JP7833722B2 - Learning device, three-dimensional measurement system, learning method, and program - Google Patents
Learning device, three-dimensional measurement system, learning method, and programInfo
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Description
本発明は、高さ画像生成装置、学習装置、三次元測定システム、高さ画像の生成方法、学習方法、及びプログラムに関する。 This invention relates to a height image generation device, a learning device, a three-dimensional measurement system, a method for generating height images, a learning method, and a program.
白色光を試料面及び参照面に照射し、試料面から反射した反射光と参照面から反射した参照光とを干渉させて、試料面の高さ方向の凹凸に基づく干渉縞画像を生成する白色光干渉計を用い、試料面の凹凸の測定結果を高さ画像で出力する三次元測定機が知られている(例えば、特許文献1を参照)。 A three-dimensional measuring machine is known that uses a white light interferometer to generate an interference fringe image based on the height-direction topography of the sample surface by irradiating the sample surface and a reference surface with white light, and interfering the reflected light from the sample surface with the reference light reflected from the reference surface. The measurement results of the topography of the sample surface are output as a height image (see, for example, Patent Document 1).
このような三次元測定機は、干渉縞がはっきりわかるような高コントラストな干渉縞画像を用いることで、精度の高い試料面の高さ画像(高さマップ)を出力することができる。言い換えると、三次元測定機は、試料面の形状が急峻な傾斜や立壁を有していたり、試料面が光を反射しにくい材質であったりすると、干渉縞画像のコントラストが低くなってしまうので、スパイクノイズのように見えるノイズを重畳した高さ画像を出力することがあった。 Such three-dimensional measuring machines can output highly accurate height images (height maps) of the sample surface by using high-contrast interference fringe images where the interference fringes are clearly visible. In other words, if the sample surface has a steep slope or vertical wall, or if the sample surface is made of a material that does not reflect light well, the contrast of the interference fringe image becomes low, and the three-dimensional measuring machine may output a height image superimposed with noise that looks like spike noise.
そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、白色光干渉計を用いた三次元測定機において、試料面の形状、材質によって干渉縞画像のコントラストが低くなっても、ノイズを低減させた高さ画像を出力できるようにすることを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of these points, and aims to enable a three-dimensional measuring machine using a white light interferometer to output a height image with reduced noise, even when the contrast of the interference fringe image is low due to the shape and material of the sample surface.
本発明の第1の態様においては、白色光を試料面及び参照面に照射し、前記試料面から反射した反射光と前記参照面から反射した参照光とを干渉させて、前記試料面の高さ方向の凹凸に基づく干渉縞画像を生成する白色光干渉計を用いた三次元測定機において、前記参照面及び前記試料面との光路差を所定の値ずつ異ならせる毎に生成した複数の前記干渉縞画像をボリュームデータとして取得するボリュームデータ取得部と、前記ボリュームデータが入力したことに応じて、二次元座標における前記試料面の高さの期待値を示し、前記ボリュームデータに対応する高さデータを出力する学習モデルと、前記高さデータに基づき、前記試料面の高さ画像を表示部に表示させる表示制御部とを備える、高さ画像生成装置を提供する。 In a first embodiment of the present invention, a height image generation device is provided for a three-dimensional measuring machine using a white light interferometer that irradiates a sample surface and a reference surface with white light, interferes the reflected light from the sample surface with the reference light reflected from the reference surface, and generates an interference fringe image based on the height-direction irregularities of the sample surface. The device includes: a volume data acquisition unit that acquires a plurality of interference fringe images as volume data each time the optical path difference between the reference surface and the sample surface is varied by a predetermined value; a learning model that indicates the expected value of the height of the sample surface in two-dimensional coordinates and outputs height data corresponding to the volume data in response to the input of the volume data; and a display control unit that displays the height image of the sample surface on a display unit based on the height data.
前記ボリュームデータに含まれている複数の前記干渉縞画像の同一の二次元座標毎に、画素のデータ値の移動平均値を算出し、算出した前記移動平均値を当該移動平均値の算出に用いた画素のデータ値から差し引く、センタリング処理部を更に備え、前記学習モデルは、前記センタリング処理部が処理した後の前記ボリュームデータを入力してもよい。 The learning model may further include a centering processing unit that calculates a moving average of the pixel data values for each identical two-dimensional coordinate of the multiple interference fringe images contained in the volume data, and subtracts the calculated moving average from the pixel data values used to calculate the moving average.
前記学習モデルは、入力した前記ボリュームデータに含まれている複数の前記干渉縞画像に対応する複数の出力干渉縞画像を出力ボリュームデータとして算出するネットワーク層と、算出した前記出力ボリュームデータを二次元座標における前記試料面の高さの確率分布に変換する変換処理部とを含む、畳み込みニューラルネットワーク(CNN)と、前記試料面の高さの前記確率分布に基づき、前記高さデータを算出する高さデータ算出部とを有し、前記CNNは、前記出力ボリュームデータから算出される前記高さデータに発生するノイズが低減するように学習されていてもよい。 The learning model includes a convolutional neural network (CNN) comprising a network layer that calculates multiple output interference fringe images corresponding to multiple interference fringe images contained in the input volume data as output volume data, and a conversion processing unit that converts the calculated output volume data into a probability distribution of the height of the sample surface in two-dimensional coordinates, and a height data calculation unit that calculates the height data based on the probability distribution of the height of the sample surface. The CNN may be trained to reduce noise generated in the height data calculated from the output volume data.
本発明の第2の態様においては、第1の態様の前記高さ画像生成装置の前記学習モデルを学習させるための学習装置であって、二次元座標における基準試料面の高さを示す基準高さデータから、前記基準高さデータに対応する学習用のボリュームデータに変換する学習用ボリュームデータ変換部と、変換した前記学習用のボリュームデータを前記高さ画像生成装置に供給するボリュームデータ供給部と、前記高さ画像生成装置が前記学習用のボリュームデータに対応して出力した出力高さデータを取得する高さデータ取得部と、取得した前記出力高さデータと前記基準高さデータとの比較結果に基づく第1損失関数を算出する第1損失関数算出部と、前記第1損失関数の算出結果に基づき、前記学習モデルを学習する学習部とを備え、前記学習用のボリュームデータは、前記基準高さデータが示す前記基準試料面の形状に対応して少なくとも一部の干渉縞の輝度を低減させた学習用の複数の干渉縞画像を含む、学習装置を提供する。 In a second aspect of the present invention, a learning device for training the learning model of the height image generation device of the first aspect is provided, comprising: a learning volume data conversion unit that converts reference height data, which indicates the height of a reference sample surface in two-dimensional coordinates, into learning volume data corresponding to the reference height data; a volume data supply unit that supplies the converted learning volume data to the height image generation device; a height data acquisition unit that acquires output height data output by the height image generation device corresponding to the learning volume data; a first loss function calculation unit that calculates a first loss function based on a comparison result between the acquired output height data and the reference height data; and a learning unit that trains the learning model based on the calculation result of the first loss function, wherein the learning volume data includes a plurality of learning interference fringe images in which the brightness of at least some of the interference fringes is reduced corresponding to the shape of the reference sample surface indicated by the reference height data.
前記基準高さデータから、複数の基準干渉縞画像を含み、前記基準高さデータに対応する基準ボリュームデータに変換するボリュームデータ変換部を更に備え、前記ボリュームデータ変換部は、前記高さデータ取得部が取得した前記出力高さデータから対応する変換ボリュームデータに更に変換し、当該学習装置は、変換された前記変換ボリュームデータと前記基準ボリュームデータとの比較結果に基づく第2損失関数を算出する第2損失関数算出部を更に備え、前記学習部は、前記第1損失関数及び前記第2損失関数の算出結果に基づき、前記学習モデルを学習してもよい。 The learning device further comprises a volume data conversion unit that converts the aforementioned reference height data into reference volume data corresponding to the reference height data, including multiple reference interference fringe images. The volume data conversion unit further converts the output height data acquired by the height data acquisition unit into corresponding converted volume data. The learning device further comprises a second loss function calculation unit that calculates a second loss function based on a comparison result between the converted converted volume data and the reference volume data. The learning unit may learn the learning model based on the calculation results of the first and second loss functions.
前記第1損失関数は、高さ画像の法線ベクトルの類似度を算出する第1関数、前記出力高さデータと前記基準高さデータとの差分に基づくハリスコーナ検出応答値を算出する第2関数、及び、前記出力高さデータと前記基準高さデータとの間のL1損失を算出する第3関数のうち少なくとも1つを含み、前記第2損失関数は、前記変換ボリュームデータと前記基準ボリュームデータとの間のL1損失を算出する第4関数を含んでもよい。 The first loss function includes at least one of the following: a first function for calculating the similarity of the normal vectors of the height image; a second function for calculating the Harris Corner detection response value based on the difference between the output height data and the reference height data; and a third function for calculating the L1 loss between the output height data and the reference height data. The second loss function may also include a fourth function for calculating the L1 loss between the converted volume data and the reference volume data.
本発明の第3の態様においては、白色光を前記試料面及び前記参照面に照射し、前記試料面から反射した反射光と前記参照面から反射した参照光とを干渉させて、前記試料面の高さ方向の凹凸に基づく前記干渉縞画像を生成する白色光干渉計を用いた三次元測定機であって、前記参照面及び前記試料面との光路差を所定の値ずつ異ならせる毎に生成した複数の前記干渉縞画像を出力する前記三次元測定機と、出力された複数の前記干渉縞画像を前記ボリュームデータとして取得し、前記ボリュームデータに対応する前記試料面の高さ画像を表示部に表示させる、第1の態様の前記高さ画像生成装置とを備える、三次元測定システムを提供する。 In a third aspect of the present invention, a three-dimensional measuring system is provided, comprising: a three-dimensional measuring machine using a white light interferometer that irradiates the sample surface and the reference surface with white light, and generates an interference fringe image based on the height-direction irregularities of the sample surface by interfering the reflected light from the sample surface with the reference light reflected from the reference surface; the three-dimensional measuring machine outputting a plurality of the interference fringe images generated each time the optical path difference between the reference surface and the sample surface is changed by a predetermined value; and a height image generation device of the first aspect that acquires the output plurality of interference fringe images as volume data and displays the height image of the sample surface corresponding to the volume data on a display unit.
