JP2010014444A - 位相シフト法による形状測定方法及び測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型の装置で、振動のある環境下においても高精度に形状測定が可能な位相シフト法による形状測定方法及び形状測定装置を提供する。
【解決手段】２つのＬＥＤ１２，２２と、光路上に設けられた半透明鏡１８，２８，３２，４６，６６及び参照鏡３８と、測定対象物３６を垂直移動可能に載置した移動ステージ３４を有する。ＬＥＤ１２，２２の光とは波長の異なるレーザ光を照射するレーザ干渉式測定装置６０を備える。ＬＥＤ１２，２２からの光を測定対象物３６の平面に照射するとともに、レーザ光を測定対象物３６の平面に照射し、且つＬＥＤ１２，２２からの光及びレーザ光を参照鏡３８に導いて、測定対象物３６からの反射光と参照鏡３８からの反射光との干渉像を各々形成する干渉光学系５０を備える。レーザ光の干渉像から測定対象物３６表面の高さ位置情報を演算する距離演算処理部７６と、ＬＥＤ１２，２２を発光させる発光制御部７８とを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、超精密機械、磁気記録部品、集積回路基板等の中間加工製品、または液晶基板等の超高精度の表面形状を有する部材表面を、光干渉を用いて高精度に測定可能な、位相シフト法による形状測定方法及び測定装置に関する。

従来、超精密機械部品の製造分野やそれらの品質管理並びに測定分野、最近のコンピュ−タの磁気記録部品やＬＳＩ基板の中間加工製品、また液晶基板では数十ナノメ−タから場合によっては数百ミクロンの凹凸を持った加工がなされているが、それらの加工分野では加工精度を高速高精度に評価する必要がある。

現在、光干渉を応用した高精度な３次元形状測定装置が種々提供されており、その中でも特許文献１に開示されているような位相シフト法による測定装置が、高さ方向に高精度であることが知られている。

特許文献１に開示された位相シフト法を用いた光干渉式形状測定装置は、異なる２つの波長の光を用い、この２種の光を決まった時間間隔で点灯と消灯を切り替えながら交互に点灯させ、測定対象物に照射する。この時、半透過鏡を介して、測定対象物に照射する光と参照鏡に照射する光の２光に各々分光し、それぞれの反射光を、半透過鏡を介して干渉させ、そのときに発生した干渉像をＣＣＤカメラで撮像する。さらに、測定対象物を垂直方向に移動させることにより干渉像の光強度を変化させ、光源の波長で決まる位相シフト量と呼ばれる一定の高さ間隔で複数の干渉像を得る。この位相シフト法による形状測定によれば、ＣＣＤカメラの１画素の位置における干渉像の光強度変化を全干渉像から得ることができ、２波長光による位相シフト法を用いて、各画素に対応した位置における高さを計算することができる。そして、ＣＣＤカメラの全ての画素において高さを計算することにより、測定対象物の３次元形状が測定できる。
特開２００５−６９９４２号公報

位相シフト法では、光源の波長で決まる位相シフト量と呼ばれる一定の高さ間隔で干渉像を取得し、複数の干渉像から測定対象物の高さを計算し表面形状を測定する。そのとき、干渉像を取得する際の、位相シフト量の誤差が小さい必要がある。そのため、位相シフト法の形状測定装置は、位相シフト量の誤差要因の１つである振動を無視できる環境で使用する必要があり、防振機構を施した卓上型装置として構成されているものが多い。

一方、生産工場で微細な形状測定を行う要求が増えており、生産機械型装置にこの位相シフト法の形状測定装置を取り付けるには、防振機構が大掛かりになり大型且つ高価な装置となっている。

即ち、特許文献１の形状測定装置において振動を除去するためには、防振台などの防振機構を用いるか、又は外部から測定対象物と移動ステージとの間の高さを測定しながら、その測定値を用いて位相シフト量を補正しながら測定する必要がある。

防振機構を用いる場合は、防振台に設置可能な卓上式装置となるか、または、測定装置全体を防振するための高剛性な架台が必要なため大掛かりな測定装置となり、いずれの場合も、測定装置の機構に関して制約がある。

また、位相シフト量を補正しながら測定する場合、測定対象物から離れた位置で測定対象物と移動ステージとの間の高さを測定すると、測定位置と測定対象物との間に水平方向の距離が発生し、移動ステージが動く際に傾きが発生するため、アッベ誤差と呼ばれる垂直方向の測定誤差が発生する。このことから、精密に高さ測定を行うためには、測定位置は測定対象物上である必要があるが、一般的な高さ測定装置を用いて、測定対象物上における高さ測定を実現するには、測定範囲、測定精度、測定装置の取り付け位置などの課題があり、実現できない。

その他、特許文献１とは異なる位相シフト法（例えば、１つの波長の光を用いた方法）を用いた光干渉式形状測定装置においても、機械的に測定対象物の高さを変えながら一定の位相シフト量にて測定する方法では、上記と同様の問題がある。

この発明は、上記従来の技術の問題点に鑑みて成されたもので、小型の装置で、振動のある環境下においても高精度に形状測定が可能な位相シフト法による形状測定方法及び形状測定装置を提供することを目的とする。

この発明は、測定対象物上で位相シフト法による測定対象物の移動距離である位相シフト量よりも細かくかつ高速に高さ測定することにより、振動がある環境において位相シフト量を補正しながら形状測定できるようにした形状測定方法及び形状測定装置である。

位相シフト法の形状測定装置では、全ての干渉像を取得した後、１つの位置における干渉像の光強度変化を全干渉像から得ることができ、位相シフト法を用いてその位置における高さを計算することができる。さらに、全ての位置において高さを計算することにより、測定対象物の３次元形状が測定できる。

