KR20100015475A - 형상 측정 장치 및 형상 측정 방법 - Google Patents

형상 측정 장치 및 형상 측정 방법 Download PDF

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Abstract

피검물(20)에 슬릿광을 투영하는 슬릿형 패턴 투영부(1)와, 그 슬릿광이 피검물(20)로 반사되고, 반사되어 온 패턴상을 슬릿 기선 방향과 수직 방향으로 분리하여 복수의 슬릿상을 형성하는 촬상 렌즈(3)와 평행 평면판(4)과, 그 복수의 슬릿상을 촬상하여, 복수의 슬릿 화상을 생성하는 촬상 장치(5)와, 슬릿광의 슬릿 기선 방향과 상이한 방향으로 슬릿광과 피검물(20)을 상대 이동시키는 XYZ 스테이지 구동부(12)와, 슬릿 기선 방향의 화소마다 각 슬릿 화상의 휘도를 비교하고, 피검물(20)의 형상을 구하는 데 최적인 휘도의 슬릿 화상을 슬릿 기선 방향의 화소마다 선택하여, 피검물(20)의 형상을 구하기 위한 슬릿 화상 데이터를 취득하는 슬릿 화상 선택부(8)와, 피검물(20)에 대한 슬릿광의 상대 위치와 슬릿 화상 데이터를 이용하여 피검물(20)의 형상을 연산하는 형상 연산부(9)를 구비한다.

Description

형상 측정 장치 및 형상 측정 방법{GEOMETRY MEASUREMENT INSTRUMENT AND METHOD FOR MEASURING GEOMETRY}
본 발명은, 광 절단법을 이용하여 피검물의 3차원 형상을 측정하는 측정 장치 및 측정 방법에 관한 것이다.
공업 제품 등의 물체의 표면 형상을 측정하는 기술은 종래부터 여러 가지가 제안되어 있고, 그 중 하나로 광학식의 3차원 형상 측정 장치가 있다. 광학식의 3차원 형상 측정 장치도 여러 가지의 방식, 구성의 것이 있지만, 피검물에 소정의 투영 패턴(슬릿광이나, 줄무늬 모양)을 투영하여 피검물을 촬상하여, 그 촬상 화상으로부터 각 화상 위치(각 화소)의 기준면으로부터의 높이를 산출하여, 피검물의 3차원 표면 형상을 측정하는 것이 있다(특허문헌 1 참조).
이러한 장치에서는, 예컨대 피검물 표면에 하나의 슬릿광으로 이루어지는 슬릿형 투영 패턴을 투영하고, 슬릿형 투영 패턴을 피검물 표면의 전역을 주사시킬 때마다 투영 방향과 상이한 각도로부터 피검물에 투영된 슬릿형 투영 패턴을 촬상하며, 촬상된 피검물 표면의 촬상 화상으로부터 슬릿형 투영 패턴의 길이 방향의 화소마다 삼각 측량의 원리 등을 이용하여 피검물 표면의 기준 평면으로부터의 높이를 산출하여, 피검물 표면의 3차원 형상을 구하도록 구성되어 있다.
그 구성예를 도 9에 도시하고 있고, 슬릿형 패턴 투영부(51)로부터 슬릿광(52)을 투광하여 지지대(56) 위에 배치된 피검물(53) 표면에 슬릿형 투영 패턴이 투영된다. 피검물(53)의 표면에 투영된 슬릿형 투영 패턴은 피검물(53)의 표면 3차원 형상에 따라서 변형되고, 지지대(56)를 지지대 이동 장치(도시 생략)에 의해 슬릿형 투영 패턴의 길이 방향과 상이한 방향(예컨대 도면 중의 화살표 방향)으로 이동시켜 피검물(53) 표면의 전역에 슬릿형 투영 패턴을 주사시킬 때마다, 변형된 피검물(53)의 표면의 슬릿형 투영 패턴을 투영 방향과 상이한 각도로부터 촬상 렌즈(54)를 통해 촬상 장치(55)(예컨대 CCD 센서)에 의해 촬상되어, 연산 처리 장치(57)에 보내지고, 여기서 촬상 화상 데이터의 연산 처리가 행해진다. 연산 처리 장치(57)에 있어서는, 이와 같이 촬상된 피검물 표면의 촬상 화상 데이터로부터 슬릿형 투영 패턴의 길이 방향의 화소마다 삼각 측량의 원리 등을 이용하여 피검물 표면의 기준 평면으로부터의 높이를 산출하여, 피검물 표면의 3차원 형상을 구하는 연산 처리가 행해진다.
특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2000-9444호 공보
(발명의 개시)
(발명이 해결하고자 하는 과제)
그런데, 전술한 바와 같이 슬릿광 투영법을 이용하는 3차원 측정에서는, 피검물 표면에 투영된 하나의 슬릿광으로 이루어지는 슬릿형 투영 패턴에 대하여, 촬상되는 슬릿 화상은 당연히 하나의 슬릿 화상이 촬상되게 되고, 결상면에서의 슬릿 화상이 결상하는 화소만이 정보를 갖기 때문에, 많은 잉여 화소를 갖는다고 하는 문제가 있다. 또한, 슬릿형 투영 패턴은 일정한 휘도 분포에 의해 피검물 표면에 투영되기 때문에, 피검물 표면의 성질(표면의 경사, 재질 등)에 따라서는 피검물의 형상을 측정하기 위해 충분한 휘도 분포의 슬릿 화상을 취득할 수 없다고 하는 문제가 있고, 또한 투영계와 촬상계가 이루는 각도를 크게 취하면 측정 정밀도는 향상하지만, 오클루전(occlusion)이 증대되어 측정할 수 없는 부분이 증가한다고 하는 문제가 있다.
본 발명은, 이러한 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 결상면에서의 잉여 화소를 유효하게 이용하여, 피검물 표면의 성질의 영향을 받지 않도록 슬릿 화상을 취득하거나, 또는 오클루전이 적도록 슬릿 화상을 취득하여, 정확한 3차원 형상을 측정할 수 있도록 한 측정 장치 및 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
(과제를 해결하기 위한 수단)
상기 과제를 해결하여 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 형상 측정 장치는, 피검물에 하나의 슬릿광으로 이루어지는 슬릿형 투영 패턴을 투영하는 투영부와, 상기 투영부로부터 투영된 상기 슬릿형 투영 패턴이 상기 피검물로 반사되고, 그 반사되어 온 패턴상을 슬릿형 투영 패턴의 길이 방향과 수직 방향으로 분리하여 복수의 슬릿상을 형성하는 슬릿상 형성부와, 상기 슬릿상 형성부에서 분리되어 결상된 상기 복수의 슬릿상을 촬상하여, 복수의 슬릿 화상을 생성하는 촬상부와, 상기 슬릿형 투영 패턴의 슬릿 기선(基線) 방향과 상이한 방향으로 상기 슬릿형 투영 패턴과 상기 피검물을 상대 이동시키는 위치 조정부와, 상기 촬상부에 의해 얻은 상기 복수의 슬릿 화상 중에서, 슬릿 기선 방향의 화소마다 각 슬릿 화상의 휘도를 비교하고, 상기 피검물의 형상을 구하는 데 최적인 휘도의 슬릿 화상을 슬릿 기선 방향의 화소마다 선택하며, 상기 피검물의 형상을 구하기 위한 슬릿 화상 데이터를 취득하는 슬릿 화상 선택부와, 상기 위치 조정부에 의해 상대 이동된, 상기 피검물에 대한 상기 슬릿형 투영 패턴의 상대 위치와, 상기 슬릿 화상 선택부에 의해 얻은 상기 슬릿 화상 데이터를 이용하여 상기 피검물의 형상을 연산하는 형상 연산부를 포함하여 구성된다.
