JP4200763B2

JP4200763B2 - Image measuring machine and image measuring method

Info

Publication number: JP4200763B2
Application number: JP2003002410A
Authority: JP
Inventors: 建太神藤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2003-01-08
Filing date: 2003-01-08
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2023-01-08
Also published as: JP2004212345A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学系を介して被測定物を撮像し、得られた画像から被測定物の形状を測定する画像測定機および画像測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水平方向に移動可能なステージに置かれた被測定物を、光学系を介して撮像し、得られた画像から被測定物の形状を測定する画像測定機が、広く普及している（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
従来の画像測定機では、撮像画像上におけるステージおよび被測定物のコントラストなどを用いて、撮像画像から被測定物の輪郭形状を検出する。そして、検出した輪郭上に位置する複数の測定点（輪郭形状を特定するための点）における座標情報を、例えば光学系の光軸中心のステージ上における座標と、撮像画像上における各測定点の光学系の光軸中心に対する座標と、に基づいて測定する。被測定物の測定したい輪郭が撮像画像内に納まっていない場合は、ステージを移動させて、被測定物の未撮像部分を撮像し、撮像画像に対して上記の処理を行なう。これを、被測定物の測定したい輪郭に対して座標測定が完了するまで繰り返し行なうことで、被測定物の輪郭形状を測定する。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１-１８３１２４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
被測定物の輪郭部分に高低差がある場合、撮像画像内に含まれる被測定物の輪郭部分に、ピントがあっている部分（はっきり写っている部分）と、ピントがあっていない部分（ぼやけて写っている部分）とが含まれることがある。ピントがあっていない部分では、撮像画像から輪郭形状を検出することができないこともある。このため、従来の画像測定機では、輪郭部分に高低差がある被測定物を測定する場合、測定に先だってティーチングと呼ばれる作業を行ない、同じ撮像範囲に対して複数の焦点を設定している。そして、同じ撮像範囲に対して複数の焦点それぞれで撮像することにより、撮像範囲内に含まれる被測定物の各測定点での輪郭形状が、複数の撮像画像のいずれかから検出できるようにしている。このように、従来の画像測定機では、輪郭部分に高低差がある被測定物を測定する場合、ティーチング作業のために時間がかかるという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明は、輪郭部分に高低差がある被測定物を、迅速に測定できる画像測定機および画像測定方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る画像測定機は、水平方向に移動可能なステージと、前記ステージを水平方向に移動させる駆動制御部と、光学系を介して前記ステージ上に置かれた被測定物を撮像する撮像部と、前記被測定物の前記光学系の光軸中心位置での高さを測定する高さ測定部と、前記高さ測定部が測定した高さ位置で前記光学系が合焦するように、前記光学系のフォーカス制御を行なうフォーカス制御部と、前記撮像部が撮像した前記被測定物の画像のうち、前記光学系の光軸中心位置及び前記被測定物の輪郭形状を含む第１の部分画像を取得し、前記第１の部分画像から前記被測定物の輪郭形状を検出して、当該輪郭の水平方向の位置を測定する画像処理部と、を有し、前記画像処理部は、前記撮像部が撮像した前記被測定物の画像のうち、前記光学系の光軸中心位置から所定距離離れた第２の部分画像から、前記被測定物の輪郭形状を検出して、当該輪郭の水平方向の位置を仮測定し、前記駆動制御部は、前記画像処理部が仮測定した水平方向の位置に、前記光学系の光軸中心が位置するように、前記ステージを水平方向に移動させ、前記仮測定をした位置が前記光学系の光軸中心位置となった状態で前記撮像を行うことを特徴とする。
【０００８】
請求項２に係る発明の画像測定機は、請求項１記載の画像測定機において、前記高さ測定部は、前記駆動制御部によって前記ステージが移動する毎に、前記被測定物の前記光学系の光軸中心位置での高さを測定して記憶装置に記憶し、前記フォーカス制御部は、前記第２の部分画像から、前記被測定物の輪郭形状が検出できない場合、前記記憶装置に記憶されている、前記高さ測定部がそれまでに測定した高さの変化の情報から、前記被測定物の高さを推定し、推定した高さ位置で前記光学系が合焦するように、前記光学系のフォーカス制御を行なう。
【０００９】
請求項３に係る発明の画像測定方法は、水平方向に移動可能なステージに置かれた被測定物を、光学系を介して撮像して得られる画像を用いて前記被測定物の形状を測定する画像測定方法であって、前記被測定物の前記光学系の光軸中心位置での高さを測定するステップと、測定した高さ位置で前記光学系が合焦するように、前記光学系のフォーカス制御を行なうステップと、フォーカス制御された前記光学系を介して前記被測定物を撮像し、前記被測定物の画像を入手するステップと、前記被測定物の画像のうち、前記光学系の光軸中心位置及び前記被測定物の輪郭形状を含む第１の部分画像を取得し、前記第１の部分画像から輪郭形状を検出して、当該輪郭の水平方向の位置を測定するステップと、前記被測定物の画像のうち、前記光学系の光軸中心位置から所定距離離れた第２の部分画像から、前記被測定物の輪郭形状を検出して、当該輪郭の水平方向の位置を仮測定するステップと、仮測定した水平方向の位置に、前記光学系の光軸中心が位置するように、前記ステージを水平方向に移動させるステップと、を繰り返し実行することを特徴とする。
