WO2010032567A1 - 共焦点顕微鏡を用いた試料測定装置とその測定方法 - Google Patents
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- G02B21/006—Optical details of the image generation focusing arrangements; selection of the plane to be imaged
Definitions
- the present invention relates to a sample measuring apparatus that measures the height of a sample having a high contrast using a confocal optical microscope (hereinafter referred to as a confocal microscope), for example, in the medical or industrial fields, and a measuring method thereof.
- a confocal microscope a confocal optical microscope
- a confocal image of a sample such as an LCD substrate or a semiconductor wafer has been acquired, and the height of the sample is measured using that image.
- a sample measuring device for presenting a surface shape.
- This sample measuring apparatus places a sample on a sample stage of a confocal microscope, and moves the sample stage at a constant speed in the optical axis direction (the height direction of the sample) while being focused on the sample.
- an optical image of the sample magnified by the microscope is sequentially captured by the camera at a constant time interval, and each captured image is converted into data and stored in the memory.
- the pixel at the in-focus position where the luminance is maximum is detected in each captured image. Pixels having the maximum luminance are collected from each captured image to synthesize one image.
- an omnifocal image extend focus image
- one image is created from the position of each pixel at the in-focus position (height) at which the maximum luminance of each captured image is obtained. Thereby, a height image or a cross-sectional profile indicating the shape in the height direction is acquired.
- Patent Document 1 is an example of a prior art document for a sample measuring apparatus using a confocal microscope as described above.
- the sample measuring apparatus described in Patent Document 1 in order to capture an image of a sample containing two or more substances having greatly different reflectances, whether or not the reception signal level of reflected light from the sample is within a preset appropriate range. If the signal level is outside the proper range, the light receiving gain variable means is controlled to adjust the signal level to be within the proper range.
- the sampling rate is determined by the frame rate of the camera. Since the depth of focus of the confocal microscope is extremely narrow, if the moving speed of the in-focus position with respect to the sample is high, it is difficult to capture images at different positions at different heights, resulting in a decrease in measurement accuracy. For this reason, it is necessary to make the moving speed extremely low to ensure measurement accuracy, and a reduction in tact time is a problem.
- An object of the present invention is to provide a sample using a confocal microscope that can improve the tact time while ensuring the measurement accuracy when the height of the sample is measured by moving the in-focus position with respect to the sample in the optical axis direction. It is to provide a measuring apparatus and a measuring method thereof.
- the present invention relates to a sample measuring apparatus that measures the height of a sample using a confocal microscope that scans and enlarges an optical image of the sample placed on a sample stage at a constant rate, and is magnified by the confocal microscope.
- a camera that captures an optical image of the sample, a light source that irradiates the sample with light for imaging, and the sample stage is moved in the optical axis direction from a start position to an end position, and the sample is scanned with respect to the sample. It moves the in-focus position of the focus microscope, and has a low speed mode and a high speed mode as its moving speed, a linear scale that measures the position coordinates of the sample stage on the optical axis, and the drive mechanism through the drive mechanism.
- a control unit that causes the camera to pick up an optical image of the sample at an arbitrary rate while changing a focus position of the confocal microscope with respect to the sample, and a plurality of obtained by the camera
- a pixel area whose luminance value is included in the preset maximum range is extracted from each of the image images, and the image of the confocal microscope when the image in which the luminance value of the extracted pixel area is within the maximum range is acquired.
- a calculation unit that calculates the height of the sample based on a focal position and a measurement position of the linear scale, and the control unit calculates a luminance of a specified region of the captured image and compares it with a reference value.
- the driving mechanism is set to the high speed mode when the luminance value of the designated area is less than the reference value within the moving range of the comparison position and the focusing position, and the driving mechanism is set to the low speed mode when the luminance value is equal to or higher than the reference value.
- Speed control means for selectively performing switching control.
- the present invention also scans and enlarges an optical image of the sample placed on the sample stage at a constant rate with a confocal microscope, and moves the in-focus position of the confocal microscope with respect to the sample from the start position to the end position by a drive mechanism.
- the optical image of the sample is captured at an arbitrary rate while being changed to acquire a plurality of captured images, and the height of the sample is measured from the captured images.
- the drive mechanism is operated in a range where the brightness value of the designated area does not satisfy the reference value within the movement range of the in-focus position.
- the drive mechanism is selectively switched to the low speed mode in a range that is equal to or higher than a reference value, and for each of the plurality of captured images, a pixel area in which a luminance value is included in a preset maximum range is set.
- the sample is obtained based on the in-focus position of the confocal microscope and the position coordinates on the optical axis of the sample stage when an image in which the luminance value of the extracted pixel region is within the maximum range is acquired. Calculate the height of.
- the image of the confocal microscope is captured, the pixel area where the maximum luminance is obtained and the focal position thereof are acquired, and the area of the specified image on the image is acquired.
- the moving speed is set to the low speed mode, and if the comparison value is small in the low speed mode, the moving speed is returned to the original high speed mode.
- a sample using a confocal microscope that can improve the tact time while ensuring the measurement accuracy when the height of the sample is measured by moving the in-focus position with respect to the sample in the optical axis direction.
