JP5674453B2 - 計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、電子部品等のような、温度変化により形状が変形しうるものの形状を計測する計測装置に関する。

従来、試料に熱を加えた状態で形状を計測する装置として、種々のものが知られている。例えば、特許文献１〜３には、試料を密閉空間に置いて、密閉空間の雰囲気の温度制御する構成が開示されている。このような従来の構成では、密閉空間を形成するためのチャンバー及び熱風をチャンバーに送り込む手段が必要になる。その結果、装置の構成が複雑になり、省スペース化、低コスト化及び熱効率向上が妨げられることになる。また、小さい試料を計測する場合には、熱風により試料が動く可能性もある。

特開２００５−２２７１８８号公報 特開２００１−０４１７１８号公報 特開２００８−２６１６７９号公報

熱風の代わりに、赤外線ランプを加熱手段に用いることも考えられる。しかし、赤外線ランプ等の光源を熱源に用いた場合、発熱時に計測に必要のない光が熱源から照射されるため、形状計測に必要な光が影響を受け、正確な計測が困難になる場合がある。

そこで、本発明は、簡単な構成で、試料を温度制御下で正確に計測することが可能な計測装置を提供することを目的とする。

本願に開示の計測装置は、計測対象の試料を保持する位置または前記試料に対向する位置に配置され、透明基板と当該透明基板の表面に設けられた透明導電膜を有する透明部材と、前記試料からの光を検出する光検出部と、前記透明部材の前記透明導電膜に印加する電圧を制御することにより、前記透明部材の温度を制御する熱制御部とを備える。

このように、透明基板の表面に設けられた透明導電膜に電圧を加えて温度を制御することで、加熱手段を透明基板と透明導電膜という簡単な構成で実現することができる。さらに、計測に影響を与える光の発生も避けることができる。そのため、簡単な構成で、試料を温度制御下で正確に計測することが可能となる。

前記計測装置において、前記透明部材は、前記試料を載せるための試料テーブルも兼ねる態様とすることができる。これにより、試料に近い場所に熱源を配置することができるので、熱効率が高くなる。また、加熱手段を別の部材として設けなくてもよいので、装置構成がより簡単になる。

前記計測装置において、前記光検出部は、前記試料テーブルの下側に配置され、前記透明部材の上面に載せられた前記試料からの光を前記透明部材の下面から検出する態様とすることができる。この構成により、透明部材で、試料を保持し、かつ加熱することができる。また、透明部材を介して試料を撮影することができる。そのため、装置の構成は簡素化され、温度制御が容易になる。また、熱効率もよくなり、消費電力を抑えることができる。

前記計測装置は、前記試料に光を照射する光照射部をさらに備え、前記透明部材は、前記光照射部及び前記光検出部の少なくともいずれかと前記試料の設置位置との間に配置される態様とすることができる。この構成により、撮影に用いる光の光路上に透明部材が配置されるので、装置の小型及び簡素化がさらに容易になる。

前記計測装置において、前記光検出部は、前記熱制御部により前記透明部材が所定の温度になったときに、前記試料からの光を検出する態様とすることができる。これにより、所定の温度における、試料を計測することができる。

前記計測装置は、前前記光検出部により得られた画像を基に、当該試料が所定の基準を満たしているかを判定する演算部をさらに備えてもよい。これにより、制御された温度における試料の形状の検査が可能になる。

本願開示によれば、簡単な構成で、試料を温度制御下で正確に計測することが可能になる。

第１の実施形態にかかる検査装置の構成の概略を示す図 図１における透明部材の上面図 第２の実施形態にかかる計測装置の構成例を示す図 第３の実施形態にかかる計測装置の構成例を示す図 第４の実施形態にかかる計測装置の構成例を示す図 第５の実施形態にかかる計測装置の構成例を示す図 図６に示す計測装置の変形例を示す図 図６に示す計測装置の他の変形例を示す図 第６の実施形態にかかる検査装置の構成例を示す図 光パターンの投影及び撮影の様子を模式的に表した図 試料の３次元測定をする処理の一例を示すフローチャート 図１２は式（１）を表すグラフ

以下、本発明の実施形態について図面を参照して具体的に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態にかかる計測装置の構成例を示す図である。図１に示す計測装置は、試料Ａを載せる透明部材１２、試料からの光を検出する光検出部２２、透明部材１２の温度を制御する熱制御部４２を備える。熱制御部４２及び光検出部２２はコンピュータ１に接続されている。

透明部材１２は、透明基板１２１と、透明基板１２１の表面に設けられた透明導電膜１２２を有する。透明導電膜１２２の両端には、電極４１ａ、４１ｂが形成されている。電極４１ａ、４１ｂは、例えば、金（Ａｕ）等で形成することができる。図２は、図１における透明部材１２の上面図である。図１及び図２に示す例では、透明部材１２は、矩形の平板状である。透明基板１２１の上面全面に透明導電膜１２２が形成される。透明導電膜１２２上であって、前記矩形の対向する２辺に沿う端部にそれぞれ電極４１ａ、４１ｂが設けられる。電極４１ａ、４１ｂは、透明導電膜１２２に電圧を印加するための電極であり、透明導電膜１２２が形成する面領域の少なくとも一部を挟むよう２箇所に形成される。これにより、電極４１ａ、４１ｂ間に電圧を印加すると、電極４１ａ、４１ｂに挟まれた透明導電膜１２２の領域において熱が発生する。透明導電膜１２２は、透明ヒータと言える。

なお、透明部材１２の形状は、図１及び図２に示す例に限られない。例えば、透明部材１２の形状は、円板形状や円筒形状にすることもできる。また、透明導電膜１２２は、透明基板１２１の上面の全体ではなく一部に形成してもよい。例えば、透明導電膜１２２を、効率よく試料を加熱するために適した形状にパターニングすることができる。

また、電極４１ａ、４１ｂは、必ずしも設ける必要はなく、例えば、電圧を印加するためのプローブを直接、透明導電膜１２２に取り付けてもよい。また、透明導電膜１２２の上にさらに追加膜を形成することもできる。例えば、透明導電膜１２２を覆うように絶縁膜を形成することで、ユーザが感電するのを防ぐことができる。また、絶縁膜により、試料が導電体である場合に、透明導電膜１２２から試料に電流が漏れるのを防ぐことができる。

