JP3766319B2

JP3766319B2 - 位相シフト干渉縞同時撮像における平面形状計測方法

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Publication number: JP3766319B2
Application number: JP2001352690A
Authority: JP
Inventors: 泰上島; 和彦川▲崎▼; 宏配野
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2001-11-19
Filing date: 2001-11-19
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2021-11-19
Also published as: JP2003148933A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検面と参照面からの反射光を干渉させ、複数の位相の異なる干渉縞を撮像して、この位相シフト干渉計より得られる位相シフト干渉縞のバイアス、振幅を強度補正により整合調整を施すことにより被検面の起伏形状を計測する位相シフト干渉計に関する。
さらに詳しく言えば、本発明は、前記位相シフト干渉計において、撮像装置により撮像した干渉縞画像が、入射光強度や撮像装置の撮像時間の変化によ生じた算出形状への影響を、干渉縞画像の強度の整合調整を行う強度補正により、大幅に算出形状の精度向上を図る平面形状計測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば本特許出願人らの出願である特開２０００−３２９５３５号明細書に示された位相シフト干渉縞同時計測装置においては、図１に示すように、レーザ光源１からのレーザー光束は、レンズ２によりビーム径を拡大され、ビームスプリッタ３を透過してコリメートレンズ４にて平行光束にされる。
そして、この平行光束は参照面５で反射された参照光と参照面５、λ／４板６を透過し被検面７で反射された試料光を生成する（なお、参照光と試料光は直交する直線偏光で光学的無干渉状態である。）。
【０００３】
また、ビームスプリッタ３で反射された参照光と試料光はλ／４板８でそれぞれ互いに回転方向の異なる円偏光状態となり三分割プリズム９で３つの分枝光束に分割される。それぞれの分枝光束の光路上には偏光板１０〜１２が配置され、光軸に対して概略直交する面内において偏光板の透過軸角度が設定され、固定的光学位相差を与えた分枝位相シフト干渉縞が発生させ、撮像装置１３〜１５により同分枝位相シフト干渉縞が撮像される。
この位相シフト干渉縞同時計測装置により被検面起伏形状を高精度に計測するためには、３枚の分枝位相シフト干渉縞間におけるバイアス、振幅は観測領域内の対応する各点にて等しいことが前提となるが、三分割プリズム９における分割強度誤差やλ／４板８の低速軸の設置誤差にともなう透過光の楕円偏光化などが原因となり、３枚の分枝位相シフト干渉縞の画像の対応する各点間のバイアスと振幅はそれぞれ異なるものとなる。
【０００４】
この問題の対策として、本特許出願人は、特願２０００−１９７４８４号明細書において、事前に分枝位相シフト干渉縞のバイアスと振幅を観測領域内の各点において計測し、得られた値と参照光画像データを用いて、以後被検面計測時に得られる分枝位相シフト干渉縞画像データに対し強度変換により干渉縞の整合調整を観測領域内の各点毎に行なうことを提案した。
つまり、この平面形状計測方法では、事前のバイアス、振幅を算出する予備測定時と、被検面起伏形状測定時の受光強度が等しいことが前提となるが、撮像装置の撮像時間の変更や、光源からの入射光強度の意図的な変更や予期しない変動などにより受光強度が変動する。そのため、受光強度が変動しない場合に対しては、図２に示すように、干渉縞のバイアス、振幅が変動するから、このような場合には、形状算出の誤差が大きくなり、何らかの対策が必要となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、前述したような位相シフト干渉縞同時計測装置において、入射光強度や撮像装置の撮像時間の違いにより干渉縞画像の強度が変化する場合に、測定時の干渉縞画像を補正することにより、位相シフト干渉縞同時計測装置の大幅な高精度化を図ることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するための本発明を要約すれば、測定時と予備測定時の受光強度比を求め、この受光強度比を用いて干渉縞画像の強度補正を行うことにより、位相シフト干渉縞同時計測装置の大幅な高精度化を図ろうとするものである。
