JP2006329807A

JP2006329807A - 画像処理方法およびこれを用いた装置

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Publication number: JP2006329807A
Application number: JP2005153638A
Authority: JP
Inventors: Katsuichi Kitagawa; 克一北川; Kazuyoshi Suzuki; 一嘉鈴木; Masafumi Otsuki; 真左文大槻
Original assignee: Toray Engineering Co Ltd
Current assignee: Toray Engineering Co Ltd
Priority date: 2005-05-26
Filing date: 2005-05-26
Publication date: 2006-12-07

Abstract

【課題】干渉縞を除去した鮮明な画像データを取得することのできる画像処理方法およびこれを用いた装置を提供する。
【解決手段】測定対象面３０と参照面１５から反射して戻る両反射光の位相差を位相差算出部２６で理論演算により求め、当該位相差を有する反射光を利用して所定のサンプリング間隔で取得した画像データの画素ごとに、光の強度値を補正する補正係数を求めるとともに、実撮像により取得した画像データ上の画素ごとの光の実強度値群に補正係数を反映させた強度値を補正処理部２８で求める。この補正後の強度値に基づいて、画像データ作成部２８が画像データを作成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回路基板や半導体ウエハなどのワーク表面の画像データを作成する画像処理方法およびこれを用いた装置に係り、特に、ワークと参照面とに光を照射しながらワークと参照面との距離を変動させることにより、ワークと参照面から反射して同一光路を戻る反射光によって干渉縞の変化を生じさせ、このときの光の強度に基づいてワーク表面の画像データを作成する技術に関する。

従来、この種の装置として、例えば、半導体ウエハや液晶表示器用ガラス基板などの精密加工品の凹凸形状を白色光などの光の干渉を用いて測定する表面形状測定装置などに利用されていることが広く知られている。

具体的には、図６に示すように、白色光源９０からの白色光を第１レンズ９１を通してハーフミラー９２まで導き、ハーフミラー９２で反射された白色光を第２レンズ９３によって集束して、その白色光をビームスプリッタ９５を介して測定対象面９６上に照射するように構成された干渉計を備えている。

干渉計のビームスプリッタ９５では、測定対象面９６に照射する白色光と、参照面９４に照射する白色光とに分ける。参照面９４に照射される白色光は、参照面９４の反射部９４ａで反射して、ビームスプリッタ９５に再び達する。一方、ビームスプリッタ９５を通過した白色光は、測定対象面９６上で反射してビームスプリッタ９５に再び達する。ビームスプリッタ９５は、参照面９４で反射した白色光と、測定対象面９６で反射した白色光とを再び同一の経路にまとめる。このとき、参照面９４からビームスプリッタ９５までの距離Ｌ₁と、ビームスプリッタ９５から測定対象面９６までの距離Ｌ₂との距離の差に応じた干渉現象が発生する。その干渉現象が発生した白色光は、ハーフミラー９２を通過してＣＣＤカメラ９８に入射する。

ＣＣＤカメラ９８は、その干渉現象が発生した白色光とともに、測定対象面９６を撮像する。ここで、図示しない変動手段によって、ビームスプリッタ９５側のユニットを上下に変動させて、距離Ｌ₁と距離Ｌ₂との差を変化させることで、ＣＣＤカメラ９８に入射する白色光が強め合ったり、弱め合ったりする。例えば、ＣＣＤカメラ９８で撮像される領域内の測定対象面９６上の特定箇所に着目した場合に、距離Ｌ₂＜距離Ｌ₁から距離Ｌ₂＞距離Ｌ₁になるまで、ビームスプリッタ９５の位置を変動させる。これにより、特定箇所における干渉した白色光（以下、単に「干渉光」と呼ぶ）の強度を測定する。同様にして、複数の特定箇所の干渉光の強度値を測定し、その分布に基づいて測定対象面の凹凸形状を測定している（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−０６６１２２号公報

しかしながら、従来の装置は、次のような問題がある。

すなわち、故意に発生させる干渉現象がＣＣＤカメラで撮像された画像に縞模様として映り込み、測定対象面の回路パターンなどの輪郭が精度よく得られない。換言すれば、特定の測定対象面の画像を認識できず、測定領域の位置決めを正確にできない。したがって、特定の測定対象領域の凹凸形状を精度よく測定することができないといった問題がある。

