JP2009097940A - Shape measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、形状測定装置に関し、特に、表面が鏡面の被検物の表面形状を測定できるようにした形状測定装置に関する。 The present invention relates to a shape measuring apparatus, and more particularly to a shape measuring apparatus that can measure the surface shape of a test object having a mirror surface.
被検物の表面形状を測定する技術が一般に普及しつつある。 A technique for measuring the surface shape of a test object is becoming widespread.
被検物の物体表面については、拡散面と鏡面との場合で測定の方法が異なる。拡散面においては、光切断法に代表される測定法により、スリット光を被検物に照射し、物体表面に現れるスリット光パタンの形状から表面形状を測定する方法が提案されている。 As for the object surface of the test object, the measurement method is different between the diffusion surface and the mirror surface. On the diffusing surface, a method has been proposed in which the surface shape is measured from the shape of the slit light pattern that appears on the object surface by irradiating the object with slit light by a measurement method typified by the light cutting method.
一方、鏡面の場合、被検物に対して被検物を撮像する方向に対して、所定角度だけずらした位置にパターン板を配置し、被検物の表面に映り込むパターンを撮像することにより、被検物表面における反射角θを測定し、そのθ/2を被検物の表面の法線の角度として測定することにより、表面の角度を順次測定することで、その連続性から表面形状を測定する方法が提案されている(特許文献1,2、および非特許文献1参照)。
On the other hand, in the case of a mirror surface, by arranging a pattern plate at a position shifted by a predetermined angle with respect to the direction in which the test object is imaged with respect to the test object, by imaging the pattern reflected on the surface of the test object By measuring the reflection angle θ on the surface of the test object and measuring the angle θ / 2 as the normal angle of the surface of the test object, the surface shape is measured from the continuity by measuring the surface angle. Has been proposed (see
しかしながら、上述した鏡面における表面形状の測定については、被検物の表面の変化が十分に小さいことが前提となった測定方法であるため、表面の変化が大きいと、精度よく測定することができないことがあった。 However, since the above-described measurement of the surface shape on the mirror surface is a measurement method based on the premise that the change in the surface of the test object is sufficiently small, it cannot be accurately measured if the change in the surface is large. There was a thing.
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、特に、表面が鏡面の被検物においても、精度良く表面形状を測定できるようにするものである。 The present invention has been made in view of such a situation, and in particular, enables a surface shape to be measured with high accuracy even in a specimen having a mirror surface.
本発明の形状測定装置は、複数の異なる配光特性に切り替えられると共に、前記配光特性に傾斜を持たせたパタンを生成し、被検物に投影するパタン生成手段と、前記パタン生成手段からのパタンが投影された前記被検物を撮像する撮像手段と、前記撮像手段により撮像された画像データを基に、前記被検物の表面に映り込んだパタンに対応するパタン生成手段上の位置を特定し、前記特定された前記パタン手段上の位置と撮像手段で撮像された位置に応じて、被検物表面の位置を特定する算出手段と、前記複数の異なる配光特性の各々で、前記撮像手段により撮像された複数の画像データを基に、前記被検物の表面の傾斜方向を測定する測定手段とを備えることを特徴とする。 The shape measuring apparatus according to the present invention includes a pattern generating unit that switches to a plurality of different light distribution characteristics, generates a pattern having an inclination in the light distribution characteristics, and projects the pattern onto a test object. A position on the pattern generating means corresponding to the pattern reflected on the surface of the test object based on the image data captured by the imaging means In accordance with the position on the specified pattern means and the position imaged by the imaging means, the calculation means for specifying the position of the surface of the test object, and each of the plurality of different light distribution characteristics, And measuring means for measuring the tilt direction of the surface of the test object based on a plurality of image data picked up by the image pickup means.
本発明の一側面によれば、表面が鏡面の被検物においても、精度良く表面形状を測定することが可能となる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to accurately measure the surface shape of a test object having a mirror surface.
図1は、本発明を適用した一実施の形態の構成例を示す形状測定装置である。 FIG. 1 is a shape measuring apparatus showing a configuration example of an embodiment to which the present invention is applied.
