(57)【要約】【課題】計測精度を向上させるのに有利な計測方法を提供する。【解決手段】この計測方法は、三角測量の原理を用いて被検面の位置を計測する方法であり、被検面に対して照明光を照射し、被検面からの照明光の光強度分布を検出する第１の工程と、第１の工程で検出された光強度分布においてピーク部分が複数存在する場合に、複数のピーク部分の各々について、特定の閾値におけるピーク幅とピーク部分のピーク位置とを求める第２の工程Ｓ１０１と、複数のピーク部分の各々について、ピーク位置に基づいて複数のピーク部分の各々で異なる基準ピーク幅を設定する第３の工程Ｓ１０３と、第２の工程で求められたピーク幅と、第３の工程で設定された基準ピーク幅との差分に基づいて、複数のピーク部分のうち被検面の位置を求めるためのピーク位置を特定して、特定したピーク位置から被検面の位置を求める第４の工程Ｓ１０４とを含む。【選択図】図５
2016024067.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三角測量の原理を用いて被検面の位置を計測する方法であって、
前記被検面に対して照明光を照射し、前記被検面からの前記照明光の光強度分布を検出する第１の工程と、
前記第１の工程で検出された前記光強度分布においてピーク部分が複数存在する場合に、複数の前記ピーク部分の各々について、特定の閾値におけるピーク幅と、前記ピーク部分のピーク位置とを求める第２の工程と、
前記複数のピーク部分の各々について、前記ピーク位置に基づいて前記複数のピーク部分の各々で異なる基準ピーク幅を設定する第３の工程と、
前記第２の工程で求められた前記ピーク幅と、前記第３の工程で設定された前記基準ピーク幅との差分に基づいて、前記複数のピーク部分のうち前記被検面の位置を求めるためのピーク位置を特定して、特定したピーク位置から前記被検面の位置を求める第４の工程と、
を含むことを特徴とする計測方法。
【請求項２】
前記第３の工程にて、前記照明光のビーム幅に基づいて前記基準ピーク幅を設定することを特徴とする請求項１に記載の計測方法。
【請求項３】
前記被検面の角度を求める第５の工程を含み、
前記第３の工程にて、前記被検面の角度に基づいて前記基準ピーク幅を設定することを特徴とする請求項１に記載の計測方法。
【請求項４】
前記被検面と、前記照明光を照射する計測プローブとを相対移動させて、前記被検面上の複数の異なる位置のそれぞれについてピーク位置を取得する第６の工程を含み、
前記第５の工程にて、前記第６の工程で求められた複数のピーク位置に基づいて前記被検面の角度を求ることを特徴とする請求項３に記載の計測方法。
【請求項５】
前記第５の工程にて、前記被検面の角度を、前記照明光を照射する計測プローブとは異なる計測装置が計測した前記被検面の角度情報に基づいて求めることを特徴とする請求項３に記載の計測方法。
【請求項６】
前記第５の工程にて、前記被検面の角度を、予め存在する設計値としての３次元情報に基づいて求めることを特徴とする請求項３に記載の計測方法。
【請求項７】
被検面の位置を計測する計測装置であって、
前記被検面に対して照明光を照射する照明部、および、画素の集合で構成され、前記被検面からの前記照明光の光強度分布を検出する受光素子を含む計測プローブと、
前記計測プローブからの出力に基づいて前記位置を求める制御部と、
を有し、
前記制御部は、
前記計測プローブにより検出された光強度分布においてピーク部分が複数存在する場合に、複数の前記ピーク部分の各々について、特定の閾値におけるピーク幅と、前記ピーク部分のピーク位置とを求め、
前記複数のピーク部分の各々について、前記ピーク位置に基づいて前記複数のピーク部分の各々で異なる基準ピーク幅を設定し、
