WO1995009346A1 - Appareil optique a foyer commun - Google Patents

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WO1995009346A1
WO1995009346A1 PCT/JP1994/001633 JP9401633W WO9509346A1 WO 1995009346 A1 WO1995009346 A1 WO 1995009346A1 JP 9401633 W JP9401633 W JP 9401633W WO 9509346 A1 WO9509346 A1 WO 9509346A1
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WO
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light
array
pinhole
lens
optical element
Prior art date
Application number
PCT/JP1994/001633
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hideyuki Wakai
Kiyokazu Mizoguchi
Toru Suzuki
Keiji Terada
Masato Moriya
Manabu Ando
Koji Shio
Original Assignee
Kabushiki Kaisha Komatsu Seisakusho
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Filing date
Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/026—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness by measuring distance between sensor and object
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/32—Holograms used as optical elements

Definitions

  • the present invention relates to a three-dimensional shape measuring apparatus to which a confocal optical system is applied, and more particularly to a confocal optical apparatus for performing three-dimensional measurement using a hologram-diffraction grating type half mirror.
  • Figure 22 shows the principle of the confocal optical system.
  • the light of the light source 1 is condensed by the lens 12 and then enters the half mirror 13 1 via the pinhole P H1 arranged at the focal point F 1.
  • the light of the light source 1 becomes light equivalent to a point light source due to the pinhole P H1 arranged at the focal point F 1.
  • the light reflected by the half mirror 31 is condensed by the lens 8 and projected on the surface of the object 9. This case shows a case where the surface of the object 9 is located at the focal position F2 of the lens 8, and the object 9 is moved and scanned in the X, Y, and Z directions by the three-dimensional moving stage 40.
  • the light scattered on the surface of the object 9 passes through the lens 8 and passes through the half mirror 31, and is then focused on a point F 3 conjugate with the focal position of the light source 1.
  • the pinhole PH2 is placed at the position of the focal point F3, and the light passing therethrough is detected by the optical sensor 10.
  • FIGS. 23 (a) and (b) when the object surface Z0 deviates from Zl, Z2 before and after the focal position F2, the focal point F3 on the conjugate point side moves and the pinhole As a result, the output of the optical sensor 10 is significantly reduced.
  • FIG. 24 shows the relationship between the position of the object surface and the output of the optical sensor 10.
  • the object 9 to be measured is displaced in the Z-axis direction (optical axis direction) at each X-Y coordinate position by the three-dimensional moving stage 40, and the output of the optical sensor 10 is sampled with this displacement. Then, the Z position when the sampling output becomes maximum can be detected as the surface position of the object 9. Therefore, the X-Y coordinate position is If the same measurement is performed by changing, the three-dimensional measurement of the measured object 9 can be performed.
  • this conventional apparatus has a drawback that it requires a lot of time to detect the surface shape because only one point in the space can be obtained at each measurement time.
  • a confocal optical system is arranged two-dimensionally so as to detect the position of each object in parallel. You.
  • the pinhole array PHA1 is one in which pinholes are arranged in a matrix.
  • the light that has passed through the pinhole array PHA1 is transmitted through the half mirror 31, collected by the lenses 8a and 8b, and projected onto the object 9 to be measured.
  • the object 9 to be measured is placed on a movable stage 35 that can be displaced in the Z-axis direction.
  • the light reflected by the measured object 9 is condensed by the lenses 8a and 8b, reflected by the half mirror 31, and formed into an image conjugate with the pinhole array PHA1.
  • a pinhole array PHA2 is arranged at this image forming position, and light passing through the pinhole is detected by each optical sensor 10 of the optical sensor array.
  • the outputs of the individual optical sensors 10 of the optical sensor array are separately sampled, and when the output of each optical sensor is maximized. Can be detected as the surface position of the object 9.
  • the moving stage 35 does not need to place the object to be measured.
  • high-speed movement That is, for example, a very heavy and large measurement object, or a measurement object that has a very delicate structure and cannot withstand the inertial force due to high-speed displacement, is difficult to move by the high-speed movement stage.
  • the measurement object 9 is fixed while the measurement object 9 is fixed. It is conceivable to move and displace in the direction. However, in order to displace the measuring instrument at high speed, the measuring instrument itself must be small and lightweight, its structure must be robust, and it can withstand the inertial force due to high-speed displacement. However, in the conventional technique shown in FIG. 25, since no countermeasure for high-speed movement is taken, there is a possibility that a problem such as a confocal optical system being broken when moving at high speed.
  • the prism type is normally used for the half mirror 31 in FIG. 25, but since this prism type requires a cubic region, the focal position of the light source (pinhole array PH A1) and the focal point of the light receiving (pin) The hole array PH A2) must be located outside the cube area where the half mirror 31 is located, so that the distance from the lens 8a to each focal point is smaller than the length of the cube of the half mirror 31. It is not possible. Further, the geometric distance between the light source focal point and the light receiving focal point of the confocal unit with respect to the half mirror 31 is different for each confocal unit. Therefore, in the conventional configuration shown in Fig. 25, there is a limit in reducing the size and weight, and it is necessary to accurately align the focal point of the light source with the focal point of the light reception.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and provides a confocal optical device capable of reducing the size and weight of the device, performing high-speed and accurate three-dimensional shape measurement, and further facilitating the alignment of each part.
  • the purpose is to provide. Disclosure of the invention
  • a light source a first opening that transmits light emitted from the light source to be a point light source light, and an objective lens that condenses the light passing through the first opening on an object to be measured.
  • a confocal optical device comprising a lens, a second opening located on a plane conjugate to the light-collecting surface on the object to be measured, and a photodetector for detecting light passing through the second opening.
  • the first and second openings are arranged at the same position and shared by the same opening, and the detection surface of the photodetector is arranged on substantially the same plane as the shared same opening. It is characterized by doing so.
  • the first opening and the second opening are shared by the same opening, and the detection surface of the photodetector is arranged on the substantially same surface as the opening. Accurate positioning of the first and second apertures and the photodetector can be easily performed, and the configuration of these portions can be made thin, small, and robust.
  • a light source an optical element that receives light from the light source to function as a half mirror and a diffraction grating, and is disposed in close contact with or close to the optical element, and First condensing means for condensing the zero-order light, a pinhole for passing the light condensed by the first condensing means, and an object to be measured by condensing the light passing through the pinhole
  • a second light condensing means for projecting the light scattered by the object to be measured to the pinhole, and the optical element comprises: the pinhole and the first light condensing means.
  • They are equipped with vessels.
  • the focal point of the light source and the focal point of the light reception of the confocal optical system are at the same position, it is sufficient to arrange a common pinhole at both positions at this position. A focus effect can be obtained, and positioning of each focus is not required, and the size and weight of the apparatus can be reduced.
  • the functions of a half mirror and a diffraction grating are obtained by using an optical element such as a flat hologram or a flat diffraction grating type half mirror, a confocal optical system is arranged in an extremely thin area. be able to.
  • a parallel slit light generating means for generating parallel slit light which is sequentially moved and scanned, and a plurality of apertures for light passage are two-dimensionally arranged, and the parallel slit light from the parallel light generating means is provided.
  • An aperture array for receiving the cut light, an optical element for receiving light passing through the aperture array, and acting as a half-mirror and a diffractive element, and an optical element disposed in close proximity to the optical element.
  • a lens array in which a plurality of lenses for condensing secondary light are two-dimensionally arranged, and a pinhole in which a plurality of pinholes for passing light condensed by each lens of the lens array are two-dimensionally arranged.
  • the optical element is configured to make the first-order diffracted light of the light re-entered through each of the pinholes and the lens array incident on the lens array, and further, the first-order diffracted light condensed by each lens of the lens array.
  • a photodetector array in which a plurality of photodetectors for receiving bent light are two-dimensionally arranged; the parallel slit light generating means, an aperture array, an optical element, a lens array, a pinhole array, a condensing means, and a photodetector Movement control means for moving at least a part of the array in the direction of the optical axis; and movement of the object to be measured based on movement scanning of the parallel slit light and output of each of the photodetectors corresponding to movement control of the movement control means. It is equipped with three-dimensional distance measurement means for performing three-dimensional distance measurement.
  • parallel slit light is incident on a confocal optical system in which an aperture, a lens, a pinhole, and a photodetector are two-dimensionally arranged, and each of the photodetectors reflects reflected light from an object to be measured. Is received. Then, the three-dimensional distance measurement of the object to be measured is performed based on the output of each of the photodetectors corresponding to the moving scan of the parallel slit light and the moving scan by the movement control means.
  • a surface light ray generating means for generating a surface light ray, a plurality of apertures for light passage are two-dimensionally arranged, and an open lower array for receiving a surface light ray from the surface light ray generating means
  • An optical element that receives light passing through the aperture array and acts as a half-mirror and a diffractive element, and a plurality of lenses that are disposed close to the optical element and converge the zero-order light from the optical element are provided.
  • a lens array arranged in a two-dimensional manner, a pinhole array in which a plurality of pinholes through which light condensed by each lens of the lens array passes are arranged, and a light passing through each of the pinholes is collected.
  • the optical element includes a light condensing unit that condenses the light scattered by the measured object to each pinhole while emitting light to the measured object, and the optical element includes: the respective pinholes and the lens array.
  • the first order diffracted light of the light re-entered through the lens array is incident on the lens array, and a plurality of photodetectors for receiving the first order diffracted light collected by each lens of the lens array are two-dimensionally arranged.
  • a movement control means for moving at least a part of the surface light ray generating means, the aperture array, the optical element, the lens array, the pinhole array, the light condensing means, and the photodetector array in the optical axis direction.
  • a confocal optical system in which an aperture, a lens, a pinhole, and a photodetector are two-dimensionally arranged is provided. A surface ray is incident on the object, and each light detector receives the reflected light from the measured object. Then, the three-dimensional distance measurement of the measured object is performed based on the output of each of the photodetectors corresponding to the moving scan by the movement control means.
  • the focal point of the light source and the focal point of light reception of the confocal optical system are obtained by the pinholes arranged at the same position, so that the measuring device can be made small, lightweight, and robust. If it is possible to adopt a configuration that moves the whole or part of the measuring device, it will be very advantageous in various aspects such as high-speed measurement, positioning, stability, and measurement accuracy.
  • FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows the principle of the present invention.
  • 3 (a) to 3 (c) are views showing a hologram exposure mode and the like.
