JP2008170209A - 形状測定方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】鏡面反射光の影響を受けることなく正確な三次元形状測定を行う。
【解決手段】被検物20に所定の投影パターンを投影するパターン投影系と、投影パターンが投影された被検物を撮像する第1の開口数NA1を有した第1撮像装置6と、これと同一光軸上において被検物を撮像する第2の開口数NA2を有した第2撮像装置8と、被検物に対する光軸方向の相対位置を調整する位置調整器とを備えて形状測定器が構成される。Z1位置およびZ2位置において、投影パターンを投影した被検物を、第1および第2撮像系により撮像して第1(Z1)および第2(Z1)測定画像並びに第2(Z1)および第2(Z2)測定画像を取得し、所定画像位置における第1位置ずれ(Δd1)と第2位置ずれ(Δd2)とから、所定画像位置に対して合焦する合焦位置(Z0)を求め、所定画像位置における合焦位置(Z0)での測定画像から所定画像位置の光軸方向位置を求め、前記被検物の三次元形状を求める。
【選択図】図1

Description

本発明は、工業製品等の表面形状を測定するための光学式の三次元形状測定器を用いた形状測定方法に関する。
工業製品等の物体の表面形状を測定する技術は従来から種々提案されており、その一つに光学式の三次元形状測定器がある。光学式三次元形状測定器も種々の方式、構成のものがあるが、被検物に所定の投影パターン(縞模様や、格子模様)を投影して被検物を撮像し、その撮像画像から各画像位置(各画素)での縞の位相を求めて各画像位置の高さを算出し、被検物の三次元表面形状を測定するものがある(例えば、特許文献1参照)。
このような装置においては、例えば、被検物(測定対象物)の表面に縞パターンからなる投影パターンを投影し、投影方向と異なる角度から被検物に投影された縞パターンを撮像し、三角測量の原理等を用いて縞パターンの位相分布を算出し、被検物表面の三次元形状を求めるように構成されている。
その構成例を図5に示しており、光源51からの光が縞模様の投影パターンマスク52および投影レンズ53を通して被検物54の表面に投影される。被検物54の表面に投影された投影パターンマスク52の縞模様は、被検物54の表面三次元形状に応じて変形され、このように変形された被検物54の表面のパターンを、投影方向と異なる角度から撮像レンズ55を介して撮像装置(例えば、CCDセンサ)により撮像されて、演算処理装置57に送られ、ここで撮像画像データの演算処理が行われる。演算処理装置57においては、このように撮像された被検物表面の撮像画像データを三角測量の原理等を用いて縞パターンの位相分布を算出し、被検物表面の三次元形状を求める演算処理が行われる。
特開2000−9444号公報
ところで、被検物に照射された光はどの方向にも一様な強度で反射する、すなわち完全拡散反射するという前提の下で上述の三次元形状測定が行われているが、実際には被検物の表面は完全拡散面ではなく、鏡面反射面としての性格も有しており、この鏡面反射光の影響を受けて縞パターン位置がずれて撮像され、三次元形状測定に誤差が生じるという問題がある。
この問題について、図6〜図8を参照して詳しく説明する。まず、被検物表面Aが完全拡散面であると、図6に示すように被検物表面Aにビーム光61を照射した場合、その反射光強度分布62は全方向に同一強度となる。このため、被検物表面Aをどの方向から撮像しても同一の撮像結果が得られる。一方、被検物表面Aが鏡面である場合には、図7に示すように被検物表面Aにビーム光61を照射した場合、その反射光は、正反射方向の光63が最大強度を有し、その両側に向かって強度が小さくなる反射光強度分布64となる。このため、被検物表面Aを正反射光63とは異なる方向の反射光、例えば、図において符合65で示す反射光を受ける方向から撮像すれば光の強度分布が不均一となる。
具体的には、図示のように、反射光65を、撮像レンズ65を介してCCDカメラ67で撮像した場合、被検物表面Aにおけるビーム光61の照射点Bの像が撮像レンズ66により合焦されてCCDカメラ67により撮像されたときには、図8(A)に示すように照射点Bを示す点画像となり、強度分布が不均一となる問題は生じない。すなわち、合焦位置での撮像画像は鏡面反射光の影響を受けることはない。しかしながら、CCDカメラ67が合焦位置から外れた位置に位置する場合には、反射点Bが広がった像となり、図8(B)に示すように、所定の大きさの円状の像B′が撮影される。このとき、鏡面反射光は正反射光方向の強度が最大でここから離れるに従って強度が低下する分布を有する光であるため、図示のように、この像B′は、正反射光に近い方が明るく、これから遠ざかるに応じて暗くなる像となる。