TW202400965A - 表面形狀測定裝置及表面形狀測定方法 - Google Patents

表面形狀測定裝置及表面形狀測定方法 Download PDF

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Abstract

提供可減輕因測定時所產生的振動的影響所致之誤差的表面形狀測定裝置及表面形狀測定方法。測定測定對象物的表面形狀的表面形狀測定裝置係具備：第1攝像系統，其係一邊對測定對象物沿著垂直方向相對掃描，一邊按每預定的攝像間隔對測定對象物進行拍攝；第2攝像系統，其係和第1攝像系統為不同個體，與第1攝像系統同步地對測定對象物或測定對象物的支持物進行拍攝；運算部，其係根據第1攝像系統所拍攝到的複數個第1攝像畫像，算出測定對象物的表面形狀；記憶部，其係記憶用以將第2攝像系統的第2座標系轉換為第1攝像系統的第1座標系的座標系轉換資訊；位移檢測部，其係根據第2攝像系統所拍攝到的複數個第2攝像畫像，檢測第1攝像系統進行拍攝中的測定對象物的位移；及補正部，其係根據位移檢測部的檢測結果與座標系轉換資訊，補正運算部所算出的表面形狀。

Description

表面形狀測定裝置及表面形狀測定方法
本發明係關於表面形狀測定裝置及表面形狀測定方法。
已知一種使用焦點變化(Focus Variation：FV)方式的顯微鏡、共焦方式的顯微鏡、白光干涉顯微鏡、及自動對焦(Auto Focus：AF)裝置等掃描測定裝置，對測定對象物的測定面的三維形狀(全焦點畫像及表面形狀等)進行測定的掃描測定方法(參照專利文獻1至3)。此種測定裝置係一邊沿著掃描方向掃描附帶有攝影機的顯微鏡，一邊按每一定間距，藉由攝影機對測定面攝影，根據每個間距的攝影畫像，按各攝影畫像的每個畫素運算合焦度(顯微鏡的焦點位置)、或按每個畫素運算高度資訊，藉此測定測定面的三維形狀。該等測定裝置係可以面取得測定對象物的高度輪廓，因此測定微細的三維形狀或粗糙度時，成為非常有用的測定裝置。 [先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本特開2016-99213號公報 專利文獻2：日本特開2015-84056號公報 專利文獻3：日本特開2016-90520號公報
[發明欲解決之課題]
但是，在上述的測定裝置中，必須沿高度方向掃描光學系統，在掃描中，若測定對象物的位置偏離、或振動時，會有該位置偏移份量成為測定誤差而易於顯化的問題。
因此，可考慮在除振台上設置測定裝置俾遮斷來自地板的振動、或在測定裝置的周圍設置防風罩俾遮斷因風或音響所致之振動。
但是，關於除振台或防風防音罩的設置，有空間的制約大，尤其在加工機內或工廠線內的測定裝置無法設置除振台或防風防音罩等問題。
本發明係有鑑於此種情事而完成者，目的在於提供可減輕因測定時所產生的振動的影響所致之誤差的表面形狀測定裝置及表面形狀測定方法。 [用以解決課題之手段]
第1態樣之測定測定對象物的表面形狀的表面形狀測定裝置係具備：第1攝像系統，其係一邊對測定對象物沿著垂直方向相對掃描，一邊按每預定的攝像間隔對測定對象物進行拍攝；第2攝像系統，其係和第1攝像系統為不同個體，與第1攝像系統同步地對測定對象物或測定對象物的支持物進行拍攝；運算部，其係根據第1攝像系統所拍攝到的複數個第1攝像畫像，算出測定對象物的表面形狀；記憶部，其係記憶用以將第2攝像系統的第2座標系轉換為第1攝像系統的第1座標系的座標系轉換資訊；位移檢測部，其係根據第2攝像系統所拍攝到的複數個第2攝像畫像，檢測第1攝像系統進行拍攝中的測定對象物的位移；及補正部，其係根據位移檢測部的檢測結果與座標系轉換資訊，補正運算部所算出的表面形狀。
在第2態樣之表面形狀測定裝置中，座標系轉換資訊係將第2座標系轉換為第1座標系的轉換矩陣。
在第3態樣之表面形狀測定裝置中，具備：校正部，其係由第1攝像系統及第2攝像系統對校正目標進行拍攝後的結果，取得座標系轉換資訊。
在第4態樣之表面形狀測定裝置中，第2攝像系統具備單眼的攝影機，位移檢測部係藉由光束調整方式，檢測測定對象物的位移。
在第5態樣之表面形狀測定裝置中，第2攝像系統具備複眼的攝影機，位移檢測部係藉由立體攝影機方式，檢測測定對象物的位移。
在第6態樣之表面形狀測定裝置中，在測定對象物或測定對象物的支持物附上標記的情況，位移檢測部係藉由追蹤標記以檢測測定對象物的位移。
在第7態樣之表面形狀測定裝置中，在測定對象物或測定對象物的支持物未附上標記的情況，位移檢測部係藉由追蹤設定在測定對象物或測定對象物的支持物的特徵點，以檢測測定對象物的位移。
在第8態樣之表面形狀測定裝置中，第1攝像系統係光干涉方式、雷射共焦方式或合焦方式中任一方式的顯微鏡。
第9態樣之表面形狀測定方法係具備：第1攝像工序，其係使第1攝像系統一邊對測定對象物沿著垂直方向相對掃描，一邊按每預定的攝像間隔對測定對象物進行拍攝；第2攝像工序，其係以和第1攝像系統為不同個體的第2攝像系統，與第1攝像系統同步地對測定對象物或測定對象物的支持物進行拍攝；運算工序，其係根據在第1攝像工序所拍攝到的複數個第1攝像畫像，算出測定對象物的表面形狀；位移檢測工序，其係根據第2攝像系統所拍攝到的複數個第2攝像畫像，檢測第1攝像系統進行拍攝中的測定對象物的位移；及補正工序，其係根據位移檢測工序的檢測結果、及用以將第2攝像系統的第2座標系轉換為第1攝像系統的第1座標系的座標系轉換資訊，補正運算工序所算出的表面形狀。 [發明之效果]
