JP2013174577A - Surface shape measuring device - Google Patents

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Tomohiro Hirose
知弘 廣瀬
Koji Kitayama
綱次 北山
Yoichiro Okubo
陽一郎 大久保
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a surface shape measuring device having a configuration more simple than a conventional device.SOLUTION: A surface shape measuring device 10 is equipped with: a light source 12 which irradiates a surface to be measured 26 with light; a light receiver 20 which receives reflection light from the surface to be measured 26; and an arithmetic section 22. Further, the device is also equipped with a first optical element G1 having a first grating 28a and a second optical element G2 having a second grating 28b which are provided on an optical path between the light source 12 and the surface to be measured 26. The arithmetic section 22 calculates angle θ of the surface to be measured 26 based on the first grating 28a and the second grating 28b, the positions of the first grating 28a and the second grating 28b, and brightness corresponding to the positions.

Description

本発明は、表面形状測定装置に関する。   The present invention relates to a surface shape measuring apparatus.

従来から、測定対象物の表面形状を測定する表面形状測定装置が知られている。当該装置として、被測定面にモアレ縞等のパターンを投影する装置が知られている。この装置は、被測定面に投影されたパターンを撮像するとともに、撮像データから被測定面の形状を算出している。例えば、非特許文献1では、2台のカメラを用いて被測定面に映ったパターンを撮像するとともに、各々のカメラの撮像データに基づいて、当該被測定面の法線ベクトルを算出している。   Conventionally, a surface shape measuring apparatus for measuring the surface shape of a measurement object is known. As such a device, a device that projects a pattern such as moire fringes on a surface to be measured is known. This apparatus captures an image of the pattern projected on the surface to be measured and calculates the shape of the surface to be measured from the image data. For example, in Non-Patent Document 1, a pattern reflected on a surface to be measured is captured using two cameras, and a normal vector of the surface to be measured is calculated based on imaging data of each camera. .

また、特許文献1では、被測定面に投影するパターンを備えたスクリーンを垂直及び水平方向に変位させる表面形状測定装置が開示されている。当該装置は、変位毎に取得した複数の撮像データから、画素値の差が最小となるデータ組を抽出する。さらに、抽出したデータを撮像したときのスクリーンの位置情報に基づいて、撮像素子が受光した光の経路を推定している。   Patent Document 1 discloses a surface shape measuring device that displaces a screen having a pattern to be projected onto a surface to be measured in the vertical and horizontal directions. The apparatus extracts a data set that minimizes the difference in pixel values from a plurality of imaging data acquired for each displacement. Furthermore, the path of light received by the image sensor is estimated based on screen position information when the extracted data is captured.

特開2008−39767号公報JP 2008-39767 A

エム シー クナウアー(M.C.Knauer)、他2名、「位相測定型偏向計測法:自由造形鏡面に対する計測の新しいアプローチ(Phase measuring deflectometry: a new approach to measure specular free-form surfaces)」、生産工学における光計測会議報告書(Proc. Optical Metrology in Production Engineering )、(米国)、国際光工学会(The international Society for Optical Engineering, SPIE)、2004年、第5457巻、p.366‐376MCKnauer and 2 others, “Phase measuring deflectometry: a new approach to measure specular free-form surfaces”, light in production engineering Measurement Conference Report (Proc. Optical Metrology in Production Engineering) (USA), The International Society for Optical Engineering (SPIE), 2004, Vol. 5457, p. 366-376 エー リヴナット(A. Livnat)、オー カフリ(O. Kafri)、「液面測定のためのモアレ技術(Moire technique for measuring liquid level)」、応用光学(Applied Optics)、1982年、第21巻、第16号、p.2868−2870A. Livnat, O. Kafri, “Moire technique for measuring liquid level”, Applied Optics, 1982, Vol. 21, Vol. 16, p. 2868-2870 ケー パトルスキー(K Patorski)、エム クジャウィンスカ(M Kujawinska)著、「モアレ縞技術ハンドブック(Handbook of the Moire Fringe Technique)」、第1版、エルゼビア(Elsevier)、1993年1月、p. 295−322K Patorski, M Kujawinska, "Handbook of the Moire Fringe Technique", 1st edition, Elsevier, January 1993, p. 295- 322

ところで、スクリーンを垂直、水平方向に移動させる場合、スクリーンを2軸方向に移動させる手段が必要となる。そこで、本発明は、従来よりも簡素な構成の表面形状測定装置を提供することを目的とする。   By the way, when moving the screen in the vertical and horizontal directions, means for moving the screen in the biaxial direction is required. Therefore, an object of the present invention is to provide a surface shape measuring device having a simpler configuration than the conventional one.

本発明は、表面形状測定装置に関するものである。当該装置は、被測定面に光を照射する光源と、前記被測定面からの反射光を受光する受光器と、を備える。さらに、前記光源と前記被測定面との間の光路上に設けられ、第1格子を有する第1光学素子と、前記光源と前記被測定面との間の光路上に設けられ、第2格子を有する第2光学素子と、を備える。さらに、前記第1光学素子が第1位置、前記第2光学素子が第2位置の場合における前記受光器の受光輝度を第1輝度として取得する第1取得手段と、前記第1光学素子が第3位置、前記第2光学素子が第4位置の場合における前記受光器の受光輝度を第2輝度として取得する第2取得手段と、を備える。さらに、前記第1格子、前記第2格子、前記第1輝度、前記第2輝度、前記第1位置、前記第2位置、前記第3位置及び前記第4位置に基づき、前記被測定面の角度を算出する演算部と、を備える。さらに、この構成において、前記第1位置から前記第2位置までの距離は、前記第3位置から前記第4位置までの距離よりも小さい。   The present invention relates to a surface shape measuring apparatus. The apparatus includes a light source that irradiates light to a surface to be measured and a light receiver that receives reflected light from the surface to be measured. A first optical element provided on an optical path between the light source and the surface to be measured, and having a first grating; and an optical path between the light source and the surface to be measured, and a second grating. A second optical element. Furthermore, a first acquisition means for acquiring the light reception luminance of the light receiver as the first luminance when the first optical element is at the first position and the second optical element is at the second position; and And a second acquisition means for acquiring the light reception luminance of the light receiver as the second luminance when the second optical element is at the fourth position. Further, the angle of the surface to be measured based on the first grating, the second grating, the first luminance, the second luminance, the first position, the second position, the third position, and the fourth position. And an arithmetic unit for calculating. Furthermore, in this configuration, the distance from the first position to the second position is smaller than the distance from the third position to the fourth position.

また、上記発明において、前記第1位置から前記第2位置までの距離は第1距離であり、前記第3位置から前記第4位置までの距離は第2距離であり、前記第1格子は、第1ピッチで平行線が配列された一次元格子であり、前記第2格子は、第2ピッチで平行線が配列された一次元格子であり、前記第1格子は前記第2格子と平行であることが好適である。この場合において、前記演算部は、前記第1ピッチ、前記第2ピッチ、前記第1距離及び前記第2距離に基づき、前記被測定面の角度を算出することが好適である。   In the above invention, the distance from the first position to the second position is a first distance, the distance from the third position to the fourth position is a second distance, and the first lattice is The first grating is a one-dimensional grating in which parallel lines are arranged at a first pitch, the second grating is a one-dimensional grating in which parallel lines are arranged at a second pitch, and the first grating is parallel to the second grating. Preferably it is. In this case, it is preferable that the calculation unit calculates an angle of the surface to be measured based on the first pitch, the second pitch, the first distance, and the second distance.

また、上記発明において、前記光源と前記被測定面との間の光路上に設けられ、第3ピッチで前記第1格子と直交する平行線が配列された第3格子を有する第3光学素子と、前記光源と前記被測定面との間の光路上に設けられ、第4ピッチで前記第2格子と直交する平行線が配列された第4格子を有する第4光学素子と、を備えることが好適である。さらに、前記第3光学素子が第5位置、前記第4光学素子が第6位置の場合における前記受光器の受光輝度を第3輝度として取得する第3取得手段と、前記第3光学素子が第7位置、前記第4光学素子が第8位置の場合における前記受光器の受光輝度を第4輝度として取得する第4取得手段と、を備えることが好適である。さらに、前記演算部は、前記第3格子、前記第4格子、前記第3輝度、前記第4輝度、前記第5位置、前記第6位置、前記第7位置及び前記第8位置に基づき、前記被測定面の角度を算出することが好適である。また、この場合において、前記第5位置から前記第6位置までの距離は、前記第7位置から前記第8位置までの距離よりも大きいことが好適である。   In the above invention, a third optical element having a third grating provided on an optical path between the light source and the surface to be measured and arranged with parallel lines orthogonal to the first grating at a third pitch. A fourth optical element provided on an optical path between the light source and the surface to be measured and having a fourth grating in which parallel lines orthogonal to the second grating are arranged at a fourth pitch. Is preferred. Further, third acquisition means for acquiring the light reception luminance of the light receiver as the third luminance when the third optical element is at the fifth position and the fourth optical element is at the sixth position, and the third optical element is the first 7th position, It is suitable to provide the 4th acquisition means which acquires the light-receiving brightness of the above-mentioned photoreceiver as the 4th brightness when the 4th optical element is the 8th position. Further, the calculation unit is based on the third grid, the fourth grid, the third brightness, the fourth brightness, the fifth position, the sixth position, the seventh position, and the eighth position, It is preferable to calculate the angle of the surface to be measured. In this case, it is preferable that the distance from the fifth position to the sixth position is larger than the distance from the seventh position to the eighth position.

また、上記発明において、前記第1位置から、前記第5位置、前記第6位置、前記第7位置及び前記第8位置までの距離は、それぞれ、前記光路上を移動する格子のピッチΛと前記受光器の開口角γを用いた値Λ/2γよりも大きいことが好適である。さらに、前記第8位置から、前記第1位置、前記第2位置、前記第3位置及び前記第4位置までの距離は、それぞれ前記値Λ/2γよりも大きいことが好適である。   In the above invention, the distances from the first position to the fifth position, the sixth position, the seventh position, and the eighth position are the pitch Λ of the grating moving on the optical path, and the distance from the first position, respectively. It is preferably larger than the value Λ / 2γ using the aperture angle γ of the light receiver. Furthermore, it is preferable that the distances from the eighth position to the first position, the second position, the third position, and the fourth position are each greater than the value Λ / 2γ.

また、上記発明において、前記第1光学素子が第9位置、前記第2光学素子が第10位置の場合における前記受光器の受光輝度を第5輝度として取得する第3取得手段と、前記第1光学素子が第11位置、前記第2光学素子が第12位置の場合における前記受光器の受光輝度を第6輝度として取得する第4取得手段と、を備えることが好適である。この場合において、前記第9位置は、前記第1位置から前記第1格子の平行線と直交する方向に位置しており、前記第10位置は、前記第2位置から前記第2格子の平行線と直交する方向に位置しており、前記第11位置は、前記第3位置から前記第1格子の平行線と直交する方向に位置しており、前記第12位置は、前記第4位置から前記第2格子の平行線と直交する方向に位置していることが好適である。   Further, in the above invention, third acquisition means for acquiring the light reception luminance of the light receiver as the fifth luminance when the first optical element is at the ninth position and the second optical element is at the tenth position; It is preferable that a fourth obtaining unit obtains the light reception luminance of the light receiver as the sixth luminance when the optical element is in the eleventh position and the second optical element is in the twelfth position. In this case, the ninth position is located in a direction orthogonal to the parallel lines of the first grating from the first position, and the tenth position is parallel lines of the second grating from the second position. The eleventh position is located in a direction perpendicular to the parallel line of the first grating from the third position, and the twelfth position is located from the fourth position to the It is preferable that it is located in a direction orthogonal to the parallel lines of the second grating.

また、本発明に係る表面形状測定装置は、被測定面に光を照射する光源と、被測定面からの反射光を受光する受光器と、前記光源と前記被測定面との間の光路上に設けられ、第1格子を有する第1光学素子と、前記光源と前記被測定面との間の光路上に設けられ、第2格子を有する第2光学素子と、を備える。さらに、前記第1光学素子から前記第2光学素子までの距離を変化させる変位手段と、前記第1光学素子から前記第2光学素子までの複数の距離に対応している、前記受光器の複数の受光輝度を、取得する5取得手段と、前記第1格子、前記第2格子、前記第5取得手段により取得された受光輝度の前記距離に対する変化周期に基づき、前記被測定面の角度を算出する演算部と、を備える。   Further, the surface shape measuring apparatus according to the present invention includes a light source that irradiates a surface to be measured, a light receiver that receives reflected light from the surface to be measured, and an optical path between the light source and the surface to be measured. A first optical element having a first grating, and a second optical element having a second grating provided on an optical path between the light source and the surface to be measured. Furthermore, a plurality of the light receivers corresponding to a plurality of distances from the first optical element to the second optical element, and displacement means for changing the distance from the first optical element to the second optical element. And calculating the angle of the surface to be measured based on the change period of the received light brightness acquired by the first grating, the second grid, and the fifth acquiring means with respect to the distance. And an arithmetic unit.

また、上記発明において、前記第1格子は、第1ピッチで平行線が配列された一次元格子であり、前記第2格子は、第2ピッチで平行線が配列された一次元格子であることが好適である。この場合において、前記第1格子は前記第2格子と平行であり、前記演算部は、前記第1ピッチ、前記第2ピッチに基づき、前記被測定面の角度を算出することが好適である。   In the above invention, the first grating is a one-dimensional grating in which parallel lines are arranged at a first pitch, and the second grating is a one-dimensional grating in which parallel lines are arranged at a second pitch. Is preferred. In this case, it is preferable that the first grating is parallel to the second grating, and the calculation unit calculates an angle of the surface to be measured based on the first pitch and the second pitch.

