JP5397704B2

JP5397704B2 - 形状測定装置

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Description

本発明は、形状測定装置に関し、特に、測定精度を向上させることができるようにした形状測定装置に関する。

従来より、工業製品等の３次元形状を測定する方法として、合焦点法が広く採用されている。

合焦点法による測定に関する技術としては、例えば、特許文献１が知られている。特許文献１に開示されている装置においては、合焦点法による測定を行う際に、被検物にパタン光を投光し、このパタンを撮像系により撮像し観察して合焦位置を計測することで、かかる被検物の形状を測定している。
特許２９２８５４８号

ところで、特許文献１を含む従来の合焦点法による測定を行う装置では、合焦位置の検出に際し、コントラスト値を使用するのが一般的である。このコントラストを用いた合焦位置を検出する手法では、１つの画素に着目し、その周辺の画素とのコントラストを計算し、さらに、焦点方向の位置の間で比較してコントラストが最大となる位置を、その画素のＺ座標としている。

しかしながら、その画素上の一点に集まる光束は、ある開き角を持って集光するため、その開き角がどの形状のものでも常に一定でないと、正確さにバラつきが生じてしまい、測定精度が十分でない場合があった。

さらに、従来の手法においては、投影パタンの輝度の振幅は被検物の面の凹凸により変調を受けるため、焦点の合っていない部位では振幅が小さく、焦点の合っている部位では振幅が大きく現れ、その影響により不要な周波成分のノイズが発生するという問題もあった。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、測定精度の向上を図るものである。

本発明の第１の形状測定装置は、被検面に投影パタンを投影する投影手段と、前記被検面に投影された前記投影パタンの像を形成する結像光学系と、前記投影パタンの像を撮像する撮像手段と、前記撮像手段によって取得された画像の各々の位置における合焦状態を検出する合焦検出手段を有し、前記被検面の形状を測定する形状測定装置において、前記撮像手段の撮像面と共役な位置を前記被検面に対して前記結像光学系の光軸方向に沿って変更する共役位置変更手段と、前記被検面に対して前記共役な位置を変えたときに前記撮像手段によって取得された複数の画像に基づいて、前記投影パタンの位置の変化を検出する演算手段と、前記演算手段によって検出された投影パタンの位置の変化に基づいて、前記合焦検出手段で検出された合焦状態の検出誤差を評価する評価手段とを備える。

前記投影パタンは、周期性を有するパタンである。

前記投影手段は、前記投影パタンとして、同一投影位置での明るさが異なる３つ以上の正弦波状のパタンを投影する。

前記演算手段は、前記共役な面を前記光軸方向に沿って変化したときの前記投影パタンの像の位置の変化から、前記被検面の法線を推定する。

前記演算手段は、前記被検面の法線方向が予め定められた所定の範囲内となるか否かを判定し、法線方向が所定の範囲外となると判定された場合、前記結像光学系と前記被検面との方向を変えた状態での再測定を使用者に促す。

前記結像光学系は、その瞳位置、または前記瞳位置と共役な位置に前記結像光学系の光路の半分を遮蔽する開口領域の異なる絞りを備え、前記撮像手段は、前記撮像面と共役な位置が同じ位置で、前記絞りによる遮蔽される領域が異なる状態で、２つの画像を取得し、前記合焦検出手段は、前記２つの画像から得られる投影パタンの位置変化の有無に基づいて、前記被検面と前記撮像手段の撮像面との合焦状態を検出する。

撮像した画像を構成する空間周波数成分ごとに展開し、展開された空間周波数に対し、予め設定された前記被検面の表面状態に応じた空間周波数を前記投影パタンの空間周波数成分に対し加減算して得られる空間周波数の間以外の周波数成分をカットし、前記周波数成分をカットすることで得られた周波数応答を空間座標に再展開する空間周波数選択手段をさらに備える。

本発明の第２の形状測定装置は、投影した投影パタンによる被検面からの反射光の結像した像を撮像して得られる画像を基に合焦位置を求めることで、被検物の形状を測定する形状測定装置において、前記画像を構成する空間周波数成分ごとに展開する展開手段と、展開された空間周波数に対し、予め設定された前記被検面の表面状態に応じた空間周波数を前記投影パタンの空間周波数成分に対し加減算して得られる空間周波数の間以外の周波数成分をカットするフィルタと、前記周波数成分をカットすることで得られた周波数応答を空間座標に再展開する再展開手段とを備える。

本発明によれば、測定精度を向上させることができる。

形状測定装置の全体の構成を示す概略図である。本発明を適用した形状測定装置の一実施の形態の構成例を示す図である。瞳形状の例を示す図である。画像処理部とコントローラの構成例を示す図である。パタン光の欠落について説明する図である。形状測定処理について説明するフローチャートである。測定処理について説明するフローチャートである。法線のずれを説明する図である。

