JP2008070185A - 位相再生法による形状計測方法および形状計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 計測対象物の計測対象領域における位相情報を再生することにより、対象物の形状を計測する方法および形状計測装置の提供。
【解決手段】 位相情報を再生するのに必要な回折条件の異なる複数の回折像を得て、それらの回折像を解析することにより、対象物の形状を計測する方法および装置であって、対象物に、互いに異なる複数の波長の単色光を照射する単色光照射工程と、各単色光を照射されたときの対象物の回折像を撮像する回折像撮像工程と、前記回折像撮像工程により撮像した複数の回折像を、位相再生法により解析する解析工程とからなることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、計測対象物の計測対象領域における位相情報を再生することにより、対象物の形状を計測する方法および形状計測装置に関するものである。

ホログラムは、対象からの反射光と参照光を干渉させてその干渉縞を記録したものである。ホログラムに記録されているのは干渉縞のパターンと強度のみであるが、再生照明光を当てると光の強度と位相情報を再現することができ、元の像を再現できる。

ホログラムはフィルム上にこのパターンを記録していたが、近年コンピュータの普及と高速化に伴い、干渉縞のパターンをＣＣＤやＣ−ＭＯＳなどの撮像素子を用いたカメラにより記録し、元の像を数値的に再生するいわゆるデジタルホログラムの研究が盛んに行われている。

さらに進んで、再生照明光を使わずに３次元の像を再生する試みも行われている。これは位相再生または位相回復と呼ばれていて、複数の回折像や元の像の画像を使い、位相情報を復活させる技術である。

位相再生方法のひとつであるＧｅｒｃｈｂｅｒｇ−Ｓａｘｔｏｎの方法（ＧＳ法）においては、回折画像に回折前の元画像による制限を加えることで位相再生を実現している。ＧＳ法による位相再生のアルゴリズムを図５に示す。

ＧＳ法では、まず、元画像に任意位相を与えてフーリエ変換を行って、仮回折像（仮像）を算出する（Ｓ１〜Ｓ３）。この仮像の位相成分を抽出して、回折像に与え、逆フーリエ変換する（Ｓ４〜Ｓ６）。

逆フーリエ変換すると、計算画像が得られるのでその位相成分を抽出する（Ｓ７〜Ｓ８）。計算画像の位相成分を元画像に与えて、再びフーリエ変換を行う（Ｓ９、Ｓ２）。このループを繰り返し収束に至ったところでループを抜けるという方法である（非特許文献１参照）。

またＦｉｅｎｕｐは、回折像に非負性および周波数制限や画像広がり制限などの条件を付加することによって位相再生を実現している。Ｆｉｅｎｕｐのアルゴリズムを図６に示す。

Ｆｉｅｎｕｐの方法では、元画像が必要なく１つの回折像から位相再生が可能な場合がある。Ｆｉｅｎｕｐの方法は、回折像のみを取得しこれを逆変換、各種制限を加え変換というループを用いる。変換は回折画像を取得する撮像素子と被検査体との距離によって異なる手法となり、元画像近くで取得したときはＦｒｅｓｎｅｌ変換、遠いときはＦｏｕｒｉｅｒ変換となる。（非特許文献２参照）

しかし周波数制限や画像広がり制限などの条件は、対象物の形状によって異なるために半ば経験的に求める場合が多く、必ずしも定量的に求められたものではないという問題点があった。

Ｆｉｅｎｕｐの方法を発展させたＰｅｄｒｉｎｉらの方法では、位相再生の精度を上げるために複数の回折像を用いる方法を提案している。この方法は周波数制限などの経験的条件設定が不必要で、かつ元画像も必要でないにもかかわらず、非常に高い精度で位相再生が可能である。

以下に先行技術文献を示す。
Ｒ．Ｗ．Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ，Ｎａｔｕｒｅ，２４０，４０４（１９７２） Ｊ．Ｒ．Ｆｉｅｎｕｐ，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ，２１，２７５８（１９８２）

前述のように、位相再生法において必要となるのは回折条件の異なる複数の回折像である。本発明は、位相再生法において必要となる回折条件の異なる複数の回折像を得て、対象物の形状を計測する方法および装置に関するものである。

回折条件の異なる複数の回折像を得るためには、対象物と撮像手段の間の距離あるいは使用する照射光の波長を変えてやればよい。本発明では、照射光として複数の波長の光を用いて回折条件の異なる回折像を得て位相再生を行い、形状計測する方法および装置を提供する。

