(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体の表面とモアレ格子面との間で発生するモアレ縞を撮像するステップと、該撮像されたモアレ縞画像に基づき前記被検体の表面の凹凸形状を解析するステップとを含むモアレ縞解析のためのアライメント方法において、
前記モアレ縞を撮像するステップと、前記被検体の表面の凹凸形状を解析するステップとの間に、前記被検体の表面の凹凸形状を解析するステップと略同様の手段および手法を用いて、前記撮像されたモアレ画像に基づき該被検体の表面の傾斜を算出するステップを有し、該被検体の表面の傾斜を算出するステップにおける算出結果に基づき、該被検体の表面と前記モアレ格子面とが略平行となるように前記被検体の傾きを調整することを特徴とするモアレ縞解析のためのアライメント方法。
【請求項２】
前記被検体の表面の傾斜を算出するためのモアレ縞を撮像する際の被検体の位置が、前記被検体の表面の凸凹形状を解析するためのモアレ縞を撮像する際の被検体の位置よりも前記モアレ格子面から離れるように設定されてなることを特徴とする請求項１記載のモアレ縞解析のためのアライメント方法。
【請求項３】
前記被検体が、前記モアレ格子面と平行で、互いに直交するｘ、ｙ２軸上での、これら２軸と互いに直交するｚ軸方向の傾きを可変とし得る被検体支持手段上に載設されることを特徴とする請求項１もしくは２記載のモアレ縞解析のためのアライメント方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はモアレ縞解析のための、モアレ格子面と被検体表面とのアライメントを調整する方法に関し、詳しくは、該２つの面の間で生じるモアレ縞を撮像し、その撮像されたモアレ縞画像に基づいてこれら２つの面が略平行となるように調整するアライメント方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
モアレ縞計測法は、ダイレクトかつ非接触で物体表面の等高線画像を作成できるという利点から種々の被検体の表面計測に用いられている。
モアレ縞計測法では所定の細かいピッチで基準格子が形成されたモアレ格子板を用い、このモアレ格子板の基準格子の像を点光源からの照射光により物体表面上に投影する。物体表面に凸凹が形成されていると、上記投影された基準格子の像はこの物体表面形状に応じて変形を受けた変形格子となり、上記光照射方向とは別方向からこの物体表面を見ると、この変形格子と基準格子の重なりによって物体の表面形状を示す等高線モアレ縞が観察される。
【０００３】
この得られたモアレ縞に基づき物体表面の形状を解析する手法がモアレ縞解析法であり、近年、このモアレ縞を少しづつシフトさせつつ、該モアレ縞画像を複数回撮像し、撮像された該モアレ縞画像の変化をコンピュータ解析することにより高精度な物体表面形状を表示部上に再現するようにした、いわゆるフリンジスキャニング法によるモアレ縞解析法も知られている。
【０００４】
ところで、このようなモアレ縞の解析を行なうためにはコントラストの良いモアレ縞を得る必要がある。一般に、格子照射型の装置においてはコントラストの良いモアレ縞はモアレ格子面と物体表面との間隔を極めて短くする必要があり、例えば３ｍｍ以下とする必要がある。
そこで、モアレ縞を解析する装置においては、物体保持移動手段により物体を保持して上下方向に移動せしめ、該物体表面がモアレ格子面と所定間隔となる位置で停止せしめてコントラストの良好なモアレ縞を観察できるようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記物体保持移動手段により物体を保持させた際に、この物体表面と上記モアレ格子面の平行度を良好とすることが難しい。
物体保持移動手段による物体保持状態や物体表面自体の傾斜によって上記２つの面の平行度がどうしても不良となり、この結果オペレータが上記２つの面間の距離を所定の値に設定したと思っていても、物体の一部表面についてのモアレ縞のコントラストが不良となったり、極端な場合には傾斜した物体表面の一部がモアレ格子面に衝突するという事故も生じ得る。