熱制御部４２は、電極４１ａ、４１ｂを通じて、透明導電膜１２２に電圧を印加する。熱制御部４２は、この電圧を制御することにより、透明部材１２の温度を制御することができる。これにより試料Ａの温度を制御することができる。熱制御部４２は、温調器と言うことができる。

透明導電膜１２２に熱電対４３を付けることができる。熱制御部４２は、熱電対４３により測定される温度に基づいて、透明導電膜１２２への印加電圧を調整する。熱制御部４２は、例えば、コンピュータ１から指示された温度を保つように、透明導電膜１２２への電圧の大きさまたは、電圧のＯＮ／ＯＦＦを制御することができる。

試料Ａの温度を正確に制御する観点からは、熱電対４３を取り付ける位置は、試料Ａに近い位置が好ましいが、熱電対４３の位置は、図１に示す例に限られない。例えば、熱電対４３を透明部材１２の下面（試料Ａの載置面の対向面）に取り付けることもできる。これにより、試料Ａを載せる面である、透明部材１２の上面を平坦にすることができる。

［透明導電体膜］
透明導電膜１２２の材料は特定のものに限定されない。例えば、酸化インジウムを主成分とする材料（例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide））、酸化亜鉛を主成分とする材料（例えば、ＡＺＯ(Aluminium Zinc Oxide)、ＧＺＯ(Gallium doped Zinc Oxide)等）、または酸化すずを主成分とする材料を、透明導電膜１２２の材料に用いることができる。

透明導電膜１２２の透過率は、例えば、８０％以上であることが好ましい。透明導電膜１２２の透過率を８０％以上にすることにより、計測に用いられる光が透明導電膜１２２で妨げられて、計測結果に影響を及ぼすことを抑えることができる。また、透明導電膜１２２の抵抗率は、１０^-3［Ω・ｃｍ］以下であることが好ましい。なお、電極４１ａ、４１ｂの抵抗率は、透明導電膜１２２の抵抗率より小さいことが好ましい。

また、透明導電膜１２２は、例えば、スパッタリング法、ＰＬＤ(Pulsed laser deposition)法、または真空蒸着法等により、透明基板１２１上に成膜することができる。透明基板１２１の面精度は、例えば、計測装置の分解能または測定精度等に応じて決めることができる。一例として、計測装置が要求される測定精度が±１μｍ程度である場合、透明基板１２１の面精度は、λ（検査波長＝０．６３２８μｍ）以下であることが好ましい。ここで、面精度は、有効反表面全体において、最も高い位置（Peak）と、最も低い位置(valley)との差(ＰＶ値)としている。

また、図１に示す例では、透明部材１２の試料を載置する側の表面（試料載置面）に透明導電膜１２２が設けられている。透明導電膜１２２は、試料載置面と対向する面に設けられてもよい。

光検出部２２は、透明部材１２の下側に配置される。光検出部２２は、透明部材１２の上面に載せられた試料Ａを透明部材１２の下面から撮像する。光検出部２２は、試料Ａからの光を電気信号に変換して出力するものであり、例えば、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ等の光センサを有する。図１に示す例では、光検出部２２は、試料Ａを撮影し、試料Ａの画像信号または画像データをコンピュータ１へ送信する。

コンピュータ１は、演算部５０を備える。演算部５０は、例えば、計測制御部５１、画像処理部５２及び判定部５３を備える。計測制御部５１は、例えば、温度制御部４２へ設定温度を示す信号を送ることで、透明部材１２の温度を設定することができる。また、温度設定と連動して光検出部２２に制御信号を送ることで、設定した温度における試料からの光を検出することができる。例えば、計測制御部５１は、温度制御部４２へ温度設定指示と、光検出部２２への光検出指示を適切なタイミングで行うことにより、任意の温度での試料からの光を検出することができる。

コンピュータ１は、温度設定と光検出を制御するプログラムを、計測制御部５１の動作を規定するプログラムとして、予め記録しておくこともできる。また、コンピュータ１は、設定温度や光検出タイミング等を含む制御情報の入力をユーザから受け付けるユーザインタフェース部（図示せず）を備えてもよい。この場合、計測制御部５１は、ユーザから入力された制御情報に基づいて、熱制御部４２及び光検出部２２の動作を制御することができる。

画像処理部５２は、光検出部２２の光検出により得られた画像データまたは画像信号を処理する。例えば、画像処理部５２は、光検出部２２で検出された光に基づく画像を受け取り、試料Ａの２次元画像データまたは３次元形状を示す形状データを生成する。形状データは、例えば、透明部材１２の上面をＸＹ平面とした場合、ＸＹ平面における各位置（ｘ、ｙ）における高さ（例えば、透明部材１２の上面からの距離）を示す値で表すことができる。画像処理部５２は、例えば、光検出部２２から送られた信号または画像データを基に生成した試料Ａの２次元画像データまたは３次元形状データをコンピュータ１上のメモリに保存して、判定部５３がアクセス可能な状態とすることができる。

判定部５３は、画像処理部５２で算出された試料Ａの形状データまたは画像データを用いて、試料が、所定の基準を満たしているかを判定する。例えば、判定部５３は、画像処理部５２で算出された試料Ａの高さ情報が所定の基準を満たしているかを判断する。あるいは、判定部５３は、試料の形状が所定の範囲内であるか、基準とする形状から外れていないか等を判定することができる。これにより、試料の形状検査が可能になる。また、試料の判定結果を、試料の画像取得時の設定温度と対応付けて記録または出力してもよい。なお、判定処理及び判定の基準は特定のものに限られない。

