JP2010181247A - Shape measurement apparatus and shape measurement method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、本発明は、測定対象の形状を測定する形状測定装置及び形状測定方法に関する。 The present invention relates to a shape measuring apparatus and a shape measuring method for measuring the shape of a measurement target.
従来から、格子パターンを被測定対象に投影し、被測定対象上に投影された格子パターンにかかる画像のコントラストを検出して、基準位置から被測定対象までの距離を測定する形状測定装置が知られている。かかる技術として、例えば特開２００７−１５５３７９号公報に開示される従来技術がある。 2. Description of the Related Art Conventionally, a shape measuring device that measures a distance from a reference position to a measurement target by projecting a grid pattern onto the measurement target, detecting the contrast of the image applied to the grid pattern projected on the measurement target is known. It has been. As such a technique, for example, there is a conventional technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-155379.
検出されたコントラストに基づき基準位置から被測定対象までの距離を測定する場合には、図２に示すようなコントラストと基準位置からの距離との関係をテーブル情報として持っておき、当該テーブル情報を参照して、検出されたコントラストに対応する距離を求める。しかしながら、図３に示すように１のコントラストｃに対応する距離は２つ（ｄ１、ｄ２）あるため、従来の形状測定装置では、正の値を持つ範囲（基準位置より奥の範囲）又は負の値を持つ範囲（基準位置より手前の範囲）のいずれかを測定範囲としており、測定範囲が狭くなるといった問題点があった。 When measuring the distance from the reference position to the object to be measured based on the detected contrast, the relationship between the contrast and the distance from the reference position as shown in FIG. The distance corresponding to the detected contrast is obtained with reference. However, since there are two distances (d 1 , d 2 ) corresponding to the contrast c of 1 as shown in FIG. 3, in the conventional shape measuring apparatus, a range having a positive value (range beyond the reference position). Alternatively, there is a problem in that either the range having a negative value (the range before the reference position) is set as the measurement range, and the measurement range becomes narrow.
本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、測定範囲を拡大することが可能な形状測定装置及び形状測定方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a shape measuring device and a shape measuring method capable of expanding the measurement range.
（１）本発明の形状測定装置は、
格子パターンを有するパターン素子と、
前記パターン素子と投影レンズとビームスプリッタとを介して前記格子パターンを測定対象物に投影する投影部と、
前記測定対象物に投影された格子パターンを前記ビームスプリッタを介して撮像する撮像部と、
前記撮像部によって撮像された画像のコントラスト値を検出し、検出されたコントラスト値に基づき前記測定対象物の形状を測定する測定部とを有し、
前記測定部が、
焦点位置を変化させて撮像された複数の画像のコントラスト値を検出し、検出された複数のコントラスト値に基づき前記測定対象物の形状を測定することを特徴とする。
(1) The shape measuring apparatus of the present invention
A pattern element having a lattice pattern;
A projection unit that projects the grating pattern onto a measurement object via the pattern element, a projection lens, and a beam splitter;
An imaging unit that images the grating pattern projected onto the measurement object via the beam splitter;
A measurement unit that detects a contrast value of an image captured by the imaging unit and measures the shape of the measurement object based on the detected contrast value;
The measurement unit is
It is characterized in that the contrast values of a plurality of images taken by changing the focal position are detected, and the shape of the measurement object is measured based on the detected plurality of contrast values.
本発明によれば、焦点位置を変化させて撮像された複数の画像のコントラスト値を検出し、検出された複数のコントラスト値に基づき測定対象物の形状を測定することで、測定範囲を拡大することができる。 According to the present invention, the measurement range is expanded by detecting the contrast values of a plurality of images captured by changing the focal position and measuring the shape of the measurement object based on the detected plurality of contrast values. be able to.
（２）また本発明に係る形状測定装置では、
前記測定部が、
焦点位置を変化させて撮像された２つの画像のコントラスト値を検出し、検出された２つのコントラスト値に基づき前記測定対象物の形状を測定することを特徴とする。
(2) In the shape measuring apparatus according to the present invention,
The measurement unit is
A contrast value of two images picked up by changing a focal position is detected, and a shape of the measurement object is measured based on the two detected contrast values.
本発明によれば、焦点位置を変化させて撮像された２つの画像のコントラスト値を検出し、検出された２つのコントラスト値に基づき測定対象物の形状を測定することで、測定範囲を拡大することができる。 According to the present invention, the measurement range is expanded by detecting the contrast value of two images picked up by changing the focal position and measuring the shape of the measurement object based on the two detected contrast values. be able to.
（３）また本発明に係る形状測定装置では、
前記測定部が、
検出された２つのコントラスト値の変化に基づいて、焦点位置からの方向を検出することを特徴とすることを特徴とする。
(3) In the shape measuring apparatus according to the present invention,
The measurement unit is
It is characterized in that the direction from the focal position is detected on the basis of the detected two contrast value changes.
本発明によれば、焦点位置（基準位置）より奥の範囲と、基準位置より手前の範囲の両方を測定範囲とすることができ、測定範囲を拡大することができる。 According to the present invention, both the range behind the focal position (reference position) and the range before the reference position can be set as the measurement range, and the measurement range can be expanded.
（４）また本発明に係る形状測定装置では、
前記パターン素子と前記投影レンズとの間に光学素子を備えることにより、前記焦点位置を変化させることを特徴とする。
(4) In the shape measuring apparatus according to the present invention,
The focal position is changed by providing an optical element between the pattern element and the projection lens.