  • FIG. 4 is a perspective sectional view showing the configuration of a hologram, a lens array, a photodetector array, and the like.
  • Figure 5 is a cross-sectional view showing the configuration of the hologram, lens array, photodetector array, and other components.
  • 6 (a) to 6 (j) are process diagrams showing an example of a manufacturing procedure of a photodetector array and a pinhole array portion.
  • 8 (a) to 8 (j) are process diagrams showing another manufacturing procedure of the photodetector array and the pinhole array.
  • FIG. 9 is a diagram showing an example of a photodetector array drive circuit.
  • FIG. 10 is a time chart of each signal of the drive circuit.
  • FIG. 11 is a view showing a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a diagram showing a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a diagram showing a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a diagram showing a diffraction grating half mirror used in the fourth embodiment.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view showing another configuration of a portion such as a hologram, a lens array, and a photodetector array.
  • FIGS. 16 (a) to (! ⁇ ) are process diagrams showing an example of a manufacturing procedure of the configuration of FIG.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view showing another configuration of a portion such as a hologram, a lens array, and a photodetector array.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view showing another configuration of a portion such as a hologram, a lens array, and a photodetector array.
  • FIGS. 19 (a) and (b) are views showing a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 20 is a diagram showing another configuration example of the drive circuit of the photodetector array.
  • FIG. 21 is a diagram illustrating another configuration example of the drive circuit of the photodetector array.
  • Figure 22 shows the principle of the confocal optical system.
  • FIGS. 23 (a) and 23 (b) are views showing a defocusing mode of the confocal optical system.
  • FIG. 24 is a diagram showing an optical sensor output corresponding to the distance of the object surface from the lens.
  • Fig. 25 is a diagram showing an example of a conventional three-dimensional shape measuring instrument using a confocal optical system.
  • FIG. 2 shows a basic configuration of the present invention.
  • a laser beam output from a light source 1 (or a monochromatic beam corresponding to the laser beam) is converted into a parallel beam 3 by a lens 2 and is incident on a reflection hologram 4. It functions as a diffraction grating. As shown in Fig. 3 (a), it is exposed by parallel light that forms an angle ⁇ with the direction of the optical axis.
  • this hologram 4 is developed, for example, so as to have a diffraction efficiency of 40%, when the parallel light indicated by the solid line in FIG. Are obtained at an intensity of 60% and 40% of the incident light, respectively. If parallel light is incident on this hologram in the opposite direction to that in Fig. 3 (b), the 0th-order light and the 1st-order light will be incident light as shown in Fig. 3 (c). 60% and 40% strength.
  • slit parallel light enters the hologram 4 in the same direction as in FIG. 3 (b), and the zero-order light is condensed at its focal position 6 by a lens 5 close to the reflection hologram 4.
  • a pinhole 7 is arranged at the focal position 6, and light passes through the hole of the pinhole 7.
  • the light that has passed through the pinhole 7 is collected again by the lens 8 and radiated onto the object 9 to be measured.
  • the light reflected by the measured object 9 is condensed again by the lens 8 and passes through the pinhole 7 again.
  • the light passing through the pinhole 7 is condensed by the lens 5 and is incident on the hologram 4 as parallel light opposite to the parallel light 3 from the light source.
  • the first-order diffracted light of the parallel light incident on the hologram 4 is reflected at an angle ⁇ and condensed via a lens 5 as shown in FIG.
  • a photodetector 10 is arranged at this light condensing position, and the light detector 10 detects the amount of incident light.
  • the focal position on the light source side and the focal position on the light receiving side of the confocal optical system are at the same position 6, and the pinhole 7 can be shared. Therefore, a stable confocal effect can be obtained, and the conventional alignment between the light source focal point and the light receiving focal point is not required. Furthermore, by making the reflection hologram 4 function as a half mirror, it is possible to realize a reduction in size (flattening) and a reduction in weight that could not be achieved with the conventional configuration.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention, in which the present device is composed of a fixed part 20 and a movable part 30 which moves along the optical axis direction (Z direction).
  • the laser light generated from the laser light source 1 is converted into slit parallel light by the lenses 11 and 12 and deflected by the polygon mirror 13.
  • the deflected slit parallel light is incident on a cylindrical lens 2 arranged in a telecentric lens, is deflected in the direction of the optical axis, and is sequentially scanned in the direction indicated by arrow A by rotation by a polyhedral rotating mirror 13.
  • the polyhedral rotating mirror 13 is rotationally scanned by the movement controller 50. In this manner, the parallel slit light La scanned in the direction A from the fixed portion 20 to the movable portion 30 is sequentially incident.
  • a galvano mirror may be used instead of the polyhedral rotating mirror 13
  • an f_0 lens may be used instead of the cylindrical lens 2 to perform constant-speed scanning. You may do it.
  • an aperture array 14 in which apertures 14a are formed at positions corresponding to the respective lenses 5a of the lens array 5 to allow light to enter effectively.
  • a reflection hologram 4 functioning as a half mirror and a diffraction grating is arranged below the reflection hologram 4.
  • the reflection hologram 4 functions in the same manner as that shown in FIGS. 2 and 3. The upper and lower positional relationship between the reflection hologram 4 and the aperture array 14 may be reversed.
  • each lens array 5 is arranged close to or in close contact with the reflection hologram 4, and the zero-order light of the light incident on the hologram 4 is collected at the focal point of each lens 5a.
  • each pinhole 7a of the pinhole array 7 is arranged, and the collected light passes through the pinhole 7a.
  • the width of the parallel slit light is smaller than the pitch of each lens 5a of the lens array 5.
  • the lenses 8a and 8b are a so-called telecentric system, and form all images of the pinhole array 7 in parallel with the optical axis direction. Therefore, even when the movable section 30 is moved in the direction of the optical axis (Z axis), the X-Y position of the light spot imaged on the measurement object 9 does not change.
  • the light scattered by the measurement object 9 is collected by the lenses 8 b and 8 a, passes through the pinhole array 7 having a confocal effect, is incident on the lens array 5, and is emitted by the individual lenses 5 a of the lens array 5.
  • the light enters the reflection hologram 4 in the same direction as shown in Fig. 3 (c) as parallel light opposite to the slit parallel light emitted from the lens 2.o
  • the first-order diffraction light of the reflection hologram 4 The light enters the individual lenses 5a of the array 5 and is collected at an angle ⁇ .
  • the photodetector array 10 is arranged such that the individual photodetectors 10a are arranged at these respective light condensing positions.
  • the measurement object 9 is fixedly arranged on an appropriate table 33.
  • the movable part 30 is moved along the optical axis (Z axis) by the movement control part 50 in synchronization with the rotational scanning by the polygon mirror 13.
  • the three-dimensional measurement unit 60 sequentially samples the outputs of the individual detectors 10a of the photodetector array 10 as the movable unit 30 moves, and calculates the Z when each output reaches the maximum.
  • the position is the position of the object surface To detect.
  • the aperture array 14, the reflection hologram 4, the lens array 5, the photodetector array 10, and the pinhole array 7 are planarized by using a semiconductor process as shown in FIGS. It is formed integrally in a shape.
  • the aperture array 14 is formed of a light-shielding plate, and the aperture 14a is formed at a position corresponding to each lens 5a of this plate.
  • the light-shielding film of the aperture array 14 is formed, for example, by sputtering a three-layer film of Cr203ZCrZCr203. The light reflected by Cr in the intermediate layer of the three-layer film is multiple-reflected and attenuated by the Cr203 film.
  • the lens array 5 uses a flat microlens (PML).
  • the flat microlenses form a plurality of lenses 5 a by forming a refractive index distribution by selectively diffusing ions into the flat glass substrate 5.
  • a non-reflective coating is applied to the light incident portion of each lens portion 5a of the lens array 5.
  • the hologram 4 exposed and developed in the manner shown in FIG. 3A is brought into close contact with the glass substrate 5 of the lens array thus prepared, and an open lower array 14 is formed thereon. I do. If heat resistance during production of the hologram 4 becomes a problem, an aperture array 14 is formed on the glass substrate of the lens array 5, and then the exposed and developed hologram 4 is brought into close contact therewith. Is also good.
  • a photodetector array 10 and a pinhole array 7 are arranged on a flat glass substrate 15 having an anti-reflection coat on the contact surface with the glass substrate 5 at a pitch corresponding to the lens pitch of the lens array 5.
  • planar glass substrate 15 on which the photodetector array 10 and the pinhole array 7 are formed is aligned with the glass substrate 5 on which the aperture array 14, the hologram 4, and the lens array 5 are formed. This part is formed by close contact.
  • a transparent refraction liquid having substantially the same refractive index as glass is filled between them, so that an inconvenience at the interface between these substrates is caused. Reflection can be prevented.
  • a transparent refraction liquid having a refractive index substantially the same as that of glass is filled between them, so that undesired reflection between these substrates is prevented. It can also be prevented.
  • 6 (a) to 6 (j) show the manufacturing process of the pinhole array 7 and the photodetector array 10, and the details will be described below in the order of manufacture.
  • TCO transparent conductive film
  • Amorphous silicon 19 is formed thereon.
  • the pinhole portion 26 of the nickel film 25 is formed by etching.
  • a light-detecting element comprising a metal cathode 7 and a metal cathode electrode 22 is formed, and the light-shielding portion of the pinhole is formed by nickel films 23 and 25.
  • FIGS. 7A to 7K show another manufacturing method, and details thereof will be described below in the order of manufacturing.
  • a transparent conductive film (TCO) 16 is formed on a flat glass substrate 15.
  • the portions other than the photodetector portion 17 and the pinhole portion 18 are removed from the transparent conductive film 16 by, for example, etching. The reason why the transparent conductive film in the pinhole portion is left in this step is to prevent the glass in the opening portion of the pinhole from being eroded by the etching in the subsequent steps (e) and (k).
  • Amorphous silicon 19 is formed thereon.
  • the pinhole portions 27 are removed from the insulating film 24 and the amorphous silicon 19 by etching or the like.
  • a photodetector consisting of amorphous silicon 19, transparent anode electrode 17 and metal cathode electrode 22 is formed, and the light shielding portion of the pinhole is formed by nickel film 25. I do.
  • FIGS. 8 (a) to 8 (j) show still another manufacturing method, the details of which are described below in the order of manufacturing.
  • TCO transparent conductive film
  • Amorphous silicon 19 is formed thereon.