図1の形状測定装置は、ステージ6上に載置された被検物4の表面形状を非接触で測定するものである。
The shape measuring apparatus of FIG. 1 measures the surface shape of the test object 4 placed on the
光源1−1乃至1−3は、それぞれ発光部1a−1乃至1a−3を備えており、フィルタ1b−1乃至1b−3により、投光板2に対して異なる方向から発光する。
The light sources 1-1 to 1-3 are respectively provided with
投光板2は、被検物4が載置されたステージ6の上面の所定の位置に載置されている。また、投光板2は、ステージ6と対向する面に半球状の拡散面に形成された凸部2a−1乃至2a−nが配されたパタンを備えており、それぞれ光源1−1乃至1−3により発せられる光を完全拡散反射させる。凸部2a−1乃至2a−nは、例えば、表面に個別に色が施されるなどして、個別に識別することができ、したがって、投光板2における位置を外観により個別に認識することができる。
The
尚、凸部2a−1乃至2a−nについては、それぞれを特に区別して説明する必要がない場合、単に凸部2aと称するものとする。また、図1においては、図中に16個の凸部2aが記載されているが、凸部2aを構成する半球の直径は数mm以下程度の大きさのものであるため、当然のことながら、それ以上の数であってもよいものである。
Note that the
撮像部3は、CCD(Charge Coupled Devices)またはCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)などの撮像素子3aおよびレンズ3bなどから構成され、ステージ6に載置された被検物4を固定された位置で、固定された角度から撮像し、撮像した画像を形状測定部5に供給する。
The
形状測定部5は、光源制御部5a、角度測定部5b、および三角法測定部5cを備えている。形状測定部5は、光源1−1乃至1−3の発光タイミングと、撮像部3により撮像された画像の情報とを対応付けて管理し、撮像された画像から被検物4の表面形状の各位置を演算により求める。また、形状測定部5は、ステージ6を図中のx,y方向、x,θ方向、または、y,θ方向のいずれかの組み合わせで動作させることにより、カメラ3の撮像方向を変えずに、被検物4の全体を撮像できる。尚、ステージ6は、当然のことながら、x,y,z,θのいずれにも動作できるように構成し、使用者が動作方向を切替えるようにしても良い。また、図1においては、形状測定部5についてのみ、機能ブロック図として記載されているが、形状測定部5は、例えば、いわゆる制御基板などにより構成されるものであり、図1においては、その制御基板により実現される形状測定部5の機能を機能ブロック図として表現している。
The
光源制御部5aは、光源1−1乃至1−3の発光タイミングを制御する。角度測定部5bは、後述する投光角θLを測定する。三角法測定部5cは、撮像部3により撮像された画像に基づいて、被検物4の表面との距離を三角法により測定し、その情報に基づいて被検物の表面形状の情報を生成する。
The light source control unit 5a controls the light emission timings of the light sources 1-1 to 1-3. The angle measuring unit 5b measures a projection angle θL described later. The
また、図1の形状測定装置は、光源1−1乃至1−3により発せられる光以外の外光を遮光するため、暗箱11により全体が覆われている。
Further, the shape measuring apparatus of FIG. 1 is entirely covered with a
次に、図2のフローチャートを参照して、形状測定処理について説明する。 Next, the shape measurement process will be described with reference to the flowchart of FIG.