符号の説明

１形状測定装置，１１架台，１２ステージ，１３支持カラム，１４支持カラム，１５Ｘ軸ガイド，１６スライダ，１７Ｚ軸ガイド，２１測定部，２２画像処理部，２３コントローラ，３１光源，３２コンデンサレンズ，３３瞳絞り，３４リレーレンズ，３５液晶素子，３６リレーレンズ，３７ハーフプリズム，３８対物レンズ，３９ハーフプリズム，４０リレーレンズ，４１リレーレンズ，４２瞳絞り，４３結像レンズ，４４ CCDセンサ，４５ミラー，４６リレーレンズ，４７リレーレンズ，４８瞳絞り，４９結像レンズ，５０ CCDセンサ，７１ FFT部，７２フィルタ，７３逆FFT部，８１合焦位置算出部，８２法線計算部，８３法線適正判定部

以下、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。

図１は、形状測定装置の全体の構成を示す概略図である。

図１に示すように、形状測定装置１においては、架台１１には、被測定対象である被検物２を載置するためのステージ１２が装着されており、このステージ１２は、図示しないＹ軸駆動機構によりＹ軸方向に駆動される。また、架台１１の両側縁中央部には、図中上方に延びる支持カラム１３，１４が固定されており、この支持カラム１３，１４の両上端部を連結するようにＸ軸ガイド１５が固定されている。

Ｘ軸ガイド１５には、Ｘ軸ガイド１５に沿って移動可能なスライダ１６が取り付けられ、図示しないＸ軸駆動機構によりＸ軸方向に駆動される。また、スライダ１６には、Ｚ軸ガイド１７が取り付けられており、図示しないＺ軸駆動機構によりＺ軸方向に駆動される。Ｚ軸ガイド１７の下端部は球状体になっており、半球面上凹部が形成されている測定部２１内に嵌入される。これにより、測定部２１は、図示しない回転駆動機構により任意の方向に向けることができる。

以上のような構成を有することで、形状測定装置１は、被検物２の各表面上の任意位置における位置座標を測定し、被検物２の形状を測定することが可能となる。

次に、測定部２１の概略構成図である図２を参照して、被検物２の形状を測定する測定部２１の構成を説明する。かかる形状測定装置１は、測定部２１に有する結像光学系の合焦面と被検物２の相対位置を変化させた複数の画像を取得する光投影式の３次元形状測定方法を用いる。

測定部２１には、光源３１、コンデンサレンズ３２、瞳絞り３３、リレーレンズ３４、３６、対物レンズ３８及び液晶素子３５からなる投影光学系と、対物レンズ３８、リレーレンズ４０、４１、瞳絞り４２、結像レンズ４３からなる第１の結像光学系と、対物レンズ３８、リレーレンズ４６、４７、瞳絞り４８、結像レンズ４９からなる第２の結像光学系が備えられている。そして、それぞれの結像光学系には、CCD４４、CCD５０が別個に設けられている。

対物レンズ３８は、投影光学系及び第１、第２の結像光学系で兼用されている。被検物２に対して同一光軸で持って、投影パタンを投影し、かつ被検物２の像を撮影するために、対物レンズ３８を兼用しており、そのためにハーフプリズム３７が設けられている。また、第１の結像光学系と第２の結像光学系の両方で被検物２の同一領域の像を得るために、ハーフプリズム３９が設けられている。

投影光学系には、光源３１が設けられており、光源３１から出射された光は、コンデンサレンズ３２を介して、適切な焦点深度を与える瞳絞り３３に入射する。なお、この光源３１は所定の面内で均一な光量分布を持つ光源を使用している。瞳絞り３３を通過したコンデンサレンズ３２からの光は、リレーレンズ３４により、被検物２に投光（照射）される光の焦点面Ｓと像面共役な面に集光され、液晶素子３５に入射する。

液晶素子３５は、被検物２上に正弦波状に明るさが断続的に変化している明部と暗部が形成された正弦波状に位置に応じて強度が変わる投影パタンを形成する。例えば、液晶素子３５は、明部の極大値又は暗部の極大値の位置が、明暗の１周期分のピッチに満たない程度にずれた３つの投影パタンを形成する。１周期を360degとしたときに、0，120，240degの初期位相を持った３パタンを投影する。なお、この３パタンの明暗の周期のピッチは同じである。

この投影パタンの周期は、より細かい周期となることが理想であるが、撮像側の画素または光学系で分解されなければならないため、光学系の解像度や画素サイズ等を勘案して、適切な周期が決定される。本実施の形態においては、かかる周期のピッチを10画素程度に設定している。

液晶素子３５を通過して、パタン光となった光は、リレーレンズ３６を介してハーフプリズム３７に入射する。ハーフプリズム３７は、リレーレンズ３６からのパタン光を反射して対物レンズ３８に入射させる。対物レンズ３８は、ハーフプリズム３７からのパタン光を所定の焦点面Ｓに集光して、投影パタンの像を被検物２に投影する。すなわち、液晶素子３５で生成されたパタンは、リレーレンズ３６、ハーフプリズム３７、および対物レンズ３８によって、被検物２の表面に投影される。また、この被検物２の表面が焦点面Ｓと一緒になったときに投影パタンの像を被検物２の表面に結ぶことになる。

