JP2010025798A

JP2010025798A - 形状測定装置および形状測定方法

Info

Publication number: JP2010025798A
Application number: JP2008188415A
Authority: JP
Inventors: Tomoaki Yamada; 智明山田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2008-07-22
Filing date: 2008-07-22
Publication date: 2010-02-04

Abstract

【課題】測定精度を向上させる。
【解決手段】形状測定装置１１は、被検物１３を撮像するCCDセンサ３１と、CCDセンサ３１の１画素に対応する被検物１３の表面内に第１の周期で明部と暗部とが繰り返す投影パタンを、被検物１３に投影する投影パタン２４と、CCDセンサ３１の直前または共役面に配置され、被検物１３において反射または拡散した光を、第１の周期に対応した第２の周期で明部と暗部とが繰り返す像面パタンに応じて透過させ、CCDセンサ３１に入射させる像面パタン３０とを備える。また、コントローラ１６は、像面パタンの位相を、投影パタンの位相に対して相対的にシフトさせ、位相がシフトされるごとにCCDセンサ３１により画像を撮像させ、それらの画像の輝度情報に基づいて被検物１３の形状を算出する。本発明は、例えば、被検物の形状を測定する形状測定装置に適用できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、形状測定装置および形状測定方法に関し、特に、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形状測定方法に関する。

従来、工業製品等の３次元形状を測定する方法として、合焦点法が広く採用されている。

合焦点法による測定に関する技術としては、例えば、特許文献１が知られている。特許文献１に開示されている装置においては、合焦点法による測定を行う際に、被検物にパタン光を投光し、このパタンを撮像系により撮像し観察して合焦位置を計測することで、かかる被検物の形状を測定している。

このような装置では、一般的に、合焦位置を検出する際に、撮像素子により撮像された画像のコントラスト値が利用される。そして、合焦位置を高精度で検出するために必要なコントラスト値を得るためには、光学系が十分に高いＮＡ（Numerical Aperture：開口数）であるとともに、そのＮＡに見合った微細なパタン（望ましくは、解像度の限界に近い周期のパタン）を投影することが必要である。

図１を参照して、投影パタンの細かさと、合焦位置の測定精度との関係について説明する。

図１において、横軸は、測定面が光学系の合焦位置による光軸方向にずれている距離を示すデフォーカス量を示しており、デフォーカスが０である位置において、測定面が合焦位置に一致していることを示している。縦軸は、画像のコントラスト値を示している。

図１に示されている曲線Ｌ１乃至Ｌ６は、６種類の細かさの異なる投影パタンを用いて撮像したときに得られる値を、それぞれの投影パタンごとに繋いだものであり、曲線Ｌ１は、最も粗い投影パタンを用いたときに得られた値であり、曲線Ｌ２から曲線Ｌ６に従って微細な投影パタンが用いられ、曲線Ｌ６は、最も微細な投影パタンを用いたときに得られた値である。

図１に示すように、より微細な投影パタンを用いて得られた曲線の方が、ピークが鋭いものとなっており、最も微細な投影パタンを用いて得られた曲線Ｌ６のピークが最も鋭くなっている。このように、ピークの鋭い曲線のようなコントラスト値を得ることができれば、測定面にフォーカスが合っているか否か、もしくはデフォーカス具合を詳細に判定することができる。従って、微細な投影パタンを用いることで、測定精度を向上させることができる。

