼각형의 단면 형상을 갖는 한 쌍의 광학 부재(삼각기둥 형상의 프리즘)를 첩합하여 일체로 한 정삼각형의 단면 형상을 갖는 정삼각기둥 형상의 광학 부재로서, 그 접합면에 무편광의 하프 미러를 가진 것」을 가리킨다. 물론, 각 프리즘(601, 602)으로서 사용되는 쾨스터 프리즘은, 이에 한정되는 것은 아니다. 후술하는 분광 광학계(600A)(600B)의 기능을 만족하는 것이면, 예를 들어 정삼각기둥 형상이 아닌 것 등, 각 프리즘(601, 602)으로서 본 실시형태와는 다른 광학 부재(쾨스터 프리즘)를 채용해도 된다.

구체적으로, 제1 광학 부재(제1 쾨스터 프리즘)로서의 제1 프리즘(601)은, 평면에서 보았을 때(X´-Z´ 평면) 정삼각형상을 이루는 동시에, Y´축 방향을 따라 연장되는 정삼각기둥 형상을 이룬다(도 9 참조). 「X´-Z´ 평면」이 본 실시형태에 있어서의 「제1 평면」에 상당한다.

제1 프리즘(601)은, Y´축 방향을 따른 장방형상의 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 하프 미러(601M)가 형성되어 있다. 「하프 미러(601M)」가 본 실시형태에 있어서의 「제1 분기 수단」을 구성한다.

제1 프리즘(601)은, 제3 면(601c)이 X´-Y´ 평면을 따라 Z´축 방향과 직교하도록 배치되는 동시에, 하프 미러(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 대하여 30° 또는 60° 경사지도록 배치되어 있다.

한편, 제2 광학 부재(제2 쾨스터 프리즘)로서의 제2 프리즘(602)은, 정면에서 보았을 때(Y´-Z´ 평면) 정삼각형상을 이루는 동시에, X´축 방향을 따라 연장되는 정삼각기둥 형상을 이룬다(도 10 참조). 「Y´-Z´ 평면」이 본 실시형태에 있어서의 「제2 평면」에 상당한다.

제2 프리즘(602)은, X´축 방향을 따른 정방형상의 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 하프 미러(602M)가 형성되어 있다. 「하프 미러(602M)」가 본 실시형태에 있어서의 「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 하프 미러(602M)는, 각각 Y´축 방향 및 Z´축 방향에 대하여 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. 즉, 제1 프리즘(601)과 제2 프리즘(602)은, 하프 미러(601M)를 포함하는 평면(Y´-Z´ 평면)과, 하프 미러(602M)를 포함하는 평면이 직교하는 방향에서 접합되어 있다.

여기서, X´축 방향에 있어서의 제1 프리즘(601)의 제3 면(601c)의 길이와, X´축 방향에 있어서의 제2 프리즘(602)의 제1 면(602a)의 길이는 동일하게 되어 있다(도 9 참조). 한편, Y´축 방향에 있어서의 제1 프리즘(601)의 제3 면(601c)의 길이는, Y´축 방향에 있어서의 제2 프리즘(602)의 제1 면(602a)의 길이의 절반이 되어 있다(도 10, 11 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 12 등 참조).

양 프리즘(601, 602)은, 각각 공기보다 굴절률이 높은 소정의 굴절률을 갖는 광학 재료(예를 들어 유리나 아크릴 등)에 의해 형성되어 있다. 여기서, 양 프리즘(601, 602)을 동일 재료에 의해 형성해도 되고, 다른 재료에 의해 형성해도 된다. 후술하는 분광 광학계(600A)(600B)의 기능을 만족하는 것이면, 각 프리즘(601, 602)의 재질은 각각 임의로 선택 가능하다.

계속해서, 분광 광학계(600A) 및 분광 광학계(600B)의 작용에 대하여 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 단, 상술한 바와 같이, 제1 촬상계(4A) 및 제2 촬상계(4B)에 사용되는 분광 광학계(600A) 및 분광 광학계(600B)는 동일 구성이기 때문에, 이하, 제1 촬상계(4A)에 관련된 분광 광학계(600A)를 예로 하여 설명하고, 제2 촬상계(4B)에 관련된 분광 광학계(600B)에 대해서는 생략한다.

분광 광학계(600A)는, 제1 무편광 빔 스플리터(13A)를 투과한 제1 광에 관련된 합성광(F0)이 제1 프리즘(601)의 제1 면(601a)에 대하여 수직으로 입사하도록 배치되어 있다(도 8, 9 참조). 단, 도 8에 있어서는, 간소화를 위하여, 분광 광학계(600A)의 정면이 앞쪽을 향하도록 제1 촬상계(4A)를 도시하고 있다.

제1 면(601a)으로부터 제1 프리즘(601) 내에 입사한 합성광(F0)은, 하프 미러(601M)에서 2방향으로 분기된다. 상세하게는, 제1 면(601a)측을 향하여 하프 미러(601M)에서 반사하는 분광(FA1)과, 제2 면(601b)측을 향하여 하프 미러(601M)를 투과하는 분광(FA2)으로 분기된다.

이 중, 하프 미러(601M)에서 반사한 분광(FA1)은, 제1 면(601a)에서 제3 면(601c)측을 향하여 전반사하고, 제3 면(601c)으로부터 수직으로 출사한다. 한편, 하프 미러(601M)를 투과한 분광(FA2)은, 제2 면(601b)에서 제3 면(601c)측을 향하여 전반사하고, 제3 면(601c)으로부터 수직으로 출사한다. 즉, 제1 프리즘(601)의 제3 면(601c)으로부터 평행한 2개의 분광(FA1, FA2)이 출사된다.

제1 프리즘(601)의 제3 면(601c)으로부터 출사한 분광(FA1, FA2)은, 각각 제2 프리즘(602)의 제1 면(602a)에 수직으로 입사한다(도 10 참조).

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

상세하게는, 일방의 분광(FA1)은, 제1 면(602a)측을 향하여 하프 미러(602M)에서 반사하는 분광(FB1)과, 제2 면(602b)측을 향하여 하프 미러(602M)를 투과하는 분광(FB2)으로 분기된다.

타방의 분광(FA2)은, 제1 면(602a)측을 향하여 하프 미러(602M)에서 반사하는 분광(FB3)과, 제2 면(602b)측을 향하여 하프 미러(602M)를 투과하는 분광(FB4)으로 분기된다.

이 중, 하프 미러(602M)에서 반사한 분광(FB1, FB3)은, 각각 제1 면(602a)에서 제3 면(602c)측을 향하여 전반사하고, 제3 면(602c)으로부터 수직으로 출사한다. 한편, 하프 미러(602M)를 투과한 분광(FB2, FB4)은, 각각 제2 면(602b)에서 제3 면(602c)측을 향하여 전반사하고, 제3 면(602c)으로부터 수직으로 출사한다. 즉, 제2 프리즘(602)의 제3 면(602c)으로부터, 2행 2열의 매트릭스상으로 늘어서는 4개의 광(FB1∼FB4)이 평행하게 출사된다.

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

이에 의해, 필터 유닛(615A)을 투과한 4개의 분광(FB1∼FB4)은, 각각 위상을 90°씩 다르게 한 간섭광이 된다. 그리고, 이들 4개의 분광(FB1∼FB4)이 카메라(633A)의 촬상 소자에 의해 동시에 촬상된다. 결과적으로, 위상이 90°씩 다른 4종류의 간섭 무늬 화상이 얻어진다.

이상, 상세히 서술한 바와 같이, 본 실시형태에 의하면, 상기 제1, 제2 실시형태와 동일한 작용 효과가 발휘된다.

덧붙여, 본 실시형태에서는, 분광 광학계(600A, 600B)에 있어서, 1개의 광을 평행한 2개의 광으로 분할하는 수단으로서, 쾨스터 프리즘인 프리즘(601, 602)을 채용하고 있기 때문에, 분할된 2개의 광의 광로 길이가 광학적으로 동등해진다. 결과적으로, 상기 제2 실시형태와 같이, 분할된 2개의 광의 광로 길이를 조정하는 광로 조정 수단을 구비할 필요가 없어, 부품점수의 삭감을 도모하는 동시에, 구성의 간소화나 장치의 소형화 등을 도모할 수 있다.

또한, 분광 광학계(600A, 600B)에 대하여 1개의 광(F0)이 입사되고 나서, 4개의 광(FB1∼FB4)이 출사될 때까지의 동안에, 광이 광학 부재 내만을 진행하고, 공기 중으로 나가지 않는 구성이 되기 때문에, 공기의 흔들림 등에 의한 영향을 저감할 수 있다.

〔제4 실시형태〕

이하, 제4 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다. 도 13은 본 실시형태에 따른 3차원 계측 장치의 개략 구성을 나타내는 모식도이다.

본 실시형태는, 제2 실시형태나 제3 실시형태와는 다른 분광 광학계를 구비한 것으로, 마이켈슨 간섭계의 광학 구성을 채용한 제1 실시형태와 제1 촬상계(4A) 및 제2 촬상계(4B)에 관련된 구성이 다르다. 따라서, 본 실시형태에서는, 제1∼제3 실시형태와 다른 구성 부분에 대하여 상세하게 설명하고, 동일 구성 부분에 대해서는 동일 부호를 붙이고, 그 상세한 설명을 생략한다.

본 실시형태에 따른 제1 촬상계(4A)는, 제1 무편광 빔 스플리터(13A)를 투과한 제1 광에 관련된 합성광(참조광 성분 및 계측광 성분)을 4개의 분광으로 분할하는 분광 수단으로서의 분광 광학계(700A)를 구비하고 있다.

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

또한, 본 실시형태에 따른 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 실시형태에 따른 제2 촬상계(4B)는, 제2 무편광 빔 스플리터(13B)를 투과한 제2 광에 관련된 합성광(참조광 성분 및 계측광 성분)을 4개의 분광으로 분할하는 분광 수단으로서의 분광 광학계(700B)를 구비하고 있다.

