JP3401783B2 - Surface profile measuring device - Google Patents

Surface profile measuring device

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JP3401783B2
JP3401783B2 JP19099098A JP19099098A JP3401783B2 JP 3401783 B2 JP3401783 B2 JP 3401783B2 JP 19099098 A JP19099098 A JP 19099098A JP 19099098 A JP19099098 A JP 19099098A JP 3401783 B2 JP3401783 B2 JP 3401783B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、物体の表面形状を
計測する装置の構造に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to the structure of an apparatus for measuring the surface shape of an object.

【0002】[0002]

【従来の技術】物体の表面形状を計測する技術は多くの
ものが提案されている。中でも非常に高速に表面形状が
計測できる技術として、物体上に縞パターンを投影しそ
の画像から各画素毎にその点での縞の位相を求め、その
位相情報から物体表面形状を演算する技術が知られてい
る。この技術を以下では位相検出法と呼ぶ。以下では従
来技術としてまずこの位相検出法について説明する。
2. Description of the Related Art Many techniques for measuring the surface shape of an object have been proposed. Among them, as a technology that can measure the surface shape at a very high speed, there is a technology that projects a stripe pattern on an object, obtains the phase of the stripe at each point from each pixel from the image, and calculates the object surface shape from the phase information. Are known. Hereinafter, this technique is referred to as a phase detection method. In the following, as a conventional technique, this phase detection method will be described first.

【0003】位相検出法による表面形状計測は原理的に
まず2つに分けられる。一つは三角測量の原理に基づく
もの、もう一つは光波干渉の原理に基づくものである。
In principle, the surface shape measurement by the phase detection method is divided into two. One is based on the principle of triangulation, and the other is based on the principle of light wave interference.

【0004】図6は三角測量の原理に基づく例を示した
ものである。今物体の高さは図中の計測範囲aより小さ
いものとして考える。基準平面z1上に投影された縞の
位置を基準として考えると例えば基準平面z1上で図中
10本ある縞のうち7番目の縞の位相がθである点pは
物体表面の形状によってp′の位置に実際はズレて観測
されることになる。このときp′点での物体表面の基準
平面からの高さhはh=(p― p′)/tanαとし
て求めることができる。つまり各画素毎にその点での縞
の位相と次数(何番目の縞か)が決定できれば物体表面
の高さが各点毎に演算できることになる。
FIG. 6 shows an example based on the principle of triangulation. Now, assume that the height of the object is smaller than the measurement range a in the figure. Considering the position of the fringe projected on the reference plane z1 as a reference, for example, the point p where the phase of the seventh fringe of the 10 fringes in the figure on the reference plane z1 is θ is p ′ depending on the shape of the object surface. Actually, it will be observed at the position of. At this time, the height h of the object surface from the reference plane at the point p ′ can be obtained as h = (p−p ′) / tan α. In other words, if the phase of the fringe at that point and the order (order of the fringe) can be determined for each pixel, the height of the object surface can be calculated for each point.

【0005】計測範囲aは縞パターンのある一つの縞が
物体の高さの変化によって基準面z1での位置からずれ
る量| p― p′|が縞の一周期Tを超えない範囲であ
る。この範囲内であれば縞の次数は考慮する必要がな
く、とにかく位相さえ求めれば形状が演算できる。この
範囲を超えた高さの物体はどうなるかといえば、この場
合位相だけでは正しい高さはでてこない。縞の次数を決
定する必要がある。つまり点p′の位置で位相がθ=2
π| p― p′|/Tであるような高さは図に示すよう
に色々考えられる。つまりθは2πn(nは整数)の不
確実性をもっている。しかし、縞の次数であるnは一般
的には簡単に決定できない。縞の次数がわからないとす
ると位相だけから高さを判断することになるつまり|
p― p′|の量がTを超えてもTを超えたことはわか
らないから| p― p′|−Tとして演算するしかな
い。より一般的には縞の周期を何周期も超えるような位
置ズレを起こす高さの物体に対して| p― p′|−n
Tとして演算されることになる。このような演算は物体
の高さが常にaの領域からでることはないため、この領
域に折り畳まれている(ラッピング)と言う。この折り
畳まれた情報を何かの手段によって縞の次数を判定し
て、折り畳まれていない状態に変換することをアンラッ
ピングと呼ぶ。
The measurement range a is a range in which the amount | p−p ′ | of one stripe having a stripe pattern deviated from the position on the reference plane z1 due to the change of the height of the object does not exceed one cycle T of the stripe. Within this range, it is not necessary to consider the order of fringes, and the shape can be calculated by simply obtaining the phase. What happens to an object with a height exceeding this range? In this case, the correct height cannot be obtained only by the phase. It is necessary to determine the order of the stripes. That is, the phase is θ = 2 at the position of point p ′.
There are various possible heights such as π | p−p ′ | / T as shown in the figure. That is, θ has an uncertainty of 2πn (n is an integer). However, the order of stripes, n, is generally not easily determined. If you do not know the order of the stripes, you will have to determine the height from the phase alone.
Even if the amount of p-p '| exceeds T, it is not known that it has exceeded T. Therefore, there is no choice but to calculate as | p-p' | -T. More generally, | p-p '| -n is applied to an object with a height that causes a positional deviation that exceeds the cycle of stripes by many cycles.
It will be calculated as T. Such an operation is said to be folded (wrapping) in this area because the height of the object does not always come out of the area a. It is called unwrapping that the folded information is converted to the unfolded state by determining the order of the stripes by some means.

【0006】図7は光波干渉の原理に基づく表面形状計
測装置の例を示したものである。この例ではマイケルソ
ン型の干渉計を用いて光波を干渉させている。物体73
と参照鏡72との光路長の差が1/2λ(λは使用光の
波長)の整数倍であるような位置で正の干渉を起こす干
渉縞が観測される。光源71がコヒーレント光であれば
Z方向の広い範囲にわたって干渉縞が観測でき、例え
ば、平面を傾けて見ると回折格子のような干渉縞パター
ンが物体に張り付いて見える。干渉パターンが見えなく
なるのは平面が対物レンズの焦点面の位置から離れすぎ
て完全にボケてしまったとき、あるいは光路長差が照明
光のコヒーレント長を越したときである。この場合、縞
の位相は直接的に物体の表面形状の高さを表している。
しかし、位相を求めただけでは三角測量法の場合と同じ
く1/2λの領域に折り畳まれた状態となっていて、縞
の次数を求めてアンラッピングする必要がある。
FIG. 7 shows an example of a surface shape measuring device based on the principle of light wave interference. In this example, a Michelson type interferometer is used to cause the light waves to interfere. Object 73
An interference fringe that causes positive interference is observed at a position where the difference in optical path length between the reference mirror 72 and the reference mirror 72 is an integral multiple of 1 / 2λ (where λ is the wavelength of the used light). If the light source 71 is coherent light, interference fringes can be observed over a wide range in the Z direction. For example, when the plane is tilted, an interference fringe pattern such as a diffraction grating sticks to an object. The interference pattern disappears when the plane is too far from the position of the focal plane of the objective lens and is completely blurred, or when the optical path length difference exceeds the coherent length of the illumination light. In this case, the fringe phase directly represents the height of the surface shape of the object.
However, just by obtaining the phase, it is in the state of being folded in the area of 1 / 2λ as in the case of the triangulation method, and it is necessary to obtain the order of the fringes and perform unwrapping.

【0007】次に、位相の求め方について述べる。位相
の求め方も大きく分けて2通りある。一つは投影する縞
を横ずらしして、位相が異なる複数枚の画像から初期の
位相を求めるマルチステップ法であり、もう一つは一枚
の縞画像から位相を求めるワンステップ法である
Next, how to obtain the phase will be described. There are roughly two ways to obtain the phase. One is a multi-step method that shifts the projected fringes horizontally and obtains the initial phase from multiple images with different phases, and the other is the one-step method that obtains the phase from one fringe image.

