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JP2008170280A - Shape measuring apparatus and shape measuring method - Google Patents

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JP2008170280A
JP2008170280A JP2007003905A JP2007003905A JP2008170280A JP 2008170280 A JP2008170280 A JP 2008170280A JP 2007003905 A JP2007003905 A JP 2007003905A JP 2007003905 A JP2007003905 A JP 2007003905A JP 2008170280 A JP2008170280 A JP 2008170280A
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JP
Japan
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calibration
projection
unit
calibration data
optical axis
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Application number
JP2007003905A
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Japanese (ja)
Inventor
Tomoaki Yamada
智明 山田
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Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Publication date
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Abstract

【課題】投影光学系及び結像光学系におけるディストーション等の影響を軽減し、計測精度が高い三次元形状測定装置を提供する。
【解決手段】投影対象に所定の投影パターンを投影する投影部と、パターンの投影された前記投影対象を撮像する撮像部と、前記投影対象に対する前記撮像部の光軸方向の相対位置を調整する位置調整部と、平面形状を有する校正用プレートに前記投影パターンを投影し、前記撮像部により撮像されたプレート撮像画像から、光軸方向の位置毎にデータを記憶する校正データ記憶部と、被検査物にパターンを投影し、撮像された被検物撮像画像から前記被検物の光軸方向の高さを演算する形状演算部と、前記形状演算部により得られた前記高さ毎に、記憶された前記校正データを用いて、前記高さを演算するのに用いた前記被検物撮像画像のデータを校正し、校正画像を取得する校正画像取得部とを備えることを特徴とする形状測定装置を提供する。
【選択図】図1
An object of the present invention is to provide a three-dimensional shape measuring apparatus having high measurement accuracy by reducing the influence of distortion and the like in a projection optical system and an imaging optical system.
A projection unit that projects a predetermined projection pattern onto a projection target, an imaging unit that images the projection target onto which the pattern is projected, and a relative position of the imaging unit with respect to the projection target in the optical axis direction are adjusted. A position adjustment unit, a calibration data storage unit for projecting the projection pattern onto a calibration plate having a planar shape, and storing data for each position in the optical axis direction from a plate captured image captured by the imaging unit; A pattern is projected onto the inspection object, and a shape calculation unit that calculates the height in the optical axis direction of the test object from the captured object captured image, and for each height obtained by the shape calculation unit, A calibration image acquisition unit that calibrates the data of the test object image used for calculating the height using the stored calibration data and acquires a calibration image. Providing measurement equipment To.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、パターン投影により被検物の3次元形状を測定する装置及びその方法に関する。   The present invention relates to an apparatus and method for measuring a three-dimensional shape of a test object by pattern projection.

工業製品等の物体の表面形状を測定する技術は従来から種々提案されており、その一つに光学式の三次元形状測定装置がある。光学式の三次元形状測定装置も種々の方式、構成のものがあるが、被検物に所定の投影パターン(縞模様や、格子模様)を投影して被検物を撮像し、その撮像画像から各画像位置(各画素)での縞の位相を求めて各画像位置の高さを算出し、被検物の三次元表面形状を測定するものがある(特許文献1参照)。   Various techniques for measuring the surface shape of an object such as an industrial product have been proposed, and one of them is an optical three-dimensional shape measuring apparatus. There are various types of optical three-dimensional shape measurement devices and configurations, but a predetermined projection pattern (a striped pattern or a lattice pattern) is projected onto the test object, and the test object is imaged. From the above, there is a method for calculating the height of each image position by calculating the phase of the stripes at each image position (each pixel) and measuring the three-dimensional surface shape of the test object (see Patent Document 1).

このような装置においては、例えば、被検物の表面に縞パターンからなる投影パターンを投影し、投影方向と異なる角度から被検物に投影された縞パターンを撮像し、撮像された被検物表面の撮像画像より縞パターンの位相分布を算出し、三角測量の原理等を用いて被検物表面の三次元形状を求めるように構成されている。   In such an apparatus, for example, a projection pattern composed of a fringe pattern is projected onto the surface of the test object, and a fringe pattern projected onto the test object from an angle different from the projection direction is imaged. The phase distribution of the fringe pattern is calculated from the captured image of the surface, and the three-dimensional shape of the surface of the test object is obtained using the principle of triangulation or the like.

その構成例を図3に示しており、光源51からの光が縞模様の投影パターンマスク52及び投影レンズ53を通して被検物54の表面に投影される。被検物54の表面に投影された投影パターンマスク52の縞模様は、被検物54の表面三次元形状に応じて変形され、このように変形された被検物54の表面のパターンを投影方向と異なる角度から撮像レンズ55を介して撮像装置56(例えば、CCDセンサ)により撮像されて、演算処理装置57に送られ、ここで撮像画像データの演算処理が行われる。演算処理装置57においては、このように撮像された被検物表面の撮像画像データより縞パターンの位相分布を算出し、三角測量の原理等を用いて被検物表面の三次元形状を求める演算処理が行われる。   An example of the configuration is shown in FIG. 3, and the light from the light source 51 is projected onto the surface of the test object 54 through the projection pattern mask 52 having a striped pattern and the projection lens 53. The stripe pattern of the projection pattern mask 52 projected on the surface of the test object 54 is deformed according to the three-dimensional shape of the surface of the test object 54, and the pattern of the surface of the test object 54 thus deformed is projected. The image is picked up by an image pickup device 56 (for example, a CCD sensor) through an image pickup lens 55 from an angle different from the direction, and sent to the arithmetic processing device 57, where the picked-up image data is processed. The arithmetic processing unit 57 calculates the phase distribution of the fringe pattern from the captured image data of the surface of the test object imaged in this way, and calculates the three-dimensional shape of the test object surface using the triangulation principle or the like. Processing is performed.

