JP4788968B2 - Focal plane tilt type confocal surface shape measuring device - Google Patents
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Description
本発明は、物体の表面形状を測定する表面形状計測装置の構造に関する。 The present invention relates to a structure of a surface shape measuring apparatus that measures the surface shape of an object.
共焦点光学系を用いると物体の光軸（以下Ｚ軸と称する）方向の位置（以下高さと称する）を精度良く計測することが可能である。従来技術の説明に先立ち共焦点光学系による高さ計測の原理を解説する。共焦点光学系の基本構成を図１０に示す。点光源１０１からでた光は対物レンズ１０３により集光され物体に投影される。物体から反射して再び対物レンズ１０３に入射した光はハーフミラー１０２を介して点光源１０１と光学的に同じ位置にあるピンホール１０４に入射し、ピンホール１０４を通過した光の量が検出器１０５により計測される。これが共焦点光学系の基本的な構造である。このような光学系を用いると物体表面上の高さが次のようにして計測できる。物体表面が点光源１０１に共役な位置にある場合、反射光は同じく共役な位置であるピンホール１０４面に収束し、多くの反射光がピンホール１０４を通過する。しかし物体表面が点光源に共役な位置から離れるとピンホール１０４を通過する光量は急速に減少する。このことから物体と対物レンズ１０３との距離を変化させて検出器１０５が最大出力を示す点を見つければ物体表面の高さが分かったことになる。以上が共焦点光学系による高さ計測の原理である。 When the confocal optical system is used, it is possible to accurately measure the position (hereinafter referred to as height) of the object in the optical axis (hereinafter referred to as Z axis) direction. Prior to the explanation of the prior art, the principle of height measurement by the confocal optical system will be explained. The basic configuration of the confocal optical system is shown in FIG. Light emitted from the point light source 101 is condensed by the objective lens 103 and projected onto the object. The light reflected from the object and incident on the objective lens 103 again enters the pinhole 104 at the same optical position as the point light source 101 via the half mirror 102, and the amount of the light that has passed through the pinhole 104 is detected by the detector. It is measured by 105. This is the basic structure of the confocal optical system. When such an optical system is used, the height on the object surface can be measured as follows. When the object surface is at a position conjugate with the point light source 101, the reflected light converges on the surface of the pinhole 104, which is also a conjugate position, and much reflected light passes through the pinhole 104. However, when the object surface moves away from the position conjugate with the point light source, the amount of light passing through the pinhole 104 decreases rapidly. Therefore, if the distance between the object and the objective lens 103 is changed to find a point where the detector 105 shows the maximum output, the height of the object surface is known. The above is the principle of height measurement by the confocal optical system.
共焦点光学系は基本的に物体表面上の１点のみを計測対象としているが、三次元形状計測の為には面的な計測が必要である。共焦点光学系を用いて二次元画像（以下共焦点画像と称する）を得る為には何らかの走査手段を持つかまたは共焦点光学系の並列化かを行う必要がある。後者の並列化を行う典型的な光学系として二次元配列型共焦点光学系を持つ装置として、本発明者により既に出願された特許文献1に記されている。この装置を二次元配列型共焦点光学系の代表例として図１１を用いて説明する。 Although the confocal optical system basically measures only one point on the object surface, planar measurement is required for three-dimensional shape measurement. In order to obtain a two-dimensional image (hereinafter referred to as a confocal image) using the confocal optical system, it is necessary to have some scanning means or to parallelize the confocal optical system. A device having a two-dimensional array type confocal optical system as a typical optical system for performing the latter parallelization is described in Patent Document 1 already filed by the present inventor . This apparatus will be described with reference to FIG. 11 as a representative example of a two-dimensional array type confocal optical system.
光源２０１から射出された照明光は照明ピンホール２０２とコリメーターレンズ２０３とによって並行光となってビームスプリッター２０４に入射する。ビームスプリッター２０４を下方に通過した照明光はマイクロレンズアレイ２０５に入射し、マイクロレンズアレイ２０５の各レンズ毎に各レンズの焦点位置に微小スポットを形成する。マイクロレンズアレイ２０５の焦点面はピンホールアレイ２０６となっており、各ピンホールはマイクロレンズアレイ２０５の各レンズと同軸である。この為照明光のほとんどはピンホールアレイ２０６を通過する。ピンホールアレイ２０６からでる照明光はちょうど点光源が並列に並べられていることに相当し、レンズ２０７ａ、レンズ２０７ｂと絞り２０８よりなる両側テレセントリックな対物レンズ２０７によりピンホールアレイ２０６の像（つまり多数の微小スポット）となって物体Ａに投影されることになる。物体Ａからの反射光は対物レンズ２０７によりピンホールアレイ２０６付近に集光される。ピンホールアレイ２０６は点計測型の共焦点光学系の、検出器側のピンホールの役目をもっており、物体Ａに投影された各微小スポットの焦点位置（収束位置）に物体表面があれば対応するピンホールを多くの反射光が通過するが、物体Ａの表面が焦点位置からはずれると反射光がピンホールを通過する光量は小さくなる。ピンホールアレイ２０６を通過した反射光はマイクロレンズアレイ２０５により各レンズから平行ビームとなって射出され、ビームスプリッター２０４により偏向させられ、縮小レンズ２０９によりビーム径が縮小されて二次元検出器２１０によりその強度が検出される。 Illumination light emitted from the light source 201 enters the beam splitter 204 as parallel light by the illumination pinhole 202 and the collimator lens 203. The illumination light that has passed through the beam splitter 204 enters the microlens array 205, and forms a micro spot at the focal position of each lens for each lens of the microlens array 205. The focal plane of the microlens array 205 is a pinhole array 206, and each pinhole is coaxial with each lens of the microlens array 205. For this reason, most of the illumination light passes through the pinhole array 206. Illumination light emitted from the pinhole array 206 is equivalent to point light sources arranged in parallel. An image of the pinhole array 206 (that is, a large number of images) is obtained by the bilateral telecentric objective lens 207 including the lens 207a, the lens 207b, and the stop 208. ) And is projected onto the object A. The reflected light from the object A is collected near the pinhole array 206 by the objective lens 207. The pinhole array 206 serves as a pinhole on the detector side of the point measurement type confocal optical system, and corresponds to any object surface at the focal position (convergence position) of each minute spot projected onto the object A. A lot of reflected light passes through the pinhole, but when the surface of the object A deviates from the focal position, the amount of light that passes through the pinhole becomes small. The reflected light that has passed through the pinhole array 206 is emitted as a parallel beam from each lens by the microlens array 205, deflected by the beam splitter 204, the beam diameter is reduced by the reduction lens 209, and the two-dimensional detector 210. Its intensity is detected.
