JP3228436B2 - 干渉縞の縞本数増加方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、干渉計測法における縞
本数増加方法に関し、詳しくは被検面の凹凸あるいは表
面あらさ等の表面形状を求めるために、この被検面と基
準面との間の光干渉により生じる干渉縞の縞本数増加方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、機械、光学あるいは半導体部品の
加工精度の向上に鑑み、非加工面の凹凸あるいは表面あ
らさ等を高精度で計測する技術が要求されている。

【０００３】このような計測技術としては、基準板とこ
の被検体との間でおきる光干渉を干渉計で測定してその
干渉縞を得、この干渉縞を解析してその被検体の表面形
状を計測するものが知られている。

【０００４】上記干渉計としてはフィゾー型の干渉計が
広く使用されている。このフィゾー型の干渉計ではコン
トラストのよい干渉縞を得るためには、被検体の表面か
らの反射光量と基準板の表面からの反射光量とをなるべ
く合わせることが必要となる。

【０００５】一方、上記干渉縞解析方法としては、被検
体と基準板との相対距離を変化させ、これに伴なう所定
位置の輝度変化に基づき干渉縞の解析を行なうフリンジ
スキャニング法が知られている。この方法は精度の高い
解析結果が得られることから広く用いられている。

【０００６】ところで、上記干渉計においては２つの表
面からの反射光量を合わせる必要があることから、高反
射の被検体には高反射の基準板が用いられることとなる
が、このような場合には被検体と基準板との両者の表面
で多重干渉がおこり各干渉縞の縞幅が極めて細くなって
しまう。

【０００７】ところが、上述したフリンジスキャニング
法は干渉縞がいわゆる Cos² θの輝度分布を有するもの
であることが必要となることから、縞幅が細くなる、高
反射面同志の光干渉に伴なう干渉縞にこの手法を適用す
ることは難しい。

【０００８】したがって、このような場合には従来から
の干渉縞を読み取る方法、即ち種々の手法により縞中心
を検出し干渉縞のピッチ差あるいは曲がり等に基づいて
形状を解析する方法を使用することになる。

【０００９】しかし、このような従来からの干渉縞を読
み取る方法によって高い測定精度を得るためには測定領
域内の縞の本数が少なくとも数本程度あることが必要で
ある。高精度の平滑表面を有する被検体においては、被
検体を基準板に対してわざと傾けて上記縞の本数を増や
し、測定精度を高める手法が採用されている。しかし、
この被検体の基準板に対する傾きが大きくなり、縞本数
が増えると縞位置に基づく見かけ上の情報量は増えるも
のの、これに伴なって縞が直線に近づくため実質的な測
定精度は上がらない。したがって被検体を基準板に対し
て傾ける場合にもその傾きの大きさには限界がある。

【００１０】なお、従来の干渉縞解析方法を自動解析に
応用する場合には縞画像入力装置（例えばＴＶカメラ）
の空間分解能に解析分解能が依存し、上記と同様、結局
実質的な測定精度は上がらない。

【００１１】このように、縞中心として直接サンプリン
グされる形状データ点数は縞の本数により決定され、ま
た縞と縞の間の形状は内挿計算によって補間することに
なるため良好な位置精度が得られる縞の本数を増加させ
ることが測定精度を確保する上で好ましい。

【００１２】また、内挿計算は被検体が研磨面のように
滑らかな連続曲面を描いていることが前提であり、研磨
面のように理想的な滑かな連続曲面とは異なる、超精密
切削加工で形成された金属鏡面等では内挿計算によって
形状を求めることが困難となる場合も多い。

【００１３】さらに、相対向する干渉縞のない領域では
この内挿計算も不可能、あるいは難しいものとなり、こ
のような観点からも縞の本数はできるだけ多くして、相
対向する干渉縞のない領域を少なくすることが望まし
い。

