JP2007232474A - 格子パターン投影型表面形状計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 連続移動により大面積の格子パターン投影位相シフト計測を実現する。
【解決手段】 格子パターンを投影する格子パターン投影手段１と撮像手段４と、物体を一軸方向に連続移動させるＸ軸直動テーブル９とにより構成し、撮像手段４の視野を移動軸方向にＮ分割し、正確に１／Ｎ視野移動する毎に画像を取得するようにする。このようにすることで、ある１／Ｎ視野の領域は連続したＮ視野でＮ回撮像されることになるが、Ｎ回それぞれの画像で格子パターンの位相がシフトされているようにすることで位相シフト演算が可能になる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、主に物体の表面形状を計測するための光学装置に関する。

物体に格子パターンを投影し、その格子像の歪みから物体の表面形状を計測する技術は既に広範に普及している。特に、格子の位相をずらした少なくとも３枚の画像を使い、画素毎にその点での格子の初期位相を求めることで物体の表面形状を計測する格子パターン投影位相シフト法は、高密度でかつ高精度、高信頼である特徴から近年急速に普及してきている。

この手法を用いて精度の高い計測を大きい物体に対して行う場合、通常視野分割が行われる。つまり、図６に示すように、物体８を部分領域に分割し、それぞれの領域毎に高精度計測を行い、領域間はＸＹステージにより移動して計測を繰り返し、最終的にそれらの結果をつなぎ合わせるものである。この計測手法をステップアンドリピート法と以下呼ぶことにする。

ステップアンドリピート法は非常に効果的な手法であるが、高速な計測が求められる場合、テーブルによる移動・停止の繰り返しが、停止時の位置決め精度あるいは振動などの問題により高速化の制限となる。一視野の計測が、単純な画像取得のみということであれば、一軸方向は停止させることなく移動させ、ストロボあるいはシャッターを用いて画像を取得することにより高速化ができる。また、リニアセンサと呼ばれる一次元電磁波電気変換素子（電磁波電気変換素子が直線的に等間隔で多数配列された構造を持つ素子）を用いれば同様に一軸方向は停止させることなく移動して画像を得ることができる。しかしながら、上記の格子パターン投影位相シフト法の場合は、一視野毎に同一位置で３枚以上の画像を得る必要があり、一般に停止せずに計測することはできない。つまり、ステップアンドリピート計測が必須である。

この難点を解決するためにＵ．Ｓ．Ｐａｔｅｎｔ Ｎｏ．５，６４６，７３３に３つのリニアセンサを用いた手法が提案されている。以下ではこの手法を３リニアセンサ方式と呼び、図７を用いて簡単に解説する。格子パターン投影手段１より図２に示すように正弦波状に照度が変化するマルチスリット型の格子パターンが物体８に投影され、この投影パターンの照射光軸とは異なる角度の結像光軸を有する結像レンズ６により投影パターンの像が像面１００上に結像している。この像面１００上に三本のリニアセンサ１０１，１０２，１０３が、格子パターンのスリット方向とリニアセンサ１０１，１０２，１０３の長手方向とが平行となるように並べられている。物体８は、結像レンズ６の光軸とリニアセンサの長軸との両方に対して垂直な方向へ一軸のＸ軸直動ステージ９により等速で移動する機構となっている。今、格子パターンが結像レンズ６の光軸に垂直な平面（以下物体面８８と呼ぶ）に投影されているとすると、３本のリニアセンサ１０１，１０２，１０３は、格子パターンが結像する面（以下像面１００と呼ぶ）内に、その像面１００に結像する格子パターンに対し、それぞれのリニアセンサが位相差ψだけ異なるような位置を観察するように配置されている。つまりリニアセンサ１０１，１０２，１０３それぞれがφ、φ＋ψ、φ＋２ψを観察するような間隔で配置される。

ここに位相とは、格子パターンの正弦波的変化の位相であり、φは初期位相と呼ばれる。位相差ψは任意の整数をｎとして２ｎπが含まれた形であっても良い。

リニアセンサ１０１が物体８上のある点Ｐを撮像している状態を考えると、その後その点Ｐは移動しリニアセンサ１０２、１０３でそれぞれ撮像され、物体８上の点Ｐは合計３回撮像され、それぞれの撮像時の格子パターン位相はφｐ、φｐ＋ψ、φｐ＋２ψとなる。３回の撮像により得られた３種の値から正弦波へのフィッティング演算により初期位相φｐを求めることができる。初期位相φｐはＰ点の高さと対応しているから、初期位相が求まるということは高さが求まると同様の意味を持つ。

リニアセンサ１０１により撮像された点はすべて上記点Ｐと同様の演算により高さを求めることができるから、Ｘ軸直動ステージ９の移動方向に関しては視野の制限なく計測可能である。つまり上記で述べた単純な画像取得における、リニアセンサを用いた高速化と同様なイメージで格子パターン投影位相シフト計測が高速化できる。

