JP2010133712A

JP2010133712A - 形状測定装置

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Publication number: JP2010133712A
Application number: JP2008306986A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Endo; 剛遠藤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2008-12-02
Filing date: 2008-12-02
Publication date: 2010-06-17

Abstract

【課題】外乱光の影響を抑制し、物体の形状の測定精度を向上する。
【解決手段】物体にパタンを投影して、その像を撮像素子６０により撮像することによって物体の形状を測定する形状測定装置の制御部６１のFFT部１０２は、A/D変換部１０１を介してフォトセンサ５９から取得した受光信号に基づいて、撮像素子６０に入射する入射光の周波数成分を検出する。ピーク検出部１１１は、周波数成分の検出結果に基づいて、撮像素子６０への入射光に含まれる外乱光の光量が所定の閾値以上かつ最大となる周波数fpを検出する。露光時間設定部１１３は、周波数fpに対応する周期Tpの倍数に撮像素子６０の露光時間を設定する。本発明は、例えば、光学式の形状測定装置に適用できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、形状測定装置に関し、特に、光学的な手法により物体の形状を測定する形状測定装置に関する。

従来、物体にパタンを投影し、パタンを投影する位置または撮像装置の焦点面をシフトさせながら、その像を撮像し、得られた複数の画像を用いて、光学的な手法により物体の形状を測定する形状測定装置が普及している（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−３２５０１９号公報

ところで、光学的な手法により物体の形状を測定する場合、撮像装置により画像を撮像するときのフレーム間の撮像条件の変動が、演算結果の誤差の要因となる。そのため、外乱光の影響を抑制し、撮像条件の変動を極力小さくできるようにすることが望まれている。しかし、外乱光の影響を抑制する一つの方法として、例えば、暗室内で測定を行うことが考えられるが、これは誰にでも容易にできるものではない。

本発明は、このような状況を鑑みてなされたものであり、外乱光の影響を抑制し、物体の形状の測定精度を向上できるようにするものである。

本発明の一側面の形状測定装置は、物体にパタンを投影して、その像を撮像手段により撮像することによって前記物体の形状を測定する形状測定装置において、前記撮像手段に入射する入射光の周波数成分を検出する周波数成分検出手段と、前記入射光の光量が所定の閾値以上かつ最大となる周波数であるピーク周波数を検出するピーク検出手段と、前記ピーク周波数に対応する周期の倍数に前記撮像手段の露光時間を設定する設定手段とを含む。

本発明の一側面においては、撮像手段に入射する入射光の周波数成分が検出され、前記入射光の光量が所定の閾値以上かつ最大となる周波数であるピーク周波数が検出され、前記ピーク周波数に対応する周期の倍数に前記撮像手段の露光時間が設定される。

本発明の一側面によれば、撮像手段に入射する入射光の周波数成分に応じて、撮像手段の露光時間を設定することにより、本発明の一側面によれば、外乱光の影響を抑制し、物体の形状の測定精度を向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明を適用した実施の形態について説明する。

図１は、本発明を適用した形状測定装置の一実施の形態の構成例を示す斜視図である。

図１の形状測定装置１１は、光学的な手法により物体の形状を三次元的に測定する三次元測定装置である。

形状測定装置１１では、定盤２１に被検物１２が載置され、光学式センサ２２により被検物１２の形状が光学的な手法で測定される。

光学式センサ２２は、Ｚステージ２３の下方の先端に装着され、Ｚステージ２３が、コラム２５の梁部２４に対してＺ軸方向に移動することにより、光学式センサ２２のＺ軸方向の位置が調整される。梁部２４は、Ｘ軸方向に延びるように配置されており、Ｚステージ２３が梁部２４の長手方向に自走することで、光学式センサ２２のＸ軸方向の位置が調整される。

コラム２５は、梁部２４の両端を脚部により支持するコ字形状をしており、一方の脚部が定盤２１上に設けられたガイド２６によりＹ軸方向に案内され、コラム２５が、Ｙ軸方向に移動することにより、光学式センサ２２のＹ軸方向の位置が調整される。なお、コラム２５の脚部のうち、ガイド２６が設けられていない側の脚部の下端は、エアーガイドとなっている。

このように、光学式センサ２２は、Ｚステージ２３とコラム２５とにより、定盤２１に対して水平方向（Ｘ−Ｙ方向）および垂直方向（Ｚ方向）の任意の位置に移動可能とされている。

図２は、形状測定装置１１の光学式センサ２２の構成の一実施の形態を示す図である。

発光素子５１は、例えば、LED（Light Emitting Diode）、LD（Laser Diode）など調光制御が容易な素子により構成される。発光素子５１から発せられた照明光は、コリメートレンズ５２により平行光とされ、ビームスプリッタ５３に入射する。

