JP4719348B2

JP4719348B2 - 徴小寸法測定方法

Info

Publication number: JP4719348B2
Application number: JP2000326485A
Authority: JP
Inventors: 正吾小菅
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2000-10-26
Filing date: 2000-10-26
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2020-10-26
Also published as: JP2002131019A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＴＶカメラ等の二次元センサを用いて非接触で対象物の寸法を測定する装置のリニアリティ校正方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の基本的な寸法測定装置の構成(例えば、特公平６−１０３１６８号公報)としては、図２に示すように、光学顕微鏡１で投影された被写体(被測定物)２の空間像をＴＶカメラ３で撮像し、寸法測定演算処理装置４’で所望部分の寸法を測定し、ＴＶモニタ５に被測定物２の画像と寸法測定値を表示するものがある。ここで、図３（ａ）に示すようにＴＶカメラ３の撮像した被測定物２のモニタ画像５’における１水平走査線Ｌｉ上の輝度分布は、走査線Ｌｉに対応する映像信号をＮ分解した各画素位置とそれぞれの輝度により、図３（ｂ）の輝度―画素特性が得られる。従来の処理方法としては、この特性より、以下のようにして寸法を測定する。図３において、輝度分布における最大輝度レベル５１を１００％とし、最小輝度レベル５２を０％とし、５０％の輝度レベル５３に相当するａ番目の位置の画素とｂ番目の位置の画素間の位置差Ｎａｂを求めて、この位置差Ｎａｂに、この時の顕微鏡１の測定倍率とＴＶカメラ３から被測定物２までの被写体距離により決まる係数ｋを乗じ、対応する被測定物２の寸法値Ｗを求める。
Ｗ＝ｋ×Ｎａｂ
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来技術では、画面内のどの場所で測定しても係数ｋは同一であり、光学系の歪みとセンサの歪みを考慮しておらず、画面内の測定箇所により測定値が０．５％程度変動する。
例えば、図３（ａ）の被測定物２を画面内の９箇所で測定した場合に、下記の表１のように寸法値が変動する。
【０００４】
【表１】

このために、画面内の同一箇所で測定するように、ＸＹステージで被測定物２を微調整したあとで測定しており、高精度のＸＹステージ機構にて被測定物２を微調整する必要があり、構成が複雑化し、測定時間もかかることになる。
