JP2014106094A - 形状測定装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】投光部110Aは、パターン生成部112および両側テレセントリック光学系TTを含む。パターン生成部112は、形状測定用のパターンを有する測定光束を生成する。両側テレセントリック光学系TTは、生成された測定光束をステージ140の斜め上方からステージ140の上面に導く。受光部は、ステージ140に載置された測定対象物からステージ140の上方に向かう反射光束を受光し、受光量を示す受光信号を出力する。ステージ140、パターン生成部112、および投光部110Aの両側テレセントリック光学系TTは、パターン生成部112の出射面とステージ140の上面とが両側テレセントリック光学系TTの主平面に関してシャインプルーフの原理に従うように配置される。
【選択図】図9
Description
図1は、本発明の一実施の形態に係る形状測定装置の構成を示すブロック図である。図2は、図1の形状測定装置500の測定部の構成を示す模式図である。図3は、図1の形状測定装置500の測定部の外観斜視図である。以下、本実施の形態に係る形状測定装置500について、図1、図2および図3を参照しながら説明する。
(1)三角測距方式による形状測定
測定部100においては、三角測距方式により測定対象物Sの形状が測定される。図4は、三角測距方式の原理を説明するための図である。図4に示すように、例えば投光部110Aから出射される光線の光軸と受光部120に入射する反射光の光軸(受光部120の光軸)との間の角度γが予め設定される。角度γは、0度よりも大きく90度よりも小さい。
三角測距方式の形状測定においては、測定対象物Sの表面の位置が受光部120の焦点から光軸方向に遠ざかるほど測定対象物Sからカメラ121A,121Bの撮像素子121aに入射する光のぼけの度合いが大きくなる。同様に、測定対象物Sの表面の位置が受光部120の焦点よりも近接するほど測定対象物Sからカメラ121A,121Bの撮像素子121aに入射する光のぼけの度合いが大きくなる。受光部120の撮像素子121aに入射する光のぼけの度合いは、例えば受光部120の受光光学系の倍率および開口数等に応じて変化する。
本実施の形態に係る形状測定装置500は、顕微鏡モードで動作可能であるとともに形状測定モードで動作可能である。図5および図6は、動作モード選択時における表示部400のGUI(Graphical User Interface)の一例を示す図である。図5および図6に示すように、画像表示領域550および設定変更領域570,580が表示部400に表示される。画像表示領域550には、受光部120により撮像された測定対象物Sの画像が表示される。
(1)投光部について
図8は、図3の投光部110Aの両側テレセントリック光学系TTの機能を説明するための図である。図8に示すように、本実施の形態では、パターン生成部112のパターン出射面112Sが両側テレセントリック光学系TTの一方側の焦点面FS1に含まれるように、パターン生成部112が配置される。
形状測定装置500においては、投光部110A,110Bに限らず、受光部120にも両側テレセントリック光学系が用いられる。具体的には、受光部120においては、図3のレンズ122,123Aおよび絞り125Aにより一の両側テレセントリック光学系が構成され、レンズ122,123Bおよび絞り125Bにより他の両側テレセントリック光学系が構成される。
以下の説明では、図2および図3のステージ140に測定対象物Sが載置されておらずかつステージ140があおり方向に回転していない状態(例えば、載置面が水平に保持された状態)で、各投光部110A,110Bから照射光束が照射されるステージ140の載置面上の領域を照射領域と呼ぶ。
B1=(1/cosθ)・cosφ・β・b …(2)
上記の式(1),(2)によれば、照射領域140Sの縦方向の長さB1は、倍率βで拡大されたパターン出射面112Sの縦方向の長さbに対してさらに(1/cosθ)・cosφ分拡大されている。一方、照射領域140Sの横方向の長さA1は、倍率βで拡大されたパターン出射面112Sの横方向の長さaに対して拡大されていない。
