(57)【要約】【課題】  共焦点光学系を利用した高さ測定装置において、共焦点画像取得の効率を高する。【解決手段】  高さ測定装置１が、光源４と、共焦点光学系５０と、被検物１３面からの戻り光を受光するＣＣＤカメラ１１と、対物レンズの焦点位置を被検物１３に対して光軸方向に相対移動させて停止させる共焦点ヘッド駆動部２３と、被検物１３を光軸に対して垂直な方向に、共焦点光学系５０に対して相対移動させて測定位置で停止させるＸＹステージ駆動部２４と、共焦点ヘッド駆動部２３およびＸＹステージ駆動部２４による移動を行わせて、異なる焦点位置毎にＣＣＤカメラ１１からの画像を取得する画像取得部３２と、複数の画像により被検物１３の高さを算出する高さ算出回路３３とを有し、その上で、ＸＹステージ駆動部２４による被検物１３の移動が停止する前に、共焦点ヘッド駆動部２３により焦点位置の移動を開始させる制御装置３０を有する。【選択図】  図２
2005172724.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源から出射した光線を対物レンズを通して被検物面上に投影する共焦点光学系と、
前記被検物面からの戻り光を前記共焦点光学系を介して受光する撮像手段と、
前記対物レンズの焦点位置を前記被検物に対して光軸方向に相対移動させて停止させる焦点位置移動手段と、
前記被検物を前記光軸に対して垂直な方向に、前記共焦点光学系に対して相対移動させて測定位置で停止させる被検物移動手段と、
前記焦点位置移動手段および前記被検物移動手段による移動を行わせて、異なる焦点位置毎に前記撮像手段からの画像を取得する画像取得手段と、
前記画像取得手段により取得された複数の前記画像により前記被検物の高さを算出する算出手段とを有する高さ測定装置であって、
前記被検物移動手段による前記被検物の移動が停止する前に、前記焦点位置移動手段により前記焦点位置の移動を開始させる制御手段を有することを特徴とする高さ測定装置。
【請求項２】
光源と、
前記光源から出射した光線を対物レンズを通して被検物面上に投影する共焦点光学系と、
前記被検物面からの戻り光を前記共焦点光学系を介して受光する撮像手段と、
前記対物レンズの焦点位置を前記被検物に対して光軸方向に相対移動させて停止させる焦点位置移動手段と、
前記被検物を前記光軸に対して垂直な方向に、前記共焦点光学系に対して相対移動させて測定位置で停止させる被検物移動手段と、
前記焦点位置移動手段および前記被検物移動手段による移動を行わせて、異なる焦点位置毎に前記撮像手段からの画像を取得する画像取得手段と、
前記画像取得手段により取得された複数の前記画像により前記被検物の高さを算出する算出手段とを有する高さ測定装置であって、
前記焦点位置移動手段による前記焦点位置の移動の減速が開始される前に、前記被検物移動手段による前記被検物の移動を開始させる制御手段を有することを特徴とする高さ測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共焦点光学系を利用して測定対象物の高さ測定を行う高さ測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被検物の高さを検出する高さ測定装置として、測定しようとする被検物の表面上に光学系の焦点を合わせてその時の高さの情報を取得する共焦点光学系を利用するものがある。共焦点光学系は、対物レンズ像面にピンホールを配し、このピンホールを通して、光源から発せられる例えばレーザ光を被検物面に投光し、ピンホールを通過する被検物面からの戻り光をＣＣＤカメラのような撮像素子により検出するものが代表的な構成として知られている。このような構成による共焦点光学系は、被検物面が対物レンズの被検物側の焦点面にある場合に、ピンホールを通して検出される戻り光の輝度（光量）が最大となり、被検物面が対物レンズの被検物側の焦点面からわずかでも光軸方向にずれると、ピンホールへの戻り光が大部分遮光されるため、撮像素子が検出する戻り光の輝度は急激に減少する性質を持つ。
