JP2013186089A - 表面形状の測定方法及び測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定物の表面形状を迅速に測定可能とする、測定方法及び測定装置を提供する。
【解決手段】表面形状の測定方法では、コヒーレントな光をその周波数を変化させながら被測定物と参照面とに照射して前記被測定物で反射された計測光と前記参照面で反射された参照光との干渉縞を撮像して前記被測定物の表面形状を測定する。前記測定方法は、前記計測光の光軸と直交する基準面の上に投影された前記被測定物の像の輪郭の第１情報と前記表面形状の既知の第２情報との少なくともいずれかに基づいて、前記光の周波数を変化させる速度を設定する設定工程と、前記被測定物及び前記参照面に照射する前記光の周波数を前記設定工程で設定された速度で変化させながら前記干渉縞の複数の画像を撮像素子により取得する取得工程と、前記取得工程で取得された前記複数の画像に基づいて前記表面形状を求める工程と、を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、表面形状の測定方法及び測定装置に関する。

被測定物の画像情報から被測定物の全面に亙る表面形状（高さ）の情報を一括して測定するために、波長走査干渉法を利用する方法が存在する。しかしこの波長走査干渉法は、干渉信号を取得するために撮像素子を用いて多数の画像を取得する必要があり、表面形状を迅速に測定することが困難であった。

APPLIED OPTICS，Vol. ３３, No. ３４

非特許文献１記載の方法では、被測定物に波長（又は周波数）を走査しながらコヒーレントな光を照射し、被測定物で反射した光と参照面で反射した光との干渉光を、撮像素子を用いて複数の時刻で多数枚撮像する。そして、非特許文献１記載の方法では、撮像素子の画素ごとに得られた干渉信号から被測定物の表面形状（高さ）の情報を一括して測定する。非特許文献１記載の方法は、撮像素子にて百数十枚という多くの画像を取得する必要があり、被測定物の表面形状を迅速に測定することが困難である。

そこで、本発明は、例えば表面形状の迅速な測定に資する、波長走査干渉法で使用する光の周波数の変化速度の新たな設定手法を提供することを目的とする。

本発明は、コヒーレントな光をその周波数を変化させながら被測定物と参照面とに照射して前記被測定物で反射された計測光と前記参照面で反射された参照光との干渉縞を撮像して前記被測定物の表面形状を測定する方法であって、前記計測光の光軸と直交する基準面の上に投影された前記被測定物の像の輪郭の第１情報と前記表面形状の既知の第２情報との少なくともいずれかに基づいて、前記光の周波数を変化させる速度を設定する設定工程と、前記被測定物及び前記参照面に照射する前記光の周波数を前記設定工程で設定された速度で変化させながら前記干渉縞の複数の画像を撮像素子により取得する取得工程と、前記取得工程で取得された前記複数の画像に基づいて前記表面形状を求める工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、例えば表面形状の迅速な測定に資する、波長走査干渉法で使用する光の周波数の変化速度の新たな設定手法を提供することができる。

実施形態１の測定装置を示した図である。 実施形態１、２の測定方法のフローを示した図である。 被測定物のＺ寸法の概略値データについて示した図である。 実施形態２の測定装置を示した図である。 実施形態２における周波数走査のタイミングを示す図である。 実施形態３の測定装置を示した図である。 実施形態３の測定方法のフローを示した図である。 読み出し画素領域が限定されていない場合を示した図である。 読み出し画素領域が限定されている場合を示した図である。 ビニングを説明した図である。 ＸＹ平面における投影寸法について示した図である。

［実施形態１］
波長走査干渉法を用いて被測定物の表面形状の既知の情報（第２情報）から被測定物の表面形状を迅速に測定する実施形態１の装置（測定装置）の構成を図１に示す。測定装置は、コヒーレントな光をその周波数（及び波長）を変化させながら射出する波長可変レーザー１を光源とする。処理部８は、波長可変レーザー１から射出されるコヒーレントな光の周波数をある時間範囲で変化させる。波長可変レーザー１から射出された光は、拡大レンズ２ａで光束を拡大し、コリメートレンズ２ｂにて平行光にされ、ビームスプリッタ３により参照面４ａに向かう光と被測定物５とに向かう光とに分割される。

参照面４ａに照射された光は参照面４ａで反射され参照光としてビームスプリッタ３に戻る。一方、被測定物５に向かった光は、参照面４ａと共役な位置４ｂから距離Ｄだけ離した場所に設けられた台６に置かれた被測定物５に照射される。被測定物５に照射された光は、被測定物５で反射され、計測光としてビームスプリッタ３に戻り、参照面４ａから反射された参照光と干渉を起こし、撮像素子７上に干渉縞を形成する。処理部８は、この干渉縞を、波長可変レーザー１の周波数を変化(走査)させながら撮像素子７によって複数の画像を取得する。処理部８は、撮像された複数の画像から各画素における干渉縞に対して周波数解析を行い、光軸方向に投影された被測定物５の面上の各点における表面形状（Ｚ寸法）を測定する。

