JP5433848B2 - 画像測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定顕微鏡や非接触三次元測定機等の画像測定装置に関する。

従来の画像測定装置では、測定視野を超える範囲を測定する場合、画像プローブの移動を伴うため、測定処理に時間がかかるという問題がある。

また、従来の画像測定装置では、たとえパートプログラム等による自動測定機能が付加されていても、測定開始前においては、被測定対象（ワーク）を所定の位置にアライメントし、これによりワーク座標系と設計座標系を一致させる必要がある。

このような場合、画像測定を用いてワーク（基板等）のアライメント（ＸＹ原点及びＸ軸方向の決定）を行うには、ワーク上の複数（２箇所以上）のアライメントマークを測定しなければならない。しかし、単一の画像プローブで測定するには、アライメントマーク間の移動を伴うため、その移動時間だけ、アライメント処理が遅くなることが問題である。
特開２００３−２０２２０８号公報

本発明は、測定時間又はアライメント時間の短縮を実現する画像測定装置を提供することを目的とする。

本発明の一つの態様において、画像測定装置は、被測定対象を載置する測定テーブルと、被測定対象を撮像する異なる位置に設置された複数の撮像手段と、前記複数の撮像手段によって得られた前記被測定対象の画像を表示する測定表示部と、前記複数の撮像手段を前記測定テーブルに対して相対的に移動させる移動手段と、前記複数の撮像手段によって得られた前記被測定対象の画像情報を入力して前記被測定対象の測定処理を実行する測定処理手段とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、複数の画像プローブを搭載し、ワークの複数箇所や複数のアライメントマークを一括に測定することができるので、測定時間又はアライメント時間の短縮を実現する画像測定装置を提供することができる。

以下、図面を参照してこの発明の好ましい実施の形態について説明する。

［画像測定装置のシステム構成］
図１は、本発明の実施形態に係る画像測定システムの全体構成を示す斜視図である。

このシステムは、非接触画像測定機能を備えた画像測定機１と、この画像測定機１を駆動制御すると共に、必要なデータ処理を実行するコンピュータシステム２とにより構成されている。

画像測定機１は、次のように構成されている。即ち、架台１１上には、被測定対象であるワーク１２を載置する測定テーブル１３が装着されており、この測定テーブル１３は、図示しない移動手段であるＹ軸駆動機構によってＹ軸方向に駆動される。架台１１の両側縁中央部には上方に延びる支持アーム１４、１５が固定されており、この支持アーム１４、１５の両上端部を連結するようにＸ軸ガイド１６が固定されている。このＸ軸ガイド１６には、撮像ユニット１７が支持されている。撮像ユニット１７は、図示しない移動手段であるＸ軸駆動機構によってＸ軸ガイド１６に沿って駆動される。

コンピュータシステム２は、計測情報処理及び各種制御を司る測定処理手段であるコンピュータ２１と、各種指示情報を入力するキーボード２２、ジョイスティックボックス（以下、Ｊ／Ｓと呼ぶ）２３及びマウス２４と、計測画面、指示画面及び計測結果を表示する２個の測定表示部であるディスプレイ２５、２６と、計測結果をプリントアウトするプリンタ（図示せず）とを備えて構成されている。

［撮像ユニット１７の内部構成］
撮像ユニット１７の内部は、図２に示すように構成されている。即ち、Ｘ軸ガイド１６に沿って移動可能にスライダ３１が設けられている。このスライダ３１には、画像測定用の撮像手段である２個の画像プローブ３２、３３が設けられている。画像プローブ３２、３３は、それぞれＺ軸方向（上下方向）に移動可能に設けられている。これにより、２個の画像プローブ３２と３３との相互の位置関係を保ちつつ、Ｘ、Ｙ、Ｚの３軸方向に同時に移動できるようになっている。なお、画像プローブ３２及び３３の間隔は、後述するワーク１２にある２個のアライメントマークの間隔に合わせて固定されている。また、画像プローブ３２、３３には、それぞれ撮像範囲を照明するための照明装置３４、３５が付加されている。

