JP2004198274A - 三次元形状測定装置及び三次元形状測定方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】オートフォーカスにより非接触で三次元形状測定を行う場合に、その測定時間を短縮するようにする。
【解決手段】三次元形状測定装置であって、測定対象物２１が搭載されるＸＹステージ５と、ＸＹステージ５に対し光軸方向に相対移動可能なＺステージ６と、ＸＹステージ５及びＺステージ６の座標を検出する検出器２９，３０，３１と、測定対象物２１の測定点とＺステージ６との相対距離を一定に保つオートフォーカスユニット１０と、検出器２９，３０，３１により検出された座標に係るデータを処理するホストコンピュータ３と、を備えるようにし、オートフォーカスにより焦点位置を検出しながら測定対象物２１の表面形状のエッジを追跡する、ように構成する。
【選択図】 図２
【解決手段】三次元形状測定装置であって、測定対象物２１が搭載されるＸＹステージ５と、ＸＹステージ５に対し光軸方向に相対移動可能なＺステージ６と、ＸＹステージ５及びＺステージ６の座標を検出する検出器２９，３０，３１と、測定対象物２１の測定点とＺステージ６との相対距離を一定に保つオートフォーカスユニット１０と、検出器２９，３０，３１により検出された座標に係るデータを処理するホストコンピュータ３と、を備えるようにし、オートフォーカスにより焦点位置を検出しながら測定対象物２１の表面形状のエッジを追跡する、ように構成する。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、三次元形状の非接触寸法測定に用いられる測定装置及びその測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、測定対象物をステージ上に載置し、拡大光学系を介して拡大観察しながらステージを移動させ、その移動量から測定対象物の形状を測定する測定顕微鏡装置が普及している。また、そのような装置にレーザオートフォーカス機構を設けてＺ方向の測定を自動化したものも使用されている。さらには、そのような装置にレーザオートフォーカス機構と電動ＸＹステージを組み合わせて、三次元データを取得して表面形状の観察及び測定を可能にするような、非接触の寸法測定方法も利用されるようになってきた。
【０００３】
例えば、特許文献１には、レーザオートフォーカス機構を用いて微小形状に対しても対応可能にした非接触自動焦点位置合わせ装置が提案されている。また、特許文献２には、オートフォーカスを行いながら所定の測定ピッチで走査を行い、高さ聞値を越えた位置をエッジとして検出し、測定対象物を非接触で寸法測定する方法が提案されている。
【０００４】
【特許文献１】
特公平５−６３７７１号公報
【特許文献２】
特許３１８００９１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような測定方法では、真円や線幅以外の定形外の形状測定や、三次元形状表示のための測定が行われる場合に、単純に所定の測定ピッチでＸＹ方向に走査しながら測定が行われるため、測定対象とされるエッジ以外の箇所の無駄なデータが多数取得されることとなり、測定対象とは無関係な箇所で無駄な時間が費やされ、測定時間が長くなってしまう問題があった。
【０００６】
本発明の課題は、上記実情に鑑み、エッジを基準とした寸法測定や三次元形状表示を行う等オートフォーカスにより非接触で三次元形状測定を行う場合に、その測定時間の短縮を可能にする、三次元形状測定装置及び三次元形状測定方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の第一の態様は、測定対象物が搭載されるＸＹステージと、該ＸＹステージに対し光軸方向に相対移動可能な拡大光学系と、前記ＸＹステージ及び前記拡大光学系の座標を検出する検出手段と、前記測定対象物の測定点と拡大光学系との相対距離を一定に保つオートフォーカス手段と、前記検出手段により検出された座標に係るデータを処理するデータ処理手段と、を備え、オートフォーカスにより焦点位置を検出しながら前記測定対象物の表面形状のエッジを追跡する、ように構成される三次元形状測定装置である。
【０００８】
上記の構成によれば、測定対象物の表面形状のエッジが追跡されながら測定点のデータが取得されるようになるので、特にエッジを基準とした三次元形状測定に無用な測定点のデータが取得されることはなく、必要な測定点のデータのみが取得されるようになり、測定時間の短縮化が可能になる。
【０００９】
本発明の第二の態様は、測定対象物が搭載されるＸＹステージと、該ＸＹステージに対し光軸方向に相対移動可能な拡大光学系と、前記ＸＹステージ及び前記拡大光学系の座標を検出する検出手段と、前記測定対象物の測定点と拡大光学系との相対距離を一定に保つオートフォーカス手段と、前記拡大光学系により得られた光学像を撮像する撮像手段と、前記検出手段により検出された座標に係るデータの処理、前記撮像手段により撮像された画像に係るデータの処理、又は前記座標に係るデータの処理及び前記画像に係るデータの処理、を行うデータ処理手段と、を備え、前記撮像手段により撮像された画像からエッジを抽出し、該抽出により得られた前記画像上のエッジの周辺に対応する前記測定対象物上の位置でのみオートフォーカスを行って焦点位置を検出する、ように構成される三次元形状測定装置である。
【００１０】
上記の構成によれば、画像処理によって抽出された画像上のエッジの周辺に対応する、測定対象物の位置のデータのみが取得されるようになるので、特にエッジを基準とした三次元形状測定に無用な測定点のデータが取得されることはなく、必要な測定点のデータのみが取得されるようになり、測定時間の短縮化が可能になる。
【００１１】
本発明の第三の態様は、オートフォーカスにより測定対象物の測定点と拡大光学系との相対距離を一定に保つように前記測定対象物が搭載されるＸＹステージに対し前記拡大光学系を光軸方向に相対移動させて焦点位置を検出しながら前記測定対象物の表面形状のエッジを追跡する、三次元形状測定方法である。
【００１２】
上記の方法によっても、上記第一の態様と同様の作用・効果を得る。
本発明の第四の態様は、測定対象物の光学像を撮像し、該撮像により得られた画像からエッジを抽出し、該抽出により得られた前記画像上のエッジの周辺に対応する前記測定対象物上の位置でのみオートフォーカスを行って焦点位置を検出する、三次元形状測定方法である。
【００１３】
上記の方法によっても、上記第二の態様と同様の作用・効果を得る。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
はじめに第一の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第一の実施の形態に係る三次元形状測定装置の構成例を示す図である。
【００１５】
同図において、三次元形状測定装置（以下単に測定装置と言う）１は、装置本体２とコンピュータ３等で構成されている。
装置本体２には、被測定物を載置する、Ｘ，Ｙ軸モータを備えたＸＹステージ５がベース４上に取り付けられている。ＸＹステージ５は、外部通信ケーブル１４を介してホストコンピュータ３により制御されている。また、このＸＹステージ５には、不図示ではあるが、当該ＸＹステージ５のＸ方向及びＹ方向の移動量を検出する、Ｘ軸及びＹ軸に対するＸ検出器及びＹ検出器が備えられている。ＸＹステージ５の上方には、Ｚ軸モータを備えたＺステージ６（拡大光学系）が設けられ、このＺステージ６には対物レンズ７が取り付けられ、コラム８に設けられたガイド９等の案内によって上下移動が行われるようになっている。また、Ｚステージ６には、オートフォーカスユニット１０が取り付けられ、被測定物と対物レンズ７との相対距離をー定に保つことができるようになっている。オートフォーカスユニット１０の上方には、接眼鏡筒１１が取り付けられている。また、コラム８の内部には、Ｚステージ６の移動量を検出する不図示のＺ検出器が備えられている。Ｘ検出器、Ｙ検出器、Ｚ検出器の各信号は、コラム８内の不図示の信号演算回路により演算され、移動量に応じた座標データが、Ｘ表示部１２ａ、Ｙ表示部１２ｂ、Ｚ表示部１２ｃへ送られてその座標が表示されるようになっている。また、座標データは、外部通信ケーブル１３を介してホストコンピュータ３へも送られる。
【００１６】
ホストコンピュータ３は、データ処理部３ａと表示部３ｂ等により構成されている。データ処理部３ａは、不図示の内部メモリに格納されている制御プログラムを実行することによって、入力された座標データの処理など、本測定装置１の全体の動作を制御する。また、表示部３ｂには、必要に応じて所定の情報が表示される。
【００１７】
続いて、このような構成を有する測定装置１の動作について説明する。
図２は、オートフォーカスを実行させてＸＹＺの各座標値を取得する動作を説明する図である。
同図において、ＸＹステージ５上には被測定物２１が載置されている。また、対物レンズ７が取り付けられたＺステージ６は、Ｚ軸モータ２２の駆動によって移動し、被測定物２１との相対距離が変化するようになっている。