このような光強度分布を有した像B′に基づいて被検物表面Aにおけるビーム光61の照射点Bを算出するときには、像B′の光強度分布の中心点B(0)を照射点の位置であると算出するため、図示のように実際の照射点Bに対して算出された照射点位置B(0)がΔdだけずれることになる。このようなずれを有して三次元形状測定を行った場合、当然ながらその測定結果が誤差を有するという問題がある。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、鏡面反射光の影響を受けることがないようにして正確な三次元形状測定を行うことができるような測定方法を提供することを目的とする。
このような目的を達成するため、本発明に係る形状測定方法は、被検物に所定の投影パターンを投影するパターン投影工程と、同一位置に合焦点を有し、異なる開口数有する第1の撮像系と第2の撮像系とにより前記投影パターンが投影された前記被検物を撮像する第1の撮像工程と、前記第1の撮像系と前記第2の撮像系との位置関係を保ったまま、前記被検物との間隔を変えて前記第1の撮像系と前記第2の撮像系とにより前記投影パターンが投影された前記被検物を撮像する第2の撮像工程と、前記第1の撮像工程における情報と前記第2の撮像工程における情報とに基づいて前記被検物の形状を測定する測定工程とを有する。
なお、前記測定工程において、前記情報として前記第1の撮像工程の合焦状態と前記第2の撮像工程の合焦状態とが用いられるのが好ましい。
前記測定工程において、前記第1の撮像系と前記第2の撮像系とが前記投影パターンが投影されている前記被検物に合焦する位置を前記情報として求めるようにしても良い。
さらに、前記測定工程における前記情報に基づいて前記被検物の三次元形状を求める形状測定工程をさらに備えるようにしても良い。
一方、もう一つの本発明に係る形状測定方法は、被検物に所定の投影パターンを投影するパターン投影系と、前記投影パターンが投影された前記被検物を撮像する第1の開口数を有した第1撮像系と、前記第1撮像系と同一光軸上において前記投影パターンが投影された前記被検物を撮像する第2の開口数を有した第2撮像系と、前記被検物に対する前記第1および第2撮像系の光軸方向の相対位置を調整する位置調整器とを備えた形状測定器を用いて前記被検物の三次元形状を測定する方法であり、前記位置調整器により前記被検物を前記第1および第2撮像系に対して第1の光軸方向位置(Z1位置)に位置させた状態で、前記被検物に前記パターン投影系により前記投影パターンを投影し、前記第1撮像系により前記被検物に投影された前記投影パターンを撮像して第1(Z1)測定画像を取得し、前記前記第2撮像系により前記被検物に投影された前記投影パターンを撮像して第2(Z1)測定画像を取得し、前記位置調整器により前記被検物に対する前記第1および第2撮像系の光軸方向相対位置を移動させて第2の光軸方向位置(Z2位置)に位置させた状態で、前記被検物に前記パターン投影系により前記投影パターンを投影し、前記第1撮像系により前記被検物に投影された前記投影パターンを撮像して第1(Z2)測定画像を取得し、前記前記第2撮像系により前記被検物に投影された前記投影パターンを撮像して第2(Z2)測定画像を取得し、前記被検物の測定画像の所定画像位置(測定画像上における投影パターンの所定位置)における、前記第1(Z1)測定画像と前記第2(Z1)測定画像との画像面上での第1位置ずれ(Δd1)と前記第1(Z2)測定画像と前記第2(Z2)測定画像との画像面上での第2位置ずれ(Δd2)とから、前記所定画像位置に対して合焦する合焦位置(Z0)を求め、前記所定画像位置における前記合焦位置(Z0)での測定画像から前記所定画像位置の光軸方向位置を求め、前記被検物の三次元形状を求める。
なお、前記第1位置ずれ(Δd1)と前記第2位置ずれ(Δd2)との差が最も小さくなる光軸方向位置を合焦位置(Z0)とし、前記被検物の三次元形状を求める部分における全ての画像位置(測定画像上における投影パターンを示す全ての画像位置)について合焦位置(Z0)を求めるとともに前記全ての画像位置における合焦位置(Z0)での測定画像から前記全ての画像位置の光軸方向位置(高さ)を求め、前記被検物の三次元形状を求めるように構成するのが好ましい。
以上説明したように構成される本発明によれば、検査対象物の撮像測定画像の所定画像位置(測定画像上における投影パターンの所定画素位置)毎に合焦位置を算出し、この合焦位置における像から三角測量の原理等に基づいて検査対象物の三次元形状を求める構成であり、上述のように合焦位置では鏡面反射光の影響がでないため、鏡面反射光の影響を受けない測定画像を得ることができ、被検物の正確な三次元形状測定を行うことが可能である。
