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技術 結像光学系、撮像装置、形状測定装置、構造物製造システム、及び構造物製造方法

出願人 株式会社ニコンニコン・メトロロジー・エヌヴェ
発明者 北澤大輔パトリック・ブランケール
出願日 2013年2月6日 (7年9ヶ月経過) 出願番号 2014-555418
公開日 2015年4月23日 (5年6ヶ月経過) 公開番号 2015-512030
状態 特許登録済
技術分野 顕微鏡、コンデンサー レンズ系 光学的手段による測長装置
主要キーワード 非軸対称性 通常光線 平面部材 設置エリア 所定軸 共焦点法 修復可能 非軸対称
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (20)

課題・解決手段

結像光学系(21)は、物体面(P1)の一点と物体面の一点と共役な像面(P2)の一点とを結ぶ第1軸(25)を含み、物体面を含む面と像面を含む面の交線に対して垂直な平面内において、第1軸に対して物体面と像面とが互いに反対向きに傾いている結像光学系であって、平面内で第1軸に対して偏心した第1光学部材(51)を備える。アオリの結像光学系において、結像性能の低下を抑制する。

概要

背景

アオリ結像光学系は、プロジェクター撮像装置、撮像装置を備える合焦装置、撮像装置を備える形状測定装置等に用いられている(例えば、特許文献1参照)。例えば、光切断法等を利用する形状測定装置は、照明光照射されている被検物の表面を撮像装置により撮像し、撮像結果に基づいて被検物の形状に関する情報を取得する。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(撮像)する方向は、被検物に対する照明光の照射方向に対して、角をなすように設定される。そのため、形状測定装置における撮像装置の結像光学系は、例えば、シャインプルーフの条件を満たすようなアオリの結像光学系として構成される。

概要

結像光学系(21)は、物体面(P1)の一点と物体面の一点と共役な像面(P2)の一点とを結ぶ第1軸(25)を含み、物体面を含む面と像面を含む面の交線に対して垂直な平面内において、第1軸に対して物体面と像面とが互いに反対向きに傾いている結像光学系であって、平面内で第1軸に対して偏心した第1光学部材(51)を備える。アオリの結像光学系において、結像性能の低下を抑制する。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
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請求項1

測定対象の像を形成する結像光学系と、前記結像光学系の像面の近傍に、前記結像光学系の光軸に対して傾いて配置された透過部材を備える撮像部とを有し、前記結像光学系は、前記光軸に対して偏心した第1光学部材を備える測定装置

請求項2

前記第1光学部材は、前記光軸に対して前記透過部材が傾いている方向とは反対向きに傾いている請求項1に記載の測定装置。

請求項3

前記第1光学部材は、前記透過部材で発生する収差を低減するように前記光軸に対して偏心して配置されている請求項1又は2に記載の測定装置。

請求項4

前記像面と共役な面である物体面に沿って、測定対象の測定領域に光束を投射する照明部を更に備えた請求項1から3のいずれか一項に記載の測定装置。

請求項5

前記透過部材は、前記像面に沿って配置され、前記結像光学系により集光する光束が通過する平面部材である請求項3に記載の測定装置。

請求項6

前記第1光学部材は、第1対称軸周り回転対称曲面形状を有しており、前記第1対称軸の前記光軸に対する傾き方向と前記像面の法線の前記光軸に対する傾き方向とが反対向きである請求項1に記載の測定装置。

請求項7

第2対称軸の周りで回転対称な曲面形状を有する第2光学部材を備え、前記第2対称軸の前記光軸に対する傾き方向と前記第1対称軸の前記光軸に対する傾き方向とが反対向きである請求項6に記載の測定装置。

請求項8

前記第1光学部材は、結像光束が通る範囲に、第1部分と、前記物体面を含む平面と前記像面を含む平面との交線に対して前記第1部分よりも近い第2部分と、を備え、前記第1部分から前記第2部分に向うにつれて他の光学部材よりも前記像面に近づくように配置される請求項6に記載の測定装置。

請求項9

前記第2光学部材は、結像光束が通る範囲に、第3部分と、前記物体面を含む面と前記像面を含む面との交線に対して前記第3部分よりも近い第4部分と、を備え、前記第4部分から前記第3部分に向うにつれて他の光学部材よりも前記像面から遠ざかるように配置される請求項7に記載の測定装置。

請求項10

前記第2光学部材は、前記第1光学部材で発生する収差の一部を相殺するように配置されている請求項7または9に記載の測定装置。

請求項11

前記第2光学部材は、前記物体面と前記像面との間の絞り面に対して、前記第1光学部材と同じ側に配置されている請求項8に記載の測定装置。

請求項12

前記第1光学部材及び前記第2光学部材を含む3つ以上の光学部材を備え、前記第2光学部材は、結像光束の進行方向において前記第1光学部材の隣に配置されている請求項10に記載の測定装置。

請求項13

前記第1光学部材を含む複数の光学部材を備え、前記第1光学部材は、前記複数の光学部材の光学面のうち相対的に曲率が小さい光学面を有する請求項1から12のいずれか一項に記載の測定装置。

請求項14

結像光束が通る範囲において前記第1軸の周りで回転対称な形状を有する第3光学部材を備える請求項1から11のいずれか一項に記載の測定装置。

請求項15

前記第1光学部材は、前記結像光学系により前記像面に集光する結像光束に対してパワーを有する請求項1から12のいずれか一項に記載の測定装置。

請求項16

前記第1光学部材は、結像光束が入射する第1平面と、前記結像光束が出射する第2平面とを有し、前記第2平面が前記第1平面に平行である請求項1から5のいずれか一項に記載の測定装置。

請求項17

前記第1光学部材は、結像光束が入射する第1平面と、前記結像光束が出射する第2平面とを有し、前記第2平面が前記第1平面に非平行である請求項1から5のいずれか一項に記載の測定装置。

請求項18

前記透過部材は、前記撮像素子受光領域を覆うように配置されている請求項1に記載の測定装置。

請求項19

照明光に照らされている被検物を撮像する請求項1から18のいずれか一項に記載の測定装置と、前記測定装置による結果に基づいて、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、を備える形状測定装置

請求項20

前記被検物に対してレーザー光を含む前記照明光を照射する固体光源を備える請求項19に記載の形状測定装置。

請求項21

構造物の形状に関する設計情報に基づいて前記構造物を成形する成形装置と、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19又は20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

請求項22

構造物の形状に関する設計情報に基づいて、前記構造物を成形することと、前記成形された前記構造物の形状を請求項19又は20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

請求項23

物体面の一点と前記物体面の一点と共役な像面の一点とを結ぶ第1軸を含み、前記物体面を含む面と前記像面を含む面の交線に対して垂直な平面内において、前記第1軸に対して前記物体面と前記平面との交線及び前記像面と前記平面との交線とが互いに反対向きに傾いている結像光学系であって、前記平面内で前記第1軸に対して偏心した第1光学部材を備える結像光学系。

請求項24

前記第1光学部材を含む複数の光学部材を備え、前記第1光学部材は、前記複数の光学部材のうち他の光学部材よりもよりも前記平面内で前記第1軸に対して傾いている請求項23に記載の結像光学系。

請求項25

前記第1軸は、本結像光学系による像形成範囲の中心位置に対応する前記像面の一点と前記像面の一点と共役な物体面の一点とを結ぶ軸であり、前記第1光学部材は、前記第1軸に対する前記像面の傾いた方向とは反対向きに傾いている請求項24に記載の結像光学系。

請求項26

前記第1光学部材は、第1対称軸の周りで回転対称な曲面形状を有しており、前記第1対称軸の前記第1軸に対する傾き方向と前記像面の法線の前記第1軸に対する傾き方向とが反対向きである請求項25に記載の結像光学系。

