JP2008170282A

JP2008170282A - 形状測定装置

Info

Publication number: JP2008170282A
Application number: JP2007003912A
Authority: JP
Inventors: Tomoaki Yamada; 智明山田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2007-01-11
Filing date: 2007-01-11
Publication date: 2008-07-24

Abstract

【課題】被検物の表面形状の影響を受けることがないように投影パターンを生成して正確な三次元形状測定を行うことができるような測定装置を提供することを目的とする。
【解決手段】被検物に所定の投影パターンを投影するパターン投影部と、前記投影パターンが投影された前記被検物を撮像する撮像部と、前記撮像部により得られた撮像画像から前記投影パターンに対応する前記被検物の複数の部分の光軸方向の位置を演算する形状演算部と、前記パターン投影部により投影された前記投影パターンと前記撮像部により得られた撮像画像との位置の対応づけを行うとともに、前記撮像画像の画像面上の点の輝度を演算する輝度演算部と、前記輝度演算部により得られた前記撮像画像の画像面上の点の輝度により、前記投影パターン上の点に対して輝度の補正を行うパターン補正部とを備える形状測定装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、パターン投影により３次元形状を測定する装置に関する。

工業製品等の物体の表面形状を測定する技術は従来から種々提案されており、その一つに光学式の三次元形状測定装置がある。光学式の三次元形状測定装置も種々の方式、構成のものがあるが、被検物に所定の投影パターン（縞模様や、格子模様）を投影して被検物を撮像し、その撮像画像から各画像位置（各画素）での縞の位相を求めて各画像位置の高さを算出し、被検物の三次元表面形状を測定するものがある（特許文献１参照）。

このような装置においては、例えば、被検物の表面に縞パターンからなる投影パターンを投影し、投影方向と異なる角度から被検物に投影された縞パターンを撮像し、撮像された被検物表面の撮像画像より縞パターンの位相分布を算出し、三角測量の原理等を用いて被検物表面の三次元形状を求めるように構成されている。

その構成例を図４に示しており、光源５１からの光が縞模様の投影パターンマスク５２及び投影レンズ５３を通して被検物５４の表面に投影される。被検物５４の表面に投影された投影パターンマスク５２の縞模様は、被検物５４の表面三次元形状に応じて変形され、このように変形された被検物５４の表面のパターンを投影方向と異なる角度から撮像レンズ５５を介して撮像装置５６（例えば、ＣＣＤセンサ）により撮像されて、演算処理装置５７に送られ、ここで撮像画像データの演算処理が行われる。演算処理装置５７においては、このように撮像された被検物表面の撮像画像データより縞パターンの位相分布を算出し、三角測量の原理等を用いて被検物表面の三次元形状を求める演算処理が行われる。

特開２０００−９４４４号公報

ところで、被検物上での散乱光を利用することから上述の三次元形状測定が行われているが、被検物の表面状態や投影パターンの入射角によっては散乱光が十分に得ることができなかったり、表面傾斜によっては正反射光の影響でハレーションを生じて、適正なコントラスト比の投影パターンの撮像画像を取得することができないという問題がある。当然ながらこのような投影パターンの撮像画像を用いて三次元測定を行った場合、その測定結果が誤差を有することになる。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、被検物の表面形状の影響を受けることがないように投影パターンを生成して正確な三次元形状測定を行うことができるような測定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決して目的を達成するため、本発明に係る形状測定装置は、被検物に所定の投影パターンを投影するパターン投影部と、前記投影パターンが投影された前記被検物を撮像する撮像部と、前記撮像部により得られた撮像画像から前記投影パターンに対応する前記被検物の複数の部分の光軸方向の位置を演算する形状演算部と、前記パターン投影部により投影された前記投影パターンと前記撮像部により得られた撮像画像との位置の対応づけを行うとともに、前記撮像画像の画像面上の点の輝度を演算する輝度演算部と、前記輝度演算部により得られた前記撮像画像の画像面上の点の輝度により、前記投影パターン上の点に対して輝度の補正を行うパターン補正部とを備える。

なお、前記輝度演算部は、前記形状演算部により得られた前記被検物の形状測定結果から、前記パターン投影部により投影された前記投影パターン上の点と前記撮像部により得られた撮像画像の画像面上の点との位置の対応づけを行うように構成することが好ましい。

また、前記パターン補正部は、前記輝度演算部により得られた前記投影パターン上の点及び前記撮像画像の画像面上の点の輝度を用いて行う前記投影パターン上の点に対する輝度の補正は、輝度の明部が前記撮像部の感度範囲内で２次元の広がりをもつように補正するように構成することが好ましい。