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みなされたもので、モアレ縞により物体表面の凸凹形状を解析する際に、物体表面とモアレ格子面を容易に略平行に設定し得るモアレ縞解析のためのアライメント方法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】
本発明のモアレ縞解析のためのアライメント方法は、被検体の表面とモアレ格子面との間で発生するモアレ縞を撮像するステップと、該撮像されたモアレ縞画像に基づき前記被検体の表面の凹凸形状を解析するステップとを含むモアレ縞解析のためのアライメント方法において、
前記モアレ縞を撮像するステップと、前記被検体の表面の凹凸形状を解析するステップとの間に、前記被検体の表面の凹凸形状を解析するステップと略同様の手段および手法を用いて、前記撮像されたモアレ画像に基づき該被検体の表面の傾斜を算出するステップを有し、該被検体の表面の傾斜を算出するステップにおける算出結果に基づき、該被検体の表面と前記モアレ格子面とが略平行となるように前記被検体の傾きを調整することを特徴とするものである。
【０００８】
また、前記被検体の表面の傾斜を算出するためのモアレ縞を撮像する際の被検体の位置が、前記被検体の表面の凸凹形状を解析するためのモアレ縞を撮像する際の被検体の位置よりも、前記モアレ格子面から離れるように設定されることが望ましく、さらに、前記被検体が、前記モアレ格子表面と平行で互いに直交するｘ、ｙ２軸上での、これら２軸と互いに直交するｚ軸方向の傾きを可変とし得る被検体支持手段上に載設されるのが望ましい。
【０００９】
【作用および発明の効果】
前述したように、本発明方法においては、被検体表面の凸凹形状を解析する前の調整段階において、撮像されたモアレ縞画像に基づいて被検体表面の傾斜を算出し、この算出結果に基づき被検体表面がモアレ格子面と略平行となるようにその傾きを調整している。
【００１０】
このように、モアレ縞画像の撮像および被検体表面の傾斜の算出という操作は実際に被検体表面の凸凹形状を解析する際に行なわれる操作と略同様の手段および手法（例えば位相シフト法）を用いて行なわれることから、その傾斜は極めて容易に算出することができ、これにより被検体表面の凸凹形状を解析する本測定を上記２つの表面が略平行とされた状態で容易に行なうことができる。
上記本発明方法によれば、物体表面の全面についてモアレ縞を良好なコントラストのものとすることができ、また、物体表面の一部とモアレ格子面が衝突するという不測の事態を回避することができる。
【００１１】
また、上記本発明において上記被検体表面の傾斜を算出するためのモアレ縞を撮像する際の被検体位置が、上記被検体表面の凸凹形状を解析するためのモアレ縞を撮像する際の被検体位置よりも、上記モアレ格子面から離れるように設定されるようにすれば、アライメント調整操作を行なう際において上記２つの面の接触を防止し得る。
【００１２】
さらに、上記被検体が、上記モアレ格子面と平行で、互いに直交するｘ、ｙ２軸上での、これら２軸と互いに直交するｚ軸方向の傾きを可変とし得る被検体支持手段上に載設されるようにすれば、アライメント調整操作において被検体支持手段の傾きを自由に変更して被検体表面が上記モアレ格子面と略平行となるように容易に調整し得るのでこれら２つの面のアライメント操作が容易となる。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
図１０は、本発明方法を実施するためのモアレ縞解析装置を示す概略図である。
図１０に示すように、この装置１１０は、ミラーやフィルタ等の光学部材の表面凸凹形状を、モアレ縞を利用して解析する装置であって、モアレ格子１１２と、被検体支持移動機構（以下、ステージと称する）１１４と、縞走査用アクチュエータ１１６と、白色光源１１８と、ＣＣＤカメラ１２０と、モアレ縞観察用ディスプレイ１２２と、コントローラ１２４と、ドライバ１２６と、近接センサ１２８とを備えている。
