JP2016173294A - ３次元形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】初心者であっても測定結果が適正であるか否かを判断でき、これにより誤った測定データを利用してしまうことを防止し、解析結果の信頼性を向上させることのできる技術を提供する。
【解決手段】非接触で被検物３の３次元形状の測定を行う３次元形状測定装置１００において、被検物３の高さ推定を行う工程で得られる情報または推定された高さを用いて、測定点ごとに、測定データの信頼性を評価するスコアを算出する。スコアを用いて測定点ごとに測定データを評価した結果に応じて、測定データを処理する。
【選択図】図１

Description

本発明は、非接触で被検物の３次元形状の測定を行う３次元形状測定装置に関する。

工業製品の小型化や高度化のためには、部品表面の機能性が重要になってくる。例えば、自動車のエンジンのシリンダの表面には、摺動抵抗を制御するための意図的な微細な凹凸を設けることにより、エネルギー効率の向上と高寿命化を図っている。歯科インプラントでは、生体との適合機能を、材質だけでなく、表面の荒れ具合（表面性状）で管理している。

また、このような機能的、生体的な特性だけでなく、電気接点の接触抵抗といった電気的な機能や、反射、散乱といった光学的機能、見た目等のデザインに関連する表面機能等のように、部品には様々な機能が要求されるようになってきている。

これらの表面機能の品質を管理するには、部品表面の幾何学的な形状を正しく測定し、定量化することが重要であることは言うまでもない。
ここで、部品表面の幾何学的な形状を測定する一の方法として、国際標準化機構ＩＳＯの定める工業標準ＩＳＯ３２７４：１９９６（和訳版は、日本工業規格ＪＩＳ Ｂ０６５１：２００１）に記載されている触針式表面粗さ測定機が、古くから利用されてきている。この方法によれば、機械的な触針の先端で測定対象物の固体表面を精密になぞるため、信頼性の高いデータを取得することが可能である。

その一方で、様々な測定原理を用いた非接触方式の測定機も広く普及してきている。非接触方式の測定機は、測定対象物を傷付けることなく簡単に測定ができるため、近年急速に普及してきている。代表的な非接触測定機については、工業規格ＩＳＯ２５１７８−６：２０１０（和訳版は、ＪＩＳ Ｂ０６８１−６：２０１４）にて分類され、規格整備が進んでいることからも、産業界に広く普及し始めていることが伺われる。

非接触方式の測定機の多くは、光学的な手法を用いている。市販されている非接触方式の測定機の代表例としては、共焦点顕微鏡法や垂直走査低コヒーレンス干渉法を採用した測定機が挙げられる（例えば、特許文献１、２）。

特許第３９６０８６２号明細書 特許第３８４７４２２号明細書 特開平１１−１４８８１１号公報

上述した測定機以外にも、多種多用な非接触方式の光学式測定機が存在する。また、同じ原理の測定機であっても、対物レンズの倍率等によって複数の測定条件が存在する。測定性能や測定の限界は、用いる測定機や測定条件による。このように、測定の目的、すなわち測定精度や測定領域の大きさ、タクトタイム等に応じて多様な種類の中から適切な測定機を選択できることは、産業上の大きなメリットである。

その一方で、測定機や測定条件の選定が最適でない場合に、計測の限界を超えた領域で測定してしまうと、ノイズ等を誤検出し、誤った測定結果を出力してしまうことがある。適正な測定結果を得るためには、誤った測定データの存在に気付く必要があるが、これには、測定機の豊富な利用経験と熟練が必要であった。誤った測定データの存在に気付くことができなかったために、適正な測定結果が得られず、正しい解析が行えない、という場合も考えられる。

このような従来における課題に対し、共焦点顕微鏡法において、検出されたデータ波形の半値幅を求め、半値幅を予め設定しておいたしきい値と比較し、比較結果に基づき計測した高さデータの有効性を判定する技術について開示されている（例えば、特許文献３）。具体的には、対物レンズと被検物の相対距離を変えながら共焦点画像を複数取得し、画像の各画素位置における最大輝度を与えるＺ位置を求める際に、輝度の変化曲線の半値幅を画素ごとに求める。求めた半値幅と予め設定しておいたしきい値とを比較して、高さデータの有効／無効の判断をしている。これにより、誤ったＺ位置の検出データの出力を制限している。

ある一つの判断基準のみを用いて高さデータの有効性を判定した場合には、有効及び無効の境界（しきい値）に近い値を持つ測定データに対しては、判定ミスが発生する確率が高くなる。このような場合、従来においては、ユーザが最終的な判定結果を参照して、判定に用いるしきい値を適切に設定し直す必要があった。そうすると、依然として、判定結果が適切であると判断をするために、ユーザの技量が必要とされることとなる。

本発明は、初心者であっても測定結果が適正であるか否かを判断でき、これにより誤った測定データを利用してしまうことを防止し、解析結果の信頼性を向上させることのできる技術を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る３次元形状測定装置によれば、非接触で被検物の３次元形状の測定を行う３次元形状測定装置であって、前記被検物の高さ推定を行う工程で得られる情報または推定された高さを用いて、測定点ごとに、測定データの信頼性を評価するスコアを算出するスコア算出部と、前記スコアを用いて前記測定点ごとに前記測定データを評価した結果に応じて、前記測定データを処理するデータ処理部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、初心者であっても測定結果が適正であるか否かを判断でき、これにより、誤った測定データを利用してしまうことを防止し、解析結果の信頼性を向上させることが可能となる。

