JP5042788B2 - 光学式３次元計測装置 - Google Patents

Description

本発明は非接触での３次元形状の計測が可能な、光学式の３次元計測装置に関する。

一般に非接触式の３次元計測を行う場合、共焦点顕微鏡や白色干渉計などの光学式３次元計測装置が広く知られている。
光学式３次元計測装置の例を特許文献１に挙げる。特許文献１の装置では観察試料に測定光を照射し、反射光から観察試料の表面状態を求めている。

これらの光学式３次元計測装置では、観察試料の高さ方向を含む、２次元情報、または３次元情報を含んだ観察試料の形状データや観察画像を取得し、そのデータや観察画像を基に３次元計測を行う。

ここで言う３次元計測とは観察試料の高さ情報を含んだ計測のことであり、例えばある特定ラインの高さデータ（ＸＺプロファイル）からなる２次元情報を基に行う計測行為もこれに含まれる。

操作者は３次元計測を行う際、取得された形状データや観察画像を確認し、必要に応じて各種画像処理を行い、取得された形状データや観察画像に表れるノイズ成分を除去する。このノイズ除去作業を行なうことにより、より実際の観察試料の形状に近い形状データや観察画像が得られ、３次元計測の計測結果をより正確なものとする。

ここで行う３次元計測としては、観察試料内の特定位置の距離、段差、面積、体積、粗さ解析などが挙げられる。
粗さ解析に関しては、上記した光学式３次元計測装置のような非接触型の計測装置の他に、観察試料に接触して計測を行なう触針式粗さ計を用いる方法が一般的に知られている。

触針式粗さ計の原理としては、触針と観察試料を相対的に移動させながら触針で観察試料表面をトレースすることによって、観察試料の高さデータを取得することが出来る。
取得された高さデータに関しては、使用した触針の形状などによって決まるカットオフフィルタ処理を行い、所定の計算方法から定義されている、各種粗さパラメータを算出することが出来る。

触針式粗さ計は、光学式３次元計測装置より歴史が古く技術が成熟しており、実施されるカットオフフィルタ処理についても技術が確立されている。
これらカットオフフィルタや、カットオフフィルタを実施して得られる粗さパラメータはＪＩＳなどに定義されている。したがって粗さ解析に関しては、触針式粗さ計での解析方法は、広く認知されている。

触針式粗さ計での粗さ解析としてＪＩＳなどで定義されている、カットオフフィルタ処理機能や粗さ解析機能は、光学式３次元計測装置にも搭載されているものもある。よって、これらの機能により光学式３次元計測装置を用いても、触針式粗さ計と同様に、観察試料の粗さ解析を行うことが可能となる。
特開２００４−１８４１９４号公報

光学式３次元計測装置は、触針式粗さ計に比して高分解能な計測を行なえるというメリットがある。
しかし光学式３次元計測装置で粗さ解析を行う場合、触針式の粗さ計で用いるカットオフフィルタをそのまま使用すると、必要以上に観察試料の形状データの情報量を落とすことになる。

これはカットオフフィルタ処理が、触針式粗さ計で計測できる分解能に合わせたフィルタ処理を施しているためである。
例えば触針式粗さ計の場合、触針の先端形状の半径はミリからサブミリ領域のサイズとなるため、このサイズにより触針式粗さ計の分解能が決められてしまう。

一方、光学式３次元計測装置の場合、例えば走査型共焦点レーザ顕微鏡であれば、サブミクロンの平面分解能が得られ、白色干渉計では数十ナノの高さ分解能が可能となるため、触針式粗さ計よりも高分解能な３次元計測が可能となる。

触針式粗さ計のカットオフフィルタ処理は、観察試料の形状データを触針式の粗さ計で計測できる周波数帯だけ残すようにフィルタ処理をするため、触針式粗さ計で計測限界周波数以上の高域周波数帯は、ノイズと判定し除去してしまう。しかし光学式３次元計測装置は、上述したように一般的に触針式粗さ計以上の分解能を持つため、触針式粗さ計と同じカットオフフィルタ処理を施すと、計測可能な高周波数帯の形状データも、ノイズとして除去してしまう。このため光学式３次元計測装置の長所である分解能の高さを十分に活かしきれない、という問題がある。

そこで触針式粗さ計のカットオフフィルタ処理を使わずに、光学式３次元計測装置に最適なフィルタ処理を施して粗さ解析を行うとする。しかし、触針式粗さ計ではカットオフフィルタ処理が確立されていることにより使用した触針の形状によって最適なフィルタが選択できるが、非接触式の光学式３次元計測装置では、触針式粗さ計のカットオフフィルタのような確立されたフィルタ処理が無い。したがって操作者は、光学式３次元計測装置に搭載された各種画像処理フィルタ機能を組み合わせてフィルタ処理を行う必要がある。

しかしながら、光学式３次元計測装置では最適なフィルタ処理方法が確立されていないため、ここで操作者が誤ったフィルタ条件を設定してしまうと、光学式３次元計測装置の持つ分解能をフィルタ処理で必要以上に低下させてしまったり、また逆にノイズとして表示された光学式３次元計測装置の持つ分解能以上の周波数の形状データを残してしまう可能性が高い。

したがって、操作者によって観察試料の形状データに施すフィルタが変わってしまうと、操作者が変わる毎に、計測結果が変わってしまうという問題点がある。
また、搭載している各種フィルタ機能から最適な組み合せを探し出すことは、操作者にとって非常に煩わしい処理となる。特に、光学式３次元計測装置として走査型共焦点レーザ顕微鏡などを用いると、対物レンズのＮＡ、観察倍率、表示画素数、さらには照明用レーザの波長を変更できる機能を搭載している場合はレーザ波長など、観察条件によって装置の分解能は変わってしまうため、観察条件を変える度に、最適なフィルタ条件を探しなおす必要が発生する。

本発明は、上記問題を鑑みてなされたものであり、自動的に最適なカットオフフィルタ処理を選択することが出来る光学式３次元計測装置及びフィルタ処理方法を提供することを目的とする。

