(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
格子状の被測定パターンを、格子状のピクセルパターンを有するＣＣＤカメラにより測定するように構成された表面形状測定装置において、
前記ＣＣＤカメラが、該ＣＣＤカメラのピクセルパターンを前記被測定パターンに対して該ＣＣＤカメラの光軸回り方向に４０〜５０°の範囲内の所定角度ずらすようにして設けられていることを特徴とする表面形状測定装置。
【請求項２】
前記被測定パターンが、被検体の表面近傍に配置されたモアレ格子のパターンであることを特徴とする請求項１記載の表面形状測定装置。
【請求項３】
前記ＣＣＤカメラが、前記所定角度ずれた角度位置と、前記ピクセルパターンと前記被測定パターンとが前記光軸回り方向に関して略一致する角度位置とを選択的に採り得るよう、前記光軸回りに回動可能な構成とされていることを特徴とする請求項１または２記載の表面形状測定装置。
【請求項４】
前記被検体を支持する被検体支持部材が、前記ＣＣＤカメラの回動と連動して前記光軸回りに回動するように構成されていることを特徴とする請求項３記載の表面形状測定装置。
【請求項５】
前記所定角度が、略４５°に設定されていることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載の表面形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばモアレ装置等のようなＣＣＤカメラを用いた表面形状測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、被検体の表面形状を測定する装置として、次のようなモアレ装置が知られている。
すなわち、被検体の表面近傍にモアレ格子を配置した状態で該モアレ格子に光を照射する光源を配置するとともに、その光源とは角度の異なる方向からＣＣＤカメラにより上記被検体を上記格子を通して撮像するように構成されたモアレ装置が知られている。このモアレ装置においては、上記モアレ格子の像と共に、上記被検体の表面に写った該モアレ格子の影もＣＣＤカメラにより撮像されることとなるが、その際、上記モアレ格子の像と影の像とにより発生するモアレ縞を解析することにより、上記被検体の平坦度を測定するようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなＣＣＤカメラを用いたモアレ装置においては次のような問題がある。
【０００４】
すなわち、上記ＣＣＤカメラは、通常そのピクセルが格子状のパターンで配置されている。このため、このピクセルパターンと上記モアレ格子の像あるいはその影のパターンの像とにより、上記モアレ縞とは異なるモアレ縞（以下「疑似モアレ縞」という。）が形成されることがある。そして、このような本来意図しない疑似モアレ縞が形成されてしまうと、モアレ縞解析を精度良く行うことができなくなるという問題がある。
【０００５】
このような問題は、モアレ装置に限らず、格子状の被測定パターンを上記のようなＣＣＤカメラにより測定する表面形状測定装置一般において、起こり得る問題である。
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みなされたもので、格子状の被測定パターンを、格子状のピクセルパターンを有するＣＣＤカメラにより測定するように構成された表面形状測定装置において、測定精度低下の原因となる疑似モアレ縞の発生を防止することができる表面形状測定装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の表面形状測定装置は、格子状の被測定パターンを、格子状のピクセルパターンを有するＣＣＤカメラにより測定するように構成された表面形状測定装置において、
前記ＣＣＤカメラが、該ＣＣＤカメラのピクセルパターンを前記被測定パターンに対して該ＣＣＤカメラの光軸回り方向に４０〜５０°の範囲内の所定角度ずらすようにして設けられていることを特徴とするものである。
【０００８】
本来のモアレ縞の解析等に支障を来たすような疑似モアレ縞が現れるのは、ピクセルパターンと被測定パターンとが直角平行な位置関係またはこれに近い位置関係で配置されているときに顕著に観察されることから、本発明のように、両パターンをＣＣＤカメラの光軸回り方向に所定角度ずらすことにより、有害な疑似モアレ縞発生を防止することができる。