【００１０】
請求項４に係る発明の画像測定方法は、請求項３記載の画像測定方法であって、前記光学系のフォーカス制御を行なうステップは、前記高さを測定するステップで、前記第２の部分画像から、前記被測定物の輪郭形状が検出できない場合、前記高さを測定するステップでそれまでに測定された高さの変化の情報から、前記被測定物の高さを推定し、推定した高さ位置で前記光学系が合焦するように、前記光学系のフォーカス制御を行なうことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について説明する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態が適用された画像測定機の概略構成図である。
【００１３】
図示するように、本実施形態の画像測定機は、撮像部１と、処理部２と、処理部３での処理結果を出力するモニタなどの出力装置３と、を有する。
【００１４】
撮像部１は、水平方向（ＸＹ方向）に移動可能なステージ１１と、高さセンサ１２１を備えた光学系を有する鏡筒１２と、鏡筒１２の光学系を介してステージ１１上に置かれた被測定物４を撮像する撮像装置１３と、を有する。
【００１５】
ステージ１１は、図示していない水平駆動機構により、処理部２からのＸＹ方向駆動信号に従って、水平方向（ＸＹ方向）に移動する。これにより、被測定物４の観察位置の制御が行なわれる。なお、この水平駆動機構は、ステージ１１のＸＹ座標を検出するエンコーダを備えており、このエンコーダで検出したＸＹ座標信号を処理部２へ送出する。
【００１６】
鏡筒１２は、図示していない上下駆動機構により、処理部２からのＺ方向駆動信号に従って、上下方向（Ｚ方向）に移動する。これにより、鏡筒１２の光学系のフォーカス制御が行なわれる。なお、この上下駆動機構は、鏡筒１２のＺ座標を検出するエンコーダを備えており、このエンコーダで検出したＺ座標信号を処理部２へ送出する。
【００１７】
高さセンサ１２１は、鏡筒１２の光学系から当該光学系の光軸中心に位置する検出対象までの距離に応じたセンサ信号を出力する。例えば発光素子および受光素子を備えて構成され、発光素子から出た光を２分割センサからなる受光素子で受光し、受光素子の２つのセンサ上での受光した位置、および強度比から検出対象の高さを検出し、高さに応じた信号を出力する。
【００１８】
処理部２は、高さ測定部２１と、上下駆動制御部２２と、画像処理部２３と、水平駆動制御部２４と、測定点座標記憶部２５と、を有する。
【００１９】
高さ測定部２１は、高さセンサ１２１より出力されたセンサ信号に基づいて、鏡筒１２の光学系から当該光学系の光軸中心位置における被測定物４までの距離を算出する。
【００２０】
また、高さ測定部２１は、前記算出した距離と、前記図示していない上下駆動機構のエンコーダより出力されたＺ座標信号とに基づいて、ステージ１１に置かれた被測定物４の、鏡筒１２の光学系の光軸中心位置における高さ（Ｚ座標）を測定する。そして、測定結果を測定点座標記憶部２５に記憶する。
【００２１】
上下駆動制御部２２は、高さ測定部２１で算出された鏡筒１２の光学系から当該光学系の光軸中心位置における被測定物４までの距離と、予め設定されている鏡筒１２の光学系の焦点距離とに基づいて、鏡筒１２の光学系を当該光学系の光軸中心位置における被測定物４で合焦させるためのＺ方向駆動信号（鏡筒１２の光学系から当該光学系の光軸中心位置における被測定物４までの距離が、当該光学系の焦点距離に近づく方向に、鏡筒１２を移動させるためのＺ方向駆動信号）を生成する。そして、このＺ方向駆動信号を、前記図示していない上下駆動機構へ出力する。
【００２２】
画像処理部２３は、撮像装置１３で撮像された撮像画像のうち、画像中心位置（鏡筒１２の光学系の光軸中心位置）を含む第１の所定領域の画像（第１の部分画像）に対して画像処理を施して、第１の部分画像に含まれる被測定物４の輪郭を検出する。例えば、第１の部分画像上において所定値以上のコントラストがある境界を、被測定物４およびステージ１１の境界、つまり、被測定物４の輪郭として検出する。
【００２３】
ここで、第１の所定領域は、被測定物４の輪郭（の一部）が含まれる大きさとなるように、鏡筒１２の光学系の倍率や、被測定物４の大きさや、前記図示していない水平駆動機構の精度誤差などを考慮して、例えば操作者によって予め設定される。
【００２４】
次に、画像処理部２３は、検出した輪郭から測定点（例えば、画像中心から最も近い輪郭上の点）を特定し、特定した測定点の水平方向位置（ＸＹ座標）を、前記図示していない水平駆動機構のエンコーダより出力されたＸＹ座標信号により特定されるステージ１１の水平方向位置（鏡筒１２の光学系の光軸中心位置）と、測定点の画像中心に対する相対位置とに基づいて測定する。そして、測定結果を測定点座標記憶部２５に記憶する。
【００２５】
また、画像処理部２３は、撮像装置１３で撮像された撮像画像のうち、画像中心位置から所定方向に所定距離だけ離れた点を含む第２の所定領域の画像（第２の部分画像）に対して第１の部分画像の場合と同様の画像処理を施して、第２の部分画像に含まれる被測定物４の輪郭を検出する。ただし、第２の部分画像に対する輪郭検出は、ステージ１１の移動制御のために、次の測定点のＸＹ座標を仮測定するためのものである。そこで、第２の部分画像に対する輪郭検出の条件（例えば第２の部分画像から検出する境界のコントラスト値）は、第１の部分画像の場合に比べて緩やかでよい。
【００２６】
ここで、所定方向は、鏡筒１２の光学系の光軸中心位置がステージ１１に置かれた被測定物４の輪郭に沿って移動するように、例えば操作者によって予め設定される。または、中心で検出した輪郭の延長方向でもかまわない。また、所定距離は、撮像画像において、光学系の光軸中心位置でのピントが合っているならば、当該光軸中心位置から所定方向に所定距離だけ離れた位置でのピントも合っているように、鏡筒１２の光学系の焦点深度や、被測定物４の輪郭の高低差などに基づき、例えば操作者によって予め設定される。さらに、第２の所定領域は、第１の所定領域の場合と同様、被測定物４の輪郭（の一部）が含まれる大きさとなるように、例えば操作者によって予め設定される。
【００２７】