被検物２に投影された投影パタンの像は、第１および第２の結像光学系で像が形成される。第１および第２の結像光学系では、対物レンズ３８で被検物２の表面から各位置からの光束を集光してハーフプリズム３７に入射させる。

ハーフプリズム３７は、被検物２の表面から、対物レンズ３８に入射した光束の一部を透過させる。透過した光束は、ハーフプリズム３９に入射する。ハーフプリズム３９に入射した光は、その光束の一部がハーフプリズム３９の反射面を通過し、光束の残りの部分はハーフプリズム３９の反射面において反射する。

ハーフプリズム３９を通過した光束は、リレーレンズ４０で一旦集光される。そして、リレーレンズ４１で各光束が再び平行光束となり瞳絞り４２に入射する。瞳絞り４２は、対物レンズ３８から後述する結像レンズ４３までの光学系の瞳の位置にある。瞳絞り４２の開口の形状は、例えば、図３の上側に示すような形状を有しており、リレーレンズ４１からの光束のうち、図中の白抜きの半円以外に到達する光を遮光する。そして、半円部分を通過した光束は、結像レンズ４３に入射する。なお、この半円は瞳絞り４２に到達する光束径とほぼ同じ直径を有し、その光束の丁度半分の領域を遮光している。そして、結像レンズ４３は、到達した各光束を集光させ、被検物２の像を結ぶ。CCD（Charge Coupled Device）センサ４４は、結像レンズ４３で集光した光をCCDセンサ４４の受光面で受光し、第１の結像光学系で得られた像を撮像する。

一方、ハーフプリズム３９を反射した光束の一部は、ミラー４５、リレーレンズ４６を介して一旦集光される。そして、リレーレンズ４７により各光束が再び平行光束となり瞳絞り４８に入射する。瞳絞り４８は、対物レンズ３８から後述する結像レンズ４９までの光学系の瞳の位置にある。瞳絞り４８の開口の形状は、例えば、図３の下側に示すような形状を有しており、リレーレンズ４７からの光束のうち、図中の白抜きの半円以外に到達した光を遮光する。そして、半円部分を通過した光束は結像レンズ４９に入射する。なお、この半円も瞳絞り４２と同様である。そして、結像レンズ４９に入射した光は、CCDセンサ５０の受光面で結像する。

すなわち、図３の右上側の瞳形状の開口を持った瞳絞り４８により光学系の瞳の位置で回転対称性を持たないように遮光された光束を結像レンズ４９で集光して、被検物２の表面とCCDセンサ５０の受光面が共役な位置の場合、CCDセンサ５０の受光面で結像され、図３の下左側の瞳形状の開口を持った瞳絞り４２により光学系の瞳の位置で回転対称性を持たないように遮光された光束を結像レンズ４３で集光して、被検物２の表面とCCDセンサ４４の受光面が共役な位置の場合、CCDセンサ５０の受光面で結像される。

なお、本実施の形態においては、第１の結像光学系と第２の結像光学系を持ち、それぞれの光学系に設けられたCCDセンサ４４およびCCDセンサ５０の２つのCCDセンサを用いる例について説明するが、１つの結像光学系だけを持ち、その光学系の瞳位置及びその共役位置又はCCDの一点に集光する光束が平行光束になっている光路に図３で示した２つの瞳絞りを交換しながら、それぞれの像を取得することで、１つのCCDセンサによって、２つの瞳に対する像を取得してもよい。また、瞳絞りの形状は、図３に示した半円に限定されるものではなく、光軸中心から回転非対称性を持たないように遮光される形状であればよい。

図２に戻り、画像処理部２２には、CCDセンサ４４およびCCDセンサ５０のそれぞれから、順次、0，120，240 degの３つの正弦波状に位置に応じて強度が変わる投影パタンを投影して、撮像された被検物２の画像データが入力される。画像処理部２２は、CCDセンサ４４およびCCDセンサ５０から供給される画像データの各々に対し、例えばノイズ成分を除去する処理等の所定の画像処理を施す。このため、図４に示すように、画像処理部２２には、FFT部７１、フィルタ７２、および逆FFT部７３が設けられている。但し、FFT部７１乃至逆FFT部７３の説明については、ここでは省略し、後述する形状測定装置１の動作の説明の際に併せて説明することにする。

その後、画像処理部２２によって所定の画像処理が施された画像データは、形状測定装置１の各部の動作を制御するコントローラ２３に入力される。コントローラ２３は、画像処理部２２からの画像データに基づいて、被検物２の形状を測定するための所定の測定処理を行い、その測定結果を出力する。このため、図４に示すように、コントローラ２３には、合焦位置算出部８１、法線計算部８２、および法線適正判定部８３が設けられている。但し、合焦位置算出部８１乃至法線適正判定部８３の説明については、ここでは省略し、後述する形状測定装置１の動作の説明の際に併せて説明することにする。

