JP4930834B2

JP4930834B2 - 形状測定方法

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Publication number: JP4930834B2
Application number: JP2007002198A
Authority: JP
Inventors: 智明山田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2007-01-10
Filing date: 2007-01-10
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2027-01-10
Also published as: JP2008170209A

Description

本発明は、工業製品等の表面形状を測定するための光学式の三次元形状測定器を用いた形状測定方法に関する。

工業製品等の物体の表面形状を測定する技術は従来から種々提案されており、その一つに光学式の三次元形状測定器がある。光学式三次元形状測定器も種々の方式、構成のものがあるが、被検物に所定の投影パターン（縞模様や、格子模様）を投影して被検物を撮像し、その撮像画像から各画像位置（各画素）での縞の位相を求めて各画像位置の高さを算出し、被検物の三次元表面形状を測定するものがある（例えば、特許文献１参照）。

このような装置においては、例えば、被検物（測定対象物）の表面に縞パターンからなる投影パターンを投影し、投影方向と異なる角度から被検物に投影された縞パターンを撮像し、三角測量の原理等を用いて縞パターンの位相分布を算出し、被検物表面の三次元形状を求めるように構成されている。

その構成例を図５に示しており、光源５１からの光が縞模様の投影パターンマスク５２および投影レンズ５３を通して被検物５４の表面に投影される。被検物５４の表面に投影された投影パターンマスク５２の縞模様は、被検物５４の表面三次元形状に応じて変形され、このように変形された被検物５４の表面のパターンを、投影方向と異なる角度から撮像レンズ５５を介して撮像装置（例えば、ＣＣＤセンサ）により撮像されて、演算処理装置５７に送られ、ここで撮像画像データの演算処理が行われる。演算処理装置５７においては、このように撮像された被検物表面の撮像画像データを三角測量の原理等を用いて縞パターンの位相分布を算出し、被検物表面の三次元形状を求める演算処理が行われる。
特開２０００−９４４４号公報

ところで、被検物に照射された光はどの方向にも一様な強度で反射する、すなわち完全拡散反射するという前提の下で上述の三次元形状測定が行われているが、実際には被検物の表面は完全拡散面ではなく、鏡面反射面としての性格も有しており、この鏡面反射光の影響を受けて縞パターン位置がずれて撮像され、三次元形状測定に誤差が生じるという問題がある。

この問題について、図６〜図８を参照して詳しく説明する。まず、被検物表面Ａが完全拡散面であると、図６に示すように被検物表面Ａにビーム光６１を照射した場合、その反射光強度分布６２は全方向に同一強度となる。このため、被検物表面Ａをどの方向から撮像しても同一の撮像結果が得られる。一方、被検物表面Ａが鏡面である場合には、図７に示すように被検物表面Ａにビーム光６１を照射した場合、その反射光は、正反射方向の光６３が最大強度を有し、その両側に向かって強度が小さくなる反射光強度分布６４となる。このため、被検物表面Ａを正反射光６３とは異なる方向の反射光、例えば、図において符合６５で示す反射光を受ける方向から撮像すれば光の強度分布が不均一となる。

具体的には、図示のように、反射光６５を、撮像レンズ６５を介してＣＣＤカメラ６７で撮像した場合、被検物表面Ａにおけるビーム光６１の照射点Ｂの像が撮像レンズ６６により合焦されてＣＣＤカメラ６７により撮像されたときには、図８（Ａ）に示すように照射点Ｂを示す点画像となり、強度分布が不均一となる問題は生じない。すなわち、合焦位置での撮像画像は鏡面反射光の影響を受けることはない。しかしながら、ＣＣＤカメラ６７が合焦位置から外れた位置に位置する場合には、反射点Ｂが広がった像となり、図８（Ｂ）に示すように、所定の大きさの円状の像Ｂ′が撮影される。このとき、鏡面反射光は正反射光方向の強度が最大でここから離れるに従って強度が低下する分布を有する光であるため、図示のように、この像Ｂ′は、正反射光に近い方が明るく、これから遠ざかるに応じて暗くなる像となる。このような光強度分布を有した像Ｂ′に基づいて被検物表面Ａにおけるビーム光６１の照射点Ｂを算出するときには、像Ｂ′の光強度分布の中心点Ｂ（０）を照射点の位置であると算出するため、図示のように実際の照射点Ｂに対して算出された照射点位置Ｂ（０）がΔｄだけずれることになる。このようなずれを有して三次元形状測定を行った場合、当然ながらその測定結果が誤差を有するという問題がある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、鏡面反射光の影響を受けることがないようにして正確な三次元形状測定を行うことができるような測定方法を提供することを目的とする。

