JP2009058459A

JP2009058459A - 形状測定装置

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Publication number: JP2009058459A
Application number: JP2007227652A
Authority: JP
Inventors: Tomoaki Yamada; 智明山田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2007-09-03
Filing date: 2007-09-03
Publication date: 2009-03-19

Abstract

【課題】光切断による画像計測に適していると判断された測定部分のみを、光切断による画像計測で測定することができるようにする。
【解決手段】形状測定装置１において、スリット光源ユニット１２は、測定対象の被検物２０に対しスリット光を照射する。撮像部１４Aと１４Bが、異なる２方向から被検物２０を撮像する。コントローラ１５は、異なる２方向から撮像された２枚の画像から、スリット像の強度の差を演算し、求められた強度の差が所定の閾値TH_Aより大きい場合に、いまスリット光が照射されている部分は光学測定に適した部分でないと判定する。本発明は、例えば、光切断による画像計測を行う形状測定装置に適用できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、形状測定装置に関し、特に、光切断による画像計測を行う場合に用いて好適な形状測定装置に関する。

従来、スリット光を投影して被検物の３次元形状を測定する形状測定装置がある。

スリット光投影法による計測の原理を簡単に説明する。

形状測定装置のステージ上に載置された被検物に、断面が細い帯状のスリット光が照射される。スリット光が照射された被検物がCCD(Charge Coupled Device)などの撮像素子によって撮像される。撮像された画像では、被検物のスリット光が照射された部分が平坦であれば、スリット像は直線となり、照射された部分に凹凸があれば、スリット像は奥行き方向の位置に応じて変形する。ステージをスリット光と垂直な方向に移動することにより、帯状のスリット光を被検物全体にわたり走査することになるので、被検物の３次元形状を測定することができる。

また、光照射による画像計測と、タッチプローブによる接触式計測の両方を備え、両者のうちの得意ないずれか一方で計測する方式も提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

KREON AQUILON（Kreon Technology社製），International Technology Transfer Corporation、[２００７年７月１８日検索]、インターネット＜URL: http://www.ittc.co.jp/hproduct/kreon/aquilon.htm＞

しかしながら、非特許文献１では、光照射による画像計測と、タッチプローブによる接触式計測をどのような判断基準で使い分けるかについては開示されていなかった。

一方、光を用いた形状計測では、被検物が金属のような鏡面を有していると、被検物に照射した光が正反射し、直接強い光が撮像素子に入射してしまい、正確な計測ができないという問題があった。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、測定部分が光切断による画像計測に適しているかを適切に判断し、光切断による画像計測に適していると判断された測定部分のみを、光切断による画像計測で測定することができるようにするものである。

本発明の形状測定装置は、測定の対象である被検物に対してスリット光を照射する照明手段と、スリット光が照射された被検物を撮像する撮像手段と、撮像手段により得られた画像で観察されるスリット像に基づいて、被検物の形状を測定する光学測定手段と、被検物のスリット光が照射されている部分である照射部分が光学測定に適した部分であるかを判定する判定手段とを備え、光学測定手段は、判定手段により光学測定に適した部分であると判定された部分について、被検物の形状を測定することを特徴とする。

本発明によれば、測定部分のスリット像の輝度に基づいて、測定部分が光切断による画像計測に適しているかを判断するので、光切断による画像計測に適していると判断された測定部分のみを、光切断による画像計測で測定することができる。

図１は、本発明を適用した形状測定装置の概略の構成を示している。

図１に示される形状測定装置１は、１軸ステージ１１、スリット光源ユニット１２、拡散光源ユニット１３、撮像部１４Aおよび１４B、コントローラ１５、並びにタッチプローブ２３を含む。１軸ステージ１１上には、計測の対象となる被検物２０が載置されている。

