JP4701387B2 - Measuring apparatus and method, and program - Google Patents

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Description

本発明は、測定装置および方法、並びにプログラムに関し、特に被測定物体の形状を迅速に測定することができるようにする測定装置および方法、並びにプログラムに関する。   The present invention relates to a measuring apparatus, method, and program, and more particularly, to a measuring apparatus, method, and program capable of quickly measuring the shape of an object to be measured.

本発明者等は、ゾーンプレートにより、光源の強度を、光ビームの被測定物体への入射角に応じて調整し、被測定物体の高さを測定することを先に提案した(例えば、非特許文献1)。   The present inventors have previously proposed that the intensity of the light source is adjusted by the zone plate according to the incident angle of the light beam to the object to be measured, and the height of the object to be measured is measured (for example, non- Patent Document 1).

鉄ynthetic spatial coherence function for optical tomography and profilometry: simultaneous- International Conference on Optics & Optoelectronics realization of longitudinal coherence scan and phase shift捻110-117, Proc. SPIE Vol.4777 (2002,8)Synthetic spatial coherence function for optical tomography and profilometry: simultaneous- International Conference on Optics & Optoelectronics realization of longitudinal coherence scan and phase shift 110-117, Proc.SPIE Vol.4777 (2002,8)

しかしながら、先の提案において、図1に示すように、ゾーンプレートの透明部と不透明部の輪帯の疎過密度に対応する空間周波数γと位相βに基づいて入射角に応じた光強度が設定されているため、被測定物体の高さを微細に測定しようとすると、ゾーンプレートの数を多くしなければならない課題があった。具体的には、M個の周波数のN個の位相について測定すると、ゾーンプレートの数はM×N個となる。   However, in the previous proposal, as shown in FIG. 1, the light intensity corresponding to the incident angle is set based on the spatial frequency γ and the phase β corresponding to the sparse density of the transparent zone and the opaque zone of the zone plate. Therefore, when trying to measure the height of the object to be measured finely, there is a problem that the number of zone plates must be increased. Specifically, when N phases of M frequencies are measured, the number of zone plates is M × N.

その結果、それらを全部用いた走査が行われることから、測定に時間がかかる課題があった。   As a result, since scanning using all of them is performed, there is a problem that the measurement takes time.

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、測定処理を迅速に行うことができるようにするものである。   The present invention has been made in view of such a situation, and enables measurement processing to be performed quickly.

本発明の測定装置は、観測系の合焦位置を測定範囲の第1の基準位置に設定した後、測定範囲の第2の基準位置に達するまで、観測系のレンズの被写界深度に対応する分ずつ順次移動する設定手段と、合焦位置のそれぞれにおいて、所定の周波数のゾーンプレートを順次選択する選択手段と、選択されたゾーンプレートを用いて強度を入射角に応じた値に調整した光を被測定物体に照射して検出強度を測定する測定手段と、選択手段により順次選択されたゾーンプレートの各々を用いて、測定手段によりそれぞれ測定された検出強度に基づいて、その振幅をその平均値で除算して得られるコヒーレンスの分布を求め、コヒーレンスの最大値が得られたゾーンプレートの周波数に基づいて、被測定物体の高さを演算する演算手段とを備え、選択手段は、初期位相が、1周期を表す定数である2π、検出強度として検出されるキャリア信号の周波数、およびゾーンプレートの周波数の積に基づいて決定されるように規定されているゾーンプレートを選択することを特徴とする。 The measuring apparatus of the present invention corresponds to the depth of field of the lens of the observation system until the in-focus position of the observation system is set to the first reference position of the measurement range and then reaches the second reference position of the measurement range. The setting means that sequentially moves by the amount, the selection means that sequentially selects a zone plate of a predetermined frequency at each in-focus position, and the intensity is adjusted to a value corresponding to the incident angle using the selected zone plate. Using each of the measuring means for irradiating the object to be measured to measure the detected intensity and the zone plate sequentially selected by the selecting means , the amplitude is calculated based on the detected intensity measured by the measuring means. It calculated the distribution of coherence obtained by dividing the average value, based on the frequency of the zone plate in which the maximum value is obtained for the coherence, and a calculating means for calculating the height of the object to be measured, selected The stage selects a zone plate that is defined so that the initial phase is determined based on the product of 2π, which is a constant representing one period, the frequency of the carrier signal detected as the detection intensity, and the frequency of the zone plate. characterized in that it.

検出強度をフーリエ変換するフーリエ変換手段と、フーリエ変換して得られるスペクトルから、0次スペクトルと−1次または+1次スペクトルを抽出する抽出手段と、抽出した0次スペクトルと−1次または+1次スペクトルを逆フーリエ変換する逆フーリエ変換手段と、をさらに備え、演算手段は、−1次または+1次スペクトルを逆フーリエ変換して得られた値を、0次スペクトルを逆フーリエ変換して得られた値で除算することによって、コヒーレンスの分布を求め、コヒーレンスの最大値が得られたゾーンプレートの周波数に基づいて、被測定物体の高さを演算することができる。 Fourier transform means for Fourier transforming the detected intensity, extraction means for extracting the 0th order spectrum and the −1st order or + 1st order spectrum from the spectrum obtained by the Fourier transform, and the extracted 0th order spectrum and the −1st order or + 1st order spectrum. An inverse Fourier transform means for performing an inverse Fourier transform on the spectrum , and the computing means is obtained by performing an inverse Fourier transform on the zeroth order spectrum for a value obtained by performing an inverse Fourier transform on the −1st order or + 1st order spectrum. By dividing by this value , the coherence distribution can be obtained, and the height of the object to be measured can be calculated based on the frequency of the zone plate from which the maximum coherence value was obtained .

本発明の測定方法は、観測系の合焦位置を測定範囲の第1の基準位置に設定した後、測定範囲の第2の基準位置に達するまで、観測系のレンズの被写界深度に対応する分ずつ順次移動する設定ステップと、合焦位置のそれぞれにおいて、所定の周波数のゾーンプレートを順次選択する選択ステップと、選択されたゾーンプレートを用いて強度を入射角に応じた値に調整した光を被測定物体に照射して検出強度を測定する測定ステップと、選択ステップの処理により順次選択されたゾーンプレートの各々を用いて、測定ステップの処理によりそれぞれ測定された検出強度に基づいて、その振幅をその平均値で除算して得られるコヒーレンスの分布を求め、コヒーレンスの最大値が得られたゾーンプレートの周波数に基づいて、被測定物体の高さを演算する演算ステップとを含み、選択ステップの処理は、初期位相が、1周期を表す定数である2π、検出強度として検出されるキャリア信号の周波数、およびゾーンプレートの周波数の積に基づいて決定されるように規定されているゾーンプレートを選択することを特徴とする。 The measurement method of the present invention corresponds to the depth of field of the lens of the observation system until the in-focus position of the observation system is set to the first reference position of the measurement range and then reaches the second reference position of the measurement range. The setting step for sequentially moving by the corresponding amount, the selection step for sequentially selecting a zone plate of a predetermined frequency at each in-focus position, and using the selected zone plate, the intensity is adjusted to a value corresponding to the incident angle. Using each of the measurement step of irradiating the object to be measured to measure the detection intensity, and each of the zone plates sequentially selected by the process of the selection step , based on the detection intensity measured by the process of the measurement step , its amplitude is divided by the average value of the calculated distribution of the resulting coherence, based on the frequency of the zone plate in which the maximum value is obtained for the coherence, the height of the object to be measured Look including a calculation step of calculating, determination processing relating to the selection step, the initial phase, on the basis of 2π is a constant representing one period, the frequency of the carrier signal is detected as a detected intensity, and the product of the frequency of the zone plate A zone plate that is defined to be selected is selected .

本発明のプログラムは、観測系の合焦位置を測定範囲の第1の基準位置に設定した後、測定範囲の第2の基準位置に達するまで、観測系のレンズの被写界深度に対応する分ずつ順次移動する設定ステップと、合焦位置のそれぞれにおいて、所定の周波数のゾーンプレートを順次選択する選択ステップと、選択されたゾーンプレートを用いて強度を入射角に応じた値に調整した光を被測定物体に照射して検出強度を測定する測定ステップと、選択ステップの処理により順次選択されたゾーンプレートの各々を用いて、測定ステップの処理によりそれぞれ測定された検出強度に基づいて、その振幅をその平均値で除算して得られるコヒーレンスの分布を求め、コヒーレンスの最大値が得られたゾーンプレートの周波数に基づいて、被測定物体の高さを演算する演算ステップとを含み、選択ステップの処理は、初期位相が、1周期を表す定数である2π、検出強度として検出されるキャリア信号の周波数、およびゾーンプレートの周波数の積に基づいて決定されるように規定されているゾーンプレートを選択する制御処理をコンピュータに実行させることを特徴とする。 The program of the present invention corresponds to the depth of field of the lens of the observation system until the in-focus position of the observation system is set to the first reference position of the measurement range and then reaches the second reference position of the measurement range. A setting step that sequentially moves minute by minute, a selection step that sequentially selects a zone plate of a predetermined frequency at each in-focus position, and light whose intensity is adjusted to a value according to the incident angle using the selected zone plate a measuring step of measuring a detected intensity by irradiating the object to be measured, with each of the sequentially selected zone plate by the process of the selection step, based on the detected intensity measured respectively by the processing of the measurement step, the We obtain a distribution of the resulting coherence by dividing the magnitude in the average value, based on the frequency of the zone plate in which the maximum value is obtained for the coherence, of the measured object height And a computation step of computing, processing of the selection step, the initial phase, 2 [pi is a constant representing one cycle, based on the product of the frequency of the carrier signal is detected as the detected intensity, and zone plate determined A control process for selecting a zone plate defined as described above is executed by a computer.

本発明の測定装置および方法、並びにプログラムにおいては、観測系の合焦位置が測定範囲の第1の基準位置に設定した後、測定範囲の第2の基準位置に達するまで、観測系のレンズの被写界深度に対応する分ずつ順次移動され、合焦位置のそれぞれにおいて、所定の周波数のゾーンプレートが順次選択され、選択されたゾーンプレートを用いて強度を入射角に応じた値に調整した光を被測定物体に照射されて検出強度が測定され、順次選択されたゾーンプレートの各々を用いて、それぞれ測定された検出強度に基づいて、その振幅をその平均値で除算して得られるコヒーレンスの分布が求められ、コヒーレンスの最大値が得られたゾーンプレートの周波数に基づいて、被測定物体の高さが演算される。初期位相が、1周期を表す定数である2π、検出強度として検出されるキャリア信号の周波数、およびゾーンプレートの周波数の積に基づいて決定されるように規定されているゾーンプレートが選択される。 In the measurement apparatus, method, and program of the present invention, after the in-focus position of the observation system is set to the first reference position of the measurement range, the lens of the observation system is reached until it reaches the second reference position of the measurement range. It is sequentially moved by an amount corresponding to the depth of field, and a zone plate of a predetermined frequency is sequentially selected at each in-focus position, and the intensity is adjusted to a value corresponding to the incident angle using the selected zone plate. The detection intensity is measured by irradiating the object to be measured, and the coherence obtained by dividing the amplitude by the average value based on the measured detection intensity using each of the selected zone plates. And the height of the object to be measured is calculated based on the frequency of the zone plate from which the maximum coherence value is obtained . A zone plate is selected that is defined so that the initial phase is determined based on the product of 2π, which is a constant representing one cycle, the frequency of the carrier signal detected as the detection intensity, and the frequency of the zone plate.

本発明によれば、高さを測定することができる。特に本発明によれば、ゾーンプレートを利用して高さの測定処理を、迅速に行うことができる。   According to the present invention, the height can be measured. In particular, according to the present invention, the height measurement process can be quickly performed using the zone plate.

図2は、本発明を適用した測定装置10の構成例を示している。この測定装置10は、ゾーンプレート15aに基づき、拡散板20上に形成されるゾーンプレート状の光源分布41により光源11からの光の強度を入射角θに応じた値に調整することにより、被測定物体25の表面高さを測定する。   FIG. 2 shows a configuration example of the measuring apparatus 10 to which the present invention is applied. This measuring apparatus 10 adjusts the intensity of light from the light source 11 to a value corresponding to the incident angle θ by using a zone plate-like light source distribution 41 formed on the diffusion plate 20 based on the zone plate 15a. The surface height of the measurement object 25 is measured.