（５）また本発明に係る形状測定装置では、
前記投影レンズとして焦点可変レンズを用いることにより、前記焦点位置を変化させることを特徴とする。
(5) In the shape measuring apparatus according to the present invention,
The focus position is changed by using a variable focus lens as the projection lens.
（６）また本発明に係る形状測定装置では、
前記ビームスプリッタと前記撮像部との間に焦点可変レンズを備えることにより、前記焦点位置を変化させることを特徴とする。
(6) In the shape measuring apparatus according to the present invention,
The focus position is changed by providing a variable focus lens between the beam splitter and the imaging unit.
（７）また本発明に係る形状測定装置では、
前記測定部が、
焦点位置を変えた複数の前記撮像部によって撮像された複数の画像のコントラスト値を検出することを特徴とする。
(7) In the shape measuring apparatus according to the present invention,
The measurement unit is
It is characterized in that contrast values of a plurality of images picked up by a plurality of the image pickup units with different focal positions are detected.
（８）また本発明の形状測定方法は、
格子パターンを有するパターン素子と投影レンズとビームスプリッタとを介して前記格子パターンを測定対象物に投影する投影ステップと、
前記測定対象物に投影された格子パターンを前記ビームスプリッタを介して撮像する撮像ステップと、
前記撮像部によって撮像された画像のコントラスト値を検出し、検出されたコントラスト値に基づき前記測定対象物の形状を測定する測定ステップとを含み、
前記測定ステップでは、
焦点位置を変化させて撮像された複数の画像のコントラスト値を検出し、検出された複数のコントラスト値に基づき前記測定対象物の形状を測定することを特徴とする。
(8) Further, the shape measuring method of the present invention includes:
A projection step of projecting the grating pattern onto a measurement object via a pattern element having a grating pattern, a projection lens, and a beam splitter;
An imaging step of imaging the grating pattern projected onto the measurement object via the beam splitter;
Detecting a contrast value of an image captured by the imaging unit, and measuring a shape of the measurement object based on the detected contrast value,
In the measuring step,
It is characterized in that the contrast values of a plurality of images taken by changing the focal position are detected, and the shape of the measurement object is measured based on the detected plurality of contrast values.
以下、本実施形態について説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明される構成の全てが、本発明の必須構成要件であるとは限らない。 Hereinafter, this embodiment will be described. In addition, this embodiment demonstrated below does not unduly limit the content of this invention described in the claim. In addition, all the configurations described in the present embodiment are not necessarily essential configuration requirements of the present invention.
１．構成
図１は、本実施形態の形状測定装置の構成の一例を示す図である。
1. Configuration FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a configuration of a shape measuring apparatus according to the present embodiment.
形状測定装置１は、投影系（投影部）を構成する光源１０、コンデンサレンズ２０、液晶格子３０（パターン素子の一例）、第１の投影レンズ２２、ビームスプリッタ４０、第２の投影レンズ２４と、観察系を構成する撮像部７０と、制御装置８０とを備える。 The shape measuring apparatus 1 includes a light source 10, a condenser lens 20, a liquid crystal grating 30 (an example of a pattern element), a first projection lens 22, a beam splitter 40, and a second projection lens 24 that constitute a projection system (projection unit). The imaging unit 70 and the control device 80 constituting the observation system are provided.
投影系を構成する各光学素子は、光軸ＡＸ１上に配置され、観察系を構成する各光学素子は、偏光ビームスプリッタ４０において光軸ＡＸ１から直角に分岐する光軸ＡＸ２上に配置されている。 Each optical element constituting the projection system is arranged on the optical axis AX1, and each optical element constituting the observation system is arranged on the optical axis AX2 branched at right angles from the optical axis AX1 in the polarization beam splitter 40. .
コンデンサレンズ２０はハロゲンランプ等の光源１０からの光を液晶格子３０に照射するレンズである。 The condenser lens 20 is a lens that irradiates the liquid crystal lattice 30 with light from the light source 10 such as a halogen lamp.
液晶格子３０は、格子パターンを液晶により形成するパターン素子である。本実施形態の液晶格子３０は、画素が縦方向に連続し、横方向に分離したパターン（横方向にピッチを持つパターン）で構成されている。また液晶格子３０は、液晶ドライバを備え、外部からの制御信号により格子ピッチを変化させる制御、格子パターンの位相を変化させる制御、格子パターンの強度分布を変化させる制御を行うことができる。本実施形態では、図２に示すように、液晶格子３０の格子パターンＬＰを、正弦波状の光強度分布をもつ格子パターンとしている。 The liquid crystal lattice 30 is a pattern element that forms a lattice pattern with liquid crystal. The liquid crystal lattice 30 of the present embodiment is configured by a pattern in which pixels are continuous in the vertical direction and separated in the horizontal direction (pattern having a pitch in the horizontal direction). The liquid crystal lattice 30 includes a liquid crystal driver, and can perform control to change the lattice pitch, control to change the phase of the lattice pattern, and control to change the intensity distribution of the lattice pattern by an external control signal. In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the lattice pattern LP of the liquid crystal lattice 30 is a lattice pattern having a sinusoidal light intensity distribution.
第１の投影レンズ２２、第２の投影レンズ２４は、液晶格子３０の格子パターンを測定対象物６０に投影するためのレンズである。 The first projection lens 22 and the second projection lens 24 are lenses for projecting the lattice pattern of the liquid crystal lattice 30 onto the measurement object 60.
ビームスプリッタ４０は、入射ビームの一部を分離し、９０°の角度をなす２つのビームとして出射するものであり、観察光を投影光の光軸ＡＸ１から分離するものである。 The beam splitter 40 separates a part of the incident beam and emits it as two beams having an angle of 90 °, and separates the observation light from the optical axis AX1 of the projection light.