１軸ステージ１１は、コントローラ１５の制御によって、図面左右方向の１軸（ｘ軸とする）に移動可能なテーブルである。１軸ステージ１１の移動範囲の中心位置上方には、スリット光源ユニット１２が固定されて配置されている。スリット光源ユニット１２は、レーザ光を発する半導体レーザ１６と、そこから発せられたレーザ光をスリット状の光に整形するシリンドリカルレンズ１７を有している。シリンドリカルレンズ１７から出射された、１軸ステージ１１の移動方向に垂直なスリット光は、１軸ステージ１１に載置された被検物２０に照射される。なお、本実施の形態では、スリット光が不要である場合には、レーザ光を消灯させることとするが、その代わりにスリット光源ユニット１２をアーム等で移動可能とし、測定に影響のない位置に退避させるようにしてもよい。

拡散光源ユニット１３は、ランプ光源１８と拡散板１９を有し、被検物２０の鉛直方向から所定角だけ傾斜した斜め上方に配置されて、被検物２０を拡散光により斜め上方から照射する。

撮像部１４Aおよび１４Bは、それぞれ、CCD(Charge Coupled Device)やCMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサなどの撮像素子を有し、コントローラ１５の制御にしたがい、被検物２０を撮像し、その結果得られる画像（データ）をコントローラ１５に供給する。

撮像部１４Aと１４Bは、スリット光の光軸に対して対称に設置されており、撮像部１４Aは、１軸ステージ１１正面から見て右側（図１の被検物２０上のスリット光から右側）を主な撮像範囲として担当し、撮像部１４Bが１軸ステージ１１正面から見て左側（図１の被検物２０上のスリット光から左側）を主な撮像範囲として担当する。スリット光の方向（投光方向）と撮像方向は異なるので、撮像部１４Aおよび１４Bによって撮像された画像には、所謂光切断となって変形スリット像が観察される。なお、撮像部１４Aと１４Ｂを必ずしも対称に配置する必要はなく、それぞれが異なる方向から被検物２０を撮像できれば良い。また、撮像部を３以上設けてもよい。

コントローラ１５は、形状測定装置１の各部を制御する。例えば、コントローラ１５は、１軸ステージ１１を所定の位置に移動させたり、スリット光源ユニット１２または拡散光源ユニット１３の点灯制御を行う。また、コントローラ１５は、撮像部１４Aおよび１４Bに対し撮像の制御信号も供給する。

タッチプローブ２３は、その先端に接触センサーを有している。なお、タッチプローブ２３は、１軸ステージ１１の平面と平行な面でｘ軸に垂直なｙ軸、鉛直方向のｚ軸、ｚ軸を軸中心とする回転軸であるθ軸、ｚ軸を基準とする鉛直方向の傾きとなるφ軸を含む４軸以上の駆動が可能なロボットアーム（図示せず）に固定されており、被検物２０を任意の位置から接触することが可能である。また、タッチプローブ２３の接触センサーからの信号、およびロボットアームからのタッチプローブ２３の移動変位量は常にコントローラ１５に入力可能となっている。コントローラ１５は、タッチプローブ２３の接触センサーからの信号をトリガーにロボットアームからの移動変位量を入力することで、タッチプローブ２３が被検物２０に接触した位置を取得することができる。

以上のように構成される形状測定装置１においては、被検物２０に対して照射されたスリット光の形状を撮像部１４Aまたは１４Bで撮像し、そのスリット像から被検物２０の形状を測定する光学測定（非接触式測定）と、タッチプローブ２３を接触させ、その変位から被検物２０の形状を測定する接触式測定の両方により、被検物２０の所望の測定部分の形状を測定することができる。

図２は、形状測定装置１の機能的構成を示すブロック図である。なお、図２において、図１と対応する部分については同一の符号を付してあり、重複する部分についての説明は適宜省略する。

形状測定装置１は、１軸ステージ１１、スリット光源ユニット１２、拡散光源ユニット１３、撮像部１４Aおよび１４B、コントローラ１５、操作部２１、表示部２２、並びにタッチプローブ２３及びロボットアームにより構成されている。また、コントローラ１５は、ステージ制御部３１、光源制御部３２、カメラ制御部３３、UI（User Interface）制御部３４、判定部３５、光学形状演算部３６、接触形状演算部３７、および記憶部３８を有する。なお、コントローラ１５内の各部は、必要に応じて各種のデータを互いに授受することが可能となされている。

