JPH09126739A - 立体形状計測装置 - Google Patents
立体形状計測装置Info
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Abstract
た高速、高精度の立体形状測定装置を提供する。 【解決手段】 2次元配列型共焦点光学系2とその像を
光電変換する2次元光電センサ3とよりなる共焦点撮像
系1と、共焦点撮像系1の焦点位置変化手段9と、共焦
点走査撮像系1と焦点位置変化手段9とから得られた焦
点位置の異なる複数枚の画像から、画像の濃度情報を用
いて、画像の焦点位置間隔を超える精度で画像各点の合
焦位置を求めることで物体の立体形状を演算する画像処
理装置4とにより構成される。
Description
り得られる画像から物体の三次元的な形状を計測する立
体形状計測装置に関する。
計測手段として知られている。共焦点光学系の基本構成
を図6に示す。ピンホール61を通して射出された照明
光は対物レンズ62により集光され焦点面63に収束す
る。この位置に物体表面64がある場合、物体の反射光
は照明光と全く逆の過程でピンホール61に収束し、対
物レンズ62に入射した反射光のほとんどがピンホール
61を通過する。しかし、物体表面64が焦点面63か
ら離れると反射光の収束点も図中波線で示すようにピン
ホール61から離れることになりピンホール61を通過
する光量は減少する。この関係(焦点面からのずれとピ
ンホール61を通過する反射光の強度との関係)を図4
に示す。物体と対物レンズ62との距離をZステージな
どを用いて変化させ、ピンホール61を通過する反射光
の強度を光センサによりサンプリングし、信号処理によ
り最大値を探して、その位置を求めれば(図4より光セ
ンサの出力が最大となる位置は物体表面の位置、つまり
高さを示しているから)物体の高さが計測できることに
なる。順次平面(XY)方向に物体を移動させて同様の
計測を行うことで立体形状計測が可能となる。
作られた装置(以下従来装置Aとする)は計測速度の点
で問題がある。つまり計測単位が点であるために、物体
の表面形状全体の計測の場合膨大な回数の計測を繰り返
さなければならない(一点の計測ごとに載物台のXY方
向への移動と高さ計測のためのZ方向への移動が必要に
なる)。
のとして特開平4−265918号公報に開示された装
置(従来装置Bとする)がある。この装置の構成を図5
に示す。この装置の特徴は、計測単位が従来装置Aのよ
うな点ではなく面であることにある。プレート32には
多数のピンホールが2次元配列されており、光源31に
よりすべてのピンホールが同時に照明される。テレセン
トリック絞り36および対物レンズ8を通りXYZ方向
に移動可能な載物台7上の物体5で反射した光は同じ対
物レンズ8とテレセントリック絞り36とを通り、ハー
フミラー33を介してCCDセンサ34上に直接結像す
る。 CCDセンサ34は微小な( CCDセンサ34内
1画素の領域のごく一部を占めるにすぎない大きさの)
点検出型光センサが2次元配列されたものだから、ピン
ホールの位置と点検出型光センサの位置との位置対応が
とれていれば共焦点ピンホールがなくても共焦点光学系
として働く。以下ではこのように2次元領域を同時に並
列に露光(検出)する共焦点撮像系の光学系部分(CC
Dセンサ34を含まない)を2次元配列型共焦点光学系
と呼ぶことにする。
Aにおける共焦点光学系が並列に多数個2次元配列され
たものと同等と考えられるから、同時に大量のデータが
得られ、載物台7のXY方向への移動が大幅に少なくな
る。特に物体が十分小さいならば載物台7のXY方向移
動は必要ない。
移動もCCDセンサ34に結像する2次元領域に対して
は1走査のみでよい。この高さ計測をより具体的に述べ
ると、載物台7を微小ステップずつZ方向に移動させ、
その度得た画像(CCDセンサ34による光強度のサン
プリング)からそれまでの濃度の最大値とその最大値を
与える位置を画像の各点(画素)毎に記憶する。Z方向
移動が終了すると記憶された画素毎の情報は、CCDセ
ンサ34に結像する2次元領域の物体の立体形状を表わ
している。
は、従来装置Aのように機械的なXY走査を行うものに
対してだけでなく、共焦点レーザー走査顕微鏡のように
光学的にXY走査を行うものに対しても見い出せる。そ
れは高さ計測のための載物台7のZ方向移動が、ステッ
