WO2015072016A1 - 表面形状測定装置 - Google Patents

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optical path
surface shape
image
mirrors
conversion optical
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French (fr)
Inventor
勝人 山田
芳夫 高見
Original Assignee
株式会社島津製作所
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G01B11/2518—Projection by scanning of the object
    • G01B11/2522—Projection by scanning of the object the position of the object changing and being recorded
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G01B11/2545—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object with one projection direction and several detection directions, e.g. stereo

Definitions

  • the present invention relates to a surface shape measuring apparatus for measuring the shape of the surface of an article using a light cutting method.
  • the light cutting method is a method of measuring the shape and dimensions of the concavo-convex structure by irradiating slit light so as to cut the concavo-convex structure on the surface of the object to be measured and taking an image of the cutting line of the concavo-convex structure. .
  • the uneven shape existing on the surface of the object to be measured can be measured three-dimensionally.
  • Patent Document 1 describes a surface shape measuring device that measures the surface shape of a substrate 101 having a concavo-convex structure 104.
  • the principal part structure is shown in FIG.
  • the slit light 122 is irradiated from the laser light source 121 perpendicularly to the surface of the substrate 101.
  • the light from the surface of the substrate 101 is reflected by the mirror 126A arranged obliquely, divided by the half mirror 125A, and shifted in the horizontal direction (direction perpendicular to the paper surface), and the two CCD cameras 113a and 113b are arranged.
  • the slit light 122 is irradiated from the laser light source 121 perpendicularly to the surface of the substrate 101.
  • the light from the surface of the substrate 101 is reflected by the mirror 126A arranged obliquely, divided by the half mirror 125A, and shifted in the horizontal direction (direction perpendicular to the paper surface), and the two CCD cameras 113a and
  • the light from the surface of the substrate 101 is incident on the two CCD cameras 113c and 113d arranged in the horizontal direction as described above by the mirror 126B and the half mirror 125B arranged obliquely on the opposite side across the slit light.
  • an image of the concavo-convex structure 104 is obtained by sharing the visual field by the four CCD cameras arranged so as to be shifted from each other (FIG. 2).
  • the problem to be solved by the present invention is a surface shape measuring device that measures the shape of the surface of an object to be measured using an optical cutting method. It is an object of the present invention to provide a surface shape measuring apparatus that can take an image with a single imaging means without enlarging the light receiving surface of the imaging means.
  • the present invention irradiates a measurement target with a laser beam on a line-shaped region, and displays an image of the laser beam irradiation position from a direction different from the laser beam irradiation direction.
  • a surface shape measuring device that measures the surface shape of the measurement object by photographing, a) Using a plurality of conversion light paths each composed of three or more light paths that are not located on the same plane defined by two or more mirrors, the image of the laser light irradiation position is represented by the length of the region.
  • a conversion optical system that divides the image into a plurality of directions and arranges the divided images so that the plurality of divided images are arranged side by side in a direction different from the longitudinal direction on the same plane; b) an imaging unit having an imaging lens that collectively captures a plurality of images rearranged by the conversion optical system;
  • a mirror disposed at a position where the optical path length from the irradiation position of the laser beam is the shortest extends in a direction corresponding to the longitudinal direction of the region longer than the length of the image after the division.
  • the plurality of mirrors are arranged on the optical path of each conversion optical path so that a mirror constituting a conversion optical path different from the conversion optical path is not positioned.
  • a line-shaped region is irradiated with a laser beam on a measurement object, and a plurality of images of laser beam irradiation positions are arranged in the longitudinal direction of the line-shaped region by a plurality of conversion light paths.
  • the divided images are rearranged so that the plurality of divided images are arranged side by side in a direction different from the longitudinal direction on the same plane. Therefore, even if the image spreads in the width direction, it can be picked up by one image pickup means without enlarging the light receiving surface of the image pickup unit.
  • each of the conversion optical paths the mirror disposed at the position where the optical path length from the irradiation position of the laser light is the shortest is extended longer than the length of the divided image in the direction corresponding to the longitudinal direction of the region.
  • a plurality of mirrors are arranged on the optical path of each conversion optical path so that a mirror constituting a conversion optical path different from the conversion optical path is not positioned.
  • the principal part block diagram of the conventional surface shape measuring apparatus The figure explaining the state which shares a visual field with four CCD cameras in the conventional surface shape measuring apparatus.
  • the principal part block diagram of a prior application apparatus The figure explaining the image imaged in a prior application apparatus.
  • the principal part block diagram of the Example of the surface shape measuring apparatus which concerns on this invention.
  • work surface to the light-receiving surface of a CCD camera in the surface shape measuring apparatus of a present Example The figure explaining the structural example of an optical path adjustment means. Another figure explaining the structural example of an optical path adjustment means. The figure explaining the image connected in the surface shape measuring apparatus of a present Example. The figure explaining another structural example of an optical path adjustment means. The figure explaining the optical axis etc. in the surface shape measuring apparatus of a present Example. The figure explaining the correlation of a slit light irradiation angle and a coefficient.
  • the inventor irradiates a measurement target with a laser beam on a line-shaped region, and takes an image of the laser beam irradiation position from a direction different from the laser beam irradiation direction.
  • a plurality of conversion optical paths each of which is composed of three or more optical paths that are not located on the same plane defined by two or more mirrors.
  • This prior application apparatus is configured as shown in FIG. 3, for example.
  • a workpiece 211 as a measurement target is placed on a placement table 212.
  • Slit light 213 formed by a high-speed scanning laser beam or a beam formed into a line shape by a lens is irradiated so as to cut the uneven structure on the surface of the work 211.
  • the slit light irradiation region 214 is virtually divided into three (214a, 214b, 214c) in the direction in which the line (cutting line) that the slit light cuts the concavo-convex structure extends. Images of the virtually divided area are rearranged by a first reflecting means and a second reflecting means, which will be described later, and are taken together.
  • the three mirrors M11, M12, and M13 constituting the first reflecting means are vertically above the respective slit light irradiation areas 214a, 214b, and 214c, and are at different heights H11, H12, and H13 (H11 ⁇ H12 ⁇ H13), which is parallel to the cutting line of the concavo-convex structure and is inclined in a direction forming an angle of 45 degrees with respect to the surface of the workpiece 11.
  • the three mirrors M14, M15, and M16 constituting the second reflecting means are respectively provided corresponding to the three mirrors M11, M12, and M13 constituting the first reflecting means, and the workpiece 211 They are arranged at positions separated by the same distance L1 in the direction opposite to the moving direction. All of these three mirrors M14, M15, and M16 are inclined in a direction perpendicular to the surface of the workpiece 211 and at an angle of 45 degrees with respect to the cutting line of the concavo-convex structure.
  • the light receiving surface 215 of the CCD camera is arranged in the reflection direction of these three mirrors M14, M15, M16, and the distances from the mirrors M14, M15, M16 to the light receiving surface 215 are D11, D12, D13 (D11>), respectively. D12> D13).
  • the image of the cutting line of the concavo-convex structure in each slit light irradiation region 214a, 214b, 214c is rearranged in the height direction and formed on the light receiving surface 215 of the imaging means.
  • the image of the cutting line of the concavo-convex structure is divided into a plurality of images in the longitudinal direction (lateral direction) and rearranged vertically (vertically) on the light receiving surface 215. In order to form an image, even wide images in the width direction can be imaged on the light receiving surface 215 of one narrow image sensor.
