JP2007303907A - 位相回復法による表面形状計測装置および表面形状計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 透明ばかりでなく非透明な被検査体の３次元形状測定が可能である表面形状計測装置および表面形状計測方法の提供。
【解決手段】 撮像素子と被検査体の間にコヒーレント光照射素子、非コヒーレント光照射素子、および、光分配素子を被検査体上部に配置することにより元画像、および、回折画像を非常に効率よく取得でき、位相回復法により、２次元ばかりでなく３次元形状測定を可能とする表面形状計測装置および表面形状計測方法を用いる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、カラーフィルターやマイクロレンズなどの被検査体表面形状の良否を精度良く判定するための表面形状計測装置および表面形状計測方法に関するものである。

被接触形状検査方法に関しては、いろいろな方法が提案され、すでに産業用としていくつかの原理で商品化がなされている。中でも干渉を利用した方法は、世界的にもっとも利用されている精密測定原理で、フィゾー干渉計を利用したシリコンウェーハ形状測定器（ＡＤＥ社製ＷａｆｅｒＳｉｇｈｔ）やヘテロダイン干渉を利用した精密測定器（Ｖｅｅｃｏ社製Ｗｙｃｏ）等がすでに産業用として使用されている。干渉を利用したこれらの精密測定器は、光学距離の違いによって生じた干渉によるフリンジパターンを解析することによって形状情報を得ている。このため、振動環境変化等があると工学距離の変化が生じ、フリンジパターンが不安定となるため、環境変化に非常に弱く、設置環境を選ぶ測定器である。また、急傾斜形状を持つ被検査体のフリンジパターンは、フリンジが密になりすぎてパターンが認識できなくなるため、急傾斜を持つ被検査体は測定できない。

これとは別に、回折を利用した位相測定方法が１９８０年頃から提案されている。回折を利用した方法は、被検査体より取得した回折画像と元画像より位相情報を再生し、この位相情報より形状情報を導く方法で、具体的には、対象より発生した回折像より位相情報を位相回復法で導くものである。

位相回復の起源はＧａｂｏｒが開発したホログラムである。ホログラムは回折パターンに光学的付加条件を加えることによって位相回復を行っている。最近はこの回折パターンを画像取得素子上に記録し、光学付加条件に代わってコンピュータを用いて位相回復を行うことが研究されるようになってきている。

その起源を見ると、Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ−Ｓａｘｔｏｎの方法（ＧＳ法）において、回折画像に回折前の元画像による制限を加えることで位相回復を実現している。ＧＳ法による位相回復のアルゴリズムを図５に示す。ＧＳ法は、元画像と回折画像の２つを使うことで元画像を変換して仮回折像（仮像）を算出、この仮像の位相成分と回折画像を合わせ、逆変換する。同様に、逆変換後の位相成分と元画像とをあわせて再び変換を行う。このループを繰り返し収束に至ったところでループを抜けるという方法である。（非特許文献１参照）

また、Ｆｉｅｎｕｐは、回折画像と非負性と画像広がり制限、たとえば周波数制限や画像広がりを制限するなどにより、位相回復を実現している。Ｆｉｅｎｕｐの方法では、元画像が必要ない場合があり、一画像情報から回復が可能である。Ｆｉｅｎｕｐの方法のアルゴリズムを図６に示す。Ｆｉｅｎｕｐの方法は、回折像のみを取得しこれを逆変換、各種制限を加え変換というループを用いる。変換は回折画像を取得する撮像素子と被検査体との距離によって異なる手法となり、元画像近くで取得したときはＦｒｅｓｎｅｌ変換、遠いときはＦｏｕｒｉｅｒ変換となる。（非特許文献２参照）

彼らの提案する方法の基本的原理は同じで、回折画像になんらかの束縛条件を付加することにより回折元画像を再現しようとするものである。

ここで、ＧＳ法を考えると、元画像の数学的変換画像と回折画像を比べることによって、位相回復を成立させているため、元画像と回折画像を同スケールで取得する必要がある。回折画像取得には、一般にレーザー光を用いることが多く、また元画像取得には、白色光を用いることが多い。これは白色光だと回折や干渉が発生しにくいためである。

ＧＳ法で使われる被検査体は、透明体を含む被検査体が多い。透明体を含む被検査体ならば裏面よりレーザー光を照射し、回折光を取得し、表面より白色光を照射し、元画像を得ることができるからである。

また、Ｆｉｅｎｕｐの方法では、回折画像に付加する束縛条件が、被検査体対象の形状によって大きく異なるという不備がある。

以下に先行技術文献を示す。
Ｒ．Ｗ．Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ，Ｎａｔｕｒｅ，２４０，４０４（１９７２） Ｊ．Ｒ．Ｆｉｅｎｕｐ，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ，２１，２７５８（１９８２）