請求項27

第2対称軸の周りで回転対称な曲面形状を有する第2光学部材を備え、前記第2対称軸の前記第1軸に対する傾き方向と前記第1対称軸の前記第1軸に対する傾き方向とが反対向きである請求項26に記載の結像光学系。

請求項28

前記第1光学部材は、結像光束が通る範囲に、第1部分と、前記物体面を含む平面と前記像面を含む平面面との交線に対して前記第1部分よりも近い第2部分と、を備え、前記第1部分から前記第2部分に向うにつれて他の光学部材よりも前記像面に近づくように配置される請求項26に記載の結像光学系。

請求項29

前記第2光学部材は、結像光束が通る範囲に、第3部分と、前記物体面を含む面と前記像面を含む面との交線に対して前記第3部分よりも近い第4部分と、を備え、前記第4部分から前記第3部分に向うにつれて他の光学部材よりも前記像面から遠ざかるように配置される請求項28に記載の結像光学系。

請求項30

前記第2光学部材は、前記第1光学部材で発生する収差の一部を相殺するような収差が発生するように配置されている請求項27または29に記載の結像光学系。

請求項31

前記第2光学部材は、前記物体面と前記像面との間の絞り面に対して、前記第1光学部材と同じ側に配置されている請求項30に記載の結像光学系。

請求項32

前記第1光学部材及び前記第2光学部材を含む3つ以上の光学部材を備え、前記第2光学部材は、結像光束の進行方向において前記第1光学部材の隣に配置されている請求項31に記載の結像光学系。

請求項33

前記第1光学部材を含む複数の光学部材を備え、前記第1光学部材は、前記複数の光学部材の光学面のうち相対的に曲率が小さい光学面を有する請求項23から32のいずれか一項に記載の結像光学系。

請求項34

結像光束が通る範囲において前記第1軸の周りで回転対称な形状を有する第3光学部材を備える請求項23から33のいずれか一項に記載の結像光学系。

請求項35

前記第1光学部材は、結像光束に対してパワーを有する請求項23から34のいずれか一項に記載の結像光学系。

請求項36

前記第1光学部材は、結像光束が入射する第1平面と、前記結像光束が出射する第2平面とを有し、前記第2平面が前記第1平面に平行である請求項23から34のいずれか一項に記載の結像光学系。

請求項37

前記第1光学部材は、結像光束が入射する第1平面と、前記結像光束が出射する第2平面とを有し、前記第2平面が前記第1平面に非平行である請求項23から34のいずれか一項に記載の結像光学系。

技術分野

0001

本発明は、結像光学系、撮像装置形状測定装置構造物製造システム、及び構造物製造方法に関する。

背景技術

0002

アオリの結像光学系は、プロジェクター、撮像装置、撮像装置を備える合焦装置、撮像装置を備える形状測定装置等に用いられている(例えば、特許文献1参照)。例えば、光切断法等を利用する形状測定装置は、照明光照射されている被検物の表面を撮像装置により撮像し、撮像結果に基づいて被検物の形状に関する情報を取得する。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(撮像)する方向は、被検物に対する照明光の照射方向に対して、角をなすように設定される。そのため、形状測定装置における撮像装置の結像光学系は、例えば、シャインプルーフの条件を満たすようなアオリの結像光学系として構成される。

先行技術

0003

米国特許公報第5090811号

発明が解決しようとする課題

0004

上述のようなアオリの結像光学系は、結像光束が像面に対して非垂直な方向から入射してくることになる。そのため、アオリの結像光学系は、結像光束のうち物体面上の1点から出射した光束の像面におけるスポット強度分布非軸対称になりやすく、実質的な結像性能が低下することがありえる。結果として、アオリの光学系を備える撮像装置の撮像性能が低下すること、アオリの光学系を備えるプロジェクターの表示性能が低下すること、合焦装置、形状測定装置等の測定精度が低下すること等がありえる。

0005

本発明は、上記の事情に鑑み成されたものであって、アオリの結像光学系において、結像性能の低下を抑制することを目的の1つとする。また、本発明は、アオリの結像光学系を備える撮像装置において、撮像性能の低下を抑制することを目的の1つとする。また、本発明は、撮像装置を備える測定装置において、測定精度の低下を抑制することを目的の1つとする。また、本発明は、構造物の製造において、形状の精度の低下を抑制することを目的の1つとする。

課題を解決するための手段

0006

第1の態様に従えば、物体面の一点と物体面の一点と共役な像面の一点とを結ぶ第1軸を含み、物体面を含む面と像面を含む面の交線に対して垂直な平面内において、第1軸に対して物体面と平面との交線及び像面と平面との交線とが互いに反対向きに傾いている結像光学系であって、平面内で第1軸に対して偏心した第1光学部材を備える結像光学系が提供される。

0007

第2の態様に従えば、物体面の一点と物体面の一点と共役な像面の一点とを結ぶ第1軸を含み、物体面を含む面と像面を含む面の交線に対して垂直な平面内において、第1軸に対して物体面と平面との交線及び像面と平面との交線とが互いに反対向きに傾いている結像光学系であって、平面内で第1軸に対して偏心した第1光学部材を備える結像光学系が提供される。

0008

第3の態様に従えば、第1の態様の結像光学系と、結像光学系の像面に配置された撮像素子と、を備える撮像装置が提供される。

0009

第4の態様に従えば、照明光に照らされている被検物を撮像する第3の態様の撮像装置と、撮像装置による撮像の結果に基づいて、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、を備える形状測定装置が提供される。

0010

第5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4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。

0011

第6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4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。

発明の効果

0012

上記の態様によれば、アオリの結像光学系において、結像性能の低下を抑制することができる。

図面の簡単な説明

0013

第1実施形態の形状測定装置の概観を示す図である。
第1実施形態の形状測定装置の構成を示す図である。
第1実施形態の結像光学系の物体面、像面等の位置関係を示す図である。
第1実施形態の平均平面の定義を示す図である。
第1実施形態の結像光学系の構成を示す図である。
第1実施形態の結像光学系の諸元を示す表1である。
収差図に示すデータに対応する物体面上の位置を説明するための図である。
第1実施形態における像面での収差を示すスポットダイアグラムである。
第1実施形態の結像光学系におけるコマ収差を示す図である。
第1実施形態の結像光学系における球面収差非点収差を示す図である。
第2実施形態の結像光学系の構成を示す図である。
第2実施形態の結像光学系の諸元を示す表2である。
第2実施形態における像面での収差を示すスポットダイアグラムである。
第2実施形態の結像光学系におけるコマ収差を示す図である。
第2実施形態の結像光学系における球面収差、非点収差を示す図である。
第3実施形態の結像光学系の構成を示す図である。
第3実施形態の結像光学系の諸元を示す表3である。
第3実施形態における像面での収差を示すスポットダイアグラムである。
第3実施形態の結像光学系におけるコマ収差を示す図である。
第3実施形態の結像光学系における球面収差、非点収差を示す図である。
第4実施形態の結像光学系の構成を示す図である。
第4実施形態の結像光学系の諸元を示す表4である。
第4実施形態における像面での収差を示すスポットダイアグラムである。
第4実施形態の結像光学系におけるコマ収差を示す図である。
第4実施形態の結像光学系における球面収差、非点収差を示す図である。
第5実施形態の結像光学系の構成を示す図である。
第5実施形態の結像光学系の諸元を示す表5である。
第5実施形態における像面での収差を示すスポットダイアグラムである。
第5実施形態の結像光学系におけるコマ収差を示す図である。
第5実施形態の結像光学系における球面収差、非点収差を示す図である。
比較例の結像光学系の構成を示す図である。
比較例の結像光学系の諸元を示す表6である。
比較例における像面での収差を示すスポットダイアグラムである。
比較例の結像光学系におけるコマ収差を示す図である。
比較例の結像光学系における球面収差、非点収差を示す図である。
本実施形態の構造物製造システムの構成を示す図である。
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。