ステップS1において、形状測定部5の光源制御部5aは、光源1−1を制御して、発光させる。この処理により、投光板2は光源1−1によりななめから照明させるので、光源1−1の照明方向と撮像部3の撮像素子3a上における各凸部2a内の各位置における明るさが変わる。例えば、図3の最上段で示されるように、各凸部2aの図中の左下部が明るく、右上部が暗く照明され、配光特性が傾斜した拡散光分布からなるパタンを得ることができる。
In step S1, the light source control unit 5a of the
このような配光パタンが出来る理由は、以下の通りである。一つの凸部2aの断面を図4に示した。凸部2aに対して実線101で示した方向から例えば平行光が入射した場合、平行光の一部が凸部2aの斜面によって遮られる為、照明されるのは領域A0である。そのように照明された凸部2aを点線102で示した方向の反対方向から見渡したときに、照明された領域として見える範囲は両矢印線A1の範囲で、影として見える範囲は両矢印線B1の範囲になる。また、見渡す角度を変えて、一点差線103で示した方向の反対方向から見渡したときには、照明された領域として見える範囲は両矢印線A2の範囲で、影として見える範囲は両矢印線B2の範囲となる。このように見渡す角度が変わると、共に照明された範囲である両矢印線A1と影として見える範囲である両矢印線B1の比率と、両矢印線A2と両矢印線B2の比率が変わる。このように凸部2aの見渡す角度が変わると照明された領域として見える範囲も変わることが分かる。一方、見渡す角度が一定で照射角度が変わっても同様な変化が起こる。その変化の様子が図3で表されている。したがって、投光板2に照明する方向を変えることにより、投光板2の配光特性を変化させることができる。
The reason why such a light distribution pattern can be achieved is as follows. A cross section of one
一方、本形状測定装置では、このような明るさの分布を持った投光板2の像が、表面が鏡面である被検物に映りこむ。したがって、投光板2は、図1で示される例においては、反射により投光しているが、同様の光を投光できればよいので、例えば、図中の上部に光源を設けるようにして、透過により同様の分布からなる拡散光を被検物4に対して投光するようにしても良い。
On the other hand, in the present shape measuring apparatus, an image of the
ステップS2において、撮像部3は、光源1−1が発光した状態において、被検物4の表面に映り込んだ、投光板2の凸部2aのそれぞれを含む第1画像を撮像する。撮像部3のレンズ3bが調整されることにより、撮像素子3aで撮像される合焦位置は、投光板2の表面とされている。このため、撮像部3は、被検物4を含む画像を撮像すると共に、被検物4の表面に映り込んだ投光板2を撮像する。
In step S <b> 2, the
ステップS3において、形状測定部5の光源制御部5aは、光源1−2を制御して、光源1−1とは異なる位置から平行光を発光させる。この処理により、例えば、図3の中段で示されるように、各凸部2aの図中の右上部が明るく、左下部が暗く反射することにより、各凸部2aについて、配光特性が傾斜されたように投光板2が光を発する。
In step S3, the light source control unit 5a of the
ステップS4において、撮像部3は、光源1−2が発光した状態において、被検物4の表面に映り込んだ、投光板2の凸部2aを含む第2画像を撮像する。
In step S4, the
ステップS5において、形状測定部5の光源制御部5aは、光源1−3を制御して、光源1−1,1−2とは異なる位置から平行光を発光させる。この処理により、例えば、図3の最下段で示されるように、各凸部2aの図中の右下部が明るく、左上部が暗く反射することにより、各凸部2aについて、配光特性が傾斜されたように投光板2が光を発する。
In step S5, the light source control unit 5a of the
ステップS6において、撮像部3は、光源1−3が発光した状態において、被検物4の表面に映り込んだ、投光板2の凸部2aのそれぞれを含む第3画像を撮像する。
In step S <b> 6, the
ステップS7において、形状測定部5は、先のステップで取得した3つの画像各々に、被検物4が映っている領域を設定し、被検物4の映っている領域を更に細分化して、被検物4の表面の位置を測定する領域を設定する。なお、本発明の実施の形態においては、被検物4の撮影領域を端から順次測定領域として決定する。
In step S7, the
ステップS8において、角度測定部5bは、第1画像乃至第3画像を基に、投光板2のどの凸部2aが測定領域に写り込んでいるかを判断する。具体的には、予め形状測定部5の図示していない記憶部に記憶された各凸部2aの特徴量と、測定領域に該当する画像情報とを基に参照しながら、どの凸部2aが映り込んでいるか特定する。次に、特定された凸部2aの位置情報を形状測定部5に設けられた記憶部から取得する。なお、この位置情報も予め記憶部に記憶されている。そして、図1に示す基線長Lbの長さと方向について、取得された位置情報を基に算出する。また、対象測定領域の画素と光軸上の画素との距離とレンズ3bの焦点距離に基づいて、θcを算出する。このθcの角度は対象測定領域の画素と対象測定領域とをレンズ3bによる屈折を無視して直線で結ぶ線axと基線長Lbとのなす角度と同じである。更に、対象測定領域の対応画素とステージ6の位置情報を取得して、レンズ3bの光軸を法線にした平面における測定領域の2次元座標値を取得する。
In step S <b> 8, the angle measurement unit 5 b determines which