상기 촬상부에서, 상기 복수의 슬릿 화상은, 제1 슬릿 화상과, 상기 제1 슬릿 화상의 휘도 분포를 변화시킨 적어도 제2 슬릿 화상을 슬릿 기선 방향과 수직 방향으로 분리하여 결상되도록 구성하는 것이 바람직하다.
상기 촬상부에서, 상기 복수의 슬릿 화상은, 제1 슬릿 화상과, 상기 제1 슬릿 화상보다 투영 광축측에 가까운 위치에서 촬상된 제2 슬릿 화상을 슬릿 기선 방향과 수직 방향으로 분리하여 결상되도록 구성하는 것이 바람직하다.
상기 촬상부에서, 상기 복수의 슬릿 화상은, 제1 슬릿 화상과, 상기 제1 슬릿 화상보다 투영 광축측에 가까운 위치에서 촬상되고, 상기 제1 슬릿 화상보다 작은 개구수로 결상시킨 제2 슬릿 화상을 슬릿 기선 방향과 수직 방향으로 분리하여 결상되도록 구성하는 것이 바람직하다.
상기 촬상부에서, 결상면을 상기 투영부로부터 투영된 상기 슬릿형 투영 패턴이 상기 피검물로 반사된 반사광의 광축에 대하여 경사지게 하는 것에 의해, 상기 피검물측의 초점면을 상기 슬릿형 투영 패턴의 광축과 일치시키고, 상기 결상면에서 합초(合焦) 위치에서의 적어도 상기 제1 슬릿 화상을 결상하도록 구성하는 것이 바람직하다.
상기 투영부에 의해 상기 피검물과 마찬가지로 하여 교정용 플레이트에 상기 슬릿형 투영 패턴을 투영하고 상기 촬상부에 의해 얻은 복수의 교정용 슬릿 화상을 이용하여, 상기 복수의 슬릿 화상마다의 형상 교정 계수를 취득하도록 구성하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 형상 측정 방법은, 피검물에 하나의 슬릿광으로 이루어지는 슬릿형 투영 패턴을 투영하는 투영부와, 상기 투영부로부터 투영된 상기 슬릿형 투영 패턴이 상기 피검물로 반사되어, 그 반사되어 온 패턴상을 슬릿 기선 방향과 수직 방향으로 분리하여 복수의 슬릿 화상을 형성하는 슬릿상 형성부와, 상기 슬릿상 형성부에서 분리되어 결상된 상기 복수의 슬릿상을 촬상하여, 복수의 슬릿 화상을 생성하는 촬상부와, 상기 슬릿형 투영 패턴의 슬릿 기선 방향과 상이한 방향으로 상기 슬릿형 투영 패턴과 상기 피검물을 상대 이동시키는 위치 조정부를 포함하고, 상기 투영부에 의해 상기 피검물에 상기 슬릿형 투영 패턴을 투영하는 단계와, 상기 촬상부에 의해 상기 슬릿상 형성부에서 분리되어 결상된 상기 복수의 슬릿상을 촬상하여, 복수의 슬릿 화상을 생성하는 단계와, 상기 복수의 슬릿 화상 중에서, 슬릿 기선 방향의 화소마다 각 슬릿 화상의 휘도를 비교하고, 상기 피검물의 기준면으로부터의 높이를 구하는 데 최적인 휘도의 슬릿 화상을 슬릿 기선 방향의 화소마다 선택하여, 상기 피검물의 기준면으로부터의 높이를 구하기 위한 슬릿 화상 데이터를 취득하는 단계와, 상기 위치 조정부에 의해 상대 이동된, 상기 피검물에 대한 상기 슬릿형 투영 패턴의 상대 위치와 상기 슬릿 화상 데이터를 이용하여 상기 피검물의 형상을 측정하는 단계를 가져, 상기 피검물의 3차원 형상을 구한다.
상기 촬상부에서 상기 복수의 슬릿 화상을 생성하는 단계는, 제1 슬릿 화상과, 상기 제1 슬릿 화상의 휘도 분포를 변화시킨 적어도 제2 슬릿 화상을 슬릿 기선 방향과 수직 방향으로 분리하여 생성하도록 구성하는 것이 바람직하다.
상기 촬상부에서 상기 복수의 슬릿 화상을 생성하는 단계는, 제1 슬릿 화상과, 상기 제1 슬릿 화상보다 투영 광축측에 가까운 위치에서 촬상하고, 상기 제1 슬릿 화상보다 작은 개구수로 결상시킨 제2 슬릿 화상을 슬릿 기선 방향과 수직 방향으로 분리하여 생성하도록 구성하는 것이 바람직하다.
상기 촬상부에서 상기 복수의 슬릿 화상을 생성하는 단계는, 상기 촬상부에서의 결상면을 상기 투영부로부터 투영된 상기 슬릿형 투영 패턴이 상기 피검물로 반사된 반사광의 광축에 대하여 경사지게 하는 것에 의해, 상기 피검물측의 초점면을 상기 슬릿형 투영 패턴의 광축과 일치시켜, 상기 결상면에서 합초 위치에서의 적어도 상기 제1 슬릿 화상을 생성하도록 구성하는 것이 바람직하다.
상기 피검물의 형상을 측정하는 단계는, 상기 피검물과 마찬가지로 하여, 상기 투영부에 의해 교정용 플레이트에 상기 슬릿형 투영 패턴을 투영하는 단계와, 상기 촬상부에 의해 상기 슬릿상 형성부에서 분리되어 결상된 복수의 교정용 슬릿상을 촬상하여, 복수의 교정용 슬릿 화상을 생성하는 단계와, 상기 복수의 교정용 슬릿 화상으로부터 상기 교정용 플레이트의 기준면으로부터의 높이를 구하는 단계와, 상기 촬상부에 의해 얻은 상기 복수의 슬릿 화상마다의 형상 교정 계수를 취득하는 단계와, 상기 복수의 슬릿 화상으로부터 구한 상기 피검물의 기준면으로부터의 높이를 상기 형상 교정 계수를 이용하여 교정하여, 정확한 상기 피검물의 형상 측정 결과를 취득하는 단계를 가지고 구성되는 것이 바람직하다.
(발명의 효과)
이상 설명한 바와 같이 구성되는 본 발명에 의하면, 하나의 슬릿광으로 이루어지는 슬릿형 투영 패턴이 투영된 피검물에 대하여, 복수의 슬릿 화상을 슬릿 기선 방향과 수직 방향으로 분리하여 결상하고, 결상면에서의 잉여 화소를 유효하게 이용하여, 피검물 표면의 성질의 영향을 받지 않도록 슬릿 화상을 취득하거나, 또는 오클루전이 적도록 슬릿 화상을 취득하여, 삼각 측량의 원리에 기초하여 피검물의 3차원 형상을 구하는 구성으로, 계측 정밀도가 높은 3차원 형상 측정 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 형상 측정 장치의 구성을 도시하는 개략 구성 설명도로서, 도 1(A)는 장치 전체의 설명도이고, 도 1(B)는 슬릿형 패턴 투영부의 내부 구성을 도시하는 설명도이다.
도 2는 상기한 제1 실시형태에 따른 형상 측정 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 3은 상기한 제1 실시형태에 따른 촬상 슬릿 화상을 도시하는 설명도이다.
도 4는 상기한 제1 실시형태에 따른 교정용 슬릿 화상을 도시하는 설명도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 형상 측정 장치의 구성을 도시하는 개략 구성 설명도이다.
도 6은 상기한 제2 실시형태에 따른 형상 측정 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 7은 상기한 제2 실시형태에 따른 촬상 슬릿 화상을 도시하는 설명도이다.
