JP2008256504A

JP2008256504A - 形状測定装置

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Publication number: JP2008256504A
Application number: JP2007098335A
Authority: JP
Inventors: Tomoaki Yamada; 智明山田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2007-04-04
Filing date: 2007-04-04
Publication date: 2008-10-23

Abstract

【課題】被検物の表面形状を短時間で精度よく測定可能な形状測定装置を提供する。
【解決手段】波長に応じた透過率で光を透過する媒質６０中で被検物９０を保持する保持部５５と、保持部５５に保持された被検物９０に所定波長の照明光を媒質６０中を通過させて照射する照明部１０と、照明部１０により照明光を照射された被検物９０から媒質６０中を通過して戻ってくる反射光を受けて被検物９０の像を撮像する撮像部２０，３０と、撮像部２０，３０で撮像された像の光強度および媒質６０の透過率に基づき、被検物９０の表面９０ａの光軸方向における距離を求め、被検物９０の表面９０ａの三次元形状を測定する測定部４０と、を有して構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、工業製品等の表面形状を測定するための光学式の形状測定装置に関する。

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、その一つに、被検物を照明して被検物からの反射光を受光し、その反射光について解析して被検物までの距離を測定し、被検物の表面形状を測定する方式が知られている（例えば、特許文献１参照）。この方式には、光の伝播時間を検出して被検物までの距離を測定する方法や、変調された照明光を照射して被検物からの反射光との位相差を検出して被検物までの距離を測定する方法等があり、いずれの方法においても検出値と光速度とを用いて被検物までの距離が求められる。

特開２００６−８４４２９号公報

しかしながら、上記のように光速度を用いて反射光の伝播時間や反射光の位相差を検出する方式によると、これらを正確に検出するには測定レンジを大きくする必要があるなど、測定精度を高くすることが難しかった。

このような課題に鑑み、本発明は、被検物の表面形状の測定を精度よく行うことができる形状測定装置を提供することを目的とする。

上記目的達成のため、本発明は、波長に応じた透過率で光を透過する媒質中で被検物を保持する保持部と、保持部に保持された被検物に所定波長の照明光を媒質中を通過させて照射する照明部と、照明部により照明光を照射された被検物から媒質中を通過して戻ってくる反射光を受ける受光部と、この受光部で受光された光強度および媒質の透過率に基づき、被検物の表面までの媒質の距離を求め、被検物の表面の三次元形状を測定する測定部とを有して構成されている。

このような本発明に係る形状測定装置の構成によると、照明光や反射光が媒質中を通過する過程で、その光強度が媒質中を通過した距離に応じて減衰されるため、受光した反射光の光強度から光が媒質中を通過した距離を求めることができ、この距離に基づいて被検物の表面形状を測定することができる。このように、測定に必要な動作を簡易にして短時間で被検物の表面形状の測定を行うことができ、また、受光した光強度および媒質の透過率に基づいて被検物までの距離を測定する方式であるため、光速度を用いる方式に比べて測定精度を容易に高くすることができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。図１に示す形状測定装置１は、ハウジング２の内部に、被検物９０に照明光を照射する照明光学系１０と、被検物９０からの反射光を受けて被検物９０の像を結像する第１および第２結像光学系２０，３０と、各結像光学系２０，３０により結像された像に基づいて被検物９０の三次元形状を測定する測定部４０とが設けられて構成されており、純水６０（以下、単に水とも称する）が入ったチャンバ５０の内部に出し入れ自在に配設される。チャンバ５０は、被検物９０の製造工程の一つをなす超音波洗浄工程で利用される水槽であり、被検物９０を水中で移動自在に保持するホルダ５５が設けられている。被検物９０は、例えば携帯電話機のケーシングを成型するために用いられる金型などの工業製品であり、形状測定を行うにあたって１０μm程度の精度が要求される。