このような構造により共焦点画像全点が同時並列的に検出されることになる。Ｚ軸方向に移動して焦点位置の異なる複数の共焦点画像を得て、画像各点毎に強度が最大となる画像を見つければ物体Ａの表面形状が計測できる。 With this structure, all confocal image points are detected simultaneously in parallel. The surface shape of the object A can be measured by obtaining a plurality of confocal images having different focal positions by moving in the Z-axis direction and finding an image having the maximum intensity for each point of the image.
ただし、多くの場合、物体の大きさは共焦点撮像系の一視野内には収まらない。そこで実際には物体に対する共焦点光学系の視野の位置を、XYテーブルを用いて移動させる必要がある。つまりZスキャンの為の移動機構を考えるとXYZ３軸の制御、移動が必要となる。装置コストおよび取り扱いを考えれば移動軸数はできるだけ少ない方が良い。 However, in many cases, the size of the object does not fit within one field of view of the confocal imaging system. Therefore, it is actually necessary to move the position of the field of view of the confocal optical system with respect to the object using an XY table. In other words, considering the movement mechanism for Z scan, it is necessary to control and move the XYZ three axes. Considering the equipment cost and handling, the number of moving axes should be as small as possible.
また、このような構造であると、XY移動してXYテーブルを停止した状態でZスキャンを行う必要がある為、XY移動、停止、Zスキャンのサイクルを繰り返さなければならない。装置の高速性、取り扱いの容易性を考えればできるだけXY移動において停止することなく計測できた方が良い。 In addition, with such a structure, since it is necessary to perform a Z scan with the XY movement and the XY table stopped, the cycle of the XY movement, stop, and Z scan must be repeated. Considering the high speed and ease of handling of the device, it is better to be able to measure without stopping during XY movement as much as possible.
そこで、本発明者により既に出願された特許文献２において、Zスキャンを行うことなく、かつできるだけXY移動において停止することなく表面形状が計測できる表面形状計測装置（以下、焦点面傾斜型共焦点表面形状計測装置と称する）を提供している。次に本発明の基礎となっている焦点面傾斜型共焦点表面形状計測装置について説明をする。 Therefore, in Patent Document 2 already filed by the present inventor, a surface shape measuring device (hereinafter referred to as a focal plane inclined confocal surface) capable of measuring a surface shape without performing a Z scan and stopping as much as possible in the XY movement. (Referred to as a shape measuring device). Next, the focal plane inclined confocal surface shape measuring apparatus which is the basis of the present invention will be described.
焦点面傾斜型共焦点表面形状計測装置は少なくとも一軸の移動機構と、前記移動機構の、ある軸の移動方向に対して物体側焦点面が傾斜するように配置された共焦点撮像系と、前記共焦点撮像系の視野を前記移動方向にN等分し、１／N視野移動する毎に前記共焦点撮像系により共焦点画像を得て、得られた複数の共焦点画像から物体の表面形状を演算する画像処理装置とにより構成されている。 The focal plane tilted confocal surface shape measuring apparatus includes at least a uniaxial movement mechanism, a confocal imaging system arranged so that an object-side focal plane is inclined with respect to a movement direction of a certain axis of the movement mechanism, The field of view of the confocal imaging system is equally divided into N in the moving direction, and a confocal image is obtained by the confocal imaging system every time the 1 / N field of view moves, and the surface shape of the object is obtained from the plurality of obtained confocal images And an image processing device for calculating
このようにすると連続するN枚の共焦点画像には物体の同じ部位が１／N視野分ずつずれて写ることになり、共焦点撮像系の物体側焦点面は傾斜している為N枚の共焦点画像に写っている、物体の同じ部位の画像はそれぞれ焦点位置が変化していることになりN段階のZスキャンを行ったことになる。焦点位置がN段階変化した画像列から従来の共焦点光学系による表面形状計測と同様に最大の輝度を与える画像を探せば、共焦点撮像系の物体側焦点面の傾きは事前に正確に計測しておくことが可能であるから、最大輝度を与える画像がN段階中の何段目にくるかによって物体表面のZ位置を正確に求めることが可能になる。 In this way, the same part of the object appears in the N confocal images continuously shifted by 1 / N field of view, and the object-side focal plane of the confocal imaging system is inclined, so N The images of the same part of the object in the confocal image have their focal positions changed, and N-stage Z scans have been performed. If you search for an image that gives the maximum brightness in the same way as the surface shape measurement by the conventional confocal optical system from the image sequence where the focal position has changed by N stages, the inclination of the object-side focal plane of the confocal imaging system can be accurately measured in advance. Therefore, it is possible to accurately obtain the Z position of the object surface depending on the number of stages in the N stages where the image giving the maximum luminance comes.