コンピュータ１は、ＣＰＵ等のプロセッサとメモリ等の記憶手段を少なくとも備える。演算部５０の各機能部（計測制御部５１、画像処理部５２、判定部５３）の機能は、メモリに記録された所定のプログラムをプロセッサが実行することにより実現することができる。なお、処理を高速に実行する観点から、例えば、画像処理部１０３の機能は、コンピュータ１の汎用プロセッサとは別に設けられた画像データ処理専用のハードウエア（画像処理ボード）で実現してもよい。このようなハードウエアの例として、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、ＶＰＵ(Visual Processing Unit)、ジオメトリエンジン、その他のＡＳＩＣ(Application Specific Integrated Circuit)等が挙げられる。また、熱制御部４２は、コンピュータ１とは別途設けられた基板上の電子回路またはチップで構成されてもよいし、コンピュータ１の演算部１の一機能として実現されてもよい。あるいは、例えば、ＣＯＧ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）技術等によって透明基板１２１上に熱制御部４２を実装しても良い。

上記のとおり、図１に示した計測装置では、試料Ａと光検出部２２とを結ぶ光路上に、透明導電膜１２２を有する透明部材１２が配置されている。そのため、試料Ａの温度を調整するための発熱体を試料Ａの近くに配置することができる。その結果、熱効率及び空間利用効率を向上させることができる。また、図１に示す例では、透明部材１２が、試料Ａを保持する手段と試料Ａを加熱する手段の両方を兼ねているので、さらなる熱効率向上及び装置の簡素化が可能になる。

また、透明部材１２の上面に置かれた試料Ａからの光を、透明部材１２を介して検出する構成なので、透明部材１２の上面を基準として試料の形状を計測することができる。ここで、透明部材１２は、加熱手段である透明導電膜１２２を有する熱源でもある。すなわち、熱源の上面を基準として試料を計測することになる。そのため、例えば、熱による試料の変形をより顕著に検出することが可能になる。

また、例えば、従来技術のように、試料の雰囲気を熱することで温度調整をする場合は、試料Ａの空間を密閉するチャンバー等追加の部材が必要となる。これに対して、本実施形態では、試料Ａを保持するテーブルが熱源となっているため、効率よく試料を熱することができる上、装置構造を簡素にすることができる。

また、本実施形態は、透明導電膜１２２に電圧を加え発熱させることで、試料Ａを加熱する構成であるので、加熱手段である透明部材１２は透明を保持したまま、形状計測を行うことが可能である。すなわち、加熱手段それ自身は画像処理に不必要な発光をしない構成にできるので、加熱手段による計測への悪影響を抑えることができる。例えば、加熱手段として、赤外線ランプなどを用いた場合、発熱時に赤外線ランプが可視光を含む光を発光し、計測に悪影響を与え得るので、これに対する対策が必要となる。これに対して、本実施形態では、熱源が透明部材であり、可視光を発光するものではないため、そのような対策は不要である。

（第２の実施の形態）
図３（ａ）は、第２の実施形態にかかる計測装置の構成例を示す図である。図３に示す計測装置は、透明部材１２上に載置された試料Ａを異なる方向から撮影する２つの光検出部２２−１、２２−２を備える。透明部材１２は、第１の実施形態と同様に、透明基板１２１及び透明導電膜１２２を備える。光検出部２２−１、２２−２は、透明部材１２の下側に配置される。光検出部２２−１、２２−２は、透明部材１２の下面から、透明部材１２越しに、試料Ａを撮影する。

図３（ｂ）は、第２の実施形態にかかる計測装置の変形例を示す図である。図３（ｂ）に示す例では、試料Ａを設置するテーブル１２−２を上部に、試料のための空間をはさんで透明部材１２−１が設けられる。透明部材１２−１の透明導電膜１２２が形成された面が、テーブル１２−２すなわち試料に対向するように、透明部材１２−１は配置される。光検出部２２−１、２２−２は、透明部材１２−１のさらに上部に配置される。すなわち、テーブル１２−２と、光検出部２２−１、２２−２との間に透明部材１２−１が配置される。光検出部２２−１、２２−２は、透明部材１２−１を介して試料を撮影することができる。テーブル１２−２は、必ずしも透明である必要はない。

図３（ｂ）に示す構成によっても、熱源を試料Ａ近くに配置できるので、熱効率を向上させるとともに、計測装置を簡素にすることができる。また、図３（ｂ）では、試料Ａの空間をテーブル１２−２と透明部材１２−１で挟む構成であるため、熱の発散が抑えられる。

図３（ｃ）は、第２の実施形態にかかる計測装置の他の変形例を示す図である。図３（ｃ）に示す例では、透明部材１２の試料載置面と対向する面に透明導電膜１２２が形成されている。この構成では、透明部材１２の下面に透明導電膜１２２が形成されるので、ユーザが電圧印加中の透明導電膜１２２に触れて感電する危険の度合いを低くすることができる。また、試料が透明導電膜１２２に触れることにより、測定のために透明部材１２に置いた試料に電流が流れるといった事態も防ぐことができる。

なお、図３（ａ）（ｂ）及び（ｃ）においても、図示しないが、図１と同様に、透明導電膜１２２上の両端に設けられた電極４１ａ、４１ｂ、透明部材１２の温度を測定する熱電対４３、電極４１ａ、４１ｂ間の電圧を制御する熱制御部４２、並びに熱制御部４２及び光検出部２２−１、２２−２を制御するコンピュータ１が設けられてもよい。

コンピュータ１の画像処理部５２は、複数の光検出部２２−１、２２−２で撮影された試料Ａの画像から、例えば、ステレオ法を用いて試料Ａの３次元形状を算出することができる。画像処理部５２は、複数の光検出部２２−１、２２−２から得られたステレオ画像の対応点をマッチング処理により特定し、このマッチングされたステレオ画像を分析することにより試料Ａの３次元形状を計測することができる。すなわち、画像処理部５２は、複数の光検出部２２−１、２２−２により取得された複数の画像の間で画素を対応付け、対応付けられた一方の画像上の画素と、他方の画像上の画素との位置の差（視差）に、三角測量の原理を適用することにより、光検出部２２−１または光検出部２２−２から当該画素に対応する試料上の点までの距離を計測することができる。