【００１８】
ここで、ホストコンピュータ３から合焦検出制御部２３へオートフォーカス実行の指示が出力されると、合焦検出部２４では、レーザプローブ光２４ａが出射され、被測定物２１からの光が、焦点面の前方に設けられたピンホール２４ｂを通して受光面２４ｃに受光し、また焦点面の後方に設けられたピンホール２４ｄを通して受光面２４ｅに受光する。そして、合焦検出制御部２３は、受光面２４ｃに受光した光に基づく信号と受光面２４ｅに受光した光に基づく信号との差から焦点信号を求め、この焦点信号に基づいてＺ軸駆動回路２５を介してＺ軸モータ２２を駆動することによってＺステージ６を焦点位置へ移動させる。Ｚステージ６が焦点位置に移動すると合焦検出制御部２３から合焦信号が発生し、これがＸ軸移動量カウンタ２６、Ｙ軸移動量カウンタ２７、及びＺ軸移動量カウンタ２８に与えられる。Ｘ軸移動量カウンタ２６、Ｙ軸移動量カウンタ２７、Ｚ軸移動量カウンタ２８は、合焦検出部２３から合焦信号が入力されると、その入力時に検出された移動量をホストコンピュータ３に出力する。すなわち、Ｘ軸移動量カウンタ２６はＸ軸検出器２９で検出されたＸ軸移動量を出力し、Ｙ軸移動量カウンタ２７はＹ軸検出器３０で検出されたＹ軸移動量を出力し、Ｚ軸移動量カウンタ２８は、Ｚ軸検出器３１で検出されたＺ軸移動量を出力する。ＸＹステージ５は、ホストコンピュータ３からの命令によりＸＹ軸駆動回路３２を介してＸ軸モータ３３及びＹ軸モータ３４が駆動されることによって、所望の位置へ移動される。
【００１９】
尚、本実施の形態において、オートフォーカスの方式は上述した方式に限定されず、例えばＰＳＤ（ Position Sensitive Detector ）を用いた三角測量方式、或いはその他の方式であっても良い。また、ここでは、Ｚステージ６を移動することによって被測定物２１との相対距離が変化するものであるが、Ｚステージ６の代わりにＸＹステージ５を移動することによってＺステージ６と被測定物２１との相対距離が変化するものであっても良い。
【００２０】
続いて、上述した構成の測定装置１において行われる三次元形状測定処理について説明する。ここでは、特に、エッジを基準とした寸法測定や三次元形状表示等を行うのに好適な測定処理を、図３乃至図６を参照しながら説明する。尚、本測定処理は、ホストコンピュータ３のデータ処理部３ａが不図示の制御プログラムを実行することによって行われるものである。
【００２１】
本測定処理では、まず、測定者（ユーザ）の指示に応じて、被測定物２１の測定範囲及び測定ピッチが設定される。
図３は、測定者の指示に応じて設定された、被測定物２１の測定範囲のー部を示す図である。同図の４１ａ、４１ｂは、測定者の指示に応じて、被測定物２１のＸＹ方向の測定範囲に対して設定された一定のピッチである。そして、このピッチによって決定されるグリッドの交点が測定点として設定される。
【００２２】
尚、被測定物２１の測定範囲は矩形として設定しても良く、又は被測定物２１の形状に合わせた形（例えば丸型等）として設定しても良く、又は任意形状として設定しても良いのはもちろんである。
このようにして被測定物２１の測定範囲及びピッチが設定されると、続いて図４に示すフローに従って実際の測定が行われる。
【００２３】
図４は、その測定処理の処理内容の一例を示すフローチャートである。
同図に示したように、まず、Ｓ４０１では、ＸＹステージ５が、測定開始点（図３に示した測定範囲の左上の測定点）から左方向へピッチ４１ａ分（図３参照）離れた位置へ移動されると共に、移動ベクトル番号の初期値が設定される。尚、移動ベクトル番号は、右、右上、上、左上、左、左下、下、右下の各方向に対して、それぞれ０、１、２、３、４、５、６、７が割り当てられている。本例では、測定開始時は右方向に走査するものとして、移動ベクトル番号の初期値が０に設定される（Ｖ１＝０）。
【００２４】
Ｓ４０２では、ＸＹステージ５が右方向へピッチ４１ａ分移動される。例えば、本フローが開始されて始めて本ステップが実行されたときには、ＸＹステージ５が、図３に示した測定範囲の左上の測定点である測定開始点に移動されることになる。
【００２５】
Ｓ４０３では、前ステップで移動された位置（測定点）にて、オートフォーカスが実行され焦点位置Ｚａが求められる。
Ｓ４０４では、前ステップで求められた焦点位置Ｚａの値が、基準面に対する高さ閾値Ｔよりも大きいか否かが判定され、その判定結果がＹｅｓの場合にはＳ４０５へ進み、Ｎｏの場合にはＳ４０２へ戻って上述の処理が繰り返される。
【００２６】
Ｓ４０５では、この時のＸＹ座標（ＸＹ位置）Ｓが記録される。
尚、本フローでは、凸側のエッジ（輪郭）を検出するものとして、Ｓ４０４及び後述のＳ４１０の判定処理において焦点位置Ｚａ（Ｓ４１０ではＺｂ）が閾値Ｔよりも大きいと判定されたときのＸＹ位置Ｓを、エッジとして検出するようにしている。
【００２７】
続くＳ４０６乃至Ｓ４１１の処理では、着目点（この時の位置）の周囲の測定点を反時計周りに移動しながら、焦点位置Ｚｂが閾値Ｔを超える位置を探索する処理が行われる。
図５は、その探索手法の一例を説明する図である。
【００２８】
同図に示したように、移動ベクトル番号が０の場合には、着目点（同図の点Ｏ）の左方向の測定点についての処理は既に終了しているので、着目点の左下側の測定点を出発点として、左下→下→右下→右→右上→上→左上の順番（同図の数字で示した順番）で探索が行われる。すなわち、Ｖ１が０の場合には、着目点を基準とした探索方向を示すベクトルＶ２が、５→６→７→０→１→２→３の順になることになる。
【００２９】
このような処理がＳ４０６乃至Ｓ４１１の処理で行われる。
具体的には、まずＳ４０６にて、ｉに５が設定される（ｉ＝５）。
Ｓ４０７では、（Ｖ１＋ｉ）／８の余りが求められ、その余りが探索方向ベクトルＶ２として設定される。例えば、Ｖ１＝０，ｉ＝５の場合には、Ｖ２＝５に設定される。
【００３０】
Ｓ４０８では、測定位置が、前ステップで設定された、着目点に対するＶ２方向の測定点になるようにＸＹステージ５が移動される。例えば、Ｖ２＝５の場合には、測定位置が着目点の左下方向の測定点になるようにＸＹステージ５が移動される。
【００３１】
Ｓ４０９では、前ステップで移動された位置（測定点）にて、オートフォーカスが実行され焦点位置Ｚｂが求められる。
Ｓ４１０では、前ステップで求められた焦点位置Ｚｂの値が、基準面に対する高さ閾値Ｔよりも大きいか否かが判定され、その判定結果がＹｅｓの場合にはＳ４１２へ進み、Ｎｏの場合にはＳ４１１へ進む。
【００３２】
Ｓ４１１では、ｉがインクリメントされ（ｉ＝ｉ＋１）、処理がＳ４０７へ戻り、次の、着目点に対するＶ２方向の測定点に対して上述の処理が繰り返される。例えば、ｉがインクリメントされてｉ＝６となり、Ｖ１＝０の場合には、Ｖ２＝６となり、次は、着目点の下方向の測定点についての測定が行われるようになる。
【００３３】
Ｓ４１２では、直前に移動した移動方向を示すベクトル方向番号が、探索方向ベクトル番号Ｖ１として設定される。例えば、前回に測定した測定点から現在の測定点への移動方向が右方向（０）であった場合には、Ｖ１＝０に設定される。Ｓ４１３では、現在の位置が最初にエッジとして検出したＸＹ位置であるか否かを判定するため、現在のＸＹ位置がＳ４０５で記録したＸＹ位置Ｓと同じ位置であるか否かが判定され、その判定結果がＹｅｓの場合には本フローが終了し、Ｎｏの場合にはＳ４０６へ処理が戻り上述の処理が繰り返される。
【００３４】
このように、本フローが実行されることによって、被測定物２１のエッジ周辺の測定点のデータのみが取得されるようになる。
図６は、上述したフローが実行されたときの測定範囲上の測定経路の一例を示す図である。
【００３５】
同図において、黒丸で示した測定点は高さ閾値Ｔよりも低い測定点を示し、また白丸で示した測定点は高さ閾値Ｔよりも高い測定点を示している。
同図に示した測定範囲において、例えば、点Ａに示す測定点を測定開始位置として前述のフローに従って測定が開始されていくと、同図の矢印に示したように測定位置が順次変更されるようにＸＹステージ５が移動されながらオートフォーカスが行われていき、被測定物２１のエッジ周辺の測定点についてのみオートフォーカスが行われて、その測定点のデータのみが取得されるようになる。
【００３６】
続いて、このようにして取得された、被測定物２１のエッジ周辺の測定点のデータを用いて、エッジを基準とした寸法測定や三次元形状表示が行われる。尚、この三次元形状表示では、三次元グラフィック化された三次元形状が表示部３ｂに表示される。また、この表示のときに、例えば、エッジ内部の未測定の測定点のデータとして、既に取得されているエッジ周辺の測定点のデータを用いて、エッジ側から近傍の測定点のデータの平均値で満たしていくようにしても良い。
【００３７】
以上、本実施の形態によれば、被測定物２１のエッジ周辺の測定点のデータのみを取得することができるので、エッジを基準とした寸法測定や三次元形状表示等を行う場合に、データ取得時間を短縮することが可能になる。
