JP2006258438A - 高精度三次元形状測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 各種製造業の製造工程や検査工程において、製品や部品の全体形状と欠陥などの微細形状を、同時に、高い精度で、オンライン検査することができる高精度三次元形状測定装置を実現する。
【解決手段】 高精度三次元形状測定装置20は、多光束干渉計を組み込んだ多光束干渉縞投影装置1または11または13と、テレビカメラ17と、形状解析装置18とから構成され、多光束干渉によって形成した、線幅が狭く輝度およびコントラストの大きい多光束干渉縞を被測定物に投影し、投影された干渉縞の曲がりから被測定物の全体形状と欠陥などの微細形状を同時に、オンラインで高精度に測定する。
【選択図】 図６

Description

本発明は、各種製造業の製造工程や検査工程において、製品や部品の形状と欠陥をオンライン検査することが可能な高精度三次元形状測定方法および装置に関する。

従来、格子を被測定物体に投影して、その格子の変形から形状を計測する技術は公知である（例えば、特許文献１〜５参照）。これらの方法で測定精度を高くするためには、投影する格子の輝度とコントラストの両方が大きくなければならない。そのため従来、全体の形状を測定する場合には、投影する格子の線幅を太くせざるを得ない。なぜなら一般に、格子の線幅を細くすると、投影格子の輝度とコントラストが低くなるためである。さらに全体の形状と同時に欠陥などの微細形状も併せて測定するためには、線幅が狭くて輝度とコントラストの両方が大きい投影格子を用いる必要があるが、従来はそのような投影格子が得られない。したがって欠陥などの微細形状を測定するためには、従来は顕微鏡などの拡大光学系を用いて微細形状を拡大する必要がある。しかしこの場合には測定領域が狭くなってしまい、全体形状との同時測定はできない。

また熱間加工中の部品の形状を検査する方法においては、検査対象の部品が発光する光と異なる波長の光格子を投影させる方法があるが、ここにおいても全体の形状と同時に欠陥などの微細形状も併せて測定するためには、線幅が狭くて輝度とコントラストの両方が大きい投影格子を用いる必要がある。しかしながら従来はそのような投影格子が得られない。

従来、格子を投影して三次元物体の形状を測定する方法において、格子と格子の間の形状を測るために、格子全体を移動させ、補完する方法が提案されている（非特許文献１）。これによって測定の面内分解能（横分解能）がやや向上するが、格子投影は従来の方法と変わらないため、全体の形状を測定しながら同時に欠陥などの微細形状の測定をすることはできない。

さらに従来、正弦状の強度を持った干渉縞格子を投影し、位相シフト処理を行い、得られた４枚の変形格子像の画像演算を行って形状を求める方法が提案されている（非特許文献２）。この方法によると測定の分解能が高くできるので、全体形状と同時に欠陥などの微細形状測定できる可能性があり、また測定対象の表面に色や模様がある場合にも測定できる。しかしながらこの方法では、位相シフト処理を行って４枚の変形格子像を取得するのに時間を要すため、生産ライン上で移動している製品や部品のオンライン測定および検査はできない。

特開２００２−２８６４３３号公報 特開２００２−０９０１２６号公報 特開平７−３１８４９９号公報 特開平７−２０８９５０号公報 特開平５−１３８８５９号公報 吉澤他，"格子パターン投影法による三次元形状の自動測定"精密工学会誌Ｖｏ１５３，Ｎ０３，ｐｐ４２２−４２６（１９８７） 小松原他，"縞走査を導入した格子パターン投影法"精密工学会誌Ｖｏ１５５，Ｎｏ ｌＯ，ｐｐ１８１７ １８２２（１９８９）

上記のように従来の格子投影方法および格子投影装置では、全体形状と欠陥などの微細形状を同時にオンラインで測定および検査はできない。
本発明は、上記従来の問題を解決することを目的とするものであり、全体形状と欠陥などの微細形状とを同時にオンラインで高精度に測定する方法および装置を提供するものである。

本発明は、上記課題を解決するために、多光束干渉によって形成した、直線状で平行かつ等間隔な、線幅が狭く輝度およびコントラストの強い干渉縞を被測定物に投影し、投影された干渉縞の曲がりから三次元形状を高い精度で求めることを特徴とする高精度三次元形状測定方法および装置を提供する。

本発明は上記課題を解決するために、多光束干渉計によって、直線状で平行かつ等間隔な、線幅が狭く輝度およびコントラストの強い多光束干渉縞を形成し、該多光束干渉縞を被測定物に投影し、投影された干渉縞の曲がりから三次元形状を高い精度で求める高精度三次元形状測定方法において、該多光束干渉計は、両面が高反射率の一枚の平行平面ガラスに対して、曲率を変えた球面波を入射させることによって多光束干渉縞を生成することを特徴とする高精度三次元形状測定方法を提供する。

