CN100491907C - 三维形状测量装置 - Google Patents

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Abstract

在使用白色干涉条纹测量被测量物的三维形状的三维形状测量装置(白色干涉测量装置)中，可以缩短运算所需要的处理时间，并且可以高精度地确定白色干涉条纹的振幅的包络线为最大的位置。在白色干涉测量装置中，首先对于由来自参照镜(6)的返回光和来自被测量物(7)的返回光的干涉产生的白色干涉条纹，求出振幅的包络线的分布，使用该包络线的分布，求出白色干涉条纹的对比度为最大的大概的位置。然后，提取白色干涉条纹中包含的至少两个以上相互不同的分光光谱频带成分的干涉条纹，在白色干涉条纹的对比度为最大的大概位置的附近求出得到相互不同的分光光谱频带成分的干涉条纹的相位为相互相等的值的位置。

Description

三维形状测量装置
技术领域
本发明涉及一种三维形状测量装置(白色干涉测量装置)，其扫描从白色光源到被测量物的光路长，检测该光路长与从白色光源到测量镜的光路长相等的位置，来测量被测量物的三维形状。
背景技术
近年来，由于微细加工技术的进步，所谓的微型机械、LSI等的高集成化不断发展，因此需要具有复杂的阶梯形状的微细构造物的三维形状测量的高精度化。而且，作为对具有复杂的阶梯形状的微细构造物进行三维形状测量的装置，提出了使用具有宽带光谱的光源(白色光源)的白色干涉测量装置。
在该白色干涉测量装置中，使从白色光源到达被测量物，由该被测量物反射的返回光与从白色光源到达参照镜，由该参照镜反射的返回光干涉，来得到白色干涉条纹。然后，使用压电元件等对白色光源到被测量物的光路长进行扫描，由此来检测白色干涉条纹的振幅为最大的位置，即检测白色光源到被测量物的光路长与白色光源到参照镜的光路长相等的位置；来测量被测量物的三维形状。
此外，这样的白色干涉测量装置不仅用于微细构造物的三维形状的测量，还可以用于电介质多层膜的膜厚测定、例如用于眼底或皮肤等连续体(扩散体)的结构分析等。
在这样的白色干涉测量装置中，重要的是精密地确定白色干涉条纹的振幅为最大的位置。作为确定白色干涉条纹的振幅为最大的位置的方法，作为目前所提出的方法，大致具有以下两个方法。
一种方法是，使用傅立叶变换，求出信号区域中干涉条纹的振幅在包络线之间的宽度为最大的位置。而另一种方法是，使用光谱中的傅立叶分光光谱的相位梯度，来计算白色干涉条纹的振幅为最大的位置。一般，在通信理论中，已知的是，与信号的振幅信息相比，相位信息抗检测器的非线性特性和量子化噪声。这意味着在白色干涉条纹的情况下，通过不使用振幅信息而是使用相位信息，可以提高确定白色干涉条纹的振幅为最大的位置的精度。
此外，在专利文献1中记载了以下的方法：根据通过多个波长的干涉光得到的被测量物的干涉条纹数据，提取与各波长的干涉光对应的每个干涉条纹数据的相位信息，使用该相位信息为每个干涉条纹数据生成正弦波函数，在被测量物的测定区域内的规定的坐标位置，为了使干涉条纹数据成为最大值，对于各个干涉条纹数据决定正弦波函数的相位，由此来确定0次的条纹位置。
专利文献1：特开2000-266508号公报
发明内容
但是，在上述使用干涉条纹的振幅的包络线的方法中存在以下的问题：包络线描绘的曲线在振幅的顶点位置变化平稳，因此，由于测量噪声等引起的顶点附近的包络线的微小变化，产生了较大的测量误差。
此外，如上所述，在使用傅立叶分光光谱的相位梯度的方法中，为了推定相位梯度要进行最小二乘法等运算，因此计算量庞大，运算需要较长的时间。此外，在该方法中，存在以下的问题：在光源的光谱宽度较窄时，可以使用的相位信息的量减少，所以，对白色干涉条纹的振幅为最大的位置进行确定的精度降低。
此外，在专利文献1记载的技术中，存在以下的问题：在使用相位信息对每个干涉条纹数据生成正弦波函数时，要进行所采用的数据(标本点)之间的插补，因此，由于在这样的插补中产生的误差，对白色干涉条纹的振幅为最大的位置进行确定的精度降低。
因此，本发明是鉴于所述事实而提出的，本发明的目的在于，提供一种三维形状测量方法以及三维形状测量装置，其在使用白色干涉条纹测量被测量物的三维形状的三维形状测量装置中(白色干涉测量装置)，可以缩短运算所需要的处理时间，并且可以高精度地确定白色干涉条纹的振幅为最大的位置。
为了解决所述课题，达成所述目的，本发明第一方式的三维形状测量方法，其使从发出具有宽带光谱的照明光的光源(1)到被测量物(7)的光路长，或者从光源(1)到参照镜(6)的光路长变化，检测这些光路长相等的位置，这样来测量该被测量物(7)的三维形状的三维形状，其特征为，包含以下的阶段：求出概略位置的阶段，该概略位置包含由于来自参照镜(6)的照明光的返回光和来自被测量物(7)的照明光的返回光的干涉而产生的白色干涉条纹的振幅的包络线表示最大值的位置；提取白色干涉条纹中包含的至少两个以上的相互不同的分光光谱频带成分的干涉条纹的阶段；以及在概略位置附近求出得到相互不同的分光光谱频带成分的干涉条纹的相位为相互相等的值的位置，由此来决定从光源到被测量物的光路长与从光源到参照镜的光路长相等的位置的阶段。
在该三维形状测量方法中，不是像现有的三维形状测量方法那样仅使用白黑的一个种类的条纹信息，而是使用例如分解为R(红色)、G(绿色)、B(蓝色)等光谱的干涉条纹的相位信息，由此可以高精度地确定白色干涉条纹的振幅为最大的位置。
