JP6188384B2

JP6188384B2 - 形状測定装置

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Publication number: JP6188384B2
Application number: JP2013080168A
Authority: JP
Inventors: 裕渡邉; 浅野　秀光; 秀光浅野
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2013-04-08
Filing date: 2013-04-08
Publication date: 2017-08-30
Anticipated expiration: 2033-04-08
Also published as: JP2014202651A

Description

本発明は、光学系を用いて非接触で被測定物の三次元形状を測定する形状測定装置に関する。

従来、光学系を用いて非接触で被測定物の三次元形状を測定する種々の形状測定装置が知られている。例えば、マイクロマシンやＬＳＩ等の微細な段差を有する被測定物の三次元計測が可能な形状測定装置としては、白色干渉計等が知られている（特許文献１）。このような形状測定装置では、撮像部をステージに対して垂直方向に操作して各垂直位置で得られた測定値の系列から測定対象物の形状を測定する。測定対象に対して撮像部の視野が狭い場合には、撮像部をステージに対して水平方向に所定のステップ幅だけ移動させ各位置で垂直走査を実行し、最後に画像を合成して撮像部の視野よりも広い測定領域の測定結果を可能にするようにしたステッチングと呼ばれる測定手法が知られている。

しかしながら、従来の形状測定装置においては、各水平方向位置において、固定された垂直走査範囲での測定が行われていたので、測定効率が悪く、測定に時間を要するという問題があった。そこで、直前の垂直走査位置において得られた平均高さを基準にして、次の垂直走査位置における垂直走査範囲を決定することにより、垂直走査範囲を狭くして、測定効率を向上させるようにした形状測定装置も知られている（特許文献１）。

特開平１０−３１８７２９号公報

しかしながら、上述した従来の形状測定装置では、直前の測定位置で求められた測定範囲の平均高さ、又は直前の測定位置と更にその前の測定位置で求められたそれぞれの測定範囲での平均高さを用いて、次の測定位置における垂直走査範囲を決定しているので、測定対象物の傾斜傾向を考慮した正確な予測が難しく、計算時間も長くかかってしまうという問題がある。

本発明は、測定時間を更に短くした形状測定装置を提供することを目的とする。

本発明に係る第１の形状測定装置は、測定対象物を載置するためのステージと、前記測定対象物を撮像すると共に前記ステージに対して相対移動可能に構成された撮像部と、第１位置から前記ステージに対して平行な第１方向に前記撮像部を移動させて前記撮像部を第２位置に配置し、前記第１位置及び前記第２位置において前記ステージに対して垂直な第２方向に前記撮像部を移動させながら前記撮像部により撮像領域内における前記測定対象物を撮像して複数の撮像画像を取得する制御部とを備え、前記制御部は、前記第１位置及び前記第２位置における撮像領域の一部が重複領域にて重複するように前記撮像部を移動させ、前記第１位置の前記重複領域における前記測定対象物の平均高さに基づき前記第２位置における前記撮像部の前記第２方向の移動範囲を設定することを特徴とする。

本発明に係る第２の形状測定装置は、測定対象物を載置するためのステージと、前記測定対象物を撮像すると共に前記ステージに対して相対移動可能に構成された撮像部と、第１位置から前記ステージに対して平行な第１方向に前記撮像部を移動させて前記撮像部を第２位置に配置し、前記第１位置及び前記第２位置において前記ステージに対して垂直な第２方向に前記撮像部を移動させながら前記撮像部により撮像領域内における前記測定対象物を撮像して複数の撮像画像を取得する制御部とを備え、前記制御部は、前記第１位置及び前記第２位置における撮像領域の一部が第１重複領域にて重複するように前記撮像部を移動させ、前記第１位置の前記撮像領域における一部領域の前記測定対象物の高さの変化に基づき前記第２位置における前記撮像部の前記第２方向の移動範囲を設定することを特徴とする。

