JP2013104814A - Shape measurement apparatus, structure manufacturing system and structure manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、形状測定装置、構造物製造システム、構造物製造方法に関する。 The present invention relates to a shape measuring device, a structure manufacturing system, and a structure manufacturing method.
光切断法等を利用した形状測定技術は、工業製品等の被検物の形状を測定すること等に活用されている（例えば、特許文献１参照）。形状測定装置は、例えば、照明光が照射されている被検物の表面を撮像素子によって撮像し、その結果に基づいて被検物の形状を測定する。形状測定装置において、照明光が照射されている被検物を観察する方向は、被検物に対する照明光の照射方向に対して、峡角をなすように設定される場合がある。このような場合に、形状測定装置の光学系は、所謂アオリの光学系になる。アオリの光学系及び撮像素子を備える光プローブは、被検物の狭い空間に配置することが容易であり、例えば、自動車のエンジンシリンダーブロック等のように奥まった形状（孔、凹部）を含む被検物に対して測定を行う場合に有利である。特許文献１の形状測定装置は、結像光束を三角プリズムによって偏向することによって、アオリの光学系を実現している。
A shape measurement technique using a light cutting method or the like is used to measure the shape of a test object such as an industrial product (for example, see Patent Document 1). For example, the shape measuring apparatus captures an image of the surface of a test object irradiated with illumination light with an imaging device, and measures the shape of the test object based on the result. In the shape measuring apparatus, the direction of observing the test object irradiated with illumination light may be set to form a gorge angle with respect to the irradiation direction of the illumination light with respect to the test object. In such a case, the optical system of the shape measuring apparatus is a so-called tilted optical system. An optical probe equipped with a tilting optical system and an image sensor can be easily placed in a narrow space of an object to be tested, and includes an object that includes a recessed shape (hole, recess) such as an engine cylinder block of an automobile. This is advantageous when measuring a specimen. The shape measuring apparatus of
上述のような形状測定技術は、例えば結像光束の軸非対称な収差が発生することによって、測定精度が低下することがありえる。本発明は、上記の事情に鑑み成されたものであって、形状測定技術の測定精度を向上することを目的の１つとする。 In the shape measuring technique as described above, for example, an axially asymmetric aberration of the imaging light beam may occur, so that the measurement accuracy may be lowered. The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to improve the measurement accuracy of the shape measurement technique.
本発明の第１の態様に従えば、光源からの光に照らされている被検物を撮像する撮像素子と、撮像素子の受光面と共役な共役面を受光面と非平行になるように形成する結像光学系と、撮像素子による撮像の結果から光に照らされている部分の像の位置を検出することにより、被検物の形状に関する情報を取得する形状情報取得部と、を備え、結像光学系は、像を形成する光束が通る範囲において、受光面を含む面と共役面を含む面との交線に直交する直交面上の像面の略中心と物体面の略中心とを直線で結んだときの軸に関して断面形状が非対称であり、かつ交線から最も遠い部分と、交線から最も近い部分とについて、遠い部分から近い部分に向うにつれて直交面上の断面形状の寸法が縮小又は拡大するレンズ要素を含むレンズ群を有する形状測定装置が提供される。 According to the first aspect of the present invention, the imaging element that images the test object illuminated by the light from the light source and the conjugate plane conjugate with the light receiving surface of the imaging element are not parallel to the light receiving surface. An imaging optical system to be formed, and a shape information acquisition unit that acquires information about the shape of the test object by detecting the position of the image of the portion illuminated by light from the result of imaging by the imaging device The imaging optical system has a substantially center of the image plane and a substantially center of the object plane on the orthogonal plane orthogonal to the line of intersection between the plane including the light receiving surface and the plane including the conjugate plane in the range through which the light beam forming the image passes. The cross-sectional shape is asymmetric with respect to the axis when the two are connected with a straight line, and the portion farthest from the intersection line and the portion closest to the intersection line have a cross-sectional shape on the orthogonal plane as they move from the far portion to the closer portion. Having a lens group including lens elements whose size is reduced or enlarged Jo measuring device is provided.
本発明の第２の態様に従えば、構造物の形状に関する設計情報に基づいて構造物を成形する成形装置と、成形装置によって成形された構造物の形状を測定する第１の態様の形状測定装置と、形状測定装置によって測定された構造物の形状を示す形状情報と設計情報とを比較する制御装置と、を備える構造物製造システムが提供される。 According to the second aspect of the present invention, a molding apparatus that molds a structure based on design information related to the shape of the structure, and a shape measurement of the first aspect that measures the shape of the structure molded by the molding apparatus. There is provided a structure manufacturing system including an apparatus and a control device that compares design information with shape information indicating the shape of the structure measured by the shape measuring device.
本発明の第３の態様に従えば、構造物の形状に関する設計情報に基づいて、構造物を成形することと、成形された構造物の形状を第１の態様の形状測定装置によって測定することと、形状測定装置によって測定された構造物の形状を示す形状情報と設計情報とを比較することと、を含む構造物製造方法が提供される。 According to the third aspect of the present invention, the structure is molded based on the design information related to the shape of the structure, and the shape of the molded structure is measured by the shape measuring apparatus according to the first aspect. And a method of manufacturing the structure including comparing the shape information indicating the shape of the structure measured by the shape measuring apparatus with the design information.
本発明は、形状測定技術の測定精度を向上することができる。 The present invention can improve the measurement accuracy of the shape measurement technique.
［第１実施形態］
第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態の形状測定装置１の概観を示す図である。図２は、第１実施形態の形状測定装置１の構成を示す図である。図３は、本実施形態の結像光学系２１の物体面Ｐ２、像面Ｐ３等の位置関係を示す図である。図４は、本実施形態の平均平面Ｐ７の定義を示す図である。
[First Embodiment]
A first embodiment will be described. FIG. 1 is a diagram showing an overview of a
図１に示す形状測定装置（形状測定システム）１は、ステージ装置２、光プローブ３、走査装置４、制御装置５、表示装置６、及び入力装置７を備える。本実施形態の形状測定装置１は、ＣＭＭ（Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ）、画像計測顕微鏡等のように、被検物Ｑの形状を測定することができる。本実施形態の形状測定装置１は、ステージ装置２上に配置された被検物Ｑの三次元形状を、光切断法によって測定することができる。
A shape measuring apparatus (shape measuring system) 1 shown in FIG. 1 includes a
ステージ装置２は、被検物Ｑがステージ装置２に対して移動しないように、被検物Ｑを保持する。本実施形態のステージ装置２は、形状測定装置１の設置エリアに対して、固定されている。なお、ステージ装置２は、被検物Ｑを保持して、光プローブ３に対して移動可能でもよい。また、ステージ装置２は、形状測定装置１の外部の装置であってもよい。例えば、被検物Ｑは、被検物Ｑ（構造物）の製造システムの製造ライン上を搬送され、形状測定装置１は、製造ライン上の被検物Ｑに対して測定を行ってもよい。また、形状測定装置１は、例えば地面、机等に載置された被検物Ｑに対して測定を行ってもよく、この場合にステージ装置２は省略されていてもよい。
