JP2003344025A

JP2003344025A - プリズムアレイ形状の計測方法および計測装置

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Publication number: JP2003344025A
Application number: JP2002152344A
Authority: JP
Inventors: Fumiyuki Takahashi; 文之高橋; Hiroyuki Tsukahara; 博之塚原; Yoji Nishiyama; 陽二西山; Yoshitaka Oshima; 美隆大嶋; Takashi Fuse; 貴史布施
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2002-05-27
Filing date: 2002-05-27
Publication date: 2003-12-03
Anticipated expiration: 2022-05-27
Also published as: JP3921129B2

Abstract

(57)【要約】【課題】計測不感帯が発生する形状の場合にも適切に
アンラッピング処理を行うことができ、高精度に計測可
能な高精度干渉計測を従来方式より効率よく行うことが
できる計測方法及び計測装置を提供する。【解決手段】干渉光学系により撮像した３枚以上の高
コヒーレンス干渉画像に基づき、撮像部の視野内の領域
を位相が不連続となる箇所で分割した複数の分割領域に
おける位相をそれぞれ算出する。干渉光学系により撮像
した１枚以上の低コヒーレンス干渉画像に基づき、各分
割領域においてそれぞれ光路差がゼロになる基準位置を
算出する。各分割領域においてそれぞれ、算出された基
準位置を基準とする位相アンラッピング処理を行う。各
分割領域における干渉縞のコントラスト情報を用いて、
次の干渉縞撮像位置に移動するために最適な移動方向と
移動量を算出し、その算出結果に基づいて精密移動ステ
ージを制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光波の干渉現象を
利用して物体の表面形状を計測する計測方法及び計測装
置に関し、特に、光の波長を超える段差を含む、フロン
トライト導光板等のプリズムアレイの表面形状をナノレ
ベル精度で計測する計測方法及び計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１は、計測対象の一例としてのフロン
トライト導光板の形状を示す。フロントライト導光板
は、図１に示したようなプリズムアレイ形状を有し、携
帯電話等に用いられる光学部品である。図１のプリズム
アレイのような計測対象の表面形状を計測する干渉計測
方法として、高精度干渉計測法が知られている。

【０００３】図２に、従来の干渉計測装置の一例を示
す。この干渉計測装置は、高精度干渉計測法の最も一般
的な構成を使用した例である。

【０００４】図２に示したように、照明１からの光を狭
レンジの波長フィルタ２で擬似単色化し、計測対象６と
干渉レンズ５内の参照面に同時に照射する。撮像部３
（ＣＣＤ：Ｃｈａｒｇｅ−ＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃ
ｅ）により、計測対象６と参照面の光路差ＯＰＤ（Ｏｐ
ｔｉｃａｌＰａｔｈＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）の違い
で生じる干渉縞を撮像する。計測対象６の表面からの反
射光と干渉レンズ５内の参照面からの反射光の光路差を
ΔＬ（ｘ，ｙ）、計測対象６の高さをｄ（ｘ，ｙ）、位
相差をφ（ｘ，ｙ）、照射光の波長をλとすると，撮像
部３で観測される干渉縞強度ｇ（ｘ，ｙ）は次式で表す
ことができる。

【０００５】

【数１】ここで、ａ（ｘ，ｙ）、ｂ（ｘ，ｙ）はそれぞれ干渉縞
の背景強度、明暗振幅である。図２の高精度干渉法は、
式（１）における位相項を次式（４）のように変調し、
背景強度ａ（ｘ，ｙ）、明暗振幅ｂ（ｘ，ｙ）の影響を
排除して、位相差φ（ｘ，ｙ）を高精度に求める方式で
ある。

【０００６】

【数２】高精度干渉方式の１つである位相シフト法は、干渉対物
レンズをピエゾ素子等の精密移動ステージで動かして式
（４）のパラメータδを変調させる。例えば、ピエゾ素
子の移動ステージを移動してパラメータδをπ／２づつ
変化させながら、次式（５）のように、４枚の干渉画像
を撮像すれば，位相φ（ｘ，ｙ）は次式（６）のように
求められる。

【０００７】

【数３】このように４枚の干渉画像の干渉縞強度ｇ_１乃至ｇ_４か
ら位相φ（ｘ，ｙ）を求める方式を４−ＢＵＣＫＥＴ法
とよぶ。この方式は、位相シフト法の中でも最も基本的
な方式として知られている。位相シフト法には、４−Ｂ
ＵＣＫＥＴ法以外にＮ枚の干渉画像から位相を算出する
Ｎ−ＢＵＣＫＥＴ法（例えば、Ｎ＝５，７，９，１１，
１３）がある。これらの方式は、位相の算出の際に、ピ
エゾ素子のシフト量誤差の影響を少なく抑える効果があ
る。例えば、５−ＢＵＣＫＥＴ法における位相の算出
は、次式のように、５枚の干渉画像の干渉縞強度ｇ_１乃
至ｇ _５から位相φ（ｘ，ｙ）を求めることができる。