  • FIG. 5 (a) shows the mirrors M11 and M12 (two divided regions and two mirrors for convenience of explanation) constituting the first reflecting means of the prior application device as viewed from the moving direction of the workpiece 211.
  • FIG. 5B is a view of the mirrors M11 and M12 as seen from the direction in which the cutting line extends.
  • a point A at the center of the slit light irradiation area 214a, which is one divided area, a point B at the center of the slit light irradiation area 214b, which is the other divided area, and a point at the boundary between the two slit light irradiation areas 214a, 214b Consider light traveling from C toward both mirrors M11 and M12.
  • each mirror surface is extended longer than the divided region so that the mirror surfaces on both sides overlap in a portion where a plurality of mirrors constituting the first reflecting means are adjacent to each other.
  • each mirror surface is simply extended, it is incident on one end of two mirrors arranged adjacent to each other in the direction of the cutting line. A part of the optical path of the transmitted light is obstructed by the other mirror (see the shaded area in FIG.
  • the mirrors positioned adjacent to the direction receive light from the workpiece surface at different angles with respect to the incident light path of the slit light, that is, each other.
  • the arrangement of each mirror is adjusted so as not to disturb the optical path.
  • the tilt direction of each mirror surface is set so that the reflected light from the plurality of mirrors constituting the first reflecting means is incident on the second reflecting means.
  • FIG. 6 shows a main configuration of the surface shape measuring apparatus according to the present embodiment.
  • the surface shape measuring apparatus of the present embodiment is an apparatus for measuring the shape and size (maximum value ⁇ h) of the uneven structure on the surface of the work 11 having a width of 90 mm.
  • the workpiece 11 is placed on the placing table 12, and is moved to the right in the drawing at a predetermined speed by the moving mechanism 12a.
  • the slit light 13 formed by a high-speed scanning laser beam or a beam formed into a line shape by a lens is irradiated so as to cut the uneven structure on the surface of the work 11 in the width direction.
  • the size of the irradiation region of the slit light 13 on the surface of the workpiece 11 (corresponding to the “line region” in the present invention) is, for example, 100 mm ⁇ 30 ⁇ m.
  • the slit light irradiation region 14 is virtually equally divided into three (divided regions 14a, 14b, and 14c) in a direction in which a line (cutting line) that the slit light cuts the concavo-convex structure extends. That is, the length K of each divided region in the direction in which the cutting line extends is 30 mm.
  • M6 six plane mirrors M ⁇ b> 1 for causing the light from the slit light irradiation region 14 to enter the light receiving surface of a CCD camera with 4 million pixels to form an image of the cutting line of the concavo-convex structure.
  • M6 six plane mirrors M ⁇ b> 1 for causing the light from the slit light irradiation region 14 to enter the light receiving surface of a CCD camera with 4 million pixels to form an image of the cutting line of the concavo-convex structure.
  • M6 six plane mirrors M ⁇ b> 1 for causing the light from the slit light irradiation region 14 to enter the light receiving surface of a CCD camera with 4 million pixels to form an image of the cutting line of the
  • the plane mirrors M1, M2, and M3 are rectangular plane mirrors arranged so as to reflect the light from the divided regions 14a, 14b, and 14c, respectively, and constitute the first reflecting means.
  • the plane mirrors M4, M5, and M6 are rectangular plane mirrors that reflect the light from the mirrors M1, M2, and M3 and enter the light receiving surface of the CCD camera through the lens 16, and these are the second reflecting means.
  • M1 and M4, M2 and M5, and M3 and M6 each constitute a conversion light path, and these three conversion light paths divide the image at the irradiation position of the laser light into three parts and rearrange them to obtain a CCD. It is arranged on the light receiving surface of the camera.
  • the lens 16 is a lens that reduces the image of the cutting line by 0.37 times, and the image reduced by the lens 16 is taken by a CCD camera.
  • the plane mirrors M1 and M3 are respectively arranged above the divided regions 14a and 14c and at different heights H1 and H3.
  • the plane mirror M2 is a position where the angle formed by the optical axis of the light traveling from the divided region 14b toward the plane mirror M2 and the normal line (a straight line indicated by Y in FIG. 7) of the divided region 14b is ⁇ .
  • the distance H2 ′ H2 / cos ⁇ from the divided region 14b to the plane mirror M2).
  • the height at which the three plane mirrors M1, M2, and M3 are positioned has a relationship of H1 ⁇ H2 ⁇ H3.
  • Each of the plane mirrors M1, M2, and M3 has a reflection surface that extends longer than the length K in the direction in which the cutting line extends of each of the corresponding divided regions 14a, 14b, and 14c. The size of this reflecting surface will be described later.
  • Length of divided regions 14a, 14b, 14c in the direction in which the cutting line extends K Width (longitudinal direction) of the plane mirrors M1, M2, M3: w1, w2, w3 Width of the plane mirrors M1, M2, M3 (short direction): d1, d2, d3
  • Inclination angle of optical axis of light traveling toward plane mirror M2 ⁇
  • Irradiation angle of slit light 13 ⁇
  • Angle of inclination of the plane mirrors M1 and M3 ⁇ Angle of inclination of the plane mirror M2: ⁇ ′ Distance from the plane mirrors M1, M3 to the plane mirrors M4, M6: L Distance from plane mirror M2 to plane mirror M5: L ′
  • FIG. 8 is a view of the plane mirrors M1, M2, and M3 as seen from the moving direction of the work 11.
  • the widths w1, w2, and w3 in the longitudinal direction of the reflecting surfaces of the plane mirrors M1, M2, and M3 are such that light having a predetermined spread can be received and reflected from both end positions of each divided region in the direction in which the cutting line extends. Is set.
  • the lengths of the mirrors M1, M2, and M3 in the direction in which the cutting line extends are determined as follows.
  • the width of the plane mirror M1: w1 K + 2 ⁇ NA ⁇ H1 (2)
  • the width of the plane mirror M2: w2 K + 2 ⁇ NA ⁇ H2 ′ (3)
  • the width of the plane mirror M3: w3 K + 2 ⁇ NA ⁇ H3 (4)
  • the both end positions of each divided region in the direction in which the cutting line extends are spread according to the object side NA. Can be guided to the plane mirrors M4, M5 and M6 constituting the second reflecting means.
  • the inclination angle ⁇ of the plane mirrors M1 and M3 that reflect light vertically upward from the divided regions 14a and 14c is 45 degrees
  • the inclination angle ⁇ ′ of the plane mirror M2 is ⁇ (45 degrees) ⁇ 1. / 2 ⁇ ⁇ .
  • FIG. 7 which is a view of the plane mirrors M1 and M2 seen from the direction in which the cutting line extends, the slit light incident angle ⁇ , the irregularity structure dimension ⁇ h on the surface of the work 11, the inclination ⁇ of the plane mirror M1, and From the angle ⁇ corresponding to the object side NA described above, the widths d1 and d3 of the plane mirrors M1 and M3 in the short direction are set so as to satisfy the conditions of the following expressions (5) and (6).