【０００３】
従って、共焦点光学系のこのような性質を利用して被検物面からの戻り光の光量を検出することで、被検物面の位置を測定して被検物の高さを算出することができる。すなわち、被検物を載置するためのステージを高さ方向に（光軸方向に）上下動させて、対物レンズと被検物面との距離を相対的に移動させるとともに、被検物面からの戻り光のうちピンホールを通る光の光量を検出し、その光量がピークになったときが被検物面の位置となる。
【０００４】
また、被検物を載置するためのステージを光軸に対して垂直な方向に（ＸＹ方向に）移動させて、被検物面上の所定領域を入射光の照射位置に移動させることで、被検物面上の所定領域における戻り光が撮像素子により受光され、戻り光の光量を検出することで被検物面上の所定領域における共焦点画像が測定装置に設けられた処理装置に入力される。このため、被検物面上のどの位置が、ステージのどの高さ位置において共焦点になるのかを検出することが可能であり、被検物の高さや、ある領域における表面形状を測定できる。このような高さ測定装置として、例えば、特許文献１に記載されているようなものがある。
【特許文献１】特開２００２−２３６００２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の共焦点光学系を利用した高さ測定装置では、被検物面上の複数の領域において目的とする共焦点画像を取得するために、まず、ステージを光軸に対して垂直な方向に（ＸＹ方向に）所定の位置に移動させて停止させる動作と、共焦点画像の取得のためにステージを光軸方向（被検物の高さ方向）へ移動させて停止させる動作とを交互に繰り返すことになり、共焦点画像を取得する時間が掛かるため高さ測定の作業効率が悪い、という課題が生じていた。
【０００６】
以上のような課題に鑑みて、本発明では共焦点光学系を利用した高さ測定装置において、共焦点画像取得の効率を高くした高さ測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために本発明に係る高さ測定装置は、光源と、光源から出射した光線を対物レンズを通して被検物面上に投影する共焦点光学系と、被検物面からの戻り光を共焦点光学系を介して受光する撮像手段と、対物レンズの焦点位置を被検物に対して光軸方向に相対移動させて停止させる焦点位置移動手段と、被検物を光軸に対して垂直な方向に、共焦点光学系に対して相対移動させて測定位置で停止させる被検物移動手段と、焦点位置移動手段および被検物移動手段による移動を行わせて、異なる焦点位置毎に撮像手段からの画像を取得する画像取得手段と、画像取得手段により取得された複数の画像により被検物の高さを算出する算出手段と、被検物移動手段による被検物の移動が停止する前に、焦点位置移動手段により焦点位置の移動を開始させる制御手段とを有する。
【０００８】
また、前記課題を解決するために本発明に係る高さ測定装置は、光源と、光源から出射した光線を対物レンズを通して被検物面上に投影する共焦点光学系と、被検物面からの戻り光を共焦点光学系を介して受光する撮像手段と、対物レンズの焦点位置を被検物に対して光軸方向に相対移動させて停止させる焦点位置移動手段と、被検物を光軸に対して垂直な方向に、共焦点光学系に対して相対移動させて測定位置で停止させる被検物移動手段と、焦点位置移動手段および被検物移動手段による移動を行わせて、異なる焦点位置毎に撮像手段からの画像を取得する画像取得手段と、画像取得手段により取得された複数の画像により被検物の高さを算出する算出手段と、焦点位置移動手段による焦点位置の移動の減速が開始される前に、被検物移動手段による被検物の移動を開始させる制御手段とを有する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に関する高さ測定装置によれば、被検物の移動と共焦点ヘッドの移動とを繰り返して、被検物面上の所定の領域における高さ測定を行う場合の測定効率を高くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明に係る高さ測定装置の好ましい実施の形態について図１から図４を参照して説明する。