形状測定方法及び形状測定装置
【課題】 被検体の表面形状を高精度に測定する。
【解決手段】 被検体又は該被検体が載置されたステージの少なくとも一方を、間隔が異なるように、予め設定された複数の検査位置のそれぞれの位置に移動させる移動工程と、各検査位置に移動した被検体に向けて、位相の異なる複数のパターン光を順次照射する照射工程と、複数のパターン光が照射された被検体をそれぞれ撮像する撮像工程と、各検査位置における合焦領域を、撮像された画像から求める領域決定工程と、複数のパターン光の位相情報と撮像された画像とを用いて合焦領域における被検体の形状を検査位置毎に特定し、各検査位置において特定された被写体の形状をそれぞれ合成する形状合成工程と、を備えたことを特徴とする。
【解決手段】 被検体又は該被検体が載置されたステージの少なくとも一方を、間隔が異なるように、予め設定された複数の検査位置のそれぞれの位置に移動させる移動工程と、各検査位置に移動した被検体に向けて、位相の異なる複数のパターン光を順次照射する照射工程と、複数のパターン光が照射された被検体をそれぞれ撮像する撮像工程と、各検査位置における合焦領域を、撮像された画像から求める領域決定工程と、複数のパターン光の位相情報と撮像された画像とを用いて合焦領域における被検体の形状を検査位置毎に特定し、各検査位置において特定された被写体の形状をそれぞれ合成する形状合成工程と、を備えたことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工業製品などの被検体の表面形状を測定する形状測定方法及び形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工業製品などの被検体の表面形状を測定する技術として、被検体に対して投影されたパターン像を投影方向と異なる角度から観察し、観察されたパターン像から三角測量の原理を用いて位相分布を算出することで被検体の３次元形状を求めるものがある。
【０００３】
このような被検体の３次元形状を求める場合、各点における位相を算出する必要がある。例えば位相を算出する方法としては位相シフト法が挙げられる。この位相シフト法は、位相を９０度ずらした４つの縞パターンを物体に投影することで得られる画像から同一箇所における輝度値を求め、求めた輝度値から位相を算出する。この算出された位相と、パターン像を投影した角度から各点における３次元座標を求めることが可能となる。
【特許文献１】特開２０００−００９４４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した縞パターンは、被検体への投影時には、被検体の表面が平坦であれば直線で観測され、被検体に凹凸があれば凹凸の部分が奥行き方向の位置に応じて変形して観測される。この変形を利用することで、被検体の形状をある程度認識することは可能であるが、投影光学系や撮像光学系などの焦点深度内でしか形状を測定することができないことから、被検体の形状を高精度に測定することが困難である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述した課題を解決するために発明されたものであり、被検体の表面形状を高精度に測定することができるようにした形状測定方法及び形状測定装置を提供することを目的とする。
【０００６】
第１の発明の形状測定方法は、被検体又は該被検体が載置されたステージの少なくとも一方を、間隔が異なるように、予め設定された複数の検査位置のそれぞれの位置に移動させる移動工程と、各検査位置に移動した前記被検体に向けて、位相の異なる複数のパターン光を順次照射する照射工程と、前記複数のパターン光が照射された前記被検体をそれぞれ撮像する撮像工程と、各検査位置における合焦領域を、撮像された画像から求める領域決定工程と、前記複数のパターン光の位相情報と撮像された画像とを用いて前記合焦領域における前記被検体の形状を前記検査位置毎に特定し、各検査位置において特定された被写体の形状をそれぞれ合成する形状合成工程と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
第２の発明は、第１の発明において、前記撮像工程は、複数の異なる方向から前記被検体を同時に撮像する工程からなり、前記領域決定工程は、前記複数の異なる方向から撮像された画像を用いることによって、前記合焦領域を求めることを特徴とする。
【０００８】
第３の発明は、第１及び第２の発明において、前記照射工程は、前記位相の異なる複数のパターン光の他に、拡散光を前記被検体に向けて照射する工程をさらに備え、前記撮像工程は、前記拡散光が照射された被検体を撮像し、前記領域決定工程は、前記拡散光が照射された被検体を撮像することで得られた画像に基づいて前記合焦領域を求めることを特徴とする。
【０００９】
第４の発明は、第１〜第３の発明のいずれかにおいて、前記照射工程により照射されたパターン光の像面と、前記撮像工程における合焦面とが一致していることを特徴とする。
【００１０】
第５の発明は、第１〜４の発明のいずれかにおいて、前記撮像工程は、焦点深度の異なる画像を取得し、前記領域決定工程は、前記焦点深度の異なる画像のうち、焦点深度の浅い画像を用いて、前記合焦領域を求めることを特徴とする。
【００１１】
第６の発明は、第５の発明において、前記焦点深度は、前記撮像時に用いる散乱光の波長を変化させることで変更され、前記領域決定工程は、前記焦点深度を変更することで得られる画像から、前記合焦領域以外の領域を検出し、前記合焦領域を特定することを特徴とする。
【００１２】
第７の発明は、第１〜第６の発明のいずれかにおいて、前記形状合成工程は、前記合焦領域にある前記被検体の表面に形成された傷を利用することで前記被検体の形状を特定することを特徴とする。
【００１３】
第８の発明は、第１〜第７の発明のいずれかにおいて、前記被検体は、金属部品からなることを特徴とする。
【００１４】
第９の発明の形状測定装置は、被検体が載置されたステージと、前記被検体又は前記ステージの少なくとも一方を、間隔が異なるように、予め設定された複数の検査位置に移動させる移動手段と、各検査位置に移動した前記被検体に向けて、位相の異なる複数のパターン光を順次照射する照射手段と、前記複数のパターン光が照射された前記被検体をそれぞれ撮像する撮像手段と、各検査位置における合焦領域を、撮像された画像から求める領域決定手段と、前記複数のパターン光の位相情報と撮像された画像とを用いて前記合焦領域における前記被検体の形状を前記検査位置毎に取得し、各検査位置において取得された被写体の形状をそれぞれ合成する形状合成手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１５】
第１０の発明は、第９の発明において、前記撮像手段は、前記被検体の上方に、且つ異なる位置に複数設けられ、前記領域決定手段は、前記複数の撮像手段のそれぞれで撮像された画像を用いて、前記合焦領域を求めることを特徴とする。
【００１６】
第１１の発明は、第９又は第１０の発明において、前記被検体に向けて拡散光を照射する拡散光照射手段をさらに備え、前記撮像手段は、拡散光が照射された被検体を撮像し、前記領域決定手段は、前記拡散光が照射された被検体を撮像することで得られた画像に基づいて、前記合焦領域を求めることを特徴とする。
【００１７】
第１２の発明は、第９〜１１の発明のいずれかにおいて、前記被検体に向けて照射される前記パターン光の像面と、前記撮像手段の合焦面とが一致するように、前記撮像手段が配置されていることを特徴とする。
【００１８】
第１３の発明は、第９〜第１２の発明のいずれかにおいて、前記撮像手段は、焦点深度の異なる画像を取得することが可能であり、前記領域決定手段は、前記撮像手段によって取得された画像のうち、焦点深度の浅い画像を用いて、前記合焦領域を求めることを特徴とする。
【００１９】
第１４の発明は、第１３の発明において、前記焦点深度は、通過波長域を変更することで変更可能であり、前記領域決定手段は、前記通過波長域を変更することで焦点深度が変更された画像を用いて、前記合焦領域外の領域を検出することで、前記合焦領域を特定することを特徴とする。
【００２０】
第１５の発明は、第９〜第１４の発明のいずれかにおいて、前記形状合成手段は、前記合焦領域にある前記被検体の表面に形成された傷を利用することで前記被検体の形状を特定することを特徴とする。
【００２１】
