JP2013228263A - 白色干渉計、画像処理方法及び画像処理プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】干渉縞の影響を受けずに画像測定に有効な画像を生成することが可能な白色干渉計、画像処理方法及び画像処理プログラムを提供する。
【解決手段】白色干渉計は、広帯域スペクトルを有する光源と、この光源からの光を被測定対象と参照面とに導くと共に、被測定対象及び参照面から反射された光を合成し、これらの光路長差によって変化する被測定対象の測定面内の各測定位置に対応した干渉光強度を示す画像を生成する光学系と、光学系から出力される画像の各測定位置における干渉光強度を示す干渉光強度情報からなる干渉光強度列に基づいて測定対象の各測定位置における光軸方向の位置を求める演算手段とを備える。演算手段は、干渉光強度列のピーク値を含む所定範囲の干渉光強度情報から平均的輝度情報を算出し、算出された平均的輝度情報を測定面内の全ての測定位置について求めて測定画像情報を生成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、広帯域スペクトルを有する光源から測定面に対して照射された光と参照面に対して照射された光の干渉強度によって測定面の位置を測定する白色干渉計と、それに使用される画像処理方法及び画像処理プログラムに関する。

従来、光学系を用いて非接触で被測定物の三次元形状を測定する種々の形状測定装置が知られている。例えば、マイクロマシンやＬＳＩ等の微細な被測定物の三次元計測が可能な形状測定装置としては、白色干渉計が知られている。この白色干渉計は、白色光源から被測定物に照射され、被測定物から反射された白色光と、白色光源から参照面に照射され、参照面から反射された白色光とを干渉させると共に、光源から被測定物までの距離又は光源から参照面までの距離を光軸方向に移動させて干渉光強度を測定し、この干渉光強度の振幅ピーク値が得られる被測定物又は参照面の位置に基づいて被測定物の光軸方向の高さを計測するものである（特許文献１）。

国際公開２００６−０６８２１７号

この様な白色干渉計では、干渉光を受光する撮像装置の測定面内の各画素の撮像素子で受光された干渉光強度列によって測定面内の各画素に対応した位置毎に被測定物の光軸方向の高さが測定される。このため、被測定物に対する光軸方向走査の各段階での画像情報を単独で用いてエッジ検出等の画像測定を行うことはなされていない。また、この種の白色干渉計では、光軸方向走査の各段階での画像情報に干渉縞が生じてしまう。従って、従来の白色干渉計においては、光学系によって生じる画像の歪み等を補正するためのキャリブレーションパターンを撮像しても、干渉縞が現れてしまうために正確なエッジ検出ができず、キャリブレーションが困難であるという問題がある。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、干渉縞の影響を受けずに画像測定に有効な画像を生成することが可能な白色干渉計、画像処理方法及び画像処理プログラムを提供することを目的とする。

本発明に係る白色干渉計は、広帯域スペクトルを有する光源と、この光源からの光を被測定対象と参照面とに導くと共に、被測定対象及び参照面から反射された光を合成し、光源から被測定対象までの第１光路長と光源から参照面までの第２光路長との光路長差によって変化する被測定対象の測定面内の各測定位置に対応した干渉光強度を示す干渉光強度分布画像を生成する光学系と、光学系から出力される干渉光強度分布画像を撮像する撮像手段と、第１光路長と第２光路長の光路長差を変化させる光路長差変更手段と、撮像手段で撮像され光路長差の変化に伴って変化する干渉光強度分布画像を順次記憶する画像記憶手段と、画像記憶手段に記憶された干渉光強度分布画像の各測定位置における光路長差の変化に伴う干渉光強度を示す干渉光強度情報からなる干渉光強度列に基づいて測定対象の各測定位置における光軸方向の位置を求める演算手段とを備える。又、演算手段は、測定面内の各測定位置で得られた干渉光強度列のピーク値を含む所定範囲の干渉光強度情報から平均的輝度情報を算出し、算出された平均的輝度情報を測定面内の全ての測定位置について求めることにより測定画像情報を生成することを特徴する。

