JP2004361142A

JP2004361142A - Three-dimensional measuring device and three-dimensional measuring method

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Publication number: JP2004361142A
Application number: JP2003157177A
Authority: JP
Inventors: Hisatoshi Fujiwara; 久利藤原
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2003-06-02
Filing date: 2003-06-02
Publication date: 2004-12-24
Anticipated expiration: 2023-06-02
Also published as: JP4149853B2

Abstract

【課題】３次元計測で、微細な構造の被計測物体の測定を可能とし、且つ高さ方向に距離が大きい被計測物体でも正確な計測を行うことが可能とする３次元計測装置を提供する。
【解決手段】Ｙ軸方向に延びるスリットを一定のピッチでＸ−Ｙ平面に配列した格子３０と、被計測物体５０に対して、格子３０の面をＺ軸方向に移動させる格子位置制御部４と、それぞれ互いに空間周波数の異なる２種類の正弦波で示される、被計測物体５０の２種類のモアレ縞を同時に形成するように格子３０に平行光を照射する照射系（１ａ，１ｂ）と、格子３０を介して２種類のモアレ縞を取り込む第１及び第２受光部２ａ，２ｂと、２種類の正弦波を加算し合成波を形成し、この合成波の包絡線の振幅の変化から、被計測物体５０のＺ軸方向に測った高さを算出する画像処理部６０とを備える。
【選択図】図１An object of the present invention is to provide a three-dimensional measurement apparatus that enables measurement of an object to be measured having a fine structure by three-dimensional measurement and enables accurate measurement of an object to be measured having a large distance in the height direction. .
Kind Code: A1 A grid which has slits extending in the Y-axis direction arranged in an XY plane at a constant pitch, and a grid position control unit which moves a surface of the grid in a Z-axis direction with respect to an object to be measured. And an irradiation system (1a, 1b) for irradiating the grating 30 with parallel light so as to simultaneously form two types of moiré fringes of the measured object 50, each indicated by two types of sine waves having different spatial frequencies from each other; The first and second light receiving units 2a and 2b, which capture two types of moire fringes via the grating 30, and two types of sine waves are added to form a composite wave. From the change in the amplitude of the envelope of the composite wave, The image processing unit 60 calculates a height of the measured object 50 measured in the Z-axis direction.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モアレトポグラフィを用いた３次元計測装置及び３次元計測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な工業部品等の非接触の３次元計測装置として、安価、且つ高精度な計測結果を得られる光切断法が最も頻繁に使用されている。しかし、光切断法は２次元的な走査を行うために、撮像時間が長くなる。そのため、生体のような被計測物体を固定することが難しい計測には向かない。また、光切断法の装置は目に対して有害なレーザ光線を使用するため、美容分野において主な計測部位となる生体顔面部に使用するには問題がある。そこで、生体に対して無害な白色光源を用いて高速、且つ高精度に計測を行えるモアレトポグラフィが注目されている。モアレトポグラフィは、モアレ縞によって対象物体の等高線画像を得る非接触の３次元計測法である。
【０００３】
モアレトポグラフィには、モアレ縞を利用した位相シフト法（縞走査法）方法がある。モアレ縞は規則的な模様を重ねる、又は、標本化することで３次元計測をすることができる。例えば、直線格子の影が対象物に投影されると、格子線の影は物体の形状に応じて変形する。物体上の影と直線格子を重ね合わせることで、影と直線格子との干渉によるモアレ縞が観測される。光学系を適宜配置することにより、モアレ縞は物体の等高線に対応した画像となる。
３次元計測技術としてのモアレトポグラフィは、工学、医学、歯学及びファッション関係等の分野で利用されている。モアレトポグラフィによる形状計測には、大別して２つの方法がある。被計測物体の直前に格子を置き、格子の影と直前に置いた格子によりモアレ縞を発生させる方法（格子照射型）と、モアレ格子を被計測物体に投射し、被計測物体の形状により変化した格子の像を、結像レンズにより同じピッチの格子上に結像してモアレ縞を発生させる方法（格子投射型）である。格子照射型は、数１０μｍ程度から数ｃｍの凹凸までの計測に適用される。また、格子投射型は、比較的大きな凹凸（数ｍｍ〜数ｃｍ）の被計測物体を計測するときに適用される。また、モアレトポグラフィの光源は、モアレ縞の縞間隔Δｈを計測位置により一意的に決定するために単一で計測される。
【０００４】
従来の３次元計測は、位相シフト法による計測において、位相導出を行う際の位相連結の問題を逆正接関数により解決している。（例えば、特許文献１参照。）。また、モアレ縞を形成する格子からの反射を格子の角度を調整し、且つ偏向子を回転することにより、被測定物体からの反射光と基板からの反射回折光を区別して測定しているものもある（例えば、特許文献２参照。）。
【０００５】
ここで、単一の光源で、干渉光の波長、即ちモアレ縞の縞間隔Δｈより大きい高さＡ−Ｂを有する被計測物体の３次元計測をモアレ法によって計測する場合を考えてみる。図１１（ａ）に示すように、被計測物体５２ａの形状がＡ−Ｂ間で線型な変化している場合は、干渉光の波長より大きい高さＡ−Ｂを有していても、形状変化に相当したモアレ縞が形成される。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−１２４５３４号公報
【０００７】
【特許文献２】
特開平７−３３２９５６号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図１１（ｂ）に示す被計測物体５２ｂの形状のように、高さ方向の距離Ａ−Ｂが干渉光の波長（モアレ縞の縞間隔Δｈ）より大きく、且つその変化が不連続である場合、高さＡ−Ｂに波長の整数倍の任意性が発生する。結果として、図１１（ａ）と図１１（ｂ）では、被計測物体５２ａ，５２ｂの形状が異なるのに、全く同じモアレ縞を形成してしまうことがありうる。このため、高さＡ−Ｂが干渉光の波長より大きい場合は、被計測物体の形状を正確に計測をすることができない。
【０００９】
微細な被計測物体の計測を目的とする場合、格子のピッチｐを小さくすれば良い。しかし、格子のピッチｐを小さくすると、モアレ縞の縞間隔Δｈも小さくなるので、モアレ縞の縞間隔Δｈよりも大きな高さを有する被計測物体の計測が不正確になる。逆に、高さ方向に距離の大きい被計測物体に対応するために、格子のピッチｐを大きくしてΔｈを大きくすると、微細な構造の被計測物体の計測を正確に行えなくなってしまう。
【００１０】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、モアレ法に位相シフト法を組合わせた３次元計測で、微細な構造の被計測物体の測定を可能とし、且つモアレ縞の縞間隔Δｈよりも高さが大きい任意の被計測物体でも正確な計測を行うことが可能な３次元計測装置及び３次元計測方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第１の特徴は、（イ）Ｙ軸方向に延びるスリットを一定のピッチでＸ−Ｙ平面に配列した格子と、（ロ）被計測物体に対して、Ｘ−Ｙ平面からなる格子の面をＸ−Ｙ平面に直交するＺ軸方向に移動させる格子位置制御部と、（ハ）それぞれ互いに空間周波数の異なる２種類の正弦波で示される、被計測物体の２種類のモアレ縞を同時に形成するように格子に平行光を照射する照射系と、（ニ）格子を介して２種類のモアレ縞を取り込む第１及び第２受光部と、（ホ）第１及び第２受光部から得られた２種類の正弦波を加算し合成波を形成し、この合成波の包絡線の振幅の変化から、被計測物体のＺ軸方向に測った高さを算出する画像処理部とを備える３次元計測装置であることを要旨とする。
【００１２】
本発明の第２の特徴は、（イ）被計測物体に対して、Ｙ軸方向に延びるスリットを一定のピッチでＸ−Ｙ平面に配列した格子の面をＸ−Ｙ平面に直交するＺ軸方向に移動させるステップと、（ロ）互いに空間周波数の異なる２種類の正弦波で示される２種類のモアレ縞が同時に形成されるように、格子に平行光を照射するステップと、（ハ）格子を介して形成された被計測物体の２種類のモアレ縞の画像を取り込むステップと、（ニ）２種類の正弦波を加算し合成波を形成し、この合成波の包絡線の振幅の変化から、被計測物体のＺ軸方向に測った高さを算出するステップとを含む３次元計測方法であることを要旨とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明の第１〜第３実施の形態を説明する。図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なる。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１４】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る３次元計測装置は、図１及び図２に示すように、Ｙ軸方向に延びるスリットを一定のピッチでＸ−Ｙ平面に配列した格子３０と、（ロ）被計測物体５０に対して、Ｘ−Ｙ平面からなる格子３０の面をＸ−Ｙ平面に直交するＺ軸方向に移動させる格子位置制御部４と、（ハ）それぞれ互いに空間周波数の異なる２種類の正弦波で示される、被計測物体５０の２種類のモアレ縞を同時に形成するように格子３０に平行光を照射する照射系（１ａ，１ｂ）と、（ニ）格子３０を介して２種類のモアレ縞を取り込む第１受光部２ａ及び第２受光部２ｂと、（ホ）第１受光部２ａ及び第２受光部２ｂから得られた２種類の正弦波を加算し合成波を形成し、この合成波の包絡線の振幅の変化から、被計測物体５０のＺ軸方向に測った高さを算出する画像処理部６０とを備える３次元計測装置とを備える。格子３０は、Ｙ軸方向に延びるスリットを一定のピッチｐでＸ−Ｙ平面に配列している。
【００１５】
図２に示す第１照射系１ａは、図１に示す第１光源１０ａと、第１光源１０ａから照射した照明光を平行光に変換する第１コリメータレンズ１１ａとを備える。そして、図２に示す第１受光部２ａは、図１に示す第１受光レンズ２１ａと、第１受光レンズ２１ａにより集光された光を更に絞り込む第１ピンホール板２２ａと、第１のモアレ縞の画像を取り込む第１イメージセンサ２０ａとを備える。第１ピンホール板２２ａを備えることにより、第１受光部２ａはテレセントリックレンズを構成している。第１受光部２ａは、格子３０を通って被計測物体５０の被計測面で反射した格子３０の像と格子３０との重ね合わせにより形成される第１のモアレ縞の画像を受光する。即ち、第１受光部２ａは、第１照射系１ａから照射される平行光により形成される被計測物体５０の第１のモアレ縞の画像を取り込む。
【００１６】
一方、図２に示す第２照射系１ｂは、第１照射系１ａと同様に、図１に示す第２光源１０ｂと、第２光源１０ｂから照射した照明光を平行光に変換する第２コリメータレンズ１１ｂとを備える。図２に示す第２受光部２ｂは、第２受光レンズ２１ｂと、第２受光レンズ２１ｂにより集光された光を更に絞り込む第２ピンホール板２２ｂと、第２のモアレ縞の画像を取り込む第２イメージセンサ２０ｂとを備える。第２ピンホール板２２ｂを備えることにより、第２受光部２ｂはテレセントリックレンズを構成している。第２受光部２ｂは、格子３０を通って被計測物体５０の被計測面で反射した格子３０の像と格子３０との重ね合わせにより形成される第２のモアレ縞の画像を集光する。即ち、第２受光部２ｂは、第２照射系ｂから照射される平行光により形成される被計測物体５０の第２のモアレ縞の画像を取り込む。
【００１７】
第１照射系１ａと第２照射系１ｂとは格子３０に対して照射する平行光の入射角が互いに異なる。第１照射系１ａ及び第２照射系１ｂとが、格子３０にそれぞれ入射角の異なる平行光を照射することで、縞間隔Δｈが違う２種類の被計測物体５０のモアレ縞を形成する。図２に示すように、第１照射系１ａ及び第２照射系１ｂには、第１光源１０ａ及び第２光源１０ｂの光強度を調整する光源駆動回路７０が接続されている。
【００１８】
縞間隔Δｈは、平行光の格子３０に対する入射角をθとし、格子３０の一定のスリット間隔をｐとすると、
Δｈ＝ｐ／２ｔａｎθ ・・・・・（１）
で表される。縞間隔Δｈは、式（１）に示すように、平行光の格子３０に対する入射角θに依存する。例えば、第１照射系１ａと第２照射系１ｂから照射した平行光が格子３０に入射し、それぞれの入射角をθ_１，θ_２とする。そして、入射角θ_１が入射角θ_２より大きい場合（θ_１＞θ_２）、式（１）より、