一方、角度測定部5bでは、対象測定領域の面の方向を算出する。算出方法としては、第1画像乃至第3画像の対応画素の受光光量に基づいて、計算する。例えば、第1画像を取得時における投光板2を反射した散乱光が対象測定領域で正反射してレンズ3bに入射する場合には、最も対象画素の受光光量が大きく、反対に正反射条件から外れてゆくと受光光量が減少してゆく。そこで、本発明の実施の形態では、同一直線上に配置されていない3つの光源1−1、1−2、1−3を用いて、投光板2に照明して異なる配光特性を再現させ、その配光特性が映り込んだ被検物4を撮影することで、対象測定領域の立体的な面の方向を算出している。よって、得られた3つの画像における対象測定領域の画素の受光光量を取得し、対象測定領域の面方向を特定した。
On the other hand, the angle measurement unit 5b calculates the direction of the surface of the target measurement region. As a calculation method, calculation is performed based on the amount of received light of the corresponding pixels of the first image to the third image. For example, when the scattered light reflected from the
例えば、対象測定領域の法線方向のX-Y平面上における角度をθx-y、Y-Z平面上での角度をθy-zとしたときに、投光板2の配光特性が光源1−1で照明した場合の配光特性をf1(θx-y,θy-z)とする。同様に、光源1−2で照明した場合の配光特性をf2(θx-y,θy-z)とし、光源1−3で照明した場合の配光特性をf3(θx-y,θy-z)とする。一方、3つの光源1−1乃至1−3で投光板2を照明したときの撮像部3による受光光量が、それぞれRp1乃至Rp3であるとすると、次の式(1)乃至式(3)のように未知数が2つある3つの連立方程式が得られる。
Rp1=f1(θx-y,θy-z)
・・・(1)
Rp2=f2(θx-y,θy-z)
・・・(2)
Rp3=f3(θx-y,θy-z)
・・・(3)
For example, when the angle on the XY plane in the normal direction of the target measurement region is θx-y and the angle on the YZ plane is θy-z, the light distribution characteristic of the
Rp1 = f1 (θx-y, θy-z)
... (1)
Rp2 = f2 (θx-y, θy-z)
... (2)
Rp3 = f3 (θx-y, θy-z)
... (3)
尚、未知数が2つであるのに、3つの連立方程式が必要となるのは、2つの配光特性しかないとすると、投光軸(2つの光源で投光板2を照明した際に、投光板2による正反射方向のなす角度の丁度中間の角度方向と同じ方向の軸)周りに配光パタンが回転対象になるため、角度θx-y,θy-zの正負を判別することができないためである。
Although there are only two unknowns, three simultaneous equations are required if there are only two light distribution characteristics. When the
また、投光板2の配光特性が投光軸に対する角度に対してリニアに変化するものであれば、次のように捉えて、対象測定領域の面の角度を出すことができる。
Further, if the light distribution characteristic of the
ある光源で得られた受光光量と投光軸を含む1つの平面上における対象測定領域の法線方向の角度θaとの関係をRp1=θaと捉え、他の光源で得られた受光光量と投光軸と直交した平面上における対象測定領域の法線方向の角度θbとの関係をRp2=θa・θbと捉える。この2つの式からθaおよびθbが求められることになるが、角度θa,θbは、共に90°を越える場合に解が2つ以上現れることになる。このため、このいずれかを確定させるためにもう1つの配光パタンを用意する必要がある。 The relationship between the received light quantity obtained with one light source and the angle θ a in the normal direction of the target measurement area on one plane including the projection axis is regarded as Rp1 = θ a, and the received light quantity obtained with another light source And the angle θ b in the normal direction of the target measurement region on the plane orthogonal to the projection axis is taken as Rp2 = θ a · θ b . Θ a and θ b are obtained from these two equations, and when the angles θ a and θ b both exceed 90 °, two or more solutions appear. For this reason, it is necessary to prepare another light distribution pattern in order to determine one of these.