以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。本発明に係る形状測定方法に用いられる三次元形状測定装置の概略構成を図1に示しており、まず、この形状測定装置について、図1を参照して説明する。なお、図1においては図1(A)および(B)にそれぞれ形状測定装置を示しているが、これは同一のものであり、説明の便宜上、被検物の相対位置を第1位置(Z1位置)に設定したものを図1(A)に示し、被検物の相対位置を第2位置(Z2位置)に設定したものを図1(B)に示している。
この形状測定装置は、光源1と、光源1からの光に縞模様を与えるための投影パターンマスク2と、投影パターンマスク2を通過した光源1からの光を被検物20の表面に投影させる投影レンズ(群)3とからなるパターン投影系と、被検物20からの反射光を撮像レンズ4およびハーフミラー5を介して撮像する第1撮像装置6からなる第1撮像系と、被検物からの反射光を撮像レンズ(群)4および全反射ミラー7を介して撮像する第2撮像装置8からなる第2撮像系とを有して構成される。
パターン投影系において、投影パターンマスク2は例えば液晶素子により構成され、任意の形状およびピッチのパターン(例えば、正弦波状の縞模様パターン、格子状パターン)を形成できる。これにより、光源1からの光をこの投影パターンマスク2を通過させ、投影レンズ3により集光させ、被検物20の表面に投影パターンマスク2により形成された所望の投影パターンを投影させることができる。
第1および第2撮像系は、ハーフミラー5および全反射ミラー7により光路が直角に曲げられているが、被検物20からの光を同一光軸軸上において受けて被検物20を撮像するCCDカメラを第1および第2撮像装置6,8内に備えている。すなわち、第1および第2撮像系は同一光軸上に位置している。なお、第1および第2撮像装置6,8は、同一撮像位置において被検物20の像が得られるように、内部にもう一つの撮像レンズ(群)をそれぞれ有している。このとき、これら撮像レンズの開口数NAが、第1撮像レンズによって第1撮像系の開口数が第1の開口数NA1となり、第2撮像レンズによって第2撮像系の開口数が第2の開口数NA2となるように設定されている。例えば、第1の撮像系の開口数NA1は必要な横方向分解能を得るためにNA1=0.01に設定され、第2の撮像系の開口数NA2は各画像位置の表面状態による結像位置検出のためにNA2=0.007に設定されている。
第1および第2撮像装置6,8を構成するCCDカメラにより撮像された被検物20の画像データは、演算処理装置9に送られ、ここで以下に説明する画像演算処理がなされ、被検物20の表面形状測定が行われる。なお、パターン投影系、第1および第2撮像系は一つのフレームにより一体に固定されて構成されるが、被検物20は図示しない支持台上に載置されて支持され、この支持台を、パターン投影系、第1および第2撮像系を一体に結合したフレームに対して光軸方向に相対移動させる位置調整器(図示せず)が設けられている。このため、位置調整器によりパターン投影系、第1および第2撮像系に対して被検物20を光軸方向に相対移動させる光軸方向位置調整が可能となっている。
以上のように構成された表面形状測定装置を用いて被検物20の表面形状を測定する方法を、図2のフローチャートを参照して以下に説明する。
この測定に際しては、まず被検物20を位置調整器により所定の光軸方向位置(Z1)位置(第1の光軸方向位置Z1)に位置させる(ステップS1)。この状態を図1(A)に示しており、この状態で光源1からの光を投影パターンマスク2および投影レンズ3を介して被検物20に照射させて被検物20の表面に投影パターンを投影する。このように投影されて被検物20から反射する光は撮像レンズ4を介して集光され、その一部がハーフミラー5を通って第1撮像装置6に入射するので、第1撮像装置6の内部のCCDカメラにより被検物表面に投影された投影パターンを撮像する(ステップS2)。また、撮像レンズ4を介して集光された被検物20からの反射光の残りは、ハーフミラー5を通過して全反射ミラー7で反射され第2撮像装置8に入射するので、その内部のCCDカメラにより被検物表面に投影された投影パターンを撮像する(ステップS3)。
これら第1撮像装置6および第2撮像装置8による撮影は、投影パターンマスク2により投影パターンのピッチを変えて複数回行われて、それぞれ一組の撮影画像群を得る。このようにして得られた画像データは、第1および第2撮像装置6,8から演算処理装置9に送られる。
