JP5255968B2 - 高さ測定装置とその測定方法 - Google Patents
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Description
図1は本発明に係る高さ測定装置の一実施形態を概略的に示す構成図である。図1において、光源11から放射される平行光は共焦点光学顕微鏡12の光学処理部121に入射され、当該光学処理部121から対物レンズ122を通り、試料台123に載置された試料124に到達する。試料124からの反射光は再び対物レンズ122を通り、光学処理部121の処理を受けてカメラ13の撮像面で結像する。上記共焦点顕微鏡12は、上記対物レンズ122の光軸(以下、Z軸)の方向に試料台123を移動させるZ軸駆動部125を備え、その高さはZ軸上の座標値(以下、Z座標値)としてリニアスケール126によって計測される。
まず、図4(a)に示すように、なだらかな山形をした試料124をZ軸方向(光軸方向)に向かって、裾野から頂上に移動しながら、映像を取得すると共にその時のZ座標を記録していく。図4(a)に示す点線の画素の輝度値を縦軸に高さ、横軸に輝度をとると、図4(b)に示すように、各Z位置(Z1,Z2,Z3,…,Z7,Z8)によって、輝度値のピーク(I1,I2,I3,…,I7,I8)を見ることができる。この曲線を以後、Zカーブと呼ぶ。このZカーブは光学的顕微鏡よりも被写界深度が狭いために、急峻なカーブとなる。そのため、このピーク位置は各Z位置の合焦点位置を特定することができる。撮像面の各画素に対して、Zカーブを得ることで各画素位置の高さ情報を得ることができる。
図5は、高さ測定の全体的な処理の流れを示すフローチャートである。図5において、初めにZ軸移動範囲設定処理(ステップS11)でZ軸に沿って試料台123を移動させるZ座標の範囲を指定する。高さ測定はZ軸移動範囲設定処理(ステップS11)で設定したZ座標の範囲で、Z座標を移動しながら、画像とそのZ座標位置を取得し、より明るい輝度を持つ画素とそのZ座標位置を残す処理である。次に、Z軸移動速度設定(ステップS12)により、Z軸に沿って試料台123を移動させる速度を一定速度に設定する。
Z軸を高さCから高さAに向かって一定速度で移動させる場合、サンプリングレートはカメラのフレームレートで決定される。共焦点顕微鏡12は、焦点深度が極度に狭いため、速度が高速であると、高さA、B、Cの位置で画像を撮像し損ない、測定精度が低下する。そのため、従来では、Z軸移動速度を極端に下げることで、測定精度を確保して測定しており、タクトタイムが悪化することがあった。
図9は図7に示した試料の画像を示しており、斜線は設定された指定領域を示している。図10(a)〜(d)は、全てZ軸の開始座標Zsから終了座標Zeに1回移動した時のグラフである。図10(a)は領域A,Bの輝度・Z座標曲線を示しており、実線は領域A、破線は領域Bを示している。図のように、破線は高さZb0からZb1の区間で輝度閾値を超え、実線は高さZa0からZa1の区間で輝度閾値を超える。図10(b)はZ軸移動速度・Z座標曲線を示しており、輝度閾値を超えた場合の速度をV2(低速モード)、輝度閾値を超えない場合の速度をV1(高速モード)とすると、図10(b)のようなグラフとなる。
図10(c)は速度V1で速度一定にしたときの画像の撮像タイミング(サンプリング位置)を黒丸が示しおり、2つの輝度値のピーク値周辺で画像を取得できていないのがわかる。図10(d)は本発明のZ軸制御を行った時の画像の撮像タイミング(サンプリング位置)を黒丸が示しており、輝度値のピーク値周辺で速度が落ちるために、2つの輝度値のピーク値周辺で画像を取得し、精度の高い測定が期待できる。このように、本発明を用いることで、精度を落とさずタクトタイムの向上が可能になる。
Claims (3)
- 試料の光学像を一定のレートで走査し拡大する共焦点顕微鏡と、
前記共焦点顕微鏡により拡大された前記試料の光学像を撮像するカメラと、
前記試料に対し前記撮像のための光を照射する光源と、
前記試料に対する前記共焦点顕微鏡の焦点位置をその光軸方向に移動させるもので、その移動速度として低速モードと高速モードを有する駆動機構と、
前記駆動機構を通じて試料に対する前記共焦点顕微鏡の焦点位置を変化させながら前記カメラにより前記試料の光学像を撮像させてその撮像画像を取得する制御ユニットと
を具備し、
前記制御ユニットは、
前記撮像画像の指定領域の輝度を計算して基準値と比較する比較手段と、
前記焦点位置の移動範囲内で、前記指定領域の輝度値が基準値に満たない範囲では前記駆動機構を高速モードに、基準値以上となる範囲では前記駆動機構を低速モードに選択的に切替制御する速度制御手段と、
前記取得された撮像画像から輝度値が予め設定した最大範囲に含まれる画素領域を抽出し、この抽出した画素領域の輝度値が前記最大範囲内となる画像が取得されたときの前記共焦点顕微鏡の焦点位置をもとに前記試料の高さを算出する算出手段と
を備えることを特徴とする高さ測定装置。 - 前記算出手段は、1つ前の撮像画像の輝度値と比較してより輝度値の高い画素とそのZ座標を残すことを特徴とする請求項1記載の高さ測定装置。
- 試料の光学像を共焦点顕微鏡により一定のレートで走査拡大し、駆動機構により試料に対する前記共焦点顕微鏡の焦点位置を変化させながらカメラにより前記試料の光学像を撮像させてその撮像画像を取得する高さ測定装置の測定方法において、
前記撮像画像の指定領域の輝度を計算して基準値と比較し、
前記焦点位置の移動範囲内で、前記指定領域の輝度値が基準値に満たない範囲では前記駆動機構を高速モードに、基準値以上となる範囲では前記駆動機構を低速モードに選択的に切替制御し、
前記取得された撮像画像から輝度値が予め設定した最大範囲に含まれる画素領域を抽出し、この抽出した画素領域の輝度値が前記最大範囲内となる画像が取得されたときの前記共焦点顕微鏡の焦点位置をもとに前記試料の高さを算出することを特徴とする高さ測定装置の測定方法。
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