[1]形状測定装置の構成
図1は、本発明の一実施の形態に係る形状測定装置の構成を示すブロック図である。図2は、図1の形状測定装置500の測定部の構成を示す模式図である。以下、本実施の形態に係る形状測定装置500について、図1および図2を参照しながら説明する。図1に示すように、形状測定装置500は、測定部100、PC(パーソナルコンピュータ)200、制御部300および表示部400を備える。
図1に示すように、測定部100は、例えば顕微鏡であり、投光部110、受光部120、照明光出力部130、ステージ140および制御基板150を含む。投光部110は、測定光源111、パターン生成部112および複数のレンズ113,114,115を含む。受光部120は、カメラ121および複数のレンズ122,123を含む。複数のレンズ122,123により受光部120の光軸が形成される。ステージ140上には、測定対象物Sが載置される。
投光部110は、ステージ140の斜め上方に配置される。測定部100は、複数の投光部110を含んでもよい。図2の例においては、測定部100は2つの投光部110を含む。以下、2つの投光部110を区別する場合は、一方の投光部110を投光部110Aと呼び、他方の投光部110を投光部110Bと呼ぶ。投光部110A,110Bは受光部120の光軸を挟んで対称に配置される。
各投光部110A,110Bの測定光源111は、例えば白色光を出射するハロゲンランプである。測定光源111は、白色光を出射する白色LED(発光ダイオード)等の他の光源であってもよい。測定光源111から出射された光(以下、測定光と呼ぶ)は、レンズ113により適切に集光された後、パターン生成部112に入射する。
パターン生成部112は、例えばDMD(デジタルマイクロミラーデバイス)である。パターン生成部112は、LCD(液晶ディスプレイ)、LCOS(Liquid Crystal on Silicon:反射型液晶素子)またはマスクであってもよい。パターン生成部112に入射した測定光は、予め設定されたパターンおよび予め設定された強度(明るさ)に変換されて出射される。パターン生成部112により出射された測定光は、複数のレンズ114,115により測定対象物Sの寸法よりも大きい径を有する光に変換された後、ステージ140上の測定対象物Sに照射される。
受光部120は、ステージ140の上方に配置される。測定対象物Sによりステージ140の上方に反射された測定光は、受光部120の複数のレンズ122,123により集光および結像された後、カメラ121により受光される。
カメラ121は、例えば撮像素子121aおよびレンズを含むCCD(電荷結合素子)カメラである。撮像素子121aは、例えばモノクロCCD(電荷結合素子)である。撮像素子121aは、CMOS(相補性金属酸化膜半導体)イメージセンサ等の他の撮像素子であってもよい。撮像素子121aの各画素からは、受光量に対応するアナログの電気信号(以下、受光信号と呼ぶ)が制御基板150に出力される。
モノクロCCDには、カラーCCDとは異なり、赤色波長の光を受光する画素、緑色波長の光を受光する画素および青色波長の光を受光する画素を設ける必要がない。そのため、モノクロCCDの計測の分解能はカラーCCDの分解能よりも高くなる。また、モノクロCCDには、カラーCCDとは異なり、各画素にカラーフィルタを設ける必要がない。そのため、モノクロCCDの感度はカラーCCDの感度よりも高くなる。これらの理由により、本例におけるカメラ121にはモノクロCCDが設けられる。
本例においては、照明光出力部130は、測定対象物Sに赤色波長の光、緑色波長の光および青色波長の光を時分割で出射する。この構成によれば、モノクロCCDを用いた受光部120により測定対象物Sのカラー画像を撮像することができる。
一方、カラーCCDが十分な分解能および感度を有する場合には、撮像素子121aは、カラーCCDであってもよい。この場合、照明光出力部130は、測定対象物Sに赤色波長の光、緑色波長の光および青色波長の光を時分割で照射する必要はなく、白色光を測定対象物Sに照射する。そのため、照明光源320の構成を単純にすることができる。
制御基板150には、図示しないA/D変換器(アナログ/デジタル変換器)およびFIFO(First In First Out)メモリが実装される。カメラ121から出力される受光信号は、制御部300による制御に基づいて、制御基板150のA/D変換器により一定のサンプリング周期でサンプリングされるとともにデジタル信号に変換される。A/D変換器から出力されるデジタル信号は、FIFOメモリに順次蓄積される。FIFOメモリに蓄積されたデジタル信号は画素データとして順次PC200に転送される。
図1に示すように、PC200は、CPU(中央演算処理装置)210、ROM(リードオンリメモリ)220、作業用メモリ230、記憶装置240および操作部250を含む。また、操作部250は、キーボードおよびポインティングデバイスを含む。ポインティングデバイスとしては、マウスまたはジョイスティック等が用いられる。
ROM220には、システムプログラムが記憶される。作業用メモリ230は、RAM(ランダムアクセスメモリ)からなり、種々のデータの処理のために用いられる。記憶装置240は、ハードディスク等からなる。記憶装置240には、画像処理プログラムおよび形状測定プログラムが記憶される。また、記憶装置240は、制御基板150から与えられる画素データ等の種々のデータを保存するために用いられる。
CPU210は、制御基板150から与えられる画素データに基づいて画像データを生成する。また、CPU210は、生成した画像データに作業用メモリ230を用いて各種処理を行うとともに、画像データに基づく画像を表示部400に表示させる。さらに、CPU210は、後述するステージ駆動部146に駆動パルスを与える。表示部400は、例えばLCDパネルまたは有機EL(エレクトロルミネッセンス)パネルにより構成される。
図2において、測定対象物Sが載置されるステージ140上の平面(以下、載置面と呼ぶ)内で互いに直交する2方向をX方向およびY方向と定義し、それぞれ矢印X,Yで示す。ステージ140の載置面に対して直交する方向をZ方向と定義し、矢印Zで示す。Z方向に平行な軸を中心に回転する方向をθ方向と定義し、矢印θで示す。
ステージ140は、X−Yステージ141、Zステージ142、θステージ143およびチルトステージ144を含む。X−Yステージ141は、X方向移動機構およびY方向移動機構を有する。Zステージ142は、Z方向移動機構を有する。θステージ143は、θ方向回転機構を有する。チルトステージ144は、載置面に平行な軸を中心に回転可能な機構(以下、あおり回転機構と呼ぶ)を有する。X−Yステージ141、Zステージ142、θステージ143およびチルトステージ144により、ステージ140が構成される。また、ステージ140は、載置面に測定対象物Sを固定する図示しない固定部材(クランプ)をさらに含む。
ここで、受光部120の焦点に位置しかつ受光部120の光軸に垂直な平面を受光部120の焦点面と呼ぶ。図2に示すように、投光部110A,110B、受光部120およびステージ140の相対的な位置関係は、投光部110Aの光軸、投光部110Bの光軸および受光部120の光軸が受光部120の焦点面で互いに交差するように設定される。本実施の形態では、受光部120の光軸はZ方向と平行な方向に延びる。
また、投光部110の焦点(測定光のパターンが結像する点)に位置しかつ投光部110の光軸に垂直な平面を投光部110の焦点面と呼ぶ。各投光部110A,110Bは、投光部110Aの焦点面および投光部110Bの焦点面が受光部120の焦点を含む位置で交差するように構成される。
θステージ143のθ方向の回転軸の中心は、受光部120の光軸と一致している。そのため、θステージ143をθ方向に回転させた場合に、測定対象物Sを視野から外すことなく、回転軸を中心に視野内で回転させることができる。また、X−Yステージ141、θステージ143およびチルトステージ144は、Zステージ142により支持されている。
すなわち、θステージ143をθ方向に回転させるか、またはチルトステージ144をあおり方向に回転させた状態であっても、受光部120の中心軸とZステージ142の移動軸とにずれが生じないように構成されている。ここで、あおり方向とは、載置面に平行な軸を中心とする回転方向である。この構成により、測定対象物Sの位置または姿勢を変化させた状態であっても、Z方向にステージ140を移動させて受光部120の異なる複数の焦点位置においてそれぞれ撮像した複数の画像を合成することが可能となる。
ステージ140のX方向移動機構、Y方向移動機構、Z方向移動機構、θ方向回転機構およびあおり回転機構には、それぞれステッピングモータが用いられる。ステージ140のX方向移動機構、Y方向移動機構、Z方向移動機構、θ方向回転機構およびあおり回転機構は、図1のステージ操作部145またはステージ駆動部146により駆動される。
使用者は、ステージ操作部145を手動で操作することにより、ステージ140の載置面を受光部120に対して相対的にX方向、Y方向もしくはZ方向に移動させるか、またはθ方向もしくはあおり方向に回転させることができる。ステージ駆動部146は、PC200より与えられる駆動パルスに基づいて、ステージ140のステッピングモータに電流を供給することにより、ステージ140を受光部120に相対的にX方向、Y方向もしくはZ方向に移動させるか、またはθ方向もしくはあおり方向に回転させることができる。
ステージ140のX方向移動機構、Y方向移動機構、Z方向移動機構、θ方向回転機構およびあおり回転機構の各々に用いられるステッピングモータにはエンコーダが取り付けられている。各エンコーダの出力信号は、例えばCPU210に与えられる。CPU210は、ステージ140の各エンコーダから与えられる信号に基づいて、ステージ140の載置面のX方向の位置(X位置)、Y方向の位置(Y位置)、Z方向の位置(Z位置)、θ方向の回転角(θ回転角)、またはあおり方向の回転角の変化量を算出することができる。
なお、本実施の形態では、ステージ140はステッピングモータにより駆動することが可能であるとともに手動により操作することが可能な電動ステージであるが、これに限定されない。ステージ140はステッピングモータでのみ駆動することが可能な電動ステージであってもよいし、手動でのみ操作することが可能な手動ステージであってもよい。
制御部300は、制御基板310および照明光源320を含む。制御基板310には、図示しないCPUが実装される。制御基板310のCPUは、PC200のCPU210からの指令に基づいて、投光部110、受光部120および制御基板150を制御する。
照明光源320は、例えば赤色光、緑色光および青色光を出射する3つのLEDを含む。各LEDから出射される光の輝度を制御することにより、照明光源320から任意の色の光を発生することができる。照明光源320から発生される光(以下、照明光と呼ぶ)は、導光部材(ライトガイド)を通して測定部100の照明光出力部130から出力される。なお、制御部300に照明光源320を設けずに、測定部100に照明光源320を設けてもよい。この場合、測定部100には照明光出力部130が設けられない。
図2の照明光出力部130は、円環形状を有し、受光部120を取り囲むようにステージ140の上方に配置される。これにより、影が発生しないように照明光出力部130から測定対象物Sに照明光が照射される。図3および図4は、光が照射された状態の測定対象物Sの模式図である。図3および図4の例においては、測定対象物Sは上面の略中央に孔Shを有する。また、図3(a),(c)および図4(a)においては、影Ssをハッチングにより表わしている。
図3(a)は図2の一方の投光部110Aからの測定光が照射された状態の測定対象物Sの平面図であり、図3(b)は図3(a)のA−A線断面図である。図3(a),(b)に示すように、一方の投光部110Aから測定光を測定対象物Sに照射した場合、孔Shの深さによっては、孔Shの底部にまで測定光が到達せず、影Ssが発生する。したがって、測定対象物Sの一部を観察することができない。
図3(c)は図2の他方の投光部110Bからの測定光が照射された状態の測定対象物Sの平面図であり、図3(d)は図3(c)のB−B線断面図である。図3(c),(d)に示すように、他方の投光部110Bから測定光を測定対象物Sに照射した場合、孔Shの深さによっては、孔Shの底部にまで測定光が到達せず、影Ssが発生する。したがって、測定対象物Sの一部を観察することができない。
図4(a)は投光部110A,110Bの両方からの測定光が照射された状態の測定対象物Sの平面図であり、図4(b)は図4(a)のC−C線断面図である。図4(a),(b)に示すように、投光部110A,110Bの両方から測定光を測定対象物Sに照射した場合、投光部110A,110Bの一方から測定光を測定対象物Sに照射した場合に比べて、孔Shの底部にまで到達しない測定光が減少するため、発生する影Ssが減少する。したがって、観察することができる測定対象物Sの部分が増加する。
図4(c)は図2の照明光出力部130からの照明光が照射された状態の測定対象物Sの平面図であり、図4(d)は図4(c)のD−D線断面図である。図4(c),(d)に示すように、照明光は測定対象物Sの略真上から照射されるので、孔Shの深さによらず、孔Shの底部にまで照明光が到達する。したがって、測定対象物Sの大部分を観察することができる。
一方の投光部110Aから測定光が照射された測定対象物Sの画像と他方の投光部110Bから測定光が照射された測定対象物Sの画像とが並ぶように表示部400に表示(2画面表示)されてもよい。図5は、画像を2画面表示するGUI(Graphical User Interface)の一例を示す図である。
図5に示すように、表示部400には2つの画像表示領域491,492が並ぶように設けられる。画像を2画面表示する場合には、投光部110A,110Bから測定対象物Sに測定光が切り替わるように交互に照射される。画像表示領域491には、一方の投光部110Aから測定光が照射された場合における測定対象物Sの画像が表示される。画像表示領域492には、他方の投光部110Bから測定光が照射された場合における測定対象物Sの画像が表示される。これにより、使用者は投光部110A,110Bの各々により測定光を照射された場合における測定対象物Sの画像を区別して認識することができる。
本例においては、投光部110A,110Bからの測定光の切り替えの頻度は、例えば数Hzである。なお、投光部110A,110Bからの測定光の切り替えの頻度は、使用者に切り替えの認識をすることができない値(例えば100Hz)に設定されてもよい。この場合、使用者には、測定部100において両方の投光部110A,110Bから測定対象物Sに測定光が同時に照射されるように観測される。
表示部400には2つの光量設定バー493,494が表示される。光量設定バー493は、水平方向に移動可能なスライダ493sを有する。光量設定バー494は、水平方向に移動可能なスライダ494sを有する。以下、一方の投光部110Aから出射される測定光を一方の測定光と呼び、他方の投光部110Bから出射される測定光を他方の測定光と呼ぶ。光量設定バー493上のスライダ493sの位置は、一方の測定光を受光する際の受光部120の光量(以下、一方の測定光の光量と呼ぶ)に対応する。光量設定バー494上のスライダ494sの位置は、他方の測定光を受光する際の受光部120の光量(以下、他方の測定光の光量と呼ぶ)に対応する。
使用者は、図1のPC200の操作部250を操作して光量設定バー493のスライダ493sを水平方向に移動させることにより、一方の測定光の光量を変更することができる。一方の測定光の光量の変更は、一方の測定光の明るさまたは一方の測定光を受光する際の受光部120の露光時間を変更することにより行われる。同様に、使用者は、操作部250を操作して光量設定バー494のスライダ494sを水平方向に移動させることにより、他方の測定光の光量を変更することができる。他方の測定光の光量の変更は、他方の測定光の明るさまたは他方の測定光を受光する際の受光部120の露光時間を変更することにより行われる。
上記のように、画像表示領域491,492には、投光部110A,110Bの各々により測定光が照射された場合における測定対象物Sの画像が並ぶように表示される。したがって、使用者は、画像表示領域491,492に表示された測定対象物Sの画像を見ながら、光量設定バー493,494のスライダ493s,494sの位置をそれぞれ移動させることにより、一方および他方の測定光の光量を適切に調整することができる。
また、一方および他方の測定光の光量と照明光出力部130から出射される照明光を受光する際の受光部120の光量(以下、照明光の光量と呼ぶ)との間に相関がある場合がある。この場合、一方および他方の測定光の光量は、照明光の光量に基づいて自動的に調整されてもよい。あるいは、照明光の光量に基づいて、一方および他方の測定光の光量を適切にするための調整ガイドが表示部400に表示されてもよい。この場合、使用者は、調整ガイドに基づいて光量設定バー493,494のスライダ493s,494sの位置をそれぞれ移動させることにより、一方および他方の測定光の光量を適切に調整することができる。
光の照射方向が異なれば、光の反射方向も異なる。そのため、測定対象物Sの同一の部分であっても、一方の測定光が照射された部分の画像の明るさと他方の測定光が照射された部分の画像の明るさとは互いに異なる。すなわち、形状測定に適した光量は照射方向によって異なる。
本実施の形態では、投光部110A、110Bから測定光が照射された際の画像の各々の明るさを個別に調整することができる。そのため、光の照射方向に応じた適切な光量を設定することができる。また、光量の調整中の画像は、画像表示領域491,492に更新されながら表示される。これにより、使用者は、画像を確認しながら光量を調整することができる。
この場合において、PC200は、画像中の明るすぎるために白とびが生じている部分または暗すぎるために黒つぶれが生じている部分を識別可能に画像表示領域491,492に表示することができる。これにより、使用者は、適切に光量が調整されているか否かを容易に確認することができる。
[2]測定対象物の形状測定
(1)三角測距方式による形状測定