実際には、回転楕円体に近い配光特性となり、以下の式(4)とこれに回転変換とを加えたもので導くことができる。 Actually, the light distribution characteristic is close to that of a spheroid, and can be derived by adding the following equation (4) and rotational transformation.
r2=a2sin2θb・cos2θa+b2sin2θb・sin2θa+c2cos2θb
・・・(4)
r 2 = a 2 sin 2 θ b・ cos 2 θ a + b 2 sin 2 θ b・ sin 2 θ a + c 2 cos 2 θ b
... (4)
尚、このように解を解析的に求めるのではなく、予め作成されたルックアップテーブルを用意して、それぞれの受光光量から対象測定領域の面の方向を求めるようにしても良い。 Instead of analytically obtaining the solution in this way, a lookup table prepared in advance may be prepared, and the direction of the surface of the target measurement region may be obtained from each received light amount.
そして、この対象測定領域の面方向と写り込んだ凸部2aの位置情報を基に、対象測定領域Qに対して撮像部3の方向と写り込んだ凸部2a−xの方向とのなす角度θOを取得する。
Then, based on the surface direction of the target measurement region and the position information of the projected
ステップS9において、ステップS8の処理で求められた角度θcと角度θOでもって、対象測定領域と対象測定領域に映り込んでいる凸部2aとを結ぶ線と基線長Lbとのなす角度θLを取得する。
In step S9, at an angle θc and the angle theta O obtained by the processing in step S8, the angle θL of the line and the base line length Lb connecting the
ステップS10において、先のステップS8やステップS9で取得したθL、θc及び基線長Lbに基づき、三角法に基づき、光軸axと平行な方向における座標位置を取得し、測定対象領域の空間的な座標値を取得することができる。 In step S10, a coordinate position in a direction parallel to the optical axis ax is acquired based on the trigonometry based on θL, θc and the baseline length Lb acquired in the previous step S8 or step S9, and the spatial area of the measurement target region is acquired. Coordinate values can be acquired.
ステップS11において、形状測定部5は、各画像内の被検物4が撮像された範囲のうち、処理対象としていない領域が残されているか否かを判定する。例えば、処理対象としていない領域が残されている場合、処理は、ステップS7に戻る。すなわち、処理対象としていない領域がなくなるまで、ステップS7乃至S11の処理が繰り返され、処理対象としていない、未処理の領域がなくなったとき、処理は、終了する。
In step S <b> 11, the
また、投光板2の凸部2aについては、半球状である例について説明してきたが、光源1からの光を投光板2に対して垂直な軸に対して対称に反射できるものであればよいので、その他の軸対称な凸部、または凹部により構成するようにしてもよい。
Further, the
以上の処理により、撮像部3により撮像される被検物4の表面が鏡面でも、三角法により表面形状として、被検物4の位置Qにおけるステージ6の表面からの高さを表面形状の情報として求めるようにした。
With the above processing, even if the surface of the test object 4 imaged by the
結果として、被検物が鏡面であっても、三角法により高速で、かつ、高い精度で表面形状を計測することが可能となる。 As a result, even if the test object is a mirror surface, the surface shape can be measured at high speed and with high accuracy by trigonometry.