図２を用いて実施形態１における表面形状を測定する方法を説明する。Ｓ１０１で、処理部８は、被測定物５の表面形状の既知の情報（第２情報）を取得する。第２情報の取得は、例えば表面形状の既知の情報が処理部８に入力されることでなされる。第２情報は、被測定物５の表面の各位置におけるＺ寸法のおおよその値のデータであり、図３においてＨ１やＨ２のように台６に接する面からのＺ寸法の分布を表すデータである。被測定物５の設計情報や原器による被測定物５の測定結果を示す情報が第２情報に該当する。

第２情報として設計情報を用いる場合には、設計情報がキーボード等の入力機器から処理部８に直接入力される。第２情報として原器による測定結果を用いる場合には、原器を用いて被測定物５の測定を実際に行い、その測定結果が処理部８のデータベースに登録される。また、様々な被測定物５の設計情報であるＣＡＤデータや様々な被測定物５の表面形状の測定結果を予め登録しておき、登録された被測定物５の中の１つを指定することにより第２情報を入力してもよい。

Ｓ１０２で、処理部８は、Ｓ１０１で入力された第２情報に基づいて波長可変レーザー１の撮像毎の周波数を変化させる速度を設定する(設定工程)。波長走査干渉法では、被測定物５の各点における干渉信号の最大周波数ν_ｍａｘは、参照光と計測光との光路長差の最大値ＯＰＤ_ｍａｘと周波数の変化速度Δｆとを用いて以下の式１で表される。ここでＣは光速である。
ν_ｍａｘ＝（４・π・Δｆ・ＯＰＤ_ｍａｘ）／Ｃ・・・（１）
最も速く撮像が行える条件はサンプリング定理より以下の式２を満たす場合である。ここでＦＲは撮像素子７のフレームレートである。
ν_ｍａｘ＝ＦＲ／２・・・（２）
いかなる被測定物５においても、干渉信号の最大周波数ν_ｍａｘが撮像素子７のフレームレートＦＲの１/２であるナイキスト周波数になればよい。しかし、光路長差の最大値ＯＰＤ_ｍａｘは被測定物５によって異なる。したがって、周波数の変化速度Δｆが一定の場合、最大周波数ν_ｍａｘが撮像素子７のフレームレートＦＲに対するナイキスト周波数ＦＲ／２になるとは限らない。

そこで、Ｓ１０２で、処理部８は、Ｓ１０１で入力された被測定物５の既知の表面形状の第２情報から参照光と計測光との光路長差の最大値ＯＰＤ_ｍａｘを設定し、設定されたＯＰＤ_ｍａｘを基に周波数の変化速度Δｆを設定する。本実施形態では被測定物５の台６に対する搭載面を参照面４ａと共役な位置４ｂから距離Ｄだけ離した場所に設けている。そのため、被測定物５のＺ寸法の概略値データＨとすると、光路長差の最大値ＯＰＤ_ｍａｘは以下の式３で表すことができる。ここでＭＡＸは被測定物のＺ寸法の概略値データＨの中から最大値を求める関数である。
ＯＰＤ_ｍａｘ＝ＭＡＸ（Ｈ）＋Ｄ・・・（３）
そこで最も高速に撮像が行える条件式２に干渉信号の最大周波数ν_ｍａｘを表す式１を代入し、Δｆについて整理すると以下の式４が得られる。処理部８は、以下の式４を満たすように波長可変レーザー１の周波数の変化速度Δｆを設定する。
Δｆ≦（ＦＲ・Ｃ）／（８・π・ＯＰＤ_ｍａｘ）・・・（４）
ここで被測定物５のＺ寸法の概略値データの最大値をＨ_ｍａｘとした場合における最大のΔｆは、以下の式５で表わされる。ここでαはオフセットである。実際の測定においては被測定物５の製造誤差や測定時のノイズ等によるエリアシングを防ぐ為に干渉信号周波数がナイキスト周波数から１割程度低い値になる事が望ましい。この為αの値を０.９程度に設定する。
Δｆ＝（α・ＦＲ・Ｃ）／｛８・π・（Ｈ_ｍａｘ＋Ｄ）｝・・・（５）
Ｓ１０３で、処理部８は、Ｓ１０２で設定された波長可変レーザー１の周波数の変化速度Δｆに基づき波長可変レーザー１の波長を変化させながら撮像素子７によりＺ寸法を測定するための画像を取得する（取得工程）。式５で表わされる周波数の変化速度Δｆで被測定物５を測定した場合の測定時間ｔは波長可変レーザー１の周波数走査幅をΔＦとすると以下の式６で表すことができる。
ｔ＝ΔＦ／Δｆ＝｛８・π・（Ｈ_ｍａｘ＋Ｄ）・ΔＦ｝／（α・ＦＲ・Ｃ）・・・（６）
式６より被測定物５のＺ寸法（Ｈ_ｍａｘ）が変化した場合に測定時間ｔが変化することがわかる。被測定物のＺ寸法が低いほど高速に測定が行える。被測定物５のＺ寸法に応じて設定された周波数の変化速度Δｆとすると、被測定物５のＺ寸法に対応させずに固定されたΔｆとする場合と比較して測定時間を短縮することができる。例えば、参照面４ａと共役な位置４ｂからの距離Ｄを１０ｍｍ、Ｚ寸法の測定可能範囲が５０ｍｍ、αが０.９の条件で、Ｚ寸法の概略値の最大値が１０ｍｍの被測定物のＺ寸法を測定するとする。この場合、被測定物のＺ寸法に応じて周波数の変化速度Δｆを設定するとΔｆを固定した場合と比較して測定時間を約１／３に短縮することができる。