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

또한, 본 실시형태에 따른 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 첩합하여 일체로 한 큐브형의 공지의 광학 부재로서, 그 접합면에는 무편광의 하프 미러가 설치되어 있다.

제1 촬상계(4A)에 관련된 「제1 프리즘(702A)」 및 「제2 프리즘(703A)」, 그리고, 제2 촬상계(4B)에 관련된 「제1 프리즘(702B)」 및 「제2 프리즘(703B)」은, 공지의 쾨스터 프리즘으로서, 상기 제3 실시형태에 따른 「제1 프리즘(601)」 및 「제2 프리즘(602)」과 동일한 구성을 갖는 것으로, 그 상세한 설명은 생략한다.

제1 촬상계(4A)에 관련된 「1/4 파장판(704A)」 및 「1/4 파장판(705A)」, 그리고, 제2 촬상계(4B)에 관련된 「1/4 파장판(704B)」 및 「1/4 파장판(705B)」은, 상기 제1 실시형태의 「1/4 파장판(31A)」 및 「1/4 파장판(31B)」과 동일한 구성을 갖는 것으로, 그 상세한 설명은 생략한다. 단, 본 실시형태에 따른 「1/4 파장판(704A)」 등은, 각각 2개의 분광에 대응하는 것이다. 물론, 각 분광 각각에 대응하여 개별적으로 1/4 파장판을 구비하는 구성으로 해도 된다.

제1 촬상계(4A)에 관련된 「필터 유닛(706A)」 및 「필터 유닛(707A)」, 그리고, 제2 촬상계(4B)에 관련된 「필터 유닛(706B)」 및 「필터 유닛(707B)」은, 상기 제2 실시형태의 「필터 유닛(126)」과 동일한 구성을 갖는 것으로, 그 상세한 설명은 생략한다. 단, 본 실시형태에 따른 「필터 유닛(706A)」 등은, 각각 2개의 분광에 대응하는 것이다. 예를 들어 제1 촬상계(4A)에 관련된 「필터 유닛(706A)」이 「편광판(126a, 126b)」을 구비하고, 「필터 유닛(707A)」이 「편광판(126c, 126d)」을 구비한 구성으로 해도 된다(제2 촬상계(4B)에 대해서도 동일). 물론, 4개의 분광 각각에 대응하여 개별적으로 투과축 방향이 45°씩 다른 4개의 편광판(편광판(126a, 126b, 126c, 126d))을 구비한 구성으로 해도 된다.

제1 촬상계(4A)에 관련된 「카메라(708A)」 및 「카메라(709A)」, 제2 촬상계(4B)에 관련된 「카메라(708B)」 및 「카메라(709B)」, 그리고, 이들에 관련된 제어 처리나 화상 데이터 기억 장치(54) 등에 관련된 구성은, 상기 제1 실시형태의 「제1 카메라(33A)」 및 「제2 카메라(33B)」 등에 관련된 구성과 동일한 구성을 갖는 것으로, 그 상세한 설명은 생략한다. 단, 본 실시형태에 따른 「카메라(708A)(촬상 소자)」 등은, 각각 2개의 분광에 대응하는 것이다. 예를 들어 제1 촬상계(4A)에 관련된 「카메라(708A)(촬상 소자)」의 촬상 영역이 「필터 유닛(706A)(편광판(126a, 126b))」에 대응하여 2개의 촬상 에어리어(H1, H2)로 구분되고, 「카메라(709A)(촬상 소자)」의 촬상 영역이 「필터 유닛(707A)(편광판(126c, 126d))」에 대응하여 2개의 촬상 에어리어(H3, H4)로 구분된 구성으로 해도 된다(제2 촬상계(4B)에 대해서도 동일). 이러한 경우, 애스펙트비가 2:1인 촬상 소자를 구비하는 것이 바람직하다.

계속해서, 분광 광학계(700A) 및 분광 광학계(700B)의 작용에 대하여 설명한다. 단, 상술한 바와 같이, 제1 촬상계(4A) 및 제2 촬상계(4B)에 사용되는 분광 광학계(700A) 및 분광 광학계(700B)는 동일 구성이기 때문에, 이하, 제1 촬상계(4A)에 관련된 분광 광학계(700A)를 예로 하여 설명하고, 제2 촬상계(4B)에 관련된 분광 광학계(700B)에 대해서는 생략한다.

제1 무편광 빔 스플리터(13A)를 투과한 제1 광에 관련된 합성광은, 먼저 분광 광학계(700A)의 무편광 빔 스플리터(701A)에 입사하고, 하프 미러에서 2방향으로 분기된다. 이 중, 하프 미러에서 반사한 분광은 제1 프리즘(702A)에 입사한다. 한편, 하프 미러를 투과한 분광은 제2 프리즘(703A)에 입사한다.

제1 프리즘(702A)의 제1 면에 입사한 분광은, 하프 미러에서 2방향으로 분기된다. 상세하게는, 제1 면측을 향하여 하프 미러에서 반사하는 분광과, 제2 면측을 향하여 하프 미러를 투과하는 분광으로 분기된다.

이 중, 하프 미러에서 반사한 분광은, 제1 면에서 제3 면측을 향하여 전반사하고, 제3 면으로부터 수직으로 출사한다. 한편, 하프 미러를 투과한 분광은, 제2 면에서 제3 면측을 향하여 전반사하고, 제3 면으로부터 수직으로 출사한다. 즉, 제1 프리즘(702A)의 제3 면으로부터 평행한 2개의 분광이 출사된다.

마찬가지로, 제2 프리즘(703A)의 제1 면에 입사한 분광은, 하프 미러에서 2방향으로 분기된다. 상세하게는, 제1 면측을 향하여 하프 미러에서 반사하는 분광과, 제2 면측을 향하여 하프 미러를 투과하는 분광으로 분기된다.

이 중, 하프 미러에서 반사한 분광은, 제1 면에서 제3 면측을 향하여 전반사하고, 제3 면으로부터 수직으로 출사한다. 한편, 하프 미러를 투과한 분광은, 제2 면에서 제3 면측을 향하여 전반사하고, 제3 면으로부터 수직으로 출사한다. 즉, 제2 프리즘(703A)의 제3 면으로부터 평행한 2개의 분광이 출사된다.

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

필터 유닛(706A)을 투과한 2개의 분광은, 예를 들어 위상 「0°」의 간섭광과 위상 「90°」의 간섭광이 된다. 그리고, 이들 2개의 분광이 카메라(708A)의 2개의 촬상 에어리어에서 동시에 촬상되어, 예를 들어 위상 「0°」의 간섭 무늬 화상과 위상 「90°」의 간섭 무늬 화상이 얻어진다.

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

필터 유닛(707A)을 투과한 2개의 분광은, 예를 들어 위상 「180°」의 간섭광과 위상 「270°」의 간섭광이 된다. 그리고, 이들 2개의 분광이 카메라(709A)의 2개의 촬상 에어리어에서 동시에 촬상되어, 예를 들어 위상 「180°」의 간섭 무늬 화상과 위상 「270°」의 간섭 무늬 화상이 얻어진다.

결과적으로, 제1 촬상계(4A)(카메라(708A) 및 카메라(709A))에 의해, 위상이 90°씩 다른 4종류의 간섭 무늬 화상이 취득되게 된다.

이상, 상세히 서술한 바와 같이, 본 실시형태에서는, 상기 제3 실시형태와 동일한 작용 효과가 발휘된다.

〔제5 실시형태〕

이하, 제5 실시형태에 대하여 설명한다. 본 실시형태는, 2개의 광원으로부터 출사되는 파장이 다른 2종류의 광을 중첩한 상태에서 간섭 광학계로 입사시키고, 여기서 출사되는 광을 광학 분리 수단에 의해 파장 분리하고, 상기 각 파장의 광에 관련된 간섭광을 개별적으로 촬상하는 구성을, 마이켈슨 간섭계의 광학 구성을 채용한 상기 제1 실시형태 등에 조합하여, 파장이 다른 4종류의 광을 이용한 계측을 가능하게 한 것이다.

이하, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 도 14는 본 실시형태에 따른 3차원 계측 장치의 개략 구성을 나타내는 모식도이다. 본 실시형태는, 상기 제1 실시형태 등과, 제1 투광계(2A) 및 제2 투광계(2B), 그리고, 제1 촬상계(4A) 및 제2 촬상계(4B)에 관련된 구성이 다르다. 따라서, 본 실시형태에서는, 상기 제1 실시형태 등과 다른 구성 부분에 대하여 상세하게 설명하고, 동일 구성 부분에 대해서는 동일 부호를 붙이고, 그 상세한 설명을 생략한다.

본 실시형태에 따른 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 동일한 구성을 갖는 것으로, 그 상세한 설명은 생략한다. 단, 발광부(751A)는 제1 파장 λ_c1(예를 들어 λ_c1=491nm)의 직선 편광을 출사하고, 발광부(752A)는 제2 파장 λ_c2(예를 들어 λ_c2=540nm)의 직선 편광을 출사하는 것과 같이, 양 발광부(751A, 752A)는 파장이 다른 광을 출사한다.

상세하게는, 발광부(751A)는, X축 방향 및 Z축 방향에 대하여 45° 경사진 방향을 편광 방향으로 하는 제1 파장 λ_c1의 직선 편광(이하, 「제1 파장광」이라고 한다)을 Y축 방향 하향으로 출사한다. 또한, 발광부(752A)는, X축 방향 및 Y축 방향에 대하여 45° 경사진 방향을 편광 방향으로 하는 제2 파장 λ_c2의 직선 편광(이하, 「제2 파장광」이라고 한다)을 Z축 방향 좌향으로 출사한다.

