JP2016038284A - 形状測定装置、塗布装置および形状測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】透明膜の膜厚および透明膜の表面に形成された凹凸部の高さを簡易かつ低廉な装置構成で測定する。
【解決手段】対物レンズ２０は、落射光源１２からの白色光を二光束に分離して、一方を透明膜３の表面に照射するとともに他方を参照鏡２４に照射し、両面からの反射光の干渉光を得る。制御用コンピュータ４０は、透明膜３の上方に対物レンズ２０を位置決めした後、透明膜３と対物レンズ２０とを上下方向に相対移動させながら干渉光の画像を複数枚撮影する。制御用コンピュータ４０は、ＣＣＤカメラ３０の撮影周期内において、撮影した複数枚の画像に撮影した順に画像番号を付すとともに、画像を構成する各画素について、輝度がピークとなる画像番号を複数個求める第１段階の処理と、複数枚の画像を撮影した後、複数個の輝度がピークとなる画像番号に基づいて透明膜３の膜厚または凹凸部の高さを検出する第２段階の処理とを実行する。
【選択図】図１

Description

この発明は、形状測定装置、塗布装置および形状測定方法に関し、特に、透明膜の膜厚または該透明膜の表面に形成された凹凸部の高さを測定する技術に関する。

先端径が数十μｍの塗布針や、スポット径が数μｍ〜数十μｍのレーザ光を用いたパターン加工技術は、マイクロメートルオーダーの精密位置決め技術と組み合わせることにより、微細なパターンでも所定の位置に正確に加工することができるため、従来より、フラットパネルディスプレイの修正作業や、太陽電池のスクライブ作業などに利用されてきた（たとえば、特許文献１〜３参照）。特に、塗布針を用いる加工技術は、ディスペンサが不得意とする粘度の高いペーストにも塗布できることから、最近では、フラットパネルディスプレイと比較して厚い１０μｍ以上の膜の形成にも利用されている。たとえば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）やセンサなどの半導体デバイスの電子回路パターンやプリント基板配線の形成に用いられる。また、将来的にも有望な製造技術であるプリンテッドエレクトロニクス技術で作製されるパターンも厚膜に分類され、今後の用途拡大が期待される加工技術である。

特開２００７−２６８３５４号公報 特開２００９−１２２２５９号公報 特開２００９−２３７０８６号公報 特開２００８−２８６６３０号公報

塗布針を利用したインク塗布においては、インクを塗布した箇所の品位の判定は重要である。たとえば特許文献３には、液晶ディスプレイを構成するカラーフィルタにおける欠陥をインク塗布により修正する欠陥修正方法が開示されている。この特許文献３では、修正処理前後における欠陥を含む領域の画像を撮影し、修正処理前後の画像の明るさを比較し、比較結果に基づいて修正処理の異常を検出している。

上記の特許文献３は、インクを塗布する対象をカラーフィルタとし、かつ、カラーフィルタにおいて色抜けした白欠陥に、白欠陥が存在する画素と同色のインクを塗布する方法を採用している。カラーフィルタはＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３色で構成されているため、画素と同色のインクはコントラストが高くなる。したがって、インク塗布前後における画像の変化を検出することは比較的容易である。

しかしながら、塗布針が対象とするインクは、上記のカラーフィルタの場合のようにコントラストが高いものばかりではない。たとえば接着剤やバイオ関連の試料の中には、コントラストが低く、可視光顕微鏡画像でもインク塗布前後の画像の変化を検出することが難しいものがある。このようなインクでは、上記特許文献３に記載されるような、インク塗布前後の画像比較による判定手法を採用することができない。

ここで、上述した画像比較以外の方法であって、コントラストの低い、特に透明な対象物に対しても有効な方法としては、対象物の３次元形状を検出する方法がある。中でも、白色干渉計を利用した検出方法として、たとえば特開２００８−２８６６３０号公報（特許文献４）には、透明膜の表面の反射光による干渉光および透明膜の裏面の反射光による干渉光を観測し、干渉光ごとに干渉光強度のピークを求めた後に、ピーク間の距離と透明膜の屈折率とに基づいて透明膜の膜厚を検出する方法が開示されている。

上記特許文献４では、画像処理において主に２値化閾値を決定するために用いられる判別分析法が、２つの干渉光強度のピークを求めるために用いられている。この判別分析法は、画像の輝度ヒストグラムが双峰性を示す場合にクラス間分散が２つの山の間で最大になる性質を利用しており、クラス間分散が最大になる輝度を閾値として各ピークを求めるものである。

より具体的には、特許文献４においては、干渉光強度とその平均値との差の絶対値をヒストグラムにおける頻度とし、各干渉光強度が得られた画像の撮像位置を輝度としたうえで、クラス間分散が最大になる撮像位置を、２つのピークを分離する撮像位置として求める。そして、求めた撮像位置を中心として、一方側にあるピークを透明膜の裏面からの反射光による干渉光の強度のピークとし、他方側にあるピークを透明膜の表面からの反射光による干渉光の強度のピークとしている。

しかしながら、上記特許文献４に記載される技術には、以下のような問題がある。第一に、判別分析法は双峰性を示すデータには有効であるが、３つ以上のピークを有するデータに対処することが難しいという問題がある。そのため、透明膜が２層以上の透明膜を積層して形成されている場合には、３つ以上の干渉光強度のピークが生じ得るところ、判別分析法によってはこれら３つ以上の干渉光強度のピークを検出することが困難となる。

第二に、クラス間分散を求める演算は多くのステップを必要とするが、その演算を１画素ずつ行なう必要があり、多くの処理時間を要するという問題がある。また、処理時間を短縮するために演算処理を電子回路で実現した場合には、装置のコストアップにつながる。

この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、少なくとも１つの透明膜から形成された対象物における各透明膜の膜厚および各透明膜の表面に形成された凹凸部の高さを、簡易かつ低廉な装置構成で測定することが可能な形状測定装置、塗布装置および形状測定方法を提供することである。

この発明による形状測定装置は、透明膜の膜厚または透明膜の表面に形成された凹凸部の高さを測定する。透明膜は、単層または複数の透明膜を積層して形成される。形状測定装置は、白色光を出力する照明装置と、照明装置から出射された白色光を二光束に分離して、一方を透明膜の表面に照射するとともに他方を参照面に照射し、これら両面からの反射光を干渉させ干渉光を得るための対物レンズと、対物レンズを介して得られた干渉光を観察する観察光学系と、観察光学系を介して干渉光を撮影する撮像装置とを含むヘッド部と、ヘッド部と透明膜とを相対移動させてヘッド部を透明膜の表面の上方の所望の位置に位置決めするための位置決め装置と、位置決め装置および撮像装置を制御することにより、透明膜の上方に対物レンズを位置決めした後、透明膜から対物レンズまでの上下方向の距離を連続的に変化させながら干渉光の画像を複数枚撮影し、撮影した複数枚の画像に基づいて透明膜の膜厚または凹凸部の高さを検出する形状検出部とを備える。形状検出部は、撮像装置の撮影周期内において、撮影した複数枚の画像に、撮影した順に画像番号を付すとともに、画像を構成する複数の画素の各々について、輝度がピークとなる画像番号を複数個求める第１段階の処理と、撮像装置が複数枚の画像を撮影した後、第１段階の処理によって求められた複数個の輝度がピークとなる画像番号に基づいて、透明膜の膜厚または凹凸部の高さを検出する第２段階の処理とを実行する。

この発明による塗布装置は、基板の主面上に透明の液状材料を塗布することにより、単層または複数の透明膜を積層してなる透明膜を形成する塗布機構と、白色光を出力する照明装置と、照明装置から出射された白色光を二光束に分離して、一方を透明膜の表面に照射するとともに他方を参照面に照射し、これら両面からの反射光を干渉させ干渉光を得るための対物レンズと、対物レンズを介して得られた干渉光を観察する観察光学系と、観察光学系を介して干渉光を撮影する撮像装置とを含むヘッド部と、ヘッド部と塗布部とを相対移動させてヘッド部を塗布部の表面の上方の所望の位置に位置決めするための位置決め装置と、位置決め装置および撮像装置を制御することにより、塗布部の上方に対物レンズを位置決めした後、塗布部から対物レンズまでの上下方向の距離を連続的に変化させながら干渉光の画像を複数枚撮影し、撮影した複数枚の画像に基づいて透明膜の膜厚または凹凸部の高さを検出する形状検出部とを備える。形状検出部は、撮像装置の撮影周期内において、撮影した複数枚の画像に、撮影した順に画像番号を付すとともに、画像を構成する複数の画素の各々について、輝度がピークとなる画像番号を複数個求める第１段階の処理と、撮像装置が複数枚の画像を撮影した後、第１段階の処理によって求められた複数個の輝度がピークとなる画像番号に基づいて、塗布部の膜厚または凹凸部の高さを検出する第２段階の処理とを実行する。