このような目的を達成するため、本発明に係る形状測定方法は、被検物に所定の投影パターンを投影するパターン投影工程と、同一位置に合焦点を有し、異なる開口数を有する第１の撮像系と第２の撮像系とにより前記投影パターンが投影された前記被検物を撮像する第１の撮像工程と、前記第１の撮像系と前記第２の撮像系との位置関係を保ったまま、前記被検物との間隔を変えて前記第１の撮像系と前記第２の撮像系とにより前記投影パターンが投影された前記被検物を撮像する第２の撮像工程と、前記第１の撮像工程において取得された前記投影パターンの所定位置における前記第１の撮像系により取得された像と前記第２の撮像系により取得された像の位置ずれ量と前記第２の撮像工程において取得された前記投影パターンの前記所定位置における前記第１の撮像系により取得された像と前記第２の撮像系により取得された像の位置ずれ量とに基づいて、前記被検物の像の合焦位置を算出する測定工程とを有する。

なお、前記測定工程において、前記投影パターンの前記所定位置における前記第１の撮像系により取得された像と前記第２の撮像系により取得された像の位置ずれ量は、それぞれの前記像の光強度分布の中心から求めることが好ましい。

さらに、前記測定工程において算出された前記被検物の像の合焦位置において前記第１の撮像系または前記第２の撮像系により取得された前記被検物の像に基づいて前記被検物の三次元形状を求める形状測定工程をさらに備えるようにしても良い。

一方、もう一つの本発明に係る形状測定方法は、被検物に所定の投影パターンを投影するパターン投影系と、前記投影パターンが投影された前記被検物を撮像する第１の開口数を有した第１撮像系と、前記第１撮像系と同一光軸上において前記投影パターンが投影された前記被検物を撮像する第２の開口数を有した第２撮像系と、前記被検物に対する前記第１および第２撮像系の光軸方向の相対位置を調整する位置調整器とを備えた形状測定器を用いて前記被検物の三次元形状を測定する方法であり、前記位置調整器により前記被検物を前記第１および第２撮像系に対して第１の光軸方向位置（Ｚ１位置）に位置させた状態で、前記被検物に前記パターン投影系により前記投影パターンを投影し、前記第１撮像系により前記被検物に投影された前記投影パターンを撮像して第１（Ｚ１）測定画像を取得し、前記第２撮像系により前記被検物に投影された前記投影パターンを撮像して第２（Ｚ１）測定画像を取得し、前記位置調整器により前記被検物に対する前記第１および第２撮像系の光軸方向相対位置を移動させて第２の光軸方向位置（Ｚ２位置）に位置させた状態で、前記被検物に前記パターン投影系により前記投影パターンを投影し、前記第１撮像系により前記被検物に投影された前記投影パターンを撮像して第１（Ｚ２）測定画像を取得し、前記第２撮像系により前記被検物に投影された前記投影パターンを撮像して第２（Ｚ２）測定画像を取得し、前記被検物の測定画像の所定画像位置（測定画像上における投影パターンの所定位置）における、前記第１（Ｚ１）測定画像と前記第２（Ｚ１）測定画像との画像面上での第１位置ずれ（Δｄ１）と前記第１（Ｚ２）測定画像と前記第２（Ｚ２）測定画像との画像面上での第２位置ずれ（Δｄ２）とから、前記所定画像位置に対して合焦する合焦位置（Ｚ０）を求め、前記所定画像位置における前記合焦位置（Ｚ０）での測定画像から前記所定画像位置の光軸方向位置を求め、前記被検物の三次元形状を求める。