特開2000−9444号公報JP 2000-9444 A

ところで、上述の三次元測定では、投影光学系及び結像光学系において、投影レンズ及び撮像レンズを介していることによるディストーションの影響又はテレセントリック光学系のずれの影響、もしくはコマ収差の影響等により、撮像パターンが投影パターンから乖離するという問題がある。当然ながらこのような撮像パターンを用いて三次元測定を行った場合、その測定結果が誤差を有することになる。   By the way, in the above-described three-dimensional measurement, in the projection optical system and the imaging optical system, due to the influence of distortion due to the projection lens and the imaging lens being interposed, the influence of the shift of the telecentric optical system, the influence of coma aberration, etc. There is a problem that the imaging pattern deviates from the projection pattern. Of course, when three-dimensional measurement is performed using such an imaging pattern, the measurement result has an error.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、投影光学系及び結像光学系における上記のような影響を受けることがないようにして正確な三次元形状測定を行うことができるような測定装置及び測定方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such problems, and can perform accurate three-dimensional shape measurement without being affected by the above-described effects in the projection optical system and the imaging optical system. An object of the present invention is to provide a measuring apparatus and a measuring method.

上記課題を解決して目的を達成するため、本発明に係る形状測定装置は、投影対象に所定の投影パターンを投影する投影部と、前記投影パターンが投影された前記投影対象を撮像する撮像部と、前記投影対象に対する前記撮像部の光軸方向の相対位置を調整する位置調整部と、前記投影部により平面形状を有する校正用プレートに前記投影パターンを投影し、前記撮像部により撮像されたプレート撮像画像から、光軸方向の位置毎に対する校正データを記憶する校正データ記憶部と、前記投影部により被検物に前記投影パターンを投影し、前記撮像部により撮像された被検物撮像画像から前記被検物の光軸方向の高さを演算する形状演算部と、前記形状演算部により得られた前記高さ毎に、前記校正データ記憶部により記憶された前記校正データを用いて、前記高さを演算するのに用いた前記被検物撮像画像のデータを校正し、校正画像を取得する校正画像取得部とを備える。 In order to solve the above problems and achieve the object, a shape measuring apparatus according to the present invention includes a projection unit that projects a predetermined projection pattern onto a projection target, and an imaging unit that captures the projection target onto which the projection pattern is projected. And a position adjusting unit that adjusts a relative position of the imaging unit in the optical axis direction with respect to the projection target, and the projection unit projects the projection pattern onto a calibration plate having a planar shape, and the imaging unit captures an image. A calibration data storage unit that stores calibration data for each position in the optical axis direction from the plate captured image, and the projection pattern projected onto the test object by the projection unit, and the captured object image captured by the imaging unit A shape calculation unit for calculating the height of the test object in the optical axis direction, and the calibration data stored in the calibration data storage unit for each of the heights obtained by the shape calculation unit. Using data, the calibrated data of the object captured image used for calculating the height, and a calibration image acquiring unit for acquiring calibration image.

前記校正データ記憶部は、前記プレート撮像画像の撮像されたパターンの位相と理論上の位相の差分を前記校正データとして記憶することように構成されることが好ましい。   The calibration data storage unit is preferably configured to store a difference between a phase of a captured pattern of the plate captured image and a theoretical phase as the calibration data.

前記校正データ記憶部は、記憶された前記校正データを、光軸方向の各位置において共通する共通校正データと、光軸方向の各位置に依存する依存校正データとに分割し、前記校正画像取得部は、前記共通校正データを用いて前記投影パターンを校正するパターン校正部と、前記被検物に前記パターン校正部により校正された校正投影パターンを投影し、前記撮像部により撮像された撮像画像を用いて、前記形状演算部により前記被検物の光軸方向の高さを演算し、前記高さ毎に、前記依存校正データを用いて前記撮像画像の位相を校正する画像校正部とを備えるように構成されることが好ましい。 The calibration data storage unit divides the stored calibration data into common calibration data common to each position in the optical axis direction and dependent calibration data depending on each position in the optical axis direction, and acquires the calibration image A projection unit that calibrates the projection pattern using the common calibration data, and a calibration projection pattern that is calibrated by the pattern calibration unit, and is captured by the imaging unit. The shape calculation unit calculates the height of the test object in the optical axis direction, and the image calibration unit calibrates the phase of the captured image using the dependence calibration data for each height. It is preferable to comprise so that it may comprise.

前記校正データ記憶部は、前記校正用プレートの面内に投影された光の反射光の均一性を保つとともに、前記校正用プレートを投影光軸と撮像光軸によって作られる面の垂線を回転中心として傾斜させることにより、前記校正データを取得するように構成されることが好ましい。   The calibration data storage unit maintains uniformity of the reflected light of the light projected on the surface of the calibration plate, and rotates the calibration plate with a perpendicular line of a surface formed by the projection optical axis and the imaging optical axis. It is preferable that the calibration data is acquired by inclining as follows.

