JP5141103B2

JP5141103B2 - 非接触三次元形状測定機

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Publication number: JP5141103B2
Application number: JP2007162255A
Authority: JP
Inventors: 宏一郎小松
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2007-06-20
Filing date: 2007-06-20
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2027-06-20
Also published as: JP2009002725A

Description

本発明は、非接触三次元形状測定機に関するものである。

光切断法による非接触三次元形状測定は、スリット光を被測定物体に投影して、スリット光の投影方向と異なる方向から撮像素子でスリット光の変形を検出してスリット光の一列分の被測定物体の表面形状データを取得し、被測定物体とスリット光投影機、撮像光学系とを相対的に移動させて被測定物体を走査し、被測定物体の全体の形状データを取得するものである。

従来は、特開平６−３３７２０７号公報（特許文献１）や特開平１１−８３４５０号公報（特許文献２）に開示されているように、スリット光投影方式の非接触三次元形状測定機では被測定基準面（投影光学系の光軸と撮像光学系の光軸が交差する基準点を含み、光学系に対し被測定物体の走査方向に平行な面）上にスリット光が結像するように配置されていた。
特開平６−３３７２０７号公報特開平１１−８３４５０号公報

ところが、光切断法では撮像光学系より大きな部品の測定を行うことを考慮して、撮像光学系は物体側にテレセントリックでない光学系を用いている。このため、被測定物体が前記基準面に垂直な方向に厚みのある場合、視野の位置により撮像光学系で観察される被測定物体の移動量が異なって観察されてしまうという問題点があった。

すなわち、被測定物体の移動量を∂ｘ、撮像装置で撮像されたスリット像の移動量を∂ξ、被測定基準面の法線方向の位置をｚとすると、∂ξ／∂ｘの値が、ｚにより変化してしまうという問題である。

図２（ａ）に、スリット光投影光学系の光軸と基準面の法線のなす角ψを１５度、撮像光学系の光軸と基準面の法線のなす角θを１５度、測定の基準になる前記基準点から撮像光学系の瞳までの距離Ｌを300mmとしたときの、被測定物体の移動量∂ｘと物体像の移動量∂ξの比∂ξ／∂ｘがｚによって変化する様子を示す。又、図２（ｂ）に、スリット光投影光学系の光軸と基準面の法線のなす角ψを４５度、撮像光学系の光軸と基準面の法線のなす角θを４５度、測定の基準になる前記基準点から撮像光学系の瞳までの距離Ｌを300mmとしたときの、被測定物体の移動量∂ｘと物体像の移動量∂ξの比∂ξ／∂ｘがｚによって変化する様子を示す。

一般に、撮像光学系でのサンプリングは、被測定物体の走査が定速で行われていることを前提として、一定時間間隔毎に行われているが、∂ξ／∂ｘが変化すると、あたかも、被測定物体の走査速度が変化したように観察され、その結果、測定されるｘ方向の位置が実際の位置と合わなくなるという問題を生じる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、撮像を一定時間間隔毎に行っても、走査方向位置の測定誤差が発生しにくい非接触三次元形状測定機を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための第１の手段は、被測定物体に第１の方向からスリット光を投影する投影光学系と、前記被測定物体から反射または散乱した光を受光してスリット像を検出する、第１の方向と異なる第２の方向に設けられた非テレセントリックな撮像光学系と、前記被測定物体を前記スリット光のほぼ長手方向に垂直な方向に移動させる移動機構を具備し、光切断法により前記被測定物体の形状を検出する非接触三次元形状測定機であって、前記投影光学系から放出された前記スリット光が集光する位置が、前記投影光学系の光軸と前記撮像光学系の光軸の交点を通り前記被測定物体の移動方向に平行な平面から、前記投影光学系の光軸方向に所定の距離だけ離れていることを特徴とする非接触三次元形状測定機である。