第１６の発明は、第９〜第１５の発明のいずれかにおいて、前記被検体は、金属部品からなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、各検査位置における合焦領域を求め、求めた合焦領域内の形状を特定した後、これら形状を合成していくことで被検体の表面形状を測定することから、投影光学系や撮像光学系の焦点深度に関係なく、被検体の表面形状を高精度に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１は、形状測定装置１０の構成の一例を示す概略図である。この形状測定装置１０は、例えば表面が鏡面からなる金属部品などの被検体１５の表面形状を測定する装置である。この形状測定装置１０は、ステージ１６、パターン光照射部１７、撮像部１８，１９及びコントローラ２０を備えている。
【００２４】
ステージ１６は、その上面がＸＹ平面からなり、この上面に被検体１５が載置される。このステージ１６は、図１の実線で示す位置と、図１の二点差線で示す位置との間で上昇または下降させることが可能である。このステージ１６は、上述した移動範囲内において、予め設定された複数位置で停止される。このステージ１６が停止される位置が、それぞれ検査位置となる。なお、各検査位置にステージを移動させる方法としては、図１の実線で示す位置から二点差線で示す位置に向けて、つまり上昇させながら各検査位置で停止させる、又は図１の二点差線で示す位置から実線に示す位置に向けて、つまり下降させながら、各検査位置で停止させるなど、各検査位置において停止できればよい。また、各検査位置は、各検査位置との距離が等間隔となるように設定されていても良いし、測定時に、測定者が、図示しない操作部を操作することで検査位置を適宜に設定することも可能である。
【００２５】
パターン光照射部１７は、照射するパターン光の光軸Ｌ１がステージ１６の上面と直交するように配置される。このパターン光照射部１７は、３以上の異なる位相のパターン光をステージ１６に向けて照射可能である。このパターン光照射部１７は、光源２５、マスク２６、投影光学系２７を備えている。マスク２６は、例えば投影パターンを表示可能なものであればよく、例えば液晶表示素子などを用いることが可能である。投影パターンとしては、周期的な縞パターン（図２（ａ）参照）を第１投影パターンとし、この第１投影パターンに対して位相をπ／２ずらした第２縞パターン（図２（ｂ）参照）、位相をπずらした第３縞パターン（図２（ｃ）参照）、位相を３π／２ずらした第４投影パターン（図２（ｄ）参照）の４種類が挙げられる。このパターン光照射部１７における光源２５の点灯・消灯の制御や、マスク２６における各投影パターンの表示制御は、光源制御部２８によって行われる。
【００２６】
図１に戻って、撮像部１８，１９は、パターン光照射部１７からステージ１６に向けてパターン光が順次照射されることに同期して、ステージ１６上に載置される被検体１５を撮像する。これら撮像部１８，１９のうち、撮像部１８は、図１において、パターン光照射部１７の左方に配置され、撮像部１９は、パターン光照射部１７の右方に配置される。つまり、これら撮像部１８，１９は、その撮像光軸がパターン光照射部１７の光軸Ｌ１と所定の角度で交わるように配置される。
【００２７】
図３に示すように、パターン光照射部１７は、照射されるパターン光の光軸Ｌ１がステージ１６の上面と直交するように配置されることから、パターン光はステージ１６に向けて（Ａ方向に）照射される。被検体１５の表面１５ａが拡散性の少ない鏡面からなり、また、被検体１５の表面に傷が生じていない場合には、その正反射光はステージ１６と直交する方向（Ｂ方向）に進行する。
【００２８】
一方、被検体１５の表面１５ａに微細な傷３０が生じている場合、傷３０に照射されたパターン光は散乱し、Ｃ方向、又はＤ方向に反射する。本実施形態では、撮像部１８は、Ｃ方向に反射する散乱光を取得し、撮像部１９は、Ｄ方向に反射する散乱光を取得することで、被検体１５の撮像を行う。なお、撮像部１８，１９によってステージ１６上の被検体１５を撮像するだけでなく、ステージ１６の上面を全範囲に亘って撮像することも可能である。
【００２９】
これら撮像部１８，１９のうち、撮像部１８はＣＣＤ３１、結像光学系３２、フィルタ３３を備え、撮像部１９は、ＣＣＤ３４、結像光学系３５を備えている。ＣＣＤ３１，３４は、それぞれの合焦面とパターン光照射部１７によって照射されるパターン光の像面とがシャインプルーフ条件を満足するようにそれぞれ配置される。このようにＣＣＤ３１，３４を配置することで、測定精度を向上させることができる。また、ＣＣＤ３１，３４のあおり角をそれぞれ小さくできるので、光学系の収差も小さくすることができる。フィルタ３３は、結像光学系３２を透過したパターン光の波長域を変化させることで、撮像部１８における焦点深度を変更する。
【００３０】
例えば焦点深度（ＤＯＦ）は、開口数をＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ）とし、レンズを通過する波長をλとした場合、（１）式で求められる。
【００３１】
ＤＯＦ＝λ／２／（ＮＡ）２・・・（１）
この焦点深度を変更する為には、開口数ＮＡを変更することも考えられるが、本実施形態では、開口数を変化させずに、フィルタ３３として青色フィルタを用い、撮像部１８の焦点深度を浅くする。このフィルタ３３は、切替機構３６によって散乱光の入射経路に挿入された状態と、散乱光の入射経路から退避した状態との間で切り替えられる。
【００３２】
コントローラ２０は、制御部４５、領域決定部４６、形状演算部４７、形状合成部４８を備えている。制御部４５は、形状測定装置１０の各部を制御する。領域決定部４６は、散乱光の入射経路にフィルタ３３を挿入したときに取得される画像を用いて、検査位置における合焦領域を求める。詳細には、散乱光の入射経路にフィルタ３３を挿入したときに取得される画像Img_LBn（ｎ＝１，２，３，４）を合成し、合成された画像に対して空間周波数の解析を行う。この空間周波数の解析において、高周波成分が多い領域があれば、その領域が合焦領域として決定される。つまり、この領域決定部４６によって、焦点深度内において合焦領域があるか否かが判定される。
【００３３】
形状演算部４７は、散乱光の入射光路からフィルタ３３を退避させたときに取得された複数の画像を用いることによって、領域決定部４６において抽出した合焦領域に対する被検体１５の形状を特定し、特定された形状の位置（座標）を演算により求める。
【００３４】
被検体１５の形状の特定は、以下の方法で行われる。図４に示すように、同一の検査位置において、撮像部１８にて取得された画像Img_Ln（ｎ＝１，２，３，４）を合成し、画像６２Ｌを取得する。同様にして、撮像部１９にて取得された画像Img_Rn（ｎ＝１，２，３，４）を合成し、画像６２Ｒを取得する。これら画像は、被検体１５の表面１５ａで散乱する散乱光を用いて取得した画像であることから、画像の合成時には、被検体１５の表面１５ａに形成された傷３０に該当する部分のみが輝度値の高い点（図４で示す符号６３Ｌ、６３Ｒ）として現れる。画像領域６０に対してハッチングで示す環状の領域６１が合焦領域（以下、合焦領域６１）となる場合には、合成された画像６２Ｌ、６２Ｒのそれぞれにおいて合焦領域６１内にある輝度値の高い点６３Ｌ，６３Ｒを抽出する。
【００３５】
位置の演算は、例えば位相シフト法を用いて実行される。この位相シフト法は、周知であるので、その詳細は省略し、その概略についてのみ説明する。位相シフト法は、フィルタ３３を退避させた状態で取得された４つの画像を用いることによって行われる。まず、画像毎に、輝度値の高い点の輝度値Ｉｎ（ｎ＝１，２，３，４）を求める。ｘｙ平面上における位相φは、求められた輝度値を使用して、（２）式にて求められる。
φ＝ａｔａｎ｛（Ｉ２−Ｉ４）／（Ｉ１−Ｉ３）｝・・・・（２）
この位相φと、ＣＣＤに入射される光の入射角とから、各点の座標（ｘ、ｙ、ｚ）を求めることができる。
【００３６】
形状合成部４８は、各検査位置において特定された被検体１５の形状を、演算により得られた座標を用いて合成していく。これにより、取得された画像から被検体１５の形状が求められる。この結果は、表示部４９に表示される、又は記録媒体５０に記録される。
【００３７】
次に、本実施形態の形状測定の手順について図５のフローチャートを用いて説明する。
【００３８】
ステップＳ１は、パターン光をステージ１６に向けて照射する処理である。このステップＳ１では、該当する投影パターンをマスク２６に表示させた後、光源２５を点灯させ、ステージ１６に向けてパターン光を照射する。このパターン光の照射により、ステージ１６及びステージ１６上に載置される被検体１５の上面に縞パターンが投影される。ステップＳ１の処理が終了すると、ステップＳ２に進む。
【００３９】