また、本発明に係る形状測定方法は、投影対象に所定の投影パターンを投影する投影部と、前記投影パターンが投影された前記投影対象を撮像する撮像部と、前記投影対象に対する前記撮像部の光軸方向の相対位置を調整する位置調整部とを備えた形状測定装置を用いて被検物の三次元形状を測定する方法であって、前記位置調整部により平面形状を有する校正用プレートを前記投影部に対して複数の光軸方向の位置に位置させて、前記投影部により前記校正用プレートに前記投影パターンを投影し、前記撮像部により撮像されたプレート撮像画像を、光軸方向の位置毎に取得するステップと、前記プレート撮像画像から、光軸方向の位置毎に校正データを取得するステップと、前記投影部により前記被検物に前記投影パターンを投影するステップと、前記投影部により前記被検物に投影された前記投影パターンを、前記撮像部により撮像して被検物撮像画像を取得するステップと、前記被検物撮像画像から前記被検物の光軸方向の形状高さを演算し、前記形状高さ毎に、前記被検物撮像画像の校正に用いる校正データを決定するステップと、前記形状高さ毎に決定した前記校正データを用いて、前記被検物撮像画像を校正し、校正画像を取得するステップとを有し、前記校正画像から前記被検物の三次元形状を求める。 The shape measurement method according to the present invention includes a projection unit that projects a predetermined projection pattern onto a projection target, an imaging unit that captures the projection target on which the projection pattern is projected, and the imaging unit for the projection target. A method for measuring a three-dimensional shape of a test object using a shape measuring device having a position adjusting unit for adjusting a relative position in an optical axis direction, wherein a calibration plate having a planar shape is formed by the position adjusting unit. The projection unit is positioned at a plurality of positions in the optical axis direction with respect to the projection unit, the projection pattern is projected onto the calibration plate by the projection unit, and the plate captured image captured by the imaging unit is Obtaining for each position; obtaining calibration data for each position in the optical axis direction from the plate-captured image; and projecting the projection pattern onto the object by the projection unit. Capturing the projection pattern projected onto the test object by the projection unit by the imaging unit to obtain a test object captured image; and the test object from the test object captured image. Calculating the shape height in the optical axis direction, determining calibration data to be used for calibrating the test object captured image for each shape height, and using the calibration data determined for each shape height And calibrating the captured image of the test object to obtain a calibration image, and obtaining a three-dimensional shape of the test object from the calibration image.

前記校正データを取得するステップは、前記プレート撮像画像の撮像されたパターンの位相と理論上の位相の差分を前記校正データとして取得するように構成されることが好ましい。 Preferably, the step of acquiring the calibration data is configured to acquire a difference between the phase of the captured pattern of the plate image and the theoretical phase as the calibration data.

前記校正データが取得されると、前記校正データを、光軸方向の各位置において共通する共通校正データと、光軸方向の各位置に依存する依存校正データとに分割するステップと、前記共通校正データを用いて前記投影パターンを校正するステップと、前記投影部により前記被検物に校正された校正投影パターンを投影し、前記撮像部により撮像して撮像画像を取得するステップと、前記撮像画像から前記被検物の光軸方向の高さを演算し、前記高さ毎に、前記撮像画像の校正に用いる依存校正データを決定するステップと、前記形状高さ毎に決定した前記依存校正データを用いて、前記撮像画像を校正し、校正画像を取得するステップとを有することように構成されることが好ましい。 When the calibration data is acquired, the calibration data is divided into common calibration data common to each position in the optical axis direction and dependent calibration data depending on each position in the optical axis direction; and the common calibration Calibrating the projection pattern using data, projecting the calibration projection pattern calibrated to the test object by the projection unit, capturing the captured image by the imaging unit, and acquiring the captured image Calculating the height of the test object in the optical axis direction, determining dependence calibration data used for calibration of the captured image for each height, and the dependence calibration data determined for each shape height And calibrating the captured image to obtain a calibration image.

前記校正データを取得するステップは、前記校正用プレートの面内に投影された光の反射光の均一性を保つとともに、前記校正用プレートを投影光軸と撮像光軸によって作られる面の垂線を回転中心として傾斜させることにより、前記校正データを取得するように構成されることが好ましい。   The step of acquiring the calibration data maintains the uniformity of the reflected light of the light projected on the plane of the calibration plate, and the normal of the plane formed by the projection optical axis and the imaging optical axis on the calibration plate. It is preferable that the calibration data is acquired by inclining as the rotation center.

以上説明したように構成される本発明によれば、校正用プレートを用いて投影光軸方向の位置毎に校正データを取得し、投影光軸方向の位置毎に撮像画像を校正し、三角測量の原理に基づいて被検物の三次元形状を求める構成であり、投影光学系及び結像光学系におけるディストーション等の影響を軽減し、計測精度が高い三次元形状測定装置を提供することができる。   According to the present invention configured as described above, calibration data is acquired for each position in the projection optical axis direction using the calibration plate, the captured image is calibrated for each position in the projection optical axis direction, and triangulation is performed. The three-dimensional shape of the test object can be obtained based on the principle of the above, and the influence of distortion and the like in the projection optical system and the imaging optical system can be reduced, and a three-dimensional shape measuring apparatus with high measurement accuracy can be provided. .

以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。本発明に係る三次元形状測定装置の概略構成を図1に示しており、まず、この形状測定装置について、図1(A)を参照して説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. FIG. 1 shows a schematic configuration of a three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention. First, the shape measuring apparatus will be described with reference to FIG.

この形状測定装置は、光源1と、光源1からの光に縞模様を与えるための投影パターンマスク2と、投影パターンマスク2を通過した光源1からの光を被検物20の表面に投影させる投影レンズ(群)3とからなるパターン投影部と、被検物20からの反射光を撮像レンズ(群)4を介して撮像する撮像装置5からなる撮像部と、を有して構成される。   The shape measuring device projects a light source 1, a projection pattern mask 2 for giving a stripe pattern to the light from the light source 1, and light from the light source 1 that has passed through the projection pattern mask 2 onto the surface of the test object 20. A pattern projection unit including the projection lens (group) 3 and an imaging unit including the imaging device 5 that captures the reflected light from the test object 20 via the imaging lens (group) 4 are configured. .