このようにして画像データが送られると、演算処理装置9において、第1撮像系により撮像された画像と第2撮像系により撮像された画像とを比較し、投影パターンを示す画像の所定画像位置における位置ずれ(これを第1位置ずれΔd1と称する)を求める(ステップS4)。この位置ずれについて図3を参照して説明する。図6〜図8を参照した上記説明から分かるように、所定画像位置における像が第1および第2撮像系の合焦位置からずれた場合には、所定画像位置(点位置)の像は、図3に示すように円形状に膨らむ。
ここで、例えば、被検物20の表面の投影パターンにおける図1(A)に示す画像位置Cに注目すると、第1および第2撮像系の開口数NAが相違(NA1>NA2)しているため、第1撮像装置6による撮像画面6a上での点Cの画像C1に対応する円形形状は、第2撮像装置8による撮像画面8a上での点Cの画像C1に対応する円形形状より大きくなる。これら二つの円の中心位置は同一であるが、鏡面反射の影響でその輝度分布が不均一となった場合、例えば、図示のように画面下側が暗くて上側が明るくなった場合には、その輝度に基づいて求まる点Cの位置は、第1撮像装置6の撮像画面6aにおける位置p1の方が第2撮像装置8の撮像画面8aにおける位置p2より上側に位置する。このようにして生じる位置p1と位置p2との位置ずれが上記第1位置ずれΔd1である。なお、被検物20の表面の投影パターンにおける画像位置Cが、第1および第2撮像装置6,8に合焦するときには、両撮像画面6a,8aには画像位置Cとして点状の輝点が現れるだけであるので、このような位置ずれは生じない。
次に、位置調整装置により被検物20を第2の光軸方向位置Z2位置までΔZだけ移動させる(ステップS5)。この状態を図1(B)に示しており、この状態で光源1からの光を投影パターンマスク2および投影レンズ3を介して被検物20に照射させて被検物20の表面に投影パターンを投影する。そして、ステップS2およびS3における場合と同様に、第1撮像装置6および第2撮像装置8により被検物表面に投影された投影パターンを撮像する(ステップS6およびS7)。
第1撮像装置6および第2撮像装置8により撮像された画像データは演算処理装置9に送られるので、ステップS4の処理と同様に、演算処理装置9において、第1撮像系により撮像された画像と第2撮像系により撮像された画像と比較し、投影パターンを示す画像の所定画像位置C2(これは被検物20に投影された投影パターン上で同一となる位置)における位置ずれ(これを第2位置ずれΔd2と称する)を求める(ステップS8)。
このようにして第1の光軸方向位置Z1における第1位置ずれΔd1と、第2の光軸方向位置Z2における第2位置ずれΔd2とを算出すると、これら位置ずれが生じた上記の所定画像位置における第1および第2撮像装置6,8が合焦するする光軸方向位置(これを合焦位置Z(0)と称する)を求める(ステップS9)。
この合焦位置Z(0)を求める方法を図4を参照して説明する。図4には、縦軸に光軸方向位置(Z位置)を示し、横軸にずれ量Δdを示している。そして、上述の測定により求められたZ1位置でのずれ量Δd1を示す点C1と、Z2位置でのずれ量Δd2を示す点C2とを結ぶ線Lを引き、この線Lがずれ量Δd=0となる縦線と交差する点のZ位置を合焦位置Z(0)として求める。この様にして求める算出根拠は、ずれ量Δdが発生するということは被検物20の第1および第2撮像装置6,8の光軸方向位置が合焦位置からずれているということであり、両者の相対光軸方向位置を移動させれば、合焦位置でずれ量Δd=0となる筈であり、上記ようにしてこの合焦位置を算出するものである。また、上記の例ではΔd1とΔd2の間に合焦位置がある例で説明したが、Δd1とΔd2の外に合焦位置がある場合も同様に処理できる。
以上のようにして、所定画像位置での合焦位置Z(0)が求められると、被検物20を第1および第2撮像装置6,8に対して合焦位置Z(0)に位置させたときの画像を用いて、三角測量の原理等を適用してこの所定画像位置の光軸方向位置すなわち高さを求めれば、鏡面反射の影響を受けることなく正確に測定できることになる。そして、撮像画像における投影パターンの全ての必要箇所において、上記と同様にして合焦位置Z(0)を算出し、その位置での撮像画像から被検物の高さを求めれば、被検物の三次元形状を正確に測定することができる。
なお、上記実施形態においては、開口数の異なる二つの撮像系を用いたが、開口数の異なる三つ以上の撮像系を用いても良く、これにより、さらに測定精度を高めることができる。
