JP4845607B2 - ３次元形状測定方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定サンプルの高さ情報とカラーの全焦点画像を得ることができる３次元形状測定方法及び装置に関する。

一般に微細な測定サンプルの３次元形状を高精度に測定する方法として、顕微干渉計測法が知られている。例えば、特許文献１には、白色光源（例えば、ハロゲンランプや水銀ランプ）から出射された広い波長域の光を干渉対物レンズを介して測定サンプルに導く顕微干渉計測法が開示されている。この顕微干渉計測法は、測定サンプルから反射した反射光（以下、測定光）と干渉対物レンズ内に設けられた参照面から反射した反射光（以下、参照光）を干渉させた干渉像を撮像し、干渉画像を取得する。

干渉対物レンズには、マイケルソン型干渉対物レンズ、ミラウ型干渉対物レンズ等がある。マイケルソン型干渉対物レンズ、ミラウ型干渉対物レンズには、いずれも干渉対物レンズの内部に設けたビームスプリッタにより参照光路が形成されている。この参照光路には、干渉対物レンズの物体側焦点位置と共役な位置に参照鏡面が設けられている。

光源には、白色光つまりコヒーレント長が短い光源を用いているため測定光と参照光の光路差がゼロの時に最も干渉強度が強くなる。参照鏡面は、干渉対物レンズの物体側焦点位置と共役な位置に配置されているため、測定サンプルにフォーカスが合った時に光路差がゼロ、つまり干渉強度が最大となる。光路差が大きく（フォーカス位置から移動する）なるにつれ干渉強度が低くなる。干渉の強度変化を測定できる領域は、一般的に光路差が数マイクロメートル以下と非常に小さいため、測定サンプルの高さ（高さ情報）は、この性質を利用して測定される。

即ち、駆動部が干渉対物レンズを光軸方向（以下、Ｚ方向）に走査させるたびに、撮像部（以下、撮像素子）は測定サンプルの干渉画像を順次取得する。撮像素子が撮像した干渉画像の全ての画素に対して、制御部は干渉強度が最大となるときの光軸方向の位置を求める。これにより測定対象物の３次元的な形状が求められている。

ここで、干渉対物レンズがＺ方向に走査した際に、制御部が得る輝度変化曲線（波形状の干渉パターン（干渉波形））を一般的にインターフェログラムと称している。このインターフェログラムを図２２に示す。
インターフェログラムの包絡線（図２２に示す破線）は、使用する光源のコヒーレント長により決定され、包絡線内部の周期的変化は、光の干渉によるものであり、光源の重心波長をλとすると、その周期は約λ／２となる。
このインターフェログラムから干渉強度が最大となる位置を求める方法としては特許文献１に開示されるＬｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ（ローパスフィルタ）を用いる方法や非特許文献１に開示されているＨｉｌｂｅｒｔ変換を用いる方法等がある。
ＵＳ５１３３６０１ ＡＰＰＬＩＥＤ ＯＰＴＩＣＳ ／Ｖｏｌ．３１，Ｎｏ．１４／１０ Ｍａｙ １９９２ 「Ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｉｍａｇｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ 」

しかしながら上述した方法を用いた従来の装置では、求められる情報は高さ情報のみに限定されてしまい、測定サンプルの色、反射率の違いといった情報は得られない。例えば測定サンプルが、同一高さであるが異なる組成物により構成されている場合、上述した方法を用いた従来の装置は、測定サンプルの色、反射率の違いといった情報を得られないために、測定された高さ情報からは組成物の違いを判別することはできない。

また、測定サンプルに微細な傷がついていたり、もしくは大気中のゴミ等が付着した場合、測定サンプルが極微細に形状変化してしまう。極微細な形状変化部が撮像素子で十分に空間サンプリングできなければ、極微細部の高さ情報は、検出されず、極微細部の高さ情報は見落とされてしまう。

また、高さ測定の際に使用される一枚の干渉画像に注目すると、干渉画像には、参照光が撮像エリアに重畳されているため、一様なフレア光を持ったような画像となる。そのため通常の光学顕微鏡で得られる画像に比べコントラストの低い観察像であり、輝度画像の品質としては十分ではない。

本発明は目的を達成するために、光源から出射された光を測定対象物及び参照面に照射し、測定対象物及び参照面から反射されたそれぞれの反射光から像を撮像し、測定対象物の３次元形状を測定する３次元形測定方法であって、測定対象物と参照面の相対距離を調整し、相対距離が変わるたびに、干渉像を順次撮像して干渉画像を取得し、取得された干渉画像を色成分毎に分離させ、分離された色成分毎の干渉波形から振幅の最大値を算出し、算出された振幅の最大値を合成してカラー輝度データを生成することを特徴とする３次元形状測定方法と、光源から出射された光を測定対象物及び参照面に照射し、測定対象物及び参照面から反射されたそれぞれの反射光からの像を撮像し、測定対象物の３次元形状を測定する３次元形測定装置であって、測定対象物と参照面の相対距離を調整する駆動部と、駆動部によって相対距離が変わるたびに、干渉像を順次撮像してカラー干渉画像を取得する撮像取得部と、撮像取得部によって取得されたカラー干渉画像を色成分毎に分離する分離部と、分離部によって分離された色成分の干渉波形から振幅の最大値を色成分毎に算出する第１の算出部と、色成分毎の振幅の最大値を合成してカラー干渉画像を生成する合成部と、を具備することを特徴とする３次元形状測定装置を提供する。