【０００９】
上記「被測定パターン」の具体的構成は特に限定されるものではないが、モアレ装置においては、疑似モアレ縞と峻別してモアレ縞解析を行う必要があることから、上記「被測定パターン」が、被検体の表面近傍に配置されたモアレ格子のパターンである場合には、本発明の構成を採用することが特に効果的である。
【００１０】
上記「ＣＣＤカメラ」は、上記のように所定角度ずれた角度位置（以下「回転位置」という。）に固定された構成としてもよいが、該ＣＣＤカメラを上記光軸回りに回動可能な構成として、上記回転位置と、ピクセルパターンと被測定パターンとが光軸回り方向に関して一致する角度位置（以下「基準位置」という。）とを選択的に採り得るようにすることが、以下の理由から好ましい。
【００１１】
すなわち、一般にＣＣＤは矩形の外形形状を有しているが、上記被測定パターンも矩形の外形形状を有している場合が多い（例えばモアレ格子のパターンの場合等）。このような場合、上記回転位置にＣＣＤカメラをセッティングすると、撮像範囲内に上記被測定パターンを納めにくくなり、また撮像データの処理を行いにくくなる。その点、上記回転位置と上記基準位置とを選択的に採り得るようにし、発生する疑似モアレ縞が測定結果に影響をおよぼすおそれがない測定条件においては上記基準位置で測定を行うようにすれば、効率よく測定を行うことができる。
【００１２】
その際、上記被検体を支持する被検体支持部材を、上記ＣＣＤカメラの回動と連動して上記光軸回りに回動する構成とすれば、上記回転位置にＣＣＤカメラをセッティングした場合においても、撮像範囲と被検体の外形形状とを常に最適な位置関係に設定することが可能となり、これにより効率よく測定を行うことができる。
【００１３】
本発明において、上記「所定角度」の具体的な値は、有害な疑似モアレ縞発生を防止可能な角度範囲内の値であれば特に限定されるものではないが、ピクセルパターンと被測定パターンとが直角平行な位置関係から最も離れた位置関係となる略４５°（４０〜５０°程度）に設定することが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る表面形状測定装置を示す概要図である。
この表面形状測定装置１０は、モアレ装置であって、被検体２を水平に載置支持する被検体支持機構１２と、この被検体支持機構１２の上方において水平方向に延びるように設けられたモアレ格子１４と、このモアレ格子１４の斜め上方に設けられ、該モアレ格子１４に光を照射する光源１６と、モアレ格子１４の真上に設けられ、該モアレ格子１４および被検体２を撮像するＣＣＤカメラ１８と、このＣＣＤカメラ１８を支持するカメラ支持機構２０と、ドライバ２２とを備えてなっている。
【００１５】
上記ＣＣＤカメラ１８は、その光軸Ａｘがモアレ格子１４に対して垂直方向に延びるように配置され、かつ、その光軸Ａｘ回りに回動可能に上記カメラ支持機構２０に取り付けられている。一方、上記被検体支持機構１２は、被検体支持台１２Ａと、この被検体支持台１２Ａを上記光軸Ａｘと同軸の軸線回りに回動可能に支持する回動支持機構１２Ｂとを備えてなっている。そして、これらカメラ支持機構２０および回動支持機構１２Ｂは、上記ドライバ２２の駆動により連動して上記光軸Ａｘ回りに回動するようになっている。
【００１６】
上記モアレ格子１４は、ドライバ２２の駆動により昇降し得るようになっている。
この表面形状測定装置１０においては、上記光源１６から照射された光によるモアレ格子１４の影が被検体２の表面に格子状のパターンで形成されるようになっており、この影のパターンと上記モアレ格子１４のパターンとにより発生するモアレ縞を上記ＣＣＤカメラ１８により撮像して、図示しないモニタ上で観察し解析することにより、上記被検体２の表面の平坦度を測定するようになっている。
【００１７】
図２に示すように、上記ＣＣＤカメラ１８のＣＣＤ２４は、格子状に配置された多数のピクセル２６で構成されており、これら各ピクセル２６相互間には、直交方向に延びる複数の継ぎ目からなる第１および第２の継ぎ目群が形成されている。このため、この格子状のピクセルパターンと上記モアレ格子１４の像あるいはその影のパターンの像とにより、上記モアレ縞とは異なる疑似モアレ縞が形成されるおそれがある。
【００１８】