藉由本發明，可減輕因測定時所產生的振動的影響所致之誤差。
[用以實施發明的形態]
以下按照所附圖面，說明本發明之較佳實施形態。
＜第1實施形態＞ 圖1係第1實施形態之表面形狀測定裝置1的概略圖。其中，圖中彼此正交的XYZ方向之中，XY方向為水平方向，Z方向為上下方向(垂直方向)。
如圖1所示，表面形狀測定裝置1係用以測定測定對象物W的表面形狀的測定裝置，具備：第1攝像系統10、與第1攝像系統10為不同個體的第2攝像系統50、及控制裝置90。在圖1中，測定對象物W係載置在治具72之上。治具72係本發明之測定對象物W的支持物之一例。測定對象物W的支持物只要可支持測定對象物W，大小、形狀等並未限定。
第1攝像系統10係一邊對測定對象物W沿著垂直方向相對掃描，一邊按每預定的攝像間隔對測定對象物W攝像。第1攝像系統10在實施形態中為白光干涉方式的顯微鏡。
第2攝像系統50係與第1攝像系統10同步地對測定對象物W或治具72進行拍攝。第2攝像系統50在第1實施形態中具備：2個攝影機51及52，構成為立體攝影機(複眼的攝影機)。
控制裝置90係與第1攝像系統10及第2攝像系統50相連接，按照對操作部91的輸入操作，總括控制表面形狀測定裝置1。顯示部92係在控制裝置90的控制之下顯示各種資訊。
第1實施形態之表面形狀測定裝置1係第1攝像系統10對測定對象物W進行拍攝，並且與第1攝像系統10為不同個體的第2攝像系統50對從藉由第1攝像系統10所為之攝像開始的測定對象物W的位移進行拍攝。接著，表面形狀測定裝置1係根據第1攝像系統10所攝像到的複數個攝像畫像(本發明之第1攝像畫像)，算出測定對象物W的表面形狀。表面形狀測定裝置1係另外根據基於第2攝像系統50所拍攝到的攝像畫像(本發明之第2攝像畫像)所檢測到的位移(平移位移及旋轉位移)，補正如上所述所算出的測定對象物W的表面形狀。
在此，在表面形狀測定裝置1中，在有關測定的事前準備方面，進行用以取得座標系轉換資訊(用以將第2攝像系統50的第2座標系轉換為第1攝像系統10的第1座標系的座標系轉換矩陣)的校正，在後述之記憶部108係記憶有藉由校正所取得的座標系轉換資訊。接著，表面形狀測定裝置1在測定測定對象物W時，亦根據藉由第1攝像系統10與第2攝像系統50對測定對象物W進行拍攝的攝像結果、及記憶在記憶部108的座標系轉換資訊，補正測定對象物W的表面形狀。此外，關於表面形狀測定裝置1的校正，容後敘述。
表面形狀測定裝置1係在事前被校正，因此在測定時，第1攝像系統10與第2攝像系統50的相對位置較佳為與校正時相同。因此，第1攝像系統10與第2攝像系統50係設置在相同系統，例如相同架台等。
接著，說明第1攝像系統10、第2攝像系統50及控制裝置90的各構成。
＜第1攝像系統＞ 圖2係用以說明第1攝像系統10的圖。如圖2所示，第1攝像系統10係具備：光學頭12、驅動部16、編碼器18、載台70、及載台驅動部74，俾進行測定對象物W的測定面的三維形狀(表面形狀)的測定。載台70相對於光學頭12配置在Z方向下側。
光學頭12係如圖1所示，由邁克生型(Michelson type)的白光干涉顯微鏡所構成。
光學頭12係具備：攝影機14、光源部26、分光鏡28、干涉物鏡30、及成像透鏡32。
干涉物鏡30、分光鏡28、成像透鏡32、及攝影機14由測定對象物W沿著Z方向上方側按此順序作配置。此外，相對於分光鏡28在X方向(Y方向亦可)相對向的位置配置光源部26。
光源部26係在控制裝置90的控制之下，朝向分光鏡28將平行光束的白色光(可干涉性少的低同調光)作為測定光L1射出。雖省略圖示，但該光源部26具備：發光二極體、半導體雷射、鹵素燈、及高亮度放電燈等可射出測定光L1的光源、及將由該光源射出的測定光L1轉換為平行光束的聚光透鏡。
分光鏡28係使用例如半反射鏡。分光鏡28係將由光源部26射入的測定光L1的一部分朝向Z方向下方側的干涉物鏡30反射。此外，分光鏡28係將由干涉物鏡30射入的後述的合波光L3的一部分透射到Z方向上方側，而將該合波光L3朝向成像透鏡32射出。
干涉物鏡30係邁克生型，具備：物鏡30A、分光鏡30B、及參照面30C。由測定對象物W沿著Z方向上方側依序配置分光鏡30B及物鏡30A。此外，參照面30C相對於分光鏡30B配置於在X方向(Y方向亦可)相對向的位置。
物鏡30A係具有聚光作用，使由分光鏡28射入的測定光L1通過分光鏡30B而聚光在測定對象物W。
分光鏡30B係使用例如半反射鏡。分光鏡30B係將由物鏡30A射入的測定光L1的一部分分割為參照光L2，透射剩下的測定光L1而射出至測定對象物W，而且將參照光L2朝向參照面30C反射。透射分光鏡30B的測定光L1係在被照射至測定對象物W之後，因測定對象物W而被反射並返回至分光鏡30B。
參照面30C係使用例如反射鏡，將由分光鏡30B射入的參照光L2朝向分光鏡30B反射。該參照面30C係可藉由未圖示的位置調整機構來手動調整X方向的位置。藉此，可調整分光鏡30B與參照面30C之間的參照光L2的光路長。該參照光路長係被調整為與分光鏡30B與測定對象物W之間的測定光L1的光路長一致(包含大略一致)。
