JPH0339606A - 形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、物体表面の形状等を測定するための形状測定
装置における分解能の改善に間するものである。

〈従来の技術〉 第８図はフィゾー干渉計を用いた従来の形状測定装置を
示す構成原理図である。レーザ光源等からの平行光がハ
ーフミラ−１を透過して参照面を構成するガラス板２に
入射すると、一部の光が反射し他の光が透過する。ガラ
ス板２を透過した光は対象物体に照射されてその反射光
が再びガラス板２に戻りガラス板２からの前記反射光と
干渉する。干渉光はハーフミラ−１で反射され、ＣＯＤ
カメラ４に入射してその干渉パターンが測定される。第
９図は対象物体の表面の凹凸に対応してガラス板２の左
開で干渉縞が発生する様子を示す図である。参照面２に
おける反射光と物体からの反射光の位相差ψがＯのとき
の縞は明となり、ψがλ／８（λは光の波長）のときの
縞は中間の明るさ、ψがλ／４のときの縞は暗、ｐがλ
／２のときの縞は再び明となり、物体の表面の凹凸がλ
／２変化するごとに明暗の縞が現れる。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかしながら上記のような構成の形状測定装置の場合、
ＣＣＤの画素の大きさく通常１辺の長さ１０〜２０μｍ
程度〉で分解能が制限を受けるという問題がある。第１
０図が示すように、横方向すなわち光軸と直交方向のｘ
ｙ面の分解能は画素のＸ方向の長さ２　およびｙ方向の
長さ２．で決まり、それ以上高い分解能を得ることはで
きない。

また縦方向すなわち光軸方向の２軸に関しては、第１１
図が示すように、隣り合う画素間の光の位相差ψつより
物体形状の段差がλ／２のとき段差がないときと同じ明
るさとなり、区別がつかないので、この段差はλ／２以
下（フィゾー型の場合）でなければならない、したがっ
て隣り合う画素間でそれ以上の段差がある場合は誤った
結果が出てしまう。

本発明は上記の問題を解決するためになされたもので、
物体形状の横方向の分解能が向上し、縦方向のスパンが
拡大する形状測定装置を実現することを目的とする。

〈課題を解決するための手段〉 本発明は光源からの光を分離手段で２つに分離してその
一方の分離光を対象物体に照射し、対象物体からの反射
光と前記分離手段の他方の分離光とが干渉して生じる干
渉パターンを画像センサで検出する形状測定装置に係る
もので、その特徴とするところは干渉パターンと画像セ
ンサの相対位置を前記画像センサへの入射光軸と交差す
る方向に変位させる変位手段と、前記画像センサが２箇
所以上の前記各相対位置で測定したデータに加重平均演
算を行う演算手段とを備え、演算手段の出力から画素寸
法よりも細かい分解能の干渉パターンを得るように構成
した点にある。

く作用〉 変位手段により干渉パターンと画像センサの相対位置が
前記画像センサへの入射光軸と交差する方向に変位され
、２箇所以上の位置で測定したデータに演算手段が加重
平均演算を行うことにより、変位量に対応した分解能の
向上を図ることができる。

〈実施例〉 以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明に係る形状測定装置の一実腫例でフィゾ
ー干渉計を用いたものを示す構成ブロック図である。１
はレーザ光源等からの平行光が透過するハーフミラ−５
２はハーフミラ−１を透過した光が入射する参照面を構
成するガラス板、３はガラス板２を透過した光が照射さ
れる対象物体、４は対象物体３の反射光とガラス板２の
反射光とが干渉した干渉光がハーフミラ−１で反射した
後入射する２次元の画像センサを構成するＣＯＤカメラ
、５はＣＣＤカメラ４をその入射光軸と直角方向（横方
向）に変位させる変位手段を構成するＰＺＴ等の圧電素
子である。６はＣＣＤカメラ４の出力をディジタル信号
に変換するＡ／Ｄ変換器、７はＡ／Ｄ変換器６の出力を
入力するＣＰＵ、８はＣＰＵ７を介してデータを格納す
るメモリである。７．８はＣＣＤカメラ４の出力に基づ
く画像データに加重平均演算を行う演算手段を構成する
。

