JP-2026077901-A - 光学顕微鏡及びフィルタ

Abstract

【課題】視野内に高反射率の箇所が存在する場合であっても、撮像画像から精度よく合焦位置を精度よく検出できる光学顕微鏡及びフィルタを提供する。 【解決手段】測定対象物Ｏｂに落射照明により照明光が照射された場合に測定対象物Ｏｂからの反射光を対物レンズ２４を介してカメラ１５に導く撮像光学系１４を備え、撮像光学系１４は、撮像光学系１４の光軸から離れるに従って透過率が低下するフィルタ２２を対物レンズ２４の瞳位置と共役な位置に有する。 【選択図】図１

Inventors

• 林 恭平

Assignees

• 株式会社東京精密

Dates

Publication Date

20260513

Application Date

20260304

Claims (2)

1. 測定対象物に落射照明により照明光が照射された場合に前記測定対象物からの反射光を対物レンズを介してカメラに導く撮像光学系を備え、 前記撮像光学系は、前記撮像光学系の光軸から離れるに従って透過率が低下するフィルタを前記対物レンズの瞳位置と共役な位置に有する、 光学顕微鏡。
2. 測定対象物に落射照明により照明光が照射された場合に前記測定対象物からの反射光を対物レンズを介してカメラに導く撮像光学系を備える光学顕微鏡に搭載されるフィルタであって、 前記撮像光学系の光軸から離れるに従って透過率が低下する特性を有し、 前記対物レンズの瞳位置と共役な位置に配置可能に構成される、 フィルタ。

