JP4786923B2 - 縞計測装置の変換係数較正方法および装置ならびに該変換係数較正装置を備えた縞計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、干渉計装置やモアレ装置等の縞計測装置において、計測空間の座標系から実空間の座標系へ変換するために設定された変換係数を、出荷検査時やメンテナンス時等に較正するための縞計測装置の変換係数較正方法および装置、ならびにこのような変換係数較正装置を備えた縞計測装置に関する。

干渉計装置等の縞計測装置により撮像された縞画像に基づき、被検体の形状や傾き等を正しく求めるためには、計測空間の座標系から実空間の座標系への変換が必要とされる（下記非特許文献１参照）。そのため縞計測装置には、実空間への変換を正しく実行するための変換係数が予め設定されている。

この変換係数は、縞画像を撮像するカメラの位置や撮像倍率、あるいは固体撮像素子の画素ピッチ、測定光束の波長といった各種パラメータにより、その値が決定されるものであるが、縞計測装置の各部の設置誤差や経年使用により生ずる誤差等により、一旦設定された変換係数の値を較正する必要が生じる場合がある。

従来、このような較正を行なう方法としては、較正対象となる縞計測装置により計測された被検面の傾きと、同じ被検面をオートコリメータ等の基準角度計により測定した傾きとを比較して、変換係数の値を較正する方法が知られている。

谷田貝豊彦著「応用光学−光計測入門」１８８〜１８９頁

しかしながら、従来の較正方法では、較正対象となる縞計測装置および基準角度計の各アライメントを高精度に行ない、かつ被検面の傾きを変えて複数回の測定を行なう必要があるので、較正に要する手順が煩雑で多くの時間を要するという問題がある。

本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、縞計測装置において設定された変換係数の値を、容易かつ短時間で較正することが可能な縞計測装置の変換係数較正方法および装置ならびに該変換係数較正装置を備えた縞計測装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明では、互いのなす角度が規定された少なくとも２つの反射面を有する較正用治具を用いて、変換係数を較正するようにしている。

すなわち、本発明に係る縞計測装置の変換係数較正方法は、被検面から反射される光束と基準面から反射される基準光とを干渉させることにより、前記被検面の位相情報を担持し
た干渉縞画像を撮像し、該干渉縞画像に基づき前記被検面の計測を行なう縞計測装置において設定された、計測空間の座標系から実空間の座標系へ変換するための変換係数の値を較正する方法であって、
互いのなす角度が前記実空間において所定の基準値をとるように構成された少なくとも
２つの反射面を有する較正用治具を、前記縞計測装置により前記少なくとも２つの反射面
それぞれの傾斜情報を担持した１つの縞画像を撮像し得るように設置する較正用治具設置
手順と、
前記縞計測装置によって各々の前記反射面で発生する干渉縞を１つの前記干渉縞画像として撮像する干渉縞画像撮像手順と、
撮像された前記干渉縞画像に基づき、前記計測空間の座標系における前記少なくとも
２つの反射面のなす角度の算出値を求める角度算出手順と、
前記基準値と前記算出値とが所定の単位系のもとで互いに一致するように、前記変換係
数の値を較正する較正手順と、をこの順で行なうことを特徴とする。

前記角度算出手順は、前記干渉縞画像に基づき、前記計測空間の座標系における前記少なくとも２つの反射面それぞれを表す、前記変換係数をパラメータとして含む少なくとも２つの方程式を求めるステップと、求められた前記少なくとも２つの方程式それぞれの法線成分同士の内積演算に基づき、前記算出値を求めるステップと、からなるようにすることができる。

また、本発明に係る変換係数較正装置は、被検面から反射される光束と基準面から反射される基準光とを干渉させることにより、前記被検面の位相情報を担持した干渉縞画像を撮像し、該干渉縞画像に基づき前記被検面の計測を行なう縞計測装置において設定された、計測空間の座標系から実空間の座標系へ変換するための変換係数の値を較正する装置であって、
互いのなす角度が前記実空間において所定の基準値をとるように構成された少なくとも
２つの反射面を有する較正用治具と、
前記縞計測装置によって各々の前記反射面で発生する干渉縞を撮像して得られる、前記少なくとも２つの反射面それぞれの傾斜情報を担持した１つの前記干渉縞画像に基づき、前記計測空間の座標系において前記少なくとも２つの反射面のなす角度の算出値を求める角度算出手段と、
前記基準値と前記算出値とが所定の単位系のもとで互いに一致するように前記変換係数
の値を較正する較正手段と、を備えてなることを特徴とする。