ガラス板２は光源からの光を２つに分離してその一方の
分離光を対象物体に照射する分離手段を構成する。

上記のような構成の装置の動作を以下に説明する。フィ
ゾー干渉計の動作は第８図の場合と同様であるので説明
を省略する。ＣＣＤカメラ４は圧電素子５により入射光
軸と直角な２次元平面内でＣＣＤカメラ４の１画素以内
で変位され、複数の位置で干渉パターンを測定する。Ｃ
ＣＤカメラ４から出力されるデータはＡ／Ｄ変換器６で
ディジタル信号に変換され、ＣＰＵ７を介してメモリ８
に格納される。ＣＰＵ７はメモリ８に格納されたデータ
に加重平均演算を行った後再びメモリ８にその演算デー
タを格納する。

以下にＣＰＵ７およびメモリ８からなる演算手段におい
てＣＣＤカメラ４の画素寸法よりも細かい分解能の干渉
パターンを得る演算手順について説明する。初めにＣＣ
Ｄカメラ４のある位置Ｕで干渉縞を測定し、ＣＯＤカメ
ラ上の画素ｉ、ｊ〈Ｘ軸方向で１番目、ｙ軸方向で１番
目にある画素〉による光強度のデータをｄ、・で表す、
ここでＪ 第２図に示すように、画素１（すなわち画素ｉ。

ｊ）の対象物体上における中心座標をＸ、とする。

１ ＣＣＤカメラ４から出力されるｄ、・のマトリックスＪ ス・データはメモリ８に格納される０次に第２図に示す
ように、圧電素子５によりＣＣＤカメラ４をＵ（第２図
の点線の位置）からｕ（第２図の実線の位置〉にΔＵだ
けＸ方向へ変位する。ここで Δｕ　＜Ｑ　ｘ　　　　　　　・・・（１）である、こ
の状態で前記同様に干渉縞を測定した画素’−＋Ｊの光
強度データをｄ、、、とすると、そのマトリックス・デ
ータもメモリ８に格納される。第２図に示すように、こ
のときの画素１−（すなわち画素ｉ−，Ｊ）の対象物体
上での中心座１ｔｌＸ、、は Ｘ・・＝Ｘ・＋ΔＵ　　　・・・（２）１ で表される。ＣＣＤカメラ４の移動量が画素の大きさの
半分である場合、すなわち、 Δｕ＝ｆｌ／２　　　　　・・・（３〉× の場合には、変位によりＸ方向分解能はｆｆｉ　　／２
となり、変位を行なわない場合のＸ方向分解能ｅ８と比
べて改善される。同様にｙ方向にも変位させれば、ｙ方
向分解能も改善できる。

第３図に示すように、ＣＣＤ位置位置へいてＸ軸方向の
画素長ｅｘによるデータｄ、（＝ｄ、）を画素具１２　
　／２によるデータｄ　とｄ　　とにＸ　　　　　　　
　　　　ｋ　　　ｋ＋１分けて考えると、光量について ｄ　　ｒ　　＝　ｄ　ｂ　　＋　ｄ　ｋ＋１　・ｄ　ｉ
”１　　＝　ｄｋ＋２　　＋　ｄｋ＋３　　・・・・（
４〉 の関係が成立つ、ＣＣＤ位置位置への変位後は光量の関
係は ｄ　ｉ””　　ｄ　ｋ＋１　　＋　ｄ　ｋ＋２　　・ｄ
　　’＋ｊ°＝　　ｄｋ＋３　　千　ｄｋ＋４　　・・
・・　（５） となる、したがって例えばｄｌ、のデータにはｄ・１ とｄｉ＋１のデータが半分づつ混合することになる。