本実施形態の計測装置は、複数のカメラ（光検出部の一例）を用いたパッシブ方式の形状測定装置の一例である。なお、光検出部の数は２つに限られず、３以上であってもよい。また、光検出部により取得された試料の画像を用いて試料までの距離（高さ情報）または３次元形状を求める方法は、ステレオ法に限られない。例えば、(ＤＦＤ(Depth from Defocus)法やレンズ焦点法等のような焦点法を用いることもできる。なお、焦点法を用いる場合は、光検出部は１つだけでもよい。

（第３の実施形態）
図４は、第３の実施形態にかかる計測装置の構成例を示す図である。図４に示す計測装置は、透明部材１２上に載置された試料Ａに対して、レーザを照射し、試料Ａで反射したレーザを検出するレーザ変位計２２ａを備える。透明部材１２は、第１の実施形態と同様に、透明基板１２１及び透明導電膜１２２を備える。レーザ変位計２２ａは、透明部材１２の下側に配置される。レーザ変位計２２ａは、透明部材１２を介して、試料Ａへレーザを照射し、試料Ａからの光を、透明部材１２を介して検出する。すなわち、透明部材１２は、レーザ変位計２２ａと試料Ａとの光路上に設けられる。レーザ変位計２２ａは、光照射部と光検出部の機能を備えている。

なお、レーザの屈折が計測結果に及ぼす影響を抑える観点からは、透明部材１２の厚みは一定であることが好ましい。すなわち、透明部材１２は、透明部材１２におけるレーザの入射面と出射面が平行となる透明な平行板であることが好ましい。

また、図４においても、図示しないが、図１と同様に、透明導電膜１２２上の両端に設けられた電極４１ａ、４１ｂ、透明部材１２の温度を測定する熱電対４３、電極４１ａ、４１ｂ間の電圧を制御する熱制御部４２、並びに熱制御部４２及びレーザ変位計２２ａを制御するコンピュータ１が設けられてもよい。

図４に示すように、試料Ａを保持する透明部材１２の下側からレーザを照射することで、試料Ａの下面の形状を正確に測定することができる。また、試料Ａが載せられる面が発熱する構成なので、加熱による変位が顕著に表れる部分の変位をレーザ変位計２２ａにより検出することができる。

（第４の実施形態）
図５（ａ）（ｂ）は、第４の実施形態にかかる計測装置の構成例を示す図である。図５（ａ）及び図５（ｂ）に示す計測装置は、試料Ａを載置する透明部材１２と、試料Ａに光を照射する光照射部２１と、試料Ａからの光を検出する光検出部２２と備える。

図５（ａ）に示す例では、光照射部２１は、透明部材１２の試料載置面の対向する面側に設けられ、透明部材１２を介して、光を試料Ａへ照射する。光検出部２２は、透明部材１２の試料載置面側に設けられ、光照射部２１から出て透明部材１２及び試料Ａを順に透過した光を検出する。光検出部２２は、試料Ａの透視画像を取得することができる。

図５（ｂ）に示す例では、光照射部２１は、透明部材１２の試料載置面側に設けられ、試料Ａへ向けて直接光を照射する。光検出部２２は、透明部材１２の試料載置面に対向する面側に設けられ、光照射部２１から出て試料Ａ及び透明部材１２を順に透過した光を検出する。

なお、図５（ａ）及び図５（ｂ）においても、図示しないが、図１と同様に、透明導電膜１２２上の両端に設けられた電極４１ａ、４１ｂ、透明部材１２の温度を測定する熱電対４３、電極４１ａ、４１ｂ間の電圧を制御する熱制御部４２、並びに熱制御部４２及び光検出部２２を制御するコンピュータ１が設けられてもよい。

本実施形態は、光照射部２１と光検出部２２が透明部材１２を挟んで対向して配置される場合の例である。本実施形態のように、光照射部または光検出部の少なくともいずれかと試料との間に透明部材を配置することで、熱の伝達効率を向上させ、かつ装置を簡素にすることが可能になる。

（第５の実施形態）
図６（ａ）は、第５の実施形態にかかる計測装置の構成例を示す図である。図６（ａ）に示す計測装置は、透明部材１２の上に載置された試料Ａに光を照射する光照射部２１と、試料Ａから光を検出することにより、試料Ａを撮影する光検出部２２とを備える。また、透明部材１２は、第１の実施形態と同様に、透明基板１２１及び透明導電膜１２２を備える。

光照射部２１及び光検出部２２は、透明部材１２の試料Ａの載置面と対向する面側に配置される。そのため、光照射部２１の照射光は、透明部材１２を介して試料Ａへ到達する。試料Ａで散乱した光は、透明部材１２を通って光検出部２２へ到達し、検出される。このように、試料Ａを保持しかつ発熱手段を有する透明部材１２越しに、光を照射し、透明部材１２越しに試料Ａからの光を検出する構成とすることで、装置構成が簡素化される。また、熱源を試料Ａの近くに配置することができるので、熱への変換効率もよくなり、消費電力も抑えることができる。

図６（ｂ）は、本実施形態の変形例を示す図である。図６（ｂ）に示す例では、試料Ａを設置するテーブル１２−２を上部に、試料のための空間をはさんで透明部材１２−１が設けられる。透明部材１２−１の透明導電膜１２２が形成された面が、テーブル１２−２すなわち試料に対向するように、透明部材１２−１が配置される。光照射部２１及び光検出部２２は、透明部材１２−１のさらに上部に配置される。すなわち、テーブル１２−２と、光照射部２１及び光検出部２２との間に透明導電膜１２２を有する透明部材１２−１が配置される。光照射部２１は、透明部材１２−１を介して試料に光を照射し、光検出部２２は、透明部材１２−１を介して試料を撮影することができる。図６（ｂ）に示す構成によっても、熱源を試料Ａに近づけて熱の伝達効率を向上させるとともに、計測装置を簡素することができる。また、図６（ｂ）では、試料Ａの空間をテーブル１２−２と透明部材１２−１で挟む構成であるため、試料Ａ周辺からの熱の発散が抑えられる。なお、試料Ａを載置するテーブル１２−１は、透明でなくてもよい。