測定部100においては、三角測距方式により測定対象物Sの形状が測定される。図6は、三角測距方式の原理を説明するための図である。図6に示すように、投光部110から出射される測定光の光軸と受光部120に入射する測定光の光軸(受光部120の光軸)との間の角度αが予め設定される。角度αは、0度よりも大きく90度よりも小さい。
ステージ140上に測定対象物Sが載置されない場合、投光部110から出射される測定光は、ステージ140の載置面の点Oにより反射され、受光部120に入射する。一方、ステージ140上に測定対象物Sが載置される場合、投光部110から出射される測定光は、測定対象物Sの表面の点Aにより反射され、受光部120に入射する。
点Oと点Aとの間のX方向における距離をdとすると、ステージ140の載置面に対する測定対象物Sの点Aの高さhは、h=d÷tan(α)により与えられる。図1のPC200のCPU210は、制御基板150により与えられる測定対象物Sの画素データに基づいて、X方向における点Oと点Aとの間の距離dを測定する。また、CPU210は、測定された距離dに基づいて、測定対象物Sの表面の点Aの高さhを算出する。測定対象物Sの表面の全ての点の高さを算出することにより、測定対象物Sの三次元的な形状が測定される。
測定対象物Sの表面の全ての点に測定光を照射するために、図1の投光部110からは種々のパターンを有する測定光が出射される。測定光のパターンは、図1のパターン生成部112により制御される。以下、測定光のパターンについて説明する。
(2)測定光の第1のパターン
図7は、測定光の第1のパターンを説明するための図である。図7(a)は、ステージ140上の測定対象物Sに投光部110から測定光を照射した状態を示す。図7(b)は、測定光が照射された測定対象物Sの平面図を示す。図7(a)に示すように、第1のパターンとして、Y方向に平行な直線状の断面を有する測定光(以下、ライン状測定光と呼ぶ)が投光部110から出射される。この場合、図7(b)に示すように、ステージ140に照射されたライン状測定光の部分と測定対象物Sの表面に照射されたライン状測定光の部分とは、測定対象物Sの表面の高さhに対応する距離dだけX方向に互いにずれる。したがって、距離dを測定することにより、測定対象物Sの高さhを算出することができる。
測定対象物Sの表面のY方向に沿った複数の部分が異なる高さを有する場合には、各部分について上記の距離dを測定することにより、Y方向に沿った複数の部分の高さhを算出することができる。
また、図1のCPU210は、X方向の一の位置でY方向に沿った複数の部分について距離dを測定した後、Y方向に平行なライン状測定光をX方向に走査することにより、X方向の他の位置でY方向に沿った複数の部分について距離dを測定する。これにより、X方向の複数の位置におけるY方向に沿った測定対象物Sの複数の部分の高さhが算出される。測定対象物SのX方向の寸法よりも広い範囲でライン状測定光をX方向に走査することにより、測定対象物Sの表面の全ての点の高さhを算出することができる。これにより、測定対象物Sの三次元的な形状を測定することができる。
(3)測定光の第2のパターン
図8は、測定光の第2のパターンを説明するための図である。図8に示すように、第2のパターンとして、Y方向に平行な直線状の断面を有しかつX方向に強度が正弦波状に変化するパターンを有する測定光(以下、正弦波状測定光と呼ぶ)が投光部110から複数回(本例においては4回)出射される。
図8(a)は、1回目に出射される正弦波状測定光を示す。1回目に出射される正弦波状測定光の強度は、測定対象物Sの表面上の任意の部分P0において初期位相φを有する。この正弦波状測定光が出射されることにより、測定対象物Sの表面で反射された光が受光部120により受光される。受光された光の強度が測定対象物Sの画素データに基づいて測定される。測定対象物Sの表面上の部分P0により反射された光の強度をI1とする。
図8(b)は、2回目に出射される正弦波状測定光を示す。2回目に出射される正弦波状測定光の強度は、測定対象物Sの表面上の部分P0において位相(φ+π/2)を有する。この正弦波状測定光が出射されることにより、測定対象物Sの表面で反射された光が受光部120により受光される。受光された光の強度が測定対象物Sの画素データに基づいて測定される。測定対象物Sの表面上の部分P0により反射された光の強度をI2とする。
図8(c)は、3回目に出射される正弦波状測定光を示す。3回目に出射される正弦波状測定光の強度は、測定対象物Sの表面上の部分P0において位相(φ+π)を有する。この正弦波状測定光が出射されることにより、測定対象物Sの表面で反射された光が受光部120により受光される。受光された光の強度が測定対象物Sの画素データに基づいて測定される。測定対象物Sの表面上の部分P0により反射された光の強度をI3とする。
図8(d)は、4回目に出射される正弦波状測定光を示す。4回目の正弦波状測定光の強度は、測定対象物Sの表面上の部分P0において位相(φ+3π/2)を有する。この正弦波状測定光が出射されることにより、測定対象物Sの表面で反射された光が受光部120により受光される。受光された光の強度が測定対象物Sの画素データに基づいて測定される。測定対象物Sの表面上の部分P0により反射された光の強度をI4とする。
初期位相φは、φ=tan−1[(I1−I3)/(I2−I4)]で与えられる。初期位相φから測定対象物Sの任意の部分の高さhが算出される。この方式によれば、4回の光の強度の測定により、測定対象物Sの全ての部分の初期位相φを高速かつ容易に算出することができる。なお、初期位相φは、異なる位相を有する測定光を少なくとも3回出射し、受光される光の強度を測定することにより算出することができる。測定対象物Sの表面上の全ての部分の高さhを算出することにより、測定対象物Sの三次元的な形状を測定することができる。
(4)測定光の第3のパターン
図9は、測定光の第3のパターンを説明するための図である。図9に示すように、第3のパターンとして、Y方向に平行でかつX方向に並ぶような直線状の断面を有する測定光(以下、縞状測定光と呼ぶ)が投光部110から複数回(本例においては16回)出射される。
すなわち、縞状測定光においては、Y方向に平行な直線状の明部分およびY方向に平行な直線状の暗部分がX方向に周期的に配列される。ここで、パターン生成部112がDMDである場合には、マイクロミラーの寸法を1単位とする。縞状測定光の各明部分のX方向の幅は、例えば3単位であり、縞状測定光の各暗部分のX方向の幅は、例えば13単位である。この場合、縞状測定光のX方向の周期は16単位である。なお、明部分および暗部分の単位は、図2のパターン生成部112の構成により異なる。例えば、パターン生成部112が液晶である場合には、1単位は1画素の寸法である。
1回目の縞状測定光が出射されることにより、測定対象物Sの表面で反射された光が受光部120により受光される。受光された光の強度が、測定対象物Sの1番目の撮影画像の画素データに基づいて測定される。図9(a)は、1回目の縞状測定光に対応する測定対象物Sの1番目の撮影画像である。
2回目の縞状測定光は、1回目の縞状測定光から明部分および暗部分をX方向に1単位だけ移動させたパターンを有する。2回目の縞状測定光が出射されることにより、測定対象物Sの表面で反射された光が、受光部120により受光される。受光された光の強度が測定対象物Sの2番目の撮影画像の画素データに基づいて測定される。
3回目の縞状測定光は、2回目の縞状測定光から明部分および暗部分をX方向に1単位だけ移動させたパターンを有する。3回目の縞状測定光が出射されることにより、測定対象物Sの表面で反射された光が受光部120により受光される。受光された光の強度が、測定対象物Sの3番目の撮影画像の画素データに基づいて測定される。
同様の動作が繰り返されることにより、4〜16回目の縞状測定光に対応する光の強度が、測定対象物Sの4〜16番目の撮影画像の画素データに基づいてそれぞれ測定される。X方向の周期が16単位である縞状測定光が16回出射されることにより、測定対象物Sの表面の全ての部分に縞状測定光が照射される。なお、図9(b)は、7回目の縞状測定光に対応する測定対象物Sの7番目の撮影画像である。図9(c)は、13回目の縞状測定光に対応する測定対象物Sの13番目の撮影画像である。
図10は、測定対象物Sの特定の部分における画像が撮影されたタイミング(番数)と受光された光の強度との関係を示す図である。図10の横軸は画像の順番を示し、縦軸は受光された光の強度を示す。上述のように、測定対象物Sの各部分について、1〜16番目の撮影画像が生成される。また、生成された1〜16番目の撮影画像の各画素に対応する光の強度が測定される。
図10に示すように、撮影画像の番号に対応する撮影画像の各画素の光の強度を図示することにより散布図が得られる。得られた散布図に例えばガウシアン曲線、スプライン曲線または放物線をフィッティングさせることにより、光の強度が最大になるときの撮影画像の番号(番数)を1未満の精度で推定することができる。図10の例においては、フィッティングされた点線で示す曲線により、9番目と10番目との間である仮想的な9.38番目の撮影画像において、光の強度が最大になることが推定される。
また、フィッティングされた曲線により、光の強度の最大値を推定することができる。測定対象物Sの各部分において推定された光の強度が最大となる撮影画像の番号に基づいて、測定対象物Sの各部分の高さhを算出することができる。この方法によれば、S/N(信号/ノイズ)比が十分に大きい光の強度に基づいて、測定対象物Sの三次元的な形状が測定される。これにより、測定対象物Sの形状測定の精度を向上させることができる。
なお、正弦波状測定光または縞状測定光等の周期的なパターン形状を有する測定光を用いた測定対象物Sの形状測定においては、測定対象物Sの表面の各部分の相対的な高さ(高さの相対値)が測定される。これは、パターンを形成するY方向に平行な複数の直線(縞)の各々を識別することができず、複数の直線の1周期(2π)の整数倍に相当する不確かさが存在することにより、絶対位相が求まらないからである。そのため、測定対象物Sの一の部分の高さとその部分に隣接する部分の高さが連続的に変化しているという仮定に基づいて、測定された高さのデータに公知のアンラッピング処理が行われてもよい。
(5)測定光の第4のパターン
図11は、測定光の第4のパターンを説明するための図である。図11に示すように、第4のパターンとして、Y方向に平行な直線状の断面を有しかつ明部分と暗部分とがX方向に並ぶ測定光(以下、コード状測定光と呼ぶ)が投光部110から複数回(本例においては4回)出射される。コード状測定光の明部分および暗部分の割合は、それぞれ50%である。
本例においては、測定対象物Sの表面がX方向において複数(図11の例では16)の領域に分割される。以下、複数に分割されたX方向における測定対象物Sの領域をそれぞれ第1〜第16の領域と呼ぶ。
図11(a)は、1回目に出射されるコード状測定光を示す。1回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物Sの第1〜第8の領域に照射される明部分を有する。また、1回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物Sの第9〜第16の領域に照射される暗部分を有する。これにより、1回目に出射されるコード状測定光においては、明部分と暗部分とがY方向に平行でかつX方向に並ぶ。また、1回目に出射されるコード状測定光の明部分および暗部分の割合は、それぞれ50%である。
図11(b)は、2回目に出射されるコード状測定光を示す。2回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物Sの第5〜第12の領域に照射される明部分を有する。また、2回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物Sの第1〜第4および第13〜第16の領域に照射される暗部分を有する。これにより、2回目に出射されるコード状測定光においては、明部分と暗部分とがY方向に平行でかつX方向に並ぶ。また、2回目に出射されるコード状測定光の明部分および暗部分の割合は、それぞれ50%である。
図11(c)は、3回目に出射されるコード状測定光を示す。3回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物Sの第1、第2、第7〜第10、第15および第16の領域に照射される明部分を有する。また、3回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物Sの第3〜第6および第11〜第14の領域に照射される暗部分を有する。これにより、3回目に出射されるコード状測定光においては、明部分と暗部分とがY方向に平行でかつX方向に並ぶ。また、3回目に出射されるコード状測定光の明部分および暗部分の割合は、それぞれ50%である。
図11(d)は、4回目に出射されるコード状測定光を示す。4回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物Sの第1、第4、第5、第8、第9、第12、第13および第16の領域に照射される明部分を有する。また、4回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物Sの第2、第3、第6、第7、第10、第11、第14および第15の領域に照射される暗部分を有する。これにより、4回目に出射されるコード状測定光においては、明部分と暗部分とがY方向に平行でかつX方向に並ぶ。また、4回目に出射されるコード状測定光の明部分および暗部分の割合は、それぞれ50%である。
コード状測定光の明部分に論理“1”が割り当てられ、コード状測定光の暗部分に論理“0”が割り当てられる。また、測定対象物Sの各領域に照射される1回目〜4回目のコード状測定光の論理の並びを符号と呼ぶ。この場合、測定対象物Sの第1の領域には、符号“1011”のコード状測定光が照射される。これにより、測定対象物Sの第1の領域は、符号“1011”に符号化される。
測定対象物Sの第2の領域には、符号“1010”のコード状測定光が照射される。これにより、測定対象物Sの第2の領域は、符号“1010”に符号化される。測定対象物Sの第3の領域には、符号“1000”のコード状測定光が照射される。これにより、測定対象物Sの第3の領域は、符号“1000”に符号化される。同様に、測定対象物Sの第16の領域には、符号“0011”のコード状測定光が照射される。これにより、測定対象物Sの第16の領域は、符号“0011”に符号化される。
このように、測定対象物Sの隣り合う領域の間では、符号のいずれかの桁が“1”のみ異なるようにコード状測定光が測定対象物Sに複数回照射される。すなわち、コード状測定光は、明部分および暗部分がグレイコード状に変化するように、複数回測定対象物Sに照射される。
測定対象物Sの表面の各領域で反射された光が受光部120により受光される。受光された光の符号を測定することにより、測定対象物Sの領域ごとに、測定対象物Sが存在することにより変化した符号が得られる。得られた符号と領域ごとに測定対象物Sが存在しない場合の符号との差分を求めることにより、図6の距離dに相当する距離を算出することができる。ここで、画像におけるX軸方向には、上記の符号は1回のみ出現するというコード状測定光を用いた測定方法の特徴から、距離dの絶対的な値が算出される。これにより、測定対象物Sのその領域の絶対的な高さ(高さの絶対値)が算出される。測定対象物Sの表面上の全ての領域の高さを算出することにより、測定対象物Sの三次元的な形状を測定することができる。
上記の説明においては、測定対象物Sの表面がX方向において16の領域に分割され、コード状測定光が投光部110から4回出射されたが、これに限定されない。測定対象物Sの表面がX方向において2Nの領域(Nは自然数)に分割され、コード状測定光が投光部110からN回出射されてもよい。上記の説明においては、理解を容易にするためにNは4に設定されている。本実施の形態における形状測定処理においては、Nは例えば8に設定される。したがって、測定対象物Sの表面はX方向において256の領域に分割される。
コード状測定光を用いた測定対象物Sの形状測定においては、コード状測定光を分離して識別可能な距離、すなわち1画素分に相当する距離が最小の分解能となる。したがって、受光部120のX方向における視野の画素数が1024画素である場合、高さが例えば10mmの測定対象物Sを10mm÷1024≒10μmの分解能で計測することができる。分解能は低いが絶対値を算出可能なコード状測定光を用いた形状測定と絶対値を算出できないが分解能が高い正弦波状測定光または縞状測定光を用いた形状測定とを組み合わせることにより、測定対象物Sの高さの絶対値をより高い分解能で算出することができる。
特に、図9の縞状測定光を用いた測定対象物Sの形状測定においては、分解能を1/100画素にすることができる。なお、1/100画素の分解能は、受光部120のX方向における視野の画素数が1024画素である場合、測定対象物Sの表面をX方向において約100000の領域に分割すること(すなわちN≒17)に相当する。そのため、コード状測定光を用いた形状測定と縞状測定光を用いた形状測定と組み合わせることにより、測定対象物Sの高さの絶対値をさらに高い分解能で算出することができる。
上述のライン状測定光を測定対象物S上で走査する方法は一般に光切断法と呼ばれる。一方、正弦波状測定光、縞状測定光またはコード状測定光を測定対象物Sに照射する方法は、パターン投影法に分類される。また、パターン投影法の中でも、正弦波状測定光または縞状測定光を測定対象物Sに照射する方法は位相シフト法に分類され、コード状測定光を測定対象物Sに照射する方法は空間コード法に分類される。
位相シフト法においては、周期的な投影パターンである正弦波状測定光または縞状測定光を出射した際に、測定対象物Sが存在しない場合の基準高さ位置から反射した受光量に基づいて計算された位相と、測定対象物Sが存在する場合の測定対象物S表面から反射した受光量に基づいて計算された位相との位相差から測定対象物Sの高さを求める。位相シフト法においては、個々の周期的な縞が区別できず、縞1周期分(2π)の整数倍に相当する不確かさが存在するため、絶対位相が求まらないという欠点がある。しかしながら、光切断法に比べて取得する画像の枚数が少ないため測定時間が比較的短く、測定分解能が高いという長所がある。
