JP2006258444A - 物体表面形状測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】表面形状に撮影光学系対物レンズの焦点深度を超えるような凹凸変位量がある物体の表面形状を高速に測定する。
【解決手段】X、Y、Z方向に移動するステージに物体を設置し、その物体表面をZ方向に撮影位置を変えながら撮影光学系で撮影し分割メモリに記憶する。記憶した画像同志を比較照合して最適ピント画像区画を抽出し、それを集合して1つの全体焦点画像データとして画像メモリに記憶し、それを表示部に送ってピントの合った画像として表示する。次に前記ピント画像区画を抽出した元の分割メモリの番地と、そのピント画像区画毎のx、y、zアドレスを位置データとして求め、それを曲線近似してステージZ方向の移動指令曲線とする。この移動指令曲線に沿ってステージをZ方向に移動することで撮影光学系対物レンズの焦点深度を超えるような凹凸変位量がある物体の表面形状も測定できるようにした。
【選択図】図1
Description
本発明は物体の表面形状を測定する装置に関するもので、X、Y、Z方向に移動するステージに設置した物体の表面を撮影光学系を用いて撮影し、その画像を表示部に送り出して表示された画像中から測定開始点と終了点を指定し、その指定長間に相当する物体表面形状を形状検出光学系を用いて測定し、その結果をグラフとして前記表示部に表示できるようにしたものである。
光学系を用いて物体表面形状を観察測定する装置は各種の分野で使用されている。このような装置で問題となることの1つに測定速度とその精度があげられる。また測定する物体表面形状の高さ方向(Z方向)変位量が撮影光学系の対物レンズ焦点深度を超えているようなときはオートフォーカスを迅速に実施できないという問題も指摘されている。
この速度と精度を左右する原因の1つに、オートフォーカスを実施するための物体表面位置と撮影光学系対物レンズの焦点位置を合わせにくいという事がある。また任意の測定点から次の測定点に物体を移動したとき、対物レンズの焦点位置を物体表面位置と一致させるには、対物レンズを光軸上で物体から遠ざかる方向に移動させるのか、近づける方向に移動させるのかを瞬時に判断することが出来ないということもある。そのため対物レンズを一旦、遠ざける方向に移動し、焦点位置が見つからなかったときは反対側に近づけるという往復運動を繰り返すことになる。また物体の表面形状に生じる凹凸の高さ方向(Z方向)変位量が対物レンズの焦点深度などによって決まるオートフォーカス可能範囲を超えてしまうような場合には、対物レンズの位置をその超えてしまった側に一旦移動してから対処するか、物体表面形状が持つZ方向の変位量を制限するなどの対策が必要であった。このように取り扱いには複雑な制御と時間が要求されていた。
オートフォーカスを実施するため対物レンズ焦点位置と物体表面位置を一致させる手段として、物体面からの戻り光をフォトダイオードに導いて焦点ズレの方向とずれ量を求めるようにしたものが知られている(特許文献1)。しかしこの文献1には次測定点が対物レンズの焦点深度を超えてしまうような場合については開示されていない。また物体が透明体のような時でもオートフォーカスを実施出来るようにしたものも知られている(特許文献2)。しかしこの特許文献2によるものにも次測定点がオートフォーカス可能範囲を超えてしまうような場合については開示されていない。
特開2001−311866号公報
特開2002−258161号公報
この速度と精度を左右する原因の1つに、オートフォーカスを実施するための物体表面位置と撮影光学系対物レンズの焦点位置を合わせにくいという事がある。また任意の測定点から次の測定点に物体を移動したとき、対物レンズの焦点位置を物体表面位置と一致させるには、対物レンズを光軸上で物体から遠ざかる方向に移動させるのか、近づける方向に移動させるのかを瞬時に判断することが出来ないということもある。そのため対物レンズを一旦、遠ざける方向に移動し、焦点位置が見つからなかったときは反対側に近づけるという往復運動を繰り返すことになる。また物体の表面形状に生じる凹凸の高さ方向(Z方向)変位量が対物レンズの焦点深度などによって決まるオートフォーカス可能範囲を超えてしまうような場合には、対物レンズの位置をその超えてしまった側に一旦移動してから対処するか、物体表面形状が持つZ方向の変位量を制限するなどの対策が必要であった。このように取り扱いには複雑な制御と時間が要求されていた。
オートフォーカスを実施するため対物レンズ焦点位置と物体表面位置を一致させる手段として、物体面からの戻り光をフォトダイオードに導いて焦点ズレの方向とずれ量を求めるようにしたものが知られている(特許文献1)。しかしこの文献1には次測定点が対物レンズの焦点深度を超えてしまうような場合については開示されていない。また物体が透明体のような時でもオートフォーカスを実施出来るようにしたものも知られている(特許文献2)。しかしこの特許文献2によるものにも次測定点がオートフォーカス可能範囲を超えてしまうような場合については開示されていない。
本発明は上記問題を解決し、次測定点がオートフォーカス可能範囲を超えるような場合でも、対物レンズの焦点深度などに煩わされずに安定して高速に正確な形状測定ができるような測定装置を求めることである。
上記目的を達成するため本発明は、駆動部によってX、Y、Z方向に移動するステージに設置した物体表面を撮影する光学系と、物体表面形状を前記撮影光学系から分岐した光学系で検出する形状検出光学系を一体にした測定光学系と、この測定光学形の撮影光学系を用いて、その光軸方向に撮影位置を変えながら前記物体表面を順次撮影し、得られたn枚の高さ(Z)方向画像をそれぞれ異なるアドレスに順次記憶していく分割メモリと、この分割メモリに記憶したn枚の高さ(Z)方向画像同志を制御部で比較照合し、ピントの合った画像区画を抽出して集合し、それを1つのピントの合った全体焦点画像データとして記憶していく画像メモリと、この画像メモリに記憶したピント画像区画毎に、ピント画像区画として抽出した元の分割メモリ上のx、y、zアドレスを位置データとして記憶していく位置メモリと、この位置メモリに記憶したz値をX列とY列方向に前記制御部で曲線近似し、それを三次元情報のうねり曲線データとして記憶していくうねり曲線メモリと、前記画像メモリに記憶した全体焦点画像データを表示する表示部と、この表示部で物体表面形状測定開始点と終了点が設定されたとき、前記位置メモリとうねり曲線メモリの内容に基づいてステージをX、Y、Z方向に移動し、測定開始点位置に相当する物体表面位置が撮影光学系光軸上の対物レンズ焦点位置と一致するよう前記駆動部に指令する制御部とを有し、前記ステージをX、Yの測定方向に移動しながらうねり曲線を移動指令曲線としながら高さ(Z)方向にも移動して、形状検出光学系で物体表面形状を測定していくようにした事を特徴とする。
請求項2の発明によるものは、請求項1記載の物体表面形状測定装置において物体表面からの反射光を撮影光学系から分岐し、シリンドリカルレンズを介して多分割フォトダイオードによる受光部に投影し、その検出値に応じて前記撮影光学系の対物レンズ焦点位置と物体表面間の距離を算出するようにした形状検出光学系とした事を特徴とする。
請求項3の発明によるものは、請求項1、2記載の物体表面形状測定装置においてステージを選定したうねり曲線に沿って高さ(Z)方向に移動するとき、その変化する高さ(Z)方向現在位置の値と形状検出光学系が検出した物体表面形状値を合算して最終物体表面形状測定値として記憶する測定データメモリを設置した事を特徴とする。
請求項4の発明によるものは、請求項1、3記載の物体表面形状測定装置において測定データメモリに基づいて物体表面形状をグラフとして表示するようにした表示部とした事を特徴とする。
請求項5の発明によるものは、請求項1、2記載の物体表面形状測定装置において形状検出光学系が算出した撮影光学系対物レンズ焦点位置と物体表面間の距離が、対物レンズの焦点深度によって決定されるオートフォーカス可能範囲を超えるとき、対物レンズ焦点位置と物体表面間の距離が0となるよううねり曲線で指定される高さ(Z)方向にステージの移動指令を駆動部に伝える制御部とした事を特徴とする。
請求項6の発明によるものは、請求項1記載の物体表面形状測定装置において撮影光学系と形状検出光学系を距離Lだけ隔てて独立した光学系として1つのユニット中に収容し、表示部上で物体表面形状測定開始点が設定されたとき、位置メモリとうねり曲線メモリの内容に基づいてステージをX、Y、Z方向に移動し、測定開始点位置に相当する物体表面位置を撮影光学系光軸上の対物レンズ焦点位置と一致させた後、距離L相当分だけステージを移動して形状検出光学系光軸位置を前記物体上の測定開始点相当位置と一致させて物体表面形状を測定していくようにした測定光学系としたことを特徴とする。
請求項7の発明によるものは、請求項1、2、3、5、6記載の物体表面形状測定装置において撮影光学系対物レンズ焦点深度によって決定されるオートフォーカス可能範囲を予め制御部に設定し、その設定値に基づいて撮影光学系対物レンズ焦点位置と物体表面間の距離を算出するようにした形状検出光学系としたことを特徴とする。
請求項8の発明によるものは、請求項1、2、3、5、6、7記載の物体表面形状測定装置において撮影光学系と形状検出光学系にそれぞれ設置する光源の波長によって発生する対物レンズの色収差を、フォーカス移動量として予め制御部に記憶させ、その記憶値で撮影光学系対物レンズ焦点位置と物体表面間の距離を算出するようにした形状検出光学系としたことを特徴とする。
請求項2の発明によるものは、請求項1記載の物体表面形状測定装置において物体表面からの反射光を撮影光学系から分岐し、シリンドリカルレンズを介して多分割フォトダイオードによる受光部に投影し、その検出値に応じて前記撮影光学系の対物レンズ焦点位置と物体表面間の距離を算出するようにした形状検出光学系とした事を特徴とする。
請求項3の発明によるものは、請求項1、2記載の物体表面形状測定装置においてステージを選定したうねり曲線に沿って高さ(Z)方向に移動するとき、その変化する高さ(Z)方向現在位置の値と形状検出光学系が検出した物体表面形状値を合算して最終物体表面形状測定値として記憶する測定データメモリを設置した事を特徴とする。
請求項4の発明によるものは、請求項1、3記載の物体表面形状測定装置において測定データメモリに基づいて物体表面形状をグラフとして表示するようにした表示部とした事を特徴とする。
請求項5の発明によるものは、請求項1、2記載の物体表面形状測定装置において形状検出光学系が算出した撮影光学系対物レンズ焦点位置と物体表面間の距離が、対物レンズの焦点深度によって決定されるオートフォーカス可能範囲を超えるとき、対物レンズ焦点位置と物体表面間の距離が0となるよううねり曲線で指定される高さ(Z)方向にステージの移動指令を駆動部に伝える制御部とした事を特徴とする。
