JPH11510248A

JPH11510248A - 像の深度が拡張されたモアレ干渉測定のシステム及び方法

Info

Publication number: JPH11510248A
Application number: JP9506827A
Authority: JP
Inventors: ジー．ハーディング，ケビン
Original assignee: ザバッドカンパニー
Priority date: 1995-07-18
Filing date: 1996-07-17
Publication date: 1999-09-07
Also published as: WO1997004285A1; EP0839314A1; MX9800527A; BR9609697A; KR19990029064A; AU6499296A; US5835218A; CA2227183A1; AU728407B2; CN1196791A

Abstract

(57)【要約】像の撮影深度を拡張することにより全領域の表面の等高線表示を達成するモアレ干渉測定のシステムと方法が提供される。モアレ干渉測定システムには、一般に、光源、結像レンズおよび方形波格子パターンからなる投影システムが含まれる。結像レンズは、方形波格子線を通過する高次の光線を除去して、所望の表面状へ正弦波に似たパターンを投影するように形成される。また、モアレ干渉測定システムには、一般に、結像レンズ、サブマスタ格子およびカメラからなる撮影システムが含まれる。サブマスタ格子は、参照表面に関連して格子パターンを記録することによって生成されるカスタム化された格子であることが望ましい。カメラは、像の拡張された深度内の任意の位置で像を撮影して、モアレ縞を解析することができる。検査部品と参照表面間の偏差を測定することにより、部品検査システムが提供される。

Description

【発明の詳細な説明】像の深度が拡張されたモアレ干渉測定のシステム及び方法発明の背景１．発明の分野本発明は、一般的には、表面の等高線を検出することに関するものであり、より具体的には、広い表面に亘って、且つ、像の撮影深度を拡張して、表面の等高線を検出するモアレ干渉測定のシステムおよび方法に関するものである。２．説明表面測定技法は、シート状の金属またはその他の材料からなるパネルを検査し、例えば、凹み、つやの無いしみ（flat spot）、しわ、および波むらのような形状異常を判別しようとすることにより、欠陥の有無を確認する際に特に有用である。物体表面の等高線を測定する非接触式手法が多数存在する。従来の検査技法としては、表面をつやのある仕上げとし、色付き蛍光管を使用することにより行なわれる視覚検査が挙げられる。その他の手法としては、例えば、光のプロファイル線、立体撮影、およびシェーディングによる形状のような距離測定技法が挙げられる。しかしながら、これら従来の手法は、一般に、その性質上主観的であり、多数の問題点に影響されやすい。モアレ干渉測定法として知られる別の技法では、一般に、光の変化、汚れ、およびその他の非定型パラメータ（non-shaped parameter）とは無関係に生成できるグレースケール値を用いて、全領域の処理データが提供される。モアレ干渉測定法は、構造物の平面内の変形に対する平面外への変位を計測する全領域非接触式計測方法である。通常のモアレ干渉パターンは、表面位置において明暗の縞が等しく変化して連なっており、地形図が陸地の等高線を表わすことと同様に、物体の等高線の変化が精密に示される。モアレ干渉測定法の縞は、２つの格子、すなわち、物体上の格子と物体を撮影する際に通過する参照格子とを重ねることにより形成される。モアレパターンは、２つの格子の最大の重なりと最小の重なりによって生成される。カメラその他の撮影手段が、サブマスタ格子線（submaste r grating lines）を通して表面上の格子線を撮影する。モアレ干渉測定システムの一例が「モアレ検査システム（Moire Inspection S ystem）」という名称の米国特許第５３０７１５２号に詳細に示されており、この引用をもって本願に記載加入する。前記引用のシステムには、光源、格子および投影レンズを有して、表面に格子線を投影する投影システムが含まれる。さらに、モアレ干渉測定システムには、それぞれがカメラレンズ、結像レンズおよびサブマスタ格子を含み、サブマスタ格子線を通して表面の格子線を撮影する一対の撮影システムが含まれる。カメラは、撮影した格子線の像を取得して、モアレパターンを測定し、次に、モアレパターンを用いて、表面の等高線を黄金部品（golden part）と比較し、欠陥が存在するか否かを判断する。表面形状のマップを作成できるモアレパターンの感度は、検査表面（test surface）の格子の周期と同様に、撮影角および投影角による影響を受ける。公知の観測システム列と異なり、モアレの解像度の深度は、通常、カメラの解像度によって限定されることはない。