第１の実施形態に係る３次元形状測定装置の構成図である。 Ｚ走査して複数枚取得した画像を示す図である。 ｋ枚の画像におけるある点の輝度変化を示す図である。 推定された高さの分布を表す図である。 共焦点顕微鏡画像の輝度値に基づき算出されるスコアについて説明する図である。 輝度変化から算出される近似曲線の半値全幅に基づき算出されるスコアについて説明する図である。 輝度変化から算出される近似曲線のフィッティング残差に基づき算出されるスコアについて説明する図である。 輝度値のピーク位置に基づき算出するスコアについて説明する図である。 推定された高さに基づきスコアを算出する方法について説明する図である。 複数のスコアを用いて測定データを評価する方法について説明する図である。 算出したトータルスコアに基づいて信頼性の低いデータを無効化した場合における高さデータの分布についての鳥瞰図である。 第１の実施形態に係る３次元形状測定装置が管理するデータの構成を示す図である。 変形例に係る各スコア算出テーブルに割り当てる値を例示する図である。 垂直走査低コヒーレンス干渉法において、測定点におけるピーク輝度値及びＺ位置を推定する方法について説明する図である。 ３次元形状の測定を行って得られた高さの推定画像である。 図１５に対応するトータルスコア画像である。 第２の実施形態に係る３次元形状測定装置が生成したステッチング画像を例示する図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
＜第１の実施形態＞
（構成）
図１は、本実施形態に係る３次元形状測定装置の構成図である。図１に示す３次元形状測定装置１００は、共焦点顕微鏡から構成され、コンピュータ１７と接続されて、非接触で被検物３の3次元形状の測定を行う。

レーザ光源２は、平行光１を発する。２次元光偏向器９は、平行光１の反射面の方向を独立に変更可能である。２次元光偏向器９は、後述する制御部１６からの偏向タイミング指示を受けてその偏向角度θｘ、θｙを変更する。図１においては、θｘ方向に偏向された光のみを光線として図示している。

投影レンズ８は、２次元光偏向器９で反射した平行光１の径を拡大投影する。対物レンズ５は、投影レンズ８の焦点位置付近を後側焦点位置３０となるよう配置される。
レーザ光源２と２次元光偏向器９との間には、ビームスプリッタ１０が配置される。ビームスプリッタ１０の反射光路側には、結像レンズ１１が配置される。結像レンズ１１の焦点位置には、共焦点絞り１３と、光ディテクタ１４とが配置される。光ディテクタ１４としては、例えば、フォトマルチプライヤやアバランシェフォトダイオード等を使用する。

対物レンズ５は、光軸６と平行な方向に移動可能なＺ走査ステージ７に固定されている。Ｚ走査ステージ７には、その移動距離を読み取るための変位計１５が備えられている。変位計１５としては、例えば、光学式のリニアエンコーダや、静電容量変位計を使用する。

制御部１６は、コンピュータ１７に接続された指示部２０から指示を受け、Ｚ走査ステージ７や２次元光偏向器９への動作指示を行う。また、制御部１６は、光ディテクタ１４で検出された信号から輝度値や、変位計１５で検出された信号より変位を求め、求めた輝度値や変位等の情報をコンピュータ１７に伝送する。

コンピュータ１７は、上述の指示部２０のほか、表示部２１、記憶部２２、画像入力部２３、演算処理部１９及びインターフェース部２４を有する。
指示部２０は、キーボードやマウス等の入力手段であり、ユーザからの指示の入力を受け付ける。記憶部２２は、ハードディスクやメモリ等の記憶手段であり、本実施形態に係る３次元形状測定に係わる各種データや、３次元形状の測定及び測定データの信頼性を評価するためのプログラムを記憶する。画像入力部２３は、制御部１６を介して顕微鏡画像データの入力を受け付ける。インターフェース部２４は、制御部１６との間で各種データや指示内容をやり取りする際のインターフェースである。演算処理部１９は、例えばＣＰＵからなり、各種演算を行う。例えば、演算処理部１９は、記憶部２２に記憶されているプログラムを読み出して、３次元形状の測定データの信頼性を評価するためのスコアの算出等の各種処理を実施する。

（共焦点顕微鏡の原理）
まず、図１に示す構成の共焦点顕微鏡１００による共焦点顕微鏡画像を得る動作の原理について説明する。
レーザ光源２から発せられた平行光１は、ビームスプリッタ１０を透過し、２次元光偏向器９で反射される。偏向された光は、投影レンズ８で拡大され、対物レンズ５の後側焦点位置３０を介して対物レンズ５へと入射する。対物レンズ５に入射した光は、被検物３の１点をスポット状に照明する。このスポット状の光は、２次元光偏向器９によって被検物３上をラスタスキャンされる。

被検物３にて反射した光は、再び対物レンズ５及び投影レンズ８を通過し、２次元光偏向器９で反射され、更に、ビームスプリッタ１０で反射される。ビームスプリッタ１０で反射した光は、その後、結像レンズ１１にて集光され、共焦点絞り１３に入射する。共焦点絞り１３を通過することのできた光だけが光ディテクタ１４で受光され、輝度値として検出される。合焦位置からの反射光のみが、共焦点絞り１３を通過することができる。

制御部１６は、スポット状の光の照射位置ごとに得られる輝度値を２次元的にマッピングし、共焦点顕微鏡画像を生成する。制御部１６は、生成した共焦点顕微鏡画像をコンピュータ１７の画像入力部２３に伝送する。コンピュータ１７は、受信した共焦点顕微鏡画像を表示部２１に表示させる。