また、上記発明において、前記光源と前記被測定面との間の光路上に設けられ、第3ピッチで前記第1格子と直交する平行線が配列された第3格子を有する第3光学素子と、前記光源と前記被測定面との間の光路上に設けられ、第4ピッチで前記第2格子と直交する平行線が配列された第4格子を有する第4光学素子と、を備えることが好適である。さらに、前記第3光学素子から前記第4光学素子までの距離を変化させる変位手段と、前記受光器から、前記第1光学素子から前記第2光学素子までの複数の距離に対応している複数の受光輝度を取得する第6取得手段と、を備えることが好適である。この場合において、前記演算部は、前記第3格子、前記第4格子、前記第6取得手段により取得された受光輝度の前記距離に対する変化周期に基づき、前記被測定面の角度を算出することが好適である。   In the above invention, a third optical element having a third grating provided on an optical path between the light source and the surface to be measured and arranged with parallel lines orthogonal to the first grating at a third pitch. A fourth optical element provided on an optical path between the light source and the surface to be measured and having a fourth grating in which parallel lines orthogonal to the second grating are arranged at a fourth pitch. Is preferred. Furthermore, a displacement means for changing the distance from the third optical element to the fourth optical element, and a plurality of distances corresponding to a plurality of distances from the light receiver to the first optical element to the second optical element It is suitable to provide the 6th acquisition means which acquires the received light intensity. In this case, the calculation unit may calculate an angle of the surface to be measured based on a change period with respect to the distance of the light reception luminance acquired by the third grating, the fourth grating, and the sixth acquisition unit. Is preferred.

また、上記発明において、前記第5取得手段は、前記第1光学素子から前記第3光学素子及び前記第4光学素子までの距離が、それぞれ、前記光路上を移動する格子のピッチΛと前記受光器の開口角γを用いた値Λ/2γよりも大きい場合に、受光輝度を取得し、前記第6取得手段は、前記第4光学素子から前記第1光学素子及び前記第2光学素子までの距離が、それぞれ前記値Λ/2γよりも大きい場合に、受光輝度を取得することが好適である。   Further, in the above invention, the fifth acquisition means is configured such that the distances from the first optical element to the third optical element and the fourth optical element are the pitch Λ of the grating moving on the optical path and the light reception, respectively. A light receiving luminance is obtained when the value is larger than the value Λ / 2γ using the aperture angle γ of the device, and the sixth obtaining means obtains the light from the fourth optical element to the first optical element and the second optical element. It is preferable to obtain the received light luminance when the distances are respectively larger than the value Λ / 2γ.

また、上記発明において、前記第2光学素子は、前記第3光学素子と隣り合って配置されていることが好適である。   In the above invention, it is preferable that the second optical element is disposed adjacent to the third optical element.

また、上記発明において、前記第1光学素子から前記第2光学素子までの距離は、前記受光器の開口角γ及び前記格子のピッチΛを用いた値Λ/2γ以下であることが好適である。   In the above invention, the distance from the first optical element to the second optical element is preferably not more than a value Λ / 2γ using an aperture angle γ of the light receiver and a pitch Λ of the grating. .

また、上記発明において、前記第3光学素子から前記第4光学素子までの距離は、前記受光器の開口角γ及び前記格子のピッチΛを用いた値Λ/2γ以下であることが好適である。   In the above invention, the distance from the third optical element to the fourth optical element is preferably not more than a value Λ / 2γ using an aperture angle γ of the light receiver and a pitch Λ of the grating. .

また、上記発明において、前記第1ピッチは前記第2ピッチと等しいことが好適である。   In the above invention, it is preferable that the first pitch is equal to the second pitch.

また、上記発明において、前記第3ピッチは前記第1ピッチと等しく、前記第3ピッチは前記第4ピッチと等しいことが好適である。   In the above invention, it is preferable that the third pitch is equal to the first pitch, and the third pitch is equal to the fourth pitch.

また、上記発明において、前記受光器の開口角γは、10mrad以下であることが好適である。   Moreover, in the said invention, it is suitable that the opening angle (gamma) of the said light receiver is 10 mrad or less.

また、上記発明において、前記受光器は、第1受光器及び第2受光器を含み、前記演算部は、前記第1受光器及び第2受光器の受光輝度に基づき前記被測定面の角度を算出することが好適である。   Further, in the above invention, the light receiver includes a first light receiver and a second light receiver, and the arithmetic unit calculates an angle of the surface to be measured based on light reception luminance of the first light receiver and the second light receiver. It is preferable to calculate.

本発明によれば、従来よりも簡素な構成の表面形状測定装置を提供することが可能となる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the surface shape measuring apparatus of a simpler structure than before.

本実施の形態に係る表面形状測定装置を例示する図である。It is a figure which illustrates the surface shape measuring apparatus which concerns on this Embodiment. 撮像器20の開口角を説明する図である。It is a figure explaining the opening angle of the image pick-up device. 異なる被検査面間の角度差を求める手段を説明する図である。It is a figure explaining the means to obtain | require the angle difference between different to-be-inspected surfaces. 異なる被検査面間の角度差を求める手段を説明する図である。It is a figure explaining the means to obtain | require the angle difference between different to-be-inspected surfaces. 異なる被検査面間の角度差を求める手段を説明する図である。It is a figure explaining the means to obtain | require the angle difference between different to-be-inspected surfaces. 異なる被検査面間の角度差を求める手段を説明する図である。It is a figure explaining the means to obtain | require the angle difference between different to-be-inspected surfaces. 反射光を特定する手段を説明する図である。It is a figure explaining the means to specify reflected light. 反射光を特定する手段を説明する図である。It is a figure explaining the means to specify reflected light. 異なる被検査面間の角度差を求める手段を説明する図である。It is a figure explaining the means to obtain | require the angle difference between different to-be-inspected surfaces. 異なる被検査面間の角度差を求める手段を説明する図である。It is a figure explaining the means to obtain | require the angle difference between different to-be-inspected surfaces. 異なる被検査面間の角度差を求める手段を説明する図である。It is a figure explaining the means to obtain | require the angle difference between different to-be-inspected surfaces. 表面形状計測のフローチャートを例示する図である。It is a figure which illustrates the flowchart of surface shape measurement. 被検査面の撮像データを例示する図である。It is a figure which illustrates the imaging data of a to-be-inspected surface. 表面形状計測のフローチャートを例示する図である。It is a figure which illustrates the flowchart of surface shape measurement. 表面形状計測のフローチャートを例示する図である。It is a figure which illustrates the flowchart of surface shape measurement. 表面形状計測のフローチャートを例示する図である。It is a figure which illustrates the flowchart of surface shape measurement. 表面形状計測のフローチャートを例示する図である。It is a figure which illustrates the flowchart of surface shape measurement. 被検査面の法線ベクトル分布を例示する図である。It is a figure which illustrates the normal vector distribution of a to-be-inspected surface. 算出された被検査面の3次元形状を例示する図である。It is a figure which illustrates the three-dimensional shape of the calculated to-be-inspected surface. 反射点の位置を特定する手段について説明する図である。It is a figure explaining the means to specify the position of a reflective point. 反射点の位置を特定する手段について説明する図である。It is a figure explaining the means to specify the position of a reflective point. ヒルベルト変換を用いた演算処理を説明する図である。It is a figure explaining the arithmetic processing using Hilbert transform. 入射角に応じた輝度変化の位相差を説明する図である。It is a figure explaining the phase difference of the luminance change according to an incident angle. 輝度の振幅の減衰過程を例示する図である。It is a figure which illustrates the attenuation process of the amplitude of a brightness | luminance. 他の実施形態に係る表面形状測定装置を例示する図である。It is a figure which illustrates the surface shape measuring apparatus which concerns on other embodiment. 他の実施形態に係る表面形状測定装置を例示する図である。It is a figure which illustrates the surface shape measuring apparatus which concerns on other embodiment. 他の実施形態に係る表面形状測定装置を例示する図である。It is a figure which illustrates the surface shape measuring apparatus which concerns on other embodiment. 他の実施形態に係る表面形状測定装置を例示する図である。It is a figure which illustrates the surface shape measuring apparatus which concerns on other embodiment.

本実施の形態に係る表面形状測定装置を図1に例示する。表面形状測定装置10は、光源12、格子素子G、格子素子用ステージ16、測定対象物用ステージ18、撮像器20及び情報処理器22を含んで構成される。   A surface shape measuring apparatus according to the present embodiment is illustrated in FIG. The surface shape measuring apparatus 10 includes a light source 12, a grating element G, a grating element stage 16, a measurement object stage 18, an imager 20, and an information processor 22.

光源12は、測定対象物24の被測定面26に向かって光を照射する。撮像器20が被測定面26を撮像するときに影が映り込むことを防ぐために、光源12は、被測定面26の全面を照射可能な光源であることが好適である。例えば、光源12は面光源から構成することができる。   The light source 12 irradiates light toward the measurement surface 26 of the measurement object 24. In order to prevent shadows from appearing when the image pickup device 20 images the measurement target surface 26, the light source 12 is preferably a light source that can irradiate the entire measurement target surface 26. For example, the light source 12 can be composed of a surface light source.

格子素子Gは、光学的格子28を備えた光学素子である。格子素子Gは、例えば、ガラスや石英等の透光性基材の表面に非透光性の材料を蒸着等することにより格子パターンを形成したものである。格子素子Gの格子パターンは、表面形状測定装置10で用いられる光源12から照射される光の特性や測定対象物24の反射特性に応じて設定することが好適である。例えば、格子素子Gは、59本/cm(150本/インチ)のピッチで平行線が配列された一次元格子28を備えるロンキー格子素子とすることができる。   The grating element G is an optical element including the optical grating 28. The lattice element G is obtained by forming a lattice pattern by evaporating a non-translucent material on the surface of a translucent substrate such as glass or quartz. The lattice pattern of the lattice element G is preferably set according to the characteristics of light emitted from the light source 12 used in the surface shape measuring apparatus 10 and the reflection characteristics of the measurement object 24. For example, the lattice element G can be a Ronchi lattice element including a one-dimensional lattice 28 in which parallel lines are arranged at a pitch of 59 lines / cm (150 lines / inch).

格子素子Gは複数設けられており、例えば光源12と被測定面26との間の光路上に格子素子G1、G2が設けられる。これら複数の格子素子G1、G2の格子パターンやピッチは同一でもよく、異なるパターンやピッチであってもよい。   A plurality of grating elements G are provided. For example, the grating elements G1 and G2 are provided on the optical path between the light source 12 and the measured surface 26. The lattice patterns and pitches of the plurality of lattice elements G1 and G2 may be the same or different.

格子素子用ステージ16は、複数の格子素子Gの光路上の間隔を変化させる変位手段である。格子素子用ステージ16は、それぞれの格子素子Gの位置を移動可能であってもよいし、いずれかの格子素子Gのみを移動可能とし、残りの格子素子Gを固定させてもよい。例えば、格子素子用ステージ16は、固定ステージ30と移動ステージ32を含んで構成される。移動ステージ32は1軸方向に移動可能であればよく、例えば1軸ステージであってよい。   The lattice element stage 16 is a displacement means for changing the intervals on the optical path of the plurality of lattice elements G. The grid element stage 16 may move the position of each grid element G, or may move only one of the grid elements G, and may fix the remaining grid elements G. For example, the lattice element stage 16 includes a fixed stage 30 and a moving stage 32. The moving stage 32 only needs to be movable in the uniaxial direction, and may be a uniaxial stage, for example.

図1では、固定ステージ30に格子素子G1が保持され、移動ステージ32に格子素子G2が保持されている。また、格子素子用ステージ16は、それぞれの格子素子G1、G2の格子28a、28bが平行となるようにこれらを固定してもよいし、非平行な状態で固定してもよい。なお、後述するように、被測定面26の角度変化の算出の際の演算負荷を軽減するため、各格子28a、28bを平行にして格子素子G1、G2を保持することが好適である。ここで、平行とは完全な平行関係、つまり、格子間の角度が0°である場合のみに限られず、測定によって求められる角度差に対して格子間の角度のずれの影響が実質的に問題にならない場合も含む。   In FIG. 1, the lattice element G <b> 1 is held on the fixed stage 30, and the lattice element G <b> 2 is held on the moving stage 32. Further, the lattice element stage 16 may be fixed so that the lattices 28a and 28b of the respective lattice elements G1 and G2 are parallel, or may be fixed in a non-parallel state. As will be described later, it is preferable to hold the grating elements G1 and G2 with the gratings 28a and 28b in parallel in order to reduce the calculation load when calculating the angle change of the measured surface 26. Here, “parallel” is not limited to a perfect parallel relationship, that is, not only when the angle between the lattices is 0 °, but the effect of the angle deviation between the lattices on the angle difference obtained by measurement is substantially a problem. Including cases that do not.

また、移動ステージ32が移動することで、格子素子G1と格子素子G2の間隔が変更される。このとき、移動ステージ32の移動方向は、固定ステージ30に固定された格子素子G1の格子28aに対して垂直であっても、垂直とは異なる方向であってもよい。なお、後述するように、被測定面26の角度変化の算出の際の演算負荷を軽減するため、格子28aに対して垂直方向に移動ステージ32を移動させることが好適である。ここで、垂直とは完全な垂直関係のみに限られず、測定によって求められる角度差に対して垂直からの角度のずれの影響が実質的に問題にならない場合も含む。   In addition, as the moving stage 32 moves, the interval between the lattice element G1 and the lattice element G2 is changed. At this time, the moving direction of the moving stage 32 may be perpendicular to the grating 28a of the grating element G1 fixed to the fixed stage 30, or may be different from the vertical direction. As will be described later, it is preferable to move the moving stage 32 in a direction perpendicular to the grating 28a in order to reduce the calculation load when calculating the angle change of the measurement surface 26. Here, the term “vertical” is not limited to the complete vertical relationship, and includes the case where the influence of the angular deviation from the vertical is not a problem with respect to the angular difference obtained by measurement.