前記高さ画像生成装置は、異なる複数の基準高さデータを用いて前記学習モデルを学習して取得した複数の学習パラメータを記憶する記憶部と、第1学習パラメータを用いて一のボリュームデータに対応する前記試料面の第1高さ画像を前記表示部に表示させた後に、前記第1学習パラメータとは異なるパラメータを用いて前記第1高さ画像とは異なる第2高さ画像を前記表示部に表示することを受け付ける受付部とを更に有し、前記学習モデルは、前記受付部が前記第2高さ画像を前記表示部に表示することを受け付けたことに応じて、前記第1学習パラメータとは異なる第2学習パラメータを用いて前記一のボリュームデータに対応する前記高さデータを出力し、前記表示制御部は、前記高さデータに基づき、前記一のボリュームデータに対応する前記試料面の前記第2高さ画像を生成して前記表示部に表示させてもよい。 The height image generation device further includes a storage unit that stores multiple learning parameters obtained by learning the learning model using multiple different reference height data, and a reception unit that receives a request to display a second height image, different from the first height image, on the display unit using parameters different from the first height image, after the first height image of the sample surface corresponding to one volume data has been displayed on the display unit using the first learning parameters. The learning model outputs the height data corresponding to the one volume data using the second learning parameters, different from the first learning parameters, in response to the reception unit receiving a request to display the second height image on the display unit. The display control unit may then generate a second height image of the sample surface corresponding to the one volume data based on the height data and display it on the display unit.
本発明の第4の態様においては、コンピュータが実行する、白色光を試料面及び参照面に照射し、前記試料面から反射した反射光と前記参照面から反射した参照光とを干渉させて、前記試料面の高さ方向の凹凸に基づく干渉縞画像を生成する白色光干渉計を用いた三次元測定機において、前記参照面及び前記試料面との光路差を所定の値ずつ異ならせる毎に生成した複数の前記干渉縞画像をボリュームデータとして取得するステップと、前記ボリュームデータが入力したことに応じて、前記ボリュームデータに対応する二次元座標における前記試料面の高さの期待値を示す高さデータを出力するステップと、前記高さデータに基づき、前記試料面の高さ画像を表示部に表示させるステップとを有する、高さ画像の生成方法を提供する。 In a fourth aspect of the present invention, a method for generating a height image is provided for a three-dimensional measuring machine using a white light interferometer, which is operated by a computer. This method involves irradiating a sample surface and a reference surface with white light, interfering the reflected light from the sample surface with the reference light reflected from the reference surface, to generate an interference fringe image based on the height-direction topography of the sample surface. The method includes the steps of: acquiring a plurality of interference fringe images as volume data each time the optical path difference between the reference surface and the sample surface is varied by a predetermined value; outputting height data indicating the expected value of the height of the sample surface in the two-dimensional coordinate system corresponding to the volume data, in response to the input of the volume data; and displaying the height image of the sample surface on a display unit based on the height data.
本発明の第5の態様においては、コンピュータが実行する、第1の態様の前記高さ画像生成装置の前記学習モデルを学習させるための学習方法であって、二次元座標における基準試料面の高さを示す基準高さデータから、前記基準高さデータに対応する学習用のボリュームデータに変換するステップと、変換した前記学習用のボリュームデータを前記高さ画像生成装置に供給するステップと、前記高さ画像生成装置が前記学習用のボリュームデータに対応して出力した出力高さデータを取得するステップと、取得した前記出力高さデータと前記基準高さデータとに基づく第1損失関数を算出するステップと、前記第1損失関数の算出結果に基づき、前記学習モデルを学習するステップとを有し、前記学習用のボリュームデータは、前記基準高さデータが示す前記基準試料面の形状に対応して少なくとも一部の干渉縞の輝度を低減させた学習用の複数の干渉縞画像を含む、学習方法を提供する。 In a fifth aspect of the present invention, a learning method is provided for training the learning model of the height image generation apparatus of the first aspect, which is executed by a computer, comprising the steps of: converting reference height data, which indicates the height of a reference sample surface in two-dimensional coordinates, into learning volume data corresponding to the reference height data; supplying the converted learning volume data to the height image generation apparatus; acquiring output height data output by the height image generation apparatus corresponding to the learning volume data; calculating a first loss function based on the acquired output height data and the reference height data; and training the learning model based on the calculation result of the first loss function, wherein the learning volume data includes a plurality of learning interference fringe images in which the brightness of at least some interference fringes is reduced corresponding to the shape of the reference sample surface indicated by the reference height data.
本発明の第6の態様においては、コンピュータにより実行されると、前記コンピュータを第1の態様の前記高さ画像生成装置として機能させる、プログラムを提供する。 In a sixth aspect of the present invention, a program is provided that, when executed by a computer, causes the computer to function as the height image generation device of the first aspect.
本発明の第7の態様においては、コンピュータにより実行されると、前記コンピュータを第2の態様の前記学習装置として機能させる、プログラムを提供する。 In a seventh aspect of the present invention, a program is provided that, when executed by a computer, causes the computer to function as the learning device of the second aspect.
本発明によれば、白色光干渉計を用いた三次元測定機において、試料面の形状、材質によって干渉縞画像のコントラストが低くなっても、ノイズを低減させた高さ画像を出力できるという効果を奏する。 According to the present invention, a three-dimensional measuring machine using a white light interferometer can output a height image with reduced noise, even if the contrast of the interference fringe image is low due to the shape and material of the sample surface.
<三次元測定システムSの構成例>
図1は、本実施形態に係る三次元測定システムSの構成例を示す。三次元測定システムSは、白色光干渉計を用いて複数の干渉縞画像を生成し、生成した複数の干渉縞画像に基づいて、学習済みの学習モデル(以下、「学習済モデル」という場合がある)を用いて試料の表面の凹凸を示す高さ画像を出力する。三次元測定システムSは、三次元測定機10と、高さ画像生成装置100と、学習装置200とを備える。
<Example configuration of the three-dimensional measurement system S>
Figure 1 shows an example of the configuration of the three-dimensional measurement system S according to this embodiment. The three-dimensional measurement system S generates multiple interference fringe images using a white light interferometer, and outputs a height image showing the surface topography of a sample using a trained model (hereinafter sometimes referred to as the "trained model") based on the generated multiple interference fringe images. The three-dimensional measurement system S comprises a three-dimensional measuring machine 10, a height image generation device 100, and a learning device 200.
三次元測定機10は、白色光干渉計を用いて試料の干渉光画像を生成する。白色光干渉計は、白色光を試料面及び参照面に照射し、試料面から反射した反射光と参照面から反射した参照光とを干渉させて、試料面の高さ方向の凹凸に基づく干渉縞画像を生成する。三次元測定機10は、例えば、参照面を所定の距離ずつ移動させて、参照面及び試料面との光路差を所定の値ずつ異ならせる。これに代えて、三次元測定機10は、対物レンズを所定の距離ずつ移動させて、参照面及び試料面との光路差を所定の値ずつ異ならせてもよい。 The three-dimensional measuring machine 10 generates an interference image of the sample using a white light interferometer. The white light interferometer irradiates the sample surface and the reference surface with white light, and interferes the reflected light from the sample surface with the reference light reflected from the reference surface to generate an interference fringe image based on the height-direction topography of the sample surface. The three-dimensional measuring machine 10, for example, moves the reference surface by a predetermined distance to vary the optical path difference between the reference surface and the sample surface by a predetermined value. Alternatively, the three-dimensional measuring machine 10 may move the objective lens by a predetermined distance to vary the optical path difference between the reference surface and the sample surface by a predetermined value.
従来の三次元測定は、光路差を異ならせる毎に干渉縞画像を撮像し、撮像した複数の干渉縞画像に現れる異なる明暗の干渉縞を観測、解析して試料面の立体的な形状を推定していた。このような白色光干渉計を用いた三次元測定は、例えば、特許文献1等に記載されているように、既知の技術なのでここでは詳細な説明を省略する。本実施形態に係る三次元測定機10は、参照面及び試料面との光路差を所定の値ずつ異ならせる毎に生成した複数の干渉縞画像を出力する(図1の(1))。そして、高さ画像生成装置100は、試料面の高さ方向の立体的な形状を示す高さ画像を三次元測定システムSの測定結果として出力する(図1の(2))。 Conventional three-dimensional measurement methods involved capturing interference fringe images each time the optical path difference was varied, and then observing and analyzing the different brightness levels of interference fringes appearing in the multiple captured images to estimate the three-dimensional shape of the sample surface. Such three-dimensional measurement using a white light interferometer is a known technique, as described in, for example, Patent Document 1, so a detailed explanation is omitted here. The three-dimensional measuring machine 10 according to this embodiment outputs multiple interference fringe images generated each time the optical path difference between the reference surface and the sample surface is varied by a predetermined value (Figure 1(1)). The height image generation device 100 then outputs a height image showing the three-dimensional shape of the sample surface in the height direction as the measurement result of the three-dimensional measurement system S (Figure 1(2)).
高さ画像生成装置100は、複数の干渉縞画像をボリュームデータとして取得する。そして、高さ画像生成装置100は、学習済の学習モデルを用いて、ボリュームデータに対応する高さデータを生成し、高さデータに基づく試料面の高さ画像を表示部に表示する。高さ画像生成装置100は、例えば、サーバ等のコンピュータである。高さ画像生成装置100は、三次元測定機10、データベース等とネットワークで接続されており、ボリュームデータを取得する。これに代えて、高さ画像生成装置100は、三次元測定機10と一体に構成されていてもよい。 The height image generation device 100 acquires multiple interference fringe images as volume data. Then, using a trained model, the height image generation device 100 generates height data corresponding to the volume data and displays a height image of the sample surface based on the height data on the display unit. The height image generation device 100 is, for example, a computer such as a server. The height image generation device 100 is connected via a network to the three-dimensional measuring machine 10, a database, etc., and acquires volume data. Alternatively, the height image generation device 100 may be configured integrally with the three-dimensional measuring machine 10.
学習装置200は、高さ画像生成装置100の学習モデルを学習する(training a learning model)。ここで、「学習モデルを学習する」とは、学習装置200が学習モデルに入力した教師データと学習モデルが出力したデータとが近づくように、学習モデルの学習パラメータを更新することである。学習装置200は、三次元測定機10及び高さ画像生成装置100による試料面の測定の前に学習モデルを学習済モデルにすることが望ましい。学習装置200は、高さ画像生成装置100とネットワークで接続されていてもよく、これに代えて、高さ画像生成装置100と一体に構成されていてもよい。また、学習装置200は、三次元測定機10と一体に構成されていてもよい。 The learning device 200 trains a learning model for the height image generation device 100. Here, "training a learning model" means updating the learning parameters of the learning model so that the training data input by the learning device 200 to the learning model closely matches the data output by the learning model. It is desirable that the learning device 200 trains the learning model before the measurement of the sample surface by the three-dimensional measuring machine 10 and the height image generation device 100. The learning device 200 may be connected to the height image generation device 100 via a network, or it may be integrated with the height image generation device 100. Alternatively, the learning device 200 may be integrated with the three-dimensional measuring machine 10.