（高さ測定の基本原理）
次に、図１に示す共焦点顕微鏡装置１００による高さ測定の動作の原理について説明する。
３次元形状測定装置１００は、制御部１６の制御にしたがって、Ｚ走査ステージ７を移動させて対物レンズ５と被検物３との間の相対距離を変えながら、共焦点顕微鏡画像を複数枚取得する。以下においては、この動作をＺ走査と呼ぶ。図２は、Ｚ走査して複数枚取得した画像を示す図である。これら一連の画像は、画像を取得する度に、コンピュータ１７の記憶部２２に保存されていく。各画像には、対物レンズ５と被検物３との相対距離に応じて、ｎ＝１，２，…，ｋ（ｋは自然数）等のように付番されて保存される。

被検物３上のある１点（ｘ０，ｙ０）に着目すると、この点における輝度は、離散的に変化する。図３は、ｎ＝１，…，ｋのｋ枚の画像における点（ｘ０，ｙ０）の輝度変化を示す図である。輝度変化は、対物レンズ５の開口数やレーザ光源２の波長、共焦点絞り１３の開口の大きさ等により、概ね決まった形となる。

演算処理部１９は、記憶部２２に記憶された画像のデータの中から、点（ｘ０，ｙ０）の輝度値がピークをとる画像ｎ及びその近傍の画像について、数点から数十点を抽出し、抽出したデータを用いて近似曲線を算出する。図３の例では、黒丸塗りつぶしプロットの２１点を用いて近似曲線を算出する。近似曲線の種類としては、２次多項式、あるいは、更に高次の多項式や、ガウス曲線等が用いられ、近似手法としては、最小二乗法が代表的であるが、公知の曲線近似方法であれば、任意の方法を用いることができる。

演算処理部１９は、このような既知の手法により求めた近似曲線から、ピークの輝度値Ｉ（ｘ０，ｙ０）と、これに対応するＺ位置Ｚ（ｘ０，ｙ０）とを推定する。推定されたＺ位置Ｚ（ｘ０，ｙ０）が、被検物３上の点（ｘ０，ｙ０）における高さの値であり、この推定値を全てのｘ、ｙ位置で（全ての測定点すなわち全ての画素について）算出することで、被検物３の相対的な高さの分布を得る。

以下においては、演算処理部１９が上記の方法で推定により求めるこれらピーク輝度値I（ｘ０，ｙ０）及びＺ位置Ｚ（ｘ０，ｙ０）すなわち高さを、測定データともいうこととする。

図４は、推定された高さの分布を表す図である。
図４においては矢印で複数個所を指し示しているように、推定された高さデータには、スパイク状の測定点が含まれることがある。上記の方法で求めた高さデータには、誤って検出した誤測定データや、正しい測定かどうかが疑わしい測定データが含まれてしまうことがあるためである。このようなデータは、設置環境の振動や騒音、光ディテクタ１４やその増幅回路に含まれるノイズ、光学的に反射光を検出できる限界を超える場合等に発生することが知られている。

そこで、本実施形態に係る３次元形状測定装置１００の演算処理部１９においては、このような信頼性の低い測定データを判別するために、まず、測定点すなわち画素ごとの測定データの信頼性を表すスコアを算出する。スコアの種類としては、高さ推定の工程において得られる情報を用いて算出されるスコアと、推定された高さを用いて算出されるスコアとがある。

（測定データの信頼性を判定するためのスコアの算出）
まず、高さ推定の工程において得られる情報を用いてスコアを算出する方法について説明する。
図５は、共焦点顕微鏡画像の輝度値に基づき算出されるスコアについて説明する図である。

先に説明した近似曲線を用いて高さ推定を行う場合、輝度値は、図５（ａ）に示すように、十分な明るさがあれば、信頼性の高い測定が可能である。しかし、図５（ｂ）に示すように、輝度値が小さい（明るさが十分でない）場合には、ノイズの影響を受けてしまうため、測定データの信頼性は低くなってしまう。

図５（ｃ）は、推定により得られたピーク輝度値Ｉ（ｘ，ｙ）の分布を示した鳥瞰図の例である。図５（ｃ）のピーク輝度値の分布は、図４の推定された高さの分布図と同一の被検物３を対象としており、図５（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ図５（ｃ）のピーク輝度値の分布のうちの特定の位置（画素）における輝度変化を示している。

図５（ｃ）に示すピーク輝度値I（ｘ，ｙ）の分布から、被検物３の位置により輝度値が大きく異なることがわかる。そこで、本実施形態においては、輝度値とその評価値とを対応付けたスコア算出テーブルを用いて、高さ推定の工程で用いる輝度値の大きさから、測定点すなわち画素ごとに測定データを評価する。

図５（ｄ）は、輝度値についてのスコア算出テーブルを例示する図である。図５（ｄ）のスコア算出テーブルにおいては、スコアは０以上１以下の値をとり、輝度値が所定値（設例では５００階調付近）以下になると、スコアが比例的に小さくなるように設定されている。輝度値が所定値以上であれば、スコアとして、「１」を割り当てる。この輝度値に基づくスコア分布から求めるスコアを、説明の便宜上、以下においては「輝度スコア」ということとする。図５（ｄ）に例示するような、スコア算出テーブルの輝度値と輝度スコアとの関係は、予め図１の記憶部２２に記憶されている。

但し、輝度値についてのスコア算出テーブルは、輝度値が所定値を下回る場合には、それ以外の場合と比べて相対的にスコアが小さくなるように設定されていればよく、図５（ｄ）の分布に限定されるものではない。

