(57)【要約】【課題】  迷光を除去して、精度の高い形状測定を行うことが可能な形状測定装置、及び形状測定方法を提供すること。【解決手段】  格子パターンを有するパターン素子３０と、パターン素子３０とビームスプリッタ４０とを介して前記格子パターンを測定対象物６０に投影する投影部と、測定対象物６０に投影された格子パターンをビームスプリッタ４０を介して撮像する撮像部７０と、撮像部７０によって撮像された画像のコントラスト値に基づき測定対象物６０の形状を測定する測定部８２とを有し、ビームスプリッタ４０と測定対象物６０との間に１／４波長板５０を備え、１／４波長板５０に入射させる投影光が直線偏光であり、前記投影光と偏光方向が直交する直線偏光のみを撮像部７０に入射させるように構成されることを特徴とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
格子パターンを有するパターン素子と、
前記パターン素子とビームスプリッタとを介して前記格子パターンを測定対象物に投影する投影部と、
前記測定対象物に投影された格子パターンを前記ビームスプリッタを介して撮像する撮像部と、
前記撮像部によって撮像された画像のコントラスト値に基づき前記測定対象物の形状を測定する測定部とを有し、
前記ビームスプリッタと前記測定対象物との間に１／４波長板を備え、
前記１／４波長板に入射させる投影光が直線偏光であり、前記投影光と偏光方向が直交する直線偏光のみを前記撮像部に入射させるように構成されることを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記ビームスプリッタが、偏光ビームスプリッタであることを特徴とする形状測定装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記パターン素子が、液晶格子であることを特徴とする形状測定装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記ビームスプリッタと前記撮像部との間に、前記投射光と偏光方向が直交する偏光板を備えることを特徴とする形状測定装置。
【請求項５】
請求項１において、
前記パターン素子と前記ビームスプリッタとの間に第１の偏光板を備え、
前記ビームスプリッタと前記撮像部との間に、前記第１の偏光板と偏光方向が直交する第２の偏光板を備えることを特徴とする形状測定装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
光源と前記パターン素子との間にコンデンサレンズを備え、
前記パターン素子と前記ビームスプリッタとの間に第１の投影レンズを備え、
前記ビームスプリッタと前記１／４波長板との間に第２の投影レンズを備え、
前記ビームスプリッタと前記撮像部との間に撮影レンズを備えることを特徴とする形状測定装置。
【請求項７】
格子パターンを有するパターン素子とビームスプリッタと１／４波長板とを介して前記格子パターンを測定対象物に投影するステップと、
前記測定対象物に投影された格子パターンを前記１／４波長板と前記ビームスプリッタとを介して撮像部によって撮像するステップと、
前記撮像部によって撮像された画像のコントラスト値に基づき前記測定対象物の形状を測定するステップとを含み、
前記１／４波長板に入射させる投影光が直線偏光であり、前記投影光と偏光方向が直交する直線偏光のみを前記撮像部に入射させることを特徴とする形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象の形状を測定する形状測定装置及び形状測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、格子パターンを被測定対象に投影し、被測定対象上に投影された格子パターンにかかる画像のコントラストを検出して、基準位置から被測定対象までの距離を測定する形状測定装置が知られている。かかる技術として、例えば特開２００７−１５５３７９号公報に開示される従来技術がある。
【特許文献１】特開２００７−１５５３７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら従来の形状測定装置では、光軸上又は光軸外の迷光によってノイズが発生し、形状測定の精度が低くなるといった問題点があった。
【０００４】
本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、迷光を除去して、精度の高い形状測定を行うことが可能な形状測定装置、及び形状測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）本発明の形状測定装置は、
格子パターンを有するパターン素子と、
前記パターン素子とビームスプリッタとを介して前記格子パターンを測定対象物に投影する投影部と、
