(57)【要約】【課題】ハーフミラーにより照明光を照射し、かつ被検査体からの光を透過光として観測する装置において、観測したい透過光以外のノイズを効率的に除去する。【解決手段】被検査体の形状を光学的に測定する装置であって、被検査体に照明光を照射する照明光源と、前記照明光のうち所定の偏光成分のみを取り出す第１の偏光素子と、前記照明光を反射して被検査体に照射するハーフミラーと、前記ハーフミラーと被検査体との間に設置された第２の偏光素子と、被検査体からの光を撮像する撮像手段と、撮像手段により得られた被検査体の画像データを記憶および画像処理する処理手段とを備えることを特徴とする形状測定装置。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検査体の形状を光学的に測定する装置であって、被検査体に照明光を照射する照明光源と、前記照明光のうち所定の偏光成分のみを取り出す第１の偏光素子と、前記照明光を反射して被検査体に照射するハーフミラーと、前記ハーフミラーと被検査体との間に設置された第２の偏光素子と、被検査体からの光を撮像する撮像手段と、撮像手段により得られた被検査体の画像データを記憶および画像処理する処理手段とを備えることを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
前記の第１の偏光素子および第２の偏光素子の少なくとも１つが、所定角度ずつ偏光方向を回転可能とする偏光素子回転手段を有することを特徴とする、請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項３】
前記の第１の偏光素子および第２の偏光素子の少なくとも１つが、所定角度ずつ偏光方向を回転するのに同期して、前記撮像手段が撮像を行うことを特徴とする請求項２に記載の形状測定装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の形状測定装置により撮像および記憶された被検査体の複数の画像と、予め設定した離散周期関数をかけて積分することにより、ノイズを除去した被検査体の画像を得ることを特徴とする形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハーフミラーにより照明光を照射し、かつ被検査体からの光を透過光として観測する装置において、観測したい透過光以外のノイズを効率的に除去する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光を使って被検査体を検査、測定する手法はすでにいろいろな分野でいろいろな手法で実用化されている。例として図６（ａ）干渉計、図６（ｂ）ホログラムの概略構成を示す。
【０００３】
図６（ａ）の干渉計としては、代表的なものであるマイケルソン干渉計を示した。ハーフミラー１５は、光源１１から発した光の一部を反射して被検査体１４に照射し、残りを透過させて鏡１３に照射する。被検査体１４からの光および鏡１３からの反射光は、ハーフミラー１５により合成されることにより干渉を起こす。カメラ１２によりこの干渉画像を撮像し、さらに画像解析を行うことによって、被検査体１４の形状情報をひきだす。
【０００４】
図６（ｂ）のホログラムも干渉計と同様で、光源１１より発した光をハーフミラー１５で分割して、一部を直接カメラ１２に照射し、残りを被検査体１４に照射して、被検査体１４による回折光をカメラ１２で撮像する。
【０００５】
以上の例では全てハーフミラーを使用しているが、ハーフミラーは上述の通り、光の一部を反射、残りを透過し光束を分割するのに便利な光学部品である。その形態にはプレート型とキューブ型があるが、機能としては同様のものである。
【０００６】
ハーフミラーは透過と反射の両方を行うことができる便利さがある反面、周囲のいろいろな方向からの光も通してしまうという欠点がある。とくにキューブ型ハーフミラーは立方体形状であり、いろいろな方向からの光を立方体の各面で反射してしまうため光学ノイズが多くなることが多い。このような光学的ノイズの軽減または除去は、とらえたい信号が微弱な場合には、非常に重要な事項である。光学ノイズの原因としては前述のようなミラーで集めてしまうものと、直接被検査体から来るものなどがある。
【０００７】
光学ノイズを軽減または除去する従来技術としては、特許文献１に記載されているものがある。すなわち、直線偏光光源からの光を被検査体に照射し、被検査体からの光を受光素子で受光する際に受光素子の前に偏光子を置くのであるが、被検査体表面からの直接反射光をノイズとして除去するために、反射による偏光面のずれを検出できるように偏光子を調節する、というものである。
【０００８】
また静止画像のノイズ除去には、差分がよく使用される。差分とは図７に示すように、まず被検査体画像とノイズを含む元画像データを取得し、その後、被検査体のない状態、つまりノイズ成分のみの画像データを取得し、そのノイズ成分の画像データを元画像データより差し引き、目的とする画像情報のみを得るものである。