又、平均的輝度情報は、所定範囲の干渉光強度情報の積算値、平均値、中央値、重心、又は干渉強度列の回帰曲線のピーク値とすることも可能である。

更に、所定範囲は、光路長差の変化に伴う干渉光強度情報の変化の周期の少なくとも１周期分の干渉光強度情報を含む範囲とすることが可能であり、更に、光路長差の変化に伴う干渉光強度情報の変化の周期の整数倍に設定することも可能である。

又、本発明に係る画像処理方法は、広帯域スペクトルを有する光源と、この光源からの光を被測定対象と参照面とに導くと共に、被測定対象及び参照面から反射された光を合成し、光源から被測定対象までの第１光路長と光源から参照面までの第２光路長との光路長差によって変化する被測定対象の測定面内の各測定位置に対応した干渉光強度を示す干渉光強度分布画像を生成する光学系と、光学系から出力される干渉光強度分布画像を撮像する撮像手段と、第１光路長と第２光路長の光路長差を変化させる光路長差変更手段と、撮像手段で撮像され光路長差の変化に伴って変化する干渉光強度分布画像を順次記憶する画像記憶手段と、画像記憶手段に記憶された干渉光強度分布画像の各測定位置における光路長差の変化に伴う干渉光強度を示す干渉光強度情報からなる干渉光強度列に基づいて測定対象の各測定位置における光軸方向の位置を求める演算手段とを備えた白色干渉計に使用され、測定面内の各測定位置で得られた干渉光強度列のピーク値を含む所定範囲の干渉光強度情報から平均的輝度情報を算出し、算出された平均的輝度情報を測定面内の全ての測定位置について求めることにより測定画像情報を生成することを特徴とする。

更に、本発明に係る画像処理プログラムは、広帯域スペクトルを有する光源と、この光源からの光を被測定対象と参照面とに導くと共に、被測定対象及び参照面から反射された光を合成し、光源から被測定対象までの第１光路長と光源から参照面までの第２光路長との光路長差によって変化する被測定対象の測定面内の各測定位置に対応した干渉光強度を示す干渉光強度分布画像を生成する光学系と、光学系から出力される干渉光強度分布画像を撮像する撮像手段と、第１光路長と第２光路長の光路長差を変化させる光路長差変更手段と、撮像手段で撮像され光路長差の変化に伴って変化する干渉光強度分布画像を順次記憶する画像記憶手段と、画像記憶手段に記憶された干渉光強度分布画像の各測定位置における光路長差の変化に伴う干渉光強度を示す干渉光強度情報からなる干渉光強度列に基づいて測定対象の各測定位置における光軸方向の位置を求める演算手段とを備えた白色干渉計に使用される。測定面内の各測定位置で得られた干渉光強度列のピーク値を含む所定範囲の干渉光強度情報から平均的輝度情報を算出する処理と、算出された平均的輝度情報を測定面内の全ての測定位置について求めることにより測定画像情報を生成する処理とを演算手段に実行させることを特徴する。

本発明によれば、干渉縞の影響を受けずに画像測定に有効な画像を生成することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る白色干渉計の構成を示すブロック図である。 同白色干渉計における演算処理装置の構成を示すブロック図である。 同白色干渉計の動作を説明するためのフローチャートである。 同白色干渉計の動作を説明するための模式図である。 比較例に係る白色干渉計によって取得された画像を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る白色干渉計によって取得された画像を示す図である。

［第１実施形態］
次に、本発明の第１実施形態に係る白色干渉計、画像処理プログラム及び画像処理方法について詳細に説明する。

［全体構成］
図１は、本実施形態に係る白色干渉計の構成を示す図である。なお、ここでは、マイケルソン型の干渉計を示すが、ミラウ型等、他の等光路干渉計を用いることもできる。また、画像測定装置等、他の光学測定装置と併用したものでも良い。