前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、前記平面の法線に対し、前記光投影光学系の光軸のなす角をψ、前記撮像光学系の光軸のなす角をθ、前記交点から前記撮像光学系の瞳までの距離をＬとしたとき、前記スリット光が集光する位置が、前記交点から次のｕで示される距離だけ前記投影光学系の光軸方向に離れた位置の近傍であることを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第３の手段は、被測定物体に第１の方向からスリット光を投影する投影光学系と、前記被測定物体から反射または散乱した光を受光してスリット像を検出する、第１の方向と異なる第２の方向に設けられた非テレセントリックな撮像光学系と、前記被測定物体を前記スリット光のほぼ長手方向に垂直な方向に移動させる移動機構を具備し、光切断法により前記被測定物体の形状を検出する非接触三次元形状測定機であって、前記投影光学系の光軸と前記撮像光学系の光軸とが、これらの交点を通り前記被測定物体の移動方向に平行な平面の法線に対して、それぞれほぼ３０度の角度を持って対向して配置されていることを特徴とする非接触三次元形状測定機である。
前記課題を解決するための第４の手段は、被測定物体に第１の方向からスリット光を投影する投影光学系と、前記被測定物体から反射または散乱した光を受光してスリット像を検出する、第１の方向と異なる第２の方向に設けられた非テレセントリックな撮像光学系を具備し、前記被測定物体と前記投影光学系及び前記撮像光学系とを相対的に移動させて前記被測定物体を前記スリット光によって走査しながら、光切断法により前記被測定物体の形状を検出する非接触三次元形状測定機であって、前記投影光学系から放出された前記スリット光が集光する位置が、前記投影光学系の光軸と前記撮像光学系の光軸の交点を通り前記被測定物体の移動方向に平行な平面から、前記投影光学系の光軸方向に所定の距離だけ離れていることを特徴とする非接触三次元形状測定機である。
前記課題を解決するための第５の手段は、被測定物体に第１の方向からスリット光を投影する投影光学系と、前記被測定物体から反射または散乱した光を受光してスリット像を検出する、第１の方向と異なる第２の方向に設けられた非テレセントリックな撮像光学系を具備し、前記被測定物体と前記投影光学系及び前記撮像光学系とを相対的に移動させて前記被測定物体を前記スリット光によって走査しながら、光切断法により前記被測定物体の形状を検出する非接触三次元形状測定機であって、前記投影光学系の光軸と前記撮像光学系の光軸とが、これらの交点を通り前記被測定物体の移動方向に平行な平面の法線に対して、それぞれほぼ３０度の角度を持って対向して配置されていることを特徴とする非接触三次元形状測定機である。
前記課題を解決するための第６の手段は、前記第１または第４の手段であって、前記平面の法線に対し、前記光投影光学系の光軸のなす角度ψ、前記撮像光学系の光軸のなす角度θ、及び前記基準点から前記撮像光学系の瞳までの距離Ｌに応じて、前記スリット光が集光する位置が設定されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、撮像を一定時間間隔毎に行っても、走査方向位置の測定誤差が発生しにくい非接触三次元形状測定機を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。なお、以下の説明においては、前出の図に示された構成要素と同じ構成要素には、同じ符号を付してその説明を省略することがある。

図１は、本発明の第１の実施の形態である非接触三次元形状測定機の光学系の概要を示す図である。図１は、水平面内で被測定物体が移動する非接触三次元形状測定機の例であり、鉛直方向をｚ軸、被測定物体の移動方向をｘ軸、スリット光の長さ方向をｙ軸とする３次元直交座標系を採用している。

ＬＥＤを線状に並べた、又は、光ファイバーの出射端を線状に配置した光源１から出射された光はスリット光投影光学系２を介して被測定物体３に投影される。撮像光学系４を介して撮像素子５上に前記スリット光の投影された被測定物体３の像を結像させる。

被測定物体３はステージ６に積置され、ステージ６は図１に示す水平のｘ軸方向に移動可能になっていて、その移動量が精度よく検出できるようになっている。このときスリット光投影光学系２の光軸と撮像光学系４の光軸を含む面にステージ６の移動方向ｘは平行である。

図３に、図１に示す非接触三次元形状測定機の光線と光軸を−ｙ軸方向から見た様子を示す。スリット光投影光学系２の光軸と撮像光学系４の光軸の交差する点を測定機の基準点Ｏとする。ステージ６の移動する方向はｘ軸方向である。鉛直上方を＋ｚ方向として、ｚ軸とスリット光投影光学系２の光軸のなす角をψ、z軸と撮像光学系４の光軸のなす角度をθ、投影光学系２が基準点Ｏ（スリット光投影光学系２の光軸と撮像光学系４の光軸が交わる点）を撮像素子５に投影する倍率をβ、測定機の基準点Ｏから撮像光学系４の瞳Ｐまでの距離をＬとするとき、被測定物体３上の点Ａ（ｘ，ｙ，ｚ）が撮像素子５上に結像する位置（ξ，η）を計算する。

