JP2009258436A

JP2009258436A - ３次元測定装置

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Publication number: JP2009258436A
Application number: JP2008108144A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Shimizu; 高博清水; Tetsuya Ito; 哲也伊藤
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2008-04-17
Filing date: 2008-04-17
Publication date: 2009-11-05

Abstract

【課題】光の反射率が異なる複数の測定対象部位を有する試料に対しても精度の高い測定を可能とする。
【解決手段】メモリ６５には、試料３０の第１及び第２の測定対象部位に応じた光量設定データを予め記憶されている。制御ユニット６０の第１の画像取得制御部６２は、第１の光量設定データで表される光量の光により、共焦点顕微鏡の各焦点位置で得られた各画像の中で輝度が最も高い画素のみが選択された画像を取得し、その画像をメモリ６６に記録する。続いて、第２の画像取得制御部６３は、第２の光量設定データで表される光量の光により、共焦点顕微鏡の各焦点位置で得られた各画像の中で輝度が最も高い画素のみが選択された画像を取得し、その画像をメモリ６６に記録する。そして、３次元測定装置は、第１及び第２の画像取得制御部６２，６３により取得された画像から輝度が最大の画素が撮像されたときの焦点位置から第１及び第２の測定対象部位の高さを算出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、３次元測定装置に関し、特に共焦点顕微鏡のような光学的手段を用いて、コントラストの高い試料の形状を測定する３次元測定装置に関する。

近年、ＬＣＤ基板や半導体ウェハ等の試料の共焦点画像を共焦点顕微鏡により取得し、その画像を用いて試料の表面形状（高さ）を測定する３次元測定装置が提供されている。この種の３次元測定装置は、例えば被写界深度の浅い共焦点光学顕微鏡を用い、この共焦点光学顕微鏡の合焦位置を光軸方向に移動させながら当該顕微鏡により拡大された試料の光学像をカメラで撮像して、その撮像画像データをメモリに格納する。そして、この撮像画像データの中から輝度が最大となる画素を検出し、その最大輝度の画素を集めて１枚の画像を合成することで全焦点画像（extended focus image）が取得できる。または、その最大輝度が得られたときの合焦位置（高さ）を各画素の位置であるとして１枚の画像を作成することで、高さ画像または断面プロファイルが取得できる。

なお、反射率の大きく異なる２以上の物質を含む試料を撮影するために、試料からの反射光の受光信号レベルが予め設定された適正範囲にあるか否かを判断し、適正範囲外である場合に受光利得可変手段を制御することで該信号レベルが適正範囲内となるように調整するものが知られる（例えば、特許文献１を参照。)。

また、生物用の顕微鏡等では、蛍光ビーズ観察により得られるＰＳＦ（Point Spread Function）を用いて３次元デコンボリューション（Deconvolution）を行い、空間分解能を高めたものもある。
特許第３５６８２８６号公報

ところで、反射率（または透過率）が大きく異なる２以上の物質を含む試料では、高さを測定しようとする部位の光の反射率（または透過率）が試料の組成により大きく異なるものがある。このような試料の測定対象部位の高さを前記従来の測定装置により測定しようとすると、上記測定対象部位の反射率の違いにより正確な測定を行えないことがあった。

例えば、ほとんど鏡面のように高い反射率を有するクロム蒸着膜の上に部分的にレジストが残っている試料に対し、クロム膜に合わせて顕微鏡の照射光量を設定すると、当該レジスト部分に対しては照度不足となってノイズ等に埋もれてしまう。この結果、ノイズにより偶然に最大輝度が検出されたときの高さを当該レジストの高さとして誤検出してしまう。

また、試料の構造によっても、照明光や反射光の不足が起こる。この様子を図７から図９を参照して説明する。
図７は、以下の説明で想定する試料の斜視図及び断面プロファイルである。試料は、高さＡを有する外周部、高さＢを有する中央部及び高さＣを有する底部を備え、高さはＡ、Ｂ、Ｃの順で高いとする。底部は深い溝構造の底であり、外周部と底部の間や、底部と中央部の間は、連続的な高さを有する急峻なテーパ状になっている。なお、この試料は、単一の物質により構成されている。