此外，在三维形状测量方法中，也没有伴随使用最小二乘法等而计算量增加的问题，而且，即使光源的分光光谱宽度窄可以使用的信息量减少，但因为使用与其他成分的关系，所以仍可以维持高的确定精度。
本发明第二方式的三维形状测量装置是一种对从产生具有宽带光谱的照明光的光源(1)到被测量物(7)的光路长进行扫描，或者对从光源(1)到参照镜(6)的光路长进行扫描，检测这些光路长相互相等的位置来测量被测量物(7)的三维形状的、使用了白色干涉的三维形状测量装置，其特征为：对于由于来自参照镜(6)的照明光的返回光和来自被测量物(7)的照明光的返回光的干涉而产生的白色干涉条纹，使用条纹分析法求出该白色干涉条纹的振幅的包络线分布，使用该包络线分布求出白色干涉条纹的对比度为最大的大概的位置，提取白色干涉条纹中包含的至少两个以上相互不同的分光光谱频带成分的干涉条纹，在白色干涉条纹的对比度为最大的大概位置的附近求出得到相互不同的分光光谱频带成分的干涉条纹的相位为相互相等的值的位置，根据该位置决定从白色光源到被测量物的光路长与从白色光源到参照镜的光路长相等的位置。
在该三维形状测量装置中，不是像现有的三维形状测量装置那样仅使用白黑的一个种类的条纹信息，而是使用例如分解为R(红色)、G(绿色)、B(蓝色)等光谱的干涉条纹的相位信息，由此可以高精度地确定白色干涉条纹的振幅为最大的位置。
此外，在本发明的三维形状测量装置中，也没有伴随使用最小二乘法等而计算量增加的问题，而且，即使光源的分光光谱宽度窄可以使用的信息量减少，但因为使用与其他成分的关系，所以仍可以维持高的确定精度。
本发明第三方式的三维形状测量装置，其具有：发出具有宽带光谱的照明光的光源(1)；形成该光源(1)发出的照明光到达参照镜(6)以及被测量物(7)的光路的光路形成单元(5)；使从光源(1)到被测量物(7)的光路长、或者从光源(1)到参照镜(6)的光路长变化的光路长变化单元(8)；以及检测各光路长相互相等的位置的检测单元；对被测量物(7)的三维形状进行测量，其特征为，具备：摄像单元(10)，其射入作为照明光的来自参照镜(6)的反射光的第一返回光以及作为照明光的来自被测量物(7)的反射光的第二返回光；概略位置决定单元(13)，其根据从摄像单元(10)输出的摄像信号决定概略位置，该概略位置包含由于第一返回光和第二返回光的干涉而产生的白色干涉条纹的振幅的包络线表示最大值的位置；相位计算单元(15)，计算白色干涉条纹中包含的两个以上的相互不同的分光光谱频带成分在概略位置附近的干涉条纹的相位；以及位移计算单元(16)，求出由相位计算单元(15)得到的相互不同的分光光谱频带成分的干涉条纹的相位为相互相等的值的位置，由此计算被测量物表面的位移量。
所述三维形状测量装置的概略位置决定单元(13)，对于白色干涉条纹的光强度，以关于由光路长变换单元(8)产生的光路长变化的一定间隔进行采样，并且计算出关于由第一采样值连续的一定个数的采样值的标准偏差之后，计算关于由第二采样值连续的一定个数的采样值的标准偏差，然后依次进行标准偏差的计算，可以将包含该标准偏差为最大的采样值组的范围决定为包含白色干涉条纹的振幅的包络线表示最大值的位置的概略位置。
此外，所述三维形状测量装置的概略位置决定单元(13)，对于白色干涉条纹的光强度，以关于由光路长变换单元(8)产生的光路长变化的一定间隔进行采样，计算出关于由第一采样值连续的一定个数m的采样值的标准偏差之后，计算关于由第(m+1)采样值连续的一定个数m的采样值的标准偏差，接着，算关于由第(2m+1)采样值连续的一定个数m的采样值的标准偏差，然后，依次进行标准偏差的计算，在包含该标准偏差为最大的采样值组以及相邻的采样值组的范围内，在计算出关于由第一号采样值连续的一定个数m的采样值的标准偏差之后，计算关于由第(m/2+1)号采样值连续的一定个数m的采样值的标准偏差，接着，计算关于由第(2m/2+1)号采样值连续的一定个数m的采样值的标准偏差，然后，依次进行标准偏差的计算，将包含该标准偏差为最大的采样值组的范围决定为包含白色干涉条纹的振幅的包络线表示最大值的位置的概略位置。
此外，所述三维形状测量装置的概略位置决定单元(13)，对于白色干涉条纹的光强度，以关于由光路长变换单元(8)产生的光路长变化的一定间隔进行采样，并且计算出关于由第一采样值连续的一定个数m的范围中的最初采样值和最后采样值的差分的绝对值之后，计算关于由第(m+1)采样值连续的一定个数m的范围中的最初采样值和最后采样值的差分的绝对值，接着，计算关于由第(2m+1)采样值连续的一定个数m的范围中的最初采样值和最后采样值的差分的绝对值，然后，依次进行差分的绝对值的计算，将包含该差分的绝对值为最大的采样值组的范围，决定为包含白色干涉条纹的振幅的包络线表示最大值的位置的概略位置。
此外，所述三维形状测量装置的摄像单元(10)为彩色照相机，可以对每个相互不同的分光光谱频带成分输出摄像信号。
此外，所述三维形状测量装置的摄像单元(10)为单色照相机，还可以具备分光光谱频带成分分配单元，其将单色照相机输出的摄像信号分配给相互不同的分光光谱频带成分。
附图说明
图1是表示本发明的三维形状测量装置的第一实施方式的全体结构的侧视图。
图2是表示在所述三维形状测量装置的第一实施方式中得到的各分光频带的干涉条纹信号IR(z)、IG(z)、IB(z)的图表。
图3是重叠地表示在所述三维形状测量装置的第一实施方式中得到的各分光频带的干涉条纹信号IR(z)、IG(z)、IB(z)的条纹对比度较高的区域的部分放大的图表。
图4是表示在所述三维形状测量装置的第一实施方式中，用于求出白色干涉条纹的振幅的包络线以及3个干涉条纹信号IR(z)、IG(z)、IB(z)的相位的顺序的图表。
