JP2018021829A - 投影装置、計測装置、システム、および物品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】物体に投影されるライン光の焦点深度と光量とを両立させるために有利な投影装置を提供する。【解決手段】投影光学系１４によってライン光を物体１に投影する投影装置は、入射光の一部を反射させてライン光を生成する生成部１３と、生成部で生成されたライン光を反射させて投影光学系に導く反射面１２ａを有する光学部材１２と、を含み、生成部および光学部材は、生成部に入射する光の光軸と、生成部で反射されて反射面に入射する光の光軸と、反射面で反射されて投影光学系に入射する光の光軸とが同一の平面に含まれるように配置され、生成部は、平面に対して垂直な方向がライン光の長手方向となるようにライン光を生成する。【選択図】図１

Description

本発明は、投影装置、計測装置、システム、および物品の製造方法に関する。

被検物（物体）の形状を計測する計測装置として、パターン投影法を用いた計測装置が知られている。パターン投影法とは、パターン光（ライン光）が投影された被検物を撮像して得られた画像から、被検物の形状に応じて生じる投影パターンの歪みを検出することにより被検物の形状を計測する方法である。

パターン投影法では、被検物の奥行き方向におけるライン光のボケを小さくするため、被検物に投影されるライン光の焦点深度が大きくなるように、投影光学系の開口数（ＮＡ）を小さくすることが好ましい。しかしながら、開口数（ＮＡ）を小さくすると、それに伴って、被検物に投影されたライン光の光量（光強度）も小さくなり、コントラストが低下しうる。特許文献１には、ライン光を被検物に投影する投影装置において、ライン光の長手方向では焦点深度を浅くし、短手方向では焦点深度を深くするための絞りを設けることにより、ライン光の焦点深度と光量とを両立させる技術が提案されている。

特開平７−７１９３０号公報

近年の投影装置では、装置のコンパクト化を図るため、光を反射してライン光を生成する生成部（例えば、デジタルミラーデバイス）と、生成部で生成されたライン光を反射して投影光学系に導く光学部材とが設けられうる。このような投影装置では、生成部で生成されるライン光の向きと光学部材での光の反射方向とを考慮しないと、被検物に投影されるライン光の光量の増加が制限され、当該ライン光のコントラストを十分に向上させることが困難になりうる。

そこで、本発明は、物体に投影されるライン光の焦点深度と光量とを両立させるために有利な技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一側面としての投影装置は、投影光学系によってライン光を物体に投影する投影装置であって、入射光の一部を反射させてライン光を生成する生成部と、前記生成部で生成されたライン光を反射させて前記投影光学系に導く反射面を有する光学部材と、を含み、前記生成部および前記光学部材は、前記生成部に入射する光の光軸と、前記生成部で反射されて前記反射面に入射する光の光軸と、前記反射面で反射されて前記投影光学系に入射する光の光軸とが同一の平面に含まれるように配置され、前記生成部は、前記平面に対して垂直な方向がライン光の長手方向となるように当該ライン光を生成する、ことを特徴とする。

本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。

本発明によれば、例えば、物体に投影されるライン光の焦点深度と光量とを両立させるために有利な技術を提供することができる。

計測装置を示す概略図である。 生成部における入射光と反射光との関係を示す図である。 光学部材の反射面における反射率を説明するための図である。 生成部と光学部材との配置例を示す図である。 生成部とミラーとの配置例を示す図である。 複数の光源を有する射出部、照明光学系、ミラーおよび生成部の配置関係を示す図である。 計測装置とロボットアームを含む制御システムを示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材ないし要素については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

＜第１実施形態＞
本発明に係る第１実施形態の計測装置１００について、図１（ａ）を参照しながら説明する。図１（ａ）は、第１実施形態の計測装置１００を示す概略図である。第１実施形態の計測装置１００は、例えば、被検物１（物体）にパターン光を投影する投影部１０（投影装置）と、パターン光が投影された被検物１を撮像する撮像部２０と、処理部３０とを含み、パターン投影法を用いて被検物１の形状を計測する。

投影部１０は、明部のみ又は明暗部の縞を有するパターン光（即ち、１つ又は複数のライン光を有するパターン光）を生成し、生成したパターン光（ライン光）を被検物１に投影する。撮像部２０は、例えばＣＣＤやＣＭＯＳで構成されたイメージセンサを含み、パターン光が投影された被検物１を撮像する。処理部３０は、例えばＣＰＵやメモリなどを有するコンピュータによって構成され、撮像部２０で得られた画像から、被検物１の形状に応じて生じる投影パターンの歪みを検出することにより被検物１の形状情報を求める。

