JPH09178446A

JPH09178446A - ３次元形状計測装置

Info

Publication number: JPH09178446A
Application number: JP33743395A
Authority: JP
Inventors: Masato Moriya; 正人守屋
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1995-12-25
Filing date: 1995-12-25
Publication date: 1997-07-11

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】共焦点光学系に含まれる対物レンズの像面湾曲
を考慮して３次元計測データを補正することにより高精
度の３次元計測を実現する。【解決手段】複数の点光源から発生された光を対物レン
ズでスポット光に集光して被計測物体に照射し、被計測
物体からの反射散乱光を複数の光検出器が配列された光
検出器アレイで受光するよう構成された共焦点光学装置
と、被計測物体に照射されるスポット光の共焦点光学装
置の光軸方向に沿った集光位置と被計測物体との相対位
置を順次変化させる相対移動手段と、被計測物体の共焦
点光学装置に対する前記光軸方向位置を検出する位置検
出手段と、対物レンズの像面湾曲の補正データが記憶さ
れる像面湾曲補正メモリ手段と、３次元形状計測手段に
よって得られた被計測物体の表面形状データを像面湾曲
補正メモリに記憶された補正データによって補正する補
正手段とを具える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は共焦点光学系を利
用した３次元形状計測装置によって得られた被計測物体
の表面形状データを対物レンズの像面湾曲を考慮して補
正するようにした３次元形状計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造部品の形状検査などのように
物体の形状を測定する技術としては、例えば特開平４−
２６５９１８号公報に示すように、共焦点光学系を２次
元的に配置したものがあり、図７にその構成を示す。

【０００３】図７において、光源１の光はレンズ２、３
を介して平行光となりピンホールアレイＰＨ1に入射さ
れる。ピンホールアレイＰＨ1は、ピンホールがＸ−Ｙ
方向にマトリックス状に配設されたものである。ピンホ
ールアレイＰＨ1を通過した光はハーフミラー４を透過
し、開口絞り６によってテレセントリック系を構成する
対物レンズ５ａ、５ｂによって集光され、被計測物体７
に投光される。被計測物体７はＺ軸方向に変位可能な移
動ステージ８上に載置されている。被計測物体７で反射
散乱された光は対物レンズ５ａ、５ｂで集光され、ハー
フミラー４で反射され、ピンホールアレイＰＨ1と共役
な位置に結像する。この結像位置にピンホールアレイＰ
Ｈ2を配設し、ピンホールを通過する光を光検出器アレ
イ９の各光検出器で検出する。

【０００４】かかる構成によれば、移動制御部１０によ
って移動ステージ８をＺ方向に変位させながら、３次元
計測部２０で光検出器アレイの９の個々の光検出器の出
力を別々にサンプリングし、各々の光検出器の出力が最
大になったときのＺ方向位置を物体７の表面位置として
検出することができる（ピーク処理）。

【０００５】なお、この場合、被計測物体７を固定し、
対物レンズ５ａあるいは５ｂをＺ方向に移動するように
してもよいし、さらには共焦点光学系自体をＺ方向に移
動するようにしてもよい。

【０００６】図８は光検出器アレイ９の各光検出器の出
力をピーク処理する３次元計測部２０の内部構成を示す
ものである。

【０００７】図８において、Ｚ軸エンコーダ２１は、Ｚ
軸移動機構（この場合はＺ軸移動ステージ８）のＺ方向
の位置を検出するもので、検出した位置データをデータ
セレクタ２２に入力する。

【０００８】一方、光検出器アレイ９の各光検出器の出
力Ｄij（１≦ｉ≦Ｌ，１≦ｊ≦Ｍ）は、そのインデック
ス順にコンパレータ２３に入力される。コンパレータ２
３は、入力された光検出器の出力Ｄijを、ピーク値メモ
リ２４に記憶された同じインデックスを持つピーク値デ
ータＰijと比較し、Ｄij＞Ｐijであればその出力データ
Ｄijでピーク値メモリ２４の当該インデックスの記憶デ
ータＰijを更新し、Ｄij≦ＰijであればそのデータＤij
は廃棄する。なお、コンパレータ２３からデータセレク
タ２２に対しては、Ｄij＞Ｐijのときに「１」となり、
Ｄij≦Ｐijのときに「０」となるセレクト信号ＳＬが出
力される。

【０００９】ピーク値メモリ２４には、最終的には、被
計測物体７のＺ方向走査に対応して変化する光検出器ア
レイ９の各光検出器の出力のうちの最大値（ピーク値）
がそれぞれ記憶される。

【００１０】データセレクタ２２は、コンパレータ２３
からのセレクト信号ＳＬが「１」のときには（Ｄij＞Ｐ
ijのとき）、Ｚ軸エンコーダ２１の出力をＺ値メモリ２
５に出力し、セレクト信号ＳＬが「０」のときには（Ｄ
ij≦Ｐijのとき）、Ｚ軸エンコーダ２１の出力を廃棄す
るよう動作するものである。