形状測定装置１の投影系は、液晶格子３０、第１の投影レンズ２２、ビームスプリッタ４０、第２の投影レンズ２４とを介して、図２に示すような格子パターンＬＰを測定対象物６０に投影する。図１に示すように、第２の投影レンズ２４からは平行光が出射され、測定対象物６０の位置に関わらず倍率は一定である。このようにすると、コントラストの検出を容易に行うことができる。 The projection system of the shape measuring apparatus 1 uses a liquid crystal grating 30, a first projection lens 22, a beam splitter 40, and a second projection lens 24 to form a grating pattern LP as shown in FIG. Project. As shown in FIG. 1, parallel light is emitted from the second projection lens 24, and the magnification is constant regardless of the position of the measurement object 60. In this way, it is possible to easily detect contrast.
撮像部７０は、撮影レンズ７２、ＣＣＤカメラ７４を含み、測定対象物６０上に投影された格子パターンＬＰを、第２の投影レンズ２４、ビームスプリッタ４０、撮影レンズ７２とを介して撮像し、格子パターンＬＰにかかる画像を取得する。 The imaging unit 70 includes a photographic lens 72 and a CCD camera 74, and images the lattice pattern LP projected on the measurement object 60 via the second projection lens 24, the beam splitter 40, and the photographic lens 72, An image relating to the lattice pattern LP is acquired.
制御装置８０は、測定部８２、制御部８４、記憶部８６を含む。測定部８２や制御部８４の機能は、各種プロセッサ（ＣＰＵ、ＤＳＰ等）のハードウェアや、記憶部８６に格納されたプログラムにより実現できる。記憶部８６は、測定部８２や制御部８４のワーク領域となるものであり、その機能は、ＲＡＭやＲＯＭなどにより実現できる。 The control device 80 includes a measurement unit 82, a control unit 84, and a storage unit 86. The functions of the measurement unit 82 and the control unit 84 can be realized by hardware of various processors (CPU, DSP, etc.) and a program stored in the storage unit 86. The storage unit 86 serves as a work area for the measurement unit 82 and the control unit 84, and its function can be realized by a RAM, a ROM, or the like.
制御部８４は、液晶格子３０の格子パターンを制御する。すなわち格子パターンを制御するための制御信号を生成して、生成した制御信号を液晶格子３０の液晶ドライバに対して送信する処理を行う。また制御部８４は、撮像部７０を制御する処理を行う。 The control unit 84 controls the lattice pattern of the liquid crystal lattice 30. That is, a process for generating a control signal for controlling the lattice pattern and transmitting the generated control signal to the liquid crystal driver of the liquid crystal lattice 30 is performed. The control unit 84 performs processing for controlling the imaging unit 70.
測定部８２は、撮像部７０によって撮像された画像の各画素のコントラスト値を位相シフト法により検出する。具体的には、液晶格子３０の格子パターンの位相をπ／２（１／４ピッチ）ずつシフトさせて撮像した４枚の画像の各画素の４つの輝度により各画素のコントラスト値を求めることができる。ここで、位相シフト量を０、π／２、π、３π／２としたときの１点（１画素）における輝度をそれぞれI０、I１、I２、I３とすると、任意の画素（ｘ，ｙ）におけるコントラスト値γ（ｘ，ｙ）は、次式により求めることができる。 The measurement unit 82 detects the contrast value of each pixel of the image captured by the imaging unit 70 by the phase shift method. Specifically, the contrast value of each pixel is obtained from the four luminances of each pixel of four images captured by shifting the phase of the lattice pattern of the liquid crystal lattice 30 by π / 2 (¼ pitch). it can. Here, if the luminance at one point (one pixel) when the phase shift amount is 0, π / 2, π, 3π / 2 is I 0 , I 1 , I 2 , I 3 , an arbitrary pixel ( The contrast value γ (x, y) at x, y) can be obtained by the following equation.
また測定部８２は、検出したコントラスト値に基づき基準位置ＳＰから測定対象物６０までの距離Ｄを各画素について測定し、測定対象物の３次元形状を測定する。なお、基準位置ＳＰは、投影される格子パターンＬＰが結像する位置である。具体的には、図３に示すような、コントラストと基準位置ＳＰからの距離Ｄとの関係を、テーブル情報として記憶部８６に記憶しておき、当該テーブル情報を参照して、検出したコントラスト値に対応する距離Ｄを求める。 The measurement unit 82 measures the distance D from the reference position SP to the measurement object 60 for each pixel based on the detected contrast value, and measures the three-dimensional shape of the measurement object. The reference position SP is a position where the projected lattice pattern LP is imaged. Specifically, as shown in FIG. 3, the relationship between the contrast and the distance D from the reference position SP is stored in the storage unit 86 as table information, and the detected contrast value is referenced with reference to the table information. The distance D corresponding to is obtained.
ここで、図３に示すように、１つのコントラスト値ｃには２つの距離ｄ１、ｄ２が対応するため、検出した１つのコントラスト値からでは、距離Ｄが正の値であるのか負の値であるのか（基準位置ＳＰより奥であるのか手前であるのか）を決定することができない。 Here, as shown in FIG. 3, since two distances d 1 and d 2 correspond to one contrast value c, the distance D is a positive value or a negative value from one detected contrast value. It is impossible to determine whether it is a value (whether it is behind or in front of the reference position SP).
