JP2016148569A - 画像測定方法、及び画像測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被検物のエッジ検出する精度を落とすことなく短時間で検出する画像測定方法、及び画像測定装置を提供する。【解決手段】被検物を撮像し、被検物の画像に基づいて被検物の形状を算出する画像測定方法であって、被検物の複数箇所における高さを計測する高さ計測工程Ｓ１０１と、高さ計測工程Ｓ１０１において計測された高さに基づいて被検物における複数の平面の位置を算出する算出工程Ｓ１０２と、算出工程Ｓ１０２において算出した複数の平面の位置を順にフォーカスし、被検物を撮像する撮像工程Ｓ１０４と、撮像工程Ｓ１０４で撮像された被検物の画像に基づいて被検物の形状を算出する算出工程Ｓ１０５とを有する。【選択図】図２

Description

本発明は、画像測定方法、及び画像測定装置に関し、特に、被検物の形状計測を可能とする画像測定方法に関する。

被検物のＸＹ寸法を測定する画像測定機は、被検物の画像を取得し画像処理することによってエッジを検出し、検出された複数のエッジ間の距離を算出することによりＸＹ寸法計測を行う。また、画像計測においては、高精度な測定のために被検物全体が合焦状態で撮像される必要がある。カメラによる画像取得に際しては、焦点深度に限界があるため、被検物が平面的な形状を有して上面全域が焦点深度内に入るものであれば被検物の全面が鮮明に撮影することができる。しかしながら、大きな高さ寸法を有して焦点深度内に納まらないような被検物の場合、焦点深度を外れる部分の画像がぼやけて不鮮明となり、高精度にエッジを検出ができず寸法計測が難しい。そのため、被検物の測定すべき部分にピントを合わせて測定点を設定する手法が取られてきた。

被検物のピントを検出する手段としては、コントラスト法などが知られている。コントラスト法は、撮像装置でワークを撮像することによって得られる画像データから、この画像データのコントラストを求めて、コントラストが最大になる撮像系の被検物に対する位置を決定する方法である。しかしながら、このような合焦方式では、ＣＣＤカメラなどの撮像素子で得られた画像データに基づいて合焦検出を行うようにしているため、この撮像素子のフレームレートにより測定時間を制限される。これにより、さらに多くの画素のデータからコントラスト算出するのに時間が掛かっていた。

これを解消するために、例えば、特許文献１では、画像取得カメラとは別に、カメラと共役位置に高速にデータが取得することの可能なラインセンサなどを用いて、合焦位置を高速に検出する方法が開示されている。また、特許文献２では、対物レンズを被検物の設置面に対して垂直方向に予め設定された移動速度で移動させながら、予め定められたサンプリング間隔ごとにテレビカメラにより被検物の画像を測定する。そして、取得した画像から算出される微分画像から被検物のエッジを検出する方法が開示されている。さらに、特許文献３では、レーザオートフォーカスによる形状計測方法や、対物レンズでオートフォーカスしながら被検物をＸＹ方向にスキャンさせ、対物レンズのフォーカス方向の駆動量から高さを求める方法も開示されている。

特開平８−２２６８０５号公報 特開２００１−３３６９１６号公報 特開２００４−１９８２７４号公報

しかしながら、特許文献１および２で開示されている方法では、実際の寸法計測とは別にフォーカス位置を決定する作業自体が必要なので、短時間に測定ができない。また、特許文献３については、オートフォーカスしながら形状計測を行うが、測定点をスキャン走査しながら測定するため、高精度に計測を行う際には、高密度なデータが必要となり、短時間に測定を行うことができない。

本発明は、上記の問題に鑑みて、被検物のエッジ検出する精度を落とすことなく短時間で検出する画像計測方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、クレーム１と同様に修正してください。本発明の画像測定方法は，被検面形状に対応するフォーカス位置を検出し、前記フォーカス位置で撮像した画像を解析して被検物の形状を算出する画像測定方法であって、前記被検物の複数箇所における高さを計測する高さ計測工程と、前記高さ計測工程において計測された高さに基づいて前記被検物における複数の平面を算出する算出工程と、前記算出工程において算出した前記複数の平面の位置を順にフォーカスし、画像を撮像する撮像工程とを有することを特徴とする。

本発明によれば、被検物の高さ測定を一括で行いその結果を用いることによりフォーカス位置を決定して、被検物のエッジを高精度かつ短時間で検出することが可能な画像計測方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る画像測定システムを示す概略図である。 本発明の一実施形態に係る測定プロセスを示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る測定プロセスの測定結果を示す概略図である。 被検物の測定画像を示す概略図である。 本発明の第２実施形態に係る画像測定システムを示す概略図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面などを参照して説明する。