ここで、投影部１０の構成について、図１（ｂ）を参照しながら説明する。投影部１０は、図１（ｂ）に示すように、例えば、光を射出する射出部１１と、光学部材１２と、生成部１３と、投影光学系１４とを含みうる。また、射出部１１は、光源１１ａと、照明光学系１１ｂと、ミラー１１ｃとを含みうる。

光源１１ａから射出された光は、照明光学系１１ｂを介してミラー１１ｃに入射し、ミラー１１ｃで反射された後、光学部材１２の反射面１２ａを透過して生成部１３に入射する。照明光学系１１ｂは、生成部１３をケーラー照明するように構成されうる。生成部１３は、照明光学系１１ｂの像面および投影光学系１４の物体面をなす位置に配置され、射出部１１（照明光学系１１ｂ）から射出された光の一部を反射してライン光を生成する。生成部１３によって生成されたライン光は、光学部材１２の反射面１２ａで反射されて投影光学系１４に入射し、被検物１に投影される。本実施形態の光学部材１２は、光の入射角に応じた反射率で光を反射する（即ち、光の入射角に応じて光を透過する）反射面１２ａを有する臨界角プリズムを含みうる。そして、当該臨界角プリズムを含む光学部材１２は、ミラー１１ｃで反射された光については反射面１２ａを透過し、生成部１３で生成されたライン光については反射面１２ａで反射されて投影光学系１４に導かれるように配置（構成）されうる。

生成部１３は、例えば、複数のミラーが配列され且つ各ミラーを回動軸まわりに回動可能に構成された光学素子（例えばデジタルミラーデバイス）、もしくは液晶素子などを含み、ライン光の短手方向の長さを変更可能に構成されうる。これにより投影部１０は、短手方向の長さが互いに異なる複数種類のライン光を被検物１に順次投影することができる。したがって、計測装置１００（処理部３０）は、投影部１０により複数種類のライン光が順次投影された被検物１を撮像部２０でそれぞれ撮像し、それにより得られた複数の画像から被検物１の形状を精度よく求めることができる。

このように構成された投影部１０には、被検物１の奥行き方向におけるライン光のボケを小さくするため、被検物１に投影されるライン光（以下、投影ライン光と称する）の焦点深度を大きくすることが求められうる。また、それと共に、投影ライン光の光量を大きくしてコントラストを高くすることも求められうる。そのため、投影部１０では、投影ライン光の短手方向については投影光学系１４の開口数（ＮＡ）を可能な限り小さくし、投影ライン光の長手方向については投影光学系１４の開口数を可能な限り大きくすることが好ましい。

しかしながら、投影部１０では、生成部１３で生成されるライン光の向きと光学部材１２（反射面１２ａ）での光の反射方向とを考慮しないと、投影ライン光の光量の増加が制限され、投影ライン光のコントラストを十分に向上させることが困難になりうる。この理由について、図２および図３を参照しながら説明する。

以下の説明では、投影光学系１４の光軸（Ｚ方向）に垂直な第１方向（Ｙ方向）を投影ライン光の長手方向とし、投影光学系１４の光軸および第１方向に垂直な方向（Ｘ方向）を短手方向とする。この場合、投影光学系１４では、第１方向（Ｙ方向）が、第２方向（Ｘ方向）より開口数を大きくすべき方向として規定されうる。そして、第１方向は、投影光学系１４の光軸に垂直な方向のうち最も開口数を大きくすべき方向として規定されることが好ましい。また、投影部１０は、投影光学系の瞳面に、第１方向と長手方向とし且つ第２方向を短手方向とする開口を形成するため、即ち、第１方向の開口数を第２方向の開口数より大きくするための開口絞りが設けられてもよい。

まず、生成部１３で生成されるライン光の向きによって投影ライン光の光量の増加が制限される理由について、図２を参照しながら説明する。図２は、生成部１３に入射する入射光３と、生成部１３で反射された反射光４（生成部１３で生成されたライン光）との関係を示す図である。図２では、入射光３の光軸３’（光の広がりの中心軸）および反射光４（ライン光）の光軸４’（光の広がりの中心軸）も示されている。例えば、入射光３の光軸３’（光の広がりの中心軸）は、射出部１１（照明光学系１１ｂ）の光軸を通過した光を表す。