도 8은 상기한 제1 실시형태에 따른 평행 평면판의 조정 기구를 도시하는 설명도이다.
도 9는 종래의 형상 측정 장치의 구성을 도시하는 개략 구성 설명도이다.
도 10은 촬상 소자의 위치와 수광 광량과의 관계를 도시하는 그래프이다.
(발명을 실시하기 위한 최선의 형태)
본 발명에 따른 형상 측정 장치 및 형상 측정 방법의 바람직한 각 실시형태에 대해서 이하에 설명한다.
본 발명에서의 제1 실시형태에 따른 형상 측정 장치의 개략 구성을 도 1에 도시하고, 우선 이 형상 측정 장치에 대해서, 도 1을 참조하여 설명한다.
이 형상 측정 장치는 도 1(A)에 도시하는 바와 같이, 컴퓨터로 구성되는 중앙 제어부(11)와, 피검물(20)이나 교정용 플레이트(30)에 슬릿광(2)을 투영하는 슬릿형 패턴 투영부(1)와, 피검물(20)이나 교정용 플레이트(30)를 배치한 XYZ 스테이지(지지대)(6)와, 슬릿형 패턴 투영부(1)로부터의 슬릿광(2)의 반사 패턴상을 촬상하는 촬상부와, XYZ 스테이지(6)(또는 상기 촬상부, 또는 양쪽 모두)를 구동하고, 상기 촬상부에 대하여 XYZ 방향으로 상대 이동시키는 XYZ 스테이지 구동부(12)와, 상기 촬상부로부터의 화상 데이터를 처리하여 피검물(20)의 형상을 연산하는 연산 처리 장치(7)와, 연산 처리 장치(7)에 의해 구한 피검물(20)의 형상이나 형상 데이터(값)를 표시하는 표시부(13)를 구비하며, 중앙 제어부(11)에 의해 제어되어 있다. 또한 XYZ 스테이지(6)는 피검물(20)을 XYZ 방향으로 이동 가능하게 구성되어 있다. 교정용 플레이트(30)는 XYZ 스테이지(6)의 스테이지 표면으로부터의 높이(H)가 기지이고, 형상 측정 결과의 교정에 사용된다.
슬릿형 패턴 투영부(1)의 내부 구성은 도 1(B)에 도시하는 바와 같이, 광원(1a)(예컨대 프로젝터)과, 광원(1a)의 광축 위에 배치되고 광원(1a)의 광에 의해 슬릿광(2)을 형성하기 위한 패턴 형성 수단(1b)과, 슬릿광(2)을 피검물(20)에 대하여 집광하기 위한 투광 렌즈(1c)를 구비하고 있다. 슬릿형 투영 패턴 투영부(1)에 의해 투광된 슬릿광(2)은 피검물(20), 교정용 플레이트(30)의 표면에 슬릿형 투영 패턴을 투영한다.
촬상부는, 텔레센트릭 광학계로 이루어지는 촬상 렌즈(군)(3)와, 촬상 렌즈(군)(3)로 결상되는 반사 패턴상을 복수로 분리하여 반사 패턴상을 생성하기 위한 평행 평면판(평행 평판 유리)(4)과, 촬상 렌즈(군)(3)와 평행 평면판(4)에서 복수로 분리되어 결상된 반사 패턴상을 촬상하는 촬상 장치(5)(예컨대 2차원 CCD 소자)로 구성된다. 촬상 장치(5)에 의해 촬상된 화상 데이터는, 연산 처리 장치(7)에 보내지고, 여기서 이하에 설명하는 화상 연산 처리가 이루어지며, 피검물(20)의 형상 측정이 행해진다. 또한, 촬상 렌즈(3)는, 피검물(20), 교정용 플레이트(30)로부터 반사하는 주광선이 광축 외에서도 광축과 평행인 광학계(물체측 텔레센트릭 광학 계)를 이루고 있다.
또한, 이 형상 측정 장치는, 슬릿형 패턴 투영부(1)에 의해 슬릿광(2)이 투영된 피검물(20), 교정용 플레이트(30)의 표면의 슬릿형 투영 패턴을 촬상하는 촬상 장치(5)의 촬상면과 촬상 렌즈(3)의 주평면[촬상 렌즈(3)의 중심을 통과하고 광축에 수직인 평면]의 교점이, 슬릿광(2)의 광축 위에 위치하도록 구성되어 있다(샤임플러그(shiempflug) 광학계를 이루고 있음). 따라서, 촬상 장치(5)에서 슬릿형 패턴 투영부(1)에 의해 슬릿광(2)이 투영된 피검물(20), 교정용 플레이트(30)의 표면의 슬릿형 투영 패턴을 항상 합초 위치에서 촬상할 수 있다.
슬릿형 패턴 투영부(1), 촬상부는 하나의 프레임에 의해 일체로 고정되어 구성되어 있고, 피검물(20), 교정용 플레이트(30)는 XYZ 스테이지(6) 위에 배치되어 지지되며, 이 XYZ 스테이지(6)를 슬릿형 패턴 투영부(1), 촬상부를 일체로 결합한 프레임에 대하여 광축 방향과는 상이한 방향으로 상대 이동시키는 XYZ 스테이지 구동부(12)가 설치되어 있다. 이 때문에 XYZ 스테이지 구동부(12)에 의해 XYZ 스테이지(6)를 이동시킬 때마다 슬릿형 패턴 투영부(1)에 의해 피검물(20), 교정용 플레이트(30)에 슬릿형 투영 패턴을 투영하고, 결과로서 피검물(20), 교정용 플레이트(30)의 표면 전역에서 투영할 수 있다. 또한, XYZ 스테이지 구동부(12)에는 XYZ 스테이지(6) 및 XYZ 스테이지(6) 위에 배치된 피검물(20)의 스테이지 이동 방향, 즉 슬릿형 투영 패턴의 주사 방향의 위치를 얻기 위한 인코더가 부착되어 있다.
연산 처리 장치(7)는, 촬상 장치(5)에 의해 얻은 촬상 화상 중에서 피검물(20)의 표면의 기준 평면[XYZ 스테이지(6)의 스테이지 표면]으로부터의 높이를 연산하는 데 최적인 휘도의 슬릿 화상을 화소마다 선택하는 슬릿 화상 선택부(8)와, 슬릿 화상 선택부(8)에 의해 얻은 슬릿 화상 데이터와 XYZ 스테이지 구동부(12)에 부착된 인코더로부터의 신호[슬릿형 투영 패턴의 피검물(20)의 표면 위에서의 주사 방향의 위치를 나타내는 신호]를 이용하여 피검물(20)의 형상을 측정하는 형상 연산부(9)와, 교정용 플레이트(30)에 피검물(20)과 같은 슬릿형 투영 패턴을 투영하고 촬상 장치(5)에 의해 얻은 촬상 화상으로부터 교정용 플레이트(30)의 표면의 스테이지 표면으로부터의 높이를 연산하여 형상 교정 계수를 취득하여, 피검물(20)의 정확한 형상 측정 결과를 얻는 형상 교정부(10)를 구비한다.
이상과 같이 구성된 형상 측정 장치를 이용하여 피검물(20)의 형상을 측정하는 방법을, 도 2의 흐름도를 참조하여 이하에 설명한다.
이 측정에 있어서는, 슬릿형 패턴 투영부(1)로부터 투광된 슬릿광(2)을 피검물(20)에 조사시켜 피검물(20)의 표면에 슬릿형 투영 패턴을 투영한다(단계 S1). 이와 같이 투영되어 피검물(20)의 표면에서 반사되는 반사광(산란광도 포함)은 촬상 렌즈(3) 및 평행 평면판(4)을 통해 집광되어, 촬상 장치(5)에 의해 피검물(20) 의 표면에 투영된 슬릿형 투영 패턴을 촬상한다(단계 S2).