上記の３リニアセンサ方式は、原理的には非常に有効な手法であるが、現実的には困難な点が多い。例えば、市販の３本のリニアセンサを、一つのレンズの像面内に平行にかつ等間隔でかつ同一平面に厳密に（サブμｍレベルの精度で）配置することは一般的には著しく困難である。半導体製造技術により３本のリニアセンサが厳密に配列された素子を製作することは可能であるが、他の用途があまり考えられないことからとても高価なものとなってしまうと考えられる。

仮に、そのように厳密に配置された３リニアセンサができたとしても、それぞれのリニアセンサが格子パターンの適切な位相を撮像するように調整することは非常に困難である。また、３系統の画像入力系が必要であることから装置規模も大きくなり、それぞれのリニアセンサの感度調整やＡ／Ｄ変換リファレンスの調整など困難が予想される。

本発明は、３リニアセンサ方式のような困難な調整を必要としない通常のエリア型のセンサ（二次元電磁波電気変換素子）を用いて、一軸方向にはステップアンドリピート動作を行うことなく、連続的なステージ動作をしながら広い領域を計測可能な格子パターン投影位相シフト法を提供することを主な目的とする。

上記の技術的課題を解決するために、
電磁波を電気信号に変換する電磁波電気変換素子を２次元状に配置した２次元撮像素子と、
前記２次元撮像素子の変換面上に対象物体の像を結像させる結像手段とよりなる撮像手段と、
前記撮像手段の撮像方向とは異なる角度から対象物に格子状の陰影パターンを投影する格子パターン投影手段とよりなる画像入力系と、
前記画像入力系からの画像信号を処理する画像処理装置と、
前記格子パターン投影手段の光軸と前記撮像手段の光軸とを含む平面内に移動軸を有し、対象物体と前記画像入力系との位置関係を相対的に変化させる一軸の直動ステージとにより構成され、
前記直動ステージにより定間隔移動する毎に、前記直動ステージを停止させることなく画像を取得し、連続する少なくとも３枚画像を用いて、それらの画像に共通して撮像されている対象物の領域部分に対して、その領域内の画素毎に格子パターンの初期位相を求めることで物体の表面形状を計測するようにする。

このように装置を構成することで、一軸方向にはステップアンドリピート動作をすることなく広い領域を計測でき、組立調整等が用意で実現性の高い格子パターン投影位相シフト計測が可能になる。

以下、図面を参照して具体的に本発明の実施の形態を説明する。図１に本発明の実施例を示す。

格子パターン投影手段１より、図２に示すようなマルチスリット型の格子パターンが物体面８８に投影される。投影光学系３をテレセントリックにすることで、物体面８８のＺ方向の位置が変化しても投影される格子の間隔が変わらないようにすることができる。

投影された格子パターンは、格子パターン投影手段１とは異なる角度の光軸を持つ撮像手段４により撮影される。撮像手段４には電磁波を電気信号に変換する電磁波電気変換素子を２次元状に配置した２次元撮像素子、例えばＣＣＤエリアセンサ５と、物体８の像をＣＣＤエリアセンサ５上に結像させる結像手段である結像レンズ６とが含まれている。

結像レンズ６は必ずしもテレセントリックレンズである必要は無いが、結像条件が視野内でできるだけ均一になるようにテレセントリックレンズであることが望ましい。

図１では、撮像手段４の光軸は物体面に対してほぼ垂直な配置となっているが、物体８が表面粗さの小さい、散乱が小さい表面性状である場合は、撮像手段４に物体８からの反射光が入射しなくなる可能性がある。そのような場合は、格子パターン投影手段１の光軸と撮像手段４の光軸とが物体８の計測面の法線に対して、対称の角度に近い配置として、整反射光に近い光により撮像するようにした方がよい。

その場合は、撮像手段４により得られる像が歪むあるいは焦点が手前と向こうで異なるなどの問題が発生する可能性があることから、ＣＣＤエリアセンサ５を光軸に対して傾けて配置（あおり構造）するとよい。格子パターン投影手段１も実格子２を結像させる図１に示すような方式の場合、同様にあおる必要がある。

ＣＣＤエリアセンサ５により得られた映像信号は画像処理装置１１に送られ、画素毎に初期位相が演算される。

物体８はＸＹ２軸の直動ステージ９，１０上に配置されている。Ｘ軸直動ステージ９は、結像レンズ６の光軸と格子パターン投影手段１の光軸とを含む面に対して垂直な載物台を有し、移動軸が前記面内に含まれるように配置されている。また、Ｘ軸直動ステージ９には、移動時の位置を高速かつ正確に把握できるようリニアエンコーダ１２が装着されている。もちろんＸ軸直動ステージ９の位置が高速かつ正確に把握できるのであれば他のエンコーダでもよく、極端な場合このようなエンコーダを用いないということもあり得る。例えば、正確な速度制御ができるのであれば移動時間からステージ位置が正確に把握できることになり前記エンコーダは不要である。Ｙ軸直動ステージ１０はＸ軸直動ステージに対して直交している。