実施例

0014

[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P1、像面P2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。

0015

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。

0016

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、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。

0017

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の表面の一部に照明光を照射する。撮像装置9は、制御装置5によって制御され、照明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。

0018

図2に示すように、本実施形態の光源装置8は、光を発する光源11、光源11を駆動する光源駆動部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。本実施形態において、光源11から出射して照明光学系13を通った光を、照明光という。

0019

本実施形態の光源11は、レーザーダイオード固体光源)を含む。すなわち、光源装置8から出射する照明光は、レーザー光を含む。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)、高輝度ダイオード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。

0020

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つの光学部材であってもよいし、複数の光学部材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から出射する照明光(以下、ライン光L1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と短手方向を有するライン状の強度分布の光になる。

0021

なお、照明光学系13に回折光学素子を用いて、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。回折光学素子としては、既存の色々な素子を使うことができ、例えば計算機生成ホログラムCGH)によって回折光学素子を構成しても良い。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L1は、パターン光の一例である。

0022

本実施形態の撮像装置9は、撮像素子20、結像光学系21、及びカバー部材22を備える。光源装置8から被検物Qに照射されたライン光L1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(以下、結像光束L2という)を、結像光学系21及びカバー部材22を介して撮像素子20が検出する。結像光束L2は、光源装置8から出射した光束のうち、被検物Qの表面を経由して結像光学系21に入射した光束の少なくとも一部を含む。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。

0023

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。

0024

図3に示すように、結像光学系21は、物体面P1と共役な像面P2を撮像素子20の受光面に形成する。本実施形態において、物体面P1は、光源装置8からのライン光L1の伝播方向(出射方向)D1、及びライン光L1のスポットの長手方向D2を含む面P3の一部である。本実施形態において、物体面P1の中心を第1中心23、像面P2の中心を第2中心24という。本実施形態において、像面P2の中心は、結像光学系21により像が形成される領域の中心位置とし、物体面P1の中心は、結像光学系21において像面P2の中心と共役な位置にしている。また、第1中心23と第2中心24を結ぶ軸を第1軸25、物体面P1を含む面P3と像面P2を含む面P4との交線上の軸を第2軸26という。また、物体面P1と像面P2との間において第1軸25に直交する面を第1面P5という。

0025

なお、第1軸25は物体面P1の中心及び像面P2の中心を通る軸だけに限られない。物体面P1の任意の点と、像面P2の任意の点を通る軸であっても良い。光学部材のそれぞれの傾いている方向が時計回りに傾いているのか、反時計回りに傾いているのかがわかるような軸であれば、第1軸はどのように設定しても良い。

0026

また、第1軸25は、次のように設定してもかまわない。第1軸25の像面の1点は、撮像素子20から出力される画素信号のうち、画像データとして利用される画素範囲から像面の1点を選択する。そして、物体面の1点は、本結像光学系21により選択された像面の1点と共役な関係となる1点を選択する。そして、選択された像面の1点と物体面の1点とを結ぶ軸を結ぶことで、第1軸25が設定される。また、第1軸は、非共軸レンズを除く、結像光学系を構成するレンズ光軸にあわせるように設定しても構わない。

0027

本実施形態において、第1軸25を含み、第2軸26に対して垂直な面内において、物体面P1と像面P2のそれぞれは、第1軸25に対して傾いている。物体面P1が第1軸25に対して傾く倒れる)向き(以下、第1の向きD3という)は、像面P2が第1軸25に対して傾く向き(以下、第2の向きD4という)と反対を向いている。物体面P1は、第2軸26に近づくにつれて第1面P5に近づくように、第1軸25に対して傾いている。像面P2は、第2軸26に近づくにつれて第1面P5に対して物体面P1と反対側から第1面P5に近づくように、第1軸25に対して傾いている。

0028

なお、物体面P1と像面P2の一方又は双方は、曲面を含んでいてもよい。例えば、物体面P1が曲面を含む場合に、各種の軸等に対する物体面P1の傾き等を示す位置関係は、物体面P1に対応する平均平面P7(図4参照)を用いて定義することができる。もちろん、像面についても同様に平均平面を定義することができるので、本願発明のように物体面や像面がどの方向に傾いているかどうかを議論する際は、このような平均平面を用いて評価を行うことができる。図4において、符号P6は、曲面を示し、符号Rは、曲面P6のうち像面P2に像を形成する結像光束L2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上の各点と曲面P6との距離dの二乗平均(RMS)が最小となる平面である。

0029

本実施形態の結像光学系21は、光源装置8から被検物Qに照射されたライン光L1が被検物Q上で描くパターンL3の像を、撮像素子20の受光面に形成する。結像光学系21の構成については、後述する。

0030

本実施形態において、光源装置8から出射して被検物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P1と被検物Qとが交差する線(パターンL3)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。

0031

図2に示すように、本実施形態のカバー部材22は、結像光学系21のうち像面P2に最も近い光学部材と、撮像素子20の受光面(像面P2)との間の光路に配置されている。本実施形態において、カバー部材22は、板状の部材(平行平板)であり、例えば石英ガラス等のように、結像光束L2の少なくとも一部が透過する材質である。本実施形態のカバー部材22は、撮像素子20のうち結像光学系21を向く表面20aを覆うように、設けられている。カバー部材22の一方の面は、撮像素子20に当接している。カバー部材22は、撮像素子20の表面20aに埃等が侵入することを抑制する。

0032

本実施形態において、カバー部材22の表面は、結像光学系21の像面P2(撮像素子20の受光面)に対して実質的に平行である。結像光学系21から出射した結像光束L2は、カバー部材22に対して非垂直な方向から入射する。カバー部材22に入射した結像光束L2は、カバー部材22を通って、撮像素子20の受光面に対して非垂直な方向から入射する。

0033

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から出射したライン光L1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。

0034

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、及び検出器34を備える。

0035

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。

0036

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。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。

0037

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。

0038

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。

0039

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、測定及びプロセス処理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。

0040

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から出射した照明光(ライン光L1)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からのライン光L1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。

0041

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。

0042

ところで、一般的な形状測定装置等の光学装置は、結像光学系の像面が物体面に対して傾いている場合に、像面上のある一点に向かって収束する結像光束のうち、マージナル光線が像面に対して非対称に入射することになり、像面に垂直な軸周りの収差が非軸対称になりやすい。例えば、結像光学系と像面との間にカバーガラス(透明な平行平板)等の部材が配置されていると、物体面の中心における法線方向と像面の中心における法線方向とを含む面上のカバーガラスにおいて、上記の軸に関して非対称な収差、例えば非点収差、コマ収差等が発生する。そのため、結像光束のうち物体面上の1点から出射した光束(以下、部分光束という)は、像面におけるスポットの形状が像面に垂直な軸周りで非軸対称になりやすい。この場合に、撮像素子によって検出される明るさ分布ピーク位置は、非軸対称な収差の分だけシフトし、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。結果として、測定精度が低下してしまうことがありえる。

0043

次に、本実施形態の結像光学系21の構成を説明する。本実施形態の結像光学系21は、カバー部材22において発生する収差のうち像面P2に垂直な軸周りで非軸対称な成分の少なくとも一部を相殺するように、構成されている。特に結像光学系21を構成するレンズを偏心させることで、非軸対称な成分の収差を相殺させている。