また、共焦点撮像系は二次元配列型共焦点光学系とし、共焦点撮像系の物体側焦点面が傾斜している方向への移動は、計測範囲内を停止することなく移動し、１／N視野ごとにタイミングセンサによる信号に同期してシャッターまたはストロボまたはその両方を用いて撮像の為の露光を行うようにすれば、非常に広い視野範囲を高速に計測する事が可能になる。 The confocal imaging system is a two-dimensional array type confocal optical system, and the movement in the direction in which the object side focal plane of the confocal imaging system is tilted moves without stopping within the measurement range. If exposure for imaging is performed using a shutter and / or a strobe in synchronism with the signal from the timing sensor for each N fields of view, a very wide field range can be measured at high speed.
また、共焦点撮像系の物体側焦点面を対物レンズの光軸に対してピンホールアレイ面を傾けて設置することによるようにすれば物体に対して光学系の光軸が傾かない為、より良い照明を施すことができる。
しかし、焦点面傾斜型共焦点表面形状計測装置は、一軸移動機構による連続的ステージ移動である為、シャープな画像を得る為には露光時間を極端に短くしなければならない。その様子を図９に示す。具体的にいうと、１／Ｎ視野移動にかかる所要時間＝撮像周期を10msとし、１／Ｎ視野内には移動軸方向に30画素列存在し、露光時間中の移動により発生するボケを一画素以内に収めると規定すると、露光時間は0.33msしか許容できないことになる。逆に、露光時間を十分とろうとすると撮像周期を長くする必要があり高速性との関係から好ましくない。結果、焦点面傾斜型共焦点表面形状計測装置としてのメリットを失ってしまう。 However, since the focal plane inclined confocal surface shape measuring apparatus is a continuous stage movement by a uniaxial movement mechanism, the exposure time must be extremely shortened in order to obtain a sharp image. This is shown in FIG. Specifically, the time required for 1 / N visual field movement = imaging period is 10 ms, 30 pixel rows exist in the moving axis direction in the 1 / N visual field, and blur caused by movement during exposure time is reduced If it is defined that it is within the pixel, the exposure time is only allowed to be 0.33 ms. On the contrary, if the exposure time is taken sufficiently, it is necessary to lengthen the imaging cycle, which is not preferable from the viewpoint of high speed. As a result, the merit as the focal plane inclined confocal surface shape measuring device is lost.
前記移動機構の、ある軸の移動方向に対して物体側焦点面が傾斜するように配置された共焦点撮像系と、前記共焦点撮像系の視野を前記移動方向にN等分し、１／N視野移動する毎に前記共焦点撮像系により共焦点画像を得て、得られた複数の共焦点画像から物体の表面形状を演算する画像処理装置と、前記共焦点撮像系の露光タイミングに同期して前記移動機構の移動平面方向へ物体側焦点面を微小シフトさせる微小シフト機構により構成され、前記移動機構とほぼ同等の速度で前記微小シフト機構が微小シフト動作を行うことにより、共焦点撮像系に対し物体が静止したことと光学的に同等の効果を得ることができ、露光時間を長く確保することが可能となる。 A confocal imaging system arranged so that an object-side focal plane is inclined with respect to a moving direction of a certain axis of the moving mechanism, and a field of view of the confocal imaging system are equally divided into N in the moving direction, An image processing device that obtains a confocal image by the confocal imaging system every time N field of view moves, calculates the surface shape of the object from the obtained multiple confocal images, and is synchronized with the exposure timing of the confocal imaging system The micro-shift mechanism that finely shifts the object-side focal plane in the moving plane direction of the moving mechanism, and the micro-shift mechanism performs a micro-shift operation at a speed almost equal to the moving mechanism, thereby confocal imaging It is possible to obtain an optically equivalent effect that the object is stationary with respect to the system, and it is possible to ensure a long exposure time.
また、共焦点撮像系の露光時間中に、前記移動機構と垂直方向にも成分を持った方向へ前記微小シフト機構が微小シフト動作を行うことにより、スポット近傍の平滑化を行うことが可能となる。 Further, during the exposure time of the confocal imaging system, the minute shift mechanism performs a minute shift operation in a direction having a component also in the direction perpendicular to the movement mechanism, thereby enabling smoothing of the vicinity of the spot. Become.
また、前記微小シフト機構は、平行平面透明板と、この平行平面透明板の光軸に対する角度を変化させる角度変化手段とにより構成され、対物レンズと物体との間またはピンホールアレイと対物レンズとの間に配置することにより、傾斜した焦点面を、移動機構の移動平面方向へ微小シフトさせることが可能となる。 The fine shift mechanism includes a parallel flat transparent plate and angle changing means for changing an angle of the parallel flat transparent plate with respect to the optical axis, and between the objective lens and the object or the pinhole array and the objective lens. It is possible to slightly shift the inclined focal plane in the moving plane direction of the moving mechanism.
また、前記共焦点撮像系の構成として、共焦点ピンホールをスリット状にし、前記微小シフト機構と組み合わせることにより物体表面を隙間無く走査することが可能となる。 Further, as a configuration of the confocal imaging system, it is possible to scan the object surface without a gap by combining a confocal pinhole with a slit shape and the fine shift mechanism.
本発明により、焦点面傾斜型共焦点表面形状計測装置において、露光時間を長く確保することが可能となり、また近傍の平滑化も同時に実現できるようになることから、高速かつ高精度な計測が実現できる。 According to the present invention, in the focal plane inclined confocal surface shape measuring apparatus, it is possible to ensure a long exposure time, and also to realize smoothing of the vicinity at the same time, thereby realizing high-speed and high-precision measurement. it can.
以下、図面を参照して具体的に本発明の実施の形態を説明する。図１に本発明の実施例を示す。 Embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows an embodiment of the present invention.
