JP6317572B2

JP6317572B2 - 寸法測定装置、寸法測定方法及び校正用チャート

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Publication number: JP6317572B2
Application number: JP2013244311A
Authority: JP
Inventors: 康弘 ▲高▼濱; 友人井上
Original assignee: Mitutoyo Corp
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Priority date: 2013-11-26
Filing date: 2013-11-26
Publication date: 2018-04-25
Anticipated expiration: 2033-11-26
Also published as: JP2015102469A

Description

本発明は、寸法測定装置、寸法測定方法及び校正用チャートに関する。

従来から、例えば校正用チャート等のパターンを撮像素子で撮像し、得られるパターン像を画像処理して、パターンの寸法測定を行う寸法測定装置が知られている。

この測定の際、寸法測定装置では、測定対象が撮像素子面に鮮明に結像するように、焦点位置を何らかの方法で決定して測定対象と撮像素子面との距離を制御している。

焦点位置を決定する手法としては、コントラスト法やレーザオートフォーカス等の様々な技術が知られている。特にコントラスト法は、測定対象に対する撮像素子の相対位置を変化させる変化機構があれば使用可能である（例えば特許文献１）。

特開平８−２２６８０５号公報

しかしながら、コントラスト法は、相対位置を変化させながら測定対象を撮像してその画像のコントラストが最大となる相対位置を焦点位置と認識する方法であるため、測定対象に粉塵が付着した場合や、測定対象のエッジ近傍に回折光が発生した場合に、予期しない相対位置でコントラストが最大となる恐れがある。この結果、コントラスト法で決定した焦点位置と測定対象にとって最適な焦点位置が必ずしも一致せず、寸法測定の精度が低下する場合があった。

そこで、本発明は、寸法測定の高精度化を実現する寸法測定装置、寸法測定方法及び校正用チャートを提供することを目的の一つとする。

本発明に係る寸法測定装置は、測定対象を撮像する撮像部と、前記撮像部が前記測定対象を撮像する撮像方向において、前記測定対象と前記撮像部との相対位置を変化させる変化部と、前記相対位置を変化させながら前記測定対象を撮像した各画像から、前記測定対象の寸法をそれぞれ測定する準備測定部と、前記準備測定部で測定された各寸法と、各寸法に対応する前記相対位置とに基づき、寸法が最小又は最大となる相対位置を、前記測定対象に対する前記撮像部の焦点位置として決定する焦点位置決定部と、前記焦点位置において前記測定対象を撮像した画像から前記寸法を測定する本測定部と、を有する。

本発明によれば、寸法測定の高精度化を実現することができる。

本発明の第１実施形態に係る寸法測定装置としての寸法測定システムの外観構成を示す図である。寸法測定システムのハードウェア構成の一例を示すブロック図である。本発明の第１実施形態に係る寸法測定システムの機能的構成の一例を示すブロック図である。本発明の第１実施形態に係る寸法測定システムにおける寸法測定の流れの一例を示すフローチャートである。本発明の第１実施形態に係る寸法測定システムにおける測定対象であるパターンを有した校正用チャートの正面図である。図３に示す準備測定部の処理の様子を示す図である。図３に示す焦点位置決定部が作成する近似曲線を示すグラフ図である。本発明の第２実施形態に係る寸法測定システムにおける寸法測定の流れの一例を示すフローチャートである。本発明の第３実施形態に係る寸法測定システムにおける測定対象であるパターンを有した校正用チャートの正面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。ただし、以下に説明する実施形態は、あくまでも例示であり、以下に明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。即ち、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形（各実施例を組み合わせる等）して実施することができる。また、以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付して表している。図面は模式的なものであり、必ずしも実際の寸法や比率等とは一致しない。図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることがある。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る寸法測定装置としての寸法測定システム１の外観構成を示す図である。

――外観構成――
図１に示す寸法測定システム１は、校正用チャートＷのパターンの寸法を測定するためのシステムであり、例えば画像測定機１０と、ホストコンピュータ１２とにより構成されている。

校正用チャートＷは、例えば画像測定機１０の撮像素子の寸法を校正等するために用いるものである。校正用チャートＷとしては、様々なものが挙げられるが、本第１実施形態では例えば図５に示すような校正用チャートＷ１が用いられる。この校正用チャートＷ１は、例えば透明なガラス基板１３と、当該ガラス基板１３上に形成されたクロム製の線状のパターン１５とで構成されている。なお、後述するパターン１５の寸法測定がされた後は、校正用チャートＷに付属する「検査成績書」等に記載される。