となる。入射角θ_１のときの縞間隔をΔｈ_１とし、入射角θ_２のときの縞間隔をΔｈ_２とすると、式（２）はΔｈ_１＜Δｈ_２と表すことができる。つまり、平行光の入射角が異なると、異なる縞間隔Δｈのモアレ縞を得ることができる。即ち、空間周波数の異なる２種類の被計測物体のモアレ縞が得られる。
【００１９】
入射角θ_１の第１照射系１ａのモアレ縞から得られる光強度をＩ_１とし、入射角θ_２の第２照射系１ｂのモアレ縞から得られる光強度をＩ_２とすると、
【数１】

と表すことが可能である。図３の下段及び中段には、縞間隔の異なる２種類の正弦波Ｉ_１及びＩ_２を示した。即ち、空間周波数の異なる２種類の被計測物体のモアレ縞が得られる。図３の下段及び中段では、縦軸にモアレ縞の光強度を、横軸に格子３０から計測点までの距離を表している。図３において、Ｉ_１は、第１照射系１ａから照射する平行光により形成される第１の干渉光（モアレ縞）の光強度Ｉ_１、Ｉ_２は第２照射系１ｂから照射される平行光により形成される第２の干渉光（モアレ縞）の光強度Ｉ_２を示す波形である。式（３）及び（４）で示したモアレ縞を加算すると、
【数２】

ここで

である。式（５）は２種類のモアレ縞Ｉ_１及びＩ_２のビート信号を意味する。
【００２０】
【数３】

とすれば、式（５）は、
【数４】

と表される。したがって、図３の最上段に示すように、Ｉ_１＋Ｉ_２の包絡線の振幅は、２Ａ_１Ａ_２ｃｏｓ（φ）の関数で変化するので、０＜φ＜πの範囲で単調減少関数となる。ここで、

を定義し、式（９）において、（１／Δｈ_１）と（１／Δｈ_２）との平均の逆数を４で割った値を用いると、
【数５】

となる。式（１１）〜（１４）において、（Δｈ_２−Δｈ_１）≪（Δｈ_１＋Δｈ_２）となるように、第１照射系１ａ及び第２照射系１ｂのそれぞれの入射角θ_１及びθ_２を選定すれば、ξ^ｍ＝０と近似できる。そこで、

とすれば、式（１１）〜（１４）は、それぞれ、
【数６】

となる。合成波の包絡線の振幅２Ａ_１Ａ_２Ａ^＊は、コサイン関数Ａ^＊＝ｃｏｓ（φ）に従って変化するが、式（１６）〜（１９）から、
【数７】

であることが分かる。式（２０）は、合成波の包絡線の振幅２Ａ_１Ａ_２Ａ^＊を規定するコサイン関数Ａ^＊＝ｃｏｓ（φ）の位相φを求めることにより、より大きな段差の測定ができることを意味する。
【００２１】
式（２０）の右辺のＡ_１及びＡ_２は、第１照射系１ａの位相α_１（０＜｜α_１｜＜π）が異なる５枚のモアレ縞、及び第２照射系１ｂの位相α_２（０＜｜α_２｜＜π）が異なる５枚のモアレ縞からそれぞれ求めることができる。ここで、

の関係がある。例えば、図４に示すように位相α_１で異なる５枚の像を、第１照射系１ａ及び第２照射系１ｂのそれぞれで撮像するとする。実際には、位相シフト法により得られるモアレ縞の成分がノイズの大きな画像である場合、計測誤差が大きくなってしまう。そこで、同じ位相α_１でのモアレ縞の画像を複数回取り込み平均化することで計測誤差が起こりにくいようする。即ち、第１照射系１ａでは、

とすると、
【数８】

の５枚の像が撮像され、これから
【数９】

が求められる。同様に、
【数１０】

が求められる。第１照射系１ａの位相ψ_１は、
【数１１】

が求められる。同様に、第２照射系１ｂの位相ψ_２は、

とすると、
【数１２】

となる。図５に、合成波の包絡線の振幅２Ａ_１Ａ_２Ａ^＊を規定するコサイン関数Ａ^＊＝ｃｏｓ（φ）の位相φと、式（３０）が表す第１照射系１ａにより形成される５枚の像から得られる第１の干渉光（モアレ縞）の光強度Ｉ_１の位相ψ_１を示す。
【００２２】
式（１６）〜（１９）に示す合成波の包絡線の振幅２Ａ_１Ａ_２Ａ^＊を規定するコサイン関数Ａ^＊＝ｃｏｓ（φ）の位相φの変化と高さ方向の距離ｚとは互いに相関するので、振幅２Ａ_１Ａ_２Ａ^＊を規定するコサイン関数Ａ^＊＝ｃｏｓ（φ）の位相φの変化が分かることで、不連続な高さ方向の変化を有する被計測物体５０に対する計測でも、正確な高さを得ることができる。
【００２３】
但し、式（２０）が示すコサイン関数Ａ^＊＝ｃｏｓ（φ）の位相φは、ξ^ｍ＝０の近似を用いているので、多少ムラが認められる。しかし、式（３０）が表す光強度Ｉ_１の位相ψ_１が、図５に示すように不連続に跳んでも、振幅２Ａ_１Ａ_２Ａ^＊の位相φは連続であるので、より大きな高さの測定が可能になる。例えば、単一の照射系による計測では、図１１（ｂ）のような不連続な形状の場合、Ａ点とＢ点の高さ間にモアレ縞の縞間隔Δｈがいくつ入っているのか不明である。しかし、図５に示す合成波の包絡線の振幅２Ａ_１Ａ_２Ａ^＊の位相φと光強度Ｉ_１の位相ψ_１から、その高さを正確に求めることができる。
【００２４】
図５に示すように、合成波の包絡線の振幅２Ａ_１Ａ_２Ａ^＊の位相φは、０〜πの間で単調増加であるため、Δｈ_２とΔｈ_１の差が小さいほど単調増加の区間が長くなり、より大きな段差まで測定が可能となる。測定できる最大段差ｚ_ｍａｘは、式（８）のＨ_１ _２を用いると、

