JP4060494B2

JP4060494B2 - 三次元表面形状測定装置

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Publication number: JP4060494B2
Application number: JP24330499A
Authority: JP
Inventors: 利治小島; 雄二竹内; 秀人近藤
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1999-08-30
Filing date: 1999-08-30
Publication date: 2008-03-12
Anticipated expiration: 2019-08-30
Also published as: JP2001066124A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体表面の三次元形状を測定する三次元表面形状測定装置に係わり、特に、共焦点法を用いた三次元表面形状測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
物体表面の例えばμｍオーダの微細な三次元形状（凹凸）を正確に測定する手法として種々の手法が提唱されている。
【０００３】
これらの手法のうち、共焦点法を採用し、かつマイクロレンズアレイとピンホールアレイとを用いた三次元表面形状測定装置が実用化されている。この三次元表面形状測定装置は図３に示すように構成されている。
【０００４】
ハロゲンランプ等からなる光源１から出力された照射光２はコリメータレンズ３で進行方向が互いに平行する光に直されて、光軸に対して４５°方向に配設された偏光ビームスプリッタ４へ入射する。この偏光ビームスプリッタ４は、入射光のうち偏光方向が基準方向（０°方向）の光成分を反射し、入射光のうち偏光方向が基準方向（０°方向）に対して９０°異なる方向の光成分を透過させる。
【０００５】
偏光ビームスプリッタ４へ入射した照射光２のうち基準方向（０°方向）に対して９０°異なる方向の光成分からなる直性偏光の照射光２はマイクロレンズアレイ５に入射される。
【０００６】
マイクロレンズアレイ５は、図４（ａ）に示すように、マトリックス状に配列された複数の単位レンズ５ａで構成されている。また、このマイクロレンズアレイ５に隣接してピンホールアレイ６が設置されている。このピンホールアレイ６は図４（ｂ）に示すように、マトリックス状に配列された複数の貫通孔６ａで構成されている。そして、マイクロレンズアレイ５の各単位レンズ５ａの設置位置とピンホールアレイ６の各貫通孔６ａの穿設位置は１対１で対応している。そして、図３に示すように、マイクロレンズアレイ５の各単位レンズ５ａの焦点位置がピンホールアレイ６の各貫通孔６ａに位置するように、マイクロレンズアレイ５とピンホールアレイ６とが位置決めされている。
【０００７】
マイクロレンズアレイ５の各単位レンズ５ａから出力された各照明光２はピンホールアレイ６の各貫通孔６ａ位置で焦点を結んだ後、距離調整用のレンズ７へ入射される。距離調整用のレンズ７は入射された各貫通孔６ａからの各照明光２を進行方向が互いに平行な照明光２に直して１／４波長板８を介して対物レンズ９へ入射させる。１／４（λ／４）波長板８は、周知の通り、入射した直線偏光の光を円偏光とする。
なお、この距離調整用のレンズ７及び対物レンズ９は共焦点レンズを構成する。
【０００８】
対物レンズ９は、距離調整用のレンズ７を介して入射された各貫通孔６ａからの各照明光２を測定対象表面１０の各位置へ照射する。各照明光２は測定対象表面１０の各照射位置で反射され、各位置からの各反射光１２として対物レンズ９へ入射する。対物レンズ９へ入射した各反射光１２は、各照射光２と同じ経路を通り、距離調整用のレンズ７、ピンホールアレイ６の各貫通孔６ａを介してマイクロレンズアレイ５の各単位レンズ５ａへ逆方向から入射する。各反射光１２はこの各単位レンズ５ａで進行方向が互いに平行する光に直されて、偏光ビームスプリッタ４へ逆方向から４５°の角度で入射する。
【０００９】
この偏光ビームスプリッタ４へ入射する反射光１２は、逆方向の円偏光となり、照射光２のときを含めて１／４（λ／４）波長板８を再度通過しているので、この各反射光１２の偏光方向は９０°回転した基準方向（０°方向）の直線偏光となっている。その結果、この各反射光１２はこの偏光ビームスプリッタ４で反射されて、コンデンサレンズ１１へ入射する。