【００１４】
上記モアレ格子１１２は、水平に配置されたガラス板の下面に等ピッチの縞が形成されてなり、縞走査用アクチュエータ１１６により上下方向に移動可能とされている。
【００１５】
上記ステージ１１４は、昇降機構１３０と２軸アオリ台１３２とからなっている。昇降機構１３０は、モータ１３４によりＺステ−ジ（以下パンタグラフと称する）１３６を駆動して台座１３８に対して上板１４０を上下動させるようになっており、２軸アオリ台１３２は、昇降機構１３０の上板１４０に固定された基準板１４２とその上方に配置された支持板１４４とからなり、２つのモータ１４６、１４８により支持板１４４を基準板１４２に対して所定の支持点回りに直交２方向に傾動させるようになっている。そして、これにより、ステージ１１４は、その支持板１４４に載置された被検体１０２をモアレ格子１１２に近づけるとともに、この被検体１０２をモアレ格子１１２に対して平行に配置することができるようになっている。
【００１６】
上記縞走査用アクチュエータ１１６および各モータ１３４、１４６、１４８の駆動は、ドライバ１２６を介してコントローラ１２４により行われるようになっている。
また、上記白色光源１１８は、モアレ格子１１２に対して、縞走査用アクチュエータ１１６とは反対側の斜め上方から、モアレ格子１１２に光ビームを照射するようになっている。また、上記ＣＣＤカメラ１２０は、モアレ格子１１２の真上に配置されている。これにより、白色光源１１８からの光ビームにより被検体１０２の表面に形成されるモアレ格子１１２の影とモアレ格子１２１自体の像とでモアレ縞を形成させ、これをＣＣＤカメラ１２０で撮像するようになっている。
【００１７】
上記モアレ縞観察用ディスプレイ１２２は、ＣＣＤカメラ１２０で撮像されたモアレ縞の拡大像を画面上に映し出して観察に供するようになっている。また、このモアレ縞観察用ディスプレイ１２２に取り込まれた画像データはコントローラ１２４に入力されるようになっている。
【００１８】
上記コントローラ１２４には、ステージ１１４から、その昇降機構１３０の上下駆動位置および２軸アオリ台１３２の２方向の傾斜角度位置のデータが入力されるようになっており、これらデータから被検体１０２の姿勢（表面形状）を演算するようになっている。そして、コントローラ１２４は、ＣＣＤカメラ１２０で撮像されたモアレ縞の全体像と被検体１０２の姿勢（表面形状）とを、そのディスプレイの画面上に並べて映出するようになっている。
【００１９】
次に、本発明の実施例に係るモアレ縞解析のためのアライメント方法について図１〜９を参照しつつ説明する。
まず、図１のフローチャートに示される操作を実行する前に上記ディスプレイ１１２上での長さ校正を行なう。この長さ校正は、ディスプレイ１２２上でのスケール値が実際にはどの程度のスケール値となるかの換算を行なうものであり、具体的にはスケールをディスプレイ１２２上に映出し、映出されたスケールの目盛り値に対するディスプレイ１２２上での距離を算出する。このようにして算出された校正値はコントローラ１２４内のメモリに格納しておく。
【００２０】
次に、図１に示すように、被検体１０２を載設したステージ１１４を昇降機構１３０を用いてＺ軸方向（上下方向）に上昇させる（Ｓ１）。このステージ１１４のＺ軸方向への移動は、前述したようにコントローラ１２４からモータドライバ１２６への指令信号に応じたＺ軸方向駆動モータ１３４の駆動により行なわれる。このステージ１１４の上昇操作は前述した近接センサ１２８がステージ１１４（通常は被検体１０２）を検知した時点で停止する（Ｓ２）。
【００２１】
この近接センサ１２８は簡単に表わすと、図２に示すようにモアレ格子１１（１１２）と、ステージ１３（１１４）上に載設保持された被検体１２（１０２）との間に位置するように配された前述した如き構成の平面センサであって、この近接センサ１２８において、光源１４からの光１５が受光器１６に入射されなくなった場合にコントローラ１２４はステージ１３と被検体１２のうちの最上部がこの位置まで上昇したと判断する。