プ送りでなく連続移動でもよい点である(連続移動はス
テップ移動に比べてはるかに高速にZ方向走査ができ
る)。即ち共焦点レーザー走査顕微鏡で連続移動を行え
ば、得られる画像内の一点一点は走査により時間的にず
れがあるから、画像内の一点一点は微妙に異なるZ位置
のデータを示すことになり誤差が発生してしまうのに対
し、全画素が同時に露光されるという2次元配列型共焦
点光学系を用いる場合にはCCDセンサ34の電子シャ
ッター機能が利用できることになり同一タイミングで2
次元画像が得られる。
型共焦点光学系を用いた従来装置Bは従来装置Aに対し
大幅な高速化を可能とした装置である。しかしながら、
この装置においてもまだ十分な高速化が達成されたもの
ではなく、より、高速度用途に適用できない問題があ
る。その高速度化を阻害しているのは次の点である。す
なわち、CCDセンサ34の露光は全画素(2次元領
域)同時に行われるのであるが、CCDセンサ34の信
号読み出しはシリアルであるから、全画素に対する最大
値検出のための信号処理に必要な時間はまったく短縮さ
れない点である。画像入力は、必要となる分解能ずつ行
われその度に最大値検出のための処理を実行する必要が
あるためZ方向の計測範囲全体では膨大な処理をしなけ
ればならない。例えば、分解能1μmで計測範囲200
μmを処理するためには1μmずつ異なったZ位置で2
00回の画像入力が必要で、その度に最大値検出演算を
CCDセンサ34の画素の数(例えば500×500)
だけ実行する必要がある。
度にはまだ課題があり、本発明では共焦点撮像系を用い
た高さ計測について、さらに高速化した装置を提供する
ことを目的とする。
めに本発明では、2次元配列型共焦点光学系と2次元配
列型共焦点光学系により得られる2次元光学像を光電変
換する2次元光電センサとより構成された共焦点撮像系
と、前記2次元配列型共焦点光学系の焦点位置を変える
焦点位置変化手段と、前記共焦点撮像系と前記焦点位置
変化手段とにより得られた焦点位置の異なる複数の画像
を取り込み、焦点位置の変化に対応して変化する画像各
点の濃度値から、取り込まれた画像の焦点位置間隔を超
える精度で、濃度値の最大値を与える焦点位置を内挿処
理を用いて画像各点毎に推定し、推定した焦点位置をそ
の点の高さとする処理を実行する画像処理装置とから構
成する。かかる構成により必要とする分解能より粗い間
隔で画像入力を行えばよいため焦点位置変化手段による
Z方向移動の回数と処理すべき画像の枚数が大幅に削減
できる。例えば、先の例と同じく分解能1μmで計測範
囲200μmを処理する場合、内挿処理により画像の焦
点位置間隔(光量サンプリング間隔)の1/10の分解
能が得られとすれば、Z方向移動の回数、処理する画像
の枚数、共に1/10でよい。このように2次元光電セ
ンサからの画像の取り込み枚数を大幅に減少させうるの
で高速計測が可能となる。
なる複数の平行平板形の透明体か又は互いに屈折率が異
なる複数の平行平板形の透明体を、物体と共焦点光学系
の共焦点結像面間の光路に順次挿入するように構成する
ことにより、共焦点光学系と物体との光路長が変えられ
ることからZテーブルや載物台を移動させることなく焦
点位置変化が可能になる。これにより、Zテーブルや載
物台の機械的な移動に比べてはるかに速い焦点位置変化
ができるので、より高速の計測が可能となる。
施の形態2例について説明する。 第1例 濃度値から焦点位置を推定する例 図1は本発明に係る立体形状計測装置の側面図である。
共焦点撮像系1は2次元配列型共焦点光学系2と2次元
光電センサ3とからなり、その出力映像信号は画像処理
装置4に入力される。尚、図1の例では2次元配列型共
焦点光学系2の構成は従来技術Bとして説明したものと
同じであるが、本発明に使用する2次元配列型共焦点光
学系2の構成としてはこれに限られるものではなく、基
本的に、2次元光電センサ上の1点1点(画素)が共焦
点光学系により同時に露光される構成であればよい。例
えば、図5において、プレート32とハーフミラー33
を介して光学的に同等な位置(図5のCCDセンサ34
がある位置)に、プレート32と同様の2次元配列ピン
ホールを有するプレートを設け、ピンホールを通過した
光を結像レンズによりCCDセンサ34上に結像させた
ものでもよいし、または、照明光と反射光の光路を分け
るハーフミラー33をプレート32の上側に配置し、プ
