JP5354254B2 - Shape measuring apparatus and method, and program - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To measure a shape of an object to be inspected without moving the object to be inspected along an optical axis of an objective lens. <P>SOLUTION: An MLA 12 is disposed on a pupil plane or an image plane of the objective lens 11. An image sensor 13 is installed behind the MLA 12, and captures an image of the object to be inspected by the objective lens 11. An arithmetic processing circuit 34 generates a plurality of measurement images from an output of the image sensor 13, uses correction information of the measurement images as a reference image obtained from pixels at a location for intersecting a main light beam of the objective lens 11 among pixels for composing imaging areas of the image sensor 13 corresponding to a plurality of MLs two-dimensionally arrayed in the MLA 12, and measures the three-dimensional shape of the object to be inspected. The invention can be applied to the shape measuring apparatus for measuring the three-dimensional shape of the object to be inspected. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、形状測定装置及び方法、並びにプログラムに関する。   The present invention relates to a shape measuring apparatus and method, and a program.

対物レンズの光軸に沿って被検物を移動させながら焦点位置の異なる複数の画像を得て、被検物上の点各々について、それら複数の画像より合焦測度が最大となる画像を選択し、その画像での焦点位置をその点についての高さとし、これらの情報から被検物の形状測定を行うものが知られている。   While moving the test object along the optical axis of the objective lens, obtain multiple images with different focal positions, and select the image with the maximum focus measure for each point on the test object from the multiple images. It is known that the focus position in the image is the height of the point and the shape of the test object is measured from these pieces of information.

これは、一般的に、SFF(Shape From Focus)といった手法である。
特許第2960684号公報
This is generally a technique such as SFF (Shape From Focus).
Japanese Patent No. 2960684

しかしながら、このような従来の技術では、対物レンズの光軸に沿って被検物を移動させながら画像を取得する必要があり、測定に時間がかかっていた。   However, in such a conventional technique, it is necessary to acquire an image while moving the test object along the optical axis of the objective lens, and the measurement takes time.

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、対物レンズの光軸に沿って、被検物を移動することなく、被検物の形状を測定できるようにするものである。   The present invention has been made in view of such a situation, and makes it possible to measure the shape of a test object without moving the test object along the optical axis of the objective lens.

本発明の一側面の形状測定装置は、対物レンズと、前記対物レンズの背後に2次元に配列された複数のレンズを有する光学素子と、前記光学素子の背後に配置された2次元の撮像素子と、前記撮像素子の出力から焦点面の異なる複数の測定画像を生成する画像生成手段と、前記複数のレンズの各々に対応する前記撮像素子の撮像領域を構成する画素のうち前記対物レンズと前記光学素子との光学配置に応じた所定画素から得られる、全ての画素が合焦した基準画像、前記複数の測定画像との相関から求められる被検物の前記対物レンズの光軸方向の位置を用いて、前記被検物の3次元の形状を測定する3次元形状測定手段とを備えることを特徴とする。 The shape measuring apparatus according to one aspect of the present invention includes an objective lens, an optical element having a plurality of lenses arrayed two-dimensionally behind the objective lens, and a two-dimensional imaging element disposed behind the optical element. And image generating means for generating a plurality of measurement images having different focal planes from the output of the image sensor, the objective lens among the pixels constituting the image sensor region of the image sensor corresponding to each of the plurality of lenses, and the A position in the optical axis direction of the objective lens of the test object obtained from the correlation between a reference image obtained by focusing on all the pixels and the plurality of measurement images obtained from predetermined pixels according to the optical arrangement with the optical element using, characterized in that it comprises a three-dimensional shape measurement means for measuring the three-dimensional shape of the test object.

前記光学素子は、前記対物レンズの射出瞳と共役であり、前記3次元形状測定手段は、前記複数のレンズのうちの前記対物レンズの光軸の位置にあるレンズにより前記撮像素子の撮像面上に形成された像から得られる画像を、前記基準画像とすることを特徴とする。   The optical element is conjugate with an exit pupil of the objective lens, and the three-dimensional shape measuring means is arranged on the imaging surface of the imaging element by a lens at the optical axis position of the objective lens among the plurality of lenses. An image obtained from the image formed in the above is used as the reference image.

前記撮像素子の撮像面は、前記対物レンズの射出瞳と共役であり、前記3次元形状測定手段は、前記対物レンズの主光線が交わる前記撮像素子の撮像領域を構成する画素から前記基準画像を形成することを特徴とする。   The image pickup surface of the image pickup device is conjugate with the exit pupil of the objective lens, and the three-dimensional shape measuring unit obtains the reference image from pixels constituting the image pickup region of the image pickup device where chief rays of the objective lens intersect. It is characterized by forming.

前記3次元形状測定手段は、前記複数の測定画像の中から、着目しているエッジ位置とその近傍の画素信号が、前記基準画像より得られるエッジ位置とその近傍の画素のコントラスト信号と最も相関の高い画像を求め、さらに、その画像の仮想的な焦点位置から各エッジ位置でのベストフォーカス位置を求めることで得られる前記被検物の前記光軸方向の位置を用いて、前記被検物の3次元の形状を測定することを特徴とする。 The three-dimensional shape measuring means has the most significant correlation between the edge position of interest and the pixel signal in the vicinity thereof among the plurality of measurement images and the contrast signal of the edge position obtained from the reference image and the pixels in the vicinity thereof. The test object using the position in the optical axis direction of the test object obtained by obtaining the best focus position at each edge position from the virtual focal position of the image. The three-dimensional shape is measured.

前記3次元形状測定手段は、前記基準画像を用いて、前記複数の測定画像の中のエッジ位置を検出し、そのエッジ位置における所定のフィルタ処理で得られたデフォーカス量の変化に基づいて、各エッジ位置でのベストフォーカス位置を求めることで得られる前記被検物の前記光軸方向の位置を用いて、前記被検物の3次元の形状を測定することを特徴とする。 The three-dimensional shape measurement means detects an edge position in the plurality of measurement images using the reference image, and based on a change in defocus amount obtained by a predetermined filter process at the edge position, A three-dimensional shape of the test object is measured using a position in the optical axis direction of the test object obtained by obtaining a best focus position at each edge position.

前記被検物に所定のパターンを投影する投影手段をさらに備え、前記撮像素子は、前記被検物に投影された前記パターンの反射光であって、前記対物レンズによる被検物像を撮像し、前記3次元形状測定手段は、前記撮像素子から出力される前記パターンの反射光から得られる画像信号に基づいて、前記被検物の3次元の形状を測定することを特徴とする。   Projecting means for projecting a predetermined pattern onto the object to be examined is further provided, and the imaging element is a reflected light of the pattern projected onto the object to be examined, and images an object image by the objective lens. The three-dimensional shape measuring means measures the three-dimensional shape of the test object based on an image signal obtained from the reflected light of the pattern output from the imaging device.

前記対物レンズの瞳面又は瞳面と共役な位置に配置されるレンズ絞りと、測定感度を上げたい場合には前記レンズ絞りを大きくしてF値を小さくし、測定範囲を広げたい場合には前記レンズ絞りを絞り込んでF値を大きくするように、前記レンズ絞りを制御するレンズ絞り制御手段とをさらに備えることを特徴とする。   If you want to increase the measurement aperture by increasing the lens aperture when you want to increase the measurement sensitivity and the lens aperture that is located at the pupil plane of the objective lens or at a position conjugate with the pupil plane, The apparatus further comprises lens diaphragm control means for controlling the lens diaphragm so as to increase the F value by narrowing the lens diaphragm.

本発明の一側面の形状測定方法又はプログラムは、上述した本発明の一側面の形状測定装置に対応する形状測定方法又はプログラムである。 The shape measuring method or program according to one aspect of the present invention is a shape measuring method or program corresponding to the shape measuring apparatus according to one aspect of the present invention described above.

本発明の一側面においては、撮像素子の出力から焦点面の異なる複数の測定画像が生成され、複数のレンズの各々に対応する撮像素子の撮像領域を構成する画素のうち対物レンズと光学素子との光学配置に応じた所定画素から得られる、全ての画素が合焦した基準画像複数の測定画像との相関から求められる被検物の対物レンズの光軸方向の位置を用いて、被検物の3次元の形状が測定される。 In one aspect of the present invention, a plurality of measurement images having different focal planes are generated from the output of the image sensor, and the objective lens and the optical element among the pixels constituting the imaging region of the image sensor corresponding to each of the plurality of lenses Using the position in the optical axis direction of the objective lens of the test object obtained from the correlation between a reference image obtained by focusing on all the pixels and a plurality of measurement images obtained from predetermined pixels corresponding to the optical arrangement of The three-dimensional shape of the specimen is measured.

本発明によれば、対物レンズの光軸に沿って、被検物を移動することなく、被検物の形状を測定できる。   According to the present invention, the shape of the test object can be measured without moving the test object along the optical axis of the objective lens.

以下、適宜、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate.

本発明では、レンズを動かすことなく、複数の仮想的な物体面(Z1,Z2,・・・)からの(方向性を含む)ボケ量(以下、フォーカス情報ともいう)を算出し、さらに、ボケのない全焦点の画像も同時に得られるようにしている。これにより、本発明においては、それらの情報を用いた距離計測を行うことが可能となる。 In the present invention, the amount of blur (including directionality) (hereinafter also referred to as focus information) from a plurality of virtual object planes (Z 1 , Z 2 ,...) Is calculated without moving the lens. In addition, an omnifocal image without blur can be obtained at the same time. Thereby, in this invention, it becomes possible to perform the distance measurement using those information.

具体的には、レンズと撮像面の間隔a(以下、レンズ位置aともいう)と、レンズの焦点距離fから、下記の式(1)のガウスの公式により、被検物の測定点までの距離bを知ることができる。   Specifically, from the distance a between the lens and the imaging surface (hereinafter also referred to as the lens position a) and the focal length f of the lens, the measurement point of the object to be measured is calculated according to the Gauss formula of the following equation (1). The distance b can be known.

1/b=1/f−1/a・・・(1)   1 / b = 1 / f−1 / a (1)

本発明による測定では、上記の機構的に決まるレンズ位置aとは別に、マイクロレンズアレイ(以下、MLAという)を通した撮像素子上の画素信号を組み換え、加算することにより、仮想的にレンズと撮像面の間隔a1,a2,a3,・・・,anを構築する。これらの値を、式(1)の値aに代入して得られる値bの値列が、複数の物体面(Z1,Z2,Z3,・・・Zn)の位置となる。すなわち、かかる測定においては、このような再構成により、異なる物体面から発せられた光線が撮像面に到達したとして、そのときの画像を再構成し、フォーカス情報を得ることができる。 In the measurement according to the present invention, in addition to the lens position a determined mechanically, the pixel signal on the image sensor that has passed through a microlens array (hereinafter referred to as MLA) is recombined and added to virtually add the lens. The imaging plane intervals a 1 , a 2 , a 3 ,..., An are constructed. A value string of values b obtained by substituting these values into the value a in the equation (1) is the position of a plurality of object planes (Z 1 , Z 2 , Z 3 ,... Z n ). That is, in such measurement, it is possible to reconstruct an image at that time and obtain focus information on the assumption that light beams emitted from different object surfaces have reached the imaging surface by such reconstruction.

このようにして、レンズの光軸に沿って被検物を移動することなく、従来のSFF法と同様の情報を得ることができる。   In this way, the same information as in the conventional SFF method can be obtained without moving the test object along the optical axis of the lens.

なお、このような焦点検出での位置は、MLAの数だけ実行できるので、被検物をどのくらい細かく測定できるか(空間分解能)は、MLAの配列構成によって決まる。つまり、MLAの数が多いほど、測定の空間分解能が高くなることになる。   In addition, since the position in such focus detection can be executed by the number of MLAs, how finely the test object can be measured (spatial resolution) is determined by the arrangement of the MLA. In other words, the larger the number of MLA, the higher the spatial resolution of the measurement.

次に、上記の原理を用いて、被検物の形状測定を行う形状測定装置の詳細について、各構成要素ごとに説明する。   Next, details of the shape measuring apparatus for measuring the shape of the test object using the above principle will be described for each component.

[1.光学系]
まず、図1を参照して、本発明を適用した形状測定装置の光学系の概要について説明する。
[1. Optical system]
First, an outline of an optical system of a shape measuring apparatus to which the present invention is applied will be described with reference to FIG.

図1に示すように、光学系は、対物レンズ11、MLA12、及び撮像素子13を含むようにして構成される。   As shown in FIG. 1, the optical system is configured to include an objective lens 11, an MLA 12, and an image sensor 13.

図1には、図1aと図1bの2つの光学系の構成が図示されているが、図1aの構成では、被検物(物体面(P面))の像を捕らえる対物レンズ11の焦点距離だけ離れた位置にMLA12を置き、MLA12の焦点距離だけ離れた位置に撮像素子13が置かれている。図1aでは、この撮像素子13の撮像面が、物体面(P面)と共役になっており、被検物の像が結像している。   FIG. 1 shows the configuration of the two optical systems shown in FIGS. 1a and 1b. In the configuration shown in FIG. 1a, the focal point of the objective lens 11 that captures an image of the test object (object plane (P plane)) is shown. The MLA 12 is placed at a position separated by a distance, and the image sensor 13 is placed at a position separated by the focal length of the MLA 12. In FIG. 1a, the imaging surface of the imaging device 13 is conjugate with the object plane (P plane), and an image of the test object is formed.

