JP2015094756A - 計測装置、および物品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】パターン投影法によって被検物の形状を計測する計測装置において、広視野かつ広い計測レンジの実現、および小型化の実現の上で有利な技術を提供する。【解決手段】被検物の形状を計測する計測装置は、パターン光を射出する射出部と、前記射出部から射出された前記パターン光を前記被検物に照射する光学系と、前記光学系から射出された光を偏向する偏向部と、前記パターン光が照射された前記被検物を前記光学系を介して撮像する撮像部と、前記撮像部により撮像された前記被検物の画像に基づいて前記被検物の形状を決定する処理部と、を含み、前記偏向部は、入射する光の偏光状態によって偏向方向が異なる偏向素子を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、被検物の形状を計測する計測装置、および物品の製造方法に関する。

光を用いて非接触に被検物の形状を計測する方法として、パターン投影法（パターン投影型の三角測量）が知られている。パターン投影法とは、既知の二次元パターンが投影された被検物を撮像して、被検物の形状に応じて生じる二次元パターンの変形量を検出することにより、被検物の形状を求める方法である。

パターン投影法を用いた計測装置は、一般に、被検物にパターン光を投影するための投影光学系とパターン光が照射された被検物を撮像するための撮像光学系とを個別に有する。そして、パターン投影法を用いた計測装置において被検物の形状を高精度に計測するためには、投影光学系と撮像光学系とをテレセントリック光学系にすることが有効である。

また、特許文献１では、全空間テーブル化手法を用いて、撮像される格子パターン像の位相の周期の違いを利用して計測レンジを拡大する方法が記載されている。

特開２０１３−１７８１７４号公報

パターン投影法を用いた計測装置には、スループットを向上させるため、広視野かつ高さ方向への広い計測レンジがあることが望ましい。広視野と広い計測レンジとを同時に達成するには、投影光学系ないしは撮像光学系の視野を広げる、または輻輳角度を小さくするなどの対策が挙げられる。しかしながら、光学系の視野を広げるためには、光学系がテレセントリック光学系であるために光学系のサイズを大きくする必要があり、装置が大型化する上に装置コストも上がってしまう。また、輻輳角度を小さくすると、投影光学系と撮像光学系との物理的な干渉を避けるためにワーキングディスタンスを長くする必要が生じうるため、計測装置が大型化しうることとなる。

特許文献１に記載の手法では、被検物を高さ方向に微小駆動させる高精度な駆動機構が必要になることから、装置が複雑になり、装置コストが上がってしまう。さらに、被検物を微小駆動しながら計測する必要があるため、相応の計測時間が掛かってしまう。

そこで、本発明は、パターン投影法によって被検物の形状を計測する計測装置において、広視野かつ広い計測レンジの実現、および小型化の実現の上で有利な技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一側面としての計測装置は、被検物の形状を計測する計測装置であって、パターン光を射出する射出部と、前記射出部から射出された前記パターン光を前記被検物に照射する光学系と、前記光学系から射出された光を偏向する偏向部と、前記パターン光が照射された前記被検物を前記光学系を介して撮像する撮像部と、前記撮像部により撮像された前記被検物の画像に基づいて前記被検物の形状を決定する処理部と、を含み、前記偏向部は、入射する光の偏光状態によって偏向方向が異なる偏向素子を含む、ことを特徴とする。

本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。

本発明によれば、例えば、パターン投影法によって被検物の形状を計測する計測装置において、広視野かつ広い計測レンジの実現、および小型化の実現の上で有利な技術を提供することができる。

