形状測定方法および形状測定装置
【課題】測定精度を向上させた形状測定方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る形状測定方法は、被検物に対して所定形状の投影パターンを投影し、被検物で反射した投影パターンの像を検出パターンとして検出するステップ（Ｓ１０１〜Ｓ１０２）と、前記ステップで検出した検出パターンに基づいて、検出パターンの形状分布がほぼ一様となるように投影パターンに対して前記所定形状の補正を行ったニアネットパターンを作成する第２のステップ（Ｓ１０３）と、前記ステップで作成したニアネットパターンを被検物に対して投影して、被検物で反射したニアネットパターンの像を検出パターンとして検出し、形状分布がほぼ一様となった検出パターンに基づいて被検物の表面の高さを算出するステップ（Ｓ１０４〜Ｓ１０６）とを有している。
【解決手段】本発明に係る形状測定方法は、被検物に対して所定形状の投影パターンを投影し、被検物で反射した投影パターンの像を検出パターンとして検出するステップ（Ｓ１０１〜Ｓ１０２）と、前記ステップで検出した検出パターンに基づいて、検出パターンの形状分布がほぼ一様となるように投影パターンに対して前記所定形状の補正を行ったニアネットパターンを作成する第２のステップ（Ｓ１０３）と、前記ステップで作成したニアネットパターンを被検物に対して投影して、被検物で反射したニアネットパターンの像を検出パターンとして検出し、形状分布がほぼ一様となった検出パターンに基づいて被検物の表面の高さを算出するステップ（Ｓ１０４〜Ｓ１０６）とを有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工業製品等の表面形状（三次元形状）を測定する形状測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
工業製品等の物体の表面形状を測定する技術は従来から種々提案されており、その一つに光学式の三次元形状測定装置がある。光学式三次元形状測定装置も種々の方式、構成のものがあるが、被検物に所定の投影パターン（縞模様や、格子模様）を投影して被検物を撮像し、その撮像画像から各画像位置（各画素）での縞の位相を求めて各画像位置の高さを算出し、被検物の三次元形状を測定するものがある（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
このような装置においては、例えば、被検物（測定対象物）の表面に縞パターンからなる投影パターンを投影し、投影方向と異なる角度から被検物に投影された縞パターンを撮像し、三角測量の原理等を用いて縞パターンの位相分布を算出し、被検物表面の三次元形状を求めるように構成されている。
【０００４】
その構成例を図８に示しており、光源５１からの光が縞模様の投影パターンマスク５２および投影レンズ５３を通して被検物５４の表面に投影される。被検物５４の表面に投影された投影パターンマスク５２の縞模様は、被検物５４の表面三次元形状に応じて変形され、このように変形された被検物５４の表面のパターンを、投影方向と異なる角度から撮像レンズ５５を介して撮像装置（例えば、ＣＣＤセンサ）により撮像されて、演算処理装置５７に送られ、ここで撮像画像データの演算処理が行われる。演算処理装置５７においては、このように撮像された被検物表面の撮像画像データを三角測量の原理等を用いて縞パターンの位相分布を算出し、被検物表面の三次元形状を求める演算処理が行われる。
【特許文献１】特開２０００−９４４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、被検物の表面三次元形状に応じて被検物の表面の縞パターンが変形して観測されるため、被検物の傾斜によっては縞パターンの間隔が極端に狭くなって、撮像された縞パターンが十分に解像されない場合や、画素間の補間が十分にできなくなる場合があり、測定精度が低下するおそれがあった。
【０００６】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、測定精度を向上させた形状測定方法および形状測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このような目的達成のため、本発明に係る形状測定方法は、被検物に所定のパターンを第１の方向から投影し、被検物に投影されたパターンを第１の方向とは異なる第２の方向から観察し、観察されたパターンから被検物の形状を測定する形状測定方法であって、被検物の形状に基づいて、直線状のパターンを被検物に投影したときに観察される像よりも投影されたパターンの変化が小さくなる形状を有するパターンを用いることを特徴とする。
【０００８】
なお、上述の発明において、所定のパターンは、当該所定のパターンとは異なる基準パターンを第１の方向から被検物に投影し、第２の方向から観察した情報に基づいて設定されることが好ましい。
【０００９】
また、第２の本発明に係る形状測定方法は、被検物に対して所定形状の投影パターンを投影し、被検物で反射した投影パターンの像を検出パターンとして検出する第１のステップと、第１のステップで検出した検出パターンに基づいて、検出パターンの形状分布がほぼ一様となるように投影パターンに対して前記所定形状の補正を行ったニアネットパターンを作成する第２のステップと、第２のステップで作成したニアネットパターンを被検物に対して投影して、被検物で反射したニアネットパターンの像を検出パターンとして検出し、形状分布がほぼ一様となった検出パターンに基づいて被検物の形状を算出する第３のステップとを有している。
【００１０】
また、上述の発明において、形状が既知である校正用部材に対して第２のステップで作成したニアネットパターンを投影して、校正用部材で反射したニアネットパターンの像を検出パターンとして検出し、検出パターンに基づいて校正用部材の形状を算出する第４のステップと、既知である実際の校正用部材の形状と第４のステップで算出された校正用部材の形状との誤差を算出する第５のステップとを有し、第３のステップにおいて、第５のステップで算出された誤差に応じて、算出する被検物の形状を補正することが好ましい。
【００１１】
また、本発明に係る形状測定装置は、被検物の表面の高さを算出して被検物の表面形状を測定する形状測定装置であって、被検物に対して所定形状の投影パターンを投影するパターン投影系と、被検物で反射した投影パターンの像を検出パターンとして検出するパターン検出部と、パターン検出部により検出された検出パターンに基づいて被検物の形状を算出する演算処理部とを備え、パターン検出部により検出された検出パターンに基づいて、検出パターンの形状分布がほぼ一様となるように投影パターンに対して前記所定形状の補正を行ったニアネットパターンを作成するニアネットパターン作成部が設けられ、パターン投影系が、ニアネットパターン作成部により作成されたニアネットパターンを被検物に対して投影し、パターン検出部が、被検物で反射したニアネットパターンの像を検出パターンとして検出し、演算処理部が、形状分布がほぼ一様となった検出パターンに基づいて被検物の形状を算出することを特徴とする。
【００１２】