11はレーザ、12はビームエクスパンダ、13,17,19,22はレンズ、14,16は偏光板、15は空間光変調器(SLM)、15aは、空間光変調器15に表示されたゾーンプレート、18はピンホール、20は拡散板である。   11 is a laser, 12 is a beam expander, 13, 17, 19 and 22 are lenses, 14 and 16 are polarizing plates, 15 is a spatial light modulator (SLM), and 15 a is a zone displayed on the spatial light modulator 15. A plate, 18 is a pinhole, and 20 is a diffusion plate.

21はモータ、23はビームスプリッタ、24は参照面、25は被測定物体、26は結像レンズ、27は結像レンズ26の駆動装置、28は検出器、29は検出器ドライバである。   Reference numeral 21 denotes a motor, 23 denotes a beam splitter, 24 denotes a reference surface, 25 denotes an object to be measured, 26 denotes an imaging lens, 27 denotes a driving device for the imaging lens 26, 28 denotes a detector, and 29 denotes a detector driver.

30はパーソナルコンピュータ(PC)、31はSLMコントロールドライバである。なおパーソナルコンピュータ30は、図3に示すゾーンプレート生成部61および図4に示す計測処理部101を含んで構成されているが、その各部については後述する。   30 is a personal computer (PC), 31 is an SLM control driver. The personal computer 30 is configured to include a zone plate generating unit 61 shown in FIG. 3 and a measurement processing unit 101 shown in FIG. 4, and each unit will be described later.

41は拡散板20面上に形成されたゾーンプレート15aの透明部と不透明部の疎過密度に応じた光強度分布であり2次光源(平面光源)として機能する。そこで以下においては、41を2次光源と称する。42は結像レンズ26のフォーカス点、43は結像レンズ26のフォーカス点の共役像である。   Reference numeral 41 denotes a light intensity distribution corresponding to the density of the transparent and opaque portions of the zone plate 15a formed on the surface of the diffusion plate 20, and functions as a secondary light source (planar light source). Therefore, in the following, 41 is referred to as a secondary light source. Reference numeral 42 denotes a focus point of the imaging lens 26, and 43 denotes a conjugate image of the focus point of the imaging lens 26.

レーザ11から出射されたレーザ光は、ビームエクスパンダ12によってビーム径が拡大された後、レンズ13によって平行ビームに変換されて、偏光板14に入射する。   The laser beam emitted from the laser 11 is expanded in beam diameter by the beam expander 12, converted into a parallel beam by the lens 13, and then enters the polarizing plate 14.

偏光板14および偏光板16は直線偏光を透過するが、両者はその透過方向が互いに垂直または平行になるように、SLM15を挟んで設置されている。   The polarizing plate 14 and the polarizing plate 16 transmit linearly polarized light, and both are disposed with the SLM 15 interposed therebetween so that the transmission directions thereof are perpendicular or parallel to each other.

SLM(spatial light modulator)15は、多数の画素を構成するLCD(Liquid Crystal Display)により画像を表示できるように構成されており、パーソナルコンピュータ30により制御されるコントロールドライバ31からの信号に応じてLCDの光学的特性(吸収による振幅や強度の変化、屈折率による位相変化、偏光の回転)を変化させる。すなわち偏光板14を介して入射された光ビームがLCDに照射されることによって、光特性に応じた光が偏光板16を介して出射される。   The SLM (spatial light modulator) 15 is configured to be able to display an image by an LCD (Liquid Crystal Display) that constitutes a large number of pixels, and the LCD according to a signal from a control driver 31 controlled by the personal computer 30. The optical characteristics (change in amplitude and intensity due to absorption, phase change due to refractive index, rotation of polarized light) are changed. That is, when the light beam incident through the polarizing plate 14 is irradiated onto the LCD, light corresponding to the optical characteristics is emitted through the polarizing plate 16.

この例の場合、拡散板20上にゾーンプレート状の光強度分布(2次光源)41を形成させるためのゾーンプレート(同心円状に透明部と不透明部の輪帯が交互に多数描かれている像)15aが表示されるように、SLM15の光強度透過率が制御される。   In the case of this example, a zone plate for forming a zone plate-shaped light intensity distribution (secondary light source) 41 on the diffusion plate 20 (a large number of concentric circles of transparent and opaque portions are drawn alternately. The light intensity transmittance of the SLM 15 is controlled so that the image 15a is displayed.

偏光板16を介して出射された光ビームは、レンズ17によって収束されてピンホール18に入射する。ピンホール18は、ゾーンプレート15aの像(光強度分布41)に表れるSLM15を構成する離散的な画素の輪郭を平滑して連続化する。ピンホール18より出射された光は、レンズ19により平行ビームに変換される。平行ビームは、拡散板20に入射する。   The light beam emitted through the polarizing plate 16 is converged by the lens 17 and enters the pinhole 18. The pinhole 18 smoothes and smooths the contours of the discrete pixels constituting the SLM 15 appearing in the image of the zone plate 15a (light intensity distribution 41). The light emitted from the pinhole 18 is converted into a parallel beam by the lens 19. The parallel beam is incident on the diffusion plate 20.

拡散板20は、表面に多数の微少な凹凸が形成され、光を拡散させる半透明な円板状のものであり、レンズ19からの平行ビームを拡散して(ゾーンプレート状の光強度分布を持つ2次光源を生成して)、レンズ22に出射する。   The diffuser plate 20 has a number of minute irregularities formed on the surface thereof, and is a translucent disk-like member that diffuses light. The diffuser plate 20 diffuses a parallel beam from the lens 19 (a zone plate-shaped light intensity distribution). A secondary light source is generated and emitted to the lens 22.

拡散板20は、モータ21により回転される。このように拡散板20が回転することにより、拡散板20上に生成されたゾーンプレート状の強度分布を持つ2次光源41の各点(点光源)の位相がランダムにかつ高速に変化するので、各点光源間の位相差が一定なものにならず、点光源は空間的にインコヒーレントな光源となる。   The diffusion plate 20 is rotated by a motor 21. By rotating the diffusion plate 20 in this way, the phase of each point (point light source) of the secondary light source 41 having a zone plate-like intensity distribution generated on the diffusion plate 20 changes randomly and at high speed. The phase difference between the point light sources does not become constant, and the point light source becomes a spatially incoherent light source.

すなわち拡散板20にはSLM15にゾーンプレート15aが映し出されることにより、そのゾーンプレート15aの光強度透過率に応じた光強度分布を有する2次光源41が形成され、この2次光源41から、その光強度分布に応じた光源強度を有する低コヒーレンスの光ビームが出射される。   In other words, when the zone plate 15a is projected on the SLM 15 on the diffusing plate 20, a secondary light source 41 having a light intensity distribution corresponding to the light intensity transmittance of the zone plate 15a is formed. A low-coherence light beam having a light source intensity corresponding to the light intensity distribution is emitted.

拡散板20上に形成された2次光源41の各点光源から出射された光ビームは、レンズ22によって平行ビームに変換されて、ビームスプリッタ23へ入射する。   The light beam emitted from each point light source of the secondary light source 41 formed on the diffusion plate 20 is converted into a parallel beam by the lens 22 and enters the beam splitter 23.

ビームスプリッタ23は、入射した平行ビームを2分割し、一方の光ビームを参照面24(鏡面)に照射し、他方を被測定物体25に照射する。   The beam splitter 23 divides the incident parallel beam into two, irradiates one light beam on the reference surface 24 (mirror surface), and irradiates the object 25 to be measured with the other.

すなわち参照面24および被測定物体25のそれぞれには、図5に示すように、所定の入射角θで光ビームが入射する。   That is, as shown in FIG. 5, the light beam is incident on the reference surface 24 and the measured object 25 at a predetermined incident angle θ.

ところで2次光源41からは拡散光が出射している。そしてその光ビームの参照面24および被測定物体25への入射角θは、図6に示すように、2次光源41(拡散板20)上の出射位置(中心からの半径)に応じた値となる。すなわち参照面24および被測定物体25へは、入射角θが異なる複数の光ビームが入射する。図5では、簡単のために、点P1および点P11には入射角θaの光ビームのみが示されているが、実際には、点P1および点P11を含む被測定物体25の面25aには、入射角θが異なる複数の光ビームが入射している。   By the way, diffused light is emitted from the secondary light source 41. The incident angle θ of the light beam on the reference surface 24 and the measured object 25 is a value corresponding to the emission position (radius from the center) on the secondary light source 41 (diffuser plate 20), as shown in FIG. It becomes. That is, a plurality of light beams having different incident angles θ are incident on the reference surface 24 and the measured object 25. In FIG. 5, for the sake of simplicity, only the light beam at the incident angle θa is shown at the point P1 and the point P11, but actually, the surface 25a of the measured object 25 including the point P1 and the point P11 is shown on the surface 25a. A plurality of light beams having different incident angles θ are incident.

なお2次光源41は、その中心が、レンズ22の光軸上に位置するので、2次光源41上で、その光軸に対して対称となる位置(点Aと点Dまたは点Bと点C)からのビームの出射角はそれぞれ同じ角度になり、その被測定物体25への入射角θも同じになる。また2次光源41はレンズ22の距離f上に配置されているため、2次光源41上の各点より出射されたビームはレンズ22を通過後に平行ビームとなる。   Since the center of the secondary light source 41 is located on the optical axis of the lens 22, a position (point A and point D or point B and point on the secondary light source 41 that is symmetric with respect to the optical axis). The exit angles of the beams from C) are the same, and the incident angle θ to the measured object 25 is also the same. Further, since the secondary light source 41 is disposed on the distance f of the lens 22, the beam emitted from each point on the secondary light source 41 becomes a parallel beam after passing through the lens 22.

図2に戻り参照面24へ照射された光ビームは参照面24で反射し、被測定物体25へ照射された光ビームは被測定物体25で反射する。そして参照面24からの反射光(参照光)と被測定物体25からの反射光(信号光)は、ビームスプリッタ23で合成され、結像レンズ26に入射する。   Returning to FIG. 2, the light beam applied to the reference surface 24 is reflected by the reference surface 24, and the light beam applied to the measured object 25 is reflected by the measured object 25. The reflected light (reference light) from the reference surface 24 and the reflected light (signal light) from the object to be measured 25 are combined by the beam splitter 23 and enter the imaging lens 26.

例えば図5に示すように、光ビーム151が被測定物体25の面25a上の点P1で反射した信号光と、光ビーム152が参照面24の点P3で反射した参照光が合成した光ビーム153Aが、結像レンズ26に入射する。   For example, as shown in FIG. 5, the light beam 151 is a combination of the signal light reflected by the point P 1 on the surface 25 a of the object 25 and the reference light reflected by the point P 3 on the reference surface 24. 153A enters the imaging lens 26.

また光ビーム151が被測定物体25の面25a上の点P11で反射した信号光と、光ビーム152が参照面24の点P13で反射した参照光が合成した光ビーム153Bが、結像レンズ26に入射する。   A light beam 153B obtained by combining the signal light reflected by the point P11 on the surface 25a of the object 25 to be measured and the reference light reflected by the point P13 on the reference surface 24 by the light beam 151 is the imaging lens 26. Is incident on.

上述したように点P1および点P11を含む面25aには、異なる入射角の複数の光ビームが入射しているので、点P1および点P11等からは、複数の合成光が結像レンズ26に入射する。   As described above, since a plurality of light beams having different incident angles are incident on the surface 25a including the point P1 and the point P11, a plurality of synthesized lights are incident on the imaging lens 26 from the point P1 and the point P11. Incident.

結像レンズ26は、ビームスプリッタ23から入射された光ビームを、検出器28のセンサアレイ面(図示せず)に結像させる。   The imaging lens 26 images the light beam incident from the beam splitter 23 on the sensor array surface (not shown) of the detector 28.