以上説明したように構成される本発明によれば、投影パターン上の点及び撮像画像の画像面上の点の輝度を算出し、投影パターン上の点に対して輝度の補正を行い、適正なコントラスト比の投影パターンの撮像画像から三角測量の原理に基づいて被検物の三次元形状を求める構成であり、被検物の表面形状により撮像された投影パターンのコントラスト比が極端に大きくなった場合でも、正確な三次元形状測定を行うことが可能である。

以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。本発明に係る三次元形状測定装置の概略構成を図１に示しており、まず、この形状測定装置について、図１を参照して説明する。

この形状測定装置は、光源１と、光源１からの光に縞模様を与えるための投影パターンマスク２と、投影パターンマスク２を通過した光源１からの光を被検物２０の表面に投影させる投影レンズ（群）３とからなるパターン投影部と、被検物２０からの反射光を撮像レンズ（群）４を介して撮像する撮像装置５からなる撮像部と、を有して構成される。

パターン投影部において、投影パターンマスク２は例えば液晶素子により構成され、投影パターン発生装置６により任意のピッチ及び任意の輝度の投影パターン（例えば、正弦波状の縞模様パターン）を生成できる。これにより、光源１からの光をこの投影パターンマスク２を通過させ、投影レンズ３により集光させ、被検物２０の表面に投影パターンマスク２により形成された所望の投影パターンを投影させることができる。

撮像部は、被検物２０からの反射光を撮像レンズ４を介して被検物２０を撮像する撮像装置５（例えば、ＣＣＤカメラ）を備えている。撮像装置５により撮像された被検物２０の画像データは、演算処理装置７に送られ、ここで以下に説明する画像演算処理がなされ、被検物２０の表面形状測定が行われる。なお、パターン投影部、撮像部は一つのフレームにより一体に固定されて構成されており、被検物２０は図示しない支持台上に載置されて支持されている。

演算処理装置７は、撮像装置５により撮像された被検物２０の画像データから被検物２０のパターンに対応する各部分の光軸方向の位置を演算する形状演算部８と、パターン投影部により投影された投影パターンマスク２上の点と撮像装置５により得られた撮像画像面上の点との位置の対応づけを行い、投影パターンマスク２上の点の輝度及び撮像画像面上の点の輝度を演算する輝度演算部９と、投影パターンマスク２の輝度を補正するパターン補正部１０と、撮像装置５により得られた撮像画像の輝度を補正する画像補正部１１とを備えている。

以上のように構成された表面形状測定装置を用いて被検物２０の表面形状を測定する方法を、図２のフローチャートを参照して以下に説明する。

この測定に際しては、まず、投影パターン発生装置６により投影パターンマスク２を第一縞パターン（被検物２０の形状測定が可能な程度ピッチの大きな正弦波状の粗な縞パターン）に生成する（ステップＳ１）。光源１からの光を投影パターンマスク２及び投影レンズ３を介して被検物２０に照射させて被検物２０の表面に第一縞パターンを投影する。このように投影されて被検物２０から反射する光は撮像レンズ４を介して集光され、撮像装置５により被検物表面に投影された第一縞パターンを撮像する（ステップＳ２）。

これら撮像装置５による撮像は、投影パターンマスク２により形成された第一縞パターンの位相を変えて複数回（例えば、図２における位相１、位相２、位相３）行われて、一組の撮像画像群を得る。このようにして得られた画像データは、撮像装置５から演算処理装置７に送られる。

一般に、パターン投影法では、複数のエッジパターン又は同一位相の正弦波パターンが存在するために、隣接するパターンとの弁別（アンラッピング）をする必要がある。ここでは、第一縞パターン（ピッチの大きい粗な縞パターン）と以下に説明する第一縞パターンよりもピッチの小さい第二縞パターン（密な縞パターン）を投影し、アンラッピングを容易にすることができる。

図３（Ａ）に示すように、上記のようにして画像データが送られると、演算処理装置７内の形状演算部８において、被検物２０の光軸方向の位置を演算する（ステップＳ３）。第一縞パターンを投影して得られた画像データから被検物２０の光軸方向の位置（明確に演算できない部分を含む）を演算することにより、被検物２０に投影された投影パターンマスク２上の点と撮像画像の画像面上の点との位置の対応づけを行うことができる。さらに、例えば、明確に被検物２０の光軸方向の位置を演算できない部分に位置する撮像画像の画面上の点Ｐ（Ｘ，Ｙ）を検出することにより、投影パターンマスク２が被検物２０に十分なコントラスト比で投影されていない投影パターンマスク２上の点Ｑ（ｘ，ｙ）を検出することができる。なお、投影パターンマスク２上の点と撮像画像の画像面上の点との位置の対応づけは、投影パターンマスク２上の点毎に点灯させて画像面上の点を結像させても行うことができる。