なお、本実施の形態における投光板2は、対称形状を有した凸部2aにそれぞれ異なる方向から照明することで、異なる配光特性を有する複数種パタンを形成している。特に、凸部2aが軸対称である回転対称形状であれば、投光板2を照明する照明手段の位置を厳密に位置決めしなくとも良く、3つの照明手段が一直線上に並ばなければ、被検物の面の傾斜方向を算出することが可能である。
In addition, the
また、投光板2以外にも配光傾向が異なるパタンが少なくとも3種類生成できるものであれば、一向に構わない。
Moreover, as long as it can produce | generate at least 3 types of patterns from which the light distribution tendency differs other than the
例えば、図5に図示した形状測定装置であっても構わない。この形状測定装置は、投光板2として、透明な材料から形成された投光板2を用いても良い。もちろん、投光板2の各凸部2aが形成された面は拡散面であり、一方反対側の面はなめらかな面である。そして、投光板2の滑らかな面から光源の光を入射させるように、光源1を設置した。この光源1は光源位置移動機構7を介して、本体に支持されている。光源位置移動機構7は、少なくとも3箇所の位置に光源を移動させることができる。なお、光源を移動させることのできる位置は、同一直線上に並ばない位置になっている。このような構成を有した形状測定装置では、光源1の位置を適宜変えることで、投光板2の配光特性を変化させることが可能である。また、被検物の面の傾斜方向に関する測定精度に応じて、光源の位置の変化量を変えて、光源の位置を変化しても良い。
For example, the shape measuring apparatus illustrated in FIG. 5 may be used. In this shape measuring apparatus, the
尚、本明細書において、処理を記述するステップは、記載された順序に沿って時系列的に行われる処理は、もちろん、必ずしも時系列的に処理されなくとも、並列的あるいは個別に実行される処理を含むものである。 In the present specification, the steps for describing the processing are executed in parallel or individually even if processing that is performed in chronological order according to the described order is, of course, not necessarily processed in chronological order. It includes processing.
1−1乃至1−3 光源, 2 投光板, 2a,2a−1乃至2a−n 凸部, 3 撮像部, 4 被検物, 5 形状測定部, 5a 光源制御部, 5b 角度測定部, 5c 三角法測定部 1-1 to 1-3 light source, 2 projector plate, 2a, 2a-1 to 2a-n convex part, 3 imaging part, 4 test object, 5 shape measuring part, 5a light source control part, 5b angle measuring part, 5c Triangulation measurement unit
Claims (5)
前記パタン生成手段からのパタンが投影された前記被検物を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段により撮像された画像データを基に、前記被検物の表面に映り込んだパタンに対応するパタン生成手段上の位置を特定し、
前記特定された前記パタン手段上の位置と撮像手段で撮像された位置に応じて、被検物表面の位置を特定する算出手段と、
前記複数の異なる配光特性の各々で、前記撮像手段により撮像された複数の画像データを基に、前記被検物の表面の傾斜方向を測定する測定手段と
を備えることを特徴とする形状測定装置。 A pattern generating unit that is switched to a plurality of different light distribution characteristics, generates a pattern having an inclination in the light distribution characteristics, and projects the pattern onto a test object,
Imaging means for imaging the test object on which the pattern from the pattern generation means is projected;
Based on the image data picked up by the image pickup means, the position on the pattern generation means corresponding to the pattern reflected on the surface of the test object is specified,
Calculating means for specifying the position of the surface of the test object according to the specified position on the pattern means and the position imaged by the imaging means;
A shape measurement comprising: a measurement unit that measures a tilt direction of the surface of the test object based on a plurality of image data captured by the imaging unit at each of the plurality of different light distribution characteristics. apparatus.
請求項1に記載の形状測定装置。 The shape measuring apparatus according to claim 1, further comprising a light blocking unit configured to block light other than the light projected by the pattern generation unit.
ことを特徴とする請求項1に記載の形状測定装置。 The shape measuring apparatus according to claim 1, wherein the pattern generation unit includes a light projecting plate having a plurality of concave or convex solid shapes on a diffusion surface, and an illumination unit that illuminates the light projecting plate. .
ことを特徴とする請求項3に記載の形状測定装置。 In the light projecting plate, a surface opposite to the diffusion surface on which the three-dimensional shape of the concave portion or the convex portion is formed is a smooth surface, and light from the illumination unit is incident on the smooth surface. The shape measuring apparatus according to claim 3.
請求項3に記載の形状測定装置。 The shape measuring apparatus according to claim 3, wherein a three-dimensional shape of the concave portion or the convex portion of the light projecting plate is an axisymmetric shape.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20110104 |