次に、画像処理部２３は、検出した輪郭から次の測定点（例えば、画像中心から最も近い輪郭上の点）を特定し、当該次の測定点の水平方向位置（ＸＹ座標）を、前記図示していない水平駆動機構のエンコーダより出力されたＸＹ座標信号により特定されるステージ１１の水平方向位置（鏡筒１２の光学系の光軸中心位置）と、当該次の測定点の画像中心に対する相対位置とに基づいて仮測定する。
【００２８】
水平駆動制御部２４は、画像処理部２３で仮測定された次の測定点のＸＹ座標位置に鏡筒１２の光学系の光軸中心が位置するように、ステージ１１を移動するためのＸＹ方向駆動信号を生成する。そして、このＸＹ方向駆動信号を、前記図示していない水平駆動機構へ出力する。
【００２９】
ここで、前記図示していない水平駆動機構は、水平駆動制御部２４から出力されたＸＹ方向駆動信号によるステージ１１の移動が完了すると、ステージ移動完了信号を水平駆動制御部２４に返す。水平駆動制御部２４は、このステージ移動完了信号を高さ測定部２１および画像処理部２３に出力する。高さ測定部２１および画像処理部２３は、このステージ移動完了信号をトリガとして、測定点座標記憶部２５に記憶する座標情報を測定する。
【００３０】
以上のような構成を有する画像測定機において、処理部２は、ＡＳＩＣ（Application Specific Inteｇrated Circuits）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などの集積ロジックＩＣによりハード的に実現されるものでもよいし、あるいは、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）などの計算機によりソフトウエア的に実現されるものでもよい。さらには、ＣＰＵおよびメモリを含むコンピュータシステムにおいて、ＣＰＵがメモリ上の所定のプログラムを実行することにより実現されるものでもよい。この場合、測定点記憶部２５には、メモリや外部記憶装置が用いられる。
【００３１】
次に、本発明の一実施形態が適用された画像測定機の動作について説明する。
【００３２】
図２は、本実施形態が適用された画像測定機の動作フローを説明するための図である。
【００３３】
なお、このフローでは、鏡筒１２の光学系の光軸中心が、ステージ１１に置かれた被測定物４の輪郭上の最初の測定点（測定点Ｎｏ.１）に位置するように、ステージ１１の位置が初期設定されていることを前提にしている。
【００３４】
また、このフローの実行中、上下駆動制御部２２は、高さ測定部２１で逐次算出される鏡筒１２の光学系から当該光学系の光軸中心位置における被測定物４までの距離と、予め設定されている鏡筒１２の光学系の焦点距離とに基づいて、鏡筒１２の光学系を当該光学系の光軸中心位置における被測定物４で合焦させるためのＺ方向駆動信号を生成し、前記図示していない上下駆動機構へ出力している。このため、鏡筒１２の光学系は、光軸中心位置にある対象物で常にピントがあった状態となっている。
【００３５】
先ず、水平駆動制御部２４は、ｎ＝１に設定する（Ｓ１０１）。そして、測定点Ｎｏ.ｎに対するステージ移動完了信号を、画像処理部２３および高さ測定部２１に出力する。これを受けて、画像処理部２３および高さ測定部２１は、測定点Ｎｏ.ｎのＸＹ座標およびＺ座標を測定する（Ｓ１０２、Ｓ１０３）。
【００３６】
すなわち、画像処理部２３は、Ｓ１０２において次の処理（Ｓ１０２１〜Ｓ１０２４）を行なう。
【００３７】
先ず、画像処理部２３は、撮像部１から出力される画像信号を基に撮像画像を取得する（Ｓ１０２１）。
【００３８】
次に、画像処理部２３は、取得した撮像画像のうち、画像中心位置（鏡筒１２の光学系の光軸中心位置）を含む第１の所定領域の第１の部分画像に対して画像処理を施して、第１の部分画像に含まれる被測定物４の輪郭を検出する（Ｓ１０２２）。ここで、第１の部分画像に含まれる被測定物４の輪郭の検出に失敗した場合は、Ｓ１０２１に戻って撮像画像を再度取得し、再度取得した撮像画像に含まれる第１の部分画像に対して、被測定物４の輪郭を検出する。この場合の輪郭検出条件は、前回に比べて緩やかにするとよい。
【００３９】
それから、画像処理部２３は、検出した輪郭から測定点Ｎｏ.ｎを特定し、特定した測定点Ｎｏ.ｎの水平方向位置（ＸＹ座標）を、前記図示していない水平駆動機構のエンコーダより出力されたＸＹ座標信号および測定点Ｎｏ.ｎの画像中心に対する相対位置に基づいて測定する（Ｓ１０２３）。そして、測定点Ｎｏ.ｎのＸＹ座標情報を、測定点座標記憶部２５に記憶する（Ｓ１０２４）。
【００４０】
一方、高さ測定部２１は、Ｓ１０３において次の処理（Ｓ１０３１〜Ｓ１０３３）を行なう。
【００４１】
先ず、高さ測定部２１は、高さセンサ１２１より出力されたセンサ信号を取得する（Ｓ１０３１）。次に、このセンサ信号の信号値に基づいて、鏡筒１２の光学系から当該光学系の光軸中心位置における被測定物４までの距離を算出する。そして、この算出距離および前記図示していない上下駆動機構のエンコーダより出力されたＺ座標信号に基づいて、ステージ１１に置かれた被測定物４の鏡筒１２の光学系の光軸中心位置における高さ（Ｚ座標）を測定する（Ｓ１０３２）。そして、このＺ座標情報を、測定点Ｎｏ.ｎのＺ座標情報として、測定点座標記憶部２５に記憶する（Ｓ１０３３）。
【００４２】
測定点Ｎｏ.ｎのＸＹ座標およびＺ座標の測定処理（Ｓ１０２、Ｓ１０３）が終了すると、画像処理部２３は、処理を終了するならば（Ｓ１０４でＹｅｓ）、測定点座標記憶部２５に記憶されている測定点Ｎｏ.１〜測定点Ｎｏ.ｎ各々のＸＹＺ座標を、出力装置３に出力する（Ｓ１０５）。一方、処理を終了しないならば、Ｓ１０６へ移行する。
【００４３】
ここで、処理を終了するか否かは、例えば、前記図示していない水平駆動機構のエンコーダより出力されたＸＹ座標信号に基づいて、ステージ１１のＸＹ座標位置が、初期設定位置から予め設定された距離（被測定物２４の観測範囲よりも長い距離）以上移動したか否かを調べることで、判断することができる。
【００４４】
さて、Ｓ１０６において、画像処理部２３は、Ｓ１０２で取得した撮像画像のうち、画像中心位置から所定方向に所定距離だけ離れた点を含む第２の所定領域の第２の部分画像に対して画像処理を施して、第２の部分画像に含まれる被測定物４の輪郭を検出する。
【００４５】
