JP3511097B2

JP3511097B2 - 光干渉を用いた形状測定方法および形状測定装置

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Publication number: JP3511097B2
Application number: JP2001267786A
Authority: JP
Inventors: 正明安達
Original assignee: 金沢大学長
Priority date: 2001-09-04
Filing date: 2001-09-04
Publication date: 2004-03-29
Anticipated expiration: 2021-09-04
Also published as: US6734978B2; JP2003075134A; US20030053076A1

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、超精密機械部品
の製造分野やそれらの品質管理ならびに測定分野あるい
はコンピュータの磁気記録部品やＬＳＩ基板等の中間加
工製品、もしくは液晶基板等の表面形状を、光干渉を用
いて、数十ナノメートルから数百マイクロメートルの測
定範囲で高精度に計測可能な形状測定方法および形状測
定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】工業部品の形状、特に表面形状を高い精
度で測定する技術は、重要な工業技術であり、現在、複
数の測定方式の形状測定装置が実用化されている。今
日、特に非接触測定が可能な光干渉を利用した形状測定
装置が広く普及している。しかしながら、この種の形状
測定装置の多くは、外国製である。

【０００３】光干渉を利用した表面形状の測定方法とし
ては、試料表面に、白色光をバンドパスフィルタに通し
て照射し、試料表面からの反射光と参照面（鏡）からの
反射光との干渉光をカメラで撮像し、その後カメラから
の出力画像を画像処理（解析）する方法が一般的であ
る。なお、干渉光を取得する方法（干渉光を得るための
光路差の与え方）や出力画像を処理する方式により、例
えば位相シフト法や多点同時取り込み等がある。

【０００４】例えば、ワイコー社（Ｗｙｃｏ、米国）か
らは、凹凸の程度が数ミクロン前後の滑らかな表面につ
いては、シフト量をπ／２とした位相シフト法で干渉位
相を求め、それ以上の大きな凹凸の表面については、光
路差を変えたときに現れる干渉信号の正弦波型変化の包
絡線のピーク位置から表面形状を求める形状測定装置が
販売されている。

【０００５】このワイコー社製の形状測定装置では、な
めらかな表面と凹凸の大きな表面の両方を測定可能とす
るために、π／２またはπ／３等のπ以下のステップで
位相シフトを行って、光干渉画像を２次元カメラで多数
回取り込み、その信号から２次元カメラの各画素での位
相データを位相シフト法で測定するとともに、同信号か
ら干渉信号の正弦波型変化の包絡線を抽出して、表面形
状を計算している。

【０００６】また、ザイゴー社（Ｚｙｇｏ、米国）から
は、通常の位相シフト量で干渉画像を取り込み、ＦＦＴ
を応用して、干渉コントラスト情報と同時に位相情報を
抽出する測定装置が販売されている。

【０００７】このザイゴー社製の形状測定装置および測
定方法によれば、個々の画素で包絡線のピーク位置を測
定する必要はなく、滑らかな面から比較的粗い面や段差
のある面も同じデータ処理方法で測定可能である。ま
た、メモリ必要量を最小化する手法も組み込まれてい
る。

【０００８】なお、上述した２つの測定装置の他に、光
路差を変えたときに現れる干渉信号強度の正弦波形信号
変化の包絡線の形状を、帯域通過型標本化定理を用い
て、少ないサンプリング点（位相シフト法でいうシフト
量に換算して１０π前後ごとに画像を取り込む）から推
測し、ピーク位置を抽出して形状を求める方法が提案さ
れている（計測自動制御学会論文集，Vol．36，No．1，
16〜25p（2000））。

【０００９】また、測定スピードを高める方法として、
共焦点顕微鏡効果とマイクロレンズアレイを用いた多数
点同時画像取り込みを利用する方法が提案されている
（精密光学会誌，Vol．64，No．7，1022〜1028p（199
8））。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】光干渉を用いる場合に
は、光路差がλ×ｎ´（ｎ´は整数）倍である場合に、
干渉光の強度がほぼ同じとなるため、光路差を正しく決
定できず、従って、位相値を求める方法のみからは、大
きな凹凸で不連続な表面変化を持つ試料の測定ができな
い問題がある。

【００１１】上述したワイコー社製の形状測定装置で
は、π／２またはπ／３等のπ以下のステップで位相シ
フトを行って、光干渉画像を２次元カメラで多数回取り
込んでいるが、用いるカメラから１画像分のデータをコ
ンピュータヘ転送するために、通常１／３０秒程度が必
要であり、干渉計の光路差を変化させるスピードが、最
大で、（λ／４）／（１／３０秒）に設定されている。
すなわち、位相シフト量がちょうどπ／２であれば、１
波長分の光路差を変化するためには、４回の画像の取り
込みが必要となる。このことは、干渉計が反射型でもあ
り、移動テーブルの移動スピードが概ね２．０μｍ／秒
となり、凹凸の大きな表面の測定には時間を要すること
を指す。

【００１２】この測定方式では、画像データの転送速度
を高めるため高速のカメラを用いたとしても、画像デー
タ量を減すことができるわけではなく、データ処理に時
間もかかり、極端な高速化は困難である。

【００１３】また、ザイゴー社製の測定装置および測定
方法によっても、３次元形状測定法での位相シフト量
は、ワイコー社製と同様に、π／４前後であり、測定ス
ピードを極端に上げることは困難である。