画像測定機１０は、ステージ１４と、ＣＣＤカメラ１６と、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸駆動機構１８，２０，２２（図２参照）を有している。

ステージ１４には、ＣＣＤカメラ１６と対向した状態で校正用チャートＷ１が載置される。このステージ１４は、例えば水平方向の中で画像測定機１０の手前方向と奥方向を含むＹ軸方向にスライド移動可能とされている。

ＣＣＤカメラ１６は、ステージ１４に載置された校正用チャートＷ１のパターン１５を撮像するためのものである。ＣＣＤカメラ１６で撮像して得られるアナログ画像は、適宜、ホストコンピュータ１２に送られる。このＣＣＤカメラ１６は、例えば水平方向の中でＸ軸方向と直交するＹ軸方向に移動可能とされている。

Ｘ，Ｚ軸駆動機構１８，２２は、例えば駆動モータやギア等を含み、ＣＣＤカメラ１６に接続され、当該ＣＣＤカメラ１６をＸ軸方向及びＺ方向に移動するためのものである。Ｙ軸駆動機構２０は、例えば駆動モータやギア等を含み、ステージ１４に接続され、当該ステージ１４をＹ軸方向に移動するためのものである。

なお、画像測定機１０は、電源ボタンやステージ１４を照明する照明装置５０（図２参照）等の他の構成も備えている。

ホストコンピュータ１２は、画像測定機１０の駆動を制御すると共にこの画像測定機１０で撮影した画像をデジタル画像に変換して画像メモリに取り込み、寸法測定等の各種画像処理を行うものである。このホストコンピュータ１２には、コンピュータ本体２４と、ＣＲＴ２６と、プリンタ２８と、キーボード３０と、マウス３２とが備えられている。このキーボード３０およびマウス３２を操作することで、エッジ検出ツールや寸法測定ツール等の画像処理ツールを選択したり、この選択した画像処理ツールを画像上の適当な位置に配置して画像処理したりすることができる。

ホストコンピュータ１２の手前には、例えば画像測定機１０の各軸駆動機構１８，２０，２２の駆動、照明手段の切替（リング照明、垂直落射照明、ステージ下方からの透過照明）、照明光量調節及びズームアップ／ダウン調節等が可能な操作盤３４が備えられている。

――ハードウェア構成――
図２は、寸法測定システム１のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。

寸法測定システム１は、コンピュータ本体２４（図１参照）の中にＣＰＵ４０を有している。このＣＰＵ４０には、寸法測定システム１の様々な構成が接続されている。例えば、ＣＰＵ４０には、上記のＸ，Ｙ，Ｚ軸駆動機構１８，２０，２２と、操作盤３４と、インターフェース４２を介してキーボード３０及びマウス３２と、が接続されている。この他にも、ＣＰＵ４０には、メモリ４４と、照明制御部４６と、多値画像メモリ４８と、が接続されている。

メモリ４４は、コンピュータ本体２４（図１参照）の中に設けられた一時記憶手段である。

照明制御部４６は、照明装置５０を制御するものであり、例えば画像測定機１０に設けられている。

多値画像メモリ４８には、Ａ／Ｄ変換部５２を介してＣＣＤカメラ１６に接続され、表示制御部５４を介してＣＲＴ２６に接続されている。ＣＣＤカメラ１６で撮影した校正用チャートＷ１の画像は、Ａ／Ｄ変換部５２に入力されここでデジタル画像に変換された後、一旦、多値画像メモリ４８に格納される。この多値画像メモリ４８内の情報はＣＰＵ４０へ随時入力可能で、逆にＣＰＵ４０から随時書き込み可能である。さらにこの多値画像メモリ４８に記憶された画像はそのまま表示制御部５４を経てＣＲＴ２６に表示される。

――機能構成――
図３は、本第１実施形態に係る寸法測定システム１の機能的構成の一例を示すブロック図である。すなわち、同図は、ＣＰＵ４０が図示しないハードディスクに格納されたプログラムを実行することにより、他のハードウェアやソフトウェアと協働して、寸法測定システム１において実現される各種の機能部の構成を示すものである。

図３に示すように、寸法測定システム１は、操作部６０と、表示部６２と、撮像部６４と、変化部６６とを有している。また、寸法測定システム１は、主制御部６８と、各種機能部が集まった機能群７０とを有する。