図1に戻り、測定対象物用ステージ18は、測定対象物24を固定する部材である。測定対象物24の初期位置の微調整を行うために、移動機構を備えてもよい。   Returning to FIG. 1, the measurement object stage 18 is a member for fixing the measurement object 24. In order to finely adjust the initial position of the measurement object 24, a moving mechanism may be provided.

撮像器20は、測定対象物24の被測定面26を撮像する機器である。例えば、図2に示すように、撮像器20は、CCDセンサやCMOSセンサ等の受光素子がアレイ状に複数配列された受光面40を備えている。ここで、1つの受光素子34に対して広い開口角で光が入射すると、後述する輝度変化の周期性が低下するおそれがある。そこで、撮像器20の開口角γを絞り込むことが好適である。例えば、開口角γは、10mrad以下とすることが好適である。撮像器20は、測定対象物24からの反射光を絞り込んだ開口部を通して受光素子34へ入射させるために角度調整ステージ等を備えてもよい。   The imaging device 20 is a device that images the measurement surface 26 of the measurement object 24. For example, as shown in FIG. 2, the imager 20 includes a light receiving surface 40 in which a plurality of light receiving elements such as a CCD sensor and a CMOS sensor are arranged in an array. Here, if light is incident on one light receiving element 34 with a wide aperture angle, the periodicity of luminance change described later may be reduced. Therefore, it is preferable to narrow down the aperture angle γ of the imager 20. For example, the opening angle γ is preferably 10 mrad or less. The imager 20 may include an angle adjustment stage or the like in order to make the reflected light from the measurement object 24 enter the light receiving element 34 through the aperture that has been narrowed down.

情報処理器22は、格子素子用ステージ16及び撮像器20に接続される。情報処理器22は、これらの機器から送られた信号の演算処理を行ったり、これらの機器に対して制御信号を送信する機器である。情報処理器22は、記憶部36及び演算部38を含んで構成される。   The information processor 22 is connected to the grid element stage 16 and the imaging device 20. The information processor 22 is a device that performs arithmetic processing on signals sent from these devices and transmits control signals to these devices. The information processor 22 includes a storage unit 36 and a calculation unit 38.

記憶部36は、移動ステージ32の移動ピッチ、撮像器20が取り込んだ画像データ及び当該画像データを演算処理するためのプログラム等を記憶する機器である。記憶部36は、これらの情報を記憶可能な機器であればよく、例えばROMやRAM、EPROM、ハードディスク装置等の1つまたは複数の組み合わせから構成することができる。   The storage unit 36 is a device that stores a moving pitch of the moving stage 32, image data captured by the imaging device 20, a program for performing arithmetic processing on the image data, and the like. The memory | storage part 36 should just be an apparatus which can memorize | store these information, for example, can be comprised from 1 or multiple combinations, such as ROM, RAM, EPROM, a hard disk drive.

演算部38は、撮像器20が取り込んだ画像データに対して演算処理を行う。この演算処理によって、異なる被測定面26間の角度が算出される。また、演算部38は、移動ステージ32を駆動させる図示しないモータ等の駆動手段に対して、所定の移動ピッチ(例えば0.1mm)分の駆動信号を送信する。演算部38は、これらの演算処理が可能な機器であればよく、例えばマイクロコンピュータユニットを含んで構成することができる。   The calculation unit 38 performs a calculation process on the image data captured by the imaging device 20. By this calculation process, the angle between the different measured surfaces 26 is calculated. In addition, the calculation unit 38 transmits a drive signal for a predetermined movement pitch (for example, 0.1 mm) to a driving unit such as a motor (not shown) that drives the moving stage 32. The calculation unit 38 may be any device capable of performing these calculation processes, and may be configured to include, for example, a microcomputer unit.

次に、本実施の形態に係る表面形状測定について説明する。図3には、光源12から被測定面26aに光を照射した際の模式図が例示されている。光源12から照射された光は、被測定面26aで反射して、撮像器20の受光面40に入射する。ここで、受光面40の受光素子34が受光した反射光43と、当該反射光43に対応する入射光42aに注目すると、反射の法則から入射角と反射角は等しくなる。   Next, surface shape measurement according to the present embodiment will be described. FIG. 3 illustrates a schematic diagram when light is irradiated from the light source 12 to the measurement surface 26a. The light emitted from the light source 12 is reflected by the measured surface 26 a and enters the light receiving surface 40 of the imager 20. Here, when attention is paid to the reflected light 43 received by the light receiving element 34 on the light receiving surface 40 and the incident light 42a corresponding to the reflected light 43, the incident angle and the reflection angle are equal from the law of reflection.

さらに、被測定面26aとは異なる角度の被測定面26bに光を照射したときの模式図を図4に示す。被測定面26aと被測定面26bとの成す角度をθで表す。図4に示されているように、受光素子34が受光する反射光43に対応する入射光の入射角は、測定対象を被測定面26aにしたときと、被測定面26bにしたときとでは異なるものとなる。測定対象を被測定面26aにしたときの、反射光43に対応する入射光42aと、格子素子G2の変位方向xに沿った軸との成す角度をβ1で表す。また、測定対象を被測定面26bにしたときの、反射光43に対応する入射光42bと、格子素子G2の変位方向xに沿った軸との成す角度をβ2で表す。図4及び図5から、被測定面26aと被測定面26bとの成す角度θは、角度β1と角度β2の差Δβの半値Δβ/2と等しい(θ=Δβ/2)ことが導かれる。この関係を利用して、演算部38は、角度βを求めることによって、異なる被測定面26間の角度差θを算出する。   Furthermore, FIG. 4 shows a schematic diagram when light is irradiated to the measured surface 26b having an angle different from that of the measured surface 26a. The angle formed between the measured surface 26a and the measured surface 26b is represented by θ. As shown in FIG. 4, the incident angle of the incident light corresponding to the reflected light 43 received by the light receiving element 34 is different between when the measurement target is the measurement target surface 26a and when the measurement target is the measurement target surface 26b. It will be different. The angle formed by the incident light 42a corresponding to the reflected light 43 and the axis along the displacement direction x of the grating element G2 when the measurement target is the measurement target surface 26a is represented by β1. Further, β2 represents an angle formed between the incident light 42b corresponding to the reflected light 43 and the axis along the displacement direction x of the lattice element G2 when the measurement target is the measurement target surface 26b. 4 and 5, it can be derived that the angle θ formed between the measured surface 26a and the measured surface 26b is equal to the half value Δβ / 2 of the difference Δβ between the angles β1 and β2 (θ = Δβ / 2). Using this relationship, the calculation unit 38 calculates the angle β between the different measured surfaces 26 by obtaining the angle β.

次に、角度βの算出について図6を用いて説明する。図6では、格子素子G1、G2の格子28a、28bが平行となるように格子素子G1、G2が配置されている。また、格子素子G2の変位方向は、格子素子G1の格子28aに対して垂直方向とする。   Next, calculation of the angle β will be described with reference to FIG. In FIG. 6, the lattice elements G1 and G2 are arranged so that the lattices 28a and 28b of the lattice elements G1 and G2 are parallel to each other. The displacement direction of the lattice element G2 is set to be perpendicular to the lattice 28a of the lattice element G1.

格子素子G2を初期位置x0から変位させると、格子素子G2の変位に伴い、光源12から被測定面26に向かう入射光42の輝度が変化する。例えば、格子素子G2の位置がx1であるときに、入射光42は格子素子G2に遮られてその輝度は極小値となる。さらに、格子素子G2が格子素子G1から離れる方向に変位するにしたがって、入射光の輝度は増加する。さらに、輝度の極大値を取った後に、輝度は減少傾向となり、格子素子G2の位置がx2になった時点で、入射光42は再び格子素子G2に遮られて、その輝度は極小値となる。このように、格子素子G1とG2の間隔の変化に応じて、入射光42の輝度が変化する。ここで、入射光42の輝度変化に伴って、その反射光43の輝度も変化する。したがって、反射光43を受光する受光素子34の輝度変化に基づいて、入射光42の輝度変化を求めることができる。   When the grating element G2 is displaced from the initial position x0, the luminance of the incident light 42 directed from the light source 12 toward the measured surface 26 changes with the displacement of the grating element G2. For example, when the position of the grating element G2 is x1, the incident light 42 is blocked by the grating element G2, and the luminance becomes a minimum value. Furthermore, as the grating element G2 is displaced in a direction away from the grating element G1, the luminance of the incident light increases. Furthermore, after taking the maximum value of the luminance, the luminance tends to decrease, and when the position of the grating element G2 becomes x2, the incident light 42 is again blocked by the grating element G2, and the luminance becomes the minimum value. . Thus, the luminance of the incident light 42 changes according to the change in the interval between the lattice elements G1 and G2. Here, as the luminance of the incident light 42 changes, the luminance of the reflected light 43 also changes. Therefore, the luminance change of the incident light 42 can be obtained based on the luminance change of the light receiving element 34 that receives the reflected light 43.

輝度変化の周期Lは、反射光43の強度変化における隣り合う極小値または極大値に対応する格子素子G1とG2の間隔から求めることができる。ここで、輝度変化の周期L、入射角β及び格子素子G2の(移動させる方の格子素子の)格子ピッチΛを用いて、下記数式(1)を導くことができる。   The period L of the luminance change can be obtained from the interval between the lattice elements G1 and G2 corresponding to the adjacent minimum value or maximum value in the intensity change of the reflected light 43. Here, the following formula (1) can be derived by using the period L of the luminance change, the incident angle β, and the grating pitch Λ (of the grating element to be moved) of the grating element G2.

数式(1)において、格子ピッチΛは予め取得することができる。既知の格子ピッチΛと、輝度変化から取得した周期Lとを、数式(1)または数式(1)を変形したβ=tan-1(Λ/L)に代入することにより、角度βを求めることができる。 In Equation (1), the lattice pitch Λ can be acquired in advance. The angle β is obtained by substituting the known lattice pitch Λ and the period L acquired from the luminance change into β = tan −1 (Λ / L) obtained by modifying Equation (1) or Equation (1). Can do.

例えば図5において、被測定面26aからの反射光の輝度変化の周期L1と、数式(1)からβ1を求める。同様にして、被測定面26bからの反射光の輝度変化の周期L2と、数式(1)からβ2を求める。   For example, in FIG. 5, β1 is obtained from the period L1 of the luminance change of the reflected light from the measured surface 26a and the formula (1). Similarly, β2 is obtained from the period L2 of the luminance change of the reflected light from the measured surface 26b and the formula (1).

続いて、角度β1と角度β2の差分Δβを求めるとともに、その半値Δβ/2を求めることで、被測定面26a、26b間の角度θを求めることができる(Δβ/2=θ)。または、周期L1及び周期L2を用いて、Δβ=[tan-1(Λ/L1)−tan-1(Λ/L2)]から直接Δβを求めてもよい。 Subsequently, by obtaining the difference Δβ between the angles β1 and β2 and obtaining the half value Δβ / 2, the angle θ between the measured surfaces 26a and 26b can be obtained (Δβ / 2 = θ). Alternatively, Δβ may be directly obtained from Δβ = [tan −1 (Λ / L 1 ) −tan −1 (Λ / L 2 )] using the period L1 and the period L2.

なお、周期L1及び周期L2を求めるにあたり、図6下段の輝度の変化カーブを得る必要がある。正確な変化カーブを得るためには、いわゆるサンプリング定理に基づいて、変位xに応じた輝度のプロットを取得することが好適である。すなわち、変化カーブの周期の1/2より小さい間隔でサンプリングを行うことが好適である。具体的には、変化カーブの周期LはL=Λ/tanβで求められることから、サンプリング間隔は、Λ/2tanβ未満であることが好適である。つまり、格子素子用ステージ16のx方向の移動ピッチΔxについて、Δx<Λ/2tanβとすることが好適である。ここで、測定時にはβの値は知られていないことから、前回の測定時に取得したβの最大値を用いてもよい。   Note that, in order to obtain the period L1 and the period L2, it is necessary to obtain the luminance change curve in the lower part of FIG. In order to obtain an accurate change curve, it is preferable to obtain a luminance plot according to the displacement x based on a so-called sampling theorem. That is, it is preferable to perform sampling at an interval smaller than ½ of the period of the change curve. Specifically, since the period L of the change curve is obtained by L = Λ / tan β, the sampling interval is preferably less than Λ / 2 tan β. That is, it is preferable that Δx <Λ / 2 tan β be set for the movement pitch Δx in the x direction of the grating element stage 16. Here, since the value of β is not known at the time of measurement, the maximum value of β acquired at the previous measurement may be used.