この発明による形状測定方法は、単層または複数の透明膜を積層して形成される透明膜の膜厚または透明膜の表面に形成された凹凸部の高さを測定する形状測定方法であって、白色光を出力する照明装置と、照明装置から出射された白色光を二光束に分離して、一方を透明膜の表面に照射するとともに他方を参照面に照射し、これら両面からの反射光を干渉させ干渉光を得るための対物レンズと、対物レンズを介して得られた干渉光を観察する観察光学系と、観察光学系を介して干渉光を撮影する撮像装置とを含むヘッド部を、透明膜に対して相対移動させて、ヘッド部を透明膜の表面の上方の所望の位置に位置決めするステップと、透明膜の上方に対物レンズを位置決めした後、透明膜から対物レンズまでの上下方向の距離を連続的に変化させながら干渉光の画像を複数枚撮影し、撮影した複数枚の画像に基づいて透明膜の膜厚または凹凸部の高さを検出するステップとを備える。透明膜の膜厚または凹凸部の高さを検出するステップは、撮像装置の撮影周期内において、撮影した複数枚の画像に、撮影した順に画像番号を付すとともに、画像を構成する複数の画素の各々について、輝度がピークとなる画像番号を複数個求める第１段階の処理と、撮像装置が複数枚の画像を撮影した後、第１段階の処理によって求められた複数個の輝度がピークとなる画像番号に基づいて、透明膜の膜厚または凹凸部の高さを検出する第２段階の処理とを実行する。

この発明によれば、少なくとも１つの透明膜から形成された対象物における各透明膜の膜厚および各透明膜の表面に形成された凹凸部の高さを、簡易かつ低廉な装置構成で測定することができる。

この発明の実施の形態に従う形状測定装置の全体構成図である。 図１に示す対物レンズの部分を拡大した図である。 対物レンズの位置を変化させたときの干渉光の強度の変化を示す図である。 本実施の形態に従う形状測定装置の制御構成を説明するための機能ブロック図である。 本実施の形態に従う形状測定方法に係るフローチャートである。 ピーク検出処理において使用される各種変数の定義をまとめたものである。 画像ｆ_ｉ上の１画素（ｘ，ｙ）の輝度値ｆ_ｉ（ｘ，ｙ）と画像番号ｉとの関係を示す図である。 図５のステップＳ３０の処理の詳細な手順を示すフローチャートである。 図８のステップＳ０５の処理におけるピーク探索過程を説明する図である。 図８のステップＳ０９の処理におけるピーク確定過程を説明する図である。 図８のステップＳ１２の処理における谷探索過程を説明する図である。 図８のステップＳ１３の処理における谷確定過程を説明する図である。 ２つ目のピークの探索過程を説明する図である。 コントラスト値Ｍ_ｉ♯を説明する図である。 各透明膜の膜厚の算出方法を説明するための図である。 干渉光における可干渉距離を説明する図である。 本実施の形態に従う塗布装置の全体構成を示す斜視図である。 観察光学系およびインク塗布機構の要部を示す斜視図である。 図１８のＡ方向から要部を見た図である。

以下、本発明の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。なお、図中の同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［形状測定装置の構成］
図１は、この発明の実施の形態に従う形状測定装置の全体構成図である。図１を参照して、本実施の形態に従う形状測定装置は、対象物である基板５の主面上に設けられた透明膜３の膜厚を測定する。形状測定装置はさらに、透明膜３の表面に形成された凹凸部の高さを測定する。

透明膜３は、単層または２層以上の透明膜を積層して形成されている。透明膜３が複数の透明膜により構成される場合、透明膜３を構成するそれぞれの透明膜は互いに異なる材質により構成されていてもよい。一例として、透明膜３は、３つの透明膜３ａ〜３ｃからなる。図１の構成図においては、基板５の主面を形成する２次元平面をＸ軸およびＹ軸で定義し、基板５の厚み方向をＺ軸と定義する。

形状測定装置は、落射光源１２（照明装置）、フィルタ１４、集光レンズ１６、ハーフミラー１８、対物レンズ２０、結像レンズ２８、およびＣＣＤ（Coupled Charged Device）カメラ３０（撮像装置）から構成されるヘッド部１０と、装置全体の動作を制御する制御用コンピュータ４０とを備える。ヘッド部１０は、図示しないＺステージに搭載されている。Ｚステージは、ヘッド部１０を基板５に対して垂直方向（Ｚ軸方向）に移動させる。

落射光源１２は、たとえば白色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの高輝度の白色光源である。落射光源１２に白色光源を用いた場合、レーザなどの単一波長の光源を用いる場合とは異なり、対物レンズ２０の焦点位置でのみ干渉光強度が最大になる。そのため、対象物の形状を測定するのに適している。

落射光源１２の出射部にはフィルタ１４が設けられる。落射光源１２を出射した光がフィルタ１４を通過すると、中心波長λ_０（ｎｍ）の白色光が得られる。なお、落射光源１２に白色ＬＥＤを用いる場合には、フィルタ１４は、白色ＬＥＤの発光スペクトルが有する２つのピークのうち、長波長側の光を選択的に透過させるローパスフィルタにより構成されることが好ましい。フィルタ１４の詳細については後述する。

対物レンズ２０は、二光束干渉対物レンズからなる。二光束干渉対物レンズは、光源から出射された白色光を二光束に分離して一方を対象物の表面に照射するとともに、他方を参照面に照射することにより、対象物の表面からの反射光と、参照面からの反射光とを干渉させるものである。本実施の形態では、対物レンズ２０に二光束干渉対物レンズを用いることにより、焦点位置での干渉光強度を最大にすることができる。

対物レンズ２０は、一例として、ミラウ型干渉対物レンズからなる。ミラウ型干渉対物レンズは、レンズ２２と、参照鏡２４と、ビームスプリッタ２６とを含む。なお、対物レンズ２０は、マイケルソン型やリニーク型の干渉対物レンズを用いてもよい。

フィルタ１４を通過した光は、集光レンズ１６で集光された後、ハーフミラー１８によってレンズ２２の方向に反射される。レンズ２２に入射した光は、ビームスプリッタ２６で透明膜３の方向に通過する光と、参照鏡２４の方向に反射する光とに分けられる。透明膜３の表面で反射した光と参照鏡２４の表面で反射した光とは再びビームスプリッタ２６で合流し、レンズ２２で集光される。この後、レンズ２２から出た光は、ハーフミラー１８を通過した後、結像レンズ２８を経てＣＣＤカメラ３０の撮像面３０ａに入射する。

制御用コンピュータ４０は、Ｚステージに対して駆動信号を出力することによりヘッド部１０と透明膜３とを上下方向（Ｚ軸方向）に相対移動させて、ヘッド部１０を透明膜３の表面の上方の所定の位置に位置決めする。ヘッド部１０を位置決めした後、制御用コンピュータ４０はさらに、Ｚステージを駆動してヘッド部１０をＺ軸方向に移動させることにより、対物レンズ２０を光軸方向（Ｚ軸方向）に移動させる。これにより、透明膜３の表面からビームスプリッタ２６までのＺ軸方向の距離Ｌ２が変化する。この距離Ｌ２と、ビームスプリッタ２６から参照鏡２４までのＺ軸方向の距離Ｌ１との差に応じて、透明膜３の表面からの反射光と参照鏡２４からの反射光との間には光路長差が生じる。この光路長差に応じて透明膜３の表面からの反射光と参照鏡２４からの反射光とが干渉し合うことにより、干渉光が生じる。

制御用コンピュータ４０は、透明膜３の表面から対物レンズ２０（ビームスプリッタ２６）までのＺ軸方向の距離Ｌ２を連続的に変化させながら、上記光路長差により発生する干渉光をＣＣＤカメラ３０で複数枚撮像する。

ハーフミラー１８および結像レンズ２８は、対物レンズ２０を介して得られた干渉光を観察する観察光学系を構成する。観察光学系によって観察される干渉光は、ＣＣＤカメラ３０によって画像信号（電気信号）に変換される。干渉光の強度、すなわち明るさは、透明膜３からの反射光と参照鏡２４からの反射光との光路長が等しいときに最大となる。また、このとき透明膜３の表面に対物レンズ２０の焦点が合っている。

ここで、二光束対物レンズを通して単層の透明膜に白色光を入射した場合には、白色光は、透明膜の表面および透明膜の裏面（透明膜と基板との境界面）でそれぞれ反射する。図２は、図１に示す対物レンズ２０の部分を拡大した図である。図２（ａ）は、透明膜の表面からの反射光と参照鏡２４からの反射光とによって干渉光が形成される様子を示している。図２（ｂ）は、透明膜の裏面からの反射光と参照鏡２４からの反射光とによって干渉光が形成される様子を示している。

図２（ａ）を参照して、透明膜の表面からの反射光と参照鏡２４からの反射光との光路長が等しいときには、透明膜の表面からの反射光による干渉光の強度は最大となる。一方、図２（ｂ）を参照して、透明膜の裏面からの反射光と参照鏡２４からの反射光との光路長が等しいときには、透明膜の裏面からの反射光による干渉光の強度は最大となる。

図２（ｂ）において、反射光の光路長は、透明膜の屈折率をｎ、膜厚をｔ遠くと、図２（ａ）に対して２ｎｔだけ長い。

図３は、対物レンズ２０の位置Ｚを変化させたときの干渉光の強度の変化を示す図である。図中において横軸は対物レンズ２０の位置Ｚを示し、縦軸は干渉光の強度を示す。

図３を参照して、干渉光の強度には２つのピークが現れている。一方のピークは、透明膜の裏面からの反射光による干渉光の強度が最大となることに起因して現れたものであり、他方のピークは、透明膜の表面からの反射光による干渉光の強度が最大となることに起因して現れたものである。一方のピークが現れたときの対物レンズ２０の位置Ｚと、他方のピークが現れたときの対物レンズ２０の位置Ｚとの差を距離Ｄとすると、距離Ｄは透明膜の膜厚ｔに依存した値となる。詳細には、透明膜の屈折率をｎとすると、透明膜の膜厚ｔはＤ／（２ｎ）により表すことができる。

