JP2009216536A - 形状測定装置および方法、並びにプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】より簡単に測定精度を向上させる。
【解決手段】測定部２１は、被検物１２にパタン光を投光し、被検物１２において反射したパタン光の観察画像を撮像する。撮像画像の撮像は、投光されるパタン光の焦点面Ｓと被検物１２との相対的な位置を変化させながら行われる。合焦測度算出部２３は、観察画像上のパタン光の像であるパタンについて、パタンの位置を示すパタン位置情報を生成するとともに、合焦測度を算出する。パタン移動角度算出部２４は、各パタンの焦点面Ｓごとの合焦測度およびパタン位置情報に基づいて、各パタンについて、パタン光の主光線のＣＣＤ４１への入射角度を、被検物１２の形状の測定結果の信頼度を示すパラメータとして算出する。本発明は、３次元形状測定装置に適用することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は形状測定装置および方法、並びにプログラムに関し、特に、より簡単に測定精度を向上させることができるようにした形状測定装置および方法、並びにプログラムに関する。

従来、合焦点法により、被検物の形状を測定する形状測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような形状測定装置では、被検物に対してパタン光を投光し、被検物において反射したパタン光の像に基づいて、パタン光の合焦点位置を計測することにより、被検物の形状が測定される。

形状測定装置においては、被写体からのパタン光を撮像する撮像部は、要求される測定精度に見合った浅い焦点深度を有している必要がある。そのため、撮像部の有効なＮＡ（Numerical Aperture）（開口数）が充分にあって、特に被検物の表面が鏡面である場合には、さらにパタン光を投光する投光部にも、撮像部と同等な大きさのＮＡが必要となる。

特許第３３２１８６６号公報

ところで、上述した技術では、被検物の表面が鏡面であり、その表面（の法線）が形状測定装置の撮像部等の光学系の光軸に対して傾いている場合には、被検物の表面から反射した反射光の光束のうちの一部の光束しか結像光学系に入射しないため、撮像部の実質的なＮＡが制限されてしまう。それゆえ、被検物の形状を充分な精度で測定することができなかった。すなわち、被検物の表面が傾斜している場合、撮像部の実質的なＮＡが小さくなって焦点深度が深くなるため、撮像されたパタン光の像からパタン光の合焦点位置を検出することが困難となる。

また、被検物の表面が不規則に傾斜していると、被検物に投光された光のパタン、つまり撮像部により撮像されたパタン光による像が、複数のパタンのうちのいずれであるかを特定することができなくなる。また、被検物の表面形状によっては投影されたパタンのいくつかが撮像部によって撮影することができず、いくつかのパタンが欠落してしまったりすることがある。そのため、パタンの誤認識が生じたり、被検物のいくつかの部位の位置を測定できなかったりして、さらに測定精度が低下してしまう。

したがって、充分な測定精度が得られるように測定を行おうとすると、測定者には、被検物の表面の傾斜角度の特定や、形状測定装置の撮像部や投光部からなる測定系を被検物に対して傾ける等の作業が必要となり、測定の設定に手間がかかってしまう。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、より簡単に測定精度を向上させることができるようにするものである。

本発明の形状測定装置は、合焦点法により被検物の形状を測定する形状測定装置であって、個々に区別可能な複数のパタンの像を前記被検物に投影する投光手段と、対物レンズを有し、前記対物レンズを介して結像された前記パタンが投影された前記被検物の画像を撮像する撮像手段と、前記被検物に投影される前記パタンが結像する焦点面と、前記被検物との相対的な位置関係を変化させながら前記撮像手段により撮像された複数の前記観察画像に基づいて、前記被検物の表面の各部の位置を取得する位置演算手段と、異なる焦点面で撮像された前記複数の観察画像に基づいて、前記被検物に対する前記焦点面の位置を変化させたときの前記観察画像上における前記パタンの像の動き量を演算する動き量演算手段とを備えることを特徴とする。

本発明の形状測定方法またはプログラムは、合焦点法により被検物の形状を測定する形状測定方法またはプログラムであって、個々に区別可能な複数のパタンの像を前記被検物に投影する投光ステップと、対物レンズを介して結像された前記パタンが投影された前記被検物の画像を撮像する撮像ステップと、前記被検物に投影される前記パタンが結像する焦点面と、前記被検物との相対的な位置関係を変化させながら前記撮像手段により撮像された複数の前記観察画像に基づいて、前記被検物の表面の各部の位置を取得する位置演算ステップと、異なる焦点面で撮像された前記複数の観察画像に基づいて、前記被検物に対する前記焦点面の位置を変化させたときの前記観察画像上における前記パタンの像の動き量を演算する動き量演算ステップとを含むことを特徴とする。

本発明によれば、より簡単に測定精度を向上させることができる。

以下、図面を参照して、本発明を適用した実施の形態について説明する。

図１は、本発明を適用した形状測定装置の一実施の形態の構成例を示す図である。

形状測定装置１１は、測定対象の被検物１２の表面の形状を測定する３次元形状測定装置であり、測定部２１、ステージ２２、合焦測度算出部２３、パタン移動角度算出部２４、駆動部２５、選択部２６、および駆動ユニット２７から構成される。

測定部２１は、パタン光を被検物１２に投光（照射）するとともに、パタン光が投影された被検物１２の像を撮像する。

すなわち、測定部２１には、光源３１が設けられており、光源３１から射出された光は、コンデンサレンズ３２を介して、適切な焦点深度を与えるために光束の径を調整する瞳絞り３３に入射する。瞳絞り３３を通過したコンデンサレンズ３２からの光は、リレーレンズ３４により、被検物１２に投光される光の焦点面Ｓと像共役な面に集光され、そこに配置された視野絞り３５に入射する。