ビームスプリッタ５３に入射した照明光は、その一部がフォトセンサ５４の方向に反射され、フォトセンサ５４に入射する。フォトセンサ５４は、入射した照明光の光量に応じた受光信号を図示せぬ照明制御装置に供給する。照明制御装置は、フォトセンサ５４からの信号に基づいて、出力される光量が一定となるように発光素子５１を制御する。これにより、照明光の時間変動が極力抑えられ、光学式センサ２２の受光系において、照明光と外乱光の時間的強度変動成分の分離が容易になる。

一方、ビームスプリッタ５３を透過した照明光は、所定の投影パタン（例えば、ストライプなど）が形成されているパタン板５５に入射する。パタン板５５は、例えば、所定の形状の金属パタンをガラスに蒸着したもの、液晶、または、DMD（Digital Mirror Device）などにより構成される。

パタン板５５を透過した照明光は、投影レンズ５６を介して、被検物１２の表面に照射される。このとき、被検物１２の表面にパタン板５５に形成された明暗パタンが投影される。また、被検物１２の表面には、照明光以外の外乱光も照射されている。

被検物１２の表面に照射された光（照明光および外乱光）のうち、撮像レンズ５７の方向に向かう光は、撮像レンズ５７、ビームスプリッタ５８、フォトセンサ５９、撮像素子６０からなる撮像手段に入射する。撮像手段に入射した光は、撮像レンズ５７を透過し、ビームスプリッタ５８に入射する。

ビームスプリッタ５８に入射した反射光は、その一部がフォトセンサ５９の方向に反射され、フォトセンサ５９に入射する。フォトセンサ５９は、入射した反射光の光量に応じた受光信号を制御部６１に供給する。

一方、ビームスプリッタ５８を透過した反射光は、被検物１２の表面と光学的にほぼ共役な位置に配置されている撮像素子６０の表面において結像する。なお、撮像素子６０は、例えば、CCD（Charge Coupled Device）、または、CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）などにより構成される。

撮像素子６０は、制御部６１の制御の基に、投影パタンが投影された被検物１２の像を撮像する。撮像素子６０は、撮像した画像データ、および、受光量を示す信号を制御部６１に供給する。

図３は、制御部６１の機能のうち、撮像素子６０の露光時間を設定する処理に関わる部分の構成の例を示すブロック図である。

A/D変換部１０１は、フォトセンサ５９から供給されるアナログの受光信号をデジタル信号に変換し、FFT（Fast Fourier Transform）部１０２に供給する。

FFT部１０２は、A/D変換部１０１から供給されるデジタル信号から、フォトセンサ５９の入射する入射光の周波数成分を検出することにより、撮像素子６０に入射する入射光の周波数成分を検出する。FFT部１０２は、検出結果を示す信号を演算部１０３に供給する。

演算部１０３は、例えば、CPU（Central Processing Unit）などの演算装置により構成され、所定の制御プログラムを実行することにより、ピーク検出部１１１、周期算出部１１２、および、露光時間設定部１１３を含む機能を実現する。

ピーク検出部１１１は、撮像素子６０に入射する入射光の周波数のピーク値を検出し、検出結果を周期算出部１１２に通知する。このピーク値は、外乱光の時間的強度変化の主な周波数成分である。

周期算出部１１２は、ピーク検出部１１１により検出された周波数のピーク値に対応する周期を求め、求めた周期を露光時間設定部１１３に通知する。

露光時間設定部１１３は、図４および図５を参照して後述するように、周期算出部１１２により求められた周期、および、撮像素子６０の受光量に基づいて、撮像素子６０の露光時間を設定し、設定した露光時間を示す情報をカメラコントロールユニット１０４に供給する。

カメラコントロールユニット１０４は、露光時間設定部１１３により設定された露光時間で撮像素子６０が撮像を行うように、CCDドライバ１０５を制御する。これにより、投影パタンが投影された被検物１２の像が、露光時間設定部１１３により設定された露光時間で撮像される。

なお、FFT部１０２の計測範囲は、例えば、撮像素子６０の露光時間の設定範囲が1〜100ms程度である場合、10〜1000Hz程度に設定される。また、この場合、フォトセンサ５９の読取周波数は、2kHz以上とするのが望ましい。

次に、制御部６１により実行される露光時間設定処理について説明する。

まず、図４のフローチャートを参照して、形状測定装置１１により実行される露光時間設定処理の第１の実施の形態について説明する。

ステップＳ１において、FFT部１０２は、A/D変換部１０１から供給される信号に基づいて、撮像素子６０への入射光の周波数成分を検出し、検出結果を示す信号をピーク検出部１１１に供給する。