本発明はこれらの欠点を除去し、測定画面内の二次元歪みに応じて、寸法測定値を校正して、画面内の測定箇所による測定値の変動をなくし、ＸＹステージ機構による微調整を不要とし、測定時間の短縮を図ることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するために、光学顕微鏡と二次元センサを用いて被測定物を撮像し、得られた映像信号から所定の輝度レベルに一致する２点の信号位置を抽出し、この２点間の位置差情報に基づき上記被測定物の寸法を算出測定する微小寸法測定装置において、測定した位置差Ｎａｂに、この時の上記光学顕微鏡の測定倍率と被写体距離により決まる係数ｋを乗じ、対応する被測定物の寸法Ｗを求める際、測定箇所(Ｘｎ，Ｙｍ)における二次元歪み比率ｒＰｙに応じ、上記測定した寸法Ｗを、
Ｗ＝ｋ×Ｎａｂ／ｒＰｙ
としてリニアリティ校正し求めるようにしたものである。この様に、測定画面内の二次元歪みを測定しておき、この二次元歪みに応じ、測定値を校正する方法で、画面内の測定箇所により測定値が０．５％程度変動する欠点を解決することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、図１（ａ）〜（ｃ）により、本発明の一実施例の構成、動作について、詳細に説明する。ここで、例えば、測定画面の視野が、Ｘ＝２０μｍ、Ｙ＝２０μｍにおいて、センサの画素数が、１０００×１０００の装置では、上記の係数ｋは、
ｋ＝２０／１０００＝０．０２μｍ
となる。従来装置では、前述のように、測定した線幅を、Ｎａｂ＝Ｄ(Ｘ，Ｙ）とし、寸法Ｗを、Ｗ＝ｋ×Ｎａｂ＝ｋ×Ｄ(Ｘ，Ｙ）で求めている。本発明では、測定した線幅を、Ｎａｂ＝Ｄ(Ｘｎ，Ｙｍ）とし、この係数ｋの他に、測定箇所（Ｘｎ，Ｙｍ）における画面歪み比率ｒＰｙを用いて、寸法Ｗを、Ｗ＝ｋ×Ｄ(Ｘｎ，Ｙｍ)／ｒＰｙとして求める。
【０００７】
以下に、本発明の画面歪み比率ｒＰｙの求め方について、詳しく説明する。
まず、図１（ａ）を用いて画面歪みの登録方法について説明する。
光学顕微鏡１で投影された被写体(被測定物)２の空間像をＴＶカメラ３で撮像し、寸法測定演算処理装置４で所望部分の寸法を電気的に測定し、ＴＶモニタ５に被測定物２の画像と寸法測定値を表示する。被測定物２の移動は、寸法測定演算処理装置４から、ＸＹ電動ステージ(図示せず)に指示して行う。
ここで、ＸＹ電動ステージは、０．１μｍの分解能で移動するものとする。また、被測定物２を既知寸法Ｗの基準試料とする。また、図１（ｂ）の様に、測定画面内のＸ方向ｎ箇所、Ｙ方向ｍ箇所を、測定箇所(Ｘｎ，Ｙｍ)とする。
ここで、まず、ＸＹ電動ステージを測定箇所（Ｘ１，Ｙ１）に移動し、測定値Ｄ(Ｘ１，Ｙ１）を得る。
次に、ＸＹ電動ステージを測定箇所（Ｘ１，Ｙ２）に移動、測定値Ｄ（Ｘ１，Ｙ２）を得る。
さらに、順次、ＸＹ電動ステージを測定箇所（Ｘ１，Ｙｎ）に移動し、測定値Ｄ(Ｘ１，Ｙｎ）を得る。
次に、ＸＹ電動ステージを測定箇所（Ｘ２，Ｙ１）に移動、測定値Ｄ（Ｘ２，Ｙ１）を得る。
そして、ＸＹ電動ステージを測定箇所（Ｘ２，Ｙ２）に移動、測定値Ｄ（Ｘ２，Ｙ２）を得る。