  • Nickel film 21 is formed c (f)
  • the portions other than the photodetector element portion 22 are removed from the nickel film 21 by, for example, etching.
  • a photodetector comprising an amorphous silicon 19, a transparent anode 17 and a metal cathode 22 is formed, and a light shielding portion of the pinhole is formed by a nickel film 25. That is, according to this manufacturing method, the pinhole portions of the nickel film 25 and the amorphous silicon 19 are simultaneously removed by the etching in the step (j).
  • FIG. 9 shows a photodetector array 10 composed of nxm photodetectors Sll to Smn and a circuit configuration for reading out signals from these photodetectors Sll to Snm.
  • the photodetectors are connected to the analog multiplexer M1 with a common connection line for each column, and the photodetectors in the even rows are connected to the analog multiplexer M2 with a common connection line for each column.
  • Hatched photodetectors El to Em are used to generate readout timing signals VD1 and VD2 for each row, and photodetector F outputs start-up timing signal FD for one reading scan. It is to make it.
  • the area surrounded by the broken line in FIG. 9 is the irradiation area of the parallel slit light La in FIG. 1 at a certain point in time, and the irradiation area is moved and scanned in the direction of arrow A by the scanning by the polygon mirror. . That is, the moving scan of the parallel slit light is performed alternately in the order of odd-numbered rows and even-numbered rows, and the signals detected by the photodetectors in the odd-numbered rows are sequentially read out by the multiplexer Ml for each column. The signals detected by the photodetectors in the rows are sequentially read out for each column by the multiplexer M2.
  • both signals can be read independently from each row. Therefore, the photodetectors can be arranged close to each other, and the area of the light shielding portion of the aperture array 14 can be reduced, so that the configuration of this portion can be further reduced. Can be.
  • hatched photodetectors El to Em for generating a timing signal are arranged at the matrix position where the pinhole 7 at the end of the photodetector matrix should be located.
  • the parallel slit light La from the fixed part 20 is directly incident.
  • the signal VD1 is a signal for determining read timing of an odd-numbered row
  • the signal VD2 is a signal for determining read-out timing of an even-numbered row.
  • the photodetector F for generating the reading start signal FD is arranged at a matrix position where the pinhole 7 is to be located, for example, at the opposite end from the photodetector E1 in the first row.
  • Figure 10 shows the timing of each of the timing signals FD, VD1, VD2 and the output signals VI, V2 from the multiplexers Ml, M2.
  • the photodetectors Sll to Smn are of the charge storage type. Since it functions, the output of the detector in the odd-numbered row is read at the falling edge of VD1, and the output of the detector of the even-numbered row is read out at the falling edge of VD2. Therefore, according to this circuit configuration, while light is incident on the detectors in the odd-numbered rows, the outputs of the detectors in the even-numbered rows that have already been charged are read out, or vice versa.
  • a charge transfer method applied to a CCD camera sensor may be used.
  • the signal VD1 is delayed, the output of the even-numbered row detector is read out using the delayed signal as a trigger, and the signal VD2 is delayed, and the output of the odd-numbered row detector is output using the delayed signal as a trigger. May be read. Further, the rises of signals VD1 and VD2 may be respectively delayed, and the outputs of the detectors may be read using these delayed signals.
  • FIG. 11 shows another embodiment of the present invention.
  • a non-scanning parallel plane is used instead of using a scanning slit parallel light as in the embodiment of FIG.
  • the light beam L b is used.
  • the movable part 30 is constituted only by the lens 8a, and the other parts are arranged on the fixed part 20 side.
  • Other configurations are the same as those of the embodiment of FIG. 1, and components that achieve the same functions are denoted by the same reference numerals.
  • the laser light generated from the laser light source 1 is converted into parallel plane light beams Lb by the cylindrical lenses 12 and 2 and enters the aperture array 14. Fired.
  • the light that has passed through the aperture of the aperture array 14 is condensed on the measurement object 9 via the hologram 4, the lens array 5, the pinhole array 7, and the lenses 8a and 8b, as described above.
  • the light scattered by the measurement object 9 is incident on the hologram 4 via the lenses 8b and 8a, the pinhole array 7, and the lens array 5, is diffracted by the hologram 4, and is detected by the photodetector array 10. Incident on the vessel.
  • the return light of the parallel plane light beam Lb is simultaneously incident on all the detectors of the photodetector array 10.
  • the movable portion 30 is constituted only by the lens 8b, the load weight can be reduced, and the configuration for moving scanning can be simplified.
  • FIG. 11 shows still another embodiment of the present invention. Constitutes the entire device as a movable unit 30. Further, a laser light source array 40 in which a plurality of laser elements are arranged in a matrix is used as a light source for generating a surface light beam.
  • This laser light source array is known as an array type surface emitting semiconductor laser of PHOTONICS RESERCH INCORPORATED. Further, a lens array 50 is used as a lens for changing the light beam output from the array type surface emitting semiconductor laser 40 into parallel light.
  • Other configurations are the same as those of the embodiment of FIG. 1 or FIG. 11, and the components that achieve the same functions are denoted by the same reference numerals.
  • the laser light generated from the laser light source 40 is converted into a parallel plane light beam by the lens array 50 and is incident on the aperture array 14.
  • the light passing through the aperture of the aperture array 14 is As described above, the light is focused on the measurement object 9 via the hologram 4, the lens array 5, the pinhole array 7, and the lenses 8a and 8b.
  • the light scattered by the measuring object 9 is transmitted through the lenses 8b and 8a, the pinhole array 7, and the lens array.
  • the light is incident on the hologram 4 via the hologram 5, is diffracted by the hologram 4, and is incident on each detector of the photodetector array 10.
  • the array type surface emitting semiconductor laser 40 may emit light sequentially in units of rows, and may function as slit light as in the embodiment of FIG.
  • FIG. 13 shows still another embodiment of the present invention.
  • a diffraction grating type half mirror as shown in FIG. 14 is used instead of the reflection hologram 4 in each of the above embodiments.
  • a 1/4 wavelength plate 42 is interposed between the lenses 8a and 8b.
  • the arrangement position of the 1/4 wavelength plate 42 may be any position as long as it is in the optical path of the confocal optical system.
  • the diffraction grating type half mirror 41 functions as a half mirror and a diffraction grating similarly to the reflection type hologram 4, and is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-171003. That is, a plurality of inclined surfaces are provided on transparent members 43, 44 having substantially the same refractive index, and a polarization-dependent reflection film 45 is formed on these inclined surfaces to form a relief type diffraction grating. And are supported by parallel plates 46 and 47 provided on both sides thereof.
  • the reflection film 45 has a transmittance of about 100% for P-polarized light and a reflectance of about 100% for S-polarized light.
  • FIG. 13 when a P-polarized wave is emitted from the light source 1 using a laser having linear polarization characteristics, this P-polarized wave is incident on the diffraction grating half mirror 41 and most of it is transmitted. . Further, the P-polarized wave is converted into circularly polarized light through the quarter wavelength plate 42, and is focused on the object 9 to be measured by the objective lens 8b. The light reflected by the object 9 to be measured becomes an S-polarized wave by passing through the 14-wavelength plate 42, and is incident on the diffraction grating half mirror 41 via the lens 8 a and the pinhole 7. The light is reflected by the reflection film 45 of the half mirror 41 and enters the photodetector 10.
  • FIG. 15 shows a modified example of the thin plate optical device shown in FIG. 5 above.
  • the microlens array 5 and the glass substrate 15 are densely arranged as shown in FIG. Instead, the microlens array 5 and the photodetector array 10 are brought into close contact with each other.
  • the upper light-shielding film 51, the lower light-shielding film 52, the upper insulating film 53, the lower insulating film 54, the upper electrode 55, the lower electrode 56, and the photodetector portion 57 constitute a photodetector array 1
  • the function of 0 and the function of the pinhole array 7 are realized, and such a component is brought into close contact with the lens array 5 of the microphone opening with a refractive index adjusting liquid 58 or the like.
  • FIGS. 16 (3) to (111) show a manufacturing process of the photodetector array 10 and the pinhole array 7 in the configuration of FIG. 15. The details will be described below in the order of manufacturing.
  • a lower light-shielding film 52 is formed on a flat glass substrate 15.
  • a pinhole array 7A is formed on the lower light shielding film 52.
  • a lower insulating film 54 is formed thereon.
  • a lower electrode 56 is formed thereon.
  • a light detection portion (amorphous silicon) 57 is formed thereon.
  • a pinhole array 7B is formed on the photodetector portion 57.
  • the upper electrode 55 is formed into a film.
  • the pattern of the upper electrode 55 is formed.
  • An upper insulating film 53 is formed.
  • An upper light shielding film 51 is formed.
  • a pinhole array 7C is formed in the upper light-shielding film 51, and an opening 7D for the photodetector is formed.
  • Fig. 17 shows an example in which the photodetector portion 57 is made of single-crystal silicon semiconductor instead of amorphous silicon, and the same reference numerals are used for the same components as those shown in Fig. 15. It is attached.
  • both sides of the silicon substrate are subjected to thermal oxidation or CVD to obtain Si A 02 film is formed, and a pn junction is formed by using the SiO 2 film as a mask by a thermal diffusion method or an ion implantation method to form a photodetector array portion.
  • a SiO2 film is formed again, patterned, and a pinhole array portion is formed by an etching technique such as RIE.
  • the photodetector array having pinholes created in this way is brought into close contact with the microphone opening lens array 5 by the refractive index adjusting liquid 58.
  • the silicon and the microlens array may be directly bonded using the bonding SOI technology.
  • a material capable of photoelectric conversion such as a III-V group semiconductor, may be used instead of single crystal silicon.
  • the upper electrode 55 and the lower electrode 56 may be in a sandwich shape as in the examples of FIGS. 15 and 17, but should be formed in the same plane as shown in FIG. You may.
  • FIG. 19 (a) shows still another modified example of the thin plate optical device shown in FIGS. 5 and 15, and FIG. 19 (b) shows an annular photodetector 10. It is a top view of a.
  • FIGS. 19 (a) and (b) the function of the half mirror is realized by the half mirror coating film 59, and the photodetector 10 is formed into an annular shape to reflect the light from the half mirror film 59.
  • the light from the light source passes through the aperture array 14 formed by the light-shielding film.
  • the light is condensed by the microlenses of the microlens array 5 and passes through a pinhole 7 a formed on the glass substrate 15.