本発明に係る第３の形状測定装置は、測定対象物を載置するためのステージと、前記測定対象物を撮像すると共に前記ステージに対して相対移動可能に構成された撮像部と、第１位置から前記ステージに対して平行な第１方向に前記撮像部を移動させて前記撮像部を順次第２位置及び第３位置に配置し、前記第１位置乃至前記第３位置において前記ステージに対して垂直な第２方向に前記撮像部を移動させながら前記撮像部により撮像領域内における前記測定対象物を撮像して複数の撮像画像を取得する制御部とを備え、前記制御部は、前記第１位置及び前記第２位置における撮像領域の一部が第１重複領域にて重複し且つ前記第２位置及び前記第３位置における撮像領域の一部が第２重複領域にて重複するように前記撮像部を移動させ、前記第２位置の前記第１重複領域及び前記第２重複領域における前記測定対象物の高さの変化に基づき前記第３位置における前記撮像部の前記第２方向の移動範囲を設定することを特徴とする。

この発明によれば、第１位置と第２位置の重複領域又は重複領域を含む一部領域の測定対象物の高さの平均値や傾きに基づいて第２位置における撮像部の第２方向の移動範囲を設定するようにしているので、第１位置と第２位置の境界付近の情報が考慮されると共に、演算に供するデータの数も少なく設定されているので、測定対象物の傾斜傾向を考慮した正確な予測が可能であり、測定時間を更に短くした形状測定装置を提供することができる。

第１の実施の形態に係る形状測定装置置の全体構成を示す斜視図である。第１の実施の形態に係るコンピュータ本体２１を示すブロック図である。第１の実施の形態に係る撮像ユニット１７の具体的構成を示す図である。第１の実施の形態に係る干渉光強度の変化の変化を示す図である。第１の実施の形態に係るピーク位置を求める処理の一例を説明するための図である。第１の実施の形態に係る撮像ユニット１７のＺ軸方向の移動に伴う測定の概要を示す図である。第１の実施の形態に係る撮像ユニット１７のＸ軸方向の移動に伴う測定の概要を示す図である。第１の実施の形態に係る形状測定を示すフローチャートである。第１の実施の形態の効果を示す図である。第２の実施の形態に係る形状測定を示すフローチャートである。第２の実施の形態に係るＺ値データＤｂ１を示す図である。第３の実施の形態に係る形状測定を示すフローチャートである。第３の実施の形態に係るＺ値データＤｂ２を示す図である。

［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態に係る形状測定装置の全体構成を示す斜視図である。この形状測定装置は、非接触型の形状測定機１０と、この形状測定機１０を駆動制御すると共に必要なデータ処理を実行するコンピュータ２０とにより構成されている。

形状測定機１０は、次のように構成されている。即ち、架台１１上には、ワーク１２（測定対象物）を載置するためのステージ１３が装着されており、このステージ１３は、Ｙ軸方向に駆動される。架台１１の両側縁中央部には上方に延びる支持アーム１４、１５が固定されており、この支持アーム１４、１５の両上端部を連結するようにＸ軸ガイド１６が固定されている。このＸ軸ガイド１６には、ワーク１２を撮像する撮像ユニット１７が支持されている。撮像ユニット１７は、Ｘ軸ガイド１６に沿ってＸ軸方向に移動可能に構成されている。また、撮像ユニット１７は、アクチュエータ１７ａによりＺ軸方向に移動可能に構成されている。以上のように、撮像ユニット１７は、ステージ１３、Ｘ軸ガイド１６及びアクチュエータ１７ａによりステージ１３に対してＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に相対的に移動可能に構成されている。なお、Ｘ軸方向及びＹ軸方向はステージ１３に対して平行方向であり、Ｚ軸方向はステージ１３に対して垂直方向である。Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向は互いに直交する。

コンピュータ２０は、コンピュータ本体２１、キーボード２２、ジョイスティックボックス（Ｊ／Ｓ）２３、マウス２４及びディスプレイ２５を有する。コンピュータ本体２１は、例えば図２に示すように構成されている。即ち、撮像ユニット１７から入力されるワーク１２の画像情報は、インタフェース（Ｉ／Ｆ）３１を介して画像メモリ３２に格納される。