パターン投影部において、投影パターンマスク2は例えば液晶素子により構成され、投影パターン発生装置6により任意の形状及びピッチのパターン(本実施形態では、正弦波状の縞パターンを生成する)を生成できる。これにより、光源1からの光をこの投影パターンマスク2を通過させ、投影レンズ3により集光させ、被検物20の表面に投影パターンマスク2により形成された所望の投影パターンを投影させることができる。   In the pattern projection unit, the projection pattern mask 2 is constituted by, for example, a liquid crystal element, and the projection pattern generator 6 can generate a pattern having an arbitrary shape and pitch (in this embodiment, a sinusoidal fringe pattern is generated). Thereby, the light from the light source 1 passes through the projection pattern mask 2, is condensed by the projection lens 3, and a desired projection pattern formed by the projection pattern mask 2 is projected onto the surface of the test object 20. it can.

撮像部は、被検物20からの反射光を撮像レンズ4を介して被検物20を撮像する撮像装置5(例えば、CCDカメラ)を備えている。撮像装置5により撮像された被検物20の画像データは、演算処理装置7に送られ、ここで以下に説明する画像演算処理がなされ、被検物20の表面形状測定が行われる。なお、パターン投影部、撮像部は一つのフレームにより一体に固定されて構成されるが、被検物20は図示しない支持台上に載置され、この支持台を、パターン投影部、撮像部を一体に結合したフレームに対して投影光軸方向に相対移動させる位置調整器(図示せず)が設けられている。このため、位置調整器によりパターン投影部、撮像部に対して被検物20を投影光軸方向に相対移動させる光軸方向位置調整が可能となっている。   The imaging unit includes an imaging device 5 (for example, a CCD camera) that captures an image of the test object 20 through the imaging lens 4 with reflected light from the test object 20. The image data of the test object 20 imaged by the imaging device 5 is sent to the arithmetic processing device 7, where the image arithmetic processing described below is performed, and the surface shape of the test object 20 is measured. Although the pattern projection unit and the imaging unit are integrally fixed by a single frame, the test object 20 is placed on a support table (not shown). A position adjuster (not shown) is provided that moves relative to the integrally coupled frame in the direction of the projection optical axis. For this reason, it is possible to adjust the position in the optical axis direction by relatively moving the test object 20 in the direction of the projection optical axis with respect to the pattern projection unit and the imaging unit by the position adjuster.

演算処理装置7は、理論上得られる位相と撮像装置5により得られた撮像画像の撮像パターンの位相の差分を投影光軸方向の位置毎に校正データとして記憶する校正データ記憶部8と、投影光軸方向の各位置において共通する共通校正データを用いて前記投影パターンマスク2を校正するパターン校正部9と、被検物20の投影光軸方向の形状高さ毎に、投影光軸方向の各位置に依存する依存校正データを用いて撮像画像の位相を校正する画像校正部10と、撮像装置5により撮像された被検物20の画像データから被検物20の投影光軸方向の高さ形状を演算する形状演算部11とを備えている。   The arithmetic processing unit 7 includes a calibration data storage unit 8 that stores a difference between a theoretically obtained phase and a phase of an imaging pattern of a captured image obtained by the imaging device 5 as calibration data for each position in the projection optical axis direction, and a projection A pattern calibration unit 9 that calibrates the projection pattern mask 2 using common calibration data common at each position in the optical axis direction, and a shape height in the projection optical axis direction of the object 20 in the projection optical axis direction. An image calibration unit 10 that calibrates the phase of the captured image using dependency calibration data that depends on each position, and a height of the test object 20 in the direction of the projection optical axis from the image data of the test object 20 captured by the imaging device 5. And a shape calculation unit 11 for calculating the shape.

以上のように構成された表面形状測定装置を用いて被検物20の表面形状を測定する方法を、図2のフローチャートを参照して以下に説明する。   A method of measuring the surface shape of the test object 20 using the surface shape measuring apparatus configured as described above will be described below with reference to the flowchart of FIG.

この測定に際しては、まず図1(B)に示すように、平面形状を有する校正用プレート30を支持台上に載置させる。校正用プレート30を位置調整器により所定の投影光軸方向の位置(以下、第一Z位置Z1と言う)に位置させる(ステップS1)。この状態で光源1からの光を投影パターンマスク2(正弦波状の縞パターン)及び投影レンズ3を介して校正用プレート30に照射させて校正用プレート30の表面に投影パターンを投影する。このように投影されて校正用プレート30から反射する光は撮像レンズ4を介して集光され、撮像装置5により校正用プレート表面に投影された投影パターンを撮像する(ステップS2)。   In this measurement, first, as shown in FIG. 1B, a calibration plate 30 having a planar shape is placed on a support base. The calibration plate 30 is positioned at a position in the predetermined projection optical axis direction (hereinafter referred to as the first Z position Z1) by the position adjuster (step S1). In this state, light from the light source 1 is irradiated onto the calibration plate 30 through the projection pattern mask 2 (sinusoidal fringe pattern) and the projection lens 3 to project the projection pattern onto the surface of the calibration plate 30. The light thus projected and reflected from the calibration plate 30 is collected through the imaging lens 4, and the projection pattern projected onto the calibration plate surface by the imaging device 5 is imaged (step S2).

撮像装置5により得られたプレート撮像画像は、演算処理装置7に送られる。演算処理装置7内の校正データ記憶部8において、理論上得られる位相と前記プレート撮像画像の撮像パターンの位相の差分を校正データ(第一Z位置Z1における校正データ)として得る(ステップS3)。   The plate captured image obtained by the imaging device 5 is sent to the arithmetic processing device 7. In the calibration data storage unit 8 in the arithmetic processing unit 7, the difference between the theoretically obtained phase and the phase of the imaging pattern of the plate captured image is obtained as calibration data (calibration data at the first Z position Z1) (step S3).