  • the magnitude ⁇ of the inclination angle of the optical axis toward the flat mirror M2 is set so as to satisfy the condition of the following equation (7). ⁇ > arctan ⁇ ( ⁇ h ⁇ tan ⁇ + H1 ⁇ tan ⁇ ) / (H1 ⁇ 1 / 2 ⁇ d1 ⁇ cos ⁇ ) ⁇ + ⁇ (7)
  • ⁇ is a term corresponding to 2 ⁇ H1 ⁇ tan ⁇ / sin ⁇ in Equation (2), and is a value determined according to the object-side NA and H2 ′.
  • FIG. 9 is a view of the plane mirrors M1 to M6 as seen from the direction in which the cutting line extends, and an optical path from the slit light irradiation region 14 through the lens 16 to the light receiving surface 15 of the CCD camera is schematically shown. Please refer to FIG.
  • the plane mirrors M4, M5, and M6 are mirrors that reflect the light from the plane mirrors M1, M2, and M3 and enter the lens 16, respectively.
  • the heights of the plane mirrors M4, M5, and M6 are the heights of H1, H2, and H3, respectively.
  • the plane mirrors M4, M5, and M6 are arranged so that their reflecting surfaces are perpendicular to the surface of the workpiece 11 and face parallel to each other, and as shown in FIG. , M5, M6 to the lens 16 are D1, D2, and D3, respectively.
  • the plane mirrors M4, M5, and M6 also reflect the light having the spread corresponding to the object side NA and enter the lens 16. It is necessary to let Accordingly, the widths w4, w5, and w6 in the longitudinal direction of the plane mirrors M4, M5, and M6 are set as follows.
  • the width of the plane mirror M4: w4 K + 2 ⁇ NA ⁇ (H1 + L) (9)
  • the width of the plane mirror M5: w5 K + 2 ⁇ NA ⁇ (H2 ′ + L + H2 ⁇ tan ⁇ ) (10)
  • the width of the plane mirror M6: w6 K + 2 ⁇ NA ⁇ (H3 + L) (11)
  • Optical path adjusting means Optical path lengths P1, P2, and P3 from each of the divided regions 14a, 14b, and 14c to the lens 16 are calculated as in the following equations (12) to (14).
  • P1 H1 + L + D1 (12)
  • P2 H2 ′ + (L + H2 ⁇ tan ⁇ ) + D2 (13)
  • P3 H3 + L + D3 (14)
  • H1, H2 (H2 ′), and H3 are parameters set based on the position at which the image of the cutting line is formed, and D1, D2, and D3 are in accordance with the arrangement of H1, H2, H3, and the lens 16. Since the determined parameter ⁇ is a parameter determined from the condition of the above-described equation (7), these parameters cannot be changed.
  • the adjustment is performed so that P1, P2, and P3 are the same.
  • making the optical path lengths the same means making the substantial optical path lengths the same, and does not necessarily mean making the physical lengths of the optical paths the same.
  • the plane mirrors M1, M2, and M3 having the configuration of the surface shape measuring apparatus shown in FIG. 6 are respectively replaced with the optical path adjusting means 20 including the two plane mirrors Ma and Mb.
  • the optical path adjusting means 20 including the two plane mirrors Ma and Mb.
  • a detour 21 having a length ⁇ L1 is formed.
  • the detour length ⁇ L1 can be changed as appropriate by changing the arrangement of the plane mirrors M1a and M1b. Therefore, by arranging the optical path adjusting means 20 at the positions of the plane mirrors M1, M2, and M3 and adjusting the position of the plane mirror, the above P1, P2, and P3 can be adjusted as follows.
  • FIG. 12 shows an example of an optical path adjusting means composed of three and four plane mirrors. The broken line in the figure is the optical path (original optical path) when the optical path adjusting means is not arranged.
  • the virtual reflecting surface can be defined as M1 ′ based on the traveling direction of light from the means.
  • the position where the image of the cutting line is formed is also adjusted by using the optical path adjusting means 20. Specifically, adjustment is performed so that the imaging intervals of the images of the three cutting lines corresponding to the divided areas 14a, 14b, and 14c are narrowed to fit within the imaging area of the CCD camera.
  • the length of the optical path from the divided region 14a to the plane mirror M4 via the plane mirror M1 disposed at the height H1 is H1 + L.
  • optical path adjusting means 20 plane mirrors M1a and M1b arranged at a position of height H1 ⁇ L1 and forming a detour with a length of ⁇ L1 from the divided region 14a.
  • the length of the optical path passing through to the plane mirror M4 is also H1 + L.
  • the optical path adjusting means 20 is designed so as to satisfy the expression (15), and the imaging positions of the image of the cutting line in the divided regions 14b and 14c are respectively ⁇ L21 and ⁇ L31.
  • the height of the optical path adjusting means 20 and the length of the detour are adjusted so as to be changed to a lower value.
  • the distance between the three images is shortened, and the images of the cutting lines in the divided areas 14a, 14b, and 14c are formed in the light receiving area (11 mm ⁇ 11 mm) of the CCD camera.
  • 13A shows the arrangement of the cutting lines in the slit light irradiation region 14, and FIG.
  • 13B shows the positional relationship between the three images reflected and changed by the first reflecting means and the second reflecting means.
  • 13 (c) is a diagram showing a state in which the separation distance of three images is shortened by using the optical path adjusting means 20, and
  • FIG. 13 (d) is a diagram showing an image that is reduced by the lens 16 and photographed by the CCD camera. is there.
  • a refractive index member can be used instead of the optical path adjusting means that forms a detour with two plane mirrors.
  • the refractive index member having the refractive index n and the thickness d is arranged on the optical path.
  • the physical optical path length can be increased by (1-1 / n) d without changing the substantial optical path length.
  • the refractive index member having a different refractive index and thickness may be arranged on the optical path so as to satisfy the above formula (15).
  • a prism can be used as the refractive index member, and can be arranged at the positions of the plane mirrors M1 to M6.
  • a bypass can be formed inside the prism, and the optical path can be adjusted by the refractive index d of the prism member.
  • the plane mirror M2 is disposed at a position where the optical axis of the light traveling toward the plane mirror M2 is inclined by the angle ⁇ from the normal line of the divided region 14b. Therefore, in the image of the cutting line imaged through the plane mirror M2, the dimension in the height direction of the concavo-convex structure on the surface of the work 11 is in the image connected via the other two plane mirrors (M1, M3). It differs by the contribution of dimensions and tilted angle. This point will be described with reference to FIGS. 15 and 16.
  • FIG. 15A shows a length g corresponding to the height ⁇ h in the image of the cutting line of the concavo-convex structure connected by the optical path passing through the plane mirrors M1 and M3 arranged without tilting the optical axis.
  • FIG. 15B shows the length g ′ corresponding to the height ⁇ h in the image of the cutting line of the concavo-convex structure connected by the optical path passing through the plane mirror M2 having the inclined optical axis.
  • the above lengths g and g ′ are calculated by the following equations (16) and (17), respectively.
  • g ⁇ h ⁇ tan ⁇ (16)
  • g ′ ⁇ h / cos ⁇ ⁇ sin ( ⁇ ) (17)
  • the light irradiation means may be configured to irradiate the slit light at an angle ⁇ ′ only on the divided region 14b.
  • light irradiation means corresponding to each divided region may be arranged, and the divided regions 14a and 14c may be irradiated with slit light at an angle ⁇ and the divided region 14b at an angle ⁇ ′.