【００１１】Ｚ値メモリ２５には、最終的には、光検出
器アレイ９の各光検出器の出力が最大値（ピーク値）と
なったときのＺ方向位置データがそれぞれ記憶される。

【００１２】以下、上記図８に示した構成の動作を図９
のフローチャートを参照して説明する。

【００１３】なお、この場合、３次元（ＸＹＺ方向）の
走査に対応して、Ｘ方向にはインデックスｉ（１≦ｉ≦
Ｌ）を持ち、Ｙ方向にはインデックスｊ（１≦ｊ≦Ｍ）
を持ち、Ｚ方向にはインデックスｋ（１≦ｋ≦Ｎ）を持
つようにしている。

【００１４】まず、システムを稼働すると共に、ピーク
値メモリ２４およびＺ値メモリ２５の記憶データをクリ
アし、さらに各インデックスｉ，ｊ，ｋをクリアする
（ステップ１００）。次に、各インデックスｉ，ｊ，ｋ
をそれぞれ１にインクリメントするとともに（ステップ
１１０〜１２０）、移動ステージ８をｋ＝１に対応する
初期位置に移動する。

【００１５】この状態で、光検出器アレイ９の各光検出
器の出力Ｄijをインデックス順に順次読み出し、コンパ
レータ２３で同じインデックスを持つピーク値データＰ
ijとそれぞれ比較する（ステップ１３０、１４０）。そ
して、その比較結果がＤij＞Ｐijであれば、その出力デ
ータＤijでピーク値メモリ２４の当該インデックスの記
憶データＰijを更新するとともに、そのときのＺ軸エン
コーダ２１の出力値でＺ値メモリ２５の当該インデック
スの記憶データＰijを更新する（ステップ１５０）。し
かし、上記比較結果がＤij≦Ｐijのときにはそのデータ
Ｄijを廃棄するとともに、Ｚ軸エンコーダ２１の出力値
も廃棄する。

【００１６】このような処理をＸＹ方向のインデックス
ｉ，ｊがｉ＝Ｌ，ｊ＝Ｍになるまでインデックスを順次
インクリメントしながら繰り返す（ステップ１６０）。

【００１７】このようにして光検出器１面分（ｋ＝１）
のデータ処理を終了すると、次に、ｋを＋１し、次の面
（ｋ＝２）の処理を同様にして実行する（ステップ１７
０）。

【００１８】このようにして、Ｚ方向についてのＮ面分
のデータ処理が終了すると、ピーク処理が終了し、Ｚ値
メモリ２５には被計測物体７の表面形状データがストア
され、またピーク値メモリ２４には光検出器アレイ９の
各光検出器のピーク値がストアされることになる。

【００１９】上記Ｚ値メモリ２５にストアされた被計測
物体７の表面形状データは、その後、データバスを介し
てホスト計算機のメモリに転送される。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図７に示し
た共焦点光学系は対物レンズ５ａ，５ｂを有しているた
めに、上記のようにして得られた被計測物体７の表面形
状データには、対物レンズ５ａ，５ｂの像面湾曲による
誤差分が含まれている。すなわち、像面湾曲とは、図１
０に示すように、対物レンズ５ｂの湾曲によって、図８
のピンホールアレイＰＨ1の平面像が検査面に対して湾
曲して結像する現象をいい、このため、たとえ被検査面
に平面の被計測物体を置いたとしても、検査面のＸＹ位
置によって異なる計測値が得られる。すなわち、平面の
被計測物体を平面物体としては計測することはできな
い。

【００２１】このように従来装置においては、共焦点光
学系に含まれる対物レンズの像面湾曲を考慮してはいな
かったので、精度の高い３次元計測又は検査をなし得な
かった。

【００２２】この発明はこのような実情に鑑みてなされ
たもので、共焦点光学系に含まれる対物レンズの像面湾
曲を考慮して３次元計測データを補正することにより高
精度の３次元計測を実現する３次元形状計測装置を提供
することを目的とする。

【００２３】

【課題を解決するための手段】この発明では、複数の点
光源から発生された光を対物レンズでスポット光に集光
して被計測物体に照射し、被計測物体からの反射散乱光
を複数の光検出器が配列された光検出器アレイで受光す
るよう構成された共焦点光学装置と、前記被計測物体に
照射されるスポット光の前記共焦点光学装置の光軸方向
に沿った集光位置と被計測物体との相対位置を順次変化
させる相対移動手段と、前記被計測物体の共焦点光学装
置に対する前記光軸方向位置を検出する位置検出手段
と、前記相対移動手段によるスポット光位置と被計測物
体の相対位置の移動に伴って前記光検出器アレイの各光
検出器の検出出力を順次サンプリングし、各光検出器の
受光出力が最大になったときの前記位置検出手段の検出
出力を被計測物体の表面位置として計測する３次元形状
計測手段とを有する３次元形状計測装置において、前記
対物レンズの像面湾曲の補正データが記憶される像面湾
曲補正メモリ手段と、前記３次元形状計測手段によって
得られた被計測物体の表面形状データを前記像面湾曲補
正メモリに記憶された補正データによって補正する補正
手段とをを具えるようにしている。

