JP2003148933A - 位相シフト干渉縞同時撮像における平面形状計測方法 - Google Patents
位相シフト干渉縞同時撮像における平面形状計測方法Info
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Abstract
射光強度や撮像装置の撮像時間の違いにより干渉縞画像
の強度が変化する場合に、測定時の干渉縞画像を補正す
ることにより、位相シフト干渉縞同時計測装置の大幅な
高精度化を図ることにある。 【解決手段】 測定時と予備測定時の受光強度比を求
め、この受光強度比を用いて干渉縞画像の強度補正を行
うことにより、位相シフト干渉縞同時計測装置の大幅な
高精度化を図ろうとするものである。
Description
らの反射光を干渉させ、複数の位相の異なる干渉縞を撮
像して、この位相シフト干渉計より得られる位相シフト
干渉縞のバイアス、振幅を強度補正により整合調整を施
すことにより被検面の起伏形状を計測する位相シフト干
渉計に関する。さらに詳しく言えば、本発明は、前記位
相シフト干渉計において、撮像装置により撮像した干渉
縞画像が、入射光強度や撮像装置の撮像時間の変化によ
生じた算出形状への影響を、干渉縞画像の強度の整合調
整を行う強度補正により、大幅に算出形状の精度向上を
図る平面形状計測方法に関する。
2000−329535号明細書に示された位相シフト
干渉縞同時計測装置においては、図1に示すように、レ
ーザ光源1からのレーザー光束は、レンズ2によりビー
ム径を拡大され、ビームスプリッタ3を透過してコリメ
ートレンズ4にて平行光束にされる。そして、この平行
光束は参照面5で反射された参照光と参照面5、λ/4
板6を透過し被検面7で反射された試料光を生成する
(なお、参照光と試料光は直交する直線偏光で光学的無
干渉状態である。)。
照光と試料光はλ/4板8でそれぞれ互いに回転方向の
異なる円偏光状態となり三分割プリズム9で3つの分枝
光束に分割される。それぞれの分枝光束の光路上には偏
光板10〜12が配置され、光軸に対して概略直交する
面内において偏光板の透過軸角度が設定され、固定的光
学位相差を与えた分枝位相シフト干渉縞が発生させ、撮
像装置13〜15により同分枝位相シフト干渉縞が撮像
される。この位相シフト干渉縞同時計測装置により被検
面起伏形状を高精度に計測するためには、3枚の分枝位
相シフト干渉縞間におけるバイアス、振幅は観測領域内
の対応する各点にて等しいことが前提となるが、三分割
プリズム9における分割強度誤差やλ/4板8の低速軸
の設置誤差にともなう透過光の楕円偏光化などが原因と
なり、3枚の分枝位相シフト干渉縞の画像の対応する各
点間のバイアスと振幅はそれぞれ異なるものとなる。
特願2000−197484号明細書において、事前に
分枝位相シフト干渉縞のバイアスと振幅を観測領域内の
各点において計測し、得られた値と参照光画像データを
用いて、以後被検面計測時に得られる分枝位相シフト干
渉縞画像データに対し強度変換により干渉縞の整合調整
を観測領域内の各点毎に行なうことを提案した。つま
り、この平面形状計測方法では、事前のバイアス、振幅
を算出する予備測定時と、被検面起伏形状測定時の受光
強度が等しいことが前提となるが、撮像装置の撮像時間
の変更や、光源からの入射光強度の意図的な変更や予期
しない変動などにより受光強度が変動する。そのため、
受光強度が変動しない場合に対しては、図2に示すよう
に、干渉縞のバイアス、振幅が変動するから、このよう
な場合には、形状算出の誤差が大きくなり、何らかの対
策が必要となる。
したような位相シフト干渉縞同時計測装置において、入
射光強度や撮像装置の撮像時間の違いにより干渉縞画像
の強度が変化する場合に、測定時の干渉縞画像を補正す