  • angle changing means for changing the angle of the light incident on the divided region 14b may be arranged. From the graph of FIG.
  • the above embodiment is merely an example, and can be appropriately changed in accordance with the spirit of the present invention.
  • the slit light irradiation area is divided into three equal parts, and the image of the cutting line in each is formed on the light receiving surface of the CCD camera.
  • the number and the length can be appropriately determined in consideration of the shape of the light receiving surface and the like.
  • a mirror that constitutes the first reflecting means is provided vertically above the workpiece, the optical axis is rotated by 90 °, and further rotated by 90 ° by the mirror that constitutes the second reflecting means, thereby obtaining one image sensor.
  • an optical system for making it difficult to shift the focus of an image that is, an optical system based on the principle of Scheinproof can be configured.

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Abstract

　測定対象物に対してライン状の領域にレーザ光を照射し、該レーザ光の照射位置の画像を該レーザ光の照射方向と異なる方向から撮影することにより測定対象物の表面形状を測定する表面形状測定装置において、２つ以上のミラーで規定される同一平面上に位置しない３つ以上の光路でそれぞれが構成される複数の変換光路を使ってレーザ光の照射位置の画像を前記領域の長手方向に複数に分割し、分割後の複数の画像が同一平面上で前記長手方向と異なる方向に並んで位置するように並び替えて配置する変換光学系と、変換光学系によって並び替えて配置された複数の画像をまとめて撮像する、結像レンズを有する撮像部とを備え、変換光路に含まれる複数のミラーのそれぞれが、結像レンズの開口数及びレーザ光の照射位置から当該ミラーまでの光路長に応じた長さで、画像の長手方向に対応する方向に延設されているとともに、各変換光路の光路上に当該変換光路とは別の変換光路を構成するミラーが位置しないように前記複数のミラーが配置される。

Description

表面形状測定装置
　本発明は、光切断法を用いて物品の表面の形状を測定する表面形状測定装置に関する。
　物品の表面の形状を測定する方法の一つに光切断法がある。
　光切断法は、被測定物の表面の凹凸構造を切断するようにスリット光を照射し、凹凸構造の切断線の像を撮影することによって、該凹凸構造の形状及び寸法を測定する方法である。被測定物に対するスリット光の照射位置を相対的に移動させつつ撮影した切断線の像を順次解析することによって、被測定物の表面に存在する凹凸形状を３次元測定することができる。
　特許文献１には、凹凸構造１０４を有する基板１０１の表面形状を測定する表面形状測定装置が記載されている。その要部構成を図１に示す。
　この装置では、レーザ光源１２１から基板１０１の表面に垂直にスリット光１２２を照射する。そして、基板１０１表面からの光を、斜方に配置したミラー１２６Ａで反射し、ハーフミラー１２５Ａで分割して、水平方向（紙面に垂直な方向）にずらして配置した２つのＣＣＤカメラ１１３a、１１３bに入射させる。また、スリット光を挟んで反対側の斜方に配置したミラー１２６Ｂ及びハーフミラー１２５Ｂにより、上記同様、基板１０１表面からの光を、水平方向にずらして配置した２つのＣＣＤカメラ１１３c、１１３dに入射させる。こうして、互いにずらして配置した４つのＣＣＤカメラにより視野分担して凹凸構造１０４の像を得る（図２）。
特開平11-37734号公報
　特許文献１に記載の装置では、幅方向に広く高さ方向に低い凹凸構造１０４の像を、４つのＣＣＤカメラ１１３a～１１３dにより幅方向に視野分担して撮影する。そのため、像の幅方向に対応する方向に撮像素子の受光面を大きくする必要がない。しかしながら、４つのＣＣＤカメラを使用する必要があるため、装置が高価なものとなってしまう。
　本発明が解決しようとする課題は、光切断法を用いて被測定物の表面の形状を計測する表面形状測定装置において、幅方向に広い（すなわち、切断線の長い）凹凸構造の像を、撮像手段の受光面を大きくすることなく１台の撮像手段で、撮影することのできる表面形状測定装置を提供することである。
　上記課題を解決するために成された本発明は、測定対象物に対してライン状の領域にレーザ光を照射し、該レーザ光の照射位置の画像を該レーザ光の照射方向と異なる方向から撮影することにより、前記測定対象物の表面形状を測定する表面形状測定装置であって、
　a）２つ以上のミラーで規定される同一平面上に位置しない３つ以上の光路でそれぞれが構成される、複数の変換光路を使って、前記レーザ光の照射位置の画像を前記領域の長手方向に複数に分割し、分割後の複数の画像が同一平面上で前記長手方向と異なる方向に並んで位置するように並び替えて配置する変換光学系と、
　b）前記変換光学系によって並び替えて配置された複数の画像をまとめて撮像する、結像レンズを有する撮像部と、
を備え、
　前記変換光路のそれぞれにおいて前記レーザ光の照射位置からの光路長が最も短い位置に配置されたミラーが、前記領域の長手方向に対応する方向に、前記分割後の画像の長さよりも長く延設されているとともに、
　各変換光路の光路上に、当該変換光路とは別の変換光路を構成するミラーが位置しないように、前記複数のミラーが配置されている
　ことを特徴とする。
　本発明に係る表面形状測定装置では、測定対象物に対してライン状の領域にレーザ光を照射し、複数の変換光路によって、レーザ光の照射位置の画像をライン状の領域の長手方向に複数に分割し、分割後の複数の画像が同一平面上で前記長手方向と異なる方向に並んで位置するように並び替えて配置する。そのため、幅方向に広がった画像であっても、撮像部の受光面を大きくすることなく１つの撮像手段でまとめて撮像することができる。
　また、変換光路のそれぞれにおいてレーザ光の照射位置からの光路長が最も短い位置に配置されたミラーが、領域の長手方向に対応する方向に、分割後の画像の長さよりも長く延設されており、かつ、各変換光路の光路上に、当該変換光路とは別の変換光路を構成するミラーが位置しないように複数のミラーが配置されている。これにより、本発明に係る表面形状測定装置では、変換光学系によって並び替えて配置された複数の画像の端部において解像度が低下することを防ぐことができる。