［コンピュータ２１の構成］
コンピュータ２１は、例えば図３に示すように構成されている。即ち、画像プローブ３２から入力される画像情報は、インタフェース（以下、Ｉ／Ｆと呼ぶ）４１を介して画像メモリ４２に格納される。同様に、画像プローブ３３から入力される画像情報は、Ｉ／Ｆ４３を介して画像メモリ４４に格納される。画像メモリ４２、４４に格納された画像情報は、それぞれ表示制御部４８、４９を介してディスプレイ２５、２６に表示される。

なお、図示しないＣＡＤシステムによりワーク１２のＣＡＤデータが作成され、Ｉ／Ｆ４５を介してＣＰＵ４６に入力され、ＣＰＵ４６でビットマップの画像情報に展開された後、画像メモリ４２、４４に格納されるか、又は、一旦ハードディスクドライブ（以下、ＨＤＤと呼ぶ）４７に格納されたのち、同様にＣＰＵ４６でビットマップの画像情報に展開された後、画像メモリ４２、４４に格納されるようにしても良い。

また、撮像ユニット１７及びステージ１３の移動量を検出するために画像測定機１に設置されたＸ軸エンコーダ、Ｙ軸エンコーダ、及びＺ軸エンコーダ（以下、これらをまとめてＸＹＺ軸エンコーダと呼ぶ）からの出力は、Ｉ／Ｆ５０、ＣＰＵ４６を介して表示制御部４８、４９へ送られＸＹＺ座標値がディスプレイ２５、２６に表示される。

一方、キーボード２２、Ｊ／Ｓ２３、及びマウス２４から入力されるコード情報及び位置情報は、Ｉ／Ｆ５１を介してＣＰＵ４６に入力される。ＣＰＵ４６は、ＲＯＭ５２に格納されたマイクロプログラム及びＨＤＤ４７からＩ／Ｆ５３を介してＲＡＭ５４に格納された測定実行プログラム、測定結果表示プログラム等に従って、測定実行処理及び測定結果の表示処理等を実行する。ＣＰＵ４６は、測定実行処理によって、Ｉ／Ｆ５５を介して画像測定機１を制御する。

ＨＤＤ４７は、各種プログラムを格納する他、ステージを移動させる目標位置のデータを、被測定対象の種類に応じて記憶する。ここにいう目標位置とは、アライメント調整の際のアライメント基準位置や、パートプログラムに測定位置として記憶された位置などをいう。この目標位置データは測定実行プログラムが実行される際に適宜読み出され、この読出し値及びＸＹＺ軸エンコーダの出力に応じた駆動信号がＩ／Ｆ５６を介してＸＹＺ駆動機構（図示せず）に送信され、ＸＹＺ駆動機構が制御され、目標位置への移動がなされる。また、ＨＤＤ４７には、ＸＹＺ軸エンコーダからの検出信号をＣＡＤデータに基づく座標系に沿った形式の座標系データとして提供するための基準座標系設定用ファイルが記憶され、適宜読み出される。ＲＡＭ５４は、各種プログラムを格納する他、各種処理のワーク領域を提供する。

なお、図３に示すシステムでは、画像プローブ３２（あるいは３３）、インタフェース４１（あるいは４３）、画像メモリ４２（あるいは４４）、表示制御部４８（あるいは４９）、及びディスプレイ２５（あるいは２６）からなるユニット２組を１個のＣＰＵ４６で制御する構成となっているが、当該ユニット１組毎に１個のＣＰＵを設ける構成とすることもできる。この場合、２個の画像プローブで撮像した画像を並列処理することができるため、より高速なシステムを実現することができる。

［アライメント調整手順］
本画像測定システムにおけるワーク１２のアライメント調整について説明する。

図４は、画像測定機１の架台１１を上面から見た概略的な平面図である。

ワーク１２のアライメント調整は、測定テーブル１３上に固定された原点マーク６０と、ワーク１２上に固定されたアライメントマーク６１、６２に基づいて行われる。なお、原点マーク６０は、ワーク１２を置くためのスペースを除き、測定テーブル１３上の任意の位置に固定することができる。