以下の説明においては、ステージ140の載置面上で受光部120が受光可能な反射光束の断面の領域を受光可能領域と呼ぶ。また、ステージ140の載置面に向かう各投光部110A,110Bの光軸TOA1,TOA2とステージ140の上面から受光部120に向かう受光部120の光軸ROAとを含む面を光軸通過面と呼ぶ。さらに、XY方向において受光可能領域の範囲内でかつZ方向における受光系測定可能範囲内の空間を測定可能空間と呼ぶ。
また、光軸通過面内で各投光部110A,110Bの光軸TOA1,TOA2に直交する方向にwpの幅を有する照射光束がステージ140の載置面上に照射される場合の照射領域140SのX方向の範囲dは、次のように表すことができる。
図15(b)に示すように、d≧cである場合に、測定可能空間CS内にある測定対象物Sのほぼ全体に照射光束を照射することができる。したがって、上記の式(3),(4)から、光軸通過面内における受光可能領域140RのX方向の幅wiと、光軸通過面内における各投光部110A,110Bの光軸TOA1,TOA2に直交する方向の幅wpとの間に下記式(5)の関係が満たされる場合には、測定可能空間CS内に位置する測定対象物Sにおける照射光束が照射されない部分を十分に少なくすることができる。また、測定可能空間CS内に位置する測定対象物Sの部分を一定以上の精度で測定することができる。
[7]受光部の撮像素子および投光部のパターン生成部の一制御例
(1)受光部の撮像素子
本実施の形態においては、カメラ121Aの撮像素子121aおよびカメラ121Bの撮像素子121aには、同じ画素数および同じ画素ピッチを有する同一構造の撮像素子が用いられる。それにより、受光部120の構成が単純化する。
低倍率のカメラ121Aと高倍率のカメラ121Bとを切り替えて使用する場合には、切り替えられたカメラの倍率に応じてパターン生成部112により生成されるパターン光束の大きさを変更してもよい。
(1)上記の実施の形態では、測定部100は、2つの投光部110A,110Bを備える。これに限らず、測定部100は、測定対象物Sに測定光束を照射する構成として、2つの投光部110A,110Bのうち一方の投光部のみを有してもよい。この場合、測定部100の構成が単純化する。
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。
111 測定光源
112 パターン生成部
112S パターン出射面
113,114,115,122 レンズ
117,118 ミラー
120 受光部
121A,121B カメラ
121a 撮像素子
124 ハーフミラー
130 照明光出力部
140 ステージ
141 X−Yステージ
142 Zステージ
143 θステージ
144 チルトステージ
145 ステージ操作部
146 ステージ駆動部
150 制御基板
190 台座
191 支柱
192 光学系支持体
200 PC
210 CPU
220 ROM
230 作業用メモリ
240 記憶装置
250 操作部
300 制御部
310 制御基板
320 照明光源
400 表示部
500 形状測定装置
550 画像表示領域
570,580 設定変更領域
571 選択欄
572 設定バー
573 表示切換欄
574 倍率切換欄
575 倍率選択欄
576 焦点調整欄
580 設定変更領域
581 ツール選択欄
582 撮影ボタン
583 測定ボタン
CA 投光系測定可能範囲
CS 測定可能空間
IS,PP,SS 面
FS1,FS2 焦点面
LP 直線
PA 一部分
PR 主光線
S 測定対象物
SF,SB 距離
ROA,TOA1,TOA2 光軸
TT 両側テレセントリック光学系
TX 非テレセントリック光学系
Claims (10)
- 測定対象物に測定光束を照射するとともに測定対象物からの反射光束に基づいて三角測距方式により測定対象物の立体形状を測定する形状測定装置であって、
測定対象物が載置される上面を有するステージと、
前記ステージの上面に向かって斜め上方から測定光束を投光する第1の投光装置と、
前記ステージに載置された測定対象物から前記ステージの上方に反射される光束を受光し、受光量を示す受光信号を出力するように構成される受光装置とを備え、
前記第1の投光装置は、
光を発生する第1の光源と、
前記第1の光源により発生された光から形状測定用のパターンを有する光を測定光束として生成して出射する第1のパターン生成部と、
前記第1のパターン生成部により出射された測定光束を前記ステージの上面に導く第1の両側テレセントリック光学系とを含み、
