JPH10300442A - 形状計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、Ｓ／Ｎを悪化させることなく高速
にＮＡを変化させることが可能な形状計測装置を提供す
ることを目的とする。 【解決手段】 液晶を用いた開口数変化手段５により対
物レンズ６の絞り径を変化させてＮＡを制御すると同時
に検出器アレイ９の露光時間を変化させることでＮＡの
変化によって結像光量が変化しないようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物体の表面形状計
測を行うために用いられる光学装置であり、特に共焦点
光学系をもちいて物体の光軸方向の位置を検出する装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】共焦点光学系を用いると物体の光軸方向
（以下Ｚ方向と呼ぶ）の位置（以下高さと呼ぶ）を精度
良く計測することが可能である。共焦点光学系の基本構
成を図６に示す。点光源６０１からでた光は対物レンズ
６０３により集光され物体に投影される。物体から反射
して再び対物レンズ６０３に入射した光はハーフミラー
６０２を介して点光源６０１と光学的に同じ位置にある
ピンホール６０４に入射し、ピンホール６０４を通過し
た光の量が検出器６０５により計測される。これが共焦
点光学系の基本的な構造である。このような光学系を用
いると物体表面上の点の高さが次のようにして計測でき
る。物体表面が点光源６０１に共役な位置にある場合、
反射光は同じく共役な位置であるピンホール６０４面に
収束し多くの反射光がピンホール６０４を通過する。し
かし物体表面が点光源に共役な位置から離れると反射光
はピンホール６０４から離れた位置に収束することにな
りピンホール６０４を通過する光量は急速に減少する。
この様子を図５に示す。この図は光の回折を考慮して描
かれているので山の裾野のあたりで波を打っている。
（この図を以下では縦の回折パターンと呼ぶ。）これか
ら物体と対物レンズ６０３との距離を変化させて検出器
６０５が最大出力を示す点を見つければ物体表面の高さ
がわかることになる。以上が共焦点光学系による高さ計
測の原理である。

【０００３】ここで述べた高さ計測は点計測であるが、
レーザー走査やＮｉｐｋｏｗ ｄｉｓｋ走査によりＸＹ
走査を行うか、または上記の共焦点光学系を２次元的に
配列した２次元配列型共焦点光学系を用いれば面的な高
さ計測、つまり３次元計測が可能となる。検出器６０５
の最大出力位置を見つけるためには物体あるいは光学系
を光軸方向に連続的に移動するのが一般的であるが、よ
り高速な３次元計測のために、光軸方向にステップ的に
移動し各ステップ位置で共焦点画像（光軸方向の移動な
しで共焦点光学系のＸＹ走査により得られた画像）を得
て、各ステップ毎に得られた共焦点画像間の対応する画
素毎に内挿演算により最大出力位置を推定する処理を行
う装置が本発明者により特開平７−１７６９３１号明細
書に開示されている。この発明を図４を用いて詳細に説
明する。

【０００４】２次元配列型共焦点光学系４０１と検出器
４０２とよりなる共焦点撮像系４０３は高速に共焦点画
像を得ることができ、得られた共焦点画像は画像処理装
置４０５に送られる。画像処理装置４０５は共焦点画像
を複数枚記憶する能力を持ち、記憶した共焦点画像を用
いて後で述べる高さ演算を実行する。高速焦点移動機構
４０４は２次元配列型共焦点光学系４０１の焦点面を高
速に図中ｚ１、ｚ２、ｚ３で示すようにステップ移動さ
せることができる。高速焦点移動機構４０４により焦点
面をステップ移動して各ステップ毎の共焦点画像を画像
処理装置４０５に記憶する。各共焦点画像の対応する点
（同じ座標の点）は図５点線で示すように各点における
縦の回折パターンをサンプリングしたものである。縦の
回折パターンのモデル式は強度｜Ｖ（ｚ）｜２＝（｜ｓ
ｉｎ ｋｚ（１−ｃｏｓθ）｜／｜ｋｚ（１−ｃｏｓ
θ）｜）２（ここにｋは波数、ｓｉｎθは対物レンズの
開口数（以下ＮＡと記す）、ｚはＺ軸座標である）で与
えられることがわかっているから、フィッティング演算
によりサンプリングした点から最大出力位置を正確に推
定できる。画像中の全点に対してこの演算を施すことに
より画像全点の高さデータつまり３次元データが得られ
ることになる。この装置は物体あるいは光学系を光軸方
向に連続的に移動して最大出力位置を見つける方法に比
べて、遥かに少ない共焦点画像から精度を大きく落とす
ことなく３次元データを得ることができるため非常に計
測時間が短縮できる。この高速性によりこれまで不可能
であったオンライン製品外観検査などへの適用が可能と
なる。