請求項１にかかる発明は、対象物に光を照射し、その回折像を解析することにより、該対象物の形状を計測する方法であって、
対象物に、互いに異なる複数の波長の単色光を照射する単色光照射工程と、
各単色光を照射されたときの対象物の回折像を撮像する回折像撮像工程と、
前記回折像撮像工程により撮像した複数の回折像を、位相再生法により解析する解析工程と
からなることを特徴とする形状計測方法である。

本発明における形状計測方法は、互いに異なる波長の複数の単色光を対象物に照射して、各単色光を照射されたときの対象物の回折像をそれぞれ撮像することにより、回折条件の異なる複数の回折像を得て位相再生法により解析を行い、対象物の形状を測定することが出来る。

また請求項２にかかる発明は、対象物に光を照射し、その回折像を解析することにより、該対象物の形状を計測する装置であって、
対象物に、互いに異なる複数の波長の単色光を照射する単色光照射手段と、
各単色光を照射されたときの対象物の回折像を撮像する回折像撮像手段と、
前記回折像撮像過程により撮像した複数の回折像を、位相再生法により解析する解析手段と
からなることを特徴とする形状計測装置である。

本発明における形状計測装置では、互いに異なる複数の波長の単色光を単色光照射手段により対象物に照射して、各単色光を照射されたときの対象物の回折像を撮像手段でそれぞれ撮像して回折条件の異なる複数の回折像を得て、位相再生法により解析手段で解析し、対象物の形状を測定することが出来る。

また、請求項３にかかる発明は、対象物に光を照射し、その回折像を解析することにより、該対象物の形状を計測する装置であって、
対象物に、互いに異なる波長の単色光を照射する複数の単色光光源と、
前記単色光光源からのそれぞれの照射光を遮るシャッター手段と、
前記単色光光源と対象物との間に設置される複数のダイクロイックミラーと、
対象物からの回折像を撮像素子により撮像する撮像手段と、
前記撮像手段により撮像した回折像を、位相再生法により解析する解析手段と
からなることを特徴とする形状計測装置としたものである。

本発明における形状計測装置は、対象物に互いに異なる波長の単色光を照射する複数の単色光光源と、それぞれの照射光を遮るシャッター手段により、撮像したい単色光光源の照射光のみを対象物に照射し、その単色光による回折像を撮像手段により撮像することにより、効率よく回折条件の異なる複数の回折像を得ることができる。また、前記単色光光源と対象物との間に設置される複数のダイクロイックミラーにより、各単色光光源からの照射光の光路が１つに重ねられて対象物の同一箇所に全ての照射光が照射されるため、複数の回折像を精度良くかつ効率良く得ることができる。

本発明における形状計測方法および形状計測装置では、互いに異なる波長の複数の単色光を対象物に照射して、各単色光を照射されたときの対象物の回折像をそれぞれ撮像することにより、回折条件の異なる複数の回折像を得て位相再生法により解析を行い、対象物の形状を測定することが出来る。

以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の形状計測装置の第１実施形態を示す概略構成図である。

単色光光源１１、１２、１３は、互いに異なる波長の単色光１、２、３を発生し、単色光１、２、３は対象物７に照射される照射光となる。本実施形態では単色光光源が３個の場合を示しているが、単色光光源の個数は複数であればいくつであってもかまわない。

単色光光源としては、白色光の光源にバンドパスフィルターを組み合わせたものや、レーザー光源を用いることができるが、本実施形態ではレーザー光源を使用した。

単色光光源１１、１２、１３には、シャッター２１、２２、２３がそれぞれついており任意のタイミングで各単色光を通過させたり遮光したりすることが出来るようになっている。

３１、３２、３３は、ダイクロイックミラーである。ダイクロイックミラーには特定の波長の光を反射しそれ以外の波長の光を透過させるという機能を持つものがある。ダイクロイックミラー３１、３２、３３はそれぞれ、互いに異なる波長の単色光１、２、３を反射し、それ以外の波長の光を透過するように設定されたものを選択して配置する。

各単色光光源は、照射光の光軸が互いに平行かつ、最も対象物よりのダイクロイックミラーの通過後に照射光の光路が重なるように配置する。また各ダイクロイックミラーは互いに平行で、かつ対応する単色光光源の照射光の光軸に対して４５°の角度になるように配置する。このような配置にすると各単色光光源からの照射光の光路をひとつに重ねることができ、各単色光光源が対象物の同じ位置に照射光を照射することが出来る。