この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、干渉現象を積極的に利用しつつ鮮明な画像データを得ることのできる画像処理方法およびこれを用いた装置を提供することを主たる目的とする。

この発明は、上記目的を達成するために次のような構成をとる。

第１の発明は、光源から測定対象物の測定対象面と参照面とに光を照射しながら測定対象面と参照面との距離を変動させることにより、測定対象面と参照面から反射して同一光路を戻る反射光によって干渉縞の変化を生じさせ、このときの干渉縞の光の強度に基づいて測定対象面の形状を測定する過程で、測定対象面の画像データを得る画像処理方法において、
前記測定対象面と参照面とに照射された光が反射して同一光路に戻ってまとめられるまでの間の各光路上にある媒質、および測定対象面と参照面との距離の変動による光路差を求めるとともに、その光路差から位相差を求める位相差算出過程と、
前記測定対象面と参照面との距離を変動させながら所定のサンプリング間隔で測定対象面を撮像手段により撮像したと仮定し、前記位相差に基づいて理論演算により画像データから同一箇所の画素ごとの光の強度値群を求め、当該強度値群の干渉信号成分を補正する補正係数を算出する補正係数算出過程と、
前記光源から光の照射された前記測定対象面と参照面との距離を変動させながら、測定対象面を撮像手段により所定のサンプリング間隔で連続的に実撮像して画像データを取得する画像データ取得過程と、
前記実撮像により取得した複数枚分の画像データから同一箇所の画素ごとの光の実強度値群を求め、当該実強度値群に前記補正係数を反映させる補正過程と、
補正された前記画素ごとの光の強度値を利用して前記測定対象面の画像データを作成する画像データ作成過程と、
を備えたことを特徴とする。

（作用・効果）この方法によれば、位相差算出過程は、測定対象面と参照面とに照射された光が反射して同一光路に戻りまとめられるまでの間の各光路上にある媒質、および測定対象面と参照面との距離の変動による光路差を求めるとともに、その光路差から位相差を求める。補正係数算出過程は、測定対象面と参照面との距離を変動させながら所定のサンプリング間隔で測定対象面を撮像手段により撮像したと仮定し、位相差に基づいて理論演算により画像データから同一箇所の画素ごとの光の強度値群を求め、当該強度値群の干渉信号成分を補正する補正係数を算出する。画像データ取得過程は、光源から光の照射された測定対象面と参照面との距離を変動させながら、測定対象面を撮像手段により所定のサンプリング間隔で連続的に実撮像して画像データを取得する。補正過程は、実撮像により取得した複数枚分の画像データから同一箇所の画素ごとの光の実強度値群を求め、当該実強度値群に補正係数を反映させる。画像データ作成過程は、補正された画素ごとの光の強度値を利用して前記測定対象面の画像データを作成する。

すなわち、連続的な実撮像して取得した画像データの画素ごとの光実強度値群が予め演算により求められた理論強度値群を利用して求めた補正係数によって補正される。つまり、干渉縞成分を含む実強度値群が適正化される。その結果、画像データ上から干渉縞成分が除去されて、回路パターンなどの輪郭を鮮明に表す画像データを得ることができる。

なお、媒質としては、例えば、空気や光透過性のある光学ガラスなどがあげられる。これら媒質は、材料によって光の屈折率が容易に求められるので、両反射光の位相差を求めるのに適している。