例えば、図２（ａ）に示すように、射出部１１（照明光学系１１ｂ）から射出されて生成部１３に入射する入射光３と生成部１３で反射された反射光４とが重なり合わない場合を想定する。この場合には、入射光３の光軸３’と反射光４の光軸４’とを含む平面（ＸＺ面（紙面））に平行な方向が長手方向となるように生成部１３でライン光を生成しても、生成部１３で生成されたライン光の全体を投影光学系１４に入射させることができる。しかしながら、ＸＺ面に平行な方向では、投影光学系１４の開口数を大きくして投影ライン光の光量を増加させるために照明光学系１１ｂの開口数を大きくしていくと、図２（ｂ）に示すように、入射光３と反射光４とで重なり合う部分５が生じうる。そのため、反射光４の当該部分５については照明光学系１１ｂに戻り、投影光学系１４に入射させることができない。つまり、ＸＺ面に平行な方向については、照明光学系１１ｂの開口数を大きくしたとしても、投影光学系１４の開口数の大きさが制限されてしまうため、当該方向は、生成部１３で生成するライン光の長手方向として不適である。ここで、投影光学系１４の開口数は、投影光学系１４に取り込むことができる光の入射角度範囲として定義されうる。

一方、ＸＺ面に対して垂直な方向については、照明光学系１１ｂの開口数を大きくしても、投影光学系１４の開口数の大きさが制限されることはない。つまり、照明光学系１１ｂの開口数を大きくした分だけ、投影光学系１４の開口数を大きくすることができる。したがって、本実施形態の生成部１３は、生成部１３に入射する入射光３と生成部１３で反射された反射光４とを含む平面（ＸＺ面）に対して垂直な方向（Ｙ方向）が、投影光学系１４の開口数を大きくすべき第１方向となるように配置される。そして、生成部１３は、当該平面に対して垂直な方向がライン光の長手方向となるようにライン光を生成する。

次に、光学部材１２での光の反射方向によって投影ライン光の光量の増加が制限される理由について、図３を参照しながら説明する。図３は、光学部材１２の反射面１２ａにおける反射率を説明するための図である。光学部材１２として用いられる臨界角プリズムでは、反射面１２ａへの光の入射角θｉに応じて光の反射率が変わりうる。例えば、臨界角プリズムの反射面１２ａは、光の入射角θｉが臨界角θｃ以上であると光を全反射し、光の入射角θｉが臨界角θｃより小さくなるにつれて反射率が小さくなるように構成される。ここで、「全反射」は、光の反射率が９５％以上となる光の反射として定義されうる。

このような臨界角プリズムにおいて、反射面１２ａに入射する入射光６と反射面１２ａで反射された反射光７とを含む平面（ＸＺ面（紙面））に平行な方向を長手方向とするライン光を反射面１２ａに入射させる場合を想定する。この場合、例えば、図３に示すように、生成部１３で生成されたライン光（入射光６）の一端６ａは臨界角θｃより大きい入射角θａで反射面１２ａに入射し、他端６ｂは臨界角θｃより小さい入射角θｂで反射面１２ａに入射しうる。即ち、ライン光の他端６ｂでは、臨界角θｃ以上の入射角θｉで反射面１２ａに入射しないため、全反射させることができず、反射面１２ａで光量低下が引き起こされうる。

したがって、本実施形態の光学部材１２は、反射面１２ａへの入射光６の光軸６’および反射面１２ａでの反射光７の光軸７’を含む平面（ＸＺ面）に対して垂直な方向（Ｙ方向）が、投影光学系１４の開口数を大きくすべき第１方向となるように配置される。入射光６の光軸６’、および反射光７の光軸７’は、それぞれの光の広がりの中心軸として定義されうる。そして、光学部材１２は、当該平面に対して垂直な方向が、生成部１３で生成されたライン光の長手方向となるように配置される。このように光学部材１２を配置することにより、生成部１３で生成されたライン光が反射面１２ａに入射するときの入射角θｉを当該ライン光の長手方向において一定にすることができる。即ち、反射面１２ａでの反射率を当該ライン光の長手方向において一定にすることができる。また、生成部１３で生成されたライン光が反射面１２ａで全反射されるように、即ち、光の反射率が９５％以上となる入射角θｉで当該ライン光が反射面１２ａに入射するように光学部材１２を配置するとよい。これにより、生成部１３で生成されたライン光の光量が光学部材１２の反射面１２ａによって低下することを可能な限り抑制し、当該ライン光を効率よく投影光学系１４に入射させることができる。反射面１２ａでの反射光７の光軸７’（光の広がりの中心軸）は、例えば、投影光学系１４の光軸を通過する光となる。