本発明の実施形態に係る形状測定方法に用いられる三次元形状測定装置の構成を示す概略構成説明図である。 上記本発明に係る形状測定方法を示すフローチャートである。 上記形状測定方法において、第1および第2撮像装置により撮像された所定画像位置の像を示す説明図である。 上記形状測定方法において合焦位置の算出を説明するためのグラフである。 従来の形状測定装置の構成を示す概略構成説明図である。 拡散反射光を説明する説明図である。 鏡面反射光を説明する説明図である。 鏡面反射光を受けた被検物表面の照明点の撮像画像を示す説明図である。
符号の説明
1 光源 2 投影パターンマスク
3 投影レンズ 4 撮像レンズ
5 ハーフミラー 6 第1撮像装置
7 全反射ミラー 8 第2撮像装置
9 演算処理装置

Claims (6)

  1. 被検物に所定の投影パターンを投影するパターン投影工程と、
    同一位置に合焦点を有し、異なる開口数有する第1の撮像系と第2の撮像系とにより前記投影パターンが投影された前記被検物を撮像する第1の撮像工程と、
    前記第1の撮像系と前記第2の撮像系との位置関係を保ったまま、前記被検物との間隔を変えて前記第1の撮像系と前記第2の撮像系とにより前記投影パターンが投影された前記被検物を撮像する第2の撮像工程と、
    前記第1の撮像工程における情報と前記第2の撮像工程における情報とに基づいて前記被検物の形状を測定する測定工程と
    を有することを特徴とする形状測定方法。
  2. 前記測定工程において、前記情報として前記第1の撮像工程の合焦状態と前記第2の撮像工程の合焦状態とが用いられることを特徴とする請求項1に記載の形状測定方法。
  3. 前記測定工程において、前記第1の撮像系と前記第2の撮像系とが前記投影パターンが投影されている前記被検物に合焦する位置を前記情報として求めることを特徴とする請求項1もしくは2に記載の形状測定方法。
  4. 前記測定工程における前記情報に基づいて前記被検物の三次元形状を求める形状測定工程をさらに備えることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の形状測定方法。
  5. 被検物に所定の投影パターンを投影するパターン投影系と、前記投影パターンが投影された前記被検物を撮像する第1の開口数を有した第1撮像系と、前記第1撮像系と同一光軸上において前記投影パターンが投影された前記被検物を撮像する第2の開口数を有した第2撮像系と、前記被検物に対する前記第1および第2撮像系の光軸方向の相対位置を調整する位置調整器とを備えた形状測定器を用いて前記被検物の三次元形状を測定する方法であって、
    前記位置調整器により前記被検物を前記第1および第2撮像系に対して第1の光軸方向位置(Z1位置)に位置させた状態で、前記被検物に前記パターン投影系により前記投影パターンを投影し、
    前記第1撮像系により前記被検物に投影された前記投影パターンを撮像して第1(Z1)測定画像を取得し、
    前記前記第2撮像系により前記被検物に投影された前記投影パターンを撮像して第2(Z1)測定画像を取得し、
    前記位置調整器により前記被検物に対する前記第1および第2撮像系の光軸方向相対位置を移動させて第2の光軸方向位置(Z2位置)に位置させた状態で、前記被検物に前記パターン投影系により前記投影パターンを投影し、
    前記第1撮像系により前記被検物に投影された前記投影パターンを撮像して第1(Z2)測定画像を取得し、
    前記前記第2撮像系により前記被検物に投影された前記投影パターンを撮像して第2(Z2)測定画像を取得し、
    前記被検物の測定画像の所定画像位置における、前記第1(Z1)測定画像と前記第2(Z1)測定画像との画像面上での第1位置ずれ(Δd1)と、前記第1(Z2)測定画像と前記第2(Z2)測定画像との画像面上での第2位置ずれ(Δd2)とから、前記所定画像位置に対して合焦する合焦位置(Z0)を求め、
    前記所定画像位置における前記合焦位置(Z0)での測定画像から前記所定画像位置の光軸方向位置を求め、
    前記被検物の三次元形状を求めることを特徴とする形状測定方法。
  6. 前記1位置ずれ(Δd1)と前記2位置ずれ(Δd2)との差が最も小さくなる光軸方向位置を合焦位置(Z0)とし、前記被検物の三次元形状を求める部分における全ての画像位置について合焦位置(Z0)を求めるとともに前記全ての画像位置における前記合焦位置(Z0)での測定画像から前記全ての画像位置の光軸方向位置を求め、前記被検物の三次元形状を求めることを特徴とする請求項5に記載の形状測定方法。
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