ることにより、位相シフト干渉縞同時計測装置の大幅な
高精度化を図ることにある。
の本発明を要約すれば、測定時と予備測定時の受光強度
比を求め、この受光強度比を用いて干渉縞画像の強度補
正を行うことにより、位相シフト干渉縞同時計測装置の
大幅な高精度化を図ろうとするものである。
コヒーレント光束を参照面と被検面に照射し、前記参照
面、前記被検面それぞれからの反射光である参照光と試
料光の偏光面を偏光光学素子を介在させて互いに直交さ
せ,光学的無干渉状態となした原光束を生成する観測光
学系と、前記原光束を複数に分割した分枝原光束に分
け、偏光光学素子を介して前記分枝原光束のそれぞれに
異なる固定的光学位相差を与えて発生させた複数の分枝
位相シフト干渉縞を撮像する複数の分枝撮像装置とを備
え、それぞれの前記分枝撮像装置より得られる前記分枝
位相シフト干渉縞画像間にて、前記被検面の観測範囲内
の任意の位置がそれぞれの分枝観測座標系において同一
位置になるよう位置の整合が施され、かつ任意の被検面
測定にて、事前に各点毎にバイアス、振幅を算出し、以
後、平面起伏形状計測時に得られる前記位相シフト干渉
縞画像データを前記バイアス、振幅を用いて整合調整を
施し、位相シフト法にて前記被検面の観測範囲の平面起
伏形状を数値データにより再現する平面形状計測装置に
おいて、撮像される干渉縞画像の強度情報の中で、入射
光強度の変動や撮像装置による撮像時間の変更などの計
測被検面には依存しない強度成分を受光強度とし、前記
バイアス、振幅を算出する予備測定時と平面起伏形状計
測時の干渉縞画像の受光強度比を用いて、平面起伏形状
測定時の干渉縞強度の整合調整をし、高精度に平面起伏
形状を算出する位相シフト干渉縞同時撮像による平面形
状計測方法を提案する。
おいては、 1) 前記試料光の一部を遮光し、前記参照光のみが前記
撮像装置に入射する領域である参照光領域を干渉縞画像
中に設け、前記撮像装置により得られる前記干渉縞画像
中の参照光領域の強度情報より受光強度を求め、追加の
強度情報取得手段を用いることなく全領域一様に前記強
度補正を行うことにより、高精度に平面起伏形状を算出
する位相シフト干渉縞同時撮像装置による平面形状計測
方法、 2) 前記入射光強度及び前記撮像時間が平面起伏形状測
定時と同じ状態で、前記被検面からの反射光を遮光し、
前記撮像装置により取得される参照光のみの画像から、
各点毎の受光強度情報を取得して前記受光強度比を各点
毎に算出し、前記強度補正を各点毎に行うことにより、
高精度に平面起伏形状を算出する位相シフト干渉縞同時
撮像装置による平面形状計測方法、 3) 前記光束が干渉する以前の光路中に分光手段を設け
ることにより光束を分光し、前記干渉縞画像取得に供し
ない側に光強度情報取得手段を設けることにより取得し
た強度情報を用いて、前記受光強度比を算出し、前記強
度補正を行うことにより、高精度に平面起伏形状を算出
する前記位相シフト干渉縞同時撮像装置による平面形状
計測方法 が説明される。
の形態を詳細に説明する。ちなみに、位相シフト法によ
り干渉縞を解析する際には、参照面からの反射光と被検
面からの反射光による干渉縞に含まれるバイアス、振
幅、位相の3個の未知数を算出するために3枚以上の位
相シフト干渉縞を撮像することになる。ここで、図3に
示すように、位置z(x、y)における参照面からの反
射光a(x、y)及び被検面からの反射光b(x、y)
は、次式のように記述できる。
(x、y)におけるa(x、y)及びb(x、y)の光
路長 λ:波長 ψ:初期位相 ω:光の各振動数 t:時刻 a0 (x、y)、b0 (x、y):a(x、y)、b
(x、y)の振幅また、これらの参照面及び被検面から
の反射光の干渉の、干渉縞Ιab(x、y)は次式のよう
に記述される。
干渉縞画像強度は次式で表わされる。