The
光プローブ３は、光源装置８及び撮像装置９を備える。光源装置８は、制御装置５によって制御され、ステージ装置２に配置された被検物Ｑの表面の一部に光を照射する。撮像装置９は、制御装置５によって制御され、光によって照らされている被検物Ｑの表面を撮像する撮像処理を実行する。本実施形態において、光源装置８と撮像装置９は、同じ支持体１０に支持されている。光源装置８と撮像装置９は、それぞれ、支持体１０に交換可能に取り付けられている。
The
図２に示すように、本実施形態の光源装置８は、光源１１、光源駆動部１２、及び照明光学系１３を備える。光源装置８は、光源駆動部１２が光源１１を駆動して光源１１から発せられた光を、照明光学系１３を介して被検物Ｑに照射する。
As shown in FIG. 2, the
本実施形態の光源１１は、レーザーダイオードを含む。なお、光源１１は、レーザーダイオード以外の発光ダイオード（ＬＥＤ）等の固体光源を含んでいてもよい。光源駆動部１２は、制御装置５に制御され、光源１１が発光する上で必要な電力を光源１１へ供給する。
The
照明光学系１３は、光源１１から発せられた光の空間的な光強度分布を調整する。本実施形態の照明光学系１３は、シリンドリカルレンズを含む。照明光学系１３は、１つの光学素子であってもよいし、複数の光学素子を含んでいてもよい。光源１１から発せられた光は、シリンドリカルレンズが正のパワーを有する方向にスポットが広げられて、光源装置８から出射する。図１に示したように、光源装置８から出射する光（以下、ライン光Ｌという）は、光源装置８からの出射方向に対して直交する面におけるスポットの形状が長手方向を有する光になる。
The illumination
なお、照明光学系１３は、ＣＧＨ等の回折光学素子を含み、光源１１から発せられた光の空間的な光強度分布を回折光学素子によって調整してもよい。また、本実施形態において、空間的な光強度分布が調整された光をパターン光ということがある。ライン光Ｌは、パターン光の一例である。
The illumination
本実施形態の撮像装置９は、撮像素子２０、及び結像光学系２１を備える。光源装置８から被検物Ｑに照射された光は、被検物Ｑの表面で反射散乱して、その少なくとも一部が結像光学系２１へ入射する。撮像装置９は、光源装置８から被検物Ｑの表面を経由して結像光学系２１へ入射した光を撮像素子２０が検出する。本実施形態において、制御装置５は、撮像素子２０の撮像タイミング等を制御する。
The
撮像素子２０は、例えばＣＣＤイメージセンサー、ＣＭＯＳイメージセンサー等である。撮像素子２０は、例えば、受光面に二次元的に配列された複数の画素を含む。複数の画素のそれぞれは、フォトダイオード等の受光素子を含む。各フォトダイオードは、入射してきた光の光量に応じた電荷を発生する。撮像素子２０は、各画素に発生した電荷をＣＣＤ等によって読み出すことによって、受光面に入射した光の光量分布を検出することができる。
The
結像光学系２１は、図３に示すように、光源装置８からの光の伝播方向（出射方向）Ｄ１、及びスポットＳの長手方向Ｄ２を含む面Ｐ１上の物体面Ｐ２と共役な面（像面Ｐ３）を、撮像素子２０の受光面に形成する。このように、結像光学系２１は、光源装置８から被検物Ｑに照射された光が被検物Ｑ上で描くパターンの像を、撮像素子２０の受光面に形成する。なお、面Ｐ１は、ライン光Ｌの伝播方向Ｄ１にほぼ平行である。本実施形態において伝播方向Ｄ１は、光源装置８から出射されるビームの軸とほぼ同軸であり、スポットＳの長手方向Ｄ２に対してほぼ垂直である。
As shown in FIG. 3, the imaging
光源装置８から照射されて被検物Ｑ上の１点で反射散乱した光は、結像光学系２１を通ることによって、撮像素子２０の受光面上のほぼ１点に集光する。すなわち、撮像素子２０上に形成される像の各点は、結像光学系２１の物体面Ｐ２と被検物Ｑとが交差する線上の各点と１対１で対応することになる。このように、撮像装置９の撮像結果を示す情報は、被検物Ｑの表面における各点の位置を示す情報を含む。
Light emitted from the
図１に示す走査装置（走査部）４は、ステージ装置２と光プローブ３との相対位置を変化させることができる。すなわち、走査装置４は、ステージ装置２上の被検物Ｑと光プローブ３との相対位置を変化させることができる。本実施形態の走査装置４は、光プローブ３を交換可能に保持しており、形状測定装置１の設置エリアに固定されたステージ装置２に対して、光プローブ３を移動する。光プローブ３の光源装置８から出射した光は、走査装置４が光プローブ３を移動すると、被検物Ｑの表面を走査する。
The scanning device (scanning unit) 4 shown in FIG. 1 can change the relative position between the
本実施形態の走査装置４は、基台３０、複数のアーム部３１、複数の関節部（接続部）３２、複数の走査駆動部３３、及び移動量検出器３４を備える。
The
本実施形態の基台３０は、形状測定装置１の設置エリアに固定されており、ステージ装置２との相対位置が固定されている。複数のアーム部３１は、関節部３２を介して互いに接続されている。互いに接続された複数のアーム部３１は、一端側（基端部）が基台３０と接続され、他端側（先端部）が光プローブ３と接続されている。
The
走査駆動部３３は、アーム部３１の内部又は外部等に取り付けられている。走査駆動部３３は、例えば電動モータ等のアクチュエータを含む。走査駆動部３３は、関節部３２によって互いに接続されている１対のアーム部３１の相対位置を、変化させることができる。移動量検出器３４は、例えばエンコーダであり、走査駆動部３３によるアーム部３１の移動量を検出する。
The
本実施形態の走査装置４は、制御装置５によって制御される。制御装置５は、走査装置４の走査駆動部３３を制御することによって、光プローブ３の位置と姿勢の少なくとも一方を制御する。また、制御装置５は、走査装置４の移動量検出器３４から光プローブ３の位置情報を取得する。光プローブ３の位置情報は、光プローブ３の位置を示す情報と姿勢を示す情報の少なくとも一方を含む。なお、形状測定装置１は、光プローブ３の位置と姿勢の少なくとも一方を計測する計測器（例えばレーザー干渉計）を備えていてもよく、制御装置５は、この計測器から光プローブ３の位置情報を取得してもよい。
The
入力装置７は、例えばキーボード、マウス、ジョイスティック、トラックボール、タッチバッド等の各種入力デバイスによって構成される。入力装置７は、制御装置５への各種情報の入力を受けつける。各種情報は、例えば、形状測定装置１に測定を開始させる指令（コマンド）を示す指令情報、形状測定装置１による測定に関する設定情報、形状測定装置１の少なくとも一部をマニュアルで操作するための操作情報等を含む。
The
表示装置６は、例えば液晶表示装置、有機エレクトロルミネッセンス表示装置等によって構成される。表示装置６は、形状測定装置１の測定に関する測定情報を表示する。測定情報は、例えば、測定に関する設定を示す設定情報、測定の経過を示す経過情報、測定の結果を示す形状情報等を含む。本実施形態の表示装置６は、測定情報を示す画像データを制御装置５から供給され、この画像データに従って測定情報を示す画像を表示する。
The
本実施形態の制御装置５は、形状測定装置１の各部を以下のように制御する。制御装置５は、光源装置８の光源１１が光を発するタイミング、光源１１の出力（光量）等を制御する。制御装置５は、光源装置８から出射した光が被検物Ｑの表面を走査するように走査装置４を制御する。制御装置５は、被検物Ｑの表面のうち光源装置８からの光が照射されている部位が走査により時間変化している期間に、撮像装置９に複数フレームの画像を撮像させる。
The
また、本実施形態の制御装置５は、被検物の形状に関する情報を取得する形状情報取得部３５を備える。形状情報取得部３５は、撮像装置９による撮像結果（画像データ）を取得し、この撮像結果に基づいて被検物Ｑの形状に関する情報を取得する。本実施形態の制御装置５は、形状測定装置１の測定情報を示す画像データを表示装置６へ供給し、測定情報を示す画像を表示装置６に表示させる。例えば、制御装置５は、被検物Ｑの形状に関する測定結果（形状情報）を可視化して、測定結果を示す画像を表示装置６に表示させる。
Moreover, the
ところで、一般的な形状測定装置は、結像光学系の物体面と像面とが非平行である場合に、像面に垂直な軸に関して軸非対称な収差が発生することがある。このような収差が発生すると、撮像素子によって検出される明るさ分布のピーク位置は、軸非対称な収差の分だけシフトしてしまう。そのため、測定精度は、被検物の表面の位置が実際の位置からシフトして検出されることによって、低下してしまうことがありえる。 By the way, in a general shape measuring apparatus, when the object plane of the imaging optical system and the image plane are non-parallel, an axially asymmetric aberration may occur with respect to an axis perpendicular to the image plane. When such aberration occurs, the peak position of the brightness distribution detected by the image sensor shifts by the amount of axially asymmetric aberration. For this reason, the measurement accuracy may be lowered by detecting the position of the surface of the test object shifted from the actual position.
本実施形態の形状測定装置は、次に説明するような軸非対称なレンズ要素を含む結像光学系２１を備えることによって、軸非対称な収差の発生を抑制することができる。
The shape measuring apparatus according to the present embodiment includes the imaging
次に、本実施形態の結像光学系２１について、実施例を示して説明する。実施例の説明に先立ち、結像光学系２１のレンズ要素等の位置関係を説明するための各種の軸及び面について説明する。
Next, the imaging
図３に示すように、本実施形態において、物体面Ｐ２は、光源装置８からの光の伝播方向Ｄ１及びスポットＳの長手方向Ｄ２を含む面Ｐ１の一部である。すなわち、物体面Ｐ２は、伝播方向Ｄ１にほぼ平行である。結像光学系２１は、物体面Ｐ２と共役な像面Ｐ３を物体面Ｐ２に対して非平行になるように、形成する。
As shown in FIG. 3, in the present embodiment, the object plane P2 is a part of the plane P1 including the light propagation direction D1 from the
なお、本実施形態において、像面Ｐ３を含む面Ｐ４と面Ｐ１との交線のことを第１軸ＡＸ１という。また、第１軸ＡＸ１に直交する直交面Ｐ５上において伝播方向Ｄ１と所定の角度θをなす軸を第２軸ＡＸ２という。本実施形態において、図３等に示すＸＹＺ直交座標系を参照して、構成要素の位置関係等を説明することがある。このＸＹＺ直交座標系において、Ｘ軸方向は第１軸ＡＸ１に平行な方向、Ｙ軸方向は第２軸ＡＸ２に平行な方向、Ｚ軸方向はＸ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれに直交する方向である。 In the present embodiment, the line of intersection between the plane P4 including the image plane P3 and the plane P1 is referred to as a first axis AX1. An axis that forms a predetermined angle θ with the propagation direction D1 on the orthogonal plane P5 orthogonal to the first axis AX1 is referred to as a second axis AX2. In the present embodiment, the positional relationship of the components may be described with reference to the XYZ orthogonal coordinate system shown in FIG. In this XYZ orthogonal coordinate system, the X-axis direction is a direction parallel to the first axis AX1, the Y-axis direction is a direction parallel to the second axis AX2, and the Z-axis direction is a direction orthogonal to the X-axis direction and the Y-axis direction. It is.