分光鏡30B係生成由測定對象物W返回的測定光L1與由參照面30C返回的參照光L2的合波光L3，且朝向Z方向上方側的物鏡30A射出該合波光L3。該合波光L3係透射物鏡30A及分光鏡28而射入至成像透鏡32。在白光干涉顯微鏡的情況，合波光L3係成為包含干涉條紋的干涉光。
成像透鏡32係使由分光鏡28射入的合波光L3成像在攝影機14的攝像面(圖示省略)。具體而言，成像透鏡32係將物鏡30A的焦點面上的點成像為攝影機14的攝像面上的像點。
雖圖示省略，但攝影機14具備CCD(Charge Coupled Device，電荷耦合元件)型或CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化半導體)型的攝像元件。攝影機14係在藉由驅動部16予以掃描的期間，將藉由成像透鏡32成像在攝像面的合波光L3作為測定對象物W的畫像而對複數個攝像畫像進行拍攝。
驅動部16係藉由周知的線性馬達或馬達驅動機構所構成。驅動部16係將光學頭12以對測定對象物W相對地掃描自如之方式保持在垂直的掃描方向(光學頭12的光軸方向)亦即Z方向。驅動部16係在控制裝置90的控制之下，使光學頭12在所設定的掃描速度及掃描方向的範圍對測定對象物W相對移動。
其中，驅動部16只要可使光學頭12對測定對象物W沿著掃描方向相對掃描即可，例如亦可使其沿掃描方向掃描支持測定對象物W的載台70。
載台70係具有支持測定對象物W的載台面。載台面係由與X方向及Y方向大致平行的平坦面所構成。載台驅動部74係藉由周知的線性馬達或馬達驅動機構所構成，在控制裝置90的控制之下，使載台70對光學頭12在與掃描方向呈垂直的面內(X方向及Y方向)相對水平移動。
編碼器18係檢測光學頭12對測定對象物W的掃描方向位置的位置檢測感測器，使用例如光學式線性編碼器(亦稱為標度尺)。光學式線性編碼器係藉由例如以一定間隔形成有開縫的線性標度尺、及隔著線性標度尺對向配置的受光元件及發光元件所構成。
＜第2攝像系統＞ 圖3係用以說明第2攝像系統50的圖。如圖3所示，第2攝像系統50係具備有2個單眼的攝影機51及52，構成立體攝影機。攝影機51及52係具備：CCD型或COMS型的攝像元件及透鏡系統。第2攝像系統50的攝影機51及52攝影機52係在第1攝像系統10對測定對象物W進行拍攝的期間，由複數個不同方向對測定對象物W或治具72進行拍攝。第2攝像系統50係將所拍攝到的立體畫像SG作為第2攝像畫像而輸出至控制裝置90。立體畫像SG係由藉由攝影機51拍攝到的第1立體畫像SG1、及藉由攝影機52拍攝到的第2立體畫像SG2所構成。立體畫像SG係包含雙眼視差，因此可根據立體畫像SG在控制裝置90進行處理，藉此取得立體空間的三維座標。
如前所述，第1攝像系統10係具備攝影機14，第2攝像系統50係具備攝影機51及52。但是，攝影機14、與攝影機51及52的特性係依第1攝像系統10及第2攝像系統50的目的而不同。第1攝像系統10係測定測定對象物W的微細形狀及粗糙度，因此攝影機14係必須要有可辨別空間的高分解能。相反地，具備高分解能的攝影機14的視野變窄，難以測定第1攝像系統10進行拍攝中的測定對象物W的位移(平移位移及旋轉位移)。
第2攝像系統50係測定第1攝像系統10進行拍攝中的測定對象物W的位移(平移位移及旋轉位移)，因此攝影機51及52並不需要對攝影機14所要求之可辨別空間的高分解能。由於不需要高分解能，因此攝影機51及52的視野變寬，可檢測第1攝像系統10進行拍攝中的測定對象物W的位移。
因此，第1攝像系統10與第2攝像系統50係使用特性依其目的而異的攝影機。
＜控制裝置＞ 控制裝置90係具備由各種處理器(Processor)及記憶體等所構成的運算電路。在各種處理器係包含：CPU(Central Processing Unit，中央處理單元)、GPU(Graphics Processing Unit，圖形處理單元)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit，特定功能積體電路)、及可程式化邏輯元件[例如SPLD(Simple Programmable Logic Devices，簡單可程式化邏輯元件)、CPLD(Complex Programmable Logic Device，複雜可程式化邏輯元件)、及FPGA(Field Programmable Gate Arrays，現場可程式化閘陣列)]等。其中，控制裝置90的各種功能係可藉由1個處理器來實現，亦可以相同種類或不同種類的複數個處理器來實現。
圖4係第1實施形態之表面形狀測定裝置1中的控制裝置90的功能區塊圖。如圖4所示，在控制裝置90係連接有第1攝像系統10、第2攝像系統50、及操作部91。
控制裝置90係具備：第1攝像系統控制部100、運算部102、第2攝像系統控制部104、位移檢測部106、記憶部108、控制部110、補正部112、校正部114、及測定部116，藉由執行由記憶部108所讀出的未圖示的控制程式，實現各自的功能，且執行處理。控制部110係控制控制裝置90的全體的處理。此外，記憶部108係記憶各種程式、測定結果等，並且記憶後述的座標系轉換資訊。座標系轉換資訊係由第2座標系對第1座標系的座標系轉換矩陣。其中，座標系轉換資訊若為可由第2座標系對第1座標系的座標系轉換的資訊則未特別限定，亦可為矩陣以外的形式。例如，亦可為數式或參數表現等。