【０００５】この装置では、焦点面のステップ移動の移
動ピッチ（以下ステップ距離と呼ぶ）が大きければ高速
な計測が可能であるが、ステップ距離が小さくなると効
果が薄れてくる。このためできるだけ大きいステップ距
離で計測する必要があるが、このステップ距離は自由に
決められるわけではない。図５に示す縦の回折パターン
の第一暗部の内側（中央の山の内側）で２ないし３点を
サンプリングしなければピーク位置が計算できないた
め、これがステップ距離の制限になる。ステップ距離の
上限を決める縦の回折パターンの山の幅は、上記の式か
ら明らかなように２次元配列共焦点光学系４０１の対物
レンズのＮＡで決定されるから、ＮＡを下げて山の幅を
広げればステップ距離を大きくとることができる。しか
し、ＮＡを下げてステップ距離を大きくとると上記ピー
ク推定演算の精度はほぼステップ距離に比例して低下す
る。つまり、計測精度と計測速度の間にはトレードオフ
の関係がある。

【発明が解決しようとする課題】

【０００６】このことから対物レンズのＮＡは物体の要
求計測精度と、要求計測速度から最適な値を決定する必
要があるが、対象物体に応じて動的にＮＡが変化できる
と便利である。たとえば物体の下部（光軸方向で下の
方）は低い精度で計測してもよく、上部（光軸方向で上
の方）は高精度に計測したいような場合、ＮＡとステッ
プ距離を上部と下部では変えて計測できればより最適な
計測が可能となる。ＮＡを変化させることは対物レンズ
の絞りの大きさを変化させることで実現可能であるが、
この場合ＮＡの変化に伴って光量が変化することから、
小さいＮＡで得た画像は暗くなりＳ／Ｎが悪化するとい
う問題が発生する。

【０００７】そこで本発明は、Ｓ／Ｎを悪化させること
なく高速にＮＡを変化させることが可能な形状計測装置
を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そこで本発明は、独立し
た開口絞りを持つ対物レンズと、前記対物レンズを通し
て物体に照明光を照射する照明手段と、前記対物レンズ
により集光された物体からの反射光を光電変換する、露
光時間が電気的に制御可能な検出器と、前記検出器から
得られた電気信号を解析して物体の対物レンズ光軸方向
の位置を演算する信号処理装置と、前記対物レンズの開
口絞りの大きさを電気的に変化させる開口数変化手段
と、前記開口数変化手段と前記検出器の露光時間とを制
御する制御手段とにより装置を構成する。

【０００９】上記の開口数変化手段は、対物レンズの開
口絞り位置に配置され、２枚の透明電極基板間に液晶分
子を挟み込んだ液晶セルと、前記透明電極基板上の透明
電極への電圧印加を制御する液晶制御装置とから構成さ
れ、前記透明電極基板上の透明電極は少なくとも１種類
の開口形状がパターニングされており、前記液晶制御装
置からの透明電極への電圧制御により前記液晶分子の電
気光学効果を利用して対物レンズの開口絞りを通過する
光を透明電極の形状に応じて遮断、透過するように構成
する。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。図１に本発明の実施の形態
を示す。 まず２次元配列型共焦点光学系の構造につい
て簡単に説明する。