さらに、位相シフト法の形状測定装置では、光源に可視光を用いる場合、最小位相シフト量は約５０ｎｍであり、位相シフト量を精密に補正するためには約１ｎｍの分解能で高さ測定を行う必要がある。また、高さ測定には、位相シフト法の形状測定装置の光学系と同軸で、且つ高さ測定で用いる光が位相シフト法の形状測定装置の干渉計を通過可能な光を利用した光学式測定方法を用いる。

従って、高さ測定を行う光学式測定方法に、位相シフト法の形状測定装置の光源の波長と異なる波長のレーザ光を使うことにより、位相シフト法の形状測定装置の測定範囲内で１ｎｍの分解能で高さ測定が可能となる。また、測定対象物が移動している間、その高さを測定する必要があるため、ここでの高さ測定には、測定対象物が移動終了後に計算を始める位相シフト法の形状測定装置の測定方法は使えない。そこで、高さが変化しても光強度振幅の最大値の変化が少ないレーザ干渉式測定方法であって、短時間における光路差変化量の測定が可能な方法を用いる。

この発明の形状測定方法は、干渉像の位相をシフトさせながら、測定対象の画像をＣＣＤカメラにより所定範囲で捉え、捉えた画像をコンピュ−タに干渉像として複数枚取り込み、取り込んだ画像間の干渉像を上記ＣＣＤカメラの各画素毎にデジタル演算し、各画素毎に干渉像の位相とコントラスト（正弦波型変化をする光強度の振幅の変化量）を計算する位相シフト法による測定方法であって、１または波長の異なる２つの光を用いて干渉像をＣＣＤカメラにより受光して交互に記録し、これらの干渉像による位相値から光路差を計算し、測定対象物の表面形状を測定する測定方法である。

この測定方法では、測定対象物（もしくはレンズと一体になった参照面）を垂直移動テ−ブルを用いて光軸方向に移動させながら、移動間隔を、移動に伴う位相の変化量がπ×ｎ（ｎは０以上の整数）±π／４前後として、多くの画像（ｍ＝１，２，…，Ｌ）を取り込む。この時、奇数番目のシフト後（移動後）は中心波長λ１、偶数番目の移動後は中心波長λ２と、波長の異なる２つのＬＥＤ光を用いて干渉画像をＣＣＤカメラに交互に記録する。このようにして記録された多くの干渉画像から、奇数番目に相当する波長λ１の記録順の干渉画像を抜き出す。抜き出したものから、例えば連続する５枚（例えばｊ枚目〜ｊ＋４枚目）を取り出し、それらを用いて３枚目の画像記録時（例えばｊ＋２枚目）の位相値と、画像記録値の干渉画像の輝度信号のコントラストを、位相シフト法を用いて計算する（λ１で記録された連続する画像における位相シフト量は、１つ飛びとなるので２π×ｎ（ｎは０以上の整数）±π／２となる）。

このようにして取り込んだλ１の画像総てを用いてｊ＝１から（Ｌ／２−１）に関しての位相計算と振幅計算を行い、計算結果からＣＣＤカメラが撮像した測定対象域総ての画素毎に、コントラストが大きい（光路差がλ１×ｎの近傍となっている）撮像画像順の画像番号ｋ（画素によってｋは異なる）を探し出す。探し出した画像は、波長λ１の干渉像であり、ＣＣＤカメラでこの直後に記録されている波長λ２の画像に関しても、その前後に記録されたλ２の画像と合わせて、位相シフト法で位相を計算する。波長λ２の位相は波長λ１の位相に関して（交互に記録しているため）位相シフト量分だけ位相が大きい。このシフト量を差し引くと、２つの波長での位相値（λ１の位相はそのまま、λ２は引かれた位相値）の違いは、ｋ記録時の光路差にほぼ比例する。そこで、位相値の違いから大体の光路差を求めた後、その値と求められているλ１（またはλ２）の位相値から、より正確な光路差を得る。これは、１波長の光の位相値のみから光路差を計算する時、図２からわかるように干渉画像により求められる光路差には、λ×ｎ’（λは光の波長、ｎ’は整数）の決定できない項が含まれ、このｎ’のため、光路差は正しく求められないからである。

また、位相シフト法の形状測定方法では、位相シフト量が一定である必要がある。そのため、位相シフト法による干渉画像を取得する光学系を共用したレーザ干渉光学系を設け、このレーザ干渉光学系により測定対象物の高さ位置を測定しながら、所定の高さ位置毎に位相シフト法による光学系の干渉画像を取り込み、その干渉像から測定対象の高さ位置を正確に求める形状測定方法である。

レーザ干渉式測定方法は、干渉像の異なる２つの位置Ａ，Ｂの光強度を利用し、予め振幅の最大値と最小値を求めておくことにより、短時間における２つの位置の光強度の変化から光路差変化量を計算する。光路差変化量を累積した光路差は、係数を掛けて高さ位置情報に変換できる。高さ位置情報を元に所定の位相シフト量に達した高さ位置で、位相シフト法による干渉像を取得することにより、正確な位相シフト量で形状測定が可能となる。

位相シフト法の形状測定装置で干渉像を取得する時間に比べ、高さ測定で干渉像を取得する時間は、好ましくは１／１００以下である。また、高さ測定に必要な平面上の測定範囲は小さな領域であるため、高さ測定で用いる撮像装置は小領域のもので構わない。