また、演算処理装置７内の輝度演算部９において、投影パターンマスク２が被検物２０に十分なコントラスト比で投影されていない投影パターンマスク２上の点Ｑ（ｘ、ｙ）の輝度Ｂ（ｘ，ｙ）及び前記点Ｑ（ｘ，ｙ）と位置の対応づけがされた撮像画像の画像面上の点Ｐ（Ｘ，Ｙ）の輝度Ｂ（Ｘ，Ｙ）を求める（ステップＳ４）。したがって、前記点Ｑ（ｘ，ｙ）の輝度Ｂ（ｘ，ｙ）と前記点Ｐ（Ｘ，Ｙ）の輝度Ｂ（Ｘ，Ｙ）の対応づけをすることができる。

次に、被検物２０の正確な形状を測定するために、第二縞パターン（第一縞パターンよりもピッチの小さい密な縞パターン）を被検物２０に投影するが、図３（Ｂ）に示すように、被検物２０に十分なコントラスト比で投影されない投影パターンマスク２の部分の輝度を補正する必要がある。したがって、演算処理装置７内のパターン補正部１０において、投影パターンマスク２が被検物２０に十分なコントラスト比で投影されていない投影パターンマスク２上の点Ｑ（ｘ，ｙ）の輝度Ｂ（ｘ，ｙ）を用いて、被検物２０に十分なコントラスト比で投影されない投影パターンマスク２の部分の輝度を補正する（ステップＳ５）。

投影パターンマスク２が被検物２０に十分なコントラスト比で投影されない投影パーンマスク２の部分の輝度の補正は、以下の式（１）を用いて行われる。

Ｓ（ｘ，ｙ）＝ｃ〔ｓｉｎ（ａｘ＋ｂ）／Ｂ（ｘ，ｙ）〕（１）
ここで、Ｓ（ｘ，ｙ）は補正後の投影パターンマスク２の輝度、ａは投影パターンマスク２のピッチ、ｂは投影パターンマスク２の位相、ｃは任意に決めることができる輝度係数である。

式１において、被検物２０に十分なコントラスト比で投影されない投影パターンマスク２の部分の輝度は、投影パターンマスク２が被検物２０に十分なコントラスト比で投影されていない撮像画像の画像面上の点Ｐ（Ｘ，Ｙ）の輝度Ｂ（Ｘ，Ｙ）と対応づけがされた投影パターンマスク２上の点Ｑ（ｘ，ｙ）の輝度Ｂ（ｘ，ｙ）と逆数の関係にあるので、撮像画像が被検物２０の明確な形状測定が可能な程度に十分な輝度Ｂ（Ｘ，Ｙ）を得られない点Ｐ（Ｘ，Ｙ）では、その点Ｐ（Ｘ，Ｙ）に対応する投影パターンマスク２上の点Ｑ（ｘ，ｙ）の輝度Ｂ（ｘ，ｙ）を正確な形状測定が可能な程度に十分な輝度に補正することができる。なお、輝度は、撮像装置５の感度で規格化することで輝度B（ｘ，ｙ）を撮像装置５の感度範囲内で適度な非線形性を有する広がりを持たせることができる。

上記のような投影パターンマスク２が被検物２０に十分なコントラスト比で投影されない投影パーンマスク２の部分の輝度の補正は、補正後の投影パターンマスク２上の点Ｑ（ｘ，ｙ）の輝度Ｂ（ｘ，ｙ）の明部が広がりをもつように補正することにより、投影パターンマスク２が被検物２０に十分なコントラスト比で投影されていない投影パターンマスク２上の点Ｑ（ｘ，ｙ）と撮像画像の画像面上の点Ｐ（Ｘ，Ｙ）との位置の対応づけにより生じる誤差の影響を軽減することができる。

図３（Ｃ）に示すように、上記にように投影パターンマスク２を被検物２０に十分なコントラスト比で投影されない投影パターンマスク２の部分の補正を行い、第二縞パターンを生成する（ステップＳ６）。そして、第一縞パターンと同様にして、撮像装置５により被検物表面に投影された第二縞パターンを撮像する（ステップＳ７）。

さらに、第一縞パターンの際と同様に、撮像装置５により第二縞パターンの位相を変えて複数回（例えば、図２における位相１、位相２、位相３）撮像を行い画像データを得る。このように得られた画像データを演算処理装置７に送り、演算処理装置７内の輝度演算部９において、被検物２０に第二縞パターンを投影して得られた撮像画像の輝度Ｃ１（Ｘ，Ｙ）を算出する。