一方、空間コード法おいては、測定対象物Sの領域ごとに、測定対象物Sが存在することによって変化した符号が得られる。得られた符号と測定対象物Sが存在しない場合の符号との差分を領域ごとに求めることにより、測定対象物Sの絶対的な高さを求めることができる。空間コード法においても、比較的少数の画像により測定が可能であり、絶対的な高さを求めることができるという長所がある。しかしながら、位相シフト法に比べると測定分解能に限界がある。
これらの投影法は、各々短所および長所を有しているが、いずれも三角測量の原理を用いている点は共通である。したがって、測定光が照射されない影の部分の測定はいずれの測定方法でも不可能である。
(6)受光部の測定可能範囲
上記の三角測距方式の形状測定においては、測定対象物Sの表面の位置が受光部120の焦点から光軸方向に遠ざかるほど測定対象物Sから受光部120の撮像素子121aに入射する光のぼけの度合いが大きくなる。同様に、測定対象物Sの表面の位置が受光部120の焦点よりも近接するほど測定対象物Sから受光部120の撮像素子121aに入射する光のぼけの度合いが大きくなる。受光部120の撮像素子121aに入射する光のぼけの度合いは、例えば投光部110および受光部120の少なくとも一部を構成する光学系のレンズの倍率に応じて変化する。
測定対象物Sから受光部120に入射する光のぼけの度合いが大きくなると、測定対象物Sの表面の高さの測定精度が低下する。そこで、本実施の形態では、測定対象物Sが位置する場合に一定の測定精度を得ることが可能であると考えられる受光部120の光軸方向の範囲が投光部110および受光部120の構成に応じて形状測定装置500ごとに予め定められる。以下の説明では、このようにして予め定められる受光部120のZ方向における範囲を受光部120のZ方向における測定可能範囲と呼ぶ。測定可能範囲は、例えば測定対象物Sの表面に縞状測定光を照射した状態で測定対象物Sを受光部120の光軸方向に移動させた場合に、受光部120の撮像素子121aに入射する光のぼけの度合いが所定のしきい値を超えない範囲に定められる。
[3]顕微鏡モードおよび形状測定モード
本実施の形態に係る形状測定装置500は、顕微鏡モードで動作可能であるとともに形状測定モードで動作可能である。図12および図13は、動作モード選択時における表示部400のGUIの一例を示す図である。図12および図13に示すように、画像表示領域550および設定変更領域570,580が表示部400に表示される。画像表示領域550には、受光部120により撮像された測定対象物Sの画像が表示される。
設定変更領域570には、明るさ選択欄571、明るさ設定バー572、表示切換欄573、倍率切換欄574、倍率選択欄575および焦点調整欄576が表示される。明るさ設定バー572は、水平方向に移動可能なスライダ572sを有する。
使用者は、明るさ選択欄571において受光部120の露光時間の方式を選択することにより、受光部120の露光時間の方式をオート(自動)と手動との間で切り換えることができる。受光部120の露光時間の方式として手動が選択されている場合、使用者は、PC200の操作部250を操作して明るさ設定バー572のスライダ572sを水平方向に移動させることにより、受光部120の露光時間を調整することができる。使用者は、表示切換欄573から画像の表示の種類を選択することにより、画像の表示の種類をカラーとモノクロとの間で切り換えることができる。
後述する図26に示すように、受光部120は、カメラ121としてレンズの倍率が互いに異なるカメラ121Aおよびカメラ121Bを含む。本例においては、例えば一方のカメラ121Aを低倍率カメラと呼び、他方のカメラ121Bを高倍率カメラと呼ぶ。使用者は、倍率切換欄574においてカメラの倍率を選択することにより、受光部120のカメラ121を高倍率カメラと低倍率カメラとの間で切り換えることができる。本実施の形態に係る形状測定装置500においては、高倍率カメラに対応する受光部120の測定可能範囲と低い倍率カメラに対応する受光部120の測定可能範囲とが互いに異なる大きさで個別に定められている。
受光部120はデジタルズーム機能を有する。本例においては、2つのカメラ121とデジタルズーム機能とを組み合わせることにより、カメラ121の倍率を実質的に2種類以上に変更することができる。使用者は、倍率選択欄575において倍率を選択することにより、受光部120のカメラ121の倍率を設定することができる。デジタルズーム機能が用いられる際には、カメラの種類(高倍率カメラおよび低倍率カメラ)ごとに定められる測定可能範囲が倍率の変化量に基づいて補正されてもよい。
使用者は、焦点調整欄576に数値を入力することにより、入力された数値に対応する距離だけZ方向に受光部120の焦点位置を変化させることができる。受光部120の焦点位置の変化は、ステージ140のZステージ142の位置、すなわち受光部120と測定対象物Sとの間のZ方向の相対的な距離を変化させることにより行われる。
設定変更領域580には、顕微鏡モード選択タブ580Aおよび形状測定モード選択タブ580Bが表示される。顕微鏡モード選択タブ580Aが選択されている場合には、形状測定装置500は、顕微鏡モードで動作する。顕微鏡モードにおいては、照明光出力部130から照明光が測定対象物Sに照射される。この状態で、測定対象物Sの拡大観察を行うことができる。
図12に示すように、顕微鏡モード選択タブ580Aが選択されている場合、設定変更領域580には、ツール選択欄581および撮影ボタン582が表示される。使用者は、撮影ボタン582を操作することにより、画像表示領域550に表示されている測定対象物Sの画像を撮影(キャプチャ)することができる。
ツール選択欄581には、複数の実行ツールをそれぞれ選択するための複数のアイコンが表示される。使用者は、ツール選択欄581の複数のアイコンのいずれかを操作することにより、観察されている測定対象物Sの画像の平面測定、画像への目盛りの挿入、深度合成、画像へのコメントの挿入または画像の改善等の実行ツールを実行することができる。
例えば、平面測定の実行が選択されている場合、ツール選択欄581の下方には測定ツール表示欄581aおよび補助ツール表示欄581bが表示される。測定ツール表示欄581aには、2点間の距離の測定、2つの平行線間の距離の測定、円の直径または半径の測定、および2つの直線がなす角度の測定等をそれぞれ実行するための複数のアイコンが表示される。補助ツール表示欄581bには、画像表示領域550の画像に点、線または円等の補助的な描画をそれぞれ実行するための複数のアイコンが表示される。
形状測定モード選択タブ580Bが選択されている場合には、形状測定装置500は、形状測定モードで動作する。図13に示すように、形状測定モード選択タブ580Bが選択されている場合、設定変更領域580には、測定ボタン583が表示される。使用者は、形状測定の準備が終了した後、測定ボタン583を操作することにより、形状測定処理を実行することができる。
[4]テクスチャ画像
(1)合成画像
測定部100においては、照明光出力部130からの照明光または投光部110からの均一パターンを有する測定光が照射された状態で、測定対象物Sの表面の状態の画像を示すデータが生成される。表面の状態は、例えば模様または色彩を含む。以下、測定対象物Sの表面の状態の画像をテクスチャ画像と呼び、テクスチャ画像を示すデータをテクスチャ画像データと呼ぶ。
生成されたテクスチャ画像データと形状測定処理において生成された立体形状データとが合成されることにより、合成データが生成される。表示部400には、合成データに基づいて測定対象物Sの立体形状および表面の状態の合成された画像が表示される。以下、形状測定処理において生成された立体形状データを主立体形状データと呼ぶ。また、主立体形状データに基づいて表示される画像を主立体形状の画像と呼ぶ。
図14は、形状測定処理実行後における表示部400のGUIの一例を示す図である。図14に示すように、形状測定処理において生成された合成データに基づいて、測定対象物Sの画像が画像表示領域550に表示される。使用者は、合成画像上で、測定対象物Sの測定結果の確認または簡単な計測を実行することができる。
ここで、測定対象物Sの表面全体が受光部120の光軸方向(本実施の形態では、Z方向)の測定可能範囲に位置している場合であっても、測定対象物Sの表面全体が被写界深度の範囲内に位置していない場合、テクスチャ画像の全部または一部が鮮明に表示されない。そのため、測定対象物SのZ方向の寸法が受光部120の被写界深度の範囲よりも大きい場合には、受光部120と測定対象物Sとの間の相対的な距離を変化させつつ、受光部120の被写界深度の範囲内に位置する測定対象物Sのテクスチャ画像データが取得される。取得された複数のテクスチャ画像データを合成することにより、測定対象物Sの表面全体にわたって鮮明に表示可能なテクスチャ画像データ(以下、全焦点テクスチャ画像データと呼ぶ)が生成される。
図15は、全焦点テクスチャ画像を説明するための測定対象物Sの模式的側面図である。図15の測定対象物Sにおいては、回路基板Sb上に電解コンデンサScが実装された構成を有する。また、回路基板Sbの上面および電解コンデンサScには、文字が付されている。図15に示すように、測定対象物SのZ方向の寸法(本例においては、回路基板Sbの下面から電解コンデンサScの上面までの寸法)は、受光部120のZ方向の測定可能範囲よりも小さく、被写界深度の範囲よりも大きい。
図16は、受光部120の焦点位置とテクスチャ画像の鮮明度との関係を示す図である。図16(a),(c),(e)は、図15の測定対象物Sの側面図を示す。図16(a)においては、測定対象物Sの電解コンデンサScの上面の位置aに受光部120の焦点が合わされる。図16(b)においては、測定対象物Sの電解コンデンサScの上面と回路基板Sbの上面との中間の位置bに受光部120の焦点が合わされる。図16(c)においては、測定対象物Sの回路基板Sbの上面の位置cに受光部120の焦点が合わされる。
図16(b)は、図16(a)の状態において取得されたテクスチャ画像データに基づく測定対象物Sのテクスチャ画像を示す。この場合、電解コンデンサScの上面の位置aが受光部120の被写界深度の範囲内に位置するので、図16(b)に示すように、電解コンデンサScの上面に付された文字が鮮明に表示される。しかしながら、回路基板Sbの上面の位置cは、受光部120の被写界深度の範囲内に位置しない。そのため、回路基板Sbの上面に付された文字が不鮮明に表示される。また、回路基板Sbの上面の位置cは、受光部120のZ方向の測定可能範囲内にも位置していない。したがって、図16(e)の位置にステージ140の高さを合わせると、電解コンデンサScの上面の位置aの高さを算出することができないか、または算出される高さの信頼性が低くなる。
図16(d)は、図16(c)の状態において取得されたテクスチャ画像データに基づく測定対象物Sのテクスチャ画像を示す。この場合、電解コンデンサScの上面と回路基板Sbの上面との中間の位置bが受光部120の被写界深度の範囲内に位置する。しかしながら、電解コンデンサScの上面および回路基板Sbの上面が受光部120の被写界深度の範囲外でかつZ方向の測定可能範囲に位置するので、図16(d)に示すように、電解コンデンサScの上面に付された文字および回路基板Sbの上面に付された文字がやや不鮮明に表示される。
図16(f)は、図16(e)の状態において取得されたテクスチャ画像データに基づく測定対象物Sのテクスチャ画像を示す。この場合、回路基板Sbの上面の位置cが受光部120の被写界深度の範囲内に位置するので、図16(f)に示すように、回路基板Sbの上面に付された文字が鮮明に表示される。しかしながら、電解コンデンサScの上面の位置aは、受光部120の被写界深度の範囲内に位置しない。そのため、電解コンデンサScの上面に付された文字が不鮮明に表示される。また、電解コンデンサScの上面の位置aは、受光部120のZ方向の測定可能範囲内にも位置していない。したがって、図16(a)の位置にステージ140の高さを合わせると、回路基板Sbの上面の位置cの高さを算出することができないか、または算出される高さの信頼性が低くなる。
位置a〜cにおけるテクスチャ画像データが合成されることにより全焦点テクスチャ画像データが生成される。図17は、生成された全焦点テクスチャ画像データに基づく測定対象物Sの全焦点テクスチャ画像である。全焦点テクスチャ画像においては、図17に示すように、電解コンデンサScの上面に付された文字が鮮明に表示されるとともに、回路基板Sbの上面に付された文字が鮮明に表示される。
このように、受光部120とステージ140との相対的なZ方向の位置を変化させることにより、測定対象物Sに対して、受光部120の焦点が合う高さが変化する。そのため、一度に受光部120の被写界深度の範囲内に収めることができない高低差がある測定対象物Sであっても、受光部120の焦点を変化させて撮像した複数のテクスチャ画像を合成することにより、全体に焦点が合った全焦点テクスチャ画像を取得することができる。なお、被写界深度は、受光部120のレンズの倍率によって変化する形状測定装置500の固有の幅を有している。
全焦点テクスチャ画像を生成する際には、受光部120とステージ140とのZ方向の相対位置を所定範囲内で、所定の間隔で変化させて複数のテクスチャ画像を取得する。このときの受光部120とステージ140とをZ方向に相対的に移動させる範囲および間隔は、形状測定装置500の固有の値である。ただし、測定対象物Sの形状測定処理を予め実行した場合、または測定対象物Sの形状を示すデータ(例えばCADデータ)を予め保有している場合など、測定対象物Sの形状が既知である場合には、このデータに基づいて最適な移動範囲および間隔を決定してもよい。
例えば、測定対象物Sの高さの上限および下限により規定される範囲よりもやや広い範囲を、移動範囲としてもよい。また、測定対象物Sの高さ形状の勾配に応じて間隔を変化させてもよい。全焦点テクスチャ画像を取得する際にステージ140と受光部120との相対的なZ方向の移動を規定する上記のパラメータは使用者により任意に設定可能であってもよい。
全焦点テクスチャ画像データは、測定対象物Sの全ての部分のうち受光部120の被写界深度の範囲内に含まれている部分についての複数のテクスチャ画像データが合成されることにより生成される。また、測定対象物Sの各部分のテクスチャ画像データの取得の際には、測定対象物Sの複数の部分にそれぞれ受光部120の焦点が合った状態での受光部120と測定対象物Sとの相対的な距離に基づいて測定対象物Sの各部分の高さが算出される。本実施の形態においては、測定対象物Sの複数の部分にそれぞれ受光部120の焦点が合った状態とは、例えば測定対象物Sの複数の部分がそれぞれ受光部120の被写界深度の範囲内に含まれるときの状態をいう。
測定対象物Sの全ての部分について算出された高さを合成することにより、測定対象物Sの立体的な形状を示すデータが生成される。この測定対象物Sの立体的な形状を示すデータを副立体形状データと呼ぶ。全焦点テクスチャ画像データと主立体形状データとが合成されることにより、合成データが生成される。
図18は、合成データに基づく測定対象物Sの合成画像である。図18(a)は、主立体形状データに基づく測定対象物Sの主立体形状の画像を示す。図18(a)の主立体形状を示す主立体形状データと全焦点テクスチャ画像データとが合成されることにより、合成データが生成される。図18(b)は、生成された合成データに基づく合成画像である。図18(b)に示すように、測定対象物SのZ方向の寸法が受光部120の被写界深度の範囲よりも大きい場合であっても、測定対象物Sの異なる高さを有する部分の表面の状態が鮮明に表示される。
主立体形状データの各画素の値は、その画素の位置における高さのデータを示している。一方、全焦点テクスチャ画像データの各画素の値は、その画素の位置における色および輝度を含むテクスチャ情報(表面の状態の情報)を示している。したがって、対応する画素同士の情報を合成することにより、図18(b)に示す合成画像を生成することができる。
なお、詳細については後述するが、測定対象物Sの形状測定は、通常1回の処理で行われる。例えば、図16(a)の例では、回路基板Sbの上面cが受光部120の測定可能範囲内にないため、回路基板Sbの上面cの高さを算出することができない。したがって、図16(c)に示すように、できるだけ測定対象物Sの全体が受光部120のZ方向の測定可能範囲内に収まるように、受光部120とステージ140とのZ方向の相対距離を調整する必要がある。
一方、全焦点テクスチャ画像を生成する処理では、受光部120とステージ140とのZ方向の相対距離を変化させて複数回の撮像を行うので、1回の撮像で測定対象物Sの全体が受光部120の被写界深度の範囲内に収まるように受光部120とステージ140との相対距離を予め調整する必要はない。したがって、使用者は、テクスチャ画像を取得する際の受光部120の被写界深度の範囲ではなく、形状測定処理を行うための受光部120のZ方向の測定可能範囲内に測定対象物Sが収まっているか否かを意識して、受光部120とステージ140とのZ方向の相対距離を調整する。
図16(a)に示すステージ140の位置で形状測定処理を行う場合、回路基板Sbの上面cの高さの算出ができないか、または算出される高さの信頼性が低くなる。一方、全焦点テクスチャ画像の生成処理においては、受光部120とステージ140とのZ方向の相対距離を変化させて複数回の撮像を行うので、回路基板Sbの上面cに受光部120の焦点が合ったテクスチャ画像を取得することはできる。したがって、テクスチャ画像の一部に高さのデータが欠損していたり、信頼性が低い画素が存在していても、その画素に全焦点テクスチャ画像データのテクスチャ情報を付与することは可能である。
本発明における三角測距を用いた形状測定処理においては、一般的に受光部120のZ方向の測定可能範囲は、受光部120の被写界深度の範囲よりも広い。これは、三角測距においては、画像に多少のぼけが発生していても、測定対象物Sの形状を測定することが可能だからである。ただし、受光部120の被写界深度の範囲は、使用者にとって焦点が合っているように見える主観的な範囲である。また、受光部120のZ方向の測定可能範囲は、投光部110および受光部120により定まる形状測定装置500の固有の値であるものの、受光部120のZ方向の測定可能範囲内にない測定対象物Sが必ずしも測定不可能になるのではない。
