JP4197339B2 - 三次元形状測定装置 - Google Patents
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Description
しかし、従来から、参照光路と測定光路の双方の光路長が等しくなったこと、つまり、干渉縞が最大の輝度を示す光路長の位置を特定することが困難なことから、各種の工夫が凝らされている(特許文献1及び2)。
(1) 上記の測定系の応答の問題
これは、上記したように撮像手段の応答遅れによるものである。原因としては、撮影手段としてカメラを用いた場合、そのカメラを構成する素子(CCD,CMOS等)で信号(データ)が蓄積される。その蓄積時間のため、結果として干渉縞の遅延として現れる。図11に示すように、撮像手段の遅れに対して、光路長の変化速度が速いと干渉縞の時間遅れ、振幅の減少が生じる。撮像手段が、光路長の変化速度に比べて、十分短い(蓄積)時間で撮影可能なカメラであれば時間遅れの影響を避けることができるが、そのようなカメラは、S/N(信号対雑音比)が不足することが多い。S/Nを改善するには、白色光による高輝度の照明が必要になる。
(2) 光路長を連続変化させながら測定するにしても、撮像手段により撮影する取得タイミングは、所定間隔(時間間隔又は光路長間隔)になる。そして、被測定物の表面の測定範囲(測定光路が照射する範囲)の各照射点(測定点)を同時に撮像できることが望ましい。しかし、安価に入手できるCMOSタイプのカメラは、ERS式(電子式ローリングシャッター方式)が主流であり、撮像手段を構成する撮像素子を走査(スキャン)して測定することになるので、被測定物の測定範囲の各照射点において、同時に測定できないで、いくらか照射点によって時間ズレが生じ、そのままでは、平坦な被測定物の表面であっても、そのズレによって傾斜があるかのように測定されてしまう。つまり、測定の非同時性が問題になってくる。なお、同時性が確保できるカメラであれば問題はない。
a)光路長を変化させつつ、撮像手段が測定範囲の各照射点をほぼ同時に撮像する構成とすれば、上記のような撮像手段による遅れは、各照射点に同程度生ずることになる。そこで、本発明では、被測定物の測定範囲の各照射点において測定された干渉縞が生ずる光路長、例えば、ピークが生ずる光路長の位置(上記のようにピークに着眼して説明しているときは「ピーク位置」と言うことがあり、光路長に着眼して説明するときは「特定光路長」と言う。光路長を所定起点から変化させればその起点からの「光路長変化量」でもある。)を基に、その内の一照射点の特定光路長と他の照射点の特定光路長との差を求めることにより、撮像手段の遅れの影響を軽減する構成とした。
図1の光源1は、広帯域に亘る多数の波長成分を有しコヒーレンシーの低い広帯域光を出射する光源であって、ここでは、例えば、白色光源を用いる。コリメータレンズ2は、光源2からの白色光(広帯域光)を集光してビームスプリッター3へ送る。ビームスプリッター3は、白色光の方向を変換して対物レンズ4へ送る。対物レンズ4は、白色光を集光してビームスプリッター5(光路形成部)へ送る。ビームスプリッター5は、対物レンズ4から受けた白色光を2方向へ分岐し、一つは測定光として被測定物7へ送り(ビームスプリッター5から被測定物7への光路を測定光路とする。)、他の一つは参照光として参照鏡6へ送る(ビームスプリッター5から参照鏡6への光路を参照光路とする。)。この例では、ビームスプリッター5と参照鏡6との間は固定、つまり参照光路の光路長は一定の固定長さとされている。
ビームスプリッター5は、ハーフミラーで構成することともできる。
次に、非同時性の解決について説明する。先ず、非同時性の定量的影響を説明する。例えば、光路長変化速度:約10um/s、CMOSカメラ:128×128=16384ピクセル、画素CLK(素子のクロック):24MHzとすると、撮像の最初と最後のピクセル(画素)間で680usの撮影時間差が生じる。光路長変化速度で換算すると、7nmのズレが生ずる。次の説明は、このズレを軽減するための説明である。