操作部６０は、例えばキーボード３０やマウス３２、操作盤３４等を含んで構成される。この操作部６０に入力された入力情報（検知信号）は、例えば主制御部６８等に渡される。

表示部６２は、例えばＣＲＴ２６や表示制御部５４等を含んで構成される。この表示部６２は、主制御部６８や機能群７０の制御の下、校正用チャートＷ１の画像等を画面上に表示する。

撮像部６４は、例えばＣＣＤカメラ１６を含んで構成される。この撮像部６４は、測定対象としての校正用チャートＷ１のパターン１５（図５参照）を撮像する。

変化部６６は、例えばＸ，Ｙ，Ｚ軸駆動機構１８，２０，２２を含んで構成される。この変化部６６は、Ｚ軸駆動機構２２により、少なくとも撮像方向（Ｚ軸方向）の校正用チャートＷ１と撮像部６４との相対位置を変化させる。

主制御部６８は、ＣＰＵ４０やメモリ４４等を含んで構成される。この主制御部６８は、各機能群７０の処理を統括的に制御する。例えば主制御部６８は、操作部６０からの入力情報に応答して、各機能群７０を制御し、プログラムによって実現される寸法測定の処理を統括的に行う。

機能群７０は、ＣＰＵ４０やメモリ４４等を含んで構成される。この機能群７０は、オートフォーカス部７２と、準備測定部７４と、焦点位置決定部７６と、本測定部８２と、を有する。また、焦点位置決定部７６は、補正量算出部７８と、補正部８０と、を有する。

オートフォーカス部７２は、操作部６０の操作に応じて、撮像部６４を用いて、測定対象をコントラスト法でオートフォーカスして、測定対象に対して撮像部６４の仮焦点位置を取得する。コントラスト法は、変化部６６で校正用チャートＷ１と撮像部６４とのＺ軸方向の相対位置を変化させながら撮像部６４を用いて校正用チャートＷ１のパターン１５を撮像して、得られる画像のうちコントラストが最大となる画像に対応する相対位置を焦点位置として取得する方法である。

準備測定部７４は、変化部６６で相対位置を変化させながら撮像部６４を用いて校正用チャートＷ１のパターン１５を撮像し、得られる各画像から当該パターン１５の寸法をそれぞれ測定する。

焦点位置決定部７６は、準備測定部７４で得た各寸法と各寸法に対応する相対位置とに基づき、寸法が最小又は最大となる相対位置を焦点位置（本第１実施形態では補正用焦点位置）として決定する。なお、寸法が最小となる相対位置とするか最大となる相対位置とするかは、パターン１５自体の寸法を測定するか、隣接するパターン１５間の間隔を測定するかによる。焦点位置決定部７６は、例えばパターン１５自体の寸法を測定する場合には寸法が最小となる相対位置を補正用焦点位置として決定し、パターン１５の間隔を測定する場合には寸法が最大となる相対位置を補正用焦点位置として決定する。

補正量算出部７８は、オートフォーカス部７２で取得した仮焦点位置と、焦点位置決定部７６で取得した補正用焦点位置とに基づいて焦点位置補正量を算出する。

補正部８０は、オートフォーカス部７２で取得した仮焦点位置を焦点位置補正量で補正し、（真の）焦点位置を取得する。なお、準備測定する測定対象とオートフォーカスする測定対象が同じ場合、この補正部８０で得られる焦点位置と、焦点位置決定部７６で得られる補正用焦点位置は同じとなる。

本測定部８２は、撮像部６４を用いて補正部８０で得られる焦点位置で校正用チャートＷ１のパターン１５を撮像し、撮像した画像から校正用チャートＷ１のパターン１５の寸法を測定する。

――寸法測定――
図４は、本第１実施形態に係る寸法測定システム１における寸法測定の流れの一例を示すフローチャートである。なお、以下、括弧中の識別符号は、図４中のステップ識別符号と対応している。また、図４中の「＆」は、「及び」を意味する。

（ＳＰ１０）主制御部６８は、操作部６０の操作に応じて測定を開始するか否か判断する。具体的には、主制御部６８は、操作部６０から測定開始に関する操作信号を受け付けた場合に肯定判定し、それ以外の場合は否定判定する。主制御部６８は、肯定判定した場合にはステップＳＰ１２の処理に移行し、否定判定した場合にはステップＳＰ２４の処理に移行する。