単色光光源１１から発生した単色光１はダイクロイックミラー３１により反射されるがダイクロイックミラー３２は透過する。単色光光源１２から発生した単色光２はダイクロイックミラー３２により反射され、ここで、単色光１および２の光路がひとつに重ねられる。同様にして、ダイクロイックミラー３３通過後に単色光１、２、３の光路がひとつに重ねられる。

５１はビームエキスパンダーであり、ダイクロイックミラー３３通過後の単色光１、２、３のスポット径を広げて、対象物に照射光が当たる領域を広げるために設置されるものである。単色光１、２、３のスポット径が、最初から対象物の計測作業に十分な程度に大きい場合は設置しなくてもよい。

６は光学反射素子であり、ビームエキスパンダー５１を通過後の単色光１、２、３を反射して対象物７に照射する。光学反射素子６としては、ミラー、プリズムなどを使用することができる。本実施形態では装置のサイズを小さくするために光学反射素子６を用いて照射光の光路を曲げることを行ったが、単色光１、２、３を直接に対象物７に照射できる場合は設置しなくても良い。

８１は２次元的な領域を撮像できる撮像手段で、撮像素子を用いたカメラである。カメラ８１としては、固体撮像素子（ＣＣＤやＣＭＯＳなど）や撮像管など、各種の撮像デバイスを用いたカメラを使用することができるが、本実施形態ではＣＣＤカメラを使用した。カメラ８１は、単色光１，２，３が対象物７に照射されて、反射または透過した光を、画像として撮像する。

カメラ８１で撮像された画像のデータは、解析手段９へ送られる。解析手段９は、カメラ８１から送られてくる画像データや、演算手段９２（後述）による演算後のデータを記憶するための記憶手段９１、複数の画像データを使って位相再生法による演算を行う演算手段９２から構成されている。解析手段９としては、コンピュータやワークステーションを用いることが出来る。

次に、本実施形態の形状計測装置の動作を説明する。単色光光源１１、１２、１３はそれぞれ単色光１、２、３を照射している状態にあるが、シャッター２１、２２、２３により全て遮光されている。

最初にシャッター２１のみを開いて、単色光１のみを対象物７に照射してカメラ８１により撮像を行うと、画像データとして単色光１による回折像４１を得ることができる。回折像４１は画像データとして解析手段９に送られ、その記憶手段９１に記憶される。同様にして単色光２および３による回折像４２および４３が、解析手段９の記憶手段９１に記憶される。

演算手段９２は、これらの回折像４１〜４３を使って位相再生法による演算を行って画像データ４５を得て、記憶手段９１に記憶させる。得られた画像データ４５は、対象物７の元の像をあらわす画像となっている。

以上に述べた一連の動作が完了したら、図示せぬ移動機構により対象物７を適宜量移動させ、計測箇所を変えてまた同じ一連の動作を行う。これを繰り返すことにより、対象物７の必要な領域について形状計測を行う。

なお、第１実施形態としてここまで説明した中では、カメラ８１として撮像素子を１つだけ持ち、撮像１回につき回折像の画像１枚だけを得ることができるものを使う場合について説明した。しかしカラー撮影が可能なカメラのなかには、複数個の撮像素子を持ち、その撮像素子の直前に波長選択性を持つ光学素子（フィルターやプリズムなど）を配置することにより、例えば赤緑青（ＲＧＢ）の３色の画像を１回の撮像で得るものがある。

このような、例えば３個の撮像素子を持つカメラを使用し、その各撮像素子の直前に配置される波長選択性光学素子と各単色光光源の波長が合うように設定しておけば、シャッター２１〜２３を開放して１回撮像し、各撮像素子から個別に画像データを読み出せば回折像４１〜４３が得られることになる。

図２は、本発明の形状計測装置の第２実施形態を示す概略構成図である。
本実施形態は前述の第１実施形態と、構成が共通である箇所があるので、構成が相違している箇所を中心に説明する。

単色光１〜３、単色光光源１１〜１３、シャッター２１〜２３、ダイクロイックミラー３１〜３３、ビームエキスパンダー５１、光学反射素子６の、性質、機能、配置および動作は第１実施形態と同様である。