【００２４】かかる発明によれば、３次元形状計測手段
によって得られた被計測物体の表面形状データを像面湾
曲補正データによって補正するようにして、３次元形状
計測の計測精度を向上させる。

【００２５】またこの発明では、複数の点光源から発生
された光を対物レンズでスポット光に集光して被計測物
体に照射し、被計測物体からの反射散乱光を複数の光検
出器が配列された光検出器アレイで受光するよう構成さ
れた共焦点光学装置と、前記被計測物体に照射されるス
ポット光の前記共焦点光学装置の光軸方向に沿った集光
位置と被計測物体との相対位置を順次変化させる相対移
動手段と、前記被計測物体の共焦点光学装置に対する前
記光軸方向位置を検出する位置検出手段と、前記相対移
動手段によるスポット光位置と被計測物体の相対位置の
移動に伴って前記光検出器アレイの各光検出器の検出出
力を順次サンプリングし、各光検出器の受光出力が最大
になったときの前記位置検出手段の検出出力を被計測物
体の表面位置として計測する３次元形状計測手段とを有
する３次元形状計測装置において、前記対物レンズの像
面湾曲誤差分を含み、前記被計測物体の基準形状を示す
基準形状データが記憶される基準形状データメモリ手段
と、前記３次元形状計測手段によって得られた被計測物
体の表面形状データと前記基準形状メモリ手段に記憶さ
れた基準形状データとの偏差を求めることにより前記対
物レンズの像面湾曲誤差が相殺された基準偏差データを
出力する基準偏差演算手段とを具えるようにしている。

【００２６】かかる発明によれば、３次元形状計測手段
によって得られた被計測物体の表面形状データと被計測
物体の基準形状を示す基準形状データ（この基準形状デ
ータには対物レンズによる像面湾曲誤差が含まれてい
る）との偏差を求めることにより前記対物レンズの像面
湾曲誤差分を相殺する。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下この発明の実施例を添付図面
に従って詳細に説明する。

【００２８】図１はこの発明の実施例を示すもので、先
の図８に示した従来技術と同じ構成要素については同一
符号を付している。

【００２９】図１において、光検出器アレイ９、コンパ
レータ２３、ピーク値メモリ２４、Ｚ軸エンコーダ２
１、データセレクタ２２、Ｚ値メモリ２５は、先の図８
の場合と同様に動作し、重複する説明は省略する。ま
た、この場合、Ｚ値メモリ２５を２面用意するようにし
ているが、以下に説明する実施例では１面のみしか機能
させてしない。また、Ｚ値メモリ２５の後段側に設けら
れたデータセレクタ３１も機能させてはおらず、Ｚ値メ
モリ２５の出力はそのまま加減算器３２に入力される。

【００３０】補正メモリ３０には、対物レンズの像面湾
曲による誤差分を補正するための補正データＣijが、Ｘ
−Ｙ方向の各位置（各インデックス）毎にあらかじめ記
憶されている。

【００３１】この補正データを得るためには次のような
手法がある。

【００３２】(1)被計測物体７として理想的な平面で構
成される平面ミラー等を実際に計測し、像面湾曲による
誤差が含まれた平面ミラーの表面形状に関する計測デー
タを得る。この場合の計測データ（Ｚ値）は全て同じと
なるはずであるので、そうではない計測データは像面湾
曲による誤差を含んでいることになる。したがって、ホ
スト計算機を用いて、前記計測データから像面湾曲によ
る偏差分（正常値−計測データ）を各Ｘ−Ｙ位置毎に算
出し、これを補正データとする。 (2)対物レンズの設計シュミレーションによって像面湾
曲による誤差を各Ｘ−Ｙ位置毎に算出し、この誤差をＺ
軸エンコーダの位置データに換算した結果を補正データ
とする。

【００３３】加減算器３１は、Ｚ値メモリ２５に記憶さ
れたＺ値（即ち像面湾曲による誤差が含まれた計測デー
タ）Ｚijと補正メモリ３０に予記憶された補正データＣ
ijとを加算または減算することによりＺ値を各インデッ
クス毎に補正し、その補正結果を補正Ｚ値メモリ３３に
入力する。

【００３４】補正Ｚ値メモリ３３は、像面湾曲誤差が補
正されたＺ値Ｚij´を記憶し、その記憶データＺij´を
データバスを介してホスト計算機に出力する。

【００３５】かかる図１に示す構成の動作を、図２に示
すフローチャートを参照して説明する。

【００３６】なお、図２のフローチャートにおけるステ
ップ１００〜ステップ１７０の手順は、先の図１０に示
したステップ１００〜ステップ１７０の手順と全く同じ
である。

【００３７】すなわち、システムが稼働されると、まず
ピーク値メモリ２４およびＺ値メモリ２５の記憶データ
をクリアし、さらに各インデックスｉ，ｊ，ｋをクリア
する（ステップ１００）。次に、各インデックスｉ，
ｊ，ｋをそれぞれ１にインクリメントするとともに（ス
テップ１１０〜１２０）、移動ステージ８をｋ＝１に対
応する初期位置に移動する。