また、測定精度を向上させるために微細な投影パタンを用いる場合、投影パタンに見合った分解能の撮像素子を用いて撮像しなければならないという条件を満たす必要がある。

特許２９２８５４８号

上述したように、微細な投影パタンを用いて測定精度を向上させるためには、投影パタンに見合った分解能の撮像素子を用いなければならない。しかしながら、一般的に入手可能な所定の画素数の撮像素子を用いる場合、高精度で観察を行うときには視野が狭くなり、広い視野で観察を行うときには測定精度が低下するという制限がある。従って、所定の画素数の撮像素子を用いた観察において、視野を狭くすることなく、測定精度を向上させることが求められている。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、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、前記被検物を撮像する撮像手段と、前記撮像手段の１画素に対応する前記被検物の表面内に第１の周期で明部と暗部とが繰り返す投影パタンを、前記被検物に投影する投影手段と、前記撮像手段の直前または共役面に配置され、前記被検物において反射または拡散した光を、前記第１の周期に対応した第２の周期で明部と暗部とが繰り返す像面パタンに応じて透過させ、前記撮像手段に入射させる透過手段と、前記投影手段による投影パタン、または前記透過手段による像面パタンのうちの、少なくとも一方のパタンの位相を、他方のパタンの位相に対して相対的にシフトさせた複数の状態の前記被検物を撮像するように前記撮像手段を制御する撮像制御手段と、前記撮像手段により撮像された画像の輝度情報に基づいて前記被検物の形状を算出する算出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は、被検物の形状を測定する形状測定装置の形状測定方法であって、前記形状測定装置は、前記被検物を撮像する撮像手段と、前記撮像手段の１画素に対応する前記被検物の表面内に第１の周期で明部と暗部とが繰り返す投影パタンを、前記被検物に投影する投影手段と、前記撮像手段の直前または共役面に配置され、前記被検物において反射または拡散した光を、前記第１の周期に対応した第２の周期で明部と暗部とが繰り返す像面パタンに応じて透過させ、前記撮像手段に入射させる透過手段とを有し、前記投影手段による投影パタン、または前記透過手段による像面パタンのうちの、少なくとも一方のパタンの位相を、他方のパタンの位相に対して相対的にシフトさせるように、前記投影手段または前記透過手段を制御し、前記位相がシフトされるごとに前記被検物を撮像するように前記撮像手段を制御し、前記撮像手段により撮像された画像の輝度情報に基づいて前記被検物の形状を算出するステップを含むことを特徴とする。

本発明の形状測定装置および形状測定方法において、形状測定装置は、被検物を撮像する撮像手段と、撮像手段の１画素に対応する被検物の表面内に第１の周期で明部と暗部とが繰り返す投影パタンを、被検物に投影する投影手段と、撮像手段の直前または共役面に配置され、被検物において反射または拡散した光を、第１の周期に対応した第２の周期で明部と暗部とが繰り返す像面パタンに応じて透過させ、撮像手段に入射させる透過手段とを有する。そして、投影手段による投影パタン、または透過手段による像面パタンのうちの、少なくとも一方のパタンの位相を、他方のパタンの位相に対して相対的にシフトさせるように、投影手段または透過手段が制御され、位相がシフトされるごとに被検物を撮像するように撮像手段が制御され、撮像手段により撮像された画像の輝度情報に基づいて被検物の形状が算出される。

本発明の形状測定装置および形状測定方法によれば、測定精度を向上させることができる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図２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では、被測定対象である被検物１３がステージ１２に載置され、測定部１４が、被検物１３にパタンを投影するとともに、パタンが投影された被検物１３を撮像し、画像処理部１５が、測定部１４から出力される画像データに対して画像処理を施し、コントローラ１６が、その画像データから被検物１３の形状を求めるとともに、ステージ１２および測定部１４を制御する。

ステージ１２は、図示しない駆動部により図２の上下方向（以下、適宜、Ｚ方向と称する）に駆動可能とされており、コントローラ１６の制御に従って駆動することで、光学系の焦点面Ｓに対する被検物１３の相対位置（焦点位置）を変化させる。

測定部１４は、被検物１３にパタンを投影するための光源２１を有しており、光源２１から出射された光は、コンデンサレンズ２２を介してリレーレンズ２３に入射し、リレーレンズ２３により、被検物１３に投光（照射）される光の焦点面Ｓと像面共役な面に集光され、投影パタン２４に入射する。

投影パタン２４は、例えば、透過型の液晶素子により構成され、所定のピッチ（周期）で正弦波状に明部と暗部が形成された正弦波パタン（図３Ａ）が被検物１３に投影されるように、光の透過を制御する。