操作部２１は、文字や数値を入力するキーボード、表示部２２に表示される画面の所定の位置を指示するためのマウス、１軸ステージ１１およびタッチプローブ２３を移動させるジョイスティックなどからなり、ユーザの操作を受け付けるとともに、その操作に対応する操作信号をUI制御部３４に供給する。表示部２２は、例えば、CRT（Cathode Ray Tube）ディスプレイやLCD(Liquid Crystal Display)などであり、撮像部１４Aおよび１４Bで撮像された画像を表示したり、ユーザの操作に対応して所定の文字や図形を表示したりする。なお、ユーザは、表示部２２に表示された被検物２０の画像（撮像部１４Aまたは１４Bで撮像された画像）の所定部分を指定することにより、被検物２０の形状測定の対象部である測定部分を指定することができる。

ステージ制御部３１は、１軸ステージ１１を所定の位置に移動させる。光源制御部３２は、スリット光源ユニット１２および拡散光源ユニット１３を制御する。カメラ制御部３３は、撮像部１４Aおよび撮像部１４Bによる撮像を制御する。UI制御部３４は、操作部２１から供給される操作信号に基づき、表示部２２に所定の画像を表示させたり、ステージ制御部３１、光源制御部３２、カメラ制御部３３等に所定の制御を要求する。例えば、操作部２１において１軸ステージ１１を移動させる操作がユーザにより行われた場合、UI制御部３４は、ステージ制御部３１は、所定量の移動をステージ制御部３１に要求する。ステージ制御部３１は、UI制御部３４の要求に応じて、１軸ステージ１１を所定量だけ移動させる。

判定部３５は、ユーザによって指定された被検物２０の測定部分が光学測定に適している部分であるかを判定する。

スリット像を用いた計測は、多点のデータを短時間に（一度に）取得することができるという利点を有する。反面、スリット像を用いた計測では、スリット光が被検物２０に反射された反射光を利用するが、その反射光が正反射光の強い成分（Specular Spike）として入ってくると、測定誤差が大きいまま測定してしまう（誤検出してしまう）という問題もある。従って、正反射光によるスリット像を含む画像を、計測するための画像から除外する必要があるが、光学測定の適否を光量の多寡によって判断すると、この正反射光によるスリット像を含む画像を除外することができない。

そこで、形状測定装置１では、正反射光は所定の一方向だけに反射され、拡散光は、方向によらず一定（ランバートの余弦則）であるという性質を利用し、異なる２以上の方向からスリット像を撮像し、そのスリット像の強度（輝度）を比較することによって、正反射光の画像を除外し、光学測定を行う。

すなわち、判定部３５は、撮像部１４Aと撮像部１４Bでそれぞれ撮像された画像の測定部分におけるスリット像の強度（輝度）の差を演算し、求められた差が所定の閾値TH_Aより大きい場合には、一方の画像が正反射光によるスリット像が含まれた画像の可能性があると判断し、その測定部分については光学測定に適していないと判定する。また、判定部３５は、スリット像の強度の差が所定の閾値TH_A以下であっても、２つのスリット像の強度がいずれも所定の閾値TH_B以下である場合には、強度が足りないため、その測定部分については光学測定に適していないと判定する。被検物２０の測定部分が光学測定に適した部分でないと判定された場合には、その部分が、測定不適位置として記憶部３８に供給される。

光学形状演算部３６は、カメラ制御部３３を介して撮像部１４Aおよび１４Bから供給された画像に含まれるスリット像から、被検物２０の形状データを生成（演算）する。形状データは、スリット光が照射されたライン状（点群）のデータとして取得される。接触形状演算部３７は、接触センサーからの信号をトリガーにして、ロボットアームの各関節に設けられたエンコーダの出力を取り込んで、タッチプローブ２３の移動変位情報を得る。そして、形状演算部３７は、そのタッチプローブ２３の移動変位から、被検物２０の形状データを生成（演算）する。

記憶部３８は、判定部３５から供給される測定不適位置（の情報）を一時的に記憶する。また、記憶部３８は、撮像部１４Aおよび１４Bで撮像されて得られた画像も必要に応じて記憶する。なお、記憶部３８には、形状測定装置１を制御するためのプログラムや所定のデータも必要に応じて記憶されている。

