JP2020154167A - 三次元形状測定方法および三次元形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 測定対象物に測定媒体を照射して干渉信号から三次元形状を計測する三次元形状計測方法において、干渉信号の撮像素子の焦点位置と干渉縞の出現位置を、対物レンズを交換した場合を含めて簡便かつ正確に行う。【解決手段】 使用する対物レンズの干渉縞が現れるｚ軸上の位置と、撮像素子の焦点位置との相対位置の差が、所定の範囲となるように撮像素子の位置を調整する。【選択図】図２

Description

本発明は、干渉顕微鏡に使用する干渉対物レンズを使用した際に、干渉縞の焦点位置と撮像素子（以後、代表としてカメラと称す）の焦点位置を合致するように補正をする方法及びその装置に関する。

従来の干渉顕微鏡は無限遠系の配置を重視しており、干渉縞の観察に際しては、カメラ側の焦点位置ではなく、参照ミラーの位置を調整することにより行っていた。具体的には、カメラセンサの位置は変えずに、そのカメラの焦点位置に干渉縞が現れるよう、対物レンズ毎に調整していた。

カメラを動かさない場合は、横倍率βが変化しないというメリットはあるものの、都度対物レンズの干渉縞の出現位置を調整しなければならず、操作者にとってこの手動による調整作業は負担であった。
低倍率レンズの場合、対物レンズの焦点深度が大きいことから、干渉縞の出現位置がカメラの焦点が合う範囲内に存するため、参照ミラーの調整機構が無い場合もある。

一方、高倍率レンズでは焦点深度が小さいことから参照ミラーによる調整が必須となる。
このように干渉対物レンズは干渉対物レンズ自身に調整機構が付いているのが一般的である。例えば、当該調整機構について使い勝手を向上させる発明がなされている（特許文献１）。

特開２０００−１９３８９１号公報

しかしながら、顕微鏡を使用する場合には１本の対物レンズのみで使用することは稀であり、倍率の異なる複数本の対物レンズを切り換えて使用するのが一般的である。
但し、複数本の干渉対物レンズそれぞれに参照ミラーの調整機構を設けることは、重量が増え、かつ、複雑な調整機構を設けることで品質が安定しづらくなり、経済性も悪化する等の課題がある。特に、重量増加は、対物レンズを複数本付けるためのレボルバやｚ駆動機構であるモータやピエゾの耐荷重を上げることに繋がり、更なる重量増加を招く。結果として、干渉縞のボケやエッジのダレ等が生じ正確な三次元形状が計測できなくなる。このことは、温度ドリフトへの対応を含めて参照ミラーの調整の自動化に対しても、装置の重量増と計測精度の観点より障害となる。

従って、常にカメラの焦点位置と干渉縞の出現位置を、干渉対物レンズの調整をして揃えておき最適化するに当たり、上記の課題を解決し、簡易な構成によりボケのない三次元形状像を容易に取得することができる三次元形状計測方法及び装置が望まれた。

本発明は、上記の課題を解決すべく、カメラ（撮像素子）の焦点位置と干渉縞の出現位置が一致するように、カメラ側にのみ調整機構を設けて調整することで、構成の簡素性を損ねず、従って、装置重量の増加に起因する品質の低下を回避しつつ、経済性も損ねることのない、真の三次元形状像を得るための三次元形状計測方法及び同装置を提供する。

本発明によれば、正確な三次元形状を測定する方法として、干渉信号に基づく干渉縞を撮像する撮像素子の焦点位置と干渉縞の出現位置との距離の差に基づいて位置調整を行う際、当該距離の差が所定の値以下となるように撮像素子の位置を移動させて位置調整を行う。
また、配置する複数の干渉対物レンズ毎に撮像素子の位置の移動量をそれぞれの補正値として記憶し、次回以降の測定においては、使用する干渉対物レンズに対応する補正値に基づいて補正を行う。
また、撮像素子を移動させることに伴う横倍率の変化に対しては、横倍率補正を行う。