そこで本実施形態では、焦点位置を変化させて撮像された２つの画像のコントラスト値を検出し、検出された２つのコントラスト値に基づき基準位置ＳＰから測定対象物６０までの距離Ｄを測定する。すなわち、検出された２つのコントラスト値の変化に基づいて、焦点位置（基準位置ＳＰ）からの方向を検出する。 Therefore, in the present embodiment, the contrast value of two images captured by changing the focal position is detected, and the distance D from the reference position SP to the measurement object 60 is measured based on the two detected contrast values. That is, the direction from the focal position (reference position SP) is detected based on the detected two contrast value changes.
例えば、図１に示すように、光軸ＡＸ１上の液晶格子３０と第１の投影レンズ２２との間に光学素子５０を出し入れすることにより、焦点位置を変化させる。ここでは光学素子５０として平行平面ガラスを用いる。光学素子５０を光軸ＡＸ１上に配置しない場合（光学素子５０を実線で描かれた位置に配置した場合）には、投影系の焦点位置は第１の焦点位置ＦＰ１となり、光学素子５０を光軸ＡＸ１上に配置した場合（光学素子５０を点線で描かれた位置に配置した場合）には、光学素子５０の屈折率と厚さにより、投影系の焦点位置は、光源１０から見て手前側に移動し、第２の焦点位置ＦＰ２となる。なお第１の焦点位置ＦＰ１と基準位置ＳＰは一致している。光学素子５０の光軸ＡＸ１上への出し入れは、手動で行うようにしてもよいし、光学素子５０を機械的に水平移動、回転移動等することにより光学素子５０を出し入れするようにしてもよい。 For example, as shown in FIG. 1, the focal position is changed by inserting and removing the optical element 50 between the liquid crystal lattice 30 on the optical axis AX1 and the first projection lens 22. Here, parallel plane glass is used as the optical element 50. When the optical element 50 is not arranged on the optical axis AX1 (when the optical element 50 is arranged at a position drawn by a solid line), the focal position of the projection system is the first focal position FP1, and the optical element 50 When arranged on the axis AX1 (when the optical element 50 is arranged at a position drawn by a dotted line), the focal position of the projection system is close to the light source 10 due to the refractive index and thickness of the optical element 50. To the second focal position FP2. Note that the first focus position FP1 and the reference position SP coincide. The optical element 50 may be manually moved in and out of the optical axis AX1, or the optical element 50 may be moved in and out by mechanically moving the optical element 50 horizontally, rotating, or the like. .
そして、投影系の焦点位置を第１の焦点位置ＦＰ１（基準位置ＳＰ）とした場合に検出されたコントラスト値と、投影系の焦点位置を第２の焦点位置ＦＰ２とした場合に検出されたコントラスト値の変化に基づいて、基準位置ＳＰからの距離Ｄが正の値であるか負の値であるのかを検出する。 The contrast value detected when the focal position of the projection system is the first focal position FP1 (reference position SP) and the contrast detected when the focal position of the projection system is the second focal position FP2. Based on the change in value, it is detected whether the distance D from the reference position SP is a positive value or a negative value.
図４に示す曲線ＣＶ１は、焦点位置を第１の焦点位置ＦＰ１とした場合の、コントラストと距離Ｄとの関係を示す曲線であり、曲線ＣＶ２は、焦点位置を第２の焦点位置ＦＰ２とした場合の、コントラストと距離Ｄとの関係を示す曲線である。図１に示すように、第２の焦点位置ＦＰ２は第２の焦点位置ＦＰ１よりも手前に位置するため、曲線ＣＶ２のピークは曲線ＣＶ１のピークよりも手前に位置する。 A curve CV1 shown in FIG. 4 is a curve showing the relationship between the contrast and the distance D when the focus position is the first focus position FP1, and the curve CV2 is the focus position being the second focus position FP2. It is a curve which shows the relationship between the contrast and the distance D in the case. As shown in FIG. 1, since the second focal position FP2 is positioned before the second focal position FP1, the peak of the curve CV2 is positioned before the peak of the curve CV1.
ここで、基準位置ＳＰより手前である距離ｄ１においては、焦点位置を第１の焦点位置ＦＰ１から第２の焦点位置ＦＰ２へと変化させると、コントラスト値がｃからｃ１となりコントラストが高くなる。一方、基準位置ＳＰより奥である距離ｄ２においては、焦点位置を第１の焦点位置ＦＰ１から第２の焦点位置ＦＰ２へと変化させると、コントラスト値がｃからｃ２となりコントラストが低くなる。すなわち焦点位置を第１の焦点位置ＦＰ１から第２の焦点位置ＦＰ２へと変化させた場合に、コントラストが向上した場合には距離Ｄが負の値であることがわかり、コントラストが低下した場合には距離Ｄが正の値であることがわかる。すなわち検出したコントラスト値ｃに対応する距離がｄ１であるのかｄ２であるのかを決定することができる。 Here, in a distance d 1 from the reference position SP is in front, changing the focal position from a first focal position FP1 to the second focal position FP2, the contrast value becomes higher c 1 becomes contrast from c . On the other hand, in the distance d 2 is deeper than the reference position SP, is varied with the focal position from a first focal position FP1 to the second focal position FP2, the contrast value is c 2 becomes the contrast is lowered c. From That is, when the focal position is changed from the first focal position FP1 to the second focal position FP2, it can be seen that the distance D is a negative value when the contrast is improved, and the contrast is decreased. Shows that the distance D is a positive value. That is, it can be determined whether the distance corresponding to the detected contrast value c is d 1 or d 2 .