これは、上記したように平坦な被測定物の表面を測定すると、非同時性の影響で単純な傾斜として測定されるため、その傾斜を補正するための例である。
図3(A)は、カメラ10による非同時性を防止するために、光路長を補正するための光路長補正手段14aを設けたものである。他の構成は図1と同じである。例えば、カメラ10の撮像素子(或いは画素)が図4のように配列されているものとする。その配列を、画素位置或いは測定位置を(X、Y)の座表で表示すればカメラ10の走査は、(X1,Y1)から図4の右方向へ、(Xn,Y1)へ走査し、次に(X1,Y2)へ移って(Xn,Y2)まで走査し、これらを(Xn,Yn)まで行う。カメラ10の走査に係る時間は、X方向の影響は少ないが、Y方向の時間が問題となることが大きい。ここでは、簡単のために、同じX位置でY方向だけの走査時間による光路長差の補正について説明する。光路長補正手段14aは、測定位置(X1,Y1)、(X1,Y2)、(X1,Y3)、・・・・(X1、Yn−1)、(X1,Yn)のうち、(X1,Y1)を走査のスタート位置(時間差0)として(X1,Y1)と(X1,Y2)との走査の時間差1をt1,(X1,Y1)と(X1,Y3)との時間差をt2、以下、順次、(X1,Y1)と(X1,Yn)との時間差tn−1を取得しておいて、光路長制御手段16が制御する光路長変化速度vから各時間差tに対応する光路長差σを記憶しておく。例えば、光路長差σ1=v×t1、σ2=v×t2,・・・・・、σn−1=v×tn−1を、それぞれ、座標位置(X1,Y2)、(X1,Y3)、・・・・(X1、Yn−1)に対応づけて記憶しておく。そして、例えば、(X1、Yn−1)の特定光路長を求めたときは、その特定光路長からσn−1だけ差し引くことにより補正し、補正した値を変位演算手段15が、変位を求めるための最終的な特定光路長として用いる。なお、変位演算手段15が求めた変位に対して補正する事も可能である。いずれの補正であっても、非同時性の問題が解決する。上記説明は、Y方向の補正だけ説明したが、Y方向とX方向と合わせて補正することも可能である。
図3(B)は、カメラ10による非同時性を防止するために、変位演算手段15により、被測定物7が殆ど平坦な物である場合の測定において、変位演算の基準の取り方を工夫したものである。他の構成は図1と同じである。図5に示すように、被測定物7の表面の照射範囲全体について測定されるが、実際に所望な測定範囲が図5の斜線部分であった場合、例えば、基準値算出手段15bがその外側の基準範囲の範囲の各特定光路長を求め、さらにその平均値を算出する。測定値算出手段15aは、基準値算出手段15bが算出した平均値と、所望の測定範囲内の各測定位置(照射位置)における特定光路長との差を変位として算出する。これを所望の測定範囲内の各測定位置の全てについて行えば、非同時性の影響を軽減して、所望の測定範囲における相対的な形状を求めることができる。基準範囲は、図5では、ドーナツ状の範囲としたが、これに限ることはないが、差をとる基準とするため、その一部は、少なくとも所望の測定範囲の周辺を囲むものであることが望ましい。
図3(C)は、光路長制御手段16が、同一比測定物7の同一照射面について、往復して光路長を変化させ、それをカメラ10で撮影した双方のデータを基に求めた、各測定点における往路の特定波長と復路の特定波長の平均を算出して、その測定点における特定波長とするものである。他の構成は図1と同じである。往路と復路とで、時間差による影響がうち消すことにより、非同時性の問題を解消しようとするものである。図3(C)の平均値算出手段14bがその算出処理を行う。図6を基に、その算出順を説明する。図6は、光路長制御手段16が光路長を変化させたときの時間と特定光路長の変化を表した模擬的な図である。