【００１４】一方、光路差を変えたときに現れる干渉信
号強度の正弦波形信号変化の包絡線の形状を、帯域通過
型標本化定理を用いて、少ないサンプリング点（位相シ
フト法でいうシフト量に換算して１０π前後ごとに画像
を取り込む）から推測してピーク位置を抽出して形状を
求める方法では、測定に必要な時間は短縮（高速化）可
能であるが、位相シフト法に比較して、測定精度が１〜
２桁程度低い問題がある。

【００１５】また、共焦点顕微鏡効果とマイクロレンズ
アレイを用いた多数点画像同時取り込みを利用する方法
では、共焦点顕微鏡を用いる場合と同じ程度の精度しか
得られない問題がある。

【００１６】この発明の目的は、測定対象の表面の凹凸
形状を、位相シフト法で確保される程度の高い精度で、
高速、かつ非接触で測定可能な形状測定装置および形状
測定方法を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】この発明は、僅かに波長
の異なる２つのフラッシュ光を、それぞれの光路を合成
したのち測定対象物に照射し、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形成される干渉像の位相
値を計算し、この位相値から光路差を求め、その光路差
に依存して生じる干渉光パターンから測定対象物の形状
を求める形状測定方法において、測定対象物を僅かに波
長の異なる２つのフラッシュ光の進行方向に沿って移動
可能に位置させた状態で測定対象物に、僅かに波長の異
なる２つのフラッシュ光を、相互の照射間隔がｔ _１で規
定される所定時間間隔で照射し、その２つの光からの反
射光と参照鏡からの反射光とにより生成される干渉光を
カメラで撮像する際に、２つのフラッシュ光が繰り返し
照射される時間間隔であって所定時間間隔ｔ _１よりも長
い時間間隔ｔ_２毎に、測定対象物を、２つのフラッシュ
光が進行する方向に沿って移動させる位相シフト量を、
２ｎπ（ｎは、１以上の整数）±π／２を中心とした±
π／４以内としたことを特徴とする形状測定方法であ
る。

【００１８】また、この発明は、第１の波長の光を出射
する第１のフラッシュ光源と、この第１のフラッシュ光
源が出射する第１の波長の光と異なる第２の波長の光を
前記第１のフラッシュ光源からの上記第１の波長の光に
対してｔ_１の時間間隔で出射する第２のフラッシュ光源
と、測定対象物を、前記第１および第２のフラッシュ光
源からの２つのフラッシュ光が進行する方向に沿って移
動させる移動テーブルと、前記第１および第２のフラッ
シュ光源からの２つのフラッシュ光を、測定対象物に向
かう光から参照鏡に向けて分岐し、参照鏡で反射された
光を、再び２つのフラッシュ光の光路に戻す半透明鏡
と、測定対象物で反射された２つのフラッシュ光により
得られる反射光と参照鏡で反射された反射光により生成
される干渉光を画像として撮像するカメラと、前記移動
テーブルを前記第１および第２のフラッシュ光源が発光
する発光時間間隔ｔ_２に合わせて、所定距離移動させる
テーブル制御部と、前記移動テーブルの所定間隔毎の移
動および前記第１および第２のフラッシュ光源からの所
定時間間隔ｔ_２での発光により得られる前記カメラから
の複数の出力画像から、振幅の変化が最大となる画像番
号の画像を取りだし、前記カメラへのその画像の取り込
み時点での前記第１および第２のフラッシュ光源からの
２つの光により生成される２つの干渉像から計算される
位相値の差、およびその画像の取り込み時点での位相値
に基づいて測定対象物の表面形状を特定する画像処理装
置と、を有することを特徴とする形状測定装置である。

【００１９】さらに、この発明は、第１の波長の光を出
射する第１のフラッシュ光源と、この第１のフラッシュ
光源が出射する第１の波長の光と異なる第２の波長の光
を前記第１のフラッシュ光源からの上記第１の波長の光
に対してｔ_１の時間間隔で出射する第２のフラッシュ光
源と、測定対象物を、前記第１および第２のフラッシュ
光源からの２つのフラッシュ光が進行する方向に沿って
移動させる移動テーブルと、前記第１および第２のフラ
ッシュ光源からの２つのフラッシュ光を、測定対象物に
向かう光から参照鏡に向けて分岐し、参照鏡で反射され
た光を、再び２つのフラッシュ光の光路に戻す半透明鏡
と、測定対象物で反射された２つのフラッシュ光により
得られる反射光と参照鏡で反射された反射光により生成
される干渉光を画像として撮像するカメラと、前記移動
テーブルを前記第１および第２のフラッシュ光源が発光
する発光時間間隔ｔ_２に合わせて、所定距離移動させる
テーブル制御部と、前記移動テーブルの所定間隔毎の移
動および前記第１および第２のフラッシュ光源からの所
定時間間隔ｔ_２での発光により得られる前記カメラから
の前記第１および第２のフラッシュ光源の所定時間間隔
ｔ_２での発光毎、かつ前記移動テーブルの移動毎の発光
時間間隔ｔ_２に対応した複数の出力画像から、振幅の変
化が最大となる画像番号の画像を取りだし、参照鏡の共
役像と測定対象物表面について前記第１および第２のフ
ラッシュ光源からの２つの光により生成される２つの干
渉像から光路差を求め、さらに測定対象物の面方向の複
数の点で同様に前記カメラからの複数の出力画像を取り
出して、それぞれの光路差を求め、測定対象物の面方向
の複数の点における前記画像振幅の変化が最大となる各
画像の取り込み時点での位相値に基づいて測定対象物の
表面形状を特定する画像処理装置と、を有することを特
徴とする形状測定装置である。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施の形態を詳細に説明する。