また、上述の発明において、パターン投影系に形状が既知である校正用部材に対してニアネットパターンを投影させ、パターン検出部に校正用部材で反射したニアネットパターンの像を検出パターンとして検出させて、検出パターンに基づいて校正用部材の形状を算出する校正用演算部と、既知である実際の校正用部材の形状と校正用演算部により算出された校正用部材の形状との誤差を算出する誤差算出部とを有し、演算処理部が、誤差算出部により算出された誤差に応じて、算出する被検物の形状を補正することが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、測定精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。第一実施形態に係る形状測定方法が用いられる三次元形状測定装置の概略構成を図１に示しており、まず、この形状測定装置について、図１を参照しながら説明する。なお、図１において、図１（ａ）および図１（ｂ）にそれぞれ形状測定装置Ｍ１を示しているが、これは同一のものであり、説明の便宜上、投影パターンマスク２に等間隔の縞模様を有する投影パターンＰＰ１が形成されたものを図１（ａ）に示し、投影パターンマスク２にニアネットパターンＮＰ１が形成されたものを図１（ｂ）に示している。
【００１５】
この形状測定装置Ｍ１は、光源１と、光源１からの光に縞模様を与えるための投影パターンマスク２と、投影パターンマスク２を通過した光源１からの光を被検物１０の表面に投影させる投影レンズ３とからなるパターン投影系ＭＡ１と、被検物１０からの反射光を撮像レンズ６を介して撮像する撮像装置７からなる撮像光学系ＭＢ１とを有して構成される。
【００１６】
パターン投影系ＭＡ１において、投影パターンマスク２は、液晶素子等により構成され、液晶素子と電気的に接続された表示制御部８からの制御信号を受けて、任意の形状およびピッチのパターン（例えば、輝度分布が正弦波関数となる縞模様パターンや、格子状パターン等）を形成することができるようになっている。これにより、光源１からの光をこの投影パターンマスク２に通過させ、投影レンズ３により集光させることで、投影パターンマスク２により形成された所望の投影パターンを被検物１０の表面に投影させることができる。
【００１７】
撮像光学系ＭＢ１において、撮像装置７は、被検物１０からの光を受けて被検物１０を撮像するＣＣＤカメラ等から構成され、被検物１０で反射した投影パターンの像を検出パターンとして検出できるようになっている。また、撮像装置７により撮像された被検物１０の画像データは、演算処理装置９に送られ、ここで所定の画像演算処理がなされて被検物１０の表面の高さが算出され、被検物１０の三次元形状（表面形状）が求められる。
【００１８】
次に、以上のように構成された形状測定装置Ｍ１による被検物１０の形状測定方法について、図２に示すフローチャートを参照しながら以下に説明する。まず、ステップＳ１０１において、光源１からの光を投影パターンマスク２および投影レンズ３を介して被検物１０に照射させ、被検物１０の表面に等間隔の縞模様を有する投影パターンＰＰ１（図１（ａ）を参照）を投影する。なお、投影パターンＰＰ１のピッチ（縞模様の間隔）は比較的広くなっており、測定精度が比較的粗くなっている。このように投影されて被検物１０から反射する光は、撮像レンズ６を介して集光されて撮像装置７に入射する。
【００１９】
次に、ステップＳ１０２において、撮像装置７により、被検物１０で反射した投影パターンの像（図１（ａ）を参照）を検出パターンとして撮像する。撮像により得られた画像データは、撮像装置７から演算処理装置９に送られる。なお、三角測量の原理を用いる場合、位相接続のため、撮像装置７による撮像は、投影パターンマスク２により投影パターンのピッチ（縞模様の間隔）を変えて複数回行われ、一組の画像データ群が取得される。
【００２０】
このようにして画像データが送られると、ステップＳ１０３において、演算処理装置９で所定の演算処理を行うことにより、被検物１０で反射した投影パターンの像、すなわちステップＳ１０２で撮像された検出パターンに基づいて、検出パターンの形状分布がほぼ一様となるように、具体的には、検出パターンが等間隔の縞模様となるように投影パターンＰＰ１に対して縞模様の形状補正を行ったニアネットパターンを作成する。
【００２１】
このとき例えば、図１（ａ）に示すように、被検物１０で反射した投影パターンの像（検出パターン）は、被検物１０の表面形状に応じて曲がった縞模様となる。これに対し、例えば、輝度分布が正弦波関数となる縞パターンの場合、正弦波関数（輝度分布）の位相を変えることで、図１（ｂ）に示すように、検出パターンがほぼ等間隔の縞模様となるように投影パターンＰＰ１に対して縞模様の形状補正を行う。この場合、ニアネットパターンの形状は、検出パターンにおけるピッチ（縞模様の間隔）の大小関係を逆転させたようなパターン形状になる。このようにニアネットパターンが作成されると、演算処理装置９から表示制御部８にニアネットパターンのデータが送られ、表示制御部８からの制御信号を受けて、投影パターンマスク２にニアネットパターンＮＰ１（図１（ｂ）を参照）が形成される。
【００２２】
次に、ステップＳ１０４において、光源１からの光を投影パターンマスク２および投影レンズ３を介して被検物１０に照射させ、被検物１０の表面にニアネットパターンＮＰ１を投影する。このように投影されて被検物１０から反射する光は、撮像レンズ６を介して集光されて撮像装置７に入射する。
【００２３】
次に、ステップＳ１０５において、撮像装置７により、被検物１０で反射したニアネットパターンの像を検出パターンとして撮像する。このとき、被検物１０で反射したニアネットパターンの像（検出パターン）は、図１（ｂ）に示すように、ほぼ等間隔の縞模様となる。撮像により得られた画像データは、撮像装置７から演算処理装置９に送られる。なお、三角測量の原理を用いる場合、位相接続のため、撮像装置７による撮像は、ピッチの異なる投影パターンに応じて作成された複数のニアネットパターンを用いて複数回行われ、一組の画像データ群が取得される。
【００２４】
そして、ステップＳ１０６において、ステップＳ１０５で撮像された画像データ、すなわち、ほぼ等間隔の縞模様となった検出パターンに基づいて、三角測量の原理等を用いて被検物１０の表面の高さを算出する。
【００２５】
なお、ある測定地点における投影パターンに対する検出パターンのずれ量をａ（例えば、図１（ａ）を参照）とすると、被検物の高さ方向に対し３０°の角度をなす方向から投影パターンを投影し、投影方向とは逆に３０°の角度をなす方向から検出パターンを撮像した場合、被検物の高さｔは次の（１）式で表される。
【００２６】
ｔ＝（ａ／２）／ｓｉｎ３０° …（１）
【００２７】
また、図３に示すように、パターン投影系の光軸と垂直な面に対する被検物１０の傾斜部分の角度をθ１とし、撮像光学系の光軸に対する被検物１０の傾斜部分の角度をθ２とし、投影パターンのピッチ（縞模様の間隔）をｐ１とすると、検出パターンのピッチｐ２は、次の（２）式で表される。
【００２８】
ｐ２＝（ｓｉｎθ２／ｃｏｓθ１）×ｐ１ …（２）
【００２９】
（２）式からわかるように、θ２が零に近づくと、検出パターンのピッチｐ２が小さくなって撮像装置の画素サイズに近くなり、画素間の補間が十分にできなくなってしまう。
【００３０】
これに対し、第１実施形態の形状測定方法および形状測定装置Ｍ１によれば、ニアネットパターンＮＰ１を被検物１０に投影し、ほぼ等間隔の縞模様となった検出パターンに基づいて被検物１０の表面の高さを測定するため、検出パターンのピッチ（縞模様の間隔）を適切な値にすることが可能になることから、測定精度を向上させることができる。
【００３１】