また、測定対象物Sの高低差が大きい場合は、どのように受光部120とステージ140とのZ方向の相対距離を調整しても、測定対象物Sの全体を1度で測定することができない場合がある。その場合は、形状測定処理を行う際にも、受光部120とステージ140とのZ方向の相対距離を変化させて、複数回の形状測定処理を行い、各画素の最も信頼性が高い高さのデータにより構成された立体形状を取得することもできる。この場合は、受光部120のZ方向の測定可能範囲を超えた高低差を有する測定対象物Sの全体の測定が可能になり、大きな高低差を有する測定対象物Sの立体形状全体に対して、テクスチャ情報を付与することが可能である。
図18の例においては、三次元的に表示された測定対象物Sにテクスチャ画像が合成されるが、これに限定されない。例えば、測定対象物Sの高さを色彩の変化により表現した二次元の画像上にテクスチャ情報を重畳して表示してもよい。この場合、例えば高さを示す二次元の画像とテクスチャ情報との比率を使用者が調整可能にすることで、高さを示す二次元の画像とテクスチャ画像との中間的な色彩および輝度の画像を生成して表示することも可能である。
なお、上記の説明においては、理解を容易にするために3つの位置a〜cにおけるテクスチャ画像データおよび高さに基づいて全焦点テクスチャ画像データおよび副立体形状データがそれぞれ生成されるが、これに限定されない。2つ以下の位置または4つ以上の位置におけるテクスチャ画像データおよび高さに基づいて全焦点テクスチャ画像データおよび副立体形状データがそれぞれ生成されてもよい。
本例においては、測定対象物SのZ方向の位置が、受光部120の被写界深度の範囲よりも小さい間隔で、受光部120のZ方向の測定可能範囲の上限から下限へ向かって、または下限から上限へ向かって変化される。Z方向の各位置におけるテクスチャ画像データおよび高さに基づいて全焦点テクスチャ画像データおよび副立体形状データがそれぞれ生成される。
あるいは、全焦点テクスチャ画像データおよび副立体形状データの生成前に測定対象物Sの主立体形状データが生成されている場合には、主立体形状データに基づいて測定対象物SのZ方向の上端および下端を算出することができる。したがって、測定対象物SのZ方向の位置が、受光部120の被写界深度の範囲よりも小さい間隔で、測定対象物SのZ方向の寸法の上端から下端へ向かって、または下端から上端へ向かって変化されてもよい。Z方向の各位置におけるテクスチャ画像データおよび高さに基づいて全焦点テクスチャ画像データおよび副立体形状データがそれぞれ生成される。
この場合、測定対象物Sの全焦点テクスチャ画像データおよび副立体形状データを生成するための最小限の範囲でテクスチャ画像データを取得し、高さを算出することができる。これにより、全焦点テクスチャ画像データおよび副立体形状データを高速に生成することができる。
(2)テクスチャ画像の種類
使用者は、テクスチャ画像データの取得において、テクスチャ画像の種類を選択することができる。テクスチャ画像の種類は、例えば通常のテクスチャ画像、全焦点テクスチャ画像もしくはハイダイナミックレンジ(HDR)テクスチャ画像またはこれらの組み合わせを含む。全焦点テクスチャ画像が選択された場合、上記の全焦点テクスチャ画像データが生成される。HDRテクスチャ画像が選択された場合、公知のハイダイナミックレンジ(HDR)合成が行われたテクスチャ画像データが生成される。
測定対象物Sの表面の複数の部分の反射率の差または色彩による明るさの差が小さくかつZ方向における測定対象物Sの寸法が受光部120の被写界深度よりも大きい場合、使用者は全焦点テクスチャ画像を選択する。これにより、測定対象物Sの表面状態を鮮明に示すテクスチャ画像データを短時間で生成させることができる。測定対象物Sの表面に反射率が高い部分および低い部分が含まれる場合、または色彩による明るさの差が大きい場合、使用者はHDRテクスチャ画像を選択する。これにより、黒つぶれおよび白とびが含まれない測定対象物Sの表面状態を鮮明に示すテクスチャ画像データを生成させることができる。
通常のテクスチャ画像においては、テクスチャ画像の合成が行われない。この場合、受光部120の焦点位置を固定した状態で受光部120により出力される受光信号に基づいて一のテクスチャ画像データが生成される。測定対象物Sの表面の複数の部分の反射率の差または色彩による明るさの差が小さくかつZ方向における測定対象物Sの寸法が受光部120の被写界深度の範囲よりも小さい場合、使用者は通常のテクスチャ画像を選択する。これにより、測定対象物Sの表面状態を鮮明に示すテクスチャ画像データをより短時間で生成させることができる。
HDRテクスチャ画像が選択された場合、Z方向の一の位置において、異なる撮像条件の下で複数のテクスチャ画像データが生成される。ここで、撮像条件は、受光部120の露光時間を含む。あるいは、撮像条件は、照明光出力部130からの照明光の強度(明るさ)または投光部110からの均一な測定光の強度(明るさ)を含んでもよい。これらの場合、CPU210は、複数の撮像条件で複数のテクスチャ画像データを容易に生成することができる。
生成された複数のテクスチャ画像データは、そのZ方向の位置におけるテクスチャ画像に黒つぶれおよび白とびが含まれないように合成(HDR合成)される。これにより、テクスチャ画像のダイナミックレンジが拡大される。HDR合成されたテクスチャ画像データ(以下、HDRテクスチャ画像データと呼ぶ)に基づいてHDRテクスチャ画像が表示される。
全焦点テクスチャ画像とHDRテクスチャ画像との組み合わせ(以下、HDR全焦点テクスチャ画像と呼ぶ。)が選択された場合、測定対象物SのZ方向の位置を変化させつつ、Z方向の各位置について異なる撮像条件における複数のテクスチャ画像データが取得される。Z方向の各位置において取得された複数のテクスチャ画像データが、そのZ方向の位置における画像のダイナミックレンジが拡大されるようにHDR合成されることにより、HDRテクスチャ画像データが生成される。
また、測定対象物Sの全ての部分のうち受光部120の被写界深度の範囲内に含まれている部分についての複数のHDRテクスチャ画像データが合成されることにより、測定対象物Sの表面全体にわたって表示可能なHDRテクスチャ画像データ(以下、HDR全焦点テクスチャ画像データと呼ぶ)が生成される。HDR全焦点テクスチャ画像データに基づいて、HDR全焦点テクスチャ画像が表示される。
このように、測定対象物Sの表面に反射率が高い部分および低い部分が含まれるかまたは色彩による明るさの差が大きく、かつ測定対象物Sの寸法が受光部の被写界深度よりも大きい場合、使用者はHDR全焦点テクスチャ画像を選択する。これにより、測定対象物Sの表面状態を鮮明に示すテクスチャ画像データを生成させることができる。
図19は、テクスチャ画像の種類の選択時における表示部400のGUIの一例を示す図である。図19に示すように、テクスチャ画像の種類の選択時には、表示部400の設定変更領域580にテクスチャ画像選択欄584が表示される。テクスチャ画像選択欄584には、3つのチェックボックス584a,584b,584cが表示される。
使用者は、チェックボックス584a〜584cを指定することにより、通常のテクスチャ画像、HDRテクスチャ画像および全焦点テクスチャ画像をそれぞれ選択することができる。また、使用者は、チェックボックス584b,584cを指定することにより、HDR全焦点テクスチャ画像を選択することができる。
(3)主立体形状データの補正
副立体形状データの精度は、主立体形状データの精度よりも低い。しかしながら、主立体形状データは三角測距方式に基づいて生成されるので、主立体形状データを生成するためには、受光部120の光軸とは異なる角度から測定対象物Sに光を照射する必要がある。そのため、主立体形状データは、測定対象物Sの形状を正確に測定することができない領域に対応する不良部分を含むことが多い。ここで、不良部分は、画像の影の部分に対応する空白データ、ノイズの部分に対応するノイズデータ、または多重反射等による測定対象物Sの偽の形状の部分に対応する偽形状データを含む。
一方で、副立体形状データを生成するためには、受光部120の光軸とは異なる角度から測定対象物Sに光を照射する必要がなく、受光部120の光軸と略等しい角度から測定対象物Sに照射することができる。この場合、副立体形状データは、不良部分をほとんど含まない。したがって、測定対象物Sの略上方に配置される照明光出力部130から出射される照明光を用いることにより、不良部分をほとんど含まない副立体形状データを生成することができる。
副立体形状データに基づいて主立体形状データの不良部分が判定される。本例においては、同一の測定対象物Sについての副立体形状データと主立体形状データとが比較される。これにより、主立体形状データのうちの不良部分を容易に判定することができる。また、形状測定処理において、測定光のパターンのコントラストが部分的に低下した場合、その部分に対応する主立体形状データの部分の信頼性が低下する。
この場合でも、副立体形状データおよび主立体形状データに基づいて、主立体形状データの信頼性が低い部分を判定することができる。本例においては、副立体形状データと主立体形状データとが比較される。副立体形状データの各部分と主立体形状データの各部分との差分がそれぞれ算出され、その差分が予め定められたしきい値より大きい主立体形状データの部分は信頼性が低いと判定される。
このように、主立体形状データの複数の部分のうち副立体形状データからの乖離がしきい値よりも大きい部分は信頼性が低いと判定される。なお、しきい値は固定値であってもよいし、使用者がスライダ等を操作することにより任意に調整可能な可変値であってもよい。以下、主立体形状データのうちの信頼性が低いと判定された部分を主立体形状データの信頼性低下部分と呼ぶ。
主立体形状データの不良部分または信頼性低下部分は、対応する副立体形状データの部分により置換または補間等の補正がされてもよい。これにより、使用者は、表示部400において外観上不良部分または信頼性低下部分を含まない測定対象物Sの主立体形状の画像または合成画像を観測することができる。また、主立体形状データの信頼性低下部分について、信頼性を向上させることができる。主立体形状データの補正においては、主立体形状データの不良部分または信頼性低下部分がその周囲の主立体形状データの部分により補間されてもよい。
図20、図21および図22は、副立体形状データによる主立体形状データの補正を説明するための図である。図20(a),(b)は、測定対象物Sの主立体形状の画像および合成画像をそれぞれ示す。図21(a),(b)は、測定対象物Sの副立体形状画像(後述する副立体形状三次元画像)および合成画像をそれぞれ示す。図22(a),(b)は、測定対象物Sの補正された主立体形状の画像および補正された合成画像をそれぞれ示す。
図20(a),(b)に示すように、主立体形状の画像および合成画像には、空白データに基づく影Ssが含まれるとともに、偽形状データに基づく偽の形状Spが含まれる。一方、図21(a),(b)に示すように、副立体形状画像および合成画像には、影の影響が出ない。
図20(a),(b)の主立体形状の画像および合成画像における影Ssおよび偽の形状Spの部分が、図21(a),(b)の副立体形状画像および全焦点テクスチャ画像の相当する部分により補正される。これにより、図22(a),(b)に示すように、影の影響が出ない主立体形状の画像および合成画像を観測することができる。
表示部400に主立体形状の画像またはテクスチャ画像を表示させる際に、主立体形状データの不良部分または信頼性低下部分が補正されず、主立体形状データの不良部分または信頼性低下部分に相当する立体形状の画像またはテクスチャ画像の部分が強調表示されてもよい。あるいは、表示部400に補正された主立体形状の画像を表示させる際に、主立体形状データの不良部分または信頼性低下部分が補正された状態で、主立体形状データの不良部分または信頼性低下部分に相当する補正された立体形状の画像の部分が強調表示されてもよい。これにより、使用者は、主立体形状データの不良部分または信頼性低下部分を容易かつ確実に認識することができる。主立体形状データの不良部分または信頼性低下部分は、形状測定処理における測定位置の計測または解析においては、無効データとして扱われてもよい。
形状測定処理において、投光部110A,110Bの両方からの測定光を用いて主立体形状データが生成される場合、投光部110A,110Bの各々からの測定光に基づく主立体形状データが適切な重み付けで合成されることにより主立体形状データが生成される。ここで、一方の測定光に基づく主立体形状データが不良部分または信頼性低下部分を含む場合には、その部分においては、一方の測定光に基づく主立体形状データの合成の重み付けを低減させるとともに、他方の測定光に基づく主立体形状データの合成の重み付けを増加させてもよい。
(4)形状測定処理の効率化
後述する図30〜図32の形状測定処理において、投光部110から測定対象物Sにコード状測定光(図11参照)が照射されるとともに、縞状測定光(図9参照)が照射される。この場合、コード状測定光に基づいて測定対象物Sの各部分の高さの絶対値が算出されるとともに、縞状測定光に基づいて測定対象物Sの各部分の高さの相対値が高い分解能で算出される。これにより、測定対象物Sの各部分の高さの絶対値が高い分解能で算出される。すなわち、コード状測定光に基づいて算出された高さにより、縞状測定光に基づいて算出された高さの絶対値が決定される。
これに代えて、副立体形状データにおける各部分の高さにより、縞状測定光に基づいて算出された高さの絶対値が決定されてもよい。この場合、形状測定処理において、投光部110から測定対象物Sにコード状測定光を照射しなくてもよい。これにより、測定対象物Sの各部分の高さの絶対値を高い分解能で算出しつつ形状測定処理を短時間でかつ効率的に実行することができる。
[5]形状測定処理
(1)形状測定の準備
測定対象物Sの形状測定処理を実行する前に、使用者は、形状測定の準備を行う。図23は、形状測定の準備の手順を示すフローチャートである。以下、図1、図2および図23を参照しながら形状測定の準備の手順を説明する。まず、使用者は、測定対象物Sをステージ140上に載置する(ステップS1)。次に、使用者は、照明光出力部130から測定対象物Sに照明光を照射する(ステップS2)。これにより、測定対象物Sの画像が表示部400に表示される。続いて、使用者は、表示部400に表示された測定対象物Sの画像を見ながら、照明光の光量、受光部120の焦点ならびに測定対象物Sの位置および姿勢の調整(以下、第1の調整と呼ぶ)を行う(ステップS3)。
次に、使用者は、照明光の照射を停止するとともに、投光部110から測定対象物Sに測定光を照射する(ステップS4)。これにより、測定対象物Sの画像が表示部400に表示される。続いて、使用者は、表示部400に表示された測定対象物Sの画像を見ながら、測定光の光量、受光部120の焦点ならびに測定対象物Sの位置および姿勢の調整(以下、第2の調整と呼ぶ)を行う(ステップS5)。ステップS5において、測定対象物Sの測定したい位置に影が発生していない場合には、使用者は、第2の調整として受光部120の焦点ならびに測定対象物Sの位置および姿勢の調整を行う必要はなく、測定光の光量の調整を行えばよい。
その後、使用者は、測定光の照射を停止するとともに、再び照明光出力部130から測定対象物Sに照明光を照射する(ステップS6)。これにより、測定対象物Sの画像が表示部400に表示される。次に、使用者は、表示部400に表示された測定対象物Sの画像を確認する(ステップS7)。ここで、使用者は、表示部400に表示された測定対象物Sの画像から、光の光量、受光部120の焦点ならびに測定対象物Sの位置および姿勢(以下、観察状態と呼ぶ)が適切であるか否かを判定する(ステップS8)。
ステップS8において、観察状態が適切でないと判定した場合、使用者は、ステップS2の処理に戻る。一方、ステップS8において、観察状態が適切であると判定した場合、使用者は、形状測定の準備を終了する。
なお、上記の説明においては、第1の調整の後に第2の調整が行われるが、これに限定されない。第2の調整の後に第1の調整が行われてもよい。この場合、ステップS6においては照明光ではなく測定光が測定対象物Sに照射される。また、ステップS5において、第2の調整のうち受光部120の焦点ならびに測定対象物Sの位置および姿勢の調整を行わなかった場合には、使用者は、ステップS6〜S8の手順を省略して形状測定の準備を終了してもよい。
(2)第1の調整
図24および図25は、形状測定の準備の手順における第1の調整の詳細を示すフローチャートである。以下、図1、図2、図24および図25を参照しながら形状測定の準備の手順における第1の調整の詳細を説明する。まず、使用者は、照明光の光量を調整する(ステップS11)。照明光の光量の調整は、制御部300の照明光源320から出射される照明光の明るさまたは受光部120の露光時間を調整することにより行われる。次に、使用者は、表示部400に表示される測定対象物Sの画像に基づいて、測定対象物Sに照射される照明光の光量が適切であるか否かを判定する(ステップS12)。
ステップS12において、照明光の光量が適切でないと判定した場合、使用者は、ステップS11の処理に戻る。一方、ステップS12において、照明光の光量が適切であると判定した場合、使用者は、受光部120の焦点を調整する(ステップS13)。受光部120の焦点の調整は、ステージ140のZステージ142の位置を変化させ、受光部120と測定対象物Sとの間のZ方向の相対的な距離を調整することにより行われる。次に、使用者は、表示部400に表示される測定対象物Sの画像に基づいて、受光部120の焦点が適切であるか否かを判定する(ステップS14)。
ステップS14において、受光部120の焦点が適切でないと判定した場合、使用者は、ステップS13の処理に戻る。一方、ステップS14において、受光部120の焦点が適切であると判定した場合、使用者は、測定対象物Sの位置および姿勢を調整する(ステップS15)。測定対象物Sの位置および姿勢の調整は、ステージ140のX−Yステージ141の位置およびθステージ143の角度を変化させることにより行われる。
次に、使用者は、表示部400に表示される測定対象物Sの画像に基づいて、測定対象物Sの位置および姿勢が適切であるか否かを判定する(ステップS16)。ここで、測定対象物Sの測定位置が受光部120の視野範囲に含まれている場合、使用者は、測定対象物Sの位置および姿勢が適切であると判断する。一方、測定対象物Sの測定位置が受光部120の視野範囲に含まれていない場合、使用者は、測定対象物Sの位置および姿勢が適切でないと判断する。