MLA12は、先述したMLAと同様に、例えば7×7個などの、複数のマイクロレンズ(以下、MLという)を2次元状に並べてなる光学素子である(図1では、縦方向の7個を図示している)。各MLで結像した像のできる領域、すなわち、ML領域13MLから得られる画像信号は、それぞれのML領域の位置に応じて被検物の異なる視点の画像、つまり、視差のある像となっている。   The MLA 12 is an optical element in which a plurality of microlenses (hereinafter referred to as ML), such as 7 × 7, are arranged in a two-dimensional manner, similar to the above-described MLA (in FIG. 1, seven in the vertical direction are arranged). Shown). A region where an image formed by each ML can be formed, that is, an image signal obtained from the ML region 13ML is an image of a different viewpoint of the test object, that is, an image having a parallax according to the position of each ML region. Yes.

一方、図1bの構成では、所定の位置にある物体面Pが対物レンズ11で結像する面にMLA12を置き、MLの焦点距離だけ離れた位置に撮像素子13が置かれている。この場合、撮像素子13の面が、対物レンズ11の瞳面と共役になっており、各ML領域の画像信号は、瞳を分割した像となっている。言い換えると、図1bでは、結像された光線が、レンズ瞳から見て違う角度ごとの光線に振り分けられている。   On the other hand, in the configuration of FIG. 1b, the MLA 12 is placed on the surface where the object plane P at a predetermined position forms an image with the objective lens 11, and the image sensor 13 is placed at a position separated by the focal length of ML. In this case, the surface of the image sensor 13 is conjugate with the pupil plane of the objective lens 11, and the image signal in each ML region is an image obtained by dividing the pupil. In other words, in FIG. 1b, the imaged rays are distributed into rays at different angles as seen from the lens pupil.

本発明では、上記の図1a又は図1bのいずれの構成からも、違う角度からの光線を再構成することによって、焦点面の異なる複数の画像を得ることができ、それを利用して、被検物の形状の測定を行う。したがって、以下の説明では、図1aの構成を中心に述べるが、図1bの構成を採用しても同様である。   In the present invention, it is possible to obtain a plurality of images with different focal planes by reconstructing light rays from different angles from either of the above-described configurations of FIG. 1a or FIG. 1b. Measure the shape of the specimen. Therefore, in the following description, the description will focus on the configuration of FIG. 1a, but the same applies to the configuration of FIG. 1b.

そこで、次に、図2及び図3を参照して、図1aの光学系のさらに詳細な構成について説明する。なお、図2においては、複数のMLからなるMLA12の一部としての、マイクロレンズMLa,マイクロレンズMLb,マイクロレンズMLcの3つのML(以下、それぞれ、MLa,MLb,MLcという)が説明のために図示されている。 Then, with reference to FIG.2 and FIG.3, the further detailed structure of the optical system of FIG. 1a is demonstrated next. In FIG. 2, three MLs of microlens ML a , microlens ML b , and microlens ML c (hereinafter referred to as ML a , ML b , and ML c , respectively) as a part of MLA 12 composed of a plurality of MLs. For illustrative purposes).

図2において、物体面(P面)上の点P1からの光線には、光軸と平行方向の光(図中の実線)として対物レンズ11を通過後屈折して、MLbによって撮像素子13の撮像面上のML領域の点P1bに結像される光線群(図中の実線)や、対物レンズ11の中心を通過後、MLcによって、撮像素子13の撮像面上のML領域の点P1cに結像される光線群(図中の点線)などがある。 In Figure 2, the light from point P1 on the object plane (P-plane), is refracted after passing through the objective lens 11 as a parallel to the optical axis direction of the light (solid line in the drawing), captured by ML b element 13 light ray group is focused on a point P1 b of the ML area on the imaging surface of the (solid line in the figure) and, after passing through the center of the objective lens 11, the ML c, the ML area on the imaging surface of the imaging device 13 and the like light ray group is focused on the point P1 c (dotted line in the figure).

こうして、対物レンズ11の瞳面に置いた各MLが、撮像面にそれぞれ独立に物体の像を結ぶ。また、このとき、撮像面上のML領域の点P1bと、ML領域の点P1cとは、物体面(P面)上の同じ点P1からの、異なる角度で出てきた光線を受光する。 In this way, each ML placed on the pupil plane of the objective lens 11 forms an object image independently on the imaging plane. At this time, the ML region point P1 b and the ML region point P1 c on the imaging surface receive light rays emitted from the same point P1 on the object surface (P surface) at different angles. .

同様に、物体面(P面)上の点P2からの光線には、図中の一点鎖線で示される方向に射出して対物レンズ11を通過屈折し、MLaによって撮像素子13の撮像面上のML領域の点P2aに結像される光線、図中の実線で示されるように、対物レンズ11の光軸と平行方向に射出して対物レンズ11を通過後、MLbによって撮像素子13の撮像面上のML領域の点P2bに結像される光線、及び図中の点線で示されるように、下方向に射出して対物レンズ11を通過後屈折して、MLcによって撮像素子13の撮像面上のML領域の点P2cに結像される光線が示されている。また、物体面(P面)上の点P3からの光線には、図中の一点鎖線で示されるように上方向に射出して対物レンズ11を通過後屈折して、MLaによって撮像素子13の撮像面上のML領域の点P3aに結像される光線、図中の実線で示されるように対物レンズ11の光軸と平行方向に射出して、MLbによって撮像素子13の撮像面上のML領域の点P3bに結像される光線が示されている。 Similarly, the light beam from point P2 on the object plane (P-plane), passes through the refractive objective lens 11 by injection in the direction indicated by the dashed line in the figure, on the imaging surface of the image sensor 13 by the ML a as shown in rays that are imaged on a point P2 a ML-region, with a solid line in the figure, after passing through the objective lens 11 is injected in a direction parallel to the optical axis of the objective lens 11, imaging by ML b element 13 rays imaged at the point P2 b of ML areas on the imaging surface, and as shown by a dotted line in FIG refracted after passing through the objective lens 11 is injected in downward direction, the image pickup device by ML c rays imaged is shown at point P2 c of ML areas on the imaging surface 13. Further, the light rays from point P3 on the object plane (P-plane), is refracted after passing through the objective lens 11 is injected upward, as shown by a chain line in the figure imaged by ML a device 13 light is imaged on a point P3 a ML-region on the imaging surface of, and exit in the direction parallel to the optical axis of the objective lens 11 as shown by the solid line in the figure, the imaging surface of the imaging device 13 by the ML b The rays that are imaged at point P3 b in the upper ML region are shown.

ここで、仮に、対物レンズ11だけの結像系であったとすると、例えば、点P2から射出された光は対物レンズ11で一点に集光される。すなわち、図2の光学系でいうと、点P2a,P2b,P2cなどの点P2から射出したあらゆる方向からの光線強度が加算されたものとなり、これが画素信号となる。このことは、図2に示すような、本発明の光学系では、MLA12の各MLによって、被検物上の一点から出た光を方向別に選別して捕えることができる、ということを意味している。 Here, if it is assumed that the imaging system includes only the objective lens 11, for example, light emitted from the point P <b> 2 is condensed at one point by the objective lens 11. That is, in the optical system of FIG. 2, the light intensity from all directions emitted from the point P2 such as the points P2 a , P2 b , and P2 c is added, and this becomes a pixel signal. This means that in the optical system of the present invention as shown in FIG. 2, the light emitted from one point on the test object can be sorted and captured by each ML by the ML of the MLA 12. ing.

図3は、ある1つのMLから見た像が、P面から射出した同じ方向からの光線で構成されたP面の像であることを示しており、そのことはP面を各MLによって各MLの数だけ異なる方向から見た像が得られることを示すものである。すなわち、MLの数だけできるが、それらはP面から射出した光のうち、同じ方向へ射出した光が対応するMLに入射してP面の像を形成することを意味する。換言すれば、MLの数だけ異なる視差の像が得られる。   FIG. 3 shows that an image viewed from one ML is an image of the P plane composed of light rays emitted from the same direction and emitted from the P plane. This shows that images viewed from different directions by the number of MLs can be obtained. That is, as many as the number of MLs can be used, but this means that light emitted from the P plane enters the corresponding ML and forms an image of the P plane. In other words, parallax images that differ by the number of MLs are obtained.

図3aないし図3cで示す光線のうち、図3bにおいて、対物レンズ11に対して垂直に入ってくる光を集めた中央部のMLによる像は、P面を正面から捕らえた像となる。また、図3a及び図3cは、対物レンズ11に斜めに入射する光を集めた端の方に位置するMLによる像は、P面から射出する光の角度の方向からP面を見た像となる。   Among the light rays shown in FIGS. 3a to 3c, in FIG. 3b, the image by ML in the central portion that collects the light entering perpendicularly to the objective lens 11 is an image obtained by capturing the P plane from the front. 3a and 3c show that the image by ML located toward the end where the light incident obliquely on the objective lens 11 is collected is an image obtained by viewing the P surface from the angle direction of the light emitted from the P surface. Become.

対物レンズ11の瞳面は、MLA12の各MLの口径の大きさに分割され、それぞれのMLが同じ物体像を結ぶ。このとき、端の方のMLでの像は、周辺でけられ(物体の見えない所)が発生し、端の方の視野の一部は遮られるが、基本的には、各MLによる像は、物体面(P面)と共役の位置で物体面(P面)を異なる角度から見た像となる。   The pupil plane of the objective lens 11 is divided into the size of each ML of the MLA 12, and each ML forms the same object image. At this time, the image in the ML near the edge is blurred in the vicinity (where the object cannot be seen) and a part of the visual field near the edge is blocked, but basically, the image by each ML is blocked. Is an image obtained by viewing the object plane (P plane) from a different angle at a position conjugate with the object plane (P plane).

そして、N個の各MLA像のNA(開き角)は、各MLの口径で決まる開口で1/Nに縮小される。ここで注目すべきことは、各MLの像は、結像側からの見込み角度が小さく、光量は少なくなるが、被写界深度(焦点深度)は非常に深くなる。従って、物体側の奥行きに関係なく、ほとんど焦点の合った像、いわゆる全焦点画像となっている。   The NA (open angle) of each of the N MLA images is reduced to 1 / N by an opening determined by the aperture of each ML. What should be noted here is that each ML image has a small angle of view from the image forming side and a small amount of light, but the depth of field (depth of focus) becomes very deep. Therefore, regardless of the depth on the object side, the image is almost in focus, that is, a so-called omnifocal image.

さらに、図3bの対物レンズ11の光軸上(図2のMLA12の中心に相当する)のML(図2のMLbに相当する)によって結像される像は、物体位置が光軸方向に移動しても、焦点もほぼ合ったまま像はずれない。すなわち、物体の光軸方向の位置が変わっても像はほとんど変化しない。 Further, an image formed by ML (corresponding to ML b in FIG. 2) on the optical axis of the objective lens 11 in FIG. 3B (corresponding to the center of the MLA 12 in FIG. 2) has an object position in the optical axis direction. Even if it moves, the image stays in focus and does not move. That is, the image hardly changes even if the position of the object in the optical axis direction changes.

一方、図3aと図3cでの中心から外れたML(図2のMLa,MLcに相当する)を見ると、図中の左方向の矢印で示すように、物体位置が対物レンズ11から遠ざかる場合、結像される像は、図3aでは図中の上方向の矢印の方向にずれ、図3cでは図中の下方向の矢印の方向にずれる。つまり、光線のあたる画素位置は、光軸から遠ざかる方向にずれていく。逆に、物体位置が近づけば、これらの画像の画素位置は、光軸へ近づく方向にずれていく。 On the other hand, when the ML deviated from the center in FIGS. 3a and 3c (corresponding to ML a and ML c in FIG. 2) is viewed, the object position is away from the objective lens 11 as shown by the left arrow in the figure. When moving away, the image to be imaged is shifted in the direction of the upward arrow in FIG. 3a and shifted in the direction of the downward arrow in FIG. 3c. In other words, the pixel position where the light beam strikes shifts in a direction away from the optical axis. Conversely, when the object position is close, the pixel positions of these images are shifted in the direction approaching the optical axis.

以上のようにして、本発明の光学系は構成される。   The optical system of the present invention is configured as described above.

[2.焦点画像生成の手順]
(2−1)MLA12を対物レンズ11の瞳面とした場合
次に、図4及び図5を参照しつつ、上記の本発明の光学系を採用した場合において、複数の異なる位置での物体面の画像又は信号を形成して、物体各点でのフォーカス情報を検出する方法について説明する。なお、本実施の形態においては、図1で説明したように、図1a又は図1bのいずれの構成を採用しても、異なる角度から入射される光線を再構成して、焦点面の異なる複数の画像を生成することが可能である。したがって、はじめに、(1)MLA12を対物レンズ11の瞳面に置いた場合について説明し、その後、(2)MLA12を対物レンズ11の結像面に置いた場合についても説明する。
[2. Focused image generation procedure]
(2-1) When the MLA 12 is used as the pupil plane of the objective lens 11 Next, referring to FIGS. 4 and 5, the object plane at a plurality of different positions when the optical system of the present invention is employed. A method for detecting the focus information at each point of the object by forming the image or signal will be described. In the present embodiment, as described with reference to FIG. 1, regardless of the configuration of FIG. 1a or FIG. 1b, a plurality of beams having different focal planes are reconstructed by reconstructing rays incident from different angles. It is possible to generate images. Therefore, first, (1) the case where the MLA 12 is placed on the pupil plane of the objective lens 11 will be described, and then (2) the case where the MLA 12 is placed on the imaging plane of the objective lens 11 will also be explained.

図4は、対物レンズ11とMLA12での光線追跡図を示し、図5は、MLA12で結像された撮像素子13の面での画素配列の一部と、MLA領域ごとに信号処理される選択画素を示している。   FIG. 4 shows a ray tracing diagram of the objective lens 11 and the MLA 12, and FIG. 5 shows a part of the pixel array on the surface of the image sensor 13 imaged by the MLA 12 and a selection for signal processing for each MLA region. A pixel is shown.

