JP2017125707A - Measurement method and measurement device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、計測方法および計測装置に関する。 The present invention relates to a measurement method and a measurement apparatus.
被計測物の形状を計測する装置として、パターン投影法を用いた光学式の計測装置が知られている。パターン投影法では、所定のパターンを被計測物に投影して撮像し、撮像画像におけるパターンを検出して、三角測量の原理から各画素位置における距離情報を算出することで、被計測物の形状を求めている。 As an apparatus for measuring the shape of an object to be measured, an optical measurement apparatus using a pattern projection method is known. In the pattern projection method, a predetermined pattern is projected onto an object to be imaged, the pattern in the captured image is detected, and distance information at each pixel position is calculated from the principle of triangulation, thereby measuring the shape of the object to be measured. Seeking.
パターン投影法の代表的なものとして、位相シフト法がある。この方法では、輝度が正弦波状に変化する縞パターンを所定の位相ずつずらしながら被計測物に投影して撮像し、複数の撮像画像に基づいて被計測物の形状を求める。各画素位置における距離情報は、位相と対応させて求める。撮像画像から得られる位相は不連続であるため、当該画素の縞次数n(画像内の一端から他端に向かって数えてn周期目の縞であることを表す値)を特定し、連続した値を求める必要がある(位相接続)。 As a typical pattern projection method, there is a phase shift method. In this method, a fringe pattern whose luminance changes in a sine wave shape is projected and imaged on the object to be measured while shifting by a predetermined phase, and the shape of the object to be measured is obtained based on a plurality of captured images. The distance information at each pixel position is obtained in correspondence with the phase. Since the phase obtained from the captured image is discontinuous, the fringe order n of the pixel (a value representing the fringe of the nth cycle counted from one end to the other end in the image) is specified and continuous. The value needs to be determined (phase connection).
位相接続は、例えば、被計測物の高さ方向の変化が急激な場合や不連続な場合、また、パターンピッチを細かくして高精度に被計測物の高さを計測する場合に困難となりうる。高さ方向の変化が大きい場合に対応する技術として、互いに周期が異なる2つの縞パターンを順次投影し、撮像する方法(特許文献1)および、同時に投影する方法(特許文献2)がある。他に、投影パターンのデフォーカス情報と高さ方向の距離情報との関係をキャリブレーションにより予め取得して、取得した関係を用いて縞次数を求める方法もある(特許文献3)。 Phase connection can be difficult, for example, when the change in the height direction of the object to be measured is abrupt or discontinuous, or when measuring the height of the object to be measured with high precision by reducing the pattern pitch. . As a technique corresponding to the case where the change in the height direction is large, there are a method of sequentially projecting and imaging two fringe patterns having different periods (Patent Document 1) and a method of simultaneously projecting (Patent Document 2). In addition, there is a method in which the relationship between the defocus information of the projection pattern and the distance information in the height direction is acquired in advance by calibration, and the fringe order is obtained using the acquired relationship (Patent Document 3).
しかしながら、特許文献1の方法は、細かいパターンピッチに対応することは困難となりうる。特許文献2の方法は、2つの縞パターンを分離し、各縞パターンを個別に撮像するための構成が必要であり、コストの点で不利となりうる。特許文献3の方法は、キャリブレーションのための高精度なステージ装置、十分な計測時間が必要であり、コストおよび計測時間の点で不利となりうる。
However, it is difficult for the method of
本発明は、例えば、計測精度の点で有利な計測装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a measurement device that is advantageous in terms of measurement accuracy, for example.
上記課題を解決するために、本発明は、被計測物の形状を計測する計測装置であって、互いに周期が異なる複数のパターン光を被計測物に投影する投影部と、複数のパターン光が投影された被計測物を撮像して、各パターン光に対応する画像をそれぞれ取得する撮像部と、画像に基づいて被計測物の形状の情報を求める処理部と、を有し、処理部は、複数のパターンのうちいずれかのパターン光に対応する画像の輝度情報と、複数のパターン光の位相情報から求められる複数のパターン光を合成した合成パターン光の位相情報と、に基づいて被計測物の形状の情報を求めることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention is a measurement apparatus that measures the shape of an object to be measured, and includes a projection unit that projects a plurality of pattern lights having different periods on the object to be measured, and a plurality of pattern lights. An imaging unit that images the projected object to be measured and acquires an image corresponding to each pattern light, and a processing unit that obtains information on the shape of the object to be measured based on the image. Measured based on the luminance information of the image corresponding to any one of the plurality of patterns and the phase information of the combined pattern light obtained by combining the plurality of pattern lights obtained from the phase information of the plurality of pattern lights It is characterized by obtaining information on the shape of an object.