駆動装置27はパーソナルコンピュータ30により制御され、結像レンズ26のフォーカス点42が、被測定物体25の面25aにフォーカスするように、結像レンズ26を光軸方向に移動させる。   The driving device 27 is controlled by the personal computer 30 and moves the imaging lens 26 in the optical axis direction so that the focus point 42 of the imaging lens 26 is focused on the surface 25a of the object 25 to be measured.

検出器28は、結像レンズ26により結像された像の画像信号を生成する。   The detector 28 generates an image signal of an image formed by the imaging lens 26.

ドライバ29は、検出器28を駆動するとともに、検出器28が検出した画像信号を読み出し、パーソナルコンピュータ30に出力する。   The driver 29 drives the detector 28, reads the image signal detected by the detector 28, and outputs it to the personal computer 30.

パーソナルコンピュータ30は、ゾーンプレート15aを生成するとともに、検出器28から読み出した画像信号に基づいて、被測定物体25の高さ測定処理を実行する。   The personal computer 30 generates the zone plate 15 a and executes the height measurement process of the object to be measured 25 based on the image signal read from the detector 28.

次に、測定装置10における測定原理について説明する。   Next, the measurement principle in the measurement apparatus 10 will be described.

検出器28には、結像レンズ26によって、信号光と参照光が合成した光が結像される。この像の各画素の強度(以下、検出強度と称する)Idetは、2次光源41を形成する各点光源からの光が被測定物体25と参照面24から反射されることによって生じる信号光と参照光により生成される干渉縞の強度(以下、干渉強度と称する)Iintを互いに独立に加え合せたものとなる。   The detector 28 forms an image of light obtained by combining the signal light and the reference light by the imaging lens 26. The intensity (hereinafter referred to as detection intensity) Idet of each pixel of this image is a signal light generated when light from each point light source forming the secondary light source 41 is reflected from the measured object 25 and the reference surface 24. Intensity of interference fringes generated by the reference light (hereinafter referred to as interference intensity) Iint is added independently.

干渉強度Iintは、所定の光源強度Isを持つ信号光と参照光が所定の位相差を持って重なり合うことで強くなったり弱くなったりする。その信号光と参照光の位相差は、信号光と参照光の光路差に対応した大きさとなり、その光路差は、被測定物体25の凹凸(高さh)と入射角θによって決定される。   The interference intensity Iint becomes stronger or weaker by overlapping the signal light having the predetermined light source intensity Is and the reference light with a predetermined phase difference. The phase difference between the signal light and the reference light has a magnitude corresponding to the optical path difference between the signal light and the reference light, and the optical path difference is determined by the unevenness (height h) of the measured object 25 and the incident angle θ. .

例えば図5における光ビーム151が被測定物体25の面25a上の点P1で反射した信号光と、光ビーム152が参照面24の点P3で反射した参照光との干渉光153Aの干渉強度Iintは、その光路差がL1+L2となることから、光ビーム151および光ビーム152がL1+L2の光路差に対応する大きさの位相差で干渉した場合の強度となる。   For example, the interference intensity Iint of the interference light 153A between the signal light reflected at the point P1 on the surface 25a of the object 25 to be measured and the reference light reflected at the point P3 on the reference surface 24 by the light beam 152 in FIG. Since the optical path difference is L1 + L2, the intensity is obtained when the light beam 151 and the light beam 152 interfere with each other with a phase difference having a magnitude corresponding to the optical path difference of L1 + L2.

なおL1は点P2と点P3の距離、L2は点P3と点P1の距離を、それぞれ表す。点P2は、光ビーム151の点P1に対応する光ビーム152上の点であり、点P3は、光ビーム152の参照面24上の反射点である。   L1 represents the distance between the points P2 and P3, and L2 represents the distance between the points P3 and P1. The point P 2 is a point on the light beam 152 corresponding to the point P 1 of the light beam 151, and the point P 3 is a reflection point on the reference surface 24 of the light beam 152.

また光ビーム151が被測定物体25の面25a上の点P11で反射した信号光と、光ビーム152が参照面24の点P13で反射した参照光との干渉光153Bの干渉強度Iintは、光路差がL11+L12となることから、光ビーム151および光ビーム152がL11+L12の光路差に対応する大きさの位相差で干渉した場合の強度となる。なお、L11は点P12と点P13の距離、L12は点P13と点P11の距離を、それぞれ表す。   Further, the interference intensity Iint of the interference light 153B between the signal light reflected by the light beam 151 at the point P11 on the surface 25a of the measured object 25 and the reference light reflected by the point P13 on the reference surface 24 is expressed by the optical path Since the difference is L11 + L12, the intensity is obtained when the light beam 151 and the light beam 152 interfere with each other with a phase difference having a magnitude corresponding to the optical path difference of L11 + L12. L11 represents the distance between the points P12 and P13, and L12 represents the distance between the points P13 and P11.

すなわち検出器28に結像された画像の各画素の検出強度Idetは、式(1)に示すように、対応する面25a上の点から入射してきた干渉光の干渉強度Iintの総和であり、各干渉強度Iintは、信号光および参照光の持つ光源強度Is、入射角θ、および高さhにより決定される。   That is, the detection intensity Idet of each pixel of the image formed on the detector 28 is the sum of the interference intensities Iint of the interference light incident from the corresponding points on the surface 25a, as shown in Expression (1). Each interference intensity Iint is determined by the light source intensity Is, the incident angle θ, and the height h of the signal light and the reference light.

Figure 0004701387
Figure 0004701387

本発明においては、図7Aに示されるように入射角θが所定の範囲で変化するように制御される。図7Bに示されるように、1つの入射角θAの光のみが使用されるものではない。   In the present invention, as shown in FIG. 7A, the incident angle θ is controlled to change within a predetermined range. As shown in FIG. 7B, only light of one incident angle θA is not used.

しかし、式(1)から明らかなように、光源強度Isが図8Aに示すように、入射角θにかかわらず一定である場合、図8Bに示すように、入射角θに対応して干渉強度Iintが変化したとしても、検出強度Idetは、各干渉強度Iintの総和となるため、図8Cに示すように、高さの変化に拘わらず一定の値となる。   However, as is clear from the equation (1), when the light source intensity Is is constant regardless of the incident angle θ as shown in FIG. 8A, the interference intensity corresponds to the incident angle θ as shown in FIG. 8B. Even if Iint is changed, the detected intensity Idet is the sum of the interference intensities Iint, and as shown in FIG. 8C, becomes a constant value regardless of the change in height.

そこで例えば図9Bに示す高さhiでの入射角θに対する干渉強度Iintの変化に合わせて、図9Aに示すように光ビームの光源強度Isを入射角θに応じた値に調整すれば(変化させれば)、図9Cに示すように、高さhiの点からは検出強度Idetの最大値を得ることができる。すなわちその光源を利用して被測定物体25を走査したとき、検出強度Idetの最大値が得られた点の高さを高さhiとすることができる(被測定物体25の高さを測定できる)。なお高さhiは、下記の式で表される。   Therefore, for example, if the light source intensity Is of the light beam is adjusted to a value corresponding to the incident angle θ as shown in FIG. 9A in accordance with the change of the interference intensity Iint with respect to the incident angle θ at the height hi shown in FIG. 9B (change) 9C, the maximum value of the detected intensity Idet can be obtained from the point of the height hi as shown in FIG. 9C. That is, when the measured object 25 is scanned using the light source, the height of the point where the maximum value of the detected intensity Idet is obtained can be set to the height hi (the height of the measured object 25 can be measured). ). The height hi is expressed by the following formula.

Figure 0004701387
Figure 0004701387

このように本発明では、測定したい高さh毎に、その高さhでの入射角θに対する干渉強度Iintの変化に合わせて(図9B)、光ビームの光源強度Isをその入射角θに応じた値に変化させる(図9A)(そのような光源強度分布を有する2次元光源41が形成される)ゾーンプレート15aを予め生成しておき、生成したゾーンプレート15aのそれぞれによって形成される2次光源41で被測定物体25を走査することで(以下、適宜、ゾーンプレート15aで被測定物体25を走査すると記載する)、被測定物体25の高さを測定する。   As described above, in the present invention, the light source intensity Is of the light beam is set to the incident angle θ in accordance with the change of the interference intensity Iint with respect to the incident angle θ at the height h for each height h to be measured. The zone plate 15a to be changed to a corresponding value (FIG. 9A) (a two-dimensional light source 41 having such a light source intensity distribution is formed) is generated in advance, and 2 formed by each of the generated zone plates 15a. The height of the measured object 25 is measured by scanning the measured object 25 with the next light source 41 (hereinafter, described as scanning the measured object 25 with the zone plate 15a as appropriate).

例えば図10に示すように、高さh11の面25a1上での入射角θに対する干渉強度Iintの変化に合わせて、光ビーム211,221等の光源強度Isが入射角θに応じた値に変化する2次光源41を形成するためのゾーンプレート15a−3(周波数γa1)を生成し、高さh12の面25a2上の入射角θに対する干渉強度Iintの変化に合わせて、光ビーム211,221等の光源強度Isが入射角θに応じた値に変化する2次光源41を形成するためのゾーンプレート15a−2(周波数γa2)を生成し、図示せぬ高さh10での入射角θに対する干渉強度Iintの変化に合わせて光源強度Isが入射角θに応じた値に変化する2次光源41が形成されるゾーンプレート15a−1を生成し、そして図示せぬ高さh13での入射角θに対する干渉強度Isの変化に合わせて光源強度Isが入射角θに応じた値に変化する2次光源41を形成するためのゾーンプレート15a−4を生成しておけば、それらのゾーンプレート15aで被測定物体25を走査することで、高さh10、h11、h12、およびh13の点を検出することができる。   For example, as shown in FIG. 10, the light source intensity Is of the light beams 211 and 221 changes to a value corresponding to the incident angle θ in accordance with the change of the interference intensity Iint with respect to the incident angle θ on the surface 25a1 having the height h11. The zone plate 15a-3 (frequency γa1) for forming the secondary light source 41 to be generated is generated, and the light beams 211, 221 and the like are adjusted in accordance with the change of the interference intensity Iint with respect to the incident angle θ on the surface 25a2 having the height h12. The zone plate 15a-2 (frequency γa2) for forming the secondary light source 41 whose light source intensity Is changes to a value corresponding to the incident angle θ is generated, and interference with the incident angle θ at a height h10 (not shown) is generated. A zone plate 15a-1 in which the secondary light source 41 is formed in which the light source intensity Is changes to a value corresponding to the incident angle θ according to the change of the intensity Iint is generated, and the incident angle θ at a height h13 (not shown). According to the change of interference intensity Is If the zone plate 15a-4 for forming the secondary light source 41 in which the light source intensity Is changes to a value corresponding to the incident angle θ is generated, the object to be measured 25 is scanned with the zone plate 15a. Thus, the points at heights h10, h11, h12, and h13 can be detected.

このようにして高さ測定が行われる。   In this way, height measurement is performed.

次に、ゾーンプレート15aの生成処理を、図11を参照して説明するが、はじめにゾーンプレート15aを生成する上で必要なパラメータについて説明する。   Next, the zone plate 15a generation process will be described with reference to FIG. 11. First, parameters necessary for generating the zone plate 15a will be described.

上述したように、例えば、図12に示すように、高さh0・・・,高さhi,・・・,高さhNのそれぞれで「入射角θに対する干渉強度Iintの変化に合わせて、光ビームの光源強度Isが入射角θに応じた値に変化する」2次光源41を形成するゾーンプレート15a−0,・・・,15a−i,・・・15a―Nを生成すれば、それらのゾーンプレート15aで被測定物体25を走査した際に、高さh0の測定点0,・・・,高さhiの測定点i,・・・,高さhNの測定点Nから検出強度Idetの最大値が得られる。   As described above, for example, as shown in FIG. 12, at each of the heights h0..., The heights hi,. When the zone plates 15a-0,..., 15a-N forming the secondary light source 41 are generated, the light source intensity Is of the beam changes to a value corresponding to the incident angle θ. When the object to be measured 25 is scanned by the zone plate 15a, the detection intensity Idet from the measurement point 0 of the height h0,..., The measurement point i of the height hi,. The maximum value of is obtained.