次に、図３のフローチャートを参照して、形状測定装置１の測定処理について説明する。なお、この処理前には、スリット光源ユニット１２のレーザ光と拡散光源ユニット１３の拡散光は、初期状態として消灯されているものとする。

初めに、ステップＳ１において、光源制御部３２は、拡散光源ユニット１３を制御し、拡散光源を点灯させる。

ユーザは、操作部２１を操作して、被検物２０が撮像部１４Aおよび１４Bの撮像範囲内の所望の位置となるように１軸ステージ１１を移動させた後、撮像を指示する。ステップＳ２において、UI制御部３４は、操作部２１から撮像を表す操作信号を受け付け、カメラ制御部３３に撮像を指令する。撮像部１４Aおよび１４Bは、カメラ制御部３３の制御に従い、１軸ステージ１１上の被検物２０を撮像する。

ステップＳ３において、UI制御部３４は、被検物２０が含まれる撮像された画像を表示部２２に表示させるとともに、「測定部分を指定してください」等のメッセージを表示部２２に表示させる。ユーザは、操作部２１を操作して、表示部２２に表示された被検物２０の画像の所定の領域を測定部分として指示すると、ステップＳ４において、UI制御部３４は、操作部２１からの操作信号を取得し、画像中のユーザによって指定された領域と、現在の１軸ステージ１１の位置から、被検物２０の測定部分を特定する。被検物２０の測定部分を特定するための１軸ステージ１１の位置（ｘ座標値）および画像中の領域は、記憶部３８に一時記憶される。

ステップＳ５において、光源制御部３２は、拡散光源ユニット１３を制御し、拡散光源を消灯させ、ステップＳ６において、スリット光源ユニット１２を制御し、レーザ光を点灯させる。これにより、１軸ステージ１１上にスリット光が照射される。

ステップＳ７において、ステージ制御部３１は、１軸ステージ１１を開始位置に移動させる。例えば、１軸ステージ１１の駆動範囲の全範囲をスキャンすることとすると、駆動範囲の一方の端である位置が開始位置、他方の端が終了位置である。なお、１軸ステージ１１の全駆動範囲に対して被検物２０の置かれている範囲が極端に短い場合などには、形状測定における１軸ステージ１１の駆動範囲を予め指定（ティーチング）するようにしてもよい。

ステップＳ８において、撮像部１４Aおよび１４Bは、スリット光が照射されている被検物２０を撮像する。撮像された画像は、カメラ制御部３３を介して判定部３５に供給される。

ステップＳ９において、判定部３５は、ユーザによって指定された測定部分をスリット光が走査しているか否かを判定する。この判定は、現在の１軸ステージ１１の位置と、撮像部１４Aおよび１４Bから供給された画像とに基づいて行われる。

ステップＳ９で、ユーザによって指定された測定部分をスリット光が走査していないと判定された場合、処理はステップＳ１４に進む。

一方、ステップＳ９で、ユーザによって指定された測定部分をスリット光が走査していると判定された場合、処理はステップＳ１０に進み、判定部３５は、撮像部１４Aおよび１４Bで撮像された画像の測定部分におけるスリット像の強度（輝度）の差を演算し、求められたスリット像の強度の差が所定の閾値TH_A以下であるかを判定する。

ステップＳ１０で、求められたスリット像の強度の差が閾値TH_Aより大きいと判定された場合、処理はステップＳ１１に進み、判定部３５は、いまスリット光が走査している測定部分は光学測定に不適な部分であると判定し、その部分を測定不適位置として記憶部３８に供給し、記憶させる。

一方、ステップＳ１０で、求められたスリット像の強度の差が閾値TH_A以下であると判定された場合、処理はステップＳ１２に進み、判定部３５は、スリット像の強度が撮像部１４Aおよび１４Bで撮像された画像のいずれにおいても閾値TH_B以下であるかを判定する。ステップＳ１２で、スリット像の強度がいずれも閾値TH_B以下であると判定された場合、処理はステップＳ１１に進む。