【００２１】図１に示すように、形状測定装置１は、試
料すなわち測定対象物Ｏを保持する測定対象保持部２、
測定対象保持部２に向けて所定の波長の光を照射する送
光系３、測定対象保持部２で反射された反射光（干渉
光）を受光して画像信号を得る受光系４、送光系３と受
光系４との間の所定の位置に設けられ、周知の干渉計と
して機能する干渉部５、および受光系４により得られた
画像信号を処理して測定対象の表面形状の計測結果を出
力する画像処理部６、からなる。

【００２２】測定対象保持部２は、試料すなわち測定対
象物Ｏを、互いに直交する２方向に移動可能なＸ−Ｙテ
ーブル２１、Ｘ−Ｙテーブル２１をＸ軸方向およびＹ軸
方向のそれぞれの方向と直交するＺ軸（垂直）方向に移
動可能な垂直移動機構２２、および垂直移動機構２２の
Ｚ軸方向の移動を一定速度に制御可能なテーブル制御部
２３からなる。なお、テーブル制御部２３は、画像処理
部６により制御可能に形成される。また、テーブル制御
部２３は、画像処理部６と一体に形成されてもよい。な
お、Ｘ−Ｙテーブル２１は、測定対象物Ｏの測定すべき
位置を設定可能であれば、各方向（Ｘ方向およびＹ方
向）への移動は、手動であってもよい。

【００２３】送光系３は、図２を用いて以下に説明する
ように、所定時間間隔ｔ_１でほぼ同時に白色光または所
定の波長の光を放射する第１および第２のフラッシュラ
ンプ３１，３２、それぞれのフラッシュランプ３１，３
２から放射された光を平行光に変換する第１および第２
のコリメートレンズ３３，３４、第１のコリメートレン
ズ３３を通過して平行化された第１のフラッシュランプ
３１からの光のうちの第１の波長λ_１の光（成分）を通
過させる第１のバンドパスフィルタ３５、第２のコリメ
ートレンズ３４を通過して平行化された第２のフラッシ
ュランプ３２からの光のうちの第１の波長λ_１と僅かに
波長の異なる第２の波長λ_２の（成分）を通過させる第
２のバンドパスフィルタ３６、それぞれのバンドパスフ
ィルタ３５，３６を通過された波長λ_１の光の光路およ
び波長λ_２の光の光路を合成する第１の半透明鏡３７、
第１の半透明鏡３７で合成された２つの光を、測定対象
物保持部２にセットされた測定対象物Ｏに向けて案内す
る第２の半透明鏡３８、および第２の半透明鏡３８によ
り測定対象物Ｏに向けられた２つの光を測定対象物Ｏ表
面に集光させるためにそれぞれの光に所定の集束性を与
える対物レンズ３９を有している。なお、照射した光の
波長は、それぞれ、λ_１＝５４０ｎｍ、λ_２＝５７５ｎ
ｍである。また、２つのフラッシュランプ３１，３２
は、例えばキセノン（Ｘｅ）ランプである。

【００２４】受光系４は、上述した送光系３の対物レン
ズ３９により取り出された測定対象物Ｏからの反射され
た反射光（干渉光）に所定の結像特性を与えるリレーレ
ンズ４１、およびリレーレンズ４１により所定の結像特
性が与えられた測定対象物Ｏからの干渉光（反射光）を
撮像するカメラ４２からなる。

【００２５】対物レンズ３９に戻された測定対象物Ｏか
らの反射光は、上述の送光系３の第２の半透明鏡３８に
より、送光系３の第１および第２のフラッシュランプ３
１，３２から測定対象物Ｏに向けられる波長λ_１，λ_２
の光と分離される。

【００２６】なお、カメラ４２は、例えば最長でも１ミ
リ秒前後、例えば２００ナノ秒〜５０マイクロ秒程度、
より好ましくは１０マイクロ秒の僅かに時間差のある２
つの画像を同時に撮像できる高速ダブル露光機能による
撮像が可能であれば、特に制限を受けないが、例えば浜
松ホトニクス株式会社製の高速画像計測カメラ（Ｃ７３
００−１０−１２ＮＲＰ）が利用可能である。

【００２７】干渉部５は、周知の干渉計を構成するもの
で、第２の半透明鏡３８と測定対象物Ｏとの間で第２の
半透明鏡３８から測定対象物Ｏに向かう光の一部を分離
する第３の半透明鏡５１、および第３の半透明鏡５１
（または第２の半透明鏡３８）と測定対象物Ｏとの間の
距離に対して等しいか所定の位置関係を提供できる距離
に位置された参照鏡５２を含み、測定対象物Ｏで反射さ
れた波長λ_１，λ_２の光のそれぞれに、測定対象物Ｏの
表面の形状の特徴を含む干渉を起こさせる。

【００２８】画像処理部６は、例えばパーソナルコンピ
ュータであって、カメラ４２により撮像された測定対象
物Ｏからの反射光すなわち干渉光に対応する映像信号を
所定の規則に従って画像処理し、または解析もしくはパ
ターン化する。なお、カメラ４２が出力する画像信号が
アナログ信号である場合には、図示しないＡ／Ｄ変換装
置や所定の画像処理ソフト等が用いられることもある。

