非接触光学式3D形状測定の原理

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
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
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
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。


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
フリンジ投影

・光学研磨面の粗さ測定(光干渉)
・0.29nm段差の測定(光干渉)
・切れ刃測定(共焦点)
・工具形状測定(焦点移動)
・歯科用インプラント(フリンジ投影)
測定エリア:113x95mm
・コネクタ(フリンジ投影)
測定エリア:87x73mm
・顕微鏡システム
専用システム
高速・多機能モデル S neox
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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。
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5軸オプション S neox Five Axis
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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。
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R&D向けコンパクトモデル S lynx
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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。
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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
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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。
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・フリンジ投影システム
ラージエリア3D形状測定センサー S wide
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広い面積を素早く計測
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技術情報
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