図１に当該高さ測定装置による高さ測定のために用いる共焦点光学系の一例を、図２に高さ測定装置１の構成図を示している。図１に示すように、共焦点光学系５０は、照明光学系２および測定光学系３を有して構成される。照明光学系２は、測定光学系３の側方に位置し、その光軸上に順に、光源４、コレクタレンズ５および照明用ハーフプリズム６が配設されて構成されている。一方、測定光学系３は、その光軸上に順に、対物レンズからなる第１の結像光学系７と、共焦点ディスク８と、照明用ハーフプリズム６と、リレーレンズからなる第２の結像光学系１０とから構成されている。また、被検物１３はＸＹステージ１２に載置されて、測定光学系３における第１の結像光学系７の下方に配置されている。
【００１１】
光源４から出射した照明光（例えば、レーザ光）はコレクタレンズ５で平行光に変換され、照明用ハーフプリズム６に照射される。照明用ハーフプリズム６は、透過光と反射光の割合が１：１になるように構成されており、光源４から出射した照明光は測定光学系３の光軸方向下方に直角に反射する。そして、照明用ハーフプリズム６で反射された照明光は、共焦点ディスク８の上面に照射される。
【００１２】
共焦点ディスク８は、円板状で、その中心に板厚方向に貫通する共焦点ピンホール８ａが多数形成され（このような構成の共焦点ディスク８はニッポウディスクとも称される）、測定光学系３を通過する光線を遮るように、測定光学系３の光軸に対して直交するように配置されている。この共焦点ディスク８は、モータ９により所定の回転速度で回転しており、この共焦点ピンホール８ａを通過した照明光は、第１の結像光学系７によりＸＹステージ１２上に載置された被検物１３のある一点に共焦点ピンホール８ａの像として集光されて投影される。なお、図１においては、２つの共焦点ピンホール８ａを図示している。
【００１３】
被検物１３に集光照射された共焦点ピンホール８ａの像は、被検物１３の表面（以下、「物体面Ｏ」と呼ぶ）で反射されて、再び第１の結像光学系７に入射し、この第１の結像光学系７で集光されて共焦点ディスク８上に結像され、さらに、共焦点ピンホール８ａを通過する。そして、照明用ハーフプリズム６を透過した後、第２の結像光学系１０で再度結像される。この第２の結像光学系１０で結像される被検物１３のからの戻り光のうち一部が、ＣＣＤカメラ１１の撮像面Ｉにより受光されて光電変換され、ＣＣＤカメラ１１が検出する光の強度（明るさ）に応じた撮像信号が出力される。この撮像信号はデジタル信号に変換された後に画像取得部３２に送信され共焦点画像として蓄えられる。
【００１４】
上記のように、共焦点ピンホール８ａが形成された共焦点ディスク８をモータ９により所定の速度で高速回転させることで、この共焦点ピンホール８ａを通過した照明光がスポット光として被検物１３の物体面Ｏ上の特定の領域を走査することになり、この共焦点ピンホール８ａ（スポット光）の反射像をＣＣＤカメラ１１で検出して、被検物１３のある領域における高さ情報を得ることができる。
【００１５】
ＣＣＤカメラ１１の撮像面Ｉに結像される共焦点ピンホール８ａ（スポット光）の反射像は、第１の結像光学系７の焦点面が被検物１３の物体面Ｏに一致しているときだけ明るく写り、焦点面が光軸方向に物体面Ｏからずれているときは暗く写る。このため、本発明に係る高さ測定装置では、焦点面の光軸方向への移動に応じて強度の変化する、被検物１３からの戻り光をＣＣＤカメラ１１が受光し、後述する画像取得部３２により取得される複数の共焦点画像から高さ情報を求めるように構成されている。以下に、本実施形態に係る高さ測定装置により高さ測定を行う具体的な方法について説明する。