従来の表面形状測定装置の要部構成図。 従来の表面形状測定装置において、４台のＣＣＤカメラにより視野分担する状態を説明する図。 先願装置の要部構成図。 先願装置において撮像される像を説明する図。 先願装置におけるミラー面について説明する図。 本発明に係る表面形状測定装置の実施例の要部構成図。 本実施例の表面形状測定装置におけるミラー面について説明する図。 本実施例の表面形状測定装置におけるミラー面について説明する別の図。 本実施例の表面形状測定装置における、ワーク表面から第２反射手段までの光路を説明する図。 本実施例の表面形状測定装置における、ワーク表面からＣＣＤカメラの受光面までの光路を説明する図。 光路調整手段の構成例を説明する図。 光路調整手段の構成例を説明する別の図。 本実施例の表面形状測定装置において結ばれる像について説明する図。 光路調整手段の別の構成例を説明する図。 本実施例の表面形状測定装置における光軸等を説明する図。 スリット光照射角度と係数の相関を説明する図。
　本発明者は、上述した課題を解決するために、測定対象物に対してライン状の領域にレーザ光を照射し、レーザ光の照射位置の画像をレーザ光の照射方向と異なる方向から撮影することにより、測定対象物の高さを測定する装置であって、２つ以上のミラーで規定される同一平面上に位置しない３つ以上の光路でそれぞれが構成される、複数の変換光路を使って、レーザ光の照射位置の画像を並び替えて配置する装置（以下、「先願装置」と呼ぶ。）を発明し、出願した（特願2013-160336）。
　この先願装置は、例えば図３に示すように構成される。測定対象であるワーク２１１は載置台２１２上に載置される。
　高速スキャンレーザビーム、あるいはレンズでライン形状としたビーム等で形成されるスリット光２１３は、ワーク２１１の表面の凹凸構造を切断するように照射される。スリット光照射領域２１４はスリット光が凹凸構造を切断する線（切断線）が伸びる方向において仮想的に３分割（２１４a、２１４b、２１４c）される。仮想的に３分割された領域の画像は、後述する第１反射手段と第２反射手段によって並び替えて配置され、まとめて撮影される。
　第１反射手段を構成する3枚のミラーＭ１１、Ｍ１２、Ｍ１３は、それぞれ各スリット光照射領域２１４a、２１４b、２１４cの垂直上方であって、互いに異なる高さＨ１１、Ｈ１２、Ｈ１３の位置（Ｈ１１＜Ｈ１２＜Ｈ１３）に配置されており、凹凸構造の切断線に平行で、ワーク１１の表面に対して４５度の角度をなす方向に傾斜している。
　また、第２反射手段を構成する３枚のミラーＭ１４、Ｍ１５、Ｍ１６は、それぞれ、第１反射手段を構成する３枚のミラーＭ１１、Ｍ１２、Ｍ１３のそれぞれに対応して設けられ、ワーク２１１の移動方向と逆の方向に同一の距離Ｌ１ずつ離れた位置に配置されている。これら３枚のミラーＭ１４、Ｍ１５、Ｍ１６はいずれも、ワーク２１１の表面に対して垂直で、凹凸構造の切断線に対して４５度の角度をなす方向に傾斜している。これら３枚のミラーＭ１４、Ｍ１５、Ｍ１６の反射方向にはＣＣＤカメラの受光面２１５が配置され、各ミラーＭ１４、Ｍ１５、Ｍ１６から該受光面２１５までの距離はそれぞれＤ１１、Ｄ１２、Ｄ１３（Ｄ１１＞Ｄ１２＞Ｄ１３）となっている。
　この先願装置では、図４に示すように、各スリット光照射領域２１４a、２１４b、２１４cにおける凹凸構造の切断線の像が高さ方向に再配置され、撮像手段の受光面２１５上に結像する。このように、先願装置では、凹凸構造の切断線の像を長手方向に（横方向に）複数の像に分割し、それらを上下に（縦方向に）再配置して受光面２１５上に結像させるため、幅方向に広い像であっても、それらを幅の狭い１つの撮像素子の受光面２１５上に結像させることができる。
　しかしながら、先願装置では、撮像手段の受光面で結像した各像の（切断線の長手方向）両端部分の解像度が低下してしまう。これは、各ミラーの両端部分において、結像レンズに取り込まれる光の取り込み角が不足するためである。この点について、図５を参照して説明する。
　図５(a)は、先願装置の第１反射手段を構成するミラーＭ１１、Ｍ１２（説明の便宜上、分割領域を２つ、ミラーを２枚とする。）をワーク２１１の移動方向から見た図、図５(b)はそれらミラーＭ１１、Ｍ１２を切断線の延びる方向から見た図である。
　一方の分割領域であるスリット光照射領域２１４aの中央部の点Ａ、他方の分割領域であるスリット光照射領域２１４bの中央部の点Ｂ、及び両スリット光照射領域２１４a、２１４bの境界部の点Ｃから両ミラーＭ１１、Ｍ１２に向かう光を考える。
　点Ａび点Ｂについては、結像レンズの開口数に対応した広がりを有する光がミラーＭ１１、Ｍ１２でそれぞれ反射される。一方、点Ｃについては、結像レンズの開口数に対応した広がりを有する光が、ミラーＭ１１により反射される光路とミラーＭ１２により反射される光路に分割される。その結果、点Ｃ付近の像は、ミラーＭ１１で反射され、結像レンズに至る光束において、点Ａや点Ｂの取り込み角の半分の角度で取り込まれた光により結像することになり、その解像度が低下する。
　そこで、本発明では、点Ｃからの光の取り込み角を広げるべく、各ミラー面の大きさと配置を先願装置の構成から変更した。これにより、従来の課題に加えて先願装置における課題も同時に解決した。
　具体的には、第１反射手段を構成する複数のミラーが隣接する部分において両側のミラー面がオーバーラップするように、各ミラー面を分割領域よりも長く延設した。しかし、図５(a)の一点鎖線で示すように、単にミラー面をそれぞれ延設しただけでは、切断線の方向に隣接して配置された２枚のミラーのうちの一方の端部に入射する光の光路の一部が、他方のミラーによって妨害されてしまう（図５(a)の網掛け領域参照）。そこで、本発明に係る表面形状測定装置では、さらに、該方向に隣接して位置するミラーが、スリット光の入射光路に対して異なる角度でワーク表面からの光を受光するように、即ち、互いの光路を妨害しないように各ミラーの配置を調整している。また、第１反射手段を構成する複数のミラーからの反射光を第２反射手段に入射させるように、各ミラー面の傾斜方向を設定している。
　以下、本発明に係る表面形状測定装置の実施例について説明する。
１．要部構成
　図６に、本実施例の表面形状測定装置の要部構成を示す。
　本実施例の表面形状測定装置は、90mmの幅を有するワーク１１表面の凹凸構造の形状及び寸法（最大値Δh）を測定する装置である。ワーク１１は載置台１２上に載置されており、移動機構１２aにより図面右方向に所定の速度で移動する。
　高速スキャンレーザビームやレンズでライン形状としたビーム等で形成されるスリット光１３は、ワーク１１の表面の凹凸構造を幅方向に切断するように照射される。ワーク１１表面におけるスリット光１３の照射領域（本発明の「ライン状の領域」に相当）の大きさは、例えば100mm×30μmである。スリット光照射領域１４は、スリット光が凹凸構造を切断する線（切断線）が延びる方向において仮想的に３つに等分割（分割領域１４a、１４b、１４c）される。即ち、切断線が延びる方向における、各分割領域の長さKはそれぞれ30mmとなっている。
　ワーク１１の上方には、スリット光照射領域１４からの光を、400万画素のＣＣＤカメラの受光面に入射させて凹凸構造の切断線の像を結像させるための、６枚の平面ミラーＭ１～Ｍ６が配置されている。ＣＣＤカメラの受光面の大きさは縦11mm×横11mmであり、この領域に縦2048個×横2048個で画素が２次元配列されている。
　平面ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３はそれぞれ、分割領域１４a、１４b、１４cからの光を反射するように配置された矩形の平面ミラーであり、これらが第１反射手段を構成する。そして、平面ミラーＭ４、Ｍ５、Ｍ６はそれぞれ、ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３からの光を反射し、レンズ１６を通してＣＣＤカメラの受光面に入射させる矩形の平面ミラーであり、これらが第２反射手段を構成する。
　本実施例では、Ｍ１とＭ４、Ｍ２とＭ５、Ｍ３とＭ６によりそれぞれ変換光路が構成され、これら３つの変換光路によって、レーザ光の照射位置の画像が３つに分割され、並び替えられてＣＣＤカメラの受光面に配置される。レンズ１６は切断線の像を0.37倍に縮小するレンズであり、該レンズ１６により縮小された像をＣＣＤカメラで撮影する。