学習装置200は、基準高さデータと、基準高さデータから変換した学習用のボリュームデータとを用いて学習モデルを学習する。基準高さデータは、急峻な傾斜及び/又は立壁を有する形状を示すデータである。学習用のボリュームデータは、基準高さデータに基づいて光の干渉方程式を用いて算出して生成した複数の学習用の干渉縞画像に対応するデータである(図1の(3))。学習装置200は、学習用のボリュームデータを高さ画像生成装置100に供給し(図1の(4))、高さ画像生成装置100が出力する出力高さデータを取得する(図1の(5))。そして、学習装置200は、取得した出力高さデータが基準高さデータに近づくように、学習パラメータを算出し、高さ画像生成装置100に算出した学習パラメータを提供して更新する(図1の(6))。 The learning device 200 learns a learning model using reference height data and learning volume data converted from the reference height data. The reference height data is data representing a shape with steep slopes and/or vertical walls. The learning volume data is data corresponding to multiple learning interference fringe images calculated and generated using the optical interference equation based on the reference height data (Figure 1(3)). The learning device 200 supplies the learning volume data to the height image generation device 100 (Figure 1(4)) and acquires the output height data output by the height image generation device 100 (Figure 1(5)). Then, the learning device 200 calculates learning parameters so that the acquired output height data approaches the reference height data, and provides the calculated learning parameters to the height image generation device 100 to update it (Figure 1(6)).
一例として、高さ画像生成装置100が学習前の学習モデルを記憶しており、学習装置200は、高さ画像生成装置100の学習モデルのパラメータを更新することにより、学習モデルを学習済モデルにする。これに代えて、学習装置200は、学習済みの学習済モデルの情報を高さ画像生成装置100に送信することにより、高さ画像生成装置100に学習済モデルを提供してもよい。 For example, the height image generation device 100 stores the pre-training model, and the learning device 200 updates the parameters of the height image generation device 100's training model to make it a trained model. Alternatively, the learning device 200 may provide the height image generation device 100 with a trained model by transmitting information about the trained model to the height image generation device 100.
学習装置200は、例えば、従来の技術では高さ画像を再現できなかった程度に干渉縞のコントラストが小さい学習用のボリュームデータを用いて高さ画像生成装置100の学習モデルを学習する。これにより、本実施形態に係る三次元測定システムSは、急峻な傾斜及び/又は立壁を有する試料面を測定しても、ノイズを低減させた高さ画像を出力できる。なお、三次元測定システムSが学習モデルを学習することを目的とするシステムである場合、三次元測定機10が無い構成でもよい。また、三次元測定システムSが学習済モデルを用いて試料表面を測定することを目的とするシステムである場合、学習装置200が無い構成であってもよい。このような高さ画像生成装置100、学習装置200の詳細について説明する。 The learning device 200 learns the learning model of the height image generation device 100 using, for example, training volume data with interference fringe contrast so low that conventional techniques could not reproduce height images. As a result, the three-dimensional measurement system S according to this embodiment can output height images with reduced noise even when measuring a sample surface with steep slopes and/or vertical walls. Note that if the three-dimensional measurement system S is a system intended for learning a learning model, the three-dimensional measuring machine 10 may be omitted. Also, if the three-dimensional measurement system S is a system intended for measuring the sample surface using a trained model, the learning device 200 may be omitted. Details of the height image generation device 100 and the learning device 200 will now be described.
<高さ画像生成装置100の構成例>
図2は、本実施形態に係る高さ画像生成装置100の構成例を示す。高さ画像生成装置100は、例えば、CPU(Central Processing Unit)等のコンピュータである。高さ画像生成装置100は、ボリュームデータ取得部110と、記憶部120と、センタリング処理部130と、学習モデル140と、表示制御部150と、表示部160とを備える。
<Example of the configuration of the height image generation device 100>
Figure 2 shows an example of the configuration of the height image generation device 100 according to this embodiment. The height image generation device 100 is a computer such as a CPU (Central Processing Unit). The height image generation device 100 includes a volume data acquisition unit 110, a storage unit 120, a centering processing unit 130, a learning model 140, a display control unit 150, and a display unit 160.
ボリュームデータ取得部110は、三次元測定機10が出力した複数の干渉縞画像をボリュームデータとして取得する。ボリュームデータ取得部110は、三次元測定機10からボリュームデータを直接取得してもよく、これに代えて、ネットワーク等を介して取得してもよい。また、ボリュームデータ取得部110は、ボリュームデータを記憶しているデータベース等からボリュームデータを取得してもよい。なお、学習装置200が学習済モデル140を作成する間、ボリュームデータ取得部110は、学習装置200から供給されるボリュームデータを取得する。 The volume data acquisition unit 110 acquires multiple interference fringe images output by the three-dimensional measuring machine 10 as volume data. The volume data acquisition unit 110 may acquire the volume data directly from the three-dimensional measuring machine 10, or it may acquire it via a network or the like. Alternatively, the volume data acquisition unit 110 may acquire the volume data from a database or the like that stores volume data. While the learning device 200 is creating the trained model 140, the volume data acquisition unit 110 acquires the volume data supplied by the learning device 200.
図3は、本実施形態に係るボリュームデータ取得部110が取得するボリュームデータの一例を示す。図3は、二次元座標であるxy座標の画素毎に干渉縞の輝度を示すデータ値を有する5つの干渉縞画像をボリュームデータとして示している。ボリュームデータは、例えば、対物レンズの位置をz軸方向に走査させて、試料面と参照面の光路差を連続的に変化させつつ撮像した複数の干渉縞画像である。 Figure 3 shows an example of volume data acquired by the volume data acquisition unit 110 according to this embodiment. Figure 3 shows five interference fringe images as volume data, each having data values indicating the brightness of the interference fringes for each pixel in the two-dimensional xy coordinate system. The volume data consists of multiple interference fringe images captured while continuously changing the optical path difference between the sample surface and the reference surface by scanning the position of the objective lens in the z-axis direction.
複数の干渉縞画像は、三次元測定機10の測定において、試料面と参照面との光路差が零となる部分でコントラストが最大の干渉縞が撮像される。そして、複数の干渉縞画像の各点の輝度に注目すると、同一のxy座標の各画素でz方向に並ぶデータ値は、干渉波形を構成する。図3は、座標(x1,y1)においてz方向に並ぶ5点の画素のデータで形成されている干渉波形の例を示す。なお、本実施形態において、座標(x,y)における干渉波形をF(x,y,zi)とする。ここで、iは画像番号であり、ziはxy座標の各画素でz方向に並ぶデータ値である。 In the measurement of multiple interference fringe images by the three-dimensional measuring machine 10, interference fringes with maximum contrast are captured in the region where the optical path difference between the sample surface and the reference surface is zero. Focusing on the brightness of each point in the multiple interference fringe images, the data values aligned in the z direction at each pixel with the same x and y coordinates constitute an interference waveform. Figure 3 shows an example of an interference waveform formed by the data of five pixels aligned in the z direction at coordinates (x 1 , y 1 ). In this embodiment, the interference waveform at coordinates (x, y) is denoted as F(x, y, z i ). Here, i is the image number, and z i is the data value aligned in the z direction at each pixel with the x and y coordinates.
そして、このような干渉波形のピーク値となるz方向の位置が、試料表面の高さに対応する。例えば、図3の干渉波形F(x1,y1,zi)は、i=1の場合にデータ値z1がピークとなるので、座標(x1,y1)における試料表面の高さが画像番号1に対応する高さになることを示す。従来の三次元測定は、このように干渉波形のピーク値に基づいて試料表面の高さを決定していたので、高精度、高分解能な測定を行うには、高さ方向をより細分化して(参照面及び試料面との光路差をより細かく異ならせて)、より多くの鮮明な干渉縞画像を生成することが求められていた。これに対して、三次元測定システムSは、学習済モデルを用いることにより、干渉縞画像のコントラストが低い場合や干渉縞画像にノイズが重畳している場合であっても、従来の三次元測定よりも高い精度で試料の形状を測定することができる。 The position in the z-direction where the peak value of such interference waveform occurs corresponds to the height of the sample surface. For example, in the interference waveform F( x1 , y1 , zi ) in Figure 3, the data value z1 is the peak when i=1, indicating that the height of the sample surface at coordinate ( x1 , y1 ) corresponds to the height of image number 1. Conventional three-dimensional measurements determined the height of the sample surface based on the peak value of the interference waveform in this way, so in order to perform high-precision, high-resolution measurements, it was necessary to further subdivide the height direction (making the optical path difference between the reference plane and the sample surface more finely varied) to generate more sharp interference fringe images. In contrast, the three-dimensional measurement system S, by using a trained model, can measure the shape of the sample with higher accuracy than conventional three-dimensional measurements, even when the contrast of the interference fringe image is low or when noise is superimposed on the interference fringe image.
記憶部120は、ボリュームデータ取得部110が取得したボリュームデータを記憶する。また、記憶部120は、高さ画像生成装置100が動作の過程で生成する(又は利用する)中間データ、算出結果、閾値、基準値、及びパラメータ等をそれぞれ記憶してもよい。また、記憶部120は、高さ画像生成装置100内の各部又は学習装置200の要求に応じて、記憶したデータを要求元に供給してもよい。 The storage unit 120 stores the volume data acquired by the volume data acquisition unit 110. The storage unit 120 may also store intermediate data, calculation results, thresholds, reference values, and parameters generated (or used) by the height image generation device 100 during its operation. Furthermore, the storage unit 120 may supply the stored data to the requesting party in response to requests from various parts of the height image generation device 100 or the learning device 200.
記憶部120は、ROM(Read Only Memory)及びRAM(Random Access Memory)等を含む記憶媒体である。また、記憶部120は、HDD(Hard Disk Drive)及び/又はSSD(Solid State Drive)等の大容量記憶装置を含んでもよい。例えば、コンピュータが高さ画像生成装置100として機能する場合、コンピュータを機能させるOS(Operating System)、及びプログラム等の情報を格納してもよい。また、記憶部120は、プログラムの実行時に参照されるデータベースを含む種々の情報を格納してもよい。 The storage unit 120 is a storage medium including ROM (Read Only Memory) and RAM (Random Access Memory), etc. The storage unit 120 may also include a large-capacity storage device such as an HDD (Hard Disk Drive) and/or an SSD (Solid State Drive). For example, if the computer functions as a height image generation device 100, it may store information such as the OS (Operating System) and programs that enable the computer to function. Furthermore, the storage unit 120 may store various information, including a database referenced during program execution.
ボリュームデータ取得部110、センタリング処理部130及び表示制御部150は、例えばCPUが記憶部120に記憶されたプログラムを実行することにより実現される。また、コンピュータは、記憶部120に記憶されたプログラムを実行することによって、学習モデル140を使用して高さ画像を生成する。図2に示す例においては、高さ画像生成装置100が学習モデル140を有するが、学習モデル140は、高さ画像生成装置100の外部の装置に設けられていてもよい。また、学習モデル140が、学習済モデルを動作させるためのプロセッサを有していてもよい。 The volume data acquisition unit 110, the centering processing unit 130, and the display control unit 150 are implemented, for example, by the CPU executing a program stored in the memory unit 120. The computer generates the height image using the learning model 140 by executing the program stored in the memory unit 120. In the example shown in Figure 2, the height image generation device 100 has the learning model 140, but the learning model 140 may be provided in an external device to the height image generation device 100. Furthermore, the learning model 140 may have a processor for operating the trained model.