第1攝像系統控制部100係控制第1攝像系統10的攝影機14、驅動部16、光源部26、及載台驅動部74，取得針對測定對象物W的複數個第1攝像畫像。具體而言，第1攝像系統控制部100係在開始由光源部26射出測定光L1之後，控制驅動部16而使光學頭12沿Z方向掃描。此外，第1攝像系統控制部100係在驅動部16沿Z方向掃描光學頭12的期間，根據基於編碼器18的光學頭12的Z方向位置的檢測結果，按每預定的攝像間隔，使攝影機14對測定對象物W進行拍攝，且反覆執行對控制裝置90輸出第1攝像畫像。
運算部102係檢測產生了干涉條紋的第1攝像畫像的每個畫素的亮度值。接著，運算部102係由各第1攝像畫像(攝影機14的攝像元件)的同一座標的每個畫素的亮度值(干涉訊號)，比較亮度值的包絡線。運算部102係按第1攝像畫像的同一座標的每個畫素決定包絡線成為最大的Z方向位置，藉此按同一座標的每個畫素運算測定對象物W的高度資訊，且算出測定對象物W的表面形狀(三維形狀)。
第2攝像系統控制部104係控制第2攝像系統50的攝影機51及52，使其與第1攝像系統10同步地，對測定對象物W進行拍攝，且將立體畫像SG作為第2攝像畫像對控制裝置90輸出。
位移檢測部106係根據第2攝像系統50的第2攝像畫像，求出設定在測定對象物W之上的注目點位移前的座標(初期位置)與位移後的座標(現在位置)，算出(檢測)表示現在位置相對於初期位置的位移(平移位移及旋轉位移)的位移矩陣。
在此，以設定在測定對象物W之上的注目點的設定形態而言，有(A)在測定對象物W未附上標記的形態、及(B)在測定對象物W附上標記的形態。以下說明各形態。
(A)在測定對象物W未附上標記的形態 第1攝像系統10對測定對象物W進行拍攝時，在測定對象物W具有能以足夠的精度追蹤的特徵點之情況，將該特徵點設定為注目點。
在測定對象物W未附上標記的形態中，藉由光學流法，可由藉由第2攝像系統50拍攝到的第2攝像畫像檢測測定對象物W的位移。
圖5係用以說明光學流的圖。如圖5所示，光學流係指對測定對象物W上的各特徵點的位移向量。在光學流法中，在連續的攝像訊框間，物體畫面上的亮度不會改變、或鄰接的畫素觀看到的測定對象物W的表面朝同樣方向移動這樣的假定下，可求出表示該位移向量的二維向量場。
其中，在難以於測定對象物W之上設定特徵點的情況，亦可在載置測定對象物W的治具72設定特徵點，且以光學流法來檢測治具72的位移。此時所檢測的治具72的位移係可視為與測定對象物W的位移為同等。
(B)在測定對象物W附上標記的形態 第1攝像系統10對測定對象物W進行拍攝時，若測定對象物W不具有能以足夠的精度追蹤的特徵點，係在測定對象物W附上標記。藉由追蹤附在測定對象物W的標記作為注目點，可檢測測定對象物W的相對位移。
圖6係示出標記之一例的圖。在圖6的6A中，二維條碼75作為標記被附在測定對象物W。以二維條碼75而言，可使用例如圖中右側所示之QR碼(註冊商標)76。此外，亦可使用圖中左側所示之Data Matrix(註冊商標)77，來取代QR碼76。
在圖6的6B中，在治具72附上二維條碼75作為標記。若測定對象物W小型而無法附上標記時，亦可藉由將二維條碼75附在治具72，檢測治具72的位移，作為測定對象物W的位移。在將二維條碼75附在治具72的形態中，亦與將二維條碼75附在測定對象物W的形態(圖6的6A)同樣地，可使用QR碼76或Data Matrix77。
以標記之一例而言，例示二維條碼75，惟亦可使用單純的圓形等圖形作為標記。若可追蹤測定開始時所辨識出的標記，則可為二維條碼75，亦可為圖形。
以在測定對象物W之上設定注目點的形態而言，若選擇上述2個形態(A)、(B)的任何形態，位移檢測部106係根據第2攝像系統50的攝像結果，求出藉由立體攝影機方式所設定出的注目點的位移前後的座標(亦即，注目點的初期位置與現在位置)，藉此算出表示第1攝像系統10的攝影機14進行拍攝中的測定對象物W的位移的位移矩陣。其中，該位移矩陣係根據第2攝像系統50的攝像結果所算出者，且為根據第2座標系所設定者，因此以下係稱為「第2座標系位移矩陣」。
在此，說明在位移檢測部106所求出的第2座標系位移矩陣的導出方法。
若將使用第2攝像系統50的攝影機51及52所得之測定對象物W之上的各注目點的0訊框的位移前的座標(初期位置)設為P i(0)，且將在第n訊框進行測定時的位移後的座標(現在位置)設為P i(n)時，由所拍攝到的第2攝像畫像，P i(0)係可以下式(1)表現，P i(n)係可以下式(2)表現。下標的i為注目點的位置號碼，括弧內的n係表示第幾訊框。 P i(0)=[X i(0),Y i(0),Z i(0),1]T…(1) P i(n)=[X i(n),Y i(n),Z i(n),1]T…(2)
若將表現測定對象物W由第0訊框至第n訊框位移(平移位移及旋轉位移)的量的第2座標系位移矩陣設為M B(n)，P i(0)及P i(n)係可以下式(3)表現。 P i(n)=M B(n)P i(0)…(3)
因此，針對4點以上的注目點，藉由分別調查P i(0)與P i(n)的變化作為位移前後的座標，則下式(4)成立。 [P 0(n),P 1(n),…,P M(n)]=M B(n)[P 0(0),P 1(0),…,P M(0)]…(4)
