JP2005326192A - Three-dimensional shape measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、干渉縞の投影によって大面積の形状計測を高精度で行うことができる3次元形状測定装置に関するものである。 The present invention relates to a three-dimensional shape measuring apparatus capable of measuring a shape of a large area with high accuracy by projecting interference fringes.
物体の3次元形状を測定する手法として、格子パターン投影による3次元形状計測法が提案されている。この技術は、特許文献1で提案されている手法で、測定対象に格子パターンを投影し、形状に応じて変調された格子パターンから形状を求める手法である。この手法の特徴として面内形状の一括計測を行うことが可能である。また、投影するパターンの格子周波数に応じて測定レンジを大きく変えることができるため、人体の形状等の大形状からμmオーダの形状計測まで幅広い応用が可能である。このμmオーダの形状計測が可能で、面内一括計測であるため測定時間が短いという2つの特徴から、格子パターン投影法は成形品の形状検査装置等への応用が期待されている。
As a method for measuring the three-dimensional shape of an object, a three-dimensional shape measurement method using lattice pattern projection has been proposed. This technique is a technique proposed in
格子パターン投影法でμmオーダの形状計測を行うためには、投影格子間隔をμmオーダまで狭めてやる必要がある。しかし、実体格子パターンの投影を行う場合、格子間隔が狭くなることで回折の影響が顕在化し、理想的な格子パターンを投影することができなくなるという未解決の課題がある。投影格子の格子間隔を狭める場合には、回折の影響を逃れ理想的な格子パターンを投影できる方法として干渉縞投影を利用する方法があり、特許文献2にて提案されている。
In order to perform shape measurement on the order of μm by the grating pattern projection method, it is necessary to narrow the projection grating interval to the order of μm. However, when projecting an actual lattice pattern, there is an unsolved problem that the effect of diffraction becomes obvious due to a narrow lattice interval, making it impossible to project an ideal lattice pattern. In the case of narrowing the grating interval of the projection grating, there is a method using interference fringe projection as a method that can avoid the influence of diffraction and project an ideal grating pattern, which is proposed in
この技術では格子周波数の調整が容易な系として、図5に示すように、レーザ光源101、コリメートレンズ102、ビームスプリッタ103、平面ミラー104からなる2光束干渉系が用いられる。ビームスプリッタ103によって分離された2つの光束L1 、L2 をホルダー105上の被測定物W0 の表面で交差させ、発生した干渉縞を対物レンズ106を介して撮像素子107で撮像し、画像処理装置108において画像処理する。
In this technique, a two-beam interference system including a
このような干渉縞投影では、上記の回折の影響を受けないことに加えて、投影パターンが正弦波状のプロファイルをもつという長所をもつ。投影パターンが正弦波状であることから、位相シフト法に代表されるような位相解析技術を用いることによって、測定分解能を更に高めることが可能となる。特に位相解析手法にフーリエ変換法を利用すれば、解析に必要とされる変調縞画像は1枚のみであるため、瞬時形状計測・リアルタイム形状計測といった測定にも対応することが可能である。以上のことから、数十μm間隔の干渉縞を投影することで、μmオーダの分解能で、極めて高速に形状計測を行うことが可能であることがわかる。
しかしながら、上記の方法で干渉縞投影を行う場合、2光束干渉系に機械的振動や熱的な揺らぎが存在する場合には、投影パターンに振動・変調が起こってしまう。このため、制御された環境下以外では測定精度が大きく損なわれてしまい、生産ライン等の悪環境下では測定が行えない。ラインと切り離された検査装置として使用する場合であっても、環境制御された場所での使用、あるいは環境制御機構を装置自身に組み込むことが要求され、ハイコストの原因となるという未解決の課題があった。 However, when interference fringe projection is performed by the above-described method, if there is mechanical vibration or thermal fluctuation in the two-beam interference system, vibration / modulation occurs in the projection pattern. For this reason, the measurement accuracy is greatly impaired except in a controlled environment, and measurement cannot be performed in a bad environment such as a production line. Even if it is used as an inspection device separated from the line, there is an unresolved problem that it is required to use in an environment-controlled place or to incorporate an environmental control mechanism in the device itself, which causes high costs was there.
