JP5403458B2 - 表面形状測定方法及び表面形状測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、検査対象物に光ビームを照射してその反射光のピーク輝度に基づいて検査対象物の表面形状を測定する方法に関し、詳しくは、検査対象物表面からの反射光に含まれるノイズ成分を除去して反射光のピーク輝度の検出を容易にし、測定精度の向上を図ろうとする表面形状測定方法及び表面形状測定装置に係るものである。

従来のこの種の表面形状測定方法は、検査対象物上に集光する対物レンズの焦点位置と光学的に共役の関係に配置され、複数のマイクロミラーをマトリクス状に配列したマイクロミラーデバイスの当該マイクロミラーのうち、少なくとも一のマイクロミラーを傾けて光源からの光ビームを検査対象物方向に反射させ、上記少なくとも一のマイクロミラーで反射された光ビームを上記対物レンズにより検査対象物上に集光し、該検査対象物上に集光された光ビームの集光点からの反射及び散乱光を上記マイクロミラーデバイスの上記少なくとも一のマイクロミラーを介して検出し、上記検査対象物を上記対物レンズに対して相対的にその光軸方向に移動させてその移動量を検出し、上記少なくとも一のマイクロミラーを介して検出された光の輝度及び上記検出された移動量のデータからピーク輝度を示す移動量を検査対象物の測定点の高さとして求めるものである（例えば、特許文献１参照）。

また、他の表面形状測定方法は、光源から光ビームを放射し、マイクロミラーデバイスのマイクロミラーを、上記光源から放射された光ビームを検査対象物方向に反射するように傾け、対物レンズにより上記マイクロミラーで反射された光ビームを検査対象物上に選択された測定点に集光し、上記対物レンズによる結像位置と光学的に共役の関係に配置された撮像手段で検査対象物上に集光された光ビームの上記測定点からの反射光を検出し、移動手段により検査対象物と対物レンズとの間の距離を対物レンズの光軸方向に変化させると共にその変化量を検出し、上記検査対象物の測定点の高さを求める前に、上記マイクロミラーが光ビームを上記検査対象物方向に反射するように傾動している時間を短縮制御して上記測定点に対する光ビームの照射量を減らし、その後、上記撮像手段で検出された光の輝度及び上記移動手段から入力した移動量のデータに基づいてピーク輝度を示す移動量を検査対象物の測定点の高さとして求めるものである（例えば、特許文献２参照）。
特開２００６−２６６８２３号公報 特開２００７−１０７９２３号公報

しかし、このような従来の表面形状測定方法において、上記特許文献１に記載の方法は、マイクロミラーデバイスのマイクロミラーを傾動させて生成した光ビームを検査対象物上に照射させ、そこで反射されて戻る反射光を同じ上記マイクロミラーを介して撮像手段で検出するようにしているので、光源からの光がマイクロミラーで２回反射されることになり、光の利用効率が４０％程度まで低下していた。したがって、ピーク輝度の検出精度が低下し、表面形状の測定精度が悪くなるおそれがあった。

また、上記特許文献２に記載の方法は、マイクロミラーデバイスのマイクロミラーを傾動させて生成した光ビームを検査対象物上に照射させ、そこで反射されて戻る反射光を上記マイクロミラーを介することなくそのまま撮像手段で検出するようにしているので、光の利用効率の低下を抑えられるものの、撮像手段の任意の一つの受光素子には、検査対象物上の上記受光素子に対応した測定点からの反射光だけでなく、その周辺からの反射光が混入し、これらがノイズ成分となってピーク輝度の検出が困難となることがあった。特に、同時に測定する複数の測定点の間隔が狭いときには、混入する反射光がより多くなり、ピーク輝度の検出精度がより低下して表面形状の測定精度がより悪くなるおそれがあった。