ところで、被検物２の表面性状により、合焦位置の誤差範囲が変わる場合がある。また、このような場合、合焦状態と非合焦状態とで被検物２に投影されたパタンのCCDセンサ４４およびCCDセンサ５０上での結像位置が変わる現象を引き起こす。そして、被検物２に投影されたパタンの動き量は、結像光学系の設計により決まる。結像光学系がテレセントリック光学系で被検物２の表面が拡散面あれば、被検物２の表面に対して撮像素子の撮像面の位置が共役な関係にない場合でも、撮像した画像上のパタンの位置は変化しない。また、合焦位置の誤差範囲も変わらない。

ところが、例えば、図５に示すように、被検物２の表面が鏡面であり、その表面の法線が対物レンズ３８の光軸に対して傾いている場合には、合焦位置の誤差範囲が変わってしまう。また、それと同時に合焦状態と非合焦状態とで被検物２に投影されたパタンの結像位置が光軸に対して垂直方向に変わる。

その説明を、図５を用いて説明する。図５では、液晶素子３５のある一点から発散した光束がリレーレンズ３６に平行光束となり、ハーフプリズム３７に入射している光束について図示したものである。なお、ハーフプリズム３７に入射した光束の径は対物レンズ３８の有効径と同じである。また、CCDセンサ４４と被検物２との関係は、図２の測定部２１と同じ関係であるが、本現象の説明に特に必要のない部材は省略している。

液晶素子３５のある一点からの光束は対物レンズ３８により平行光束はある角度をもって被検物２の表面の一点に収斂する。もし、被検物２の表面が対物レンズ３８の光軸に対して傾いていると、被検物２の反射作用により、傾斜した角度に応じて、光束の各光線は集光したときの方向とは違う方向に反射される。また、被検物２の表面を反射した光束の広がる角度は対物レンズ３８により収斂する角度と一緒なので、対物レンズ３８で被検物２に投影されたパタンのある一点の光束は、一部を欠落し、光束が偏在して対物レンズ３８により集光される。例えば、図中の上側半分の光束Ｌａおよび図中の下側半分の光束Ｌｂのうち、光束Ｌｂは対物レンズ３８においてけられてしまい、CCDセンサ４４には入射しない。

つまり、光束Ｌａは、対物レンズ３８から被検物２の表面に入射し、その表面において反射すると、対物レンズ３８乃至結像レンズ４３を介してCCDセンサ４４に入射する。一方、光束Ｌｂは、対物レンズ３８から被検物２の表面に入射し、その表面において反射すると、対物レンズの入射瞳には入射しないので、光束Ｌｂはハーフプリズム３７には入射しない。したがって、被検物２に投影されるパタン光のうち、光束Ｌｂの部分が欠落することになる。

ここで、図５に示す像面ＳＰ２は、被検物２の表面と共役な位置にある面である。合焦状態の場合には、CCDセンサ４４の受光面が配置されている面である。一方、像面ＳＰ１は、像面ＳＰ２よりも、被検物２からより近い位置にある面であり、被検物２とは厳密には共役な位置にない面である。また、像面ＳＰ３は、像面ＳＰ２よりも、被検物２からより遠い位置にある面であり、被検物２とは厳密には共役な位置にない面である。

ところで、上述のように被検物２の表面が鏡面で被検物２の表面が対物レンズ３８の光軸に対して傾斜しているために、光束の一部が欠落して偏在している場合には、一点の像の大きさは、被検物２の一点からの光束が対物レンズ３８の有効径と同じ径を持っている場合と比べ、殆ど変わらなくなる。したがって、傾斜していない状態に比べて、鏡面の被検物２の表面に傾斜している部分があると、その位置のＺ方向の位置の測定が不正確となる。

一方で、その位置は、像面ＳＰ１乃至像面ＳＰ３のそれぞれによって異なる。例えば、被検物２が傾斜している場合には、光束Ｌｂが欠落するため、CCDセンサ４４に入射するパタン光の主光線の方向は、像面ＳＰ１乃至像面ＳＰ３に対して垂直とはならずに、像面ＳＰ１乃至像面ＳＰ３のそれぞれにおいて、パタン像の位置が異なる。具体的には、像面ＳＰ２ではパタン像の位置は、被検物２が傾斜していない場合と同じであるが、像面ＳＰ１上では、パタンは像面ＳＰ２上の位置よりも図中、左側に位置し、像面ＳＰ３では、パタンは像面ＳＰ２上の位置よりも右側に位置することになる。

すなわち、被検物２が傾斜していると、傾斜した被検物２の面に対して焦点深度が深くなるばかりか、焦点の前後での像の位置が移動することになる。そこで、本実施の形態においては、３パタンの投影パタンを被検物２に投影して、被検物２のある位置の像が、像面ＳＰ１，像面ＳＰ２，像面ＳＰ３においてどのように移動しているかを検出し、合焦精度が十分維持しているかどうかを知るようにしている。なお、本実施の形態では、第１の結像光学系および第２の結像光学系は、前述の通り、各光学系の瞳位置で光束を半分遮る瞳絞りを備えている。そのため、被検物２の傾斜方向によっては、一方の光学系だけでは、このような現象が起きない場合がある。そのため、本実施の形態では、２つの結像光学系をそなえ、遮蔽領域が異なる瞳絞りをそれぞれ備えることで、このような問題を解決している。