また、必要に応じて触針式粗さ計のカットオフフィルタ処理をそのまま選択することが可能な光学式３次元計測装置及びフィルタ処理方法を提供することを目的とする。

本発明の態様のひとつである光学式３次元計測装置は、観察試料を照明する観察照明光と、前記観察照明光を前記観察試料に集光する対物レンズと、当該対物レンズを介して得た観察画像および計測結果を表示させる表示部とを有する光学式３次元計測装置において、前記観察試料の３次元画像を取り込んだ際の観察条件を基にして第１のフィルタ処理を決定するフィルタ処理決定部と、前記フィルタ処理決定部が決定した前記第１のフィルタ処理を前記計測結果に対して行なうフィルタ処理部と、を有し、前記フィルタ処理部は、操作者の指示に基づいて、第１のフィルタ処理の代わりに触針式粗さ計の高周波除去のためのカットオフフィルタ処理である第２のフィルタ処理を施すことを特徴とする。
また、本発明の別の態様のひとつである光学式３次元計測装置は、観察試料を照明する観察照明光と、前記観察照明光を前記観察試料に集光する対物レンズと、当該対物レンズを介して得た観察画像および計測結果を表示させる表示部とを有する光学式３次元計測装置において、前記観察試料の３次元画像を取り込んだ際の観察条件に基づいて第１のフィルタ処理を決定するフィルタ処理決定部と、前記フィルタ処理決定部が決定した前記第１のフィルタ処理を前記観察画像または前記計測結果に対して施すフィルタ処理部と、を有し、前記観察条件は、前記対物レンズのＮＡ、前記観察照明光の波長、前記観察視野、前記表示画素数の少なくとも１つを含むことを特徴とする。

また、本発明の更なる別の態様のひとつである光学式３次元計測装置は、観察試料を照明する観察照明光と、前記観察照明光を前記観察試料に集光する対物レンズと、当該対物レンズを介して得た観察画像および計測結果を表示させる表示部とを有する光学式３次元計測装置において、前記観察試料の３次元画像を取り込んだ際の観察条件に基づいて第１のフィルタ処理を決定するフィルタ処理決定部と、前記フィルタ処理決定部が決定した前記第１のフィルタ処理を前記観察画像または前記計測結果に対して施すフィルタ処理部と、前記観察用照明光の波長を変更できる波長変更部と、を有し、前記観察条件として、前記波長変更部で決定される前記観察照明光の波長が含まれることを特徴とする。
また、本発明の更なる別の態様のひとつである光学式３次元計測装置は、観察試料を照明する観察照明光と、前記観察照明光を前記観察試料に集光する対物レンズと、当該対物レンズを介して得た観察画像および計測結果を表示させる表示部とを有する光学式３次元計測装置において、前記観察試料の３次元画像を取り込んだ際の観察条件に基づいて第１のフィルタ処理を決定するフィルタ処理決定部と、前記フィルタ処理決定部が決定した前記第１のフィルタ処理を前記観察画像または前記計測結果に対して施すフィルタ処理部と、を有し、前記観察光としてレーザ光を用い、前記レーザ光を２次元方向に走査させる２次元走査機構と、前記レーザ光の光量を検出する受光素子と、前記対物レンズの焦点位置と共役な位置に配置された共焦点絞りと、を有した走査型共焦点レーザ顕微鏡であることを特徴とする。

本発明によれば、最適なフィルタ処理を自動的に選択して、そのフィルタ処理を実行することが出来、光学式３次元計測装置が持つ高い分解能を十分に活かした３次元計測を行うことが出来る。

以下に図面を参照しながら本発明の第１の実施形態を説明する。
図１に本実施の形態における光学式３次元計測装置の構成を示す。
本実施形態における光学式３次元計測装置１０００は、大別して、顕微鏡本体１００、ステージ２００、コントロール部４００、表示部５００、及び指示部６００から構成されており、観察試料３００をステージ２００上に載せて使用する。

ここでステージ２００は、電動式、手動式のいずれでも構わない。またコントロール部４００としては、専用のコントローラーユニットやＰＣなどが用いられ、指示部６００としてはマウス等のポインティングデバイス、キーボードやタッチパネル、表示部５００にはモニターなどが用いられる。

次に顕微鏡本体１００の光学系の構成を示す。
なお、本実施形態では、顕微鏡本体１００を構成する光学系として、走査型共焦点レーザ顕微鏡の構成を記載しているが、非接触式にて観察試料３００の３次元形状の情報を取得できる構成であれば、これに限定されるものではない。例えば光学系に白色光源を使用したディスク共焦点顕微鏡や、白色干渉計の構成を用いてもかまわない。

顕微鏡本体１００の光学系では、まず、レーザ光源部１からレーザ光２が平行光で出射される。次に、レーザ光２の偏光特性によってレーザ光２を透過、反射させる偏光ビームスプリッタ３によりレーザ光２は透過し、２次元走査機構４で反射して、２次元方向に走査される。２次元走査機構４としては、例えば、ガルバノスキャナミラーなどが考えられる。

２次元走査されたレーザ光２は、瞳投影レンズ５、第１の結像レンズ６を通過後、１／４波長板７を通過する。そして１／４波長板７を通過したレーザ光２は、円偏光に変化する。

１／４波長板７を通過したレーザ光２は、ビームスプリッタ８にて反射され、レボルバ１２に保持された対物レンズ１３によって観察試料３００の表面上に結像される。
ここでビームスプリッタ８は、光学系の配置を変えれば必ずしも必要ではない。また、レボルバ１２には図示していないが、光学性能の異なる複数の対物レンズ１３が保持されており、操作者は観察したい光学性能を有する対物レンズ１３を光路上に配置させる。

レボルバ１２による対物レンズ１３の切り替え方法としては電動、手動のいずれでも構わないが、以下の説明において、本実施形態では電動駆動ということで記載する。
また、本実施形態の光学式３次元計測装置１０００は、対物レンズ１３と観察試料３００の光軸方向の相対距離を変化させる構成を有している。この構成として本実施形態ではレボルバ１２を光軸方向に駆動させる構成となっているが、このような構成に限定されるものではない。例えば、観察試料３００を保持したステージ２００が光軸方向に駆動する構成としてもよい。