ステップＳ２は、パターン光が照射された被検体１５を撮像する処理である。ステップＳ１により、ステージ１６及びステージ１６上に載置された被検体１５の表面１５ａに縞パターンが投影されると、ステージ１６の表面や被検体１５の表面１５ａが平坦であれば、パターン光は、光軸Ｌ１方向に反射する。一方、ステージ１６の表面や被検体１５の表面１５ａに傷３０がある場合には、パターン光は傷３０によって散乱する。この散乱光のうち、Ｃ方向に反射する散乱光を用いて撮像部１８による被検体１５の撮像が行われ、画像Img_Lnが取得される。同時に、Ｄ方向に反射する散乱光を用いて撮像部１９による被検体１５の撮像が実行され、画像Img_Rnが取得される。このように、２カ所に配置された撮像部１８，１９によって被写体１５の撮像を行うことで、フォトグラメトリーの原理での測定を行うことができ、投影パターンの精度に依存しない測定を行うことができる。ステップＳ２の処理が終了すると、ステップＳ３に進む。
【００４０】
ステップＳ３は、フィルタ３３を挿入した状態で被検体１５を撮像する処理である。ステップＳ２が終了すると、制御部４５は、切替機構３６を介して散乱光の入射光路から退避しているフィルタ３３を散乱光の入射光路に挿入させる。この状態で、撮像部１８における被写体１５の撮像が実行され、画像Img_LBnが取得される。ステップＳ３の処理が終了すると、ステップＳ４に進む。
【００４１】
ステップＳ４は、全てのパターン光を照射したか否かを判定する処理である。例えば第１〜第４投影パターンの全てを照射した場合には、ステップＳ５に進む。一方、第１〜第４投影パターンの全てを照射していない場合には、ステップＳ１に戻る。このとき、制御部４５は、切替機構３６を介してフィルタ３３を散乱光の入射光路から退避させる。ステップＳ４の処理が終了すると、ステップＳ５に進む。
【００４２】
ステップＳ５は、全ての検査位置でステップＳ１〜Ｓ４の処理を行ったか否かを判定する処理である。例えば全ての検査位置において、ステップＳ１〜Ｓ４の処理を実行していない場合には、ステップＳ６に進む。このときも、ステップＳ４と同様に、制御部４５は、切替機構３６を介してフィルタ３３を散乱光の光路内から退避させる。一方、全ての検査位置でステップＳ１〜Ｓ４の処理を行っている場合には、ステップＳ１０に進む。
【００４３】
ステップＳ６は、移動機構２１により、ステージ１６を次の検査位置へと上昇させる処理である。このステップＳ７において、ステージ１６を次の検査位置に移動させる処理が実行されると、ステップＳ１に戻る。
【００４４】
このようにして、全ての検査位置において、位相の異なるパターン光が照射されたときの被検体１５の画像が取得される。
【００４５】
ステップＳ１０は、取得された画像から検査位置における合焦領域を求める処理である。このステップＳ１０において用いる画像は、ステップＳ３において取得された画像、つまり、フィルタ３３を散乱光の入射経路に挿入したときに得られる画像Img_LB1〜Img_LB4である。このうち、同一の検査位置において取得された画像を合成し、この合成された画像に対して空間周波数の解析を行って、高周波数成分が多い領域を合焦領域として求める。なお、フィルタ３３を挿入した状態で得られる画像は焦点深度の浅い画像であることから、合焦領域を高精度で求めることができる。なお、ステップＳ１０の処理が終了すると、ステップＳ１１に進む。
【００４６】
ステップＳ１１は、ステップＳ１０において抽出された合焦領域内における被検体の形状の特定する処理である。まず、フィルタ３３を散乱光の入射光路から退避させたときに撮像部１８で得られる画像Img_L1〜Img_L4を合成する。また、撮像部１９で撮像された画像Img_R1〜Img_R4を合成する。これら画像の合成の後、ステップＳ１０において求められた合焦領域にある輝度値の高い点を抜き出す。これにより、傷３０によって散乱するパターン光はその散乱状態が一定ではないことから、複数方向から取得された画像を用いて輝度値の高い点を抽出することで、確実に被検体１５の表面の形状を得ることができる。ステップＳ１１の処理が終了すると、ステップＳ１２に進む。
【００４７】
ステップＳ１２は、ステップＳ１１において取得された輝度値が高い点の座標を求める処理である。このステップＳ１２の処理は、位相シフト法を用いて演算する。このステップＳ１２では、位相シフト法を用いて座標を求める際にアンラッピング処理を行い、また、撮像部１８で取得された画像の各画素と、撮像部１９で取得された画像の各画素とをサブピクセルを用いて対応付ける処理を実行する。これにより、輝度値の高い点の座標を高精度に求めることができる。なお、ステップＳ１２の処理が終了すると、ステップＳ１３に進む。
【００４８】
ステップＳ１３は、全ての検査位置に対して得られた画像に対して、ステップＳ１０〜Ｓ１２の処理を行ったか否かの判定を行う処理である。このステップＳ１３において、全ての検査位置でステップＳ１０〜Ｓ１２の処理を実行した場合には、ステップＳ１４に進む。一方、全ての検査位置に対してステップＳ１０〜Ｓ１２の処理が実行されていない場合には、ステップＳ１０に戻る。
【００４９】
ステップＳ１４は、ステップＳ１２において演算された座標を用いて、ステップＳ１１において取得された点を組み合わせる処理である。この処理を行うことによって、被検体１５の形状が求められ、計測によって求められた被検体１５の形状を示す画像が表示部４９に表示される。また、この測定結果は、記録媒体５０などに記録される。
【００５０】
本実施形態では、被検体の画像を全ての検査位置において取得した（ステップＳ１〜Ｓ６の処理）後に、取得された画像を用いて被検体の形状を求めている（ステップＳ１０〜Ｓ１４の処理）が、これに限定する必要はなく、被検体の画像を取得する処理、及び取得された画像から被検体の形状を求める処理を一つの検査位置で行った後に、ステージを次の検査位置に移動させて行くことも可能である。
【００５１】
また、ステップＳ１０〜ステップＳ１２の処理を検査位置毎に実行する流れとしているが、これに限定する必要はなく、ステップＳ１０〜ステップＳ１２の各処理を全ての検査位置についてまとめて実行することも可能である。
【００５２】
本実施形態では、被検体の表面に傷があることを前提にして説明しているが、被検体の表面に傷がない場合であっても表面で発生する散乱光を捉えることが可能であれば、同様に処理することが可能である。
【００５３】
本実施形態では、撮像部を２カ所に配置した実施形態としているが、これに限定される必要はなく、１つの撮像部を配置した形状測定装置であってもよい。
【００５４】
本実施形態では、撮像部１８にフィルタ３３を配置し、このフィルタ３３を散乱光の入射光路に挿入した状態と、散乱光の入射光路から退避させた状態との間で切り替えることで、撮像部１８における焦点深度を変更しているが、これに限定される必要はなく、撮像部１８に絞りを設け、この絞りの絞り値を変化させることで、焦点深度を変更することも可能である。
【００５５】
また、この他に、例えば２つの撮像部を備えている場合には、これら撮像部のそれぞれにおける焦点深度を異なるように設定し、合焦領域の特定を行う画像を取得する場合に焦点深度が浅く設定された撮像部を用い、被検体の形状の特定及び位置情報の演算を行う画像を取得する場合に焦点深度が深く設定された撮像部を用いるようにしても良い。
【００５６】
また、撮像部のそれぞれにおける焦点深度を異なるように設定する他に、検査位置毎に、焦点深度を複数段階で変化させて撮像を行うことも可能である。複数段階で焦点深度を変化させて撮像することで、撮像された画像から被検体の測定に使用しない領域、つまり合焦領域外となる領域を求めることができる。つまり、焦点深度を変化させると、合焦領域に該当する画素のコントラスト値が変動するが、合焦領域外となる領域においては、焦点深度を変化させても画素のコントラスト値が変動しないことから、この画素のコントラスト値が変動しない領域を被検体の測定に使用しない領域とすることで、合焦領域を求めることができる。
【００５７】
本実施形態では、フィルタが散乱光の入射光路に挿入されたときに取得される画像から合焦領域を特定しているが、この他に、ＳＦＦ（Ｓｈａｐｅ ｆｒｏｍ Ｆｏｃｕｓ）法の原理を用いて合焦領域を求めることも可能である。ＳＦＦ法とは、例えば検査位置毎に得られる画像のコントラスト値を全ての画素について算出した後、同一画素におけるコントラスト値を比較して、最大コントラスト値となる検査位置に基づいて物体の表面の形状を測定する方法である。つまり、フィルタを用いずに得られた各検査位置における画像からコントラスト値を求め、同一画素のコントラスト値の比較を各検査位置に対して行ったときに最大コントラスト値となる画素を検査位置毎に抽出することで、検査位置毎の合焦領域を求めることができる。
