形状測定装置
【課題】正確な三次元形状測定を行うことができる形状測定装置を提供する。
【解決手段】パタン投影系２０が、投影パターンの投影方向を、第１の投影方向Ａ１と、第１の投影方向に対して撮像系の光軸を中心に１８０度回転対称となる第２の投影方向Ａ２とで切り替える投影方向切替手段３０を有して構成され、形状測定部５０は、被検物の表面上における同一の測定点に対し、第１の投影方向Ａ１で投影された投影パターンが基準線に対して変形した量から求まる測定点の第１の高さ情報と、第２の投影方向で投影された投影パターンが基準線に対して変形した量から求まる第２の高さ情報との差から算出可能な撮像系のディストーションに因り発生する高さ情報を、第１又は第２の高さ情報から除いて、測定点の高さを測定する。
【解決手段】パタン投影系２０が、投影パターンの投影方向を、第１の投影方向Ａ１と、第１の投影方向に対して撮像系の光軸を中心に１８０度回転対称となる第２の投影方向Ａ２とで切り替える投影方向切替手段３０を有して構成され、形状測定部５０は、被検物の表面上における同一の測定点に対し、第１の投影方向Ａ１で投影された投影パターンが基準線に対して変形した量から求まる測定点の第１の高さ情報と、第２の投影方向で投影された投影パターンが基準線に対して変形した量から求まる第２の高さ情報との差から算出可能な撮像系のディストーションに因り発生する高さ情報を、第１又は第２の高さ情報から除いて、測定点の高さを測定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光切断法を用いて工業製品等の被検物の三次元形状を測定する形状測定装置に関する。
【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。光学式の三次元形状測定装置も種々の方式や構成のものがあるが、その一つであって一般に光切断法と称される方式を用いた光学式の三次元形状測定装置は、スリット光を生成して被検物にスリット状の投影パターンを投影して、撮像された投影パターンの基準線に対する変形量に基づいて被検物の高さを測定するように構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−８４４２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このように、光切断法を用いた形状測定装置においては、撮像結果から投影パターンの変形量を求めて形状測定を行うため、撮像系のディストーションにより投影パターンに歪が発生すると、歪による投影パターンの変形が測定誤差になり、正確な形状測定を行うことができなくなる。したがって、従来から光切断法を用いた形状測定装置においては、撮像系のディストーションがなるべく補正されるように光学設計されているが、高さの異なる被検物の表面からの反射光を撮像するものであるため、被検物の表面全域に対して良好なディストーション補正を光学的に行うには限界があった。
【０００５】
本発明は、このような問題に鑑みてなされており、ディストーションが測定結果に及ぼす影響をなくし、被検物の形状測定を正確に行うことができる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】
【０００６】
上記目的達成のため、本発明に係る形状測定装置は、スリット光を生成して被検物にスリット状の投影パターンを投影するパタン投影系と、被検物に投影された投影パターンを撮像する撮像系と、撮像系で撮像された投影パターンが当該投影パターンのスリット基準線に対して直交方向に変形した量に基づいて被検物の高さを測定する形状測定部と、を有して構成される形状測定装置において、パタン投影系が、投影パターンの投影方向を、第１の投影方向と、第１の投影方向に対して撮像系の光軸を中心に１８０度回転対称となる第２の投影方向とで切り替える投影方向切替手段を有し、第１の投影方向で投影された投影パターンのスリット基準線と、第２の投影方向で投影された投影パターンのスリット基準線とが平行となるように構成されている。そして、前記形状測定部は、被検物の表面上における同一の測定点に対し、前記第１の投影方向で投影された投影パターンがスリット基準線に対して変形した量から求まる前記測定点の第１の高さ情報と、前記第２の投影方向で投影された投影パターンがスリット基準線に対して変形した量から求まる第２の高さ情報とに基づいて、前記測定点の高さを測定するように構成されている。
【０００７】
なお、前記形状測定部は、被検物の表面上における同一の測定点に対し、前記第１の高さ情報と前記第２の高さ情報との差から算出可能な前記撮像系のディストーションに因り発生する高さ情報を前記第１又は第２の高さ情報から除いて、前記測定点の高さを測定するように構成されているのが好ましい。
【０００８】
また、前記パタン投影系が、第１の投影方向における被検物に対する投影パターンの投影角度と、第２の投影方向における被検物に対する投影パターンの投影角度とが等しくなるように構成され、前記被検物を支持する支持部材が、前記投影パターンの基準線と直交方向に移動自在に構成されており、前記支持部材を移動させることにより、投影パターンで前記被検物の表面全域を走査させるように構成されているのが好ましい。
【０００９】
さらに、前記パタン投影系が、投影パターンの投影角度を変更する投影角度変更手段を有して構成されており、前記投影パターンの投影角度を変更することにより、投影パターンで前記被検物の表面全域を走査させるように構成されているのが好ましい。
【００１０】
さらに、前記投影方向切替手段が、前記スリット光を二分する分光器と、前記分光器により分光された第１スリット光を反射して前記第１の投影方向で被検物に投影パターンを投影する第１反射部と、前記分光器により分光された第２スリット光を反射して前記第２の投影方向で前記被検物に投影パターンを投影する第２反射部と、前記第１スリット光および前記第２スリット光のいずれか一方の光路を選択して遮断する遮断部と、を有して構成されているのが好ましい。
【００１１】
さらに、前記投影方向切替手段が、前記パタン投影系が設けられている鏡筒を、第１の回転位置と、前記第１の回転位置に対して前記撮像系の光軸周りに１８０度回転された第２の回転位置との間で移動させる回転移動機構を有して構成されているのが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように構成される本発明によれば、撮像系の光軸を中心にして１８０度回転対称の位置から照射された場合には、投影パターンのスリット基準線が平行になり、投影パターンのスリット基準線に対する変形が、真逆の方向になって表われる。一方、第１および第２投影方向のいずれにおいて投影パターンを投影しても、撮像系のディストーションによって測定誤差となる投影パターンの変形は、同じ方向に表われる。すなわち、同一の測定点に対し、２つの投影方向で投影して得られた２つの高さ情報の差に基づき、ディストーションにより発生する測定誤差を簡単に算定可能になる。このため、ディストーションによる誤差を除いて被検物の高さを正確且つ簡単に測定することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。本発明に係る第１実施例の形状測定装置１の構成を図１に示しており、この形状測定装置１について図１を参照して説明する。なお、下記Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向は、図示する矢印の方向に対応させて説明している。
【００１４】