第１実施形態の計測装置を示す概略図である。 第１実施形態における偏向部の構成を示す概略図である。 第１実施形態における偏向部の構成を示す概略図である。 第２実施形態における偏向部の構成を示す概略図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材ないし要素については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態の計測装置１について、図１を参照しながら説明する。第１実施形態の計測装置１は、明部と暗部とが周期的に変化するパターンが投影された被検物６を撮像し、被検物６の形状に応じて生じる当該パターンの変形量を検出することにより被検物６の形状を求めるパターン投影法（パターン投影型の三角測量）を採用する。パターン投影法には、例えば、位相シフト法や空間コード化法など、被検物６の形状を計測するための幾つかの方法がある。なかでも位相シフト法は、正弦波パターンが投影された被検物６を正弦波パターンの位相を一定の角度ずつずらしながら撮像し、撮像した画像の各画素における受光強度の変化に基づいて被検物の形状を求める方法であり、高い計測精度を有する。第１実施形態では、位相シフト法を用いて被検物６の形状を計測する方法について説明する。第１実施形態の計測装置１は、投影光学系と撮像光学系との少なくとも一部を共通化した光学系４を用いており、輻輳角αを生じさせるために、光学系４から射出されたパターン光を偏向する偏向部５を設けている。これにより、計測装置の計測レンジおよび視野を広げることと計測装置を小型化することを両立させるとともに、輻輳角αでもって被検物の形状を高精度に計測することができる。以下に、第１実施形態の計測装置１の構成について説明する。

図１は、第１実施形態の計測装置１を示す概略図である。第１実施形態の計測装置１は、射出部２と、偏光ビームスプリッタ３と、光学系４と、偏向部５と、撮像部７と、処理部８と、制御部１０とを含みうる。処理部８は、例えば、ＣＰＵやメモリなどを有するコンピュータによって構成され、撮像部７により撮像された被検物６の画像に基づいて被検物６の形状を決定する。また、制御部１０は、ＣＰＵやメモリなどを有し、被検物６の計測を制御する（計測装置１の各部を制御する）。

射出部２は、例えば、光源２ａと、コリメータレンズ２ｂと、変換素子２ｃとを含みうる。光源２ａは、所定の偏光方位を有する光を射出する。光源２ａから射出された光は、コリメータレンズ２ｂによって平行光にされた後に変換素子２ｃに入射し、明部と暗部とが周期的に変化するパターン光に変換素子２ｃによって変換される。変換素子２ｃは、例えば、光透過部分と遮光部分とが周期的に（交互に）配置されたパターンを有するマスクを含んでもよいが、液晶素子やデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）などを含むとよい。光源２ａから射出された光を、例えば、モノクロパターンや正弦波パターンなどの任意のパターンを有する光（パターン光）に変換することができるからである。また、液晶素子やＤＭＤは空間的な変調を高速に行うことができるため、位相シフト法においてパターンの位相をシフトする際の機械的な駆動が不要となり、スループットの向上に有利となるからである。

変換素子２ｃを透過したパターン光は、偏光ビームスプリッタ３により反射されて光学系４に入射される。光学系４は、例えば、パターン光の径を拡大させるための２枚のレンズと、２枚のレンズの間の集光位置に配置された開口絞り９とを有する。光学系４を通過したパターン光は偏向部５により偏向されて被検物６の表面に照射される。パターン光の波長は被検物６の表面粗さよりも小さくなるように設定されているため、被検物６の表面に照射されたパターン光は被検物の表面で拡散的に反射（散乱）する。被検物６の表面で反射されたパターン光は、偏向部５を介して光学系４に入射し、光学系４の開口絞り９において空間周波数を絞られた後、偏光ビームスプリッタ３を透過して撮像部７に入射する。撮像部７は、例えばＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなどを含み、パターン光が照射された被検物６を光学系４を介して撮像する。

ここで、偏向部５の構成および機能について、図２を参照しながら説明する。図２は、第１実施形態における偏向部５の構成を示す概略図である。偏向部５は、入射する光の偏光状態に応じて偏向方向が異なる偏向素子と、偏向素子と被検物との間（偏向素子の光射出側）に配置されるλ／４波長板５ｂとを含む。第１実施形態では、偏向素子が偏光プリズム５ａを含む場合について説明する。偏光プリズム５ａは、光学系４から射出されたパターン光の偏向方向と、被検物６で反射されたパターン光の偏向方向とが異なるように構成されている。偏光プリズム５ａとしては、例えばウォラストンプリズムやローションプリズム、サーベル板などが用いられうる。偏向素子は、光学系４から射出される平行光の光路上に配置されることがより好ましい。なお、偏向素子の光射出側に光学部材を配置することは妨げない。