上記構成は、物体８を移動させる配置であるが、物体８は固定配置として格子パターン投影手段１と撮像手段４とよりなる画像入力系７を移動させてもよい。また、直動ステージの１軸のみ物体８を移動し、もう一軸は画像入力系７を移動させるような構成でもよい。

以上のような構成の装置を用いてＸ軸方向に連続移動しながら格子パターン投影位相シフト法計測を実現する方法を以下詳細に述べる。以下では、最も単純な３ステップ位相シフト法（３枚の画像を使う手法）を例として説明するが、４ステップ法でもより一般的にＮステップ法であっても適用可能である。

はじめに一般的な（従来型の）格子パターン投影位相シフトについて簡単に述べる。図３は投影格子の数が一視野（ＣＣＤエリアセンサ５の一回の撮像エリア）に４本投影されている例である。白黒の２値格子パターンとして描かれているが、図２と同様に実際は正弦波的に明暗が変化する正弦パターンであるとする。物体８が平坦でない場合は、格子パターンには歪みが発生し、その歪みがまさに高さを示しているわけであるが、ここでは便宜的に歪みのないパターンで表示している。以下の議論は当然ながら歪みのあるなしに影響されることはない。図４のI1，I2，I3はそれぞれ格子の位相を２π／３ずつシフトして投影された画像を表している。このとき各画像の同一座標(x,y)の値I1(x,y)，I2(x,y)，I3(x,y)は正弦波上で２π／３ずつ異なる点を表しており、以下のようにその正弦波の初期位相φを求めることができる。

φ(x,y)=arctan[√3・(I1(x,y)-I3(x,y))／(2×I2(x,y)-I1(x,y)-I3(x,y))]
より一般的に、Ｎステップ位相シフト法で位相シフト量がψ＝２π／Ｎの場合、初期位相φは、
φ(x,y)=arctan[-ΣIi(x,y)sin(iψ)／ΣIi(x,y)cos(iψ)]
(i=0,1,…,N-1)
と求めることができる。

画像内のすべての座標(x,y)で同様の演算を行うことで、全画素毎に初期位相を求めることができる。背景技術の説明で述べたように、初期位相は高さに変換することができるから、初期位相が求まることは計測できるということに等しい。つまり、図３に相当する画像が得られれば、計測可能なわけである。以上のことを踏まえて、本発明の場合を、図４を用いて以下に示す。

Ｘ軸直動ステージ９が等速で動いているとして、あるタイミングでＣＣＤエリアセンサ５のシャッターを切ることにより図４ I1の画像が得られたとする。これは図３のI1と同等である。次に、格子間隔の４／３＝１＋１／３本分（位相で表すと８π／３）移動した後に再びシャッターにより画像を得ると図４
I2のように撮像される。さらに、同一時間後（すなわち、さらに格子間隔の４／３移動した後）シャッター露光により画像を取得すると図４ I3が得られる。その後も同一時間間隔でシャッター露光し画像を次々と取得していく。

得られた画像を格子間隔の４／３毎に短冊に区切り、ｊ番目の画像のｋ番目の短冊をIjk呼ぶことにすると、一枚目の画像I1はそれぞれI11、I12、I13の短冊に分けられ、次の画像はI21、I22、I23、以下Ij1、Ij2、Ij3と表される。ここで短冊I(j-2)3と短冊I(j-1)2と短冊Ij1とを考えてみると、これらの画像は物体８の同一部分を撮像していて、かつその上に投影されている格子パターンはそれぞれ２π／３ずつ位相が異なっている。図４におけるｊ＝３の例を図５に示す。

この３つの画像は図３で示した通常の格子パターン投影位相シフト法の画像とＸ方向の幅を除いては全く同じものである。つまり、これらの画像により１短冊幅分の格子パターン投影位相シフト法演算が可能になる。そして、画像が一枚入力される、すなわちＸ軸直動テーブル９が格子間隔の４／３移動する毎に一短冊分の格子パターン投影位相シフト法演算が次々とできていくことになる。結局必要なサイズ分（＋α）テーブル移動を続ければ、所望のサイズの計測結果を、ステップアンドリピート移動することなく得ることができることになる。上記で＋αとしたのはｊ＝１〜２は演算が不可能であることや、Ｘ軸直動テーブル９の始動、停止時の加減速のための移動分を表している。

