論

走査型共焦点方式三次元計測

文

■ 日名子

達也

Tatsuya Hinago1

共焦点光学系では，ピンホールから照射された照明光はじめにが，対象物上で結像した場合にのみ高い強度の光が検出

昨今，スマートフォンやタブレットＰＣなどに代表されるような小型・高性能なモバイル端末を所有することは器まで届くようになっており，検出された輝度値から深さ方向の情報を取得することができる。

一 般的となり，メガネや腕 時計など身に付けて持ち歩く

図2は，東光高岳の独自技術である非走査型共焦点方ウェアラブルコンピュータなども大きな話題となっている。

式三次元計測の光学系（以下，非走査型共焦点撮像系）

これら製品を含む多機能電子機 器には必ず半導体部品の構造である。共焦点光学系は原理としてピンホールによが組み込まれており，需要も年々増加している。

る点の情報を取得することから，二次元情報を得るため

東光高岳では，半導体製造における検査工程向けの装には光軸に直交する方向への走査機構が必要となる。一置として，特にインラインに対応可能な高速性を有した三般にこの走査機 構はレーザＸＹ走査やNipkowディスク次元計測装置の開発・販売をしており，半導体業界検査の回転による走査によって実現されている。一方で，非走工程の自動検査（例えばバンプ 注1)高さ検査）を実現してき査型共焦点撮像系は，ピンホールを二次元的に配列したた。三次元計測の代表的な手法として格子パターン投影光学素子（以下，ピンホールアレイ）を用い，かつ，検出器法，光切断法，三角測量法，光の干渉の性質を利用したとして二次元エリアカメラを採用することで走査機構を設

光干渉法，光の伝搬時間を利用したタイムオブフライト法

けることなく高解像度の共焦点画像を取得できる構成となど様々な提案がなされているが，東光高岳の三次元計なっている。

測装置の計測原理には共焦点法を採用している。これは他の計測手法と比較して，精度面や速度面，環境の違いに対する頑強性などが，半導体検査工程のニーズに適していると考えたためである。
共焦点による三次元計測技術の中でも，東光高岳独自技術として非走査型 共焦点方式三次元計測が大きな特長として挙げられる（1）（2）。本稿では，東光高岳独自技術の“非走査型共焦点方式三次元計測”について説明し，それをベースとして開発した“走査型共焦点方式三次元計測”の原理，及び三次元センサについて述べる。

2

非走査型共焦点方式三次元計測

図1に共焦点光学系の基本構造を示す。

図2

非走査型共焦点撮像系

図3は，1セントコインを非走査型共焦点撮像系にて撮像した共焦点画像の例である。それぞれの画像は焦点位置を変えて撮像している。各画像では，共焦点光学系のOptical Sectioning特性により，合焦位置のみが強い輝図120

共焦点光学系

東 光高岳 技報 Vol.2 2015

度値として記録され，等高線のように表われている。

走査型共焦点方式三次元計測

論

文

つまり，画素配列が非常に高い空間周波数で配置されていたとしても，ピンホール配列を超えるような高い周波数成分の情報は取得できないということである。

図3

1セントコイン画像

この時，物体または光学系の光軸方向へのステージ移動により焦点位置を変化させ，最大輝度値となった時のステージ位置を画素毎に記録すれば物体表面の形状を求めることができる。しかし，計測分解能ピッチでステージ

図4を移動させるとすると，必要な共焦点画像は膨大な数になり，計測時間が著しく長大になってしまう。そこで，ステージの移動ピッチを計測分解能より大きい間隔にすることで必要な共焦点画像の枚数を減らし，補間法を用いることにより計測分解能を向上させる手法としている。このようにすることで画像入力と演算時間を大きく削減することができ，大幅な高速化が達成できる。補間法としては，例えば，定ピッチΔzで サンプリングされた値の大きい三 点(I k-1，I k，I k+1)を対象としたガウス関数へのフィッティングによりピーク位置Z focusを高精度に推定する手法（式1）などが考えられる。