本発明によれば、測定サンプルの高さ情報を得ると同時に全ての測定サンプルに対して焦点のあったカラーの全焦点画像を得ることが可能な３次元形状測定方法及び装置を提供できる。

以下、本発明に係る第１の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の第１の実施形態に係る３次元形状測定装置の概略図である。本実施形態における３次元形状測定装置は、大きく分けてミラウ型干渉顕微鏡部１８と、制御部１９から構成される。なお、本実施形態ではミラウ型の干渉光学系を例としたがマイケルン型の干渉光学系でも基本構成、動作、効果は同じである。

ミラウ型干渉顕微鏡部１８は、光を出射する白色光源８と、複数のレンズにより構成され、光が透過する照明光学系７と、照明光学系７を透過した光を下方に反射するハーフミラー６と、ハーフミラー６の下方に配置され、光を集光させる干渉対物レンズ２と、干渉対物レンズ２を光軸１６に沿って移動させるＺ走査機構３と、図示しないステージに載置し、干渉対物レンズ２に対向配置されている測定サンプル１と、測定サンプル１から反射された反射光が干渉対物レンズ２、ハーフミラー６を透過した後に、反射光を集光させて、測定サンプル１の像を結像させる結像レンズ４と、結像レンズ４の焦点位置に配置され、測定サンプル１の干渉像（以下、像）を撮像するカラー撮像素子５から構成されている。このようにミラウ型干渉顕微鏡部１８は、落射照明光学系を形成している。

インコヒーレント光源である白色光源８は、可視波長帯の広い領域の光を出射するハロゲンランプである。
干渉対物レンズ２は、内部に参照鏡面２ａとビームスプリッタ２ｂを設け、ミラウ型の干渉対物レンズを構成している。

Ｚ走査機構３は、弾性バネガイド（図示せず）を有する１軸のステージにアクチュエータとして積層圧電体（図示せず）を使用するものであり、内部には、干渉対物レンズ２の光軸１６に沿って移動した際の変位量を測定する変位センサ３ａが設けられている。
カラー撮像素子５は、赤、緑、青（以下、Ｒ、Ｇ、Ｂ）の光を成分毎に受光可能な単板、あるいは３板式のＣＣＤカメラである。
カラー撮像素子の相対分光感度特性と波長、白色光源の発光スペクトルの相対強度特性と波長の関係の一例を図２に示す。

制御部１９は、制御部本体９と、指示部１４と、表示部１５から構成されている。制御部本体９は、画像入力部１０、演算処理部１１、記憶部１２、Ｉ／Ｏ部１３から構成されている。
Ｉ／Ｏ部１３は、使用者が各種操作指示を行う指示部１４（例えば、ＰＣのキーボードやマウス）と、測定結果や操作画面を表示する表示部１５と接続している。また、Ｉ／Ｏ部１３は、指示部１４から入力された指示に基づき白色光源８、Ｚ走査機構３を制御する。また指示部１４の指示によりＺ走査機構３によって干渉対物レンズ２が光軸１６に沿って移動した際に、Ｉ／Ｏ部１３には、変位センサ３ａによって読み取られた干渉対物レンズ２の変位量が、入力される。
画像入力部１０は、カラー撮像素子５によって撮像された像からカラー干渉画像（以下、画像データ）を取り込む。
記憶部１２は、前述した変位量や画像データ、各種演算結果及び演算パラメータ等を記憶する。
演算処理部１１は、画像入力部１０や記憶部１２から出力された情報を基に各種演算を処理する。

次に３次元形状測定装置の動作に関して図３に示すフローチャートを参照して説明する。

使用者は、測定サンプル１の測定を行うために３次元形状測定装置のセッティングを行う。
まず使用者は、カラー撮像素子５にて撮像され、リアルタイムで表示部１５に表示される測定サンプル１を目視しながら、測定サンプル１の測定したい部位を干渉対物レンズ２の測定視野に入るように位置調整する（Ｓｔｅｐ１）。

次に使用者は、光軸１６に対して略垂直になるようにステージに載置されている測定サンプル１の傾きを調整する（傾きが０になるように使用者はステージの傾きを調整する）（Ｓｔｅｐ２）。使用者は、この調整を表示部１５を見ながら行う。傾き調整は、測定サンプル１にフォーカス合わせした際に生じる干渉縞の本数を最も小さくさせる（一般にＮｕｌｌといわれる状態）ことで傾きを０とすることができる。この傾き調整は、干渉縞の可視度（ビジビリティ）を高くするために行われる。

次に使用者は、指示部１４によって白色光源８の明るさを調整し（Ｓｔｅｐ３）、調整後に、Ｚ走査機構３によって行われる測定サンプル１の表面のスキャン範囲を指示部１４によって設定する（Ｓｔｅｐ４）。これによりＺ走査機構３のＺ走査の開始位置と終了位置、つまりＺ走査範囲が設定される。以上の操作により測定サンプル１の測定を行うために３次元形状測定装置のセッティングが終了する。