例えば、図２に示すように、Ｙ方向の偏光方位を有するパターン光１３ａが光学系４から射出されて偏光プリズム５ａに入射する場合を想定する。この場合、光学系４から射出されたパターン光１３ａは、偏光プリズム５ａを通過することにより、図２に示すパターン光１３ｂのように偏向されてλ／４波長板５ｂに入射する。λ／４波長板５ｂは、λ／４波長板５ｂに入射する直線偏光の方位に対して進相軸が４５度回転するように構成されている。そのため、λ／４波長板５ｂを透過したパターン光１３ｃは、円偏光となり、被検物６の表面に照射される。被検物６の表面で反射（散乱）された光のうち、光学系４の光軸と平行な方向（光軸方向（Ｚ方向））に反射されたパターン光１４ａは、再びλ／４波長板５ｂを透過する。そして、光学系４から射出されたパターン光１３ａに対して９０度回転したＸ方向の偏光方位を有するパターン光１４ｂになる。そのため、パターン光１４ｂは、偏光プリズム５ａで偏向されずに直進し、光学系４の開口絞り９で遮断されずに偏光ビームスプリッタ３を透過して撮像部７に入射する。ここで、本実施形態では、波長板を用いて偏光を回転したが、被検物の散乱による偏光変化が十分に大きい場合などでは、波長板を必ずしも必要としない。

一方で、被検物６の表面で反射（散乱）された光のうち、光軸方向と異なる方向に反射されたパターン光１５ａは、光軸方向に反射されたパターン光１４ａと同様に、再びλ／４波長板５ｂに入射する。そして、パターン光１５ａは、λ／４波長板５ｂを透過した後、光学系４から射出されたパターン光１３ａに対して９０度回転したＸ方向の偏光方位を有するパターン光１５ｂになる。そのため、パターン光１５ｂは、偏光プリズム５ａで偏向されずに直進する。しかしながら、偏光プリズム５ａを透過したパターン光１５ｂは、光軸方向と異なる方向に進むため、光学系４の開口絞り９で遮断されて撮像部７に入射しない。

また、偏向部５が光学特性の誤差（偏光誤差）を有する場合、被検物６において光軸方向と異なる方向に反射されたパターン光１５ａが、偏光プリズム５ａによって光軸方向に偏向されることがありうる。この場合であっても、第１実施形態の計測装置１は、被検物６の表面で光軸方向に反射されたパターン光１４ａを撮像部７に入射させ、被検物６の表面で光軸方向と異なる方向に反射されたパターン光１５ａが撮像部７に入射することを制限することができる。図３は、偏向部５が偏光誤差を有する場合における、偏向部５の構成と機能とを説明するための図である。偏向部５の偏光誤差、特にλ／４波長板５ｂに対して光が斜入射することで生じるリタデーション誤差により、光学系４を射出して偏向部５（λ／４波長板５ｂ）を透過したパターン光１３ｃは楕円偏光となる。そのため、被検物６の表面で光軸方向に反射されたパターン光１４ａと、光軸方向と異なる方向に反射されたパターン光１５ａとは、再びλ／４波長板５ｂを透過しても直線偏光とならずに楕円偏光になる。

被検物６の表面で光軸方向に反射され、λ／４波長板５ｂを透過したパターン光１４ｂは、偏光プリズム５ａを透過した後、Ｘ方向の偏光方位を有するパターン光１４ｃ_１とＹ方向の偏光方位を有するパターン光１４ｃ_２とに分離される。そして、Ｘ方向の偏光方位を有するパターン光１４ｃ_１は、偏光プリズム５ａで偏向されずに光軸方向に進むため、光学系４の開口絞り９で遮断されずに偏光ビームスプリッタ３を透過して撮像部７に入射する。一方で、Ｙ方向の偏光方位を有するパターン光１４ｃ_２は、偏光プリズム５ｂで偏向されて光軸方向と異なる方向に進むため、光学系４の開口絞り９で遮断されて撮像部７に入射しない。