この形状測定装置１は、支持面１０ａ上に載置された被検物５を保持するステージ１０と、ステージ１０に保持された被検物５にスリット状の投影パターンを投影するパタン投影系２０と、被検物５からの反射光を受けて被検物５に投影された投影パターンを撮像する撮像系４０と、撮像系４０の撮像結果に基づいて被検物５のステージ１０の支持面１０ａに対する高さを計測する形状測定部５０とを有して構成されている。なお、この形状測定装置１は、被検物５として、例えば携帯電話機のケーシングを成型する金型等の工業製品を測定対象とするものであるが、本実施例では被検物５を便宜上半球状の物体として説明している。
【００１５】
ステージ１０は、支持面１０ａ上に被検物５を保持し、移動機構１５により駆動されてＸ方向に移動されるように構成されている。ステージ１０の移動位置はエンコーダ等の図示しない位置検出器により検出され、検出値が形状測定部５０に出力されるようになっている。
【００１６】
パタン投影系２０は、例えばＬＥＤ等が用いられた光源２１と、光源２１からの光を受けてスリット光を生成するパタン形成部２２とを有して構成されている。パタン形成部２２は、光源２１からの光を集光するシリンドリカルレンズ２２ａと、シリンドリカルレンズ２２ａから出射された光を通過させて所定幅のスリット光に整形するスリット板２２ｂとを有して構成されている。
【００１７】
また、パタン投影系２０は、投影方向切替部３０により、パタン形成部２２によって生成されたスリット光の投影方向を切り替え可能になっている。投影方向切替部３０は、パタン形成部２２からのスリット光を二分するハーフプリズム３１と、ハーフプリズム３１における反射光（以下、第１スリット光とも称する）を全反射し、ステージ１０上の被検物５に第１投影方向A1で第１スリット光を投影する第１ミラー３２と、ハーフプリズム３１における透過光（以下、第２スリット光とも称する）をハーフプリズム３１の反射方向に対して逆方向に反射する第２ミラー３３と、第２ミラー３３からの光を反射してステージ１０上の被検物５に第２投影方向A2で第２スリット光を投影する第３ミラー３４と、第１スリット光の光路に対して出入自在に配設された第１シャッタ３５と、第２スリット光の光路に対して出入自在に配設された第２シャッタ３６と、第１および第２シャッタ３５，３６を駆動していずれか一方のシャッタを光路上に位置させるシャッタ駆動機構３７とを有して構成されている。各ミラー３２〜３４は、第１および第２投影方向A1，A2が互いに撮像系４０の光軸４０Ｌを中心にして１８０度回転対称の位置関係となるように配置されている。すなわち、第１スリット光を投影したときの投影パターンのスリット基準線と、第２スリット光を投影したときの投影パターンのスリット基準線とが互いに平行になっており、Ｙ方向に延びている。
【００１８】
この投影方向切替部３０によると、シャッタ駆動機構３７の作動により、第２シャッタ３６が光路上に配置されているときには第１シャッタ３５が光路から退避されるようになっており、このときには、第１投影方向A1から被検物５に投影パターンが投影される一方、第２スリット光は第２シャッタ３６により遮断される。また、第１シャッタ３５が光路上に配置されているときには第２シャッタ３６が光路から退避され、第２投影方向A2から被検物５に投影パターンが投影される一方、第１スリット光は第１シャッタ３５により遮断される。このように、パタン投影系２０においては、第１および第２スリット光のいずれか一方のスリット光を、被検物５に投影可能になっている。
【００１９】
また、ハーフプリズム３１および第１〜第３ミラー３２〜３４が、第１投影方向A1から投影される第１スリット光の投影角度θと、第２投影方向A2から投影される第２スリット光の投影角度θとが等しくなるように配設されている。投影方向切替部３０を含めてパタン投影系２０を構成する各部品は、投影系鏡筒２０ａに固定されて設けられている。
【００２０】
撮像系４０においては、対物レンズ４１を介して集光された反射光を受けて撮像装置４２の撮像面４２ａに被検物５の像が撮像される。なお、撮像系４０の光軸４０ＬはＺ方向に延びている。撮像面４２ａにはＣＣＤ等の光電変換素子が設けられており、撮像面４２ａに撮像された画像データが形状測定部５０に送られる。形状測定部５０においては、以下に説明する画像演算処理がなされ、被検物５の形状測定が行われる。
【００２１】
以下、第１実施例の形状測定装置１における被検物５の表面形状を測定する方法について説明する。まず、ステージ１０の支持面１０ａ上に被検物５を保持し、投影方向切替部３０により第１投影方向A1から第１スリット光が所定の投影角度θで投影される状態にし、ステージ１０をＸ方向に移動させる。これにより、第１スリット光によって被検物５の表面全域が走査される。このとき、所定の走査間隔ごとに撮像系４０により被検物５（及びステージ１０の支持面１０ａ）に投影された投影パターンの像が取得される。そして形状測定部５０において、取得された各像に対して投影パターンが結像された画素位置に応じて測定点が規定される。
【００２２】
ここで、図２に示すように、ある測定点Ｐに投影された投影パターンの像に着目すると、Ｙ方向にスリット基準線Ｌが延びるスリット光が被検物５に投影されたとき、測定点の高さに応じてＸ方向（スリット基準線Ｌに対して直交方向）に変形された像が得られる。撮像系４０にディストーションがないと仮定した場合には、投影パターンが一点鎖線α1で示される像として結像されるが、実際には撮像系４０のディストーションにより、実線β1で示されるように像に歪みが生じる。このため、測定点Ｐに対して検出されるスリット基準線Ｌに対する変形量δ1は、実際の高さhRに応じた変形量δRに、測定点Ｐからの反射光に対する撮像系４０のディストーションによる変位量δdを加えた量となる（δ1＝δR＋δd）。
【００２３】
なお、各測定点のＹ位置は、測定点からの反射光の結像位置から求めることができる。Ｘ位置は、ステージ１０が移動される本実施例においては、測定点Ｐからの反射光が結像されたときにおいて位置検出器により検出されたステージ１０のＸ位置と、基準線Ｌ（ステージ１０の支持面１０ａ上を投影したパターン）の結像位置と、測定点Ｐからの反射光の結像位置とに基づいて求めることができる。
【００２４】
次に、投影方向切替部３０により第２投影方向A2から第２スリット光が上記と同じ投影角度θで投影される状態にし、ステージ１０をＸ方向に移動させ、所定走査間隔ごとに撮像系４０により被検物５（及びステージ１０の支持面１０ａ）に投影された投影パターンの像が取得され、上記と同様にして測定点が規定される。
【００２５】
また、支持面１０ａ上には校正用プレートが設けられている。このため、第１投影方向から投影されたときにおいて求められた校正用プレートのＸ位置と、第２投影方向から投影されたときにおいて求められた校正用プレートのＸ位置との差分を求め、この差分を第２投影方向で投影されたときにおける各測定点のＸ位置に加算することで、第１投影方向で投影されたときの各測定点のＸ位置と、第２投影方向で投影された各測定点のＸ位置とを整合させることができる。
【００２６】
ここで、上記と同様にして、測定点Ｐに投影された投影パターンの像に着目する。上記の通り第１および第２スリット光は、互いに１８０度回転対称の位置から投影され、スリット基準線Ｌが平行になっている。このため、図２に示すように、この測定点Ｐに対して得られる像は、測定点の高さに応じて上記と逆方向（−Ｘ方向）に変形された像が得られる。撮像系４０にディストーションがないと仮定した場合には、投影パターンが一点鎖線α2で示される像として結像されるが、実際には撮像系４０のディストーションにより、実線β2で示されるように歪んだ像が結像される。ただし、同一の測定点Ｐからの反射光に対するディストーションによる変位は同じ方向に一定値として現れるため、測定点Ｐに対して検出されるスリット基準線Ｌに対する変形量δ2は、実際の高さhRに応じた変形量δRから、測定点Ｐからの反射光に対する撮像系４０のディストーションによる変位量δdを差し引いた量となる（δ2＝δR−δd）。なお、第１および第２スリット光は投影角度が等しいため、実際の高さhRに応じた変形量δRは、第１および第２スリット光を投影したときとで等しくなっている。