ここで「入射角θに対する干渉強度Iintの変化に合わせて、光ビームの光源強度Isが入射角θに応じた値に変化する」とは、図13に示すように、例えば干渉強度Iintが小さくなる入射角(図13Bの入射角θ1,θ3等)で光源強度Isが小さくなり(図13Aの入射角θ1,θ3等)、干渉強度Iintが大きくなる入射角(図13Bの入射角θ0,θ2,θ4等)で光源強度Isが大きくなる(図13Aの入射角θ0,θ2,θ4等)こと、すなわち光源強度Isと干渉強度Iintの峰同士、および谷同士がそれぞれ一致するように、光源強度Isが変化することを意味する。このように光源強度Isを干渉強度Iintと対応させることで、検出強度Idetに正のピーク値をもたらすことができる(図13C)。   Here, “the light source intensity Is of the light beam changes to a value corresponding to the incident angle θ according to the change of the interference intensity Iint with respect to the incident angle θ” means that the interference intensity Iint is small as shown in FIG. The incident angle (incident angles θ0, θ2 in FIG. 13B) and the light source intensity Is decreases (incident angles θ1, θ3, etc. in FIG. 13A) and the interference intensity Iint increases. , Θ4, etc.) to increase the light source intensity Is (incident angles θ0, θ2, θ4, etc. in FIG. 13A), that is, the light source intensity so that the peaks and valleys of the light source intensity Is and the interference intensity Iint coincide with each other. It means that Is changes. Thus, by making the light source intensity Is correspond to the interference intensity Iint, a positive peak value can be brought about in the detection intensity Idet (FIG. 13C).

このことはまた、入射角θに対する光源強度Isの変化の周波数と位相が、入射角θに対する干渉強度Iintの変化の周波数と位相に一致していることを意味している。   This also means that the frequency and phase of change of the light source intensity Is with respect to the incident angle θ coincide with the frequency and phase of change of the interference intensity Iint with respect to the incident angle θ.

2次光源41の光源強度Isはゾーンプレート15aの位相βを変化させることで変化する。例えば図14Aに示すように所定の周波数γの光源強度(周波数γのゾーンプレート15aにより形成された2次元光源41の光源強度)Isは、周波数が単調増加する余弦波(または正弦波)関数曲線で規定される。図14Bは図14Aの一部を位相的に(横軸を)拡大して示している。図14Aに示す光源強度Is上の例えば点A、点B、点Cは、図14Bに示す余弦関数曲線上の等強度の点A、点B、点Cにそれぞれ対応する。   The light source intensity Is of the secondary light source 41 is changed by changing the phase β of the zone plate 15a. For example, as shown in FIG. 14A, the light source intensity of a predetermined frequency γ (the light intensity of the two-dimensional light source 41 formed by the zone plate 15a having the frequency γ) Is is a cosine wave (or sine wave) function curve whose frequency monotonically increases. It is prescribed by. FIG. 14B shows a part of FIG. 14A enlarged in phase (horizontal axis). For example, point A, point B, and point C on the light source intensity Is shown in FIG. 14A correspond to point A, point B, and point C of equal intensity on the cosine function curve shown in FIG. 14B, respectively.

そして図14Bに示す余弦関数曲線を、δβ量だけ位相をシフトさせると(δβの位相シフトと称する)、点線で示すような新しい余弦関数曲線が得られ、点A、点B、点Cの強度は変動し、新しい余弦関数曲線上の点A’、点B’、点C’となる。点A、点B、点Cは、それぞれδA、δB、δCだけシフトする。   Then, when the phase of the cosine function curve shown in FIG. 14B is shifted by the amount of δβ (referred to as a phase shift of δβ), new cosine function curves as shown by dotted lines are obtained, and the intensities at points A, B, and C are obtained. Fluctuate and become points A ′, B ′, and C ′ on the new cosine function curve. Points A, B, and C are shifted by δA, δB, and δC, respectively.

このように位相シフトした場合の新しい余弦関数曲線は、図14Cに実線で示されるようになる。   A new cosine function curve in the case of such a phase shift is as shown by a solid line in FIG. 14C.

この位相シフトを180度にすると、図15Aに示すように、元の光源強度Is(図13A)の峰が谷に、そして谷が峰になり、図15Bに示すように、光源強度Isの峰と谷が干渉強度Iintの谷と峰に対応するようになる。この場合、大きい干渉強度Iintが検出強度Idetから除去されるので、エネルギー保存の法則によって、検出強度Idetは、図15Cに示すように最小となる。   When this phase shift is 180 degrees, the peak of the original light source intensity Is (FIG. 13A) becomes a valley and the valley becomes a peak as shown in FIG. 15A, and the peak of the light source intensity Is as shown in FIG. 15B. And valleys correspond to the valleys and peaks of the interference intensity Iint. In this case, since the large interference intensity Iint is removed from the detection intensity Idet, the detection intensity Idet is minimized as shown in FIG.

以上のことを一般的に言えば、所定の空間周波数γのゾーンプレート15aを位相シフトすると、2次光源41の検出強度Idetは、余弦関数に従って、大きくなったり、小さくなったり変動する。そして図16に示すように、その余弦変動の峰(Pp)と谷(Pv)の間の位相差は、180度となる。   Generally speaking, when the zone plate 15a having a predetermined spatial frequency γ is phase-shifted, the detection intensity Idet of the secondary light source 41 increases or decreases according to the cosine function. As shown in FIG. 16, the phase difference between the peak (Pp) and valley (Pv) of the cosine fluctuation is 180 degrees.

以上のことからゾーンプレート15aを位相シフトした場合の2次光源41の検出強度Idetは、式(2)で表すことができる。式(2)中、aは検出強度Idetの平均値(直流成分)であり、b (γ)は交流成分の振幅であり、検出強度Idetの峰と谷の差の1/2の値である。γはゾーンプレート15a(2次光源41)の周波数であり、βはその初期位相であり、φは、被測定物体25と参照面24の設定位置により定まる検出強度Idetの初期位相である。
Idet=a(γ)+b(γ)cos(β+φ)・・・(2)
From the above, the detection intensity Idet of the secondary light source 41 when the zone plate 15a is phase-shifted can be expressed by Expression (2). In equation (2), a is the average value (DC component) of the detection intensity Idet, b (γ) is the amplitude of the AC component, and is a value that is half the difference between the peak and valley of the detection intensity Idet. . γ is the frequency of the zone plate 15a (secondary light source 41), β is its initial phase, and φ is the initial phase of the detection intensity Idet determined by the set positions of the measured object 25 and the reference surface 24.
Idet = a (γ) + b (γ) cos (β + φ) (2)

なお式(2)は、入射角θに対する光源強度Isの変化が式(3)で表される場合、式(1)と同値となる。式(3)中のrは、ゾーンプレート15a(2次光源41)の中心からの距離である。
Is=1+cos(γr2+β)・・・(3)
In addition, Formula (2) becomes the same value as Formula (1), when the change of the light source intensity Is with respect to incident angle (theta) is represented by Formula (3). R in the formula (3) is a distance from the center of the zone plate 15a (secondary light source 41).
Is = 1 + cos (γr 2 + β) (3)

すなわち式(2)によれば、ゾーンプレート15a(2次光源41)の周波数γと位相βを独立に制御できるため、ゾーンプレート15aの走査を、周波数γの走査と周波数γ毎の位相シフトによる走査に分けて行うことができる。周波数γと干渉強度Iintの変化の周波数とが一致しても、互いの位相が一致しなければ検出強度Idetは最大とならないが、その周波数γのゾーンプレート15aの位相をシフトさせて、光源強度Isの変化の位相を干渉強度Iintの変化の位相と一致させれば、そのように干渉強度Iintが変化する被測定物体25の面25aの点からは、検出強度Idetの最大値を得ることができる。   That is, according to the equation (2), since the frequency γ and the phase β of the zone plate 15a (secondary light source 41) can be controlled independently, the scanning of the zone plate 15a is performed by scanning the frequency γ and the phase shift for each frequency γ. This can be done separately for scanning. Even if the frequency γ and the frequency of the change in the interference intensity Iint match, the detection intensity Idet does not become maximum unless the phases match each other, but the phase of the zone plate 15a of the frequency γ is shifted to thereby increase the light source intensity. If the phase of the change of Is matches the phase of the change of the interference intensity Iint, the maximum value of the detected intensity Idet can be obtained from the point of the surface 25a of the measured object 25 where the interference intensity Iint changes. it can.

また式(2)中のb(γ)をa(γ)で除算すれば、コヒーレンス関数(コントラスト)が得られるので、本発明では、検出強度Idetの最大値を検出する代わりに、コヒーレンス関数(コントラスト)(=b (γ)/ a(γ))の最大値が検出される。   Further, by dividing b (γ) in equation (2) by a (γ), a coherence function (contrast) is obtained. Therefore, in the present invention, instead of detecting the maximum value of the detection intensity Idet, the coherence function ( The maximum value of (contrast) (= b (γ) / a (γ)) is detected.

検出強度Idetの峰の高さは、レーザ光源の光量変化やノイズの影響で変動する場合があるので、最大値が現れる位置(高さh)が実際の位置からずれる可能性がある。   Since the height of the peak of the detection intensity Idet may fluctuate due to the change in the light amount of the laser light source or the influence of noise, the position where the maximum value appears (height h) may deviate from the actual position.

コヒーレンス関数を検出するようにすれば、光量変動などが生じても、その除算によりその比をとることにより変動がキャンセルされて、正確なコヒーレンス関数の最大値の場所(高さh)を検出することができる。すなわち、コヒーレンス関数を検出する方が、システムのSN比を、検出強度Idetを検出する場合に比べて高くすることができる。   If the coherence function is detected, even if the light quantity variation occurs, the variation is canceled by taking the ratio by the division, and the location (height h) of the maximum value of the accurate coherence function is detected. be able to. That is, the detection of the coherence function can increase the S / N ratio of the system as compared with the case of detecting the detection intensity Idet.

コヒーレンス関数検出法としては大きく分けてフーリエ変換法と位相シフト法の2つ存在する。   There are roughly two coherence function detection methods, the Fourier transform method and the phase shift method.

フーリエ変換法は、走査するゾーンプレート15aの各周波数γに対して、位相βを、図17Aに示すように、0乃至360°を1周期としてその何周期か繰り返して走査し、図17Bに示すような検出強度Idetを得る。そしてこの検出強度Idetがフーリエ変換される。   In the Fourier transform method, the phase β is scanned with respect to each frequency γ of the zone plate 15a to be scanned, as shown in FIG. 17A, with 0 to 360 ° as one cycle, and scanning is repeated several times, as shown in FIG. 17B. Such a detection intensity Idet is obtained. The detected intensity Idet is Fourier transformed.

このフーリエ変換により、図17Cに示すように、0次スペクトル251、−1次スペクトル252、そして+1次スペクトル253が得られる。そして、−1次スペクトル252(または+1次スペクトル253(その大きさはb(γ)/2を表す)と0次スペクトル251(その大きさは平均値a(γ)を表す)の比からコヒーレンスが算出される。   By this Fourier transform, as shown in FIG. 17C, a zero-order spectrum 251, a −1 order spectrum 252, and a +1 order spectrum 253 are obtained. Then, the coherence is calculated from the ratio of the −1st order spectrum 252 (or the + 1st order spectrum 253 (the magnitude represents b (γ) / 2) and the 0th order spectrum 251 (the magnitude represents the average value a (γ)). Is calculated.

一方、位相シフト法では、一周期を式(2)の未知数の数以上のステップ数に等分割した位相ステップ量でゾーンプレート15aの初期位相βを位相シフトすることにより一周期分だけ走査し、それによって得られた連立方程式を解析することによってコヒーレンス関数が算出される。   On the other hand, in the phase shift method, the initial phase β of the zone plate 15a is phase-shifted by a phase step amount that is equally divided into the number of steps equal to or greater than the number of unknowns in the equation (2), thereby scanning for one cycle. A coherence function is calculated by analyzing the simultaneous equations obtained thereby.