第４の発明は、測定対象物の測定対象面と参照面とに光を照射しながら、測定象面と参照面との距離を変動させることにより、測定対象物と参照面から反射して同一光路を戻る反射光によって干渉縞の変化を生じさせ、このときの干渉縞の光の強度に基づいて測定対象面の形状を測定する過程で、測定対象面の画像データを得る画像処理装置であって、
前記測定対象面と参照面とに光を照射する光源と、
前記測定対象面と参照面とに照射された光が反射して同一光路に戻ってまとめられるまでの間の各光路上にある媒質と、
前記測定対象面と参照面との距離を変動させる変動手段と、
前記光が照射された測定対象面と参照面との距離の変動に伴って測定対象面と参照面から反射して同一光路を戻る反射光によって干渉縞を生じさせるとともに、測定対象面を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段による測定対象面の撮像を所定の時間間隔で行なわせ、取得した画像データから画素ごとの光の実強度値を取り込むサンプリング手段と、
前記サンプリング手段によって取り込んだ実強度値を記憶する記憶手段と、
前記各光路上にある媒質および測定対象面と参照面との距離の変動による光路差を求めるとともに、その光路差から位相差を求める位相差算出手段と、
前記測定対象面と参照面との距離を変動させながら所定のサンプリング間隔で測定対象面を撮像手段により撮像したと仮定し、前記位相差に基づいて理論演算により画像データから同一箇所の画素ごとの光の強度値群を求め、当該強度値群の干渉信号成分を補正する補正係数を算出するとともに、撮像手段により実撮像して取得した複数枚分の画像データから同一箇所の画素ごとの光の実強度値群を求め、当該実強度値群に補正係数を反映させる補正手段と、
前記補正手段により求めた補正後の各画素の強度値に基づいて画像データを作成する画像データ作成手段と、
を備えたことを特徴とする。

（作用・効果）第４の発明によると、光源は、測定対象面と参照面とに光を照射する。媒質は、測定対象面と参照面とに照射された光が反射して戻り、同一光路にまとめられるまでの間の各光路上にある。変動手段は、測定対象面と参照面との距離を変動させる。撮像手段は、光が照射された測定対象面と参照面との距離の変動に伴って測定対象面と参照面から反射して同一光路を戻る反射光によって干渉縞を生じさせるとともに、測定対象面を撮像する。サンプリング手段は、撮像手段による測定対象面の撮像を所定の時間間隔で行なわせ、取得した画像データから画素ごとの光の実強度値を取り込む。記憶手段は、サンプリング手段によって取り込んだ実強度値を記憶する。位相差算出手段は、各光路上にある媒質および測定対象面と参照面との距離の変動による光路差を求めるとともに、その光路差から位相差を求める。補正手段は、測定対象面と参照面との距離を変動させながら所定のサンプリング間隔で測定対象面を撮像手段により撮像したと仮定し、前記位相差に基づいて理論演算により画像データから同一箇所の画素ごとの光の強度値群を求め、当該強度値群の干渉信号成分を補正する補正係数を算出するとともに、撮像手段により実撮像して取得した複数枚分の画像データから同一箇所の画素ごとの光の実強度値群を求め、当該実強度値群に補正係数を反映させる。画像データ作成手段は、補正手段により求めた補正後の各画素の強度値に基づいて画像データを作成する。

すなわち、サンプリング手段によって取得した複数枚分の画像データの画素ごとの光の実強度値群に、理論演算により求めた補正係数を反映させることにより、干渉縞成分を除去した適正な画素ごとの光の強度値が求められる。これら補正後の全ての強度値を利用することにより干渉縞成分が除去され、回路パターンなどの輪郭が鮮明となる画像データを得ることができる。つまり、第１の発明方法を好適に実現することができる。

第５の発明は、第４の発明において、前記媒質は、屈折率の異なる複数個の透過物であり、さらに、複数個の前記透過物の組み合わせを切り換える切換手段を備えたことを特徴とすることを特徴とする。

（作用・効果）第５の発明によると、媒質である複数個の透過物の組み合わせを切り換える切換手段とを含むことが好ましい。

この構成によれば、媒質を複数個の透過物にすることで、測定対象面と参照面とで反射する両反射光の光路差を容易に変更することができる。

第６の発明は、第４の発明において、前記媒質は、空気であり、
さらに、前記空気を密閉した透明容器と、
前記透明容器内の空気を加熱する加熱手段と、
前記透明容器内の空気を冷却する冷却手段と、
前記加熱手段と冷却手段を操作して、前記透明容器内の空気の温度を調節する温度調節手段と、
を備えたことを特徴とする。

（作用・効果）この構成によれば、媒質である空気を密閉した透明容器と、透明容器内の空気を加熱する加熱手段と、透明容器内の空気を冷却する冷却手段と、加熱手段と冷却手段を操作して、透明容器内の空気の温度を調節する温度調節手段とを備えることが好ましい。