この発明は、上述の測定原理を用いたものであって、光の進行方向に沿って測定対象物を移動可能に位置させた状態で、前記測定対象物に対して光を照射し、その光の前記測定対象物からの反射光と参照鏡からの反射光とにより生成される干渉像を半導体イメージセンサで撮像し、前記測定対象物の前記光の進行方向に沿った移動量を、前記光の波長に対する位相シフト量として、前記測定対象物の形状を前記干渉像の光強度情報を基に測定する位相シフト法による形状測定方法であって、レーザ干渉式測定装置を用いて、前記測定対象物の平面に前記光とは波長の異なるレーザ光を照射し、前記光の光路の一部を共用して前記反射鏡にも前記レーザ光を照射して、前記レーザ光の前記測定対象物からの反射光と前記反射鏡からの反射光との干渉像により、前記測定対象物の高さ位置情報を演算し、前記測定対象物の移動量が所定の前記位相シフト量になったことを、前記レーザ干渉式測定装置による前記高さ位置情報により検知して、前記半導体イメージセンサにより前記干渉画像を撮像し、前記位相シフト法により前記測定対象物の形状を前記干渉像の光強度情報を基に測定する位相シフト法による形状測定方法である。

またこの発明は、波長の異なる２つの光を、その光の進行方向に沿って測定対象物を移動可能に位置させた状態で、前記測定対象物に対して交互に照射し、その２つの光の前記測定対象物からの反射光と参照鏡からの反射光とにより生成される干渉像を半導体イメージセンサで撮像し、それぞれの光の発光間隔における前記測定対象物の、前記光の進行方向に沿った移動量を、前記光の波長に対する位相シフト量として、前記測定対象物の形状を前記干渉像の光強度情報を基に測定する位相シフト法による形状測定方法であって、レーザ干渉式測定装置を用いて、前記測定対象物の平面に前記２つの光とは波長の異なるレーザ光を照射し、前記２つの光の光路の一部を共用して前記反射鏡にも前記レーザ光を照射して、前記レーザ光の前記測定対象物からの反射光と前記反射鏡からの反射光との干渉像により、前記測定対象物の高さ位置情報を演算し、
前記２つの光の発光タイミングを、前記測定対象物の移動量が所定の前記位相シフト量になったことを、前記レーザ干渉式測定装置による前記高さ位置情報により検知して、前記２つの光を交互に発光させて前記半導体イメージセンサにより前記干渉画像を撮像し、前記位相シフト法により前記測定対象物の形状を前記干渉像の光強度情報を基に測定する位相シフト法による形状測定方法である。

前記レーザ干渉式測定装置による前記高さ位置情報は、前記測定対象物の複数の測定点の光強度位置情報を基に検知するものである。

また、前記レーザ干渉式測定装置による前記高さ位置情報は、前記測定対象物の一定時間に移動した高さに相当する光路差変化量を基に検知するものである。

またこの発明は、波長の異なる光を発する２つのＬＥＤと、このＬＥＤからの光を測定対象物へ照射する光学系の光路上に設けられた半透明鏡及び反射鏡と、前記光の進行方向に沿って測定対象物を移動可能に載置した移動ステージと、前記ＬＥＤにより照射された前記測定対象物を撮像する半導体イメージセンサを設け、前記測定対象物に前記ＬＥＤからの光を交互に照射し、その２つの光の、前記測定対象物からの反射光と前記参照鏡からの反射光とにより生成される干渉像を前記半導体イメージセンサで撮像し、それぞれの光の発光間隔における前記測定対象物の、前記光の進行方向に沿った移動量を、前記ＬＥＤの光の波長に対する位相シフト量として、前記測定対象物の形状を前記干渉像の光強度情報を基に測定する位相シフト法による形状測定装置であって、前記ＬＥＤの光とは波長の異なるレーザ光を照射するレーザ干渉式測定装置と、前記ＬＥＤからの光を前記測定対象物の平面に照射するとともに、前記レーザ光を前記測定対象物の平面に照射し、且つ前記ＬＥＤからの光及び前記レーザ光を前記反射鏡に導いて、前記ＬＥＤからの光及び前記レーザ光の、前記測定対象物からの反射光と前記反射鏡からの反射光との干渉像を各々形成する干渉光学系と、前記レーザ干渉式測定装置に設けられ、前記レーザ光の干渉像から前記測定対象物の高さ位置情報を演算する距離演算処理部と、前記測定対象物の移動量が所定の前記位相シフト量になったことを、前記レーザ干渉式測定装置による前記高さ位置情報により検知して、前記ＬＥＤを発光させる発光制御部とを設けた位相シフト法による形状測定装置である。

前記レーザ干渉式測定装置による前記測定対象物の高さ位置情報の演算時間は、前記２つのＬＥＤの発光時間間隔に対して、１／１００以下である。

さらに、前記半導体イメージセンサにより、前記ＬＥＤからの光の干渉像を読み取るタイミングを、前記発光制御部からの前記ＬＥＤの発光タイミングに同期させたものである。

この発明は、位相シフト法の形状測定装置とレーザ干渉式測定装置を用いて測定対象物を測定する際に、位相シフト法の形状測定装置の光学系とレーザ干渉式測定装置の光学系を一部共用して、測定対象物の高さ位置を正確に測定しながら形状測定を行うことにより、アッベ誤差の影響を受けずに測定対象物の形状測定が可能である。そして、レーザ干渉式測定装置による精密な高さ測定を高速に行うことにより、振動のある環境において位相シフト法に必要な位相シフト量を正確に設定することが可能となり、高精度な形状測定が可能となる。

以下、この発明の実施形態について図面に基づいて説明する。この発明の一実施形態の形状測定装置の具体的構成例を図１に示す。この実施形態の形状測定装置は、位相シフト法を用いる光干渉式形状測定装置１０とレーザ干渉式測定装置６０で構成される。