- a measuring device and a measuring method thereof can be provided.
- FIG. 1 is a block diagram schematically showing an embodiment of a sample measuring apparatus using a confocal microscope according to the present invention.
- FIG. 2 is a conceptual diagram schematically showing the configuration of the confocal microscope 12 used in the sample measuring apparatus of the embodiment.
- FIG. 3 is a block diagram showing a basic configuration of the control measurement processing device 14 used in the sample measurement device of the above embodiment.
- FIG. 4 is a conceptual diagram for briefly explaining a method for measuring the height of a sample using the confocal microscope of the above embodiment.
- FIG. 5 is a flowchart showing the overall processing flow of the height measurement of the above embodiment.
- FIG. 6 is a flowchart showing a specific processing flow of the height measurement sequence shown in FIG. FIG.
- FIG. 7 is a three-dimensional view for assuming that the height of a sample having a three-dimensional shape is measured in the embodiment.
- FIG. 8 is a diagram showing a cross-sectional profile of the sample shown in FIG.
- FIG. 9 is a diagram illustrating a captured image of the sample illustrated in FIG.
- FIG. 10 is a diagram showing a graph for each condition when the captured image shown in FIG. 9 is acquired and moved once from the start coordinate Zs of the Z axis to the end coordinate Ze.
- FIG. 11 is a diagram comparing the movement time T1 when the Z-axis control of the embodiment is performed and the movement time T2 when moving at the speed V2.
- FIG. 12 is a diagram illustrating a recipe setting screen according to the above embodiment.
- FIG. 1 is a block diagram schematically showing an embodiment of a sample measuring apparatus using a confocal microscope according to the present invention.
- the parallel light emitted from the light source 11 enters the optical processing unit 121 of the confocal microscope 12, passes through the objective lens 122 from the optical processing unit 121, and reaches the sample 124 placed on the sample stage 123.
- the reflected light from the sample 124 passes through the objective lens 122 again, undergoes processing by the optical processing unit 121, and forms an image on the imaging surface of the camera 13.
- the confocal microscope 12 includes a Z-axis drive unit 125 that moves the sample stage 123 in the direction of the optical axis (hereinafter, Z-axis) of the objective lens 122.
- the height of the sample stage 123 is measured by the linear scale 126 as a coordinate value on the Z axis (hereinafter referred to as Z coordinate value).
- the image captured by the camera 13 is input to the control measurement processing device 14.
- This control measurement processing device 14 mainly controls the amount of light from the light source 11 according to an instruction from the computer (PC) 15 and drives the Z-axis drive unit 125 for controlling the distance between the sample 124 and the objective lens 122.
- a control function for controlling is provided.
- a measurement function for measuring the height of the sample 124 from the captured image of the camera 13 and the Z coordinate value measured by the linear scale 126 and outputting the measurement result to the computer 15 is provided.
- FIG. 2 is a conceptual diagram schematically showing the configuration of the confocal microscope 12 used in the sample measuring apparatus.
- the parallel light given from the external light source 11 is incident on the optical processing unit 121 and is focused on a specific pinhole 121c on the Nipkow disc 121b by the imaging lens 121a.
- a half mirror 121d is arranged in front of the Niipou disc 121b. The half mirror 121d transmits the light from the imaging lens 121a.
- the light that has passed through the pinhole 121c enters the objective lens 122 and reaches the sample 124.
- the reflected light from the sample 124 returns to the objective lens 122 and again passes through the pinhole 121c to obtain a confocal effect.
- the reflected light that has passed through the pinhole 121c is incident on the half mirror 121d.
- the reflected light incident on the half mirror 121d changes direction by 90 degrees, passes through the imaging lens 121e, and forms an image on the imaging surface of the camera 13.
- the Nipo disk 121b has thousands of pinholes, and by rotating the Nipo disk 121b, thousands of light scans the sample 124. As a result, the reflected light of the sample 124 scans the imaging surface of the camera 13, whereby one image can be obtained on the imaging surface.
- the confocal microscope 12 is provided with the pinhole 121c at a position optically conjugate with the in-focus position so as to block the passage of light other than the in-focus position. An image can be obtained.
- the depth of field is extremely narrower than that of a normal optical microscope.
- control measurement processing device 14 is basically configured as shown in FIG. 3 and includes a luminance comparison unit 141, a speed control unit 142, and a height calculation unit 143.
- the luminance comparison unit 141 calculates the luminance of the designated area of the captured image obtained by the camera 13 and compares it with the reference value.
- the speed control unit 142 sets the Z-axis drive unit 125 to the high-speed mode in the range where the luminance value of the designated region does not satisfy the reference value within the moving range of the focal position, and the Z-axis drive unit 125 in the range where the reference value is greater than the reference value. Is selectively switched to the low speed mode.
- the height calculation unit 143 extracts a pixel region whose luminance value is included in a preset maximum range from the captured image acquired in the low speed mode.
- the in-focus position (Z coordinate value) of the confocal microscope 12 when an image in which the luminance value of the extracted pixel region is within the maximum range is acquired is obtained, and the Z coordinate value of the in-focus position is obtained. Then, the height of the sample 124 is calculated.