前記特定の閾値におけるピーク幅と前記基準ピーク幅との差分に基づいて、前記複数のピーク部分のうち前記被検面の位置を求めるためのピーク位置を特定して、特定したピーク位置から前記被検面の位置を求める、ことを特徴とする計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測方法および計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被検体の寸法や形状を計測する計測装置として、高密度な多点の計測データを一度に取得できる非接触式の計測プローブを用いた３次元計測装置がある。そして、非接触プローブとしては、例えば三角測量方式のものが用いられ得る。三角測量方式の非接触プローブは、まず、照明部から出射されたレーザー光を被検体に照射し、その反射光を受光レンズでイメージセンサー上に結像させる。そして、その非接触プローブは、受光した光強度に応じたデジタル画像情報に変換し、輝点の結像の位置から三角測量の原理で演算処理を実行することで被検体の位置を計測する。しかしながら、上記のような計測装置では、被検体に照射された光が被検体の表面（被検面）で複数回反射されることがあり、複数回反射された光がイメージセンサーの受光面に入射すると、受光した光強度に応じたデジタル画像情報に複数のピークが現れる。ここで、デジタル画像情報におけるピークとは、頂点のみに限らず、山型のプロファイル全体も含み得る。そして、このような多重反射による迷光の発生は、被検体の正確な３次元形状の取得を妨げるため望ましくない。そこで、特許文献１は、受光した光強度分布のピーク部分における幅が予め固定された幅を超える場合に、そのピーク部分が計測信号として正常な信号光であると判定することで、迷光を取り除く光式センサーを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３６９５１７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、迷光に相当する光強度ピーク部分の幅は、三角測量型センサーと被検体との相対的な位置や姿勢または被検体の粗さにより大きく変動する。したがって、特許文献１に開示されている技術を用いて固定の幅を設定したとしても、迷光であるにも係わらず、信号光と判定されてしまう可能性がある。
【０００５】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、例えば、計測精度を向上させるのに有利な計測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は、三角測量の原理を用いて被検面の位置を計測する方法であって、被検面に対して照明光を照射し、被検面からの照明光の光強度分布を検出する第１の工程と、第１の工程で検出された光強度分布においてピーク部分が複数存在する場合に、複数のピーク部分の各々について、特定の閾値におけるピーク幅と、ピーク部分のピーク位置とを求める第２の工程と、複数のピーク部分の各々について、ピーク位置に基づいて複数のピーク部分の各々で異なる基準ピーク幅を設定する第３の工程と、第２の工程で求められたピーク幅と、第３の工程で設定された基準ピーク幅との差分に基づいて、複数のピーク部分のうち被検面の位置を求めるためのピーク位置を特定して、特定したピーク位置から被検面の位置を求める第４の工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、例えば、計測精度を向上させるのに有利な計測方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る計測装置の構成を示す図である。
【図２】非接触プローブの構成を示す図である。
【図３】信号光と迷光とが同時にイメージセンサーに結像する状態を示す図である。
【図４】信号光と迷光との光強度に応じた画像信号を示すグラフである。
【図５】第１実施形態における信号光特定工程の流れを示すフローチャートである。
【図６】ステージ位置とピーク位置との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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。
【００１０】
（第１実施形態）