Ｂは前記の二次元配列型共焦点光学系であり、図全体は焦点面傾斜型共焦点表面形状計測装置を表している。二次元検出器１０には現在最も一般的なＣＣＤカメラを用いることとする。計測する物体Ａは移動機構１２の上に乗っており、一軸方向に連続移動を行う。微小シフト機構１１は平行平面透明板１１aと、その平行平面透明板を光軸に対して角度変化させる手段１1bとにより構成される。図３を用いて平行平面透明板１１ａを通る光線が微小シフトする現象を説明する。光軸と垂直方向の軸に対して角度α(rad)の状態にある平行平面透明板（屈折率：ｎ、厚み：d (m) ）へ結像光線が入射すると、空気と硝子との屈折率の違いから光線が屈折し、光束全体が光軸と垂直方向にシフトする。光軸と垂直方向に結像光線が微小シフトする距離Ｌｄはスネルの法則から
Ｌｄ=d * sinα{ 1−√(1-sin2α)/√(n2-sin2α)}
と求められる。つまり、結像光線が微小シフトする距離Ｌｄは角度αと平行平面透明板の屈折率ｎと厚みｄとにより調整することができる。今回は角度αを調整することにより、結像光線の微小シフトを実現している。
B is the above-described two-dimensional array type confocal optical system, and the whole figure shows a focal plane inclined type confocal surface shape measuring apparatus. The two-dimensional detector 10 uses the most common CCD camera at present. The object A to be measured is on the moving mechanism 12 and continuously moves in one axial direction. The minute shift mechanism 11 includes a parallel flat transparent plate 11a and means 11b for changing the angle of the parallel flat transparent plate with respect to the optical axis. A phenomenon in which light passing through the parallel flat transparent plate 11a is slightly shifted will be described with reference to FIG. When an imaging ray is incident on a parallel plane transparent plate (refractive index: n, thickness: d (m)) at an angle α (rad) with respect to the axis perpendicular to the optical axis, the light and glass are refracted. The light beam is refracted due to the difference in rate, and the entire light beam is shifted in the direction perpendicular to the optical axis. The distance L d at which the imaging light beam slightly shifts in the direction perpendicular to the optical axis is L d = d * sin α {1−√ (1−sin 2 α) / √ (n 2 −sin 2 α)} according to Snell's law.
Is required. That is, the distance L d where imaging light is small shift can be adjusted by the refractive index n and the thickness of the angle α and a plane-parallel transparent plate d. This time, by adjusting the angle α, a fine shift of the imaging light beam is realized.
次に、二次元検出器１０と、微小シフト機構１１と、移動機構１２との連動について説明する。移動機構１２はυ(m/s)で一軸方向に移動しているとする。また、移動機構１２にはリニアスケール１３が付随している。移動機構１２が移動するとリニアスケール１３から移動信号が出力され、カウンタ１６がその移動信号をカウントする。カウンタ１６は１／Ｎ視野分の距離カウントする毎にトリガー信号を発生するように構成されている。信号発生器１８はこのトリガー信号を受け取ると即座に微小シフト機構１１ｂと二次元検出器１０とへトリガー信号を送る。微小シフト機構１１ｂはトリガー信号を受け取ると、動作信号を生成し平行平面透明板１１ａの角度変化動作を開始させる。並行して二次元検出器１０はトリガー信号を受け取ると露光を開始させる。 Next, the interlocking of the two-dimensional detector 10, the minute shift mechanism 11, and the moving mechanism 12 will be described. It is assumed that the moving mechanism 12 moves in one axis direction at υ (m / s). The moving mechanism 12 is accompanied by a linear scale 13. When the moving mechanism 12 moves, a movement signal is output from the linear scale 13, and the counter 16 counts the movement signal. The counter 16 is configured to generate a trigger signal every time the 1 / N visual field distance is counted. Upon receiving this trigger signal, the signal generator 18 immediately sends the trigger signal to the minute shift mechanism 11b and the two-dimensional detector 10. When the micro shift mechanism 11b receives the trigger signal, it generates an operation signal and starts an angle change operation of the parallel flat transparent plate 11a. In parallel, the two-dimensional detector 10 starts exposure upon receiving a trigger signal.
図１２を用いて微小シフト機構１１によるシフト動作について説明する。二次元配列型共焦点光学系によって物体Ａには多数のスポットが投射されるが全て同様の動作となることから、ここでは１スポットを取り上げて説明する。露光時間ｔ(s)において、微小シフト機構１１がスポットを微小シフトさせる距離L(m)はL = √(Ly2 + (υt+Lx)2)、微小シフト方向と移動機構１２の移動軸とで成す角度β(rad)はβ= tan-1(Ly/ (υt+Lx))と表される。 The shift operation by the minute shift mechanism 11 will be described with reference to FIG. Although a number of spots are projected onto the object A by the two-dimensional array type confocal optical system, all the operations are the same. Therefore, here, one spot is taken up for explanation. At the exposure time t (s), the distance L (m) by which the minute shift mechanism 11 finely shifts the spot is L = √ (Ly 2 + (υt + Lx) 2 ), the minute shift direction, and the movement axis of the movement mechanism 12. The angle β (rad) formed by is expressed as β = tan −1 (Ly / (υt + Lx)).
ここで、Lx(m)、Ly(m)は物体Ａ上でのスポットのシフト量（物体との相対的なスポットの移動量）を表し、それぞれ移動軸と平行方向、垂直方向の距離である。Lx=0、Ly=0は、物体Ａ上ではスポットがシフトしないことを表し、図２に示すように、移動機構１２と微小シフト機構１１によるスポットとが同速度で同方向動き、スポットは同一点を追従することとなり、共焦点撮像系に対して物体Ａが停止したことと光学的に同様の状態となる。その為露光時間ｔの間、移動機構１２により物体Ａが移動していてもボケることなく撮像が可能となる。 Here, Lx (m) and Ly (m) represent the shift amount of the spot on the object A (the amount of movement of the spot relative to the object), which is the distance in the direction parallel to the movement axis and in the vertical direction, respectively. . Lx = 0 and Ly = 0 indicate that the spot does not shift on the object A. As shown in FIG. 2, the spot by the moving mechanism 12 and the minute shift mechanism 11 move in the same direction at the same speed, and the spots are the same. One point is tracked, and the state is optically similar to the stop of the object A with respect to the confocal imaging system. For this reason, during the exposure time t, even if the object A is moved by the moving mechanism 12, imaging can be performed without blurring.