また、本実施形態において、光学面等の各種面のうち曲面を含む面の向き等について、図４に示すような平均平面を定義して説明することがある。図４において、符号Ｐ６は、例えば自由曲面レンズの表面等のように曲面を含む面を示し、符号Ｒは、面Ｐ６のうち結像光学系２１によって像を形成する光（以下、結像光束という）が通る領域（以下、有効径Ｒという）を示す。本実施形態において、平均平面Ｐ７は、有効径Ｒにおける平均平面Ｐ７上の各点と面Ｐ６との距離ｄの二乗平均（ＲＭＳ）が最小となる平面である。
In this embodiment, the orientation of a surface including a curved surface among various surfaces such as an optical surface may be described by defining an average plane as shown in FIG. In FIG. 4, a symbol P6 indicates a surface including a curved surface such as a surface of a free-form surface lens, and a symbol R indicates light that forms an image by the imaging
図５は、実施例１の結像光学系の構成を示す二面図である。図６は、実施例１の結像光学系の諸元を示す表１である。図７は、実施例１の第３の光学面の形状パラメータを示す表２である。図８は、実施例１の第４の光学面の形状パラメータを示す表３である。図９は、実施例１の第５の光学面の形状パラメータを示す表４である。図１０は、実施例１の第９の光学面の形状パラメータを示す表５である。 FIG. 5 is a two-view diagram illustrating the configuration of the imaging optical system according to the first embodiment. FIG. 6 is a table 1 showing specifications of the imaging optical system of Example 1. FIG. 7 is Table 2 showing the shape parameters of the third optical surface of Example 1. FIG. 8 is Table 3 showing the shape parameters of the fourth optical surface of Example 1. FIG. 9 is Table 4 showing the shape parameters of the fifth optical surface of Example 1. FIG. 10 is Table 5 showing the shape parameters of the ninth optical surface of Example 1.
なお、本実施形態の各実施例において、結像光学系２１の各光学面を面番号と対応付けて、説明することがある。例えば、図６の表１における面番号は、図５に示す物体面Ｐ２を起点（０番）として、像面Ｐ３に近づくほど昇順する番号である。例えば、面番号１に対応する光学面は、物体面Ｐ２から１番目（物体面Ｐ２の次）に配置されている光学面である。以下の説明において、第１の光学面を符号Ａ１、第２の光学面を符号Ａ２というように、第ｎの光学面を符号Ａｎで示す。また、自由曲面の形状パラメータ（例えば、図７から図９参照）は、自由曲面の形状を多項式（Ｚ＝ｆ（Ｘ，Ｙ））で表した場合の各項の係数を示す。
In each example of this embodiment, each optical surface of the imaging
なお、結像光学系の諸元を示す表（例えば図６の表１）において、材質の項目に示される硝材１は、屈折率が１．５８８７、設計波長６５５ｎｍにおける屈折率が１．５８０１６、アッベ数が６１．１８である。また、硝材２は、屈折率が１．５１６８、設計波長６５５ｎｍにおける屈折率が１．５１４３６２、アッベ数が６４．２である。また、硝材３は、屈折率が１．７５３６９６、設計波長６５５ｎｍにおける屈折率が１．７６１８２、アッベ数が２６．５である。また、硝材４は、屈折率が１．６９３０３４、設計波長６５５ｎｍにおける屈折率が１．６９６８０、アッベ数が５５．５である。
In the table showing the specifications of the imaging optical system (for example, Table 1 in FIG. 6), the
図５に示すように、本実施例の結像光学系２１は、配列軸ＡＸ３に関して軸非対称な形状のレンズ要素を含む第１レンズ群５０と、配列軸ＡＸ３に関して軸対称な形状のレンズ要素を含む第２レンズ群５１とを有する。結像光学系２１の各レンズ要素は、配列軸ＡＸ３に沿って配列されている。本実施例において、像面Ｐ３（撮像素子２０の受光面）は、物体面Ｐ２上の各点から結像光学系２１の有効径Ｒの範囲内を通過して入射してくる結像光束の主光線に対して、ほぼ直交している。なお、配列軸は本結像光学系２１での像面の略中心と物体面の略中心とを直線で結んだときの線としている。なお、物体面から像面までの間に、途中反射部材などの光路偏向部材を有しているときには、光路偏向部材の数に応じて複数の線分で配列軸を表すことができる。
As shown in FIG. 5, the imaging
なお、本実施例の配列軸ＡＸ３は、図３に示した直交面Ｐ５上の軸であり、伝播方向Ｄ１と所定の角度をなしている。本実施例の配列軸ＡＸ３は、図３に示した第２軸ＡＸ２とほぼ同軸である。図６の表１に示すように、本実施例の第０の光学面Ａ０（物体面Ｐ２）は、その法線方向が配列軸ＡＸ３に対して約−６５°の角度をなしている。また、第１７の光学面Ａ１７（像面Ｐ３）は、その法線方向が配列軸ＡＸ３に対して約８．３１°の角度をなしている。このように、物体面Ｐ２と像面Ｐ３は、互いに非平行である。 Note that the array axis AX3 of the present embodiment is an axis on the orthogonal plane P5 shown in FIG. 3, and forms a predetermined angle with the propagation direction D1. The arrangement axis AX3 of the present embodiment is substantially coaxial with the second axis AX2 shown in FIG. As shown in Table 1 of FIG. 6, the normal direction of the 0th optical surface A0 (object surface P2) of the present embodiment forms an angle of about −65 ° with respect to the array axis AX3. The seventeenth optical surface A17 (image surface P3) has an angle of about 8.31 ° with respect to the arrangement axis AX3 in the normal direction. Thus, the object plane P2 and the image plane P3 are not parallel to each other.
本実施例において、第１レンズ群５０は、第１軸非対称レンズ５２、及び第２軸非対称レンズ５３を含む。本実施例において、第１軸非対称レンズ５２及び第２軸非対称レンズ５３は、いわゆる非球面レンズである。第１軸非対称レンズ５２及び第２軸非対称レンズ５３は、図４を参照して説明した有効径Ｒの範囲内において、配列軸ＡＸ３に関して軸非対称（回転非対称）な形状である。
In the present embodiment, the
本実施例の第１軸非対称レンズ５２は、結像光学系２１に属するレンズ要素のうちで最も像面Ｐ３の近くに配置されている。本実施例の第１軸非対称レンズ５２は、図３に示した第１軸ＡＸ１及び第２軸ＡＸ２に平行な面（ＸＹ面に平行な面）に関して、面非対称な形状である。また、実施例１の第１軸非対称レンズ５２は、有効径Ｒの範囲内において、直交面Ｐ５に関して面対称な形状である。第１軸非対称レンズ５２の形状は、有効径Ｒの範囲内において、図３に示した第１軸ＡＸ１から最も遠い部位を含む第１部分と、第１軸ＡＸ１から最も近い部位を含む第２部分とについて、第１部分から第２部分に向うにつれて直交面Ｐ５上の断面形状の寸法が縮小する形状である。
The first
第１軸非対称レンズ５２は、物体面Ｐ２側を向く第３の光学面Ａ３と、像面Ｐ３側を向く第４の光学面Ａ４とを有する。本実施例において、第３の光学面Ａ３は、有効径Ｒの範囲内において物体面Ｐ２に対して凹面である（図７参照）。また、本実施例において、第４の光学面Ａ４は、有効径Ｒの範囲内において像面Ｐ３に対して凸面である（図８参照）。
The first
なお、本実施形態の各実施例において、自由曲面等を含む光学面の位置や姿勢については、この光学面の平均平面を用いて示す場合がある。例えば、図６に示す表１において、第３から第５の光学面の曲率半径は、平均平面の値（無限；平面）を示している。また、第３から第５の光学面に関する間隔（レンズ厚）は、平均平面の位置に基づく値を示している。例えば、面番号３に関する間隔、レンズ厚は、第３の光学面の平均平面と第４の光学面の平均平面との間の間隔を示す。また、第３から第５の光学面に関して、基準面と軸対称レンズの回転軸の角度は、平均平面の法線方向が配列軸ＡＸ３となす角度を示している。
In each example of the present embodiment, the position and orientation of an optical surface including a free-form surface may be indicated using an average plane of the optical surface. For example, in Table 1 shown in FIG. 6, the radii of curvature of the third to fifth optical surfaces indicate values of the average plane (infinite; plane). The interval (lens thickness) regarding the third to fifth optical surfaces is a value based on the position of the average plane. For example, the distance and the lens thickness regarding the
図６の表１に示すように、本実施例において、第３の光学面Ａ３の平均平面（第１平面）は、配列軸ＡＸ３に対して約−１．３８°の角度をなしている。また、本実施例において、第４の光学面Ａ４の平均平面（第２平面）は、配列軸ＡＸ３に対して約２９．８５°の角度をなしている。すなわち、本実施例において、第３の光学面Ａ３の平均平面に対して第４の光学面Ａ４の平均平面がなす角度θ１は、約３１．２３°である。また、像面Ｐ３に対して配列軸ＡＸ３がなす角度θは、約−６５°であり、図３に示した伝播方向Ｄ１に対して配列軸ＡＸ３がなす角度θ（図３参照）は、約２５°である。この場合に、θ１／θの値は、約−１．２５となり、実施例１において、θ１及びθは、下記の式（１）を満たしている。
０．３９≦｜θ１／θ｜≦１．８・・・（１）
As shown in Table 1 of FIG. 6, in this example, the average plane (first plane) of the third optical surface A3 forms an angle of about −1.38 ° with respect to the arrangement axis AX3. In this embodiment, the average plane (second plane) of the fourth optical surface A4 forms an angle of about 29.85 ° with respect to the arrangement axis AX3. That is, in this embodiment, the angle θ1 formed by the average plane of the fourth optical surface A4 with respect to the average plane of the third optical surface A3 is about 31.23 °. The angle θ formed by the array axis AX3 with respect to the image plane P3 is about −65 °, and the angle θ (see FIG. 3) formed by the array axis AX3 with respect to the propagation direction D1 shown in FIG. 25 °. In this case, the value of θ1 / θ is about −1.25, and in Example 1, θ1 and θ satisfy the following formula (1).