【００２９】なお、上述の構成では、送光系３からの２
つの光を第２の半透明鏡３８で折り返し、カメラ４２に
向かう測定対象物Ｏからの反射光（干渉光）が第２の半
透明鏡３８を透過するように配置したが、測定対象物Ｏ
に向けて２つの光を照射可能で、測定対象物Ｏからの反
射光と参照鏡５２からの反射光との干渉光を受光可能で
あれば、各光学要素、２つのフラッシュランプおよびカ
メラは、任意の位置に配置できる。

【００３０】次に、図１に示した形状測定装置１を用い
て測定対象物（被測定物）Ｏの表面形状を計測する手順
の一例を説明する。

【００３１】第１に、Ｘ−Ｙテーブル２１に測定対象物
Ｏを固定し、Ｘ−Ｙテーブル２１と垂直移動機構２２と
を、それぞれ所定量移動させて、測定対象物Ｏの測定す
べき位置（範囲）と第３の半透明鏡５１（または第２の
半透明鏡３８）との間の距離が、参照鏡５２と第３の半
透明鏡５１（第２の半透明鏡３８）との間の距離に、概
ね等しくなる（測定範囲の中心値に対して僅かにずれ
る）ように、測定対象物Ｏをセットする。

【００３２】次に、第１および第２のフラッシュランプ
３１，３２をほぼ同時（図２に示すように時間差ｔ_１と
して、最長でも１ミリ秒前後、例えば２００ナノ秒〜５
０マイクロ秒程度、より好ましくは１０マイクロ秒の僅
かな時間差間隔ｔ_１で発光させ、コリメートレンズ３
３，３４により平行光に変換した後、バンドパスフィル
タ３５，３６により、波長λ_１とλ_２である２つの光を
取りだし、第１の半透明鏡３７により、２つの光の光路
を合成する（２波長（λ_１とλ_２）の瞬間照明光を作
る）。

【００３３】これら２つの光（λ_１，λ_２）は、第２の
半透明鏡３８で概ね９０°折り曲げられ、対物レンズ３
９により所定の集束性が与えられて、Ｘ−Ｙテーブル２
１に固定されている測定対象物Ｏに投射する。なお、第
２の半透明鏡３８で折り曲げられて測定対象物Ｏに向け
られた２つの光の一部は、第３の半透明鏡５１により、
参照鏡５２に向けて反射される。

【００３４】測定対象物Ｏを保持したＸ−Ｙテーブル２
１は、画像処理部６またはテーブル制御部２３の制御に
より、第１および第２のフラッシュランプ３１，３２の
それぞれの発光時間間隔ｔ_２に同期するように、垂直移
動機構２２に、上昇または下降が指示されることで、
（個々のフラッシュランプの発光時間間隔ｔ_２に同期し
た）所定の速度で上下動される。

【００３５】測定対象物Ｏで反射された光は、カメラ４
２に向けて反射される。このとき、第３の半透明鏡５１
で、参照鏡５２で反射されて戻された光と重なり合い、
干渉光となる。

【００３６】干渉光すなわち測定対象物Ｏで反射された
反射光と参照鏡５２で反射された光は、それぞれ第２の
半透明鏡３８を通過し、リレーレンズ４１で所定の集束
性が与えられて、干渉光の強度分布画像を時系列に従っ
て波長別に記録可能な２次元カメラ４２の図示しない受
光面に結像される。

【００３７】カメラ４２の受光面に結像された干渉光
は、カメラ４２で光電変換され、画像処理部６に供給さ
れる。このとき、カメラ４２からは、移動テーブル２１
の２つのフラッシュ光の進行方向に沿った所定時間間隔
ｔ_２の移動に応じて、複数の画像が出力される。なお、
各画像は、波長λ_１の光による取り込み画像と波長λ_２
の光による取り込み画像の２つの画像を含む。

【００３８】なお、測定対象物Ｏからの反射光の光強度
は、垂直移動機構２２により、所定の速度で定速移動さ
れるＸ−Ｙテーブル２１の移動に伴い、表面の形状の特
徴を含んで変化する。従って、カメラ４２により撮像し
た干渉光のパターンを解析することで、任意の高さにお
ける表面の形状を求めることができる。

【００３９】また、上述した形状測定装置１では、２つ
のフラッシュランプ３１，３２から出射された白色光の
うちの所定の波長、すなわち互いに近接した第１の波長
λ_１の光と第２の波長λ_２の光とを用いることから、Ｘ
−Ｙテーブル２１を所定速度で移動させながらカメラ４
２で撮像する干渉光のパターンについては、測定対象物
Ｏ上の任意の点について、図４を用いて後段に説明する
ように、光路差が同じであっても第１の波長λ_１の光と
第２の波長λ_２の光とによる、異なって時間変化する干
渉光の強度変化が観測できる。

【００４０】図３は、図１に示した形状測定装置１にお
いて、カメラ４２で撮像された測定対象物Ｏの異なる点
では、光路差がＡ，Ｂと異なることを説明する概略図で
ある（なお、図１に示した形状測定装置では干渉計に反
射型を用いているため、実際の光路差の２倍となって出
力されるので、実際の光路差は、「Ａ／２」と「Ｂ／
２」となる）。