まず、本発明の第１実施形態に係る計測方法および該計測方法を適用する計測装置について説明する。図１は、本実施形態に係る計測装置１の構成を示す概略斜視図である。計測装置１は、部品、または部品を製造するための金型などを被検体Ｗとし、被検体Ｗの位置を非接触で計測する非接触３次元計測装置である。なお、以下の各図において、被検体Ｗが定盤２上に載置された状態での平面内に互いに直交するＸ軸およびＹ軸を取り、ＸＹ平面に垂直（本実施形態では非接触プローブ１１と被検体Ｗとが向かい合う方向）にＺ軸を取っている。計測装置１は、駆動ステージと、制御部１２とを有する。
【００１１】
駆動ステージは、非接触プローブ１１をＸＹＺの３軸方向に移動自在とし、被検体Ｗを搭載する定盤２と、Ｙキャリッジ３と、Ｘスライダー４と、Ｚスピンドル５とを含む。Ｙキャリッジ３は、Ｚ軸方向に延びる一対の脚部を有し、互いの上端部（Ｚ軸方向プラス側）は、Ｘビーム６で連結している。Ｙキャリッジ３の各脚部の下端部（Ｚ軸方向マイナス側）は、定盤２の両側に配置されたエアガイドに連結し、このエアガイドは、Ｙキャリッジ３をＹ軸方向に移動自在に支持する。Ｘビーム６は、Ｘスライダー４を、エアガイドを介してＸ軸方向に移動自在に支持する。Ｘスライダー４は、Ｚスピンドル５を、エアガイドを介してＺ軸方向に移動自在に支持する。Ｚスピンドル５は、その下端部に、回転ヘッド１０を介して非接触プローブ１１を支持する。
【００１２】
また、駆動ステージは、非接触プローブ１１のＸＹＺの位置座標を読み取るＹ座標計測用のリニアエンコーダ７と、不図示であるがＸ座標計測用とＺ座標計測用との各リニアエンコーダとを有する。Ｙ座標計測用のリニアエンコーダ７は、Ｙキャリッジ３の一方の脚部近傍に設置されている。Ｘ座標計測用のリニアエンコーダは、Ｘビーム６に設置されている。Ｚ座標計測用のリニアエンコーダは、Ｚスピンドル５に設置されている。
【００１３】
また、Ｙキャリッジ３をＹ軸方向に移動させるための駆動部として、駆動ステージは、定盤２に設置されるＹシャフト１３と、Ｙキャリッジ３に設置されるＹ可動部８とを有する。Ｘスライダー４をＸ軸方向に移動させるための駆動部として、駆動ステージは、Ｙキャリッジ３に設置されるＸシャフト１４と、Ｘスライダー４に設置されるＸ可動部９とを有する。Ｚスピンドル５をＺ軸方向に移動させるための駆動部として、駆動ステージは、Ｘスライダー４に設置される不図示のＺシャフトと、Ｚスピンドル５に設置される不図示のＺ可動部とを有する。また、駆動ステージは、Ｚスピンドル５の先端部に、非接触プローブ１１の姿勢を変化させるための回転ヘッド１０を有する。回転ヘッド１０は、Ｚ軸周りの回転およびＸＹ軸周りの回転を可能とする。そして、回転ヘッド１０の先端には、非接触プローブ１１が設置される。なお、上記の駆動ステージの構成は一例であって、例えば、このうちの一部の機構のみで構成されるものであってもよい。
【００１４】
図２は、非接触プローブ１１の構成を示す概略図である。非接触プローブ１１は、本実施形態では、光切断方式（ライン光投影型の三角測量方式）を採用した計測プローブであるものとする。光切断方式の測長原理は、被検体Ｗにライン光（照明された形がライン状となる照明光）３０を照明し、被検体Ｗの表面（被検面）形状に応じて生じるラインの歪み量をピーク検出により検出し、ラインの歪み量に基づいて被検体Ｗの高さ情報を求めるものである。非接触プローブ１１は、ライン光を被検体Ｗに照明する照明部１５と、照明部１５とは異なる角度から被検体Ｗに照明されたラインを撮像する撮像部１６とを含む。照明部１５は、半導体レーザー２０と、シリンドリカルレンズ２１とを含み、半導体レーザー２０から出射した光をシリンドリカルレンズ２１を通過させ、ライン光３０で被検体Ｗを照明する。撮像部１６は、第１レンズ２２と、第２レンズ２３と、イメージセンサー２４とを含む。イメージセンサー２４は、複数の画素が集合する受光素子である。なお、撮像部１６では、イメージセンサー２４のセンサー面、物体面、および、第２レンズ２３の主平面が同一直線上で交わるシャインプルーフ光学系の条件を満足するような配置となることが望ましい。被検体Ｗを照明しているライン光３０は、被検面で散乱し、その一部の光は、計測信号として正常な信号光３１となり、第１レンズ２２と第２レンズ２３とを透過してイメージセンサー２４のセンサー面上に結像する。また、図２中の輻輳角φは、ライン光３０と信号光３１とのなす角度である。