光干渉式形状測定装置１０は、オレンジ色等のＬＥＤ１２と、レンズ１４、及び所定波長のバンドパスフィルタ１６が同軸に配置され、この光学系と直交するように、青色・緑色等のＬＥＤ２２と、レンズ２４，及び所定波長のバンドパスフィルタ２６が同軸に配置されている。さらに、ＬＥＤ１２，２２からの光を透過・反射する半透明鏡１８，２８が設けられている。

さらに、測定対象物３６へ向かう光軸上には、対物レンズ３０が測定対象物３６に対向して位置し、測定対象物３６に向かう光軸と直角方向には、半透明鏡３２を介して参照鏡３８が位置している。また、図示しない駆動装置が設けられ測定対象物３６が載置される定速垂直移動ステージ３４が、上面を水平状態にして設けられている。この対物レンズ３０、半透明鏡３２、参照鏡３８、及び測定対象物３６と定速垂直移動ステージ３４が干渉光学系５０を形成している。

さらに、対物レンズ３０の光軸上方には、測定対象物３６からの反射光を受光するＣＣＤイメージセンサを内蔵したＣＣＤカメラ４０とレンズ４２、バンドパスフィルタ４４が設けられている。バンドパスフィルタ４４は、ＬＥＤ１２，２２の光は通過させるが、後述するレーザ光源６２のレーザ光は遮蔽するものである。ＣＣＤカメラ４０の出力は、測定対象物３６の形状を演算する形状演算処理部４８に接続されている。

また、レーザ干渉式測定装置６０には、半透明鏡４６，６６を介してレーザダイオード等のレーザ光源６２とレンズ６４が同軸に設けられている。レーザ光源６２のレーザ光の波長は、ＬＥＤ１２，２２の光の波長とは異なるものである。さらに、半透明鏡６６を介して、ＣＣＤイメージセンサを内蔵したＣＣＤカメラ７０、レンズ７２、及びバンドパスフィルタ７４が設けられている。バンドパスフィルタ７４は、レーザ光源６２のレーザ光は通過させるが、ＬＥＤ１２，２２からの光は遮蔽するものである。ＣＣＤカメラ７０は、１ラインの直線像を取得できる構造であれば良く、ＣＣＤカメラ４０に比べ１００倍以上の速度で画像を取得できるものである。

ＣＣＤカメラ７０の出力は、測定対象物３６表面の高さ位置情報を演算する距離演算処理部７６に接続されている。距離演算処理部７６の出力は、測定対象物３６の移動量が所定の位相シフト量になったことを検知して、ＬＥＤ１２，２２を発光させる測定コンピュータ等の発光制御部７８に接続されている。

この実施形態の形状測定装置は、ＬＥＤ１２，２２から照射された光が、レンズ１４，２４、半透明鏡１８を通り、半透明鏡２８で垂直方向下方へ向かい、対物レンズ３０で集光する。この光は、半透明鏡３２で２光に分光し、一方は測定対象物３６で反射し、もう一方は参照鏡３８で反射し、半透明鏡３２で重なり、干渉する。ここで干渉した光の干渉像は、対物レンズ３０、半透明鏡２８を通り、半透明鏡４６で２光に分光し、一方は直進して、バンドパスフィルタ４４、レンズ４２を通り、ＣＣＤカメラ４０に入り、干渉像が撮像される。また他方は、半透明鏡４６で反射し、半透明鏡６６で２光に分光し、反射された光はバンドパスフィルタ７４で遮蔽され、ＣＣＤカメラ７０には入射しない。

また、レーザ光源６２から出射されたレーザ光は、レンズ６４、半透明鏡６６を通り、半透明鏡４６で垂直方向下方へ向かい、半透明鏡２８を通り、対物レンズ３０で集光する。このレーザ光は、半透明鏡３２で２光に分光し、一方は測定対象物３６で反射し、もう一方は参照鏡３８で反射し、半透明鏡３２で重なり、干渉する。ここで干渉したレーザ光の干渉像は、対物レンズ３０、半透明鏡２８を通り、半透明鏡４６で２光に分光し、一方は直進するが、バンドパスフィルタ４４で遮光されるため、ＣＣＤカメラ４０には入らない。もう一方は、半透明鏡６６で２光に分光し、バンドパスフィルタ７４、レンズ７２を通り、ＣＣＤカメラ７０に入り、干渉像が撮像される。

次に、この実施形態の形状測定装置による測定方法について述べる。まず、垂直移動テーブル３４に測定対象物３６を載せ、垂直移動テーブル３４を垂直方向に定速で移動させる。このとき、ＬＥＤ１２，２２を交互に発光させる。発光タイミングは、レーザ干渉式測定装置６０の距離演算処理部７６による高さ位置情報を基に、測定された測定対象物３６の特定位置の高さ位置から、一定の位相間隔になる度に、発光制御部７８から信号を出力し、ＬＥＤ１２，２２を発光させる。ＣＣＤカメラ４０のＣＣＤの各画素は、発光制御部７８からの発光タイミング信号に同期して、ＬＥＤ１２またはＬＥＤ２２の光の干渉像を高速に光電変換し、干渉像の光強度を電気信号に変換する。

ここで、ＣＣＤカメラ７０は、フレームレートが例えば５８０００ｆｒａｍｅ／ｓの高速で読み取るもので、ＣＣＤカメラ４０で取得する干渉像のフレームレートの２５０ｆｒａｍｅ／ｓに対して、２００倍以上高速、好ましくは１０００倍、またはそれ以上で画像読み取りを行い測定する。ＣＣＤカメラ７０で取得する干渉像を測定し、光路差変化量を高速で算出することにより、光路差変化量を累積した光路差は係数を掛けて高さ位置情報に変換することができる。