- the height calculation unit 143 uses the luminance value of the previous image as a comparison target, and sequentially leaves pixels with higher luminance values and their Z coordinates, thereby obtaining an image of maximum luminance and its height information. To get.
- the line of sight of the camera 13 is directed from the base toward the top in the Z-axis direction (optical axis direction) with respect to the gently chevron-shaped sample 124 arranged on the XY plane.
- the camera 13 captures images at fixed time intervals, converts each captured image into data, and records it together with the Z coordinate measured by the linear scale 126.
- the luminance values of the dotted line pixels shown in FIG. 4 (a) are the Z positions (Z1, Z2, Z3,..., Z7,. In Z8), as shown in FIG. 4C, the luminance value peaks (I1, I2, I3,..., I7, I8) can be seen.
- This curve is hereinafter referred to as a Z curve.
- each peak position specifies the focus position at each Z position. Therefore, by obtaining a Z curve for each pixel on the imaging surface, height information at each pixel position can be obtained.
- FIG. 5 is a flowchart showing the overall processing flow of height measurement.
- step S11 is a process for setting a movement range first.
- step S11 the range of the Z coordinate when the sample stage 123 is moved along the Z axis is designated.
- step S11 an image and its Z coordinate position are acquired while moving the camera line of sight along the Z axis within the range of the Z coordinate set in step S11, and a pixel having brighter brightness and its Z coordinate position are obtained. It is a process to leave.
- step S12 is a process for setting the moving speed of the sample stage 123 along the Z-axis.
- step S12 the speed at which the sample stage 123 is moved along the Z axis is set.
- Step S13 is a sequence process for height measurement that determines a height (Z coordinate) corresponding to each pixel position of one image. This sequence process will be described later.
- Step S14 is a process for acquiring the height data 1 and the omnifocal image 1 after the height measurement sequence in step S13 is completed.
- the height data 1 is height data for all pixels
- the omnifocal image 1 is an image obtained by leaving data having a high luminance value over the Z-axis movement range.
- FIG. 6 is a flowchart showing a specific processing flow of the height measurement sequence in step S13.
- step S131 the sample stage 123 is moved to the Z-axis start position in step S131, the image 1 at the start position is acquired in step S132, and the Z coordinate is acquired in step S133.
- step S134 the Z-axis movement speed is set to the high speed mode.
- step S135 it is determined in step S135 whether or not the luminance value comparison of the designated areas of all images has been completed. If not completed, the brightness value of the designated area is calculated in step S136.
- the luminance value in the designated area designates the average value or peak value of the luminance values of the pixels in the designated area.
- step S137 it is determined whether or not the brightness of the designated area is high. If the brightness value of the designated area is dark, the process proceeds to the Z-axis movement process in step S139.
- the axis moving speed is set to the low speed mode, and the process proceeds to the Z axis moving process in step S139.
- the sample stage 123 is moved at the speed of the designated mode from the start position to the end position of the Z coordinate.
- step S1310 While the sample stage 123 is moving, a new image is acquired and the image 2 is updated in step S1310, the Z coordinate of the image is acquired in step S1311, and then each pixel of the image 1 and the image 2 is acquired in step S1312. The luminance values corresponding to are compared. Subsequently, in step S1313, the image 1 is updated with a pixel having a higher luminance value as a result of the comparison, and at the same time, the Z coordinate of the updated pixel is recorded.
- step S1314 it is determined whether or not the Z coordinate is the end position. If it is not the end position, the process returns to the high speed setting process in step S134 to set the Z axis movement to the high speed mode, the sample stage 123 is moved at high speed, and the sequence is performed. to continue. In the case of the end position, a series of processing is ended in step S1315. At this time, image 1 is an image in which only the brightest luminance value remains in the Z-axis movement range corresponding to all pixel positions, and all pixels have Z coordinate values.
- the sampling rate is determined by the frame rate of the camera. Since the confocal microscope 12 has an extremely narrow depth of focus, if the moving speed is high, an image cannot be captured at the positions of heights A, B, and C, and the measurement accuracy decreases. For this reason, conventionally, measurement is performed while ensuring measurement accuracy by extremely reducing the Z-axis movement speed, and the tact time may be deteriorated.
- the sample measuring apparatus reduces the moving speed in the Z-axis direction to the designated speed when the brightness of the designated area in the image exceeds the designated brightness, and becomes below the designated brightness during the deceleration. In some cases, a mechanism to restore the original speed was provided. As a result, the tact time can be improved without degrading the accuracy of height measurement using the confocal microscope 12.
- FIG. 9 shows an image of the sample shown in FIG. 7, and hatched lines indicate the set designated areas.
- FIGS. 10 (a) to 10 (d) are graphs when all are moved once from the start coordinate Zs of the Z axis to the end coordinate Ze.
- FIG. 10A shows the luminance / Z-coordinate curves of the areas A and B.
- the solid line indicates the area A and the broken line indicates the area B.
- the broken line exceeds the luminance threshold in the interval from height Zb0 to Zb1
- the solid line exceeds the luminance threshold in the interval from height Za0 to Za1.
- FIG. 10B shows a Z-axis moving speed / Z coordinate curve, where the speed when the luminance threshold is exceeded is V2 (low speed mode), and the speed when the luminance threshold is not exceeded is V1 (high speed mode).