图5是表示在所述三维形状测量装置的第一实施方式中，用于求出白色干涉条纹的振幅的包络线以及3个干涉条纹信号IR(z)、IG(z)、IB(z)的相位的顺序的流程图。
图6是重叠地表示在所述三维形状测量装置的第一实施方式中，对各个干涉条纹信号IR(z)、IG(z)、IB(z)得到的相位的图表。
图7是在三维坐标上表示在所述三维形状测量装置的第一实施方式中求出的高度信息h的图表。
图8是表示本发明的三维形状测量装置的第二实施方式的全体结构的方框图。
图9是说明所述三维形状测量装置的第二实施方式中的概略位置决定单元的动作的图表。
图10是说明所述三维形状测量装置的第二实施方式中的概略位置决定单元的动作的流程图。
图11是说明所述三维形状测量装置的第三实施方式中的概略位置决定单元的动作的图表。
图12是说明所述三维形状测量装置的第三实施方式中的概略位置决定单元的动作的流程图。
图13是说明所述三维形状测量装置的第四实施方式中的概略位置决定单元的动作的图表。
图14是说明所述三维形状测量装置的第四实施方式中的概略位置决定单元的动作的流程图。
图15是表示本发明的三维形状测量装置的第五实施方式的全体结构的方框图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明的三维形状测量方法以及三维形状测量装置的最佳实施方式进行详细地说明。
(第一实施方式)
本发明的三维形状测量方法是使从发出具有宽带光谱的照明光的光源到被测量物的光路长，或者从光源到参照镜的光路长变化，通过检测这些光路长相等的位置来测量该被测量物的三维形状的三维形状测量方法，是在下述的三维形状测量装置中执行的方法。
图1是表示本发明的三维形状测量装置的第一实施方式的全体结构的侧视图。
本发明的三维形状测量装置是一种对从白色光源等光源那样产生具有宽带光谱的照明光的光源到被测量物的光路长进行扫描，或者对从光源到参照镜的光路长进行扫描，检测这些光路长相互相等的位置来测量被测量物的三维形状的、使用白色干涉的三维形状测量装置。
在该实施方式中，如图1所示，使用迈克耳逊干涉仪构成了该三维形状测量装置，但本实施方式的三维形状测量装置并不限于这样的干涉仪的结构，例如可以使用米勒干涉仪或具有其他结构的干涉仪来构成。
在该三维形状测量装置中，如图1所示，从卤素灯、氙灯、水银灯、金属卤化物灯、SLD(超辐射二极管)或者LED(发光二极管)等白色光源1发出的照明光通过聚光透镜2成为聚焦光束，由半透半反镜3反射，并通过物镜4成为平行光束，射入到成为光路形成单元的光束分离器5。射入到该光束分离器5的光束由该光束分离器5分成两部分。
由该光束分离器5二分的光束中的一方射入参照镜6，由该参照镜6进行反射。而且，由该光束分离器5二分的光束中的另一方射入被测量物7，由该被测量物7反射。该被测量物7可以通过压电元件8等，沿光轴方向移动操作。这些由参照镜6反射的照明光的返回光以及由被测量物7反射的照明光的返回光分别再次射入光束分离器5，在该光束分离器5中重合。
此外，被测量物7可以是金属以外的反射体、眼底或皮肤等连续体(扩散体)中的任何一种，此外，作为进行膜厚测定的对象还可以是电介质多层膜等。
在光束分离器5中重合的光束经由物镜4透过半透半反镜3，然后通过中继透镜9成为平行光束，输入到彩色照相机10中。
以上是对从镜面状的物体表面正反射的光进行了叙述，关于由于物体表面上的构造衍射或者散射的光，在图1中如虚线所示，通过物镜4以及中继透镜9在彩色照相机10的图像传感器上成像。
为了测定干涉条纹，该彩色照相机10例如是具有R(红色成分)(以下称为R)、G(绿色成分)(以下称为G)以及B(蓝色成分)(以下称为B)三色分析功能的照相机。即，该彩色照相机10对于射入的白色光，经由着色滤波器、分色镜等具有分光透过性的光学元件，或对他们进行组合的颜色分析棱镜接收光，由此具有三色分析功能。在该彩色照相机10中，对于射入的光束，R、G以及B的各成分相互独立地记录干涉条纹。这些R、G以及B的各成分具有一定程度的波长宽度(频带)。
此外，该彩色照相机10，只要可以提取出白色干涉条纹中包含的至少两个以上的相互不同的分光光谱频带成分的干涉条纹即可，这些分光光谱频带成分未必限定为R、G以及B。
而且，在该三维形状测量装置中，为了检测从光源1到被测量物5的光路长以及从光源1到参照镜6的光路长相互相等的位置，即光路差为0的位置，使用压电元件8沿光轴方向对被测量物7(或者参照物6)进行扫描，一边使这些光路差相对地变化一边记录多个干涉条纹。
在将如此得到的白色干涉条纹的各色成分(各分光成分)的干涉条纹信号按照R、G以及B的顺序由IR(z)、IG(z)以及IB(z)表示时，这些IR(z)、IG(z)以及IB(z)可以如以下的式(1)至式(3)表示。
IR(z)＝aR+|SR(z-h)|×cos{kR(z-h)}     ...(式1)
IG(z)＝aG+|SG(z-h)|×cos{kG(z-h)}     ...(式2)
IB(z)＝aB+|SB(z-h)|×cos{kB(z-h)}     ...(式3)
在这些式(1)至式(3)中，a是白色干涉条纹的直流成分，第二项是表示给出振动振幅的包络线的|Si|和以各白色成分的中心波数ki进行振动的正弦波的乘积。此外，z为被测量物体7，或者参照镜6的扫描距离，h为被测量物体7的高度。
图2是表示各分光频带的干涉条纹信号IR(z)、IG(z)、IB(z)的图表。