この発明に係る画像処理方法およびこれを用いた装置は、干渉現象を積極的に利用しつつも、この干渉現象によって発生する画像データ上の縞模様を除去し、鮮明な画像データを得ることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。なお、本実施例では、表面が透明膜で被覆された基板の膜厚やその形状を、干渉縞を利用して測定する表面形状測定装置を例に採って説明する。つまり、この装置の場合は、測定対象物から特定の測定対象面の位置を決めるときに、予め測定対象面の画像データを作成し、その画像データに基づいて、測定対象面の位置を特定して測定を開始するものである。以下、具体的に説明する。

図１は、本発明の実施例に係る表面形状測定装置の概略構成を示す図である。

この表面形状測定装置は、半導体ウエハ、ガラス基板や金属基板などの測定対象物３０の表面を覆った透明膜３１および透明膜３１の裏面側と接合している測定対象物３０に形成された微細なパターンに、特定波長帯域の光を照射する光学系ユニット１と、光学系ユニット１を制御する制御系ユニット２とを備えて構成されている。

光学系ユニット１は、透明膜３１で覆われた測定対象面３０、および参照面１５に照射する光を発生させるための光源である白色光源１０と、白色光源１０から白色光を平行光にするコリメートレンズ１１と、特定周波数帯域の光だけを通過させるバンドパスフィルタ１２と、バンドパスフィルタ１２を通過した光を測定対象物３０の方向に反射する一方、測定対象物３０の方向からの光を通過させるハーフミラー１３と、ハーフミラー１３で反射されてきた単色光を集光する対物レンズ１４と、対物レンズ１４を通過してきた単色光を、参照面１５へ反射させる参照光と、透明膜３１で覆われた測定対象面３０へ通過させる測定光とに分けるとともに、参照面１５で反射してきた参照光と測定対象面３０Ａ、３１Ａで反射してきた測定光とを再びまとめて、干渉縞を発生させるビームスプリッタ１７と、参照面１５で参照光を反射させるために設けられたミラー１６と、参照光と測定光とがまとめられた単色光を結像する結像レンズ１８と、干渉縞とともに測定対象面３０を撮像するＣＣＤカメラ１９とを備えて構成されている。なお、ＣＣＤカメラ１９は、本発明の撮像手段に相当する。

白色光源１０は、例えば白色光ランプなどであり、比較的広い周波数帯域の白色光を発生させる。この白色光源１０から発生された白色光は、バンドパスフィルタ１２によって特定周波数帯域の光となり、この光はコリメートレンズ１１によって平行光とされ、ハーフミラー１３に向けて出力される。

ハーフミラー１３は、コリメータレンズ１１からの平行光を測定対象物３０の方向に向けて反射する一方、測定対象物３０の方向から戻ってきた光を通過させるものである。このハーフミラー１３で反射された特定周波数帯域の光は、対物レンズ１４に入射する。

対物レンズ１４は、入射してきた光を焦点Ｂに向けて集光するレンズである。この対物レンズ１４によって集光される光は、参照面１５を通過し、ビームスプリッタ１７に到達する。

ビームスプリッタ１７は、対物レンズ１４で集光される光を、参照面１５で反射させるために、ビームスプリッタ１７の例えば上面で反射させる参照光、透明膜３１および測定対象面３０で反射させるために、ビームスプリッタ１７を通過させる測定光とに分ける。また、それら参照光と測定光とを再びまとめることによって、干渉縞を発生させるものである。ビームスプリッタ１７に達した光は、ビームスプリッタ１７の上面で反射された参照光と、ビームスプリッタ１７を通過する測定光とに分けられ、その参照光は参照面１５に達し、その測定光は透明膜３１で覆われた測定対象物３０の透明膜３１の表面、および透明膜の裏面と接合した測定対象物３０の表面である測定対象面３０Ａに達する。

参照面１５には、参照光をビームスプリッタ１７の方向に反射させるためのミラー１６が取り付けられており、このミラー１６によって反射された参照光は、ビームスプリッタ１７に達し、さらに、この参照光はビームスプリッタ１７によって反射される。

ビームスプリッタ１７を通過した測定光は、焦点Ｂに向けて集光され、測定対象面３０Ａおよび透明膜３１の表面３１Ａ上で反射する。この反射した２つの測定光は、ビームスプリッタ１７に達して、そのビームスプリッタ１７を通過する。