そして、光源２１からの光は、投影パタン２４を通過することにより正弦波パタンを有するパタン光となり、リレーレンズ２５を介してハーフプリズム２６に入射する。ハーフプリズム２６は、リレーレンズ２５からの正弦波パタン光を反射して対物レンズ２７に入射させる。対物レンズ２７は、ハーフプリズム２６からのパタン光を所定の焦点面Ｓに集光して、正弦波パタンの像を被検物１３に投影する。即ち、投影パタン２４を経てパタン光となった光源２１からの光は、リレーレンズ２５、ハーフプリズム２６、および対物レンズ２７によって、被検物１３の焦点面Ｓに正弦波パタンの像を結ぶことになる。

被検物１３に投影された正弦波パタンの像は、被検物１３の表面において反射（拡散反射または鏡面反射）して、対物レンズ２７を介してハーフプリズム２６に入射する。つまり、焦点面Ｓにできる正弦波パタンの実像が、被検物１３で折り返して、対物レンズ２７を介してハーフプリズム２６に入射する。

ハーフプリズム２６は、被検物１３において反射され、対物レンズ２７から入射した光の一部を透過させ、その光は、リレーレンズ２８および結像レンズ２９を介して、CCD（Charge Coupled Device）センサ３１の受光面に結像される。

CCDセンサ３１の直前には像面パタン３０が設けられている。像面パタン３０は、例えば、エッチング処理などで所定のピッチ（周期）の明部と暗部が形成されたスリットパタンを有する薄いガラスプレートを用いることができる。この像面パタン３０により所定のピッチのスリットパタンの光がCCDセンサ３１に入射する。また、像面パタン３０は、不図示の駆動装置によって精密に駆動可能に構成され、コントローラ１６の制御によりCCDセンサ３１とスリットパタンの光との関係が、0，120，240degとなるように制御される。これにより位相がシフトされた３通りのスリットパタン（図３Ｂ乃至Ｄ）の光をCCDセンサ３１に入射させることができる。なお、CCDセンサ３１の撮像画素が比較的大きい場合は、像面パタン３０として液晶素子を用いることができる。

CCDセンサ３１は、像面パタン３０を介して、0，120，240degで位相がシフトされた３パタンで、正弦波パタンが投影された被検物１３を撮像し、その結果得られる画像データを画像処理部１５に供給する。

画像処理部１５は、CCDセンサ３１から供給される画像データに対して、例えば、ノイズ成分を除去する処理等の所定の画像処理を施し、コントローラ１６を介して図示しないモニタなどに画像を出力する。

コントローラ１６は、画像処理部１５から出力される、0，120，240degで位相がシフトされた３パタンの画像データから求められる輝度情報（コントラスト）に基づいて、被検物１３の形状を算出する。また、コントローラ１６は、後述する図５に示すように、光学系のＮＡ、投影パタン２４により投影される正弦波パタンのピッチ（以下、適宜、投影ピッチと称する）、および、ステージ１２をＺ方向に移動させるピッチ（以下、適宜、Ｚピッチと称する）が対応付けられて登録されているテーブルを記憶しており、光学系のＮＡおよび投影ピッチに基づいてＺピッチを決定し、そのＺピッチでステージ１２を移動させる。

次に、図３を参照して、投影パタン２４および像面パタン３０によるパタンについて説明する。

図３Ａ乃至図３Ｄは、それぞれCCDセンサ３１の１画素に対応する大きさのパタンを示している。

図３Ａには、投影パタン２４による正弦波パタンが示されている。この正弦波パタンの周期としては、対物レンズ２７の解像限界に近いものが望ましく、例えば、光学系のＮＡが0.1であるとしたとき、解像限界は、λ／２ＮＡ＝2.75μｍとなるので、被検物１３上で数μｍのピッチとなるような正弦波パタンが好ましい。

図３Ｂ乃至図３Ｄは、像面パタン３０によるスリットパタンが示されている。図３Ｂには、基準となるスリットパタン（０deg）が示されており、図３Ｃには、スリットパタン（０deg）に対して位相が２π／３シフトされたスリットパタン（+120deg）が示されており、図３Ｄには、スリットパタン（+120deg）に対して位相が２π／３シフトされた、即ち、スリットパタン（０deg）に対して位相が４π／３シフトされたスリットパタン（+240deg）が示されている。

