JP4464137B2 - 光学式２次元および３次元形状測定システム - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

〔技術分野〕
本発明は、光学式２次元および３次元形状測定システムに関するもので、特に、測定物に対する２次元サイズおよび３次元形状と表面粗度の測定を選択的に、または交番的に実施することのできる、光学式２次元および３次元形状測定システムに関するものである。
〔背景技術〕
一般的に、電子工学と機械工学が発展するに伴い、電子、機械部品の小型化および精密化が加速化されているが、このような小型の電子および機械部品の加工と製造状態を確認するためには、そのサイズ、形状、表面粗度に対する高精度の測定が成されなければならない。

例えば、電子部品である半導体ウェーハーと、この半導体ウェーハー上に加工された集積回路の微細パターンに対するサイズ、形状、表面粗度は、周知の接触式測定装置を利用して測定することができず、触針を利用した接触式表面粗度測定器を利用する場合にも、触針のチップ（Ｔｉｐ）が物体の表面に微細な傷を発生させ得るだけでなく、面積に関する情報を得るのが難しいという問題点があった。

従って、現在では、小型の電子、機械部品などのサイズを測定するための方案として、光源から放射される光を利用して測定物のサイズを非接触方式で得る光学式２次元測定装置と、光源から放射される光を基準パターン化して測定物を映写し、その測定物の形状に基づき変形された光を基準パターンと比較して測定物に対する形状（および表面粗度）を測定する光学式３次元測定装置が使用されている。

しかし、光を利用して測定物のサイズを測定する２次元測定装置と、測定物の形状（および表面粗度）を測定する３次元測定装置は、各々独立的に設計されて別個で使用されることによって、特定測定物の２次元サイズと３次元形状を測定するためには、２次元および３次元測定装置を交互に使用して測定物のサイズと形状を測定しなければならないという煩わしさがあるだけでなく、使用者の経済的な負担を加重させるという問題点があった。

そこで、本出願人は、前記のような問題点を解消するために、特許登録番号第２８４０８０号を介して、測定物の２次元サイズと３次元形状／表面粗度の測定を選択的に、または互換的に実施することのできる"光学式サイズ／形状／表面粗度測定装置"を提案した。これを図１乃至図３を参照に説明する。

図１は、従来の光学式サイズ／形状／表面粗度測定装置の全体の構成を示した図面で、キーボード１１４とマウス１１６を介して設定される測定方式によって測定装置を制御および運営する制御／運営部１１２に測定結果を可視的に出力するモニター１１８とプリンター１２０が各々連結されている。

また、測定物Ｐの２次元および３次元形状を測定する測定ユニット１３０が前記制御／運営部１１２に接続されているのだが、前記測定ユニット１３０の制御器本体１３０ａには除振台１３６，石定盤１３８，Ｘ−Ｙテーブル１４０，チルトテーブル１４２が順次的に積層されており、前記石定盤１３８の一側に固定された支持台４４には、測定物Ｐの形状測定に利用される光学装置の内蔵されたプローブ１４６が上下方向に遊動可能に装着されている。

前記プローブ１４６には、測定物Ｐの２次元サイズ測定のための第１光学系１５０と、３次元形状／表面粗度測定のための第２光学系１５２ｂとが装着されている。図２は、２次元サイズ測定のための第１光学系１５０を示した図面で、図３は、３次元形状／表面粗度測定のための第２光学系を示した図面である。

測定物Ｐの２次元サイズを測定するためには、図２に図示されているように、対物レンズ１７２が制御器本体１３０ａに装着された測定物Ｐに向かうようにタレット１４８を回動させればよい。このようにタレット１４８を回動させた状態で、測定装置が駆動されると、光源１６０から出射された白色光が第１レンズ１６２，第２レンズ１６４，第３レンズ１６６および全反射ミラー１６８を介して光分割器１７０に印加される。

このように、光分割器１７０に印加された白色光は、対物レンズ１７２を介して測定物Ｐに照射され、また測定物Ｐにより反射されて、対物レンズ１７２を介して戻るのだが、この反射光を結像レンズ１７４でフォーカシングしてＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラ１７６で撮像すると、測定物Ｐの２次元サイズを測定することができる。

一方、測定物Ｐの３次元形状を測定するためには、図３に図示されているように、対物レンズ１７２と基準面１７８および光分割器１８０が制御器本体１３０ａに装着された測定物Ｐに向かうようにタレット１４８を回動させればよい。このように、タレット１４８を回動させた状態で測定装置が駆動されると、前記と同様に光源１６０から出射された白色光が第１レンズ１６２，第２レンズ１６４，第３レンズ１６６および全反射ミラー１６８を介して光分割器１７０に印加される。