0.39 ≦ | θ1 / θ | ≦ 1.8 (1)
本実施例の第２軸非対称レンズ５３は、結像光学系２１に属するレンズ要素のうちで第１軸非対称レンズ５２の次に像面Ｐ３の近くに配置されている。本実施例の第２軸非対称レンズ５３は、図３に示した第１軸ＡＸ１及び第２軸ＡＸ２に平行な面（ＸＹ面に平行な面）に関して、面非対称な形状である。また、実施例１の第２軸非対称レンズ５３は、有効径Ｒの範囲内において、直交面Ｐ５に関して面対称な形状である。第２軸非対称レンズ５３の形状は、有効径Ｒの範囲内において、図３に示した第１軸ＡＸ１から最も遠い部位を含む第３部分と、第１軸ＡＸ１から最も近い部位を含む第４部分とについて、第３部分から第４部分に向うにつれて直交面Ｐ５上の断面形状の寸法が拡大する形状である。
The second
第２軸非対称レンズ５３は、物体面Ｐ２側を向く第５の光学面Ａ５と、像面Ｐ３側を向く第６の光学面Ａ６とを有する。本実施例において、第５の光学面Ａ５は、有効径Ｒの範囲内において物体面Ｐ２に対して凸面である（図９参照）。また、本実施例において、第６の光学面Ａ６は、有効径Ｒの範囲内においてほぼ平面である。
The second
図６の表１に示すように、本実施例において、第５の光学面Ａ５の平均平面（第３平面）は、配列軸ＡＸ３に対して約２５．８８°の角度をなしている。また、本実施例において、第６の光学面Ａ６（第４平面）は、配列軸ＡＸ３に対して約−１４．８３°の角度をなしている。すなわち、本実施例において、第５の光学面Ａ５の平均平面に対して第６の光学面Ａ６がなす角度θ２は、約３１．２３°である。本実施例において、角度θが約２５°であるので、θ２／θの値は、約１．６３になり、実施例１において、θ２及びθは、下記の式（２）を満たしている。
０．９５≦｜θ２／θ｜≦２．８４・・・（２）
As shown in Table 1 of FIG. 6, in this example, the average plane (third plane) of the fifth optical surface A5 forms an angle of about 25.88 ° with respect to the arrangement axis AX3. In the present embodiment, the sixth optical surface A6 (fourth plane) forms an angle of about -14.83 ° with respect to the arrangement axis AX3. That is, in this embodiment, the angle θ2 formed by the sixth optical surface A6 with respect to the average plane of the fifth optical surface A5 is about 31.23 °. In the present embodiment, since the angle θ is about 25 °, the value of θ2 / θ is about 1.63. In the first embodiment, θ2 and θ satisfy the following formula (2).
0.95 ≦ | θ2 / θ | ≦ 2.84 (2)
以上のような本実施例の第１軸非対称レンズ５２及び第２軸非対称レンズ５３は、第１軸非対称レンズ５２及び第２軸非対称レンズ５３は、上述のようにＸＹ面に平行な面に関して面非対称であり、ＸＹ面に平行な面に対して非対称な収差を緩和するように、形状が定められている。
As described above, the first
本実施例において、第２レンズ群５１は、第１球面レンズ５４、非球面レンズ５５、第２球面レンズ５６、第３球面レンズ５７、第４球面レンズ５８、及び第５球面レンズ５９等のレンズ要素を含む。本実施例において、第２レンズ群５１の各レンズ要素の光軸（回転軸）は、配列軸ＡＸ３とほぼ同軸である。
In the present embodiment, the
第１球面レンズ５４は、物体面Ｐ２を向く第７の光学面Ａ７と、像面Ｐ３を向く第８の光学面Ａ８とを有する。本実施例において、第７の光学面Ａ７及び第８の光学面Ａ８は、有効径Ｒの範囲内において、ほぼ平面である。すなわち、第１球面レンズ５４は、配列軸ＡＸ３とほぼ直交する平板状である。
The first
非球面レンズ５５は、物体面Ｐ２を向く第９の光学面Ａ９と、像面Ｐ３を向く第１０の光学面Ａ１０とを有する。本実施例の第９の光学面Ａ９は、有効径Ｒの範囲内において、配列軸ＡＸ３に関して軸対称な非球面である（図１０の表５参照）。なお、図６の表１において、第９の光学面Ａ９の曲率半径は、有効径Ｒの範囲内における曲率半径の平均値を示している。本実施例の第１０の光学面Ａ１０は、有効径Ｒの範囲内において、球面である。このように、本実施例において、第２レンズ群５１のうち物体面Ｐ２の最も近くに配置されているレンズ要素は、ほぼ平板状の第１球面レンズ５４であり、第１球面レンズ５４の次に物体面Ｐ２の近くに配置されているレンズ要素は、非球面レンズ５５である。
The
第２球面レンズ５６は、物体面Ｐ２を向く第１０の光学面Ａ１０と、像面Ｐ３を向く第１１の光学面Ａ１１とを有する。第３球面レンズ５７は、物体面Ｐ２を向く第１１の光学面Ａ１１と、像面Ｐ３を向く第１２の光学面Ａ１２とを有する。第４球面レンズ５８は、物体面Ｐ２を向く第１３の光学面Ａ１３と、像面Ｐ３を向く第１４の光学面Ａ１４とを有する。第５球面レンズ５９は、物体面Ｐ２を向く第１５の光学面Ａ１５と、像面Ｐ３を向く第１６の光学面Ａ１６とを有する。本実施例の第１１の光学面Ａ１１から第１６の光学面Ａ１６までの各光学面は、有効径Ｒの範囲内において、配列軸ＡＸ３に関して軸対称な球面である。
The second
次に、結像光束の収差について説明する。図１１は、実施例１の結像光学系の収差を示すスポットダイアグラムである。なお、図１１のスポットダイアグラムに示すスケールの長さは、５０μｍである。実施例１において、スポット径の二乗平均（ＲＭＳ）は、視野のほぼ全域にわたって５μｍ以下、すなわち撮像素子の画素ピッチと同程度以下になっている。換言すると、本実施形態の形状測定装置１は、結像光学系２１における収差を減らすことによって、収差が撮像素子２０の検出結果に及ぼす影響を減らすことができるので、測定精度を向上させることができる。
Next, the aberration of the imaging light beam will be described. FIG. 11 is a spot diagram showing aberrations of the imaging optical system of Example 1. The scale length shown in the spot diagram of FIG. 11 is 50 μm. In Example 1, the root mean square (RMS) of the spot diameter is 5 μm or less over almost the entire field of view, that is, about the same as or less than the pixel pitch of the image sensor. In other words, the
ところで、一般的な形状測定装置は、シャインプルーフの条件を満たすように、アオリの光学系を含む場合がある。この場合に、結像光束の主光線は、撮像素子の受光面に対して非垂直な方向から入射してくることになる。ここで、撮像素子は、受光面へ入射してく光線の入射角が大きくなるほど、感度が低下する傾向がある。また、撮像素子は、受光面よりも入射側にカバーガラス等が設けられることがあり、結像光束の主光線の入射角が大きくなるほどカバーガラス等で発生する収差が大きくなる傾向がある。このように、形状測定装置は、結像光束の主光線が撮像素子に対して斜方から入射する構成である場合に、撮像素子の感度低下、結像光束における収差の発生等によって、測定精度が低下することがありえる。 By the way, a general shape measuring apparatus may include a tilting optical system so as to satisfy the Scheimpflug condition. In this case, the principal ray of the imaging light beam is incident from a direction perpendicular to the light receiving surface of the image sensor. Here, the sensitivity of the imaging element tends to decrease as the incident angle of the light beam enters the light receiving surface and increases. In addition, the imaging element may be provided with a cover glass or the like on the incident side of the light receiving surface, and the aberration generated in the cover glass or the like tends to increase as the incident angle of the principal ray of the imaging light beam increases. As described above, the shape measuring apparatus has a measurement accuracy due to a decrease in sensitivity of the image sensor, generation of aberration in the image beam, etc. when the principal ray of the image beam is incident obliquely on the image sensor. Can be reduced.