本発明は上記課題を解決するために、多光束干渉計によって、直線状で平行かつ等間隔な、線幅が狭く輝度およびコントラストの強い多光束干渉縞を形成し、該多光束干渉縞を被測定物に投影し、投影された干渉縞の曲がりから三次元形状を高い精度で求める高精度三次元形状測定方法において、該多光束干渉計は、両面が高反射率でわずかに傾いたくさび状を成す平面ガラスに対して、平面波を入射させることによって多光束干渉縞を生成することを特徴とする高精度三次元形状測定方法。

本発明は上記課題を解決するために、多光束干渉計によって、直線状で平行かつ等間隔な、線幅が狭く輝度およびコントラストの強い多光束干渉縞を形成し、該多光束干渉縞を被測定物に投影し、投影された干渉縞の曲がりから三次元形状を高い精度で求める高精度三次元形状測定方法において、多光束干渉計は、光軸に対して、第1の高反射率平面鏡を垂直に配置し、この第1の平面鏡に対向し且つわずかに傾斜可能な第２の高反射率平面鏡を配置して成ることを特徴とする高精度三次元形状測定方法を提供する。

本発明は上記課題を解決するために、一定の発光スペクトル分布を有する被測定物に、該発光スペクトル分布と重複しない波長のレーザー光による多光束干渉によって形成した、直線状で平行かつ等間隔な、線幅が狭く輝度およびコントラストの強い干渉縞を、該被測定物に投影し、投影された干渉縞の曲がりから三次元形状を高い精度で求めることを特徴とする高精度三次元形状測定方法を提供する。

本発明は上記課題を解決するために、多光束干渉縞格子を生成する多光束干渉計と、該多光束干渉縞格子を被測定物に投影する投影機と、該被測定物に投影された該多光束干渉縞格子によって生じる変形格子画像を撮影するテレビカメラと、該変形格子像を取り込んで画像処理および解析するパーソナルコンピュータから成る高精度三次元形状測定装置を提供する。

本発明に係る高精度三次元形状測定方法および装置は上記の通りの構成であるから、次のような効果が生じる。

従来の干渉縞格子投影法による表面形状測定方法および装置は、投影する干渉縞格子の強度分布が正弦波状であり、そのコントラストが弱くまた線幅が太いため、微細な形状を測定することができない。本発明によると、投影する多光束干渉縞格子は、輝度とコントラストが大きく、線幅を細くできるため、小さな凹凸のような細かい形状もオンラインで精度良く測定できる。

従来の位相シフト干渉縞投影法を使うと、微細な形状計測は可能となるが、測定時間がかかるので、オンライン測定ができない。本発明によると測定時間が短いため，被測定物が動いている場合や、形状が時間と共に変化している場合でも形状を求めることができ、オンライン精密形状測定が可能となる。

本発明に係る高精度三次元形状測定方法および装置の実施の形態について、実施例に基づいて図面を参照して以下に説明する。

図１は、本発明に係る高精度三次元形状測定方法および装置において、直線状で平行かつ等間隔な、線幅が狭く輝度およびコントラストの強い干渉縞を形成し、被測定物にその干渉縞を投影する多光束干渉縞投影装置の概要の一つの例を示す図である。

図１における多光束干渉縞投影装置１は、レーザービーム２を発光するレーザー光源３と、その前方に置かれてレーザービーム２を球面波に拡大する顕微鏡対物レンズ４と、顕微鏡対物レンズ４の前方に置かれて球面波を平行光にするコリメートレンズ５と、コリメートレンズ５を光軸（ｚ軸）に沿って移動させる直進機構６と、コリメートレンズ５の前方に置かれて多光束干渉縞を生成する、両面が高反射率の一枚の平行平面ガラス７と、平行平面ガラス７をそれぞれｘ軸およびｙ軸の回りにわずかに回転させて傾けるための微調傾斜機構８および９と、多光束干渉縞を被測定物に投影する投影レンズ10からなる。直進機構６によって、顕微鏡対物レンズ３とコリメートレンズ５との間の距離を変えることにより、異なった間隔の多光束干渉縞を生じさせることができる。ただしこの場合、微調傾斜機構８によって平行平面ガラス７を傾けることにより、干渉縞のコントラストを高く調整する必要がある。この多光束干渉縞を生成する干渉計は、両面が高反射率の平行平面ガラス一枚だけなので装置が簡易であることと、投影格子の間隔を変えることができる特徴を有する。しかしながら投影格子の間隔を変えた場合、干渉縞のコントラストが高くなるように調整する必要がある。