図３に示すように、投影パタン２４による正弦波パタンのピッチと、像面パタン３０によるスリットパタンのピッチとは、ほぼ同一とされている。

ここで、例えば、投影パタン２４による正弦波パタンのピッチが、６μｍである場合、像面パタン３０によりスリットパタンを２π／３シフトさせるためには、スリットパタン（０deg）に対して、スリットパタン（+120deg）は２μｍ移動させ、スリットパタン（+240deg）は２μｍ移動させればよい。

このように、像面パタン３０は、スリットパタンの位相を２π／３ずつシフトさせ、CCDセンサ３１が、それぞれの位相において被検物１３を撮像することで、３枚１組の画像データが得られる。そして、コントローラ１６は、それらの画像データから、各画素での輝度値（各画素が受光した光の光量）を算出する。

即ち、スリットパタン（０deg）で撮像された画像データの点（ｘ，ｙ）での輝度値をＩ１（ｘ，ｙ）とし、スリットパタン（+120deg）で撮像された画像データの点（ｘ，ｙ）での輝度値をＩ２（ｘ，ｙ）とし、スリットパタン（+240deg）で撮像された画像データの点（ｘ，ｙ）での輝度値をＩ３（ｘ，ｙ）とすると、輝度値Ｉ１（ｘ，ｙ）乃至Ｉ３（ｘ，ｙ）は、次の式（１）で表される。

但し、式（１）において、ａ（ｘ，ｙ）は、画像データの点（ｘ，ｙ）での環境光（例えば、投影パタン２４を介した光源２１からの光以外の迷光）を示しており、ｂ（ｘ，ｙ）は、画像データの点（ｘ，ｙ）に対応する被検物１３からの戻り光の振幅率を示している。ここで、振幅率とは、完全に合焦しており表面反射率100％の時の振幅を１として規格化した値である。また、φ（ｘ，ｙ）は、投影パタン２４における正弦波パタンの初期位相を示している。なお、輝度値には、スリットパタンのピッチも影響を与えるが、３つのスリットパタンは、それぞれピッチが一致しているため、式（１）において、スリットパタンのピッチは省略することができる。

そして、環境光ａ（ｘ，ｙ）および初期位相φ（ｘ，ｙ）は、輝度値Ｉ１（ｘ，ｙ）乃至Ｉ３（ｘ，ｙ）において同一であるため、環境光ａ（ｘ，ｙ）および初期位相φ（ｘ，ｙ）によらず、振幅率ｂ（ｘ，ｙ）を求めることができる。従って、式（１）より、各点での振幅率ｂは、次の式（２）で表される。

コントローラ１６は、この式（２）を演算することにより、画像処理部１５から出力される、0，120，240degで位相がシフトされた３パタンの画像データの各点における振幅率ｂを算出し、振幅率ｂを画像のコントラスト値とすることができる。

ここで、焦点面Ｓに一致する被検物１３の表面に対応する画像上の点が、コントラスト値が最大となる。従って、コントローラ１６は、各Ｚピッチにおけるコントラスト値が最大となる画像上の点の座標を求めることで、その焦点面Ｓでの被検物１３の形状を求めることができる。

そして、コントローラ１６は、所定のＺピッチでステージ１２を移動させつつ、画像データを取得することで、Ｚ方向の各高さでの被検物１３の形状を求め、これにより、被検物１３の立体的な形状を求めることができる。

このように、Ｚ方向の測定精度はＺピッチによって決まり、Ｚピッチは、光学系のＮＡと、投影パタン２４による正弦波パタンのピッチとに従って決定される。

次に、図４を参照して、投影パタン２４による正弦波パタンのピッチと、Ｚピッチとの関係について説明する。

図４Ａおよび図４Ｂには、光学系のＮＡが所定の値であるときに、それぞれ異なるピッチの正弦波パタンを用い、所定の測定面をＺ方向に移動させたときに得られるコントラスト値の変化が示されている。

図４Ａの正弦波パタンは、例えば、撮像素子の１画素あたり５周期の正弦波のパタンが投影されるピッチとされ、図４Ｂの正弦波パタンは、例えば、撮像素子の１画素あたり３周期の正弦波のパタンが投影されるピッチとされている。即ち、図４Ａの正弦波パタンのピッチの方が、図４Ｂの正弦波パタンのピッチよりも狭くなっている。