モアレ干渉測定法の感度は、適用品の要求に適合するように調整されることができ、一般に、位置決めエラーや外部からの運動に対して非常に強い。しかしながら、公知のモアレ干渉測定技法は、その他の利用可能な方法よりも光学系に対する要求が非常に大きい。さらに、従来のモアレ干渉測定システムは、一般に、撮影深度を拡張して大パネルの検査に使用されてはいない。その代わりに、公知のシステムでは、一般に、小領域上で、且つ比較的狭い撮影深度の中で距離測定を行なうことができる。概括的に述べると、投影システムと撮影システム間の角度が大きいと、モアレパターンの感度が高くなる。同様に、格子の周期が短いと、感度が高くなるだろう。特に広い表面領域に亘って、高解像度を有するように望むことは、一般に、部品の表面に対して大きな角度で働かせる必要性や、広い表面に亘って微細な格子を結像する必要性によって限定される。部品表面上の内側および外側の両方において幾何学的に正確な像を維持するために、投影レンズと撮影レンズの光軸は、検査表面に対して垂直に近い必要がある。この条件により、一様な周期の格子が、表面に投影され、一様な周期のサブマスタ格子に再結像されて、該部品の正確な等高線マップが生成されることができる。周期が短いと、該部品上の格子の撮影深度と同様に、視野の深度は、視野の光学深度の慣用表現で言うと減少する。もし、広くかつ変化に富む部品が撮影されるならば、一般に、等高線における影の領域のみの焦点が一度に合うであろう。明確なモアレ等高線パターンを得る際に限定されるその他の要因には、一般に使用される標準的な格子の性質が挙げられる。多数のシステムは、部品表面に明と暗の方形波の線を生成するため、方形波パターンに形成された格子線を使用している。しかしながら、方形波パターンは、該周期に関連した基本周波数を有すると共に、方形のエッジ部における鋭さを規定する微細パターンに関連した高調波の周波数を有する。２つの方形周期パターンを重ねると生じるビートパターンは、一般に、滑らかなパターンとして出現せず、その代わりに、周波数の異なる多重パターンの交差したものが刻まれており（jag）、この交差が分離や解析を困難にしている。正弦波パターンを有する別の格子を使用することもできるが、正弦波格子のパターンは、一般に、同一物の製造が困難であり、簡単な周期格子パターンとして幅広く利用されてはいない。従って、像の撮影深度を拡張して、全領域の表面検出を提供するモアレ干渉測定のシステムおよび方法を提供することが望まれる。より具体的には、正弦波パターンを効率よく通過し、像の撮影深度を拡張して、明確なモアレパターンを形成するモアレ干渉測定のパネル検査システムおよびパネル検査方法を提供することが望まれる。また、サブマスタ格子の後方に良好な干渉パターンを生成し、広角度の撮影システムを可能とするモアレ干渉測定のシステムおよび方法を提供することが望まれる。さらに、良好な干渉パターンを生成するカスタム化された（customized）サブマスタ格子の使用を可能とするモアレ干渉測定のシステムおよび方法を提供することが望まれる。発明の概要本発明の開示に従ってモアレ干渉の測定システムおよび方法が提供される。光源、マスタ格子および結像レンズを有する投影システムが含まれる。マスタ格子は、マスタ格子の線を表面上に投影するために格子線の配列を有する。また、表面上にあるマスタ格子線を、サブマスタ格子を通して撮影する撮影システムが含まれる。撮影システムには、結像レンズと、サブマスタ格子上にある周期格子線の配列と、サブマスタ格子にて生成された最良のパターンを撮影するカメラとが含まれる。表面上に投影された線と、サブマスタ格子上の線との交差により、モアレ縞が生成される。撮影されたモアレ縞は、表面の等高線情報を測定するために処理され且つ解析されることができ、寸法の偏り（dimensional deviation）に略等しい欠陥が検査表面に存在するか否かを判定するために参照表面と比較されることができる。本発明に従うと、マスタ格子は、方形波の格子パターンを生成する。高次の回折光（higher diffracted orders）は、投影システムの結像レンズを用いて除去され、正弦波に似たパターン線の配列が生成され、この配列が表面上へ投影される。このフィルタリングにより、高次の回折光による干渉が除去されて、像の撮影深度が拡張され、この像にカメラの焦点を合わせて表面上の格子線が撮影される。本発明のサブマスタ格子は、参照表面に関連して形成されるカスタム化された格子であることが望ましい。より具体的には、サブマスタ格子は、参照表面を撮影する間に写真のように記録されることが望ましい。これにより、例えば、投影システムの結像レンズが傾くときのような、その他の要因により存在する歪みが相殺される。さらに、サブマスタ格子は、良好な干渉パターンを生成し、広角度の撮影システムを可能とし、且つ正弦波パターンに関する撮影深度を強めて、明確なモアレパターンを形成する。図面の簡単な説明本発明のその他の目的および特徴は、当該分野の専門家によって、以下の詳細な説明と図面が参照されると直ちに理解されるであろう。