前記測定対象物に投影された格子パターンを前記ビームスプリッタを介して撮像する撮像部と、
前記撮像部によって撮像された画像のコントラスト値に基づき前記測定対象物の形状を測定する測定部とを有し、
前記ビームスプリッタと前記測定対象物との間に１／４波長板を備え、
前記１／４波長板に入射させる投影光が直線偏光であり、前記投影光と偏光方向が直交する直線偏光のみを前記撮像部に入射させるように構成されることを特徴とする。
【０００６】
本発明において、直線偏光である投影光は、１／４波長板により円偏光になり測定対象物に投影される。そして測定対象物に反射した光（円偏光）は１／４波長板により投影光と偏光方向が直交する直線偏光になる。そして本発明では、投影光と偏光方向が直交する直線偏光のみを撮像部に入射させるように構成している。
【０００７】
すなわち本発明によれば、投射光が測定対象物に反射した光のみを撮像することができ、投影レンズ表面を反射した光等の迷光を除去して、精度の高い形状測定を行うことができる。
【０００８】
（２）また本発明に係る形状測定装置では、
前記ビームスプリッタが、偏光ビームスプリッタであることを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、投影光を直線偏光にすることができ、且つ投影光と偏光方向が直交する直線偏光のみを撮像部に入射させることができる。
【００１０】
（３）また本発明に係る形状測定装置では、
前記パターン素子が、液晶格子であることを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、格子パターンの格子ピッチや位相、強度分布を簡単に制御することができる。また本発明によれば、投射光を直線偏光にすることができる。
【００１２】
（４）また本発明に係る形状測定装置では、
前記ビームスプリッタと前記撮像部との間に、前記投射光と偏光方向が直交する偏光板を備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、投影光と偏光方向が直交する直線偏光のみを撮像部に入射させることができる。
【００１４】
（５）また本発明に係る形状測定装置では、
前記パターン素子と前記ビームスプリッタとの間に第１の偏光板を備え、
前記ビームスプリッタと前記撮像部との間に、前記第１の偏光板と偏光方向が直交する第２の偏光板を備えることを特徴とする。
【００１５】
本発明によれば、投影光を直線偏光にすることができ、且つ投影光と偏光方向が直交する直線偏光のみを撮像部に入射させることができる。
【００１６】
（６）また本発明に係る形状測定装置では、
光源と前記パターン素子との間にコンデンサレンズを備え、
前記パターン素子と前記ビームスプリッタとの間に第１の投影レンズを備え、
前記ビームスプリッタと前記１／４波長板との間に第２の投影レンズを備え、
前記ビームスプリッタと前記撮像部との間に撮影レンズを備えることを特徴とする。
【００１７】
（７）本発明の形状測定方法は、
格子パターンを有するパターン素子とビームスプリッタと１／４波長板とを介して前記格子パターンを測定対象物に投影するステップと、
前記測定対象物に投影された格子パターンを前記１／４波長板と前記ビームスプリッタとを介して撮像部によって撮像するステップと、
前記撮像部によって撮像された画像のコントラスト値に基づき前記測定対象物の形状を測定するステップとを含み、
前記１／４波長板に入射させる投影光が直線偏光であり、前記投影光と偏光方向が直交する直線偏光のみを前記撮像部に入射させることを特徴とする。
【００１８】
本発明によれば、投射光が測定対象物に反射した光のみを撮像することができ、投影レンズ表面を反射した光等の迷光を除去して、精度の高い形状測定を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本実施形態について説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明される構成の全てが、本発明の必須構成要件であるとは限らない。
【００２０】
図１は、本実施形態の形状測定装置の構成の一例を示す図である。
【００２１】
形状測定装置１は、投影系（投影部）を構成する光源１０、コンデンサレンズ２０、液晶格子３０（パターン素子の一例）、第１の投影レンズ２２、偏光ビームスプリッタ４０（ビームスプリッタの一例）、第２の投影レンズ２４、１／４波長板５０と、観察系を構成する観察レンズ２６、撮像部７０と、制御装置８０とを備える。
【００２２】
投影系を構成する各光学素子は、光軸ＡＸ１上に配置され、観察系を構成する各光学素子は、偏光ビームスプリッタ４０において光軸ＡＸ１から直角に分岐する光軸ＡＸ２上に配置されている。
【００２３】
コンデンサレンズ２０はハロゲンランプ等の光源１０からの光を液晶格子３０に照射するレンズである。
【００２４】