図８は、図７に示す試料の外周部に最適な照明下で測定された高さ画像、断面プロファイル及び全焦点画像である。外周部に最適な照明を照射した場合、底部への照明は、底部の幅が狭いため、対物レンズからの光束が収束する前に外周部や中央部に遮られる。また、底部からの反射光もテーパ部によって散乱される。このため、全焦点画像において底部は、非常に暗く（例えば０の輝度値として）映ることとなる。もちろん、テーパ部自体も（特に鏡面状の場合）、照明光が対物レンズに反射してこないので、非常に暗く映ることとなる。そのため、撮影位置の変更のため合焦位置を高くしたときに偶発的にカメラ像でノイズ（例えば０より高い輝度値）が測定されると、そのときの高さを採用してしまい、図８の高さ画像及び断面プロファイルで示されるように、あたかも針状の突起があるかのような測定結果になってしまう。

一方、図９は、図７に示す試料の底部に最適な照明下で測定された高さ画像、断面プロファイル及び全焦点画像である。底部に最適な照明を照射した場合では、平坦な外周部及び中央部からの反射光があまりに強烈なため、共焦点位置に設けたピンホールを通過した非焦点面からのピンボケ画像までが、カメラのダイナミックレンジを超えてホワイトアウトしてしまう。また、カメラの種類によっては、撮像面の一部に過大な入射光があると入射光の無い部分にも強い信号が観察される現象（例えば、スミア（smear）やブルーミング（blooming））が生じ、非焦点面でもダイナミックレンジを越えてしまうことがある。その結果、実際の高さと異なる位置でも最大輝度が測定され、図９の断面プロファイルで示されるように最後（または最初）に最大輝度が測定された高さＡ’（例えば、Ｚスキャンの最終位置）で平坦な断面プロファイルになってしまう。

このように、上述した現象、及びよく知られる回折現象が原因で、近傍に明るい部分があると、最大輝度位置がその明るい部分の高さに引き寄せられてしまう傾向がある。従来のデコンボリューションを用いた測定方法を改良して適用すれば、これらの現象やノイズの問題を改善できる可能性はある。しかしながら、そのためには膨大な記憶容量と計算時間を要し、短い測定時間（タクトタイム）を要求される工業用途には不向きである。またカメラのダイナミックレンジから外れてしまった撮像画像には、有効ではない。

本発明は上記事情によりなされたものであり、その目的は、光の反射率が異なる複数の測定対象部位を有する試料及び立体的な構造のため照射光及び反射光の不足が生じ易い測定対象部位を有する試料に対しても所定時間内に確実に精度の高い測定を可能とする３次元測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る３次元測定装置は、反射率の異なる第１及び第２の測定対象部位を有する試料の光学像を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してその画像データを出力するカメラと、前記試料に対し前記撮像のための光を照射する光量可変型の光源と、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可変する駆動機構と、前記カメラ、光源及び駆動機構に接続される制御ユニットとを具備し、前記制御ユニットは、前記試料の第１及び第２の測定対象部位に対応して予め設定された第１及び第２の光量を表す光量設定データを記憶するメモリと、前記メモリに記憶された前記第１の光量設定データに基づいて前記光源の発光量を設定し、この状態で前記駆動機構により前記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第１の画像取得制御手段と、前記メモリに記憶された前記第２の光量設定データに基づいて前記光源の発光量を設定し、この状態で前記駆動機構により前記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第２の画像取得制御手段と、前記第１及び第２の画像取得制御手段により取得された撮像画像からそれぞれ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第１及び第２の測定対象部位の高さを算出する手段とを備えることを特徴とする。

したがって、試料には、第１及び第２の測定対象部位のそれぞれの反射率に適した光量の光がそれぞれ照射され、その拡大画像が得られる。このため、試料が反射率の異なる第１及び第２の測定対象部位を有する場合でも、これらの測定対象部位ごとにそれぞれ最大輝度となる焦点位置を検出することが可能となり、これにより高精度の高さ測定が可能となる。また、試料が立体的な構造をしており、照明光や反射光の不足が生じやすい測定対象部位を有する場合でも、その測定対象部位における焦点位置を検出することが可能となり、高精度の高さ測定が可能となる。