接著，針對M B(n)解出式(4)，可求出表現測定對象物W的位移(平移位移及旋轉位移)的量的第2座標系位移矩陣M B(n)。
利用以上所示之導出方法，位移檢測部106係求出使用第2攝像系統50的攝影機51及52所得之在測定對象物W所設定出的4點以上的注目點的位移前後的座標(初期位置與現在位置)。由該所求出的結果，算出(檢測)表現測定對象物W的位移(平移位移及旋轉位移)的量的第2座標系位移矩陣M B(n)。其中，在位移檢測部106所算出的第2座標系位移矩陣M B(n)係根據第2攝像系統50的第2座標系者。
補正部112係使用位移檢測部106所算出的第2座標系位移矩陣M B(n)，補正運算部102所算出的測定對象物W的表面形狀。
補正部112係取得被記憶在記憶部108的座標系轉換矩陣M ct(座標系轉換資訊)。座標系轉換矩陣M ct係用以將第2攝像系統50的第2座標系轉換為第1攝像系統10的第1座標系的矩陣。其中，座標系轉換矩陣M ct係藉由事前準備的校正所取得者，測定對象物W測定時係被記憶在記憶部108。其中，關於座標系轉換矩陣M ct，容後敘述。
補正部112若將補正後的座標群設為P i，則依據測定對象物W的表面的座標群P i(n)、位移檢測部106所檢測到的第2座標系位移矩陣M B(n)、及座標系轉換矩陣M ct，藉由下式(5)算出補正後的座標群P i。在此，座標群P i(n)係由第1攝像系統10所拍攝到的第N訊框的攝像畫像藉由運算部102所算出的測定對象物W的表面的座標群。 P i=M ctM B(n)P i(n)…(5)
如上所示在補正部112所算出的補正後的座標群P i係成為已補正因在第1攝像系統10進行拍攝中的測定對象物W所產生的位移(平移位移及旋轉位移)所致之誤差者。
＜表面形狀測定方法＞ 接著，說明使用構成為如上所述的表面形狀測定裝置1所進行的表面形狀測定方法。圖7係示出表面形狀測定方法之一例的流程圖。圖7所示之表面形狀測定方法主要大致分為事前準備工序(步驟S1～步驟S7)、及測定工序(步驟S8～步驟S14)。以下說明各工序。
＜事前準備工序＞ 在本實施形態中的表面形狀測定方法中，在進行測定工序之前進行事前準備工序。在事前準備工序中，為了將第2攝像系統50的第2座標系轉換為第1攝像系統10的第1座標系，進行用以取得座標系轉換資訊(座標系轉換矩陣M ct)的校正作業。
圖8係用以說明在事前準備工序所進行的校正作業的圖。如圖8所示，在進行校正作業的情況，設置校正目標80來取代測定對象物W(步驟S1：校正目標設置工序)。本例中的校正目標80係在Z方向朝上之面(與第1攝像系統10相對向的被測定面)設置4個半球82，並且在側面(與第2攝像系統50相對向之面)係附上QR碼84。4個半球82係用以校正第1攝像系統10，QR碼84係用以校正第2攝像系統50。
接著，與測定對象物W的測定時同樣地，進行對校正目標80的測定(步驟S2：校正目標測定工序)。具體而言，校正部114係控制第1攝像系統控制部100，一邊對校正目標80沿著垂直方向相對掃描，一邊按每預定的攝像間隔藉由第1攝像系統10對校正目標80進行拍攝，並且控制第2攝像系統控制部104，一邊與第1攝像系統10同步一邊藉由第2攝像系統50對校正目標80進行拍攝。
接著，校正部114係判斷對校正目標80的測定次數是否為第2次(步驟3：校正目標判斷工序)。在對校正目標80的測定次數為第1次(步驟S3中為No時)的情況，反覆步驟S2至步驟S3的處理。另一方面，在對校正目標80的測定次數為第2次(步驟S3中為Yes時)的情況，進到下個步驟S4。其中，在本例中，對校正目標80的測定係反覆進行2次，惟亦可反覆進行3次以上。使用者係可任意(2次以上)設定校正目標判斷工序中的測定次數。
其中，在正實施步驟S2的期間(亦即，進行對校正目標80的測定的期間)係設為在校正目標80均產生平移位移與旋轉位移者。
接著，校正部114係控制運算部102，根據第1攝像系統10的攝像結果，算出並記憶被預先設定在校正目標80的4個校正基準位置(三維座標)(步驟S4：第1攝像系統校正基準位置算出工序)。在本例中，如上所述在校正目標80形成有4個半球82，校正部114係按每個測定次數求出4個半球82的各中心座標位置，作為4個校正基準位置c i(n)。其中，「c i(n)」的下標的i係表示校正基準位置的號碼(1～4)，括弧內的n係表示測定次數(1～2)。
在此，於將在第1次測定所得的各校正基準位置的三維座標設為c i(0)、在第2次測定所得的各校正基準位置的三維座標設為c i(1)的情況，則下式(6)成立。 [c 0(1),c 1(1),c 2(1),c 3(1)]=M A[c 0(0),c 1(0),c 2(0),c 3(0)]…(6)
M A係表現第1攝像系統10固有的在第1座標系內的位移(平移位移及旋轉位移)的位移矩陣(以下稱為「第1座標系位移矩陣」)。亦即，該第1座標系位移矩陣M A係於校正目標80在第1次測定與第2次測定之間位移的情況，表示在第1次測定所得的第1攝像系統10的座標值與在第2次測定所得的第1攝像系統10的座標值之相關關係的矩陣。
校正部114係針對M A求解藉由如上所述在第1次與第2次測定得到的各校正基準位置的三維座標所決定的式(6)，藉以求出M A作為表現在第1座標系內的位移(平移位移及旋轉位移)的第1座標系位移矩陣。