前記角度算出手段は、前記１つの干渉縞画像に基づき、前記計測空間の座標系において前記少なくとも２つの反射面それぞれを表す、前記変換係数をパラメータとして含む少なくとも２つの方程式を求め、求められた前記少なくとも２つの方程式それぞれの法線成分同士の内積演算に基づき、前記算出値を求めるように構成することができる。

また、本発明に係る縞計測装置は、本発明による変換係数較正装置を備えてなることを特徴とする。

なお、上記「所定の基準値」とは、較正用治具の少なくとも２つの反射面それぞれの傾
斜情報を担持した１つの干渉縞画像を、較正対象となる縞計測装置により撮像し得る（角度が大きすぎて１つの反射面の干渉縞画像しか得られないということのない）角度範囲内で設定されるものであれば、任意に設定し得るものである。

また、上記「所定の単位系」とは、上記算出値と上記基準値とを同じ基準のもとで比較し得るものであればよく、度（°）、分（′）、秒（″）を用いる六十進法によるものや、ラジアン（rad）を用いる弧度法によるもの、またはグラード（^ｇ）等を用いる十進法によるものなど角度の単位系として一般に用いられるものの他、個別に設定されたものであっても構わない。

本発明に係る縞計測装置の変換係数較正方法および装置によれば、縞計測装置により撮
像された、較正用治具の少なくとも２つの反射面それぞれの傾斜情報を担持した１つの干渉縞画像から、計測空間の座標系における少なくとも２つの反射面のなす角度を算出し、この算出値と実空間における少なくとも２つの反射面のなす角度の基準値とが、所定の単位系のもとで互いに一致するように変換係数を較正するようにしていることにより、以下のような効果を奏する。

すなわち、従来方法のように基準角度計を用いた複数回の計測を行なう必要がなく、較正用治具の少なくとも２つの反射面それぞれの傾斜情報を担持した１つの干渉縞画像を縞計測装置より撮像すれば、後は演算により変換係数の値を較正することができるので、これまで手順が煩雑で多くの時間を要するとされていた変換係数の値の較正を、容易かつ短時間で行なうことが可能となる。

また、本発明に係る縞計測装置によれば、本発明による変換係数較正装置を備えていることにより、変換係数の較正を容易かつ短時間で行なうことができるので、メンテナンスが容易となり、高精度に計測し得る状態を維持することが容易となる。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係る縞計測装置を概略的に示す図であり、図２は図１に示す較正用治具の構成を示す斜視図である。

〈縞計測装置の構成〉
まず、本実施形態の縞計測装置について説明する。図１に示す縞計測装置は、フィゾー型の干渉計を用いて被検面の傾斜角度を計測する角度計装置であり、干渉縞画像を撮像する干渉計１と、撮像された干渉縞画像を解析する解析部２とを備えてなる。

これらのうち上記干渉計１は、図１に示すように、高可干渉性の光束を出力する光源部１１と、該光源部１１から出射された発散光束を平行光束とするコリメータレンズ１２と、該コリメータレンズ１２からの平行光束の光路上に配されたビームスプリッタ１３および基準板１４とを備えている。

また、この干渉計１は、被検面から反射された光束と、上記基準板１４の基準面１４ａから反射された基準光との干渉により、被検面の形状および傾斜情報を担持した干渉縞を得るように構成されており、得られた干渉縞を結像させる結像レンズ１５と、該干渉縞を撮像する撮像カメラ１６とを、上記構成と共に備えている。

一方、上記解析部２は、図１に示すように、画像処理や縞解析を行なう縞解析装置２１と、キーボード等の入力装置２２と、表示装置２３とを備えてなる。上記縞解析装置２１は、コンピュータ等により構成されており、画像処理や縞解析を行なうためのプログラムを格納した記憶部や、プログラムの実行や各種演算を行なう演算部等を備え、上記撮像カメラ１６において撮像された干渉縞に基づき、被検面の傾斜角度を求めることが可能となっている。

また、図１に示す縞計測装置には、計測空間の座標系から実空間の座標系に変換する処理手順において必要とされる、計測空間の座標系から実空間の座標系に変換するための変換係数が所定の値に設定されており、設定された変換係数の値は上記縞解析装置２１のメモリ等に格納されている。

〈変換係数較正装置の構成〉
次に、本発明の一実施形態に係る変換係数較正装置について説明する。上述したように図１に示す縞計測装置の一部を構成する上記縞解析装置２１は、本発明の一実施形態に係る変換係数較正装置の一部をも構成している。すなわち、本実施形態の変換係数較正装置は、上記縞解析装置２１と、図２に示す較正用治具３とを備えてなり、この較正用治具３は、互いのなす角度が実空間において所定の基準値θ（例えば、六十進法で数十秒程度の角度、図１，図２では視認性を優先して角度の大きさを誇張している）をとるように構成された２つの反射面３１，３２を有している。