このように本実施形態によれば、検出された２つのコントラスト値の変化に基づいて、基準位置ＳＰからの方向を検出することにより、基準位置ＳＰからの距離Ｄが正の値を持つ範囲と距離Ｄが負の範囲を持つ範囲の両方を測定範囲とすることができ、測定範囲を拡大することができる。また本実施形態では、焦点位置を変化させた場合のコントラストの変化（低下したか向上したか）のみを求めているため、焦点位置を第１の焦点位置ＦＰ１から第２の焦点位置ＦＰ２へと正確に変化させる必要はない。従って光学素子５０の厚さ精度には誤差があってもよく、部品公差を大きくすることができる。 As described above, according to the present embodiment, by detecting the direction from the reference position SP based on the two detected changes in contrast value, the distance D from the reference position SP has a positive value. Both ranges in which the distance D has a negative range can be set as the measurement range, and the measurement range can be expanded. Further, in the present embodiment, since only the change in contrast (whether it has been lowered or improved) when the focal position is changed is obtained, the focal position is changed from the first focal position FP1 to the second focal position FP2. There is no need to change it exactly. Accordingly, there may be an error in the thickness accuracy of the optical element 50, and the component tolerance can be increased.
なお、図１に示す構成では、光学素子５０（平行平面ガラス）を光軸ＡＸ１上に配置することにより、第２の投影レンズ２４から出射される光が平行光ではなくなり倍率（投影倍率）が変化する。 In the configuration shown in FIG. 1, by arranging the optical element 50 (parallel plane glass) on the optical axis AX1, the light emitted from the second projection lens 24 is not parallel light and the magnification (projection magnification) is increased. Change.
そこで、図５に示すように、光学素子５０と第１の投影レンズ２２との間に第３の投影レンズ２６を配置して、液晶格子３０及び光学素子５０に平行光を入射させるように構成してもよい。このようにすると、光学素子５０を光軸ＡＸ１上に配置した場合でも配置しない場合のいずれにおいても、第２の投影レンズ２４から出射される光を平行光とすることができ、倍率を変化させずに焦点位置のみを変化させることができる。なお、図５に示す構成では、光学素子５０を光軸ＡＸ１上に配置しない場合には、投影系の焦点位置は第１の焦点位置ＦＰ１（基準位置ＳＰ）となり、光学素子５０を光軸ＡＸ１上に配置した場合には、投影系の焦点位置は、図１に示す構成とは異なり、光源１０から見て奥側に位置する第２の焦点位置ＦＰ２となる。 Therefore, as shown in FIG. 5, the third projection lens 26 is disposed between the optical element 50 and the first projection lens 22 so that parallel light is incident on the liquid crystal lattice 30 and the optical element 50. May be. In this way, regardless of whether the optical element 50 is arranged on the optical axis AX1 or not, the light emitted from the second projection lens 24 can be converted into parallel light, and the magnification can be changed. Without changing the focal position alone. In the configuration shown in FIG. 5, when the optical element 50 is not disposed on the optical axis AX1, the focal position of the projection system is the first focal position FP1 (reference position SP), and the optical element 50 is disposed on the optical axis AX1. When arranged above, the focal position of the projection system is the second focal position FP2 located on the far side as viewed from the light source 10, unlike the configuration shown in FIG.
また、図６に示すように、光学素子５０として、所定の曲率半径で湾曲した曲面ガラスを用いるようにしても、倍率を変化させずに焦点位置のみを変化させることができる。このとき、第１の投影レンズ２２と曲面ガラス間の距離を曲面ガラスの曲率半径とする。 Further, as shown in FIG. 6, even if curved glass having a predetermined curvature radius is used as the optical element 50, only the focal position can be changed without changing the magnification. At this time, the distance between the first projection lens 22 and the curved glass is defined as the radius of curvature of the curved glass.
また、図１、図５に示す形状測定装置１において、液晶格子３０と第１の投影レンズ２２との間に光学素子５０を配置することに代えて、第１の投影レンズ２２として図７（Ａ）に示すような焦点可変レンズＦＬを用いて、この焦点可変レンズＦＬの厚さを変化させることにより、投影系の焦点位置を変化させるようにしてもよい。焦点可変レンズとしては、例えば封入した液体を外部から加圧もしくは減圧して焦点位置を変化させるものや、封入した液体の屈折率を変化させるもの、静電力を利用するもの等がある。 Further, in the shape measuring apparatus 1 shown in FIGS. 1 and 5, the optical element 50 is disposed between the liquid crystal lattice 30 and the first projection lens 22, and the first projection lens 22 shown in FIG. The focus position of the projection system may be changed by changing the thickness of the variable focus lens FL using a variable focus lens FL as shown in A). Examples of the variable focus lens include a lens that changes the focal position by pressurizing or depressurizing sealed liquid from the outside, a lens that changes the refractive index of the sealed liquid, and a lens that uses electrostatic force.
また、図１、図５に示す形状測定装置１において、液晶格子３０と第１の投影レンズ２２との間に光学素子５０を出し入れすることに代えて、光学素子５０として図７（Ｂ）に示すような厚さが可変な平行平面光学素子ＰＰを、液晶格子３０と第１の投影レンズ２２との間に配置し、この平行平面光学素子ＰＰの厚さを変化させることにより、投影系の焦点位置を変化させるようにしてもよい。 Further, in the shape measuring apparatus 1 shown in FIGS. 1 and 5, instead of inserting and removing the optical element 50 between the liquid crystal lattice 30 and the first projection lens 22, the optical element 50 is shown in FIG. A parallel plane optical element PP having a variable thickness as shown is disposed between the liquid crystal grating 30 and the first projection lens 22, and the thickness of the parallel plane optical element PP is changed to thereby change the thickness of the projection system. You may make it change a focus position.
