(57)【要約】【課題】装置構成の簡略化と低コスト化とを実現する。【解決手段】３次元計測装置１０は、被測定物１０５が載置された測定ステージ１０４と、複数の基準点を有する基準スケール部材１０１と、撮像部１０２と、駆動機構１０３と、高輝度検出部１１０と、３次元測定部１１１とを有する。撮像部１０２は、被測定物１０５の光学像と基準スケール部材１０１の複数の基準点の光学像とを同一視野で撮像する。高輝度検出部１１０は、駆動機構１０３が撮像部１０２を相対移動させる駆動期間内に撮像部１０２によって連続的に撮像された複数の画像から、撮像部１０２のＮ個の相対移動位置の各々に対して被測定物１０５の最大輝度部分を検出するとともに複数の基準点のうち最大輝度を示す基準点を検出する。３次元測定部１１１は、相対移動位置ごとに、前記最大輝度部分の高さを当該検出された基準点に対応付けられた高さに設定する。【選択図】図１
2011033507.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物が載置された測定ステージと、
複数の基準点を有する基準スケール部材と、
前記測定ステージに対向して配置され、かつ前記被測定物の光学像と前記複数の基準点の光学像とを同一視野で撮像する撮像部と、
前記測定ステージに対して離間または近接させる方向へ前記撮像部を相対移動させる駆動機構と、
前記駆動機構が前記撮像部を相対移動させる駆動期間内に前記撮像部によって連続的に撮像された複数の画像から、前記撮像部のＮ個の相対移動位置（Ｎは２以上の整数）の各々に対して前記被測定物の最大輝度部分を検出するとともに前記複数の基準点のうち最大輝度を示す基準点を検出する高輝度検出部と、
前記相対移動位置ごとに、前記最大輝度部分の高さを当該検出された基準点に対応付けられた高さに設定する３次元測定部と、
を備える３次元計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の３次元計測装置であって、前記複数の基準点は、前記撮像部の受光面から互いに異なる光学的距離を有する、３次元計測装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の３次元計測装置であって、前記複数の基準点にそれぞれ対応付けられた高さを表す座標が記憶されている座標記憶部をさらに備え、
前記３次元測定部は、当該検出された基準点に対応付けられた高さの値を前記座標記憶部から取得する、３次元計測装置。
【請求項４】
請求項１から３のうちのいずれか１項に記載の３次元計測装置であって、前記３次元測定部は、前記Ｎ個の相対移動位置の中のｉ番目の相対移動位置近辺の相対移動位置に対して前記最大輝度を示す点として検出された複数の基準点にそれぞれ対応付けられた高さに基づいて、前記ｉ番目の相対移動位置での前記最大輝度部分の高さを補間する機能を有する、３次元計測装置。
【請求項５】
請求項４に記載の３次元計測装置であって、前記３次元測定部は、前記ｉ番目の相対移動位置での当該最大輝度部分の高さを線形補間する、３次元計測装置。
【請求項６】
請求項１から５のうちのいずれか１項に記載の３次元計測装置であって、前記高輝度検出部は、前記駆動期間内に前記撮像部によって連続的に撮像された複数の画像を用いて、所定数の画素単位ごとの前記相対移動位置に関する離散的な輝度分布を連続曲線で近似し、前記連続曲線のピーク値を前記最大輝度部分の輝度値として使用する、３次元計測装置。
【請求項７】
請求項１から６のうちのいずれか１項に記載の３次元計測装置であって、前記基準スケール部材は、前記測定ステージ上に前記被測定物とともに載置されている、３次元計測装置。
【請求項８】
請求項１から６のうちのいずれか１項に記載の３次元計測装置であって、前記基準スケール部材の光学像を前記撮像部の受光面に結像させる光学素子をさらに備え、
前記基準スケール部材は、前記撮像部の視野の外に配置されている、３次元計測装置。
【請求項９】
請求項８に記載の３次元計測装置であって、前記光学素子は、前記基準スケール部材からの反射光を前記受光面に導くミラー素子を含む、３次元計測装置。
【請求項１０】
請求項１から９のうちのいずれか１項に記載の３次元計測装置であって、前記撮像部の光軸と直交する方向へ前記撮像部に対して前記測定ステージを相対移動させる水平駆動機構をさらに備える３次元計測装置。
【請求項１１】
請求項１から１０のうちのいずれか１項に記載の３次元計測装置であって、
前記基準スケール部材は、底面と、この底面から鋭角で立ち上がる測定基準面とを有しており、
前記複数の基準点は前記測定基準面に設けられている、３次元計測装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の３次元計測装置であって、前記測定基準面は平滑な表面を有する、３次元計測装置。
【請求項１３】
請求項１１に記載の３次元計測装置であって、
前記測定基準面には、前記複数の基準点をそれぞれ有する互いに並行な複数の凸条部が形成されており、
前記凸条部は前記底面と並行な方向に沿って連続的に形成されている、３次元計測装置。
【請求項１４】
請求項１１に記載の３次元計測装置にあって、
前記測定基準面には、前記複数の基準点をそれぞれ有する互いに並行な複数の凸条部が形成されており、