ところでフーリエ変換法および位相シフト法では、上述したように、ゾーンプレート15aの周波数γ毎の位相シフトが必要となる(少なくとも3回以上の位相シフトが必要となる)。すなわちゾーンプレート15aの周波数γの数をM、周波数γ毎の位相シフトの回数(走査される位相の数)をNとすると、ゾーンプレート15aはMxN個だけ必要になる。   By the way, in the Fourier transform method and the phase shift method, as described above, a phase shift for each frequency γ of the zone plate 15a is required (at least three or more phase shifts are required). That is, if the number of the frequency γ of the zone plate 15a is M and the number of phase shifts (the number of scanned phases) for each frequency γ is N, only M × N zone plates 15a are required.

すなわちゾーンプレート15aの周波数γと位相βを個別に変化させてデータを取得し、フーリエ変換法や位相シフト法をそのまま適用すれば、ゾーンプレート15aの全走査に時間がかかるとともに、長時間の走査で外界からのノイズを受けやすくなり、また計算量も増えるなどの問題が生じる。   That is, if the data is obtained by individually changing the frequency γ and the phase β of the zone plate 15a and the Fourier transform method or the phase shift method is applied as it is, it takes time for the entire scanning of the zone plate 15a and a long time scanning. This makes it easier to receive noise from the outside world and increases the amount of calculation.

そこで本発明では初期位相βと周波数γを、例えば式(4)に示すようにリニアな関係に設定することで、周波数γの走査と位相βのシフトが同時に行われるようにする。すなわち位相βも周波数γに対応してリニアに変化して、周波数γの走査に合わせて位相シフトも行われるようにしている。このようにすれば、位相シフトを別途行う必要がないので、データ量の削減と処理の高速化を図ることができる。
β=2πfcγ・・・(4)
Therefore, in the present invention, the initial phase β and the frequency γ are set in a linear relationship as shown in, for example, the equation (4), so that the scanning of the frequency γ and the shift of the phase β are performed simultaneously. That is, the phase β also changes linearly corresponding to the frequency γ, and the phase shift is also performed in accordance with the scanning of the frequency γ. In this way, there is no need to perform a phase shift separately, so that the amount of data can be reduced and the processing speed can be increased.
β = 2πfcγ (4)

この場合、ゾーンプレート15aの周波数γを走査すると観測画像の各画素の検出強度Idet(式(2))として、図18に示すようなキャリア信号が検出される。走査されている空間周波数γが実際の高さ周波数fcのキャリア周波数を持つ信号と対応していないとき、コヒーレンスは小さいため、キャリアの振幅も小さくなるが、空間周波数γが実際の高さと対応しているとき、コヒーレンスは大きいので、キャリアの振幅も大きくなる。つまり、キャリア信号の振幅がコヒーレンスの大きさを表している。   In this case, when the frequency γ of the zone plate 15a is scanned, a carrier signal as shown in FIG. 18 is detected as the detection intensity Idet (Equation (2)) of each pixel of the observation image. When the spatial frequency γ being scanned does not correspond to a signal having a carrier frequency of the actual height frequency fc, the coherence is small, so that the carrier amplitude is small, but the spatial frequency γ corresponds to the actual height. Since the coherence is large, the carrier amplitude is also large. That is, the amplitude of the carrier signal represents the magnitude of coherence.

そこでこのキャリア縞の振幅を検出するために、フーリエ変換法を使用し、図18の検出強度Idetをフーリエ変換すると、キャリア縞は余弦信号であることから、図17(C)を参照して説明したように、3つのスペクトルが得られる。   Therefore, when the Fourier transform method is used to detect the amplitude of the carrier fringes and the detected intensity Idet in FIG. 18 is Fourier transformed, the carrier fringes are cosine signals. Therefore, the explanation will be given with reference to FIG. Thus, three spectra are obtained.

そして−1次スペクトル252(または+1次スペクトル253)と0次スペクトル251の間の距離は、キャリア縞の周波数fcに対応し、−1次スペクトル252(または+1次スペクトル253)を抽出して逆フーリエ変換すれば、検出強度Idetの振幅b(γ)を求めることができる。   The distance between the −1st order spectrum 252 (or the + 1st order spectrum 253) and the 0th order spectrum 251 corresponds to the carrier fringe frequency fc, and the −1st order spectrum 252 (or the + 1st order spectrum 253) is extracted and reversed. If Fourier transform is performed, the amplitude b (γ) of the detected intensity Idet can be obtained.

なお、−1次スペクトル252(または+1次スペクトル253)と0次スペクトル251を抽出することができるためには、各スペクトルが重ならないことが必要となる。即ち、図19と図20に示されるように、−1次スペクトル252と+1次スペクトル253のそれぞれは、必ず0次スペクトル251とデータの左右境界線254および255の間に位置する必要がある。そして、−1次スペクトル252と+1次スペクトル253を0次スペクトル251から完全に分離することができるためには、キャリア縞の周波数fcが、−1次スペクトル252と+1次スペクトル253の幅fvの1/2以上ある必要がある。すなわち式(5)を満たす必要がある。
fc≧fv/2・・・(5)
In order to extract the −1st order spectrum 252 (or the + 1st order spectrum 253) and the 0th order spectrum 251, it is necessary that the spectra do not overlap. That is, as shown in FIGS. 19 and 20, each of the −1st order spectrum 252 and the + 1st order spectrum 253 must be positioned between the 0th order spectrum 251 and the left and right boundary lines 254 and 255 of the data. In order to completely separate the −1st order spectrum 252 and the + 1st order spectrum 253 from the 0th order spectrum 251, the carrier fringe frequency fc is equal to the width fv of the −1st order spectrum 252 and the + 1st order spectrum 253. Must be 1/2 or more. That is, it is necessary to satisfy Expression (5).
fc ≧ fv / 2 (5)

そしてさらに、もし−1次スペクトル252と+1次スペクトル253がデータの境界線254,255を越えると、スペクトルの境界線の外側部分がその境界線で切られて、完全なスペクトルにならないため、キャリア縞の周波数fcが(fs-fv)/2以下である必要がある。すなわち式(6)を満たす必要がある。ここでfsはプレート周波数γを走査するためのサンプリングレートである。
fc≦(fs-fv)/2・・・(6)
Further, if the −1st order spectrum 252 and the + 1st order spectrum 253 exceed the data boundary lines 254 and 255, the outer part of the spectrum boundary line is cut at the boundary line, and the complete spectrum is not obtained. The fringe frequency fc needs to be (fs-fv) / 2 or less. That is, it is necessary to satisfy Expression (6). Here, fs is a sampling rate for scanning the plate frequency γ.
fc ≦ (fs−fv) / 2 (6)

また、図21に示されるように、−1次スペクトル252と+1次スペクトル253の幅fvが周波数γのサンプリングレートfsの半分を超えると、−1次スペクトル252と+1次スペクトル253は内側が重なるかまたは外側がデータ境界線を越えることになり、完全な振幅のスペクトルが得られなくなるため、式(7)を満たす必要がある。
2fc≦fs/2・・・(7)
Further, as shown in FIG. 21, when the width fv of the −1st order spectrum 252 and the + 1st order spectrum 253 exceeds half the sampling rate fs of the frequency γ, the inside of the −1st order spectrum 252 and the + 1st order spectrum 253 overlap. Alternatively, the outer side exceeds the data boundary line, and a spectrum having a complete amplitude cannot be obtained. Therefore, it is necessary to satisfy Expression (7).
2fc ≦ fs / 2 (7)

以上のことから、周波数γのサンプリングレートfs、スペクトルの振幅fv、およびキャリア縞の周波数fcは式(8)を満たさなければ、独立の−1次スペクトル252と+1次スペクトル253が抽出できない。
fv/2≦fc≦(fs−fv)/2
2fc≦fs/2 ・・・・(8)
From the above, the independent −1st order spectrum 252 and + 1st order spectrum 253 cannot be extracted unless the sampling rate fs of the frequency γ, the spectrum amplitude fv, and the frequency fc of the carrier fringes satisfy Expression (8).
fv / 2 ≦ fc ≦ (fs−fv) / 2
2fc ≦ fs / 2 (8)

すなわち式(8)を満たせば、−1次スペクトル252(または+1次スペクトル253)の逆フーリエ変換を求めることで、検出強度Idetの振幅分布b (γ)が得られる。更に、0次の逆フーリエ変換を求めることで、検出強度Idetの平均値分布a (γ)が得られる。そしてコヒーレンスがb (γ)/a (γ)によって求められる。なおa(γ)は2次光源41の総強度で、検出強度Idetの直流成分であり、ゾーンプレート15aの周波数γが変化すると、aの値は少し変化するので、aを(γ)の関数で表すことができる。ただし、検出強度Idetの振幅変化に比べると小さいのでほぼ一定の値(a(γ)=a)としてもよい。   That is, if Expression (8) is satisfied, the amplitude distribution b (γ) of the detection intensity Idet is obtained by obtaining the inverse Fourier transform of the −1st order spectrum 252 (or the + 1st order spectrum 253). Furthermore, the average value distribution a (γ) of the detection intensity Idet is obtained by obtaining the 0th-order inverse Fourier transform. Then, coherence is obtained by b (γ) / a (γ). Note that a (γ) is the total intensity of the secondary light source 41, and is a direct current component of the detection intensity Idet. When the frequency γ of the zone plate 15a changes, the value of a changes slightly, so a is a function of (γ). Can be expressed as However, since it is smaller than the amplitude change of the detection intensity Idet, it may be a substantially constant value (a (γ) = a).

以上のように、初期位相βと周波数γ(=h/λf2)は式(4)に示す関係を有しているとともに、fcは、式(8)を満たす必要がある。したがって本発明ではこのような条件を満たす位相βと周波数γによってゾーンプレート15aが生成される。 As described above, the initial phase β and the frequency γ (= h / λf 2 ) have the relationship shown in the equation (4), and fc needs to satisfy the equation (8). Therefore, in the present invention, the zone plate 15a is generated by the phase β and the frequency γ that satisfy such conditions.

次に、パーソナルコンピュータ30のゾーンプレート生成部61(図3)の構成例について説明する。   Next, a configuration example of the zone plate generation unit 61 (FIG. 3) of the personal computer 30 will be described.

幅決定部81は、フーリエスペクトルの幅fvを決定する。走査ステップ決定部82は、ゾーンプレート15aの周波数γの走査ステップΔγを決定する。周波数決定部83は、幅決定部81により決定された幅fvと走査ステップ決定部82により決定された走査ステップΔγの逆数であるサンプリング周波数fsとの関係で式(8)を満たす、キャリア縞の周波数fcを決定する。   The width determining unit 81 determines the width fv of the Fourier spectrum. The scanning step determination unit 82 determines the scanning step Δγ of the frequency γ of the zone plate 15a. The frequency determining unit 83 satisfies the equation (8) with the relationship between the width fv determined by the width determining unit 81 and the sampling frequency fs that is the reciprocal of the scanning step Δγ determined by the scanning step determining unit 82. The frequency fc is determined.

生成部84は、式(4)に従って、周波数γと、周波数決定部83により決定されたキャリア縞の周波数fcから位相βを算出するとともに、周波数γと算出した位相βを有するゾーンプレート15aを生成する。   The generation unit 84 calculates the phase β from the frequency γ and the carrier fringe frequency fc determined by the frequency determination unit 83 according to the equation (4), and generates the zone plate 15a having the frequency γ and the calculated phase β. To do.

次に、ゾーンプレート生成部61により生成されたゾーンプレート15aによる被測定物体25の高さ測定処理を実行する、パーソナルコンピュータ30の計測処理部101(図4)の構成例について説明する。   Next, a configuration example of the measurement processing unit 101 (FIG. 4) of the personal computer 30 that executes the height measurement processing of the measured object 25 by the zone plate 15a generated by the zone plate generation unit 61 will be described.

モード設定部111は、計測処理部101により実行される計測処理のモードを設定する。   The mode setting unit 111 sets the mode of measurement processing executed by the measurement processing unit 101.

回転部112は、モータ21(図2)を制御して、拡散板20を回転させる。照射部113は、レーザ11を駆動してレーザ光を照射させる。   The rotating unit 112 controls the motor 21 (FIG. 2) to rotate the diffusion plate 20. The irradiation unit 113 drives the laser 11 to irradiate the laser beam.