【００５８】
本実施形態では、被検体１５として表面が鏡面からなる金属部品の場合について説明をしているが、表面が拡散面からなる被検体であってもよい。拡散面の場合、反射光の拡散性が高くなるので、撮像部には、傷で反射する反射光の他に、被検査体の表面で拡散される拡散光も入射される。この場合も、取得される画像に対して合焦範囲を求め、その合焦範囲における被検体の形状を求めればよい。なお、合焦領域を求める方法としては、空間周波数の解析を行う、或いは、得られた画像の画素と周辺の画素とのコントラスト値を求め、このコントラスト値が変動する領域を求めることが挙げられる。
【００５９】
本実施形態では、撮像部１８の入射光路にフィルタ３３を挿入したときに得られる画像を用いて合焦領域を求めているが、これに限定する必要はなく、拡散光を用いて合焦領域を求めることも可能である。図６に示すように、パターン光照射部１７の他に、拡散光を照射する拡散光照射部７０を設ける。この拡散光照射部７０は、例えば、光源７１及び拡散光学系７２から構成すればよい。なお、図６においては、本実施形態と同一の機能を有する箇所については、同一の符号を付してある。
【００６０】
この場合、形状測定が開始された場合には、パターン光照射部１７のパターン光の照射後に、拡散光照射部６０による拡散光を照射し、それぞれの光が照射されたことに同期して撮像部１８，１９における被検体１５の撮像を行う。そして、拡散光が照射されたときに取得された画像を用いることで、合焦領域を求める。なお、合焦領域を求める方法としては、上述したＳＦＦ法を用いればよい。この拡散光を照射することで、オクルージョンが発生しても、その影響を低減することができる。なお、オクルージョンとは、手前にある物体が背後にある物体を隠す状態であり、ここでは、被検体１５の形状が複雑な形状からなる場合に、手前側にある部分により奥側にある部分へ光の照射を防ぐ場合や、拡散光の照射域に撮像部１８，１９が入り込んでしまう場合にオクルージョンが発生する。つまり、拡散光を用いることで、このオクルージョンの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】形状測定装置の構成の一例を示す概略図である。
【図２】ステージに投影される縞パターンの一例を示す図である。
【図３】被検体表面における反射状態を示す図である。
【図４】合焦領域における点群の抽出の流れを示す図である。
【図５】形状測定の手順を示すフローチャートである。
【図６】他の形状測定装置の構成を示す概略図である。
【符号の説明】
【００６２】
１０・・・形状測定装置、１５・・・被検体、１６・・・ステージ、１７・・・パターン光照射部、１８，１９・・・撮像部、２０・・・コントローラ、３３・・・フィルタ、４６・・・領域決定部、４７形状演算部、４８・・・形状合成部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工業製品などの被検体の表面形状を測定する形状測定方法及び形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工業製品などの被検体の表面形状を測定する技術として、被検体に対して投影されたパターン像を投影方向と異なる角度から観察し、観察されたパターン像から三角測量の原理を用いて位相分布を算出することで被検体の３次元形状を求めるものがある。
【０００３】
このような被検体の３次元形状を求める場合、各点における位相を算出する必要がある。例えば位相を算出する方法としては位相シフト法が挙げられる。この位相シフト法は、位相を９０度ずらした４つの縞パターンを物体に投影することで得られる画像から同一箇所における輝度値を求め、求めた輝度値から位相を算出する。この算出された位相と、パターン像を投影した角度から各点における３次元座標を求めることが可能となる。
【特許文献１】特開２０００−００９４４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した縞パターンは、被検体への投影時には、被検体の表面が平坦であれば直線で観測され、被検体に凹凸があれば凹凸の部分が奥行き方向の位置に応じて変形して観測される。この変形を利用することで、被検体の形状をある程度認識することは可能であるが、投影光学系や撮像光学系などの焦点深度内でしか形状を測定することができないことから、被検体の形状を高精度に測定することが困難である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述した課題を解決するために発明されたものであり、被検体の表面形状を高精度に測定することができるようにした形状測定方法及び形状測定装置を提供することを目的とする。
【０００６】
第１の発明の形状測定方法は、被検体又は該被検体が載置されたステージの少なくとも一方を、間隔が異なるように、予め設定された複数の検査位置のそれぞれの位置に移動させる移動工程と、各検査位置に移動した前記被検体に向けて、位相の異なる複数のパターン光を順次照射する照射工程と、前記複数のパターン光が照射された前記被検体をそれぞれ撮像する撮像工程と、各検査位置における合焦領域を、撮像された画像から求める領域決定工程と、前記複数のパターン光の位相情報と撮像された画像とを用いて前記合焦領域における前記被検体の形状を前記検査位置毎に特定し、各検査位置において特定された被写体の形状をそれぞれ合成する形状合成工程と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
第２の発明は、第１の発明において、前記撮像工程は、複数の異なる方向から前記被検体を同時に撮像する工程からなり、前記領域決定工程は、前記複数の異なる方向から撮像された画像を用いることによって、前記合焦領域を求めることを特徴とする。
【０００８】
第３の発明は、第１及び第２の発明において、前記照射工程は、前記位相の異なる複数のパターン光の他に、拡散光を前記被検体に向けて照射する工程をさらに備え、前記撮像工程は、前記拡散光が照射された被検体を撮像し、前記領域決定工程は、前記拡散光が照射された被検体を撮像することで得られた画像に基づいて前記合焦領域を求めることを特徴とする。
【０００９】
第４の発明は、第１〜第３の発明のいずれかにおいて、前記照射工程により照射されたパターン光の像面と、前記撮像工程における合焦面とが一致していることを特徴とする。
【００１０】
第５の発明は、第１〜４の発明のいずれかにおいて、前記撮像工程は、焦点深度の異なる画像を取得し、前記領域決定工程は、前記焦点深度の異なる画像のうち、焦点深度の浅い画像を用いて、前記合焦領域を求めることを特徴とする。
【００１１】
第６の発明は、第５の発明において、前記焦点深度は、前記撮像時に用いる散乱光の波長を変化させることで変更され、前記領域決定工程は、前記焦点深度を変更することで得られる画像から、前記合焦領域以外の領域を検出し、前記合焦領域を特定することを特徴とする。
【００１２】
第７の発明は、第１〜第６の発明のいずれかにおいて、前記形状合成工程は、前記合焦領域にある前記被検体の表面に形成された傷を利用することで前記被検体の形状を特定することを特徴とする。
【００１３】
第８の発明は、第１〜第７の発明のいずれかにおいて、前記被検体は、金属部品からなることを特徴とする。
【００１４】
第９の発明の形状測定装置は、被検体が載置されたステージと、前記被検体又は前記ステージの少なくとも一方を、間隔が異なるように、予め設定された複数の検査位置に移動させる移動手段と、各検査位置に移動した前記被検体に向けて、位相の異なる複数のパターン光を順次照射する照射手段と、前記複数のパターン光が照射された前記被検体をそれぞれ撮像する撮像手段と、各検査位置における合焦領域を、撮像された画像から求める領域決定手段と、前記複数のパターン光の位相情報と撮像された画像とを用いて前記合焦領域における前記被検体の形状を前記検査位置毎に取得し、各検査位置において取得された被写体の形状をそれぞれ合成する形状合成手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１５】
第１０の発明は、第９の発明において、前記撮像手段は、前記被検体の上方に、且つ異なる位置に複数設けられ、前記領域決定手段は、前記複数の撮像手段のそれぞれで撮像された画像を用いて、前記合焦領域を求めることを特徴とする。
【００１６】
第１１の発明は、第９又は第１０の発明において、前記被検体に向けて拡散光を照射する拡散光照射手段をさらに備え、前記撮像手段は、拡散光が照射された被検体を撮像し、前記領域決定手段は、前記拡散光が照射された被検体を撮像することで得られた画像に基づいて、前記合焦領域を求めることを特徴とする。