【００１４】本発明はこのような事情に鑑みなされたも
ので、一本の干渉縞から得られる位置情報量を減少させ
ることなく単位面積あたりの干渉縞本数を増加させるこ
とのできる干渉縞の縞本数増加方法を提供することを目
的とするものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の干渉縞の縞本数
増加方法は、被検面と基準面との間の光干渉により生じ
る干渉縞のデータを解析して前記被検面の表面形状を求
める干渉計測法において、前記被検面と前記基準面とを
任意の距離に設定して基準の干渉縞画像データを得た
後、これら２つの面を平行に保ちながら前記干渉縞が１
ピッチ分変化するまでこれら２つの面の距離を順次ｎ回
変化せしめ、その変化毎に新たな干渉縞画像データを得
た後、前記基準の干渉縞のデータに、これら２つの面の
距離を変化せしめる間に求められたｎ個の干渉縞画像デ
ータを画像上での位置データに基づき重ね合わせてｎ倍
の干渉縞本数を持つ合成干渉縞データを得ることを特徴
とするものである。

【００１６】

【作用】上記構成によれば、被検面と基準面との距離
を、干渉縞が１ピッチ分だけ移動するよう変化せしめ、
この期間において、所定の距離だけ変化せしめる毎に、
そのときの干渉縞データを求め、これら求められた干渉
縞データと上記２つの面の距離を変化させる前の状態に
おける干渉縞データを合成し、この合成した干渉縞デー
タを解析して被検面の表面形状を求めるようにしてい
る。

【００１７】すなわち、上記所定の距離だけ上記２つの
面の距離を変化させることを１ステップ操作と定義し、
ｎ回ステップ操作を行なったときに上記干渉縞が１ピッ
チ分変化したとすると、上記２つの面の距離を変化させ
る前の基準干渉縞データと、上記１〜（ｎ−１）回目の
ステップ操作終了時における各干渉縞データが合成され
て合成干渉縞のデータが得られる。

【００１８】この合成干渉縞データは、あたかも縞感度
が（１／ｎ）となったときの干渉縞から抽出されるデー
タと同等のものとなる。

【００１９】すなわち、合成された干渉縞は元の干渉縞
に比べて単位面積あたりの縞数が増えたものとして取り
扱うことができ、１つの縞からの縞位置情報を減少させ
ることなく干渉縞本数を増加させることができる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を用いて
説明する。

【００２１】図１は本発明の実施例に係る干渉縞の縞本
数増加方法の要部を示すフローチャートであり、図２は
各処理段階において観察される干渉縞パターンを示す概
略図である。すなわち、干渉計で得られた被検体表面の
干渉縞パターンはテレビカメラで読み取られて画像メモ
リに入力される（Ｓ１）。

【００２２】ここで、被検体表面の干渉縞パターンは被
検体表面と干渉計の基準板表面との干渉により生成さ
れ、これら両表面の距離の変化に伴ない干渉縞は移動す
ることになる。

【００２３】そこで、本実施例においては上記２つの表
面を所定の距離においたときに得られる干渉縞パターン
を基準画像として取り込み、次に上記両表面の距離を変
化せしめて干渉縞をその１縞ピッチ分だけ移動せしめ、
その間において干渉縞が縞ピッチの1/4 だけ移動する度
にそのときの干渉縞パターンを画像として取り込むよう
にしている。すなわち、画像メモリには、基準画像デー
タ1/4 、縞ピッチ移動させたときの第１ステップ画像デ
ータ、1/2 縞ピッチ移動させたときの第２ステップ画像
データ、3/4 縞ピッチ移動させた時の第３ステップ画像
データおよび１縞ピッチ移動させたときの第４ステップ
画像データが記憶されることとなる。

【００２４】図２(a) は画像メモリに取り込まれた各画
像データに対応する干渉縞パターンを示すものである。

【００２５】この後、メモリ内の基準画像データおよび
第１〜第３ステップ画像データの４つの干渉縞画像デー
タにスムージング処理（Ｓ２）、二値化処理（Ｓ３）お
よび細線化処理（Ｓ４）等の前処理が施される。図２
(b) は二値化処理（Ｓ３）が終了した時点の各画像デー
タに対応する干渉縞パターンを示すものであり、図２
(c) は細線化処理（Ｓ４）が終了した時点の各画像デー
タに対応する干渉縞パターンを示すものである。なお、
第４ステップ画像データは後述する擾乱検出処理に使用
される。