すなわち、本発明によれば、光の反射率が異なる複数の測定対象部位を有する試料及び立体的な構造のため照射光及び反射光の不足が生じ易い測定対象部位を有する試料に対しても所定時間内に確実に精度の高い測定を可能とする３次元測定装置を提供することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る３次元測定装置の実施の形態について詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る３次元測定装置の構成を示す図である。この３次元測定装置は、ニポウ（Nipkow）式の共焦点顕微鏡１０を備える。

共焦点顕微鏡１０は、光源２０から出力される光を対物レンズ１１により試料３０に照射し、試料３０による上記照射光の反射光により共焦点画像を取得する。共焦点顕微鏡１０は、ニポウディスクを用いた共焦点スキャナ１２を備えており、対物レンズ１１を通った反射光を共焦点位置に設けたピンホールにスキャンする。

光源２０は、メタルハライドランプを用いた光源であり、電動絞りやフィルタにより光量（照度）及び波長帯域を変更できるようになっている。照明光を試料へ照射する際、共焦点スキャナ１２を介する場合と介さない場合とがある。

カメラ４０は、上記共焦点スキャナ１２に接続されており、共焦点スキャナ１２でスキャンされた共焦点画像を画像データとして取り込む。共焦点顕微鏡１０では、例えば最大３６０ｆｐｓ（フレーム／秒）の画像が取得されるので、最大３６０ｆｐｓのカメラを使用することが好ましいが、本実施形態では１２０ｆｐｓのＣＣＤカメラを使用する。

駆動部５０は、制御ユニット６０の起動指示に応じ、試料３０に対する共焦点顕微鏡１０の合焦位置を垂直（Ｚ軸)方向、つまり共焦点顕微鏡１０の光軸方向に移動させる。駆動部５０には、Ｚ軸方向の位置が移動しても水平方向（Ｘ，Ｙ方向）に変位しない真直度の優れた微動Ｚ軸機構（真直度誤差：１０ｎｍ）を用いる。駆動部５０は、高精度に高さ情報を得るため高分解能リニアスケールを搭載し、このスケールにより取得したＺ軸座標が、制御ユニットからの指示と一致するように制御する。なお、本実施形態では、駆動部５０により顕微鏡全体を動かす場合を説明するが、焦点位置を移動できれば、試料３０側を移動させても、ニポウディスクのみあるいは対物レンズのみを移動させてもよい。

制御ユニット６０は、例えばＣＰＵやＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＰＧＡ（Programmable Gate Array）等のデジタル信号処理手段を備えたもので、次のように構成される。

図２は、制御ユニット６０の機能構成を示すブロック図である。制御ユニット６０は、主制御部６１と、第１の画像取得制御部６２と、第２の画像取得制御部６３と、高さ算出部６４と、２つのメモリ６５，６６を備える。このうち、主制御部６１、第１の画像取得制御部６２、第２の画像取得制御部６３及び高さ算出部６４は、信号処理手段によりその機能が実現される。

主制御部６１は、３次元測定装置の測定動作を統括的に制御するもので、上記光源２０、カメラ４０、駆動部５０及び表示部（図示せず）との間で信号を授受するためのインタフェース機能も備える。

メモリ６５には、試料３０に光の反射率が異なる複数の測定対象部位がある場合に、これらの測定対象部位ごとに予め設定された最適な光量値を表す光量設定データが、測定対象物の識別情報に対応付けて記憶されている。例えば、試料３０がガラス面上にクロムのパターンを形成したものからなる場合、一般にクロムのトップ面は光の反射率が高く、ガラス面は上記クロムのトップ面に比べ反射率が低い。したがって、このような場合には、クロムのトップ面の反射率に対応して設定した第１の光量設定データと、ガラス面の反射率に対応して設定した第２の光量設定データが上記メモリ６５に記憶される。なお、メモリ６６は後述する第１及び第２の画像取得制御部６２，６３により得られる画像データを格納するために用いられる。

第１の画像取得制御部６２は、上記メモリ６５に記憶された第１の光量設定データに基づいて前記光源２０の発光量を設定する。そして、第１の画像取得制御部６２は、上記第１の光量設定データにより光量が設定された光が光源２０から試料３０に照射された状態で、駆動部５０を駆動して共焦点顕微鏡１０の焦点位置を光軸方向に段階的に移動させながら、各焦点位置における試料３０の画像をカメラ４０に撮像させる。また、この撮像により各焦点位置における試料３０の画像が得られるごとに、最大輝度画像の同一位置の画素との間で輝度値を比較する。そして、今の画像の輝度値の方が高ければ、最大輝度画像の当該画素の輝度値を更新してメモリ６６に記憶させる。またそれと共に、この輝度値が高い画素を撮像したときの共焦点顕微鏡１０の焦点位置を、当該画素に対応付けてメモリ６６に記憶させる。これが高さ画像となる。なお、最大輝度画像の初期値は全て０なので、焦点位置を移動させる最初の位置で得られた最初の画像は、そのままその時点での最大輝度画像となる。