【００１７】
第１２の発明は、第９〜１１の発明のいずれかにおいて、前記被検体に向けて照射される前記パターン光の像面と、前記撮像手段の合焦面とが一致するように、前記撮像手段が配置されていることを特徴とする。
【００１８】
第１３の発明は、第９〜第１２の発明のいずれかにおいて、前記撮像手段は、焦点深度の異なる画像を取得することが可能であり、前記領域決定手段は、前記撮像手段によって取得された画像のうち、焦点深度の浅い画像を用いて、前記合焦領域を求めることを特徴とする。
【００１９】
第１４の発明は、第１３の発明において、前記焦点深度は、通過波長域を変更することで変更可能であり、前記領域決定手段は、前記通過波長域を変更することで焦点深度が変更された画像を用いて、前記合焦領域外の領域を検出することで、前記合焦領域を特定することを特徴とする。
【００２０】
第１５の発明は、第９〜第１４の発明のいずれかにおいて、前記形状合成手段は、前記合焦領域にある前記被検体の表面に形成された傷を利用することで前記被検体の形状を特定することを特徴とする。
【００２１】
第１６の発明は、第９〜第１５の発明のいずれかにおいて、前記被検体は、金属部品からなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、各検査位置における合焦領域を求め、求めた合焦領域内の形状を特定した後、これら形状を合成していくことで被検体の表面形状を測定することから、投影光学系や撮像光学系の焦点深度に関係なく、被検体の表面形状を高精度に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１は、形状測定装置１０の構成の一例を示す概略図である。この形状測定装置１０は、例えば表面が鏡面からなる金属部品などの被検体１５の表面形状を測定する装置である。この形状測定装置１０は、ステージ１６、パターン光照射部１７、撮像部１８，１９及びコントローラ２０を備えている。
【００２４】
ステージ１６は、その上面がＸＹ平面からなり、この上面に被検体１５が載置される。このステージ１６は、図１の実線で示す位置と、図１の二点差線で示す位置との間で上昇または下降させることが可能である。このステージ１６は、上述した移動範囲内において、予め設定された複数位置で停止される。このステージ１６が停止される位置が、それぞれ検査位置となる。なお、各検査位置にステージを移動させる方法としては、図１の実線で示す位置から二点差線で示す位置に向けて、つまり上昇させながら各検査位置で停止させる、又は図１の二点差線で示す位置から実線に示す位置に向けて、つまり下降させながら、各検査位置で停止させるなど、各検査位置において停止できればよい。また、各検査位置は、各検査位置との距離が等間隔となるように設定されていても良いし、測定時に、測定者が、図示しない操作部を操作することで検査位置を適宜に設定することも可能である。
【００２５】
パターン光照射部１７は、照射するパターン光の光軸Ｌ１がステージ１６の上面と直交するように配置される。このパターン光照射部１７は、３以上の異なる位相のパターン光をステージ１６に向けて照射可能である。このパターン光照射部１７は、光源２５、マスク２６、投影光学系２７を備えている。マスク２６は、例えば投影パターンを表示可能なものであればよく、例えば液晶表示素子などを用いることが可能である。投影パターンとしては、周期的な縞パターン（図２（ａ）参照）を第１投影パターンとし、この第１投影パターンに対して位相をπ／２ずらした第２縞パターン（図２（ｂ）参照）、位相をπずらした第３縞パターン（図２（ｃ）参照）、位相を３π／２ずらした第４投影パターン（図２（ｄ）参照）の４種類が挙げられる。このパターン光照射部１７における光源２５の点灯・消灯の制御や、マスク２６における各投影パターンの表示制御は、光源制御部２８によって行われる。
【００２６】
図１に戻って、撮像部１８，１９は、パターン光照射部１７からステージ１６に向けてパターン光が順次照射されることに同期して、ステージ１６上に載置される被検体１５を撮像する。これら撮像部１８，１９のうち、撮像部１８は、図１において、パターン光照射部１７の左方に配置され、撮像部１９は、パターン光照射部１７の右方に配置される。つまり、これら撮像部１８，１９は、その撮像光軸がパターン光照射部１７の光軸Ｌ１と所定の角度で交わるように配置される。
【００２７】
図３に示すように、パターン光照射部１７は、照射されるパターン光の光軸Ｌ１がステージ１６の上面と直交するように配置されることから、パターン光はステージ１６に向けて（Ａ方向に）照射される。被検体１５の表面１５ａが拡散性の少ない鏡面からなり、また、被検体１５の表面に傷が生じていない場合には、その正反射光はステージ１６と直交する方向（Ｂ方向）に進行する。
【００２８】
一方、被検体１５の表面１５ａに微細な傷３０が生じている場合、傷３０に照射されたパターン光は散乱し、Ｃ方向、又はＤ方向に反射する。本実施形態では、撮像部１８は、Ｃ方向に反射する散乱光を取得し、撮像部１９は、Ｄ方向に反射する散乱光を取得することで、被検体１５の撮像を行う。なお、撮像部１８，１９によってステージ１６上の被検体１５を撮像するだけでなく、ステージ１６の上面を全範囲に亘って撮像することも可能である。
【００２９】
これら撮像部１８，１９のうち、撮像部１８はＣＣＤ３１、結像光学系３２、フィルタ３３を備え、撮像部１９は、ＣＣＤ３４、結像光学系３５を備えている。ＣＣＤ３１，３４は、それぞれの合焦面とパターン光照射部１７によって照射されるパターン光の像面とがシャインプルーフ条件を満足するようにそれぞれ配置される。このようにＣＣＤ３１，３４を配置することで、測定精度を向上させることができる。また、ＣＣＤ３１，３４のあおり角をそれぞれ小さくできるので、光学系の収差も小さくすることができる。フィルタ３３は、結像光学系３２を透過したパターン光の波長域を変化させることで、撮像部１８における焦点深度を変更する。
【００３０】
例えば焦点深度（ＤＯＦ）は、開口数をＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ）とし、レンズを通過する波長をλとした場合、（１）式で求められる。
【００３１】
ＤＯＦ＝λ／２／（ＮＡ）２・・・（１）
この焦点深度を変更する為には、開口数ＮＡを変更することも考えられるが、本実施形態では、開口数を変化させずに、フィルタ３３として青色フィルタを用い、撮像部１８の焦点深度を浅くする。このフィルタ３３は、切替機構３６によって散乱光の入射経路に挿入された状態と、散乱光の入射経路から退避した状態との間で切り替えられる。
【００３２】
コントローラ２０は、制御部４５、領域決定部４６、形状演算部４７、形状合成部４８を備えている。制御部４５は、形状測定装置１０の各部を制御する。領域決定部４６は、散乱光の入射経路にフィルタ３３を挿入したときに取得される画像を用いて、検査位置における合焦領域を求める。詳細には、散乱光の入射経路にフィルタ３３を挿入したときに取得される画像Img_LBn（ｎ＝１，２，３，４）を合成し、合成された画像に対して空間周波数の解析を行う。この空間周波数の解析において、高周波成分が多い領域があれば、その領域が合焦領域として決定される。つまり、この領域決定部４６によって、焦点深度内において合焦領域があるか否かが判定される。
【００３３】
形状演算部４７は、散乱光の入射光路からフィルタ３３を退避させたときに取得された複数の画像を用いることによって、領域決定部４６において抽出した合焦領域に対する被検体１５の形状を特定し、特定された形状の位置（座標）を演算により求める。
【００３４】
被検体１５の形状の特定は、以下の方法で行われる。図４に示すように、同一の検査位置において、撮像部１８にて取得された画像Img_Ln（ｎ＝１，２，３，４）を合成し、画像６２Ｌを取得する。同様にして、撮像部１９にて取得された画像Img_Rn（ｎ＝１，２，３，４）を合成し、画像６２Ｒを取得する。これら画像は、被検体１５の表面１５ａで散乱する散乱光を用いて取得した画像であることから、画像の合成時には、被検体１５の表面１５ａに形成された傷３０に該当する部分のみが輝度値の高い点（図４で示す符号６３Ｌ、６３Ｒ）として現れる。画像領域６０に対してハッチングで示す環状の領域６１が合焦領域（以下、合焦領域６１）となる場合には、合成された画像６２Ｌ、６２Ｒのそれぞれにおいて合焦領域６１内にある輝度値の高い点６３Ｌ，６３Ｒを抽出する。
【００３５】