接著，校正部114係控制位移檢測部106，根據第2攝像系統50的攝像結果，算出並記憶被預先設定在校正目標80的複數個校正基準位置(三維座標)(步驟S5：第2攝像系統校正基準位置算出工序)。
在本例中，如上所述在校正目標80的側面形成有QR碼84，校正部114在有關校正基準位置方面，係按每個測定次數求出藉由QR碼84所決定的4個校正基準位置d i(n)。其中，「d i(n)」的下標的i係表示校正基準位置的號碼(1～4)，括弧內的n係表示測定次數(1～2)。
在此，在將在第1次測定所得的各校正基準位置的三維座標設為d i(0)、將在第2次測定所得的各校正基準位置的三維座標設為d i(1)的情況，則下式(7)成立。 [d 0(1),d 1(1),d 2(1),d 3(1)]=M B[d 0(0),d 1(0),d 2(0),d 3(0)]…(7)
M B係表現第2攝像系統50固有的在第2座標系內的位移(平移位移及旋轉位移)的第2座標系位移矩陣。亦即，該第2座標系位移矩陣M B係於校正目標80在第1次測定與第2次測定之間位移的情況，表示在第1次測定所得的第2攝像系統50的座標值與在第2次測定所得的第2攝像系統50的座標值之相關關係的矩陣。
校正部114係針對M B求解藉由如上所述在第1次與第2次測定所得的各校正基準位置的三維座標所決定的式(7)，藉以求出M B作為表現在第2攝像系統50內的位移(平移位移及旋轉位移)的第2座標系位移矩陣。
如上所示所求出的第1座標系位移矩陣M A與第2座標系位移矩陣M B係在不同的座標系觀看相同的校正目標80時的位移矩陣，因此下式(8)成立。 M A=M ctM B…(8)
在此，M ct係用以將第2攝像系統50的第2座標系轉換為第1攝像系統10的第1座標系的轉換矩陣。亦即，藉由使用該座標系轉換矩陣M ct，如後所述(參照式(9))，可將在第2攝像系統50所得的測定對象物W的位移(平移位移及旋轉位移)由第2座標系轉換為第1座標系。
校正部114係由式(8)求出座標系轉換矩陣M ct，將該結果記憶在記憶部108(步驟S6：轉換矩陣算出工序、步驟S7：轉換矩陣記憶工序)。
如以上所示，事前準備工序結束。其中，在已藉由校正部114求出座標系轉換矩陣M ct且其結果被記憶在記憶部108的情況，亦可未必要進行事前準備工序。亦即，在進行前次的校正作業之後，第1攝像系統10與第2攝像系統50的相對位置未改變的情況(例如，繼續進行後述的測定工序的情況等)，座標系轉換矩陣M ct係被保持為一定，因此可省略上述的校正作業，並不需要每次進行測定即進行校正作業。
＜測定工序＞ 如圖1所示，將測定對象物W設置在表面形狀測定裝置1的測定位置(步驟S8：測定對象物設置工序)。其中，測定對象物W可為在測定對象物W未附上標記的形態、亦可為附上標記的形態之任一者。此外，測定對象物W可載置亦可未載置於治具72。
接著，對所設置的測定對象物W進行測定(步驟S9：測定對象物測定工序)。具體而言，測定部116係控制第1攝像系統控制部100，一邊對測定對象物W沿著垂直方向相對掃描，一邊按每預定的攝像間隔藉由第1攝像系統10對測定對象物W進行拍攝，並且控制第2攝像系統控制部104，一邊與第1攝像系統10同步，一邊藉由第2攝像系統50對測定對象物W進行拍攝。
接著，運算部102係算出測定對象物W的表面形狀(步驟S10：表面形狀算出工序)。具體而言，運算部102係由第1攝像系統10的攝像結果，測定測定對象物W的測定面的三維形狀(表面形狀)，且算出測定對象物W的表面的座標群P i(n)。
接著，位移檢測部106係由第2攝像系統50的攝像結果，算出第2座標系位移矩陣M B(n)(步驟S11：第2座標系位移矩陣算出工序)。具體而言，位移檢測部106係根據式(1)至式(4)，算出第2座標系位移矩陣M B(n)。
接著，補正部112係由記憶部108取得座標系轉換矩陣M ct(步驟S12：座標系轉換矩陣取得工序)。座標系轉換矩陣M ct係在事前準備工序中取得且被記憶在記憶部108。
接著，補正部112係由座標系轉換矩陣M ct與第2座標系位移矩陣M B(n)，算出第1座標系位移矩陣M A(n)(步驟S13：第1座標系位移矩陣算出工序)。具體而言，補正部112係由下式(9)算出第1座標系位移矩陣M A(n)。 M A=M ctM B…(9)
接著，補正部112係使用第1座標系位移矩陣M A(n)來補正測定對象物的表面形狀(步驟S14：補正工序)。具體而言，補正部112係由座標群P i(n)與第1座標系位移矩陣M A(n)，藉由下式(10)算出補正後的座標群P i。若可算出補正後的座標群P i，即結束處理。 P i=M A(n)P i(n)…(10)
在本實施形態中，由根據和第1攝像系統10為不同個體的第2攝像系統50所拍攝到的第2攝像畫像所檢測到的測定對象物W的位移、及用以將第2攝像系統50的第2座標系轉換為第1攝像系統10的第1座標系的座標系轉換資訊，來補正由第1攝像系統10所拍攝到的第1攝像畫像所運算出的測定對象物W的表面形狀，因此可進行精度高的表面形狀的測定。
＜第2實施形態＞ 參照圖面，說明第2實施形態。其中，在達成與上述第1實施形態相同的作用的部分係藉由標註相同符號，省略該部分的詳細說明，主要說明與其他實施形態不同之點。