【００２７】
次に、第１スリット光を投影したときの各測定点のＸおよびＹ位置と、第２スリット光を投影したときの各測定点のＸおよびＹ位置とを比較して同位置にある測定点を抽出し、その同一測定点に対してＺ位置を求める。ここでも、図２に示される測定点Ｐについて代表して説明すると、次式(１)，(２)に基づき、第１および第２スリット光を投影したときにおいて、測定点Ｐにおけるスリット基準線Ｌに対するそれぞれの変形量δ1，δ2から、測定点Ｐに対する２つの高さ情報h1，h2を得ることができる。
【００２８】
h1＝δ1tanθ＝(δR＋δd)tanθ＝hR＋δdtanθ …(1)
h2＝δ2tanθ＝(δR−δd)tanθ＝hR−δdtanθ …(2)
【００２９】
このように、両高さ情報h1，h2には、実際の高さhRに対し、撮像系４０のディストーションによる測定誤差分δdtanθが含まれていることがわかる。測定点Ｐの実際の高さhRは、式(1)，(2)に基づき、次式(3)により求めることができる。
【００３０】
hR＝(h1＋h2)／2＝tanθ(δ1＋δ2)／2 …(3)
【００３１】
このようにして各測定点に対して実際の高さが式(3)に基づいて求められ、被検物の表面全域に対して三次元形状の測定が行われる。
【００３２】
以上のように、本実施例の形状測定装置によると、第１および第２の投影方向A1，A2から投影された投影パターンの基準線が平行になっており、投影パターンの基準線に対する変形が真逆の方向になって現われる。このため、第１および第２投影方向のいずれにおいて投影パターンを投影しても、撮像系のディストーションによって測定誤差となる投影パターンの変形は、同じ方向になって現われる。このため、ディストーションの影響を含む投影パターンの変形量δ1，δ2から求まる高さ情報h1，h2から、ティストーションによる誤差分δdtanθを簡単に除くことができ、被検物５の実際の高さを正確に測定することができるようになる。
【００３３】
しかも、本実施例においては、第１投影方向A1における被検物５に対する投影パターンの投影角度と、第２投影方向A2における被検物５に対する投影パターンの投影角度とが固定されて等しくなっている。このため、第１投影方向A1で投影したときにも、第２投影方向A2で投影したときにも、ティストーションによる誤差分δdtanθが等しい値となる。したがって、式(3)に表されるように、第１投影方向A1で投影された投影パターンが基準線Ｌに対して変形された量δ1と、第２投影方向A2で投影された投影パターンが基準線に対して変形された量δ2とに基づいて、簡単な計算式によって測定点Ｐに対する実際の高さhRを求めることができるようになる。
【００３４】
次に、図３を参照して、本発明に係る第２実施例の形状測定装置１０１について説明する。以下の本実施例の説明において、第１実施例と同一部材については、同一の符号を付して重複説明を省略する。
【００３５】
本実施例のパタン投影系１２０においては、第１および第３ミラー１３２，１３４が揺動自在に取り付けられており、この第１および第３ミラー１３２，１３４を揺動して第１および第２スリット光の投影角度を変更する投影角度変更部１３８が設けられている。なお、投影角度変更部１３８には、第１および第３ミラー１３２，１３４の揺動角度を検出する図示しない角度検出器が備えられており、この角度検出器の検出値から第１および第２スリット光の投影角度を求めることができるようになっている。一方、ステージ１１０は固定されており、上記の移動機構１５が省略されている。本実施例では、投影角度変更部１３８によりスリット光の投影角度を変更させながら被検物５に投影パターンを投影することにより、被検物５の表面全域に対して投影パターンを走査させるようになっている。また、撮像系４０は、少なくとも被検物５の表面全域を視野内に収めることができるように構成されている。
【００３６】
このように構成される形状測定装置１０１を用いて行われる形状測定方法について説明する。まず、投影方向切替部３０により第１スリット光が投影される状態にする。そして、投影角度変更部１３８により投影角度を変更させながら被検物５に投影パターンを投影する。このとき、所定走査間隔ごとに、撮像系４０により被検物に投影された投影パターンの像が取得される。取得された各像に対し、投影パターンが結像された画素に応じた測定点が規定され、各測定点に対し、その測定点からの反射光が結像された画素位置に基づいてＸおよびＹ位置の情報が与えられる。また同時に、各測定点に対し、その測定点に対する第１スリット光の投影角度の情報が与えられる。
【００３７】
ここで、図４に示すように、ある測定点Ｐに投影された投影パターンの像に着目すると、Ｙ方向にスリット基準線Ｌが延びるスリット光が被検物５に投影されたとき、測定点の高さに応じてＸ方向（スリット基準線Ｌに対して直交方向）に変形された像が得られる。撮像系４０にディストーションがないと仮定した場合には、投影パターンが一点鎖線α1で示される像として結像されるが、実際には撮像系４０のディストーションにより、実線β1で示されるように像に歪みが生じる。このため、測定点Ｐに対して検出されるスリット基準線Ｌに対する変形量δ1は、実際の高さhRに応じた変形量δR1に、測定点Ｐからの反射光に対する撮像系４０のディストーションによる変位量δdを加えた量となる（δ1＝δR1＋δd）。
【００３８】
次に、第２投影方向から第２スリット光が投影される状態にし、投影角度変更部３８により投影角度を変更しながら、第２スリット光を支持面１０ａ上に保持された被検物５に投影される状態にする。そして、上記と同様にして取得された各像に対し、画素に応じた測定点が規定され、各測定点に対し、ＸおよびＹ位置の情報、および、その測定点に対する第２スリット光の投影角度の情報が与えられる。
【００３９】
ここで、上記と同様にして、測定点Ｐに投影された投影パターンの像に着目する。上記の通り第１および第２スリット光は、互いに１８０度回転対称の位置から投影され、スリット基準線Ｌが平行になっているため、この測定点Ｐに対して得られる像は、測定点の高さに応じて上記と逆方向に変形された像が得られる。撮像系４０にディストーションがないと仮定した場合には、投影パターンが一点鎖線α2で示される像として結像されるが、実際には撮像系４０のディストーションにより、実線β2で示されるように歪んだ像が結像される。ただし、同一の測定点Ｐからの反射光に対するディストーションによる変位は同じ方向に一定値として現れるため、測定点Ｐに対して検出されるスリット基準線Ｌに対する変形量δ2は、実際の高さhRに応じた変形量δR2から、測定点Ｐからの反射光に対する撮像系４０のディストーションによる変位量δdを差し引いた量となる（δ2＝δR2−δd）。
【００４０】
そして、第１スリット光が投影されたときと、第２スリット光が投影されたときとで、同一画素上に結像された測定点を抽出し、その同一測定点のそれぞれに対してＺ位置を求める。図４に示される測定点Ｐについて代表して説明すると、次式(4)，(5)に基づき、第１および第２スリット光を投影したときにおいて測定点Ｐにおけるスリット基準線Ｌに対するそれぞれの変形量δ1，δ2から、測定点Ｐに対する２つの高さ情報h1，h2を得ることができる。