なお、上述の第１実施形態において、ステップＳ１０３の後、図４に示すように、ニアネットパターンＮＰ１を用いて表面の高さが既知である校正用部材１５の表面の高さを算出し、実際の校正用部材１５の表面の高さと算出した校正用部材１５の表面の高さとの誤差に応じて、ステップＳ１０４以降で算出する被検物１０の表面の高さを補正するようにしてもよい。このようにすれば、測定精度をより向上させることができる。
【００３２】
具体的には、図５に示すように、まず、ステップＳ１０４と同様にして、表面の高さが既知である校正用部材１５の表面にニアネットパターンＮＰ１を投影する（ステップＳ１５１）。次に、ステップＳ１０５と同様にして、校正用部材１５で反射したニアネットパターンの像を検出パターンとして撮像する（ステップＳ１５２）。次に、ステップＳ１０６と同様にして、撮像した検出パターンに基づいて校正用部材１５の表面の高さを算出する（ステップＳ１５３）。次に、実際の校正用部材１５の表面の高さと算出した校正用部材１５の表面の高さとの誤差を算出する（ステップＳ１５４）。
【００３３】
そして、ステップＳ１５４で算出した誤差に応じて、ステップＳ１０４以降で算出する被検物１０の表面の高さを補正するようにすればよい。このとき例えば、誤差の割合に比例もしくは反比例する補正係数を、ステップＳ１０６で算出した被検物１０の表面の高さ（算出値）に掛け合わせることにより、被検物１０の表面の高さを補正することができる。なおこのとき、校正用部材１５の表面の高さの算出および誤差の算出は、演算処理装置９により行われるが、校正用部材１５の表面の高さの算出を行う校正用演算部および、誤差の算出を行う誤差算出部を、演算処理装置と別体に設けるようにしてもよい。また、量産品の検査のように被検物１０の設計形状が分かる場合は、設計データからニアネットパターンＮＰ１を求めることもできる。
【００３４】
続いて、形状測定装置の第２実施形態について、図６を参照しながら説明する。なお、図６において、図６（ａ）および図６（ｂ）にそれぞれ形状測定装置Ｍ２を示しているが、これは同一のものであり、説明の便宜上、投影パターンマスク２３に投影パターンＰＰ２が形成されたものを図６（ａ）に示し、投影パターンマスク２３にニアネットパターンＮＰ２が形成されたものを図６（ｂ）に示している。
【００３５】
第２実施形態の形状測定装置Ｍ２は、光源２１と、光源２１からの光を集光するコンデンサレンズ２２と、光源２１からの光に縞模様を与えるための投影パターンマスク２３と、投影パターンマスク２３を通過した光源２１からの光を被検物３０の表面に投影させる投影レンズ２５とからなるパターン投影系ＭＡ２と、被検物３０からの反射光をミラー２４および撮像レンズ２６を介して撮像する撮像装置２７からなる撮像光学系ＭＢ２とを有して構成される。なお、被検物３０は、所定の媒質３２（例えば、着色された水）で満たされた透明の水槽３１内に載置される。
【００３６】
パターン投影系ＭＡ２において、投影パターンマスク２３は、液晶素子等により構成され、液晶素子と電気的に接続された表示制御部２８からの制御信号を受けて、任意の形状およびピッチのパターン（例えば、縞模様パターンや格子状パターン等）を形成することができるようになっている。これにより、コンデンサレンズ２２を介して光源２１からの光を投影パターンマスク２３に通過させ、投影レンズ２５により集光させることで、投影パターンマスク２３により形成された所望の投影パターンを被検物３０の表面に投影させることができる。
【００３７】
撮像光学系ＭＢ２において、撮像装置２７は、被検物３０からの光を受けて被検物３０を撮像するＣＣＤカメラ等から構成され、被検物３０で反射して媒質３２を透過した投影パターンの像を検出パターンとして検出できるようになっている。また、撮像装置２７により撮像された被検物３０の画像データは、演算処理装置２９に送られ、ここで所定の画像演算処理がなされて被検物３０の表面の高さが算出され、被検物３０の三次元形状（表面形状）が求められる。なお、ミラー２４は、投影パターンマスク２３と投影レンズ２５との間に設けられ、投影パターンマスク２３からの光を投影レンズ２５および被検物３０に向けて透過させるとともに、被検物３０からの光を撮像レンズ２６および撮像装置２７に向けて反射させるようになっている。
【００３８】
次に、第２実施形態の形状測定装置Ｍ２による被検物３０の形状測定方法について、図７に示すフローチャートを参照しながら以下に説明する。まず、ステップＳ２０１において、光源２１からの光を、コンデンサレンズ２２、投影パターンマスク２３、ミラー２４、投影レンズ２５、および媒質３２を介して被検物３０に照射させ、被検物３０の表面に無模様の投影パターンＰＰ２（図６（ａ）における円Ａの内側を参照）を投影する。すなわち、投影パターンマスク２３は光が全透過の状態になる。
【００３９】
なおこのとき、光源２１から射出される光の波長は、媒質３２中における（被検物３０で反射する）光（輝度）の減衰が１／１００程度となるような波長を選択する。これにより、被検物３０の全高の１／３００程度まで特定することができる。このように投影されて被検物３０から反射する光は、媒質３２、投影レンズ２５、ミラー２４、および撮像レンズ２６を介して撮像装置２７に入射する。
【００４０】
次に、ステップＳ２０２において、撮像装置２７により、被検物３０で反射して媒質３２を透過した投影パターンの像を検出パターンとして撮像する。撮像により得られた画像データは、撮像装置２７から演算処理装置２９に送られる。
【００４１】
このようにして画像データが送られると、ステップＳ２０３において、演算処理装置２９で所定の演算処理を行うことにより、ステップＳ２０２で撮像された検出パターンに基づいて、検出パターンの形状分布がほぼ一様となるように、具体的には、検出パターンの明るさ（輝度）がほぼ一様となるように投影パターンＰＰ２の形状補正を行ったニアネットパターンを作成する。
【００４２】
このとき、投影パターンＰＰ２が無模様であるため、被検物３０で反射して媒質３２を透過した投影パターンの像（検出パターン）は、図６（ａ）における円Ｂの内側に示すように、被検物３０の表面形状（凹凸）に応じて明暗が現れた模様となる（本実施形態においては、被検物３０における上半分の高さが相対的に低くなっており、これに伴って検出パターンの上半分が相対的に暗くなっている）。これに対し、図６（ｂ）における円Ｄの内側に示すように、検出パターンの明るさ（輝度）がほぼ一様となるように、検出パターンおける明暗の位置関係を逆転させたような（本実施形態においては、パターンの下半分を相対的に暗くした）パターン形状を有するニアネットパターンＮＰ２（図６（ｂ）における円Ｃの内側を参照）を作成する。このようにニアネットパターンが作成されると、演算処理装置２９から表示制御部２８にニアネットパターンのデータが送られ、表示制御部２８からの制御信号を受けて、投影パターンマスク２３にニアネットパターンＮＰ２が形成される。
【００４３】
次に、ステップＳ２０４において、光源２１からの光を、コンデンサレンズ２２、投影パターンマスク２３、ミラー２４、投影レンズ２５、および媒質３２を介して被検物３０に照射させ、被検物３０の表面にニアネットパターンＮＰ２を投影する。なおこのとき、光源２１から射出される光の波長は、媒質３２中における（被検物３０で反射する）光（輝度）の減衰が１／３００００程度となるような波長を選択する。このように投影されて被検物３０から反射する光は、媒質３２、投影レンズ２５、ミラー２４、および撮像レンズ２６を介して撮像装置２７に入射する。
【００４４】