ステップＳ２において、ピーク検出部１１１は、撮像素子６０への入射光に含まれる外乱光の光量が所定の閾値以上かつ最大となる周波数fpを検出する。上述したように、発光素子５１から発せられる照明光の光量は、ほぼ一定となるように制御されるため、照明光の周波数は、ほぼ0Hzに等しくなる。従って、ピーク検出部１１１は、FFT部１０２による撮像素子６０への入射光の周波数成分の検出結果に基づいて、0Hz近傍を除く周波数域で光量が所定の閾値以上かつ最大となる周波数を検出することにより、撮像素子６０に入射する外乱光の光量が所定の閾値以上かつ最大となる周波数fpを検出する。ただし、0Hz近傍以外の周波数域で、その周波数成分の振幅成分が閾値を超えない場合、周波数fpは検出されない。

なお、発光素子５１から発せられる照明光の光量が特定の周波数で強度変化する場合、例えば、フォトセンサ５９からピーク検出部１１１までの間に、照明光と同じ周波数の成分を除去するフィルタを設けたり、ピーク検出部１１１において、照明光の周波数を除いた周波数域で周波数fpを検出するような構成が採用される。これにより、照明光の周波数が周波数fpとして検出されることが防止される。

ステップＳ３において、ピーク検出部１１１は、ステップＳ２の処理において、周波数fpが検出されたか否かを判定する。周波数fpが検出されたと判定された場合、処理はステップＳ４に進む。

ステップＳ４において、周期算出部１１２は、周波数fpに対応する周期Tpを算出する。具体的には、ピーク検出部１１１は、検出した周波数fpを周期算出部１１２に通知する。周期算出部１１２は、周波数fpに対応する周期Tp（＝1／fp）を算出し、算出した周期Tpを露光時間設定部１１３に通知する。

ステップＳ５において、露光時間設定部１１３は、露光時間teを周期Tpに設定し、設定した露光時間teを示す情報をカメラコントロールユニット１０４に供給する。

ステップＳ６において、露光時間設定部１１３は、撮像素子６０の受光量を取得する。具体的には、カメラコントロールユニット１０４は、CCDドライバ１０５を制御して、設定された露光時間te（いまの場合、周期Tp）で撮像素子６０の撮像を実行させる。露光時間設定部１１３は、設定した露光時間teにおける受光量を撮像素子６０から取得する。

ステップＳ７において、露光時間設定部１１３は、撮像素子６０の受光量が所定の範囲内であるか否かを判定する。撮像素子６０の受光量が所定の範囲内でないと判定された場合、処理はステップＳ８に進む。

なお、ステップＳ７の判定条件となる受光量の範囲は、例えば、被検物１２の形状の測定に必要な最低限の光量から、撮像素子６０の飽和が発生しない光量の最大値までの範囲（以下、基本範囲と称する）に設定される。あるいは、基本範囲内の任意の範囲（例えば、基本範囲の中央値を中心とする所定の範囲）に設定される。

ステップＳ８において、露光時間設定部１１３は、現在の露光時間teに周期Tpを加えた値を新たな露光時間teに設定し、設定した露光時間teを示す情報をカメラコントロールユニット１０４に供給する。

その後、処理はステップＳ６に戻り、ステップＳ７において、撮像素子６０の受光量が所定の範囲内であると判定されるまで、ステップＳ６乃至Ｓ８の処理が繰り返し実行される。すなわち、撮像素子６０の受光量が所定の範囲内となるまで、撮像素子６０の露光時間teが、初期値である周期Tpから周期Tpの間隔で延長されてゆく。従って、露光時間teは、以下の式（１）で表される。

te＝n×Tp （n＝1，2，・・・）・・・（１）

一方、ステップＳ７において、撮像素子６０の受光量が所定の範囲内であると判定された場合、露光時間設定処理は終了する。

このようにして、周波数fpが検出された場合、露光時間teは、周期Tpの倍数となり、かつ、撮像素子６０の受光量が所定の範囲内になるように設定される。従って、撮像素子６０により撮像される画像の各フレーム間で、周波数fpで変動する外乱光の影響がほぼ等しくなる。その結果、被検物１２の形状の測定精度が向上する。

なお、例えば、外乱光の周波数成分のグラフにおいて、周波数fpがピークとなる山の広がり具合に応じて、式（１）のnの値を小数点以下の位まで細かく設定することにより、露光時間teを微調整するようにしてもよい。