本発明によれば、例えば、計測精度の点で有利な計測装置を提供することができる。 According to the present invention, for example, it is possible to provide a measurement device that is advantageous in terms of measurement accuracy.
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。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1実施形態)
図1は、本実施形態に係る計測装置の構成を示す概略図である。本実施形態に係る計測装置は、光源1と、コリメートレンズ2と、パターン生成部3と、投影光学系(投影部)4と、ステージ6と、撮像光学系(撮像部)7と、受光部9と、処理部(演算部)10と、を備える。光源1から射出した光はコリメートレンズ2を経て平行光となり、明部と暗部とが周期的に(正弦波状に)変化する縞パターンを生成するパターン生成部3に入射する。パターン生成部3は、光透過部分と遮光部分とが交互に配列されたパターンを有するマスク、液晶素子、DMD等を用いることができる。パターン制御部11は、パターン生成部3を制御して、生成するパターンを高速で空間的に変調する。本実施形態では、2種類のパターンを被計測物5に別々に投影する。被計測物5の高さ方向をZ方向、これに垂直な方向をX方向およびY方向とする。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of a measurement apparatus according to the present embodiment. The measurement apparatus according to this embodiment includes a
パターン生成部3を透過した光束は、複数のレンズを含む投影光学系4へ入射する。投影光学系4は入射した光束を拡大して、ステージ6に搭載された被計測物5に投影する。ステージ6は光軸方向に駆動する。高精度な計測のためにピッチの小さいパターンを投影すると、焦点深度が狭くなる。広い計測レンジを確保するためには、被計測物5に対して焦点位置を焦点深度程度の間隔で走査しながら測定する必要がある。被計測物5の表面で反射した光束は、複数のレンズを含む撮像光学系7に入射する。入射した光は、撮像光学系7内の開口絞り8によって空間周波数を絞られた後、受光部9へ出射する。受光部9は、CCDやCMOS等を含み、入射した光の強度を検出(撮像)する。本実施形態では、2種類のパターンを被計測物5に別々に投影するため、2つの画像が取得される。処理部10は、受光部9により撮像された画像に基づいて被計測物5の形状を求める。
The light beam that has passed through the
図2は、処理部10による演算処理工程を示すフローチャートである。S101では、処理部10は、受光部9が取得した画像からパターンごとに位相を算出する。ΔφずつN回、位相をずらしながら撮像した場合を考える。各画素の位置(x,y)における強度(輝度情報)Ik(x,y)の変化を離散フーリエ変換(DFT)することにより、位置(x,y)における位相(位相情報)θ(x,y)は下記[数1]より求められる。
FIG. 2 is a flowchart showing an arithmetic processing step performed by the
S102では、処理部10は、少なくとも一方の画像についてコントラスト(輝度情報)を算出する。位置(x,y)におけるコントラストγ(x,y)は下記[数2]より求められる。
In S102, the
S103では、処理部10は、投影する2つのパターンを合成し、各画素における合成後のパターン(合成パターン光)の位相を算出する。投影する各パターンの被計測物5上での実質的な周期λ1およびλ2は、ピッチをp1およびp2、入射角度(輻輳角)をαとすると,λ1=p1/cosα、λ2=p2/cosαとなる。合成後のパターンの周期Λ12は、λ1×λ2/|λ1―λ2|により求められる。また、各パターンの位相をθ1、θ2とすると,合成後のパターンの位相Θ12はθ2−θ1として求められる。例えば、λ1=100μm,λ2=101μmとした場合、Λ12=10.1mmとなり、周期がおよそ100倍だけ拡大される。
In S103, the
S104では、処理部10は、少なくとも一方の画像におけるコントラストと測長値(位置情報)との関係を示すデータ(図3)を読み込む。このデータは、予め取得し、不図示の記憶部に記憶しておいたものである。例えば、表面粗さが既知の平板をステージ上に設置し、ステージを光軸方向に駆動して、複数の位置でパターン投影、位相シフトおよびコントラスト算出を行うことで得られる。得られたデータは、図3において曲線で示される。横軸がコントラスト、右の縦軸がステージ位置(測長値)、左の縦軸は縞次数である。縞次数は、測長値をピッチ(周期)で割り、端数を四捨五入することで算出される。図3で縦軸方向に等間隔の点線で示したのは、ピッチであり、実線で示す階段状のグラフは縞次数を示している。なお、ここで読み込むデータは、S102でコントラストを算出したほうのパターンに対応したデータである。
In S104, the
S105では、処理部10は、下記[数3]より合成後のパターンの縞次数M1を求める。まず、処理部10は、S102で算出したコントラストに基づき、S104で読み込んだコントラストと測長値(縞次数)との関係を参照して、測長値(ステージ位置)Lstageおよび縞次数Mを求める。縞次数Mは、S102でコントラストを求めた画像の取得時に投影したパターンの縞次数である。求めたLstageおよび縞次数Mを下記[数3]に代入することで縞次数M1が求められる。