ステップS16において、測定対象物Sの位置および姿勢が適切でないと判定した場合、使用者は、ステップS15の処理に戻る。一方、ステップS16において、測定対象物Sの位置および姿勢が適切であると判定した場合、使用者は、視野サイズを調整する(ステップS17)。視野サイズの調整は、例えば受光部120のカメラ121のレンズの倍率を変更することにより行われる。
次に、使用者は、表示部400に表示される測定対象物Sの画像に基づいて、視野サイズが適切であるか否かを判定する(ステップS18)。ステップS18において、視野サイズが適切でないと判定した場合、使用者は、ステップS17の処理に戻る。一方、ステップS18において、視野サイズが適切であると判定した場合、使用者は、テクスチャ画像の種類を選択し(ステップS19)、第1の調整を終了する。第1の調整が行われることにより、テクスチャ画像データを生成するために最適な照明光の光量条件が設定される。
なお、ステップS17においては、受光部120が、レンズの倍率が互いに異なる複数のカメラ121を含み、カメラ121を切り換えることによりレンズの倍率を変更してもよい。あるいは、レンズの倍率を切り換え可能な一のカメラ121を含み、レンズの倍率を切り換えることによりレンズの倍率を変更してもよい。または、受光部120のデジタルズーム機能により、レンズの倍率を変更することなく視野サイズが調整されてもよい。
図26は、X方向から見た図2の受光部120を示す模式図である。図26に示すように、受光部120は、複数のカメラ121としてカメラ121A,121Bを含む。カメラ121Aのレンズの倍率とカメラ121Bのレンズの倍率とは互いに異なる。また、受光部120はハーフミラー124をさらに含む。
複数のレンズ122,123を通過した光は、ハーフミラー124により2つの光に分離される。一方の光はカメラ121Aにより受光され、他方の光はカメラ121Bにより受光される。図1の制御基板150に受光信号を出力するカメラ121をカメラ121Aとカメラ121Bとの間で切り換えることにより、レンズの倍率を変更することができる。カメラ121Aとカメラ121Bとの間の切り換えは、図13の倍率切換欄574においてカメラの倍率を選択することにより行われる。
(3)第2の調整
図27および図28は、形状測定の準備の手順における第2の調整の詳細を示すフローチャートである。以下、図1、図2、図27および図28を参照しながら形状測定の準備の手順における第2の調整の詳細を説明する。まず、使用者は、一方の測定光の光量を調整する(ステップS21)。
次に、使用者は、表示部400に表示される測定対象物Sの画像に基づいて、測定対象物Sの位置および姿勢が適切であるか否かを判定する(ステップS22)。ここで、測定対象物Sの測定位置に影が発生していない場合、使用者は、測定対象物Sの位置および姿勢が適切であると判断する。一方、測定対象物Sの測定位置に影が発生している場合、使用者は、測定対象物Sの位置および姿勢が適切でないと判断する。
ステップS22において、測定対象物Sの位置および姿勢が適切でないと判定した場合、使用者は、測定対象物Sの位置および姿勢を調整する(ステップS23)。測定対象物Sの位置および姿勢の調整は、ステージ140のX−Yステージ141の位置およびθステージ143の角度を変化させることにより行われる。その後、使用者は、ステップS22の処理に戻る。
一方、ステップS22において、測定対象物Sの位置および姿勢が適切であると判定した場合、使用者は、表示部400に表示される測定対象物Sの画像に基づいて、測定対象物Sに照射される一方の測定光の光量が適切であるか否かを判定する(ステップS24)。
ステップS24において、一方の測定光の光量が適切でないと判定した場合、使用者は、一方の測定光の光量を調整する(ステップS25)。その後、使用者は、ステップS24の処理に戻る。
一方、ステップS24において、一方の測定光の光量が適切であると判定した場合、使用者は、表示部400に表示される測定対象物Sの画像に基づいて、受光部120の焦点が適切であるか否かを判定する(ステップS26)。
ステップS26において、受光部120の焦点が適切でないと判定した場合、使用者は、受光部120の焦点を調整する(ステップS27)。受光部120の焦点の調整は、ステージ140のZステージ142の位置を変化させ、受光部120と測定対象物Sとの間のZ方向の相対的な距離を調整することにより行われる。その後、使用者は、ステップS26の処理に戻る。
一方、ステップS26において、受光部120の焦点が適切であると判定した場合、使用者は、表示部400に表示された測定対象物Sの画像から、観察状態が適切であるか否かを判定する(ステップS28)。
ステップS28において、観察状態が適切でないと判定した場合、使用者は、ステップS23、ステップS25またはステップS27の処理に戻る。具体的には、観察状態のうち測定対象物Sの位置および姿勢が適切でないと判定した場合、使用者は、ステップS23の処理に戻る。観察状態のうち光(一方の測定光)の光量が適切でないと判定した場合、使用者は、ステップS25の処理に戻る。観察状態のうち受光部120の焦点が適切でないと判定した場合、使用者は、ステップS27の処理に戻る。
一方、ステップS28において、観察状態が適切であると判定した場合、使用者は、一方の測定光の照射を停止するとともに、他方の投光部110Bから測定対象物Sに測定光を照射する(ステップS29)。これにより、測定対象物Sの画像が表示部400に表示される。続いて、使用者は、表示部400に表示された測定対象物Sの画像を見ながら、他方の測定光の光量の調整を行う(ステップS30)。
その後、使用者は、表示部400に表示される測定対象物Sの画像に基づいて、他方の測定光の光量が適切であるか否かを判定する(ステップS31)。ステップS31において、他方の測定光の光量が適切でないと判定した場合、使用者は、ステップS30の処理に戻る。一方、ステップS31において、他方の測定光の光量が適切であると判定した場合、使用者は、第2の調整を終了する。第2の調整が行われることにより、主立体形状データを生成するために最適な一方および他方の測定光の光量条件が設定される。なお、他方の投光部110Bを使用しない場合には、使用者は、ステップS28の処理の後、ステップS29〜S31の手順を省略して第2の調整を終了してもよい。
図29は、第2の調整の実行時における表示部400のGUIの一例を示す図である。図29に示すように、第2の調整の実行時には、表示部400の設定変更領域580に図5と同様の光量設定バー493,494が表示される。使用者は、操作部250を操作して光量設定バー493のスライダ493sを水平方向に移動させることにより、一方の測定光の光量を変更することができる。同様に、使用者は、操作部250を操作して光量設定バー494のスライダ494sを水平方向に移動させることにより、他方の測定光の光量を変更することができる。
第2の調整の実行時には、表示部400に3つの画像表示領域550a,550b,550cが設けられる。画像表示領域550aには、一方および他方の測定光が照射された場合における測定対象物Sの画像が表示される。画像表示領域550bには、一方の測定光が照射された場合における測定対象物Sの画像が表示される。画像表示領域550cには、他方の測定光が照射された場合における測定対象物Sの画像が表示される。
ここで、画像は、明るすぎるために白とびが生じている部分および暗すぎるために黒つぶれが生じている部分を識別可能に、画像表示領域550a〜550cに表示される。図29の例においては、明るすぎるために白とびが生じている部分がドットパターンにより強調表示されている。また、暗すぎるために黒つぶれが生じている部分がハッチングパターンにより強調表示されている。
(4)形状測定処理
図23の形状測定の準備の後、測定対象物Sの形状測定処理が実行される。図30、図31および図32は、形状測定処理の手順を示すフローチャートである。以下、図1、図2および図30〜図32を参照しながら形状測定処理の手順を説明する。使用者は、形状測定の準備の終了後に、CPU210に形状測定処理の開始を指示する。CPU210は、使用者により形状測定処理の開始が指示されたか否かを判定する(ステップS41)。
ステップS41において、形状測定処理の開始が指示されていない場合、CPU210は、形状測定処理の開始が指示されるまで待機する。なお、使用者は、形状測定処理の開始を指示するまで形状測定の準備を行うことができる。一方、ステップS41において、形状測定処理の開始が指示された場合、CPU210は、第2の調整において設定された光量条件に従って投光部110から測定対象物Sに測定光を照射し、測定対象物Sに測定光のパターンが投影された画像(以下、パターン画像と呼ぶ)を取得する(ステップS42)。取得されたパターン画像は、作業用メモリ230に記憶される。
次に、CPU210は、取得したパターン画像を所定の計測アルゴリズムで処理することにより、測定対象物Sの立体形状を示す主立体形状データを生成する(ステップS43)。生成された主立体形状データは、作業用メモリ230に記憶される。続いて、CPU210は、生成した主立体形状データに基づいて測定対象物Sの主立体形状の画像を表示部400に表示する(ステップS44)。
その後、CPU210は、使用者の指示に基づいて、測定すべき位置(以下、測定位置と呼ぶ)の立体形状が表示されているか否かを判定する(ステップS45)。使用者は、表示部400に表示されている測定対象物Sの主立体形状の画像を見て、測定位置の立体形状が表示されているか否かをCPU210に指示する。
ステップS45において、測定位置の立体形状が表示されていないと判定した場合、CPU210はステップS41の処理に戻る。これにより、CPU210は形状測定処理の開始が指示されるまで待機するとともに、使用者は形状測定処理の開始を再び指示するまで測定位置の立体形状が表示されるように形状測定の準備を行うことができる。一方、ステップS45において、測定位置の立体形状が表示されていると判定した場合、CPU210は、使用者により図25の第1の調整のステップS19で通常のテクスチャ画像が選択されたか否かを判定する(ステップS46)。
ここで、CPU210は、図19のテクスチャ画像選択欄584のチェックボックス584aが指定された場合、通常のテクスチャ画像が選択されたと判定する。また、CPU210は、図19のテクスチャ画像選択欄584のチェックボックス584a〜584cのいずれも指定されなかった場合にも、CPU210は、通常のテクスチャ画像が選択されたと判定する。
ステップS46において、通常のテクスチャ画像が選択されたと判定した場合、CPU210は、第1の調整において設定された光量条件に従って照明光出力部130から測定対象物Sに照明光を照射し、測定対象物Sの通常のテクスチャ画像データを生成する(ステップS47)。その後、CPU210はステップS55の処理に進む。
ステップS46において、通常のテクスチャ画像が選択されなかったと判定した場合、CPU210は、使用者により図25の第1の調整のステップS19で全焦点テクスチャ画像が選択されたか否かを判定する(ステップS48)。ここで、CPU210は、図19のテクスチャ画像選択欄584のチェックボックス584cが指定された場合、全焦点テクスチャ画像が選択されたと判定する。
ステップS48において、全焦点テクスチャ画像が選択されたと判定した場合、CPU210は、第1の調整において設定された光量条件に従って照明光出力部130から測定対象物Sに照明光を照射し、測定対象物Sの全焦点テクスチャ画像データを生成する(ステップS49)。一方、ステップS48において、全焦点テクスチャ画像が選択されなかったと判定した場合、CPU210はステップS50の処理に進む。
次に、CPU210は、使用者により図25の第1の調整のステップS19でHDRテクスチャ画像が選択されたか否かを判定する(ステップS50)。ここで、CPU210は、図19のテクスチャ画像選択欄584のチェックボックス584bが指定された場合、HDRテクスチャ画像が選択されたと判定する。
ステップS50において、HDRテクスチャ画像が選択されたと判定した場合、CPU210は、第1の調整において設定された光量条件に従って照明光出力部130から測定対象物Sに照明光を照射し、測定対象物SのHDRテクスチャ画像データを生成する(ステップS51)。なお、ステップS49で全焦点テクスチャ画像データが生成されていた場合には、CPU210は、ステップS51でHDRテクスチャ画像データではなくHDR全焦点テクスチャ画像データを生成する。一方、ステップS50において、HDRテクスチャ画像が選択されなかったと判定した場合、CPU210はステップS52の処理に進む。
使用者は、生成されたテクスチャ画像データに基づくテクスチャ画像を表示部400に表示させることをCPU210に指示することができる。CPU210は、テクスチャ画像の表示が指示されたか否かを判定する(ステップS52)。ステップS52において、テクスチャ画像の表示が指示されなかったと判定した場合、CPU210はステップS55の処理に進む。一方、ステップS52において、テクスチャ画像の表示が指示されたと判定した場合、CPU210は生成されたテクスチャ画像データに基づいてテクスチャ画像を表示部400に表示させる(ステップS53)。
次に、CPU210は、使用者の指示に基づいて、テクスチャ画像が適切であるか否かを判定する(ステップS54)。使用者は、表示部400に表示されているテクスチャ画像を見て、テクスチャ画像が適切であるか否かをCPU210に指示する。
ステップS54において、テクスチャ画像が適切でないと判定した場合、CPU210はステップS48の処理に戻る。これにより、テクスチャ画像が適切であると判定されるまで、ステップS48〜S54の処理が繰り返される。使用者は選択するテクスチャ画像の種類を変更することにより、CPU210に適切なテクスチャ画像データを生成させることができる。
ステップS54において、テクスチャ画像が適切であると判定した場合、CPU210は、合成データを生成する(ステップS55)。合成データは、ステップS47,ステップS49またはステップS51で生成されたテクスチャ画像データとステップS43において生成されたと主立体形状データを合成することにより生成される。
続いて、CPU210は、生成された合成データに基づいて測定対象物Sの合成画像を表示部400に表示させる(ステップS56)。その後、CPU210は、使用者の指示に基づいて測定位置の計測または解析を実行する(ステップS57)。これにより、形状測定処理を終了する。このような形状測定処理により、CPU210は、使用者の指示に基づいて合成画像上において測定位置の計測または解析を実行することができる。
上記のステップS42において、投光部110A,110Bの両方から測定対象物Sに測定光が照射される場合、一方の投光部110Aからの測定光に対応する一方のパターン画像が取得されるとともに、他方の投光部110Bからの測定光に対応する他方のパターン画像が取得される。
ステップS43において、一方の投光部110Aからの測定光に対応する一方の主立体形状データが生成されるとともに、他方の投光部110Bからの測定光に対応する他方の主立体形状データが生成される。一方の主立体形状データと他方の主立体形状データとが適切な重み付けで合成されることにより、一の主立体形状データが生成される。
上記のステップS47,S49,S51において、照明光出力部130から測定対象物Sに照明光が照射されることにより、測定対象物Sのテクスチャ画像データが生成されるが、これに限定されない。ステップS47,S49,S51において、投光部110から測定対象物Sに測定光が照射されることにより、測定対象物Sのテクスチャ画像データが生成されてもよい。この場合、形状測定装置500は照明光出力部130を含まなくてもよいので、形状測定装置500を小型化することができる。また、形状測定装置500の製造コストを低減することができる。
上記の形状測定処理においては、全焦点テクスチャ画像が選択されたか否かが判定された後にHDR画像が選択されたか否かが判定されるが、これに限定されない。HDRテクスチャ画像が選択されたか否かが判定された後に全焦点画像が選択されたか否かが判定されてもよい。
上記の形状測定処理においては、テクスチャ画像データの生成の処理(ステップS46〜S54)が主立体形状データの生成の処理(ステップS42〜S45)の後に実行されるが、これに限定されない。テクスチャ画像データの生成の処理および主立体形状データの生成の処理はいずれが先に実行されてもよく、テクスチャ画像データの生成の処理および主立体形状データの生成の処理の一部が同時に実行されてもよい。
例えば、テクスチャ画像データの生成の処理(ステップS46〜S54)が行われた後に、主立体形状データの生成の処理(ステップS42〜S45)が行われてもよい。この場合でも、CPU210はステップS55の処理において合成データを生成することができる。また、ステップS54において、使用者が表示部400に表示されているテクスチャ画像を見て、テクスチャ画像が適切であるか否かを判断している間に、主立体形状データの生成の処理の一部が実行可能となる。そのため、形状測定処理を短時間でかつ効率的に実行することができる。
また、主立体形状データの生成の処理の前にテクスチャ画像データの生成の処理が行われた場合、副立体形状データに基づいて測定対象物SのZ方向の寸法の上端および下端を算出可能となる。したがって、主立体形状データの生成の処理において、受光部120の焦点を測定対象物SのZ方向の中心に自動的に調整することができる。この場合、主立体形状データの精度をさらに向上させることができる。
一方、図30〜図32の形状測定処理のようにテクスチャ画像データの生成の処理の前に主立体形状データの生成の処理が行われた場合、主立体形状データに基づいて測定対象物SのZ方向の寸法の上端および下端を算出可能となる。したがって、テクスチャ画像データの生成の処理において、全焦点テクスチャ画像データの生成する際に、受光部120に対するステージ140のZ方向の移動範囲を最小限にしかつ移動間隔を適切に設定することができる。これにより、全焦点テクスチャ画像データを高速に生成することができる。