また、ワーク１２のＣＡＤデータは、Ｉ／Ｆ３３を介してＣＰＵ３５に入力され、ＣＰＵ３５で所定の処理がなされた後に画像メモリ３２に格納される。画像メモリ３２に格納された画像情報は、表示制御部３６を介してディスプレイ２５に表示される。

一方、キーボード２２、Ｊ／Ｓ２３、及びマウス２４から入力されるコード情報及び位置情報は、Ｉ／Ｆ３４を介してＣＰＵ３５に入力される。ＣＰＵ３５は、ＲＯＭ３７に格納されたマクロプログラム及びＨＤＤ３８からＩ／Ｆ３９を介してＲＡＭ４０に格納されたプログラムに従って各種処理を実行する。

ＣＰＵ３５は、プログラムに従ってＩ／Ｆ４１を介して形状測定機１０を制御する。ＨＤＤ３８は各種データを格納する記録媒体である。ＲＡＭ４０は各種処理のワーク領域を提供する。

次に、図３を参照して、撮像ユニット１７の具体的構成を説明する。図３に示す例では、撮像ユニット１７はマイケルソン型の干渉計である。しかしながら、撮像ユニット１７は、ミラウ型等、他の等光路干渉計であってもよい。また、撮像ユニット１７は他の光学測定装置と併用したものでも良い。

図３に示す撮像ユニット１７において、光源１７１は、例えばハロゲンランプ、キセノンランプ、水銀ランプ、メタルハライドランプ、ＬＥＤ等の広帯域スペクトルを有する白色光源である。光源１７１から出射された白色光は、コリメータレンズ１７２でコリメートされ、ビームスプリッタ１７３で２方向に分割される。一方の分割光はワーク１２の測定面に照射され、他方の分割光は参照板１７５の参照面に照射される。測定面及び参照面からそれぞれ反射された白色光は、ビームスプリッタ１７３で合成され、その際の干渉光が結像レンズ１７７を介してＣＣＤカメラ１７８で撮像される。

以上のような撮像ユニット１７は、アクチュエータ１７ａによってＺ軸方向に走査され、各走査位置での干渉像がＣＣＤカメラ１７８によりサンプリングされ、コンピュータ２０内の画像メモリ３２に記憶される。コンピュータ２０は、ワーク１２の測定面の各位置での干渉光の強度とエンコーダ１７ｂから入力される撮像ユニット１７のＺ軸方向の位置（走査位置）とに基づいてワーク１２のＺ値データを求める。

図３に示すように、光源１７１からの白色光は、ワーク１２の測定面と参照板１７５の参照面で反射され、ビームスプリッタ１７３で合成される。そのときの干渉光強度は、撮像ユニット１７をＺ軸方向に走査することにより変化する。可干渉性の少ない白色光を使用することで、干渉縞の発生する範囲を狭くすることができる。これにより、例えば、図４に示すように、参照面の走査により発生する測定面の各位置での干渉光強度の変化は、測定面の高さ（Ｚ軸方向の位置）に応じた位相で発生する。したがって、測定面の各位置での干渉光強度の変化のピーク値が観測される参照面の走査位置を、測定面の対応する部位の高さとして求めることができる。

図５は、各位置での干渉光強度の変化から、そのピーク位置を求める処理の一例を説明するための図である。この処理では、参照面を走査して得られた干渉光強度列に対して、所定の幾何要素（例えば、直線又は曲線）Ａを当てはめる。或いは、求められた干渉光強度列に対して平滑化して幾何要素（例えば、直線又は曲線）Ａを得る。次に、得られた幾何要素Ａをそれぞれ強度軸のプラス方向とマイナス方向にシフトさせて、スレッショルドレベルＢ，Ｃを設定する。このスレッショルドレベルを超える干渉光強度をピーク位置候補点として求める。そして、ピーク位置候補点が最も密集している領域の重心をピーク位置Ｐとして求める。このような処理により、処理点数を削減して高速でピーク位置Ｐを求めることが出来る。上述のように求められたピーク位置Ｐがその測定点における高さ（Ｚ値）に相当する。測定面の各位置でのＺ値を求めることで、ワーク１２の面データを求めることができる。なお、この面データの任意方向のデータを抽出することで、ある断面におけるプロファイルデータを求めることができる。