「광 아이솔레이터(753A)」 및 「광 아이솔레이터(754A)」는 「제1 광 아이솔레이터(12A)」와 동일한 구성을 갖는 것으로, 그 상세한 설명은 생략한다.

이러한 구성 하, 발광부(751A)로부터 Y축 방향 하향으로 출사된 제1 파장광은, 광 아이솔레이터(753A)를 통하여 다이크로익 미러(755A)에 입사한다. 마찬가지로, 발광부(752A)로부터 Z축 방향 좌향으로 출사된 제2 파장광은, 광 아이솔레이터(754A)를 통하여 다이크로익 미러(755A)에 입사한다.

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

다이크로익 미러(755A)는, 그 접합면(755Ah)을 사이에 두고 이웃하는 2면 중의 일방이 Y축 방향과 직교하고 또한 타방이 Z축 방향과 직교하도록 배치되어 있다. 즉, 다이크로익 미러(755A)의 접합면(755Ah)이 Y축 방향 및 Z축 방향에 대하여 45° 경사지도록 배치되어 있다.

본 실시형태에 있어서의 다이크로익 미러(755A)는, 적어도 제1 파장광을 반사하고, 제2 파장광을 투과하는 특성을 갖는다. 이에 의해, 도 14에 나타내는 본 실시형태의 배치 구성에서는, 다이크로익 미러(755A)에 입사한 제1 파장광과 제2 파장광이 합성된 후에, X축 방향 및 Y축 방향에 대하여 45° 경사진 방향을 편광 방향으로 하는 직선 편광으로서 무편광 빔 스플리터(756A)를 향하여 Z축 방향 좌향으로 출사되게 된다.

이후, 발광부(751A)로부터 출사되는 제1 파장광과, 발광부(752A)로부터 출사되는 제2 파장광을 합성한 합성광을 「제1 광」이라고 한다. 즉, 「발광부(751A, 752A)」나 「다이크로익 미러(755A)」 등에 의해 본 실시형태에 있어서의 「제1 조사 수단」이 구성되게 된다. 특히 「발광부(751A)」에 의해 「제1 파장광 출사부」가 구성되고, 「발광부(752A)」에 의해 「제2 파장광 출사부」가 구성되고, 「다이크로익 미러(755A)」에 의해 「제1 합성 수단」이 구성된다.

「무편광 빔 스플리터(756A)」는, 「제1 무편광 빔 스플리터(13A)」와 동일한 구성을 갖는 것으로, 그 상세한 설명은 생략한다. 본 실시형태에서는, 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 실시형태에 따른 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 동일한 구성을 갖는 것으로, 그 상세한 설명은 생략한다. 단, 발광부(751B)는 제3 파장 λ_c3(예를 들어 λ_c3=488nm)의 직선 편광을 출사하고, 발광부(752B)는 제4 파장 λ_c4(예를 들어 λ_c4=532nm)의 직선 편광을 출사하는 것과 같이, 양 발광부(751B, 752B)는 파장이 다른 광을 출사한다.

상세하게는, 발광부(751B)는, X축 방향 및 Y축 방향에 대하여 45° 경사진 방향을 편광 방향으로 하는 제3 파장 λ_c3의 직선 편광(이하, 「제3 파장광」이라고 한다)을 Z축 방향 좌향으로 출사한다. 또한, 발광부(752B)는, X축 방향 및 Z축 방향에 대하여 45° 경사진 방향을 편광 방향으로 하는 제4 파장 λ_c4의 직선 편광(이하, 「제4 파장광」이라고 한다)을 Y축 방향 상향으로 출사한다.

「광 아이솔레이터(753B)」 및 「광 아이솔레이터(754B)」는 「제2 광 아이솔레이터(12B)」와 동일한 구성을 갖는 것으로, 그 상세한 설명은 생략한다.

이러한 구성 하, 발광부(751B)로부터 Z축 방향 좌향으로 출사된 제3 파장광은, 광 아이솔레이터(753B)를 통하여 다이크로익 미러(755B)에 입사한다. 마찬가지로, 발광부(752B)로부터 Y축 방향 상향으로 출사된 제4 파장광은, 광 아이솔레이터(754B)를 통하여 다이크로익 미러(755B)에 입사한다.

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

다이크로익 미러(755B)는, 그 접합면(755Bh)을 사이에 두고 이웃하는 2면 중의 일방이 Y축 방향과 직교하고 또한 타방이 Z축 방향과 직교하도록 배치되어 있다. 즉, 다이크로익 미러(755B)의 접합면(755Bh)이 Y축 방향 및 Z축 방향에 대하여 45° 경사지도록 배치되어 있다.

본 실시형태에 있어서의 다이크로익 미러(755B)는, 적어도 제3 파장광을 반사하고, 제4 파장광을 투과하는 특성을 갖는다. 이에 의해, 도 14에 나타내는 본 실시형태의 배치 구성에서는, 다이크로익 미러(755B)에 입사한 제3 파장광과 제4 파장광이 합성된 후에, X축 방향 및 Z축 방향에 대하여 45° 경사진 방향을 편광 방향으로 하는 직선 편광으로서 무편광 빔 스플리터(756B)를 향하여 Y축 방향 상향으로 출사되게 된다.

이후, 발광부(751B)로부터 출사되는 제3 파장광과, 발광부(752B)로부터 출사되는 제4 파장광을 합성한 합성광을 「제2 광」이라고 한다. 즉, 「발광부(751B, 752B)」나 「다이크로익 미러(755B)」 등에 의해 본 실시형태에 있어서의 「제2 조사 수단」이 구성되게 된다. 특히 「발광부(751B)」에 의해 「제3 파장광 출사부」가 구성되고, 「발광부(752B)」에 의해 「제4 파장광 출사부」가 구성되고, 「다이크로익 미러(755B)」에 의해 「제2 합성 수단」이 구성된다.

「무편광 빔 스플리터(756B)」는, 「제2 무편광 빔 스플리터(13B)」와 동일한 구성을 갖는 것으로, 그 상세한 설명은 생략한다. 본 실시형태에서는, 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 실시형태에 따른 제1 촬상계(4A)는, 무편광 빔 스플리터(756A)를 투과한 제1 광(제1 파장광과 제2 파장광의 2파장 합성광)에 관련된 참조광 성분 및 계측광 성분의 합성광을, 제1 파장광에 관련된 합성광(참조광 성분 및 계측광 성분)과, 제2 파장광에 관련된 합성광(참조광 성분 및 계측광 성분)으로 분리하는 다이크로익 미러(800A)를 구비하고 있다. 이하, 다이크로익 미러(800A)에 대하여 상세하게 설명한다.

다이크로익 미러(800A)는, 직각 프리즘을 첩합하여 일체로 한 큐브형의 공지의 광학 부재(다이클로익 프리즘)로서, 그 접합면(800Ah)에 유전체 다층막이 형성되어 있다. 「다이크로익 미러(800A)」가 본 실시형태에 있어서의 「제1 분리 수단」을 구성한다.

다이크로익 미러(800A)는, 그 접합면(800Ah)을 사이에 두고 이웃하는 2면 중의 일방이 Y축 방향과 직교하고 또한 타방이 Z축 방향과 직교하도록 배치되어 있다. 즉, 다이크로익 미러(800A)의 접합면(800Ah)이 Y축 방향 및 Z축 방향에 대하여 45° 경사지도록 배치되어 있다.

본 실시형태에 있어서의 다이크로익 미러(800A)는, 상기 다이크로익 미러(755A)와 동일한 특성을 갖는 것이다. 즉, 다이크로익 미러(800A)는, 적어도 제1 파장광을 반사하고, 제2 파장광을 투과하는 특성을 갖는다.

이에 의해, 도 14에 나타내는 본 실시형태의 배치 구성에서는, 다이크로익 미러(800A)에 입사한 제1 광에 관련된 합성광은, Z축 방향 좌향으로 출사되는 제1 파장광에 관련된 합성광과, Y축 방향 상향으로 출사되는 제2 파장광에 관련된 합성광으로 분리되게 된다.

또한, 본 실시형태에 따른 제1 촬상계(4A)는, 다이크로익 미러(800A)로부터 Z축 방향 좌향으로 출사되는 제1 파장광에 관련된 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. 「카메라(807A)」가 본 실시형태에 있어서의 「제1 파장광 촬상부」를 구성한다.

마찬가지로, 본 실시형태에 따른 제1 촬상계(4A)는, 다이크로익 미러(800A)로부터 Y축 방향 상향으로 출사되는 제2 파장광에 관련된 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. 「카메라(808A)」가 본 실시형태에 있어서의 「제2 파장광 촬상부」를 구성한다.

한편, 제1 파장광에 관련된 「분광 광학계(801A)」, 「1/4 파장판(803A)」, 「필터 유닛(805A)」 및 「카메라(807A)」에 관련된 구성, 그리고, 제2 파장광에 관련된 「분광 광학계(802A)」, 「1/4 파장판(804A)」, 「필터 유닛(806A)」 및 「카메라(808A)」에 관련된 구성은, 각각 상기 제3 실시형태에 따른 「분광 광학계(600A)」, 「1/4 파장판(610A)」, 「필터 유닛(615A)」 및 「카메라(633A)」에 관련된 구성과 동일하기 때문에, 그 상세한 설명은 생략한다.

본 실시형태에 따른 제2 촬상계(4B)는, 무편광 빔 스플리터(756B)를 투과한 제2 광(제3 파장광과 제4 파장광의 2파장 합성광)에 관련된 참조광 성분 및 계측광 성분의 합성광을, 제3 파장광에 관련된 합성광(참조광 성분 및 계측광 성분)과, 제4 파장광에 관련된 합성광(참조광 성분 및 계측광 성분)으로 분리하는 다이크로익 미러(800B)를 구비하고 있다. 이하, 다이크로익 미러(800B)에 대하여 상세하게 설명한다.