（ＳＰ１２）主制御部６８は、オートフォーカス部７２に処理を渡す。処理を渡されたオートフォーカス部７２は、撮像部６４及び変化部６６を制御して、例えば測定対象となる校正用チャートＷ１のパターン１５のエッジ付近に対してコントラスト法でオートフォーカスして、撮像部６４の仮焦点位置Ｚ_af（ｎ）を取得する。ただし、ｎは変数で初期値は「０」である。その後、オートフォーカス部７２は、主制御部６８に処理を戻して、主制御部６８はステップＳＰ１４の処理に移行する。なお、「処理を渡す」とは、処理を開始することを意味する。

（ＳＰ１４）主制御部６８は、準備測定部７４に処理を渡す。処理を渡された準備測定部７４は、変化部６６で相対位置を、例えば仮焦点位置Ｚ_af（ｎ）を基準（例えば中心）として焦点深度の範囲内で変化させながら撮像部６４を用いて校正用チャートＷ１のパターン１５を撮像する。そして、準備測定部７４は、撮像して得られる各画像から当該パターン１５の寸法をそれぞれ測定する。本第１実施形態では、例えば図６に示すように、準備測定部７４は、仮焦点位置Ｚ_af（ｎ）を基準（例えば中心）とした焦点深度の範囲内にある相対位置Ｚ₀〜Ｚ₆のときに撮像して得られる各画像Ｉ₀〜Ｉ₆からパターン１５の線幅Ｗ₀〜Ｗ₆をそれぞれ測定する。その後、準備測定部７４は、主制御部６８に処理を戻して、主制御部６８はステップＳＰ１６の処理に移行する。

（ＳＰ１６）主制御部６８は、焦点位置決定部７６に処理を渡す。処理を渡された焦点位置決定部７６は、図７に示すように、準備測定部７４で得た各線幅Ｗ₀〜Ｗ₆と相対位置Ｚ₀〜Ｚ₆とに基づき近似曲線９０を作成し、当該近似曲線９０の中で線幅が最小Ｗ_minとなる相対位置Ｚ_calcを補正用焦点位置として決定する。その後、焦点位置決定部７６は、ステップＳＰ１８の処理に移行する。なお、パターン１５の間隔を測定する場合には間隔が最大となる相対位置を補正用焦点位置として決定する。以下、パターン１５の線幅を測定することを前提に記載する。

（ＳＰ１８）焦点位置決定部７６は、補正量算出部７８に処理を渡す。処理を渡された補正量算出部７８は、補正用焦点位置の相対位置Ｚ_calcから仮焦点位置Ｚ_af（ｎ）を差し引いて焦点位置補正量ΔＺを算出する｛ΔＺ＝Ｚ_calc−Ｚ_af（ｎ）｝。その後、補正量算出部７８は、焦点位置補正量ΔＺをメモリ４４に格納しておき、ステップＳＰ２０の処理に移行する。

（ＳＰ２０）補正量算出部７８は、補正部８０に処理を渡す。処理を渡された補正部８０は、オートフォーカス部７２で取得した仮焦点位置Ｚ_afを焦点位置補正量ΔＺで補正して、（真の）焦点位置Ｚ_t（ｎ）を取得する（Ｚ_t（ｎ）＝Ｚ_af（ｎ）＋ΔＺ＝Ｚ_calc）。なお、このステップＳＰ２０では、準備測定する測定対象とオートフォーカスする測定対象が同じであるので、相対位置Ｚ_calcと焦点位置Ｚ_tは同じとなる。その後、補正部８０は、主制御部６８に処理を戻して、主制御部６８はステップＳＰ２２の処理に移行する。

（ＳＰ２２）主制御部６８は、本測定部８２に処理を渡す。処理を渡された本測定部８２は、撮像部６４を用いて補正部８０で取得した焦点位置Ｚ_t、言い換えると、相対位置Ｚ_calcで、校正用チャートＷ１のパターン１５（ステップＳＰ１２で撮像した同じパターン）を撮像し、撮像した画像から校正用チャートＷ１のパターン１５の線幅を測定する。本測定部８２が測定した線幅の値は、例えば表示部６２に表示される。その後、本測定部８２は、主制御部６８に処理を戻して、主制御部６８はステップＳＰ２４の処理に移行する。