位置の演算は、例えば位相シフト法を用いて実行される。この位相シフト法は、周知であるので、その詳細は省略し、その概略についてのみ説明する。位相シフト法は、フィルタ３３を退避させた状態で取得された４つの画像を用いることによって行われる。まず、画像毎に、輝度値の高い点の輝度値Ｉｎ（ｎ＝１，２，３，４）を求める。ｘｙ平面上における位相φは、求められた輝度値を使用して、（２）式にて求められる。
φ＝ａｔａｎ｛（Ｉ２−Ｉ４）／（Ｉ１−Ｉ３）｝・・・・（２）
この位相φと、ＣＣＤに入射される光の入射角とから、各点の座標（ｘ、ｙ、ｚ）を求めることができる。
【００３６】
形状合成部４８は、各検査位置において特定された被検体１５の形状を、演算により得られた座標を用いて合成していく。これにより、取得された画像から被検体１５の形状が求められる。この結果は、表示部４９に表示される、又は記録媒体５０に記録される。
【００３７】
次に、本実施形態の形状測定の手順について図５のフローチャートを用いて説明する。
【００３８】
ステップＳ１は、パターン光をステージ１６に向けて照射する処理である。このステップＳ１では、該当する投影パターンをマスク２６に表示させた後、光源２５を点灯させ、ステージ１６に向けてパターン光を照射する。このパターン光の照射により、ステージ１６及びステージ１６上に載置される被検体１５の上面に縞パターンが投影される。ステップＳ１の処理が終了すると、ステップＳ２に進む。
【００３９】
ステップＳ２は、パターン光が照射された被検体１５を撮像する処理である。ステップＳ１により、ステージ１６及びステージ１６上に載置された被検体１５の表面１５ａに縞パターンが投影されると、ステージ１６の表面や被検体１５の表面１５ａが平坦であれば、パターン光は、光軸Ｌ１方向に反射する。一方、ステージ１６の表面や被検体１５の表面１５ａに傷３０がある場合には、パターン光は傷３０によって散乱する。この散乱光のうち、Ｃ方向に反射する散乱光を用いて撮像部１８による被検体１５の撮像が行われ、画像Img_Lnが取得される。同時に、Ｄ方向に反射する散乱光を用いて撮像部１９による被検体１５の撮像が実行され、画像Img_Rnが取得される。このように、２カ所に配置された撮像部１８，１９によって被写体１５の撮像を行うことで、フォトグラメトリーの原理での測定を行うことができ、投影パターンの精度に依存しない測定を行うことができる。ステップＳ２の処理が終了すると、ステップＳ３に進む。
【００４０】
ステップＳ３は、フィルタ３３を挿入した状態で被検体１５を撮像する処理である。ステップＳ２が終了すると、制御部４５は、切替機構３６を介して散乱光の入射光路から退避しているフィルタ３３を散乱光の入射光路に挿入させる。この状態で、撮像部１８における被写体１５の撮像が実行され、画像Img_LBnが取得される。ステップＳ３の処理が終了すると、ステップＳ４に進む。
【００４１】
ステップＳ４は、全てのパターン光を照射したか否かを判定する処理である。例えば第１〜第４投影パターンの全てを照射した場合には、ステップＳ５に進む。一方、第１〜第４投影パターンの全てを照射していない場合には、ステップＳ１に戻る。このとき、制御部４５は、切替機構３６を介してフィルタ３３を散乱光の入射光路から退避させる。ステップＳ４の処理が終了すると、ステップＳ５に進む。
【００４２】
ステップＳ５は、全ての検査位置でステップＳ１〜Ｓ４の処理を行ったか否かを判定する処理である。例えば全ての検査位置において、ステップＳ１〜Ｓ４の処理を実行していない場合には、ステップＳ６に進む。このときも、ステップＳ４と同様に、制御部４５は、切替機構３６を介してフィルタ３３を散乱光の光路内から退避させる。一方、全ての検査位置でステップＳ１〜Ｓ４の処理を行っている場合には、ステップＳ１０に進む。
【００４３】
ステップＳ６は、移動機構２１により、ステージ１６を次の検査位置へと上昇させる処理である。このステップＳ７において、ステージ１６を次の検査位置に移動させる処理が実行されると、ステップＳ１に戻る。
【００４４】
このようにして、全ての検査位置において、位相の異なるパターン光が照射されたときの被検体１５の画像が取得される。
【００４５】
ステップＳ１０は、取得された画像から検査位置における合焦領域を求める処理である。このステップＳ１０において用いる画像は、ステップＳ３において取得された画像、つまり、フィルタ３３を散乱光の入射経路に挿入したときに得られる画像Img_LB1〜Img_LB4である。このうち、同一の検査位置において取得された画像を合成し、この合成された画像に対して空間周波数の解析を行って、高周波数成分が多い領域を合焦領域として求める。なお、フィルタ３３を挿入した状態で得られる画像は焦点深度の浅い画像であることから、合焦領域を高精度で求めることができる。なお、ステップＳ１０の処理が終了すると、ステップＳ１１に進む。
【００４６】
ステップＳ１１は、ステップＳ１０において抽出された合焦領域内における被検体の形状の特定する処理である。まず、フィルタ３３を散乱光の入射光路から退避させたときに撮像部１８で得られる画像Img_L1〜Img_L4を合成する。また、撮像部１９で撮像された画像Img_R1〜Img_R4を合成する。これら画像の合成の後、ステップＳ１０において求められた合焦領域にある輝度値の高い点を抜き出す。これにより、傷３０によって散乱するパターン光はその散乱状態が一定ではないことから、複数方向から取得された画像を用いて輝度値の高い点を抽出することで、確実に被検体１５の表面の形状を得ることができる。ステップＳ１１の処理が終了すると、ステップＳ１２に進む。
【００４７】
ステップＳ１２は、ステップＳ１１において取得された輝度値が高い点の座標を求める処理である。このステップＳ１２の処理は、位相シフト法を用いて演算する。このステップＳ１２では、位相シフト法を用いて座標を求める際にアンラッピング処理を行い、また、撮像部１８で取得された画像の各画素と、撮像部１９で取得された画像の各画素とをサブピクセルを用いて対応付ける処理を実行する。これにより、輝度値の高い点の座標を高精度に求めることができる。なお、ステップＳ１２の処理が終了すると、ステップＳ１３に進む。
【００４８】
ステップＳ１３は、全ての検査位置に対して得られた画像に対して、ステップＳ１０〜Ｓ１２の処理を行ったか否かの判定を行う処理である。このステップＳ１３において、全ての検査位置でステップＳ１０〜Ｓ１２の処理を実行した場合には、ステップＳ１４に進む。一方、全ての検査位置に対してステップＳ１０〜Ｓ１２の処理が実行されていない場合には、ステップＳ１０に戻る。
【００４９】
ステップＳ１４は、ステップＳ１２において演算された座標を用いて、ステップＳ１１において取得された点を組み合わせる処理である。この処理を行うことによって、被検体１５の形状が求められ、計測によって求められた被検体１５の形状を示す画像が表示部４９に表示される。また、この測定結果は、記録媒体５０などに記録される。
【００５０】
本実施形態では、被検体の画像を全ての検査位置において取得した（ステップＳ１〜Ｓ６の処理）後に、取得された画像を用いて被検体の形状を求めている（ステップＳ１０〜Ｓ１４の処理）が、これに限定する必要はなく、被検体の画像を取得する処理、及び取得された画像から被検体の形状を求める処理を一つの検査位置で行った後に、ステージを次の検査位置に移動させて行くことも可能である。
【００５１】
また、ステップＳ１０〜ステップＳ１２の処理を検査位置毎に実行する流れとしているが、これに限定する必要はなく、ステップＳ１０〜ステップＳ１２の各処理を全ての検査位置についてまとめて実行することも可能である。
【００５２】
本実施形態では、被検体の表面に傷があることを前提にして説明しているが、被検体の表面に傷がない場合であっても表面で発生する散乱光を捉えることが可能であれば、同様に処理することが可能である。
【００５３】
本実施形態では、撮像部を２カ所に配置した実施形態としているが、これに限定される必要はなく、１つの撮像部を配置した形状測定装置であってもよい。
【００５４】
本実施形態では、撮像部１８にフィルタ３３を配置し、このフィルタ３３を散乱光の入射光路に挿入した状態と、散乱光の入射光路から退避させた状態との間で切り替えることで、撮像部１８における焦点深度を変更しているが、これに限定される必要はなく、撮像部１８に絞りを設け、この絞りの絞り値を変化させることで、焦点深度を変更することも可能である。
【００５５】
また、この他に、例えば２つの撮像部を備えている場合には、これら撮像部のそれぞれにおける焦点深度を異なるように設定し、合焦領域の特定を行う画像を取得する場合に焦点深度が浅く設定された撮像部を用い、被検体の形状の特定及び位置情報の演算を行う画像を取得する場合に焦点深度が深く設定された撮像部を用いるようにしても良い。