【００１０】
コンデンサレンズ１１は、入射された各反射光１２をスリット１３を介してコリメータレンズ１４へ入射させる。コリメータレンズ１４は入射された各反射光１２をＣＣＤカメラ１５の二次元ＣＣＤ１６上の各素子上に入射させる。
【００１１】
ＣＣＤカメラ１５の二次元ＣＣＤ１６上の各素子は、測定対象表面１０の各位置に対応してしているので、ＣＣＤカメラ１５の二次元ＣＣＤ１６上の各素子での受光強度が測定対象表面１０の各位置からの反射光１２の光強度となる。
【００１２】
次に、共焦点法における測定対象面１０までの距離測定原理を説明する。ピンホールアレイ６の各貫通孔６ａから出力された各照明光２は距離調整用のレンズ７と対物レンズ９とからなる共焦点レンズを介して測定対象表面１０に照射され、その反射光１２が同じピンホールアレイ６の各貫通孔６ａを介して二次元ＣＣＤ１６上の各素子で受光される。
【００１３】
ここで、図５に示すように、光学系と測定対象表面１０と距離を変化させていった場合に、測定対象表面１０の光軸方向位置が単位レンズ５ａと共焦点レンズとからなるレンズ系の焦点位置に位置したときに反射光１２がピンホールアレイ６の同一貫通孔６ａ位置で結像し、対応するＣＣＤ１６上の素子の検出する光強度が最大値を示す。
【００１４】
したがって、測定対象表面１０又は光学系を光軸方向に移動させて、各素子の検出光強度が最大値を示す移動位置を特定すれば、該当移動位置が測定対象表面１０の光軸方向位置となる。
【００１５】
このようにして、各素子における検出光強度が最大値を示す各移動位置を求めれば、測定対象表面１０全体の三次元表面形状が得られる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら図３に示す三次元表面形状測定装置においてもまだ解消すべき次のような課題があった。
【００１７】
すなわち、前述したように各素子における検出光強度が最大値を示す各移動位置を求めるためには、測定対象表面１０又は光学系を光軸方向に移動させる必要があるが、この測定対象表面１０又はマイクロレンズアレイ５、ピンホールアレイ６、共焦点レンズを含む光学系全体を光軸方向にμｍオーダの高い制度で移動させる機構を構築する必要があるので、装置全体が複雑化する問題がある。
【００１８】
特に、マイクロレンズアレイ５、ピンホールアレイ６はマトリックス状に配列された多数の単位レンズや多数の貫通孔から構成されているので、光軸方向に高い精度で移動させる必要があるのみならず、光軸と直交する方向の位置も高い精度を維持した状態で光軸方向に移動させる必要があるので、より高い移動機構が要求される。
【００１９】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、マイクロレンズアレイから共焦点レンズまでの距離を可変する簡単な光学機構を設けることにより、移動対象の光学部材を極力少なくでき、移動機構を簡素化でき、簡単な構成で測定精度を大幅に向上できる三次元表面形状測定装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解消するために、本発明の三次元表面形状測定装置は、直線偏光された照射光を出力する光源と、この光源から出力される照射光の光軸である第１の光軸に直交する面内に配設され、マトリックス配列された複数の単位レンズからなるマイクロレンズアレイと、このマイクロレンズアレイの各単位レンズの焦点位置にそれぞれ貫通孔が形成された第１のピンホールアレイと、第１の光軸に４５°傾斜して挿入された偏光ビームスプリッタと、第１の光軸と直交する第２の光軸に設けられ、偏光ビームスプリッタで反射された光源からの照射光をビームスプリッタへ折り返す平面ミラーと、この平面ミラーと偏光ビームスプリッタとの間に介挿された第１の１／４波長板と、第２の光軸に設けられ、ビームスプリッタを透過した平面ミラーで折り返された照射光を測定対象面に照射すると共に、この測定対象面からの反射光を偏光ビームスプリッタへ入射させる共焦点レンズと、測定対象面と偏光ビームスプリッタとの間に介挿された第２の１／４波長板と、第１の光軸に設けられ、マトリックス配列された複数の貫通孔が形成された第２のピンホールアレイと、第１の光軸に設けられ、第２のピンホールアレイの各単位貫通孔を透過した各反射光を受光するマトリックス配列された複数の受光素子からなる受光器と、平面ミラーを第２の光軸方向に移動させるミラー移動部と、このミラー移動部で平面ミラーの位置を変化させた時に、受光器の各受光素子の最大光強度が得られる各ミラー位置から、測定対象面における三次元形状を算出するデータ処理部とを備えたものである。