被検物６の表面で光軸方向と異なる方向に反射され、λ／４波長板５ｂを透過したパターン光１５ｂは、偏光プリズム５ａを透過した後、Ｘ方向の偏光方位を有するパターン光１５ｃ_１とＹ方向の偏光方位を有するパターン光１５ｃ_２とに分離される。そして、Ｘ方向の偏光方位を有するパターン光１５ｃ_１は、偏光プリズム５ａで偏向されずに光軸方向と異なる方向に進むため、光学系４の開口絞り９で遮断されて撮像部７に入射しない。一方で、Ｙ方向の偏光方位を有するパターン光１５ｃ_２は、偏光プリズム５ａで偏向されて光軸方向に進むため、光学系４の開口絞り９で遮断されずに偏光ビームスプリッタ３に入射してしまいうる。しかしながら、Ｙ方向の偏光方位を有するパターン光１５ｃ_２は、偏光ビームスプリッタ３で反射されるため、撮像部７に入射しない。したがって、第１実施形態の計測装置１は、偏向部５に偏光誤差が生じている場合であっても、被検物６の表面で光軸方向に反射されたパターン光１４ａを撮像部７に入射させることができる。加えて、被検物６の表面で光軸方向と異なる方向に反射されたパターン光１５ａが撮像部７に入射することを制限することができる。

上述したように、第１実施形態の計測装置１は、偏光プリズム５ａとλ／４波長板５ｂとを含む。これにより、投影光学系と撮像光学系との少なくとも一部を共通化することができる。また、偏光プリズム５ａの偏向角度に応じて輻輳角αを生じさせることができるため、被検物６の表面に照射されるパターン光に対して輻輳角αをもって反射されたパターン光を撮像部７に入射させることができる。即ち、第１実施形態の計測装置１は、計測装置の計測レンジおよび視野を広げることと計測装置を小型化することとを両立させるとともに、輻輳角αでもって被検物６の形状を高精度に計測することができる。ここで、偏光プリズム５ａの偏向角度（輻輳角α）は、偏光プリズム５ａを構成する２つの硝材における屈折率の差や、２つの硝材の界面における角度などにより決定されうる。

次に、処理部８において行われる、被検物６の形状を決定する処理について説明する。処理部８は、例えば、ＣＰＵやメモリなどを有するコンピュータによって構成され、撮像部７により撮像された被検物６の画像に基づいて被検物６の形状を決定する。処理部８は、被検物６の表面に投影するパターンの位相を変換素子２ｃによりずらしながら撮像した画像の各画素における受光強度の変化に基づいて、各画素における位相を算出する。例えば、被検物６の表面における座標（ｘ，ｙ）の点Ｐにおいてパターンの位相をΔφずつＮ回シフトさせ、そのときの位相ごとの受光強度Ｉ_ｋ（ｘ，ｙ）に対して離散フーリエ変換（ＤＦＴ）を行う。これにより、点Ｐにおける位相θ（ｘ，ｙ）を式（１）によって求めることができ、求めた位相θ（ｘ，ｙ）に基づいて三角測量の原理を適用することにより被検物６の形状を決定することができる。

ここで、第１実施形態の計測装置１に、図１に示すように、光学系４の光軸周りに偏向素子（偏光プリズム５ａ）を回転させる駆動部１１（第２駆動部）を設けてもよい。この駆動部１１により光学系４の光軸周りに偏向部５を回転させることで、偏向部５から射出されるパターン光を被検物６の表面に照射する角度を変えることができる。そのため、被検物６の凹凸に起因してパターン光が照射されない部分（計測不能な死角）が生じることを低減することができる。また、第１実施形態の計測装置１において、偏光プリズム５ａ以外にも、例えば３Ｄディスプレイに用いられる、入射した光を左右の円偏光成分の光に分離する回折素子を偏向素子として用いることもできる。３Ｄディスプレイ用の回折格子は、入射した光の偏光状態に応じて偏向方向が異なる機能を有しており、後段にλ／４波長板を配置することにより、往路と復路において光の偏向方向を変えることができる。

＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態の計測装置について、図４を参照しながら説明する。第２実施形態の計測装置は、第１実施形態の計測装置１と比較して、偏向部５の構成が異なっており、偏向素子として偏光回折格子５ｃが用いられている。ここで、第２実施形態の計測装置は、第１実施形態の計測装置１と比較して偏向部５以外の装置構成が同様であるため、偏向部５以外の装置構成についての説明は省略する。

図４は、第２実施形態における偏向部５の構成を示す概略図である。第２実施形態では、偏向素子が偏光回折格子５ｃを含む場合について説明する。偏光回折格子５ｃは、例えば光配向膜や液晶高分子膜により構成された回折格子で、入射する光の偏光状態に応じて当該光が進む方向（偏向方向）が異なる特性を有するものである。つまり、所定の偏光状態においては回折格子として作用するが、その所定の偏光状態に対して９０度回転した偏光状態においては回折格子として作用しない。図４において、光学系４から射出されたパターン光１６ａは、偏光回折格子５ｃが回折格子として作用する偏光状態（Ｙ方向の偏光方位）を有しており、偏光回折格子５ｃにより＋１次回折光１６ｂ_１と−１次回折光１６ｂ_２とに分離される。＋１次回折光１６ｂ_１および−１次回折光１６ｂ_２は、λ／４波長板５ｂを透過して円偏光となり、被検物に照射される。

被検物６の表面で反射（散乱）された＋１次回折光１６ｂ_１のうち光軸方向に反射された光１７ａは、再びλ／４波長板５ｂを透過し、光学系４から射出されたパターン光１６ａに対して９０度回転したＸ方向の偏光方位を有する光１７ｂになる。そのため、光１７ｂは、偏光回折格子５ｃで偏向されずに直進し、光学系４の開口絞り９で遮断されずに偏光ビームスプリッタ３を透過して撮像部７に入射する。一方で、被検物６の表面で反射（散乱）された＋１次回折光１６ｂ_１のうち、光軸方向と異なる方向に反射された光１８ａは、光軸方向に反射された光１７ａと同様に、再びλ／４波長板５ｂを透過する。そして、光学系４から射出されたパターン光１６ａに対して９０度回転したＸ方向の偏光方位を有する光１８ｂになる。そのため、光１８ｂは、偏光回折格子５ｃで偏向されずに直進する。しかしながら、偏光回折格子５ｃを透過した光は、光軸方向と異なる方向に進むため、光学系４の開口絞り９で遮断されて撮像部７に入射しない。なお、−１次回折光１６ｂ_２については、＋１次回折光１６ｂ_１と同様の挙動となるため、ここでは説明を省略する。

第２実施形態において、撮像部７により撮像された画像は、＋１次回折光によるパターン像と−１次回折光とによるパターン像とが重なり合った画像となる。そのため、＋１次回折光によるパターン像と−１次回折光によるパターン像とを処理部８によって分離することが好ましい。しかしながら、変換素子２ｃによるパターン光の変調のみでは、重なり合ったパターン像の各々が常に同じ方向に同じ量で変調されるため、それらを分離することが困難となりうる。そのため、＋１次回折光と−１次回折光とで互いに異なる位相シフト量を印加するとよい。この場合、それぞれの位相シフト量に基づいて離散フーリエ変換を行うことにより、撮像部７により撮像された画像の各画素における受光強度の変化に基づいて各画素の位相を求め、被検物の形状を決定することができる。