【００４１】図３に示されるように、Ｘ−Ｙテーブル２
１が垂直移動機構２２により定速度で垂直移動される
と、参照鏡５２からの共役像は、点線で一定の位置に作
られるが、これに対して、測定対象物Ｏの表面は、参照
鏡の共役像の位置を下から上方向に移動して通過し、測
定対象物Ｏの異なる点では、異なる時点で光路差０（ゼ
ロ）が実現されていく。

【００４２】図４は、図３に示した光路差と光強度の関
係を説明するもので、有限な干渉長から決定される正弦
波形強度変化の包絡線の形状を有している。

【００４３】例えば、Ｘ−Ｙテーブル２１が垂直移動機
構２２により移動される速度、すなわち垂直移動機構２
２の移動速度を、カメラ４２が１セットの画面（λ_１と
λ_２の画像）を取り込む時間に位相を、２π×ｎ（ｎ
は、１以上の整数であり、ここでは２とする）＋α（α
は、±π／２を中心として幅±π／４の範囲）として設
定する。

【００４４】一方、カメラ４２が画像を取り込む際の取
り込み画像切り替わりのタイミングに同期して２つのフ
ラッシュランプ３１，３２を、所定時間間隔ｔ_１、例え
ば１０マイクロ秒前後で発光させると、カメラ４２に取
り込まれる画像は、（１），（２），（３），（４），
（５），・・・，の光路差の時点となり、刻々と変化す
る光強度の干渉光（干渉パターン）を、２つの波長
λ_１，λ_２の光のそれぞれに対して撮像することにな
る。なお、図４においては、点線の曲線がλ_１による画
像を示し、実線の曲線がλ_２による画像を示している。
また、λ_１，λ_２のそれぞれは、時間差ｔ_１を含むこと
から、カメラ４２が１セットの画面を取り込む時間に変
化されるべき位相として、２π×ｎ±π／２に対して、
±π／４の幅を持たせている。

【００４５】例えば、ｊ番目の画像（光強度）の光強度
をＩ_ｊとし、位相シフト量をαとすると、カメラ４２に
取り込まれた信号から、各波長λ_１，λ_２の光によるｊ
番目の画像の取り込み時の（カメラで撮像された干渉パ
ターンの）位相値φ_ｊと振幅（半径に相当する）Ａ
_ｊは、それぞれ、

【００４６】

【数１】（ｉは、虚数項を示す）

【００４７】および

【数２】により求めることができる。

【００４８】次に、λ_１により形成される画像（干渉パ
ターン）において、振幅Ａ_ｊが最も大きくなる画像取り
込み番号ｋ（番目の画像）を探し出し、対応する位相値
φ_ｊを取り出す。

【００４９】位相値φ_ｊは、図５に示すように、−πか
らπまでの値となる。なお、図５においては、点線の曲
線がλ_１による画像を示し、実線の曲線がλ_２による画
像を示している。

【００５０】図５に示される通り、位相値φ_ｊは、波長
λ_１と波長λ_２のそれぞれにおいて、光路差に比例して
急傾斜で変化する。この図５から、φ_ｊが特定の値を採
っても、そのφ_ｊを与える光路差に多くの候補が存在す
ることがわかる。このため、光路差は、１つに決められ
ない。波長λ_１による位相値と波長λ_２による位相値の
差である位相差は、光路差に比較して、緩傾斜で変化す
る。ゆえに、位相差から光路差を１つに決めることがで
きる。

【００５１】図６に示されるように、この位相差の光路
差に対する変化は、緩傾斜であり、得られた位相差に雑
音が含まれる場合、緩傾斜であるゆえに光路差の精度
は、よくない。しかし、この位相差と波長λ_１（または
λ_２）における位相値との両方を用いると、画像ｋ（番
目）を取り込んだ時点での光路差を、より正確に求める
ことができる。

【００５２】一方、振幅Ａ_ｊについては、実際には精度
が低いため、光路差がゼロ付近であることが認められる
程度で、図４の包絡線のピーク位置を正しく特定するこ
とは困難である。しかしながら、波長λ_１と波長λ_２の
それぞれにおける位相値の差が、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４〜
図６の領域Ｃと領域Ｄ）を識別することは、可能であ
る。

【００５３】これらから、画像取り込み周期に対するＸ
−Ｙテーブル２１の移動量、画像番号ｋ、ｋ（番目の）
画像の取り込み時の光路差から、画素毎の反射面位置が
計算できるので、測定対象物Ｏの形状を求めることが可
能となる。

【００５４】換言すると、この発明では、カメラ４２に
より記録された多くの枚数の画像から、記録順に各波長
毎の連続する画像を抜き出し、その中の特定の画像番号
（例えばｊ枚目）の画像記録時の各波長での位相値と干
渉信号の正弦波型変化の振幅を、位相シフト法を用いて
計算し、カメラ４２により撮像される測定対象物の総て
の画素毎に、正弦波型変化振幅が大きい（光路差がゼロ
近傍となっている）画像番号ｋを探し出し、その画像の
各波長での位相値を取り出すことを特徴としている。

【００５５】このとき、２つの波長による位相値の違い
（位相値）は、図６に示したように光路差にほぼ比例す
るので、位相値の違いから大体の光路差を求めた後、求
めた値とλ_１またはλ_２の位相値からより正確な光路差
を計算し、その画素での画像番号ｋとｋ番目の画像の取
り込み時の正確な光路差を得ることができる。