センタリング処理部130は、ボリュームデータに含まれている複数の干渉縞画像にセンタリング処理を施す。センタリング処理は、ボリュームデータに含まれている複数の干渉縞画像の同一の二次元座標毎に、画素のデータ値の移動平均値を算出し、算出した移動平均値を当該移動平均値の算出に用いた画素のデータ値から差し引く処理である。例えば、センタリング処理を施したボリュームデータの干渉波形FC(x,y,zi)は、次式のように示される。
図4は、本実施形態に係るセンタリング処理部130が実行するセンタリング処理を説明する図である。図4Aは、ボリュームデータの干渉波形F(x,y,zi)の一例を示す。図4Bは、センタリング処理を施した干渉波形FC(x,y,zi)の一例を示す。図4A及び図4Bは、横軸がz方向の位置iであり、縦軸が輝度を示す画素のデータ値ziである。 Figure 4 is a diagram illustrating the centering process performed by the centering processing unit 130 according to this embodiment. Figure 4A shows an example of the interference waveform F(x, y, z i ) of volume data. Figure 4B shows an example of the interference waveform F C (x, y, z i ) after centering processing. In Figures 4A and 4B, the horizontal axis represents the position i in the z direction, and the vertical axis represents the pixel data value z i indicating brightness.
図4Aの干渉波形F(x,y,zi)は、急斜面、立壁等の形状により、検出できた反射光の強度が低くなってしまい、干渉縞が見えにくくなっている波形の例を示す。このように、バックグラウンドノイズ等に干渉縞が埋もれている干渉波形F(x,y,zi)にセンタリング処理を施すと、図4Bの干渉波形FC(x,y,zi)のように、移動平均値が0になって干渉縞の信号成分が浮き出ることになる。センタリング処理部130は、このようにして、バックグラウンドノイズ等を低減させた干渉波形FC(x,y,zi)の絶対値を学習モデル140に供給する。 The interference waveform F(x,y, zi ) in Figure 4A shows an example of a waveform where the intensity of the reflected light detected is low due to the shape of the surface, such as a steep slope or vertical wall, making the interference fringes difficult to see. When a centering process is applied to the interference waveform F(x, y ,zi) in which the interference fringes are buried in background noise, the moving average value becomes 0, and the signal components of the interference fringes stand out, as shown in the interference waveform FC (x,y, zi ) in Figure 4B. The centering processing unit 130 then supplies the absolute value of the interference waveform FC (x,y, zi ), from which background noise has been reduced, to the learning model 140.
学習モデル140は、センタリング処理部130がセンタリング処理した後のボリュームデータが入力したことに応じて、当該ボリュームデータに対応する高さデータを出力するためのプログラムである。高さデータは、二次元座標における試料面の高さの期待値を示すデータである。学習モデル140は、畳み込みニューラルネットワーク(CNN:Convolutional Neural Network)141と、高さデータ算出部142とを有する The learning model 140 is a program that outputs height data corresponding to volume data after the volume data processed by the centering processing unit 130 has been input. The height data represents the expected value of the height of the sample surface in two-dimensional coordinates. The learning model 140 includes a convolutional neural network (CNN) 141 and a height data calculation unit 142.
CNN141は、ボリュームデータが入力したことに応じて、ボリュームデータに対応する二次元座標における試料面の高さの確率分布を出力する。CNN141は、ネットワーク層143と、変換処理部144とを含む。 CNN141 outputs a probability distribution of the height of the sample surface in the two-dimensional coordinate system corresponding to the volume data, in response to the input volume data. CNN141 includes a network layer 143 and a conversion processing unit 144.
ネットワーク層143は、入力したボリュームデータに含まれている複数の干渉縞画像に対応する複数の出力干渉縞画像を出力ボリュームデータとして算出する。ネットワーク層143は、複数の層を有し、例えば、各層において活性化関数を用いた処理、畳み込み処理等が行われる構成を有する。活性化関数は、一例として、正規化線形ユニット(ReLU:Rectified Linear Unit)と呼ばれる正規化線形関数である。 The network layer 143 calculates multiple output interference fringe images corresponding to multiple interference fringe images contained in the input volume data, using these as output volume data. The network layer 143 has multiple layers, and each layer performs processes such as activation function processing and convolution. One example of an activation function is a normalized linear function called a Rectified Linear Unit (ReLU).
このようなネットワーク層143は、機械学習の画像認識、動画像認識等において既知の学習モデルであり、ここでは詳細な説明を省略する。なお、学習モデル140を学習することは、ネットワーク層143の学習パラメータをより適切な値に最適化することに相当する。 Such a network layer 143 is a known learning model used in machine learning for image recognition, video recognition, etc., and a detailed explanation is omitted here. Note that training the learning model 140 is equivalent to optimizing the learning parameters of the network layer 143 to more appropriate values.
変換処理部144は、ネットワーク層143が算出した出力ボリュームデータを二次元座標における試料面の高さの確率分布に変換する。変換処理部144は、例えば、次式で示すソフトマックス関数を用いて、出力ボリュームデータをx座標及びy座標におけるz方向の高さの確率分布Piに変換する。確率分布Piは、z方向の位置iにおいて干渉縞がピーク値を取り得る確率を示す。
高さデータ算出部142は、試料面の高さの確率分布に基づき、二次元座標における試料面の高さの期待値を示す高さデータを算出する。高さデータ算出部142は、次式のように、試料面の取り得る高さの値iと確率分布Piとの内積を算出して、x座標及びy座標におけるz方向の高さの期待値Heとする。高さデータ算出部142は、座標毎に高さの期待値を算出した高さデータHe(x,y)を出力する。
表示制御部150は、高さデータに基づき、試料面の高さ画像を表示部160に表示させる。表示制御部150は、例えば、試料面を所定の角度から見た形状を示す高さ画像を生成する。表示部160は、ディスプレイ等である。表示制御部150は、高さ画像を記憶部120、外部のデータベース等に記憶してもよい。 The display control unit 150 displays a height image of the sample surface on the display unit 160 based on the height data. For example, the display control unit 150 generates a height image showing the shape of the sample surface viewed from a predetermined angle. The display unit 160 is a display or the like. The display control unit 150 may store the height image in the storage unit 120, an external database, or the like.
ネットワーク層143は、当該ネットワーク層143が出力した出力ボリュームデータから算出される高さデータに発生するノイズが低減するように、ネットワーク層143の学習パラメータが学習されているので、本実施形態に係る高さ画像生成装置100は、ノイズを低減させた高さ画像を表示部160に表示できる。 The network layer 143 has learned its learning parameters so that noise generated in the height data calculated from the output volume data output by the network layer 143 is reduced. Therefore, the height image generation device 100 according to this embodiment can display a height image with reduced noise on the display unit 160.
図5は、本実施形態に係る高さ画像生成装置100が出力した高さ画像の一例を示す。図5Aは、ボリュームデータ取得部110が取得したボリュームデータを、センタリング処理部130及びネットワーク層143を介さずに、変換処理部144及び高さデータ算出部142が生成した高さデータに基づく高さ画像を示す。言い換えると、図5Aは、従来の三次元測定により出力された比較画像の例を示す。比較画像は、試料面が急峻な斜面を有するので、スパイク上のノイズが多く重畳していることがわかる。 Figure 5 shows an example of a height image output by the height image generation device 100 according to this embodiment. Figure 5A shows a height image based on height data generated by the conversion processing unit 144 and the height data calculation unit 142, without passing through the centering processing unit 130 and the network layer 143, from the volume data acquired by the volume data acquisition unit 110. In other words, Figure 5A shows an example of a comparison image output by conventional three-dimensional measurement. The comparison image shows that because the sample surface has a steep slope, a lot of spike-like noise is superimposed.
図5Bは、図5Aの高さ画像の生成に用いたボリュームデータを、センタリング処理部130と学習モデル140(CNN141及び高さデータ算出部142)とを介して生成した高さデータに基づく高さ画像を示す。図5Bより、本実施形態に係る高さ画像生成装置100によれば、急峻な斜面を有する試料面を測定したボリュームデータであっても、ノイズを低減させた試料面の形状を出力できることがわかる。 Figure 5B shows a height image based on height data generated via the centering processing unit 130 and the learning model 140 (CNN 141 and height data calculation unit 142) using the volume data used to generate the height image in Figure 5A. Figure 5B shows that, according to this embodiment, the height image generation device 100 can output the shape of a sample surface with reduced noise, even when using volume data measured from a sample surface with a steep slope.
上述のように、従来の三次元測定は、干渉縞画像から干渉波形のピーク値を検出して試料表面の高さを検出していたので、より多くの干渉縞画像を用いることで高分解能化、高精度化していた。また、それぞれの干渉縞画像を鮮明化する目的で学習モデルを用いることも知られていた。しかしながら、それぞれの干渉縞画像を独立に鮮明化するように学習したとしても、複数の干渉縞画像から高さデータに変換した後に発生するノイズを適切に低減するように最適化するものではないので、従来の三次元測定でノイズを低減することは困難であった。 As mentioned above, conventional three-dimensional measurement detected the height of the sample surface by detecting the peak value of the interference waveform from the interference fringe image. Therefore, higher resolution and accuracy were achieved by using more interference fringe images. It was also known that learning models were used to sharpen each interference fringe image. However, even if each interference fringe image was trained to sharpen independently, it did not optimize for appropriately reducing the noise generated after converting multiple interference fringe images into height data. Therefore, noise reduction in conventional three-dimensional measurement was difficult.
また、それぞれの干渉縞画像を鮮明にできたとしても、高精度な測定のために必要な干渉縞画像の数が変化することはない。したがって、従来の三次元測定は、試料面が急峻な斜面、立壁を有すると、スパイク上のノイズが多く重畳することがあり、また、高精度化のためにより多くの干渉縞画像を測定しなければならず、測定に時間がかかっていた。 Furthermore, even if each interference fringe image can be made clearer, the number of interference fringe images required for high-precision measurement does not change. Therefore, conventional three-dimensional measurements often resulted in significant superposition of spike-like noise when the sample surface had steep slopes or vertical walls. Additionally, achieving high precision required measuring many more interference fringe images, leading to lengthy measurements.
これに対し、本実施形態に係る高さ画像生成装置100は、複数の干渉縞画像をまとめたボリュームデータを入力データとし、ボリュームデータに対応する高さデータを出力させ、当該高さデータに重畳するノイズを低減させるように学習した学習モデル140を用いる。言い換えると、発明者らは、複数の干渉縞画像をそれぞれ独立に鮮明化するのではなく、三次元測定の目的である高さデータのノイズを直接低減させるように、複数の干渉縞画像をボリュームデータとしてまとめて学習モデル140に処理させることを見いだした。 In contrast, the height image generation device 100 according to this embodiment uses a learning model 140 that has been trained to reduce noise superimposed on the height data, outputting height data corresponding to the volume data as input data, rather than independently sharpening each of the multiple interference fringe images. In other words, the inventors have found that by combining multiple interference fringe images as volume data and having the learning model 140 process them, the noise in the height data, which is the objective of three-dimensional measurement, is directly reduced, rather than sharpening each of the multiple interference fringe images independently.