次に、校正用プレート30を位置調整器により投影光軸方向の第一Z位置Z1と異なる位置(第二Z位置Z2)に位置させる(ステップS4)。そして、第一Z位置Z1のときと同様にして、投影パターンマスク2の位相とプレート撮像画像(校正用プレート30を第二Z位置Z2に位置させて撮像装置5により得られた撮像画像)の位相の差分を校正データ(第二Z位置Z2における校正データ)として得る(ステップS5)。   Next, the calibration plate 30 is positioned by the position adjuster at a position (second Z position Z2) different from the first Z position Z1 in the projection optical axis direction (step S4). Then, similarly to the case of the first Z position Z1, the phase of the projection pattern mask 2 and the plate captured image (the captured image obtained by the imaging device 5 with the calibration plate 30 positioned at the second Z position Z2). The phase difference is obtained as calibration data (calibration data at the second Z position Z2) (step S5).

さらに、校正用プレート30を位置調整器により複数の投影光軸方向の位置に位置させ(被検物20の投影光軸方向の形状高さをカバーできる範囲において被検物20の投影光軸方向の形状高さに対して小さい間隔で複数位置させる)、上記と同様にして、プレート撮像画像(校正用プレート30を複数の投影光軸方向の位置に位置させて、その位置毎に撮像装置5により得られた各撮像画像)の撮像パターンの位相の誤差を校正データ(投影光軸方向の各位置における校正データ)として得る(ステップS6)。   Further, the calibration plate 30 is positioned at a plurality of positions in the projection optical axis direction by the position adjuster (in the range in which the shape height of the test object 20 in the projection optical axis direction can be covered) In the same manner as described above, the plate-captured image (the calibration plate 30 is positioned at a plurality of positions in the projection optical axis direction, and the imaging device 5 is positioned at each position. The error of the phase of the imaging pattern of each captured image) obtained as described above is obtained as calibration data (calibration data at each position in the direction of the projection optical axis) (step S6).

なお、校正データの取得は、被検物20の投影光軸方向の形状高さをカバーすることができる範囲において、被検物20の投影光軸方向の形状高さに対して十分に小さな間隔で等間隔に校正データを取得することが望ましい。また、校正用プレート30の面内において、投影された光の反射光の均一性が保たれている場合には、校正プレート30を投影光軸と撮像光軸によって作られる面に対して傾斜させることにより、校正用プレート30を位置調整器により複数の投影光軸方向の位置に位置させることなく、一度に投影光軸方向の各位置における校正データを取得することができる。   The calibration data is acquired at a sufficiently small interval with respect to the shape height of the test object 20 in the direction of the projection optical axis in a range that can cover the shape height of the test object 20 in the direction of the projection optical axis. It is desirable to acquire calibration data at regular intervals. When the uniformity of the reflected light of the projected light is maintained in the plane of the calibration plate 30, the calibration plate 30 is tilted with respect to the plane formed by the projection optical axis and the imaging optical axis. Thus, the calibration data at each position in the projection optical axis direction can be acquired at a time without positioning the calibration plate 30 at a plurality of positions in the projection optical axis direction by the position adjuster.

さらに、校正プレート30を形状測定装置に挿抜可能に設置することにより、装置の構成要素(例えば、照明ランプ、対物レンズ等)が変化する度に、もしくは定期的に校正データの再取得が可能である。   Furthermore, by installing the calibration plate 30 in the shape measuring device so that it can be inserted and removed, the calibration data can be reacquired whenever the components of the device (for example, illumination lamps, objective lenses, etc.) change or periodically. is there.

投影光軸方向の各位置における校正データは、投影光軸方向の各位置において共通する校正データ(以下、Z位置共通校正データと言う)と、投影光軸方向の各位置に依存する各校正データ(以下、Z位置依存校正データと言う)に、以下に説明するように分割することができる(ステップS7)。   The calibration data at each position in the projection optical axis direction includes calibration data that is common at each position in the projection optical axis direction (hereinafter referred to as Z-position common calibration data) and each calibration data that depends on each position in the projection optical axis direction. (Hereinafter referred to as Z position-dependent calibration data) can be divided as described below (step S7).

例えば、本実施形態においては3次までの成分を補正する(一般に、高次になるほど誤差成分としては小さくので本実施形態では3次までの成分を補正する)。投影光軸方向の各位置における校正データは、前記プレート撮像画像の画素毎の測定値から、例えば最小2乗法によってフィッティングして3次式を求める。投影光軸方向の各位置における3次式(校正データ)の各係数を平均して得られた校正データをZ位置共通校正データとして求め、投影光軸方向の各位置における3次式(校正データ)の各係数と前記Z位置共通校正データの各係数の差分をして得られた校正データを投影光軸方向の位置毎のZ位置依存校正データとして求める。   For example, in the present embodiment, the components up to the third order are corrected (in general, the higher the order, the smaller the error component, so in the present embodiment, the components up to the third order are corrected). The calibration data at each position in the direction of the projection optical axis is obtained from a measured value for each pixel of the plate image, for example, by a least square method to obtain a cubic equation. Calibration data obtained by averaging the coefficients of the cubic equation (calibration data) at each position in the projection optical axis direction is obtained as Z-position common calibration data, and the cubic equation (calibration data) at each position in the projection optical axis direction is obtained. ) And the calibration data obtained by subtracting the respective coefficients of the Z position common calibration data are obtained as Z position dependent calibration data for each position in the projection optical axis direction.

ここで、投影光軸方向の各位置における校正データをZ位置共通校正データと、Z位置依存校正データに分割するのは、校正データを圧縮することが大きな目的であり、各レンズのディストーションによる測定誤差成分はZ位置に依存せず、投影部及び撮像部におけるテレセントリック光学系のずれ及びコマ収差による測定誤差成分はZ位置に依存するという傾向がある。   Here, the main purpose of dividing the calibration data at each position in the direction of the projection optical axis into the Z-position common calibration data and the Z-position dependent calibration data is to compress the calibration data, and measurement by distortion of each lens. The error component does not depend on the Z position, and the measurement error component due to the displacement of the telecentric optical system in the projection unit and the imaging unit and coma aberration tends to depend on the Z position.