前記ステージ、前記第1のパターン生成部および前記第1の両側テレセントリック光学系は、前記第1のパターン生成部の出射面と前記ステージの上面とが前記第1の両側テレセントリック光学系の主平面に関してシャインプルーフの原理に従うように配置される、形状測定装置。 - 前記第1の投光装置から前記ステージの上面に向かう前記第1の投光装置の光軸と前記ステージの上面から前記受光装置に向かう前記受光装置の光軸とを含む第1の面内において、前記ステージの上面上での測定光束の照射領域の長さは前記受光装置が受光可能な反射光束の幅よりも大きい、請求項1記載の形状測定装置。
- 前記第1の投光装置から前記ステージの上面に向かう前記第1の投光装置の光軸と前記ステージの上面に直交する軸とがなす角度をαで表し、前記第1の面内において前記第1の投光装置から前記ステージの上面に導かれる測定光束の幅をwpで表し、前記第1の面内において前記受光装置が受光可能な反射光束の幅をwiで表し、前記受光装置の光軸方向における測定可能な範囲の大きさを2・vで表す場合に、
wp≧ wi・cosα+2・v・sinα
の関係が満たされる、請求項2記載の形状測定装置。 - 前記受光装置は、
第1の受光素子と、
前記ステージに載置された測定対象物からの反射光束を前記第1の受光素子に導く第1の受光光学系とを含み、
前記第1の受光光学系は、物体側テレセントリック光学系または両側テレセントリック光学系である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の形状測定装置。 - 前記第1の投光装置の前記第1の両側テレセントリック光学系の前記ステージ上の焦点深度の範囲は、前記受光装置の前記第1の受光光学系の被写界深度の範囲よりも大きい、請求項4記載の形状測定装置。
- 前記受光装置は、
第2の受光素子と、
前記ステージに載置された測定対象物からの反射光束を前記第2の受光素子に導く第2の受光光学系とを含み、
記第2の受光光学系は、物体側テレセントリック光学系または両側テレセントリック光学系であり、
前記第1の受光光学系の倍率と前記第2の受光光学系の倍率とが互いに異なる、請求項4または5記載の形状測定装置。 - 前記ステージの上面に向かって斜め上方から測定光束を投光する第2の投光装置をさらに備え、
前記第2の投光装置は、
光を発生する第2の光源と、
前記第2の光源により発生された光から形状測定用のパターンを有する光を測定光束として生成して出射する第2のパターン生成部と、
前記第2のパターン生成部により出射された測定光束を前記ステージの上面に導く第2の両側テレセントリック光学系とを含み、
前記ステージ、前記第2のパターン生成部および前記第2の両側テレセントリック光学系は、前記第2のパターン生成部の出射面と前記ステージの上面とが前記第2の両側テレセントリック光学系の主平面に関してシャインプルーフの原理に従うように配置される、請求項1〜6のいずれか一項に記載の形状測定装置。 - 前記第2の投光装置から前記ステージの上面に向かう前記第2の投光装置の光軸と前記ステージの上面から前記受光装置に向かう前記受光装置の光軸とを含む第2の面内において、前記ステージの上面上での測定光束の照射領域の長さは前記受光装置が受光可能な反射光束の幅よりも大きい、請求項7記載の形状測定装置。
- 前記第2の投光装置から前記ステージの上面に向かう前記第2の投光装置の光軸と前記ステージの上面に直交する軸とがなす角度をαで表し、前記第2の面内において前記第2の投光装置から前記ステージの上面に導かれる測定光束の幅をwpで表し、前記第2の面内において前記受光装置が受光可能な反射光束の幅をwiで表し、前記受光装置の光軸方向における測定可能な範囲の大きさを2・vで表す場合に、
wp≧ wi・cosα+2・v・sinα
の関係が満たされる、請求項8記載の形状測定装置。 - 前記第1の投光装置および前記第2の投光装置は、前記ステージの上面上で前記第1の投光装置からの測定光束の照射領域の少なくとも一部と前記第2の投光装置からの測定光束の照射領域の少なくとも一部とが重なるように、前記ステージの上面から前記受光装置に向かう前記受光装置の光軸を含む面の一方側および他方側に配置される、請求項7〜9のいずれか一項に記載の形状測定装置。
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