【0008】まずマルチステップ法について述べる。図
8に示すように縞の位相をずらした画像を複数枚得る。
ここでは説明を簡略化するために4枚の画像を用いた場
合について述べる。得られる画像を式で表すとI(x,y)=a
(x,y)+b(x,y)cos(2πfx+φ(x,y))となる。ここに、I
(x,y)は座標x,yでの画像の輝度を表す。a(x,y)はバイア
ス成分、b(x,y)は縞の振幅成分を表し、これらは物体の
模様や反射率の違いなどによって変化する。fは縞の空
間周波数でありφ(x,y)が求めるべき位相である。縞を
π/2づつX方向へシフトして得られた画像はIi(x,y)=
a(x,y)+b(x,y)cos(2πfx+φ(x,y)+πi/2) (i=0,1,2,
3)で表される。これらの式からφ(x,y)=atan((I1(x,y)-
I3(x,y))/(I0(x,y)-I2(x,y))として位相を求めることが
できる。以下ではこの方法を位相シフト法と呼ぶ。
First, the multi-step method will be described. As shown in FIG. 8, a plurality of images in which the phases of the stripes are shifted are obtained.
Here, in order to simplify the description, a case where four images are used will be described. Expressing the resulting image as an equation, I (x, y) = a
(x, y) + b (x, y) cos (2πfx + φ (x, y)). Where I
(x, y) represents the brightness of the image at the coordinates x, y. a (x, y) represents the bias component and b (x, y) represents the amplitude component of the stripe, which change depending on the pattern of the object and the difference in reflectance. f is the spatial frequency of the stripe, and φ (x, y) is the phase to be obtained. The image obtained by shifting the stripes by π / 2 in the X direction is I i (x, y) =
a (x, y) + b (x, y) cos (2πfx + φ (x, y) + πi / 2) (i = 0,1,2,
It is represented by 3). From these equations, φ (x, y) = atan ((I 1 (x, y)-
The phase can be obtained as I 3 (x, y)) / (I 0 (x, y) -I 2 (x, y)). Hereinafter, this method is called a phase shift method.

【0009】ワンステップ法はフーリエ変換法(M.Take
da and K.Mutoh, "Fourier-transformprofilometry for
the automatic measurement of 3-D object shape," A
ppl.Opt. 22(24),3977-3982(1983)参照)に代表される
ような一枚の画像から位相を求める方法である。フーリ
エ変換法は物体の起伏による投影した縞の変形を、投影
した縞を搬送波とする位相変調としてとらえる。フーリ
エ変換により周波数領域に変換して搬送波成分と変調波
成分とを分離して変調波成分のみを逆フーリエ変換する
ことで位相を求める。変調波の周波数は搬送波の周波数
と周波数空間で完全に分離できる程度に明らかに低いこ
とを前提としており、この点で横分解能的な制限がある
が、一枚の画像しか必要としないために高速化が可能で
ある。その他のワンステップ法として電子モアレ位相シ
フト法(例えば新井、横関、白木、山田、“CCD画像
のサンプリング技術を用いた二次元空間的縞解析法”、
光学、25(1),42-47(1995)参照)がある。画像内で縞を
荒くサンプリングするとモアレ縞が発生する。このモア
レ縞はサンプリング位置をかえることで正確に位相シフ
トさせることができる。これにより一枚の画像からモア
レ縞が位相シフトした画像を生成することができる。生
成された画像を用いてマルチステップ法の位相シフト法
と同様に演算すればモアレ縞の位相を求めることができ
る。
The one-step method is the Fourier transform method (M. Take
da and K. Mutoh, "Fourier-transform profile for
the automatic measurement of 3-D object shape, "A
ppl.Opt. 22 (24), 3977-3982 (1983)) is a method for obtaining the phase from a single image. The Fourier transform method captures the deformation of the projected fringes due to the undulations of the object as phase modulation using the projected fringes as a carrier. The phase is obtained by transforming the carrier wave component and the modulated wave component by Fourier transform and inverse Fourier transforming only the modulated wave component. It is assumed that the frequency of the modulated wave is clearly low enough to be completely separated from the frequency of the carrier wave in the frequency space. In this respect, there is a lateral resolution limitation, but since only one image is required, it is fast. Is possible. As another one-step method, an electronic moire phase shift method (for example, Arai, Yokoseki, Shiraki, Yamada, “two-dimensional spatial fringe analysis method using CCD image sampling technology”,
Optics, 25 (1), 42-47 (1995)). Moire fringes occur when the fringes are roughly sampled in the image. This moire fringe can be accurately phase-shifted by changing the sampling position. This makes it possible to generate an image in which the moire fringes are phase-shifted from one image. The phase of the moire fringes can be obtained by performing an operation using the generated image in the same manner as the phase shift method of the multi-step method.

【0010】以上の位相検出法は三角測量法、光波干渉
法のどちらの原理の場合であっても用いることができ
る。
The above phase detection method can be used regardless of the principle of the triangulation method or the light wave interference method.

【0011】もう一つ本発明に関係する従来技術として
Shape from Focus法がある。Shape from Focus法は合焦
情報(フォーカスが合っているかいないかを表す情報)
から物体の表面形状を求める手法である。原理を簡単に
述べる。物体にパターンを投影し、その画像を取得す
る。その画像の各画素毎にパターンのコントラストを画
像処理により求める。次にZテーブルにより物体と対物
レンズの位置関係を変化させて同様の処理を行う。これ
を繰り返す。このように物体と対物レンズの位置関係を
変化させて物体上のパターンのコントラストを求める
と、フォーカスの合い具合に応じてコントラストは変化
する。フォーカスが合ってパターンがシャープに見える
ときはコントラストが高く、画像がぼけているとパター
ンは地と図が混ざり合ってほとんどコントラストがなく
なってしまう。このコントラスト変化の様子を図9に示
す。Zテーブルを移動してフォーカスが合ったときに最
大のコントラストが得られる山形のカーブである。Zテ
ーブルを移動させて各画素毎にコントラストを求め、そ
れを繰り返して各画素毎に最大のコントラストを与える
Zテーブルの位置を求めることで物体の表面の形状を求
めることができる。
Another prior art related to the present invention
There is a Shape from Focus method. Shape from Focus method is focus information (information indicating whether the focus is in or out)
This is a method for obtaining the surface shape of an object from. The principle will be briefly described. A pattern is projected on an object and an image of it is acquired. The pattern contrast is obtained for each pixel of the image by image processing. Next, the same process is performed by changing the positional relationship between the object and the objective lens using the Z table. Repeat this. Thus, when the contrast of the pattern on the object is obtained by changing the positional relationship between the object and the objective lens, the contrast changes according to the focus condition. When the pattern is in focus and the pattern looks sharp, the contrast is high, and when the image is blurred, the pattern mixes with the ground and the pattern has almost no contrast. The manner of this contrast change is shown in FIG. It is a mountain-shaped curve that gives the maximum contrast when the Z table is moved to bring it into focus. The shape of the surface of the object can be obtained by moving the Z table to obtain the contrast for each pixel, and repeating this to obtain the position of the Z table that gives the maximum contrast for each pixel.