撮像光学系４では被測定物体３上の点Ａと撮像光学系４の瞳Ｐとを結ぶ直線にある点はすべて撮像素子５上では同じ１点に投影される。又、測定の基準点Ｏを通り撮像光学系４の光軸に垂直な面では投影倍率がβと定義されているので、この面に投影した大きさを考えれば撮像素子５上の像の座標（ξ，η）を計算することができる。被測定物体３上の点Ａから撮像光学系４の光軸に降ろした垂線の足をＨとして、ΔＡＰＨとΔＢＰＯの相似から、被測定物体３上の点Ａ（ｘ，ｙ，ｚ）と撮像素子５面上での座標（ξ，η）との対応をとることができる。（ξ，η）の座標原点は測定機の基準点Ｏが撮像素子５上に投影された位置とし、ｙ軸とη軸が平行であるとすると、ξは、以下の式で表される。

このとき、ξをｘで偏微分すると、ステージ６の移動に対するスリット像の移動量が計算できる。

ところが、スリット光の光軸はz軸に対してψだけ傾いているので、被測定物体３にスリット光の照射されるのは光軸近辺のみである。そこで、スリット光照明光軸上での像の変化量を求めるために、次の式を代入する。

ｘ＝ｚtanψ
つまり、スリット光投影光軸上では、ステージ６移動量に対する像の移動量∂ξ/∂ｘは次のように表せる。

図２（ａ）は、上式にスリット光投影光学系２の光軸とｚ軸のなす角ψに１５度、撮像光学系４の光軸とｚ軸のなす角θに１５度、測定の基準になる基準点Ｏから撮像光学系４の瞳までの距離Ｌに300mmを代入して、ｚを−５０mmから５０mmまで変化させたときの∂ξ/∂ｘをプロットしたものである。図２（ｂ）は、上式にスリット光投影光学系２の光軸とｚ軸のなす角ψに４５度、撮像光学系４の光軸とｚ軸のなす角θに４５度、基準点から撮像光学系４の瞳までの距離Ｌに300mmを代入して、ｚを−５０mmから５０mmまで変化させたときの∂ξ/∂ｘをプロットしたものである。ただし、光学系の倍率βは１として計算している。

図２（ａ）、図２（ｂ）の結果から、ステージ６のｘ方向の移動に対して被測定物体３のｚ方向の高さによりステージ６の移動する量に対する撮像素子５上での像の移動量が変化するため、測定された被測定物体３の高さｚを元に補正をする必要があることがわかる。さらに光学系の配置条件によって補正量が大きく変化することがわかる。

また、被測定物体３の高さｚにより補正を加える場合には、得られた高さデータからより正しい高さデータを算出することになり、補正のルーチンを繰り返す必要があり高速化の妨げになる。

そこで、照明光束の幅を変えて被測定物体が照明光束を横切る時間を一定になるようにするのが望ましい。それには、ステージ６移動方向を含む面内の照明光束の幅ｗが∂ξ/∂ｘを打ち消すようになっていればよいことになる。理想的な照明光束幅ｗは次のような式で表せる。ここでａはサンプリング時間間隔である。

被測定物体３の高さ座標ｚをスリット光投影光学系２の光軸に沿った座標ｕに書き直すには、
ｚ＝ｕ＊cosψ
を代入して、次の式を得る。

図４（ａ）に、図２（ａ）で示したのと同じ条件の場合、つまりスリット光投影光学系２の光軸とｚ軸のなす角ψを１５度、撮像光学系４の光軸とｚ軸のなす角θを１５度、基準点から撮像光学系４の瞳までの距離Ｌを300mmとして代入して、zを−５０mmから５０mmまで変化させたときの、ビーム幅の目標値を実線で示す。図４（ｂ）に、図２（ｂ）で示したのと同じ条件の場合、つまりスリット光投影光学系２の光軸とｚ軸のなす角ψを４５度、撮像光学系４の光軸とｚ軸のなす角θを４５度、基準点から撮像光学系４の瞳までの距離Ｌを300mmとして代入して、zを−５０mmから５０mmまで変化させたときの、ビーム幅の目標値を実線で示す。

しかしながら、mmオーダの寸法で可視光を使ってこのような広がりをする光束を実現するのは事実上不可能である。そこで、集光点からの距離に比例するような一般的な光束で近似的に補正する。

ビーム幅の目標となる式をuについて展開すると、次のような式が得られる。

この式から、ｗ＝０となる光束の集光点の位置ｕ_０を、以下のように求めることができる。

スリット光投影光学系２の光軸とｚ軸のなす角ψを１５度、撮像光学系４の光軸とｚ軸のなす角θを１５度、基準点から撮像光学系４の瞳までの距離Ｌを300mmとして代入することによりｕ_０≒409.8mmが得られる。また、図４（ａ）に係数aを１としたときのビーム径の近似式を求め、図４（ａ）に点線で示した。このときのビーム幅ｗの式は数値を代入して次のようになる。