Ｓ１０４で、処理部８は、Ｓ１０３で取得した複数の画像情報から撮像素子７の各画素においてフーリエ変換等の処理を行って周波数解析を行い、得られた干渉信号の周波数ν_ｍ，ｎを設定する。ここでｍは撮像素子の列方向の番号、ｎは撮像素子の列方向の番号を表す。

本実施形態では、被測定物５のＺ寸法と、参照面４ａと共役な位置４ｂからの距離Ｄとの合計が光路長差に相当する。そこで、処理部８は、設定された干渉信号の周波数ν_ｍ，ｎから以下の式７により被測定物５のＺ寸法Ｈ_ｍ，ｎを求める。
Ｈ_ｍ，ｎ＝｛（ν_ｍ，ｎ・Ｃ）／（４・π・Δｆ）｝−Ｄ・・・（７）
Ｓ１０４は、被測定物５の表面形状を求める工程である。実施形態１の測定装置は、被測定物５のＺ寸法に応じて設定された周波数の変化速度Δｆで波長可変レーザー１の周波数を変化させながら測定を行うことで、被測定物５の各点におけるＺ寸法を迅速に一括して測定することができる。同じ種類の被測定物５のＺ寸法を続けて測定する場合、２つ目以降の被測定物５に対してはＳ１０１を行う必要はなくＳ１０２〜Ｓ１０４のみを行えばよい。

［実施形態２］
実施形態２の測定装置は、光源の波長を多波長として波長走査干渉法を実行する。その結果、測定精度が同じであるならば、実施形態２では、実施形態１の測定方法と比較して光源の周波数の走査幅ΔＦを少なくすることができるので、式６から明らかなように、実施形態１より測定時間を更に短縮することができる。

図４は、実施形態２の被測定物５の３次元測定装置の構成を示す概略図である。測定装置は、周波数を変化させながらコヒーレントな光を射出する波長可変レーザー１を一方の光源とする。処理部８は、波長可変レーザー１から射出される光束の周波数（波長）をある時間範囲で変化させる。波長可変レーザー１から射出される周波数ｆ_１の光はビームスプリッタ３ａにより分割される。分割された光の一方は、周波数を任意の量だけシフトさせる周波数シフタ１１ａに入射し、任意の周波数シフト量ｄｆ_１だけ周波数がシフトした光に変換される。

周波数がシフトされた光は、反射ミラー１０ａにより進行方向を変えられた後、ビームスプリッタ３ａで分割されて反射ミラー１０ｂにより進行方向を変えられた光とビームスプリッタ３ｂで合波される。この合波された光束を光束１とする。周波数シフト量ｄｆ_１は、光束１のビート信号の周波数に相当し、干渉信号を正しく取得する為に撮像素子７のＦＲの１／２以下である必要がある。

測定装置は、また周波数が固定されたコヒーレントな光を射出する波長固定レーザー９をもう一方の光源とする。波長固定レーザー９から射出される周波数ｆ_２の光は波長可変レーザー１と同様に、ビームスプリッタ１０ｃにより光を分割される。分割された光の一方は周波数シフタ１１ｂにより任意の周波数ｄｆ_２だけ周波数がシフトした光に変換され、反射ミラー１０ｄにより進行方向を変えられる。

ビームスプリッタ１０ｃにより分割された光の他方は、波長固定レーザー９が発する周波数のまま進行方向を変えられ、反射ミラー１０ｅにより進行方向を変えられる。周波数ｄｆ_２だけ周波数がシフトした光と波長固定レーザー９が発する周波数のままの光とは、ビームスプリッタ３ｄにより合波される。この光束を光束２とする。周波数シフト量ｄｆ_２は、光束２のビート信号の周波数に相当し、干渉信号を正しく取得する為に撮像素子７のＦＲの１／２以下である必要がある。

光束２と反射ミラー４ｃにより進行方向を変えられた光束１とはビームスプリッタ３ｅにより合波され、拡大レンズ２ａにより光束を拡大された後、コリメートレンズ２ｂにより平行光束にされる。平行光束は、ビームスプリッタ３ｆにより参照面４ａに向かう光束と、台６に載せられた被測定物５に向かう光束とに分割される。