一方、ステップＳ３において、周波数fpが検出されなかったと判定された場合、すなわち、外乱光が弱く、撮像素子６０により撮像される画像にあまり影響を与えない場合、処理はステップＳ９に進む。

ステップＳ９において、周期算出部１１２は、検出可能な最大の周波数fmaxに対応する周期Tminを算出する。具体的には、ピーク検出部１１１は、周波数fpを検出できなかったことを周期算出部１１２に通知する。周期算出部１１２は、FFT部１０２が検出可能な最大の周波数fmaxに対応する周期Tmin（＝1／fmax）を算出し、算出した周期Tminを露光時間設定部１１３に通知する。

ステップＳ１０において、露光時間設定部１１３は、露光時間teを周期Tminに設定し、設定した露光時間teを示す情報をカメラコントロールユニット１０４に供給する。

ステップＳ１１において、露光時間設定部１１３は、ステップＳ６の処理と同様に、撮像素子６０の受光量を取得する。

ステップＳ１２において、ステップＳ７の処理と同様に、撮像素子６０の受光量が所定の範囲内であるか否かが判定され、撮像素子６０の受光量が所定の範囲内でないと判定された場合、処理はステップＳ１３に進む。

ステップＳ１３において、露光時間設定部１１３は、現在の露光時間teに周期Tminを加えた値を新たな露光時間teに設定し、設定した露光時間teを示す情報をカメラコントロールユニット１０４に供給する。

その後、処理はステップＳ１１に戻り、ステップＳ１２において、撮像素子６０の受光量が所定の範囲内であると判定されるまで、ステップＳ１１乃至Ｓ１３の処理が繰り返し実行される。すなわち、撮像素子６０の受光量が所定の範囲内となるまで、撮像素子６０の露光時間teが、初期値である周期Tminから周期Tminの間隔で延長されてゆく。従って、露光時間teは、以下の式（２）で表される。

te＝n×Tmin （n＝1，2，・・・）・・・（２）

一方、ステップＳ１２において、撮像素子６０の受光量が所定の範囲内であると判定された場合、露光時間設定処理は終了する。

このようにして、周波数fpが検出されなかった場合、露光時間teは、周期Tminの倍数となり、かつ、撮像素子６０の受光量が所定の範囲内になるように設定される。すなわち、露光時間teは、撮像素子６０の受光量が所定の範囲内となる範囲で、できる限り短くなるように設定される。

次に、図５のフローチャートを参照して、形状測定装置１１により実行される露光時間設定処理の第２の実施の形態について説明する。

ステップＳ５１において、図４のステップＳ１の処理と同様に、撮像素子６０への入射光の周波数成分が検出される。

ステップＳ５２において、ピーク検出部１１１は、図４のステップＳ２の処理と同様に、撮像素子６０への入射光に含まれる外乱光の光量が所定の閾値以上かつ極大となる周波数f[i]（i＝1，2，・・・）を検出する。なお、ステップＳ２の処理では、１つの周波数fpのみが検出されたが、ステップＳ５２においては、２つ以上の周波数f[i]が検出される場合がある。また、ステップＳ２の処理と同様に、外乱光が弱く、0Hz近傍以外の周波数域で光量が閾値を超えない場合、周波数f[i]は検出されない。

ステップＳ５３において、ピーク検出部１１１は、ステップＳ５２の処理において、周波数f[i]が検出されたか否かを判定する。周波数f[i]が１つ以上検出されたと判定された場合、処理はステップＳ５４に進む。

ステップＳ５４において、周期算出部１１２は、周波数f[i]に対応する周期T[i]（i＝1，2，・・・）を算出する。具体的には、ピーク検出部１１１は、検出した周波数f[i]を周期算出部１１２に通知する。周期算出部１１２は、各周波数f[i]に対応する周期T[i]（＝1／f[i]）を算出し、算出した周期T[i]を露光時間設定部１１３に通知する。

ステップＳ５５において、露光時間設定部１１３は、露光時間teを周期T[i]の最小公倍数LCMを求める。なお、周波数f[i]が１つのみ検出され、周期T[i]が１つのみ算出されている場合、最小公倍数LCMは、周期T[i]と同じ値に設定される。

ステップＳ５６において、露光時間設定部１１３は、露光時間teを最小公倍数LCMに設定し、設定した露光時間teを示す情報をカメラコントロールユニット１０４に供給する。

ステップＳ５７において、露光時間設定部１１３は、図４のステップＳ６の処理と同様に、撮像素子６０の受光量を取得する。

ステップＳ５８において、図４のステップＳ７の処理と同様に、撮像素子６０の受光量が所定の範囲内であるか否かが判定され、撮像素子６０の受光量が所定の範囲内でないと判定された場合、処理はステップＳ５９に進む。