0044

なお、各実施形態において、偏心は、レンズが第1軸に対して傾いている(チルト)ことと、あるレンズの対称軸を、他の複数のレンズの対称軸に対して方向を変えずに、移動させている(シフト)ことの一方又は双方を含む。以下の説明では、特に第1軸や光軸に対して、ある特定のレンズのみ傾かせる例について説明するが、これだけに限られない。また、このように結像光学系21を構成する一部の光学部材を偏心させることにより、結像光学系21において発生する収差は、上記の非軸対称な成分(収差)の少なくとも一部を相殺することができる。本実施形態の結像光学系21は、次に説明するような光学部材を備えることによって、例えば非軸対称な収差の発生を抑制すること等ができる。なお、各実施形態については、光軸と第1軸が同じ位置に配置されているが、本発明はこれに限られない。なお、この光軸とは、結像光学系のなかで偏心していないレンズの各対称軸を連ねた軸であることは言うまでも無い。以下の説明では第1軸に対しての傾き角度として説明する。

0045

図5は、本実施形態の結像光学系21の構成を示す図である。図6は、本実施形態の結像光学系21の諸元を示す表1である。全ての諸元において掲載される曲率半径r、面間隔d、その他長さの単位は、特記の無い場合に「mm」が使われるが、光学系は比例拡大又は比例縮小しても同等の光学性能が得られるので、単位は「mm」に限定されることはなく、他の適切な単位を用いることもできる。

0046

なお、以下の説明において、図5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25に平行な方向、Y軸方向は第2軸26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。

0047

また、結像光学系21の各光学面を、面番号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、物体面P1を起点(面番号0)として、図5に示す物体面P1から像面P2に近づく光学面であるほど、昇順する番号である。例えば、面番号1に対応する第1光学面は、物体面P1の次に配置されている光学面である。第1光学面を符号A1、第2光学面を符号A2というように、0以上の整数nに対して第n光学面を符号Anで示す。

0048

なお、結像光学系21の諸元を示す表(例えば図6の表1)において、実質的に平面とみなせる光学面については、「曲率半径」の代わりに曲率(0.00)を記載している。また、第nの光学面Anの「距離」は、第nの光学面Anから、第nの光学面Anの次に物体面P1に近い光学面までの距離を示す。例えば、第0光学面A0(物体面P1)に対する「距離」は、物体面P1から第1光学面A1までの距離を示す。また、第1光学面A1に対する「距離」は、第1光学面A1から第2光学面A2までの距離を示し、第1光学面A1及び第2光学面A2を有する光学部材の厚みに相当する。また、第nの光学面Anの「屈折率」、「アッベ数」は、第nの光学面Anを有する部材の屈折率、アッベ数の値を示す。屈折率は、波長が656.273nmの光に対する値である。またアッベ数はνdの値である。また、第nの光学面Anの「偏心量傾き量)」は、第nの光学面Anの中心軸がX軸方向となす角度[deg]を示す。この角度は、Y軸方向に平行な軸周りで時計回りを負、反時計回りを正としている。すなわち、光学部材は、傾き量が正である場合に第1軸25に対して像面P2が傾く向きと反対向きに傾いており、傾き量が負である場合に第1軸25に対して像面P2が傾く向きと同じ向きに傾いている。

0049

なお、傾きの向きは、次のようにして定義できる。第2から第9レンズ42〜49の表面形状は全て、所定軸周り回転対称な曲面形状を有する。この所定軸が第1軸に対して、反時計回りに回転しているのか、それとも時計回りに回転しているのかで、傾きの向きを定義することができる。これは、他の実施形態においても同様である。

0050

本実施形態において、第1軸25は、物体面P1の第1中心23を通り、X軸方向と平行である。図5に示すように、物体面P1は、第1中心軸23にある中心が+Z側から−Z側に向うにつれて−X側から+X側に向かうように、第1軸25に対して傾いている。本実施形態において、像面P2は、第2中心軸24にある中心が+Z側から−Z側に向うにつれて+X側から−X側に近づくように、第1軸25に対して傾いている。このように、物体面P1と像面P2は、第1軸25に対して、互いに反対向きに傾いている。例えば、物体面P1は、第1軸25と直交する面(YZ面)から約65°傾いており、像面P2(第20光学面A20)は、第1軸25と直交する面(YZ面)から約−26.4°傾いている。結像光学系21は、例えば、像側の開口数(NA)が0.48であり、焦点距離fが32.2mmである。物体面P1は、例えば15mm×15mmの矩形の領域である。

0051

本実施形態の結像光学系21は、第1カバーガラス41と、第2から第9レンズ(光学部材)42〜49を備える。第1カバーレンズ41と第2から第9レンズは透明な部材で形成されており、少なくとも光源11から発せられた光を透過する。第2から第9レンズ42〜49は、第1軸25に沿って配列されている。本実施形態において、第2から第9レンズ42〜49のそれぞれは、いわゆる球面レンズである。第2から第7レンズ42〜47のそれぞれは、結像光束L2が通る範囲において、第1軸25の周りで軸対称である。本実施形態の第8レンズ48(以下、第1光学部材51という)は、第1軸25に対して、像面P2が傾く向きと反対向きに傾いている。本実施形態の第9レンズ49(以下、第2光学部材52という)は、第1軸25に対して、像面P2が傾く向きと同じ向きに傾いている。

0052

本実施形態において、第1カバーガラス41は、物体面P1側を向く第1光学面A1、及び像面P2側を向く第2光学面A2を有する。第1カバーレンズは、少なくとも光源11から発せられる光に対して透明である。第1レンズ41は、図6の表1に示すように、第1光学面A1と第2光学面A2のそれぞれの曲率が0であり、平行平板である。

0053

本実施形態において、第2レンズ42は、物体面P1側を向く第3光学面A3、及び像面P2側を向く第4光学面A4を有する。第2レンズ42は、第3光学面A3が物体面P1に向って凸(曲率半径が正)であるとともに、第4光学面A4が像面P2に向って凸(曲率半径が負)であり、いわゆる両凸レンズである。

0054

本実施形態において、第3レンズ43は、物体面P1側を向く第5光学面A5、及び像面P2側を向く第6光学面A6を有する。第3レンズ43は、第5光学面A5が物体面P1に向って凸であるとともに、第6光学面A6が像面P2に向って凹(曲率半径が正)であり、いわゆるメニスカスレンズである。第3レンズ43は、第5光学面A5が第2レンズ42の第4光学面A4と実質的に接触する程度に、第2レンズ42と近接して配置されている。

0055

本実施形態において、第4レンズ44は、物体面P1側を向く第7光学面A7を有する。第4レンズ44は、第7光学面A7が物体面P1に向って凸であり、ほぼ平凸レンズのような形状である。第4レンズ44は、第7光学面A7が第3レンズ43の第6光学面A6と実質的に接触する程度に、第3レンズ43と近接して配置されている。

0056

本実施形態において、第5レンズ45は、物体面P1側を向く第8光学面A8、及び像面P2側を向く第9光学面A9を有する。第5レンズ45は、第8光学面A8が物体面P1に向って凹(曲率半径が負)であるとともに、第9光学面A9が像面P2に向って凹であり、いわゆる両凹レンズである。第5レンズ45は、第8光学面A8が第4レンズ44と実質的に接触する程度に、第4レンズ44と近接して配置されている。

0057

本実施形態において、第6レンズ46は、物体面P1側を向く第11光学面A11、及び像面P2側を向く第12光学面A12を有する。第6レンズ46は、第11光学面A11が物体面P1に向って凹であるとともに、第12光学面A12が像面P2に向って凹であり、いわゆる両凹レンズである。本実施形態において、第10光学面A10は、結像光学系21の絞り面である。第10光学面A10は、第5レンズ45と第6レンズ46の間に、配置される。第10光学面A10は、第1軸25に対して実質的に直交する。

0058

本実施形態において、第7レンズ47は、像面P2側を向く第13光学面A13を有する。第7レンズ47は、第13光学面A13が像面P2に向って凸であり、ほぼ両凸レンズのような形状である。第7レンズ47は、第6レンズ46の第12光学面A12と実質的に接触する程度に、第6レンズ46と近接して配置されている。