合焦部114は、合焦処理を行う。設定部115は、観測系(結像レンズ22、駆動装置27、検出器28)の合焦位置を所定の基準位置に設定する。表示部116は、検出器28に結像された画像を表示する。   The focusing unit 114 performs a focusing process. The setting unit 115 sets the in-focus position of the observation system (imaging lens 22, driving device 27, detector 28) to a predetermined reference position. The display unit 116 displays the image formed on the detector 28.

ロード部117は、所定の周波数γの1つのゾーンプレート15aを選択し、コントロールドライバ31を介して空間光変調器15にロードする。測定部118は、検出器28に結像された画像(観測画像)の各画素の検出強度Idetを測定し、その測定結果を記憶部119に記憶させる。   The load unit 117 selects one zone plate 15 a having a predetermined frequency γ and loads it onto the spatial light modulator 15 via the control driver 31. The measurement unit 118 measures the detection intensity Idet of each pixel of the image (observation image) imaged on the detector 28 and stores the measurement result in the storage unit 119.

判定部120は、記憶部119に記憶された観測画像の1つの画素を選択し、選択部121は、合焦位置を選択し、読出部122は、判定部120で選択された画素の、選択部121で選択された合焦位置における測定値を記憶部119から読み出す。   The determination unit 120 selects one pixel of the observation image stored in the storage unit 119, the selection unit 121 selects a focus position, and the reading unit 122 selects the pixel selected by the determination unit 120. The measured value at the in-focus position selected by the unit 121 is read from the storage unit 119.

変換部123は、読出部122から読み出された測定値をフーリエ変換したり、フーリエ変換で得られたスペクトルの−1次スペクトルまたは+1次スペクトル、および0次スペクトルを逆フーリエ変換する。抽出部124は、変換部123でのフーリエ変換で得られたスペクトルから−1次スペクトルまたは+1次スペクトル、および0次スペクトルをそれぞれ抽出する。   The conversion unit 123 performs a Fourier transform on the measurement value read from the reading unit 122 or performs an inverse Fourier transform on the −1st order spectrum or the + 1st order spectrum and the 0th order spectrum of the spectrum obtained by the Fourier transform. The extraction unit 124 extracts a −1st order spectrum, a + 1st order spectrum, and a 0th order spectrum from the spectrum obtained by the Fourier transform in the conversion unit 123.

演算部125は、変換部123での−1次スペクトルまたは+1次スペクトル、および0次スペクトルの逆フーリエ変換で得られたb(γ)とa(γ)からコヒーレンスを算出するとともに、算出したコヒーレンスの最大値を求める。演算部125は、求めたコヒーレンスの最大値に対応する周波数γから画素に対応する被測定物体25の面高さを演算する。   The calculation unit 125 calculates coherence from b (γ) and a (γ) obtained by the inverse Fourier transform of the −1st order spectrum or the + 1st order spectrum in the conversion unit 123 and the 0th order spectrum, and the calculated coherence. Find the maximum value of. The computing unit 125 computes the surface height of the measured object 25 corresponding to the pixel from the frequency γ corresponding to the obtained maximum value of coherence.

図11のフローチャートを参照して、ゾーンプレート15aの生成処理を説明する。なおこの処理は、パーソナルコンピュータ30の図3に示すゾーンプレート生成部61により行われる。   With reference to the flowchart of FIG. 11, the generation process of the zone plate 15a will be described. This process is performed by the zone plate generator 61 shown in FIG.

ステップS11において、ゾーンプレート生成部61の幅決定部81は、フーリエスペクトルの幅fvを決定する。なおfvは、式(9)に示すように、ゾーンプレート15aの照明範囲の半径の最大値Rmaxを2乗した値である。なお予備実験(シミュレーションを含む)によって幅fvを推定することもできる。
fv=Rmax2・・・(9)
In step S11, the width determining unit 81 of the zone plate generating unit 61 determines the width fv of the Fourier spectrum. Note that fv is a value obtained by squaring the maximum value Rmax of the radius of the illumination range of the zone plate 15a as shown in the equation (9). The width fv can also be estimated by preliminary experiments (including simulation).
fv = Rmax 2 (9)

ステップS12において、走査ステップ決定部82は、ゾーンプレート15aの周波数γの走査ステップΔγを、式(10)に示すように、被測定物体の高さの検出単位Δh、被測定物体を測定するとき用いる光源の光の波長λ、および被測定物体を観測する観測系のレンズ22の焦点距離f(図6)に基づいて決定する。
1/fs=Δγ=Δh/λf2・・・(10)
In step S12, the scanning step determination unit 82 measures the scanning step Δγ of the frequency γ of the zone plate 15a by the detection unit Δh of the height of the measured object and the measured object as shown in the equation (10). The wavelength is determined based on the wavelength λ of the light source used and the focal length f (FIG. 6) of the observation system lens 22 for observing the object to be measured.
1 / fs = Δγ = Δh / λf 2 (10)

ステップS13において、周波数決定部83は、ステップS11で算出された幅fvとステップS12で算出されたサンプリング周波数fsとの関係の下で、式(8)を満たす、キャリア縞の周波数fcを決定する。   In step S13, the frequency determining unit 83 determines the carrier fringe frequency fc that satisfies the equation (8) under the relationship between the width fv calculated in step S11 and the sampling frequency fs calculated in step S12. .

ステップS14において、生成部84は、式(4)に従って、周波数γと、ステップS13で決定されたキャリア縞の周波数fcから位相βを算出する。   In step S14, the generation unit 84 calculates the phase β from the frequency γ and the carrier fringe frequency fc determined in step S13 according to the equation (4).

生成部84は、周波数γと算出した位相βを有するゾーンプレート15aを生成する。   The generation unit 84 generates the zone plate 15a having the frequency γ and the calculated phase β.

以上のようにしてゾーンプレート15aが生成される。   The zone plate 15a is generated as described above.

次に以上のように生成されたゾーンプレート15aによる、被測定物体25の高さ測定処理を、フローチャートを参照して説明する。被測定物体25の高さの分布が広く、すべての面25aが1つの被写界深度内に入らない場合、ユーザは、オートモードを設定する。この場合、図22と図23に示されるフォーカスの走査によって被写界深度を走査しながら高さを測定する処理(オートモードの計測処理)が行われる。なおこの処理は、パーソナルコンピュータ30の図4に示す計測処理部101により実行される。モードの設定は、モード設定部111により行われる。   Next, the height measurement process of the measured object 25 by the zone plate 15a generated as described above will be described with reference to a flowchart. When the height distribution of the object to be measured 25 is wide and all the surfaces 25a do not fall within one depth of field, the user sets the auto mode. In this case, the process of measuring the height while scanning the depth of field by the focus scanning shown in FIGS. 22 and 23 (auto mode measurement process) is performed. This process is executed by the measurement processing unit 101 of the personal computer 30 shown in FIG. Mode setting is performed by the mode setting unit 111.

ステップS51において、パーソナルコンピュータ30の計測処理部101の回転部112は、モータ21を制御して、拡散板20を回転させる。   In step S <b> 51, the rotation unit 112 of the measurement processing unit 101 of the personal computer 30 controls the motor 21 to rotate the diffusion plate 20.

次にステップS52において、照射部113は、レーザ11を駆動してレーザ光を照射させる。   Next, in step S52, the irradiation unit 113 drives the laser 11 to emit laser light.

ステップS53において、設定部115は、観測系の合焦位置を計測範囲の第1の基準位置に設定する。すなわち設定部115は、駆動装置27を駆動して、図26に示すように、結像レンズ26を垂直方向に移動させて、結像レンズ26のフォーカス点を測定範囲の第1の基準位置Paに設定する。そして合焦部114は、その位置で合焦処理を行う。これにより、被測定物体25がこの第1の基準位置Paに対応する高さの面を有していれば、その高さに合焦されることになる。   In step S53, the setting unit 115 sets the in-focus position of the observation system to the first reference position in the measurement range. That is, the setting unit 115 drives the driving device 27 to move the imaging lens 26 in the vertical direction as shown in FIG. 26 so that the focus point of the imaging lens 26 is set to the first reference position Pa in the measurement range. Set to. The focusing unit 114 performs focusing processing at that position. Thus, if the object to be measured 25 has a surface having a height corresponding to the first reference position Pa, the object is focused on that height.

このように結像レンズ26を合焦させるのは、図24に示すように観測点Aおよび観測点Bを被測定物体25の面25a上にフォーカスできれば、その観測点Aおよび観測点Bの検出強度Idetは、その点からの干渉光の干渉強度Iintの総和となり、その高さhに応じた値となる。図24の例では、高さh21の観測点Aからは、入射角θ1の光ビーム271の干渉光と入射角θ2の光ビーム272の干渉光が入射され、高さh22の観測点Bからは、入射角θ1の光ビーム271の干渉光と入射角θ2の光ビーム272の干渉光が入射される。   The focusing lens 26 is focused in this way if the observation point A and the observation point B can be focused on the surface 25a of the measured object 25 as shown in FIG. The intensity Idet is the sum of the interference intensity Iint of the interference light from that point, and is a value corresponding to the height h. In the example of FIG. 24, the interference light of the light beam 271 having the incident angle θ1 and the interference light of the light beam 272 having the incident angle θ2 are incident from the observation point A having the height h21, and from the observation point B having the height h22. The interference light of the light beam 271 having the incident angle θ1 and the interference light of the light beam 272 having the incident angle θ2 are incident.

一方、図25に示すように観測点Dが被測定物体25の面25a上にフォーカスされていない場合(面25aの上方の位置でフォーカスされている場合)、そのときの検出強度Idetは、点Dに入射する複数の点A,B,Cからの干渉光を含んだ干渉強度Iintの総和となるので、高さhだけに応じた値とならない。   On the other hand, as shown in FIG. 25, when the observation point D is not focused on the surface 25a of the measured object 25 (when focused at a position above the surface 25a), the detected intensity Idet at that time is a point Since this is the sum of the interference intensities Iint including interference light from a plurality of points A, B, and C incident on D, it does not become a value corresponding only to the height h.

その結果、面25aが鏡面であれば問題はないが、粗面である場合は高さを測定することができない。合焦することで面25aが粗面であっても高さを測定することが可能になる。   As a result, there is no problem if the surface 25a is a mirror surface, but if the surface 25a is a rough surface, the height cannot be measured. By focusing, the height can be measured even if the surface 25a is a rough surface.

次にステップS54において、表示部116は、検出器28に結像された画像を表示する。   Next, in step S54, the display unit 116 displays the image formed on the detector 28.

ステップS55において、ロード部117は、所定の周波数γの1つのゾーンプレート15a(図11で説明した生成処理で生成されたゾーンプレート15a)を選択し、コントロールドライバ31を介して空間光変調器15にロードする。   In step S <b> 55, the load unit 117 selects one zone plate 15 a having the predetermined frequency γ (the zone plate 15 a generated by the generation processing described with reference to FIG. 11), and the spatial light modulator 15 via the control driver 31. To load.

例えば図27Aの例では、はじめに周波数γ1のゾーンプレート15a−1がロードされる。   For example, in the example of FIG. 27A, the zone plate 15a-1 having the frequency γ1 is first loaded.

次にステップS56において、測定部118は、検出器28に結像された画像(観測画像)の各画素の検出強度Idetを測定し、ステップS57において、その測定結果を記憶部119に記憶させる。   Next, in step S56, the measurement unit 118 measures the detection intensity Idet of each pixel of the image (observation image) imaged on the detector 28, and stores the measurement result in the storage unit 119 in step S57.

このようにして、例えば図27Aの例では、画像IM1の各画素の検出強度Idetが測定され、その測定結果が記憶部119に記憶される。   In this way, for example, in the example of FIG. 27A, the detection intensity Idet of each pixel of the image IM1 is measured, and the measurement result is stored in the storage unit 119.