Lx≠0またはLy≠0の時は、スポットが物体Ａ上を微小距離√(Ly2 + Lx2)だけ走査することになる。微小走査の利点について次に述べる。 When Lx ≠ 0 or Ly ≠ 0, the spot scans the object A by a minute distance √ (Ly 2 + Lx 2 ). The advantages of micro scanning will be described next.
物体Ａに投影されるスポットは基本的に点光源から射出されたコヒーレント性の高い光であり、スポット内で物体表面上に凸凹があるとこれらの反射光が結像面であるピンホールアレイ６付近で干渉を起こしてしまう。つまりスペックルが発生する。スペックルが発生すると、高さ計測の結果に著しい悪影響を与えてしまう。スペックルはコヒーレント性が高い光であるほどコントラスト（以下スペックルコントラストと称する）が高く、このスペックルコントラストが高いほど高さ計測への影響が大きい。画像処理により近傍平滑化処理を行ってスペックルコントラストを低減させ高さ計測の精度向上を図ることは可能であるが、ＸＹ方向に解像度が著しく低下してしまう。スペックルはスポット内での物体表面の凸凹により発生するから、凸凹がランダムであれば（粗面は一般的にランダムである）スポットを走査すれば凸凹の状態が変化しスペックルコントラストがランダムに変わる。走査によりランダムに変化するスペックルコントラストを重畳すればＸＹ方向の分解能が低下してしまうが、二次元配列型共焦点光学系は次のような理由により一画素の範囲内で、つまりＸＹ方向の分解能が落ちない範囲内で走査することでスペックルコントラストを低減することが可能である。 The spot projected onto the object A is basically a highly coherent light emitted from a point light source. If there are irregularities on the object surface within the spot, the reflected light is an image plane on which the pinhole array 6 is formed. Interference will occur in the vicinity. That is, speckle is generated. When speckle is generated, the result of height measurement is significantly adversely affected. The speckle has higher contrast (hereinafter referred to as speckle contrast) as the coherent light is higher, and the higher the speckle contrast, the greater the influence on the height measurement. Although it is possible to perform neighborhood smoothing processing by image processing to reduce speckle contrast and improve the accuracy of height measurement, the resolution significantly decreases in the XY directions. Speckle is generated by unevenness of the object surface in the spot, so if the unevenness is random (rough surface is generally random), scanning the spot will change the unevenness state and speckle contrast will be random change. If the speckle contrast that changes randomly by scanning is superimposed, the resolution in the XY direction is reduced. However, the two-dimensional array type confocal optical system is within the range of one pixel, that is, in the XY direction for the following reason. It is possible to reduce the speckle contrast by scanning within a range where the resolution does not decrease.
二次元配列型共焦点光学系はスポットを物体Ａに投影するが、スポット径に対してスポットピッチは数倍取る必要がある。これは、あるピンホールに隣接のピンホールのぼけた光が入射しないようにする為である。この条件により二次元配列型共焦点光学系の各点の画素開口率（スポット面積／一画素分の面積）は非常に低くなっている。このようにスポット径に対して画素サイズが大きいことは一画素内でスポットを走査する程度の微小な走査であってもスポットに含まれる物体表面が十分に変化できる、つまりスペックルコントラストの変化が十分に現れることを意味する。この微小走査を二次元検出器１０の露光時間内に実行すれば時間的にスペックルコントラストの変化が重畳されて平滑化されることになる。このように二次元配列型共焦点光学系は一画素分程度の微小な走査を二次元検出器１０の露光時間内に行うことによりＸＹ方向の分解能を落とすことなくスペックルコントラストを低減することができる。 The two-dimensional array type confocal optical system projects a spot onto the object A, but the spot pitch needs to be several times the spot diameter. This is to prevent the light blurred by an adjacent pinhole from entering a certain pinhole. Under these conditions, the pixel aperture ratio (spot area / area for one pixel) at each point of the two-dimensional array type confocal optical system is very low. The large pixel size relative to the spot diameter in this way means that the object surface included in the spot can change sufficiently even with a minute scan that scans the spot within one pixel, that is, the speckle contrast changes. It means to appear well. If this micro scan is executed within the exposure time of the two-dimensional detector 10, the change in speckle contrast is temporally superimposed and smoothed. As described above, the two-dimensional array type confocal optical system can reduce the speckle contrast without reducing the resolution in the XY directions by performing a minute scan of about one pixel within the exposure time of the two-dimensional detector 10. it can.
Lx、Lｙを効果的な値に設定し、β= tan-1(Ly / (υt+Lx))の式に代入して求めた角度方向に微小シフト機構１１を設置することで、露光時間を従来より大きくとり、かつ分解能を落とさずスペックルの平滑化を行うことが可能となる。 By setting the Lx and Ly to effective values and substituting them into the equation β = tan −1 (Ly / (υt + Lx)), the minute shift mechanism 11 is installed in the angular direction, thereby reducing the exposure time. It is possible to smooth the speckle without increasing the resolution and reducing the resolution.