ハウジング２は、照明光学系１０が収容された第１鏡筒部２Ａと、第１結像光学系２０が収容された第２鏡筒部２Ｂと、第２結像光学系３０が収容された第３鏡筒部２Ｃとを有して構成されている。第２および第３鏡筒部２Ｂ，２Ｃは、それぞれ第１鏡筒部２Ａに連なって第１鏡筒部２Ａの延びる方向に対して同一の垂直方向に延び、互いに所定距離L3だけ離れて配置されている。

照明光学系１０は、光源１１と、コンデンサレンズ１２と、波長選択フィルタ１３とを有して構成されている。光源１１は、所定の光強度I₀の照明光を照射する。波長選択フィルタ１３は、第１および第２フィルタ１３ａ，１３ｂを有して構成されており、矢印Ａで示すようにこれらフィルタ１３ａ，１３ｂを移動させていずれかを選択して照明光路に挿入する選択機構（図示略）が備えられている。第１結像光学系２０は、第１対物レンズ２１と、第１カメラ２２とを有して構成されており、第２結像光学系３０は、第２対物レンズ３１と、第２カメラ３２とを有して構成されている。第１および第２対物レンズ２１，３１は、両結像光学系２０，３０の倍率が互いに等しくなるように設定されており、各カメラ２２，３２の撮像面２２ａ，３２ａには、ＣＣＤ等の光電変換素子が設けられている。

上記の照明光学系１０によると、光源１１からの照明光が、コンデンサレンズ１２を介して平行光になって波長選択フィルタ１３に入射する。図１に示すように第１フィルタ１３ａが光路に挿入されたときには、第１波長ν1の照明光が第１フィルタ１３ａから出射する。また、第１フィルタ１３ａが光路外に退出されて第２フィルタ１３ｂが光路に挿入されたときには、第２波長ν2の照明光が第２フィルタ１３ｂから出射する。このように、この照明光学系１０は、異なる２つの波長の照明光を照射可能に構成されている。波長選択フィルタ１３を透過した照明光は、第２ハーフミラー１７を透過し、第１出入部２ａを介してハウジング２の外部、すなわちチャンバ５０内の水６０の中に進入する。水中を所定距離L3だけ通過すると、第２出入部２ｂを介して再びハウジング２内に進入する。そして、第１ハーフミラー１６を透過し、第３出入部２ｃを介して再び水中に進入し、被検物９０の表面９０ａを照明する。第３出入部２ｃから被検物９０の表面９０ａまでの距離Lは、照明光が照射される部分ごとに相違するが、概ね200mm程度に設定されている。

被検物９０から戻ってくる反射光のうち第３出入部２ｃに向かう光は、水中を通過して第３出入部２ｃを介してハウジング２内に進入し、第１ハーフミラー１６に入射する。このうち、第１ハーフミラー１６で反射された光は、第２鏡筒部２Ｂ内に導かれて第１対物レンズ２１を介して集光され、第１カメラ２２の撮像面２２ａに被検物９０の像が結像される。一方、第１ハーフミラー１６を透過した光は、第２出入部２ｂを介して再び水中に進入し、第１出入部２ａを介して再びハウジング２内に進入し、第２ハーフミラー１７に入射する。第２ハーフミラー１７で反射された光は、第３鏡筒部２Ｃ内に導かれて第２対物レンズ３１を介して集光され、第２カメラ３２の撮像面３２ａに被検物９０の像が結像される。このように、第２結像光学系３０で結像される被検物９０から戻ってくる反射光は、第１結像光学系２０に比べ、第１および第２出入部２ａ，２ｂの対向間隔L3の分だけ水中における光路長（通過距離）が長くなる。

なお、各出入部２ａ〜２ｃは、板厚の薄いガラス板で成形され、両側面が光軸に垂直な平面を形成するように設けられている。また、各ハーフミラー１６，１７は、透過率が50%に設定されている。

測定部４０は、各カメラ２２，３２から撮像面２２ａ，３２ａに結像された像の光強度の情報が伝達され、この情報に基づいて被検物９０の表面９０ａの形状を測定するように構成されており、伝達された光強度の情報を記憶する記憶部や、演算によって被検物９０の表面９０ａの形状を測定する演算部等を有して構成されている。