【００３８】この状態で、光検出器アレイ９の各光検出
器の出力Ｄijをインデックス順に順次読み出し、コンパ
レータ２３で同じインデックスを持つピーク値データＰ
ijとそれぞれ比較する（ステップ１３０、１４０）。そ
して、その比較結果がＤij＞Ｐijであれば、その出力デ
ータＤijでピーク値メモリ２４の当該インデックスの記
憶データＰijを更新するとともに、そのときのＺ軸エン
コーダ２１の出力値でＺ値メモリ２５の当該インデック
スの記憶データＰijを更新する（ステップ１５０）。し
かし、上記比較結果がＤij≦Ｐijのときにはそのデータ
Ｄijを廃棄するとともに、Ｚ軸エンコーダ２１の出力値
も廃棄する。

【００３９】このような処理をＸＹ方向のインデックス
ｉ，ｊがｉ＝Ｌ，ｊ＝Ｍになるまでインデックスを順次
インクリメントしながら繰り返す（ステップ１６０）。

【００４０】このようにして光検出器１面分（ｋ＝１）
のデータ処理を終了すると、次に、ｋを＋１し、つぎの
面（ｋ＝２）の処理を同様にして実行する（ステップ１
７０）。

【００４１】このようにして、Ｚ方向についてのＮ面分
のデータ処理が終了すると、ピーク処理が終了し、Ｚ値
メモリ２５には像面湾曲による誤差が含まれた被計測物
体７の表面形状データがストアされ、またピーク値メモ
リ２４には光検出器アレイ９の各光検出器のピーク値が
ストアされることになる。

【００４２】次に、まず、インデックスｉ，ｊをクリア
した後（ステップ２００）、各インデックスｉ，ｊをそ
れぞれ１にインクリメントする（ステップ２１０）。

【００４３】この状態で、Ｚ値メモリ２５および補正メ
モリ３０からインデックスｉ＝１，ｊ＝１である光検出
器アレイ９の光検出器の出力Ｄ11および補正メモリ３０
の補正データＣ11とをそれぞれ読み出し（ステップ２２
０）、これら読み出したＤ11およびＣ11を加減算器で加
算又は減算し（ステップ２３０）、その加減算結果を補
正Ｚ値メモリ３３のインデックスがｉ＝１，ｊ＝１であ
る領域に書き込む（ステップ２４０）。

【００４４】次に、インデックスｊを＋１し、インデッ
クスがｉ＝１，ｊ＝２であるＤ12およびＣ12を用いて同
様の補正処理を実行する。

【００４５】このような処理をＸＹ方向のインデックス
ｉ，ｊがｉ＝Ｌ，ｊ＝Ｍになるまでインデックスを順次
インクリメントしながら順次繰り返し実行する（ステッ
プ１６０）。

【００４６】このようにして、像面湾曲による誤差が補
正された計測データを得ることができる。

【００４７】次に、図１において、２面のＺ値メモリ２
５を２面とも機能させ、かつデータセレクタ３１を機能
させる場合の実施例について説明する。

【００４８】すなわち、本共焦点光学装置によるＸ−Ｙ
２次元検査平面のサイズには限りがあり、上述したＸ−
Ｙ検査平面に対する１回の走査では、被計測物体７の全
Ｘ−Ｙ領域を計測できない場合がある。このような場合
には、Ｘ−Ｙ検査平面に対する１通りの走査が終了する
度に、共焦点光学装置自体をＸ−Ｙ方向に移動し、被計
測物体の被計測領域を変えていく必要がある。

【００４９】ここで、図２の処理手順では、ピーク処理
が全て終了した後、このピーク処理を終えたデータＺij
を用いて像面湾曲による補正処理を実行するようにして
いるので、Ｚ値メモリ２５が１面しかない場合には、Ｚ
値メモリ２５にデータを入力しているときには補正処理
を実行することができず、また補正処理を実行している
ときにはＺ値メモリにデータを入力することはできな
い。

【００５０】そこで、この実施例では、Ｚ値メモリを２
面用意し、一方のメモリに被計測物体７の被計測領域Ｂ
についてのＺ値データを入力しているときには、他方の
メモリ（被計測物体の被計測領域ＡのＺ値データが既に
記憶されている）からデータを読み出して像面湾曲補正
処理を実行するというように、２面のメモリに対して交
互かつ並列に読み書き制御を実行させるようにして、連
続的にデータ補正処理が行えるようにしている。

【００５１】図３はこの発明の他の実施例を示すもの
で、この実施例では、ピーク値算出処理と、像面湾曲の
補正処理を同時に行うようにしている。

【００５２】そのため、図３においては、図１に示した
Ｚ値メモリ２５を削除し、加減算器３４によってＺ軸エ
ンコーダの出力値と補正メモリ３０の補正データを直接
加減算し、この加減算結果をデータセレクタ３５でセレ
クトするようにしている。