  • the reflected light from the object to be measured passes through the pinhole 7a, is reflected by the half mirror coating film 59, and is incident on the annular photodetector 10a.
  • the annular photodetector 10 and the pinhole array 7 are formed on a glass substrate 15 using a semiconductor process.
  • FIG. 20 shows a modification of the circuit configuration for reading out the signal of each detector of the photodetector array 10 shown in FIG. 9 above.
  • each detector is divided into four blocks. I try to split it.
  • the photodetectors in the (4n-3) row are connected to the analog multiplexer Ml
  • the photodetectors in the (4n-2) row are connected to the analog multiplexer M2
  • the (4n_1) row The photodetectors are connected to the analog multiplexer M3, and the 4n-row photodetectors are connected to the analog multiplexer M4.By increasing the number of divisions compared to the previous two-part division, the signal The reading speed is increased.
  • the analog multiplexer may be connected to the photodetector array by wire bonding or the like, or may be monolithically formed on the same substrate as the photodetector array. Further, not only the row direction but also the column direction may be divided into a plurality of blocks.
  • FIG. 21 illustrates a signal readout circuit of a photodetector array in the case where a plane light beam is applied as shown in FIGS. 11 and 12.
  • the photodetector An X-Y addressing system that incorporates switching elements such as transistors in the rails is adopted. Note that a charge transfer method may be employed as a read method.
  • the object 9 to be measured is fixed, but the object 9 to be measured is configured to be movable by being placed on an XY movement stage, and the measurement is performed.
  • the measurement may be performed by appropriately changing the target area.
  • the X_Y moving stage or the movable portion 30 so as to be capable of minutely displacing in the X-Y directions, higher-resolution measurement can be performed.
  • the measuring device side may be fixed, and the object 9 to be measured may be moved and scanned in the three-dimensional direction to perform three-dimensional measurement. .
  • the configuration of the confocal optical system is an example, and another configuration may be adopted as long as the same function as that described in the embodiment can be achieved. possibility
  • the present invention is usefully applied to a three-dimensional measuring device for three-dimensionally measuring the shape of an object to be measured.

Description

明 細 書 共焦点光学装置 技術分野
この発明は共焦点光学系を応用した 3次元形状計測装置に関し、 特にホログラ ムゃ回折格子型ハーフミラーを利用して 3次元計測を行う共焦点光学装置に関す るものである。 背景技術
距離を測定する技術として所謂共焦点光学系がある。 図 2 2に共焦点光学系の 原理を示す。
図 2 2において、 光源 1の光はレンズ 1 2で集光された後、 焦点 F 1に配置され たピンホール P H 1を介してハーフミラ一 3 1に入射される。 光源 1の光は焦点 F 1に配置されたピンホール P H 1によって点光源と等価な光になる。 ハーフミラー 3 1で反射された光はレンズ 8によって集光されて物体 9の表面に投光される。 この場合はレンズ 8の焦点位置 F2に物体 9の表面がある場合を示しており、 物体 9は 3次元移動ステージ 4 0によって X— Y— Z方向に移動走査される。 物体 9 の表面で散乱した光はレンズ 8を通りハーフミラー 3 1を透過した後、 光源 1の 焦点位置と共役な点 F 3に集光される。 この焦点 F 3の位置にピンホール P H2を置 き、 通過する光を光センサ 1 0で検出するようにする。
かかる構成によれば、 図 2 3 (a) (b)に示す如く、 物体表面 Z0が焦点位置 F 2の 前後 Z l、 Z2に外れた場合、 共役点側の焦点 F 3が移動しピンホールの作用で光セ ンサ 1 0の出力が著しく低下する。 図 2 4に物体表面の位置と光センサ 1 0の出 力との関係を示す。
かかる構成によれば、 3次元移動ステージ 4 0によって被計測物体 9を X—Y 座標位置毎に Z軸方向 （光軸方向） に変位させ、 この変位にともなって光センサ 1 0の出力をサンプリングし、 サンプリング出力が最大になったときの Z位置を 物体 9の表面位置として検出することができる。 従って、 順次 X— Y座標位置を 変化させて同様の計測を行うようにすれば、 被計測物体 9の 3次元計測を行うこ とができる。
しかし、 この従来装置では、 各計測時点において空間の 1点の情報しか得られ ないために、 表面形状の検出に多くの時間を必要とする欠点がある。
そこで、 特開平 4— 2 6 5 9 1 8号公報においては、 共焦点光学系を 2次元的 に配置し、 各物体位置を並列に検出するようにしており、 図 2 5にその構成を示 す。
すなわちこの図 2 5に示す装置では、 光源 1の光はレンズ 1 2、 2を介して平 行光となりピンホールアレイ P HA 1に入射される。 ピンホールアレイ P HA 1は 、 ピンホールがマト リ ックス状に配設されたものである。 ピンホールアレイ P H A1を通過した光はハーフミラー 3 1を透過し、 レンズ 8 a、 8 bによって集光さ れ、 被計測物体 9に投光される。 被計測物体 9は Z軸方向に変位可能な移動ステ ージ 3 5上に載置されている。 被計測物体 9で反射された光はレンズ 8 a、 8 b で集光され、 ハーフミラー 3 1で反射され、 ピンホールアレイ P H A 1と共役な位 置に結像する。 この結像位置にピンホールアレイ P H A2を配設し、 ピンホールを 通過する光を、 光センサアレイの各光センサ 1 0で検出する。
かかる従来構成によれば、 移動ステージ 3 5を Z軸方向に変位させながら、 光 センサァレイの個々の光センサ 1 0の出力を別々にサンプリ ングし、 各々の光セ ンサ出力が最大になったときの Z方向位置を物体 9の表面位置として検出するこ とができる。
この従来技術によれば、 XY方向に移動ステージを移動させる必要がなくなる ので、 先の図 2 2に示す従来構成より計測時間を短縮することができる。
ところで、 この図 2 5に示す装置においても、 形状計測時間を更に高速化する ためには移動ステージ 3 5を更に高速移動させる必要があるが、 移動ステージ 3 5は計測対象を載置しなくてはいけないので、 その高速移動には限界がある。 す なわち、 例えば、 非常に重く大きな計測対象や、 非常に繊細な構造を有するため に高速変位による慣性力に耐えられない計測対象等は、 高速移動ステ一ジによる 移動が困難となる。
この問題を解決するための手法として、 計測対象 9を固定して計測器自体を Z 方向に移動変位させることが考えられる。 しかし、 計測器を高速変位させるため には、 計測器自体が小型軽量でかつその構造が堅牢で高速変位による慣性力に耐 えられなくてはならない。 ところが、 図 2 5に示す従来技術では、 高速移動用の 対策がなされていないために、 高速移動した場合、 共焦点光学系がくずれるなど の問題が発生する可能性がある。 特に共焦点光学系においては、 共焦点光学系が 常に有効になるように、 ピンホールアレイ P HA1、 P H A2をハーフミラ一 3 1 に対して共役な位置に常に正確に位置させることが重要であるが、 このことと小 型軽量化の要望とを双方満足させるには従来限界があった。