このようにすることで、配置する干渉対物レンズ毎に撮像素子の位置調整の移動距離を補正値として定め、同じ干渉対物レンズを用いる上では、同じ補正値を用いた撮像素子のみの補正を行うことで正確な三次元形状測定が可能となる三次元形状計測方法を提供できる。従って、ボケ等のない三次元形状を得るために、撮像素子干渉対物レンズ毎の位置調整を行うことが不要になり、計測方法及び装置構成を簡素化でき、操作者負担も軽減できる。

また、本発明に係る三次元形状測定装置として、一定の波長の光を発生する光源と、該光を分割し反射/透過させるビームスプリッタと、当該ビームスプリッタで反射された光を光軸の方向で集光して測定対象物に照射するとともに該測定対象物から反射した測定光と測定対象物に集光される光から分岐して得られる参照光とを干渉させる干渉対物レンズと、干渉対物レンズにより生じた干渉信号を検出し撮像する撮像素子と、を有する三次元計測装置において、測定光と参照光の光学距離の調整を行う際に撮像素子をｚ軸方向に移動せしめる撮像素子の位置調整機構を備える。

このような構成とすることで、位置調整については、調整箇所が撮像素子のみでよく、配置した複数の干渉対物レンズ毎の調整機構を不要とするため装置全体の重量増による装置性能の低下を回避できる。従って、自動化する際も、撮像素子にのみ自動化機構を設けるのみでよく、装置構成が簡易化できる。

本発明に係る三次元形状計測方法及び装置によれば、簡素な構成により経済性も高く、また、容易な操作により真の三次元形状像を取得することができる。

本発明の実施の形態の１つの適用例である干渉顕微鏡の全体構成図である。 本発明に係るカメラ側の移動のよるカメラの焦点位置と干渉縞の出現位置の位置合わせの概念図である。 対物レンズの倍率から計算される縦倍率と実測値のプロットである。 本発明に係る測定方法のフローチャートである。 本発明に係る別途の測定方法のフローチャートである。 一般的なレンズの結像関係を示す図である。 従来の参照ミラー側の移動によるカメラの焦点位置と干渉縞の出現位置の位置合わせの概念図である。 カメラの焦点位置と干渉縞の出現位置の一致／不一致による撮像画像と断面図を示す図である。

以下、本発明に係る三次元形状像の取得に係る、干渉縞焦点位置とカメラの焦点位置を合わせる機構に関して、干渉顕微鏡を例とした図１〜図５に基づいて詳述する。

図１は、本発明の実施の形態の１つの適用例である干渉顕微鏡の全体構成図である。干渉顕微鏡１００は、装置本体１０と、計測対象の試料Ｓ（測定対象物）が載置されたステージ２０と、得られたデータを処理するコンピュータ（プロセッサ）３０とを含む。装置本体１０は、光源（白色光源）１１と、フィルタ１２と、ビームスプリッタ１３と、干渉対物レンズ１４と、カメラ１５（センサ（検出器））と、ピエゾアクチュエータ１６と、カメラ微調機構１７とを含む。

矢印Ａで示すように光源１１から出射された照射光（白色光）は、フィルタ（例えば波長フィルタ、偏光フィルタなど）１２を通過した後、ビームスプリッタ１３で干渉対物レンズ１４へ導かれる（矢印Ｂ）。照射光は干渉対物レンズ１４内のビームスプリッタで、測定対象物（試料Ｓ自体およびその内部の物質を含む）側へ向かう第１の照射光と、参照ミラー側へ向かう第２の照射光の２つに分割される。測定対象物に対して対向して配置される干渉対物レンズ１４内のビームスプリッタから測定対象物までの測定光の光学距離Ｌ１と、当該ビームスプリッタから参照ミラーまでの参照光の光学距離Ｌ２が等しくなった時に干渉現象が起きる。干渉信号の出現位置が焦点深度内にあるとき、カメラ１５がこの干渉信号を干渉縞（干渉パターン）として撮像し、干渉信号がコンピュータ３０に保持、格納される。また、図１の実施形態では、ビームスプリッタ１３から参照ミラーまでの距離が固定されているため、ピエゾアクチュエータ１６を用いて掃引させることにより（矢印Ｃの動き）、測定対象物との距離Ｌ１を変化させている。なお、図示はしていないが、ピエゾを使わずに走査型白色干渉顕微鏡１００自身を上下に動かしてＬ１を変化させてもよい。干渉顕微鏡１００はコヒーレンス長の短い数１μｍの光源を用いている。
白色光では、干渉信号が得られた位置が、測定対象物が存在するｚ位置（高さ位置）となる。操作者は、干渉顕微鏡１００のコンピュータ３０を操作し、矢印Ｃに沿って高さ方向に干渉対物レンズ１４を移動させ、測定対象物（試料Ｓ及びその内部の物質を含む）を高さ方向（ｚ方向）にスキャン（走査）し、測定対象物の表面の性状（凹凸など）を観察する。