図１は、本発明に従って、像の拡張された撮影深度を達成するモアレ干渉測定システムの概要図である。図２は、図１に示されるモアレ干渉測定システムの中の投影システムを示す概要図である。図３は、方形波格子により生成された高次の回折光が、結像レンズにより除去される高次回折光のフィルタリングを示している。図４は、モアレ干渉測定システムの中の撮影システムを示す概要図である。図５は、撮影システムの一部を拡大して示す概要図である。図６は、本発明に従って、サブマスタ位相格子を生成し且つ使用する方法を示すフロー図である。図７は、本発明に従うモアレ干渉測定システムにおいて、深度を拡張して表面の等高線を検出する方法を示すフロー図である。望ましい実施例の詳細な説明図１を参照すると、本発明に従うモアレ干渉測定システム(10)が示されている。一般に、モアレ干渉測定システム(10)は、投影システム(12)および撮影システム(14)を含んでおり、両者は、検査されるべき部品(16)の表面上に焦点を合わしている。投影システム(12)は、部品(16)の表面に格子線を投影するように配備される一方、撮影システムは、格子線を別の角度から撮影する。モアレ干渉測定法は、全領域の検出技法であるから、物体の全領域の等高線は、モアレ干渉測定システム(10)により一斉かつ精密に示される。例えば、自動車パネルは、全領域の等高線表示により検査されることができ、全領域の等高線表示は、本質的には、１点毎または１ライン毎に等高線を表示する公知の技法よりも非常に速く、潜在的には、表面の等高線測定を迅速に実行できる。一般に、投影システム(12)には、光源(18)がコンデンサレンズ(20)の前方に配置される。光源(18)には、例えば白色光を生成する種類のハロゲン光源やアークランプ光源が含まれる。さらに、投影システム(12)には、周期的な方形波の格子線を有する周期的マスタ格子(22)が、コンデンサレンズ(20)と結像レンズ(24)の間に配備される。コンデンサレンズ(20)は、光を集束し、この光がマスタ格子(22)および結像レンズ(24)を通過する。次に、結像レンズ(24)は、マスタ格子(22)を通過した光をフィルタリングして集束し、この光が投影角度に沿って部品(16)の表面に達する。従って、明線と暗線の配列が部品(16)上に投影される。本発明に従う投影システム(12)は、図２において詳細に示される。コンデンサレンズ(20)は、受け取った光線を集め、指向性の強い、おそらくは実質的に非交差である光線に集束し、この光線が周期的マスタ格子(22)を通過する。マスタ格子(22)は、間隔の接近した周期的方形波格子線の配列を有しており、この格子線が照らされると、明と暗の方形波線を生成する。方形波格子パターンには、平行に接近配備された方形波格子線の配列が含まれ、この配列は、可視光に関して近接場（near field）の回折範囲に類似の望ましい周期を有する。この周期は、白色光の使用に関しては約５０ミクロン以下であることが望ましいが、多数の波長からなる光線に適応させるために変化してもよい。一例では、マスタ格子(22)には、水晶型格子上にクロムが含まれる。上述のように、方形波パターンは、一般に、前記周期に関連する基本周波数を有する。また、方形波パターンは、一般に、方形のエッジ部における鋭さを規定する微細パターンに関連した高調波の周波数を有する。従って、マスタ格子(22) の方形波パターンは、一般に正弦波パターンに関連した基本周波数を含む回折光線と、一般に方形波パターンの方形エッジ部に関連した高次の回折光線を生成する。一般に、光線の元の方向に最も近い１次の回折は、マスタ格子(22)の基本周波数に関する情報を含む。本発明に従うと、結像レンズ(24)は、基本周波数に関連する基本格子周波数を通す一方で、高次の回折光線を除くように配置される。高次の回折光線をフィルタリングするために、結像レンズ(24)は、情報を正弦波パターンに限定する変調転送関数（modulation transfer function）を有することが望ましい。次に、これは、フィルタリングにより高周波成分を除去する。従って、正弦波パターンに関連する前記光線のみが、通過でき、部品(16)の表面に投影できる。その結果、高次の回折光線は、光の投影から除去され、従って、その他の要因により存在し、且つ分離または解析を困難にする多重パターンまたは多数の周波数の交差したものが刻まれる現象の発生を減少または消滅する。十分な光を集める目的のために、マスタ格子(22)の回折次数は、所望の正弦波情報のみを通過させるほど十分には分離されなくてもよい。正弦波パターンの分離は、望ましくは関心のある基本周波数をほんの少し越えるインパルス応答を有する結像レンズ(24)を用いることによりさらに強化されることができる。すなわち、結像レンズの性能は、該レンズが基本周波数の良好な像を生成し、一方で、高次の周波数について素早く減少して、角を丸め（round off）、マスタ格子(22)の方形波パターンを再生しないように設計される。