請求項6の発明によるものは、請求項1記載の物体表面形状測定装置において撮影光学系と形状検出光学系を距離Lだけ隔てて独立した光学系として1つのユニット中に収容し、表示部上で物体表面形状測定開始点が設定されたとき、位置メモリとうねり曲線メモリの内容に基づいてステージをX、Y、Z方向に移動し、測定開始点位置に相当する物体表面位置を撮影光学系光軸上の対物レンズ焦点位置と一致させた後、距離L相当分だけステージを移動して形状検出光学系光軸位置を前記物体上の測定開始点相当位置と一致させて物体表面形状を測定していくようにした測定光学系としたことを特徴とする。
請求項7の発明によるものは、請求項1、2、3、5、6記載の物体表面形状測定装置において撮影光学系対物レンズ焦点深度によって決定されるオートフォーカス可能範囲を予め制御部に設定し、その設定値に基づいて撮影光学系対物レンズ焦点位置と物体表面間の距離を算出するようにした形状検出光学系としたことを特徴とする。
請求項8の発明によるものは、請求項1、2、3、5、6、7記載の物体表面形状測定装置において撮影光学系と形状検出光学系にそれぞれ設置する光源の波長によって発生する対物レンズの色収差を、フォーカス移動量として予め制御部に記憶させ、その記憶値で撮影光学系対物レンズ焦点位置と物体表面間の距離を算出するようにした形状検出光学系としたことを特徴とする。
本発明は物体表面を撮影光学系結像面に設置したカメラで撮影し、その画像を表示部に送って表示する。そして表示された画像中から測定開始点と終了点を設定し、その間に相当する物体表面形状を前記撮影光学系から分岐した形状検出光学系で測定し、その結果をグラフなどとして前記表示部に表示するようにしたものである。前記撮影光学系で物体表面を撮影し画像として表示するときは、物体を設置したステージを撮影光学系の光軸方向(Z方向)に移動して順次撮影し、その撮影したn枚の画像同志を比較照合し、その中からピント画像区画を抽出し、その抽出した各ピント画像区画を1つの画像メモリ上に張り合わせて集合し、それを1つの全体焦点画像として表示するようにした。そのため表示画像はZ方向に任意の変位量を持つ物体であったとしても、全て鮮明なピントの合った画像として表示することが出来る。そしてその表示された画像を用いて測定開始点と終了点を画面上で設定できるようにしたから、測定作業は誰にでも容易に実施することが出来る。
また上記画像メモリにピント画像区画を張り合わせて集合していくとき、集合する各ピント画像区画がもつX、Y、Z方向の位置を同時に抽出してこれを位置データとして別に用意した位置メモリに記憶するようにした。そしてこの位置データからステージをZ方向に移動指令する三次元情報としてのうねり曲線を作成し、このうねり曲線に沿ってステージをZ方向に移動出来るようにした。それによって前記測定開始点から終了点までステージがX、Y方向に移動する時、そのステージはうねり曲線に沿ってZ方向にも移動していく。そしてこのX、Y、Zの移動によって前記形状検出光学系が物体表面形状を検出していくから、物体自身が持つZ方向変位量の大きさに煩わされることなく表面形状変位量を測定値として得ることが出来る。この測定値を表示部に表示するようにすれば、物体表面の画像とその表面形状に応じたグラフを同時に確認することが出来る。しかも全体の作業は円滑な一連の動作として行われるから安定した測定を実施していくことができる。
また上記画像メモリにピント画像区画を張り合わせて集合していくとき、集合する各ピント画像区画がもつX、Y、Z方向の位置を同時に抽出してこれを位置データとして別に用意した位置メモリに記憶するようにした。そしてこの位置データからステージをZ方向に移動指令する三次元情報としてのうねり曲線を作成し、このうねり曲線に沿ってステージをZ方向に移動出来るようにした。それによって前記測定開始点から終了点までステージがX、Y方向に移動する時、そのステージはうねり曲線に沿ってZ方向にも移動していく。そしてこのX、Y、Zの移動によって前記形状検出光学系が物体表面形状を検出していくから、物体自身が持つZ方向変位量の大きさに煩わされることなく表面形状変位量を測定値として得ることが出来る。この測定値を表示部に表示するようにすれば、物体表面の画像とその表面形状に応じたグラフを同時に確認することが出来る。しかも全体の作業は円滑な一連の動作として行われるから安定した測定を実施していくことができる。
以下に本発明に係わる装置について図面を参照しながら説明する。
図1は本発明装置の概略をブロック図として示したものである。1は撮影光学系で、例えば白色LED等で構成した第1光源2からの光がレンズ3、ビームスプリッタ4を経て90度反転し、対物レンズ5によってその焦点位置F近傍に設置される物体6の表面を照明する。物体6表面が対物レンズ5の焦点(ピント)位置F近傍にあれば、その表面からの反射光が対物レンズ5とビームスプリッタ4を通過し、後に説明するダイクロイックミラー7を経て結像レンズ8で集光されカメラ9に達する。カメラ9からの画像信号は内部を一部省略してある制御部10に向かい、画像処理部11で処理されメモリ12に画像データとして記憶される。メモリ12に記憶された画像データは表示部13に送られて画像用の画面13aに表示される。14は制御部10に接続されたキーボードやマウスなどの入力部で各種の指令をする。15はプリンタなどの出力部で表示部13に表示した内容を出力する。物体6はステージ16上に設置され、ステージ16はX、Y、Z方向に移動するモータと、そのコントロール部、位置検出部などで構成された駆動部17と接続していて、制御部10からの指令を受けて動作する。対物レンズ5は倍率検出部18によってその倍率が検出され、制御部10に伝えられて画像処理部11などに伝えられる。従って物体6の表面形状に撮影光学系1光軸(Z)方向の凹凸があったとしても、その変位量に対応してステージ16をZ方向(高さ方向)に移動すれば、表面形状の必要部分をピントの合った状態でカメラ9で撮影することができ、対物レンズ5の倍率に変換した画像Gを画面13aに表示することが出来る。制御部10内に示した19は後に述べる測定データメモリで、ステージ16をZ方向に移動する値を記憶するものとなる。
20は撮影光学系1からダイクロイックミラー7で分岐された形状検出光学系で、例えば赤色又は赤外の半導体レーザで構成した第2光源21からの光は、レンズ22で平行光束となりビームスプリッタ23を経て前記ダイクロイックミラー7に向かう。そして90度反転して撮影光学系1のビームスプリッタ4を通過し、対物レンズ5によって物体6表面に焦点を結ぶ。物体6からの反射光は対物レンズ5、ビームスプリッタ4、ダイクロイックミラー7、ビームスプリッタ23、ミラー24を経て結像レンズ25で集束され受光部26に達する。27は光路中に設置したシリンドリカルレンズである。受光部26は例えば4分割フォトダイオードa〜dで構成され、各フォトダイオードa〜dからの出力は変位量演算部28に送られ各出力値が比較される。その結果は制御部10に伝えられ物体表面のZ方向形状検出値となる。制御部10内の29はカーソルコントロール部で、入力部14で表示部13の画面13aに表示された画像中に形状測定開始点と終了点を設定したとき、その位置をカーソル表示するときの制御などを行う。この測定開始点がカーソルで画面13aに設定されると、制御部10はその設定された位置から駆動部17に指令し、ステージ16をX、Y方向に移動して撮影光学系1の対物レンズ5による焦点位置Fと一致させる。そして画面13aで設定された測定終了点までに相当する分だけステージ16をX、Y方向に移動させる。この時の物体表面凹凸変位量がある一定の範囲内にあれば、この物体6表面からの反射光は形状検出光学系20を経てシリンドリカルレンズ27を通過し、シリンドリカルレンズ27の作用を受けながら4分割フォトダイオードで構成した受光部26に投影される。この各フォトダイオードからの出力は変位量演算部28に送られて比較され、物体6のZ方向形状検出値として制御部10に送られる。制御部10はこの情報を物体表面の凹凸変位量を表す形状値として測定データメモリ19に記憶し、それを最終物体表面形状測定値として表示部13の画面13bに送って、例えばグラフとして表示する。この表示されたグラフと前記画像の表示画面13aを出力部15から出力すれば、所定の測定作業が終了する。
撮影光学系1と形状検出光学系20は一体となって測定光学系を形成し、図示してない1つのユニット内に収容される。変位量演算部28は図1で制御部10の外部に設置された例となっているが、制御部10内に収容して1パーツとして扱うようにする事もできる。
撮影光学系1と形状検出光学系20は一体となって測定光学系を形成し、図示してない1つのユニット内に収容される。変位量演算部28は図1で制御部10の外部に設置された例となっているが、制御部10内に収容して1パーツとして扱うようにする事もできる。
図2は図1で説明した形状検出光学系20の受光部26と、この受光部26からの信号を受けて演算する変位量演算部28の関係を示した説明図である。図1において物体6が撮影光学系1の対物レンズ5焦点位置F近傍に位置しているとき、物体6表面からの反射光束は形状検出光学系20を経て図2のA1のように受光部26を構成する4つのフォトダイオードa〜dの中心部に投影される。図ではこの中心部に投影された測定光束を31として示してある。このような状態にあるとき受光部26が検出した測定光の出力を受ける変位量演算部28は、各フォトダイオードa〜dの出力に基づいて、
((a+c)−(b+d))/(a+b+c+d)・・・・・・・1式
の除算を実施する。測定光束31は前記のように受光部26の中心部に投影されているから除算の結果は「0」となり、この「0」を出力して図1の制御部10に送り出す。制御部10はその結果、対物レンズ5の焦点位置Fと測定する物体6の表面位置は一致していると認識する。
図2Cはこの変位量演算部28からの出力状態を説明するもので、横軸は対物レンズ5の焦点位置変位量を表し、縦軸は変位量演算部28からの出力電圧を示している。受光部26の投影状態が図2のA1状態にあれば、変位量演算部28の演算結果は「0」であるから横軸と縦軸の交点位置32が出力電圧となる。物体6の表面に凹みがあり、それによって対物レンズ5の焦点位置Fが撮影光学系光軸上カメラ9側に移動したのと同様な状態となったと仮定したとき、受光部26上の光束31は焦点誤差を生じ、シリンドリカルレンズ27の作用によって図2のA2のような右肩上がりの斜体光束33となって投影される。そのため受光部26を構成するフォトダイオードからの出力は(a+c)<(b+d)となる。従って変位量演算部28が実施する1式の演算結果はマイナスとなり、図2C上で縦軸を中心として左側での判定となる。仮に1式の結果を−4vとしたとき、その時の対物レンズ位置34を測定すると横軸のように−0.4mmが得られる。そのため図上、交点32位置とレンズ位置34間のずれが図1の物体6表面と対物レンズ5の焦点位置のずれとなる。こうして得られた−4vの信号が変位量演算部28から制御部10に伝えられると、制御部10は物体表面が−0.4mm凹んでいると判断し、その信号を測定データメモリ19に送って記憶し、表示部13の画面13bにグラフとして表示する。