さらに、順次、ＸＹ電動ステージを測定箇所（Ｘ２，Ｙｎ）に移動し、測定値Ｄ（Ｘ２，Ｙｎ）を得る。
そして最終的に、ＸＹ電動ステージにより基準試料の中心を、測定箇所（Ｘｎ，Ｙｍ）に移動し、測定値Ｄ（Ｘｎ，Ｙｍ）を得る。
【０００８】
ここで、以上のようにして測定した測定箇所（Ｘ１，Ｙ１）の測定値Ｄ（Ｘ１，Ｙ１）を既知寸法Ｗとする係数ｋを、下記式から求める。
ｋ＝Ｗ／Ｄ（Ｘ１，Ｙ１）
つまり、このｋは、測定箇所（Ｘ１，Ｙ１）の測定値Ｄ（Ｘ１，Ｙ１）をＷとする係数である。Ｗ＝ｋ×Ｄ（Ｘ１，Ｙ１）
そして、測定値Ｄ（Ｘｎ，Ｙｍ）を測定値Ｄ（Ｘ１，Ｙ１）で除算して、比率ｒ（Ｘ１，Ｙ１）から、比率ｒ（Ｙｎ，Ｙｍ）を得る。
例えば、ｎ＝３，ｍ＝３箇所で測定した場合には、ｍ＝１のＹ座標上で、ｎ＝１，２，３のＸ座標での比率ｒ(Ｘ１，Ｙ１)、ｒ(Ｘ２，Ｙ１)、ｒ(Ｘ３，Ｙ１)を得る。
即ち、Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３の座標と比率ｒ（ｘ１，Ｙ１）、ｒ（Ｘ２，Ｙ１）、ｒ（Ｘ３，Ｙ１）より、
２次方程式ｒ(Ｙ１)＝Ａ１・Ｘ²＋Ｂ１・Ｘ＋Ｃ１の係数Ａ１，Ｂ１，Ｃ１を計算で求め、
２次方程式ｒ(Ｙ１）＝Ａ１・Ｘ²＋Ｂ１・Ｘ＋Ｃ１を登録する。
次に、ｍ＝２のＹ座標上で、ｎ＝１，２，３のＸ座標での比率ｒ(Ｘ１，Ｙ２)、ｒ(Ｘ２，Ｙ２)、ｒ(Ｘ３，Ｙ２）を得る。
【０００９】
そして、同様に、２次方程式ｒ(Ｙ２）＝Ａ２・Ｘ²＋Ｂ２・Ｘ＋Ｃ２を登録する。
また、ｍ＝３のＹ座標上で、ｎ＝１，２，３のＸ座標での比率ｒ(Ｘ１，Ｙ３)、ｒ(Ｘ２，Ｙ３)、ｒ(Ｘ３，Ｙ３）を得る。
そして、同様に、２次方程式ｒ(Ｙ３）＝Ａ３・Ｘ²＋Ｂ３・Ｘ＋Ｃ３を登録する。
以上の様にして、ｍ＝１，２，３のＹ座標のｒ(Ｙ１)、ｒ(Ｙ２)、ｒ(Ｙ３）を登録する。
つまり、ｎ，ｍ箇所で測定した場合には、最大で（ｎ−１)次の方程式が形成できる。
【００１０】
以上のようにして登録した、ｍ＝１，２，３のＹ座標の２次方程式ｒ(Ｙ１）、(Ｙ２)、ｒ(Ｙ３)を、Ｙ座標も入れて表現すると、登録した２次方程式ｒ(Ｙｍ)と測定点Ｐ(Ｐｘ，Ｐｙ）の関係は、図１（ｃ）のようになる。
即ち、測定点Ｐ(Ｐｘ，Ｐｙ）で測定した場合は、
ｍ＝１の方程式ｒ(Ｙ１）＝Ａ１・Ｘ²＋Ｂ１・Ｘ＋Ｃ１
ｍ＝２の方程式ｒ(Ｙ２）＝Ａ２・Ｘ²＋Ｂ２・Ｘ＋Ｃ２
ｍ＝３の方程式ｒ(Ｙ３）＝Ａ３・Ｘ²＋Ｂ３・Ｘ＋Ｃ３
に、Ｘ＝Ｐｘを代入し、
ｒ(Ｙ１）＝Ａ１・Ｐｘ²＋Ｂ１・Ｐｘ＋Ｃ１
ｒ(Ｙ２）＝Ａ２・Ｐｘ²＋Ｂ２・Ｐｘ＋Ｃ２
ｒ(Ｙ３）＝Ａ３・Ｐｘ²＋Ｂ３・Ｐｘ＋Ｃ３
を得る。
ここで、ｒ(Ｙ１）、ｒ(Ｙ２）、ｒ(Ｙ３）はＹ座標の関数であり、
２次方程式ｒＰｙ＝Ａｐ・Ｙ²＋Ｂｐ・Ｙ＋Ｃｐに、Ｙ＝Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３を代入することで、Ａｐ，Ｂｐ，Ｃｐが求まる。
そして、最終的に求める比率ｒＰｙは、
Ｙ＝Ｐｙを、ｒＰｙ＝Ａｐ・Ｙ²＋Ｂｐ・Ｙ＋Ｃｐに代入することで、