此外，图3是重叠地表示各分光频带的干涉条纹信号IR(z)、IG·(z)、IB(z)的条纹对比度较高的区域的部分放大的图表。
如图2所示，这三个干涉条纹信号IR(z)、IG(z)、IB(z)以各自的分光频带的中心波长决定的不同波数进行振动。在各自的干涉条纹信号IR(z)、IG(z)、IB(z)中，在扫描距离z和被测量物7的高度h相等时，光路差为0，振幅为最大，对比度为最大。即，这些干涉条纹信号IR(z)、IG(z)、IB(z)的振幅为最大的位置相互相等。因此，此时，如图3所示，重叠了这些干涉条纹信号IR(z)、IG(z)、IB(z)的白色干涉条纹的对比度也取最大值。
因此，如果可以高精度地求出白色干涉条纹的对比度为最大的扫描距离z，则可以得到高度信息h，如上所述，可以通过白色干涉条纹的振幅的包络线，高精度地求出这样的扫描距离z。
因此，在该三维形状测量装置中，将白色干涉条纹的振幅的包络线用于粗略地推定白色干涉条纹的对比度为最大的大概位置。而且，在粗略推定出的范围内，进一步使用三个干涉条纹信号IR(z)、IG(z)、IB(z)的位置信息更加精密地决定白色干涉条纹为最大对比度的位置。在该三维形状测量装置中，通过采用这样的两个阶段的方法，可以高精度并且高分辨力地测量白色干涉条纹为最大对比度的位置。
图4是表示用于求出白色干涉条纹的振幅的包络线以及3个干涉条纹信号IR(z)、IG(z)、IB(z)的相位的顺序的图表。
图5是表示用于求出白色干涉条纹的振幅的包络线以及3个干涉条纹信号IR(z)、IG(z)、IB(z)的相位的顺序的流程图。
即，在该三维形状测量装置中，如图5的步骤st1所示，如果得到了三个干涉条纹信号IR(z)、IG(z)、IB(z)，首先使用以下的(式4)，如图4中的(a)所示，对得到的干涉条纹信号IR(z)、IG(z)、IB(z)分别进行傅立叶变化，设为I’(ω)(图5的步骤st2)。
I’(ω)＝F[I(z)]＝A(ω)+(S’(ω-k0)e-ihω)/2+(S’*[-(ω+k0)e-1hω])/2...(式4)
(∵A(ω)、(S’(ω)分别为a、S
Figure C200580044232D0013114633QIETU
的傅立叶变换)
然后，如图4中的(b)所示，通过滤波仅取出除了直流项以外的正频谱(图5的步骤st3)。然后，进行傅立叶逆变换(图5的步骤st4)。
而且，使用以下的(式5)，如图4中的
Figure C200580044232D0013114650QIETU
所示，通过取得傅立叶逆变换后的信号的振幅的绝对值，可以求出各干涉条纹信号IR(z)、IG(z)、IB(z)的振幅的包络线(图5的步骤st5)。
[数1]
(|~I’(z)|)
[数2]
|~I’(z)|＝|F-1[~I’(ω)]|＝|S(z-h)|/2    ...(式5)
此外，在图5的步骤st4中，根据傅立叶逆变换后的信号，使用以下的(式6)，如图4中的(d)所示，求出各干涉条纹信号IR(z)、IG(z)、IB(z)的相位θ(图5的步骤st6)。
[数3]
θ＝tan-1(Im[~I’(z)])/Re[~I’(z)])    ...(式6)
通过这样的顺序，对R、G以及B各色成分分别求出干涉条纹的振幅的包络线和相位。在此，使用这些干涉条纹信号IR(z)、IG(z)、IB(z)的一个或者将他们重叠后的白色干涉条纹的振幅的包络线，粗略地推定白色干涉条纹的对比度为最大的大概的位置(图5的步骤st7)。
图6是重叠地表示对各个干涉条纹信号IR(z)、IG(z)、IB(z)得到的相位的图表。
如图6所示，各个干涉条纹信号IR(z)、IG(z)、IB(z)的相位各自具有不同的值。但是，在白色干涉条纹的对比度为最大的位置，这些各个信号的相位为相互相等的值。从所述的(式1)至(式3)也可知道，这是在被测量物7或者参照镜6的扫描距离(z)与被测量物体7的高度(h)相等时。
即，在图5的步骤st7中粗略推定的白色干涉条纹的对比度为最大的大概的位置上，检测各干涉条纹信号IR(z)、IG(z)、IB(z)的相位为相互相等的值的位置，来求出被测量物7的高度(h)(图5的步骤st8)。
在该三维形状测量装置中，如上所述，预先使用包络线大概地求出白色干涉条纹的对比度为最大的位置，在该位置的附近求出各色的干涉条纹信号的相位值相互相等的点。由此，可以高精度，并且高分辨力地求出高度信息h。
图7是在三维坐标上表示在该三维形状测量装置中求出的高度信息h的图表。
如图7所示，如上的说明例如是X，Y方向的以200μm角为一块的处理，通过在三维坐标上显示对全部的块进行相同的处理求出的高度信息h，如图7所示，可以表现被测量物体7的形状。此外，该一块的处理的大小可以任意地设定。
但是，在该三维形状测量装置中，当在作为白色干涉条纹的振幅为最大的位置，使用包络线预先大概地求出的范围内，存在多个各色的干涉条纹信号的相位值相互相等的点时，不清楚哪个点是表示正确的高度信息h的点。如同在使用激光的二波长干涉测量等测量中所知道的那样，在两个分光频带的中心波长为λG和λR时，两种颜色的干涉条纹信号的相位值相等的点以合成波长ΛRG(∵ΛRG＝λGλR/(λR-λG))的间隔进行反复。但是，在该三维形状测量装置中，因为使用相干长较短的宽带光，所以白色干涉条纹存在的范围被限定在小于该周期的范围内，所以不存在以下的情况：在白色条纹的对比度为最大的附近包含多个两种颜色的光的相位值一致的点。