尚、本実施の形態において、例えば、次のような変形例が考えられる。
【００３８】
まず、図４に示したフローにおいて、一つのエッジ周辺の測定点のデータの取得が終了した後は、最後に測定した測定点から右方向であって、かつデータ未取得の測定点から、同様にして処理を開始するようにしても良い。図６に示した例では、処理が終了し、最後に測定した測定点であるＢから右方向であって、かつデータ未取得の測定点であるＣから処理が開始されることになる。これにより、複数のエッジに係る測定点のデータを取得することができる。
【００３９】
また、Ｙ方向において、１ライン毎の全てのラインについて測定する必要はなく、所定ライン毎のラインのように間引いて測定するようにしても良い。このようにすることで、ＸＹラスタ走査する測定点を、より少なくすることができ、よりデータ取得時間を短縮することができる。また、このようにして取得した測定点のデータを用いて三次元形状測定を行う場合に、取得したデータが不十分なときには、取得したデータの測定点（エッジ）から一定距離離れた位置までの範囲となるエッジ内側及び外側の未測定の測定点だけを選択的に測定して、不足しているデータを補うようにしても良い。
【００４０】
また、エッジ内部の形状情報をも必要とする場合には、上述の測定処理によって求められたエッジの内部において、閾値Ｔの代わりに第２の閾値を用いて、上述した測定処理を再び実行すれば良い。これにより、例えば段差測定に必要な部分のデータだけを選択的に取得することが可能になる。
【００４１】
また、図４に示したフローは、凸側のエッジを検出するものであったが、閾値Ｔの比較条件を変更（不等号を反転）することによって、凹側のエッジを検出するようにしても良い。
また、図４に示したフローでは、着目点の周辺８方向についてエッジ位置となる閾値Ｔを超える位置を探索するものであったが、例えば着目点の周辺４方向（右，上，左，下の各方向）についてのみ探索を行うようにしても良い。但し、この場合には、凸部分（或いは凹部分）のみを測定してしまう可能性があるため、本測定処理が終了した後に、取得したデータの測定点の１つ外側或いは内側の測定点の周囲のデータを測定しておく必要がある。
【００４２】
次に、本発明の第二の実施の形態について説明する。
図７は、本発明の第二の実施の形態に係る三次元形状測定装置の構成例を示す図である。尚、同図中において、図１に示した構成と同一の構成については同一の符号を付して示している。
【００４３】
図７に示した三次元形状測定装置５１では、接眼鏡筒１１上の上方に、結像レンズを内蔵する鏡筒５２とカメラ（カラーカメラ）５３とから構成される撮像装置が取り付けられ、この撮像装置によって撮像された画像は、ケーブル５４を介して、不図示の画像取込回路によってホストコンピュータ３へ送られるようになっている。その他の構成については、図１に示した構成と同様である。
【００４４】
続いて、このような構成の測定装置５１の動作について説明する。
図８は、ＸＹステージ５を制御して画像を取り込む動作及びオートフォーカスを実行させてＸＹＺの各座標値を取得する動作を説明する図である。尚、同図中において、図２に示した構成と同一の構成については同一の符号を付して示している。
【００４５】
図８に示した測定装置５１の動作では、図２を用いて説明した測定装置１の動作（オートフォーカスを実行させてＸＹＺの各座標値を取得する動作）に加え、次のような動作（画像を取り込む動作）が行われる。まず、Ｚステージ６が焦点位置へ移動され、合焦検出制御部２３から合焦信号が発生すると、この合焦信号は画像取込回路５５へも送られる。画像取込回路５５は、合焦信号を受信するとカラーカメラ５３によるフレーム画像の取り込みを開始し、取り込んだフレーム画像をホストコンピュータ３へ送る。そして、ホストコンピュータ３では、取り込まれたフレーム画像がＸＹＺの各移動量データと関連付けされてホストコンピュータ３に記録される。
【００４６】
尚、本実施の形態においても、オートフォーカスの方式は上述した方式に限定されず、例えばＰＳＤを用いた三角測量方式、或いはその他の方式であっても良い。また、Ｚステージ６の代わりにＸＹステージ５を移動することによってＺステージ６と被測定物２１との相対距離が変化するものであっても良い。
【００４７】
続いて、上述した測定装置５１において行われる三次元形状測定処理について説明する。ここでは、特に、エッジを基準とした寸法測定や三次元形状表示等を行うのに好適な測定処理を、図９及び図１０(a),(b) を参照しながら説明する。尚、本測定処理は、コンピュータ３のデータ処理部３ａが不図示の制御プログラムを実行することによって行われるものである。
【００４８】
本測定処理では、まず、測定者の指示に応じて被測定物２１の測定範囲が設定される。
図９は、設定された測定範囲と撮像範囲の関係を示す図である。
同図において、実線６１は、測定者により設定された被測定物２１のＸＹ方向の測定範囲を示す領域を示している。また、点線６２は、カメラ５３により撮像される顕微鏡画像の１視野を示す領域（１フレーム画像に対応する領域）を示し、この１視野を示す領域が同図では９つ示されている。
【００４９】
続いて、実際に測定が開始されると、ＸＹステージ５は各撮像視野の中心点（同図の十字マーク）６３を同図矢印に示したように移動し、各撮像視野の中心点にて撮像した各１視野を示す領域の顕微鏡画像が取得され、これらがホストコンピュータ３に記録される。
【００５０】
尚、このときに、被測定物２１の高低差がカメラ５３により得られる画像の焦点深度を超えるような場合には、１視野の撮像において、Ｚステージ６をー定間隔で移動させながらスライス画像を取得して各画素の輝度が最も高いデータ或いはコントラストが最も高いデータに置き換える、いわゆるダイナミックフォーカスの手法を用いた画像を使用するようにしても良い。
【００５１】
続いて、このようにして取得された各撮像位置における画像は、ホストコンピュータ３による画像処理によって、画像内のエッジの抽出が行われる。
この画像内のエッジの抽出方法として、例えば、画像を二値化してノイズ成分による孤立点や穴を取り除くためにいわゆるモフォロジーフィルタをかけた後に、顕微鏡画像に対してー般に用いられているような粒子解析を行うための境界線追跡のアルゴリズムに従った処理を適用するようにしても良い。
【００５２】
また、このときに、画像を二値化するための閾値を複数用意し、それぞれの閾値を用いた二値化結果に対して境界線追跡に係る処理を行った結果を重ね合わせれば、反射率の異なる複数の材質により構成されている被測定物に対しても、それぞれの材質境界部を抽出することができる。
【００５３】
また、境界線追跡に係る処理の結果求められた境界で囲まれる領域の面積がー定以上無いものを排除するようにすれば、ノイズとして偶発的に出てしまったようなエッジを取り除くことができる。
尚、二値化するための聞値（二値化閾値）は、画像のヒストグラムの谷位置を検出して自動設定しても良く、或いは測定者がホストコンピュータ３の表示部３ｂに表示された画像を見ながら設定するようにしても良い。
【００５４】
また、上述の境界線追跡に係る処理と、例えばラプラシアンのようなエッジ抽出のための空間フィルタを施すような処理とを組み合わせて、まず境界線追跡に係る処理により外周のエッジを抽出し、更に空間フィルタを施す処理によりエッジ抽出を行うことによって、境界線追跡に係る処理のみでは抽出しきれないエッジ部分（二値化閾値の設定に影響を受けないエッジ部分）についても、空間フィルタを施す処理を加えることによって抽出が可能になる。
【００５５】
そして、このようにして抽出されたエッジの形状は、ホストコンピュータ３の表示部３ｂに表示され、必要に応じて、測定者によって追加、消去等の編集が行われる。
続いて、この編集が終了する等してエッジの形状が確定されると、画像の画素間距離が実寸変換され、画像上のエッジを挟む両側の近傍測定点が測定実施点としてホストコンピュータ３に登録される。
【００５６】
図１０(a),(b) は、このときに登録された測定実施点の一例を示す図である。同図(a) は、画像上のエッジを挟む両側の最近傍測定点が測定実施点とされた例を示している。同図(a) において、７１は、画像内において抽出されたエッジを示し、グリッド７２の各交点は、測定点を示している。また、黒丸で示された測定点が、エッジ７１を挟む両側の最近傍測定点を示し、測定実施点とされる点である。この例では、Ｘ方向、Ｙ方向のそれぞれに対してエッジ７１の両側の最近傍点が、測定実施点として登録されるものである。
【００５７】
同図(b) は、画像上のエッジを挟む両側の、エッジから一定距離範囲内の近傍測定点が測定実施点とされた例を示している。同図(b) に示したように、黒丸で示された測定点が、エッジ７１を挟む両側の、エッジ７１から一定距離範囲内の測定点を示し、測定実施点とされる測定点である。この例では、Ｘ方向、Ｙ方向のそれぞれに対してエッジ７１の両側の３測定点が、測定実施点として登録されるものである。これにより、より精度の高い測定が可能になる。
【００５８】