また、図6では入射光42のみを示したが、角度β及び図6下段の輝度分布を取り得る入射光は、図7のように、入射光42の他にも入射光142が考えられる。例えば、同じ曲率の凹面と凸面を考えたときに、一方の面に入射した入射光が入射光42となり、他方の面に入射した入射光が入射光142となる場合がある。測定対象の形状測定を正確に行うためには、測定面に入射した入射光が、入射光42と入射光142のどちらであるかを特定することが好適である。そこで、図8に示すように、格子素子G1と格子素子G2の位置をずらして、再度測定を行ってもよい。   Although only incident light 42 is shown in FIG. 6, incident light 142 other than incident light 42 can be considered as incident light that can take the angle β and the luminance distribution in the lower stage of FIG. 6. For example, when considering a concave surface and a convex surface having the same curvature, the incident light incident on one surface may become the incident light 42 and the incident light incident on the other surface may become the incident light 142. In order to accurately measure the shape of the measurement object, it is preferable to specify whether the incident light incident on the measurement surface is the incident light 42 or the incident light 142. Therefore, as shown in FIG. 8, the positions of the grid element G1 and the grid element G2 may be shifted to perform measurement again.

まず、変位方向xとは異なる方向に沿って、格子素子G1と格子素子G2との相対位置を変化させる。例えば、格子素子G1に対して格子素子G2を、変位方向xとは直交する方向に移動させる。移動距離は、格子ピッチΛ未満であることが好適であり、例えばΛ/4移動させることが好適である。格子素子G2をずらした上で、当該格子素子G2をx方向に変位させていくと、入射光42と入射光142とで格子素子G2に遮られるタイミングが異なる。これに伴ってそれぞれの輝度変化カーブの位相がずれる。例えば図8下段に示すように、格子素子G2をずらす前の変化カーブ144と比較して、入射光42の変化カーブ146は進み位相となり、入射光142の変化カーブ148は遅れ位相となる。この位相の変化に基づけば、反射光43に対応する入射光が、入射光42と入射光142のどちらであるかを特定することが可能となる。   First, the relative positions of the lattice element G1 and the lattice element G2 are changed along a direction different from the displacement direction x. For example, the lattice element G2 is moved in a direction orthogonal to the displacement direction x with respect to the lattice element G1. The moving distance is preferably less than the lattice pitch Λ, for example, Λ / 4 is preferable. When the lattice element G2 is displaced and then displaced in the x direction, the timing at which the incident light 42 and the incident light 142 are blocked by the lattice element G2 is different. Along with this, the phases of the respective luminance change curves are shifted. For example, as shown in the lower part of FIG. 8, the change curve 146 of the incident light 42 has a leading phase and the change curve 148 of the incident light 142 has a lagging phase as compared to the change curve 144 before shifting the grating element G2. Based on this phase change, it is possible to specify whether the incident light corresponding to the reflected light 43 is the incident light 42 or the incident light 142.

なお、図9に示すように、格子素子G1の格子28aに対して格子素子G2の格子28bが非平行である場合は、その角度差を考慮して角度βを求めることが好適である。ここで、図9では、格子素子G2の変位方向を、格子素子G1の格子28aに対して垂直方向とする。格子素子G1の格子28aに対する格子素子G2の格子28bの角度をεで表すと、下記数式(2)を導くことができる。   As shown in FIG. 9, when the lattice 28b of the lattice element G2 is not parallel to the lattice 28a of the lattice element G1, it is preferable to obtain the angle β in consideration of the angular difference. Here, in FIG. 9, the displacement direction of the lattice element G2 is a direction perpendicular to the lattice 28a of the lattice element G1. When the angle of the lattice 28b of the lattice element G2 with respect to the lattice 28a of the lattice element G1 is expressed by ε, the following formula (2) can be derived.

上記数式(2)において、格子ピッチΛ及び角度εは予め実測等で得ることが可能である。したがって、これらの値と、求められた周期Lとを数式(2)に代入することで、角度βを求めることができる。   In the above formula (2), the lattice pitch Λ and the angle ε can be obtained in advance by actual measurement or the like. Therefore, the angle β can be obtained by substituting these values and the obtained period L into Equation (2).

また、図10に示すように、格子素子G2の変位方向が、格子素子G1の格子28aに対する垂直方向とは異なる場合には、垂直方向と変位方向の角度差を考慮して角度βを求めることが好適である。格子素子G1の格子28aに対する垂線と、格子素子G2の変位方向に沿った軸との角度をηで表すと、下記数式(3)を導くことができる。   Also, as shown in FIG. 10, when the displacement direction of the lattice element G2 is different from the perpendicular direction to the lattice 28a of the lattice element G1, the angle β is obtained in consideration of the angular difference between the vertical direction and the displacement direction. Is preferred. When the angle between the perpendicular of the lattice element G1 to the lattice 28a and the axis along the displacement direction of the lattice element G2 is represented by η, the following formula (3) can be derived.

上記数式(3)において、格子ピッチΛ及び角度ηは予め実測等で得ることが可能である。したがって、これらの値と、求められた周期Lとを数式(3)に代入することで、角度βを求めることができる。   In the above formula (3), the lattice pitch Λ and the angle η can be obtained in advance by actual measurement or the like. Therefore, the angle β can be obtained by substituting these values and the obtained period L into Equation (3).

また、図11に示すように、格子素子G1と格子素子G2の格子28a及び28bが非平行であり、かつ、格子素子G2の変位方向が、格子素子G1の格子28aに対する垂直方向とは異なる場合には、これらの角度差を考慮して角度βを求めることが好適である。図11より、下記数式(4)を導くことができる。   In addition, as shown in FIG. 11, when the lattice elements G1 and G2 are not parallel to each other, and the displacement direction of the lattice element G2 is different from the direction perpendicular to the lattice 28a of the lattice element G1. Therefore, it is preferable to obtain the angle β in consideration of these angular differences. From FIG. 11, the following formula (4) can be derived.

上述したように、格子ピッチΛ、角度ε及び角度ηは予め実測等で得ることが可能である。したがって、これらの値と、求められた周期Lとを数式(4)に代入することで、角度βを求めることができる。   As described above, the lattice pitch Λ, the angle ε, and the angle η can be obtained in advance by actual measurement or the like. Therefore, the angle β can be obtained by substituting these values and the obtained period L into Equation (4).

次に、表面形状測定装置10における、被測定面26の測定工程について説明する。表面形状の測定工程は大きく分けて、基準面のデータ取得工程S100(図12、図14)、被測定面26のデータ取得工程S200(図15、図16)及び両者の比較工程S300(図17)から構成される。なお、工程S100の前に工程S200を実行してもよい。   Next, the measurement process of the measured surface 26 in the surface shape measuring apparatus 10 will be described. The surface shape measurement process is roughly divided into a reference surface data acquisition step S100 (FIGS. 12 and 14), a data acquisition step S200 (FIGS. 15 and 16) of the surface 26 to be measured, and a comparison step S300 (FIG. 17). ). In addition, you may perform process S200 before process S100.

演算部38は、工程S100において、表面形状が既知である基準面のデータを取得する。まず、図1に示すように、格子素子G1及びG2の格子パターンがZ軸に平行となるように格子素子G1及びG2を格子素子用ステージ16に配置する(S101)。図3〜5に示したように、格子パターンをZ軸と平行にすることで、X−Y断面における基準面と被測定面26との角度差θx-yを求めることができる。さらに、基準面を備える標準資料を測定対象物用ステージ18に固定する(S102)。次に、演算部38は、移動ステージ32に対して制御信号を送信し、格子素子G2の位置を初期位置x0に移動させる(S104)。 In step S100, the calculation unit 38 acquires reference plane data whose surface shape is known. First, as shown in FIG. 1, the lattice elements G1 and G2 are arranged on the lattice element stage 16 so that the lattice patterns of the lattice elements G1 and G2 are parallel to the Z axis (S101). As shown in FIGS. 3 to 5, the angle difference θ xy between the reference surface and the measured surface 26 in the XY cross section can be obtained by making the lattice pattern parallel to the Z axis. Further, a standard material having a reference surface is fixed to the measurement object stage 18 (S102). Next, the calculation unit 38 transmits a control signal to the moving stage 32 to move the position of the lattice element G2 to the initial position x0 (S104).

続いて、光源12から光を照射する。ここで、光源12から出力された光は、格子素子G1、G2を経由して基準面に到達する。このとき、図13のように、格子素子G1とG2の格子パターンのずれによるモアレ縞が基準面に投影される。撮像器20は基準面を撮像する(S106)。撮像データは記憶部36に記憶される。   Subsequently, light is emitted from the light source 12. Here, the light output from the light source 12 reaches the reference plane via the lattice elements G1 and G2. At this time, as shown in FIG. 13, moiré fringes due to the shift of the lattice patterns of the lattice elements G1 and G2 are projected onto the reference plane. The imager 20 images the reference plane (S106). The imaging data is stored in the storage unit 36.

次に、演算部38は格子素子G2が予め定めた終点位置xmaxに到達しているか否かを判定する(S108)。到達していない場合は、予め定めた移動ピッチΔx分格子素子G2を移動させる。(S110)。さらに、終点位置xmaxに到達するまでステップS106を繰り返す。 Next, the calculation unit 38 determines whether or not the lattice element G2 has reached a predetermined end point position x max (S108). If not reached, the predetermined movement pitch Δx-divided lattice element G2 is moved. (S110). Further, step S106 is repeated until the end point position xmax is reached.

終点位置xmaxに到達すると、演算部38は、撮像データの輝度変化を座標点毎に求める。図13に示すように、撮像データは、s軸とt軸の2軸によって任意の座標点のデータを抽出できるように加工されている。演算部38は、初期座標(s0,t0)における輝度Ix-y(s0,t0,x0)・・・Ix-y(s0,t0,xmax)を記憶部36から呼び出す(S112)。さらにxの変化に対する輝度変化から、輝度変化の周期L1x-yを求める(S114)。 When the end point position xmax is reached, the calculation unit 38 obtains the luminance change of the imaging data for each coordinate point. As shown in FIG. 13, the imaging data is processed so that data of an arbitrary coordinate point can be extracted by two axes of the s axis and the t axis. Calculation unit 38 calls the luminance I xy in the initial coordinates (s0, t0) (s0, t0, x0) ··· I xy (s0, t0, x max) from the storage unit 36 (S112). Further, the luminance change period L1 xy is obtained from the luminance change corresponding to the change of x (S114).

さらに演算部38は上述したように、周期L1x-y及び格子素子G2の格子ピッチΛと、さらに必要に応じて上述した角度ε及び角度ηを用いてX−Y断面における角度β1x-y(s0,t0)を求める(S116)。さらに演算部38は、演算対象の座標が終点座標(sn,tn)に到達したか否かを判定する(S118)。到達していない場合は座標を変更し(S120)、終点位置に到達するまで角度β1x-y(sk,tk)の算出を行う。 Further, as described above, the calculation unit 38 uses the period L1 xy and the lattice pitch Λ of the lattice element G2 and, if necessary, the angle ε and angle η as described above, the angle β1 xy (s0, t0 in the XY section). ) Is obtained (S116). Further, the calculation unit 38 determines whether or not the coordinates to be calculated have reached the end point coordinates (sn, tn) (S118). If not reached, the coordinates are changed (S120), and the angle β1 xy (sk, tk) is calculated until the end point position is reached.

次に、図14に示すように、演算部38は、X−Y断面と直交するX−Z断面における角度β1x-zを求める。まず、格子素子G1及びG2の格子パターンがY軸に平行となるように格子素子G1及びG2を格子素子用ステージ16に配置する(S122)。次に、演算部38は、移動ステージ32に対して制御信号を送信し、格子素子G2の位置を初期位置x0に移動させる(S124)。以下、S106〜S110と同様に、終点位置xmaxに到達するまで撮像器20は基準面のモアレ縞を撮像する(S126〜S130)。撮像データは記憶部36に記憶される。 Next, as illustrated in FIG. 14, the calculation unit 38 obtains an angle β1 xz in the XZ cross section orthogonal to the XY cross section. First, the lattice elements G1 and G2 are arranged on the lattice element stage 16 so that the lattice patterns of the lattice elements G1 and G2 are parallel to the Y axis (S122). Next, the calculation unit 38 transmits a control signal to the moving stage 32 to move the position of the grating element G2 to the initial position x0 (S124). Hereinafter, similarly to S106 to S110, the imaging unit 20 until it reaches the end position x max to image the moiré fringes of the reference surface (S126~S130). The imaging data is stored in the storage unit 36.

続いて、演算部38は、撮像データの輝度変化を座標点毎に求める。演算部38は、初期座標(s0,t0)における輝度Ix-z(s0,t0,x0)・・・Ix-z(s0,t0,xmax)を記憶部36から呼び出す(S132)。さらにxの変化に対する輝度変化から、輝度変化の周期L1x-zを求める(S134)。 Subsequently, the calculation unit 38 obtains a luminance change of the imaging data for each coordinate point. Calculation unit 38 calls the luminance I xz in the initial coordinates (s0, t0) (s0, t0, x0) ··· I xz (s0, t0, x max) from the storage unit 36 (S132). Further, the luminance change period L1 xz is obtained from the luminance change corresponding to the change of x (S134).

さらに演算部38は上述したように、周期L1x-z及び格子素子G2の格子ピッチΛと、さらに必要に応じて上述した角度ε及び角度ηを用いてX−Z断面における角度β1x-z(s0,t0)を求める(S136)。さらに演算部38は、演算対象の座標が終点座標(sn,tn)に到達したか否かを判定する(S138)。到達していない場合は座標を変更し(S140)、終点位置に到達するまで角度β1x-z(sk,tk)の算出を行う。 Further, as described above, the calculation unit 38 uses the period L1 xz and the lattice pitch Λ of the lattice element G2 and, if necessary, the angle ε and angle η as described above, the angle β1 xz (s0, t0 in the XZ section). ) Is obtained (S136). Further, the calculation unit 38 determines whether or not the coordinates to be calculated have reached the end point coordinates (sn, tn) (S138). If not reached, the coordinates are changed (S140), and the angle β1 xz (sk, tk) is calculated until the end point position is reached.