ここで、第２の部分画像に含まれる被測定物４の輪郭が測定できない場合、高さ測定部２１は、測定点座標記憶部２５に記憶されている測定点（測定点Ｎｏ.ｎ以前の測定点）のＺ座標の変化の情報（傾向）に基づいて、第２の部分画像に含まれている次の測定点ｎ+１のＺ座標値を類推する（Ｓ１０７）。例えば、測定点Ｎｏ.ｎのＺ座標をＺ_n、測定点Ｎｏ.ｎ-１のＺ座標をＺ_n-1、そして、測定点ｎ+１のＺ座標類推値をＺ_n+1とした場合、Ｚ_n+1＝Ｚ_n+（Ｚ_n-Ｚ_n-1）により、測定点ｎ+１のＺ座標類推値を算出する。なお、測定点座標記憶部２５に、測定点ｎ+１のＺ座標値の類推に必要な数の測定点が未だ記憶されていない場合は、予め設定されたデフォルト値を測定点ｎ+１のＺ座標類推値として用いる。
【００４６】
次に、高さ測定部２１は、測定点Ｎｏ.ｎ+１のＺ座標類推値および前記図示していない上下駆動機構のエンコーダより出力されたＺ座標信号に基づいて、鏡筒１２の光学系から被測定物４の測定点Ｎｏ.ｎ+１までの推定距離を算出する。そして、算出した推定距離を上下駆動制御部２２に出力する（Ｓ１０８）。そして、Ｓ１０６に戻る。これにより、鏡筒１２の光学系の光軸中心に位置する部分以外の部分の画像（第２の部分画像）から被測定物４の輪郭形状が検出できない場合でも、当該光軸中心に位置する部分以外の部分で、鏡筒１２の光学系のピントが合い輪郭抽出できるように制御することができる。
【００４７】
それから、画像処理部２３は、検出した輪郭から次の測定点Ｎｏ.ｎ+１を特定し、特定した次の測定点Ｎｏ.ｎ+１の水平方向位置（ＸＹ座標）を、前記図示していない水平駆動機構のエンコーダより出力されたＸＹ座標信号および測定点Ｎｏ.ｎ+１の画像中心に対する相対位置に基づいて仮測定する（Ｓ１０９）。そして、仮測定したＸＹ座標位置を、水平駆動制御部２４に通知する。
【００４８】
これを受けて、水平駆動制御部２４は、画像処理部２３より通知された測定点Ｎｏ.ｎ+１のＸＹ座標位置に、鏡筒１２の光学系の光軸中心が位置するように、ステージ１１を移動するためのＸＹ方向駆動信号を生成する。そして、このＸＹ方向駆動信号を、前記図示していない水平駆動機構へ出力する。これにより、前記図示していない水平駆動機構は、鏡筒１２の光学系の光軸中心が、仮測定された測定点Ｎｏ.ｎ+１のＸＹ座標位置にくるように、ステージ１１を移動する（Ｓ１１０）。
【００４９】
次に、水平駆動制御部２４は、前記図示していない水平駆動機構からステージ移動完了信号を受け取ると、ｎを１つインクリメントする（Ｓ１１１）。それから、測定点Ｎｏ.ｎに対するステージ移動完了信号を、画像処理部２３および高さ測定部２１に出力して、画像処理部２３および高さ測定部２１に、Ｓ１０２、Ｓ１０３を繰り返し行なわせる。
【００５０】
以上、本発明の一実施形態について説明した。
【００５１】
本実施形態において、画像処理部２３は、被測定物４の撮像画像のうち、光学系の光軸中心に位置する第１の部分画像を用いて、被測定物４の測定点Ｎｏ.ｎのＸＹ座標を測定する。したがって、輪郭部分に高低差がある被測定物４を測定する場合において、上述のティーチング作業を行なわなくても、ピントの合った輪郭形状画像から測定点Ｎｏ.ｎのＸＹ座標を測定することができる。
【００５２】
また、本実施形態によれば、フォーカス制御のために測定する光学系の光軸中心位置での高さが測定点Ｎｏ.ｎの高さとなるので、測定点Ｎｏ.ｎのＸＹ座標のみならず、Ｚ座標をも得ることができる。
【００５３】
さらに、本実施形態において、高さ測定部２１は、鏡筒１２の光学系の光軸中心に位置する部分以外の部分の画像（第２の部分画像）から被測定物４の輪郭形状が検出できない場合、測定座標記憶部２５に記憶されている、高さ測定部２１がそれまでに測定した測定点（測定点Ｎｏ.ｎ以前の測定点）の高さの変化の情報（傾向）から、第２の部分画像に含まれている次の測定点Ｎｏ.ｎ+１での高さを推定し、推定した高さ位置で鏡筒１２の光学系が合焦するように、光学系のフォーカス制御を行なっている。
【００５４】
このため、被測定物４の輪郭形状の測定に際し、複数の測定点のうちの１つの測定点での高さが測定できない（フォーカス制御できない）ことによって、動作が停止し、このために残りの測定点での測定が行なわれなくなってしまうことを防止することができる。
【００５５】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で数々の変形が可能である。例えば、上記の実施形態では、図示していない上下駆動機構により鏡筒１２の高さを制御することで、鏡筒１２の光学系のフォーカス制御を行なっているが、鏡筒１２自体がＡＦ機構を有していてもよい。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、輪郭部分に高低差がある被測定物を、迅速に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態が適用された画像測定機の概略構成図である。
【図２】本発明の一実施形態が適用された画像測定機の動作フローを説明するための図である。
【符号の説明】
１…撮像部、２…処理部、３…出力装置、４…被測定物、１１…ステージ、１２…鏡筒、１３…撮像装置、２１…高さ測定部、２２…上下駆動制御部、２３…画像処理部、２４…水平方向駆動部、２５…測定点座標記憶部、１２１…高さセンサ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an image measuring machine and an image measuring method for capturing an image of an object to be measured through an optical system and measuring the shape of the object to be measured from the obtained image.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Image measuring machines that image an object to be measured placed on a stage movable in a horizontal direction via an optical system and measure the shape of the object to be measured from the obtained image are widely used (for example, patents) Reference 1).