前記凸条部は、前記底面に対して傾斜する方向に沿って連続的に形成されている、３次元計測装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の３次元計測装置であって、前記複数の凸条部のうちｋ番目凸条部（ｋは整数）の一端と前記底面との間の距離は、前記複数の凸条部のうち当該ｋ番目凸条部と隣り合うｋ＋１番目凸条部の一端と前記底面との間の距離に等しい、３次元計測装置。
【請求項１６】
請求項１３から１５のうちのいずれか１項に記載の３次元計測装置であって、前記複数の凸条部は鋸歯状の断面を有する、３次元計測装置。
【請求項１７】
請求項１３から１５のうちのいずれか１項に記載の３次元計測装置であって、前記複数の凸条部は波板状の表面を有する、３次元計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物に光を照射し、その反射光を受光して被測定物の３次元形状を計測する技術に関し、特に、固体撮像素子で被測定物を撮像し、その撮像画像に基づいて被測定物の３次元形状を計測する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤやＣＭＯＳなどの固体撮像素子で被測定物を撮像し、その撮像画像に基づいて被測定物の３次元形状を計測する技術（以下「３次元計測技術」と呼ぶ。）は、半導体装置などの電子部品の生産分野で広く使用されている。近年、電子部品の微細化に伴い、サブミクロン領域の計測精度が要求されている。たとえば、実装基板上にフリップチップ実装されるＬＳＩチップの場合、このＬＳＩチップを実装基板に接合するための多数の半田バンプがＬＳＩチップ上にアレイ状に形成されている。このＬＳＩチップの実装前に半田バンプの３次元形状を計測して欠陥の有無を検査することが行われている。
【０００３】
３次元計測に関する先行技術文献としては、たとえば、特許文献１（特開２００４−２２６３３１号公報）や特許文献２（特開２００４−２８６５３３号公報）が挙げられる。特許文献１には、斜め方向から被測定物にレーザ光などの投影光を照射し、その反射光を受光センサで検出して被測定物の高さを検出するという三角測量法を用いた３次元計測技術が開示されている。また、特許文献２には、共焦点光学系を用いた３次元計測技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２２６３３１号公報
【特許文献２】特開２００４−２８６５３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示されている３次元計測装置は、測定対象が配置された台座を、高さ方向とは垂直なＸ軸方向とＹ軸方向にそれぞれ移動させる移動機構を有しており、この移動機構により、測定対象上の投影光の照射位置が制御される。しかしながら、この３次元計測装置では、投影光を高精度に照射するための高価な照明手段が必要であり、また、三角測量法を用いた高さ検出を行っているために検出精度に限界があった。
【０００６】
特許文献２に開示されている３次元計測装置は、被測定物（試料）をＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向（高さ方向）にそれぞれ移動させるＸＹＺステージと、光源と、共焦点光学系と、ＣＣＤカメラと、スケールと、コンピュータとを有する。このスケールは、ＸＹＺステージのＺ軸方向の移動位置を読み取り、この移動位置をスケール値として出力するものである。３次元計測装置では、被測定物からの反射光は、共焦点光学系を介してＣＣＤカメラに入射する。ＸＹＺステージが被測定物をＺ軸方向に等速で移動させる間、ＣＣＤカメラは被測定物を連続的に撮像して複数の撮像画像を生成する。コンピュータは、これら撮像画像の輝度分布とスケール値とを対応付けることにより、被測定物の高さを算出する。
【０００７】
特許文献２の３次元計測装置は、共焦点光学系を使用するので、特許文献１の計測技術と比べると高い検出精度を実現することができる。しかしながら、Ｚ軸方向の送り機構は、バックラッシュや摩擦抵抗の不均一さ、経年変化を有するので、制御パルスに応じた移動量を高精度に制御することに限界があった。０．１μｍや０．０１μｍの測定精度を実現するには、このＺ軸方向の移動量の正確さが要求される。それ故、光学式リニアスケールなどの精密測定機器を使用してＺ軸方向の移動量を高精度に測定する必要があるが、これは、装置構成の複雑化と製造コストの上昇を招くという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、被測定物が載置された測定ステージと、複数の基準点を有する基準スケール部材と、前記測定ステージに対向して配置され、かつ前記被測定物の光学像と前記複数の基準点の光学像とを同一視野で撮像する撮像部と、前記測定ステージに対して離間または近接させる方向へ前記撮像部を相対移動させる駆動機構と、前記駆動機構が前記撮像部を相対移動させる駆動期間内に前記撮像部によって連続的に撮像された複数の画像から、前記撮像部のＮ個の相対移動位置（Ｎは２以上の整数）の各々に対して前記被測定物の最大輝度部分を検出するとともに前記複数の基準点のうち最大輝度を示す基準点を検出する高輝度検出部と、前記相対移動位置ごとに、前記最大輝度部分の高さを当該検出された基準点に対応付けられた高さに設定する３次元測定部と、を備えた３次元計測装置が提供される。