【００１１】照明手段１から出た照明光はレンズ２によ
り集光され平行光となって、ピンホールアレイ３を照射
する。ピンホールアレイ３のピンホールから射出される
それぞれの照明光は、ピンホールの回折により広がって
ハーフミラー４を通過してレンズ６ａとレンズ６ｂとよ
りなる対物レンズ６の絞り位置に配置された開口数変化
手段５に入射し、光束径が制限される。開口数変化手段
５の部分については後に詳述する。対物レンズ６に入射
した照明光は対物レンズ６の結像作用を受けてピンホー
ルアレイ３の像（スポット）を物体７に投影することに
なる。物体７から反射した光は対物レンズ６により再び
結像作用を受けてピンホールアレイ８付近に結像する。
ピンホールアレイ８はハーフミラー４によりピンホール
アレイ３と光学的に同等な位置にあり、各ピンホールの
光軸に垂直な方向の位置関係も全く同等である。ピンホ
ールアレイ８の各ピンホールは検出器アレイ９の各検出
器と１対１の関係で配置されており、各ピンホールを通
過した反射光の強度を各検出器が検出するようになって
いる。

【００１２】以上の構造は前述した共焦点光学系（図
６）を２次元に配列した構造となっており、各ピンホー
ル、各検出器の役割は前述の共焦点光学系と全く同じで
ある。検出器アレイ９からの出力は共焦点光学系の焦点
面（物体面）と物体７とがある位置関係（光軸方向）に
ある場合の各検出器の出力を集めて２次元化したものと
考えられる（このような出力信号を以下では共焦点画像
と呼ぶことにする）。２次元配列型共焦点光学系の焦点
面（物体面）と物体７との位置関係を変化させて、その
度に共焦点画像を信号処理装置１０に記憶しておき、得
られた複数の共焦点画像から、信号処理装置１０により
信号処理して各画素について最大値を与える画像を求め
れば、各画素（＝検出器アレイ９の各検出器）毎に共焦
点光学系の焦点面（物体面）と物体７との位置関係が求
まることになり物体の形状計測が可能となる。

【００１３】対物レンズ６のＮＡは開口数変化手段５に
より変化する。開口数変化手段５の詳細を図２、図３を
用いて説明する。開口数変化手段５はそれぞれ減反射コ
ーティングが施され、互いに直交ニコルの関係にある偏
光子２１と検光子２２の間に、透明電極基板２３、２４
間にねじれネマティック（以下ＴＮとする）液晶２５を
挟み込んだ液晶セル２７を配置した構造となっている。
透明電極基板２３、２４には図３に示すような同心円状
の複数のセグメント電極が付されている。透明電極は酸
化インジウム（ＩＴＯ）膜であり、光を透過しかつ導電
性を持つもので、ＴＮ液晶２５のしきい値電圧を超える
電圧を各電極それぞれ個別に、液晶制御装置２６により
印加できるようになっている。ＴＮ液晶２５は、一方の
電極から他方の電極にかけて液晶分子が９０度ねじれた
配向となっており、偏光子２１の偏光方向と偏光子２１
側の液晶分子の長軸方向とを一致させておけば、偏光子
２１を通って直線偏光となった光は液晶内で液晶分子の
ねじれに沿って９０度旋光し検光子２２を透過する。液
晶制御装置２６により透明電極に電圧を加えると液晶分
子のねじれは解消され偏光子２１を通った光は旋光せず
にそのまま液晶内を通り抜けることになり、この場合光
は検光子２２を透過できない。このような遮光作用は電
圧が印加されている透明電極パターン部でのみ起こるた
め、液晶制御装置２６により開口数変化手段５の開口部
（光透過部）の大きさを電気的に変化させることができ
るようになる。開口数変化手段５は対物レンズ６の絞り
位置に配置されているため開口部の大きさが変わること
は絞りの大きさが変わることに対応し、結果として対物
レンズ６のＮＡが制御できることになる。

【００１４】次に検出器アレイ９について説明する。検
出器アレイ９は現在２次元検出器として最も一般的なＣ
ＣＤセンサ内蔵のテレビカメラであり外部から制御可能
な電子シャッター機能を有している。この機能について
説明する。ＣＣＤセンサは一般に光電変換部と電荷転送
部から構成されている。光電変換部は受光した光を電荷
に変えて一時的に蓄積し、制御信号により蓄積した電荷
をすべて電荷転送部に掃き出しまた新たな光電荷蓄積を
開始する。電荷転送部は光電変換部から掃き出された電
荷を転送しシリアルに出力する。ＣＣＤセンサから出力
された信号はテレビカメラ内の画像信号出力回路により
テレビ信号形式に変換され信号処理装置１０に出力され
る。電子シャッターは露光開始信号によりそれまで光電
変換部で蓄積した電荷を電荷転送部へ排出し、新たな光
電荷蓄積を開始し、露光終了信号により露光開始信号か
ら露光終了信号までに蓄積した電荷を再び電荷転送部へ
掃き出しその電荷を電荷転送部、電荷読み出し部を通し
てテレビ信号として出力する機能である。本発明では露
光開始信号と露光終了信号を制御手段１１により制御す
ることで任意のタイミングで、かつ任意の露光時間で画
像を得ることができる。

