非接触光学式3D形状測定の原理

SENSOFAR Metrology

非接触・非破壊でナノメートルからミリメートルオーダーの3D形状、および表面粗さを測定することができる形状計測技術の原理について紹介します。

光学顕微鏡

光学顕微鏡を使用した3D表面形状の代表的な測定原理として共焦点、光干渉、焦点移動法が挙げられます。すべての原理に共通している点は、光学顕微鏡を用いて、対物レンズの焦点をサンプル表面に合わせ、高さ方向にスキャンした際に得られる信号・画像の情報を積層して、3次元形状を取得している点です。それぞれの技術には、得意な表面性状や、測定可能なスキャンレンジや最小分解能などに違いがあります。

焦点移動法

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焦点移動法は、被写界深度が小さな光学系を用いて、Z方向にスキャンを行い、対象物表面の顕微鏡画像を連続的に撮像します。この画像をアルゴリズムで解析し、焦点の合った座標を抽出し、Z方向に積層することで3次元形状を取得します。この技術の特長は、高い測定傾斜(最大86°)、最も高速(3 mm/s)、広い垂直測定範囲です。全焦点法とも呼ばれます。

共焦点法

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レーザー顕微鏡として広く知られている方式で、光学系の光路に開口(ピンホール、スリットなど)を設けることで、焦点の合っていない焦点外れの光を検出せず、サンプル表面の焦点の合っている点からの反射を効率良く検出することができます。そのため焦点移動法よりノイズの少ない信号を得ることができ、分解能を高めることができます。測定用のビームまたは開口を、機械的またはデジタル的に走査して得られた2D像を、高さ方向に積層することにより、3次元形状を取得します。右図は、ピンホール式共焦点方式の典型的な光学系です。
共焦点法は、滑らかな表面から非常に粗い面まで、様々な表面を測定できます。最高の横方向解像度を提供し、ライン&スペースは最高0.14μmです。空間サンプリングは0.01μmまで低減でき、厳密な寸法測定に最適です。高いNA値(0.95)および倍率(150X)の対物レンズが利用可能で、70°を超える急峻な局所傾斜を持つ滑らかな表面(粗い表面の場合は最大86°)の測定に適用できます。

光干渉法

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光源から出た光は2つの光路に分けられ、一方はリファレンスミラーで反射され、他方は、サンプル表面で反射されます。2つのビームは同一光路に戻り、重なり合うと、空間干渉パターン(干渉縞)が得られます。干渉縞は2つのビームの光路差の情報をもっており、Z方向にスキャンした際に得られる連続した干渉縞像から表面の高さを高分解能に計測することができます。光干渉法の垂直分解能は、対物レンズのNA、倍率に依存しないため、低倍率(2.5X)を用いれば、同じ高さ解像度で広い視野を一括で測定することができます。

PSI 位相シフト干渉法は、滑らかで連続的な面の表面高さを0.1nm以下の分解能で測定します。Sensofarのシステムは0.01nmの垂直分解能を実現しました。
CSI 垂直走査型低コヒーレンス干渉法は、白色光を用いて滑らかな面からやや粗い面の表面高さをスキャンし、すべてのレンズ倍率において1nmの高さ分解能を達成します。

 

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共焦点法と光干渉法の詳細な比較については、次のページをご参照ください。
レーザー顕微鏡と白色干渉計の違い

その他、Sensofar社の優れた独自技術については、次のページご参照ください。
先進的な測定・観察方式

フリンジプロジェクション

sensofar_background_fpフリンジプロジェクションは、視野が広く、短時間で測定できることから、大面積計測に適した技術です。パターン光を特定の角度からサンプルに投影し、カメラで反射光を取得します。投影されたパターンが、表面の凹凸により変化します。フリンジパターンの変化と表面形状の高さの変化の相関関係を求めることにより、3D画像を取得することができます。Sensofar社のS wideは、サンプル面へ均一で焦点が合った等距離のフリンジを投影するために、Scheimpflug方式がバイテレセントリックレンズと共に使用されます。対象物の距離や視野内の位置に関係なく、一定の倍率を持つように設計されており、計測目的に最適な構成です。また、この技術はZ走査をせずに3D形状を取得することができます。

・光学研磨面の粗さ測定(光干渉)
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・0.29nm段差の測定(光干渉)
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・切れ刃測定(共焦点)

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・工具形状測定(焦点移動)

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・歯科用インプラント(フリンジプロジェクション)
測定エリア:113x95mm
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・コネクタ(フリンジプロジェクション)
測定エリア:87x73mm
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・顕微鏡システム

専用システム

高速・多機能モデル S neox NEW!

S neoxは3D測定顕微鏡の上位モデルです。最も多機能で、高速かつ高精度な測定が可能なシステムです。R&D、品質管理(QC)の双方の用途に使用されます。

  • 3 in 1テクノロジー:共焦点・光干渉(CSI/PSI)・Ai焦点移動方式
  • 高速測定(従来比:5倍)
  • 垂直方向分解能:0.01nm(PSIモード)
  • 電動ステージ、スティッチング機能

高速・多機能モデル ”S neox” NEW!

5軸オプション S neox Five Axis

sensofar5axis S neoxに高精度電動2軸回転ステージと高度な検査・解析機能を組み合わせ、360度全周方向から3D表面形状の測定が可能なモデルです。

  • 5軸測定システム
  • 機械工具の刃先の形状解析
  • 精密部品、金型の360度粗さ解析
  • S neoxセンサヘッドを使用

5軸オプション ”S neox Five Axis”

R&D向けコンパクトモデル S lynx

S lynxはコンパクトなサイズにSensofarの3-in-1テクノロジーを搭載した卓上型システムです。手動ステージを使ったシンプルな構成で、R&D用途に最適な製品です。

  • 3 in 1テクノロジー:共焦点・白色干渉計(CSI)・焦点移動方式
  • 手動ステージ(スティッチング機能有)
  • サンプル高さ 0~150mm

R&D向けコンパクトモデル ”S lynx”

 

 

組込センサー

多機能モデル S mart & 超高速白色干渉モデル S onix

SENSOFAR社の3D表面形状計測の機能をコンパクトで堅牢なヘッドに集約した3D測定センサーです。

  • 組込、および、ポータブル用途
  • インライン粗さ計測
  • SDKソフトウェア開発キット
  • S mart:多機能モデル
    3 in 1テクノロジー:共焦点・白色干渉計(CSI)・焦点移動方式
  • S onix:超高速白色干渉モデル
    従来比7倍高速

多機能モデル ”S mart”

超高速白色干渉モデル ”S onix”

 

・フリンジプロジェクションシステム

ワンショット3D形状測定装置 S wide

ワンショットで広い面積を素早く計測できる3D形状測定装置です。

  • サブミクロンオーダーの高さ再現性
  • Z軸スキャンせずに最大40mmの高さ範囲
  • 組込センサー供給

ワンショット3D形状測定装置 S wide

技術情報

先進的な測定・観察方式
レーザー顕微鏡と白色干渉計の違い

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