係となる撮像装置を用いるとすれば、この場合の干渉縞
画像強度は次式となる。
度成分のある撮像装置を用いる場合、干渉領域と暗電流
領域とは図4に示すような関係にあるが、干渉縞画像の
強度と干渉縞強度は、厳密には比例関係にない。しか
し、干渉縞画像から暗電流による成分を減算することに
より、この場合であっても、比例関係とすることが可能
である。それゆえ、ここでは暗電流がないものとして説
明を行う。ここで、3枚の干渉縞を用いる従来の位相シ
フト法の場合、撮像装置により得られる干渉縞画像強度
Ι1 (x、y)、Ι2 (x、y)、Ι3 (x、y)は次
式で表される。
される位相シフト量を表す。式(6)により、3個の測
定値Ι1 (x、y)、Ι2 (x、y)、Ι3 (x、y)
に対して、3つの未知数B(x、y)、A(x、y)、
φ(x、y)を計算でき、また、位相φ(x、y)から
被検面起伏形状を算出できる。一方、図1に示した位相
シフト干渉縞同時計測装置13、14、15で計測され
る分枝位相シフト干渉縞Ι1 (x、y)、Ι2 (x、
y)、Ι3 (x、y)は、バイアスと振幅が異なるた
め、次式のように表現される。
まれるバイアス、振幅は異なるために、3個の計測値に
対して7個の未知数が存在するため、このままでは位相
φ(x、y)を算出することはできない。
−197484号明細書で示されたように、参照面や被
検面を光軸方向に変位させたり、光源の波長を変化させ
るなどの方法により、参照光と試料光の間に光学的位相
差を別途与え、予備測定により事前のバイアス、振幅を
各点毎に算出し、測定時に干渉縞画像の強度の整合調整
を行い、被検面の形状を算出すれば、この問題は解消す
る。しかし、特願2000−197484号明細書の方
法は、形状測定時と予備測定時の受光強度が同じである
ことが前提である。例えば、参照面からの反射光a
(x、y)は常に一定であるとの前提であるが、予備測
定時と形状測定時でa(x、y)の大きさが変化する
と、式(5)によりバイアス、振幅が変化し、正確な形
状測定ができなくなる。
入射光強度がν(x、y)倍となるとすると、光の振幅
は
(x、y)倍になると、参照光aν(x、y)及び試料
光 bν(x、y)は次式で表される。
となるので、受光強度比と呼び、各分枝毎の受光強度比
をνi (x、y)、i=1、2、3とおく。
撮像時間の変化にも影響される。撮像時間の変化による
受光強度の変動を考慮すると、受光強度比νi (x、
y)は次式で表すことができる。
時計測装置においては、形状測定時と予備測定時の受光
強度比がνi (x、y)となると、式(7)に対応する
式は、次式となる。
1)をνi (x、y)で割ることにより、事前にバイア
ス、振幅を算出するための予備測定時と同じ受光強度の
干渉縞Ιi (x、y)、i=1、2、3を得ることがで
きる。これが本発明のポイントである。
いることにより、先に指摘した特願2000−1974
84号明細書で開示した技術を適用することができるの
で、被検面起伏形状を高精度に求めることができる。即
ち、受光強度比νi (x、y)がわかれば、被検面の起
伏形状を高精度に求めることができるわけである。
求め方について説明すると、撮像装置の撮像時間や入射
光強度の制御量が分かっている場合、撮像時間の比νTi
及び入射光量の比νEi(x、y)を用いて、式(10)
からνi (x、y)を算出でき、これを用いて、式(1
2)により、強度補正を行うことが可能になる。このよ
うな制御量が不明の場合や予期しない変動を考慮する場
合、受光強度情報を検出する手段を新たに付加すること
により、受光強度情報を検出し、測定時の受光強度FMi
(x、y)と事前にバイアス、振幅を求めたときの受光
強度FCi(x、y)の比を計算することにより受光強度
比を求めることができる。