【００５３】以下、図３の実施例の動作を図４のフロー
チャートを参照して説明する。

【００５４】すなわち、システムが稼働されると、まず
ピーク値メモリ２４および補正Ｚ値メモリ３３の記憶デ
ータをクリアし、さらに各インデックスｉ，ｊ，ｋをク
リアする（ステップ３００）。次に、各インデックス
ｉ，ｊ，ｋをそれぞれ１にインクリメントするとともに
（ステップ３１０〜３２０）、移動ステージ８をｋ＝１
に対応する初期位置に移動する。

【００５５】この状態で、インデックスがｉ＝ｊ＝１で
ある光検出器アレイ９の光検出器の出力Ｄ11を読み出し
（ステップ３３０）、コンパレータ２３でこの読み出し
たデータＤ11を同じインデックスをもつピーク値メモリ
２４の記憶データＰ11と比較する（ステップ３４０）。
そして、その比較結果がＤij＞Ｐijであれば、その出力
データＤijでピーク値メモリ２４の当該インデックスの
記憶データＰijを更新し（ステップ３５０）、Ｄij≦Ｐ
ijのときにはそのデータＤijを廃棄する。

【００５６】一方、このインデックスがｉ＝ｊ＝１の際
のピーク値メモリ２４のデータ更新処理に並行して、補
正メモリ３０からはインデックスがｉ＝ｊ＝１である補
正データＣ11が読み出され、この補正データＣ11が加減
算器３４でＺ軸エンコーダ２１の出力値と加減算され、
データセレクタ３５に入力される。

【００５７】データセレクタ３５では、前述したよう
に、コンパレータ２３からのセレクト信号ＳＬが「１」
のときには（Ｄij＞Ｐijのとき）、加減算器の３４の出
力をＺ補正値メモリ３３のｉ＝ｊ＝１である記憶エリア
Ｚ11´に出力し（ステップ３５０）、セレクト信号ＳＬ
が「０」のときには（Ｄij≦Ｐijのとき）、Ｚ軸エンコ
ーダ２１の出力を廃棄する。

【００５８】このような処理をＸＹ方向のインデックス
ｉ，ｊがｉ＝Ｌ，ｊ＝Ｍになるまでインデックスを順次
インクリメントしながら繰り返す（ステップ３６０）。

【００５９】このようにして光検出器１面分（ｋ＝１）
のピーク処理及び補正演算処理を終了すると、次に、ｋ
を＋１し、次の面（ｋ＝２）の処理を同様にして実行す
る（ステップ３７０）。

【００６０】このようにして、Ｚ方向についてのＮ面分
のデータ処理が終了すると、ピーク処理および補正演算
処理が同時終了し、補正Ｚ値メモリ３３には像面湾曲に
よる誤差が補正された被計測物体７の表面形状データが
ストアされることになる。

【００６１】図５はこの発明の更に別の実施例を示すも
ので、この実施例では、対物レンズの像面湾曲偏差が含
まれた計測データＺijを、同様に像面湾曲偏差が含まれ
た基準形状データ（被計測物体の理想的な標準形状を示
すデータ）と比較し、それらの偏差をとることにより、
像面湾曲偏差を相殺するようにしている。このため、こ
の実施例では、最終的には、３次元形状の位置データが
得られるのではなく、基準値からの基準偏差データが得
られることになる。

【００６２】図５において、光検出器アレイ９、コンパ
レータ２３、ピーク値メモリ２４、Ｚ軸エンコーダ２
１、データセレクタ２２、およびＺ値メモリ２５は先の
図１に示したものと全く同様に機能する。

【００６３】基準形状メモリ４０には、被計測物体の理
想的な標準形状を示す基準形状データＥijが各Ｙ−Ｙ座
標別に（インデックス別に）予め記憶されている。ただ
し、この基準形状データには、本共焦点光学装置で用い
る対物レンズの像面湾曲による誤差データが含まれてい
る。

【００６４】この基準形状メモリ４０に記憶すべき基準
形状データを得るためには次のような手法がある。

【００６５】(1)基準となる被計測物体７を本３次元形
状計測装置によって実際に計測し、そのとき得られた計
測データを基準形状データとする。もちろんこの計測の
際には、像面湾曲による補正処理は行わない。すなわ
ち、得られる計測データには、像面湾曲誤差が含まれて
いる。

【００６６】(2)基準となる被計測物体の設計値に、対
物レンズの設計シュミレーションによって得られた像面
湾曲誤差データを含ませ（加算し）、これをＺ軸エンコ
ーダの２１の位置データに換算する。

【００６７】(3)基準となる被計測物体の設計値に対
し、事前の実際の計測によって得られた像面湾曲誤差デ
ータを含ませ（加算し）、これをＺ軸エンコーダの２１
の位置データに換算する。

【００６８】減算器４５では、Ｚ値メモリ２５に記憶さ
れた像面湾曲による誤差が含まれた被計測物体７の表面
形状データＺijと基準形状メモリ４０に記憶された基準
形状データＥijをインデックス毎に減算処理することに
より、像面湾曲偏差が相殺された基準偏差データσij
（＝Ｚij−Ｅij）を算出し、これを基準偏差メモリ５０
に入力する。