다이크로익 미러(800B)는, 직각 프리즘을 첩합하여 일체로 한 큐브형의 공지의 광학 부재(다이클로익 프리즘)로서, 그 접합면(800Bh)에 유전체 다층막이 형성되어 있다. 「다이크로익 미러(800B)」가 본 실시형태에 있어서의 「제2 분리 수단」을 구성한다.

다이크로익 미러(800B)는, 그 접합면(800Bh)을 사이에 두고 이웃하는 2면 중의 일방이 Y축 방향과 직교하고 또한 타방이 Z축 방향과 직교하도록 배치되어 있다. 즉, 다이크로익 미러(800B)의 접합면(800Bh)이 Y축 방향 및 Z축 방향에 대하여 45° 경사지도록 배치되어 있다.

본 실시형태에 있어서의 다이크로익 미러(800B)는, 상기 다이크로익 미러(755B)와 동일한 특성을 갖는 것이다. 즉, 다이크로익 미러(800B)는, 적어도 제3 파장광을 반사하고, 제4 파장광을 투과하는 특성을 갖는다.

이에 의해, 도 14에 나타내는 본 실시형태의 배치 구성에서는, 다이크로익 미러(800B)에 입사한 제2 광에 관련된 합성광은, Y축 방향 하향으로 출사되는 제3 파장광에 관련된 합성광과, Z축 방향 좌향으로 출사되는 제4 파장광에 관련된 합성광으로 분리되게 된다.

또한, 본 실시형태에 따른 제2 촬상계(4B)는, 다이크로익 미러(800B)로부터 Y축 방향 하향으로 출사되는 제3 파장광에 관련된 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. 「카메라(807B)」가 본 실시형태에 있어서의 「제3 파장광 촬상부」를 구성한다.

마찬가지로, 본 실시형태에 따른 제2 촬상계(4B)는, 다이크로익 미러(800B)로부터 Z축 방향 좌향으로 출사되는 제4 파장광에 관련된 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. 「카메라(808B)」가 본 실시형태에 있어서의 「제4 파장광 촬상부」를 구성한다.

한편, 제3 파장광에 관련된 「분광 광학계(801B)」, 「1/4 파장판(803B)」, 「필터 유닛(805B)」 및 「카메라(807B)」에 관련된 구성, 그리고, 제4 파장광에 관련된 「분광 광학계(802B)」, 「1/4 파장판(804B)」, 「필터 유닛(806B)」 및 「카메라(808B)」에 관련된 구성은, 각각 상기 제3 실시형태에 따른 「분광 광학계(600B)」, 「1/4 파장판(610B)」, 「필터 유닛(615B)」 및 「카메라(633B)」에 관련된 구성과 동일하기 때문에, 그 상세한 설명은 생략한다.

다음으로 본 실시형태에 있어서 실행되는 형상 계측 처리의 순서에 대하여 설명한다. 먼저 제어 장치(5)는, 제1 투광계(2A) 및 제2 투광계(2B)를 구동 제어하고, 발광부(751A)로부터의 제1 파장광의 조사, 및 발광부(752A)로부터의 제2 파장광의 조사, 그리고, 발광부(751B)로부터의 제3 파장광의 조사, 및 발광부(752B)로부터의 제4 파장광의 조사를 동시에 실행한다.

이에 의해, 편광 빔 스플리터(20)의 제1 면(20a)에 대하여 제1 파장광 및 제2 파장광의 합성광인 제1 광이 입사하는 동시에, 편광 빔 스플리터(20)의 제2 면(20b)에 대하여 제3 파장광 및 제4 파장광의 합성광인 제2 광이 입사한다.

그 결과, 편광 빔 스플리터(20)의 제1 면(20a)으로부터 제1 광에 관련된 합성광(참조광 및 계측광)이 출사되는 동시에, 편광 빔 스플리터(20)의 제2 면(20b)으로부터 제2 광에 관련된 합성광(참조광 및 계측광)이 출사된다.

편광 빔 스플리터(20)의 제1 면(20a)으로부터 출사한 제1 광에 관련된 합성광의 일부는, 제1 촬상계(4A)에 입사하고, 제1 파장광에 관련된 합성광(참조광 및 계측광)과, 제2 파장광에 관련된 합성광(참조광 및 계측광)으로 분리된다. 이 중, 제1 파장광에 관련된 합성광은, 분광 광학계(801A)에 의해 4개로 분할된 후, 1/4 파장판(803A) 및 필터 유닛(805A)을 통하여 카메라(807A)에 입사한다. 동시에, 제2 파장광에 관련된 합성광은, 분광 광학계(802A)에 의해 4개로 분할된 후, 1/4 파장판(804A) 및 필터 유닛(806A)을 통하여 카메라(808A)에 입사한다.

한편, 편광 빔 스플리터(20)의 제2 면(20b)으로부터 출사한 제2 광에 관련된 합성광의 일부는, 제2 촬상계(4B)에 입사하고, 제3 파장광에 관련된 합성광(참조광 및 계측광)과, 제4 파장광에 관련된 합성광(참조광 및 계측광)으로 분리된다. 이 중, 제3 파장광에 관련된 합성광은, 분광 광학계(801B)에 의해 4개로 분할된 후, 1/4 파장판(803B) 및 필터 유닛(805B)을 통하여 카메라(807B)에 입사한다. 동시에, 제4 파장광에 관련된 합성광은, 분광 광학계(802B)에 의해 4개로 분할된 후, 1/4 파장판(804B) 및 필터 유닛(806B)을 통하여 카메라(808B)에 입사한다.

그리고, 제어 장치(5)는, 제1 촬상계(4A) 및 제2 촬상계(4B)를 구동 제어하여, 카메라(807A)에 의한 촬상, 카메라(808A)에 의한 촬상, 카메라(807B)에 의한 촬상, 및 카메라(808B)에 의한 촬상을 동시에 실행한다.

그 결과, 카메라(807A)(촬상 소자의 촬상 에어리어(H1∼H4))에 의해, 위상이 90°씩 다른 제1 파장광에 관련된 4종류의 간섭 무늬 화상이 1개의 화상 데이터로서 취득되고, 카메라(808A)(촬상 소자의 촬상 에어리어(H1∼H4))에 의해, 위상이 90°씩 다른 제2 파장광에 관련된 4종류의 간섭 무늬 화상이 1개의 화상 데이터로서 취득되고, 카메라(807B)(촬상 소자의 촬상 에어리어(H1∼H4))에 의해, 위상이 90°씩 다른 제3 파장광에 관련된 4종류의 간섭 무늬 화상이 1개의 화상 데이터로서 취득되고, 카메라(808B)(촬상 소자의 촬상 에어리어(H1∼H4))에 의해, 위상이 90°씩 다른 제4 파장광에 관련된 4종류의 간섭 무늬 화상이 1개의 화상 데이터로서 취득된다.

그리고, 제어 장치(5)는, 카메라(807A)로부터 취득한 1개의 화상 데이터를 4종류의 간섭 무늬 화상 데이터(촬상 소자의 촬상 에어리어(H1∼H4)에 대응하는 범위마다)로 분할하여, 화상 데이터 기억 장치(54) 내의 카메라(807A)에 대응하는 제1∼제4 화상 메모리에 각각 기억한다.

동시에, 제어 장치(5)는, 카메라(808A), 카메라(807B) 및 카메라(808B)로부터 각각 취득한 화상 데이터에 관해서도 동일한 처리를 행하여, 각 카메라(808A, 807B, 808B)에 대응하는 제1∼제4 화상 메모리에 각각 간섭 무늬 화상 데이터를 기억한다.

계속해서, 제어 장치(5)는, 화상 데이터 기억 장치(54)에 기억된 제1 파장광에 관련된 4종류의 간섭 무늬 화상 데이터, 제2 파장광에 관련된 4종류의 간섭 무늬 화상 데이터, 제3 파장광에 관련된 4종류의 간섭 무늬 화상 데이터, 및 제4 파장광에 관련된 4종류의 간섭 무늬 화상 데이터를 기초로, 위상 시프트법에 의해 워크(W)의 표면 형상을 계측한다. 즉, 워크(W)의 표면 상의 각 위치에 있어서의 높이 정보를 산출한다.

이상, 상세히 서술한 바와 같이, 본 실시형태에서는, 제1 파장광과 제2 파장광의 합성광인 제1 광을 편광 빔 스플리터(20)의 제1 면(20a)으로부터 입사시키는 동시에, 제3 파장광과 제4 파장광의 합성광인 제2 광을 편광 빔 스플리터(20)의 제2 면(20b)으로부터 입사시킴으로써, 제1 광에 관련된 참조광 및 계측광과, 제2 광에 관련된 참조광 및 계측광이 각각 다른 편광 성분(P 편광 또는 S 편광)으로 분할되기 때문에, 편광 빔 스플리터(20)에 입사한 제1 광과 제2 광은 서로 간섭하지 않고, 따로따로 편광 빔 스플리터(20)로부터 출사되게 된다.

이에 의해, 제1 광에 포함되는 편광(제1 파장광 및/또는 제2 파장광)과, 제2 광에 포함되는 편광(제3 파장광 및/또는 제4 파장광)으로서 파장이 가까운 2종류의 편광을 사용할 수 있다. 결과적으로, 파장이 가까운 2종류의 편광을 이용하여, 3차원 계측에 관련된 계측 레인지를 보다 넓힐 수 있다. 특히 본 실시형태에서는, 최대로 4종류의 파장이 다른 광을 이용 가능하게 되기 때문에, 계측 레인지를 비약적으로 넓히는 것도 가능하게 된다.