レート32に照明用のピンホールと受光用のピンホール
を兼ねさせるような構造のものでもよい。また、2次元
光電センサ3についても必ずしもCCDセンサである必
要はなく、CIDやMOSタイプの個体撮像素子でもよ
いし、ビジコンなどの撮像管でもよい。
の上に置かれており、載物台7はコントローラ6を介し
て画像処理装置4により制御されるようになっている。
もちろん画像処理装置4以外の制御器(例えばパソコ
ン)が載物台7を制御するものでもよい。
構成上の違いはほとんど無い。本装置と従来技術Bとの
違いは画像処理装置4の処理を中心とした物体の高さ計
測手法にある。この点について詳しく述べる。共焦点撮
像系1により得られる画像において、その一点一点の濃
度値は、対応する物点(物体5上の点)の合焦状態を示
す。つまり載物台7により光軸方向に物体5を移動させ
たとき、画像各点(画素)の濃度値は、図4に示すよう
な山形となり、山のピーク位置が合焦点位置を示してい
る。合焦点位置が物点の高さを示しているから、結局物
体5の高さは、画素毎に濃度値の最大値を与える位置を
求めてやればよい。この濃度値の最大値を与える位置
(以下最大位置と呼ぶ)の求め方が本発明の固有の部分
である。従来装置Bにおいては載物台7をZ方向に移動
させ、計測分解能に等しい間隔毎に画像を得て、その度
にそれまでの最大値とその最大値を与える位置を画素毎
に記憶するようにして最大位置を求めているが、本発明
は載物台7をZ方向に移動(2次元配列型共焦点光学系
2の特徴を生かして高速連続移動)させ、計測分解能よ
り広い間隔で画像を取得し、各画素毎に最大値を与える
位置は画像間の各画素の濃度値から内挿処理を用いて推
定するようにするものである。
2における光強度と合焦点位置からのずれの関係は、照
明光の波数をk、2次元配列型共焦点光学系2内の対物
レンズ8の開口数をsinθ、焦点位置からのずれをz
として、光強度=(|sinkz(1−cosθ)|/
|kz(1−cosθ)|)2により与えられることが
知られている(論文「Depth response
of confocal optical micro
scopes」、OPTICS LETTERS、Vo
l.11、No.12、1986年、T.R.Corl
e他参照)。照明光の波長が550nm、対物レンズ8
の開口数が0.1の場合の例を図4に示す。山の幅(c
enter lobeの幅)は約100μm程度あるか
ら、サンプリング点が山のなかに少なくとも2つは入る
ように載物台7の移動時の画像入力間隔を50μmとし
て高さ計測を行う。計測範囲は500μmとする。
11枚の焦点位置の異なる画像を得る。それぞれの画像
の物体5上の同一位置を表す点の濃度を焦点位置座標
(Z座標)上に並べると、これは図4に示した連続波形
をサンプリングしたものとなる。サンプリングの一例を
図4に点線で示している。Z座標と光強度(画像では濃
度)の関係は前記の光強度モデルで正確に表せるため、
離散的な情報から山のピーク位置(以下ピーク位置とす
る)つまり合焦位置を精度よく、サンプリング間隔を超
える精度で推定できる。例えば山の形状によく似た関数
であるガウス関数を用いてピーク位置を解析的に求め
る。即ち、サンプリング値の最大値v1とその前後のど
ちらか1点v2の計2点の値からピーク位置pを次のよ
うに算出する。p=p1+(1+a2(v2−v1))
/2。ここにp1はv1のZ座標であり、aは山の広が
りを示すパラメーターで照明の波長と対物レンズ8の開
口数で決まる定数である。ピーク位置の演算方法として
はこのほか3点以上の点を用いてもよい(ただしこの場
合は山のなかに少なくとも3つサンプリング点が入るよ
うにサンプリング間隔を狭く変更する必要がある)。ま
た、ガウス関数によるものでなく、2次関数などの他の
似た形状の関数を用いても可能である。もちろんモデル
式を直接用いることもできる。他にもモーメントを用い
た演算などが可能である。これらの演算処理のより高速
化のために、演算結果を事前にLUTに格納しておき、
その結果を参照するようにすることもできる。 上記の
演算を画像中の全ての点に対して実行することで物体5
の立体形状を求めることができる。
1/20程度の分解能は十分得られると考えられ、この
例では2.5μmの分解能となる。従来装置Bで同等の
計測をするためには、2.5μmずつ焦点位置の異なる
201枚の画像を処理する必要があるから、それに比較