【０００７】
つまり、本発明は、レーザ光源より発するコヒーレント光束を参照面と被検面に照射し、前記参照面、前記被検面それぞれからの反射光である参照光と試料光の偏光面を偏光光学素子を介在させて互いに直交させ，光学的無干渉状態となした原光束を生成する観測光学系と、前記原光束を複数に分割した分枝原光束に分け、偏光光学素子を介して前記分枝原光束のそれぞれに異なる固定的光学位相差を与えて発生させた複数の分枝位相シフト干渉縞を撮像する複数の分枝撮像装置とを備え、それぞれの前記分枝撮像装置より得られる前記分枝位相シフト干渉縞画像間にて、前記被検面の観測範囲内の任意の位置がそれぞれの分枝観測座標系において同一位置になるよう位置の整合が施され、かつ任意の被検面測定にて、事前に各点毎にバイアス、振幅を算出し、以後、平面起伏形状計測時に得られる前記位相シフト干渉縞画像データを前記バイアス、振幅を用いて整合調整を施し、位相シフト法にて前記被検面の観測範囲の平面起伏形状を数値データにより再現する平面形状計測装置において、
前記試料光の一部または全部を遮光し、前記参照光のみが前記分枝撮像装置に入射する領域である参照光領域を設け、前記分枝撮像装置により得られる、入射光強度の変動や撮像装置による撮像時間の変更などの計測被検面には依存しない前記参照光領域の強度成分を受光強度とし、前記バイアス、振幅を算出する予備測定時と平面起伏形状計測時の干渉縞画像の受光強度比を用いて、平面起伏形状測定時の干渉縞強度の強度補正を施し、高精度に平面起伏形状を算出することを特徴とする位相シフト干渉縞同時撮像による平面形状計測方法を提案する。
【０００８】
後述する本発明の好ましい実施例の説明においては、
1) 前記試料光の一部を遮光し、前記参照光のみが前記撮像装置に入射する領域である参照光領域を干渉縞画像中に設け、前記分枝撮像装置により得られる前記干渉縞画像中の参照光領域の強度情報より受光強度を求め、追加の強度情報取得手段を用いることなく全領域一様に前記強度補正を行うことにより、高精度に平面起伏形状を算出する位相シフト干渉縞同時撮像による平面形状計測方法、
2) 前記入射光強度及び前記撮像時間が平面起伏形状測定時と同じ状態で、前記被検面からの反射光を遮光し、前記分枝撮像装置により取得される参照光のみの画像から、各点毎の受光強度情報を取得して前記受光強度比を各点毎に算出し、前記強度補正を各点毎に行うことにより、高精度に平面起伏形状を算出する位相シフト干渉縞同時撮像による平面形状計測方法
が説明される。
また、参照光領域を設ける代わりに、前記光束が干渉する以前の光路中に分光手段を設けることにより光束を分光し、前記干渉縞画像取得に供しない側に光強度情報取得手段を設けることにより取得した強度情報を用いて、前記バイアス、振幅を算出する予備測定時と平面起伏形状計測時の干渉縞画像の受光強度比を算出し、平面起伏形状測定時の干渉縞強度の強度補正を行うことにより、高精度に平面起伏形状を算出する前記位相シフト干渉縞同時撮像による平面形状計測方法
が説明される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面について本発明の実施の形態を詳細に説明する。
ちなみに、位相シフト法により干渉縞を解析する際には、参照面からの反射光と被検面からの反射光による干渉縞に含まれるバイアス、振幅、位相の３個の未知数を算出するために３枚以上の位相シフト干渉縞を撮像することになる。
ここで、図３に示すように、位置ｚ（ｘ、ｙ）における参照面からの反射光ａ（ｘ、ｙ）及び被検面からの反射光ｂ（ｘ、ｙ）は、次式のように記述できる。
【００１０】
【数１】