これにより、改良された基本正弦波パターンが部品(16)の表面に投影される。従って、結像レンズ (24)は、形成された像において周波数フィルタとして作用する。このフィルタリング効果は、結像レンズ(24)の性能をカスタマイズするか、レンズ(24)を絞るかの何れかにより達成される。しかしながら、レンズ(24)を絞ると、光の通過量が少なくなるだろう。図３を具体的に参照すると、多数の回折次数を含み、高い次数が除去される回折光線の例が示されている。一般に、正弦波パターンに関連する基本周波数は、参照番号(40)によって示される＋１次、０次および−１次の回折次数の中に含まれる。基本周波数の光線(40)は、結像レンズ(24)を通過できるが、参照番号(38) によって示される＋２次、−２次、＋３次および−３次のような高次の回折光線は、結像レンズ(24)によって除去される。従って、基本周波数の投影により、図２に正弦波(40)で示される像強度を有する拡張された像深度(42)が提供される。正弦波パターンは、実際には白色光、すなわち、共通経路の干渉パターンとして形成される。投影された干渉パターンの深度は、光源および光学レンズのコヒーレンスの程度、すなわち指向性の程度と形成される距離によって影響される。この効果により、拡張された視野深度を有する像が生成される。また、光線の指向性は、マスタ格子(22)を越える部分が影になる効果により、前記深度を強化する助けとなるが、実際には、干渉の効果により、初期の平坦な格子パターンの体積像（volume image）が生成される。一般に、撮影システム(14)は、部品(16)の像表面を撮影するため、互いに光学的に結合された結像レンズ(26)及び視野レンズ(32)を含む。サブマスタ格子(30) は、干渉像を生成するため、結像レンズ(26)と視野レンズ(32)の間に配備される。さらに、撮影システム(14)には、部品(16)表面の格子線像を撮影するカメラ(3 4)が、視野レンズ(32)、サブマスタ格子(28)および結像レンズ(26)を通るように向けられる。カメラ(34)は、使用者が見るために、ディスプレイと同様、像取得用、像処理用及び像表示用ハードウェアを含み得る。撮影システム(14)は、撮影画像を処理し、表面の等高線を測定し、可能であれば、表面測定を参照表面と比較して、所定の表面に欠陥が存在するか否かを判定する。さらに、撮影システム(14)は、図４および図５にて詳細に示されている。図４は、部品上に表示された格子から干渉パターンを生成する効果を示しており、一方、図５は、位相像の拡大図であり、使用可能な視野深度(42)が広いことを示している。図５を参照すると、位相格子サブマスタ(28)により拡張された像深度(3 0)に亘って、体積干渉像を生成することが示されている。サブマスタ位相格子(28)の後方に離間して存在する前記干渉像により、サブマスタ格子(28)は、使用可能な像深度(3 0)を拡張する。この体積干渉像は、図示の拡張された視野深度(42)より広い部品の視野か来る任意の像に重なる。図４を具体的に参照すると、部品表面(16)に投影されたマスタ格子(22)から来る光は、位相格子サブマスタ(28)の後方にある拡張された範囲の像を白色光が通って干渉することにより、位相格子サブマスタ(2 8)と相互作用して、モアレビートパターンを形成する。この作用により、サブマスタ格子(28)は、図５に示すように、体積サブマスタ格子の深度全体に亘って部品の格子像と相互作用して、サブマスタ格子パターンを、サブマスタ体積格子と部品格子の積であるビートパターンに変調する。その結果生じるパターンは、２つのパターン間の相違によるモアレであり、部品(16)に関する等高線情報を提供する。サブマスタ格子(32)は、位相格子であり、該位相格子は、参照部品または「黄金部品」に関連して形成されることが望ましい。すなわち、参照部品または黄金部品を撮影すると、直ちに位相格子パターンが形成されて、サブマスタ格子(32) として使用される。部品(16)上に投影された像は、正弦波パターンであるから、サブマスタ格子(32)は、部品(16)の表面に投影された正弦波パターンに関連する格子パターンを含むであろう。格子(28)の格子パターンは、参照表面における表面の等高線、投影角度および撮影角度に依存し、同様に結像レンズ(24)の傾き角度に依存して、正弦波パターンから変化できる。本発明の光学的モアレ干渉測定システム(10)は、フィルタリングと変調のシステムとして使用される。結像レンズ(24)を撮影される領域へ傾けることにより、部品は、レンズの視野角以上の角度で撮影されることができる。しかしながら、結像レンズ(24)の前記傾きにより、一様な格子の像を歪ませる。参照表面からこの傾いたシステムを通じてサブマスタ格子(28)を記録することにより、検査部品より生成された等高線から、前記歪みの効果を除去できる。もし、参照物が平板であるならば、等高線は、検査部品を平板と比較する。