レボルバ１２の対物レンズ１３の切り替え、及び光軸方向の駆動に関しては、後述するコントロール部４００内の制御部４１によって制御される。
観察試料３００の表面上で結像されたレーザ光２は反射され、上述した光路を逆に通って、偏光ビームスプリッタ３に到達する。

レーザ光２は、この光路の途中で、再び１／４波長板７を通過しているため、レーザ光源１から出射されたレーザ光２と比較すると、偏光方向が９０度変化している。
したがって、観察試料３００の表面から反射されてきたレーザ光２は、偏光ビームスプリッタ３で反射され第２の結像レンズ９へ導かれる。

レーザ光２は第２の結像レンズ９を通過し、対物レンズ１３の焦点位置と共役な位置に配置されたピンホール１０に到達する。
ピンホール１０を通過したレーザ光２は、レーザ用受光素子１１にて受光され、レーザ用受光素子１１は受光されたレーザ光２の光量に応じた電気信号を出力し、輝度画像を形成する。

レーザ用受光素子１１としては、例えば、光電子増倍管やフォトディテクターなどが用いられる。
ピンホール１０は、レーザ光２が対物レンズ１３によって観察試料３００の表面上に集光されたときに反射したレーザ光２のみを通過させるため、観察試料３００の表面上でピントのあった部分のみレーザ光２がレーザ用受光素子１１で検出される。

レーザ用受光素子１１からは、受光したレーザ光２の光量に応じた電気信号を出力し、この電気信号を後述する画像合成部４２でサンプリングすることにより輝度デ−タが得られる。この輝度データを、対物レンズ１３と観察試料３００の光軸方向の相対距離を変えながら取りこみ、合成することによって、フレアの少ない、高分解能で高コントラストな観察試料３００の表面の全焦点画像（全ての面に焦点が合っている画像）が形成されると同時に、観察試料３００の表面形状の３次元データが取得される。

次に本発明のシステム系について説明する。
コントロール部４００は、制御部４１、画像合成部４２、フィルタ処理部４３、及び解析演算部４４から構成されている。

制御部４１は、レーザ光源部１の光量を調整したり、２次元走査機構４の振れ角を調整したり、レボルバ１２を介して対物レンズ１３の切り替えや光軸方向への動作などを行う。また制御部４１は、レーザ光源部１の構成によっては、レーザ光２の波長の選択も行なう。画像合成部４２は、特定のサンプリング周期でレーザ用受光素子１１からの電気信号を取得し、取得した電気信号を基に観察試料３００の表面形状の３次元データ、または高さ方向を含む２次元データ（以下、これら２つを含めて“画像デーダ’と呼ぶ）を取得する。また、フィルタ処理部４３は、画像合成部４２で取得した画像データへ、ある特定の演算処理を加えることによって、フィルタリングを行う。解析演算部４４は、画像合成部４２で取得された画像データ、及びこの画像データにフィルタ処理部４３でフィルタリングされた画像データを用いて、観察試料３００の表面形状の計測を行う。ここで行う計測には、観察試料３００内の特定位置の距離、段差、面積、体積、粗さ解析などが含まれる。

操作者は、指示部６００を使って、本実施形態の光学式３次元計測装置１０００の調整や画像データの取り込みを指示し、取得された画像データ、および計測結果は、表示部５００に表示される。

次に操作者が計測作業を行なったときの、光学式３次元計測装置１０００の動作処理を、図２のフローチャートを使って説明する。
まず、ステップＳ１０１として、光学式３次元計測装置１０００に対して操作者に、通常の走査型共焦点レーザ顕微鏡の操作と同様、対物レンズ１３、２次元走査機構４の振り角と対物レンズ１３の種類から決まる観察視野、レーザ用受光素子１１から出力される電気信号を画像合成部４２で検出するサンプリング周期から決まる観察画像の表示画素数、レーザ光源部１の出力パワーや波長などの観察条件を設定させ、観察試料３００に対物レンズ１３のピントを合わせる。

操作者による操作は、例えば表示部５００に表示されるＧＵＩを基に、指示部６００を用いて実行される。そして指示部６００から入力された指示内容は、コントロール部４００内の制御部４１を介して実行される。

次にステップＳ１０２として、光学式３次元計測装置１０００は、ステップＳ１０１で操作者が設定入力した観察条件に基づいてフィルタ処理を自動的に決定する。なおこのフィルタ処理の決定の仕方については後述する。

次にステップＳ１０３として、光学式３次元計測装置１０００は、操作者に対して画像データの取り込みの設定を行わせる。
本実施形態の光学式３次元計測装置では、観察試料３００の平面画像データを取得することも可能だが、ここでは観察試料３００の粗さ解析を行うことを目的としているため、観察試料３００の高さ情報が含まれた画像データを取り込む事を前提とする。具体的には観察表面のある特定ライン状の高さ情報からなる２次元画像データ、または観察試料３００表面の３次元画像データを取り込むこととなる。

いずれの場合においても、画像データの取り込み設定の操作としては、具体的には、取り込む高さ方向の上下限位置を設定する。上下限位置の設定は、操作者が手動で行っても良いし、自動により行っても構わない。いずれにせよ制御部４１を介して、レボルバ１２を駆動させ、対物レンズ１３と観察試料３００との相対距離を調整して行う。

次に観察者は、ステップＳ１０４として、ステップＳ１０３で設定された、観察条件、画像データの取り込み条件を基に、光学式３次元計測装置に画像データの取り込みを行わせる。

画像データの取りこみは、設定された上下限位置の範囲で対物レンズ１３と観察試料３００との相対距離を変えながら、観察試料３００に対物レンズ１３から集光されるレーザ光２のピントが合ったときに反射されたレーザ光２を、受光素子１１で検出する。そして受光素子１１は、検出されたレーザ光２の光量に対応した電気信号を画像合成部４２へ出力する。画像合成部４２では、この電気信号が観察視野内の各画素で最大になるときの対物レンズ１３の光軸方向の位置を、観察試料３００の高さ情報として検出し、画像データを取得する。また、この画像データには、ステップＳ１０１で設定した観察条件の情報が含まれている。

次にステップＳ１０５として、取り込まれた画像データに対し、フィルタ処理部４３によって光学式３次元計測装置の持つ分解能に対してステップＳ１０２で自動的に決定された最適なフィルタ（以下、“光学式高域カットオフフィルタ”と呼ぶ）処理が行なわれる。