このように、光分割器１７０に印加された白色光は、対物レンズ１７２と基準面１７８および光分割器１８０を介して測定物Ｐに照射されるのだが、この時、前記基準面１７８は、対物レンズ１７２により集光された光に対する基準光速を形成し、前記光分割器１８０は、測定物Ｐの形状／表面粗度測定のための測定光速を形成することになる。

前記のように形成された基準光速と測定光速とが基準面と測定面に各々入射され、その複数の光速が再び基準面と測定面によって反射され緩衝を起こすことになる。この時の緩衝模様を結像レンズ１７４を介してＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラ１７６で撮像すると、測定物Ｐの３次元形状を測定することができる。

従来の光学式サイズ／形状／表面粗度測定装置は、前記のように測定物Ｐの２次元および３次元形状測定のための第１および第２光学系１５０，１５２ｂが共通的な構成要素を共用するように構成されているという長所を有しているが、前記第１および第２光学系１５０，１５２ｂが正／逆方向の回動構造を有するタレット１４８に装着されることによって、２次元および３次元形状測定時、タレット１４８を回動させて一側を選択しなければならないという不便がある。

また、測定物３次元形状測定のために前記の従来の測定装置を介して得られる映像は、基準面と測定面によって反射される光の緩衝模様で、この時残っている基準面の映像が測定誤差の原因として作用することによって、測定結果の信頼性を確保するのが難しいという問題点があった。

そこで、本発明は、前記のような問題点を解決するために発明されたもので、測定方式の選択だけで、測定物に対する２次元および３次元形状測定を選択的に、または交番的に実行することができ、並びに基準面を使用せずに投影格子だけで３次元形状を測定することのできる、光学式２次元および３次元形状測定システムを提供することをその目的とする。

前記のような目的を達成するために、本発明は、光学系を媒介して測定物の２次元および３次元形状を選択的、または交番的に測定する光学式２次元および３次元形状測定システムにおいて：プローブケースの内側上部に装着され、結像レンズを介して測定物の２次元および３次元映像情報を獲得するＣＣＤカメラと；前記ＣＣＤカメラの下方に装着され、２次元形状測定時、測定物の測定面を照明する第１照明部と；前記第１照明部の下方であるプローブケースの底面に形成された撮像孔に装着され、２次元形状測定時、測定物の角部分を照明する第２照明部と；前記プローブケースの一側に装着され、測定物の３次元形状測定時、投影格子，投影レンズ，全反射ミラーおよび前記撮像孔を介して測定物の測定面を照明する第３照明部と；前記投影格子を微少移動させるＰＺＴアクチュエーターとを具備することを特徴とする。

また、前記第１照明部は：前記ＣＣＤカメラを介して測定物の映像情報を獲得することができるように形成された胴体と；前記胴体の底面に、外周縁に沿って形成された装着部に所定の角度に傾斜づいて装着された多数の発光ダイオードとを含むことを特徴とする
また、前記第２照明部は：前記ＣＣＤカメラを介して測定物の映像情報を獲得することができるように形成された胴体と；前記胴体の底面に、外周縁に沿って形成された装着部と；前記装着部を形成する所定の角度に傾斜づいて形成された傾斜板に装着された多数の発光ダイオードとを含むことを特徴とする。

一方、前記形状測定システムは：測定物が装着される移送テーブルの基準面に投影された格子模様の映像にバケットアルゴリズムを適用して獲得した基準位相と、測定物に投影された格子模様の映像にバケットアルゴリズムを適用して獲得した物体位相の差位相であるモアレ位相をアンラッピングして、測定物の３次元形成情報を抽出することを特徴とする。

また、前記形状測定システムは：前記第１照明部の点灯時に撮像された第１照明映像と、前記第２照明部の点灯時に撮像された第２照明映像とを選択的に使用したり、前記両映像の差を比較して測定物の２次元形状情報を抽出することを特徴とする。
〔実施例〕
以下、本発明の好ましい一実施例を添付の図面を参照して詳細に説明すると、次のとおりである。

本発明では、測定物の２次元および３次元形状を測定する光学系の内蔵されたプローブの内部構成を除いて、前記の測定装置とその構成が同一であることによって、本実施例では測定物の２次元および３次元形状を測定する光学系の内蔵されるプローブを中心に説明することにする。

図４は、本発明による光学式２次元および３次元形状測定システムのプローブを示した断面図で、プローブケース１０の内側上部には映像情報を獲得するためのＣＣＤカメラ１１がカメラマウント１２を介して装着されている。また、前記ＣＣＤカメラ１１の下方にはレンズマウント１４を介して結像レンズ１３がプローブケース１０の内側に固定されており、前記結像レンズ１３の下方には測定物の２次元形状測定時に利用される第１照明部１５が第１照明マウント１６を介してプローブケース１０に固定されている。