視野絞り３５は、リレーレンズ３４からの光の一部を通過させる。視野絞り３５を通過した光はリレーレンズ３６により再びコリメートされ、ハーフプリズム３７に入射する。視野絞り３５の位置には、大きさの異なる複数の開口が不等間隔に並べられて設けられたマスクを備えており、被検物１２の表面にその開口と同形状のパタンが投影される。

ハーフプリズム３７は、リレーレンズ３６でコリメートされた光を反射して対物レンズ３８に入射させるとともに、被検物１２において反射され、対物レンズ３８から入射した光の一部を透過させてハーフプリズム３９に入射させる。対物レンズ３８は、視野絞り３５に備えられたマスクのパタン像を焦点面Ｓに結像して、パタン像を被検物１２に投影する。これにより、不等間隔に並んだ、大きさの異なる複数のパタン像が被検物１２に投光される。

なお、視野絞り３５から対物レンズ３８までの光学系は、テレセントリック光学系の特性を備えた光学系である。

被検物１２に投影されたパタン像を形成する光は、被検物１２の表面において反射して、対物レンズ３８およびハーフプリズム３７を介してハーフプリズム３９に入射する。そして、その光の一部がハーフプリズム３９を透過し、残りの光はハーフプリズム３９において反射する。

ハーフプリズム３９を透過した光は、結像レンズ４０を介してCCD（Charge Coupled Device）センサ４１に入射する。このとき結像レンズ４０の作用によりパタンが投影された被検物１２の像が、ＣＣＤセンサ４１の受光面で結像する。また、ハーフプリズム３９において反射した光は、ミラー４２および結像レンズ４３を介してＣＣＤセンサ４４に入射する。このとき、結像レンズ４３の作用によりパタンが投影された被検物１２の像が、ＣＣＤセンサ４４の受光面で結像する。なお、ハーフプリズム３７およびハーフプリズム３９は、ハーフミラー、またはハーフミラープリズムでもよい。

ここで、被検物１２からＣＣＤセンサ４１までの光路長と、被検物１２からＣＣＤセンサ４４までの光路長は予め定められた所定の長さδｚだけ異なるようになされている。したがって、ＣＣＤセンサ４１と共役な位置である焦点面とＣＣＤセンサ４４との共役な位置である焦点面とは、被検物１２上では対物レンズ３８の光軸方向に沿ってδｚだけ異なる位置になる。それゆえ、ＣＣＤセンサ４１が被検物１２のある位置で合焦状態である場合には、ＣＣＤセンサ４４はボケた画像を取得している。ＣＣＤセンサ４１およびＣＣＤセンサ４４は、パタン像が投影された被検物１２の画像を撮像する。撮像された画像信号は、ＣＣＤセンサ４１およびＣＣＤセンサ４４から合焦測度算出部２３に供給される。

このように、測定部２１には、形状測定装置１１の測定系を構成する光源３１乃至ＣＣＤセンサ４４が設けられており、測定部２１は、パタン像を被検物１２に投影するとともに、パタン像が投影された被検物１２の像を撮像する。このとき、焦点面Ｓと被検物１２との相対的な位置関係が変化するように、測定部２１が対物レンズ３８の光軸方向に移動する。そして測定部２１は、焦点面Ｓの位置ごとに被検物１２の観察画像を撮像し、合焦測度算出部２３に供給する。

合焦測度算出部２３は、ＣＣＤセンサ４１およびＣＣＤセンサ４４から供給された観察画像から、各々の開口の像（以下、単にパタンと称する）を識別し、各パタン像のパタン位置を検出する。より詳細には、観察画像におけるパタンの重心の位置が検出され、その位置がパタン位置とされる。また、合焦測度算出部２３は、各観察画像について、パタンごとの合焦測度を算出する。ここで、合焦測度とは、パタン像のピントの合い具合を示す値であり、その値が大きいほどパタン像のピントが合っていることを示している。

各観察画像に対して合焦測度の算出が行われると、各パタン像について、ＣＣＤセンサ４１と共役な位置とＣＣＤセンサ４４と共役な位置の両方の焦点面Ｓの位置ごとの合焦測度が求められたことになる。合焦測度算出部２３は、各パタン像について求めた、焦点面Ｓの位置ごとの合焦測度と、焦点面Ｓの位置ごとのパタン像の位置を示すパタン位置情報とを、パタン移動角度算出部２４に供給する。

パタン移動角度算出部２４は、合焦測度算出部２３から供給された合焦測度およびパタン位置情報に基づいて、各パタン像の合焦点位置を検出する。パタン像の合焦点位置を検出することで、そのパタン像が被検物１２の表面に投影したときの焦点面Ｓの光軸方向の位置が分かり、合焦点位置は、所定の基準面に対する被検物１２上のパタン光が投影された部位の高さ、より詳細には対物レンズ３８の光軸方向の高さを示している。この合焦点位置は、合焦測度が最大となるときの位置とされる。

また、パタン移動角度算出部２４は、各パタン像について、合焦測度が最大となるときのパタン位置情報と、合焦測度を小さくしたときのパタン位置情報に基づいて、各パタンの像の主光線の入射角度を示すパタン移動角度を算出する。すなわち、ＣＣＤセンサ４１により撮像された観察画像から得られる各パタンのパタン位置情報と、ＣＣＤセンサ４４により撮像された観察画像から得られる各パタンのパタン位置情報とから、同じパタンの像におけるＣＣＤセンサ４１とＣＣＤセンサ４４での結像位置の差（動き量）が求められ、求めた動き量と所定の距離δｚからパタン移動角度が算出される。

ここで、パタン移動角度は、被検物１２のパタン光が投光された部位の合焦点位置、つまり、基準面から部位までの高さの測定の信頼度を示すパラメータである。パタン移動角度は、その角度が小さいほど、パタン光が投影された被検物１２の部位の表面の法線と、対物レンズ３８の光軸とのなす角が小さいことを示している。したがってパタン移動角度が小さいほど、被検物１２から反射、散乱された光束の開口角ＮＡが大きいと推定でき、部位の高さの測定精度が高いことになる。