[0003]
In a conventional image measuring machine, the contour shape of the measurement object is detected from the captured image using the contrast of the stage and the measurement object on the captured image. Then, coordinate information at a plurality of measurement points (points for specifying the contour shape) located on the detected contour is obtained by, for example, coordinates on the stage at the center of the optical axis of the optical system and each measurement point on the captured image. Measure based on the coordinates with respect to the optical axis center of the optical system. If the contour to be measured of the object to be measured does not fit in the captured image, the stage is moved to image an unimaged part of the object to be measured, and the above processing is performed on the captured image. This is repeated until the coordinate measurement is completed for the contour to be measured of the object to be measured, thereby measuring the contour shape of the object to be measured.
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-183124
[Problems to be solved by the invention]
When there is a difference in height between the contours of the measured object, the contoured part of the measured object included in the captured image is in focus (the part that is clearly visible) and the part that is not in focus (blurred) May be included). In a portion that is not in focus, the contour shape may not be detected from the captured image. For this reason, in the conventional image measuring machine, when measuring an object to be measured having a height difference in the contour portion, a work called teaching is performed prior to the measurement, and a plurality of focal points are set for the same imaging range. Then, by imaging at the plurality of focal points with respect to the same imaging range, the contour shape at each measurement point of the object to be measured included in the imaging range can be detected from any of the plurality of captured images. Yes. As described above, the conventional image measuring machine has a problem that it takes time for teaching work when measuring an object to be measured having a height difference in the contour portion.
[0006]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an image measuring machine and an image measuring method capable of quickly measuring an object to be measured having a height difference in a contour portion. .
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, an image measuring machine according to claim 1 is placed on the stage via a stage that can move in the horizontal direction, a drive control unit that moves the stage in the horizontal direction, and an optical system. An imaging unit for imaging the measured object, a height measuring unit for measuring the height of the measured object at the optical axis center position of the optical system, and a height position measured by the height measuring unit. A focus control unit that performs focus control of the optical system so that the optical system is in focus, and an optical axis center position of the optical system and the measurement target among images of the measurement object captured by the imaging unit An image processing unit that acquires a first partial image including a contour shape of an object, detects a contour shape of the object to be measured from the first partial image, and measures a horizontal position of the contour; And the image processing unit captures the image captured by the imaging unit. Among the measurement of the image, from the second partial images separated by a predetermined distance from the optical axis center position of the optical system, wherein to detect the contour of the object, temporarily measure the horizontal position of the contour The drive control unit moves the stage in the horizontal direction so that the optical axis center of the optical system is located at the horizontal position temporarily measured by the image processing unit , and the position where the temporary measurement is performed is The imaging is performed in a state where the optical axis of the optical system is located .
[0008]
The image measuring machine according to a second aspect of the present invention is the image measuring machine according to the first aspect, wherein the height measuring unit is configured so that the optical system of the object to be measured is moved each time the stage is moved by the drive control unit. The height at the center position of the optical axis is measured and stored in the storage device, and the focus control unit stores in the storage device when the contour shape of the object to be measured cannot be detected from the second partial image. The height measurement unit estimates the height of the object to be measured from the height change information measured so far so that the optical system is focused at the estimated height position. Focus control of the optical system is performed.
[0009]
According to a third aspect of the present invention, there is provided an image measurement method for measuring a shape of a measurement object using an image obtained by imaging the measurement object placed on a stage movable in a horizontal direction through an optical system. An image measuring method for measuring the height of the measured object at the optical axis center position of the optical system, and the optical system so that the optical system is focused at the measured height position. Performing the focus control, imaging the object to be measured via the focus-controlled optical system, obtaining an image of the object to be measured, and, among the images of the object to be measured, the optical system Obtaining a first partial image including a center position of the optical axis and a contour shape of the object to be measured , detecting a contour shape from the first partial image, and measuring a horizontal position of the contour; , Out of the image of the object to be measured, the optical From the second partial images separated by a predetermined distance from the optical axis center position, the detecting the contour of the object to be measured, a step of provisionally measuring the horizontal position of the contour, the position of the horizontal direction that is provisionally determined In addition, the step of horizontally moving the stage so that the optical axis center of the optical system is located is repeatedly performed.
[0010]
An image measurement method according to a fourth aspect of the present invention is the image measurement method according to the third aspect , wherein the step of controlling the focus of the optical system is the step of measuring the height, and the second partial image. When the contour shape of the object to be measured cannot be detected, the height of the object to be measured is estimated from the height change information measured so far in the step of measuring the height, and the estimated height The focus control of the optical system is performed so that the optical system is focused at the vertical position.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described.
[0012]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an image measuring machine to which an embodiment of the present invention is applied.
[0013]
As shown in the figure, the image measuring machine according to the present embodiment includes an imaging unit 1, a processing unit 2, and an output device 3 such as a monitor that outputs a processing result in the processing unit 3.
[0014]
The imaging unit 1 is placed on the stage 11 via the stage 11 movable in the horizontal direction (XY direction), the lens barrel 12 having an optical system including a height sensor 121, and the optical system of the lens barrel 12. And an imaging device 13 that images the measured object 4.
[0015]
The stage 11 moves in the horizontal direction (XY direction) according to the XY direction drive signal from the processing unit 2 by a horizontal drive mechanism (not shown). Thereby, the observation position of the DUT 4 is controlled. The horizontal drive mechanism includes an encoder that detects the XY coordinates of the stage 11, and sends out the XY coordinate signals detected by the encoder to the processing unit 2.
[0016]
The lens barrel 12 moves in the vertical direction (Z direction) according to the Z direction drive signal from the processing unit 2 by a vertical drive mechanism (not shown). Thereby, focus control of the optical system of the lens barrel 12 is performed. The vertical drive mechanism includes an encoder that detects the Z coordinate of the lens barrel 12, and sends the Z coordinate signal detected by the encoder to the processing unit 2.
[0017]
The height sensor 121 outputs a sensor signal corresponding to the distance from the optical system of the lens barrel 12 to the detection target located at the optical axis center of the optical system. For example, it is configured to include a light emitting element and a light receiving element, and light emitted from the light emitting element is received by a light receiving element including a two-divided sensor, and the detection target is detected from the position of the light receiving element on the two sensors and the intensity ratio. The height is detected and a signal corresponding to the height is output.