【００４１】
h1＝δ1tanθ1＝(δR1＋δd)tanθ1＝hR＋δdtanθ1 …(4)
h2＝δ2tanθ2＝(δR2−δd)tanθ2＝hR−δdtanθ2 …(5)
【００４２】
このように両高さ情報h1，h2には、実際の高さhRに対し、撮像系４０のディストーションによる測定誤差分δdtanθ1，δdtanθ2がそれぞれ含まれているが、式(4)，(5)に基づき、撮像系４０のディストーションによる変位量δdは、式(6)で表されるように算定可能である。
【００４３】
【数１】
【００４４】
このようにディストーションによる変位量δdは、検出値を用いて算定可能であり、このような算定値と、式(4)または(5)とから、測定点Ｐの実際の高さhRを次式(7)により求めることができる。
【００４５】
【数２】
【００４６】
このようにして各測定点に対して実際の高さが求められ、第１実施例と同様にして、被検物５の表面全域に対して三次元形状の測定を正確且つ簡単に行うことができる。
【００４７】
次に、図５を参照して本発明の第３実施例について説明する。本実施例は、第１実施例に対してスリット光投影系の構成が異なるものであり、その他の構成や被検物５の形状測定の方法については第１実施例と同様であるため、同一の部材には同一の符号を付して重複説明を省略する。
【００４８】
本実施例のパタン投影系２２０は、第１実施例と同様の光源２１とパタン形成部２２とを有して構成されており、これらが投影用鏡筒２２０ａに固定されて設けられている。そして、パタン形成部２２により生成されたスリット光がステージ１０の支持面１０ａに支持された被検物５に所定の投影角度で投影されるようになっている。そして、このパタン投影系２２０には、撮像系４０の光軸４０Ｌ周りに投影用鏡筒２２０ａを回転させる回転機構２３０が設けられている。この回転機構２３０によって投影用鏡筒２２０ａを回転させることにより、被検物５に対するスリット光の投影方向を切替変更することができる。
【００４９】
このようなパタン投影系２２０を有した形状測定装置２２１においては、まず回転機構により投影用鏡筒２２０ａを所定の回転位置で保持し、ステージ１０を移動させながらステージ上１０の支持面１０ａにスリット光を投影することにより、スリット光により被検物５の表面全域に対して投影光がスキャンされる。そして、回転機構２３０により投影用鏡筒２２０ａを撮像系４０の光軸４０Ｌ周りに１８０度回転させ、この位置からスリット光を投影しながらステージ１０を移動させることにより、スリット光により被検物５の表面全域がスキャンされる。このように、本実施例においても、第１実施例と同様に、撮像系４０の光軸４０Ｌを中心にして１８０度回転対称の２方向から同一の投影角度でスリット光を投影することができ、第１実施例と同様にして被検物の表面形状を正確に測定することができる。
【００５０】
なお、パタン投影系２２０にスリット光の投影角度を変更させるためのミラーを揺動自在に設けてもよい。これにより、第２実施例と同様に、ミラーを揺動させながらスリット光を投影することにより、スリット光の投影角度を変更させながらスリット光を被検物５に投影し、スリット光により被検物５の表面全域をスキャンすることができる。したがって、第２実施例と同様にして被検物の表面形状を正確に測定することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明に係る第１実施例の形状測定装置の構成図である。
【図２】第１実施例の形状測定装置において第１又は第２投影方向からスリット光を被検物に投影した状態を示す説明図であり、(ａ)が形状測定装置を正面視で示す模式図であり、(ｂ)が撮像面における投影パターンの結像結果を示す説明図である。
【図３】本発明に係る第２実施例の形状測定装置の構成図である。
【図４】第２実施例の形状測定装置において第１又は第２投影方向からスリット光を被検物に投影した状態を示す説明図であり、(ａ)が形状測定装置を正面視で示す模式図であり、(ｂ)が撮像面における投影パターンの結像結果を示す説明図である。
【図５】本発明に係る第３実施例の形状測定装置の構成図である。
【符号の説明】
【００５２】
１，１０１，２０１ 形状測定装置 ５ 被検物
１０，１１０ ステージ ２０，１２０，２２０ パタン投影系
３０ 投影方向切替部 ３８ 投影角度切替部
４０ 撮像系 ５０ 形状測定部
２３０ 回転機構
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光切断法を用いて工業製品等の被検物の三次元形状を測定する形状測定装置に関する。
【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。光学式の三次元形状測定装置も種々の方式や構成のものがあるが、その一つであって一般に光切断法と称される方式を用いた光学式の三次元形状測定装置は、スリット光を生成して被検物にスリット状の投影パターンを投影して、撮像された投影パターンの基準線に対する変形量に基づいて被検物の高さを測定するように構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−８４４２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このように、光切断法を用いた形状測定装置においては、撮像結果から投影パターンの変形量を求めて形状測定を行うため、撮像系のディストーションにより投影パターンに歪が発生すると、歪による投影パターンの変形が測定誤差になり、正確な形状測定を行うことができなくなる。したがって、従来から光切断法を用いた形状測定装置においては、撮像系のディストーションがなるべく補正されるように光学設計されているが、高さの異なる被検物の表面からの反射光を撮像するものであるため、被検物の表面全域に対して良好なディストーション補正を光学的に行うには限界があった。
【０００５】
本発明は、このような問題に鑑みてなされており、ディストーションが測定結果に及ぼす影響をなくし、被検物の形状測定を正確に行うことができる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】
【０００６】
上記目的達成のため、本発明に係る形状測定装置は、スリット光を生成して被検物にスリット状の投影パターンを投影するパタン投影系と、被検物に投影された投影パターンを撮像する撮像系と、撮像系で撮像された投影パターンが当該投影パターンのスリット基準線に対して直交方向に変形した量に基づいて被検物の高さを測定する形状測定部と、を有して構成される形状測定装置において、パタン投影系が、投影パターンの投影方向を、第１の投影方向と、第１の投影方向に対して撮像系の光軸を中心に１８０度回転対称となる第２の投影方向とで切り替える投影方向切替手段を有し、第１の投影方向で投影された投影パターンのスリット基準線と、第２の投影方向で投影された投影パターンのスリット基準線とが平行となるように構成されている。そして、前記形状測定部は、被検物の表面上における同一の測定点に対し、前記第１の投影方向で投影された投影パターンがスリット基準線に対して変形した量から求まる前記測定点の第１の高さ情報と、前記第２の投影方向で投影された投影パターンがスリット基準線に対して変形した量から求まる第２の高さ情報とに基づいて、前記測定点の高さを測定するように構成されている。
【０００７】
なお、前記形状測定部は、被検物の表面上における同一の測定点に対し、前記第１の高さ情報と前記第２の高さ情報との差から算出可能な前記撮像系のディストーションに因り発生する高さ情報を前記第１又は第２の高さ情報から除いて、前記測定点の高さを測定するように構成されているのが好ましい。
