JP2000009444A

JP2000009444A - 表面形状計測装置

Info

Publication number: JP2000009444A
Application number: JP10190990A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Ishihara; 満宏石原
Original assignee: Takaoka Electric Mfg Co Ltd
Current assignee: Takaoka Toko Co Ltd
Priority date: 1998-06-23
Filing date: 1998-06-23
Publication date: 2000-01-14
Anticipated expiration: 2018-06-23
Also published as: JP3401783B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】縞パターン投影による位相検出法のアンラッピ
ングの問題及び焦点深度を超えるような高さの物体の計
測ができないという問題を解決する。【解決手段】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、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１
２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。位相シフトによる位相検出演算時
に、振幅も同時に演算し、振幅情報を用いてShape from
Focus法から概略の表面形状値を求め、その値を用いて
位相のアンラッピングを行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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

【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I_i(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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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v_kとその前後の値
v_k+1，v_k-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)))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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の第一の例を示した図であ
る。

【図２】Shape from Focus演算を説明するための図であ
る。

【図３】本発明の原理を説明するための図である。

【図４】本発明の実施の形態の第二の例を示した図であ
る。

【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。

【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。

【図７】従来技術の光波干渉装置の例を示す図である。

【図８】位相シフトを説明するための図である。

【図９】Shape from Focus法を説明するための図であ
る。

【符号の説明】

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

Claims

【特許請求の範囲】

【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。
【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。
【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。
【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。
【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。