パタン移動角度算出部２４は、測定精度が充分にあると判断されないときには求めた各パタンのパタン移動角度を駆動部２５に供給する。駆動部２５は、パタン移動角度算出部２４から供給されたパタン移動角度に基づいて、駆動ユニット２７を駆動し、被検物１２の表面（の法線）が対物レンズ３８（の光軸）に対して傾斜していると推測される分だけ測定部２１、つまり測定系を傾斜させる。測定部２１が傾斜され、測定系の被検物１２に対する傾斜角度が変更されると、新たに観察画像の撮像が行われるとともに、合焦測度やパタン移動角度の算出も行われる。

パタン移動角度算出部２４は、測定系の被検物１２に対する傾斜角度の変更前および変更後のパタンごとに、各パタンのパタン位置情報、合焦点位置、およびパタン移動角度を選択部２６に供給する。なお、以下、パタンごとのパタン位置情報、合焦点位置、およびパタン移動角度を測定情報とも称する。

選択部２６は、各パタン像のパタン位置情報、合焦点位置について、パタン移動角度算出部２４から供給されたパタン移動角度に基づいて、測定系の傾斜角度の変更前および変更後の測定情報のうち、パタン移動角度が小さい方の測定情報を、より信頼性の高い測定結果を示す情報として選択する。そして、選択部２６は、パタンごとに選択した測定情報からなる点群データを、被検物１２の３次元形状の測定結果として出力する。

ところで、視野絞り３５には、例えば、図２に示すように大きさの異なる複数の開口が不等間隔で並べられて設けられたマスクを備えている。図２では、１つの正方形が１つの開口を表している。このように、大きさの異なる開口を不等間隔に設けることで、観察画像において各パタンの位置が移動しても各パタンを個々に識別することができる。つまり、観察画像において所定のパタンを、そのパタン近傍の他のパタンと確実に区別することができる。

一方、被検物１２が鏡面の場合、被検物１２に投影されたパタン像からの各点の光束は、対物レンズ３８から被検物１２へ投影される際の開口角を保ちながら、反射される。

ところが、例えば図３に示すように、被検物１２の表面が鏡面であり、その表面の法線が対物レンズ３８の光軸に対して傾いている場合には、光束の一部が欠落する。

図３では、被検物１２の表面が対物レンズ３８から射出した光束の開口角の半分の角度分、対物レンズ３８の光軸に対して傾いている場合を示す。光源３１からハーフプリズム３７に入射するパタン光の図中、上側半分の光束Ｌａおよび下側半分の光束Ｌｂのうち、光束Ｌｂは対物レンズ３８でけられてしまい、ＣＣＤセンサ４１には入射しない。

すなわち、光束Ｌａは、対物レンズ３８から被検物１２の表面に入射し、その表面で反射すると、対物レンズ３８乃至結像レンズ４０を介してＣＣＤセンサ４１に入射する。一方、光束Ｌｂは、対物レンズ３８から被検物１２の表面に入射し、その表面において反射すると、対物レンズ３８の入射瞳には入射しないので、光束Ｌｂはハーフプリズム３７には入射しない。したがって、被検物１２に投影されるパタン光のうち、光束Ｌｂの部分が欠落することになる。

一方、被検物１２が傾斜していない場合には、被検物１２において反射した光束Ｌａおよび光束Ｌｂは、対物レンズ３８から被検物１２に入射するときの光路を逆方向に通って、被検物１２から対物レンズ３８に入射する。そのため、ＣＣＤセンサ４１に入射するパタン光の主光線の方向は、対物レンズ３８（結像レンズ４０）の光軸の方向と平行、つまり互いに平行な面ＳＰ１乃至面ＳＰ３に垂直であるため、被検物１２と共役な位置にある面ＳＰ２に形成されたパタン像の中心の位置と、その共役な面からわずかに光軸方向にずれた面ＳＰ１および面ＳＰ３に形成されたパタン像の中心の位置は、同じとなる。違いは、面ＳＰ２に形成された像に対して、面ＳＰ１および面ＳＰ３に形成された像がボケているだけとなる。

ここで、面ＳＰ２は、ＣＣＤセンサ４１の受光面が配置されている面であり、面ＳＰ１は、面ＳＰ２よりも、被検物１２からより近い位置にある面である。また、面ＳＰ３は、面ＳＰ２よりも、被検物１２からより遠い位置にある面であり、ＣＣＤセンサ４４の受光面が位置する面に相当する。

一方、被検物１２が傾斜しており、パタン像の一点から反射された光束の一部が欠落する場合には、面ＳＰ１乃至面ＳＰ３のそれぞれで、異なる位置に同じパタン像の中心が位置する。

例えば、被検物１２が傾斜している場合には、光束Ｌｂが欠落するため、ＣＣＤセンサ４１に入射するパタン光の主光線の方向は、面ＳＰ１乃至面ＳＰ３に対して垂直とはならず、面ＳＰ１乃至面ＳＰ３のそれぞれにおいて、パタン像の中心位置が異なる。具体的には、面ＳＰ２ではパタン像の中心位置は、被検物１２が傾斜していない場合と同じ位置であるが、面ＳＰ１上では、パタンは面ＳＰ２上の位置よりも図中、左側に位置し、面ＳＰ３上では、パタンは面ＳＰ２上の位置よりも右側に位置することになる。

このように、被検物１２が傾斜していると、パタン光の主光線の方向が変化し、観察画像における各パタン像の位置が撮像する面の光軸方向における位置によって移動する。したがって、このパタン像の中心の位置の偏差を求めることで、測定精度が充分にあるかどうかを推定することができる。