図６は、輝度変化から算出される近似曲線の半値全幅に基づき算出されるスコアについて説明する図である。
輝度値が低い場合は、図６（ａ）や図６（ｂ）に示すように、近似曲線の半値全幅（ＦＷＨＭ）も、測定位置により異なる場合がある。ここで、先に述べたように、測定条件が同じであれば、理論上の近似曲線の形状は同じ曲線形状になる。しかし、実際の測定の場面においては、ノイズや被検物３の表面の状態（傾きや光学分解能以下の微細形状等）の影響を受けて、図６（ｃ）に示すように、測定場所により異なった半値全幅となる。

そこで、本実施形態においては、近似曲線の半値全幅とその評価値とを対応付けたスコア算出テーブルを用いることによっても、測定点（画素）ごとの測定データを評価する。図６（ｄ）は、半値全幅についてのスコア算出テーブルを例示する図である。図６（ｄ）のスコア算出テーブルにおいても、スコアは、０以上１以下の値をとる。スコア算出テーブルは、半値全幅がその光学理論値（設例では１とする）の２倍以上または１／２以下の場合には、スコアが比例的に小さくなっていくように設定されている。また、これに当てはまらない場合は、スコアとして「１」が割り当てられる。この半値全幅に基づくスコア分布から求めるスコアを、以下においては「半値全幅スコア」ということとする。図６（ｄ）に例示するような、スコア算出テーブルの半値全幅と半値全幅スコアとの関係は、予め図１の記憶部２２に記憶されている。

半値全幅についてのスコア算出テーブルについても、輝度値についてのそれと同様に、図に例示する分布に限定されるものではない。半値全幅が所定値を上回る場合や所定値を下回る場合にはそれ以外の場合と比べて相対的にスコアが小さくなるように設定されていればよい。

図７は、輝度変化から算出される近似曲線のフィッティング残差に基づき算出されるスコアについて説明する図である。
近似曲線の半値全幅だけでなく、フィッティング残差も、ノイズや被検物３の状態の影響を受ける。フィッティング残差とは、輝度変化から求めた近似曲線と近似ポイントとの差分の二乗和である。図７（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ図７（ｃ）のフィッティング残差の分布のうちの特定の測定点（画素）におけるフィッティング残差を示している。図７（ａ）及び（ｂ）に示す２つの測定位置では、最大輝度値や半値全幅は同程度であるが、近似曲線のフィッティング残差は、図７（ａ）の方が図７（ｂ）よりも明らかに大きい。

このように、フィッティング残差についても、輝度値や半値全幅と同様に、測定場所により異なる値をとる。そこで、本実施形態においては、フィッティング残差とその評価値とを対応付けたスコア算出テーブルを用いて、測定点ごとの測定データを評価する。図７（ｄ）に例示するスコア算出テーブルにおいても、上記の輝度値スコアや半値全幅スコアのテーブルと同様に、スコアは０以上１以下の値をとる。残差がゼロの場合はスコアを「１」とし、残差が大きくなるにつれて比例的にスコアが小さくなるように設定される。このようなフィッティング残差に基づくスコア分布から求めるスコアを、以下においては「残差スコア」ということとする。図７（ｄ）に例示するスコア算出テーブルのフィッティング残差と残差スコアとの関係は、予め図１の記憶部２２に記憶されている。

フィッティング残差についてのスコア算出テーブルについても、図７（ｄ）に示すスコア分布には限定されず、残差が小さい場合には相対的にスコアが高く、残差が大きい場合には相対的にスコアが小さくなるよう設定されればよい。

図８は、輝度値のピーク位置に基づき算出するスコアについて説明する図である。
先に図２を参照して説明したように、輝度値のピーク位置を算出する際には、所定のデータ範囲をピーク値近傍のフィッティングのために利用する。図８においては、このデータ範囲を「フィッティング範囲」と記載している。図８に例示するように、フィッティング範囲の外側に推定されるピーク位置がくる場合は、明らかに誤測定と判断することができるため、スコアを「０」とする。これ以外の場合、すなわち、輝度値のピーク位置がフィッティング範囲内に含まれる場合は、スコアを「１」とする。このようにして求めるピーク位置に基づくスコア分布から求めるスコアを、以下においては「ピーク位置スコア」ということとする。

ここまでに説明した輝度スコア、半値全幅スコア、残差スコア及びピーク位置スコアは、曲線近似を行って高さを推定する工程にて得られる情報に基づき算出している。これに対し、次に説明するスコアは、推定された高さに基づき算出する。

図９は、推定された高さに基づきスコアを算出する方法について説明する図である。このうち、図９（ａ）は、推定された高さデータの分布の一部を拡大した模式図である。図中には、評価対象の画素を黒丸で示す。以下においてはこの評価対象の画素を、注目画素ということとする。そして、注目画素からの距離が所定の範囲内の画素を近傍画素といい、実施例では、注目画素からの距離が２画素以下の画素を近傍画素とする。

推定された高さに基づきスコアを算出するために、まず、注目画素及び近傍画素の推定された高さデータから近似平面を求める。そして、求めた近似平面の法線ベクトルとＺ軸との交角から、注目画素の局所的な傾斜角を求める。近似平面の算出には、例えば、最小二乗法等を用いる。

図９（ｂ）は、図４の推定された高さに対して局所傾斜角を求めた例である。被検物３に照射した光の反射光を利用して測定を行う光学式測定機では、被検物３の表面の傾きが大きいほど、反射光の光量が少なくなり、測定が難しくなる。このことから、推定された高さに対して求めた傾斜角度が十分に小さい場合には、推定された高さデータの信頼性も高いと判断することができる一方、傾斜角度が大きくなるにつれて、高さデータの信頼性も低くなると見込まれる。そこで、推定された高さから求めた局所傾斜角についてのスコア算出テーブルは、このような局所傾斜角とデータの信頼性との関係に基づき設定する。