(5)効果
本実施の形態に係る形状測定装置500においては、三角測距方式により測定対象物Sの立体形状を示す主立体形状データが高い精度で生成される。また、測定対象物Sの各部分が受光部120の被写界深度の範囲内に位置する場合における測定対象物Sのテクスチャ画像データが合成されることにより、全焦点テクスチャ画像データが生成される。そのため、全焦点テクスチャ画像データは、測定対象物Sの表面全体にわたる表面状態を鮮明に示す。
これにより、主立体形状データと全焦点テクスチャ画像データとを合成した合成データは、高い精度で測定された測定対象物Sの立体形状を示しかつ測定対象物Sの表面状態を鮮明に示す。合成データに基づく合成画像が表示部400に表示される。その結果、使用者は、測定対象物Sの形状を高い精度で測定しつつ測定対象物Sの表面状態を鮮明に観測することができる。
また、本実施の形態に係る形状測定装置500においては、主立体形状データを生成するために適した一方および他方の測定光の光量条件とテクスチャ画像データを生成するために適した照明光の光量条件とが個別に設定される。これにより、主立体形状データをより高精度で生成することが可能になるとともに、測定対象物Sの表面全体にわたる表面状態をより鮮明に示すテクスチャ画像データを生成することが可能になる。その結果、測定対象物Sの形状をより高い精度で測定しつつ測定対象物Sの表面状態をより鮮明に観測することができる。
[6]焦点調整の補助機能
(1)焦点調整の補助機能の概要
形状測定の準備における第2の調整において、受光部120の焦点の調整が行われることにより、測定対象物Sは受光部120のZ方向の測定可能範囲内に位置する。これにより、測定対象物Sの形状を正確に測定することができる。ここで、測定対象物Sが受光部120の被写界深度の範囲および受光部120のZ方向の測定可能範囲の中心付近、すなわち受光部120の焦点付近に位置する場合、測定対象物Sの形状をより正確に測定することができる。
しかしながら、Zステージ142を調整して被写界深度の範囲内において測定対象物SをZ方向に移動させても、表示部400に表示される測定対象物Sの画像はほとんど変化しない。例えば、被写界深度が5mmであり、視野サイズが25mm×25mmであるとする。この場合、被写界深度5mmの全範囲において、測定対象物Sが受光部120の焦点位置にあるように観察される。そのため、焦点の調整においては数mm程度のずれが発生し得ると考えられる。このように、測定対象物Sを受光部120の焦点付近に位置させることは困難である。
また、測定対象物Sの上面がそれぞれ高さが異なる複数の部分を有する場合には、複数の部分のうち1つの部分が受光部120の焦点に位置しても、他の部分が受光部120のZ方向の測定可能範囲から外れる場合がある。
そこで、本実施の形態に係る形状測定装置500には、受光部120の焦点付近に測定対象物Sを適切に位置させることを補助する機能(以下、焦点調整の補助機能と呼ぶ)が設けられる。
焦点調整の補助機能においては、受光部120の焦点の調整時に、まずステージ140上の測定対象物Sに図2の照明光出力部130から照明光が照射される。測定対象物Sに照明光が照射された状態で、ステージ140の位置がZ方向に移動することにより、測定対象物Sの複数の部分がそれぞれ受光部120の被写界深度の範囲内に位置する状態でテクスチャ画像データが生成される。このようにして生成される複数のテクスチャ画像データに基づいて、全焦点テクスチャ画像データが生成される。
測定対象物Sの複数の部分にそれぞれ対応する複数のテクスチャ画像データが生成される際に、測定対象物Sの複数の部分にそれぞれ受光部120の焦点が合った状態での受光部120と測定対象物Sとの相対的な距離に基づいて測定対象物Sの各部分の高さが算出される。測定対象物Sの全ての部分について算出された高さを合成することにより、副立体形状データが生成される。
上述のように、全焦点テクスチャ画像データによれば、測定対象物Sの上面が互いに異なる高さの複数の部分を有する場合に、それらの全ての部分にそれぞれ焦点が合った全焦点テクスチャ画像を表示部400に表示させることができる。また、副立体形状データによれば、測定対象物Sの複数の部分の高さを示す副立体形状画像を表示部400に表示させることができる。本実施の形態においては、副立体形状画像は、測定対象物Sが三次元的に表された副立体形状三次元画像と、測定対象物Sが二次元的に表された副立体形状二次元画像とを含む。副立体形状三次元画像および副立体形状二次元画像の詳細は後述する。
本例の焦点調整の補助機能によれば、使用者は、上記のようにして副立体形状データが生成された後、生成された副立体形状データに基づいて、測定対象物Sの位置を調整することができる。
図33は、焦点調整の補助機能に基づいて使用者が手動で測定対象物Sの位置を調整する一例を説明するための図である。図33(a),(b)にはステージ140上に載置された測定対象物Sの側面図が示される。
図33(a)に示すように、本例の測定対象物Sは階段状に形成された3つの上面SH1,SH2,SH3を有する。上面SH2は上面SH1よりも高く、上面SH3は上面SH2よりも高い。また、最も低い上面SH1と最も高い上面SH3との間の距離、すなわち受光部120の光軸方向における複数の上面SH1〜SH3の範囲MDは、受光部120のZ方向の測定可能範囲CAよりも小さい。
焦点調整の補助機能によれば、測定対象物Sについて上記の副立体形状データが生成されることにより、生成された副立体形状データおよび受光部120と測定対象物Sとの相対的な距離に基づいて、受光部120の焦点または受光部120のZ方向の測定可能範囲CAと測定対象物Sとの位置関係が算出される。算出された位置関係を識別可能に副立体形状画像が図1の表示部400に表示される。副立体形状画像の表示例については後述する。
使用者は表示部400に表示される副立体形状画像を見ながらステージ操作部145を操作する。この場合、表示部400においては、ステージ操作部145が操作され、ステージ140のZ方向の位置が変化するごとに、その変化時点の受光部120のZ方向の測定可能範囲CAと測定対象物Sとの位置関係が識別可能に副立体形状画像が表示される。
それにより、使用者は、図33(b)に示すように、上面SH1,SH2,SH3が受光部120のZ方向の測定可能範囲CA内に位置するようにステージ140をZ方向に移動させる。このようにして、使用者は、測定対象物Sを受光部120の焦点に適切かつ容易に位置させることができる。その後、三角測距方式の形状測定により測定対象物Sの上面全体を高い精度で測定することができる。
図34は、焦点調整の補助機能に基づいて使用者が手動で測定対象物Sの位置を調整する他の例を説明するための図である。図34(a)〜(c)にはステージ140上に載置された測定対象物Sの側面図が示される。
図34(a)に示すように、本例の測定対象物Sは、受光部120の光軸方向における複数の上面SH1〜SH3の範囲MDが受光部120のZ方向の測定可能範囲CAよりも大きい点を除いて図33(a)の測定対象物Sと同じ構成を有する。
本例においても、焦点調整の補助機能により、測定対象物Sについて副立体形状データが生成される。生成された副立体形状データおよび受光部120と測定対象物Sとの相対的な距離に基づいて、受光部120の焦点または受光部120のZ方向の測定可能範囲CAと測定対象物Sとの位置関係が算出される。算出された位置関係を識別可能に副立体形状画像が図1の表示部400に表示される。
この場合、使用者は、表示部400に表示される副立体形状画像を見ることにより、受光部120の光軸方向における複数の上面SH1〜SH3の範囲MDが受光部120のZ方向の測定可能範囲CAよりも大きいことを容易に認識することができる。
本例のように、受光部120の光軸方向における複数の上面SH1〜SH3の範囲が受光部120のZ方向の測定可能範囲CAよりも大きい場合、一部の上面(例えば上面SH1,SH2)が測定可能範囲CA内に位置するようにステージ140が調整されても、他部の上面(例えば上面SH3)が測定可能範囲CAから外れる。この状態で、三角測距方式の形状測定により測定対象物Sの全ての上面SH1〜SH3を同時に測定しても、測定可能範囲CAから外れる部分についての測定精度は著しく低下する。
そこで、使用者は、副立体形状画像を見ながら、例えば図34(b)に示すように、一部の上面(上面SH1,SH2)が受光部120のZ方向の測定可能範囲CA内に位置するようにステージ140をZ方向に移動させる。この状態で、三角測距方式の形状測定により、測定対象物Sの一部の上面を高い精度で測定する。
続いて、使用者は、例えば図34(c)に示すように、他部の上面(上面SH3)が受光部120のZ方向の測定可能範囲CA内に位置するようにステージ140をZ方向に移動させる。この状態で、三角測距方式の形状測定により、測定対象物Sの他部の上面を高い精度で測定する。
上記のように、測定対象物Sの一部および他部にそれぞれ対応する複数の主立体形状データが生成される場合には、測定対象物Sの一部および他部にそれぞれ対応する複数の主立体形状データを合成する。
具体的には、測定対象物Sの一部(上面SH1,SH2)が受光部120のZ方向の測定可能範囲CA内に位置する状態で得られた主立体形状データのうち測定可能範囲CA内に位置する一部に対応するデータを抽出する。また、測定対象物Sの他部(上面SH3)が受光部120のZ方向の測定可能範囲CA内に位置する状態で得られた主立体形状データのうち測定可能範囲CA内に位置する他部に対応するデータを抽出する。抽出されたデータを合成する。それにより、使用者は、上面全体(上面SH1,SH2,SH3)について高い精度で測定された主立体形状データを得ることができる。
図33および図34に示される測定対象物Sの位置の調整は、自動で行われてもよい。図35は、焦点調整の補助機能に基づいて自動で測定対象物Sの位置が調整される一例を説明するための図である。図35(a)〜(c)にはステージ140上に載置された測定対象物Sの側面図が示される。
図35(a)に示すように、本例の測定対象物Sは図33(a)の測定対象物Sと同じ構成を有する。本例においても、焦点調整の補助機能により、測定対象物Sについて副立体形状データが生成される。生成された副立体形状データおよび受光部120と測定対象物Sとの相対的な距離に基づいて、受光部120の焦点または受光部120のZ方向の測定可能範囲CAと測定対象物Sとの位置関係が算出される。
この場合、図1のCPU210は、三角測距方式の形状測定前に、生成された副立体形状データに基づいて、受光部120の光軸方向における複数の上面SH1〜SH3の範囲MDが受光部120のZ方向の測定可能範囲CA以下であるか否かを判定する。
本例のように、複数の上面SH1〜SH3の範囲MDが受光部120のZ方向の測定可能範囲CA以下である場合、CPU210は、図35(b)に示すように、受光部120の光軸方向において測定対象物S上の複数の上面SH1,SH2,SH3の平均位置Zc1を算出する。
続いて、CPU210は、算出された平均位置Zc1および算出された上記の位置関係に基づいて、測定対象物Sの平均位置Zc1が受光部120の焦点に位置するようにステージ140をZ方向に移動させる。その結果、図35(c)に示すように、上面SH1,SH2,SH3が受光部120のZ方向の測定可能範囲CA内に位置する。このようにして、受光部120の焦点に対する測定対象物Sの位置が自動で調整される。その後、三角測距方式の形状測定により測定対象物Sの上面全体を高い精度で測定する。
本例では、測定対象物Sの位置が自動的に調整されるので、副立体形状画像は図1の表示部400に表示されなくてもよい。
図36は、焦点調整の補助機能に基づいて自動で測定対象物Sの位置が調整される他の例を説明するための図である。図36(a)〜(d)にはステージ140上に載置された測定対象物Sの側面図が示される。
図36(a)に示すように、本例の測定対象物Sは図34(a)の測定対象物Sと同じ構成を有する。本例においても、焦点調整の補助機能により、測定対象物Sについて副立体形状データが生成される。生成された副立体形状データおよび受光部120と測定対象物Sとの相対的な距離に基づいて、受光部120の焦点または受光部120のZ方向の測定可能範囲CAと測定対象物Sとの位置関係が算出される。
図35の例と同様に、図1のCPU210は、三角測距方式の形状測定前に、生成された副立体形状データに基づいて、受光部120の光軸方向における複数の上面SH1〜SH3の範囲MDが受光部120のZ方向の測定可能範囲CA以下であるか否かを判定する。
本例のように、複数の上面SH1〜SH3の範囲MDが受光部120のZ方向の測定可能範囲CAよりも大きい場合、CPU210は、算出された上記の位置関係に基づいて、例えば測定対象物Sの最低の上面SH1が受光部120の焦点に位置するようにステージ140をZ方向に移動させる。その結果、図36(b)に示すように、一部の上面(上面SH1,SH2)が受光部120のZ方向の測定可能範囲CA内に位置する。この状態で、三角測距方式の形状測定により測定対象物Sを測定する。
次に、CPU210は、受光部120の焦点または受光部120のZ方向の測定可能範囲CAと測定対象物Sとの位置関係を算出するとともに、算出された位置関係に基づいて測定対象物Sの最高の上面SH3が受光部120のZ方向の測定可能範囲CA内にあるか否かを判定する。
上面SH3が受光部120のZ方向の測定可能範囲CA内にない場合、CPU210は、予め定められた間隔分ステージ140を下方へ移動させる。それにより、図36(c)に示すように、受光部120のZ方向の測定可能範囲CA内に位置する測定対象物Sの部分が変更される。この状態で、三角測距方式の形状測定により測定対象物Sを測定する。
このときステージ140がZ方向に移動する範囲および間隔は、全焦点テクスチャ画像を生成する際に受光部120とステージ140とをZ方向に相対的に移動させる範囲および間隔と同様に、形状測定装置500の固有の値である。ステージ140がZ方向に移動する間隔は、被写界深度の範囲よりも小さい値に設定されてもよい。
なお、測定対象物Sの形状測定処理を予め実行した場合、または測定対象物Sの形状を示すデータ(例えばCADデータ)を予め保有している場合など、測定対象物Sの形状が既知である場合には、このデータに基づいて最適な移動範囲および間隔を決定してもよい。また、測定対象物Sの高さ形状の勾配に応じて上記の間隔を変化させてもよい。さらに、焦点調整の補助機能においてステージ140と受光部120との相対的なZ方向の移動を規定する上記のパラメータは使用者により任意に設定可能であってもよい。
次に、CPU210は、再び受光部120の焦点または受光部120のZ方向の測定可能範囲CAと測定対象物Sとの位置関係を算出するとともに、算出された位置関係に基づいて測定対象物Sの最高の上面SH3が測定可能範囲CA内にあるか否かを判定する。CPU210は、上記の一連の動作を繰り返す。その結果、図36(d)に示すように、上面SH3が受光部120のZ方向の測定可能範囲CA内に位置すると、ステージ140の下方への移動を停止する。
その後、CPU210は、ステージ140を複数回移動させることにより生成された複数の主立体形状データを合成する。それにより、使用者は、上面全体(上面SH1,SH2,SH3)について高い精度で生成された主立体形状データを得ることができる。
本例においても、図35の例と同様に、測定対象物Sの位置が自動的に調整されるので、副立体形状画像は図1の表示部400に表示されなくてもよい。
(2)副立体形状画像の表示例
上記のように、例えば使用者が手動で測定対象物Sの位置を調整する場合、受光部120の焦点または受光部120のZ方向の測定可能範囲CAと測定対象物Sとの位置関係が識別可能に副立体形状画像が図1の表示部400に表示される。この場合、表示部400の画面上には、副立体形状画像に重畳されるように、または副立体形状画像とともに、上記の位置関係を示す画像(以下、位置関係画像と呼ぶ。)が表示される。
副立体形状画像の表示例について説明する。図37(a)は、副立体形状三次元画像の一表示例を示す図である。図37(a)の副立体形状三次元画像においては、測定対象物Sの表面形状が高さに応じて互いに異なる複数種類の色で示される。図37(a)の例では、複数種類の色の代わりに、互いに異なる複数種類のハッチングにより測定対象物Sの表面形状の高さが示される。ハッチングの濃度が高い部分ほど測定対象物Sの表面がZ方向において高い位置にあることを示し、ハッチングの濃度が低い部分ほど測定対象物Sの表面がZ方向において低い位置にあることを示す。この場合、使用者は、副立体形状三次元画像を見ることにより、測定対象物Sの表面形状を容易に認識することができる。
図37(b)は、副立体形状二次元画像の一表示例を示す図である。図37(b)の副立体形状二次元画像においても、測定対象物Sの表面形状が高さに応じて互いに異なる複数種類の色で表示される。図37(b)の例では、図37(a)の例と同様に、複数種類の色の代わりに、互いに異なる複数種類のハッチングにより測定対象物Sの表面形状の高さが示される。使用者は、副立体形状二次元画像を見ることにより、測定対象物Sの表面形状を容易に認識することができる。
図38(a)は、位置関係画像が重畳された副立体形状三次元画像の一表示例を示す図である。図38(a)の副立体形状三次元画像においても、図37(a)の例と同様に、測定対象物Sの表面形状が高さに応じて互いに異なる複数種類の色で表示される。さらに、図38(a)の例では、測定対象物Sの副立体形状三次元画像上に、位置関係画像として上限面ULおよび下限面BLが表示される。
上限面ULは、Z方向(受光部120の光軸方向)における受光部120の測定可能範囲CAの上限を表す。また、下限面BLは、Z方向(受光部120の光軸方向)における受光部120の測定可能範囲CAの下限を表す。これにより、図38(a)の副立体形状三次元画像においては、上限面ULから下限面BLまでの範囲が受光部120のZ方向の測定可能範囲CAとして示される。
使用者は、図38(a)の副立体形状三次元画像を見ることにより、測定対象物Sの表面形状を容易に認識するとともに、受光部120のZ方向の測定可能範囲CAと測定対象物Sとの位置関係を容易に認識することができる。