これまでに微小シフト機構１１を用いて、露光時間を大きく得て、分解能を落とさず平滑化をする、などの画像を取得する為の方法を説明してきた。次に、取得した共焦点画像から物体の表面形状を演算する工程を、図４を用いて説明する。図４は図１を簡易化して表したものである。 So far, a method has been described for obtaining an image using the minute shift mechanism 11 such as obtaining a large exposure time and smoothing without reducing the resolution. Next, the process of calculating the surface shape of the object from the acquired confocal image will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a simplified representation of FIG.
ここで説明の簡略化の為に物体ＡはY方向には共焦点光学系Ｂの視野１５に収まる程度の大きさであり、Ｘ方向には視野１５の数倍の大きさを持つものとする。移動機構１２は前記の通り連続移動を行う。移動機構１２が移動するとリニアスケール１３から移動信号が出力され、カウンタ１６がその移動信号をカウントする。カウンタ１６は１／Ｎ視野分の距離カウントする毎にトリガー信号を発生するように構成されている。信号発生器１８はこのトリガー信号を受け取ると微小シフト機構１１の動作信号を生成し平行平面透明板１１ａの角度変化動作を開始させると同時に、二次元検出器１０へ露光トリガー信号を送り露光を開始させる。そして生成された共焦点画像は画像処理装置１７へと出力される。視野１５のＸ方向のサイズをａ、物体側焦点面１４の傾きがθであるとすると、１／Ｎ視野の距離は（ａ／Ｎ）ｃｏｓθで表され、視野１５は図５に示すようにＮ個の領域に分割される。視野１５に対してカウンタ１６は右方向に（ａ／Ｎ）ｃｏｓθずつ移動する都度信号を出力し、Ｎ個の領域を左から領域１、領域２、．．．、領域Ｎと番号付けすると、移動機構１２の移動に伴って物体Ａの同じ部位の画像が領域１から順次２、３、．．．、Ｎと移動していくことになる。このとき共焦点光学系Ｂの物体側焦点面１４はＸ軸に対して傾いている為、前記の物体Ａの部位は領域１から移動していく毎に（ａ／Ｎ）ｓｉｎθずつ物体側焦点面１４との距離が変化していくことになる。つまりＺスキャンが成し遂げられることになる。このときＺのスキャン範囲はほぼａ（Ｎ−１／Ｎ）ｓｉｎθで、Ｎ回の移動により焦点位置がＮ段階異なる１／Ｎサイズの画像セットが得られることになる。この１／Ｎサイズの画像の各画素毎に、Ｎ段階異なる焦点位置の中から最大輝度値を与える（すなわち合焦時の）画像を探し、その画像中でのＸ位置からＺの位置を求めることができる。一度前記画像セットが得られれば、その後は現在の部位の隣の部位の同様な（つまり焦点位置がＮ段階異なる１／Ｎサイズの）画像セットが一回の移動毎に得られるので物体すべての部位の画像セットが得られるまで移動し続ければよい。 For simplification of description here, it is assumed that the object A is large enough to fit in the field 15 of the confocal optical system B in the Y direction and several times larger than the field 15 in the X direction. . The moving mechanism 12 performs continuous movement as described above. When the moving mechanism 12 moves, a movement signal is output from the linear scale 13, and the counter 16 counts the movement signal. The counter 16 is configured to generate a trigger signal every time the 1 / N visual field distance is counted. When the signal generator 18 receives this trigger signal, it generates an operation signal of the minute shift mechanism 11 to start the angle changing operation of the parallel flat transparent plate 11a, and simultaneously sends an exposure trigger signal to the two-dimensional detector 10 to start exposure. Let The generated confocal image is output to the image processing device 17. If the size of the visual field 15 in the X direction is a and the inclination of the object-side focal plane 14 is θ, the 1 / N visual field distance is represented by (a / N) cos θ, and the visual field 15 is as shown in FIG. Divided into N regions. The counter 16 outputs a signal every time it moves (a / N) cos θ in the right direction with respect to the field of view 15, and N regions are divided into regions 1, 2,. . . , Region N, the images of the same part of the object A are sequentially moved from the region 1 to 2, 3,. . . , N will move. At this time, since the object-side focal plane 14 of the confocal optical system B is inclined with respect to the X-axis, the object-side focal point is increased by (a / N) sin θ each time the portion of the object A moves from the region 1. The distance to the surface 14 will change. That is, a Z scan is achieved. At this time, the scan range of Z is approximately a (N−1 / N) sin θ, and a 1 / N size image set having different focus positions by N stages is obtained by N movements. For each pixel of the 1 / N size image, an image giving the maximum luminance value (ie, at the time of focusing) is searched from among N different focal positions, and the Z position is obtained from the X position in the image. be able to. Once the image set is obtained, a similar image set of the part next to the current part (that is, a 1 / N size with a focal point position that differs by N stages) is obtained for each movement. It is only necessary to continue moving until an image set of the part is obtained.