一方、縞解析装置２１は、後述する変換係数較正手順に示すように、上記縞計測装置を用いて撮像される、上記較正用治具３の２つの反射面３１，３２それぞれの傾斜情報を担持した１つの縞画像に基づき、計測空間の座標系において２つの反射面３１，３２のなす角度の算出値φを求める角度算出手段と、上記基準値θと上記算出値φとが所定の単位系のもとで互いに一致するように上記変換係数の値を較正する較正手段とを、メモリ等に格納されたプログラム等として備えている。

〈変換係数較正手順〉
以下、本発明の一実施形態に係る縞計測装置の変換係数較正方法について説明する。図３は図１の縞計測装置により撮像された１つの縞画像を示す図である。なお、図３に示した直角座標系は、上記縞計測装置の計測空間に設定されたものである。

〈１〉図１に示すように較正用治具３を、縞計測装置により２つの反射面３１,３２それぞれの傾斜情報を担持した１つの縞画像４（図３参照）を撮像し得るように設置する（較正用治具設置手順）。

〈２〉縞計測装置により、図３に示すような１つの縞画像４を撮像する（縞画像撮像手順）。この１つの縞画像４には、上記２つの反射面３１，３２それぞれの傾斜情報を担持した画像領域４１，４２が含まれている。

〈３〉撮像された１つの縞画像４に基づき、計測空間の座標系において上記２つの反射面３１,３２それぞれを表す、上記縞計測装置に設定された変換係数をパラメータとして含む下記の２つの方程式（１），（２）を求める（角度算出手順のステップ１）。

ａ_１ｋｘ＋ｂ_１ｋｙ＋ｃ_１ｚ＝ｄ_１ …… （１）
ａ_２ｋｘ＋ｂ_２ｋｙ＋ｃ_２ｚ＝ｄ_２ …… （２）

ここで、ｘ，ｙ，ｚは図３に示す座標系の座標を示し（ｘ，ｙの単位は、例えば図１に示す撮像カメラ１６の固体撮像素子の画素ピッチ、ｚの単位は、例えば図３に示す１つの縞画像４における縞ピッチから割り出された長さの単位（例えばμｍ）とされる）、ａ_１，ｂ_１，ｃ_１，ａ_２，ｂ_２，ｃ_２は、計測空間の座標系における２つの反射面３１，３２それぞれの法線の傾きに対応する係数を示す。また、ｋは上記変換係数、すなわち計測空間の座標系から実空間の座標系へ変換するための係数（単位は、例えばμｍ／画素ピッチ）を示している。

〈４〉求められた上記２つの方程式（１），（２）それぞれの法線成分同士の内積演算（下式（３），（４）参照）に基づき、計測空間の座標系における２つの反射面３１，３２のなす角度の算出値φを求める（下式（３），（４）を互いに等しいとおいてcosφを求め、さらにφを求める）（角度算出手順のステップ２）。

ａ_１ａ_２ｋ^２＋ｂ_１ｂ_２ｋ^２＋ｃ_１ｃ_２ …… （３）
（ａ_１ ^２ｋ^２＋ｂ_１ ^２ｋ^２＋ｃ_１ ^２）^１/２（ａ_２ ^２ｋ^２＋ｂ_２ ^２ｋ^２＋ｃ_２ ^２）^１/２cosφ …… （４）

〈５〉求められた算出値φと上記基準値θとが所定の単位系（例えば六十進法）のもとで互いに一致するように、変換係数ｋの値を較正する（較正手順）。

以上説明したように、本実施形態に係る縞計測装置の変換係数較正方法および装置によれば、従来方法のようにオートコリメータ等の基準角度計を用いた複数回の計測を行なう必要がなく、縞計測装置より１つの縞画像４を撮像すれば、後は演算により変換係数を較正することができるので、変換係数の較正を容易かつ短時間で行なうことが可能である。

また、本実施形態に係る縞計測装置は、変換係数の較正を容易かつ短時間で行なうことができるので、変換係数の較正を適宜に行なうことにより、高精度な計測を実施し得る状態を維持することが可能である。

〈態様の変更〉
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、種々に態様を変更することが可能である。

例えば、上記実施形態においては、変換係数較正装置の一部を構成する縞解析装置２１が縞計測装置の一部をも構成するようになっているが、変換係数較正装置を縞計測装置とは切り離して構成するようにしてもよい。