또한, 본 실시형태에서는, 간섭 광학계(3)로부터 출사되는 제1 광에 관련된 합성광(참조광 성분 및 계측광 성분)을, 제1 파장광에 관련된 합성광과, 제2 파장광에 관련된 합성광으로 분리하는 동시에, 간섭 광학계(3)로부터 출사되는 제2 광에 관련된 합성광을, 제3 파장광에 관련된 합성광과, 제4 파장광에 관련된 합성광으로 분리하여, 제1 파장광에 관련된 합성광의 촬상, 제2 파장광에 관련된 합성광의 촬상, 제3 파장광에 관련된 합성광의 촬상, 및 제4 파장광에 관련된 합성광의 촬상을 개별 또한 동시에 행하는 구성으로 되어 있다. 이에 의해, 총체적인 촬상 시간을 단축할 수 있어, 계측 효율의 향상을 도모할 수 있다.

덧붙여, 본 실시형태에서는, 분광 광학계(801A) 등을 사용하여, 각 파장광에 관련된 합성광을 각각 4개의 광으로 분할하는 동시에, 그 4개의 광을 필터 유닛(805A) 등에 의해 위상이 90°씩 다른 4종류의 간섭광을 얻는 구성으로 되어 있다. 이에 의해, 위상 시프트법에 의한 3차원 계측에 필요한 모든 간섭 무늬 화상을 동시에 취득할 수 있다. 즉, 최대로 4종류의 편광에 관련된 총 16종류(4×4종류)의 간섭 무늬 화상을 동시에 취득할 수 있다. 결과적으로, 상기 작용 효과를 더욱 높일 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 예를 들어 제1 파장광과 제3 파장광의 2종류의 편광을 사용한 계측과, 제2 파장광과 제4 파장광의 2종류의 편광을 사용한 계측을 워크(W)의 종류에 따라 바꿀 수 있다. 즉, 본 실시형태에 의하면, 파장이 가까운 2종류의 편광을 사용하여 계측 레인지의 확대를 도모하면서도, 워크(W)의 종류에 따라 광의 종류(파장)를 바꿀 수 있다. 결과적으로, 편리성이나 범용성의 향상을 도모할 수 있다.

예를 들어 적계 광이 적합하지 않은 웨이퍼 기판 등의 워크(W)에 대해서는, 제1 파장광과 제3 파장광의 2종류의 편광(예를 들어 491nm와 488nm의 청계 색의 2광)을 사용한 계측을 행하는 한편, 청계 광이 적합하지 않은 구리 등의 워크(W)에 대해서는, 제2 파장광과 제4 파장광의 2종류의 편광(예를 들어 540nm와 532nm의 녹계 색의 2광)을 사용한 계측을 행할 수 있다.

한편, 상기 실시형태의 기재 내용에 한정되지 않고, 예를 들어 다음과 같이 실시해도 된다. 물론, 이하에 있어서 예시하지 않는 다른 응용예, 변경예도 당연히 가능하다.

(a) 상기 각 실시형태에서는, 워크(W)의 구체예에 대하여 특별히 언급하고 있지 않지만, 피계측물로는, 예를 들어 프린트 기판에 인쇄된 크림 땜납이나, 웨이퍼 기판에 형성된 땜납 범프 등을 들 수 있다.

여기서, 땜납 범프 등의 높이 계측의 원리에 대하여 설명한다. 도 15에 나타내는 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 감산함으로써 구할 수 있다〔HB=ho-hr〕. 여기서, 전극(501)의 절대 높이(hr)로는, 예를 들어 전극(501) 상의 임의의 1점의 절대 높이나, 전극(501) 상의 소정 범위의 절대 높이의 평균값 등을 사용할 수 있다. 또한, 「범프(503)의 절대 높이(ho)」나, 「전극(501)의 절대 높이(hr)」는, 상기 각 실시형태에 있어서 높이 정보 z(ξ, η)로서 구할 수 있다.

따라서, 미리 설정된 양부의 판정 기준에 따라 크림 땜납이나 땜납 범프의 양부를 검사하는 검사 수단을 설치한 땜납 인쇄 검사 장치 또는 땜납 범프 검사 장치에 있어서, 3차원 계측 장치(1)를 구비한 구성으로 해도 된다.

한편, 마이켈슨 간섭계의 광학 구성을 채용한 3차원 계측 장치(1)는, 반사 워크에 적합하다. 또한, 위상 시프트법을 이용함으로써, 0차 광(투과광)을 배제한 계측이 가능하게 된다.

또한, 상기 각 실시형태에 있어서 워크(W)를 설치하는 설치부(24)를 변위 가능하게 구성하고, 워크(W)의 표면을 복수의 계측 에어리어로 분할하여, 각 계측 에어리어를 순차 이동하면서 각 에어리어의 형상 계측을 행하여 가며, 복수회로 나누어 워크(W) 전체의 형상 계측을 행하는 구성으로 해도 된다.

(b) 간섭 광학계(소정의 광학계)의 구성은 상기 각 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 상기 각 실시형태에서는, 간섭 광학계(3)로서, 마이켈슨 간섭계의 광학 구성을 채용하고 있으나, 이에 한정하지 않고, 입사광을 참조광과 계측광으로 분할하여 워크(W)의 형상 계측을 행하는 구성이면, 다른 광학 구성을 채용해도 된다.

또한, 상기 각 실시형태에서는, 편광 빔 스플리터(20)로서, 직각 프리즘을 첩합하여 일체로 한 큐브형을 채용하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 플레이트형 편광 빔 스플리터를 채용해도 된다.

또한, 편광 빔 스플리터(20)는, P 편광 성분을 투과시키고, S 편광 성분을 반사하는 구성으로 되어 있으나, 이에 한정하지 않고, P 편광 성분을 반사시키고, S 편광 성분을 투과하는 구성으로 해도 된다. 「S 편광」이 「제1 편광 방향을 갖는 편광」에 상당하고, 「P 편광」이 「제2 편광 방향을 갖는 편광」에 상당하는 구성으로 해도 된다.

(c) 투광계(2A, 2B)의 구성은 상기 각 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 투광계(2A, 2B)로부터 출사되는 각 광의 파장은 상기 각 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 단, 계측 레인지를 보다 넓히기 위해서는, 제1 투광계(2A)로부터 조사되는 광과, 제2 투광계(2B)로부터 조사되는 광의 파장차를 보다 작게 하는 것이 바람직하다.

또한, 제5 실시형태에 있어서는, 제1 투광계(2A)로부터 조사되는 제1 파장광과 제2 파장광이 다이크로익 미러(800A)에서 분리 가능한 정도로 파장이 떨어진 편광인 것이 바람직하다. 마찬가지로, 제2 투광계(2B)로부터 조사되는 제3 파장광과 제4 파장광이 다이크로익 미러(800B)에서 분리 가능한 정도로 파장이 떨어진 편광인 것이 바람직하다.

또한, 제1 투광계(2A) 및 제2 투광계(2B)로부터 동일 파장의 광이 조사되는 구성으로 해도 된다.

상술한 바와 같이, 종래부터, 피계측물의 형상을 계측하는 3차원 계측 장치로서, 레이저광 등을 이용한 3차원 계측 장치(간섭계)가 알려져 있다. 이러한 3차원 계측 장치에 있어서는, 레이저 광원으로부터의 출력광의 흔들림 등의 영향에 의해, 계측 정밀도가 저하될 우려가 있다.

이에 대하여, 예를 들어 피계측물이 비교적 작아, 1개의 광(1개의 파장)으로도 계측 레인지가 부족하지 않은 경우에는, 다른 2개의 광원으로부터 동일 파장의 광을 조사하여, 그 2개의 광에서 각각 3차원 계측을 행함으로써, 계측 정밀도의 향상을 도모할 수 있다.

그러나, 2개의 광에서 3차원 계측을 행하고자 한 경우, 제1 광에 관련된 출력광의 촬상과, 제2 광에 관련된 출력광의 촬상을 각각 다른 타이밍에 행할 필요가 있어, 계측 효율이 저하될 우려가 있다.

예를 들어 위상 시프트법을 이용한 3차원 계측에 있어서, 위상을 4단계로 변화시키는 경우에는, 4종류의 화상 데이터를 취득할 필요가 있기 때문에, 2개의 광을 사용하는 경우에는, 각각 다른 타이밍에 4회씩, 총 8회분의 촬상 시간이 필요하게 된다.

동일 파장의 2개의 광을 조사하는 본 발명은, 상기 사정 등을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은, 2개의 광을 이용하여, 계측 효율의 향상을 도모할 수 있는 3차원 계측 장치를 제공하는 것에 있다.

본 발명에 의하면, 제1 광에 관련된 출력광의 촬상과, 제2 광에 관련된 출력광의 촬상을 동시에 행할 수 있기 때문에, 총 4회분(또는 총 3회분)의 촬상 시간에, 2개의 광에 관련된 총 8종류(또는 6종류)의 간섭 무늬 화상을 취득할 수 있다. 결과적으로, 총체적인 촬상 시간을 단축할 수 있어, 계측 효율의 향상을 도모할 수 있다.

또한, 상기 각 실시형태에서는, 투광계(2A, 2B)에 있어서, 광 아이솔레이터(12A, 12B) 등을 구비한 구성으로 되어 있으나, 광 아이솔레이터(12A, 12B) 등을 생략한 구성으로 해도 된다.

또한, 상기 각 실시형태에 있어서, 제1 투광계(2A)와 제1 촬상계(4A)의 양자의 위치 관계를 제1 무편광 빔 스플리터(13A) 등을 사이에 두고 바꾼 구성으로 해도 되고, 제2 투광계(2B)와 제2 촬상계(4B)의 양자의 위치 관계를 제2 무편광 빔 스플리터(13B) 등을 사이에 두고 바꾼 구성으로 해도 된다.

또한, 제5 실시형태에 있어서는, 제1 투광계(2A)에 관련된 발광부(751A)와 발광부(752A)의 양자의 위치 관계를 다이크로익 미러(755A)를 사이에 두고 바꾼 구성으로 해도 되고, 제2 투광계(2B)에 관련된 발광부(751B)와 발광부(752B)의 양자의 위치 관계를 다이크로익 미러(755B)를 사이에 두고 바꾼 구성으로 해도 된다.