圖9係測定測定對象物W的表面形狀的表面形狀測定裝置2的概略圖。其中，第2實施形態之表面形狀測定裝置2與第1實施形態之表面形狀測定裝置1係在第2攝像系統50的構成上有所不同。第2實施形態之第2攝像系統50係由1台攝影機53(單眼的攝影機)所構成，藉由攝像指示，將一片畫像G作為第2攝像畫像進行拍攝，且輸出至控制裝置90。第2實施形態係在依設置的空間的限制而僅可選擇具備有1台攝影機的構成的情形下特別有用。此外，在第1實施形態與第2實施形態中，位移檢測部106的處理並不相同。
第2實施形態之第1攝像系統10及運算部102係與第1實施形態相同。第2實施形態亦與第1實施形態同樣地，以在測定對象物W之上設定注目點的形態而言，可選擇在測定對象物W附上標記的形態、與在測定對象物W未附上標記的形態。
位移檢測部106在第2實施形態中係例如以下列順序檢測位移(平移位移與旋轉位移)。
當將使用第2攝像系統50的攝影機53所得之測定對象物W之上的各注目點的0訊框的位移前的座標(初期位置)設為p i(0)、將在第n訊框進行測定時的位移後的座標(現在位置)設為p i(n)時，則由第2攝像系統50的攝影機53所拍攝到的第2攝像畫像，p i(0)能用下式(11)來表現，p i(n)能用下式(12)來表現。下標的i係注目點的位置號碼，括弧內的n係表示第幾訊框。 p i(0)=[x i(0),y i(0),1] T…(11) p i(n)=[x i(n),y i(n),1] T…(12)
位移前的座標p i(0)及位移後的座標p i(n)係被取得作在1台攝影機53拍攝到的畫像(第2攝像畫像)的畫像內的二維座標。因此，與第1實施形態不同，必須要有以下處理。
首先，考慮攝影機53對三維空間的點P i(n)進行拍攝而投影在二維的畫像上的點p i(n)的情形。當將三維空間的P i(n)投影在二維的p i(n)的矩陣設為A[R(n)｜t(n)]時，關於P i(n)及p i(n)，則下式(13)成立。 p i(n)=A[R(n)｜t(n)]P i(n)…(13)
在此，A係稱為內部參數或攝影機矩陣，為與透鏡的焦點距離或攝像元件的像素數相依存的固有的3×3的矩陣。R(n)係表示旋轉位移的3×3的矩陣，t(n)係表示平移位移的3×1的向量。在此，[R(n)｜t(n)]係成為表現在三維空間上的旋轉位移與平移位移的3×4的旋轉平移矩陣。
攝影機矩陣A一般用下式(14)表示，表現從三維空間到二維的映射。 [數1]
此外，當R(n)是使用θ等來表現時，概括如下式(15)成為繞各軸的旋轉矩陣的積。 R(n)=R x(α)R y(β)R z(γ)…(15) 當將R x(α)、R y(β)及R z(γ)的各個的角度設為θ時，則能用下式(16)來表現。 [數2]
此外，t(n)係表示平移位移的3×1的向量，因此能用下式(17)表現。 t(n)=[x,y,z] T…(17)
因此，式(13)係成為將三維空間上的點映射成二維的矩陣。
接著，分別說明在測定對象物W附上標記的形態與在測定對象物W未附上標記的形態。
首先，說明在測定對象物W附上標記的形態。攝影機矩陣A係能用已知之稱為攝影機校正的方法事前求出。因此，若使用標記，三維空間的P i(n)及二維的p i(n)係成為已知的值。結果，在式(13)中，未知數係成為R(n)及t(n)，下式(18)成立。 A -1[p 0(n),p 1(n),…,p I(n)]=[R(n)｜t(n)][P 0(n),P 1(n),…,P I(n)]…(18)
接著，藉由針對R(n)｜t(n)]求解式(18)，可求出旋轉平移矩陣[R(n)｜t(n)]。
接著，說明在測定對象物W未附上標記的形態。若為未使用標記的形態，在式(13)中，未知數除了R(n)及t(n)以外，P i(n)亦作為未知數被包含在內，因此無法直接求解式(13)。結果，無法直接求出旋轉平移矩陣[R(n)｜t(n)]。
因此，藉由應用光束調整(Bundle Adjustment)方式，求出由n=0的相對的R(n)、t(n)及P i(n)。其中，光束調整方式係存在的已知技術(岩元祐輝、菅谷保之、金谷健一“供三維重建用的光束調整的構裝與評估”電腦視覺與畫像媒體(CVIM) 2011.19 (2011): 1-8.)。
在測定對象物W附上標記的形態及在測定對象物W未附上標記的形態之任一者中，均可求出旋轉平移矩陣[R(n)｜t(n)]。接著，使用藉由上述方法所得的旋轉平移矩陣[R(n)｜t(n)]，位移檢測部106係藉由下式(19)，算出(檢測)第2座標系位移矩陣M B(n)，作為測定對象物W的位移(平移位移及旋轉位移)。 M B(n)=[R(n)｜t(n)；0｜1] -1…(19)
與第1實施形態同樣地，補正部112係使用位移檢測部106所算出的第2座標系位移矩陣M B(n)、及被記憶在記憶部108的座標系轉換矩陣M ct，補正運算部102所算出的測定對象物W的表面形狀。具體而言，補正部112係藉由下式(20)，對測定對象物W的表面的座標群P i(n)，算出補正後的座標群P i。 P i=M ctM B(n)P i(n)…(20)
在第2實施形態中亦與第1實施形態同樣地實施事前準備工序。在第2實施形態中，與第1實施形態不同，在事前準備工序中應用圖9所示之表面形狀測定裝置2。