第２の画像取得制御部６３は、メモリ６５に記憶された第２の光量設定データに基づいて前記光源２０の発光量を設定する。そして、第１の画像取得制御部６２と同様の処理をして、輝度値や焦点位置をメモリ６６に記憶させる。第１及び第２の画像取得制御部６２、６３の処理は、画像が得られる速度にあわせてリアルタイムで行われる。

高さ算出部６４は、第１及び第２の画像取得制御部６２，６３の取得制御によりメモリ６６に最終的に残された２つの最大輝度画像の同一画素間において、輝度値が予め設定した上限値を超えていないことを条件に、より大きい輝度値の画素を採用して、１枚の輝度画像を合成する。また、輝度画像を合成する際の画素と同一の画素を採用して同様に１枚の高さ画像を合成する。上限値は、例えばカメラの飽和レベルと同じか、それよりわずかに低い値にする。高さ算出部６４は更に、この合成高さ画像からガラス面に対するクロムのトップ面の高さを自動的に算出し、予め定める範囲を超えたときに表示部に警告を出力してもよい。

次に、以上のように構成された３次元測定装置による高さ測定動作を、制御ユニット６０の処理手順に従い説明する。図３は、その処理手順と処理内容を示すフローチャートである。ここでは、試料３０として、先に述べたようにガラス面上にクロムのパターンを形成したものを用いる場合を例にとって説明する。

メモリ６５には、上記クロムのトップ面３１の反射率に対応して設定された光量設定データＯＰ_１と、ガラスの蒸着面３２の反射率に対応して設定された光量設定データＯＰ_２とが予め記録されている。これらの光量設定データＯＰ_１，ＯＰ_２は、事前に特許文献１のような公知の方法で、例えば試料３０に対し光をその光量を変化させながら実際に照射して画像をカメラ４０で撮像し、その画像データから最適な光量を手動もしくは自動的に決定することにより得られる。通常、クロムのトップ面３１は鏡面状になっており、その反射率はガラス面３２の反射率より高い。このため、第１の光量設定データＯＰ_１の値は、第２の光量設定データＯＰ_２の値より光量が小さくなるように設定される。

制御ユニット６０は、先ず第１の画像取得制御部６２による画像取得制御を以下のように実行する。すなわちステップ３ａにより、メモリ６５からクロムのトップ面３１に対応して設定された光量設定データＯＰ_１を読み出す。

ステップ３ｂにより、光源２０の光量を上記読み出された光量設定データＯＰ_１に基づいて調整する。これにより、光源２０からは、上記光量設定データＯＰ_１により指定された光量の光が試料３０に照射される。

この状態で第１の画像取得制御部６２は、ステップ３ｃにより最初の焦点位置（例えば、図５のＡ）から画像取得を開始する。

図４は、第１及び第２の画像取得制御部の撮像制御（ステップ３ｃ及び３ｇ）の処理内容を示すフローチャートである。第１の画像取得制御部６２は、先ずステップ４ａにおいて、最大輝度画像および高さ画像の各画素値を全て０に初期化する。次に第１の画像取得制御部６２は、ステップ４ｂにおいて、駆動部５０を制御して焦点位置を図５に示すＡに移動させる。

次にステップ４ｃにより、カメラ４０により撮像された画像ＩＭＧを主制御部６１を介して取得する。またそれと実質的に同時に、ステップ４ｄにおいて、上記焦点位置Ａにおける正確なＺ軸方向の位置座標データを共焦点顕微鏡１０のスケーラから取得する。