（ＳＰ２４）主制御部６８は、操作部６０の操作に応じて測定を開始するか否か判断する。具体的には、主制御部６８は、操作部６０から新たな測定開始に関する操作信号を受け付けた場合に肯定判定し、それ以外の場合は否定判定する。主制御部６８は、肯定判定した場合には変数ｎに「１」を加算（ｎ＝ｎ＋１）してステップＳＰ２６の処理に移行し、否定判定した場合には全体の処理を終える。

（ＳＰ２６）主制御部６８は、オートフォーカス部７２に処理を渡す。処理を渡されたオートフォーカス部７２は、撮像部６４及び変化部６６を制御して、新たな測定対象となる校正用チャートＷ１のパターン１５のエッジ付近に対してコントラスト法でオートフォーカスして、撮像部６４の新たな仮焦点位置Ｚ_af（ｎ）を取得する。その後、オートフォーカス部７２は、主制御部６８に処理を戻して、主制御部６８はステップＳＰ２８の処理に移行する。なお、ステップＳＰ２６での新たな測定対象となる校正用チャートＷ１のパターン１５は、ステップＳＰ２２の測定対象のパターン１５とは、別のパターン１５である。

（ＳＰ２８）主制御部６８は、補正部８０に処理を渡す。処理を渡された補正部８０は、オートフォーカス部７２で取得した新たな仮焦点位置Ｚ_af（ｎ）を焦点位置補正量ΔＺで補正して、（真の）焦点位置Ｚ_t（ｎ）を取得する（Ｚ_t（ｎ）＝Ｚ_af（ｎ）＋ΔＺ）。その後、補正部８０は、主制御部６８に処理を戻して、主制御部６８はステップＳＰ３０の処理に移行する。

（ＳＰ３０）主制御部６８は、本測定部８２に処理を渡す。処理を渡された本測定部８２は、撮像部６４を用いて補正部８０で取得した新たな焦点位置Ｚ_t（ｎ）で、校正用チャートＷ１の別のパターン１５を撮像し、撮像した画像から校正用チャートＷ１の別のパターン１５の線幅を本測定する。その後、本測定部８２は、主制御部６８に処理を戻して、主制御部６８はステップＳＰ２４の処理に戻る。

――効果――
次に、本第１実施形態に係る寸法測定システム１の効果について説明する。
本第１実施形態に係る寸法測定システム１では、準備測定部７４で得た各線幅Ｗ₀〜Ｗ₆と相対位置Ｚ₀〜Ｚ₆とに基づき線幅が最小Ｗ_minとなる相対位置Ｚ_calcを決定する（ステップＳＰ１２〜ステップＳＰ１８参照）。このため、測定対象に粉塵が付着した場合や、測定対象のエッジ近傍に回折光が発生した場合であっても、取得する相対位置Ｚ_calcにほぼ変化はなく、この相対位置Ｚ_calcが測定対象にとって最適な焦点位置となる。したがって、本測定部８２は、最適な焦点位置である相対位置Ｚ_calcで、校正用チャートＷ１のパターン１５を撮像し、撮像した画像から校正用チャートＷ１のパターン１５の線幅を精度よく測定することができる（ステップＳＰ１８、ステップＳＰ２２参照）。すなわち、本第１実施形態に係る寸法測定システム１によれば、線幅測定の高精度化を実現できる。

また、準備測定部７４は、オートフォーカス部７２で取得した仮焦点位置Ｚ_afを基準として相対位置を変化させるので、準備測定部７４が測定対象を撮像するときの相対位置が最適な焦点位置から大きくずれることを抑制することができる。よって、無駄な動作（変化及び撮像）を省くことができる。

また、準備測定部７４は、仮焦点位置Ｚ_afを基準として、焦点深度の範囲内で、相対位置を変化させるので、準備測定部７４が測定対象を撮像するときの相対位置が最適な焦点位置から大きくずれることをよりよく抑制することができる。よって、無駄な動作（変化及び撮像）を省くことができる。