である。また、Δｈ_２とΔｈ_１の差が大きくなりすぎると式（１１）〜（１４）中のξ^ｍによる誤差が大きくなり、合成波の包絡線の振幅２Ａ_１Ａ_２Ａ^＊の位相φが単調増加しなくなる。しかし、Δｈ_２−Δｈ_１≦Δｈ_２／２の範囲であれば、光強度Ｉ_１の位相ψ_１の不連続点での振幅位相φの値はｚの増加に対して増加しているため、問題にはならない。
【００２５】
図６は、鏡面状の物体（２０ｍｍ角）を測定した結果を示す。本発明を使用して形状測定した結果は、図６（ａ）に示すようになるが、位相とびを考慮しない形状測定結果は、図６（ｂ）に示すように、段差がでてしまう。
【００２６】
図２に示す格子位置制御部４は、移動機構４１と、この移動機構４１を駆動する駆動部（ステージコントローラ）４２とを備え、制御システム４３から制御信号等を供給され位置移動を制御される。即ち、制御システム４３は、駆動部４２に制御信号等を供給し、移動機構４１の動作を制御する。移動機構４１は、ステップモータ等の駆動部４２により駆動させられる。図示を省略しているが、移動機構４１の移動位置は、例えばレーザ干渉計等により測定され、制御装置６１にフィードバックされる。或いは位置変化に伴うインダクタンスを測定し電磁制御して、位置制御しても良い。制御システム４３は、画像処理部６０と、画像処理部６０に接続された制御装置６１を備える。格子位置制御部４は、格子３０の面を水平に保ち、被計測物体５０に対して格子３０をＸ−Ｙ平面に直交するＺ軸方向に移動させる。
【００２７】
画像処理部６０は、２種類の正弦波Ｉ_１及びＩ_２の相互演算をして、合成波の包絡線の振幅２Ａ_１Ａ_２Ａ^＊を規定するコサイン関数Ａ^＊＝ｃｏｓ（φ）の位相φ（式（２０））と、式（３０）が表す第１照射系１ａから照射する平行光により形成される５枚の像から得られる第１の干渉光（モアレ縞）の光強度Ｉ_１の位相ψ_１から、計測物体の高さを算出する。即ち、画像処理部６０は、第１受光部２ａ及び第２受光部２ｂに取り込まれたモアレ縞の画像データである２種類の正弦波Ｉ_１及びＩ_２を式（１１）〜（１４）のように、加算し、２次的信号として、式（２０）及び（３０）を得て、これらの２次的信号に基づき高さ方向の距離が大きい被計測物体５０の３次元計測データを取得、且つ保存する機能を備える。このため画像処理部６０は、出力側を制御ボード６２に接続し、入力側を画像取り込みボード６３にそれぞれ接続したマイクロプロセッサ若しくはパーソナルコンピュータで校正すれば良い。
【００２８】
図示を省略しているが、画像処理部６０は、更に、横分解能を求めるための横分解能計測手段（モジュール）及び等高線の縞間隔Δｈを求めるためのΔｈ計測手段（モジュール）を備える。また、画像処理部６０は、位相アンラップ法の設定手段（モジュール）、位相アンラップ開始点の設定手段（モジュール）、平均化回数の設定手段（モジュール）、計測面の傾きを補正するための任意の領域の設定手段（モジュール）、被計測物体５０が存在しない場所を自動的に検出してその場所のデータを削除する設定手段（不良点抽出設定手段）、及び、不良点を抽出するための閾値設定手段（モジュール）等を更に備える。平均化回数の設定手段（モジュール）は、上述したように、同じ位相α_１，α_２でのモアレ縞の画像を複数回取り込み平均化することで計測誤差が起こりにくいようにするときの画像取り込み回数を設定する。これらの計測手段及び設定手段に基づき、画像処理部６０は、計測したモアレ縞の画像から、被計測物体５０の３次元の画像データを取得、且つ保存する機能を有する。
【００２９】
制御装置６１は、入力側が画像処理部６０に、出力側が光源駆動回路７０、駆動部４２、第１イメージセンサ２０ａ及び第２イメージセンサ２０ｂ及び移動手段（ステージ）８０にそれぞれ接続された制御ボード６２と、入力側が第１イメージセンサ２０ａ及び第２イメージセンサ２０ｂに、出力側が画像処理部６０にそれぞれ接続された画像取り込みボード６３とを備える。
【００３０】
図７に示すフローチャートを参照して、以下に、本発明の第１の実施の形態に係る３次元計測方法を説明する。
【００３１】
（イ）先ず、３次元計測に用いる格子３０、被計測物体５０等を用意する。そして、ステップＳ１００において、被計測物体５０を移動手段（ステージ）８０に載置する。ここで、画像処理部６０から制御信号ＣＳが出力され、制御ボード６２に入力される。そして、制御ボード６２からシフト信号ＳＳが出力され、移動手段（ステージ）８０に入力される。入力されたシフト信号ＳＳによって、移動手段（ステージ）８０に載置された被計測物体５０がモアレ縞の計測を行うのに好適な箇所まで移動される。
【００３２】
（ロ）次に、制御ボード６２から輝度信号ＬＣが出力され、光源駆動回路７０に入力される。輝度信号ＬＣは、第１光源１０ａ及び第２光源１０ｂから照射される光の光強度をそれぞれ調整するための信号である。ステップＳ１１０において、被計測物体５０の個々に違う反射率を考慮し、第１光源１０ａ及び第２光源１０ｂから照射される光が、輝度信号ＬＣにより最適な光強度に調整される。
【００３３】
（ハ）次に、ステップＳ１２０において、３次元計測を行う計測環境（測定条件）が画像処理部６０に設定される。ステップＳ１２０における画像処理部６０にする測定条件の設定は、位相アンラップ法の設定、位相アンラップ開始点の設定、平均化回数の設定、計測面の傾きを補正するための任意の領域の設定、被計測物体５０が存在しない場所を自動的に検出してその場所のデータを削除する設定（不良点抽出設定）、及び、不良点を抽出するための閾値設定等である。
【００３４】
（ニ）次に、ステップＳ１３０において、測定とデータの取り込みがなされる。先ず、ステップＳ１３１において、制御ボード６２から格子位置制御信号が出力され、図１に示した格子位置制御部（駆動部）４に入力される。格子位置制御信号を入力された格子位置制御部（駆動部）４は、被計測物体５０に対して、格子３０をＺ軸方向に移動させる。ここで、格子３０は、Ｙ軸方向に延びるスリットを一定のピッチでＸ−Ｙ平面に配列している。ステップＳ１３１において、格子３０の面をＸ−Ｙ平面に直交するＺ軸方向に移動させながら、ステップＳ１３２において、第１光源１０ａ及び第２光源１０ｂから照射光が照射され、それぞれ第１コリメータレンズ１１ａ及び第２コリメータレンズ１１ｂに入射する。第１コリメータレンズ１１ａ及び第２コリメータレンズ１１ｂに入射した光は、平行光となり格子３０に入射する。格子３０に照射された平行光のうち、格子３０のスリットを通った平行光によって、被計測物体５０の上方に２種類のモアレ縞Ｉ_１及びＩ_２が形成される。形成されたそれぞれのモアレ縞Ｉ_１及びＩ_２は、第１照射系１ａ及び第２照射系１ｂから異なる入射角θ_１，θ_２の平行光によって形成されるので縞間隔Δｈ_１，Δｈ_２を異にする。モアレ縞の縞間隔Δｈ_１，Δｈ_２が違うということは、モアレ縞は各々違う正弦波Ｉ_１及びＩ_２の空間周波数を有するということである。更に、ステップＳ１３３において、制御ボード６２からシャッター信号ＦＣ_１，ＦＣ_２が位相２α_１，α_１，０，−α_１，−２α_１；２α_２，α_２，０，−α_２，−２α_２で出力され、第１イメージセンサ２０ａ及び第２イメージセンサ２０ｂにそれぞれ入力される。第１イメージセンサ２０ａ及び第２イメージセンサ２０ｂにそれぞれシャッター信号ＦＣ_１，ＦＣ_２が入力されると、第１イメージセンサ２０ａ及び第２イメージセンサ２０ｂのシャッターを位相２α_１，α_１，０，−α_１，−２α_１；２α_２，α_２，０，−α_２，−２α_２で開き、第１受光レンズ２１ａ及び第２受光レンズ２１ｂと第１ピンホール板２２ａ及び第２ピンホール板２２ｂで集光された被計測物体５０に生じるモアレ縞の画像が５枚、それぞれ取り込まれる。一方、制御ボード６２からステージ制御信号ＰＳが出力され、駆動部４２に入力される。ステージ制御信号ＰＳを入力された駆動部４２は、移動機構４１を制御し、駆動することができる。現実には、ステップＳ１３０において、ステップＳ１３１、Ｓ１３２，Ｓ１３３が同時に実施される。
【００３５】
（ホ）ステップＳ１４０においては、ステップＳ１３０において取り込まれたデータの解析がなされる。先ず、ステップＳ１４１において、モアレ縞の画像は第１イメージセンサ２０ａ及び第２イメージセンサ２０ｂからそれぞれ５枚分ずつ、画像アナログ信号ＧＡ_１，ＧＡ_２として出力され、両者の和がそれぞれ算出される。ステップＳ１４１において算出された画像アナログ信号ＧＡ_１，ＧＡ_２の和から、ステップＳ１４２において、合成波の包絡線の振幅２Ａ_１Ａ_２Ａ^＊の位相相φと光強度Ｉ_１の位相ψ_１が、求められる。そして、ステップＳ１４３において、合成波の包絡線の振幅２Ａ_１Ａ_２Ａ^＊の位相φと光強度Ｉ_１の位相ψ_１から、３次元計測データとして詳細な高さｚのデータが算出される。
【００３６】
（ヘ）ステップＳ１５０においては、画像信号の処理がなされる。具体的には、ステップＳ１５１において、画像取り込みボード６３に入力された画像アナログ信号ＧＡ_１，ＧＡ_２は、デジタル信号化され、画像デジタル信号として出力される。ステップＳ１５２においては、画像処理部６０に画像デジタル信号が入力され、画像処理部６０において、画像処理がなされ、３次元画像のデータが得られる。
【００３７】
（ト）そして、ステップＳ１５０において、３次元画像のデータが、記憶装置に保存される。最後に、ステップＳ１６０において、３次元画像のデータが、画像表示装置に表示される。
【００３８】
本発明の第１の実施の形態に係る３次元計測装置及び３次元計測方法によれば、モアレ法に位相シフト法を組合わせた３次元計測で、微細な構造の被計測物体５０の測定を可能とし、且つ高さ方向に距離が大きい被計測物体５０でも正確な計測を行うことができる。
【００３９】
（第２の実施の形態）
図１においては第１照射系１ａ及び第２照射系１ｂの２つ照射系を用いて、それぞれ互いに空間周波数の異なる２種類の正弦波で示される２種類のモアレ縞を同時に形成した。本発明の第２の実施の形態に係る３次元計測装置及び３次元計測方法においては、図８に示すように、光源１０と、光源１０から照射した照明光を平行光に変換するコリメータレンズ１１とからなる単一の照射系を備えている。単一の照射系から照射された平行光が、格子３０に入射したときに図８に示すように生じる次数の異なる複数の回折光を利用することにより、被計測物体５０からの複数のモアレ縞を同時に形成している。
【００４０】
第２の実施の形態に係る３次元計測装置では、被計測物体５０の表面が、鏡面状で正反射成分が支配的である測定対象のみ利用できる。図８に示すように、コリメータレンズ１１から照射された平行光が、投影側の格子３０で回折を起こし、被計測物体５０の表面に入射する。被計測物体５０の表面で正反射された光はまた格子３０を通過することにより、回折を受けてそれぞれ同じ次数の回折光同士がモアレを作る。それを受光レンズ２１ｃでフーリエ変換し、特定の次数のモアレだけを取り出す。回折の次数によって被計測物体５０の表面への入射角（＝反射角）が違うので、モアレの等高線間隔が次数によって結象位置が異なる現象を利用しているのである。
【００４１】
即ち、受光レンズ２１ｃでフーリエ変換した光は、０次、１次、２次、・・・・・の回折成分を有するので、複数の回折成分の内から、受光系で生じる次数の異なる２つの回折光を選択することにより、被計測物体５０の２種類のモアレ縞Ｉ_１及びＩ_２を同時に形成可能である。
【００４２】
２種類の正弦波Ｉ_１及びＩ_２を合成して、合成波の包絡線の振幅２Ａ_１Ａ_２Ａ^＊を規定するコサイン関数Ａ^＊＝ｃｏｓ（φ）の位相φ（式（２０））と、単一の照射系（１０，１１）により形成される５枚の像から得られる干渉光（モアレ縞）の光強度の位相から、被計測物体５０の高さを算出する等の処理は、第１の実施の形態に係る３次元計測装置及び３次元計測方法と同様であり、重複した説明を省略する。
【００４３】
このように、被計測物体５０の表面が、鏡面状で正反射成分が支配的である場合でも、光学系における回折光を利用することにより、第１の実施の形態と同様に、異なる２種類の縞間隔Δｈ_１，Δｈ_２を有するモアレ縞を形成できるので、不連続に高さが急変し、且つモアレ縞のピッチよりも大きな高さを有する被計測物体５０の高さであっても正確に測定できる。且つ、微細な構造の被計測物体５０の測定も同時に可能である。
【００４４】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係る３次元計測装置及び３次元計測方法においては、図９に示すように、光源１０と、光源１０から照射した照明光を平行光に変換するコリメータレンズ１１とからなる単一の照射系を備えている点では、図８に示した第２の実施の形態と同様である。
【００４５】
第３の実施の形態に係る３次元計測装置の構成は、被計測物体５０の表面の表面が粗面（例えばセラミック基板のような）の場合に利用できる。被計測物体５０の表面が、粗面の場合は、被計測物体５０の表面において、図９に示すような拡散反射をするため、結像部の角度が正反射角でなくてもモアレを形成することができる。しかし、被計測物体５０の表面が鏡面の場合は正反射成分が支配的になるため、この方法は難しい。
【００４６】
この場合も、２種類の正弦波Ｉ_１及びＩ_２を合成して、合成波の包絡線の振幅２Ａ_１Ａ_２Ａ^＊を規定するコサイン関数Ａ^＊＝ｃｏｓ（φ）の位相φ（式（２０））と、単一の照射系（１０，１１）により形成される５枚の像から得られる干渉光（モアレ縞）の光強度の位相から、計測物体５０の高さを算出する等の処理は、第１の実施の形態に係る３次元計測装置及び３次元計測方法と同様である。
【００４７】
図９に示す粗面における拡散反射を利用することでも、第１の実施の形態と同様に、異なる２種類の縞間隔Δｈ_１，Δｈ_２を有するモアレ縞を形成できるので、不連続に高さが急変し、且つモアレ縞のピッチよりも大きな高さを有する被計測物体５０の高さであっても正確に測定できる。且つ、微細な構造の被計測物体５０の測定も同時に可能である。
【００４８】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１〜第３の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。
【００４９】
例えば、第１の実施の形態では、式（３）及び（４）で示したモアレ縞を加算し、式（５）を導いた。しかし、式（３）及び（４）で示したモアレ縞の位相の差Δφ＝φ_１−φ_２を用いる方法も可能である。即ち、入射角θ_１の第１照射系１ａのモアレ縞から得られる光強度をＩ_１とし、入射角θ_２の第２照射系１ｂのモアレ縞から得られる光強度をＩ_２とすると、図１０（ａ）のグラフに示すような縞間隔Δｈ_１，Δｈ_２を示す２種類の正弦波Ｉ_１及びＩ_２が得られる。即ち、空間周波数の異なる２種類の被計測物体のモアレ縞が得られる。図１０（ａ）では、縦軸にモアレ縞の光強度を、横軸に格子３０から計測点までの距離を表している。図１０（ａ）において、実線Ｉ_１は、第１照射系１ａから照射する平行光により形成される第１の干渉光（モアレ縞）の光強度Ｉ_１、破線Ｉ_２は第２照射系１ｂから照射される平行光により形成される第２の干渉光（モアレ縞）の光強度Ｉ_２を示す波形である。
【００５０】
図１０（ａ）の２種類の正弦波Ｉ_１及びＩ_２のグラフは、光強度Ｉ_１及びＩ_２と同時に第１照射系１ａ及び第２照射系１ｂから照射する平行光により形成される第１及び第２の干渉光（モアレ縞）の２π周期の位相φ_１及びφ_２を示している。位相シフト法によりそれぞれの位相を求めると、
【数１３】