この発明の特徴は、両面が高反射率の一枚の平行平面ガラスに球面光波を入射させることによって、高反射率の両面で多重反射を繰り返し、出射光として、直線状で平行かつ等間隔な、線幅が狭く輝度およびコントラストの強い多光束干渉縞を容易に生成できることに注目し、これを被測定物体に投影して、細かい形状を高精度に測定できるようにしたものである。この干渉は横シア干渉と呼ばれており、干渉計が簡単である、干渉計の調整が極めて容易である、共通光路干渉計であるため外部振動や空気揺らぎに影響を受けにくいといった特長を有している。

図２は、本発明に係る高精度三次元形状測定方法および装置において、直線状で平行かつ等間隔な、線幅が狭く輝度およびコントラストの強い干渉縞を形成し、被測定物にその干渉縞を投影する多光束干渉縞投影装置の第二の例を示す図である。

図２における多光束干渉縞投影装置11は、レーザービーム2を発光するレーザー光源３と、その前方に置かれてレーザービーム２を球面波に拡大する顕微鏡対物レンズ４と、顕微鏡対物レンズ４の前方に置かれて球面波を平行光にするコリメートレンズ５と、コリメートレンズ５の前方に置かれて多光束干渉縞を生成する、両面が高反射率で互いにわずかに傾いた一枚の楔平面ガラス12と、楔平面ガラス12をそれぞれｘ軸およびｙ軸の回りにわずかに回転させて傾けるための傾斜機構８および９と、多光束干渉縞を被測定物に投影する投影レンズ10とからなる。この多光束干渉縞を生成する干渉計は、両面が高反射率の楔平面ガラス一枚だけなので装置が簡単であるという特長を有する。しかしながら投影格子の間隔は一定で変えられないため、検査部品の形状が一定の場合に有効である。

図３は本発明に係る高精度三次元形状測定方法および装置において、直線状で平行かつ等間隔な、線幅が狭く輝度およびコントラストの強い干渉縞を形成し、被測定物にその干渉縞を投影する多光束干渉縞投影装置の第三の例を示す図である。

図３における多光束干渉縞投影装置13は、レーザービーム２を発光するレーザー光源３と、その前方に置かれてレーザービーム２を球面波に拡大する顕微鏡対物レンズ４と、顕微鏡対物レンズ４の前方に置かれて球面波を平行光にするコリメートレンズ５と、その前方に置かれて互いに対向する面が平面でかつ高反射率である二枚の片面高反射率平面ガラス板14、15と、片面高反射率平面ガラス板15を片面高反射率平面ガラス14に対してそれぞれｘ軸およびｙ軸の回りにわずかに回転させて傾けるための傾斜機構８および９と、投影レンズ10からなる。傾斜機構８および９によって、ガラス板15の高反射率平面とガラス板14の高反射率平面との間の角度を変えることにより、多光束干渉縞を高いコントラストと細い線幅を保ったまま任意の異なった間隔で投影させることができる。

以上の場合において、もし高反射率の二つの面が無い場合には多重反射が起こらないので生じる干渉縞の強度は正弦状となり、コントラストが低い。このような通常の干渉は二光束干渉と呼ばれ、これを測定物体に投影しても欠陥などの細かい形状の測定はできない。

図４は、二光束干渉縞と，本発明で用いる多光束干渉縞の光強度分布の例である。（ａ）に示す二光束干渉縞は、位置（横軸）に対してその光強度分布（縦軸）は正弦状となる。すなわち干渉縞の線幅は太くコントラストは小さい。これに対して（ｂ）に示す多光束干渉縞では、その光強度分布は、鋭いスパイク状を呈する。すなわち、干渉縞の線幅は細くコントラストは大きい。この場合多光束干渉縞の幅δφは二光束の場合に比べ約1/9となっている。
なお、二光束干渉縞も多光束干渉縞も縞の周期は同じで、例えば二つの反射面が10秒角の楔に、波長500ｎｍの青色単色光を照射すると、得られる縞間隔は、５ｍｍである。

図５に微細形状を測定する場合の概念図を示す。（ａ）のような微細形状があった場合、（ｂ）のように従来の二光束干渉による太くてコントラストの小さい縞では、この微細形状は縞に埋もれてしまい、測定できないが、（ｃ）のように多光束干渉による輝度およびコントラストが強く、線幅の細い縞では測定できる。

図６は、多光束干渉計を利用した本発明に係る高精度三次元形状測定方法および高精度三次元形状測定装置20を説明する図である。この高精度三次元形状測定装置20は、多光束干渉縞投影装置1または11または13と、必要により波長選択フィルター16を装着した撮影用のＴＶカメラ17と、形状解析装置18とから構成される。