次に、ステップＳ２０５において、撮像装置２７により、被検物３０で反射して媒質３２を透過したニアネットパターンの像を検出パターンとして撮像する。このとき、被検物３０で反射して媒質３２を透過したニアネットパターンの像（検出パターン）は、図６（ｂ）における円Ｄの内側に示すように、明るさ（輝度）がほぼ一様となる。撮像により得られた画像データは、撮像装置２７から演算処理装置２９に送られる。
【００４５】
そして、ステップＳ２０６において、ステップＳ２０５で撮像された画像データ、すなわち、明るさ（輝度）がほぼ一様となった検出パターンに基づいて、被検物３０の表面の高さを算出する。具体的には、まず、撮像光学系と被検物３０との間の距離Ｌを求める。この距離Ｌは、媒質の吸収係数をaとし、検出パターンの輝度をＢｐとし、ニアネットパターンの輝度をＩｐとしたとき、Ｂｐ＝Ｉｐ×ａＬという関係式から算出される。そして、予め設定した撮像光学系と所定基準位置との間の距離と、算出した距離Ｌとの差から、被検物３０の表面の高さを算出する。
【００４６】
このように、媒質中を透過する光の減衰を利用して被検物の表面の高さを算出する場合、測定精度を上げるためには、検出光の輝度に対する（被検物の）高さの感度が高くなるように、光の減衰を大きくしなければならない。しかしながら、光の減衰を大きくすると、被検物の凹凸が大きい場合、高さの低い部分が極端に暗くなってこの部分のＳＮ比が低下し、測定精度が低下してしまう。
【００４７】
これに対し、第２実施形態の形状測定方法および形状測定装置Ｍ２によれば、ニアネットパターンＮＰ２を被検物３０に投影し、明るさ（輝度）がほぼ一様となった検出パターンに基づいて被検物３０の表面の高さを測定するため、光の減衰を大きく（本実施形態において、１／３００００程度に）しても、検出パターンの明るさ（輝度）がほぼ一様であるためＳＮ比の低下が抑えられることから、測定精度を向上させることができる。
【００４８】
なお、上述の第２実施形態において、ステップＳ２０３の後、第１実施形態の場合と同様に、ニアネットパターンを用いて表面の高さが既知である校正用部材の表面の高さを算出し、実際の校正用部材の表面の高さと算出した校正用部材の表面の高さとの誤差に応じて、ステップＳ２０４以降で算出する被検物３０の表面の高さを補正するようにしてもよい。このようにすれば、測定精度をより向上させることができる。
【００４９】
また、上述の各実施形態において、ニアネットパターンの作成が演算処理装置で行われているが、これに限られるものではなく、ニアネットパターンの作成を行うニアネットパターン作成部を演算処理装置と別体に設けるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】第１実施形態の形状測定方法に用いられる形状測定装置の概略構成図である。
【図２】第１実施形態の形状測定方法を示すフローチャートである。
【図３】被検物の傾斜部分を示す説明図である。
【図４】第１実施形態の変形例を示した形状測定装置の概略構成図である。
【図５】第１実施形態の変形例を示すフローチャートである。
【図６】第２実施形態の形状測定方法に用いられる形状測定装置の概略構成図である。
【図７】第２実施形態の形状測定方法を示すフローチャートである。
【図８】従来における形状測定装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００５１】
Ｍ１ 形状測定装置（第１実施形態） Ｍ２ 形状測定装置（第２実施形態）
ＭＡ１ パターン投影系（第１実施形態） ＭＡ２ パターン投影系（第２実施形態）
ＭＢ１ 撮像光学系（第１実施形態） ＭＢ２ 撮像光学系（第２実施形態）
ＰＰ１ 投影パターン（第１実施形態） ＰＰ２ 投影パターン（第２実施形態）
ＰＮ１ ニアネットパターン（第１実施形態）
ＰＮ２ ニアネットパターン（第２実施形態）
９ 演算処理装置（第１実施形態） １０ 被検物（第１実施形態）
２９ 演算処理装置（第２実施形態） ３０ 被検物（第２実施形態）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工業製品等の表面形状（三次元形状）を測定する形状測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
工業製品等の物体の表面形状を測定する技術は従来から種々提案されており、その一つに光学式の三次元形状測定装置がある。光学式三次元形状測定装置も種々の方式、構成のものがあるが、被検物に所定の投影パターン（縞模様や、格子模様）を投影して被検物を撮像し、その撮像画像から各画像位置（各画素）での縞の位相を求めて各画像位置の高さを算出し、被検物の三次元形状を測定するものがある（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
このような装置においては、例えば、被検物（測定対象物）の表面に縞パターンからなる投影パターンを投影し、投影方向と異なる角度から被検物に投影された縞パターンを撮像し、三角測量の原理等を用いて縞パターンの位相分布を算出し、被検物表面の三次元形状を求めるように構成されている。
【０００４】
その構成例を図８に示しており、光源５１からの光が縞模様の投影パターンマスク５２および投影レンズ５３を通して被検物５４の表面に投影される。被検物５４の表面に投影された投影パターンマスク５２の縞模様は、被検物５４の表面三次元形状に応じて変形され、このように変形された被検物５４の表面のパターンを、投影方向と異なる角度から撮像レンズ５５を介して撮像装置（例えば、ＣＣＤセンサ）により撮像されて、演算処理装置５７に送られ、ここで撮像画像データの演算処理が行われる。演算処理装置５７においては、このように撮像された被検物表面の撮像画像データを三角測量の原理等を用いて縞パターンの位相分布を算出し、被検物表面の三次元形状を求める演算処理が行われる。
【特許文献１】特開２０００−９４４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、被検物の表面三次元形状に応じて被検物の表面の縞パターンが変形して観測されるため、被検物の傾斜によっては縞パターンの間隔が極端に狭くなって、撮像された縞パターンが十分に解像されない場合や、画素間の補間が十分にできなくなる場合があり、測定精度が低下するおそれがあった。
【０００６】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、測定精度を向上させた形状測定方法および形状測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このような目的達成のため、本発明に係る形状測定方法は、被検物に所定のパターンを第１の方向から投影し、被検物に投影されたパターンを第１の方向とは異なる第２の方向から観察し、観察されたパターンから被検物の形状を測定する形状測定方法であって、被検物の形状に基づいて、直線状のパターンを被検物に投影したときに観察される像よりも投影されたパターンの変化が小さくなる形状を有するパターンを用いることを特徴とする。
【０００８】
なお、上述の発明において、所定のパターンは、当該所定のパターンとは異なる基準パターンを第１の方向から被検物に投影し、第２の方向から観察した情報に基づいて設定されることが好ましい。
【０００９】