- FIG. 10B shows a graph.
- FIG. 11 compares the movement time T1 when the Z-axis control of the present invention is performed and the movement time T2 when moving at the speed V2.
- the vertical axis indicates the Z coordinate
- the horizontal axis indicates the time
- the solid line indicates the Z axis control according to the present invention
- the broken line indicates the straight line when moving at the speed V2
- the thin line indicates the speed V1.
- a straight line of time is shown.
- the speed V2 is obtained in the zone Zb0 to Zb1 and the zone Za0 to Za1, and the speed V1 is obtained otherwise.
- T1 of the present invention is compared with the movement time T2 of the velocity V2, it can be seen that T1 ⁇ T2, and that the present invention can be used to measure at high speed and improve the tact time.
- FIG. 10C shows the image capturing timing (sampling position) of the image when the speed is constant at the speed V1 by a black circle. From this figure, it can be seen that an image could not be acquired around the peak values of the two luminance values.
- FIG. 10D shows the image capturing timing (sampling position) of the image when the Z-axis control of the present invention is performed with a black circle. As can be seen from this figure, since the speed decreases around the peak value of the luminance value, an image is acquired around the peak value of the two luminance values, and high-precision measurement can be expected. Thus, by using the present invention, it is possible to improve the tact time without degrading accuracy.
- FIG. 12 shows an example of a user interface screen of application software for setting a recipe.
- the Z-axis movement range (upper limit, lower limit), Z-axis speed designation (low speed, high speed), and luminance threshold can be designated on the screen.
- the sample measuring apparatus having the above-described configuration, when the sample stage 123 is moved from the start point position to the end point position on the optical axis (Z axis), the data of the linear scale 126 and the image of the microscope 12 are taken in one time before. While comparing the brightness value of the image, the pixel with the higher brightness value and its Z coordinate are left, the brightness value of the area on the specified image is compared with a specified value, and if the comparison value is large, the Z axis is moved The speed is reduced, and if the comparison value is small during deceleration, the Z-axis movement speed is returned to the original speed, and the low-speed mode is set only when a certain level of brightness is obtained. Measurement time can be shortened without dropping.