ところで、MLA12の後側に配置される撮像素子13は、例えば、CCD(Charge Coupled Device)センサやCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサなどであり、MLA12の各MLを通過した光を受光する所定の画素配列を、MLに対応した配置パターンで配置してなる。この画素配列の縦方向と横方向の画素数は、例えば7×7個などの個々のMLを個別に透過した部分光束を個別に受けられるように、適宜設定される。なお、ここでは、撮像素子13として、CCDを用いた例について説明する。   By the way, the image pickup device 13 disposed on the rear side of the MLA 12 is, for example, a CCD (Charge Coupled Device) sensor, a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) sensor, or the like, and receives a predetermined light that passes through each ML of the MLA 12. The pixel array is arranged in an arrangement pattern corresponding to ML. The number of pixels in the vertical direction and the horizontal direction of this pixel array is appropriately set so that, for example, partial light beams individually transmitted through MLs such as 7 × 7 can be individually received. Here, an example in which a CCD is used as the image sensor 13 will be described.

図5において、21×21個の四角は、撮像素子13を対物レンズ11の光軸方向から見た場合に撮像面上に配列された画素を示しており、そのうちの太線で囲まれた7×7個の四角からなる領域がそれぞれ1つのML領域を示している。図5では、7×7個のML領域のうち、3×3個のML領域を代表させて示している。したがって、図中の太線で囲まれたML領域のうちの中央の領域が、対物レンズ11の中心のML(図2のMLbに相当する)で結像されるML領域となる。 In FIG. 5, 21 × 21 squares indicate pixels arranged on the imaging surface when the imaging device 13 is viewed from the optical axis direction of the objective lens 11, and 7 × surrounded by a thick line among them. Each of the seven square areas represents one ML area. In FIG. 5, 3 × 3 ML regions are representatively shown in the 7 × 7 ML regions. Therefore, the center area among the ML areas surrounded by the thick line in the figure is the ML area formed by the ML at the center of the objective lens 11 (corresponding to ML b in FIG. 2).

図4aは、物体面P0(焦点の合っている焦点面Z0と同じ)がフォーカス位置にある場合の光線図である。ここで、物体面P0は、光学系の焦点距離f、及び対物レンズ11と撮像素子13の撮像面との間隔aで一義的に決定され、具体的には、上記の光学系のガウスの式(1)で決まる距離bの位置である。 Figure 4a is a ray diagram in the case where the object plane P0 (the same as the focal plane Z 0 are focused) is in the focus position. Here, the object plane P0 is uniquely determined by the focal length f of the optical system and the distance a between the objective lens 11 and the imaging surface of the imaging element 13, and specifically, the Gaussian equation of the optical system described above. This is the position of the distance b determined by (1).

物体面P0の対物レンズ11の光軸と一致する位置から射出した光は、MLA12の各MLで、CCD(撮像素子13)面上の各ML領域の中央部(各MLの光軸と一致)に集光する。従って、図5(既に述べたように、対物レンズ11の光軸に一致する位置のMLを中心にその周囲1つずつのML領域に対応する画素エリアのみを示している)に示すように、物体面P0の中央(対物レンズ11の光軸に一致する)の点P02から射出した光は、各ML領域内の中央の画素(図5では黒色の四角)に集光するので、各画素エリアの中央の画素の出力を選択し、加算することで物体面P0の点P02の全輝度が得られる。   The light emitted from the position that coincides with the optical axis of the objective lens 11 on the object plane P0 is the ML of each MLA 12, and the center of each ML area on the CCD (imaging device 13) surface (coincides with the optical axis of each ML). Condensed to Therefore, as shown in FIG. 5 (as already described, only the pixel area corresponding to each ML region around the ML at the position corresponding to the optical axis of the objective lens 11 is shown), Since the light emitted from the point P02 at the center of the object plane P0 (which coincides with the optical axis of the objective lens 11) is focused on the central pixel (black square in FIG. 5) in each ML region, each pixel area The total luminance of the point P02 on the object plane P0 can be obtained by selecting and adding the outputs of the center pixel.

物体面P0の点P02から外れた位置からの光は、点P02からのずれ量に応じた角度で平行にMLA12に入射するので、これらの光は各ML領域で中央から同量、同方向へずれることになる。よって、各ML領域で同じ位置の画素を選択し、加算することで、焦点面Z0にある物体面P0の画像を再現することができる。 Light from a position deviating from the point P02 on the object plane P0 is incident on the MLA 12 in parallel at an angle corresponding to the amount of deviation from the point P02, so that these lights have the same amount from the center and in the same direction in each ML region. It will shift. Therefore, selecting the pixel of the same position in each ML regions, by adding, it is possible to reproduce an image of the object plane P0 in the focal plane Z 0.

図4bは、物体面P0より対物レンズ11に近い物体面P1(実際には、図4bの点線の物体面P0で示すように、図4aと同様に、物体面P0と撮像素子13の撮像面とが共役のままとなっている)からの光線図である。物体面P1の対物レンズ11の光軸と一致する位置から射出した光は、各MLの光軸上からレンズの端側へ、少しずつ外側にずれる角度でMLA12の各MLに入射し、集光される。この場合、物体面P1の中央(対物レンズ11の光軸に一致する)の点P12から射出した光は、図5に示すように、中心のML領域(図2のMLbによって結像される領域に相当する)内での画素はそのままで、それ以外のML領域では、図4aに示した物体面P0での画素の位置から1画素ずつ外側の画素(図5では間隔の狭い左下がり斜線の四角)に集光するので、それらの画素を選択し、加算することで物体面P1の点P12の全輝度が得られる。 4b shows an object plane P1 closer to the objective lens 11 than the object plane P0 (actually, as indicated by the dotted object plane P0 in FIG. 4b, the object plane P0 and the imaging plane of the image sensor 13 as in FIG. 4a). Is a light ray diagram from Light emitted from a position that coincides with the optical axis of the objective lens 11 on the object plane P1 is incident on each ML of the MLA 12 at an angle slightly shifted outward from the optical axis of each ML toward the end of the lens. Is done. In this case, the light emitted from the point P12 at the center of the object plane P1 (which coincides with the optical axis of the objective lens 11) is imaged by the center ML region (ML b in FIG. 2) as shown in FIG. In the other ML region, the pixels in the other ML regions are left as they are, and the pixels on the object plane P0 shown in FIG. The total luminance of the point P12 on the object plane P1 can be obtained by selecting and adding the pixels.

物体面P1の点P12から外れた位置からの光は、点P12からのずれ量に応じた角度で平行にMLA12に入射するので、これらの光は各ML領域で中央から同量、同方向へずれることになる。よって、各ML領域で同じ位置の画素を選択し、加算することで、物体面P1の画像を再現することができる。   Since light from a position deviating from the point P12 on the object plane P1 enters the MLA 12 in parallel at an angle corresponding to the amount of deviation from the point P12, these lights are the same amount from the center and in the same direction in each ML region. It will shift. Therefore, by selecting and adding pixels at the same position in each ML region, the image of the object plane P1 can be reproduced.

図4cは、物体面P0より対物レンズ11から遠い物体面P2(実際には、図4cの点線の物体面P0で示すように、図4aと同様に、物体面P0と撮像素子13の撮像面とが共役のままとなっている)からの光線図である。物体面P2の対物レンズ11の光軸と一致する位置から射出した光は、各MLの光軸上からレンズの端側へ、少しずつ内側にずれる角度でMLA12の各MLに入射し、集光される。この場合、物体面P2の中央(対物レンズ11の光軸に一致する)の点P22から射出した光は、図5に示すように、中央のML領域(図2のMLbによって結像される領域に相当する)での画素はそのままで、それ以外のML領域では、図4aに示した物体面P0での画素の位置から1画素ずつ内側の画素(図5では間隔の広い左下がり斜線の四角)に集光するので、それらの画素を選択し、加算することで物体面P2の点P22の全輝度が得られる。 4c shows an object plane P2 that is farther from the objective lens 11 than the object plane P0 (actually, as indicated by the dotted object plane P0 in FIG. 4c, the object plane P0 and the imaging plane of the image sensor 13 are similar to FIG. 4a. Is a light ray diagram from Light emitted from a position that coincides with the optical axis of the objective lens 11 on the object plane P2 is incident on each ML of the MLA 12 at an angle that slightly shifts inward from the optical axis of each ML toward the end of the lens. Is done. In this case, the light emitted from the point P22 at the center of the object plane P2 (which coincides with the optical axis of the objective lens 11) is imaged by the center ML region (ML b in FIG. 2) as shown in FIG. The pixels in the other ML regions are left as they are, and in the other ML regions, the pixels on the inner side of the pixel position on the object plane P0 shown in FIG. Since the light is condensed into a square, the total luminance of the point P22 on the object plane P2 can be obtained by selecting and adding the pixels.

物体面P2の点P22から外れた位置からの光は、点P22からのずれ量に応じた角度で平行にMLA12に入射するので、これらの光は各ML領域で中央から同量、同方向へずれることになる。よって、各ML領域で同じ位置の画素を選択し、加算することで、物体面P2の画像を再現することができる。   Since light from a position deviating from the point P22 on the object plane P2 enters the MLA 12 in parallel at an angle corresponding to the amount of deviation from the point P22, these lights are the same amount from the center and in the same direction in each ML region. It will shift. Therefore, by selecting and adding pixels at the same position in each ML region, an image of the object plane P2 can be reproduced.

なお、図4では、撮像素子13の右側の長方形40は、ML領域の一部である13ML1ないし13ML7を模式的に表しており、各ML領域での光の集光する位置を黒色で塗り潰すことによって、図5で上述した説明を補足して概念的に説明するためのものである。すなわち、本実施の形態では、7×7個のML領域の例を取り上げているので、縦方向に7個ある各ML領域13ML1ないし13ML7を模式的に示し、それぞれのML領域に集光(結像)した光の様子が示されている。図4aにおいては、物体面P02からの線は、CCD(撮像素子13)上の各ML領域の中央に集光(結像)する。また、図4bに示したように、物体面P0よりも対物レンズ11に近い物体面P1からの光は、中央のML領域では中央に集光し(完全には結像しないが、MLの開口が小さいので、焦点深度の深い状態が実現されている)、それ以外のML領域では図4aの場合と比べて外側へ集光する。さらに、図4cに示したように、物体面P0よりも対物レンズ11から遠い物体面P2からの光は、中央のML領域では中央に集光し(完全には結像しないが、MLの開口が小さいので、焦点深度の深い状態が実現されている)、それ以外の領域では図4aの場合と比べて内側へ集光する。 In FIG. 4, the rectangle 40 on the right side of the image sensor 13 schematically represents 13ML 1 to 13ML 7 that are part of the ML region, and the light condensing position in each ML region is black. By filling in, the above description in FIG. 5 is supplemented and conceptually described. That is, in the present embodiment, since an example of 7 × 7 ML areas is taken up, each of the ML areas 13ML 1 to 13ML 7 in the vertical direction is schematically shown, and the light is condensed in each ML area. The state of the (imaged) light is shown. In FIG. 4a, the line from the object plane P02 is focused (imaged) at the center of each ML region on the CCD (image sensor 13). Also, as shown in FIG. 4b, the light from the object plane P1 closer to the objective lens 11 than the object plane P0 is collected in the center in the central ML region (although not completely imaged, the ML aperture) In other ML regions, the light is condensed outward as compared with the case of FIG. 4a. Furthermore, as shown in FIG. 4c, the light from the object plane P2 farther from the objective lens 11 than the object plane P0 is collected in the center in the central ML region (although it is not completely imaged, the ML aperture) In other regions, the light is condensed inward compared to the case of FIG. 4a.

さらに捕捉すれば、本実施の形態においては、前側物体面P1や後側物体面P2は、実際には、対物レンズ11の位置で決まる物体面P0(図4では物体面P0が撮像素子13の受光面と共役となる)以外の、対物レンズ11を動かすことなく得られるいわば仮想的な合焦面である。   If further captured, in the present embodiment, the front object plane P1 and the rear object plane P2 are actually the object plane P0 determined by the position of the objective lens 11 (the object plane P0 in FIG. In other words, it is a virtual focusing surface that can be obtained without moving the objective lens 11 other than the light receiving surface.

以上のように、物体面P0,P1,P2のように、物体の光軸方向の位置を物体面P0から変えた場合でも、対物レンズ11の中心のML(図2のMLbに相当する)によって結像される像は、焦点もほぼ合ったまま像の位置がずれないことになる。 As described above, as in the object plane P0, P1, P2, even when changing the position of the optical axis direction of the object from the object plane P0, (corresponding to the Figure 2 ML b) the center of the ML of the objective lens 11 As a result, the position of the image does not shift while the image is focused.

すなわち、図3bに示した光学系の構成のレンズ中心のML(図2のMLbに相当する)によって結像される画像(図2のP2bに相当する)は、対物レンズ11に対して垂直に入ってくる光線からなり、被検物を正面から捉えた像となる。したがって、物体位置が光軸方向に移動しても、像はずれない。そして、分割された小さな瞳からの像なのでF値が大きく、被写界深度(焦点深度)は非常に深くなる。つまり、被検物の光軸方向の位置が変わっても、像はほとんど変化しない。したがって、物体側の奥行きに関係なく、ほとんど焦点の合った像、いわゆる全焦点画像となっている。 That is, (corresponding to P2 b in FIG. 2) image formed by the ML of lens center of the optical system configuration (corresponding to ML b in FIG. 2) shown in Figure 3b, the objective lens 11 It consists of light rays that enter vertically, and it is an image that captures the object from the front. Therefore, even if the object position moves in the optical axis direction, the image does not shift. And since it is the image from the divided | segmented small pupil, F value is large and the depth of field (depth of focus) becomes very deep. That is, even if the position of the test object in the optical axis direction changes, the image hardly changes. Therefore, regardless of the depth on the object side, the image is almost in focus, that is, a so-called omnifocal image.