ｒＰｙ＝Ａｐ・Ｙｐ²＋Ｂｐ・Ｙｐ＋Ｃｐが求まる。
従って、求めたい線幅Ｗは、ｋ×Ｄ（Ｘ１，Ｙ１）を比率ｒＰｙで除算することにより、Ｗ＝ｋ×Ｄ（Ｘ１，Ｙ１）／ｒＰｙから、画面歪みの補正された線幅Ｗを求めることができる。
【００１１】
以上のことを、実際の数値を使って検証する。画素数１０００×１０００の二次元センサを用い、画面視野２０μｍ×２０μｍにて、１．０５μｍの線幅を測定し、それぞれの線幅の測定値Ｄ(Ｘｎ，Ｙｍ)が前述の表１のようになったと仮定する。ここで、測定箇所（Ｘ１，Ｙ１）の測定値Ｄ(Ｘ１，Ｙ１）を、既知寸法Ｗ＝１.050とする係数ｋを求める。
ｋ＝Ｗ／Ｄ(Ｘ１，Ｙ１)＝１.050／５０.52＝０.020784
即ち、下記の様に、このｋは、測定箇所(Ｘ１，Ｙ１)の測定値Ｄ(Ｘ１，Ｙ１)を、線幅寸法Ｗとする係数である。
Ｗ＝ｋ×Ｄ(Ｘ１,Ｙ１)＝０.020784×５０.52＝１.050
次に、下記の表２に示す様に、測定値Ｄ(Ｘｎ，Ｘｍ)を測定値Ｄ(Ｘ１，Ｙ１)で除算して、比率ｒ(Ｘ１，Ｙ１）から比率ｒ(Ｙｎ，Ｙｍ）を得る。
【００１２】
【表２】

ここで、ｍ＝１のＹ座標上で、ｎ＝１，２，３のＸ座標箇所の比率ｒ（Ｘ１，Ｙ１）、ｒ(Ｘ２，Ｙ１)、ｒ(Ｘ３，Ｙ１)を得る。
【００１３】
次に、Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３の座標と比率ｒ（Ｘ１，Ｙ１）、ｒ（Ｘ２，Ｙ１）、ｒ（Ｘ３，Ｙ１）より、２次方程式ｒ(Ｙ１)＝Ａ１・Ｘ²＋Ｂ１・Ｘ＋Ｃ１の係数Ａ１，Ｂ１，Ｃ１を、以下の計算によって求める。
１.0000＝Ａ１・２００²＋Ｂ１・２００＋Ｃ１
１.0022＝Ａ１・５５０²＋Ｂ１・５５０＋Ｃ１
１.0018＝Ａ１・８００²＋Ｂ１・８００＋Ｃ１
１.0000＝４００００Ａ１＋２００Ｂ１＋Ｃ１・・・・・（１）
１.0022＝３０２５００Ａ１＋５５０Ｂ１＋Ｃ１・・・・・（２）
１.0018＝６４００００Ａ１＋８００Ｂ１＋Ｃ１・・・・・（３）
Ｃ１＝１.0000−(４００００Ａ１＋２００Ｂ１)より、式(２)、(３)は、
１.0022＝３０２５００Ａ１＋５５０Ｂ１＋１.0000−(４００００Ａ１＋２００Ｂ１)
０.0022＝２６２５００Ａ１＋３５０Ｂ１・・・・・・（４）
１.0018＝６４００００Ａ１＋８００Ｂ１＋１.0000
−(４００００Ａ１＋２００Ｂ１) ０.0018＝６０００００Ａ１＋６００Ｂ１・・・・・・（５）
Ｂ１＝(０.0018−６０００００Ａ１)／６００を、式（４）に代入し、
０.0022＝２６２５００Ａ１＋３５０(０.0018−６０００００Ａ１)／６００
０.0022−０.0018(３５０／６００)＝(２６２５００−６０００００(３５０／６００))Ａ１
０.0022−０.00105＝(２６２５００−３５００００)Ａ１
Ａ１＝−０.00115／８７５００・・・・・・・・（６）
Ｂ１＝(０.0018−６０００００Ａ１)／６００に、式（６）を代入し、
Ｂ１＝(０.0018＋０.0078857)／６００