共焦点スポット周期と受光素子配列周期

この問題を解決するためには，ピンホールを高い空間周波数で配置し，より多くのピンホールスポットを確保すれば良いが，共焦点の効果を確保するためにはピンホール同士の間隔を一定以上必要とするため，ピンホール配列の空間周波数を高くすることが容易ではない。ここに非走査型共焦点方式三次元計測の限界がある。それでも，非走査型共焦点方式三次元計測を採用した三次元計測装置が実現できたのは，これまで市場に流通してきた半導体パッケージの集積度合に対して，非走査型共焦点方式三次元計測で取得できる共焦点画像が十分に高解像であったためである。
しかし，半導体の集積度合はムーアの法則に従って年々と高密度化・微細化が進んでおり，非走査型共焦点方式ガウス関数へのフィッティングの他にも，Ｎ次曲線への三次元 計測の限界を超える解 像 度を求められるようにフィッティングや，サンプリング間隔が標本化定理を満たしなってきた。また，同様に受光素子の多画素化・高速化もていると仮定した畳み込みによる復元法なども考えられ発展してきたことで，高分解能な二次元エリアカメラを選る。またステージ移動自体の高速化として，撮像毎に光路択することが可能になっている。そこで，解像度のボトル中へ厚みの異なる平行平面ガラスを挿入することで光学ネックになっているピンホールアレイによる解像度劣化の的に移動させることも考えられる。

ブレイクスルーを求めて，東光高岳独自の走査型共焦点3

非走査型共焦点方式三次元計測の限界

非走査型共焦点方式三次元計測によって，高解像度の共焦点画像を取得できることを前章にて説明したが，そのためには二次元エリアカメラの画素配 列に対して，ピンホール配列が十分に高い空間周波数で配置されていることが前提条件となっている。図4の右側にはその前提 条件が崩れた状況（つまり，二次元エリアカメラの画素配列がピンホール配列以上に高い場合）を示した。この状
況下では，図に示す通り，ピンホールスポットが当たらずに情報を有さない受光素子が生じていることが分かる。

方式三次元計測を開発することとした。

4

走査型共焦点方式三次元計測

走査型共焦点方式三次元計測の光学系（以後，走査型共焦点撮像系と称する）の基本構造を図5に示す。図2の非走査型共焦点撮像系と対比すると，基本構成はほぼ同じであるがピンホールアレイ部に一軸ステージが追加されていることが分かる。元々ＸＹ走査を不要とするためにピンホールを平面に配列していたが，前章で述べたとおり更に解像度を上げる必要があるため，一軸方向へピンホールアレイを走査する機構を用意した。

東 光高岳 技報 Vol.2 201521

論文

走査型共焦点方式三次元計測

査ムラが生じてしまう。走査ムラを軽減させるため，ピンホールの大きさや配列に特長を持たせた提案はこれまでにも多くされてきたが，視 野内全てを同じ条件で走査することは原理的に不可能である。視野の座標によって計測条 件が異なっていることは計測装置として好ましくない。東光高 岳の走査 型 共焦点方 式では，回 転による走査ではなく一軸ステージによる走査であるため，視 野内全ての座標で同条件の走査が可能であり，計測装置としてより優れている。

図5

走査型共焦点撮像系
図7

図6にピンホールアレイと一軸ステージ機構のイメージを示す。ピンホールは，ＸＹ平面上へ周期的に配列され，特にステージの移動軸方向へピンホール配列が一定距離の間隔で再現性を持たせるように配列されている。この一定距離を二次元エリアカメラの一露光時間中に走査することで，非走査型共焦点方式三次元計測では取得できなかったピンホール間領域の情報も含めた共焦点画像を取得することが可能となった。

ピンホール走査イメージ（走査ムラの違い）

一方，デメリットも存在する。一軸ステージの場合は，回転軸とは異なり無限の走査ができない，また，静止状態から設計速度になるまでの加速時間が必要となってしまう。この二つがデメリットといえる。しかし，無限走査に関しては，計測において必ずしも必要ではない。顕微鏡のような観察を目的とした場合とは異なり，計測では一回毎の区切りが必ず存在するからである。また，加速時間についても，応答性の高いステージを選定することで，数十ms程度の待ち時間で済むことが確認できている。この待ち時間についても，計測時に必要となる他の時間（他軸移動の振動待ち時間など）に包括することができ，実質与えられる影響は殆どないことも分かっている。つまり，計測専用の走査方法と考えれば，デメリットはほぼなくなり，より良い走査方法といえる。
次に，ＩＣ表面パターンの一部を非走査型・走査型 共焦点撮像系の双方により取得した画像を図8に示す。