次に、上記で得られた投影光軸方向の各位置における校正データを用いて被検物20の形状測定を行う手順について説明する。   Next, a procedure for measuring the shape of the test object 20 using the calibration data at each position in the projection optical axis direction obtained above will be described.

校正データ記憶部8により得られた投影光軸方向の各位置における校正データは、演算処理装置7内のパターン校正部9及び画像校正部10に送られる。演算処理装置7内のパターン校正部9において、前記Z位置共通校正データを用いて投影パターンマスク2の位相を校正する(ステップS8)。   Calibration data at each position in the projection optical axis direction obtained by the calibration data storage unit 8 is sent to the pattern calibration unit 9 and the image calibration unit 10 in the arithmetic processing unit 7. The pattern calibration unit 9 in the arithmetic processing unit 7 calibrates the phase of the projection pattern mask 2 using the Z position common calibration data (step S8).

そして、図1(A)に示すように、被検物20を支持台上に載置させる。光源1からの光を校正投影パターンマスク2(Z位置共通校正データを用いて校正した投影パターンマスク2)及び投影レンズ3を介して被検物20に照射させて被検物20の表面に校正投影パターンマスク2を投影する。このように投影されて被検物20から反射する光は撮像レンズ4を介して集光され、撮像装置5により被検物表面に投影された校正投影パターンマスク2を撮像する(ステップS9)。   And as shown to FIG. 1 (A), the to-be-tested object 20 is mounted on a support stand. The surface of the test object 20 is calibrated by irradiating the test object 20 with light from the light source 1 via the calibration projection pattern mask 2 (projection pattern mask 2 calibrated using the Z-position common calibration data) and the projection lens 3. Projection pattern mask 2 is projected. The light thus projected and reflected from the test object 20 is collected through the imaging lens 4, and the calibration projection pattern mask 2 projected onto the test object surface is imaged by the imaging device 5 (step S9).

これら撮像装置5による撮像は、校正投影パターンマスク2の位相を変えて複数回(例えば、図2における位相1、位相2、位相3)行われて、一組の撮像画像群を得る。このようにして得られた画像データは、撮像装置5から演算処理装置7に送られる。   Imaging by these imaging devices 5 is performed a plurality of times (for example, phase 1, phase 2, and phase 3 in FIG. 2) while changing the phase of the calibration projection pattern mask 2 to obtain a set of captured image groups. The image data obtained in this way is sent from the imaging device 5 to the arithmetic processing device 7.

上記のようにして画像データが送られると、演算処理装置7内の形状演算部11において、Z位置共通校正データを用いて校正した投影パターンマスク2を投影して得られた被検物撮像画像の位相値により、三角測量の原理を用いて被検物20の投影光軸方向の形状高さを演算する(被検物20の仮形状測定を行う)(ステップS10)。   When the image data is sent as described above, the object imaging image obtained by projecting the projection pattern mask 2 calibrated using the Z-position common calibration data in the shape computation unit 11 in the computation processing device 7. Based on the phase value, the shape height in the direction of the projection optical axis of the test object 20 is calculated using the principle of triangulation (the temporary shape measurement of the test object 20 is performed) (step S10).

そして、演算処理装置7内の画像校正部10において、投影光軸方向の位置毎のZ位置依存校正データを用いて、被検物20の投影光軸方向の形状高さ毎(Z位置毎)に、被検物撮像画像(Z位置共通校正データを用いて校正した投影パターンマスク2を投影して得られた撮像画像)の位相を校正する(ステップS11)。 Then, in the image calibration unit 10 in the arithmetic processing unit 7, for each shape height (for each Z position) of the test object 20 in the direction of the projection optical axis, using the Z position-dependent calibration data for each position in the direction of the projection optical axis. Next, the phase of the captured image of the test object (the captured image obtained by projecting the projection pattern mask 2 calibrated using the Z position common calibration data) is calibrated (step S11).

ここで、Z位置依存校正データは、投影光軸方向の位置毎(Z位置毎)に求められているので、上記のように、Z位置共通校正データを用いて校正した投影パターンマスク2(校正投影パターンマスク2)を投影して得られた撮像画像から、まず、被検物20の投影光軸方向の形状高さを演算することが必要である。   Here, since the Z position-dependent calibration data is obtained for each position in the projection optical axis direction (for each Z position), the projection pattern mask 2 (calibration) calibrated using the Z position common calibration data as described above. From the captured image obtained by projecting the projection pattern mask 2), it is first necessary to calculate the shape height of the test object 20 in the direction of the projection optical axis.

さらに、上記のように被検物20の投影光軸方向の形状高さ毎にZ位置依存校正データを用いて校正した校正画像の位相値により、三角測量の原理を用いて被検物20の形状測定を再度行う(ステップ12)。   Further, the phase value of the calibration image calibrated using the Z position-dependent calibration data for each shape height in the direction of the projection optical axis of the test object 20 as described above, the principle of triangulation is used. The shape measurement is performed again (step 12).

以上のようにして、被検物20に、Z位置共通校正データを用いて校正した投影パターンマスク2(校正投影パターンマスク2)を投影して得られた被検物撮像画像から、被検物20の投影光軸方向の形状高さ(被検物20の仮形状測定)を演算し、被検物20の投影光軸方向の形状高さ毎に、Z位置依存校正データを用いて前記被検物撮像画像の位相を校正して、再度被検物20の投影光軸方向の形状高さを演算することにより、被検物20の三次元形状を正確に測定することができる。   As described above, the test object is obtained from the test object captured image obtained by projecting the projection pattern mask 2 (calibration projection pattern mask 2) calibrated on the test object 20 using the Z-position common calibration data. 20 calculates the shape height in the direction of the projection optical axis (provisional shape measurement of the test object 20), and uses the Z position-dependent calibration data for each shape height of the test object 20 in the direction of the projection optical axis. The three-dimensional shape of the test object 20 can be accurately measured by calibrating the phase of the test object image and calculating the shape height of the test object 20 in the projection optical axis direction again.