0059

本実施形態において、第1光学部材51(第8レンズ48)は、第10光学面A10(絞り面)に対して、像面P2側に配置されている。第1光学部材51は、結像光学系21の絞り面との間に他の光学部材(例えば、第6レンズ46及び第7レンズ47)を挟むように、絞り面から離れて配置されている。

0060

第1光学部材51は、物体面P1側を向く第14光学面A14、及び像面P2側を向く第15光学面A15を有する。第1光学部材51は、第14光学面A14が物体面P1に向って凸であるともに、第15光学面A15が像面P2に向って凸であり、いわゆる両凸レンズである。第1光学部材51は、結像光束L2に対してパワーを有する。第1光学部材51のうち、物体面P1側を向く第14光学面A14は、結像光学系21の光学面のうち曲率が相対的に小さい(曲率半径が相対的に大きい)。少なくともパワーを有する第2〜第9レンズの各光学面のパワーの平均値よりも小さいパワーを有している。本実施形態において、第1光学部材51は、結像光学系21の光学部材のうち最も曲率半径が小さい光学面を含んでいない。本実施形態において、第1光学部材51に対して結像光束L2が入射してくる側の第14光学面A14は、第1光学部材51から結像光束L2が出射する側の第15光学面A15よりも曲率が小さい。

0061

本実施形態において、第1光学部材51は、第1軸25に対して、像面P2が傾く向きと反対向きに傾いている。第1光学部材51は、結像光束が通る範囲に、第1軸25に対して第1側(例えば+Z側)に配置される第1部分53と、第1軸25に対して第2側(例えば−Z側)に配置される第2部分54とを備える。本実施形態において、物体面P1と像面P2は、第2側(−Z側)に向うにつれて互いに接近するように、第1軸25に対して傾いている。そのため、物体面P1と像面P2の交線(第2軸26)は、第1軸25に対して第2側(−Z側)に配置される。このように、第1光学部材51の第2部分54は、第2軸26に対して第1部分53よりも近い部分である。第1光学部材51の主面は、第1部分53から第2部分54に向うにつれて像面P2に近づくように、配置される。本実施形態において、第1光学部材51の中心軸は、図6の表1に示すように第1軸25に対して約2.12°傾いている。

0062

本実施形態において、カバー部材22のうち物体面P1側を向く面(第18光学面A18)は、像面P2に対してほぼ平行である。カバー部材22に対して非垂直な方向から結像光束L2が入射してくるので、カバー部材22は、物体面P1と像面P2のそれぞれに直交する第2面P8(XZ面)において、第1軸25に関して非対称な収差が発生する。また、本実施形態の第1光学部材51は、第1軸25に対して中心軸が傾いているので、第2面P8において、第1軸25に関して非対称な収差が発生する。第1光学部材51は、第1軸25に対して、像面P2(カバー部材22)が傾く向きと反対向きに傾いているので、第1光学部材51で発生する収差は、カバー部材22で発生する収差の少なくとも一部を相殺する。本実施形態において、第1光学部材51で発生する収差は、カバー部材22で発生する収差のうち像面P2に垂直な軸の周りで非軸対称な収差の少なくとも一部を相殺する。

0063

本実施形態において、第2光学部材52(第9レンズ49)は、第10光学面A10(絞り面)に対して像面P2側、すなわち結像光学系21の絞り面に対して第1光学部材51と同じ側に配置されている。第2光学部材52は、結像光学系21の絞り面との間に他の光学部材(第6から第8レンズ46〜48)を挟むように、絞り面から離れて配置されている。第2光学部材52は、結像光束L2の進行方向すなわち物体面P1から像面P2に向う方向において、第1光学部材51の隣に配置されている。第2光学部材52は、物体面P1から像面P2に向う方向において、第1光学部材51よりも像面P2側に配置されている。本実施形態において、第2光学部材52は、結像光学系21の光学部材のうち最も像面P2に近い位置に配置されている。

0064

本実施形態の第2光学部材52は、物体面P1側を向く第16光学面A16、及び像面P2側を向く第17光学面A17を有する。第2光学部材52は、第16光学面A16が物体面P1に向って凸であるともに、第17光学面A17が像面P2に向って凹であり、いわゆるメニスカスレンズである。第2光学部材52は、結像光束L2に対してパワーを有する。

0065

本実施形態において、第2光学部材52は、第1軸25に対して、像面P2が傾く向きと同じ向きに傾いている。すなわち、第2光学部材52は、第1軸25に対して、第1光学部材51が傾く向きと反対向きに傾いている。第2光学部材52は、結像光束が通る範囲に、第1軸25に対して第1側(例えば+Z側)に配置される第3部分55と、第1軸25に対して第2側(例えば−Z側)に配置される第4部分56とを備える。第1光学部材51の説明において述べたように、物体面P1と像面P2の交線(図3に示す第2軸26)は、第1軸25に対して第2側(−Z側)に配置され、第2光学部材52の第4部分56は、第2軸26に対して第3部分55よりも近い部分である。第2光学部材52は、第4部分56から第3部分55に向うにつれて像面P2に近づくように、配置される。本実施形態において、第2光学部材52の中心軸は、図6の表1に示すように第1軸25に対して約−3.51°傾いている。

0066

本実施形態の第2光学部材52は、第1軸25に対して中心軸が傾いているので、第2面P8において、第1軸25に関して非対称な収差が発生する。第2光学部材52は、第1軸25に対して、第1光学部材51が傾く向きと反対向きに傾いているので、第2光学部材52で発生する収差は、第1光学部材51で発生する収差の一部を相殺する。本実施形態において、第2光学部材52で発生する収差は、第1光学部材51で発生する収差のうち像面P2に垂直な軸の周りで非軸対称な収差の一部を相殺する。ここで、第1光学部材51で発生する非軸対称な収差を第1収差、第2光学部材52で発生する収差を第2収差、カバー部材22で発生する非軸対称な収差を第3収差とする。結像光学系21は、第1収差のうち第2収差に相殺されないで残る収差が第3収差の少なくとも一部を相殺するように、第2光学部材52のパワー、第2光学部材52の傾き角(中心軸又は光軸に対する傾き量)等が設定される。本実施形態において、第2光学部材52のパワーは、第1光学部材51のパワーよりも小さい。

0067

次に、結像光学系の収差について説明する。図8は、本実施形態の像面における収差を示すスポットダイアグラムである。すなわち、図8に示す収差は、結像光学系21において発生する収差と、カバー部材22において発生する収差とを含む。

0068

また、図7は、収差図に示すデータに対応する物体面上の位置を示す図である。図9は、本実施形態の結像光学系21におけるコマ収差を示す図である。なお、図9及び他の実施形態等の収差図は、像側から物体側に光線を追跡したときの収差量を示す。これら収差図は、波長が665nmの光線についての収差量を示しているが、波長655nmの光線、及び波長645nmの光線についても同様の結果が得られる。

0069

なお、光学系は通常光線の伝播方向に拠らず収差特性は同じである。また、結像光学系21は、物体高に対して対称的にコマ収差が表れないので、物点ポジジョン毎にコマ収差を提示した。図9に示す符号Pa〜Pgは、図7に示す物体面P1上の位置Pa〜Pgに対応する。

0070

また、図10は、本実施形態の結像光学系21における球面収差、非点収差を示す図である。これらの収差図のうち、球面収差図図10(A))は、開口数NA=0.48に対する収差量を示し、非点収差図図10(B))は、物体高Yに対する収差量を示す。非点収差図において、実線は各波長の光線に対するサジタル像面を示し、破線は各波長の光線に対するメリジオナル像面を示す。これらの諸収差図の説明は、他の実施形態においても同様である。