光源１は、例えばハロゲンランプ、キセノンランプ、水銀ランプ、メタルハライドランプ、ＬＥＤ等の広帯域スペクトルを有する白色光源である。光源１から出射された白色光は、コリメータレンズ２でコリメートされ、ビームスプリッタ３で２方向に分割される。一方の分割光は、被測定対象であるワーク４の測定面に照射され、他方の分割光は、参照板５の参照面に照射される。測定面及び参照面からそれぞれ反射された白色光は、ビームスプリッタ３で合成され、その際の干渉光が結像レンズ７を介してＣＣＤカメラ８で撮像される。

参照板５は、ピエゾ素子のような駆動手段６によって光軸方向に移動走査され、各走査位置での干渉像がＣＣＤカメラ８によりサンプリングされ、画像メモリ９に記憶される。演算処理部１０は、ワーク４の測定面の各測定位置での干渉光の強度とエンコーダ１４から入力される参照板５の走査位置情報とに基づいて、ワーク４の測定面の高さ方向の位置を求める。また、演算処理部１０は、ワーク４の測定面の高さ方向の位置を決定するのに際し使用される。また、演算処理部１０は、画像メモリ９に記憶されている各走査位置での干渉像から平均的輝度情報を算出し、これに基づき測定画像情報を生成する。入力部１１は、演算処理部１０に計測に必要なデータを入力する。出力部１２は、演算処理部１０で求められた測定結果を出力する。また、表示部１３は、入力操作に必要な情報及び測定結果を表示する。

次に、この白色干渉計による形状測定方法について説明する。
光源１からの白色光は、ワーク４の測定面と参照板５の参照面で反射され、ビームスプリッタ３で合成される。そのときの干渉強度は、光源１からワーク４までの第１の光路長と、光源１から参照板５までの第２の光路長との光路長差によって決まる。第１及び第２の光路長が等しいときは、最も干渉光強度が大きくなる。干渉光強度は、参照板５をピエゾ素子６で光軸方向に移動走査することにより変化する。可干渉性の少ない白色光を使用することで、干渉縞の発生する範囲を狭くすることができる。後に詳細に説明するが、図４に示すように、参照面の移動走査により発生する測定面の各位置での干渉光強度の変化は、測定面の高さ（ｚ方向位置）に応じた位相で発生する。干渉光強度列の変化のピーク値がフォーカス位置ｚｆとなる。従って、干渉光強度列のピーク値が観測される参照面の走査位置を、測定面の対応する部位の高さとして求めることができる。この高さを測定面の全ての位置で求めることにより、ワーク４の表面の変位測定を行うことができる。

［演算処理部１０の構成］
次に、本実施形態に係る白色干渉計のキャリブレーションや画像計測に適した画像処理方法及び画像処理プログラムについて説明する。図２は本実施形態に係る画像処理方法を実現する演算処理部１０の構成を示すブロック図、図３は本実施形態に係る画像生成方法を説明するためのフローチャートである。図２の演算処理部１０は、コンピュータで実行される画像処理プログラムによっても実現することができる。尚、図２中、干渉光強度列（ｘｉ，ｙｊ）は、測定面内の座標（ｘｉ，ｙｊ）における干渉光強度列を示している。同様に、座標（ｘｉ，ｙｊ）における種々の値、情報等を、用語の後ろに（ｘｉ，ｙｊ）を付して示す事がある。

本実施形態に係る画像処理方法を実現する演算処理部１０は、ステップＳ１において画像メモリ９に記憶された干渉光強度分布画像の各測定位置における光路長差の変化に伴う干渉光強度を示す干渉光強度列（ｘｉ，ｙｊ）に基づいて測定対象の各測定位置における光軸方向の位置（フォーカス位置情報（ｘｉ，ｙｊ））を求めるフォーカス位置検出部１０１と、ステップＳ２においてワーク４の光軸方向の位置（フォーカス位置）と対応する干渉光強度情報を含む干渉光強度列（ｘｉ，ｙｊ）内の所定範囲を積算領域として規定し、積算領域に含まれる干渉光強度情報を積算した積算画素情報Ｓ［ｘｉ，ｙｊ］（平均的輝度情報）を算出する積算処理部１０２と、ステップＳ３において積算画素情報Ｓ［ｘｉ，ｙｊ］を画素とする積算画像（測定画像情報）を生成する積算画像生成部１０３とを有する。