２．第１反射手段
　まず、第１反射手段を構成する３枚の平面ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３について説明する。平面ミラーＭ１及びＭ３は、それぞれ分割領域１４a、１４cの垂直上方であって、互いに異なる高さＨ１、Ｈ３の位置に配置されている。一方、平面ミラーＭ２は、分割領域１４bから平面ミラーＭ２に向かう光の光軸と、分割領域１４bの法線（図７にＹで示す直線）がなす角度がαとなる位置であって、高さＨ２の位置（従って、分割領域１４bから平面ミラーＭ２までの距離Ｈ２’＝Ｈ２／cosα）に配置されている。ここで、３枚の平面ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３がそれぞれ位置する高さはＨ１＜Ｈ２＜Ｈ３の関係にある。また、平面ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３はいずれも、それぞれが対応する分割領域１４a、１４b、１４cの、切断線が延びる方向の長さKよりも長く延設された反射面を有している。この反射面の大きさについては後述する。
　以下、本実施例の説明において、以下のパラメータを用いる。
　切断線が延びる方向における分割領域１４a、１４b、１４cの長さ：K
　平面ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３の幅（長手方向）：w1, w2, w3
　平面ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３の幅（短手方向）：d1, d2, d3
　平面ミラーＭ２に向かう光の光軸の傾き角度：α
　スリット光１３の照射角度：β
　平面ミラーＭ１、Ｍ３の傾き角度：γ
　平面ミラーＭ２の傾き角度：γ’
　平面ミラーＭ１、Ｍ３から平面ミラーＭ４、Ｍ６までの距離：Ｌ
　平面ミラーＭ２から平面ミラーＭ５までの距離：Ｌ’
　まず、平面ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３の反射面の長手方向の幅w1, w2, w3について、図８を参照して説明する。図８はワーク１１の移動方向から平面ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３を見た図である。平面ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３の反射面の長手方向の幅w1, w2, w3は、切断線が延びる方向における各分割領域の両端位置から所定の広がりを有する光を受けて反射可能となるように設定される。所定の広がりとは、物体側開口数（物体側NA）によって決まる角度であり、本実施例では、F(F値)=8、及びM(倍率)=0.37倍から、次式(1)によって、物体側NA=0.023と計算される。
　NA＝1／2F×M　…(1)
　この物体側NAの値と、各分割領域の長さK(本実施例では30mm)、及び上述したワーク１１の表面から平面ミラーＭ１１、Ｍ１２、Ｍ１３までの距離Ｈ１、Ｈ２’、Ｈ３から、平面ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３の、切断線が延びる方向の長さ（長手方向の幅）はそれぞれ、以下のように決まる。
　平面ミラーＭ１の幅：w1＝K＋2×NA×H1　…(2)
　平面ミラーＭ２の幅：w2＝K＋2×NA×H2'　…(3)
　平面ミラーＭ３の幅：w3＝K＋2×NA×H3　…(4)
　本実施例では、上記のように定められた幅を有する平面ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３を使用しているため、切断線が延びる方向における各分割領域の両端位置について、物体側NAに応じた広がりの光を反射して第２反射手段を構成する平面ミラーＭ４、Ｍ５、Ｍ６に導くことができる。
　本実施例では、分割領域１４a、１４cから垂直上方に向かう光を反射する平面ミラーＭ１、Ｍ３の傾き角度γを45度とし、平面ミラーＭ２の傾き角度γ’を、γ（45度）－1/2×αとしている。こうして、分割領域１４a、１４b、１４cからの光を、平面ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３によって、ワーク１１の移動方向と逆の方向に反射する。
　切断線が延びる方向から平面ミラーＭ１、Ｍ２を見た図である図７に示すように、スリット光の入射角度β、ワーク１１の表面の凹凸構造の寸法Δh、平面ミラーＭ１の傾きγ、及び上述の物体側NAに対応する角度θから、平面ミラーＭ１、Ｍ３の短手方向の幅d1、d3は次式(5), (6)の条件を満たすように設定される。
　d1＞（Δh×tanβ＋2×H1×tanθ）／sinγ　…(5)
　d3＞（Δh×tanβ＋2×H3×tanθ）／sinγ　…(6)
　平面ミラーＭ２を分割領域１４bの垂直上方に配置すると、該平面ミラーＭ２に向かう光の一部が平面ミラーＭ１により妨害されてしまう。また、分割領域１４cから平面ミラーＭ３に向かう光の一部が、平面ミラーＭ２により妨害されてしまう。これを回避するために、平面ミラーＭ２に向かう光軸の傾き角の大きさαを、次式(7)の条件を満たすように設定する。
　α＞arctan{(Δh×tanβ＋H1×tanθ)／(H1－1/2×d1×cosγ)}＋θ　…(7)
　平面ミラーＭ２の傾き角度αを設定すると、次式(8)から平面ミラーＭ２の短手方向の幅d2が満たすべき条件が決まる。
　d2＞Δh／cosβ×sin(β－α)＋ε　…(8)
　なお、上式のεは、式(2)における2×H1×tanθ／sinγに相当する項であり、物体側NAやH2'に応じて決まる値である。
３．第２反射手段
　次に、第２反射手段を構成する平面ミラーＭ４、Ｍ５、Ｍ６について説明する。ここでは、平面ミラーＭ１～Ｍ６を切断線が延びる方向から見た図である図９、及びスリット光照射領域１４からレンズ１６を通ってＣＣＤカメラの受光面１５に至る光路を模式的に示した図１０を参照する。
　平面ミラーＭ４、Ｍ５、Ｍ６は、それぞれ平面ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３からの光を反射してレンズ１６に入射させるミラーである。平面ミラーＭ４、Ｍ５、Ｍ６の高さはそれぞれＨ１、Ｈ２、Ｈ３の高さであり、平面ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３から平面ミラーＭ４、Ｍ５、Ｍ６までの距離はそれぞれＬ、Ｌ’（＝Ｌ＋Ｈ２×tanα）、Ｌである。
　また、平面ミラーＭ４、Ｍ５、Ｍ６は、それらの反射面がワーク１１の表面に対して垂直であって互いに平行な方向を向くように配置されており、図６に示すように、平面ミラーＭ４、Ｍ５、Ｍ６からレンズ１６までの距離は、それぞれＤ１、Ｄ２、Ｄ３である。
　図１０から分かるように、切断線の像の解像度を確保するためには、平面ミラーＭ４、Ｍ５、Ｍ６においても、前述の物体側NAに対応する広がりを有する光を反射してレンズ１６に入射させる必要がある。従って、これら平面ミラーＭ４、Ｍ５、Ｍ６の長手方向の幅w4, w5, w6をそれぞれ、以下のように設定する。
　平面ミラーＭ４の幅：w4＝K＋2×NA×(H1＋L)　…(9)
　平面ミラーＭ５の幅：w5＝K＋2×NA×(H2'＋L＋H2×tanα)　…(10)
　平面ミラーＭ６の幅：w6＝K＋2×NA×(H3＋L)　…(11)
４．光路調整手段
　分割領域１４a、１４b、１４cのそれぞれからレンズ１６に至る光路長Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は以下の式(12)～(14)のとおり計算される。
　Ｐ１＝Ｈ１＋Ｌ＋Ｄ１　…(12)
　Ｐ２＝Ｈ２’＋（Ｌ＋Ｈ２×tanα）＋Ｄ２　…(13)