【００１５】計算によりあるいは実験により開口数変化
手段５の液晶セル２７の開口サイズと露光時間の関係を
求めておき、開口数変化手段５の液晶セル２７の開口サ
イズと検出器アレイ９の露光時間を制御手段１１により
制御することでＮＡを変化させても光量（画像の明る
さ）が変化しないようにする事が可能である。しかも、
開口数変化手段５の液晶材料として高速な応答のものを
用いればリアルタイム（１／３０秒毎）に開口数を変化
させ、光量は一定とすることが可能となる。

【００１６】この例では開口数変化手段５として液晶の
旋光性を利用したもの（ＴＮ液晶）を用いたが、各セグ
メント透明電極ごとに遮光、透過が切り替えることがで
きれば他の液晶であってもよい。例えば、液晶の複屈折
性（電界制御複屈折効果）を用いても全く同様のことが
実現できるし、また偏光子２１、検光子２２による光量
低下が問題となるような場合は、液晶の動的散乱効果を
用いて液晶だけで遮光、透過を行うこともでき、この場
合偏光素子を用いる必要はない。

【発明の効果】本発明によれば、たとえば物体の下部
（光軸方向で下の方）は低い精度で計測してもよく、上
部（光軸方向で上の方）は高精度に計測したいような場
合、ＮＡとステップ距離を上部と下部でリアルタイムに
変えて、かつ光量が変化しないように（つまりＳ／Ｎを
悪化させることなく）計測することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を示した図である。

【図２】本発明の実施の形態の開口数変化手段を説明す
るための図である。

【図３】本発明の実施の形態の液晶の透明電極パターン
を説明するための図である。

【図４】本発明の従来技術を説明するための図である。

【図５】共焦点光学系における物体のＺ座標位置変化に
対する特性を示す図である。

【図６】共焦点光学系を説明するための図である。

【符号の説明】

１ 照明手段 ２ レンズ ３ ピンホールアレイ ４ ハーフミラー ５ 開口数変化手段 ６ 対物レンズ ７ 物体 ８ ピンホールアレイ ９ 検出器アレイ １０ 信号処理装置 １１ 制御手段 ２１ 偏光子 ２２ 検光子 ２３ 透明電極基板 ２４ 透明電極基板 ２５ ＴＮ液晶 ２６ 液晶制御装置 ２７ 液晶セル

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 合焦情報を利用して光軸方向の物***置
   を検出する装置において、独立した開口絞りを持つ対物
   レンズと、前記対物レンズを通して物体に照明光を照射
   する照明手段と、前記対物レンズにより集光された物体
   からの反射光を光電変換する、露光時間が電気的に制御
   可能な検出器と、前記検出器から得られた電気信号を解
   析して物体の対物レンズ光軸方向の位置を演算する信号
   処理装置と、前記対物レンズの開口絞りの大きさを電気
   的に変化させる開口数変化手段と、前記開口数変化手段
   と前記検出器の露光時間とを制御する制御手段とを有す
   ることを特徴とする形状計測装置。
2. 【請求項２】 開口数変化手段は、対物レンズの開口絞
   り位置に配置され、２枚の透明電極基板間に液晶分子を
   挟み込んだ液晶セルと、前記透明電極基板上の透明電極
   への電圧印加を制御する液晶制御装置とから構成され、
   前記透明電極基板上の透明電極は少なくとも１種類の開
   口形状がパターニングされており、前記液晶制御装置か
   らの透明電極への電圧制御により前記液晶分子の電気光
   学効果を利用して対物レンズの開口絞りを通過する光を
   透明電極の形状に応じて遮断、透過することを特徴とす
   る請求項１記載の形状計測装置。