(2−2)MLA12を対物レンズ11の結像面に配置した場合
ところで、上記の(2−1)においては、光学系として、図1aの構成を採用した場合の例、つまり、MLA12が対物レンズ11の瞳面に設定された場合について説明した。常に焦点の合った全焦点画像を取得する方法としては、(2−1)の方法に限らず、図1bに示したように、MLA12を対物レンズ11の焦点(結像)面、すなわち、物体面と共役の位置に設定した場合でも同等の効果を得ることができる。そこで、次に、全焦点画像を取得する方法の第2の例として、(2−2)MLA12が対物レンズ11の結像面に設定された場合について説明する。この場合、(2−1)の方法と比べて、異なる物体面での画像の作成手順が異なるため、ここでは、図6ないし図8を参照して、その作成手順を中心に説明する。
(2-2) When the MLA 12 is placed on the imaging surface of the objective lens 11 By the way, in the above (2-1), an example in which the configuration of FIG. The case where it is set on the pupil plane of the lens 11 has been described. The method of acquiring the omnifocal image always in focus is not limited to the method (2-1), and as shown in FIG. 1B, the MLA 12 is placed on the focal (imaging) plane of the objective lens 11, ie, the object The same effect can be obtained even when the position is conjugate to the surface. Therefore, next, as a second example of a method for acquiring an omnifocal image, (2-2) a case where the MLA 12 is set on the image plane of the objective lens 11 will be described. In this case, since the procedure for creating an image on a different object plane is different from that of the method (2-1), here, the procedure for creating the image will be mainly described with reference to FIGS.

図6ないし図8においては説明を分かり易くするために、撮像素子13において直線上に並んだ5つの画素a,b,c,d,eに入射する各光線(対応するマイクロレンズMLの中心を通る主光線のみ)を示している。また、各図中の各要素には、光軸と垂直な面内における座標を示すための添字(1,2,3,・・・)を付している。   6 to 8, in order to make the explanation easy to understand, each light ray (the center of the corresponding microlens ML is incident on each of the five pixels a, b, c, d, and e aligned on the straight line in the image sensor 13. Only the chief ray passing through). Further, each element in each drawing is given a suffix (1, 2, 3,...) For indicating coordinates in a plane perpendicular to the optical axis.

すなわち、図6に示すように、不図示の対物レンズ11による被検物の像がMLA12上(Z=0)で結像(各MLへ入射する領域を破線で示し、その中心の座標をX1ないしX7で示している)する場合、不図示の対物レンズ11からの光線r1,r2,r3,r4,r5は、結像面(Z=0面上)、すなわちMLの表面の1点に集まる。中心座標をX1ないしX7で示した各領域は、同じ作用を受けるから、以下、中央の領域について説明する。中央の領域の中心X4を出た光は、マイクロレンズML4のレンズ作用によって、撮像素子13の面上ではそれぞれの画素に対応して、a4,b4,c4,d4,e4の画素信号となる。したがって、結像面(Z=0)での各画像信号は、これらの和となる。すなわち、画像信号をLとすれば、Lは下記の式(2)で求めることができる。 That is, as shown in FIG. 6, an image of a test object by an objective lens 11 (not shown) is imaged on the MLA 12 (Z = 0) (regions incident on each ML are indicated by broken lines, and the coordinates of the center are X 1 to X 7 ), rays r 1 , r 2 , r 3 , r 4 , and r 5 from an objective lens 11 (not shown) are image planes (on the Z = 0 plane), that is, ML. Gather at one point on the surface. Each region indicates the center coordinates in X 1 to X X 7, since subject to the same action, will be described below the central region. The light exiting from the center X 4 in the central region corresponds to each pixel on the surface of the image sensor 13 by the lens action of the microlens ML 4 , and a 4 , b 4 , c 4 , d 4 , e 4 pixel signals. Therefore, each image signal on the imaging plane (Z = 0) is the sum of these. That is, if the image signal is L, L can be obtained by the following equation (2).

L(i)=(ai+bi+ci+di+ei) ・・・(2) L (i) = (a i + b i + c i + d i + e i ) (2)

ただし、上記の通り、iは光軸と垂直な面内におけるX方向の座標(i=1〜7)を示しており、例えば、座標X4の場合には、L(4)=(a4+b4+c4+d4+e4)となる。なお、実際には、2次元的に考える必要があるので、X方向以外にY方向についても考えなければならないが、ここでは、説明を簡略化するためにX方向についてのみ述べる。 However, as described above, i represents the coordinate in the X direction (i = 1 to 7) in the plane perpendicular to the optical axis. For example, in the case of the coordinate X 4 , L (4) = (a 4 + B 4 + c 4 + d 4 + e 4 ). Actually, since it is necessary to think two-dimensionally, it is necessary to consider the Y direction in addition to the X direction, but only the X direction will be described here in order to simplify the description.

一方、図7に示すように、結像面が各MLの表面からずれたZ=h1の位置での中央の領域の中心座標X4の画像信号は、下記の式(3)から求めることができる。ただし、i=1〜7であり、座標の添数字が1〜7から外れた値は使用されない値である。 On the other hand, as shown in FIG. 7, the image signal of the center coordinate X 4 of the central region at the position of Z = h 1 where the imaging plane is displaced from the surface of each ML is obtained from the following equation (3). Can do. However, i = 1 to 7 and a value in which the coordinate suffix is outside 1 to 7 is a value that is not used.

L(i)=(ai-2+bi-1+ci+di+1+ei+2) ・・・(3) L (i) = (a i−2 + b i−1 + c i + d i + 1 + e i + 2 ) (3)

座標X4の場合にはi=4となるので、L(4)=(a2+b3+c4+d5+e6)となる。このことからも明らかなように、撮像素子13の撮像面のそれぞれの領域での中央の画素信号ci(この例の場合にはc4)は、焦点位置によらず常に存在する。つまり、この信号だけを集めた画像は、物体側の位置にかかわらず一定で、焦点ボケのない像となる。 In the case of the coordinate X 4 , since i = 4, L (4) = (a 2 + b 3 + c 4 + d 5 + e 6 ). As is clear from this, the central pixel signal c i (c 4 in this example) in each region of the imaging surface of the imaging device 13 always exists regardless of the focal position. That is, an image obtained by collecting only these signals is a constant image regardless of the position on the object side, and is an image without defocusing.

したがって、図8に示すように、下記の式(4)の関係を有する信号で構成される画像は、結像面がどこにあっても(逆の言い方をすれば、結像面が一定で被検物がどこにあっても)常に焦点の合った全焦点画像となる。ただし、図8ではより実際的な応用を説明するために、図6,7に対して、フィールドレンズ(以下、FLという)を付加した図面としている。このFLを配置することで、像高の高い位置に配置されたMLに入射する光束の角度を抑えられるため、先述した例では述べていないが、FLを設けたほうが好ましい。   Therefore, as shown in FIG. 8, an image composed of signals having the relationship expressed by the following equation (4) has a constant image plane regardless of the image plane (in other words, the image plane is constant). It will always be an all-in-focus image (wherever the inspection is). However, FIG. 8 is a diagram in which a field lens (hereinafter referred to as FL) is added to FIGS. By disposing the FL, the angle of the light beam incident on the ML disposed at a high image height can be suppressed. Therefore, although not described in the above-described example, it is preferable to provide the FL.

L(i)=ci ・・・(4) L (i) = c i (4)

すなわち、例えば、図8において、撮像素子13の撮像面のそれぞれの領域での中央の画素信号c1,c2,c3,c4,c5,c6,c7を集めた画像は、焦点の合った全焦点画像となる。 That is, for example, in FIG. 8, an image obtained by collecting central pixel signals c 1 , c 2 , c 3 , c 4 , c 5 , c 6 , and c 7 in each area of the imaging surface of the image sensor 13 is This results in a focused omnifocal image.

以上のようにして、図1a又は図1bの構成を採用することで、焦点画像生成の手順は異なるが、異なる角度からの光線を再構成して、焦点面の異なる複数の画像が生成される。   As described above, by adopting the configuration of FIG. 1a or 1b, the procedure for generating a focus image is different, but a plurality of images having different focal planes are generated by reconstructing rays from different angles. .

[3.測定の信号処理手順]

次に、上記の手順で生成される仮想的な焦点位置での画像群から、測定のための画像データを得るために実行される信号処理について説明する。かかる信号処理では、常に焦点の合った全焦点画像を用いる点に特徴があり、焦点面を光軸方向へ少しずつずらしながら取得した各画像データに対してエッジ処理を施すことにより、焦点の合った画像を選択する。
[3. Measurement signal processing procedure]

Next, signal processing executed to obtain image data for measurement from the image group at the virtual focal position generated by the above procedure will be described. Such signal processing is characterized in that an omnifocal image that is always in focus is used, and by performing edge processing on each acquired image data while shifting the focal plane little by little in the optical axis direction, focusing is achieved. Select an image.

(3−1)多焦点逐次処理法
上記のエッジ処理としては、いくつかの方法が考えられるが、ここではまず、画像のエッジを検出する方法として、多焦点逐次処理法を用いた場合について説明する。また、この多焦点逐次処理におけるエッジ処理として、フーリエ変換(ウェーブレット変換)法を用いた場合を一例にして説明する。
(3-1) Multi-Focus Sequential Processing Method Although several methods can be considered as the above-described edge processing, first, a case where a multi-focal sequential processing method is used as a method for detecting an edge of an image will be described. To do. Further, a case where a Fourier transform (wavelet transform) method is used as an edge process in the multifocal sequential process will be described as an example.

上記の[2.焦点画像生成の手順]により、複数の異なる物体面での画像群が形成された後、先述したSFFと同様の処理によって、各々の画像の同じ画素エリアの位置において、下記の方法でフォーカス情報を検出することができる。   Above [2. After a group of images on a plurality of different object planes is formed by the procedure for generating a focus image, the focus information is obtained by the following method at the same pixel area position of each image by the same process as SFF described above. Can be detected.

すなわち、かかる信号処理では、図9に示すように、距離の異なる複数の物体面(・・・,Z-1,Z0,Z1,・・・)の画像群について、それぞれFFT(Fast Fourier Transform)により画像信号をフーリエ変換(又はウェーブレット変換)し、空間周波数空間内(フーリエ面上)で高周波成分のみをハイパスフィルタ(High Pass Filter)にて抽出した後、逆フーリエ変換(又は逆ウェーブレット変換)する。この処理によって、ほぼエッジ(輪郭)部分のみの画像となる。次に、これらの画像でエッジのある各点の位置(Xi,Yi)に着目して、複数の物体面(・・・,Z-1,Z0,Z1,・・・)の画像群の中から、最もエッジの鋭い(傾き成分の最も高い)画像をベストフォーカス(Best Focus)として、選択する。 That is, in such signal processing, as shown in FIG. 9, FFT (Fast Fourier) is performed on image groups of a plurality of object planes (..., Z −1 , Z 0 , Z 1 ,. The image signal is subjected to Fourier transform (or wavelet transform) by Transform, and only high-frequency components are extracted in the spatial frequency space (on the Fourier plane) with a high pass filter, and then inverse Fourier transform (or inverse wavelet transform). ) By this processing, an image of only the edge (contour) portion is obtained. Next, paying attention to the position (X i , Y i ) of each point having an edge in these images, a plurality of object planes (..., Z −1 , Z 0 , Z 1 ,...) An image having the sharpest edge (the highest inclination component) is selected from the image group as the best focus.

図10は、各焦点面の画像群におけるサンプリング点のエッジの傾き成分をグラフ化したものである。図10において、横軸Zは物体面の位置(被検物からの距離)を表し、縦軸αはエッジの傾き成分を表し、図中上方向にいくほど、その値が大きくなる(焦点の合っている程度(フォーカスの程度)が高い)ことを意味する。   FIG. 10 is a graph of the slope component of the edge of the sampling point in the image group of each focal plane. In FIG. 10, the horizontal axis Z represents the position of the object plane (distance from the test object), and the vertical axis α represents the inclination component of the edge, and the value increases in the upward direction in the figure (the focal point). (The degree of focus is high).

図10に示すように、Z方向のサンプリング点は、各物体面毎の値となっているために離散的なものとなっているが、図中の曲線で表しているように、関数近似によってピーク(図中の点線)を求めることで、補間処理による小数点以下の値を持つ位置Zが求められ、その精度は向上する。   As shown in FIG. 10, the sampling points in the Z direction are discrete because they are values for each object plane. However, as shown by the curve in the figure, the function approximation is used. By obtaining the peak (dotted line in the figure), a position Z having a value after the decimal point is obtained by interpolation processing, and the accuracy is improved.

しかしながら、この手順ではZの位置を求めることができるものの、次に示すような問題が残る。   However, although the position of Z can be obtained by this procedure, the following problems remain.

すなわち、焦点の違う画像からエッジを検出する場合、物体の距離に応じて、ピント(焦点)の合っている所と、合っていない所とが存在する。このとき、明るさ(信号強度)が極端に違うエッジが隣接している場合、焦点の合っていない明るいエッジが、隣接する焦点の合った暗いエッジを覆ってしまい、エッジの位置を誤認識する恐れがある。   That is, when an edge is detected from an image with a different focus, there are places where the focus (focus) is in focus and places where it is not in accordance with the distance of the object. At this time, if edges with extremely different brightness (signal intensity) are adjacent to each other, the bright edge that is not in focus covers the adjacent dark edge that is in focus, and the position of the edge is erroneously recognized. There is a fear.