以上如同是对空气中的镜面物体进行测量那样，以可以忽视物体或传播媒质的波长分散的情况为例对原理进行了说明。另一方面，在像玻璃、生物体组织、薄膜等那样，具有波长分散，无法忽视反射、散射时的相位变化的波长依存性时，例如有时在R和G的组合中相位值一致的点以及R和B的组合中相位值一致的点之间产生位置偏差。但是，在媒质或试样匀质，其分散特性不依存于场所时，由于波长的组合的不同而导致的相位值一致点的位置偏差量与观测场所无关为一定。因此，例如使用R和G或者使用R和B的两个波长的组合的测量结果的差异，仅为在高度分布上相加与位置偏差量相当的一定的偏置，所以即使在媒质或者试样具有波长分散的情况下，也不会对三维形状的测量造成影响。
此外，在该三维形状测量装置中，如图6所示，各干涉条纹信号IR(z)、IG(z)、IB(z)的相位信息为直线所表示的信息，所以即使进行所采用的数据(标本点)之间的插补，也不会因为在这样的插补中产生的误差导致确定各干涉条纹信号的相位值相互相等的点的精度下降。
此外，在本发明中，在求取各色的干涉条纹信号的相位值相互相等的点时，并不限于上述那样的顺序，还可以使用相位位移法、或其他公知的相位检测方法。
(第二实施方式)
图8是表示本发明的三维形状测量装置的第二实施方式的全体结构的方框图。
如图8所示，该实施方式的三维形状测量装置是，具有：如同白色光源等光源那样发出具有宽带光谱的照明光的光源1；形成该光源1发出的照明光到达参照镜6以及被测量物7的光路的光路形成单元(光束分离器5)、使光源1到被测量物7的光路长，或者从光源1到参照镜6的光路长变化的光路长变化单元(压电元件8)；以及检测各光路长相互相等的位置的检测单元，对被测量物7的三维形状进行测量的三维形状测量装置。
作为光源1，如同卤素灯、氙灯、水银灯、金属卤化物灯、SLD(超辐射二极管)或者LED(发光二极管)等光源那样，可以使用发出具有足够的宽带光谱的照明光的光源，如后所述，所述足够的宽带光谱足可以决定包含白色干涉条纹的振幅的包络线表示最大值的位置的概略位置。
在该三维形状测量装置中，从光源1发出的照明光通过聚光透镜2成为聚焦光束，由半透半反镜3反射，并通过物镜4成为平行光束，射入到成为光路形成单元的光束分离器5。射入到该光束分离器5的光束由该光束分离器5分成两部分。
光束分离器5形成照明光到达参照镜6以及被测量物7的光路。即，由该光束分离器5二分的光束中的一方射入参照镜6，由该参照镜6进行反射。而且，由该光束分离器5二分的光束中的另一方射入被测量物7，由该被测量物7反射。该被测量物7可以通过压电元件8等，沿光轴方向进行移动操作。
这些由参照镜6反射的照明光的第一返回光以及由被测量物7反射的照明光的第二返回光分别再次射入光束分离器5，在该光束分离器5中重合。此外，被测量物7可以是金属以外的反射体、眼底或皮肤等连续体(扩散体)中的任何一种，此外，作为进行膜厚测定的对象还可以是电介质多层膜等。
在光束分离器5中重合的第一返回光以及第二返回光经由物镜4透过半透半反镜3，然后通过中继透镜9成为平行光束，输入到成为摄像单元的彩色照相机10中。在该实施方式中，摄像单元与所述实施方式相同，为彩色照相机10，为了测定干涉条纹，例如是具有R(红色成分)、G(绿色成分)以及B(蓝色成分)三色分析功能的彩色照相机。而且，该彩色照相机10对每个相互不同的分光光谱频带成分输出摄像信号。
该彩色照相机10对于射入的白色光，经由着色滤波器、分色镜等具有分光透过性的光学元件，或对他们进行组合的颜色分析棱镜接收光，由此具有三色分析功能。在该彩色照相机10中，对于射入的光束，R、G以及B的各成分相互独立地记录干涉条纹。这些R、G以及B的各成分具有某种程度的波长宽度(频带)。
此外，该彩色照相机10只要可以提取出白色干涉条纹中包含的至少两个以上的相互不同的分光光谱频带成分的干涉条纹即可，这些分光光谱频带成分未必限定为R、G以及B。该彩色照相机10由控制部11控制来进行动作。作为控制部11例如可以使用个人计算机。
而且，在该三维形状测量装置中，为了检测从光源1到被测量物5的光路长以及从光源1到参照镜6的光路长相互相等的位置，即光路差为0的位置，使用压电元件8沿光轴方向对被测量物7(或者参照物6)进行扫描，一边使这些光路差相对地变化一边记录多个干涉条纹。压电元件8由控制部11控制来进行动作。
而且，作为检测从光源1到被测量物5的光路长以及从光源1到参照镜6的光路长相互相等的位置的检测单元，该三维形状测量装置具备由信号处理部。构成该信号处理部的各功能块由控制部11控制来进行动作。
在信号处理部中，由彩色照相机10输出的摄像信号由存储器12进行存储，并由该存储器12读出发送给概略位置决定单元13。概略位置决定单元13根据表示由第一返回光和第二返回光的干涉产生的白色干涉条纹的光强度的信号，决定包含白色干涉条纹的振幅的包络线表示最大值的位置的概略位置。
图9是说明本发明的三维形状测量装置的第二实施方式中的概略位置决定单元的动作的图表。
在该实施方式中，如图9所示，概略位置决定部13对于由第一返回光和第二返回光的干涉产生的白色干涉条纹的光强度，关于Z轴方向计算每个一定区间的标准偏差，来决定包含白色干涉条纹的振幅的包络线表示最大值的位置的概略位置。
图10是说明本发明的三维形状测量装置的第二实施方式中的概略位置决定单元的动作的流程图。
即，如图10所示，概略位置决定部13在步骤st11中开始动作，进入步骤st12取得有关由第一返回光和第二返回光的干涉产生的白色干涉条纹的光强度的信息(各点(x，y)的光强度信号)。即，按照关于由压电元件8产生的光路长变化(Z轴方向的变化)的一定间隔，进行光强度的采样并存储在存储器中，然后进入到步骤st13。