なお、図５では、説明を簡略にするために、対応している図２に示した、ハーフプリズム３９、リレーレンズ４０、リレーレンズ４１、瞳絞り４２、および結像レンズ４３の記載は省略している。

次に、形状測定装置１の動作について説明する。

図６は、形状測定装置１により被検物２の形状を測定する処理（以下、形状測定処理と称する）を説明するためのフローチャートである。なお、以下の説明では、説明を簡略にするために、被検物側と、CCDセンサ側とがともにテレセントリック光学系となっているものとする。

ステップＳ１において、形状測定装置１は、被検物２に対して測定処理を行う。ここで、垂直とは、測定系である測定部２１の被検物２、より詳細には被検物２が載置されているステージ１２の面に対する仰角および回転角を0度とすることをいう。

なお、測定系のステージ１２に対する仰角とは、測定系がステージ１２に対してどの程度傾いているかを示す角度であり、ステージ１２（の表面）の法線と垂直な直線を軸とした測定系の回転方向の角度を示している。つまり、仰角は、ステージ１２の法線と、対物レンズ３８の光軸とが平行となるために、法線に垂直な直線を軸として測定系を回転させるべき角度を示している。

また、測定系のステージ１２に対する回転角とは、測定系がステージ１２に対しどの程度傾いているかを示す角度であり、ステージ１２の法線と仰角における軸との両方に直交した軸とした測定系の回転方向の角度で示している。したがって、適切な仰角および回転角となるように測定系を傾けることで、測定系の光軸、つまり、対物レンズ３８の光軸と、被検物２の表面の法線とを平行となるようにすることができる。

具体的には、コントローラ２３が、図示しない各軸駆動制御部に、測定系の仰角および回転角がそれぞれ0度となるように必要に応じて測定部２１を駆動させ、測定系を傾斜させる。その後、被検物２に対して所定の角度での測定処理が開始されるが、ここでは、その処理の詳細について、図７のフローチャートを参照して説明する。すなわち、図７のフローチャートに示す測定処理は、図６のステップＳ１の処理に対応する処理である。

ステップＳ１１において、測定部２１は、0，120，240 degの３つの縞状の正弦波状に位置に応じて強度が変わる投影パタンのうち何れか一つを被検物２に投影する。

すなわち、コントローラ２３は、液晶素子３５を制御する液晶素子制御部（図示せず）に３つの投影パタンのうち、まだ投影していないパタンを生成するように制御信号を送信する。これを受け液晶素子制御部は、液晶素子３５に、0，120，240degの初期位相を持った３つの投影パタンのうちいずれか一つが生成される。そのパタンは上述の投影光学系を介して被検物２に投影される。

なお、本実施の形態では、投影パタンとして、正弦波パタンを投影する例について説明するが、例えば三角波等の正弦波以外のパタンを投影してもよい。また、かかる正弦波以外のパタンについては、例えば、下記の文献（１）においても報告されている。（１）P. Jia, J. Kofman, and C. English, "Multiple-step triangular-pattern phase shifting and the influence of number of steps and pitch on measurement accuracy,"

また、投影パタンとして、本実施の形態では、0，120，240degの初期位相を持った３つの正弦波状に強度が位置に応じて変化するパタンを投影するとして説明するが、投影パタンの数は３種に限らず、２種以上の初期位相をずらしたパタンを投影できればよい。例えば、正弦波状に強度が位置に応じて変化する投影パタンを用いたときには、位相が90度ずれた２つのパタンを投影できればよい。但し、像面上の位置は、２種のパタンでも特定することが可能であるが、より正確な位置を特定するためには、３種の初期位相の異なる周期性のパタンを投影するのが理想的である。

ステップＳ１２において、コントローラ２３は、投影パタンを投影して得られる被検物２の画像データを取得する。

すなわち、CCDセンサ４４およびCCDセンサ５０は、それぞれ、受光面で結像した光を電気信号に変換して得られる画像データを取得し、画像処理部２２に供給する。

そして、ステップＳ１２ａにおいて、３種の初期位相が異なる周期性のパタンを投影して、それぞれの被検物２の画像データを取得したか否かを判定する。また、このとき、一方向の縞状パタンについてだけ３種類投影するだけではなく、その一方向とは直交した方向の縞状パタンについてもそれぞれ画像データを取得する必要があるので、CCDセンサ４４で取得される画像データは合計６枚となり、その画像データを取得したかどうかを判定する。なお、同様にCCDセンサ５０も合計６枚の画像データを取得する。

まだ、ステップＳ１２ｂに行き、未取得の画像データがある場合には、投影パタンを変更して、再びステップ１１に戻る。なお、ここで合計６枚の画像データが取得されたときには、ステップＳ１３に行く。

ステップＳ１３において、画像処理部２２は、CCDセンサ４４およびCCDセンサ５０のそれぞれから供給される画像データの各々に対し、所定の画像処理を施し、コントローラ２３に供給する。