図６（ｃ）に示す計測装置は、図６（ａ）に示す構成に、さらに、試料Ａの上部の空間を覆う透明部材１２−１を設けた構成である。透明部材１２−１の試料側の面には、透明導電膜１２２が形成されている。この構成により、試料Ａを保持する面と試料Ａの上部の空間を覆う面の双方に熱源を配置することができる。これにより、試料Ａを急速に熱することができる。また、試料Ａの上下を発熱体で挟む構成なので、試料Ａの周りの空間から熱が発散するのを抑えることができる。なお、試料の上に設けられる透明部材１２−１は、必ずしも透明でなくてもよい。

図６（ａ）〜図６（ｃ）においても、図示しないが、図１と同様に、透明導電膜１２２上の両端に設けられた電極４１ａ、４１ｂ、透明部材１２の温度を測定する熱電対４３、電極４１ａ、４１ｂ間の電圧を制御する熱制御部４２、並びに熱制御部４２、光照射部２１及び光検出部２２を制御するコンピュータ１が設けられてもよい。

また、図６（ａ）〜図６（ｃ）の構成において、光照射部２１は、透明部材１２の上面に載せられた試料Ａに対して、透明部材１２の下面から、光の強度が周期的に変化する光パターンを照射することができる。この場合、光検出部２２は、光パターンが照射された試料Ａを、透明部材１２の下面から撮影する。コンピュータ１の画像処理部５２は、光検出部２２で撮影された試料Ａの画像を処理して、試料の表面の３次元形状を表す表面形状データを生成する。例えば、光照射部２１によりサインカーブ等の光パターンを、位相をずらしながら試料Ａに照射し、光検出部２２が位相がずれた光パターンの画像を複数回に渡って撮影することができる。画像処理部５２は、位相がずれた光パターンを照射された試料の複数の画像を基に、位相シフト法を用いて試料Ａの３次元形状を算出することができる。位相シフト法を用いた３次元計測の具体例は、第６の実施形態で後述する。

本実施形態は、レーザやパターン等を試料に照射し、試料からの光を観測することで距離を計測するアクティブ方式を用いた３次元計測装置に好適に用いることができる。例えば、図６（ａ）（ｃ）に示す計測装置は、透明導電膜が設けられた透明部材の上面に試料を配置し、透明部材の下面から光を照射し、試料で反射した光を下面で観測する構成である。これにより、試料の配置面（熱発生面）からの距離を高精度で計測することができるとともに、簡単な構成で試料の温度制御が可能になる。

なお、アクティブ方式を用いた計測法の例として、上記パターン投影法の他、レーザによる光切断方式、レーザによるタイムオブフライト（TOF : time of flight）法、共焦点法、照度差ステレオ法等が挙げられる。また、パターン投影法には、上記位相シフト法の他に、例えば、格子パターン投影法、空間コード化法、ランダムパターン投影法、モアレ法、干渉法等が含まれる。これらはいずれも、本実施形態に適用可能である。

（変形例）
図７は、図６（ａ）に示す計測装置の変形例を示す図である。図７に示す例では、透明部材１２において、透明基板１２１の上面に全体ではなく一部に透明導電膜１２２が形成されている。具体的には、試料Ａが載置される領域以外の領域に透明導電膜１２２が形成される。このように、試料Ａが載置される領域において透明導電膜１２２を除去することにより、試料Ａが直接、発熱体である透明導電膜１２２に接するのを避けることができる。例えば、試料Ａが樹脂等であり、発熱する透明導電膜１２２に触れると溶解する可能性がある場合等に図７に示す構成は有効である。

透明導電膜１２２のパターニングは、例えば、透明基板１２１の上面全体に透明導電膜を成膜した後、フォトレジストを用いたエッチングによりパターン形成することでできる。また、透明電極膜１２２のパターンは、図７に示す例に限られない。例えば、試料Ａの領域のみを加熱するために、試料Ａの載置領域及びその周辺のみに透明導電膜１２２を形成することもできる。これにより、加熱に使う消費電力を低減することができる。

図８は、図６（ａ）に示す計測装置の他の変形例を示す図である。図８に示す例では、試料Ａを含む空間を密閉するためのカバー６１が設けられる。これにより、熱効率を向上させることができる。また、外気の影響で試料Ａの温度が不安定になるのを防ぐことができる。

なお、図７、図８に示す変形例は、上記第１〜４の実施形態及び下記第６の実施形態にも適用することができる。

（第６の実施形態）
図９は、第６の実施形態にかかる検査装置の構成例を示す図である。上記第５の実施形態における計測装置を、検査装置に適用した場合の詳細な実施形態である。

［検査システムの構成］
図９示す検査装置１００は、試料の形状を測定する測定部５と、測定部５を制御する制御部４と、測定部５及び制御部４へ接続されるコンピュータ１と備える。コンピュータ１には、モニタ２並びに入力デバイス３（マウス３ａ及びキーボード３ｂ）が接続されている。図９に示す検査装置１００は、試料の形状を測定し、形状の良否を判定する装置である。測定部５が制御部４による制御されて試料（検査対象物）の表面形状を測定し、コンピュータ１が測定データに基づいて試料の形状の良否を判定し、結果（検査結果）を保存または出力する。コンピュータ１は、上記第１の実施形態と同様に、計測制御部５１、画像処理部５２、判定部５３を含む演算部５０を備える（図１参照）。例えば、電子部品の生産ラインにおいて、完成した電子部品の形状の良否を判定するのに検査装置１００を用いることができる。以下、検査装置１００が電子部品の形状判定に用いられる場合について説明するが、検査装置１００の試料は電子部品に限られない。