このような一般的な形状測定装置に対して、本実施形態の形状測定装置１は、撮像素子２０の受光面に対してほぼ垂直な方向から結像光束の主光線が入射するように、結像光学系２１が構成されている。すなわち、本実施形態において、第１軸非対称レンズ５２及び第２軸非対称レンズ５３は、第１軸ＡＸ１から最も遠い部位を含む第１部分から、第１軸ＡＸ１から最も近い部位を含む第２部分へ向うにつれて、直交面Ｐ５上の断面形状の寸法が縮小又は拡大する形状である。そのため、形状測定装置１は、撮像素子２０の受光面に対してほぼ垂直な方向から結像光束の主光線が入射するように、像面Ｐ３へ入射する結像光束の主光線を第１軸非対称レンズ５２及び第２軸非対称レンズ５３によって偏向することができる。結果として、形状測定装置１は、例えば、撮像素子２０に対する結像光束の入射角に応じた撮像素子２０の感度低下を抑制すること、結像光学系２１から撮像素子２０の受光面までの間の収差の発生等を抑制すること等ができ、測定精度を向上させることができる。
In contrast to such a general shape measuring apparatus, the
また、上述のような収差は、開口数（ＮＡ）が大きいほど、大きくなる。例えば、コマ収差は、開口数の三乗に比例して大きくなる。一般的な形状測定装置は、収差を閾値以下にするために開口数を小さくすると、撮像素子に形成される像の明るさが不足することがありえる。 In addition, the aberration as described above increases as the numerical aperture (NA) increases. For example, coma increases in proportion to the cube of the numerical aperture. In a general shape measuring apparatus, if the numerical aperture is reduced in order to make the aberration below the threshold value, the brightness of the image formed on the image sensor may be insufficient.
本実施形態の形状測定装置１は、収差を減らすことができるので、開口数を小さく設定する必要性が低くなる。結果として、本実施形態の形状測定装置は、撮像素子２０によって撮像される像を閾値以上の明るさにすることが容易になり、例えば信号雑音比（Ｓ／Ｎ比）が高くなることによって、測定精度を向上させることができる。
Since the
また、本実施形態において、結像光学系２１は、軸対称レンズによって構成された第２レンズ群５１を含んでいる。一般的に、軸対称レンズは、軸非対称レンズよりも設計に要するコストが少ないので、本実施形態の形状測定装置１は、結像光学系２１の設計に要するコストを下げることができる。また、一般的に、軸対称レンズは、軸非対称レンズよりも材料選択の自由度が高いので、本実施形態の形状測定装置１は、結像光学系２１の設計自由度が高くなる。
In the present embodiment, the imaging
次に、他の実施例について、説明する。以下の説明において、実施例１に対応する構成要素については、実施例１と同じ符号を付して、実施例１と共通する説明を簡略化又は省略する場合がある。 Next, another embodiment will be described. In the following description, components corresponding to the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those in the first embodiment, and descriptions common to the first embodiment may be simplified or omitted.
［実施例２］
図１２は、実施例２の結像光学系２１の構成を示す二面図である。図１３は、実施例２の結像光学系２１の諸元を示す表６である。図１４は、実施例２の第３の光学面Ａ３の形状パラメータを示す表７である。図８は、実施例２の第４の光学面Ａ４の形状パラメータを示す表８である。図９は、実施例２の第５の光学面Ａ５の形状パラメータを示す表９である。図１０は、実施例２の第９の光学面Ａ９の形状パラメータを示す表１０である。
[Example 2]
FIG. 12 is a two-view diagram illustrating the configuration of the imaging
図１２に示すように、本実施例の結像光学系２１は、第１レンズ群５０及び第２レンズ群５１を有する。本実施例において、像面Ｐ３（撮像素子２０の受光面）は、物体面Ｐ２上の各点から結像光学系２１の有効径Ｒの範囲内を通過して入射してくる結像光束の主光線に対して、ほぼ直交している。図１３の表６に示すように、本実施例の第０の光学面（物体面Ｐ２）は、その法線方向が配列軸ＡＸ３に対して約−６５°の角度をなしている。また、第１７の光学面Ａ１７（像面Ｐ３）は、その法線方向が配列軸ＡＸ３に対して約８．１４°の角度をなしている。このように、物体面Ｐ２と像面Ｐ３は、互いに非平行である。
As shown in FIG. 12, the imaging
図１３の表６に示すように、本実施例において、第１軸非対称レンズ５２の第３の光学面Ａ３の平均平面は、配列軸ＡＸ３に対して約２４．２９°の角度をなしている。また、第４の光学面Ａ４の平均平面は、配列軸ＡＸ３に対して約３４．１５°の角度をなしている。すなわち、本実施例において、第３の光学面Ａ３の平均平面に対して第４の光学面Ａ４の平均平面がなす角度θ１は、約９．８６°である。また、図３に示した伝播方向Ｄ１に対して配列軸ＡＸ３がなす角度θは、約２５°である。この場合に、θ１／θの値は、約−０．３９となり、実施例２において、θ１及びθは、下記の式（１）を満たしている。
０．３９≦｜θ１／θ｜≦１．８・・・（１）
As shown in Table 6 of FIG. 13, in the present example, the average plane of the third optical surface A3 of the first
0.39 ≦ | θ1 / θ | ≦ 1.8 (1)
また、本実施例において、第２軸非対称レンズ５３の第５の光学面Ａ５の平均平面は、配列軸ＡＸ３に対して約２３．０６°の角度をなしている。また、本実施例において、第６の光学面Ａ６は、配列軸ＡＸ３に対して約−１３．１１°の角度をなしている。すなわち、本実施例において、第５の光学面Ａ５の平均平面に対して第６の光学面Ａ６がなす角度θ２は、約３６．１７°である。また、本実施例において、角度θが約２５°であるので、θ２／θの値が約１．６３になり、θ２及びθは、下記の式（２）を満たしている。
０．９５≦｜θ２／θ｜≦２．８４・・・（２）
In the present embodiment, the average plane of the fifth optical surface A5 of the second
0.95 ≦ | θ2 / θ | ≦ 2.84 (2)
以上のような本実施例の第１軸非対称レンズ５２及び第２軸非対称レンズ５３は、第１軸非対称レンズ５２及び第２軸非対称レンズ５３は、ＸＹ面に平行な面に関して面非対称であり、ＸＹ面に平行な面に対して非対称な収差を緩和するように、形状が定められている。
The first
本実施例において、第２レンズ群５１は、第１球面レンズ５４、非球面レンズ５５、第２球面レンズ５６、第３球面レンズ５７、第４球面レンズ５８、及び第５球面レンズ５９等のレンズ要素を含む。本実施例において、第２レンズ群５１の各レンズ要素の光軸（回転軸）は、配列軸ＡＸ３とほぼ同軸である。
In the present embodiment, the
次に、結像光束の収差について説明する。図１８は、実施例２の結像光学系の収差を示すスポットダイアグラムである。実施例２において、スポット径の二乗平均（ＲＭＳ）は、視野のほぼ全域にわたって１０μｍ以下である。ここで、撮像素子の画素ピッチが５μｍであるとする。この場合に、物体面Ｐ２上の１点から結像光学系２１へ入射した光の受光面上でのスポットは、２列２行の４画素にほぼ収まることになる。このような場合に、本実施形態の形状測定装置１は、軸非対称な収差の発生が抑制されているので、例えば４画素の出力値の平均値を用いることによって、スポットの光強度分布において光強度がピークとなる位置を検出することができ、測定精度を向上させることができる。
Next, the aberration of the imaging light beam will be described. FIG. 18 is a spot diagram showing aberrations of the imaging optical system of Example 2. In Example 2, the root mean square (RMS) of the spot diameter is 10 μm or less over almost the entire field of view. Here, it is assumed that the pixel pitch of the image sensor is 5 μm. In this case, the spot on the light receiving surface of the light incident on the imaging
［実施例３］
図１９は、実施例３の結像光学系２１の構成を示す二面図である。図２０は、実施例３の結像光学系２１の諸元を示す表１１である。図２１は、実施例３の第３の光学面Ａ３の形状パラメータを示す表１２である。図２２は、実施例３の第４の光学面Ａ４の形状パラメータを示す表１３である。図２３は、実施例３の第５の光学面Ａ５の形状パラメータを示す表１４である。図２４は、実施例３の第９の光学面Ａ９の形状パラメータを示す表１５である。
[Example 3]
FIG. 19 is a two-view diagram illustrating the configuration of the imaging
図１９に示すように、本実施例の結像光学系２１は、第１レンズ群５０及び第２レンズ群５１を有する。本実施例において、像面Ｐ３は、物体面Ｐ２上の各点から結像光学系２１の有効径Ｒの範囲内を通過して入射してくる結像光束の主光線に対して、ほぼ直交している。図２０の表１１に示すように、本実施例の第０の光学面Ａ０（物体面Ｐ２）は、その法線方向が配列軸ＡＸ３に対して約−６５°の角度をなしている。また、第１７の光学面Ａ１７（像面Ｐ３）は、その法線方向が配列軸ＡＸ３に対して約４．２９°の角度をなしている。このように、物体面Ｐ２と像面Ｐ３は、互いに非平行である。
As shown in FIG. 19, the imaging
図２０の表１１に示すように、本実施例において、第１軸非対称レンズ５２の第３の光学面Ａ３の平均平面は、配列軸ＡＸ３に対して約−２２．００°の角度をなしている。また、第４の光学面Ａ４の平均平面は、配列軸ＡＸ３に対して約２３．００°の角度をなしている。すなわち、本実施例において、第３の光学面Ａ３の平均平面に対して第４の光学面Ａ４の平均平面がなす角度θ１は、約４５．００°である。また、図３に示した伝播方向Ｄ１に対して配列軸ＡＸ３がなす角度θは、約２５°である。この場合に、θ１／θの値は、約１．８となり、実施例３において、θ１及びθは、下記の式（１）を満たしている。
０．３９≦｜θ１／θ｜≦１．８・・・（１）