図１０（ｂ）は、縦軸に第１照射系１ａ及び第２照射系１ｂから照射した平行光により形成されるモアレ縞の−π〜＋πまで繰り返し変化する位相φ_１及びφ_２を表し、横軸に格子３０から計測点までの距離を表している。図１０（ｂ）において、実線φ_１は第１照射系１ａからの、破線φ_２は第２照射系１ｂからの照射される平行光により形成されるモアレ縞の位相の変化について示す。図１０（ｂ）のグラフに示した実線φ_１と破線φ_２から２つのモアレ縞の位相差φ_１−φ_２＝Δφが求められる。
【００５１】
【数１４】
Δφ＝（２πｚＨ_１ _２）＋２（ｌ−ｍ）π ・・・・・（４０）
ここで
【数１５】
Ｈ_１ _２＝（１／Δｈ_１）−（１／Δｈ_２）・・・・・（４１）
である。図１０（ｂ）は、高さ方向の距離ｚが進むにつれて、２つのモアレ縞の位相差Δφ＝φ_１−φ_２も次第に大きくなることを示している。このモアレ縞の位相差Δφと高さ方向の距離ｚの相関関係は、図１０（ｃ）で示される。図１０（ｃ）は、縦軸に図１０（ｂ）で示した第１照射系１ａ及び第２照射系１ｂから照射する平行光により形成されるそれぞれのモアレ縞の位相差Δφを表し、横軸に格子３０から計測点までの距離ｚを表している。図１０（ｃ）から明らかなように、モアレ縞の位相差Δφと高さの変化ｚとの関係は線型の変化を示す。即ち、２つのモアレ縞の位相差Δφを調べることにより、その高さｚを求めることが可能になる。但し式（４０）においてφ_１＜φ_２の場合、Δφ＝φ_１−φ_２に２πを加算する位相アンラップを行う。「位相アンラップ」とは、モアレ法に位相シフト法を組合わせた測定方法において、位相計算をすると２π単位で不連続になるので、補正して図１０（ｂ）に示すように、連続にすることである。位相アンラップは、周りの位相データから連続になるように２πｎ（ｎは０でない整数）を加算、又は、減算して位相を繋ぎ合わせる。「位相アンラップの開始点」は、位相計算を最初に行う箇所である。そこで被計測物体５０がないところを計測の開始点とすると、モアレ縞が存在しないので、位相アンラップを行うことができない。被計測物体５０があるところ（モアレ縞が存在する座標）を計測の開始点として指定することにより、破綻のない位相アンラップを行える。図１０（ｂ）に示すように、φ_１及びφ_２は、−π〜＋πを超えると不連続になるが、Δφは、
｜ｌ−ｍ｜＜２・・・・・（４２）
の範囲で連続となる。モアレ縞の位相の差Δφを用いる方法では、若干複雑になるが、以下のように、前もって、標準計測物体を用いて、モアレ縞の位相差Δφと高さ方向の距離の相関関係を校正データ（校正曲線）として取得しておく：
（イ）先ず、図１１（ａ）に示すような、高さが線型に変化する標準計測物体（モニタ）５０ａを用いて、予備的計測（モニタリング）を行う。ここで、第１照射系１ａと第２照射系１ｂからの回折光の最大値が同じ光強度になるように、第１光源１０ａ及び第２光源１０ｂの出力を調整しておく。この結果、第１の実施の形態で説明した図１０（ａ）のグラフに示すような縞間隔Δｈ_１，Δｈ_２を示す２つのモニタ正弦波が得られる。図１０（ａ）の縦軸にモニタ・モアレ縞の光強度を、横軸に格子３０から計測点までの距離を表している。図１０（ａ）において、実線ａ_１は、第１照射系１ａから照射する平行光により形成される標準計測物体からの第１のモニタ干渉光（モニタ・モアレ縞）の光強度、破線ｂ_１は第２照射系１ｂから照射される平行光により形成される第２のモニタ干渉光（モニタ・モアレ縞）の強度を示す波形に対応する。
【００５２】
（ロ）図１０（ａ）のモニタ正弦波のグラフは、第１の実施の形態で説明したように、光強度と同時に第１照射系１ａ及び第２照射系１ｂから照射する平行光により形成される第１及び第２のモニタ干渉光（モニタ・モアレ縞）の２π周期の位相を示していることに対応する。すると、図１０（ｂ）は、縦軸に第１照射系１ａ及び第２照射系１ｂから照射した平行光により形成されるモニタ・モアレ縞の−π〜＋πまで繰り返し変化する位相を表し、横軸に格子３０から計測点までの距離を表していることに対応する。図１０（ｂ）において、実線ａ_２は第１照射系１ａからの、破線ｂ_２は第２照射系１ｂからの照射される平行光により形成されるモニタ・モアレ縞の位相の変化について示す。
【００５３】
（ハ）図１０（ｂ）のグラフに示した実線ａ_２と破線ｂ_２から標準計測物体からの２つのモニタ・モアレ縞の位相差が求められる。図１０（ｂ）は、高さ方向の距離が進むにつれて、２つのモニタ・モアレ縞の位相差も次第に大きくなることを示していることに対応する。このモニタ・モアレ縞の位相差と高さ方向の距離の相関関係は、図１０（ｃ）で示される。図１０（ｃ）は、縦軸に図１０（ｂ）で示した第１照射系１ａ及び第２照射系１ｂから照射する平行光により形成されるそれぞれのモニタ・モアレ縞の位相の差を表し、横軸に格子３０から計測点までの距離を表している。図１０（ｃ）から明らかなように、モニタ・モアレ縞の位相差と高さの変化との関係は線型の変化を示す。即ち、標準計測物体からの２つのモニタ・モアレ縞の位相差を調べることにより、その高さを校正することが可能になる。こうして、図１０（ｃ）に示すようなモニタ・モアレ縞の位相差と高さの変化との関係を標準計測物体を用いて、予め調べておき校正曲線を得ておけば、未知の被計測物体が不連続な高さの変改を示していても、被計測物体から得られる２つのモニタ・モアレ縞の位相差を調べることにより、その高さを求めることができる。
【００５４】
以下に、校正データ（校正曲線）を用いた３次元計測方法を、第１の実施の形態で用いた図２を参照しながら、説明する。
【００５５】
（イ）先ず、第１の実施の形態と同様に、格子３０、被計測物体５０等を用意する。そして、被計測物体５０を移動手段８０に載置する。そして、制御ボード６２から輝度信号ＬＣが出力され、第１光源１０ａ及び第２光源１０ｂから照射される光が、輝度信号ＬＣにより最適な光強度に調整される。更に、３次元計測を行う計測環境が画像処理部６０に設定される。
【００５６】
（ロ）次に、第１光源１０ａ及び第２光源１０ｂから照射光が照射され、それぞれ第１コリメータレンズ１１ａ及び第２コリメータレンズ１１ｂに入射する。第１コリメータレンズ１１ａ及び第２コリメータレンズ１１ｂに入射した光は、平行光となり格子３０に入射する。格子３０に照射された平行光のうち、格子３０のスリットを通った平行光によって、被計測物体５０の上方に２種類のモアレ縞が形成される。
【００５７】
（ハ）次に、制御ボード６２からシャッター信号ＦＣ_１，ＦＣ_２が出力され、第１イメージセンサ２０ａ及び第２イメージセンサ２０ｂにそれぞれ入力される。第１イメージセンサ２０ａ及び第２イメージセンサ２０ｂにそれぞれシャッター信号ＦＣ_１，ＦＣ_２が入力されると、第１イメージセンサ２０ａ及び第２イメージセンサ２０ｂのシャッターを開き、第１受光レンズ２１ａ及び第２受光レンズ２１ｂと第１ピンホール板２２ａ及び第２ピンホール板２２ｂで集光された被計測物体５０に生じるモアレ縞の画像が取り込まれる。一方、制御ボード６２からステージ制御信号ＰＳが出力され、駆動部４２に入力される。ステージ制御信号ＰＳを入力された駆動部４２は、移動機構４１を制御し、駆動することができる。
【００５８】
（ニ）次に、モアレ縞の画像は第１イメージセンサ２０ａ及び第２イメージセンサ２０ｂからそれぞれ画像アナログ信号ＧＡ_１，ＧＡ_２として出力され両者の位相差が求められる。そして、予め測定された図１０（ｃ）に示す校正曲線と比較することにより、３次元計測データを算出する。画像取り込みボード６３に入力された画像アナログ信号ＧＡ_１，ＧＡ_２は、図１０（ｃ）に示す校正曲線から得られた高さの情報と共に、デジタル信号化され、画像デジタル信号として出力され、画像処理部６０に入力される。
【００５９】
こうして、予め得られた校正曲線から情報を得ても、微細な構造の被計測物体の測定が可能であり、且つ高さ方向に距離が大きい被計測物体でも正確な計測を行うことができる。
【００６０】
以上の様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【００６１】
【発明の効果】
本発明によれば、モアレ法に位相シフト法を組合わせた３次元計測で、微細な構造の被計測物体の測定を可能とし、且つモアレ縞の縞間隔よりも高さが大きい任意の被計測物体でも正確な計測を行うことが可能な３次元計測装置及び３次元計測方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る３次元計測方法の原理を示す概念図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る３次元計測装置の具体的な構成例を示す模式図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る３次元計測方法の原理を示す概念図で、合成波の包絡線の振幅の変化を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る３次元計測方法の原理を示す概念図で、５フレーム法で採用される位相２α，α，０，−α，−２αの関係を説明する図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る３次元計測方法の原理を示す概念図で、合成波の包絡線の振幅２Ａ_１Ａ_２Ａ^＊を規定するコサイン関数Ａ^＊＝ｃｏｓ（φ）の位相φと、第１の干渉光（モアレ縞）の光強度Ｉ_１の位相ψ_１の変化を示す図である。
【図６】図６（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る３次元計測方法により、鏡面状の物体を測定した結果を示す図で、位相とびを考慮しない場合は、図６（ｂ）に示すように段差がでてしまうを示す図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係る３次元計測方法の具体的な処理を説明するためのフローチャートである。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係る３次元計測を示す概念図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態に係る３次元計測を示す概念図である。
【図１０】図１０（ａ）は、光強度とモアレ縞の格子３０からの距離の関係を示すグラフであり、図１０（ｂ）は、位相とモアレ縞の格子３０からの距離の関係を示すグラフであり、図１０（ｃ）は、縞間隔の異なるモアレ縞の位相差とモアレ縞の格子３０からの距離の関係を示すグラフである。
【図１１】図１１（ａ）は、線型な変化を示す被計測物体に対するモアレ縞を示す図であり、図１１（ｂ）は、非線型（不連続）な高さの変化を示す被計測物体に対するモアレ縞を示す図であり
【符号の説明】
１ａ…第１照射系
１ｂ…第２照射系
２ａ…第１受光部
２ｂ…第２受光部
４…格子位置制御部
１０ａ…第１光源
１０ｂ…第２光源
１１ａ…第１コリメータレンズ
１１ｂ…第２コリメータレンズ
２０ａ…第１イメージセンサ
２０ｂ…第２イメージセンサ
２１ａ…第１受光レンズ
２１ｂ…第２受光レンズ
２２ａ…第１ピンホール板
２２ｂ…第２ピンホール板
３０…格子
４１…移動機構
４２…駆動部
４３…制御システム
５０，５０ａ，５２ａ，５２ｂ…被計測物体
６０…画像処理部
６１…制御装置
６２…制御ボード
６３…ボード
７０…光源駆動回路
８０…移動手段
ＣＳ…制御信号
ＬＣ…輝度信号
ＰＳ…ステージ制御信号
ＳＳ…シフト信号[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a three-dimensional measurement device and a three-dimensional measurement method using moire topography.
[0002]
[Prior art]
As a non-contact three-dimensional measuring device for general industrial parts and the like, an optical cutting method that can obtain a measurement result with low cost and high accuracy is most frequently used. However, since the light sectioning method performs two-dimensional scanning, the imaging time becomes long. Therefore, it is not suitable for measurement in which it is difficult to fix an object to be measured such as a living body. In addition, since the light-section method uses a laser beam harmful to the eyes, there is a problem in using it on a living body face, which is a main measurement site in the beauty field. Therefore, moire topography, which can perform high-speed and high-accuracy measurement using a white light source that is harmless to a living body, has attracted attention. Moire topography is a non-contact three-dimensional measurement method for obtaining a contour image of a target object using moiré fringes.
[0003]
Moire topography includes a phase shift method (fringe scanning method) using moiré fringes. Moire fringes can be measured three-dimensionally by overlapping or sampling regular patterns. For example, when a shadow of a straight grid is projected on an object, the shadow of the grid line is deformed according to the shape of the object. By superimposing the shadow on the object and the straight grid, Moire fringes due to interference between the shadow and the straight grid are observed. By appropriately arranging the optical system, the moire fringe becomes an image corresponding to the contour of the object.
Moire topography as a three-dimensional measurement technique is used in fields such as engineering, medicine, dentistry, and fashion. There are roughly two methods for shape measurement by moire topography. A method in which a grid is placed just before the object to be measured and moire fringes are generated by the shadow of the grid and the grid just before (grid irradiation type), and the moiré grid is projected on the object to be measured and changes depending on the shape of the object Is a method of forming moire fringes by forming an image of the formed grating on a grating having the same pitch by an imaging lens (grating projection type). The grating irradiation type is applied to measurement from about several tens of μm to irregularities of several cm. The grid projection type is applied when measuring an object to be measured having relatively large irregularities (several mm to several cm). Further, the light source of the moire topography is measured singly to uniquely determine the fringe interval Δh of the moire fringes depending on the measurement position.
[0004]
Conventional three-dimensional measurement solves the problem of phase concatenation when deriving a phase in the measurement by the phase shift method using an arctangent function. (For example, refer to Patent Document 1). In addition, the reflection from the grating that forms the moiré fringes is measured by adjusting the angle of the grating and rotating the deflector to distinguish the reflected light from the measured object and the reflected diffraction light from the substrate. (See, for example, Patent Document 2).
[0005]
Here, consider a case where three-dimensional measurement of an object to be measured having a height AB larger than the wavelength of the interference light, that is, the fringe interval Δh of the moire fringes, is performed by a single light source by the moire method. As shown in FIG. 11A, when the shape of the measured object 52a changes linearly between AB, even if it has a height AB larger than the wavelength of the interference light, Moire fringes corresponding to the change are formed.
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2001-124534 A