0071

図31は、比較例の結像光学系の構成を示す図である。図32は、比較例の結像光学系の諸元を示す表6である。比較例の結像光学系は、撮像装置9にカバー部材22を備えており、結像光学系の光学部材が偏心していない点で、実施形態の結像光学系と異なる。すなわち、比較例の結像光学系は、個々のレンズ要素の曲率半径が実施形態の結像光学系と実質的に同様であるが、いずれのレンズ要素も偏心していない。図33は、比較例における像面での収差を示すスポットダイアグラムである。図34は、比較例の結像光学系におけるコマ収差を示す図である。図35は、比較例の結像光学系における球面収差、非点収差を示す図である。

0072

図8図10に示すように、本実施形態の結像光学系21は、光学部材を偏心することにより、比較例の結像光学系(図33〜34参照)よりも大幅な収差の改善が見られる。

0073

以上のような本実施形態の結像光学系21は、第1軸25に対して、像面P2が傾く向きと反対向きに第1光学部材51が傾いているので、結像光学系21と像面P2との間に配置される界面で発生する非軸対称な収差の少なくとも一部が相殺され、像面P2での収差(図8参照)の非軸対称性緩和される。例えば、結像光学系21と上記の界面(例えば、カバー部材22の表面)とで発生する収差は、物体面P1上の1点から出射した光束(部分光束)の像面P2上でのスポットの形状が軸対称に近づくように、補正される。

0074

また、本実施形態の第1光学部材51は、パワーを有しているので、上記の界面で発生する収差を相殺する収差を発生しつつ、第1軸25に対して傾く角度を小さくすることができる。そのため、結像光学系21は、第1軸25に平行な方向のサイズを小型化することができる。また、結像光学系21は、第1光学部材51がパワーを有しているので、第2軸26に平行な方向の収差を補正することもできる。

0075

また、本実施形態の第1光学部材51は、結像光学系21のうち相対的に曲率が小さい光学面を含む光学部材であるので、第1光学部材51の中心軸に対する軸外の収差の変化が緩やかになる。そのため、結像光学系21は、像面P2における非軸対称な収差を補正する能力が高くなる。また、第1光学部材51は、結像光束L2の入射側の第14光学面A14の曲率が、結像光束L2の出射側の第15光学面A15の曲率が小さい。そのため、結像光学系21は、非軸対称な収差を補正する能力が高くなる。また、本実施形態の第1光学部材51は、結像光学系21の絞り面と隣り合う光学面とは別の光学面を有する光学部材であるので、結像光学系21は、非軸対称な収差を補正する能力が高くなる。

0076

また、本実施形態において、結像光学系21の主面は、第1光学部材51が第1軸25に対して傾いているので、シャインプルーフの条件を満たす結像光学系の主面と比較して、第1軸25に対して、像面P2が傾く向きと反対向きに傾いている。そのため、本実施形態において、結像光学系21から出射した結像光束L2は、シャインプルーフの条件を満たす結像光学系の結像光束と比較して、像面P2の法線方向に近い方向から像面P2に入射する。結果として、結像光束L2は、結像光学系21と像面P2との間に配置される界面(例えば、カバー部材22の表面)に対して、法線方向に近い方向から入射することになり、この界面で結像光束L2が屈折する際の非軸対称な収差の発生が抑制される。

0077

また、本実施形態の結像光学系21は、第1軸25に対して、像面P2が傾く向きと同じ向きに傾いた第2光学部材52を備えている。そのため、結像光学系21は、第1光学部材51で発生する非軸対称な第1収差の一部が第2光学部材52で発生する非軸対称な第2収差で相殺され、非軸対称な収差を補正する能力が高くなる。また、第2光学部材52は、物体面P1と像面P2との間の絞り面(第10光学面A10)に対して、第1光学部材51と同じ側(像面P2側)に配置されている。そのため、結像光学系21は、第1光学部材51と第2光学部材52との間に結像光学系21の絞り面が配置される構成と比較して、非軸対称な収差を補正する能力が高くなる。また、第2光学部材52は、結像光束L2の進行方向において第1光学部材51の隣に配置されている。そのため、結像光学系21は、第1光学部材51と第2光学部材52との間に他の光学部材が配置される構成と比較して、非軸対称な収差を補正する能力が高くなる。また、本実施形態の第2光学部材52は、結像光学系21の絞り面と隣り合う光学面とは別の光学面を有する光学部材であるので、結像光学系21は、非軸対称な収差を補正する能力が高くなる。

0078

以上のように、本実施形態の結像光学系21は、実質的な結像性能の低下を抑制できる。また、本実施形態の撮像装置9は、結像光学系21の実質的な結像性能の低下が抑制されるので、撮像性能の低下を抑制できる。また、撮像装置9は、撮像素子20に対して法線方向に近い方向から結像光束L2が入射するので、結像光束L2に対する撮像素子20の感度の低下が抑制され、実質的な撮像性能の低下を抑制できる。

0079

また、本実施形態の形状測定装置1は、撮像装置9の撮像性能の低下が抑制されるので、物体面P1において上記の部分光束が出射する位置を検出する精度が高くなり、測定精度の低下を抑制できる。また、形状測定装置1は、レーザー光を含む照明光が照射されている被検物Qを撮像装置9で撮像するので、撮像素子20の出力レベルを確保することが容易であり、測定精度の低下を抑制できる。

0080

ところで、一般的な形状測定装置は、レーザー光等のように可干渉性コヒーレンシー)が高い照明光を用いると、撮像装置が撮像した画像にスペックルが発生することがありえる。形状測定装置は、結像光学系21の像側のNAを高くすると、スペックルのパターンが撮像装置の画素で解像できない程度に細かくなり、スペックルが測定結果に及ぼす影響を減らすことができる。ところが、形状測定装置は、結像光学系21の像側のNAが高くなるほど収差の発生が顕著になり、例えば像面における収差の非軸対称性が増加することによって、測定精度が低下することがありえる。形状測定装置は、例えば、結像光学系の像側のNAが0.24以上になると、撮像素子の表面、カバーガラス等において非軸対称な収差の発生が顕著になる。

0081

上述したように、本実施形態の形状測定装置1は、結像光学系21のNAを例えば0.24以上にした場合においても非軸対称な収差の発生を抑制できるので、レーザー光を照明光に用いて明るい画像を取得しつつ、スペックルが測定結果に及ぼす影響を低減することができる。そのため、本実施形態の形状測定装置1は、測定精度の低下を格段に抑制できる。

0082

なお、本実施形態の結像光学系21は、複数の光学部材のうち第1光学部材51と第2光学部材52とが第1軸25に対して傾いているが、第1軸25に対して傾いて配置される光学部材は、1つ(第1光学部材51のみ)であってもよいし、3つ以上であってもよい。また、本実施形態の第1光学部材51は、パワーを有しているが、パワーを有していなくてもよい。例えば、第1光学部材51は、透明な平行平板のような部材であってもよい。透明な平行平板は、例えば、結像光束L2が入射する第1平面と、結像光束L2が出射する第2平面とを有し、第2平面が第1平面に対して平行な部材である。例えば、第1光学部材51は、屈折率及び厚みがカバー部材22と実質的に同一の透明な平行平板であってもよい。また、第1光学部材51は、第2軸26と平行な方向に延びるプリズムのような部材であってもよい。プリズムは、例えば、結像光束が入射する第1平面と、結像光束L2が出射する第2平面とを有し、第2平面が第1平面に非平行である。

0083

[第2実施形態]
次に、第2実施形態について説明する。本実施形態において、上記の実施形態と同様の構成要素については、同じ符号を付してその説明を省略又は簡略化することがある。