在步骤st13中，判断是否到达了应该计算标准偏差的最终位置，如果到达了最终位置则进入步骤st16，如果没有到达最终位置则进入步骤st14。
在步骤st14中，计算有关由第n(∵n为自然数，在初始状态下为1)采样值连续的一定个数m的采样值的标准偏差，进入到步骤st15。在该标准偏差的计算中，不取平方根，而是将数据作为整数来进行处理，这样可以实现处理的高速化。在步骤st15中，对n加1，然后返回步骤st13。
所谓在步骤st13中判断的最终位置，是在光强度的采样值为N个时，直到计算有关由第[N-m+1]采样值连续的一定个数m的采样值的标准偏差为止的状态。因此，通过反复执行步骤st13至st15，计算有关由第1采样值连续的一定个数m的采样值的标准偏差，然后计算有关由第2采样值连续的一定个数m的采样值的标准偏差，之后，依次进行标准偏差的计算，直到计算有关由第[N-m+1]采样值连续的一定个数m的采样值的标准偏差为止。
而且，当在步骤st13中判断为到达了应该计算标准偏差的最终位置时，进入到步骤st16。在步骤st16中，将包含计算出的各标准偏差为最大的采样值组的范围决定为包含白色干涉条纹的振幅的包络线表示最大值的位置的概略位置，然后进入到步骤st17中结束。
然后，如图8所示，由存储器12读出的摄像信号(R、G以及B)被发送给相位计算单元15。该相位计算单元15，在概略位置决定单元13决定的概略位置的附近，计算白色干涉条纹中包含的至少两个以上的相互不同的分光光谱频带成分(R以及G、G以及B、或者B以及R)的干涉条纹的相位，并发送给位移计算单元16。即，该相位计算单元15执行所述图5中的步骤st2到步骤st7的处理。
位移计算单元16根据由相位计算单元15得到的相互不同的分光光谱频带成分(R以及G、G以及B、或者B以及R)的干涉条纹的相位，求出这些相位取得相互相等的值的位置。即，该位移计算单元16执行所述图5中的步骤st8的处理。而且，以这些相位为相互相等的值的被测量物7的任意表面为基准，根据通过压电元件8(光路长变化单元)产生的Z轴方向的变化量，求出被测量物7的表面的位移量。
(第三实施方式)
图11是说明本发明的三维形状测量装置的第三实施方式中的概略位置决定单元的动作的图表。
如图11所示，本发明的三维形状测量装置的概略位置决定单元13每次移动一定个数m地计算有关由第一返回光和第二返回光的干涉产生的白色干涉条纹的光强度的、关于Z轴方向的每个一定区间的标准偏差，这样，与所述第二实施方式相比，可以迅速地决定包含白色干涉条纹的振幅的包络线表示最大值的位置的概略位置。
图12是说明本发明的三维形状测量装置的第三实施方式中的概略位置决定单元的动作的流程表。
即，如图12所示，概略位置决定部13在步骤st21中开始动作，然后进入到步骤st22，得到有关由第一返回光和第二返回光的干涉产生的白色干涉条纹的光强度的信息(各点(x，y)的光强度信号)。即，按照关于由压电元件8产生的光路长变化(Z轴方向的变化)的一定间隔，进行光强度的采样并存储在存储器中，然后进入到步骤st23。
在步骤st23中，判断计算标准偏差的范围的移动量K是否在2以下，如果移动量K为2以下则进入到步骤st29并结束，如果移动量不是2以下则进入步骤st24。
在步骤st24中，判断是否到达了应该计算标准偏差的最终位置，如果到达了最终位置则进入步骤st27，如果没有到达最终位置则进入步骤st25。
在步骤st25中，计算关于由第n(∵n为自然数，在初始状态下为1)采样值连续的一定个数m的采样值的标准偏差，然后进入到步骤st26。在该标准偏差的计算中，不取平方根，而将数据作为整数来进行处理，这样可以实现处理的高速化。在步骤st26中，对n相加移动量K，然后返回步骤st24。移动量K的初始值等于一定个数m。
所谓在步骤st24中判断的最终位置，是在光强度的采样值为N个时，与[N/m]的商的整数部相当的次数的计算已结束的状态。因此，通过反复执行步骤st24至st26，计算出关于由第1采样值连续的一定个数m的采样值的标准偏差，然后计算有关第[m+1]采样值之后连续的一定个数m的采样值的标准偏差之后，计算关于由第[2m+1]采样值连续的一定个数m的采样值的标准偏差，之后，依次进行标准偏差的计算。
然后，当在步骤st24中判断为已到达应该计算标准偏差的最终位置时，进入到步骤st27。在步骤st27中，决定包含计算出的各标准偏差为最大的采样值组的范围，然后进入步骤st28。在步骤st28中，将移动量K设为[K/2]，然后返回步骤st23。在该步骤st23中，判断移动量K是否为2以下，如果移动量K为2以下进入步骤st29并结束，如果移动量K不是2以下则进入步骤st24。
即，通过反复执行步骤st23至步骤st28，在包含标准偏差为最大的采样值组以及相邻的采样值组的范围内，计算出关于由第一采样值连续的一定个数m的采样值的标准偏差之后，计算关于由第[m/2+1]采样值连续的一定个数m的采样值的标准偏差，接着，计算关于由第[2m/2+1]采样值连续的一定个数m的采样值的标准偏差，之后，依次进行标准偏差的计算，决定包含该标准偏差为最大的采样值组的范围。
而且，在反复进行该动作直到移动量K为2以下之后，进入到步骤st29并结束。进入步骤st29之前最后执行步骤st28时决定的范围成为包含白色干涉条纹的振幅的包络线表示最大值的位置的概略位置。
(第四实施方式)
图13是说明本发明的三维形状测量装置的第四实施方式中的概略位置决定单元的动作的图表。