[0007]
[Patent Document 2]
JP-A-7-332956
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, like the shape of the measured object 52b shown in FIG. 11B, the distance AB in the height direction is larger than the wavelength of the interference light (the fringe interval Δh of the moire fringes), and the change is discontinuous. In some cases, the height AB is arbitrarily multiplied by an integer multiple of the wavelength. As a result, in FIGS. 11A and 11B, the same moire fringes may be formed although the shapes of the measured objects 52a and 52b are different. Therefore, when the height AB is larger than the wavelength of the interference light, the shape of the measured object cannot be accurately measured.
[0009]
For the purpose of measuring a minute object to be measured, the pitch p of the grating may be reduced. However, when the grid pitch p is reduced, the fringe interval Δh of the moiré fringes also becomes smaller, so that the measurement of an object to be measured having a height greater than the fringe interval Δh of the moiré fringes becomes inaccurate. Conversely, if the grid pitch p is increased to increase Δh in order to correspond to the measured object having a large distance in the height direction, the measurement of the measured object having a fine structure cannot be performed accurately.
[0010]
The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problem, and enables measurement of an object to be measured having a fine structure by three-dimensional measurement in which a phase shift method is combined with a moiré method. It is an object of the present invention to provide a three-dimensional measuring device and a three-dimensional measuring method capable of performing accurate measurement even on any object to be measured having a height larger than the interval Δh.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a first feature of the present invention is that (a) a grid in which slits extending in the Y-axis direction are arranged at a constant pitch on an XY plane, and (b) a measured object , A grid position control unit for moving the plane of the grid consisting of the XY plane in the Z-axis direction orthogonal to the XY plane, and (c) the measured object indicated by two types of sine waves having different spatial frequencies from each other. (E) an irradiation system for irradiating the grating with parallel light so as to simultaneously form two types of moiré fringes on the object, (d) first and second light receiving units for capturing the two types of moiré fringes via the lattice, and (e). The two types of sine waves obtained from the first and second light receiving units are added to form a composite wave, and from the change in the amplitude of the envelope of the composite wave, the height of the measured object in the Z-axis direction is determined. The gist is that it is a three-dimensional measuring device including an image processing unit for calculating.
[0012]
The second feature of the present invention is that (a) a lattice plane in which slits extending in the Y-axis direction are arranged on the XY plane at a constant pitch with respect to the object to be measured is a Z-axis orthogonal to the XY plane. (B) irradiating the grating with parallel light so that two types of moiré fringes represented by two types of sine waves having different spatial frequencies from each other are simultaneously formed; And (2) adding two types of sine waves to form a composite wave, and obtaining a composite wave from the change in the amplitude of the envelope of the composite wave. Calculating the height of the measured object in the Z-axis direction.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, first to third embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the plane dimension, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from actual ones. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined in light of the following description. In addition, it is needless to say that the drawings include portions having different dimensional relationships and ratios.
[0014]
(First Embodiment)
As shown in FIGS. 1 and 2, the three-dimensional measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention includes a grid 30 in which slits extending in the Y-axis direction are arranged at a constant pitch on an XY plane. B) a grating position control unit 4 for moving the surface of the grating 30 composed of the XY plane with respect to the measured object 50 in the Z-axis direction orthogonal to the XY plane, and (c) different spatial frequencies from each other. An irradiation system (1a, 1b) for irradiating the grating 30 with parallel light so as to simultaneously form two types of moiré fringes of the measured object 50 indicated by two types of sine waves, and (d) through the grating 30 A first light receiving unit 2a and a second light receiving unit 2b that capture two types of moiré fringes, and (e) two types of sine waves obtained from the first light receiving unit 2a and the second light receiving unit 2b are added to form a composite wave. From the change in the amplitude of the envelope of the composite wave, the Z-axis direction of the measured object 50 is determined. And a three-dimensional measurement apparatus and an image processing unit 60 for calculating a height measured in the. The grating 30 has slits extending in the Y-axis direction arranged at a constant pitch p on the XY plane.
[0015]
The first irradiation system 1a illustrated in FIG. 2 includes the first light source 10a illustrated in FIG. 1 and a first collimator lens 11a that converts illumination light emitted from the first light source 10a into parallel light. The first light receiving unit 2a illustrated in FIG. 2 includes a first light receiving lens 21a illustrated in FIG. 1, a first pinhole plate 22a that further narrows down the light collected by the first light receiving lens 21a, and a first moire. A first image sensor 20a for capturing a fringe image. By including the first pinhole plate 22a, the first light receiving section 2a constitutes a telecentric lens. The first light receiving unit 2a receives an image of a first moiré fringe formed by superimposing the image of the grating 30 and the grating 30 reflected on the measurement surface of the measured object 50 through the grating 30. That is, the first light receiving unit 2a captures an image of the first moire fringe of the measured object 50 formed by the parallel light emitted from the first irradiation system 1a.
[0016]
On the other hand, similarly to the first irradiation system 1a, the second irradiation system 1b illustrated in FIG. 2 includes a second light source 10b illustrated in FIG. 1 and a second collimator that converts illumination light irradiated from the second light source 10b into parallel light. Lens 11b. The second light receiving unit 2b illustrated in FIG. 2 includes a second light receiving lens 21b, a second pinhole plate 22b that further narrows down light condensed by the second light receiving lens 21b, and a second moire fringe image. 2 image sensor 20b. By including the second pinhole plate 22b, the second light receiving unit 2b forms a telecentric lens. The second light receiving unit 2b collects an image of the second moiré fringe formed by superimposing the image of the grating 30 and the grating 30 reflected on the measurement surface of the measured object 50 through the grating 30. That is, the second light receiving unit 2b captures an image of the second moiré fringe of the measured object 50 formed by the parallel light emitted from the second irradiation system b.
[0017]
The first irradiation system 1a and the second irradiation system 1b are different from each other in the incident angle of the parallel light irradiated on the grating 30. The first irradiation system 1a and the second irradiation system 1b irradiate the grating 30 with parallel light beams having different incident angles, thereby forming moiré fringes of two types of measured objects 50 having different fringe intervals Δh. As shown in FIG. 2, a light source driving circuit 70 for adjusting the light intensity of the first light source 10a and the second light source 10b is connected to the first irradiation system 1a and the second irradiation system 1b.
[0018]
The fringe interval Δh is defined as follows: θ is an incident angle of the parallel light with respect to the grating 30, and p is a constant slit interval of the grating 30.
Δh = p / 2tan θ (1)
Is represented by The fringe interval Δh depends on the incident angle θ of the parallel light with respect to the grating 30, as shown in Expression (1). For example, the parallel light irradiated from the first irradiation system 1a and the second irradiation system 1b is incident on the grating 30, and each incident angle is set to θ.₁, Θ₂And And the incident angle θ₁Is the incident angle θ₂Greater than (θ₁> Θ₂), From equation (1),