【０００８】

【数４】位相シフト法による高精度干渉法を利用することによ
り、計測対象の形状をナノレベル精度で計測することが
可能となる。しかしながら、式（６）や式（８）に示さ
れるように、位相がアークタンジェントの関数として求
められるため、値域が制限され、位相の折り返しが生じ
るという問題がある。すなわち、計測対象の位相変化が
２π（高さ変化がλ／２）以上ある場合には，算出した
全ての位相が２πの範囲に折り返されてしまう。従っ
て、計測対象の高さを正確に求めるためには位相の折り
返しを元の高さに戻すためのアンラッピング処理が必要
となる。ただし、アンラッピング処理を正確に行う条件
として，アンラッピング処理を行う領域内では、位相が
連続しており、かつ、滑らかに変化することが必要であ
る。

【０００９】図３は、フロントライト導光板を横から見
た形状を示す図である。緩斜面６ａからの反射光は干渉
レンズ５に入射するが、急斜面６ｂの部分からの反射光
はけられて干渉レンズ５に入射しないため、急斜面を挟
んだ２つの緩斜面の間に位相が不連続な領域が存在す
る。以下、位相が不連続な領域を計測不感帯とよぶ。通
常のアンラッピング処理では、位相が不連続な計測不感
帯を間に挟む、異なる緩斜面同士の高さを計測すること
が出来ない。言い換えれば、同一緩斜面のように、位相
が連続しており、滑らかに変化する領域においてのみ、
通常のアンラップ処理を行うことができる。

【００１０】上記したアンラッピング処理の問題を解消
する従来の干渉計測方式としては、低コヒーレンス干渉
系を用いた方式と２波長干渉法を用いた方式とが知られ
ている。

【００１１】図４に、低コヒーレンス干渉系を用いた従
来の干渉計測装置の構成例を示す。この例では、波長フ
ィルタ２を挿入せず、照明１からの光を計測対象６と干
渉レンズ５内の参照面に同時に照射して、撮像部３によ
り低コヒーレンス状態の干渉縞を撮像する。低コヒーレ
ンス状態での干渉縞は、計測対象６と参照面からの反射
光の光路差がゼロとなる場合の縞が最も振幅が大きくな
る。ピエゾ駆動ステージ（ＰＺＴ）４を上下方向に走査
し、撮像部３の各画素について干渉縞の振幅が最大とな
ったピエゾ駆動ステージ４の位置を記録することで計測
対象の高さを求めることができる。この方式では、式
（１）に基づく位相の算出を行わないため、上記したア
ンラッピング処理の問題は生じない。例えば、特開２０
００−９４４４号公報には、低コヒーレンス干渉系を用
いた干渉計測方式の他の例が示されている。この公報に
示された方式では、上記の低コヒーレンス干渉法による
結果を高精度干渉法の縞次数決定に用いて、高精度干渉
法のアンラッピング処理に利用している。

【００１２】図５は、２波長干渉法を用いた従来の干渉
計測装置の構成例を示す。この例では、２つの光源とし
て照明１ａと照明１ｂを用意し、それぞれに異なる波長
λ_１，λ_２の波長フィルタ２ａ、２ｂを適用することで
２波長の光による干渉縞を得る。すなわち、照明１ａか
らの光を波長フィルタ２ａで波長λ_１の単色光とし、照
明１ｂからの光を波長フィルタ２ｂで波長λ_２の単色光
とし、それぞれの単色光を計測対象６と干渉レンズ５内
の参照面に別々に照射して、撮像部３により、波長λ_１
に関する干渉縞と、波長λ_２に関する干渉縞とを撮像す
る。

【００１３】図５に示した干渉計測装置においては、２
つの異なる波長の照射光により得られる干渉縞からそれ
ぞれ高精度干渉法を適用して算出できる位相をφ
_１（ｘ，ｙ）、φ_２（ｘ，ｙ）とし、得られた位相の差
｛φ_１（ｘ，ｙ）−φ_２（ｘ，ｙ）｝を計算すること
で、等価波長λｅｑ＝λ_１λ_２／（λ_１−λ_２）を基準
にした位相が算出できる。λ_１λ_２を適当に選ぶことに
より，折り返しの範囲λｅｑ／２を大きく広げることが
可能となる。

【００１４】また、特開平１１−２１８４１１号公報に
は２波長干渉法を用いた干渉計測方式として、他の例が
示されている。この公報に示された方式では、上記２波
長干渉法と同様の方法で、位相｛φ_１（ｘ，ｙ）−φ_２
（ｘ，ｙ）｝を求めて、精度の低い高さを求める。その
後、先に求めた精度の低い高さ情報に基づいて、高精度
干渉法によるφ_１（ｘ，ｙ）のアンラッピング処理を行
う。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】図６は、図４に示した
低コヒーレンス法を用いた従来方式の問題点を説明する
ための図である。

【００１６】図６に示したように、低コヒーレンス法を
用いた従来方式では、光路差がゼロとなるピエゾ駆動ス
テージ４の高さ位置（撮像位置）を検出する必要がある
ため、計測対象６の形状に対し多数の箇所でピエゾ駆動
ステージの移動制御による走査、撮像が必要となる。従
って、図４に示した低コヒーレンス法を用いた従来方式
を利用した場合には、計測時間が遅いために、短時間で
計測対象の形状を計測することが困難であった。

【００１７】図７は、図５に示した２波長干渉法を用い
た従来方式の問題点を説明するための図である。

【００１８】図７に示した２波長干渉法を用いた従来方
式は、得られた｛φ_１（ｘ，ｙ）−φ_２（ｘ，ｙ）｝を
そのまま位相（高さ）情報としているため、計測範囲λ
ｅｑ／２は広くできるが、求められる高さの計測精度は
悪くなる。