なお、前記第１位置ずれ（Δｄ１）と前記第２位置ずれ（Δｄ２）との差が最も小さくなる光軸方向位置を前記合焦位置（Ｚ０）とし、前記被検物の三次元形状を求める部分における全ての画像位置（測定画像上における投影パターンを示す全ての画像位置）について前記合焦位置（Ｚ０）を求めるとともに前記全ての画像位置における前記合焦位置（Ｚ０）での測定画像から前記全ての画像位置の光軸方向位置（高さ）を求め、前記被検物の三次元形状を求めるように構成するのが好ましい。
また、前記第１位置ずれ（Δｄ１）および前記第２位置ずれ（Δｄ２）は、それぞれ測定画像の前記所定画像位置に対応する画像の光強度分布の中心から求めることが好ましい。

以上説明したように構成される本発明によれば、検査対象物の撮像測定画像の所定画像位置（測定画像上における投影パターンの所定画素位置）毎に合焦位置を算出する構成であり、上述のように合焦位置では鏡面反射光の影響がでないため、鏡面反射光の影響を受けない測定画像を得ることができ、被検物の正確な三次元形状測定を行うことが可能である。

以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。本発明に係る形状測定方法に用いられる三次元形状測定装置の概略構成を図１に示しており、まず、この形状測定装置について、図１を参照して説明する。なお、図１においては図１（Ａ）および（Ｂ）にそれぞれ形状測定装置を示しているが、これは同一のものであり、説明の便宜上、被検物の相対位置を第1位置（Ｚ１位置）に設定したものを図１（Ａ）に示し、被検物の相対位置を第2位置（Ｚ２位置）に設定したものを図１（Ｂ）に示している。

この形状測定装置は、光源１と、光源１からの光に縞模様を与えるための投影パターンマスク２と、投影パターンマスク２を通過した光源１からの光を被検物２０の表面に投影させる投影レンズ（群）３とからなるパターン投影系と、被検物２０からの反射光を撮像レンズ４およびハーフミラー５を介して撮像する第1撮像装置６からなる第1撮像系と、被検物からの反射光を撮像レンズ（群）４および全反射ミラー７を介して撮像する第２撮像装置８からなる第２撮像系とを有して構成される。

パターン投影系において、投影パターンマスク２は例えば液晶素子により構成され、任意の形状およびピッチのパターン（例えば、正弦波状の縞模様パターン、格子状パターン）を形成できる。これにより、光源１からの光をこの投影パターンマスク２を通過させ、投影レンズ３により集光させ、被検物２０の表面に投影パターンマスク２により形成された所望の投影パターンを投影させることができる。

第１および第２撮像系は、ハーフミラー５および全反射ミラー７により光路が直角に曲げられているが、被検物２０からの光を同一光軸軸上において受けて被検物２０を撮像するＣＣＤカメラを第１および第２撮像装置６，８内に備えている。すなわち、第１および第２撮像系は同一光軸上に位置している。なお、第１および第２撮像装置６，８は、同一撮像位置において被検物２０の像が得られるように、内部にもう一つの撮像レンズ（群）をそれぞれ有している。このとき、これら撮像レンズの開口数ＮＡが、第１撮像レンズによって第１撮像系の開口数が第１の開口数ＮＡ１となり、第２撮像レンズによって第２撮像系の開口数が第２の開口数ＮＡ２となるように設定されている。例えば、第１の撮像系の開口数ＮＡ１は必要な横方向分解能を得るためにＮＡ１＝０．０１に設定され、第２の撮像系の開口数ＮＡ２は各画像位置の表面状態による結像位置検出のためにＮＡ２＝０．００７に設定されている。