図１に示したように、本実施の形態においては、透明膜３は２層以上の透明膜を積層して形成されている。そのため、透明膜３の表面からビームスプリッタ２６までの距離Ｌ２を変化させた場合において、干渉光の強度には少なくとも３つのピークが現れることになる。そこで、制御用コンピュータ４０は、ＣＣＤカメラ３０で撮影した複数枚の画像を取り込むと、取り込んだ複数枚の画像に基づいて、干渉光の強度に現れる３つ以上のピークを検出する。そして、制御用コンピュータ４０は、検出された３つ以上のピークにそれぞれ対応する距離Ｌ２および各透明膜の屈折率に基づいて各透明膜の膜厚を検出する。また、制御用コンピュータ４０は、各透明膜の表面に形成された凹凸部の高さを検出する。

［透明膜の形状測定方法］
以下では、本実施の形態に従う形状測定装置により実行される透明膜の形状測定方法について説明する。本実施の形態による透明膜の形状測定は、たとえば、インク塗布機構（図示せず）によって基板５の主面上に透明のインクを複数層に亘って塗布する工程を実行した後、インク塗布部の形状を測定する工程において実行される。

図４は、本実施の形態に従う形状測定装置の制御構成を説明するための機能ブロック図である。図４を参照して、形状測定装置の制御構成は、ＣＣＤカメラ３０、取込装置４２、処理装置４４および駆動装置４５から構成される。ＣＣＤカメラ３０はヘッド部１０に搭載される。取込装置４２、処理装置４４および駆動装置４５は制御用コンピュータ４０の内部に設けられる。

駆動装置４５は、ヘッド部１０を搭載したＺステージを探索開始位置に移動させる。現在のＺステージの位置をＺ_ｐ、Ｚステージを移動させる範囲である探索範囲をΔとおくと、たとえばＺステージを初期位置（Ｚ_ｐ−Δ／２）に移動させる。ここで、Ｚステージのマイナス方向を基板５に近付く方向とし、プラス方向を基板５から遠ざかる方向とする。探索は、初期位置（Ｚ_ｐ−Δ／２）からプラス方向、すなわちＺステージが基板５から遠ざかる方向に行なうこととする。したがって、初期位置（Ｚ_ｐ−Δ／２）からプラス方向にΔの範囲を探索する。なお、探索方向は必ずしも基板５から遠ざかる方向である必要はなく、基板５に近付く方向であってもよい。

ＣＣＤカメラ３０は、ハーフミラー１８および結像レンズ２８（図１）から構成される観察光学系２５によって観察される干渉光を撮影する。Ｚステージが移動し始め、定常状態になると、取込装置４２は、ＣＣＤカメラ３０が撮影した画像のサンプリングを開始する。Ｚステージは予め定められた速度ｖ（μｍ／秒）で移動する。Ｚステージの移動速度ｖ（μｍ／秒）は次のように定める。白色光の中心波長をλ（μｍ）とし、ＣＣＤカメラ３０の垂直同期信号の周波数をＦ（Ｈｚ）とすると、移動速度ｖ（μｍ／秒）は、画像のサンプリング周期１／Ｆ（秒）の間にＺステージがλ／８（μｍ）だけ移動するように定められる。この移動速度ｖは白色光の位相増分でπ／２に相当しており、ナイキスト原理を満たしている。位相をπ／２ずつ変化させることにより、干渉光強度のピークを容易に検出することができる。

取込装置４２は、一定周期（好ましくはＣＣＤカメラ３０の垂直同期信号の周期）で画像のサンプリングを行なう。具体的には、取込装置４２は、ＣＣＤカメラ３０の垂直同期信号をトリガとして、画像のサンプリングを開始する。そして、取込装置４２は、画像のサンプリングが完了すると、サンプリングした画像を直ちに処理装置４４に転送する。このとき、取込装置４２は、処理装置４４の記憶部４６に対して画像を直接的に転送する。この画像転送には、たとえばＤＭＡ（Direct Memory Access）転送が用いられる。取込装置４２による画像のサンプリングおよび転送は、画像のサンプリング周期１／Ｆ（秒）で繰り返し実行される。

処理装置４４は、記憶部４６と、中央処理部４８とを含む。記憶部４６には、画像のサンプリング周期１／Ｆ（秒）で取込装置４２から画像ｆ_ｉが転送される。なお、サンプリングした画像には、撮影された順に画像番号が付されている。画像ｆ_ｉはｉ番目に撮影された画像を表す。画像番号ｉは、ｉ＝１，２，・・・Ｎ（Ｎは３以上の整数）の値をとる。すなわち、合計Ｎ枚の画像ｆ_１〜ｆ_Ｎが記憶部４６に転送される。

記憶部４６は、取込装置４２から転送された画像ｆ_ｉを順番に記憶する。中央処理部４８は、記憶部４６に画像ｆ_ｉが転送された直後に、第１段階の処理である干渉光強度のピークを検出する処理を実行する。中央処理部４８は、後述する方法によって、画像ｆ_ｉを構成する複数の画素の各々について、輝度値がピークとなるときの画像番号を検出する。

上記の第１段階の処理が終了すると、中央処理部４８は、画素ごとに検出された、３つ以上のピークにそれぞれ対応する３つ以上の画像番号に基づいて、各透明膜の膜厚または各透明膜における凹凸部の高さを検出する第２段階の処理を実行する。この第２段階の処理においては、検出された透明膜の膜厚と所定の閾値とを比較することにより、基板５の主面上に塗布されたインクが所望の膜厚を有しているか否かを判定することができる。

また、画素ごとに算出された透明膜の膜厚を合計した値は、基板５の主面上に塗布されたインクの体積とみなすことができる。したがって、画素ごとの透明膜の膜厚の合計値と所定の閾値とを比較することにより、インクの塗布量が所望の塗布量となっているか否かを判定することができる。

図５は、本実施の形態に従う形状測定方法に係るフローチャートである。なお、図５に示すフローチャートは、制御用コンピュータ４０において予め格納したプログラムを実行することで実現できる。

図５を参照して、取込装置４２は、画像のサンプリング周期１／Ｆ（秒）で画像のサンプリングを行なう（ステップＳ１０）。取込装置４２は、画像番号ｉの画像ｆ_ｉのサンプリングが完了すると、サンプリングした画像ｆ_ｉを処理装置４４の記憶部４６に直接的に転送する（ステップＳ２０）。記憶部４６は転送された画像ｆ_ｉを順番に記憶する。

処理装置４４の中央処理部４８は、記憶部４６に画像ｆ_ｉが転送されると、第１段階の処理（ピーク検出処理）として、画像ｆ_ｉを構成する各画素について、輝度値がピークとなるときの画像番号を検出する（ステップＳ３０）。中央処理部４８は、このピーク検出処理を、次回の（ｉ＋１）番目の画像ｆ_ｉ＋１が転送されるタイミングの直前までに完了する。すなわち、第１段階の処理は、画像のサンプリング周期１／Ｆ（秒）の間に実行される。中央処理部４８は、画素ごとに検出された、輝度値がピークとなる画像番号を記憶部４６に格納する（ステップＳ４０）。

次に、中央処理部４８は、探索範囲内の全ての画像のサンプリングが完了したか否かを判定する（ステップＳ５０）。Ｎ番目の画像ｆ_Ｎのサンプリングが完了していないとき（ステップＳ５０においてＮＯ）、探索範囲内の画像のサンプリングが完了していないと判定されて処理は最初に戻される。

一方、Ｎ番目の画像ｆ_Ｎのサンプリングが完了したとき（ステップＳ５０においてＹＥＳ）、中央処理部４８は、探索範囲内の全ての画像のサンプリングが完了したと判定して第２段階の処理（形状検出処理）を実行する。中央処理部４８は、記憶部４６に格納された、画素ごとの輝度値がピークとなる画像番号に基づいて、各透明膜の膜厚または各透明膜における凹凸部の高さを検出する（ステップＳ６０）。

（ピーク検出処理）
以下、第１段階の処理であるピーク検出処理（図５のステップＳ３０）の手順について詳細に説明する。ピーク検出処理では、上述したように、画像ｆ_ｉを構成する画素ごとに輝度値がピークとなる画像番号を検出する。

図６は、ピーク検出処理において使用される各種変数の定義をまとめたものである。図６を参照して、ｉ番目の画像ｆ_ｉを構成する各画素を、座標（ｘ，ｙ）を用いて特定する。ｆ_ｉ（ｘ，ｙ）は、ｉ番目の画像ｆ_ｉ上の１画素（ｘ，ｙ）の輝度値を表している。

図７は、画像ｆ_ｉ上の１画素（ｘ，ｙ）の輝度値ｆ_ｉ（ｘ，ｙ）と画像番号ｉとの関係を示す図である。図中において横軸は画像番号ｉ（１≦ｉ≦Ｎ）を示し、縦軸は画素（ｘ，ｙ）の輝度値ｆ_ｉ（ｘ，ｙ）を示す。また図中の黒丸は、画像ｆ_ｉのサンプリングにおいて実際に取得された輝度値ｆ_ｉ（ｘ，ｙ）を示している。一方、図中の実線は、探索範囲内における画素（ｘ，ｙ）の位置での干渉光強度の変化を表している。