【００５６】
また、撮像部のそれぞれにおける焦点深度を異なるように設定する他に、検査位置毎に、焦点深度を複数段階で変化させて撮像を行うことも可能である。複数段階で焦点深度を変化させて撮像することで、撮像された画像から被検体の測定に使用しない領域、つまり合焦領域外となる領域を求めることができる。つまり、焦点深度を変化させると、合焦領域に該当する画素のコントラスト値が変動するが、合焦領域外となる領域においては、焦点深度を変化させても画素のコントラスト値が変動しないことから、この画素のコントラスト値が変動しない領域を被検体の測定に使用しない領域とすることで、合焦領域を求めることができる。
【００５７】
本実施形態では、フィルタが散乱光の入射光路に挿入されたときに取得される画像から合焦領域を特定しているが、この他に、ＳＦＦ（Ｓｈａｐｅ ｆｒｏｍ Ｆｏｃｕｓ）法の原理を用いて合焦領域を求めることも可能である。ＳＦＦ法とは、例えば検査位置毎に得られる画像のコントラスト値を全ての画素について算出した後、同一画素におけるコントラスト値を比較して、最大コントラスト値となる検査位置に基づいて物体の表面の形状を測定する方法である。つまり、フィルタを用いずに得られた各検査位置における画像からコントラスト値を求め、同一画素のコントラスト値の比較を各検査位置に対して行ったときに最大コントラスト値となる画素を検査位置毎に抽出することで、検査位置毎の合焦領域を求めることができる。
【００５８】
本実施形態では、被検体１５として表面が鏡面からなる金属部品の場合について説明をしているが、表面が拡散面からなる被検体であってもよい。拡散面の場合、反射光の拡散性が高くなるので、撮像部には、傷で反射する反射光の他に、被検査体の表面で拡散される拡散光も入射される。この場合も、取得される画像に対して合焦範囲を求め、その合焦範囲における被検体の形状を求めればよい。なお、合焦領域を求める方法としては、空間周波数の解析を行う、或いは、得られた画像の画素と周辺の画素とのコントラスト値を求め、このコントラスト値が変動する領域を求めることが挙げられる。
【００５９】
本実施形態では、撮像部１８の入射光路にフィルタ３３を挿入したときに得られる画像を用いて合焦領域を求めているが、これに限定する必要はなく、拡散光を用いて合焦領域を求めることも可能である。図６に示すように、パターン光照射部１７の他に、拡散光を照射する拡散光照射部７０を設ける。この拡散光照射部７０は、例えば、光源７１及び拡散光学系７２から構成すればよい。なお、図６においては、本実施形態と同一の機能を有する箇所については、同一の符号を付してある。
【００６０】
この場合、形状測定が開始された場合には、パターン光照射部１７のパターン光の照射後に、拡散光照射部６０による拡散光を照射し、それぞれの光が照射されたことに同期して撮像部１８，１９における被検体１５の撮像を行う。そして、拡散光が照射されたときに取得された画像を用いることで、合焦領域を求める。なお、合焦領域を求める方法としては、上述したＳＦＦ法を用いればよい。この拡散光を照射することで、オクルージョンが発生しても、その影響を低減することができる。なお、オクルージョンとは、手前にある物体が背後にある物体を隠す状態であり、ここでは、被検体１５の形状が複雑な形状からなる場合に、手前側にある部分により奥側にある部分へ光の照射を防ぐ場合や、拡散光の照射域に撮像部１８，１９が入り込んでしまう場合にオクルージョンが発生する。つまり、拡散光を用いることで、このオクルージョンの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】形状測定装置の構成の一例を示す概略図である。
【図２】ステージに投影される縞パターンの一例を示す図である。
【図３】被検体表面における反射状態を示す図である。
【図４】合焦領域における点群の抽出の流れを示す図である。
【図５】形状測定の手順を示すフローチャートである。
【図６】他の形状測定装置の構成を示す概略図である。
【符号の説明】
【００６２】
１０・・・形状測定装置、１５・・・被検体、１６・・・ステージ、１７・・・パターン光照射部、１８，１９・・・撮像部、２０・・・コントローラ、３３・・・フィルタ、４６・・・領域決定部、４７形状演算部、４８・・・形状合成部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体又は該被検体が載置されたステージの少なくとも一方を、間隔が異なるように、予め設定された複数の検査位置のそれぞれの位置に移動させる移動工程と、
各検査位置に移動した前記被検体に向けて、位相の異なる複数のパターン光を順次照射する照射工程と、
前記複数のパターン光が照射された前記被検体をそれぞれ撮像する撮像工程と、
各検査位置における合焦領域を、撮像された画像から求める領域決定工程と、
前記複数のパターン光の位相情報と撮像された画像とを用いて前記合焦領域における前記被検体の形状を前記検査位置毎に特定し、各検査位置において特定された被写体の形状をそれぞれ合成する形状合成工程と、
を備えたことを特徴とする形状測定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の形状測定方法において、
前記撮像工程は、複数の異なる方向から前記被検体を同時に撮像する工程からなり、
前記領域決定工程は、前記複数の異なる方向から撮像された画像を用いることによって、前記合焦領域を求めることを特徴とする形状測定方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の形状測定方法において、
前記照射工程は、前記位相の異なる複数のパターン光の他に、拡散光を前記被検体に向けて照射する工程をさらに備え、
前記撮像工程は、前記拡散光が照射された被検体を撮像し、
前記領域決定工程は、前記拡散光が照射された被検体を撮像することで得られた画像に基づいて前記合焦領域を求めることを特徴とする形状測定方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の形状測定方法において、
前記照射工程により照射されたパターン光の像面と、前記撮像工程における合焦面とが一致していることを特徴とする形状測定方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の形状測定方法において、
前記撮像工程は、焦点深度の異なる画像を取得し、
前記領域決定工程は、前記焦点深度の異なる画像のうち、焦点深度の浅い画像を用いて、前記合焦領域を求めることを特徴とする形状測定方法。
【請求項６】
請求項５に記載の形状測定方法において、
前記焦点深度は、前記撮像時に用いる散乱光の波長を変化させることで変更され、
前記領域決定工程は、前記焦点深度を変更することで得られる画像から、前記合焦領域以外の領域を検出し、前記合焦領域を特定することを特徴とする形状測定方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の形状測定方法において、
前記形状合成工程は、前記合焦領域にある前記被検体の表面に形成された傷を利用することで前記被検体の形状を特定することを特徴とする形状測定方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の形状測定方法において、
前記被検体は、金属部品からなることを特徴とする形状測定方法。
【請求項９】
被検体が載置されたステージと、
前記被検体又は前記ステージの少なくとも一方を、間隔が異なるように、予め設定された複数の検査位置に移動させる移動手段と、
各検査位置に移動した前記被検体に向けて、位相の異なる複数のパターン光を順次照射する照射手段と、
前記複数のパターン光が照射された前記被検体をそれぞれ撮像する撮像手段と、
各検査位置における合焦領域を、撮像された画像から求める領域決定手段と、
前記複数のパターン光の位相情報と撮像された画像とを用いて前記合焦領域における前記被検体の形状を前記検査位置毎に取得し、各検査位置において取得された被写体の形状をそれぞれ合成する形状合成手段と、
を備えたことを特徴とする形状測定装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の形状測定装置において、
前記撮像手段は、前記被検体の上方に、且つ異なる位置に複数設けられ、
前記領域決定手段は、前記複数の撮像手段のそれぞれで撮像された画像を用いて、前記合焦領域を求めることを特徴とする形状測定装置。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載の形状測定装置において、