なお、画像処理部２２には、Ｘ方向に延びた３つの縞状の正弦波様投影パタンと、Ｙ方向に延びた３つの縞状の正弦波様投影パタンを投影した被検物２の画像データが入力されるが、ここでは、Ｙ方向の縞投影により得られた画像データに対して実行される画像処理について説明する。なお、Ｘ方向については、その処理は全く同じなので説明を省略する。

すなわち、上述したように、画像処理部２２は、図４に示した構成を有しており、FFT部７１は、Ｙ方向の縞投影により得られた画像データに基づいて、Ｘ方向に並び、Ｙ方向に延びた各ラインに対してFFT（Fast Fourier Transform）を施して周波数空間に展開し、フィルタ７２に出力する。

ここで、CCDセンサ４４およびCCDセンサ５０によって撮像される縞は、被検物２の面の凹凸により変調を受けている。つまり、焦点の合っていない部位では、振幅が小さく現れ、一方、焦点の合っている部位では、振幅が大きく現れる。このように、振幅が変調された正弦波を周波数に展開すると、投影縞の周波数fcの他に、投影縞の周波数に対し振幅変化の周波数成分fmを加減算した成分が現れる（この現象は電波通信の分野で振幅変調として広く知られている）。

つまり、被検物２の表面の像の空間周波数は、CAD（Computer Aided Design）データ等により予め予測可能となる場合が多いので、fc-fmからfc+fmまでの間以外の周波数成分をカットすることによって、不要なノイズを制限することが可能となる。この被検物２の表面の像の空間周波数は、例えば、コントローラ２３によって、CADデータ等に基づいて適宜設定される。

画像処理部２２においては、フィルタ７２によって、FFT７１で展開された空間周波数のうち、fc-fmからfc+fmまでの範囲以外の周波数成分がカットされ、残りの周波数成分が逆FFT部７３に出力される。これにより、不慮のノイズを効率的に排除することが可能となる。

なお、実際には、被検物２の予想外の変位を測定したい場合も考えられ、その場合には、fmを、被検物２のCADデータから予測される値よりも若干広めに設定することも可能である。また、周波数空間において適当なウィンドウ関数によりフィルタをかけることも可能である。

このようにして、フィルタ７２によって周波数空間でノイズを除去された信号は、逆FFT部７３に入力される。逆FFT部７３は、ノイズの除去された信号に対して、逆FFTを施して実空間上の画像データに展開し、コントローラ２３に出力する。

このようにして得られる画像は、もともとが３つの投影パタンであるので、各点（ｘ，ｙ）の輝度Ｉは、各点の環境光をa，反射光をb，当該各点の画素に投影された部分が投影された正弦波の投影パタンのどの位置に当たるかを示す情報である位相をφとすると、下記の式（１）で表される。

なお、式（１）において、Ｉ１_ｘ，Ｉ２_ｘ，Ｉ３_ｘは、Ｙ方向に縞が延びる縞状の投影パタンを表し、Ｉ１_ｙ，Ｉ２_ｙ，Ｉ３_ｙは、Ｘ方向に縞が延びる縞状の投影パタンを表す。

また、各画素に写っている投影パタンの位置を示す位相φは、Ｙ方向に縞が延びる縞状の投影パタンの３つ式でΦ（ｘ）を、またＸ方向に縞が延びる縞状の投影パタンの３つの式でΦ（ｙ）を、下記の式（２）で求めることができる。

以上、Ｙ方向の縞投影により得られた画像データに対する処理について説明したが、Ｘ方向の縞投影により得られる画像データに対しても同様の処理が行われる。

この様に、複数の初期位相の異なる正弦波様に強度が変化する投影パタンを用いて、各画素で撮像されたパタンが投影されたパタンのどの位置に該当するかがわかる。

続いて、コントローラ２３は、ステップＳ１４において、対物レンズ３８の光軸方向であるＺ方向の走査が終了したか否かを判定し、Ｚ方向の移動が終了していない場合には、ステップＳ１５において、走査している位置をＺ方向にδｚだけ移動させる。そして、ステップＳ１４において、Ｚ方向の走査が終了したと判定されるまで、上述した、ステップＳ１１乃至ステップＳ１５の処理が繰り返される。

具体的には、形状測定装置１において、例えばＺ軸ガイド１７をＺ方向にδｚずつ順次駆動させることで、測定部２１は、Ｚ方向にδｚずつ変更して、CCDセンサ４４、CCDセンサ５０と共役な位置を対物レンズ３８の光軸方向に沿って移動させ、δｚごとに0，120，240 degの３つの正弦波状に位置に応じて強度が変わる縞状の投影パタンをＸ方向（横縞）とＹ方向（縦縞）で投影して得られる画像データを取得する。そして、これらの画像データは、画像処理部２２でノイズ成分を除去する処理を施された後、コントローラ２３に入力される。