そこで、本発明は、このような問題点に対処し、検査対象物表面からの反射光のノイズ成分を除去して反射光のピーク輝度の検出を容易にし、測定精度の向上を図ろうとする表面形状測定方法及び表面形状測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明による表面形状測定方法は、対物レンズを介して検査対象物上に複数の光ビームを照射して複数の測定点を指定し、前記対物レンズと検査対象物との間隔を連続的に変化させながら、撮像手段で前記複数の測定点からの反射光を受光して前記各測定点に対応する複数の輝度を取得し、該複数の輝度から前記各測定点のピーク輝度を検出して前記検査対象物表面の凹凸形状を測定する表面形状測定方法であって、前記検査対象物への光ビームの照射をオン・オフ制御して明暗模様から成るパターンを生成するパターン生成手段により、所定の明暗模様の第１のパターンを生成して前記検査対象物に照射し、前記明暗模様の明部及び暗部に対応した点を夫々測定点として指定した後、該第１のパターンと明暗が反転した第２のパターンを生成して照射することにより、前記各測定点に対して光ビームの照射及び照射停止の明暗二つの状態を交互に与えて、前記測定点毎に前記明暗二つの状態における輝度を交互に取得する第１段階と、前記測定点毎に前記交互に取得される明暗二つの状態の輝度のうち、少なくとも明状態の複数の輝度にて相前後して取得された輝度を補間処理して中点輝度を演算し、該中点輝度とこれに対応する暗状態の輝度とを減算処理して相対輝度を算出する第２段階と、前記対物レンズと検査対象物との間隔を変化させながら前記測定点毎に得られた複数の前記相対輝度から各測定点のピーク輝度を検出する第３段階と、を実行するものである。

このような構成により、検査対象物への光ビームの照射をオン・オフ制御して明暗模様から成るパターンを生成するパターン生成手段により、所定の明暗模様の第１のパターンを生成して検査対象物に照射し、上記明暗模様の明部及び暗部に対応した点を夫々測定点として指定した後、該第１のパターンと明暗が反転した第２のパターンを生成して照射することにより、検査対象物上の各測定点に対して光ビームの照射及び照射停止の明暗二つの状態を交互に与えて、測定点毎に上記明暗二つの状態における輝度を撮像手段で交互に取得し、測定点毎に上記交互に取得される明暗二つの状態の輝度のうち、少なくとも明状態の複数の輝度にて相前後して取得された輝度を補間処理して中点輝度を演算し、該中点輝度とこれに対応する暗状態の輝度とを減算処理して相対輝度を算出し、対物レンズと検査対象物との間隔を連続的に変化させながら測定点毎に得られた複数の相対輝度から各測定点のピーク輝度を検出して検査対象物表面の凹凸形状を測定する。

さらに、前記パターン生成手段は、個別に傾動する複数のマイクロミラーをマトリクス状に備えたマイクロミラーデバイスである。これにより、個別に傾動する複数のマイクロミラーをマトリクス状に備えたマイクロミラーデバイスで第１のパターン及び第２のパターンを生成して検査対象物に照射する。

さらにまた、前記対物レンズと検査対象物との間隔をステップ的に変化させながら、１ステップ毎に前記第１段階を実行するものである。これにより、対物レンズと検査対象物との間隔をステップ的に変化させながら、１ステップ毎に、各測定点に対して光ビームの照射及び照射停止の明暗二つの状態を交互に与えて各状態における輝度を取得する。