参照面４ａに入射した光束は参照面４ａにて反射され、参照光としてビームスプリッタ３ｆに戻る。一方、被測定物５に向かった光束は、参照面４ａと共役な位置４ｂから距離Ｄだけ離れた場所に設けられた台６に載せられた被測定物５に照射される。被測定物５に照射された光束は、被測定物５で反射され、計測光としてビームスプリッタ３ｆに戻る。計測光は、参照面４ａから反射された参照光と干渉を起こし、撮像素子７上に干渉縞を形成する。このとき、撮像素子７上では、周波数ｆ_１の光と周波数（ｆ_１＋ｄｆ_１）の光とが合波された光束１によるビート干渉信号１と周波数ｆ_２の光と周波数（ｆ_２＋ｄｆ_２）の光とが合波されたビート干渉信号２を重ね合わせた干渉縞が形成される。

測定装置は、この状態で図５に示す時刻ｔ_０から干渉縞の撮像を行う。測定装置は、時刻ｔ_１〜ｔ_２の期間、波長可変レーザー１の周波数をｆ_１〜ｆ_１’まで変化させつつ、撮像素子７にて干渉縞を複数枚撮像する。測定装置は、時刻ｔ_２〜ｔ_３の期間、波長可変レーザー１の周波数をｆ_１’に維持しつつ、撮像素子７にて干渉縞を複数枚撮像する。

まず、処理部８は、時刻ｔ_０〜ｔ_１の間に撮像された複数枚の画像からビート干渉信号１を取得する。処理部８は、ビート干渉信号１に対して４バケット法や１３バケット法や離散フーリエ変換等の計算を行って、周波数ｆ_１のビート干渉信号１の各画素における位相φ_１ｍ，ｎを算出する。ここで、ｍは撮像素子における画素の行方向の番号、ｎは列方向の番号を表す。次に、処理部８は、時刻ｔ_１〜ｔ_２の間に撮像された複数枚の画像から各画素において干渉縞の明点、暗点の数をカウントする等の方法により周波数走査中のビート干渉信号の変化数を求め、干渉次数Ｍ_１ｍ，ｎを設定する。

次に、処理部８は、時刻ｔ_２〜ｔ_３の間に撮像された複数枚の画像から各画素のビート干渉信号１’を取得し、離散フーリエ変換等の計算を行って周波数ｆ_１’ のビート干渉信号１’の位相φ_{１’ ｍ，ｎ}を算出する。次に、処理部８は、各時点で算出された位相φ_１ｍ，ｎ、φ_{１’ｍ，ｎ}、干渉次数Ｍ_１ｍ，ｎから合成波長Λ_１１’を用いたＺ寸法Ｈ_１ｍ，ｎを以下の式８により算出する。Λ_１１’は光周波数ｆ_１とｆ_１’の合成波長であり以下の式９で表される。Ｃは光速である。
Ｈ_１ｍ，ｎ＝（Λ_１１’／２）｛Ｍ_１ｍ，ｎ＋（φ_{１’ｍ，ｎ}−φ_１ｍ，ｎ）／２π｝・・・（８）
Λ_１１’＝Ｃ／｜ｆ_１−ｆ_１’｜・・・（９）
次に、処理部８は、時刻ｔ_０〜ｔ_３の間に撮像された波長固定レーザー９による複数枚の画像からビート干渉信号２を取得する。処理部８は、ビート干渉信号２に対して４バケット法や１３バケット法や離散フーリエ変換等の計算を行って、周波数ｆ_２のビート干渉信号２の各画素における位相φ_２ｍ，ｎを算出する。処理部８は、得られたφ_２ｍ，ｎと先ほど算出したφ_{１’ｍ，ｎ}から合成波長Λ_１’２を用いたＺ寸法Ｈ_２ｍ，ｎを以下の式１０により算出する。Λ_１’２は光周波数ｆ_１’とｆ_２の合成波長であり以下の式１１で表される。
Ｈ_２ｍ，ｎ＝（Λ_１’２／２）｛Ｍ_２ｍ，ｎ＋（φ_{１’ｍ，ｎ}−φ_２ｍ，ｎ）／２π｝・・・（１０）
Λ_１’２＝Ｃ／｜ｆ’_１−ｆ_２｜・・・（１１）
Ｍ_２ｍ，ｎは合成波長Λ_１’２を用いた場合の干渉次数であり以下の式１２により算出することが出来る。
Ｍ_２ｍ，ｎ＝ｒｏｕｎｄ｛（２Ｈ_１ｍ，ｎ／Λ_１１’）−（φ_{１’ｍ，ｎ}−φ_２ｍ，ｎ）／２π｝・・・（１２）
図５の例では、｜ｆ_１−ｆ_１’｜＜｜ｆ_１’−ｆ_２｜であるから、合成波長Λ_１’２は合成波長Λ_１１’よりも短い。したがって、式１０で算出したＺ寸法Ｈ_２ｍ，ｎは式８で算出したＺ寸法Ｈ_１ｍ，ｎよりも高精度である。