- the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage.
- Various inventions can also be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, you may combine the component covering different embodiment suitably.
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Abstract
共焦点顕微鏡(12)を使用した試料測定装置において、光軸(Z軸)方向に合焦位置を可変するZ軸駆動部(125)と、Z軸の座標を計測するリニアスケール(126)と、Z軸上で試料台(123)を始点位置から終点位置に移動させる時、リニアスケール(126)のデータと顕微鏡(12)の画像を取り込み、1つ前の画像の輝度値を比較しながらより輝度値の高い画素とそのZ座標を残す機能、指定した画像上の領域の輝度値をある指定値と比較する機能、その比較値が大きければZ軸移動速度を減速し、減速中に比較値が小さければZ軸移動速度を元の速度に戻す機能を有する制御測定処理装置(17)とを備え、一定以上の輝度が得られるときのみ低速モードに設定することで、測定精度を落とす事なく測定時間を短縮する。
Description
本発明は、例えば医療あるいは産業の分野において、共焦点型光学顕微鏡(以下、共焦点顕微鏡)を用いてコントラストの高い試料の高さを測定する試料測定装置とその測定方法に関する。
近年、比較的被写界深度の浅い共焦点顕微鏡を用いてLCD基板や半導体ウェハ等の試料の共焦点画像を取得し、その画像を用いて試料の高さを測定し、高さ方向の変化から表面形状を提示する試料測定装置が提供されている。
この試料測定装置は、共焦点顕微鏡の試料台に試料を配置し、その試料に合焦させた状態で、試料台を光軸方向(試料の高さ方向)に一定の速度で移動させる。その移動中において、当該顕微鏡により拡大された試料の光学像をカメラによって一定の時間間隔で順次撮像し、各撮像画像をデータ化してメモリに格納する。撮像画像それぞれの中で輝度が最大となる合焦位置の画素を検出する。各撮像画像からそれぞれの最大輝度の画素を集めて1枚の画像を合成する。このようにして全焦点画像(extend focus image)を取得する。また、各撮像画像の最大輝度が得られた合焦位置(高さ)それぞれの各画素の位置から1枚の画像を作成する。これにより、高さ方向の形状を示す高さ画像または断面プロファイルを取得する。
尚、上記のような共焦点顕微鏡を用いた試料測定装置の先行文献として、例えば特許文献1があげられる。この特許文献1に記載の試料測定装置は、反射率の大きく異なる2以上の物質を含む試料を撮像するために、試料から反射光の受信信号レベルが予め設定された適正範囲にあるか否かを判断し、適正範囲外である場合に、受光利得可変手段を制御することで、該信号レベルが適正範囲内となるように調整するというものである。
ところで、上記試料測定装置に用いられる共焦点顕微鏡では、試料に対する合焦位置を光軸方向に移動させる場合に、サンプリングレートがカメラのフレームレートで決定されることになる。共焦点顕微鏡は焦点の深度が極度に狭いため、試料に対する合焦位置の移動速度が速いと、高さの異なるそれぞれの位置での画像を撮像し損ない、測定精度が低下してしまう。そのため、移動速度を極端に低くして、測定精度を確保する必要があり、タクトタイムの低下が問題となっている。
本発明の課題は、試料に対する合焦位置を光軸方向に移動させて試料の高さを測定する場合に、測定精度を確保しつつタクトタイムを向上させることのできる共焦点顕微鏡を用いた試料測定装置とその測定方法を提供することにある。
本発明は、試料台に載置された試料の光学像を一定のレートで走査し拡大する共焦点顕微鏡を用いて前記試料の高さを測定する試料測定装置において、前記共焦点顕微鏡により拡大された前記試料の光学像を撮像するカメラと、前記試料に対し前記撮像のための光を照射する光源と、前記試料台を光軸方向に始点位置から終点位置に移動させて前記試料に対する前記共焦点顕微鏡の合焦位置を移動させるもので、その移動速度として低速モードと高速モードを有する駆動機構と、前記試料台の前記光軸上の位置座標を測定するリニアスケールと、前記駆動機構を通じて前記試料に対する前記共焦点顕微鏡の合焦位置を変化させながら任意のレートで前記カメラに前記試料の光学像を撮像させる制御ユニットと、前記カメラで得られる複数の撮像画像のそれぞれから輝度値が予め設定した最大範囲に含まれる画素領域を抽出し、この抽出した画素領域の輝度値が前記最大範囲内となる画像が取得されたときの前記共焦点顕微鏡の合焦位置と前記リニアスケールの測定位置とに基づいて前記試料の高さを算出する算出手段とを具備し、前記制御ユニットは、前記撮像画像の指定領域の輝度を計算して基準値と比較する比較手段と、前記合焦位置の移動範囲内で、前記指定領域の輝度値が基準値に満たない範囲では前記駆動機構を高速モードに、基準値以上となる範囲では前記駆動機構を低速モードに選択的に切替制御する速度制御手段とを備える。
また、本発明は、試料台に載置された試料の光学像を共焦点顕微鏡により一定のレートで走査拡大し、駆動機構により試料に対する前記共焦点顕微鏡の合焦位置を始点位置から終点位置に変化させながらカメラにより任意のレートで前記試料の光学像を撮像して複数の撮像画像を取得し、その複数の撮像画像から前記試料の高さを測定する試料測定装置の測定方法において、前記撮像画像を取得する毎に順次、指定領域の輝度を計算して基準値と比較し、前記合焦位置の移動範囲内で、前記指定領域の輝度値が基準値に満たない範囲では前記駆動機構を高速モードに、基準値以上となる範囲では前記駆動機構を低速モードに選択的に切替制御し、前記複数の撮像画像それぞれについて、輝度値が予め設定した最大範囲に含まれる画素領域を抽出し、この抽出した画素領域の輝度値が前記最大範囲内となる画像が取得されたときの前記共焦点顕微鏡の合焦位置と前記試料台の前記光軸上の位置座標をもとに前記試料の高さを算出する。