また、本発明による表面形状測定装置は、光源から入射する光をオン・オフ制御して射出し、明暗模様から成るパターンを生成して検査対象物に照射するパターン生成手段と、前記検査対象物上に前記パターンを結像する対物レンズと、前記対物レンズから前記パターン生成手段に向かう光路が分岐された光路上に設けられ前記検査対象物の表面を撮像する撮像手段と、前記対物レンズと前記検査対象物との間隔を連続的に変化させる移動手段と、前記移動手段を制御して前記対物レンズと前記検査対象物との間隔を変化させながら、前記撮像手段で撮像された複数の画像から前記検査対象物表面各部のピーク輝度を検出し、該ピーク輝度に基づいて前記検査対象物の表面形状を求める制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記パターン生成手段に対して所定の明暗模様から成る第１のパターン及び該第１のパターンと明暗が反転した第２のパターンを交互に生成させ、前記第１のパターンを前記検査対象物に照射して前記明暗模様の明部及び暗部に対応した点を夫々測定点として指定した後、前記第２のパターンを照射することにより、前記各測定点に対して光ビームの照射及び照射停止の明暗二つの状態を交互に与えて、前記測定点毎に前記明暗二つの状態における輝度を交互に取得し、前記測定点毎に前記交互に取得される明暗二つの状態の輝度うち、少なくとも明状態の複数の輝度にて相前後して取得された輝度を補間処理して中点輝度を演算し、該中点輝度とこれに対応する暗状態の輝度とを減算処理して相対輝度を算出し、前記対物レンズと検査対象物との間隔を変化させながら前記測定点毎に得られた複数の前記相対輝度から前記検査対象物表面の各測定点のピーク輝度を検出し、該ピーク輝度に基づいて前記検査対象物の表面形状を求めるものである。

このような構成により、制御手段で移動手段を制御して対物レンズと検査対象物との間隔を連続的に変化させ、パターン生成手段を制御して光源から入射する光をオン・オフ制御し、所定の明暗模様から成る第１のパターン及び該第１のパターンと明暗が反転した第２のパターンを交互に生成させ、第１のパターンを検査対象物に照射して上記明暗模様の明部及び暗部に対応した点を夫々測定点として指定した後、第２のパターンを照射することにより、上記各測定点に対して光ビームの照射及び照射停止の明暗二つの状態を交互に与えて、測定点毎に明暗二つの状態における輝度を、対物レンズからパターン生成手段に向かう光路が分岐された光路上に設けられた撮像手段で交互に取得し、制御手段で検査対象物表面の測定点毎に交互に取得される明暗二つの状態の輝度うち、少なくとも明状態の複数の輝度にて相前後して取得された輝度を補間処理して中点輝度を演算し、該中点輝度とこれに対応する暗状態の輝度とを減算処理して相対輝度を算出し、対物レンズと検査対象物との間隔を変化させながら上記測定点毎に得られた複数の相対輝度から検査対象物表面の各測定点のピーク輝度を検出し、該ピーク輝度に基づいて検査対象物の表面形状を求める。

そして、前記パターン生成手段は、個別に傾動する複数のマイクロミラーをマトリクス状に備えたマイクロミラーデバイスである。これにより、個別に傾動する複数のマイクロミラーをマトリクス状に備えたマイクロミラーデバイスで第１のパターン及び第２のパターンを生成して検査対象物に照射する。

請求項１に係る表面形状測定方法の発明によれば、一つの測定点に対して光ビームの照射及び照射停止の明暗二つの状態を交互に与えて各状態における輝度を取得し、この明暗二つの状態の輝度を減算処理して相対輝度を算出するようにしているので、検査対象物表面からの反射光に含まれる外乱や測定点周辺からの飛び込みによるノイズ成分を相殺して除去することができる。したがって、上記測定点における反射光のピーク輝度の検出が容易になり測定精度の向上を図ることができる。また、各測定点が近接していても測定点周辺部の他の測定点から混入する反射光を除去することができる。したがって、検査対象物の表面形状を緻密に測定することができる。さらに、対物レンズと検査対象物との間隔を連続的に変化させながら、明暗二つの状態の相対輝度を算出することができ、表面形状の測定時間を短縮することができる。

また、請求項２に係る発明によれば、マイクロミラーデバイスの複数のマイクロミラーの傾動を制御して明暗模様の複数のパターンを容易に生成することができる。したがって、検査対象物の表面形状に応じて適切なパターンを生成し、モワレの発生を抑制して表面形状の測定精度をより向上することができる。

さらに、請求項３に係る発明によれば、対物レンズと検査対象物との間隔をステップ的に変化させながら、ステップ毎に、各測定点に対して光ビームの照射及び照射停止の明暗二つの状態を交互に与えて各状態における輝度を取得することができ、明暗二つの状態の相対輝度の算出を容易に行なうことができる。