図９に示すように、測定部５は、投影プロジェクタ２１（光照射部の一例）、光検出部２２、テーブル１２、テーブル１２を動かす駆動部１３、及びテーブル１２の温度を制御する温度制御部４１を備える。テーブル１２は、上記第１の実施形態における透明部材１２と同様に構成することができる。すなわち、テーブル１２は、透明なガラス板である透明基板１２１と、その上面に形成された透明導電膜１２２と、透明導電膜１２２上の両端に形成された電極４１ａ、４１ｂを備える。テーブル１２は、測定部５の筐体の上面に設けられる。テーブル１２に上面に試料Ａが載せられる。テーブル１２の下には、投影プロジェクタ２１及び光検出部２２が設けられる。投影プロジェクタ２１は、テーブル１２の下面から縞模様の光パターンを試料Ａへ照射する。光検出部２２は、テーブル１２の下面から試料Ａに投影された光パターンを撮影する。

図９に示す検査装置１００は、３次元形状の取得に、三角測量に分類される格子投影法を用いる。縞模様の光パターンを、試料Ａに投影した場合、縞模様は試料Ａの形状にあわせて変形するので、その試料Ａの画像における縞模様の変形量を測定することで形状を測定することができる。以下、検査装置１００の各部について、詳細に説明する。 テーブル１２の上面は、試料Ａを設置する面（以下、試料面１２ａと称する）である。ここでは、試料面１２ａ内で互いに直行する軸をＸＹ軸とし、試料面１２ａに垂直な軸をＺ軸とする。駆動部１３は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向にテーブル１２を移動させるＸＹ駆動部１３と、Ｚ軸方向にテーブル１２を移動させるＺ駆動部１３とを備えてもよい。また、テーブル１２の移動させる構成に換えて、投影プロジェクト２１及び光検出部２２を移動させる構成にすることもできる。また、テーブル１２の温度は、温度制御部４２によってコンピュータ１から指定された温度になるように制御される。

投影プロジェクタ２１は、試料面１２ａの向こう側の試料Ａに、光の強度が周期的に変化する縞状の光パターンを照射するユニットである。そのため、投影プロジェクタ２１では、例えば、光源６、集光レンズ７、グリッド８、テレセントリックレンズ９、１０が順に並べて配置される。

光源６には、例えば、コストの観点からＬＥＤが好ましく用いられる。光源６には、その他、ハロゲンランプ、レーザ光源等を用いることができる。集光レンズ７は、光源６の光を集光し平行光に近づける。グリッド８は、この平行光に近い光を、強度が周期的に変化する縞状の光にする。

グリッド８は、例えば、正弦波または余弦波のパターンを有するフィルムを備える。フィルムとして、例えば、波長が５０μｍ〜５００μｍ程度の正弦波パターンの格子フィルムを用いることができる。

なお、グリッドの格子パターンは、明及び暗の２種類の強度が交互に現れる格子パターンでもよいし、明から暗、暗から明への変化に余弦波または正弦波に相当する光の強弱を持たせるパターンであってもよい。このように余弦波または正弦波の強度変化を有する光を試料Ａへ投影することで、光検出部２２で撮影する全ての画素で高さ解析を行うことができる。また、光パターンは、多重の輪の模様でもよいし市松模様でもよい。

また、光パターンを生成する手段は、上記のフィルムに限られない。例えば、液晶パネルを用いて、強度が周期的に変化する縞状の光パターンを生成することもできる。

また、グリッド８にステッピングモータを設けることにより、光パターンの縞の位置を移動（シフト）させることができる。ステッピングモータによるグリッド８の駆動は、例えば、制御部４からの信号により制御される。例えば、制御部４または測定部５に、マイクロステッピングモータを駆動するマイクロステッピングドライバを設けることができる。マイクロステッピングドライバを用いることにより、高分解能の光パターンシフトが可能になる。なお、コンピュータ１は、制御部４に対してグリッド８の駆動条件の設定をすることができる。

グリッド８を通った、縞状の光パターンは、テレセントリックレンズユニット１１を通って、試料面１２ａ上の試料Ａに照射される。テレセントリックレンズユニット１１は、テレセントリックレンズ９、１０によりテレセントリック光学系を形成している。テレセントリックレンズ９、１０により形成されるテレセントリック光学系は、像側テレセントリック光学系、物体側テレセントリック光学系、または両側テレセントリック光学系とすることができる。例えば、両側テレセントリック光学系の場合は、物体側、像側とも主交線がレンズ光軸Ｋに平行になるように、テレセントリックレンズ９、１０が配置される。

テレセントリックレンズユニット１１を出た光による像では、被写深度内で、被写体寸法が変化しにくい。すなわち、テレセントリックレンズユニット１１から出た光における縞の間隔は、光進行方向においてほとんど変化しない。そのため、後段における、光パターン照射され試料Ａの画像の処理において、縞の間隔変化を補正する処理が不要になる。

光検出部２２は、ＣＣＤカメラ１５、テレセントリックレンズユニット１７を備える。テレセントリックレンズユニット１７は、テレセントリックレンズ１６、１８を含む。ＣＣＤカメラ１５は、縞状の光パターンが照射された試料Ａを撮影する。なお、撮像装置は、ＣＣＤカメラ１５に限られず、例えば、ＣＭＯＳセンサ、ラインセンサ等を用いることもできる。ＣＣＤカメラ１５は、テレセントリックレンズユニット１７を通った光による画像を撮影するので、縞間隔の補正が不要な画像が得ることができる。

このように、本実施形態の測定部５は、光源６、グリッド８、テレセントリックレンズユニット１１を含む投影プロジェクタ２１と、ＣＣＤカメラ１５、テレセントリックレンズユニット１７を含む光検出部２２とを組み合わせ構成なので、水平分解能及び高さ分解能が数ミクロンレベルの高分解能の３次元情報を取得することが可能になる。そのため、上記の測定部５により、例えば、電子部品の端子等の評価に適した３次元形状データ（表面形状データ）を得ることができる。 なお、測定部５の構成は、図９に示す構成に限られない。例えば、異なる方向から光パターンを照射する複数の投影プロジェクタを備える構成であってもよい。また、光検出部２２は、必ずしもテレセントリック光学系を用いる必要はない。例えば、光検出部２２は、光進行方向において幅が広がっていく光パターンを照射することで、投影面を広くとることもできる。また、光検出部２２は、グリッドを投影面に対して傾けることなく光パターンを投影するアオリ投影をする構成であってもよい。