在第2攝像系統50由1台攝影機53所構成的第2實施形態中，亦與第1實施形態同樣地，由根據與第1攝像系統10為不同個體的第2攝像系統50所拍攝到的第2攝像畫像所檢測到的測定對象物W的位移、與用以將第2攝像系統50的第2座標系轉換為第1攝像系統10的第1座標系的座標系轉換資訊，來補正由第1攝像系統10所拍攝到的第1攝像畫像所運算的測定對象物W的表面形狀，因此可進行精度高的表面形狀的測定。
此外，雖已說明了第1攝像系統10的光學頭12為邁克生型的白光干涉顯微鏡的情況，惟亦可為米勞型(Mirau type)的白光干涉顯微鏡，亦可為林尼克型(Linnik type)的白光干涉顯微鏡。此外，光學頭12亦可為雷射共焦方式或合焦方式中任一方式的顯微鏡。
1:表面形狀測定裝置 2:表面形狀測定裝置 10:第1攝像系統 12:光學頭 14:攝影機 16:驅動部 18:編碼器 26:光源部 28:分光鏡 30:干涉物鏡 30A:物鏡 30B:分光鏡 30C:參照面 32:成像透鏡 50:第2攝像系統 51,52,53:攝影機 70:載台 72:治具 74:載台驅動部 75:二維條碼 76:QR碼 77:Data Matrix 80:校正目標 82:半球 84:QR碼 90:控制裝置 91:操作部 92:顯示部 100:第1攝像系統控制部 102:運算部 104:第2攝像系統控制部 106:位移檢測部 108:記憶部 110:控制部 112:補正部 114:校正部 116:測定部 W:測定對象物
圖1係第1實施形態之表面形狀測定裝置的概略圖。 圖2係用以說明第1攝像系統的圖。 圖3係用以說明第2攝像系統的圖。 圖4係第1實施形態之表面形狀測定裝置中的控制裝置的功能區塊圖。 圖5係用以說明光學流(Optical Flow)的圖。 圖6係用以說明標記的圖。 圖7係示出表面形狀測定方法之一例的流程圖。 圖8係用以說明事前準備的校正的圖。 圖9係第2實施形態之表面形狀測定裝置的概略圖。
1:表面形狀測定裝置
10:第1攝像系統
50:第2攝像系統
90:控制裝置
91:操作部
100:第1攝像系統控制部
102:運算部
104:第2攝像系統控制部
106:位移檢測部
108:記憶部
110:控制部
112:補正部
114:校正部
116:測定部

Claims (9)

  1. 一種表面形狀測定裝置，係對測定對象物的表面形狀進行測定，其具備： 第1攝像系統，其係一邊對前述測定對象物沿著垂直方向相對掃描，一邊按每預定的攝像間隔對前述測定對象物進行拍攝； 第2攝像系統，其係和前述第1攝像系統為不同個體，與前述第1攝像系統同步地對前述測定對象物或前述測定對象物的支持物進行拍攝； 運算部，其係根據前述第1攝像系統所拍攝到的複數個第1攝像畫像，算出前述測定對象物的表面形狀； 記憶部，其係記憶用以將前述第2攝像系統的第2座標系轉換為前述第1攝像系統的第1座標系的座標系轉換資訊； 位移檢測部，其係根據前述第2攝像系統所拍攝到的複數個第2攝像畫像，檢測前述第1攝像系統進行拍攝中的前述測定對象物的位移；及 補正部，其係根據前述位移檢測部的檢測結果與前述座標系轉換資訊，補正前述運算部所算出的前述表面形狀。
  2. 如請求項1之表面形狀測定裝置，其中，前述座標系轉換資訊係將前述第2座標系轉換為前述第1座標系的轉換矩陣。
  3. 如請求項1或2之表面形狀測定裝置，其中，具備：校正部，其係由前述第1攝像系統及前述第2攝像系統對校正目標進行拍攝後的結果，取得前述座標系轉換資訊。
  4. 如請求項1至3中任一項之表面形狀測定裝置，其中，前述第2攝像系統具備單眼的攝影機，前述位移檢測部係藉由光束調整方式，檢測前述測定對象物的位移。
  5. 如請求項1至3中任一項之表面形狀測定裝置，其中，前述第2攝像系統具備複眼的攝影機，前述位移檢測部係藉由立體攝影機方式，檢測前述測定對象物的位移。
  6. 如請求項1至5中任一項之表面形狀測定裝置，其中，在前述測定對象物或前述測定對象物的支持物附上標記的情況，前述位移檢測部係藉由追蹤前述標記來檢測前述測定對象物的位移。
  7. 如請求項1至5中任一項之表面形狀測定裝置，其中，在前述測定對象物或前述測定對象物的支持物未附上標記的情況，前述位移檢測部係藉由追蹤設定在前述測定對象物或前述測定對象物的支持物的特徵點，來檢測前述測定對象物的位移。
  8. 如請求項1至7中任一項之表面形狀測定裝置，其中，前述第1攝像系統係白光干涉方式、雷射共焦方式或合焦方式中任一方式的顯微鏡。
  9. 一種表面形狀測定方法，其係具備： 第1攝像工序，其係使第1攝像系統一邊對測定對象物沿著垂直方向相對掃描，一邊按每預定的攝像間隔對前述測定對象物進行拍攝； 第2攝像工序，其係以和前述第1攝像系統為不同個體的第2攝像系統，與前述第1攝像系統同步地對前述測定對象物或前述測定對象物的支持物進行拍攝； 運算工序，其係根據在前述第1攝像工序所拍攝到的複數個第1攝像畫像，算出前述測定對象物的表面形狀； 位移檢測工序，其係根據前述第2攝像系統所拍攝到的複數個第2攝像畫像，檢測前述第1攝像系統進行拍攝中的前述測定對象物的位移；及 補正工序，其係根據前述位移檢測工序的檢測結果、及用以將前述第2攝像系統的第2座標系轉換為前述第1攝像系統的第1座標系的座標系轉換資訊，補正前述運算工序所算出的前述表面形狀。
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