ここで、被検物９０の表面９０ａが光軸方向に対して凹凸を有していれば、照明光が照射された部分のそれぞれ（各測定点）の形状に応じて、光が水中を通過する距離が相違する。このとき、水６０は波長に応じた吸収率で光を吸収する性質を有しており、水中の通過距離が長いほどその光強度の減衰が大きくなる。図２には、光が水中を通過する距離を200mmとした場合の波長νと水の透過率a₂₀₀（0≦a₂₀₀≦1）との関係を示しており、水の透過率a₂₀₀は、波長νが長くなるに従って次第に減少する傾向にあるとわかる。本実施例では、第１フィルタ１３ａから出射される照明光の波長（第１波長）ν1がおよそ920nmに設定され、第２フィルタ１３ｂから出射される照明光の波長（第２波長）ν2がおよそ1060nmに設定されている。このように第１および第２波長ν1，ν2は、近赤外域にあり、第３出入部２ｃと被検物９０の表面９０ａとの間のおよその距離（本実施例では200mmと想定している）に応じた透過率が約0.1となるように波長が選択されている。また、第１および第２波長ν1，ν2は、波長の変化に対する透過率の変化（da₂₀₀/dν）が大きい箇所から選択されている。

以下、上記の形状測定装置１を用いて被検物９０の表面形状を測定する方法について説明する。この測定は被検物９０の洗浄と同時に行われ、測定に際しては、ハウジング２がチャンバ５０内に設置され、第１フィルタ１３ａが光路に選択挿入され、ホルダ５５に保持された被検物９０に第１波長ν1の照明光が照射される。被検物９０からは第１波長ν1の光が反射され、この反射光を受けて各カメラ２２，３２の撮像面２２ａ，３２ａに被検物９０の表面９０ａの像が結像される。測定部４０には、第１カメラ２２の撮像面２２ａに結像された像の光強度C1_ν1の情報が、撮像面２２ａを構成する画素ごとに伝達され、また、第２カメラ３２の撮像面３２ａに結像された像の光強度C2_ν1の情報が、撮像面３２ａを構成する画素ごとに伝達される。これら伝達された情報は、測定部４０の記憶部に記憶される。次に第２フィルタ１３ｂが選択挿入され、被検物９０に第２波長ν2の光が照射される。被検物９０からは第２波長ν2の光が反射され、この反射光を受けて各カメラ２２，３２の撮像面２２ａ，３２ａに被検物９０の表面９０ａの像が結像される。上記と同様にして測定部４０には、第１カメラ２２の撮像面２２ａに結像された像の光強度C1_ν2の情報が画素ごとに伝達され、第２カメラ３２の撮像面３２ａに結像された像の光強度C2_ν2の情報が画素ごとに伝達される。

ハウジング２の第３出入部２ｃと、被検物９０上のある測定点との間の距離をLとしたとき、この測定点の像が結像されている画素で検出された光強度C1_ν1，C1_ν2は、次式(1)，(2)でそれぞれ表される。

C1_ν1＝I₀×R_ν1×a_ν1 ^2L+L3×α …(1)
C1_ν2＝I₀×R_ν2×a_ν2 ^2L+L3×α …(2)

なお、I₀は照明光の光強度、R_ν1は第１波長ν1の照明光に対する被検物９０の反射率、R_ν2は第２波長ν2の照明光に対する被検物９０の反射率、a_ν1は第１波長ν1の光が水中を単位距離（1mm）だけ通過したときの透過率、a_ν2は第２波長ν2の光が水中を単位距離だけ通過したときの透過率、αは光がハーフミラー１６，１７を透過・反射する際、各出入部２ａ〜２ｃを透過する際、ハウジング２の内部を通過する際など、ハウジング２の構造や光学系の構成から予め定めることができる光の減衰率である。各式に表されるように、被検物９０の表面９０ａにおいて光軸方向に出っ張った部分については、距離Lが短くなって光強度C1_ν1，C1_ν2の減衰が小さくなり、第１および第２カメラ２２，３２の撮像面２２ａ，３２ａに結像された像が明るくなる。逆に光軸方向に凹んでいる部分については、距離Lが長くなって光強度C1_ν1，C1_ν2の減衰が大きくなり、第１および第２カメラ２２，３２の撮像面２２ａ，３２ａに結像された像が暗くなる。