ところで、被検物１２は、場合によっては、対物レンズ３８の光軸方向とほぼ平行な傾斜面を持っていることがある。この場合、そのような傾斜面に投影されたパタン像は、ＣＣＤ４１やＣＣＤ４４では撮像できない。そのため、視野絞りの開口の大きさが同じであり、各開口が等間隔に並べられていると、観察画像上で個々のパタンを識別できなくなる。そこで、図２に示したように、視野絞り３５に、大きさの異なる開口を不等間隔に設けることで、被検物１２の表面が傾斜している場合であっても、観察画像上において個々のパタンを簡単に識別（区別）することができるようになる。これにより、パタンの誤認識を防止することがで、被検物１２の形状の測定精度を向上させることができる。

なお、視野絞り３５に設けられる開口は、観察画像上の各パタン像が個々に識別可能であれば、大きさだけでなく、向きや形状が異なるようなものであってもよい。また、パタンの移動によらず観察画像上において各パタンを識別できる程度に、互いに隣接する開口の間隔が離れている場合には、視野絞り３５上に開口が等間隔で設けられていてもよい。さらに、ＣＣＤセンサ４１およびＣＣＤセンサ４４がカラーＣＣＤセンサである場合には、観察画像上のパタンが異なる色となるように、視野絞り３５の開口にカラーフィルタが設けられるようにしてもよい。

次に、図４のフローチャートを参照して、形状測定装置１１が被検物１２の形状を測定する処理である、形状測定処理について説明する。なお、説明を簡単にするため、測定部２１の測定系（光学系）は、像側とテレセントリック光学系であるものとする。

ステップＳ１１において、測定部２１は、測定系の被検物１２、より詳細には被検物１２が載置されているステージ２２の面に対する仰角θおよび回転角φを０度として、被検物１２を撮像する。

ここで、測定系のステージ２２に対する仰角θとは、対物レンズ３８の光軸がステージ２２に対してどの程度傾いているかを示す角度であり、ステージ２２（の表面）の法線と垂直な直線を軸とした、測定系の回動方向の角度を示している。

また、測定系のステージ２２に対する回転角φとは、測定系がステージ２２に対してどの程度回転しているかを示す角度であり、ステージ２２の法線と仰角の回転中心軸に対して垂直な直線を軸とした測定系の回転方向の角度を示している。したがって、適切な仰角θおよび回転角φとなるように測定系を傾けることで、測定系の光軸、つまり対物レンズ３８の光軸と、被検物１２の表面の法線とが平行となるようにすることができる。

図５に本実施の形態における形状測定装置の概略斜視図を示した。なお、図５において図１と同じ符号が付されているものは、図１の部材と同一部材なので、説明を省略する。本実施の形態における形状測定装置は、測定部２１がカラム７１に支持されたビーム７２に駆動ユニット２７を介して保持されている。この駆動ユニット２７には、Ｚ軸駆動軸７３が保持されており、Ｚ軸駆動軸７３の下端側に、測定部２１が保持されている。駆動ユニット２７は、駆動ユニット２７自身をビーム７２に沿って、図中Ｘ方向に移動させることができる。また、駆動ユニット２７にはＺ軸駆動軸７３をＺ方向に移動させ、かつＺ軸駆動軸７３を仰角θと回転角φの方向に回転移動させることができる。

なお、カラム７１の下端部には、図示していないカラム駆動ユニットが備えられており、カラム７１を図中Ｙ方向に移動させることができる。

まず、駆動部２５は、測定系の仰角および回転角が、それぞれ０度となるように必要に応じて駆動ユニット２７を駆動し、測定系を傾斜させる。次に、光源３１は光を射出し、その光を瞳絞り３３およびリレーレンズ３４を介して視野絞り３５に入射させる。また、視野絞り３５は、図２に示すマスクが配置されておりリレーレンズ３４からの光のうち、マスクの開口に入射した光を、リレーレンズ３６およびハーフプリズム３７を介して対物レンズ３８により、被検物１２の表面にマスクのパタンが投影される。

被検物１２において反射したパタン像からの光は、対物レンズ３８およびハーフプリズム３７を介してハーフプリズム３９に入射する。そしてハーフプリズム３９は、入射したパタン光の一部を、結像レンズ４０を介してＣＣＤセンサ４１に入射させるとともに、残りのパタン光を、ミラー４２および結像レンズ４３を介してＣＣＤセンサ４４に入射させる。

ＣＣＤセンサ４１およびＣＣＤセンサ４４は、結像レンズ４０および結像レンズ４３により結像された被検物１２上に投影された、マスクからのパタンの像を同時に受光し、光電変換することで観察画像を撮像する。この観察画像は、ＣＣＤセンサ４１およびＣＣＤセンサ４４から合焦測度算出部２３に供給される。また、観察画像の撮像時において、駆動ユニット２７は、対物レンズ３８の光軸方向への走査を行う。つまり、被検物１２と焦点面Ｓとの相対的な位置関係（距離）が変化するように、対物レンズ３８の光軸方向に所定の距離ずつ移動する。これにより、被検物１２を基準とする焦点面Ｓの位置ごとの観察画像が得られる。

ステップＳ１２において、合焦測度算出部２３は、ＣＣＤセンサ４１およびＣＣＤセンサ４４から供給された観察画像に基づいて、各パタン像のパタン位置を検出し、合焦測度を求める。すなわち、合焦測度算出部２３は、パターンマッチングなどにより各観察画像上のパタンを識別して各パタン像のパタン位置を検出し、そのパタン位置を示すパタン位置情報を生成する。例えば、パタン位置情報は、観察画像の中心を原点とするｘｙ座標系におけるパタン位置の画素の座標（ｘ，ｙ）とされる。