【0012】コントラストを求める方法はいくつかあ
る。例えばある画素のコントラストを求めるためにその
画素の周辺に局所領域を設け、その領域中の最大と最小
の差を求めるとか、局所領域中の微分値の和をとる等で
ある。最近、より完全な方法が提案された(M.A.A.Nei
l, R.Juskaitis,and T.Wilson "Method of obtaining o
ptical sectioning by using structured light in a c
onventional microscope,"Optics Letters,22(24),1905
-1907(1997)参照)。この方法は先に述べた位相シフト
法とほとんど同じである。つまり周期的な縞パターンを
物体に投影し、その縞の位相を少しずつずらして複数枚
の画像を得る。これらの画像を用いれば位相を求めたと
きと同様にして縞のコントラスト成分を求めることがで
きる。例えば2/3πづつ縞の位相が異なる三枚の画像
(I1,I2,I3)を用いる場合次の式から縞のコントラスト
Ipが演算できる Ip=[(I1-I2)2+(I1-I3)2+(I2-
I3)2]1/2。この方法によれば局所領域などを設けること
なく純粋に画素単位で縞のコントラストを得ることがで
きる。
There are several methods for obtaining the contrast. For example, in order to obtain the contrast of a certain pixel, a local region is provided around the pixel and the difference between the maximum and the minimum in that region is obtained, or the sum of the differential values in the local region is calculated. Recently, a more complete method was proposed (MAANei
l, R. Juskaitis, and T. Wilson "Method of obtaining o
ptical sectioning by using structured light in ac
onventional microscope, "Optics Letters, 22 (24), 1905
-1907 (1997)). This method is almost the same as the phase shift method described above. That is, a periodic stripe pattern is projected on the object, and the phases of the stripes are gradually shifted to obtain a plurality of images. By using these images, the fringe contrast component can be obtained in the same manner as when the phase is obtained. For example, in the case of using three images (I 1 , I 2 , I 3 ) in which the phases of the stripes differ by 2 / 3π, the stripe contrast is calculated from the following equation.
Ip can be calculated Ip = [(I 1 -I 2 ) 2 + (I 1 -I 3 ) 2 + (I 2-
I 3 ) 2 ] 1/2 . According to this method, it is possible to obtain the stripe contrast purely in pixel units without providing a local region or the like.

【0013】[0013]

【発明が解決しようとする課題】位相検出法による表面
形状計測の問題点は上記の説明から明らかなようにアン
ラッピングをいかにして行うかである。アンラッピング
は一般に隣り合う位相どうしがなめらかに繋がるように
位相接続をすることで行われる。これは物体の表面形状
がなめらかに変化する場合には有効であるが、急激な段
差が存在したり、穴等により位相が求められない領域等
が存在し隣同士が寸断されていることもあるためこのよ
うな位相接続は完全なものとはなり得ない。
The problem of the surface shape measurement by the phase detection method is how to perform unwrapping, as is clear from the above description. Unwrapping is generally performed by connecting phases so that adjacent phases are smoothly connected. This is effective when the surface shape of the object changes smoothly, but there are cases where there are sharp steps or areas where the phase cannot be obtained due to holes etc. Therefore, such a phase connection cannot be perfect.

【0014】また、最近では異なる空間周波数縞を投影
して、2種類以上の位相データから合致をとることによ
ってアンラッピングを行う等の多波長法とでも呼べるよ
うな試みが多く行われている。しかしながら、これらは
アンラッピングと言うよりは縞を荒くして(これには2
周波数のビート周波数を用いることも含まれる)アンラ
ッピングをしないで済む領域を広げたといった方がよく
完全なものではない。また、焦点深度を超えるような高
さ変化を持つ物体は全く計測不可能であるし、複数の縞
パターンあるいは波長の異なる光源等を用意して切り替
えて用いなければならないなどの現実的な問題もある。
In recent years, many attempts have been made that can be called a multi-wavelength method such as performing unwrapping by projecting different spatial frequency fringes and matching two or more types of phase data. However, these are more striped (rather than two) for unwrapping.
It is better to say that the area that does not need unwrapping is expanded and it is not perfect. In addition, an object having a height change exceeding the depth of focus cannot be measured at all, and there are practical problems such as having to prepare a plurality of stripe patterns or light sources having different wavelengths, and switching between them. is there.

【0015】一方、Shape from Focus法は位相検出法の
ような問題点は全く発生しない。Zテーブルさえ移動で
きれば基本的にどのような高さの段差であっても計測で
きる(ただし、対物レンズのワーキングディスタンスを
超えることはできない。ぶつかってしまうから)。合焦
点を求める手法であるからフォーカスがはずれて計測で
きないなどと言うこともないし、複数のパターンを用意
する必要もない。
On the other hand, the Shape from Focus method does not have any problems like the phase detection method. Basically, any step height can be measured if the Z table can be moved (however, it cannot exceed the working distance of the objective lens, because it will collide). Since it is a method of finding the in-focus point, there is no need to say that it is out of focus and measurement is not possible, and it is not necessary to prepare multiple patterns.

【0016】しかし、Shape from Focus法にも問題があ
る。Shape from Focus法での計測精度は図9に示したカ
ーブ(以下ではこれを軸上応答曲線と呼ぶ)の幅が狭い
ほど高い。つまり、狭い方が合焦位置の弁別能力が高い
とゆうことである。この軸上応答曲線の幅は対物レンズ
の開口数(以下ではNAと呼ぶ)と投影する縞の周波数
および画素分解能(視野サイズ/画素数)によって決ま
る。このため、対物レンズが低倍率になってくるとNA
が小さくなり画素分解能が荒くなることから著しくこの
軸上応答曲線の幅が広くなってしまう。つまり、低倍率
での高精度な計測は不可能ないしは著しく難しい。表面
形状計測装置を工場の生産ラインなどでの検査装置とし
て用いる場合、広い視野を一括で計測できることが求め
られる。低倍率での高精度計測ができないことは致命的
である。
However, the Shape from Focus method also has a problem. The measurement accuracy of the Shape from Focus method is higher as the width of the curve shown in FIG. 9 (hereinafter referred to as an axial response curve) is narrower. In other words, the narrower the area, the higher the discriminating ability at the in-focus position. The width of this on-axis response curve is determined by the numerical aperture (hereinafter referred to as NA) of the objective lens, the frequency of the projected fringes and the pixel resolution (field size / number of pixels). Therefore, when the objective lens becomes low magnification, NA
Becomes smaller and the pixel resolution becomes rough, so that the width of this on-axis response curve becomes remarkably wide. In other words, high-accuracy measurement at low magnification is impossible or extremely difficult. When the surface shape measuring device is used as an inspection device in a factory production line or the like, it is required to be able to measure a wide field of view all at once. It is fatal that high precision measurement at low magnification is not possible.

【0017】逆に位相検出法では対物レンズの倍率・N
Aと光軸方向の計測精度は基本的に関係がない。そのた
め低倍率での高精度計測は十分可能である。
On the contrary, in the phase detection method, the magnification of the objective lens
There is basically no relation between A and the measurement accuracy in the optical axis direction. Therefore, high-accuracy measurement at low magnification is sufficiently possible.

【0018】また、高倍率、高NAであっても一般にSh
ape from Focus法の計測精度は光波干渉の原理に基づく
位相検出法の精度に比べればかなり悪い。
In general, even if the magnification is high and the NA is high, Sh
The measurement accuracy of the ape from Focus method is considerably worse than that of the phase detection method based on the principle of light wave interference.

【0019】本発明はこれらの問題点を同時に解決する
ことを目的とする。つまり、低倍率であっても高精度に
計測可能でありかつアンラッピングの問題がないまたは
完全に解決され、フォーカスはずれの影響がなく、複数
の縞パターンの準備が必要ないような表面形状計測装置
を提供することを目的とするものである。
The present invention aims to solve these problems at the same time. In other words, even with low magnification, it is possible to measure with high accuracy, there is no problem of unwrapping or it is completely solved, there is no influence of defocus, and there is no need to prepare multiple stripe patterns. It is intended to provide.