第１および第２撮像装置６，８を構成するＣＣＤカメラにより撮像された被検物２０の画像データは、演算処理装置９に送られ、ここで以下に説明する画像演算処理がなされ、被検物２０の表面形状測定が行われる。なお、パターン投影系、第１および第２撮像系は一つのフレームにより一体に固定されて構成されるが、被検物２０は図示しない支持台上に載置されて支持され、この支持台を、パターン投影系、第１および第２撮像系を一体に結合したフレームに対して光軸方向に相対移動させる位置調整器（図示せず）が設けられている。このため、位置調整器によりパターン投影系、第１および第２撮像系に対して被検物２０を光軸方向に相対移動させる光軸方向位置調整が可能となっている。

以上のように構成された表面形状測定装置を用いて被検物２０の表面形状を測定する方法を、図２のフローチャートを参照して以下に説明する。

この測定に際しては、まず被検物２０を位置調整器により所定の光軸方向位置（Ｚ１）位置（第１の光軸方向位置Ｚ１）に位置させる（ステップＳ１）。この状態を図１（Ａ）に示しており、この状態で光源１からの光を投影パターンマスク２および投影レンズ３を介して被検物２０に照射させて被検物２０の表面に投影パターンを投影する。このように投影されて被検物２０から反射する光は撮像レンズ４を介して集光され、その一部がハーフミラー５を通って第1撮像装置６に入射するので、第１撮像装置６の内部のＣＣＤカメラにより被検物表面に投影された投影パターンを撮像する（ステップＳ２）。また、撮像レンズ４を介して集光された被検物２０からの反射光の残りは、ハーフミラー５を通過して全反射ミラー７で反射され第２撮像装置８に入射するので、その内部のＣＣＤカメラにより被検物表面に投影された投影パターンを撮像する（ステップＳ３）。

これら第1撮像装置６および第２撮像装置８による撮影は、投影パターンマスク２により投影パターンのピッチを変えて複数回行われて、それぞれ一組の撮影画像群を得る。このようにして得られた画像データは、第１および第２撮像装置６，８から演算処理装置９に送られる。

このようにして画像データが送られると、演算処理装置９において、第１撮像系により撮像された画像と第２撮像系により撮像された画像とを比較し、投影パターンを示す画像の所定画像位置における位置ずれ（これを第１位置ずれΔｄ１と称する）を求める（ステップＳ４）。この位置ずれについて図３を参照して説明する。図６〜図８を参照した上記説明から分かるように、所定画像位置における像が第１および第２撮像系の合焦位置からずれた場合には、所定画像位置（点位置）の像は、図３に示すように円形状に膨らむ。

ここで、例えば、被検物２０の表面の投影パターンにおける図１（Ａ）に示す画像位置Ｃに注目すると、第１および第２撮像系の開口数ＮＡが相違（ＮＡ１＞ＮＡ２）しているため、第１撮像装置６による撮像画面６ａ上での点Ｃの画像Ｃ１に対応する円形形状は、第２撮像装置８による撮像画面８ａ上での点Ｃの画像Ｃ１に対応する円形形状より大きくなる。これら二つの円の中心位置は同一であるが、鏡面反射の影響でその輝度分布が不均一となった場合、例えば、図示のように画面下側が暗くて上側が明るくなった場合には、その輝度に基づいて求まる点Ｃの位置は、第１撮像装置６の撮像画面６ａにおける位置ｐ１の方が第２撮像装置８の撮像画面８ａにおける位置ｐ２より上側に位置する。このようにして生じる位置ｐ１と位置ｐ２との位置ずれが上記第１位置ずれΔｄ１である。なお、被検物２０の表面の投影パターンにおける画像位置Ｃが、第１および第２撮像装置６，８に合焦するときには、両撮像画面６ａ，８ａには画像位置Ｃとして点状の輝点が現れるだけであるので、このような位置ずれは生じない。

次に、位置調整装置により被検物２０を第２の光軸方向位置Ｚ２位置までΔＺだけ移動させる（ステップＳ５）。この状態を図１（Ｂ）に示しており、この状態で光源１からの光を投影パターンマスク２および投影レンズ３を介して被検物２０に照射させて被検物２０の表面に投影パターンを投影する。そして、ステップＳ２およびＳ３における場合と同様に、第1撮像装置６および第２撮像装置８により被検物表面に投影された投影パターンを撮像する（ステップＳ６およびＳ７）。