次に測定サンプル１の測定を行う。
使用者が指示部１４から測定開始の指示を出力すると、Ｚ走査機構３はＺ走査の開始位置に移動する（Ｓｔｅｐ５）。

Ｚ走査機構３は、Ｚ走査の走査開始位置から予め測定パラメータとして決められている距離（撮像ステップ距離）Δだけステップ移動する（Ｓｔｅｐ６）。この撮像ステップ距離Δは、通常光源の中心波長をλとするとλ／４より小さく設定される。Ｚ走査機構３が移動した後、カラー撮像素子５は、この位置で測定サンプル１の像を撮像する。この像は、画像入力部１０によって画像データとして取得される。画像データは、記憶部１２に記憶される（Ｓｔｅｐ７）。

次に、図示しない制御部は、Ｚ走査機構３がＳｔｅｐ４にて設定されたＺ走査の終了位置にまで移動したか否かを判断する（Ｓｔｅｐ８）。

Ｚ走査機構３が、スキャン範囲の走査終了位置に移動していなければ（Ｓｔｅｐ８：Ｎｏ）、再びフローは、Ｓｔｅｐ６に戻り上記動作が繰り返される。
このようにＺ走査機構３のＺ軸方向への駆動動作（Ｓｔｅｐ６）とカラー撮像素子５による撮影動作（Ｓｔｅｐ７）は、スキャン範囲の走査終了位置まで交互に実施される。

このようにカラー撮像素子によって順次撮像され、記憶部１２に記憶されている所定ステップ毎の画像データには、図４に示すように、フレームナンバーｎがそれぞれ付与される。
フレームナンバーｎと撮像ステップ距離Δが分かれば、測定サンプル１を撮影した時の光軸方向の位置（以下、Ｚ位置）を得ることが可能である。記憶部１２に記憶された１枚の画像データには、カラー撮像素子５の画素に相当するカラー輝度データＩ（ｘ，ｙ）が格納されている。例えばＶＧＡの画像とすれば、ｘ＝１，２，・・６４０、ｙ＝１，２，…４８０である。
なお、本実施形態はフレームナンバーｎを付与している画像データを記憶部１２に記憶させたが、変位センサ３ａで測定される変位量（Ｚ位置）を付与した画像データを記憶部１２に記憶しても良い。

Ｚ走査機構３が、Ｚ走査の終了位置に移動したならば（Ｓｔｅｐ８：Ｙｅｓ）、画像処理を行う。（Ｓｔｅｐ９）。この画像処理にて測定サンプル１の高さ情報およびカラー全焦点画像を求める。

ここで図５に示すサブルーチンを参照してＳｔｅｐ９における画像処理について詳細に説明する。

画像１枚分の画像データに格納されたカラー輝度データＩ（ｘ，ｙ）は、演算処理部１１によってカラー画像の色成分であるＲ、Ｇ、Ｂ毎に分離される（Ｓｔｅｐ２１）。

次に記憶部１２は、それぞれに分離されたＲ輝度データＩＲ（ｘ，ｙ）、Ｇ輝度データＩＧ（ｘ，ｙ）、Ｂ輝度データＩＢ（ｘ，ｙ）を記憶する。
ここで図６に分離された各輝度データとフレームナンバーｎの関係を示す。図６に示すようにＲ、Ｇ、Ｂの干渉波形（インターフェログラム）は、それぞれに干渉強度が変化している信号を有している。
次に演算処理部１１は、Ｒのインターフェログラムから振幅の最大値を算出する（Ｓｔｅｐ２２）。また演算処理部１１は、Ｇのインターフェログラムから振幅の最大値を算出する（Ｓｔｅｐ２３）、また演算処理部１１は、Ｂのインターフェログラムから振幅の最大値を算出する（Ｓｔｅｐ２４）。演算処理部１１は、Ｓｔｅｐ２２乃至Ｓｔｅｐ２４を並列に処理する。

算出後、演算処理部１１は、Ｓｔｅｐ２２乃至Ｓｔｅｐ２４にて算出された振幅の最大値を合成してカラー輝度データＩ（ｘ，ｙ）を生成する（Ｓｔｅｐ２５）。
光源には、白色光源が利用されているため、各色のインターフェログラムの輝度値の違いは、測定サンプル１の色情報、つまりＲＧＢの混成比率に等しい。Ｓｔｅｐ２２乃至Ｓｔｅｐ２４にて算出された振幅の最大値は、合焦位置における光の強度情報である。よってＳｔｅｐ２２乃至Ｓｔｅｐ２４におけるカラー輝度データＩ（ｘ，ｙ）から算出されたＲ、Ｇ、Ｂの各振幅の最大値において、最大値の比率は、注目する画素（ｘ，ｙ）に対する実サンプル位置の色情報を含む輝度情報である。よって本実施形態は、振幅の最大値をカラー輝度データＩ（ｘ，ｙ）に合成する処理を全ての画素（ｘ，ｙ）に対して行うことでカラーの全焦点画像を得ることが可能である（Ｓｔｅｐ２６）。