アライメント調整を実行するには、予め画像プローブ３２、３３の位置関係の校正を行う必要がある。

図５は、本画像測定システムのセットアップ時の画像プローブの位置関係の校正手順を示す図である。

ステップＳ１−１において、測定テーブル１３上にある原点マーク６０を画像プローブ３２の視野内に移動させる。ここでは、測定テーブル１３に対する画像プローブ３２の位置のＸ座標Ｘｓｔ１、Ｙ座標Ｙｓｔ１を求め、これを保存しておく。

ステップＳ１−２において、画像プローブ３２で得られた画像情報をＣＰＵ４６が処理して原点マーク６０の中心座標を測定する。ここでは、画像プローブ３２の中心座標と原点マーク６０の中心座標とのズレのＸ成分Ｘｆｏｖ１、Ｙ成分Ｙｆｏｖ１を求め、これを保存しておく。

ステップＳ１−３において、画像プローブ３２の位置を登録する。ここで画像プローブ３２の位置は、Ｘ座標Ｘｐｒ１＝Ｘｓｔ１＋Ｘｆｏｖ１、Ｙ座標Ｙｐｒ１＝Ｙｓｔ１＋Ｙｆｏｖ１で算出することができる。この画像プローブ３２の位置Ｘｐｒ１、Ｙｐｒ１をアライメント調整の際に使用されるシステムパラメータとしてＨＤＤ４７に保存しておく。

ステップＳ１−４において、測定テーブル１３にある原点マーク６０を画像プローブ３３の視野内に移動させる。ここでは、測定テーブル１３に対する画像プローブ３３の位置のＸ座標Ｘｓｔ２、Ｙ座標Ｙｓｔ２を求め、これを保存しておく。

ステップＳ１−５において、画像プローブ３３で得られた画像情報をＣＰＵ４６が処理して原点マーク６０の中心座標を測定する。ここでは、画像プローブ３３の中心座標と原点マーク６０の中心座標とのズレのＸ成分Ｘｆｏｖ２、Ｙ成分Ｙｆｏｖ２を求め、これを保存しておく。

ステップＳ１−６において、画像プローブ３３の位置を登録する。ここで画像プローブ３３の位置は、Ｘ座標Ｘｐｒ２＝Ｘｓｔ２＋Ｘｆｏｖ２、Ｙ座標Ｙｐｒ２＝Ｙｓｔ２＋Ｙｆｏｖ２で算出することができる。この画像プローブ３３の位置Ｘｐｒ２、Ｙｐｒ２をアライメント調整の際に使用されるシステムパラメータとしてＨＤＤ４７に保存しておく。

以上により、２個の画像プローブ３２及び３３の相互の位置関係を調整するシステムパラメータの取得が完了する。

ここで、画像プローブを故障交換する場合についての校正手順について言及する。１個の画像プローブを交換した場合、従来であれば、交換していない画像プローブも含め２個の画像プローブについて再度位置測定を行い校正しなければいけなかった。しかし、本画像測定システムの場合、図４のように原点マーク６０が測定テーブル１３上に固定されているため、交換した画像プローブについて位置測定するだけで再校正することができる。つまり、例えば、画像プローブ３２を交換した場合、図５のステップＳ１−４〜Ｓ１−６は省略することができる。このように本実施形態では、画像プローブ故障交換時における高いメンテナンス性が実現されている。

続いて、図５のフローにより取得した画像プローブ３２、３３の位置情報を用いて、アライメント調整を行う際の処理について説明する。

図６は、本画像測定システムのワーク１２のアライメント調整手順を示す図である。

ステップＳ２−１において、画像プローブ３２、３３の視野内にワーク１２のアライメントマーク６１、６２が入る位置に測定テーブル１３を移動させる。なお、画像プローブ３２、３３は、予めその間隔がアライメントマーク６１、６２の間隔と同じになるように設定されているものとする。ここでは、測定テーブル１３に対する画像プローブ３２、３３の位置のＸ座標Ｘｓｔ、Ｙ座標Ｙｓｔを保存しておく。