また、第２の本発明に係る形状測定方法は、被検物に対して所定形状の投影パターンを投影し、被検物で反射した投影パターンの像を検出パターンとして検出する第１のステップと、第１のステップで検出した検出パターンに基づいて、検出パターンの形状分布がほぼ一様となるように投影パターンに対して前記所定形状の補正を行ったニアネットパターンを作成する第２のステップと、第２のステップで作成したニアネットパターンを被検物に対して投影して、被検物で反射したニアネットパターンの像を検出パターンとして検出し、形状分布がほぼ一様となった検出パターンに基づいて被検物の形状を算出する第３のステップとを有している。
【００１０】
また、上述の発明において、形状が既知である校正用部材に対して第２のステップで作成したニアネットパターンを投影して、校正用部材で反射したニアネットパターンの像を検出パターンとして検出し、検出パターンに基づいて校正用部材の形状を算出する第４のステップと、既知である実際の校正用部材の形状と第４のステップで算出された校正用部材の形状との誤差を算出する第５のステップとを有し、第３のステップにおいて、第５のステップで算出された誤差に応じて、算出する被検物の形状を補正することが好ましい。
【００１１】
また、本発明に係る形状測定装置は、被検物の表面の高さを算出して被検物の表面形状を測定する形状測定装置であって、被検物に対して所定形状の投影パターンを投影するパターン投影系と、被検物で反射した投影パターンの像を検出パターンとして検出するパターン検出部と、パターン検出部により検出された検出パターンに基づいて被検物の形状を算出する演算処理部とを備え、パターン検出部により検出された検出パターンに基づいて、検出パターンの形状分布がほぼ一様となるように投影パターンに対して前記所定形状の補正を行ったニアネットパターンを作成するニアネットパターン作成部が設けられ、パターン投影系が、ニアネットパターン作成部により作成されたニアネットパターンを被検物に対して投影し、パターン検出部が、被検物で反射したニアネットパターンの像を検出パターンとして検出し、演算処理部が、形状分布がほぼ一様となった検出パターンに基づいて被検物の形状を算出することを特徴とする。
【００１２】
また、上述の発明において、パターン投影系に形状が既知である校正用部材に対してニアネットパターンを投影させ、パターン検出部に校正用部材で反射したニアネットパターンの像を検出パターンとして検出させて、検出パターンに基づいて校正用部材の形状を算出する校正用演算部と、既知である実際の校正用部材の形状と校正用演算部により算出された校正用部材の形状との誤差を算出する誤差算出部とを有し、演算処理部が、誤差算出部により算出された誤差に応じて、算出する被検物の形状を補正することが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、測定精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。第一実施形態に係る形状測定方法が用いられる三次元形状測定装置の概略構成を図１に示しており、まず、この形状測定装置について、図１を参照しながら説明する。なお、図１において、図１（ａ）および図１（ｂ）にそれぞれ形状測定装置Ｍ１を示しているが、これは同一のものであり、説明の便宜上、投影パターンマスク２に等間隔の縞模様を有する投影パターンＰＰ１が形成されたものを図１（ａ）に示し、投影パターンマスク２にニアネットパターンＮＰ１が形成されたものを図１（ｂ）に示している。
【００１５】
この形状測定装置Ｍ１は、光源１と、光源１からの光に縞模様を与えるための投影パターンマスク２と、投影パターンマスク２を通過した光源１からの光を被検物１０の表面に投影させる投影レンズ３とからなるパターン投影系ＭＡ１と、被検物１０からの反射光を撮像レンズ６を介して撮像する撮像装置７からなる撮像光学系ＭＢ１とを有して構成される。
【００１６】
パターン投影系ＭＡ１において、投影パターンマスク２は、液晶素子等により構成され、液晶素子と電気的に接続された表示制御部８からの制御信号を受けて、任意の形状およびピッチのパターン（例えば、輝度分布が正弦波関数となる縞模様パターンや、格子状パターン等）を形成することができるようになっている。これにより、光源１からの光をこの投影パターンマスク２に通過させ、投影レンズ３により集光させることで、投影パターンマスク２により形成された所望の投影パターンを被検物１０の表面に投影させることができる。
【００１７】
撮像光学系ＭＢ１において、撮像装置７は、被検物１０からの光を受けて被検物１０を撮像するＣＣＤカメラ等から構成され、被検物１０で反射した投影パターンの像を検出パターンとして検出できるようになっている。また、撮像装置７により撮像された被検物１０の画像データは、演算処理装置９に送られ、ここで所定の画像演算処理がなされて被検物１０の表面の高さが算出され、被検物１０の三次元形状（表面形状）が求められる。
【００１８】
次に、以上のように構成された形状測定装置Ｍ１による被検物１０の形状測定方法について、図２に示すフローチャートを参照しながら以下に説明する。まず、ステップＳ１０１において、光源１からの光を投影パターンマスク２および投影レンズ３を介して被検物１０に照射させ、被検物１０の表面に等間隔の縞模様を有する投影パターンＰＰ１（図１（ａ）を参照）を投影する。なお、投影パターンＰＰ１のピッチ（縞模様の間隔）は比較的広くなっており、測定精度が比較的粗くなっている。このように投影されて被検物１０から反射する光は、撮像レンズ６を介して集光されて撮像装置７に入射する。
【００１９】
次に、ステップＳ１０２において、撮像装置７により、被検物１０で反射した投影パターンの像（図１（ａ）を参照）を検出パターンとして撮像する。撮像により得られた画像データは、撮像装置７から演算処理装置９に送られる。なお、三角測量の原理を用いる場合、位相接続のため、撮像装置７による撮像は、投影パターンマスク２により投影パターンのピッチ（縞模様の間隔）を変えて複数回行われ、一組の画像データ群が取得される。
【００２０】
このようにして画像データが送られると、ステップＳ１０３において、演算処理装置９で所定の演算処理を行うことにより、被検物１０で反射した投影パターンの像、すなわちステップＳ１０２で撮像された検出パターンに基づいて、検出パターンの形状分布がほぼ一様となるように、具体的には、検出パターンが等間隔の縞模様となるように投影パターンＰＰ１に対して縞模様の形状補正を行ったニアネットパターンを作成する。
【００２１】
このとき例えば、図１（ａ）に示すように、被検物１０で反射した投影パターンの像（検出パターン）は、被検物１０の表面形状に応じて曲がった縞模様となる。これに対し、例えば、輝度分布が正弦波関数となる縞パターンの場合、正弦波関数（輝度分布）の位相を変えることで、図１（ｂ）に示すように、検出パターンがほぼ等間隔の縞模様となるように投影パターンＰＰ１に対して縞模様の形状補正を行う。この場合、ニアネットパターンの形状は、検出パターンにおけるピッチ（縞模様の間隔）の大小関係を逆転させたようなパターン形状になる。このようにニアネットパターンが作成されると、演算処理装置９から表示制御部８にニアネットパターンのデータが送られ、表示制御部８からの制御信号を受けて、投影パターンマスク２にニアネットパターンＮＰ１（図１（ｂ）を参照）が形成される。
【００２２】
次に、ステップＳ１０４において、光源１からの光を投影パターンマスク２および投影レンズ３を介して被検物１０に照射させ、被検物１０の表面にニアネットパターンＮＰ１を投影する。このように投影されて被検物１０から反射する光は、撮像レンズ６を介して集光されて撮像装置７に入射する。