また、最初の測定対象とは別の又は同一の対象を新たな測定対象として寸法測定を繰り返す場合に、補正部８０は、オートフォーカス部７２で取得した新たな仮焦点位置Ｚ_af（ｎ）を焦点位置補正量ΔＺで補正し、新たな焦点位置Ｚ_t（ｎ）を取得し、本測定部８２は、当該新たな焦点位置Ｚ_t（ｎ）で新たな測定対象の寸法を測定する（ステップＳＰ２４〜ＳＰ３０参照）。このため、寸法測定を繰り返す場合に、コントラスト法で決定した新たな仮焦点位置Ｚ_af（ｎ）と測定対象にとって最適な焦点位置が一致しない場合でも、仮焦点位置Ｚ_af（ｎ）が焦点位置補正量ΔＺで補正されて新たな焦点位置Ｚ_t（ｎ）となるため、撮像に用いる焦点位置｛新たな焦点位置Ｚ_t（ｎ）｝が最適な焦点位置により一致するようになる。したがって、寸法測定を繰り返す場合でも、線幅測定の高精度化を実現できる。

また、寸法の測定対象は、校正用チャートＷ１のパターン１５であるため、特に高精度な測定が要求されるが、本第１実施形態に係る寸法測定システム１によれば、補正して得られる焦点位置Ｚ_t（ｎ）で撮像するため、測定対象がパターン１５であってもその線幅を高精度に測定することができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係る寸法測定装置としての寸法測定システムについて説明する。本第２実施形態に係る寸法測定システムでは、寸法測定の流れにおいて繰り返しの寸法測定を行わない点で第１実施形態と大きく異なる。本第２実施形態に係る寸法測定システムの構成については、第１実施形態と同様である。

図８は、本第２実施形態に係る寸法測定システムにおける寸法測定の流れの一例を示すフローチャートである。なお、以下、括弧中の識別符号は、図８中のステップ識別符号と対応している。

（ＳＰ４０）主制御部６８は、操作部６０の操作に応じて測定を開始するか否か判断する。具体的には、主制御部６８は、操作部６０から測定開始に関する操作信号を受け付けた場合に肯定判定し、それ以外の場合は否定判定する。主制御部６８は、肯定判定した場合にはステップＳＰ４２の処理に移行し、否定判定した場合には全体の処理を終える。

（ＳＰ４２）主制御部６８は、オートフォーカス部７２に処理を渡す。処理を渡されたオートフォーカス部７２は、撮像部６４及び変化部６６を制御して、例えば測定対象となる校正用チャートＷ１のパターン１５のエッジ付近に対してコントラスト法でオートフォーカスして、撮像部６４の仮焦点位置Ｚ_afを取得する。その後、オートフォーカス部７２は、主制御部６８に処理を戻して、主制御部６８はステップＳＰ４４の処理に移行する。

（ＳＰ４４）主制御部６８は、準備測定部７４に処理を渡す。処理を渡された準備測定部７４は、変化部６６で相対位置を、例えば仮焦点位置Ｚ_afを基準（例えば中心）として変化させながら撮像部６４を用いて校正用チャートＷ１のパターン１５を撮像する。そして、準備測定部７４は、撮像して得られる各画像から当該パターン１５の寸法をそれぞれ測定する。本第２実施形態では、例えば図６に示すように、準備測定部７４は、仮焦点位置Ｚ_afを基準（例えば中心）とした焦点深度の範囲内にある相対位置Ｚ₀〜Ｚ₆のときに撮像して得られる各画像Ｉ₀〜Ｉ₆からパターン１５の線幅Ｗ₀〜Ｗ₆をそれぞれ測定する。その後、準備測定部７４は、主制御部６８に処理を戻して、主制御部６８はステップＳＰ４６の処理に移行する。

（ＳＰ４６）主制御部６８は、焦点位置決定部７６に処理を渡す。処理を渡された焦点位置決定部７６は、図７に示すように、準備測定部７４で得た各線幅Ｗ₀〜Ｗ₆と相対位置Ｚ₀〜Ｚ₆とに基づき近似曲線９０を作成し、当該近似曲線９０の中で線幅が最小Ｗ_minにとなる相対位置Ｚ_calcを（真の）焦点位置Ｚ_tとして決定する。その後、焦点位置決定部７６は、主制御部６８に処理を戻して、主制御部６８はステップＳＰ４８の処理に移行する。

（ＳＰ４８）主制御部６８は、本測定部８２に処理を渡す。処理を渡された本測定部８２は、撮像部６４を用いて焦点位置決定部７６で取得した焦点位置Ｚ_tで、校正用チャートＷ１のパターン１５（ステップＳＰ４２で撮像した同じパターン）を撮像し、撮像した画像から校正用チャートＷ１のパターン１５の線幅を測定する。本測定部８２が測定した線幅の値は、例えば表示部６２に表示され、これを見た寸法測定システム１のユーザは、当該線幅の値を対応するパターン１５の傍のガラス基板１３の面に付す。その後、本測定部８２は、主制御部６８に処理を戻して、主制御部６８は全体の処理を終える。