ビームスプリッタ１７は、参照光と測定光とを再びまとめる。このとき、参照面１５とビームスプリッタ１７との間の距離Ｌ₁と、ビームスプリッタ１７と測定対象面３０Ａおよび透明膜の表面３１Ａとの間の距離Ｌ₂との、距離の違いによって光路差が生じる。この光路差に応じて、参照光と測定光とは干渉し合うことで、干渉縞が生じる。この干渉縞が生じた状態の光は、ハーフミラー１３を通過し、結像レンズ１８によって結像されて、ＣＣＤカメラ１９に入射する。

ＣＣＤカメラ１９は、干渉縞が生じた状態の光とともに、測定光によって映し出される測定対象面３０Ａおよび透明膜表面３１Ａの焦点Ｂ付近の画像を撮像する。この撮像した画像データは、制御系ユニット２によって収集される。また、後述で明らかになるが、本願発明の変動手段に相当する制御系ユニット２の駆動部２４によって、例えば光学系ユニット１が上下左右に変動される。特に、光学系ユニット１が上下方向に駆動されることによって、距離Ｌ₁と距離Ｌ₂との距離が変動される。これにより、距離Ｌ₁と距離Ｌ₂との距離の差に応じて、干渉縞が徐々に変化する。ＣＣＤカメラ１９によって、後述する所定のサンプリング間隔ごとに、干渉縞の変化とともに測定対象面３０Ａと透明膜表面３１Ａを含む画像が撮像され、その画像データが制御系ユニット２によって収集される。

制御系ユニット２は、表面形状測定装置の全体を統括的に制御や、所定の演算処理を行うためのＣＰＵ２０と、ＣＰＵ２０によって逐次収集された画像データやＣＰＵ２０での演算結果などの各種のデータやプログラムを記憶するメモリ２１と、サンプリング間隔やその他の設定情報を入力するマウスやキーボードなどの入力部２２と、測定対象面３０Ａの画像などを表示するモニタ２３と、ＣＰＵ２０の指示に応じて光学系ユニット１を上下左右に駆動する例えば３軸駆動型のサーボモータなどの駆動機構で構成される駆動部２４とを備えるコンピュータシステムで構成されている。なお、ＣＰＵ２０は、本発明における位相差決定手段、サンプリング手段、および画像データ作成手段に、メモリ２１は本発明における記憶手段に、駆動部２５は本発明における変動手段にそれぞれ相当する。

ＣＰＵ２０は、いわゆる中央処理装置であって、ＣＣＤカメラ１９、メモリ２１及び駆動部２４を制御するとともに、ＣＣＤカメラ１９で撮像した干渉縞を含む測定対象面３１Ａの画像データに基づいて、測定対象物３０の特定箇所の表面高さ、および透明膜３１の膜厚Ｄとを求める演算処理を行う。この処理については後で詳細に説明する。さらに、ＣＰＵ２０には、モニタ２３と、キーボードやマウスなどの入力部２２とが接続されており、操作者は、モニタ２３に表示される操作画面を観察しながら、入力部２２から各種の設定情報の入力を行う。また、モニタ２３には、測定対象面３０Ａの表面画像や凹凸形状などが数値や画像として表示される。

駆動部２４は、光学系ユニット１内の参照面１５とビームスプリッタ１７との間の固定された距離Ｌ₁と、ビームスプリッタ１７と測定対象面３０Ａとの間の可変の距離Ｌ₂との距離の差を変化させるために、光学系ユニット１を直交３軸方向に変動させる装置であり、ＣＰＵ２０からの指示によって光学系ユニット１をｘ，ｙ，ｚ軸方向に駆動する例えば３軸駆動型のサーボモータを備える駆動機構で構成されている。なお、駆動部２４は、本発明における変動手段に相当し、本発明における相対的距離とは、参照面１５から測定対象面３０Ａまでの距離すなわち距離Ｌ₁および距離Ｌ₂を示す。本実施例では、光学系ユニット１を動作させるが、例えば測定対象物３０が載置される図示していないテーブルを直交３軸方向に変動させるようにしてもよい。