また、 図 2 5のハーフミラ一 3 1は通常プリズム型が使用されるが、 このプリ ズム型は立方体領域を必要とするため、 光源の焦点位置 （ピンホールアレイ P H A1) と受光の焦点 （ピンホールアレイ P H A2) はハーフミラー 3 1のある立方 体領域の外側に配置しなくてはならず、 このためレンズ 8 aから各々の焦点まで の距離はハーフミラ一3 1の立方体の長さより小さくすることはできない。 また 、 共焦点ュニッ トの光源の焦点と受光の焦点のハーフミラー 3 1に対する幾何学 的な距離は共焦点ユニッ ト毎に違ったものとなる。 よって、 図 2 5に示す従来構 成では小型、 軽量化には限界があると共に、 光源の焦点と受光の焦点の正確な位 置合わせが必要になる。
この発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、 装置の小型軽量化を図る と共に、 3次元形状計測を高速に精度よくなし得、 更に各部の位置合わせを容易 にできる共焦点光学装置を提供することを目的とする。 発明の開示
この発明では、 光源と、 この光源から発した光を通過させて点光源光にする第 1の開口部と、 この第 1の開口部を通過した光を被計測物体上に集光する対物レ ンズと、 この被計測物体上の集光面に共役な面に位置する第 2の開口部と、 該第 2の開口部を通過した光を検出する光検出器とを有する共焦点光学装置において 、 前記第 1及び第 2の開口部を同一位置に配して同一開口部で共用すると共に、 前記光検出器の検出面を前記共用される同一の開口部とほぼ同一の面上に配設す るようにしたことを特徴とする。 係る発明によれば、 第 1及び第 2の開口を同一開口で共用すると共に、 この同 —開口とほぼ同一の面に光検出器の検出面を配設するようにしており、 これによ り、 第 1、 第 2の開口および光検出器の精度のよい位置合わせを容易になし得る とともに、 これら部分の構成を薄型、 小型、 堅牢にできる。
またこの発明によれば、 光源と、 この光源からの光を入射してハーフミ ラーお よび回折格子の作用をなす光学素子と、 この光学素子に密着または近接して配設 され、 光学素子からの 0次光を集光する第 1の集光手段と、 この第 1の集光手段 によって集光された光を通過させるピンホールと、 このピンホールを通過した光 を集光して被計測物体に投光するとともに、 被計測物体で散乱された光を前記ピ ンホールに集光する第 2の集光手段とを備えると共に、 前記光学素子は、 前記ピ ンホールおよび前記第 1の集光手段を介して再入射された光の 1次回折光を前記 第 1の集光手段に入射するものであり、 さらに前記第 1の集光手段によつて集光 された前記 1次回折光を受光する光検出器を備えるようにしている。
すなわち係る本発明の構成によれば、 共焦点光学系の光源の焦点と受光の焦点 は同じ位置であるため、 この位置に両焦点に共通のピンホールを配置すればよく なるので、 安定した共焦点効果が得られると共に、 各焦点の位置合わせが不要に なり、 さらに装置の小型軽量化を図ることができる。 また、 平板状のホログラム や平板状の回折格子型ハーフミラーなどの光学素子を用いて、 ハーフミラ一及び 回折格子の作用を得るようにしているので、 極めて薄い領域に共焦点光学系を配 置することができる。
またこの発明では、 順次移動走査される平行スリッ ト光を発生する平行スリ ッ ト光発生手段と、 光通過用の開口が複数個 2次元的に配置され、 前記平行光発生 手段からの平行スリ ッ ト光を入射する開口アレイと、 前記開口アレイを通過した 光が入射され、 ハーフミラ一および回折素子の作用をなす光学素子と、 前記光学 素子に近接して配設され、 光学素子からの 0次光を集光するレンズが複数個 2次 元的に配列されたレンズアレイと、 前記レンズアレイの各レンズによって集光さ れた光を通過させるピンホールが複数個 2次元配列されたピンホールアレイと、 前記各ピンホールを通過した光を集光して被計測物体に投光するとともに、 被計 測物体で散乱された光を各ピンホールに集光する集光手段と備えると共に、 前記 光学素子は、 前記各ピンホールおよび前記レンズアレイを介して再入射された光 の 1次回折光を前記レンズアレイに入射するものであり、 さらに前記レンズァレ ィの各レンズによって集光された前記 1次回折光を受光する光検出器が複数個 2 次元配列された光検出器アレイと、 前記平行スリ ッ ト光発生手段、 開口アレイ、 光学素子、 レンズアレイ、 ピンホールアレイ、 集光手段および光検出器アレイの 少なくとも一部を光軸方向に移動させる移動制御手段と、 前記平行スリツ ト光の 移動走査および前記移動制御手段の移動制御に対応する前記各光検出器の出力に 基づき前記被計測物体の 3次元距離計測を行う 3次元距離計測手段とを備えるよ うにしている。
係る発明によれば、 開口、 レンズ、 ピンホール、 光検出器が 2次元的に配列さ れた共焦点光学系に平行スリッ ト光を入射し、 各光検出器で被計測物体からの反 射光を受光する。 そして、 平行スリッ ト光の移動走査および前記移動制御手段に よる移動走査に対応する前記各光検出器の出力に基づき前記被計測物体の 3次元 距離計測を行う。
またこの発明では、 面光線を発生する面光線発生手段と、 光通過用の開口が複 数個 2次元的に配置され、 前記面光線発生手段からの面光線を入射する開ロアレ ィと、 前記開口アレイを通過した光が入射され、 ハーフミ ラーおよび回折素子の 作用をなす光学素子と、 この光学素子に近接して配設され、 光学素子からの 0次 光を集光するレンズが複数個 2次元的に配列されたレンズアレイと、 前記レンズ アレイの各レンズによって集光された光を通過させるピンホールが複数個 2次元 配列されたピンホールアレイと、 前記各ピンホールを通過した光を集光して被計 測物体に投光するとともに、 被計測物体で散乱された光を各ピンホールに集光す る集光手段と備えると共に、 前記光学素子は、 前記各ピンホールおよび前記レン ズアレイを介して再入射された光の 1次回折光を前記レンズァレイに入射するも のであり、 さらに前記レンズアレイの各レンズによって集光された前記 1次回折 光を受光する光検出器が複数個 2次元配列された光検出器ァレイと、 前記面光線 発生手段、 開口アレイ、 光学素子、 レンズアレイ、 ピンホールアレイ、 集光手段 および光検出器アレイの少なくとも一部を光軸方向に移動させる移動制御手段と 、 前記移動制御手段の移動制御に対応する前記各光検出器の出力に基づき前記被 計測物体の 3次元距離計測を行う 3次元距離計測手段とを備えるようにしている 係る発明によれば、 開口、 レンズ、 ピンホール、 光検出器が 2次元的に配列さ れた共焦点光学系に面光線を入射し、 各光検出器で被計測物体からの反射光を受 光する。 そして、 前記移動制御手段による移動走査に対応する前記各光検出器の 出力に基づき前記被計測物体の 3次元距離計測を行う。
このようにこの発明による構成によれば、 共焦点光学系の光源の焦点と受光の 焦点を同一位置に配したピンホールによって得るようにしたので、 計測装置を小 型軽量かつ堅牢にすることができ、 計測装置の全体又は一部を移動する構成に採 用すれば、 高速計測、 位置合わせ、 安定性、 計測精度などの各種の面で非常に有 利となる。 図面の簡単な説明
図 1はこの発明の第 1実施例を示す図。
図 2はこの発明を原理的に示す図
図 3 (a)〜（c)はホログラムの露光態様などを示す図。
図 4はホログラム、 レンズアレイおよび光検出器アレイなどの部分の構成を示 す斜視断面図。
図 5はホログラム、 レンズアレイおよび光検出器アレイなどの部分の構成を示 す断面図。
図 6 (a)〜（j)は光検出器アレイ及びピンホールアレイ部分の製造手順の一例を 示す工程図。
図 7 (a)〜（！ は光検出器アレイおよびピンホールアレイ部分の他の製造手順を 示す工程図。
図 8 (a)〜（j)は光検出器アレイおよびピンホールアレイ部分の他の製造手順を 示す工程図。
図 9は光検出器ァレィの駆動回路の一例を示す図。
図 1 0は上記駆動回路の各信号のタイムチャー ト。
図 1 1はこの発明の第 2実施例を示す図。 図 1 2はこの発明の第 3実施例を示す図- 図 1 3はこの発明の第 4実施例を示す図。
図 1 4は第 4実施例で用いられる回折格子型ハーフミラ一を示す図。
図 1 5はホログラム、 レンズアレイおよび光検出器アレイなどの部分の他の構 成を示す断面図。
図 1 6 (a)〜（！ π)は図 1 5の構成の製造手順の一例を示す工程図。
図 1 7はホログラム、 レンズアレイおよび光検出器アレイなどの部分の他の構 成を示す断面図。
図 1 8はホログラム、 レンズアレイおよび光検出器アレイなどの部分の他の構 成を示す断面図。
図 1 9 (a) (b)はこの発明の第 5実施例を示す図。
図 2 0は光検出器アレイの駆動回路の他の構成例を示す図。
図 2 1は光検出器'ァレィの駆動回路の他の構成例を示す図。
図 2 2は共焦点光学系の原理図。
図 2 3 (a) (b)は共焦点光学系の焦点のずれ態様を示す図。
図 2 4は物体表面のレンズからの距離に対応する光センサ出力を示す図。
図 2 5は共焦点光学系を用いた従来の 3次元形状計測器の一例を示す図。 発明を実施するための最良の形態
以下この発明を添付図面に示す実施例に従って詳細に説明する- 図 2にこの発明の基本的構成を示す。
図 2において、 光源 1から出力されたレーザ光 （或いは該レーザ光に準ずる単 色光） は、 レンズ 2によって平行光 3になって反射型ホログラム 4に入射される 反射型ホログラム 4は、 ハーフミラ一および回折格子の作用をなすもので、 図 3 (a)に示すように、 光軸方向と角度 Φを成す平行光によって露光される。 このホ ログラム 4を例えば回折効率 4 0 %となるように現像処理した場合は、 図 3 (b)の 実線で示す平行光を入射すると、 0次光 （一点鎖線） 、 1次光 （破線） が各々入 射光の 6 0 %、 4 0 %の強度で得られる。 また、 このホログラムに図 3 (b)とは逆 向きの平行光を入射すれば、 図 3 (c)に示すように、 0次光、 1次光が各々入射光 の 6 0 %、 4 0 %の強度で得られる。
図 2においては、 このホログラム 4に図 3 (b)と同じ方向でスリ ッ ト平行光が入 射され、 その 0次光は反射型ホログラム 4に近接したレンズ 5によってその焦点 位置 6に集光される。 この焦点位置 6にピンホール 7が配置され、 該ピンホール 7の孔を光が通過する。 ピンホール 7を通過した光は、 再びレンズ 8によって集 光され、 被計測物体 9上に照射される。 被計測物体 9で反射された光はレンズ 8 によつて再び集光されてピンホール 7を再び通過する。 ピンホール 7を通過した 光はレンズ 5によって集光され、 光源からの平行光 3とは逆向きの平行光として ホログラム 4に入射される。 ホログラム 4に入射された平行光の 1次回折光は、 図 3 (c)に示すように、 角度 Φをもって反射されてレンズ 5を介して集光される。 この集光位置に光検出器 1 0が配置され、 該光検出器 1 0によって入射された光 の光量を検出する。