【００６９】最大偏差値メモリ６０には、基準偏差デー
タσijの許容できる最大値ＲMAXijが各インデックス毎
に予め記憶されている。これら許容最大値ＲMAXijとし
ては、各インデックス毎に異なる値を設定するようにし
てもよく、あるいは全て同一値を設定するようにしても
よい。

【００７０】最小偏差値メモリ６５には、基準偏差デー
タσijの許容できる最小値ＲMINijが各インデックス毎
に予め記憶されている。これら許容最小値ＲMINijとし
ては、各インデックス毎に異なる値を設定するようにし
てもよく、あるいは全て同一値を設定するようにしても
よい。

【００７１】マスクメモリ７０には、ウィンドウコンパ
レータ７５での比較処理を行うか否かを決定するための
マスク信号Ｍijが記憶されており、このマスクメモリ７
０は被計測物体の所要の部分のみのデータを選択的に得
るために用いられる。例えば、マスク信号Ｍijが「０」
のときにはウィンドウコンパレータ７５での比較処理が
行われ、マスク信号Ｍijが「１」のときにはウィンドウ
コンパレータ７５での比較処理はスキップされる。

【００７２】ウィンドウコンパレータ７５では、基準偏
差データσijをＲMAXij、ＲMINijと比較し、ＲMINij＜
Ｚij＜ＲMAXijのとき良を示すＪij信号『０』を出力
し、ＲMINij≧Ｚijのとき不良を示すＪij信号『１』を
出力し、ＲMAXij≦Ｚijのとき不良を示すＪij信号
『２』を出力する。

【００７３】なお、ウィンドウコンパレータ７５は、マ
スク信号Ｍijが「１」で比較処理をスキップするインデ
ックス領域では、スキップしていることを示すＪij信号
『４』を出力する。

【００７４】判定メモリ８０は、ウィンドウコンパレー
タ７５の出力信号Ｊijを各インデックス領域に記憶す
る。したがって、判定メモリ８０の記憶データを参照す
ることにより、ワークの不良箇所が何処にあるのか、不
良が寸法不足であるのか、寸法過多なのかを一目瞭然に
知ることができる。

【００７５】以下、図５に示す構成の動作を図６のフロ
ーチャートを参照して説明する。なお、図６のフローチ
ャートは基準偏差メモリ５０に基準偏差σijが格納され
た以降の動作を説明するものである。

【００７６】この場合、Ｚ値メモリ２５に被計測物体７
の形状データが格納されるまでの動作は、先の図１の実
施例と同様であり、その説明は省略する。

【００７７】減算器４５では、Ｚ値メモリ２５に記憶さ
れた像面湾曲による誤差が含まれた被計測物体７の表面
形状データＺijと基準形状メモリ４０に記憶された基準
形状データＥijをインデックス毎に減算処理することに
より、像面湾曲偏差が相殺された基準偏差データσij
（＝Ｚij−Ｅij）を算出し、これを基準偏差メモリ５０
に順次入力する。

【００７８】このようにして、基準偏差メモリ５０の各
インデックス領域に基準偏差データσijが記憶される。

【００７９】この状態で、まず各インデックスｉ，ｊ，
がクリアされ、次に、各インデックスｉ，ｊ，をそれぞ
れ１にインクリメントする（図６ステップ４００、４１
０）。

【００８０】基準偏差メモリ５０からは、インデックス
がｉ＝ｊ＝１である基準偏差σ11が読み出されてウィン
ドウコンパレータ７５に入力され、またマスクメモリ７
０、最大偏差値メモリ６０および最小偏差値メモリ６５
からインデックスがｉ＝ｊ＝１であるＭ11、ＲMAX11お
よびＲMIN11がそれぞれ読み出されてウィンドウコンパ
レータ７５に入力される。

【００８１】ウィンドウコンパレータ７５はマスク信号
Ｍ11が「１」である場合は、その出力Ｊijを『４』し
て、これを判定メモリ８０のインデックスがｉ＝ｊ＝１
である領域に記憶する（ステップ４４０）。

【００８２】また、ウィンドウコンパレータ７５は、マ
スク信号Ｍ11が「０」である場合は、基準偏差σ11を最
大許容値および最小許容値ＲMAX11およびＲMIN11と比較
し、ＲMINij＜Ｚij＜ＲMAXijのとき良を示すＪij信号
『０』を出力し、ＲMINij≧Ｚijのとき不良を示すＪij
信号『１』を出力し、ＲMAXij≦Ｚijのとき不良を示す
Ｊij信号『２』を出力し、これを判定メモリ８０のイン
デックスがｉ＝ｊ＝１である領域に記憶する（ステップ
４３０）。