ビームエキスパンダー５１の後には、シリンドリカルレンズ対５２が設置される。単色光１〜３のスポット径は、ビームエキスパンダー５１によりいったん広げられた後に、シリンドリカルレンズ対５２により１方向のみ押し縮められ、直線状の領域に照射光が当たるようになる。この照射光が光学反射素子６により反射されて、対象物７に照射される。

８２は１次元的な領域を撮像できる撮像手段で、撮像素子を用いたカメラである。本実施形態では、カメラ８２としてＣＣＤラインセンサカメラを使用したが、２次元的な領域を撮像できるカメラ８１を使用して撮像し、画像データの１次元的な領域を取り出して使用するという方式でもかまわない。

カメラ８２は、単色光１，２，３が対象物７に照射されて、反射または透過した光を撮像し、データとして解析手段９に送る。カメラ８２から送られてくるデータは１枚の画像のうちの１ライン分ずつであり、解析手段９はそのデータを記憶手段９１に順次記憶していく。また、演算手段９２は記憶手段９１に記憶されたデータを使って位相再生法による演算を行う。

次に、本実施形態の形状計測装置の動作を説明する。単色光光源１１、１２、１３はそれぞれ単色光１、２、３を照射している状態にあるが、シャッター２１、２２、２３により全て遮光されている。

最初にシャッター２１のみを開いて、単色光１のみを対象物７に照射してカメラ８２により撮像を行うと、データとして単色光１による１次元の回折像４１０を得ることができる。１次元の回折像４１０はデータとして解析手段９に送られ、記憶手段９１に記憶される。同様にして単色光２および３による１次元の回折像４２０および４３０が、解析手段９の記憶手段９１に記憶される。

演算手段９２は、これらの１次元の回折像４１０〜４３０を使って位相再生法による演算を行ってデータ４５０を得て、記憶手段９１に記憶させる。得られたデータ４５０は、対象物７の元の像をあらわす１次元のデータとなっている。

以上に述べた一連の動作が完了したら、図示せぬ移動機構により対象物７を適宜量移動させ、計測箇所を変えてまた同じ一連の動作を行う。これを繰り返すことにより、対象物７の必要な領域について形状計測を行う。

このように１次元の回折像４１０〜４３０の撮像を繰り返すことにより、記憶手段９１上では、２次元の回折像の画像データ４１〜４３を構成することが出来る。また同様に、１次元のデータ４５０を得るための位相再生法による演算を繰り返すことにより、元の像をあらわす２次元の画像データ４５を得ることができる。

なお、第２実施形態としてここまで説明した中では、カメラ８２としてＣＣＤラインセンサ素子を１つだけ持ち、撮像１回につき１次元の回折像のデータを１個だけを得ることができるものを使う場合について説明した。しかしカラー撮影が可能なＣＣＤラインセンサカメラのなかには、複数個のＣＣＤラインセンサ素子を持ち、そのＣＣＤラインセンサ素子の直前に波長選択性を持つ光学素子（フィルターやプリズムなど）を配置することにより、例えば赤緑青（ＲＧＢ）の３色のデータを１回の撮像で得るものがある。

このような、例えば３個のＣＣＤラインセンサ素子を持つカメラを使用し、その各ＣＣＤラインセンサ素子の直前に配置される波長選択性光学素子と各単色光光源の波長が合うように設定しておけば、シャッター２１〜２３を開放して１回撮像し、各ＣＣＤラインセンサ素子から個別に１ラインのデータを読み出せば回折像４１０〜４３０が得られることになる。

また、本実施形態では１回の撮像で１次元的な領域のデータしか得られないため、第１実施形態に比べて多数回の撮像動作が必要となる。しかし位相再生法による演算処理を比較すると、第１実施形態では２次元的な処理が必要であるため計算量が多くなってしまうが、第２実施形態では１次元的な処理を撮像したライン数と同程度の回数繰り返すだけよいため比較的計算量が少なくて済む、という利点がある。どちらの実施形態が適しているかは、必要な撮像領域の大きさ、撮像回数、演算量を考慮して選択すればよい。

以上で説明した、第１および第２実施形態では、単色光光源１１〜１３とカメラ８１または８２は対象物７の互いに異なる面の側にあり、カメラ８１または８２は対象物７からの透過光を撮像する配置になっている。しかし、単色光光源１１〜１３とカメラ８１または８２を対象物７の同じ面の側に配置し、カメラ８１または８２が対象物７からの反射光を撮像することも可能である。