光学式高域カットオフフィルタは、ステップＳ１０１で設定した、画像データに含まれる観察条件からステップＳ１０２においてフィルタの内容が自動的に決定される。例えば観察条件は、対物レンズ１３の情報、レーザ光２の波長、観察視野、表示画素数を基に決まる。

まず、対物レンズ１３の情報から対物レンズ１３のＮＡ（＝ＮＡ）の値と、レーザ光２の波長（＝λ）から、式１より、光学系のカットオフ周波数（＝ｆｃ）を算出し、この逆数から光学系の分解能を算出する。
ｆｃ＝αＮＡ／λ・・・（式１）
式１においてαは、所定の定数であり、実験で求めても良い。またＮＡに関しても、対物レンズ１３のＮＡの他に、対物レンズ１３から集光されるレーザ光２の実際のＮＡを用いても良い。例えば、レーザ光２が対物レンズ１３の瞳を満たしていない場合、対物レンズ１３から集光されるレーザ光２の実際のＮＡは、対物レンズ１３のＮＡよりも小さな値となる。また、レーザ光２の波長が１種類のみの場合は、波長λの値も一定となるので、その値もある特定の定数で決まる。したがって式１は式２のように書き換えることも可能である。
ｆｃ＝βＮＡ・・・（式２）
式２においてβは、ある所定の定数であり、これに関しても実験で求めても良い。

次に、観察視野と表示画素数から、画像データの１画素当たりの分解能（以下“サンプリング分解能”と呼ぶ）を求める。
サンプリング分解能は、観察視野を画像データの画素数で割った値となる。特に走査型共焦点レーザ顕微鏡の場合、２次元走査機構４の振れ角によって観察視野が決まる。

この観察視野上にレーザ光２を走査させ、観察試料３００から反射されたレーザ光２をレーザ用受光素子１１で受光し、その光量に応じた電気信号を出力する。この電気信号を画像合成部４２で、特定の周期でサンプリングし画像化するが、観察視野を変更し、表示部５００に変更前と同じサイズで表示させれば、観察画像にズームをかけたことになる。

したがって、このズーム機能によって観察視野が変わり、サンプリング分解能が変化する。また、表示画素数は、１枚の観察画像を取り込むのに要するサンプリング数によって決まるため、サンプリング周期を短くし、１枚の観察画像を取り込むのに要するサンプリング数を変えることによって、サンプリング分解能も変化する。なお、光学式３次元計測装置１０００がズーム機能を持たない場合には、このサンプリング分解能もある所定の定数となる。

次に算出した光学系の分解能と、サンプリング分解能のそれぞれに所定の比率をかけたものを比較し、数値の大きい方（分解能の悪い方）を決定する。数値の大きい方の分解能要素が、画像データの分解能を決定していることとなるため、この値を基に光学式高域カットオフフィルタの内容を決定する。

光学式高域カットオフフィルタの内容としては、例えば、ここで求めた画像データの分解能の値の逆数から画像データのカットオフ周波数を算出し、このカットオフ値における振動伝達率が所定の値（例えば５０％）になる、ガウシアンフィルタ（１９９６年度版ＩＳＯ１１５６２記載）などを、光学式高域カットオフフィルタとして自動的に選択する。

図２の処理において、ステップＳ１０５で施された光学式高域カットオフフィルタによって、画像データの分解能以上の周波数を持つ画像データはノイズと見なされ、フィルタ処理によりその振幅を落とされる。そしてこのように取得された画像データは、ステップＳ１０６として表示部５００に表示される。

この際、取得された画像データが上記の２次元画像データである場合、表示される高さデータとしては図３（ａ）に示すような、観察試料３００上における、ある特定ライン状での高さプロファイルとして表示される。

また、表示されるのが３次元画像データの場合は、図３（ａ）に示した高さプロファイルの表示以外に、観察試料３００の全焦点画像、鳥瞰図画像、等高線画像、高さ方向を表示輝度に置き換えた平面画像などで表示しても構わない。

また、上述した表示には、その段階で施されたフィルタについての情報が共に画面上に表示される。
ステップＳ１０６の段階では、フィルタ処理は光学式高域カットオフフィルタしか施されていないため、図３（ａ）では表示されている画像データの右上に、光学式高域カットオフフィルタを示す記号（ここではλｏｐとする）が表示される。

次に光学式３次元計測装置１０００は、ステップＳ１０７として操作者に解析する粗さ解析のモードを選択させる。具体的には、操作者は線粗さ解析と、面粗さ解析のいずれかを選択することとなるが、ステップＳ１０３で２次元画像データの取り込みを選択した場合は、面粗さ解析は選択できない。以下の説明では線粗さ解析を選択した場合を想定して記載する。

次に光学式３次元計測装置１０００は、ステップＳ１０８として操作者に画像データに触針式粗さ計の微小粗さカットオフフィルタ（以下“触針式高域カットオフフィルタ”と呼ぶ）及び触針式粗さ計のカットオフフィルタ（以下“触針式低域カットオフフィルタ”と呼ぶ）をかけるか否かを決定させる。

この触針式高域カットオフフィルタ及び触針式低域カットオフフィルタをかける場合は、例えば以前に触針式粗さ計で計測した計測値と比較のために同じフィルタ条件とするために行なう場合等が考えられる。

触針式高域カットオフフィルタ及び触針式低域カットオフフィルタをかける場合には、操作者に、ステップＳ１０９で触針式高域カットオフフィルタの、また、ステップＳ１１０で触針式低域カットオフフィルタの種類を決定させる。

また、ステップＳ１０８で触針式高域カットオフフィルタ及び触針式低域カットオフフィルタをかけない場合には、処理をステップＳ１１１にスキップする。
ステップＳ１０９及びＳ１１０で行うフィルタの選択は図４に示した、表示部５００に表示されるドロップダウンリスト２１などから選択する。ドロップダウンリスト２１には選択できる全てのフィルタが表示され、右端にはそのフィルタの略称が表示されており、希望するフィルタを指示部６００で操作するカーソル２２で選択する。