これとは別に、参照表面は、黄金部品や、円筒または球のような幾何学形態でもよい。効果的であるためには、広範囲の強度および格子周波数に亘って強い線形反応を示すように形成または処理される媒体によって、サブマスタ格子(28)が記録されることが望ましい。例えば、コダック（Kodak）が製造販売しているＨＲＰ現像剤のようなハイコントラスト現像液を１：16の割合で希釈したもの用いた写真処理が前記効果を生成するために使用されることができる。また、フォトポリマー（photopolymer）、フォトプラスチック（photoplastic）、位相記録性結晶（phase recording cr ystal）およびその他の媒体からなる形成物が前記効果に使用されることができる。図４に示すサブマスタ格子(28)は、拡張された像深度に亘って体積干渉パターン(30)を生成する位相格子サブマスタである。サブマスタ格子(28)は、例えば、平坦なサブマスタ格子(28)に当たる白色光が、サブマスタ格子(28)の後方の体積に白色光回折パターンを生成するように、５０ミクロンまたはそれ以下の非常に微細な周期を有する望ましい。さらに、改良された結果を得るために、15〜20ミクロンの格子パターンを使用できる。しばしば写真記録として作られる明暗振幅格子が、サブマスタ格子(28)に使用されることができる。しかしながら、位相格子をサブマスタ格子(28)に使用すると、明暗振幅格子よりも光と回折の効率を上昇できる。撮影カメラ(34)を使用して、部品(16)上に見られる格子線像が、サブマスタ格子(28)の後方にある干渉パターン(30)を有する拡張された体積内の任意の位置から撮影される。干渉パターン(30)により、部品(16)上の２次元格子の拡張された撮影深度が認識できる。高次の回折光は、事実上、格子からの距離が異なる位置で焦点が合うから、干渉効果によって、正弦波に似たパターンが生成される。従って、あるパターンが選択され、残りが実質的に焦点から外れる。撮影カメラ(3 4)とそれに関連した処理用ハードウエアを使用して、モアレ縞を検討し、処理することができる。さらに、参照部品と検査部品の間で検討されたパターンが比較されて、検査部品の表面に存在しうる欠陥を検査できる。図６を参照すると、カスタム化されたサブマスタ格子(28)を形成し、部品の形状を参照表面と対比しつつ検査する方法(50)が示されている。該方法(50)は、投影システム(12)が参照表面に格子パターンを形成するステップ(52)から始まる。同時に、ステップ(54)に示すように、撮影システム(14)が参照表面上のパターンの結像を、結像格子周期が、望ましくは、５０ミクロン未満となるように行なう。ステップ(56)に従って、写真プレートまたはその他の記録媒体が参照像の位置に配備され、ステップ(58)に示すように、記録媒体が像を記録する。一実施例では、ステップ(60)に従い、記録像が処理されて、位相パターンが形成される。若しくは、もし明暗振幅格子が使用されるならば、漂白写真記録法（bleached pho tographic recording）に従って、高解像度プレートが現像されて漂白される。従って、ステップ(62)に従って、位相格子または振幅の記録体が撮影システム (14)に再配置され、参照表面における最良の像の前面に配備される。ステップ(6 4)において、サブマスタ位相格子(28)を通過する光は、干渉パターン(30)へと回折され、これにより、参照表面に適合する体積像を形成する。干渉パターン(30) は、像の拡張された撮影深度を提供する。従って、サブマスタ格子(2 8)は、検査部品表面の等高線を検査する前に、参照部品の特定の等高線に適合するように形成される。サブマスタ格子(28)が形成されると直ちに、ステップ(66)に示すように、参照表面は、検査部品と交換される。次に、検査部品は、参照表面の表面等高線に関連して検査され得る。このようにして、ステップ(68)に示すように、参照表面と検査表面の比較を与えるモアレ縞が形成される。ステップ(70)において、モアレパターンは、デジタル化手段またはその他の記録手段によって撮影される。次に、ステップ(72)に示すように、収集されたデータによって提供される情報を使用して、参照表面と部品形状間の表面等高線の相違点を識別できる。図７を見ると、本発明のモアレ干渉測定システム(10)を用いてモアレ干渉測定検査を行なう方法(74)を示している。該方法(74)は、ステップ(76)から始まり、ステップ(78)に示すように、指向性光源または点光源(18)が、コンデンサレンズ (20)を通じてマスタ格子(22)の方形波格子線を照明する。ステップ(80)に示すように、マスタ格子(22)の方形波格子線により光線が回折される。ステップ(82)において、基本正弦波周波数からの回折光線が結像レンズ(24)によって集められるが、高次の回折光線が結像レンズ(24)によって排除される。