【0020】[0020]

【課題を解決するための手段】本発明では、位相検出法
とShape from Focus法とが演算方法がほとんど共通であ
りながらお互いの問題点が他方には存在しないことに注
目し、これらの手法を結びつけてお互いの問題点を消滅
させるようにした。
In the present invention, it is noted that the phase detection method and the Shape from Focus method have almost the same calculation method but their mutual problems do not exist on the other side. I tried to tie them together and eliminate each other's problems.

【0021】つまり、被計測物体に対して周期的な縞パ
ターンを投影するパターン投影機構と、前記縞パターン
が投影された物体の光学像を結ばせる結像光学系と、前
記結像光学系で得られた物体の光学像を光電変換して電
気信号とする撮像センサと、前記結像光学系の物体側の
焦点面を少なくとも1回変位させる焦点移動機構と、前
記撮像センサで得られた周期的な縞パターンの投影され
た物体の画像に対し各画素ごとにその点での縞パターン
の位相と振幅を求める位相振幅演算手段と、焦点面を変
位させるたびにその位置で前記位相振幅演算手段により
位相と振幅を求め、焦点面を変位させることによって変
化する振幅の変化情報を元にその振幅が最大となる位置
を、焦点面の変位間隔よりも細かい精度で内挿演算によ
り推定する最大振幅位置演算手段と、ある画素の位相
は、各焦点面において前記位相振幅演算手段により得ら
れた位相情報の中で最も振幅が大きいときのものをその
画素の位相情報とする最大振幅位相検出手段と、前記最
大振幅位置演算手段により得られた最大振幅位置情報と
前記最大振幅位相検出手段より得られた最大振幅位相情
報とを用いて正確な物体表面の高さ情報を演算する表面
形状演算手段とを備えるように装置を構成する。
That is, the pattern projection mechanism for projecting a periodic fringe pattern on the object to be measured, the imaging optical system for forming an optical image of the object on which the fringe pattern is projected, and the imaging optical system An image sensor that photoelectrically converts the obtained optical image of the object into an electric signal, a focus moving mechanism that displaces the object-side focal plane of the imaging optical system at least once, and a cycle obtained by the image sensor. A phase-amplitude calculating means for obtaining the phase and amplitude of the stripe pattern at that point for each pixel with respect to the image of a projected object having a typical stripe pattern, and the phase-amplitude calculating means at that position each time the focal plane is displaced. The phase and amplitude are calculated, and the maximum vibration that estimates the position where the amplitude becomes maximum based on the change information of the amplitude that changes by displacing the focal plane by interpolation calculation with a finer precision than the displacement interval of the focal plane. The position calculation means, and the phase of a certain pixel, the maximum amplitude phase detection means that uses the phase information of the pixel having the largest amplitude among the phase information obtained by the phase amplitude calculation means in each focal plane, A surface shape calculation unit that calculates accurate height information of the object surface using the maximum amplitude position information obtained by the maximum amplitude position calculation unit and the maximum amplitude phase information obtained by the maximum amplitude phase detection unit; The device is configured to include.

【0022】このとき、パターン投影機構の光軸は結像
光学系の光軸に対し傾いた方向から投影するようにする
ようにする。
At this time, the optical axis of the pattern projection mechanism is projected from a direction inclined with respect to the optical axis of the imaging optical system.

【0023】または、パターン投影機構は光波干渉縞を
投影するようにする。
Alternatively, the pattern projection mechanism projects the light wave interference fringes.

【0024】また、位相振幅演算手段で位相と振幅を演
算するために縞パターンの位相を変化させる位相シフタ
ーを持ち、位相振幅演算手段は前記位相シフターを用い
て縞パターンの位相を少なくとも2回変化させて得られ
る互いに縞の位相が異なる3枚以上の画像から位相と振
幅を演算する位相シフト法演算を行うようにする。
Further, the phase / amplitude calculating means has a phase shifter for changing the phase of the stripe pattern in order to calculate the phase and the amplitude, and the phase / amplitude calculating means changes the phase of the stripe pattern at least twice using the phase shifter. Then, the phase shift method calculation for calculating the phase and the amplitude is performed from the three or more images having the mutually different fringe phases.

【0025】または、位相振幅演算手段は縞パターンが
投影された一枚の画像からフーリエ変換法または電子モ
アレ位相シフト法を用いて演算するようにする。
Alternatively, the phase / amplitude calculating means calculates from a single image on which the fringe pattern is projected by using the Fourier transform method or the electronic moire phase shift method.

【0026】以上のように装置を構成することで位相検
出法とShape from Focus法がお互いの問題点を補い合
い、かつ効率的に演算が可能となる。つまり、低倍率で
も高精度計測可能な位相検出法を用いて基本的に計測を
行うが、位相検出演算時に同時に縞のコントラスト演算
も実行しておき、焦点面の位置を焦点移動機構により変
化させて同様の演算を行えば、コントラスト情報からSh
epe from Focus法演算ができることになり計測精度は悪
いながらも概略の表面形状が計測できることになる。こ
の概略の表面形状計測情報を用いれば簡単に完全なアン
ラッピングを行うことができる。アンラッピングでの必
要な表面形状の計測精度は非常に低い(折り畳まれる領
域の幅程度の精度)ものしか要求されないから十分なア
ンラッピングが可能である。また、位相検出演算はたと
え物体に非常に高い段差があっても焦点移動機構により
ぼけた縞が投影されていないときの位相演算結果を得る
ことができるから、フォーカスはずれの問題がない信頼
性の高い位相演算ができる。また、投影する縞のパター
ンは常に同じものでよい。
By configuring the apparatus as described above, the phase detection method and the Shape from Focus method complement each other's problems, and efficient calculation becomes possible. In other words, although the measurement is basically performed using the phase detection method that can measure with high accuracy even at low magnification, the contrast calculation of the stripes is also executed at the same time as the phase detection calculation, and the position of the focal plane is changed by the focus moving mechanism. If you perform the same calculation with
Since the epe from Focus method can be calculated, the rough surface shape can be measured while the measurement accuracy is poor. Complete unwrapping can be easily performed by using this rough surface shape measurement information. Sufficient unwrapping is possible because only a very low measurement accuracy of the surface shape required for unwrapping (accuracy about the width of the folded region) is required. Further, the phase detection calculation can obtain the phase calculation result when the blurred fringes are not projected by the focus moving mechanism even if the object has a very high step, so that there is no problem of out-of-focus reliability. High phase calculation is possible. Further, the stripe pattern to be projected may always be the same.

【0027】[0027]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。図1に本発明の実施の形態
の第一の例を示す。この例は位相検出法として三角測量
の原理を用いる場合のものであり、パターン投影機構1
7の光軸が結像光学系6の光軸に対して傾いているタイ
プのものである。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a first example of the embodiment of the present invention. In this example, the principle of triangulation is used as the phase detection method, and the pattern projection mechanism 1
The optical axis 7 is inclined with respect to the optical axis of the imaging optical system 6.

【0028】装置の構造を説明する。パターン投影機構
17も結像光学系6も両側テレセントリックな光学系で
ありボケても倍率が変わらないようになっている。パタ
ーン投影機構17は光源1と、光源1からの光を集めて
パターンマスク3を照射するコレクタレンズ2と、周期
的な縞パターンをもつパターンマスク3と、パターンマ
スク3の位相をシフトさせる位相シフター4と、テレセ
ントリックな投影レンズ5とにより構成され、結像光学
系6の光軸にたいして角度αをもってかつ結像光学系6
の焦点面にパターンマスク3の像が重なるように結像す
る構成となっている。そのためにパターンマスク3は投
影レンズ5の光軸に対して傾けて配置されている。位相
シフター4は高い精度でパターンマスク3を矢印方向に
シフトさせる一軸の駆動機構である。
The structure of the device will be described. Both the pattern projection mechanism 17 and the imaging optical system 6 are optical systems that are telecentric on both sides, and the magnification does not change even when the image is blurred. The pattern projection mechanism 17 includes a light source 1, a collector lens 2 that collects light from the light source 1 and irradiates the pattern mask 3, a pattern mask 3 having a periodic stripe pattern, and a phase shifter that shifts the phase of the pattern mask 3. 4 and a telecentric projection lens 5 at an angle α with respect to the optical axis of the imaging optical system 6 and the imaging optical system 6
The image of the pattern mask 3 is formed so as to be superimposed on the focal plane of. Therefore, the pattern mask 3 is arranged so as to be inclined with respect to the optical axis of the projection lens 5. The phase shifter 4 is a uniaxial drive mechanism that shifts the pattern mask 3 in the arrow direction with high accuracy.