또한, 도광 수단의 구성은, 상기 각 실시형태에 따른 무편광 빔 스플리터(13A, 13B) 등에 한정되는 것은 아니다. 제1 조사 수단(제2 조사 수단)으로부터 출사되는 제1 광(제2 광)의 적어도 일부를 제1 입출력부(제2 입출력부)를 향하여 입사시키는 동시에, 제1 입출력부(제2 입출력부)로부터 출사되는 제1 광에 관련된 출력광(제2 광에 관련된 출력광)의 적어도 일부를 제1 촬상 수단(제2 촬상 수단)을 향하여 입사시키는 구성이면, 다른 구성을 채용해도 된다.

즉, 제1 실시형태에 있어서는, 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 제1 광에 관련된 출력광(제2 광에 관련된 출력광)을 제1 촬상계(4A)(제2 촬상계(4B))에 입사 가능하게 하는 구성이면, 다른 구성을 채용해도 된다.

또한, 상기 각 실시형태에서는, 무편광 빔 스플리터(13A, 13B) 등으로서, 직각 프리즘을 첩합하여 일체로 한 큐브형을 채용하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 플레이트 타입의 소정의 하프 미러를 채용해도 된다.

또한, 제5 실시형태에서는, 다이크로익 미러(755A) 및 다이크로익 미러(755B), 그리고, 다이크로익 미러(800A) 및 다이크로익 미러(800B)로서, 직각 프리즘을 첩합하여 일체로 한 큐브형을 채용하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 플레이트 타입의 소정의 다이크로익 미러를 채용해도 된다.

(d) 상기 각 실시형태에서는, 위상이 다른 4종류의 간섭 무늬 화상 데이터를 기초로 위상 시프트법을 행하는 구성으로 되어 있으나, 이에 한정하지 않고, 예를 들어 위상이 다른 2종류 또는 3종류의 간섭 무늬 화상 데이터를 기초로 위상 시프트법을 행하는 구성으로 해도 된다.

또한, 예를 들어 푸리에 변환법과 같이, 위상 시프트법과는 상이한 다른 방법에 의해 3차원 계측을 행하는 구성으로 해도 된다.

(e) 상기 제1 실시형태에서는, 위상 시프트 수단으로서, 투과축 방향을 변경 가능하게 구성된 편광판(32A, 32B)을 채용하고, 상기 제2∼5 실시형태에 있어서는, 투과축 방향이 다른 4개의 편광판으로 이루어지는 필터 유닛(126) 등을 채용하고 있다.

위상 시프트 수단의 구성은, 이들에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 제1 실시형태에 있어서 피에조 소자 등에 의해 참조면(23)을 광축을 따라 이동시킴으로써 물리적으로 광로 길이를 변화시키는 구성을 채용해도 된다.

단, 상술한 바와 같은 회전식의 편광판을 위상 시프트 수단으로서 사용하는 방법에서는, 3차원 계측을 행함에 있어서 필요한 모든 화상 데이터를 취득하기 위하여, 복수의 타이밍에 촬상을 행할 필요가 있다. 또한, 제5 실시형태에 있어서, 참조면(23)을 이동시키는 구성을 위상 시프트 수단으로서 사용한 경우에는, 파장이 다른 복수의 광마다 참조면의 동작량(위상 시프트량)을 다르게 할 필요가 있기 때문에, 복수의 광을 동시에 촬상할 수 없다. 따라서, 촬상 시간을 짧게 하는 점에 있어서는, 상기 제2 실시형태 등과 같이 1회의 타이밍에 모든 화상 데이터를 촬상할 수 있는 필터 유닛(126) 등을 채용하는 것이 보다 바람직하다.

(f) 상기 각 실시형태에서는, 2파장 위상 시프트법을 행함에 있어서, 높이 정보 z(ξ, η)를 계산식에 의해 구하는 구성으로 되어 있으나, 이에 한정하지 않고, 예를 들어 위상 φ₁, φ₂, 프린지 차수 m₁, m₂, 높이 정보 z의 대응 관계를 나타낸 수표나 테이블 데이터를 미리 기억해 두고, 이것을 참작하여 높이 정보 z를 취득하는 구성으로 해도 된다. 이러한 경우, 반드시 프린지 차수를 특정할 필요는 없다.

(g) 분광 수단의 구성은 상기 제2∼5 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 상기 제2 실시형태에 따른 분광 광학계(125) 등에서는, 간섭 광학계(3)로부터 입사되는 광을 4개로 분광하는 구성으로 되어 있으나, 이에 한정하지 않고, 예를 들어 3개로 분광하는 구성 등, 적어도 위상 시프트법에 의한 계측에 필요한 수의 광으로 분할 가능한 구성으로 되어 있으면 된다.

또한, 상기 제2 실시형태 등에서는, 입사되는 합성광(L0) 등을, 진행 방향과 직교하는 평면에 있어서 광로가 매트릭스상으로 늘어서는 4개의 광(LB1∼LB4) 등으로 분할하는 구성으로 되어 있으나, 복수의 카메라를 사용하여 각 분광(LB1∼LB4) 등을 촬상하는 구성이면, 반드시 매트릭스상으로 늘어서도록 분광될 필요는 없다.

또한, 상기 제2 실시형태 등에서는, 분광 수단으로서, 복수의 광학 부재(프리즘)를 조합하여 일체로 한 분광 광학계(125) 등을 채용하고 있으나, 이에 한정하지 않고, 분광 수단으로서 회절 격자를 채용해도 된다.

(h) 필터 수단의 구성은 상기 제2 실시형태 등에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 상기 제2 실시형태에서는, 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∼26d)을 사용하여, 위상이 90°씩 다른 4종류의 간섭 무늬 화상을 취득하고, 그 4종류의 간섭 무늬 화상을 기초로 위상 시프트법에 의해 형상 계측을 행하는 구성으로 되어 있다.

이 대신에, 위상이 다른 3종류의 간섭 무늬 화상을 기초로 위상 시프트법에 의해 형상 계측을 행하는 경우에는, 이하와 같은 구성으로 해도 된다. 예를 들어 도 16에 나타내는 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 들어 시계 방향의 원 편광) 및 참조광(예를 들어 반시계 방향의 원 편광)을 직선 편광으로 변환하는 1/4 파장판과, 계측광의 직선 편광을 선택적으로 투과시키는 편광판을 조합한 것으로 한 구성으로 해도 된다. 여기서, 「1/4 파장판」 및 「편광판」의 세트를 소위 「원 편광판」으로 한 구성으로 해도 된다.

이러한 구성에 의하면, 1개의 촬상 소자에 의한 1회의 촬상으로, 120°(또는 90°)씩 위상이 다른 3종류의 간섭 무늬 화상에 더하여, 워크(W)의 휘도 화상을 취득할 수 있다. 이에 의해, 3종류의 간섭 무늬 화상을 기초로 위상 시프트법에 의해 행하는 형상 계측에 더하여, 휘도 화상을 기초로 한 계측을 조합하여 행하는 것이 가능하게 된다. 예를 들어 위상 시프트법에 의한 형상 계측에 의해 얻어진 3차원 데이터에 대하여 매핑을 행하는 것이나, 계측 영역의 추출을 행하는 것 등이 가능하게 된다. 결과적으로, 복수 종류의 계측을 조합한 종합적인 판단을 행할 수 있어, 계측 정밀도의 가일층의 향상을 도모할 수 있다.

한편, 도 16에 나타낸 예에서는, 제4 편광판(126d)로서, 원 편광을 직선 편광으로 변환하는 1/4 파장판과, 계측광의 직선 편광을 선택적으로 투과시키는 편광판을 조합한 것을 채용하고 있으나, 이에 한정하지 않고, 계측광만을 선택적으로 투과시키는 구성이면, 다른 구성을 채용해도 된다.

또한, 제4 편광판(126d)을 생략한 구성으로 해도 된다. 즉, 필터 유닛(126)의 제1 편광판(126a), 제2 편광판(126b), 제3 편광판(126c)을 각각 투과한 3개의 광과, 필터 유닛(126)(편광판)을 통하지 않고 직접 입사되는 1개의 광을 동시에 1개의 촬상 소자에 의해 촬상하는 구성으로 해도 된다.

이러한 구성에 의하면, 제4 편광판(126d)으로서, 「1/4 파장판」 및 「편광판」의 세트를 배치한 상기 구성과 동일한 작용 효과가 발휘된다. 즉, 1개의 촬상 소자에 의한 1회의 촬상으로, 120°(또는 90°)씩 위상이 다른 3종류의 간섭 무늬 화상에 더하여, 워크(W)의 휘도 화상을 취득할 수 있다.

한편, 계측광(예를 들어 시계 방향의 원 편광)과 참조광(예를 들어 반시계 방향의 원 편광)을 그대로 촬상하였다고 해도, 참조광은 기지(미리 계측하여 얻는 것이 가능)이며 균일하므로 촬상 후의 처리에 의해, 이 참조광분을 제거하는 처리나 균일광을 제거하는 처리를 행함으로써, 계측광의 신호를 추출하는 것이 가능하게 된다.

제4 편광판(126d)을 생략한 구성의 이점으로는, 「1/4 파장판」 및 「편광판」의 세트를 배치한 구성과 비교하여, 이들 「1/4 파장판」 및 「편광판」을 생략할 수 있기 때문에, 광학 부품이 줄어, 구성의 간소화나 부품점수의 증가 억제 등을 도모할 수 있다.

(i) 촬상계(4A, 4B)의 구성은 상기 각 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 상기 각 실시형태에 있어서는, 렌즈를 구비한 카메라를 사용하고 있으나, 반드시 렌즈가 필요하지는 않고, 렌즈가 없는 카메라를 사용해도 상기 [수학식 6]의 관계식을 이용하는 등을 하여 초점이 맞은 화상을 계산에 의해 구함으로써 행하여도 된다.