평행 평면판(4)은 상면, 하면 모두 반사율 50%의 하프 미러를 이루고, 광축에 대하여 경사각을 가지고 촬상부 내의 촬상 렌즈(3)와 촬상 장치(5) 사이에 위치한다. 이 때문에, 피검물(20)의 표면에 슬릿형 투영 패턴을 투영하여, 피검물(20)의 표면에서 반사되어 촬상 렌즈(3)에 의해 집광되는 광은 평행 평면판(4)을 통과하지만, 그 때, 평행 평면판(4)을 직접 통과하는 제1 반사광과, 상면 및 하면에서 각 1회 반사되어 제1 반사광에 대하여 휘도가 1/4로 감광된 제2 반사광과, 상면 및 하면에서 각 2회 반사되어 제1 반사광에 대하여 휘도가 1/16로 감광된 제3 반사광으로 슬릿형 투영 패턴의 길이 방향인 슬릿 기선 방향과 수직 방향으로 등간격으로 분할된다(도 1 및 도 3 참조). 실제로는, 제4, 제5 반사광도 존재하지만 제1 반사광에 대하여 휘도가 1/64(제4 반사광) 이하로 감광되고 피검물(20)의 형상을 측정하기 위해서는 적합하지 않기 때문에, 여기서는 제3 반사광까지 기재하였다. 또한, 슬릿 기선 방향은 평면 위에 슬릿형 투영 패턴을 투영했을 때의 슬릿형 투영 패턴의 길이 방향이다.
도 3에 도시하는 바와 같이, 상기한 바와 같이 평행 평면판(4)을 통과하여 분할된 광(제1 반사광, 제2 반사광, 제3 반사광)은, 촬상 장치(5)에 의해 슬릿 기선 방향과 수직 방향으로 등간격으로 분리되어 촬상되고, 촬상 장치(5)에서 제1 슬릿 화상(Sl1), 제2 슬릿 화상(Sl2), 제3 슬릿 화상(Sl3)을 취득할 수 있다.
평행 평면판(4)의 광축에 대한 경사각은 제1, 제2, 제3 슬릿 화상(Sl1, Sl2, Sl3)의 슬릿 기선 방향과 수직 방향의 각 간격 거리를 결정한다. 이 간격 거리는, 피검물(20)의 표면의 경사에 의한 각 슬릿 화상의 확대의 영향으로 인접하는 슬릿 화상이 중첩되지 않을 정도로 충분한 간격 거리를 취할 수 있도록 상기 경사각을 결정해야 한다. 그러나, 상기 경사각을 크게 하면 각 슬릿 화상의 간격 거리는 커지지만, 광학적인 수차의 점에서 바람직하지 않다고 하는 문제가 있다. 예컨대 상기 경사각을 가변할 수 있도록 평행 평면판(4)에 회동 기구를 설치하여, 피검물 표면의 성질(표면의 경사 등)에 의해 상기 경사각을 필요 최소한의 경사 각도로 함으 로써 더 적합한 형상을 측정할 수 있다. 또한 2개의 하프 미러를 조합시키거나 또는 평행 평면판(4)의 내부를 액체로 충전함으로써, 평행 평면판(4)의 두께를 가변할 수 있도록 구성하여, 표면의 경사가 작은 피검물의 측정에 대해서는, 제1, 제2, 제3 슬릿 화상의 초점 흐려짐을 작게 하도록 하여 측정할 수 있다.
촬상 장치(5)에 의해 얻은 촬상 슬릿 화상은 연산 처리 장치(7)에 보내진다. 연산 처리 장치(7) 내의 슬릿 화상 선택부(8)에서, 도 3에 도시하는 바와 같이, 촬상 장치(5)에 의해 촬상된 제1, 제2, 제3 슬릿 화상(Sl1, Sl2, Sl3) 중에서 피검물(20)의 표면의 기준 평면[XYZ 스테이지(6)의 스테이지 표면]으로부터의 높이를 연산하는 데 최적인 휘도의 슬릿 화상을 슬릿 기선 방향의 화소마다 선택한다(단계 S3). 제1, 제2, 제3 슬릿 화상(Sl1, Sl2, Sl3)은 평행 평면판(4)에 의해 감광된 반사광으로 결상된 상을 각각 촬상하여 얻어지고 있지만, 각 슬릿 화상에서도 피검물(20)의 표면의 성질(표면의 경사, 재질 등)에 의해 슬릿 기선 방향의 화소마다 휘도가 상이하다. 이들 슬릿 화상 중, 기선 방향과는 교차하는 방향의 수 픽셀의 화소 신호가 모두 포화되지 않는 영역의 화소를, 슬릿 기선 방향의 화소마다 선택해야 한다. 구체적으로는, 도 10에 도시하는 바와 같은 광량 분포를 갖는 화상을 얻을 수 있는 화소를 선택한다. 도 10의 횡축은 슬릿 화상이 투영되어 있는 영역에서, 슬릿 기선 방향과는 교차하는 방향에서의 화소의 위치를 도시하고, 종축은 수광 광량을 도시하고 있다. 그리고, 도면 중 흰 원은 각 화소가 실제 수광한 광량을 도시하고 있다. 이와 같이, 슬릿 기선 방향과 교차하는 방향에서, 각 화소의 수광 광량이 포화 휘도값 이하이도록 한 화소를, 슬릿 기선 방향에서 찾아낸다. 이와 같 이 하여 슬릿 화상을 슬릿 기선 방향의 화소마다 선택해야 한다[도 3에서 원 안(A1~A3)의 슬릿 화상이 선택됨].
슬릿형 패턴 투영부(1)에 의해 슬릿형 투영 패턴을 피검물(20)의 표면 전역에 투영되도록 XYZ 스테이지 구동부(12)에 의해 XYZ 스테이지(6)[XYZ 스테이지(6) 위의 피검물(20)]를 이동시킬 때마다, 상기한 바와 같이 최적인 휘도의 슬릿 화상을 슬릿 기선 방향의 화소마다 선택하고, 피검물(20)의 표면 전역에서 피검물(20)의 표면의 스테이지 표면으로부터의 높이를 연산하기 위한 슬릿 화상 데이터를 취득한다(단계 S4).
슬릿 화상 선택부(8)에서, 선택된 피검물(20)의 표면의 스테이지 표면으로부터의 높이를 연산하는 데 최적인 휘도의 슬릿 화상 데이터와 함께, XYZ 스테이지 구동부(12)에 부착된 인코더로부터의 신호[XYZ 스테이지(6) 위에 배치된 피검물(20)의 스테이지 이동 방향, 즉 슬릿형 투영 패턴의 피검물(20) 위에서의 주사 방향의 위치를 나타내는 신호]가 연산 처리 장치(7) 내의 형상 연산부(9)에 보내져, 삼각 측량의 원리를 이용하여 피검물(20)의 형상을 측정한다(단계 S5). 이 때, 슬릿 화상의 정확한 중심 위치를 슬릿 기선 방향마다 구한 후, 삼각 측량의 원리를 이용하여 형상을 측정한다. 구체적으로는, 도 10에 도시하는 바와 같이, 각 화소의 실제 얻은 수광 광량으로부터 정규 분포의 휘도 분포를 갖도록, 각 흰 원을 연결하는 곡선을 구한다. 그리고, 이 곡선의 극대치에 해당하는 위치를 슬릿 화상의 중심 위치로서 구한다. 이와 같이 함으로써, 정확한 삼각 측량의 원리를 이용한 형상을 측정할 수 있다. 이것으로 인해, 수광 광량이 포화되어 버리거나, 극단적으로 수광 광량이 작은 경우에는, 이러한 곡선을 구하는 것이 어려워지기 때문에, 본 실시형태와 같이, 수광 광량이 단계적으로 변하는 슬릿 화상으로부터, 최적의 광량을 얻을 수 있는 부분을 선택하여 형상을 측정함으로써, 정확한 형상을 측정할 수 있다.