Description

本発明は、三次元形状測定装置に係り、特に、フォーカスバリエーション法により測定対象物の三次元形状を測定する三次元形状測定装置に関する。 光学顕微鏡を使用した三次元形状の測定法として、フォーカスバリエーション法（焦点移動法）が知られている（たとえば、特許文献１、２等）。フォーカスバリエーション法は、焦点位置を変えながら測定対象物の表面を連続的に撮像し、得られた画像群を解析して、焦点の合った座標を抽出し、測定対象物の三次元形状を測定する。 特開２０１３－２０１４０号公報国際公開第２００９／０９６４２２号 図１は、三次元形状測定装置の概略構成を示す図である。図２は、画像処理装置のハードウェア構成の一例を示す図である。図３は、画像処理装置が有する主な機能のブロック図である。図４は、フィルタの構成の一例を示す正面図である。図５は、フィルタの透過分布特性を示すグラフである。図６は、一般的な光学顕微鏡による撮像の概念図である。図７は、フィルタのない撮像光学系で生じるボケの像の概念図である。図８は、フィルタが搭載された撮像光学系で生じるボケの像の概念図である。図９は、撮像対象物と、その撮像方法を示す図である。図１０は、フィルタのない撮像光学系で撮像した画像の一部を拡大した図である。図１１は、フィルタを搭載した撮像光学系で撮像した画像の一部を拡大した図である。図１２は、フィルタの透過分布特性の他の一例を示すグラフである。図１３は、フィルタの透過分布特性の他の一例を示すグラフである。図１４は、視野内に高反射率の箇所と低反射率の箇所が共存する場合の撮像画像の一例を示した図である。 以下、添付図面に従って本発明の好ましい実施の形態について説明する。 ［三次元形状測定装置］ 図１は、三次元形状測定装置の概略構成を示す図である。 同図に示すように、本実施の形態の三次元形状測定装置１は、撮像装置１０及び画像処理装置１００を備える。 ［撮像装置］ 撮像装置１０は、いわゆる光学顕微鏡で構成され、焦点位置を変えながら測定対象物Ｏｂの画像を撮像する。撮像装置１０は、撮像部の一例である。図１に示すように、本実施の形態の撮像装置１０は、ステージ１１、照明光源１２、照明光学系１３、撮像光学系１４、カメラ１５、フォーカス駆動部１６、操作部１７及び制御部１８等を備える。 ステージ１１は、測定対象物Ｏｂを載置する載置面１１ａを有する。載置面１１ａは、平坦な面で構成され、測定の基準面を構成する。具体的には、載置面１１ａにＸ軸及びＹ軸が設定される。Ｘ軸及びＹ軸は、互いに直交する２軸として設定される。 照明光源１２は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、水銀ランプ、キセノンランプ、発光ダイオード（light emitting diode：ＬＥＤ）などが用いられる。 照明光学系１３は、照明レンズ２０、ビームスプリッタ２１、フィルタ２２、開口絞り２３、対物レンズ２４を備える。照明光源１２から放射された光（照明光）は、照明レンズ２０、ビームスプリッタ２１、開口絞り２３、対物レンズ２４を介して、ステージ１１に載置された測定対象物Ｏｂに照射される（いわゆる落射照明）。この照明光の光量を調整することにより、カメラ１５への入射光量が調整される。照明光の光量は、たとえば、照明光源１２の発光量により調整される。なお、照明光は、照明光源１２からライドガイドを用いて照明光学系１３に導く構成とすることもできる。 撮像光学系１４は、対物レンズ２４、フィルタ２２、開口絞り２３、ビームスプリッタ２１及び結像レンズ２５を備える。ビームスプリッタ２１、フィルタ２２、開口絞り２３及び対物レンズ２４は、照明光学系１３と共用される。測定対象物Ｏｂで反射された光は、対物レンズ２４、フィルタ２２、開口絞り２３、ビームスプリッタ２１、結像レンズ２５を介して、カメラ１５に入射する。 フィルタ２２は、開口絞り２３の位置（絞り位置）に配置され、次の構成を有する。すなわち、光軸から離れるに従って透過率が低下する構成を有する。このようなフィルタ２２を絞り位置に配置することにより、視野内に高反射率の箇所を含んでいても、フォーカスバリエーション法で高精度な測定が可能になる。この点については、後に詳述する。 カメラ１５は、撮像素子１５Ａを有し、測定対象物Ｏｂの像を電子的に撮像する。撮像素子１５Ａには、たとえば、ＣＭＯＳイメージセンサ（complementary metal oxide semiconductor image sensor）、ＣＣＤイメージセンサ（charge-coupled device image sensor）等が用いられる。カメラ１５で撮像された画像は、画像処理装置１００に出力される。 フォーカス駆動部１６は、照明光源１２、照明光学系１３、撮像光学系１４及びカメラ１５を撮像光軸Ｌｚに沿って一体的に移動させて、焦点位置を可変させる。撮像光軸Ｌｚは、ステージ１１の載置面１１ａに直交して設定される。したがって、照明光源１２、照明光学系１３、撮像光学系１４及びカメラ１５は、ステージ１１の載置面１１ａに対し、垂直に移動する。撮像光軸Ｌｚと平行な軸をＺ軸とする。フォーカス駆動部１６は、ガイド機構及び駆動機構を備える。ガイド機構は、照明光源１２、照明光学系１３、撮像光学系１４及びカメラ１５を含むユニット（光学ヘッド）をＺ軸に沿ってガイドする。駆動機構は、たとえば、送りねじ機構と、その送りねじ機構を駆動するモータと、で構成される。 操作部１７は、撮像装置１０を操作するための各種操作ボタン類を有し、ユーザからの操作入力を受け付ける。各種操作ボタン類には、タッチパネルが含まれる。 制御部１８は、撮像装置１０の全体の動作を統括制御する。具体的には、照明光源１２に対する発光制御（光量の制御を含む）、カメラ１５に対する撮像制御、フォーカス駆動部１６に対する駆動制御（送り制御）等を行う。