なお、図２のフローでは、触針式高域カットオフフィルタ及び触針式低域カットオフフィルタの両方を選択するか、両方とも選択しないかのどちらかを行なうようになっているが、触針式高域カットオフフィルタのみ、若しくは触針式低域カットオフフィルタのみを選択する処理フローとしても良い。

次に光学式３次元計測装置１０００は、ステップＳ１０２で設定された、若しくはステップＳ１０９及びＳ１１０で選択した各種フィルタ処理を画像データに施す。フィルタ処理が実行されると、画像データに表示されるフィルタ情報が更新される。

図３（ｂ）では、触針式高域カットオフフィルタとしてλｓ２．５μｍ、触針式低域カットオフフィルタとしてλｃ０．８ｍｍのフィルタ処理が施されていることが、表示部５００の表示画面上に表示されていることを示している。

ステップＳ１０９で触針式高域カットオフフィルタ処理の選択が行なわれなかった場合には、図３（ｂ）で表示されているλｓ２．５μｍの代わりに、Ｓ１０５で処理を行った、光学式高域カットオフフィルタの情報（λｏｐ）が表示される。また、Ｓ１１０で触針式低域カットオフフィルタを選択しなかった場合は、図３（ｂ）で表示されているλｃ０．８ｍｍの部分には、特に何も表示されない。

光学式３次元計測装置１０００では、フィルタ処理を施されて画面上に表示された画像データは、データとして保存することが出来る。
例えば、画像データとして高さプロファイルを表示させている場合は、テキスト出力としてＣＳＶファイルなどに出力、保存が出来る。また、画像データとして全焦点画像、鳥瞰図画像、等高線画像、高さ方向を表示輝度に置き換えた平面画像などで表示させている場合は、ｂｍｐファイル、ｊｐｅｇファイル、ｔｉｆｆファイル等の画像データとして、または、光学式３次元計測装置１０００で解析できる独自のファイル形式などで保存できる。

次に、粗さパラメータ（例えば、ＪＩＳなどで定義されている算術平均高さＰａ、Ｒａ、Ｗａや、最大断面高さＰｚ、Ｒｚ、Ｗａなど）の解析を行う。光学式３次元計測装置１０００は、ステップＳ１１２として操作者に、解析したい粗さパラメータを選択させる。

粗さパラメータの選択は、図５に示す粗さパラメータリスト２３を表示画面上にＧＵＩとして表示させ、操作者にカーソル２２で解析したいパラメータを全て選択させる。そして選択が完了したら、決定ボタン２４を選択すると、解析演算部４４で選択したパラメータの計測を行う。なお、保存ボタン２６を選択するとパラメータリスト２３の選択内容を保存することが出来、また、開くボタン２５を選択すると保存したパラメータリスト２３の選択内容を読み出すことが出来る。これにより、解析を行うたびに、多くの粗さパラメータリストから解析したいパラメータを選択する手間が省くことができる。

なお、ステップＳ１１２で行う粗さパラメータの選択の際に表示されるパラメータリスト２３に表示されるパラメータの内容は、線粗さ解析と面粗さ解析とでは異なり、操作者が選択できる粗さパラメータリストの内容が変わる。

光学式３次元計測装置１０００は、ステップＳ１１３としてステップＳ１１２での計測結果を表示部５００に、図６のように表示する。
図６には、図５で選択されている粗さパラメータの解析結果が表示されている。

なお、粗さパラメータは、測定結果がどれぐらいのうねりを持っているとか、観察試料３００がどれくらいの凹凸を持っているとか等から、最大値と最小値を比較するとか、全ての値の平均値を取るとか等の解析方法がＪＩＳなどで定義されている。

図６の計測結果には、粗さパラメータの数値だけではなく、処理を行ったフィルタの情報も表示される。例えば光学式高域カットオフフィルタまたは触針式高域カットオフフィルタに関する情報は「高域」の欄に、触針式低域カットオフフィルタの情報は「低域」の欄に表示される。

これらの解析結果は、例えばテキスト出力としてＣＳＶ形式のファイルなどとして出力、保存することが出来る。
ここで表示されるフィルタ情報としては、図６に示したようにフィルタの略称を表示しても良いし、計測結果、および計測結果を表示する表示部分の色を変えることによって、フィルタ情報を表示してもよい。

以上により、本実施形態の光学式３次元計測装置１０００による、粗さ解析の操作が完了する。
次に、画像記録装置１０００で行う３種類のフィルタ処理の関係を、図７を用いて説明する。

図７は、画像データの形状の変化を周波数に置き換えたものを横軸にした１次元グラフである。
図７では向かって右に行くほど高い周波数を意味し、高い周波数の形状の３次元計測を行うには、装置としてより高い分解能を必要とする。

図７（ａ）ではＳ１０９で触針式高域カットオフフィルタをかけなかった場合を想定している。
触針式高域カットオフフィルタをかけていないので、画像データには光学式高域カットオフフィルタと触針式低域カットオフフィルタがかかっている。したがってこの２つのフィルタのカットオフ周波数の間に入る、マーキングされた帯域の周波数成分だけが解析対象となり、それ以外の成分はフィルタ処理で振幅が低く抑えられている。この場合、高周波数側のカットオフフィルタは光学系の限界部分に設定されているため、光学式３次元計測装置１０００が持つ分解能を活かした、高分解能な粗さ解析が可能となる。

一方、図７（ｂ）ではＳ１０９で触針式高域カットオフフィルタを選択した場合を想定している。
触針式高域カットオフフィルタのカットオフ周波数は、光学高域カットオフフィルタのカットオフ周波数より低いため、触針式高域カットオフフィルタと触針式低域カットオフフィルタのカットオフ周波数の間に入る、マーキングされた帯域の周波数成分だけがフィルタリングされて解析対象となり、それ以外の成分はフィルタ処理で振幅が低く抑えられている。

これにより従来の光学式３次元計測装置や、触針式粗さ計と同じフィルタ条件での解析ができるため、例えば触針式粗さ計や、既存の光学式３次元観察装置と共通の検査方法で観察試料の品質管理などが行える。