更に本実施形態に係る演算処理部１０は、ステップＳ４において積算画像に基づいてエッジ検出を行うエッジ検出部１０４と、ステップＳ５においてエッジ検出部１０４から出力された情報に基づいて光学系によって生じる画像の歪み等を校正する校正部１０５を有する。

尚、本実施形態に係る演算処理部１０を画像処理プログラムによって実現する場合には、画像処理プログラムは演算処理部１０に接続された記憶装置１５内に記録され、演算処理プログラムの各機能は演算処理部１０によって実現される。

［演算処理部１０の動作］
次に、上記画像処理の各ステップにおける動作について詳細に説明する。以下、干渉光強度列（ｘｉ，ｙｊ）を構成する各点を干渉光強度情報（ｘｉ，ｙｊ，ｚｋ）、干渉光強度情報（ｘｉ，ｙｊ，ｚｋ）における干渉光強度を干渉光強度Ｌ［ｘｉ，ｙｊ，ｚｋ］とする。

まず、ステップＳ１における、フォーカス位置検出部１０１の動作について説明する。図４は、任意の測定位置（ｘｉ，ｙｊ）における干渉光強度列（ｘｉ，ｙｊ）の、ワーク４表面の高さｚと干渉光強度との関係を示す図である。

フォーカス位置の検出方法としては、まず所定の干渉光強度列（ｘｉ，ｙｊ）を構成する複数の干渉光強度情報（ｘｉ，ｙｊ，ｚｋ）について、数１の計算を行う。

そして、上記数１で定義される干渉光強度変動Ｄｉｆ［ｘｉ，ｙｊ，ｚｋ］が最大となるワーク４表面の高さｚｆを、測定位置（ｘｉ，ｙｊ）におけるフォーカス位置情報（ｘｉ，ｙｊ）とする。

尚、本実施形態においては上記の方法を採用しているが、フォーカス位置を検出する方法としては、所定のしきい値を設定して、しきい値以上の干渉光強度を示す干渉光強度情報に基づいて演算を行う方法や、干渉光強度列に対してフィッティング処理を行う方法等種々の方法が適用可能である。

次に、ステップＳ２における、積算処理部１０２の動作について説明する。積算処理部１０２はまず、干渉光強度列（ｘｉ，ｙｊ）及びフォーカス位置情報（ｘｉ，ｙｊ）を入力し、フォーカス位置ｚｆを含む干渉光強度列（ｘｉ，ｙｊ）内の所定領域を積算領域として設定する。本実施形態においては、積算領域はフォーカス位置ｚｆを中心として設定される。又、本実施形態において、積算領域の幅は、干渉光強度Ｌ［ｘｉ，ｙｊ，ｚ］が高さｚに応じて変化する周期の少なくとも１周期分の干渉光強度情報を含み、より好ましくは干渉光強度情報の変化の周期の整数倍に設定される。従って、積算領域には、干渉光強度列のピーク値が含まれる。尚、図４においては、積算領域の幅を干渉光強度Ｌ［ｘｉ，ｙｊ，ｚ］の変化する周期の３倍に設定している。

次に積算処理部１０２は、積算領域に含まれる干渉光強度Ｌ［ｘｉ，ｙｊ，ｚ］を積算し、積算画素情報（ｘｉ，ｙｊ）として算出する。例えば、積算画素情報Ｓ［ｘｉ，ｙｊ］がフォーカス位置ｚｆの干渉光強度Ｌ［ｘｉ，ｙｊ，ｚｆ］を中心として５点分の干渉光強度Ｌ［ｘｉ，ｙｊ，ｚ］を含む場合には、積算画素情報Ｓ［ｘｉ，ｙｊ］は数２で表される。