より具体的に図６、図７を用いてＮ＝４の場合について説明する。連続して得られた共焦点画像４枚Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４から物体の同じ部位（図６では物体の先端部位）が写っている部分をそれぞれひっぱり出してくる（Ｉ１から領域１、Ｉ２から領域２、
Ｉ３から領域３、 Ｉ４から領域４）。これが一つの画像セットであり、この画像セット内でそれぞれの画像の対応する画素どうしを比較して最大の輝度値を与える画像を探す。例えばＩ１中の画素（ｘ、ｙ）とＩ２の画素（ｘ＋ａ／４、ｙ）とＩ３の画素（ｘ＋ａ／２、ｙ）とＩ４の画素（
ｘ＋３ａ／４、ｙ）の輝度を比較する。図７に示すように視野のｘ＝０の位置をｚ＝０と定義すればｚの位置はｘの値によってｚ＝ｘ・ｓｉｎθで与えられるから、最大輝度を与える画像が例えばＩ３であれば物体のその点での表面位置は（ｘ＋ａ／２）ｓｉｎθとして求めることができる。すべての画素について同様の演算を行うことでこの画像セット部位の表面形状データを得ることができる。
More specifically, the case where N = 4 will be described with reference to FIGS. From four confocal images I1, I2, I3, and I4 obtained in succession, portions where the same part of the object (the tip part of the object in FIG. 6) is shown are pulled out (regions I and I2 from I1). To region 2,
I3 to region 3, I4 to region 4). This is one image set, and the corresponding pixel of each image is compared with each other in this image set to search for an image that gives the maximum luminance value. For example, a pixel (x, y) in I1, a pixel (x + a / 4, y) in I2, a pixel (x + a / 2, y) in I3, and a pixel in I4 (
Compare the luminance of x + 3a / 4, y). As shown in FIG. 7, if the position of x = 0 in the field of view is defined as z = 0, the position of z is given by z = x · sin θ depending on the value of x. The surface position of the object at that point can be determined as (x + a / 2) sin θ. By performing the same calculation for all the pixels, the surface shape data of the image set portion can be obtained.
もう一回移動してＩ５の画像が得られると、Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４，Ｉ５の画像のそれぞれ領域１、領域２、領域３、領域４から新しい部位の画像セットが得られるので、同様な演算により物体の表面形状データを得ることができる。物体の全部位の画像セットが得られるまで移動して全データを得る。 When the image of I5 is obtained by moving once again, an image set of a new part is obtained from regions 1, 2, 3, and 4 of the images I2, I3, I4, and I5, respectively. Thus, the surface shape data of the object can be obtained. Move until you have an image set of all parts of the object to get all the data.
画像セットにおける各画像の焦点位置のピッチ（ａ／Ｎ）ｓｉｎθが十分に小さい値となる場合は前記のように、対応するＮ個の焦点位置の異なる点から最大輝度となる点を見つけてきて、そのＸ座標値にｓｉｎθを掛ければよいが、前記ピッチが小さいと、非常に多くの画像を処理しなくてはならないあるいは十分なＺスキャン範囲を得ることができない等の問題がある。 When the pitch (a / N) sin θ of the focal position of each image in the image set has a sufficiently small value, as described above, the point having the maximum luminance is found from the different points of the corresponding N focal positions. The X coordinate value may be multiplied by sin θ. However, if the pitch is small, there are problems that a very large number of images must be processed or a sufficient Z scan range cannot be obtained.
一方前記ピッチを大きくとると、ｘ・ｓｉｎθの演算ではピッチが計測分解能に相当するから、計測分解能が低下してしまう。そこで補間演算を用いてピッチを広げてかつ計測分解能を低下させないようにすることを考える。 On the other hand, if the pitch is increased, the measurement resolution decreases because the pitch corresponds to the measurement resolution in the calculation of x · sin θ. Therefore, it is considered to widen the pitch by using interpolation calculation and not to reduce the measurement resolution.
光軸方向の物体の移動に対する共焦点光学系の出力特性は、オプティカルセクショニング特性と呼ばれる図８に示すような山形の特性となる。この曲線のピーク位置が合焦位置を示しており、この位置を求めることが必要である。前記ピッチが小さい場合はこの曲線をほぼ連続的にサンプリングしていることになるからその最大値のサンプリング点の位置から求めることができる。今、図８の点線で示すような荒いピッチでサンプリングした場合、各サンプリング点の位置はｘi・ｓｉｎθ（ｘi+1＝ｘi＋ａ／Ｎ）で与えられ、サンプリング点中の最大値をｆiとしてｆiの前後のサンプリング値をそれぞれｆi-1、ｆi+1とするとピーク位置はガウス関数にフィッティングすることでｚ＝ｘi・ｓｉｎθ＋（ｌｏｇ（ｆi+1）−ｌｏｇ（ｆi-1））・（ａ／Ｎ）・ｓｉｎθ／（２・（２・ｌｏｇ（ｆi）−ｌｏｇ（ｆi+1）−ｌｏｇ（ｆi-1）））として正確に求めることができる。もちろんフィッティング関数は必ずしもガウス関数でなくてもよく２次曲線（放物線）関数やガウス関数の近似関数等も用いることができる。また、フィッティング演算以外でも、例えば重心演算であるとか山の形のテンプレートを用意しておいてテンプレートとの相互相関から求めることもできる。また、必ずしも３点で演算する必要もなく５点でも７点でも良い。このような補間演算を用いることによりＮの数を小さくして、演算に必要な画像の枚数を減らし、かつ分解能を落とさないことも可能になる。 The output characteristic of the confocal optical system with respect to the movement of the object in the optical axis direction is a mountain-shaped characteristic as shown in FIG. 8 called an optical sectioning characteristic. The peak position of this curve indicates the in-focus position, and it is necessary to obtain this position. When the pitch is small, this curve is sampled almost continuously, and can be obtained from the position of the maximum sampling point. If sampling is performed at a rough pitch as shown by the dotted line in FIG. 8, the position of each sampling point is given by xi · sin θ (xi + 1 = xi + a / N), and the maximum value in the sampling point is fi, Assuming that the sampling values before and after are fi-1 and fi + 1, respectively, the peak position is fitted to a Gaussian function so that z = xi.sin.theta. + (Log (fi + 1) -log (fi-1)). (A / N ) · Sin θ / (2 · (2 · log (fi) −log (fi + 1) −log (fi−1))). Of course, the fitting function is not necessarily a Gaussian function, and a quadratic curve (parabolic) function, an approximation function of a Gaussian function, or the like can also be used. In addition to the fitting calculation, for example, a centroid calculation or a mountain-shaped template can be prepared and obtained from the cross-correlation with the template. Further, it is not always necessary to calculate with 3 points, and 5 points or 7 points may be used. By using such an interpolation calculation, it is possible to reduce the number of N, reduce the number of images required for the calculation, and not reduce the resolution.