【０００８】
また、前記パタン投影系が、第１の投影方向における被検物に対する投影パターンの投影角度と、第２の投影方向における被検物に対する投影パターンの投影角度とが等しくなるように構成され、前記被検物を支持する支持部材が、前記投影パターンの基準線と直交方向に移動自在に構成されており、前記支持部材を移動させることにより、投影パターンで前記被検物の表面全域を走査させるように構成されているのが好ましい。
【０００９】
さらに、前記パタン投影系が、投影パターンの投影角度を変更する投影角度変更手段を有して構成されており、前記投影パターンの投影角度を変更することにより、投影パターンで前記被検物の表面全域を走査させるように構成されているのが好ましい。
【００１０】
さらに、前記投影方向切替手段が、前記スリット光を二分する分光器と、前記分光器により分光された第１スリット光を反射して前記第１の投影方向で被検物に投影パターンを投影する第１反射部と、前記分光器により分光された第２スリット光を反射して前記第２の投影方向で前記被検物に投影パターンを投影する第２反射部と、前記第１スリット光および前記第２スリット光のいずれか一方の光路を選択して遮断する遮断部と、を有して構成されているのが好ましい。
【００１１】
さらに、前記投影方向切替手段が、前記パタン投影系が設けられている鏡筒を、第１の回転位置と、前記第１の回転位置に対して前記撮像系の光軸周りに１８０度回転された第２の回転位置との間で移動させる回転移動機構を有して構成されているのが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように構成される本発明によれば、撮像系の光軸を中心にして１８０度回転対称の位置から照射された場合には、投影パターンのスリット基準線が平行になり、投影パターンのスリット基準線に対する変形が、真逆の方向になって表われる。一方、第１および第２投影方向のいずれにおいて投影パターンを投影しても、撮像系のディストーションによって測定誤差となる投影パターンの変形は、同じ方向に表われる。すなわち、同一の測定点に対し、２つの投影方向で投影して得られた２つの高さ情報の差に基づき、ディストーションにより発生する測定誤差を簡単に算定可能になる。このため、ディストーションによる誤差を除いて被検物の高さを正確且つ簡単に測定することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。本発明に係る第１実施例の形状測定装置１の構成を図１に示しており、この形状測定装置１について図１を参照して説明する。なお、下記Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向は、図示する矢印の方向に対応させて説明している。
【００１４】
この形状測定装置１は、支持面１０ａ上に載置された被検物５を保持するステージ１０と、ステージ１０に保持された被検物５にスリット状の投影パターンを投影するパタン投影系２０と、被検物５からの反射光を受けて被検物５に投影された投影パターンを撮像する撮像系４０と、撮像系４０の撮像結果に基づいて被検物５のステージ１０の支持面１０ａに対する高さを計測する形状測定部５０とを有して構成されている。なお、この形状測定装置１は、被検物５として、例えば携帯電話機のケーシングを成型する金型等の工業製品を測定対象とするものであるが、本実施例では被検物５を便宜上半球状の物体として説明している。
【００１５】
ステージ１０は、支持面１０ａ上に被検物５を保持し、移動機構１５により駆動されてＸ方向に移動されるように構成されている。ステージ１０の移動位置はエンコーダ等の図示しない位置検出器により検出され、検出値が形状測定部５０に出力されるようになっている。
【００１６】
パタン投影系２０は、例えばＬＥＤ等が用いられた光源２１と、光源２１からの光を受けてスリット光を生成するパタン形成部２２とを有して構成されている。パタン形成部２２は、光源２１からの光を集光するシリンドリカルレンズ２２ａと、シリンドリカルレンズ２２ａから出射された光を通過させて所定幅のスリット光に整形するスリット板２２ｂとを有して構成されている。
【００１７】
また、パタン投影系２０は、投影方向切替部３０により、パタン形成部２２によって生成されたスリット光の投影方向を切り替え可能になっている。投影方向切替部３０は、パタン形成部２２からのスリット光を二分するハーフプリズム３１と、ハーフプリズム３１における反射光（以下、第１スリット光とも称する）を全反射し、ステージ１０上の被検物５に第１投影方向A1で第１スリット光を投影する第１ミラー３２と、ハーフプリズム３１における透過光（以下、第２スリット光とも称する）をハーフプリズム３１の反射方向に対して逆方向に反射する第２ミラー３３と、第２ミラー３３からの光を反射してステージ１０上の被検物５に第２投影方向A2で第２スリット光を投影する第３ミラー３４と、第１スリット光の光路に対して出入自在に配設された第１シャッタ３５と、第２スリット光の光路に対して出入自在に配設された第２シャッタ３６と、第１および第２シャッタ３５，３６を駆動していずれか一方のシャッタを光路上に位置させるシャッタ駆動機構３７とを有して構成されている。各ミラー３２〜３４は、第１および第２投影方向A1，A2が互いに撮像系４０の光軸４０Ｌを中心にして１８０度回転対称の位置関係となるように配置されている。すなわち、第１スリット光を投影したときの投影パターンのスリット基準線と、第２スリット光を投影したときの投影パターンのスリット基準線とが互いに平行になっており、Ｙ方向に延びている。
【００１８】
この投影方向切替部３０によると、シャッタ駆動機構３７の作動により、第２シャッタ３６が光路上に配置されているときには第１シャッタ３５が光路から退避されるようになっており、このときには、第１投影方向A1から被検物５に投影パターンが投影される一方、第２スリット光は第２シャッタ３６により遮断される。また、第１シャッタ３５が光路上に配置されているときには第２シャッタ３６が光路から退避され、第２投影方向A2から被検物５に投影パターンが投影される一方、第１スリット光は第１シャッタ３５により遮断される。このように、パタン投影系２０においては、第１および第２スリット光のいずれか一方のスリット光を、被検物５に投影可能になっている。
【００１９】
また、ハーフプリズム３１および第１〜第３ミラー３２〜３４が、第１投影方向A1から投影される第１スリット光の投影角度θと、第２投影方向A2から投影される第２スリット光の投影角度θとが等しくなるように配設されている。投影方向切替部３０を含めてパタン投影系２０を構成する各部品は、投影系鏡筒２０ａに固定されて設けられている。
【００２０】
撮像系４０においては、対物レンズ４１を介して集光された反射光を受けて撮像装置４２の撮像面４２ａに被検物５の像が撮像される。なお、撮像系４０の光軸４０ＬはＺ方向に延びている。撮像面４２ａにはＣＣＤ等の光電変換素子が設けられており、撮像面４２ａに撮像された画像データが形状測定部５０に送られる。形状測定部５０においては、以下に説明する画像演算処理がなされ、被検物５の形状測定が行われる。
【００２１】
以下、第１実施例の形状測定装置１における被検物５の表面形状を測定する方法について説明する。まず、ステージ１０の支持面１０ａ上に被検物５を保持し、投影方向切替部３０により第１投影方向A1から第１スリット光が所定の投影角度θで投影される状態にし、ステージ１０をＸ方向に移動させる。これにより、第１スリット光によって被検物５の表面全域が走査される。このとき、所定の走査間隔ごとに撮像系４０により被検物５（及びステージ１０の支持面１０ａ）に投影された投影パターンの像が取得される。そして形状測定部５０において、取得された各像に対して投影パターンが結像された画素位置に応じて測定点が規定される。