すなわち、 この構成によれば、 共焦点光学系の光源側の焦点位置と受光側の焦 点位置とが同じ位置 6となり、 ピンホール 7を共通化することができる。 したが つ安定した共焦点効果が得られると共に、 従来のような光源の焦点と受光の焦点 との位置合わせが不要になる。 さらに、 反射型ホログラム 4をハーフミラーとし て機能させることにより、 従来の構成ではなし得なかった小型化 （平面化） およ び軽量化を実現できる。
図 1は、 この発明の第 1の実施例を示すもので、 本装置は固定部 2 0と、 光軸 方向 （Z方向） に沿って移動する可動部 3 0とで構成されている。
レーザ光源 1から発生されたレーザ光はレンズ 1 1、 1 2によってスリ ッ ト平 行光に変換され、 多面体回転ミラ一 1 3によって偏向される。 偏向されたスリ ツ ト平行光は、 テレセント リ ツクに配置されたシリンドリカルレンズ 2に入射され 、 光軸方向に偏向されるとともに、 多面体回転ミラー 1 3による回転によって図 示矢印 A方向に順次走査される。 多面体回転ミラー 1 3は移動制御部 5 0によつ て回転走査される。 このようにして、 固定部 2 0から可動部 3 0に対して A方向 に走査される平行スリ ッ ト光 L aが順次入射される。
なお、 多面体回転ミラー 1 3の代わりにガルバノミラ一を使用してもよく、 ま たシリンドリカルレンズ 2の代わりに f _ 0レンズを採用して等速走査を行うよ うにしてもよい。
可動部 3 Qの光入口には、 レンズアレイ 5の個々のレンズ 5 aに光を有効に入 射させるための開口 1 4 aが各レンズに対応する位置に形成された開口アレイ 1 4が配置され、 その下にハーフミラーおよび回折格子として機能する反射型ホロ グラム 4が配置されている。 反射型ホログラム 4は、 先の第 2図及び第 3図に示 したものと同様に機能する。 なお、 反射型ホログラム 4と開口アレイ 1 4の上下 の位置関係を逆にしてもよい。
反射型ホログラム 4の下には、 レンズアレイ 5が反射型ホログラム 4に近接ま たは密着して配置され、 ホログラム 4に入射された光の 0次光を各レンズ 5 aの 焦点 置にそれぞれ集光する。 各レンズ 5 aの焦点位置には、 ピンホールアレイ 7の各ピンホール 7 aが配置され、 前記集光された各光はピンホール 7 aを通過 する。 なお、 前記平行スリ ッ ト光の幅はレンズアレイ 5の各レンズ 5 aのピッチ より細いものとする。
レンズ 8 a、 8 bは、 所謂テレセント リ ック系であり、 ピンホールアレイ 7の 全ての像を光軸方向に平行に結像する。 したがって、 可動部 3 0を光軸 （Z軸） 方向に移動した場合でも、 計測物体 9上に結像する光点の X— Y位置は変化しな い。
計測物体 9で散乱した光は、 レンズ 8 b ， 8 aによって集光され、 共焦点効果 を持つピンホールアレイ 7を通過し、 レンズアレイ 5に入射され、 レンズアレイ 5の個々のレンズ 5 aによってレンズ 2から出射されたスリッ ト平行光とは逆向 きの平行光として図 3 (c)に示したのと同じ方向に反射型ホログラム 4に入射する o 反射型ホログラム 4の 1次回折光は再びレンズアレイ 5の個々のレンズ 5 aに 入射され、 それぞれ角度 Φで集光される。 これら各集光位置に個々の光検出器 1 0 aが配置されるように光検出器アレイ 1 0を配置する。
かかる構成においては、 計測物体 9は適宜のテーブル 3 3上に固定配置する。 一方、 可動部 3 0は、 移動制御部 5 0によって多面体回転ミラ一 1 3による回転 走査に同期して光軸 （Z軸） 方向にそって移動される。 3次元計測部 6 0では、 可動部 3 0の移動に伴って光検出器アレイ 1 0の個々の検出器 1 0 aの出力を順 次サンプリングし、 各々の出力が最大になったときの Z位置を物体表面の位置と して検出する。
また、 かかる構成において、 開口アレイ 1 4、 反射型ホログラム 4、 レンズァ レイ 5、 光検出器アレイ 1 0およびピンホールアレイ 7は、 図 4および図 5に示 すように、 半導体プロセスを用いて平面状に一体的に形成される。
すなわち、 図 4及び図 5において、 開口アレイ 1 4は遮光プレートから成って おり、 このプレートの各レンズ 5 aに対応した位置に開口 1 4 aが形成されてい る。 開口アレイ 1 4の遮光膜は、 例えば、 C r 203Z C r Z C r 203の 3層膜を スパッタリングで形成する。 上記 3層膜の中間層の C rで反射された光は C r 20 3膜によつて多重反射し減衰する。
レンズアレイ 5は、 この場合平板マイクロレンズ （PML ) を用いるようにし ている。 平板マイクロレンズは、 平面状のガラス基板 5中にイオンを選択的に拡 散することによって屈折率分布を形成することにより複数のレンズ 5 a部分を作 成する。 このレンズアレイ 5の各レンズ部分 5 aの光の入射部分には、 無反射コ 一卜が施されている。
したがって、 このようにして作成したレンズアレイのガラス基板 5上に、 図 3 (a)に示した要領で露光現像したホログラム 4を密着させ、 さらにその上に開ロア レイ 1 4を形成するようにする。 なお、 ホログラム 4の製造時の耐熱性が問題と なる場合は、 レンズアレイ 5のガラス基板上に開口アレイ 1 4を形成した後、 そ の上に露光現像されたホログラム 4を密着するようにしてもよい。
また、 ガラス基板 5との密着面に無反射コー卜が施された平面ガラス基板 1 5 に、 前記レンズアレイの 5のレンズピッチに対応するピッチで光検出器アレイ 1 0およびピンホールアレイ 7を形成する。
そして、 光検出器アレイ 1 0およびピンホールアレイ 7が形成された平面ガラ ス基板 1 5と、 前記開口アレイ 1 4、 ホログラム 4及びレンズアレイ 5が形成さ れたガラス基板 5とを位置合わせして密着させることにより、 この部分を形成す る。
なお、 マイクロレンズ基板 5とガラスセンサ基板 1 5を接合する場合、 これら の間にガラスとほぼ同じ屈.折率を有する透明屈折液を充塡するようにして、 これ ら基板界面での不都合な反射を防ぐことができる。 また、 同様に、 マイクロレンズ基板 5とホログラム 4を接合する場合、 これら の間にガラスとほぼ同じ屈折率を有する透明屈折液を充塡するようにして、 これ ら基板間での不都合な反射を防ぐこともできる。
図 6 (a)〜（j)は、 ピンホールアレイ 7及び光検出器アレイ 1 0の製造過程を示 すもので、 以下その詳細を製造順に説明する。
(a)平面ガラス基板 1 5
(b)平面ガラス基板 1 5上に透明導電膜 （T C O ) 1 6を形成する。 T C 0は S n 02等を使用する。
(c)例えばエッチングなどにより透明導電膜 1 6から光検出素子部分 1 7、 ピ ンホール部分 1 8以外を除去する。 なお、 この工程で、 ピンホール部分の 透明導電膜を残すのは、 この後の工程（g)のエッチングでピンホールの開口 部のガラスが侵食されるのを防ぐためである。
(d)この上にァモルファスシリコン 1 9を形成する。
(e)アモルファスシリコン 1 9のピンホール部分 1 8をエッチングなどを用い て除去する。
(f)ニッケル膜 2 1を形成する。
(g)例えばエッチングなどによりニッケル膜 2 1から光検出素子部分 2 2、 ピ ンホール部分 2 3以外を除去する。 また、 ピンホールの各開口もエツチン グによって形成する。
(h)この上層に透明絶縁膜 2 4を形成する。
( i)さらに、 ニッケル膜 2 5を形成する。
(j)ニッケル膜 2 5のピンホール部分 2 6をエッチングによって形成する。
これら一連の処理によって、 アモルファスシリコン 1 9、 透明ァノ一ド電極 1
7および金属カソード電極 2 2から成る光検出素子を形成すると共に、 ピンホー ルの遮光部分をニッケル膜 2 3、 2 5によって形成する。
図 7 (a)〜（k)は、 他の製造方法を示すもので、 以下その詳細を製造順に説明す る。
(a)平面ガラス基板 1 5
(b)平面ガラス基板 1 5上に透明導電膜 （T C O ) 1 6を形成する。 (c)例えばエッチングなどにより透明導電膜 1 6から光検出素子部分 1 7、 ピ ンホール部分 1 8以外を除去する。 なお、 この工程で、 ピンホール部分の 透明導電膜を残すのは、 この後の工程（e) (k)のェツチングでピンホールの 開口部のガラスが侵食されるのを防ぐためである。
(d)この上にァモルファスシリコン 1 9を形成する。
(e)アモルファスシリコン 1 9のピンホール部分 1 8をエッチングなどを用い て除去する。
(f)ニッケル膜 2 1を形成する。
(g)例えばェッチングなどによりニッケル膜 2 1から光検出素子部分 2 2以外 を除去する。
(h)この上層に絶縁膜 2 4を形成する。
( i)エッチングなどにより絶縁膜 2 4およびアモルファスシリコン 1 9からピ ンホール部分 2 7·を除去する。
(j)ニッケル膜 2 5を形成する。
(k)エッチングによってニッケル膜 2 5のピンホール 2 6部分を除去しピンホ —ルを形成する。
これら一連の処理によって、 アモルファスシリコン 1 9、 透明アノー ド電極 1 7および金属カソ一ド電極 2 2から成る光検出素子を形成すると共に、 ピンホー ルの遮光部分を二ッケル膜 2 5によつて形成する。
図 8 (a) ~ (jは）更に別の製造方法を示すもので、 以下その詳細を製造順に従つ て説明する。
(a)平面ガラス基板 1 5
(b)平面ガラス基板 1 5上に透明導電膜 （T C O ) 1 6を形成する。
(c)例えばエッチングなどにより透明導電膜 1 6から光検出素子部分 1 7、 ピ ンホール部分 1 8以外を除去する。 なお、 この工程で、 ピンホール部分の 透明導電膜を残すのは、 この後の工程（j)のエッチングでピンホールの開口 部のガラスが侵食されるのを防ぐためである。
(d)この上にアモルファスシリコン 1 9を形成する。
(e)ニッケル膜 2 1を形成する c (f)例えばェツチングなどによニッケル膜 2 1から光検出素子部分 2 2以外を 除去する。
(g)この上層に絶縁膜 2 4を形成する。
(h)エッチングなどにより絶縁膜 2 4からピンホール部分 2 7を除去する c
(i)ニッケル膜 2 5を形成する。
(j)エッチングによってニッケル膜 2 5およびアモルファスシリコン 1 9のピ ンホール部分 2 8を除去しピンホールを形成する。