次にステップ４ｅにおいて、いま取得した上記焦点位置Ａの画像ＩＭＧ（Ａ）とメモリ６６に記憶されている最大輝度画像ＩＭＧ_ＭＡＸ１との間で、画素ごとに輝度値を比較する。この比較の結果、輝度値がＩＭＧ（Ａ）＞ＩＭＧ_ＭＡＸ１であれば、ステップ４ｇにより当該画素について、ＩＭＧ_ＭＡＸ１をＩＭＧ（Ａ）で上書きして更新する。またそれと共に、高さ画像ＩＭＧＺ_ＭＡＸ１における当該画素を、ステップ４ｄで取得した位置座標データで更新する。ステップ４ｅ〜ステップ４ｇまでの処理を、カメラ４０により撮像された画像内のすべて画素について実行する。

次に第１の画像取得制御部６２は、ステップ４ｈからステップ４ｂに戻り、駆動部５０を制御して焦点位置を図５に示すＢに移動させる。そして、ステップ４ｃ〜４ｇにより上記焦点位置Ａの場合と同様に、画像の取得、メモリ６６に記憶された最大輝度画像ＩＭＧ_ＭＡＸ１との比較、及びその比較結果に基づく最大輝度画像ＩＭＧ_ＭＡＸ１と高さ画像ＩＭＧＺ_ＭＡＸ１の更新処理を実行する。以後同様に、焦点位置が図５に示すＥに到達したことがステップ４ｈにより検出されるまで、上記ステップ４ｂ〜４ｈによる処理を繰り返す。Ｅに到達した時点での最大輝度画像ＩＭＧ_ＭＡＸ１は、全焦点画像とも呼ぶ。

図５は、上記第１の画像取得制御部６２による処理の過程で、各焦点位置Ａ〜Ｅにおいてそれぞれ得られる共焦点画像の一例を示すものである。同図において、共焦点画像における領域３０１はガラス３２の蒸着面（上面）の画像を示し、また領域３０２はクロム３１のトップ面の画像を、領域３０３はクロム３１のテーパ部の画像をそれぞれ示している。

図５において、焦点位置Ａでは、どこにも焦点が合っておらず、対応するすべての領域が真っ暗の画像である。焦点位置Ｂでは、ガラス３２の反射率がクロム３１の反射率に対して小さいため、ガラス３２の蒸着面で反射光が得られず全ての領域が真っ暗の画像である。焦点位置Ｃでは、ガラス蒸着面３２とクロムのトップ面３１の中間位置であるテーパ部に焦点が合っており、領域３０３が最も明るくなる画像が得られる。焦点位置Ｄでは、クロムのトップ面３２に焦点が合っており、領域３０２が最も明るくなる画像が得られる。焦点位置Ｅでは、再びどこにも焦点が合っておらず真っ暗な画像となる。

上記第１の画像取得制御部６２による画像取得処理の結果、メモリ６６には上記図５に示した焦点位置Ａ〜Ｅによる各画像の中で輝度が最も高い画素が選択されて最終的に記憶される。また、この最終的に記憶された画素を撮像したときの焦点位置を表すＺ軸方向の位置座標データが、当該画素に対応付けられてメモリ６６に記憶される。

再び図３に戻り、ステップ３ｄにより、終了の焦点位置（例えば図５のＥ）まで画像取得が達したかどうかを判断し、達していなければステップ３ｃに戻って焦点位置をステップ状に動かして画像取得を続け、達していれば、ステップ３ｅに進む。

制御ユニット６０は、次に第２の画像取得制御部６３による画像取得制御を以下のように実行する。すなわち、先ずステップ３ｅによりメモリ６５からガラスの蒸着面３２に対応して設定された光量設定データＯＰ_２を読み出し、ステップ３ｆにより光源２０の光量を上記読み出された光量設定データＯＰ_２に基づいて調整する。この状態で第２の画像取得制御部６３は、光量が異なる以外は全く同じ条件でステップ３ｃと同一の処理を行う。それにより得られる最大輝度画像と高さ画像を、それぞれＩＭＧ_ＭＡＸ２とＩＭＧＺ_ＭＡＸ２とする。

図６は、上記第２の画像取得制御部６３による処理の過程で、各焦点位置Ａ〜Ｅにおいてそれぞれ得られる共焦点画像の一例を示すものである。図５と比較すると、焦点位置Ｂにおいてガラス面からノイズレベル以上の適切な輝度の反射光が得られるものの、焦点位置Ｄにおいてはダイナミックレンジを越える過大な輝度になって、領域３０２がにじんでしまい、境界を把握することが困難になっている。