[0018]
The processing unit 2 includes a height measurement unit 21, a vertical drive control unit 22, an image processing unit 23, a horizontal drive control unit 24, and a measurement point coordinate storage unit 25.
[0019]
Based on the sensor signal output from the height sensor 121, the height measuring unit 21 calculates the distance from the optical system of the lens barrel 12 to the device under test 4 at the optical axis center position of the optical system.
[0020]
Further, the height measuring unit 21 determines the mirror of the DUT 4 placed on the stage 11 based on the calculated distance and the Z coordinate signal output from the encoder of the vertical drive mechanism (not shown). The height (Z coordinate) at the optical axis center position of the optical system of the cylinder 12 is measured. Then, the measurement result is stored in the measurement point coordinate storage unit 25.
[0021]
The vertical drive control unit 22 includes a distance from the optical system of the lens barrel 12 calculated by the height measuring unit 21 to the object 4 to be measured at the optical axis center position of the optical system, and a preset value of the lens barrel 12. Based on the focal length of the optical system, a Z-direction drive signal for focusing the optical system of the lens barrel 12 on the object to be measured 4 at the optical axis center position of the optical system (from the optical system of the lens barrel 12 to the optical system). A Z-direction drive signal for moving the lens barrel 12 in a direction in which the distance to the DUT 4 at the center position of the optical axis of the system approaches the focal length of the optical system is generated. Then, this Z direction drive signal is output to the vertical drive mechanism (not shown).
[0022]
The image processing unit 23 is an image (first partial image) of a first predetermined region including the image center position (the optical axis center position of the optical system of the lens barrel 12) among the captured images captured by the imaging device 13. Is subjected to image processing to detect the contour of the DUT 4 included in the first partial image. For example, a boundary having a contrast equal to or higher than a predetermined value on the first partial image is detected as a boundary between the measured object 4 and the stage 11, that is, an outline of the measured object 4.
[0023]
Here, the magnification of the optical system of the lens barrel 12, the size of the object to be measured 4, and the above-described figure so that the first predetermined area has a size including the outline of the object to be measured 4 (a part thereof). In consideration of the accuracy error of the horizontal drive mechanism not shown, it is preset by the operator, for example.
[0024]
Next, the image processing unit 23 identifies a measurement point (for example, a point on the contour closest to the center of the image) from the detected contour, and the horizontal position (XY coordinate) of the identified measurement point is shown in the figure. Based on the horizontal position of the stage 11 (the optical axis center position of the optical system of the lens barrel 12) specified by the XY coordinate signal output from the encoder of the non-horizontal drive mechanism and the relative position of the measurement point with respect to the image center. taking measurement. Then, the measurement result is stored in the measurement point coordinate storage unit 25.
[0025]
In addition, the image processing unit 23 converts an image of the second predetermined region (second partial image) that includes a point that is a predetermined distance away from the image center position in a predetermined direction, among the captured images captured by the imaging device 13. On the other hand, the same image processing as in the case of the first partial image is performed, and the contour of the DUT 4 included in the second partial image is detected. However, the contour detection for the second partial image is for temporarily measuring the XY coordinates of the next measurement point for the movement control of the stage 11. Therefore, the contour detection condition for the second partial image (for example, the contrast value of the boundary detected from the second partial image) may be gentler than that of the first partial image.
[0026]
Here, the predetermined direction is preset by, for example, an operator so that the optical axis center position of the optical system of the lens barrel 12 moves along the contour of the measurement object 4 placed on the stage 11. Alternatively, the extension direction of the contour detected at the center may be used. In addition, if the predetermined distance is in focus at the optical axis center position of the optical system in the captured image, the predetermined distance seems to be in focus at a position away from the optical axis center position by a predetermined distance in the predetermined direction. Further, based on the depth of focus of the optical system of the lens barrel 12 and the height difference of the contour of the object 4 to be measured, for example, it is set in advance by the operator. Furthermore, the second predetermined area is set in advance by, for example, an operator so as to have a size that includes (a part of) the outline of the DUT 4 as in the case of the first predetermined area.
[0027]
Next, the image processing unit 23 specifies the next measurement point (for example, the point on the contour closest to the center of the image) from the detected contour, and determines the horizontal position (XY coordinate) of the next measurement point. The horizontal position of the stage 11 (the optical axis center position of the optical system of the lens barrel 12) specified by the XY coordinate signal output from the encoder of the horizontal drive mechanism (not shown) and the image center of the next measurement point Temporary measurement based on relative position.
[0028]
The horizontal drive controller 24 moves the stage 11 so that the optical axis center of the optical system of the lens barrel 12 is positioned at the XY coordinate position of the next measurement point temporarily measured by the image processor 23. A drive signal is generated. Then, this XY direction drive signal is output to the horizontal drive mechanism (not shown).
[0029]
Here, the horizontal drive mechanism (not shown) returns a stage movement completion signal to the horizontal drive control unit 24 when the movement of the stage 11 by the XY direction drive signal output from the horizontal drive control unit 24 is completed. The horizontal drive control unit 24 outputs the stage movement completion signal to the height measurement unit 21 and the image processing unit 23. The height measurement unit 21 and the image processing unit 23 measure the coordinate information stored in the measurement point coordinate storage unit 25 using the stage movement completion signal as a trigger.
[0030]
In the image measuring machine having the above-described configuration, the processing unit 2 may be realized in hardware by an integrated logic IC such as an ASIC (Application Specific Integrated Circuits), an FPGA (Field Programmable Gate Array), or It may be realized by software by a computer such as a DSP (Digital Signal Processor). Furthermore, in a computer system including a CPU and a memory, the CPU may be realized by executing a predetermined program on the memory. In this case, the measurement point storage unit 25 uses a memory or an external storage device.
[0031]
Next, the operation of the image measuring machine to which an embodiment of the present invention is applied will be described.
[0032]
FIG. 2 is a diagram for explaining an operation flow of the image measuring machine to which the present embodiment is applied.