As shown in Table 11 of FIG. 20, in this example, the average plane of the third optical surface A3 of the first
0.39 ≦ | θ1 / θ | ≦ 1.8 (1)
また、本実施例において、第２軸非対称レンズ５３の第５の光学面Ａ５の平均平面は、配列軸ＡＸ３に対して約２６．５１°の角度をなしている。また、本実施例において、第６の光学面Ａ６は、配列軸ＡＸ３に対して約−２１．７８°の角度をなしている。すなわち、本実施例において、第５の光学面Ａ５の平均平面に対して第６の光学面Ａ６がなす角度θ２は、約４８．２９°である。また、本実施例において、角度θが約２５°であるので、θ２／θの値が約１．９３になり、θ２及びθは、下記の式（２）を満たしている。
０．９５≦｜θ２／θ｜≦２．８４・・・（２）
In the present embodiment, the average plane of the fifth optical surface A5 of the second
0.95 ≦ | θ2 / θ | ≦ 2.84 (2)
以上のような本実施例の第１軸非対称レンズ５２及び第２軸非対称レンズ５３は、第１軸非対称レンズ５２及び第２軸非対称レンズ５３は、ＸＹ面に平行な面に関して面非対称であり、ＸＹ面に平行な面に対して非対称な収差を緩和するように、形状が定められている。
The first
本実施例において、第２レンズ群５１は、第１球面レンズ５４、非球面レンズ５５、第２球面レンズ５６、第３球面レンズ５７、第４球面レンズ５８、及び第５球面レンズ５９等のレンズ要素を含む。本実施例において、第２レンズ群５１の各レンズ要素の光軸（回転軸）は、配列軸ＡＸ３とほぼ同軸である。
In the present embodiment, the
次に、結像光束の収差について説明する。図２５は、実施例３の結像光学系の収差を示すスポットダイアグラムである。実施例３において、スポット径の二乗平均（ＲＭＳ）は、視野のほぼ全域にわたって１０μｍ以下である。ここで、撮像素子の画素ピッチが５μｍであるとする。この場合に、物体面Ｐ２上の１点から結像光学系２１へ入射した光の受光面上でのスポットは、２列２行の４画素にほぼ収まることになる。このような場合に、本実施形態の形状測定装置１は、軸非対称な収差の発生が抑制されているので、測定精度を向上させることができる。
Next, the aberration of the imaging light beam will be described. FIG. 25 is a spot diagram showing aberrations of the imaging optical system of Example 3. In Example 3, the root mean square (RMS) of the spot diameter is 10 μm or less over almost the entire field of view. Here, it is assumed that the pixel pitch of the image sensor is 5 μm. In this case, the spot on the light receiving surface of the light incident on the imaging
［実施例４］
図２６は、実施例４の結像光学系２１の構成を示す二面図である。図２７は、実施例４の結像光学系２１の諸元を示す表１６である。図２８は、実施例４の第３の光学面Ａ３の形状パラメータを示す表１７である。図２９は、実施例４の第４の光学面Ａ４の形状パラメータを示す表１８である。図３０は、実施例４の第５の光学面Ａ５の形状パラメータを示す表１９である。図３１は、実施例４の第９の光学面Ａ９の形状パラメータを示す表２０である。
[Example 4]
FIG. 26 is a two-view diagram illustrating the configuration of the imaging
図２６に示すように、本実施例の結像光学系２１は、第１レンズ群５０及び第２レンズ群５１を有する。本実施例において、像面Ｐ３は、物体面Ｐ２上の各点から結像光学系２１の有効径Ｒの範囲内を通過して入射してくる結像光束の主光線に対して、ほぼ直交している。図２７の表１６に示すように、本実施例の第０の光学面Ａ０（物体面Ｐ２）は、その法線方向が配列軸ＡＸ３に対して約−６５°の角度をなしている。また、第１７の光学面Ａ１７（像面Ｐ３）は、その法線方向が配列軸ＡＸ３に対して約−０．７３°の角度をなしている。このように、物体面Ｐ２と像面Ｐ３は、互いに非平行である。
As shown in FIG. 26, the imaging
図２７の表１６に示すように、本実施例において、第１軸非対称レンズ５２の第３の光学面Ａ３の平均平面は、配列軸ＡＸ３に対して約６．５２°の角度をなしている。また、第４の光学面Ａ４の平均平面は、配列軸ＡＸ３に対して約３１．０５°の角度をなしている。すなわち、本実施例において、第３の光学面Ａ３の平均平面に対して第４の光学面Ａ４の平均平面がなす角度θ１は、約−２４．５３°である。また、図３に示した伝播方向Ｄ１に対して配列軸ＡＸ３がなす角度θは、約２５°である。この場合に、θ１／θの値は、約−０．９８となり、実施例４において、θ１及びθは、下記の式（１）を満たしている。
０．３９≦｜θ１／θ｜≦１．８・・・（１）
As shown in Table 16 of FIG. 27, in this example, the average plane of the third optical surface A3 of the first
0.39 ≦ | θ1 / θ | ≦ 1.8 (1)
また、本実施例において、第２軸非対称レンズ５３の第５の光学面Ａ５の平均平面は、配列軸ＡＸ３に対して約２９．９５°の角度をなしている。また、本実施例において、第６の光学面Ａ６は、配列軸ＡＸ３に対して約６．１２°の角度をなしている。すなわち、本実施例において、第５の光学面Ａ５の平均平面に対して第６の光学面Ａ６がなす角度θ２は、約２３．８３°である。また、本実施例において、角度θが約２５°であるので、θ２／θの値が約０．９５になり、θ２及びθは、下記の式（２）を満たしている。
０．９５≦｜θ２／θ｜≦２．８４・・・（２）
In the present embodiment, the average plane of the fifth optical surface A5 of the second
0.95 ≦ | θ2 / θ | ≦ 2.84 (2)
以上のような本実施例の第１軸非対称レンズ５２及び第２軸非対称レンズ５３は、第１軸非対称レンズ５２及び第２軸非対称レンズ５３は、ＸＹ面に平行な面に関して面非対称であり、ＸＹ面に平行な面に対して非対称な収差を緩和するように、形状が定められている。
The first
本実施例において、第２レンズ群５１は、第１球面レンズ５４、非球面レンズ５５、第２球面レンズ５６、第３球面レンズ５７、第４球面レンズ５８、及び第５球面レンズ５９等のレンズ要素を含む。本実施例において、第２レンズ群５１の各レンズ要素の光軸（回転軸）は、配列軸ＡＸ３とほぼ同軸である。
In the present embodiment, the
次に、結像光束の収差について説明する。図３２は、実施例４の結像光学系の収差を示すスポットダイアグラムである。実施例４において、スポット径の二乗平均（ＲＭＳ）は、視野のほぼ全域にわたって１０μｍ以下である。ここで、撮像素子の画素ピッチが５μｍであるとする。この場合に、物体面Ｐ２上の１点から結像光学系２１へ入射した光の受光面上でのスポットは、２列２行の４画素にほぼ収まることになる。このような場合に、本実施形態の形状測定装置１は、軸非対称な収差の発生が抑制されているので、測定精度を向上させることができる。
Next, the aberration of the imaging light beam will be described. FIG. 32 is a spot diagram showing aberrations of the imaging optical system of Example 4. In Example 4, the root mean square (RMS) of the spot diameter is 10 μm or less over almost the entire field of view. Here, it is assumed that the pixel pitch of the image sensor is 5 μm. In this case, the spot on the light receiving surface of the light incident on the imaging
［実施例５］
図３３は、実施例５の結像光学系２１の構成を示す二面図である。図３４は、実施例５の結像光学系２１の諸元を示す表２１である。図３５は、実施例５の第３の光学面Ａ３の形状パラメータを示す表２２である。図３６は、実施例５の第４の光学面Ａ４の形状パラメータを示す表２３である。図３７は、実施例５の第５の光学面Ａ５の形状パラメータを示す表２４である。図３８は、実施例５の第９の光学面Ａ９の形状パラメータを示す表２５である。
[Example 5]
FIG. 33 is a two-view diagram illustrating the configuration of the imaging
図３３に示すように、本実施例の結像光学系２１は、第１レンズ群５０及び第２レンズ群５１を有する。本実施例において、像面Ｐ３は、物体面Ｐ２上の各点から結像光学系２１の有効径Ｒの範囲内を通過して入射してくる結像光束の主光線に対して、ほぼ直交している。図３４の表２１に示すように、本実施例の第０の光学面Ａ０（物体面Ｐ２）は、その法線方向が配列軸ＡＸ３に対して約−６５°の角度をなしている。また、第１７の光学面Ａ１７（像面Ｐ３）は、その法線方向が配列軸ＡＸ３に対して約０．８１°の角度をなしている。このように、物体面Ｐ２と像面Ｐ３は、互いに非平行である。
As shown in FIG. 33, the imaging
図３４の表２１に示すように、本実施例において、第１軸非対称レンズ５２の第３の光学面Ａ３の平均平面は、配列軸ＡＸ３に対して約１．２０°の角度をなしている。また、第４の光学面Ａ４の平均平面は、配列軸ＡＸ３に対して約３５．１５°の角度をなしている。すなわち、本実施例において、第３の光学面Ａ３の平均平面に対して第４の光学面Ａ４の平均平面がなす角度θ１は、約−３３．９５°である。また、図３に示した伝播方向Ｄ１に対して配列軸ＡＸ３がなす角度θは、約２５°である。この場合に、θ１／θの値は、約−１．３６となり、実施例５において、θ１及びθは、下記の式（１）を満たしている。
０．３９≦｜θ１／θ｜≦１．８・・・（１）
As shown in Table 21 of FIG. 34, in this example, the average plane of the third optical surface A3 of the first
0.39 ≦ | θ1 / θ | ≦ 1.8 (1)
また、本実施例において、第２軸非対称レンズ５３の第５の光学面Ａ５の平均平面は、配列軸ＡＸ３に対して約３３．７５°の角度をなしている。また、本実施例において、第６の光学面Ａ６は、配列軸ＡＸ３に対して約−３７．１３°の角度をなしている。すなわち、本実施例において、第５の光学面Ａ５の平均平面に対して第６の光学面Ａ６がなす角度θ２は、約７０．８９°である。また、本実施例において、角度θが約２５°であるので、θ２／θの値が約２．８４になり、θ２及びθは、下記の式（２）を満たしている。