このようにして測定実施点が登録されることによって、測定範囲全域の測定点全てをＸＹラスタ走査することなく、三次元形状測定に必要な測定点のみの測定が可能になる。
続いて、このようにして登録された測定実施点に従って、ＸＹテーブル５が移動され、各測定実施点においてオートフォーカスが行われて、各測定実施点のデータが取得され、そして各測定実施点のデータを用いてエッジを基準とした寸法測定や三次元形状表示等が行われる。
【００５９】
以上、本実施の形態によれば、測定範囲を撮像して得られた画像から抽出されたエッジを基に、エッジを基準とした寸法測定や三次元形状表示等に必要な測定点だけが選択されてデータが取得されるようになるので、必要無い部分のデータが取得されるのを抑え、データ取得時間を短縮することができる。
【００６０】
尚、本実施の形態において、更にエッジ内部の形状情報が必要な場合には、画像から抽出されたエッジ内側の測定点を選択的に測定実施点とすることで、不必要な測定点のデータ取得に無駄な時間を費やすことなく形状測定を行うことができる。
＜付記＞
付記１ 測定対象物が搭載されるＸＹステージと、
該ＸＹステージに対し光軸方向に相対移動可能な拡大光学系と、
前記ＸＹステージ及び前記拡大光学系の座標を検出する検出手段と、
前記測定対象物の測定点と拡大光学系との相対距離を一定に保つオートフォーカス手段と、
該オートフォーカス手段により前記相対距離が一定に保たれたときに前記検出手段により検出された座標から得られた焦点位置とエッジ検出のための閾値とを比較する比較手段と、
該比較手段による比較結果に基づいて、前記焦点位置が得られた測定点がエッジであるか否かを判定するエッジ判定手段と、
該エッジ判定手段がエッジであると判定したときに、前記焦点位置が得られた測定点の座標を取得するエッジ座標取得手段と、
前記エッジ判定手段による判定結果に基づいて、次の測定対象となる測定点を指示する指示手段と、
を備え、
オートフォーカスにより前記焦点位置を取得しながら前記測定対象物の表面形状のエッジを追跡する、
ことを特徴とする三次元形状測定装置。
【００６１】
付記２ 前記指示手段は、
前記エッジ判定手段により前記焦点位置が得られた測定点がエッジであると判定されなかったときには、該測定点の周辺の何れかの測定点を、次の測定対象となる測定点として指示する、
ことを特徴とする付記１記載の三次元形状測定装置。
【００６２】
付記３ 前記指示手段は、
次の測定対象となる測定点を、方向により指示する、
ことを特徴とする付記１又は２に記載の三次元形状測定装置。
付記４ 前記方向は、
前記エッジ判定手段がエッジであると判定した測定点を基準とした方向である、
ことを特徴とする付記１乃至３の何れか一つに記載の三次元形状測定装置。
【００６３】
付記５ 前記エッジ座標取得手段により取得された座標に基づいて、前記測定対象物の形状測定を行う、
ことを特徴とする付記１乃至４の何れか一つに記載の三次元形状測定装置。
付記６ 前記エッジ座標取得手段により取得された座標に基づいて、前記測定対象物の三次元形状を表示する、
ことを特徴とする付記１乃至５の何れか一つに記載の三次元形状測定装置。
【００６４】
付記７ 測定対象物が搭載されるＸＹステージと、
該ＸＹステージに対し光軸方向に相対移動可能な拡大光学系と、
前記ＸＹステージ及び前記拡大光学系の座標を検出する検出手段と、
前記測定対象物の測定点と拡大光学系との相対距離を一定に保つオートフォーカス手段と、
前記拡大光学系により得られた光学像を撮像する撮像手段と、
該撮像手段により撮像された画像からエッジを抽出するエッジ抽出手段と、
該エッジ抽出手段により抽出された前記画像上のエッジの周辺に対応する、前記測定対象物の測定点を登録する登録手段と、
を備え、
前記登録手段により登録された測定点でのみオートフォーカスを行って前記座標を取得する、
ことを特徴とする三次元形状測定装置。
【００６５】
付記８ 指示に応じて、
前記登録手段により登録された測定点として新たな測定点を追加する、或いは前記登録手段により登録された測定点を削除する編集手段、
を更に備えることを特徴とする付記７記載の三次元形状測定装置。
【００６６】
付記９ オートフォーカスにより測定対象物の測定点と拡大光学系との相対距離を一定に保つように前記測定対象物が搭載されるＸＹステージに対し前記拡大光学系を光軸方向に相対移動させ、
前記相対距離が一定に保たれたときの前記ＸＹステージと前記拡大光学系の座標を検出し、
該検出した座標から焦点位置を取得し、
該取得した焦点位置とエッジ検出のための閾値とを比較し、
該比較結果に基づいて、前記焦点位置が得られた測定点がエッジであるか否かを判定し、エッジであると判定したときには前記焦点位置が得られた測定点の座標を取得し、
前記判定結果に基づいて、次の測定対象となる測定点を指示する、
ことを特徴とする三次元形状測定方法。
【００６７】
付記１０ 測定対象物の光学像を撮像し、
該撮像により得られた画像からエッジを抽出し、
該抽出により得られた前記画像上のエッジの周辺に対応する、前記測定対象物の測定点を登録し、
該登録により登録された前記測定対象物の測定点でのみオートフォーカスを行って座標を取得する、
ことを特徴とする三次元形状測定方法。
【００６８】
以上、本発明の三次元形状測定装置及び三次元形状測定方法について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良及び変更を行っても良いのはもちろんである。
【００６９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、オートフォーカスを用いた非接触の三次元形状測定において、特にエッジを基準とした寸法測定や三次元形状表示を行う場合に、不必要なデータが取得されるのを抑えて、三次元形状を測定するためのデータ取得時間を効率良く短縮することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態に係る三次元形状測定装置の構成例を示す図である。
【図２】オートフォーカスを実行させてＸＹＺの各座標値を取得する動作を説明する図である。
【図３】測定者の指示に応じて設定された、被測定物の測定範囲のー部を示す図である。
【図４】測定処理の処理内容の一例を示すフローチャートである。
【図５】探索手法の一例を説明する図である。
【図６】測定範囲上の測定経路の一例を示す図である。
【図７】本発明の第二の実施の形態に係る三次元形状測定装置の構成例を示す図である。
【図８】ＸＹステージを制御して画像を取り込む動作及びオートフォーカスを実行させてＸＹＺの各座標値を取得する動作を説明する図である。
【図９】設定された測定範囲と撮像範囲の関係を示す図である。
【図１０】(a),(b) は登録された測定実施点の一例を示す図である。
【符号の説明】
１ 三次元形状測定装置
２ 装置本体
３ ホストコンピュータ
４ ベース
５ ＸＹステージ
６ Ｚステージ
７ 対物レンズ
８ コラム
９ ガイド
１０ オートフォーカスユニット
１１ 接眼鏡筒
１２ａ Ｘ表示部
１２ｂ Ｙ表示部
１２ｃ Ｚ表示部
１３，１４ 外部通信ケーブル
２１ 被測定物
２２ Ｚ軸モータ
２３ 合焦検出制御部
２４ 合焦検出部
２４ａ レーザプローブ光
２４ｂ，２４ｄ ピンホール
２４ｃ，２４ｅ 受光面
２５ Ｚ軸駆動回路
２６ Ｘ軸移動量カウンタ
２７ Ｙ軸移動量カウンタ
２８ Ｚ軸移動量カウンタ
２９ Ｘ軸検出器
３０ Ｙ軸検出器
３１ Ｚ軸検出器
３２ ＸＹ軸駆動回路
３３ Ｘ軸モータ
３４ Ｙ軸モータ
４１ａ，４１ｂ ピッチ
５１ 三次元形状測定装置
５２ 鏡筒
５３ カメラ
５４ ケーブル
５５ 画像取込回路
６１ 測定領域
６２ 顕微鏡画像の１視野を示す領域
６３ 中心点
７１ エッジ
７２ グリッド
【発明の属する技術分野】
本発明は、三次元形状の非接触寸法測定に用いられる測定装置及びその測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、測定対象物をステージ上に載置し、拡大光学系を介して拡大観察しながらステージを移動させ、その移動量から測定対象物の形状を測定する測定顕微鏡装置が普及している。また、そのような装置にレーザオートフォーカス機構を設けてＺ方向の測定を自動化したものも使用されている。さらには、そのような装置にレーザオートフォーカス機構と電動ＸＹステージを組み合わせて、三次元データを取得して表面形状の観察及び測定を可能にするような、非接触の寸法測定方法も利用されるようになってきた。
【０００３】
例えば、特許文献１には、レーザオートフォーカス機構を用いて微小形状に対しても対応可能にした非接触自動焦点位置合わせ装置が提案されている。また、特許文献２には、オートフォーカスを行いながら所定の測定ピッチで走査を行い、高さ聞値を越えた位置をエッジとして検出し、測定対象物を非接触で寸法測定する方法が提案されている。
【０００４】
【特許文献１】
特公平５−６３７７１号公報
【特許文献２】