（第１実施形態）
まず、図１を参照して、本実施形態に係る画像測定装置について説明する。画像測定装置は、被検物の高さを測定するための測定手段を有し、本実施形態では、測定手段として多波長干渉計を用いる。光源１および光源２は、不図示のガスセルの封入ガスの吸収線、またはファブリペローエタロンの透過スペクトルなどを波長基準として、波長が安定するように制御器３で制御される。光源１および光源２から射出される光束は、ビームスプリッタ４ａおよび４ｂにより分岐され、一方は、波長シフタ６ａまたは６ｂを透過し、合波器５ａにより合波された第１光束となり、もう一方は、合波器５ｂにより合波された第２光束となる。

次に、第１光束および第２光束は、干渉計１０１にそれぞれ入射される。そして、干渉計１０１に入射した第１光束は、コリメートレンズ７ａで平行光束とされ、偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳ）１３の透過偏光角と一致するように１／２波長板のような偏光調整素子８ａにて偏光方向が調整される。第２光束も同様に、コリメートレンズ７ｂで平行光束とされた後、偏光調整素子８ｂにてＰＢＳ１３の透過偏光角と一致するように、偏光方向が調整される。第２光束の透過光は、ＰＢＳ１３を透過後、１／４波長板１４にて円偏光にされ対物レンズ１５で平行光束となり、光軸方向に駆動可能なＺ軸駆動ステージ１７に搭載された被検物１６に照射される。被検物からの反射光または散乱光（被検光）は、再び１／４波長板１４を透過することにより、入射時とは偏波面が９０°回転した直線偏光となり、ＰＢＳ１３で反射し第１光束と結合される。

ＰＢＳ１３からの射出光は、偏光子１８により干渉信号を切り出される。結像光学系１９内の対物レンズ瞳面と共役位置に虹彩絞り２０が配置される。さらに、被検物と共役関係に配置されたＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラのような検出器２１では、光束の周波数差に相当するビート信号が検出され、被検信号として被検物高さを演算する手段である解析装置２３へ入力される。なお、解析装置２３は、画像測定装置全体を制御する手段としても機能し、高さを計測する高さ計測手段や計測した高さに基づいて被検物における複数の平面を算出する算出手段としても機能する。

また、ビームスプリッタ９による第１光束の反射光およびビームスプリッタ１０による第２光束の反射光（参照光）は、ビームスプリッタ１０で結合される。そして、偏光子１１、結像光学系１２を通って両光束の周波数差に相当するビート信号をディテクタ２２により検出され、参照干渉信号として解析装置２３へ入力される。

解析装置２３にて光源１および光源２から射出される波長λ１、λ２における位相差Φ１、Φ２、合成波長Λ１２により被検物の高さを算出される。合成波長Λ１２λ１とλ２によって生成する合成波長｜λ１λ２／（λ１＋λ２）｜であり、ｎｇ（λ１、λ２）は、λ１とλ２における群屈折率とすると、被検物の高さは、以下の式により表される。以上が被検物の高さ測定を行う手段となるシステム構成である。

次に、本実施形態に係る画像測定のシステム構成について説明する。画像測定システムには、高さ測定手段に対してインコヒーレント光源２４を追加する構成となる。インコヒーレント光源２４は、複数の光源素子をリング状に配置され構成される光源である。これによって、所望の方向から被検物１６を照明することが可能である。インコヒーレント光源２４によって照明された光は、被検物１６で反射・散乱し、対物レンズ１５で集光される。さらに、対物レンズ１５および結像レンズ光学系１９により被検物１６と検出器２１は、共役関係となっており、２次元画像が取得される。対物レンズまたは結像レンズ光学系内部にある虹彩絞り２０の径を調整することにより、解像度の調整が可能となる。検出器２１により取得された２次元画像は、解析装置２３へ送られ、画像処理されてエッジ検出により寸法計測を行う。

次に、本実施形態に係る測定プロセスについて図２を用いて説明する。本実施形態では、例えば、後述の図４（ａ）のような被検物を想定し、測定したい寸法をｘ１、ｘ２とする。ｘ１およびｘ２の寸法を得るために、被検物１６の側面ｗ１、ｗ２、ｗ３、ｗ４の輪郭線に相当するエッジを検出する。なお、本実施形態では、解析装置２３が処理を行う。