このように両端を隣のデータと共有しているため、画素
の大きさが１！、／２であるＣＯＤカメラで測定した場
合と比較すると、解像力が低下する。この分解能を向上
するため、以下に示すようなフィルタリング処理（加重
平均演算）を行う０例えばに＋１の位置のデータを次式 ％式％） ） ） （６） で演算すれば、両隣からの寄与が半減するので、ｋ＋１
の位置の分解能を高めることができる。こハ こでｄ、＋１はｄ、と同等の大きさと考えているので、
対応する面積はｄｋ＋１の２＠である。また両隣からの
影響を更に減らして分解能をより高めるには、例えば３
個のデータを用いて次の演算を行えばよい（ここではに
＋２の位置で考える）。

＾− ｄｋ＋２（４ｄｈ、２ｄ（、ｔ　　ｄ品）／２＝　（３
／２　）　ｄｋ＋２＋（１／２　）　（ｄ、＋１＋ｄ　
　　）−（１／４）　　（ｄ　　＋ｄ　　　）ｋ＋３　
　　　　　　　　　ｋ　　　ｋ＋４（７） 一般にデジタルフィルタでは入力をＸ、出力をＹ、伝達
関数をＨとすれば、 Ｙ＝Ｈ−Ｘ　　　　　　　　　・・・（８）あるいは、 Ｈ＝Ｙ／Ｘ　　　　　　　　　・・・（９）の関係があ
るが、これはＸ、Ｙを多項式とし、データ系列をｚ（ｚ
変換の２）で表せば Ｈ Ｈ（Ｚ　）　＝（ａ　ｏ　十ａ　１Ｚ　−１＋　”・ａ
　ＨＺ　　）　／１−Ｎ （１＋ｂ１ｚ−１＋ｂ２　ｚ　　”’ｂＨｚ　　）・・
・（１０〉 となり、前述の（６）（７）式を一般化すると・、この
ようなディジタル・フィルタの式で表すことができる０
以上はＸ方向についての説明であるが、同様にｙ方向も
含めて２次元のディジタル・フィルタ処理を行うことが
できる。

次に上記のようにＣＯＤカメラを移動することにより、
縦方向すなわちＺ軸方向のスパンが拡大することを示す
、前記同様にＣＣＤを Δｕ＝１　　　／２　　　　　・・・　（３）移動させ
ると、第２図に示すように、第１１図の画素ｉと画素ｉ
＋１の中間となる位置に新たに画素ｉ−のデータが得ら
れる。もし対象物体３の形状がこの間で連続であるとす
れば、画素ｉ−の明るさは画素１や画素１＋１のそれと
は異なり、画素ｌと画素ｌ″の間の位相差はλ／２より
も小さい、すなわち画素ｌと画素１″間で段差Δ２がλ
／２迄測定可能となる。これは画素１−と画素１十１と
の間でも同様である。したがって、画素ｉと画素ｉ＋１
の間の段差Δ２の制限はＣＣＤカメラ固定の場合のλ／
２からλに拡大され、縦方向のスパンが２倍に広げられ
たことになる。

このような構成の形状測定装置によれば、光軸と直角方
向（横方向）の分解能が向上する。

また対象物体が画素長程度で単調に変化している場合に
は、隣り合う画素間の段差がλ／２以上であっても横ス
キャン（変位）によりその中間の高さを測定できるため
、光軸方向のスパンが拡大する。

またｘｙ面（横方向）における分解能が向上するので、
これと対応するＺ軸方向（光軸方向）の値もより正確な
値になる。

なお上記の実施例はＣＣＤカメラ４の移動量ΔＵを２×
／２とした場合を示したが、移動量ΔＵをより小さくす
れば、より分解能を向上し〜縦方向のスパンを拡大でき
る０通常、移動量をΔｕ＝Ｑ／ｅ　　　　　・・・（１
１）とすれば、ｅ回の移動により、スパンはｅλ／２と
なる。第４図（Ａ）はｅ＝４とした場合の画素の移動の
様子を示し、ｆｆ１ｘ／４の移動を３回行ってＸ軸方向
の４つの位置で測定している。第４図（Ｂ）はこの場合
の加重平均（フィルタ〉演算における各データの重み付
けを第４図（Ａ）に対応させて示している。