しかし、光学式３次元計測装置１０００の分解能として持っている触針式高域カットオフフィルタと光学式高域カットオフフィルタとの間の周波数帯に関しては、触針式高域カットオフフィルタによって振幅が落ちてしまい、光学式３次元計測装置１０００が持つ分解能を落として粗さ解析を行うこととなる。

操作者はこれらの関係を理解した上で、ステップＳ１０８で触針式高域カットオフフィルタの処理の有無を決定する。
本例では、線粗さ解析を行う手順で光学式３次元計測装置１０００の動作を説明したが、本実施形態の光学式３次元計測装置１０００は、面粗さ解析を行うことも可能である。

光学式３次元計測装置１０００によって面粗さ解析を行う場合は、図２のＳ１０６にて、面粗さ解析を選択する。
この場合上述したように、解析する画像データは３次元画像データである必要がある。それ以降の手順は線粗さ解析と同じであるが、画像データの表示方法としては高さプロファイル以外にも、全焦点画像、鳥瞰図画像、等高線画像、また高さ方向を表示輝度に置き換えた平面画像などの画像表示も可能となる。

本実施形態の光学式３次元計測装置１０００によると、操作者は各種フィルタ処理を組み合わせて最適なフィルタ設定を行わなくても、観察条件から最適な光学式高域カットオフフィルタ処理を自動的に選択して実行する、最適なフィルタ条件を探す煩わしさがない。

また、光学式高域カットオフフィルタ処理を行うことにより、光学式３次元観察装置の特徴である、高分解能な画像データによって粗さ解析を行うことが可能となる。
また、触針式高域カットオフフィルタ処理の有無を選択できるため、操作者の用途に応じて、フィルタ処理を使い分けることが出来る。

例えば、高分解能な画像データによる粗さ解析を行いたい場合は、触針式高域カットオフフィルタ処理を行わず、また、従来の触針式粗さ計と同じ検査方法、品質規格で、粗さ解析の結果などから観察試料の品質管理などを行いたい場合は、触針式高域カットオフフィルタ処理を行えばよい。

次に、光学式３次元計測装置１０００の第２の実施形態について説明する。
第２の実施形態では、同じ画像データに複数の異なる組み合せのフィルタ処理を施した画像データや解析結果を同時に表示できることを特徴としている。

したがって光学式３次元計測装置１０００の構成は第１の実施形態とは、画像構成部４２の構成が異なるのみで、他の構成は図１に示した第１の実施形態と同じである。よってその詳細の説明は省略する。

次に、第２の実施形態の光学式３次元計測装置１０００の動作を、第１の実施形態と同様に図２のフローチャートを用いて説明する。
図２のフローにおいてステップＳ１１１までは第１の実施形態と同じであるため、その詳細な説明は省略する。

ステップＳ１１１において、光学式３次元計測装置１０００は、最初に選択した条件のフィルタ処理（以下“第１のフィルタ条件”と呼ぶ）を実行した後、別のフィルタ条件（以下“第２のフィルタ条件”と呼ぶ）による解析も行いたい場合は、再び、触針式高域カットオフフィルタ処理の有無を選択するため、図２のステップＳ１０８に処理を戻す。

そこで第１のフィルタ条件を設定した手順と同じ手順で、ステップＳ１０９で触針式高域カットオフフィルタ処理の有無を選択し、さらに触針式低域カットオフフィルタ処理に関しても、ステップＳ１１０として同様にそのフィルタの種類を選択する。なお、各種フィルタの選択方法は、図４に示した第１の実施形態と同じであるため、詳細な説明は省略する。

以上のように第２のフィルタ条件を設定し終えたら、ステップＳ１１２として設定した第２のフィルタ処理を実施する。すると画像合成部４２は、第１のフィルタ条件によるフィルタ処理の結果と、第２のフィルタ条件によるフィルタ処理の結果を合成し、表示部５００に表示されている画像データは、図３（ｃ）のように変化する。

図３（ｃ）では、異なる２つのフィルタ条件でフィルタ処理を施した２つの高さプロファイルが同時に表示されている。また、２つの高さプロファイルを見分けるため、それぞれの高さプロファイルの色を変えて識別し、それに合わせて表示されているフィルタ情報の色を変えている。

また、複数の高さプロファイルの表示方法としては、例えば図３（ｄ）のように各高さプロファイル毎に線種を変えて表示し、その線種例と合わせてフィルタ条件を表示させても良い。

操作者は、更に異なるフィルタ条件でフィルタをかけた結果を得たい場合には、再度、ステップＳ１０８に戻り、同じ手順を繰り返すことによって、更に異なるフィルタ条件の画像データが追加で表示されていく。そして、このデータを過去２回のフィルタ条件のデータと重ね合わせて表示することが出来る。

ちなみに、例えば、ステップＳ１０７で面粗さ解析を選択した場合は、画像データとして全焦点画像、鳥瞰図画像、等高線画像、また高さ方向を表示輝度に置き換えた平面画像などで表示させることも可能である。この場合フィルタ条件の異なる複数の画像データを、レイヤー毎に色を変えて重ねて表示しても良い。また、それぞれのデータを独立して並べて表示しても構わない。

また、表示させた画像データは第１の実施形態同様、画像ファイルとして全て保存することが出来る。
光学式３次元計測装置１０００は、操作者が解析させたい全てのフィルタ条件での高さデータを表示させたら、ステップＳ１１２として操作者に粗さパラメータの選択を行なわせ、ステップＳ１１３として粗さパラメータの解析結果を表示する。

ここで粗さパラメータの選択方法は、図５で示した第１の実施形態のときと同じであるため、詳細な説明は省略する。
粗さパラメータの解析結果は、図８のように表示される。

図８では、表示している全てのフィルタ条件での解析結果が表示される。
第２の実施形態の光学式３次元計測装置１０００によれば、第１の実施形態の光学式３次元計測装置１０００が備える効果に加え、複数の異なるフィルタ処理を施した画像データや、解析結果を同時に表示できるため、異なるフィルタ条件での画像データや粗さ解析の結果を比較しやすくなるという効果を備える。また、複数のフィルタ処理機能を搭載していても、表示される画像データや解析結果には、フィルタの情報が含まれているため、画像データや解析結果を見誤る心配も無い。