図９（ｃ）は、局所傾斜角とその評価値とを対応付けたスコア算出テーブルを例示する図である。上記のスコア算出テーブルと同様に、スコアは０以上１以下の値をとり、傾斜角度が大きくなるほどスコアが小さくなるよう設定されている。図９（ｃ）に例示するような推定された高さから求めた局所傾斜角に基づくスコア分布から求めるスコアを、以下においては、「局所傾斜角スコア」とする。

傾斜角度の範囲は、測定機や測定条件により異なる。このため、測定機や測定条件に応じて適切なスコア算出テーブルが選択的に利用できるよう、局所傾斜角スコアについては複数とおりを用意し、予め記憶部２２に記憶させておく。

局所傾斜角についてのスコア算出テーブルについても、図９（ｃ）に示すスコア分布に限定されるものでなく、局所傾斜角が小さいほどスコアが大きく、局所傾斜角が大きいほどスコアが小さく設定されるスコア分布であれば、例えば２次曲線的なカーブを描く等、他の分布をとる構成としてもよい。

本実施形態においては、演算処理部１９は、上記の各種スコアの中から少なくとも一のスコアを用いて、測定データの評価を行う。２種類以上のスコアを用いて評価を行うのが好ましい。一例として、上記の全てのスコアを用いて評価を行う方法について、図１０を参照して説明する。

図１０は、上記の複数のスコアを用いて測定データを評価する方法について説明する図である。
図１０においては、上記の「輝度スコア」、「半値全幅スコア」、「残差スコア」、「ピーク位置スコア」及び「局所傾斜角スコア」を測定点ごとすなわち画素ごとに乗算した値の分布を示す。複数種類のスコアから得られる評価値を、以下においては、「トータルスコア」と呼び、トータルスコア算出に用いる輝度スコア等の各スコアについては、「スコア要素」と呼ぶこととする。

上記のとおり、各スコア要素は、データの信頼性が高いほど１に近く、低いほどゼロに近くなるよう設定されている。このため、スコア要素の値を乗算して得られるトータルスコアについても同様に、データの信頼性が高いほどスコアは高くなり、最高スコアは「１」、最低スコアは「０」である。このように、トータルスコアは、様々な観点から測定データの信頼性を総合的に判断するための指標となっている。

なお、実施例では、先に図５〜図９を参照して説明した全てのスコア要素を用いてトータルスコアを算出しているが、これに限定されるものではない。例えば、上記の複数種類のスコア要素の中から任意のいくつかのスコア要素を選出し、これを用いてトータルスコアを算出してもよい。いずれの場合であっても、トータルスコアの算出には、少なくとも画素の明るさに係わるスコア要素（輝度スコア）と傾きについてのスコア要素（局所傾斜角スコア）を用いるのが望ましい。測定データを輝度と局所傾斜角とから評価することで、高精度で誤測定データを判断することが可能となる。

演算処理部１９は、トータルスコアと所定のしきい値とを比較して、トータルスコアが所定のしきい値以下の画素については、信頼性の低いデータと判断し、信頼性の低いデータであると判断した画素については、無効化処理を施して、測定結果を表示部２０に表示させる。

図１１は、算出したトータルスコアに基づいて信頼性の低いデータを無効化した場合における高さデータの分布についての鳥瞰図である。図１１の（ａ）乃至（ｃ）は、それぞれ図４の推定された高さデータの分布に対し、しきい値を０．０２、０．１０及び０．１６に設定した場合の有効な高さデータの分布を示す。

（ａ）のしきい値を０．０２に設定した場合と比べて、相対的にしきい値を高く０．１０に設定した（ｂ）の場合では、ある程度は（ａ）においては見られるようなスパイク状の明らかな誤測定データが無効化されているものの、未だ誤測定データも残っている。更に相対的にしきい値を高く０．１６に設定した（ｃ）の場合では、スパイク状の明らかな誤測定データが概ね無効化され、高さデータの分布から消えていることがわかる。このように、しきい値を適切に設定することで、測定データの中から誤測定データを除外して、これを解析のために利用者に提供することが可能となる。

しきい値の設定値は、測定機メーカが測定条件ごとに最適な標準推奨値（デフォルトのしきい値）を予め設定しておく。但し、測定機の利用者がデータを見ながら、例えば図１１（ａ）乃至（ｃ）のように、しきい値を変更した場合にそれぞれ測定データの判定結果がどのように変わるかを参照しつつ、しきい値を調整する構成としてもよい。利用者が判定結果を参照してしきい値の設定変更を行う際には、補助的な情報として、トータルスコアのヒストグラムを表示してもよい。

また、信頼性が低く無効データと判定されたデータについては、図１１のようにデータを欠落させて表示させてもよいし、無効データであることを表す特定の色（黒色等）で表示させてもよい。利用者にとって、表示部２０に表示された形態から無効と判定されたデータの場所が識別し易い形態であれば、表示方法は、その他どのような方法であってもよい。

無効と判定された画素については、その周辺に存在する有効画素の高さ値を用いてデータ補間してもよい。利用者は、データ補間された結果を用いて解析することができる。この補間処理の実施の有無は、利用者の意思により選択可能に構成することができる。