本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、分割された2つの光束が1つの光束系を共有するコモンパス干渉を利用することによって、熱的・機械的な揺らぎの存在する環境下においても、測定精度を損なうことなく3次元形状測定を自動で行うことを可能とする3次元形状計測装置を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above-mentioned unsolved problems of the prior art. By utilizing common path interference in which two divided light beams share one light beam system, thermal and mechanical properties are obtained. It is an object of the present invention to provide a three-dimensional shape measuring apparatus that can automatically perform three-dimensional shape measurement without impairing measurement accuracy even in an environment where fluctuations exist.
上記目的を達成するため、本発明の3次元形状測定装置は、レーザ光源と、前記レーザ光源のレーザ光を平行光に変換する光学素子と、前記光学素子から出射する平行光を光線シェア手段によって同じ進行方向の2本の平行光束に分割し、前記2本の平行光束が重複する部分で発生する干渉縞を被測定物に投影する干渉縞投影光学系と、前記干渉縞が投影された前記被測定物の表面の変調縞を撮像する撮像素子とを備え、前記撮像素子によって撮像された前記変調縞の位相情報に基づいて前記被測定物の形状を演算によって求めることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention includes a laser light source, an optical element that converts laser light from the laser light source into parallel light, and parallel light emitted from the optical element by a light beam sharing means. An interference fringe projection optical system that divides the light into two parallel light beams in the same traveling direction and projects an interference fringe generated at a portion where the two parallel light beams overlap with the object to be measured; And an imaging device that images the modulation fringes on the surface of the object to be measured. The shape of the object to be measured is obtained by calculation based on phase information of the modulation fringes imaged by the imaging device.
平行光に変換されたレーザ光を、回折格子等を用いた光線シェア手段によって同じ光路上で重複する2本の平行光束に分割し、両者の間の変位量、シフト角または位相差によって干渉縞を発生させるものであるため、分割した2つの光束を個別の光路を経て干渉させる2光束干渉系に比べて、光学系の熱的・機械的な揺らぎに影響されることがない。 The laser light converted into parallel light is divided into two parallel light beams overlapping on the same optical path by a light beam sharing means using a diffraction grating or the like, and interference fringes are generated by the displacement amount, shift angle or phase difference between them. Therefore, compared to a two-beam interference system in which two divided beams interfere with each other through separate optical paths, the optical system is not affected by thermal and mechanical fluctuations.
従って、変化の大きい環境下においても高精度な3次元計測を安定して行うことのできる信頼性の高い3次元形状測定装置を実現できる。 Accordingly, it is possible to realize a highly reliable three-dimensional shape measuring apparatus capable of stably performing high-precision three-dimensional measurement even in an environment with a large change.
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明の実施例1を説明する図である。図1(a)は3次元形状測定装置全体を説明する模式図である。図1(a)に示すように、干渉縞を形成するためのコモンパス干渉のための光線シェア手段であるシアリング干渉系を使用した干渉縞投影系を備え、この干渉縞投影系によって被測定物W1 の表面に投影された変調干渉縞を撮像素子7によって撮像し、撮像素子7から得られた変調縞画像を取得し、画像処理装置8においてフーリエ変換位相解析法を使用して3次元形状を算出する。
FIG. 1 is a diagram for explaining a first embodiment of the present invention. FIG. 1A is a schematic diagram illustrating the entire three-dimensional shape measuring apparatus. As shown in FIG. 1A, an interference fringe projection system using a shearing interference system, which is a light-sharing means for common path interference for forming interference fringes, is provided. The modulation interference fringes projected on the surface of 1 are imaged by the image sensor 7, the modulation fringe image obtained from the image sensor 7 is acquired, and the three-dimensional shape is obtained using the Fourier transform phase analysis method in the
図1(b)は図1(a)に示したシアリング干渉系を説明する詳細図である。図1(b)のシアリング干渉系は、透過型回折格子3と、この回折格子のフーリエ変換像を形成するフーリエ変換素子であるレンズ4aと、フーリエ変換像の0次と1次のみを透過する空間フィルタ5と、透過した0次・1次光を逆フーリエ変換する逆フーリエ変換素子であるレンズ4bとで構成され、この0次・1次光の干渉によって干渉縞を発生させる。
FIG. 1B is a detailed diagram for explaining the shearing interference system shown in FIG. The shearing interference system in FIG. 1B transmits only the transmissive diffraction grating 3, the
図1に示すように、レーザ光源1から射出したレーザ光は、光学系であるコリメートレンズ2によって平行光となり、透過型回折格子3へ入射する。
As shown in FIG. 1, the laser light emitted from the
この回折格子を透過した光は回折の影響でn次の平行光束に分割される。このときn次光の0次光に対する回折角の大きさは、回折格子の格子間隔とレーザの波長によって決定される。回折格子の格子間隔をd、レーザ波長をλとすると、n次光の回折角θは式(1)で表される。 The light transmitted through this diffraction grating is divided into n-order parallel light beams due to the influence of diffraction. At this time, the magnitude of the diffraction angle of the nth-order light with respect to the 0th-order light is determined by the grating interval of the diffraction grating and the wavelength of the laser. Assuming that the grating interval of the diffraction grating is d and the laser wavelength is λ, the diffraction angle θ of the n-order light is expressed by the following equation (1).