これら一連の処理によって、 アモルファスシリコン 1 9、 透明アノード電極 1 7および金属カソード電極 2 2から成る光検出素子を形成すると共に、 ピンホー ルの遮光部分をニッケル膜 2 5によって形成する。 すなわち、 この製造方法によ れば、 工程（j)のエッチングによって、 ニッケル膜 2 5およびアモルファスシリコ ン 1 9のピンホール部分を一度に削除するようにしている。
図 9は、 n x m個の光検出器 S ll〜S mnから成る光検出器アレイ 1 0とこれら 光検出器 S ll〜S nmの信号を読み出すの為の回路構成を示すもので、 奇数行の光 検出器は列毎に共通な接続線でアナ口グマルチプレクサ M 1に接続され、 偶数行 の光検出器は列毎に共通な接続線でアナログマルチプレクサ M 2に接続されてい る。 ハッチングが施された光検出器 E l〜Emは行単位の読み出しタイミング信号 V D 1、 V D2を発生するためのもので、 また光検出器 Fは 1回の読み取り走査の 開始タイミング信号 F Dを出力させるためのものである。
図 9の破線で囲まれた領域が図 1の平行スリ ッ ト光 L aのある時点における照射 領域であり、 前記多面体回転ミラーによる走査によつて該照射領域が矢印 A方向 に移動走査される。 すなわち、 平行スリ ッ ト光の移動走査は、 奇数行—偶数行の 順番に交互に行われ、 奇数行の光検出器で検出された信号はマルチプレクサ M l によって順次列毎に読み出され、 偶数行の光検出器で検出された信号はマルチプ レクサ M 2によって順次列毎に読み出される。
かかる構成によれば、 入射平行スリ ッ ト光が奇数行と偶数行にまたがって入射 された場合でも、 両者の信号を各行から独立して読みだすことができる。 したが つて、 各光検出器を接近させて配置することができるとともに、 開口アレイ 1 4 の遮光部分の面積を小さくすることができ、 この部分の構成をより小型化するこ とができる。
なお、 図 9において、 ハッチングが施されたタイミング信号発生用の光検出器 E l〜Emは、 光検出器マト リ ックスの端のピンホール 7が位置されるべきマ ト リ ックス位置に配置され、 固定部 2 0からの平行スリ ッ ト光 L aが直接入射される。 信号 V D 1は奇数行の読み出しタイミングを判断するための信号であり、 信号 VD 2は偶数行の読み出しタイミングを判断するための信号である。 また、 読み取り開 始夕ィミング信号 F D発生用の光検出器 Fは、 例えば第 1行目の光検出器 E 1と逆 端においてピンホール 7が位置されるべきマト リ ックス位置に配置される。
図 1 0は、 各タイミング信号 F D， VD 1、 VD2及びマルチプレクサ Ml、 M2 からの出力信号 VI、 V2のタイミングを示すもので、 各光検出器 S ll~ Smnはこ の場合、 電荷蓄積型として機能するので、 VD 1の立下がりで奇数行の検出器の出 力を読み出し、 VD2の立下がりで偶数行の検出器の出力を読み出すよう作用する 。 したがって、 この回路構成によれば、 奇数行の検出器に光が入射されている間 に、 既に電荷蓄積された偶数行の検出器の出力を読み出す、 あるいはその逆を交 互に繰り返す。
なお、 マルチプレクサ Ml、 M2の代わりに C C Dカメラセンサで応用されてい る電荷転送方法を用いるようにしてもよい。
また、 上記回路において、 信号 V D 1を遅延させこの遅延信号を ト リガとして偶 数行の検出器の出力を読み出すとともに、 信号 VD2を遅延させこの遅延信号をト リガとして奇数行の検出器の出力を読み出すようにしてもよい。 さらに、 信号 V D 1および VD2の立上がりをそれぞれ遅延させ、 これらの遅延信号によって各検 出器の出力の読み出しを行うようにしてもよい。
図 1 1は、 この発明の他の実施例を示すもので、 この場合は先の図 1の実施例 のように走査型のスリ ツ ト平行光を用いるのではなく、 非走査型の平行面光線 L bを用いるようにする。 また、 可動部 3 0をレンズ 8 aのみで構成し、 その他の部 分を固定部 2 0側に配設するようにしている。 その他の構成は図 1の実施例と同 様であり、 同じ機能を達成する構成要素には同一符号を付してある。
すなわち、 図 1 1において、 レーザ光源 1から発生されたレーザ光はシリン ド リカルレンズ 1 2、 2によって平行面光線に Lbに変換され、 開口アレイ 1 4に入 射される。 開口アレイ 1 4の開口を通過した光は、 前記同様、 ホログラム 4、 レ ンズアレイ 5、 ピンホールアレイ 7、 レンズ 8 a、 8 bを経由して計測物体 9に 集光される。 計測物体 9で散乱した光は、 レンズ 8 b， 8 a、 ピンホールアレイ 7、 レンズアレイ 5を経由してホログラム 4に入射され、 該ホログラム 4で回折 されて光検出器アレイ 1 0の各検出器に入射される。
この場合は、 平行面光線 L bを用いるようにしているので、 光検出器アレイ 1 0 の全ての検出器に平行面光線 L bの帰り光が同時に入射される。
かかる実施例によれば、 可動部 3 0をレンズ 8 bのみで構成しているので、 荷 搬重量を軽くでき、 移動走査の為の構成を簡素化することができる。
なお、 図 1 1のように、 平行面光線 L bを用いた場合においても、 先の図 1に示 したように、 開口アレイ 1 4により下の部分 （開口アレイ 1 4、 ホログラム 4、 レンズアレイ 5、 光検出器アレイ 1 0、 ピンホールアレイ 7、 レンズ 8 a， 8 b ) を可動部分として構成するようにしてもよい。 さらに、 図 1 1において、 計測 対象物体 9以外の全ての構成要素を可動部 3 0として構成するようにしてもよい 図 1 2は、 この発明の更に別の実施例を示すもので、 この場合は装置全体を可 動部 3 0として構成している。 また、 面光線を発生するための光源として、 複数 のレーザエレメン トがマ ト リックス配置されたレーザ光源アレイ 4 0を用いるよ うにしている。 このレーザ光源アレイは、 PHOTONICS RESERCH INCORPORATED のァ レイタイプ面発光半導体レーザとして公知である。 また、 前記アレイタイプ面発 光半導体レーザ 4 0から出力される光線を平行光に変化するためのレンズとして 、 レンズアレイ 5 0を用いるようにしている。 その他の構成は図 1または図 1 1 の実施例と同様であり、 同じ機能を達成する構成要素には同一の符号を付してあ る。
すなわち、 図 1 2において、 レーザ光源 4 0から発生されたレーザ光はレンズ アレイ 5 0によって平行面光線に変換され、 開口アレイ 1 4に入射される- 開口 アレイ 1 4の開口を通過した光は、 前記同様、 ホログラム 4、 レンズアレイ 5、 ピンホールアレイ 7、 レンズ 8 a、 8 bを経由して計測物体 9に集光される。 計 測物体 9で散乱した光は、 レンズ 8 b， 8 a、 ピンホールアレイ 7、 レンズァレ ィ 5を経由してホログラム 4に入射され、 該ホログラム 4で回折されて光検出器 アレイ 1 0の各検出器に入射される。
なお、 この実施例において、 アレイタイプ面発光半導体レーザ 4 0を行単位に 順次発光させ、 先の図 1の実施例のようにスリッ ト光として機能させるようにし てもよい。
図 1 3は、 この発明の更に別の実施例を示すもので、 この実施例では先の各実 施例における反射型ホログラム 4の代わりに、 図 1 4に示すような回折格子型ハ —フミラー 4 1を用いると共に、 レンズ 8 a、 8 bの間に 1 / 4波長版 4 2を介 在させるようにしている。 なお、 図 1 3において、 1 / 4波長版 4 2の配設位置 は、 共焦点光学系の光路中であれば、 任意位置でよい。
上記回折格子型ハーフミラ一 4 1は、 上記反射型ホログラム 4と同様、 ハーフ ミラー及び回折格子として作用するもので、 特開昭 6 1 - 1 7 1 0 3号公報にそ の開示がある。 すなわち、 ほぼ同一屈折率を有する透明部材 4 3， 4 4に複数の 傾斜面を設けると共に、 これら傾斜面に偏光依存性の反射膜 4 5を形成してレリ —フ型の回折格子を形成しており、 その両側に設けられた平行平板 4 6、 4 7で 支持されている。 反射膜 4 5は、 P偏光に対してはほぼ 1 0 0 %の透^ 1率を有し 、 S偏光に対しほぼ 1 0 0 %の反射率を有するよう構成されている。
したがって、 図 1 3において、 直線偏光特性を有するレーザを用いて光源 1か ら P偏光波を発射すると、 この P偏光波は回折格子型ハーフミラー 4 1に入射さ れ、 そのほとんどが透過される。 さらにこの P偏光波は、 1 / 4波長版 4 2を通 つて円偏光になり、 対物レンズ 8 bによって被計測物体 9上に集光される。 被計 測物体 9で反射された光は 1 4波長版 4 2を通過することにより S偏光波にな り、 レンズ 8 a， ピンホール 7を介して回折格子型ハーフミラー 4 1に入射され 、 該ハーフミラー 4 1の反射膜 4 5で反射されて、 光検出器 1 0に入射されるこ とになる。
なお、 先の図 2， 図 1 1または図 1 2に示した実施例においても、 ホログラム 4の代わりに図 1 4に示したような回折格子型ハーフミラー 4 1を用いるように してもよい。 勿論その場合には、 共焦点光学系の光路中に 1 4波長版 4 2を配 設するようにする。 次に、 図 1 5は先の図 5に示した薄板状光学器部分の変形例を示すものであり 、 この場合は、 先の図 5のようにマイクロレンズアレイ 5とガラス基板 1 5を密 着させるのではなく、 マイクロレンズアレイ 5と光検出器アレイ 1 0を密着させ るようにしている。
すなわち、 上部遮光膜 5 1， 下部遮光膜 5 2， 上部絶縁膜 5 3， 下部絶縁膜 5 4， 上部電極 5 5， 下部電極 5 6および光検出器部分 5 7による構成によって光 検出器アレイ 1 0の機能とピンホールアレイ 7の機能を実現し、 かかる構成部分 を屈折率調整液 5 8などによってマイク口レンズアレイ 5と密着させるようにし ている。
図 1 6 (3) ~ (111)は、 図 1 5の構成における光検出器アレイ 1 0およびピンホー ルアレイ 7の製造過程を示すもので、 以下その詳細を製造順に説明する-
(a)平面ガラス基板 1 5
(b)平面ガラス基板 1 5上に下部遮光膜 5 2を成膜する。
(c)下部遮光膜 5 2にピンホールアレイ 7 Aを形成する。
(d)この上に下部絶縁膜 5 4を形成する。
(e)更にこの上に下部電極 5 6を成膜する
(f)下部電極 5 6のパターンを形成する。
(g)更にこの上に光検出部分 （アモルファスシリコン） 5 7を成膜する
(h)光検出器部分 5 7にピンホールアレイ 7 Bを形成する。
( i)上部電極 5 5を成膜する （ j)上部電極 5 5のパターンを形成する。 （k )上部絶縁膜 5 3を成膜する。 ( 1 )上部遮光膜 5 1を成膜する。 （m )上部遮光膜 5 1にピンホールアレイ 7 Cを形成するとともに、 光検出器の 開口部 7 Dを形成する