かかる問題を解決するためには、全てのエッジで焦点の合った画像を用いて、画素単位での微分値を求め、正しいエッジ位置を先に検出しておけばよい。   In order to solve such a problem, it is only necessary to obtain a differential value for each pixel using an image in which all edges are in focus, and to detect a correct edge position first.

そこで、本実施の形態においては、MLA12の中央のML(図2のMLbに相当する)で結像される、対物レンズ11の中心(軸上)の画像が物体面の位置が変わっても(Zの方向が変わっても)変化のない画像であって、かつ、被写界深度が深く、物体側の距離によらず常にほぼ完全にピントの合った、像ずれがなく、かつボケのない画像(全焦点画像)となることに着目し、この画像を用いる。 Therefore, in the present embodiment, even when the image of the center (on the axis) of the objective lens 11 formed in the ML at the center of the MLA 12 (corresponding to ML b in FIG. 2) changes the position of the object plane. It is an image that does not change (even if the direction of Z changes), has a deep depth of field, is almost completely in focus regardless of the distance on the object side, no image shift, and no blur Focusing on the fact that there is no image (omnifocal image), this image is used.

本発明の信号処理においては、この全焦点画像を用いて、上記のように、フーリエ変換及びハイパスフィルタ処理をすることによって、正しいエッジ位置(Xi,Yi)を得て、同時にその近傍画像のコントラスト信号(画像の濃度値)を登録する。次に、それらのエッジについて、多数物体面(・・・,Z-1,Z0,Z1,・・・)の画像群の中から、着目するエッジ位置(Xi,Yi)とその近傍の画像信号が、登録したコントラスト信号と最も相関の高い画像におけるZを求める。 In the signal processing of the present invention, using this omnifocal image, the Fourier transform and high-pass filter processing are performed as described above to obtain the correct edge position (X i , Y i ), and at the same time the neighboring image The contrast signal (image density value) is registered. Next, with respect to those edges, the edge position (X i , Y i ) of interest and its edge are selected from among a group of images of a large number of object planes (..., Z −1 , Z 0 , Z 1 ,. The Z in the image in which the neighboring image signal has the highest correlation with the registered contrast signal is obtained.

すなわち、全焦点画像から得られた各エッジ位置(Xi,Yi)について、物体位置(Z)の異なる複数の(ボケを含む)画像から、同じ座標(Xi,Yi)のエッジ位置の画素信号における、ボケのない全焦点画像のエッジ信号と最も類似性(相関)の高い物体位置(Z)を求める。これにより、エッジ各点(Xi,Yi)でのZを検出することができる。 That is, for each edge position (X i , Y i ) obtained from the omnifocal image, the edge position of the same coordinate (X i , Y i ) is obtained from a plurality of (including blurred) images having different object positions (Z). The object position (Z) having the highest similarity (correlation) with the edge signal of the unfocused omnifocal image is obtained. Thereby, Z at each edge point (X i , Y i ) can be detected.

具体的には、まず、注目しているエッジ位置である注目エッジ位置(Xi,Yi)と、その近傍画素の信号強度fi,jを検出する。次に、それらのエッジについて、多数の物体面(・・・,Z-1,Z0,Z1,・・・)の画像群の中から、同じエッジ位置(Xi,Yi)と、その近傍信号gi,j(Z)が、fi,jと最も相関の高くなるときのZを求める。 Specifically, first, the target edge position (X i , Y i ) that is the target edge position and the signal intensity f i, j of the neighboring pixels are detected. Next, with respect to those edges, the same edge position (X i , Y i ) from the image group of a large number of object planes (..., Z −1 , Z 0 , Z 1 ,. Z is obtained when the neighborhood signal g i, j (Z) has the highest correlation with f i, j .

この相関の求め方は、各点の明るさやコントラストの違いを吸収するよく知られた正規化相関法を用いると好適であるが、例えば、計算時間を短縮できる差分絶対値の和、又は差分の二乗和を求める方法など、かかる相関を求めることができる方法であれば他の方法であってもよい As a method of obtaining this correlation, it is preferable to use a well-known normalized correlation method that absorbs the difference in brightness and contrast at each point. Other methods may be used as long as the correlation can be obtained, such as a method of obtaining the sum of squares .

そして、例えば、下記の式(5)又は式(6)の値が最も小さくなるときのZを求める。   Then, for example, Z is obtained when the value of the following formula (5) or formula (6) is the smallest.

Figure 0005354254
Figure 0005354254

Figure 0005354254
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これにより、物体の各エッジ座標(Xi,Yi)位置でのZが求められる。 Thus, the edge coordinates of the object (X i, Y i) is Z at position sought.

なお、ここでは、撮像素子13から出力される画像信号に対し、直接画像処理を施す例について説明したが、エッジ信号を際立たせ、検出誤差を低減する目的で、画像の前処理を施してもよい。例えば、各画像を、フーリエ変換とハイパスフィルタを組み合わせた処理や、ソーベルフィルタ、あるいはラプラシアンフィルタと呼ばれるデジタル微分フィルタなどの画像処理をすることにより、輪郭部だけを強調した、いわゆるエッジ画像を得ることができるので、その後、上記の相関処理を行えばよい。   Although an example in which image processing is directly performed on the image signal output from the image sensor 13 has been described here, image preprocessing may be performed for the purpose of highlighting edge signals and reducing detection errors. Good. For example, each image is processed by combining a Fourier transform and a high-pass filter, or by image processing such as a digital differential filter called a Sobel filter or a Laplacian filter, thereby obtaining a so-called edge image in which only the contour portion is emphasized. After that, the above correlation process may be performed.

また、相関を計算する際には、先述した場合と同様に、図10に示したような補間処理を用いて求めることも可能である。   Further, when calculating the correlation, it is also possible to obtain the correlation using the interpolation processing as shown in FIG.

以上のように、多焦点逐次処理法では、画像信号の強度のみでエッジ位置を特定(光軸方向でピントの合った画像を特定)しようとすると、本来の特定すべきエッジが強いボケ光によって検出できない場合が生じるので、これを避けるために、全焦点画像を用いた相関処理を行っている。   As described above, in the multifocal sequential processing method, when an edge position is specified only by the intensity of an image signal (an image that is in focus in the optical axis direction) is to be specified, the original edge to be specified is caused by strong blur light. Since there are cases where it cannot be detected, in order to avoid this, correlation processing using an omnifocal image is performed.

(3−2)全焦点エッジ抽出法
次に、画像のエッジを検出する方法として、全焦点エッジ抽出法を用いた場合について説明する。
(3-2) Omnifocal Edge Extraction Method Next, a case where the omnifocal edge extraction method is used as a method for detecting an edge of an image will be described.

上記の(3−1)の多焦点逐次処理法では、一旦、多数の焦点画像群を形成した後に、フーリエ変換などの処理を行うため、どうしても処理時間がかかってしまう。また、エッジを検出する画像として、先の物体面(・・・,Z-1,Z0,Z1,・・・)の画像群では、いずれもどこかに焦点面があり、その焦点からはずれた箇所はボケが生じ、全てのエッジを検出することは困難になる。そこで、全焦点エッジ抽出法では、MLA12の中央のMLで結像される全焦点画像によって予め2次元画像上でエッジ位置が特定できることに着目し、特定したエッジ位置のみで光軸方向へエッジ位置の探索を行なう。つまり、全焦点画像の中の特徴(エッジ)を先に検出しておき、その検出されたエッジ位置に対応する位置の物体面の画像だけを生成し、その位置でのベストフォーカスとなるZを検出すれば、処理する点が少なくて済み、演算の負担が少ないばかりでなく、演算時間が短くて済み、迅速な測定に寄与することができる。 In the multi-focal sequential processing method (3-1) described above, processing such as Fourier transform is performed after a large number of focused image groups are formed once, so processing time is inevitably required. Also, as an image for detecting an edge, in the image group of the previous object plane (..., Z −1 , Z 0 , Z 1 ,...), There is a focal plane somewhere, and from that focal point. The deviated portion is blurred and it becomes difficult to detect all edges. Therefore, in the all-focus edge extraction method, focusing on the fact that the edge position can be specified on the two-dimensional image in advance by the all-focus image formed by the ML at the center of the MLA 12, the edge position in the optical axis direction is determined only by the specified edge position. Search for. That is, the feature (edge) in the omnifocal image is detected first, only the image of the object plane at the position corresponding to the detected edge position is generated, and Z that is the best focus at that position is determined. If detected, the number of processing points can be reduced, and not only the calculation burden is reduced, but also the calculation time can be shortened, contributing to rapid measurement.

具体的には、MLA12の中央のMLで結像される全焦点画像を用いて、画像処理でよく知られている輪郭抽出のための3×3行列(一般的に微分オペレータと呼ばれる)を使ったエッジ抽出の演算処理を行う。例えば、ソーベルフィルタ(Sobel Filter)などを使って、X方向又はY方向で、画像中のエッジを検出する。なお、この方法は、特に、線のエッジ検出に有効である。また、スポットや交点などの点の検出には、二次微分に相当するラプラシアンフィルタ(Laplace Filter)を使ってもよい。これらは、被検物の段差など、何らかの構造や色、反射率の差などによるものである。全焦点エッジ抽出法では、検出されたエッジや点の位置(Xi,Yi)における、これらのフィルタで処理された値を、デフォーカス量として算出する。 Specifically, using an omnifocal image formed in the center ML of the MLA 12, a 3 × 3 matrix (generally called a differential operator) for contour extraction, which is well known in image processing, is used. The edge extraction calculation process is performed. For example, an edge in an image is detected in the X direction or the Y direction using a Sobel filter or the like. This method is particularly effective for line edge detection. Further, a Laplacian filter corresponding to a second derivative may be used for detection of points such as spots and intersections. These are due to a difference in some structure, color, reflectance, etc., such as a step of the test object. In the all-focus edge extraction method, the values processed by these filters at the detected edge and point positions (X i , Y i ) are calculated as defocus amounts.

そして、全焦点エッジ抽出法においては、画像のエッジのある各点(位置)に着目して、(3−1)と同様に、上記の多数の物体面(・・・,Z-1,Z0,Z1,・・・)に対応する、このデフォーカス量の変化を算出する。これにより得られる値は、上記の図10と同様のデータとなるため、これから信号のピーク、すなわち、ベストフォーカスとなるZを求める。 In the omnifocal edge extraction method, paying attention to each point (position) having an edge of the image, as in (3-1), the above-described many object planes (..., Z −1 , Z (0 , Z 1 ,...) Corresponding to this defocus amount change is calculated. Since the value obtained by this is the same data as in FIG. 10, the peak of the signal, that is, Z that is the best focus is obtained from this.

以上のように、上記の(3−1)の多焦点逐次処理法や、(3−2)の全焦点エッジ抽出法などのエッジ処理によって、物体の各エッジ座標(Xi,Yi)位置でのZが検出される。なお、その後、検出された値を用いての距離測定処理が行われるが、その処理については、次の[4.距離測定手順]で説明する。 As described above, each edge coordinate (X i , Y i ) position of the object is obtained by edge processing such as the above-described multifocal sequential processing method (3-1) or the all-focus edge extraction method (3-2). Z at is detected. Thereafter, a distance measurement process using the detected value is performed. The process is described in [4. Distance measurement procedure].

[4.距離測定手順]
(4−1)多数のフォーカス画像から物体位置を求める方法
上記の手順によって求められた、物体の各エッジ座標(Xi,Yi)位置でのZを用いた距離測定が行われるが、その手順にはいくつかの方法があるが、ここではまず、多数のフォーカス画像(焦点面の位置が異なる多数の画像、すなわち、多数の仮想焦点面の画像)を生成し、その中からベストの焦点位置を求める方法について説明する。
[4. Distance measurement procedure]
(4-1) Method for obtaining object position from multiple focus images Distance measurement using Z at each edge coordinate (X i , Y i ) position of the object obtained by the above procedure is performed. There are several methods for the procedure, but here we first generate a number of focus images (a number of images with different focal plane positions, that is, a number of virtual focal plane images), and the best focus among them is generated. A method for obtaining the position will be described.

ここで、仮想焦点面と共役な被検物像側の物体面の位置(・・・,Z-1,Z0,Z1,・・・)の値は、式(1)に基づき、対物レンズ11と撮像素子13の撮像面との間隔a、若しくは対物レンズ11と仮想的な焦点面との間隔(a1,a2,a3,・・・,an)によって一義的に決まる。 Here, the value of the position (..., Z −1 , Z 0 , Z 1 ,...) Of the object plane on the object image side conjugate with the virtual focal plane is based on the expression (1). It is uniquely determined by the distance a between the lens 11 and the imaging surface of the imaging device 13 or the distance (a 1 , a 2 , a 3 ,..., An ) between the objective lens 11 and the virtual focal plane.

したがって、焦点面の位置(撮像面上にある場合も含む(すなわち、a1,a2,a3,・・・,an))を定めれば、その位置に焦点が合うべき被検物の部位の位置がわかり、その部位までの距離bが式(1)を用いて求めることができる。その結果、求めた距離bの値と撮像素子13から出力される2次元画像の座標(X,Y)情報と合わせて、被検物の上記部分の座標(X,Y,Z)、すなわち、3次元の空間座標を決定することができる。 Therefore, if the position of the focal plane (including the case where it is on the imaging plane (that is, a 1 , a 2 , a 3 ,..., An )) is determined, the test object to be focused on that position. And the distance b to that part can be obtained using the equation (1). As a result, the coordinate (X, Y, Z) of the portion of the test object, ie, the coordinate (X, Y) information of the two-dimensional image output from the image sensor 13 together with the obtained distance b, that is, Three-dimensional spatial coordinates can be determined.