【００１９】一方、上記特開平１１−２１８４１１号公
報の従来方式の場合は、得られた｛φ_１（ｘ，ｙ）−φ
_２（ｘ，ｙ）｝をそのまま位相（高さ）情報とせず、高
精度干渉法によるφ_１（ｘ，ｙ）のアンラッピング処理
の次数情報に使用している。従って、図７に示した２波
長干渉法を用いた従来方式のように計測精度が悪くなる
点は改良できる。しかしながら、いずれの従来方式にお
いても、２つの異なる波長の照射光でそれぞれ高精度干
渉法による計測を繰り返し行う必要があるため、画像取
得に必要となる撮像回数が多くなり、計測時間がかかる
という問題がある。例えば、５−ＢＵＣＫＥＴ法を使用
する場合、合計で10回の干渉画像撮像が必要となる。

【００２０】また、図７に示したように、２波長干渉法
により計測レンジが増えても、最終的にはレンズの焦点
深度で計測レンジは制限され、焦点深度から外れた範囲
を計測するには，更に１０×ｎ回の画像取得の必要が生
じる。従って、２波長干渉法を用いた従来方式では、単
位時間あたりの計測数を増やすことが困難である。

【００２１】本発明は、上記の点に鑑みてなされたもの
であり、計測不感帯が発生する形状の場合にも適切にア
ンラッピング処理を行うことができ、高精度に計測可能
な高精度干渉計測を従来方式より効率よく行うことがで
きる計測方法及び計測装置を提供することを目的とす
る。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１に記載した発明は、計測対象の高コヒーレ
ンス干渉画像と低コヒーレンス干渉画像を撮像部により
撮像可能な干渉光学系と、前記干渉光学系の参照面と計
測対象からの反射光の光路差を調節可能な精密移動ステ
ージとを備える計測装置を用いて、計測対象の形状を計
測する計測方法であって、前記干渉光学系により撮像し
た少なくとも３枚の高コヒーレンス干渉画像に基づい
て、前記撮像部の視野内の領域を位相が不連続となる箇
所で分割し、かつ、その分割した複数の分割領域におけ
る位相をそれぞれ独立に算出する位相算出手順と、前記
干渉光学系により撮像した少なくとも１枚の低コヒーレ
ンス干渉画像に基づいて、前記複数の分割領域の各分割
領域においてそれぞれ前記光路差がゼロになる基準位置
を算出する基準位置算出手順と、各分割領域においてそ
れぞれ独立して、前記位置算出手段により算出された基
準位置を基準とする位相アンラッピング処理を行うアン
ラッピング処理手順と、各分割領域における干渉縞のコ
ントラスト情報を用いて、次の干渉縞撮像位置に移動す
るために最適な移動方向と移動量を算出し、該算出され
た移動方向と移動量に基づいて前記精密移動ステージを
制御する移動制御手順とからなることを特徴とする。本
発明の計測方法によれば、アンラッピング処理の必要な
計測対象に対して、従来方式より少ない撮像回数で、高
精度に計測可能な高精度干渉計測法によるアンラッピン
グ処理を行うことができる。

【００２３】また、上記課題を解決するため、請求項５
に記載した発明は、計測対象の形状を計測する計測装置
であって、計測対象の高コヒーレンス干渉画像と低コヒ
ーレンス干渉画像を撮像部により撮像可能な干渉光学系
と、前記干渉光学系の参照面からの反射光と計測対象か
らの反射光の光路差を調節可能な精密移動ステージと、
前記干渉光学系により撮像した少なくとも３枚の高コヒ
ーレンス干渉画像に基づいて、前記撮像部の視野内の領
域を位相が不連続となる箇所で分割し、かつ、その分割
した複数の分割領域における位相をそれぞれ独立に算出
する位相算出手段と、前記干渉光学系により撮像した少
なくとも１枚の低コヒーレンス干渉画像に基づいて、前
記複数の分割領域の各分割領域においてそれぞれ前記光
路差がゼロになる基準位置を算出する位置算出手段と、
各分割領域においてそれぞれ独立して、前記位置算出手
段により算出された基準位置を基準とする位相アンラッ
ピング処理を行うアンラッピング処理手段と、各分割領
域における干渉縞のコントラスト情報を用いて、次の干
渉縞撮像位置に移動するために最適な移動方向と移動量
を算出し、該算出された移動方向と移動量に基づいて前
記精密移動ステージを制御する移動制御手段とを備える
ことを特徴とする。本発明の計測装置によれば、アンラ
ッピング処理の必要な計測対象に対して、従来方式より
少ない撮像回数で、高精度に計測可能な高精度干渉計測
法によるアンラッピング処理を行うことができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図８
乃至図１５を参照しながら具体的に説明する。

【００２５】なお、以下の説明では、便宜上、本発明の
実施の形態としての計測方法及び計測装置は、高精度干
渉法に５−ＢＵＣＫＥＴ法を使用した方式であるものと
する。ただし、これに限定されるものではなく、Ｎ−Ｂ
ＵＣＫＥＴ法（Ｎ＝７，９，１１，１３）を使用する方
式であってもよい。