これにより、学習済の学習モデル140は、1つの干渉縞画像の干渉縞を鮮明にするように動作するのではなく、高さデータのノイズを低減させるように、複数の干渉縞画像に応じた複数の干渉波形を鮮明化してなめらかに接続するように動作する。そして、学習モデル140は、なめらかに接続して鮮明化した干渉波形のピーク値を算出するので、試料表面の高さ方向の分解能を向上できる。 As a result, the trained model 140 does not operate to sharpen the interference fringes of a single interference fringe image, but rather to sharpen and smoothly connect multiple interference waveforms corresponding to multiple interference fringe images in order to reduce noise in the height data. The trained model 140 then calculates the peak values of the smoothly connected and sharpened interference waveforms, thereby improving the height resolution of the sample surface.
したがって、高さ画像生成装置100は、入力したボリュームデータに対応する高さデータのノイズを低減させつつ、三次元測定システムSの測定分解能及び測定精度を向上させることができる。例えば、高さ画像生成装置100は、1000から2000程度の干渉縞画像を用いてz方向の分解能を0.06μm程度の従来の三次元測定と比較して、200から500程度の干渉縞画像のボリュームデータを用いた測定で同程度の測定分解能及び測定精度とすることができることがわかった。このような高さ画像生成装置100の学習モデル140を学習させるための学習装置200について次に説明する。 Therefore, the height image generation device 100 can improve the measurement resolution and accuracy of the three-dimensional measurement system S while reducing noise in the height data corresponding to the input volume data. For example, it has been found that the height image generation device 100 can achieve a similar level of measurement resolution and accuracy using volume data of interference fringe images with approximately 200 to 500 pixels, compared to conventional three-dimensional measurement using interference fringe images with a z-direction resolution of approximately 0.06 μm. The learning device 200 for training the learning model 140 of such a height image generation device 100 will be described next.
<学習装置200の構成例>
図6は、本実施形態に係る学習装置200の構成例を示す。学習装置200は、例えば、コンピュータである。学習装置200は、高さ画像生成装置100と同一のコンピュータであってもよく、高さ画像生成装置100とは異なるコンピュータであってもよい。学習装置200は、基準高さデータ取得部210と、記憶部220と、学習用ボリュームデータ変換部230と、ボリュームデータ供給部240と、高さデータ取得部250と、第1損失関数算出部260と、ボリュームデータ変換部270と、第2損失関数算出部280と、学習部290とを備える。
<Example of the configuration of the learning device 200>
Figure 6 shows an example of the configuration of the learning device 200 according to this embodiment. The learning device 200 is, for example, a computer. The learning device 200 may be the same computer as the height image generation device 100, or it may be a different computer from the height image generation device 100. The learning device 200 includes a reference height data acquisition unit 210, a storage unit 220, a learning volume data conversion unit 230, a volume data supply unit 240, a height data acquisition unit 250, a first loss function calculation unit 260, a volume data conversion unit 270, a second loss function calculation unit 280, and a learning unit 290.
基準高さデータ取得部210は、基準高さデータを取得する。基準高さデータは、二次元座標における基準試料面の高さz=f(x,y)を示す。基準高さデータは、例えば、三次元測定機10が測定すべき試料面の凹凸として、高さ画像生成装置100のユーザが作成したデータである。基準高さデータ取得部210は、データベース等から基準高さデータを取得してもよく、これに代えて、ユーザからのデータ入力を受け付けて取得してもよい。 The reference height data acquisition unit 210 acquires reference height data. The reference height data represents the height z = f(x, y) of the reference sample surface in two-dimensional coordinates. The reference height data is, for example, data created by the user of the height image generation device 100 as the surface irregularities of the sample surface to be measured by the three-dimensional measuring machine 10. The reference height data acquisition unit 210 may acquire the reference height data from a database or the like, or it may acquire the data by accepting data input from the user.
図7は、本実施形態に係る基準高さデータに基づく基準高さ画像の一例である。図7は、ユーザがシミュレーションデータとして基準高さデータを作成し、作成した基準高さデータを所定の角度から見た形状を高さ画像として生成した例を示す。基準高さデータは、高さ画像において種々の斜度の形状と、半球の形状とを有するように作成したデータである。言い換えると、基準高さデータは、三次元測定システムSが三次元測定として対応すべき形状を有するデータである。 Figure 7 shows an example of a reference height image based on reference height data according to this embodiment. Figure 7 shows an example where a user creates reference height data as simulation data, and generates a height image of the shape of the created reference height data viewed from a predetermined angle. The reference height data is created so that the height image has shapes with various slopes and a hemispherical shape. In other words, the reference height data is data that has a shape that the three-dimensional measurement system S should correspond to as three-dimensional measurement.
基準高さデータ取得部210は、このようにユーザが作成した基準高さデータを取得してもよく、これに代えて、ユーザが基準高さデータを生成するための数式、アルゴリズム等を取得して基準高さデータを生成して取得してもよい。 The reference height data acquisition unit 210 may acquire the reference height data created by the user in this manner, or alternatively, it may acquire the user's formulas, algorithms, etc., for generating the reference height data and then acquire that data.
記憶部220は、基準高さデータ取得部210が取得した基準高さデータを記憶する。また、記憶部220は学習装置200が動作の過程で生成する(又は利用する)中間データ、算出結果、閾値、基準値、及びパラメータ等をそれぞれ記憶してもよい。また、記憶部220は、学習装置200内の各部又は高さ画像生成装置100の要求に応じて、記憶したデータを要求元に供給してもよい。 The storage unit 220 stores the reference height data acquired by the reference height data acquisition unit 210. The storage unit 220 may also store intermediate data, calculation results, thresholds, reference values, and parameters generated (or used) by the learning device 200 during its operation. Furthermore, the storage unit 220 may supply the stored data to the requesting party in response to requests from various parts of the learning device 200 or the height image generation device 100.
記憶部220は、ROM及びRAM等を含む記憶媒体である。また、記憶部220は、HDD及び/又はSSD等の大容量記憶装置を含んでもよい。例えば、コンピュータが学習装置200として機能する場合、コンピュータを機能させるOS、及びプログラム等の情報を格納してもよい。また、記憶部220は、プログラムの実行時に参照されるデータベースを含む種々の情報を格納してもよい。 The storage unit 220 is a storage medium including ROM and RAM. The storage unit 220 may also include a large-capacity storage device such as an HDD and/or SSD. For example, if the computer functions as a learning device 200, it may store information such as the OS and programs that enable the computer to function. Furthermore, the storage unit 220 may store various types of information, including a database referenced during program execution.
例えば、コンピュータは、記憶部220に記憶されたプログラムを実行することによって、基準高さデータ取得部210、記憶部220、学習用ボリュームデータ変換部230、ボリュームデータ供給部240、高さデータ取得部250、第1損失関数算出部260、ボリュームデータ変換部270、第2損失関数算出部280、及び学習部290として機能する。 For example, the computer functions as a reference height data acquisition unit 210, a storage unit 220, a learning volume data conversion unit 230, a volume data supply unit 240, a height data acquisition unit 250, a first loss function calculation unit 260, a volume data conversion unit 270, a second loss function calculation unit 280, and a learning unit 290 by executing a program stored in the storage unit 220.
学習用ボリュームデータ変換部230の説明の前に、ボリュームデータ変換部270の動作について説明する。ボリュームデータ変換部270は、基準高さデータ取得部210が取得した基準高さデータから、複数の基準干渉縞画像を含み、当該基準高さデータに対応する基準ボリュームデータに変換する。ボリュームデータ変換部270は、例えば、次式に示す光の干渉方程式を用いて、基準ボリュームデータを算出する。光の干渉方程式は、非特許文献1、非特許文献2等に記載されているように、既知の技術なのでここでは詳細な説明を省略する。基準ボリュームデータは、基準高さデータに対応する理想的なボリュームデータを示す。
これに対し、学習用ボリュームデータ変換部230は、基準高さ画像のそれぞれの傾斜の大きさに応じて、干渉縞画像の輝度が小さくなるように学習用のボリュームデータを算出する。例えば、学習用ボリュームデータ変換部230は、高さ画像の正規化された法線ベクトルのz成分の大きさの2乗を、干渉縞画像の輝度に乗じる係数として有する。また、学習用ボリュームデータ変換部230は、バックグラウンドノイズ等を考慮した項を干渉方程式に追加してもよい。学習用ボリュームデータ変換部230は、例えば、次式に示す光の干渉方程式を用いて、基準高さデータから基準高さデータに対応する学習用のボリュームデータに変換する。
数5式のNzは、高さ画像の形状の法線ベクトルのz成分の大きさである。Nzの二乗の係数を右辺第2項に乗じることにより、斜面の傾斜が大きいほど干渉縞の輝度が低減させて干渉縞が見えにくくなる現象を表現できる。また、数5式の右辺第3項は、背景強度の変化を表し、右辺第4項はノイズを表す。これらにより、学習用のボリュームデータは、基準高さデータが示す基準試料面の形状に対応し、複数の基準干渉縞画像と比較して少なくとも一部の干渉縞の輝度を低減させた学習用の複数の干渉縞画像を含むことになる。 In equation 5, N z is the magnitude of the z component of the normal vector of the shape of the height image. By multiplying the second term on the right-hand side by the coefficient of the square of N z , we can represent the phenomenon where the brightness of the interference fringes decreases as the slope of the incline increases, making the interference fringes less visible. Furthermore, the third term on the right-hand side of equation 5 represents the change in background intensity, and the fourth term on the right-hand side represents noise. Thus, the volume data for training will correspond to the shape of the reference sample surface indicated by the reference height data and will include multiple training interference fringe images in which the brightness of at least some of the interference fringes has been reduced compared to multiple reference interference fringe images.
ボリュームデータ供給部240は、学習用ボリュームデータ変換部230が変換した学習用のボリュームデータを高さ画像生成装置100に供給する。これにより、高さ画像生成装置100が使用する学習モデル140は、学習用のボリュームデータに対応する高さデータを出力する。ここで、学習モデル140が学習用のボリュームデータに対応して出力する高さデータを出力高さデータと呼ぶ。 The volume data supply unit 240 supplies the training volume data converted by the training volume data conversion unit 230 to the height image generation device 100. As a result, the training model 140 used by the height image generation device 100 outputs height data corresponding to the training volume data. Here, the height data output by the training model 140 corresponding to the training volume data is called the output height data.