液晶格子３０は、格子パターンを液晶により形成するパターン素子である。本実施形態の液晶格子３０は、画素が縦方向に連続し、横方向に分離したパターン（横方向にピッチを持つパターン）で構成されている。また液晶格子３０の両面には、互いに透過軸方向が平行な２枚の偏光板が設けられている。また液晶格子３０は、液晶ドライバを備え、外部からの制御信号により格子ピッチを変化させる制御、格子パターンの位相を変化させる制御、格子パターンの強度分布を変化させる制御を行うことができる。本実施形態では、図２に示すように、液晶格子３０の格子パターンＬＰを、正弦波状の光強度分布をもつ格子パターンとしている。
【００２５】
第１の投影レンズ２２、第２の投影レンズ２４は、液晶格子３０の格子パターンを測定対象物６０に投影するためのレンズである。
【００２６】
偏光ビームスプリッタ４０は、入射ビームの偏光成分を分離し、９０°の角度をなす２つのビームとして出射するものであり、観察光を透過光の光軸ＡＸ１から分離するものである。偏光ビームスプリッタ４０を透過するビームは、入射面に対して平行な電場ベクトルをもつＰ偏光成分であり、入射ビームに対して直角に出射されるビームは、入射面に直交する電場ベクトルをもつＳ偏光成分である。
【００２７】
形状測定装置１の投影系は、液晶格子３０、第１の投影レンズ２２、偏光ビームスプリッタ４０、第２の投影レンズ２４、１／４波長板５０とを介して、図２に示すような格子パターンＬＰを測定対象物６０に投影する。図１に示すように、第２の投影レンズ２４からは平行光が出射され、測定対象物６０の位置に関わらず倍率は一定である。このようにすると、コントラストの検出を容易に行うことができる。
【００２８】
撮像部７０は、測定対象物６０上に投影された格子パターンＬＰを１／４波長板５０、第２の投影レンズ２４、偏光ビームスプリッタ４０、撮影レンズ２６とを介して撮像し、格子パターンＬＰにかかる画像を取得する。撮像部７０の機能は、ＣＣＤカメラ等により実現できる。
【００２９】
制御装置８０は、測定部８２、制御部８４、記憶部８６を含む。測定部８２や制御部８４の機能は、各種プロセッサ（ＣＰＵ、ＤＳＰ等）のハードウェアや、記憶部８６に格納されたプログラムにより実現できる。記憶部８６は、測定部８２や制御部８４のワーク領域となるものであり、その機能は、ＲＡＭやＲＯＭなどにより実現できる。
【００３０】
測定部８２は、撮像部７０によって撮像された画像の各画素のコントラスト値を位相シフト法、フーリエ変換等により検出する。具体的には、液晶格子３０の格子パターンの位相をπ／２（１／４ピッチ）ずつシフトさせて撮像した４枚の画像の各画素の４つの輝度により各画素のコントラスト値を求めることができる。ここで、位相シフト量を０、π／２、π、３π／２としたときの１点（１画素）における輝度をそれぞれI０、I１、I２、I３とすると、任意の画素（ｘ，ｙ）におけるコントラスト値γ（ｘ，ｙ）は、次式により求めることができる。
【００３１】
【数１】
2010133840.tif 000003
【００３２】
また測定部８２は、検出したコントラスト値に基づき基準位置ＳＰから測定対象物６０までの距離Ｄを各画素について測定し、測定対象物の３次元形状を測定する。なお、基準位置ＳＰは、投影される格子パターンＬＰが結像する位置である。具体的には、図３に示すような、コントラストと基準位置ＳＰからの距離Ｄとの関係を、テーブル情報として記憶部８６に格納しておき、当該テーブルを参照して、検出したコントラスト値に対応する距離Ｄを求めることができる。また、図３に示す曲線をガウス関数にフィッテングすることによりコントラスト値から距離Ｄを求めるようにしてもよい。
【００３３】
制御部８４は、液晶格子３０の格子パターンを制御する。すなわち格子パターンを制御するための制御信号を生成して、生成した制御信号を液晶格子３０の液晶ドライバに対して送信する処理を行う。また制御部８４は、撮像部７０を制御する処理を行う。
【００３４】
図４は、本実施形態における迷光の除去について説明するための図である。
【００３５】
図４に示すように、光源からの光は液晶格子３０を透過することにより直線偏光となる。この直線偏光（投影光）の偏光方向は、液晶格子３０に設けられた偏光板の透過軸方向と平行であり、液晶格子３０上の格子が延びる方向（上下方向）と直交する。次に、この直線偏光は偏光ビームスプリッタ４０を透過して１／４波長板５０に入射し、１／４波長板５０を透過することにより円偏光となり測定対象物６０に投影される。測定対象物６０上で反射した光（観察光）は、１／４波長板５０を透過することにより投影光と偏光方向が直交する直線偏光となる。この直線偏光は偏光ビームスプリッタ４０により撮像部７０の方向に反射され、撮像部７０に入射する。すなわち、投影光と偏光方向が直交する直線偏光のみを撮像部７０に入射させるように構成している。
【００３６】