また、合焦測度算出部２３は、光軸方向への走査中にＣＣＤセンサ４１により撮像された観察画像ごとに、検出した各パタン像について、パタン周辺の画素の画素値の最大値と最小値の差分（コントラスト成分）から合焦測度を求める。そして、合焦測度算出部２３は、各パタンについてＣＣＤセンサ４１とＣＣＤセンサ４４からの観察画像を基に焦点面Ｓの位置ごとの合焦測度およびパタン位置情報を、パタン移動角度算出部２４に供給する。

ステップＳ１３において、パタン移動角度算出部２４は、合焦測度算出部２３からの合焦測度およびパタン位置情報に基づいて、各パタン像について合焦点位置およびパタン移動角度を求める。例えば、パタン移動角度算出部２４は、ＣＣＤセンサ４１からの観察画像において着目しているパタン像の合焦測度が最大となる焦点面Ｓの位置を、そのパタンの合焦点位置とする。例えば、合焦点位置は、合焦測度が最大となったときの観察画像の撮像時における、対物レンズ３８の光軸の方向に対する、基準位置からのステージ２２の移動距離とされる。

なお、合焦測度が最大となる焦点面Ｓの位置は、実際に観察画像の撮像が行われた焦点面Ｓの位置のなかから選ばれるようにしてもよいし、補間処理により求められるようにしてもよい。

合焦点位置が求められると、パタン移動角度算出部２４は、各パタンについて、ＣＣＤセンサ４１とＣＣＤセンサ４４の２つの観察画像から得られた各パタン像のパタン位置情報から、各々のパタンのパタン移動角度を求める。

例えば、図６に示すように、ＣＣＤセンサ４１により撮像された、着目しているパタンＰ１の合焦測度が最大となるときの観察画像を観察画像ＩＭ１とし、観察画像ＩＭ１と同時にＣＣＤセンサ４４により撮像された観察画像を観察画像ＩＭ２とする。そして、観察画像ＩＭ１上のある１つのパタンＰ１の重心を原点とするＸＹＺ座標系を考える。

このとき、パタンＰ１の重心と同じ位置にある観察画像ＩＭ２上の画素の座標は、（０，０，δｚ）とされ、パタンＰ１と同じ特徴を持つパタン像である観察画像ＩＭ２上のパタンＰ２の座標が（Ｘ，Ｙ、δｚ）であるとする。ここで、δｚは、被検物１２からＣＣＤセンサ４１までの光路長と、被検物１２からＣＣＤセンサ４４までの光路長との差を示している。

例えば、パタンＰ１の重心とパタンＰ２の重心とを通る直線を直線Ｐ１Ｐ２とすると、ＸＹ平面上における直線Ｐ１Ｐ２およびＹ軸がなす角度θと、直線Ｐ１Ｐ２およびＺ軸を含む平面上における、直線Ｐ１Ｐ２およびＺ軸がなす角度φとからなる角度のセットがパタン移動角度とされる。つまり、パタン移動角度は、Ｚ軸を中心とした回転角度を示す角度θと、Ｚ軸に垂直な直線を中心とした回転角度を示す角度φとから定義される。

パタン移動角度算出部２４は、パタンＰ１およびパタンＰ２の撮像時のパタン位置情報と、予め定められた光路長の差δｚとからパタンＰ１の動き量、つまりパタンＰ２の座標（Ｘ，Ｙ，δｚ）を求める。さらに、パタン移動角度算出部２４は、求めた動き量に基づいて式（１）および式（２）を計算することで、角度θおよび角度φをパタン移動角度として求める。

なお、式（１）および式（２）において、atan（）は、正接関数の逆関数を示している。

求められたパタン移動角度（θ，φ）により定まる直線Ｐ１Ｐ２は、パタンの移動方向、つまりＣＣＤセンサ４１に入射するパタン光の主光線の方向を示している。したがって、パタン移動角度（θ，φ）が求まると、パタン光が投光される被検物１２の表面の法線が、測定系（対物レンズ３８）の光軸に対してどれだけ傾いているか、つまり光軸と法線とのなす角度を求めることができる。

各パタンのパタン移動角度（θ，φ）が求められると、例えば図７に示すように、各パタンについて、合焦測度が最大となるときのパタン位置情報、合焦点位置、およびパタン移動角度が得られる。なお、図７において、（ｘ，ｙ，ｚ）−（θ，φ）におけるｘ，ｙ，ｚ，θ，φは、パタン位置情報としてのｘ座標およびｙ座標、合焦点位置、角度θ、並びに角度φを示している。ここで、パタン位置情報としてのｘ座標およびｙ座標は、ＣＣＤ４１により撮像された観察画像上のパタンの位置を示している。

図７の例では、４つのパタンについて、パタン位置情報、合焦点位置、およびパタン移動角度が示されている。例えば、（０，１０，−５）−（０，０）は、パタン位置情報としての座標が（０，１０）であり、合焦点位置が−５であり、パタン移動角度としての角度θおよび角度φが０度であることを示している。

各パタンについて、合焦点位置およびパタン移動角度が求まると、パタン移動角度算出部２４は、求めた各パタンのパタン移動角度を駆動部２５に供給する。

ステップＳ１４において、形状測定装置１１は、測定系の仰角θおよび回転角φを変化させて被検物１２を撮像する。

すなわち、駆動部２５は、パタン移動角度算出部２４から供給されたパタン移動角度に基づいて、被検物１２の表面が測定系（対物レンズ３８）に対して傾斜している角度を推測する。例えば、駆動部２５は、供給された各パタンのパタン移動角度（θ，φ）のうち、パタン移動角度（０，０）を除いて最も多いパタン移動角度（θ，φ）から、被検物１２の表面が傾斜している角度を推測する。