Ｂ１＝０.0096857／６００・・・・・・・・（７）
Ｃ１＝１.0000−(４００００Ａ１＋２００Ｂ１) に、式(６)、(７)を代入し、
Ｃ１＝１.0000−(４００００(−０.00115／８７５００)＋２００・０.0096857／６００)
＝１.0000−(−０.0005257＋０.00322856)
Ｃ１＝０.99729 ・・・・・・・・・・・（８）
以上のようにして、上記式(６)、(７)、(８)の係数Ａ１，Ｂ１，Ｃ１を計算で求め、ｒ(Ｙ１)の２次方程式を登録する。
ｒ(100)＝−０.00115／８７５００Ｘ²＋(０.0096857／６００)Ｘ＋０.99729
【００１４】
上記と同様にして、ｍ＝２のＹ座標上で、ｎ＝１，２，３のＸ座標箇所の比率ｒ(Ｘ１，Ｙ２)、ｒ(Ｘ２，Ｙ２)、ｒ(Ｘ３，Ｙ２)を得る。
０.9899＝４００００Ａ２＋２００Ｂ２＋Ｃ２
０.9901＝３０２５００Ａ２＋５５０Ｂ２＋Ｃ２
０.9912＝６４００００Ａ２＋８００Ｂ２＋Ｃ２
そして、２次方程式ｒ(Ｙ２)＝Ａ２・Ｘ²＋Ｂ２・Ｘ＋Ｃ２の係数Ａ２，Ｂ２，Ｃ２を、上記ｒ(Ｙ１）と同様にして求め、ｒ(Ｙ２) の２次方程式を登録する。
ｒ(500)＝−０.0005583／８７５００・Ｘ²−(０.00253／６００)Ｘ＋０.9990488
また、同様にして、ｍ＝３のＹ座標上で、ｎ＝１，２，３のＸ座標箇所の比率ｒ(Ｘ１，Ｙ３)、ｒ(Ｘ２，Ｙ３)、ｒ(Ｘ３，Ｙ３)を得る。
０.9956＝４００００Ａ３＋２００Ｂ３＋Ｃ３
０.9966＝３０２５００Ａ３＋５５０Ｂ３＋Ｃ３
０.9976=６４００００Ａ３＋８００Ｂ３＋Ｃ３
そして、２次方程式ｒ(Ｙ３)＝Ａ３・Ｘ²＋Ｂ３・Ｘ＋Ｃ３の係数Ａ３，Ｂ３，Ｃ３を、上記ｒ(Ｙ１)と同様にして求め、ｒ(Ｙ３) の２次方程式を登録する。
ｒ(900)＝０.000167／８７５００・Ｘ²−０.000857／６００・Ｘ＋０.995238
以上のようにして登録した、ｍ＝１，２，３のＹ座標の２次方程式ｒ(Ｙ１)、(Ｙ２)、ｒ(Ｙ３)を、Ｙ座標も入れて表現すると、登録した２次方程式ｒ(Ｙｍ)と測定点Ｐ(Ｐｘ，Ｐｙ)の関係は、図１（ｃ）のようになる。
【００１５】
一例として、測定箇所Ｐ(Ｐｘ，Ｐｙ）＝Ｐ(３００，４００）点で測定した場合は、
ｍ＝１の方程式ｒ(l00)＝(−０.00115／８７５００)Ｘ²＋(０.0096857／６００)Ｘ＋０.99729
ｍ＝２の方程式ｒ(500)＝(−０.005583／８７５００)Ｘ²−(０.00253／６００)Ｘ＋０.9990488
ｍ＝３の方程式ｒ(900)＝(０.000167／８７５００)Ｘ²−(０.000857／６００)Ｘ＋０.995238
に、Ｘ＝３００を代入しｒ(100)＝１.00958
ｒ(500)＝０.98980
ｒ(900)＝０.99583 を得る。
ｒ(Ｙｌ)，ｒ(Ｙ２)，ｒ(Ｙ３）はＹ座標の関数であり、２次方程式ｒＰｙ＝Ａｐ・Ｙ²＋Ｂｐ・Ｙ＋Ｃｐに、Ｙ＝Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３を代入し、