以上説明した実施の形態において、例えば次のように構成の一部を適宜変更して実施することも可能である。勿論以下において例示しないほかの変更例も当然可能である。 In the embodiment described above, for example, a part of the configuration can be appropriately changed as follows. Of course, other modifications not illustrated below are also possible.
前記説明の実施の形態ではピンホールアレイを用いていたが、ピンホールアレイをスリットアレイに代えたものに構成する。スリットアレイのスリット方向は移動方向と平行方向、または垂直方向どちらの場合も考えられる。スリットアレイの外観と微小シフトの向きを図１３、図１４に示す。スリット穴は連続的にピンホールがあるのと同じと考えられるので、スリット方向に対しては隙間の無い計測が可能となる。そして微小シフト機構１１によってスリット方向と直交方向に微小シフトするようにすれば、物体Ａ上の全面で隙間のない計測が可能となる。以上からスリットアレイにより二次元配列型の共焦点表面形状計測装置の問題点の一つである不感領域がなくなり、かつスペックルの平滑化も可能となる。このことにより光る領域が画素サイズ以下の大きさしかない物体、例えば小さいボールの、頂点の高さの計測であっても問題なく計測することが可能になる。 Although the pinhole array is used in the embodiment described above, the pinhole array is replaced with a slit array. The slit direction of the slit array can be considered to be either the direction parallel to the moving direction or the vertical direction. The appearance of the slit array and the direction of the minute shift are shown in FIGS. Since the slit hole is considered to be the same as having a pinhole continuously, measurement without a gap is possible in the slit direction. Then, if the minute shift mechanism 11 is used to slightly shift in the direction orthogonal to the slit direction, measurement without gaps on the entire surface of the object A becomes possible. As described above, the slit array eliminates the insensitive area, which is one of the problems of the two-dimensional array type confocal surface shape measuring apparatus, and also enables the speckle to be smoothed. This makes it possible to measure the height of a vertex of an object whose glowing area is only smaller than the pixel size, such as a small ball, without any problem.
本実施例では微小走査機構として平行平面透明板と、その平行平面透明板を光軸に対して角度変化させる手段とにより構成されたものを示したが、本発明の本質は、二次元検出器の露光時間内にスポットを物体に対して微小シフトさせることにあり、実現手段はその他にも色々と考えることができる。例えば、対物レンズのテレセントリック絞りの位置で９０度に光路を折り曲げ、光路を折り曲げる為のミラーを振ることでも本実施例と全く同様の効果が得られる。他にも、ピンホールアレイまたは共焦点光学系全体を微小シフトさせても同様の効果が得られる。また、本実施例では二次元検出器としてＣＣＤカメラを示したが、光信号を電気信号に光電変換し二次元検出を行う装置あれば本発明としての機能を果たすのでＣＭＯＳカメラなどで置き換えることも可能である。 A plane-parallel transparent plate as fine scanning mechanism in the present embodiment, the plane-parallel transparent plate showed one configured by a means for angular change with respect to the optical axis, the essence of the present invention, two-dimensional detector Within the exposure time, the spot is slightly shifted with respect to the object, and various other implementation means can be considered. For example, the same effect as in this embodiment can be obtained by bending the optical path at 90 degrees at the position of the telecentric stop of the objective lens and swinging a mirror for bending the optical path. In addition, the same effect can be obtained by slightly shifting the entire pinhole array or the confocal optical system. In the present embodiment, a CCD camera is shown as a two-dimensional detector. However, any device that photoelectrically converts an optical signal into an electric signal and performs two-dimensional detection functions as the present invention. Is possible.
本発明により、焦点面傾斜型共焦点表面形状計測装置において、露光時間を大きく得ることができ、また近傍の平滑化も可能となる。これにより、対象物の表面形状計測を、高速性を保ちつつ精度向上した計測が実現でき、表面形状計測による各種検査、特に計測速度や精度に対する要求の厳しい半導体業界に大きな効果を上げることが期待できる。 According to the present invention, in the focal plane inclined confocal surface shape measuring apparatus, it is possible to obtain a large exposure time and to smooth the vicinity. As a result, surface shape measurement of the target can be achieved with high accuracy while maintaining high speed, and it is expected to have a great effect on various inspections by surface shape measurement, especially in the semiconductor industry where measurement speed and accuracy are demanding. it can.
１、１０１、２０１ 光源
２、２０２ 光源ピンホール
３、２０３ コリートメントレンズ
４、１０２、２０４ ビームスプリッター
５、２０５ マイクロレンズ
６、２０６ ピンホールアレイ
７、１０３、２０７ 対物レンズ
８、２０８ テレセントリック絞り
９、２０９ 縮小レンズ
１０、２１０ 二次元検出器
１１ 微小シフト機構
１２ 移動機構
１３ リニアスケール
１４ 焦点面
１５ 視野
１６ カウンター
１７ 画像処理装置
１８ 信号発生器
１０４ ピンホール
１０５ 検出器
1, 101, 201 Light source
2,202 Light source pinhole
3,203 Collatement lens
4, 102, 204 Beam splitter
5, 205 Micro lens
6,206 Pinhole array
7, 103, 207 Objective lens
8, 208 Telecentric aperture
9,209 Reduction lens
10, 210 Two-dimensional detector
11 Micro shift mechanism
12 Movement mechanism
13 Linear scale
14 Focal plane
15 fields of view
16 counter
17 Image processing device 18 Signal generator 104 Pinhole
105 Detector
Claims (4)
As a confocal imaging system, confocal pinholes focal plane inclined confocal surface shape measuring apparatus according to claim 1 or claim 2 or claim 3, wherein was characterized by a slit shape.
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