一方、ステップＳ１２で、スリット像の強度が撮像部１４Aおよび１４Bで撮像された画像のいずれにおいても閾値TH_B以下ではないと判定された場合、すなわち、少なくともいずれか一方のスリット像の強度が閾値TH_Bより大きい場合には、ステップＳ１３において、光学形状演算部３６は、カメラ制御部３３を介して撮像部１４Aおよび１４Bから供給された画像に含まれるスリット像から、被検物２０の形状データを取得する。

ステップＳ１４では、現在のステージ位置が終了位置であるかがステージ制御部３１によって判定される。ステップＳ１４で、現在のステージ位置が終了位置ではないと判定された場合、処理はステップＳ１５に進み、ステージ制御部３１は、１軸ステージ１１を所定量移動させる。

ステップＳ１５の処理後は、ステップＳ８に戻り、ステップＳ８乃至Ｓ１４の処理が繰り返し実行される。その結果、開始位置から終了位置までの各ステージ位置で被検物２０が撮像され、光学測定に適している測定部分について形状データが取得される。

そして、ステップＳ１４で、現在のステージ位置が終了位置であると判定された場合、処理はステップＳ１６に進み、接触形状演算部３７は、測定不適位置が記憶部３８に記憶されているかを判定する。ステップＳ１６で、測定不適位置が記憶部３８に記憶されていると判定された場合、処理はステップＳ１７に進み、接触形状演算部３７は、ロボットアームを制御し、記憶部３８に記憶されている測定不適位置をタッチプローブ２３に測定させ、タッチプローブ２３による測定不適位置の測定結果（移動変位）を取得する。そして、接触形状演算部３７は、取得された測定結果から、測定不適位置の形状データを生成する。

タッチプローブ２３で測定済みの測定不適位置は記憶部３８から消去され、記憶部３８に測定不適位置がなくなるまで、すなわち、記憶部３８に記憶されているすべての測定不適位置についてタッチプローブ２３による測定が終了するまで、ステップＳ１６およびＳ１７の処理が繰り返される。

そして、ステップＳ１６で、記憶部３８に測定不適位置がないと判定された場合、処理はステップＳ１８に進み、光学形状演算部３６は、スリット像から得られた形状データと、タッチプローブ２３により得られた形状データを合成する。合成された被検物２０の測定範囲全体の形状データは、表示部２２に表示されるか、または記憶部３８に記憶された後、処理は終了する。

なお、タッチプローブ２３により得られた形状データがない場合には、すなわち、ユーザにより指定された測定部分のすべてについてスリット像による計測ができた場合には、ステップＳ１８の処理は省略される。

以上のように、形状測定装置１では、異なる２方向から撮像された被検物２０の画像から、スリット像の強度（輝度）の差を演算し、求められた強度の差が所定の閾値TH_Aより大きいか、または、２つのスリット像の強度がいずれも所定の閾値TH_B以下である場合に、光学測定に適した部分でないと判定するので、測定部分が光切断による計測に適しているかを適切に（自動で）判断し、適している測定部分のみを光学測定により測定することができる。換言すれば、形状測定装置１では、正反射光によるスリット像を用いて計測することによる誤検出を防止することができる。

さらに、形状測定装置１では、光切断による計測に適していない測定部分については、タッチプローブ２３で測定することができるので、ユーザに指定された測定部分のすべてを正確に測定することができる。

なお、上述した例では、異なる２方向に配置された撮像部１４Aおよび１４Bにより撮像された２枚の画像を用いて、測定部分が光学測定に適した部分であるか否かを判定したが、１方向からNA（開口数）を変化させた２枚の画像を用いて、測定部分が光学測定に適した部分であるか否かを判定することも可能である。より具体的には、２種類のNAで撮像した場合には、拡散光では、受光される光量がNAの比でしか変わらないが、正反射光の強い成分が入ってくると、輝度の比がNAの比と大きく変わるので、判定部３５は、２枚の画像のスリット像の強度の比を演算し、NAの比と等しいかを判断することにより、測定部分が光切断による計測に適しているかを適切に判断することができる。

例えば、図１の撮像部１４Aおよび撮像部１４Bの代わりに、図４に示す撮像部４１を、図１の撮像部１４Aかまたは撮像部１４Bのいずれか一方に配置させる。

撮像部４１は、CCD５１および５２、撮像レンズ５３および５４、NAが互いに異なる絞り５５および５６、BS(ビームスプリッタ)５７、並びに対物レンズ５８により構成される。