ここに、ｚ₁ （ｘ、ｙ）、ｚ₂ （ｘ、ｙ）：位置ｚ（ｘ、ｙ）におけるａ（ｘ、ｙ）及びｂ（ｘ、ｙ）の光路長
λ：波長
ψ：初期位相
ω：光の各振動数
ｔ：時刻
ａ₀ （ｘ、ｙ）、ｂ₀ （ｘ、ｙ）：ａ（ｘ、ｙ）、ｂ（ｘ、ｙ）の振幅また、これらの参照面及び被検面からの反射光の干渉の、干渉縞Ι_ab（ｘ、ｙ）は次式のように記述される。
【００１１】
【数２】

ただし、位相差φ（ｘ、ｙ）は次式となる。
【数３】

【００１２】
さらに、干渉縞を撮像装置により撮像した干渉縞画像強度は次式で表わされる。
【数４】

ここで、干渉縞画像の強度と干渉縞強度の関係が比例関係となる撮像装置を用いるとすれば、この場合の干渉縞画像強度は次式となる。
【数５】

ただし、ｐは定数である。
【００１３】
ＣＣＤカメラなどのように暗電流による強度成分のある撮像装置を用いる場合、干渉領域と暗電流領域とは図４に示すような関係にあるが、干渉縞画像の強度と干渉縞強度は、厳密には比例関係にない。しかし、干渉縞画像から暗電流による成分を減算することにより、この場合であっても、比例関係とすることが可能である。それゆえ、ここでは暗電流がないものとして説明を行う。
ここで、３枚の干渉縞を用いる従来の位相シフト法の場合、撮像装置により得られる干渉縞画像強度Ι₁ （ｘ、ｙ）、Ι₂ （ｘ、ｙ）、Ι₃ （ｘ、ｙ）は次式で表される。
【００１４】
【数６】

ここで、α（ｘ、ｙ）とβ（ｘ、ｙ）は干渉計にて付加される位相シフト量を表す。式（６）により、３個の測定値Ι₁ （ｘ、ｙ）、Ι₂ （ｘ、ｙ）、Ι₃ （ｘ、ｙ）に対して、３つの未知数Ｂ（ｘ、ｙ）、Ａ（ｘ、ｙ）、φ（ｘ、ｙ）を計算でき、また、位相φ（ｘ、ｙ）から被検面起伏形状を算出できる。
一方、図１に示した位相シフト干渉縞同時計測装置１３、１４、１５で計測される分枝位相シフト干渉縞Ι₁ （ｘ、ｙ）、Ι₂ （ｘ、ｙ）、Ι₃ （ｘ、ｙ）は、バイアスと振幅が異なるため、次式のように表現される。
【００１５】
【数７】

しかし、式（７）から理解されるように、各干渉縞に含まれるバイアス、振幅は異なるために、３個の計測値に対して７個の未知数が存在するため、このままでは位相φ（ｘ、ｙ）を算出することはできない。
【００１６】
そこで、本特許出願人による特願２０００−１９７４８４号明細書で示されたように、参照面や被検面を光軸方向に変位させたり、光源の波長を変化させるなどの方法により、参照光と試料光の間に光学的位相差を別途与え、予備測定により事前のバイアス、振幅を各点毎に算出し、測定時に干渉縞画像の強度の整合調整を行い、被検面の形状を算出すれば、この問題は解消する。
しかし、特願２０００−１９７４８４号明細書の方法は、形状測定時と予備測定時の受光強度が同じであることが前提である。
例えば、参照面からの反射光ａ（ｘ、ｙ）は常に一定であるとの前提であるが、予備測定時と形状測定時でａ（ｘ、ｙ）の大きさが変化すると、式（５）によりバイアス、振幅が変化し、正確な形状測定ができなくなる。
【００１７】
ここで予備測定時に比べて、形状測定時に入射光強度がν（ｘ、ｙ）倍となるとすると、光の振幅は
【数８】

倍となる。したがって、入射光強度が式（１）のν（ｘ、ｙ）倍になると、参照光ａ_ν（ｘ、ｙ）及び試料光ｂ_ν（ｘ、ｙ）は次式で表される。
【００１８】
【数９】

この時の干渉縞は次式となる。
【数１０】

よって、ν（ｘ、ｙ）は、干渉縞画像強度に比例する量となるので、受光強度比と呼び、各分枝毎の受光強度比をν_i （ｘ、ｙ）、ｉ＝１、２、３とおく。
【００１９】
ここで、干渉縞画像の強度は、撮像装置の撮像時間の変化にも影響される。撮像時間の変化による受光強度の変動を考慮すると、受光強度比ν_i （ｘ、ｙ）は次式で表すことができる。
【数１１】