図３に戻り、次のステップ３ｈで上記第２の画像取得制御部６３による画像取得制御の終了を確認すると、制御ユニット６０は、最後にステップ３ｉにおいて高さ算出部６４を起動し、高さの算出処理を以下のように実行する。高さ算出部６４には正常な輝度値の上限値が予め設定されている。高さ算出部６４は、最大輝度画像ＩＭＧ_ＭＡＸ１とＩＭＧ_ＭＡＸ２とを画素毎に比較し、この上限値を超えていない範囲で、輝度値の大きい方の画素を選択して、１枚の高さ画像ＩＭＧＺ_ＭＡＸ及び最大輝度画像ＩＭＧ_ＭＡＸを合成する。そして、合成された高さ画像ＩＭＧＺ_ＭＡＸの所定の位置（Ｘ―Ｙ座標）をもとにクロムのトップ面３１及びガラスの蒸着面３２の高さを取り出して、その差分を算出する。

なお、実際の測定において、駆動部５０を駆動して共焦点顕微鏡１０の焦点位置をＺ軸方向に移動させる幅は、Ｉ―Ｚカーブ（縦軸を輝度、横軸をＺ軸座標としたときの曲線）の半値幅に依存し、移動幅を大きくしすぎると正しい測定ができない。したがって、所定のＺスキャン範囲を短時間で測定するには、輝度を上げて高いＳ／Ｎ比を保ちながら、より高速でカメラ撮像するほかに無い。

本例で用いたマイクロレンズディスク付き共焦点顕微鏡は、従来の共焦点顕微鏡に比べて非常に明るい特徴を持っているので、従来は観察できなかった高倍率での測定も可能となり、対物レンズの選定によりレンジ幅の広い測定が可能となる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る３次元測定装置は、第１の実施形態における画像合成及び高さ算出処理（ステップ３ｉ）を変更させたものである。すなわち、最大輝度画像ＩＭＧ_ＭＡＸ１とＩＭＧ_ＭＡＸ２とを画素毎に比較するのではなく、表１に示すように、最大輝度画像ＩＭＧ_ＭＡＸ１及びＩＭＧ_ＭＡＸ２と予め定めた適正輝度の上限値Ｔｈ_Ｈｉｇｈ及び下限値Ｔｈ_Ｌｏｗとを比較するようにしている。ここで、上限値Ｔｈ_Ｈｉｇｈは、第１の実施形態の上限値と同様、カメラの飽和レベルと同じかそれよりわずかに小さく設定し、下限値Ｔｈ_Ｌｏｗは、Ｓ／Ｎ比が約０ｄＢとなるレベル付近に設定するとよい。また光量設定データＯＰ_１＞ＯＰ_２を前提とする。

画像合成及び高さ算出処理において、取得した最大輝度画像ＩＭＧ_ＭＡＸ１の輝度値が下限値Ｔｈ_Ｌｏｗ未満である場合、最大輝度画像ＩＭＧ_ＭＡＸ２に関わらず、最大輝度画像ＩＭＧ_ＭＡＸの輝度値を０とし、高さ画像ＩＭＧＺ_ＭＡＸの値を既定の最低値とする。また、最大輝度画像ＩＭＧ_ＭＡＸ１の輝度値が下限値Ｔｈ_Ｌｏｗ以上かつ上限値Ｔｈ_Ｈｉｇｈ以下である場合、最大輝度画像ＩＭＧ_ＭＡＸ２に関わらず、最大輝度画像ＩＭＧ_ＭＡＸの輝度値を最大輝度画像ＩＭＧ_ＭＡＸ１とし、高さ画像ＩＭＧＺ_ＭＡＸの値を高さ画像ＩＭＧＺ_ＭＡＸ１とする。また、最大輝度画像ＩＭＧ_ＭＡＸ１の輝度値が上限値Ｔｈ_Ｈｉｇｈより大きく、最大輝度画像ＩＭＧ_ＭＡＸ２の輝度値が上限値Ｔｈ_Ｈｉｇｈ未満である場合、最大輝度画像ＩＭＧ_ＭＡＸの輝度値を最大輝度画像ＩＭＧ_ＭＡＸ２とし、高さ画像ＩＭＧＺ_ＭＡＸの値を高さ画像ＩＭＧＺ_ＭＡＸ２とする。また、最大輝度画像ＩＭＧ_ＭＡＸ１の輝度値が上限値Ｔｈ_Ｈｉｇｈより大きく、最大輝度画像ＩＭＧ_ＭＡＸ２の輝度値が上限値Ｔｈ_Ｈｉｇｈより大きい場合、最大輝度画像ＩＭＧ_ＭＡＸの輝度値を最大値とし、高さ画像ＩＭＧＺ_ＭＡＸの値を既定の最高値とする。