【００２２】
なお、上記近接センサ１２８についてより詳しく説明すると、光源１４からの光１５が受光器１６に入射されるまでに、内向きにして互いに平行に配された１対のミラー間をラスター状に複数回に亘り往復反射されるようになっており、どの位置においてもビームが遮断されれば物体がこの近接センサ１２８の位置に到達したことを検出することができる。
次に、コントローラ１２４からの指示に基づきステージ１３をＺ軸方向に５ｍｍ下降させる（Ｓ３）。このステージ１３の下降操作は前述したＺ軸方向駆動モータ１３４の駆動により行なわれる。この状態で、ステージ１３と被検体１２のうちの最上部は近接センサ位置から５ｍｍだけ下がった位置に設定されている。
【００２３】
次に、モアレ格子１１をＺ軸方向に下降させる（Ｓ４）。この下降操作は前述した縞操作用アクチュエータ１１６により行なわれる。このモアレ格子１１の下降操作は前述した近接センサ１２８がこのモアレ格子１１を検知した時点で停止される（Ｓ５）。この停止操作は近接センサ１２８からの検知信号に基づきコントローラ１２４が縞操作用アクチュエータ１１６に下降信号を送出することによりなされる。
【００２４】
次に、コントローラ１２４からの指示に基づきモアレ格子１１をＺ軸方向に３ｍｍ上昇させる（Ｓ６）。このモアレ格子１１の上昇は前述した縞操作用アクチュエータ１１６により行なわれる。この状態で、モアレ格子１１の底面（モアレ格子面）は近接センサ位置から３ｍｍだけ上がった位置に設定され、またモアレ格子１１の底面と、ステージ１３と被検体１２のうち最上部との間隔は８ｍｍに設定される。
【００２５】
次に、モアレ格子１１を０．５ｍｍきざみで下降させ、近接センサ１２８の出力値が７０％以下まで低下した時点でモアレ格子１１の下降操作を停止する（Ｓ７，Ｓ８）。この下降操作はコンピュータからの指示に基づき前述した縞解析用のアクチュエータの駆動により行なわれる。
なお、この状態ではモアレ格子面と被検体とが５ｍｍ以上離れておりモアレ縞のコントラストは余り良好でなくなるが、アライメント調整のための情報を得るだけであるからも、それ程問題とならない。
【００２６】
次に、モアレ格子１１のモアレ格子面と被検体１２の被検面との間で生じるモアレ縞を前述したＣＣＤカメラ１２０により撮像し、この得られたモアレ縞画像に基づき被検面の形状を解析する（Ｓ９）。
なお、このモアレ縞画像には画像処理により、図３に示す如き中央部分２１のみがノンマスクとされたマスク２０が重畳され、これにより、被検面の中央部分のみの形状が解析される。すなわち、図４に示す如く、マスク３０によりマスク部３３ではないノンマスク部３２の干渉縞画像３１のみが解析の対称となる。
【００２７】
この面形状解析は本測定の前段階としての性格を有していることから予備測定とも称され、具体的な解析手法としては干渉縞解析においても周知の位相シフト法（フリンジスキャニング）の計算手法を用いて行なわれる。
このような解析手法を用いて得られた被検面形状は、例えば図５に示す如き三次元的に表された形状４０でディスプレイ１２２上に映出される。
【００２８】
次に、得られた被検面の形状を最小２乗法を用いて所定の平面に近似させるようにし（Ｓ１０）、平面の式ｚ＝ａｘ＋ｂｙ＋ｃにおいて各係数（ａ，ｂ，ｃ）値を得る（Ｓ１１）。
次に、図６に示す如く、ノンマスク部５１に対する外接方形５３を求め、その外接方形５３の中心位置５２を求める（Ｓ１２）。
次に、ディスプレイ１２２上でこの外接方形５３の中心位置５２から上下左右４方向でマスク部３３にぶつかる手前の所定位置を認識し、図７に示すごとくそれら各所定位置（Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３）の座標を算出する（Ｓ１３）。
【００２９】
次に、上記ステップ１１（Ｓ１１）で得られた平面の式から各位置（Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３）における高さｚの座標値を得る（Ｓ１４）。