((a+c)−(b+d))/(a+b+c+d)・・・・・・・1式
の除算を実施する。測定光束31は前記のように受光部26の中心部に投影されているから除算の結果は「0」となり、この「0」を出力して図1の制御部10に送り出す。制御部10はその結果、対物レンズ5の焦点位置Fと測定する物体6の表面位置は一致していると認識する。
図2Cはこの変位量演算部28からの出力状態を説明するもので、横軸は対物レンズ5の焦点位置変位量を表し、縦軸は変位量演算部28からの出力電圧を示している。受光部26の投影状態が図2のA1状態にあれば、変位量演算部28の演算結果は「0」であるから横軸と縦軸の交点位置32が出力電圧となる。物体6の表面に凹みがあり、それによって対物レンズ5の焦点位置Fが撮影光学系光軸上カメラ9側に移動したのと同様な状態となったと仮定したとき、受光部26上の光束31は焦点誤差を生じ、シリンドリカルレンズ27の作用によって図2のA2のような右肩上がりの斜体光束33となって投影される。そのため受光部26を構成するフォトダイオードからの出力は(a+c)<(b+d)となる。従って変位量演算部28が実施する1式の演算結果はマイナスとなり、図2C上で縦軸を中心として左側での判定となる。仮に1式の結果を−4vとしたとき、その時の対物レンズ位置34を測定すると横軸のように−0.4mmが得られる。そのため図上、交点32位置とレンズ位置34間のずれが図1の物体6表面と対物レンズ5の焦点位置のずれとなる。こうして得られた−4vの信号が変位量演算部28から制御部10に伝えられると、制御部10は物体表面が−0.4mm凹んでいると判断し、その信号を測定データメモリ19に送って記憶し、表示部13の画面13bにグラフとして表示する。
一方、物体6の表面に凸部があり、対物レンズ5の焦点位置Fが撮影光学系光軸上で物体6側に移動したのと同様な状態となってしまって焦点誤差を起こす場合もある。そのときは受光部26に導かれる物体表面からの反射光束31はシリンドリカルレンズ27の作用によって図2のA3の様に左肩上がりの斜体光束35となる。そのため受光部26で光電変換された出力は(a+c)>(b+d)となって、1式の演算結果はプラスとなり図2Cの縦軸を中心として右側での判定となる。仮に1式の演算結果が+4vであったとすれば、その時の対物レンズ位置36を測定すると横軸のように+0.4mmが得られる。そのため図上、交点32位置とレンズ位置36間のずれが図1の物体6表面と対物レンズ焦点位置Fのずれとなる。こうして得られた+4vの信号が変位量演算部28から制御部10に伝えられると、制御部10は物体表面が+0.4mm離れていると判断し、その信号を測定データメモリ19に伝えて記憶し、表示部13の画面13bにグラフとして表示する。
このように対物レンズ5の焦点位置Fは物体6表面との距離に応じて図2Cの様に位置34、交点32、位置36を結ぶフォーカスライン37上を移動する。従ってこのフォーカスライン37での対物レンズ焦点位置Fを検出すれば物体6表面間とのズレ、つまり物体表面のZ方向変位量を測定することができる。物体表面形状の凹凸変位量をこのフォーカスライン37に沿って正確に検出するためには物体表面からの反射光束が受光部26上に測定光として投影されたとき、光束31、33、35のそれぞれを明瞭に区別し識別できることが重要となる。
このように対物レンズ5の焦点位置Fは物体6表面との距離に応じて図2Cの様に位置34、交点32、位置36を結ぶフォーカスライン37上を移動する。従ってこのフォーカスライン37での対物レンズ焦点位置Fを検出すれば物体6表面間とのズレ、つまり物体表面のZ方向変位量を測定することができる。物体表面形状の凹凸変位量をこのフォーカスライン37に沿って正確に検出するためには物体表面からの反射光束が受光部26上に測定光として投影されたとき、光束31、33、35のそれぞれを明瞭に区別し識別できることが重要となる。
フォーカスライン37は対物レンズ5の焦点深度、結像レンズ25、シリンドリカルレンズ27などの性能や倍率、光学系1、20全体の設計仕様などによってそのカーブ度合いが変化する。また物体6表面の粗さ程度や光沢の度合い、第2光源21の波長等によっても変化する。物体6が着色されていたり固有の色を持っているようなときにも変化する。このようにフォーカスライン37は多くの要素によって変化するが、ここでは便宜上まとめて以下、対物レンズ5の焦点深度によって変化するという表現とする。この変化したフォーカスラインの例として図2Cに2つのフォーカスライン37a、37bを点線で示した。
従って対物レンズの焦点深度などを考慮して、事前に図1の入力部14から制御部10を介して変位量演算部28に使用するフォーカスライン37、37a、37bを選択使用できるようにしておけば、受光部26で検出される測定値(光束31の形状若しくは光量)に応じて演算されたフォーカスライン37、37a、37bの出力電圧を得ることが出来る。例えばライン37aを使用すれば受光部26の出力電圧が高くても物体表面Z方向の変位量は少ない値となり、逆にライン37bを使用すれば出力電圧は低くても物体表面Z方向の変位量値は大きくなる。
従って対物レンズの焦点深度などを考慮して、事前に図1の入力部14から制御部10を介して変位量演算部28に使用するフォーカスライン37、37a、37bを選択使用できるようにしておけば、受光部26で検出される測定値(光束31の形状若しくは光量)に応じて演算されたフォーカスライン37、37a、37bの出力電圧を得ることが出来る。例えばライン37aを使用すれば受光部26の出力電圧が高くても物体表面Z方向の変位量は少ない値となり、逆にライン37bを使用すれば出力電圧は低くても物体表面Z方向の変位量値は大きくなる。
フォーカスライン37について更に説明する。図2Cに示したフォーカスライン37は、撮影光学系1の第1光源2が対物レンズ5を通して物体6上を照明したとき、物体(ステージ16)がX方向に移動することによって生じる対物レンズ焦点位置の軌跡とも見ることが出来る。そしてこの軌跡37を描くとき、形状検出光学系20の受光部20に投影される第2光源21で照明された物体6からの反射光は、図2Aの様な形状の光束31、33、35となる。即ち、対物レンズ5の焦点位置Fが図2Cの交点32にあるとき、受光部26に投影される光束の形状は図2Aの光束31となるということを前提とした測定光学系となっている。しかしながら図1の説明でも述べたように第1光源2を白色LEDで構成し、第2光源21を赤色又は赤外の半導体レーザで構成したとすれば、対物レンズ5には両光源2、21の波長差によって色収差が発生してしまう。そのため第1光源2によって対物レンズ5の焦点位置Fが図2Cの交点32に位置しているとき、受光部26に図2Aの光束31は得られ無くなってしまう。例えば撮影光学系1による対物レンズ5の焦点位置Fが交点32に位置しているとき、形状検出光学系20による対物レンズ5の焦点位置が、図2Cのフォーカスライン37上、位置32aになってしまうことも想定される。従って両光学系1,20で使用する光源2、21の波長に応じて位置32、32a間をずれ量として予め算出し、それをフォーカス移動量として制御部10、若しくは変位量演算部28に記憶させ、その記憶値で撮影光学系1対物レンズ5の焦点位置Fと物体表面間の距離を算出するような測定光学系としておくことが、測定精度を向上することになる。
また図2Cのフォーカスライン37a、37bのように、どのようなフォーカスライン37を制御部10に設定するかということだけでなく、フォーカスラインの一部を校正するということも原理的には可能である。いずれにしても図2Cのレンズ位置34から36までの2点間の距離38が対物レンズ5の焦点深度となるから、この距離38の範囲内であれば物体表面上に発生している凸凹を対物レンズフォーカスライン37に沿って検出し、物体表面形状測定値として出力することができる。このことは逆に図2Cのレンズ位置36より右方での測定はレンズ位置を識別することが出来ず、測定不可である事を示す。同様にレンズ位置34より左方での測定もレンズ位置を識別することが出来ず測定不可となる。この測定不可の状態にあるとき受光部26上に投影される測定光はシリンドリカルレンズ27の影響を受けにくい状態となるから、図2のA4とA5に示した点線光束39、40のように受光部26のエリアから大きく逸脱してピンボケの光束となる。
また図2Cのフォーカスライン37a、37bのように、どのようなフォーカスライン37を制御部10に設定するかということだけでなく、フォーカスラインの一部を校正するということも原理的には可能である。いずれにしても図2Cのレンズ位置34から36までの2点間の距離38が対物レンズ5の焦点深度となるから、この距離38の範囲内であれば物体表面上に発生している凸凹を対物レンズフォーカスライン37に沿って検出し、物体表面形状測定値として出力することができる。このことは逆に図2Cのレンズ位置36より右方での測定はレンズ位置を識別することが出来ず、測定不可である事を示す。同様にレンズ位置34より左方での測定もレンズ位置を識別することが出来ず測定不可となる。この測定不可の状態にあるとき受光部26上に投影される測定光はシリンドリカルレンズ27の影響を受けにくい状態となるから、図2のA4とA5に示した点線光束39、40のように受光部26のエリアから大きく逸脱してピンボケの光束となる。
図2Bは受光部26に投影される測定光束の光量分布曲線41を示したものである。図において光量がピーク値となる光束は図2のA1に示した光束31のときで、受光部26の4つのフォトダイオードa〜dの中心部にピントの合った状態で投影された時となっている。これに対し図2のA2とA3で示した斜体光束33、35ではピントの合った状態で受光部26に投影されてはいるが、光量は半分以下になった例となっている。また図のA4、A5として示した光束39、40の時は、ピントボケの状態で受光部26に投影されるため光量は更に低下した状態となっている。
上記のように受光部26で検出する光量、或いは投影される光束の形状に応じて対物レンズ5のフォーカスライン37上での焦点位置を検出することが出来、その検出位置を形状検出値として制御部10に出力していく。但し未だこの段階での形状検出値は1フォーカスライン37によって規定される焦点深度38内での検出値であり、1フォーカスライン37によって規定される焦点深度38を超えてしまうような表面形状を持つ物体、即ち対物レンズ5のオートフォーカス可能範囲38を超えてしまうような表面形状である場合には検出作業を実施することが出来ない。以下、この点について順次説明していく。
上記のように受光部26で検出する光量、或いは投影される光束の形状に応じて対物レンズ5のフォーカスライン37上での焦点位置を検出することが出来、その検出位置を形状検出値として制御部10に出力していく。但し未だこの段階での形状検出値は1フォーカスライン37によって規定される焦点深度38内での検出値であり、1フォーカスライン37によって規定される焦点深度38を超えてしまうような表面形状を持つ物体、即ち対物レンズ5のオートフォーカス可能範囲38を超えてしまうような表面形状である場合には検出作業を実施することが出来ない。以下、この点について順次説明していく。