次に、 図 1 7は光検出器部分 5 7をアモルファスシリ コンではなく、 単結晶シ リコン半導体で構成した例を示すもので、 図 1 5に示したものと同じ構成要素に ついては同一符号を付している。
すなわち、 この場合はシリコン基板の両面に熱酸化法や C VD法を用いて S i 02膜を形成し、 この S i 02膜をマスクとして熱拡散法やイオン注入法を用いて p n接合を形成し、 光検出器アレイ部分を形成する。 この後再度 S i 02膜を形成 、 パターニングし、 R I E法などのエッチング技術によってピンホールアレイ部 分を形成する。 そして、 このようにして作成したピンホールを有する光検出器ァ レイを屈折率調整液 5 8によってマイク口レンズアレイ 5と密着させる。 なお、 マイクロレンズとの密着の際は、 張り合わせ S O I技術を用いて、 直接シリ コン とマイクロレンズアレイを接合するようにしてもよい。 また、 単結晶シリコンの 代わりに I I I— V 族半導体などの光電変換の可能な材料を用いるようにしても良 い。 さらに、 上部電極 5 5および下部電極 5 6は図 1 5や図 1 7の例のように、 サンドイッチ状にしてもよいが、 図 1 8に示すように、 同一平面内に形成するよ うにしてもよい。
次に、 図 1 9 (a)は、 図 5や図 1 5に示した薄板状光学器部分のさらに別の変形 例を示すものであり、 同図（b)は円環状光検出器 1 0 aの平面図である。
すなわちこの図 1 9 (a) (b)においては、 ハーフミラーの作用をハーフミ ラーコ —ティング膜 5 9で実現すると共に、 光検出器 1 0を円環状にすることによって ハーフミラー膜 5 9で反射された光を光検出器 1 0で検出できるようにしている かかる図 1 9 (a) (b)に示す構成においては、 光源からの光は遮光膜で形成され た開口アレイ 1 4を透過し、 マイクロレンズアレイ 5のマイクロレンズによって 集光され、 ガラス基板 1 5上に形成されたピンホール 7 aを通過する。 被計測物 体からの反射光はピンホール 7 aを通過した後、 ハーフミラーコーティング膜 5 9で反射されて円環状光検出器 1 0 aに入射される。
円環状光検出器 1 0とピンホールアレイ 7はガラス基板 1 5上に半導体プロセ スを用いて形成する。
図 2 0は、 先の図 9に示した光検出器アレイ 1 0の各検出器の信号を読み出す の為の回路構成の変形例を示すもので、 この場合は各検出器を 4つのプロックに 分割するようにしている。
すなわち、 （4 n— 3 )行の光検出器はアナログマルチプレクサ Mlに接続され、 (4 n— 2 )行の光検出器はアナログマルチプレクサ M2に接続され、 （4 n _ 1 )行 の光検出器はアナログマルチプレクサ M3に接続され、 4 n行の光検出器はアナ口 グマルチプレクサ M4に接続されており、 先の 2分割の実施例に比べてその分割数 を増やすことで、 信号読み出しの高速化を図るようにしている。
なお、 アナログマルチプレクサは、 光検出器アレイとワイヤボンディングなど で結線してもよいし、 光検出器アレイと同一基板内にモノリシックに構成しても よい。 また、 行方向のみならず列方向を複数のブロックに分割するようにしても よい。
次に、 図 2 1は、 図 1 1や図 1 2に示したように、 面光線が照射される場合の 光検出器アレイの信号読み出し回路を例示するもので、 この場合は光検出器ァレ ィにトランジスタなどのスィツチング素子を組み込んだ X— Yァドレス方式を採 用するようにしている。 なお、 読み出し方式として電荷転送方式を採用するよう にしてもよい。
ところで、 図 1、 図 1 1および図 1 2に示す実施例では、 被計測物体 9は固定 するようにしたが、 被計測物体 9を X— Y移動ステージに載せて移動可能に構成 し、 計測対象領域を適宜変えて計測できるようにしても良い。 さらに、 この X _ Y移動ステージまたは可動部 3 0を X— Y方向に微小変位可能に構成することに よりより高分解能の計測が可能になる。
また、 図 1、 図 1. 1および図 1 2に示す実施例において、 計測器側を全て固定 とし、 被計測物体 9を 3次元方向に移動走査して 3次元計測を行うようにしても 良い。
また、 共焦点光学系の構成は一例を示したもので、 実施例に示したものと同一 の機能を達成できるものであれば、 他の構成を採用するようにしてもよい： 産業上の利用可能性
この発明は被計測物体の形状を 3次元計測する 3次元計測装置にに適用して有 用である。

Claims

請求の範囲
1 . 光源と、 この光源から発した光を通過させて点光源光にする第 1の開口部 と、 この第 1の開口部を通過した光を被計測物体上に集光する対物レンズと、 こ の被計測物体上の集光面に共役な面に位置する第 2の開口部と、 該第 2の開口部 を通過した光を検出する光検出器とを有する共焦点光学装置において、
前記第 1及び第 2の開口部を同一位置に配して同一の開口部をもって共用する と共に、 前記光検出器の検出面を前記共用される同一の開口部とほぼ同一の面上 に配設するようにしたことを特徴とする共焦点光学装置。
2 . 光源と、
この光源からの光を入射してハーフミラーおよび回折格子の作用をなす光学素 子と、
この光学素子に密着または近接して配設され、 光学素子からの 0次光を集光す る第 1の集光手段と、
この第 1の集光手段によって集光された光を通過させるピンホールと、 このピンホールを通過した光を集光して被計測物体に投光するとともに、 被計 測物体で散乱された光を前記ピンホールに集光する第 2の集光手段と、
を備えると共に、
前記光学素子は、 前記ピンホールおよび前記第 1の集光手段を介して再入射さ れた光の 1次回折光を前記第 1の集光手段に入射するものであり、
さらに前記第 1の集光手段によつて集光された前記 1次回折光を受光する光検 出器
を備えるようにした共焦点光学装置。
3 . 順次移動走査される平行スリッ ト光を発生する平行スリッ ト光発生手段と 光通過用の開口が複数個 2次元的に配置され、 前記平行光発生手段からの平行 スリッ ト光を入射する開口アレイと、
前記開口アレイを通過した光が入射され、 ハーフミラーおよび回折素子の作用 をなす光学素子と、 前記光学素子に近接して配設され、 光学素子からの 0次光を集光するレンズが 複数個 2次元的に配列されたレンズアレイと、
前記レンズアレイの各レンズによつて集光された光を通過させるピンホールが 複数個 2次元配列されたピンホールアレイと、
前記各ピンホールを通過した光を集光して被計測物体に投光するとともに、 被 計測物体で散乱された光を各ピンホールに集光する集光手段と、
備えると共に、
前記光学素子は、 前記各ピンホールおよび前記レンズアレイを介して再入射さ れた光の 1次回折光を前記レンズアレイに入射するものであり、
さらに前記レンズアレイの各レンズによって集光された前記 1次回折光を受光 する光検出器が複数個 2次元配列された光検出器アレイと、
前記平行スリ ッ ト光発生手段、 開口アレイ、 光学素子、 レンズアレイ、 ピンホ —ルアレイ、 集光手段および光検出器アレイの少なくとも一部を光軸方向に移動 させる移動制御手段と、
前記平行スリッ ト光の移動走査および前記移動制御手段の移動制御に対応する 前記各光検出器の出力に基づき前記被計測物体の 3次元距離計測を行う 3次元距 離計測手段と、
を備えるようにした共焦点光学装置。
4 . 前記開口アレイ、 光学素子、 レンズアレイ、 ピンホールアレイおよび光検 出器アレイは、 積層構造をとっていることを特徴とする請求の範囲第 3項記載の 共焦点光学装置。
5 . 前記光検出器アレイの各光検出器はマ ト リ ックス状に 2次元配置され、 か つこれら検出器は複数のブロックに区分されるとともに、 各プロックの光検出器 は共通な接続線で接続されて各プロック毎に共通の信号取り出し回路に接続され ている請求の範囲第 3項記載の共焦点光学装置。
6 . 3次元距離計測手段は、 前記平行スリッ ト光の移動走査にともなって、 各 ブロック単位に光検出器の検出信号の読み取りを順次実行することを特徴とする 請求の範囲第 3項記載の共焦点光学装置。
7 . 面光線を発生する面光線発生手段と、 光通過用の開口が複数個 2次元的に配置され、 前記面光線発生手段からの面光 線を入射する開口アレイと、
前記開ロアレイを通過した光が入射され、 ハーフミラ一および回折素子の作用 をなす光学素子と、
この光学素子に近接して配設され、 光学素子からの 0次光を集光するレンズが 複数個 2次元的に配列されたレンズアレイと、
前記レンズアレイの各レンズによって集光された光を通過させるピンホールが 複数個 2次元配列されたピンホールアレイと、
前記各ピンホールを通過した光を集光して被計測物体に投光するとともに、 被 計測物体で散乱された光を各ピンホールに集光する集光手段と、
備えると共に、
前記光学素子は、 前記各ピンホールおよび前記レンズアレイを介して再入射さ れた光の 1次回折光を前記レンズアレイに入射するものであり、
さらに前記レンズアレイの各レンズによって集光された前記 1次回折光を受光 する光検出器が複数個 2次元配列された光検出器アレイと、
前記面光線発生手段、 開口アレイ、 光学素子、 レンズアレイ、 ピンホールァレ ィ、 集光手段および光検出器アレイの少なくとも一部を光軸方向に移動させる移 動制御手段と、
前記移動制御手段の移動制御に対応する前記各光検出器の出力に基づき前記被 計測物体の 3次元距離計測を行う 3次元距離計測手段と、
を備えるようにした共焦点光学装置。
8 . 前記開口アレイ、 光学素子、 レンズアレイ、 ピンホールアレイおよび光検 出器アレイは、 積層構造をとっていることを特徴とする請求の範囲第 7項記載の 共焦点光学装置。
9 . 前記面光線発生手段は、 複数の発光素子がマト リックス状に配列された光 源ァレィである請求の範囲第 7項記載の共焦点光学装置。
1 0 . 光通過用の開口が複数個 2次元配置された開口アレイと、
ハーフミラー及び回折格子の作用をなす光学素子と、
前記開口アレイの各開口を通過した光を集光するレンズが複数個 2次元配列さ れたレンズアレイと、
前記各レンズによって集光された光を通過させるピンホールが複数個 2次元配 列されたピンホールアレイと、
前記ピンホールアレイの各ピンホールに再入射された光の前記光学素子での反 射光の前記レンズによる集光光が入射される光検出器が複数個 2次元配列された 光検出器アレイと、
を有し、 これら開口アレイ、 光学素子、 レンズアレイ、 ピンホールアレイ、 光 検出器アレイの積層構造からなる光学装置。
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