まず、ステップＳ１０１で、被検物の高さ計測手段は、被検物１６の高さを測定する。高さ計測手段は、被検物表面の位置を示す点群データが図３のように得られる。通常、寸法計測をするエッジは、図３のように高さの異なる複数の平面により形成される。従って、これらの複数箇所における平面高さを検出することでエッジ検出に好適な、被検面形状に対応するフォーカス位置（面）を決定することができる。具体的には、図３の点群データから光軸と垂直な面を基準として、ある任意の高さ範囲内にある点群の集合に分割し、それぞれの集合に対し平面フィッティングを行う。被検面を搭載した基準面を高さの原点として、フィッティングで得られた被検面の複数の平面高さＺ１、Ｚ２を算出する。本実施形態のように、複数平面の高さ計測が可能な高さ検出手段を用いることで、従来のレーザフォーカス方式と異なり、被検物の駆動無しで、複数の高さで形成される被検物のフォーカス位置を計測できる。そのため、特に視野の広い画像測定機の高速化に極めて有効である。

次に、ステップＳ１０２で、ステップＳ１０１の平面高さに基づきエッジ検出のためのフォーカス位置（面）を決定する。一般的に、エッジを形成する稜線には面取りがなされているため、本実施形態では、フォーカス位置は、面取り量を考慮してフォーカス位置を決定する。具体的には、面取り量より大きいオフセットｄだけ、ステップＳ１０１で計測した平面高さから下の位置（Ｚ１−ｄおよびＺ２−ｄ）をフォーカス位置とする。オフセットｄについては、計測パラメータから入力できるようにし、被検物に応じて調整可能とする構成であってよい。また、面取りの影響が無視できる場合、オフセットｄは、必要ではない。このように、フォーカス位置を決定することで、フォーカスを振ってベストコントラスト位置を検出する方法で面取り面等によるフォーカス誤りを防ぎ、高精度な計測が可能になる。

次に、ステップＳ１０３で、ステップＳ１０２で演算検出したフォーカス位置に結像系を調整する。本実施形態では、被検物をＺ軸駆動ステージで駆動し、Ｚ１−ｄまたはＺ２−ｄの高さが結像系の物体側共役面に一致させることでフォーカスを調整する。被検物を駆動する代わりにカメラを駆動してもよく、結像光学系の物像間距離を調整してもよい。また、被検物の平面高さＺ１、Ｚ２において、Ｚ軸駆動ステージにより被検物１６を光軸方向に移動させ、対象となる平面にピントの合うフォーカス位置が移動される。

次に、ステップＳ１０４で、ステップＳ１０３でフォーカス調整した状態で２次元画像を、不図示の撮像手段により撮像する。なお、後の工程で精度よくエッジ位置を検出するために、エッジ部のコントラストが高い照明を選択するのが望ましい。照明方法としては、公知の技術を用いてよい。例えば、被検体の輪郭線に相当するエッジを検出する場合、透過照明が好適であることが知られている。他の反射照明としては、同軸落射照明やリング照明が用いられる。これらの照明条件は、ユーザが計測時に設定してもよいし、複数の照明条件で撮像しておいてエッジ検出時にコントラスト最良の画像を選んでもよい。また、ステップＳ１０１の高さ情報から輪郭に相当するエッジを自動検出することで透過照明を自動検出することも可能である。

次に、ステップＳ１０５で、ステップＳ１０４で取得した画像からエッジ検出を行う。ステップＳ１０４において、それぞれの平面高さＺ１、Ｚ２にフォーカスを合わせた画像は、図４（ｂ）および（ｃ）のように得られる、ここで、それぞれの図内で実線部がピントの合っている平面であり、点線部がピントの外れている平面を表す。ＸＹ寸法測定においてピントの合っていない点線部では、精度が著しく劣化することから、ピントの合った平面内にある実線部の間隔を測定する必要がある。従って、ステップＳ１０４で取得された画像の図４（ｂ）および（ｃ）の太い実線部、つまり側面ｗ１、ｗ２およびｗ３、ｗ４についてエッジ検出を行う。エッジの検出方法は、公知の技術を用いることが可能である。 例えば、画像の１次微分値で勾配を計算することでエッジの強さを求め、勾配の方向を元に局所的に極大となる箇所を探す手法や、画像から計算した２次微分式でのゼロ公差を探す箇所を探す手法であってよい。

次に、ステップＳ１０６で、ステップＳ１０２で検出される全ての平面に対して、エッジ検出が終了したか否かを判定する。全ての平面についてエッジ検出が終了した場合（Ｙｅｓ）、測定を終了する。一方、全ての平面についてエッジ検出が終了していない場合（Ｎｏ）、ステップＳ１０３に戻って、再度測定を繰り返す。なお、必ずしも全平面においてエッジ検出（計測）しなくてもよく、予めユーザが設定することで計測平面の数を限定してもよい。

