CN111721195A - 三维形状计测方法和三维形状计测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供三维形状计测方法和三维形状计测装置。在对测定对象物照射测定介质而根据干涉信号计测三维形状的三维形状计测方法中，包括更换了物镜的情况在内，简便且准确地进行干涉信号的摄像元件的焦点位置和干涉条纹的出现位置的调整。对摄像元件的位置进行调整，使得出现有所使用的物镜的干涉条纹的z轴上的位置与摄像元件的焦点位置的相对位置之差处于规定的范围。

Description

三维形状计测方法和三维形状计测装置

技术领域

本发明涉及在使用了用于干涉显微镜的干涉物镜时进行校正以使干涉条纹的焦点位置与摄像元件(以下，代表性地称为照相机)的焦点位置对齐的方法及其装置。

背景技术

现有的干涉显微镜以无限远系的配置为主，在观察干涉条纹时，不是通过调整照相机侧的焦点位置，而是通过调整参照镜的位置来进行。具体来说，在不改变照相机传感器的位置的情况下对每个物镜进行调整，使得在该照相机的焦点位置出现干涉条纹。

在不使照相机移动的情况下，存在横倍率β不发生变化这一优点，但是必须每次都对物镜的干涉条纹的出现位置进行调整，该手动的调整作业会给操作者带来负担。

在低倍率透镜的情况下，物镜的焦点深度较大，所以干涉条纹的出现位置存在于照相机的焦点所匹配的范围内，因此也有不存在参照镜的调整机构的情况。

另一方面，在高倍率透镜中，焦点深度较小，因此基于参照镜的调整是必须的。

这样，干涉物镜通常是干涉物镜自身带有调整机构。例如，已经完成了提高该调整机构的使用方便性的发明(专利文献1)。

专利文献1：日本特开2000-193891号公报

但是，在使用显微镜的情况下，仅使用1个物镜的情况是很少的，通常都是切换倍率不同的多个物镜来使用。

但是，在多个干涉物镜分别设置参照镜的调整机构的情况下，存在重量增加、并且由于设置复杂的调整机构而导致品质难以稳定、经济性也发生恶化等课题。特别是，重量增加会导致用于附接多个物镜的转换器、作为z驱动机构的电机、压电元件的耐荷重增大，从而导致重量进一步增加。其结果是，产生干涉条纹的模糊或边缘的垂下等，无法计测出准确的三维形状。从装置的重量增加和计测精度的观点来看，这点对包括温度漂移的应对在内的参照镜的调整的自动化也是一个障碍。

发明内容

因此，优选如下的三维形状计测方法以及装置：始终进行干涉物镜的调整以使照相机的焦点位置与干涉条纹的出现位置一致而进行优化，从而解决上述课题，能够通过简单的结构来容易地取得无模糊的三维形状像。

本发明为了解决上述课题，仅在照相机侧设置调整机构来进行调整，以使照相机(摄像元件)的焦点位置与干涉条纹的出现位置一致，由此不会损害结构的简单性，因此能提供如下的用于得到真实的三维形状像的三维形状计测方法及三维形状计测装置：避免了因装置重量增加而引起的品质的降低，并且也不会损害经济性。

根据本发明，作为测定准确的三维形状的方法，在根据对基于干涉信号的干涉条纹进行拍摄的摄像元件的焦点位置与干涉条纹的出现位置之间的距离的差来进行位置调整时，使摄像元件的位置移动而进行位置调整，以使该距离的差为规定的值以下。

另外，针对所配置的多个干涉物镜中的每个干涉物镜，将摄像元件的位置的移动量存储为各自的校正值，在下次之后的测定中，根据与要使用的干涉物镜对应的校正值来进行校正。

另外，针对随着使摄像元件移动而造成的横倍率的变化，进行横倍率校正。

由此，能够提供如下的三维形状计测方法：针对所配置的每个干涉物镜，将摄像元件的位置调整的移动距离确定为校正值，在使用相同的干涉物镜的基础上，仅通过进行使用了相同的校正值的摄像元件的校正，便能够进行准确的三维形状测定。因此，为了得到无模糊等的三维形状，不需要进行每个摄像元件干涉物镜的位置调整，能够简化计测方法及装置结构，还能够减轻操作者负担。