したがって、校正用プレート30を用いて得られた投影光軸方向の位置毎の校正データを用いて、被検物20に投影パターンマスク2を投影して得られた撮像画像の位相を校正して被検物20の形状測定を行うため、投影光学系及び結像光学系におけるディストーションの影響又はテレセントリック光学系のずれの影響又はコマ収差の影響等を軽減し、計測精度が高い三次元形状測定装置を提供することができる。   Therefore, the phase of the captured image obtained by projecting the projection pattern mask 2 onto the test object 20 is calibrated using the calibration data for each position in the direction of the projection optical axis obtained using the calibration plate 30. In order to measure the shape of the test object 20, a three-dimensional shape measuring apparatus with high measurement accuracy by reducing the influence of distortion in the projection optical system and the imaging optical system, the influence of displacement of the telecentric optical system, the influence of coma aberration, etc. Can be provided.

本発明の実施形態に係る三次元形状測定装置の構成を示す概略構成説明図であり、(A)は被検物20を支持台上に載置した場合、(B)は校正用プレート30を支持台上に載置した場合である。It is schematic structure explanatory drawing which shows the structure of the three-dimensional shape measuring apparatus which concerns on embodiment of this invention, (A) places the test object 20 on a support stand, (B) shows the plate 30 for a calibration. This is a case where it is placed on a support base. 上記本発明に係る形状測定方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the shape measuring method which concerns on the said invention. 従来の形状測定装置の構成を示す概略構成説明図である。It is schematic structure explanatory drawing which shows the structure of the conventional shape measuring apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

1 光源 2 投影パターンマスク
3 投影レンズ 4 撮像レンズ
5 撮像装置 6 投影パターン発生装置
7 演算処理装置 8 校正データ記憶部
9 パターン校正部 10 画像校正部
11 形状演算部 20 被検物
30 校正用プレート
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light source 2 Projection pattern mask 3 Projection lens 4 Imaging lens 5 Imaging device 6 Projection pattern generation device 7 Arithmetic processing device 8 Calibration data storage unit 9 Pattern calibration unit 10 Image calibration unit 11 Shape calculation unit 20 Test object 30 Calibration plate

Claims (8)