以上、本実施形態に係る測定方法について説明したが、例えば、多波長干渉計について２波長干渉計に限定することなく、異なる３波長以上の複数波長による多波長干渉計でもよい。また、複数波長の１つを波長走査することで絶対測長を可能とする多波長走査干渉計であってよい。さらに、光源に白色ＬＥＤなど低コヒーレント光源を用いる白色干渉計、公知例の測定手段を用いてもよい。また、フォーカス調整機構に関して、本実施形態では、被検物の搭載台を光軸方向に移動することによりフォーカス位置を調整するよう説明したが、カメラ等の検出器または対物レンズ等の光学系を駆動してフォーカス位置を調整してもよい。

以上、本実施形態によれば、被検物の高さ測定を一括で行いその結果を用いることによりフォーカス位置を決定して、被検物のエッジを高精度かつ高速に検出することが可能な画像計測方法を提供することができる。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なり、図５に示すパターン投影法の原理に基づく高さ測定のシステム構成について説明する。ここで、パターン投影法とは、パターンを投影するプロジェクタと光検出器などから構成され、既知のパターンを被検物に投影し、被検物の形状によって生じるパターンの歪み量から３次元点群データを算出する方法である。一般的に，３次元点群データのデータ量と測定時間とは、トレードオフの関係にある。また、平面の高さ検出に関しては、高精度なエッジ検出ほど点群データの密度が必要でないので、高速に被検物の高さ測定が可能であり、高精度なエッジ検出に関しては高密度にデータを取得すればよい。

本実施形態の画像測定器は、プロジェクタ２５を有し、既知のパターンを被検物１６に投影する。インコヒーレント光源２４によって照射され、被検物１６の形状によって歪んだパターンは、結像光学系１９ａおよび１９ｂ、および結像光学系１９ａおよび１９の対物レンズの瞳面と共役位置の虹彩絞り２０によって検出器２１に結像される。検出器２１によって取得された画像は、解析装置２３に転送される。解析装置２３では、画像を元に既知のパターンからの歪み量を算出し、被検物１６の３次元点群データを取得し、被検物の高さ情報が取得される。

以下、画像測定のシステム構成ならびに測定のプロセスに関して第１実施形態と同様な手法を適応することにより、高精度かつ高速に被検物の寸法や幾何公差を求めることができる。従って、本実施形態によれば、被検物の高さ測定を一括で行いその結果を用いることによりフォーカス位置を決定して、被検物のエッジを高精度かつ高速に検出することが可能な画像計測方法を提供することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形または変更が可能である。

Claims (5)

1. 被検物を撮像し、前記被検物の画像に基づいて前記被検物の形状を算出する画像測定方法であって、
   前記被検物の複数箇所における高さを計測する高さ計測工程と、
   前記高さ計測工程において計測された高さに基づいて前記被検物における複数の平面の位置を算出する算出工程と、
   前記算出工程において算出した前記複数の平面の位置を順にフォーカスし、前記被検物を撮像する撮像工程と、
   前記撮像工程で撮像された前記被検物の画像に基づいて前記被検物の形状を算出する算出工程と、
   を有することを特徴とする画像測定方法。
2. 前記高さ計測工程において、前記被検物を搭載した面を基準面とし、前記基準面を高さの原点として、前記被検物の高さを計測する
   ことを特徴とする請求項１に記載の画像測定方法。
3. 前記高さ計測工程において、参照光と前記被検物からの被検光とを干渉させる干渉計を用いて前記被検物の高さを計測する
   ことを特徴とする請求項１に記載の画像測定方法。
4. 前記高さ計測工程において、前記被検物に光のパターンを投影して、前記被検物により生じた光のパターンの歪みを測定するパターン投影法を用いて前記被検物の高さを測定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の画像測定方法。
5. 被検物を撮像し、前記被検物の画像に基づいて前記被検物の形状を算出する画像測定装置であって、
   前記被検物の複数箇所における高さを計測する高さ計測手段と、
   前記高さ計測工程において計測された高さに基づいて前記被検物における複数の平面の位置を算出する算出手段と、
   前記算出工程において算出した前記複数の平面の位置を順にフォーカスし、前記被検物を撮像する撮像手段と、
   前記撮像工程で撮像された前記被検物の画像に基づいて前記被検物の形状を算出する算出手段と、
   を有することを特徴とする画像測定装置。
   
   

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