図４（ａ）の点線は、この式をプロットしたものである。ただし、光軸上の座標ｕを被測定物体３の高さ方向の座標ｚに換算している。同様に、スリット光投影光学系２の光軸とｚ軸のなす角ψを４５度、撮像光学系４の光軸とｚ軸のなす角θを４５度、基準点から撮像光学系４の瞳までの距離Ｌを300mmと代入することによりｕ_０＝-300mmが得られ、ビーム径の近似式は次のようになり、図４（ｂ）に点線で示す。

図５に、本発明の第１の実施例と従来例における補正量を比較して示す。縦軸は、撮像素子５で測定されたｘ方向ステップ間隔（移動量）と実際の被測定物体３のｘ方向移動量との差を示し、単位はmmである。実線が本発明の第１の実施の形態によるものであり、破線が従来法によるものである。図５（ａ）は、スリット光投影光学系２の光軸とｚ軸のなす角ψを１５度、撮像光学系４の光軸とｚ軸のなす角θを１５度、基準点から撮像光学系４の瞳までの距離Ｌを300mmとした場合のものであり、図５（ｂ）は、スリット光投影光学系２の光軸とｚ軸のなす角ψを４５度、撮像光学系４の光軸とｚ軸のなす角θを４５度、基準点から撮像光学系４の瞳までの距離Ｌを300mmとした場合のものである。

撮像光学系４の光軸の傾きθを１５度に固定してスリット光の入射角度ψを０度から６０度まで変化させたときの集光点の位置ｕ_０を図６（ａ）に、撮像光学系４の光軸の傾きθを４５度に固定してスリット光の入射角度ψを０度から６０度まで変化させたときの集光点の位置ｕ_０を図６（ｂ）にプロットした。

図７に、スリット光の傾きψと撮像系の傾きθの絶対値が等しくなるように変化させたときの集光点の位置ｕ_０をプロットした。スリット光の傾きψと撮像系の傾きθが３０度ではビームの集光点位置が無限遠になり、スリット光の幅がほとんど変わらない平行光を用いればよいことがわかる。これは、ステージ６移動量に対する像の移動量∂ξ/∂ｘにψ＝θを代入して、近似すると次のような式を得ることから説明できる。

ここで、ｕの一次の項が０となるのは、θが３０度のときである。

そこで、図８にスリット光の入射角度を３０度、撮像光学系４の光軸のｚ軸に対する傾きを３０度、測定基準点Ｏから瞳までの距離Ｌを300mmとしたときの、被測定物体の高さｚの値によるステージ６の移動量に対する像の移動量∂ξ/∂ｘをプロットした。これをみると、ほぼ水平になっており補正をする必要がないことがわかる。

図９に、本発明の第２の実施の形態である非接触三次元形状測定機の光学系の概要を示す。スリット光の入射角度を３０度、撮像系の光軸の傾きを３０度としたもので、その他の構成は図１に示したものと同じである。ただし、スリット光はほぼ平行な幅をもつ光束である。

図１０に、スリット光投影光学系２の光軸とｚ軸のなす角ψを３０度、撮像光学系４の光軸とｚ軸のなす角θを３０度、測定基準点Ｏから撮像光学系４の瞳までの距離Ｌを300mmとしたときの、ビーム幅目標値を実線で、平行光でスリットを投影したときの様子を点線で示す。高次の項が影響してくるため、視野周辺でずれが残ることがわかる。

以上のように本実施の形態によれば、ステージの移動量に対するスリット像の移動量を視野内でほぼ一様にすることができるので、高さ情報を元に補正演算を繰り返すことなく高速で正確な補正をすることができる。第１の実施の形態では、任意のスリット光投影光学系および撮像光学系の光軸の傾きと測定基準位置からの撮像光学系の瞳までの距離に応じた補正ができるので、第２の実施の形態のような配置のできないような場合に有効な方法である。