【０００９】
この３次元計測装置では、撮像部は、測定ステージに対して離間または近接させる方向へ相対移動しつつ、被測定物の光学像と基準スケール部材の複数の基準点の光学像とを同一視野で連続的に撮像する。高輝度検出部と３次元測定部は、相対移動位置ごとに、被測定物の最大輝度部分とこれに対応する最大輝度を示す基準点とを検出し、被測定物の最大輝度部分の高さを当該検出された基準点に対応付けられた高さに設定する。基準スケール部材の複数の基準点の位置を予め精密に測定し、その結果得られた測定値をそれぞれ基準点に対応付けしておけば、被測定物の高さ分布を高精度に計測することができる。それ故、光学式リニアスケールなどの精密測定機器を用いて撮像部の移動量を測定せずとも、被測定物の３次元形状を高精度に計測することができる。
【発明の効果】
【００１０】
装置構成の簡略化と低コスト化とを実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る第１の実施形態の３次元計測装置の構成を概略的に示す図である。
【図２】（Ａ）は、基準スケール部材の第１の例を示す斜視図であり、（Ｂ）は、基準スケール部材の側面図である。
【図３】（Ａ）は、基準スケール部材の第２の例を示す側面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の基準スケール部材を構成する基準板の右側面図であり、（Ｃ）は、その基準板の正面図である。
【図４】（Ａ）は、基準スケール部材の第３の例を示す側面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の基準スケール部材を構成する基準板の右側面図であり、（Ｃ）は、その基準板の正面図である。
【図５】（Ａ）は、基準スケール部材の第４の例を示す側面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の基準スケール部材を構成するベース板および基準板の右側面図であり、（Ｃ）は、これらベース板および基準板の正面図である。
【図６】本発明に係る第２の実施形態の３次元計測装置の構成を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
【００１３】
（第１の実施形態）
図１は、本発明に係る第１の実施形態の３次元計測装置１０の構成を概略的に示す図である。この３次元計測装置１０は、測定ステージ１０４、基準スケール部材１０１、撮像部１０２、駆動機構１０３、検出制御部１０６および座標記憶部１０７を有している。検出制御部１０６は、高輝度検出部１１０と３次元測定部１１１とを有する。測定ステージ（台座部）１０４の載置面には、被測定物１０５と基準スケール部材１０１とが載置されている。
【００１４】
撮像部１０２は、測定ステージ１０４に対向して配置されており、被測定物１０５の光学像と基準スケール部材１０１の複数の基準点λ１，…，λＬ（Ｌは２以上の正整数）の光学像とを同一の撮像視野ＩＡで撮像する機能を有する。この撮像部１０２で撮像されたＮ×Ｍ画素の２次元画像データ（Ｎ，Ｍは正整数）は、検出制御部１０６に転送され、処理される。
【００１５】
撮像部１０２は、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの固体撮像素子、固定焦点レンズおよび落射照明機構（いずれも図示せず）を内蔵しており、落射照明機構は、被測定物１０５と基準スケール部材１０１に光を均一に照射する。光を均一に照射して被測定物１０５の３次元形状の測定精度を向上させる観点からは、この落射照明機構は、同軸落射照明機構（撮像部１０２の光軸と略並行な光を照射する機構）であることが好ましい。撮像部１０２は、従来の顕微鏡が備える光学系を有してもよいし、光共焦点法や光干渉縞法などの原理による光検出を可能とする光学系を有していてもよい。
【００１６】
駆動機構１０３は、検出制御部１０６からの制御信号に応じて、測定ステージ１０４に対して離間または近接させるＺ軸方向へ撮像部１０２を相対移動させる機構を有する。この撮像部１０２の移動に応じて、撮像部１０２の合焦点もＺ軸方向に移動する。撮像部１０２が被測定物１０５の或る表面部分に対して合焦したとき、撮像部１０２で撮像された画像では、その表面部分の輝度は、他の表面部分の輝度よりも大きくなり、被測定物１０５の中で最大輝度を示す部分として表示される。
【００１７】
図２（Ａ）は、基準スケール部材である三角柱部材１０１の一例を示す斜視図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の基準スケール部材１０１の側面１２０ｓａ，１２０ｓｂのうちの一方を示す図である。この基準スケール部材１０１は、測定ステージ１０４の載置面に接する底面１２０ｂを有し、この底面から鋭角で立ち上がる傾斜面すなわち測定基準面１２０ｒを有する。測定基準面１２０ｒは、面精度が高くなるように研磨されており、平滑な表面を有する。
【００１８】