【００２３】
次に、ステップＳ１０５において、撮像装置７により、被検物１０で反射したニアネットパターンの像を検出パターンとして撮像する。このとき、被検物１０で反射したニアネットパターンの像（検出パターン）は、図１（ｂ）に示すように、ほぼ等間隔の縞模様となる。撮像により得られた画像データは、撮像装置７から演算処理装置９に送られる。なお、三角測量の原理を用いる場合、位相接続のため、撮像装置７による撮像は、ピッチの異なる投影パターンに応じて作成された複数のニアネットパターンを用いて複数回行われ、一組の画像データ群が取得される。
【００２４】
そして、ステップＳ１０６において、ステップＳ１０５で撮像された画像データ、すなわち、ほぼ等間隔の縞模様となった検出パターンに基づいて、三角測量の原理等を用いて被検物１０の表面の高さを算出する。
【００２５】
なお、ある測定地点における投影パターンに対する検出パターンのずれ量をａ（例えば、図１（ａ）を参照）とすると、被検物の高さ方向に対し３０°の角度をなす方向から投影パターンを投影し、投影方向とは逆に３０°の角度をなす方向から検出パターンを撮像した場合、被検物の高さｔは次の（１）式で表される。
【００２６】
ｔ＝（ａ／２）／ｓｉｎ３０° …（１）
【００２７】
また、図３に示すように、パターン投影系の光軸と垂直な面に対する被検物１０の傾斜部分の角度をθ１とし、撮像光学系の光軸に対する被検物１０の傾斜部分の角度をθ２とし、投影パターンのピッチ（縞模様の間隔）をｐ１とすると、検出パターンのピッチｐ２は、次の（２）式で表される。
【００２８】
ｐ２＝（ｓｉｎθ２／ｃｏｓθ１）×ｐ１ …（２）
【００２９】
（２）式からわかるように、θ２が零に近づくと、検出パターンのピッチｐ２が小さくなって撮像装置の画素サイズに近くなり、画素間の補間が十分にできなくなってしまう。
【００３０】
これに対し、第１実施形態の形状測定方法および形状測定装置Ｍ１によれば、ニアネットパターンＮＰ１を被検物１０に投影し、ほぼ等間隔の縞模様となった検出パターンに基づいて被検物１０の表面の高さを測定するため、検出パターンのピッチ（縞模様の間隔）を適切な値にすることが可能になることから、測定精度を向上させることができる。
【００３１】
なお、上述の第１実施形態において、ステップＳ１０３の後、図４に示すように、ニアネットパターンＮＰ１を用いて表面の高さが既知である校正用部材１５の表面の高さを算出し、実際の校正用部材１５の表面の高さと算出した校正用部材１５の表面の高さとの誤差に応じて、ステップＳ１０４以降で算出する被検物１０の表面の高さを補正するようにしてもよい。このようにすれば、測定精度をより向上させることができる。
【００３２】
具体的には、図５に示すように、まず、ステップＳ１０４と同様にして、表面の高さが既知である校正用部材１５の表面にニアネットパターンＮＰ１を投影する（ステップＳ１５１）。次に、ステップＳ１０５と同様にして、校正用部材１５で反射したニアネットパターンの像を検出パターンとして撮像する（ステップＳ１５２）。次に、ステップＳ１０６と同様にして、撮像した検出パターンに基づいて校正用部材１５の表面の高さを算出する（ステップＳ１５３）。次に、実際の校正用部材１５の表面の高さと算出した校正用部材１５の表面の高さとの誤差を算出する（ステップＳ１５４）。
【００３３】
そして、ステップＳ１５４で算出した誤差に応じて、ステップＳ１０４以降で算出する被検物１０の表面の高さを補正するようにすればよい。このとき例えば、誤差の割合に比例もしくは反比例する補正係数を、ステップＳ１０６で算出した被検物１０の表面の高さ（算出値）に掛け合わせることにより、被検物１０の表面の高さを補正することができる。なおこのとき、校正用部材１５の表面の高さの算出および誤差の算出は、演算処理装置９により行われるが、校正用部材１５の表面の高さの算出を行う校正用演算部および、誤差の算出を行う誤差算出部を、演算処理装置と別体に設けるようにしてもよい。また、量産品の検査のように被検物１０の設計形状が分かる場合は、設計データからニアネットパターンＮＰ１を求めることもできる。
【００３４】
続いて、形状測定装置の第２実施形態について、図６を参照しながら説明する。なお、図６において、図６（ａ）および図６（ｂ）にそれぞれ形状測定装置Ｍ２を示しているが、これは同一のものであり、説明の便宜上、投影パターンマスク２３に投影パターンＰＰ２が形成されたものを図６（ａ）に示し、投影パターンマスク２３にニアネットパターンＮＰ２が形成されたものを図６（ｂ）に示している。
【００３５】
第２実施形態の形状測定装置Ｍ２は、光源２１と、光源２１からの光を集光するコンデンサレンズ２２と、光源２１からの光に縞模様を与えるための投影パターンマスク２３と、投影パターンマスク２３を通過した光源２１からの光を被検物３０の表面に投影させる投影レンズ２５とからなるパターン投影系ＭＡ２と、被検物３０からの反射光をミラー２４および撮像レンズ２６を介して撮像する撮像装置２７からなる撮像光学系ＭＢ２とを有して構成される。なお、被検物３０は、所定の媒質３２（例えば、着色された水）で満たされた透明の水槽３１内に載置される。
【００３６】
パターン投影系ＭＡ２において、投影パターンマスク２３は、液晶素子等により構成され、液晶素子と電気的に接続された表示制御部２８からの制御信号を受けて、任意の形状およびピッチのパターン（例えば、縞模様パターンや格子状パターン等）を形成することができるようになっている。これにより、コンデンサレンズ２２を介して光源２１からの光を投影パターンマスク２３に通過させ、投影レンズ２５により集光させることで、投影パターンマスク２３により形成された所望の投影パターンを被検物３０の表面に投影させることができる。
【００３７】
撮像光学系ＭＢ２において、撮像装置２７は、被検物３０からの光を受けて被検物３０を撮像するＣＣＤカメラ等から構成され、被検物３０で反射して媒質３２を透過した投影パターンの像を検出パターンとして検出できるようになっている。また、撮像装置２７により撮像された被検物３０の画像データは、演算処理装置２９に送られ、ここで所定の画像演算処理がなされて被検物３０の表面の高さが算出され、被検物３０の三次元形状（表面形状）が求められる。なお、ミラー２４は、投影パターンマスク２３と投影レンズ２５との間に設けられ、投影パターンマスク２３からの光を投影レンズ２５および被検物３０に向けて透過させるとともに、被検物３０からの光を撮像レンズ２６および撮像装置２７に向けて反射させるようになっている。
【００３８】
次に、第２実施形態の形状測定装置Ｍ２による被検物３０の形状測定方法について、図７に示すフローチャートを参照しながら以下に説明する。まず、ステップＳ２０１において、光源２１からの光を、コンデンサレンズ２２、投影パターンマスク２３、ミラー２４、投影レンズ２５、および媒質３２を介して被検物３０に照射させ、被検物３０の表面に無模様の投影パターンＰＰ２（図６（ａ）における円Ａの内側を参照）を投影する。すなわち、投影パターンマスク２３は光が全透過の状態になる。
【００３９】
なおこのとき、光源２１から射出される光の波長は、媒質３２中における（被検物３０で反射する）光（輝度）の減衰が１／１００程度となるような波長を選択する。これにより、被検物３０の全高の１／３００程度まで特定することができる。このように投影されて被検物３０から反射する光は、媒質３２、投影レンズ２５、ミラー２４、および撮像レンズ２６を介して撮像装置２７に入射する。
