JP2004279137A

JP2004279137A - 動的形状及び動的位置の同時測定装置

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Publication number: JP2004279137A
Application number: JP2003068774A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiro Morita; 展弘森田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2003-03-13
Filing date: 2003-03-13
Publication date: 2004-10-07

Abstract

【課題】動いている物体、特に非周期的に動いている物体の瞬間での形状を測定する。
【解決手段】干渉光学系にて生成される干渉縞を撮像し、複数の画素にて構成された受光素子の位置で物体像を結像させ、単一の干渉縞画像と参照光のみによる画像とから受光素子位置での物体反射光の複素振幅を求めるための演算をし、複数位置での物体反射光の複素振幅Ｕ_Ｚから物体の表面形状及び物体の略照射光学系光軸方向における位置を求めた動的形状及び動的位置の同時測定装置を前提として、演算にて求めた複素振幅Ｕ_Ｚにおける複素振幅の実部（＜振幅データ＞×ｃｏｓ＜位相データ＞）の隣接画素の差を求めることにより、動的位置を求める。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、動的形状及び動的位置の同時測定装置に関するものであり、生産技術分野、光応用計測分野でのＭＥＭＳ（マイクロマシン）等の微小構造動的物体の加工精度評価および動作性能評価に利用することができるものである。
【０００２】
【従来の技術】
関連する従来技術として、特開２００２−００５６１９号公報の「干渉測定方法、装置及びその方法またはその装置により測定されたもの」がある。このものは、被測定物の表面形状をナノメータオーダで測定し、かつその位置を測定する方法である。レンズや複数枚のレンズから構成された組レンズ（群レンズ）を被測定物とし、低コヒーレンス光源における物体光路長と参照光路長が一致したときのみ干渉縞が発生するという性質を利用して、参照ミラーを移動させながら参照光の光路長を変化させ、干渉縞が発生するときの参照ミラーの移動量を検出することにより、被測定物のレンズ面間隔、すなわち略照射光学系光軸方向における面の位置を測定する。その方法によると光源のコヒーレンス長とほぼ同じ分解能での測定が可能となるため、コヒーレンス長の短い光源を用いれば高分解能での測定が可能である。
【０００３】
この従来技術（従来技術１）については、測定の際、参照ミラーをメカ的に移動させながら時系列で測定データを収録するため、測定時間がかかるという問題があり、また、動作の高速化を図ることも考えられるが、時系列のデータ収録のため、物体が高速で動く物体である場合、動いている最中での形状を測定することは極めて困難であるという問題がある。
【０００４】
また、特開平１０−２６８７４０号公報の「位相シフトディジタルホログラフィ装置」があり、このものは、被測定物からの反射光と参照光とを干渉させて干渉縞を発生させ、その干渉縞を収録することにより、物体反射光の振幅と位相、すなわち複素振幅を取得する方法である。従来の物体の実像、虚像、０次光像の３つが再生されてしまうというディジタルホログラフィ技術における従来の課題を解決して、実像のみを抽出することをその目的としている。
この従来技術（従来技術２）は、物体反射光の複素振幅を取得するのに複数の干渉縞画像を時系列的に収録する必要があるため、動いている物体、特に非周期的に動いている物体の瞬間での形状を測定することが困難であるという問題がある。
【０００５】
さらに、公知技術ではないが、特願２００２−３４２６８２号明細書の「動的形状及び動的位置の同時測定装置及び同時測定方法」があり、このものは、上記従来技術１、従来技術２の問題を解決するもので、周期的、あるいは非周期的に動いている物体の瞬間での形状と位置を同時に取得することを可能としているものである。
本願の発明は、上記特願２００２−３４２６８２号明細書の先行技術を基礎とするものである。
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−２６８７４０号公報
【特許文献２】特開２００２−００５６１９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとしている課題】
この発明の課題は次のとおりである。