次に、図６を参照して撮像ユニット１７のＺ軸方向の移動に伴う測定の概要について説明する。図６に示すように、コンピュータ２０は、撮像ユニット１７をＺ軸方向に移動させながら撮像ユニット１７により撮像領域Ｒ０におけるワーク１２を撮像する。これにより、複数の画像データＤ０が取得される。各々の画像データＤ０はＸ軸方向及びＹ軸方向にマトリクス状に配置された複数の画素データＤａにより構成される。そして、コンピュータ２０は、図３〜図５を用いて説明した方法により、複数の画像データＤ０に基づきワーク１２のＺ値データ群Ｄ１を求める。Ｚ値データ群Ｄ１は、画素データＤａ毎にＺ値データを有する。

次に、図７を参照して撮像ユニット１７のＸ軸方向の移動に伴う測定の概要について説明する。図７に示すように、コンピュータ２０は、撮像ユニット１７をＸ軸方向に移動させながら、図６に示したようにＺ値データ群Ｄ１を求める。ただし、コンピュータ２０は、隣接する撮像領域Ｒ０の一部が重複領域Ｒ１にて重複するように撮像ユニット１７を移動させる。そして、コンピュータ２０は、重複領域Ｒ１にて隣接するＺ値データ群Ｄ１を重ね合わせて、合成Ｚ値データ群Ｄ２を生成する。合成Ｚ値データ群Ｄ２は、撮像領域Ｒ０よりも大きい領域Ｒ２におけるワーク１２のＺ値データを含む。なお、図７は撮像ユニット１７をＸ軸方向に移動させる例を示したが、撮像ユニット１７をＹ軸方向に移動させても良い。

次に、図８を参照して本実施の形態に係る形状測定を具体的に説明する。図８は本実施の形態に係る形状測定を示すフローチャートである。図８に示すように、先ず、コンピュータ２０は撮像ユニット１７のＺ軸方向の初期移動範囲ΔＺ０を受け付ける（Ｓ１０１）。次に、コンピュータ２０は初期移動範囲ΔＺ０に亘って撮像ユニット１７を移動させながら撮像ユニット１７によって撮像し、複数の画像データＤ０を取得する（Ｓ１０２）。続いて、コンピュータ２０は、複数の画像データＤ０に基づきＺ値データ群Ｄ１を取得する（Ｓ１０３）。

次に、コンピュータ２０は、測定が終了したか否かを判定する（Ｓ１０４）。ここで、測定が終了していないと判定すると（Ｓ１０４、ＮＯ）、コンピュータ２０は重複領域Ｒ１におけるＺ値データの平均値（平均Ｚ値）Ｚａｖを算出する（Ｓ１０５）。ここで、平均Ｚ値Ｚａｖの算出に用いられる重複領域Ｒ１は、次に撮像が行われる撮像領域Ｒ０と重複する領域である。続いて、コンピュータ２０は平均Ｚ値Ｚａｖに基づきＺ軸方向の移動範囲ΔＺを算出する（Ｓ１０６）。例えば、移動範囲ΔＺの中心は平均Ｚ値Ｚａｖとする。

次に、コンピュータ２０は、撮像ユニット１７をＸ軸方向に移動させる（Ｓ１０７）。続いて、コンピュータ２０は、移動範囲ΔＺに亘って撮像ユニット１７を移動させながら撮像ユニット１７によってワーク１２を撮像し、複数の画像データＤ０を取得する（Ｓ１０８）。ステップＳ１０８の後、コンピュータ２０は再びステップＳ１０３を実行する。