多光束干渉縞投影装置1または11または13で生じた多光束干渉縞格子を，被測定物18に投影する。すると、被測定物18の表面においては，その表面形状に応じて多光束干渉縞格子が曲がり、変形格子画像となる。このような変形格子画像を、波長選択フィルター16を装着したＴＶカメラ17で撮影する。波長選択フィルター16は多光束干渉縞投影装置1または11または13におけるレーザー光源の波長の光だけを透過させるものである。これによって、被測定物自身が発光していても、測定空間全体が照明された環境でも、それらに影響を受けずに測定することができる。被測定物自身が発光している場合の測定例として、熱間加工中の部品の形状計測などがある。

このようにして撮影された画像を、例えば上記非特許文献１に記載されている方法を用いて、形状解析装置18で解析することによって表面形状を高精度に求めることができる。

以上、本発明に係る高精度三次元形状測定方法および装置の実施の形苺を実施例に基づいて説明したが、本発明はこのような実施例に限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内でいろいろな実施の態様があることは言うまでもない。

本発明に係る高精度三次元形状測定方法および装置における多光束干渉縞投影装置の一例を説明する図である。 本発明に係る高精度三次元形状測定方法および装置における多光束干渉縞投影装置の第二の例を説明する図である。 本発明に係る高精度三次元形状測定方法および装置における多光束干渉縞投影装置の第三の例を説明する図である。 二光束干渉縞（ａ）と、多光束干渉縞（ｂ）の強度分布を比較するための図である。 微細形状とそれを多光束干渉縞と二光束干渉縞によって測定する場合の相違をあらわす概念図を示す。 本発明に係る高精度三次元形状測定方法および装置を説明する図である。

符号の説明

１ 多光束干渉縞投影装置の第一の例
２ レーザービーム
３ レーザー光源
４ 顕微鏡対物レンズ
５ コリメートレンズ
６ 直進機構
７ 両面高反射率平行平面ガラス
８ ｘ軸回りの回転による傾斜機構
９ ｙ軸回りの回転による傾斜機構
10 投影レンズ
11 多光束干渉縞投影装置の第二の例
12 両面高反射率楔平面ガラス
13 多光束干渉縞投影装置の第三の例
14 一枚目の片面高反射率平面ガラス板
15 二枚目の片面高反射率平面ガラス板
16 波長選択フィルター
17 ＴＶカメラ
18 形状解析装置
19 被測定物
20 精度三次元形状測定装置

Claims (6)

1. 多光束干渉によって形成した、直線状で平行かつ等間隔な、線幅が狭く輝度およびコントラストの強い干渉縞を被測定物に投影し、投影された干渉縞の曲がりから三次元形状を高い精度で求めることを特徴とする高精度三次元形状測定方法。
2. 多光束干渉計によって、直線状で平行かつ等間隔な、線幅が狭く輝度およびコントラストの強い多光束干渉縞を形成し，該多光束干渉縞を被測定物に投影し、投影された干渉縞の曲がりから三次元形状を高い精度で求める高精度三次元形状測定方法において、上記多光束干渉計は、両面が高反射率の一枚の平行平面ガラスに対して、曲率を変えた球面波を入射させることによって多光束干渉縞を生成することを特徴とする高精度三次元形状測定方法。
3. 多光束干渉計によって、直線状で平行かつ等間隔な、線幅が狭く輝度およびコントラストの強い多光束干渉縞を形成し、該多光束干渉縞を被測定物に投影し、投影された干渉縞の曲がりから三次元形状を高い精度で求める高精度三次元形状測定方法において、上記多光束干渉計は、両面が高反射率で互いにわずかに傾いたたくさび状を成す一枚の平面ガラスに対して、平面波を入射させることによって多光束干渉縞を生成することを特徴とする高精度三次元形状測定方法。
4. 多光束干渉計によって、直線状で平行かつ等間隔な、線幅が狭く輝度およびコントラストの強い多光束干渉縞を形成し、該多光束干渉縞を被測定物に投影し、投影された干渉縞の曲がりから三次元形状を高い精度で求める高精度三次元形状測定方法において、上記多光束干渉計は、高反射率平面鏡を垂直に配置し、この第１の平面鏡に対向し且つわずかに傾斜可能な第２の高反射率平面鏡を配置して成ることを特徴とする高精度三次元形状測定方法。
5. 一定の発光スペクトル分布を有する被測定物に、該発光スペクトル分布と重複しない波長のレーザー光による多光束干渉によって形成した、直線状で平行かつ等間隔な、線幅が狭く輝度およびコントラストの強い干渉縞を、該被測定物に投影し、投影された干渉縞の曲がりから三次元形状を高い精度で求めることを特徴とする高精度三次元形状測定方法。
6. 多光束干渉縞格子を生成する多光束干渉計と、該多光束干渉縞格子を被測定物に投影する投影機と、該被測定物に投影された該多光束干渉縞格子によって生じる変形格子画像を撮影するテレビカメラと、該変形格子像を取り込んで画像処理および解析するパーソナルコンピュータから成る高精度三次元形状測定装置。

Images