【０００９】
【特許文献１】特開平５−１４２２３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記の特許文献１の技術は被検査体表面の光学的性質に依存したノイズ除去方法であり、ハーフミラーに起因した光学的ノイズの除去を行うことができなかった。
【００１１】
また差分を利用する方法においては、元画像データ中のノイズ成分の強度と、ノイズ成分のみ画像データ中のノイズ成分の強度は、実際には異なっていることが多く、単純な差分では十分なノイズ除去ができないことが多い。これは、ノイズは強度変動しやすいという基本的な性質を持っているためで、これを安定と仮定して差分に適用することに無理がある。たとえば光源が蛍光灯であった場合、光源自身が数１０〜１００ヘルツの振動強度を持っているので、このような光源を使用すると光源起因のノイズも変動するため差分法は使用できないということになる。
【００１２】
本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、光学的ノイズの除去を行う装置を提供することを目標とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の課題を解決するために、請求項１に係る発明は、被検査体の形状を光学的に測定する装置であって、被検査体に照明光を照射する照明光源と、前記照明光のうち所定の偏光成分のみを取り出す第１の偏光素子と、前記照明光を反射して被検査体に照射するハーフミラーと、前記ハーフミラーと被検査体との間に設置された第２の偏光素子と、被検査体からの光を撮像する撮像手段と、撮像手段により得られた被検査体の画像データを記憶および画像処理する処理手段とを備えることを特徴とする形状測定装置としたものである。
【００１４】
また、本発明の請求項２に係る発明は、前記の第１の偏光素子および第２の偏光素子の少なくとも１つが、所定角度ずつ偏光方向を回転可能とする偏光素子回転手段を有することを特徴とする、請求項１に記載の形状測定装置としたものである。
【００１５】
また、本発明の請求項３に係る発明は、前記の第１の偏光素子および第２の偏光素子の少なくとも１つが、所定角度ずつ偏光方向を回転するのに同期して、前記撮像手段が撮像を行うことを特徴とする請求項２に記載の形状測定装置としたものである
【００１６】
また、本発明の請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の形状測定装置により撮像および記憶された被検査体の複数の画像と、予め設定した離散周期関数をかけて積分することにより、ノイズを除去した被検査体の画像を得ることを特徴とする形状測定装置としたものである
【発明の効果】
【００１７】
以上のような構成の形状測定装置により、従来に比べて簡単な装置構成で同等以上のノイズ除去効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下では、本発明に係るノイズ除去方法および装置の実施形態について詳細に説明する。
【００１９】
ノイズ成分に比べて、被検査体画像の信号強度は安定している。そこで被検査体画像の信号を直接検出するように、被検査体画像の信号を変調検出する。つまり、従来技術の強度変調は被検査体画像信号のオン・オフのみであるが、本発明では被検査体画像の信号強度に、三角関数型の周期性を持たせ、三角関数の直交性を利用することを特徴とする。
【００２０】
すなわち、角速度ωｉのｓｉｎ関数を、
ｓｉ（ｔ）＝ｓｉｎ（ωｉ・ｔ）
とすると、
∫ｓｉ（ｔ）・ｓｊ（ｔ）ｄｔ＝δｉｊ（但しδｉｊはクロネッカーのδ）
という性質を持っているので、被検査体画像の信号強度を設定した角速度で変化させ、その角速度の振幅を抽出することで安定したノイズ除去を実現する。
【００２１】
さらに、被検査体画像の信号強度を連続的に変化させてデータ処理することは出来ないので、現実的には離散周期関数を用いる。図１に離散周期関数の例を示す。離散周期関数は、三角関数同様の直交性をもっている。
【００２２】
画像信号強度に図１のような離散周期関数的な挙動を与え、ノイズ除去が可能できるようにする本発明の実施形態の概略構成を図２に示す。
【００２３】
光源波長による影響を最小限とするため、光源１の前方に単色フィルター２を配置し、照明光を単色化している。ただし、もともと単色の光源や、特に単色化する必要がない場合には、単色フィルター２を設置する必要はない。
【００２４】
単色フィルター２の後にさらに偏光素子３を配置し、照明光を単色偏光化する。
【００２５】
単色偏光化した照明光を、平面ミラー４によってハーフミラー５に入射するように導く。本実施形態では平面ミラーを使用して照明光を導いているが、特に光学素子を使用せずに照明光を直接ハーフミラー５に入射するよう光源１を配置してもかまわないし、他の光学素子を使用してもかまわない。