すなわち、光量設定データＯＰ_１＞ＯＰ_２の場合には、最大輝度画像ＩＭＧ_ＭＡＸ１が適正輝度の範囲に収まっていれば、Ｓ／Ｎ比がよく信頼できる最大輝度画像ＩＭＧ_ＭＡＸ１を最大輝度画像ＩＭＧ_ＭＡＸとして無条件に採用することで、ステップ３ｅ〜３ｇを省略することが可能となる。また、画像合成及び高さ算出処理において、最大輝度画像ＩＭＧ_ＭＡＸ２を読み出すメモリアクセスが減ることにより、より高速な処理が可能となる。

あるいは、任意の照明条件においては、以下の表２にしたがって画像を合成することもできる。

つまり、画像合成及び高さ算出処理において、取得した最大輝度画像ＩＭＧ_ＭＡＸ１の輝度値が下限値Ｔｈ_Ｌｏｗ未満であり、最大輝度画像ＩＭＧ_ＭＡＸ２の輝度値が下限値Ｔｈ_Ｌｏｗ未満又は上限値Ｔｈ_Ｈｉｇｈより大きい場合、最大輝度画像ＩＭＧ_ＭＡＸの輝度値を０とし、高さ画像ＩＭＧＺ_ＭＡＸの値を既定の最低値とする。また、最大輝度画像ＩＭＧ_ＭＡＸ１の輝度値が下限値Ｔｈ_Ｌｏｗ未満又は上限値Ｔｈ_Ｈｉｇｈより大きく、最大輝度画像ＩＭＧ_ＭＡＸ２の輝度値が下限値Ｔｈ_Ｌｏｗ以上かつ上限値Ｔｈ_Ｈｉｇｈ以下である場合、最大輝度画像ＩＭＧ_ＭＡＸの輝度値を最大輝度画像ＩＭＧ_ＭＡＸ２を光量設定データＯＰ_２で除算した値とし、高さ画像ＩＭＧＺ_ＭＡＸの値を高さ画像ＩＭＧＺ_ＭＡＸ２とする。また、最大輝度画像ＩＭＧ_ＭＡＸ１の輝度値が下限値Ｔｈ_Ｌｏｗ以上かつ上限値Ｔｈ_Ｈｉｇｈ以下である場合、最大輝度画像ＩＭＧ_ＭＡＸ２に関わらず、最大輝度画像ＩＭＧ_ＭＡＸの輝度値を最大輝度画像ＩＭＧ_ＭＡＸ１を光量設定データＯＰ_１で除算した値とし、高さ画像ＩＭＧＺ_ＭＡＸの値を高さ画像ＩＭＧＺ_ＭＡＸ１とする。また、最大輝度画像ＩＭＧ_ＭＡＸ１の輝度値が上限値Ｔｈ_Ｈｉｇｈより大きく、最大輝度画像ＩＭＧ_ＭＡＸ２の輝度値が下限値Ｔｈ_Ｌｏｗ未満又は上限値Ｔｈ_Ｈｉｇｈより大きい場合、最大輝度画像ＩＭＧ_ＭＡＸの輝度値を最大値とし、高さ画像ＩＭＧＺ_ＭＡＸの値を既定の最高値とする。

このとき、最大輝度画像ＩＭＧ_ＭＡＸ１と最大輝度画像ＩＭＧ_ＭＡＸ２の両方が適正範囲外のときは、最大輝度画像ＩＭＧ_ＭＡＸ１との比較結果を優先するようにしている。また、輝度値を光量設定データＯＰ_１，ＯＰ_２（望ましくは真の光量）で除算することで、任意の照明条件においても線形に合成することが可能である。