(4−2)2つの異なる焦点面の画像情報から物体位置を求める方法
上記の(4−1)の方法では、多数のフォーカス画像(多数の異なる焦点面を仮定した場合に得られる画像)を生成して、それぞれのフォーカス画像の中からベストの焦点位置の部分を検出するといった方法で、被検物の各部分までの距離を正確に測定することができる。そのためには、例えば、図10のような多点情報からピークを検出する、というような手順が必要となる。図10において、横軸Zは被検物までの距離、縦軸αは焦点の合っている程度(フォーカスの程度)を示している。この図から2次元画像のある座標(X,Y)における焦点の合っている被検物の部位までの距離がαの最大値となるZの値として求めることができる、ということがわかる。しかしながら、処理の手順が多く、処理に時間がかかる可能性が高い。
(4-2) Method for Obtaining Object Position from Image Information of Two Different Focal Planes In the above method (4-1), a large number of focus images (images obtained when a number of different focal planes are assumed) are obtained. The distance to each part of the test object can be accurately measured by generating and detecting the best focal position from each focus image. For that purpose, for example, a procedure of detecting peaks from multipoint information as shown in FIG. 10 is required. In FIG. 10, the horizontal axis Z indicates the distance to the test object, and the vertical axis α indicates the degree of focus (degree of focus). From this figure, it can be seen that the distance to the in-focus portion of the test object at a certain coordinate (X, Y) of the two-dimensional image can be obtained as the value of Z that is the maximum value of α. However, there are many processing procedures, and there is a high possibility that processing will take time.

そこで、ここでは、別の方法として、少ない処理量で、高速化を図る測定手順について説明する。この方法においては、多数の画像を生成し、そこから得られる図10のような多点情報からピークを検出するのではなく、最低2つの異なる焦点面の画像情報を用いて、両者の差分信号、すなわち、2つの位置でのデフォーカス量の差から、Zの位置を求める。そして、このZは、対物レンズ11から被検物までの距離bに対応するので、この値と撮像素子13の2次元画像の座標(X,Y)情報と合わせて、被検物の座標(X,Y,Z)、すなわち、3次元形状を測定することができる。   Therefore, here, as another method, a measurement procedure for speeding up with a small amount of processing will be described. In this method, a large number of images are generated and peaks are not detected from the multipoint information as shown in FIG. 10, but the difference signal between the two is obtained using image information of at least two different focal planes. That is, the position of Z is obtained from the difference in the defocus amount at the two positions. Since this Z corresponds to the distance b from the objective lens 11 to the test object, the coordinate (X, Y) information of the two-dimensional image of the image sensor 13 is combined with this value and the coordinate (X, Y) of the test object. X, Y, Z), that is, a three-dimensional shape can be measured.

しかしながら、この方法で演算した値そのものだけでは、被検物の局所的な反射強度の差が影響する可能性が高い。すなわち、元の照明光の明るさ分布や、被検物の位置による反射率の違いによって信号強度は変化する。特に隣接した領域に明暗の差が著しい箇所があると、デフォーカス状態では両者の信号が混ざり合うため、エッジのピークを誤検出する可能性がある。   However, there is a high possibility that the difference in local reflection intensity of the test object is affected only by the value calculated by this method. That is, the signal intensity varies depending on the brightness distribution of the original illumination light and the difference in reflectance depending on the position of the test object. In particular, if there is a portion where the difference in brightness is significant in the adjacent region, both signals are mixed in the defocused state, so that there is a possibility that an edge peak is erroneously detected.

そこでかかる演算処理で求められた演算値を、MLA12の中央のMLにより結像された画像の各画素値で除算して規格化しておくことにより、局所エリア毎に、明るさ(光強度)によらない、規格化されたデフォーカスによるボケ量を得ることができる。 Therefore , the calculation value obtained by such calculation processing is divided by each pixel value of the image formed by the ML at the center of the MLA 12 and normalized so that brightness (light intensity) is obtained for each local area. Therefore, it is possible to obtain a standardized defocus blur amount.

以上のようにして、本実施の形態においては、例えば、(4−1)又は(4−2)の方法によって、距離測定の処理が行われることで、被検物の表面の座標(X,Y,Z)が求められ、3次元形状が測定される。   As described above, in the present embodiment, for example, the distance measurement process is performed by the method (4-1) or (4-2), so that the coordinates (X, Y, Z) is determined and the three-dimensional shape is measured.

このように、本実施の形態においては、1回の撮像により得られる画像信号を用いて、被検物の3次元形状を計測できるので、従来のSFFのように、複数回の撮像が必要な場合と比べて、高速で計測を行うことが可能である。   Thus, in the present embodiment, since the three-dimensional shape of the test object can be measured using the image signal obtained by one imaging, a plurality of imaging operations are required as in the conventional SFF. Compared to the case, measurement can be performed at high speed.

[5.形状測定装置]
次に、上述した距離測定の処理を行って、被検物の3次元形状を測定する、本実施の形態に係る形状測定装置の構成について、図11を参照して説明する。
[5. Shape measuring device]
Next, the configuration of the shape measuring apparatus according to the present embodiment that performs the above-described distance measurement process and measures the three-dimensional shape of the test object will be described with reference to FIG.

図11に示すように、形状測定装置は、対物レンズ11、MLA12、撮像素子13、制御回路31、ユーザインターフェース32、駆動回路33、演算処理回路34、及び、メモリ35を含むようにして構成される。なお、図11において、対物レンズ11ないし撮像素子13は、先述した図1等の対物レンズ11ないし撮像素子13に対応している。   As shown in FIG. 11, the shape measuring apparatus includes an objective lens 11, an MLA 12, an image sensor 13, a control circuit 31, a user interface 32, a drive circuit 33, an arithmetic processing circuit 34, and a memory 35. In FIG. 11, the objective lens 11 to the imaging element 13 correspond to the objective lens 11 to the imaging element 13 of FIG.

制御回路31は、ユーザインターフェース32を介してユーザから入力された指示にしたがって、駆動回路33、演算処理回路34、及びメモリ35の制御を行う。また、制御回路31は、図11の形状測定装置の各部の動作を制御する。   The control circuit 31 controls the drive circuit 33, the arithmetic processing circuit 34, and the memory 35 in accordance with instructions input from the user via the user interface 32. Further, the control circuit 31 controls the operation of each part of the shape measuring apparatus of FIG.

駆動回路33は、撮像素子13を駆動する。また、駆動回路33は、撮像素子13からの画像信号を、演算処理回路34に出力する。   The drive circuit 33 drives the image sensor 13. Further, the drive circuit 33 outputs the image signal from the image sensor 13 to the arithmetic processing circuit 34.

演算処理回路34は、駆動回路33からの画像信号に基づいて、所定の演算処理を行う。そして、演算処理回路34は、演算結果をメモリ35に格納する。   The arithmetic processing circuit 34 performs predetermined arithmetic processing based on the image signal from the drive circuit 33. Then, the arithmetic processing circuit 34 stores the calculation result in the memory 35.

演算処理回路34は、MLA12のMLの各々により結像された像を、撮像素子13により撮像することで得られる画像データから、被検物の3次元形状を測定する。かかる処理の詳細については、後述する図12の演算処理回路34の動作の説明の際に併せて説明する。   The arithmetic processing circuit 34 measures the three-dimensional shape of the test object from image data obtained by imaging the image formed by each ML of the MLA 12 by the imaging device 13. Details of this processing will be described together with the description of the operation of the arithmetic processing circuit 34 of FIG.

以上のようにして、形状測定装置は構成される。   The shape measuring apparatus is configured as described above.

次に、図12のフローチャートを参照して、図11の演算処理回路34により行われる3次元形状測定処理について説明する。   Next, the three-dimensional shape measurement process performed by the arithmetic processing circuit 34 of FIG. 11 will be described with reference to the flowchart of FIG.

演算処理回路34は、ステップS11において、駆動回路33からの画像信号を取得し、ステップS12において、焦点画像を生成する。具体的には、上記の[2.焦点画像生成の手順]で述べたように、演算処理回路34は、図1aの構成の場合には、(2−1)の方法によって、図1bの構成の場合には、(2−2)の方法によって、異なる角度からの光線を再構成して、焦点面の異なる複数の画像を生成する。   The arithmetic processing circuit 34 acquires the image signal from the drive circuit 33 in step S11, and generates a focus image in step S12. Specifically, the above-mentioned [2. As described in [Procedure for generating a focus image], the arithmetic processing circuit 34 uses the method (2-1) in the case of the configuration of FIG. 1a and (2-2) in the case of the configuration of FIG. 1b. By this method, light rays from different angles are reconstructed to generate a plurality of images having different focal planes.

ステップS13において、演算処理回路34は、測定の信号処理を行う。具体的には、上記の[3.測定の信号処理手順]で述べたように、演算処理回路34は、(3−1)の「多焦点逐次処理法」又は(3−2)の「全焦点エッジ抽出法」などのエッジ処理によって、常に焦点の合った全焦点画像を用いて、物体の各エッジ座標(Xi,Yi)位置でのZを求める。 In step S13, the arithmetic processing circuit 34 performs measurement signal processing. Specifically, the above [3. As described in the “Signal processing procedure of measurement”, the arithmetic processing circuit 34 performs the edge processing such as the “multifocal sequential processing method” in (3-1) or the “all-focus edge extraction method” in (3-2). The Z at each edge coordinate (X i , Y i ) position of the object is obtained using an omnifocal image that is always in focus.

そして、演算処理回路34は、ステップS14において、距離測定の処理を行い、ステップS15において、物体の3次元形状を測定し、処理は終了する。具体的には、上記の[4.距離測定手順]で述べたように、演算処理回路34は、(4−1)の「多数のフォーカス画像から物体位置を求める方法」又は(4−2)の「2つの異なる焦点面の画像情報から物体位置を求める方法」によって、被検物の表面の座標(X,Y,Z)が求められ、3次元形状が測定される。   Then, the arithmetic processing circuit 34 performs a distance measurement process in step S14, measures the three-dimensional shape of the object in step S15, and the process ends. Specifically, the above-mentioned [4. As described in the “distance measurement procedure”, the arithmetic processing circuit 34 selects the “image information of two different focal planes” in (4-1) “Method for obtaining an object position from a large number of focus images” or (4-2). The method of determining the object position from the “coordinates (X, Y, Z) of the surface of the test object is determined, and the three-dimensional shape is measured.

以上のように、図11の形状測定装置においては、演算処理回路34によって、先述した、[2.焦点画像生成の手順]、[3.測定の信号処理手順]、[4.距離測定手順]が順に実行されることで、MLA12の中央のMLによって結像された像から得られる全焦点画像を用いた信号処理が行われ、それにより得られる物体の各エッジ座標(Xi,Yi)位置でのZから、被検物の表面の座標(X,Y,Z)、すなわち、3次元形状が測定される。 As described above, in the shape measuring apparatus in FIG. 11, the arithmetic processing circuit 34 [2. Procedure for generating focus image], [3. Measurement signal processing procedure], [4. The distance measurement procedure] is sequentially executed, thereby performing signal processing using an omnifocal image obtained from the image formed by the ML at the center of the MLA 12, and each edge coordinate (X i) of the object obtained thereby. , Y i ), the coordinates (X, Y, Z) of the surface of the test object, that is, the three-dimensional shape is measured from Z at the position.

すなわち、図1aに示したように、MLA12が対物レンズ11の射出瞳と共役となるように配置されている場合、演算処理回路34は、複数のMLのうちの対物レンズ11の光軸の位置にあるMLA12の中央のMLにより撮像素子13の撮像面上に形成された像から得られる全焦点画像(基準画像)、撮像素子13の出力から得られる焦点面の異なる複数の画像(測定画像)との相関から求められる被検物のZ位置を用いて、その被検物の3次元の形状を測定する。 That is, as shown in FIG. 1a, when the MLA 12 is arranged so as to be conjugate with the exit pupil of the objective lens 11, the arithmetic processing circuit 34 determines the position of the optical axis of the objective lens 11 among the plurality of MLs. The multifocal image (reference image) obtained from the image formed on the imaging surface of the imaging device 13 by the ML at the center of the MLA 12 and a plurality of images (measurement images) having different focal planes obtained from the output of the imaging device 13 The three-dimensional shape of the test object is measured using the Z position of the test object obtained from the correlation with ( ).

なお、本実施の形態では、図1aの構成を中心に述べたが、図1bに示したように、撮像素子13の撮像面が対物レンズ11の射出瞳と共役となるように配置されている場合には、演算処理回路34は、対物レンズ11の主光線が交わる撮像素子13の撮像領域を構成する画素から得られる全焦点画像(基準画像)、撮像素子13の出力から得られる焦点面の異なる複数の画像(測定画像)との相関から求められる被検物のZ位置を用いて、その被検物の3次元形状を測定することになる。 In the present embodiment, the configuration shown in FIG. 1a is mainly described. However, as shown in FIG. 1b, the imaging surface of the imaging device 13 is arranged so as to be conjugate with the exit pupil of the objective lens 11. In this case, the arithmetic processing circuit 34 includes an omnifocal image (reference image) obtained from the pixels constituting the imaging region of the imaging element 13 where the principal rays of the objective lens 11 intersect, and a focal plane obtained from the output of the imaging element 13. The three-dimensional shape of the test object is measured using the Z position of the test object obtained from the correlation with a plurality of different images (measurement images).

[6.パターン投影照明系]
ところで、図11の形状測定装置においては、被検物の形状の測定処理を実行する際の照明の方法として、測定対象や目的によって、パッシブ(Passive)法(自然光)と、アクティブ(Active)法(補助光利用)があり、測定対象や用途によって使い分けることができる。
[6. Pattern projection illumination system]
By the way, in the shape measuring apparatus of FIG. 11, the passive method (natural light) and the active method (Active) are used as the illumination method when executing the shape measurement process of the test object, depending on the measurement object and purpose. (Use of auxiliary light) can be used properly depending on the measurement object and application.