【００２２】
ここで、図２に示すように、ある測定点Ｐに投影された投影パターンの像に着目すると、Ｙ方向にスリット基準線Ｌが延びるスリット光が被検物５に投影されたとき、測定点の高さに応じてＸ方向（スリット基準線Ｌに対して直交方向）に変形された像が得られる。撮像系４０にディストーションがないと仮定した場合には、投影パターンが一点鎖線α1で示される像として結像されるが、実際には撮像系４０のディストーションにより、実線β1で示されるように像に歪みが生じる。このため、測定点Ｐに対して検出されるスリット基準線Ｌに対する変形量δ1は、実際の高さhRに応じた変形量δRに、測定点Ｐからの反射光に対する撮像系４０のディストーションによる変位量δdを加えた量となる（δ1＝δR＋δd）。
【００２３】
なお、各測定点のＹ位置は、測定点からの反射光の結像位置から求めることができる。Ｘ位置は、ステージ１０が移動される本実施例においては、測定点Ｐからの反射光が結像されたときにおいて位置検出器により検出されたステージ１０のＸ位置と、基準線Ｌ（ステージ１０の支持面１０ａ上を投影したパターン）の結像位置と、測定点Ｐからの反射光の結像位置とに基づいて求めることができる。
【００２４】
次に、投影方向切替部３０により第２投影方向A2から第２スリット光が上記と同じ投影角度θで投影される状態にし、ステージ１０をＸ方向に移動させ、所定走査間隔ごとに撮像系４０により被検物５（及びステージ１０の支持面１０ａ）に投影された投影パターンの像が取得され、上記と同様にして測定点が規定される。
【００２５】
また、支持面１０ａ上には校正用プレートが設けられている。このため、第１投影方向から投影されたときにおいて求められた校正用プレートのＸ位置と、第２投影方向から投影されたときにおいて求められた校正用プレートのＸ位置との差分を求め、この差分を第２投影方向で投影されたときにおける各測定点のＸ位置に加算することで、第１投影方向で投影されたときの各測定点のＸ位置と、第２投影方向で投影された各測定点のＸ位置とを整合させることができる。
【００２６】
ここで、上記と同様にして、測定点Ｐに投影された投影パターンの像に着目する。上記の通り第１および第２スリット光は、互いに１８０度回転対称の位置から投影され、スリット基準線Ｌが平行になっている。このため、図２に示すように、この測定点Ｐに対して得られる像は、測定点の高さに応じて上記と逆方向（−Ｘ方向）に変形された像が得られる。撮像系４０にディストーションがないと仮定した場合には、投影パターンが一点鎖線α2で示される像として結像されるが、実際には撮像系４０のディストーションにより、実線β2で示されるように歪んだ像が結像される。ただし、同一の測定点Ｐからの反射光に対するディストーションによる変位は同じ方向に一定値として現れるため、測定点Ｐに対して検出されるスリット基準線Ｌに対する変形量δ2は、実際の高さhRに応じた変形量δRから、測定点Ｐからの反射光に対する撮像系４０のディストーションによる変位量δdを差し引いた量となる（δ2＝δR−δd）。なお、第１および第２スリット光は投影角度が等しいため、実際の高さhRに応じた変形量δRは、第１および第２スリット光を投影したときとで等しくなっている。
【００２７】
次に、第１スリット光を投影したときの各測定点のＸおよびＹ位置と、第２スリット光を投影したときの各測定点のＸおよびＹ位置とを比較して同位置にある測定点を抽出し、その同一測定点に対してＺ位置を求める。ここでも、図２に示される測定点Ｐについて代表して説明すると、次式(１)，(２)に基づき、第１および第２スリット光を投影したときにおいて、測定点Ｐにおけるスリット基準線Ｌに対するそれぞれの変形量δ1，δ2から、測定点Ｐに対する２つの高さ情報h1，h2を得ることができる。
【００２８】
h1＝δ1tanθ＝(δR＋δd)tanθ＝hR＋δdtanθ …(1)
h2＝δ2tanθ＝(δR−δd)tanθ＝hR−δdtanθ …(2)
【００２９】
このように、両高さ情報h1，h2には、実際の高さhRに対し、撮像系４０のディストーションによる測定誤差分δdtanθが含まれていることがわかる。測定点Ｐの実際の高さhRは、式(1)，(2)に基づき、次式(3)により求めることができる。
【００３０】
hR＝(h1＋h2)／2＝tanθ(δ1＋δ2)／2 …(3)
【００３１】
このようにして各測定点に対して実際の高さが式(3)に基づいて求められ、被検物の表面全域に対して三次元形状の測定が行われる。
【００３２】
以上のように、本実施例の形状測定装置によると、第１および第２の投影方向A1，A2から投影された投影パターンの基準線が平行になっており、投影パターンの基準線に対する変形が真逆の方向になって現われる。このため、第１および第２投影方向のいずれにおいて投影パターンを投影しても、撮像系のディストーションによって測定誤差となる投影パターンの変形は、同じ方向になって現われる。このため、ディストーションの影響を含む投影パターンの変形量δ1，δ2から求まる高さ情報h1，h2から、ティストーションによる誤差分δdtanθを簡単に除くことができ、被検物５の実際の高さを正確に測定することができるようになる。
【００３３】
しかも、本実施例においては、第１投影方向A1における被検物５に対する投影パターンの投影角度と、第２投影方向A2における被検物５に対する投影パターンの投影角度とが固定されて等しくなっている。このため、第１投影方向A1で投影したときにも、第２投影方向A2で投影したときにも、ティストーションによる誤差分δdtanθが等しい値となる。したがって、式(3)に表されるように、第１投影方向A1で投影された投影パターンが基準線Ｌに対して変形された量δ1と、第２投影方向A2で投影された投影パターンが基準線に対して変形された量δ2とに基づいて、簡単な計算式によって測定点Ｐに対する実際の高さhRを求めることができるようになる。
【００３４】
次に、図３を参照して、本発明に係る第２実施例の形状測定装置１０１について説明する。以下の本実施例の説明において、第１実施例と同一部材については、同一の符号を付して重複説明を省略する。
【００３５】
本実施例のパタン投影系１２０においては、第１および第３ミラー１３２，１３４が揺動自在に取り付けられており、この第１および第３ミラー１３２，１３４を揺動して第１および第２スリット光の投影角度を変更する投影角度変更部１３８が設けられている。なお、投影角度変更部１３８には、第１および第３ミラー１３２，１３４の揺動角度を検出する図示しない角度検出器が備えられており、この角度検出器の検出値から第１および第２スリット光の投影角度を求めることができるようになっている。一方、ステージ１１０は固定されており、上記の移動機構１５が省略されている。本実施例では、投影角度変更部１３８によりスリット光の投影角度を変更させながら被検物５に投影パターンを投影することにより、被検物５の表面全域に対して投影パターンを走査させるようになっている。また、撮像系４０は、少なくとも被検物５の表面全域を視野内に収めることができるように構成されている。
【００３６】
このように構成される形状測定装置１０１を用いて行われる形状測定方法について説明する。まず、投影方向切替部３０により第１スリット光が投影される状態にする。そして、投影角度変更部１３８により投影角度を変更させながら被検物５に投影パターンを投影する。このとき、所定走査間隔ごとに、撮像系４０により被検物に投影された投影パターンの像が取得される。取得された各像に対し、投影パターンが結像された画素に応じた測定点が規定され、各測定点に対し、その測定点からの反射光が結像された画素位置に基づいてＸおよびＹ位置の情報が与えられる。また同時に、各測定点に対し、その測定点に対する第１スリット光の投影角度の情報が与えられる。