ＣＣＤカメラ４０で取得した干渉像の輝度である光強度と光路差の関係は、図２に示すような形となる。図２に示した光強度の変化は正弦波型変化の減衰形状（包絡線形状）を有している。今、定速垂直移動テーブル３４を移動させ、ＣＣＤカメラ４０によりＬＥＤ１２とＬＥＤ２２の干渉像の画面（ＬＥＤ１２とＬＥＤ２２の光の波長λ１もしくは波長λ２の画像）を位相シフトが２π×ｎ（ｎはここでは２とする）＋α（αはπ／２前後）となるように設定し、さらにＬＥＤ１２とＬＥＤ２２を交互に（１画像取込時間の間隔で）発光させ、ＣＣＤカメラ４０の画像取り込みにより記録する。ＣＣＤカメラ４０は、図２の（１），（１’），（２），（２’），（３），（３’），・・と変化していく光強度を取り込むことになる。

ここで（ｊ）の所の光強度をＩｊとし、位相シフト量は波長で異なるが所定のαとする。取り込まれた信号から以下の式で各波長でのｊ取り込み時の位相値φｊとコントラストＡｊを計算する。
φｊ＝ａｒｇ［２×ｉ×ｓｉｎ（α）×（Ｉ_ｊ−１−Ｉ_ｊ＋１）
＋（２×Ｉ_ｊ−Ｉ_ｊ＋２−Ｉ_ｊ−２）］ （１）
Ａｊ＝√［４×（ｓｉｎ^２（α）×（Ｉ_ｊ−１−Ｉ_ｊ＋１）^２
＋（２×Ｉ_ｊ−Ｉ_ｊ＋２−Ｉ_ｊ−２）^２］ （２）

波長λ１の干渉画像においてコントラストＡｊが最も大きくなる画像取り込み番号ｋを探しだす。そこで、ｊ＝ｋの位相値φkを計算する。この位相値は取り込まれる時点に応じて図３に示すように、−πからπまでの値となる。もし、同時刻に２つの波長での干渉画像が別々に取り込まれていたとすると、λ１とλ２ではその位相値の差が図４に示すように光路差に比例して変わっている。従って、この差とλ１の位相値から画像ｋを取り込んだ時点での光路差を正確に決定できる。実際は同時刻でないので、λ２の位相に関しては位相シフト量だけ補正し、同時刻の場合を計算する。コントラストＡｊの計算は実際には精度が悪く、光路差がゼロ付近であることを示すだけで、包絡線のピ−クを正しく特定できない。しかし、この精度でも図３でλ１とλ２での位相値の差が結果として２πずれて、見かけ上で同じ位相差の値となる領域同士（図３の領域Ａと領域Ｂ）の識別は十分できる。

以上より、画像取り込み周期での定速移動テーブルの移動量、画像番号ｋ、ｋ取り込み時の光路差から、画素毎の高さ位置を計算し、測定対象物の形状を求める。

次に、レーザ干渉式測定装置６０による測定方法について説明する。ＣＣＤカメラ７０で取得する干渉像の異なる２画素を画素Ａ、画素Ｂとすると、時間ｔにおける画素Ａ，画素Ｂの光強度Ｉ_Ａ（ｔ），Ｉ_Ｂ（ｔ）は式３、式４で表せる。
Ｉ_Ａ（ｔ）＝Ｉ_ＡＭ×ｃｏｓ［２×ｋ×ｈ（ｔ）＋φ_Ａ］＋Ｉ_Ａ０ （３）
Ｉ_Ｂ（ｔ）＝Ｉ_ＢＭ×ｃｏｓ［２×ｋ×ｈ（ｔ）＋φ_Ｂ］＋Ｉ_Ｂ０ （４）
Ｉ_ＡＭ，Ｉ_ＢＭ ：画素Ａ，画素Ｂの干渉の振幅
ｋ ：波数
ｈ（ｔ） ：時間ｔにおける光路差
φ_Ａ，φ_Ｂ ：ｈ（ｔ）＝０のときの画素Ａ，画素Ｂの初期位相
Ｉ_Ａ０，Ｉ_Ｂ０ ：画素Ａ，画素Ｂの光強度のバックグラウンド

ここで、Ｉ_Ａ（ｔ）,Ｉ_Ｂ（ｔ)のそれぞれの最大値Ｉ_ＡＭＡＸ，Ｉ_ＢＭＡＸ，最小値Ｉ_ＡＭＩＮ，Ｉ_ＢＭＩＮを求めると、式５〜式８で表せる。
Ｉ_ＡＭＡＸ＝Ｉ_ＡＭ＋Ｉ_Ａ０ （５）
Ｉ_ＡＭＩＮ＝−Ｉ_ＡＭ＋Ｉ_Ａ０ （６）
Ｉ_ＢＭＡＸ＝Ｉ_ＢＭ＋Ｉ_Ｂ０ （７）
Ｉ_ＢＭＩＮ＝−Ｉ_ＢＭM＋Ｉ_Ｂ０ （８）