より具体的には、パタン移動角度（０，０）を除いて、最も多いパタン移動角度（θ，φ）が（１，１０）であったとする。この場合、パタン移動角度（１，１０）のパタンにおいては、ＣＣＤセンサ４１の画素に到達するパタン像の主光線の入射角は、角度θ方向の入射角が１度であり、角度φ方向の入射角が１０度である。また、主光線の入射角（θ，φ）が（１，１０）であり、パタン光の投光と撮像のＮＡが同じである場合、被検物１２の表面は、測定系（対物レンズ３８）、つまりステージ２２に対して回転角方向に約０度、仰角方向に５度だけ傾いていると推定される。

なお、ここでは、角度θは１度であり、充分に小さいので回転角方向への傾きは０とされている。また、ここで、回転角方向φおよび仰角方向θとは、測定系のステージ２２に対する回転角方向および仰角方向と同様に、被検物１２の表面の測定系（ステージ２２）に対する回転角方向および仰角方向をいう。

したがって、ステージ２２の法線に垂直な直線を軸として、測定系を仰角方向に５度だけ傾ければ、測定系の光軸と、被検物１２の表面の法線とが平行になり、パタン光が被検物１２の表面に対して垂直に入射するようになる。そこで、駆動部２５は、仰角方向に５度だけ測定系が傾斜するように、測定部２１を傾ける。

測定系が傾斜されると、測定部２１は、ステップＳ１１における場合と同様に、測定系が傾斜された状態で、被検物１２にパタン光を投影するとともに、各焦点面Ｓの位置に対して観察画像を撮像する。このとき、測定部２１は、被検物１２と焦点面Ｓとの相対的な位置関係（距離）が変化するように、傾斜された測定系の光軸と平行な方向に所定の距離ずつ移動する。ＣＣＤセンサ４１およびＣＣＤセンサ４４は、撮像した観察画像を、順次、合焦測度算出部２３に供給する。

ステップＳ１５において、合焦測度算出部２３は、ＣＣＤセンサ４１およびＣＣＤセンサ４４から供給された観察画像に基づいて、各パタンのパタン位置を検出し、合焦測度を求める。そして、合焦測度算出部２３は、パタン位置情報および合焦測度をパタン移動角度算出部２４に供給する。

ステップＳ１６において、パタン移動角度算出部２４は、合焦測度算出部２３からの合焦測度およびパタン位置情報に基づいて、合焦点位置およびパタン移動角度を求める。すなわち、ステップＳ１５およびステップＳ１６において、ステップＳ１２およびステップＳ１３と同様の処理が行われる。

これにより、測定系の仰角および回転角を０度として撮像された観察画像についてのパタンごとの測定情報と、測定系の仰角および回転角を変更して撮像された観察画像、例えば、仰角を５度として撮像された観察画像についてのパタンごとの測定情報とが得られる。パタン移動角度算出部２４は、これらの測定情報に含まれるパタン位置情報および合焦点位置を、ステージ２２上の所定の点を基準とする座標系における位置を示す情報に変換し、パタン位置および合焦点位置が座標変換された測定情報を選択部２６に供給する。

ステップＳ１７において、選択部２６は、パタン移動角度算出部２４から供給された測定情報に基づいて、観察画像の画素ごとに点群データを選択する。すなわち、選択部２６は、パタン（パタン位置情報）ごとに、測定系の傾斜前（仰角および回転角が０度）の測定情報と、測定系の傾斜後（例えば、仰角が５度）の測定情報とのうち、パタン移動角度が小さい方の測定情報を選択する。

ここで、選択される測定情報は、測定時における被検物１２の表面の測定系に対する傾斜角度がより小さいものであるので、２つの測定情報のうち、より測定精度の高い測定情報となる。このようにしてパタンごとに測定情報が選択されると、パタンごとに選択された測定情報からなる点群データが得られる。

ステップＳ１８において、選択部２６は、得られた点群データを被検物１２の３次元形状の測定結果として出力し、形状測定処理は終了する。

このようにして、形状測定装置１１は、個々に区別可能なパタン光を被検物１２に投光して観察画像を撮像し、測定情報を求める。そして、形状測定装置１１は、測定情報に基づいて測定部２１を傾斜させ、再び観察画像を撮像して測定情報を求め、求められた測定情報のうち、より信頼度の高い測定情報からなる点群データを出力する。

このように、被検物１２に区別可能なパタン像を投影することで、パタンの誤認識をなくし、より簡単に測定精度を向上させることができる。

また、被検物１２の表面が傾斜している場合には、対物レンズ３８におけるパタン光の結像に寄与するＮＡが小さくなるので、焦点深度が深くなり、被検物１２の形状の測定精度が低下するが、パタン移動角度により、測定精度の信頼度と被検物１２の傾斜の度合いとを知ることができる。したがって、パタン移動角度に基づいて、被検物１２が傾斜している分だけ測定系を傾斜させ、より測定精度の高い測定情報を得ることができるだけでなく、測定系の傾斜角度ごとの測定情報のうち、より信頼度の高い方の測定情報を選択して出力することができる。

また、ＣＣＤセンサ４４を設けずに、ＣＣＤセンサ４１だけにより観察画像を撮像するようにしてもよい。そのような場合、合焦測度が最大となる観察画像と、その観察画像の焦点面Ｓと焦点面Ｓとは光軸上の異なる位置の焦点面Ｓの観察画像とから、パタン移動角度が算出される。

さらに、各パタンのパタン移動角度に基づいて、測定系を傾斜しての観察画像の撮像を行うか否かの判定を行ったり、パタン移動角度の大きいパタンの測定情報を出力しないようにしたりしてもよい。すなわち、例えば、観察画像の撮像を行うか否かの判定を行う場合、予め定められた閾値以下であるパタン移動角度の数が所定数以上あるときには、測定系を傾斜しての観察画像の撮像を行わないと判定される。また、例えば、パタン移動角度が予め定められた閾値以上であるパタンについては、充分な精度での測定が行われなかったとして、測定情報が出力されない。