Becomes Incident angle θ₁Δh₁And the incident angle θ₂Δh₂Then, equation (2) becomes Δh₁<Δh₂It can be expressed as. That is, when the incident angle of the parallel light is different, moiré fringes having different fringe intervals Δh can be obtained. That is, moire fringes of two types of measured objects having different spatial frequencies are obtained.
[0019]
Incident angle θ₁The light intensity obtained from the moiré fringes of the first irradiation system 1a is I₁And the incident angle θ₂The light intensity obtained from the moiré fringes of the second irradiation system 1b is I₂Then
(Equation 1)

It is possible to express. In the lower and middle parts of FIG. 3, two types of sine waves I having different fringe intervals are provided.₁And I₂showed that. That is, moire fringes of two types of measured objects having different spatial frequencies are obtained. In the lower and middle sections of FIG. 3, the vertical axis represents the light intensity of the moire fringes, and the horizontal axis represents the distance from the grating 30 to the measurement point. In FIG.₁Is the light intensity I of the first interference light (Moiré fringe) formed by the parallel light irradiated from the first irradiation system 1a.₁, I₂Is the light intensity I of the second interference light (Moiré fringes) formed by the parallel light irradiated from the second irradiation system 1b.₂FIG. When the moiré fringes shown in Expressions (3) and (4) are added,
(Equation 2)

here

It is. Equation (5) shows two types of moiré fringes I₁And I₂Means the beat signal.
[0020]
(Equation 3)

Then, equation (5) becomes
(Equation 4)

It is expressed as Therefore, as shown at the top of FIG.₁+ I₂The amplitude of the envelope is 2A₁A₂Since it varies with the function of cos (φ), it becomes a monotonically decreasing function in the range of 0 <φ <π. here,

And, in equation (9), (1 / Δh₁) And (1 / Δh₂) And the reciprocal of the mean divided by 4 gives
(Equation 5)

Becomes In Equations (11) to (14), (Δh₂-Δh₁) ≪ (Δh₁+ Δh₂), The respective incident angles θ of the first irradiation system 1a and the second irradiation system 1b₁And θ₂If you select ξ^m= 0. Therefore,

Then, Expressions (11) to (14) are respectively
(Equation 6)

Becomes Amplitude 2A of envelope of synthetic wave₁A₂A^*Is the cosine function A^*= Cos (φ), but from equations (16)-(19):
(Equation 7)

It turns out that it is. Equation (20) gives the amplitude 2A of the envelope of the composite wave.₁A₂A^*Cosine function A that defines^*= Cos (φ) means that a larger step can be measured.
[0021]
A on the right side of equation (20)₁And A₂Is the phase α of the first irradiation system 1a.₁(0 <| α₁| <Π) and the phase α of the second irradiation system 1b₂(0 <| α₂| <Π) can be obtained from the five moiré fringes different from each other. here,

There is a relationship. For example, as shown in FIG.₁It is assumed that five different images are captured by the first irradiation system 1a and the second irradiation system 1b, respectively. Actually, when the moire fringe component obtained by the phase shift method is an image with large noise, the measurement error increases. Therefore, the same phase α₁The measurement error is less likely to occur by capturing and averaging the image of the moire fringes a plurality of times. That is, in the first irradiation system 1a,

Then
(Equation 8)

5 images are taken
(Equation 9)

Is required. Similarly,
(Equation 10)

Is required. Phase of first irradiation system 1a₁Is
(Equation 11)

Is required. Similarly, the phase of the second irradiation system 1b ψ₂Is

Then
(Equation 12)

Becomes FIG. 5 shows the amplitude 2A of the envelope of the composite wave.₁A₂A^*Cosine function A that defines^*= Cos (φ) phase and the light intensity I of the first interference light (Moiré fringes) obtained from the five images formed by the first irradiation system 1a represented by the equation (30)₁Phase ψ₁Is shown.
[0022]
Amplitude 2A of envelope of composite wave shown in equations (16) to (19)₁A₂A^*Cosine function A that defines^*= Cos (φ) and the distance z in the height direction correlate with each other.₁A₂A^*Cosine function A that defines^*By knowing the change of the phase φ of = cos (φ), an accurate height can be obtained even in the measurement of the measured object 50 having a discontinuous change in the height direction.
[0023]
However, the cosine function A represented by the equation (20)^*= Phase of cos (φ) is ξ^mSince the approximation of = 0 is used, some unevenness is recognized. However, the light intensity I represented by equation (30)₁Phase ψ₁However, even if it jumps discontinuously as shown in FIG.₁A₂A^*Is continuous, so that a larger height can be measured. For example, in the measurement using a single irradiation system, in the case of a discontinuous shape as shown in FIG. 11B, it is not clear how many fringe intervals Δh of the moire fringes are between the heights of the points A and B. is there. However, the amplitude 2A of the envelope of the composite wave shown in FIG.₁A₂A^*Phase φ and light intensity I₁Phase ψ₁Therefore, the height can be accurately obtained.
[0024]
As shown in FIG. 5, the amplitude 2A of the envelope of the composite wave₁A₂A^*Is monotonically increasing between 0 and π, so that Δh₂And Δh₁The smaller the difference is, the longer the monotonically increasing section becomes, and the measurement can be performed up to a larger step. Maximum step z that can be measured_maxIs H in equation (8)₁ ₂With,