［表面形状データの計算例］
次に、格子投影法を用いて試料Ａの表面形状データを計算する方法について説明する。図１０は、測定部５における試料Ａへの縞状の光パターンの投影及び撮影の様子を模式的に表した図である。図１０（ａ）に示すように、投影プロジェクタ２１からは、矢印Ｄ方向において強度が周期的に変化する縞状の光パターンが試料Ａへ照射される。図３（ｂ）は、縞状パターンの一例を示す図である。試料面においては、Ｙ軸方向において周期的に強度が変化する縞状の模様が投影される。試料Ａの表面においては、試料Ａの表面形状に応じて縞状の模様は変形する。図３（ｃ）は、光検出部２２で撮影される画像の一例を示す図である。試料Ａの表面形状に合わせて縞模様が変形している様子が画像に表れる。縞模様の変形量ｘと試料Ａの高さｈとの関係は、試料面１２ａに対する光の投影各をαとすると、ｈ＝ｘ／ｔａｎαで計算される（図３（ｄ））。

ここで、さらに高精度に測定を行うために位相解析には位相シフト法を適用することができる。位相シフト法による測定では、投影プロジェクタ２１が投影する縞模様を１／４周期づつシフトさせ４枚の縞画像を撮影し、位相解析を行う。

図１１は、図９に示す検査装置１００が、位相シフト法を用いて試料Ａの３次元測定をする処理の一例を示すフローチャートである。図９に示す例では、試料Ａを試料面１２ａにセットすると（Ｓ１）、温度制御部４２により、テーブル１２の温度がコンピュータ１で設定された温度になるよう調整される（Ｓ２）。テーブル１２の温度が設定温度に達すると、温度制御部４２はその旨を通知する信号をコンピュータ１に送る。コンピュータ１は、テーブル１２の温度が設定温度に達した旨の通知を受けると、制御部４に対して、測定開始の指示を出す。制御部４は、測定部５を制御して測定を開始する。

まず、測定部５において、縞模様（格子パターン）の光がテーブル１２の下から試料Ａへ照射される。これにより、格子パターンが試料Ａへ投影される。この格子パターンが投影された試料Ａの画像が光検出部２２によりテーブル１２の下面から撮影される（Ｓ３）。ここでは、光の強度が余弦波に相当する変化を示す縞模様の光が照射される場合を説明する。この撮影された画像には、試料Ａの表面形状に応じて変形した縞模様が写っている。また、投影プロジェクタ２１は、余弦波の縞模様を１／４周期ずつシフトさせた光をそれぞれ投影し、光検出部２２は、４枚の位相が１／４周期ずつシフトした縞模様の画像を撮影する。ここで、測定部５で撮影された画像のデータは、コンピュータ１の画像処理部（後述）へ送られる。コンピュータ１の画像処理部５２は、前記画像のデータを処理することで、位相解析を行う（Ｓ４）。位相解析では、画像中の各画素の位置（座標（ｘ、ｙ））において投影された光パターンの位相θを計算する。位置（ｘ、ｙ）における明るさは、下記式（１）で表される。

ａは、その位置での縞の明るさの振幅を示す係数であり、ｂは、その位置での明るさのオフセット量bを示す係数である。図１２は上記式（１）を表すグラフである。図１２に示すように、４枚の画像上の同じ位置（ｘ、ｙ）での明るさはＩ₀、Ｉ₁、Ｉ₂、Ｉ₃は、下記式（２）で表される。

したがって、（ｘ、ｙ）における位相θは、下記式（３）により計算することができる。

上記式（３）に示す位相θは、係数ａ、ｂによらない。このように、縞の明るさの振幅a項と明るさのオフセット量b項が計算式上でキャンセルされる為、外乱光の影響を受けにくく、高精度な測定が可能になる。そのため、位相シフト法を用いることにより、電子部品の端子の形状検査のような細かい検査に適した精度の測定が可能になる。

このようにして各位置（ｘ、ｙ）の位相θが計算される。位相θが等しい点を結んで得られる線（等位相線）には、図３（ｃ）に示した縞模様と同様に、試料Ａの形状に応じた変計量が現れる。そのため、各位置における位相θの変形量（位相差）を計算し（図１１のＳ５）、この位相差を高さ単位に変換する（Ｓ６）ことにより、各位置における試料Ａの高さを示す値が得られる。すなわち、試料Ａの表面の３次元形状を示すデータが得られる。

なお、処理Ｓ５において、各位置の位相θが試料Ａによりどの程度変化しているかを示す位相差を計算する際には、予めコンピュータ１に記録された基準位相データを用いる。例えば、試料Ａが置かれていない試料面１２ａに同じ余弦波の縞模様を投影した場合の画像を予め撮影し、試料面１２ａにおける各位置の位相θを示すデータを算出して、基準位相データとして記録することができる。コンピュータ１は、この試料面１２ａの各位置の位相θを表す基準位相データと、試料Ａを置いた場合の各位置の位相θを表すデータとの差を計算することにより、位相差を計算することができる。各位置の位相差は、試料Ａの表面と試料面１２ａとの距離（高さ）に応じた値であるので、高さを示すデータに変換することができる（Ｓ６）。

本実施形態では、試料Ａがテーブル１２の上面に置かれた状態で光パターンの投影及び撮影がなされるので、テーブル１２の上面からの浮き量を、高さ情報として求めることができる。そのため、例えば、テーブル１２の上面を実装基板に仮定して、電子部品の実装時の浮き量を判定することが可能になる。さらに、テーブル１２は、透明導電膜１２２を備えるので、実装面の温度を任意に設定することができる。そのため、実際に実装されるときとほぼ同じ状態で電子部品の実装面側を計測することができる。これにより、電子部品の実装時のバランス及び実装時に想定される温度を考慮した計測が可能になる。

以上のとおり、位相シフト法では、試料Ａへ照射される光パターンにおける強度変化の位相を異ならせて、それぞれの位相に対応する複数の画像のデータを取得する。この複数の画像の同じ位置（ｘ、ｙ）における明るさを用いて、その位置（ｘ、ｙ）に投射された光パターンの位相θを求め、この位相θを基に三角測量の原理を用いて高さを計算する。