＋１次回折光と−１次回折光とで互いに異なる位相シフト量を印加する方法の１つとしては、偏向部５を光軸方向に移動させる方法がある。そのため、第２実施形態の計測装置において、図１に示すように、光軸方向（Ｚ方向）に偏向素子（偏光回折格子５ｃ）を駆動する駆動部１２（第１駆動部）を設けるとよい。駆動部１２により偏向部５を光軸方向に駆動すると、＋１次回折光の位相と−１次回折光の位相とが逆方向に変化する。そのため、駆動部１２による偏向部５の駆動と変換素子２ｃによるパターン光の変調との組み合わせにより、＋１次回折光の位相と−１次回折光の位相とを個別に且つ任意に変化させることができる。例えば、変換部で３π／５、偏向回折格子を透過する波長の１／１０、つまりπ／５の位相シフトを組み合わせることにより、＋１次回折光および−１次回折光との各々で２π／５および４π／５の異なる位相シフト量を印加することができる。ここで、第２実施形態の計測装置における駆動部１２に、光学系４の光軸周りに偏向素子（偏光回折格子５ｃ）を回転させる機能（第２駆動部の機能）を設けてもよい。これにより、被検物６の凹凸によってパターン光が照射されない部分（計測不能な死角）を低減することができる。

上述したように、第２実施形態の計測装置は、偏光回折格子５ｃとλ／４波長板５ｂとを含む。これにより、第２実施形態の計測装置は、第１実施形態の計測装置１と同様に、計測装置の計測レンジを広げることと計測装置を小型化することとを両立することができ、被検物６の形状を高精度に計測することができる。

＜物品の製造方法の実施形態＞
本発明の実施形態における物品の製造方法は、例えば、金属部品や光学素子等の物品を製造する際に用いられる。本実施形態の物品の製造方法は、上記の計測装置を用いて被検物の形状を計測する工程と、かかる工程における計測結果に基づいて被検物を加工する工程とを含む。例えば、被検物の形状を計測装置を用いて計測し、その計測結果に基づいて、被検物の形状が設計値になるように当該被検物を加工（製造）する。本実施形態の物品の製造方法は、計測装置により高精度に被検物の形状を計測できるため、従来の方法に比べて、物品の性能・品質・生産性・生産コストの少なくとも１つにおいて有利である。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。

Claims (12)

1. 被検物の形状を計測する計測装置であって、
   パターン光を射出する射出部と、
   前記射出部から射出された前記パターン光を前記被検物に照射する光学系と、
   前記光学系から射出された光を偏向する偏向部と、
   前記パターン光が照射された前記被検物を前記光学系を介して撮像する撮像部と、
   前記撮像部により撮像された前記被検物の画像に基づいて前記被検物の形状を決定する処理部と、
   を含み、
   前記偏向部は、入射する光の偏光状態によって偏向方向が異なる偏向素子を含む、ことを特徴とする計測装置。
2. 前記偏向素子は偏光プリズムを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
3. 前記偏向素子は、偏光回折格子を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
4. 前記光学系は、前記被検物の表面で反射された前記パターン光のうち、前記光学系の光軸と平行な方向に反射された光を通過させる開口絞りを含む、ことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の計測装置。
5. 前記射出部から射出された前記パターン光を前記光学系に導くとともに、前記被検物の表面で反射され、前記光学系を通過した前記パターン光を前記撮像部に導く偏光ビームスプリッタを更に含む、ことを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の計測装置。
6. 前記光学系の光軸と平行な方向に前記偏向素子を駆動する第１駆動部を更に含む、ことを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の計測装置。
7. 前記光学系の光軸周りに前記偏向素子を回転させる第２駆動部を更に含む、ことを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか１項に記載の計測装置。
8. 前記射出部は、光源と、前記光源から射出された光を前記パターン光に変換する変換素子とを含む、ことを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の計測装置。
9. 前記変換素子は、光透過部分と遮光部分とが交互に配置されたパターンを有するマスク、液晶素子およびデジタルミラーデバイスのうち少なくとも１つを含む、ことを特徴とする請求項８に記載の計測装置。
10. 前記偏向部は、前記偏向素子の光射出側に配置された波長板を含む、ことを特徴とする請求項１乃至９のうちいずれか１項に記載の計測装置。
11. 前記偏光状態は偏光方位である、ことを特徴とする請求項１乃至１０のうちいずれか１項に記載の計測装置。
12. 請求項１乃至１１のうちいずれか１項に記載の計測装置を用いて被検物の形状を計測する工程と、
    前記工程における計測結果に基づいて前記被検物を加工する工程と、
    を含む、ことを特徴とする物品の製造方法。

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