図6

ピンホルアレイユニットイメージ

ピンホールを走査する手法としては，2章にて説明した
Nipkowディスクの回転による走査も同様の技術ではあるが，東光高岳の走査型 共焦点方式と大きく違う点は，走査ベクトルである。図7は両手法の，視野内の異なる座標において一定時間に走査した距離を示したものである。

非走査型による画像

図8

走査型による画像

ＩＣ表面パターン画像の比較

図から分 かる通り，Nipkowディスクによる走査では回3章で述べたとおり，非走査型共焦点撮像系で取得し転 軸を用いるために，回 転中心からの距 離に応じた走た画像では高い周波数成分の情報を十分に取得すること22

東 光高岳 技報 Vol.2 2015

走査型共焦点方式三次元計測論

文ができないために，刻印されている文字や細かな配線パターンなどの 微 細な 情 報 が 欠落しているのが 分 かる。
また，画像中に検出素子配列とピンホールアレイ配列の干渉によって生じる折り返しノイズも確認できる。この影響で，二次元計測（対 象物の大きさ，位 置などの計測）への 影 響 は 大きく，また 三次 元 計 測においても，特に微 小な対 象物を安 定して計 測できない原 因となってしまっている。一方，走査型共焦点撮像系で取得した画像には，非走査 型 共焦点方 式三次元計測では起きていたピンホールアレイによる情報欠落がないため，高解像度の画像を取得できており，文字や配 線のパターンをはっきりと確認することができる。この高解 像の共焦点画像を

図9

三次元計測センサ仕様

取得する方式を手に入れたことで，高い精度での二次元計測が可能となり，今までは不可能であったレベルの微小な対象物の三次元計測もできるようになった。

56

おわりに

本稿では走査型共焦点方式三次元計測の原理と三次元計測センサについて説明した。走査型共焦点方式三次三次元計測センサ仕様

元計測技術による東光高岳の三次元計測センサは高速・最後に，これまでに非走査 型・走査 型 共焦点方 式三高 精度・汎 用的な三次元計測・二次元計測が 可能であ

次元計測を原理として開発した三次元計測センサの仕様

り，半導体業界のみならず，各種産業に今後幅広く利用でを表1に示す。また，視野サイズと計測対象サイズを軸ときると考えている。

したグラフと非走査 型 共焦点方 式三次元計測における■参考文献

計測限界を破 線で表現した図9を示す。今後，より微 細化が進む半導体業界の検査工程においては，破 線を超（1）日名子：「非走査型共焦点方式表面形状計測装置」,
光アライアンス , 2012.11 , pp.39-45 (2012)

える計測能力が必要であり，走査型共焦点方式がそのブ（2）M.Ishihara : “A Confocal Surface

レイクスルーの役目を果たした。今後は新規の三次元計

Measurement System Having Improved

測センサの開発と並行して，既 存の非走査 型 共焦点方

Measurement Accuracy for Rough Surfaces and式三次元計測センサを走査 型 共焦点方式に対応させることで計測能力向上を図っていく。
表1

三次元計測センサ仕様

センサ
型式

視野
サイズ×××××××××××

一覧表（シリーズ別）
計測対象
サイズ

高さ計測
繰返精度

Measurement Speed” , Journal of Robotics andMechatronics , Vol.15 No.3 , pp-331-440 (2003)■語句説明注1）バンプ：ＩＣチップ表面部に搭載された数十μm程度の微小突起電極。高さが不均一であると，接触不良による不具合が起きてしまうため，高さ検査が必要。

日名子

達也

光応用検査機器事業本部
技術開発部開発グループ

所属

三次元計測センサの開発に従事

東 光高岳 技報 Vol.2 201523