特許３１８００９１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような測定方法では、真円や線幅以外の定形外の形状測定や、三次元形状表示のための測定が行われる場合に、単純に所定の測定ピッチでＸＹ方向に走査しながら測定が行われるため、測定対象とされるエッジ以外の箇所の無駄なデータが多数取得されることとなり、測定対象とは無関係な箇所で無駄な時間が費やされ、測定時間が長くなってしまう問題があった。
【０００６】
本発明の課題は、上記実情に鑑み、エッジを基準とした寸法測定や三次元形状表示を行う等オートフォーカスにより非接触で三次元形状測定を行う場合に、その測定時間の短縮を可能にする、三次元形状測定装置及び三次元形状測定方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の第一の態様は、測定対象物が搭載されるＸＹステージと、該ＸＹステージに対し光軸方向に相対移動可能な拡大光学系と、前記ＸＹステージ及び前記拡大光学系の座標を検出する検出手段と、前記測定対象物の測定点と拡大光学系との相対距離を一定に保つオートフォーカス手段と、前記検出手段により検出された座標に係るデータを処理するデータ処理手段と、を備え、オートフォーカスにより焦点位置を検出しながら前記測定対象物の表面形状のエッジを追跡する、ように構成される三次元形状測定装置である。
【０００８】
上記の構成によれば、測定対象物の表面形状のエッジが追跡されながら測定点のデータが取得されるようになるので、特にエッジを基準とした三次元形状測定に無用な測定点のデータが取得されることはなく、必要な測定点のデータのみが取得されるようになり、測定時間の短縮化が可能になる。
【０００９】
本発明の第二の態様は、測定対象物が搭載されるＸＹステージと、該ＸＹステージに対し光軸方向に相対移動可能な拡大光学系と、前記ＸＹステージ及び前記拡大光学系の座標を検出する検出手段と、前記測定対象物の測定点と拡大光学系との相対距離を一定に保つオートフォーカス手段と、前記拡大光学系により得られた光学像を撮像する撮像手段と、前記検出手段により検出された座標に係るデータの処理、前記撮像手段により撮像された画像に係るデータの処理、又は前記座標に係るデータの処理及び前記画像に係るデータの処理、を行うデータ処理手段と、を備え、前記撮像手段により撮像された画像からエッジを抽出し、該抽出により得られた前記画像上のエッジの周辺に対応する前記測定対象物上の位置でのみオートフォーカスを行って焦点位置を検出する、ように構成される三次元形状測定装置である。
【００１０】
上記の構成によれば、画像処理によって抽出された画像上のエッジの周辺に対応する、測定対象物の位置のデータのみが取得されるようになるので、特にエッジを基準とした三次元形状測定に無用な測定点のデータが取得されることはなく、必要な測定点のデータのみが取得されるようになり、測定時間の短縮化が可能になる。
【００１１】
本発明の第三の態様は、オートフォーカスにより測定対象物の測定点と拡大光学系との相対距離を一定に保つように前記測定対象物が搭載されるＸＹステージに対し前記拡大光学系を光軸方向に相対移動させて焦点位置を検出しながら前記測定対象物の表面形状のエッジを追跡する、三次元形状測定方法である。
【００１２】
上記の方法によっても、上記第一の態様と同様の作用・効果を得る。
本発明の第四の態様は、測定対象物の光学像を撮像し、該撮像により得られた画像からエッジを抽出し、該抽出により得られた前記画像上のエッジの周辺に対応する前記測定対象物上の位置でのみオートフォーカスを行って焦点位置を検出する、三次元形状測定方法である。
【００１３】
上記の方法によっても、上記第二の態様と同様の作用・効果を得る。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
はじめに第一の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第一の実施の形態に係る三次元形状測定装置の構成例を示す図である。
【００１５】
同図において、三次元形状測定装置（以下単に測定装置と言う）１は、装置本体２とコンピュータ３等で構成されている。
装置本体２には、被測定物を載置する、Ｘ，Ｙ軸モータを備えたＸＹステージ５がベース４上に取り付けられている。ＸＹステージ５は、外部通信ケーブル１４を介してホストコンピュータ３により制御されている。また、このＸＹステージ５には、不図示ではあるが、当該ＸＹステージ５のＸ方向及びＹ方向の移動量を検出する、Ｘ軸及びＹ軸に対するＸ検出器及びＹ検出器が備えられている。ＸＹステージ５の上方には、Ｚ軸モータを備えたＺステージ６（拡大光学系）が設けられ、このＺステージ６には対物レンズ７が取り付けられ、コラム８に設けられたガイド９等の案内によって上下移動が行われるようになっている。また、Ｚステージ６には、オートフォーカスユニット１０が取り付けられ、被測定物と対物レンズ７との相対距離をー定に保つことができるようになっている。オートフォーカスユニット１０の上方には、接眼鏡筒１１が取り付けられている。また、コラム８の内部には、Ｚステージ６の移動量を検出する不図示のＺ検出器が備えられている。Ｘ検出器、Ｙ検出器、Ｚ検出器の各信号は、コラム８内の不図示の信号演算回路により演算され、移動量に応じた座標データが、Ｘ表示部１２ａ、Ｙ表示部１２ｂ、Ｚ表示部１２ｃへ送られてその座標が表示されるようになっている。また、座標データは、外部通信ケーブル１３を介してホストコンピュータ３へも送られる。
【００１６】
ホストコンピュータ３は、データ処理部３ａと表示部３ｂ等により構成されている。データ処理部３ａは、不図示の内部メモリに格納されている制御プログラムを実行することによって、入力された座標データの処理など、本測定装置１の全体の動作を制御する。また、表示部３ｂには、必要に応じて所定の情報が表示される。
【００１７】
続いて、このような構成を有する測定装置１の動作について説明する。
図２は、オートフォーカスを実行させてＸＹＺの各座標値を取得する動作を説明する図である。
同図において、ＸＹステージ５上には被測定物２１が載置されている。また、対物レンズ７が取り付けられたＺステージ６は、Ｚ軸モータ２２の駆動によって移動し、被測定物２１との相対距離が変化するようになっている。
【００１８】
ここで、ホストコンピュータ３から合焦検出制御部２３へオートフォーカス実行の指示が出力されると、合焦検出部２４では、レーザプローブ光２４ａが出射され、被測定物２１からの光が、焦点面の前方に設けられたピンホール２４ｂを通して受光面２４ｃに受光し、また焦点面の後方に設けられたピンホール２４ｄを通して受光面２４ｅに受光する。そして、合焦検出制御部２３は、受光面２４ｃに受光した光に基づく信号と受光面２４ｅに受光した光に基づく信号との差から焦点信号を求め、この焦点信号に基づいてＺ軸駆動回路２５を介してＺ軸モータ２２を駆動することによってＺステージ６を焦点位置へ移動させる。Ｚステージ６が焦点位置に移動すると合焦検出制御部２３から合焦信号が発生し、これがＸ軸移動量カウンタ２６、Ｙ軸移動量カウンタ２７、及びＺ軸移動量カウンタ２８に与えられる。Ｘ軸移動量カウンタ２６、Ｙ軸移動量カウンタ２７、Ｚ軸移動量カウンタ２８は、合焦検出部２３から合焦信号が入力されると、その入力時に検出された移動量をホストコンピュータ３に出力する。すなわち、Ｘ軸移動量カウンタ２６はＸ軸検出器２９で検出されたＸ軸移動量を出力し、Ｙ軸移動量カウンタ２７はＹ軸検出器３０で検出されたＹ軸移動量を出力し、Ｚ軸移動量カウンタ２８は、Ｚ軸検出器３１で検出されたＺ軸移動量を出力する。ＸＹステージ５は、ホストコンピュータ３からの命令によりＸＹ軸駆動回路３２を介してＸ軸モータ３３及びＹ軸モータ３４が駆動されることによって、所望の位置へ移動される。
【００１９】
尚、本実施の形態において、オートフォーカスの方式は上述した方式に限定されず、例えばＰＳＤ（ Position Sensitive Detector ）を用いた三角測量方式、或いはその他の方式であっても良い。また、ここでは、Ｚステージ６を移動することによって被測定物２１との相対距離が変化するものであるが、Ｚステージ６の代わりにＸＹステージ５を移動することによってＺステージ６と被測定物２１との相対距離が変化するものであっても良い。
【００２０】
続いて、上述した構成の測定装置１において行われる三次元形状測定処理について説明する。ここでは、特に、エッジを基準とした寸法測定や三次元形状表示等を行うのに好適な測定処理を、図３乃至図６を参照しながら説明する。尚、本測定処理は、ホストコンピュータ３のデータ処理部３ａが不図示の制御プログラムを実行することによって行われるものである。
【００２１】
本測定処理では、まず、測定者（ユーザ）の指示に応じて、被測定物２１の測定範囲及び測定ピッチが設定される。
図３は、測定者の指示に応じて設定された、被測定物２１の測定範囲のー部を示す図である。同図の４１ａ、４１ｂは、測定者の指示に応じて、被測定物２１のＸＹ方向の測定範囲に対して設定された一定のピッチである。そして、このピッチによって決定されるグリッドの交点が測定点として設定される。