図3はメモリ12の説明図で、分割メモリ12a、位置メモリ12b、画像メモリ12c、うねり曲線メモリ12dによって構成される。まず物体の表面を光軸方向に撮影位置を変えながらカメラ9で順次撮影し、n枚の高さ方向(Z方向)の画像として記憶する分割メモリ12aについて説明する。図1においてカメラ9が物体6を撮影するときは、ステージ16がZ方向に移動して表面形状の凹凸に対処する。例えばステージ16がZ方向に移動する毎に1撮影を実施するとすれば、その1撮影毎の画像を図3の制御部10内、画像処理部11を経て分割メモリ12aに順に記憶する。この分割メモリ12aは例えば0〜255枚が用意され、それぞれz0〜z255のアドレスが付されている。そしてステージ16のZ方向への1移動ピッチをZPとすれば、それは図2Cで説明したフォーカスライン37のオートフォーカス範囲38と一致する様な値として設定される。これによって分割メモリ12aには対物レンズ5の倍率に応じた物体表面の高さ方向に応じた画像がメモリの各アドレスz0〜z255に順次記憶されていく。
この分割メモリ12aに記憶されている画像について図4、5を用いて説明する。図4は物体6の一例を側断面として示したもので、縦軸は1撮影毎に実施されるステージ16のZ方向移動ピッチZPを示し、横軸は物体6のX方向サイズを示していて、この例では番地15〜320を占める程度の大きさとなっている。このような物体6をピッチZPで高さ方向に区切って撮影したとすれば、分割メモリ12aに記憶される画像Gは図5のようになる。
図5は分割メモリ12aに記憶される画像Gをイメージとして表した説明用の平面図である。図5Aは分割メモリ12aのアドレスz0に記憶された画像Gを示していて、ステージ16が図4の位置ZP0にあるとき撮影されたものである。従って撮影光学系対物レンズ5のピント位置Fと一致する物体6の表面は、位置ZP0で区切られる高さ方向の物体表面(図5Aの斜線部分)であり、この部分がピントの合った画像G01として記憶される。そしてG01以外の物体表面はピンボケ画像G02として記憶される。
同じように分割メモリ12aのアドレスz1に記憶される画像Gは図5Bのようになる。この図5Bはステージ16が図4のZP1のとき撮影されたものであるから、対物レンズ5のピント位置Fと一致する物体6の表面は位置ZP1で区切られる高さ方向の物体表面(図の斜線部分)であり、この部分がピントの合った画像G11として記憶される。そして画像G11以外に相当する部分の物体表面はピンボケ画像G12として記憶される。図5Cは分割メモリ12aのアドレスz4を示していて、図4の位置ZP4で区切られる高さ方向の画像(図の斜線部分)がピントの合った画像G41として記憶され、それ以外の部分はピンボケ画像G42として記憶される。この図4、5の例では5回の撮影で5つの画像G0〜G4を5つの分割メモリz0〜z4に記憶するものとなっているが、物体6の高さ方向凹凸形状や対物レンズフォーカスライン37として示した距離38などによって、撮影回数(分割メモリ12aの使用枚数)が変化していく。尚、図のx0、x1、x2、・・・、y0、y1、y2、・・・は各分割メモリ12aのX、Y方向アドレスを示している。また図B、Cに示した点線は物体6の外形を表している。
図5は分割メモリ12aに記憶される画像Gをイメージとして表した説明用の平面図である。図5Aは分割メモリ12aのアドレスz0に記憶された画像Gを示していて、ステージ16が図4の位置ZP0にあるとき撮影されたものである。従って撮影光学系対物レンズ5のピント位置Fと一致する物体6の表面は、位置ZP0で区切られる高さ方向の物体表面(図5Aの斜線部分)であり、この部分がピントの合った画像G01として記憶される。そしてG01以外の物体表面はピンボケ画像G02として記憶される。
同じように分割メモリ12aのアドレスz1に記憶される画像Gは図5Bのようになる。この図5Bはステージ16が図4のZP1のとき撮影されたものであるから、対物レンズ5のピント位置Fと一致する物体6の表面は位置ZP1で区切られる高さ方向の物体表面(図の斜線部分)であり、この部分がピントの合った画像G11として記憶される。そして画像G11以外に相当する部分の物体表面はピンボケ画像G12として記憶される。図5Cは分割メモリ12aのアドレスz4を示していて、図4の位置ZP4で区切られる高さ方向の画像(図の斜線部分)がピントの合った画像G41として記憶され、それ以外の部分はピンボケ画像G42として記憶される。この図4、5の例では5回の撮影で5つの画像G0〜G4を5つの分割メモリz0〜z4に記憶するものとなっているが、物体6の高さ方向凹凸形状や対物レンズフォーカスライン37として示した距離38などによって、撮影回数(分割メモリ12aの使用枚数)が変化していく。尚、図のx0、x1、x2、・・・、y0、y1、y2、・・・は各分割メモリ12aのX、Y方向アドレスを示している。また図B、Cに示した点線は物体6の外形を表している。
図3の画像処理部11はこのようにして記憶された各分割メモリz0〜z4同志の内容を比較照合し、ピントの合った画像区画部分だけを抽出して集合し、それを1つのピントの合った全体焦点画像データとして画像メモリ12cに送り込む。即ち、カメラ9で順次高さ方向に撮影した物体表面形状をデータとして記憶する1つの任意分割メモリ、例えばアドレスz0内には図5Aで説明したようにピントの合っている画像部分G01とピンボケとなっている画像部分G02が発生する。このうちピントの合っている画像部分G01を、例えば30×30ドットで1つのアドレス単位とするピント画像区画として抜き出し、その抜き出した画像区画が持つ分割メモリ12a上のX、Y方向アドレスx、yに基づいて別に用意した画像メモリ12cに送り込む。他のアドレスz1〜z4の分割メモリ12aからもピントの合っている画像G11、G21、G31、G41をピント画像区画として抽出し、画像メモリ12cに送り込む。従って画像メモリ12cには分割メモリz0〜z4から抽出したピントのあった画像G01〜G41だけが集められ、それが1つの全体焦点画像として集合され画像メモリ12cに記憶される。
図6は上記分割メモリ12aの一部詳細説明図で、アドレスz0のメモリ12aを平面的なイメージとして示してある。図において42は10×10ドットのエリアを示し、このエリアが3×3集まったものがピント画像区画43となっている。そしてこのピント画像区画43の単位で各分割メモリz0〜z4同志の内容が比較照合される。この比較照合は、例え図2Bで説明した光量(輝度)値によって判断する。カメラ9から分割メモリ12aに画像を取り込むとき、ピントが合っていれば図2Bで説明したように光量は多くなるから、あるレベル以上にある光量の画像区画43を抽出することによって比較照合が実施される。図6に示した例は上記のようにアドレスz0のメモリ12aであるから、図5Aのようにステージ16が位置ZP0にあるとき撮影された画像G0が記憶され、その内、ピントの合った画像区画43a、43b、43c・・・を斜線で示してある。
このような分割メモリz0〜z4が比較照合されるときの状態を斜視図として示した説明図が図7である。この図7において各分割メモリz0〜z4には、前記したようにピント画像区画43毎にx、yのアドレスが付され、このx、yアドレスで特定されるピント画像区画43毎に比較照合が実施される。図7で各メモリz0〜z4毎の(x0、y0)アドレスで特定されるピント画像区画43aを比較照合すると、アドレスz0の区画43aは図5、6に示したようにピントの合った画像G01が記憶されているが、他のアドレスz1〜z4に記憶された画像G12、G22、G32、G42はピンボケとなっている。そのためこの区画43aではアドレスz0の区画がピント画像区画として抽出され、画像メモリ12cのアドレス(x0、y0)位置に送り出されて記憶される。同じようにアドレス(x1、y0)で特定される区画43bを比較照合するとアドレスz0のメモリには区画43aと同様にピントの合った画像G01が記憶されているが、他のアドレスz1〜z4に記憶された画像G12〜G42はピンボケとなっている。そのためこの画像区画43bもアドレスz0の区画がピント画像区画として抽出され、画像メモリ12cの(x1、y0)アドレス位置に送り出されて記憶される。以下同じようにして全区画43c、43d、・・・を各アドレスz0〜z4同志で比較照合し、ピントの合った画像区画を抽出して画像メモリ12cに送り出し記憶していく。図中の矢印44は各アドレスz0〜z4の区画43aを示すための指標で、比較照合する対象を明確にするための説明用である。
図8は画像メモリ12cと位置メモリ12bの説明図である。図Aは画像メモリ12cであり、その内部は分割メモリ12aのピント画像区画と同様に区分けされ、それぞれX、Y方向のアドレスx、yが付されている。図においてアドレス(x0、y0)には、図6、7で説明したようにアドレスz0のメモリからピント画像区画として抽出された画像G01が記憶されている。またアドレス(x1、y0)にも同様にピント画像区画として抽出された画像G01が記憶されている。しかしアドレス(x2、y1)にはアドレスz1のメモリからピント画像区画として抽出された画像G11が記憶され、アドレス(x4、y2)にはアドレスz2からピント画像区画として抽出した画像G21が記憶されている。このように画像メモリ12cには分割メモリ12aから抽出されたピント画像区画の画像だけが記憶されるが、その記憶される位置は分割メモリ12aから抽出したアドレスと同じアドレスとなるよう管理される。このようにして画像メモリ12cに記憶されたピント画像区画の集合で1つの全体焦点画像データが作成され、それを表示部13に送り出せば画面13aにピントの合った全体画像が表示される。
図8Bは位置メモリ12bである。画像処理部11が各分割メモリ13aからピント画像区画を抽出するとき、その抽出したピント画像区画がもつx、yアドレスをまず読み出して、それを位置メモリ12bに記憶する。この位置メモリ12bには画像メモリ12cと同様に区分けされたアドレスが付されているので、画像メモリ12cから抽出したピント画像区画のx、yアドレスを位置メモリ12bの同じアドレス位置に記憶する。次いで画像処理部11はピント画像区画を各分割メモリ12aから抽出するときに、抽出した分割メモリがもつアドレスz0〜z4を読み出してそれを位置メモリ12bに、前記の各記憶したX、Y方向のアドレスx、yと対応させて一緒に記憶する。従って位置メモリ12bにはピント画像区画毎のx、yアドレスと、そのx、yアドレスを抽出した元のメモリ12aのアドレスz0〜z4が、画像メモリ12cの配列と同じ配列で記憶される。例えば位置メモリ12bのアドレス(x0、y0)には、アドレスz0の分割メモリ中、アドレス(x0、y0)から画像G01(図8A)を抽出したことを示す「z0」と「x0、y0」が記憶される。同じように位置メモリ12bのアドレス(x1、y0)には、アドレスz0の分割メモリ中、アドレス(x1、y0)から画像G01(図8A)を抽出したことを示す「z0」と「x1、y0」が記憶される。同様に位置メモリ12bのアドレス(x3、y2)には、アドレスz2の分割メモリ中、アドレス(x3、y2)から画像G21(図8A)を抽出したことを示す「z2」と「x3、y2」が記憶される。以下同様にして画像メモリ12cに記憶した全ピント画像区画の位置データが位置メモリ12bに記憶され、全体の焦点画像を記憶した画像メモリ12cと一致する位置データが作成される。このようにして記憶された位置メモリ12bの内容は更に画像処理部11でZ方向画像処理と曲線近似の処理が行われ、それがうねり曲線メモリ12d(図3)にうねり曲線として記憶されるが、その詳細については後に説明する。