図４では、測定面にピントが合っているＺ方向の位置がＰ₀とされ、位置Ｐ₀から離れるに従い低減していく曲線を示すコントラスト値が示されている。即ち、測定面が位置Ｐ₀から離れるに従い、コントラストが低下し、撮像素子により撮像される投影パタンのボケが大きくなる。なお、図４には、位置Ｐ_-2乃至Ｐ₂において投影パタンを撮像して得られる画像がそれぞれ示されており、位置Ｐ₀から離れるに従い画像のボケが大きくなっている。

ここで、コントラスト値が、ピークの値から半減した値になるまでのＺ方向の距離をＺピッチとすると、図４Ａに示されているＺピッチの方が、図４Ｂに示されているＺピッチより狭くなっている。具体的には、図４ＡのＺピッチは、図４ＢのＺピッチの１／５となっている。このように、正弦波パタンのピッチに従って、Ｚピッチが決定される。なお、コントラスト値の曲線は、光学系のＮＡによっても形状が変わるため、光学系のＮＡおよび正弦波パタンのピッチに従って、Ｚピッチが決定される。

そして、コントローラ１６には、光学系のＮＡと、正弦波パタンのピッチとを替えながら求められたＺピッチが登録されたテーブルが記憶されている。

図５は、光学系のＮＡ、投影ピッチ、およびＺピッチが対応付けられて登録されているテーブルを示す図である。

図５には、光学系のＮＡが0.5であり、投影ピッチがａ１乃至ａｎであるであるときに求められたＺピッチｂ１乃至ｂｎと、光学系のＮＡが0.4であり、投影ピッチがｃ１およびｃ２であるときに求められたＺピッチｄ１およびｄ２とが登録されたテーブルの例が示されている。

例えば、ユーザが、光学系のＮＡが0.5となるように測定部１４のレンズを設定（切り替える）するとともに、投影パタン２４による投影ピッチをａ２（μｍ）と指定すると、コントローラ１６は、テーブルを参照し、Ｚピッチをｂ２（μｍ）に決定する。そして、コントローラ１６は、決定したＺピッチごとに画像データを取得するように、ステージ１２の移動を制御する。

次に、図６は、図２の形状測定装置１１が被検物１３の形状を測定する処理を説明するフローチャートである。

例えば、ユーザが、ステージ１２に被検物１３をセットすると処理が開始され、ステップＳ１１において、図示しない入力装置を操作して、ステージ１２をＺ方向に移動させる際の開始位置および終了位置を入力すると、コントローラ１６は、その開始位置にステージ１２を移動させる。

ステップＳ１１の処理後、処理はステップＳ１２に進み、ユーザが、測定部１４の各レンズを切り替えると、コントローラ１６は、それらのレンズの情報に基づいて光学系のＮＡを求め、処理はステップＳ１３に進む。

ステップＳ１３において、ユーザが、図示しない入力装置を操作して、投影パタン２４により被検物１３に投影させる正弦波パタンの投影ピッチを指定すると、コントローラ１６は、ユーザにより指定された投影ピッチの正弦波パタンとなるように、投影パタン２４に正弦波パタンをセットする。そして、コントローラ１６は、図示しない電源を制御して光源２１への電力の供給を開始させ、その投影ピッチに従った正弦波パタンを被検物１３に投影させ、処理はステップＳ１４に進む。

ステップＳ１４において、コントローラ１６は、ステップＳ１２で求めたＮＡと、ステップＳ１３でユーザにより指定された投影ピッチに基づいて、図５に示したテーブルを参照し、Ｚピッチを決定する。

ステップＳ１４の処理後、処理はステップＳ１５に進み、コントローラ１６は、像面パタン３０を制御して、基準となる位相のスリットパタン（例えば、図３Ｂのスリットパタン（０deg））をセットし、処理はステップＳ１６に進む。