また演算処理部１１は、各色成分の少なくとも１つの成分（本実施形態ではＧ成分とした）において、インターフェログラムの振幅の最大値に対応するフレームナンバーからＺ位置（相対距離）を算出する（Ｓｔｅｐ２７）。演算処理部１１は、算出処理を全ての画素（ｘ，ｙ）に対して行う。よって本実施形態は、測定サンプル１の高さ情報を算出することが可能である（Ｓｔｅｐ２８）。

なお、Ｓｔｅｐ２２乃至Ｓｔｅｐ２４における振幅の最大値の算出方法及びＳｔｅｐ２８における振幅の最大値に対応する相対距離の算出方法については様々な方法がある。
このような算出方法には、例えばＨｉｌｂｅｒｔ変換（ＡＰＰＬＩＥＤＯＰＴＩＣＳ，Ｖｏ１．３１，Ｎｏ．１４（１９９２）「Ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ ｉｎｔｅｌｆｅｒａｎｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ」）や、Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ（ＵＳ５１３３６０１）を使用する方法がある。

そこで図７乃至図１１を参照してＨｉｌｂｅｒｔ変換を使用して振幅の最大値と、この振幅の最大値に対応するＺ位置（相対距離）の算出方法について説明する。図７は、Ｈｉｌｂｅｒｔ変換を使用して振幅の最大値、高さ情報を算出するフローチャートである。図８乃至図１１は、図７に示す各ステップに対応するグラフである。

まず、Ｇ輝度データＩＧ（ｘ，ｙ）のＤＣ成分が減算され、減算カラーＧ輝度データＩＧ’（ｘ，ｙ）が生成される（Ｓｔｅｐ３１）。図８は、Ｓｔｅｐ３１にて生成された各減算カラーＧ輝度データＩＧ’（ｘ，ｙ）を結んだ曲線を示すグラフである。
次に演算処理部１１が各減算カラーＧ輝度データＩＧ’（ｘ，ｙ）に対してＨｉｌｂｅｒｔ変換を行うと、減算カラーＧ輝度データＩＧ’（ｘ，ｙ）とは位相が９０°ずれたカラーＧ輝度データＨＧ（ｘ，ｙ）がそれぞれ生成される（Ｓｔｅｐ３２）。図９は、図８に示した減算カラーＧ輝度データＩＧ’（ｘ，ｙ）の曲線と、Ｓｔｅｐ３２にてＨｉｌｂｅｒｔ変換により生成された各カラーＧ輝度データＨＧ（ｘ，ｙ）を結んだ曲線を示すグラフである。

次に演算処理部１１が減算カラーＧ輝度データＩＧ’（ｘ，ｙ）とカラーＧ輝度データＨＧ（ｘ，ｙ）を以下の式に代入し、振幅ＡＧ（ｘ，ｙ）を算出する。（Ｓｔｅｐ３３）。

図１０は、図９にて示した２つの曲線と、Ｓｔｅｐ３３の式にて算出された各振幅のプロット点を示すグラフである。
次に補間処理を行うと（Ｓｔｅｐ３４）、図１１に示すように図１０にて示した各振幅のプロット点を結んだ包絡線（振幅曲線）を示すグラフが得られる。演算処理部１１は、このグラフから振幅の最大値ＰＧ（ｘ，ｙ）（Ｓｔｅｐ３５）と、この振幅の最大値に対応するＺ位置ＺＧ（ｘ，ｙ）（Ｓｔｅｐ３６）を算出する。
このようにＨｉｌｂｅｒｔ変換法を用いることで振幅の最大値と、振幅の最大値に対応するＺ位置（相対距離）が算出される。

次に図１２乃至図１５を参照してＬｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒを使用して振幅の最大値と、振幅の最大値に対応するＺ位置（相対距離）を算出する方法について説明する。図１２は、Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒを使用して振幅の最大値と、振幅の最大値に対応するＺ位置（相対距離）を算出するフローチャートである。図１３乃至図１５は、図１２に示す各ステップに対応するグラフである。
まず、Ｇ輝度データＩＧ（ｘ，ｙ）のＤＣ成分が減算され、減算カラーＧ輝度データＩＧ’（ｘ，ｙ）が生成される（Ｓｔｅｐ４１）。図１３は、Ｓｔｅｐ４１にて生成された各減算カラーＧ輝度データＩＧ’（ｘ，ｙ）を結んだ曲線を示すグラフである。
次に各減算カラーＧ輝度データＩＧ’（ｘ，ｙ）を以下の式に代入する（Ｓｔｅｐ４２）。

すると図１４に示すようなグラフに表示される曲線を得ることができる。
演算処理部１１は、この曲線に対して低い周波数成分（緩やかな変化）だけ取り出すためにローパスフィルタをかけて離散的な値を検出する（Ｓｔｅｐ４３）。さらに演算処理部１１は、この離散的な値に対してガウスフィットさせる（Ｓｔｅｐ４４）。これにより図１５に示すような曲線を得る。
この曲線から振幅の最大値ＰＧ（ｘ，ｙ）（Ｓｔｅｐ４５）と、振幅の最大値に対応するＺ位置（相対距離）ＺＧ（ｘ，ｙ）（Ｓｔｅｐ４６）を算出する。
このように演算処理部１１は、Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒを用いて振幅の最大値と振幅の最大値に対応するＺ位置（相対距離）を算出することができる。
また、上述した算出方法ではなく、撮像ステップ距離Δを十分に小さくして、カラー輝度データＩ（ｘ，ｙ）におけるインターフェログラムから振幅の最大値と最小値を直接求めて、振幅の最大値に対応するＺ位置を算出する方法もある。