XYZ 스테이지(6) 위에는 피검물(20)과 함께 교정용 플레이트(30)[XYZ 스테이지(6)의 스테이지 표면으로부터의 높이(H)가 기지임]가 배치되어 있고, XYZ 스테이지 구동부(12)에 의해 피검물(20)의 표면 위를 슬릿형 투영 패턴이 주사될 때에, 교정용 플레이트(30)에도 마찬가지로 슬릿형 투영 패턴이 투영된다. 슬릿형 패턴 투영부(1)로부터 투광된 슬릿광(2)을 교정용 플레이트(30)에 조사시켜 교정용 플레이트(30)의 표면에 슬릿 투영 패턴을 투영하고, 교정용 플레이트(30)의 표면으로부터의 반사광은 촬상 렌즈(3) 및 평행 평면판(4)을 통해 집광되어, 촬상 장치(5)에 의해 교정용 플레이트(30) 표면에 투영된 슬릿형 투영 패턴이 촬상된다.
교정용 플레이트(30)의 표면(슬릿형 투영 패턴이 투영되는 면)은, 도 4에 도시하는 바와 같이, 피검물(20)의 표면의 성질(표면의 경사, 재질 등)에 의해 각 반사광에서의 휘도가 상이한 것에 대응시키기 위해 슬릿 기선 방향과 수직 방향으로 그라데이션(gradation)이 형성되어 있고[그라데이션 I이 제1 슬릿 화상의 선택된 부분 A1, 그라데이션 II가 제2 슬릿 화상의 선택된 부분 A2, 그라데이션 III이 제3 슬릿 화상의 선택된 부분 A3에 각각 대응하는 촬상 화상을 얻을 수 있도록 교정용 플레이트(30)의 표면에 그라데이션이 형성되어 있음], 그라데이션 I, II, III에서 각각 제I, 제II, 제III 교정용 슬릿 화상이 촬상 장치(5)에 의해 촬상된다.
촬상 장치(5)에 의해 각 그라데이션 위치에서 얻은 제I, 제II, 제III 교정용 슬릿 화상은 연산 처리 장치(7) 내의 형상 교정부(10)에 보내진다. 형상 교정부(10)는 피검물(20)과 촬상 장치(5) 사이에 있는 광학계[촬상 렌즈(3), 평행 평면판(4)]의 왜곡을 교정하는 것이다. 형상 교정부(10)에 의해, 상기에서 피검물(20)의 형상을 측정하기 위해 선택된 제1, 제2, 제3 슬릿 화상(도 3에서의 A1~A3의 슬릿 화상)의 휘도에 대응한 각 교정용 슬릿 화상[도 4에서 원 안(B1~B3)의 슬릿 화상이 선택됨]을 이용하여, 교정용 플레이트(30)의 표면의 기준 평면[XYZ 스테이지(6)의 스테이지 표면]으로부터의 높이를 연산하고, 기지인 교정용 플레이트(30)의 표면의 스테이지 표면으로부터의 높이(H)에 대한 비율을 형상 교정 계수로서, 각 슬릿 화상의 선택 부분에 대하여 취득한다(단계 S6).
즉, 상기에서 피검물(20)의 형상을 측정하기 위해 선택된 제1 슬릿 화상(도 3에서의 A1의 슬릿 화상)에 대한 형상 교정 계수 C1=H/L1, 제2 슬릿 화상(도 3에서의 A2의 슬릿 화상)에 대한 형상 교정 계수 C2=H/L2, 제3 슬릿 화상(도 3에서의 A3의 슬릿 화상)에 대한 형상 교정 계수 C3=H/L3이 된다. 여기서 L1, L2, L3은, 제1, 제2, 제3 슬릿 화상(도 3에서의 A1, A2, A3의 슬릿 화상)의 휘도에 대응한 각 교정용 슬릿 화상(도 4에서의 B1, B2, B3의 슬릿 화상)을 이용하여 연산한 교정용 플레이트(30)의 표면의 스테이지 표면으로부터의 높이이다.
상기와 같이 슬릿 화상 선택부(8)에 의해 선택된 슬릿 화상 데이터를 이용하여, 형상 연산부(9)에 의해 연산된 피검물(20)의 표면의 스테이지 표면으로부터의 높이에 대하여 각 형상 교정 계수를 이용하여 교정하여, 피검물(20)의 정확한 형상 측정 결과를 취득한다(단계 S7).
이상과 같이 하여, 피검물(20)의 표면으로부터의 반사광은, 촬상 렌즈(3)에 의해 집광시키는 광을 평행 평면판(4)을 통해 각각 밝기가 상이한 광속으로 분할되어, 슬릿 기선 방향과 수직 방향으로 소정 간격을 두고 결상된 각 슬릿 화상을 촬상 장치(5)에 의해 촬상한다. 이와 같이 촬상 장치(5)에 의해 촬상된 각 슬릿 화상 중에서 피검물(20)의 표면의 스테이지 표면으로부터의 높이를 연산하기 위해 최적인 휘도의 슬릿 화상을 슬릿 기선 방향의 화소마다 선택하여 얻은 슬릿 화상 데이터와 함께, XYZ 스테이지 구동부(12)에 부착된 인코더로부터의 슬릿형 투영 패턴의 피검물(20)의 표면 위에서의 주사 방향의 위치 신호를 이용하여, 피검물(20)의 형상을 측정한다. 또한 XYZ 스테이지(6)의 스테이지 표면으로부터의 높이(H)가 기지인 교정용 플레이트(30)를 이용하여, 피검물(20)의 형상 측정을 위해 선택된 각 슬릿 화상의 휘도에 대응한 형상 교정 계수를 취득하고, 상기에서 구한 피검물(20)의 표면의 스테이지 표면으로부터의 높이를 형상 교정 계수를 이용하여 교정하여, 피검물(20)의 정확한 형상 측정 결과를 취득할 수 있다.
따라서, 슬릿형 패턴 투영부(1)에 의해 하나의 슬릿광(2)으로 이루어지는 슬릿형 투영 패턴이 투영된 피검물(20)에 대하여, 촬상부에서, 촬상 렌즈(3)와 평행 평면판(4)을 이용하여 슬릿 기선 방향과 수직 방향으로 분리하여 복수의 슬릿 화상을 결상하고, 결상면에서의 잉여 화소를 유효하게 이용하여, 피검물 표면의 성질의 영향을 받지 않도록 슬릿 화상을 취득하며, 삼각 측량의 원리에 기초하여 피검물(20)의 3차원 형상을 구할 수 있다.
이하에, 본 발명에서의 제2 실시형태에 따른 형상 측정 장치의 개략 구성을 도 5에 도시하고 있고, 우선, 이 형상 측정 장치에 대해서, 도 5를 참조하여 설명한다. 또한, 이하의 본 발명에서의 제2 실시형태에서는, 상기한 제1 실시형태와 동일한 기능을 갖는 각 부재에는 동일한 부재 번호를 부여하고 이들 설명을 생략한다.