ステップS58において、ロード部117は、対象とする全てのゾーンプレート15aを選択したか否かを判定し、選択していないゾーンプレート15aがまだ残っていると判定した場合、ステップS55に戻り、次のゾーンプレート15a(他の周波数γのゾーンプレート15a)を選択し、それを空間光変調器15にロードする。その後、ステップS56以降の処理が同様に行われる。   In step S58, the loading unit 117 determines whether or not all target zone plates 15a have been selected. If it is determined that there are still unselected zone plates 15a, the load unit 117 returns to step S55, Zone plate 15a (zone plate 15a of other frequency γ) is selected and loaded into the spatial light modulator 15. Thereafter, the processing after step S56 is similarly performed.

すなわち図27Aの例では、ゾーンプレート15a−2(図示せず)乃至15a−mが順に選択され、選択されたゾーンプレート15aでの観測画像IM2(図示せず)乃至IMmの各画素の検出強度Idetがそれぞれ記憶部119に記憶される。   That is, in the example of FIG. 27A, zone plates 15a-2 (not shown) to 15a-m are selected in order, and the detection intensity of each pixel of the observed images IM2 (not shown) to IMm on the selected zone plate 15a. Each Idet is stored in the storage unit 119.

ステップS58で、すべてのゾーンプレート15aを選択したと判定された場合、ステップS59に進み、設定部115は、合焦位置を第2の基準位置Pb(図26)まで移動したか否かを判定し、まだその位置まで移動していないと判定した場合、ステップS60に進み、合焦位置を1ステップ分だけ計測範囲の第2の基準位置Pbの方向に移動させる。   If it is determined in step S58 that all the zone plates 15a have been selected, the process proceeds to step S59, where the setting unit 115 determines whether or not the in-focus position has been moved to the second reference position Pb (FIG. 26). If it is determined that the position has not been moved yet, the process proceeds to step S60, and the in-focus position is moved in the direction of the second reference position Pb in the measurement range by one step.

その後、ステップS54に戻り、それ以降の処理が同様に行われる。   Thereafter, the process returns to step S54, and the subsequent processing is similarly performed.

すなわち異なる合焦位置で、図27Aに示したように各ゾーンプレート15aでの観測画素の各画素の検出強度Idetが記憶部119に記憶される。   That is, at the different in-focus positions, as shown in FIG. 27A, the detection intensity Idet of each pixel of the observation pixels on each zone plate 15a is stored in the storage unit 119.

なお合焦位置を移動する1ステップ分の距離は、図28に示すように、所定の合焦位置の被写界深度の中にFPiと次の合焦位置の被写界深度FP(i+1)の距離が、被写界深度と同一か、それより小さくなるように設定されている。   As shown in FIG. 28, the distance of one step for moving the in-focus position is FPi in the depth of field at the predetermined in-focus position and the depth of field FP (i + in the next in-focus position). The distance of 1) is set to be equal to or smaller than the depth of field.

図22に戻りステップS59で、合焦位置が第2の基準位置Pbまで移動したと判定された場合、ステップS61(図23)に進み、判定部120は、記憶部119に記憶された各観測画像のそれぞれ対応する1つの画素を選択する。   Returning to FIG. 22, when it is determined in step S59 that the in-focus position has moved to the second reference position Pb, the process proceeds to step S61 (FIG. 23), and the determination unit 120 performs each observation stored in the storage unit 119. One pixel corresponding to each of the images is selected.

ステップS62において、選択部121は、1つの合焦位置を選択し、ステップS63において、読出部122は、ステップS61で選択された画素のステップS62で選択された合焦位置における各ゾーンプレート15aの選択時の検出強度Idetの測定値を記憶部119から読み出す。   In step S62, the selection unit 121 selects one in-focus position. In step S63, the reading unit 122 selects each of the zone plates 15a at the in-focus position selected in step S62 of the pixel selected in step S61. The measurement value of the detection intensity Idet at the time of selection is read from the storage unit 119.

例えばステップS61で、図27Aの例に示す画素Aが選択された場合、ステップS62で選択された合焦位置における各ゾーンプレート15aの選択時の画素Aの検出強度Idetがそれぞれ読み出される。これにより、図27Bと図29の最も左側に示されるような検出強度Idetが得られることになる。   For example, when the pixel A shown in the example of FIG. 27A is selected in step S61, the detection intensity Idet of the pixel A when the zone plate 15a is selected at the in-focus position selected in step S62 is read out. As a result, a detection intensity Idet as shown on the leftmost side of FIGS. 27B and 29 is obtained.

次にステップS64において、変換部123は、ステップS63で読み出された測定値をフーリエ変換する(図29のS64)。なお図29は、所定のステップの処理を模式的に表したものであり、対応するステップについては、図29の対応する部分を示す。   Next, in step S64, the conversion unit 123 performs a Fourier transform on the measurement value read in step S63 (S64 in FIG. 29). FIG. 29 schematically shows the processing of a predetermined step, and corresponding steps in FIG. 29 indicate corresponding portions.

ステップS65において、抽出部124は、ステップS64でのフーリエ変換で得られたスペクトルから−1次スペクトルと0次スペクトルを抽出する(図29のS65)。   In step S65, the extraction unit 124 extracts the −1st order spectrum and the 0th order spectrum from the spectrum obtained by the Fourier transform in step S64 (S65 in FIG. 29).

次にステップS66において、変換部123は、ステップS65で抽出された−1次スペクトルと0次スペクトルを逆フーリエ変換し、b(γ)とa(γ)を求める(図29のS66)。   Next, in step S66, the conversion unit 123 performs inverse Fourier transform on the −1st order spectrum and the 0th order spectrum extracted in step S65 to obtain b (γ) and a (γ) (S66 in FIG. 29).

ステップS67において、演算部125は、ステップS66で算出されたb(γ)とa(γ)からコヒーレンス(=b(γ)/a(γ))を演算する(図29のS67)。   In step S67, the calculation unit 125 calculates coherence (= b (γ) / a (γ)) from b (γ) and a (γ) calculated in step S66 (S67 in FIG. 29).

次にステップS68において、演算部125は、コヒーレンスの最大値を求める。すなわちステップS61で選択された画素の、ステップS62で選択された合焦位置における各ゾーンプレート15aの選択時のコヒーレンスの中の最大値が求められる。   Next, in step S68, the calculation unit 125 obtains the maximum value of coherence. That is, the maximum value of the coherence at the time of selecting each zone plate 15a at the in-focus position selected in step S62 for the pixel selected in step S61 is obtained.

次にステップS69において、選択部121は、まだ処理していない合焦位置があるか否かを判定し、まだ処理していない合焦位置が存在すると判定した場合、ステップS62に戻り、次の合焦位置が選択され、ステップS63以降の処理が同様に行われる。   Next, in step S69, the selection unit 121 determines whether or not there is an in-focus position that has not yet been processed. If it is determined that there is an in-focus position that has not yet been processed, the selection unit 121 returns to step S62 and proceeds to the next step. The in-focus position is selected, and the processing after step S63 is similarly performed.

ステップS69で、処理していない合焦位置が存在しないと判定された場合、ステップS70に進み、演算部125は、各合焦位置に対応するコヒーレンス最大値の中から最も大きなコヒーレンス値を求める。   If it is determined in step S69 that there is no unprocessed in-focus position, the process proceeds to step S70, and the calculation unit 125 obtains the largest coherence value from among the coherence maximum values corresponding to each in-focus position.

ステップS71において、演算部125は、最も大きなコヒーレンス最大値に対応する周波数γを演算し(その最大値が得られたゾーンプレート15aの周波数γを取得し)、ステップS72において、その周波数γに対応する高さhを演算する(h=γλf2)。 In step S71, the calculation unit 125 calculates the frequency γ corresponding to the largest coherence maximum value (acquires the frequency γ of the zone plate 15a from which the maximum value was obtained), and in step S72, corresponds to the frequency γ. The height h to be calculated is calculated (h = γλf 2 ).

ステップS73において、まだ処理していない画素があるか否かが判定され、まだ処理していない画素が残っていると判定された場合、ステップS61に戻り、次の画素が選択されて、ステップS62以降の処理が同様に行われる。   In step S73, it is determined whether or not there is a pixel that has not yet been processed. If it is determined that there is a pixel that has not yet been processed, the process returns to step S61 to select the next pixel, and step S62. Subsequent processing is similarly performed.

ステップS73で、処理していない画素がないと判定された場合、ステップS74に進み、演算部125は、ステップS72で演算した各画素の高さに基づいて被測定物体25の形状を演算する。   If it is determined in step S73 that there is no unprocessed pixel, the process proceeds to step S74, and the calculation unit 125 calculates the shape of the measured object 25 based on the height of each pixel calculated in step S72.

ステップS75において、表示部116は、ステップS74で演算された形状に応じた画像を測定画像として表示する。   In step S75, the display unit 116 displays an image corresponding to the shape calculated in step S74 as a measurement image.

以上のようにして被測定物体25の面の各部の高さ(形状)が測定される。   As described above, the height (shape) of each part of the surface of the measured object 25 is measured.

例えば所定の被写界深度内に、図30に示すように、周波数γ1で干渉強度Iintが最大に変化する高さhiの点piと、周波数γ2で干渉強度intが最大に変化する高さhkの点pkが存在する場合、点piに対応する画素からは、周波数γ1のゾーンプレート15a−iでの走査時に振幅が最大となるスペクトル分布が得られるので、周波数γ1から点piの高さを算出することができる。また点pkに対応する画素からは、周波数γ2のゾーンプレート15a−kでの走査時に振幅が最大となるスペクトル分布が得られるので、周波数γ2から点pkの高さを算出することができる。   For example, within a predetermined depth of field, as shown in FIG. 30, a point pi having a height hi at which the interference intensity Iint changes to the maximum at the frequency γ1, and a height hk at which the interference intensity int changes to the maximum at the frequency γ2. When the point pk exists, the pixel corresponding to the point pi can obtain a spectrum distribution having the maximum amplitude when scanning with the zone plate 15a-i having the frequency γ1, so that the height of the point pi from the frequency γ1 is obtained. Can be calculated. Also, since the spectrum corresponding to the maximum amplitude is obtained from the pixel corresponding to the point pk when scanning with the zone plate 15a-k having the frequency γ2, the height of the point pk can be calculated from the frequency γ2.

またこの例の場合フォーカスの走査によって被写界深度が走査されるので、図31に示すようにフォーカスとゾーンプレート15aの周波数γの両方の走査によりコヒーレンス分布が得られ、その中の最大値が現れている場所が、実際の物体面の高さを示してことになる。すなわち図31Aの例の場合、周波数γ1から物体面の高さが求められ、図31Bの例の場合、周波数γkから物体面の高さが求められる。   In this example, since the depth of field is scanned by the focus scanning, a coherence distribution is obtained by scanning both the focus and the frequency γ of the zone plate 15a as shown in FIG. The appearing location shows the actual height of the object surface. That is, in the example of FIG. 31A, the height of the object surface is obtained from the frequency γ1, and in the example of FIG. 31B, the height of the object surface is obtained from the frequency γk.

以上のように、ゾーンプレート15aの位相を周波数γによって規定し(式(4))、位相シフトによる走査が自動的に行われるようにしたので、迅速に測定処理を行うことができる。すなわち本発明で走査数(ゾーンプレートの数)は、周波数γの数(M)だけとなるので、従来の場合(図1)(M×N)に比べると、最低でもN=3であるとすると、データ量を1/3以下に削減することができる。   As described above, the phase of the zone plate 15a is defined by the frequency γ (equation (4)), and the scanning by the phase shift is automatically performed, so that the measurement process can be performed quickly. That is, in the present invention, the number of scans (number of zone plates) is only the number (M) of frequencies γ, and therefore N = 3 at least as compared with the conventional case (FIG. 1) (M × N). Then, the data amount can be reduced to 1/3 or less.

なお、本明細書において、記録媒体により提供されるプログラムを記述するステップは、記載された順序に沿って時系列的に行われる処理はもちろん、必ずしも時系列的に処理されなくとも、並列的あるいは個別に実行される処理をも含むものである。   In the present specification, the step of describing the program provided by the recording medium is not limited to the processing performed in chronological order according to the described order, but is not necessarily performed in chronological order. It also includes processes that are executed individually.