前記被検体に向けて拡散光を照射する拡散光照射手段をさらに備え、
前記撮像手段は、拡散光が照射された被検体を撮像し、
前記領域決定手段は、前記拡散光が照射された被検体を撮像することで得られた画像に基づいて、前記合焦領域を求めることを特徴とする形状測定装置。
【請求項１２】
請求項９〜１１のいずれか１項に記載の形状測定装置において、
前記被検体に向けて照射される前記パターン光の像面と、前記撮像手段の合焦面とが一致するように、前記撮像手段が配置されていることを特徴とする形状測定装置。
【請求項１３】
請求項９〜１２のいずれか１項に記載の形状測定装置において、
前記撮像手段は、焦点深度の異なる画像を取得することが可能であり、
前記領域決定手段は、前記撮像手段によって取得された画像のうち、焦点深度の浅い画像を用いて、前記合焦領域を求めることを特徴とする形状測定装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の形状測定装置において、
前記焦点深度は、通過波長域を変更することで変更可能であり、
前記領域決定手段は、前記通過波長域を変更することで焦点深度が変更された画像を用いて、前記合焦領域外の領域を検出することで、前記合焦領域を特定することを特徴とする形状測定装置。
【請求項１５】
請求項９〜１４のいずれか１項に記載の形状測定装置において、
前記形状合成手段は、前記合焦領域にある前記被検体の表面に形成された傷を利用することで前記被検体の形状を特定することを特徴とする形状測定装置。
【請求項１６】
請求項９〜１５のいずれか１項に記載の形状測定装置において、
前記被検体は、金属部品からなることを特徴とする形状測定装置。
【請求項１】
被検体又は該被検体が載置されたステージの少なくとも一方を、間隔が異なるように、予め設定された複数の検査位置のそれぞれの位置に移動させる移動工程と、
各検査位置に移動した前記被検体に向けて、位相の異なる複数のパターン光を順次照射する照射工程と、
前記複数のパターン光が照射された前記被検体をそれぞれ撮像する撮像工程と、
各検査位置における合焦領域を、撮像された画像から求める領域決定工程と、
前記複数のパターン光の位相情報と撮像された画像とを用いて前記合焦領域における前記被検体の形状を前記検査位置毎に特定し、各検査位置において特定された被写体の形状をそれぞれ合成する形状合成工程と、
を備えたことを特徴とする形状測定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の形状測定方法において、
前記撮像工程は、複数の異なる方向から前記被検体を同時に撮像する工程からなり、
前記領域決定工程は、前記複数の異なる方向から撮像された画像を用いることによって、前記合焦領域を求めることを特徴とする形状測定方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の形状測定方法において、
前記照射工程は、前記位相の異なる複数のパターン光の他に、拡散光を前記被検体に向けて照射する工程をさらに備え、
前記撮像工程は、前記拡散光が照射された被検体を撮像し、
前記領域決定工程は、前記拡散光が照射された被検体を撮像することで得られた画像に基づいて前記合焦領域を求めることを特徴とする形状測定方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の形状測定方法において、
前記照射工程により照射されたパターン光の像面と、前記撮像工程における合焦面とが一致していることを特徴とする形状測定方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の形状測定方法において、
前記撮像工程は、焦点深度の異なる画像を取得し、
前記領域決定工程は、前記焦点深度の異なる画像のうち、焦点深度の浅い画像を用いて、前記合焦領域を求めることを特徴とする形状測定方法。
【請求項６】
請求項５に記載の形状測定方法において、
前記焦点深度は、前記撮像時に用いる散乱光の波長を変化させることで変更され、
前記領域決定工程は、前記焦点深度を変更することで得られる画像から、前記合焦領域以外の領域を検出し、前記合焦領域を特定することを特徴とする形状測定方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の形状測定方法において、
前記形状合成工程は、前記合焦領域にある前記被検体の表面に形成された傷を利用することで前記被検体の形状を特定することを特徴とする形状測定方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の形状測定方法において、
前記被検体は、金属部品からなることを特徴とする形状測定方法。
【請求項９】
被検体が載置されたステージと、
前記被検体又は前記ステージの少なくとも一方を、間隔が異なるように、予め設定された複数の検査位置に移動させる移動手段と、
各検査位置に移動した前記被検体に向けて、位相の異なる複数のパターン光を順次照射する照射手段と、
前記複数のパターン光が照射された前記被検体をそれぞれ撮像する撮像手段と、
各検査位置における合焦領域を、撮像された画像から求める領域決定手段と、
前記複数のパターン光の位相情報と撮像された画像とを用いて前記合焦領域における前記被検体の形状を前記検査位置毎に取得し、各検査位置において取得された被写体の形状をそれぞれ合成する形状合成手段と、
を備えたことを特徴とする形状測定装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の形状測定装置において、
前記撮像手段は、前記被検体の上方に、且つ異なる位置に複数設けられ、
前記領域決定手段は、前記複数の撮像手段のそれぞれで撮像された画像を用いて、前記合焦領域を求めることを特徴とする形状測定装置。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載の形状測定装置において、
前記被検体に向けて拡散光を照射する拡散光照射手段をさらに備え、
前記撮像手段は、拡散光が照射された被検体を撮像し、
前記領域決定手段は、前記拡散光が照射された被検体を撮像することで得られた画像に基づいて、前記合焦領域を求めることを特徴とする形状測定装置。
【請求項１２】
請求項９〜１１のいずれか１項に記載の形状測定装置において、
前記被検体に向けて照射される前記パターン光の像面と、前記撮像手段の合焦面とが一致するように、前記撮像手段が配置されていることを特徴とする形状測定装置。
【請求項１３】
請求項９〜１２のいずれか１項に記載の形状測定装置において、
前記撮像手段は、焦点深度の異なる画像を取得することが可能であり、
前記領域決定手段は、前記撮像手段によって取得された画像のうち、焦点深度の浅い画像を用いて、前記合焦領域を求めることを特徴とする形状測定装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の形状測定装置において、
前記焦点深度は、通過波長域を変更することで変更可能であり、
前記領域決定手段は、前記通過波長域を変更することで焦点深度が変更された画像を用いて、前記合焦領域外の領域を検出することで、前記合焦領域を特定することを特徴とする形状測定装置。
【請求項１５】
請求項９〜１４のいずれか１項に記載の形状測定装置において、
前記形状合成手段は、前記合焦領域にある前記被検体の表面に形成された傷を利用することで前記被検体の形状を特定することを特徴とする形状測定装置。
【請求項１６】
請求項９〜１５のいずれか１項に記載の形状測定装置において、
前記被検体は、金属部品からなることを特徴とする形状測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−１８０７０８（Ｐ２００９−１８０７０８Ａ）
【公開日】平成２１年８月１３日（２００９．８．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２２５８６（Ｐ２００８−２２５８６）
【出願日】平成２０年２月１日（２００８．２．１）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月１３日（２００９．８．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月１日（２００８．２．１）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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