この疑似モアレ縞を発生させないようにするためには、ピクセルパターンとモアレ格子パターン（上記モアレ格子１４の像のパターン）とを直角平行な位置関係から、ある一定角度以上離せばよいので（これについては後述する）、本実施形態においては、上記カメラ支持機構２０により、上記ＣＣＤカメラ１８を、そのＣＣＤ２４のピクセルパターンとモアレ格子パターン（上記モアレ格子１４の像のパターン）とが光軸Ａｘ回り方向に関して一致する基準位置から最も離れた角度位置、すなわち上記基準位置から４５°回転させた回転位置に位置決めし得るようになっている。
【００１９】
図３〜６は、上記カメラ支持機構２０の詳細構造を示す図であって、図３は、その正面図、図４および５は、図３のIV-IV 線およびV-V 線断面図であり、図６は、図５のVI部拡大図である。
これらの図に示すように、上記カメラ支持機構２０は、カメラホルダ２８と、調整リング３０と、固定板３２とを備えてなっている。
【００２０】
上記カメラホルダ２８は、略リング状に形成された部材であって、その内周部においてボルト３４により上記ＣＣＤカメラ１８を固定支持するようになっている。この固定支持は、上記ＣＣＤカメラ１８を構成する撮像レンズ部１８Ａおよびカメラ本体部１８Ｂのうち、矩形状の平断面形状を有するカメラ本体部１８Ｂの一側面において行われるようになっている。また、上記カメラホルダ２８は、その外周部において上記調整リング３０に上方から緩く嵌め込まれて光軸Ａｘ回りに回動可能に支持されており、上記ドライバ２２（図１参照）に接続されている。さらに、上記カメラホルダ２８の外周面には、周方向に４５°の角度間隔をおいて２つのディテント凹部２８ａ、２８ｂが形成されている。
【００２１】
上記調整リング３０は、上記固定板３２に嵌め込まれて光軸Ａｘ回りに回転可能に支持されている。この調整リング３０の周方向１箇所には、図６に示すように、プランジャ３６が、そのボール３６ａを上記調整リング３０の内周面に突出させるようにして設けられている。上記ボール３６ａは、プランジャ本体３６ｂに収容されたバネ３６ｃの弾性力により、上記ボール３６ａを上記調整リング３０の中心方向に常に付勢するようになっている。
【００２２】
上記固定板３２は、装置本体（図示せず）に固定されており、上記調整リング３０を任意の回転角度位置で位置決め固定することができるようになっている。すなわち、この固定板３２には、光軸Ａｘを中心に９０°間隔で３箇所にボルト孔３２ａが形成されており、これら各ボルト孔３２ａに装着されたボルト３８の先端を上記調整リング３０の外周面に当接させることにより、該調整リング３０の固定を行うようになっている。
【００２３】
上記カメラ支持機構２０においては、図５に示すように、上記カメラホルダ２８のディテント凹部２８ａに上記調整リング３０のプランジャ３６のボール３６ａを係合させたときに上記ＣＣＤカメラ１８が上記基準位置に設定されるよう、上記固定板３２による上記調整リング３０の固定がなされるようになっている。
【００２４】
図５に示す状態から、上記カメラホルダ２８を反時計回りに４５°回転させて、図７に示すように、そのディテント凹部２８ｂに上記調整リング３０のプランジャ３６のボール３６ａを係合させることにより、上記カメラホルダ２８は上記回転位置に設定されることとなる。このカメラホルダ２８の回転は、上述したように、上記ドライバ２２の駆動により行われるが、このとき上記ドライバ２２の駆動により上記回動支持機構１２Ｂも連動して反時計回りに４５°回転し、これにより、上記被検体支持台１２Ａに載置支持された被検体２と上記ＣＣＤカメラ１８との角度位置関係を、上記基準位置にあるときと同じ状態に維持するようになっている。
【００２５】
次に、上記ＣＣＤカメラ１８を上記回転位置に位置決めすることが好ましい理由について詳述する。
まず、モアレ格子がＣＣＤカメラのＣＣＤ面にＣＣＤと等ピッチで結像された場合を考えてみると、これは２枚の等間隔格子の重ね合わせによるモアレ縞と考えることができる。
図８に示すように、等しい格子ピッチＰを持つ２枚の格子Ｇ１、Ｇ２を角度θ傾けて重ね合わせたときに発生する間隔ｄのモアレ縞について考える。
【００２６】
モアレ縞は格子の交叉角θの２等分線に対して直交する方向に発生するから、図より、
Ｌ＝Ｐ／ｓｉｎθ
また、
Ｌ＝ｄ／ｃｏｓ（θ／２）
故に、モアレ縞の縞ピッチｄは、
0003728710.tif 000002
ここでＰ＝１とすると、交叉角θと発生するモアレ縞の間隔（ピッチ）ｄは表１のようになり、またこれをグラフに表わすと、図９のグラフに実線で示すようになる。これらの表およびグラフより、交叉角θ＝６０°のときに、使用した格子Ｇ１、Ｇ２の格子ピッチと等しいピッチのモアレ縞が発生していることがわかる。