【0029】結像光学系6はパターン投影機構17によ
り照明された物体7の像を撮像センサ8上に結像させる
テレセントリック光学系となっている。焦点移動機構9
はこの例では結像光学系6の光軸方向に移動可能な載物
台10とそのコントローラ11から構成されている。こ
の機構により結像光学系6の物体7に対する焦点面の位
置関係を変えることができる。撮像センサ8により得ら
れた画像は、位相振幅演算手段12と最大振幅位置演算
手段13と最大振幅位相検出手段14と表面形状演算手
段15とをもつ画像処理装置16に送られ処理される。
The image forming optical system 6 is a telecentric optical system for forming an image of the object 7 illuminated by the pattern projection mechanism 17 on the image sensor 8. Focus moving mechanism 9
In this example, is composed of a stage 10 movable along the optical axis of the imaging optical system 6 and its controller 11. With this mechanism, the positional relationship of the focal plane of the imaging optical system 6 with respect to the object 7 can be changed. The image obtained by the image sensor 8 is sent to an image processing device 16 having a phase amplitude calculating means 12, a maximum amplitude position calculating means 13, a maximum amplitude / phase detecting means 14, and a surface shape calculating means 15 to be processed.

【0030】ここで位相シフター4はパターンマスク3
と一軸の駆動機構により実現しているが、これに限られ
るものではない。ピエゾ素子のようなアクチュエーター
を用いて移動させても良いし、機械的な駆動機構を用い
ずにパターンを液晶ディスプレイに描画して、その描画
パターンをずらすようにしてもよい。いずれにしても投
影パターンが正確にシフトさせることができる機構であ
ればよい。
Here, the phase shifter 4 is the pattern mask 3
It is realized by a uniaxial drive mechanism, but is not limited to this. An actuator such as a piezo element may be used for movement, or a pattern may be drawn on a liquid crystal display without using a mechanical drive mechanism and the drawing pattern may be shifted. In any case, any mechanism can be used as long as the projection pattern can be accurately shifted.

【0031】また焦点移動機構9は載物台10の位置を
移動させて実現しているが、これに限られるものではな
い。光学系側を移動させても良いし、微少な移動である
のなら対物レンズの一部を移動させるだけでも良い。ま
たは、機械的な移動でなく対物レンズと物体との間に空
気と屈折率の異なる透明体を挿入し、その屈折率を変化
させたり、透明体の厚さを変化させるようにして焦点移
動を実現しても良い。いずれにしても対物レンズの焦点
位置が物体に対して相対的に移動するような機構であれ
ばよい。
The focus moving mechanism 9 is realized by moving the position of the stage 10, but the present invention is not limited to this. The optical system side may be moved, or if it is a minute movement, only a part of the objective lens may be moved. Alternatively, instead of mechanical movement, a transparent body with a different refractive index from air is inserted between the objective lens and the object, and the refractive index is changed, or the thickness of the transparent body is changed to move the focus. May be realized. In any case, any mechanism may be used as long as the focal position of the objective lens moves relative to the object.

【0032】この装置によりどのようにして表面形状計
測がなされるかを順を追って説明する。焦点移動機構9
の光軸方向の座標が今z1の状態にあるとする。この位
置でまず物体7上に投影された周期的な縞パターンの位
相と振幅を各画素毎に求める。求める方法は位相シフト
法を使う。つまりまず一枚画像を取り、次に位相シフタ
ー4によりパターンマスク3の位相をシフトさせる。そ
してまた画像を取り込む。また同様に位相シフター4で
パターンマスク3の位相をシフトさせて画像を取り込
む。シフトさせる回数は2回以上つまり位相の異なる画
像が3枚以上であれば位相と振幅が演算できる。このよ
うに複数回の位相シフトを行ってシフトする度に画像を
画像処理装置16へ取り込んでいく。取り込んだ複数枚
の画像から位相振幅演算手段12により各画素単位で位
相と振幅が求められ位相画像と振幅画像の2枚の画像が
結果として得られることになる。
How the surface shape measurement is performed by this apparatus will be described step by step. Focus moving mechanism 9
It is assumed that the coordinates in the optical axis direction of are in the state of z1. At this position, the phase and amplitude of the periodic stripe pattern projected on the object 7 are first obtained for each pixel. The phase shift method is used for the calculation. That is, first one image is taken, and then the phase of the pattern mask 3 is shifted by the phase shifter 4. Then capture the image again. Similarly, the phase shifter 4 shifts the phase of the pattern mask 3 to capture an image. If the number of shifts is two or more, that is, three or more images having different phases, the phase and amplitude can be calculated. In this way, the image is taken into the image processing apparatus 16 every time the phase shift is performed a plurality of times. The phase and amplitude calculation means 12 obtains the phase and the amplitude for each pixel from the plurality of captured images, and two images of the phase image and the amplitude image are obtained as a result.

【0033】より高速性を重視するのであれば一枚の画
像からフーリエ変換法や電子モアレ位相シフト法を用い
て位相・振幅情報を演算してももちろん良い。この場
合、位相シフター4は必要ない。
If higher speed is emphasized, it is of course possible to calculate the phase / amplitude information from one image using the Fourier transform method or the electronic moire phase shift method. In this case, the phase shifter 4 is not necessary.

【0034】次に、焦点移動機構9により結像光学系6
の焦点面と物体7との位置関係を変化させる。つまり、
載物台の位置をz1からz2=z1−Δzに移動させ
る。そして、その位置でまた上記と同様に位相と振幅を
求める。次はz3= z2−Δz、その次はz4= z3
−Δz、z5、z6...と、位相と振幅を順次求めて
いく。各載物台の位置において得られた位相画像と振幅
画像は最大振幅位置演算手段13と最大振幅位相検出手
段14に送られる。
Next, the focus moving mechanism 9 is used to form the image forming optical system 6.
The positional relationship between the focal plane of and the object 7 is changed. That is,
The position of the stage is moved from z1 to z2 = z1−Δz. Then, at that position, the phase and the amplitude are obtained again as described above. Next is z3 = z2-Δz, next is z4 = z3
-Δz, z5, z6. . . Then, the phase and the amplitude are sequentially obtained. The phase image and the amplitude image obtained at the position of each stage are sent to the maximum amplitude position calculating means 13 and the maximum amplitude phase detecting means 14.