上記の移動間隔である、格子間隔の４／３＝１＋１／３は、１／３が重要でありこの部分が位相シフト量ψ＝２π×１／３＝２π／３を示している。１の部分は他の正の整数値ｎでもよい。ただし、３ステップ法の場合、一視野内で少なくとも３短冊は必要であるので（ｎ＋１／３）×３が視野の全体の格子数Ｐ本以下である必要がある。つまり、０＜＝ｎ＜＝（Ｐ−１）／３を満たす整数を選択する。一般的にＮステップ法の場合は、移動間隔ｎ＋１／Ｎ（０＜＝ｎ＜＝（Ｐ−１）／Ｎ）となる。１／Ｎの部分は基本的に正弦波の初期位相が求められればよいので必ずしも１／Ｎである必要はないが、１／Ｎが一般的であろう。

この手法の成否に重要な要素は画像取得のタイミングである。一般的な格子パターン投影位相シフト法においては、図３に示したように物体８は移動せず格子パターンが移動するため、得られた複数の画像の各座標が示している物体８上の位置は完全に一致しているが、本発明においては明らかに異なっている。図５に示す複数の画像の対応する画素同士が物体８上の同一の位置を正確に示していない限り誤差が発生してしまう。正確に狙った位置で画像を取得する必要がある。そのために本実施例ではＸ軸直動ステージ９にリニアエンコーダ１２を設けている。画像の画素分解能（視野Ｘ方向寸法／Ｘ方向画素数）に対し十分に高分解能のリニアエンコーダ１２を用い、エンコーダ信号をリアルタイムでカウントし、狙ったカウント値でＣＣＤエリアセンサ５へのトリガー信号を出力するように電子回路を構成することで狙った位置で画像を得ることが可能である。

もちろん狙った位置で正確に画像が取れるのであれば他の手法でもよい。Ｘ軸直動ステージ９が正確に等速運動できるように制御できるのであれば、エンコーダに頼ることなく正確なタイマーを用意しておくことで実現できる。

また、結像レンズ６の性能も問題となる。結像レンズ６に歪曲収差があれば、画素の正しい一致が得られないだろう。また、視野内で結像性能ができる限り均一であることが求められる。

しかし、上記のような困難は本発明特有の著しいマイナス点とは必ずしもいえない。なぜなら、一般的な格子パターン位相シフト法においては確かに画像間の位置誤差は発生しないが、逆に本発明では問題とならない格子パターンのシフト誤差が発生する。また、レンズの収差の問題も、一般的な位相シフト法においては結像レンズ６ではなく格子パターン投影手段１の、投影光学系３の収差の問題として現れてくることになるからである。

本発明により、ステップアンドリピート動作をすることなく連続移動の状態で格子パターン投影位相シフト法を実現できる。しかも、複数のリニアセンサを用いて実現する場合のような製造上の困難が少ない特徴がある。これにより対象物の表面形状計測を高速に実現できることになり各種検査、特に計測速度に対する要求の厳しい半導体製造業界におけるインライン検査に大きな効果をあげることが期待できる。

本発明にかかる格子パターン投影型表面形状計測装置の実施の形態を説明するための図である。 投影される格子パターンの形状と明暗分布を示す図である。 一般的な格子パターン投影位相シフト計測で得られる画像の例を示す図である。 本発明で得られる画像を示す図である。 本発明で得られる画像のうちの一短冊部分を取り出した図である。 従来技術における視野分割の概念を説明するための図である。 従来技術である３リニアセンサ方式を説明するための図である。

符号の説明

１ 格子パターン投影手段
２ 実格子
３ 投影光学系
４ 撮像手段
５ ＣＣＤエリアセンサ
６ 結像レンズ
７ 画像入力系
８ 物体
９ Ｘ軸直動ステージ
１０ Ｙ軸直動ステージ
１１ 画像処理装置
１２ リニアエンコーダ
８８ 物体面
１００ 像面
１０１，１０２，１０３ リニアセンサ

Claims (1)

1. 電磁波を電気信号に変換する電磁波電気変換素子を２次元状に配置した２次元撮像素子と、
   前記２次元撮像素子の変換面上に対象物体の像を結像させる結像手段とよりなる撮像手段と、
   前記撮像手段の撮像方向とは異なる角度から対象物に格子状の陰影パターンを投影する格子パターン投影手段とよりなる画像入力系と、
   前記画像入力系からの画像信号を処理する画像処理装置と、
   前記格子パターン投影手段の光軸と前記撮像手段の光軸とを含む平面内に移動軸を有し、対象物体と前記画像入力系との位置関係を相対的に変化させる一軸の直動ステージとにより構成され、
   前記直動ステージにより定間隔移動する毎に、前記直動ステージを停止させることなく画像を取得し、連続する少なくとも３枚画像を用いて、それらの画像に共通して撮像されている対象物の領域部分に対して、その領域内の画素毎に格子パターンの初期位相を求めることで物体の表面形状を計測することを特徴とする格子パターン投影型表面形状計測装置。