図７を参照して、干渉光強度は特定の画像番号の近傍でピークを示している。これに伴ない、特定の画像番号の近傍での輝度値ｆ_ｉ（ｘ，ｙ）もピークを示している。干渉光強度のピーク点に対応するＺステージの位置が画素（ｘ，ｙ）の焦点位置である。中央処理部４８は、輝度値ｆ_ｉ（ｘ，ｙ）と画像番号ｉとの関係に基づいて、画素（ｘ，ｙ）の位置での干渉光強度のピークに対応する画像番号を検出する。

図８は、図５のステップＳ３０の処理（ピーク検出処理）の詳細な手順を示すフローチャートである。図８を参照して、中央処理部４８は、ｋ番目（１＜ｋ＜Ｎ）の画像ｆ_ｋを取得したときに、合計ｋ枚の画像を用いてピーク検出処理を開始する。

中央処理部４８は最初に、ｉ番目の画像ｆ_ｉを取得すると（ステップＳ０１）、画像ｆ_ｉを含むｋ枚の画像を用いて、画素（ｘ，ｙ）の輝度値の平均値ａ（以下、「輝度平均値」と称す）を算出する（ステップＳ０２）。具体的には、輝度平均値ａは、（ｉ−ｋ＋１）番目の画像ｆ_{ｉ−ｋ＋１}からｉ番目の画像ｆ_ｉまでの合計ｋ枚の画像を用いて、次式（１）により算出される。

次に、中央処理部４８は、算出した輝度平均値ａを用いて、各画素の輝度値ｆ_ｉ（ｘ，ｙ）の相対値（以下、「輝度相対値」と称す）を算出する。具体的には、画像ｆ_ｉ上の画素（ｘ，ｙ）の輝度相対値をｄ_ｉ（ｘ，ｙ）とすると、輝度相対値ｄ_ｉ（ｘ，ｙ）は、次式（２）に示すように、輝度平均値ａに対する輝度値ｆ_ｉ（ｘ，ｙ）の偏差に相当する。

次に、中央処理部４８は、画像ｆ_ｉの各画素の輝度相対値ｄ_ｉ（ｘ，ｙ）と、所定の閾値Ｔ_ｆとを比較する。中央処理部４８は、輝度相対値ｄ_ｉ（ｘ，ｙ）が閾値Ｔ_ｆ以上となる画素（ｘ，ｙ）を、輝度値ｆ_ｉ（ｘ，ｙ）がピークを示す画素の候補（以下、「候補画素」と称す）に設定する。このようにして中央処理部４８は、画像ｆ_ｉを構成する複数の画素の中から候補画素（ｘ，ｙ）を抽出する（ステップＳ０３）。

次に、中央処理部４８は、抽出された候補画素（ｘ，ｙ）について輝度値のピークを検出する。中央処理部４８はまず、候補画素（ｘ，ｙ）のピークの検出状態を示すフラグＦ（ｘ，ｙ）を設定する。フラグＦ（ｘ，ｙ）は、図６に示すように、輝度値のピークが検出されていない状態のときに値「０」に設定される。一方、輝度値のピークを探索している状態のとき、フラグＦ（ｘ，ｙ）は値「１」に設定される。また、隣り合う２つのピークの間にできる「谷」を探索している状態のとき、フラグＦ（ｘ，ｙ）は値「２」に設定される。中央処理部４８は、フラグＦ（ｘ，ｙ）を参照しながら、候補画素（ｘ，ｙ）の輝度値のピークを検出する。

具体的には、中央処理部４８はまず、フラグＦ（ｘ，ｙ）＝０であるか否かを判定する（ステップＳ０４）。フラグＦ（ｘ，ｙ）＝０のとき（ステップＳ０４においてＹＥＳ）、中央処理部４８は、輝度値のピークを探索する処理（ピーク探索処理）を実行する（ステップＳ０５）。

ピーク探索処理では、輝度相対値ｄ_ｉ（ｘ，ｙ）に基づいて、輝度値ｆ_ｉ（ｘ，ｙ）に現れる複数のピークに対応する複数の画像番号を、画像番号の若い順に検出する。以下の説明では、１画素（ｘ，ｙ）において、検出されたピークの個数をｃ（ｘ，ｙ）とし、最新のピーク候補の画像番号をｐ_ｍａｘ（ｘ，ｙ）とし、最新のピーク候補の強度（相対輝度値）をｄ_ｍａｘ（ｘ，ｙ）とする。また、最新の谷候補の画像番号をｐ_ｍｉｎ（ｘ，ｙ）とし、最新の谷候補の強度（相対輝度値）をｄ_ｍｉｎ（ｘ，ｙ）とし、最新のピークの画像番号をｎ（ｘ，ｙ）とする。これらの値はいずれも、探索を開始する前の初期状態において値「０」に初期化されている。

なお、本実施の形態では、一例として、ピーク個数ｃ（ｘ，ｙ）の上限値Ｎ_ｐ＝４に設定する。検出されたピークの画像番号は、検出された順にｎ_ｊ（ｘ，ｙ）に格納される（１≦ｊ≦Ｎ_ｐ）。初期状態において、ピークの画像番号ｎ_１（ｘ，ｙ）〜ｎ_Ｎｐ（ｘ，ｙ）の値はすべて「−１」に初期化される。

記憶部４６は、ＣＣＤカメラ３０の解像度と同じ解像度となるように記憶セルが２次元に配列された記憶領域を有している。各記憶セルには、対応する画素（ｘ，ｙ）のＦ，ｃ，ｐ_ｍａｘ，ｐ_ｍｉｎ，ｄ_ｍａｘ，ｄ_ｍｉｎ，ｎ，ｎ_ｊが格納される。すなわち、記憶部４６は、Ｆ，ｃ，ｐ_ｍａｘ，ｐ_ｍｉｎ，ｄ_ｍａｘ，ｄ_ｍｉｎ，ｎ，ｎ_ｊの合計８個の２次元配列を保存している。

図９は、図８のステップＳ０５の処理におけるピーク探索過程を説明する図である。図９には、１つ目のピークを探索する過程が示されている。図中の黒丸は実際に取得された輝度値ｆ_ｉ（ｘ，ｙ）を示し、実線は輝度値ｆ_ｉ（ｘ，ｙ）の推移を示している。一方、図中の破線は次回の画像ｆ_ｉ＋１以降において予測される輝度値ｆ_ｉ（ｘ，ｙ）の推移を示している。なお、ピーク個数ｃ（ｘ，ｙ）＝０（初期値）に設定されている。

図９を参照して、中央処理部４８は、最新のピークの画像番号ｎ（ｘ，ｙ）と画像番号ｉとの差Δｉを算出する。この差Δｉは、最新のピークの画像番号ｎ（ｘ，ｙ）から画像番号ｉまでの画像数に相当する。１つ目のピークの探索中はｎ（ｘ，ｙ）＝０（初期値）であるため、画像数Δｉ＝ｉとなる。中央処理部４８は、画像数Δｉと閾値Ｔ_ｄとを比較する。１つ目のピークの探索中、閾値Ｔ_ｄは画像数Δｉと等しい値に設定される。これにより、１つ目のピークの探索中は常にΔｉ≧Ｔ_ｄの関係が成立している。

中央処理部４８は、画素（ｘ，ｙ）の輝度相対値ｄ_ｉ（ｘ，ｙ）と最新のピーク候補の強度ｄ_ｍａｘ（ｘ，ｙ）とを比較する。輝度相対値ｄ_ｉ（ｘ，ｙ）がｄ_ｍａｘ（ｘ，ｙ）より大きい場合、中央処理部４８は、ｄ_ｍａｘ（ｘ，ｙ）の値を輝度相対値ｄ_ｉ（ｘ，ｙ）に更新する（ｄ_ｍａｘ（ｘ，ｙ）＝ｄ_ｉ（ｘ，ｙ））。中央処理部４８はさらに、最新のピーク候補の画像番号ｐ_ｍａｘ（ｘ，ｙ）をｉに更新する（ｐ_ｍａｘ（ｘ，ｙ）＝ｉ）（ステップＳ０６）。また、中央処理部４８は、最新のピークの画像番号ｎ（ｘ，ｙ）をｉに設定する。一方、輝度相対値ｄ_ｉ（ｘ，ｙ）がｄ_ｍａｘ（ｘ，ｙ）以下である場合、中央処理部４８はｄ_ｍａｘ（ｘ，ｙ）およびｐ_ｍａｘ（ｘ，ｙ）を更新しない。

中央処理部４８はさらに、フラグＦ（ｘ，ｙ）を値「１」に設定する（ステップＳ０７）。フラグＦ（ｘ，ｙ）の設定後、処理は最初に戻される。

図８に戻って、フラグＦ（ｘ，ｙ）が０でない場合（ステップＳ０４においてＮＯ）、中央処理部４８は続いて、フラグＦ（ｘ，ｙ）＝１であるか否かを判定する（ステップＳ０８）。フラグＦ（ｘ，ｙ）＝１のとき（ステップＳ０８においてＹＥＳ）、中央処理部４８は、輝度値のピークを確定する処理（ピーク確定処理）を実行する（ステップＳ０９）。