【００４０】
次に、ステップＳ２０２において、撮像装置２７により、被検物３０で反射して媒質３２を透過した投影パターンの像を検出パターンとして撮像する。撮像により得られた画像データは、撮像装置２７から演算処理装置２９に送られる。
【００４１】
このようにして画像データが送られると、ステップＳ２０３において、演算処理装置２９で所定の演算処理を行うことにより、ステップＳ２０２で撮像された検出パターンに基づいて、検出パターンの形状分布がほぼ一様となるように、具体的には、検出パターンの明るさ（輝度）がほぼ一様となるように投影パターンＰＰ２の形状補正を行ったニアネットパターンを作成する。
【００４２】
このとき、投影パターンＰＰ２が無模様であるため、被検物３０で反射して媒質３２を透過した投影パターンの像（検出パターン）は、図６（ａ）における円Ｂの内側に示すように、被検物３０の表面形状（凹凸）に応じて明暗が現れた模様となる（本実施形態においては、被検物３０における上半分の高さが相対的に低くなっており、これに伴って検出パターンの上半分が相対的に暗くなっている）。これに対し、図６（ｂ）における円Ｄの内側に示すように、検出パターンの明るさ（輝度）がほぼ一様となるように、検出パターンおける明暗の位置関係を逆転させたような（本実施形態においては、パターンの下半分を相対的に暗くした）パターン形状を有するニアネットパターンＮＰ２（図６（ｂ）における円Ｃの内側を参照）を作成する。このようにニアネットパターンが作成されると、演算処理装置２９から表示制御部２８にニアネットパターンのデータが送られ、表示制御部２８からの制御信号を受けて、投影パターンマスク２３にニアネットパターンＮＰ２が形成される。
【００４３】
次に、ステップＳ２０４において、光源２１からの光を、コンデンサレンズ２２、投影パターンマスク２３、ミラー２４、投影レンズ２５、および媒質３２を介して被検物３０に照射させ、被検物３０の表面にニアネットパターンＮＰ２を投影する。なおこのとき、光源２１から射出される光の波長は、媒質３２中における（被検物３０で反射する）光（輝度）の減衰が１／３００００程度となるような波長を選択する。このように投影されて被検物３０から反射する光は、媒質３２、投影レンズ２５、ミラー２４、および撮像レンズ２６を介して撮像装置２７に入射する。
【００４４】
次に、ステップＳ２０５において、撮像装置２７により、被検物３０で反射して媒質３２を透過したニアネットパターンの像を検出パターンとして撮像する。このとき、被検物３０で反射して媒質３２を透過したニアネットパターンの像（検出パターン）は、図６（ｂ）における円Ｄの内側に示すように、明るさ（輝度）がほぼ一様となる。撮像により得られた画像データは、撮像装置２７から演算処理装置２９に送られる。
【００４５】
そして、ステップＳ２０６において、ステップＳ２０５で撮像された画像データ、すなわち、明るさ（輝度）がほぼ一様となった検出パターンに基づいて、被検物３０の表面の高さを算出する。具体的には、まず、撮像光学系と被検物３０との間の距離Ｌを求める。この距離Ｌは、媒質の吸収係数をaとし、検出パターンの輝度をＢｐとし、ニアネットパターンの輝度をＩｐとしたとき、Ｂｐ＝Ｉｐ×ａＬという関係式から算出される。そして、予め設定した撮像光学系と所定基準位置との間の距離と、算出した距離Ｌとの差から、被検物３０の表面の高さを算出する。
【００４６】
このように、媒質中を透過する光の減衰を利用して被検物の表面の高さを算出する場合、測定精度を上げるためには、検出光の輝度に対する（被検物の）高さの感度が高くなるように、光の減衰を大きくしなければならない。しかしながら、光の減衰を大きくすると、被検物の凹凸が大きい場合、高さの低い部分が極端に暗くなってこの部分のＳＮ比が低下し、測定精度が低下してしまう。
【００４７】
これに対し、第２実施形態の形状測定方法および形状測定装置Ｍ２によれば、ニアネットパターンＮＰ２を被検物３０に投影し、明るさ（輝度）がほぼ一様となった検出パターンに基づいて被検物３０の表面の高さを測定するため、光の減衰を大きく（本実施形態において、１／３００００程度に）しても、検出パターンの明るさ（輝度）がほぼ一様であるためＳＮ比の低下が抑えられることから、測定精度を向上させることができる。
【００４８】
なお、上述の第２実施形態において、ステップＳ２０３の後、第１実施形態の場合と同様に、ニアネットパターンを用いて表面の高さが既知である校正用部材の表面の高さを算出し、実際の校正用部材の表面の高さと算出した校正用部材の表面の高さとの誤差に応じて、ステップＳ２０４以降で算出する被検物３０の表面の高さを補正するようにしてもよい。このようにすれば、測定精度をより向上させることができる。
【００４９】
また、上述の各実施形態において、ニアネットパターンの作成が演算処理装置で行われているが、これに限られるものではなく、ニアネットパターンの作成を行うニアネットパターン作成部を演算処理装置と別体に設けるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】第１実施形態の形状測定方法に用いられる形状測定装置の概略構成図である。
【図２】第１実施形態の形状測定方法を示すフローチャートである。
【図３】被検物の傾斜部分を示す説明図である。
【図４】第１実施形態の変形例を示した形状測定装置の概略構成図である。
【図５】第１実施形態の変形例を示すフローチャートである。
【図６】第２実施形態の形状測定方法に用いられる形状測定装置の概略構成図である。
【図７】第２実施形態の形状測定方法を示すフローチャートである。
【図８】従来における形状測定装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００５１】
Ｍ１ 形状測定装置（第１実施形態） Ｍ２ 形状測定装置（第２実施形態）
ＭＡ１ パターン投影系（第１実施形態） ＭＡ２ パターン投影系（第２実施形態）
ＭＢ１ 撮像光学系（第１実施形態） ＭＢ２ 撮像光学系（第２実施形態）
ＰＰ１ 投影パターン（第１実施形態） ＰＰ２ 投影パターン（第２実施形態）
ＰＮ１ ニアネットパターン（第１実施形態）
ＰＮ２ ニアネットパターン（第２実施形態）
９ 演算処理装置（第１実施形態） １０ 被検物（第１実施形態）
２９ 演算処理装置（第２実施形態） ３０ 被検物（第２実施形態）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検物に所定のパターンを第１の方向から投影し、前記被検物に投影された前記パターンを前記第１の方向とは異なる第２の方向から観察し、観察された前記パターンから前記被検物の形状を測定する形状測定方法であって、
前記被検物の形状に基づいて、直線状のパターンを前記被検物に前記投影したときに前記観察される像よりも前記投影されたパターンの変化が小さくなる形状を有するパターンを用いることを特徴とする形状測定方法。
【請求項２】
前記所定のパターンは、前記所定のパターンとは異なる基準パターンを前記第１の方向から前記被検物に投影し、前記第２の方向から観察した情報に基づいて設定されることを特徴とする請求項１に記載の形状測定方法。
【請求項３】
被検物に対して所定形状の投影パターンを投影し、前記被検物で反射した前記投影パターンの像を検出パターンとして検出する第１のステップと、
前記第１のステップで検出した前記検出パターンに基づいて、前記検出パターンの形状分布がほぼ一様となるように前記投影パターンに対して前記所定形状の補正を行ったニアネットパターンを作成する第２のステップと、