【００５６】［例１］以下に、図１に示した形状測定装
置により、ある研磨面の形状を測定した結果を示す。な
お、位相シフト量は、４π−π／２とした。

【００５７】図７は、ある画素の干渉光（画像）を、カ
メラ４２で取り込んで得られた画像番号と光強度の変化
を、それぞれのフラッシュランプからの光毎に示すもの
で、点線の曲線ａは波長λ_１の光（反射光）の光強度
を、実線の曲線ｂは波長λ_２の光（反射光）の光強度を
示している。なお、信号変化から得られた振幅Ａ_ｊの変
化を一点鎖線の曲線ｃとして合わせて示す。

【００５８】次に、図７から、振幅の変化が最大振幅と
なる画像番号ｋ（番目）を得る。

【００５９】続いて、図８に示すように、振幅の変化が
最大振幅となるｋ番目の画像の前後のデータから計算さ
れる位相値の変化量（シフト量α；波長λ_１の光が点線
の曲線ａで、波長λ_２の光が実線の曲線ｂで示されてい
る）および波長λ_１の光および波長λ_２の光のそれぞれ
における位相値の差φ_１２を求める。なお、図８におけ
る横軸は、画像番号を示し、図７から求められた画像番
号ｋ（番目）の画像を、「２」で示している。従って、
横軸の「１」は、画像番号ｋ−１を、「３」は、画像番
号ｋ＋１をそれぞれ示している。

【００６０】図８から、波長λ_１の位相シフト量α（点
線の曲線ａ）は、概ねπ／２（一定）で、波長λ_２の位
相シフト量α（実線の曲線ｂ）は、３π／４〜π／２の
範囲内にあることが認められる。

【００６１】また、図８から、位相値の差φ_１２は、画
像番号と共に大きく変化していることから、光路差の変
化も大きいことが認められる。

【００６２】以下、図９ないし図１１に、カメラ４２に
より撮像した測定対象物Ｏの反射光（干渉光）を画像処
理する途中の工程、および画像処理の結果得られた測定
対象物Ｏの形状を示す。

【００６３】図９は、カメラ４２が取り込んだ画像中の
各画素において、最大振幅を呈する画像番号ｋの分布を
示している。図１０は、ｋ（番目の画像が）取り込まれ
た時点における光路差の分布を示している（計算値）。

【００６４】図１１は、Ｘ−Ｙテーブル２１の画像取り
込み毎の移動量と、図９に示したｋの分布、および図１
０に示した光路差に基づいて計算される形状を示してい
る。なお、図１１において、まばら（散発的）に見える
突起は、画像信号中に含まれる雑音の影響であり、光源
すなわちフラッシュランプが放射する光の光量（バンド
パスフィルタを透過する所定波長の光のエネルギー）を
上げることで、概ね除去できる。

【００６５】図１１に示されるように、カメラにより撮
像された画像の画素毎に計算されたｋの値（図９）およ
び光路長（図１０）から得られたデータを単純に横につ
なげて３次元表示した結果が滑らかであることで、この
発明の形状測定方法では、測定対象物Ｏの表面に段差が
あった場合でも、正しく測定可能なことが認められる。

【００６６】比較のため、（位相値に関する考察のな
い）周知の位相シフト法のみで求めた測定対象物Ｏの形
状を図１２に示す。図１２では、個々の画素に関して、
最大振幅を求めることは考慮されていない。

【００６７】その結果、測定対象面Ｏの表面が実際には
滑らかでも、位相値は、飛び飛びの部分を含み、横方向
に、滑らかとならないことが認められる。この飛び飛び
は、通常、測定面がなめらかであることを仮定して横方
向での位相差のこの２πの飛びをなくす処理を経て、最
終形状となる。このため、段差形状は測定できない。

【００６８】以上説明したように、この発明の光干渉を
利用した形状測定では、干渉光路の一方の長さをステッ
プ式に変えて干渉信号の位相をシフトさせる位相シフト
法を用いて、測定対象物からの反射光と参照鏡からの反
射光が作る干渉像の位相値を計算し、この位相値から光
路差を求めて、測定対象物の表面形状を求める方法にお
いて、位相シフト量を、現在実用化されているπ／２ま
たはπ／３ステップに比較して２π×ｎ（ｎは、１以上
の整数）±π／２前後を中心として幅±π／４と、数倍
〜数十倍に設定できる。

【００６９】しかも、位相変化の時間間隔で、ほぼ同時
に（時間差がほとんどない状態で）発光する２個のフラ
ッシュ光源を用い、λ_１とλ_２からなる瞬間照明光を作
り、２次元カメラを用いて、位相シフト時の各波長での
干渉光強度画像を、時系列に従って、波長別に記録し、
記録された多くの画像から、記録順に各波長毎の連続す
る画像を抜き出し、その中の特定の画像番号（例えばｊ
枚目）の画像記録時の各波長に対する位相値と干渉信号
の正弦波型変化の振幅（図４）を位相シフト法を用いて
計算し、２次元カメラが撮像する測定対象域の総ての画
素毎に、正弦波型変化振幅が大きい（光路差がゼロ近傍
となっている）画像番号ｋを探し出し、その画像の各波
長での位相値を取り出し、位相値の違い（位相差）から
大体の（大まかな）光路差を求めた後、求めた値とλ_１
またはλ_２の位相値からより正確な光路差を計算し、そ
の画素での画像番号ｋとｋ画像取り込み時の正確な光路
差を得ることで、π以上の位相シフト量で取り込まれる
複数枚の干渉画像から、高い測定精度で測定対象物の表
面形状を測定することができる。