制御部１８は、コンピュータで構成される。すなわち、コンピュータが、所定のプログラムを実行することにより、制御部１８として機能する。 以上のように構成される撮像装置１０は、一定ピッチで焦点位置を変えながら、ステージ１１に載置された測定対象物Ｏｂを撮像する。具体的には、フォーカス駆動部１６により光学ヘッドをＺ軸に沿って一定ピッチで移動させ、各位置で測定対象物Ｏｂを撮像する。撮像された画像は、逐次、画像処理装置１００に出力される。 ［画像処理装置］ 図２は、画像処理装置のハードウェア構成の一例を示す図である。 画像処理装置１００は、いわゆるコンピュータで構成され、プロセッサ１０１、主記憶装置（メインメモリ）１０２、補助記憶装置（ストレージ）１０３、入力装置１０４、出力装置１０５及び入出力インターフェース１０６等を備える。 プロセッサ１０１は、たとえば、ＣＰＵ（central processing unit）、ＧＰＵ（graphics processing unit）等で構成される。 主記憶装置１０２は、たとえば、ＤＲＡＭ（dynamic random access memory）、ＳＲＡＭ（static random access memory）等で構成される。 補助記憶装置１０３は、たとえば、ＳＳＤ（solid state drive）、ＨＤＤ（hard disk drive）等で構成される。補助記憶装置１０３には、プロセッサ１０１が実行するプログラム及び各種データが格納される。 プロセッサ１０１は、補助記憶装置１０３に格納されたプログラムを読出し、主記憶装置１０２に展開して実行することで、後述するような各種機能を実現する。 入力装置１０４は、ユーザが画像処理装置１００に対し、指示を入力するためのデバイスであり、たとえば、マウス、キーボード、タッチパネルなどで構成される。 出力装置１０５は、測定結果等を出力（表示を含む）するデバイスであり、たとえば、液晶ディスプレイ（liquid crystal display：ＬＣＤ）、有機ＥＬディスプレイ（organic electroluminescent display：ＯＥＬＤ）等で構成される。 入出力インターフェース１０６は、入出力機器を接続するためのインターフェースであり、たとえば、ＵＳＢ（universal serial bus）等で構成される。撮像装置１０のカメラ１５は、入出力インターフェース１０６を介して画像処理装置１００と接続される。 図３は、画像処理装置が有する主な機能のブロック図である。 同図に示すように、画像処理装置１００は、画像取得部１００Ａ及び画像処理部１００Ｂの機能を有する。各部の機能は、プロセッサ１０１が、所定のプログラムを実行することで実現される。 画像取得部１００Ａは、撮像装置１０で撮像された測定対象物Ｏｂの画像データを取得する。この画像データは、焦点位置を変えながら測定対象物Ｏｂを撮像した画像の画像データ（いわゆる多焦点画像データ）である。取得した一連の画像データは、補助記憶装置１０３に記録される。 画像処理部１００Ｂは、画像取得部１００Ａで取得した画像データに対し、フォーカスバリエーション法のアルゴリズムを適用し、測定対象物Ｏｂの三次元形状を測定する。すなわち、焦点位置を変えて撮像した測定対象物Ｏｂの複数の画像から焦点の合った座標位置を抽出して、測定対象物の三次元形状を測定する。測定結果は、測定対象物Ｏｂの三次元形状データとして取得される。三次元形状データとは、測定対象物の画像を構成しているすべての画素に、当該画素で表現されている測定対象物の高さの情報が割り当てられたデータ群のことである。三次元形状データを取得することにより、コンピュータグラフィックスで測定対象物Ｏｂの三次元表示が可能となる。 フォーカスバリエーション法自体は、公知の技術である。よって、その詳細について、説明は省略するが、おおよそ次の手順で多焦点画像から三次元形状データを生成する。 まず、得られた画像について、画素ごとに微分演算を行い、合焦度の評価値を算出する。合焦度とは、焦点が合っている度合いを示す数値である。 次いで、測定対象物の画像を構成している各画素について、合焦度の評価値が最大になる焦点位置（合焦位置）を特定する。特定した合焦位置の情報から各画素に対応する位置での測定対象物Ｏｂの高さの情報を取得する。たとえば、座標(xn,yn)に位置する画素において、合焦位置がPnであったとする。この場合、その位置Pnに対応付けられた高さznが、座標(xn,yn)に位置する画素についての高さの情報（焦点の合った座標位置の情報）として取得される。すべての画素について、高さの情報を取得することで、測定対象物Ｏｂの三次元形状データが取得できる。 なお、通常、撮像は、基準点（原点）から一定ピッチで焦点位置を変えながら実施される。したがって、撮像の順番を高さの情報に割り当てることもできる。 測定結果（三次元形状データ）は、撮像により得られた画像データに関連付けられて、補助記憶装置１０３に記録される。 ［撮像光学系］ 上記のように、本実施の形態の撮像光学系１４は、開口絞り２３の位置（絞り位置）に所定の透過分布特性を有するフィルタ２２が配置される。 図４は、フィルタの構成の一例を示す正面図である。また、図５は、フィルタの透過分布特性を示すグラフである。 本実施の形態のフィルタ２２は、光軸に対し対称、かつ、光軸から離れるに従って透過率が低下する特性を有する。図４に示す例は、光軸から離れるに従って透過率が曲線的に低下する場合の例である。特に、光軸を中心とする透過率の分布がガウス分布を有する場合の例である。この場合、図５に示すように、中心部の透過率が高く、周辺部にいくに従って透過率がなだらかに低下する。 このような構成のフィルタ２２を絞り位置に備えることにより、ボケの境界（輪郭）の明るさの分布を制御でき、ボケの境界の