さらに、以上においては、各パタン像について、パタン像ごとの合焦点位置の測定の信頼度を示すパラメータとして、パタン移動角度以外に、光軸方向の異なる位置で撮像した画像のボケ具合を比較して信頼度を推定してもよい。

例えば、信頼度を示すパラメータとして、各パタンについて、合焦測度が最大となる観察画像におけるパタンの重心の位置の画素の画素値、つまりその画素に入射したパタン光の光量を光軸方向の異なる位置で撮像した画像同士で比較し、その差分を算出してもよい。また、パタンの重心の周辺の画素の画素値の積分値を同様に光軸方向の異なる位置で撮像された観察画像同士で比較し、その差分を信頼度を示すパラメータとしてもよい。

パタンの重心の画素の画素値（光量）に基づいて、信頼度を示すパラメータを算出すれば、被検物１２におけるパタン光が投影される部位が凹凸の頂部であり、測定系が頂部から反射された光束のうち光束中心部だけに制限されてＣＣＤセンサに受光しているような特殊な場合であっても、確実に信頼度を知ることができる。

さらに、各パタンについて、合焦測度の変化に対する焦点面Ｓの位置の変化量、すなわち所定の合焦測度の値の範囲に対する焦点面Ｓの位置の値の幅が信頼度を示すパラメータとして算出されるようにしてもよい。

そのような場合、例えば、図８に示すように、焦点面Ｓの位置の変化量を示す値として、合焦測度が所定の値以上となる焦点面Ｓの位置の幅Ｒが、信頼度を示すパラメータとして算出される。なお、図８において、縦軸は合焦測度を示しており、横軸は焦点面Ｓの位置を示している。

図８の例では、合焦測度の最大値はＤｐとされている。パタン移動角度算出部２４は、この合焦測度Ｄｐの所定の比率の値、例えば、合焦測度Ｄｐの９０％の大きさの値Ｄｑを求める。次に、パタン移動角度算出部２４は、合焦測度がＤｑとなる焦点面Ｓの位置の幅Ｒを求め、その幅Ｒを、信頼度を示すパラメータとする。この場合、合焦測度がＤｑである焦点面Ｓの位置は、Ｚｑ１およびＺｑ２であるので、位置Ｚｑ１から位置Ｚｑ２までの幅Ｒが信頼度を示すパラメータとされる。

被検物１２の形状の測定は、測定系の焦点深度が浅いほど精度が高くなるので、焦点面Ｓの位置の幅Ｒの値が小さいほど、測定精度は高いということができる。

このように、パタン移動角度とは別に、信頼度を示すパラメータが算出される場合には、例えば、形状測定処理において、その信頼度を示すパラメータに基づいて、測定系を傾斜させるか否かが判定されたり、点群データとしての測定情報が選択されたりする。また、この信頼度を示すパラメータ（例えば、焦点面Ｓの位置の幅Ｒ）は、点群データとして、パタン位置情報に付加されて出力される。

このような新たな信頼度を示すパラメータを算出することでも、被検物１２の傾斜により、測定系の瞳（ＮＡ）が実質的に制限されている場合に、測定の信頼度の指標をパタン位置情報に付加することができる。

さらに、上述した一連の処理は、ハードウェアにより実行することもできるし、ソフトウェアにより実行することもできる。上述した一連の処理をソフトウェアにより実行する場合には、一連の処理を行うために形状測定装置１１に実行させるプログラムは、予め形状測定装置１１内の図示せぬ記録部に記録されているか、または形状測定装置１１と接続されているサーバなどの外部装置から形状測定装置１１の記録部にインストールすることができる。

また、一連の処理を行うために形状測定装置１１に実行させるプログラムは、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、或いは半導体メモリなどのリムーバブルメディアから形状測定装置１１により取得されて、形状測定装置１１の記録部に記録されてもよい。

なお、上述した一連の処理を実行させるプログラムは、必要に応じてルータ、モデムなどのインタフェースを介して、ローカルエリアネットワーク、インターネット、デジタル衛星放送といった、有線または無線の通信媒体を介して形状測定装置１１にインストールされるようにしてもよい。

また、形状測定装置１１等のコンピュータが実行するプログラムは、本明細書で説明する順序に沿って時系列に処理が行われるプログラムであっても良いし、並列に、あるいは呼び出しが行われたとき等の必要なタイミングで処理が行われるプログラムであっても良い。

なお、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

本発明を適用した形状測定装置の一実施の形態の構成例を示す図である。 視野絞りの構成例を示す図である。 パタン光の欠落について説明する図である。 形状測定処理について説明するフローチャートである。 形状測定装置の概略斜視図である。 パタン移動角度の算出について説明する図である。 被検物の形状の測定結果の例を示す図である。 測定の信頼度を示すパラメータの他の例について説明する図である。

符号の説明

１１ 形状測定装置， １２ 被検物， ２１ 測定部， ２２ ステージ， ２３ 合焦測度算出部， ２４ パタン移動角度算出部， ２５ 駆動部， ２６ 選択部， ３１ 光源， ３５ 視野絞り， ３８ 対物レンズ， ４１ ＣＣＤセンサ， ４４ ＣＣＤセンサ

Claims (15)