図１６は、カラー輝度データＩ（ｘ，ｙ）の最大値と最小値を求めて、最大値に対応するＺ位置を算出する方法を示すフローチャートである。図１７は、カラー輝度データＩ（ｘ，ｙ）の最大値と最小値から振幅の最大値及び振幅の最大値を与えるＺ位置（相対距離）を算出する際に使用するグラフである。
図１６に示すように演算処理部１１は、Ｇ輝度データＩＧ（ｘ，ｙ）におけるインターフェログラムから輝度最小値ＩＧｍｉｎ（ｘ，ｙ）と輝度最大値ＩＧｍａｘ（ｘ，ｙ）を直接求める（Ｓｔｅｐ５１，Ｓｔｅｐ５２）。
次に演算処理部１１は、輝度最大値ＩＧｍａｘ（ｘ，ｙ）から輝度最小値ＩＧｍｉｎ（ｘ，ｙ）を引いて、この差から振幅の最大値ＰＧ（ｘ，ｙ）を算出する（Ｓｔｅｐ５３）。
また演算処理部１１は、輝度最大値ＩＧｍａｘ（ｘ，ｙ）に対応するＺ位置ＺＧ（ｘ，ｙ）を算出する（Ｓｔｅｐ５４）。

上述したＳｔｅｐ２６、Ｓｔｅｐ２８にて測定サンプル１の高さ情報およびカラー全焦点画像を算出後、結果として高さ情報を有する画像、カラー全焦点画像、これらを合成した画像が表示部１５に表示される（Ｓｔｅｐ１０）。

次に表示される測定サンプル１の高さ情報およびカラー全焦点画像について図１８（ａ）乃至図１８（ｃ）を参照して説明する。図１８（ａ）はＳｔｅｐ２６の結果に基づいて表示される２次元画像である。図１８（ｂ）はＳｔｅｐ２８の結果に基づいて表示される２次元画像である。図１８（ｃ）はＳｔｅｐ２６とＳｔｅｐ２８の結果を合成した（図１８（ｂ）の画像に図１８（ａ）の画像を重ね合わせる）結果に基づいて表示される３次元画像であり上述したＳｔｅｐ１０にて表示される。

詳細には図１８（ａ）は、測定サンプルの全ての位置に対して合焦するカラー全焦点画像の表示例を示し、図１８（ｂ）は、測定サンプルの高さ情報の表示例を示し、図１８（ｃ）は、図１８（ａ）、図１８（ｂ）の結果を合成した測定サンプルの３次元形状の画像である。

図１８（ａ）に示す２次元画像には、測定サンプル１の色や測定サンプル１の表面の微細形状に対応してＳｔｅｐ２６にて得られたコントラスト（カラー輝度情報）が付されている。使用者は、この画像によって明瞭なコントラストが付いている微細な傷５０，５１や異組成部５２を確認することができる。
図１８（ｂ）に示す濃淡の色が付された２次元画像は、Ｓｔｅｐ２８にて得られた測定サンプル１の高さ情報に基づいて測定サンプル１の表面、微細な傷５０，５１、異組成部５２、凸部５３の高低差を示している。例えば測定サンプル１の表面と凸部５３とでは色の濃淡の違いにより高低差が明瞭となる。しかし微細な傷５０，５１や異組成部５２は、高低差がほとんど生じないためにほとんど濃淡では表示されにくい。
図１８（ｃ）は、図１８（ａ）に示したカラーの全焦点画像と図１８（ｂ）に示した高さ情報を合成した立体的（３次元）に表示した鳥瞰図である。これにより使用者は、微細な傷５０，５１、異組成部５２、凸部５３を明瞭に測定することができる。

このように本実施形態は、図１８（ｂ）に示す高さ情報を有する画像と共に、図１８（ａ）に示すように全てのサンプルに対して焦点のあったカラーの全焦点画像を得ることができる。また本実施形態は、２つの画像を合成するため、使用者は、図１８（ｃ）に示すような３次元形状の画像を得ることができる。これにより使用者は、測定サンプル１の微細な形状変化や色情報、組成の違い等を同時に明瞭に測定することがすることができる。

次に本実施形態における第１の変形例について図１９を参照して説明する。
図１９は第１の変形例におけるフローチャートである。なお、図１９に示すフローチャートにおいて、図３に示すフローチャートと同一処理部には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。本変形例における構成は、前述した第１の実施形態と同様である。なお本変形例におけるセッティング開始からセッティング終了までの一連の動作は前述した第１の実施形態におけるＳｔｅｐ１乃至Ｓｔｅｐ４の動作と同様であるために詳細な説明は省略する。