【0035】最大振幅位置演算手段13では振幅画像だ
けが評価される。ある一つの画素を考えてみる。得られ
た振幅情報を、載物台の位置を横軸としてグラフにする
と図2のようになる。Shape from Focus法の説明で述べ
たように縞の振幅、言い換えればコントラストは合焦位
置をピークとする山形のカーブとなるはずであり、得ら
れた振幅情報はこの山をサンプリングしたものであると
考えられる。このサンプリングした振幅情報から最大振
幅位置である合焦位置を内挿演算により求める。例え
ば、得られた振幅情報の最大の値vkとその前後の値
vk+1,vk-1の3つの値を用いて、ガウス関数にフィッテ
ィングすることにより求める。つまり、合焦位置zp=zk+
(ln(vk+1)-ln(vk-1))Δz/(2・(2・ln(vk)-ln(vk-1)-ln
(vk+1)))として求めることができる。ここに、Δzは焦
点移動のピッチ、lnは自然対数演算を示す。この内挿演
算は上記のガウス関数へのフィッティングだけでなくそ
の他の山形の関数へのフィッティングであっても良い
し、また、重心演算や相関演算によっても合焦位置を求
めることが可能である。このような合焦位置推定演算を
すべての画素について演算する。合焦位置は物体表面の
位置をあらわしているからこの演算により表面形状計測
ができることになる。これがShape frm Focus法による
表面形状計測である。しかし、先に述べたように結像光
学系が低倍率・低NAの場合、この結果は十分な精度を
持っていない。本発明では、この結果を位相検出法で求
めた結果のアンラッピングに用いる。これについては表
面形状演算手段15の説明の時に述べる。
The maximum amplitude position calculation means 13 evaluates only the amplitude image. Consider a pixel. FIG. 2 shows the obtained amplitude information in a graph with the position of the stage as the horizontal axis. As described in the explanation of the Shape from Focus method, the fringe amplitude, in other words, the contrast should be a mountain-shaped curve having a peak at the focus position, and the obtained amplitude information is obtained by sampling this mountain. Conceivable. From the sampled amplitude information, the focus position, which is the maximum amplitude position, is obtained by interpolation calculation. For example, the maximum value v k of the obtained amplitude information and the values before and after it
It is obtained by fitting a Gaussian function using three values of v k + 1 and v k-1 . That is, the focus position z p = z k +
(ln (v k + 1 ) -ln (v k-1 )) Δz / (2 ・ (2 ・ ln (v k ) -ln (v k-1 ) -ln
(v k + 1 ))). Here, Δz is the focus movement pitch, and ln is the natural logarithmic calculation. The interpolation calculation may be not only the fitting to the Gaussian function described above but also the fitting to other mountain-shaped functions, and the focus position can be obtained by the gravity center calculation or the correlation calculation. Such focus position estimation calculation is performed for all pixels. Since the in-focus position represents the position of the object surface, the surface shape can be measured by this calculation. This is surface shape measurement by the Shape frm Focus method. However, as described above, this result does not have sufficient accuracy when the imaging optical system has a low magnification and a low NA. In the present invention, this result is used for unwrapping the result obtained by the phase detection method. This will be described when the surface shape calculation means 15 is described.

【0036】次に、最大振幅位相検出手段14について
述べる。焦点移動機構9により結像光学系6の焦点面と
物体7との位置関係を変化させる度に位相振幅演算手段
12により位相の検出を行うわけであるから、ある画素
に対して何度も位相検出することになる。そこで、どの
時の位相検出結果を採用するか選択する必要がある。こ
の選択を行うのが最大振幅位相検出手段14であって、
振幅が最大となっているときの位相の値を記憶する。つ
まり、複数枚の位相画像を統合して一枚の信頼性の最も
高い位相情報を集めた画像(以下では最大振幅位相画像
と呼ぶ)として出力することになる。従来、位相検出法
は一般にフォーカスがずれると計測不能となるが、この
処理により、たとえ物体上の段差が著しく大きくて段差
の上と下両方が同時にフォーカスがあった状態にするこ
とができなくても信頼性の高い位相計測をすることが可
能となる。
Next, the maximum amplitude / phase detecting means 14 will be described. Since the phase amplitude calculation means 12 detects the phase each time the positional relationship between the focal plane of the imaging optical system 6 and the object 7 is changed by the focus moving mechanism 9, the phase is repeatedly detected for a certain pixel. Will be detected. Therefore, it is necessary to select when to use the phase detection result. It is the maximum amplitude / phase detection means 14 that makes this selection,
The value of the phase when the amplitude is maximum is stored. That is, a plurality of phase images are integrated and output as one image (hereinafter referred to as maximum amplitude phase image) in which the most reliable phase information is collected. Conventionally, the phase detection method generally makes measurement impossible when the focus is deviated, but even if the step on the object is so large that both the top and bottom of the step cannot be in focus at the same time, the phase detection method is reliable. It is possible to perform highly accurate phase measurement.

【0037】ここで求めた最大振幅位相画像を、最大振
幅位置演算手段13で求めた荒い表面形状計測結果を用
いてアンラッピングするのが表面形状演算手段15であ
る。図3を用いて説明する。2π(縞1周期)に対応す
る高さをaとすると、最大振幅位相画像はすべてこの領
域に折り畳まれている状態である。この画像の各画素の
値である位相には2πn(nは整数)の不確定要素が含
まれている。つまりある点pの位相がθであるとしても
実際はθ+2πnを意味しておりこのnはわからない。
図3に示すように、点pが位相θであるような高さはa
周期でいくつもあり得るということである。このnを決
定する処理がアンラッピングである。このnを決定する
ためには±a/2よりは高い程度のラフな精度で求めら
れた表面形状計測データがあれば良い。このデータとし
て最大振幅位置演算手段13で求めた結果、つまり、Sh
ape from Focus法の結果を用いる。一般的な位相接続処
理のように隣の画素の値との比較などはいっさい無く純
粋にその画素だけのデータから機械的に求められるた
め、急激な大きい段差が存在してもあるいは周囲の画素
が穴などにより計測不可能であったとしても問題なく求
めることができる。
The surface shape calculation means 15 unwraps the maximum amplitude phase image obtained here using the rough surface shape measurement result obtained by the maximum amplitude position calculation means 13. This will be described with reference to FIG. When the height corresponding to 2π (one cycle of stripes) is a, the maximum amplitude phase image is all folded in this region. The phase, which is the value of each pixel in this image, includes an uncertain factor of 2πn (n is an integer). That is, even if the phase of a certain point p is θ, it actually means θ + 2πn, and this n is unknown.
As shown in FIG. 3, the height at which the point p is the phase θ is a
It means that there can be many in the cycle. The process of determining n is unwrapping. In order to determine this n, it suffices to have surface shape measurement data obtained with a rough accuracy higher than ± a / 2. The result obtained by the maximum amplitude position calculation means 13 as this data, that is, Sh
Use the result of the ape from Focus method. There is no comparison with the value of the adjacent pixel like the general phase connection processing, and it is purely mechanically determined from the data of that pixel only, so even if there is a large step difference or the surrounding pixels are Even if it is impossible to measure due to holes etc., it can be obtained without any problem.

【0038】一般に、位相検出法は相対計測であり絶対
的な位置は判断が付かない。例えば結像光学系6の焦点
面に平行な平面を計測することを考えてみると、その平
面が図3のz1、z11、z12、z13...にある場
合、そこで投影される縞は全く同じである。そのため平
面が実際どのz位置にあるのかはわからない。Zテーブ
ルを移動をして位相検出した結果は移動前の結果とは対
応をつけることができない。つまり、位相検出だけでは
Zテーブルを移動して位相検出した結果を統合するよう
な処理を行うことはできない。そのため、焦点深度を超
えるような大段差は計測不可能である。しかし、本発明
では絶対位置を示す合焦演算による結果を用いてアンラ
ッピングするために絶対計測となりZテーブルを移動し
て求めた結果同士は容易に対応がつく。つまり、どんな
大段差であっても焦点移動機構9が移動可能でワーキン
グディスタンスが十分あるかぎり計測可能である。
Generally, the phase detection method is a relative measurement, and the absolute position cannot be determined. Consider, for example, measuring a plane parallel to the focal plane of the imaging optical system 6, and if that plane is at z1, z11, z12, z13 ... In FIG. Is the same. Therefore, it is not known at which z position the plane is actually located. The result obtained by moving the Z table and detecting the phase cannot be associated with the result before the movement. That is, it is not possible to move the Z table and integrate the results of phase detection only by phase detection. Therefore, a large step that exceeds the depth of focus cannot be measured. However, in the present invention, since unwrapping is performed using the result of the focus calculation indicating the absolute position, absolute measurement is performed, and the results obtained by moving the Z table can easily correspond to each other. That is, as long as the focus moving mechanism 9 is movable and the working distance is sufficient, it is possible to measure any large step.