【００７０】すなわち、移動テーブルを位相シフト量毎
に移動し、画素毎に計算される振幅の大きい画像番号ｋ
を求め、ｋ番目の画像取り込み時の光路差から測定対象
物の形状を求める作業を、測定対象物の面方向の所定の
領域（範囲）でくり返すことで、測定対象物の表面の凹
凸を、正確に測定することができる。

【００７１】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の形状測
定装置は、微細な凹凸を含む測定対象物の表面形状を、
細かい分解能を維持しながら、これまでの数倍〜数十倍
の速度で、測定できる。なお、周知の位相シフト法で
は、達成できていない広い測定範囲が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態である形状測定装置の構
成の一例を説明する概略図。

【図２】図１に示した形状測定装置の２つの光源から出
射される２つの波長λ_１，λ_２の光相互の間隔ｔ_１と、
その２つの波長λ_１，λ_２の光の組の発光間隔ｔ_２を説
明する概略図。

【図３】図１に示した形状測定装置において、Ｘ−Ｙテ
ーブルを上下移動させて測定対象物を動かした際、光路
差が測定個所によって異なる時点で０（ゼロ）になるこ
とを説明する概略図。

【図４】Ｘ−Ｙテーブルが上下移動される際の光路差に
対する干渉光の強度の変化とカメラに取り込まれるタイ
ミングを示す概略図。

【図５】図４に示した各光路差での各波長の位相値を示
す概略図。

【図６】各図４に示した各光路差での波長の位相値の差
（位相差）を説明する概略図。

【図７】ある画素での画像番号ｊの光強度とその時の振
幅信号（振幅変化はλ_１とλ_２で計算された振幅を加算
したもの）を示す概略図。

【図８】ｋ番目の取り込み画像の前後での各波長の位相
の変化量αと位相差を示す概略図（曲線（点線）ａ：λ
_１でのα／π，曲線（実線）ｂ：λ_２でのα／π，φ_１
_２：（λ_１での位相値−λ_２での位相値）／π）。

【図９】画素毎に計算された最大振幅の画像番号ｋを説
明する概略図。

【図１０】ｋ番目の画像の取り込み時点の光路差を示す
概略図（画素毎にｋが異なるためなめらかな面を測定し
た場合でも光路差が不連続になる）。

【図１１】図９に示した画像番号ｋおよび図１０に示し
た光路差、並びにＸ−Ｙテーブルの移動量から計算され
た最終的な３次元形状を説明する概略図（横方向のデー
タ比較を全く行っていないので、段差があっても正しく
測定できることを示す）。

【図１２】周知の位相シフト法のみで同様に求めた表面
形状を説明する概略図。

【符号の説明】

１・・・形状測定装置、２・・・測定対象保持部、３・・・送光系、４・・・受光系、５・・・干渉部、６・・・画像処理部、２１・・・Ｘ−Ｙテーブル、２２・・・垂直移動機構、２３・・・テーブル制御部、３１・・・フラッシュランプ、３２・・・フラッシュランプ、３３・・・コリメートレンズ、３４・・・コリメートレンズ、３５・・・バンドパスフィルタ、３６・・・バンドパスフィルタ、３７・・・半透明鏡、３８・・・半透明鏡、３９・・・対物レンズ、４１・・・リレーレンズ、４２・・・カメラ、５１・・・半透明鏡、５２・・・参照鏡、Ｏ・・・測定対象物。

───────────────────────────────────────────────────── 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