本発明により、光軸上で試料を始点位置から終点位置に移動させる時、共焦点顕微鏡の画像を取り込み、最大輝度が得られる画素領域とその焦点位置を取得し、指定した画像上の領域の輝度値を基準値と比較し、その比較値が基準値を超える場合には移動速度を低速モードとし、低速モードで比較値が小さければ移動速度を元の高速モードに戻すようにして、一定以上の輝度が得られるときのみ低速モードに設定することで、測定精度を落とすことなく測定時間を短縮することが可能となる。
本発明によれば、試料に対する合焦位置を光軸方向に移動させて試料の高さを測定する場合に、測定精度を確保しつつタクトタイムを向上させることのできる共焦点顕微鏡を用いた試料測定装置とその測定方法を提供することができる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図1は本発明に係る共焦点顕微鏡を用いた試料測定装置の一実施形態を概略的に示す構成図である。図1において、光源11から放射される平行光は共焦点顕微鏡12の光学処理部121に入射され、当該光学処理部121から対物レンズ122を通り、試料台123に載置された試料124に到達する。試料124からの反射光は再び対物レンズ122を通り、光学処理部121の処理を受けてカメラ13の撮像面で結像する。上記共焦点顕微鏡12は、上記対物レンズ122の光軸(以下、Z軸)の方向に試料台123を移動させるZ軸駆動部125を備える。試料台123の高さはZ軸上の座標値(以下、Z座標値)としてリニアスケール126によって計測される。
図1は本発明に係る共焦点顕微鏡を用いた試料測定装置の一実施形態を概略的に示す構成図である。図1において、光源11から放射される平行光は共焦点顕微鏡12の光学処理部121に入射され、当該光学処理部121から対物レンズ122を通り、試料台123に載置された試料124に到達する。試料124からの反射光は再び対物レンズ122を通り、光学処理部121の処理を受けてカメラ13の撮像面で結像する。上記共焦点顕微鏡12は、上記対物レンズ122の光軸(以下、Z軸)の方向に試料台123を移動させるZ軸駆動部125を備える。試料台123の高さはZ軸上の座標値(以下、Z座標値)としてリニアスケール126によって計測される。
上記カメラ13で撮像された画像は制御測定処理装置14に入力される。この制御測定処理装置14は、コンピュータ(PC)15からの指示に従って、主に光源11の光量を制御すると共に、試料124と対物レンズ122の距離を制御するためのZ軸駆動部125の駆動を制御する制御機能を備える。また、カメラ13の撮像画像とリニアスケール126によって計測されるZ座標値より試料124の高さを測定し、その測定結果をコンピュータ15に出力する測定機能とを備える。
図2は、上記試料測定装置に用いられる共焦点顕微鏡12の構成を概略的に示す概念図である。図2において、外部の光源11から与えられる平行光は、光学処理部121に入射され、結像レンズ121aによりニポウ(Nipkow)ディスク121b上の特定のピンホール121cに結像される。ニポウディスク121bの前にはハーフミラー121dが配置される。このハーフミラー121dは結像レンズ121aからの光を透過させる。
上記ピンホール121cを通過した光は、対物レンズ122に入り、試料124に到達する。試料124からの反射光は、対物レンズ122に戻り、再びピンホール121cを通過して共焦点効果を得る。ピンホール121cを通過した反射光はハーフミラー121dに入射される。このハーフミラー121dに入射された反射光は、90度方向を変え、結像レンズ121eを通過して、カメラ13の撮像面に結像される。
上記構成において、ニポウディスク121bは数千のピンホールを持っており、ニポウディスク121bを回転させることで、数千本の光が試料124をスキャンすることとなる。その結果、試料124の反射光はカメラ13の撮像面をスキャンするようになり、これによって撮像面で1枚の画像を得ることができる。
このように、共焦点顕微鏡12は、合焦位置と光学的に共役な位置にピンホール121cを設け、合焦点以外の光の通過を遮断するようにしているので、通常の光学顕微鏡より精細な画像を得ることができる。但し、合焦点以外の光を通さないために、通常の光学顕微鏡よりも、被写界深度が極めて狭いという特性を有する。
一方、上記制御測定処理装置14は、基本的に図3に示すように構成され、輝度比較部141、速度制御部142及び高さ算出部143を備える。
上記輝度比較部141は、カメラ13で得られた撮像画像の指定領域の輝度を計算して基準値と比較する。上記速度制御部142は、焦点位置の移動範囲内で、指定領域の輝度値が基準値に満たない範囲ではZ軸駆動部125を高速モードに、基準値以上となる範囲ではZ軸駆動部125を低速モードに選択的に切替制御する。上記高さ算出部143は、低速モードの際に取得された撮像画像から輝度値が予め設定した最大範囲に含まれる画素領域を抽出する。そして、この抽出した画素領域の輝度値が最大範囲内となる画像が取得されたときの共焦点顕微鏡12の合焦位置(Z座標値)を求め、その合焦位置のZ座標値をもとに試料124の高さを算出する。
上記高さ算出部143は、具体的には、1つ前の画像の輝度値を比較対象として、順次より輝度値の高い画素とそのZ座標を残すことで最大輝度の画像とその高さ情報を取得する。
ここで、図4を参照して上記共焦点顕微鏡12を用いた高さ測定の方法を簡単に説明する。
まず、図4(a)に示すように、X-Y平面上に配置したなだらかな山形をした試料124に対し、カメラ13の視線をZ軸方向(光軸方向)に向かって裾野から頂上に移動させる。その移動中において、カメラ13で一定の時間間隔で撮像し、各撮像画像をデータ化して、それぞれリニアスケール126で計測されたZ座標と共に記録する。