以下、本実施例の特徴部分である表面形状測定装置全体で行なわれる処理を図２に示すフローチャートに従って説明する。

測定対象物３０の特定の測定対象面３０Ａの凹凸形状を求める前に、この特定の測定対象面の位置を決めてアライメントする必要がある。そこでＣＰＵ２０は、測定対象面３０Ａの位置決めを行なうために必要な画像データを作成する演算処理を行なう。この演算処理を実現するために、ＣＰＵ２０は、図１に示すように、位相差算出部２６、補正処理部２７、および画像データ作成部２８を含む。以下、本実施例の処理を通じて各部の構成を具体的に説明する。なお、理論位相差算出部２６は、本発明の位相差算出手段に、補正処理部２７は、本発明の補正手段に、画像データ作成部２８は、本発明の画像データ作成手段に、それぞれ相当する。

ＣＰＵ２０の位相差算出部２６は、ビームスプリッタ１３で分けられた測定光を、測定対象面３０と参照面１５のそれぞれで反射し、同一光路を戻る２つの反射光の理論位相の差を演算により求める。両反射光の理論位相の差は、本実施例の場合、距離Ｌ₁および距離Ｌ₂の間に存在する媒質である空気の屈折率と各距離Ｌ₁、Ｌ₂によって決まる。したがって、次式（１）によって両反射光の理論位相の差Ｐは求まる。

Ｐ＝[(２π／λ)(ｎ₁Ｌ₁−ｎ₂Ｌ₂)] … （１）

ここで、λは反射光の波長、ｎ₁は距離Ｌ₁の間に存在する空気の屈折率、ｎ₂は距離Ｌ₂の間に存在する空気の屈折率である。

なお、ステップＳ１は、本発明の位相差算出過程に相当する。

両反射光の位相の差が求まると、補正処理部２７は、例えば、所定のサンプリング間隔で特定の測定対象物３０を撮像して取得した複数枚分に相当する画像データからＣＣＤカメラ１９の画素ごとの光の強度値群（理論強度値群）を理論演算により求める。例えば、所定のサンプリング間隔で取得した特定の画素の理論強度値は、図３に示すように、正弦波上Ｃに分布する。この理論強度値群の干渉信号成分がゼロとなると仮定した実線Ａで示す一定の強度値となるように、理論強度値群の補正係数ａ_kを次式（２）により求める（ステップＳ２）。

Σａ_k・cos(Ｐ_k)＝０ … （２）

なお、ｋはビームスプリッタ９５から測定対象面９６までの距離Ｌ₂を変化させながらＣＣＤカメラ１９で特定の測定対象物３０の画像を撮像するサンプリング回数を示す。

このステップＳ２は、本発明の補正係数算出過程に相当する。

補正係数ａ_kが求まるとＣＰＵ２０は、予め所定の測定場所に移動された光学系ユニット１をｚ軸方向に移動を開始させるための変動開始の指示を駆動部２４に与える。駆動部２４は図示しないステッピングモータなどの駆動系を駆動して、光学系ユニット１をｚ軸方向に予め決められた距離だけ移動させる、これにより、参照面１５と測定対象物３０との距離が変動される。

つまり、ＣＰＵ２０は、光学系ユニット１が、例えば光の波数λの１／８のサンプリング間隔だけ移動するたびに、ＣＣＤカメラ１９で撮像される干渉縞を含む測定対象物３０の画像データを収集してメモリ２１に順次に記憶する。光学系ユニット１が予め決められた距離だけ移動することで、メモリ２１には光学系ユニット１の移動距離およびサンプリング間隔によって決まる複数枚の画像データが記憶される（ステップＳ３）。なお、ステップＳ３は、本発明の画像データ取得過程に相当する。

補正処理部２７は、撮像してメモリ２１に記憶した複数枚分の画像データから同一箇所の画素の光の実強度値群をメモリ２１から読み出し、画素単位で光の強度値を補正した補正強度値Ｉ’を次式（３）を利用して求める（ステップＳ４）。

Ｉ'＝Σ(ａ_k・I_k)／Σ(ａ_k) … （３）

このステップＳ４は、本発明の補正過程に相当する。

取得した画像データの全ての画素ごとに補正強度値Ｉ'が求まると、画像データ処理部２８は、補正強度値Ｉ'に基づいて輝度補正した測定対象面３０Ａの画像データを作成する。（ステップＳ５）。この時点で、測定対象面３０Ａの画像データから干渉縞によって発生する縞模様の映り込みが補正により去された画像データが得られる。なお、ステップＳ５は、本発明の画像データ作成過程に相当する。