図8Bは位置メモリ12bである。画像処理部11が各分割メモリ13aからピント画像区画を抽出するとき、その抽出したピント画像区画がもつx、yアドレスをまず読み出して、それを位置メモリ12bに記憶する。この位置メモリ12bには画像メモリ12cと同様に区分けされたアドレスが付されているので、画像メモリ12cから抽出したピント画像区画のx、yアドレスを位置メモリ12bの同じアドレス位置に記憶する。次いで画像処理部11はピント画像区画を各分割メモリ12aから抽出するときに、抽出した分割メモリがもつアドレスz0〜z4を読み出してそれを位置メモリ12bに、前記の各記憶したX、Y方向のアドレスx、yと対応させて一緒に記憶する。従って位置メモリ12bにはピント画像区画毎のx、yアドレスと、そのx、yアドレスを抽出した元のメモリ12aのアドレスz0〜z4が、画像メモリ12cの配列と同じ配列で記憶される。例えば位置メモリ12bのアドレス(x0、y0)には、アドレスz0の分割メモリ中、アドレス(x0、y0)から画像G01(図8A)を抽出したことを示す「z0」と「x0、y0」が記憶される。同じように位置メモリ12bのアドレス(x1、y0)には、アドレスz0の分割メモリ中、アドレス(x1、y0)から画像G01(図8A)を抽出したことを示す「z0」と「x1、y0」が記憶される。同様に位置メモリ12bのアドレス(x3、y2)には、アドレスz2の分割メモリ中、アドレス(x3、y2)から画像G21(図8A)を抽出したことを示す「z2」と「x3、y2」が記憶される。以下同様にして画像メモリ12cに記憶した全ピント画像区画の位置データが位置メモリ12bに記憶され、全体の焦点画像を記憶した画像メモリ12cと一致する位置データが作成される。このようにして記憶された位置メモリ12bの内容は更に画像処理部11でZ方向画像処理と曲線近似の処理が行われ、それがうねり曲線メモリ12d(図3)にうねり曲線として記憶されるが、その詳細については後に説明する。
図9は以上説明してきた全体焦点画像データと位置データの作成作業をフロー図として示したものである。図において最初の工程45で対物レンズ5の倍率を設定する。これは図1の倍率検出部18で光学系1中にセットされた対物レンズ5の倍率を検出し、制御部10内の画像処理部11などにその信号を伝えることによって行われる。入力部14より画像処理部11にレンズ倍率を直接指令するようにしても同様の結果が得られるが、その場合、倍率検出部18は不用となる。次の工程46では図2Cで説明したフォーカスライン37の設定と校正を行う。これは前記対物レンズ5を設定することで、その倍率を認識した画像処理部11が自動的に例えばライン37を選択し、それを変位量演算部28に伝えるようにしておけばよい。ライン37a、37bを選択するときやライン37の一部を校正するようなときは、入力部14より制御部10を介して変位量演算部28に指令する。
工程47でステージ16のZ方向移動ピッチZPを設定する。これは図2Cのフォーカスライン37が設定されれば、レンズ位置34と36間の距離38が自動的に認識できるから、駆動部17は制御部10よりその値を得ることが出来る。以上の工程45、46で事前の入力設定作業が終了したら、工程48によって物体6を撮影する。この撮影は対物レンズ5の焦点深度に基づくピッチZPで行われ、図3で説明した分割メモリ12aのアドレスz0〜z255に順次記憶される。分割メモリ12aの各アドレスz0〜z255(図4、7などではアドレスz0〜z4)に記憶された各画像は工程49で画像処理され、各アドレスz毎の画像同志が比較されピント画像区画が抽出される。そして工程50で抽出したピント画像区画のx、yアドレスと、その抽出したピント画像区画が収容されていた元のメモリのアドレスzを位置データとして位置メモリ12bに記憶する。同時に工程49で抽出したピント画像区画を工程51で画像メモリ12cに記憶する。この記憶した画像データを工程52で表示部13に送り出せば、ピントの合った1つの全体画像Gが表示される。
工程47でステージ16のZ方向移動ピッチZPを設定する。これは図2Cのフォーカスライン37が設定されれば、レンズ位置34と36間の距離38が自動的に認識できるから、駆動部17は制御部10よりその値を得ることが出来る。以上の工程45、46で事前の入力設定作業が終了したら、工程48によって物体6を撮影する。この撮影は対物レンズ5の焦点深度に基づくピッチZPで行われ、図3で説明した分割メモリ12aのアドレスz0〜z255に順次記憶される。分割メモリ12aの各アドレスz0〜z255(図4、7などではアドレスz0〜z4)に記憶された各画像は工程49で画像処理され、各アドレスz毎の画像同志が比較されピント画像区画が抽出される。そして工程50で抽出したピント画像区画のx、yアドレスと、その抽出したピント画像区画が収容されていた元のメモリのアドレスzを位置データとして位置メモリ12bに記憶する。同時に工程49で抽出したピント画像区画を工程51で画像メモリ12cに記憶する。この記憶した画像データを工程52で表示部13に送り出せば、ピントの合った1つの全体画像Gが表示される。
次に図10の作業フロー図と、図11のうねり曲線メモリ12dの記憶状態説明図を用いて、ステージ16をZ方向に移動指令する三次元情報としてのうねり曲線cの作成について説明する。図10において工程53は制御部10(画像処理部11)で行われる画像Z方向の処理で、図9の工程50で位置メモリ12bに記憶された位置データを用いて行われる。位置メモリ12bに記憶された位置データには、図8Bにイメージとして示したように抽出されたピント画像区画がもつメモリのアドレスz0〜z4が含まれている。このアドレスz0〜z4を画像の高さ方向(Z方向)を表す値(z0<z1<・・・<z4)と見なして直線ラインsxに書き換える作業が、この工程53の画像Z方向処理である。この書き換えた結果をイメージ的に表したものが図11Aである。
この図11Aは図3に示したうねり曲線メモリ12dを示し、位置メモリ12b、画像メモリ12cと同様のX、Y方向のアドレスx、yを持っている。そしてそのY方向の各アドレスy0、y1、y2、・・・には、位置メモリ12bに記憶された各Y方向アドレスy0、y1、y2・・・毎の各アドレスzを画像処理して1つに接続した階段状の直線ラインsxが記憶される。例えばうねり曲線メモリ12dのアドレスy0には、図8Bの位置メモリ12bのアドレスy0に記憶された全X方向のアドレス「z0、z0、z0、・・・」が画像処理されて1つに接続され、直線ラインsx0として記憶される。またうねり曲線メモリ12dのアドレスy1には、位置メモリ12bのアドレスy1に記憶された全X方向のアドレス「z0、z0、z1、・・・」が画像処理されて1つに接続され、直線ラインsx1として記憶される。同様にうねり曲線メモリ12dのアドレスy2には位置メモリ12bのアドレスy2に記憶された全X方向のアドレス「z0、z0、z2、・・・」が画像処理されて1つに接続され、直線ラインsx2として記憶される。以下同じようにして位置メモリ12bに記憶された全アドレスzが画像処理されて直線ラインsxとしてうねり曲線メモリ12dに記憶される。
この図11Aは図3に示したうねり曲線メモリ12dを示し、位置メモリ12b、画像メモリ12cと同様のX、Y方向のアドレスx、yを持っている。そしてそのY方向の各アドレスy0、y1、y2、・・・には、位置メモリ12bに記憶された各Y方向アドレスy0、y1、y2・・・毎の各アドレスzを画像処理して1つに接続した階段状の直線ラインsxが記憶される。例えばうねり曲線メモリ12dのアドレスy0には、図8Bの位置メモリ12bのアドレスy0に記憶された全X方向のアドレス「z0、z0、z0、・・・」が画像処理されて1つに接続され、直線ラインsx0として記憶される。またうねり曲線メモリ12dのアドレスy1には、位置メモリ12bのアドレスy1に記憶された全X方向のアドレス「z0、z0、z1、・・・」が画像処理されて1つに接続され、直線ラインsx1として記憶される。同様にうねり曲線メモリ12dのアドレスy2には位置メモリ12bのアドレスy2に記憶された全X方向のアドレス「z0、z0、z2、・・・」が画像処理されて1つに接続され、直線ラインsx2として記憶される。以下同じようにして位置メモリ12bに記憶された全アドレスzが画像処理されて直線ラインsxとしてうねり曲線メモリ12dに記憶される。
上記の画像処理についてさらに説明する。例えば図8Bの位置メモリ12bのアドレスy1に記憶された分割メモリのアドレス「z0、z0、z1、z1、z1・・・」を画像の高さ方向を表す値として捉え、これを前記のようにz0<z1とした階段状の直線ラインsx1に書き換えて図11Aのようにうねり曲線メモリ12dのアドレスy1に記憶する。同じようにして図8Bに示した位置メモリ12bの各yアドレスに記憶された分割メモリ12aの各アドレスzを、1つに接続された階段状の直線ラインsxとして書き換えてうねり曲線メモリ12dに記憶する。このようにすることでうねり曲線メモリ12dの各yアドレスには、sx0、sx1、sx2・・・の直線ラインsxが得られる。従って1つの直線ラインsx中には物体を撮影した数に応じた階段状の段差が形成される(図4、7の例では0〜4の段差)。具体的には図11Aのアドレスy0にZ方向処理されて記憶される直線ラインsx0は、図8Bのアドレスy0に記憶された位置データ「z0、z0、z0、z0、z0・・・」に基づくものであるから、段差は0のラインとなる。同様に図11Aのアドレスy1にZ方向処理されて記憶される直線ラインsx1は、図8Bのアドレスy1に記憶された位置データ「z0、z0、z1、z1、z1・・・」に基づくものであるから、段差は「z0」と「z1」の間に1つ生じるラインとなる。
以下同様にしてアドレスy毎にZ方向処理した直線ラインsxをうねり曲線メモリ12dに記憶していく。これが図10の画像Z方向処理工程53である。
以下同様にしてアドレスy毎にZ方向処理した直線ラインsxをうねり曲線メモリ12dに記憶していく。これが図10の画像Z方向処理工程53である。