例えば、使用者は、測定対象物Sの上面全体が受光部120のZ方向の測定可能範囲CA内にあるか否かを容易に認識することができる。または、使用者は、測定対象物Sにおける所望の部分が受光部120のZ方向の測定可能範囲CA内にあるか否かを容易に認識することができる。
図38(b)は、位置関係画像とともに表示される副立体形状二次元画像の一表示例を示す図である。図38(b)の例では、表示部400の画面上に第1、第2および第3の表示領域410,420,430が設定される。
第1の表示領域410には、副立体形状二次元画像が表示される。本例の副立体形状二次元画像においては、測定対象物Sの表面のうち受光部120のZ方向の測定可能範囲CA内にある部分の形状のみが、高さに応じて互いに異なる複数種類の色で表示される。
第2の表示領域420には、測定対象物Sの表面の高さ分布を示すヒストグラムが表示される。第2の表示領域420に表示されるヒストグラムにおいては縦軸が高さを表し、横軸が受光部120の画素数を表す。
第2の表示領域420のヒストグラムには、位置関係画像として上限カーソルUCおよび下限カーソルBCが表示される。上限カーソルUCは、Z方向(受光部120の光軸方向)における受光部120のZ方向の測定可能範囲CAの上限を表す。下限カーソルBCは、Z方向(受光部120の光軸方向)における受光部120の測定可能範囲CAの下限を表す。これにより、図38(b)の副立体形状二次元画像においては、上限カーソルUCから下限カーソルBCまでの範囲が受光部120のZ方向の測定可能範囲CAとして示される。
本例のヒストグラムにおいては、さらに上限カーソルUCから下限カーソルBCまでの領域上に受光部120のZ方向の測定可能範囲CAを示す彩色が施される。図38(b)の第2の表示領域420では、受光部120のZ方向の測定可能範囲CAがハッチングにより示される。
第3の表示領域430は、上限表示部431、中心表示部432、幅表示部433および下限表示部434を含む。上限表示部431には、受光部120のZ方向の測定可能範囲CAの上限に対応する高さの値が表示される。中心表示部432には、受光部120のZ方向の測定可能範囲CAの中心(受光部120の焦点)に対応する高さの値が表示される。幅表示部433には、受光部120のZ方向の測定可能範囲CAの上限から下限までの距離(測定可能範囲CAの大きさ)が表示される。下限表示部434には、受光部120のZ方向の測定可能範囲CAの下限に対応する高さの値が表示される。
なお、上限表示部431、中心表示部432および下限表示部434にそれぞれ表示される高さの値は、例えばステージ140のエンコーダから与えられる信号に基づいてCPU210により算出される。
使用者は、図38(b)の第1、第2および第3の表示領域410,420,430に表示される画像および情報を見ることにより、測定対象物Sの表面形状を容易に認識するとともに、受光部120のZ方向の測定可能範囲CAと測定対象物Sとの位置関係を容易に認識することができる。
上記のように、本実施の形態においては、使用者は、表示部400に表示される副立体形状画像および位置関係画像を見ながらステージ操作部145を操作して測定対象物Sの位置を調整する。例えば、表示部400に図38(a)または図38(b)の副立体形状画像および位置関係画像が表示された状態で、使用者が図1のステージ操作部145を操作することによりステージ140がZ方向に移動する。この場合、受光部120の焦点または受光部120のZ方向の測定可能範囲CAと測定対象物Sとの位置関係が変化する。すなわち、受光部120のZ方向の測定可能範囲CA内に位置する測定対象物Sの部分が変化する。
図39(a)に図38(a)の表示状態からステージ140が所定距離下方に移動した後に表示される副立体形状三次元画像および位置関係画像の表示例が示される。図39(b)に図38(b)の表示状態からステージ140が所定距離下方に移動した後に表示される副立体形状二次元画像および位置関係画像の表示例が示される。
図39(a),(b)の副立体形状画像および位置関係画像によれば、使用者は、ステージ140が移動することにより、受光部120のZ方向の測定可能範囲CA内に位置する測定対象物Sの部分が、測定対象物Sの中央部から測定対象物Sの上部に変化したことを容易に認識することができる。また、使用者は、例えば測定対象物Sの下端部が受光部120のZ方向の測定可能範囲CAから外れたことを容易に認識することができる。
一方、図40(a)に図38(a)の表示状態からステージ140が所定距離上方に移動した後に表示される副立体形状三次元画像および位置関係画像の表示例が示される。図40(b)に図38(b)の表示状態からステージ140が所定距離上方に移動した後に表示される副立体形状二次元画像および位置関係画像の表示例が示される。
図40(a),(b)の副立体形状画像および位置関係画像によれば、使用者は、ステージ140が移動することにより、受光部120のZ方向の測定可能範囲CA内に位置する測定対象物Sの部分が、測定対象物Sの中央部から測定対象物Sの下部に変化したことを容易に認識することができる。また、使用者は、例えば測定対象物Sの上端部が受光部120のZ方向の測定可能範囲CAから外れたことを容易に認識することができる。
図41(a)は、位置関係画像が重畳された副立体形状三次元画像の他の表示例を示す図である。図41(a)の例では、位置関係画像として、図38(a)の上限面ULおよび下限面BLに加えて焦点面FLが表示される。焦点面FLは、上限面ULと下限面BLとの間に位置し、Z方向(受光部120の光軸方向)における受光部120の焦点の位置を表す。
図41(b)は、位置関係画像とともに表示される副立体形状二次元画像の他の表示例を示す図である。図41(b)の第2の表示領域420では、位置関係画像として、図38(b)の上限カーソルUCおよび下限カーソルBCに加えて焦点線FCが表示される。焦点線FCは、ヒストグラム上の上限カーソルUCと下限カーソルBCとの間に位置し、Z方向(受光部120の光軸方向)における受光部120の焦点の位置を表す。
図41(a),(b)に示すように、表示部400の画面上に受光部120の焦点の位置を表す指標(焦点面FLおよび焦点線FC)が表示されることにより、使用者は測定対象物Sにおけるどの部分が受光部120の焦点に位置するのかを即座に認識することができる。
表示部400には、上記の全焦点テクスチャ画像とともに、受光部120の焦点または受光部120のZ方向の測定可能範囲CAと測定対象物Sとの位置関係を示す位置関係画像が表示されてもよい。
図42は、位置関係画像とともに表示される全焦点テクスチャ画像の一表示例を示す図である。図42の例では、表示部400の画面上に全焦点テクスチャ画像表示領域440およびプロファイル形状表示領域450が設定される。
全焦点テクスチャ画像表示領域440に全焦点テクスチャ画像が表示される。本例では、全焦点テクスチャ画像上に線分441が表示されている。使用者は、例えば図1のPC200の操作部250を操作することにより全焦点テクスチャ画像上で所望の箇所に線分441を描くことができる。
プロファイル形状表示領域450には、全焦点テクスチャ画像上の線分441に対応する測定対象物S上の線分の長さを示す横軸、および測定対象物Sの表面の高さを示す縦軸が表示されるとともに、副立体形状画像として線分441に沿った測定対象物Sの表面形状451が表示される。
プロファイル形状表示領域450には、さらに位置関係画像として上限線452、下限線453および焦点線454が表示される。上限線452は、Z方向(受光部120の光軸方向)における受光部120の測定可能範囲CAの上限を表す。下限線453は、Z方向(受光部120の光軸方向)における受光部120の測定可能範囲CAの下限を表す。焦点線454は、上限線452と下限線453との間に位置し、Z方向(受光部120の光軸方向)における受光部120の焦点の位置を表す。
上記のように、プロファイル形状表示領域450に表示される表面形状451の画像データは、副立体形状データおよび全焦点テクスチャ画像上に描かれる線分441の位置に基づいてCPU210により生成される。
使用者は、図42の全焦点テクスチャ画像を見ることにより測定対象物Sの表面状態を鮮明に観測することができる。また、使用者は、測定対象物Sの表面状態を観測しつつ全焦点テクスチャ画像上の所望の位置に線分441を描くことにより、測定対象物Sにおける所望の部分の表面形状451をプロファイル形状表示領域450上に表示させることができる。
さらに、使用者は、プロファイル形状表示領域450上で、測定対象物Sの表面形状451とともに表示される位置関係画像(本例では、上限線452、下限線453および焦点線454)を見ることにより、現在の受光部120のZ方向の測定可能範囲CAと測定対象物Sとの位置関係を容易に認識することができる。
副立体形状データと全焦点テクスチャ画像データとが合成されることにより合成データが生成される場合には、生成されたその合成データに基づく画像とともに位置関係画像が表示部400に表示されてもよい。この場合、使用者は、測定対象物Sの立体形状および表面の状態の合成された画像を見ながら、現在の受光部120のZ方向の測定可能範囲CAと測定対象物Sとの位置関係を容易に認識することができる。
(3)測定対象物における測定対象部分を指定するための画像
上記のように、測定対象物Sの位置の調整が自動で行われる場合には、測定対象物Sの位置の調整が行われる前に、使用者により測定対象物Sにおける測定対象部分が指定されてもよい。この場合、例えば表示部400に位置関係画像とともに副立体形状画像が表示された後、使用者が測定対象物Sにおける測定対象部分を指定することにより、指定された測定対象部分が受光部120のZ方向の測定可能範囲CA内に位置するように測定対象物Sの位置が自動的に調整されてもよい。
図43は、形状測定前に測定対象物Sにおける測定対象部分が指定される場合に表示部400に表示される画像の一例を示す図である。図43(a),(b)に示すように、本例では、表示部400の画面上に対象物表示領域460およびボタン表示領域470が設定される。
図43(a)の例では対象物表示領域460に全焦点テクスチャ画像が表示され、図43(b)の例では対象物表示領域460に副立体形状二次元画像が表示される。また、図43(a),(b)のボタン表示領域470には、複数の指定ボタン471、OKボタン472およびキャンセルボタン473が表示される。
複数の指定ボタン471には、図43(a)の全焦点テクスチャ画像上または図43(b)の副立体形状二次元画像上で測定対象物Sの測定対象部分を指定するための複数種類の方法がそれぞれ割り当てられている。
例えば、使用者は、「全領域」が割り当てられた指定ボタン471を操作することにより、測定対象物Sの全体を測定対象部分として指定することができる。また、使用者は、「矩形」が割り当てられた指定ボタン471を操作した後、ドラッグ操作等により全焦点テクスチャ画像上または副立体形状二次元画像上で所望の矩形領域を選択する。それにより、使用者は、選択された矩形領域に対応する測定対象物Sの部分を測定対象部分として指定することができる。図43(a),(b)の例では、全焦点テクスチャ画像上および副立体形状二次元画像上でそれぞれ2つの矩形領域461,462が選択された状態が示される。
使用者は、測定対象部分の指定後、OKボタン472またはキャンセルボタン473を選択する。OKボタン472が選択されることにより、測定対象部分の指定が完了する。
図44は、形状測定前に測定対象物Sにおける測定対象部分が指定される場合に表示部400に表示される画像の他の例を示す図である。図44(a)の例では、表示部400の画面上に副立体形状三次元画像が表示されるとともに2つのカーソルCUが表示される。各カーソルCUの下方には、副立体形状三次元画像上の測定対象物Sの表面に接するように円形の仮想面が表示されている。使用者は、表示部400の画面上で各カーソルCUを操作することにより、各カーソルCUに対応する仮想面を移動させる。それにより、使用者は、仮想面が重なる測定対象物Sの部分を測定対象部分として指定することができる。
図44(b)の例では、表示部400の画面上に副立体形状三次元画像が表示されるとともに上限面ULSおよび下限面BLSが表示される。図44(b)の上限面ULSおよび下限面BLSは、それぞれZ方向における測定対象物Sの測定範囲SUの上限および下限を表す。図44(b)の上限面ULSはカーソルUCUを含み、下限面BLSはカーソルBCUを含む。使用者は、表示部400の画面上でカーソルUCU,BCUを操作することにより、上限面ULSおよび下限面BLSをそれぞれ所望の位置に移動させる。それにより、使用者は、上限面ULSから下限面BLSまでの範囲内に位置する測定対象物Sの部分を測定対象部分として指定することができる。
上記の例では、使用者により測定対象物Sにおける測定対象部分が指定された後、測定対象物Sの位置の調整が自動で行われる。これに限らず、測定対象部分が指定された場合には、指定された測定対象部分が受光部120のZ方向の測定可能範囲CA内に位置する状態を仮定したときに受光部120の焦点に位置すべき測定対象物Sの部分(以下、適切部分と呼ぶ。)を示す画像と、受光部120の焦点を示す画像とが表示部400に表示されてもよい。測定対象物Sの適切部分は、例えば受光部120の光軸方向における測定対象部分の平均位置である。
図45は、測定対象物Sの適切部分および受光部120の焦点を示す画像の一表示例である。図45(a)の例では、測定対象物Sの副立体形状三次元画像上に、測定対象物Sの適切部分を示す適切面FSと、受光部120の焦点を示す焦点面RSとが示される。この場合、使用者は、図1のステージ操作部145を操作し、適切面FSと焦点面RSとが一致するようにステージ140をZ方向に移動させる。それにより、使用者は、測定対象部分を受光部120のZ方向の測定可能範囲CA内に容易に位置させることができる。
図45(b)の例では、表示部400上の第1の表示領域410に副立体形状二次元画像が表示されるとともに、第2の表示領域420に表示されるヒストグラム上に、測定対象物Sの適切部分を示す点線TFと、受光部120の焦点を示す実線RFとが示される。この場合、使用者は、図1のステージ操作部145を操作し、点線TFと実線RFとが一致するようにステージ140をZ方向に移動させる。それにより、使用者は、測定対象部分を受光部120のZ方向の測定可能範囲CA内に容易に位置させることができる。
(4)焦点調整の補助機能を用いる場合の操作手順
図46は、焦点調整の補助機能を用いる場合の形状測定装置500の操作手順の一例を示すフローチャートである。本フローチャートの初期状態においては、照明光の明るさ、測定光の明るさ、および測定対象物Sの姿勢が予め調整されているものとする。
焦点調整の補助機能により受光部120の焦点を調整する場合、使用者は、例えばPC200の操作部250を操作することにより副立体形状データの生成を指示する(ステップS101)。この場合、CPU210は、使用者による指示に応答して副立体形状データを生成する。その後、CPU210は、例えば図38〜図42に示すように、生成された副立体形状データおよび受光部120と測定対象物Sとの相対的な距離に基づいて副立体形状画像および位置関係画像を表示部400に表示させる。副立体形状データの生成の指示を受けた場合のCPU210の動作の詳細については後述する。
次に、使用者は、表示部400に表示された副立体形状画像および位置関係画像を確認することにより(ステップS102)、測定対象物Sと受光部120のZ方向の測定可能範囲CAとの関係を認識する。
次に、使用者は、PC200の操作部250を操作することにより測定対象部分を指定するための画像の表示を指示する(ステップS103)。CPU210は、使用者による画像の表示の指示に応答して、例えば図43および図44に示すように、測定対象物Sにおける測定対象部分を指定するための画像を表示部400に表示させる。
次に、使用者は、PC200の操作部250を操作することにより表示部400の画面上で測定対象物Sにおける測定対象部分を指定する(ステップS104)。この場合、CPU210は、使用者により指定された測定対象部分を示す画像を表示部400に表示する。
使用者は、表示部400に表示される副立体形状画像、位置関係画像および測定対象部分の画像を見ながらステージ操作部145を操作して測定対象物Sの位置を調整する(ステップS105)。
続いて、使用者は、測定対象物Sの測定対象部分が受光部120のZ方向の測定可能範囲CA内にあるか否か、すなわち、測定対象物Sの位置が適切か否かを判定する(ステップS106)。使用者はステップS105,S106の操作を繰り返すことにより、測定対象物Sを受光部120の焦点に適切に位置させる。その後、使用者は、PC200の操作部250を操作することにより上記の形状測定処理の実行を指示する。
上記のステップS101の操作に応答して、CPU210は、副立体形状データとともに全焦点テクスチャ画像データを生成してもよい。使用者による上記のステップS103,S104の操作は行われなくてもよい。
ステップS104において、測定対象物Sにおける測定対象部分が指定された場合、CPU210は、指定された測定対象部分に対応する副立体形状データに基づいて測定対象物Sの適切部分を算出してもよい。また、CPU210は、算出された適切部分を示す画像を、図45に示すように表示部400に表示してもよい。さらに、CPU210は、算出された適切部分が受光部120の焦点に位置するようにステージ駆動部146を制御してステージ140を移動させてもよい。この場合、使用者はステップS105,S106の操作を行う必要がない。
(5)副立体形状データ生成処理
図46のステップS101において、副立体形状データの生成の指示を受けた場合、CPU210は以下に示す副立体形状データ生成処理により副立体形状データを生成する。
副立体形状データ生成処理は、使用者の手動操作に基づいて実行されてもよいし、CPU210により自動的に実行されてもよい。
図47は、使用者の手動操作に基づいて実行される副立体形状データ生成処理の一例を示すフローチャートである。
まず、CPU210は、使用者により測定対象物Sの撮像が指示されたか否かを判定する(ステップS111)。測定対象物Sの撮像が指示されることにより、CPU210は、測定対象物Sに照明光を照射し、測定対象物Sを撮像することによりテクスチャ画像データを生成する(ステップS112)。生成されたテクスチャ画像データは、受光部120の光軸方向における受光部120と測定対象物Sとの相対的な距離の情報とともに図1の作業用メモリ230に記憶される。