【００１５】
制御部１２は、計測装置１内の各軸方向用の各駆動部、回転ヘッド１０および非接触プローブ１１に駆動指令を送信し、それらの動作に伴って得られた各軸の計測情報を取得、解析する。特に、制御部１２は、非接触プローブ１１内のイメージセンサー２４から出力された画像情報を取得し、ラインの歪み量に基づいて被検面の位置を求めて被検体Ｗの高さ情報を取得し、最終的に被検体Ｗの形状を求め得る。
【００１６】
次に、計測装置１の計測動作（計測方法）について説明する。まず、迷光が発生する状態について説明する。図３は、図２に示す非接触プローブ１１の構成に対応した、信号光３１と迷光３２とが同時にイメージセンサー２４のセンサー面に結像する状態を示す概略図である。上記のとおり、被検体Ｗを照明しているライン光３０は、被検体Ｗの形状により散乱し、その一部の光が図中に実線で示した信号光３１としてセンサー面に結像する。一方、被検体Ｗで正反射した光は、再び被検体Ｗに到達して散乱し、その一部の光が図中に破線で示した迷光３２としてセンサー面に結像する。このように、イメージセンサー２４のセンサー面には、被検体Ｗで１回だけ反射した信号光３１と、多重反射（複数回反射）した迷光３２とが入射し得る。そして、制御部１２が迷光３２を信号光３１として認識してしまうことは、被検面の正確な位置を計測を妨げるため望ましくない。
【００１７】
次に、イメージセンサー２４が検出した光から信号光３１を特定する方法について説明する。図４は、横軸を画素座標、縦軸を信号値とし、イメージセンサー２４で得た信号光３１と迷光３２との光強度に応じた画像信号４０（光強度分布）を示すグラフである。ここでは、信号値について基準としての特定の閾値４１が設定されている。この場合、画像信号４０を見ると、閾値４１を超えるピーク部分が複数存在する（図４では２つのピーク部分を例示している）。ピーク部分は、画素座標軸における光強度分布において周囲の光強度よりも大きい凸の部分である。なお、閾値４１は、所定の値に限らず、光強度に応じた画像信号４０を用いて逐次導出してもよい。例えば、画像信号４０の最大信号値に対して一定の割合とすれば、信号光３１または迷光３２に対して小さな信号値をピークとして検出しないことも可能である。以下、複数のピークが検出された場合の信号光３１を特定する工程について説明する。
【００１８】
図５は、信号光３１を特定する工程の流れを示すフローチャートである。まず、制御部１２は、第１の工程として画像信号４０を取得した後、第２の工程として、図４に示す閾値４１に関し、複数のピーク部分の各々についてのピーク幅およびピーク位置を求める（ステップＳ１０１）。具体的には、制御部１２は、各ピークについての画像信号４０と閾値４１との交点間の距離である第１ピーク幅４４および第２ピーク幅４５を求め（図４参照）、記憶する。また、制御部１２は、画素座標の重心演算により、各ピークについての第１ピーク位置４２および第２ピーク位置４３を求め（図４参照）、記憶する。ピーク位置は、画素座標軸において、ピーク部分内で光強度が最大値またはその近傍を示す位置である。なお、各ピーク幅を求めるに際して、上記の説明では閾値４１のみ用いているが、信号光３１を数式モデルに近似することで、各ピーク幅を算出してもよい。例えば、画像信号４０と閾値４１との交点間の画像信号に対してガウス分布への近似を実行させ、その半値幅をピーク幅としてもよい。このように数式モデルに近似すると、空間的に高周波なスペックルノイズなどの影響を小さくすることができる。
【００１９】