次に図10の工程54に進む。この工程ではうねり曲線メモリ12dに得られた直線ラインsx0〜sx4を制御部10(画像処理部11)で再度処理して曲線近似処理を行う。そして三次元情報となるうねり曲線cxを作成し、それをうねり曲線メモリ12dに記憶し直す。その結果をイメージ的に示したものが図11Bである。この図11Bは、測定方向をX方向としたときのもので、アドレスy0には図11Aのアドレスy0に記憶された直線ラインsx0が曲線近似処理されてうねり曲線cx0として記憶される。このうねり曲線cx0は工程54で曲線近似処理された結果得られたものであるから、そのうねり曲線cx0中にはz0〜z4に相当する高低差が与えられる。しかしこの場合の直線ラインsx0の段差は0であるから、曲線近似しても高低差は発生しない。同様に図11Bのアドレスy1には図11Aのアドレスy1に記憶された直線ラインsx1が曲線近似処理されて、うねり曲線cx1となって記憶される。このうねり曲線cx1は段差1の直線ラインsx1によるものであったが、その段差は解消されて滑らかな高低差に変更された曲線cx1となる。そしてアドレスy2には直線ラインsx2が曲線近似処理されてうねり曲線cx2として記憶される。直線ラインsx2は2つの段差を持っていたが滑らかな高低差を持った曲線に変更される。このようにして全うねり曲線cxとしてうねり曲線メモリ12dに記憶され直すと、図10の工程54が終了し工程55に進む。工程55では各うねり曲線cxがステージ16をZ方向に移動指令する曲線cとして使用される。
図12は表示部13の画面13aに表示された画像Gaを用いて、物体表面の形状測定位置を設定する時の説明図で、Aは作業のフロー図、Bは画像表示画面13aの説明図である。まず図Aの工程57で、画面13aに表示された物体画像Gaを用いて測定位置を設定する。これは図9の工程52で表示部13aに表示された画像Gaをカーソルによって測定開始点xSと終了点xEを設定することによって行う。カーソルは図1の入力部14から制御部10に指令され、カーソルコントロール部29によって管理される。1番目の測定開始点xSと終了点xEが図12Bのようにカーソルで設定されると、そのxS、xE間が測定長となる。この例の場合、図12Bの画像Gaを横断するライン58aが、開始点xSと終了点xEを結ぶ同一X線上の測定点となっている。測定開始点xSがカーソルで設定されると、図12Aの工程59でそのyアドレスが求められる。これは設定された開始点xSと位置メモリ12b(又はうねり曲線メモリ12d)のアドレスx、yを比較することで求められる。こうして得られたアドレスyを仮にyn1とすると、工程60でこのyn1とうねり曲線メモリ12dを比較し、工程61でyn1のアドレスに相当するうねり曲線cxを選出する。以後この選出されたうねり曲線cxがステージを高さ方向に移動指令する信号となる。設定されたyn1とうねり曲線メモリ13d中、アドレスyが一致しない場合の扱いについては工程62で処理するが、その説明は後記する。工程61でうねり曲線cxが選出されると、このうねり曲線で指定されるアドレスzと、測定開始点で設定されるアドレス(xS、yn1)位置に撮影光学系1の対物レンズ焦点位置が一致するようステージ16をX、Y方向に移動する(工程63)。そして工程64で測定を開始し、測定終了点xEに向けてステージ16をXとZ方向に移動していく。
図13は測定開始から測定終了までの結果をグラフとして表示部13bに表示するまでを示したフロー図である。図12の工程64で測定が開始されると、図13の工程65で駆動部17のXモータが動作し、ステージ16がX方向に移動していく。そして同時にZモータが選出したうねり曲線cに沿ってステージ16をZ方向に移動していく。このXとZ方向の移動の最中に工程66で受光部26によって検出され、変位量演算部28で演算された図2Cの対物レンズフォーカスライン37による出力値が制御部10に取得される。その結果、受光部26で検出された変位量とうねり曲線cによるステージ16のZ方向現在値が制御部10で合算され、求める表面形状測定値Wが算出される。そして工程67でこのW値がステージ16のX方向現在値と関連づけられて測定データメモリ19(図1)に記憶される。そしてこの測定データメモリ19に基づいて制御部10が表示画面13bにグラフを表示していく。
このようにして測定を進め、工程68で設定した測定長に達すると1番目の測定ライン58aの測定作業が終了する。終了した結果を出力部15から出力すれば画面13bに表示されたグラフと、画面13aに表示された物体像を得ることが出来る。
図12Bに示した2番目の測定ライン58bを測定するときは、図13の工程68の次に図12Aの工程57に進み再度同じ作業を行っていく。そして全測定ライン58の測定作業が終われば、この工程58で作業は終了する。
このようにして測定を進め、工程68で設定した測定長に達すると1番目の測定ライン58aの測定作業が終了する。終了した結果を出力部15から出力すれば画面13bに表示されたグラフと、画面13aに表示された物体像を得ることが出来る。
図12Bに示した2番目の測定ライン58bを測定するときは、図13の工程68の次に図12Aの工程57に進み再度同じ作業を行っていく。そして全測定ライン58の測定作業が終われば、この工程58で作業は終了する。
図14は表示画面13bに表示されたグラフの例を示したものである。図において縦軸はステージ16がZ方向に移動するピッチZPを示し、横軸はX方向の測定開始点xSから終了点xEまでの測定長を示している。図の例ではうねり曲線cと、この曲線cに沿ってフォーカスライン37で測定した表面形状測定値Wが共に表示されたものとなっている。但し、図13の工程67では最終測定値Wだけを測定データメモリ19に記憶し、それをグラフとして表示するようになっている。ステージ16はまずこの選出されたうねり曲線cの開始点(xS、yn1)から、この曲線cに沿って測定終了点xEに向かってXとZ方向に移動していく。そしてその移動時に対物レンズフォーカスライン37で物体表面形状を精細に測定し変位量を出力していく。この変位量とステージ16のZ方向現在値を合算すれば測定値Wとなる。
測定値Wをグラフとして表示画面13bに表示したとき、グラフ上の主要部についてX、Y、Z方向の現在位置を算出し、例えば「X=90」、「Y=(例えば)n1」、「Z=2.3」のように数字で表示するようにしても良い。図1の表示部13にこの数字を表示する画面を13cとして示した。
測定値Wをグラフとして表示画面13bに表示したとき、グラフ上の主要部についてX、Y、Z方向の現在位置を算出し、例えば「X=90」、「Y=(例えば)n1」、「Z=2.3」のように数字で表示するようにしても良い。図1の表示部13にこの数字を表示する画面を13cとして示した。
図15は図14で説明した測定値Wをグラフとして表示するため、図13の工程67で作成した測定データメモリ19を示したものである。このメモリ19は縦軸方向が図14のX方向測定長を、横軸方向がZ方向のピッチZPを表している。そして対物レンズ5の焦点深度と対応させてあるZ方向の1ピッチZP毎に、表面形状に応じた測定値Wが書き込まれている。例えば図15の位置69で示したX=90の時、うねり曲線cによって得られるZPの値は「2」であり、それにフォーカスライン37による出力値「0.3」が合算されて、最終測定値Wは「2.3」となっている。
図16は以上説明してきた物体表面形状の測定方法と従来例を比較した説明図である。図において70は表示画面(図12Bの13aに相当)で、縦軸に図14と同様のステージ16をZ方向に移動するピッチZPが示され、横軸にはX方向の測定開始点xSから終了点xEまでの測定長が示されている。図Aは本発明の場合で、うねり曲線cとフォーカスライン37による測定値Wが表示された状態となっていて、撮影光学系1の対物レンズ5焦点位置Fがうねり令曲線cの開始点xSと高さ方向で一致している状態を示している。そしてステージ16はX方向に移動するに応じてうねり曲線cに沿ったZ方向にも移動していく。つまり、測定開始点xSを画面13a上で設定することでZ方向の開始点と対物レンズ焦点位置Fは一致するから、ステージ16がX方向に移動していけば、それに応じてZ方向にも連動して移動していき、あたかも対物レンズ5がうねり曲線cに沿って連続移動していくかのような状態となる。これらによって全体の測定作業は安定した円滑な一連の動作として進められる。
これに対し図Bによるものは在来例を示したものでうねり曲線cは存在しない。そのためフォーカスライン37による測定が可能であったとしても、各ZPの範囲内での測定しか実施することが出来ず、ZPを超えての連続した測定は実施することが出来ない。それも測定開始点xSが指定されても高さ方向の値は得られないから、その都度対物レンズ5を光軸方向に移動してそのF点とxS点高さ方向位置を一致させなければならない。図BではF点を測定開始点(xS、yn1、z)に一致させるため、矢印71方向に移動させる状態を示している。このようにして得られた開始点から測定を開始したとしても移動ピッチZP1を超えると測定は不能となるから、対物レンズ5を上下方向に移動し、ピント位置Fと物体表面が一致する位置を再度求めなければならない。図ではこの上下運動72が繰り返し行われる様子を示している。このような運動72を必要とするためZとX方向の移動は断続的なものとなり、測定時間に影響が出てくる。更に断続的な運動は振動などの問題を発生してしまう。図では断続測定して得られた測定値をWdとして示してある。
これに対し図Bによるものは在来例を示したものでうねり曲線cは存在しない。そのためフォーカスライン37による測定が可能であったとしても、各ZPの範囲内での測定しか実施することが出来ず、ZPを超えての連続した測定は実施することが出来ない。それも測定開始点xSが指定されても高さ方向の値は得られないから、その都度対物レンズ5を光軸方向に移動してそのF点とxS点高さ方向位置を一致させなければならない。図BではF点を測定開始点(xS、yn1、z)に一致させるため、矢印71方向に移動させる状態を示している。このようにして得られた開始点から測定を開始したとしても移動ピッチZP1を超えると測定は不能となるから、対物レンズ5を上下方向に移動し、ピント位置Fと物体表面が一致する位置を再度求めなければならない。図ではこの上下運動72が繰り返し行われる様子を示している。このような運動72を必要とするためZとX方向の移動は断続的なものとなり、測定時間に影響が出てくる。更に断続的な運動は振動などの問題を発生してしまう。図では断続測定して得られた測定値をWdとして示してある。
図16A、Bについて実際の表面形状測定に要する時間を算出した例を示すと、図12Bの測定長58aを0.5mmとし、図16Bで示した各ZPを超えるときの対物レンズ5のZ方向移動時間とピント位置Fの検出に要する時間の平均を1秒/1回としたとき、図13Bでは0.5mm(500μm)を例えば500回で検出したとすると500秒(8.3分)となる。これに対し図16Aではうねり曲線cに沿って移動するステージ16のZ方向に移動する時間は0.1秒/1回程度であり、しかもその移動方向は予め分かっているから、500回×0.1秒=50秒となる。