이 형상 측정 장치는, 컴퓨터로 구성되는 중앙 제어부(11)와, 피검물(20)이나 교정용 플레이트(30)에 슬릿광(2)을 투영하는 슬릿형 패턴 투영부(1)와, 피검물(20)이나 교정용 플레이트(30)를 배치하는 XYZ 스테이지(지지대)(6)와, 슬릿형 패턴 투영부(1)로부터의 슬릿광(2)의 반사 패턴상을 촬상하는 촬상부와, XYZ 스테이지(6)(또는 상기 촬상부, 또는 양쪽 모두)를 구동하고, 상기 촬상부에 대하여 XYZ 방향으로 상대 이동시키는 XYZ 스테이지 구동부(12)와, 상기 촬상부로부터의 화상 데이터를 처리하여 피검물(20)의 형상을 연산하는 연산 처리 장치(7)와, 연산 처리 장치(7)에 의해 구한 피검물(20)의 형상이나 형상 데이터(값)를 표시하는 표시부(13)를 구비하고, 중앙 제어부(11)에 의해 제어된다.
촬상부는, 텔레센트릭 광학계로 이루어지는 제1 촬상 렌즈(3a)와, 제1 촬상 렌즈(군)(3a)보다 슬릿광(2)의 광축(투영 광축)에 가까운 위치에 설치되는 제2 촬상 렌즈(군)(3b)와, 제1 촬상 렌즈(3a) 및 제2 촬상 렌즈(3b)를 통해 각각 형성된 반사 패턴상을 촬상하는 촬상 장치(5)(예컨대 2차원 CCD 소자)로 구성된다. 촬상 장치(5)에 의해 촬상된 화상 데이터는, 연산 처리 장치(7)에 보내지고, 여기서 이하에 설명하는 화상 연산 처리가 이루어져, 피검물(20)의 형상 측정이 행해진다. 또한 제1 촬상 렌즈(3a) 및 제2 촬상 렌즈(3b)는 피검물(20), 교정용 플레이트(30) 로부터 반사되는 주광선이 광축 외에서도 광축과 평행인 구조(물체측 텔레센트릭 광학계)를 이루고 있다.
또한, 이 형상 측정 장치는, 슬릿형 패턴 투영부(1)에 의해 슬릿광(2)이 투영된 피검물(20), 교정용 플레이트(30)의 표면의 슬릿형 투영 패턴을 촬상하는 촬상 장치(5)의 촬상면과 제1 촬상 렌즈(3a)의 주평면의 교점이, 슬릿광(2)의 광축 위에 위치하도록 구성되어 있다(샤임플러그 광학계를 이루고 있음). 따라서, 촬상 장치(5)에서 슬릿형 패턴 투영부(1)에 의해 슬릿광(2)이 투영된 피검물(20), 교정용 플레이트(30)의 표면의 슬릿 투영 패턴을 항상 합초 위치에서 촬상할 수 있고, 제1 촬상 렌즈(3a)의 개구수(NA1)(예컨대 NA1=0.02~0.03)를 크게 취하는 것이 가능하다.
제2 촬상 렌즈(3b)는, 제1 촬상 렌즈(3a)보다 작은 개구수(NA2)(예컨대 NA2=0.01~0.005)를 갖고 있고, 제1 촬상 렌즈(3a)보다 슬릿광(2)의 광축(투영 광축)에 가까운 위치에 위치한다. 제2 촬상 렌즈(3b)는 샤임플러그 광학계를 이루고 있지 않지만, 제2 촬상 렌즈(3b)를 포함하는 촬상부는 피검물(20)측 텔레센트릭 광학계를 이뤄 구성되어 있기 때문에, 제2 촬상 렌즈(3b)는 피사계 심도를 깊게 취할 수 있다.
이상과 같이 구성된 형상 측정 장치를 이용하여 피검물(20)의 형상을 측정하는 방법을, 도 6의 흐름도를 참조하여 이하에 설명한다.
이 측정에서는, 슬릿형 패턴 투영부(1)로부터 투광된 슬릿광(2)을 피검물(20)에 조사시켜 피검물(20)의 표면에 슬릿형 투영 패턴을 투영한다(단계 S1).
도 7에 도시하는 바와 같이, 이와 같이 투영되어 피검물(20)의 표면에서 반사되고, 제1 촬상 렌즈(3a)를 통해 집광된 제1 반사광과, 제2 촬상 렌즈(3b)를 통해 집광시킨 제2 반사광은, 촬상 장치(5)에서 제1 슬릿 화상(Sl1)(제1 반사광에 의한 촬상 화상), 제2 슬릿 화상(Sl2)(제2 반사광에 의한 촬상 화상)으로서, 슬릿 기선 방향과 소정 방향(또한, 본 실시형태에서는 수직 방향)으로 소정 간격으로 분리되어 각각 촬상된다(단계 S2).
촬상 장치(5)에서 촬상된 제1 슬릿 화상(Sl1), 제2 슬릿 화상(Sl2)의 슬릿 기선 방향과 소정 방향의 소정 간격은, 제1 촬상 렌즈(3a), 제2 촬상 렌즈(3b) 각각의 개구수 또는 설치 위치에 의해 결정되지만, 피검물(20)의 표면의 경사에 의한 각 슬릿 화상의 확대의 영향으로 양쪽 슬릿 화상이 중첩되지 않을 정도로 충분한 간격 거리를 취할 수 있도록, 상기 개구수 또는 상기 설치 위치를 결정해야 한다.
촬상 장치(5)에 의해 얻은 촬상 슬릿 화상은, 연산 처리 장치(7)에 보내진다. 연산 처리 장치(7) 내의 슬릿 화상 선택부(8)에서, 촬상 장치(5)에 의해 촬상된 제1 슬릿 화상(Sl1), 제2 슬릿 화상(Sl2) 중에서 피검물(20)의 표면의 기준 평면[XYZ 스테이지(6)의 스테이지 표면]으로부터의 높이를 연산하는 데 최적인 휘도의 슬릿 화상을 슬릿 기선 방향의 화소마다 선택한다(단계 S3).
제2 촬상 렌즈(3b)의 개구수(NA2)는 제1 촬상 렌즈(3a)의 개구수(NA1)보다 작기 때문에, 제1 반사광으로 결상된 상의 휘도보다 제2 반사광으로 결상된 상의 휘도는 작다. 따라서, 제1 슬릿 화상(Sl1), 제2 슬릿 화상(Sl2)은 서로 상이한 휘도의 반사광에 의해 촬상되어 있지만, 각 슬릿 화상의 슬릿 기선 방향의 화소마다, 피검물(20)의 표면의 성질(표면의 경사, 재질 등)에 의해 휘도가 상이하다. 또한, 제2 촬상 렌즈(3b)는 제1 촬상 렌즈(3a)보다 슬릿광(2)의 광축(투영 광축)에 가까운 위치에 위치하고 있기 때문에, 제1 슬릿 화상(Sl1)보다 제2 슬릿 화상(Sl2)은 촬상부의 피검물(20)에 대한 촬상 각도의 영향(오클루전)이 작아, 안정된 촬상 슬릿 화상을 취득할 수 있다.
따라서, 각 슬릿 화상 중에서 슬릿 기선 방향마다 미리 설정된 소정값[피검물(20)의 표면의 스테이지 표면으로부터의 높이를 연산하는 데 최적인 휘도의 범위] 내의 휘도의 슬릿 화상을, 슬릿 기선 방향의 화소마다 선택한다.
슬릿형 패턴 투영부(1)에 의해 슬릿형 투영 패턴을 피검물(20)의 표면 전역에 투영되도록 XYZ 스테이지 구동부(12)에 의해 XYZ 스테이지(6) 위의 피검물(20)을 이동시킬 때마다, 상기한 바와 같이 최적인 휘도의 슬릿 화상을 슬릿 기선 방향의 화소마다 선택하고, 피검물(20)의 표면 전역에서 피검물(20)의 표면의 스테이지 표면으로부터의 높이를 연산하기 위한 슬릿 화상 데이터를 취득한다(단계 S4).