高さデータ取得部250は、高さ画像生成装置100の学習モデル140が学習用のボリュームデータに対応して出力した出力高さデータを取得する。理想的には、高さデータ取得部250が取得した出力高さデータと基準高さデータは一致する。しかしながら、学習用のボリュームデータは、基準高さデータが示す種々の斜面等を有する形状に基づいて不鮮明な干渉縞を有するので、出力高さデータにはスパイクノイズ等が重畳することになる。そこで、学習装置200は、出力高さデータと基準高さデータとの比較結果に基づいて、出力高さデータが基準高さデータに近づくように学習モデル140を学習する。 The height data acquisition unit 250 acquires the output height data output by the learning model 140 of the height image generation device 100 in accordance with the training volume data. Ideally, the output height data acquired by the height data acquisition unit 250 matches the reference height data. However, since the training volume data has unclear interference fringes based on the various slopes and other shapes shown in the reference height data, spike noise and other interferences are superimposed on the output height data. Therefore, the learning device 200 learns the learning model 140 so that the output height data approaches the reference height data based on the comparison result between the output height data and the reference height data.
第1損失関数算出部260は、取得した出力高さデータと基準高さデータとの比較結果に基づく第1損失関数を算出する。第1損失関数は、例えば、次式のように、高さ画像の法線ベクトルの類似度を算出する第1関数である。
また、第1損失関数は、次式のように、出力高さデータと基準高さデータとの差分に基づくハリスコーナ検出応答値を算出する第2関数であってもよい。次式のkはエッジとコーナーを判定する閾値となるパラメータであり、例えば、kは0.05程度の値である。
Furthermore, the first loss function may be a second function that calculates a Harris corner detection response value based on the difference between the output height data and the reference height data, as shown in the following equation. In the following equation, k is a parameter that serves as a threshold for determining edges and corners, and for example, k is a value of about 0.05.
更に、第1損失関数は、出力高さデータと基準高さデータとの間のL1損失を算出する第3関数であってもよい。第1損失関数算出部260は、第1関数、第2関数、及び第3関数のうち少なくとも1つを含む第1損失関数を算出する。第1損失関数算出部260は、第1関数、第2関数、及び第3関数の全てを算出してもよい。なお、第1関数、第2関数、及び第3関数は、第1損失関数の例であり、第1損失関数算出部260は、第1損失関数として他の関数を算出してもよい。 Furthermore, the first loss function may be a third function that calculates the L1 loss between the output height data and the reference height data. The first loss function calculation unit 260 calculates a first loss function that includes at least one of the first, second, and third functions. The first loss function calculation unit 260 may calculate all three functions. Note that the first, second, and third functions are examples of the first loss function, and the first loss function calculation unit 260 may calculate other functions as the first loss function.
学習部290は、第1損失関数の算出結果に基づき、学習モデル140を学習する。学習部290は、第1関数を用いる場合、第1関数の値が大きくなるように学習モデル140のネットワーク層143の学習パラメータを調節する。例えば、学習部290は、第1関数の値を1に正規化し、1から正規化した値を差し引いた値が小さくなるようにネットワーク層143の学習パラメータを調節する。 The learning unit 290 trains the learning model 140 based on the calculation result of the first loss function. When using the first function, the learning unit 290 adjusts the learning parameters of the network layer 143 of the learning model 140 so that the value of the first function increases. For example, the learning unit 290 normalizes the value of the first function to 1 and adjusts the learning parameters of the network layer 143 so that the value obtained by subtracting the normalized value from 1 decreases.
学習部290は、第2関数を用いる場合、第2関数の値が小さくなるようにネットワーク層143の学習パラメータを調節する。同様に、学習部290は、第3関数を用いる場合、第3関数の値が小さくなるようにネットワーク層143の学習パラメータを調節する。これにより、学習装置200は、高さ画像生成装置100が出力する高さデータに重畳するノイズを低減させるように、学習モデル140を学習することができる。学習部290は、調節した学習パラメータを高さ画像生成装置100に供給し、学習モデル140の学習パラメータを更新させる。 The learning unit 290 adjusts the learning parameters of the network layer 143 so that the value of the second function is reduced when the second function is used. Similarly, the learning unit 290 adjusts the learning parameters of the network layer 143 so that the value of the third function is reduced when the third function is used. This allows the learning device 200 to learn the learning model 140 to reduce the noise superimposed on the height data output by the height image generation device 100. The learning unit 290 supplies the adjusted learning parameters to the height image generation device 100, updating the learning parameters of the learning model 140.
以上により、学習装置200は、学習モデル140を学習することができる。なお、学習装置200が第1関数、第2関数、及び第3関数を用いて学習モデル140を学習する場合、ボリュームデータ変換部270は無くてもよい。 As a result, the learning device 200 can learn the learning model 140. Note that when the learning device 200 learns the learning model 140 using the first function, the second function, and the third function, the volume data conversion unit 270 may be omitted.
以上の本実施形態に係る学習装置200は、高さ画像生成装置100に供給した基準高さデータと、高さ画像生成装置100が出力した出力高さデータとを用いて学習モデル140を学習する例を説明したが、これに限定されることはない。学習装置200は、基準高さデータから変換した基準ボリュームデータと、高さ画像生成装置100が出力した出力高さデータから変換したボリュームデータとを用いて学習モデル140を学習してもよい。 The learning device 200 according to this embodiment described an example in which the learning model 140 is trained using reference height data supplied to the height image generation device 100 and output height data output by the height image generation device 100. However, the learning device is not limited to this example. The learning device 200 may also train the learning model 140 using reference volume data converted from the reference height data and volume data converted from the output height data output by the height image generation device 100.
この場合、ボリュームデータ変換部270は、上述のように、(数4)式を用いて基準高さデータから基準ボリュームデータに変換する。また、ボリュームデータ変換部270は、高さデータ取得部250が取得した出力高さデータから対応するボリュームデータに変換する。ここで、ボリュームデータ変換部270が出力高さデータから変換したボリュームデータを変換ボリュームデータと呼ぶ。ボリュームデータ変換部270は、(数4)式に示す光の干渉方程式を用いて、変換ボリュームデータを算出する。 In this case, the volume data conversion unit 270 converts the reference height data to reference volume data using equation (Equation 4) as described above. The volume data conversion unit 270 also converts the output height data acquired by the height data acquisition unit 250 to the corresponding volume data. Here, the volume data converted by the volume data conversion unit 270 from the output height data is called the converted volume data. The volume data conversion unit 270 calculates the converted volume data using the optical interference equation shown in equation (Equation 4).
そして、第2損失関数算出部280は、変換された変換ボリュームデータと基準ボリュームデータとの比較結果に基づく第2損失関数を算出する。第2損失関数は、変換ボリュームデータと基準ボリュームデータとの間のL1損失を算出する第4関数を含む。なお、第4関数は、第2損失関数の例であり、第2損失関数算出部280は、第2損失関数として他の関数を算出してもよい。 The second loss function calculation unit 280 then calculates a second loss function based on the comparison result between the converted volume data and the reference volume data. The second loss function includes a fourth function that calculates the L1 loss between the converted volume data and the reference volume data. Note that the fourth function is an example of the second loss function, and the second loss function calculation unit 280 may calculate other functions as the second loss function.
第2損失関数算出部280が第2損失関数を算出した場合、学習部290は、第2損失関数の算出結果に基づき、学習モデル140を学習する。学習部290は、第4関数を用いる場合、第4関数の値が小さくなるようにネットワーク層143の学習パラメータを調節する。これにより、学習装置200は、高さ画像生成装置100が出力する高さデータに重畳するノイズを低減させるように、学習モデル140を学習することができる。 When the second loss function calculation unit 280 calculates the second loss function, the learning unit 290 learns the learning model 140 based on the calculation result of the second loss function. If the fourth function is used, the learning unit 290 adjusts the learning parameters of the network layer 143 so that the value of the fourth function becomes smaller. This allows the learning device 200 to learn the learning model 140 in a way that reduces the noise superimposed on the height data output by the height image generation device 100.
また、学習部290は、第1損失関数及び第2損失関数の両方の算出結果に基づき、学習モデル140を学習してもよい。これにより、学習部290は、例えば、出力高さデータが基準高さデータに近づき、かつ、変換ボリュームデータが基準ボリュームデータに近づくように学習モデル140を学習できる。以上の学習装置200を備えた三次元測定システムSの動作フローについて次に説明する。 Furthermore, the learning unit 290 may learn the learning model 140 based on the calculation results of both the first and second loss functions. This allows the learning unit 290 to learn the learning model 140 such that, for example, the output height data approaches the reference height data, and the converted volume data approaches the reference volume data. The operation flow of the three-dimensional measurement system S equipped with the above learning device 200 will now be described.
<三次元測定システムSの動作フローの第1例>
図8は、本実施形態に係る三次元測定システムSの動作フローの第1例を示す。三次元測定システムSは、第1例の動作フローを実行することにより、学習装置200が高さ画像生成装置100の学習モデル140を学習する。第1例の動作フローにおいて、三次元測定システムSのユーザは、基準高さデータを既に作成しているものとする。
<Example 1 of the operation flow of the three-dimensional measurement system S>
Figure 8 shows a first example of the operation flow of the three-dimensional measurement system S according to this embodiment. By executing the operation flow of the first example, the learning device 200 learns the learning model 140 of the height image generation device 100. In the operation flow of the first example, it is assumed that the user of the three-dimensional measurement system S has already created reference height data.
まず、学習装置200の基準高さデータ取得部210は、基準高さデータを取得する(S51)。次に、学習用ボリュームデータ変換部230は、基準高さデータ取得部210が取得した基準高さデータを学習用のボリュームデータに変換する(S52)。次に、ボリュームデータ供給部240は、学習用ボリュームデータ変換部230が変換した学習用のボリュームデータを高さ画像生成装置100に供給する(S53)。 First, the reference height data acquisition unit 210 of the learning device 200 acquires reference height data (S51). Next, the learning volume data conversion unit 230 converts the reference height data acquired by the reference height data acquisition unit 210 into learning volume data (S52). Next, the volume data supply unit 240 supplies the learning volume data converted by the learning volume data conversion unit 230 to the height image generation device 100 (S53).
これにより、高さ画像生成装置100のボリュームデータ取得部110は、ボリュームデータ供給部240から供給された学習用のボリュームデータを取得する。次に、センタリング処理部130は、ボリュームデータ取得部110が取得した学習用のボリュームデータにセンタリング処理を施す。なお、学習装置200は、学習用のボリュームデータをセンタリング処理してもよく、これに代えて、学習用ボリュームデータ変換部230は、センタリング処理したデータと同様に移動平均が0となる学習用のボリュームデータを生成してもよい。この場合、高さ画像生成装置100は、センタリング処理を省略してもよい。 As a result, the volume data acquisition unit 110 of the height image generation device 100 acquires the training volume data supplied from the volume data supply unit 240. Next, the centering processing unit 130 performs a centering process on the training volume data acquired by the volume data acquisition unit 110. The learning device 200 may also perform the centering process on the training volume data, or alternatively, the training volume data conversion unit 230 may generate training volume data with a moving average of 0, similar to the centered data. In this case, the height image generation device 100 may omit the centering process.