또한, 상기 제5 실시형태에 있어서, 제1 촬상계(4A)에 관련된 「분광 광학계(801A), 1/4 파장판(803A), 필터 유닛(805A) 및 카메라(807A)」와 「분광 광학계(802A), 1/4 파장판(804A), 필터 유닛(806A) 및 카메라(808A)」의 양자의 위치 관계를 다이크로익 미러(800A)를 사이에 두고 바꾼 구성으로 해도 되고, 제2 촬상계(4B)에 관련된 「분광 광학계(801B), 1/4 파장판(803B), 필터 유닛(805B) 및 카메라(807B)」와 「분광 광학계(802B), 1/4 파장판(804B), 필터 유닛(806B) 및 카메라(808B)」의 양자의 위치 관계를 다이크로익 미러(800B)를 사이에 두고 바꾼 구성으로 해도 된다.

(j) 상기 제5 실시형태에서는, 「제1 파장광」, 「제2 파장광」, 「제3 파장광」 및 「제4 파장광」의 4개의 파장광을 동시에 사용하는 구성으로 되어 있다. 즉, 4개의 파장광을 동시 출사하는 동시에, 이들에 관련된 간섭 무늬 화상을 동시 촬상하여, 그 화상을 기초로 3차원 계측을 행하는 구성으로 되어 있다. 이에 한정하지 않고, 다른 구성을 채용해도 된다.

예를 들어 「제1 파장광」, 「제2 파장광」, 「제3 파장광」 및 「제4 파장광」의 4개의 파장광 중, 「제4 파장광」을 출사하지 않고, 「제1 파장광」, 「제2 파장광」 및 「제3 파장광」의 3개의 파장광을 동시 출사하는 동시에, 이들에 관련된 간섭 무늬 화상을 동시 촬상하여, 그 화상을 기초로 3차원 계측을 행하는 구성으로 해도 된다.

마찬가지로, 「제1 파장광」, 「제2 파장광」, 「제3 파장광」 및 「제4 파장광」의 4개의 파장광 중, 예를 들어 「제2 파장광」 및 「제4 파장광」을 출사하지 않고, 「제1 파장광」 및 「제3 파장광」의 2개의 파장광을 동시 출사하는 동시에, 이들에 관련된 간섭 무늬 화상을 동시 촬상하여, 그 화상을 기초로 3차원 계측을 행하는 구성으로 해도 된다.

적어도 제1 투광계(2A) 및 제2 투광계(2B)로부터 제1 광(「제1 파장광」 및/또는 「제2 파장광」) 그리고 제2 광(「제3 파장광」 및/또는 「제4 파장광」)이 동시 출사되는 동시에, 이들에 관련된 간섭 무늬 화상을 동시 촬상하는 구성으로 되어 있으면, 종래보다 총체적인 촬상 시간을 단축할 수 있어, 계측 효율의 향상을 도모할 수 있다.

즉, 촬상 시간의 단축을 추구하지 않는 것이라면, 반드시 「제1 파장광」, 「제2 파장광」, 「제3 파장광」 및 「제4 파장광」의 4개의 파장광을 동시에 사용하는 구성으로 되어 있지 않아도 된다. 예를 들어 「제2 파장광」 및 「제4 파장광」을 출사하지 않고, 「제1 파장광」 및 「제3 파장광」의 2개의 파장광을 동시 출사하는 동시에, 이들에 관련된 간섭 무늬 화상을 동시 촬상한 후, 「제1 파장광」 및 「제3 파장광」을 출사하지 않고, 「제2 파장광」 및 「제4 파장광」의 2개의 파장광을 동시 출사하는 동시에, 이들에 관련된 간섭 무늬 화상을 동시 촬상하는 구성으로 해도 된다.

(k) 상기 (j)에서 서술한 바와 같이, 최대로 3개의 파장광 또는 2개의 파장광밖에 사용하지 않는 경우에는, 사용하지 않는 파장광에 관련된 출사 기구나 촬상 기구를 상기 각 실시형태로부터 미리 생략한 구성의 3차원 계측 장치(1)로 해도 된다.

예를 들어 제2 파장광을 사용하지 않는 경우에 있어서는, 제1 투광계(2A)로부터, 제2 파장광을 출사하는 출사 기구(발광부(752A), 광 아이솔레이터(754A))와, 2개의 파장광을 합성하는 합성 기구(다이크로익 미러(755A))를 생략한 구성으로 해도 된다. 마찬가지로, 제2 파장광을 사용하지 않는 경우에 있어서는, 제1 촬상계(4A)로부터, 소정의 출력광을 파장 분리하는 분리 기구(다이크로익 미러(800A))와, 제2 파장광에 관련된 출력광을 촬상하는 촬상 기구(분광 광학계(802A), 1/4 파장판(804A), 필터 유닛(806A), 카메라(808A))를 생략한 구성으로 해도 된다.

(l) 상기 (j)에서 서술한 바와 같이, 제1 투광계(2A) 및/또는 제2 투광계(2B)에 있어서, 출사하는 파장광을 항상 바꾸어 사용하는 구성으로 한 경우(예를 들어 제1 투광계(2A)에 있어서 「제1 파장광」 또는 「제2 파장광」의 어느 일방만을 출사하는 구성으로 한 경우)에는, 제1 촬상계(4A)에 있어서, 소정의 출력광을 파장 분리하는 분리 기구(다이크로익 미러(800A))를 생략하는 동시에, 제1 파장광에 관련된 출력광을 촬상하는 촬상 기구 또는 제2 파장광에 관련된 출력광을 촬상하는 촬상 기구 중 어느 일방을 생략하고, 타방을 공용하는 구성으로 해도 된다.

1…3차원 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, 20b…제2 면, 20c…제3 면, 20d…제4 면, 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