従来の高さ測定方法を説明する図である。It is a figure explaining the conventional height measuring method. 本発明を適用した測定装置10の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the measuring apparatus 10 to which this invention is applied. ゾーンプレート生成部61の構成例を示すブロック図である。4 is a block diagram illustrating a configuration example of a zone plate generation unit 61. FIG. 計測処理部101の構成例を示すブロック図である。3 is a block diagram illustrating a configuration example of a measurement processing unit 101. FIG. 入射角θを説明する図である。It is a figure explaining incident angle (theta). 入射角θを説明する他の図である。It is another figure explaining incident angle (theta). 光源強度Isの例を示す図である。It is a figure which shows the example of light source intensity Is. 検出強度Idetの例を示す図である。It is a figure which shows the example of detection intensity Idet. 検出強度Idetの他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of detection intensity Idet. 高さ検出の例を示す図である。It is a figure which shows the example of height detection. ゾーンプレート生成処理を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining a zone plate production | generation process. 高さ検出の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of height detection. 高さ検出の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of height detection. 位相シフトを説明する図である。It is a figure explaining a phase shift. 高さ検出の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of height detection. 位相シフトを説明する他の図である。It is another figure explaining a phase shift. 高さ検出の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of height detection. キャリアの振幅を説明する図である。It is a figure explaining the amplitude of a carrier. フーリエ変換結果を示す図である。It is a figure which shows a Fourier-transform result. 他のフーリエ変換結果を示す図である。It is a figure which shows another Fourier-transform result. 他のフーリエ変換結果を示す図である。It is a figure which shows another Fourier-transform result. 高さ計測処理を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining a height measurement process. 高さ計測処理を説明する他のフローチャートである。It is another flowchart explaining a height measurement process. フォーカス走査について説明する図である。It is a figure explaining focus scanning. フォーカス走査について説明する他の図である。It is another figure explaining focus scanning. 被写界深度を説明する図である。It is a figure explaining depth of field. 高さ計測処理を説明する図である。It is a figure explaining height measurement processing. 被写界深度を説明する他の図である。It is another figure explaining depth of field. 高さ計測処理を説明する他の図である。It is another figure explaining a height measurement process. 高さ計測処理を説明する他の図である。It is another figure explaining a height measurement process. 高さ計測処理を説明する他の図である。It is another figure explaining a height measurement process.

符号の説明Explanation of symbols

11 レーザ, 12 ビームエクスパンダ, 13,17,19,22 レンズ, 14,16 偏光板, 15 空間光変調器(SLM), 15a ゾーンプレート18 ピンホール, 20 拡散板, 21 モータ, 23 ビームスプリッタ, 24 参照面, 25 被測定物体, 26 結像レンズ, 27 駆動装置, 28 検出器, 29 検出器ドライバ, 30 パーソナルコンピュータ, 31 SLMコントロールドライバ, 41 ゾーンプレート   11 laser, 12 beam expander, 13, 17, 19, 22 lens, 14, 16 polarizing plate, 15 spatial light modulator (SLM), 15a zone plate 18 pinhole, 20 diffuser plate, 21 motor, 23 beam splitter, 24 reference plane, 25 object to be measured, 26 imaging lens, 27 driving device, 28 detector, 29 detector driver, 30 personal computer, 31 SLM control driver, 41 zone plate

Claims (4)

ゾーンプレートに基づき形成されたゾーンプレート状の光強度分布により光源の強度を入射角に応じた値に調整して、被測定物体の高さを測定する測定装置において、
観測系の合焦位置を測定範囲の第1の基準位置に設定した後、前記測定範囲の第2の基準位置に達するまで、前記観測系のレンズの被写界深度に対応する分ずつ順次移動する設定手段と、
前記合焦位置のそれぞれにおいて、所定の周波数の前記ゾーンプレートを順次選択する選択手段と、
選択された前記ゾーンプレートを用いて強度を入射角に応じた値に調整した光を前記被測定物体に照射して検出強度を測定する測定手段と、
前記選択手段により順次選択された前記ゾーンプレートの各々を用いて、前記測定手段によりそれぞれ測定された前記検出強度に基づいて、その振幅をその平均値で除算して得られるコヒーレンスの分布を求め、前記コヒーレンスの最大値が得られた前記ゾーンプレートの周波数に基づいて、前記被測定物体の高さを演算する演算手段と
を備え、
前記選択手段は、初期位相が、1周期を表す定数である2π、前記検出強度として検出されるキャリア信号の周波数、および前記ゾーンプレートの周波数の積に基づいて決定されるように規定されている前記ゾーンプレートを選択する
ことを特徴とする測定装置。
In a measuring apparatus that measures the height of an object to be measured by adjusting the intensity of the light source to a value corresponding to the incident angle by the zone plate-shaped light intensity distribution formed based on the zone plate,
After the in-focus position of the observation system is set to the first reference position of the measurement range, it is sequentially moved by an amount corresponding to the depth of field of the lens of the observation system until it reaches the second reference position of the measurement range. Setting means to
Selection means for sequentially selecting the zone plates of a predetermined frequency at each of the in-focus positions;
Measuring means for irradiating the object to be measured with light whose intensity is adjusted to a value corresponding to an incident angle using the selected zone plate, and measuring the detected intensity;
Using each of the zone plates sequentially selected by the selection means, based on the detection intensity respectively measured by the measurement means, obtain a distribution of coherence obtained by dividing the amplitude by the average value, A calculation means for calculating the height of the object to be measured based on the frequency of the zone plate from which the maximum value of the coherence was obtained;
It said selection means, initial phase, 2 [pi is a constant representing the one period, the frequency of the carrier signal is detected as the detected intensity, and the so defined that is determined based on the product of the frequency of the zone plate The zone plate is selected.
前記検出強度をフーリエ変換するフーリエ変換手段と、
フーリエ変換して得られるスペクトルから、0次スペクトルと−1次または+1次スペクトルを抽出する抽出手段と、
抽出した前記0次スペクトルと−1次または+1次スペクトルを逆フーリエ変換する逆フーリエ変換手段と、
をさらに備え、
前記演算手段は、
前記−1次または+1次スペクトルを逆フーリエ変換して得られた値を、前記0次スペクトルを逆フーリエ変換して得られた値で除算することによって、前記コヒーレンスの分布を求め、前記コヒーレンスの最大値が得られた前記ゾーンプレートの周波数に基づいて、前記被測定物体の高さを演算する
ことを特徴とする請求項1に記載の測定装置。
Fourier transform means for Fourier transforming the detected intensity;
Extraction means for extracting a zeroth-order spectrum and a −1st-order or + 1st-order spectrum from a spectrum obtained by Fourier transform;
An inverse Fourier transform means for performing an inverse Fourier transform on the extracted 0th order spectrum and −1st order or + 1st order spectrum;
Further comprising
The computing means is
By dividing the value obtained by inverse Fourier transform of the −1st order or + 1st order spectrum by the value obtained by inverse Fourier transform of the 0th order spectrum, the distribution of the coherence is obtained, The measuring apparatus according to claim 1, wherein the height of the object to be measured is calculated based on the frequency of the zone plate from which the maximum value is obtained.
ゾーンプレートに基づき形成されたゾーンプレート状の光強度分布により光源の強度を入射角に応じた値に調整して、被測定物体の高さを測定する測定装置の測定方法において、
観測系の合焦位置を測定範囲の第1の基準位置に設定した後、前記測定範囲の第2の基準位置に達するまで、前記観測系のレンズの被写界深度に対応する分ずつ順次移動する設定ステップと、
前記合焦位置のそれぞれにおいて、所定の周波数の前記ゾーンプレートを順次選択する選択ステップと、
選択された前記ゾーンプレートを用いて強度を入射角に応じた値に調整した光を前記被測定物体に照射して検出強度を測定する測定ステップと、
前記選択ステップの処理により順次選択された前記ゾーンプレートの各々を用いて、前記測定ステップの処理によりそれぞれ測定された前記検出強度に基づいて、その振幅をその平均値で除算して得られるコヒーレンスの分布を求め、前記コヒーレンスの最大値が得られた前記ゾーンプレートの周波数に基づいて、前記被測定物体の高さを演算する演算ステップと
を含み、
前記選択ステップの処理は、初期位相が、1周期を表す定数である2π、前記検出強度として検出されるキャリア信号の周波数、および前記ゾーンプレートの周波数の積に基づいて決定されるように規定されている前記ゾーンプレートを選択する
ことを特徴とする測定方法。
In the measuring method of the measuring device for measuring the height of the object to be measured by adjusting the intensity of the light source to a value corresponding to the incident angle by the zone plate-shaped light intensity distribution formed based on the zone plate,
After the in-focus position of the observation system is set to the first reference position of the measurement range, it is sequentially moved by an amount corresponding to the depth of field of the lens of the observation system until it reaches the second reference position of the measurement range. A setting step to
A selection step of sequentially selecting the zone plates of a predetermined frequency at each of the in-focus positions;
A measurement step of irradiating the object to be measured with light whose intensity is adjusted to a value according to an incident angle using the selected zone plate, and measuring the detected intensity;
Using each of the zone plates sequentially selected by the process of the selection step, the coherence obtained by dividing the amplitude by the average value based on the detected intensity respectively measured by the process of the measurement step. Calculating a distribution and calculating a height of the object to be measured based on the frequency of the zone plate from which the maximum value of the coherence is obtained, and
The process of selection steps, initial phase, defined as determined based on 2π is a constant representing one period, the frequency of the carrier signal is detected as the detected intensity, and the product of the frequency of the zone plate A measuring method comprising: selecting the zone plate that is provided.
ゾーンプレートに基づき形成されたゾーンプレート状の光強度分布により光源の強度を入射角に応じた値に調整して、被測定物体の高さを測定する測定装置のプログラムにおいて、
観測系の合焦位置を測定範囲の第1の基準位置に設定した後、前記測定範囲の第2の基準位置に達するまで、前記観測系のレンズの被写界深度に対応する分ずつ順次移動する設定ステップと、
前記合焦位置のそれぞれにおいて、所定の周波数の前記ゾーンプレートを順次選択する選択ステップと、
選択された前記ゾーンプレートを用いて強度を入射角に応じた値に調整した光を前記被測定物体に照射して検出強度を測定する測定ステップと、
前記選択ステップの処理により順次選択された前記ゾーンプレートの各々を用いて、前記測定ステップの処理によりそれぞれ測定された前記検出強度に基づいて、その振幅をその平均値で除算して得られるコヒーレンスの分布を求め、前記コヒーレンスの最大値が得られた前記ゾーンプレートの周波数に基づいて、前記被測定物体の高さを演算する演算ステップと
を含み、
前記選択ステップの処理は、初期位相が、1周期を表す定数である2π、前記検出強度として検出されるキャリア信号の周波数、および前記ゾーンプレートの周波数の積に基づいて決定されるように規定されている前記ゾーンプレートを選択する
制御処理をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。
In the program of the measuring apparatus for measuring the height of the object to be measured by adjusting the intensity of the light source to a value corresponding to the incident angle by the zone plate-shaped light intensity distribution formed based on the zone plate,
After the in-focus position of the observation system is set to the first reference position of the measurement range, it is sequentially moved by an amount corresponding to the depth of field of the lens of the observation system until it reaches the second reference position of the measurement range. A setting step to
A selection step of sequentially selecting the zone plates of a predetermined frequency at each of the in-focus positions;
A measurement step of irradiating the object to be measured with light whose intensity is adjusted to a value according to an incident angle using the selected zone plate, and measuring the detected intensity;
Using each of the zone plates sequentially selected by the process of the selection step, the coherence obtained by dividing the amplitude by the average value based on the detected intensity respectively measured by the process of the measurement step. Calculating a distribution and calculating a height of the object to be measured based on the frequency of the zone plate from which the maximum value of the coherence is obtained, and
The process of selection steps, initial phase, defined as determined based on 2π is a constant representing one period, the frequency of the carrier signal is detected as the detected intensity, and the product of the frequency of the zone plate A program for causing a computer to execute a control process of selecting the zone plate being performed.
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