ステップＳ２−２において、画像プローブ３２で得られた画像情報をＣＰＵ４６が処理してアライメントマーク６１の中心座標を測定する。ここでは、画像プローブ３２の中心とアライメントマーク６１の中心とのズレのＸ成分Ｘｆｏｖ１、Ｙ成分Ｙｆｏｖ１を求め、これを保存しておく。

ステップＳ２−３において、アライメントマーク６１の座標を算出し、ワーク座標系の原点に設定する。アライメントマーク６１の位置はＸ座標Ｘｍｋ１＝Ｘｐｒ１＋Ｘｆｏｖ１、Ｙ座標Ｙｍｋ１＝Ｙｐｒ１＋Ｙｆｏｖ１で算出することができる。

ステップＳ２−４において、画像プローブ３３で得られた画像情報をＣＰＵ４６が処理してアライメントマーク６２の中心座標を測定する。ここでは、画像プローブ３３の中心とアライメントマーク６２の中心とのズレのＸ成分Ｘｆｏｖ２、Ｙ成分Ｙｆｏｖ２を求め、これを保存しておく。

ステップＳ２−５において、アライメントマーク６２の座標を算出し、ワーク座標系のＸ軸に設定する。アライメントマーク６２の位置は、Ｘ座標Ｘｍｋ２＝Ｘｐｒ２＋Ｘｆｏｖ２、Ｙ座標Ｙｍｋ２＝Ｙｐｒ２＋Ｙｆｏｖ２で算出することができる。

以上により、座標系の調整が完了する。以降、画像測定機１によりワーク１２の測定を実行する。

なお、図５のフローにおいて測定される原点マーク６０の形状は、四角形状、「×」形状など任意である。但し、測定の容易性から方向性を持たない円形状であることが望ましい。

また、画像プローブ３２、３３の倍率が異なる場合には、図７に示す大小２つの同心円からなる原点マーク６０を用いても良い。この場合、倍率の大きい画像プローブで内側の小さな円を、倍率の小さい画像プローブで外側の大きな円をそれぞれ測定することで、２個の画像プローブの校正精度を揃えることができる。このように、原点マーク６０を同心円化することで、多様な倍率の画像プローブ校正が可能となる。但し、厳密に小さな円と大きな円の中心を同じにすることは困難である。そのため、予め、２個の円の中心のズレを所定の測定機により測定し、これを校正データとして、ワーク１２の測定結果に足しこむ処理を行うようにしても良い。

従来の１個の画像プローブしか持たない画像測定システムにおいては、２個のアライメントマークを測定する場合、画像プローブの移動を伴うため、その移動時間が処理の遅延を招いていた。

その点、本実施形態によれば、画像プローブの移動時間を省略することができるため処理時間の短縮を実現する画像測定システムを提供することができる。

［測定処理］
測定の際には、２つの画像プローブ３２、３３の位置情報と、これらの画像プローブ３２、３３で得られた画像情報から求められた各画像プローブ３２、３３の視野内におけるワーク１２の座標とから２つの画像プローブ３２、３３内の測定箇所を同時に測定することが可能になる。これにより、画像プローブ３２、３３の移動時間を短縮して測定処理を高速化することができる。

［その他］
以上、発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、追加等が可能である。

上記実施形態では、２個の画像プローブの位置関係は固定されていたが、これら２個の画像プローブそれぞれに独立した駆動機構を備えることで、位置関係を可変にしても良い。このように構成することで、アライメントマークの間隔が異なる様々なワークに対応することができる。

この場合、画像プローブ同士が独立に動作するため、２個の画像プローブ相互の干渉が生じる。この干渉防止策として、画像プローブ移動時には、画像プローブ相互の位置関係からプログラムにおいて安全チェックを行うことが望ましい。また、画像プローブにスイッチ等を設け、干渉する手前で駆動系を停止させることでより安全なシステムとなる。