ν_Ei（ｘ、ｙ）：入射光強度比
ν_Ti：撮像時間の比
Ｔ_Ci：予備測定時の撮像時間
Ｔ_Mi：測定時の撮像時間
Ｅ_Ci：予備測定時の入射光強度情報
Ｅ_Mi：測定時の入射光強度情報
ｉ：カメラの番号（ｉ＝１、２、３）
【００２０】
よって、図１に示した位相シフト干渉縞同時計測装置においては、形状測定時と予備測定時の受光強度比がν_i （ｘ、ｙ）となると、式（７）に対応する式は、次式となる。
【数１２】

【００２１】
ここで、形状測定時に得られた干渉縞（１１）をν_i （ｘ、ｙ）で割ることにより、事前にバイアス、振幅を算出するための予備測定時と同じ受光強度の干渉縞Ι_i （ｘ、ｙ）、ｉ＝１、２、３を得ることができる。これが本発明のポイントである。
【数１３】

【００２２】
この強度補正を施した干渉縞強度情報を用いることにより、先に指摘した特願２０００−１９７４８４号明細書で開示した技術を適用することができるので、被検面起伏形状を高精度に求めることができる。
即ち、受光強度比ν_i （ｘ、ｙ）がわかれば、被検面の起伏形状を高精度に求めることができるわけである。
【００２３】
次に、ν_i （ｘ、ｙ）、ｉ＝１、２、３の求め方について説明すると、撮像装置の撮像時間や入射光強度の制御量が分かっている場合、撮像時間の比ν_Ti及び入射光量の比ν_Ei（ｘ、ｙ）を用いて、式（１０）からν_i （ｘ、ｙ）を算出でき、これを用いて、式（１２）により、強度補正を行うことが可能になる。
このような制御量が不明の場合や予期しない変動を考慮する場合、受光強度情報を検出する手段を新たに付加することにより、受光強度情報を検出し、測定時の受光強度Ｆ_Mi（ｘ、ｙ）と事前にバイアス、振幅を求めたときの受光強度Ｆ_Ci（ｘ、ｙ）の比を計算することにより受光強度比を求めることができる。
【数１４】

【００２４】
参照面と被検面の間に参照面を通過して被検面に向かう光の一部または全部を遮光板により遮光すると、遮光された領域は、参照光のみが撮像装置に入射し、試料光との干渉は生じない参照光領域となる。そのため、撮像装置によって得られる干渉縞画像の参照光領域Ｒの強度情報は被検面の反射率や干渉縞の位相に依存しない。各カメラにおける式（２）は次式で表される。
【数１５】

【００２５】
よって、参照光領域の強度は次式となる。
【数１６】

よって、事前のバイアス、振幅測定時の干渉縞画像中の参照光領域の強度は次式となる。
【数１７】

【００２６】
また、測定時の干渉縞画像中の参照光領域について、式（５）、（１１）、（１４）から、次式を得ることができる。
【数１８】

【００２７】
ここで、参照光領域の強度は干渉縞の位相の影響を受けない受光強度情報として用いることができるから、式（１３）、（１６）、（１７）により、次式により受光強度比を算出できる。
【数１９】

【００２８】
次に、参照光強度情報を取得する方法の具体例を説明する。
まず、図５に示すように、図１の干渉縞同時撮像装置のλ／４板と被検面の間に、試料光遮光手段１６を配置すれば、撮像装置により得られる干渉縞画像中に図６に示すような参照光領域Ｒを作ることができる。この参照光領域Ｒの少なくとも一部の領域Ｒ_S の受光強度比の平均ν_i をとることにより、干渉縞画像の全領域の受光強度比が一様であるとみなし、追加の強度情報取得手段を用いることなく、測定と同時に算出することができる。ただし、ｎは領域Ｒ_S 内の点の数である。
【数２０】