【００２１】
このように構成された三次元表面形状測定装置においては、光源から出力された照射光はマイクロレンズアレイ及び第１のピンホールアレイへ入射される。ピンホールアレイの各貫通孔で焦点を結んだ各照射光は、偏光ビームスプリッタで反射されて第２の光軸に沿って移動可能に設けられた平面ミラーで折り返されて再度偏光ビームスプリッタへ入射される。この各照射光は偏光ビームスプリッタを透過して共焦点レンズ系を介して測定対象面へ照射される。
【００２２】
測定対象面からの各反射光は、照射光と同じ経路を通り偏光ビームスプリッタへ入射される。この各反射光は偏光ビームスプリッタで反射されて、第２のピンホールアレイの各貫通孔へ入射され、この各貫通孔の後方に位置する受光器の各受光素子へ入射される。
【００２３】
このような構成において、平面ミラーの第２の光軸方向の位置を可変することによって、マイクロレンズアレイから共焦点レンズまでの距離、すなわち、マイクロレンズアレイの単位レンズと共焦点レンズとで構成されるレンズ系の焦点距離が変化する。したがって、従来装置における光学系全体を光軸方向に移動させることと同一の作用効果が得られる。
【００２４】
よって、平面ミラーを移動させたときに受光器の各受光素子にて最大光強度が得られる各ミラー位置から測定対象面の各照射光の照射位置における第２の光軸方向位置、すなわち、測定対象面の三次元形状が得られる。
【００２５】
この場合、移動するのは平面ミラーのみであるので、光学系全体を移動させる従来装置に比較して、移動機構が大幅に簡素化される。
【００２６】
また、別の発明においては、上述した発明の三次元表面形状測定装置に対して、さらに、第２のピンホールアレイと受光器との間に介挿され、この第２のピンホールアレイの各貫通孔を透過した各反射光を受光器の各受光素子へ導くための複数の単位レンズからなる第２のマイクロレンズアレイとを備えている。
【００２７】
このように構成された三次元表面形状測定装置においては、第２のマイクロレンズアレイを用いることにより、第２のピンホールアレイと受光器との間の距離を任意に設定できると共に、受光器を任意の大きさに設計できる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。
図１は実施形態に係る三次元表面形状測定装置の概略構成図である。また、図２は、この三次元表面形状測定装置に組込まれた偏光ビームスプリッタ２７に対して入出力される照射光２２及び反射光３６の各偏光方向を示す図である。
【００２９】
例えばレーザ光源からなる光源２１から出力された偏光方向が基準方向（０°）に設定された照射光２２はコリメータレンズ２４で進行方向が互いに平行する光に直されて、この照射光２２の光軸である第１の光軸２３に対して直交する面内に配設された第１のマイクロレンズアレイ２５に入射される。
【００３０】
この第１のマイクロレンズアレイ２５は、前述した図４（ａ）に示したマイクロレンズアレイ５と同様に、マトリックス状に配列された複数の単位レンズ２５ａで構成されている。また、この第１のマイクロレンズアレイ２５に隣接して第１のピンホールアレイ２６が設置されている。この第１のピンホールアレイ２６は、図４（ｂ）に示したピンホールアレイ６と同様に、マトリックス状に配列された複数の貫通孔２６ａで構成されている。そして、第１のマイクロレンズアレイ２５の各単位レンズ２５ａの設置位置と第１のピンホールアレイ２６の各貫通孔２６ａの穿設位置は１対１で対応している。そして、第１のマイクロレンズアレイ２５の各単位レンズ２５ａの焦点位置が第１のピンホールアレイ２６の各貫通孔２６ａに位置するように、第１のマイクロレンズアレイ２５と第１のピンホールアレイ２６とが位置決めされている。
【００３１】
第１のマイクロレンズアレイ２５の各単位レンズ２５ａから出力された各照明光２２は第１のピンホールアレイ２６の各貫通孔２６ａ位置で焦点を結んだ後、第１の光軸２３に対して４５°傾斜して挿入された偏光ビームスプリッタ２７へ入射される。この偏光ビームスプリッタ２７は図３に示した従来装置の偏光ビームスプリッタ４と同一構成を有している。
【００３２】