另外，作为本发明的三维形状测定装置，具有：光源，其产生恒定的波长的光；分束器，其对该光进行分割并使该光反射或透过；干涉物镜，其使被该分束器反射后的光沿光轴的方向进行聚光并照射在测定对象物上，并且使从该测定对象物反射的测定光与从聚光于测定对象物的光分支而得的参照光发生干涉；以及摄像元件，其检测由干涉物镜产生的干涉信号并进行拍摄，在三维形状计测装置中，具有摄像元件的位置调整机构，该位置调整机构在进行测定光与参照光的光学距离的调整时使摄像元件沿z轴方向移动。

通过设成这样的结构，对于位置调整，调整部位仅为摄像元件即可，不需要针对所配置的多个干涉物镜中的每个干涉物镜的调整机构，因此能够避免因装置整体的重量增加而导致的装置性能的下降。因此，在自动化时，仅在摄像元件设置自动化机构即可，能够简化装置结构。

根据本发明的三维形状计测方法及装置，通过简单的结构提高了经济性，另外，能够通过容易的操作来取得真实的三维形状像。

附图说明

图1是作为本发明的实施方式的1个应用例的干涉显微镜的整体结构图。

图2是通过本发明的照相机侧的移动而实现的照相机的焦点位置与干涉条纹的出现位置的对位的概念图。

图3是根据物镜的倍率计算的纵倍率和实测值的标绘点。

图4是本发明的测定方法的流程图。

图5是本发明的另一个测定方法的流程图。

图6是示出通常的透镜的成像关系的图。

图7是通过现有的参照镜侧的移动而实现的照相机的焦点位置与干涉条纹的出现位置的对位的概念图。

图8是示出基于照相机的焦点位置与干涉条纹的出现位置一致/不一致的拍摄图像和剖视图的图。

标号说明

10：装置主体；11：光源(白色光源)；12：滤光镜(包含波长滤光镜)；13：分束器；14：干涉物镜(物镜)；15：照相机(传感器(检测器))；16：压电致动器；20：载台；30：计算机；100：干涉显微镜；S：试样(包含测定对象物)

具体实施方式

以下，基于以干涉显微镜为例的图1～图5，对与本发明的三维形状像的取得相关的使干涉条纹焦点位置与照相机的焦点位置对齐的机构进行详述。

图1是作为本发明的实施方式的1个应用例的干涉显微镜的整体结构图。干涉显微镜100包含：装置主体10；载台20，其载置作为计测对象的试样S(测定对象物)；以及计算机(处理器)30，其对得到的数据进行处理。装置主体10包含光源(白色光源)11、滤光镜12、分束器13、干涉物镜14、照相机15(传感器(检测器))、压电致动器16以及照相机微调机构17。

如箭头A所示那样，从光源11射出的照射光(白色光)在通过了滤光镜(例如波长滤光镜、偏振滤光镜等)12之后，被分束器13向干涉物镜14引导(箭头B)。照射光被干涉物镜14内的分束器分割成朝向测定对象物(包括试样S自身及其内部的物质)侧的第1照射光和朝向参照镜侧的第2照射光这两种。在从与测定对象物对置地配置的干涉物镜14内的分束器起到测定对象物为止的测定光的光学距离L1与从该分束器起到参照镜为止的参照光的光学距离L2相等时，引起干涉现象。当干涉信号的出现位置处于焦点深度内时，照相机15以该干涉信号为干涉条纹(干涉图案)来进行摄像，干涉信号被保持并储存在计算机30中。另外，在图1的实施方式中，由于从分束器13到参照镜的距离是固定的，所以使用压电致动器16来进行扫描(箭头C的移动)，由此，使与测定对象物的距离L1发生变化。另外，虽然未图示，但也可以在不使用压电元件的情况下使扫描型白色干涉显微镜100自身上下移动而使L1发生变化。干涉显微镜100使用了相干长度短的几μm的光源。