前記第２のステップで作成した前記ニアネットパターンを前記被検物に対して投影して、前記被検物で反射した前記ニアネットパターンの像を検出パターンとして検出し、形状分布がほぼ一様となった前記検出パターンに基づいて前記被検物の形状を算出する第３のステップとを有することを特徴とする形状測定方法。
【請求項４】
形状が既知である校正用部材に対して前記第２のステップで作成した前記ニアネットパターンを投影して、前記校正用部材で反射した前記ニアネットパターンの像を検出パターンとして検出し、前記検出パターンに基づいて前記校正用部材の形状を算出する第４のステップと、
既知である実際の前記校正用部材の形状と前記第４のステップで算出された前記校正用部材の形状との誤差を算出する第５のステップとを有し、
前記第３のステップにおいて、前記第５のステップで算出された誤差に応じて、算出する前記被検物の形状を補正することを特徴とする請求項３に記載の形状測定方法。
【請求項５】
被検物の表面の高さを算出して前記被検物の表面形状を測定する形状測定装置であって、
前記被検物に対して所定形状の投影パターンを投影するパターン投影系と、
前記被検物で反射した前記投影パターンの像を検出パターンとして検出するパターン検出部と、
前記パターン検出部により検出された前記検出パターンに基づいて前記被検物の形状を算出する演算処理部とを備え、
前記パターン検出部により検出された前記検出パターンに基づいて、前記検出パターンの形状分布がほぼ一様となるように前記投影パターンに対して前記所定形状の補正を行ったニアネットパターンを作成するニアネットパターン作成部が設けられ、
前記パターン投影系が、ニアネットパターン作成部により作成された前記ニアネットパターンを前記被検物に対して投影し、
前記パターン検出部が、前記被検物で反射した前記ニアネットパターンの像を検出パターンとして検出し、
前記演算処理部が、形状分布がほぼ一様となった前記検出パターンに基づいて前記被検物の形状を算出することを特徴とする形状測定装置。
【請求項６】
前記パターン投影系に形状が既知である校正用部材に対して前記ニアネットパターンを投影させ、前記パターン検出部に前記校正用部材で反射した前記ニアネットパターンの像を検出パターンとして検出させて、前記検出パターンに基づいて前記校正用部材の形状を算出する校正用演算部と、
既知である実際の前記校正用部材の形状と前記校正用演算部により算出された前記校正用部材の形状との誤差を算出する誤差算出部とを有し、
前記演算処理部が、前記誤差算出部により算出された誤差に応じて、算出する前記被検物の形状を補正することを特徴とする請求項５に記載の形状測定装置。
【請求項１】
被検物に所定のパターンを第１の方向から投影し、前記被検物に投影された前記パターンを前記第１の方向とは異なる第２の方向から観察し、観察された前記パターンから前記被検物の形状を測定する形状測定方法であって、
前記被検物の形状に基づいて、直線状のパターンを前記被検物に前記投影したときに前記観察される像よりも前記投影されたパターンの変化が小さくなる形状を有するパターンを用いることを特徴とする形状測定方法。
【請求項２】
前記所定のパターンは、前記所定のパターンとは異なる基準パターンを前記第１の方向から前記被検物に投影し、前記第２の方向から観察した情報に基づいて設定されることを特徴とする請求項１に記載の形状測定方法。
【請求項３】
被検物に対して所定形状の投影パターンを投影し、前記被検物で反射した前記投影パターンの像を検出パターンとして検出する第１のステップと、
前記第１のステップで検出した前記検出パターンに基づいて、前記検出パターンの形状分布がほぼ一様となるように前記投影パターンに対して前記所定形状の補正を行ったニアネットパターンを作成する第２のステップと、
前記第２のステップで作成した前記ニアネットパターンを前記被検物に対して投影して、前記被検物で反射した前記ニアネットパターンの像を検出パターンとして検出し、形状分布がほぼ一様となった前記検出パターンに基づいて前記被検物の形状を算出する第３のステップとを有することを特徴とする形状測定方法。
【請求項４】
形状が既知である校正用部材に対して前記第２のステップで作成した前記ニアネットパターンを投影して、前記校正用部材で反射した前記ニアネットパターンの像を検出パターンとして検出し、前記検出パターンに基づいて前記校正用部材の形状を算出する第４のステップと、
既知である実際の前記校正用部材の形状と前記第４のステップで算出された前記校正用部材の形状との誤差を算出する第５のステップとを有し、
前記第３のステップにおいて、前記第５のステップで算出された誤差に応じて、算出する前記被検物の形状を補正することを特徴とする請求項３に記載の形状測定方法。
【請求項５】
被検物の表面の高さを算出して前記被検物の表面形状を測定する形状測定装置であって、
前記被検物に対して所定形状の投影パターンを投影するパターン投影系と、
前記被検物で反射した前記投影パターンの像を検出パターンとして検出するパターン検出部と、
前記パターン検出部により検出された前記検出パターンに基づいて前記被検物の形状を算出する演算処理部とを備え、
前記パターン検出部により検出された前記検出パターンに基づいて、前記検出パターンの形状分布がほぼ一様となるように前記投影パターンに対して前記所定形状の補正を行ったニアネットパターンを作成するニアネットパターン作成部が設けられ、
前記パターン投影系が、ニアネットパターン作成部により作成された前記ニアネットパターンを前記被検物に対して投影し、
前記パターン検出部が、前記被検物で反射した前記ニアネットパターンの像を検出パターンとして検出し、
前記演算処理部が、形状分布がほぼ一様となった前記検出パターンに基づいて前記被検物の形状を算出することを特徴とする形状測定装置。
【請求項６】
前記パターン投影系に形状が既知である校正用部材に対して前記ニアネットパターンを投影させ、前記パターン検出部に前記校正用部材で反射した前記ニアネットパターンの像を検出パターンとして検出させて、前記検出パターンに基づいて前記校正用部材の形状を算出する校正用演算部と、
既知である実際の前記校正用部材の形状と前記校正用演算部により算出された前記校正用部材の形状との誤差を算出する誤差算出部とを有し、
前記演算処理部が、前記誤差算出部により算出された誤差に応じて、算出する前記被検物の形状を補正することを特徴とする請求項５に記載の形状測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００８−２１６０３９（Ｐ２００８−２１６０３９Ａ）
【公開日】平成２０年９月１８日（２００８．９．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５３８３６（Ｐ２００７−５３８３６）
【出願日】平成１９年３月５日（２００７．３．５）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年９月１８日（２００８．９．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月５日（２００７．３．５）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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