なお、第１および第２波長ν1，ν2に対する被検物９０の反射率R_ν1，R_ν2はほぼ等しく設定されている。第１および第２波長ν1，ν2は、上記のように水の透過率が設定されるように定められているとともに、このように反射率R_ν1，R_ν2が設定されるように定められている。なお、このような波長の設定は、被検物９０の表面９０ａの材料等の物性を知ることにより行うことができる。以下では便宜上、R_ν1，R_ν2＝R …(3)としており、この式(3)と、式(1)，(2)とにより、次式(4)が導かれる。

式(4)のL3は、第１および第２出入部２ａ，２ｂの対向間隔であってハウジング２の構造から予め定めることができる値であり、水の透過率a_ν1，a_ν2についても、第１および第２波長ν1，ν2の値が定まると、チャンバ５０内の水６０が純水である限り物性として予め定めることができる値である。これら既知の値と、撮像面２２ａの光電変換素子により検出された光強度C1_ν1，C1_ν2の値とを用い、式(4)から、第３出入部２ｃから計測点までの距離Lが算定される。なお、式(4)を用いて距離Lを算定可能にするため、第１波長ν1に対する水の透過率a_ν1と第２波長ν2に対する水の透過率a_ν2とは異なる値に設定されるように第１および第２波長ν1，ν2が選択設定されている。また、式(4)に表されているとおり、式(3)が成立するように第１および第２波長ν1，ν2が設定されているため、照明光の光強度I₀や各ハーフミラー１６，１７等による光の減衰率αとともに被検物９０の反射率Rを用いずに距離Lを算定することができるようになっている。このように予め被検物９０の照明光に対する被検物９０の反射率を考慮して波長を選択しておくことにより、測定段階で被検物９０の反射率を考慮しなくても距離Lの算定を行うことができ、安定した測定結果を得ることができるようになる。この距離Lの算定は、各画素に対して行われ、これにより撮像面２２ａに結像された範囲内で被検物９０の表面９０ａの形状が測定される。

ただし、この形状測定装置１の実用時には、特に本実施例のように洗浄工程に用いられるチャンバ５０内に保持された被検物９０の形状を測定する場合などに、チャンバ５０内の純水６０の中に不純物が混入して水の透過率の実際値が不安定になるおそれがある。以下では、水の透過率を実際の状態を反映したものに補正し、求めた透過率の補正値に基づいて第３出入部２ｃと被検物９０上の測定点との距離の補正値L′を求める方法について説明する。

このような形状測定を行うために、第２結像光学系３０により第２カメラ３２の撮像面３２ａに結像された像の光強度C2_ν1，C2_ν2の情報が用いられる。ハウジング２の第３出入部２ｃと、被検物９０上のある測定点との間の距離をLとしたとき、この測定点の像が結像された画素で検出された光強度C2_ν1，C2_ν2は、式(1)，(2)と同様に、次式(5)，(6)でそれぞれ表される。

C2_ν1＝I₀×R_ν1×a_ν1′^2L+2L3×β …(5)
C2_ν2＝I₀×R_ν2×a_ν2′^2L+2L3×β …(6)

なお、βは、式(1)，(2)におけるαと同様に、ハウジング２の構造や光学系の構成から予め定めることができる光の減衰率である。式(4)により算定された距離Lを用い、式(5)，(6)から、第１および第２波長ν1，ν2に対する水の透過率a_ν1′，a_ν2′が算定される。このようにして算定された水の透過率a_ν1′，a_ν2′を用い、式(4)と同様の次式(7)に基づき、第３出入部２ｃと測定点との距離の補正値L′が改めて求められる。