【００１６】
図２を合わせて参照して、共焦点光学系５０とＣＣＤカメラ１１とを含む共焦点ヘッド１４は、制御装置３０からの制御信号を受ける駆動モータを有する共焦点ヘッド駆動部２３により光軸方向に沿って上下に移動可能なように構成されている。このため、共焦点ヘッド１４を上下方向に移動させて、第１の結像光学系７の焦点位置を被検物の物体面Ｏ付近において光軸方向に移動させると、共焦点ヘッド１４の光軸方向位置ＺとＣＣＤカメラ１１で検出される反射像の光の強度Ｉとの関係は、図３に示すように、第１の結像光学系７の焦点面と被検物１３の物体面Ｏとが一致する位置Ｚ０において光の強度Ｉが最も大きくなるような分布を示す（以降、光の強度Ｉの最大値を「ＩＺピーク値」と呼ぶ）。従って、制御装置３０により共焦点ヘッド駆動部２３の作動を制御して共焦点ヘッド１４を光軸方向に移動させ、ＣＣＤカメラ１１で検出された信号のＩＺピーク値を求めることにより、そのときの共焦点ヘッド１４の光軸方向位置Ｚ（Ｚ０）から被検物１３の高さ情報を得ることができる。
【００１７】
また、上記のように共焦点ディスク８を所定の速度で回転させて被検物１３の物体面Ｏ上をレーザ光がスキャンしているため、物体面Ｏ上の多数のポイントに対する高さ情報を同時に測定することができる。このとき、物体面Ｏ上の測定範囲は、ＣＣＤカメラ１１の撮像面Ｉの撮像視野に対応し、被検物１３の高さの測定範囲は、共焦点ヘッド１４の光軸方向への移動範囲に対応する。
【００１８】
さらに、被検物１３を載置した状態で保持するＸＹステージ１２は、制御装置３０からの制御信号を受ける駆動モータを有するＸＹステージ駆動部２４により測定光学系３の光軸に対して垂直な方向に移動可能なように構成されている。このため、ＸＹステージ１２を移動させることで、被検物１３を光軸に対して垂直な方向に所望もしくは任意の位置に移動させて光線を物体面Ｏ上に照射すれば、広範囲に渡って被検物１３の高さ測定が可能である。
【００１９】
共焦点ヘッド駆動部２３およびＸＹステージ駆動部２４は、制御装置３０によりそれぞれ独立にその作動が制御されるため、共焦点ヘッド１４およびＸＹステージ１２の作動状態に関係無く、それらをそれぞれ別個に移動させることが可能である。また、共焦点ヘッド駆動部２３には、共焦点ヘッド１４の光軸方向への速度を検出する速度センサＡ２１が、ＸＹステージ駆動部２４にはＸＹステージ１２の光軸に対して垂直方向への速度を検出する速度センサＢ２２が、例えばリニアエンコーダにより構成されてそれぞれ取り付けられ、高さ測定装置１が作動している間、常にこれらの速度を監視している。
【００２０】
また、制御装置３０内の画像取得部３２には、共焦点ヘッド１４の光軸方向への移動に応じてＣＣＤカメラ１１で検出された信号のＩＺピーク値から、共焦点ヘッド１４の異なった位置Ｚ毎に撮影された複数の画素からなる被検物１３の画像を共焦点画像としてそれぞれＣＣＤカメラ１１から取得して蓄えられている。さらに、制御装置３０内の高さ算出回路３３は、画像取得部３２に記憶された被検物１３の高さ位置毎に複数の共焦点画像を読み込んで、被検物１３の物体面Ｏ上の所定もしくは任意の位置における高さを算出したり、複数の共焦点画像を合成することで高さ画像を出力することができる。
【００２１】
以下、図４を参照して、本実施形態に係る高さ測定装置を用いた共焦点画像の画像取得の手順を説明する。まず、被検物１３の物体面Ｏ上に対して光を照射する位置を変えて、物体面Ｏ上の所望の領域における共焦点画像を取得するため、ＸＹステージ駆動部２４を作動させてＸＹステージ１２を速度ｖ１の一定の速度にて水平方向（光軸と垂直な方向）に移動させる。
【００２２】