又、積算画素情報Ｓ［ｘｉ，ｙｊ］は、積算領域に含まれる最小の高さｚをｚｌ、最大の高さｚをｚｈとすると、数３のように表す事も可能である。

尚、本実施形態においては単純な積算処理によって積算画素情報Ｓ［ｘｉ，ｙｊ］を平均的輝度情報として算出しているが、平均値、中央値、重心、又は干渉強度列の回帰曲線のピーク値等種々の演算方法を適用することが可能である。

ステップＳ３において、積算画像生成部１０３は、積算画素情報Ｓ［ｘｉ，ｙｊ］を入力して、積算画素情報Ｓ［ｘｉ，ｙｊ］を画素とする積算画像情報を生成する。図５は、比較例に係る白色干渉計によって取得された画像を、図６は、本実施形態に係る白色干渉計によって取得された積算画像を示している。

比較例に係る白色干渉計においては、光軸方向の走査のある段階で取得された画像であり、積算処理を行っていない為、画像に干渉縞が生じていることが分かる。又、任意の測定位置（ｘｉ，ｙｊ）におけるフォーカス位置ｚｆと、干渉光強度（ｘｉ，ｙｊ，ｚｋ）が最大となる高さｚｋとは、必ずしも一致しない。これに対し、本実施形態に係る白色干渉計によって取得された積算画像は干渉縞を生じておらず、明るさも一様であることが分かる。又、積算処理によって干渉光強度（ｘｉ，ｙｊ，ｚｋ）のノイズも減少している。

ステップＳ４において、エッジ検出部１０４は積算画像に基づいてエッジ検出を行う。エッジ検出の方法としては、種々の方法が適用可能である。本実施形態のステップＳ３において生成された積算画像は干渉縞を生じない為、適切なエッジ検出を行う事が可能である。

その後、ステップＳ５において、校正部１０５がエッジ検出部１０４から出力された情報に基づいて光学系によって生じる画像の歪み等を校正する。即ち、ワーク４として図６に示した様な既知の明暗パターンを撮像することによって、各画素（ｘｉ，ｙｊ）の位置と、ワーク４表面における実際の測定位置との対応関係を調整する。

このように本実施形態によれば、積算画像により干渉縞の影響のない測定画像を得ることができるので、図６のような校正パターンを撮像してＣＣＤカメラ８や光学系２，３，７の校正を精度良く行うことができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る白色干渉計、画像処理プログラム及び画像処理方法について説明する。第１実施形態においては積算画像情報を光学系によって生じる画像の歪み等を補正するために使用していたが、本実施形態においては積算画像情報を用いて座標測定、幾何形状測定、寸法測定等の画像測定を行う。従って、本実施形態に係る白色干渉計は、画像測定用の別系統の光学系やカメラを搭載することなく、同時に画像測定機として使用することも可能である。

１…光源、２…コリメータレンズ、３…ビームスプリッタ、４…ワーク、５…参照板、６…駆動手段、７…結像レンズ、８…ＣＣＤカメラ、９…画像メモリ、１０…演算処理部、１１…入力部、１２…出力部、１３…表示部、１４…エンコーダ、１５…記憶装置、１０１…フォーカス位置検出部、１０２…積算処理部、１０３…積算画像生成部、１０４…エッジ検出部、１０５…校正部。

Claims (6)