【００８３】このような処理をＸＹ方向のインデックス
ｉ，ｊがｉ＝Ｌ，ｊ＝Ｍになるまでインデックスを順次
インクリメントしながら繰り返す（ステップ４５０）。

【００８４】このようにして被計測物体７のピーク処
理、補正演算処理および検査処理を終了する。

【００８５】なお、図３の構成を用いて図５に示したよ
うな検査処理を行うようにしてもよい。この場合、図３
の補正メモリ３０を図５の基準形状メモリ４０に差し替
え、図３の補正Ｚ値メモリ３３を図５の基準偏差メモリ
５０に差し替えるようにすれば良いまた、図５の基準偏
差メモリ５０を２面用意し、前述したように、一方のメ
モリに基準偏差σijを入力しているときには、他方のメ
モリから基準偏差σijを読み出して検査処理を実行する
というように、２面のメモリに対して交互かつ並列に読
み書き制御を実行させるようにして、Ｘ−Ｙ検査平面に
対する１回のＸ−Ｙ走査では、被計測物体７の全Ｘ−Ｙ
領域を計測できない場合のデータ処理に連続性を持たせ
るようにしてもよい。

【００８６】なお、上記検査処理において、予め設定し
た個数以上の不良箇所を発見した時点で検査処理を中止
し、その被計測物体（ワーク）を不良と判定するように
してもよい。

【００８７】また、複数の異なるワークの検査処理に対
応すべく、基準形状メモリ４０、最大偏差値メモリ６
０、最小偏差値メモリ６５、およびマスクメモリ７０を
各ワークに対応して複数個用意し、これらを切り換えて
用いるようにしてもよい。

【００８８】また、図１または図３の補正Ｚ値メモリ３
３の出力を最大許容値及び最小許容値と比較して被計測
物体の良品不良検査を行うようにしてもよい。

【００８９】また、実施例では、データセレクタや加減
算器などを設け、各種の演算処理をハードウェアによっ
て行うようにしたが、これらを全てホスト計算機でのソ
フトウェア処理によって行うようにしてもよい。

【００９０】また、対物レンズの像面湾曲を補正したワ
ークの計測値Ｚij´を良品形状データとを正規化相関関
数を用いてマッチング処理を行うことによって、物品の
形状検査を行うようにしてもよい。この場合、対物レン
ズの像面湾曲補正処理が行われているので、ワークの置
かれたＸ−Ｙ位置によって計測値が異なることがなくな
り、マッチング処理の精度も向上し、ひいては精度の高
い検査をなし得る。

【００９１】また、光検出器アレイ９がＭＯＳ型などの
ゲート読み出し方式の場合、ラスタスキャンによって各
光検出器に蓄積された電荷を順次読み出して行くように
なっているので、移動ステージ８をＺ方向に変位させな
がら上記のようにして個々の光検出器の出力を順次サン
プリングすると、各光検出器毎に電荷を読み出される時
間が異なることになり、このため各光検出器毎にＺ位置
が異なってしまうことになる。したがって、或る１面の
ピーク処理をする間は、同じＺ値となるようにＺ軸エン
コーダの出力をサンプリングするあるいは補正するよう
にすればより高精度の計測をなし得る。因みに、ＣＣＤ
のような蓄積電荷転送バッファを持つ光検出器アレイ９
の場合は、上記のような問題は発生しない。また、上記
実施例ではＺ方向の位置検出手段としてエンコーダを用
いるようにしたが、他の任意の検出機構によってＺ方向
位置を検出する様にしてもよい。

【００９２】また、上記実施例では、共焦点光学系にテ
レセントリック系を構成する対物レンズを用いるように
したが、非テレセントリック系の対物レンズを有する共
焦点光学系に本発明を適用するようにしてもよい。

【００９３】また、上記実施例では、Ｚ軸移動ステージ
８によって被計測物体をＺ方向に移動させることによ
り、被計測物体に照射されるスポット光の前記共焦点光
学装置の光軸方向に沿った集光位置と被計測物体との相
対位置を順次変化させるようにしたが、被計測物体７を
固定し、対物レンズ５ａあるいは５ｂをＺ方向に移動す
るようにしてもよいし、さらには共焦点光学系自体をＺ
方向に移動するようにしてもよい。

【００９４】また、上記実施例では、点光源アレイ（ピ
ンホールアレイＰＨ1）と光検出器アレイ９の基本アレ
イの形状を正方マトリックスとするようにしたが、例え
ば基本アレイを六角形状または三角形状にするようにし
てもよく、さらには点光源および各光検出器を一次元に
配置したものを用いるようにしてもよい。

【００９５】また、本発明を適用する共焦点光学系は、
先の図７に示したものに限らず、任意の構成を用いるよ
うにしてもよい。例えば、特願平７−２４７６５８号に
は、図７に示すピンホールアレイＰＨ1から発生される
複数の点光源光と等価な光を発生する手段としてホログ
ラムを用い、このホログラムを共焦点光学系内の任意の
位置に配置したものや、図７に示すピンホールアレイＰ
Ｈ2をピンホールアレイＰＨ1で共用し、ハーフミラー４
を削除し、ピンホールアレイＰＨ1とレンズ３の間に光
検出器アレイ９を配設したものなどが示されており、こ
のような共焦点光学装置に本発明を適用するようにして
もよい。