【課題１】（請求項１に対応）
上記先行技術の動的形状及び動的位置の同時測定装置では、動的位置を求めるために、物体反射光の光軸方向における複数位置での物体反射光の振幅データを二次元画像として数値演算により取得し、それらの画像における隣接画素での振幅データの差を計算して物体像のコントラストを定量的に抽出したり、各画素での振幅データの値を抽出したりすることにより、前記光軸方向における物体の位置を測定する。図１は横軸に前記光軸方向の物体位置をとり、縦軸にコントラスト、あるいは振幅の値をとったグラフであるが、前記光軸方向における物体の位置を測定する場合、図１のような前記光軸方向における振幅画像の取得位置の変化に伴うコントラスト、あるいは振幅値の変化を抽出し、そのような変化のピークを検出することにより、前記物体の位置を測定する。すなわち図１のＤを検出することにより物体位置を測定する。
【０００８】
この先行技術については、前記変化のピークが明確に得られないという課題が残されている。図１における符号１はピークが明確な変化を示し、また、符号２はピークが不明確な変化を示している。
画像を収録するときの信号光対ノイズ光の比や撮像手段の感度性能に起因して、図１における符号２で示したようにピークが低くなる場合がある。ピークが低くなると前記Ｄの検出精度が落ちるため、それにより位置測定精度が低下する。
【０００９】
そこで、この発明は、物体反射光の光軸方向における複数位置での物体反射光の二次元振幅画像から前記コントラストを求める演算方法を工夫することにより、そのような明確なピークが得られないという問題を解決することをその課題とするものである。
【００１０】
【課題を解決のために講じた手段】
【解決手段１】（請求項１に対応）
解決手段１は、ほぼ単一波長の光を発生する光源と、光源からの光を物体に照射するための照射光学系と、物体反射光と参照光を干渉させるための干渉光学系と、前記干渉光学系にて生成される干渉縞を撮像し、複数の画素にて構成された受光素子と、前記受光素子の位置で物体像を結像させるための結像光学系と、前記受光素子による単一の干渉縞画像と参照光のみによる画像とから受光素子位置での物体反射光の複素振幅を求めるための演算器１と、受光素子位置での物体反射光の複素振幅Ｕ_Ｏのフレネル回折を計算することにより物体反射光の光軸方向における複数位置での物体反射光の複素振幅Ｕ_Ｚを求める演算器２と、前記複素振幅Ｕ_Ｚから物体の表面形状及び物体の略照射光学系光軸方向における位置を求めるための演算器３とから構成された動的形状及び動的位置の同時測定装置を前提として、
演算にて求めた複素振幅Ｕ_Ｚにおける複素振幅の実部（＜振幅データ＞×ｃｏｓ＜位相データ＞）の隣接画素の差を求めることにより、前記動的位置を求めることである。
【００１１】
【作用】
隣接画素におけるデータの差が大きくなったときが、コントラストが高くなったときであるが、振幅データと位相データを乗ずることにより、隣接画素における振幅データの差と位相データの差を増幅できるため、図１におけるコントラストのピークのＳＮ比を改善することができ、それにより、コントラストピークの検出精度が向上し、位置測定精度を向上させることができる。
【００１２】
【解決手段２】（請求項２に対応）
解決手段２は、ほぼ単一波長の光を発生する光源と、光源からの光を物体に照射するための照射光学系と、物体反射光と参照光を干渉させるための干渉光学系と、前記干渉光学系にて生成される干渉縞を撮像し、複数の画素にて構成された受光素子と、前記受光素子の位置で物体像を結像させるための結像光学系と、前記受光素子による単一の干渉縞画像と参照光のみによる画像とから受光素子位置での物体反射光の複素振幅を求めるための演算器１と、受光素子位置での物体反射光の複素振幅Ｕ_Ｏのフレネル回折を計算することにより物体反射光の光軸方向における複数位置での物体反射光の複素振幅Ｕ_Ｚを求める演算器２と、前記複素振幅Ｕ_Ｚから物体の表面形状及び物体の略照射光学系光軸方向における位置を求めるための演算器３と、から構成された動的形状及び動的位置の同時測定装置を前提として、
演算にて求めた複素振幅Ｕ_Ｚにおける振幅データの二乗の隣接画素の差を求めることにより、前記動的位置を求めることである。
【００１３】
【作用】
隣接画素におけるデータの差が大きくなったときが、コントラストが高くなったときであるが、振幅データの二乗から強度を求めることにより、隣接画素における振幅データの差を増幅できるため、図１におけるコントラストのピークのＳＮ比を改善することができ、それにより、コントラストピークの検出精度が向上し、位置測定精度を向上させることができる。
【００１４】
【実施の形態】