次に、各位置（Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３）におけるｘ，ｙ，ｚの各座標に基づき、上記被検面を近似させた平面の垂直，水平各方向の実際の傾きを得る（Ｓ１５）。
最後に、ステージ１３のｘ，ｙ軸上でのアオリ量を調整して、このステージ１３上の被検体１２の被検面とモアレ格子１１の格子面とが互いに平行となるように設定する（Ｓ１６）。
【００３０】
なお、上記ステップ１５（Ｓ１５）およびステップ１６（Ｓ１６）における操作では、前述した如くしてコントローラ１２４のメモリ内に格納されていた校正値（ディスプレイ１２２上での距離を実際の距離に校正するための換算値）が用いられる。
このようにしてアライメント調整された状態で被検面の凸凹形状を高精度で解析する本測定が行なわれる。
【００３１】
また、図８および図９はステージ１３の態様の概略を示すものであって、図８は２つのモータ６１Ａ，６１Ｂを用いて駆動される２軸アオリ台６０が、台座６３上に支持され、Ｚ軸方向（上下方向）に伸縮（モータ駆動）自在のパンタグラフ上に搭載されてなるステージ１３Ａ（図１に示すステージ３０と実質的に同一機能）を示すものであり、また、図９は１つのモータ７１を用いて駆動される１軸アオリ台７０とそのアオリ台７０上に固設された回転ステージ７０Ａが、台座７３上に支持された、ｚ軸方向（上下方向）に伸縮（モータ駆動）自在のパンタグラフ上に搭載されてなるステージ１３Ｂを示すものである。
【００３２】
これら２つのステージ１３Ａ，１３Ｂは共にこのステージ１３Ａ，１３Ｂ上に載設保持した被検体１２をいずれの方向にも容易に傾斜させることが可能である。
なお、本発明のモアレ縞解析のためのアライメント方法としては上記実施例のものに限られるものではなく、例えばステージとモアレ格子の移動順序、あるいは、その移動量は適宜選択することが可能である。
また、上述したアライメント調整のための面形状解析に用いられる計算手法としてはその面の傾きを算出できるものであればよく、必ずしも位相シフト法による手法に限られるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を説明するためのフローチャート
【図２】モアレ格子、被検体、ステージおよび近接センサの位置関係を示す概略図
【図３】モアレ縞画像に重畳させるマスクを示す概略図
【図４】モアレ縞画像にマスクを重畳させた状態を示す概略図
【図５】モアレ縞解析により得られた被検面形状を３次元的に示す概略図
【図６】マスクの外接方形の中心位置を得る操作を説明する概略図
【図７】被検面の傾きを得るための各座標位置を設定する操作を説明する概略図
【図８】ステージの一態様を示す概略図
【図９】ステージの一態様を示す概略図
【図１０】本発明方法を実施するための解析装置を示す概略図
【符号の説明】
１１，１１２    モアレ格子
１２，１０２    被検体
１３，１３Ａ，１３Ｂ，３０    ステージ
１４，１８    光源
１６    受光器
２０，３０    マスク
３１    モアレ縞画像
６０，１３２    ２軸アオリ台
６１Ａ，６１Ｂ，７１，１４６，１４８    モータ
６２，７２，１３６    パンタグラフ
７０    １軸アオリ台
７０Ａ    回転ステージ
【図１】
0003606533.tif 000002
【図２】
0003606533.tif 000003
【図３】
0003606533.tif 000004
【図４】
0003606533.tif 000005
【図５】
0003606533.tif 000006
【図６】
0003606533.tif 000007
【図７】
0003606533.tif 000008
【図８】
0003606533.tif 000009
【図９】
0003606533.tif 000010
【図１０】
0003606533.tif 000011