パッシブ法はこれまでに述べた方法である。すなわち、かかる方法は、被検物にパターン、エッジやコントラスト変化がある場合に、自然光のまま、被検物から反射光や散乱光を使って、撮像した画像からエッジ(輪郭など)の信号を検出するものである。また、形状測定装置においては、被検物までの距離が長い場合にも、補助光が届かないのでパッシブ法で測定する。   The passive method is the method described so far. In other words, this method uses the reflected light or scattered light from the test object and outputs the edge (contour, etc.) signal from the captured image when the test object has a pattern, edge, or contrast change. It is to detect. Further, in the shape measuring apparatus, even when the distance to the test object is long, the auxiliary light does not reach, so the measurement is performed by the passive method.

ここでは、もう一方の照明の方法である、アクティブ法の詳細について説明する。   Here, the details of the active method, which is another illumination method, will be described.

図11の形状測定装置において、3次元形状測定処理が実行されるとき、被検物がエッジ信号や十分なコントラスト信号を持たない対象となる場合には、テキスチャやパターン投影などの構造を持つ照明をあてて、その焦点変化を検出する。   In the shape measuring apparatus of FIG. 11, when the three-dimensional shape measuring process is executed, if the object to be examined does not have an edge signal or a sufficient contrast signal, illumination having a structure such as texture or pattern projection And the focus change is detected.

図13は、アクティブ方式の場合の光学系の構成の例の概略図である。   FIG. 13 is a schematic diagram of an example of the configuration of an optical system in the case of the active method.

図13においては、図11の形状測定装置を構成するもののうち、光学系のみを図示しており、実際には、先述したように、撮像素子13は、駆動回路33と接続され、撮像により得られた画像信号を出力する。また、図13の光学系では、先述した対物レンズ11ないし撮像素子13の他に、被検物に測定用補助光を照射するアクティブ方式の照明方法を実現するための、光源51、照明レンズ系52、ピンホールパターン53、及びハーフミラー54が配置されている。   In FIG. 13, only the optical system is illustrated among those constituting the shape measuring apparatus of FIG. 11. Actually, as described above, the image sensor 13 is connected to the drive circuit 33 and obtained by imaging. The obtained image signal is output. Further, in the optical system of FIG. 13, in addition to the objective lens 11 to the imaging element 13 described above, a light source 51 and an illumination lens system for realizing an active illumination method for irradiating a measurement auxiliary light to a test object. 52, a pinhole pattern 53, and a half mirror 54 are arranged.

光源51としては、例えば、ハロゲンランプ等の白色光源や、RGB3色で構成されたLED(Light Emitting Diode)などが用いられる。照明レンズ系52は、実際には複数のレンズによって構成されており、光源51より射出された(図中下方から上方へ進行する)照明光を集光する。この集光された照明光は、ピンホールパターン53を照明する。   As the light source 51, for example, a white light source such as a halogen lamp, an LED (Light Emitting Diode) composed of RGB three colors, or the like is used. The illumination lens system 52 is actually composed of a plurality of lenses, and collects the illumination light emitted from the light source 51 (advancing from the lower side to the upper side in the figure). This condensed illumination light illuminates the pinhole pattern 53.

ピンホールパターン53は、平板状に形成されており、照明レンズ系52の光軸と垂直に交わるように配置されている。また、ピンホールパターン53には、照明レンズ系52の光軸と交わる面に、前後左右方向に一定間隔を有して規則正しい位置で上下に開口したピンホールが複数設けられている。なお、被検物に投影するパターンとして、ピンホールの代わりに、例えば、格子状パターン又は縦縞や横縞などのような他のパターンを用いてもよい。   The pinhole pattern 53 is formed in a flat plate shape and is disposed so as to intersect perpendicularly with the optical axis of the illumination lens system 52. The pinhole pattern 53 is provided with a plurality of pinholes that are opened at regular positions at regular intervals in the front-rear and left-right directions on the surface that intersects the optical axis of the illumination lens system 52. As a pattern to be projected onto the test object, for example, a lattice pattern or other patterns such as vertical stripes and horizontal stripes may be used instead of pinholes.

ハーフミラー54は、照明レンズ系52の光軸に対して45度傾斜した状態で、対物レンズ11とMLA12との間に配置される。   The half mirror 54 is disposed between the objective lens 11 and the MLA 12 in a state inclined by 45 degrees with respect to the optical axis of the illumination lens system 52.

光源51から射出されて、照明レンズ系52(図中上方)に向けて進行する照明光は、照明レンズ系52に入射して集光された後、ピンホールパターン53に到達する。ピンホールパターン53のピンホールを通過した照明光の一部は、ハーフミラー54で反射して90度向きを変えて、対物レンズ11に入射し、被検物にピンホールのパターンが投射される。   Illumination light emitted from the light source 51 and traveling toward the illumination lens system 52 (upward in the drawing) enters the illumination lens system 52 and is collected, and then reaches the pinhole pattern 53. Part of the illumination light that has passed through the pinhole of the pinhole pattern 53 is reflected by the half mirror 54, turned 90 degrees, and incident on the objective lens 11, and the pinhole pattern is projected onto the test object. .

図13に示すように、図示した例ではピンホールのパターンは、5×3個のドットである。被検物の表面に照射された照明光の一部は、被検物の表面の反射光となって、対物レンズ11に入射して、ハーフミラー54を透過した後、さらにMLA12を通過し、撮像素子13上で結像する。撮像素子13で結像した反射光は、その撮像面上に形成された画素エリアの各受光部において受光され、図11に示した駆動回路33に出力される。そして、図11に示したように、演算処理回路34は、駆動回路33からの画像信号に基づいて、3次元形状測定処理を実行する。   As shown in FIG. 13, in the illustrated example, the pinhole pattern is 5 × 3 dots. A part of the illumination light irradiated on the surface of the test object becomes reflected light on the surface of the test object, enters the objective lens 11, passes through the half mirror 54, and further passes through the MLA 12, An image is formed on the image sensor 13. The reflected light imaged by the imaging device 13 is received by each light receiving portion of the pixel area formed on the imaging surface, and is output to the drive circuit 33 shown in FIG. Then, as illustrated in FIG. 11, the arithmetic processing circuit 34 performs a three-dimensional shape measurement process based on the image signal from the drive circuit 33.

本例は、アクティブ方式であるので、演算処理回路34は、照明した投影パターンの交点やスポットなどにおける、エッジやコントラストの変化を検出する。このとき、パターンの位置は既知であるので、演算処理回路34は、その部分のエッジコントラストを検出すればよいことになる。そして、演算処理回路34は、先述した処理と同様に、多焦点の画像を得て、それぞれの点の焦点変化からベストフォーカス位置を検出し、被検物との距離を求める。また、ピンホール又は格子点などの隔てた点の間隔が、測定の空間分解能となる。   Since this example is an active method, the arithmetic processing circuit 34 detects changes in edges and contrast at intersections and spots of illuminated projection patterns. At this time, since the position of the pattern is known, the arithmetic processing circuit 34 has only to detect the edge contrast of that portion. Then, the arithmetic processing circuit 34 obtains a multifocal image, detects the best focus position from the focal point change of each point, and obtains the distance from the test object, in the same manner as the processing described above. In addition, the distance between separated points such as pinholes or lattice points is the spatial resolution of the measurement.

なお、本実施の形態においては、上記のパターン投影照明系の代わりに、レーザ走査照明系を採用することも可能である。すなわち、形状測定装置は、レーザ走査照明系を採用する場合、例えば、レーザ光などでスリット又は線状ビームをあて、それと垂直方向にビームを走査させる手段や、集光スポット光にて2次元走査を行うレーザ顕微鏡の構成からなる。   In the present embodiment, a laser scanning illumination system can be employed instead of the pattern projection illumination system. That is, when the laser scanning illumination system is employed, the shape measuring apparatus applies a slit or a linear beam with laser light or the like, and scans the beam in a direction perpendicular thereto, or two-dimensional scanning with a condensed spot light. It consists of the structure of the laser microscope which performs.

以上のように、図11の形状測定装置においては、測定対象や用途によって、照明の方法として、パッシブ法とアクティブ法を使い分けることができる。   As described above, in the shape measuring apparatus shown in FIG. 11, the passive method and the active method can be properly used as the illumination method depending on the measurement object and application.

さらに、図1、図13などの光学系では、光学系の基本要素のみを図示して説明したので、実際には機能は同等で様々な変形を考えることができる。例えば、MLA12の前にフィールドレンズFLを置いてもよいことは前述したが、MLA12と撮像素子13との間にリレーレンズを配置するなどしてもよいことは勿論である。   Furthermore, in the optical system of FIGS. 1 and 13 and the like, only the basic elements of the optical system have been illustrated and described, so that the functions are actually equivalent and various modifications can be considered. For example, although the field lens FL may be placed in front of the MLA 12 as described above, it is needless to say that a relay lens may be placed between the MLA 12 and the image sensor 13.

[7.レンズの絞り(F値)可変機構]
また、本実施の形態においては、光学系(レンズ)のF値を変えて像を捕らえて測定する方法あるいはその補佐機能を設けるようにしてもよい。
[7. Lens aperture (F value) variable mechanism]
In the present embodiment, a method for measuring an image by changing the F value of the optical system (lens) or a supporting function thereof may be provided.

一般に、光学系の被写界深度は、レンズのF値に依存して変化する。これを調整するためには、レンズの瞳面の位置あるいは瞳面と共役な位置にレンズ絞り(アパーチャ)を設置して駆動系でその大きさを可変にする必要がある。   In general, the depth of field of an optical system varies depending on the F value of the lens. In order to adjust this, it is necessary to install a lens diaphragm (aperture) at the position of the pupil plane of the lens or at a position conjugate with the pupil plane, and to change the size of the lens diaphragm.

この可変機構を設けることで、例えば、次の2つの用途で有効に利用することができる。   By providing this variable mechanism, for example, it can be effectively used in the following two applications.

(7−1)測定用途に応じた調整
測定被検物に対して、絞りを大きくしてF値を小さくして撮像すれば、被写界深度は浅くなり、画像フォーカス測定の感度は上がる。ただし、このとき、測定可能な範囲は狭まる。逆に、絞り込んでF値を大きくすれば、被写界深度は深くなり、測定感度は下がるが、測定範囲は広がる。これを利用して、測定用途や、必要な精度や範囲に応じて最適な値に調整することができる。具体的には、図11の形状測定装置においては、対物レンズ11の瞳面の位置又は瞳面と共役な位置にレンズ絞り(図示せず)が配置され、例えば、測定感度を上げたい場合には、制御回路31により制御される駆動系(図示せず)によってレンズ絞りを大きくしてF値を小さくし、測定範囲を広げたい場合には、駆動系によりレンズ絞りを絞り込んでF値を大きくすることになる。
(7-1) Adjustment according to measurement application If the measurement object is imaged by increasing the aperture and decreasing the F value, the depth of field becomes shallow and the sensitivity of image focus measurement increases. At this time, however, the measurable range is narrowed. Conversely, if the F value is increased by narrowing down, the depth of field becomes deeper and the measurement sensitivity is lowered, but the measurement range is expanded. By utilizing this, it is possible to adjust to an optimum value according to the measurement application and the required accuracy and range. Specifically, in the shape measuring apparatus of FIG. 11, a lens diaphragm (not shown) is arranged at the position of the pupil plane of the objective lens 11 or a position conjugate with the pupil plane. For example, when it is desired to increase the measurement sensitivity. In a case where the lens aperture is increased by a drive system (not shown) controlled by the control circuit 31 to reduce the F value and the measurement range is to be expanded, the lens aperture is reduced by the drive system to increase the F value. Will do.

(7−2)収差測定
対物レンズ11の収差測定における補助手段として、あるいは、MLA12の各レンズ要素のばらつきを評価する手段として用いることも可能である。すなわち、レンズのF値を十分に絞り込んだ場合、被写界深度が深くなるとともに、レンズの中心部だけを使うので、収差を大きく低減した(ほぼ無収差に近い)光学像が得られる。本発明の光学系で得られる撮像素子13からの画像信号は、対物レンズ11とともにMLA12の光学特性の影響も受けている。従って、この画像信号を使って収差などの光学特性を評価する場合、両者の影響が重なって現われる。そこで、対物レンズ11のF値を絞ってこの収差の影響をなくした画像を取り込んだ後、絞りを開放(F値を最小)にして画像を撮像し、両者の差をとれば、MLA12のみの収差、あるいは各ML個別の光学特性が分かる。そして得られたこのMLA12の特性を差し引けば、対物レンズ11のみの特性も分かることになる。これは、例えば、対物レンズ11の収差測定を行う場合に有効な機能となる。
(7-2) Aberration Measurement It is also possible to use as an auxiliary means in the aberration measurement of the objective lens 11 or as a means for evaluating the variation of each lens element of the MLA 12. In other words, when the F value of the lens is sufficiently narrowed, the depth of field is deepened and only the center portion of the lens is used, so that an optical image with greatly reduced aberration (substantially no aberration) can be obtained. The image signal from the image sensor 13 obtained by the optical system of the present invention is influenced by the optical characteristics of the MLA 12 together with the objective lens 11. Therefore, when optical characteristics such as aberration are evaluated using this image signal, the influences of both appear overlappingly. Therefore, after capturing the image in which the influence of this aberration is eliminated by reducing the F value of the objective lens 11, the image is taken with the aperture opened (F value is minimized), and the difference between the two is taken. Aberrations or individual optical characteristics of each ML are known. Then, by subtracting the characteristics of the obtained MLA 12, the characteristics of only the objective lens 11 can be understood. This is an effective function when, for example, measuring the aberration of the objective lens 11.