前記第１照明部１５は、図５に図示されているように、ＣＣＤカメラ１１を介して測定物の映像情報を獲得することができるように、リング形状に形成された胴体１５ａを具備するのだが、前記胴体１５ａの底面に、外周縁に沿って形成された装着部１５ｂには、多数の発光ダイオード１５ｃが所定の角度に傾斜づいて装着されている。つまり、結像レンズ１３の中心から延長された中心線と当接する測定物の測定面の周りに向かうように、多数の発光ダイオード１５ｃが胴体１５ａの装着部１５ｂに装着されている。

一方、前記第１照明部１５の下方であるプローブケース１０の底面には、ＣＣＤカメラ１１を介して特定物の映像情報を獲得することができるように、撮像孔１７が形成されており、前記撮像孔１７の下部には、測定物の２次元形状測定時に利用される第２照明部１８が装着されている。

図６に図示されているように、ＣＣＤカメラ１１を介して測定物の映像情報を獲得することができるように、リング形状に形成された第２照明部１８の胴体１８の底面には、外周縁に沿って装着部１８ｂが形成されており、前記装着部１８ｂを形成する所定の角度に傾斜づいて形成された傾斜板１８ｃに多数の発光ダイオード１８ｄが装着されている。

また、前記プローブケース１０の一側には、前記撮像孔１７に向かうように傾斜づいて全反射ミラー１９が装着されており、その上部には測定物の３次元形状測定時に利用される投影レンズ２０がレンズマウント２１を介してプローブケース１０の内側に固定されている。

並びに、前記投影レンズ２０の上部には未図示されたＰＺＴアクチュエーターによって遊動される投影格子２２が装着されており、その上部には測定物の３次元形状測定時に利用される光源である第３照明部２３が第３照明マウント２４を介してプローブケース１０に固定されている。

次に、前記のように構成された光学系を介して測定物の２次元および３次元形状を測定する方法を図７を参照して詳細に説明する。

図７は、本発明による光学式２次元および３次元形状測定システムの動作を説明するための図面で、図７（ａ）は、測定物の３次元形状測定方法を説明するための概略図、図７（ｂ）および図７（ｃ）は、測定物の２次元形状測定方法を説明するための図面である。

まず、キーボードまたはマウスを介して３次元形状測定方式を選択すると、図７（ａ）に図示されているように、基準面に該当する基準位相を得るために、第３照明部から発生された光が投影格子２２と投影レンズ２０および全反射ミラー１９を介して測定物Ｐが装着される移送テーブルの基準面に投影される。

その後、４バケットアルゴリズムを適用することができるように、ＰＺＴアクチュエーター２５を介して投影格子２２を微少移動させながら基準面に映写し、これを結像レンズ１３を介してＣＣＤカメラ１１に撮影するのだが、このように獲得された格子模様の映像にバケットアルゴリズムを適用すれば、基準面に対する基準位相を獲得することができる。

次に、測定物Ｐを移送テーブルの上に置き、第３照明部２３から発生された光を投影格子２２と投影レンズ２０および全反射ミラー１９を介して測定物Ｐの測定面に投影する。その後、４バケットアルゴリズムを適用することができるように、ＰＺＴアクチュエーター２４を介して投影格子２２を微少移送させながら測定物Ｐの測定面に投影し、これを結像レンズ１３を介してＣＣＤカメラ１１で撮像する。

前記のように獲得された格子模様の映像にバケットアルゴルズムを適用すると、測定物Ｐの物体位相を獲得することができるのだが、このように獲得された物体位相から基準位相を引くとモアレ位相を獲得することができ、このモアレ位相をアンラッピングすれば測定物Ｐの実際の高さ情報、つまり特定物の３次元形状情報を得ることができる。

一方、キーボードまたはマウスを介して２次元形状測定方式を選択すると、図７（ｂ）に図示されているように、第１照明部１５の胴体１５ａに傾斜づくように装着された発光ダイオード１５ｃが点灯されて光を発することになるのだが、この光は測定物Ｐの測定面によって反射され、結像レンズ１３を介してＣＣＤカメラ１１に入射される。