図6のように復路で取得した復路の特定光路長の変化を、往路と復路の切り返し時点で、往路で取得した特定光路長の変化に重なるように折返す。そして、図10の拡大図に示すように、例えば、往路でのタイミングがtkポイント(これに対応する光路長が特定光路長でもある。)においては、tkポイントの往路の測定開始点であり、復路の測定終了点である(X0、Y0)における往路の特定光路長と復路の光路長との平均値を算出して、(X0、Y0)の特定光路長とする(図6の拡大図の細かい点線を参照)。これを(Xn、Yn)までの全測定位置について行う。
「3.1 光路長可変手段の変形例」
図7は、ピエゾ8に代わる光路長可変手段である。ピエゾ8の代わりに測定光路中に一定の厚みを有し、光を透過する回転素子を入れて、この回転素子を回転することによって回転素子への入射角を変化させことにより、回転素子と被測定物間の往復の光路長を変化させるものである。
図8は、光路長を変化させる時間間隔(タイミング)と変化した光路長の関係を示す図であって、ピエゾ8又は図7の回転素子等の光路長可変手段に対して光路長制御手段16が、例えば、サインカーブの変化速度で駆動制御する事もできる例を示す。これまでの説明では、一定速度(つまり、一定時間間隔に対して一定の光路長)で変化させていたが、速度は、サインカーブであるが、サインカーブが既知であれば、一定光路長間隔ΔZになる時間間隔で、ピエゾ8等の光路長可変手段を制御することもできる。この場合は、カメラ10の撮像タイミング(時間間隔)は一定ではないが、メモリ13のアドレスは、一定光路長間隔とすることができる。この場合も、図2(B)がサインカーブになるだけで、原理は一定速度で変化させたと同様に特定光路長を求めることができる。ただ、一定光路長間隔ΔZが既知であれば、図2(B)を止めて図2(A)の横軸をΔZなる光路長間隔で表した方が便利である。
上記説明では、図2(A)の光路長変化の時間対干渉縞の振幅についてのデータと、図2(B)の光路長の変化時間対光路長の変化の特性とから、時間を介在させて、干渉縞のピーク位置を示す特定光路長を決めていたが、ここでは、図9及び図10を基に、より正確に特定光路長を決定する方法について説明する。
2 コリメータレンズ
3 ビームスプリッター
4 対物レンズ
5 ビームスプリッター
6 参照鏡
7 被測定物
8 ピエゾ
9 結像レンズ
10 カメラ
11 He−Neレーザー
12 ビームスプリッター
13 メモリ
14 光路長検出手段
15 変位演算手段
16 光路長制御手段
18 ユーザインタフェース
20 信号処理手段
Claims (6)
- 広帯域スペクトルを有する広帯域光を出力する広帯域光源(1)と、
該広帯域光を、参照鏡を有する参照光路と被測定物を配置した測定光路とに分岐して入射させて照射し、前記参照鏡からの反射光と前記被測定物の照射された照射範囲の各照射位置からの反射光を合波して出力する光路形成部(5)と、
前記参照光路又は前記測定光路の光路長を変化させる光路長可変手段(8)と、
該光路長可変手段による該光路長の変化に応じて、前記光路形成部からの出力を所定時間間隔で撮像する撮像手段(10)と、備え、該撮像手段によって出力される前記撮像信号から得られる前記参照光路の光路長と前記測定光路の光路長に応じて生ずる干渉縞に基づいて前記被測定物の形状測定を行う三次元形状測定装置において、
前記光路長可変手段は、前記光路長を連続変化させている過程で生ずる前記干渉縞の変化に対する前記撮像手段が有する蓄積時間による応答遅れが、該干渉縞の周期の1/2よりも短い時間となる速度で該光路長を連続的に変化させる構成とされ、
さらに、前記光路長可変手段が前記光路長を連続的に変化させ、前記撮像手段によって撮像された撮像信号から得られる前記参照光路の光路長と前記測定光路の光路長が等しくなるときの被測定物の測定面に対して垂直方向の光路長変化量を求める光路長検出手段(14)と、