在白色光中，得到了干涉信号的位置是测定对象物所存在的z位置(高度位置)。操作者对干涉显微镜100的计算机30进行操作，使干涉物镜14沿着箭头C在高度方向上移动，对测定对象物(包括试样S及其内部的物质)在高度方向(z方向)上进行扫描，观察测定对象物的表面的性状(凹凸等)。

在图1中，为了容易理解光学距离而图示了线性干涉仪的类型来作为干涉物镜，但在Mirau类型和Michelson类型中也同样如此。

在图6中示出了通常的透镜的成像关系。通常通过(1)式来得到横倍率β(相当于所谓的物镜的透镜倍率)。

【式1】

特别是在被称为无限远系的配置时，β0＝f’/f。

另一方面，通过(2)式得到纵倍率α(光轴方向的倍率)。

【式2】

这里，当考虑到从无限远系配置的状态起移动Δz、Δz’的情况时，通过(3)式来得到校正后的横倍率β’。

【式3】

即，通过预先求出纵倍率α或者事先得到纵倍率α，物镜的焦点距离是恒定的，因此能够根据Δz变化时的移位量来进行校正，以使横倍率始终保持恒定。

当物镜的倍率为10倍且Δz为0.1mm时，在计算上横倍率相差0.4％。即，在100万像素的照相机(传感器)中，1个边是1000像素，所以误差为4个像素。因此，虽然微小，但为了在对照相机的位置进行微调整时得到准确的三维形状像，需要进行横倍率的校正，至少需要抑制为1个像素以下的量。

另外，上述式1～3是近轴光线成立这一假定条件(sinΘ≒tanΘ≒Θ)的基础，因此随着变为高倍率而不成立。

在图3中示出纵倍率和物镜的倍率的计算以及实验结果。在低倍时与近轴近似下的计算值大致一致，但从物镜的倍率超过20倍时起，与计算值的差异被确认。因此，在校正高倍率的物镜的横倍率时，需要事先得到图3的数据。

另外，为了使物镜的参照镜位置自动化而对各个物镜设置电动机构，从而导致重量增加与转换器所附接的物镜的个数相应的量，在维持性能上不优选。

另外，传感器的焦点位置和干涉条纹的出现位置会稍微受到温度变化的影响。但是，基于手动的每次调整会使操作者的作业变得复杂，并不实用。

鉴于这样的实际情况，在本发明中，采用了具有对传感器侧在z方向上进行微调整(图1箭头F的移动)的调整机构的方式。其效果是，不需要对所使用的每个物镜的调整，通过将新的调整机构配置在传感器侧的1个部位便足够，能够将装置整体的重量的增加抑制为最小限度。另外，通过在该新的调整机构附加自动调整功能，自动调整传感器的焦点位置和干涉条纹的出现位置，因此消除了操作者进行调整的麻烦。

当在图2中示出基于照相机微调机构17的图1箭头F的移动的效果时，对照相机的传感器位置进行微调整，使得照相机的焦点位置与不同个体的各物镜的干涉条纹的出现位置匹配。

在对照相机的位置进行微调整时，横倍率会稍微发生变化，但能够使用上述(3)式和事先得到的图3的数据来进行校正。

图8是对照相机的焦点位置与干涉条纹的出现位置一致的拍摄图像(a)和不一致的拍摄图像(a′)、以及同样一致的截面图像(b)和不一致的截面图像(b′)进行比较的图。通过使照相机的焦点位置与干涉条纹的出现位置一致来消除拍摄图像的模糊，在截面图像中可以看到没有垂下的尖锐的边缘。