0084

図11は、本実施形態の結像光学系21の構成を示す図である。図12は、本実施形態の結像光学系21の諸元を示す表2である。本実施形態の結像光学系21は、例えば、像側の開口数(NA)が0.48であり、焦点距離fが32.9mmである。物体面P1は、例えば15mm×15mmの矩形の領域である。

0085

図11に示すように、本実施形態の結像光学系21は、第1カバーガラス41及び第2から第9レンズ42〜49を備える。本実施形態の第1カバーガラス41及び第2から第9レンズ42〜49のそれぞれの形状は、上記の実施形態における第1カバーガラス41及び第2から第9レンズ42〜49と概ね同じである。本実施形態において、第4から第9レンズ44〜49は、それぞれの光軸が第1軸25と実質的に同軸である。そのため、第1軸25は結像光学系21の光軸と一致する。

0086

本実施形態において、第3レンズ43(以下、第1光学部材57という)は、第1軸25に対して、像面P2が傾く向きと反対向きに傾いている。図12の表2に示すように、第1光学部材57は、第1軸25に対して約3.15°傾いている。本実施形態の第1光学部材57は、物体面P1から像面P2に向かう方向において、結像光学系21の絞り面(第10光学面A10)に対して物体面P1側に配置されている。

0087

本実施形態において、第2レンズ42(以下、第2光学部材58という)は、第1軸25に対して、像面P2が傾く向きと同じ向きに傾いている。図12の表2に示すように、第2光学部材58は、第1軸25に対して約−2.62°傾いている。本実施形態の第2光学部材58は、物体面P1から像面P2に向かう方向において、結像光学系21の絞り面に対して、第1光学部材57と同じ側(物体面P1側)に配置されている。第2光学部材58は、第1光学部材57よりも物体面P1に近い位置に配置されている。第2光学部材58は、物体面P1から像面P2に向かう方向において、第1光学部材57の隣に配置されている。

0088

次に、本実施形態の結像光学系の収差について説明する。図13は、本実施形態における像面P2での収差を示すスポットダイアグラムである。図14は、本実施形態の結像光学系におけるコマ収差を示す図である。図15は、本実施形態の結像光学系における球面収差、非点収差を示す図である。各収差図見方については、第1実施形態における図8図10の説明を適宜参照されたい。

0089

図13図15に示すように、本実施形態の結像光学系21は、光学部材を偏心することにより、諸収差が良好に補正され、優れた結像性能が確保されている

0090

以上のような本実施形態の結像光学系21は、図13に示すように、像面P2での収差の非軸対称性が緩和される。このように、結像光学系21は、第1光学部材57が結像光学系21の絞り面よりも物体面P1側に配置されている場合においても、非軸対称な収差を補正することができ、結像性能の低下を抑制できる。

0091

[第3実施形態]
次に、第3実施形態について説明する。本実施形態において、上記の実施形態と同様の構成要素については、同じ符号を付してその説明を省略又は簡略化することがある。

0092

図16は、本実施形態の結像光学系21の構成を示す図である。図17は、本実施形態の結像光学系21の諸元を示す表3である。本実施形態の結像光学系21は、例えば、像側の開口数(NA)が0.48であり、焦点距離fが34.9mmである。

0093

図16に示すように、本実施形態の結像光学系21は、第1カバーガラス41及び第2から第9レンズ42〜49を備える。本実施形態の第1カバーガラス41及び第2から第9レンズ42〜49のそれぞれの形状は、上記の実施形態における第1カバーガラス41及び第2から第9レンズ42〜49と概ね同じである。本実施形態において、第1カバーガラス41、及び第3から第8レンズ43〜48は、それぞれの中心軸が第1軸25と実質的に同軸である。

0094

本実施形態において、第2レンズ42(以下、第1光学部材59という)は、第1軸25に対して、像面P2が傾く向きと反対向きに傾いている。図17の表3に示すように、第1光学部材59は、第1軸25に対して約4.13°傾いている。本実施形態の第1光学部材59は、物体面P1から像面P2に向かう方向において、結像光学系21の絞り面(第10光学面A10)に対して物体面P1側に配置されている。

0095

本実施形態において、第9レンズ49(以下、第4光学部材60という)は、第1軸25に対して、像面P2が傾く向きと反対向きに傾いている。図17の表3に示すように、第4光学部材60は、第1軸25に対して約1.25°傾いている。本実施形態の第4光学部材60は、物体面P1から像面P2に向かう方向において、結像光学系21の絞り面に対して、第1光学部材59と反対側(像面P2側)に配置されている。第4光学部材60は、第1光学部材59よりも像面P2に近い位置に配置されている。第4光学部材60は、物体面P1から像面P2に向かう方向において、第1光学部材59との間に、第3から第8レンズ43〜48を挟むように配置されている。

0096

次に、本実施形態の結像光学系の収差について説明する。図18は、本実施形態における像面P2での収差を示すスポットダイアグラムである。図19は、本実施形態の結像光学系におけるコマ収差を示す図である。図20は、本実施形態の結像光学系における球面収差、非点収差を示す図である。各収差図の見方については、第1実施形態における図8図10の説明を適宜参照されたい。

0097

図18図20に示すように、本実施形態の結像光学系21は、光学部材を偏心することにより、諸収差が良好に補正され、優れた結像性能が確保されている

0098

以上のように、本実施形態の結像光学系21は、第1軸25に対して、像面P2が傾く向きと反対向きに傾いた複数の光学部材(第1光学部材59及び第4光学部材60)を備えている。このような結像光学系21は、図18に示すように、像面P2での収差の非軸対称性が緩和される。このように、結像光学系21は、像面P2が傾く向きと反対向きに傾いた複数の光学部材を備える場合においても、非軸対称な収差を補正することができ、結像性能の低下を抑制できる。

0099

なお、結像光学系21は、第1軸25に対して傾いた複数の光学部材を備え、これら複数の光学部材は、物体面P1から像面P2に向かい方向において、隣り合うように配置されていてもよいし、他の光学部材を挟んで離れて配置されていてもよい。例えば、上記の第1実施形態等において説明した第2光学部材は、第1光学部材との間に他の光学部材を挟むように、配置されていてもよい。また、第2光学部材は、結像光学系21の絞り面に対して、第1光学部材と反対側に配置されていてもよい。

0100

[第4実施形態]
次に、第4実施形態について説明する。本実施形態において、上記の実施形態と同様の構成要素については、同じ符号を付してその説明を省略又は簡略化することがある。

0101

図21は、本実施形態の結像光学系21の構成を示す図である。図22は、本実施形態の結像光学系21の諸元を示す表4である。

0102

図21に示すように、本実施形態の結像光学系21は、第1カバーガラス41及び第2から第9レンズ42〜49を備える。本実施形態の第1カバーガラス及び第2から第9レンズ42〜49のそれぞれの形状は、上記の実施形態における第1カバーガラス及び第2から第9レンズ42〜49と概ね同じである。本実施形態において、第1カバーガラス41、第3レンズ43、第4レンズ44、第6レンズから第9レンズ46〜49は、それぞれの中心軸が第1軸25と実質的に同軸である。

0103

本実施形態において、第2レンズ42(以下、第1光学部材61という)は、第1軸25に対して、像面P2が傾く向きと反対向きに傾いている。図22の表4に示すように、第1光学部材61は、第1軸25に対して約5.50°傾いている。本実施形態の第1光学部材61は、物体面P1から像面P2に向かう方向において、結像光学系21の絞り面(第10光学面A10)に対して物体面P1側に配置されている。