この測定基準面１２０ｒには、底面１２０ｂから上方先端に亘って複数の基準点λ１，…，λＬ（Ｌは２以上の正整数）が設けられている。基準点λ１，…，λＬは、測定基準面１２０ｒに物理的に形成されていないので、基準点λ１，…，λＬは、測定基準面１２０ｒ内の位置座標によって特定される。
【００１９】
基準点λ１，…，λＬの載置面からの高さ（または底面１２０ｂからの高さ）は予め精密測定されている。これら精密測定された高さを表す座標は、それぞれ、基準点λ１，…，λＬに対応付けされた状態で座標記憶部１０７に記憶されている。
【００２０】
基準スケール部材１０１の材料としては、経年変化が少ない材料（たとえば、金属やガラス、セラミックス）を使用することが好ましい。基準点λ１，…，λＬの高さが一度精密測定された後は、その測定データの精度がある温度範囲内で数年間は有効なものとして扱えるように基準スケール部材１０１は作製される。
【００２１】
図２（Ａ）の平滑な測定基準面１２０ｒを有する基準スケール部材１０１の代わりに、複数の凸条部によって構成された測定基準面を有する基準スケール部材を使用してもよい。図３（Ａ）〜図３（Ｃ）は、鋸歯状の断面を形成する凸条部１２３，１２３，…を有する基準スケール部材１０１Ａの概略構成を示す図である。また、図４（Ａ）〜図４（Ｃ）は、波板状の表面をなす凸条部１３３，１３３，…を有する基準スケール部材１０１Ｂの概略構成を示す図である。
【００２２】
これら基準スケール部材１０１Ａ，１０１Ｂは、図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示した三角柱部材１０１の傾斜面に基準板１２２，１３２を貼り付けることで構成される。基準板１２２，１３２は、たとえば、フォトエッチングなどのエッチングにより石英ガラス板の表面を加工することで作製することができる。
【００２３】
図３（Ａ）は、基準スケール部材１０１Ａの側面図であり、図３（Ｂ）は、基準スケール部材１０１Ａを構成する基準板１２２の右側面図であり、図３（Ｃ）は、この基準板１２２の正面図である。図３（Ｃ）に示されるように、図３（Ｂ）の凸条部１２３，１２３，…の頂上１２３ｔ，１２３ｔ，…が一定の間隔をもって基準板１２２の一端から他端に向けて連続的に形成されている。また、凸条部１２３，１２３の頂上１２３ｔ，１２３ｔ間には溝１２４が形成されている。基準板１２２は、凸条部１２３，１２３，…が底面１２０ｂと並行な方向に沿って延びるように三角柱部材１０１の傾斜面に貼り付けられる。
【００２４】
このような凸条部１２３，１２３，…の頂上１２３ｔ，１２３ｔ，…に、それぞれ、異なる高さ（底面１２０ｂからの距離）を有する基準点λ１，λ２，…を設けることができる。図１の測定ステージ１０４上に載置された基準スケール部材１０１Ａを撮像部２０２で撮像したとき、その撮像画像からは、基準板１２２の表面に形成された複数の凸条部１２３，１２３，…を検出することができる。これら凸条部１２３，１２３，…は、底面１２０ｂからの高さ方向に、たとえば０．１μｍ〜０．０１μｍの段差をもつように形成されることが望ましい。
【００２５】
また、図４（Ａ）は、基準スケール部材１０１Ｂの側面図であり、図４（Ｂ）は、基準スケール部材１０１Ｂを構成する基準板１３２の右側面図であり、図４（Ｃ）は、この基準板１３２の正面図である。図４（Ｃ）に示されるように、図４（Ｂ）の凸条部１３３，１３３，…の頂上１３３ｔ，１３３ｔ，…が一定の間隔をもって基準板１３２の一端から他端に向けて連続的に形成されている。また、凸条部１３３，１３３の頂上１３３ｔ，１３３ｔ間には溝１３４が形成されている。基準板１３２は、凸条部１３３，１３３，…が底面１２０ｂと並行な方向に沿って延びるように三角柱部材１０１の傾斜面に貼り付けられる。
【００２６】
このような凸条部１３３，１３３，…の頂上１３３ｔ，１３３ｔ，…に、それぞれ、異なる高さ（底面１２０ｂからの距離）を有する基準点λ１，λ２，…を設けることができる。これら凸条部１３３，１３３，…は、底面１２０ｂからの高さ方向に、たとえば０．１μｍ〜０．０１μｍの段差をもつように形成されることが望ましい。
【００２７】
上記基準スケール部材１０１Ａ，１０１Ｂの凸条部１２３，１３３は、底面１２０ｂと同じ方向に延びるように配置されているので、各凸条部１２３または１３３に、異なる高さを有する基準点を複数個設けることができない。そこで、凸条部１２３，１３３を底面１２０ｂに対して数度傾斜させて配置すれば、各凸条部１２３または１３３に、異なる高さを有する複数の基準点を設けることができる。図５（Ａ）は、三角柱部材１０１の底面１２０ｂに対して傾斜する凸条部１２３，…を有する基準スケール部材１０１Ｃを概略的に示す側面図である。
【００２８】
図５（Ｂ）は、基準スケール部材１０１Ｃを構成するベース板１４０および基準板１２２の右側面図であり、図５（Ｃ）は、これらベース板１４０および基準板１２２の正面図である。図５（Ｂ）と図５（Ｃ）に示されるように、基準板１２２はベース板１４０の上面に貼り付けられている。図５（Ａ）に示されるように、このベース板１４０の裏面が三角柱部材１０１の傾斜面に貼り付けられ、凸条部１２３，１２３，…は、三角柱部材１０１の底面１２０ｂに対して傾斜する方向に沿って連続的に延びるように配置されることとなる。
【００２９】