【００９６】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明によれば、
３次元形状計測によって得られた被計測物体の表面形状
データを像面湾曲補正データによって補正するようにし
たので、像面湾曲誤差が補正され、これにより計測デー
タの精度を向上させることができる。

【００９７】またこの発明によれば、３次元形状計測に
よって得られた被計測物体の表面形状データと被計測物
体の基準形状を示す基準形状データ（この基準形状デー
タには対物レンズによる像面湾曲誤差が含まれている）
との偏差を求め、この偏差を基準偏差データとして用い
るようにしたので、対物レンズの像面湾曲誤差分が相殺
され、形状検査の精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例を示すブロック図。

【図２】図１の実施例の動作を示すフローチャート図。

【図３】この発明の他の実施例を示すブロック図。

【図４】図３の実施例の動作を示すフローチャート図。

【図５】この発明のさらに別の実施例を示すブロック
図。

【図６】図５の実施例の動作を示すフローチャート図。

【図７】共焦点光学系を利用した３次元形状計測装置の
構成を示す図。

【図８】従来の３次元形状計測装置のデータ処理装置を
示す図。

【図９】従来のデータ処理を示すフローチャート図。

【図１０】対物レンズによる像面湾曲による誤差を説明
する図。

【符号の説明】

１…光源２…レンズ３…レンズ４…ハーフミラー５…対物レンズ６…テレセン絞り７…被計測物体８…移動ステージ９…光検出器アレイ２１…Ｚ軸エンコーダ２２…データセレクタ２３…コンパレータ２４…ピーク値メモリ２５…Ｚ値メモリ３０…補正メモリ３１…データセレクタ３２…加減算器３３…補正Ｚ値メモリ４０…基準形状メモリ４５…減算器５０…基準偏差メモリ６０…最大偏差値メモリ６５…最小偏差値メモリ７０…マスクメモリ８０…判定メモリ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の点光源から発生された光を対物レン
ズでスポット光に集光して被計測物体に照射し、被計測
物体からの反射散乱光を複数の光検出器が配列された光
検出器アレイで受光するよう構成された共焦点光学装置
と、前記被計測物体に照射されるスポット光の前記共焦
点光学装置の光軸方向に沿った集光位置と被計測物体と
の相対位置を順次変化させる相対移動手段と、前記被計
測物体の共焦点光学装置に対する前記光軸方向位置を検
出する位置検出手段と、前記相対移動手段によるスポッ
ト光位置と被計測物体の相対位置の移動に伴って前記光
検出器アレイの各光検出器の検出出力を順次サンプリン
グし、各光検出器の受光出力が最大になったときの前記
位置検出手段の検出出力を被計測物体の表面位置として
計測する３次元形状計測手段とを有する３次元形状計測
装置において、前記対物レンズの像面湾曲の補正データが記憶される像
面湾曲補正メモリ手段と、前記３次元形状計測手段によって得られた被計測物体の
表面形状データを前記像面湾曲補正メモリに記憶された
補正データによって補正する補正手段とを、を具える３次元形状計測装置。
【請求項２】複数の点光源から発生された光を対物レン
ズでスポット光に集光して被計測物体に照射し、被計測
物体からの反射散乱光を複数の光検出器が配列された光
検出器アレイで受光するよう構成された共焦点光学装置
と、前記被計測物体に照射されるスポット光の前記共焦
点光学装置の光軸方向に沿った集光位置と被計測物体と
の相対位置を順次変化させる相対移動手段と、前記被計
測物体の共焦点光学装置に対する前記光軸方向位置を検
出する位置検出手段と、前記相対移動手段によるスポッ
ト光位置と被計測物体の相対位置の移動に伴って前記光
検出器アレイの各光検出器の検出出力を順次サンプリン
グし、各光検出器の受光出力が最大になったときの前記
位置検出手段の検出出力を被計測物体の表面位置として
計測する３次元形状計測手段とを有する３次元形状計測
装置において、前記対物レンズの像面湾曲誤差分を含み、前記被計測物
体の基準形状を示す基準形状データが記憶される基準形
状データメモリ手段と、前記３次元形状計測手段によって得られた被計測物体の
表面形状データと前記基準形状メモリ手段に記憶された
基準形状データとの偏差を求めることにより前記対物レ
ンズの像面湾曲誤差が相殺された基準偏差データを出力
する基準偏差演算手段と、を具える３次元形状計測装置。
【請求項３】前記相対移動手段は、被計測物体を共焦点
光学装置の光軸方向に沿って移動するものである請求項
１または２記載の３次元形状計測装置。
【請求項４】前記相対移動手段は、共焦点光学装置をそ
の光軸方向に沿って移動するものである請求項１または
２記載の３次元形状計測装置。
【請求項５】前記相対移動手段は、共焦点光学装置の対
物レンズをその光軸方向に沿って移動するものである請
求項１または２記載の３次元形状計測装置。