ステップＳ１６において、CCDセンサ３１は、投影パタン２４を介して正弦波パタンが投影されている被検物１３の像を、像面パタン３０を介して撮像する。

ステップＳ１６の処理後、処理はステップＳ１７に進み、コントローラ１６は、コントラストの算出に必要な一組の画像データが得られたか否かを判定する。例えば、図３を参照して説明したように、像面パタン３０によるスリットパタンの位相を２π／３ずつシフトさせて３枚の画像データを取得する場合には、３枚１組の画像データが得られたか否かを判定する。

ステップＳ１７において、コントローラ１６が、一組の画像データが得られていないと判定した場合、処理はステップＳ１８に進み、コントローラ１６は、像面パタン３０を制御して、スリットパタンの位相をシフトさせる。ステップＳ１８の処理後、処理はステップＳ１６に戻り、以下、ステップＳ１７で一組の画像データが得られたと判定されるまで同様の処理が繰り返される。

一方、ステップＳ１７において、コントローラ１６が、一組の画像データが得られたと判定した場合、処理はステップＳ１９に進み、コントローラ１６は、画像処理部１５を介して供給される３枚の画像データから、現在のＺ方向の位置において撮像された画像のコントラスト値を算出する。

ステップＳ１９の処理後、処理はステップＳ２０に進み、コントローラ１６は、ステージ１２がステップＳ１１でユーザにより入力された終了位置まで移動されているか否かを判定する。

ステップＳ２０において、コントローラ１６が、ステージ１２が終了位置まで移動されていないと判定した場合、処理はステップＳ２１に進み、コントローラ１６は、ステップＳ１４で決定したＺピッチでステージ１２を移動させ、処理はステップＳ１５に戻り、以下、同様の処理が繰り返される。

一方、ステップＳ２０において、コントローラ１６が、ステージ１２が終了位置まで移動されていると判定した場合、処理はステップＳ２２に進む。

ステップＳ２２において、コントローラ１６は、ユーザにより入力されたＺ方向の範囲における、Ｚステップごとに得られた被検物１３のコントラスト値に基づいて、被検物１３の形状データを算出し、処理は終了する。

次に、図７を参照して、本発明を適用した形状測定装置の変形例について説明する。図７の形状測定装置１１’では、図２の形状測定装置１１と共通する構成について同一の符号を付し、詳細な説明は適宜省略する。

図７の形状測定装置１１’においては、投影パタン２４により正弦波パタンが投影された被検物１３からの光がビームスプリッタ３２ａおよび３２ｂにより３つの光束に分割され、それぞれの光束を結像させて得られる３つの被検物１３の像が、予め位相を２π／３ずらした像面パタン３０ａ乃至３０ｃが固定的に配置されたCCDセンサ３１ａ乃至３１ｃにより取得される。

即ち、形状測定装置１１’では、図２の形状測定装置１１と同様に、投影パタン２４を介した光源２１からの光により被検物１３に正弦波パタンの像が照射される。そして、被検物１３の表面において反射した光は、ハーフプリズム２６を通過して、ハーフプリズム２６とリレーレンズ２８ａとの間に配置されたビームスプリッタ３２ａにより分離される。ビームスプリッタ３２ａは、入射する光束の１／３を透過してリレーレンズ２８ａに入射させ、残りの２／３を反射して、ビームスプリッタ３２ｂに入射させる。

ビームスプリッタ３２ｂは、ハーフプリズムであり、入射する光束の１／２を反射してリレーレンズ２８ｂに入射させ、残りの１／２を透過させてミラー３３に向かわせる。ミラー３３は、全反射ミラーであり、入射する光束の全てを反射し、リレーレンズ２８ｃに入射させる。なお、ミラー３３を用いずに、リレーレンズ２８ｃ以降の光学系を、ビームスプリッタ３２ｂを透過する光の光軸に沿った方向に配置（即ち、紙面で９０度時計方向に回転させて配置）してもよい。

ビームスプリッタ３２ａを透過した光束は、リレーレンズ２８ａおよび結像レンズ２９ａを介して、CCDセンサ３１ａの受光面に結像される。このとき、CCDセンサ３１ａの直前には像面パタン３０ａが、CCDセンサ３１ａに対して固定的に配置されており、像面パタン３０ａを通過することでスリットパタンとされた光束による像がCCDセンサ３１ａにより撮像される。