ここで、凸条部１２３，１２３，…の傾斜角を定める図５（Ｃ）の水平基準ラインＨＬが三角柱部材１０１の底面１２０ｂと並行となるように、ベース板１４０は三角柱部材１０１に貼り付けられる。図５（Ｃ）に示されるように、水平基準ラインＨＬは、隣り合う凸条部１２３，１２３の頂点１２３ｔ，１２３ｔのうち下方の頂点１２３ｔの左方一端と、これら頂点１２３ｔ，１２３ｔのうち上方の頂点１２３ｔの右方一端とを結ぶように形成されている。このため、図５（Ａ）の凸条部１２３，１２３，…のうち任意のｋ番目凸条部（ｋは整数）の一端と底面１２０ｂとの間の距離は、当該ｋ番目凸条部と隣り合うｋ＋１番目凸条部の一端と底面１２０ｂとの間の距離に等しい。それ故、或る凸条部１２３のラインの高さの範囲が、別の凸条部１２３のラインの高さの範囲と重複することを避けることができる。
【００３０】
上述したように基準点λ１，…，λＬは、それぞれ、撮像部１０２の受光面から互いに異なる光学的距離（光路長）を有する。これにより、撮像部１０２は、当該撮像部１０２のＺ軸方向の位置に応じて、基準点λ１，…，λＬのいずれかに合焦することができる。撮像部１０２が基準点λ１に対して合焦したとき、撮像部１０２で撮像された画像では、基準点λ１の輝度は、他の基準点λ２〜λＬの輝度よりも大きいので、基準点λ１は基準スケール部材１０１の測定基準面において最大輝度を示す点として表示される。図２（Ａ）の基準スケール部材１０１の代わりに、図３（Ａ），図４（Ａ）および図５（Ａ）のスケール部材１０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ｃを用いた場合も同様である。
【００３１】
駆動機構１０３は、測定ステージ１０４に対して撮像部１０２をＺ軸方向に段階的または連続的に移動させる。このように撮像部１０２が駆動される期間中に、撮像部１０２は、検出制御部１０６からの指示に従って、被測定物１０５を設定範囲の上端から下端まで連続的に撮像して数十枚〜数百枚の撮像画像Ｉ１，…，ＩＰ（Ｐは正整数）を出力する。本実施形態では、撮像部１０２は、相対移動位置Ｌ１，…，ＬＰでそれぞれ撮像画像Ｉ１，…，ＩＰを出力する。
【００３２】
高輝度検出部１１０は、撮像画像Ｉ１，…，ＩＰから、相対移動位置Ｌ１，…，ＬＰの各々に対して被測定物１０５の最大輝度部分を検出し、これに対応する点として、基準点λ１，…，λＬの中から最大輝度を示す基準点λＭＬを検出する。すなわち、高輝度検出部１１０は、各相対移動位置Ｌｋに対応する撮像画像Ｉｋから、被測定物１０５の局所画像の中の最大輝度を示す画素領域を検出し、これに対応し最大輝度を示す基準点λＭＬの画素を検出する。
【００３３】
そして、３次元測定部１１１は、基準点λＭＬに対応付けられた高さの値を座標記憶部１０７から取得し、最大輝度部分の高さを基準点λＭＬに対応付けられた高さに設定するという高さ計測処理を実行する。この高さ計測処理は、相対移動位置Ｌ１，…，ＬＰの各々に対して実行される。
【００３４】
高輝度検出部１１０が被測定物１０５の最大輝度部分の検出に失敗する場合や、高輝度検出部１１０が最大輝度部分の検出をスキップする場合がある。このような場合、３次元測定部１１１は、被測定物１０５の最大輝度部分の高さを補間することができる。具体的には、ｉ番目の相対移動位置Ｌｉに対して最大輝度部分が検出されないとき、３次元測定部１１１は、相対移動位置Ｌｉの近辺にある複数の相対移動位置に対して最大輝度を示す点として複数の基準点が検出されたとき、これら基準点に対応付けられた高さに基づいて、相対移動位置Ｌｉでの最大輝度部分の高さを補間し得る。たとえば、相対移動位置Ｌｉの近辺にある２つの相対移動位置Ｌｉ−１，Ｌｉ＋１に対して最大輝度を示す基準点が検出され、これら基準点にそれぞれ対応付けされた高さがα，βであるとする。さらに、相対移動位置Ｌｉ，Ｌｉ−１，Ｌｉ＋１を表すパルス値（撮像部１０２を移動させるパルス制御モータに供給される制御パルスの数）がＰｉ，Ｐｉ−１，Ｐｉ＋１であるとする。このとき、次式（１）に従って、相対移動位置Ｌｉでの最大輝度部分の高さγを線形補間することができる。
【００３５】
γ＝β＋（α−β）・（Ｐｉ−Ｐｉ−１）／（Ｐｉ＋１−Ｐｉ−１）  …（１）
【００３６】
なお、上式（１）は、線形補間を行うための式であるが、線形補間の代わりに、多項式やスプライン曲線を使用した補間を行ってもよい。これにより、Ｚ軸駆動機構１０３の非線形性を補償することが可能となる。
【００３７】
なお、撮像部１０２の受光面では、撮像部１０２の方向を向いた表面からの反射光量は強く、撮像部１０２の方向を向かない表面からの反射光量は弱い。このため、撮像部１０２は、水平方向またはこれに近い傾きを持つ表面の高輝度画像を得ることができるが、垂直方向またはこれに近い傾きを持つ表面の高輝度画像を得ることは難しいので、そのような表面は、高さ検出不能な領域として記録される。
【００３８】
以上に説明したように、３次元測定部１１１は、被測定物１０５の高さを画素単位で検出し、その検出結果をメモリ（図示せず）に記録するとともに、被測定物１０５の高さ検出不能領域を画素単位で判別し、その判別結果をメモリに記録することができる。被測定物１０５がＢＧＡ（Ball Grid Array）の場合、３次元測定部１１１は、アレイ状に配列された多数の半田バンプの各々の高さ、コプラナリティおよびパッケージの反りの状態を示す三次元データを得ることができる。
【００３９】