如图13所示，本发明的三维形状测量装置的概略位置决定单元13，关于由第一返回光和第二返回光的干涉产生的白色干涉条纹的光强度，关于Z轴方向计算每个一定区间的差分的绝对值，来决定包含白色干涉条纹的振幅的包络线表示最大值的位置的概略位置。
图14是说明本发明的三维形状测量装置的第四实施方式中的概略位置决定单元的动作的流程图。
即，如图14所示，概略位置决定部13在步骤st31中开始动作，然后进入到步骤st32，得到有关由第一返回光和第二返回光的干涉产生的白色干涉条纹的光强度的信息(各点(x，y)的光强度信号)。即，按照关于通过压电元件8产生的光路长变化(Z轴方向的变化)的一定间隔，进行光强度的采样并存储在存储器中，然后进入到步骤st33。
在步骤st33，判断是否到达了应该计算的最终位置，如果到达了最终位置则进入到步骤st36，如果没有到达最终位置则进入步骤st34。
在步骤st34中，计算关于由第n(∵n为自然数，在初始状态下为1)采样值连续的一定个数m的范围中的最初的采样值和最后的采样值的差分的绝对值[|I(zn+m)-I(zn)|](∵I(zn)为最初的采样值，I(zn+m)为最后的采样值)，然后进入步骤st35。在步骤st35中，对n相加移动量m，然后返回步骤st33。移动量m与一定个数m相等。所谓在步骤st33中判断的最终位置，是在光强度的采样值为N个时，与[N/m]的商的整数部相当的次数的计算已结束的状态。因此，通过反复执行步骤st33至st35，计算出关于由第1采样值连续的一定个数m的范围中的最初的采样值和最后的采样值的差分的绝对值之后，计算关于由第[m+1]采样值连续的一定个数m的范围中的最初的采样值和最后的采样值的差分的绝对值，接着，计算关于由第[2m+1]采样值连续的一定个数m的范围中的最初的采样值和最后的采样值的差分的绝对值，之后，依次进行差分的绝对值的计算。
然后，当在步骤st33中判断为已到达应该计算的最终位置时，进入到步骤st36。在步骤st36中，将包含计算出的差分的绝对值为最大的采样值组的范围决定到第二位，然后进入步骤st37。在步骤st37中，求出差分的绝对值为第一位的范围和差分的绝对值为第二位的范围的中心位置，将其决定为包含白色干涉条纹的振幅的包络线表示最大值的位置的概略位置，然后进入步骤st38并结束。
(第五实施方式)
图15是表示本发明的三维形状测量装置的第五实施方式的全体结构的方框图。
本实施方式的三维形状测量装置，作为摄像单元并不限定于具有所述彩色照相机10的结构，如图15所示，替代彩色照相机10也可以做成具有单色照相机10a的结构。在该三维形状测量装置中，选择对单色照相机10a得到的白色干涉条纹数据进行傅立叶变换后得到的分光光谱分布中的一部分，并使用频率滤波器仅分离规定频带的数据，由此可以得到与彩色照相机中进行色分析时相同的相位信息。
即，在该三维形状测量装置中，由该单色照相机10a输出的摄像信号，在信号处理部中，由存储器12进行存储，并由该存储器12读出，发送给概略位置决定部13。概略位置决定单元13，根据表示由第一返回光和第二返回光的干涉产生的白色干涉条纹的光强度的信号，决定包含白色干涉条纹的振幅的包络线表示最大值的位置的概略位置。
由第一返回光和第二返回光的干涉产生的摄像信号，被发送给分光光谱频带成分分配单元17。分光光谱频带成分分配单元17，选择在所述概略位置的附近将由单色照相机10a得到的摄像信号进行傅立叶变换得到的分光光谱分布的一部分，并使用频率滤波器仅分离规定频带(λ1以及λ2)的数据，由此来分离不同分光光谱频带成分。如此，分光光谱频带成分分配单元17，从由单色照相机10a输出的摄像信号，分配成相互不同的分光光谱频带成分(λ1成分以及λ2成分)，发送给相位计算单元15。即，该分光光谱频带成分分配单元17。执行所述图5中的步骤st2、步骤st3的处理。
相位计算单元15，在由概略位置决定单元13决定的概略位置的附近，计算白色干涉条纹中包含的至少两个以上的相互不同的分光光谱频带成分(λ1成分以及λ2成分)的干涉条纹的相位，并发送给位移计算单元16。即，该相位计算单元15执行所述图5中的步骤st4至步骤st7的处理。
位移计算单元16，根据由相位计算单元15得到的相互不同的分光光谱频带成分(λ1成分以及λ2成分)的干涉条纹的相位，求出这些相位取得相互相等的值的位置。即，该位移计算单元16，执行所述图5中的步骤st8的处理。而且，以这些相位成为相互相等的值的被测量物7的任意的表面为基准，根据通过压电元件8产生(光路长变化单元)的Z轴方向的变化量，求出被测量物7的表面的位移量。
产业上的应用
在本发明的三维形状测量方法以及三维形状测量装置中，通过使用白色干涉条纹的振幅信息，以及例如分解为R(红色)、G(绿色)、B(蓝色)等光谱的干涉条纹的相位信息，可以高精度、高分辨力地确定白色干涉条纹的振幅为最大的位置。
此外，在本发明的三维形状测量方法以及三维形状测量装置中，例如，与目前的通过最小二乘法来推定分光光谱区域的相位梯度的方法相比，信号处理简单，可以缩短运算所需要的处理时间。
即，本发明可以提供一种三维形状测量装置，其在使用白色干涉条纹测量被测量物的三维形状的三维形状测量装置(白色干涉测量装置)中，可以缩短运算所需要的处理时间，并且可以高精度地确定白色干涉条纹的振幅为最大的位置。

Claims (13)

1.一种三维形状测量方法，其使从发出具有宽带光谱的照明光的光源到被测量物的光路长、或者从所述光源到参照镜的光路长变化，检测这些光路长相等的位置，由此，来测量该被测量物的三维形状，其特征在于，