【0039】位相検出法は一般に縞の空間周波数が高い
(縞のピッチが小さい)ほど精度が高い。しかし、縞の
空間周波数を高くするとアンラッピングなしで計測可能
である範囲が著しく狭くなる。一般に、アンラッピング
は時間のかかる、かなり手の込んだ処理であり、かつ物
体の形状によってはうまくいかないことも多いためでき
るだけアンラッピングを簡単にするために計測可能範囲
を広くする目的で縞の空間周波数を下げて使う。このた
め、必ずしも十分な精度がでない可能性がある。本発明
は完全なアンラッピングを簡単に行うことができるため
十分な精度を保てるように縞の空間周波数を高めること
ができるようになる。この意味で従来より高精度の計測
が期待できる。
In the phase detection method, generally, the higher the spatial frequency of stripes (smaller pitch of stripes), the higher the accuracy. However, if the spatial frequency of the stripes is increased, the measurable range without unwrapping becomes extremely narrow. In general, unwrapping is a time-consuming and fairly elaborate process, and it often does not work depending on the shape of the object, so the spatial frequency of stripes is widened in order to widen the measurable range in order to simplify unwrapping as much as possible. Lower to use. Therefore, there is a possibility that the accuracy is not always sufficient. Since the present invention can easily perform complete unwrapping, the spatial frequency of stripes can be increased so as to maintain sufficient accuracy. In this sense, it is possible to expect higher precision measurement than before.

【0040】次に、本発明の実施の形態の第2の例につ
いて図4を用いて説明する。この例は計測原理として三
角測量法ではなく光波干渉を原理とした装置の例であ
る。この場合は第一の例と違い、パターン投影機構44
の光軸と結像光学系6の光軸が同軸となったマイケルソ
ン型の干渉計である。光源1から射出された照明光は照
明光学系45を通過してビームスプリッタ41に入射す
る。照明光はビームスプリッタ41により2つのビーム
に分割され、参照鏡42と物体7とをそれぞれ照明す
る。参照鏡42と物体7とでそれぞれ反射された光はビ
ームスプリッタ41によって再び重ね合わされ、結像光
学系6によって撮像センサ8に物体7の像を結ぶ。この
とき、参照鏡42からのビームと物体7からのビームが
干渉してそれらのビームの光路差が1/2λ(ここにλ
は照明光の中心波長)の周期の干渉縞が観測される。こ
こで用いる光源1は数十μm程度のコヒーレント長をも
つ低コヒーレント光源である。この程度のコヒーレント
長を持つ光源1としては例えばスーパールミネッセント
ダイオードがある。このような低コヒーレント光源を用
いた場合、干渉が見られるのは非常に局部的であり、上
記2つのビームの光路差が0である位置を中心としたコ
ヒーレント長領域でのみ干渉縞が観測される。焦点移動
機構9の載物台10を移動しながら撮像センサ8の、あ
る一画素の強度を記録すると図5のような強度変化とな
る。包絡線のピークが上記2つのビームの光路差が0と
なる位置であり、その位置は1/2λ周期の振動波形
(干渉縞)における、最大振幅のピークと一致する。こ
れは、包絡線を合焦情報、干渉縞を周期性の縞パターン
と考えれば第1の例と同じように考えることができる。
Next, a second example of the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This example is an example of an apparatus based on the principle of light wave interference, not the triangulation method, as the measurement principle. In this case, unlike the first example, the pattern projection mechanism 44
Is a Michelson-type interferometer in which the optical axis of (1) and the optical axis of the imaging optical system 6 are coaxial. The illumination light emitted from the light source 1 passes through the illumination optical system 45 and enters the beam splitter 41. The illumination light is split into two beams by the beam splitter 41, and illuminates the reference mirror 42 and the object 7, respectively. The light reflected by the reference mirror 42 and the light reflected by the object 7 are superimposed again by the beam splitter 41, and an image of the object 7 is formed on the imaging sensor 8 by the imaging optical system 6. At this time, the beam from the reference mirror 42 interferes with the beam from the object 7, and the optical path difference between these beams is ½λ (where λ
Is the center wavelength of the illuminating light). The light source 1 used here is a low coherent light source having a coherent length of about several tens of μm. As a light source 1 having a coherent length of this degree, there is, for example, a super luminescent diode. When such a low coherent light source is used, the interference is very local, and the interference fringes are observed only in the coherent length region centered on the position where the optical path difference between the two beams is 0. It When the intensity of one pixel of the image sensor 8 is recorded while moving the stage 10 of the focus moving mechanism 9, the intensity changes as shown in FIG. The peak of the envelope is the position where the optical path difference between the two beams is 0, and that position coincides with the peak of the maximum amplitude in the vibration waveform (interference fringe) of 1/2 λ cycle. This can be considered in the same way as in the first example by considering the envelope as focusing information and the interference fringes as a periodic fringe pattern.

【0041】つまり、包絡線を与える干渉縞のコントラ
スト情報から物体形状を±1/4λよりは高い程度のラ
フな精度で演算しておき、干渉縞の位相を求めること
で、より正確なピーク位置情報を得ることができる。位
相は1/2λ(2π)領域に折り畳まれているのでコン
トラスト情報から得られたラフな形状計測結果がアンラ
ップのための情報となる。
That is, the object shape is calculated from the contrast information of the interference fringes giving the envelope with a rough accuracy higher than ± 1 / 4λ, and the phase of the interference fringes is obtained to obtain a more accurate peak position. You can get information. Since the phase is folded in the ½λ (2π) region, the rough shape measurement result obtained from the contrast information becomes the information for unwrapping.

【0042】もう少し具体的に演算方法を説明する。ピ
エゾアクチュエーターである位相シフター43により参
照鏡42を移動させ位相シフト演算を行う。例えば、ま
ず画像を撮って、2/3π(1/3λ)だけ参照鏡42
を移動させ2枚目の画像を撮り、その後また2/3π移
動し、3枚目の画像を撮る。得られた三枚の画像から位
相振幅演算手段12により各画素毎に位相と振幅を求め
る。このとき、位相をシフトさせるために位相シフター
43は焦点移動機構9に兼用させてもよい。
The calculation method will be described more concretely. The phase shifter 43, which is a piezo actuator, moves the reference mirror 42 to perform a phase shift calculation. For example, an image is first taken and the reference mirror 42 is used for 2 / 3π (1 / 3λ).
To move and take the second image, then move 2 / 3π again and take the third image. From the obtained three images, the phase and amplitude calculating means 12 calculates the phase and the amplitude for each pixel. At this time, the phase shifter 43 may also be used as the focus moving mechanism 9 in order to shift the phase.

【0043】または、物体7を多少傾けて空間的な干渉
縞を発生させ、機械的な位相シフトなしで位相振幅演算
手段12としてフーリエ変換法あるいは位相シフトモア
レ法をもちいて各画素毎の位相と振幅を求めても良い。
Alternatively, the object 7 is slightly tilted to generate spatial interference fringes, and the Fourier transform method or the phase shift moire method is used as the phase amplitude calculation means 12 without mechanical phase shift, and the phase and amplitude of each pixel are calculated. May be asked.