被検物２０で反射されたスリット光の反射光は、対物レンズ５８を通過してBS５７に入射される。BS５７に入射された反射光の一部は、BS５７の接合面で反射して絞り５６および撮像レンズ５４を介し、CCD５２で受光される。一方、BS５７の接合面で反射されない光は、絞り５５および撮像レンズ５３を介し、CCD５１で受光される。これにより、１つの撮像部４１で、NAの異なる２枚の画像を取得することができる。

判定部３５は、２枚の画像のスリット像の強度の比を演算し、NAの比と等しいかを判断する。これにより、測定部分が光切断による計測に適しているかを適切に（自動で）判断することができる。換言すれば、正反射光の強い成分が入ってくると、撮像系のNA内にムラが発生するが、このムラにより生じた収差による誤検出を防止することができる。

なお、図４に示した例は、１つの撮像部に２つのCCDを有し、それぞれでNAの異なる２枚の画像を取得する構成であるが、１つの撮像部に１つのCCDのみを有し、絞りを変えて時間をずらした２回の撮像によってNAの異なる２枚の画像を取得する構成とすることも可能である。また、３以上のNAの異なる画像を用いて、測定部分が光切断による計測に適しているかを判断してもよい。

なお、上述した例では、測定部分をユーザが撮像された画像の所望の位置を指定することにより決定したが、CADデータを用いて測定部分を指定することも可能である。この場合、被検物２０のCADデータには、測定部分が予め設定されており、CADデータ上の任意の３点に対応する点を、撮像部１４Aまたは１４Bで撮像された画像上で指定することにより、CADデータに設定されている測定部分が１軸ステージ１１上の被検物２０に反映される。

本明細書において、フローチャートに記述されたステップは、記載された順序に沿って時系列的に行われる処理はもちろん、必ずしも時系列的に処理されなくとも、並列的あるいは個別に実行される処理をも含むものである。

本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

本発明を適用した形状測定装置の概略の構成を示す図である。形状測定装置の機能的構成例を示すブロック図である。測定処理について説明するフローチャートである。撮像部のその他の例を示す図である。

符号の説明

１形状測定装置，１１１軸ステージ，１２スリット光源ユニット，１３拡散光源ユニット，１４A，１４B 撮像部，１５コントローラ，２１操作部，２２表示部，２３タッチプローブ，３１ステージ制御部，３２光源制御部，３３カメラ制御部，３４ UI制御部，３５判定部，３６光学形状演算部，３７接触形状演算部，３８記憶部

Claims

測定の対象である被検物に対してスリット光を照射する照明手段と、
前記スリット光が照射された前記被検物を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段により得られた画像で観察されるスリット像に基づいて、前記被検物の形状を測定する光学測定手段と、
前記被検物の前記スリット光が照射されている部分である照射部分が光学測定に適した部分であるかを判定する判定手段と
を備え、
前記光学測定手段は、前記判定手段により光学測定に適した部分であると判定された部分について、前記被検物の形状を測定する
ことを特徴とする形状測定装置。
前記被検物に接触して前記被検物の形状を測定する接触式測定手段をさらに備え、
前記接触式測定手段は、前記判定手段により光学測定に適した部分ではないと判定された部分について、前記被検物の形状を測定する
ことを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
前記撮像手段は、異なる２以上の方向から前記被検物を撮像し、
前記判定手段は、撮像された２以上の画像におけるスリット像の強度の差が所定の閾値より大きいかを判断することにより、前記照射部分が光学測定に適した部分であるかを判定する
ことを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
前記撮像手段は、異なる２以上のNAで前記被検物を撮像し、
前記判定手段は、撮像された２以上の画像におけるスリット像の強度の比を演算し、NAの比と等しいかを判断することにより、前記照射部分が光学測定に適した部分であるかを判定する
ことを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
前記被検物の形状測定を行う部分である測定部分を、前記撮像手段で撮像された画像上で指定する指定手段をさらに備え、
前記判定手段は、前記照射部分が前記測定部分である場合に、前記照射部分が光学測定に適した部分であるかを判定する
ことを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。