包含以下的阶段：
求出包含由于来自所述参照镜的所述照明光的返回光和来自所述被测量物的所述照明光的返回光的干涉而产生的白色干涉条纹的振幅的包络线表示最大值的位置的概略位置的阶段；
提取所述白色干涉条纹中包含的两个以上的相互不同的分光光谱频带成分的干涉条纹的阶段；以及
在所述概略位置附近，求出得到所述相互不同的分光光谱频带成分的干涉条纹的相位为相互相等的值的位置，由此来决定从所述光源到所述被测量物的光路长与从所述光源到所述参照镜的光路长相等的位置的阶段。
2.一种三维形状测量装置，其具有：发出具有宽带光谱的照明光的光源；形成由该光源发出的照明光到达参照镜以及被测量物的光路的光路形成单元；使从所述光源到所述被测量物的光路长、或者从所述光源到所述参照镜的光路长变化的光路长变化单元；以及检测所述各光路长相互相等的位置的检测单元，来对所述被测量物的三维形状进行测量，其特征在于，
具备：
摄像单元，其射入作为所述照明光的来自所述参照镜的反射光的第一返回光以及作为所述照明光的来自所述被测量物的反射光的第二返回光；
概略位置决定单元，其根据从所述摄像单元输出的摄像信号，决定包含由于所述第一返回光和所述第二返回光的干涉而产生的白色干涉条纹的振幅的包络线表示最大值的位置的概略位置；
相位计算单元，其计算所述白色干涉条纹中包含的两个以上的相互不同的分光光谱频带成分的在所述概略位置附近的干涉条纹的相位；以及
位移计算单元，求出由所述相位计算单元得到的所述相互不同的分光光谱频带成分的干涉条纹的相位为相互相等的值的位置，由此计算所述被测量物表面的位移量。
3.根据权利要求2所述的三维形状测量装置，其特征在于，
所述概略位置决定单元，对于所述白色干涉条纹的光强度，以关于由所述光路长变换单元产生的光路长变化的一定间隔进行采样，并且在计算出关于自第一采样值连续的一定个数的采样值的标准偏差之后，计算关于自第二采样值连续的一定个数的采样值的标准偏差，然后，依次进行标准偏差的计算，将包含该标准偏差为最大的采样值组的范围，决定为包含所述白色干涉条纹的振幅的包络线表示最大值的位置的概略位置。
4.根据权利要求2所述的三维形状测量装置，其特征在于，
所述概略位置决定单元，对于所述白色干涉条纹的光强度，以关于由所述光路长变换单元产生的光路长变化的一定间隔进行采样，在计算出关于自第一采样值连续的一定个数m的采样值的标准偏差之后，计算关于自第(m+1)采样值连续的一定个数m的采样值的标准偏差，接着，计算关于自第(2m+1)采样值连续的一定个数m的采样值的标准偏差，然后，依次进行标准偏差的计算，在包含该标准偏差为最大的采样值组以及相邻的采样值组的范围内，计算出关于自第一采样值连续的一定个数m的采样值的标准偏差之后，计算关于自第(m/2+1)采样值连续的一定个数m的采样值的标准偏差，接着，计算关于自第(2m/2+1)采样值连续的一定个数m的采样值的标准偏差，然后，依次进行标准偏差的计算，将包含该标准偏差为最大的采样值组的范围决定为包含所述白色干涉条纹的振幅的包络线表示最大值的位置的概略位置。
5.根据权利要求2所述的三维形状测量装置，其特征在于，
所述概略位置决定单元对于所述白色干涉条纹的光强度，以关于由所述光路长变换单元产生的光路长变化的一定间隔进行采样，并且在计算出关于自第一采样值连续的一定个数m的范围中的最初采样值和最后采样值的差分的绝对值之后，计算关于自第(m+1)采样值连续的一定个数m的范围中的最初采样值和最后采样值的差分的绝对值，接着，计算关于自第(2m+1)采样值连续的一定个数m的范围中的最初采样值和最后采样值的差分的绝对值，然后，依次进行差分的绝对值的计算，将包含该差分的绝对值为最大的采样值组的范围，决定为包含所述白色干涉条纹的振幅的包络线表示最大值的位置的概略位置。
6.根据权利要求2所述的三维形状测量装置，其特征在于，
所述摄像单元，为彩色照相机，且对每个所述相互不同的分光光谱频带成分输出所述摄像信号。
7.根据权利要求2所述的三维形状测量装置，其特征在于，
所述摄像单元为单色照相机，
具备分光光谱频带成分分配单元，其将所述单色照相机输出的摄像信号分配给所述相互不同的分光光谱频带成分。
8.根据权利要求3所述的三维形状测量装置，其特征在于，
所述摄像单元，为彩色照相机，且对每个所述相互不同的分光光谱频带成分输出所述摄像信号。
9.根据权利要求3所述的三维形状测量装置，其特征在于，
所述摄像单元为单色照相机，
具备分光光谱频带成分分配单元，其将所述单色照相机输出的摄像信号分配给所述相互不同的分光光谱频带成分。
10.根据权利要求4所述的三维形状测量装置，其特征在于，
所述摄像单元，为彩色照相机，且对每个所述相互不同的分光光谱频带成分输出所述摄像信号。
11.根据权利要求4所述的三维形状测量装置，其特征在于，
所述摄像单元为单色照相机，
具备分光光谱频带成分分配单元，其将所述单色照相机输出的摄像信号分配给所述相互不同的分光光谱频带成分。
12.根据权利要求5所述的三维形状测量装置，其特征在于，
所述摄像单元，为彩色照相机，且对每个所述相互不同的分光光谱频带成分输出所述摄像信号。
13.根据权利要求5所述的三维形状测量装置，其特征在于，
所述摄像单元为单色照相机，
具备分光光谱频带成分分配单元，其将所述单色照相机输出的摄像信号分配给所述相互不同的分光光谱频带成分。
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