また上記の実施例は１画素以内の移動で実現できるが、
ＣＣＤの画素のばらつきを考えると、１画素以上の移動
も有用である。すなわち、画素の大きさや感度にばらつ
きがあると、特に画素と画素のつなぎが連続しにくくな
る可能性がある。このような場合には、例えば２画素動
かし、重複した部分も平均化処理に用いることでつなが
りをより滑かにすることができる。

また上記の実施例ではＣＣＤカメラ４を移動しているが
、第５図に示すようにハーフミラ−１を移動させてもよ
い８図において５１．５２はハーフミラ−１をＣＣＤカ
メラ４の入射光と直角な方向に変位させる圧電素子であ
る。また第６図に示すようにハーフミラ−１の回転によ
っても横方向のスキャンが可能である８図で５３はハー
フミラ−１を固定点Ｃのまわりに僅かに回転させる圧電
素子である。また第７図に示すようにＣＣＤカメラ４の
手前に凸レンズ９を置いて光軸方向に移動することによ
り横方向のスキャンを実現できる。

この場合に凸レンズの代りに凹レンズを用いることもで
きる。要するに干渉計からの干渉パターンとＣＣＤカメ
ラの相対位置をＣＣＤカメラへの入射光軸と直角方向に
変位させる任意の変位手段を用いることができる。

また画像センサはＣＣＤカメラに限らずＭＯＳカメラ、
撮像管あるいはフォトダイオードアレイ等任意の１次元
または２次元の画像センサを用いることができる。

またカメラの感度、あるいはＡ／Ｄ変換のビット数で決
まる画像センサ側の空間周波数限界まで、デジタル空間
フィルタの周波数（分解能）を上げることが可能である
。

またフィゾー干渉計の代りにトワイマングリーン干渉計
やシェアリング干渉計等を用いることもできる。

また変位手段は圧電素子に限らず、コイルアクチュエー
タ等を用いることもできる。

またｘ、ｙ方向だけでなく、光軸に対して斜めの横方向
移動や回転による横方向移動を用いてもよい。

〈発明の効果〉 以上の説明から明らかなように、本願発明によれば、物
体形状の横方向の分解能が向上し、縦方向のスパンが拡
大する形状測定装置を簡単な構成で実現することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る形状測定装置の一実施例を示す構
成ブロック図、第２図、第３図および第４図は第１図装
置の動作を示す説明図、第５図。 第６図および第７図は第１図装置の変形例を示す部分構
成図、第８図は従来の形状測定装置の一例を示す構成図
、第９図、第１０図および第１１図は第８図装置の動作
を説明する説明図である。 ２・・・分離手段、３・・・対象物体、４・・・画像セ
ンサ、第 図 第 図 第 図 Ｕ′ 第 図 票 図 襄 図 襄 図 喜 ８ 図 寞　′７　図 一人射た −−−ニリ′１定Ｔ功　合鴨０ 反射九 ｍ−竪！！１着ｍ・らり 反４１丁尤 纂 ０ 図 第 １ 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　光源からの光を分離手段で２つに分離してその一方の
   分離光を対象物体に照射し、対象物体からの反射光と前
   記分離手段の他方の分離光とが干渉して生じる干渉パタ
   ーンを画像センサで検出する形状測定装置において、干
   渉パターンと画像センサの相対位置を前記画像センサへ
   の入射光軸と交差する方向に変位させる変位手段と、前
   記画像センサが２箇所以上の前記各相対位置で測定した
   データに加重平均演算を行う演算手段とを備え、演算手
   段の出力から画素寸法よりも細かい分解能の干渉パター
   ンを得るように構成したことを特徴とする形状測定装置
   。