して本発明では大幅な高速化が達成できる。
互いに厚さが異なる平行平板透明体を用いた例 図2は第2例の構成図である。第1例にさらに、焦点位
置変化手段9を加えたものである。第1例が載物台7に
より焦点位置を変化させていたのに対し、この例では互
いに厚さが異なる平行平板透明体を対物レンズ8の光路
に挿入することで、物体5と対物レンズ8間の光路長を
変化させて、焦点位置を変えるようにしたもので、それ
により非常に高速に焦点位置を変えることを可能とした
ものである。以下に具体的に述べる。
方向(Z方向)に対して複数枚の画像を比較的広い間隔
でサンプリングする。この場合、載物台7による移動の
ように連続的にZ座標の位置が変化するのではなくサン
プリング間隔で段階的に精度良く変化するのが望まし
い。(ここに精度とは繰り返し変化させた場合に常に同
じ位置に変化する度合、いわゆる繰り返し精度のことで
あって。サンプリング間隔そのものの精度ではない。例
えば50μmずつ変化させるところをある区間は48μ
m、またある区間は52μmとなるのは問題ではなく、
繰り返し常に同じ位置に来ることが重要である。)また
画像一枚毎に(2次元光電センサからの出力映像信号が
NTSC規格のものであれば1/30秒毎に)異なる焦
点位置の画像が得られれば理想的で、それが最高速であ
る。請求項2に示す発明はこの最高速の画像入力を支え
る手段である。焦点位置変化手段9の基本構成を図3に
て説明する。
数の平行平板ガラス52を配置し、モーター53により
回転させるようにしたものである。この構成のものを2
次元配列型共焦点光学系の対物レンズの光軸に回転体5
1上の平行平板ガラス52が次々と挿入されるように配
置する。挿入された平行平板ガラス52の厚みに応じて
2次元配列型共焦点光学系の対物レンズと物体との光路
長が変化するので、それはすなわち焦点位置が変化する
ことになる。平行平板ガラス52の厚さは、焦点位置が
サンプリング間隔分変化するような厚さずつ厚みが異な
るようにそれぞれ決定する。このようにして上記の課題
が達成される。すなわち光軸と交差する平行平板ガラス
52の変化は段階的な焦点位置変化をもたらし、ガラス
の厚さは(温度による膨張、収縮を考えなければ)一定
であるから繰り返し誤差は発生せず、共焦点撮像系の撮
像タイミングを考慮して回転体51の連続回転速度を決
めることによって共焦点撮像系の撮像毎に焦点位置の異
なる画像を得ることができるようになる。
時露光の特徴により平行平板ガラス52の大きさを対物
レンズの結像光束の通過する範囲(図3に斜線で表示)
より回転方向には小さくすることができるため回転板5
1全体が小さくてすむ。
あればよく、例えば光学樹脂や光学結晶、またこれらに
封入された液体や液晶でもよい。また、互いに屈折率の
異なる平行平板透明体を用いてもよい。
点光学系を用いた高速な立体形状測定が可能となる。こ
の装置によりLSIの実装時の検査、例えばTABのイ
ンナーリードのハガレやフォーミング異常の検査、ボン
ディングワイヤのループ高さ検査、バンプ形状検査など
のインライン検査が可能となる。
である。
図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 物体の立体形状を光学的に計測する装置
において、2次元配列型共焦点光学系と2次元配列型共
焦点光学系により得られる2次元光学像を光電変換する
2次元光電センサとより構成された共焦点撮像系と、前
記2次元配列型共焦点光学系の焦点位置を変える焦点位
置変化手段と、前記共焦点撮像系と前記焦点位置変化手
段とにより得られた焦点位置の異なる複数の画像を取り
込み、焦点位置の変化に対応して変化する画像各点の濃
度値から、取り込まれた画像の焦点位置間隔を超える精
度で、濃度値の最大値を与える焦点位置を内挿処理を用
いて画像各点毎に推定し、推定した焦点位置をその点の
高さとする処理を実行する画像処理装置とから構成され
ることを特徴とする立体形状計測装置。 - 【請求項2】 焦点位置変化手段が、互いに厚さの異な
る複数の平行平板形の透明体か又は互いに屈折率の異な
る複数の平行平板形の透明体を、物体と共焦点光学系の
共焦点結像面間の光路に順次挿入するようにしたもので
あることを特徴とする請求項1記載の立体形状計測装
置。
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