また、請求項４に係る表面形状測定装置の発明によれば、所定の明暗模様から成る第１のパターン及び該第１のパターンと明暗が反転した第２のパターンを交互に生成させ、検査対象物表面各部に対応して第１のパターン照射時に取得された輝度と第２のパターン照射時に取得された輝度とを減算処理して相対輝度を求め、得られた複数の相対輝度から検査対象物表面各部のピーク輝度を検出し、該ピーク輝度に基づいて検査対象物の表面形状を求めるようにしているので、検査対象物表面からの反射光のノイズ成分を相殺して除去することができる。したがって、上記測定点における反射光のピーク輝度の検出が容易になり測定精度の向上を図ることができる。また、各測定点が近接していても測定点周辺部の他の測定点から混入する反射光を除去することができる。したがって、検査対象物の表面形状を緻密に測定することができる。さらに、対物レンズと検査対象物との間隔を連続的に変化させながら、明暗二つの状態の相対輝度を算出することができ、表面形状の測定時間を短縮することができる。

そして、請求項５に係る発明によれば、マイクロミラーデバイスの複数のマイクロミラーの傾動を制御して明暗模様の複数のパターンを容易に生成することができる。したがって、検査対象物の表面形状に応じて適切なパターンを生成し、モワレの発生を抑制して表面形状の測定精度をより向上することができる。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明による表面形状測定方法に使用する表面形状測定装置の実施形態を示す概略構成図である。この表面形状測定装置は、検査対象物に光ビームを照射してその反射光のピーク輝度に基づいて検査対象物の表面形状を測定するもので、ステージ１と、光源装置２と、マイクロミラーデバイス３と、対物レンズ４と、撮像手段５と、移動手段６と、制御手段７とを備えて構成されている。

上記ステージ１は、検査対象物８を上面に載置してＸＹ平面内を移動させるものであり、ベース部材９上に設けられた図示省略の駆動機構によって移動するＸＹステージである。なお、図１においてＹ軸は、手前から奥に向かう方向である。

上記ステージ１の上方には、光源装置２が設けられている。この光源装置２は、計測光を放射する光源１０と、放射された計測光を平行光にして射出するコリメートレンズ１１とから成り、計測光を後述のマイクロミラーデバイス３に照射させるようになっている。なお、光源１０は、レーザ光源、ハロゲンランプ、ＬＥＤ等の白色光源である。又は、検査対象物８の下地の色に応じて適宜選択された単色光の光源であってもよい。

上記光源装置２から射出する計測光の放射方向前方には、マイクロミラーデバイス３が設けられている。このマイクロミラーデバイス３は、図２に示すように個別に傾動する複数のマイクロミラー１２をマトリクス状に備えもので、光源１０から入射する計測光をオン・オフ制御して射出し、明暗模様から成るパターンを生成して検査対象物８に照射するパターン生成手段となるものである。この場合、光源１０からの計測光を検査対象物８方向に反射するように傾動している状態を「オン駆動」といい、検査対象物８と異なる方向に反射するように傾動している状態を「オフ駆動」という。そして、検査対象物８上に複数の光ビームを照射して複数の測定点を指定する働きをする。

上記ステージ１とマイクロミラーデバイス３とを結ぶ光路上には、ステージ１に対向して対物レンズ４が設けられている。この対物レンズ４は、マイクロミラーデバイス３で生成された明暗模様のパターンを検査対象物８上に結像するものである。

上記対物レンズ４からマイクロミラーデバイス３に向かう光路がビームスプリッタ１３で分岐された光路上には、撮像手段５が設けられている。この撮像手段５は、検査対象物８表面を撮像するもので、複数の受光素子をマトリクス状に備えた二次元撮像カメラであり、マイクロミラーデバイス３で指定された複数の測定点からの反射光を受光して各測定点に対応する輝度の取得を可能とするものである。