슬릿 화상 선택부(8)에서, 선택된 피검물(20)의 표면의 스테이지 표면으로부터의 높이를 연산하기 위한 슬릿 화상 데이터와 함께, XYZ 스테이지 구동부(12)에 부착된 인코더로부터의 신호[XYZ 스테이지(6) 위에 배치된 피검물(20)의 스테이지 이동 방향, 즉 슬릿형 투영 패턴의 피검물(20)의 표면 위에서의 주사 방향의 위치를 나타내는 신호]가 연산 처리 장치(7) 내의 형상 연산부(9)에 보내지고, 삼각 측량의 원리를 이용하여 피검물(20)의 형상을 측정한다(단계 S5).
XYZ 스테이지(6) 위에는 피검물(20)과 함께 교정용 플레이트(30)[XYZ 스테이 지(6)의 스테이지 표면으로부터의 높이(H)가 기지임]가 배치되어 있고, XYZ 스테이지 구동부(12)에 의해 피검물(20)의 표면 위를 슬릿형 투영 패턴이 주사될 때에, 교정용 플레이트(30)에도 마찬가지로 슬릿형 투영 패턴이 투영된다. 슬릿형 패턴 투영부(1)로부터 투광된 슬릿광(2)을 교정용 플레이트(30)에 조사시켜 교정용 플레이트(30)의 표면에 슬릿형 투영 패턴을 투영하고, 교정용 플레이트(30) 표면에서 반사되어, 제1 촬상 렌즈(3a)를 통해 집광된 제1 반사광과, 제2 촬상 렌즈(3b)를 통해 집광시킨 제2 반사광의 각각으로부터 생성되는 상은 촬상 장치(5)에 의해 각각 촬상되고, 교정용 플레이트(30)의 표면에 투영된 슬릿형 투영 패턴이 촬상된다.
이하에서는, 상기한 제1 실시형태와 마찬가지로 하여, 형상 교정부(10)에 의해 피검물(20)의 형상을 측정하기 위해 선택된 제1 슬릿 화상(Sl1), 제2 슬릿 화상(Sl2)의 휘도에 대응한 각 교정용 슬릿 화상을 얻고, 교정용 플레이트(30)의 표면의 스테이지 표면으로부터의 높이를 연산하며, 기지인 교정용 플레이트(30)의 표면의 스테이지 표면으로부터의 높이(H)에 대한 비율을 형상 교정 계수로서, 각 슬릿 화상의 선택 부분에 대하여 취득한다(단계 S6).
상기와 같이 슬릿 화상 선택부(8)에 의해 선택된 슬릿 화상 데이터를 이용하여, 형상 연산부(9)로부터 연산된 피검물(20)의 표면의 스테이지 표면으로부터의 높이에 대하여 각 형상 교정 계수를 이용하여 교정하여, 피검물(20)의 정확한 형상 측정 결과를 취득한다(단계 S7).
이상과 같이 하여, 피검물(20)의 표면으로부터의 반사광은, 제1 촬상 렌즈(3a)를 통해 집광되는 제1 반사광과, 제1 촬상 렌즈(3a)보다 개구수가 작고 슬릿 광(2)의 광축(투영 광축)에 가까운 위치에 위치시킨 제2 촬상 렌즈(3b)를 통해 집광되는 제2 반사광 각각으로부터 생성되는 상은, 촬상 장치(5)에 의해 슬릿 기선 방향과 소정 방향으로 소정 간격을 두고 각 슬릿 화상으로서 촬상된다. 이와 같이 촬상 장치(5)에 의해 촬상된 각 슬릿 화상 중에서 피검물(20)의 표면의 스테이지 표면으로부터의 높이를 연산하기 위해 최적인 휘도의 슬릿 화상을, 슬릿 기선 방향의 화소마다 선택하여 얻은 슬릿 화상 데이터와 함께 XYZ 스테이지 구동부(12)에 부착된 인코더로부터의 슬릿형 투영 패턴의 피검물(20)의 표면 위의 주사 방향의 위치 신호를 이용하여, 피검물(20)의 형상을 측정한다. 또한 XYZ 스테이지(6)의 스테이지 표면으로부터의 높이(H)가 기지인 교정용 플레이트(30)를 이용하여, 피검물(20)의 형상 측정을 위해 선택된 각 슬릿 화상의 휘도에 대응한 형상 교정 계수를 취득하고, 상기에서 구한 피검물(20)의 표면의 스테이지 표면으로부터의 높이를 형상 교정 계수를 이용하여 교정하여, 피검물(20)의 정확한 형상 측정 결과를 취득할 수 있다.
따라서, 슬릿형 패턴 투영부(1)에 의해 하나의 슬릿광(2)으로 이루어지는 슬릿형 투영 패턴이 투영된 피검물(20)에 대하여, 촬상부에서, 제1 촬상 렌즈(3a), 제2 촬상 렌즈(3b)를 이용하여 복수의 슬릿 화상을 슬릿 기선 방향과 소정 방향으로 분리하여 결상하고, 결상면에서의 잉여 화소를 유효하게 이용하여, 오클루전이 적도록 슬릿 화상을 취득하여, 삼각 측량의 원리에 기초하여 피검물(20)의 3차원 형상을 구할 수 있다. 또한, 복수의 슬릿 화상을 분리하는 방향은 이들의 상이 중첩되는 것을 막기 위해서라도 슬릿 기선 방향과 수직 방향으로 분리하여 결상되도 록 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 상기한 각 실시형태에 한정되는 것이 아니라, 그 요지의 범위 내에서 여러 가지의 변형이 가능하다. 예컨대 도 8에서, 제1 실시형태의 평행 평면판(4)을 틸팅(tilting)함으로써 슬릿상의 간격을 조정할 수 있는 조정 기구를 갖는 형상 측정 장치의 변형예를 도시한다. 평행 평면판(4)은 도면과 같이 중심축(4a)을 회동 중심으로서 틸팅하는 틸트 기구를 갖고 있다. 이 틸트 기구는 도시되지 않는 전동 모터가 있는 회전축 또는 외부 조작 가능한 회전 노브에 의해 조정할 수 있다. 이 틸트 기구에 의해 촬상 장치(5)(2차원 CCD 센서)의 촬상면 위의 슬릿상(Sl1, Sl2, Sl3)의 간격을 변화시킬 수 있다(도 8의 점선으로 도시하는 광선). 슬릿상 간격은 슬릿상의 폭보다 넓으면 좋지만, 본 발명에 의해 다이내믹 레인지를 보다 넓히기 위해서는 슬릿상의 수가 많은 편이 유리하다. 슬릿상의 폭은 피검물 표면의 측정 장치에 대한 경사각에 의해 변한다. 그래서, 피검물(20)의 표면의 경사가 완만한 경우에는 슬릿상이 굵어지지 않기 때문에 평행 평면판(4)의 기울기를 바꿔 슬릿상 사이의 거리를 작게 할 수 있다. 반대로 피검물(20)의 표면의 경사가 급한 경우에는 슬릿상이 굵어지기 때문에 평행 평면판(4)의 기울기를 바꿔 슬릿상 사이의 거리를 크게 할 수 있다. 이와 같이 평행 평면판(4)의 틸트각을 변경할 수 있도록 장치를 구성할 수도 있다.