上記第１の実施形態の３次元計測装置１０が奏する効果は以下の通りである。
【００４０】
上述の通り、撮像部１０２は、測定ステージ１０４に対して離間または近接させるＺ軸方向へ相対移動しつつ、被測定物１０５の光学像と基準スケール部材１０１の複数の基準点の光学像とを同一撮像視野ＩＡで連続的に撮像する。そして、高輝度検出部１１０と３次元測定部１１１は、相対移動位置ごとに、被測定物１０５の最大輝度部分とこれに対応する最大輝度を示す基準点とを検出し、被測定物１０５の最大輝度部分の高さを、当該検出された基準点に対応付けられた高さに設定する。よって、基準スケール部材１０１の複数の基準点の位置を予め精密に測定し、その測定結果である測定値をそれぞれ基準点に対応付けしておけば、被測定物１０５の高さ分布を高精度に計測することができる。それ故、光学式リニアスケールなどの精密測定機器を用いて撮像部１０２の移動量を精密に測定せずとも、被測定物１０５の３次元形状をサブミクロン領域で高精度に計測することができる。よって、光学式リニアスケールの目盛部分を高精度に刻むための加工コストが不要である。したがって、装置構成の簡略化と低コスト化とを実現することが可能である。
【００４１】
また、駆動機構１０３のメカ部分にバックラッシュや摩擦抵抗の不均一さ、経年変化があったとしても、基準スケール部材１０１の基準点λ１，…，λＬの位置は常に変化しないため、高い計測精度を得ることが可能である。
【００４２】
さらに、図３（Ａ），図４（Ａ）および図５（Ａ）に示すような複数の凸条部を有する測定基準面をもつ基準スケール部材を使用することで、これら凸条部に設けられた基準点λ１，λ２，…を撮像画像から高精度に検出することが可能である。これにより、被測定物１０５の３次元形状をより高精度に計測することができる。
【００４３】
特に、図５（Ａ）に示すように、三角柱部材１０１の底面１２０ｂに対して傾斜した方向に延びる凸条部１２３，１２３，…を有する基準スケール部材１０１Ｃを使用することで、各凸条部１２３に複数の基準点を設けることができる。これにより、異なる高さを有する基準点の数が増えるので、合焦可能な基準点が増えることとなる。よって、被測定物１０５の３次元形状をより高精度に計測することが可能となる。
【００４４】
（第２の実施形態）
次に、本発明に係る第２の実施形態について説明する。図２は、第２の実施形態の３次元計測装置２０の構成を概略的に示す図である。この３次元計測装置２０は、基準スケール部材２０１、撮像部２０２、Ｚ軸駆動機構２０３、測定ステージ２０４、検出制御部２０６、座標記憶部２０７、ミラー素子２１５、Ｘ軸駆動機構２２０およびＹ軸駆動機構２２１を有する。検出制御部２０６は、駆動制御部２０９、画像データ記憶部２１０、高輝度検出部２１１および３次元測定部２１２を有する。測定ステージ（台座部）２０４の載置面には被測定物２０５が載置されている。
【００４５】
本実施形態では、３次元計測装置２０は、基準スケール部材２０１の光学像を撮像部２０２の受光面に結像させる光学素子２１５を有する。この光学素子２１５は、たとえば、基準スケール部材２０１からの反射光を撮像部２０２の受光面に導くミラー素子で構成すればよい。
【００４６】
撮像部２０２は、測定ステージ２０４に対向して配置され、かつ被測定物２０５の光学像との光学像と基準スケール部材２０１の複数の基準点λ１，…，λＬの光学像とを同一の撮像視野ＩＡで撮像する機能を有する。この撮像部２０２で撮像されたＮ×Ｍ画素の２次元画像データ（Ｎ，Ｍは正整数）は、検出制御部２０６に転送され、処理される。
【００４７】
撮像部２０２は、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの固体撮像素子、固定焦点レンズおよび同軸落射照明機構（いずれも図示せず）を内蔵している。同軸落射照明機構は、直下の被測定物２０５に光を均一に照射する。被測定物２０５で反射した戻り光は、撮像部２０２の受光面で検出される。同時に、同軸落射照明機構は、光学素子２１５を介して基準スケール部材２０１に光を照射する。基準スケール部材２０１の表面で反射した戻り光は、撮像部２０２の受光面で検出される。撮像部２０２は、従来の顕微鏡が備える光学系を有してもよいし、光共焦点法や光干渉縞法などの原理による光検出を可能とする光学系を有していてもよい。
【００４８】
Ｚ軸駆動機構２０３は、検出制御部２０６からの制御信号に応じて、測定ステージ２０４に対して離間または近接させるＺ軸方向へ撮像部２０２を相対移動させる機構を有する。この撮像部２０２の移動に応じて、撮像部２０２の合焦点もＺ軸方向に移動する。撮像部２０２が被測定物２０５の或る表面部分に対して合焦したとき、撮像部２０２で撮像された画像では、その表面部分の輝度は、他の表面部分の輝度よりも大きいので、被測定物２０５の表面の中で最大輝度を示す部分として表示される。
【００４９】
基準スケール部材２０１は、図２に示した基準スケール部材１０１と同じ構成を有し、基準スケール部材１０１と同じ材料で構成されている。本実施形態では、基準スケール部材２０１の底面が撮像部２０２の光軸に対して垂直な方向に向くように基準スケール部材２０１は固定配置されている。また、基準スケール部材２０１は、撮像部２０２とは独立して配置されている。
【００５０】