　Ｐ３＝Ｈ３＋Ｌ＋Ｄ３　…(14)
　上式(12)～(14)により計算される光路長に差があると、焦点位置が領域毎に異なるためレンズ１６で１つの撮像素子上にフォーカスを合わせて撮像することができなくなってしまう。従って、光路長Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を同一の長さに設定する必要がある。しかし、Ｈ１、Ｈ２（Ｈ２’）、及びＨ３は切断線の像を結像させる位置に基づいて設定されるパラメータ、Ｄ１、Ｄ２、及びＤ３はＨ１、Ｈ２、Ｈ３とレンズ１６の配置に応じて決まるパラメータ、αは上述した式(7)の条件から決められるパラメータであるため、これらのパラメータを変更することはできない。そこで、分割領域１４a、１４b、１４cからレンズ１６に至る光路上に光路調整手段を配置することによって、Ｐ１、Ｐ２、及びＰ３が同一になるように調整する。なお、光路長を同一にする、とは、実質的な光路長を同一にすることを意味するのであって、必ずしも光路の物理的な長さを同一にすることを意味するわけではない。
　そこで、図６に示した表面形状測定装置の構成の平面ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３をそれぞれ、２枚の平面ミラーＭa、Ｍbで構成される光路調整手段２０とそれぞれ入れ替える。図１１(b)に示すように平面ミラーＭ１a、Ｍ１bを配置すると、長さΔＬ１の迂回路２１が形成される。迂回路の長さΔＬ１は、平面ミラーＭ１a、Ｍ１bの配置を変更することにより適宜に変更することができる。従って、平面ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３の位置にそれぞれ光路調整手段２０を配置し、平面ミラーの位置を調整することで、上記Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を以下のように調整することができる。
　Ｐ１＋ΔＬ１＝Ｐ２＋ΔＬ２＝Ｐ３＋ΔＬ３　…(15)
　ここでは、平面ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３の位置にそれぞれ光路調整手段２０を配置する例で説明したが、平面ミラーＭ４、Ｍ５、Ｍ６に代えて光路調整手段２０を配置してもよい。あるいは、光路上で第１反射手段や第２反射手段と異なる位置に３枚もしくは４枚以上の平面ミラーからなる光路調整手段を配置し、それらによって迂回路を形成してもよい。図１２に、３枚及び４枚の平面ミラーで構成した光路調整手段の一例を示す。図中の破線は光路調整手段を配置しない場合の光路（元の光路）である。なお、図１１(b)のように光路調整手段２０を配置した場合には、該手段からの光の進行方向に基づき、その仮想反射面をＭ１’と規定することができる。
　本実施例の表面形状測定装置では、光路調整手段２０を用いることにより、切断線の像を結像させる位置も調整する。具体的には、分割領域１４a、１４b、１４cに対応する３つの切断線の像の結像間隔を詰めて、ＣＣＤカメラの撮像領域内に収める調整を行う。
　図１１(a)に示すように、分割領域１４aから高さＨ１の位置に配置された平面ミラーＭ１を経由して平面ミラーＭ４に至る光路の長さは、Ｈ１＋Ｌである。一方、図１１(b)に示すように、分割領域１４aから、高さＨ１－ΔＬ１の位置に配置されてΔＬ１の長さの迂回路を形成する光路調整手段２０（平面ミラーＭ１a、Ｍ１b）を経由して平面ミラーＭ４に至る光路の長さも、同じくＨ１＋Ｌである。このように、光路調整手段２０を用いると、光路長を変化させることなく切断線の像の結像位置を低く変更することができる。
　そこで、本実施例の表面形状測定装置では、式(15)を満たすように光路調整手段２０を設計した上で、分割領域１４b、１４cにおける切断線の像の結像位置をそれぞれΔＬ２１、ΔＬ３１ずつ低く変更するように光路調整手段２０の高さと迂回路の長さを調整している。これにより、図１３に示すように３つの像の離間距離を縮め、ＣＣＤカメラの受光領域（11mm×11mm）内に分割領域１４a、１４b、１４cにおける切断線の像を結像させている。なお、図１３(a)はスリット光照射領域１４における切断線の配置、図１３(b)は第１反射手段及び第２反射手段で反射され変化した３つの像の位置関係を示す図、図１３(c)は光路調整手段２０を用いることにより３つの像の離間距離を縮めた状態を示す図、図１３(d)はレンズ１６により縮小されＣＣＤカメラにより撮影される像を示す図、である。
　光路長の調整を行うための光路調整手段として、２枚の平面ミラーにより迂回路を形成する光路調整手段に代えて、屈折率部材を用いることもできる。図１４(a)に示す屈折率部材なしの光路と、図１４(b)の屈折率部材ありの光路の比較から分かるように、光路上に屈折率n、厚さdの屈折率部材を配置すると、実質的な光路長を変えることなく、物理的な光路長を(1-1/n)dだけ長くすることができる。従って、屈折率や厚さが異なる屈折率部材を光路上に配置することによって、上式(15)を満たすように構成することもできる。また、屈折率部材としてプリズムを用い、平面ミラーＭ１～Ｍ６の位置に配置することもできる。この場合には、プリズム内部で迂回路を形成し、かつ、プリズムの部材の屈折率dによる光路調整を行うことができる。
５．切断線の像の補正
　上述のとおり、本実施例では、平面ミラーＭ２に向かう光の光軸が分割領域１４bの法線から角度α傾くような位置に平面ミラーＭ２を配置している。そのため、平面ミラーＭ２を通って結像した切断線の像では、ワーク１１表面の凹凸構造の高さ方向の寸法が、他の２つの平面ミラー（Ｍ１、Ｍ３）を経由して結ばれる像における寸法と傾けた角度の寄与分だけ異なる。この点について、図１５及び図１６を参照して説明する。
　図１５(a)に、光軸を傾けずに配置した平面ミラーＭ１、Ｍ３を通る光路により結ばれる凹凸構造の切断線の像において、高さΔhに対応する長さgを示す。また、図１５(b)に、光軸を傾けた平面ミラーＭ２を通る光路により結ばれる凹凸構造の切断線の像において高さΔhに対応する長さg'を示す。上記の長さg、g'はそれぞれ次式(16), (17)により計算される。
　g=Δh×tanβ　…(16)
　g'=Δh／cosβ×sin（β－α）　…(17)
　このように、同一の角度でスリット光１３を照射してＣＣＤカメラにより撮影した３つの切断線の像のうち、分割領域１４bにおける切断線の像については、高さ方向を補正して凹凸構造の寸法を計算する必要がある。α＝10度の場合について、スリット光１３の照射角度に対する係数g/Δh、g'/Δhの変化を図１６に示す。このグラフから、分割領域１４bにおける切断線の像の補正係数を求めることができる。例えば、β＝60度の場合には、g/g'=1.732/1.532=1.131と計算できる。
　上記のように切断線の像を補正する代わりに、分割領域１４bに対してのみ角度β’でスリット光を照射するように光照射手段を構成してもよい。例えば、各分割領域にそれぞれ対応する光照射手段を配置して、分割領域１４a、１４cには角度βで、分割領域１４bには角度β’でスリット光を照射すればよい。あるいは、レーザ光をスキャンしてスリット光１３を生成する際に、分割領域１４bに入射する光の角度を変化させる角度変化手段を配置してもよい。図１６のグラフ（α＝10度の場合）から、スリット光照射角度を調整する場合には、例えば、β＝60度、β’＝62.7度に設定すれば、光軸を傾けた分割領域１４bの補正係数を変更する必要がなくなる。
　上記実施例は一例であって、本願発明の趣旨に沿って適宜に変更することができる。
　上記実施例では、スリット光照射領域を３つに等分割し、それぞれにおける切断線の像をＣＣＤカメラの受光面上に結像させる構成としたが、スリット光照射領域の分割数（変換光路の数）や長さは受光面の形状等を考慮して適宜に決めることができる。