図１０は、図８のステップＳ０９の処理におけるピーク確定過程を説明する図である。図１０には、１つ目のピークを確定する過程が示されている。図９と同様に、図中の黒丸は実際に取得された輝度値ｆ_ｉ（ｘ，ｙ）を示し、実線は輝度値ｆ_ｉ（ｘ，ｙ）の推移を示している。一方、図中の破線は次回の画像ｆ_ｉ＋１以降において予測される輝度値ｆ_ｉ（ｘ，ｙ）の推移を示している。なお、ピーク個数ｃ（ｘ，ｙ）＝０（初期値）に設定されている。

図１０を参照して、中央処理部４８は、最新のピーク候補の画像番号ｐ_ｍａｘ（ｘ，ｙ）と画像番号ｉとの差Δｗを算出する。この差Δｗは、最新のピーク候補の画像番号ｐ_ｍａｘ（ｘ，ｙ）から画像番号ｉまでの画像数に相当する。中央処理部４８は、画像数Δｗと予め定められた閾値Ｔ_ｗとを比較する。画像数Δｗが閾値Ｔ_ｗより大きい場合、中央処理部４８は、ｐ_ｍａｘ（ｘ，ｙ）をピークの画像番号に確定し、最新のピークの画像番号ｎ（ｘ，ｙ）をｐ_ｍａｘ（ｘ，ｙ）に設定する。また中央処理部４８は、ピーク個数ｃ（ｘ，ｙ）をカウントアップ（１加算）する（ステップＳ１０）。

中央処理部４８はさらに、フラグＦ（ｘ，ｙ）を値「２」に設定する（ステップＳ１１）。フラグＦ（ｘ，ｙ）の設定後、処理は最初に戻される。一方、画像数Δｗが閾値Ｔ_ｗ以下である場合には、フラグＦ（ｘ，ｙ）＝１に維持したまま、処理は最初に戻される。

図８に戻って、フラグＦ（ｘ，ｙ）が１でない場合（ステップＳ０８においてＮＯ）、すなわち、フラグＦ（ｘ，ｙ）＝２である場合、中央処理部４８は、輝度値のピークとピークとの間の谷を探索する処理（谷探索処理）を実行する（ステップＳ１２）。

図１１は、図８のステップＳ１２の処理における谷探索過程を説明する図である。図１１には、１つ目のピークと２つ目のピークとの間の谷を探索する過程が示されている。図中の黒丸は実際に取得された輝度値ｆ_ｉ（ｘ，ｙ）を示し、実線は輝度値ｆ_ｉ（ｘ，ｙ）の推移を示している。一方、図中の破線は次回の画像ｆ_ｉ＋１以降において予測される輝度値ｆ_ｉ（ｘ，ｙ）の推移を示している。

図１１を参照して、中央処理部４８は、画素（ｘ，ｙ）の輝度相対値ｄ_ｉ（ｘ，ｙ）と最新の谷候補の強度ｄ_ｍｉｎ（ｘ，ｙ）とを比較する。輝度相対値ｄ_ｉ（ｘ，ｙ）がｄ_ｍｉｎ（ｘ，ｙ）より小さい場合、中央処理部４８は、ｄ_ｍｉｎ（ｘ，ｙ）の値を輝度相対値ｄ_ｉ（ｘ，ｙ）に更新する（ｄ_ｍｉｎ（ｘ，ｙ）＝ｄ_ｉ（ｘ，ｙ））。中央処理部４８はさらに、最新の谷候補の画像番号ｐ_ｍｉｎ（ｘ，ｙ）をｉに更新する（ｐ_ｍｉｎ（ｘ，ｙ）＝ｉ）。

一方、輝度相対値ｄ_ｉ（ｘ，ｙ）がｄ_ｍｉｎ（ｘ，ｙ）以上である場合には、中央処理部４８は、輝度値の谷を確定する処理（谷確定処理）を実行する（ステップＳ１３）。図１２は、図８のステップＳ１３の処理における谷確定過程を説明する図である。図１２には、１つ目のピークと２つ目のピークとの間の谷を確定する過程が示されている。図中の黒丸は実際に取得された輝度値ｆ_ｉ（ｘ，ｙ）を示し、実線は輝度値ｆ_ｉ（ｘ，ｙ）の推移を示している。一方、図中の破線は次回の画像ｆ_ｉ＋１以降において予測される輝度値ｆ_ｉ（ｘ，ｙ）の推移を示している。

図１２を参照して、中央処理部４８は、最新の谷候補の画像番号Ｐ_ｍｉｎ（ｘ，ｙ）と画像番号ｉとの差Δｗを算出する。この差Δｗは、最新の谷候補の画像番号ｐ_ｍｉｎ（ｘ，ｙ）から画像番号ｉまでの画像数に相当する。中央処理部４８は、画像数Δｗと閾値Ｔ_ｗとを比較する。画像数Δｗは閾値Ｔ_ｗより大きい場合、中央処理部４８は、ｐ_ｍｉｎ（ｘ，ｙ）を谷の画像番号に確定する。

次に、中央処理部４８は、２つ目のピークの探索処理に移行するために、最新のピーク候補の強度ｄ_ｍａｘ（ｘ，ｙ）の値を「０」に初期化する（ステップＳ１４）。中央処理部４８はさらに、フラグＦ（ｘ，ｙ）を値「０」に設定することにより、輝度値のピークが検出されていない状態に戻る（ステップ１５）。

上記のように、輝度値ｆ_ｉ（ｘ，ｙ）の谷を検出した後にフラグＦ（ｘ，ｙ）＝０に設定されることにより、２つ目のピークの探索処理（ステップＳ０５）および２つ目のピークの確定処理（ステップＳ０９）が実行される。中央処理部４８は、上述した１つ目のピークの探索処理および確定処理と同様の手順により、２つ目のピークの探索処理および確定処理を実行する。

図１３は、２つ目のピークの探索過程を説明する図である。図中の黒丸は実際に取得された輝度値ｆ_ｉ（ｘ，ｙ）を示し、実線は輝度値ｆ_ｉ（ｘ，ｙ）の推移を示している。一方、図中の破線は次回の画像ｆ_ｉ＋１以降において予測される輝度値ｆ_ｉ（ｘ，ｙ）の推移を示している。なお、ピーク個数ｃ（ｘ，ｙ）＝１に設定されている。

図１３を参照して、中央処理部４８は、最新のピークの画像番号ｎ（ｘ，ｙ）と画像番号ｉとの差Δｉを算出する。この差Δｉは、最新のピークの画像番号ｎ（ｘ，ｙ）から画像番号ｉまでの画像数に相当する。中央処理部４８は、画像数Δｉと閾値Ｔ_ｄとを比較する。閾値Ｔ_ｄは、２つ目以降のピークの探索過程では所定値に設定される。

中央処理部４８は、画素（ｘ，ｙ）の輝度相対値ｄ_ｉ（ｘ，ｙ）と最新のピーク候補の強度ｄ_ｍａｘ（ｘ，ｙ）とを比較する。輝度相対値ｄ_ｉ（ｘ，ｙ）がｄ_ｍａｘ（ｘ，ｙ）より大きい場合、中央処理部４８は、ｄ_ｍａｘ（ｘ，ｙ）の値を輝度相対値ｄ_ｉ（ｘ，ｙ）に更新する（ｄ_ｍａｘ（ｘ，ｙ）＝ｄ_ｉ（ｘ，ｙ））。中央処理部４８はさらに、最新のピーク候補の画像番号ｐ_ｍａｘ（ｘ，ｙ）をｉに更新する（ｐ_ｍａｘ（ｘ，ｙ）＝ｉ）。また、中央処理部４８は、最新のピークの画像番号ｎ（ｘ，ｙ）をｉに設定するとともに、フラグＦ（ｘ，ｙ）を値「１」に設定する。これにより、２つ目のピークの確定処理が実行される。

中央処理部４８は、第１段階の処理であるピーク検出処理（図５のステップＳ３０）において、上述したピーク探索処理、ピーク確定処理、谷探索処理および谷確定処理を、ピーク個数ｃ（ｘ，ｙ）が上限値Ｎ_ｐに達するまで繰り返し実行する。これにより、画像ｆｉ上の各画素（ｘ，ｙ）について、輝度値がピークとなる画像番号ｎ_ｊ（ｘ，ｙ）がＮ_ｐ個検出されて記憶部４６に格納される。

本実施の形態において、中央処理部４８は、第１段階の処理であるピーク検出処理を、取込装置４２から記憶部４６に画像ｆ_ｉが転送されたタイミングから取込装置４２が次回の画像ｆ_ｉ＋１のサンプリングを開始するタイミングまでの期間を使って実行する。たとえばＣＣＤカメラ３０の解像度を６４０×４８０とし、輝度値ｆ_ｉ（ｘ，ｙ）を１バイトと想定した場合、取込装置４２から記憶部４６に転送された画像データのサイズは３０７，２００バイトとなる。一方、ＣＣＤカメラ３０の垂直同期信号の周波数を１２０Ｈｚとすると、画像のサンプリング周期は１／１２０秒となる。したがって、取込装置４２は、１／１２０秒（約８．３ｍ秒）ごとに３０７，２００バイトの画像データを取り込んで処理装置４４の記憶部４６へ転送する。取込装置４２から記憶部４６へのデータ転送は、ＤＭＡ転送を用いることによって約２ｍ秒の時間で行なうことができる。したがって、処理装置４４は、サンプリング周期である約８．３ｍ秒のうち、データ転送に要する約２ｍ秒を除いた約６．３ｍ秒の時間を利用して、第１段階の処理を実行する。