次に、学習モデル140は、センタリング処理した後の学習用のボリュームデータに対応する出力高さデータを算出する(S54)。高さ画像生成装置100は、学習モデル140が出力した出力高さデータを学習装置200に供給する(S55)。これにより、学習装置200の高さデータ取得部250は、高さ画像生成装置100が基準ボリュームデータに対応して出力した出力高さデータを取得する。 Next, the learning model 140 calculates output height data corresponding to the training volume data after centering (S54). The height image generation device 100 supplies the output height data output by the learning model 140 to the learning device 200 (S55). As a result, the height data acquisition unit 250 of the learning device 200 acquires the output height data output by the height image generation device 100 corresponding to the reference volume data.
次に、第1損失関数算出部260は、高さデータ取得部250が取得した出力高さデータと基準高さデータとの比較結果に基づく第1損失関数を算出する(S56)。次に、ボリュームデータ変換部270は、基準高さデータ取得部210が取得した基準高さデータから対応する基準ボリュームデータに変換する。また、ボリュームデータ変換部270は、高さデータ取得部250が取得した出力高さデータから対応する変換ボリュームデータに変換する(S57)。次に、第2損失関数算出部280は、ボリュームデータ変換部270が変換した変換ボリュームデータと基準ボリュームデータとの比較結果に基づく第2損失関数を算出する(S58)。 Next, the first loss function calculation unit 260 calculates a first loss function based on the comparison result between the output height data acquired by the height data acquisition unit 250 and the reference height data (S56). Next, the volume data conversion unit 270 converts the reference height data acquired by the reference height data acquisition unit 210 into corresponding reference volume data. The volume data conversion unit 270 also converts the output height data acquired by the height data acquisition unit 250 into corresponding converted volume data (S57). Finally, the second loss function calculation unit 280 calculates a second loss function based on the comparison result between the converted volume data converted by the volume data conversion unit 270 and the reference volume data (S58).
次に、学習部290は、第1損失関数及び第2損失関数の算出結果に基づき、学習モデル140の学習パラメータを調節して更新する(S59)。学習装置200は、学習部290の学習が終了するまでS53からS59までの動作を繰り返す(S60:No)。例えば、学習部290は、所定の回数だけ学習パラメータの更新を繰り返すことで、学習を終了させる(S60:Yes)。また、学習部290は、第1関数、第2関数、第3関数、及び第4関数の計算結果のうち、1又は複数の計算結果が所定の値の範囲となったことに応じて、学習を終了させてもよい。 Next, the learning unit 290 adjusts and updates the learning parameters of the learning model 140 based on the calculation results of the first and second loss functions (S59). The learning device 200 repeats the operations from S53 to S59 until the learning of the learning unit 290 is completed (S60: No). For example, the learning unit 290 terminates learning by repeating the update of the learning parameters a predetermined number of times (S60: Yes). Alternatively, the learning unit 290 may terminate learning when one or more of the calculation results of the first, second, third, and fourth functions fall within a predetermined range.
以上の動作フローにより、学習装置200は、基準高さデータに基づいて高さ画像生成装置100の学習モデル140を学習できる。なお、ユーザが異なる複数の基準高さデータを作成した場合、学習装置200は、複数の基準高さデータによる学習を繰り返してよい。また、学習装置200は、基準高さデータ毎に学習モデル140を学習して、複数の学習パラメータの組み合わせを準備してもよい。 Through the above operation flow, the learning device 200 can learn the learning model 140 of the height image generation device 100 based on the reference height data. If the user creates multiple reference height data sets with different values, the learning device 200 may repeat the learning process using these multiple reference height data sets. Furthermore, the learning device 200 may learn the learning model 140 for each set of reference height data sets to prepare multiple combinations of learning parameters.
これに代えて、又は、これに加えて、学習装置200は、1つの基準高さデータから複数の異なる学習用のボリュームデータを生成してもよい。例えば、学習用ボリュームデータ変換部230は、(数5)式の光の干渉方程式の係数、パラメータ等を変化させて、1つの基準高さデータから複数の異なる学習用のボリュームデータを生成する。そして、学習装置200は、生成した複数の学習用のボリュームデータによる学習を繰り返してもよい。また、学習装置200は、学習用のボリュームデータ毎に学習モデル140を学習して、複数の学習パラメータの組み合わせを準備してもよい。 Alternatively, or in addition to the above, the learning device 200 may generate multiple different training volume data from a single reference height data. For example, the training volume data conversion unit 230 generates multiple different training volume data from a single reference height data by changing the coefficients, parameters, etc., of the optical interference equation (equation 5). The learning device 200 may then repeat the training using the generated training volume data. Furthermore, the learning device 200 may train a training model 140 for each training volume data to prepare multiple combinations of training parameters.
<三次元測定システムSの動作フローの第2例>
図9は、本実施形態に係る三次元測定システムSの動作フローの第2例を示す。三次元測定システムSは、第2例の動作フローを実行することにより、三次元測定機10が測定した複数の干渉縞画像に対応する高さ画像を高さ画像生成装置100が出力する。第2例の動作フローにおいて、高さ画像生成装置100の学習モデル140が既に学習済みとする。
<Example 2 of the operation flow of the three-dimensional measurement system S>
Figure 9 shows a second example of the operation flow of the three-dimensional measurement system S according to this embodiment. By executing the operation flow of the second example, the three-dimensional measurement system S has the height image generation device 100 output height images corresponding to the multiple interference fringe images measured by the three-dimensional measuring machine 10. In the operation flow of the second example, it is assumed that the learning model 140 of the height image generation device 100 has already been trained.
まず、三次元測定機10は、試料表面を測定し(S71)、複数の干渉縞画像を出力する(S72)。これにより、高さ画像生成装置100のボリュームデータ取得部110は、三次元測定機10から複数の干渉縞画像をボリュームデータとして取得する。次に、センタリング処理部130は、ボリュームデータ取得部110が取得したボリュームデータにセンタリング処理を施す(S73)。 First, the three-dimensional measuring machine 10 measures the sample surface (S71) and outputs multiple interference fringe images (S72). Based on this, the volume data acquisition unit 110 of the height image generation device 100 acquires multiple interference fringe images from the three-dimensional measuring machine 10 as volume data. Next, the centering processing unit 130 performs a centering process on the volume data acquired by the volume data acquisition unit 110 (S73).
次に、学習モデル140は、センタリング処理部130がセンタリング処理した後のボリュームデータに対応する高さデータを出力する(S74)。次に、表示制御部150は、高さデータに基づき、試料面の高さ画像を生成して表示部160に表示させる(S75)。以上により、高さ画像生成装置100は、ノイズを低減させた高さ画像を表示部160に表示できる。 Next, the learning model 140 outputs height data corresponding to the volume data after the centering processing unit 130 has performed the centering process (S74). Then, the display control unit 150 generates a height image of the sample surface based on the height data and displays it on the display unit 160 (S75). As a result, the height image generation device 100 can display a height image with reduced noise on the display unit 160.
なお、高さ画像生成装置100は、学習パラメータを切り換えて高さ画像を表示部160に表示させてもよい。この場合、記憶部120は、異なる複数の基準高さデータを用いて学習モデルを学習して取得した複数の学習パラメータを記憶する。また、高さ画像生成装置100は、第1学習パラメータを用いて一のボリュームデータに対応する試料面の第1高さ画像を表示部160に表示させた後に、第1学習パラメータとは異なるパラメータを用いて第1高さ画像とは異なる第2高さ画像を表示部160に表示することを受け付ける受付部を更に備える。 Furthermore, the height image generation device 100 may display the height image on the display unit 160 by switching the learning parameters. In this case, the storage unit 120 stores multiple learning parameters obtained by learning the learning model using multiple different reference height data. The height image generation device 100 also includes a receiving unit that accepts a request to display a second height image, different from the first height image, on the display unit 160 using parameters different from the first learning parameters, after the first height image of the sample surface corresponding to one volume data has been displayed on the display unit 160 using the first learning parameters.
ここで、S74において、学習モデル140は第1学習パラメータを用い、S75において、表示制御部150は第1高さ画像を表示部160に表示させたものとする。そして、受付部が三次元測定システムSのユーザから第2高さ画像を表示部160に表示することを受け付けたことを受け付けたことに応じて(S76:Yes)、高さ画像生成装置100はS74に戻り、学習モデル140は第1学習パラメータを当該第1学習パラメータとは異なる第2学習パラメータに切り換える。 Here, in S74, the learning model 140 uses the first learning parameter, and in S75, the display control unit 150 displays the first height image on the display unit 160. Then, in response to the reception unit receiving confirmation from the user of the three-dimensional measurement system S that the second height image should be displayed on the display unit 160 (S76: Yes), the height image generation device 100 returns to S74, and the learning model 140 switches the first learning parameter to a second learning parameter that is different from the first learning parameter.
次に、学習モデル140は、第2学習パラメータを用いて、センタリング処理した後のボリュームデータ(一のボリュームデータ)に対応する高さデータを出力する。これにより、表示制御部150は、高さデータに基づき、一のボリュームデータに対応する試料面の第2高さ画像を生成して表示部160に表示させることができる(S75)。 Next, the learning model 140 uses the second learning parameter to output height data corresponding to the volume data (first volume data) after centering. This allows the display control unit 150 to generate a second height image of the sample surface corresponding to the first volume data based on the height data and display it on the display unit 160 (S75).
高さ画像生成装置100は、ユーザの入力に応じて、学習パラメータを切り換える動作を繰り返してもよい。これにより、三次元測定機10が測定した複数の干渉縞画像に対して、より適切な学習パラメータを選択して、よりノイズを低減させた高さ画像を表示部160に表示させることができる。高さ画像生成装置100は、ユーザの入力等に応じて、処理を終了する(S77:No)。以上の動作フローにより、高さ画像生成装置100は、三次元測定機10が測定した複数の干渉縞画像に対応し、ノイズを低減させた高さ画像を表示部160に表示できる。 The height image generation device 100 may repeatedly switch the learning parameters in response to user input. This allows the device to select more appropriate learning parameters for multiple interference fringe images measured by the three-dimensional measuring machine 10, thereby displaying a height image with reduced noise on the display unit 160. The height image generation device 100 terminates processing in response to user input (S77: No). Through this operation flow, the height image generation device 100 can display a height image with reduced noise corresponding to multiple interference fringe images measured by the three-dimensional measuring machine 10 on the display unit 160.
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の全部又は一部は、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を併せ持つ。 Although the present invention has been described above using embodiments, the technical scope of the present invention is not limited to the scope described in the above embodiments, and various modifications and changes are possible within the scope of its gist. For example, all or part of the device can be configured by functionally or physically distributing and integrating them in any unit. Furthermore, new embodiments resulting from any combination of multiple embodiments are also included in the embodiments of the present invention. The effects of the new embodiments resulting from the combinations are combined with the effects of the original embodiments.