【００３７】
ここで、図４に示すように、ある測定点Ｐに投影された投影パターンの像に着目すると、Ｙ方向にスリット基準線Ｌが延びるスリット光が被検物５に投影されたとき、測定点の高さに応じてＸ方向（スリット基準線Ｌに対して直交方向）に変形された像が得られる。撮像系４０にディストーションがないと仮定した場合には、投影パターンが一点鎖線α1で示される像として結像されるが、実際には撮像系４０のディストーションにより、実線β1で示されるように像に歪みが生じる。このため、測定点Ｐに対して検出されるスリット基準線Ｌに対する変形量δ1は、実際の高さhRに応じた変形量δR1に、測定点Ｐからの反射光に対する撮像系４０のディストーションによる変位量δdを加えた量となる（δ1＝δR1＋δd）。
【００３８】
次に、第２投影方向から第２スリット光が投影される状態にし、投影角度変更部３８により投影角度を変更しながら、第２スリット光を支持面１０ａ上に保持された被検物５に投影される状態にする。そして、上記と同様にして取得された各像に対し、画素に応じた測定点が規定され、各測定点に対し、ＸおよびＹ位置の情報、および、その測定点に対する第２スリット光の投影角度の情報が与えられる。
【００３９】
ここで、上記と同様にして、測定点Ｐに投影された投影パターンの像に着目する。上記の通り第１および第２スリット光は、互いに１８０度回転対称の位置から投影され、スリット基準線Ｌが平行になっているため、この測定点Ｐに対して得られる像は、測定点の高さに応じて上記と逆方向に変形された像が得られる。撮像系４０にディストーションがないと仮定した場合には、投影パターンが一点鎖線α2で示される像として結像されるが、実際には撮像系４０のディストーションにより、実線β2で示されるように歪んだ像が結像される。ただし、同一の測定点Ｐからの反射光に対するディストーションによる変位は同じ方向に一定値として現れるため、測定点Ｐに対して検出されるスリット基準線Ｌに対する変形量δ2は、実際の高さhRに応じた変形量δR2から、測定点Ｐからの反射光に対する撮像系４０のディストーションによる変位量δdを差し引いた量となる（δ2＝δR2−δd）。
【００４０】
そして、第１スリット光が投影されたときと、第２スリット光が投影されたときとで、同一画素上に結像された測定点を抽出し、その同一測定点のそれぞれに対してＺ位置を求める。図４に示される測定点Ｐについて代表して説明すると、次式(4)，(5)に基づき、第１および第２スリット光を投影したときにおいて測定点Ｐにおけるスリット基準線Ｌに対するそれぞれの変形量δ1，δ2から、測定点Ｐに対する２つの高さ情報h1，h2を得ることができる。
【００４１】
h1＝δ1tanθ1＝(δR1＋δd)tanθ1＝hR＋δdtanθ1 …(4)
h2＝δ2tanθ2＝(δR2−δd)tanθ2＝hR−δdtanθ2 …(5)
【００４２】
このように両高さ情報h1，h2には、実際の高さhRに対し、撮像系４０のディストーションによる測定誤差分δdtanθ1，δdtanθ2がそれぞれ含まれているが、式(4)，(5)に基づき、撮像系４０のディストーションによる変位量δdは、式(6)で表されるように算定可能である。
【００４３】
【数１】
【００４４】
このようにディストーションによる変位量δdは、検出値を用いて算定可能であり、このような算定値と、式(4)または(5)とから、測定点Ｐの実際の高さhRを次式(7)により求めることができる。
【００４５】
【数２】
【００４６】
このようにして各測定点に対して実際の高さが求められ、第１実施例と同様にして、被検物５の表面全域に対して三次元形状の測定を正確且つ簡単に行うことができる。
【００４７】
次に、図５を参照して本発明の第３実施例について説明する。本実施例は、第１実施例に対してスリット光投影系の構成が異なるものであり、その他の構成や被検物５の形状測定の方法については第１実施例と同様であるため、同一の部材には同一の符号を付して重複説明を省略する。
【００４８】
本実施例のパタン投影系２２０は、第１実施例と同様の光源２１とパタン形成部２２とを有して構成されており、これらが投影用鏡筒２２０ａに固定されて設けられている。そして、パタン形成部２２により生成されたスリット光がステージ１０の支持面１０ａに支持された被検物５に所定の投影角度で投影されるようになっている。そして、このパタン投影系２２０には、撮像系４０の光軸４０Ｌ周りに投影用鏡筒２２０ａを回転させる回転機構２３０が設けられている。この回転機構２３０によって投影用鏡筒２２０ａを回転させることにより、被検物５に対するスリット光の投影方向を切替変更することができる。
【００４９】
このようなパタン投影系２２０を有した形状測定装置２２１においては、まず回転機構により投影用鏡筒２２０ａを所定の回転位置で保持し、ステージ１０を移動させながらステージ上１０の支持面１０ａにスリット光を投影することにより、スリット光により被検物５の表面全域に対して投影光がスキャンされる。そして、回転機構２３０により投影用鏡筒２２０ａを撮像系４０の光軸４０Ｌ周りに１８０度回転させ、この位置からスリット光を投影しながらステージ１０を移動させることにより、スリット光により被検物５の表面全域がスキャンされる。このように、本実施例においても、第１実施例と同様に、撮像系４０の光軸４０Ｌを中心にして１８０度回転対称の２方向から同一の投影角度でスリット光を投影することができ、第１実施例と同様にして被検物の表面形状を正確に測定することができる。
【００５０】
なお、パタン投影系２２０にスリット光の投影角度を変更させるためのミラーを揺動自在に設けてもよい。これにより、第２実施例と同様に、ミラーを揺動させながらスリット光を投影することにより、スリット光の投影角度を変更させながらスリット光を被検物５に投影し、スリット光により被検物５の表面全域をスキャンすることができる。したがって、第２実施例と同様にして被検物の表面形状を正確に測定することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明に係る第１実施例の形状測定装置の構成図である。
【図２】第１実施例の形状測定装置において第１又は第２投影方向からスリット光を被検物に投影した状態を示す説明図であり、(ａ)が形状測定装置を正面視で示す模式図であり、(ｂ)が撮像面における投影パターンの結像結果を示す説明図である。
【図３】本発明に係る第２実施例の形状測定装置の構成図である。
【図４】第２実施例の形状測定装置において第１又は第２投影方向からスリット光を被検物に投影した状態を示す説明図であり、(ａ)が形状測定装置を正面視で示す模式図であり、(ｂ)が撮像面における投影パターンの結像結果を示す説明図である。
【図５】本発明に係る第３実施例の形状測定装置の構成図である。
【符号の説明】
【００５２】
１，１０１，２０１ 形状測定装置 ５ 被検物
１０，１１０ ステージ ２０，１２０，２２０ パタン投影系
３０ 投影方向切替部 ３８ 投影角度切替部
４０ 撮像系 ５０ 形状測定部
２３０ 回転機構
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スリット光を生成して被検物にスリット状の投影パターンを投影するパタン投影系と、
前記被検物に投影された前記投影パターンを撮像する撮像系と、