以上、第２実施形態に係る寸法測定システムによれば、第1実施形態に比べて、繰り返しの寸法測定を行わないため、補正量算出部７８や補正部８０の処理も省略することができる。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態に係る寸法測定装置としての寸法測定システムについて説明する。本第３実施形態に係る寸法測定システムでは、測定対象が第１実施形態と異なる。本第３実施形態に係る寸法測定システムの構成については、第１実施形態と同様である。

図９は、本第３実施形態に係る寸法測定システムにおける測定対象である校正用チャートＷ２の正面図である。

この校正用チャートＷ２は、ガラス基板１３と、ガラス基板１３上に設けられた主パターン１５Ａとを有している他、さらに主パターン１５Ａの周囲に設けられ、主パターン１５Ａよりも小さい複数の線状パターンの副パターン１５Ｂとが設けられている。

主パターン１５Ａは、寸法の測定対象となるものである。主パターン１５Ａの形状は特に限定されないが、本第３実施形態では円形とされている。この主パターン１５Ａは、撮像部６４で撮像可能な範囲１００を超える寸法を有している。また、副パターン１５Ｂの配置は主パターン１５Ａの周囲であれば特に限定されないが、本第３実施形態では主パターン１５Ａから放射状に延びている。この副パターン１５Ｂは、撮像部６４で撮像し可能な範囲１００内に収まる寸法を有している。

この校正用チャートＷ２の主パターン１５Ａの寸法測定は、まず図４に示すステップＳＰ１０〜ＳＰ２２で、副パターン１５Ｂを測定対象とすることで焦点位置補正量ΔＺを取得し、ステップＳＰ２４〜Ｐ２６で、副パターン１５Ｂの周囲にある主パターン１５Ａの一部（例えば撮像部６４を動かさなくても画像に写る範囲１００内の主パターン１５Ａの一部）をオートフォーカスして仮焦点位置Ｚ_af（ｎ）を取得する。その後、ステップＳＰ２８で、焦点位置補正量ΔＺを用いてオートフォーカスで取得したＺ_af（ｎ）を補正して（真の）焦点位置Ｚ_t（ｎ）を取得する。その後、ステップＳＰ３０で、焦点位置Ｚ_t（ｎ）を用いて、副パターン１５Ｂの周囲にある主パターン１５Ａの一部（測定点１０２）のエッジ検出をする（本実施形態では寸法測定ではない）。その他の副パターン１５Ｂの周囲にある測定点１０２についても、撮像部６４とステージ１４（撮像対象）のＸ軸方向又はＹ軸方向の相対位置を変化させつつ、同様にステップＳＰ２４〜ＳＰ３０を繰り返して、エッジ検出を繰り返す。全ての測定点１０２についてエッジ検出が終わると、エッジ検出の結果から、主パターン１５Ａの寸法測定をする。

以上、本第３実施形態に係る寸法測定システムによれば、校正用チャートＷ２に測定対象となる主パターン１５Ａ以外に、焦点位置補正量ΔＺを得るための副パターン１５Ｂを設けているので、主パターン１５Ａが線状のみならず、円状や三角状など形状を問わずに、第１実施形態で説明した焦点位置の補正を行え、寸法測定の高精度化を実現することができる。

また、主パターン１５Ａが線状のものであっても、撮像部６４で撮像可能な範囲１００を超える大きさとされていると、それ自体を撮像して焦点位置補正量ΔＺを取得することはできないが、副パターン１５Ｂが撮像部６４で撮像可能な範囲１００内に収まる大きさとされているため、副パターン１５Ｂを撮像して焦点位置補正量ΔＺを取得することができる。この焦点位置補正量ΔＺは、主パターン１５Ａを寸法測定する際の焦点位置の補正に利用できる。この結果、主パターン１５Ａの大きさを問わず、寸法測定の高精度化を実現することができる。