Claims (11)

  1. 피검물에 하나의 슬릿광으로 이루어지는 슬릿형 투영 패턴을 투영하는 투영부와,
    상기 투영부로부터 투영된 상기 슬릿형 투영 패턴이 상기 피검물로 반사되고, 그 반사되어 온 패턴상을 슬릿 기선(基線) 방향과 수직 방향으로 분리하여 복수의 슬릿상을 형성하는 슬릿상 형성부와,
    상기 슬릿상 형성부로 분리되어 결상된 상기 복수의 슬릿상을 촬상하여, 복수의 슬릿 화상을 생성하는 촬상부와,
    상기 슬릿형 투영 패턴의 슬릿 기선 방향과 상이한 방향으로 상기 슬릿형 투영 패턴과 상기 피검물을 상대 이동시키는 위치 조정부와,
    상기 촬상부에 의해 얻은 상기 복수의 슬릿 화상 중에서, 슬릿 기선 방향의 화소마다 각 슬릿 화상의 휘도를 비교하고, 상기 피검물의 형상을 구하는 데 최적인 휘도의 슬릿 화상을 슬릿 기선 방향의 화소마다 선택하여, 상기 피검물의 형상을 구하기 위한 슬릿 화상 데이터를 취득하는 슬릿 화상 선택부와,
    상기 위치 조정부에 의해 상대 이동된, 상기 피검물에 대한 상기 슬릿형 투영 패턴의 상대 위치와, 상기 슬릿 화상 선택부에 의해 얻은 상기 슬릿 화상 데이터를 이용하여 상기 피검물의 형상을 연산하는 형상 연산부
    를 포함한 것을 특징으로 하는 형상 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 촬상부에서, 상기 복수의 슬릿 화상은, 제1 슬릿 화상과, 상기 제1 슬릿 화상의 휘도 분포를 변화시킨 적어도 제2 슬릿 화상을 슬릿 기선 방향과 수직 방향으로 분리하여 결상되는 것을 특징으로 하는 형상 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 촬상부에서, 상기 복수의 슬릿 화상은, 제1 슬릿 화상과, 상기 제1 슬릿 화상보다 투영 광축측에 가까운 위치에서 촬상된 제2 슬릿 화상을 슬릿 기선 방향과 수직 방향으로 분리하여 결상되는 것을 특징으로 하는 형상 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 촬상부에서, 상기 복수의 슬릿 화상은, 제1 슬릿 화상과, 상기 제1 슬릿 화상보다 투영 광축측에 가까운 위치에서 촬상되고, 상기 제1 슬릿 화상보다 작은 개구수로 결상시킨 제2 슬릿 화상을 슬릿 기선 방향과 수직 방향으로 분리하여 결상되는 것을 특징으로 하는 형상 측정 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 촬상부에서, 결상면을, 상기 투영부에서 투영된 상기 슬릿형 투영 패턴이 상기 피검물로 반사된 반사광의 광축에 대하여 경사지게 하는 것에 의해, 상기 피검물측의 초점면을 상기 슬릿형 투영 패턴의 광축과 일치시켜, 상기 결상면에서 합초(合焦) 위치에서의 적어도 상기 제1 슬릿 화상을 결상하는 것을 특징으로 하는 형상 측정 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 투영부에 의해 상기 피검물과 마찬가지로 하여 교정용 플레이트에 상기 슬릿형 투영 패턴을 투영하여 상기 촬상부에 의해 얻은 복수의 교정용 슬릿 화상을 이용하여, 상기 복수의 슬릿 화상마다의 형상 교정 계수를 취득하는 것을 특징으로 하는 형상 측정 장치.
  7. 피검물에 하나의 슬릿광으로 이루어지는 슬릿형 투영 패턴을 투영하는 투영부와, 상기 투영부로부터 투영된 상기 슬릿형 투영 패턴이 상기 피검물로 반사되고, 그 반사되어 온 패턴상을 슬릿 기선 방향과 수직 방향으로 분리하여 복수의 슬릿 화상을 형성하는 슬릿상 형성부와, 상기 슬릿상 형성부로 분리되어 결상된 상기 복수의 슬릿상을 촬상하여, 복수의 슬릿 화상을 생성하는 촬상부와, 상기 슬릿형 투영 패턴의 슬릿 기선 방향과 상이한 방향으로 상기 슬릿형 투영 패턴과 상기 피검물을 상대 이동시키는 위치 조정부를 포함한 형상 측정 장치를 이용하여 상기 피검물의 3차원 형상을 측정하는 방법으로서,
    상기 투영부에 의해 상기 피검물에 상기 슬릿형 투영 패턴을 투영하는 단계와,
    상기 촬상부에 의해 상기 슬릿상 형성부로 분리되어 결상된 상기 복수의 슬 릿상을 촬상하여, 복수의 슬릿 화상을 생성하는 단계와,
    상기 복수의 슬릿 화상 중에서, 슬릿 기선 방향의 화소마다 각 슬릿 화상의 휘도를 비교하고, 상기 피검물의 기준면으로부터의 높이를 구하는 데 최적인 휘도의 슬릿 화상을 슬릿 기선 방향의 화소마다 선택하여, 상기 피검물의 기준면으로부터의 높이를 구하기 위한 슬릿 화상 데이터를 취득하는 단계와,
    상기 위치 조정부에 의해 상대 이동된, 상기 피검물에 대한 상기 슬릿형 투영 패턴의 상대 위치와 상기 슬릿 화상 데이터를 이용하여 상기 피검물의 형상을 측정하는 단계
    를 포함하며, 상기 피검물의 3차원 형상을 구하는 것을 특징으로 하는 형상 측정 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 촬상부에서 상기 복수의 슬릿 화상을 생성하는 단계는, 제1 슬릿 화상과, 상기 제1 슬릿 화상의 휘도 분포를 변화시킨 적어도 제2 슬릿 화상을 슬릿 기선 방향과 수직 방향으로 분리하여 생성하는 것을 특징으로 하는 형상 측정 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 촬상부에서 상기 복수의 슬릿 화상을 생성하는 단계는, 제1 슬릿 화상과, 상기 제1 슬릿 화상보다 투영 광축측에 가까운 위치에서 촬상하고, 상기 제1 슬릿 화상보다 작은 개구수로 결상시킨 제2 슬릿 화상을 슬릿 기선 방향과 수직 방 향으로 분리하여 생성하는 것을 특징으로 하는 형상 측정 방법.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 촬상부에서 상기 복수의 슬릿 화상을 생성하는 단계는, 상기 촬상부에서의 결상면을, 상기 투영부로부터 투영된 상기 슬릿형 투영 패턴이 상기 피검물로 반사된 반사광의 광축에 대하여 경사지게 하는 것에 의해, 상기 피검물측의 초점면을 상기 슬릿형 투영 패턴의 광축과 일치시켜, 상기 결상면에서 합초 위치에서의 적어도 상기 제1 슬릿 화상을 생성하는 것을 특징으로 하는 형상 측정 방법.
  11. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피검물의 형상을 측정하는 단계는, 상기 피검물과 마찬가지로 하여, 상기 투영부에 의해 교정용 플레이트에 상기 슬릿형 투영 패턴을 투영하는 단계와, 상기 촬상부에 의해 상기 슬릿상 형성부로 분리되어 결상된 복수의 교정용 슬릿상을 촬상하여, 복수의 교정용 슬릿 화상을 생성하는 단계와, 상기 복수의 교정용 슬릿 화상으로부터 상기 교정용 플레이트의 기준면으로부터의 높이를 구하는 단계와, 상기 촬상부에 의해 얻은 상기 복수의 슬릿 화상마다의 형상 교정 계수를 취득하는 단계와, 상기 복수의 슬릿 화상으로부터 구한 상기 피검물의 기준면으로부터의 높이를 상기 형상 교정 계수를 이용하여 교정하여, 정확한 상기 피검물의 형상 측정 결과를 취득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 형상 측정 방법.
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