図１では、光学距離が分かりやすいように干渉対物レンズとしてリニク干渉計のタイプを図示したが、ミラウタイプでもマイケルソンタイプでも同様である。
図６に一般的なレンズにおける結像関係を示す。横倍率β（いわゆる対物レンズのレンズ倍率に相当する）は、一般的に（１）式にて与えられる。

特に無限遠系と呼ばれる配置の際は、 β０＝ｆ’／ｆとなる。
一方、縦倍率α（光軸方向の倍率）は、（２）式で与えられる。

ここで無限遠系配置の状態からΔz,Δz’移動する場合を考えると補正した横倍率β’は、（３）式にて得られる。

すなわち縦倍率αを求めておくこと、もしくは事前に得ておくことで、対物レンズの焦点距離は一定であることからΔz変化させた際の変位量から横倍率が常に一定になるように補正が可能となる。

対物レンズの倍率１０倍でΔzが０．１ｍｍのとき、計算上は０．４ ％横倍率が異なることになる。すなわち、１００万画素のカメラ（センサ）では１辺が１０００画素であるため４画素分の誤差となり得る。したがって、僅かではあるが、カメラの位置を微調整した際に正確な三次元形状像を得るためには、横倍率の補正が必要となり、少なくとも１画素以下の量に抑える必要がある。
なお、上記数1〜３は近軸光線が成り立つという仮定条件（ｓｉｎΘ≒ｔａｎΘ≒Θ）のもとであるため、高倍率になるにつれ成り立たなくなる。

縦倍率と対物レンズの倍率の計算および実験結果を図３に示す。低倍では近軸近似での計算値とほぼ一致するが対物レンズの倍率が２０倍を越えたあたりから計算値との差異が確認される。このため、高倍率の対物レンズの横倍率補正の際には図３のデータを事前に得ておく必要がある。

また、対物レンズの参照ミラー位置を自動化するためにそれぞれの対物レンズに電動機構を設けることとなりレボルバにつける対物レンズの本数分、重量が増となって性能を維持する上で好ましくない。
また、センサの焦点位置と干渉縞の出現位置は温度変化の影響を僅かながら受ける。しかしながら、手動による毎回の調整は、操作者の作業が煩雑になり現実的ではない。

その様な実情を鑑みて、本発明では、センサ側をｚ方向に微調整（図１矢印Ｆの動き）する調整機構を備える仕様とした。この効果は、使用する対物レンズ毎の調整を不要とし、新たな調整機構をセンサ側に１箇所配置することで足り、装置全体として重量の増加を最小限に抑えることができる。また、当該新たな調整機構に自動調整機能を付加することで、センサの焦点位置と干渉縞の出現位置の調整が自動でなされるため、操作者による調整の手間が無くなる。

カメラ微調機構１７による図１矢印Fの動きの効果を図２で示すと、異なる個体の各対物レンズの干渉縞の出現位置にカメラの焦点位置が合うように、カメラのセンサ位置を微調整する。
カメラの位置を微調整した際、横倍率が僅かながら変化してしまうが、前記した（３）式および事前に得ている図３のデータを用いて補正が可能である。

図８は、カメラの焦点位置と干渉縞の出現位置が一致する撮像画像（ａ）及び一致しない撮像画像（ａ′）、同様に一致する断面画像（ｂ）及び一致しない断面画像（ｂ′）とを比較したものである。カメラの焦点位置と干渉縞の出現位置が一致することで、撮像画像のボケが解消され、断面画像においてダレがないシャープなエッジが見てとれる。
このように、本発明によればカメラ側を無限遠系の配置から僅かながらΔzだけ動かすため、途中に光学部品を挿入すると厳密には収差が発生するものの、カメラの焦点位置と干渉縞の出現位置を一致させることが収差の影響をも抑えて、真の三次元形状を得るにあたり有効であることが判った。