ステップＳ５９において、露光時間設定部１１３は、現在の露光時間teに最小公倍数LCMを加えた値を新たな露光時間teに設定し、設定した露光時間teを示す情報をカメラコントロールユニット１０４に供給する。

その後、処理はステップＳ５７に戻り、ステップＳ５８において、撮像素子６０の受光量が所定の範囲内であると判定されるまで、ステップＳ５７乃至Ｓ５９の処理が繰り返し実行される。すなわち、撮像素子６０の受光量が所定の範囲内となるまで、撮像素子６０の露光時間teが、初期値である周期T[i]の最小公倍数LCMから最小公倍数LCMの間隔で延長されてゆく。従って、露光時間teは、以下の式（３）で表される。

te＝n×LCM （n＝1，2，・・・）・・・（３）

一方、ステップＳ５８において、撮像素子６０の受光量が所定の範囲内であると判定された場合、露光時間設定処理は終了する。

このようにして、周波数f[i]が検出された場合、露光時間teは、周期T[i]の最小公倍数LCMの倍数となり、かつ、撮像素子６０の受光量が所定の範囲内になるように設定される。従って、撮像素子６０により撮像される画像の各フレーム間で、１つ以上の周波数f[i]で変動する外乱光の影響がほぼ等しくなる。その結果、被検物１２の形状の測定精度が向上する。

なお、例えば、外乱光の周波数成分のグラフにおいて、周波数f[i]を極大値とする各山の広がり具合に応じて、式（３）のnの値を小数点以下の位まで細かく設定することにより、露光時間teを微調整するようにしてもよい。

一方、ステップＳ５３において、周波数f[i]が検出されなかったと判定された場合、処理はステップＳ６０に進む。

ステップＳ６０乃至Ｓ６４の処理は、図４のステップＳ９乃至Ｓ１３の処理と同様であり、その説明は繰り返しになるので省略する。

以上のようにして、光学的な手法により物体の形状を測定する場合に、外乱光の影響を抑制して、物体の形状の測定精度を向上させることができる。

なお、上述した一連の処理は、ハードウエアにより実行することもできるし、ソフトウエアにより実行することもできる。一連の処理をソフトウエアにより実行する場合には、そのソフトウエアを構成するプログラムが、専用のハードウエアに組み込まれているコンピュータ、または、各種のプログラムをインストールすることで、各種の機能を実行することが可能な、例えば汎用のパーソナルコンピュータなどに、プログラム記録媒体からインストールされる。

なお、コンピュータが実行するプログラムは、本明細書で説明する順序に沿って時系列に処理が行われるプログラムであっても良いし、並列に、あるいは呼び出しが行われたとき等の必要なタイミングで処理が行われるプログラムであっても良い。

なお、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

本発明を適用した形状測定装置の一実施の形態の構成例を示す斜視図である。形状測定装置の光学式センサの構成の一実施の形態を示す図である。光学式センサの制御部の機能的構成の一部を示すブロック図である。露光時間設定処理の第１の実施の形態について説明するためのフローチャートである。露光時間設定処理の第２の実施の形態について説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１１形状測定装置，１２被検物，２２光学式センサ，５１発光素子，５２コリメートレンズ，５５パタン板，５６投影レンズ，５７撮像レンズ，５８ビームスプリッタ，５９フォトセンサ，６０撮像素子，６１制御部，１０２ FFT部，１０３演算部，１０４カメラコントロールユニット，１０５ CCDドライバ，１１１ピーク検出部，１１２周期算出部，１１３露光時間設定部

Claims

物体にパタンを投影して、その像を撮像手段により撮像することによって前記物体の形状を測定する形状測定装置において、
前記撮像手段に入射する入射光の周波数成分を検出する周波数成分検出手段と、
前記入射光に含まれる外乱光の光量が所定の閾値以上かつ最大となる周波数であるピーク周波数を検出するピーク検出手段と、
前記ピーク周波数に対応する周期の倍数に前記撮像手段の露光時間を設定する設定手段と
を含むことを特徴とする形状測定装置。
前記ピーク検出手段は、前記ピーク周波数を含む、前記外乱光の光量が前記閾値以上かつ極大となる周波数を検出し、
前記設定手段は、前記ピーク検出手段により複数の周波数が検出された場合、前記複数の周波数にそれぞれ対応する複数の周期の公倍数に前記撮像手段の露光時間を設定する
ことを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
前記設定手段は、さらに前記撮像手段の受光量が所定の範囲内となるように前記撮像手段の露光時間を設定する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の形状測定装置。