次に、図15、図16に示すように、演算部38は、工程S200において、測定対象物24の被測定面26のデータを取得する。まず、作業者等により、格子素子G1及びG2の格子パターンがZ軸に平行となるように格子素子G1及びG2を格子素子用ステージ16に配置する(S201)。さらに、測定対象物24を測定対象物用ステージ18に固定する(S202)。続いて光源12から格子素子G1及びG2を介して被測定面26に光を照射する。以下、基準面の画像データの取得と同様にして、格子素子G2の初期位置x0から終点位置xmaxまで移動ピッチΔxごとに被測定面26を撮像する(S204−S210)。さらに、演算部38は、撮像データの座標(sk,tk)における輝度Ix-y(sk,tk,X0)・・・Ix-y(sk,tk,xmax)から輝度変化の周期L2x-y(sk,tk)を求める。さらに、周期L2x-y(sk,tk)に対応するX−Y断面の角度β2x-y(sk,tk)の算出を行う。これを初期座標(s0,t0)から終点座標(sn,tn)まで行う(S212−220)。 Next, as illustrated in FIGS. 15 and 16, the calculation unit 38 acquires data of the measurement target surface 26 of the measurement object 24 in step S <b> 200. First, the operator arranges the lattice elements G1 and G2 on the lattice element stage 16 so that the lattice pattern of the lattice elements G1 and G2 is parallel to the Z axis (S201). Further, the measurement object 24 is fixed to the measurement object stage 18 (S202). Subsequently, light is irradiated from the light source 12 to the measurement surface 26 via the lattice elements G1 and G2. Hereinafter, in the same manner as the acquisition of image data of the reference surface, imaging the surface to be measured 26 every movement pitch Δx from the initial position x0 of the grating G2 to the end position x max (S204-S210). Furthermore, the calculation unit 38 calculates the luminance change period L2 xy (sk, tk, sk) from the luminance I xy (sk, tk, X0)... I xy (sk, tk, x max ) at the coordinates (sk, tk) of the imaging data. tk). Furthermore, the angle β2 xy (sk, tk) of the XY cross section corresponding to the cycle L2 xy (sk, tk) is calculated. This is performed from the initial coordinates (s0, t0) to the end coordinates (sn, tn) (S212-220).

次に、格子素子G1及びG2の格子パターンがY軸に平行となるように格子素子G1及びG2を格子素子用ステージ16に配置する(S222)。続いて光源12から格子素子G1及びG2を介して被測定面26に光を照射する。以下、基準面の画像データの取得と同様にして、格子素子G2の初期位置x0から終点位置xmaxまで移動ピッチΔxごとに被測定面26を撮像する(S224−S230)。さらに、演算部38は、撮像データの座標(sk,tk)における輝度Ix-z(sk,tk,X0)・・・Ix-z(sk,tk,xmax)から輝度変化の周期L2x-z(sk,tk)を求める。さらに、周期L2x-z(sk,tk)に対応するX−Z断面の角度β2x-z(sk,tk)の算出を行う。これを初期座標(s0,t0)から終点座標(sn,tn)まで行う(S232−240)。 Next, the lattice elements G1 and G2 are arranged on the lattice element stage 16 so that the lattice patterns of the lattice elements G1 and G2 are parallel to the Y axis (S222). Subsequently, light is irradiated from the light source 12 to the measurement surface 26 via the lattice elements G1 and G2. Hereinafter, in the same manner as the acquisition of image data of the reference surface, imaging the surface to be measured 26 every movement pitch Δx from the initial position x0 of the grating G2 to the end position x max (S224-S230). Further, the calculation unit 38 calculates the luminance change period L2 xz (sk, tk, sk) from the luminance I xz (sk, tk, X0)... I xz (sk, tk, x max ) at the coordinates (sk, tk) of the imaging data. tk). Further, the angle β2 xz (sk, tk) of the XZ section corresponding to the cycle L2 xz (sk, tk) is calculated. This is performed from the initial coordinates (s0, t0) to the end coordinates (sn, tn) (S232-240).

次に、演算部38は、工程S300(図17)にて、X−Y断面における、基準面に対する被測定面26の角度θx-y、及び、X−Z断面における、基準面に対する被測定面26の角度θx-zを座標点(s,t)毎に求める。演算部38は、基準面の初期座標(s0,t0)に対応する角度β1x-y(s0,t0)と、被測定面26の初期座標(s0,t0)に対応する角度β2x-y(s0,t0)を記憶部36から呼び出す(S302)。次に、演算部38は、角度β1x-y(s0,t0)と角度β2x-y(s0,t0)の差分Δβx-yを求める。さらにΔβx-y/2を求めてこれを角度θx-y(s0,t0)とする(S304)。続いて、演算部38は、演算対象の座標が終点座標(sn,tn)であるか否かを判定する(S306)。終点座標に到達していない場合は、演算部38は座標を変更して(S308)、終点座標に到達するまで角度差θx-y(sk,tk)を求める。 Next, in step S300 (FIG. 17), the calculation unit 38 determines the angle θ xy of the measured surface 26 with respect to the reference plane in the XY cross section and the measured surface 26 with respect to the reference plane in the XZ cross section. Is obtained for each coordinate point (s, t). The calculation unit 38 includes an angle β1 xy (s0, t0) corresponding to the initial coordinates (s0, t0) of the reference surface and an angle β2 xy (s0, t0) corresponding to the initial coordinates (s0, t0) of the measured surface 26. ) From the storage unit 36 (S302). Next, the calculation unit 38 obtains a difference Δβ xy between the angle β1 xy (s0, t0) and the angle β2 xy (s0, t0). Further, Δβ xy / 2 is obtained and set as an angle θ xy (s0, t0) (S304). Subsequently, the calculation unit 38 determines whether or not the coordinates to be calculated are end point coordinates (sn, tn) (S306). When the end point coordinates have not been reached, the calculation unit 38 changes the coordinates (S308), and obtains the angle difference θ xy (sk, tk) until the end point coordinates are reached.

次に、演算部38は、X−Z平面における、基準面に対する被測定面26の角度θx-zを座標点(s,t)毎に求める。演算部38は、基準面の初期座標(s0,t0)に対応する角度β1x-z(s0,t0)と、被測定面26の初期座標(s0,t0)に対応する角度β2x-z(s0,t0)を記憶部36から呼び出す(S310)。次に、演算部38は、角度β1x-z(s0,t0)と角度β2x-z(s0,t0)の差分Δβx-zを求める。さらにΔβx-z/2を求めてこれを角度θx-z(s0,t0)とする(S312)。続いて、演算部38は、演算対象の座標が終点座標(sn,tn)であるか否かを判定する(S314)。終点座標に到達していない場合は、演算部38は座標を変更して(S316)、終点座標に到達するまで角度差θx-z(sk,tk)を求める。 Next, the calculation unit 38 obtains the angle θ xz of the surface to be measured 26 with respect to the reference plane in the XZ plane for each coordinate point (s, t). The calculation unit 38 calculates the angle β1 xz (s0, t0) corresponding to the initial coordinates (s0, t0) of the reference surface and the angle β2 xz (s0, t0) corresponding to the initial coordinates (s0, t0) of the measured surface 26. ) From the storage unit 36 (S310). Next, the calculation unit 38 obtains a difference Δβ xz between the angle β1 xz (s0, t0) and the angle β2 xz (s0, t0). Further, Δβ xz / 2 is obtained and set as an angle θ xz (s0, t0) (S312). Subsequently, the calculation unit 38 determines whether or not the coordinates to be calculated are end point coordinates (sn, tn) (S314). If the end point coordinates have not been reached, the calculation unit 38 changes the coordinates (S316) and obtains the angle difference θ xz (sk, tk) until the end point coordinates are reached.

以上のようにして、基準面に対する被測定面26の角度θが、すべての座標について求められる。演算部38は、角度θに基づいて被測定面26の表面形状を算出する。例えば、演算部38は図18に示すように、角度θに基づく各座標の法線ベクトル分布を求める。さらに、この法線ベクトル分布を既知の方法、例えばFrankot-Chelappaのアルゴリズムを用いて、図19に示すように、被測定面26の3次元形状を算出する。   As described above, the angle θ of the measured surface 26 with respect to the reference surface is obtained for all coordinates. The computing unit 38 calculates the surface shape of the measured surface 26 based on the angle θ. For example, as shown in FIG. 18, the calculation unit 38 obtains a normal vector distribution of each coordinate based on the angle θ. Further, as shown in FIG. 19, the three-dimensional shape of the measurement target surface 26 is calculated by using this normal vector distribution by using a known method, for example, Frankot-Chelappa algorithm.

上記の測定方法では、カメラ(撮像器)と参照平面とのキャリブレーションのみ行えばよく、モアレ縞を形成するロンキー格子の位置決定等を行う必要がない。したがって、従来のように、参照平面に対する複数のカメラの位置を決定するキャリブレーションや、カメラに対する液晶ディスプレイの位置を決定するキャリブレーションを行う必要がない。また、複数台のカメラを用いる場合、互いの撮像データを比較する上で、カメラ間の輝度調整等のキャリブレーションが必要となるが、上記の測定方法では、カメラは1台あれば測定可能である。したがって、カメラ間の輝度調整等のキャリブレーションが必要ない。   In the measurement method described above, only the calibration of the camera (imaging device) and the reference plane needs to be performed, and it is not necessary to determine the position of the Ronchi grating that forms the moire fringes. Therefore, unlike the prior art, there is no need to perform calibration for determining the positions of a plurality of cameras with respect to the reference plane and calibration for determining the positions of the liquid crystal display with respect to the cameras. In addition, when using a plurality of cameras, calibration such as brightness adjustment between the cameras is necessary to compare the captured image data with each other. However, in the above measurement method, measurement can be performed with only one camera. is there. Therefore, calibration such as brightness adjustment between cameras is not necessary.

なお、角度差θx-y(sk,tk)またはθx-z(sk,tk)を求める際に、演算部38は、図4に示すように、基準面における反射点と被測定面における反射点が重なっているとの仮定のもとで演算を行っている。しかし、図20に示すように、基準面126aと被測定面126bとの離間距離が大きい場合、上記の仮定のもとで演算を行うと、被測定面126bの形状測定を正確に行うことが困難になる場合がある。 When calculating the angle difference θ xy (sk, tk) or θ xz (sk, tk), the calculation unit 38 overlaps the reflection point on the reference surface and the reflection point on the surface to be measured, as shown in FIG. The calculation is performed under the assumption that However, as shown in FIG. 20, when the distance between the reference surface 126a and the measured surface 126b is large, the shape of the measured surface 126b can be accurately measured by performing the calculation under the above assumption. It can be difficult.

図20では、基準面126aを平面とし、被測定面126bを曲面としている。反射光130aの反射点は、基準面126aでは反射点132aであり、被測定面126bでは反射点134aである。反射点134aは、反射点132aに対して、図20に示すy’方向にずれた位置にある。一方、基準面における反射点と被測定面における反射点が重なっているとの仮定のもとで演算を行うと、反射点134aと反射点132aとのy’方向の位置が等しいものとして演算が行われる。つまり、反射点134aは、反射点132a下の点136aとして扱われる。同様にして、反射光130b〜130dについて、反射点134b〜134dは、それぞれ、反射点132b〜132d下の点136b〜136dとして扱われる。実際の反射点とは異なる位置の点として反射点が扱われる結果、各反射点における法線ベクトルを結んでできる形状は、被測定面とは大きく異なった形状となるおそれがある。   In FIG. 20, the reference surface 126a is a flat surface, and the measured surface 126b is a curved surface. The reflection point of the reflected light 130a is the reflection point 132a on the reference surface 126a, and the reflection point 134a on the measured surface 126b. The reflection point 134a is located at a position shifted in the y ′ direction shown in FIG. 20 with respect to the reflection point 132a. On the other hand, if the calculation is performed under the assumption that the reflection point on the reference surface and the reflection point on the surface to be measured overlap, the calculation is performed assuming that the positions of the reflection point 134a and the reflection point 132a are equal in the y ′ direction. Done. That is, the reflection point 134a is treated as the point 136a below the reflection point 132a. Similarly, for the reflected lights 130b to 130d, the reflection points 134b to 134d are treated as points 136b to 136d below the reflection points 132b to 132d, respectively. As a result of the reflection point being treated as a point at a position different from the actual reflection point, the shape formed by connecting the normal vectors at each reflection point may be significantly different from the surface to be measured.

そこで、基準面126aと被測定面126bとの距離が離れている場合などには、実際の反射点を求めるようにしてもよい。実際の反射点を求めるための構成を、図21に示す。表面形状測定装置10は、2台の撮像器120a、120bを備えている。   Therefore, when the distance between the reference surface 126a and the measured surface 126b is long, an actual reflection point may be obtained. A configuration for obtaining an actual reflection point is shown in FIG. The surface shape measuring apparatus 10 includes two imagers 120a and 120b.

ここで、撮像器120aの所定の受光素子122a1が受光した反射光130aに対応する反射点を、反射点134で表す。また、反射点134に入射するとともに反射光130aに対応する入射光を入射光138aで表す。さらに、格子素子G2の変位方向xに対する入射光138aの角度(以下、単に入射角と呼ぶ)を角度β1a、基準面126aに対する反射光130aの角度(以下、単に反射角と呼ぶ)を角度β2aで表す。 Here, a reflection point corresponding to the reflected light 130 a received by the predetermined light receiving element 122 a 1 of the imager 120 a is represented by a reflection point 134. In addition, incident light that is incident on the reflection point 134 and that corresponds to the reflected light 130a is represented by incident light 138a. Furthermore, an angle of incident light 138a (hereinafter simply referred to as an incident angle) with respect to the displacement direction x of the grating element G2 is an angle β 1a , and an angle of reflected light 130a with respect to the reference surface 126a (hereinafter simply referred to as a reflection angle) is an angle β. Represented by 2a .