＜変形例＞
以上、本願の開示する技術の複数の実施形態について説明したが、本願の開示する技術は、上記に限定されるものではない。

例えば、図４に示すステップＳＰ１６では、焦点位置決定部７６は、各線幅Ｗ₀〜Ｗ₆と相対位置Ｚ₀〜Ｚ₆とに基づき近似曲線９０を作成し、当該近似曲線９０の中で線幅が最小Ｗ_minとなる相対位置Ｚ_calcを補正用焦点位置として取得する場合を説明した。この他にも、焦点位置決定部７６は、近似曲線９０を作成することなく、各線幅Ｗ₀〜Ｗ₆の中で線幅が最小となる相対位置Ｚ_calcを補正用焦点位置として取得してもよい。

また、図４に示すステップＳＰ２２の本測定の前に、操作部６０の操作を受け付けるまで待機するステップを設けてもよい。

また、基板１３の材料がガラスでパターン１５の材料がクロムである場合を説明したが、これらの材料は特に限定されない。

また、寸法測定装置１の測定対象は、校正用チャートＷ１やＷ２等を含む校正用チャートＷのパターンである場合を説明したが、例えば半導体等のワークであってもよい。

１寸法測定システム（寸法測定装置）
１３ガラス基板（基板）
１５パターン（測定対象）
１５Ａ主パターン（測定対象）
１５Ｂ副パターン（測定対象）
６４撮像部
６６変化部
７２オートフォーカス部
７４準備測定部
７６焦点位置決定部
７８補正量算出部
８０補正部
８２本測定部
９０近似曲線
Ｗ校正用チャート
Ｗ１校正用チャート
Ｗ２校正用チャート

Claims

測定対象を撮像する撮像部と、
前記測定対象と前記撮像部との相対位置を変化させる変化部と、
前記測定対象をコントラスト法でオートフォーカスした、前記測定対象に対する前記撮像部の仮焦点位置を取得し、前記相対位置を変化させながら前記測定対象を撮像した各画像から、前記測定対象の寸法をそれぞれ測定する準備測定部と、
前記準備測定部で測定された各寸法と、各寸法に対応する前記相対位置とに基づき、寸法が最小又は最大となる相対位置を、前記測定対象に対する前記撮像部の焦点位置として決定する焦点位置決定部と、
前記焦点位置において前記測定対象を撮像し、撮像により得られた画像から前記寸法を測定する本測定部と、
前記仮焦点位置と前記焦点位置とに基づいて焦点位置補正量を算出する補正量算出部と、
前記測定対象とは異なる新たな測定対象を測定する場合に、前記新たな測定対象に対してコントラスト法でオートフォーカスして、新たな仮焦点位置を取得するオートフォーカス部と、
前記オートフォーカス部で取得した前記新たな仮焦点位置を前記焦点位置補正量で補正し、新たな焦点位置を得る補正部と、
を有し、
前記本測定部はさらに、前記新たな焦点位置で前記新たな測定対象を撮像した画像から前記新たな測定対象の寸法を測定する、
寸法測定装置。
前記変化部は、前記仮焦点位置を基準として前記相対位置を変化させる、
請求項１に記載の寸法測定装置。
前記変化部は、前記仮焦点位置を基準として、焦点深度の範囲内で、前記相対位置を変化させる、
請求項２に記載の寸法測定装置。
前記測定対象は、校正用チャートのパターンである、
請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の寸法測定装置。
測定対象をコントラスト法でオートフォーカスした、前記測定対象に対する撮像部の仮焦点位置を取得するステップと、
前記測定対象を撮像する前記撮像部と前記測定対象の相対位置を変化させながら、前記測定対象を撮像した各画像から、前記測定対象の寸法をそれぞれ測定するステップと、
測定した各寸法と、各寸法に対応する前記相対位置とに基づき、寸法が最小又は最大となる相対位置を、前記測定対象に対する前記撮像部の焦点位置として決定するステップと、
前記焦点位置において前記測定対象を撮像し、撮像により得られた画像から前記寸法を測定するステップと、
前記仮焦点位置と前記焦点位置とに基づいて焦点位置補正量を算出するステップと、
前記測定対象とは異なる新たな測定対象を測定する場合に、前記新たな測定対象に対してコントラスト法でオートフォーカスして、新たな仮焦点位置を取得するステップと、
前記新たな仮焦点位置を前記焦点位置補正量で補正し、新たな焦点位置を得るステップと、
前記新たな焦点位置で前記新たな測定対象を撮像した画像から前記新たな測定対象の寸法を測定するステップと、
を有する寸法測定方法。