次に、光学式３次元計測装置１０００の第３の実施形態について説明する。
なお、第３の実施形態の光学式３次元計測装置１０００の構成も、画像合成部４２の構成が異なるだけで、他の部分は基本的に図１に示した第１の実施形態の光学式３次元計測装置１０００と同じである。

第３の実施形態の光学式３次元計測装置１０００では、画像データとして高さプロファイルを表示させる場合が、第１の実施形態及び第２の実施形態と異なる。
第１の実施形態では、高さプロファイルとして、フィルタ処理を施した観察試料３００の断面曲線だけを表示していたが、第３の実施形態の光学式３次元計測装置１０００では、これに加え、断面曲線から高次の成分を抽出した粗さ曲線、また低次の成分を抽出したうねり曲線を同時に表示させることができる。

図９は、第３の実施形態の光学式３次元計測装置１０００が、断面曲線、粗さ曲線、うねり曲線を同時に示した高さプロファイルを表示した表示画面を示す。
プロファイルウインドウ２７には、線種の異なる３本のプロファイルが同時に表示されており、それぞれが断面曲線、粗さ曲線、うねり曲線となる。またプロファイルウインドウ２７には、図３（ａ）、図３（ｂ）と同様に、処理されているフィルタの情報が表示されている。

図７のように３つのプロファイルを同時に表示させたい場合は、図９の表示画面に表示されたＧＵＩ上のミックスボタン３１を押す。また、３つのプロファイルを別々に表示させたい場合は、それぞれ断面ボタン２８、粗さボタン２９、うねりボタン３０を選択することにより、表示されるプロファイルが切替えられる。

なお、図９では３つのプロファイルを線種を変えることにより識別しているが、色を変えて識別する構成としても良い。
さらに複数の異なるフィルタ処理を施した、断面曲線、粗さ曲線、うねり曲線を同時に出力させることも出来る。この場合フィルタの情報をプロファイルの色を変えて識別する場合は、プロファイルの種類をプロファイルの線種を変えて識別し、逆に、フィルタの情報をプロファイルの線種を変えて識別する場合は、プロファイルの種類をプロファイルの色を変えて識別させる。

また、断面ボタン２８、粗さボタン２９、うねりボタン３０の何れかを選択することにより、各フィルタ処理を施した全てのプロファイルから、選択したボタンの種類のプロファイルだけを同時に表示させることも可能である。

第３の実施形態の光学式３次元計測装置１０００によれば、観察試料３００の粗さ成分やうねり成分の様子が一目で確認できるだけでなく、粗さ成分とうねり成分に関しても、異なるフィルタ条件での高さプロファイルを比較しやすくなるという効果が得られる。

また、複数のフィルタ処理機能を搭載していても、表示される高さプロファイルにはフィルタの情報が含まれているため、高さプロファイルを見誤る心配も無い。
以上、第１乃至第３の実施形態の光学式３次元計測装置１０００では、３次元画像データ取得時の観察条件から、最適なノイズ除去フィルタ処理が可能となるため、光学式３次元計測装置が持つ高い分解能を十分に活かした３次元計測を行うことが出来る。

また、操作者は複数搭載されている画像処理フィルタ機能を駆使して最適なノイズ除去フィルタの条件を探す煩わしさがなくなるため、操作者による解析結果のバラツキを抑えることが出来る。

更には走査型共焦点レーザ顕微鏡などのように観察条件が変更できる装置においては、観察条件に応じて最適なノイズ除去フィルタの条件を設定する手間が省ける。
また、触針式粗さ計のカットオフフィルタ機能を搭載しているため、従来の光学式３次元計測装置や触針式粗さ計にてカットオフフィルタ機能を施した高さデータや解析結果も同時に得ることが出来る。これにより、例えば製造現場で加工した部品を従来の触針式粗さ計での計測結果を基に品質管理を行っている場合は、従来どおりの検査方法と品質規格で品質管理を行うことができ、一方でより微細な新しい部品の開発においては、高い分解能での更に轍密な粗さ解析を行うことが可能となる。

更にフィルタ条件の違いによるデータの比較を行いたい場合は、異なるフィルタ条件での高さデータや解析結果の表示を選択的に切替えや、同時に表示することができるため、容易にデータの比較が行える。

また、表示された高さデータや解析結果に、施されたフィルタの情報を付加することによって、操作者は高さデータや解析結果が見やすくなり、データの比較が更に容易になる。
また、走査型共焦点レーザ顕微鏡などのように観察条件が変更できる装置においては、観察条件に応じて最適なノイズ除去フィルタの条件を設定する手間が省ける。

また、触針式粗さ計のカットオフフィルタ機能を搭載しているため、従来の光学式３次元計測装置や触針式粗さ計にてカットオフフィルタ機能を施した高さデータや解析結果も同時に得ることが出来る。これにより、例えば、ある製造現場で加工した部品を従来の触針式粗さ計での計測結果を基に品質管理を行っている場合は、従来どおりの検査方法と品質規格で品質管理を行うことができ、一方でより微細な新しい部品の開発においては、高い分解能での更に緻密な粗さ解析を行うことが可能となる。

更には、フィルタ条件の違いによるデータの比較を行いたい場合は、異なるフィルタ条件での高さデータや解析結果の表示を選択的に切替えることや、同時に表示することができるため、容易にデータの比較が行える。また、表示された高さデータや解析結果に、施されたフィルタの情報を付加することによって、操作者は高さデータや解析結果が見やすくなり、データの比較が更に容易になる。

なお、本実施形態の光学式３次元計測装置１０００の構成は、走査型共焦点レーザ顕微鏡の場合を例にしているが、白色干渉計やディスク共焦点顕微鏡等であっても良い。

本実施の形態における光学式３次元計測装置の構成を示す図である。 操作者が計測作業を行なったときの、光学式３次元計測装置の動作処理を示すフローチャートである。 表示部に表示される高さプロファイルの例を示す図である。 フィルタの選択を行なうドロップダウンリストを示す図である。 粗さパラメータリストを示す図である。 第１の実施形態における荒さパラメータの計測結果の表示例を示す図である。 画像データの形状の変化を周波数に置き換えたものを横軸にした１次元グラフである。 第１の実施形態における荒さパラメータの計測結果の表示例を示す図である。 第３の実施形態の光学式３次元計測装置が、断面曲線、粗さ曲線、うねり曲線を同時に示した高さプロファイルを表示した表示画面を示す図である。