第1撮像装置６および第２撮像装置８により撮像された画像データは演算処理装置９に送られるので、ステップＳ４の処理と同様に、演算処理装置９において、第１撮像系により撮像された画像と第２撮像系により撮像された画像と比較し、投影パターンを示す画像の所定画像位置Ｃ２（これは被検物２０に投影された投影パターン上で同一となる位置）における位置ずれ（これを第２位置ずれΔｄ２と称する）を求める（ステップＳ８）。

このようにして第１の光軸方向位置Ｚ１における第１位置ずれΔｄ１と、第２の光軸方向位置Ｚ２における第２位置ずれΔｄ２とを算出すると、これら位置ずれが生じた上記の所定画像位置における第１および第２撮像装置６，８が合焦するする光軸方向位置（これを合焦位置Ｚ（０）と称する）を求める（ステップＳ９）。

この合焦位置Ｚ（０）を求める方法を図４を参照して説明する。図４には、縦軸に光軸方向位置（Ｚ位置）を示し、横軸にずれ量Δｄを示している。そして、上述の測定により求められたＺ１位置でのずれ量Δｄ１を示す点Ｃ１と、Ｚ２位置でのずれ量Δｄ２を示す点Ｃ２とを結ぶ線Ｌを引き、この線Ｌがずれ量Δｄ＝０となる縦線と交差する点のＺ位置を合焦位置Ｚ（０）として求める。この様にして求める算出根拠は、ずれ量Δｄが発生するということは被検物２０の第１および第２撮像装置６，８の光軸方向位置が合焦位置からずれているということであり、両者の相対光軸方向位置を移動させれば、合焦位置でずれ量Δｄ＝０となる筈であり、上記ようにしてこの合焦位置を算出するものである。また、上記の例ではΔｄ１とΔｄ２の間に合焦位置がある例で説明したが、Δｄ１とΔｄ２の外に合焦位置がある場合も同様に処理できる。

以上のようにして、所定画像位置での合焦位置Ｚ（０）が求められると、被検物２０を第１および第２撮像装置６，８に対して合焦位置Ｚ（０）に位置させたときの画像を用いて、三角測量の原理等を適用してこの所定画像位置の光軸方向位置すなわち高さを求めれば、鏡面反射の影響を受けることなく正確に測定できることになる。そして、撮像画像における投影パターンの全ての必要箇所において、上記と同様にして合焦位置Ｚ（０）を算出し、その位置での撮像画像から被検物の高さを求めれば、被検物の三次元形状を正確に測定することができる。

なお、上記実施形態においては、開口数の異なる二つの撮像系を用いたが、開口数の異なる三つ以上の撮像系を用いても良く、これにより、さらに測定精度を高めることができる。

本発明の実施形態に係る形状測定方法に用いられる三次元形状測定装置の構成を示す概略構成説明図である。上記本発明に係る形状測定方法を示すフローチャートである。上記形状測定方法において、第１および第２撮像装置により撮像された所定画像位置の像を示す説明図である。上記形状測定方法において合焦位置の算出を説明するためのグラフである。従来の形状測定装置の構成を示す概略構成説明図である。拡散反射光を説明する説明図である。鏡面反射光を説明する説明図である。鏡面反射光を受けた被検物表面の照明点の撮像画像を示す説明図である。