上記のような従来の手段では、照射されるレーザー光が被検査体の裏面より透過するため、回折像を取得できるのは、透明な被検査体に限られている。また、３次元形状測定には用いられていない。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものである。
請求項１にかかる発明は、被検査体に光を照射し、その反射像を解析することにより該被検査体の表面形状を計測する装置において、
被検査体表面にコヒーレント光照射素子を用いてコヒーレント光を照射するコヒーレント光照射手段、
該被検査体で反射した反射像を撮像素子により撮像するコヒーレント光撮像手段、
該被検査体表面に非コヒーレント光照射素子を用いて非コヒーレント光を照射する非コヒーレント光照射手段、
該被検査体で反射した反射像を撮像素子により撮像する非コヒーレント光撮像手段、
該コヒーレント光撮像手段により撮像した該被検査体表面の回折画像、および、該非コヒーレント光撮像手段により撮像した該被検査体表面の元画像を、位相回復法により解析する解析手段
を有することを特徴とする表面形状計測装置である。

本発明における表面形状計測装置は、撮像素子と被検査体の間にコヒーレント光照射素子、非コヒーレント光照射素子、および、光分配素子を配置することにより元画像、および、回折画像を非常に効率よく取得でき、コヒーレント光照射素子、非コヒーレント光照射素子、および、光分配素子を被検査体上部に備えることで、非透過性の被検査体に対しても適応できる。
また、被検査体表面に照射し得られる回折画像には、物体表面の３次元形状情報も含まれるため、位相回復法を用いて、２次元ばかりでなく３次元形状測定が可能である。もちろん、従来どおり透明体を含む被検査体に対しても適応可能である。

請求項２にかかる発明は、被検査体に光を照射し、その反射像を解析することにより該被検査体の表面形状を計測する方法において、
被検査体表面にコヒーレント光照射素子を用いてコヒーレント光を照射するコヒーレント光照射工程、
該被検査体で反射した反射像を撮像素子により撮像するコヒーレント光撮像工程、
該被検査体表面に非コヒーレント光照射素子を用いて非コヒーレント光を照射する非コヒーレント光照射工程、
該被検査体で反射した反射像を撮像素子により撮像する非コヒーレント光撮像工程、
該コヒーレント光撮像工程により撮像した該被検査体表面の回折画像、および、該非コヒーレント光撮像工程により撮像した該被検査体表面の元画像を、位相回復法により解析する解析工程
を有することを特徴とする表面形状計測方法である。

本発明における表面形状計測方法は、被検査体上部よりコヒーレント光、および、非コヒーレント光を照射するため、非透過性の被検査体に対しても適応できる。
また、被検査体表面に照射し得られる回折画像には、物体表面の３次元形状情報も含まれるため、位相回復法を用いて、２次元ばかりでなく３次元形状測定が可能である。もちろん、従来どおり透明体を含む被検査体に対しても適応可能である。

本発明における表面形状計測装置は、撮像素子と被検査体の間にコヒーレント光照射素子、および、非コヒーレント光照射素子を有する光分配素子を配置することにより元画像、および、回折画像を非常に効率よく取得でき、コヒーレント光照射素子、および、非コヒーレント光照射素子を被検査体上部に備えることで、非透過性の被検査体に対しても適応できる。
また、被検査体表面に照射し得られる回折画像には、物体表面の３次元形状情報も含まれるため、位相回復法を用いて、２次元ばかりでなく３次元形状測定が可能である。もちろん、従来どおり透明体を含む被検査体に対しても適応可能である。

本発明における表面形状計測方法は、被検査体上部よりコヒーレント光、および、非コヒーレント光を照射するため、非透過性の被検査体に対しても適応できる。
また、被検査体表面に照射し得られる回折画像には、物体表面の３次元形状情報も含まれるため、位相回復法を用いて、２次元ばかりでなく３次元形状測定が可能である。もちろん、従来どおり透明体を含む被検査体に対しても適応可能である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明における表面形状計測装置の、一実施例を示す模式構成概略図である。
この図で、被検査体の上方に光透過性と光反射性の２性質を併せ持つ光分配機能をもつ素子３を配置し、撮像素子４と被検査体５との距離を保ちながら、下方にコヒーレント光照射素子１、および、上方に非コヒーレント光照射素子２を用いて被検査体５に光を照射する。
ここで、上方にコヒーレント光照射素子１、下方に非コヒーレント光照射素子２が配置されていてもよい。