【００２６】次に、各画像データの各縞に対して高さの
情報を与えて縞次数を割り当てる整合処理が行なわれる
（Ｓ５）。この整合処理（Ｓ５）により２次元データが
３次元データとして認識されることになる。

【００２７】この後、上記４つの画像データを画像上で
の位置データに基づき重ね合わせる合成処理が施される
（Ｓ６）。これにより合成干渉縞画像データが生成され
る。図２(d) はこの合成干渉縞画像データに対応する干
渉縞パターンを示すものである。

【００２８】この合成干渉縞画像データは、元の干渉縞
パターンの縞感度が1/4 になったときの干渉縞から抽出
される画像データと同等のものとして取り扱うことがで
きる。

【００２９】この後、合成干渉縞画像データに、各縞位
置情報に基づいて、縞間の位置を求める内挿計算処理が
施され（Ｓ７）、被検体表面の連続形状データが求めら
れる。

【００３０】以上説明した各処理は被検体表面各部につ
いてなされ、結局被検体表面全体についての連続形状デ
ータが求められる。

【００３１】さらに、この連続形状データに基づき、被
検体表面全体の形状がＣＲＴあるいはＸ−Ｙプロッタ等
の表示装置上に視覚的に表わされる（Ｓ８）。

【００３２】本実施例では干渉計としてフィゾー型のも
のが使用されているが、干渉縞を所定位相だけずらす度
にその干渉縞画像データを取り込むことが可能であれば
他の干渉計を使用することも可能である。

【００３３】また、上記画像メモリとしては例えば解像
度が512 ×512 点、８ビットのフレームメモリおよび磁
気ディスク装置が用いられる。すなわち、１画像データ
は一旦フレームメモリに格納され、ＤＭＡ転送装置等に
よって磁気ディスク装置に高速転送されることとなる。

【００３４】また、通常の縞画像には雑音が含まれてい
たり、明るさにむらがある。このため本格的な縞解析の
処理に入る前に、雑音の抑制や明るさむらの補正あるい
は画像のコントラストの補正を行なう必要が生じる。こ
の処理が上述したスムージング処理（Ｓ２）、二値化処
理（Ｓ３）等の前処理である。

【００３５】また、二値化処理（Ｓ３）がなされた画像
において、縞のピーク位置（縞の尾根線）を検出し、ま
た検出された尾根線が１画素よりも太かったり、余分な
成分を含んでいる場合にはこれを除去する。この部分が
縞解析の中心部であって、太い尾根線成分を細める処理
が上述した細線化処理（Ｓ４）である。

【００３６】また、上述した整合処理（Ｓ５）は検出さ
れた縞に高さの情報を与えて３次元データを求めるため
のもので、一本一本の縞に対してオペレータから次数を
与えられるのが一般的であるが、一部自動化することも
可能である。なお、雑音等の影響によって切断された縞
がある場合には、これに同じ縞次数を割り当てて切断部
を接続する等の処理を施すようにする。

【００３７】上記実施例によれば、単位面積当たりの縞
本数が増え、内挿計算により縞次数を決定する領域が狭
くなることから高い信頼性で測定することが可能とな
る。

【００３８】また、図３に示すように視野が円形である
ことから、縞本数の増加により隣接する縞部分のない領
域を極めて狭くすることが可能となる。

【００３９】すなわち、図３(a) に示すように基準画
像、第１〜第３ステップ画像の４つの画像を互いに比較
すると、縞の移動に伴ない、斜線で囲まれた解析可能領
域が変化するものの、いずれの画像においても斜線領域
外側の解析不能領域が極めて大きい。これに対し合成処
理（Ｓ６）後の縞本数が増加した状態においては図３
(b) に示すように視野内の領域はほとんど斜線で囲まれ
た解析可能領域となる。