一方、ステップＳ１０４にて測定が終了したと判定すると（Ｓ１０４、ＹＥＳ）、コンピュータ２０は重複領域Ｒ１にて隣接するＺ値データ群Ｄ１を重ね合わせて、合成Ｚ値データ群Ｄ２を生成する（Ｓ１０９）。なお、図８は撮像ユニット１７をＸ軸方向に移動させる例を示したが、撮像ユニット１７をＹ軸方向に移動させても良い。

次に、図９を参照して第１の実施の形態の効果を説明する。図９（ａ）に示すように、ワーク１２の最小高さＺｍｉｎから最大高さＺｍａｘまでの範囲を範囲ΔＺｓとする。そして、範囲ΔＺｓを含み、その範囲ΔＺｓよりも大きい範囲をΔＺｄとする。この場合、図９（ａ）に示すように、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の位置Ｐ１、Ｐ２に関わらず、撮像ユニット１７のＺ軸方向の移動範囲を一定の範囲ΔＺｄとする比較例が考えられる。しかしながら、このような比較例では、Ｘ及びＹ軸方向のある位置においてはワーク１２が存在しない領域まで撮像ユニット１７をＺ軸方向に移動させることとなる。

これに対して、本実施の形態は、図９（ｂ）に示すように位置Ｐ１，Ｐ２それぞれにおいて、重複領域Ｒ１内の平均Ｚ値Ｚａｖに基づき撮像ユニット１７のＺ軸方向の移動範囲ΔＺを算出する。したがって、第１の実施の形態は、比較例の移動範囲ΔＺｄよりも各位置Ｐ１，Ｐ２における移動範囲ΔＺを短くでき、これにより測定時間を短縮できる。

また、本実施形態によれば、位置Ｐ１における重複領域Ｒ１内の平均Ｚ値Ｚａｖに基づいて次の位置Ｐ２におけるＺ軸方向の移動範囲ΔＺが設定されるので、位置Ｐ１における全測定値の平均高さに基づいて次の位置Ｐ２のＺ軸方向の移動範囲ΔＺを求める場合に比べ、ワーク１２の実際の高さに近い範囲を設定することができる。また、演算範囲が重複領域Ｒ１に限定されているので、全測定値の平均値を求める方法よりも演算時間が短い。したがって、両者の相乗効果により、測定時間を更に短縮することができるという効果がある。

［第２の実施の形態］
次に、第２の実施の形態に係る形状測定装置について説明する。第２の実施の形態は第１の実施の形態と同様の構成を有する。一方、第２の実施の形態はその動作について第１の実施の形態と異なり、この点を以下説明する。

第２実施の形態においては、図１０に示すように、第１の実施の形態のステップＳ１０５及びＳ１０６の代わりに、ステップＳ１０５ａ及びＳ１０６ａを実行する。第２の実施の形態は、この点のみ第１の実施の形態と異なり、その他は第１の実施の形態と同様の処理を実行する。

ステップＳ１０５ａにおいて、コンピュータ２０は、図１１に示すように撮像領域Ｒ０におけるＺ値近似線Ｌ（ワーク１２の高さの変化）を算出する。ここで、図１１（ａ）は撮像領域Ｒ０においてＸ軸方向に一列に並ぶ画素Ｄｂ１を示し、図１１（ｂ）は画素Ｄｂ１におけるＸ位置の変化に伴うＺ値データの変化を示す。この実施形態では、一列に並ぶ画素Ｄｂ１を使用するが、位置Ｐ１，Ｐ２の境界のデータを含めるようにすれば、横一列のデータの一部の画素のみを用いても良い。