また、処理部８は、波長固定レーザー９の光周波数ｆ_２と式１０で算出した干渉次数Ｍ_２ｍ，ｎから固定波長レーザー９の波長（Ｃ／ｆ_２）を用いたＺ寸法Ｈ_３ｍ，ｎを以下の式１３により算出する。ここでＭ_３ｍ，ｎは干渉次数であり、以下の式１４により算出することが出来る。
Ｈ_３ｍ，ｎ＝（Ｃ／２ｆ_２）｛Ｍ_３ｍ，ｎ＋（φ_２ｍ，ｎ／２π）｝・・・（１３）
Ｍ_３ｍ，ｎ＝ｒｏｕｎｄ｛（２Ｈ_２ｍ，ｎＣ／ｆ_２）−（φ_２ｍ，ｎ／２π）｝・・・（１４）
本実施形態では、固定波長レーザー９の波長（Ｃ／ｆ_２）は合成波長Λ_１２’ よりも短い。したがって、式１３で算出したＺ寸法Ｈ_３ｍ，ｎは式１０で算出したＺ寸法Ｈ_２ｍ，ｎよりも高精度である。処理部８は、以上の方法により被測定物５の表面の各点におけるＺ寸法を測定する。実施形態２における測定方法のフローを図２に基づいて説明する。

Ｓ１０１〜Ｓ１０３までは実施形態１と同様である。Ｓ１０４で、処理部８は、Ｓ１０３で取得した複数の画像情報から撮像素子７の各画素において、周波数走査中のビート干渉信号の変化数から干渉次数を求め、合成波長を用いて位相接続を行い、被測定物５のＺ寸法の解析を行う。

実施形態２１の測定装置もは、被測定物５のＺ寸法に応じて設定された周波数の変化速度Δｆで波長可変レーザー１の周波数を変化させながら測定を行うことで、被測定物５の各点におけるＺ寸法を迅速に一括して測定することができる。同じ種類の被測定物５のＺ寸法を続けて測定する場合、２つ目以降の被測定物５に対してはＳ１０１を行う必要はなくＳ１０２〜Ｓ１０４のみを行えばよい。

［実施形態３］
実施形態３では、インコヒーレントな光を発生する光源が追加され、測定装置は、インコヒーレントな光による画像から被測定物５のＺ寸法の概略値データや被測定物５の位置、方位等を設定する。実施形態３の測定装置は、それら設定されたデータから撮像素子７のフレームレートを変更して被測定物５のＺ寸法の測定をより高速に行うと共にインコヒーレントな光による画像からＸＹ平面に投影された２次元形状の寸法の測定も行う。

図６は、実施形態３の３次元測定装置の構成を示す。測定装置は、光源としてインコヒーレントな光を発生する光源９をさらに含む。光源９から射出された光は、拡大レンズ２ｃにより光束を拡大され、コリメートレンズ２ｄにて平行にされる。平行とされたインコヒーレントな光は、ビームスプリッタ３ａにて進行方向を変えられた後、ビームスプリッタ３ｂを通過し、被測定物５に照射される。被測定物５に照射されたインコヒーレントな光は、被測定物５で反射された後、ビームスプリッタ３ｂにて進行方向を変えられ、撮像素子７に入射する。撮像素子７でインコヒーレントな光による被測定物５の像を撮像し、処理部８は、得られた画像の光強度からエッジ検出等の処理を行い被測定物５のＸＹ平面における投影寸法を測定する。Ｚ寸法の測定については実施形態１と同様である。

実施形態３における測定方法のフローを図７に示す。Ｓ２０１で、複数の測定対象物のそれぞれについての情報が処理部８に登録される（登録工程）。処理部８に登録される測定対象物の情報を以下に示す。
・計測光の光軸と直交する基準面（ＸＹ平面）の上に投影された測定対象物の像の輪郭の情報（第１情報）。この情報は、Ｓ２０３で被測定物５の種類を設定する為に用いられる。
・表面形状の既知の情報（第２情報）。この情報は、Ｓ２０６で波長可変レーザー１の周波数の変化速度を設定する為に用いられる。
・表面形状の測定対象領域を示す情報。この情報は、Ｓ２０５で撮像素子７の撮像条件を設定する際に用いられる。
・表面形状の測定位置における単位面積当たりのＺ寸法を測定する点数を示す測定密度の情報。この情報は、Ｓ２０５で撮像素子７の撮像条件を設定する際に用いられる。
・ＸＹ平面における２次元形状の寸法の測定箇所を示す情報。この情報は、Ｓ２０９で２次元形状の寸法の測定を行う際に測定箇所を設定する為に用いられる。

Ｓ２０１で登録される測定対象物の情報は上記の情報を含んでいる。次にＳ２０２で、処理部８は、インコヒーレントな光を用いた画像を取得する。具体的には、処理部８は、光源９から射出されたインコヒーレントな光を被測定物５に照射して、その反射光を撮像素子７により撮像することによって画像を取得する。