符号の説明

１光源２投影パターンマスク
３投影レンズ４撮像レンズ
５ハーフミラー６第１撮像装置
７全反射ミラー８第２撮像装置
９演算処理装置

Claims

被検物に所定の投影パターンを投影するパターン投影工程と、
同一位置に合焦点を有し、異なる開口数を有する第１の撮像系と第２の撮像系とにより前記投影パターンが投影された前記被検物を撮像する第１の撮像工程と、
前記第１の撮像系と前記第２の撮像系との位置関係を保ったまま、前記被検物との間隔を変えて前記第１の撮像系と前記第２の撮像系とにより前記投影パターンが投影された前記被検物を撮像する第２の撮像工程と、
前記第１の撮像工程において取得された前記投影パターンの所定位置における前記第１の撮像系により取得された像と前記第２の撮像系により取得された像の位置ずれ量と、前記第２の撮像工程において取得された前記投影パターンの前記所定位置における前記第１の撮像系により取得された像と前記第２の撮像系により取得された像の位置ずれ量とに基づいて、前記被検物の像の合焦位置を算出する測定工程とを有することを特徴とする形状測定方法。
前記投影パターンの前記所定位置における前記第１の撮像系により取得された像と前記第２の撮像系により取得された像の位置ずれ量は、それぞれの前記像の光強度分布の中心から求めることを特徴とする請求項１に記載の形状測定方法。
前記測定工程において算出された前記被検物の像の合焦位置において前記第１の撮像系または前記第２の撮像系により取得された前記被検物の像に基づいて前記被検物の三次元形状を求める形状測定工程をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の形状測定方法。
被検物に所定の投影パターンを投影するパターン投影系と、前記投影パターンが投影された前記被検物を撮像する第１の開口数を有した第１撮像系と、前記第１撮像系と同一光軸上において前記投影パターンが投影された前記被検物を撮像する第２の開口数を有した第２撮像系と、前記被検物に対する前記第１および第２撮像系の光軸方向の相対位置を調整する位置調整器とを備えた形状測定器を用いて前記被検物の三次元形状を測定する方法であって、
前記位置調整器により前記被検物を前記第１および第２撮像系に対して第１の光軸方向位置（Ｚ１位置）に位置させた状態で、前記被検物に前記パターン投影系により前記投影パターンを投影し、
前記第１撮像系により前記被検物に投影された前記投影パターンを撮像して第１（Ｚ１）測定画像を取得し、
前記第２撮像系により前記被検物に投影された前記投影パターンを撮像して第２（Ｚ１）測定画像を取得し、
前記位置調整器により前記被検物に対する前記第１および第２撮像系の光軸方向の相対位置を移動させて第２の光軸方向位置（Ｚ２位置）に位置させた状態で、前記被検物に前記パターン投影系により前記投影パターンを投影し、
前記第１撮像系により前記被検物に投影された前記投影パターンを撮像して第１（Ｚ２）測定画像を取得し、
前記第２撮像系により前記被検物に投影された前記投影パターンを撮像して第２（Ｚ２）測定画像を取得し、
前記被検物の測定画像の所定画像位置における、前記第１（Ｚ１）測定画像と前記第２（Ｚ１）測定画像との画像面上での第１位置ずれ（Δｄ１）と、前記第１（Ｚ２）測定画像と前記第２（Ｚ２）測定画像との画像面上での第２位置ずれ（Δｄ２）とから、前記所定画像位置に対して合焦する合焦位置（Ｚ０）を求め、
前記所定画像位置における前記合焦位置（Ｚ０）での測定画像から前記所定画像位置の光軸方向位置を求め、
前記被検物の三次元形状を求めることを特徴とする形状測定方法。
前記第１位置ずれ（Δｄ１）と前記第２位置ずれ（Δｄ２）との差が最も小さくなる光軸方向位置を前記合焦位置（Ｚ０）とし、前記被検物の三次元形状を求める部分における全ての画像位置について前記合焦位置（Ｚ０）を求めるとともに前記全ての画像位置における前記合焦位置（Ｚ０）での測定画像から前記全ての画像位置の光軸方向位置を求め、前記被検物の三次元形状を求めることを特徴とする請求項４に記載の形状測定方法。
前記第１位置ずれ（Δｄ１）および前記第２位置ずれ（Δｄ２）は、それぞれの測定画像の前記所定画像位置に対応する画像の光強度分布の中心から求めることを特徴とする請求項４または５に記載の形状測定方法。