なお、焦点可変レンズＦＬ又は平行平面光学素子ＰＰの厚みを大きくすると、投影系の焦点位置は光源１０から見て手前側に変化し（焦点距離が短くなる）、焦点可変レンズＦＬ又は平行平面光学素子ＰＰの厚みを小さくすると、投影系の焦点位置は光源１０から見て奥側に変化する（焦点距離が長くなる）。焦点可変レンズＦＬ又は平行平面光学素子ＰＰを用いると、自由に焦点位置を変化させることができる。 When the thickness of the variable focus lens FL or parallel plane optical element PP is increased, the focal position of the projection system changes to the near side when viewed from the light source 10 (the focal length is shortened), and the variable focus lens FL or parallel plane optical is changed. When the thickness of the element PP is reduced, the focal position of the projection system changes to the back side when viewed from the light source 10 (the focal length is increased). When the variable focus lens FL or the parallel plane optical element PP is used, the focal position can be freely changed.
また、光学素子５０の出し入れや、第１の投影レンズ２２の厚みを変化させることに代えて、形状測定装置１を光軸ＡＸ１方向に移動させることにより、焦点位置を変化させてもよい。また、測定対象物６０を光軸ＡＸ１方向に移動させることにより、焦点位置を変化させてもよい。 Further, the focal position may be changed by moving the shape measuring apparatus 1 in the direction of the optical axis AX1 instead of changing the thickness of the first projection lens 22 or the optical element 50. Further, the focal position may be changed by moving the measuring object 60 in the direction of the optical axis AX1.
２．本実施形態の処理
次に、本実施形態の処理の一例について図８のフローチャートを用いて説明する。
2. Processing of this Embodiment Next, an example of processing of this embodiment will be described using the flowchart of FIG.
まず、焦点位置を第１の焦点位置ＦＰ１（基準位置ＳＰ）に設定する（ステップＳ１０）。すなわち、図１、図５、図６に示す構成において、光学素子５０を光軸ＡＸ１から外れた位置に配置する。また第１の投影レンズ２６として可変焦点レンズＦＬを用いる場合や、光学素子５０として平行平面光学素子ＰＰを用いる場合には、焦点位置が第１の焦点位置ＦＰ１となるように、可変焦点レンズＦＬ又は平行平面光学素子ＰＰの厚さを制御する。 First, the focal position is set to the first focal position FP1 (reference position SP) (step S10). That is, in the configuration shown in FIGS. 1, 5, and 6, the optical element 50 is disposed at a position off the optical axis AX <b> 1. When the variable focus lens FL is used as the first projection lens 26 or when the parallel plane optical element PP is used as the optical element 50, the variable focus lens FL is set so that the focus position becomes the first focus position FP1. Alternatively, the thickness of the parallel plane optical element PP is controlled.
次に、液晶格子３０の格子パターンの位相をシフトしつつ、格子パターンが投影された測定対象物６０の画像を撮像し（ステップＳ１２）、撮像した画像の第１のコントラスト値Ｃ１を検出する（ステップＳ１４）。 Next, while shifting the phase of the lattice pattern of the liquid crystal lattice 30, an image of the measurement object 60 onto which the lattice pattern is projected is captured (step S12), and the first contrast value C1 of the captured image is detected (step S12). Step S14).
次に、焦点位置を第２の焦点位置ＦＰ２に設定する（ステップＳ１６）。すなわち、図１、図５、図６に示す構成において、光学素子５０を光軸ＡＸ１上に配置する。また第１の投影レンズ２６として可変焦点レンズＦＬを用いる場合や、光学素子５０として平行平面光学素子ＰＰを用いる場合には、焦点位置が第２の焦点位置ＦＰ２となるように、可変焦点レンズＦＬ又は平行平面光学素子ＰＰの厚さを制御する。 Next, the focal position is set to the second focal position FP2 (step S16). That is, in the configuration shown in FIGS. 1, 5, and 6, the optical element 50 is arranged on the optical axis AX1. When the variable focus lens FL is used as the first projection lens 26 or when the parallel plane optical element PP is used as the optical element 50, the variable focus lens FL is set so that the focus position becomes the second focus position FP2. Alternatively, the thickness of the parallel plane optical element PP is controlled.
次に、液晶格子３０の格子パターンの位相をシフトしつつ、格子パターンが投影された測定対象物６０の画像を撮像し（ステップＳ１８）、撮像した画像の第２のコントラスト値Ｃ２を検出する（ステップＳ２０）。 Next, while shifting the phase of the lattice pattern of the liquid crystal lattice 30, an image of the measurement object 60 onto which the lattice pattern is projected is captured (step S18), and the second contrast value C2 of the captured image is detected (step S18). Step S20).
次に、ステップ１４において検出した第１のコントラスト値Ｃ１とステップＳ２０において検出した第２のコントラスト値Ｃ２を比較し、Ｃ１＜Ｃ２である場合には（Ｓ２２の「Ｙ」）、コントラストと基準位置ＳＰからの距離Ｄとの関係を格納するテーブルを参照して、第１のコントラスト値Ｃ１に対応する距離Ｄ（負の値）を求める（ステップ２４）。 Next, the first contrast value C1 detected in step 14 is compared with the second contrast value C2 detected in step S20. If C1 <C2 (“Y” in S22), the contrast and the reference position A distance D (negative value) corresponding to the first contrast value C1 is obtained by referring to a table storing the relationship with the distance D from the SP (step 24).