Ｚ方向の変更が終わると、ステップＳ１６において、合焦位置算出部８１は、画像処理部２２からの画像データに基づいて、合焦位置を求める。

具体的には、まず、合焦位置算出部８１は、CCDセンサ４４とCCDセンサ５０により撮像された画像について、同じＺ位置同士の画像データを比較して、各々のＸＹ座標上でのＺ位置を算出する。その方法は、式（２）により、CCDセンサ４４で取得された画像データから、そのＺ位置のときの位相値φ1x（縞の伸びる方向がＸ方向の投影パタンを使用ときの画像を基に取得した値），φ1y（縞の伸びる方向がＹ方向の投影パタンを使用ときの画像を基に取得した値）が画素位置毎にそれぞれ求められる。同様にして、CCDセンサ５０についての位相値φ2x，φ2yが求められる。

また、瞳左右の和は、下記の式（３）で表される。

但し、式（３）において、nは合焦面近傍の画像番号である。

ここで、合焦点面においては瞳左右の結像位置は一致するので、合焦位置を決めるには、CCD４４とCCD５０の同一位置を撮像する画素同士で、下記の式（４）の２つの関係が成り立つＺ位置を求めればよいことになる。

なお、実際には、CCDセンサの受光感度特性等の装置係数を考慮して、式（４）の関係を満たす位置が求められる。

以上のようにして、合焦検出が行われ、その合焦位置に基づいた測定データが得られる。

次に、被検物２の法線が測定の許容範囲内にあるか否かをチェックする。

ステップＳ１７において、法線計算部８２は、合焦位置算出部８１による計算結果に基づいて、Ｚ方向を走査したときの位相のずれより、面の法線のずれを求める。

例えば、図８に示すように、Ｚ方向の走査の際に、n-1回目に撮像された画像を、ＸＹ軸上の画像ＩＭ_n-1とし、Ｚ方向にδｚだけ移動した後、n回目に撮像された画像を、画像ＩＭ_nとすると、ある画素（図中の黒い四角）は、δｚの移動で、Ｘ方向にδｘ、Ｙ方向にδｙだけずれている。このときの位相のずれを、θx，θyとした場合、単位Ｚ（δｚ）あたりの位相のずれは、下記の式（５）により求めることができる。

但し、式（５）において、Ｐは投光縞の被検物面上のピッチである。

このように、単位Ｚあたりの位相のずれ（θx，θy）を求めることで、法線のずれを求めることが可能となる。

ステップＳ１８において、法線適正判定部８３は、法線計算部８２による計算結果に基づいて、各画素について、位相のずれ（θx，θy）が適正な範囲内にあるか否かを判定することにより、測定結果が信頼性の高いものであるか否かを判定する。

つまり、形状測定装置１においては、鏡面に対してθx，θyが適正な値にならないと焦点深度が深くなるために、正しい測定ができないことになるので、適正な範囲内となるかを判定しているのである。この適正値は、通常、光学系のNAから決めることが可能であり、例えば、測定精度が1/2となる角度を閾値にとれば、NA0.3に対して法線のずれは、8.5deg程度まで許容される。

このようにして、法線適正判定部８３によって、測定された各画素に対する法線方向がチェックされる。すなわち、本実施の形態においては、合焦検出の際に位相を求めているので、その位相に基づいて法線方向を算出して判定し、その結果を測定処理の全体のシーケンスに利用しているのである。これにより、測定値に信頼性のないデータを排除することが可能となる。

なお、法線適正判定部８３による判定処理の対象は、測定全点とすることもできるし、予め定めた領域内の測定点だけを判定処理の対象とすることも可能である。

以上のようにして、被検物２に対して所定の角度での測定処理が行われる。

その後、処理は、図６のステップＳ１の処理に戻り、ステップＳ２以降の処理が実行される。すなわち、ステップＳ２において、コントローラ２３は、法線適正判定部８３による判定結果に基づいて、許容範囲外の画素が存在するか否かを判定する。

ステップＳ２において、許容範囲外の画素が存在すると判定された場合、ステップＳ３において、形状測定装置１は、被検物２に対する角度を変更しての測定処理を行う。具体的には、コントローラ２３は、例えば、各画素に対する法線方向をチェックする処理（ステップＳ１８の処理）において、許容範囲外であると判定された画素が最も多く測定されるような仰角および回転角となるように、測定部２１を駆動し、測定系を傾斜させる。測定系が傾斜されると、上記のステップＳ１の処理と同様にして、Ｚ方向を走査しながらの測定処理が行われる。

なお、傾斜後の測定処理において、測定系を傾斜させる角度は、例えば、２以上の方向から全部の測定点がもれなく測定できる角度など、法線方向のチェックの際に許容範囲外となった画素を再測定可能となる適切な角度であればよい。また、測定系の代わりに、ステージ１２を傾けてもよい。

一方、ステップＳ２において、許容範囲外の画素が存在しないと判定された場合、許容範囲内の画素をそのまま用いればよいので、ステップＳ３の処理をスキップして、処理は、ステップＳ４に進む。

ステップＳ４において、コントローラ２３は、法線適正判定部８３による判定結果に基づいて、各画素ごとに点群データを選択する。すなわち、コントローラ２３は、画素ごとに、測定系の傾斜前における法線のずれと、傾斜後における法線のずれとを比較し、ずれ量の小さい方のＺ方向の走査により得られた測定データを選択する。なお、ステップＳ２において、すべて許容範囲内の画素であると判定された場合には、傾斜後の測定処理は行っていないので、傾斜前のステップＳ１の処理で得られた測定データがそのまま選択される。