　上記実施例では、ワークの垂直上方に第１反射手段を構成するミラーを設けて光軸を90°回転し、第２反射手段を構成するミラーでさらに90°回転することによって、１つの撮像素子の受光面上に複数の切断像を並べて撮像する方式を説明したが、必ずしもこの例に限定されない。即ち、１つの撮像素子上に複数の切断像を並べて撮像することができればよく、ワークから第１反射手段を構成するミラーまでの光路を垂直上方から傾け、また各ミラーにより光軸を回転させる角度を90°から変更してもよい。
　また、上記実施例では、ワーク表面に対して斜め上方からスリット光を照射し、該表面からの光を垂直上方から受けるように構成したが、この位置関係は逆であっても良い。即ち、スリット光を垂直上方から照射して、斜めから受光するように構成することができる。さらに、寸法が大きい凹凸構造を測定する場合には、像の焦点をずれにくくするための光学系を構成する、即ちシャインプルーフの原理に基づく光学系を構成することができる。
１１、１０１、２１１…ワーク（基板）
１２、２１２…載置台
１２a…移動機構
１３、１２２、２１３…スリット光
１４、２１４…スリット光照射領域
１４a、１４b、１４c…分割領域
１５、２１５…受光面
１６…レンズ
２０…光路調整手段
２１…迂回路
１０４…凹凸構造
１１３a～１１３d…ＣＣＤカメラ
１２１…レーザ光源
１２５Ａ、１２５Ｂ…ハーフミラー
１２６Ａ、１２６Ｂ…ミラー

Claims (5)

  1. 　測定対象物に対してライン状の領域にレーザ光を照射し、該レーザ光の照射位置の画像を該レーザ光の照射方向と異なる方向から撮影することにより、前記測定対象物の表面形状を測定する表面形状測定装置であって、
    　a）２つ以上のミラーで規定される同一平面上に位置しない３つ以上の光路でそれぞれが構成される、複数の変換光路を使って、前記レーザ光の照射位置の画像を前記領域の長手方向に複数に分割し、分割後の複数の画像が同一平面上で前記長手方向と異なる方向に並んで位置するように並び替えて配置する変換光学系と、
    　b）前記変換光学系によって並び替えて配置された複数の画像をまとめて撮像する、結像レンズを有する撮像部と、
    を備え、
    　前記変換光路のそれぞれにおいて前記レーザ光の照射位置からの光路長が最も短い位置に配置されたミラーが、前記領域の長手方向に対応する方向に、前記分割後の画像の長さよりも長く延設されているとともに、
    　各変換光路の光路上に、当該変換光路とは別の変換光路を構成するミラーが位置しないように、前記複数のミラーが配置されている
    　ことを特徴とする表面形状測定装置。
  2. 　前記変換光路に含まれる複数のミラーのそれぞれが、前記結像レンズの開口数、及び前記レーザ光の照射位置から当該ミラーまでの光路長に応じた長さで、前記画像の前記長手方向に対応する方向に延設されていることを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定装置。
  3. 　c) 前記複数の変換光路のうちの少なくとも１つの変換光路上に配置され、該変換光路の長さを調整する光路調整部、
    　を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の表面形状測定装置。
  4. 　前記光路調整部が、空気とは異なる屈折率を有する所定厚さの部材であることを特徴とする請求項３に記載の表面形状測定装置。
  5. 　前記変換光学系により配置された複数の画像において、前記測定対象物の表面形状の高さが同じ割合で拡大あるいは縮小されるように、前記１方向において分割された複数のレーザ光の照射位置のそれぞれに対するレーザ光の入射方向が決められていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の表面形状測定装置。
    　
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015096837A (ja) * 2013-11-15 2015-05-21 株式会社島津製作所 表面形状計測装置

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113340228B (zh) * 2021-05-26 2024-05-07 深圳市二郎神视觉科技有限公司 一种手持式轮胎花纹深度测量装置及测量方法
CN114910013B (zh) * 2022-04-07 2024-06-18 上海盛相工业检测科技有限公司 一种基于相位偏折法的三维检测方法及系统

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05340725A (ja) * 1992-06-11 1993-12-21 Fujitsu Ltd 外観検査装置
JP2007240197A (ja) * 2006-03-06 2007-09-20 Hiroshima Industrial Promotion Organization 三次元形状計測システム
JP2012154709A (ja) * 2011-01-25 2012-08-16 Kobe Steel Ltd 三次元形状計測装置
JP2013068541A (ja) * 2011-09-22 2013-04-18 Nikon Corp 撮像装置、位置計測装置及び撮像方法、位置計測方法、並びに構造物の製造方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2685764B1 (fr) * 1991-12-30 1995-03-17 Kreon Ind Capteur optique compact et a haute resolution pour l'analyse de formes tridimensionnelles.
JPH1137734A (ja) * 1997-07-23 1999-02-12 Mitsubishi Heavy Ind Ltd プラズマディスプレイ基板の形状精度検査装置
JP3887809B2 (ja) * 1998-03-26 2007-02-28 アイシン精機株式会社 撮像装置
JP3819662B2 (ja) * 1999-12-24 2006-09-13 三洋電機株式会社 三次元モデリング装置、方法及び媒体並びに三次形状データ記録装置、方法及び媒体
TW488145B (en) * 2000-11-06 2002-05-21 Ind Tech Res Inst Three-dimensional profile scanning system
JP2012127675A (ja) * 2010-12-13 2012-07-05 Asahi Glass Co Ltd 表面形状の評価方法および評価装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05340725A (ja) * 1992-06-11 1993-12-21 Fujitsu Ltd 外観検査装置
JP2007240197A (ja) * 2006-03-06 2007-09-20 Hiroshima Industrial Promotion Organization 三次元形状計測システム
JP2012154709A (ja) * 2011-01-25 2012-08-16 Kobe Steel Ltd 三次元形状計測装置
JP2013068541A (ja) * 2011-09-22 2013-04-18 Nikon Corp 撮像装置、位置計測装置及び撮像方法、位置計測方法、並びに構造物の製造方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015096837A (ja) * 2013-11-15 2015-05-21 株式会社島津製作所 表面形状計測装置

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