０．９５≦｜θ２／θ｜≦２．８４・・・（２）
In the present embodiment, the average plane of the fifth optical surface A5 of the second
0.95 ≦ | θ2 / θ | ≦ 2.84 (2)
以上のような本実施例の第１軸非対称レンズ５２及び第２軸非対称レンズ５３は、第１軸非対称レンズ５２及び第２軸非対称レンズ５３は、ＸＹ面に平行な面に関して面非対称であり、ＸＹ面に平行な面に対して非対称な収差を緩和するように、形状が定められている。
The first
本実施例において、第２レンズ群５１は、第１球面レンズ５４、非球面レンズ５５、第２球面レンズ５６、第３球面レンズ５７、第４球面レンズ５８、及び第５球面レンズ５９等のレンズ要素を含む。本実施例において、第２レンズ群５１の各レンズ要素の光軸（回転軸）は、配列軸ＡＸ３とほぼ同軸である。
In the present embodiment, the
次に、結像光束の収差について説明する。図３９は、実施例５の結像光学系の収差を示すスポットダイアグラムである。実施例５において、スポット径の二乗平均（ＲＭＳ）は、視野のほぼ全域にわたって１０μｍ以下である。ここで、撮像素子の画素ピッチが５μｍであるとする。この場合に、物体面Ｐ２上の１点から結像光学系２１へ入射した光の受光面上でのスポットは、２列２行の４画素にほぼ収まることになる。このような場合に、本実施形態の形状測定装置１は、軸非対称な収差の発生が抑制されているので、測定精度を向上させることができる。
Next, the aberration of the imaging light beam will be described. FIG. 39 is a spot diagram showing aberrations of the imaging optical system of Example 5. In Example 5, the root mean square (RMS) of the spot diameter is 10 μm or less over almost the entire field of view. Here, it is assumed that the pixel pitch of the image sensor is 5 μm. In this case, the spot on the light receiving surface of the light incident on the imaging
なお、本実施形態において、第１レンズ群５０は、２つの軸非対称レンズによって構成されているが、３つ以上の軸対称レンズによって構成されていてもよい。また、本実施形態において、結像光学系２１は、軸非対称レンズ及び軸対称レンズを含んでいるが、軸非対称レンズのみで構成されていてもよい。また、上記の各実施例において、軸対称レンズの数は、６個であるが、５個以下でもよいし、７個以上でもよい。
In the present embodiment, the
また、本実施形態において、走査装置４は、ロボットハンド型の装置であるが、ステージ装置等であってもよい。走査装置４は、互いに直交する３軸（ＸＹＺ）の各軸方向の併進（３自由度）、各軸周りの回転（３自由度）の６自由度のうち少なくとも１自由度で、被検物Ｑと光プローブ３の相対位置を変化可能であればよい。例えば、走査装置４は、ステージ装置２（被検物Ｑ）に対する光プローブ３の姿勢（回転位置）を変化させてもよい。また、走査装置４は、例えばガルバノミラー等の偏向部材を含み、光源装置８から出射するライン光を偏向部材により偏向することによって、ライン光が被検物Ｑ上を走査してもよい。この場合に、位置情報は、偏向部材の回転角を示す情報を含んでいてもよい。また、走査装置４は、１次元的に走査を行ってもよいし、２次元的に走査を行ってもよい。
In the present embodiment, the
また、実施例２から実施例５において、結像光学系２１は、収差により広がったスポットが２行２列の４画素に収まるように構成されているが、例えば、スポットが３行３列の９画素に収まるように構成されていてもよい。形状測定装置１は、軸非対称な収差を減らすことができるので、例えば各種の補間処理、統計処理等を利用して光量のピーク位置を検出することができ、測定精度を向上させることができる。
Further, in Example 2 to Example 5, the imaging
また、本実施形態において、形状測定装置１は、光切断法を利用して形状情報を取得するが、ＳＦＦ（Ｓｈａｐｅ Ｆｒｏｍ Ｆｏｃｕｓ）法を利用して形状情報を取得してもよいし、共焦点法を利用して形状情報を取得してもよい。
In the present embodiment, the
また、本実施形態において、形状測定装置１は、ステージ装置２、表示装置６、入力装置７、及び光源装置８を備えているが、これらの各種装置のうち少なくとも１つの装置を備えていなくてもよい。また、これらの各種装置のうちすくなくとも１つの装置は、形状測定装置１の外部の装置、例えば形状測定装置１が配置される施設の一部であってもよい。
Further, in the present embodiment, the
［構造物製造システム］
次に、構造物製造システム、及び構造物製造方法について説明する。
[Structure manufacturing system]
Next, a structure manufacturing system and a structure manufacturing method will be described.
図４０は、本実施形態の構造物製造システム２００の構成を示す図である。本実施形態の構造物製造システム２００は、上記の実施形態において説明したような形状測定装置２０１と、設計装置２０２と、成形装置２０３と、制御装置（検査装置）２０４と、リペア装置２０５とを備える。制御装置２０４は、座標記憶部２１０及び検査部２１１を備える。
FIG. 40 is a diagram showing a configuration of the
設計装置２０２は、構造物の形状に関する設計情報を作製し、作成した設計情報を成形装置２０３に送信する。また、設計装置２０２は、作成した設計情報を制御装置２０４の座標記憶部２１０に記憶させる。設計情報は、構造物の各位置の座標を示す情報を含む。
The
成形装置２０３は、設計装置２０２から入力された設計情報に基づいて、上記の構造物を作製する。成形装置２０３の成形は、例えば鋳造、鍛造、切削等が含まれる。形状測定装置２０１は、作製された構造物（測定対象物）の座標を測定し、測定した座標を示す情報（形状情報）を制御装置２０４へ送信する。
The
制御装置２０４の座標記憶部２１０は、設計情報を記憶する。制御装置２０４の検査部２１１は、座標記憶部２１０から設計情報を読み出す。検査部２１１は、形状測定装置２０１から受信した座標を示す情報（形状情報）と、座標記憶部２１０から読み出した設計情報とを比較する。検査部２１１は、比較結果に基づき、構造物が設計情報通りに成形されたか否かを判定する。換言すれば、検査部２１１は、作成された構造物が良品であるか否かを判定する。検査部２１１は、構造物が設計情報通りに成形されていない場合に、構造物が修復可能であるか否か判定する。検査部２１１は、構造物が修復できる場合、比較結果に基づいて不良部位と修復量を算出し、リペア装置２０５に不良部位を示す情報と修復量を示す情報とを送信する。
The coordinate
リペア装置２０５は、制御装置２０４から受信した不良部位を示す情報と修復量を示す情報とに基づき、構造物の不良部位を加工する。
The
［構造物製造方法］
図４１は、本実施形態の構造物製造方法を示すフローチャートである。本実施形態において、図４１に示す構造物製造方法の各処理は、構造物製造システム２００の各部によって実行される。
[Structure manufacturing method]
FIG. 41 is a flowchart showing the structure manufacturing method of the present embodiment. In the present embodiment, each process of the structure manufacturing method illustrated in FIG. 41 is executed by each unit of the
構造物製造システム２００は、まず、設計装置２０２が構造物の形状に関する設計情報を作製する（ステップＳ２００）。次に、成形装置２０３は、設計情報に基づいて上記構造物を作製する（ステップＳ２０１）。次に、形状測定装置２０１は、作製された上記構造物の形状を測定する（ステップＳ２０２）。次に、制御装置２０４の検査部２１１は、形状測定装置２０１で得られた形状情報と上記の設計情報とを比較することにより、構造物が誠設計情報通りに作成されたか否か検査する（ステップＳ２０３）。
In the
次に、制御装置２０４の検査部２１１は、作成された構造物が良品であるか否かを判定する（ステップＳ２０４）。構造物製造システム２００は、作成された構造物が良品であると検査部２１１が判定した場合（ステップＳ２０４ ＹＥＳ）、その処理を終了する。また、検査部２１１は、作成された構造物が良品でないと判定した場合（ステップＳ２０４ ＮＯ）、作成された構造物が修復できるか否か判定する（ステップＳ２０５）。
Next, the
構造物製造システム２００は、作成された構造物が修復できると検査部２１１が判定した場合（ステップＳ２０５ ＹＥＳ）、リペア装置２０５が構造物の再加工を実施し（ステップＳ２０６）、ステップＳ２０２の処理に戻る。構造物製造システム２００は、作成された構造物が修復できないと検査部２１１が判定した場合（ステップＳ２０５ Ｎｏ）、その処理を終了する。
In the
本実施形態の構造物製造システム２００は、上記の実施形態における形状測定装置２０１が構造物の座標を正確に測定することができるので、作成された構造物が良品であるか否か判定することができる。また、構造物製造システム２００は、構造物が良品でない場合、構造物の再加工を実施し、修復することができる。
The
なお、本実施形態におけるリペア装置２０５が実行するリペア工程は、成形装置２０３が成形工程を再実行する工程に置き換えられてもよい。その際には、制御装置２０４の検査部２１１が修復できると判定した場合、成形装置２０３は、成形工程（鍛造、切削等）を再実行する。具体的には、例えば、成形装置２０３は、構造物において本来切削されるべき箇所であって切削されていない箇所を切削する。これにより、構造物製造システム２００は、構造物を正確に作成することができる。
Note that the repair process executed by the
なお、本発明の技術範囲は、上記の実施形態あるいは変形例に限定されるものではない。例えば、上記の実施形態あるいは変形例で説明した要素の１つ以上は、省略されることがある。また、上記の実施形態あるいは変形例で説明した要素は、適宜組み合わせることができる。 The technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiment or modification. For example, one or more of the elements described in the above embodiments or modifications may be omitted. In addition, the elements described in the above embodiments or modifications can be combined as appropriate.