[0033]
In this flow, the stage is set so that the optical axis center of the optical system of the lens barrel 12 is located at the first measurement point (measurement point No. 1) on the contour of the measurement object 4 placed on the stage 11. It is assumed that position 11 is initially set.
[0034]
Further, during the execution of this flow, the vertical drive control unit 22, the distance from the optical system of the lens barrel 12 sequentially calculated by the height measuring unit 21 to the object 4 to be measured at the optical axis center position of the optical system, Based on a preset focal length of the optical system of the lens barrel 12, a Z-direction drive signal for focusing the optical system of the lens barrel 12 with the object to be measured 4 at the optical axis center position of the optical system. Generated and output to the vertical drive mechanism (not shown). For this reason, the optical system of the lens barrel 12 is always in focus with the object at the center position of the optical axis.
[0035]
First, the horizontal drive control unit 24 sets n = 1 (S101). Then, a stage movement completion signal for the measurement point No. n is output to the image processing unit 23 and the height measurement unit 21. In response to this, the image processing unit 23 and the height measuring unit 21 measure the XY coordinates and the Z coordinates of the measurement point No. n (S102, S103).
[0036]
That is, the image processing unit 23 performs the following processing (S1021 to S1024) in S102.
[0037]
First, the image processing unit 23 acquires a captured image based on the image signal output from the imaging unit 1 (S1021).
[0038]
Next, the image processing unit 23 performs image processing on the first partial image in the first predetermined region including the image center position (the optical axis center position of the optical system of the lens barrel 12) in the acquired captured image. To detect the contour of the DUT 4 included in the first partial image (S1022). Here, when the detection of the contour of the DUT 4 included in the first partial image fails, the process returns to S1021 to acquire the captured image again, and the first partial image included in the acquired captured image again. On the other hand, the contour of the DUT 4 is detected. In this case, it is preferable that the contour detection conditions be relaxed compared to the previous time.
[0039]
Then, the image processing unit 23 specifies the measurement point No. n from the detected contour, and outputs the horizontal position (XY coordinate) of the specified measurement point No. n from the encoder of the horizontal drive mechanism (not shown). Measurement is performed based on the relative position of the measured XY coordinate signal and the measurement point No. n with respect to the image center (S1023). Then, the XY coordinate information of the measurement point No. n is stored in the measurement point coordinate storage unit 25 (S1024).
[0040]
On the other hand, the height measuring unit 21 performs the following processing (S1031 to S1033) in S103.
[0041]
First, the height measuring unit 21 acquires a sensor signal output from the height sensor 121 (S1031). Next, based on the signal value of the sensor signal, the distance from the optical system of the lens barrel 12 to the device under test 4 at the optical axis center position of the optical system is calculated. Based on this calculated distance and the Z coordinate signal output from the encoder of the vertical drive mechanism (not shown), the optical axis of the optical system of the lens barrel 12 of the object to be measured 4 placed on the stage 11 is determined. The height (Z coordinate) is measured (S1032). Then, this Z coordinate information is stored in the measurement point coordinate storage unit 25 as Z coordinate information of the measurement point No. n (S1033).
[0042]
When the measurement processing of the XY coordinates and the Z coordinates (S102, S103) of the measurement point No. n is finished, the image processing unit 23 is stored in the measurement point coordinate storage unit 25 if the processing is finished (Yes in S104). The XYZ coordinates of the measurement points No. 1 to No. n are output to the output device 3 (S105). On the other hand, if the process is not terminated, the process proceeds to S106.
[0043]
Here, whether to end the process is determined based on, for example, the XY coordinate position of the stage 11 from the initial setting position based on the XY coordinate signal output from the encoder of the horizontal drive mechanism (not shown). Judgment can be made by examining whether or not the distance has moved by a distance longer than the observation range of the object to be measured 24.
[0044]
In S106, the image processing unit 23 performs image processing on the second partial image in the second predetermined area including the point that is a predetermined distance away from the center position of the image in the predetermined direction among the captured images acquired in S102. Processing is performed to detect the contour of the DUT 4 included in the second partial image.
[0045]
Here, when the contour of the DUT 4 included in the second partial image cannot be measured, the height measuring unit 21 measures the measurement points stored in the measurement point coordinate storage unit 25 (before the measurement point No. n). Based on the change information (trend) of the Z coordinate of the measurement point), the Z coordinate value of the next measurement point n + 1 included in the second partial image is estimated (S107). For example, when the Z coordinate of measurement point No. _n is Z _n , the Z coordinate of measurement point _{No. n-1} is Z _n-1 , and the Z coordinate analogy of measurement point n + 1 is Z _{n + 1} , Z _{n + 1} = Z _n + (Z _n −Z _n−1 ), the Z coordinate analogy value of the measurement point n + 1 is calculated. If the measurement point coordinate storage unit 25 has not yet stored the number of measurement points necessary for analogy of the Z coordinate value of the measurement point n + 1, the default value set in advance is set to the measurement point n + 1. Used as Z coordinate analogy.
[0046]
Next, the height measuring unit 21 determines the optical system of the lens barrel 12 based on the Z coordinate analogy value of the measurement point No. n + 1 and the Z coordinate signal output from the encoder of the vertical drive mechanism (not shown). To the measurement point No. n + 1 of the DUT 4 is calculated. Then, the calculated estimated distance is output to the vertical drive control unit 22 (S108). Then, the process returns to S106. Thus, even when the contour shape of the DUT 4 cannot be detected from the image of the part other than the part located at the optical axis center of the optical system of the lens barrel 12 (second partial image), it is located at the optical axis center. It is possible to control so that the contour of the optical system of the lens barrel 12 can be focused and the contour can be extracted at a portion other than the portion.
[0047]
Then, the image processing unit 23 specifies the next measurement point No. n + 1 from the detected contour, and the horizontal position (XY coordinate) of the specified next measurement point No. n + 1 is illustrated in the above figure. Temporary measurement is performed based on the XY coordinate signal output from the encoder of the horizontal drive mechanism that is not present and the relative position of the measurement point No. n + 1 to the image center (S109). Then, the XY coordinate position temporarily measured is notified to the horizontal drive control unit 24.