式５〜式８を使って式３，式４を余弦項のみの規格化を行うと、時間ｔにおける画素Ａ，画素Ｂの規格化した光強度Ｉ_ＮＡ（ｔ）,Ｉ_ＮＢ（ｔ)は式９，式１０で表せる。
Ｉ_ＮＡ（ｔ）＝ｃｏｓ［２×ｋ×ｈ（ｔ）＋φ_Ａ］ （９）
＝［２×Ｉ_Ａ（ｔ）−｛Ｉ_ＡＭＡＸ＋Ｉ_ＡＭＩＮ｝］／｛Ｉ_ＡＭＡＸ−Ｉ_ＡＭＩＮ｝
Ｉ_ＮＢ（ｔ）＝ｃｏｓ［２×ｋ×ｈ（ｔ）＋φ_Ｂ］ （１０）
＝［２×Ｉ_Ｂ（ｔ）−｛Ｉ_ＢＭＡＸ＋Ｉ_ＢＭＩＮ｝］／｛Ｉ_ＢＭＡＸ−Ｉ_ＢＭＩＮ｝

式９と式１０の和Ｉ_ＡＤＤ（ｔ）と差Ｉ_ＳＵＢ（ｔ）を考えると、それぞれ式１１，式１２となる。
Ｉ_ＡＤＤ（ｔ）＝ｃｏｓ［２×ｋ×ｈ（ｔ）＋φ_Ａ］＋ｃｏｓ［２×ｋ×ｈ（ｔ）＋φ_Ｂ］ ＝２×ｃｏｓ［｛４×ｋ×ｈ（ｔ）＋φ_Ａ＋φ_Ｂ｝／２］
×ｃｏｓ［｛φ_Ａ−φ_Ｂ｝／２］ （１１）
Ｉ_ＳＵＢ（ｔ）＝ｃｏｓ［２×ｋ×ｈ（ｔ）＋φ_Ａ］−ｃｏｓ［２×ｋ×ｈ（ｔ）＋φ_Ｂ］
＝−２×ｓｉｎ［｛４×ｋ×ｈ（ｔ）＋φ_Ａ＋φ_Ｂ｝／２］
×ｓｉｎ［｛φ_Ａ−φ_Ｂ｝／２］ （１２）

式１１，式１２の右辺第２因子は位相｛φ_Ａ−φ_Ｂ｝／２の関数であり、この位相は画素Ａと画素Ｂでの光路差の違いに依存した値であることから、定速垂直移動テーブル３４が移動し測定対象物３６の高さが変化する状況において変化しないため、定数として考えることができる。

この条件の下、式１１，式１２を規格化すると、規格化した和Ｉ_ＮＡＤＤ（ｔ）と規格化した差Ｉ_ＮＳＵＢ（ｔ）はそれぞれ式１３，式１４となる。
Ｉ_ＮＡＤＤ（ｔ）＝ｃｏｓ［｛４×ｋ×ｈ（ｔ）＋φ_Ａ＋φ_Ｂ｝／２］ （１３）
＝Ｉ_ＡＤＤ（ｔ）／（２×ｃｏｓ［｛φ_Ａ−φ_Ｂ｝／２］）
Ｉ_ＮＳＵＢ（ｔ）＝−ｓｉｎ［｛４×ｋ×ｈ（ｔ）＋φ_Ａ＋φ_Ｂ｝／２］ （１４）
＝Ｉ_ＳＵＢ（ｔ）／（２×ｓｉｎ［｛φ_Ａ−φ_Ｂ｝／２］）

式５〜式１０及び式１３、式１４を使って、時間ｔにおける光路差ｈ（ｔ）について整理すると式１５となる。
ｈ（ｔ）＝１／（２×ｋ）×ｔａｎ^−１［１／−ｅ×｛（２×Ｉ_Ａ（ｔ）−ａ）×ｄ
−（２×Ｉ_Ｂ（ｔ）−ｃ）×ｂ｝／｛（２×Ｉ_Ａ（ｔ）−ａ）×ｄ
＋（２×Ｉ_Ｂ（ｔ）−ｃ）×ｂ｝］−（φ_Ａ＋φ_Ｂ）／（４×ｋ） （１５）

ａ＝Ｉ_ＡＭＡＸ＋Ｉ_ＡＭＩＮ
ｂ＝Ｉ_ＡＭＡＸ−Ｉ_ＡＭＩＮ
ｃ＝Ｉ_ＢＭＡＸ＋Ｉ_ＢＭＩＮ
ｄ＝Ｉ_ＢＭＡＸ−Ｉ_ＢＭＩＮ
ｅ＝ｔａｎ［｛φ_Ａ−φ_Ｂ｝／２］
時間ｔ＝ｔ_１から時間ｔ＝ｔ_２の間の光路差変化量Δｈ（ｔ_２−ｔ_１）は式１６となる。
Δｈ（ｔ_２−ｔ_１）＝ｈ（ｔ_２）−ｈ（ｔ_１） （１６）
＝１／（２×ｋ）×ｔａｎ^−１［１／−ｅ×｛（２×Ｉ_Ａ（ｔ_２）−ａ）×ｄ
−（２×Ｉ_Ｂ（ｔ_２）−ｃ）×ｂ｝／｛（２×Ｉ_Ａ（ｔ_２）−ａ）×ｄ
＋（２×Ｉ_Ｂ（ｔ_２）−ｃ）×ｂ｝］
−１／（２×ｋ）×ｔａｎ^−１［１／−ｅ×｛（２×Ｉ_Ａ（ｔ_１）−ａ）×ｄ
−（２×Ｉ_Ｂ（ｔ_１）−ｃ）×ｂ｝／｛（２×Ｉ_Ａ（ｔ_１）−ａ）×ｄ
＋（２×Ｉ_Ｂ（ｔ_１）−ｃ）×ｂ｝］