次いで、図面を参照して実施例を説明する。
図２に本発明による装置構成の一例を示す。
図２における符号３は光源の半導体レーザ、符号４は物体への照射光強度を調整するためのＮＤフィルタ、符号５はレーザからの光を拡大するためのビームエキスパンダである。ビームエキスパンダ５にて拡大され、ビームスプリッター６を透過した平行光は被測定物７に照射される。被測定物７は可動物である。半導体レーザ３から出射される光は、アナログ変調、もしくはパルス変調によって、パルス化されており、被測定物の動作速度より十分速い（時間的に短い）パルス幅のパルス光が被測定物に照射される。被測定物７で反射した光は、ビームスプリッター６で反射して、レンズ８を介してＣＣＤカメラ９に到達する。レンズ８に関して被測定物７とＣＣＤカメラ９はほぼ共役な関係（結像関係）になるように被測定物７とレンズ８とＣＣＤカメラ９の相対的な位置が調整されている。
【００１５】
一方、ビームエキスパンダ５にて拡大され、ビームスプリッター６で反射された光は、ＮＤフィルタ１０を通過し、参照ミラー１１で反射される。参照ミラーは、参照ミラーに入射する光の光軸に対するミラー面の傾きを変化させるための機構を有するホルダー１２にて保持されており、ミラー面の傾きを調整可能である。参照ミラー１１にて反射された光は、ＮＤフィルタ１０を行きとは逆向きに通過したのち、ビームスプリッター６を透過して、レンズ８を介してＣＣＤカメラ９に到達する。被測定物７で反射した光は物体光となり、参照ミラー１１で反射した光は参照光となって、両者は干渉して干渉縞を発生し、ＣＣＤカメラ９によって干渉縞が撮像される。撮像された干渉縞画像は、フレームグラバ１３を介してコンピュータ１４に転送され、コンピュータ１４のメモリに記録される。ビームスプリッター６で分岐された後の参照光路と物体光路の長さは、光源の半導体レーザのコヒーレンス長以下になるように設定されている。被測定物に照射する光が連続光の場合、被測定物が動きを伴うと前述の干渉縞は消失したり、コントラストが低下したりして測定が困難になるが、被測定物に照射する光が被測定物の動きに対して十分短いパルス幅のパルス光であれば、ストロボ効果によりコントラストの高い干渉縞が得られる。回転チョッパーにより光源からの連続光をパルス化しても同様の効果が得られる。またＣＣＤカメラのシャッター速度を被測定物の動作速度より十分速くすることによっても、光源からの光をパルス化するのと同様の効果が得られる。その場合は被測定物への照射光は連続光でよい。
【００１６】
被測定物からの反射光がＣＣＤカメラで撮像するのに適した強度になるように、ＮＤフィルタ４により被測定物への照射光強度を調整してあり、また被測定物からの反射光と参照光との干渉により発生する干渉縞のコントラストが高くなるように、ＮＤフィルタ１０により参照光強度が調整されている。干渉縞の縞間隔は、ホルダー１２により参照ミラー面の傾きを変化させることにより調整可能である。
【００１７】
また、この発明では、物体反射光と参照光との間の干渉により発生した干渉縞画像を収録するほかに、参照光のみの画像も収録する。符号１５は参照光のみの画像を取得するために物体からの反射光を遮るための遮光板である。遮光板１５は図の矢印の方向に進退することにより物体反射光を遮光した状態と遮光しない状態を設定する。
【００１８】
図２の構成によって干渉縞画像と参照光のみの画像を収録し、以下の（１）、（２）式を演算することにより、ＣＣＤ位置における物体反射光の複素振幅を得る。（１）、（２）式において、φ_Ｏ、Ａ_ＯはそれぞれＣＣＤ位置での物体反射光の位相と振幅、Ｉｍは虚部、Ｒｅは実部、ｘ，ｙはＣＣＤカメラで取得した画像における座標、Ａ_Ｒは参照光の振幅（画像強度データの平方根）を表す。ｃは（３）式にて表現される変数で、ｂは干渉縞の明暗変化の振幅を表す。位相φを長さ単位に変換することにより、被測定物体の表面形状が得られる。
【００１９】
…（１）式
…（２）式
…（３）式
被測定物の位置を測定するために、物体反射光の光軸方向における複数位置での複素振幅を得るためには、次の（４）式の計算を実行する。
【００２０】
…（４）式
（４）式において、Ｚは光学系光軸方向におけるＣＣＤ面からの距離を表し、当該距離Ｚの値を入力して（４）式を計算することによりＣＣＤ面からＺだけ離れた位置での物体反射光の複素振幅Ｕ_Ｚを求めることができ、それから位相φ_ＺとＡ_Ｚが得られて、それらを用いて画像のコントラストをあらわす定量Ｇ_Ｚを計算する。
【００２１】
…（５）式
…（６）式
…（７）式
Ｇ_Ｚは複素振幅における実部に相当する。
【００２２】