この距離の補正値Lの算定は各画素に対して行われる。これにより撮像面２２ａに結像された範囲内で被検物９０の表面９０ａの高さが測定される。なお、ホルダ５５に標準器９５を設置しておき、標準器９５の表面９５ａと第３出入部２ｃとの距離を予め所定値（例えば200mm）になるようにハウジング２を配設し、撮像面２２ａ，３２ａに標準器９５の像が結像されるように設定しておくことにより、標準器９５の表面９５ａからの反射光の光強度から求められた距離を基準値とし、各測定点に対して標準器９５の表面９５ａに対する光軸方向への相対距離を求めることができ、この相対距離を用いて被検物９０の表面９０ａの絶対的な形状を測定することも可能になる。

なお、被検物９０が第１および第２カメラ２０，３０の視野内に収まらない場合には、図１に矢印Ｂで示すように保持部５５を光軸方向に垂直な方向に移動させて適宜被検物９０上の測定点を視野内に収まるように被検物９０が走査される。また、被検物９０の表面形状の凹凸が、第１および第２カメラの焦点深度を越えるような場合には、図１に矢印Ｃで示すように保持部５５を光軸方向に移動させて適宜デフォーカスを行い、各画素に結像される各測定点の像を合焦状態にするように構成してもよい。

本実施例の形状測定装置１によると、水６０の中に保持された被検物９０に対して照明光を照射し、被検物９０からの反射光の像を得て、この像の光強度から被検物９０の表面９０ａまでの距離を測定し、この距離に応じて被検物９０の表面９０ａの形状について高さが計測される。このように、光強度によって被検物９０の高さの情報を一括して得ることができるため、測定点ごとに合焦動作を必要とする方式に比べ、測定に必要な動作が簡易になって被検物９０の形状測定を短時間で行うことができるようになる。また、光強度の違いに基づいて測定点までの距離を算定しており、光の伝播時間や位相差を計測してその結果に基づいて距離を算定する方式に比べ、容易に測定レンジを小さくすることができるようになり、測定精度が向上される。

また、水の透過率を補正し、補正された透過率を用いて測定点までの距離を改めて算定し、その距離に基づいて被検物９０の表面９０ａの形状を測定するようになっており、水６０の中に不純物が混入されている場合にも安定した測定を行うことができる。

なお、本発明の範囲は上記構成に限られない。例えば、上記形状測定装置１は、水の透過率を補正するために水中の通過距離が異なる反射光から被検物９０の像を得ており、そのために２つの結像光学系を有して構成されているが、この構成に限られず、例えば単一の結像光学系を有して形状測定装置１のハウジング２や被検物９０を光軸方向に移動自在に構成し、水中を通過する反射光の光路長を変更可能な構成としてもよい。これにより、上記の実施例と同様にして、水の透過率を補正して被検物９０の形状測定を正確に行うことができるようになる。さらには、被検物９０が光軸と平行でない回転軸を中心にして回転自在に保持されていてもよい。逆に、光源１１を回転自在に設けてもよい。また、波長フィルタ１３を２種以上のフィルタから構成し、被検物９０に２種以上の波長の照明光を照射できるように構成してもよい。また、被検物９０が保持される空間内を満たす媒質は、水に限らず、その他の液体や気体であってもよい。この媒質の変更に合わせ、波長フィルタによって設定される照明光の波長についても、光が媒質中を通過する間に光強度が適切に減衰されるように適宜変更される。

なお、上記の式(1)〜(6)を利用することにより、反射率と同様にして、水の透過率を考慮することなく第３出入部２ｃと被検物９０上の測定点との距離Lを求めることも可能であり、以下ではその形状測定方法について説明する。上記式(1)〜(6)を利用することからもわかるように、この方法においても、第１および第２波長の照明光を照射可能に構成されるとともに、この第１および第２波長の照明光に対する被検物の反射率は等しくなるように設定されている。