次に、上記の方法により得られたトータルスコアを含むデータの管理方法について説明する。
図１２は、本実施形態に係る３次元形状測定装置１００が管理するデータの構成を示す図である。このうち、図１２（ａ）は、図３等を参照して説明した方法で推定して得られたピーク輝度分布画像であり、この画像は、顕微鏡の観察画像として利用することができる。図１２（ｂ）は、図３等を参照して説明した方法で推定して得られた高さデータである。この推定した高さデータは、信頼性の判定はされておらず、生の測定データである。図１２（ｃ）は、トータルスコアデータである。図１２（ｄ）は、対物レンズの倍率や開口数、測定日時等の測定条件等の情報を、（ａ）〜（ｃ）のデータに対応付けたデータ束を表している。３次元形状測定装置１００は、図１２（ｄ）のデータ束を単位としてデータ管理や保存を行う。

データ束の保存先としては、図１の記憶部２２や、コンピュータ１７に接続された図１においては不図示の外部記憶装置が挙げられる。外部記憶装置としては、例えば、ハードディスクドライブや、ＣＤ、ＤＶＤ等の記録メディアを使用する。

なお、測定条件等の情報と（ａ）〜（ｃ）のデータとを関連付けて保存する場合、必ずしも１つの電子ファイルに結合した形式である必要はない。例えば、各データが個別の電子ファイルであっても、それらがデータの識別番号等により関連付けられるように構成されていてもよい。

以上説明したように、本実施形態に係る３次元形状測定装置１００によれば、演算処理部１９にて、被検物３の高さ推定を行う工程にて得られる情報や推定された高さを用いて、測定点である画素ごとに、それぞれが推定された高さのデータ信頼性を表すスコア要素のスコアを算出する。演算処理部１９は、算出した各スコア要素に基づき画素ごとにトータルスコアを算出し、得られたトータルスコアを所定のしきい値と比較する。そして、トータルスコアが当該しきい値以下である画素については、無効と判断して、無効化の処理を施して測定結果を表示部２０に表示させる。

画素ごとの推定された高さが有効か無効であるかの判断を、例えば測定機メーカが予め設定された推奨値をしきい値に用いて行うことで、初心者であっても、測定データが誤ったデータであるのか正しいデータであるのかの判定に迷うことがない。すなわち、３次元形状測定装置１００の測定限界を超えた領域で測定してしまった場合や、設置環境の振動、騒音によるノイズ、光検出器やその増幅回路に含まれるノイズ等を検出してしまったことによる誤った測定データが含まれる場合には、これを適切に判断することが可能となる。したがって、誤った測定データを利用して解析してしまうような事態を効果的に回避でき、これにより、解析結果の信頼性を向上させることが可能となる。

また、図１０等を参照して説明したように、実施例においては、複数のスコア要素を用いてトータルスコアを算出している。複数のスコア要素から推定された高さが有効であるか否かを判定しているため、信頼性の判定の精度を向上させ、これにより、誤判定の発生を抑えることができる。

更には、従来においては、画素ごとに高さデータの有効／無効を判定すると、メモリ容量の節約のため、判定のために算出したデータは破棄されることが多い。このため、有効／無効の再判定を行うには、判定条件を変更し、もう一度最初から高さ測定から実施する必要があった。これに対し、本実施形態においては、図１２を参照して説明したように、推定された高さデータとスコアデータとを関連付けてデータの保存や管理を行っている。これにより、例えばしきい値を変更して、変更後のしきい値で推定された高さの有効／無効を判定する場合であっても、再度測定を行う必要がない。これにより、利用者は、判定結果を参照しながらしきい値の微調整を行うこともできる。判定条件を変更して再測定を行う必要もないため、測定作業の効率が向上する。

なお、局所傾斜角の演算等の演算負荷の大きい処理については、高さ測定のためデータを取得した際に３次元形状測定装置１００に接続されているコンピュータ１７にて演算が行われる。このため、負荷の大きい演算から求まるトータルスコアと推定した高さデータとを、より演算処理能力の低い他のコンピュータで読み込んで解析を行う場合でも、利用者は、ストレスなく操作することが可能となる。これは、既に取得したデータを用いて解析を行う際に、測定機と接続されていないコンピュータを利用したい場合には、当該コンピュータに解析用のソフトウェアはインストールすれば解析を実行可能となるため、特に有効である。

＜変形例１＞
上記の第１の実施形態においては、図５（ｄ）、図６（ｄ）、図７（ｄ）及び図９（ｃ）のように、スコア算出テーブルに０以上１以下の値を割り当てて、ここからスコアを算出する。そして、算出した各スコア要素の値を乗算して、図１０のような０以上１以下の値をもつトータルスコアを算出している。しかし、スコア要素やトータルスコアの算出方法はこれに限定されない。

例えば、各スコア算出テーブルに割り当てる値の範囲を、０以上１００以下としてもよい。より緻密に測定データの信頼性を評価できる。あるいは、図１３に例示するように、各スコア算出テーブルに割り当てる値の範囲を、−１以上０以下とし、これから求めた各スコア要素の和を演算することにより、トータルスコアを算出する構成としてもよい。スコア要素の積からトータルスコアを算出する場合と同様に、測定データの信頼性を総合的に判断するための指標として用いることができる。トータルスコアの演算においては、和や積を混在させてもよいし、各スコア要素に重み付けをしてから和や積の演算を行うこととしてもよい。特定のスコア要素の値を重視して評価したい場合等には有効である。

また、トータルスコアに関しては、連続的な値をとる構成に限定されるものではなく、４階調や８階調、１６階調といったデジタルビット数の小さなスコアとして離散化されていてもよい。離散値を保存する構成とすることで、データの保存容量を小さく抑えることができる。