【００４０】このように本実施例では視野内の解析可能
領域を増加させることが可能となる。

【００４１】また、上記実施例では基準画像に対して１
縞ピッチ分だけ干渉縞を移動させた第４ステップ画像の
データを画像メモリに記憶せしめ、この第４ステップ画
像のデータと基準画像のデータを比較して擾乱検出を行
なっている。すなわち、これら２つの画像データを比較
演算することにより走査（縞の移動）時間内における測
定系の擾乱検出を行なっている。

【００４２】なお、走査後において基準画像データを再
度求め、２つの基準画像データの比較演算から擾乱検出
を行なうようにしてもよいが、本実施例のようにすれば
縞走査を行なう駆動部のチェックも同時に行なうことが
できるので効率的である。

【００４３】本発明の干渉縞の縞本数増加方法としては
上記実施例のものに限られるものではなく、その他種々
の態様の変更が可能である。

【００４４】例えば、本実施例においては縦縞解析を行
なっているが、これと組み合わせて横縞解析も行なうよ
うにすれば、相対する干渉縞のない解析不可能な各領域
をより狭くすることが可能となる。

【００４５】また、本実施例では比較的精度のよい被検
体表面から得られる、いわゆる開いた干渉縞パターンを
用いているが、閉ループを描くような干渉縞パターンに
ついても上記方法を適用することが可能である。

【００４６】また、上記実施例では干渉縞をその1/4 縞
ピッチ分だけ移動する毎に干渉縞画像を求め、４つの画
像データから合成干渉縞画像データを合成しているが、
本発明方法としては２つあるいは３つの画像データ、さ
らには５つ以上の画像データから合成干渉縞画像データ
を求めることも可能である。

【００４７】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の干渉縞
の縞本数増加方法によれば、干渉縞を１縞ピッチ移動せ
しめる間に得られたｎ個の干渉縞データを画像上での位
置データに基づき重ね合わせてｎ倍の干渉縞本数を持つ
合成干渉縞データを得、これに基づいて縞解析を行なっ
ているので、元の干渉縞データに比べ、１つの縞位置情
報を減少させることなく干渉縞本数をｎ倍に増加させる
ことが可能となる。

【００４８】これにより内挿計算する各領域を狭くする
ことが可能となり、信頼性の高い測定とすることができ
る。

【００４９】また、相対する干渉縞のない、解析不可能
な領域を減少させることができる。

【００５０】また、干渉縞を移動させる度にそのときの
干渉縞パターンを取り込むことによってその縞の曲がり
形状の変化等を認識することができ、これにより被検体
表面が凸状態にあるか凹状態にあるのかを簡単に判定す
ることができ、干渉縞解析の自動認識が容易となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る干渉縞の縞本数増加方
法を示すフローチャート

【図２】図１の方法を用いた場合における、各処理後の
干渉縞パターンの変化を示す概略図

【図３】図１に示す方法により解析可能領域が増加する
様子を説明する概略図

【符号の説明】

Ｓ１ 画像入力処理 Ｓ２ スムージング処理 Ｓ３ 二値化処理 Ｓ４ 細線化処理 Ｓ５ 整合処理 Ｓ６ 合成処理 Ｓ７ 内挿計算処理 Ｓ８ 表示操作

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 9/00 - 11/30 102

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検面と基準面との間の光干渉により生
   じる干渉縞を利用して前記被検面の表面形状を求める干
   渉計測法において、 前記被検面と前記基準面とを任意の距離に設定して基準
   の干渉縞画像データを得た後、これら２つの面を平行に
   保ちながら前記干渉縞が１ピッチ分変化するまでこれら
   ２つの面の距離を順次ｎ回変化せしめ、その変化毎に新
   たな干渉縞画像データを得た後、 前 記基準の干渉縞画像データに、これら２つの面の距離
   を変化せしめる間に求められたｎ個の干渉縞画像データ
   を画像上での位置データに基づき重ね合わせてｎ倍の干
   渉縞本数を持つ合成干渉縞データを得ることを特徴とす
   る干渉縞の縞本数増加方法。