ステップＳ１０５ａに続くステップＳ１０６ａにおいて、コンピュータ２０はＺ値近似線Ｌに基づきＺ軸方向の移動範囲ΔＺを算出する。例えば、移動範囲ΔＺの中心はＺ値近似線Ｌ上の点とする。以上の処理であっても、第２の実施の形態は第１の実施の形態と同様の効果を奏する。すなわち、本実施形態の場合、位置Ｐ１と位置Ｐ２の重複領域Ｒ１に存在するデータ（Ｄｂ１の右端部分のデータ）を演算に使用するので、位置Ｐ１の平均高さ及び更にその前の位置Ｐ０の平均高さを用いて傾きを推定する場合よりも、ワーク１２の実際の高さに近い範囲を設定することができる。また、演算範囲が一列に並ぶ画素Ｄｂ１に限定されているので、２箇所の測定位置の全測定値の平均値から傾きを求める方法よりも演算時間が短い。したがって、両者の相乗効果により、測定時間を更に短縮することができるという効果がある。

［第３の実施の形態］
次に、第３の実施の形態に係る形状測定装置について説明する。第３の実施の形態は第１の実施の形態と同様の構成を有する。一方、第３の実施の形態はその動作について第１の実施の形態と異なり、この点を以下説明する。

第３実施の形態においては、図１２に示すように、第１の実施の形態のステップＳ１０５及びＳ１０６の代わりに、ステップＳ１０５ｂ及びＳ１０６ｂを実行する。第３の実施の形態は、この点のみ第１の実施の形態と異なり、その他は第１の実施の形態と同様の処理を実行する。

ステップＳ１０５ｂにおいて、コンピュータ２０は、図１３に示すように重複領域Ｒ１ａ、Ｒ１ｂにおけるＺ値近似線Ｌａを算出する。ここで、図１３（ａ）は重複領域Ｒ１ａ、Ｒ１ｂにおいてＸ軸方向に一列に並ぶ画素Ｄｂ２を示し、図１３（ｂ）は画素Ｄｂ１におけるＸ位置の変化に伴うＺ値データの変化を示す。なお、図１３（ａ）に示すＺ値データ群Ｄ１は、重複領域Ｒ１ａ、Ｒ１ｂにてその両隣の撮像領域Ｒ０と重複する。

ステップＳ１０５ｂに続くステップＳ１０６ｂにおいて、コンピュータ２０はＺ値近似線Ｌａに基づきＺ軸方向の移動範囲ΔＺを算出する。例えば、移動範囲ΔＺの中心はＺ値近似線Ｌａ上の点とする。以上の処理であっても、第３の実施の形態は第１の実施の形態と同様の効果を奏する。

１０…形状測定機、２０…コンピュータ、１１…架台、１２…ワーク、１３…ステージ、１４，１５…支持アーム、１６…Ｘ軸ガイド、１７…撮像ユニット、２１…コンピュータ本体、２２…キーボード、２３…Ｊ／Ｓ、２４…マウス、２５…ディスプレイ、３１，３３，３４，３９…Ｉ／Ｆ、３２…画像メモリ、３５…ＣＰＵ、３６…表示制御部、３７…ＲＯＭ、３８…ＨＤＤ、４０…ＲＡＭ、１７ａ…アクチュエータ、１７ｂ…エンコーダ、１７１…光源、１７２…コリメータレンズ、１７３…ビームスプリッタ、１７５…参照板、１７７…結像レンズ、１７８…ＣＣＤカメラ。

Claims

測定対象物を載置するためのステージと、
前記測定対象物を撮像すると共に前記ステージに対して相対移動可能に構成された撮像部と、
第１位置から前記ステージに対して平行な第１方向に前記撮像部を移動させて前記撮像部を順次第２位置及び第３位置に配置し、前記第１位置乃至前記第３位置において前記ステージに対して垂直な第２方向に前記撮像部を移動させながら前記撮像部により撮像領域内における前記測定対象物を撮像して複数の撮像画像を取得する制御部とを備え、
前記制御部は、前記第１位置及び前記第２位置における撮像領域の一部が第１重複領域にて重複し且つ前記第２位置及び前記第３位置における撮像領域の一部が第２重複領域にて重複するように前記撮像部を移動させ、
前記第２位置の前記第１重複領域及び前記第２重複領域における前記測定対象物の高さの変化に基づき前記第３位置における前記撮像部の前記第２方向の移動範囲を設定する
ことを特徴とする形状測定装置。