【００２２】
尚、被測定物２１の測定範囲は矩形として設定しても良く、又は被測定物２１の形状に合わせた形（例えば丸型等）として設定しても良く、又は任意形状として設定しても良いのはもちろんである。
このようにして被測定物２１の測定範囲及びピッチが設定されると、続いて図４に示すフローに従って実際の測定が行われる。
【００２３】
図４は、その測定処理の処理内容の一例を示すフローチャートである。
同図に示したように、まず、Ｓ４０１では、ＸＹステージ５が、測定開始点（図３に示した測定範囲の左上の測定点）から左方向へピッチ４１ａ分（図３参照）離れた位置へ移動されると共に、移動ベクトル番号の初期値が設定される。尚、移動ベクトル番号は、右、右上、上、左上、左、左下、下、右下の各方向に対して、それぞれ０、１、２、３、４、５、６、７が割り当てられている。本例では、測定開始時は右方向に走査するものとして、移動ベクトル番号の初期値が０に設定される（Ｖ１＝０）。
【００２４】
Ｓ４０２では、ＸＹステージ５が右方向へピッチ４１ａ分移動される。例えば、本フローが開始されて始めて本ステップが実行されたときには、ＸＹステージ５が、図３に示した測定範囲の左上の測定点である測定開始点に移動されることになる。
【００２５】
Ｓ４０３では、前ステップで移動された位置（測定点）にて、オートフォーカスが実行され焦点位置Ｚａが求められる。
Ｓ４０４では、前ステップで求められた焦点位置Ｚａの値が、基準面に対する高さ閾値Ｔよりも大きいか否かが判定され、その判定結果がＹｅｓの場合にはＳ４０５へ進み、Ｎｏの場合にはＳ４０２へ戻って上述の処理が繰り返される。
【００２６】
Ｓ４０５では、この時のＸＹ座標（ＸＹ位置）Ｓが記録される。
尚、本フローでは、凸側のエッジ（輪郭）を検出するものとして、Ｓ４０４及び後述のＳ４１０の判定処理において焦点位置Ｚａ（Ｓ４１０ではＺｂ）が閾値Ｔよりも大きいと判定されたときのＸＹ位置Ｓを、エッジとして検出するようにしている。
【００２７】
続くＳ４０６乃至Ｓ４１１の処理では、着目点（この時の位置）の周囲の測定点を反時計周りに移動しながら、焦点位置Ｚｂが閾値Ｔを超える位置を探索する処理が行われる。
図５は、その探索手法の一例を説明する図である。
【００２８】
同図に示したように、移動ベクトル番号が０の場合には、着目点（同図の点Ｏ）の左方向の測定点についての処理は既に終了しているので、着目点の左下側の測定点を出発点として、左下→下→右下→右→右上→上→左上の順番（同図の数字で示した順番）で探索が行われる。すなわち、Ｖ１が０の場合には、着目点を基準とした探索方向を示すベクトルＶ２が、５→６→７→０→１→２→３の順になることになる。
【００２９】
このような処理がＳ４０６乃至Ｓ４１１の処理で行われる。
具体的には、まずＳ４０６にて、ｉに５が設定される（ｉ＝５）。
Ｓ４０７では、（Ｖ１＋ｉ）／８の余りが求められ、その余りが探索方向ベクトルＶ２として設定される。例えば、Ｖ１＝０，ｉ＝５の場合には、Ｖ２＝５に設定される。
【００３０】
Ｓ４０８では、測定位置が、前ステップで設定された、着目点に対するＶ２方向の測定点になるようにＸＹステージ５が移動される。例えば、Ｖ２＝５の場合には、測定位置が着目点の左下方向の測定点になるようにＸＹステージ５が移動される。
【００３１】
Ｓ４０９では、前ステップで移動された位置（測定点）にて、オートフォーカスが実行され焦点位置Ｚｂが求められる。
Ｓ４１０では、前ステップで求められた焦点位置Ｚｂの値が、基準面に対する高さ閾値Ｔよりも大きいか否かが判定され、その判定結果がＹｅｓの場合にはＳ４１２へ進み、Ｎｏの場合にはＳ４１１へ進む。
【００３２】
Ｓ４１１では、ｉがインクリメントされ（ｉ＝ｉ＋１）、処理がＳ４０７へ戻り、次の、着目点に対するＶ２方向の測定点に対して上述の処理が繰り返される。例えば、ｉがインクリメントされてｉ＝６となり、Ｖ１＝０の場合には、Ｖ２＝６となり、次は、着目点の下方向の測定点についての測定が行われるようになる。
【００３３】
Ｓ４１２では、直前に移動した移動方向を示すベクトル方向番号が、探索方向ベクトル番号Ｖ１として設定される。例えば、前回に測定した測定点から現在の測定点への移動方向が右方向（０）であった場合には、Ｖ１＝０に設定される。Ｓ４１３では、現在の位置が最初にエッジとして検出したＸＹ位置であるか否かを判定するため、現在のＸＹ位置がＳ４０５で記録したＸＹ位置Ｓと同じ位置であるか否かが判定され、その判定結果がＹｅｓの場合には本フローが終了し、Ｎｏの場合にはＳ４０６へ処理が戻り上述の処理が繰り返される。
【００３４】
このように、本フローが実行されることによって、被測定物２１のエッジ周辺の測定点のデータのみが取得されるようになる。
図６は、上述したフローが実行されたときの測定範囲上の測定経路の一例を示す図である。
【００３５】
同図において、黒丸で示した測定点は高さ閾値Ｔよりも低い測定点を示し、また白丸で示した測定点は高さ閾値Ｔよりも高い測定点を示している。
同図に示した測定範囲において、例えば、点Ａに示す測定点を測定開始位置として前述のフローに従って測定が開始されていくと、同図の矢印に示したように測定位置が順次変更されるようにＸＹステージ５が移動されながらオートフォーカスが行われていき、被測定物２１のエッジ周辺の測定点についてのみオートフォーカスが行われて、その測定点のデータのみが取得されるようになる。
【００３６】
続いて、このようにして取得された、被測定物２１のエッジ周辺の測定点のデータを用いて、エッジを基準とした寸法測定や三次元形状表示が行われる。尚、この三次元形状表示では、三次元グラフィック化された三次元形状が表示部３ｂに表示される。また、この表示のときに、例えば、エッジ内部の未測定の測定点のデータとして、既に取得されているエッジ周辺の測定点のデータを用いて、エッジ側から近傍の測定点のデータの平均値で満たしていくようにしても良い。
【００３７】
以上、本実施の形態によれば、被測定物２１のエッジ周辺の測定点のデータのみを取得することができるので、エッジを基準とした寸法測定や三次元形状表示等を行う場合に、データ取得時間を短縮することが可能になる。
尚、本実施の形態において、例えば、次のような変形例が考えられる。
【００３８】
まず、図４に示したフローにおいて、一つのエッジ周辺の測定点のデータの取得が終了した後は、最後に測定した測定点から右方向であって、かつデータ未取得の測定点から、同様にして処理を開始するようにしても良い。図６に示した例では、処理が終了し、最後に測定した測定点であるＢから右方向であって、かつデータ未取得の測定点であるＣから処理が開始されることになる。これにより、複数のエッジに係る測定点のデータを取得することができる。
【００３９】
また、Ｙ方向において、１ライン毎の全てのラインについて測定する必要はなく、所定ライン毎のラインのように間引いて測定するようにしても良い。このようにすることで、ＸＹラスタ走査する測定点を、より少なくすることができ、よりデータ取得時間を短縮することができる。また、このようにして取得した測定点のデータを用いて三次元形状測定を行う場合に、取得したデータが不十分なときには、取得したデータの測定点（エッジ）から一定距離離れた位置までの範囲となるエッジ内側及び外側の未測定の測定点だけを選択的に測定して、不足しているデータを補うようにしても良い。
【００４０】
また、エッジ内部の形状情報をも必要とする場合には、上述の測定処理によって求められたエッジの内部において、閾値Ｔの代わりに第２の閾値を用いて、上述した測定処理を再び実行すれば良い。これにより、例えば段差測定に必要な部分のデータだけを選択的に取得することが可能になる。
【００４１】
また、図４に示したフローは、凸側のエッジを検出するものであったが、閾値Ｔの比較条件を変更（不等号を反転）することによって、凹側のエッジを検出するようにしても良い。
また、図４に示したフローでは、着目点の周辺８方向についてエッジ位置となる閾値Ｔを超える位置を探索するものであったが、例えば着目点の周辺４方向（右，上，左，下の各方向）についてのみ探索を行うようにしても良い。但し、この場合には、凸部分（或いは凹部分）のみを測定してしまう可能性があるため、本測定処理が終了した後に、取得したデータの測定点の１つ外側或いは内側の測定点の周囲のデータを測定しておく必要がある。
【００４２】
次に、本発明の第二の実施の形態について説明する。
図７は、本発明の第二の実施の形態に係る三次元形状測定装置の構成例を示す図である。尚、同図中において、図１に示した構成と同一の構成については同一の符号を付して示している。
【００４３】
図７に示した三次元形状測定装置５１では、接眼鏡筒１１上の上方に、結像レンズを内蔵する鏡筒５２とカメラ（カラーカメラ）５３とから構成される撮像装置が取り付けられ、この撮像装置によって撮像された画像は、ケーブル５４を介して、不図示の画像取込回路によってホストコンピュータ３へ送られるようになっている。その他の構成については、図１に示した構成と同様である。
【００４４】
続いて、このような構成の測定装置５１の動作について説明する。