このように、生成部１３および光学部材１２は、生成部１３に入射する光の光軸と、生成部１３で反射されて反射面１２ａに入射する光の光軸と、反射面１２ａで反射されて投影光学系１４に入射する光の光軸とが同一の平面に含まれるように配置される。生成部１３に入射する光の光軸、反射面１２ａに入射する光の光軸、および投影光学系１４に入射する光の光軸は、それぞれの光の広がりの中心軸として定義されうる。このとき、生成部１３および光学部材１２は、当該平面に対して垂直な方向が、投影光学系１４の開口数を大きくすべき第１方向となるように配置されうる。また、生成部１３は、当該平面に対して垂直な方向がライン光の長手方向となるようにライン光を生成する。これにより、生成部１３と光学部材１２とを設けることによりコンパクト化した投影部１０において、投影ライン光の焦点深度と光量とを両立させることができる。

ここで、複数のミラーが二次元的に配列され且つ各ミラーを回動軸まわりに回動可能に構成された光学素子（デジタルミラーデバイス）を含む生成部１３の配置について説明する。このような光学素子を含む生成部１３は、複数のミラーにおける回動軸が、生成部１３への入射光の光軸と生成部１３での反射光の光軸とを含む平面に対して垂直な方向になるように配置されることが好ましい。このように生成部１３を配置することにより、当該平面に対して垂直な方向を長手方向とするライン光を容易に生成することができる。

＜第２実施形態＞
第１実施形態の投影部１０では、図４（ａ）に示すように、光学部材１２の反射面１２ａを透過した光を生成部１３に入射させ、生成部１３で生成されたライン光を光学部材１２の反射面１２ａで反射させて投影光学系１４に入射させる構成とした。しかしながら、それに限られるものではない。例えば、図４（ｂ）に示すように、光学部材１２の反射面１２ａで反射させた光を生成部１３に入射させ、生成部１３で生成されたライン光を、光学部材１２の反射面１２ａを透過させて投影光学系１４に入射させる構成としてもよい。また、図４（ａ）および（ｂ）に示す光学部材１２では、２つの部材を貼り合わせることによって構成された臨界角プリズムが用いられているが、図４（ｃ）および（ｄ）に示すように、１つの部材によって構成された臨界角プリズムが用いられてもよい。さらに、投影部１０の光学部材１２では、図５（ａ）および（ｂ）に示すように、臨界角プリズムの代わりに、ミラー１２’が用いられもよい。

＜第３実施形態＞
第３実施形態では、射出部１１の他の構成例について図６を参照しながら説明する。図６は、射出部１１と生成部１３との配置関係を示す図であり、図６（ａ）はＸ方向から見た図であり、図６（ｂ）はＹ方向から見た図である。

本実施形態の射出部１１は、投影ライン光の光量（光強度）を増加させるため、複数の光源１１ａ（例えば３つの光源１１ａ_１〜１１ａ_３）を含み、複数の光源１１ａから射出された光が生成部１３に重ねて照射されるように構成されうる。そして、複数の光源１１ａは、各光源１１ａから射出されて生成部１３に入射する光の光軸を含む第２平面が、生成部１３で生成されるべきライン光の長手方向（第１方向）と平行になるように配置されうる。第２平面は、具体的には、ミラー１１ｃと生成部１３との間における各光源１１ａからの光の光軸を含む面のことでありうる。このように複数の光源１１ａを配置することにより、各光源１１ａから射出されて生成部１３で反射された光を、互いに同様の入射角θｉで光学部材１２の反射面１２ａに入射させることができる。つまり、各光源１１ａから射出されて生成部１３で反射された光の光量が光学部材１２の反射面１２ａによって低下することを可能な限り抑制して、当該光を効率よく投影光学系１４に入射させることができる。