式１６を高速で計算することを考えると、時間ｔ１から時間ｔ２は大変短い時間であり、光路差変化量は大変小さいと考えられるため、近似式ｔａｎ^−１α＝α（αが大変小さいとき）を利用して、式１７とすることができる。
Δｈ（ｔ_２−ｔ_１）
＝１／（２×ｋ）
×［［１／−ｅ×｛（２×Ｉ_Ａ（ｔ_２）−ａ）×ｄ−（２×Ｉ_Ｂ（ｔ_２）−ｃ）×ｂ｝
／｛（２×Ｉ_Ａ（ｔ_２）−ａ）×ｄ＋（２×Ｉ_Ｂ（ｔ_２）−ｃ）×ｂ｝］
−［１／−ｅ×｛（２×Ｉ_Ａ（ｔ_１）−ａ）×ｄ−（２×Ｉ_Ｂ（ｔ_１）−ｃ）×ｂ｝
／｛（２×Ｉ_Ａ（ｔ_１）−ａ）×ｄ＋（２×Ｉ_Ｂ（ｔ_１）−ｃ）×ｂ｝］］ （１７）
ａ＝Ｉ_ＡＭＡＸ＋Ｉ_ＡＭＩＮ
ｂ＝Ｉ_ＡＭＡＸ−Ｉ_ＡＭＩＮ
ｃ＝Ｉ_ＢＭＡＸ＋Ｉ_ＢＭＩＮ
ｄ＝Ｉ_ＢＭＡＸ−Ｉ_ＢＭＩＮ
ｅ＝ｔａｎ［｛φ_Ａ−φ_Ｂ｝／２］

定速垂直移動テーブル３４の移動開始直後から数周期の移動の間に取得する干渉像の光強度の変化から、式５〜式８を求める。この計算後、短い時間若しくは数周期であれば、その間での光強度の最大値，最小値の変化はごくわずかであり、近似的に一定と考えることができる。このことから、ある周期内での光強度の最大値，最小値は一定として考えることができ、式１６の因子ａ〜ｄを定数として計算することができる。これにより、測定対象物３６の光路差変化量Δｈ（ｔ_２−ｔ_１）は画素Ａ，画素Ｂの光強度Ｉ_Ａ（ｔ），Ｉ_Ｂ（ｔ）から計算することがでる。

この発明の実施形態では、ＣＣＤカメラ４０で取得する干渉像の１００倍以上の速さで、ＣＣＤカメラ７０で取得する干渉像を測定することにより、光路差変化量を高速で計算することができ、光路差変化量を累積した光路差は係数を掛けて高さ位置情報に変換できる。高さ位置情報を元に、所定の位相シフト量に達した高さ位置で干渉像を取得することにより、正確な位相シフト量で形状測定が可能となる。また、振動があった場合、ＣＣＤカメラ７０の干渉像取得に対する周期に比べ振動の周期が低い場合には、光路差変化量が小さく十分追従可能なため、振動の元での高さと位相シフト量との補正が可能である。

さらに、この実施形態の構成では、ＬＥＤ１２，２２及びレーザ光源６２からの光は、対物レンズ３０、半透明鏡３２、定速垂直移動ステージ３４上の測定対象物３６、及び参照鏡３８で構成する干渉光学系５０を共用している。これにより、測定対象物３６の同一表面上で、レーザ干渉式測定装置６０による光路長測定、即ち測定対象物３６の高さ位置測定と、形状測定装置１０による表面形状測定が、コンパクトな装置で正確に実現可能となる。なお、ＬＥＤ１２，２２の一方のみを用いて位相シフト法により、形状測定しても良いものである。

次に、測定対象物３６の具体的な測定結果について述べる。図１に示す構造の装置を用いて、図５に示す滑らかな表面の測定を行った。この測定対象物３６は表面に８５ｎｍの段差がついているものであり、ここでは、２段になっている表面の片側にある２点であり、ＣＣＤカメラ７０で取得する干渉像上の画素Ａ，画素Ｂにて、レーザ干渉式測定装置６０により光路差を測定し、高さへ変換した。レーザ干渉式測定装置６０では干渉像を約５００００枚／秒で取得した。定速垂直移動ステージ３４が９６μｍ動いたときのレーザ干渉式測定装置６０の高さ測定値を図６に示す。定速垂直移動ステージ３４の移動量とレーザ干渉式測定装置６０の高さ測定値の直線性が確認できた。

この発明の形状測定装置により、振動環境下で形状測定した例を図７に示す。ここでは、測定対象物３６の測定を、正弦波振動で振幅１００ｎｍ、周波数１０Ｈｚの振動環境で行った。その結果、図７に示すように、ナノメートルオーダーで振動環境下でも正確に形状測定可能であることが分かった。

この発明の一実施形態の位相シフト法による式測定装置の概略を示す斜視図である。 この発明の一実施形態の位相シフト法による測定において光路差と干渉画像の光強度との関係を示すグラフである。 この発明の一実施形態の位相シフト法による測定において光路差と位相差との関係を示すグラフである。 この発明の一実施形態の位相シフト法による測定において異なる波長により測定した場合の光路差と位相値の差の関係を示すグラフである。 この発明の形状測定装置による形状測定に用いた測定対象物の平面図と正面図である。 この発明の形状測定装置による定速垂直移動ステージの移動量とレーザ干渉式測定装置の測定値の関係を示すグラフである。 この発明の形状測定装置により、振動のある環境下で形状測定を行った測定データの３次元グラフである。