補正後の画像データがモニタ２３に表示されるのをオペレータが観察しながら、例えば、図４に示す実線で囲った部分Ｈを測定対象物３０Ａの高さを測定したい複数の特定箇所として入力部２２から入力する。ＣＰＵ２０は、入力された複数の特定箇所を把握して、図５に示すように、アライメントマークＲが測定対象物３０を撮像した画像上の複数の特定箇所に位置合わせを行なう（ステップＳ６）。

アライメント後に、特定箇所に相当する画素の濃度値、すなわち、特定箇所における干渉光の強度値を複数枚の画像データからそれぞれ取り込む。これにより、各特定箇所における複数個の強度値（干渉光強度値群）が得られる（ステップＳ７）。

ＣＰＵ２０は、例えば、位相シフト法により特定箇所における複数個の強度値を利用して実測により求める干渉縞波形の直流成分、正弦成分の振幅、および余弦成分の振幅を導出し、所定のアルゴリズムを利用して特定の測定対象面の凹凸形状を求める（ステップＳ８）。以上で、一連の処理が終了する。

以上のように、測定対象面３０Ａの特定箇所を撮像する前に、干渉縞の変化に伴って測定対象面３０Ａの画像データの画素ごとにバラつく光の強度値を、演算により求めた２つの反射光の位相差と、この位相差により変化する光の理論強度値群を利用して補正する補正係数を求め、この補正係数を利用して実際の測定対象面３０Ａの撮像した画像データの画素ごとの実強度値群に補正係数を反映させることにより、干渉縞成分（干渉信号成分）を除去した鮮明な画像データが得られる。この画像データを参照することにより、凹凸形状を測定したい特定箇所を精度よく特定してアライメントすることができる。

本発明は上述した実施例のものに限らず、次のように変形実施することもできる。

（１）上記実施例では、位相の差は距離Ｌ₁と距離Ｌ₂の間に存在する屈折率の既知の空気と両距離の変化によって決定していたが、この空気を積極的に加熱または冷却して屈折率を任意に設定変更して位相の差を調節してもよい。

この場合、距離Ｌ₁と距離Ｌ₂の間の少なくともいずれかに、透明容器または透明チューブなどに密閉した空気を配備し、これら容器類をヒータや電熱素子などの加熱手段で加熱したり、冷却素子や冷却水を容器周りに循環させる冷却手段により冷却したりする構成にすればよい。

また、空気は、その温度によって屈折率が容易に求まるので、空気温度と屈折率の相関データを制御系ユニット２のメモリ２１に予め記憶し、適時にその値をＣＰＵ２０が読み取り、加熱手段および冷却手段を操作して空気温度を調節させればよい。

さらに別例として、距離Ｌ₁と距離Ｌ₂の間の少なくともいずれかに、ガラス板やプリズムのような透明物を積極的に挿入して屈折率を任意に設定変更して位相の差を調節してもよい。これら変形例を実施しても上記実施例と同様の効果を得ることができる。

（２）上記実施例では、白色光源からの白色光を利用したが、白色光に限定されることなく単色など種々の光源を利用することができる。

（３）上記実施例では、撮像手段としてＣＣＤカメラ１９を用いたが、例えば、特定箇所の干渉縞の強度値のみを撮像（検出）することに鑑みれば、一列または平面状に構成された受光素子などによって撮像手段を構成することもできる。

（４）上記実施例では、透明膜で覆われた測定対象物を例にとって説明したが、透明膜で覆われていないワークであってもよい。

本実施例に係る表面形状測定装置の概略構成を示す図である。表面形状測定装置における処理を示すフローチャートある。画像データにおける特定画素の光の強度値のバラツキを示す図である。特定の測定対象面のアライメント動作を示す図である。特定の測定対象面のアライメント動作を示す図である。従来の表面形状測定装置の概略構成を示す図である。

符号の説明

１ … 光学系ユニット
２ … 制御系ユニット
１０ … 白色光源
１３ … ハーフミラー
１４ … 対物レンズ
１５ … 参照面
１６ … ミラー
１７ … ビームスプリッタ
１８ … 結像レンズ
１９ … ＣＣＤカメラ
２０ … ＣＰＵ
２１ … メモリ
２４ … 駆動部
２６ … 位相差算出部
２７ … 補正処理部
２８ … 画像データ作成部
３０ … 測定対象物
３０Ａ… 測定対象面