図10の工程54で測定方向がY方向であった場合、その測定方向に沿った曲線近似処理が行われる。具体的には図10の工程53で作成したX方向の直線ラインsx(図11A)を用いてY方向に曲線近似した三次元情報としてのうねり曲線cyを作成する。つまり図11Aに示したアドレスy0〜y4の各X方向階段状直線ラインsx0〜sx4を用いてY方向のうねり曲線cy0〜cy4を作成する。このようなうねり曲線cyを前記したうねり曲線cxと一緒にして記憶したうねり曲線メモリ12dが図17である。
このようにcx、cyのうねり曲線を予めうねり曲線メモリ12dに記憶しておけば、測定方向が任意に指定されたとしても対処することが出来る。尚、測定方向をY方向とした場合、図12の工程57、59などのxはyと読み、yはxと読み替えて作業を進めることになる。
このようにcx、cyのうねり曲線を予めうねり曲線メモリ12dに記憶しておけば、測定方向が任意に指定されたとしても対処することが出来る。尚、測定方向をY方向とした場合、図12の工程57、59などのxはyと読み、yはxと読み替えて作業を進めることになる。
次に図12で説明した工程62について説明する。図12で測定開始点(xS、yn1)を指定したとき、そのY方向のアドレスyn1がyn1の前に位置するアドレスか、又は後に位置するアドレスか判別しないときがある。このような中間位置となる場合、例えば図17のアドレスy2とy3を例とすると、その中間位置が指定されることになるから、選択されてしまったアドレスによっては位置データの値に差異が発生する。そのため各アドレス間の中間に中間値としての位置データを予測して作成し、それを予測直線ラインsfとしてうねり曲線メモリ12dに記憶し、この予測直線ラインsfに基づいて予測うねり曲線cfを求めるようにしたのが図12の工程62である。まず図8Bのような位置メモリ12bを求めたら、前後2つのアドレスyで指定されたX方向の各アドレスx同志を比較してその中間値を求め、それを予測直線ラインsfとして図18のようにうねり曲線メモリ12dに記憶する。
図18はこの予測直線ラインsfを記憶した状態をイメージ的に表したもので、中間値としてのアドレスy0.5、y1.5、y2.5、・・・が付加され、そのアドレス毎に予測直線ラインsf0.5、sf1.5、sf2.5、・・・が記憶されている。このような予測直線ラインsfが得られれば図10の工程54で曲線近似処理し、予測うねり曲線cfとしてうねり曲線メモリ12dに記憶し直せば、ステージ16を移動指令するうねり曲線cとして使用することが出来る。このような中間値を持つ予測うねり曲線cをメモリ12dに記憶しておけば、より精度の高い精細な測定を実施していくことが出来る。
図18はこの予測直線ラインsfを記憶した状態をイメージ的に表したもので、中間値としてのアドレスy0.5、y1.5、y2.5、・・・が付加され、そのアドレス毎に予測直線ラインsf0.5、sf1.5、sf2.5、・・・が記憶されている。このような予測直線ラインsfが得られれば図10の工程54で曲線近似処理し、予測うねり曲線cfとしてうねり曲線メモリ12dに記憶し直せば、ステージ16を移動指令するうねり曲線cとして使用することが出来る。このような中間値を持つ予測うねり曲線cをメモリ12dに記憶しておけば、より精度の高い精細な測定を実施していくことが出来る。
図19は実施例2の説明図である。図のAはこれまで説明してきた実施例1を示すもので、図16Aと同様の表示画面70を示している。縦軸はステージ16をZ方向に移動する時のピッチZPであり、横軸はX方向の長さを示している。図ではこのような表示画面70にうねり曲線cと測定値Wを表示した状態となっていて、測定値Wは対物レンズ5の焦点位置Fが測定開始点xS、yn1からうねり曲線cによって高さ(Z)方向に移動していくことで出力されたものとなっている。つまり図2で説明した対物レンズ5フォーカスライン37の交点32が、うねり曲線c上を移動していくようステージ16のZ方向移動を管理することで変位量演算部28から出力された値となっている。
これに対し、図17Bに示した実施例2によるものは、うねり曲線cに沿って対物レンズ5の焦点位置Fが高さ方向に移動するようステージ16の移動を管理するという方式ではなく、測定値Wが対物レンズ5のオートフォーカス範囲である距離38を超える値になったとき、うねり曲線cで指定される方向にステージ16を移動するという方式に変更したものとなっている。つまり変位量演算部28が検出した対物レンズ焦点位置Fと物体6表面位置間の距離が範囲38内であるときは測定を実行し、範囲38を超えるとき、或いは範囲38では測定不能となるとき物体表面位置と対物レンズ焦点位置間の距離が0となるようステージ16を高さ方向に移動して物体表面形状を測定していくようにしたものである。以下具体的に説明する。
これに対し、図17Bに示した実施例2によるものは、うねり曲線cに沿って対物レンズ5の焦点位置Fが高さ方向に移動するようステージ16の移動を管理するという方式ではなく、測定値Wが対物レンズ5のオートフォーカス範囲である距離38を超える値になったとき、うねり曲線cで指定される方向にステージ16を移動するという方式に変更したものとなっている。つまり変位量演算部28が検出した対物レンズ焦点位置Fと物体6表面位置間の距離が範囲38内であるときは測定を実行し、範囲38を超えるとき、或いは範囲38では測定不能となるとき物体表面位置と対物レンズ焦点位置間の距離が0となるようステージ16を高さ方向に移動して物体表面形状を測定していくようにしたものである。以下具体的に説明する。
図Bにおいて測定開始点(xS、yn1)と一致している対物レンズ5の焦点位置Fは、実施例1と同じようにうねり曲線cによって指定される高さ(Z)方向位置も一致するようステージ16を移動する。そしてX方向に移動し測定が開始されると、うねり曲線cは上昇か下降かを表す指標として利用され(図ではそのためうねり曲線cを点線として示してある)、ステージ16は高さ方向には移動しないままX方向に平行移動して物体表面形状を測定していく。そして位置xn1になるとオートフォーカス可能範囲38を超えての測定になると判断され、うねり曲線cによって指定される方向(この場合上昇)に対物レンズ5を移動する(正しくはステージ16を下降)。この移動は対物レンズ5の焦点位置Fと物体6の表面位置間の距離が0となるまで続けられる。0状態となったら再度測定が進められ測定値Wを出力していく。そして位置xn2になると変位量演算部28、制御部10がオートフォーカス可能範囲38を超えての測定になると判断し、うねり曲線cによって指定される上昇方向に対物レンズ5を移動する(ステージ16を下降する)。そして対物レンズ5の焦点位置Fと物体表面位置間の距離が0になるとステージ16の移動は中断され、測定が再開される。ステージ16がX方向に平行移動し、位置xn3になると測定可能範囲38を超えての測定になると判断され、測定は一時中断されて対物レンズをうねり曲線cで指定される方向に移動する(ステージを下降する)。そして対物レンズ5の焦点位置Fと物体表面間の距離が0になると高さ方向の移動は停止され、ステージ16がX方向に平行移動しながら測定を再開する。ステージ16が位置xn4になると前記同様にして測定が中断され、ステージの下降が実行される。以下同じようにして測定が進められる。
このように実施例2では実施例1と同じ装置を使用してプログラムを変更することで実施される。このプログラムの変更は入力部14からモードの変更を制御部10に伝えることによって制御部10に記憶したプログラムが読み出される。そして実施例1ではうねり曲線cに沿って対物レンズ5の焦点位置Fが移動するようステージ16を高さ方向に連続移動していくのに対して、この実施例2では高さ方向の移動は断続的なものとなる。しかしこの場合、予め算出したうねり曲線cによってステージ16の移動する高さ方向が判っているので、図16で説明したような障害を防止することが出来る。そのため物体表面形状に大きな変位量がない場合には有効である。尚、図Bに示した5kは対物レンズ5の焦点位置Fが高さ方向に移動する軌跡を説明用として示したもので、実際の表示画面70(13b)には表示されない。
このように実施例2では実施例1と同じ装置を使用してプログラムを変更することで実施される。このプログラムの変更は入力部14からモードの変更を制御部10に伝えることによって制御部10に記憶したプログラムが読み出される。そして実施例1ではうねり曲線cに沿って対物レンズ5の焦点位置Fが移動するようステージ16を高さ方向に連続移動していくのに対して、この実施例2では高さ方向の移動は断続的なものとなる。しかしこの場合、予め算出したうねり曲線cによってステージ16の移動する高さ方向が判っているので、図16で説明したような障害を防止することが出来る。そのため物体表面形状に大きな変位量がない場合には有効である。尚、図Bに示した5kは対物レンズ5の焦点位置Fが高さ方向に移動する軌跡を説明用として示したもので、実際の表示画面70(13b)には表示されない。
図20は実施例3を説明するブロック図で、図1と同様に側面図として示してある。図において撮影光学系1と形状検出光学系20はそれぞれ独立分離して構成され、一体に連結されたユニット1aに収容されて測定光学系を形成している。図の各部材中、図1と同じ部材には同一の番号を付してあるが、形状検出光学系20中に示した73はビームスプリッタで、第2光源21からの光束を90度転向して対物レンズ74に向かわせる。対物レンズ74はその光束を焦点位置F2に結ぶ。この焦点位置F2は撮影光学系1の対物レンズ5焦点位置F1と同一面となるよう対物レンズ74の設置位置などが調整される。測定光学系20の受光部26に設置された4分割フォトダイオードからの出力は、変位量演算部28によって検出され、図2Cのフォーカスライン37による表面形状検出値として制御部10に伝えられる。撮影光学系1の結像面に設置されたカメラ9からの出力は、画像データとして制御部10に伝えられる。制御部10は伝えられた画像データと前記物体表面の検出値を測定値Wとして表示部13a、13bに送って物体表面の画像Gaとグラフを表示する。物体表面形状の測定は実施例1、2と同じように行われるが、撮影光学系対物レンズ5の焦点位置F1と測定光学系20の対物レンズ74の焦点位置F2は、前記のように分離独立しているため距離Lの隔たりが生じる。そのため制御部10は図12Bの測定開始点xSが指定されたとき、まず位置メモリ12bと画像メモリ12dに基づいてステージ16をX、Y、Z方向に移動し、撮影光学系1対物レンズ5の焦点位置F1と測定開始点に相当する物体表面位置を一致させ、次いで距離Lだけユニット1aをX方向に移動する。そして測定光学系対物レンズ74の焦点位置F2を測定開始点xSと一致させる。次いで前記実施例1、2と同じようにして物体6の表面形状を測定し、その結果をグラフとして表示部13bに表示する。
このように実施例3の2つの光学系1、20は、それぞれ分離し独立して設けられているから、実施例1のようにダイクロイックミラー7やその他の各種中間部材23を省くことが出来、全体として明るい光学系を構成することが出来る。そしてそのそれぞれの光学系1、20は、相手側光学系に煩わされずに各光学系に最適な部材を設計し使用することが出来るから光学系の構成が自由となり、色収差などにも煩わされずに済む。