＜変形例２＞
上記の第１の実施形態においては、共焦点顕微鏡法にて被検物３の高さ推定を行う構成を例に説明しているが、これに限定されるものではない。例えば、垂直走査低コヒーレンス干渉法にて高さ推定を行う場合にも同様に適用が可能である。

共焦点顕微鏡法では、図３に示すような離散的な輝度変化から近似曲線を算出し、近似曲線からピーク輝度値とＺ位置を推定して、推定の工程にて得られる情報と推定された高さとを用いてスコア要素を求める。この点については、第１の実施形態にて説明したとおりである。ここでは、垂直走査低コヒーレンス干渉法により３次元形状の測定を行う場合におけるスコア要素の算出方法について説明する。

まずは、垂直走査低コヒーレンス干渉法による被検物３の３次元形状の測定方法について説明する。
垂直走査低コヒーレンス干渉法は、ハロゲン光やＬＥＤ（Light Emitting Diode）光等の低コヒーレント光源から発せられた光をビームスプリッタ等により分岐させる。分岐させた光の一方の光を対物レンズにより被検物３表面に集光させ、他方の光を参照ミラーに集光させる。被検物３表面にて反射した反射光と参照ミラーにて反射した反射光とを再び結合させると、光波の干渉縞が生じる。この干渉縞を、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等の撮像素子により撮影する。このとき、光源は、低コヒーレント光を用いているため、被検物３表面及び参照ミラーからの反射光の光路長差が小さいとき、例えば数マイクロメートル程度であるときにしか、干渉縞は現れない。光路長が完全に一致したとき、すなわち、被検物３までの距離が参照ミラーまでの距離と一致したときに、干渉強度が最も強くなる。

垂直走査低コヒーレント干渉法にて被検物３の３次元形状を測定する際は、この可干渉距離の短さを利用する。すなわち、干渉画像を対物レンズと被検物３との相対距離を変えながら順次取り込んでいく。そして、干渉画像の各測定点（各画素位置）における強度変化の最大値（ピーク輝度値）及びピーク輝度値を与えるＺ位置、つまり光路長差がゼロとなる位置を推定し、被検物３の３次元形状を測定する。

図１４は、垂直走査低コヒーレンス干渉法において、測定点におけるピーク輝度値及びＺ位置を推定する方法について説明する図である。
図１４に示すように、垂直走査低コヒーレンス干渉法では、輝度の変化曲線は、インターフェログラムと呼ばれる振動波形となる。コンピュータ１７の演算処理部１９は、振動波形の包絡曲線からピーク輝度値とＺ位置とを推定する。

このように、垂直走査低コヒーレンス干渉法においても、高さを推定する工程において、ピーク輝度値の推定も行っている。この推定されたピーク輝度値を用いて上記と同様に輝度スコアを算出することができる。輝度スコアの他、垂直走査低コヒーレンス干渉法にて３次元形状の測定を行う場合においても、半値全幅スコアや局所傾斜角スコア等を算出することができる。これらのスコア要素を用いてトータルスコアを算出することで、上記の第１の実施形態と同様に、推定された高さの信頼性を判定することが可能となり、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

＜第２の実施形態＞
本実施形態においては、第１の実施形態に係る方法の実施により得られたデータを用いて、ステッチング処理を実施する。
ステッチング処理とは、ここでは、３次元形状測定装置１００が一度に測定できる範囲が限られていることから、所望の測定領域をいくつかの細かな領域に分割して測定を行い、個々の測定データをつなぎ合わせて１つの測定データとする処理をいうこととする。

以下に、図１５〜図１７を参照して、本実施形態に係るステッチング処理の実施方法について説明する。なお、３次元形状測定装置１００の構成及びデータの信頼性の判断に係わる各動作については、第１の実施形態と同様であるため、ここではその説明は省略する。

図１５は、３次元形状の測定を行って得られた高さの推定画像であり、図１６は、図１５に対応するトータルスコア画像である。
図１５の（ａ）〜（ｄ）は、３次元形状測定装置１００が、先に説明した方法により被検物３のピーク輝度分布画像から推定した高さ画像である。（ａ）〜（ｄ）の各画像の間には、重複する領域Ａ１〜Ａ４が設けられている。（ａ）〜（ｄ）のそれぞれ隣接する画像と重複する領域を適切な位置でつなぎ合わせることで、１枚の画像が生成される。但し、図１５に示す例では、（ａ）〜（ｄ）の画像のうち、（ｃ）及び（ｄ）の画像には、被検物３が存在しない箇所がある。

図１６の（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ図１５の（ａ）〜（ｄ）に対応するトータルスコア画像である。０以上１以下の値をとるトータルスコアを階調で表し、スコアが高いほど明るい色で表される。

図１６に示すように、（ｃ）及び（ｄ）の被検物３が存在しない領域では、トータルスコアの値は低くなる。これは、被検物３が存在しない領域では、トータルスコア算出の基となる、輝度スコアや半値全幅スコア、残差スコア等のスコア要素の値が低くなるためである。

本実施形態においては、図１のコンピュータ１７の演算処理部１９は、図１６のトータルスコア画像の中から、画像のつなぎ合わせのための図１５の領域Ａ１〜Ａ４のうち、トータルスコアが所定のしきい値以上の領域Ａ１´〜Ａ４´を抽出する。領域Ａ１´〜Ａ４´は、図１６においては破線で囲む領域がこれに該当する。演算処理部１９は、トータルスコアがしきい値未満の領域は、抽出領域から除外し、ステッチングには使用せず、抽出した領域Ａ１´〜Ａ４´を利用して、ステッチング処理を行う。