0104

本実施形態において、第5レンズ45(以下、第4光学部材62という)は、第1軸25に対して、像面P2が傾く向きと反対向き(第1光学部材61と同じ向き)に傾いている。図22の表4に示すように、第4光学部材62は、第1軸25に対して約0.35°傾いている。本実施形態の第4光学部材62は、物体面P1から像面P2に向かう方向において、結像光学系21の絞り面に対して第1光学部材61と同じ側(物体面P1側)に配置されている。本実施形態の第4光学部材62は、結像光学系21の絞り面の隣に配置された光学部材である。第4光学部材62は、第1光学部材61よりも像面P2に近い位置に配置されている。第4光学部材62は、物体面P1から像面P2に向かう方向において、第1光学部材61との間に第3レンズ43を挟むように、第1光学部材61から離れて配置されている。

0105

次に、本実施形態の結像光学系の収差について説明する。図23は、本実施形態における像面P2での収差を示すスポットダイアグラムである。図24は、本実施形態の結像光学系におけるコマ収差を示す図である。図25は、本実施形態の結像光学系における球面収差、非点収差を示す図である。各収差図の見方については、第1実施形態における図8図10の説明を適宜参照されたい。

0106

図23図25に示すように、本実施形態の結像光学系21は、光学部材を偏心することにより、諸収差が良好に補正され、優れた結像性能が確保されている

0107

以上のように、本実施形態の結像光学系21は、第1軸25に対して、像面P2が傾く向きと反対向きに傾いた第4光学部材62を備え、第4光学部材62は、結像光学系21の絞り面に隣り合う光学面(第9光学面A9)を有する。このような結像光学系21は、図23に示すように、像面P2での収差の非軸対称性が緩和される。このように、結像光学系21は、像面P2が傾く向きと反対向きに傾いた第4光学部材62が結像光学系21の絞り面の隣に配置されている場合においても、非軸対称な収差を補正することができ、結像性能の低下を抑制できる。

0108

[第5実施形態]
次に、第5実施形態について説明する。本実施形態において、上記の実施形態と同様の構成要素については、同じ符号を付してその説明を省略又は簡略化することがある。

0109

図26は、本実施形態の結像光学系21の構成を示す図である。図27は、本実施形態の結像光学系21の諸元を示す表5である。本実施形態の結像光学系21は、例えば、像側の開口数(NA)が0.48であり、焦点距離fが33.1mmである。

0110

図26に示すように、本実施形態の結像光学系21は、第1カバーガラス41及び第2から第9レンズ42〜49を備える。本実施形態の第1カバーガラス41及び第2から第9レンズ42〜49のそれぞれの形状は、上記の実施形態における第1カバーガラス41及び第2から第9レンズ42〜49と概ね同じである。本実施形態において、第1カバーガラス41及び第2から第4レンズ42〜44、第7から第9レンズ47〜49は、それぞれの中心軸が第1軸25と実質的に同軸である。

0111

本実施形態において、第6レンズ46(以下、第1光学部材63という)は、第1軸25に対して、像面P2が傾く向きと反対向きに傾いている。図27の表5に示すように、第1光学部材63は、第1軸25に対して約0.90°傾いている。本実施形態の第1光学部材63は、物体面P1から像面P2に向かう方向において、結像光学系21の絞り面(第10光学面A10)に対して像面P2側に配置されている。本実施形態の第1光学部材63は、物体面P1から像面P2に向かう方向において、結像光学系21の絞り面の隣に配置された光学部材である。

0112

本実施形態において、第5レンズ45(以下、第2光学部材64という)は、第1軸25に対して、像面P2が傾く向きと同じ向きに傾いている。図27の表5に示すように、第2光学部材64は、第1軸25に対して約−0.48°傾いている。本実施形態の第2光学部材64は、物体面P1から像面P2に向かう方向において、結像光学系21の絞り面に対して第1光学部材63と反対側(物体面P1側)に配置されている。本実施形態の第2光学部材64は、結像光学系21の絞り面の隣に配置された光学部材である。第2光学部材64は、第1光学部材63よりも物体面P1に近い位置に配置されている。第2光学部材64は、物体面P1から像面P2に向かう方向において、第1光学部材63と隣り合って配置される光学部材である。

0113

次に、本実施形態の結像光学系の収差について説明する。図28は、本実施形態における像面P2での収差を示すスポットダイアグラムである。図29は、本実施形態の結像光学系におけるコマ収差を示す図である。図30は、本実施形態の結像光学系における球面収差、非点収差を示す図である。各収差図の見方については、第1実施形態における図8図10の説明を適宜参照されたい。

0114

図28図30に示すように、本実施形態の結像光学系21は、光学部材を偏心することにより、諸収差が良好に補正され、優れた結像性能が確保されている

0115

以上のように、本実施形態の結像光学系21は、第1光学部材63と第2光学部材64のそれぞれが結像光学系21の絞り面に隣り合う光学面を有する。このような結像光学系21は、図28に示すように、像面P2での収差の非軸対称性が緩和される。このように、結像光学系21は、第1光学部材63と第2光学部材64のそれぞれが結像光学系21の絞り面の隣に配置されている場合においても、非軸対称な収差を補正することができ、結像性能の低下を抑制できる。

0116

なお、上記の実施形態において、結像光学系21は9個の光学部材を備えているが、結像光学系21が備える光学部材の数は8個以下でもよいし、10個以上でもよい。上記の実施形態において、結像光学系21が有する光学部材は、いずれも球面レンズであるが、非球面レンズを含んでいてもよい。また、結像光学系21は、物体面P1と像面P2との間の光路に配置された反射部材を備えていてもよく、この場合に第1軸25は、反射部材の反射面上で折れ曲がっていてもよい。この場合に、例えば反射部材の反射面に対して物体面P1側の光路と像面P2側の光路の一方を、反射面に関して面対称的に仮想的に折り返すことによって、結像光学系21と等価なストレートな結像光学系が得られる。第1軸25が折れ曲がっている場合に、光学部材が第1軸25に対して傾く向きは、上記の結像光学系21と等価なストレートな結像光学系において定義されていてもよい。また、上記の実施形態の結像光学系21は、撮像装置9の他に、例えばプロジェクター等に用いることもできる。

0117

なお、上記の実施形態の撮像装置9は、カバー部材22を備えているが、結像光学系21のうち最も像面P2に近い光学部材(例えば、第9レンズ49)と撮像素子20との間の光路に、部材が配置されていなくてもよい。この場合に、結像光学系21は、像面P2と結像光学系21との間の光路に配置される界面、例えば撮像素子20の表面等において結像光束L2が屈折する際に発生する収差等を補正することができる。また、撮像装置9は、形状測定装置1の他に合焦装置等に用いることもできるし、測定以外の用途で利用することもできる。

0118

なお、上記の実施形態の形状測定装置1は、光切断法を利用して形状に関する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。また、上記の実施形態の形状測定装置1は、レーザー光を射出する固体光源を含む光源装置8を備えているが、固体光源は、例えばLEDを含み、レーザー光を含まない照明光を射出してもよい。また、光源装置8は、ランプ光源を含み、レーザー光を含まない照明光を射出する装置でもよい。また、光源装置8が形状測定装置1の外部の装置であって、形状測定装置1は、光源装置8を備えていなくてもよい。

0119

次に、本実施形態の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。図36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。

0120

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。

0121

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。

0122

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。

0123

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。

0124

図37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37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。

0125

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)。

0126

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)。

0127

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。

0128

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。

0129

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。

0130

なお、本発明の技術範囲は、上記の実施形態に限定されるものではない。例えば、上記の実施形態で説明した要素の1つ以上は、省略されることがある。また、上記の実施形態で説明した要素は、適宜組み合わせることができる。

0131

1形状測定装置、8光源装置、9撮像装置、20撮像素子、21結像光学系、22カバー部材、23 第1中心、24 第2中心、25 第1軸、35形状情報取得部、51 第1光学部材、52 第2光学部材、53 第1部分、54 第2部分、55 第3部分、56 第4部分、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、205リペア装置、A10
第10光学面(絞り面)、P1物体面、P2 像面、Q 被検物

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