その後、第１照明部１５が消灯され、第２照明部１８の胴体１８に装着された発光ダイオード１８ｄが点灯されて光を発することになるのだが、この光は、測定物Ｐの角によって反射され、結像レンズ１３を介してＣＣＤカメラ１１に入射される。従って、ＣＣＤカメラ１１を介して撮像された第１照明映像と第２照明映像とを選択的に使用したり、両映像の差を比較すれば、測定物Ｐのサイズ、つまり特定物の２次元形状情報を求めることができる。
〔産業上の利用可能性〕
前記のように、本発明は、測定方式の選択だけで、測定物に対する２次元および３次元形状測定を選択的に、または交番的に実行することができ、並びに基準面を使用せずに、投影格子だけで３次元形状を測定することができることによって、測定誤差を最小化することができるだけでなく、装備の小型化、使用の簡便化および制作費用の節減を介して競争力のある装備の具現が可能である。

本発明は、図面に図示された一実施例を参考に説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当該技術分野で通常の知識を有したものならば、これより多様な変形および均等な他実施例が可能であるという点が理解できるであろう。従って、本発明の真なる技術的保護範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ定められるべきである。

図１は、従来の光学式２次元および３次元形状測定装置の全体の構成を示した図面である。 図２は、図１に図示された測定装置の２次元形状測定のための第１光学系を概略的に示した図面である。 図３は、図１に図示された測定装置の３次元形状測定のための第２光学系を概略的に示した図面である。 図４は、本発明による光学式２次元および３次元形状測定システムのプローブの内部構成を示した断面図である。 図５は、図４に図示された第１照明部の拡大断面図である。 図６、図４に図示された第２照明部の拡大断面図である。 図７は、本発明による形状測定システムの動作を説明するための図面で、図７（ａ）は、３次元形状測定方法を説明するための図面である。図７（ｂ）および図７（ｃ）は、２次元形状測定方法を説明するための図面である。

Claims (4)

1. 光学系を媒介して測定物Ｐの２次元および３次元形状を選択的、または交番的に測定する光学式２次元および３次元形状測定システムにおいて、
   プローブケース１０の内側上部に装着され、その下方に装着された結像レンズ１３を介して測定物Ｐの２次元および３次元映像情報を獲得するＣＣＤカメラ１１と、
   前記結像レンズ１３の下方に装着され、２次元形状測定時、測定物Ｐの測定面を照明する第１照明部１５と、
   前記第１照明部１５の下方であるプローブケース１０の底面に形成された撮像孔１７に装着され、２次元形状測定時、測定物Ｐの角部分を照明する第２照明部１８と、
   前記プローブケース１０の内側の一側面に装着された全反射ミラー１９と、
   前記全反射ミラー１９の上方に装着された投影レンズ２０と、
   前記投影レンズ２０の上方に遊動可能に装着された投影格子２２と、
   前記投影格子２２の上方に装着され、測定物Ｐの３次元形状測定時、前記投影格子２２、前記投影レンズ２０、前記全反射ミラー１９及び前記撮像孔１７を介して測定物Ｐの測定面を照明する第３照明部２３と、
   前記投影格子２２を微少移動させるＰＺＴアクチュエーター２５とを具備し、
   上記全反射ミラー１９は、前記第３照明部２３から出射された光が前記撮像孔１７に向かうように傾斜をつけて装着されており、
   測定物Ｐを装着するための移送テーブルの基準面に投影された格子模様の映像にバケットアルゴリズムを適用して獲得した基準位相と、測定物Ｐに投影された格子模様の映像にバケットアルゴリズムを適用して獲得した物体位相の差位相であるモアレ位相をアンラッピングして、測定物Ｐの３次元形成情報を抽出することを特徴とする光学式２次元および３次元形状測定システム。
2. 前記第１照明部１５は、
   前記ＣＣＤカメラ１１を介して測定物Ｐの映像情報を獲得することができるように形成された胴体１５ａと、
   前記胴体１５ａの底面に、外周縁に沿って形成された装着部１５ｂに所定の角度に傾斜づいて装着された多数の発光ダイオード１５ｃとを含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の光学式２次元および３次元形状測定システム。
3. 前記第２照明部１８は、
   前記ＣＣＤカメラ１１を介して測定物Ｐの映像情報を獲得することができるように形成された胴体１８ａと、
   前記胴体１８ａの底面に、外周縁に沿って形成された装着部１８ｂと、
   前記装着部１８ｂを形成する所定の角度に傾斜づいて形成された傾斜板１８ｃに装着された多数の発光ダイオード１８ｄとを含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の光学式２次元および３次元形状測定システム。
4. 前記形状測定システムは、
   前記第１照明部１５の点灯時に撮像された第１照明映像と、前記第２照明部１８の点灯時に撮像された第２照明映像とを選択的に使用したり、前記両映像の差を比較して測定物Ｐの２次元形状情報を抽出することを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の光学式２次元および３次元形状測定システム。

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