さらに、干渉防止策として、物理的に干渉しない位置に２個の画像プローブを設けることも有効である。

例えば、図８に示すように、２個の画像プローブ３２、３３を、それぞれＸ軸ガイド１６のＹ軸方向の一方と他方の側面に設けて構成することができる。また、図９に示すように、Ｘ軸ガイド１６の上にさらにＸ軸ガイド１６´を設け、これらＸ軸ガイド１６、１６´にそれぞれ画像プローブ３２、３３を設けて構成することもできる。

さらに、画像プローブの数は、２個に限定されるものではなく、３個以上であれば、さらに広い視野を高速に測定することができる。

本発明の実施形態に係る画像測定システムの斜視図である。 同画像測定システムの撮像システム１７の内部の概略図である。 同画像測定システムのコンピュータ２１の構成を示すブロック図である。 同画像測定システムの画像測定機１の架台１１を上面から見た概略的な平面図である。 同画像測定システムのセットアップ時の画像プローブの位置関係の校正手順を示す図である。 同画像測定システムのワーク１２のアライメント調整手順を示す図である。 同画像測定システムの原点マーク６０の一例を示す図である。 同実施形態の変更例に係る画像測定システムの画像プローブの配置を示す概略図である。 同実施形態の別の変更例に係る画像測定システムの画像プローブの配置を示す概略図である。

符号の説明

１・・・画像測定機、２・・・コンピュータシステム、１１・・・架台、１２・・・ワーク、１３・・・測定テーブル、１４、１５・・・支持アーム、１６、１６´・・・Ｘ軸ガイド、１７・・・撮像ユニット、２１・・・コンピュータ、２２・・・キーボード、２３・・・ジョイスティックボックス、２４・・・マウス、２５、２６・・・ディスプレイ、３１、３１´・・・スライダ、３２、３３・・・画像プローブ、３４、３５・・・照明装置、４１、４３、４５、５０、５１、５３、５５、５６・・・インタフェース、４２、４４・・・画像メモリ、４６・・・ＣＰＵ、４７・・・ハードディスクドライブ、４８、４９・・・表示制御部、５２・・・ＲＯＭ、５４・・・ＲＡＭ、６０・・・原点マーク、６１、６２・・・アライメントマーク。

Claims (6)

1. 被測定対象を載置する測定テーブルと、
   被測定対象を撮像する異なる位置に設置された複数の撮像手段と、
   前記複数の撮像手段によって得られた前記被測定対象の画像を表示する測定表示部と、
   前記複数の撮像手段を前記測定テーブルに対して相対的に移動させる移動手段と、
   前記測定テーブルに対する前記各撮像手段の位置情報を出力するエンコーダと、
   前記エンコーダから出力される前記各撮像手段の位置情報と前記複数の撮像手段によって得られた前記被測定対象の画像情報を入力して前記被測定対象の測定処理を実行する測定処理手段と
   を備え、
   前記測定テーブルは、原点マークを有し、
   前記複数の撮像手段は、同一の前記原点マークを撮像し、互いに物理的に干渉しない位置に設けられており、
   前記測定処理手段は、前記各撮像手段の前記原点マークの撮像位置における位置情報と前記各撮像手段における前記原点マークの位置情報とに基づいて各撮像手段の位置を算出する
   ことを特徴とする画像測定装置。
2. 前記測定処理手段は、前記各撮像手段の被測定対象座標系における位置情報と、前記画像情報における前記被測定対象の位置情報とに基づいて、前記被測定対象の前記被測定対象座標系における測定位置の座標を算出する。
   ことを特徴とする請求項１記載の画像測定装置。
3. 前記複数の撮像手段の相互の位置が可変である
   ことを特徴とする請求項１記載の画像測定装置。
4. 前記複数の撮像手段が独立に可動する
   ことを特徴とする請求項１又は３記載の画像測定装置。
5. 前記原点マークは、半径が異なる複数の同心円状のマークである
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の画像測定装置。
6. 前記複数の撮像手段は、前記被測定対象の複数のアライメントマークを同時に撮像し、
   前記測定処理手段は、前記複数のアライメントマークの位置情報から前記被測定対象をアライメントする
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の画像測定装置。
   

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