１.00958＝Ａｐ・１００²＋Ｂｐ・１００＋Ｃｐ
０.98980＝Ａｐ・５００²＋Ｂｐ・５００＋Ｃｐ
０.99583＝Ａｐ・９００²＋Ｂｐ・９００＋Ｃｐ
から、Ａｐ、Ｂｐ、Ｃｐが求まる。
Ａｐ＝８.04063Ｅ^-8、Ｂｐ＝−９.75Ｅ^-5、Ｃｐ＝１.018445
最終的に求める比率ｒＰｙは、Ｙ＝Ｐｙ＝４００を、ｒＰｙ＝Ａｐ・Ｙ²＋Ｂｐ・Ｙ＋Ｃｐに代入し、

で求まる。
Ｗ＝１.05μｍ、ｋ＝０.020784、Ｘ１＝Ｐｘ＝８００、Ｙ２＝Ｐｙ＝４００とすると、
Ｗ＝ｋ×Ｄ（300，400）／ｒＰｙ
１.05＝０.020784×Ｄ(300，400) ／０.99231
Ｄ(300，700)＝(１.05／０.020784)×０.99231＝５０.13 画素となることが予想でき、
Ｗ＝ｋ×Ｄ(300，400)／ｒＰＹ式に、ｒＰｙ＝０.99231を用いることで、Ｗ＝０.020784×５０.13／０.99231＝１.05μｍとなる。
【００１６】
以上の説明では、３点測定の２次方程式の例を示したが、
（１）４点以上測定し、その最小自乗法で２次方程式を求める。
（２）４点測定し、その最小自乗法で３次方程式を求める。
（３）５点以上測定し、その最小自乗法で３次方程式を求める。
（４）ｎ点測定し、その最小自乗法で（ｎ−１）次方程式を求める。
（５）(ｎ＋１)点以上測定し、その最小自乗法で（ｎ−１)次方程式を求める。
ことも、本発明によるところである。
【００１７】
【発明の効果】
（１）登録時に、測定した点から多次方程式を作成し、任意測定点でのリニアリティを校正できるので、画面内のどこで測定しても同じ寸法が得られる。
（２）既知の基準試料をＸＹ電動ステージに設定するだけで、リニアリティ校正の自動登録が可能で、作業者の操作と判断に依存せず信頼性がある。
（３）画面内の任意測定点で自動読み出し、自動計算するので、作業者の操作と判断に依存せず簡便かつ信頼性がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の微小寸法測定装置の構成、動作を説明するための図
【図２】従来の微小寸法測定装置の構成を示す図
【図３】従来の測定方法を説明する図
【符号の説明】
１：光学顕微鏡、２：被測定物、３：ＴＶカメラ、４：寸法測定演算処理装置、５：ＴＶモニタ、４１：フレームメモリ、４２：高分解能メモリ、４３：ＣＰＵ

Claims

光学顕微鏡と二次元センサを用いて被測定物を撮像し、得られた映像信号から所定の輝度レベルに一致する２点の信号位置を抽出し、この２点間の位置差情報に基づき上記被測定物の寸法を算出測定する微小寸法測定装置において、測定した位置差Ｎａｂに、この時の上記光学顕微鏡の測定倍率と被写体距離により決まる係数ｋを乗じ、対応する被測定物の寸法Ｗを求める際、測定箇所(Ｘｎ，Ｙｍ)における二次元歪み比率ｒＰｙに応じ、上記測定した寸法Ｗを、Ｗ＝ｋ×Ｎａｂ／ｒＰｙ
としてリニアリティ校正し求めることを特徴とする徴小寸法測定方法。