１・・・形状測定装置、１１・・・光源、２０・・・撮像素子、２１・・・結像光学系、３５・・・形状情報取得部、５０・・・第１レンズ群、５１・・・第２レンズ群、５２・・・第１軸非対称レンズ、５３・・・第２軸非対称レンズ、２００・・・構造物製造システム、２０１・・・形状測定装置、２０２・・・設計装置、２０３・・・成形装置、２０４・・・制御装置、Ｐ２・・・物体面（共役面）、Ｐ３・・・像面（受光面）、Ｐ５・・・直交面
DESCRIPTION OF
Claims (15)
前記撮像素子の受光面と共役な共役面を前記受光面と非平行になるように形成する結像光学系と、
前記撮像素子による撮像の結果から前記光に照らされている部分の像の位置を検出することにより、前記被検物の形状に関する情報を取得する形状情報取得部と、を備え、
前記結像光学系は、
前記像を形成する光束が通る範囲において、前記受光面を含む面と前記共役面を含む面との交線に直交する直交面上の像面の略中心と物体面の略中心とを直線で結んだときの軸に関して断面形状が非対称であり、かつ前記交線から最も遠い部分と、前記交線から最も近い部分とについて、前記遠い部分から前記近い部分に向うにつれて前記直交面上の断面形状の寸法が縮小又は拡大するレンズ要素を含むレンズ群を有する形状測定装置。 An image sensor for imaging a test object illuminated by light from a light source;
An imaging optical system that forms a conjugate surface conjugate with the light receiving surface of the image sensor so as to be non-parallel to the light receiving surface;
A shape information acquisition unit that acquires information related to the shape of the test object by detecting the position of the image of the portion illuminated by the light from the result of imaging by the imaging element;
The imaging optical system is
In the range through which the light beam forming the image passes, the approximate center of the image plane and the approximate center of the object plane on the orthogonal plane perpendicular to the intersection line of the plane including the light receiving surface and the plane including the conjugate plane are linear. The cross-sectional shape is asymmetric with respect to the axis at the time of connection, and the cross-sectional shape on the orthogonal plane from the far portion toward the near portion with respect to the portion farthest from the intersection line and the portion closest to the intersection line A shape measuring device having a lens group including a lens element whose size is reduced or enlarged.
前記像を形成する光束が通る範囲において、前記直交面上の軸に関して非軸対称かつ前記直交面上において前記交線に近づくにつれて断面形状の寸法が縮小する第１軸非対称レンズと、
前記像を形成する光束が通る範囲において、前記直交面上の軸に関して非軸対称かつ前記直交面上において前記交線に近づくにつれて断面形状の寸法が拡大する第２軸非対称レンズと、を含む
請求項１に記載の形状測定装置。 The lens group is
A first axis asymmetric lens that is non-axisymmetric with respect to the axis on the orthogonal plane and whose cross-sectional dimension is reduced as it approaches the intersection line in the range through which the light beam forming the image passes;
A second axis asymmetric lens that is non-axisymmetric with respect to an axis on the orthogonal plane and whose cross-sectional dimension increases as it approaches the intersecting line on the orthogonal plane in a range through which the light beam forming the image passes. Item 2. The shape measuring apparatus according to Item 1.
請求項２に記載の形状測定装置。 The shape measuring apparatus according to claim 2, wherein the first axis asymmetric lens is disposed closer to the conjugate plane than the second axis asymmetric lens.
請求項３に記載の形状測定装置。 The shape measuring apparatus according to claim 3, wherein the first axis asymmetric lens is disposed closest to the conjugate plane in the imaging optical system.
請求項３又は４に記載の形状測定装置。 The shape measuring apparatus according to claim 3, wherein a surface facing the conjugate surface in the first axis asymmetric lens is a concave surface.
０．３９≦｜θ１／θ｜≦１．８・・・（１）
請求項３から５のいずれか一項に記載の形状測定装置。 The angle formed by the light propagation direction from the light source to the test object and the arrangement axis of the first axis asymmetric lens and the second axis asymmetric lens is θ, and each angle on the first surface of the first axis asymmetric lens is The angle formed by the second plane that minimizes the mean square of the distance from each point on the second surface of the first axisymmetric lens with respect to the first plane that minimizes the mean square of the distance to the point is θ1. Then, θ and θ1 satisfy the following formula (1): 0.39 ≦ | θ1 / θ | ≦ 1.8 (1)
The shape measuring device according to any one of claims 3 to 5.
０．９５≦｜θ２／θ｜≦２．８４・・・（２）
請求項６に記載の形状測定装置。 The mean square of the distance between each point on the fourth surface of the second axis asymmetric lens and the third plane where the mean square of the distance between each point on the third surface of the second axis asymmetric lens is minimized. When the angle formed by the fourth plane that minimizes the angle is θ2, the θ and the θ2 satisfy 0.95 ≦ | θ2 / θ | ≦ 2.84 (2) satisfying the following expression (2):
The shape measuring apparatus according to claim 6.
請求項２から７のいずれか一項に記載の形状測定装置。 The shape measuring apparatus according to claim 2, wherein each of the first axis asymmetric lens and the second axis asymmetric lens is plane symmetric with respect to the orthogonal plane.
請求項２から８のいずれか一項に記載の形状測定装置。 The shape measuring apparatus according to claim 2, wherein the first axis asymmetric lens and the second axis asymmetric lens as a whole have a positive power in the orthogonal plane.
請求項２から９のいずれか一項に記載の形状測定装置。 The shape measuring apparatus according to claim 2, wherein the imaging optical system includes an axisymmetric lens that is axisymmetric with respect to an axis on the orthogonal plane.
請求項１０に記載の形状測定装置。 The shape measuring apparatus according to claim 10, wherein a symmetry axis of the axisymmetric lens is coaxial with an arrangement axis of the first axis asymmetric lens and the second axis asymmetric lens.
請求項１から１１のいずれか一項に記載の形状測定装置。 The shape measuring apparatus according to any one of claims 1 to 11, wherein a propagation direction of light from the light source to the test object is parallel to the conjugate plane.
請求項１から１２のいずれか一項に記載の形状測定装置。 The light receiving surface of the imaging device is substantially orthogonal to a light beam incident from each point on the test object via the imaging optical system. The shape measuring apparatus described.
前記成形装置によって成形された前記構造物の形状を測定する、請求項１から１３のいずれか一項に記載の形状測定装置と、
前記形状測定装置によって測定された前記構造物の形状を示す形状情報と前記設計情報とを比較する制御装置と、を備える
構造物製造システム。 A molding apparatus for molding the structure based on design information relating to the shape of the structure;
The shape measuring device according to any one of claims 1 to 13, which measures the shape of the structure formed by the forming device;
A structure manufacturing system comprising: a control device that compares shape information indicating the shape of the structure measured by the shape measuring device with the design information.
前記成形装置によって成形された前記構造物の形状を請求項１から１３のいずれか一項に記載の形状測定装置によって測定することと、
前記形状測定装置によって測定された前記構造物の形状を示す形状情報と前記設計情報とを比較することと、を含む
構造物製造方法。 Molding the structure based on design information regarding the shape of the structure;
Measuring the shape of the structure molded by the molding device with the shape measuring device according to any one of claims 1 to 13,
Comparing shape information indicating the shape of the structure measured by the shape measuring device with the design information. A structure manufacturing method.
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