次に、制御部１２は、第５の工程として、ライン光と被検体Ｗ（被検面）との相対角度である被検体角度θ（図３参照）を求める（ステップＳ１０２）。具体的には、制御部１２は、被検体Ｗの３次元情報と、被検体Ｗと非接触プローブ１１との相対位置とを求め、該相対位置に基づいてライン光３０が照射される被検面上の照射位置を求める。また、制御部１２は、被検面の角度情報として、例えば、被検面上の照射位置における傾きψ（図３参照）を求め、傾きψから被検体角度θを導出し、記憶する。ここで、被検体Ｗの３次元情報や傾きψは、例えば、ＣＡＤデータのような設計値、または、計測装置１とは別の計測装置を用いて得られた実測値などである。このうち、実測値は、被検体角度θを求めるために使用するものであるので、非接触プローブ１１に要求される精度よりも低精度であってもよい。また、実測値は、ライン光が照射される被検面上の照射位置における計測装置１の座標系を基準とした角度情報だけでもよい。
【００２０】
次に、制御部１２は、第３の工程として、ステップＳ１０１で求められた各ピーク位置と、ステップＳ１０２で求められた被検体角度θとを用いて、各ピークについての基準ピーク幅Ｗ２を求める（ステップＳ１０３）。具体的には、制御部１２は、まず、第１ピーク位置４２について、三角測量の原理に基づいて第１ピーク位置４２に対応するライン光３０の軸方向の位置からビームウエスト（スポット）位置までの距離Ｌ１を求める。次に、制御部１２は、ビームウエスト伝搬の式（１）より、第１ピーク位置４２における被検体角度θが９０°である場合のビーム幅Ｗ１を算出する。
【００２１】
【数１】
2016024067.tif 000003
【００２２】
ただし、λは、ライン光の波長であり、Ｗ０は、ビームウエスト位置でのビーム幅である。次に、制御部１２は、被検体角度θに対するビーム幅の関係を示す式（２）より、輻輳角φおよびビーム幅Ｗ１を用いて、被検体角度θにおいて、ビーム幅Ｗ１をイメージセンサー２４のセンサー面上に換算した場合のビーム幅Ｗ２を算出する。このビーム幅Ｗ２を基準ピーク幅Ｗ２とする。
【００２３】
【数２】
2016024067.tif 000004
【００２４】
ただし、αは、撮像部１６の光学倍率である。同様に、制御部１２は、もう一方のピークについても第２ピーク位置４３および被検体角度θを用いて基準ピーク幅を導出する。
【００２５】
そして、制御部１２は、第４の工程として、ステップＳ１０１で求められたピーク幅とステップＳ１０３で求められた基準ピーク幅とに基づいて、そのピークを有する光が信号光３１であるかの判定する（ステップＳ１０４）。具体的には、制御部１２は、第１ピーク幅４４と基準ピーク幅との差分を取り、その差分が任意に設定した許容値以下である場合には、そのピークを有する光は信号光３１であると判断し、第１ピーク位置４２を正常な計測値として記憶する。一方、制御部１２は、その差分が許容値を超える場合には、そのピークを有する光は迷光３２であると判断し、第１ピーク位置４２を記録から削除する。同様に、制御部１２は、もう一方のピークについても、そのピークを有する光が信号光３１か迷光３２かの判断を実行し、記憶するか、記録から削除する。
【００２６】
そして、制御部１２は、信号光３１を特定したら、そのピーク位置から三角測量の原理に基づいて被検体Ｗの高さ情報、すなわち被検体Ｗ（被検面）の位置を求める。なお、上記説明では、ビームウエスト伝搬の式（１）および被検体角度θに対するビーム幅の関係の式（２）を用いて基準ピーク幅を求めたが、これに換えて、予め基準ピーク幅のデータベースを作成し、参照するものとしてもよい。基準ピーク幅のデータベースは、予め既知形状の基準サンプルを用いて複数のピーク位置および被検体角度θにおけるピーク幅を取得して作成することができる。
【００２７】
このように、本実施形態に係る計測方法および計測装置では、信号光３１のピーク幅の絶対的な数値を基準ピーク幅として考慮している。したがって、被検体Ｗの表面粗さ、位置または姿勢により迷光３２のピーク幅が大きく変動し、信号光３１との大小関係も変化したとしても、信号光３１を正確に特定することができる。その結果、高精度に被検体Ｗの位置や被検体Ｗの寸法や形状を計測することができる。