【００２６】図１３は、本発明に係る計測装置の一実施
例を示す。

【００２７】図１３に示したように、この実施例の計測
装置は、光源としての照明１と、波長フィルタ２と、Ｃ
ＣＤ等で構成される撮像部３と干渉レンズ５を含む干渉
光学系と、干渉光学系の参照面の位置を微小に変化させ
ることにより計測対象６及び参照面からの反射光の光路
差を調節可能なピエゾ駆動ステージ４とから構成され
る。コンピュータ７（パーソナルコンピュータＰＣ等）
は、この計測装置全体を制御するＣＰＵを含むコンピュ
ータ本体を有する。コンピュータ７は、上記コンピュー
タ本体とともに、計測結果を表示するディスプレイと、
入力データや制御コマンドを入力するキーボード等の入
力装置とを備える。

【００２８】また、コンピュータ７は、撮像部３で撮像
した計測対象６の干渉縞の画像信号を受取り、デジタル
画像データに変換する変換装置を備える。上記コンピュ
ータ本体には、本発明の計測方法を実現するためにＣＰ
Ｕにより実行されるプログラムが格納されたＲＯＭと、
計測対象の形状を計測するのに必要な各種の情報を格納
するＲＡＭとを備える制御部が含まれる。図１３の実施
例の計測装置には、コヒーレンスの高い状態とコヒーレ
ンスの低い状態の照明を切り替えることができるコヒー
レンス状態切り替え機構８が設けてある。図１３の切り
替え機構８は、例えば、ロータリソレノイド等を使用し
て波長フィルタ２を任意に出し入れできる機構により照
明１のコヒーレンス状態を切り替える。この実施例のコ
ンピュータ７の制御部には、位相シフト法に従って、ピ
エゾ駆動ステージ４を移動制御しながら、撮像部３によ
り計測対象について３枚以上の高コヒーレンス画像を撮
像する手段と、撮像部３から取得した３枚以上の高コヒ
ーレンス画像の画像データに基づいて、撮像部３の視野
内の領域を位相が不連続となる箇所で分割し、その分割
した複数の分割領域における位相をそれぞれ算出する位
相算出手段と、撮像部３から取得した１枚以上の低コヒ
ーレンス画像の画像データに基づいて、各分割領域にお
いてそれぞれ光路差がゼロになる基準位置を算出する基
準位置算出手段と、各分割領域においてそれぞれ、算出
された基準位置を基準とする位相アンラッピング処理を
行うアンラッピング処理手段と、各分割領域における干
渉縞のコントラスト情報を用いて、次の干渉縞撮像位置
に移動するために最適な移動方向と移動量を算出し、該
算出された移動方向と移動量に基づいてピエゾ駆動ステ
ージ４を制御する移動制御手段とが含まれる。図１５
は、本発明の計測方法の一実施例を説明するためのフロ
ー図である。

【００２９】この実施例の計測方法においては、図１３
の計測装置を用いて計測対象６の形状を計測する場合の
計測手順をコンピュータ７のＣＰＵ制御で実行させてい
る。

【００３０】図１５に示したように、まず、ピエゾ駆動
ステージ４の高さ位置を所定量ずつ移動制御することに
より光路差ＯＰＤを変化させながら、計測対象６に対す
るＮ枚の高コヒーレンス画像を撮像部３で撮像して、そ
のＮ枚の高コヒーレンス画像データ（Ｉ）を撮像部３よ
り取得する（Ｓ１）。このとき、コヒーレンス状態切り
替え機構８により、波長フィルタ２は高コヒーレンス干
渉画像を撮像可能な位置に設定しておく。このステップ
Ｓ１で撮像される高コヒーレンス画像の枚数Ｎは、理論
上３枚以上であればよいが、この実施例のように、５−
ＢＵＣＫＥＴ法を使用する場合には、５枚とすればよ
い。

【００３１】上記画像データ（Ｉ）を取得すると、コン
ピュータ７は、Ｎ枚の高コヒーレンス画像データ（Ｉ）
の各画素毎のコントラストを算出する。算出されたコン
トラスト情報に基づいて、撮像部３の視野内の領域を、
位相が不連続となる箇所で分割して、それぞれ位相が連
続した複数の分割領域Ｓｉを算出する（Ｓ２）。

【００３２】ステップＳ２が完了すると、ピエゾ駆動ス
テージ４の高さ位置を表す変数Ｚを所定の初期値Ｚｏに
セットする（Ｓ３）。

【００３３】次に、計測対象６を高さ位置Ｚｊに移動制
御して、計測対象６に対する１枚以上の低コヒーレンス
画像を撮像部３で撮像して、その低コヒーレンス画像デ
ータ（ＩＩ）を撮像部３より取得する（Ｓ４）。このと
き、コヒーレンス状態切り替え機構８により、波長フィ
ルタ２は低コヒーレンス干渉画像を撮像可能な位置に設
定しておく。

【００３４】上記画像データ（ＩＩ）を取得すると、コ
ンピュータ７は、この低コヒーレンス画像データ（Ｉ
Ｉ）に基づいて、ステップＳ２で算出した各分割領域Ｓ
ｉ内において光路差ＯＰＤ＝０の位置ｘｉ（基準位置）
をそれぞれ算出する（Ｓ５）。

【００３５】ステップＳ５で光路差ＯＰＤ＝０の位置ｘ
ｉが算出できた分割領域について上記画像データ（Ｉ）
と光路差ＯＰＤ＝０の位置ｘｉに基づき、その分割領域
に対する位相アンラッピング処理を行う（Ｓ６）。