検面に向かう光の一部または全部を遮光板により遮光す
ると、遮光された領域は、参照光のみが撮像装置に入射
し、試料光との干渉は生じない参照光領域となる。その
ため、撮像装置によって得られる干渉縞画像の参照光領
域Rの強度情報は被検面の反射率や干渉縞の位相に依存
しない。各カメラにおける式(2)は次式で表される。
参照光領域の強度は次式となる。
について、式(5)、(11)、(14)から、次式を
得ることができる。
の影響を受けない受光強度情報として用いることができ
るから、式(13)、(16)、(17)により、次式
により受光強度比を算出できる。
体例を説明する。まず、図5に示すように、図1の干渉
縞同時撮像装置のλ/4板と被検面の間に、試料光遮光
手段16を配置すれば、撮像装置により得られる干渉縞
画像中に図6に示すような参照光領域Rを作ることがで
きる。この参照光領域Rの少なくとも一部の領域RS の
受光強度比の平均νi をとることにより、干渉縞画像の
全領域の受光強度比が一様であるとみなし、追加の強度
情報取得手段を用いることなく、測定と同時に算出する
ことができる。ただし、nは領域RS 内の点の数であ
る。
時撮像装置の試料光を、試料光遮光手段16により全て
遮光すれば、バイアス、振幅算出時の干渉縞画像取得時
と測定時の干渉縞画像取得時について、それぞれの干渉
縞画像撮像と同じ条件で参照光強度を各点毎に取得し
て、各点毎に比を算出できるから、各点毎の受光強度比
を式(18)により、算出できる。
光する工程が必要になるため時間がかかるが、画素毎の
補正ができるため、高精度の形状の測定を期待できる。
時撮像装置においてビームスプリッタ3で分光し、干渉
縞の生成に寄与しない側の光の強度を、強度情報検出手
段により、バイアス、振幅算出時及び測定時の入射光強
度を検出し、入射光の強度比を算出してもよい。ここ
で、入射光強度検出手段に撮像装置を用い、撮像時間を
干渉縞撮像時間と同一にすることにより、撮像時間の変
化を含めた強度情報を取得することができるが、これは
受光強度情報となる。事前のバイアス、振幅取得時の受
光強度情報を、FC (x、y)、測定時の受光強度情報
をFM (x、y)とすると、受光強度比は各分枝毎の干
渉縞撮像装置の受光強度比が同一であるとみなして、次
式により各点毎に算出することができる。
平均値などの代表値を用いることにより、全面の受光強
度比が一様であるとして、次式により全面一様の値で強
度補正を行うこともできる。
2)の強度補正を行うことにより受光強度の変化によら
ず、バイアス、振幅を補正し、形状を算出することが可
能となる。
によれば、入射光強度や撮像装置の撮像時間の違いによ
り、干渉縞画像の強度が変化する場合に、バイアス、振
幅の事前の予備測定時と形状測定時の受光強度の比を求
め、この受光強度比を用いて干渉縞画像をソフトウェア
的に強度補正を行うことにより、図10に示すように、
受光強度が変化した場合の算出形状に大幅な精度向上が
期待できる。また図5の具体例では、受光強度取得装置
を追加することなく、測定と同時に受光強度情報を取得
し、強度補正を行うことができるので、高速高精度測定
が期待できる。図7の具体例では、受光強度取得装置を
追加することなく、各点ごとに受光強度情報を取得し、
強度補正を行うことが出来るので、より大幅な精度向上
が期待できる。図9の具体例では、参照面と被検面の間
に遮光手段を設けず、測定と同時に受光強度情報を取得
し、強度補正を行うことが出来る。また、画像中に参照
光領域を設けないため図5の例よりも大きな領域を解析
対象とすることが可能となる。
ある。
と振幅の変化説明図である。
との関係を示す原理図である。
領域との関係を示すイメージ図である。
の光学系の説明図である。
像の拡大図である。