It is. Also, Δh₂And Δh₁Is too large, ξ in equations (11) to (14)^mError increases, the amplitude 2A of the envelope of the composite wave₁A₂A^*Does not monotonically increase. However, Δh₂-Δh₁≤Δh₂/ 2, the light intensity I₁Phase ψ₁Is not a problem because the value of the amplitude phase φ at the discontinuous point increases with the increase in z.
[0025]
FIG. 6 shows the result of measuring a mirror-like object (20 mm square). The result of shape measurement using the present invention is as shown in FIG. 6A, but the shape measurement result without considering the phase jump has a step as shown in FIG. 6B.
[0026]
The grid position control unit 4 shown in FIG. 2 includes a moving mechanism 41 and a driving unit (stage controller) 42 that drives the moving mechanism 41, and is supplied with a control signal or the like from a control system 43 to control the position movement. . That is, the control system 43 supplies a control signal or the like to the drive unit 42 to control the operation of the moving mechanism 41. The moving mechanism 41 is driven by a driving unit 42 such as a step motor. Although not shown, the movement position of the movement mechanism 41 is measured by, for example, a laser interferometer or the like, and is fed back to the control device 61. Alternatively, the position may be controlled by measuring the inductance accompanying the position change and performing electromagnetic control. The control system 43 includes an image processing unit 60 and a control device 61 connected to the image processing unit 60. The grid position control unit 4 keeps the plane of the grid 30 horizontal, and moves the grid 30 with respect to the measured object 50 in the Z-axis direction orthogonal to the XY plane.
[0027]
The image processing unit 60 includes two types of sine waves I₁And I₂And the amplitude 2A of the envelope of the composite wave₁A₂A^*Cosine function A that defines^*= Cos (φ) phase φ (Equation (20)) and first interference light (Moiré) obtained from five images formed by the parallel light irradiated from the first irradiation system 1a represented by Expression (30) Fringe) light intensity I₁Phase ψ₁Is used to calculate the height of the measurement object. That is, the image processing unit 60 includes two types of sine waves I, which are image data of moire fringes captured by the first light receiving unit 2a and the second light receiving unit 2b.₁And I₂Are added as shown in Expressions (11) to (14) to obtain Expressions (20) and (30) as secondary signals. Based on these secondary signals, signals having a large distance in the height direction are obtained. A function of acquiring and storing three-dimensional measurement data of the measurement object 50 is provided. Therefore, the image processing unit 60 may be calibrated by a microprocessor or a personal computer whose output side is connected to the control board 62 and whose input side is connected to the image capturing board 63.
[0028]
Although not shown, the image processing unit 60 further includes a horizontal resolution measuring unit (module) for obtaining a horizontal resolution and a Δh measuring unit (module) for obtaining a stripe interval Δh of contour lines. Further, the image processing unit 60 includes a phase unwrapping method setting module (module), a phase unwrap start point setting device (module), an averaging frequency setting device (module), and an arbitrary device for correcting the inclination of the measurement surface. Area setting means (module), setting means for automatically detecting a place where the measured object 50 does not exist and deleting data of the place (defective point extraction setting means), and threshold value for extracting a bad point It further includes setting means (module). As described above, the setting means (module) for the number of times of averaging uses the same phase α.₁, Α₂The number of times of image capture is set when the image of the moiré fringe is captured a plurality of times and averaged to reduce the occurrence of measurement errors. Based on these measuring means and setting means, the image processing section 60 has a function of acquiring and storing three-dimensional image data of the measured object 50 from the measured moire fringe image.
[0029]
The control device 61 includes a control board 62 whose input side is connected to the image processing unit 60 and whose output side is connected to the light source driving circuit 70, the driving unit 42, the first image sensor 20 a and the second image sensor 20 b, and the moving means (stage) 80. And an image capturing board 63 whose input side is connected to the first image sensor 20a and the second image sensor 20b and whose output side is connected to the image processing unit 60, respectively.
[0030]
Hereinafter, a three-dimensional measuring method according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
[0031]
(A) First, a grid 30 and a measured object 50 used for three-dimensional measurement are prepared. Then, in step S100, the measured object 50 is placed on the moving means (stage) 80. Here, the control signal CS is output from the image processing unit 60 and input to the control board 62. Then, the shift signal SS is output from the control board 62 and input to the moving means (stage) 80. According to the input shift signal SS, the measured object 50 mounted on the moving means (stage) 80 is moved to a position suitable for measuring the moiré fringe.
[0032]
(B) Next, the luminance signal LC is output from the control board 62 and input to the light source drive circuit 70. The luminance signal LC is a signal for adjusting the light intensity of light emitted from the first light source 10a and the second light source 10b. In step S110, the light emitted from the first light source 10a and the second light source 10b is adjusted to the optimum light intensity by the luminance signal LC in consideration of the different reflectance of the object 50 to be measured.
[0033]
(C) Next, in step S120, a measurement environment (measurement conditions) for performing three-dimensional measurement is set in the image processing unit 60. The setting of the measurement conditions for the image processing unit 60 in step S120 includes the setting of the phase unwrap method, the setting of the phase unwrap start point, the setting of the number of times of averaging, the setting of an arbitrary area for correcting the inclination of the measurement surface, and the The setting for automatically detecting a place where the measurement object 50 does not exist and deleting the data at the place (defective point extraction setting), the setting of a threshold for extracting a defective point, and the like.
[0034]
(D) Next, in step S130, measurement and data capture are performed. First, in step S131, a grid position control signal is output from the control board 62 and input to the grid position control unit (drive unit) 4 shown in FIG. The grid position control unit (drive unit) 4 to which the grid position control signal has been input moves the grid 30 in the Z-axis direction with respect to the measured object 50. Here, the grating 30 has slits extending in the Y-axis direction arranged at a constant pitch on the XY plane. In step S131, while moving the surface of the grating 30 in the Z-axis direction orthogonal to the XY plane, in step S132, irradiation light is emitted from the first light source 10a and the second light source 10b, and the first collimator lens 11a And enters the second collimator lens 11b. The light incident on the first collimator lens 11a and the second collimator lens 11b becomes parallel light and is incident on the grating 30. The two types of moiré fringes I above the measured object 50 are generated by the parallel light passing through the slit of the grating 30 among the parallel lights applied to the grating 30.₁And I₂Is formed. Moire fringes I formed₁And I₂Are different incident angles θ from the first irradiation system 1a and the second irradiation system 1b.₁, Θ₂, The fringe interval Δh₁, Δh₂Different. Moire fringe spacing Δh₁, Δh₂That the moiré fringes are different sine waves I₁And I₂Has a spatial frequency of Further, in step S133, the shutter signal FC from the control board 62 is output.₁, FC₂Is phase 2α₁, Α₁, 0, -α₁, -2α₁2α₂, Α₂, 0, -α₂, -2α₂And is input to the first image sensor 20a and the second image sensor 20b, respectively. A shutter signal FC is supplied to the first image sensor 20a and the second image sensor 20b, respectively.₁, FC₂Is input, the shutters of the first image sensor 20a and the second image sensor 20b are set to the phase 2α.₁, Α₁, 0, -α₁, -2α₁2α₂, Α₂, 0, -α₂, -2α₂And five moire fringe images generated on the measured object 50 condensed by the first light receiving lens 21a and the second light receiving lens 21b and the first pinhole plate 22a and the second pinhole plate 22b are respectively captured. . On the other hand, a stage control signal PS is output from the control board 62 and is input to the drive unit 42. The drive unit 42 to which the stage control signal PS has been input can control and drive the moving mechanism 41. Actually, in step S130, steps S131, S132, and S133 are simultaneously performed.
[0035]
(E) In step S140, the data taken in step S130 is analyzed. First, in step S141, the image of the moire fringe is output from the first image sensor 20a and the second image sensor 20b by five image analog signals GA each.₁, GA₂And the sum of the two is calculated. Image analog signal GA calculated in step S141₁, GA₂In step S142, the amplitude 2A of the envelope of the composite wave₁A₂A^*Phase φ and light intensity I₁Phase ψ₁Is required. Then, in step S143, the amplitude 2A of the envelope of the composite wave₁A₂A^*Phase φ and light intensity I₁Phase ψ₁From this, detailed data of the height z is calculated as three-dimensional measurement data.
[0036]
(F) In step S150, the image signal is processed. Specifically, in step S151, the image analog signal GA input to the image capturing board 63₁, GA₂Are converted into digital signals and output as image digital signals. In step S152, an image digital signal is input to the image processing unit 60, and the image processing unit 60 performs image processing to obtain three-dimensional image data.
[0037]
(G) Then, in step S150, the data of the three-dimensional image is stored in the storage device. Finally, in step S160, the data of the three-dimensional image is displayed on the image display device.
[0038]
According to the three-dimensional measuring apparatus and the three-dimensional measuring method according to the first embodiment of the present invention, the measurement of the measurement target object 50 having a fine structure is performed by the three-dimensional measurement in which the phase shift method is combined with the moire method. It is possible to perform accurate measurement even on the measured object 50 having a large distance in the height direction.
[0039]
(Second embodiment)
In FIG. 1, two types of moiré fringes represented by two types of sine waves having different spatial frequencies from each other are simultaneously formed using two irradiation systems, a first irradiation system 1a and a second irradiation system 1b. In the three-dimensional measuring device and the three-dimensional measuring method according to the second embodiment of the present invention, as shown in FIG. 8, a light source 10 and a collimator lens 11 that converts illumination light emitted from the light source 10 into parallel light. And a single irradiation system comprising: A plurality of moiré fringes from the measured object 50 are obtained by using a plurality of diffracted lights of different orders generated as shown in FIG. Are simultaneously formed.
[0040]
In the three-dimensional measuring apparatus according to the second embodiment, only the measurement target whose surface of the measured object 50 is mirror-like and whose specular reflection component is dominant can be used. As shown in FIG. 8, the parallel light emitted from the collimator lens 11 is diffracted by the projection-side grating 30 and is incident on the surface of the measured object 50. The light that is specularly reflected on the surface of the measured object 50 also passes through the grating 30 and is diffracted, so that diffracted lights of the same order form moire. It is Fourier-transformed by the light receiving lens 21c to extract only moiré of a specific order. Since the angle of incidence (= reflection angle) on the surface of the measured object 50 is different depending on the order of diffraction, the phenomenon that the contour position of the moire differs depending on the order is used.
[0041]
That is, the light Fourier-transformed by the light receiving lens 21c has 0th-order, 1st-order, 2nd-order,..., Diffraction components. By selecting the diffracted light, two types of moiré fringes I of the measured object 50 can be obtained.₁And I₂Can be formed simultaneously.
[0042]
Two types of sine wave I₁And I₂And the amplitude 2A of the envelope of the composite wave₁A₂A^*Cosine function A that defines^*= Cos (φ) from the phase φ (Equation (20)) and the phase of the light intensity of the interference light (Moiré fringes) obtained from the five images formed by the single irradiation system (10, 11). Processing such as calculating the height of the measured object 50 is the same as that of the three-dimensional measuring apparatus and the three-dimensional measuring method according to the first embodiment, and a duplicate description will be omitted.
[0043]
As described above, even when the surface of the measured object 50 has a mirror-like surface and a specular reflection component is dominant, two different types of light can be used by utilizing the diffracted light in the optical system, as in the first embodiment. Fringe spacing Δh₁, Δh₂Can be formed, so that the height can be measured accurately even if the height of the measured object 50 has a height that changes suddenly discontinuously and has a height greater than the pitch of the moire fringes. In addition, the measurement of the measured object 50 having a fine structure can be performed at the same time.
[0044]
(Third embodiment)
In the three-dimensional measuring device and the three-dimensional measuring method according to the third embodiment of the present invention, as shown in FIG. 9, a light source 10 and a collimator lens 11 that converts illumination light emitted from the light source 10 into parallel light. This is similar to the second embodiment shown in FIG. 8 in that a single irradiation system consisting of
[0045]
The configuration of the three-dimensional measuring apparatus according to the third embodiment can be used when the surface of the measured object 50 has a rough surface (such as a ceramic substrate). When the surface of the measured object 50 is rough, diffuse reflection as shown in FIG. 9 is performed on the surface of the measured object 50, so that moire is formed even if the angle of the image forming portion is not a regular reflection angle. can do. However, when the surface of the measured object 50 is a mirror surface, this method is difficult because the specular reflection component becomes dominant.
[0046]
Also in this case, two kinds of sine waves I₁And I₂And the amplitude 2A of the envelope of the composite wave₁A₂A^*Cosine function A that defines^*= Cos (φ) from the phase φ (Equation (20)) and the phase of the light intensity of the interference light (Moiré fringes) obtained from the five images formed by the single irradiation system (10, 11). Processing such as calculating the height of the measurement object 50 is the same as that of the three-dimensional measurement device and the three-dimensional measurement method according to the first embodiment.
[0047]
By using the diffuse reflection on the rough surface shown in FIG. 9, similarly to the first embodiment, two different types of fringe intervals Δh are used.₁, Δh₂Can be formed, so that the height can be measured accurately even if the height of the measured object 50 has a height that changes suddenly discontinuously and has a height greater than the pitch of the moire fringes. In addition, the measurement of the measured object 50 having a fine structure can be performed at the same time.
[0048]
(Other embodiments)
As described above, the present invention has been described with reference to the first to third embodiments. However, it should not be understood that the description and drawings forming a part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples, and operation techniques will be apparent to those skilled in the art.
[0049]
For example, in the first embodiment, Expression (5) is derived by adding the moiré fringes shown in Expressions (3) and (4). However, the phase difference Δφ = φ of the moiré fringes shown in Expressions (3) and (4)₁−φ₂Is also possible. That is, the incident angle θ₁The light intensity obtained from the moiré fringes of the first irradiation system 1a is I₁And the incident angle θ₂The light intensity obtained from the moiré fringes of the second irradiation system 1b is I₂Then, the fringe interval Δh as shown in the graph of FIG.₁, Δh₂Two types of sine waves I₁And I₂Is obtained. That is, moire fringes of two types of measured objects having different spatial frequencies are obtained. In FIG. 10A, the vertical axis represents the light intensity of the moire fringes, and the horizontal axis represents the distance from the grating 30 to the measurement point. In FIG. 10A, a solid line I₁Is the light intensity I of the first interference light (Moiré fringe) formed by the parallel light irradiated from the first irradiation system 1a.₁, Broken line I₂Is the light intensity I of the second interference light (Moiré fringes) formed by the parallel light irradiated from the second irradiation system 1b.₂FIG.
[0050]
The two kinds of sine waves I of FIG.₁And I₂The graph of light intensity I₁And I₂At the same time, the phase φ of the 2π period of the first and second interference light (Moiré fringes) formed by the parallel light irradiated from the first irradiation system 1a and the second irradiation system 1b.₁And φ₂Is shown. When each phase is obtained by the phase shift method,
(Equation 13)