このようにして選択された測定データは、被検物２の表面の法線の、測定時における対物レンズ３８の光軸に対する傾斜角度がより小さなものとなるので、２つの測定データのうち、より測定精度の高いものとなる。このようにして各画素ごとに選択された測定データを合成すると、画素ごとに選択された測定データからなる点群データが得られる。

ステップＳ５において、コントローラ２３は、得られた点群データを被検物２の３次元形状の測定結果として出力し、形状測定処理は終了する。

以上のように、複数の明るさの異なるパタンを投影し、各々のパタンの強度比や強度差を用いて形状の測定を行うことで、撮像素子が光軸方向に対して移動することにより、撮像されたパタンが動いてしまっても、評価対象となるパタンが特定できる。したがって、投影するパタンの周期より小さい分解能でパタンの位置が特定できるので、全ての領域に対し高い分解能での被検物の傾斜状態の評価が可能となる。さらに、従来制限されていた横方向の分解能を画素と同程度まで向上させることが可能となる。

また、合焦検出の際に求められた位相を用いて、各点の法線方向を算出して判定し、その結果を測定処理の全体のシーケンスに利用することで、測定精度の向上を図ることが可能となる。

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、または、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。

この記録媒体は、コンピュータとは別に、ユーザ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（フレキシブルディスクを含む）、光ディスク（CD-ROM(Compact Disc-Read Only Memory)，DVD（Digital Versatile Disc））を含む）、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ユーザに提供される、プログラムが記録されているROM（Read Only Memory）や記憶装置等で構成される。

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、モデム等のインターフェースを介して、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、有線また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。

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。

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。

Claims

被検面に投影パタンを投影する投影手段と、前記被検面に投影された前記投影パタンの像を形成する結像光学系と、前記投影パタンの像を撮像する撮像手段と、前記撮像手段によって取得された画像の各々の位置における合焦状態を検出する合焦検出手段を有し、前記被検面の形状を測定する形状測定装置において、
前記撮像手段の撮像面と共役な位置を前記被検面に対して前記結像光学系の光軸方向に沿って変更する共役位置変更手段と、
前記被検面に対して前記共役な位置を変えたときに前記撮像手段によって取得された複数の画像に基づいて、前記投影パタンの位置の変化を検出する演算手段と、
前記演算手段によって検出された投影パタンの位置の変化に基づいて、前記合焦検出手段で検出された合焦状態の検出誤差を評価する評価手段と
を備えることを特徴とする形状測定装置。
前記投影パタンは、周期性を有するパタンである
ことを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
前記投影手段は、前記投影パタンとして、同一投影位置で明るさが異なる３つ以上の正弦波状のパタンを投影する
ことを特徴とする請求項２の形状測定装置。
前記演算手段は、前記共役な面を前記光軸方向に沿って変化したときの前記投影パタンの像の位置の変化から、前記被検面の法線を推定する
ことを特徴とする請求項１から３のうちのいずれか１項に記載の形状測定装置。
前記演算手段は、前記被検面の法線方向が予め定められた所定の範囲内となるか否かを判定し、法線方向が所定の範囲外となると判定された場合、前記結像光学系と前記被検面との方向を変えた状態での再測定を使用者に促す
ことを特徴とする請求項４の形状測定装置。
前記結像光学系は、その瞳位置、または前記瞳位置と共役な位置に前記結像光学系の光路の半分を遮蔽する開口領域の異なる絞りを備え、
前記撮像手段は、前記撮像面と共役な位置が同じ位置で、前記絞りによる遮蔽される領域が異なる状態で、２つの画像を取得し、
前記合焦検出手段は、前記２つの画像から得られる投影パタンの位置変化の有無に基づいて、前記被検面と前記撮像手段の撮像面との合焦状態を検出する
ことを特徴とする請求項１から３のうちのいずれか１項に記載の形状測定装置。
撮像した画像を構成する空間周波数成分ごとに展開し、
展開された空間周波数に対し、予め設定された前記被検面の表面状態に応じた空間周波数を前記投影パタンの空間周波数成分に対し加減算して得られる空間周波数の間以外の周波数成分をカットし、
前記周波数成分をカットすることで得られた周波数応答を空間座標に再展開する
空間周波数選択手段をさらに備える
ことを特徴とする請求項２又は３の形状測定装置。
投影した投影パタンによる被検面からの反射光の結像した像を撮像して得られる画像を基に合焦位置を求めることで、被検物の形状を測定する形状測定装置において、
前記画像を構成する空間周波数成分ごとに展開する展開手段と、
展開された空間周波数に対し、予め設定された前記被検面の表面状態に応じた空間周波数を前記投影パタンの空間周波数成分に対し加減算して得られる空間周波数の間以外の周波数成分をカットするフィルタと、
前記周波数成分をカットすることで得られた周波数応答を空間座標に再展開する再展開手段と
を備えることを特徴とする形状測定装置。