【００３６】ステップＳ６で位相アンラッピング処理が
行われた分割領域について、アンラッピング処理後の位
相データに移動量データ（Ｚｏ−Ｚｊ）を加えて領域高
さ（）を算出する（Ｓ７）。

【００３７】ステップＳ７が完了すると、コンピュータ
７は、ステップＳ２で求めた全ての分割領域Ｓｉについ
て領域高さの算出が完了したか否かを判定する（Ｓ
８）。全ての分割領域Ｓｉについて領域高さの算出が完
了した場合には、上記の干渉計測手順を終了する。

【００３８】ステップＳ８で領域高さの算出がまだ完了
していない分割領域が残されている場合には、上記画像
データ（ＩＩ）の各画素毎のコントラストを算出し、算
出されたコントラスト情報に基づいて、残された分割領
域中の次の分割領域を撮像するために最適な移動量Ｚを
算出する（Ｓ９）。

【００３９】ステップＳ９が完了すると、上記ステップ
Ｓ１と同様に、ピエゾ駆動ステージ４を移動制御するこ
とにより光路差ＯＰＤを変化させながら、計測対象６に
対するＮ枚の高コヒーレンス画像を撮像部３で再度撮像
して、そのＮ枚の高コヒーレンス画像データ（Ｉ）を撮
像部３より取得する（Ｓ１０）。

【００４０】ステップＳ１０が完了すると、上記ステッ
プＳ４に戻り、同様の処理を繰り返す。

【００４１】図１４は、本発明に係る計測装置の他の実
施例を示す。図１４に示したように、この実施例の計測
装置には、低コヒーレンス用の照明１ａと、波長フィル
タ２を光路上に設けた高コヒーレンス用の照明１ｂとが
設けてある。図１４の切り替え機構８は、所望のコヒー
レンス状態に従ってどちらか一方の照明のみをONにする
ことで、撮像される画像のコヒーレンス状態を制御す
る。他の構成は、図１３の実施例と同一であるので、説
明は省略する。図１４の実施例の計測装置も、図１３の
実施例と同様、低コヒーレンス、高コヒーレンス状態の
干渉画像を所定の枚数だけ撮像し、図１５の計測手順を
実行することにより計測対象の高さを求めることができ
る。

【００４２】図８は、２つの異なる緩斜面の両方に基準
位置が検出される場合に、本発明の計測方法により実行
される位相アンラッピング処理を説明する図である。

【００４３】図８に示したように、緩斜面６ａ−１と緩
斜面６ａ−２の両方が光路差ＯＰＤ＝０の基準高さと交
わる位置に計測対象を移動させる。この状態で、コヒー
レンスの高い照明で位相シフト法に必要な干渉画像５枚
を撮像し、低コヒーレンス照明で低コヒーレンス画像を
１枚撮像する。図８（Ａ）のグラフに示したように、低
コヒーレンス干渉縞の明るさピーク位置（０次の干渉
縞）を検出し、その位置（点Ａまたは点Ｂ）を基準に、
緩斜面６ａ−１、緩斜面６ａ−２のそれぞれに対して位
相アンラッピング処理を行う。

【００４４】上述したように、本発明の計測方法によれ
ば、各緩斜面におけるアンラッピング基準を低コヒーレ
ンス画像から得られた０次縞位置（点Ａ又は点Ｂ）とす
ることにより、各斜面同士に関する位相関係を適切に保
ちながらアンラッピング処理を行うことができる。

【００４５】図９は、２つの異なる緩斜面の一方に基準
位置が検出される場合に、本発明の計測方法により実行
される位相アンラッピング処理を説明する図である。

【００４６】図９は、緩斜面６ａ−１と緩斜面６ａ−２
が光路差ＯＰＤ＝０の基準高さと一方しか交わらない場
合の例である。この場合、図９に示したように、高さ１
及び高さ２の位置にピエゾ駆動ステージ４を移動させ
て、それぞれの位置（点Ａ、点Ｂ）で位相シフト法に必
要な５枚の干渉画像と、１枚の低コヒーレンス画像を撮
像する。

【００４７】図９（Ａ）に示したように、低コヒーレン
ス干渉縞の明るさピーク位置（０次の干渉縞）を検出
し、その位置（点Ａ）を基準に、緩斜面６ａ−１につい
て位相アンラッピング処理を行う。また、図９（Ｂ）に
示したように、低コヒーレンス干渉縞の明るさピーク位
置（０次の干渉縞）を検出し、その位置（点Ｂ）を基準
に、緩斜面６ａ−２についての位相アンラッピング処理
を行う。

【００４８】最後に、高さ１から高さ２へ移動するため
に必要な移動量αを、緩斜面６ａ−２の高さデータから
差し引くことで緩斜面６ａ−１と緩斜面６ａ−２の高さ
を算出する。