这样，可知：根据本发明，由于将照相机侧从无限远系的配置稍微移动Δz，所以当在途中插入光学部件时，虽然严格来讲会产生像差，但使照相机的焦点位置与干涉条纹的出现位置一致的情况也会抑制像差的影响，在得到真实的三维形状的方面是有效的。

图4是实施本发明的观察方法时的流程图。首先在照相机的位置调整之前记录物镜的倍率等光学条件(S71)。接着在该条件下进行求出照相机的焦点位置与干涉条纹的出现位置之差的聚焦测试(S72)。

对照相机的位置进行微调整直到其值收敛到规定值以下(S72～S74)。

在进入到规定值之后记录微调整后的照相机的位置(S75)。

进行通过改变照相机位置而实现的横倍率校正(即照相机每1个像素的尺寸)(S76)。另外，严格来说，近轴光线不成立，在高倍率时与理论值产生偏差，因此优选在出厂前生成物镜的倍率和横倍率的校准线。

也可以预先记录光学条件(S71)及与其对应的照相机位置(S75)，然后记录横倍率校正(S76)，由此，在校正了一次之后，可以不进行再调整，直到变更为其他物镜为止。因此，在使用相同物镜的情况下，只要将照相机位置微调整到测定时最佳的位置(S74)即可(图5)。

另外，本发明并不限定于上述实施方式，能够适当地进行变形、改良等。另外，上述实施方式的各构成要素的材质、形状、尺寸、数值、方式、数量、配置部位等只要能够实现本发明，则是任意的，并没有限定。

【产业上的可利用性】

根据本发明，仅通过使照相机侧移动便能够使至少1个以上的干涉物镜的焦点位置与干涉条纹的出现位置一致，能够始终得到真实的三维形状。

Claims (6)

1.一种三维形状计测方法，对测定对象物照射测定介质而根据干涉信号计测三维形状，其特征在于，

在根据对基于所述干涉信号的干涉条纹进行拍摄的摄像元件的焦点位置与所述干涉条纹的出现位置之间的距离的差来进行位置调整时，使所述摄像元件的位置移动而进行位置调整，以使所述距离的差为规定的值以下。

2.根据权利要求1所述的三维形状计测方法，其中，

针对所配置的多个干涉物镜中的每个干涉物镜，将所述摄像元件的位置的移动量存储为各自的校正值，在下次之后的测定中，根据与要使用的所述干涉物镜对应的所述校正值来进行校正。

3.根据权利要求1或2所述的三维形状计测方法，其中，

进行与所述摄像元件的移动对应的横倍率校正。

4.一种三维形状计测装置，该三维形状计测装置具有：光源，其产生恒定的波长的光；分束器，其对该光进行分割而使该光反射或透过；干涉物镜，其使被该分束器反射后的所述光沿光轴的方向进行聚光而照射在测定对象物上，并且使从该测定对象物反射的测定光和从将要聚光到该测定对象物的该光分支而得到的参照光发生干涉；以及摄像元件，其检测由该干涉物镜产生的干涉信号并进行拍摄，该三维形状计测装置的特征在于，

该三维形状计测装置还具有摄像元件的位置调整机构，该位置调整机构在进行所述测定光与所述参照光的光学距离的调整时，使所述摄像元件沿z轴方向移动。

5.根据权利要求4所述的三维形状计测装置，其中，

该三维形状计测装置包含取得由所述摄像元件检测出的干涉信号并对该干涉信号进行储存和处理的数据处理部，该数据处理部具有位置调整距离的存储部，该存储部存储或调用通过所述位置调整机构使所述摄像元件移动后的位置调整距离，作为与所述干涉物镜对应的校正值。

6.根据权利要求4或5所述的三维形状计测装置，其中，

所述数据处理部具有横倍率校正部，该横倍率校正部在所述位置调整机构进行动作时对检测信号补偿横倍率的变化。

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