このような構成とすることにより、光学系の熱的・機械的な揺らぎに影響されることがなく、変化の大きい環境下においても高精度な3次元計測を安定して行うことのできる3次元形状測定装置を実現することができる。 By adopting such a configuration, it is possible to stably perform highly accurate three-dimensional measurement even in a large change environment without being affected by thermal and mechanical fluctuations of the optical system. A shape measuring device can be realized.
図2は本発明の実施例2を説明する図である。図2(a)は3次元形状測定装置全体を説明する模式図であり、図2(b)は図2(a)に示したシアリング干渉系を説明する詳細図である。図2で示す3次元形状測定装置は反射型回折格子13と、この回折格子のフーリエ変換像を形成するフーリエ変換素子であるレンズ14aと、フーリエ変換像の0次と1次のみを透過する空間フィルタ15と、透過した0次・1次光を逆フーリエ変換する逆フーリエ変換素子であるレンズ14bとで構成され、この0次・1次光の干渉によって干渉縞を発生させる。なお、図2(a)、(b)において図1(a)、(b)と同じ部材には同じ符号を付し、その説明は省略している。
FIG. 2 is a diagram for explaining a second embodiment of the present invention. 2A is a schematic diagram for explaining the entire three-dimensional shape measuring apparatus, and FIG. 2B is a detailed diagram for explaining the shearing interference system shown in FIG. 2A. The three-dimensional shape measuring apparatus shown in FIG. 2 includes a
図2(c)は図2(b)に示した反射型回折格子13による回折光の出射角を説明する模式図である。図2は反射型回折格子13によるシアリング干渉縞投影系を用いているもので、コリメートレンズ2によってコリメート(平行化)されたレーザ光は、反射型回折格子13に角度θi で入射する。反射型回折格子13の格子間隔dとすると、このとき±n次の回折光の出射角θd (θi −θS )は式(6)で表される角度となる。
FIG. 2C is a schematic diagram for explaining the exit angle of the diffracted light by the
このような構成とすることにより、光学系の熱的・機械的な揺らぎに影響されることがなく、変化の大きい環境下においても高精度な3次元計測を安定して行うことのできる3次元形状測定装置を実現することができる。また、反射型回折格子の角度を調整することで、投影格子間隔の調整を行うことも可能となる。 By adopting such a configuration, it is possible to stably perform highly accurate three-dimensional measurement even in a large change environment without being affected by thermal and mechanical fluctuations of the optical system. A shape measuring device can be realized. Further, the projection grating interval can be adjusted by adjusting the angle of the reflective diffraction grating.