Ｓ２０３で、処理部８は、Ｓ２０１で登録された複数の測定対象物の投影像の輪郭の情報（第１情報）とＳ２０２で得られた画像とを照合して被測定物５の種類、撮像素子７上の位置、方位を特定する（照合工程）。処理部８は、まずＳ２０２で得られた画像に対しエッジ検出等の画像処理を行い、被測定物５の撮像素子７上における位置、投影形状の輪郭を算出する。処理部８は、算出された投影形状の輪郭とＳ２０１で処理部８に登録しておいた投影像の輪郭の情報とを照合して被測定物５の種類、方位を設定する。処理部８は、Ｓ２０２で得られた画像のデータに対し、図８中の８ｂに示すような予め登録された被測定物５の投影像の輪郭の情報を撮像素子７の画面上で移動及び回転させながら２つの輪郭間の相関を調べる。処理部８は、８ｂの投影像の輪郭が図８に示す破線部と重なる状態、つまり最も相関が高くなる被測定物５の２次元投影形状、位置、方位を算出し、被測定物５の種類、位置、方位を設定する。

Ｓ２０４で、処理部８は、被測定物５のＺ寸法の既知の情報、Ｚ寸法の測定対象領域、Ｚ寸法の測定密度を、Ｓ２０１で登録された情報に基づき設定する。Ｓ２０５で、処理部８は、Ｓ２０３で設定された撮像素子７上における被測定物５の位置、方位、Ｓ２０４で設定されたＺ寸法の測定対象領域、Ｚ寸法の測定密度から撮像素子７の撮像条件である読み出し画素領域及びビニングの少なくともいずれかを設定する。そして、処理部８は、読み出し画素領域またはビニングの設定を行う場合のフレームレートを設定し、変更する。

読み出し画素領域の設定とは、主に撮像素子７としてＣＭＯＳセンサーを用いた場合に、撮像素子７上においてデータを読み出す画素すなわちＺ寸法の測定対象領域を設定することである。処理部８は、Ｓ２０４で設定された撮像素子７上での被測定物５の位置から被測定物５の全体が撮像素子７のどの画素上に位置しているか、つまり図８中の太い実線８ｃが示す被測定物５の全体を包含する最小領域の画素を認識する。Ｚ寸法の測定対象領域が登録されていない場合、処理部８は、読み出し画素領域を領域８ｃに設定し、太い実線で囲まれた画素以外の画素のデータを読み出さないように撮像素子７の撮像条件を設定する。これによりデータの読み出し回数が減少しフレームレートが向上する。

Ｚ寸法の測定対象領域が登録されている場合、処理部８は、被測定物５の全体を包含する最小領域の画素と被測定物５の方位とＺ寸法の測定位置とからＺ寸法の測定対象領域（斜線部８ａ）が撮像素子７のどの画素上に位置しているかを認識する。なお、被測定物５の方位はＳ２０３で、Ｚ寸法の測定対象領域はＳ２０４でそれぞれ得られる。処理部８は、Ｚ寸法の測定位置を包含する最小領域である太い実線で囲まれた領域（図９中の８ｄ）の画素を、データを読み出す画素として設定し、測定対象領域８ｄ以外の画素のデータを読み出ないように撮像素子７の撮像条件を設定する。これによりデータの読み出し回数がさらに減少しフレームレートが向上する。一般的なＣＭＯＳセンサーでは限定する領域の大きさによるが、全画素のデータを読み出す場合と比較して数〜数十倍のフレームレートが得られる。

ビニングとは、主に撮像素子７にＣＣＤセンサーを用いた場合に、ある画素の周辺の画素のデータを加算してまとめて読み出し、データを読み出す回数を少なくする方法である。被測定物５のＺ寸法の測定範囲の単位となる領域が、図１０に示すように、撮像素子７の４画素分に相当するとする。この場合、処理部８は、被測定物５のＺ寸法の測定範囲の単位領域に対応する４画素（斜線部１０ｂ）の各画素のデータを加算して一度に読み出すように撮像素子７の撮像条件を設定する。これによりデータの読み出し回数が減少しフレームレートが向上する。