ステッチング処理においては、領域Ａ１´〜Ａ４´に対応する位置にある高さデータが、隣接する画像間、すなわち図１５の（ａ）と（ｂ）、（ｃ）と（ｄ）、（ａ）と（ｃ）及び（ｂ）と（ｄ）とで最も一致するように、最適なつなぎ合わせ位置を決定する。最適なつなぎ合わせ位置の推定は、相互相関演算によるのが一般的である。しかし、重なり合う領域同士で比較をして、差分が最も小さくなるように当該位置を決定してもよい。このように、画像のつなぎ合わせの最適位置の推定処理については、実施例に限定されず、各種方法を採用することができる。図１７は、本実施形態に係る３次元形状測定装置１００が生成したステッチング画像を例示する図である。

このように、本実施形態に係る３次元形状測定装置１００によれば、画像のステッチングを行う際に、信頼性の低い領域のデータは使用せずに、ある程度信頼性の高いデータのみを使用して画像のつなぎ合わせの最適な位置を決定することが可能となる。これにより、誤ったステッチング処理を減らすことができる。また、つなぎ合わせを行う画像のそれぞれにスコアデータが存在するため、仮にステッチング処理に誤りが生じた場合であっても、トータルスコアの判定に用いるしきい値を変更して再度ステッチング処理を実施することができる。

従来においては、画像同士が重なり合う領域（図１５の例では領域Ａ１〜Ａ４）に誤検出データやノイズ等の影響が疑われるデータ等が存在すると、正しいステッチング処理を実施することが難しくなる。複数の画像をつなぎ合わせていく際に、ある画像間のつなぎ合わせの次につなぎ合わせる画像は、正しい空間位置からオフセットした状態でつながれる。このため、一旦ステッチング処理に誤りが発生すると、以降のつなぎ合わせを行うことができなくなり、測定から処理をやり直す必要があった。

これに対し、本実施形態に係る３次元形状測定装置１００によれば、ステッチング処理に誤りがあった場合であっても一から測定自体をやり直す必要がなく、したがって、画像のつなぎ合わせの作業を効率的に行うことが可能となる。

本発明は、上述した実施形態そのままに限定されるものではく、実施段階でのその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成することができる。例えば、実施形態に示される全構成要素を適宜組み合わせても良い。更に、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。このような、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変形や応用が可能であることはもちろんである。

１ 平行光
２ レーザ光源
３ 被検物
５ 対物レンズ
６ 光軸
７ Ｚ走査ステージ
８ 投影レンズ
９ ２次元偏向器
１０ ビームスプリッタ
１１ 結像レンズ
１３ 共焦点絞り
１４ 光ディテクタ
１５ 変位計
１６ 制御部
１７ コンピュータ
１００ ３次元形状測定装置

Claims (10)

1. 非接触で被検物の３次元形状の測定を行う３次元形状測定装置であって、
   前記被検物の高さ推定を行う工程で得られる情報または推定された高さを用いて、測定点ごとに、測定データの信頼性を評価するスコアを算出するスコア算出部と、
   前記スコアを用いて前記測定点ごとに前記測定データを評価した結果に応じて、前記測定データを処理するデータ処理部と、
   を備えることを特徴とする３次元形状測定装置。
2. 前記スコア算出部は、少なくとも２種類以上のスコアから１つのトータルスコアを算出する
   ことを特徴とする請求項１記載の３次元形状測定装置。
3. 前記スコア算出部は、前記高さ推定を行う工程において求めた前記測定点における明るさと、前記推定された高さから求めた前記測定点における傾きからそれぞれスコアを算出し、少なくともこれらのスコアを用いて、前記トータルスコアを算出する
   ことを特徴とする請求項２記載の３次元形状測定装置。
4. 前記データ処理部は、前記トータルスコアが予め設定されているしきい値以下である測定点については、前記測定点における測定データを無効データとして処理する
   ことを特徴とする請求項２または３記載の３次元形状測定装置。
5. 前記しきい値は、測定条件ごとに推奨する標準値が予め設定されている
   ことを特徴とする請求項４記載の3次元形状測定装置。
6. 前記しきい値は、可変であり、前記データ処理部は、変更されたしきい値に応じて前記測定点における測定データの有効または無効を判定して処理を行う
   ことを特徴とする請求項４記載の３次元形状測定装置。
7. 前記スコア算出部は、前記被検物の高さ推定を行う工程においてＺ走査に伴う測定点の輝度値の変化を曲線近似して得られる近似曲線の形状特性または近似誤差から前記スコアを算出する
   ことを特徴とする請求項１記載の３次元形状測定装置。
8. 前記スコア算出部は、推定された高さを用い、注目する測定点近傍の複数の測定点の近似平面の傾きから前記スコアを算出する
   ことを特徴とする請求項１記載の３次元形状測定装置。
9. 前記測定点ごとの高さ推定を行う工程にて得られる情報または前記トータルスコアの少なくとも一方を推定された高さと関連付けて記憶する記憶部と、
   を更に備え、
   前記スコア算出部及びデータ処理部は、前記記憶部に記憶されている情報を読み出して、それぞれ前記スコア及びトータルスコアの算出処理及びデータの処理を行う
   ことを特徴とする請求項４記載の３次元形状測定装置。
10. 前記データ処理部は、前記トータルスコアが前記しきい値以上である領域のデータを用いてステッチング処理を行う
    ことを特徴とする請求項４記載の３次元形状測定装置。