上記の方法で取得した元画像の数学的変換と回折画像の比較により位相回復を行い、この位相情報より形状情報を得るものである。回折には被検査体近くで得られるＦｒｅｓｎｅｌ回折と、遠方またはレンズを使用したときに得られるＦｒａｕｎｈｏｆｅｒ回折とあるが、これらに限定するものではない。また、これら回折像を元画像より変換して得る場合の方法もＦｏｕｒｉｅｒ、Ｆｒｅｓｎｅｌ変換を主に用いるが、これらに限定するものではない。

コヒーレント光照射素子１は、物理光学的性質の確認しやすいレーザー光を用いるのが最も有効である。コヒーレント距離があまり問題にならない場合は、バンドパスフィルターを用いた光源やＳＬＤも有効であるが、これらに限定されるものではない。

非コヒーレント光照射素子２は、物理光学的性質が出にくい白色光を用いるのが有効であるが、これに限定されるものではない。

コヒーレント光照射素子１、および、非コヒーレント光照射素子２には、それぞれシャッター６を設置してあり、一方が照射されているときは、他方のシャッター６が閉じるようになっていて、それぞれの画像を効率よく取得できるようになっている。

光分配機能素子３は、ハーフミラー、キューブビームスプリッターなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。但し、光分配機能素子３に、キューブビームスプリッターを使用する場合には、キューブ自体の屈折率を考慮する必要がある。

本発明における被検査体５として、カラーフィルターやマイクロレンズなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
被検査体５が微小である場合は、レンズを使用し拡大することもある。このとき、レンズの上から光照射を行っても、レンズの下から光照射を行ってもよい。

本発明では、静止画像を取得し、さらに反復計算が行われる。このため、被検査体５は静止したものの方が適用しやすいが、被検査体によっては動画にも対応可能であるため、被検査体を静止物に限定するものではない。

実施例１として、カラーフィルターのブラックマトリックスを被検査体とした。被検査体に白色光を照射し、元画像を取得、さらに白色光を遮りレーザー光を照射し、回折画像を取得、元画像より理論的に求めた回折画像と実際に得られた回折画像とを比較した。

図２に白色光照射により取得した画像、図３にレーザー光照射により取得した画像を、さらに、図４にレーザー光で回折が生じた理論予測による回折画像をそれぞれ示す。理論予測画像には、異物の影響で白い十字上ノイズや黒いシミ状ノイズが入っているが、回折による波面広がりの様子が出ていて実測画像と一致している。
なお、図２〜４の画像の縦軸、横軸の値は任意単位（ａｒｂｉｔｒａｒｙ ｕｎｉｔ）であり、被検査体の大きさを示している。

実証装置の概略図 ＢＭ表面照射画像（白色光） ＢＭ表面照射、回折取得画像 ＢＭ表面照射、回折理論画像 ＧＳ法による位相回復法のアルゴリズム Ｆｉｅｎｕｐ法による位相回復法のアルゴリズム

符号の説明

１ コヒーレント光照射素子
２ 非コヒーレント光照射素子
３ 光分配機能素子
４ 撮像素子
５ 被検査体
６ シャッター

Claims (2)

1. 被検査体に光を照射し、その反射像を解析することにより該被検査体の表面形状を計測する装置において、
   被検査体表面にコヒーレント光照射素子を用いてコヒーレント光を照射するコヒーレント光照射手段、
   該被検査体で反射した反射像を撮像素子により撮像するコヒーレント光撮像手段、
   該被検査体表面に非コヒーレント光照射素子を用いて非コヒーレント光を照射する非コヒーレント光照射手段、
   該被検査体で反射した反射像を撮像素子により撮像する非コヒーレント光撮像手段、
   該コヒーレント光撮像手段により撮像した該被検査体表面の回折画像、および、該非コヒーレント光撮像手段により撮像した該被検査体表面の元画像を、位相回復法により解析する解析手段
   を有することを特徴とする表面形状計測装置。
2. 被検査体に光を照射し、その反射像を解析することにより該被検査体の表面形状を計測する方法において、
   被検査体表面にコヒーレント光照射素子を用いてコヒーレント光を照射するコヒーレント光照射工程、
   該被検査体で反射した反射像を撮像素子により撮像するコヒーレント光撮像工程、
   該被検査体表面に非コヒーレント光照射素子を用いて非コヒーレント光を照射する非コヒーレント光照射工程、
   該被検査体で反射した反射像を撮像素子により撮像する非コヒーレント光撮像工程、
   該コヒーレント光撮像工程により撮像した該被検査体表面の回折画像、および、該非コヒーレント光撮像工程により撮像した該被検査体表面の元画像を、位相回復法により解析する解析工程
   を有することを特徴とする表面形状計測方法。