これにより、拡張された深度の正弦波に似た像が部品(16)の表面に投影される一方、一般に方形波のエッジ部に関連する高次の回折光が除去され、従って、像が映された部品(16)の表面を該高次回折光が照明することを防止する。ステップ(88)に示すように、部品(16)の表面に明暗格子線を投影することに対応して、部品(16)は、格子パターンの光を反射する。ステップ(90)に示すように、撮影システム(14)の結像レンズ(26)は、部品(16)から反射した光線をサブマスタ格子(28)の方へ向ける。従って、ステップ(92)に示されるように、位相格子サブマスタ(28)は、サブマスタ格子(28)の後方に干渉パターンを形成する。ステップ(94)において、該干渉パターンは、以前にサブマスタ格子(28)を形成した参照表面の形状に従う。ステップ(96)に示されるように、部品の像は、サブマスタ格子(28)の後方の拡張された範囲に亘って形成される。これにより、ステップ(98) に従って、干渉パターンが部品像により変調され、ステップ(100)に示すように、変調されたパターンがモアレパターンを構成する。ステップ(102)において、視野レンズ(32)は、像の光をカメラ(34)またはその他の撮影手段へ集める。最後に、ステップ(104)に従って、像が様々なデジタル化手段および解釈手段によって解析される。解析されたデータは、参照表面を参照して、検査部品に存在する欠陥を検出するために使用され得ることが理解されるであろう。このことは、一般に、記録されたモアレ縞を解析し、検査部品と参照表面間の偏差を測定して３次元表面を比較することにより達成される。これにより、上記のシステム(1 0)および方法が、像の撮影深度を全領域に拡張して部品検査を行なうことができる。本発明は、具体的な実施例に関連して本願に開示されているが、以下の請求の範囲において規定されるものを除き、上記実施例によって限定されるものではない。熟達した専門家であれば、明細書および図面を調べた後に、本発明の精神から離れることなく他の修正をなすことができることが理解されるからである。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項【提出日】１９９７年７月２４日【補正内容】［明細書第１頁］像の深度が拡張されたモアレ干渉測定のシステム及び方法発明の背景１．発明の分野本発明は、一般的には、表面の等高線を検出することに関するものであり、より具体的には、広い表面に亘って、且つ、像の撮影深度を拡張して、表面の等高線を検出するモアレ干渉測定のシステムおよび方法に関するものである。２．説明表面測定技法は、シート状の金属またはその他の材料からなるパネルを検査し、例えば、凹み、つやの無いしみ（flat spot）、しわ、および波むらのような形状異常を判別しようとすることにより、欠陥の有無を確認する際に特に有用である。物体表面の等高線を測定する非接触式手法が多数存在する。従来の検査技法としては、表面をつやのある仕上げとし、色付き蛍光管を使用することにより行なわれる視覚検査が挙げられる。その他の手法としては、例えば、光のプロファイル線、立体撮影、およびシェーディングによる形状のような距離測定技法が挙げられる。しかしながら、これら従来の手法は、一般に、その性質上主観的であり、多数の問題点に影響されやすい。モアレ干渉測定法として知られる別の技法では、一般に、光の変化、汚れ、およびその他の非定型パラメータ（non-shaped parameter）とは無関係に生成できるグレースケール値を用いて、全領域の処理データが提供される。モアレ干渉測定法は、構造物の平面内の変形に対する平面外への変位を計測する全領域非接触式計測方法である。通常のモアレ干渉パターンは、表面位置において明暗の縞が等しく変化して連なっており、地形図が陸地の等高線を表わすことと同様に、物体の等高線の変化が精密に示される。モアレ干渉測定法の縞は、２つの格子、すなわち、物体上の格子と物体を撮影する際に通過する参照格子とを重ねることにより形成される。モアレパターンは、２つの格子の最大の重なりと最小の重なりによって生成される。カメラその他の撮影手段が、サブマスタ格子線（submaste r grating lines）を通して表面上の格子線を撮影する。また、米国特許第４９８１３６０号には、装填中に表面のマップを作成する前に、非装填の表面における小変形を消去するために構造表面のマップを作成するモアレの方法が開示されている。これは、検査パネル上へマスタグリルパターンを投影し、反射光を写真プレート上へ向けられることによって達成される。現像された写真プレート上の像は、投影グリルとなり、検査パネル上へ逆に投影され、マスタグリルを通して反射される。このように、写真プレート上に映された検査パネルからの小変形は、小変形の反転像と共に検査パネルから再反射された後に、（マスタグリルの後方に配備された）記録用ステーションに現れる。従って、小変形は、非装填の検査表面から「消去」される。