の光学系の説明図である。
像の拡大図である。
の光学系の説明図である。
比較説明図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 レーザ光源より発するコヒーレント光束
を参照面と被検面に照射し、前記参照面、前記被検面そ
れぞれからの反射光である参照光と試料光の偏光面を偏
光光学素子を介在させて互いに直交させ,光学的無干渉
状態となした原光束を生成する観測光学系と、前記原光
束を複数に分割した分枝原光束に分け、偏光光学素子を
介して前記分枝原光束のそれぞれに異なる固定的光学位
相差を与えて発生させた複数の分枝位相シフト干渉縞を
撮像する複数の分枝撮像装置とを備え、それぞれの前記
分枝撮像装置より得られる前記分枝位相シフト干渉縞画
像間にて、前記被検面の観測範囲内の任意の位置がそれ
ぞれの分枝観測座標系において同一位置になるよう位置
の整合が施され、かつ任意の被検面測定にて、事前に各
点毎にバイアス、振幅を算出し、以後、平面起伏形状計
測時に得られる前記位相シフト干渉縞画像データを前記
バイアス、振幅を用いて整合調整を施し、位相シフト法
にて前記被検面の観測範囲の平面起伏形状を数値データ
により再現する平面形状計測装置において、 撮像される干渉縞画像の強度情報の中で、入射光強度の
変動や撮像装置による撮像時間の変更などの計測被検面
には依存しない強度成分を受光強度とし、前記バイア
ス、振幅を算出する予備測定時と平面起伏形状計測時の
干渉縞画像の受光強度比を用いて、平面起伏形状測定時
の干渉縞強度の整合調整を施し、高精度に平面起伏形状
を算出することを特徴とする位相シフト干渉縞同時撮像
による平面形状計測方法。 - 【請求項2】 前記試料光の一部を遮光し、前記参照光
のみが前記撮像装置に入射する領域である参照光領域を
干渉縞画像中に設け、前記撮像装置により得られる前記
干渉縞画像中の参照光領域の強度情報より受光強度を求
め、追加の強度情報取得手段を用いることなく全領域一
様に前記強度補正を行うことにより、高精度に平面起伏
形状を算出することを特徴とする請求項1記載の位相シ
フト干渉縞同時撮像装置による平面形状計測方法。 - 【請求項3】 前記入射光強度及び前記撮像時間が平面
起伏形状測定時と同じ状態で、前記被検面からの反射光
を遮光し、前記撮像装置により取得される参照光のみの
画像から、各点毎の受光強度情報を取得して前記受光強
度比を各点毎に算出し、前記強度補正を各点毎に行うこ
とにより、高精度に平面起伏形状を算出することを特徴
とする請求項1記載の位相シフト干渉縞同時撮像装置に
よる平面形状計測方法。 - 【請求項4】 前記光束が干渉する以前の光路中に分光
手段を設けることにより光束を分光し、前記干渉縞画像
取得に供しない側に光強度情報取得手段を設けることに
より取得した強度情報を用いて、前記受光強度比を算出
し、前記強度補正を行うことにより、高精度に平面起伏
形状を算出すること特徴とする請求項1記載の前記位相
シフト干渉縞同時撮像装置による平面形状計測方法。
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JP2001352690A JP3766319B2 (ja) | 2001-11-19 | 2001-11-19 | 位相シフト干渉縞同時撮像における平面形状計測方法 |
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CN100447524C (zh) * | 2004-09-24 | 2008-12-31 | 富士能株式会社 | 干涉仪装置用光量比调节滤光片、干涉仪装置及光干涉测定方法 |
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