符号の説明

１０ 形状測定装置
１２，２２ ＬＥＤ
１４，２４，３０，４２，６４，７２ レンズ
１６，２６，４４，７４ バンドパスフィルタ
１８，２８，３２，４６，６６ 半透明鏡
３４ 定速垂直移動テーブル
３６ 測定対象物
３８ 参照鏡
４０，７０ ＣＣＤカメラ
４８ 形状演算処理部
５０ 干渉光学系
６０ レーザ干渉式測定装置
６２ レーザ光源
７６ 距離演算処理部
７８ 発光制御部

Claims (7)

1. 光の進行方向に沿って測定対象物を移動可能に位置させた状態で、前記測定対象物に対して光を照射し、その光の前記測定対象物からの反射光と参照鏡からの反射光とにより生成される干渉像を半導体イメージセンサで撮像し、前記測定対象物の前記光の進行方向に沿った移動量を、前記光の波長に対する位相シフト量として、前記測定対象物の形状を前記干渉像の光強度情報を基に測定する位相シフト法による形状測定方法において、
   レーザ干渉式測定装置を用いて、前記測定対象物の平面に前記光とは波長の異なるレーザ光を照射し、前記光の光路の一部を共用して前記反射鏡にも前記レーザ光を照射して、前記レーザ光の前記測定対象物からの反射光と前記反射鏡からの反射光との干渉像により、前記測定対象物の高さ位置情報を演算し、
   前記測定対象物の移動量が所定の前記位相シフト量になったことを、前記レーザ干渉式測定装置による前記高さ位置情報により検知して、前記半導体イメージセンサにより前記干渉画像を撮像し、前記位相シフト法により前記測定対象物の形状を前記干渉像の光強度情報を基に測定することを特徴とする位相シフト法による形状測定方法。
2. 波長の異なる２つの光を、その光の進行方向に沿って測定対象物を移動可能に位置させた状態で、前記測定対象物に対して交互に照射し、その２つの光の前記測定対象物からの反射光と参照鏡からの反射光とにより生成される干渉像を半導体イメージセンサで撮像し、それぞれの光の発光間隔における前記測定対象物の、前記光の進行方向に沿った移動量を、前記光の波長に対する位相シフト量として、前記測定対象物の形状を前記干渉像の光強度情報を基に測定する位相シフト法による形状測定方法において、
   レーザ干渉式測定装置を用いて、前記測定対象物の平面に前記２つの光とは波長の異なるレーザ光を照射し、前記２つの光の光路の一部を共用して前記反射鏡にも前記レーザ光を照射して、前記レーザ光の前記測定対象物からの反射光と前記反射鏡からの反射光との干渉像により、前記測定対象物の高さ位置情報を演算し、
   前記２つの光の発光タイミングを、前記測定対象物の移動量が所定の前記位相シフト量になったことを、前記レーザ干渉式測定装置による前記高さ位置情報により検知して、前記２つの光を交互に発光させて前記半導体イメージセンサにより前記干渉画像を撮像し、前記位相シフト法により前記測定対象物の形状を前記干渉像の光強度情報を基に測定することを特徴とする位相シフト法による形状測定方法。
3. 前記レーザ干渉式測定装置による前記高さ位置情報は、前記測定対象物の複数の測定点の光強度情報を基に検知することを特徴とする請求項１または２記載の位相シフト法による形状測定方法。
4. 前記レーザ干渉式測定装置による前記高さ位置情報は、前記測定対象物の一定時間に移動した高さに相当する光路差変化量を基に検知することを特徴とする請求項１または２記載の位相シフト法による形状測定方法。
5. 波長の異なる光を発する２つのＬＥＤと、このＬＥＤからの光を測定対象物へ照射する光学系の光路上に設けられた半透明鏡及び反射鏡と、前記光の進行方向に沿って測定対象物を移動可能に載置した移動ステージと、前記ＬＥＤにより照射された前記測定対象物を撮像する半導体イメージセンサを設け、前記測定対象物に前記ＬＥＤからの光を交互に照射し、その２つの光の、前記測定対象物からの反射光と前記参照鏡からの反射光とにより生成される干渉像を前記半導体イメージセンサで撮像し、それぞれの光の発光間隔における前記測定対象物の、前記光の進行方向に沿った移動量を、前記ＬＥＤの光の波長に対する位相シフト量として、前記測定対象物の形状を前記干渉像の光強度情報を基に測定する位相シフト法による形状測定装置において、
   前記ＬＥＤの光とは波長の異なるレーザ光を照射するレーザ干渉式測定装置と、
   前記ＬＥＤからの光を前記測定対象物の平面に照射するとともに、前記レーザ光を前記測定対象物の平面に照射し、且つ前記ＬＥＤからの光及び前記レーザ光を前記反射鏡に導いて、前記ＬＥＤからの光及び前記レーザ光の、前記測定対象物からの反射光と前記反射鏡からの反射光との干渉像を各々形成する干渉光学系と、
   前記レーザ干渉式測定装置に設けられ、前記レーザ光の干渉像から前記測定対象物の高さ位置情報を演算する距離演算処理部と、
   前記測定対象物の移動量が所定の前記位相シフト量になったことを、前記レーザ干渉式測定装置による前記高さ位置情報により検知して、前記ＬＥＤを発光させる発光制御部とを設けたことを特徴とする位相シフト法による形状測定装置。
6. 前記レーザ干渉式測定装置による前記測定対象物の高さ位置情報の演算時間は、前記２つのＬＥＤの発光時間間隔に対して、１／１００以下であることを特徴とする請求項５記載の位相シフト法による形状測定装置。
7. 前記半導体イメージセンサにより、前記ＬＥＤからの光の干渉像を読み取るタイミングを、前記発光制御部からの前記ＬＥＤの発光タイミングに同期させたことを特徴とする請求項５記載の位相シフト法による形状測定装置。