実施例１として、直径８００μｍのピンホールを対象物とした場合を示す。単色光光源として波長６３３ｎｍおよび５３２ｎｍの２種類のレーザー光源を使用して、その光路を重ね合わせて対象物の同じ位置に照射されるように調整した。

その後、２つの単色光光源のシャッターの一方を閉じて、片方の単色光光源のみで回折像を撮像することを繰り返した。図３（ａ）には波長６３３ｎｍでの回折像を、図３（ｂ）には波長５３２ｎｍでの回折像を、それぞれ示す。

図４は、図３（ａ）および（ｂ）をもとに、位相再生法による演算で得た、対象物の元の像を示す画像である。ピンホールの中央部に渦状の模様が残っているが、これはカメラと対象物の間の実際の距離の値が、カタログに記載された値などから求めた距離の値と多少違っていること、回折像の数が２枚と少ないため演算処理されたデータ上のゴーストの影響を除去しきれていないことによるものと思われる。

本発明の第１実施形態を示す概略構成図 本発明の第２実施形態を示す概略構成図 ピンホールを対象物とした、 （ａ）６３３ｎｍの単色光による回折像の画像 （ｂ）５３２ｎｍの単色光による回折像の画像 図３（ａ）（ｂ）をもとに、位相再生法による演算で得た、対象物の元の像を示す画像 ＧＳ法による位相再生のアルゴリズム Ｆｉｅｎｕｐによる位相再生のアルゴリズム

符号の説明

１、２、３・・・互いに異なる波長の単色光
１１・・・・・・単色光１を発生する単色光光源
１２・・・・・・単色光２を発生する単色光光源
１３・・・・・・単色光３を発生する単色光光源
２１・・・・・・単色光１を遮光するシャッター
２２・・・・・・単色光２を遮光するシャッター
２３・・・・・・単色光３を遮光するシャッター
３１・・・・・・単色光１の波長の光のみを反射するダイクロイックミラー
３２・・・・・・単色光２の波長の光のみを反射するダイクロイックミラー
３３・・・・・・単色光３の波長の光のみを反射するダイクロイックミラー
４１・・・・・・単色光１による回折像の画像データ
４２・・・・・・単色光２による回折像の画像データ
４３・・・・・・単色光３による回折像の画像データ
４５・・・・・・位相再生法による演算によって得られた画像データ
４１０・・・・・単色光１による１次元の回折像のデータ
４２０・・・・・単色光２による１次元の回折像のデータ
４３０・・・・・単色光３による１次元の回折像のデータ
４５０・・・・・位相再生法の演算によって得られた１次元のデータ
５１・・・・・・ビームエキスパンダー
５２・・・・・・シリンドリカルレンズ対
６・・・・・・・光学反射素子
７・・・・・・・対象物
８１・・・・・・２次元的な領域を撮像できる撮像手段
８２・・・・・・１次元的な領域を撮像できる撮像手段
９・・・・・・・解析手段
９１・・・・・・記憶手段
９２・・・・・・演算手段

Claims (3)

1. 対象物に光を照射し、その回折像を解析することにより、該対象物の形状を計測する方法であって、
   対象物に、互いに異なる複数の波長の単色光を照射する単色光照射工程と、
   各単色光を照射されたときの対象物の回折像を撮像する回折像撮像工程と、
   前記回折像撮像工程により撮像した複数の回折像を、位相再生法により解析する解析工程と
   からなることを特徴とする形状計測方法。
2. 対象物に光を照射し、その回折像を解析することにより、該対象物の形状を計測する装置であって、
   対象物に、互いに異なる複数の波長の単色光を照射する単色光照射手段と、
   各単色光を照射されたときの対象物の回折像を撮像する回折像撮像手段と、
   前記回折像撮像過程により撮像した複数の回折像を、位相再生法により解析する解析手段と
   からなることを特徴とする形状計測装置。
3. 対象物に光を照射し、その回折像を解析することにより、該対象物の形状を計測する装置であって、
   対象物に、互いに異なる波長の単色光を照射する複数の単色光光源と、
   前記単色光光源からのそれぞれの照射光を遮るシャッター手段と、
   前記単色光光源と対象物との間に設置される複数のダイクロイックミラーと、
   対象物からの回折像を撮像素子により撮像する撮像手段と、
   前記撮像手段により撮像した回折像を、位相再生法により解析する解析手段と
   からなることを特徴とする形状計測装置。