このようにして画像のサンプリング周期ごとに、データ転送後の空き時間を用いて第１段階の処理を実行する。これにより、探索範囲内の全ての画像のサンプリングが完了したときには、記憶部４６の２次元配列ｎ_ｊには、検出された順にピークの画像番号が格納されている。

（形状測定処理）
次に、第２段階の処理である形状検出処理（図５のステップＳ６０）の手順について詳細に説明する。

上記のように、記憶部４６には、ピークの画像番号を保持する２次元配列ｎ_ｊが合計Ｎ_ｐ個格納されている。このうちのｎ_１には１つ目のピークの画像番号が格納されている。ｎ_２，ｎ_３，・・・ｎ_Ｎｐには、２つ目以降のピークの画像番号がそれぞれ格納されている。

中央処理部４８は、２次元配列ｎ_１から順に、輝度値がピークとなる正確な画像番号を求める。具体的には、中央処理部４８は、２次元配列ｎ_ｊを参照して、各画素について、ピークの画像番号ｐ（＝ｎ_ｊ（ｘ，ｙ））を読み出す。そして、中央処理部４８は、ピークの画像番号ｐの画像ｆ_ｐを中心とする前後±ｎ枚の合計（２ｎ＋１）枚の画像を用いて、コントラスト値Ｍ_ｉ♯（ｘ，ｙ）のピーク点を求める。

図１４を用いて、コントラスト値Ｍ_ｉ♯について説明する。図１４（ａ）は画像番号ｉと輝度値ｆ_ｉ（ｘ，ｙ）との関係を示す図である。図１４（ｂ）は画像番号ｉとコントラスト値Ｍ_ｉ♯（ｘ，ｙ）との関係を示す図である。図１４（ｃ）はＺステージの位置と移動速度との関係を示す図である。

図１４（ａ）〜（ｃ）において、輝度値ｆ_ｉ（ｘ，ｙ）およびコントラスト値Ｍ_ｉ♯（ｘ，ｙ）はともに画像番号ｐの近傍でピークを示している。このピーク点に対応するＺステージの位置が画素（ｘ，ｙ）の焦点位置である。

コントラスト値Ｍ_ｉ♯（ｘ，ｙ）は、図１４（ａ）に示す輝度値ｆ_ｉ（ｘ，ｙ）の包絡線を示している。コントラスト値Ｍ_ｉ♯は、画像ｆ_ｉを中心とする前後±２枚の合計５枚の画像ｆ_ｉ−２，ｆ_ｉ−１，ｆ_ｉ，ｆ_ｉ＋１，ｆ_ｉ＋２の輝度値を用いて、次式（３）により算出される。

中央処理部４８は、画像番号ｐの画像ｆ_ｐを中心とする合計（２ｎ＋１）枚の画像ｆ_ｐ−ｎ，ｆ_{ｐ−ｎ＋１}，・・・，ｆ_ｐ−１，ｆ_ｐ，ｆ_ｐ＋１，・・・ｆ_{ｐ＋ｎ−１}，ｆ_ｐ＋ｎの各々について、上記式（３）を用いてコントラスト値Ｍ_ｉ♯（ｘ，ｙ）を算出する。すなわち、中央処理部４８は、合計（２ｎ＋１）個のコントラスト値Ｍ_ｐ−ｎ♯，Ｍ_{ｐ−ｎ＋１}♯，・・・，Ｍ_ｐ−１♯，Ｍ_ｐ♯，Ｍ_ｐ＋１♯，・・・Ｍ_{ｐ＋ｎ−１}♯，Ｍ_ｐ＋ｎ♯を算出する。

図１４（ｂ）に示すように、コントラスト値Ｍ_ｉ♯は、ピーク点を中心とする左右対称の山型傾向を有している。そのため、二次関数またはガウス関数を用いてコントラスト値Ｍ_ｉ♯を示す曲線を近似することができる。そこで、中央処理部４８は、コントラスト値Ｍ_ｉ♯を二次関数またはガウス関数で近似し、求めた関数からコントラスト値Ｍ_ｉ♯がピークとなる画像番号ｐを求める。そして、画像番号ｐに対応するＺステージの位置を画素（ｘ，ｙ）の高さとする。なお、画像番号ｐに対応するＺステージ位置をＺ_ｊ（ｘ，ｙ）とすると、Ｚ_ｊ（ｘ，ｙ）は、白色光の中心波長λを用いて、次式（４）で表すことができる。

なお、本実施の形態においては、コントラスト値Ｍ_ｉ♯を二次関数またはガウス関数により近似する構成について説明したが、（２ｎ＋１）個のコントラスト値Ｍ_ｉ♯の重心位置を求め、求めた重心位置をピーク点としてもよい。この重心位置は、図１４（ｂ）に示すような左右対称データの中心位置を示している。重心位置を示す画像番号ｐに対応するＺステージ位置Ｚ_ｊ（ｘ，ｙ）は次式（５）を用いて算出することができる。

以上のようにして、中央処理部４８は、２次元配列ｎ_ｊに基づいて、画素（ｘ，ｙ）ごとに、コントラスト値Ｍ_ｉ♯（ｘ，ｙ）がピークとなる画像番号ｐに対応するＺステージ位置Ｚ_ｊ（ｘ，ｙ）を求める。すなわち、中央処理部４８は、２次元配列ｎ_１，ｎ_２，・・・ｎ_Ｎｐにそれぞれ対応して、合計Ｎ_ｐ個のＺステージ位置Ｚ_１（ｘ，ｙ），Ｚ_２（ｘ，ｙ），・・・Ｚ_Ｎｐ（ｘ，ｙ）を算出する。算出されたＮ_ｐ個のＺステージ位置は記憶部４６に格納される。

次に、中央処理部４８は、記憶部４６に格納されたＺステージ位置Ｚ_ｊ（ｘ，ｙ）（１≦ｊ≦Ｎ_ｐ）を用いて、透明膜３を構成する透明膜３ａ〜３ｃ（図１）の各々の膜厚を算出する。

図１５は、各透明膜の膜厚の算出方法を説明するための図である。図１５を参照して、透明膜３が３つの透明膜３ａ〜３ｃから構成される場合には、合計４個のＺステージ位置Ｚ_１（ｘ，ｙ），Ｚ_２（ｘ，ｙ），Ｚ_３（ｘ，ｙ），Ｚ_４（ｘ，ｙ）が算出される。Ｚステージ位置Ｚ_１（ｘ，ｙ）は、１つ目のピークの画像番号ｎ_１（ｘ，ｙ）に対応するＺステージ位置である。１つ目のピークの画像番号ｎ_１（ｘ，ｙ）は、最下層の透明膜３ｃの裏面からの反射光による干渉光の強度がピークとなる画像番号を示している。

Ｚステージ位置Ｚ_２（ｘ，ｙ）は、２つ目のピークの画像番号ｎ_２（ｘ，ｙ）に対応するＺステージ位置である。２つ目のピークの画像番号ｎ_２（ｘ，ｙ）は、透明膜３ｃの表面（中間の透明膜３ｂの裏面）からの反射光による干渉光の強度がピークとなる画像番号を示している。

Ｚステージ位置Ｚ_３（ｘ，ｙ）は、３つ目のピークの画像番号ｎ_３（ｘ，ｙ）に対応するＺステージ位置である。３つ目のピークの画像番号ｎ_３（ｘ，ｙ）は、透明膜３ｂの表面（最上層の透明膜３ａの裏面）からの反射光による干渉光の強度がピークとなる画像番号を示している。

Ｚステージ位置Ｚ_４（ｘ，ｙ）は、４つ目のピークの画像番号ｎ_４（ｘ，ｙ）に対応するＺステージ位置である。４つ目のピークの画像番号ｎ_４（ｘ，ｙ）は、透明膜３ａの表面からの反射光による干渉光の強度がピークとなる画像番号を示している。

ここで、最下層の透明膜３ｃの膜厚を算出するときには、Ｚステージ位置Ｚ_１（ｘ，ｙ）とＺステージ位置Ｚ_２（ｘ，ｙ）との差Ｄ_ｃを次式（６）により算出する。透明膜３ｃの屈折率をｎ_ｃとおくと、透明膜３ｃの膜厚ｔ_ｃは次式（７）により算出することができる。

同様の手法により、透明膜３ｂの膜厚ｔ_ｂは、Ｚステージ位置Ｚ_２（ｘ，ｙ）とＺステージ位置Ｚ_３（ｘ，ｙ）との差Ｄ_ｂおよび透明膜３_ｂの屈折率ｎ_ｂを用いて、次式（８）により算出することができる。

また、透明膜３ａの膜厚ｔ_ａは、Ｚステージ位置Ｚ_３（ｘ，ｙ）とＺステージ位置Ｚ_４（ｘ，ｙ）との差Ｄ_ａおよび透明膜３_ａの屈折率ｎ_ａを用いて、次式（９）により算出することができる。