本発明の第１の実施の形態である非接触三次元形状測定機の光学系の概要を示す図である。被測定物体の高さにより、ステージの移動量に対する像位置の変化量が変化する例を示す図である。図１に示す非接触三次元形状測定機の光線と光軸を−ｙ軸方向から見た様子を示す図である。本発明の第１の実施例におけるビーム幅の目標値と近似値を示す図である。本発明の第１の実施例と従来例における補正量を比較して示す図である。第１の実施の形態において、像光学系の光軸の傾きを固定してスリット光の入射角度を変化させたときの集光点の位置を示す図である。スリット光の傾きと撮像系の傾きの絶対値が等しくなるように変化させたときの集光点の位置をプロットした図である。にスリット光の入射角度を３０度、撮像光学系系の光軸のｚ軸に対する傾きを３０度、測定基準点Ｏから瞳までの距離Ｌを300mmとしたときの、被測定物体の高さｚの値によるステージの移動量に対する像の移動量∂ξ/∂ｘをプロットした図である。本発明の第２の実施の形態である非接触三次元形状測定機の光学系の概要を示す図である。スリット光投影光学系の光軸とｚ軸のなす角を３０度、撮像光学系４の光軸とｚ軸のなす角を３０度、測定基準点Ｏから撮像光学系の瞳までの距離Ｌを300mmとしたときの、ビーム幅目標値を実線で、平行光でスリットを投影したときの様子を点線で示す図である。

符号の説明

１…光源、２…スリット光投影光学系、３…被測定物体、４…撮像光学系、５…撮像素子、６…ステージ

Claims

被測定物体に第１の方向からスリット光を投影する投影光学系と、前記被測定物体から反射または散乱した光を受光してスリット像を検出する、第１の方向と異なる第２の方向に設けられた非テレセントリックな撮像光学系と、前記被測定物体を前記スリット光のほぼ長手方向に垂直な方向に移動させる移動機構を具備し、光切断法により前記被測定物体の形状を検出する非接触三次元形状測定機であって、前記投影光学系から放出された前記スリット光が集光する位置が、前記投影光学系の光軸と前記撮像光学系の光軸の交点を通り前記被測定物体の移動方向に平行な平面から、前記投影光学系の光軸方向に所定の距離だけ離れていることを特徴とする非接触三次元形状測定機。
請求項１に記載の非接触三次元形状測定機であって、前記平面の法線に対し、前記光投影光学系の光軸のなす角をψ、前記撮像光学系の光軸のなす角をθ、前記交点から前記撮像光学系の瞳までの距離をＬとしたとき、前記スリット光が集光する位置が、前記交点から次のｕで示される距離だけ前記投影光学系の光軸方向に離れた位置の近傍であることを特徴とする非接触三次元形状測定機。
被測定物体に第１の方向からスリット光を投影する投影光学系と、前記被測定物体から反射または散乱した光を受光してスリット像を検出する、第１の方向と異なる第２の方向に設けられた非テレセントリックな撮像光学系と、前記被測定物体を前記スリット光のほぼ長手方向に垂直な方向に移動させる移動機構を具備し、光切断法により前記被測定物体の形状を検出する非接触三次元形状測定機であって、前記投影光学系の光軸と前記撮像光学系の光軸とが、これらの交点を通り前記被測定物体の移動方向に平行な平面の法線に対して、それぞれほぼ３０度の角度を持って対向して配置されていることを特徴とする非接触三次元形状測定機。
被測定物体に第１の方向からスリット光を投影する投影光学系と、前記被測定物体から反射または散乱した光を受光してスリット像を検出する、第１の方向と異なる第２の方向に設けられた非テレセントリックな撮像光学系を具備し、前記被測定物体と前記投影光学系及び前記撮像光学系とを相対的に移動させて前記被測定物体を前記スリット光によって走査しながら、光切断法により前記被測定物体の形状を検出する非接触三次元形状測定機であって、前記投影光学系から放出された前記スリット光が集光する位置が、前記投影光学系の光軸と前記撮像光学系の光軸の交点を通り前記被測定物体の移動方向に平行な平面から、前記投影光学系の光軸方向に所定の距離だけ離れていることを特徴とする非接触三次元形状測定機。
被測定物体に第１の方向からスリット光を投影する投影光学系と、前記被測定物体から反射または散乱した光を受光してスリット像を検出する、第１の方向と異なる第２の方向に設けられた非テレセントリックな撮像光学系を具備し、前記被測定物体と前記投影光学系及び前記撮像光学系とを相対的に移動させて前記被測定物体を前記スリット光によって走査しながら、光切断法により前記被測定物体の形状を検出する非接触三次元形状測定機であって、前記投影光学系の光軸と前記撮像光学系の光軸とが、これらの交点を通り前記被測定物体の移動方向に平行な平面の法線に対して、それぞれほぼ３０度の角度を持って対向して配置されていることを特徴とする非接触三次元形状測定機。
請求項１または４に記載の非接触三次元形状測定機であって、前記平面の法線に対し、前記光投影光学系の光軸のなす角度ψ、前記撮像光学系の光軸のなす角度θ、及び前記基準点から前記撮像光学系の瞳までの距離Ｌに応じて、前記スリット光が集光する位置が設定されていることを特徴とする非接触三次元形状測定機。