まず、図4(a)に示すように、X-Y平面上に配置したなだらかな山形をした試料124に対し、カメラ13の視線をZ軸方向(光軸方向)に向かって裾野から頂上に移動させる。その移動中において、カメラ13で一定の時間間隔で撮像し、各撮像画像をデータ化して、それぞれリニアスケール126で計測されたZ座標と共に記録する。
縦軸に高さ、横軸に輝度をとると、図4(a)に示す点線の画素の輝度値は、図4(b)に示す各Z位置(Z1,Z2,Z3,…,Z7,Z8)において、それぞれ図4(c)に示すように輝度値のピーク(I1,I2,I3,…,I7,I8)を見ることができる。この曲線を以後、Zカーブと呼ぶ。共焦点顕微鏡の場合、光学顕微鏡よりも被写界深度が狭いために、Zカーブは急峻になる。そのため、それぞれのピーク位置は各Z位置での合焦位置を特定することになる。したがって、撮像面の各画素に対してZカーブを得ることで、各画素位置の高さ情報を得ることができる。
続いて、上記共焦点顕微鏡12を用いた本発明の高さ測定シーケンスについて、図5及び図6を参照して説明する。
図5は、高さ測定の全体的な処理の流れを示すフローチャートである。図5において、ステップS11は、初めに移動範囲を設定するための処理である。このステップS11では、Z軸に沿って試料台123を移動させるときのZ座標の範囲を指定する。高さ測定は、ステップS11で設定したZ座標の範囲で、Z軸に沿ってカメラ視線を移動させながら、画像とそのZ座標位置を取得し、より明るい輝度を持つ画素とそのZ座標位置を残す処理である。
次にステップS12は、Z軸に沿った試料台123の移動速度を設定するための処理である。このステップS12では、Z軸に沿って試料台123を移動させるときの速度を設定する。
ステップS13は、1枚の画像の各画素位置に相当する高さ(Z座標)を決定する高さ測定のためのシーケンス処理である。このシーケンス処理については後述する。
ステップS14は、ステップS13の高さ測定シーケンスの終了後、高さデータ1と全焦点画像1を取得する処理である。ここで、高さデータ1は全画素に対する高さのデータであり、全焦点画像1とはZ軸移動範囲に渡って輝度値が高いデータを残して得られた画像である。
図6は、上記ステップS13における高さ測定シーケンスの具体的な処理の流れを示すフローチャートである。
まず、ステップS131でZ軸のスタート位置に試料台123を移動させ、ステップS132でスタート位置の画像1を取得し、ステップS133でZ座標を取得する。次に、ステップS134でZ軸移動速度を高速モードに設定する。
この時点で、ステップS135で全ての画像の指定領域の輝度値比較が完了したかどうかを判定する。もし、完了していないのならば、ステップS136で指定領域の輝度値を計算する。この指定領域内の輝度値は指定領域内の画素の輝度値の平均値やピーク値などを指定する。
続いて、ステップS137で指定領域の輝度は高いか否かの判定を行い、指定領域の輝度値が暗い場合には、そのままステップS139のZ軸移動処理に移り、明るい場合にはステップS138でZ軸移動速度を低速モードに設定してステップS139のZ軸移動処理に移る。ステップS139のZ軸移動処理は、試料台123をZ座標のスタート位置から終了位置まで指定したモードの速度で移動させる。
上記試料台123の移動中に、ステップS1310で新たな画像を取得して画像2を更新し、ステップS1311でその画像のZ座標を取得した後、ステップS1312で画像1と画像2それぞれの各画素に対応する輝度値を比較する。続いて、ステップS1313において、比較の結果、輝度値が高い方の画素で画像1を更新し、同時にその更新画素のZ座標を記録する。
さらに、ステップS1314でZ座標が終了位置かどうかを判別し、終了位置でない場合はステップS134の高速設定処理に戻ってZ軸移動を高速モードに設定し、試料台123を高速移動させ、シーケンスを続ける。終了位置の場合、ステップS1315で一連の処理を終了させる。この時点で、画像1は全画素位置に対応するZ軸移動範囲で最も明るい輝度値のみを残した画像となり、全画素がZ座標値を持つ。
ここで、図7に示すような立体的な形状を持つ試料の高さを測定することを想定する。この試料は、図7に示す断面1の切り口でZ軸方向の断面プロファイルを見ると、図8に示すような、高い順に高さA、B、Cを持つプロファイルになっている。
試料台123をZ軸に沿って高さCから高さAに向かって一定速度で移動させた場合、サンプリングレートはカメラのフレームレートで決定される。共焦点顕微鏡12は、焦点深度が極度に狭いため、移動速度が速いと、高さA、B、Cの位置で画像を撮像し損ない、測定精度が低下する。そのため、従来では、Z軸移動速度を極端に下げることで、測定精度を確保して測定しており、タクトタイムが悪化することがあった。
そこで、本発明に係る試料測定装置は、画像内の指定領域の輝度が指定輝度以上になった場合に、Z軸方向の移動速度を指定速度に減速させ、減速中に指定輝度以下になった場合は元の速度に戻す機構を備えるようにした。これにより、共焦点顕微鏡12を用いた高さ測定の精度を落とすことなく、タクトタイムを向上させることが可能となる。
以下、図9乃至図11を参照してその具体例を説明する。
図9は図7に示した試料の画像を示しており、斜線は設定された指定領域を示している。図10(a)~(d)は、全てZ軸の開始座標Zsから終了座標Zeに1回移動した時のグラフである。図10(a)は領域A,Bの輝度・Z座標曲線を示しており、実線は領域A、破線は領域Bを示している。図のように、破線は高さZb0からZb1の区間で輝度閾値を超え、実線は高さZa0からZa1の区間で輝度閾値を超える。図10(b)はZ軸移動速度・Z座標曲線を示しており、輝度閾値を超えた場合の速度をV2(低速モード)、輝度閾値を超えない場合の速度をV1(高速モード)とすると、図10(b)のようなグラフとなる。