しかしながら、第二縞パターンは、投影パターンマスク２において被検物２０に十分なコントラスト比で投影されない投影パターンマスク２の部分の輝度を補正して生成されている部分があるので、第二縞パターンを投影して得られた撮像画像の輝度分布Ｃ１（Ｘ，Ｙ）をこのまま用いても、正確な被検物２０の形状測定結果を得ることができない。

そこで、第二縞パターンを投影して得られた撮像画像の輝度Ｃ１（Ｘ，Ｙ）を、第二縞パターンの輝度Ｓ（ｘ，ｙ）に対応する部分の撮像画像の輝度Ｒ（Ｘ，Ｙ）と、第二縞パターンの輝度Ｓ（ｘ，ｙ）に対応する部分以外の撮像画像の輝度Ｔ（Ｘ，Ｙ）とに分けることができ、正確な被検物２０の形状測定結果を得るためには前記輝度Ｒ（Ｘ，Ｙ）を補正しなおす必要がある。したがって、演算処理装置７内の画像補正部１１において、前記投影パターンマスク２の補正（ステップＳ５）のときに用いた輝度Ｂ（ｘ，ｙ）に対応する撮像画像の画像面上の点Ｐ（Ｘ，Ｙ）の輝度Ｂ（Ｘ，Ｙ）を用いて前記輝度Ｒ（Ｘ，Ｙ）を補正する（ステップＳ８）。

ここで、第二縞パターンによる投影は、第一縞パターンによる投影の際における投影パターンマスク２及び被検物２０及び撮像装置５等の位置関係を全く変化させていないので、第一縞パターンを投影して得られた投影パターンマスク２上の点と撮像画像の画像面上の点との位置の対応をそのまま用いることができる。

第二縞パターンを投影して得られた撮像画像の輝度Ｃ１（Ｘ，Ｙ）の一部分である前記輝度Ｓ（ｘ，ｙ）に対応する部分の撮像画像の輝度Ｒ（Ｘ，Ｙ）を補正して得られる撮像画像の輝度Ｃ２（Ｘ，Ｙ）は、以下の式（２）を用いて算出される。

Ｃ２（Ｘ，Ｙ）＝Ｒ（Ｘ，Ｙ）×Ｂ（Ｘ，Ｙ）＋Ｔ（Ｘ，Ｙ）（２）

そして、撮像画像の輝度Ｃ２（Ｘ，Ｙ）を用いて各画像の位相値を算出し、三角測量の原理を用いて被検物２０の形状測定を行う（ステップＳ９）。

以上のようにして、被検物２０に投影された投影パターンマスク２の撮像画像において、投影パターンマスク２の全ての必要箇所の詳細な位相情報（被検物２０の正確な形状測定を行うことができる画像データ）を得ることができるので、被検物２０の三次元形状を正確に測定することができる。

本発明の実施形態に係る三次元形状測定装置の構成を示す概略構成説明図である。上記本発明に係る形状測定方法を示すフローチャートである。上記形状測定方法において、（Ａ）は第一縞パターン投影による投影点Ｑと結像点Ｐの位置の対応を示す概略構成説明図、（Ｂ）は第二縞パターンの生成を示す概略構成説明図、（Ｃ）は第二縞パターン投影による輝度分布の概略構成説明図である。従来の形状測定装置の構成を示す概略構成説明図である。

符号の説明

１光源２投影パターンマスク
３投影レンズ４撮像レンズ
５撮像装置６投影パターン発生装置
７演算処理装置８形状演算部
９輝度演算部１０パターン補正部
１１画像補正部２０被検物

Claims

被検物に所定の投影パターンを投影するパターン投影部と、
前記投影パターンが投影された前記被検物を撮像する撮像部と、
前記撮像部により得られた撮像画像から前記投影パターンに対応する前記被検物の複数の部分の光軸方向の位置を演算する形状演算部と、
前記パターン投影部により投影された前記投影パターンと前記撮像部により得られた撮像画像との位置の対応づけを行うとともに、前記撮像画像の画像面上の点の輝度を演算する輝度演算部と、
前記輝度演算部により得られた前記撮像画像の画像面上の点の輝度により、前記投影パターン上の点に対して輝度の補正を行うパターン補正部と、
を備える形状測定装置。
前記輝度演算部は、前記形状演算部により得られた前記被検物の形状測定結果から、前記パターン投影部により投影された前記投影パターン上の点と前記撮像部により得られた撮像画像の画像面上の点との位置の対応づけを行うことを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
前記パターン補正部は、前記輝度演算部により得られた前記投影パターン上の点及び前記撮像画像の画像面上の点の輝度を用いて行う前記投影パターン上の点に対する輝度の補正は、輝度の明部が前記撮像部の感度範囲内で２次元の広がりをもつように補正することを特徴とする請求項１もしくは請求項２に記載の形状測定装置。