また、ビームスプリッタ３２ｂにより反射された光束は、リレーレンズ２８ｂおよび結像レンズ２９ｂを介し、像面パタン３０ｂを通過することでスリットパタンとされてCCDセンサ３１ｂの受光面に結像される。また、ミラー３３により反射された光束は、リレーレンズ２８ｃおよび結像レンズ２９ｃを介して、像面パタン３０ｃを通過することでスリットパタンとされてCCDセンサ３１ｃの受光面に結像される。

ここで、図３を参照して説明したように、像面パタン３０ａ乃至３０ｃは、CCDセンサ３１ａ乃至３１ｃに対して、互いに位相が２π／３ずらされている。つまり、CCDセンサ３１ａの撮像範囲に対する像面パタン３０ａによるスリットパタンの位相を基準（０deg）とすると、CCDセンサ３１ｂの撮像範囲に対する像面パタン３０ｂによるスリットパタンの位相が基準から２π／３ずれる（+120deg）ように、像面パタン３０ｂがCCDセンサ３１ｂに対して固定されている。また、CCDセンサ３１ｃの撮像範囲に対する像面パタン３０ｃによるスリットパタンの位相が基準から４π／３ずれる（+240deg）ように、像面パタン３０ｃがCCDセンサ３１ｃに対して固定されている。

そして、CCDセンサ３１ａ乃至３１ｃは撮像の結果得られる画像データを、画像処理部１５にそれぞれ供給し、図２の形状測定装置１１と同様に、画像処理部１５を介して、コントローラ１６に、スリットパタンの位相が相対的にずらされた３枚一組の画像データが供給される。コントローラ１６は、それらの画像データから求められる輝度情報に基づいて、被検物１３の形状を算出する。

このように構成されている形状測定装置１１’では、被検物１３の形状の測定を高速化することができる。即ち、図２の形状測定装置１１では、被検物１３をＺ方向に位置決めした状態で像面パタン３０をシフトさせ、それぞれの状態で被検物１３を順次撮像して輝度情報を取得する必要があった。これに対し、形状測定装置１１’は、像面パタン３０をシフトさせる必要がなく、ビームスプリッタ３２ａおよび３２ｂにより光束を分割することで、３枚一組の画像データをほぼ同時に取得し、画像データから輝度情報を一括で取得することができるので、被検物１３の形状の測定を高速で行うことができる。

また、形状測定装置１１’は、図２の形状測定装置１１のように高精度で像面パタン３０をシフトさせる必要がなく、像面パタン３０をシフトさせる機構が不要であるので、低コストで製造することができる。

以上のように、投影パタン２４により正弦波パタンが投影された被検物１３を、像面パタン３０におけるスリットパタンを介して、そのスリットパタンの位相を相対的にシフトさせた状態で所定枚数の一組の画像データを得ることで、被検物１３の形状を測定する測定精度を向上させることができる。

即ち、従来の形状測定方法において、高精度で測定するには微細な投影パタンに見合った分解能の撮像素子を用いる必要があったが、形状測定装置１１では、一般的に入手可能な所定の画素数のCCDセンサ３１を用いて、例えば、スリットパタンの位相を２π／３シフトさせて３枚の画像を撮像することで、それらの画像データから、被検物１３の形状を高精度に測定することができる。

また、被検物１３の形状を測定する精度を下げることにより、より広い視野で被検物１３の形状を測定することができる。

また、Ｚ方向の測定精度を決めるＺピッチは、光学系のＮＡおよび正弦波パタンの投影ピッチに従って決定することができ、Ｚピッチを調整することで、任意の測定精度で被検物１３を測定することができる。

なお、像面パタン３０においてスリットパタンの位相をシフトさせる例について説明したが、例えば、像面パタン３０のスリットパタンを固定して、投影パタン２４において正弦波パタンの位相をシフトさせて、各位相ごとの画像を撮像するようにしてもよい。

また、投影パタン２４または像面パタン３０として液晶パネルを用い、その表示を変更させることで正弦波パタンまたはスリットパタンの位相をシフトさせる他、投影パタン２４または像面パタン３０そのものを駆動部（例えば、ピエゾ素子）などによりシフトさせるようにしてもよい。