図４は、本発明に係る観察方法を実施する際のフローチャートである。はじめにカメラの位置の調整に先立って対物レンズの倍率等の光学条件を記録する（S７１）。次にその条件においてカメラの焦点位置と干渉縞の出現位置との差を求めるフォーカステストを行う（S７２）。
その値が規定値以下に収まるまでカメラの位置を微調整する（S７２〜S７４）。
規定値に入ったら微調整したカメラの位置を記録する（S７５）。

カメラ位置が変わったことによる横倍率補正（すなわちカメラ１ピクセルあたりのサイズ）を行う（S７６）。なお、厳密には近軸光線が成り立たなくなり、高倍率では理論値からのズレが生じるため出荷前に対物レンズの倍率と横倍率の検量線を作成しておくことが望ましい。
光学条件（S７１）とそれに対応するカメラ位置（S７５）、そして横倍率補正（S７６）を記録しておくことで、一度、校正した後は他の対物レンズに変更するまで再調整はしなくてもよい。よって、同じ対物レンズを用いる場合は、測定の際に最適な位置へカメラ位置を微調整（S７４）すればよい（図５）。

尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

本発明によれば、カメラ側を動かすだけで少なくとも１本以上の干渉対物レンズの焦点位置と干渉縞の出現位置を一致させることができるようになり、常に真の三次元形状を得ることが可能となる。

１０ 装置本体
１１ 光源（白色光源）
１２ フィルタ（波長フィルタを含む）
１３ ビームスプリッタ
１４ 干渉対物レンズ（対物レンズ）
１５ カメラ（センサ（検出器））
１６ ピエゾアクチュエータ
２０ ステージ
３０ コンピュータ
１００ 干渉顕微鏡
S 試料（測定対象物を含む）

Claims (6)

1. 測定対象物に測定媒体を照射して干渉信号から三次元形状を計測する三次元形状計測方法において、
   前記干渉信号に基づく干渉縞を撮像する撮像素子の焦点位置と前記干渉縞の出現位置との距離の差に基づいて位置調整を行う際、前記距離の差が所定の値以下となるように前記撮像素子の位置を移動させて位置調整を行うことを特徴とする三次元形状計測方法。
2. 請求項1に記載の三次元形状計測方法において、
   配置する複数の干渉対物レンズ毎に前記撮像素子の位置の移動量をそれぞれの補正値として記憶し、次回以降の測定においては、使用する前記干渉対物レンズに対応する前記補正値に基づいて補正を行う三次元形状測定方法。
3. 請求項1又は２に記載の三次元形状計測方法において、
   前記撮像素子の移動に対する横倍率補正を行う三次元形状計測方法。
4. 一定の波長の光を発生する光源と、該光を分割し反射／透過させるビームスプリッタと、該ビームスプリッタで反射された前記光を光軸の方向で集光して測定対象物に照射するとともに該測定対象物から反射した測定光と該測定対象物に集光される該光から分岐して得られる参照光とを干渉させる干渉対物レンズと、当該干渉対物レンズにより生じた干渉信号を検出し撮像する撮像素子と、
   を有する三次元計測装置において、
   前記測定光と前記参照光の光学距離の調整を行う際に前記撮像素子をｚ軸方向に移動せしめる撮像素子の位置調整機構を備えることを特徴とする三次元形状計測装置。
5. 前記撮像素子により検出した干渉信号を取得、格納及び処理をおこなうデータ処理部を含み、当該データ処理部が、前記位置調整機構により前記撮像素子を移動させた位置調整距離を前記干渉対物レンズに対応した補正値として記憶/呼出しする位置調整距離の記憶部を備える請求項４に記載の三次元形状計測装置。
6. 前記データ処理部が、前記位置調整機構を動作させた際に前記検出信号に対して横倍率の変化を補償する横倍率補正部を備える請求項４又は５に記載の三次元形状計測装置。