図11は本発明のZ軸制御を行った時の移動時間T1と速度V2で移動した時の移動時間T2を比較したものである。図11において、縦軸はZ座標、横軸は時間を示しており、実線は本発明のZ軸制御を行った場合、破線は速度V2で移動した時の直線、細線は速度V1で移動した時の直線を示している。
図11から明らかなように、本発明のZ軸制御を行うと、Zb0からZb1の区間とZa0からZa1の区間で速度V2となり、それ以外では速度V1となる。本発明の移動時間T1と速度V2の移動時間T2を比較すると、T1<T2となり、本発明を使用することで、高速に測定することができ、タクトタイムが向上することがわかる。
図10(c)は速度V1で速度一定にしたときの画像の撮像タイミング(サンプリング位置)を黒丸で示している。この図から、2つの輝度値のピーク値周辺で画像を取得できていないのがわかる。図10(d)は本発明のZ軸制御を行った時の画像の撮像タイミング(サンプリング位置)を黒丸で示している。この図からわかるように、輝度値のピーク値周辺で速度が落ちるために、2つの輝度値のピーク値周辺で画像を取得し、精度の高い測定が期待できる。このように、本発明を用いることで、精度を落とさずにタクトタイムを向上させることが可能になる。
以上、説明してきた、Z軸上の移動範囲(上限、下限)、速度指定(低速、高速)、輝度閾値はレシピと呼ばれる、制御パラメータを保存する電子データに格納される。図12はレシピを設定するアプリケーションソフトのユーザーインターフェース画面の一例である。図のように、Z軸の移動範囲(上限、下限)、Z軸速度指定(低速、高速)、輝度閾値を画面内で指定できるようになっている。
したがって、上記構成による試料測定装置によれば、光軸(Z軸)上で試料台123を始点位置から終点位置に移動させる時、リニアスケール126のデータと顕微鏡12の画像を取り込み、1つ前の画像の輝度値を比較しながらより輝度値の高い画素とそのZ座標を残すようにし、指定した画像上の領域の輝度値をある指定値と比較し、その比較値が大きければZ軸移動速度を減速し、減速中に比較値が小さければZ軸移動速度を元の速度に戻すようにして、一定以上の輝度が得られるときのみ低速モードに設定するようにしているので、測定精度を落とす事なく測定時間を短縮することができる。
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成することもできる。例えば、実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。
11…光源、12…共焦点光学顕微鏡、121…光学処理部、122…対物レンズ、123…試料台、124…試料、125…Z軸駆動部、126…リニアスケール、13…カメラ、14…制御測定処理装置、15…コンピュータ(PC)、121a…結像レンズ、121b…ニポウ(Nipkow)ディスク、121c…ピンホール、121d…ハーフミラー、121e…結像レンズ、141…輝度比較部、142…速度制御部、143…高さ算出部。
Claims (4)
- 試料台に載置された試料の光学像を一定のレートで走査し拡大する共焦点顕微鏡を用いて前記試料の高さを測定する試料測定装置において、
前記共焦点顕微鏡により拡大された前記試料の光学像を撮像するカメラと、
前記試料に対し前記撮像のための光を照射する光源と、
前記試料台を光軸方向に始点位置から終点位置に移動させて前記試料に対する前記共焦点顕微鏡の合焦位置を移動させるもので、その移動速度として低速モードと高速モードを有する駆動機構と、
前記試料台の前記光軸上の位置座標を測定するリニアスケールと、
前記駆動機構を通じて前記試料に対する前記共焦点顕微鏡の合焦位置を変化させながら任意のレートで前記カメラに前記試料の光学像を撮像させる制御ユニットと、
前記カメラで得られる複数の撮像画像のそれぞれから輝度値が予め設定した最大範囲に含まれる画素領域を抽出し、この抽出した画素領域の輝度値が前記最大範囲内となる画像が取得されたときの前記共焦点顕微鏡の合焦位置と前記リニアスケールの測定位置とに基づいて前記試料の高さを算出する算出手段と
を具備し、
前記制御ユニットは、
前記撮像画像の指定領域の輝度を計算して基準値と比較する比較手段と、
前記合焦位置の移動範囲内で、前記指定領域の輝度値が基準値に満たない範囲では前記駆動機構を高速モードに、基準値以上となる範囲では前記駆動機構を低速モードに選択的に切替制御する速度制御手段と
を備える試料測定装置。 - 前記算出手段は、前記任意のレートで得られた複数の撮像画像それぞれについて、1つ前の撮像画像の輝度値と比較してより輝度値の高い画素と前記光軸方向の座標を残すことで、最終的に最大輝度の画像とその高さ情報を取得する請求項1記載の試料測定装置。
- 前記試料台の光軸上の移動範囲、移動速度の指定、前記輝度値と比較される基準値を制御パラメータとして保存する請求項1記載の試料測定装置。
- 試料台に載置された試料の光学像を共焦点顕微鏡により一定のレートで走査拡大し、駆動機構により試料に対する前記共焦点顕微鏡の合焦位置を始点位置から終点位置に変化させながらカメラにより任意のレートで前記試料の光学像を撮像して複数の撮像画像を取得し、その複数の撮像画像から前記試料の高さを測定する試料測定装置の測定方法において、
前記撮像画像を取得する毎に順次、指定領域の輝度を計算して基準値と比較し、
前記合焦位置の移動範囲内で、前記指定領域の輝度値が基準値に満たない範囲では前記駆動機構を高速モードに、基準値以上となる範囲では前記駆動機構を低速モードに選択的に切替制御し、
前記複数の撮像画像それぞれについて、輝度値が予め設定した最大範囲に含まれる画素領域を抽出し、この抽出した画素領域の輝度値が前記最大範囲内となる画像が取得されたときの前記共焦点顕微鏡の合焦位置と前記試料台の前記光軸上の位置座標をもとに前記試料の高さを算出する試料測定装置の測定方法。
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