【００２７】
また、図１０に示すモアレ縞図形を参照すると、交叉角θ＝３０°まではモアレ縞を認識することができるが、交叉角θ＝６０°になると、もはやモアレ縞を認識することはできない。
【００２８】
ここまでは、ＣＣＤの各ピクセルの一方向の継ぎ目と撮像されたモアレ格子とによりモアレ縞が発生することを述べてきたが、ＣＣＤの各ピクセルは矩形状であることから、直交する継ぎ目も存在する。
【００２９】
この第２の継ぎ目群とモアレ格子とにより形成されるモアレ縞の間隔ｄをグラフに表わすと、図９のグラフに破線で示すようになる。図から明らかなように、直交する２つの継ぎ目群と撮像されたモアレ格子とにより形成されるモアレ縞の間隔ｄが最小になるのは、モアレ格子が２つの継ぎ目群に対して４５°になったときである。
【００３０】
次に、撮像されたモアレ格子のピッチとＣＣＤのピッチとが異なる場合について考えてみる。
図１１に示すように、格子ピッチの異なる２枚の格子Ｇ１、Ｇ２が重なり合ったことを考えればよい。
いま、Ｇ２の格子ピッチがＧ１の１／ｍであったとすると、形成されるモアレ縞のピッチも１／ｍとなる（すなわち、モアレ縞の本数がｍ倍となる）。
【００３１】
このことは、格子ピッチの異なる２つの直線格子群により形成されるモアレ縞は、両者の交叉角が一定であれば、格子ピッチが細かい方の格子の格子定数（ピッチ）でその間隔が決まるということである。
ただし、形成されるモアレ縞のプロファイルは、図１２に示すようになる（なお、ここで格子のデューティ比は、１：１である）。
【００３２】
図１２からも明らかなように、格子ピッチの異なる２つの直線格子群により形成されるモアレ縞は、次の特徴を有する。
(１)  格子ピッチが細かい方の格子の格子ピッチでその間隔が決まる。
(２)  ２つの格子ピッチが異なっていくに従い、モアレ縞の白縞部の透過率Ｔが低下する。
(３)  モアレ縞の黒縞部の透過率Ｔが０ではなくなる。
【００３３】
以上をまとめると、モアレ縞が一番コントラスト良く見えるのは２枚の格子の格子ピッチが等しいときであり、格子ピッチが異なるに従い、コントラストが低下するということである。
【００３４】
以上のことを念頭において、現実のモアレ装置を考えてみる。
すなわち、
・格子Ｇ１（白黒格子）  １００μｍ  （１０〜５００μｍ位が現実的）
・格子Ｇ２（ＣＣＤピクセルピッチ）  約２０μｍ（１／２インチＣＣＤ）
・撮像面積  φ１００ｍｍ
について、計数評価をしてみる。
【００３５】
被検体が１／２インチＣＣＤ上に結像されるのであるから、縮小倍率ｍは、
0003728710.tif 000003
１００μｍの格子Ｇ１もその縮小率で結像されるから、約８μｍの格子となる。すなわち、ＣＣＤピクセルピッチと結像された格子は、約２：１のピッチを持つこととなる。
【００３６】
ところで、図１０から明らかなように、ＣＣＤピクセルの第１の継ぎ目群と結像された格子とが平行におかれたときは、モアレ縞の間隔は無限大に近くなり、各ＣＣＤピクセルには、その全体の明るさが変わるような影響が及んでしまう。したがって、モニタ上でモアレ縞と確認できないようにするためには、各ＣＣＤピクセルに白黒１組以上の縞が形成されなくてはならない。
【００３７】
いま、形成されるモアレ縞のピッチを考えると、１００μｍの格子同士で形成されるモアレ縞の１／５（＝２０／１００）のピッチとなる。
そこで、
ｄ＜２８μｍ
の条件（すなわち、図１３に示すように、ピッチ２０μｍのＣＣＤピクセルの対角線の長さ２８μｍよりもモアレ縞のピッチｄを短くするための条件）をさがすこととする。
【００３８】
表１において、Ｐ＝０．１×（１／５）を代入すると、交叉角４０°で３０μｍとなるので、それ以下の交叉角ではモアレ縞と検知してしまうことが理解できる。また、直交する継ぎ目群に対しても同様のことがいえる。
【００３９】
【表１】
0003728710.tif 000004
【００４０】
以上のことから、交叉角４５°のときに２６μｍとなるため、この辺りが最適ではあるが、４０〜５０°の範囲内であれば、疑似モアレ縞を本来のモアレ縞と検知してしまうのを防止することができる。
【００４１】