図８は、ＸＹステージ５を制御して画像を取り込む動作及びオートフォーカスを実行させてＸＹＺの各座標値を取得する動作を説明する図である。尚、同図中において、図２に示した構成と同一の構成については同一の符号を付して示している。
【００４５】
図８に示した測定装置５１の動作では、図２を用いて説明した測定装置１の動作（オートフォーカスを実行させてＸＹＺの各座標値を取得する動作）に加え、次のような動作（画像を取り込む動作）が行われる。まず、Ｚステージ６が焦点位置へ移動され、合焦検出制御部２３から合焦信号が発生すると、この合焦信号は画像取込回路５５へも送られる。画像取込回路５５は、合焦信号を受信するとカラーカメラ５３によるフレーム画像の取り込みを開始し、取り込んだフレーム画像をホストコンピュータ３へ送る。そして、ホストコンピュータ３では、取り込まれたフレーム画像がＸＹＺの各移動量データと関連付けされてホストコンピュータ３に記録される。
【００４６】
尚、本実施の形態においても、オートフォーカスの方式は上述した方式に限定されず、例えばＰＳＤを用いた三角測量方式、或いはその他の方式であっても良い。また、Ｚステージ６の代わりにＸＹステージ５を移動することによってＺステージ６と被測定物２１との相対距離が変化するものであっても良い。
【００４７】
続いて、上述した測定装置５１において行われる三次元形状測定処理について説明する。ここでは、特に、エッジを基準とした寸法測定や三次元形状表示等を行うのに好適な測定処理を、図９及び図１０(a),(b) を参照しながら説明する。尚、本測定処理は、コンピュータ３のデータ処理部３ａが不図示の制御プログラムを実行することによって行われるものである。
【００４８】
本測定処理では、まず、測定者の指示に応じて被測定物２１の測定範囲が設定される。
図９は、設定された測定範囲と撮像範囲の関係を示す図である。
同図において、実線６１は、測定者により設定された被測定物２１のＸＹ方向の測定範囲を示す領域を示している。また、点線６２は、カメラ５３により撮像される顕微鏡画像の１視野を示す領域（１フレーム画像に対応する領域）を示し、この１視野を示す領域が同図では９つ示されている。
【００４９】
続いて、実際に測定が開始されると、ＸＹステージ５は各撮像視野の中心点（同図の十字マーク）６３を同図矢印に示したように移動し、各撮像視野の中心点にて撮像した各１視野を示す領域の顕微鏡画像が取得され、これらがホストコンピュータ３に記録される。
【００５０】
尚、このときに、被測定物２１の高低差がカメラ５３により得られる画像の焦点深度を超えるような場合には、１視野の撮像において、Ｚステージ６をー定間隔で移動させながらスライス画像を取得して各画素の輝度が最も高いデータ或いはコントラストが最も高いデータに置き換える、いわゆるダイナミックフォーカスの手法を用いた画像を使用するようにしても良い。
【００５１】
続いて、このようにして取得された各撮像位置における画像は、ホストコンピュータ３による画像処理によって、画像内のエッジの抽出が行われる。
この画像内のエッジの抽出方法として、例えば、画像を二値化してノイズ成分による孤立点や穴を取り除くためにいわゆるモフォロジーフィルタをかけた後に、顕微鏡画像に対してー般に用いられているような粒子解析を行うための境界線追跡のアルゴリズムに従った処理を適用するようにしても良い。
【００５２】
また、このときに、画像を二値化するための閾値を複数用意し、それぞれの閾値を用いた二値化結果に対して境界線追跡に係る処理を行った結果を重ね合わせれば、反射率の異なる複数の材質により構成されている被測定物に対しても、それぞれの材質境界部を抽出することができる。
【００５３】
また、境界線追跡に係る処理の結果求められた境界で囲まれる領域の面積がー定以上無いものを排除するようにすれば、ノイズとして偶発的に出てしまったようなエッジを取り除くことができる。
尚、二値化するための聞値（二値化閾値）は、画像のヒストグラムの谷位置を検出して自動設定しても良く、或いは測定者がホストコンピュータ３の表示部３ｂに表示された画像を見ながら設定するようにしても良い。
【００５４】
また、上述の境界線追跡に係る処理と、例えばラプラシアンのようなエッジ抽出のための空間フィルタを施すような処理とを組み合わせて、まず境界線追跡に係る処理により外周のエッジを抽出し、更に空間フィルタを施す処理によりエッジ抽出を行うことによって、境界線追跡に係る処理のみでは抽出しきれないエッジ部分（二値化閾値の設定に影響を受けないエッジ部分）についても、空間フィルタを施す処理を加えることによって抽出が可能になる。
【００５５】
そして、このようにして抽出されたエッジの形状は、ホストコンピュータ３の表示部３ｂに表示され、必要に応じて、測定者によって追加、消去等の編集が行われる。
続いて、この編集が終了する等してエッジの形状が確定されると、画像の画素間距離が実寸変換され、画像上のエッジを挟む両側の近傍測定点が測定実施点としてホストコンピュータ３に登録される。
【００５６】
図１０(a),(b) は、このときに登録された測定実施点の一例を示す図である。同図(a) は、画像上のエッジを挟む両側の最近傍測定点が測定実施点とされた例を示している。同図(a) において、７１は、画像内において抽出されたエッジを示し、グリッド７２の各交点は、測定点を示している。また、黒丸で示された測定点が、エッジ７１を挟む両側の最近傍測定点を示し、測定実施点とされる点である。この例では、Ｘ方向、Ｙ方向のそれぞれに対してエッジ７１の両側の最近傍点が、測定実施点として登録されるものである。
【００５７】
同図(b) は、画像上のエッジを挟む両側の、エッジから一定距離範囲内の近傍測定点が測定実施点とされた例を示している。同図(b) に示したように、黒丸で示された測定点が、エッジ７１を挟む両側の、エッジ７１から一定距離範囲内の測定点を示し、測定実施点とされる測定点である。この例では、Ｘ方向、Ｙ方向のそれぞれに対してエッジ７１の両側の３測定点が、測定実施点として登録されるものである。これにより、より精度の高い測定が可能になる。
【００５８】
このようにして測定実施点が登録されることによって、測定範囲全域の測定点全てをＸＹラスタ走査することなく、三次元形状測定に必要な測定点のみの測定が可能になる。
続いて、このようにして登録された測定実施点に従って、ＸＹテーブル５が移動され、各測定実施点においてオートフォーカスが行われて、各測定実施点のデータが取得され、そして各測定実施点のデータを用いてエッジを基準とした寸法測定や三次元形状表示等が行われる。
【００５９】
以上、本実施の形態によれば、測定範囲を撮像して得られた画像から抽出されたエッジを基に、エッジを基準とした寸法測定や三次元形状表示等に必要な測定点だけが選択されてデータが取得されるようになるので、必要無い部分のデータが取得されるのを抑え、データ取得時間を短縮することができる。
【００６０】
尚、本実施の形態において、更にエッジ内部の形状情報が必要な場合には、画像から抽出されたエッジ内側の測定点を選択的に測定実施点とすることで、不必要な測定点のデータ取得に無駄な時間を費やすことなく形状測定を行うことができる。
＜付記＞
付記１ 測定対象物が搭載されるＸＹステージと、
該ＸＹステージに対し光軸方向に相対移動可能な拡大光学系と、
前記ＸＹステージ及び前記拡大光学系の座標を検出する検出手段と、
前記測定対象物の測定点と拡大光学系との相対距離を一定に保つオートフォーカス手段と、
該オートフォーカス手段により前記相対距離が一定に保たれたときに前記検出手段により検出された座標から得られた焦点位置とエッジ検出のための閾値とを比較する比較手段と、
該比較手段による比較結果に基づいて、前記焦点位置が得られた測定点がエッジであるか否かを判定するエッジ判定手段と、
該エッジ判定手段がエッジであると判定したときに、前記焦点位置が得られた測定点の座標を取得するエッジ座標取得手段と、
前記エッジ判定手段による判定結果に基づいて、次の測定対象となる測定点を指示する指示手段と、
を備え、
オートフォーカスにより前記焦点位置を取得しながら前記測定対象物の表面形状のエッジを追跡する、
ことを特徴とする三次元形状測定装置。
【００６１】
付記２ 前記指示手段は、
前記エッジ判定手段により前記焦点位置が得られた測定点がエッジであると判定されなかったときには、該測定点の周辺の何れかの測定点を、次の測定対象となる測定点として指示する、
ことを特徴とする付記１記載の三次元形状測定装置。
【００６２】
付記３ 前記指示手段は、
次の測定対象となる測定点を、方向により指示する、
ことを特徴とする付記１又は２に記載の三次元形状測定装置。
付記４ 前記方向は、
前記エッジ判定手段がエッジであると判定した測定点を基準とした方向である、
ことを特徴とする付記１乃至３の何れか一つに記載の三次元形状測定装置。
【００６３】
付記５ 前記エッジ座標取得手段により取得された座標に基づいて、前記測定対象物の形状測定を行う、
ことを特徴とする付記１乃至４の何れか一つに記載の三次元形状測定装置。