前述した第１の実施形態は、Ｚ走査機構３のＺ軸方向への駆動動作（Ｓｔｅｐ６）とカラー撮像素子５による撮影動作（Ｓｔｅｐ７）をＺ走査機構３のスキャン範囲の走査終了位置まで交互に実施したが、これら一連の動作（本変形例ではＳｔｅｐ６０、Ｓｔｅｐ６１とする）を図１９に示すように並列に実施するように置き換えても良い。

本変形例は、Ｓｔｅｐ５が終了した後、スキャンとキャプチャを同時に開始する。スキャンとは、Ｚ走査機構３が速度ｖ（μｍ／ｓ）で等速駆動することである（Ｓｔｅｐ６０）。キャプチャとは、カラー撮像素子５がカラー撮像素子５のフレームレートにて連続撮像を行い、画像データが、順次、画像入力部１０を経由して記憶部１２に記憶されることである（Ｓｔｅｐ６１）。このＳｔｅｐ６０とＳｔｅｐ６１の処理は並列に実施される。スキャンとキャプチャは同時に終了する。

例えば使用者が撮像ステップ距離Δを７０ｎｍに設定したい場合、カラー撮像素子５のフレームレートが３０フレーム／ｓに設定されるならば、Ｚ走査機構３が走査する際の速度ｖは、２．１μｍ／ｓになる。
このように本変形例は、走査速度、または撮像素子のフレームレートを任意に設定することで任意の所定間隔画像データを撮像可能である。
なお本変形例は、撮像する際にカラー撮像素子５のシャッタースピードを高速にすることで、Ｚ走査機構３が等速度駆動しながらの撮像であっても瞬間的な干渉状態を撮像可能である。

スキャンとキャプチャ（Ｓｔｅｐ６０とＳｔｅｐ６１）が終了した後、本変形例は、図３に示すフローチャートと同様にＳｔｅｐ９、Ｓｔｅｐ１０を実施する。

このように本変形例は、前述した第１の実施形態と同様の効果を得ることができ、またカラー撮像素子５が測定サンプル１を撮像するためにＺ走査機構３は、スキャン動作を停止する必要がない。よって本変形例は測定時間を短縮することが可能である。
さらに、Ｚ走査機構３が等速度で移動することで、精密な停止位置精度は不要となるのでＺ走査機構３が安価にすむことができる。

次に本実施形態における第２の変形例について図２０を参照して説明する。

図２０は第２の変形例におけるフローチャートである。なお、図２０に示すフローチャートにおいて、図３に示すフローチャートと同一処理には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。本変形例における構成は、前述した第１の実施形態と同様である。なお本変形例におけるセッティング開始からセッティング終了までの一連の動作は前述した第１の実施形態におけるＳｔｅｐ１乃至Ｓｔｅｐ４の動作と同様であるために詳細な説明は省略する。

本変形例は、Ｓｔｅｐ７とＳｔｅｐ８の間に、カラー輝度データＩ（ｘ，ｙ）を演算処理部１１によってカラー画像の色成分毎（Ｒ、Ｇ、Ｂ）に分離し、分離した成分毎に順次振幅を演算するＳｔｅｐ７０を設けている。
詳細にはＳｔｅｐ７において、第ｍフレーム目の撮像が行われたとする。この第ｍフレームの画像データは、記憶部１２に記録される。上述した第ｍフレームの画像データに加えて、すでに第ｍ−１フレーム、第ｍ−２フレーム、第ｍ−３フレーム、…第１のフレームの画像データは記憶部１２に記録されている。

次に第ｍフレームの画像データのカラー輝度データＩ（ｘ，ｙ）は、演算処理部１１によってカラー画像の色成分毎（Ｒ、Ｇ、Ｂ）に分離される。分離された後、図７を参照して説明したＨｉｌｂｅｒｔ変換法により、第ｍフレーム目の各色成分の振幅ＡＲ（ｘ，ｙ）、ＡＧ（ｘ，ｙ）、ＡＢ（ｘ，ｙ）が算出される（Ｓｔｅｐ７０）。

通常、第ｍフレーム目の各色成分の振幅は、記憶部１２に記憶されている全ての画像データに対してＨｉｌｂｅｒｔ変換法を用いる。しかし本変形例は算出時間節約のために図２１に示す最新のｎフレーム分（本変形例ではｎ＝８として説明する）の画像データに対してＨｉｌｂｅｒｔ変換法用いて第ｍフレームの振幅を算出する。

図２１（ａ）は、第ｍフレームまで記憶部１２に記憶されている１つの色成分のインターフェログラムを示し、図２１（ｂ）は、最新の８フレーム分のインターフェログラムｆ（ｚ）と、Ｈｉｌｂｅｒｔ変換により生成されたＨｉｌｂｅｒｔ変換データｈ（ｚ）を示し、図２１（ｃ）は下記演算式から最新の８フレームの振幅Ａ（ｚ）を算出し、第ｍフレームの振幅Ａ（ｍ）を演算した結果を過去の振幅演算結果に追加したグラフである。