In S105, the
S106では、処理部10は、下記[数4]より投影したパターンのうち、いずれかのパターンによる測長値を算出する。本実施形態では、最もピッチが細かいパターンによる測長値H1を算出する。用いるパラメータは、投影する複数のパターンのうち、最もピッチが細かいパターンの周期、縞次数、位相である。本実施形態では、当該周期はλ1である。位相は、S101で算出したθ1(x,y)である。位相シフト法においては、投影するパターンのピッチが細かくなるほど計測精度はよくなるが、縞次数の特定は、一般的にピッチが細かくなるほど困難になる。図4は、ピッチの細かさによるコントラストと縞次数との関係の変化を示す図である。横軸はコントラスト、縦軸が縞次数である。実線または破線の曲線は測長値を示し、階段状の実線および破線は縞次数を表す。この図によれば、ピッチが細かくなると、コントラストに対する縞次数の敏感度が増加することが分かる。[数4]に代入する縞次数の値M2(x,y)は、下記[数5]および[数6]を用いて求められる。[数5]では、合成後の画像に基づいて得られる測長値H2(x,y)を用いる。H2(x,y)は、[数6]により算出される。[数6]に代入するM1は、S105で得られ、Θ12は、S103で得られる。
In S <b> 106, the
[数4]で用いる縞次数は、合成後のパターンの縞次数を用いることとなる。合成後のパターンは、本実施形態では周期がおよそ100倍に拡大されており、図4で示したとおり、コントラストに対する縞次数の敏感度が低くなっている。したがって、本実施形態の計測装置(計測方法)によれば、細かいピッチのパターン光を用いても位相接続が困難とならない。 As the fringe order used in [Equation 4], the fringe order of the combined pattern is used. In this embodiment, the cycle of the combined pattern is enlarged by about 100 times, and as shown in FIG. 4, the sensitivity of the fringe order to the contrast is low. Therefore, according to the measurement apparatus (measurement method) of the present embodiment, phase connection does not become difficult even when pattern light with a fine pitch is used.
S107では、処理部10は、S106で求めた測長値から被計測物5の三次元形状を算出する。以上、計測レンジ内でステージ6の走査、パターン投影、撮像ならびに工程S101からS107を繰り返すことにより、被計測物5の形状を計測できる。ここで、計測レンジとは、パターンの明暗を判別できるコントラストを確保できる受光部9と被計測物5(ステージ6)との距離を指す。
In S107, the
以上のように、本実施形態によれば、計測精度の点で有利な計測装置を提供することができる。 As described above, according to the present embodiment, it is possible to provide a measurement device that is advantageous in terms of measurement accuracy.
(第2実施形態)
本実施形態では、計測レンジを超えてステージ6を移動させることで、図5は、処理部10による演算処理工程を示すフローチャートである。S201では、受光部9が得た画像を処理部10が取得する。S202からS204は、第1実施形態のS101からS103と同様である。S205では、不図示の駆動部がステージ6をz方向に移動させ、移動量が計測レンジを超えるか否かを処理部10が判定する。計測レンジを超える(Yes)まで、S201からS205を繰り返す。
(Second Embodiment)
In the present embodiment, by moving the
S206では、処理部10は、S203で得られたコントラストが最大となるステージ位置を決定する。決定されたステージ位置をもとに被計測物5の三次元形状が算出される。図6は、任意の画素の位置(x,y)におけるステージ位置(座標)とコントラストとの関係を示すグラフである。白抜きの丸が各ステージ位置において算出されたコントラストである。この図では、4つの位置において算出されている。これらプロットから作成された近似曲線が点線の曲線である。この曲線の最大値がコントラストの最大値となる。
In S206, the
S207では、処理部10は、S206で算出したステージ座標L´stageから合成後のパターンの縞次数M1を下式[数7]により決定する。以下S208およびS209は、第1実施形態のS106およびS107と同様である。本実施形態の計測装置も、第1実施形態と同様の効果を奏する。
In S207, the
上記実施形態では、用いるパターン光を2つとして説明したが、2より多い互いに周期が異なる複数のパターン光を用いても良い。 In the embodiment described above, two pattern lights are used. However, more than two pattern lights having different periods may be used.