このとき、制御装置３０内の速度・時間算出回路３１が、共焦点ヘッド１４の移動開始時点（ｔ１で示す）から共焦点画像を取得するための共焦点ヘッド１４の光軸方向への一定速度ｖ３になるまでの時間ｔ２を予め算出する。またこの速度・時間算出回路３１は、ＸＹステージ１２の移動が測定を行う目標位置で停止すると予想される測定時間ｔ３よりも算出されたｔ２だけ早い時点である測定時間ｔ１でのＸＹステージ１２の移動速度ｖ２を算出する。被検物１３の物体面Ｏ上の所定の位置に光軸が近づくと、画像取得を行うためにＸＹステージ１２が減速動作を始めるが、速度センサＢ２２からの検出に基いて、ＸＹステージ１２の水平方向への速度が速度・時間算出回路３１により算出された移動速度ｖ２になった点Ａで示す時点（測定時間ｔ１）で、制御装置３０が共焦点ヘッド駆動部２３にトリガ信号を出力する。
【００２３】
制御装置３０からのトリガ信号に基いて共焦点ヘッド駆動部２３が作動を開始して、共焦点ヘッド１４の光軸方向への上下移動（ここでは上方への移動とする）が開始する。そして、測定時間ｔ１から時間ｔ２だけ経過した測定時間ｔ３になった時点で、共焦点ヘッド１４の光軸方向への移動速度は画像取得可能な一定速度（安定速度）ｖ３になり、画像取得部３２が共焦点画像の画像取得を開始する。この画像取得は、共焦点ヘッド１４の移動中に所定の時間毎に行われる。なお、共焦点ヘッド１４の移動速度が速度ｖ３になるのと同時に（測定時間ｔ３）ＸＹステージ１２の水平方向への移動が停止する。
【００２４】
一方、共焦点画像の画像取得の終了後は、共焦点ヘッド１４およびＸＹステージ１２は、以下のような動作を行う。画像取得部３２が共焦点画像の画像取得を終えた後であって、共焦点ヘッド１４が移動速度ｖ３からの減速動作を開始する（測定時間ｔ４）前に、制御装置３０がＸＹステージ駆動部２４にトリガ信号を出力する。ＸＹステージ駆動部２４がこのトリガ信号を受けて作動し、共焦点ヘッド１４の減速開始とともにＸＹステージ１２の次の目標位置への移動を開始させる。
【００２５】
また、ＸＹステージ駆動部２４にトリガ信号が出力された後は、共焦点ヘッド駆動部２３が共焦点ヘッド１４の移動を制御して共焦点ヘッド１４の減速を開始させて停止させる。そして、共焦点ヘッド１４の逆方向への（下方への）移動を行わせて、共焦点ヘッド１４を測定開始時点の位置まで戻す。この共焦点ヘッド１４の下方への移動は２点鎖線にて示すが、必ずしもその都度共焦点ヘッド１４を測定開始時点の位置まで戻す動作を行わせてから画像取得を行うものに限られず、ＸＹステージ１２を次の目標位置まで移動させた後に共焦点ヘッド１４が下方へ戻る移動をしながら画像取得を行うようにしてもよい。
【００２６】
共焦点ヘッド１４が測定開始時点の位置まで戻ったら、ＸＹステージ１２の減速中に点Ｂで示すように移動速度ｖ２になった時点で共焦点ヘッド１４の移動を開始させ、共焦点ヘッド１４が一定の移動速度ｖ３になったら次の目標位置での画像取得を開始させる。後は同様な手順を繰り返す。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る高さ測定装置における共焦点光学系を示す構成図である。
【図２】本発明に係る高さ測定装置を示す構成図である。
【図３】共焦点ヘッドの光軸方向の位置Ｚと撮像手段で検出される光の強度Ｉの関係を示す図である。
【図４】共焦点ヘッドの移動速度もしくはＸＹステージの移動速度と高さ測定の測定時間との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１    高さ測定装置
４    光源
１１  ＣＣＤカメラ（撮像手段）
１３  被検物
１４  共焦点ヘッド
２３  共焦点ヘッド駆動部（焦点位置移動手段）
２４  ＸＹステージ駆動部（被検物移動手段）
３０  制御装置（制御手段）
３２  画像取得部（画像取得手段）
３３  高さ算出回路（算出手段）
５０  共焦点光学系
【図１】
2005172724.tif 000003
【図２】
2005172724.tif 000004
【図３】
2005172724.tif 000005
【図４】
2005172724.tif 000006