【００２９】
また、図７に示すように、図５の干渉縞同時撮像装置の試料光を、試料光遮光手段１６により全て遮光すれば、バイアス、振幅算出時の干渉縞画像取得時と測定時の干渉縞画像取得時について、それぞれの干渉縞画像撮像と同じ条件で参照光強度を各点毎に取得して、各点毎に比を算出できるから、各点毎の受光強度比を式（１８）により、算出できる。
【００３０】
この実施例では、測定時に試料光を全て遮光する工程が必要になるため時間がかかるが、画素毎の補正ができるため、高精度の形状の測定を期待できる。
【００３１】
また、図９に示すように、図１の干渉縞同時撮像装置においてビームスプリッタ３で分光し、干渉縞の生成に寄与しない側の光の強度を、強度情報検出手段により、バイアス、振幅算出時及び測定時の入射光強度を検出し、入射光の強度比を算出してもよい。
ここで、入射光強度検出手段に撮像装置を用い、撮像時間を干渉縞撮像時間と同一にすることにより、撮像時間の変化を含めた強度情報を取得することができるが、これは受光強度情報となる。事前のバイアス、振幅取得時の受光強度情報を、Ｆ_C （ｘ、ｙ）、測定時の受光強度情報をＦ_M （ｘ、ｙ）とすると、受光強度比は各分枝毎の干渉縞撮像装置の受光強度比が同一であるとみなして、次式により各点毎に算出することができる。
【００３２】
【数２１】

【００３３】
また、本発明では、１点の受光強度情報や平均値などの代表値を用いることにより、全面の受光強度比が一様であるとして、次式により全面一様の値で強度補正を行うこともできる。
【数２２】

以上より求めた受光強度比を用いることにより、式（１２）の強度補正を行うことにより受光強度の変化によらず、バイアス、振幅を補正し、形状を算出することが可能となる。
【００３４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、入射光強度や撮像装置の撮像時間の違いにより、干渉縞画像の強度が変化する場合に、バイアス、振幅の事前の予備測定時と形状測定時の受光強度の比を求め、この受光強度比を用いて干渉縞画像をソフトウェア的に強度補正を行うことにより、図１０に示すように、受光強度が変化した場合の算出形状に大幅な精度向上が期待できる。
また図５の具体例では、受光強度取得装置を追加することなく、測定と同時に受光強度情報を取得し、強度補正を行うことができるので、高速高精度測定が期待できる。
図７の具体例では、受光強度取得装置を追加することなく、各点ごとに受光強度情報を取得し、強度補正を行うことが出来るので、より大幅な精度向上が期待できる。
図９の具体例では、参照面と被検面の間に遮光手段を設けず、測定と同時に受光強度情報を取得し、強度補正を行うことが出来る。また、画像中に参照光領域を設けないため図５の例よりも大きな領域を解析対象とすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の干渉縞同時撮像装置の光学系の説明図である。
【図２】同干渉縞同時撮影装置の強度変動時のバイアスと振幅の変化説明図である。
【図３】同干渉縞同時撮影装置における参照光と試料光との関係を示す原理図である。
【図４】暗電流がある場合の取得される干渉縞と暗電流領域との関係を示すイメージ図である。
【図５】本発明を具体化した第一の干渉縞同時撮像装置の光学系の説明図である。
【図６】図５の干渉縞同時撮像装置で得られる干渉縞画像の拡大図である。
【図７】本発明を具体化した第二の干渉縞同時撮像装置の光学系の説明図である。
【図８】図７の干渉縞同時撮像装置で得られる干渉縞画像の拡大図である。
【図９】本発明を具体化した第三の干渉縞同時撮像装置の光学系の説明図である。
【図１０】受光強度変化時の算出形状と強度補正効果の比較
説明図である。
【符号の説明】
１レーザ光源
２レンズ
３ビームスプリッタ
４コリメータレンズ
５参照面
６ λ／４板
７被検面
８ λ／４板
９３分割プリズム
１０、１１、１２偏光板
１３、１４、１５撮像装置
１６部分遮光板
１７全域遮光板
１８強度検出装置