1. 合焦点法により被検物の形状を測定する形状測定装置であって、
   個々に区別可能な複数のパタンの像を前記被検物に投影する投光手段と、
   対物レンズを有し、前記対物レンズを介して結像された前記パタンが投影された前記被検物の画像を撮像する撮像手段と、
   前記被検物に投影される前記パタンが結像する焦点面と、前記被検物との相対的な位置関係を変化させながら前記撮像手段により撮像された複数の前記観察画像に基づいて、前記被検物の表面の各部の位置を取得する位置演算手段と、
   異なる焦点面で撮像された前記複数の観察画像に基づいて、前記被検物に対する前記焦点面の位置を変化させたときの前記観察画像上における前記パタンの像の動き量を演算する動き量演算手段と
   を備えることを特徴とする形状測定装置。
2. 前記位置演算手段は、合焦測度に基づいて、前記パタンの像の各々が投影された前記被検物の表面の前記対物レンズの光軸方向に沿った位置を演算し、
   前記動き量演算手段は、前記パタンの像の動き量に基づいて、前記位置の演算結果の信頼度を示す値として、前記パタンの像の主光線の方向を演算する
   ことを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
3. 前記主光線の方向に基づいて、前記投光手段および前記撮像手段からなる測定系を前記被検物に対して傾斜させる傾斜手段をさらに備える
   ことを特徴とする請求項２に記載の形状測定装置。
4. 前記測定系の前記被検物に対する傾斜角度が第１の角度である状態で撮像された前記観察画像から得られた前記位置の演算結果と、前記傾斜角度が第２の角度である状態で撮像された前記観察画像から得られた前記位置の演算結果とのうち、前記方向により示される前記信頼度の高い方の演算結果を選択する選択手段をさらに備える
   ことを特徴とする請求項３に記載の形状測定装置。
5. 前記動き量演算手段は、前記合焦測度に基づいて、前記信頼度を示す値として、さらに前記合焦測度の変化に対する前記焦点面の位置の変化量を演算する
   ことを特徴とする請求項２に記載の形状測定装置。
6. 前記動き量演算手段は、前記複数の観察画像および前記合焦測度に基づいて、前記信頼度を示す値として、さらに前記パタンの前記合焦測度が最大となる前記観察画像における前記パタン近傍の画素の画素値の積分値を演算する
   ことを特徴とする請求項２に記載の形状測定装置。
7. 前記撮像手段は、前記焦点面の位置の異なる第１の観察画像および第２の観察画像を同時に撮像し、
   前記動き量演算手段は、前記第１の観察画像および前記第２の観察画像と、前記合焦測度とに基づいて、前記方向を演算する
   ことを特徴とする請求項２に記載の形状測定装置。
8. 合焦点法により被検物の形状を測定する形状測定方法であって、
   個々に区別可能な複数のパタンの像を前記被検物に投影する投光ステップと、
   対物レンズを介して結像された前記パタンが投影された前記被検物の画像を撮像する撮像ステップと、
   前記被検物に投影される前記パタンが結像する焦点面と、前記被検物との相対的な位置関係を変化させながら前記撮像手段により撮像された複数の前記観察画像に基づいて、前記被検物の表面の各部の位置を取得する位置演算ステップと、
   異なる焦点面で撮像された前記複数の観察画像に基づいて、前記被検物に対する前記焦点面の位置を変化させたときの前記観察画像上における前記パタンの像の動き量を演算する動き量演算ステップと
   を含むことを特徴とする形状測定方法。
9. 合焦点法により被検物の形状を測定する形状測定装置に、
   個々に区別可能な複数のパタンの像を前記被検物に投影する投光ステップと、
   対物レンズを介して結像された前記パタンが投影された前記被検物の画像を撮像する撮像ステップと、
   前記被検物に投影される前記パタンが結像する焦点面と、前記被検物との相対的な位置関係を変化させながら前記撮像手段により撮像された複数の前記観察画像に基づいて、前記被検物の表面の各部の位置を取得する位置演算ステップと、
   異なる焦点面で撮像された前記複数の観察画像に基づいて、前記被検物に対する前記焦点面の位置を変化させたときの前記観察画像上における前記パタンの像の動き量を演算する動き量演算ステップと
   を含む処理を実行させることを特徴とするプログラム。
10. 前記位置演算ステップにおいて、合焦測度に基づいて、前記パタンの像の各々が投影された前記被検物の表面の前記対物レンズの光軸方向に沿った位置を演算し、
    前記動き量演算ステップにおいて、前記パタンの像の動き量に基づいて、前記位置の演算結果の信頼度を示す値として、前記パタンの像の主光線の方向を演算する
    ことを特徴とする請求項９に記載のプログラム。
11. 前記形状測定装置に、
    前記主光線の方向に基づいて、前記パタン光を投光する投光手段と、前記撮像手段とからなる測定系を前記被検物に対して傾斜させる傾斜ステップをさらに実行させる
    ことを特徴とする請求項１０に記載のプログラム。
12. 前記形状測定装置に、
    前記測定系の前記被検物に対する傾斜角度が第１の角度である状態で撮像された前記観察画像から得られた前記位置の演算結果と、前記傾斜角度が第２の角度である状態で撮像された前記観察画像から得られた前記位置の演算結果とのうち、前記方向により示される前記信頼度の高い方の演算結果を選択する選択ステップをさらに実行させる
    ことを特徴とする請求項１１に記載のプログラム。
13. 前記動き量演算ステップにおいて、前記合焦測度に基づいて、前記信頼度を示す値として、さらに前記合焦測度の変化に対する前記焦点面の位置の変化量を演算する
    ことを特徴とする請求項１０に記載のプログラム。
14. 前記動き量演算ステップにおいて、前記複数の観察画像および前記合焦測度に基づいて、前記信頼度を示す値として、さらに前記パタンの前記合焦測度が最大となる前記観察画像における前記パタン近傍の画素の画素値の積分値を演算する
    ことを特徴とする請求項１０に記載のプログラム。
15. 前記撮像ステップにおいて、前記焦点面の位置の異なる第１の観察画像および第２の観察画像を同時に撮像し、
    前記動き量演算ステップにおいて、前記第１の観察画像および前記第２の観察画像と、前記合焦測度とに基づいて、前記方向を演算する
    ことを特徴とする請求項１０に記載のプログラム。

Images