また、反射点134からの反射光130bを受光した撮像器120bの受光素子を、受光素子122b1で表す。さらに、反射点134に入射するとともに反射光130bに対応する入射光を入射光138bで表す。また、入射光138bの入射角を角度β1b、反射光130bの反射角を角度β2bで表す。この場合において、図21に示すように、入射光138aと入射光138bとの成す角βMと、反射光130aと反射光130bとの成す角βCは等しくなる。 A light receiving element of the imager 120b that receives the reflected light 130b from the reflection point 134 is represented by a light receiving element 122b 1 . Further, incident light that is incident on the reflection point 134 and that corresponds to the reflected light 130b is represented by incident light 138b. Further, the incident angle of the incident light 138b is represented by an angle β 1b , and the reflection angle of the reflected light 130b is represented by an angle β 2b . In this case, as shown in FIG. 21, the angle β M formed by the incident light 138a and the incident light 138b is equal to the angle β C formed by the reflected light 130a and the reflected light 130b.

演算部38は、上記の関係を利用して、反射点134の位置を特定する。撮像器120aの所定の受光素子122a1が受光した反射光130aの反射点134の位置を特定する場合について説明する。上述したように、撮像器120aの開口角が絞られていることから、受光素子122a1に受光する反射光130aの反射角β2aは既知である。また、上述した演算を行うことで、反射光130aに対応する入射光138aの入射角β1aを求めることができる。 The calculation unit 38 specifies the position of the reflection point 134 using the above relationship. Description will be given of a case where a predetermined light-receiving element 122a 1 of the imaging device 120a to identify the position of the reflection point 134 of the reflected light 130a that is received. As described above, since the aperture angle of the imaging device 120a is narrowed, the reflection angle β 2a of the reflected light 130a received by the light receiving element 122a 1 is known. Further, by performing the above-described calculation, the incident angle β 1a of the incident light 138a corresponding to the reflected light 130a can be obtained.

さらに、演算部38は、撮像器120bの任意の受光素子122bkが受光した反射光130bの反射角β2bkと、反射光130bに対応する入射光138bの入射角β1bkを求める。次に、演算部38は、入射光138aと入射光138bの成す角βMと反射光130aと反射光130bの成す角βCを求める。具体的には、βM=β1a+β1bk、βC=β2a−β2bkとの演算を行うことで、βM、βCを求める。さらに、演算部38は、角度βMと角度βCを比較する。βM=βCであれば、反射光130aと反射光130bが同一の反射点134から反射したものと認められるから、両者の交点を求めてこれを反射点134の位置とする。βM≠βCであれば、撮像器120bの受光素子122bkを他の受光素子に変更して再度上述の演算を行う。 Further, the calculation unit 38 obtains the reflection angle β 2bk of the reflected light 130b received by the arbitrary light receiving element 122b k of the imaging device 120b and the incident angle β 1bk of the incident light 138b corresponding to the reflected light 130b. Next, the calculation unit 38 obtains an angle β M formed by the incident light 138a and the incident light 138b and an angle β C formed by the reflected light 130a and the reflected light 130b. Specifically, β M = β 1a + β 1bk, by performing calculation between β C = β 2a -β 2bk, β M, obtaining the beta C. Further, the calculation unit 38 compares the angle β M with the angle β C. If β M = β C, it is recognized that the reflected light 130a and the reflected light 130b are reflected from the same reflection point 134. Therefore, the intersection of the two is obtained and set as the position of the reflection point 134. If β M ≠ β C , the light receiving element 122b k of the imager 120b is changed to another light receiving element, and the above calculation is performed again.

反射点134を求めた後、演算部38は、反射点134とy’軸座標の等しい基準面126aの反射点132を特定する。さらに、反射点134を含む微小面と反射点132を含む微小面との角度差θを求める。なお、基準面126aがy’軸に平行な平面である場合には、反射点134に対応する基準面126aの反射点を求める工程を省略してもよい。   After obtaining the reflection point 134, the calculation unit 38 specifies the reflection point 132 of the reference surface 126a having the same y′-axis coordinate as the reflection point 134. Further, the angle difference θ between the minute surface including the reflection point 134 and the minute surface including the reflection point 132 is obtained. When the reference surface 126a is a plane parallel to the y ′ axis, the step of obtaining the reflection point of the reference surface 126a corresponding to the reflection point 134 may be omitted.

上記の実施形態によれば、曲率の大きな曲面であっても、正確にその形状を求めることが可能となる。従来の計測方法や図1における実施形態では、形状測定が可能な曲面は、曲率半径100mm以上の比較的小さな曲率をもつ曲面に限られたが、本実施形態によれば、曲率半径100mm未満の曲率をもつ曲面であっても、正確にその形状を求めることが可能となる。   According to the above embodiment, even a curved surface having a large curvature can be accurately obtained. In the conventional measurement method and the embodiment in FIG. 1, the curved surface capable of measuring the shape is limited to a curved surface having a relatively small curvature with a radius of curvature of 100 mm or more. Even a curved surface having a curvature can be obtained accurately.

なお、上述の実施形態において、角度βを求める際に、輝度I(s0,t0,x0)・・・I(sn,tn,xmax)の各値を補正処理してもよい。図22上段に示すように、格子素子G2の移動ピッチΔxが大きい値の場合、輝度変化のプロットは離散的なものとなり、極小値や極大値を正確に検出することが困難な場合がある。この場合、輝度変化の周期Lを正確に求めることができず、正確な角度βを算出することが困難となるおそれがある。その一方で、移動ピッチΔxを小さくすると、測定時間が増大するという別の課題が生じる。そこで、移動ピッチΔxを小さくせずに角度βの算出が可能となるように、輝度データに対してヒルベルト変換を行うことが好適である。 In the above-described embodiment, when obtaining the angle β, each value of the luminance I (s0, t0, x0)... I (sn, tn, xmax ) may be corrected. As shown in the upper part of FIG. 22, when the moving pitch Δx of the lattice element G2 is a large value, the luminance change plot is discrete, and it may be difficult to accurately detect the minimum value or the maximum value. In this case, the luminance change period L cannot be obtained accurately, and it may be difficult to calculate the accurate angle β. On the other hand, when the movement pitch Δx is reduced, another problem that the measurement time increases is caused. Therefore, it is preferable to perform Hilbert transform on the luminance data so that the angle β can be calculated without reducing the movement pitch Δx.

任意の座標(sk,tk)における輝度I(x)をヒルベルト変換すると、下記数式(5)のように、当該輝度変化の位相φを求めることができる。   When the luminance I (x) at an arbitrary coordinate (sk, tk) is subjected to Hilbert transform, the phase φ of the luminance change can be obtained as in the following formula (5).

数式(5)において、Hはヒルベルト変換の演算子、Imは虚数部を示す。数式(5)によって変換された輝度I(x)の位相変化のグラフを図22下段に示す。このグラフでは、縦軸を位相とし、横軸を格子素子G1に対するG2の変位xとしている。また、このグラフでは、位相が2πを超えたときに0に戻さずにそのまま値を加算している。図22下段のグラフにおいて、各プロットを結ぶ線は一次関数に近似することができる。ここで、位相が0から2πまで変化したとき、xの変化量は周期Lに等しい。つまり、近似された一次関数の傾きをξとすると、ξ×L=2πとなる。また、数式(1)より、L=Λ/tanβであるから、上記数式は下記数式(6)のように表すことができる。   In Equation (5), H represents an Hilbert transform operator, and Im represents an imaginary part. A graph of the phase change of the luminance I (x) converted by the equation (5) is shown in the lower part of FIG. In this graph, the vertical axis is the phase, and the horizontal axis is the displacement x of G2 with respect to the lattice element G1. In this graph, the value is added as it is without returning to 0 when the phase exceeds 2π. In the lower graph of FIG. 22, the line connecting the plots can be approximated to a linear function. Here, when the phase changes from 0 to 2π, the amount of change of x is equal to the period L. That is, if the slope of the approximated linear function is ξ, ξ × L = 2π. Further, from the formula (1), since L = Λ / tan β, the above formula can be expressed as the following formula (6).

上述したように、格子ピッチΛは既知であるから、ヒルベルト変換によって求めた直線の傾きξを上記数式(6)に代入することで角度βを求めることが可能となる。   As described above, since the lattice pitch Λ is known, the angle β can be obtained by substituting the slope ξ of the straight line obtained by the Hilbert transform into the above equation (6).

また、以下に説明するように、格子素子G1と格子素子G2との間隔が開くに従って、撮像器20が受光する輝度の振幅が減衰する。したがって、振幅の減衰傾向を考慮して、格子素子G1とG2の間隔の変化範囲を定めることが好適である。   Further, as will be described below, the amplitude of the luminance received by the image pickup device 20 is attenuated as the distance between the grid element G1 and the grid element G2 increases. Therefore, it is preferable to determine the change range of the interval between the lattice elements G1 and G2 in consideration of the attenuation tendency of the amplitude.

図2に示したように、受光素子34には、開口角γの範囲で種々の入射角の光線が入射される。つまり、受光素子34の輝度は、これらの光線の輝度の重ね合わせとなる。図23に示すように、入射角の違いから、これらの光線にはわずかな位相差がある。以下に示すように、格子素子G1と格子素子G2との間隔が大きくなるにつれて、この位相差の影響は大きくなり、輝度の振幅が減衰する。   As shown in FIG. 2, light beams having various incident angles are incident on the light receiving element 34 in the range of the opening angle γ. That is, the luminance of the light receiving element 34 is a superposition of the luminances of these rays. As shown in FIG. 23, these light beams have a slight phase difference due to the difference in incident angles. As will be described below, as the distance between the grating element G1 and the grating element G2 increases, the influence of this phase difference increases, and the luminance amplitude attenuates.

受光素子34に結像される光の強度(輝度)は、下記数式(7)のように表すことができる。   The intensity (luminance) of the light imaged on the light receiving element 34 can be expressed as the following formula (7).

ここで、β>>φ、φ≒0とすると、tan(β+φ)は下記数式(8)のように表すことができる。   Here, when β >> φ and φ≈0, tan (β + φ) can be expressed as the following formula (8).

数式(8)を数式(7)に代入すると、数式(9)が得られる   Substituting equation (8) into equation (7) yields equation (9).

数式(9)の強度(輝度)波形を図24に示す。なお、図24のグラフでは、格子素子G1の位置を原点とし、格子素子G1に対する格子素子G2の変位をxで表している。強度の振幅は、格子素子G1とG2の間隔が離れるにしたがって減衰する。強度の振幅が0になる位置xDは、数式(9)のsin項が0になる位置であることから、πγX/Λ=π/2より、xD=Λ/2γとなる。このことから、格子素子G1とG2との間隔の変化範囲は、xD=Λ/2γ以下の範囲を含むように設定することが好適である。 The intensity (luminance) waveform of Equation (9) is shown in FIG. In the graph of FIG. 24, the position of the lattice element G1 is the origin, and the displacement of the lattice element G2 relative to the lattice element G1 is represented by x. The amplitude of intensity attenuates as the distance between the grating elements G1 and G2 increases. The position x D where the amplitude of the intensity becomes 0 is a position where the sin term of the formula (9) becomes 0, so that x D = Λ / 2γ from πγX / Λ = π / 2. For this reason, it is preferable to set the change range of the interval between the lattice elements G1 and G2 so as to include a range of x D = Λ / 2γ or less.

なお、上述の実施の形態においては、格子素子Gとして一次元格子を用いていたが、この形態に限られない。例えば、図25に示すように、平行線が縦横(Y軸方向及びZ軸方向)に延びる二次元格子28c、28dが設けられた格子素子G10、G12を用いてもよい。ここで、縦方向(Z軸方向)の平行線のピッチΛ1と、横方向(Y方向)の平行線のピッチΛ2は異なっていることが好ましい。この形態において、輝度変化は縦方向パターンと横方向パターンの両者の影響を受けたものとなる。ここで、各ピッチの違いから、縦方向パターンによる輝度変化と横方向パターンによる輝度変化の周期は異なったものとなる。そこで、輝度変化のデータをフーリエ変換によって周波数別に分離することで、縦方向パターンによる輝度変化と、横方向パターンによる輝度変化とを分離することが可能となる。   In the above-described embodiment, a one-dimensional lattice is used as the lattice element G. However, the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. 25, lattice elements G10 and G12 provided with two-dimensional lattices 28c and 28d in which parallel lines extend vertically and horizontally (Y-axis direction and Z-axis direction) may be used. Here, the pitch Λ1 of the parallel lines in the vertical direction (Z-axis direction) is preferably different from the pitch Λ2 of the parallel lines in the horizontal direction (Y direction). In this embodiment, the luminance change is affected by both the vertical pattern and the horizontal pattern. Here, due to the difference in pitch, the luminance change period due to the vertical pattern and the luminance change period due to the horizontal pattern are different. Therefore, by separating the brightness change data by frequency by Fourier transform, it is possible to separate the brightness change due to the vertical pattern and the brightness change due to the horizontal pattern.