上記距離Ｚの値を変化させながら、物体反射光の光軸方向における複数の定量Ｇ_Ｚの二次元分布（画像）を取得し、画像のコントラストを求めるために、例えば各画像の隣接画素の差を演算する。物体のテクスチャー画素（エッジやマークなどの模様のある画素）における隣接画素の差の値に着目すると、図１に示したような変化が得られるため、そのピークの位置Ｄを検出して、（８）式を計算することにより物体の位置ｄを求めることができる。Ｍは光学系の倍率で、倍率が大きくなるほど、位置測定の分解能が上がる。
…（８）式
【００２３】
次いで、上記実施例におけるコントラスト（上記定量Ｇ_Ｚに相当）を求める別の方法について説明する。
この方法では、（９）式によって定量Ｈ_Ｚを求める。
…（９）式
なお、Ｈ_Ｚは画像強度に相当する。
Ｈ_Ｚを求めることにより、振幅分布の隣接画素差分より高い感度でピークが得られる。
【００２４】
【発明の効果】
この発明の効果は次のとおりである。
〔請求項１に係る発明の効果〕
コントラスト変化のピークが明確に得られずに物体位置の測定精度が低下するという課題に対して、計算で求められる物体反射光の振幅と位相の両者を用いて複素振幅の実部を求め、それを用いてコントラストを求める。複素振幅の再生では振幅像と位相像が得られるが、上記距離Ｚを変化させながら（４）式を計算すると物体の振幅像、位相像の合焦状態がともに変化する。従来は振幅像のみからコントラストを計算して合焦状態を検出していたが、振幅像、位相像の両方からコントラストを計算すると、より感度のよい合焦状態の変化に伴うコントラスト変化が得られる。それにより物体反射光の光軸方向における位置の変化に伴うコントラスト変化に明確なピークが得られるようになり、物体の位置測定精度が向上する。
【００２５】
〔請求項２に係る発明の効果〕
コントラスト変化のピークが明確に得られずに物体位置の測定精度が低下するという課題に対して、計算で求められる物体反射光の振幅の二乗を計算して、それを用いてコントラストを求める。それにより物体反射光の光軸方向における位置の変化に伴うコントラスト変化に明確なピークが得られるようになり、物体の位置測定精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】は、物体反射光の光軸方向における位置の変化に伴うコントラスト変化の様子を説明する図である。
【図２】は、本発明による測定装置の概略を説明する図である。
【符号の説明】
３：光源（半導体レーザー光源）
４：ＮＤフィルタ
５：ビームエキスパンダ
６：ビームスプリッター
７：被測定物
８：レンズ
９：ＣＣＤカメラ
１０：ＮＤフィルタ
１１：参照ミラー
１２：ホルダー
１３：フレームグラバ
１４：コンピュータ
１５：遮光板

Claims

ほぼ単一波長の光を発生する光源と、該光源からの光を物体に照射するための照射光学系と、物体反射光と参照光を干渉させるための干渉光学系と、前記干渉光学系にて生成される干渉縞を撮像し、複数の画素にて構成された受光素子と、前記受光素子の位置で物体像を結像させるための結像光学系と、前記受光素子による単一の干渉縞画像と参照光のみによる画像とから受光素子位置での物体反射光の複素振幅を求めるための演算器１と、受光素子位置での物体反射光の複素振幅Ｕ_Ｏのフレネル回折を計算することにより物体反射光の光軸方向における複数位置での物体反射光の複素振幅Ｕ_Ｚを求める演算器２と、前記Ｕ_Ｚから物体の表面形状及び物体の略照射光学系光軸方向における位置を求めるための演算器３とから構成された動的形状及び動的位置の同時測定装置において、
演算にて求めた複素振幅Ｕ_Ｚにおける複素振幅の実部（＜振幅データ＞×ｃｏｓ＜位相データ＞）の隣接画素の差を求めることにより、前記動的位置を求めることを特徴とする動的形状及び動的位置の同時測定装置。
ほぼ単一波長の光を発生する光源と、光源からの光を物体に照射するための照射光学系と、物体反射光と参照光を干渉させるための干渉光学系と、前記干渉光学系にて生成される干渉縞を撮像し、複数の画素にて構成された受光素子と、前記受光素子の位置で物体像を結像させるための結像光学系と、前記受光素子による単一の干渉縞画像と参照光のみによる画像とから受光素子位置での物体反射光の複素振幅を求めるための演算器１と、受光素子位置での物体反射光の複素振幅Ｕ_Ｏのフレネル回折を計算することにより物体反射光の光軸方向における複数位置での物体反射光の複素振幅Ｕ_Ｚを求める演算器２と、前記複素振幅Ｕ_Ｚから物体の表面形状及び物体の略照射光学系光軸方向における位置を求めるための演算器３とから構成された動的形状及び動的位置の同時測定装置において、
演算にて求めた複素振幅Ｕ_Ｚにおける振幅データの二乗の隣接画素の差を求めることにより、前記動的位置を求めることを特徴とする動的形状及び動的位置の同時測定装置。