前記光路長検出手段によって出力される、1つの照射位置の光路長変化量と他の照射位置の光路長変化量との差を基に、各照射位置の相対的変化を求める変位算出手段(15)と、
を備えた三次元形状測定装置。 - 前記撮像手段は前記照射範囲の各照射位置を走査して撮像する手段であって、
前記光路長検出手段又は前記変位演算手段は、前記撮像手段が前記照射範囲の最初の撮像照射位置を起点として各照射位置を走査するまでの時間に変化する光路長差を記憶しておき、前記各照射位置における前記光路長変化量を、又は照射位置における変位を前記光路長差で補正することを特徴とする請求項1に記載の三次元形状測定装置。 - 前記撮像手段は前記照射範囲の各照射位置を走査して撮像する手段であって、
前記変位演算手段は、前記照射範囲の中の所望の測定範囲の各照射位置の変位を求めるにあたって、前記所望の測定範囲に近接する一部の照射範囲内の各照射位置における前記光路長変化量を基に基準となる光路長変化量を求め、その求めた基準となる光路長変化量と、前記所望範囲の各照射位置における光路長変化量との相対的な差を求めることを特徴とする請求項1に記載の三次元形状測定装置。 - 前記光路長可変手段は、前記参照光路又は前記測定光路の光路長を伸ばす方向の往路と伸ばした光路長を縮める方向の復路に、それぞれ同一速度で往復して連続変化させ、
前記撮像手段は、前記照射範囲の各照射位置を走査して撮像する手段であって、前記画像形成手段の往路の出力と復路の出力を撮像し、
前記光路長検出手段は、前記撮像手段が出力する往路と復路の2回のデータを平均した平均データを基に各照射位置における光路長変化量として表すことを特徴とする請求項1に記載の三次元形状測定装置。 - ほぼ単波長成分の参照光を出力するコヒーレント光源(11)と、
該参照光を前記広帯域光に合波して前記光路形成部に入射させる合成部(12)と、を備え、
前記光路長検出手段は、前記撮像手段から広帯域光による干渉縞とともに出力される、前記参照光による干渉縞の繰り返し又はその位相変化を基準として、前記照射範囲の各照射位置の光路長変化量を表すことを特徴とする請求項1に記載の三次元形状測定装置。 - 広帯域スペクトルを有する広帯域光を出力する広帯域光源(1)と、
該広帯域光を、参照鏡を有する参照光路と被測定物を配置した測定光路とに分岐して入射させて照射し、前記参照鏡からの反射光と前記被測定物の照射された照射範囲の各照射位置からの反射光を合波して出力する光路形成部(5)と、
前記参照光路又は前記測定光路の光路長を連続可変する光路長可変手段(8)と、
該光路長可変手段による該光路長の可変に応じた所定時間間隔で、前記光路形成部からの出力を撮像する撮像手段(10)と、備え、該撮像手段の出力から得られる前記参照光路の光路長と前記測定光路の光路長に応じて生ずる干渉縞に基づいて前記被測定物の形状測定を行う三次元形状測定装置において、
前記光路長可変手段は、前記光路長を連続変化させたときに生ずる前記干渉縞の変化に対する前記撮像手段が有する蓄積時間による応答遅れが、該干渉縞の周期の1/2よりも短い時間となる速度で該光路長を連続的に変化させる構成とされ、
前記所定時間間隔は、少なくとも前記撮像手段の蓄積時間を超える時間間隔であり、
さらに、該光路長が連続変化したときに前記撮像手段からの所定時間間隔の出力を基に前記干渉縞のピークが生ずる前記所定時間間隔上の時間位置を決定し、該時間位置に対する光路長を前記各照射位置の特定光路長として表す光路長検出手段(14)と、
前記光路長検出手段によって出力される、1つの照射位置の前記特定光路長と他の照射位置の前記特定光路長との差を基に、各照射位置の相対的変化を求める変位算出手段(15)
と、
を備えることを特徴とする三次元形状測定装置。
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