Claims

レーザ光源より発するコヒーレント光束を参照面と被検面に照射し、前記参照面、前記被検面それぞれからの反射光である参照光と試料光の偏光面を偏光光学素子を介在させて互いに直交させ，光学的無干渉状態となした原光束を生成する観測光学系と、前記原光束を複数に分割した分枝原光束に分け、偏光光学素子を介して前記分枝原光束のそれぞれに異なる固定的光学位相差を与えて発生させた複数の分枝位相シフト干渉縞を撮像する複数の分枝撮像装置とを備え、それぞれの前記分枝撮像装置より得られる前記分枝位相シフト干渉縞画像間にて、前記被検面の観測範囲内の任意の位置がそれぞれの分枝観測座標系において同一位置になるよう位置の整合が施され、かつ任意の被検面測定にて、事前に各点毎にバイアス、振幅を算出し、以後、平面起伏形状計測時に得られる前記位相シフト干渉縞画像データを前記バイアス、振幅を用いて整合調整を施し、位相シフト法にて前記被検面の観測範囲の平面起伏形状を数値データにより再現する平面形状計測装置において、
前記試料光の一部または全部を遮光し、前記参照光のみが前記分枝撮像装置に入射する領域である参照光領域を設け、前記分枝撮像装置により得られる、入射光強度の変動や撮像装置による撮像時間の変更などの計測被検面には依存しない前記参照光領域の強度成分を受光強度とし、前記バイアス、振幅を算出する予備測定時と平面起伏形状計測時の干渉縞画像の受光強度比を用いて、平面起伏形状測定時の干渉縞強度の強度補正を施し、高精度に平面起伏形状を算出することを特徴とする位相シフト干渉縞同時撮像による平面形状計測方法。
前記試料光の一部を遮光し、前記参照光のみが前記撮像装置に入射する領域である参照光領域を干渉縞画像中に設け、前記分枝撮像装置により得られる前記干渉縞画像中の参照光領域の強度情報より受光強度を求め、追加の強度情報取得手段を用いることなく全領域一様に前記強度補正を行うことにより、高精度に平面起伏形状を算出することを特徴とする請求項１記載の位相シフト干渉縞同時撮像による平面形状計測方法。
前記入射光強度及び前記撮像時間が平面起伏形状測定時と同じ状態で、前記被検面からの反射光を遮光し、前記分枝撮像装置により取得される参照光のみの画像から、各点毎の受光強度情報を取得して前記受光強度比を各点毎に算出し、前記強度補正を各点毎に行うことにより、高精度に平面起伏形状を算出することを特徴とする請求項１記載の位相シフト干渉縞同時撮像による平面形状計測方法。
レーザ光源より発するコヒーレント光束を参照面と被検面に照射し、前記参照面、前記被検面それぞれからの反射光である参照光と試料光の偏光面を偏光光学素子を介在させて互いに直交させ，光学的無干渉状態となした原光束を生成する観測光学系と、前記原光束を複数に分割した分枝原光束に分け、偏光光学素子を介して前記分枝原光束のそれぞれに異なる固定的光学位相差を与えて発生させた複数の分枝位相シフト干渉縞を撮像する複数の分枝撮像装置とを備え、それぞれの前記分枝撮像装置より得られる前記分枝位相シフト干渉縞画像間にて、前記被検面の観測範囲内の任意の位置がそれぞれの分枝観測座標系において同一位置になるよう位置の整合が施され、かつ任意の被検面測定にて、事前に各点毎にバイアス、振幅を算出し、以後、平面起伏形状計測時に得られる前記位相シフト干渉縞画像データを前記バイアス、振幅を用いて整合調整を施し、位相シフト法にて前記被検面の観測範囲の平面起伏形状を数値データにより再現する平面形状計測装置において、
前記光束が干渉する以前の光路中に分光手段を設けることにより光束を分光し、前記干渉縞画像取得に供しない側に光強度情報取得手段を設けることにより取得した強度情報を用いて、前記バイアス、振幅を算出する予備測定時と平面起伏形状計測時の受光強度比を算出し、平面起伏形状測定時の干渉縞強度の強度補正を行うことにより、高精度に平面起伏形状を算出すること特徴とする位相シフト干渉縞同時撮像による平面形状計測方法。