上記光源装置２、マイクロミラーデバイス３、対物レンズ４、及び撮像手段５を含んで構成した光学機構１４を対物レンズ４の光軸方向（Ｚ軸方向）に移動可能に移動手段６が設けられている。この移動手段６は、光学機構１４を移動して対物レンズ４と検査対象物８との間隔を連続的に変化させるものであり、例えばモータやギア等を組み合わせて構成したＺステージ１５が、下端部をベース部材９に固定して垂直に立設された支持部材１６の側面に沿ってＺ軸方向に移動するようにされており、位置検出センサーを備えて光学機構１４の移動量が検出可能となっている。

なお、図１において、符号１７は、対物レンズ４の結像位置の像を撮像手段５の受光面に結像させる結像レンズである。また、符号１８ａ，１８ｂ，１８ｃは、全反射ミラーである。

上記光源装置２、マイクロミラーデバイス３、撮像手段５及び移動手段６に結線して制御手段７が設けられている。この制御手段７は、撮像手段５で撮像された複数の画像から検査対象物８表面各部のピーク輝度を検出し、該ピーク輝度に基づいて検査対象物８の表面形状を求めるものであり、図３に示すように、画像処理部１９、マイクロミラー駆動コントローラ２０、演算部２１、メモリ２２、移動手段駆動コントローラ２３、光源駆動コントローラ２４、及び制御部２５と、を備えている。

ここで、画像処理部１９は、撮像手段５において所定の時間間隔で撮像された複数フレームの画像を入力して画像処理し、得られた画像データに基づいて検査対象物８表面の各測定点からの反射光の輝度データ（以下、単に「輝度」という）を取得するものである。

また、マイクロミラー駆動コントローラ２０は、マイクロミラーデバイス３に駆動パターンを転送して複数のマイクロミラー１２を個別に傾動させ、所定の明暗模様から成る第１のパターン及び該第１のパターンと明暗が反転した第２のパターンを所定時間間隔で交互に生成させ、検査対象物８上の各測定点に対して光ビームの照射及び照射停止の明暗二つの状態を交互に与えるようにさせるものである。これにより、撮像手段５においては、上記第１のパーン及び第２のパターンの明暗模様が交互に複数フレーム撮像されることになる。この場合、奇数フレームの撮像画像が第１のパターンに対応し、偶数フレームの撮像画像が第２のパターンに対応する。なお、各駆動パターンは、メモリ２２ではなくマイクロミラーデバイス３に備えた別のメモリに保存されてもよい。この場合、マイクロミラー駆動コントローラ２０からは、マイクロミラーデバイス３に対して駆動パターンの転送指令が送信されることになる。

さらに、演算部２１は、画像処理部１９で取得された輝度を入力し、検査対象物８表面各部（各測定点）に対応して第１のパターン照射時に取得された輝度と第２のパターン照射時に取得された輝度とを減算処理して相対輝度を求めるもので、交互に取得される明暗二つの状態の輝度うち、少なくとも明状態の複数の輝度にて相前後して取得された輝度を補間処理して中点輝度を演算し、該中点輝度とこれに対応する暗状態の輝度とを減算処理して相対輝度を算出するようになっている。なお、本実施形態においては、明状態だけでなく暗状態において取得された輝度も補間処理して中点輝度を演算し、該中点輝度とこれに対応する明状態の輝度とを減算処理して相対輝度を算出している。

そして、メモリ２２は、各測定点に対応して得られた輝度を保存すると共に、上記演算部２１で演算された結果を保存し、移動手段６の位置センサーの出力に基づいて検出される光学機構１４の移動距離にて、撮像手段５で撮像される各フレームの画像取得時における移動距離、及び各測定点のピーク輝度に対応する移動距離を保存するものである。また、マイクロミラーデバイス３の複数の駆動パターンも保存するようになっている。

また、移動手段駆動コントローラ２３は、移動手段６の駆動を制御して光学機構１４を対物レンズ４の光軸方向に所定速度で移動させ、対物レンズ４と検査対象物８との間隔を連続的に変化させるものであり、移動手段６に備えた位置センサーの出力に基づいて光学機構１４をその移動範囲の最下点の位置から最上点の位置まで移動させた後に、停止させるように移動手段６の駆動を制御するようになっている。又は、光学機構１４をその移動範囲の最上点の位置から最下点の位置まで移動させてもよい。