なお、像面パタン３０によるパタンはスリットパタンに限られるものではなく、投影パタン２４との位相差に応じた強度の光を得ることができれば、像面パタン３０を正弦波パタンとしてもよい。さらに、測定部１４は、像面パタン３０がCCDセンサ３１の直前に配置されるように構成されているが、例えば、像面パタン３０は、共役面に配置することができる。また、センサとしては、CMOSなどの固体増幅型画像センサを用いることができる。

また、上述のフローチャートを参照して説明した各処理は、必ずしもフローチャートとして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はなく、並列的あるいは個別に実行される処理（例えば、並列処理あるいはオブジェクトによる処理）も含むものである。

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。

投影パタンの細かさと、合焦位置の測定精度との関係を示す図である。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。投影パタン２４および像面パタン３０によるパタンを説明する図である。投影ピッチとＺピッチとの関係を説明する図である。光学系のＮＡ、投影ピッチ、およびＺピッチが対応付けられて登録されているテーブルを示す図である。形状測定装置１１が被検物１３の形状を測定する処理を説明するフローチャートである。形状測定装置１１の他の実施の形態の構成例を示す図である。

符号の説明

１１形状測定装置，１２ステージ，１３被検物，１４測定部，１５画像処理部，１６コントローラ，２１光源，２２コンデンサレンズ，２３リレーレンズ，２４投影パタン，２５リレーレンズ，２６ハーフプリズム，２７対物レンズ，２８リレーレンズ，２９結像レンズ，３０像面パタン，３１ CCDセンサ

Claims

被検物の形状を測定する形状測定装置において、
前記被検物を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段の１画素に対応する前記被検物の表面内に第１の周期で明部と暗部とが繰り返す投影パタンを、前記被検物に投影する投影手段と、
前記撮像手段の直前または共役面に配置され、前記被検物において反射または拡散した光を、前記第１の周期に対応した第２の周期で明部と暗部とが繰り返す像面パタンに応じて透過させ、前記撮像手段に入射させる透過手段と、
前記投影手段による投影パタン、または前記透過手段による像面パタンのうちの、少なくとも一方のパタンの位相を、他方のパタンの位相に対して相対的にシフトさせた複数の状態の前記被検物を撮像するように前記撮像手段を制御する撮像制御手段と、
前記撮像手段により撮像された画像の輝度情報に基づいて前記被検物の形状を算出する算出手段と
を備えることを特徴とする形状測定装置。
前記投影手段と前記透過手段との少なくとも一方の位置を制御するパタン制御手段
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
前記被検物に前記投影パタンが投影される光軸に沿って、前記投影パタンの前記第１の周期に基づいた移動量ごとに、前記被検物を移動させる移動手段
をさらに備え、
前記パタン制御手段は、前記移動手段により前記被検物が前記移動量ごとに移動される所定位置において前記位相をシフトさせ、
前記撮像制御手段は、前記所定位置において前記パタン制御手段により前記位相がシフトされた回数に応じた枚数の画像が得られるように前記撮像手段を制御する
ことを特徴とする請求項２に記載の形状測定装置。
前記投影パタンにおける前記第１の周期と、前記像面パタンにおける前記第２の周期とが略同一である
ことを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
被検物の形状を測定する形状測定装置の形状測定方法において、
前記形状測定装置は、
前記被検物を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段の１画素に対応する前記被検物の表面内に第１の周期で明部と暗部とが繰り返す投影パタンを、前記被検物に投影する投影手段と、
前記撮像手段の直前または共役面に配置され、前記被検物において反射または拡散した光を、前記第１の周期に対応した第２の周期で明部と暗部とが繰り返す像面パタンに応じて透過させ、前記撮像手段に入射させる透過手段と
を有し、
前記投影手段による投影パタン、または前記透過手段による像面パタンのうちの、少なくとも一方のパタンの位相を、他方のパタンの位相に対して相対的にシフトさせるように、前記投影手段または前記透過手段を制御し、
前記位相がシフトされるごとに前記被検物を撮像するように前記撮像手段を制御し、
前記撮像手段により撮像された画像の輝度情報に基づいて前記被検物の形状を算出する
ステップを含むことを特徴とする形状測定方法。