またＣ１＞Ｃ２である場合には（Ｓ２２の「Ｎ」）、第１のコントラスト値Ｃ１に対応する距離Ｄ（正の値）を求める（ステップ２６）。 If C1> C2 (“N” in S22), a distance D (positive value) corresponding to the first contrast value C1 is obtained (step 26).
なお、図６に示す構成においては、第２の焦点位置ＦＰ２が第１の焦点位置ＦＰ１（基準位置ＳＰ）よりも奥側に位置するため、ステップ２２において、Ｃ１＜Ｃ２である場合には、正の値である距離Ｄを求め、Ｃ１＞Ｃ２である場合には、負の値である距離Ｄを求める。 In the configuration shown in FIG. 6, since the second focal position FP2 is located behind the first focal position FP1 (reference position SP), if C1 <C2 in Step 22, A distance D that is a positive value is obtained. If C1> C2, a distance D that is a negative value is obtained.
３．変形例
なお、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
3. Modifications The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made. The present invention includes configurations that are substantially the same as the configurations described in the embodiments (for example, configurations that have the same functions, methods, and results, or configurations that have the same objects and effects). In addition, the invention includes a configuration in which a non-essential part of the configuration described in the embodiment is replaced. In addition, the present invention includes a configuration that exhibits the same operational effects as the configuration described in the embodiment or a configuration that can achieve the same object. Further, the invention includes a configuration in which a known technique is added to the configuration described in the embodiment.
例えば、本実施形態では、投影系の焦点位置を変化させる場合について説明したが、観察系の焦点位置を変化させるようにしてもよい。 For example, in the present embodiment, the case where the focal position of the projection system is changed has been described, but the focal position of the observation system may be changed.
例えば図９に示すように、ビームスプリッタ４０と撮像部７０との間に焦点可変レンズ２８を配置し、焦点可変レンズ２８の厚さを変化させることにより、観察系の焦点位置を変化させるようにしてもよい。なお図９に示す例では、焦点可変レンズ２８と撮像部７０との間にリレーレンズ２９を配置し、焦点可変レンズ２８を観察系の第１の瞳に配置している。 For example, as shown in FIG. 9, a variable focus lens 28 is disposed between the beam splitter 40 and the imaging unit 70, and the thickness of the variable focus lens 28 is changed to change the focus position of the observation system. May be. In the example shown in FIG. 9, the relay lens 29 is disposed between the variable focus lens 28 and the imaging unit 70, and the variable focus lens 28 is disposed in the first pupil of the observation system.
また図１０に示すように、焦点位置を変えた第１及び第２の撮像部７０、７６によって撮像された２つの画像のそれぞれのコントラスト値に基づき基準位置ＳＰからの距離Ｄを測定するようにしてもよい。図１０に示す例では、第１のビームスプリッタ４０と第１の撮像部７０との間に、第２のビームスプリッタ４２を配置することにより、第１及び第２の撮像部７０、７６が、格子パターンが投影された測定対象物６０の画像を撮像するように構成している。ここで、第２の撮像部７６を構成する撮影レンズ７７、ＣＣＤカメラ７８は、第２のビームスプリッタ４２において光軸ＡＸ２から直角に分岐する光軸ＡＸ３上に配置されている。 Also, as shown in FIG. 10, the distance D from the reference position SP is measured based on the contrast values of the two images picked up by the first and second image pickup units 70 and 76 with different focal positions. May be. In the example shown in FIG. 10, by arranging the second beam splitter 42 between the first beam splitter 40 and the first imaging unit 70, the first and second imaging units 70 and 76 are An image of the measurement object 60 onto which the lattice pattern is projected is captured. Here, the photographic lens 77 and the CCD camera 78 constituting the second imaging unit 76 are disposed on the optical axis AX3 branched at right angles from the optical axis AX2 in the second beam splitter 42.
図１０に示す例では、第１及び第２の撮像部７０、７６はそれぞれ焦点位置が異なり、例えば第１の撮像部７０については、基準位置ＳＰにおいて焦点が合うように焦点位置を設定し、第２の撮像部７６については、光源１０から見て基準位置ＳＰの手前側又は奥側において焦点が合うように焦点位置を設定する。そして、第１の撮像部７０によって撮像された画像のコントラスト値Ｃ１と第２の撮像部７０によって撮像された画像のコントラスト値Ｃ２とを比較し、比較結果に基づき基準位置ＳＰからの距離Ｄが正の値であるか負の値であるのかを検出する。 In the example illustrated in FIG. 10, the first and second imaging units 70 and 76 have different focal positions. For example, for the first imaging unit 70, the focal position is set so as to be focused at the reference position SP, For the second imaging unit 76, the focal position is set so that the focal point is in front of or behind the reference position SP when viewed from the light source 10. Then, the contrast value C1 of the image captured by the first imaging unit 70 is compared with the contrast value C2 of the image captured by the second imaging unit 70, and the distance D from the reference position SP is determined based on the comparison result. Detect whether the value is positive or negative.
なお図１０に示す例では、第１の投影レンズ２２、撮影レンズ７２、７７の瞳位置を一致させているが、図１１に示すように、第１のビームスプリッタ４０と第２のビームスプリッタとの間に凹レンズ５２を設置することにより、撮影レンズ７２、７７の瞳位置を遠くにするようにしてもよい。 In the example shown in FIG. 10, the pupil positions of the first projection lens 22 and the photographing lenses 72 and 77 are matched, but as shown in FIG. 11, the first beam splitter 40 and the second beam splitter are By installing a concave lens 52 between them, the pupil positions of the photographing lenses 72 and 77 may be made far.