Claims

光源から測定対象物の測定対象面と参照面とに光を照射しながら測定対象面と参照面との距離を変動させることにより、測定対象面と参照面から反射して同一光路を戻る反射光によって干渉縞の変化を生じさせ、このときの干渉縞の光の強度に基づいて測定対象面の形状を測定する過程で、測定対象面の画像データを得る画像処理方法において、
前記測定対象面と参照面とに照射された光が反射して同一光路に戻ってまとめられるまでの間の各光路上にある媒質、および測定対象面と参照面との距離の変動による光路差を求めるとともに、その光路差から位相差を求める位相差算出過程と、
前記測定対象面と参照面との距離を変動させながら所定のサンプリング間隔で測定対象面を撮像手段により撮像したと仮定し、前記位相差に基づいて理論演算により画像データから同一箇所の画素ごとの光の強度値群を求め、当該強度値群の干渉信号成分を補正する補正係数を算出する補正係数算出過程と、
前記光源から光の照射された前記測定対象面と参照面との距離を変動させながら、測定対象面を撮像手段により所定のサンプリング間隔で連続的に実撮像して画像データを取得する画像データ取得過程と、
前記実撮像により取得した複数枚分の画像データから同一箇所の画素ごとの光の実強度値群を求め、当該実強度値群に前記補正係数を反映させる補正過程と、
補正された前記画素ごとの光の強度値を利用して前記測定対象面の画像データを作成する画像データ作成過程と、
を備えたことを特徴とする画像処理方法。
請求項１に記載の画像処理方法において、
前記両反射光の光路上の媒質は、空気である
ことを特徴とする画像処理方法。
請求項１に記載の画像処理方法において、
前記両反射光の光路上の媒質は、透過性物質である
ことを特徴とする画像処理方法。
測定対象物の測定対象面と参照面とに光を照射しながら、測定象面と参照面との距離を変動させることにより、測定対象物と参照面から反射して同一光路を戻る反射光によって干渉縞の変化を生じさせ、このときの干渉縞の光の強度に基づいて測定対象面の形状を測定する過程で、測定対象面の画像データを得る画像処理装置であって、
前記測定対象面と参照面とに光を照射する光源と、
前記測定対象面と参照面とに照射された光が反射して同一光路に戻ってまとめられるまでの間の各光路上にある媒質と、
前記測定対象面と参照面との距離を変動させる変動手段と、
前記光が照射された測定対象面と参照面との距離の変動に伴って測定対象面と参照面から反射して同一光路を戻る反射光によって干渉縞を生じさせるとともに、測定対象面を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段による測定対象面の撮像を所定の時間間隔で行なわせ、取得した画像データから画素ごとの光の実強度値を取り込むサンプリング手段と、
前記サンプリング手段によって取り込んだ実強度値を記憶する記憶手段と、
前記各光路上にある媒質および測定対象面と参照面との距離の変動による光路差を求めるとともに、その光路差から位相差を求める位相差算出手段と、
前記測定対象面と参照面との距離を変動させながら所定のサンプリング間隔で測定対象面を撮像手段により撮像したと仮定し、前記位相差に基づいて理論演算により画像データから同一箇所の画素ごとの光の強度値群を求め、当該強度値群の干渉信号成分を補正する補正係数を算出するとともに、撮像手段により実撮像して取得した複数枚分の画像データから同一箇所の画素ごとの光の実強度値群を求め、当該実強度値群に補正係数を反映させる補正手段と、
前記補正手段により求めた補正後の各画素の強度値に基づいて画像データを作成する画像データ作成手段と、
を備えたことを特徴とする画像処理装置。
請求項４に記載の画像処理装置において、
前記媒質は、屈折率の異なる複数個の透過物であり、
さらに、複数個の前記透過物の組み合わせを切り換える切換手段を備えたことを特徴とする画像処理装置。
請求項４に記載の画像処理装置において、
前記媒質は、空気であり、
さらに、前記空気を密閉した透明容器と、
前記透明容器内の空気を加熱する加熱手段と、
前記透明容器内の空気を冷却する冷却手段と、
前記加熱手段と冷却手段を操作して、前記透明容器内の空気の温度を調節する温度調節手段と、
を備えたことを特徴とする画像処理装置。