さらに、基準スケール部材２０１の測定基準面の基準点λ１，…，λＬは、撮像部２０２の受光面から互いに異なる光学的距離（光路長）を有するように配置されているので、撮像部２０２は、当該撮像部２０２のＺ軸方向の位置に応じて、基準点λ１，…，λＬのいずれかに合焦することができる。撮像部２０２が基準点λ１に対して合焦したとき、撮像部２０２で撮像された画像では、基準点λ１の輝度は、他の基準点λ２〜λＬの輝度よりも大きいので、基準点λ１は測定基準面において最大輝度を示す点として表示される。
【００５１】
Ｘ軸駆動機構２２０は、駆動制御部２０９からの制御信号に応じてＸ軸方向（Ｚ軸とは垂直な方向）に測定ステージ２０４を移動させることができる。一方、Ｙ軸駆動機構２２１は、駆動制御部２０９からの制御信号に応じてＹ軸方向（Ｘ軸およびＹ軸とは垂直な方向）に測定ステージ２０４を移動させることができる。Ｘ軸駆動機構２２０とＹ軸駆動機構２２１とは協働して、被測定物２０５の所望の表面領域を撮像部２０２の撮像視野ＩＡ内に移動させることができる。
【００５２】
被測定物２０５の被測定領域全体は複数の検査領域ＣＡ１，…，ＣＡＱ（Ｑは正整数）に分割されており、撮像部２０２は、１度に１つの検査領域ＣＡｋを撮像視野ＩＡに収めて撮像することができる。駆動制御部２０９は、Ｘ軸駆動機構２２０とＹ軸駆動機構２２１を制御して検査領域ＣＡ１〜ＣＡＱを撮像視野ＩＡ内に順番に移動させる。これと同期して、撮像部２０２は、検査領域ＣＡ１〜ＣＡＱを順番に撮像する。
【００５３】
また、各検査領域ＣＡｋについて、Ｚ軸駆動機構２０３は、測定ステージ２０４に対して撮像部２０２をＺ軸方向に段階的または連続的に移動させる。この検査領域ＣＡｋに対する駆動期間中に、撮像部２０２は、検出制御部２０６からの指示に従って、被測定物２０５の検査領域ＣＡｋを設定範囲の上端から下端まで連続的に撮像して数十枚〜数百枚の撮像画像Ｉ（１，ｋ），…，Ｉ（Ｐ，ｋ）を出力する。画像データ記憶部２１０は、撮像部２０２から転送された撮像画像Ｉ（１，ｋ），…，Ｉ（Ｐ，ｋ）のデータを蓄積する。
【００５４】
高輝度検出部２１１は、画像データ記憶部２１０から読み出した撮像画像Ｉ（１，ｋ），…，Ｉ（Ｐ，ｋ）から、所定数の画素単位ごとの、相対移動位置に関する離散的な輝度分布を連続曲線ｇ（ｘ）で近似する（ここで、ｘは、相対移動位置を表す連続変数である）。連続曲線ｇ（ｘ）として、公知のガウス曲線やローレンツ曲線を使用するのが好適であるが、これらに限定されるものではない。そして、高輝度検出部２１１は、このガウス曲線のピーク値ｇ（ｘ＝ｘｐ）を最大輝度部分の輝度値として利用する。
【００５５】
たとえば、検査領域ＣＡｋの撮像画像Ｉ（１，ｋ）〜Ｉ（Ｐ，ｋ）から、１画素単位の離散的な輝度分布をガウス曲線ｇ（ｘ）で近似する場合、各画素について、離散的な相対移動位置Ｌ１，…，ＬＰに関する離散的な輝度値Ｂｉ，ｊ（１，ｋ），…，Ｂｉ，ｊ（Ｐ，ｋ）の分布をガウス曲線ｇ（ｘ）で近似することとなる。ここで、Ｂｉ，ｊ（ｎ，ｋ）は、ｎ番目の相対移動位置に対応した検査領域ＣＡｋの撮像画像におけるｉ行ｊ列目画素の輝度値を表している。このガウス曲線ｇ（ｘ）のピーク値ｇ（ｘ＝ｘｐ）は、ｉ行ｊ列目画素の最大輝度として、離散的な輝度値の中の最大値よりも正確な値を表している。
【００５６】
上記のようにして高輝度検出部２１１は、連続曲線ｇ（ｘ）のピーク値ｇ（ｘ＝ｐ）に対応する相対移動位置ｘｐを得る。高輝度検出部２１１は、さらに、この相対移動位置ｘｐに対応する基準点として、基準点λ１，…，λＬの中から最大輝度を示す基準点λＭＬを検出する。
【００５７】
そして、３次元測定部２１２は、基準点λＭＬに対応付けられた高さの値を座標記憶部２０７から取得し、被測定物２０５の最大輝度部分の高さを基準点λＭＬに対応付けられた高さに設定する。
【００５８】
なお、画像データ記憶部２１０は、撮像部２０２から転送された撮像画像Ｉ（１，ｋ），…，Ｉ（Ｐ，ｋ）を合成して１枚または複数枚の合成画像を生成し、当該合成画像を蓄積してもよい。この場合、高輝度検出部２１１は、合成画像から被測定物２０５の最大輝度部分を検出すればよい。ここで、事前の検証結果に基づいて、Ｘ軸駆動機構２２０のＸ軸方向と水平面との間の角度の誤差と、Ｙ軸駆動機構２２１のＹ軸方向と水平面との間の角度の誤差とが補正されるように合成画像を生成することが望ましい。
【００５９】
高輝度検出部２１１が被測定物２０５の最大輝度部分の検出に失敗する場合や、高輝度検出部２１１が最大輝度部分の検出をスキップする場合がある。このような場合、第１の実施形態と同様に、３次元測定部２１２は、被測定物２０５の最大輝度部分の高さを補間することができる。すなわち、ｉ番目の相対移動位置Ｌｉに対して最大輝度部分が検出されないが、相対移動位置Ｌｉの近辺にある複数の相対移動位置に対して最大輝度を示す点として複数の基準点が検出された場合、３次元測定部２１２は、これら基準点に対応付けられた高さに基づいて、相対移動位置Ｌｉでの最大輝度部分の高さを補間し得る。たとえば、相対移動位置Ｌｉの近辺にある２つの相対移動位置Ｌｉ−１，Ｌｉ＋１に対して最大輝度を示す基準点が検出され、これら基準点にそれぞれ対応付けされた高さがα，βであり、相対移動位置Ｌｉ，Ｌｉ−１，Ｌｉ＋１に対応するパルス値がＰｉ，Ｐｉ−１，Ｐｉ＋１であるとする。このとき、次式（２）に従って、相対移動位置Ｌｉでの最大輝度部分の高さγを線形補間することができる。