また、較正用治具についても、図３に示す態様のものに限られるものではなく、例えば図４に示すような態様のものを用いることができる。図４（ａ）に示す較正用治具５は、図３に示す較正用治具３では２つの反射面３１，３２が山型に形成されているのに対し、２つの反射面５１，５２が谷型に形成されている点が、また図４（ｂ）に示す較正用治具６は、４つの反射面６１〜６４を備えている点が、それぞれ図３に示す較正用治具３と異なっている。

また、上記実施形態においては、縞計測装置がフィゾー型の干渉計１を有してなる角度計装置とされているが、本発明は、干渉縞画像に基づき被検面の形状等を測定する干渉計装置（マイケルソン型、マッハツェンダ型、フィゾー型などの種類は問わない）や、モアレ縞画像に基づき被検面の形状等を測定するモアレ装置（格子照射型、格子投影型のどちらでも可）など、種々の縞計測装置に対して適用することが可能である。

本発明の一実施形態に係る縞計測装置の概略構成図 較正用治具の斜視図 撮像された１つの縞画像を示す図 較正用治具の他の態様を示す図

符号の説明

１ 干渉計
２ 解析部
３、５、６ 較正用治具
４ １つの縞画像
１１ 光源部
１２ コリメータレンズ
１３ ビームスプリッタ
１４ 基準板
１４ａ 基準面
１５ 結像レンズ
１６ 撮像カメラ
２１ 縞解析装置
２２ 入力装置
２３ 表示装置
３１，３２、５１，５２ ２つの反射面
４１，４２ 画像領域
６１〜６４ ４つの反射面
θ 基準値
ｘ，ｙ，ｚ 計測空間の座標軸

Claims (5)

1. 被検面から反射される光束と基準面から反射される基準光とを干渉させることにより、前記被検面の位相情報を担持した干渉縞画像を撮像し、該干渉縞画像に基づき前記被検面の計測を行なう縞計測装置において設定された、計測空間の座標系から実空間の座標系へ変換するための変換係数の値を較正する方法であって、
   互いのなす角度が前記実空間において所定の基準値をとるように構成された少なくとも２つの反射面を有する較正用治具を、前記縞計測装置により前記少なくとも２つの反射面それぞれの傾斜情報を担持した干渉縞画像を撮像し得るように設置する較正用治具設置手順と、
   前記縞計測装置によって各々の前記反射面で発生する干渉縞を１つの前記干渉縞画像として撮像する干渉縞画像撮像手順と、
   撮像された前記干渉縞画像に基づき、前記計測空間の座標系における前記少なくとも２つの反射面のなす角度の算出値を求める角度算出手順と、
   前記基準値と前記算出値とが所定の単位系のもとで互いに一致するように、前記変換係数の値を較正する較正手順と、
   をこの順で行なうことを特徴とする縞計測装置の変換係数較正方法。
2. 前記角度算出手順は、
   前記干渉縞画像に基づき、前記計測空間の座標系において前記少なくとも２つの反射面それぞれを表す、前記変換係数をパラメータとして含む少なくとも２つの方程式を求めるステップと、
   求められた前記少なくとも２つの方程式それぞれの法線成分同士の内積演算に基づき、前記算出値を求めるステップと、
   からなることを特徴とする請求項１記載の縞計測装置の変換係数較正方法。
3. 被検面から反射される光束と基準面から反射される基準光とを干渉させることにより、前記被検面の位相情報を担持した干渉縞画像を撮像し、該干渉縞画像に基づき前記被検面の計測を行なう縞計測装置において設定された、計測空間の座標系から実空間の座標系へ変換するための変換係数の値を較正する装置であって、
   互いのなす角度が前記実空間において所定の基準値をとるように構成された少なくとも２つの反射面を有する較正用治具と、
   前記縞計測装置によって各々の前記反射面で発生する干渉縞を撮像して得られる、前記少なくとも２つの反射面それぞれの傾斜情報を担持した１つの前記干渉縞画像に基づき、前記計測空間の座標系における前記少なくとも２つの反射面のなす角度の算出値を求める角度算出手段と、
   前記基準値と前記算出値とが所定の単位系のもとで互いに一致するように前記変換係数の値を較正する較正手段と、
   を備えてなることを特徴とする変換係数較正装置。
4. 前記角度算出手段は、
   前記１つの干渉縞画像に基づき、前記計測空間の座標系において前記少なくとも２つの反射面それぞれを表す、前記変換係数をパラメータとして含む少なくとも２つの方程式を求め、求められた前記少なくとも２つの方程式それぞれの法線成分同士の内積演算に基づき、前記算出値を求めるように構成されていることを特徴とする請求項３記載の変換係数較正装置。
5. 請求項３または４記載の変換係数較正装置を備えてなることを特徴とする縞計測装置。