中央処理部４８は、算出された透明膜３ａ，３ｂ，３ｃの膜厚ｔ_ａ，ｔ_ｂ，ｔ_ｃの各々と閾値とを比較することにより、塗布されたインクが所望の膜厚であるか否かを判定することができる。また、各透明膜において、画素ごとに算出された膜厚ｔの合計値は透明膜の体積とみなすことができる。したがって、当該合計値と閾値とを比較することにより、塗布されたインクの量が所望の塗布量であるか否かを判定することができる。

さらに、中央処理部４８は、Ｚステージ位置Ｚ_ｊ（ｘ，ｙ）を用いて、透明膜の表面に形成された凹凸部の高さを算出することができる。たとえば、Ｚステージ位置Ｚ_２（ｘ，ｙ）は、画素（ｘ，ｙ）における透明膜３ｃの表面の高さを表している。したがって、複数の画素間でＺステージ位置Ｚ_２（ｘ，ｙ）を比較することにより、透明膜３ｃにおける凹凸部の高さを算出することができる。

なお、本実施の形態においては、透明膜に照射する白色光の波長帯域をできるだけ広くとることで、干渉光における可干渉距離を短くすることができる。図１６は、干渉光における可干渉距離を説明する図である。図１６は、透明膜の表面から対物レンズまでの距離を変化させたときの干渉光の強度の変化を示している。図中において横軸は透明膜の表面から対物レンズまでの距離を示し、縦軸は干渉光の強度を示す。

図１６を参照して、可干渉距離は、対物レンズのビームスプリッタで分割した白色光が干渉する最大光路長差を表す。白色光の中心波長をλ_０、波長帯域をΔλとすると、可干渉距離Ｌは次式（１０）で与えられる。次式（１０）によれば、たとえば白色光の中心波長λ_０＝５６０ｎｍ、波長帯域Δλ＝２００ｎｍのとき、可干渉距離Ｌ＝１５６８ｎｍとなる。

図３に示した干渉光強度の波形においては、各干渉光の可干渉距離を短くすることによって、透明膜の表面からの反射光による干渉光と、透明膜の裏面からの反射光による干渉光との重なりを小さくできる。これにより、２つの干渉光を分離しやすくすることができる。

本実施の形態においては、落射光源１２（図１）に白色ＬＥＤを採用している。白色ＬＥＤの発光スペクトルは、波長４５０ｎｍおよび５６０ｎｍの２つのピークを有している。波長４５０ｎｍのピークの近傍は、波長５６０ｎｍのピークの近傍と比較してスペクトル幅が狭いため、白色光の中心波長λ_０＝４５０ｎｍとした場合には波長帯域Δλを広くとることができない。

そこで、本実施の形態では、白色光の中心波長λ_０＝５６０ｎｍとするために、フィルタ１４を用いて波長５６０ｎｍ近傍の光を選択的に透過させる。このようなフィルタ１４としては、白色光の発光スペクトルにおいて、波長４５０ｎｍのピークと波長５６０ｎｍのピークとの間の谷にあたる波長４８０ｎｍ付近を境界として長波長側の白色光を透過させるローパスフィルタを用いることができる。これにより、２００ｎｍ以上の波長帯域Δλを得ることができるため、可干渉距離Ｌを短くすることができる。よって、透明膜の表面からの反射光による干渉光と、透明膜の裏面からの反射光による干渉光とを容易に分離できる。

［塗布装置の構成］
最後に、本実施の形態に従う形状測定装置が適用される装置の一例として、塗布装置の概要について説明する。

図１７は、本実施の形態に従う塗布装置１の全体構成を示す斜視図である。本実施の形態に従う塗布装置１は、基板５の主面上に透明のインク（液状材料）を複数層に亘って塗布可能に構成されている。図１７を参照して、塗布装置１は、観察光学系２、ＣＣＤカメラ３０、カット用レーザ装置４、インク塗布機構７、およびインク硬化用光源６から構成される塗布ヘッド部と、この塗布ヘッド部を塗布対象の基板５に対して垂直方向（Ｚ軸方向）に移動させるＺステージ８と、Ｚステージ８を搭載してＸ軸方向に移動させるＸステージ９と、基板５を搭載してＹ軸方向に移動させるＹステージ１１と、装置全体の動作を制御する制御用コンピュータ４０と、ＣＣＤカメラ３０によって撮影された画像などを表示するモニタ５０と、制御用コンピュータ４０に作業者からの指令を入力するための操作パネル５２とを備える。

観察光学系２は、照明用の光源を含み、基板５の表面状態や、インク塗布機構７によって塗布されたインクの状態を観察する。観察光学系２によって観察される画像は、ＣＣＤカメラ３０により電気信号に変換され、モニタ５０に表示される。カット用レーザ装置４は、観察光学系２を介して基板５上の不要部にレーザ光を照射して除去する。

インク塗布機構７は、基板５の主面上にインクを塗布する。インク硬化用光源６は、たとえばＣＯ_２レーザを含み、インク塗布機構７によって塗布されたインクにレーザ光を照射して硬化させる。

なお、この装置構成は一例であり、たとえば、観察光学系２などを搭載したＺステージ８をＸステージに搭載し、さらにＸステージをＹステージに搭載し、Ｚステージ８をＸＹ方向に位相可能とするガントリー方式と呼ばれる構成でもよく、観察光学系２などを搭載したＺステージ８を、対象の基板５に対してＸＹ方向に相対的に移動可能な構成であればどのような構成でもよい。

次に、複数の塗布針を用いたインク塗布機構の例について説明する。図１８は、観察光学系２およびインク塗布機構７の要部を示す斜視図である。図１８を参照して、この塗布装置１は、可動板１５と、倍率の異なる複数（たとえば５個）の対物レンズ１９と、異なる材質からなるインクを塗布するための複数（たとえば５個）の塗布ユニット１７とを備える。

可動板１５は、観察光学系２の観察鏡筒２ａの下端と基板５との間で、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に移動可能に設けられている。また、可動板１５には、たとえば５個の貫通孔１５ａが形成されている。

対物レンズ１９は、Ｙ軸方向に所定の間隔で、それぞれ貫通孔１５ａに対応するように可動板１５の下面に固定されている。５個の塗布ユニット１７は、それぞれ５個の対物レンズ１９に隣接して配置されている。可動板１５を移動させることにより、所望の塗布ユニット１７を対象の基板５の上方に配置することが可能となっている。

図１９（ａ）〜（ｃ）は、図１８のＡ方向から要部を見た図であって、インク塗布動作を示す図である。塗布ユニット１７は、塗布針１７０とインクタンク１１７２とを含む。まず図１９（ａ）に示すように、所望の塗布ユニット１７の塗布針１７０を対象の基板５の上方に位置決めする。このとき、塗布針１７０の先端部は、インクタンク１７２内のインク内に浸漬されている。

次いで図１９（ｂ）に示すように、塗布針１７０を下降させてインクタンク１７２の底の孔から塗布針１７０の先端部を突出させる。このとき、塗布針１７０の先端部にはインクが付着している。次に図１９（ｃ）に示すように、塗布針１７０およびインクタンク１７２を下降させて塗布針１７０の先端部を基板５に接触させ、基板５にインクを塗布する。この後、図１９（ａ）の状態に戻る。

複数の塗布針を用いたインク塗布機構は、この他にも様々な技術が知られているため詳細な説明を省略する。たとえば特許文献１などに示されている。塗布装置１は、たとえば図１８に示すような機構をインク塗布機構７として用いることにより、複数のインクのうちの所望のインクを塗布することができ、また、複数の塗布針のうち所望の塗布径の塗布針を用いてインクを塗布することができる。

本実施の形態に従う形状測定装置のヘッド部１０（図１）は、たとえば塗布装置１の観察光学系２に設けられている。制御用コンピュータ４０は、インク塗布機構７を制御してインク塗布動作を行なった後、Ｚステージ８を移動させることによってヘッド部１０をインク塗布部（透明膜）の表面の上方の所定の位置に位置決めする。制御用コンピュータ４０はさらに、Ｚステージ８を基板５に対して相対的に移動させながら、ＣＣＤカメラ３０により干渉光の画像を撮影する。制御用コンピュータ４０は、画素ごとに干渉光強度がピークとなるＺステージ位置を検出し、検出したＺステージ位置を用いてインク塗布部（透明膜）の膜厚または凹凸部の高さを算出する。

（作用効果）
この発明の実施の形態に従う形状測定装置、塗布装置および形状測定方法によれば、２以上の透明膜を積層して形成されている透明膜と対物レンズとを上下方向に相対移動させながら画像を複数枚撮影し、撮影した画像を構成する画素ごとに、干渉光の強度に現れる３つ以上のピークを検出することができる。これにより、各透明膜の膜厚および各透明膜の表面に形成された凹凸部の高さを検出することができる。

また、画像を構成する画素ごとに輝度値がピークとなる画像番号を検出する第１段階の処理においては、各画素の輝度値を用いた簡単な演算処理によって輝度値の変化に現れる３つ以上のピークを検出することができる。したがって、制御用コンピュータに高い演算処理能力が要求されないため、形状測定装置を簡易かつ安価に構成することができる。