一般的なＣＣＤにおいて正方形領域におけるＮ×Ｎ個の画素を一度に読み出すことにより、全画素でデータ読み出す場合と比較して約Ｎ〜Ｎ^２倍のフレームレートが得られることが知られている。処理部８は、Ｓ２０４で設定されたＺ寸法の測定密度ρと撮像素子７のピクセルスケールＳとから、以下の式１５を満たすようにビニングによりまとめて読み出す画素の数Ｎを設定し、変更して、より高速なフレームレートを得る。ここで、Ｚ寸法の測定密度ρは被測定物５の単位面積当たりの測定点数であり、ｒｏｕｎｄは最も近い整数へ丸める関数を表す。ビニングは、被測定物５の平面度や段差のみ測定したい場合等、Ｚ寸法の測定密度がＸ、Ｙ投影寸法測定に必要な分解能ほど高くない場合に有効である。
Ｎ＝ｒｏｕｎｄ｛（ρ／ｓ^２）^{（１／２）}｝・・・（１５）
Ｓ２０６で、処理部８は、計測光と参照光との干渉光の干渉縞の光路長差の最大値ＯＰＤ_ｍａｘと撮像素子のフレームレートＦＲ’とから、波長可変レーザー１の周波数の変化速度Δｆを以下の式１６に基づき設定する。処理部８は、実施形態１のＳ１０２と同様にして、サンプリング定理を満たすように周波数の変化速度Δｆを設定する。光路長差の最大値ＯＰＤ_ｍａｘは、Ｓ２０４で設定された被測定物５のＺ寸法の既知の情報とＺ寸法の測定対象領域とから得られる。フレームレートＦＲ’は、Ｓ２０５で設定された撮像素子７の測定対象領域やビニングの設定を行った場合のフレームレートである。本実施形態では被測定物５の搭載する台面を参照面４ａと共役な位置４ｂから距離Ｄだけ離した場所に設けている。そのため、光路長差の最大値ＯＰＤ_ｍａｘは、被測定物５のＺ寸法の概略値Ｈを用いて実施形態１と同様に｛ＭＡＸ（Ｈ）＋Ｄ｝で表すことができる。
Δｆ≦（ＦＲ’・Ｃ）／（８・π・ＯＰＤ_ｍａｘ）・・・（１６）
撮像素子７のフレームレートＦＲ’は、測定対象領域やビニングの設定を行わない場合と比較して数倍〜数十倍程度高速になっている。そのため、ＯＰＤ_ｍａｘの値によるが周波数の変化速度Δｆも、同様に何もしない場合と比較して数倍〜数十倍程度多くすることが出来る。Ｚ寸法の概略値が同じで大きさ、形状が異なる被測定物５、つまりＯＰＤ_ｍａｘが変化しない被測定物５を測定する場合やＯＰＤ_ｍａｘの変化を考慮しない場合でも撮像素子７のフレームレートを変更する場合には、Ｓ２０６でΔｆを変更する必要がある。

Ｓ２０７で、処理部８は、Ｓ２０５で変更した撮像素子７のＦＲ’及びＳ２０６で設定した波長可変レーザー１の周波数の変化速度Δｆに基づき波長可変レーザー１の周波数を変化させながら撮像素子７によりＺ寸法測定用の画像を取得する。本実施形態では撮像素子７の測定対象領域やビニングの設定を行うことによるフレームレートＦＲの高速化を行っている。そのため、実施形態３では、波長可変レーザーの周波数の変化速度Δｆを、実施形態１、２のＳ１０２で設定するよりもさらに数倍〜数十倍程度大きくすることができる。よって、実施形態３では、測定時間を実施形態１、２の場合と比較して数倍〜数十倍程度短縮することができる。

Ｓ２０８で、処理部８は、Ｓ２０７で取得した複数枚の画像から撮像素子７の各画素において、周波数解析を行い、得られた干渉信号の周波数ν_ｍ，ｎを設定し、設定した周波数ν_ｍ，ｎから被測定物５のＺ寸法Ｈ_ｍ，ｎを求める。ここでｍは撮像素子の列方向の番号、ｎは撮像素子の列方向の番号を表す。処理部８は、Ｓ２０８で、実施形態１、２のＳ１０４と同様に、フーリエ変換等の処理を行って周波数解析を行う。

Ｓ２０９で、処理部８は、Ｓ２０２で得られたインコヒーレントな光の照明による画像、Ｓ２０３で設定した被測定物５の位置、方位とＸＹ平面における投影寸法の測定位置からＸＹ平面における投影寸法の解析を行う。この方法に関して図１０を用いて説明する。図１１中のＬ１、Ｌ２は被測定物５のＸＹ平面における投影寸法の測定位置である。処理部８は、まず撮像素子７上の被測定物５の位置と方位、ＸＹ平面における投影寸法の測定位置からＬ１、Ｌ２間の画素数を算出する。次に、処理部８は、ピクセルスケールＳとＬ１、Ｌ２間の画素数とからＬ１、Ｌ２の寸法を算出する等の方法でＸＹ平面における投影寸法の解析を行う。ＸＹ平面における投影寸法の精度は、撮像素子７の分解能に依存し、画素数が多いほうが高い。したがって、インコヒーレントな光による画像の取得は、測定対象領域やビニングの設定を行わずに、撮像素子７の全画素のデータを用いる事が望ましい。

Ｓ２０１〜Ｓ２０９を行い、被測定物５の各点におけるＺ寸法を一括して高速に測定すると共にインコヒーレントな光による画像からＸＹ平面における投影寸法の測定も実現できる。また本実施形態においては測定対象領域やビニングの設定のみを行ってもフレームレートが数〜数十倍高速化する為、Ｚ寸法を高速で測定することができる。本実施形態では、Ｓ２０１にて被測定物５のデータを一旦登録して測定を行った場合、次回以降の測定ではＳ２０２から始めればよい。また、本実施形態の光源の波長を、実施形態２のように、多波長としてＺ寸法の測定を行ってもよい。