式(5)，(6)と式(3)とにより、式(4)と同様にして次式(8)が導かれるが、この式(8)と、式(4)とにより、次式(9)が導かれる。

式(9)を用いれば、各カメラ２２，３２の撮像面２２ａ，３２ａに結像された像の光強度C1_ν1，C1_ν2，C2_ν1，C2_ν2と、ハウジング２の構造によって予め定められる第１および第２出入部２ａ，２ｂの対向間隔であって第１撮像部２０と第２撮像部３０との間での水中における光路長の差L3とのみに基づいて、第３出入部２ｃから被検物９０上の測定点までの距離Lを求めることができるようになる。この方法においては、水の透過率を用いることなく距離Lが算定され、媒質中に不純物の混入があっても安定した形状測定を行うことができるようになる。

本発明に係る形状測定装置の一実施形態を示す構成図である。波長と水の透過率との関係を示す説明図である。

符号の説明

１形状測定装置１０照明光学系（照明部）
２０第１結像光学系（第１の撮像部）３０第２結像光学系（第２の撮像部）
４０測定部５５ホルダ（保持部）
６０純水（媒質）９０被検物

Claims

波長に応じた透過率で光を透過する媒質中で被検物を保持する保持部と、
前記保持部に保持された被検物に、所定波長の照明光を前記媒質中を通過させて照射する照明部と、
前記照明部により照明光を照射された前記被検物から前記媒質中を通過して戻ってくる反射光を受ける受光部と、
前記受光部で受光された光強度および前記媒質の透過率に基づき、前記被検物の表面までの前記媒質の距離を求め、前記被検物の表面の三次元形状を測定する測定部と、を有して構成されていることを特徴とする形状測定装置。
前記照明部は、第１の波長ν1の照明光および第２の波長ν2の照明光をそれぞれ照射可能に構成されており、前記被検物に対して前記第１の波長ν1の照明光の反射率R_ν1と、前記第２の波長ν2の照明光の反射率R_ν2とが等しくなるように設定しており、
前記測定部は、
式C1_ν1＝I₀×R_ν1×a_ν1 ^LおよびC1_ν2＝I₀×R_ν2×a_ν2 ^Lの関係（但し、C1_ν1は前記第１の波長ν1の照明光を照射された被検物から戻ってくる反射光を受光した光強度、C1_ν2は前記第２の波長ν2の照明光を照射された被検物から戻ってくる反射光を受けて受光された光強度、I₀は照明光の光強度、a_ν1は第１の波長ν1の光が前記媒質中を単位距離通過したときの前記媒質の透過率、a_ν2は第２の波長ν2の光が前記媒質中を単位距離通過したときの前記媒質の透過率、Lは前記媒質中における光路長）から、
前記光強度C1_ν1，C1_ν2および前記媒質の透過率a_ν1，a_ν2に基づいて前記媒質中における光路長Lを求めることにより、前記被検物の表面の三次元形状を計測することを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
前記受光部は、前記媒質中を通過する反射光の光路長が所定の長さとなるように設置された第１の受光部と、前記第１の受光部に対して前記媒質中を通過する反射光の光路長が予め定めた所定値だけ相違するように設置された第２の受光部とを有して構成され、
前記測定部は、前記第１の受光部で受光された光強度および前記媒質の透過率に基づいて前記被検物の表面の光軸方向における距離を求め、求めた当該距離、前記第２の受光部で受光された光強度および前記所定値に基づいて前記媒質の透過率を求め、求めた当該媒質の透過率に基づいて前記被検物の表面までの前記媒質の距離を補正して求めることにより、前記被検物の表面の三次元形状を計測することを特徴とする請求項１又は２に記載の形状測定装置。
前記受光部は、前記媒質中を通過する反射光の光路長を第１の光路長、および、前記第１の光路長に対して所定値だけ相違する第２の光路長とで変更可能に設置され、
前記測定部は、前記媒質中の光路長が第１の光路長であるときに前記受光部で受光された光強度および前記媒質の透過率に基づいて前記被検物の表面の光軸方向における距離を求め、求めた当該距離、前記媒質中の光路長が第２の光路長であるときに前記受光部で受光された光強度および前記所定値に基づいて前記媒質の透過率を求め、求めた当該媒質の透過率に基づいて前記被検物の表面までの前記媒質の距離を補正して求めることにより、前記被検物の表面までの前記媒質の距離を測定するように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の形状測定装置。