＜第４実施形態＞
上述の計測装置は、ある支持部材に支持された状態で使用されうる。本実施形態では、一例として、図７のようにロボットアーム３００（把持装置）に備え付けられて使用される制御システムについて説明する。計測装置１００は、支持台３５０に置かれた被検物２１０にパターン光を投影して撮像し、画像を取得する。そして、計測装置１００の制御部が、又は、計測装置１００の制御部から画像データを取得した制御部３１０が、被検物２１０の位置および姿勢を求め、求められた位置および姿勢の情報を制御部３１０が取得する。制御部３１０は、その位置および姿勢の情報（計測結果）に基づいて、ロボットアーム３００に駆動指令を送ってロボットアーム３００を制御する。ロボットアーム３００は先端のロボットハンドなど（把持部）で被検物２１０を保持して、並進や回転などの移動をさせる。さらに、ロボットアーム３００によって被検物２１０を他の部品に組み付けることにより、複数の部品で構成された物品、例えば電子回路基板や機械などを製造することができる。また、移動された被検物２１０を加工することにより、物品を製造することができる。制御部３１０は、ＣＰＵなどの演算装置やメモリなどの記憶装置を有する。なお、ロボットを制御する制御部を制御部３１０の外部に設けても良い。また、計測装置１００により計測された計測データや得られた画像をディスプレイなどの表示部３２０に表示してもよい。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。

１０：投影部、１１：射出部、１２：光学部材、１３：生成部、１４：投影光学系、２０：撮像部、３０：処理部、１００：計測装置

Claims (11)

1. 投影光学系によってライン光を物体に投影する投影装置であって、
   入射光の一部を反射させてライン光を生成する生成部と、
   前記生成部で生成されたライン光を反射させて前記投影光学系に導く反射面を有する光学部材と、
   を含み、
   前記生成部および前記光学部材は、前記生成部に入射する光の光軸と、前記生成部で反射されて前記反射面に入射する光の光軸と、前記反射面で反射されて前記投影光学系に入射する光の光軸とが同一の平面に含まれるように配置され、
   前記生成部は、前記平面に対して垂直な方向がライン光の長手方向となるように当該ライン光を生成する、ことを特徴とする投影装置。
2. 前記光学部材の前記反射面は、光の入射角に応じた反射率で光を反射し、
   前記光学部材は、前記生成部で生成されたライン光が、光の反射率が９５％以上となる入射角で前記反射面に入射するように配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
3. 光を射出する射出部を含み、
   前記光学部材は、前記射出部から射出された光が前記反射面を透過して前記生成部に入射するように構成されている、ことを特徴とする請求項２に記載の投影装置。
4. 前記投影光学系は、前記投影光学系の光軸に垂直な方向のうち前記平面に垂直な第１方向の開口数を、前記第１方向に垂直な第２方向の開口数より大きくするための絞りを含む、ことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の投影装置。
5. 前記投影光学系は、前記生成部により生成されたライン光を前記物体に投影する、ことを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の投影装置。
6. 光を射出する射出部を含み、
   前記射出部は、複数の光源を含み、前記複数の光源の各々から射出された光が前記生成部に重ねて照射されるように構成され、
   前記複数の光源は、前記複数の光源の各々から射出された光の光軸を含む第２平面が、前記生成部で生成されるライン光の長手方向と平行になるように配置されている、ことを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の投影装置。
7. 前記生成部は、生成するライン光の短手方向の長さを変更可能に構成されている、ことを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか１項に記載の投影装置。
8. 前記生成部は、複数のミラーが配列され且つ各ミラーを回動軸まわりに回動可能に構成された光学素子を含み、前記複数のミラーにおける前記回動軸が前記同一の平面と垂直な方向になるように配置されている、ことを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の投影装置。
9. 被検物の形状を計測する計測装置であって、
   ライン光を前記被検物に投影する請求項１乃至８のうちいずれか１項に記載の投影装置と、
   前記投影装置によりライン光が投影された前記被検物を撮像する撮像部と、
   前記撮像部で得られた画像に基づいて前記被検物の形状情報を求める処理部と、
   を含むことを特徴とする計測装置。
10. 被検物を計測する請求項９に記載の計測装置と、
    前記計測装置による計測結果に基づいて前記被検物を保持して移動させるロボットと、
    を有するシステム。
11. 請求項９に記載の計測装置を用いて被検物を計測する工程と、
    該計測結果に基づいて被検物を処理することにより物品を製造する工程と、
    を有することを特徴とする物品の製造方法。

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