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および変更が可能である。 As mentioned above, although preferable embodiment of this invention was described, this invention is not limited to these embodiment, A various deformation | transformation and change are possible within the range of the summary.
3 パターン生成部
4 投影光学系
5 被計測物
6 ステージ
7 撮像光学系
9 受光部
10 処理部
DESCRIPTION OF
Claims (8)
互いに周期が異なる複数のパターン光を前記被計測物に投影する投影部と、
前記複数のパターン光が投影された前記被計測物を撮像して、各パターン光に対応する画像をそれぞれ取得する撮像部と、
前記画像に基づいて前記被計測物の形状の情報を求める処理部と、を有し、
前記処理部は、
前記複数のパターンのうちいずれかのパターン光に対応する画像の輝度情報と、前記複数のパターン光の位相情報から求められる前記複数のパターン光を合成した合成パターン光の位相情報と、に基づいて前記被計測物の形状の情報を求めることを特徴とする計測装置。 A measuring device for measuring the shape of an object to be measured,
A projection unit that projects a plurality of pattern lights having different periods on the object to be measured;
An imaging unit that images the measurement object onto which the plurality of pattern lights are projected, and obtains an image corresponding to each pattern light;
A processing unit for obtaining information on the shape of the object to be measured based on the image,
The processor is
Based on luminance information of an image corresponding to any one of the plurality of patterns of light and phase information of combined pattern light obtained by combining the plurality of pattern lights obtained from the phase information of the plurality of pattern lights. A measuring apparatus for obtaining information on the shape of the object to be measured.
ここで、roundは小数点以下の四捨五入を表す関数とする。
式(1)により算出される前記合成パターン光の縞次数M1に基づいて前記被計測物の形状の情報を求めることを特徴とする請求項2に記載の計測装置。 The processing unit has M 1 as the fringe order of the combined pattern light, Λ 12 as the period of the combined pattern light, M as the fringe order of any one of the plurality of patterns, and the measurement obtained from the relationship. When the long value is L stage ,
Here, round is a function representing rounding after the decimal point.
Measurement device according to claim 2, wherein the obtaining the information of the shape of the object to be measured based on the fringe order M 1 of the synthetic pattern light calculated by the equation (1).
式(2)により値H2を算出し、
ここで、roundは小数点以下の四捨五入を表す関数とする。
式(3)により値M2を算出し、
式(4)により求められる値H1に基づいて前記被計測物の形状の情報を求めることを特徴とする請求項3に記載の計測装置。 The processing unit has a period of any one of the plurality of patterns as λ 1 , phase information as θ 1 , and phase information of the combined pattern light as Θ 12
The value H 2 is calculated by equation (2),
Here, round is a function representing rounding after the decimal point.
The value M 2 is calculated by equation (3),
Measurement device according to claim 3, wherein the obtaining the information of the shape of the object to be measured based on the value H 1 obtained by Equation (4).
前記複数のパターンの位相情報から、前記複数のパターン光を合成した合成パターン光の位相情報を求め、
求めた位相情報と、前記複数のパターンのうちいずれかのパターン光に対応する画像の輝度情報と、に基づいて前記被計測物の形状の情報を求めることを特徴とする計測方法。 A plurality of pattern lights having different periods are projected onto the object to be measured, the object to be measured on which the plurality of pattern lights are projected is imaged, and the object to be measured is based on an image corresponding to each pattern light. A measurement method for obtaining shape information,
From the phase information of the plurality of patterns, obtain phase information of the combined pattern light obtained by combining the plurality of pattern lights,
A measurement method characterized in that information on the shape of the object to be measured is obtained based on the obtained phase information and luminance information of an image corresponding to any one of the plurality of patterns.
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