符号の説明

１ レーザ光源部
２ レーザ光
３ 偏光ビームスプリッタ
４ ２次元走査機構
５ 瞳投影レンズ
６ 第１の結像レンズ
７ １／４波長板
８ ビームスプリッタ
９ 第２の結像レンズ
１０ ピンホール
１１ レーザ用受光素子
１２ レボルバ
１３ 対物レンズ
４１ 制御部
４２ 画像合成部
４３ フィルタ処理部
４４ 解析演算部
１００ 顕微鏡本体
２００ ステージ
３００ 観察試料
４００ コントロール部
５００ 表示部
６００ 指示部
１０００ 光学式３次元計測装置

Claims (11)

1. 観察試料を照明する観察照明光と、前記観察照明光を前記観察試料に集光する対物レンズと、当該対物レンズを介して得た観察画像および計測結果を表示させる表示部とを有する光学式３次元計測装置において、
   前記観察試料の３次元画像を取り込んだ際の観察条件に基づいて第１のフィルタ処理を決定するフィルタ処理決定部と、
   前記フィルタ処理決定部が決定した前記第１のフィルタ処理を前記観察画像または前記計測結果に対して施すフィルタ処理部と、を有し、
   前記フィルタ処理部は、操作者の指示に基づいて、第１のフィルタ処理の代わりに触針式粗さ計の高周波除去のためのカットオフフィルタ処理である第２のフィルタ処理を施す
   ことを特徴とする光学式３次元計測装置。
2. 観察試料を照明する観察照明光と、前記観察照明光を前記観察試料に集光する対物レンズと、当該対物レンズを介して得た観察画像および計測結果を表示させる表示部とを有する光学式３次元計測装置において、
   前記観察試料の３次元画像を取り込んだ際の観察条件に基づいて第１のフィルタ処理を決定するフィルタ処理決定部と、
   前記フィルタ処理決定部が決定した前記第１のフィルタ処理を前記観察画像または前記計測結果に対して施すフィルタ処理部と、を有し、
   前記観察条件は、前記対物レンズのＮＡ、前記観察照明光の波長、前記観察視野、前記表示画素数の少なくとも１つを含む
   ことを特徴とする光学式３次元計測装置。
3. 観察試料を照明する観察照明光と、前記観察照明光を前記観察試料に集光する対物レンズと、当該対物レンズを介して得た観察画像および計測結果を表示させる表示部とを有する光学式３次元計測装置において、
   前記観察試料の３次元画像を取り込んだ際の観察条件に基づいて第１のフィルタ処理を決定するフィルタ処理決定部と、
   前記フィルタ処理決定部が決定した前記第１のフィルタ処理を前記観察画像または前記計測結果に対して施すフィルタ処理部と、
   前記観察用照明光の波長を変更できる波長変更部と、を有し、
   前記観察条件として、前記波長変更部で決定される前記観察照明光の波長が含まれる
   ことを特徴とする光学式３次元計測装置。
4. 観察試料を照明する観察照明光と、前記観察照明光を前記観察試料に集光する対物レンズと、当該対物レンズを介して得た観察画像および計測結果を表示させる表示部とを有する光学式３次元計測装置において、
   前記観察試料の３次元画像を取り込んだ際の観察条件に基づいて第１のフィルタ処理を決定するフィルタ処理決定部と、
   前記フィルタ処理決定部が決定した前記第１のフィルタ処理を前記観察画像または前記計測結果に対して施すフィルタ処理部と、を有し、
   前記観察光としてレーザ光を用い、
   前記レーザ光を２次元方向に走査させる２次元走査機構と、
   前記レーザ光の光量を検出する受光素子と、
   前記対物レンズの焦点位置と共役な位置に配置された共焦点絞りと、を有した走査型共焦点レーザ顕微鏡である
   ことを特徴とする光学式３次元計測装置。
5. 前記フィルタ処理部は、操作者の指示に基づいて、第１のフィルタ処理の代わりに触針式粗さ計の高周波除去のためのカットオフフィルタ処理である第２のフィルタ処理を施す
   ことを特徴とする請求項２から４のうちのいずれか一項に記載の光学式３次元計測装置。
6. 前記第１のフィルタ処理および前記第２のフィルタ処理のうち、少なくともいずれかのフィルタ処理を施して得られた高さプロファイルから１つ以上を選択し、前記表示部に表示する
   ことを特徴とする請求項１または５に記載の光学式３次元計測装置。
7. 前記フィルタ処理部は、触針式粗さ計の低周波除去の為のカットオフフィルタ処理である第３のフィルタ処理を更に行ない、
   前記観察画像または前記計測結果に対して前記第１のフィルタ処理および第３のフィルタ処理のフィルタ処理のうち、少なくともいずれかのフィルタ処理を施した後、粗さパラメータの解析を行い、該解析結果から１つ以上を選択し、前記表示部に表示する
   ことを特徴とする請求項１または５に記載の光学式３次元計測装置。
8. 前記フィルタ処理部は、前記表示部に表示された前記観察画像または前記計測結果に施される前記第１のフィルタ処理または第２のフィルタ処理のフィルタ処理の種類を表す情報を、前記表示部に前記観察画像または前記計測結果と共に表示する画像合成部を更に備える
   ことを特徴とする請求項１または５に記載の光学式３次元計測装置。
9. 前記フィルタ処理部は、前記表示部に表示された前記各高さプロファイルに施されたフィルタの種類を、前記各高さプロファイルの色を変えることにより表す
   ことを特徴とする請求項６に記載の光学式３次元計測装置。
10. 前記フィルタ処理部は、前記表示部に表示された前記各高さプロファイルに施されたフィルタの種類を、前記各高さプロファイルの線種を変えることにより表す
    ことを特徴とする請求項６に記載の光学式３次元計測装置。
11. 前記観察条件は、前記対物レンズのＮＡを少なくとも含む
    ことを特徴とする請求項２に記載の光学式３次元計測装置。