また、上述の実施の形態においては、複数枚の格子素子Gを用いていたが、この形態に限られない。例えば、図26に示すように、反射鏡46を用いることで一枚の格子素子Gでも被測定面26にモアレ縞を投影することが可能となる。すなわち、光源12からの光を反射鏡46に反射させて被測定面26にその反射光を照射するように光源12、被測定面26、反射鏡46を配置する。次に、光源12と反射鏡46との間の光路上及び反射鏡46と被測定面26との間の光路上に一枚の格子素子Gを配置する。このとき、光源12から出力された光は格子素子Gを通過した後に反射鏡46によって反射される。さらに反射鏡46に反射された光は再び格子素子Gを通過して被測定面26に至る。光源12から出力された光は2回格子素子Gを通過することとなり、1回目に通過する格子素子Gと2回目に通過する格子素子Gとの格子パターンのずれによるモアレ縞が被測定面26に投影される。さらに、格子素子Gを反射鏡46に対して移動させることで、1回目に通過する格子素子Gと2回目に通過する格子素子Gとの間の光路上の距離が変更される。この変更に伴って撮像器20によって受光される反射光の輝度が変化する。後は上述の実施形態と同様に、輝度変化に基づけば、被測定面26と基準面との角度差θを求めることができる。   In the above-described embodiment, a plurality of lattice elements G are used. However, the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. 26, it is possible to project moire fringes on the measured surface 26 even with a single grating element G by using a reflecting mirror 46. That is, the light source 12, the measured surface 26, and the reflecting mirror 46 are arranged so that the light from the light source 12 is reflected by the reflecting mirror 46 and the reflected light is irradiated on the measured surface 26. Next, a single grating element G is disposed on the optical path between the light source 12 and the reflecting mirror 46 and on the optical path between the reflecting mirror 46 and the surface to be measured 26. At this time, the light output from the light source 12 is reflected by the reflecting mirror 46 after passing through the lattice element G. Further, the light reflected by the reflecting mirror 46 passes through the grating element G again and reaches the measurement surface 26. The light output from the light source 12 passes through the grating element G twice, and moire fringes due to the deviation of the grating pattern between the grating element G passing through the first time and the grating element G passing through the second time are measured surface 26. Projected on. Furthermore, by moving the grating element G with respect to the reflecting mirror 46, the distance on the optical path between the grating element G passing through the first time and the grating element G passing through the second time is changed. With this change, the brightness of the reflected light received by the imager 20 changes. Thereafter, similarly to the above-described embodiment, the angle difference θ between the measured surface 26 and the reference surface can be obtained based on the luminance change.

また、上述の実施の形態においては、例えば図12〜図16に示したように、格子素子G1及びG2の格子パターンをZ軸に平行となるように配置した後に、格子素子G2を変位させ、その後、格子素子G1及びG2を90°回転させて、Y軸に平行となるように配置変更させてから、再度格子素子G2を変位させていたが、この場合に限らない。例えば、格子パターンがZ軸に平行な複数の格子素子と、格子パターンがY軸に平行な複数の格子素子を、同一の光路上に並べるようにしてもよい。   In the above-described embodiment, for example, as shown in FIGS. 12 to 16, after the lattice patterns of the lattice elements G1 and G2 are arranged so as to be parallel to the Z axis, the lattice element G2 is displaced, Thereafter, the lattice elements G1 and G2 are rotated by 90 ° and rearranged so as to be parallel to the Y axis, and then the lattice element G2 is displaced again. However, this is not a limitation. For example, a plurality of lattice elements whose lattice pattern is parallel to the Z axis and a plurality of lattice elements whose lattice pattern is parallel to the Y axis may be arranged on the same optical path.

図27には、上述の実施形態にて例示した格子素子G1、G2に加えて、格子素子G3、G4が例示されている。格子素子G3、G4は、格子素子G1、G2とともに、光源12から被測定面26に至る光路上に配置されている。格子素子G3及びG4の格子28c及び28dのパターンは、格子素子G1及びG2の格子28a及び28bの平行線パターンと同一のパターンを直交させたものであってよい。また、格子28a〜28dの各パターンのピッチは同一であってもよいし、異なるものあってもよい。   FIG. 27 illustrates lattice elements G3 and G4 in addition to the lattice elements G1 and G2 illustrated in the above embodiment. The grating elements G3 and G4 are arranged on the optical path from the light source 12 to the measured surface 26 together with the grating elements G1 and G2. The patterns of the lattices 28c and 28d of the lattice elements G3 and G4 may be the same pattern as the parallel line pattern of the lattices 28a and 28b of the lattice elements G1 and G2. Moreover, the pitch of each pattern of the grating | lattices 28a-28d may be the same, and may differ.

格子素子G3、G4は、格子素子用ステージ216に固定されてよい。格子素子G3、G4の一方が、格子素子用ステージ216の固定ステージ230に固定されてよく、また、他方が移動ステージ232に固定されてよい。また、移動ステージ232の移動方向は、移動ステージ32の移動方向と同一であってよい。   The lattice elements G3 and G4 may be fixed to the lattice element stage 216. One of the lattice elements G 3 and G 4 may be fixed to the fixed stage 230 of the lattice element stage 216, and the other may be fixed to the moving stage 232. Further, the moving direction of the moving stage 232 may be the same as the moving direction of the moving stage 32.

各格子素子G1〜G4のそれぞれの間隔は、以下のようにすることが好適である。すなわち、格子素子G1及びG2の組(以下、縦縞の組と呼ぶ)と格子素子G3及びG4の組(以下、横縞の組と呼ぶ)同士を、XD(=Λ/2γ)より離間させる。加えて、縦縞の組と横縞の組の一方の格子素子同士の間隔を、XD以下とするとともに、他方の組の格子素子同士の間隔を、XDより離間させる。 The intervals between the lattice elements G1 to G4 are preferably as follows. That is, a set of lattice elements G1 and G2 (hereinafter referred to as a set of vertical stripes) and a set of lattice elements G3 and G4 (hereinafter referred to as a set of horizontal stripes) are separated from X D (= Λ / 2γ). In addition, the distance between one lattice element of the set of vertical stripes and the set of horizontal stripes is set to X D or less, and the distance between the lattice elements of the other set is separated from X D.

上述したように、格子素子同士の間隔がXDより離れている場合に、その格子素子同士の相対位置を変化させても、それによる反射光輝度の振幅は0になる。したがって、複数の格子素子が同一の光路上に並んでいても、それらの間隔がXDより離れていれば、これらの格子素子同士を変位させても、基本的にはそれによって反射光輝度は変化しない。 As described above, when the spacing between the grid elements are separated from X D, also by changing the relative position of the grating element to each other, it becomes zero amplitude of the reflected light intensity caused thereby. Thus, even a plurality of grating elements are lined in the same optical path, if their spacing is away from the X D, it is displaced these lattice elements among, basically whereby reflected light luminance It does not change.

この特性を活かして、格子素子G1、G2の間隔がXD以下であるときには、格子素子G1及びG2に対する格子素子G3及びG4の間隔を、XDより大きなものとする。また、格子素子G3とG4との間隔も、XDより大きなものとする。この状態で格子素子G1、G2の間隔をXD以内の範囲で変更させれば、格子素子G3及びG4の影響を受けずに、格子素子G1及びG2の間隔変更による反射光輝度の変化を測定することができる。 Taking advantage of this characteristic, when the interval between the lattice elements G1 and G2 is equal to or less than X D , the interval between the lattice elements G3 and G4 with respect to the lattice elements G1 and G2 is made larger than X D. The distance between the grating elements G3 and G4 also a larger than X D. If ask the spacing of the grating elements G1, G2 in this state is changed within a range of X D, without being affected by the grating element G3 and G4, measuring changes in the reflected light intensity due to distance changes of the grid elements G1 and G2 can do.

さらに、格子素子G3、G4の間隔がXD以下であるときには、格子素子G3及びG4に対する格子素子G1及びG2の間隔をXDより大きなものとする。また、格子素子G1とG2との間隔も、XDより大きなものとする。この状態で格子素子G3、G4の間隔をXD以内の範囲で変更させれば、格子素子G1及びG2の影響を受けずに、格子素子G3及びG4の間隔変更による反射光輝度の変化を測定することができる。 Further, when the interval between the lattice elements G3 and G4 is X D or less, the interval between the lattice elements G1 and G2 with respect to the lattice elements G3 and G4 is set to be larger than X D. The distance between the grating elements G1 and G2 are also a larger than X D. If ask the spacing of the grating elements G3, G4 in this state is changed within a range of X D, without being affected by the grating element G1 and G2, measuring changes in the reflected light intensity due to distance changes of the grid elements G3 and G4 can do.

例えば、図28のように、格子素子G1〜G4を配置してもよい。図28では、被測定面26から光源12に向かって格子素子G1〜G4を見たときの図が例示されている。また、変位させる格子素子を、格子素子G2及びG4としている。また、格子素子G1及びG2の間隔変更による反射光輝度の変化を求めた後に、格子素子G3及びG4の間隔変更による反射光輝度の変化を求めるものとする。また、格子素子G2の変位幅をd1とする。   For example, lattice elements G1 to G4 may be arranged as shown in FIG. FIG. 28 illustrates a diagram when the lattice elements G <b> 1 to G <b> 4 are viewed from the measured surface 26 toward the light source 12. The lattice elements to be displaced are lattice elements G2 and G4. In addition, after obtaining a change in reflected light luminance due to a change in the spacing between the grating elements G1 and G2, a change in reflected light luminance due to a change in the spacing between the grating elements G3 and G4 is obtained. The displacement width of the lattice element G2 is d1.

格子素子G1と格子素子G2の間隔の初期値は、XD−d1以下となるように設定されている。また、格子素子G2と格子素子G3の間隔の初期値は、XD+d1を超過するように設定されている。さらに、格子素子G3と格子素子G4との間隔の初期値は、XDを超過するように設定されている。 The initial value of the interval between the grid element G1 and the grid element G2 is set to be X D −d1 or less. The initial value of the interval between the lattice element G2 and the lattice element G3 is set so as to exceed X D + d1. Furthermore, the initial value of the distance between the grating elements G3 and grating element G4 is set to exceed X D.

格子素子G2を、格子素子G1から離間する方向にd1分移動させる。格子素子G2の移動の際に、受光素子34に反射光を受光させるとともに、情報処理器22にその輝度変化を測定させる。このとき、格子素子G2と格子素子G3とはXD+d1より離れているから、格子素子G2がd1分移動しても、反射光輝度の変化測定に際して格子素子G3の影響は排除される。また、格子素子G4は格子素子G3とXD以上離れているので、格子素子G4の影響も排除される。 The lattice element G2 is moved by d1 in a direction away from the lattice element G1. When the grating element G2 moves, the light receiving element 34 receives the reflected light and the information processor 22 measures the change in luminance. At this time, since the grating element G2 and the grating element G3 are separated from X D + d1, even if the grating element G2 moves by d1, the influence of the grating element G3 is excluded when measuring the change in reflected light luminance. Further, since the lattice element G4 is separated from the lattice element G3 by XD or more, the influence of the lattice element G4 is also eliminated.

格子素子G2をd1変位させた後に、格子素子G3を格子素子G4側に移動させる。格子素子G3の移動の際に、受光素子34に反射光を受光させるとともに、情報処理器22にその輝度変化を測定させる。このとき、格子素子G2と格子素子G3とはXDより離れているので、格子素子G2の影響は排除される。また、格子素子G1は格子素子G2とXD+d1以上離れているので、格子素子G1の影響も排除される。 After the lattice element G2 is displaced by d1, the lattice element G3 is moved to the lattice element G4 side. When the lattice element G3 moves, the light receiving element 34 receives the reflected light and the information processor 22 measures the change in luminance. At this time, since apart from the X D is the grating element G2 and the lattice element G3, the influence of the grating element G2 is eliminated. Further, since the lattice element G1 is separated from the lattice element G2 by X D + d1 or more, the influence of the lattice element G1 is also eliminated.

格子素子G1及びG2の変位に基づく反射光輝度の変化に基づけば、図12及び図15のフローにて示されるように、X−Y断面における、基準面と被測定面26との角度差θx-yを求めることができる。同様に、格子素子G3及びG4の変位に基づく反射光輝度の変化に基づけば、図14及び図16のフローにて示されるように、X−Z断面における、基準面と被測定面26との角度差θx-zを求めることができる。 Based on the change in reflected light luminance based on the displacement of the grating elements G1 and G2, as shown in the flow of FIGS. 12 and 15, the angle difference θ between the reference surface and the measured surface 26 in the XY cross section. xy can be determined. Similarly, based on the change in the reflected light luminance based on the displacement of the grating elements G3 and G4, as shown in the flow of FIGS. 14 and 16, the reference plane and the measured surface 26 in the XZ section are shown. The angle difference θ xz can be obtained.

10 表面形状測定装置、12 光源、16 格子素子用ステージ、18 測定対象物用ステージ、20 撮像器、22 情報処理器、24 測定対象物、26 被測定面、28 格子、30 固定ステージ、32 移動ステージ、34 受光素子、36 記憶部、38 演算部、40 受光面、42 入射光、43 反射光、44 絞り、46 反射鏡、G 格子素子。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Surface shape measuring apparatus, 12 Light source, 16 Grating element stage, 18 Measuring object stage, 20 Imaging device, 22 Information processing device, 24 Measuring object, 26 Surface to be measured, 28 Lattice, 30 Fixed stage, 32 Movement Stage, 34 Light receiving element, 36 Storage part, 38 Operation part, 40 Light receiving surface, 42 Incident light, 43 Reflected light, 44 Aperture, 46 Reflecting mirror, G Grating element.