このように本変形例は、Ｓｔｅｐ７０において図２１（ａ）、図２１（ｂ）、図２１（ｃ）を参照して説明した演算を色成分毎について行い、振幅をＺ軸スキャン最中に演算する。
Ｓｔｅｐ８にてスキャンが終了すれば、演算処理部１１は、Ｓｔｅｐ７０で求めた離散的な振幅Ａ（ｚ）に対して補間処理を行う（Ｓｔｅｐ７１）。次に演算処理部１１は、各色成分毎の補間データより振幅の最大値ＰＲ（ｘ，ｙ），ＰＧ（ｘ，ｙ），ＰＢ（ｘ，ｙ）を算出し（Ｓｔｅｐ７２）、算出された各振幅の最大値を合成してカラー輝度データＩ（ｘ，ｙ）を生成する（Ｓｔｅｐ７３）。これによりカラーの全焦点画像を得ることが可能である（Ｓｔｅｐ７４）。

また、演算処理部１１は、各色成分の少なくとも１つの色成分に対して（本変形例ではＧ成分とする）、Ｓｔｅｐ７２にて振幅の最大値に対応するＺ位置を算出し（Ｓｔｅｐ７５）、この処理を全ての画素（ｘ，ｙ）に対して行うことで、本変形例は測定サンプル１の高さ情報を算出することが可能である（Ｓｔｅｐ７６）。

測定サンプル１の高さ情報およびカラー全焦点画像を算出後、結果として高さ情報を有する画像、カラー全焦点画像、これらを合成した画像が表示部１５に表示される（Ｓｔｅｐ１０）。

このように本変形例は、演算処理部の負荷の少ないスキャン画像取込みループの最中（Ｓｔｅｐ６乃至Ｓｔｅｐ８）に比較的負荷の大きい振幅演算（Ｓｔｅｐ７０）を順次行うっている。これにより本変形例は、演算処理部１１の稼働率を上げ、測定全体に要する時間を短縮することが可能である。

また本変形例は、振幅演算方法としてＨｉｌｂｅｒｔ変換法を用いたが、これに限定されるものではなく算術的な手法を使うどのような振幅演算方法であっても良い。

また振幅演算処理の順序はＳｔｅｐ６、Ｓｔｅｐ７、Ｓｔｅｐ７０の順としたが、これに限定されるものではなく、スキャン画像撮像中に順次行っても良い。

本発明の実施形態は、測定対象物と参照面の相対距離を変化させるために、干渉対物レンズを光軸方向に走査させたが、これに限定させるものではなく、測定対象物を光軸方向に走査させてもよい。

または、測定対象物以外の顕微鏡光学系全体を走査させても良い。即ち干渉光学系の測定光と、参照光の光路差を変化させる走査方法であれば良い。

本発明の第１の実施形態に係る３次元形状測定装置の概略図である。 カラー撮像素子の相対分光感度特性と波長、白色光源の発光スペクトルの相対強度特性と波長の関係の一例を示す図である。 ３次元形状測定装置の動作に関するフローチャートである。 記憶部に記憶されているステップ毎の複数の画像データと、画像データに対応するフレームナンバーの関係を示す概念図である。 図３に示す画像処理のステップにおけるサブルーチンである。 分離されたＲ輝度データＩＲ（ｘ，ｙ）、Ｇ輝度データＩＧ（ｘ，ｙ）、Ｂ輝度データＩＢ（ｘ，ｙ）とフレームナンバーｎの関係（インターフェログラム）を示す図である。 Ｈｉｌｂｅｒｔ変換を使用して振幅の最大値、高さ情報を算出するフローチャートである。 図７に示すＳｔｅｐ３１にて生成された各減算カラー輝度データＩＧ’（ｘ，ｙ）を結んだ曲線を示すグラフである。 図８に示した減算カラー輝度データＩＧ’（ｘ，ｙ）の曲線と、図７に示すＳｔｅｐ３２にてＨｉｌｂｅｒｔ変換により生成された各カラーＧ輝度データＨＧ（ｘ，ｙ）を結んだ曲線を示すグラフである。 図９にて示した２つの曲線と、図７に示すＳｔｅｐ３３にて算出された各振幅のプロット点を示すグラフである。 図１０にて示した各振幅のプロット点を結んだ包絡線（振幅曲線）を示すグラフである。 Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒを使用して振幅の最大値、振幅の最大値に対応するＺ位置（相対距離）を算出するフローチャートである。 図１２に示すＳｔｅｐ４１にて生成された各減算カラー輝度データＩＧ’（ｘ，ｙ）を結んだ曲線を示すグラフである。 各減算カラー輝度データＩＧ’（ｘ，ｙ）を式に代入して得られたグラフである。 ガウスフィットさせた際に表示されるグラフである。 カラー輝度データＩ（ｘ，ｙ）の最大値と最小値を求めて、振幅の最大値に対応するＺ位置を算出する方法を示すフローチャートである。 図１７は、カラー輝度データＩ（ｘ，ｙ）の最大値と最小値から振幅の最大値及び振幅の最大値を与えるＺ位置を算出する際に使用するグラフである。 図１８（ａ）は、測定サンプルの全ての位置に対してカラー全焦点画像の表示例を示し、図１８（ｂ）は、測定サンプルの高さ情報の表示例を示し、図１８（ｃ）は、図１８（ａ）に示したカラーの全焦点画像と図１８（ｂ）に示した高さ情報を合成した測定サンプルの３次元形状の画像である。 第１の変形例におけるフローチャートである。 第２の変形例におけるフローチャートである。 図２１（ａ）は、第ｍフレームまでの記憶部に記憶されている１つの色成分のインターフェログラムを示し、図２１（ｂ）は、最新の８フレーム分のインターフェログラムｆ（ｚ）と、Ｈｉｌｂｅｒｔ変換により生成されたデータｈ（ｚ）を示し、図２１（ｃ）は演算式から最新の８フレームの振幅Ａ（ｚ）を算出し、第ｍフレームの振幅Ａ（ｍ）を演算した結果を過去の振幅演算結果に追加したグラフである。 従来のインターフェログラムを示す図である。