図3は本発明の実施例3を説明する図である。図3(a)は3次元形状測定装置全体を説明する模式図であり、図3で示す3次元形状測定装置は、ウェッジ付透明基板23で構成され、このウェッジ付透明基板23の表面と裏面からの反射光L1 、L2 の干渉によって干渉縞を発生させる。なお、図3(a)において図1(a)と同じ部材には同じ符号を付し、その説明は省略している。
FIG. 3 is a diagram for explaining a third embodiment of the present invention. FIG. 3A is a schematic diagram for explaining the entire three-dimensional shape measuring apparatus. The three-dimensional shape measuring apparatus shown in FIG. 3 includes a
図3(a)は図3(b)に拡大して示したウェッジ付透明基板23によるシアリング干渉縞投影系を用いているもので、コリメートレンズ2によってコリメート(平行化)されたレーザ光は、ウェッジ付透明基板23に角度θi で入射する。ウェッジ付透明基板23は、レーザ光を透過する素材で形成され、ウェッジ角θw を持っているとすると、基板表面からの反射光と基板裏面からの反射光のなすシフト角θP は式(11)で表される。
FIG. 3 (a) uses a shearing interference fringe projection system by the
このような構成とすることにより、光学系の熱的・機械的な揺らぎに影響されることがなく、変化の大きい環境下においても高精度な3次元計測を安定して行うことのできる3次元形状測定装置を実現することができる。また、回折によって光束を分割する場合と比較して、空間フィルタ機構を必要としないため、投影光学系の小型化を実現することも可能となる。 By adopting such a configuration, it is possible to stably perform highly accurate three-dimensional measurement even in a large change environment without being affected by thermal and mechanical fluctuations of the optical system. A shape measuring device can be realized. Further, since the spatial filter mechanism is not required as compared with the case where the light beam is divided by diffraction, it is possible to reduce the size of the projection optical system.
図4は本発明の実施例4を説明する図である。図4(a)は3次元形状測定装置全体を説明する模式図であり、図4(b)は図4(a)に示した光線シェア手段を説明する詳細図である。偏光プリズム33とその直後に配置された偏光板34とで構成され、偏光プリズム33で分割された2本の光束L1 、L2 の干渉によって干渉縞を発生させる。なお、図2(a)、(b)において図1(a)、(b)と同じ部材には同じ符号を付し、その説明は省略している。
FIG. 4 is a diagram for explaining a fourth embodiment of the present invention. 4A is a schematic diagram for explaining the entire three-dimensional shape measuring apparatus, and FIG. 4B is a detailed diagram for explaining the light beam sharing means shown in FIG. 4A. An interference fringe is generated by the interference of the two light beams L 1 and L 2 divided by the
コリメートレンズ2によってコリメートされたレーザ光は、偏光プリズム(ウォラストンプリズム)33へ入射する。入射した平行光はp偏光成分とs偏光成分とに分割され、別々に異なった方向に出射する。このときのp偏光成分とs偏光成分の進行方向のなす角度をθとする。
The laser light collimated by the
偏光プリズム33から出射したp偏光成分とs偏光成分は、直後に配置された偏光板34によって45°方向の直線偏光へと変換される。その結果、2つの光束は可干渉となるため、干渉縞が形成される。このときの干渉縞の縞間隔は偏光プリズム33で与えられた角度に応じて決定され、式(13)で表される。
The p-polarized component and the s-polarized component emitted from the
このような構成とすることにより、光学系の熱的・機械的な揺らぎに影響されることがなく、変化の大きい環境下においても高精度な3次元計測を安定して行うことのできる3次元形状測定装置を実現することができる。また、回折によって光束を分割する場合と比較して、空間フィルタ機構を必要としないため、投影光学系の小型化を実現することも可能となる。 By adopting such a configuration, it is possible to stably perform highly accurate three-dimensional measurement even in a large change environment without being affected by thermal and mechanical fluctuations of the optical system. A shape measuring device can be realized. Further, since the spatial filter mechanism is not required as compared with the case where the light beam is divided by diffraction, it is possible to reduce the size of the projection optical system.
1 レーザ光源
2 コリメートレンズ
3 透過型回折格子
4a、4b、14a、14b レンズ
5、15 空間フィルタ
6 対物レンズ
7 撮像素子
8 画像処理装置
13 反射型回折格子
23 ウェッジ付透明基板
33 偏光プリズム
34 偏光板
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004143023A JP2005326192A (en) | 2004-05-13 | 2004-05-13 | Three-dimensional shape measuring device |
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