例えば、偏光ビームスプリッタ４０と１／４波長板５０の間に設置された第２の投影レンズ２４（図１参照）の表面を投影光の一部が反射した場合、当該反射光（迷光）は、投影光と偏光方向が平行な直線偏光であり、偏光ビームスプリッタ４０を透過するため、撮像部７０に入射されることはない。
【００３７】
このように、偏光ビームスプリッタ４０と１／４波長板５０とを備えることで、光軸上或いは光軸外の迷光が撮像部７０に入射することによるノイズの発生を防止し、精度の高い形状測定を行うことができる。
【００３８】
なお、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【００３９】
例えば本実施形態では、パターン素子の一例として、液晶格子３０を用いる場合について説明したが（図１参照）、パターン素子として、フィルム基板或いはガラス基板上に格子パターンが形成された格子を用いるようにしてもよい。
【００４０】
また本実施形態では、ビームスプリッタの一例として、偏光ビームスプリッタ４０を用いる場合について説明したが（図１参照）、ビームスプリッタとして、偏光特性のない無偏光ビームスプリッタやハーフミラーを用いるようにしてもよい。この場合には、ビームスプリッタと撮像部との間に、投影光と偏光方向が直交する偏光板を備える必要がある。また、パターン素子として液晶格子を用いない場合には、パターン素子とビームスプリッタとの間にも、偏光板を備える必要がある。
【００４１】
図５に、パターン素子として、フィルム基板等に格子パターンが形成された格子３２を用い、ビームスプリッタとして、偏光特性のないビームスプリッタ４２を用いた場合の形状測定装置の構成を示す。なお図５中、図１において示した構成と共通する構成には同符号を付し、その説明を省略する。
【００４２】
図５に示す形状測定装置１は、格子３２と第１の投影レンズ２２との間に、投影光を直線偏光にする第１の偏光板９０を備え、ビームスプリッタ４２と撮影レンズ２６との間に、第１の偏光板９０と偏光方向（偏光軸）が直交する第２の偏光板９２（投影光と偏光方向が直交する偏光板）を備える。
【００４３】
格子３２を透過した投影光は、第１の偏光板９０を透過することにより直線偏光となり、ビームスプリッタ４２を透過して１／４波長板５０に入射し、１／４波長板５０を透過することにより円偏光となり測定対象物６０に投影される。測定対象物６０上で反射した光（観察光）は、１／４波長板５０を透過することにより投影光と偏光方向が直交する直線偏光となる。この直線偏光の一部はビームスプリッタ４２により撮像部７０の方向に反射され、第２の偏光板９２を透過して撮像部７０に入射する。すなわち図１に示す構成と同様に、投影光と偏光方向が直交する直線偏光のみを撮像部７０に入射させるように構成している。
【００４４】
例えば、第２の投影レンズ２４の表面を投影光の一部が反射した場合、当該反射光（迷光）の一部はビームスプリッタ４２により撮像部７０の方向に反射されるが、当該反射光は、投影光と偏光方向が平行な直線偏光であり、第２の偏光板９２を透過しないため、撮像部７０に入射されることはない。
【００４５】
このように、第１及び第２の偏光板９０、９２と１／４波長板５０とを備えることで、光軸上或いは光軸外の迷光が撮像部７０に入射することによるノイズの発生を防止し、精度の高い形状測定を行うことができる。
【００４６】
また、図１、図５に示す構成において、撮影レンズ２６と撮像部７０との間に、投影光と偏光方向が直交する偏光板を更に備えるようにしてもよい。このようにすると、より確実に迷光を遮断することができる。
【００４７】
また、図１、５に示す構成において、１／４波長板５０の反射光が撮像部７０に入射されないようにするために、１／４波長板５０を光軸ＡＸ１に対して僅かに傾けて設置するようにしてもよい。同様に、第２の偏光板９２の反射光が撮像部７０に入射されないようにするために、第２の偏光板９２を光軸ＡＸ２に対して僅かに傾けて設置するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本実施形態の形状測定装置の構成の一例を示す図。
【図２】液晶格子の格子パターンの一例を示す図。
【図３】コントラストと基準位置からの距離との関係を示す図。
【図４】迷光の除去について説明するための図。
【図５】変形例について説明するための図。
【符号の説明】
【００４９】
１  形状測定装置、１０  光源、２０  コンデンサレンズ、２２  第１の投影レンズ、２４  第２の投影レンズ、２６  撮影レンズ、３０  液晶格子、３２  格子、４０  偏光ビームスプリッタ、４２  ビームスプリッタ、５０  １／４波長板、６０  測定対象物、７０  撮像部、８０制御装置、８２  測定部、８４  制御部、８６  記憶部、９０  第１の偏光板、９２  第２の偏光板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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