なお、上述のように合成された全焦点画像ＩＭＧ_ＭＡＸ（及び高さ画像ＩＭＧＺ_ＭＡＸ）を表示する際は、０や最大値を、他の値と様態を異ならせて表示するとよい。一例として、０や最大値に他の値とは明確に異なる表示色を割り当てたり、点滅表示やハッチング表示をさせたりすることが挙げられる。このように表示態様を異ならせることにより、ユーザは光量設定データＯＰ_１，ＯＰ_２が両方とも適切でないことを容易に知覚できる。

なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではない。例えば、上記各実施形態では、制御ユニット６０が光源２０の光量を調整して、高さ測定を行う例について説明したが、３次元測定装置のユーザが光源２０の光量を調整する場合であっても同様に実施可能である。

また、上記各実施形態では、カメラ４０により撮像された画像データを、第１及び第２の画像取得制御部６２，６３の撮像制御により、各焦点位置で得られた各画像の中で最大輝度を有する画素のみを選択した画像に変換した後に、高さの算出を行う例について説明したが、この方法に限定されるわけではない。例えば、第１及び第２の画像取得制御部６２，６３により共焦点位置Ａ〜Ｅの共焦点画像を共焦点位置と共にそれぞれメモリ６６に格納する。そして、高さ算出部６４により最大輝度の画素を含む共焦点画像の焦点位置を読み出し、その共焦点位置をもとに高さ測定する場合であっても同様に実施可能である。

また、上記各実施形態では、試料３０が２つの測定対象からなり、光源２０が光量設定データＯＰ１と光量設定データＯＰ２とに従って光量を変化させる例について説明したが、試料の測定対象は２つ以上であっても問題はなく、光源の光量は２種類以上で可変であっても同様に実施可能である。

さらに、本発明は、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で測定対象を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の測定対象の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全測定対象から幾つかの測定対象を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる測定対象を適宜組み合わせてもよい。

上記各実施形態は、全て反射照明式の例であるが、透過照明式にも同様に適用でき、あるいはそれらを励起光とする蛍光観察にも利用できる。つまり、透過率がほぼ１００％の部分とほぼ０％の部分が混在するような試料を測定する際も、本発明は有利な効果を奏する。本発明は、工業用の共焦点顕微鏡に限らず、医療用（生物用）などの各種顕微鏡に用いることができる。

本発明の一実施形態に係る３次元測定装置の構成図である。図１の制御ユニットの機能構成を示すブロック図である。図２の制御ユニットの処理手順を示すフローチャートである。図２の第１及び第２の画像取得制御部の撮像制御のフローチャートである。上記実施形態の第１の画像取得制御部による共焦点画像である。上記実施形態の第２の画像取得制御部による共焦点画像である。想定する試料の斜視図及び断面プロファイルである。図７の試料の外周部に最適な照明下で測定された高さ画像、断面プロファイル及び全焦点画像である。図７の試料の底部に最適な照明下で測定された高さ画像、断面プロファイル及び全焦点画像である。

符号の説明

１０…共焦点顕微鏡
１１…対物レンズ
１２…共焦点スキャナ
２０…光源
３０…試料
３１…クロム
３２…ガラス
３０１，３０２，３０３…領域
４０…カメラ
５０…駆動部
６０…制御部
６１…主制御部
６２…第１の画像取得制御部
６３…第２の画像取得制御部
６４…算出部
６５，６６…メモリ。

Claims

反射率の異なる第１及び第２の測定対象部位を有する試料の光学像を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してその画像データを出力するカメラと、
前記試料に対し前記撮像のための光を照射する光量可変型の光源と、
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可変する駆動機構と、
前記カメラ、光源及び駆動機構に接続される制御ユニットと
を具備し、
前記制御ユニットは、
前記試料の第１及び第２の測定対象部位に対応して予め設定された第１及び第２の光量を表す光量設定データを記憶するメモリと、
前記メモリに記憶された前記第１の光量設定データに基づいて前記光源の発光量を設定し、この状態で前記駆動機構により前記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第１の画像取得制御手段と、
前記メモリに記憶された前記第２の光量設定データに基づいて前記光源の発光量を設定し、この状態で前記駆動機構により前記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第２の画像取得制御手段と、
前記第１及び第２の画像取得制御手段により取得された撮像画像からそれぞれ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第１及び第２の測定対象部位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３次元測定装置。