以上のように、本発明によれば、MLAの中央のMLから得られる焦点の合った全焦点画像を用いて、画像処理を行うことで、対物レンズの光軸に沿って、被検物を移動することなく、被検物の形状を測定できる。   As described above, according to the present invention, an object is processed along the optical axis of the objective lens by performing image processing using a focused omnifocal image obtained from the ML at the center of the MLA. The shape of the test object can be measured without moving.

なお、上述した一連の処理は、ハードウェアにより実行させることもできるし、ソフトウェアにより実行させることもできる。一連の処理をソフトウェアにより実行させる場合には、そのソフトウェアを構成するプログラムが、専用のハードウェアに組み込まれているコンピュータ、又は、各種のプログラムをインストールすることで、各種の機能を実行することが可能な、例えば汎用のパーソナルコンピュータ等に、記録媒体からインストールされる。   The series of processes described above can be executed by hardware, or can be executed by software. When a series of processing is executed by software, a program constituting the software may execute various functions by installing a computer incorporated in dedicated hardware or various programs. For example, it is installed from a recording medium in a general-purpose personal computer or the like.

この記録媒体は、コンピュータとは別に、利用者にプログラムを提供するために配布される、プログラムが記録されている磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、若しくは半導体メモリ等により構成されるだけでなく、コンピュータに予め組み込まれた状態で利用者に提供される、プログラムが記録されているハードディスクドライブやROM(Read Only Memory)等で構成される。   This recording medium is not only composed of a computer, but also a magnetic disk, an optical disk, a magneto-optical disk, a semiconductor memory or the like on which the program is recorded, which is distributed to provide a program to users. It is configured by a hard disk drive or a ROM (Read Only Memory) in which a program is recorded, which is provided to the user in a state of being preinstalled in the computer.

また、上述した一連の処理を実行させるプログラムは、必要に応じてルータ、モデム等のインタフェースを介して、ローカルエリアネットワーク、インターネット、デジタル衛星放送といった、有線又は無線の通信媒体を介してコンピュータにインストールされるようにしてもよい。   In addition, a program for executing the above-described series of processing is installed in a computer via a wired or wireless communication medium such as a local area network, the Internet, or digital satellite broadcasting via an interface such as a router or a modem as necessary. You may be made to do.

なお、本明細書において、記録媒体に格納されるプログラムを記述するステップは、記載された順序に沿って時系列的に行われる処理はもちろん、必ずしも時系列的に処理されなくとも、並列的あるいは個別に実行される処理をも含むものである。   In the present specification, the step of describing the program stored in the recording medium is not limited to the processing performed in chronological order according to the described order, but is not necessarily performed in chronological order. It also includes processes that are executed individually.

また、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。   The embodiments of the present invention are not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

本発明を適用した光学系の概要を説明する図である。It is a figure explaining the outline | summary of the optical system to which this invention is applied. 光学系のさらに詳細な構成について説明する図である。It is a figure explaining the further detailed structure of an optical system. ある1つのMLから見た像が、同じ方向からの光線で構成された、方向別に見た像であることを示す図である。It is a figure which shows that the image seen from a certain ML is the image seen for every direction comprised with the light ray from the same direction. 対物レンズとMLAでの光線の追跡結果を示す図である。It is a figure which shows the tracking result of the light ray by an objective lens and MLA. MLAで結像された撮像素子面における画素配列を示す図である。It is a figure which shows the pixel arrangement | sequence in the image pick-up element surface imaged by MLA. MLAを対物レンズの結像面とした場合(Z=0)の構成の例を示す図である。It is a figure which shows the example of a structure when MLA is made into the image plane of an objective lens (Z = 0). MLAを対物レンズの結像面とした場合(Z=h1)の構成の例を示す図である。The MLA is a diagram illustrating an example of a configuration when the image plane of the objective lens (Z = h 1). 全焦点画像の例を示す図である。It is a figure which shows the example of an omnifocal image. 画像群のフーリエ変換法を用いた信号処理の流れを示す図である。It is a figure which shows the flow of the signal processing using the Fourier-transform method of an image group. サンプリング点のエッジの傾き成分をグラフ化した図である。It is the figure which graphed the inclination component of the edge of a sampling point. 本発明を適用した形状測定装置の一実施の形態の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of one Embodiment of the shape measuring apparatus to which this invention is applied. 3次元形状測定処理について説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining a three-dimensional shape measurement process. アクティブ方式の場合の光学系の構成の例の概略図である。It is the schematic of the example of a structure of the optical system in the case of an active system.

符号の説明Explanation of symbols

11 対物レンズ, 12 MLA, 13 撮像素子, 31 制御回路, 32 ユーザインターフェース, 33 駆動回路, 34 演算処理回路, 35 メモリ, 51 光源, 52 照明レンズ系, 53 ピンホールパターン, 54 ハーフミラー, ML マイクロレンズ, FL フィールドレンズ   11 objective lens, 12 MLA, 13 image sensor, 31 control circuit, 32 user interface, 33 drive circuit, 34 arithmetic processing circuit, 35 memory, 51 light source, 52 illumination lens system, 53 pinhole pattern, 54 half mirror, ML micro Lens, FL field lens

Claims (9)

対物レンズと、
前記対物レンズの背後に2次元に配列された複数のレンズを有する光学素子と、
前記光学素子の背後に配置された2次元の撮像素子と、
前記撮像素子の出力から焦点面の異なる複数の測定画像を生成する画像生成手段と、
前記複数のレンズの各々に対応する前記撮像素子の撮像領域を構成する画素のうち前記対物レンズと前記光学素子との光学配置に応じた所定画素から得られる、全ての画素が合焦した基準画像、前記複数の測定画像との相関から求められる被検物の前記対物レンズの光軸方向の位置を用いて、前記被検物の3次元の形状を測定する3次元形状測定手段と
を備えることを特徴とする形状測定装置。
An objective lens;
An optical element having a plurality of lenses arranged two-dimensionally behind the objective lens;
A two-dimensional image sensor disposed behind the optical element;
Image generating means for generating a plurality of measurement images having different focal planes from the output of the image sensor;
A reference image in which all the pixels are focused, obtained from predetermined pixels corresponding to the optical arrangement of the objective lens and the optical element among the pixels constituting the imaging region of the imaging element corresponding to each of the plurality of lenses. comprising the, using the position of the optical axis of the objective lens of the object obtained from the correlation between the plurality of measurement images, and a three-dimensional shape measurement means for measuring the three-dimensional shape of the test object A shape measuring apparatus characterized by that.
前記光学素子は、前記対物レンズの射出瞳と共役であり、
前記3次元形状測定手段は、前記複数のレンズのうちの前記対物レンズの光軸の位置にあるレンズにより前記撮像素子の撮像面上に形成された像から得られる画像を、前記基準画像とする
ことを特徴とする請求項1に記載の形状測定装置。
The optical element is conjugate with an exit pupil of the objective lens;
The three-dimensional shape measuring means uses, as the reference image, an image obtained from an image formed on the imaging surface of the imaging element by a lens located at the optical axis of the objective lens among the plurality of lenses. The shape measuring apparatus according to claim 1.
前記撮像素子の撮像面は、前記対物レンズの射出瞳と共役であり、
前記3次元形状測定手段は、前記対物レンズの主光線が交わる前記撮像素子の撮像領域を構成する画素から前記基準画像を形成する
ことを特徴とする請求項1に記載の形状測定装置。
The imaging surface of the imaging element is conjugate with the exit pupil of the objective lens,
The shape measurement apparatus according to claim 1, wherein the three-dimensional shape measurement unit forms the reference image from pixels that form an imaging region of the imaging element where chief rays of the objective lens intersect.
前記3次元形状測定手段は、前記複数の測定画像の中から、着目しているエッジ位置とその近傍の画素信号が、前記基準画像より得られるエッジ位置とその近傍の画素のコントラスト信号と最も相関の高い画像を求め、さらに、その画像の仮想的な焦点位置から各エッジ位置でのベストフォーカス位置を求めることで得られる前記被検物の前記光軸方向の位置を用いて、前記被検物の3次元の形状を測定する
ことを特徴とする請求項1から3の何れか一項に記載の形状測定装置。
The three-dimensional shape measuring means has the most significant correlation between the edge position of interest and the pixel signal in the vicinity thereof among the plurality of measurement images and the contrast signal of the edge position obtained from the reference image and the pixels in the vicinity thereof. The test object using the position in the optical axis direction of the test object obtained by obtaining the best focus position at each edge position from the virtual focal position of the image. The shape measuring device according to any one of claims 1 to 3, wherein the three-dimensional shape is measured.
前記3次元形状測定手段は、前記基準画像を用いて、前記複数の測定画像の中のエッジ位置を検出し、そのエッジ位置における所定のフィルタ処理で得られたデフォーカス量の変化に基づいて、各エッジ位置でのベストフォーカス位置を求めることで得られる前記被検物の前記光軸方向の位置を用いて、前記被検物の3次元の形状を測定する
ことを特徴とする請求項1から3の何れか一項に記載の形状測定装置。
The three-dimensional shape measurement means detects an edge position in the plurality of measurement images using the reference image, and based on a change in defocus amount obtained by a predetermined filter process at the edge position, The three-dimensional shape of the test object is measured using the position of the test object in the optical axis direction obtained by obtaining the best focus position at each edge position. The shape measuring apparatus according to any one of 3.
前記被検物に所定のパターンを投影する投影手段をさらに備え、
前記撮像素子は、前記被検物に投影された前記パターンの反射光であって、前記対物レンズによる被検物像を撮像し、
前記3次元形状測定手段は、前記撮像素子から出力される前記パターンの反射光から得られる画像信号に基づいて、前記被検物の3次元の形状を測定する
ことを特徴とする請求項1からの何れか一項に記載の形状測定装置。
A projection unit for projecting a predetermined pattern onto the test object;
The imaging element is reflected light of the pattern projected onto the test object, and captures a test object image by the objective lens,
The three-dimensional shape measuring means measures a three-dimensional shape of the test object based on an image signal obtained from the reflected light of the pattern output from the imaging device. shape measuring device according to any one of the 5.
前記対物レンズの瞳面又は瞳面と共役な位置に配置されるレンズ絞りと、
測定感度を上げたい場合には前記レンズ絞りを大きくしてF値を小さくし、測定範囲を広げたい場合には前記レンズ絞りを絞り込んでF値を大きくするように、前記レンズ絞りを制御するレンズ絞り制御手段と
をさらに備えることを特徴とする請求項1からの何れか一項に記載の形状測定装置。
A lens diaphragm arranged at a position conjugate with the pupil plane of the objective lens or the pupil plane;
A lens that controls the lens aperture so that the lens aperture is increased to decrease the F value when it is desired to increase measurement sensitivity, and the lens aperture is decreased to increase the F value when the measurement range is to be expanded. shape measuring apparatus according to any one of claims 1, characterized by further comprising a diaphragm controller 6.
対物レンズと、
前記対物レンズの背後に2次元に配列された複数のレンズを有する光学素子と、
前記光学素子の背後に配置された2次元の撮像素子と
を備える形状測定装置の形状測定方法において、
前記撮像素子の出力から焦点面の異なる複数の測定画像を生成し、
前記複数のレンズの各々に対応する前記撮像素子の撮像領域を構成する画素のうち前記対物レンズと前記光学素子との光学配置に応じた所定画素から得られる、全ての画素が合焦した基準画像、前記複数の測定画像との相関から求められる被検物の前記対物レンズの光軸方向の位置を用いて、前記被検物の3次元の形状を測定する
ステップを含むことを特徴とする形状測定方法。
An objective lens;
An optical element having a plurality of lenses arranged two-dimensionally behind the objective lens;
In a shape measuring method of a shape measuring apparatus comprising: a two-dimensional image sensor disposed behind the optical element;
Generating a plurality of measurement images having different focal planes from the output of the image sensor;
A reference image in which all the pixels are focused, obtained from predetermined pixels corresponding to the optical arrangement of the objective lens and the optical element among the pixels constituting the imaging region of the imaging element corresponding to each of the plurality of lenses. When using the position of the optical axis of the objective lens of the object obtained from the correlation between the plurality of measurement images, characterized in that it comprises the step of measuring the three-dimensional shape of the test object Shape measurement method.
対物レンズと、
前記対物レンズの背後に2次元に配列された複数のレンズを有する光学素子と、
前記光学素子の背後に配置された2次元の撮像素子と
を備える機器を制御するコンピュータに実行させるプログラムであって、
前記撮像素子の出力から焦点面の異なる複数の測定画像を生成し、
前記複数のレンズの各々に対応する前記撮像素子の撮像領域を構成する画素のうち前記対物レンズと前記光学素子との光学配置に応じた所定画素から得られる、全ての画素が合焦した基準画像、前記複数の測定画像との相関から求められる被検物の前記対物レンズの光軸方向の位置を用いて、前記被検物の3次元の形状を測定する
ステップを含むことを特徴とするプログラム。
An objective lens;
An optical element having a plurality of lenses arranged two-dimensionally behind the objective lens;
A program for causing a computer to control a device including a two-dimensional image sensor disposed behind the optical element,
Generating a plurality of measurement images having different focal planes from the output of the image sensor;
A reference image in which all the pixels are focused, obtained from predetermined pixels corresponding to the optical arrangement of the objective lens and the optical element among the pixels constituting the imaging region of the imaging element corresponding to each of the plurality of lenses. When using the position of the optical axis of the objective lens of the object obtained from the correlation between the plurality of measurement images, characterized in that it comprises the step of measuring the three-dimensional shape of the test object program.
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