입사하는 소정의 광을 2개의 광으로 분할하여, 일방의 광을 계측광으로 하여 피계측물에 조사 가능하게 하고 또한 타방의 광을 참조광으로 하여 참조면에 조사 가능하게 하는 동시에, 이들을 다시 합성하여 출사 가능한 소정의 광학계와,
상기 소정의 광학계의 제1 입출력부에 대하여 입사시키는, 소정의 편광을 포함하는 제1 광을 출사 가능한 제1 조사 수단과,
상기 소정의 광학계의 제2 입출력부에 대하여 입사시키는, 소정의 편광을 포함하는 제2 광을 출사 가능한 제2 조사 수단과,
상기 소정의 광학계의 상기 제1 입출력부에 대하여 상기 제1 광을 입사함으로써 그 제1 입출력부로부터 출사되는 상기 제1 광에 관련된 출력광을 입사 가능한 제1 촬상 수단과,
상기 소정의 광학계의 상기 제2 입출력부에 대하여 상기 제2 광을 입사함으로써 그 제2 입출력부로부터 출사되는 상기 제2 광에 관련된 출력광을 입사 가능한 제2 촬상 수단과,
상기 제1 촬상 수단 및 상기 제2 촬상 수단에 의해 촬상하여 취득된 간섭 무늬 화상을 기초로 상기 피계측물의 3차원 계측을 실행 가능한 화상 처리 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 3차원 계측 장치.
제1항에 있어서,
상기 소정의 광학계는,
입사하는 소정의 광을 편광 방향이 서로 직교하는 2개의 편광으로 분할하여, 일방의 편광을 상기 계측광으로 하여 상기 피계측물에 조사하고 또한 타방의 편광을 상기 참조광으로 하여 상기 참조면에 조사하는 동시에, 이들을 다시 합성하여 출사 가능한 광학계로서,
상기 제1 입출력부로부터 입사한 상기 제1 광을, 제1 편광 방향을 갖는 편광으로 이루어지는 상기 참조광과, 제2 편광 방향을 갖는 편광으로 이루어지는 상기 계측광으로 분할하고,
상기 제2 입출력부로부터 입사한 상기 제2 광을, 상기 제2 편광 방향을 갖는 편광으로 이루어지는 상기 참조광과, 상기 제1 편광 방향을 갖는 편광으로 이루어지는 상기 계측광으로 분할 가능한 광학계인 것을 특징으로 하는 3차원 계측 장치.
입사하는 소정의 광을 편광 방향이 서로 직교하는 2개의 편광으로 분할하는 경계면을 갖고, 그 분할한 일방의 편광을 계측광으로 하여 피계측물에 조사하고 또한 타방의 편광을 참조광으로 하여 참조면에 조사하는 동시에, 이들을 다시 합성하여 출사 가능한 편광 빔 스플리터와,
상기 경계면을 사이에 두고 이웃하는 상기 편광 빔 스플리터의 제1 면 및 제2 면 중 제1 입출력부가 되는 상기 제1 면에 대하여 입사시키는, 소정의 편광을 포함하는 제1 광을 출사 가능한 제1 조사 수단과,
상기 편광 빔 스플리터의 제2 입출력부가 되는 상기 제2 면에 대하여 입사시키는, 소정의 편광을 포함하는 제2 광을 출사 가능한 제2 조사 수단과,
상기 편광 빔 스플리터의 상기 제1 면에 대하여 상기 제1 광을 입사함으로써 그 제1 면으로부터 출사되는 상기 제1 광에 관련된 출력광을 입사 가능한 제1 촬상 수단과,
상기 편광 빔 스플리터의 상기 제2 면에 대하여 상기 제2 광을 입사함으로써 그 제2 면으로부터 출사되는 상기 제2 광에 관련된 출력광을 입사 가능한 제2 촬상 수단과,
상기 제1 촬상 수단 및 상기 제2 촬상 수단에 의해 촬상하여 취득된 간섭 무늬 화상을 기초로 상기 피계측물의 3차원 계측을 실행 가능한 화상 처리 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 3차원 계측 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 조사 수단으로부터 출사되는 제1 광의 적어도 일부를 상기 제1 입출력부를 향하여 입사시키는 동시에, 상기 제1 입출력부로부터 출사되는 상기 제1 광에 관련된 출력광의 적어도 일부를 상기 제1 촬상 수단을 향하여 입사시키는 제1 도광 수단과,
상기 제2 조사 수단으로부터 출사되는 제2 광의 적어도 일부를 상기 제2 입출력부를 향하여 입사시키는 동시에, 상기 제2 입출력부로부터 출사되는 제2 광에 관련된 출력광의 적어도 일부를 상기 제2 촬상 수단을 향하여 입사시키는 제2 도광 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 3차원 계측 장치.
제4항에 있어서,
상기 조사 수단은, 자신이 갖는 소정의 발광부로부터 출사되는 일방향의 광만을 투과하고 또한 역방향의 광을 차단하는 광 아이솔레이터를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 3차원 계측 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 조사 수단은,
제1 파장의 편광을 포함하는 제1 파장광을 출사 가능한 제1 파장광 출사부, 및/또는, 제2 파장의 편광을 포함하는 제2 파장광을 출사 가능한 제2 파장광 출사부를 구비하여,
상기 제1 파장의 편광, 및/또는, 상기 제2 파장의 편광을 포함하는 상기 제1 광을 출사 가능하게 구성되고,
상기 제2 조사 수단은,
제3 파장의 편광을 포함하는 제3 파장광을 출사 가능한 제3 파장광 출사부, 및/또는, 제4 파장의 편광을 포함하는 제4 파장광을 출사 가능한 제4 파장광 출사부를 구비하여,
상기 제3 파장의 편광, 및/또는, 상기 제4 파장의 편광을 포함하는 상기 제2 광을 출사 가능하게 구성되고,
상기 제1 촬상 수단은,
상기 제1 입출력부에 대하여 상기 제1 파장의 편광을 포함하는 상기 제1 광이 입사된 경우에, 상기 제1 입출력부로부터 출사되는 상기 제1 광에 관련된 출력광에 포함되는 상기 제1 파장의 편광에 관련된 출력광을 촬상 가능한 제1 파장광 촬상부,
및/또는,
상기 제1 입출력부에 대하여 상기 제2 파장의 편광을 포함하는 상기 제1 광이 입사된 경우에, 상기 제1 입출력부로부터 출사되는 상기 제1 광에 관련된 출력광에 포함되는 상기 제2 파장의 편광에 관련된 출력광을 촬상 가능한 제2 파장광 촬상부를 구비하고,
상기 제2 촬상 수단은,
상기 제2 입출력부에 대하여 상기 제3 파장의 편광을 포함하는 상기 제2 광이 입사된 경우에, 상기 제2 입출력부로부터 출사되는 상기 제2 광에 관련된 출력광에 포함되는 상기 제3 파장의 편광에 관련된 출력광을 촬상 가능한 제3 파장광 촬상부,
및/또는,
상기 제2 입출력부에 대하여 상기 제4 파장의 편광을 포함하는 상기 제2 광이 입사된 경우에, 상기 제2 입출력부로부터 출사되는 상기 제2 광에 관련된 출력광에 포함되는 상기 제4 파장의 편광에 관련된 출력광을 촬상 가능한 제4 파장광 촬상부를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 3차원 계측 장치.
제6항에 있어서,
상기 제1 조사 수단은,
상기 제1 파장광 출사부로부터 출사되는 상기 제1 파장광, 및 상기 제2 파장광 출사부로부터 출사되는 상기 제2 파장광을, 상기 제1 광으로서 합성 가능한 제1 합성 수단을 구비하고,
상기 제2 조사 수단은,
상기 제3 파장광 출사부로부터 출사되는 상기 제3 파장광, 및 상기 제4 파장광 출사부로부터 출사되는 상기 제4 파장광을, 상기 제2 광으로서 합성 가능한 제2 합성 수단을 구비하고,
상기 제1 촬상 수단은,
상기 제1 파장의 편광 및 상기 제2 파장의 편광을 포함하는 상기 제1 광이 상기 제1 조사 수단으로부터 출사된 경우에, 상기 제1 입출력부로부터 출사되는 상기 제1 광에 관련된 출력광을, 상기 제1 파장의 편광에 관련된 출력광, 및 상기 제2 파장의 편광에 관련된 출력광으로 분리 가능한 제1 분리 수단을 구비하고,
상기 제2 촬상 수단은,
상기 제3 파장의 편광 및 상기 제4 파장의 편광을 포함하는 상기 제2 광이 상기 제2 조사 수단으로부터 출사된 경우에, 상기 제2 입출력부로부터 출사되는 상기 제2 광에 관련된 출력광을, 상기 제3 파장의 편광에 관련된 출력광, 및 상기 제4 파장의 편광에 관련된 출력광으로 분리 가능한 제2 분리 수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 3차원 계측 장치.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 피계측물을 상기 참조면과 동일한 평면으로 한 경우에 있어서, 상기 제1 입출력부에 대하여 입사시키는 상기 제1 광에 포함되는 편광의 편광 방향과, 그 제1 입출력부로부터 출사되는 상기 제1 광에 관련된 출력광에 포함되는 편광의 편광 방향이 동일하게 되고, 또한, 상기 제2 입출력부에 대하여 입사시키는 상기 제2 광에 포함되는 편광의 편광 방향과, 그 제2 입출력부로부터 출사되는 상기 제2 광에 관련된 출력광에 포함되는 편광의 편광 방향이 동일하게 되는 것을 특징으로 하는 3차원 계측 장치.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 입출력부에 대하여 상기 제1 광을 입사하는 입사 방향과, 상기 제2 입출력부에 대하여 상기 제2 광을 입사하는 입사 방향을 그 양 입사 방향을 포함하는 평면 상에 있어서 일치시킨 경우에 있어서, 상기 제1 광에 포함되는 편광의 편광 방향과, 상기 제2 광에 포함되는 편광의 편광 방향이 90° 다른 것을 특징으로 하는 3차원 계측 장치.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
동일 축선 상을 동일 방향을 향하는 상기 제1 광에 포함되는 편광 또는 그 계측광 혹은 참조광의 편광 방향과, 상기 제2 광에 포함되는 편광 또는 그 계측광 혹은 참조광의 편광 방향이 90° 다른 것을 특징으로 하는 3차원 계측 장치.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 참조광과 상기 계측광 사이에 상대적인 위상차를 부여하는 위상 시프트 수단을 구비하고,
상기 화상 처리 수단은,
상기 위상 시프트 수단에 의해 복수 종류로 위상 시프트된 상기 출력광을 촬상하여 취득된 복수 종류의 간섭 무늬 화상을 기초로, 위상 시프트법에 의해 상기 피계측물의 3차원 계측을 실행 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 3차원 계측 장치.
제11항에 있어서,
상기 출력광을 복수의 광으로 분할하는 분광 수단과,
상기 위상 시프트 수단으로서, 상기 분광 수단에 의해 분할된 복수의 분할광 중, 적어도 상기 위상 시프트법에 의한 계측에 필요한 수의 분할광에 대하여 각각 다른 위상차를 부여하는 필터 수단을 구비하고,
상기 촬상 수단은, 적어도 상기 필터 수단을 투과하는 상기 복수의 분할광을 동시에 촬상 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 3차원 계측 장치.
제12항에 있어서,
상기 분광 수단은,
제1 평면을 따른 단면 형상이 삼각형상이 되는 삼각기둥 형상을 이루고, 그 제1 평면과 직교하는 방향을 따른 3개의 면 중의 제1 면과 제2 면의 교선을 지나 제3 면과 직교하는 평면을 따라 제1 분기 수단을 갖는 제1 광학 부재와,
상기 제1 평면과 직교하는 제2 평면을 따른 단면 형상이 삼각형상이 되는 삼각기둥 형상을 이루고, 그 제2 평면과 직교하는 방향을 따른 3개의 면 중의 제1 면과 제2 면의 교선을 지나 제3 면과 직교하는 평면을 따라 제2 분기 수단을 갖는 제2 광학 부재를 구비하고,
상기 제1 광학 부재의 제3 면과 상기 제2 광학 부재의 제1 면을 서로 대향하도록 배치함으로써,
상기 제1 광학 부재의 상기 제1 면에 대하여 입사되는 광을 상기 제1 분기 수단으로 2방향으로 분기시키고, 이 중 상기 제1 분기 수단에서 반사한 분할광을 상기 제1 면에서 상기 제3 면측을 향하여 반사시키고, 상기 제1 분기 수단을 투과한 분할광을 상기 제2 면에서 상기 제3 면측을 향하여 반사시킴으로써, 상기 제3 면으로부터 평행한 2개의 분할광으로서 출사시키고,
상기 제1 광학 부재의 제3 면으로부터 출사된 2개의 분할광을 상기 제2 광학 부재의 제1 면에 대하여 입사시키고, 그 2개의 분할광을 각각 상기 제2 분기 수단으로 2방향으로 분기시키고, 이 중 상기 제2 분기 수단에서 반사한 2개의 분할광을 각각 상기 제1 면에서 상기 제3 면측을 향하여 반사시키고, 상기 제2 분기 수단을 투과한 2개의 분할광을 각각 상기 제2 면에서 상기 제3 면측을 향하여 반사시킴으로써, 상기 제3 면으로부터 평행한 4개의 분할광으로서 출사시키는 것을 특징으로 하는 3차원 계측 장치.
제12항 또는 제13항에 있어서,
상기 촬상 수단은, 적어도 상기 필터 수단을 투과하는 상기 복수의 분할광을 단일의 촬상 소자에 의해 동시에 촬상 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 3차원 계측 장치.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 피계측물이, 프린트 기판에 인쇄된 크림 땜납, 또는 웨이퍼 기판에 형성된 땜납 범프인 것을 특징으로 하는 3차원 계측 장치.