【００６０】
γ＝β＋（α−β）・（Ｐｉ−Ｐｉ−１）／（Ｐｉ＋１−Ｐｉ−１）  …（２）
【００６１】
なお、上式（２）は、線形補間を行うための式であるが、線形補間の代わりに、多項式やスプライン曲線を使用した補間を行ってもよい。これにより、Ｚ軸駆動機構２０３の非線形性を補償することが可能となる。
【００６２】
なお、撮像部２０２の受光面では、撮像部２０２の方向を向いた表面からの反射光量は強く、撮像部２０２の方向を向かない表面からの反射光量は弱い。このため、撮像部２０２は、水平方向に近い傾きを持つ表面の高輝度画像を得ることができる。一方、垂直方向に近い傾きを持つ表面の高輝度画像を得ることは難しいので、そのような表面は、高さ検出不能な領域として記録される。
【００６３】
以上に説明したように、３次元測定部２１２は、被測定物２０５の高さを画素単位で検出し、その検出結果をメモリ（図示せず）に記録するとともに、被測定物１０５の高さ検出不能領域を画素単位で判別し、その判別結果をメモリに記録することができる。
【００６４】
上記第２の実施形態の３次元計測装置２０が奏する効果は以下の通りである。
【００６５】
上述の通り、３次元計測装置２０は光学素子２１５を有するので、駆動制御部２０９が撮像部２０２の撮像視野ＩＡを被測定物２０５上で相対的に移動させても、撮像部２０２は、常に、基準スケール部材２０１の基準点λ１〜λＬの光学像と被測定物２０５の一部領域とを同一の撮像視野ＩＡで撮像することができる。よって、第１の実施形態と同様に、高輝度検出部２１１と３次元測定部２１２は、撮像部２０２の相対移動位置ごとに、被測定物２０５の最大輝度部分とこれに対応する最大輝度を示す基準点とを検出し、被測定物２０５の最大輝度部分の高さを、当該検出された基準点に対応付けられた高さに設定することができる。よって、基準スケール部材２０１の複数の基準点の位置を予め精密に測定し、その結果である測定値をそれぞれ基準点に対応付けしておけば、被測定物２０５の高さ分布を高精度に計測することができる。それ故、光学式リニアスケールなどの精密測定機器を用いて撮像部２０２の移動量を精密に測定せずとも、被測定物２０５の３次元形状を高精度に計測することができる。したがって、装置構成の簡略化と低コスト化とを実現することが可能である。
【００６６】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。たとえば、上記第１および第２の実施形態では、基準スケール部材１０１，２０１は、被測定物の形状計測用にのみ使用される部材であるが、これに限定されるものではない。基準スケール部材１０１，２０１が、たとえば治具としての機能を有していてもよい。
【００６７】
また、上記第２の実施形態では、被測定物２０５をＸ軸方向およびＹ軸方向に駆動するＸ軸駆動機構２２０およびＹ軸駆動機構２２１を使用したが、これらの代わりに、撮像部２０２と基準スケール部材２０１と光学素子２１５とをＸ軸方向およびＹ軸方向にそれぞれ駆動する駆動機構を使用してもよい。
【００６８】
上記実施形態では、基準スケール部材１０１，１０１Ａ〜１０１Ｃ，２０１の各々は単一の基準測定面を有し、この基準測定面に設けられた基準点λ１，…，λＬは、互いに異なる高さを有していたが、かかる形態に限定されるものではない。並列に配列された同一構成の複数個の基準測定面を有する基準スケール部材を使用してもよい。このような基準スケール部材は、同一高さに複数の基準点を有するので、被測定物の３次元形状をより正確に計測することが可能である。
【００６９】
基準スケール部材１０１，１０１Ａ〜１０１Ｃ，２０１の基準点の位置については、たとえば、高精度な目盛（スケール）を有するリニアスケールを用いて各基準点の高さを予め精密測定しておけばよい。すなわち、基準スケール部材１０１が測定ステージ１０４上に配置され、リニアスケールがＺ軸方向に沿って取り付けられる。この状態で、駆動機構１０３が撮像部１０２をＺ軸方向に相対移動させる。このとき、撮像部１０２が各基準点に対して合焦したとき（基準点に対応する箇所が最も強く光ったとき）のリニアスケールの目盛の値を座標記憶部１０７に記録すればよい。その後の３次元形状の計測時にリニアスケールは不要なので、リニアスケールを取り外せばよい。
【符号の説明】
【００７０】
１０，２０  ３次元計測装置
１０１  基準スケール部材（三角柱部材）
１０１Ａ〜１０１Ｃ，２０１  基準スケール部材
１０２，２０２  撮像部
１０３  駆動機構
１０４，２０４  測定ステージ（台座部）
１０５，２０５  被測定物
１０６  検出制御部
１０７  座標記憶部
１２２，１３２  基準板
１２３，１３３  凸条部
１４０  ベース板
２０３  Ｚ軸駆動機構
２０６  検出制御部
２０７  座標記憶部
２０９  駆動制御部
２１０  画像データ記憶部
２１１  高輝度検出部
２１２  ３次元測定部
２１５  光学素子
２２０  Ｘ軸駆動機構
２２１  Ｙ軸駆動機構
【図１】
2011033507.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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