1. 広帯域スペクトルを有する光源と、
   この光源からの光を被測定対象と参照面とに導くと共に、前記被測定対象及び参照面から反射された光を合成し、前記光源から前記被測定対象までの第１光路長と前記光源から前記参照面までの第２光路長との光路長差によって変化する前記被測定対象の測定面内の各測定位置に対応した干渉光強度を示す干渉光強度分布画像を生成する光学系と、
   前記光学系から出力される前記干渉光強度分布画像を撮像する撮像手段と、
   前記第１光路長と第２光路長の光路長差を変化させる光路長差変更手段と、
   前記撮像手段で撮像され前記光路長差の変化に伴って変化する干渉光強度分布画像を順次記憶する画像記憶手段と、
   前記画像記憶手段に記憶された前記干渉光強度分布画像の各測定位置における前記光路長差の変化に伴う干渉光強度を示す干渉光強度情報からなる干渉光強度列に基づいて前記測定対象の各測定位置における光軸方向の位置を求める演算手段と
   を備えた白色干渉計において、
   前記演算手段は、前記測定面内の各測定位置で得られた前記干渉光強度列のピーク値を含む所定範囲の干渉光強度情報から平均的輝度情報を算出し、算出された平均的輝度情報を前記測定面内の全ての測定位置について求めることにより測定画像情報を生成する
   ことを特徴とする白色干渉計。
2. 前記平均的輝度情報は、前記所定範囲の干渉光強度情報の積算値、平均値、中央値、重心、又は前記干渉強度列の回帰曲線のピーク値である
   ことを特徴とする請求項１記載の白色干渉計。
3. 前記所定範囲は、前記光路長差の変化に伴う前記干渉光強度情報の変化の周期の少なくとも１周期分の前記干渉光強度情報を含む範囲である
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の白色干渉計。
4. 前記所定範囲は、前記光路長差の変化に伴う前記干渉光強度情報の変化の周期の整数倍に設定されることを特徴とする請求項３記載の画像処理プログラム。
5. 広帯域スペクトルを有する光源と、この光源からの光を被測定対象と参照面とに導くと共に、前記被測定対象及び参照面から反射された光を合成し、前記光源から前記被測定対象までの第１光路長と前記光源から前記参照面までの第２光路長との光路長差によって変化する前記被測定対象の測定面内の各測定位置に対応した干渉光強度を示す干渉光強度分布画像を生成する光学系と、前記光学系から出力される前記干渉光強度分布画像を撮像する撮像手段と、前記第１光路長と第２光路長の光路長差を変化させる光路長差変更手段と、前記撮像手段で撮像され前記光路長差の変化に伴って変化する干渉光強度分布画像を順次記憶する画像記憶手段と、前記画像記憶手段に記憶された前記干渉光強度分布画像の各測定位置における前記光路長差の変化に伴う干渉光強度を示す干渉光強度情報からなる干渉光強度列に基づいて前記測定対象の各測定位置における光軸方向の位置を求める演算手段とを備えた白色干渉計に使用される画像処理方法であって、
   前記測定面内の各測定位置で得られた前記干渉光強度列のピーク値を含む所定範囲の前記干渉光強度情報から平均的輝度情報を算出し、
   算出された平均的輝度情報を前記測定面内の全ての測定位置について求めることにより測定画像情報を生成する
   ことを特徴する画像処理方法。
6. 広帯域スペクトルを有する光源と、この光源からの光を被測定対象と参照面とに導くと共に、前記被測定対象及び参照面から反射された光を合成し、前記光源から前記被測定対象までの第１光路長と前記光源から前記参照面までの第２光路長との光路長差によって変化する前記被測定対象の測定面内の各測定位置に対応した干渉光強度を示す干渉光強度分布画像を生成する光学系と、前記光学系から出力される前記干渉光強度分布画像を撮像する撮像手段と、前記第１光路長と第２光路長の光路長差を変化させる光路長差変更手段と、前記撮像手段で撮像され前記光路長差の変化に伴って変化する干渉光強度分布画像を順次記憶する画像記憶手段と、前記画像記憶手段に記憶された前記干渉光強度分布画像の各測定位置における前記光路長差の変化に伴う干渉光強度を示す干渉光強度情報からなる干渉光強度列に基づいて前記測定対象の各測定位置における光軸方向の位置を求める演算手段とを備えた白色干渉計に使用される画像処理プログラムであって、
   前記測定面内の各測定位置で得られた前記干渉光強度列のピーク値を含む所定範囲の前記干渉光強度情報から平均的輝度情報を算出する処理と、
   算出された平均的輝度情報を前記測定面内の全ての測定位置について求めることにより測定画像情報を生成する処理と
   を前記演算手段に実行させる画像処理プログラム。