次に、CPU210は、使用者により副立体形状データの生成が指示されたか否かを判定する(ステップS113)。副立体形状データの生成が指示されない場合、CPU210は、受光部120の焦点が調整されたか否かを判定する(ステップS114)。具体的には、受光部120は、ステージ140のZ位置が変化したか否かを判定する。受光部120の焦点が調整された場合には、CPU210は、ステップS111の処理に戻る。
上記のステップS111〜S114の処理が複数回繰り返されることにより、作業用メモリ230には、Z方向における複数の位置で測定対象物Sが撮像されることにより得られる複数のテクスチャ画像データが、受光部120と測定対象物Sとの相対的な距離の情報とともに記憶される。
ステップS113において、副立体形状データの生成が指示された場合、CPU210は、作業用メモリ230に記憶された複数のテクスチャ画像データおよび受光部120と測定対象物Sとの相対的な距離の情報に基づいて副立体形状データを生成する(ステップS115)。その後、CPU210は、生成された副立体形状データおよびその時点での受光部120と測定対象物Sとの相対的な距離に基づいて、受光部120の焦点または受光部120のZ方向における測定可能範囲CAと測定対象物Sとの位置関係を算出する(ステップS116)。また、CPU210は、生成された副立体形状データおよび算出された位置関係に基づいて副立体形状画像および位置関係画像を表示部400に表示させる(ステップS117)。
なお、受光部120に対する測定対象物Sの位置が、算出された位置関係に基づいて後続の三角測距方式の形状測定前に自動的に調整される場合、ステップS117において、CPU210は副立体形状画像および位置関係画像を表示部400に表示させなくてもよい。
図48は、自動的に実行される副立体形状データ生成処理の一例を示すフローチャートである。図48の副立体形状データ生成処理は、CPU210が図46のステップS101で使用者による副立体形状データの生成の指示に応答することにより開始される。副立体形状データ生成処理が一旦開始されると、最初のステップから最終ステップまでの一連の処理が自動的に実行される。
本例では、副立体形状データ生成処理開始時のステージ140のZ位置が開始位置として予め図1の作業用メモリ230に記憶されている。また、副立体形状データ生成処理終了時のステージ140のZ位置が終了位置として予め図1の作業用メモリ230に記憶されている。さらに、テクスチャ画像データを生成するための測定対象物Sの撮像ごとにステージ140をZ方向に移動させるべき間隔およびステージ140の移動方向が、予め図1の作業用メモリ230に記憶されている。副立体形状データ生成時にステージ140がZ方向に移動する範囲および間隔は、全焦点テクスチャ画像を生成する際に受光部120とステージ140とをZ方向に相対的に移動させる上記の間隔と同様に設定される。
まず、CPU210は、ステージ140が開始位置にあるか否かを判定する(ステップS121)。ステージ140が開始位置にない場合、CPU210はステージ駆動部146を制御することによりステージ140を開始位置まで移動させる(ステップS122)。
ステップS121においてステージ140が開始位置にある場合、またはステップS122によりステージ140が開始位置に移動した後、CPU210は、測定対象物Sに照明光を照射し、測定対象物Sを撮像することによりテクスチャ画像データを生成する(ステップS123)。生成されたテクスチャ画像データは、受光部120の光軸方向における受光部120と測定対象物Sとの相対的な距離の情報とともに図1の作業用メモリ230に記憶される。
続いて、CPU210は、ステージ140が終了位置にあるか否かを判定する(ステップS124)。ステージ140が終了位置にない場合、CPU210はステージ駆動部146を制御することにより、記憶された間隔分受光部120の焦点の位置を調整する(ステップS125)。具体的には、受光部120は、ステージ駆動部146を制御することにより予め定められた間隔分、開始位置から終了位置に向かう方向へステージ140のZ位置を変化させ、受光部120の焦点に対する測定対象物Sの位置を調整する。その後、CPU210は、ステップS123の処理に戻る。
上記のステップS123,S124,S125の処理が複数回繰り返されることにより、作業用メモリ230には、Z方向における複数の位置で測定対象物Sが撮像されることにより得られる複数のテクスチャ画像データが、受光部120と測定対象物Sとの相対的な距離の情報とともに記憶される。
ステップS124において、ステージ140が終了位置にある場合、CPU210は、作業用メモリ230に記憶された複数のテクスチャ画像データおよび受光部120と測定対象物Sとの相対的な距離の情報に基づいて副立体形状データを生成する(ステップS126)。
その後、CPU210は、生成された副立体形状データおよびその時点での受光部120と測定対象物Sとの相対的な距離に基づいて、受光部120の焦点または受光部120のZ方向の測定可能範囲CAと測定対象物Sとの位置関係を算出する(ステップS127)。また、CPU210は、生成された副立体形状データおよび算出された位置関係に基づいて副立体形状画像および位置関係画像を表示部400に表示させる(ステップS128)。
本例においても、受光部120に対する測定対象物Sの位置が、算出された位置関係に基づいて後続の三角測距方式の形状測定時に自動的に調整される場合、ステップS128において、CPU210は副立体形状画像および位置関係画像を表示部400に表示させなくてもよい。
上記のように、本例では、ステージ140が終了位置にあるか否かに基づいて、副立体形状データの生成タイミング(ステップS126の処理タイミング)が定められる。これに限らず、CPU210は、直前に生成されたテクスチャ画像データに基づいて測定対象物Sの少なくとも一部が受光部120のZ方向の測定可能範囲CA内に位置するか否かを判定し、測定対象物Sの全ての部分が受光部120のZ方向の測定可能範囲CA外にあると判定した場合に、ステップS126の処理を行ってもよい。
(6)焦点調整の補助機能を用いた形状測定処理
図49〜図51は、焦点調整の補助機能を用いた形状測定処理の一例を示すフローチャートである。本例の形状測定処理においては、図30〜図32の形状測定処理のステップS41〜S45の処理に代えて後述するステップS131〜S138,S141〜S145の少なくとも一部の処理が実行される。
図49に示すように、CPU210は、まず使用者からの指示に応答して図47または図48の副立体形状データ生成処理を実行する(ステップS131)。
次に、CPU210は、測定対象物Sにおける測定対象部分の設定を行う(ステップS132)。具体的には、CPU210は、使用者により測定対象部分が指定された場合、指定された測定対象部分ごとにその測定対象部分の受光部120の光軸方向における位置を算出する。使用者により測定対象部分が指定されない場合、CPU210は、測定対象物Sの全体を測定対象部分とし、受光部120の光軸方向における測定対象物Sの全体の範囲を算出してもよい。算出された測定対象部分の範囲は作業用メモリ230に記憶される。
続いて、CPU210は、受光部120の光軸方向における測定対象部分の範囲(複数の測定対象部分が設定された場合には、Z方向において受光部120に最も近い位置からZ方向において受光部120に最も遠い位置までのZ方向の範囲)が受光部120のZ方向の測定可能範囲CA以下であるか否かを判定する(ステップS133)。測定対象部分の範囲が受光部120のZ方向の測定可能範囲CA以下である場合、CPU210は、適切部分の位置として受光部120の光軸方向における測定対象部分の平均位置を算出する(ステップS134)。
次に、CPU210は、ステップS131で算出された位置関係(受光部120の焦点または受光部120のZ方向における測定可能範囲CAと測定対象物Sとの位置関係)に基づいて、測定対象物Sの適切部分が受光部120の焦点に位置するようにステージ140を移動させる(ステップS135)。その後、CPU210は、三角測距方式の形状測定を行うことにより主立体形状データを生成する(ステップS136)。生成された主立体形状データは作業用メモリ230に記憶される。続いて、CPU210は、生成した主立体形状データに基づいて測定対象物Sの主立体形状の画像を表示部400に表示する(ステップS137)。
その後、CPU210は、使用者の指示に基づいて、測定すべき位置(以下、測定位置と呼ぶ)の立体形状が表示されているか否かを判定する(ステップS138)。使用者は、表示部400に表示されている測定対象物Sの主立体形状の画像を見て、測定位置の立体形状が表示されているか否かをCPU210に指示する。
ステップS138において、測定位置の立体形状が表示されることにより、CPU210はステップS46の処理に進む。ステップS46〜S57の処理は、図30〜図32の形状測定処理のステップS46〜S57と同様である。
これにより、CPU210は、使用者の指示に基づいて測定位置の計測または解析を実行する(ステップS57)。これにより、形状測定処理を終了する。
上記のステップS135において、CPU210は、さらに副立体形状データおよびその時点での受光部120と測定対象物Sとの相対的な距離に基づいて、受光部120の焦点または受光部120のZ方向の測定可能範囲CAと測定対象物Sとの位置関係を再度算出してもよい。
ステップS133において、測定対象部分の範囲が受光部120のZ方向の測定可能範囲CAよりも大きい場合、CPU210は、ステップS131で算出された位置関係に基づいて、測定対象部分のうち最低部分(または最高部分)が受光部120の焦点に位置するようにステージ140を移動させるとともに、受光部120の焦点または受光部120のZ方向の測定可能範囲CAと測定対象物Sとの位置関係を再度算出する(ステップS141)。その後、CPU210は、三角測距方式の形状測定を行うことにより主立体形状データを生成する(ステップS142)。生成された主立体形状データは受光部120と測定対象物Sとの相対的な距離の情報とともに作業用メモリ230に記憶される。
次に、CPU210は、測定対象部分のうち受光部120のZ方向の測定可能範囲CA内で形状測定が行われていない部分(以下、未測定部分と呼ぶ。)があるか否かを判定する(ステップS143)。
未測定部分がある場合、CPU210は、ステップS141で再度算出された位置関係に基づいて、未測定部分のうち最低部分(または最高部分)が受光部120の焦点に位置するようにステージ140を移動させるとともに、受光部120の焦点または受光部120のZ方向の測定可能範囲CAと測定対象物Sとの位置関係を再度算出する(ステップS144)。その後、CPU210は、ステップS142の処理に戻る。
上記のステップS142〜S144の処理が複数回繰り返されることにより、作業用メモリ230には、測定対象物SがZ方向における複数の位置にある状態でそれぞれ生成される複数の主立体形状データが受光部120と測定対象物Sとの相対的な距離の情報とともに記憶される。
ステップS143において、未測定部分がない場合、CPU210は作業用メモリ230に記憶された複数の主立体形状データを合成する(ステップS145)。合成された主立体形状データは作業用メモリ230に記憶される。その後、CPU210は、上記のステップS137の処理に進む。
本例では、CPU210は、ステップS135,S141,S144においてステージ140を自動的に移動させる代わりに、例えば図45に示すように、測定対象物Sを移動させるべき位置を示す画像を表示部400に表示させてもよい。この場合、使用者が手動でステージ140の位置を調整してもよい。
上述のように、ステップS131の副立体形状データ生成処理時には、1または複数のテクスチャ画像データが、受光部120の光軸方向における受光部120と測定対象物Sとの相対的な距離の情報とともに図1の作業用メモリ230に記憶される。そこで、CPU210は、ステップS47,S49,S51(図31)の処理時に照明光を照射して測定対象物Sを撮像してテクスチャ画像データを生成する代わりに、作業用メモリ230に記憶されたテクスチャ画像データを読み出してもよい。この場合、ステップS47,S49,S51の処理時に、照明光を照射して測定対象物Sを撮像する処理回数を低減することができる。または、ステップS47,S49,S51の処理時に、照明光を照射して測定対象物Sを撮像する必要がなくなる。
(7)効果
(7−1)本実施の形態に係る形状測定装置500においては、形状測定前に、測定対象物Sに照明光が照射され、受光部120の光軸方向において受光部120と測定対象物Sとの相対的な距離が変化される。このとき、測定対象物Sの複数の部分の各々が受光部120のZ方向の測定可能範囲CA内に位置する状態での受光部120と測定対象物Sとの相対的な距離に基づいて、測定対象物Sの立体形状を示す副立体形状データが生成される。
副立体形状データの生成後かつ形状測定前の時点での受光部120と測定対象物Sとの相対的な距離および生成された副立体形状データに基づいて受光部120の焦点または受光部120のZ方向の測定可能範囲CAと測定対象物Sとの位置関係が算出される。副立体形状データおよび算出された位置関係に基づいて、表示部400の画面上に副立体形状画像および位置関係画像が表示される。
その後、形状測定時に、測定光が測定対象物Sに照射された状態で受光部120から出力される受光信号に基づいて、三角測距方式により高い精度で測定対象物Sの立体形状を示す主立体形状データが生成される。
この場合、使用者は、形状測定前に表示部400に表示される副立体形状画像および位置関係画像を確認しながら測定対象物Sを受光部120の焦点または受光部120により測定可能な範囲内に適切かつ容易に位置させることができる。
(7−2)本実施の形態に係る形状測定装置500においては、形状測定前に、測定対象物Sに照明光が照射され、受光部120の光軸方向において受光部120と測定対象物Sとの相対的な距離が変化される。このとき、測定対象物Sの複数の部分の各々が受光部120のZ方向の測定可能範囲CA内に位置する状態での受光部120と測定対象物Sとの相対的な距離に基づいて、測定対象物Sの立体形状を示す副立体形状データが生成される。
副立体形状データの生成後かつ形状測定前の時点での受光部120と測定対象物Sとの相対的な距離および生成された副立体形状データに基づいて受光部120の焦点または受光部120のZ方向の測定可能範囲CAと測定対象物Sとの位置関係が算出される。
その後、形状測定時に、算出された位置関係に基づいて測定対象物Sの少なくとも一部が受光部120のZ方向の測定可能範囲CA内に位置するようにステージ140が制御される。測定対象物Sの少なくとも一部が受光部120のZ方向の測定可能範囲CA内に位置しかつ測定光が測定対象物Sに照射された状態で受光部120から出力される受光信号に基づいて、三角測距方式により高い精度で測定対象物Sの立体形状を示す主立体形状データが生成される。
このように、測定対象物Sの少なくとも一部が受光部120のZ方向の測定可能範囲CA内に位置するように、受光部120と測定対象物Sとの相対的な距離が自動的に調整される。したがって、使用者は、測定対象物Sを受光部120の焦点または受光部120により測定可能な範囲内に適切かつ容易に位置させることができる。
[7]他の実施の形態
(1)上記の実施の形態では、ステージ140がZ方向に移動することにより受光部120と測定対象物Sとの相対的な距離が変化する。これに限らず、受光部120と測定対象物Sとの相対的な距離を変化させるために、受光部120がZ方向に移動可能に構成されてもよい。この場合、使用者は、ステージ140をZ方向に移動させる代わりに、受光部120をZ方向に移動させることにより受光部120の焦点に対する測定対象物Sの位置を調整してもよい。
(2)上記の実施の形態では、ステージ140のX方向移動機構、Y方向移動機構、Z方向移動機構およびθ方向回転機構に用いられるステッピングモータにエンコーダが取り付けられているが、ステージ140がCPU210の制御によってのみ動作する場合には、ステージ140にエンコーダは設けられなくてもよい。この場合、CPU210は、ステージ140を制御する場合に、ステージ駆動部146に与える駆動パルスに基づいてステージ140のX位置、Y位置、Z位置またはθ回転角の変化量を算出することができる。
(3)上記の実施の形態においては副立体形状データの生成時に、照明光が測定対象物Sに照射される。これに限らず、副立体形状データの生成時には、照明光および測定光が同時に測定対象物Sに照射されてもよいし、測定光のみが測定対象物Sに照射されてもよい。
ただし、照明光が測定対象物Sに照射される場合、測定光が測定対象物Sに照射される場合に比べて発生する影を減少させることができる。したがって、副立体形状データの生成時には、少なくとも照明光を測定対象物Sに照射することが好ましい。
[8]請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応関係
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。
形状測定装置500が形状測定装置の例であり、測定対象物Sが測定対象物の例であり、照明光が第1の光の例であり、測定光が第2の光の例であり、投光部110、照明光出力部130および照明光源320が投光部の例であり、受光部120が受光部の例であり、測定光源111が測定光源の例であり、パターン生成部112がパターン生成部の例である。
また、ステージ140がステージの例であり、照明光出力部130および照明光源320が第1の投光部の例であり、投光部110が第2の投光部の例であり、ステージ駆動部146が相対距離変化部の例であり、表示部400が表示部の例である。
また、CPU210が第1のデータ生成部、第2のデータ生成部、制御部および処理装置の例であり、PC200の操作部250が指定操作部の例である。
さらに、副立体形状データが第1の立体形状データの例であり、主立体形状データが第2の立体形状データの例であり、副立体形状画像および位置関係画像が姿勢調整用画像の例である。
請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する他の種々の要素を用いることもできる。