投影対象に所定の投影パターンを投影する投影部と、
前記投影パターンが投影された前記投影対象を撮像する撮像部と、
前記投影対象に対する前記撮像部の光軸方向の相対位置を調整する位置調整部と、
前記投影部により平面形状を有する校正用プレートに前記投影パターンを投影し、前記撮像部により撮像されたプレート撮像画像から、光軸方向の位置毎に対する校正データを記憶する校正データ記憶部と、
前記投影部により被検物に前記投影パターンを投影し、前記撮像部により撮像された被検物撮像画像から前記被検物の光軸方向の高さを演算する形状演算部と、
前記形状演算部により得られた前記高さ毎に、前記校正データ記憶部により記憶された前記校正データを用いて、前記高さを演算するのに用いた前記被検物撮像画像のデータを校正し、校正画像を取得する校正画像取得部と、
を備える形状測定装置。
A projection unit that projects a predetermined projection pattern onto a projection target;
An imaging unit that images the projection target onto which the projection pattern is projected;
A position adjusting unit that adjusts the relative position of the imaging unit in the optical axis direction with respect to the projection target;
A calibration data storage unit that projects the projection pattern onto a calibration plate having a planar shape by the projection unit, and stores calibration data for each position in the optical axis direction from the plate captured image captured by the imaging unit;
A shape calculation unit that projects the projection pattern onto the test object by the projection unit, and calculates the height in the optical axis direction of the test object from the test object captured image captured by the imaging unit;
For each of the heights obtained by the shape computation unit, the calibration data stored in the calibration data storage unit is used to calibrate the data of the captured object image used for computing the height. A calibration image acquisition unit for acquiring a calibration image;
A shape measuring apparatus comprising:
前記校正データ記憶部は、前記プレート撮像画像の撮像されたパターンの位相と理論上の位相の差分を前記校正データとして記憶することを特徴とする請求項1に記載の形状測定装置。   The shape measurement apparatus according to claim 1, wherein the calibration data storage unit stores, as the calibration data, a difference between a phase of a captured pattern of the plate captured image and a theoretical phase. 前記校正データ記憶部により記憶された前記校正データを、光軸方向の各位置において共通する共通校正データと、光軸方向の各位置に依存する依存校正データとに分割し、
前記校正画像取得部は、前記共通校正データを用いて前記投影パターンを校正するパターン校正部と、前記被検物に前記パターン校正部により校正された校正投影パターンを投影し、前記撮像部により撮像された撮像画像を用いて、前記形状演算部により前記被検物の光軸方向の高さを演算し、前記高さ毎に、前記依存校正データを用いて前記撮像画像の位相を校正する画像校正部とを備えることを特徴とする形請求項1もしくは請求項2に記載の形状測定装置。
The calibration data stored by the calibration data storage unit is divided into common calibration data common at each position in the optical axis direction and dependent calibration data depending on each position in the optical axis direction,
The calibration image acquisition unit projects the projection pattern calibrated by the pattern calibration unit onto the test object, and shoots the image by the imaging unit. An image for calculating the height of the test object in the optical axis direction by the shape calculation unit using the captured image thus obtained, and calibrating the phase of the captured image using the dependence calibration data for each height. The shape measuring apparatus according to claim 1, further comprising a calibration unit.
前記校正データ記憶部は、前記校正用プレートの面内に投影された光の反射光の均一性を保つとともに、前記校正用プレートを投影光軸と撮像光軸によって作られる面の垂線を回転中心として傾斜させることにより、前記校正データを取得することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の形状測定装置。   The calibration data storage unit maintains uniformity of the reflected light of the light projected on the surface of the calibration plate, and rotates the calibration plate with a perpendicular line of a surface formed by the projection optical axis and the imaging optical axis. The shape measurement apparatus according to claim 1, wherein the calibration data is acquired by inclining as follows. 投影対象に所定の投影パターンを投影する投影部と、前記投影パターンが投影された前記投影対象を撮像する撮像部と、前記投影対象に対する前記撮像部の光軸方向の相対位置を調整する位置調整部とを備えた形状測定装置を用いて被検物の三次元形状を測定する方法であって、
前記位置調整部により平面形状を有する校正用プレートを前記投影部に対して複数の光軸方向の位置に位置させて、前記投影部により前記校正用プレートに前記投影パターンを投影し、前記撮像部により撮像されたプレート撮像画像を、光軸方向の位置毎に取得するステップと、
前記プレート撮像画像から、光軸方向の位置毎に校正データを取得するステップと、
前記投影部により前記被検物に前記投影パターンを投影するステップと、
前記投影部により前記被検物に投影された前記投影パターンを、前記撮像部により撮像して被検物撮像画像を取得するステップと、
前記被検物撮像画像から前記被検物の光軸方向の形状高さを演算し、前記形状高さ毎に、前記被検物撮像画像の校正に用いる校正データを決定するステップと、
前記形状高さ毎に決定した前記校正データを用いて、前記被検物撮像画像を校正し、校正画像を取得するステップと、
を有し前記校正画像から前記被検物の三次元形状を求めることを特徴とする形状測定方法。
A projection unit that projects a predetermined projection pattern onto the projection target, an imaging unit that images the projection target on which the projection pattern is projected, and a position adjustment that adjusts the relative position of the imaging unit with respect to the projection target in the optical axis direction A method for measuring a three-dimensional shape of a test object using a shape measuring device comprising a part,
The position adjusting unit causes a calibration plate having a planar shape to be positioned at a plurality of positions in the optical axis direction with respect to the projection unit, and the projection unit projects the projection pattern onto the calibration plate, and the imaging unit Obtaining a plate-captured image picked up by each position in the optical axis direction;
Obtaining calibration data for each position in the optical axis direction from the plate captured image;
Projecting the projection pattern onto the object by the projection unit;
Capturing the projected pattern projected onto the test object by the projecting unit by capturing an image of the test object captured by the imaging unit;
Calculating a shape height in the optical axis direction of the test object from the test object captured image, and determining calibration data used for calibration of the test object captured image for each of the shape heights;
Using the calibration data determined for each shape height, calibrating the test object captured image, obtaining a calibration image;
A shape measuring method, comprising: obtaining a three-dimensional shape of the test object from the calibration image.
前記校正データを取得するステップは、前記プレート撮像画像の撮像されたパターンの位相と理論上の位相の差分を前記校正データとして取得することを特徴とする請求項5に記載の形状測定方法。   The shape measurement method according to claim 5, wherein the step of acquiring the calibration data includes acquiring a difference between a phase of a captured pattern of the plate captured image and a theoretical phase as the calibration data. 前記校正データが取得されると、前記校正データを、光軸方向の各位置において共通する共通校正データと、光軸方向の各位置に依存する依存校正データとに分割するステップと、前記共通校正データを用いて前記投影パターンを校正するステップと、前記投影部により前記被検物に校正された校正投影パターンを投影し、前記撮像部により撮像して撮像画像を取得するステップと、前記撮像画像から前記被検物の光軸方向の高さを演算し、前記高さ毎に、前記撮像画像の校正に用いる依存校正データを決定するステップと、前記高さ毎に決定した前記依存校正データを用いて、前記撮像画像を校正し、校正画像を取得するステップとを有することを特徴とする請求項5もしくは請求項6に記載の形状測定方法。   When the calibration data is acquired, the calibration data is divided into common calibration data common at each position in the optical axis direction and dependent calibration data depending on each position in the optical axis direction; and the common calibration Calibrating the projection pattern using data, projecting the calibration projection pattern calibrated to the test object by the projection unit, capturing the captured image by the imaging unit, and acquiring the captured image Calculating the height of the test object in the direction of the optical axis, determining dependence calibration data used for calibration of the captured image for each height, and the dependence calibration data determined for each height. The shape measuring method according to claim 5, further comprising a step of calibrating the captured image and acquiring a calibration image. 前記校正データを取得するステップは、前記校正用プレートの面内に投影された光の反射光の均一性を保つとともに、前記校正用プレートを投影光軸と撮像光軸によって作られる面の垂線を回転中心として傾斜させることにより、前記校正データを取得することを特徴とする請求項5〜7のいずれかに記載の形状測定方法。   The step of acquiring the calibration data maintains the uniformity of the reflected light of the light projected on the plane of the calibration plate, and the normal of the plane formed by the projection optical axis and the imaging optical axis on the calibration plate. The shape measurement method according to claim 5, wherein the calibration data is acquired by inclining as a rotation center.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2013040848A (en) * 2011-08-15 2013-02-28 Canon Inc Three-dimensional measuring apparatus, three-dimensional measuring method and program
WO2018168757A1 (en) * 2017-03-13 2018-09-20 キヤノン株式会社 Image processing device, system, image processing method, article manufacturing method, and program

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