さらに、上記の第１段階の処理を撮像装置の撮影周期内の空き時間（画像転送後の空き時間）を利用して行なうことができるため、全ての画像の撮影が完了した後の数値演算処理を軽減することができる。この結果、形状測定工程の作業時間を短縮することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 塗布装置、２，２５ 観察光学系、２ａ 観察鏡筒、３，３ａ〜３ｃ 透明膜、４ カット用レーザ装置、５ 基板、６ インク硬化用光源、７ インク塗布機構、８ Ｚステージ、９ Ｘステージ、１０ ヘッド部、１１ Ｙステージ、１２ 落射光源、１４ フィルタ、１５ 可動板、１５ａ 貫通孔、１６ 集光レンズ、１７ 塗布ユニット、１８ ハーフミラー、１９，２０ 対物レンズ、２２ レンズ、２４ 参照鏡、２５ 観察光学系、２６ ビームスプリッタ、２８ 結像レンズ、３０ ＣＣＤカメラ、３０ａ 撮像面、４０ 制御用コンピュータ、４２ 取込装置、４４ 処理装置、４５ 駆動装置、４６ 記憶部、４８ 中央処理部、５０ モニタ、５２ 操作パネル。

Claims (10)

1. 透明膜の膜厚または前記透明膜の表面に形成された凹凸部の高さを測定する形状測定装置であって、
   前記透明膜は、単層または複数の透明膜を積層して形成され、
   白色光を出力する照明装置と、前記照明装置から出射された白色光を二光束に分離して、一方を前記透明膜の前記表面に照射するとともに他方を参照面に照射し、これら両面からの反射光を干渉させ干渉光を得るための対物レンズと、前記対物レンズを介して得られた前記干渉光を観察する観察光学系と、前記観察光学系を介して前記干渉光を撮影する撮像装置とを含むヘッド部と、
   前記ヘッド部と前記透明膜とを相対移動させて前記ヘッド部を前記透明膜の前記表面の上方の所望の位置に位置決めするための位置決め装置と、
   前記位置決め装置および前記撮像装置を制御することにより、前記透明膜の上方に前記対物レンズを位置決めした後、前記透明膜から前記対物レンズまでの上下方向の距離を連続的に変化させながら前記干渉光の画像を複数枚撮影し、撮影した前記複数枚の画像に基づいて前記透明膜の膜厚または前記凹凸部の高さを検出する形状検出部とを備え、
   前記形状検出部は、
   前記撮像装置の撮影周期内において、撮影した前記複数枚の画像に、撮影した順に画像番号を付すとともに、前記画像を構成する複数の画素の各々について、輝度がピークとなる画像番号を複数個求める第１段階の処理と、
   前記撮像装置が前記複数枚の画像を撮影した後、前記第１段階の処理によって求められた複数個の前記輝度がピークとなる画像番号に基づいて、前記透明膜の膜厚または前記凹凸部の高さを検出する第２段階の処理とを実行する、形状測定装置。
2. 前記形状検出部は、前記第２段階の処理において、画素ごとに検出された前記透明膜の膜厚を合計することにより、前記透明膜の体積を算出する、請求項１に記載の形状測定装置。
3. 前記形状検出部は、前記第１段階の処理において、現在の撮影周期で撮影された画像を、画像番号ｉ（ｉは１以上の整数）の画像ｆ_ｉとし、
   前記画像ｆ_ｉの画素ごとに、前記画像ｆ_ｉを含む所定枚数の連続する画像における輝度の平均値を算出するとともに、前記平均値に対する輝度の偏差を示す輝度相対値を算出し、かつ、該輝度相対値が閾値以上となる画素を、輝度がピークを示す候補画素に設定し、
   前記画像ｆ_ｉにおける前記候補画素の輝度相対値が、最新の前記候補画素の輝度相対値よりも大きい場合には、前記輝度がピークとなる候補の画像番号を画像番号ｉに更新し、
   前記輝度がピークとなる候補の画像番号が閾値枚数連続して更新されなかった場合には、前記画像番号ｉを前記輝度がピークとなる画像番号と判定する、請求項１または２に記載の形状測定装置。
4. 前記形状検出部は、前記第１段階の処理において、前記画像ｆ_ｉにおける輝度相対値が最小となる画素を、輝度がピークとピークとの間の谷を示す候補画素に設定し、
   前記画像ｆ_ｉにおける前記輝度相対値の最小値が、最新の前記輝度相対値の最小値よりも小さい場合には、前記輝度が谷となる候補の画像番号を画像番号ｉに更新し、
   前記輝度がピークとなる画像番号を判定した後、前記輝度相対値の最小値が閾値枚数連続して更新されなかった場合には、前記画像番号ｉを輝度が谷となる画像番号と判定する、請求項３に記載の形状測定装置。
5. 前記形状検出部は、前記輝度がピークとなる画像番号を判定する処理と、前記輝度が谷となる画像番号を判定する処理とをこの順で繰り返し実行することにより、前記輝度がピークとなる画像番号を複数個求める、請求項４に記載の形状測定装置。
6. 前記形状検出部は、前記第２段階の処理において、前記複数個の輝度がピークとなる画像番号の各々について、前記輝度がピークとなる画像番号の画像を中心とする前後±ｎ枚（ｎは１以上の整数）の合計（２ｎ＋１）枚の画像を用いて輝度の包絡線を算出し、前記包絡線がピークとなるときの画像番号を前記輝度がピークとなる画像番号に決定するとともに、決定された前記輝度がピークとなる画像番号に対応する前記ヘッド部の位置を算出し、
   算出された複数個の前記ヘッド部の位置に基づいて、前記透明膜の膜厚または前記凹凸部の高さを検出する、請求項１から５のいずれか１項に記載の形状測定装置。
7. 前記照明装置は、白色ＬＥＤであり、
   前記照明装置と前記対物レンズとの間に設けられ、前記白色ＬＥＤの発光スペクトルが有する２つのピークのうち、長波長側の白色光を選択的に透過させるためのフィルタをさらに備える、請求項１から６のいずれか１項に記載の形状測定装置。
8. 基板の主面上に透明の液状材料を塗布することにより、単層または複数の透明膜を積層してなる透明膜を形成する塗布機構と、
   白色光を出力する照明装置と、前記照明装置から出射された白色光を二光束に分離して、一方を前記透明膜の表面に照射するとともに他方を参照面に照射し、これら両面からの反射光を干渉させ干渉光を得るための対物レンズと、前記対物レンズを介して得られた前記干渉光を観察する観察光学系と、前記観察光学系を介して前記干渉光を撮影する撮像装置とを含むヘッド部と、
   前記ヘッド部と前記塗布部とを相対移動させて前記ヘッド部を前記塗布部の前記表面の上方の所望の位置に位置決めするための位置決め装置と、
   前記位置決め装置および前記撮像装置を制御することにより、前記塗布部の上方に前記対物レンズを位置決めした後、前記塗布部から前記対物レンズまでの上下方向の距離を連続的に変化させながら前記干渉光の画像を複数枚撮影し、撮影した前記複数枚の画像に基づいて前記透明膜の膜厚または前記凹凸部の高さを検出する形状検出部とを備え、
   前記形状検出部は、
   前記撮像装置の撮影周期内において、撮影した前記複数枚の画像に、撮影した順に画像番号を付すとともに、前記画像を構成する複数の画素の各々について、輝度がピークとなる画像番号を複数個求める第１段階の処理と、
   前記撮像装置が前記複数枚の画像を撮影した後、前記第１段階の処理によって求められた複数個の前記輝度がピークとなる画像番号に基づいて、前記塗布部の膜厚または前記凹凸部の高さを検出する第２段階の処理とを実行する、塗布装置。
9. 透明膜の膜厚または前記透明膜の表面に形成された凹凸部の高さを測定する形状測定方法であって、
   前記透明膜は、単層または複数の透明膜を積層して形成され、
   白色光を出力する照明装置と、前記照明装置から出射された白色光を二光束に分離して、一方を前記透明膜の前記表面に照射するとともに他方を参照面に照射し、これら両面からの反射光を干渉させ干渉光を得るための対物レンズと、前記対物レンズを介して得られた前記干渉光を観察する観察光学系と、前記観察光学系を介して前記干渉光を撮影する撮像装置とを含むヘッド部を、前記透明膜に対して相対移動させて、前記ヘッド部を前記透明膜の前記表面の上方の所望の位置に位置決めするステップと、
   前記透明膜の上方に前記対物レンズを位置決めした後、前記透明膜から前記対物レンズまでの上下方向の距離を連続的に変化させながら前記干渉光の画像を複数枚撮影し、撮影した前記複数枚の画像に基づいて前記透明膜の膜厚または前記凹凸部の高さを検出するステップとを備え、
   前記透明膜の膜厚または前記凹凸部の高さを検出するステップは、
   前記撮像装置の撮影周期内において、撮影した前記複数枚の画像に、撮影した順に画像番号を付すとともに、前記画像を構成する複数の画素の各々について、輝度がピークとなる画像番号を複数個求める第１段階の処理と、
   前記撮像装置が前記複数枚の画像を撮影した後、前記第１段階の処理によって求められた複数個の前記輝度がピークとなる画像番号に基づいて、前記透明膜の膜厚または前記凹凸部の高さを検出する第２段階の処理とを実行する、形状測定方法。
10. 前記透明膜の膜厚または前記凹凸部の高さを検出するステップでは、前記第２段階の処理において、画素ごとに検出された前記透明膜の膜厚を合計することにより、前記透明膜の体積を算出する、請求項９に記載の形状測定方法。

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