なお、位相シフト法を用いた高さ情報を取得方法は、上記例に限られない。例えば、撮影する画像は４枚に限られない。３枚撮影すれば位相θの計算は可能であるし、４枚以上の画像を撮影して精度を高めることもできる。また、位相θの計算に用いる上記式（１）〜（３）も一例であり、その他の式を用いて位相θを計算することができる。

このようにして位相シフト法を用いて得られた、試料Ａの表面の３次元形状を示すデータを、コンピュータ１が処理することで、試料Ａの検査が判定部５２により実行される（Ｓ７）。例えば、上記のように画像処理部５２が、試料Ａの突起部の試料面１２ａに対する位置（高さ情報）を算出し、判定部５３が、その位置が所定の範囲内であるか否かを判定することにより、突起を有する試料の良否を判断することができる。

検査装置１００は、例えば、ＩＣチップのような、少なくとも１方向に並ぶ複数の突起部を備える試料を検査することができる。ＩＣチップを基板に実装する場合、ＩＣチップが有する複数の足（突起部）が基板に確実に接続されることが要求される。そのため、検査装置１００では、テーブル１２の試料面１２ａにおかれたＩＣチップを特定の温度に加熱した状態で、突起部それぞれのテーブル１２の試料面１２ａに対する位置を測定し、突起部の位置が所定の範囲内であるか否かを判定することができる。これにより、特定の温度下で、ＩＣチップを基板に実装できるか否かを検査することができる。

上記の検査装置１００は、透明導電膜１２２を表面に形成されたテーブル１２に試料Ａをおいた状態で、試料Ａの温度を制御し、さらに試料Ａの下面からの光パターンの照射及び試料Ａの撮影が可能になる。試料Ａをテーブル１２に置くという動作だけで、特定温度での形状の検査が可能になる。このように、本実施形態によれば、試料Ａの設置作業も、装置の構成も簡素にでき、さらに、温度制御下で高速に試料の形状を測定することが可能になる。また、セラミック基板、フレキシブル基板等に実装される電子部品を計測する場合、テーブル１２上面を実装面として、実装時の状態とほぼ同じ状態で計測することが可能になる。すなわち、実装時の試料の状態を模擬することができる。

すなわち、透明導電膜１２２を有する透明部材を使ったテーブル１２と上記のようなパターン投影法を用いた３次元形状測定器の組み合わせにより、電子部品の端子の検査に適した３次元測定が可能になる。例えば、大量の電子部品の耐熱性を素早く検査することが可能になる。さらに、位相シフトを用いることで、高さ情報を効率よく迅速に処理し、高精度の解析結果を得ることができる。以上のとおり、本実施形態によれば、例えば、電子機器の生産ラインにおける検査に適した構造の測定器及び計算処理が提供される。

なお、本発明の適用範囲は、上記実施形態に限られない。例えば、試料は、電子部品に限定されない。また、上記実施形態では、測定器として、格子投影法を用いた３次元形状測定器を用いた場合を説明したが、測定器は、例えば、上記以外のパターン投影法（例えば、グレースケールのパターンやカラーパターン等を投影する方法）や、モアレ、焦点法、ステレオ法、その他の方法を用いた３次元測定器であってもよい。

以上、上記の第１〜６の実施形態における計測装置または検査装置は、加熱装置として透明導電膜を用いる。そのため、従来の装置に比べ装置構成が簡素化される。また、温度コントロールも容易にできる。さらに、熱への変換効率もよいことから消費電力も抑えることができる。

１ コンピュータ
２ モニタ
３ 入力デバイス
４ 制御部
５ 測定部
６ 光源
７ 集光レンズ
８ グリッド
９ テレセントリックレンズ
１０ 画像処理部
１１ テレセントリックレンズユニット
１２ 透明部材（テーブル）
１２ａ 試料面
１２１ 透明基板
１２２ 透明導電膜
１３ 駆動部
１５ カメラ
１６ テレセントリックレンズ
１７ テレセントリックレンズユニット
２１ 光照射部（投影プロジェクタ）
２２ 光検出部
３０ 電子部品
３１ 本体
３２ａ-３２ｅ 端子
５０ 演算部
５１ 計測制御部５２
５２ 画像処理部
５３ 判定部
１００ 検査装置

Claims (9)

1. 計測対象の試料を保持する位置または前記試料に対向する位置に配置され、透明基板と当該透明基板の表面に設けられた透明導電膜を有する透明部材と、
   前記試料からの光を検出する光検出部と、
   前記透明部材の前記透明導電膜に印加する電圧を制御することにより、前記透明部材の温度を制御する熱制御部とを備え、
   前記透明部材は、前記試料を載せるための試料テーブルも兼ねており、
   前記光検出部は、前記試料テーブルの下側に配置され、前記透明部材の上面に載せられた前記試料からの光を前記透明部材の下面から検出する、計測装置。
2. 前記試料に光を照射する光照射部をさらに備え、
   前記透明部材は、前記光照射部及び前記光検出部の少なくともいずれかと前記試料の設置位置との間に配置される、請求項１に記載の計測装置。
3. 前記光検出部は、前記熱制御部により前記透明部材が所定の温度になったときに、前記試料からの光を検出する、請求項１または２に記載の計測装置。
4. 前記光検出部により得られた画像を基に、当該試料が所定の基準を満たしているかを判定する演算部をさらに備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の計測装置。
5. 前記透明基板の面精度は、検査波長以下である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の計測装置。
6. 前記透明部材は、前記透明基板の上面または下面の全面に形成される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の計測装置。
7. 前記透明部材の上面を基準として前記試料の形状を計測する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の計測装置。
8. 前記透明部材の温度を測定する熱電対を備え、
   前記熱制御部は、前記熱電対により測定される温度に基づいて、前記透明部材の温度を制御する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の計測装置。
9. 前記透明導電膜は、前記透明基板の下面に形成される、請求項１〜８のいずれか１項に記載の計測装置。

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