【００４９】上記の実施例の計測方法では、各緩斜面
（連続位相領域）についてそれぞれ、少なくとも一箇
所、光路差ＯＰＤ＝０の基準高さに対応する位置を特定
する必要があるため，あらかじめ撮像部３の視野内の連
続位相領域を個々に認識しておく必要がある。このた
め、位相シフト法に必要な５枚の干渉画像から画像の縞
コントラストを計算し、縞コントラストの連続性により
位相空間の連続性を判断するとよい。例えば、図１０
は、本発明の計測方法において、位相の連続する領域で
あるか否かを判定する手順を示す。図１０に示したよう
に、急斜面６ｂによる不感帯の位置では、縞コントラス
トは急激に小さくなるため、緩斜面６ａ−１と緩斜面６
ａ−２の間に位相の不連続性（計測不感帯）があること
を判断できる。

【００５０】図９の場合のように、ピエゾ駆動ステージ
４の高さ位置を変えて計測しなければならない場合、な
るべく少ない移動回数で高さ２の位置にピエゾ駆動ステ
ージ４の高さ位置（ステージ高さ）を移動させる必要が
ある。図１１は、本発明の計測方法において、次の干渉
縞撮像位置にピエゾ駆動ステージ４を移動するための移
動方向を算出する手順を示す。

【００５１】図１１に示したように、計測対象の形状と
画像のボケ量により高さ制御の移動方向を予測して無駄
な移動を極力抑えるようにする。例えば、図１１（Ａ）
のように、右上がりの斜面が、光路差ＯＰＤ＝０の基準
高さより下側にあれば、左側のボケが大きく右側のボケ
が小さくなる。すなわち、画像のコントラストを算出す
る際に、コントラストが右側に上昇傾向であれば、ピエ
ゾ駆動ステージ４を上方向に移動するよう制御を行う。
これとは逆に、図１１（Ｂ）のように、画像のコントラ
ストが右側に下降傾向である場合には、該当する領域を
光路差ＯＰＤ＝０の基準高さに近づけるために、ピエゾ
駆動ステージ４を下方向に移動するよう制御する。

【００５２】図１２は、本発明の計測方法において、次
の干渉縞撮像位置にピエゾ駆動ステージを移動するため
の最適な移動量を算出する手順を示す。

【００５３】本発明の計測方法においては、ある分割領
域における干渉縞のコントラスト情報から次の干渉縞撮
像位置（ステージ高さ）への最適な移動量を予測して、
ピエゾ駆動ステージ４を移動制御する。図１２に示した
ように、Ｔ１とＴ２のコントラストが等しい場合、緩斜
面６ａ−２の中心を光路差ＯＰＤ＝０の基準高さに移動
するための最適な移動量ｄを次式（９）にしたがって算
出する。

【００５４】ｄ＝ｙ＋２ｙａ／（２ｂ−Ｌ）（９）ここで、ｙは緩斜面６ａ−１の光路差ＯＰＤ＝０の基準
高さからコントラストＴ１での高さまでの垂直距離、ａ
は緩斜面６ａ−１の光路差ＯＰＤ＝０であるA点からコ
ントラストＴ１の点までの水平距離、ｂは緩斜面６ａ−
２の左側端点からコントラストＴ２の点までの水平距
離、Ｌは緩斜面６ａ−２の水平方向長さである。

【００５５】この実施例の移動制御手順によれば、上記
のように算出された移動量ｄに基づいて、ピエゾ駆動ス
テージ４を移動制御することにより、無駄な移動を極力
抑えるようにステージ制御を行うことができる。

【００５６】次に、図１６は、本発明の計測方法におい
て、低コヒーレンス干渉画像の振幅ピーク位置を検出す
る手順を示す。

【００５７】図１６に示した手順は、低コヒーレンス干
渉縞から０次の干渉縞（振幅ピーク位置）を検出する際
のシェーディング補正処理に関する。１枚の低コヒーレ
ンス干渉縞からピーク位置（０次の干渉縞）を検出する
ためには、シェーディングとノイズの影響を抑える必要
がある。

【００５８】図１６（Ａ）のグラフは、撮像された低コ
ヒーレンス画像から求めた干渉縞である。シェーディン
グは、求めた干渉縞からλ（低コヒーレント照明の中心
波長）の数倍の波長でローパスフィルタをかけて、その
結果得られた曲線をシェーディング補正用のデータとし
て補正できる。また、干渉縞の含まれる区間の最小２乗
曲線をシェーディング補正用のデータとして補正しても
よい。

【００５９】図１７は、本発明の計測方法において、低
コヒーレンス干渉画像の振幅ピーク位置を検出する他の
手順を示す。

【００６０】図１７に示した手順は、低コヒーレンス干
渉縞より０次縞を検出するためのノイズ処理に関する。
基本的には、０次の干渉縞の位置を特定するには、計測
対象の１つの面内における１点だけ検出されればよい
が、その場合、ノイズのために±ｎ次の干渉縞を０次の
干渉縞と誤って検出してしまう場合がある。この問題を
解消するために、この実施例の検出手順では、図１７
（Ｂ）に示したように、複数箇所の振幅ピーク位置を検
出する。図１７（Ｂ）には、ピーク位置に矢印がある点
は、±１次の干渉縞を０次の干渉縞と誤って検出した例
を示す。

【００６１】図１７（Ｃ）に示したように、これら複数
の検出位置について最小２乗曲線を求める。図１７
（Ｄ）に示したように、最小２乗曲線からずれた検出点
は検出エラーと判断して除外する。残されたピーク位置
の中から最も確からしい点を０次の干渉縞位置とする。