付記６ 前記エッジ座標取得手段により取得された座標に基づいて、前記測定対象物の三次元形状を表示する、
ことを特徴とする付記１乃至５の何れか一つに記載の三次元形状測定装置。
【００６４】
付記７ 測定対象物が搭載されるＸＹステージと、
該ＸＹステージに対し光軸方向に相対移動可能な拡大光学系と、
前記ＸＹステージ及び前記拡大光学系の座標を検出する検出手段と、
前記測定対象物の測定点と拡大光学系との相対距離を一定に保つオートフォーカス手段と、
前記拡大光学系により得られた光学像を撮像する撮像手段と、
該撮像手段により撮像された画像からエッジを抽出するエッジ抽出手段と、
該エッジ抽出手段により抽出された前記画像上のエッジの周辺に対応する、前記測定対象物の測定点を登録する登録手段と、
を備え、
前記登録手段により登録された測定点でのみオートフォーカスを行って前記座標を取得する、
ことを特徴とする三次元形状測定装置。
【００６５】
付記８ 指示に応じて、
前記登録手段により登録された測定点として新たな測定点を追加する、或いは前記登録手段により登録された測定点を削除する編集手段、
を更に備えることを特徴とする付記７記載の三次元形状測定装置。
【００６６】
付記９ オートフォーカスにより測定対象物の測定点と拡大光学系との相対距離を一定に保つように前記測定対象物が搭載されるＸＹステージに対し前記拡大光学系を光軸方向に相対移動させ、
前記相対距離が一定に保たれたときの前記ＸＹステージと前記拡大光学系の座標を検出し、
該検出した座標から焦点位置を取得し、
該取得した焦点位置とエッジ検出のための閾値とを比較し、
該比較結果に基づいて、前記焦点位置が得られた測定点がエッジであるか否かを判定し、エッジであると判定したときには前記焦点位置が得られた測定点の座標を取得し、
前記判定結果に基づいて、次の測定対象となる測定点を指示する、
ことを特徴とする三次元形状測定方法。
【００６７】
付記１０ 測定対象物の光学像を撮像し、
該撮像により得られた画像からエッジを抽出し、
該抽出により得られた前記画像上のエッジの周辺に対応する、前記測定対象物の測定点を登録し、
該登録により登録された前記測定対象物の測定点でのみオートフォーカスを行って座標を取得する、
ことを特徴とする三次元形状測定方法。
【００６８】
以上、本発明の三次元形状測定装置及び三次元形状測定方法について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良及び変更を行っても良いのはもちろんである。
【００６９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、オートフォーカスを用いた非接触の三次元形状測定において、特にエッジを基準とした寸法測定や三次元形状表示を行う場合に、不必要なデータが取得されるのを抑えて、三次元形状を測定するためのデータ取得時間を効率良く短縮することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態に係る三次元形状測定装置の構成例を示す図である。
【図２】オートフォーカスを実行させてＸＹＺの各座標値を取得する動作を説明する図である。
【図３】測定者の指示に応じて設定された、被測定物の測定範囲のー部を示す図である。
【図４】測定処理の処理内容の一例を示すフローチャートである。
【図５】探索手法の一例を説明する図である。
【図６】測定範囲上の測定経路の一例を示す図である。
【図７】本発明の第二の実施の形態に係る三次元形状測定装置の構成例を示す図である。
【図８】ＸＹステージを制御して画像を取り込む動作及びオートフォーカスを実行させてＸＹＺの各座標値を取得する動作を説明する図である。
【図９】設定された測定範囲と撮像範囲の関係を示す図である。
【図１０】(a),(b) は登録された測定実施点の一例を示す図である。
【符号の説明】
１ 三次元形状測定装置
２ 装置本体
３ ホストコンピュータ
４ ベース
５ ＸＹステージ
６ Ｚステージ
７ 対物レンズ
８ コラム
９ ガイド
１０ オートフォーカスユニット
１１ 接眼鏡筒
１２ａ Ｘ表示部
１２ｂ Ｙ表示部
１２ｃ Ｚ表示部
１３，１４ 外部通信ケーブル
２１ 被測定物
２２ Ｚ軸モータ
２３ 合焦検出制御部
２４ 合焦検出部
２４ａ レーザプローブ光
２４ｂ，２４ｄ ピンホール
２４ｃ，２４ｅ 受光面
２５ Ｚ軸駆動回路
２６ Ｘ軸移動量カウンタ
２７ Ｙ軸移動量カウンタ
２８ Ｚ軸移動量カウンタ
２９ Ｘ軸検出器
３０ Ｙ軸検出器
３１ Ｚ軸検出器
３２ ＸＹ軸駆動回路
３３ Ｘ軸モータ
３４ Ｙ軸モータ
４１ａ，４１ｂ ピッチ
５１ 三次元形状測定装置
５２ 鏡筒
５３ カメラ
５４ ケーブル
５５ 画像取込回路
６１ 測定領域
６２ 顕微鏡画像の１視野を示す領域
６３ 中心点
７１ エッジ
７２ グリッド
Claims (4)
- 測定対象物が搭載されるＸＹステージと、
該ＸＹステージに対し光軸方向に相対移動可能な拡大光学系と、
前記ＸＹステージ及び前記拡大光学系の座標を検出する検出手段と、
前記測定対象物の測定点と拡大光学系との相対距離を一定に保つオートフォーカス手段と、
前記検出手段により検出された座標に係るデータを処理するデータ処理手段と、
を備え、
オートフォーカスにより焦点位置を検出しながら前記測定対象物の表面形状のエッジを追跡する、
ことを特徴とする三次元形状測定装置。 - 測定対象物が搭載されるＸＹステージと、
該ＸＹステージに対し光軸方向に相対移動可能な拡大光学系と、
前記ＸＹステージ及び前記拡大光学系の座標を検出する検出手段と、
前記測定対象物の測定点と拡大光学系との相対距離を一定に保つオートフォーカス手段と、
前記拡大光学系により得られた光学像を撮像する撮像手段と、
前記検出手段により検出された座標に係るデータの処理、前記撮像手段により撮像された画像に係るデータの処理、又は前記座標に係るデータの処理及び前記画像に係るデータの処理、を行うデータ処理手段と、
を備え、
前記撮像手段により撮像された画像からエッジを抽出し、該抽出により得られた前記画像上のエッジの周辺に対応する前記測定対象物上の位置でのみオートフォーカスを行って焦点位置を検出する、
ことを特徴とする三次元形状測定装置。 - オートフォーカスにより測定対象物の測定点と拡大光学系との相対距離を一定に保つように前記測定対象物が搭載されるＸＹステージに対し前記拡大光学系を光軸方向に相対移動させて焦点位置を検出しながら前記測定対象物の表面形状のエッジを追跡する、
ことを特徴とする三次元形状測定方法。 - 測定対象物の光学像を撮像し、
該撮像により得られた画像からエッジを抽出し、
該抽出により得られた前記画像上のエッジの周辺に対応する前記測定対象物上の位置でのみオートフォーカスを行って焦点位置を検出する、
ことを特徴とする三次元形状測定方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002367647A JP2004198274A (ja) | 2002-12-19 | 2002-12-19 | 三次元形状測定装置及び三次元形状測定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002367647A JP2004198274A (ja) | 2002-12-19 | 2002-12-19 | 三次元形状測定装置及び三次元形状測定方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004198274A true JP2004198274A (ja) | 2004-07-15 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002367647A Withdrawn JP2004198274A (ja) | 2002-12-19 | 2002-12-19 | 三次元形状測定装置及び三次元形状測定方法 |
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|---|---|
| JP (1) | JP2004198274A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP7372205B2 (ja) | 2020-05-21 | 2023-10-31 | 京セラ株式会社 | 電磁波検出装置および測距装置 |
-
2002
- 2002-12-19 JP JP2002367647A patent/JP2004198274A/ja not_active Withdrawn
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|---|---|---|---|---|
| JP7372205B2 (ja) | 2020-05-21 | 2023-10-31 | 京セラ株式会社 | 電磁波検出装置および測距装置 |
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