図２に示すように、偏光方向が基準方向（０°）である照射光２２は、この偏光ビームスプリッタ２７で反射されて、第１の光軸２３に直交する第２の光軸２８方向へ反射される。第２の光軸２８方向へ反射された照射光２２は第１の１／４（λ／４）波長板２９を介して、この第２の光軸２８に対して直交する方向に配設された平面ミラー３０で折返される。
【００３３】
平面ミラー３０は第２の光軸２８方向へ移動自在に設けられた移動機構３１ａに固定されている。そして、この移動機構３１ａは駆動部３１ｂで光軸２８方向へ移動制御させられる。よって、移動機構３１ａと駆動部３１ｂとはミラー移動部３１を構成する。なお、第２の光軸２８方向にμｍオーダの移動精度を確保するために圧電素子を用いる。
【００３４】
平面ミラー３０で折返された照射光２２は再度第１の１／４（λ／４）波長板２９を介して再度偏光ビームスプリッタ２７へ入射される。この場合、図２に示すように、照射光２２は偏光方向が９０°方向に回転されているので、照射光２２は偏光ビームスプリッタ２７をそのまま透過して、第２の光軸２８上に配設された距離調整用のレンズ３２へ入射される。距離調整用のレンズ３２は入射された各照明光２２を進行方向が互いに平行な照明光２に直して対物レンズ３３へ入射させる。この距離調整用のレンズ３２と対物レンズ３３とは共焦点レンズを構成する。
【００３５】
対物レンズ９は、入射された各各照明光２２を第２の１／４（λ／４）波長板３４を介して測定対象表面３５の各位置へ照射する。
【００３６】
したがって、前述したミラー移動部３１は、結果的に、第１のマイクロレンズアレイ２５の各単位レンズ２５ａと共焦点レンズで構成されるレンズ系の焦点距離（焦点位置）を変化させる。
【００３７】
各照明光２２は測定対象表面３５の各照射位置で反射され、各位置からの各反射光３６として第２の１／４（λ／４）波長板３４を介して対物レンズ３３へ入射する。対物レンズ３３へ入射した各反射光３６は、各照射光２２と同じ経路を通り、距離調整用のレンズ３２を介して、再度偏光ビームスプリッタ２７へ入射される。
【００３８】
この場合、各反射光３６は照射光２２のときを含めて第２の１／４（λ／４）波長板３４を２回通過するので、図２に示すように、各反射光３６の偏光方向はさらに９０°回転して元の基準方向（０°）となる。
【００３９】
したがって、偏光ビームスプリッタ２７へ入射された各反射光３６はこの偏光ビームスプリッタ２７で第１の光軸２３方向に反射されて、この第１の光軸２３に直交する面内に設けられた第１のピンホールアレイ２６と同一構成の第２のピンホールアレイ３７の各貫通孔３７ａを介して第２のマイクロレンズアレイ３８の各単位レンズ３８ａへ入射する。
【００４０】
第２のマイクロレンズアレイ３８の各単位レンズ３８ａから出力された各反射光３６は距離調整用のレンズ３９へ入射される。距離調整用のレンズ３９は入射された各反射光３６を進行方向が互いに平行な反射光３６に直してコンデンサレンズ４０へ入射する。
【００４１】
コンデンサレンズ４０は、入射された各反射光３６を、第１の光軸２３に直交する面内に設けられた受光器４１の各受光素子４１ａ上に入射させる。
【００４２】
受光器４１の第１の光軸２３に直交する面内にマトリックス状に配設された各受光素子４１ａは、測定対象表面３５の各位置に対応しているので、受光器４１の各受光素子４１ａでの各受光強度が測定対象表面３５の各位置からの反射光３６の光強度となる。受光器４１の各受光素子４１ａの各受光強度は入力ＩＦ４２でデジタル値に変換されて、マイクロコンピユータからなるデータ処理部４３へ入力される。
【００４３】
マイクロコンピユータからなるデータ処理部４３は、移動機構３１ａと駆動部３１ｂとからなるミラー移動部３１を駆動して、平面ミラー３０を第２の光軸２８方向へμｍオーダ単位で移動させながら、受光器４１の各受光素子４１ａの各光強度を測定していく。
【００４４】
そして、各受光素子４１ａにおける平面ミラー３０の各移動位置ｄと該当移動位置における各光強度Ｉとの関係から、光強度が最大となる移動位置ｄｍを求め、この光強度が最大となる移動位置ｄｍを該当受光素子４１ａに対応する測定対象面３５の二次元位置における第２の光軸方向位置Ｄとなる。すなわち、ミラー移動部３１を制御して第１のマイクロレンズアレイ２５の各単位レンズ２５ａと共焦点レンズで構成されるレンズ系の焦点位置を変化させる。このことは、図３で示した従来装置における光学系全体を光軸方向に移動させることと同一の作用効果が得られる。