以上詳述したように、本実施形態に係る表面形状測定装置においては、ＣＣＤカメラ１８が、その光軸Ａｘ回りに回動可能な構成となっており、ＣＣＤカメラ１８のピクセルパターンとモアレ格子１４のパターンとが光軸Ａｘ回り方向に関して一致する基準位置と、この基準位置から４５°ずれた回転位置とを選択的に採り得るように構成されているので、上記ＣＣＤカメラ１８を上記回転位置にセッティングするようにすれば、上記両パターンによって有害な疑似モアレ縞が発生するのを防止することができる。そして、これにより、上記モアレ格子１４のパターンとその影のパターンによって形成される本来のモアレ縞の観察測定を精度よく行うことができる。一方、疑似モアレ縞発生のおそれがない被検体に対しては上記基準位置で測定を行うようにすれば、効率よく測定を行うことができる。
【００４２】
また、本実施形態においては、カメラホルダ２８の回転に連動して回動支持機構１２Ｂも回転するようになっているので、被検体２とＣＣＤカメラ１８との角度位置関係を、上記回転位置においても上記基準位置にあるときと同じ状態に維持することができる。そして、これにより、ＣＣＤカメラ１８の撮像範囲とモアレ格子１４のパターンの外形形状とを常に最適な位置関係に設定することが可能となり、内にモアレ格子１４の像のパターンおよびその影のパターンを効率よく納めることができ、また撮像データの処理も容易に行うことができる。
【００４３】
なお、上記実施形態においては、カメラホルダ２８と回動支持機構１２Ｂとの連動回転をドライバ２２により行わせるようにしたが、機械的に連結して両者の連動回転を行わせるようにしてもよい。あるいは、両者を連動させずにカメラホルダ２８と回動支持機構１２Ｂとを別個独立に回転させるようにしてもよい。
【００４４】
【発明の効果】
本発明においては、格子状の被測定パターンを、格子状のピクセルパターンを有するＣＣＤカメラにより測定するように構成された表面形状測定装置において、ＣＣＤカメラが、そのピクセルパターンを被測定パターンに対して該ＣＣＤカメラの光軸回り方向に所定角度ずらすようにして設けられているので、測定精度低下の原因となるような有害な疑似モアレ縞発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る表面形状測定装置を示す概要図
【図２】図１の表面形状測定装置のＣＣＤカメラのピクセルの配置を示す説明図
【図３】図１の表面形状測定装置のカメラ支持機構２０の詳細構造を示す正面図
【図４】図３のIV-IV 線断面図
【図５】図３のV-V 線断面図
【図６】図５のVI部拡大図
【図７】図１の実施形態の作用を示す、図５と同様の図
【図８】格子ピッチが等しい２つの直線格子群により形成されるモアレ縞を示す図
【図９】格子ピッチが等しい２つの直線格子群の交叉角とモアレ縞の間隔との関係を示すグラフ
【図１０】格子ピッチが等しい２つの直線格子群の交叉角との関係でモアレ縞図形を示す図
【図１１】格子ピッチが異なる２つの直線格子群により形成されるモアレ縞を示す図
【図１２】格子ピッチが異なる２つの直線格子群の格子ピッチの比率と光の透過率との関係を示す図
【図１３】ＣＣＤピクセルとモアレ縞との関係を示す図
【符号の説明】
２  被検体
１０  表面形状測定装置（モアレ装置）
１２  被検体支持機構
１２Ａ  被検体支持台
１２Ｂ  回動支持機構
１４  モアレ格子（被測定パターン）
１６  光源
１８  ＣＣＤカメラ
１８Ａ  撮像レンズ部
１８Ｂ  カメラ本体部
２０  カメラ支持機構
２２  ドライバ
２４  ＣＣＤ
２６  ピクセル
２８  カメラホルダ
２８ａ、２８ｂ  ディテント凹部
３０  調整リング
３２  固定板
３２ａ  ボルト孔
３６  プランジャ
３６ａ  ボール
３６ｃ  バネ
３８  ボルト
Ａｘ  光軸
【図１】
0003728710.tif 000005
【図２】
0003728710.tif 000006
【図３】
0003728710.tif 000007
【図４】
0003728710.tif 000008
【図５】
0003728710.tif 000009
【図６】
0003728710.tif 000010
【図７】
0003728710.tif 000011
【図８】
0003728710.tif 000012
【図９】
0003728710.tif 000013
【図１０】
0003728710.tif 000014
【図１１】
0003728710.tif 000015
【図１２】
0003728710.tif 000016
【図１３】
0003728710.tif 000017