このように、焦点位置を変えた第１及び第２の撮像部７０、７６によって撮像するように構成すると、焦点位置を変えて撮像された２つの画像を同時に取得することができ、１つの撮像部によって撮像する場合に比べて測定時間を短縮することができる。 As described above, if the first and second imaging units 70 and 76 with different focal positions are configured to capture images, two images captured with different focal positions can be acquired simultaneously. The measurement time can be shortened compared to the case where the image is taken by the unit.
１ 形状測定装置、１０ 光源、２０ コンデンサレンズ、２２ 第１の投影レンズ、２４ 第２の投影レンズ、２８ 焦点可変レンズ、３０ 液晶格子、４０ ビームスプリッタ、５０ 光学素子、６０ 測定対象物、７０ 撮像部、７２ 撮影レンズ、７４ ＣＣＤカメラ、８０制御装置、８２ 測定部、８４ 制御部、８６ 記憶部
焦点位置を変化させて撮像された複数の画像のコントラスト値を検出し、検出された複数のコントラスト値に基づき前記測定対象物の形状を測定することを特徴とする形状測定方法。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Shape measuring apparatus, 10 Light source, 20 Condenser lens, 22 1st projection lens, 24 2nd projection lens, 28 Focus variable lens, 30 Liquid crystal grating, 40 Beam splitter, 50 Optical element, 60 Measuring object, 70 Imaging Unit, 72 photographing lens, 74 CCD camera, 80 control device, 82 measuring unit, 84 control unit, 86 storage unit detecting contrast values of a plurality of images picked up by changing the focal position, and detecting a plurality of contrasts A shape measuring method, wherein the shape of the measurement object is measured based on a value.
Claims (8)
前記パターン素子と投影レンズとビームスプリッタとを介して前記格子パターンを測定対象物に投影する投影部と、
前記測定対象物に投影された格子パターンを前記ビームスプリッタを介して撮像する撮像部と、
前記撮像部によって撮像された画像のコントラスト値を検出し、検出されたコントラスト値に基づき前記測定対象物の形状を測定する測定部とを有し、
前記測定部が、
焦点位置を変化させて撮像された複数の画像のコントラスト値を検出し、検出された複数のコントラスト値に基づき前記測定対象物の形状を測定することを特徴とする形状測定装置。 A pattern element having a lattice pattern;
A projection unit that projects the grating pattern onto a measurement object via the pattern element, a projection lens, and a beam splitter;
An imaging unit that images the grating pattern projected onto the measurement object via the beam splitter;
A measurement unit that detects a contrast value of an image captured by the imaging unit and measures the shape of the measurement object based on the detected contrast value;
The measurement unit is
A shape measuring apparatus for detecting a contrast value of a plurality of images picked up by changing a focal position and measuring the shape of the measurement object based on the detected plurality of contrast values.
前記測定部が、
焦点位置を変化させて撮像された２つの画像のコントラスト値を検出し、検出された２つのコントラスト値に基づき前記測定対象物の形状を測定することを特徴とする形状測定装置。 In claim 1,
The measurement unit is
A shape measuring apparatus for detecting a contrast value of two images picked up by changing a focal position and measuring a shape of the measurement object based on the two detected contrast values.
前記測定部が、
検出された２つのコントラスト値の変化に基づいて、焦点位置からの方向を検出することを特徴とする形状測定装置。 In claim 2,
The measurement unit is
A shape measuring apparatus that detects a direction from a focal position based on changes in two detected contrast values.
前記パターン素子と前記投影レンズとの間に光学素子を備えることにより、前記焦点位置を変化させることを特徴とする形状測定装置。 In any one of Claims 1 thru | or 3,
A shape measuring apparatus comprising: an optical element provided between the pattern element and the projection lens to change the focal position.
前記投影レンズとして焦点可変レンズを用いることにより、前記焦点位置を変化させることを特徴とする形状測定装置。 In any one of Claims 1 thru | or 3,
A shape measuring apparatus that changes the focal position by using a variable focus lens as the projection lens.
前記ビームスプリッタと前記撮像部との間に焦点可変レンズを備えることにより、前記焦点位置を変化させることを特徴とする形状測定装置。 In any one of Claims 1 thru | or 3,
A shape measuring apparatus characterized in that the focal position is changed by providing a variable focus lens between the beam splitter and the imaging unit.
前記測定部が、
焦点位置を変えた複数の前記撮像部によって撮像された複数の画像のコントラスト値を検出することを特徴とする形状測定装置。 In any one of Claims 1 thru | or 3,
The measurement unit is
A shape measuring apparatus for detecting a contrast value of a plurality of images picked up by a plurality of the image pickup units having different focal positions.
前記測定対象物に投影された格子パターンを前記ビームスプリッタを介して撮像する撮像ステップと、
前記撮像部によって撮像された画像のコントラスト値を検出し、検出されたコントラスト値に基づき前記測定対象物の形状を測定する測定ステップとを含み、
前記測定ステップでは、
焦点位置を変化させて撮像された複数の画像のコントラスト値を検出し、検出された複数のコントラスト値に基づき前記測定対象物の形状を測定することを特徴とする形状測定方法。 A projection step of projecting the grating pattern onto a measurement object via a pattern element having a grating pattern, a projection lens, and a beam splitter;
An imaging step of imaging the grating pattern projected onto the measurement object via the beam splitter;
Detecting a contrast value of an image captured by the imaging unit, and measuring a shape of the measurement object based on the detected contrast value,
In the measuring step,
A shape measuring method comprising: detecting contrast values of a plurality of images picked up by changing a focal position; and measuring the shape of the measurement object based on the detected plurality of contrast values.
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