【００２８】
以上のように、本実施形態によれば、計測精度を向上させるのに有利な計測方法および計測装置を提供することができる。
【００２９】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る計測方法について説明する。第１実施形態におけるステップＳ１０２では、被検体角度θをＣＡＤデータ等の被検体Ｗの３次元情報から求めた。これに対して、本実施形態に係る計測方法の特徴は、これに換えて、第６の工程として、複数のステージ位置（複数のピーク位置）での計測データから被検体角度θを求める点にある。ここで、ステージ位置とは、例えば、定盤２（すなわち被検体Ｗ）と非接触プローブ１１とを相対移動させた位置（ＸＹ座標位置）をいう。なお、それ以外の工程および本実施形態に係る計測方法が適用され得る計測装置の構成は、第１実施形態に係る計測装置１と同様であるので、説明を省略する。
【００３０】
本実施形態に係る計測方法では、まず、図５のフローチャートを参照すると、ステップＳ１０１までの工程は、第１実施形態における工程と同一である。次に、制御部１２は、ステップＳ１０２の工程として被検体角度θを求めるが、まず、現在のステージ位置Ｘ１から駆動ステージのＸ軸方向に任意の距離を遡った基準ステージ位置における第３ピーク位置を参照する。なお、ここでは簡単のために、ステージ駆動がＸ軸方向のみであるとして説明する。
【００３１】
図６は、横軸をステージ位置（Ｘ軸方向）、縦軸をピーク位置（Ｚ軸方向）とした、ステージ位置とピーク位置との関係を示すグラフである。図６には、基準ステージ位置Ｘ０における第３ピーク位置７１、および、第１実施形態に対応した現在のステージ位置Ｘ１における第１ピーク位置４２および第２ピーク位置４３がプロットされている。制御部１２は、第３ピーク位置７１と第１ピーク位置４２とを被検体Ｗの高さ情報に換算し、図６中の実線に相当する基準ステージ位置Ｘ０からステージ位置Ｘ１までの傾きを求める。この傾きをステージ位置Ｘ１における被検体Ｗの第１の傾きとする。同様に、制御部１２は、第３ピーク位置７１と第２ピーク位置４３とを被検体Ｗの高さ情報に換算し、図６中の破線に相当する基準ステージ位置Ｘ０からステージ位置Ｘ１までの傾きを求める。この傾きをステージ位置Ｘ１における被検体Ｗの第２の傾きとする。そして、制御部１２は、被検体Ｗと非接触プローブ１１との相対位置と、先に求められた第１および第２の傾きとに基づいて被検体角度θを各ピークについて求め、記憶する。
【００３２】
以下、制御部１２は、第１実施形態と同様に、ステップＳ１０３からＳ１０４までの工程を実行し、信号光３１を特定する。このように、本実施形態によれば、被検体角度θを求める方法を第１実施形態における方法から変更しても、第１実施形態と同様の効果を奏する。なお、本実施形態では、基準ステージ位置Ｘ０において信号光３１が特定され、ピーク位置が１つである状態を想定している。これに対して、連続して複数のピーク位置が検出されても、迷光３２が存在しない基準ステージ位置Ｘ０から順番に信号光３１を特定すればよい。
【００３３】
なお、上記各実施形態では、計測プローブが光切断方式（ライン光投影型の三角測量方式）の非接触プローブであるものとした。ただし、本発明は、これに限定されるものではなく、計測プローブは、例えば、ポイント光投影型の三角測量方式の非接触プローブであってもよい。
【００３４】
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。
【符号の説明】
【００３５】
１    計測装置
１１  非接触プローブ
１２  制御部
１５  照明部
２４  イメージセンサー
【図１】
2016024067.tif 000005
【図２】
2016024067.tif 000006
【図３】
2016024067.tif 000007
【図４】
2016024067.tif 000008
【図５】
2016024067.tif 000009
【図６】
2016024067.tif 000010