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】僅かに波長の異なる２つのフラッシュ光
を、それぞれの光路を合成したのち測定対象物に照射
し、測定対象物からの反射光と参照鏡からの反射光とに
より形成される干渉像の位相値を計算し、この位相値か
ら光路差を求め、その光路差に依存して生じる干渉光パ
ターンから測定対象物の形状を求める形状測定方法にお
いて、測定対象物を僅かに波長の異なる２つのフラッシュ光の
進行方向に沿って移動可能に位置させた状態で測定対象
物に、僅かに波長の異なる２つのフラッシュ光を、相互
の照射間隔が、ｔ _１で規定される所定時間間隔で照射
し、その２つの光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光をカメラで撮像する際に、２つ
のフラッシュ光が繰り返し照射される時間間隔であって
所定時間間隔ｔ _１よりも長い時間間隔ｔ_２毎に、測定対
象物を、２つのフラッシュ光が進行する方向に沿って移
動させる位相シフト量を、２ｎπ（ｎは、１以上の整
数）±π／２を中心とした±π／４以内としたことを特
徴とする形状測定方法。
【請求項２】２つのフラッシュ光は、それぞれ、フラッ
シュランプにより提供される白色光または任意の波長の
光からバンドパスフィルタにより選択した所定の波長の
光であることを特徴とする請求項１記載の形状測定方
法。
【請求項３】カメラは、高速ダブル露光機能を持つこと
を特徴とする請求項１記載の形状測定方法。
【請求項４】第１の波長の光を出射する第１のフラッシ
ュ光源と、この第１のフラッシュ光源が出射する第１の波長の光と
異なる第２の波長の光を前記第１のフラッシュ光源から
の上記第１の波長の光に対してｔ_１の時間間隔で出射す
る第２のフラッシュ光源と、測定対象物を、前記第１および第２のフラッシュ光源か
らの２つのフラッシュ光が進行する方向に沿って移動さ
せる移動テーブルと、前記第１および第２のフラッシュ光源からの２つのフラ
ッシュ光を、測定対象物に向かう光から参照鏡に向けて
分岐し、参照鏡で反射された光を、再び２つのフラッシ
ュ光の光路に戻す半透明鏡と、測定対象物で反射された２つのフラッシュ光により得ら
れる反射光と参照鏡で反射された反射光により生成され
る干渉光を画像として撮像するカメラと、前記移動テーブルを前記第１および第２のフラッシュ光
源が発光する発光時間間隔ｔ_２に合わせて、所定距離移
動させるテーブル制御部と、前記移動テーブルの所定間隔毎の移動および前記第１お
よび第２のフラッシュ光源からの所定時間間隔ｔ_２での
発光により得られる前記カメラからの複数の出力画像か
ら、振幅の変化が最大となる画像番号の画像を取りだ
し、前記カメラへのその画像の取り込み時点での前記第
１および第２のフラッシュ光源からの２つの光により生
成される２つの干渉像から計算される位相値の差、およ
びその画像の取り込み時点での位相値に基づいて測定対
象物の表面形状を特定する画像処理装置と、を有するこ
とを特徴とする形状測定装置。
【請求項５】前記第１および第２のフラッシュ光源は、
それぞれ、フラッシュランプにより提供される白色光か
らバンドパスフィルタにより選択した所定の波長の光を
出射することを特徴とする請求項４記載の形状測定装
置。
【請求項６】前記カメラは、最長でも１ミリ秒、例えば
２００ナノ秒〜５０マイクロ秒、より好ましくは１０マ
イクロ秒の僅かに時間差のある２つの波長による２つの
干渉画像を、独立に取り込むことのできる高速ダブル露
光機能による撮像の可能なカメラであることを特徴とす
る請求項４記載の形状測定装置。
【請求項７】前記移動テーブルは、前記第１および第２
のフラッシュ光源の発光時間間隔ｔ _２に同期して、２ｎ
π（ｎは、１以上の整数）±π／２を中心とする±π／
４以内で定義される位相シフト量を提供可能に、上記２
つのフラッシュ光が進行する方向に沿って移動されるこ
とを特徴とする請求項４記載の形状測定装置。
【請求項８】第１の波長の光を出射する第１のフラッシ
ュ光源と、この第１のフラッシュ光源が出射する第１の波長の光と
異なる第２の波長の光を前記第１のフラッシュ光源から
の上記第１の波長の光に対してｔ_１の時間間隔で出射す
る第２のフラッシュ光源と、測定対象物を、前記第１および第２のフラッシュ光源か
らの２つのフラッシュ光が進行する方向に沿って移動さ
せる移動テーブルと、前記第１および第２のフラッシュ光源からの２つのフラ
ッシュ光を、測定対象物に向かう光から参照鏡に向けて
分岐し、参照鏡で反射された光を、再び２つのフラッシ
ュ光の光路に戻す半透明鏡と、測定対象物で反射された２つのフラッシュ光により得ら
れる反射光と参照鏡で反射された反射光により生成され
る干渉光を画像として撮像するカメラと、前記移動テーブルを前記第１および第２のフラッシュ光
源が発光する発光時間間隔ｔ_２に合わせて、所定距離移
動させるテーブル制御部と、前記移動テーブルの所定間隔毎の移動および前記第１お
よび第２のフラッシュ光源からの所定時間間隔ｔ_２での
発光により得られる前記カメラからの前記第１および第
２のフラッシュ光源の所定時間間隔ｔ_２での発光毎、か
つ前記移動テーブルの移動毎の発光時間間隔ｔ_２に対応
した複数の出力画像から、振幅の変化が最大となる画像
番号の画像を取りだし、参照鏡の共役像と測定対象物表
面について前記第１および第２のフラッシュ光源からの
２つの光により生成される２つの干渉像から光路差を求
め、さらに測定対象物の面方向の複数の点で同様に前記
カメラからの複数の出力画像を取り出して、それぞれの
光路差を求め、測定対象物の面方向の複数の点における
前記画像振幅の変化が最大となる各画像の取り込み時点
での位相値に基づいて測定対象物の表面形状を特定する
画像処理装置と、を有することを特徴とする形状測定装
置。
【請求項９】前記第１および第２のフラッシュ光源は、
それぞれ、フラッシュランプにより提供される白色光か
らバンドパスフィルタにより選択した所定の波長の光を
出射することを特徴とする請求項８記載の形状測定装
置。
【請求項１０】前記カメラは、最長でも１ミリ秒、例え
ば２００ナノ秒〜５０マイクロ秒、より好ましくは１０
マイクロ秒の僅かに時間差のある２つの波長による２つ
の干渉画像を、独立に取り込むことのできる高速ダブル
露光機能による撮像の可能なカメラであることを特徴と
する請求項８記載の形状測定装置。
【請求項１１】前記移動テーブルは、前記第１および第
２のフラッシュ光源の発光間隔間隔ｔ _２に同期して、２
ｎπ（ｎは、１以上の整数）±π／２を中心とする±π
／４以内で定義される位相シフト量を提供可能に、上記
２つのフラッシュ光が進行する方向に沿って移動される
ことを特徴とする請求項８記載の形状測定装置。