日本特許抄録JP-A-57 147003[vol.6,no.248(P-160)(1126)]には、物体の平坦特性がストリップ形状に凝集された点からなるビームを投影し、格子によって修正され、且つ、ホログラムによって物体上へ回折されることにより測定される光学位相情報読取り器が開示されている。投影された像は、物体と、ホログラムを通じて回折された反射光とを横切って走査され、イメージセンサ上へ集束される。表面が平坦でないならば、物体上の格子パターンにおける輝点のピッチは、不規則且つ非一様であるだろう。モアレ干渉測定システムの別の例が「モアレ検査システム（Moire Inspection System）」という名称の来国特許第５３０７１５２号に詳細に示されており、この引用をもって本願に記載加入する。前記引用のシステムには、光源、格子および投影レンズを有して、表面に格子線を投影する投影システムが含まれる。さらに、モアレ干渉測定システムには、それぞれがカメラレンズ、結像レンズおよびサブマスタ格子を含み、サブマスタ格子線を通して表面の格子線を撮影する一対の撮影システムが含まれる。カメラは、撮影した格子線の像を取得して、モアレパターンを測定し、次に、モアレパターンを用いて、表面の等高線を黄金部品（golden part）と比較し、欠陥が存在するか否かを判断する。表面形状のマップを作成できるモアレパターンの感度は、検査表面（test surface）の格子の周期と同様に、撮影角および投影角による影響を受ける。公知の観測システム列と異なり、モアレの解像度の深度は、通常、カメラの解像度によって限定されることはない。請求の範囲１．等高の示される表面(16)から等高線を検出するモアレ干渉測定システム(10) であって、前記モアレ干渉測定システムは、投影システム(12)と撮影システム(1 4)を有しており、前記投影システム(12)は、等高の示される表面(16)上へ格子線を投影するために、光源(18)及び第１の周期的回折格子(22)を含み、前記撮影システム(14)は、第２格子線列を有する第２の周期的回折格子(28)を含み、さらに、前記撮影システム(14)は、前記表面(16)上に投影された格子線を、前記第２格子線列を通して、像の拡張された撮影深度内で撮影する手段(34)を有して、表面 (16)上の投影線と前記第２の回折格子(28)上の線との交差によりモアレ縞が生成され、前記投影システム(12)は、前記方形波線の高次回折成分を除去して、前記表面(16)上に正弦波に似た格子線列を生成し、像の拡張された撮影深度を提供するために、第１の回折格子(22)と表面(16)の間に配備される結像レンズ(24)を含むことによって特徴づけられる前記モアレ干渉測定システム(10)。２．撮影する手段(34)は、像の拡張された撮影深度内で焦点の合わせられたカメラを具える、請求項１に規定されたモアレ干渉測定システム(10)。３．結像レンズ(24)は、結像レンズ(24)の視野角より広い角度で撮影できるように、等高の示される表面(16)に関して傾けられる、請求項１に規定されたモアレ干渉測定システム(10)。４．第２の回折格子(28)は、参照表面に関連してカスタム生成される、請求項１に規定されたモアレ干渉測定システム(10)。５．指向性の光線を形成するため、光源(18)と光学的に結合したコンデンサレンズ(20)を具える、請求項１に規定されたモアレ干渉測定システム(10)。６．光源(18)は白色光を生成する、請求項１に規定されたモアレ干渉測定システム(10)。７．結像レンズ(24)は、所定の変調転送関数を有する、請求項１に規定されたモアレ干渉測定システム(10)。８．方形波線を生成するように、方形波格子線列を有する第１の回折格子(22)を通じて、指向性の光のビームを投影するステップ、及び表面上の投影線と第２の回折格子(28)との交差によりモアレ縞が生成されるように、等高の示される表面(16)上に投影されたパターンを第２の回折格子(28) を通じて撮影するステップを含む干渉測定方法であって、正弦波に似たパターンを通過して像の押し出された撮影深度を提供するように、結像レンズ(24)を用いて前記方形波線から高次の回折成分を除去するステップ、及び等高の示される表面(16)上へ前記正弦波に似たパターンを集束するステップによって特徴づけられる方法。９．第２の回折格子(28)を通して見られるような干渉パターンによって生成される像の拡張された撮影深度内でカメラ(34)の焦点を合わせるステップを含む、請求項８に規定された方法。１０．結像レンズ(24)の視野角より広い角度で撮影できるように、等高の示される表面(16)に関して結像レンズ(24)を傾けるステップを含む、請求項８に規定された方法。１１．参照表面上の格予投影像を撮影する間に、第２の回折格子(28)をカスタム記録するステップを含む、請求項８に規定された方法。１２．指向性の光線を生成するため、光源が放つ光線を集めるステップを含む、請求項８に規定された方法。１３．結像レンズ(24)は、所定の変調転送関数により高次回折光を除去する、請求項８に規定された方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ

Claims

【特許請求の範囲】１．等高の示される表面の形状を測定するモアレ干渉測定システムであって、等高の示される表面上へ格子線を投影するため、光源及び第１の周期的格子を含む投影システムと、第２格子線列を有する第２の周期的格子を含む撮影システムとを具え、前記第１の周期的は、方形波線を生成する第１の方形波格子線列を有し、さらに、前記投影システムは、前記表面上に正弦波に似た格子線を生成するため、前記方形波線の高次回折光をフィルタリングする手段を含んでおり、前記撮影システムは、前記表面上に投影された格子線を、前記第２格子線列を通して撮影する手段を有して、表面上の投影線とサブマスタ格子上の線との交差によりモアレ縞が生成されるモアレ干渉測定システム。２．撮影する手段は、像の拡張された撮影深度内で焦点の合わせられたカメラを具える、請求項１に規定されたモアレ干渉測定システム。３．投影システムは、フィルタリングする手段を提供するため、第１の回折格子と表面の間に結像レンズを具える、請求項１に規定されたモアレ干渉測定システム。４．結像レンズは、結像レンズの視野角より広い角度で撮影できるように、等高の示される表面に関して傾けられる、請求項３に規定されたモアレ干渉測定システム。５．第２の回折格子は、参照表面に関連してカスタム生成される、請求項１に規定されたモアレ干渉測定システム。６．指向性の光線を形成するため、光源と光学的に結合したコンデンサレンズを具える、請求項１に規定されたモアレ干渉測定システム。７．光源は白色光を生成する、請求項１に規定されたモアレ干渉測定システム。８．等高の示される表面の形状を測定するモアレ干渉測定システムであって、等高の示される表面上へ格子線を投影するため、光源、第１の回折格子及び結像レンズを含む投影システムと、格子線列を有する第２の回折格子、及び、前記表面上に投影された格子線を前記第２の回折格子を通して撮影する手段を含む撮影システムとを具え、前記結像レンズは、等高の示される表面に関して傾けられており、前記第２の回折格子は、参照表面に関して形成され、且つ、結像レンズを傾けることによる変化を相殺して、表面上の投影線とサブマスタ格子上の線との交差によりモアレ縞が生成されるモアレ干渉測定システム。９．第１の周期的格子は、方形波格子線列を具える、請求項８に規定されたモアレ干渉測定システム。１０．結像レンズは、表面上への投影に関する正弦波列を生成するように、第１の周期的格子を通過する光の中の高次回折光を除去する、請求項９に規定されたモアレ干渉測定システム。１１．撮影する手段は、像の拡張された撮影深度内で焦点の合わせられたカメラを含む、請求項８に規定されたモアレ干渉測定システム。１２．投影システムは、指向性の光線を形成するため、光源と光学的に結合したコンデンサレンズを具える、請求項８に規定されたモアレ干渉測定システム。１３．等高の示される表面の形状をモアレ干渉測定法を用いて測定する方法であって、方形波線を生成するように、方形波格子線列を有する第１の回折格子を通じて、指向性の光のビームを投影するステップ、正弦波に似たパターンを通すように、前記方形波線から高次の回折成分を除去するステップ、等高の示される表面上へ前記正弦波に似たパターンを集束するステップ、及び表面上の投影線と第２の回折格子の線との交差によりモアレ縞が生成されるように、等高の示される表面上の正弦波に似たパターンを第２の回折格子を通じて撮影するステップを含む方法。１４．第２の回折格子を通して見られるような干渉パターンによって生成される像の拡張された深度内にカメラの焦点を合わせるステップを含む、請求項１３に規定された方法。１５．結像レンズの視野角より広い角度で撮影できるように、等高の示される表面に関して結像レンズを傾けるステップを含む、請求項１３に規定された方法。１６．参照表面上の格子投影像を撮影する間に、第２の回折格子をカスタム記録するステップを含む、請求項１３に規定された方法。１７．指向性の光線を生成するため、光源が放つ光線を集めるステップを含む、請求項１３に規定された方法。１８．等高の示される表面の形状をモアレ干渉測定法を用いて測定する方法であって、光の格子線を生成するように、第１の回折格子を通じて指向性の光のビームを投影するステップ、等高の示される表面に関連して傾けられる結像レンズを通じて、前記光の格子線を等高の示される表面状に集束するステップ、及び表面上の投影線と、参照表面に関連してカスタム生成される第２の回折格子の線との交差によりモアレ縞が生成されるように、等高の示される表面上の格子線の投影像を第２の回折格子を通じて撮影するステップを含む方法。１９．第１の回折格子を通じて指向性の光を投影するステップは、方形波の格子線列を生成する、請求項１８に規定された方法。２０．正弦波に似た線を生成するように、方形波格子線の高次回折成分を除去するステップを含む、請求項１９に規定された方法。