Claims (10)

1. コヒーレントな光をその周波数を変化させながら被測定物と参照面とに照射して前記被測定物で反射された計測光と前記参照面で反射された参照光との干渉縞を撮像して前記被測定物の表面形状を測定する方法であって、
   前記計測光の光軸と直交する基準面の上に投影された前記被測定物の像の輪郭の第１情報と前記表面形状の既知の第２情報との少なくともいずれかに基づいて、前記光の周波数を変化させる速度を設定する設定工程と、
   前記被測定物及び前記参照面に照射する前記光の周波数を前記設定工程で設定された速度で変化させながら前記干渉縞の複数の画像を撮像素子により取得する取得工程と、
   前記取得工程で取得された前記複数の画像に基づいて前記表面形状を求める工程と、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記第２情報は、前記表面形状の設計情報又は前記表面形状の測定結果を示す情報であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記取得工程で、前記周波数が変化する光に加えて周波数が固定されたコヒーレントな光を前記被測定物及び前記参照面に照射することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 前記設定工程は、前記第２情報から求められる前記参照光と前記計測光との光路長差の最大値と、前記撮像素子のフレームレートとに基づいて、前記速度を設定することを含むことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の方法。
5. 複数の測定対象物のそれぞれについて、前記第１情報と、前記第２情報と、前記表面形状の測定対象領域及び測定密度の少なくともいずれかの情報とをデータベースに登録する登録工程と、
   インコヒーレントな光を前記被測定物に照射して前記撮像素子により前記被測定物の２次元形状の画像を取得する工程と、
   前記取得された２次元形状の画像と前記データベースに登録されている前記第１情報とを照合することによって被測定物を前記複数の測定対象物の中から特定する照合工程と、
   をさらに含み、
   前記設定工程は、
   前記照合工程で特定された被測定物の前記データベースに登録されている情報に基づいて、前記表面形状を求めるのに必要な前記撮像素子における読み出し画素領域と前記撮像素子における画素のビニングとの少なくともいずれかを設定し、
   前記設定された読み出し画素領域及び前記ビニングされる画素の数の少なくともいずれかに基づいて前記撮像素子のフレームレートを設定することによって前記速度を設定する
   ことを含むことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記登録工程は、複数の測定対象物それぞれについて、前記第１情報と、前記第２情報と、前記表面形状の測定対象領域の情報とを少なくとも前記データベースに登録することを含み、
   前記照合工程は、前記取得された２次元形状の画像と前記データベースに登録されている前記第１情報とを照合することによって被測定物を前記複数の測定対象物の中から特定するとともに前記特定された被測定物の前記撮像素子における位置を求めることを含み、
   前記設定工程は、前記照合工程で求められた前記被測定物の前記撮像素子における位置と、前記照合工程で特定された被測定物の前記データベースに登録されている前記測定対象領域の情報とに基づいて、前記読み出し画素領域を設定し、該設定された読み出し画素領域に基づいて前記フレームレートを設定することによって前記速度を設定することを含む
   ことを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記登録工程は、複数の測定対象物それぞれについて、前記第１情報と、前記第２情報と、前記表面形状の測定密度の情報とを少なくとも前記データベースに登録することを含み、
   前記設定工程は、前記照合工程で特定された被測定物の前記データベースに登録されている前記表面形状の測定密度の情報に基づいて、前記ビニングされる画素の数を設定し、該設定されたビニングされる画素の数に基づいて前記フレームレートを設定することによって前記速度を設定することを含む
   ことを特徴とする請求項５に記載の方法。
8. 前記取得された２次元形状の画像に基づいて、前記被測定物の２次元形状における寸法を求める工程をさらに含むことを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記取得工程よりも大きなフレームレートで前記干渉縞の複数の画像を取得することを含むことを特徴とする請求項５乃至請求項８のいずれか１項に記載の方法。
10. コヒーレントな光をその周波数を変化させながら被測定物と参照面とに照射して前記被測定物で反射された計測光と前記参照面で反射された参照光との干渉縞を撮像して前記被測定物の表面形状を測定する装置であって、
    前記光を射出する光源と、
    干渉縞を撮像する撮像素子と、
    前記撮像素子により撮像された複数の干渉縞の画像に基づいて前記表面形状を求める処理部と、
    を備え、
    前記処理部は、
    前記計測光の光軸と直交する基準面の上に投影された前記被測定物の像の輪郭及び位置の第１情報と前記表面形状の既知の第２情報との少なくともいずれかに基づいて、前記光の周波数を変化させる速度を設定し、
    前記被測定物及び前記参照面に照射する前記光の周波数を前記設定された速度で変化させながら前記干渉縞の複数の画像を前記撮像素子により取得させ、
    前記撮像素子により取得された複数の画像に基づいて前記表面形状を求める、
    ことを特徴とする装置。

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