前記撮像系で撮像された投影パターンが当該投影パターンのスリット基準線に対して直交方向に変形した量に基づいて被検物の高さを測定する形状測定部と、を有して構成される形状測定装置において、
前記パタン投影系が、前記投影パターンの投影方向を、第１の投影方向と、前記第１の投影方向に対して前記撮像系の光軸を中心に１８０度回転対称となる第２の投影方向とで切り替える投影方向切替手段を有し、前記第１の投影方向で投影された投影パターンのスリット基準線と、前記第２の投影方向で投影された投影パターンのスリット基準線とが平行となるように構成され、
前記形状測定部は、被検物の表面上における同一の測定点に対し、前記第１の投影方向で投影された投影パターンがスリット基準線に対して変形した量から求まる前記測定点の第１の高さ情報と、前記第２の投影方向で投影された投影パターンがスリット基準線に対して変形した量から求まる第２の高さ情報とに基づいて、前記測定点の高さを測定することを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
前記形状測定部は、被検物の表面上における同一の測定点に対し、前記第１の高さ情報と前記第２の高さ情報との差から算出可能な前記撮像系のディストーションに因り発生する高さ情報を前記第１又は第２の高さ情報から除いて、前記測定点の高さを測定するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項３】
前記パタン投影系が、第１の投影方向における被検物に対する投影パターンの投影角度と、第２の投影方向における被検物に対する投影パターンの投影角度とが等しくなるように構成され、前記被検物を支持する支持部材が、前記投影パターンの基準線と直交方向に移動自在に構成されており、
前記支持部材を移動させることにより、投影パターンで前記被検物の表面全域を走査させるように構成されていることを特徴とする請求項１もしくは２に記載の形状測定装置。
【請求項４】
前記パタン投影系が、投影パターンの投影角度を変更する投影角度変更手段を有して構成されており、
前記投影パターンの投影角度を変更することにより、投影パターンで前記被検物の表面全域を走査させるように構成されていることを特徴とする請求項１もしくは２に記載の形状測定装置。
【請求項５】
前記投影方向切替手段が、前記スリット光を二分する分光器と、前記分光器により分光された第１スリット光を反射して前記第１の投影方向で被検物に投影パターンを投影する第１反射部と、前記分光器により分光された第２スリット光を反射して前記第２の投影方向で前記被検物に投影パターンを投影する第２反射部と、前記第１スリット光および前記第２スリット光のいずれか一方の光路を選択して遮断する遮断部と、を有して構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の形状測定装置。
【請求項６】
前記投影方向切替手段が、前記パタン投影系が設けられている鏡筒を、第１の回転位置と、前記第１の回転位置に対して前記撮像系の光軸周りに１８０度回転された第２の回転位置との間で移動させる回転移動機構を有して構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の形状測定装置。
【請求項１】
スリット光を生成して被検物にスリット状の投影パターンを投影するパタン投影系と、
前記被検物に投影された前記投影パターンを撮像する撮像系と、
前記撮像系で撮像された投影パターンが当該投影パターンのスリット基準線に対して直交方向に変形した量に基づいて被検物の高さを測定する形状測定部と、を有して構成される形状測定装置において、
前記パタン投影系が、前記投影パターンの投影方向を、第１の投影方向と、前記第１の投影方向に対して前記撮像系の光軸を中心に１８０度回転対称となる第２の投影方向とで切り替える投影方向切替手段を有し、前記第１の投影方向で投影された投影パターンのスリット基準線と、前記第２の投影方向で投影された投影パターンのスリット基準線とが平行となるように構成され、
前記形状測定部は、被検物の表面上における同一の測定点に対し、前記第１の投影方向で投影された投影パターンがスリット基準線に対して変形した量から求まる前記測定点の第１の高さ情報と、前記第２の投影方向で投影された投影パターンがスリット基準線に対して変形した量から求まる第２の高さ情報とに基づいて、前記測定点の高さを測定することを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
前記形状測定部は、被検物の表面上における同一の測定点に対し、前記第１の高さ情報と前記第２の高さ情報との差から算出可能な前記撮像系のディストーションに因り発生する高さ情報を前記第１又は第２の高さ情報から除いて、前記測定点の高さを測定するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項３】
前記パタン投影系が、第１の投影方向における被検物に対する投影パターンの投影角度と、第２の投影方向における被検物に対する投影パターンの投影角度とが等しくなるように構成され、前記被検物を支持する支持部材が、前記投影パターンの基準線と直交方向に移動自在に構成されており、
前記支持部材を移動させることにより、投影パターンで前記被検物の表面全域を走査させるように構成されていることを特徴とする請求項１もしくは２に記載の形状測定装置。
【請求項４】
前記パタン投影系が、投影パターンの投影角度を変更する投影角度変更手段を有して構成されており、
前記投影パターンの投影角度を変更することにより、投影パターンで前記被検物の表面全域を走査させるように構成されていることを特徴とする請求項１もしくは２に記載の形状測定装置。
【請求項５】
前記投影方向切替手段が、前記スリット光を二分する分光器と、前記分光器により分光された第１スリット光を反射して前記第１の投影方向で被検物に投影パターンを投影する第１反射部と、前記分光器により分光された第２スリット光を反射して前記第２の投影方向で前記被検物に投影パターンを投影する第２反射部と、前記第１スリット光および前記第２スリット光のいずれか一方の光路を選択して遮断する遮断部と、を有して構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の形状測定装置。
【請求項６】
前記投影方向切替手段が、前記パタン投影系が設けられている鏡筒を、第１の回転位置と、前記第１の回転位置に対して前記撮像系の光軸周りに１８０度回転された第２の回転位置との間で移動させる回転移動機構を有して構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の形状測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００８−１８５３８０（Ｐ２００８−１８５３８０Ａ）
【公開日】平成２０年８月１４日（２００８．８．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１７２８４（Ｐ２００７−１７２８４）
【出願日】平成１９年１月２９日（２００７．１．２９）
【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８月１４日（２００８．８．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１月２９日（２００７．１．２９）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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