【００６２】また、図１７（Ｂ）の振幅ピーク位置を低
コヒーレンス干渉縞から求める際に、図１７（Ｅ）に示
すように、ある範囲の干渉縞を加算平均してから、振幅
ピーク位置を求めることでさらにノイズの影響を抑える
ことが可能である。

【００６３】（付記１）計測対象の高コヒーレンス干渉
画像と低コヒーレンス干渉画像を撮像部により撮像可能
な干渉光学系と、前記干渉光学系の参照面からの反射光
と計測対象からの反射光の光路差を調節可能な精密移動
ステージとを備える計測装置を用いて、計測対象の形状
を計測する計測方法であって、前記干渉光学系により撮
像した少なくとも３枚の高コヒーレンス干渉画像に基づ
いて、前記撮像部の視野内の領域を位相が不連続となる
箇所で分割し、かつ、その分割した複数の分割領域にお
ける位相をそれぞれ独立に算出する位相算出手順と、前
記干渉光学系により撮像した少なくとも１枚の低コヒー
レンス干渉画像に基づいて、前記複数の分割領域の各分
割領域においてそれぞれ前記光路差がゼロになる基準位
置を算出する基準位置算出手順と、各分割領域において
それぞれ独立して、前記位置算出手段により算出された
基準位置を基準とする位相アンラッピング処理を行うア
ンラッピング処理手順と、各分割領域における干渉縞の
コントラスト情報を用いて、次の干渉縞撮像位置に移動
するために最適な移動方向と移動量を算出し、該算出さ
れた移動方向と移動量に基づいて前記精密移動ステージ
を制御する移動制御手順とからなることを特徴とする計
測方法。

【００６４】（付記２）前記位相算出手順では、前記高
コヒーレンス干渉画像から求めた計測対象のコントラス
ト情報を用いて、各分割領域を算出することを特徴とす
る付記１記載の計測方法。

【００６５】（付記３）前記基準位置算出手順では、前
記低コヒーレンス干渉画像の振幅ピーク位置情報を用い
て、各分割領域における前記光路差がゼロになる基準位
置を算出することを特徴とする付記１記載の計測方法。

【００６６】（付記４）前記干渉光学系は、高コヒーレ
ンス状態と低コヒーレンス状態のいずれかに切り替える
ために、光路上に波長フィルタを出し入れする制御が可
能なコヒーレンス状態切り替え機構を備えることを特徴
とする付記１記載の計測方法。

【００６７】（付記５）計測対象の高コヒーレンス干渉
画像と低コヒーレンス干渉画像を撮像部により撮像可能
な干渉光学系と、前記干渉光学系の参照面からの反射光
と計測対象からの反射光の光路差を調節可能な精密移動
ステージと、前記干渉光学系により撮像した少なくとも
３枚の高コヒーレンス干渉画像に基づいて、前記撮像部
の視野内の領域を位相が不連続となる箇所で分割し、か
つ、その分割した複数の分割領域における位相をそれぞ
れ独立に算出する位相算出手段と、前記干渉光学系によ
り撮像した少なくとも１枚の低コヒーレンス干渉画像に
基づいて、前記複数の分割領域の各分割領域においてそ
れぞれ前記光路差がゼロになる基準位置を算出する位置
算出手段と、各分割領域においてそれぞれ独立して、前
記位置算出手段により算出された基準位置を基準とする
位相アンラッピング処理を行うアンラッピング処理手段
と、各分割領域における干渉縞のコントラスト情報を用
いて、次の干渉縞撮像位置に移動するために最適な移動
方向と移動量を算出し、該算出された移動方向と移動量
に基づいて前記精密移動ステージを制御する移動制御手
段とを備えることを特徴とする計測装置。

【００６８】（付記６）前記位相算出手段は、前記高コ
ヒーレンス干渉画像から求めた計測対象のコントラスト
情報を用いて、各分割領域を算出することを特徴とする
付記５記載の計測装置。

【００６９】（付記７）前記基準位置算出手段は、前記
低コヒーレンス干渉画像の振幅ピーク位置情報を用い
て、各分割領域における前記光路差がゼロになる基準位
置を算出することを特徴とする付記５記載の計測装置。

【００７０】（付記８）前記干渉光学系は、高コヒーレ
ンス状態と低コヒーレンス状態のいずれかに切り替える
ために、光路上に波長フィルタを出し入れする制御が可
能なコヒーレンス状態切り替え機構を備えることを特徴
とする付記５記載の計測装置。

【発明の効果】上述したように、本発明の計測装置及び
計測方法によれば、フロントライト導光板のような微細
な形状であって、光の波長を超える段差を含む形状の計
測対象に対し、短時間で高精度な干渉計測ができるた
め、単位時間あたりの計測数を増やすことが可能とな
り、計測対象の検査や調査の効率を向上することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】計測対象の一例としてのフロントライト導光板
の形状を示す図である。