Claims (16)

被測定面に光を照射する光源と、
前記被測定面からの反射光を受光する受光器と、
前記光源と前記被測定面との間の光路上に設けられ、第1格子を有する第1光学素子と、
前記光源と前記被測定面との間の光路上に設けられ、第2格子を有する第2光学素子と、
前記第1光学素子が第1位置、前記第2光学素子が第2位置の場合における前記受光器の受光輝度を第1輝度として取得する第1取得手段と、
前記第1光学素子が第3位置、前記第2光学素子が第4位置の場合における前記受光器の受光輝度を第2輝度として取得する第2取得手段と、
前記第1格子、前記第2格子、前記第1輝度、前記第2輝度、前記第1位置、前記第2位置、前記第3位置及び前記第4位置に基づき、前記被測定面の角度を算出する演算部と、
を備え、
前記第1位置から前記第2位置までの距離は、前記第3位置から前記第4位置までの距離よりも小さい、表面形状測定装置。
A light source that irradiates the surface to be measured with light;
A light receiver for receiving reflected light from the surface to be measured;
A first optical element provided on an optical path between the light source and the surface to be measured and having a first grating;
A second optical element provided on an optical path between the light source and the surface to be measured and having a second grating;
First acquisition means for acquiring, as the first luminance, the light reception luminance of the light receiver when the first optical element is in the first position and the second optical element is in the second position;
Second acquisition means for acquiring the light reception luminance of the light receiver as the second luminance when the first optical element is in the third position and the second optical element is in the fourth position;
The angle of the measured surface is calculated based on the first grid, the second grid, the first brightness, the second brightness, the first position, the second position, the third position, and the fourth position. An arithmetic unit to perform,
With
The surface shape measuring apparatus, wherein a distance from the first position to the second position is smaller than a distance from the third position to the fourth position.
前記第1位置から前記第2位置までの距離は第1距離であり、
前記第3位置から前記第4位置までの距離は第2距離であり、
前記第1格子は、第1ピッチで平行線が配列された一次元格子であり、
前記第2格子は、第2ピッチで平行線が配列された一次元格子であり、
前記第1格子は前記第2格子と平行であり、
前記演算部は、前記第1ピッチ、前記第2ピッチ、前記第1距離及び前記第2距離に基づき、前記被測定面の角度を算出する、
請求項1記載の表面形状測定装置。
A distance from the first position to the second position is a first distance;
A distance from the third position to the fourth position is a second distance;
The first grating is a one-dimensional grating in which parallel lines are arranged at a first pitch;
The second grating is a one-dimensional grating in which parallel lines are arranged at a second pitch,
The first grating is parallel to the second grating;
The computing unit calculates an angle of the surface to be measured based on the first pitch, the second pitch, the first distance, and the second distance;
The surface shape measuring apparatus according to claim 1.
前記光源と前記被測定面との間の光路上に設けられ、第3ピッチで前記第1格子と直交する平行線が配列された第3格子を有する第3光学素子と、
前記光源と前記被測定面との間の光路上に設けられ、第4ピッチで前記第2格子と直交する平行線が配列された第4格子を有する第4光学素子と、
前記第3光学素子が第5位置、前記第4光学素子が第6位置の場合における前記受光器の受光輝度を第3輝度として取得する第3取得手段と、
前記第3光学素子が第7位置、前記第4光学素子が第8位置の場合における前記受光器の受光輝度を第4輝度として取得する第4取得手段と、
を備え、
前記演算部は、前記第3格子、前記第4格子、前記第3輝度、前記第4輝度、前記第5位置、前記第6位置、前記第7位置及び前記第8位置に基づき、前記被測定面の角度を算出し、
前記第5位置から前記第6位置までの距離は、前記第7位置から前記第8位置までの距離よりも大きい、請求項2記載の表面形状測定装置。
A third optical element having a third grating provided on an optical path between the light source and the surface to be measured and arranged with parallel lines orthogonal to the first grating at a third pitch;
A fourth optical element having a fourth grating provided on an optical path between the light source and the surface to be measured and arranged with parallel lines orthogonal to the second grating at a fourth pitch;
Third acquisition means for acquiring the light reception luminance of the light receiver as the third luminance when the third optical element is in the fifth position and the fourth optical element is in the sixth position;
Fourth acquisition means for acquiring the light reception luminance of the light receiver as the fourth luminance when the third optical element is in the seventh position and the fourth optical element is in the eighth position;
With
The computing unit is configured to measure the measurement target based on the third grid, the fourth grid, the third brightness, the fourth brightness, the fifth position, the sixth position, the seventh position, and the eighth position. Calculate the angle of the face,
The surface shape measuring apparatus according to claim 2, wherein a distance from the fifth position to the sixth position is larger than a distance from the seventh position to the eighth position.
前記第1位置から、前記第5位置、前記第6位置、前記第7位置及び前記第8位置までの距離は、それぞれ、前記光路上を移動する格子のピッチΛと前記受光器の開口角γを用いた値Λ/2γよりも大きく、
前記第8位置から、前記第1位置、前記第2位置、前記第3位置及び前記第4位置までの距離は、それぞれ前記値Λ/2γよりも大きい、
請求項3記載の表面形状測定装置。
The distances from the first position to the fifth position, the sixth position, the seventh position, and the eighth position are the pitch Λ of the grating moving on the optical path and the aperture angle γ of the light receiver, respectively. Is greater than the value Λ / 2γ using
The distances from the eighth position to the first position, the second position, the third position, and the fourth position are each greater than the value Λ / 2γ,
The surface shape measuring apparatus according to claim 3.
前記第1光学素子が第9位置、前記第2光学素子が第10位置の場合における前記受光器の受光輝度を第5輝度として取得する第3取得手段と、
前記第1光学素子が第11位置、前記第2光学素子が第12位置の場合における前記受光器の受光輝度を第6輝度として取得する第4取得手段と、
を備え、
前記第9位置は、前記第1位置から前記第1格子の平行線と直交する方向に位置しており、
前記第10位置は、前記第2位置から前記第2格子の平行線と直交する方向に位置しており、
前記第11位置は、前記第3位置から前記第1格子の平行線と直交する方向に位置しており、
前記第12位置は、前記第4位置から前記第2格子の平行線と直交する方向に位置している、
請求項2乃至4のいずれかに記載の表面形状測定装置。
Third acquisition means for acquiring the received light luminance of the light receiver as the fifth luminance when the first optical element is at the ninth position and the second optical element is at the tenth position;
Fourth acquisition means for acquiring the received light luminance of the light receiver as the sixth luminance when the first optical element is in the eleventh position and the second optical element is in the twelfth position;
With
The ninth position is located in a direction perpendicular to the parallel lines of the first grating from the first position;
The tenth position is located in a direction perpendicular to the parallel lines of the second grating from the second position,
The eleventh position is located in a direction perpendicular to the parallel lines of the first grating from the third position,
The twelfth position is located in a direction perpendicular to the parallel lines of the second grating from the fourth position.
The surface shape measuring apparatus according to claim 2.
被測定面に光を照射する光源と、
被測定面からの反射光を受光する受光器と、
前記光源と前記被測定面との間の光路上に設けられ、第1格子を有する第1光学素子と、
前記光源と前記被測定面との間の光路上に設けられ、第2格子を有する第2光学素子と、
前記第1光学素子から前記第2光学素子までの距離を変化させる変位手段と、
前記第1光学素子から前記第2光学素子までの複数の距離に対応している、前記受光器の複数の受光輝度を、取得する5取得手段と、
前記第1格子、前記第2格子、前記第5取得手段により取得された受光輝度の前記距離に対する変化周期に基づき、前記被測定面の角度を算出する演算部と、
を備える、表面形状測定装置。
A light source that irradiates the surface to be measured with light;
A receiver that receives the reflected light from the surface to be measured;
A first optical element provided on an optical path between the light source and the surface to be measured and having a first grating;
A second optical element provided on an optical path between the light source and the surface to be measured and having a second grating;
Displacement means for changing a distance from the first optical element to the second optical element;
5 acquisition means for acquiring a plurality of received light luminances of the light receiver corresponding to a plurality of distances from the first optical element to the second optical element;
A calculation unit that calculates an angle of the surface to be measured based on a change period of the light reception luminance acquired by the first grating, the second grating, and the fifth acquisition unit with respect to the distance;
A surface shape measuring device.
前記第1格子は、第1ピッチで平行線が配列された一次元格子であり、
前記第2格子は、第2ピッチで平行線が配列された一次元格子であり、
前記第1格子は前記第2格子と平行であり、前記演算部は、前記第1ピッチ、前記第2ピッチに基づき、前記被測定面の角度を算出する、
請求項6記載の表面形状測定装置。
The first grating is a one-dimensional grating in which parallel lines are arranged at a first pitch;
The second grating is a one-dimensional grating in which parallel lines are arranged at a second pitch,
The first grating is parallel to the second grating, and the calculation unit calculates an angle of the surface to be measured based on the first pitch and the second pitch.
The surface shape measuring apparatus according to claim 6.
前記光源と前記被測定面との間の光路上に設けられ、第3ピッチで前記第1格子と直交する平行線が配列された第3格子を有する第3光学素子と、
前記光源と前記被測定面との間の光路上に設けられ、第4ピッチで前記第2格子と直交する平行線が配列された第4格子を有する第4光学素子と、
前記第3光学素子から前記第4光学素子までの距離を変化させる変位手段と、
前記受光器から、前記第1光学素子から前記第2光学素子までの複数の距離に対応している複数の受光輝度を取得する第6取得手段と、
を備え、
前記演算部は、前記第3格子、前記第4格子、前記第6取得手段により取得された受光輝度の前記距離に対する変化周期に基づき、前記被測定面の角度を算出する、
請求項7記載の表面形状測定装置。
A third optical element having a third grating provided on an optical path between the light source and the surface to be measured and arranged with parallel lines orthogonal to the first grating at a third pitch;
A fourth optical element having a fourth grating provided on an optical path between the light source and the surface to be measured and arranged with parallel lines orthogonal to the second grating at a fourth pitch;
Displacement means for changing a distance from the third optical element to the fourth optical element;
Sixth acquisition means for acquiring a plurality of received light luminances corresponding to a plurality of distances from the first optical element to the second optical element from the light receiver;
With
The calculation unit calculates an angle of the surface to be measured based on a change period of the light reception luminance acquired by the third grating, the fourth grating, and the sixth acquisition unit with respect to the distance.
The surface shape measuring apparatus according to claim 7.
前記第5取得手段は、前記第1光学素子から前記第3光学素子及び前記第4光学素子までの距離が、それぞれ、前記光路上を移動する格子のピッチΛと前記受光器の開口角γを用いた値Λ/2γよりも大きい場合に、受光輝度を取得し、
前記第6取得手段は、前記第4光学素子から前記第1光学素子及び前記第2光学素子までの距離が、それぞれ前記値Λ/2γよりも大きい場合に、受光輝度を取得する、
請求項8記載の表面形状測定装置。
The fifth acquisition means is configured so that the distances from the first optical element to the third optical element and the fourth optical element are the pitch Λ of the grating moving on the optical path and the aperture angle γ of the light receiver, respectively. When it is larger than the used value Λ / 2γ, the received light intensity is obtained,
The sixth acquisition means acquires the received light brightness when the distances from the fourth optical element to the first optical element and the second optical element are each greater than the value Λ / 2γ;
The surface shape measuring apparatus according to claim 8.
前記第2光学素子は、前記第3光学素子と隣り合って配置されている請求項3、4、8、または9のいずれかに記載の表面形状測定装置。   The surface shape measuring apparatus according to claim 3, wherein the second optical element is disposed adjacent to the third optical element. 前記第1光学素子から前記第2光学素子までの距離は、前記受光器の開口角γ及び前記格子のピッチΛを用いた値Λ/2γ以下である、
請求項1乃至10のいずれか記載の表面形状測定装置。
The distance from the first optical element to the second optical element is not more than a value Λ / 2γ using an aperture angle γ of the light receiver and a pitch Λ of the grating,
The surface shape measuring apparatus according to claim 1.
前記第3光学素子から前記第4光学素子までの距離は、前記受光器の開口角γ及び前記格子のピッチΛを用いた値Λ/2γ以下である、
請求項3、4、8または9のいずれか記載の表面形状測定装置。
The distance from the third optical element to the fourth optical element is not more than a value Λ / 2γ using an aperture angle γ of the light receiver and a pitch Λ of the grating,
The surface shape measuring device according to claim 3, 4, 8 or 9.
前記第1ピッチは前記第2ピッチと等しい、請求項請求項2、3、4、7、8、または9のいずれかに記載の表面形状測定装置。   The surface shape measuring apparatus according to claim 2, wherein the first pitch is equal to the second pitch. 前記第3ピッチは前記第1ピッチと等しく、前記第3ピッチは前記第4ピッチと等しい、請求項3、4、8、または9のいずれか記載の表面形状測定装置。   The surface shape measuring apparatus according to claim 3, wherein the third pitch is equal to the first pitch, and the third pitch is equal to the fourth pitch. 前記受光器の開口角γは、10mrad以下である、請求項1乃至14のいずれかに記載の表面形状測定装置。   The surface shape measuring apparatus according to claim 1, wherein an aperture angle γ of the light receiver is 10 mrad or less. 前記受光器は、第1受光器及び第2受光器を含み、
前記演算部は、前記第1受光器及び第2受光器の受光輝度に基づき前記被測定面の角度を算出する、請求項1乃至15のいずれか記載の表面形状測定装置。
The light receiver includes a first light receiver and a second light receiver,
The surface shape measurement apparatus according to claim 1, wherein the calculation unit calculates an angle of the surface to be measured based on light reception luminance of the first light receiver and the second light receiver.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN107339952A (en) * 2017-07-28 2017-11-10 厦门思泰克智能科技股份有限公司 A kind of three-dimensional measuring apparatus of each three direction projection of two groups of height

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