FIG. 10B shows the phase φ of the moire fringes formed by the parallel light irradiated from the first irradiation system 1a and the second irradiation system 1b repeatedly changing from −π to + π on the vertical axis.₁And φ₂, And the horizontal axis represents the distance from the grid 30 to the measurement point. In FIG. 10B, a solid line φ₁Is a broken line φ from the first irradiation system 1a.₂Shows the change in the phase of the moiré fringes formed by the parallel light irradiated from the second irradiation system 1b. The solid line φ shown in the graph of FIG.₁And the broken line φ₂Phase difference φ between two moiré fringes₁−φ₂= Δφ.
[0051]
[Equation 14]
Δφ = (2πzH₁ ₂) +2 (lm) π (40)
here
(Equation 15)
H₁ ₂= (1 / Δh₁)-(1 / Δh₂・・・・・ (41)
It is. FIG. 10B shows that the phase difference Δφ = φ between the two moire fringes as the distance z in the height direction advances.₁−φ₂Also shows that it will gradually increase. The correlation between the phase difference Δφ of the moire fringes and the distance z in the height direction is shown in FIG. FIG. 10C shows the phase difference Δφ of each moire fringe formed by the parallel light emitted from the first irradiation system 1a and the second irradiation system 1b shown in FIG. The axis represents the distance z from the grid 30 to the measurement point. As is clear from FIG. 10C, the relationship between the phase difference Δφ of the moiré fringes and the height change z shows a linear change. That is, by examining the phase difference Δφ between the two moire fringes, the height z thereof can be obtained. However, in equation (40), φ₁<Φ₂In the case of Δφ = φ₁−φ₂Is performed by adding 2π to. "Phase unwrapping" is a measurement method in which the phase shift method is combined with the moiré method. When the phase is calculated, the phase becomes discontinuous in units of 2π, and is corrected to be continuous as shown in FIG. 10B. That is. In phase unwrapping, 2πn (n is an integer other than 0) is added or subtracted so as to be continuous from surrounding phase data, and the phases are joined. The “start point of phase unwrap” is a place where the phase calculation is performed first. Therefore, if the place where there is no measured object 50 is set as the measurement start point, phase unwrapping cannot be performed because there is no moiré fringe. By specifying a position where the measured object 50 exists (coordinates where the moiré fringes exist) as a measurement start point, phase unwrapping without failure can be performed. As shown in FIG.₁And φ₂Is discontinuous beyond -π to + π, but Δφ is
| L-m | <2 (42)
It becomes continuous within the range. The method using the moire fringe phase difference Δφ is slightly complicated.However, as shown below, the correlation between the moire fringe phase difference Δφ and the distance in the height direction is calibrated using a standard measurement object in advance. Obtain as (calibration curve):
(A) First, preliminary measurement (monitoring) is performed using a standard measurement object (monitor) 50a whose height changes linearly as shown in FIG. Here, the outputs of the first light source 10a and the second light source 10b are adjusted so that the maximum values of the diffracted lights from the first irradiation system 1a and the second irradiation system 1b have the same light intensity. As a result, the fringe interval Δh as shown in the graph of FIG. 10A described in the first embodiment.₁, Δh₂Are obtained. In FIG. 10A, the vertical axis represents the light intensity of the monitor moire fringes, and the horizontal axis represents the distance from the grating 30 to the measurement point. In FIG. 10A, a solid line a₁Is the light intensity of the first monitor interference light (monitor moire fringe) from the standard measurement object formed by the parallel light irradiated from the first irradiation system 1a, and the broken line b₁Corresponds to a waveform indicating the intensity of the second monitor interference light (monitor moire fringe) formed by the parallel light irradiated from the second irradiation system 1b.
[0052]
(B) The graph of the monitor sine wave in FIG. 10A is formed by the parallel light irradiated from the first irradiation system 1a and the second irradiation system 1b simultaneously with the light intensity, as described in the first embodiment. This corresponds to showing the phase of the 2π period of the first and second monitor interference lights (monitor moiré fringes) to be obtained. Then, FIG. 10B shows the phase of the monitor moiré fringe formed by the parallel light irradiated from the first irradiation system 1a and the second irradiation system 1b repeatedly changing from -π to + π on the vertical axis, The axis corresponds to the distance from the grid 30 to the measurement point. In FIG. 10B, a solid line a₂Is a broken line b from the first irradiation system 1a.₂Shows the change in the phase of the monitor moire fringes formed by the parallel light irradiated from the second irradiation system 1b.
[0053]
(C) The solid line a shown in the graph of FIG.₂And dashed line b₂, The phase difference between the two monitor moire fringes from the standard measurement object is determined. FIG. 10B corresponds to the fact that the phase difference between the two monitor moire fringes gradually increases as the distance in the height direction advances. The correlation between the phase difference of the monitor moire fringes and the distance in the height direction is shown in FIG. FIG. 10C shows the phase difference between the monitor moiré fringes formed by the parallel light emitted from the first irradiation system 1a and the second irradiation system 1b shown in FIG. 10B on the vertical axis. , The horizontal axis represents the distance from the grid 30 to the measurement point. As is clear from FIG. 10C, the relationship between the phase difference of the monitor moire fringes and the change in height shows a linear change. That is, the height can be calibrated by examining the phase difference between the two monitor moire fringes from the standard measurement object. In this way, if the relationship between the phase difference of the monitor moiré fringes and the change in height as shown in FIG. Even if the object shows a discontinuous change in height, the height can be determined by examining the phase difference between the two monitor moire fringes obtained from the measured object.
[0054]
Hereinafter, a three-dimensional measurement method using calibration data (calibration curve) will be described with reference to FIG. 2 used in the first embodiment.
[0055]
(A) First, as in the first embodiment, the grid 30, the measured object 50, and the like are prepared. Then, the measured object 50 is placed on the moving means 80. Then, the luminance signal LC is output from the control board 62, and the light emitted from the first light source 10a and the second light source 10b is adjusted to the optimum light intensity by the luminance signal LC. Further, a measurement environment for performing three-dimensional measurement is set in the image processing unit 60.
[0056]
(B) Next, irradiation light is emitted from the first light source 10a and the second light source 10b, and is incident on the first collimator lens 11a and the second collimator lens 11b, respectively. The light incident on the first collimator lens 11a and the second collimator lens 11b becomes parallel light and is incident on the grating 30. Two types of moiré fringes are formed above the measured object 50 by the parallel light that has passed through the slits of the grating 30 among the parallel light that has been applied to the grating 30.
[0057]
(C) Next, the shutter signal FC from the control board 62₁, FC₂Is output to the first image sensor 20a and the second image sensor 20b. A shutter signal FC is supplied to the first image sensor 20a and the second image sensor 20b, respectively.₁, FC₂Is input, the shutters of the first image sensor 20a and the second image sensor 20b are opened, and the light is condensed by the first light receiving lens 21a, the second light receiving lens 21b, the first pinhole plate 22a, and the second pinhole plate 22b. The image of the moire fringes generated on the measured object 50 is captured. On the other hand, a stage control signal PS is output from the control board 62 and is input to the drive unit 42. The drive unit 42 to which the stage control signal PS has been input can control and drive the moving mechanism 41.
[0058]
(D) Next, the moire fringe image is output from the first image sensor 20a and the second image sensor 20b to the image analog signal GA, respectively.₁, GA₂And the phase difference between the two is obtained. Then, three-dimensional measurement data is calculated by comparing with a previously measured calibration curve shown in FIG. The image analog signal GA input to the image capturing board 63₁, GA₂Are digitalized together with height information obtained from the calibration curve shown in FIG. 10C, output as an image digital signal, and input to the image processing unit 60.
[0059]
In this way, even if information is obtained from the calibration curve obtained in advance, it is possible to measure an object to be measured having a fine structure, and to perform accurate measurement even for an object to be measured having a large distance in the height direction.
[0060]
As described above, the present invention naturally includes various embodiments and the like not described herein. Therefore, the technical scope of the present invention is determined only by the invention specifying matters according to the claims that are appropriate from the above description.
[0061]
【The invention's effect】
Advantageous Effects of Invention According to the present invention, any three-dimensional measurement in which a phase shift method is combined with a moiré method enables measurement of an object to be measured having a fine structure, and any measured object whose height is larger than the fringe interval of the moiré fringes. It is possible to provide a three-dimensional measurement device and a three-dimensional measurement method capable of performing accurate measurement even on an object.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating the principle of a three-dimensional measurement method according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a specific configuration example of a three-dimensional measuring device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating the principle of the three-dimensional measurement method according to the first embodiment of the present invention, and is a diagram illustrating a change in amplitude of an envelope of a composite wave.
FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating the principle of a three-dimensional measurement method according to the first embodiment of the present invention, illustrating the relationship among phases 2α, α, 0, −α, and −2α employed in a five-frame method. FIG.
FIG. 5 is a conceptual diagram showing the principle of the three-dimensional measurement method according to the first embodiment of the present invention, where the amplitude of the envelope of the composite wave is 2A.₁A₂A^*Cosine function A that defines^*= Phase φ of cos (φ) and light intensity I of the first interference light (Moiré fringes)₁Phase ψ₁FIG.
FIG. 6A is a diagram showing a result of measuring a mirror-like object by the three-dimensional measuring method according to the first embodiment of the present invention. It is a figure which shows that a level | step difference comes out as shown to 6 (b).
FIG. 7 is a flowchart illustrating a specific process of the three-dimensional measurement method according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a conceptual diagram illustrating three-dimensional measurement according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a conceptual diagram showing three-dimensional measurement according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 10A is a graph showing the relationship between the light intensity and the distance of the moiré fringes from the grating 30. FIG. 10B is a graph showing the relationship between the phase and the distance of the moiré fringes from the grating 30. FIG. 10C is a graph showing the relationship between the phase difference between moiré fringes having different fringe intervals and the distance of the moiré fringes from the grating 30.
FIG. 11A is a diagram showing moire fringes on a measured object showing a linear change, and FIG. 11B is a diagram showing a measured (non-continuous) height change on a measured object; FIG. 3 is a diagram showing moire fringes on an object.
[Explanation of symbols]
1a: First irradiation system
1b: second irradiation system
2a: First light receiving unit
2b: second light receiving unit
4: Grid position control unit
10a: First light source
10b ... second light source
11a: First collimator lens
11b ... second collimator lens
20a: First image sensor
20b ... second image sensor
21a: First light receiving lens
21b ... second light receiving lens
22a: 1st pinhole plate
22b: 2nd pinhole plate
30 ... Lattice
41 ... moving mechanism
42 ... Drive section
43 ... Control system
50, 50a, 52a, 52b ... measured object
60 ... Image processing unit
61 ... Control device
62 ... Control board
63… Board
70 ... Light source drive circuit
80 ... means of transportation
CS ... control signal
LC: luminance signal
PS: Stage control signal
SS: Shift signal

Claims

A grid in which slits extending in the Y-axis direction are arranged on the XY plane at a constant pitch,
A grid position control unit that moves a surface of a grid made of the XY plane in a Z-axis direction orthogonal to the XY plane with respect to the measured object;
An irradiation system that irradiates the grating with parallel light so as to simultaneously form two types of moiré fringes of the object to be measured, which are indicated by two types of sine waves having different spatial frequencies from each other,
First and second light receiving units that capture the two types of moiré fringes through the grating;
The two types of sine waves obtained from the first and second light receiving units are added to form a combined wave, and the height measured in the Z-axis direction of the object to be measured is determined from the change in the amplitude of the envelope of the combined wave. A three-dimensional measuring device, comprising: an image processing unit for calculating the distance.

The three-dimensional measurement apparatus according to claim 1, wherein the irradiation system includes a first irradiation system and a second irradiation system that irradiate parallel lights having different irradiation angles with respect to the grid.

The three-dimensional measurement apparatus according to claim 1, wherein the calculation of the height uses a change in a phase of a sine wave that defines the amplitude of the envelope.

For the object to be measured, moving a surface of a lattice in which slits extending in the Y-axis direction are arranged on the XY plane at a constant pitch in the Z-axis direction orthogonal to the XY plane;
Irradiating the grating with parallel light so that two types of moiré fringes represented by two types of sine waves having different spatial frequencies from each other are simultaneously formed;
Capturing two types of moiré fringe images of the measured object formed through the grid;
Adding the two types of sine waves to form a composite wave, and calculating a height of the measured object measured in the Z-axis direction from a change in the amplitude of the envelope of the composite wave. Three-dimensional measurement method.

The three-dimensional measurement method according to claim 4, wherein the step of irradiating the grid with parallel light includes irradiating two parallel lights having different irradiation angles with respect to the grid.

The three-dimensional measurement method according to claim 4, wherein the calculation of the height uses a change in a phase of a sine wave that defines the amplitude of the envelope.