【図２】位相シフト法を用いた従来の干渉計測装置の一
例を示す図である。

【図３】位相シフト法の問題点を説明するための図であ
る。

【図４】低コヒーレンス干渉光学系を用いた従来の干渉
計測装置の構成例を示す図である。

【図５】２波長干渉法を用いた従来の干渉計測装置の構
成例を示す図である。

【図６】図４に示した従来の干渉計測装置の問題点を説
明するための図である。

【図７】図５に示した従来の干渉計測装置の問題点を説
明するための図である。

【図８】２つの異なる緩斜面の両方に基準位置が検出さ
れる場合に、本発明の計測方法により実行される位相ア
ンラッピング処理を説明する図である。

【図９】２つの異なる緩斜面の一方に基準位置が検出さ
れる場合に、本発明の計測方法により実行される位相ア
ンラッピング処理を説明する図である。

【図１０】本発明の計測方法において、位相の連続する
領域であるか否かを判定する手順を説明するための図で
ある。

【図１１】本発明の計測方法において、次の干渉縞撮像
位置にピエゾ駆動ステージを移動するための移動方向を
算出する手順を説明するための図である。

【図１２】本発明の計測方法において、次の干渉縞撮像
位置にピエゾ駆動ステージを移動するための最適な移動
量を算出する手順を説明するための図である。

【図１３】本発明に係る計測装置の一実施例を示す図で
ある。

【図１４】本発明に係る計測装置の他の実施例を示す図
である。

【図１５】本発明の計測方法の一実施例を説明するため
のフロー図である。

【図１６】本発明の計測方法において、低コヒーレンス
干渉画像の振幅ピーク位置を検出する手順を説明するた
めの図である。

【図１７】本発明の計測方法において、低コヒーレンス
干渉画像の振幅ピーク位置を検出する手順を説明するた
めの図である。

【符号の説明】

１照明２波長フィルタ３撮像部４ピエゾ駆動ステージ５干渉レンズ６計測対象７コンピュータ８コヒーレンス状態切り替え機構

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者西山陽二神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番１号富士通株式会社内 (72)発明者大嶋美隆神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番１号富士通株式会社内 (72)発明者布施貴史神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番１号富士通株式会社内Ｆターム(参考） 2F064 AA09 BB03 CC10 EE01 FF00 GG42 GG51 HH03 HH08 JJ01 2F065 AA51 BB05 CC21 CC22 FF04 FF51 JJ26 LL22 PP12 QQ03 QQ18 QQ24 QQ29 QQ31 QQ33 QQ36

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】計測対象の高コヒーレンス干渉画像と低
コヒーレンス干渉画像を撮像部により撮像可能な干渉光
学系と、前記干渉光学系の参照面からの反射光と計測対
象からの反射光の光路差を調節可能な精密移動ステージ
とを備える計測装置を用いて、計測対象の形状を計測す
る計測方法であって、前記干渉光学系により撮像した少なくとも３枚の高コヒ
ーレンス干渉画像に基づいて、前記撮像部の視野内の領
域を位相が不連続となる箇所で分割し、かつ、その分割
した複数の分割領域における位相をそれぞれ独立に算出
する位相算出手順と、前記干渉光学系により撮像した少なくとも１枚の低コヒ
ーレンス干渉画像に基づいて、前記複数の分割領域の各
分割領域においてそれぞれ前記光路差がゼロになる基準
位置を算出する基準位置算出手順と、各分割領域においてそれぞれ独立して、前記位置算出手
段により算出された基準位置を基準とする位相アンラッ
ピング処理を行うアンラッピング処理手順と、各分割領
域における干渉縞のコントラスト情報を用いて、次の干
渉縞撮像位置に移動するために最適な移動方向と移動量
を算出し、該算出された移動方向と移動量に基づいて前
記精密移動ステージを制御する移動制御手順と、からなることを特徴とする計測方法。
【請求項２】前記位相算出手順では、前記高コヒーレ
ンス干渉画像から求めた計測対象のコントラスト情報を
用いて、各分割領域を算出することを特徴とする請求項
１記載の計測方法。
【請求項３】前記基準位置算出手順では、前記低コヒ
ーレンス干渉画像の振幅ピーク位置情報を用いて、各分
割領域における前記光路差がゼロになる基準位置を算出
することを特徴とする請求項１記載の計測方法。
【請求項４】前記干渉光学系は、高コヒーレンス状態
と低コヒーレンス状態のいずれかに切り替えるために、
光路上に波長フィルタを出し入れする制御が可能なコヒ
ーレンス状態切り替え機構を備えることを特徴とする請
求項１記載の計測方法。
【請求項５】計測対象の高コヒーレンス干渉画像と低
コヒーレンス干渉画像を撮像部により撮像可能な干渉光
学系と、前記干渉光学系の参照面からの反射光と計測対象からの
反射光の光路差を調節可能な精密移動ステージと、前記干渉光学系により撮像した少なくとも３枚の高コヒ
ーレンス干渉画像に基づいて、前記撮像部の視野内の領
域を位相が不連続となる箇所で分割し、かつ、その分割
した複数の分割領域における位相をそれぞれ独立に算出
する位相算出手段と、前記干渉光学系により撮像した少なくとも１枚の低コヒ
ーレンス干渉画像に基づいて、前記複数の分割領域の各
分割領域においてそれぞれ前記光路差がゼロになる基準
位置を算出する位置算出手段と、各分割領域においてそれぞれ独立して、前記位置算出手
段により算出された基準位置を基準とする位相アンラッ
ピング処理を行うアンラッピング処理手段と、各分割領域における干渉縞のコントラスト情報を用い
て、次の干渉縞撮像位置に移動するために最適な移動方
向と移動量を算出し、該算出された移動方向と移動量に
基づいて前記精密移動ステージを制御する移動制御手段
と、を備えることを特徴とする計測装置。