【0044】焦点移動機構9を決まったステップ(数μ
mから数十μm程度)づつ動かして、各ステップ毎に上
記と同様の演算を行って振幅と位相を求めていく。各ス
テップで得られた振幅画像と位相画像を用いて形状演算
を行う。以下の演算方法は第一の実施例と全く同じであ
る。
A fixed step (several μ
Then, the amplitude and the phase are obtained by performing the same calculation as above at each step. Shape calculation is performed using the amplitude image and the phase image obtained in each step. The following calculation method is exactly the same as in the first embodiment.

【0045】[0045]

【発明の効果】本発明は、処理がほとんど同じ(同時に
おこなえる)周期パターンの位相検出と振幅検出の両方
の値を用いて、互いに問題点が相補的である2つの手
法、Shape from Focus法と位相シフト法の両方を組み合
わせることで従来の問題点を完全な形で解決することが
可能となる。これにより高速表面形状計測の応用範囲が
大きく広がるものと思われる。
According to the present invention, two methods in which the problems are complementary to each other by using the values of both the phase detection and the amplitude detection of a periodic pattern whose processing is almost the same (which can be performed at the same time) are the Shape from Focus method. By combining both of the phase shift methods, the conventional problems can be solved completely. This will broaden the range of applications for high-speed surface profile measurement.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施の形態の第一の例を示した図であ
る。
FIG. 1 is a diagram showing a first example of an exemplary embodiment of the present invention.

【図2】Shape from Focus演算を説明するための図であ
る。
FIG. 2 is a diagram for explaining a Shape from Focus calculation.

【図3】本発明の原理を説明するための図である。FIG. 3 is a diagram for explaining the principle of the present invention.

【図4】本発明の実施の形態の第二の例を示した図であ
る。
FIG. 4 is a diagram showing a second example of the exemplary embodiment of the present invention.

【図5】低コヒーレンス光源による干渉波形を示す図で
ある。
FIG. 5 is a diagram showing an interference waveform due to a low coherence light source.

【図6】従来技術の三角測量に基づく位相検出の原理を
示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing the principle of phase detection based on triangulation in the prior art.

【図7】従来技術の光波干渉装置の例を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing an example of a conventional light wave interference device.

【図8】位相シフトを説明するための図である。FIG. 8 is a diagram for explaining a phase shift.

【図9】Shape from Focus法を説明するための図であ
る。
FIG. 9 is a diagram for explaining the Shape from Focus method.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 光源 2 コレクタレンズ 3 パターンマスク 4 位相シフター 5 投影レンズ 6 結像光学系 7 物体 8 撮像センサ 9 焦点移動機構 10 載物台 11 コントローラー 12 位相振幅演算手段 13 最大振幅位置演算手段 14 最大振幅位相検出手段 15 表面形状演算手段 16 画像処理装置 17 パターン投影機構 41 ビームスプリッタ 42 参照鏡 43 位相シフター 44 パターン投影機構 45 照明光学系 1 light source 2 collector lens 3 pattern masks 4 phase shifter 5 Projection lens 6 Imaging optical system 7 objects 8 image sensor 9 Focus movement mechanism 10 platform 11 controller 12 Phase amplitude calculation means 13 Maximum amplitude position calculation means 14 Maximum amplitude phase detection means 15 Surface shape calculation means 16 Image processing device 17 pattern projection mechanism 41 beam splitter 42 Reference mirror 43 Phase shifter 44 pattern projection mechanism 45 Illumination optical system

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 被計測物体に対して周期的な縞パターン
を投影するパターン投影機構と、前記縞パターンが投影
された物体の光学像を結ばせる結像光学系と、前記結像
光学系で得られた物体の光学像を光電変換して電気信号
とする撮像センサと、前記結像光学系の物体側の焦点面
を少なくとも1回変位させる焦点移動機構と、前記撮像
センサで得られた周期的な縞パターンの投影された物体
の画像に対し各画素ごとにその点での縞パターンの位相
と振幅を求める位相振幅演算手段と、焦点面を変位させ
るたびにその位置で前記位相振幅演算手段により位相と
振幅を求め、焦点面を変位させることによって変化する
振幅の変化情報を元にその振幅が最大となる位置を、焦
点面の変位間隔よりも細かい精度で内挿演算により推定
する最大振幅位置演算手段と、ある画素の位相は、各焦
点面において前記位相振幅演算手段により得られた位相
情報の中で最も振幅が大きいときのものをその画素の位
相情報とする最大振幅位相検出手段と、前記最大振幅位
置演算手段により得られた最大振幅位置情報と前記最大
振幅位相検出手段より得られた最大振幅位相情報とを用
いて正確な物体表面の高さ情報を演算する表面形状演算
手段とを備えることを特徴とする表面形状計測装置。
1. A pattern projection mechanism for projecting a periodic fringe pattern onto an object to be measured, an imaging optical system for forming an optical image of the object on which the fringe pattern is projected, and the imaging optical system. An image sensor that photoelectrically converts the obtained optical image of the object into an electric signal, a focus moving mechanism that displaces the object-side focal plane of the imaging optical system at least once, and a cycle obtained by the image sensor. A phase-amplitude calculating means for obtaining the phase and amplitude of the stripe pattern at that point for each pixel with respect to the image of a projected object having a typical stripe pattern, and the phase-amplitude calculating means at that position each time the focal plane is displaced. Maximum amplitude position to estimate the position where the amplitude is maximum based on the change information of the amplitude, which is obtained by deriving the phase and amplitude and changing the focal plane, by the interpolation calculation with a finer precision than the displacement interval of the focal plane. Performance Calculating means, the phase of a certain pixel, the maximum amplitude phase detecting means for the phase information of the pixel when the maximum amplitude of the phase information obtained by the phase amplitude calculating means in each focal plane, Surface shape calculation means for calculating accurate height information of the object surface using the maximum amplitude position information obtained by the maximum amplitude position calculation means and the maximum amplitude phase information obtained by the maximum amplitude phase detection means. A surface shape measuring device comprising:
【請求項2】 パターン投影機構の光軸は結像光学系の
光軸に対し傾いた方向から投影することを特徴とする請
求項1記載の表面形状計測装置。
2. The surface shape measuring apparatus according to claim 1, wherein the optical axis of the pattern projection mechanism is projected from a direction inclined with respect to the optical axis of the imaging optical system.
【請求項3】 パターン投影機構は光波干渉縞を投影す
ることを特徴とする請求項1記載の表面形状計測装置。
3. The surface shape measuring apparatus according to claim 1, wherein the pattern projection mechanism projects light wave interference fringes.
【請求項4】 位相振幅演算手段で位相と振幅を演算す
るために縞パターンの位相を変化させる位相シフターを
持ち、位相振幅演算手段は前記位相シフターを用いて縞
パターンの位相を少なくとも2回変化させて得られる互
いに縞の位相が異なる3枚以上の画像から位相と振幅を
演算する位相シフト法演算を行うことを特徴とする請求
項1および請求項2および請求項3記載の表面形状計測
装置。
4. The phase / amplitude calculating means has a phase shifter for changing the phase of the stripe pattern in order to calculate the phase and the amplitude, and the phase / amplitude calculating means uses the phase shifter to change the phase of the stripe pattern at least twice. 4. The surface profile measuring apparatus according to claim 1, wherein the phase shift method calculation for calculating the phase and the amplitude is performed from three or more images obtained by causing the phases of the fringes to be different from each other. .
【請求項5】 位相振幅演算手段は縞パターンが投影さ
れた一枚の画像からフーリエ変換法または電子モアレ位
相シフト法を用いて演算することを特徴とする請求項1
および請求項2および請求項3記載の表面形状計測装
置。
5. The phase / amplitude calculating means calculates from a single image on which a fringe pattern is projected, using a Fourier transform method or an electronic moire phase shift method.
And the surface shape measuring apparatus according to claim 2 or claim 3.
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