【００４５】
したがって、上述した手法で受光器４１の全ての受光素子４１ａに対応する測定対象面３５の各位置における光軸方向位置Ｄを求めて二次元配列すれば、図３に示した従来装置と同様に、他測定対象面３５の三次元表面形状が得られる。
【００４６】
このように構成された三次元表面形状測定装置においては、移動すべき光学部部材は、平面ミラー３０のみであるので、全部の光学系を移動させる従来装置に比較して移動機構を大幅に簡素化できる。
【００４７】
さらに、マイクロレンズアレイ２５、３８や、ピンホールアレイ２６、３７を含む大部分の光学部品は一つのべース上に固定することができるので、全部の光学系を移動可能にした従来装置に比較して測定精度を大幅に向上きる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の三次元表面形状測定装置においては、マイクロレンズアレイから共焦点レンズ系までの距離を可変する簡単な光学機構を設けることにより、マイクロレンズアレイの単位レンズと共焦点レンズとで構成されるレンズ系の焦点位置を可変としている。したがって、移動すべき光学系を平面ミラーのみとでき、移動機構を大幅に簡素化でき、簡単な構成で測定精度を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の三次元表面形状測定装置の概略構成図
【図２】同三次元表面形状測定装置に組込まれた偏光ビームスプリッタに対して入出力される照射光と反射光との偏光方向を示す図
【図３】状態の三次元表面形状測定装置の概略構成図
【図４】同三次元表面形状測定装置内に組込まれたマイクロレンズアレイ及びピンホールアレイを示す図
【図５】同三次元表面形状測定装置で測定される測定対象面の光軸方向の位置と素子の光強度との関係を示す図
【符号の説明】
２１…光源
２２…照射光
２３…第１の光軸
２４…コリメータレンズ
２５…第１のマイクロレンズアレイ
２６…第１のピンホールアレイ
２７…偏光ビームスプリッタ
２８…第２の光軸
２９…第１の１／４波長板
３０…平面ミラー
３１…ミラー移動部
３２，３９…距離調整用のレンズ
３３…対物レンズ
３４…第２の１／４波長板
３５…測定対象面
３６…反射光
３７…第２のピンホールアレイ
３８…第２のマイクロレンズアレイ
４０…コンデンサレンズ
４１…受光器
４２…入力ＩＦ
４３…データ処理部

Claims

直線偏光された照射光を出力する光源（２１）と、
この光源から出力される照射光の光軸である第１の光軸に直交する面内に配設され、マトリックス配列された複数の単位レンズからなるマイクロレンズアレイ（２５）と、
このマイクロレンズアレイの各単位レンズの焦点位置にそれぞれ貫通孔が形成された第１のピンホールアレイ（２６）と、
前記第１の光軸に４５°傾斜して挿入された偏光ビームスプリッタ（２７）と、
前記第１の光軸と直交する第２の光軸に設けられ、前記偏光ビームスプリッタで反射された前記光源からの照射光を前記ビームスプリッタへ折り返す平面ミラー（３０）と、
この平面ミラーと前記偏光ビームスプリッタとの間に介挿された第１の１／４波長板（２９）と、
前記第２の光軸に設けられ、前記ビームスプリッタを透過し前記平面ミラーで折り返された照射光を測定対象面（３５）に照射すると共に、この測定対象面からの反射光を前記偏光ビームスプリッタへ入射させる共焦点レンズ（３２，３３）と、
前記測定対象面と前記偏光ビームスプリッタとの間に介挿された第２の１／４波長板（３４）と、
前記第１の光軸に設けられ、マトリックス配列された複数の貫通孔が形成された第２のピンホールアレイ（３７）と、
前記第１の光軸に設けられ、前記第２のピンホールアレイの各単位貫通孔を透過した各反射光を受光するマトリックス配列された複数の受光素子からなる受光器（４１）と、
前記平面ミラーを前記第２の光軸方向に移動させるミラー移動部（３１）と、
このミラー移動部で平面ミラーの位置を変化させた時に、前記受光器の各受光素子の最大光強度が得られる各ミラー位置から、前記測定対象面における三次元形状を算出するデータ処理部（４３）と
を備えた三次元表面形状測定装置。
前記第２のピンホールアレイと前記受光器との間に介挿され、この第２のピンホールアレイの各貫通孔を透過した各反射光を前記受光器の各受光素子へ導くための複数の単位レンズからなる第２のマイクロレンズアレイ（３８）とを備えたことを特徴とする請求項１記載の三次元表面形状測定装置。