【００２６】
ハーフミラー５に入射した照明光は、被検査体６に照射される。その像をカメラ７で撮像し、元画像データを取得する。
【００２７】
この時、本実施形態ではハーフミラー５と被検査体６との間に、さらに偏光素子８を配置することにより、被検査体像の信号強度のみを離散周期化できるようにしている。
【００２８】
すなわち、偏光素子３および８を所定の角度ずつ回転させて、カメラ７により撮像することを繰り返して、離散関数的な信号強度を持つ元画像群を作る。この元画像群の信号強度は、予め設定した離散周期関数に従うはずである。
【００２９】
したがって、この元画像群に設定した離散周期関数をかけて積分すれば設定周期成分の強度、つまり被検査体画像の信号強度のみが残り、他の成分はゼロとなるのでノイズ除去が可能となる。
【００３０】
離散関数の周期の決め方は、たとえば発生しているノイズが高い周波数の場合は離散関数周期を低くするというように、発生しているノイズ周期と離れた周期としたほうが効率よくノイズ除去できるが、場合によってはこのような手段をとらないこともある。本発明では光源が蛍光灯のように強度が振動性をもつ場合のノイズに関しても適応でき、設定周期以外の振動強度はやはり関数直行性質により除去される。
【００３１】
２つの偏光素子３および８は、カメラ７で観測した透過強度が最大になるような偏光角度位置に予め設定しておく。その後、所定の角度ずつ回転させて同期を取りながらカメラ７で元画像を複数取得し、離散的な信号強度を持つ元画像群を取得する。
【００３２】
元画像群取得後のノイズ除去アルゴリズムを図３に模式的に示す。取得した１枚の元画像データを２次元の行列とし、さらに複数の元画像データから構成されている元画像群を３次元の行列２１とする。
【００３３】
この元画像群の行列２１に、設定した離散周期関数行列２２をかけ、和をとると、１つの２次元行列２３を取得することができる。この２次元行列２３は、被検査体の像を抽出した画像となっている。本実施形態では、元画像および元画像群を行列として扱い計算処理を行ったが、これに限るものではない。
【実施例】
【００３４】
上記の実施形態に従って取得した元画像のうちの１枚を、図４に示す。像の背景に干渉縞のようなノイズがのっていることが確認できる。この像を撮像する際には、図１のような強度周期となるように偏光素子の角度を設定し、偏光素子を所定の角度ずつ回転させて、複数の元画像を取得する。
【００３５】
得られた元画像群に、図１のような離散周期関数的な強度をかけて、和をとった画像を図５に示す。図５では、図４にあった干渉縞のようなノイズＢがかなり除去できている。なお、ノイズＢが若干残っているのは、偏光素子を回転させるときに正確な角度設定ができていなかったことと、画像取得時に光学系に若干の位置ずれがあったためと思われる。
【００３６】
さらに図４にあったノイズＡは、照明光源である蛍光灯による光学ノイズであるが、図５では除去できているのがわかる。
【００３７】
従来技術のノイズ除去は、ノイズと被検査体の光学特性の違いを利用するものが多かった。本発明は被検査体に光学特性を新たに付加し、付加した光学特性を検出することによって高感度な検出をするものである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】離散周期関数の一例である。
【図２】本発明の実施形態である装置の概略構成を示す模式図である。
【図３】元画像群取得後のノイズ除去アルゴリズムを模式的に示した図である。
【図４】本発明の実施形態である装置により取得した元画像のうちの１枚の画像である。
【図５】本発明のノイズ除去を行って得た画像である。
【図６】従来技術である（ａ）干渉計、（ｂ）ホログラムの概略構成を示す図である。
【図７】従来技術である、差分によるノイズ除去方法を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１・・・光源
２・・・単色フィルター
３・・・偏光素子
４・・・平面ミラー
５・・・ハーフミラー
６・・・被検査体
７・・・カメラ
８・・・偏光素子
１１・・光源
１２・・カメラ
１３・・平面ミラー
１４・・被検査体
１５・・ハーフミラー
２１・・元画像群行列（被検査体の像“三”にノイズが入っている様子を示す。）
２２・・離散周期関数行列
２３・・被検査体の像を抽出した画像
Ａ・・・照明光源（蛍光灯）のちらつきによるノイズ
Ｂ・・・干渉縞のようなノイズ
【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】
2008203177.tif 000007
【図６】
2008203177.tif 000008
【図７】
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