このように実施例3の2つの光学系1、20は、それぞれ分離し独立して設けられているから、実施例1のようにダイクロイックミラー7やその他の各種中間部材23を省くことが出来、全体として明るい光学系を構成することが出来る。そしてそのそれぞれの光学系1、20は、相手側光学系に煩わされずに各光学系に最適な部材を設計し使用することが出来るから光学系の構成が自由となり、色収差などにも煩わされずに済む。
以上、実施例1、2、3に基づいて説明してきたが、撮影光学系1と測定光学系20は最も単純な形を例として示してあり、用途に応じて種々変換できることは明らかである。また受光部26は4分割フォトダイオードだけでなく、2分割のフォトダイオードなどを選択することが出来る。この場合変位量演算部28で行われる前記した1式の演算は分割数に応じたものとなる。フォトダイオードの代わりに同等の機能を持つPSDを受光部26として採用することもできる。更にステージ16のZ方向への移動は、対物レンズ5を光軸に沿って上下方向に移動することで同じ機能を果たすことが出来る。その場合、駆動部17のZ方向移動指令は対物レンズ5に与えられることになる。
1・・・撮影光学系 2・・・第1光源 3・・・レンズ 4・・・ビームスプリッタ 5・・・対物レンズ 6・・・物体 7・・・ダイクロイックミラー 8・・・レンズ 9・・・カメラ 10・・・制御部 11・・・画像処理部 12・・・メモリ 12a・・・分割メモリ 12b・・・位置メモリ 12c・・・画像メモリ 12d・・・うねり曲線メモリ 13・・・表示部 14・・・入力部 15・・・出力部 16・・・ステージ 17・・・駆動部 18・・・倍率検出部 19・・・測定データメモリ 20・・・形状検出光学系 21・・・第2光源 22・・・レンズ 23・・・ビームスプリッタ 25・・・結像レンズ 26・・・受光部 27・・・シリンドリカルレンズ 28・・・変位量演算部 31・・・測定光束 32・・・交点 33・・・斜体光束 34・・・レンズ位置 35・・・斜体光束 36・・・レンズ位置 37・・・フォーカスライン 39・・・測定光束 40・・・測定光束 41・・・光量分布曲線 58・・・測定ライン 73・・・ビームスプリッタ 74・・・対物レンズ F・・・対物レンズ焦点位置 G・・・画像 W・・・表面形状測定値
Claims (8)
- 駆動部によってX、Y、Z方向に移動するステージに設置した物体表面を撮影する光学系と、物体表面形状を前記撮影光学系から分岐した光学系で検出する形状検出光学系を一体にした測定光学系と、この測定光学形の撮影光学系を用いて、その光軸方向に撮影位置を変えながら前記物体表面を順次撮影し、得られたn枚の高さ(Z)方向画像をそれぞれ異なるアドレスに順次記憶していく分割メモリと、この分割メモリに記憶したn枚の高さ(Z)方向画像同志を制御部で比較照合し、ピントの合った画像区画を抽出して集合し、それを1つのピントの合った全体焦点画像データとして記憶していく画像メモリと、この画像メモリに記憶したピント画像区画毎に、ピント画像区画として抽出した元の分割メモリ上のx、y、zアドレスを位置データとして記憶していく位置メモリと、この位置メモリに記憶したz値をX列とY列方向に前記制御部で曲線近似し、それを三次元情報のうねり曲線データとして記憶していくうねり曲線メモリと、前記画像メモリに記憶した全体焦点画像データを表示する表示部と、この表示部で物体表面形状測定開始点と終了点が設定されたとき、前記位置メモリとうねり曲線メモリの内容に基づいてステージをX、Y、Z方向に移動し、測定開始点位置に相当する物体表面位置が撮影光学系光軸上の対物レンズ焦点位置と一致するよう前記駆動部に指令する制御部とを有し、前記ステージをX、Yの測定方向に移動しながらうねり曲線を移動指令曲線としながら高さ(Z)方向にも移動して、形状検出光学系で物体表面形状を測定していくようにした事を特徴とする物体表面形状測定装置。
- 物体表面からの反射光を撮影光学系から分岐し、シリンドリカルレンズを介して多分割フォトダイオードによる受光部に投影し、その検出値に応じて前記撮影光学系の対物レンズ焦点位置と物体表面間の距離を算出するようにした形状検出光学系とした事を特徴とする前記請求項1記載の物体表面形状測定装置。
- ステージを選定したうねり曲線に沿って高さ(Z)方向に移動するとき、その変化する高さ(Z)方向現在位置の値と形状検出光学系が検出した物体表面形状値を合算して最終物体表面形状測定値として記憶する測定データメモリを設置した事を特徴とする前記請求項1、2記載の物体表面形状測定装置。
- 測定データメモリに基づいて物体表面形状をグラフとして表示するようにした表示部とした事を特徴とする前記請求項1、3記載の物体表面形状測定装置。
- 形状検出光学系が算出した撮影光学系対物レンズ焦点位置と物体表面間の距離が、対物レンズの焦点深度によって決定されるオートフォーカス可能範囲を超えるとき、対物レンズ焦点位置と物体表面間の距離が0となるよううねり曲線で指定される高さ(Z)方向にステージの移動指令を駆動部に伝える制御部とした事を特徴とする前記請求項1、2記載の物体表面形状測定装置。
- 撮影光学系と形状検出光学系を距離Lだけ隔てて独立した光学系として1つのユニット中に収容し、表示部上で物体表面形状測定開始点が設定されたとき、位置メモリとうねり曲線メモリの内容に基づいてステージをX、Y、Z方向に移動し、測定開始点位置に相当する物体表面位置を撮影光学系光軸上の対物レンズ焦点位置と一致させた後、距離L相当分だけステージを移動して形状検出光学系光軸位置を前記物体上の測定開始点相当位置と一致させて物体表面形状を測定していくようにした測定光学系としたことを特徴とする前記請求項1記載の物体表面形状測定装置。
- 撮影光学系対物レンズ焦点深度によって決定されるオートフォーカス可能範囲を予め制御部に設定し、その設定値に基づいて撮影光学系対物レンズ焦点位置と物体表面間の距離を算出するようにした形状検出光学系としたことを特徴とする前記請求項1、2、3、5、6記載の物体表面形状測定装置。
- 撮影光学系と形状検出光学系にそれぞれ設置する光源の波長によって発生する対物レンズの色収差を、フォーカス移動量として予め制御部に記憶させ、その記憶値で撮影光学系対物レンズ焦点位置と物体表面間の距離を算出するようにした形状検出光学系としたことを特徴とする前記請求項1、2、3、5、6、7記載の物体表面形状測定装置。
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Cited By (7)
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WO2009096422A1 (ja) * | 2008-01-28 | 2009-08-06 | Nikon Corporation | 3次元形状測定装置および方法、並びに、プログラム |
JP2010019673A (ja) * | 2008-07-10 | 2010-01-28 | Nikon Instech Co Ltd | 画像処理方法および顕微鏡装置 |
WO2012006111A2 (en) * | 2010-07-09 | 2012-01-12 | Kla-Tencor Corporation | Active planar autofocus |
JP2012013996A (ja) * | 2010-07-01 | 2012-01-19 | Sony Corp | 情報処理装置、ステージうねり補正方法、プログラム |
CN102331622A (zh) * | 2010-07-12 | 2012-01-25 | 索尼公司 | 信息处理***、显微镜控制装置及其操作方法 |
JP2017188731A (ja) * | 2016-04-01 | 2017-10-12 | 株式会社ミツトヨ | 撮像システム及び撮像方法 |
KR20190029584A (ko) * | 2016-06-15 | 2019-03-20 | 큐-리네아 에이비 | 샘플의 이미지 기반 분석 |
-
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Cited By (15)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2009096422A1 (ja) * | 2008-01-28 | 2009-08-06 | Nikon Corporation | 3次元形状測定装置および方法、並びに、プログラム |
JP5218429B2 (ja) * | 2008-01-28 | 2013-06-26 | 株式会社ニコン | 3次元形状測定装置および方法、並びに、プログラム |
JP2010019673A (ja) * | 2008-07-10 | 2010-01-28 | Nikon Instech Co Ltd | 画像処理方法および顕微鏡装置 |
JP2012013996A (ja) * | 2010-07-01 | 2012-01-19 | Sony Corp | 情報処理装置、ステージうねり補正方法、プログラム |
WO2012006111A3 (en) * | 2010-07-09 | 2012-05-03 | Kla-Tencor Corporation | Active planar autofocus |
WO2012006111A2 (en) * | 2010-07-09 | 2012-01-12 | Kla-Tencor Corporation | Active planar autofocus |
JP2012037861A (ja) * | 2010-07-12 | 2012-02-23 | Sony Corp | 顕微鏡制御装置、画像表示装置、画像管理サーバ、合焦位置情報生成方法、画像表示方法、画像管理方法及び顕微鏡画像管理システム |
CN102331622A (zh) * | 2010-07-12 | 2012-01-25 | 索尼公司 | 信息处理***、显微镜控制装置及其操作方法 |
JP2017188731A (ja) * | 2016-04-01 | 2017-10-12 | 株式会社ミツトヨ | 撮像システム及び撮像方法 |
CN107272192A (zh) * | 2016-04-01 | 2017-10-20 | 株式会社三丰 | 摄像***和摄像方法 |
KR20190029584A (ko) * | 2016-06-15 | 2019-03-20 | 큐-리네아 에이비 | 샘플의 이미지 기반 분석 |
JP2019521377A (ja) * | 2016-06-15 | 2019-07-25 | キュー−リネア エービー | 画像に基づく検体分析 |
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