[0048]
In response, the horizontal drive control unit 24 moves the stage so that the optical axis center of the optical system of the lens barrel 12 is positioned at the XY coordinate position of the measurement point No. n + 1 notified from the image processing unit 23. An XY direction drive signal for moving 11 is generated. Then, this XY direction drive signal is output to the horizontal drive mechanism (not shown). Thereby, the horizontal drive mechanism (not shown) moves the stage 11 so that the optical axis center of the optical system of the lens barrel 12 is at the XY coordinate position of the temporarily measured measurement point No. n + 1. (S110).
[0049]
Next, when receiving the stage movement completion signal from the horizontal drive mechanism (not shown), the horizontal drive control unit 24 increments n by one (S111). Then, a stage movement completion signal for the measurement point No. n is output to the image processing unit 23 and the height measurement unit 21 to cause the image processing unit 23 and the height measurement unit 21 to repeatedly perform S102 and S103.
[0050]
The embodiment of the present invention has been described above.
[0051]
In the present embodiment, the image processing unit 23 uses the first partial image located at the center of the optical axis of the optical system, among the captured images of the object 4 to be measured, for the measurement point No. n of the object 4 to be measured. Measure the XY coordinates. Therefore, when measuring the DUT 4 having a height difference in the contour portion, it is possible to measure the XY coordinates of the measurement point No. n from the focused contour shape image without performing the teaching work described above. it can.
[0052]
In addition, according to the present embodiment, the height at the optical axis center position of the optical system that is measured for focus control is the height of the measurement point No. n, so that not only the XY coordinates of the measurement point No. n. , Z coordinates can also be obtained.
[0053]
Further, in the present embodiment, the height measuring unit 21 detects the contour shape of the object to be measured 4 from the image (second partial image) of the part other than the part located at the optical axis center of the optical system of the lens barrel 12. If not, from the information (trend) of the change in height of the measurement points (measurement points before measurement point No. n) measured by the height measurement unit 21 so far, stored in the measurement coordinate storage unit 25, The height of the next measurement point No. n + 1 included in the second partial image is estimated, and the optical system focus is adjusted so that the optical system of the lens barrel 12 is focused at the estimated height position. Control is performed.
[0054]
For this reason, when measuring the contour shape of the object 4 to be measured, the height at one of the plurality of measurement points cannot be measured (focus control cannot be performed), so that the operation is stopped. It is possible to prevent the measurement at the measurement point from being stopped.
[0055]
In addition, this invention is not limited to said embodiment, Many deformation | transformation are possible within the range of the summary. For example, in the above embodiment, the focus control of the optical system of the lens barrel 12 is performed by controlling the height of the lens barrel 12 by a vertical drive mechanism (not shown), but the lens barrel 12 itself is an AF mechanism. You may have.
[0056]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to quickly measure an object to be measured having a height difference in the contour portion.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an image measuring machine to which an embodiment of the present invention is applied.
FIG. 2 is a diagram for explaining an operation flow of an image measuring machine to which an embodiment of the present invention is applied.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Imaging part, 2 ... Processing part, 3 ... Output device, 4 ... Object to be measured, 11 ... Stage, 12 ... Lens tube, 13 ... Imaging apparatus, 21 ... Height measuring part, 22 ... Vertical drive control part, 23 ... Image processing unit, 24 ... Horizontal direction driving unit, 25 ... Measurement point coordinate storage unit, 121 ... Height sensor

Claims

A stage that can move horizontally,
A drive control unit for moving the stage in a horizontal direction;
An imaging unit that images the measurement object placed on the stage via an optical system;
A height measuring unit for measuring the height of the object to be measured at the optical axis center position of the optical system;
A focus control unit that performs focus control of the optical system so that the optical system is focused at the height position measured by the height measurement unit;
A first partial image including an optical axis center position of the optical system and a contour shape of the measured object is acquired from the image of the measured object captured by the imaging unit, and the first partial image is acquired from the first partial image. An image processing unit that detects a contour shape of the object to be measured and measures a horizontal position of the contour;
The image processing unit
Among the images of the measurement object captured by the imaging unit, the contour shape of the measurement object is detected from a second partial image separated from the optical axis center position of the optical system by a predetermined distance . Tentatively measure the horizontal position,
The drive control unit
The stage is moved in the horizontal direction so that the optical axis center of the optical system is positioned at the horizontal position temporarily measured by the image processing unit , and the position where the temporary measurement is performed is the optical axis center of the optical system. An image measuring machine that performs the imaging in a position .

The image measuring machine according to claim 1,
The height measuring unit is
Each time the stage is moved by the drive controller, the height of the object to be measured at the optical axis center position of the optical system is measured and stored in a storage device,
The focus control unit
If the contour shape of the object to be measured cannot be detected from the second partial image , the object to be measured is stored in the storage device based on the height change information measured so far by the height measuring unit. An image measuring machine that estimates the height of a measurement object and performs focus control of the optical system so that the optical system is focused at the estimated height position.

An image measuring method for measuring the shape of the object to be measured using an image obtained by imaging an object to be measured placed on a stage movable in a horizontal direction through an optical system,
Measuring the height of the measured object at the center position of the optical axis of the optical system;
Performing focus control of the optical system such that the optical system is in focus at the measured height position;
Imaging the object to be measured through the optical system under focus control, and obtaining an image of the object to be measured;
Among the images of the object to be measured, a first partial image including the optical axis center position of the optical system and the contour shape of the object to be measured is acquired, and the contour shape is detected from the first partial image, Measuring the horizontal position of the contour;
Among the images of the object to be measured, a contour shape of the object to be measured is detected from a second partial image separated from the optical axis center position of the optical system by a predetermined distance , and the horizontal position of the contour is temporarily determined. Measuring step;
The step of moving the stage in the horizontal direction so that the optical axis center of the optical system is positioned at the temporarily measured horizontal position is repeatedly executed.

The image measurement method according to claim 3 , wherein
Performing the focus control of the optical system,
In the step of measuring the height, when the contour shape of the object to be measured cannot be detected from the second partial image, from the information on the change in the height measured so far in the step of measuring the height. An image measurement method comprising: estimating the height of the object to be measured and performing focus control of the optical system so that the optical system is focused at the estimated height position.