符号の説明

１…測定サンプル、２…干渉対物レンズ、２ａ…参照鏡面、２ｂ…ビームスプリッタ、３…Ｚ走査機構、３ａ…変位センサ、４…結像レンズ、５…カラー撮像素子、６…ハーフミラー、７…照明光学系、８…白色光源、９…制御部本体、１０…画像入力部、１０…表示部、１１…演算処理部、１２…記憶部、１３…Ｉ／Ｏ部、１４…指示部、１５…表示部、１６…光軸、１８…ミラウ型干渉顕微鏡部、１９…制御部、５０,５１…傷、５２…異組成部、５３…凸部。

Claims (10)

1. 光源から出射された光を測定対象物及び参照面に照射し、前記測定対象物及び前記参照面から反射されたそれぞれの反射光からの干渉像を撮像し、前記測定対象物の３次元形状を測定する３次元形測定方法であって、
   前記測定対象物と前記参照面の相対距離を調整し、
   前記相対距離が変わるたびに、前記干渉像を順次撮像してカラー干渉画像を取得し、
   取得された前記カラー干渉画像を色成分毎に分離させ、
   分離された前記色成分毎の干渉波形から振幅の最大値を算出し、
   算出された前記振幅の最大値を合成してカラー輝度データを生成する、
   ことを特徴とする３次元形状測定方法。
2. 前記干渉波形において、少なくとも１つの色成分に対し前記最大値に対応する前記相対距離を算出することを特徴とする請求項１に記載の３次元形状測定方法。
3. 前記最大値を合成した前記カラー輝度データを前記測定対象物のカラー輝度値とし、前記相対距離を前記測定対象物の高さ情報とすると、前記高さ情報を基に前記測定対象物の３次元形状を表示させる際に、前記高さ情報に対応する前記カラー輝度値を前記３次元形状に重ね合わせて表示することを特徴とする請求項２に記載の３次元形状測定方法。
4. 前記光源は、インコヒーレント光源であることを特徴とする請求項１に記載の３次元形状測定方法。
5. 前記色成分は、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）成分であることを特徴とする請求項１に記載の３次元形状測定方法。
6. 前記相対距離が等速度で変化される際に、前記干渉像が順次撮像され、所定間隔の前記カラー干渉画像が取得されることを特徴とする請求項１に記載の３次元形状測定方法。
7. 前記干渉波形ｆ（ｚ）と、前記干渉波形ｆ（ｚ）をＨｉｌｂｅｒｔ変換により生成されたＨｉｌｂｅｒｔ変換データｈ（ｚ）を算出し、下記演算式から前記振幅Ａ（ｚ）を算出することを特徴とする請求項１に記載の３次元形状測定方法。
   

   
8. 光源から出射された光を測定対象物及び参照面に照射し、前記測定対象物及び前記参照面から反射されたそれぞれの反射光からの像を撮像し、前記測定対象物の３次元形状を測定する３次元形測定装置であって、
   前記測定対象物と前記参照面の相対距離を調整する駆動部と、
   前記駆動部によって前記相対距離が変わるたびに、前記干渉像を順次撮像してカラー干渉画像を取得する撮像取得部と、
   前記撮像取得部によって取得された前記カラー干渉画像を色成分毎に分離する分離部と、
   前記分離部によって分離された前記色成分の干渉波形から振幅の最大値を前記色成分毎に算出する第１の算出部と、
   前記色成分毎の前記振幅の最大値を合成してカラー干渉画像を生成する合成部と、
   を具備することを特徴とする３次元形状測定装置。
9. 少なくとも１つの色成分に対し、前記最大値に対応する前記相対距離を算出する第２の算出部と、
   をさらに具備し、
   前記最大値を合成した前記カラー輝度データを前記測定対象物のカラー輝度値とし、前記相対距離を前記測定対象物の高さ情報とすると、前記高さ情報を基に前記測定対象物の３次元形状を表示させる際に、前記高さ情報に対応する前記カラー輝度値を前記３次元形状に重ね合わせて表示させることを特徴とする請求項８に記載の３次元形状測定装置。
10. 前記第１の算出部は、前記干渉波形ｆ（ｚ）と、前記干渉波形ｆ（ｚ）をＨｉｌｂｅｒｔ変換により生成されたＨｉｌｂｅｒｔ変換データｈ（ｚ）を算出し、下記演算式から前記振幅Ａ（ｚ）を算出することを特徴とする請求項８に記載の３次元形状測定装置。
    

    

Images