10 三次元測定機
100 高さ画像生成装置
110 ボリュームデータ取得部
120 記憶部
130 センタリング処理部
140 学習モデル
141 CNN
142 高さデータ算出部
143 ネットワーク層
144 変換処理部
150 表示制御部
160 表示部
200 学習装置
210 基準高さデータ取得部
220 記憶部
230 学習用ボリュームデータ変換部
240 ボリュームデータ供給部
250 高さデータ取得部
260 第1損失関数算出部
270 ボリュームデータ変換部
280 第2損失関数算出部
290 学習部
10 Three-dimensional measuring machine 100 Height image generation device 110 Volume data acquisition unit 120 Storage unit 130 Centering processing unit 140 Learning model 141 CNN
142 Height data calculation unit 143 Network layer 144 Conversion processing unit 150 Display control unit 160 Display unit 200 Learning device 210 Reference height data acquisition unit 220 Storage unit 230 Learning volume data conversion unit 240 Volume data supply unit 250 Height data acquisition unit 260 First loss function calculation unit 270 Volume data conversion unit 280 Second loss function calculation unit 290 Learning unit
Claims (7)
前記高さ画像生成装置は、
白色光を試料面及び参照面に照射し、前記試料面から反射した反射光と前記参照面から反射した参照光とを干渉させて、前記試料面の高さ方向の凹凸に基づく干渉縞画像を生成する白色光干渉計を用いた三次元測定機において、前記参照面及び前記試料面との光路差を所定の値ずつ異ならせる毎に生成した複数の前記干渉縞画像をボリュームデータとして取得するボリュームデータ取得部と、
前記ボリュームデータが入力したことに応じて、二次元座標における前記試料面の高さの期待値を示し、前記ボリュームデータに対応する高さデータを出力する学習モデルと、
前記高さデータに基づき、前記試料面の高さ画像を表示部に表示させる表示制御部と、
を備え、
前記学習装置は、
二次元座標における基準試料面の高さを示す基準高さデータから、前記基準高さデータに対応する学習用のボリュームデータに変換する学習用ボリュームデータ変換部と、
変換した前記学習用のボリュームデータを前記高さ画像生成装置に供給するボリュームデータ供給部と、
前記高さ画像生成装置が前記学習用のボリュームデータに対応して出力した出力高さデータを取得する高さデータ取得部と、
取得した前記出力高さデータと前記基準高さデータとの比較結果に基づく第1損失関数を算出する第1損失関数算出部と、
前記第1損失関数の算出結果に基づき、前記学習モデルを学習する学習部と
を備え、
前記学習用のボリュームデータは、前記基準高さデータが示す前記基準試料面の形状に対応して少なくとも一部の干渉縞の輝度を低減させた学習用の複数の干渉縞画像を含む、
学習装置。 A learning device for training a learning model of a height image generation device,
The height image generation device is
A three-dimensional measuring machine using a white light interferometer that irradiates a sample surface and a reference surface with white light, and interferes the reflected light from the sample surface with the reference light reflected from the reference surface to generate an interference fringe image based on the height-direction irregularities of the sample surface, comprising a volume data acquisition unit that acquires a plurality of the interference fringe images generated each time the optical path difference between the reference surface and the sample surface is changed by a predetermined value, as volume data,
A learning model that, in response to the input volume data, indicates the expected value of the height of the sample surface in two-dimensional coordinates and outputs height data corresponding to the volume data,
A display control unit that displays the height image of the sample surface on the display unit based on the height data,
Equipped with,
The learning device is
A learning volume data conversion unit converts reference height data, which indicates the height of a reference sample surface in two-dimensional coordinates, into learning volume data corresponding to the reference height data,
A volume data supply unit that supplies the converted volume data for learning to the height image generation device,
A height data acquisition unit that acquires output height data output by the height image generation device in accordance with the learning volume data,
A first loss function calculation unit calculates a first loss function based on the comparison result between the acquired output height data and the reference height data,
The system comprises a learning unit that learns the learning model based on the calculation result of the first loss function,
The training volume data includes a plurality of training interference fringe images in which the brightness of at least some of the interference fringes is reduced in accordance with the shape of the reference sample surface indicated by the reference height data,
Learning device.
前記ボリュームデータ変換部は、前記高さデータ取得部が取得した前記出力高さデータから対応する変換ボリュームデータに更に変換し、
当該学習装置は、変換された前記変換ボリュームデータと前記基準ボリュームデータとの比較結果に基づく第2損失関数を算出する第2損失関数算出部を更に備え、
前記学習部は、前記第1損失関数及び前記第2損失関数の算出結果に基づき、前記学習モデルを学習する、
請求項1に記載の学習装置。 The volume data conversion unit further comprises a unit that converts the aforementioned reference height data into reference volume data that includes multiple reference interference fringe images and corresponds to the aforementioned reference height data.
The volume data conversion unit further converts the output height data acquired by the height data acquisition unit into corresponding converted volume data.
The learning device further includes a second loss function calculation unit that calculates a second loss function based on the comparison result between the converted volume data and the reference volume data.
The learning unit learns the learning model based on the calculation results of the first loss function and the second loss function.
The learning device according to claim 1 .
前記第2損失関数は、前記変換ボリュームデータと前記基準ボリュームデータとの間のL1損失を算出する第4関数を含む、
請求項2に記載の学習装置。 The first loss function includes at least one of the following: a first function for calculating the similarity of the normal vectors of the height image; a second function for calculating a Harris Corner detection response value based on the difference between the output height data and the reference height data; and a third function for calculating the L1 loss between the output height data and the reference height data.
The second loss function includes a fourth function for calculating the L1 loss between the converted volume data and the reference volume data.
The learning device according to claim 2 .
出力された複数の前記干渉縞画像を前記ボリュームデータとして取得し、前記ボリュームデータに対応する前記試料面の高さ画像を表示部に表示させる、前記高さ画像生成装置と、
前記高さ画像生成装置の前記学習モデルを学習させるための請求項1から3のいずれか一項に記載の学習装置と、
を備える、三次元測定システム。 A three-dimensional measuring machine using a white light interferometer that irradiates the sample surface and the reference surface with white light, interferes the reflected light from the sample surface with the reference light reflected from the reference surface, and generates an interference fringe image based on the height-direction irregularities of the sample surface, wherein the three-dimensional measuring machine outputs a plurality of interference fringe images generated each time the optical path difference between the reference surface and the sample surface is changed by a predetermined value,
A height image generation device that acquires multiple interference fringe images output as volume data and displays a height image of the sample surface corresponding to the volume data on a display unit ,
A learning device according to any one of claims 1 to 3 for training the learning model of the height image generation device,
A three-dimensional measurement system equipped with the following features.
異なる複数の基準高さデータを用いて前記学習モデルを学習して取得した複数の学習パラメータを記憶する記憶部と、
第1学習パラメータを用いて一のボリュームデータに対応する前記試料面の第1高さ画像を前記表示部に表示させた後に、前記第1学習パラメータとは異なるパラメータを用いて前記第1高さ画像とは異なる第2高さ画像を前記表示部に表示することを受け付ける受付部と
を更に有し、
前記学習モデルは、前記受付部が前記第2高さ画像を前記表示部に表示することを受け付けたことに応じて、前記第1学習パラメータとは異なる第2学習パラメータを用いて前記一のボリュームデータに対応する前記高さデータを出力し、
前記表示制御部は、前記高さデータに基づき、前記一のボリュームデータに対応する前記試料面の前記第2高さ画像を生成して前記表示部に表示させる、
請求項4に記載の三次元測定システム。 The height image generation device is
A storage unit that stores multiple learning parameters obtained by training the learning model using multiple different reference height data,
The system further includes a receiving unit that, after displaying a first height image of the sample surface corresponding to a volume data using a first learning parameter on the display unit, receives a request to display a second height image different from the first height image on the display unit using a parameter different from the first learning parameter,
In response to the reception unit receiving a request to display the second height image on the display unit, the learning model outputs the height data corresponding to the first volume data using a second learning parameter different from the first learning parameter.
The display control unit generates a second height image of the sample surface corresponding to the first volume data based on the height data and displays it on the display unit.
The three-dimensional measurement system according to claim 4 .
白色光を試料面及び参照面に照射し、前記試料面から反射した反射光と前記参照面から反射した参照光とを干渉させて、前記試料面の高さ方向の凹凸に基づく干渉縞画像を生成する白色光干渉計を用いた三次元測定機において、前記参照面及び前記試料面との光路差を所定の値ずつ異ならせる毎に生成した複数の前記干渉縞画像をボリュームデータとして取得するボリュームデータ取得部と、
前記ボリュームデータが入力したことに応じて、二次元座標における前記試料面の高さの期待値を示し、前記ボリュームデータに対応する高さデータを出力する学習モデルと、
前記高さデータに基づき、前記試料面の高さ画像を表示部に表示させる表示制御部と、
を備える高さ画像生成装置の前記学習モデルを学習させるための学習方法であって、
二次元座標における基準試料面の高さを示す基準高さデータから、前記基準高さデータに対応する学習用のボリュームデータに変換するステップと、
変換した前記学習用のボリュームデータを前記高さ画像生成装置に供給するステップと、
前記高さ画像生成装置が前記学習用のボリュームデータに対応して出力した出力高さデータを取得するステップと、
取得した前記出力高さデータと前記基準高さデータとに基づく第1損失関数を算出するステップと、
前記第1損失関数の算出結果に基づき、前記学習モデルを学習するステップと
を有し、
前記学習用のボリュームデータは、前記基準高さデータが示す前記基準試料面の形状に対応して少なくとも一部の干渉縞の輝度を低減させた学習用の複数の干渉縞画像を含む、
学習方法。 A computer executes
A three-dimensional measuring machine using a white light interferometer that irradiates a sample surface and a reference surface with white light, and interferes the reflected light from the sample surface with the reference light reflected from the reference surface to generate an interference fringe image based on the height-direction irregularities of the sample surface, comprising a volume data acquisition unit that acquires a plurality of the interference fringe images generated each time the optical path difference between the reference surface and the sample surface is changed by a predetermined value, as volume data,
A learning model that, in response to the input volume data, indicates the expected value of the height of the sample surface in two-dimensional coordinates and outputs height data corresponding to the volume data,
A display control unit that displays the height image of the sample surface on the display unit based on the height data,
A learning method for training the learning model of a height image generation device comprising the above,
A step of converting reference height data, which indicates the height of a reference sample surface in two-dimensional coordinates, into training volume data corresponding to the reference height data,
The steps include supplying the converted volume data for learning to the height image generation device,
The steps include: acquiring output height data output by the height image generation device in correspondence with the learning volume data;
A step of calculating a first loss function based on the acquired output height data and the reference height data,
The process includes the step of training the learning model based on the calculation result of the first loss function,
The training volume data includes a plurality of training interference fringe images in which the brightness of at least some of the interference fringes is reduced in accordance with the shape of the reference sample surface indicated by the reference height data,
Learning methods.
A program that, when executed by a computer, causes the computer to function as the learning device described in any one of claims 1 to 3 .
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