さらに、光源駆動コントローラ２４は、光源１０の点灯及び消灯を制御するものである。そして、制御部２５は、上記各構成要素の駆動を適切に制御すると共に、演算部２１で演算して得られた複数の相対輝度から検査対象物８表面各部のピーク輝度を検出し、該ピーク輝度を検出したときの移動手段６の高さ位置を各測定点における高さとして決定するものであり、その結果を例えば図示省略のモニター画面上に表示させ、又はプリンターにより紙面上に記録して表示させるようになっている。

次に、このように構成された表面形状測定装置の動作、及びこの装置を使用した表面形状測定方法について図４に示すフローチャートを参照して説明する。
先ず、ステップＳ１においては、ステージ１上に検査対象物８を載置し、図示省略の駆動機構を例えば手動操作してステージ１をＸＹ方向に移動させ、検査対象物８の被測定位置を対物レンズ４の下側に位置付ける。そして、図示省略のモニター画面に表示された撮像手段５による撮像画像を見ながら、例えば手動により光学機構１４を上下動させ、目視によりフォーカス調整を行う。又は、撮像手段５による撮像画像が鮮明となるようにオートフォーカス調整する。

ステップＳ２においては、測定開始スイッチを投入して表面形状の測定を開始する。この場合、先ず、光源駆動コントローラ２４が起動して光源１０を点灯する。次に、移動手段６が移動手段駆動コントローラ２３によって駆動制御されて光学機構１４を移動範囲の例えば最下点の位置まで移動した後、反転して所定速度で最上点の位置まで連続的に移動させる。

ステップＳ３（第１段階）においては、先ず、マイクロミラー駆動コントローラ２０を起動し、メモリ２２から第１の駆動パターンを読み出してマイクロミラーデバイス３に転送する。これにより、上記第１の駆動パターンに応じて、例えば図５（ａ）に示すように、マイクロミラーデバイス３の四つのマイクロミラー１２が一単位としてオン・オフ駆動され、光源１０からの計測光を検査対象物８方向に反射して、明暗模様から成る市松模様の第１のパターンを生成する。この第１のパターンは、対物レンズ４によって検査対象物８上に投影され、第１のパターンの明部に対応して複数の測定点が指定される。なお、明部に囲まれた暗部も結果的に他の測定点として指定されることになる。

一方、撮像手段５は、検査対象物８上に投影された第１のパターンを撮像する。さらに、画像処理部１９においては、この撮像画像（第１フレームの画像）を画像処理し、得られた画像データに基づいて検査対象物８上の上記各測定点に対応する輝度を取得する。そして、撮像手段５による第１フレームの画像撮像時の光学機構１４の移動距離を移動手段６の位置センサーの出力により取得し、測定点毎に該移動距離と上記輝度とを互いに関連付けてメモリ２２に保存する。

次に、マイクロミラー駆動コントローラ２０は、第１の駆動パターンをマイクロミラーデバイス３に転送してから所定時間経過後に、メモリ２２から第２の駆動パターンを読み出してマイクロミラーデバイス３に転送する。これにより、上記第２の駆動パターンに応じて、例えば図５（ｂ）に示すように、マイクロミラーデバイス３の四つのマイクロミラー１２が一単位としてオン・オフ駆動され、光源１０からの計測光を検査対象物８方向に反射して、第１のパターンと明暗反転した市松模様の第２のパターンを生成する。この第２のパターンは、対物レンズ４によって検査対象物８上に投影され、第２のパターンの明部及び暗部に対応して複数の測定点が指定される。

一方、撮像手段５は、検査対象物８上に投影された第２のパターンを撮像する。さらに、画像処理部１９においては、この撮像画像（第２フレームの画像）を画像処理し、得られた画像データに基づいて検査対象物８上の上記各測定点に対応する輝度を取得する。そして、撮像手段５による第２フレームの画像撮像時の光学機構１４の移動距離を移動手段６の位置センサーの出力により取得し、測定点毎に該移動距離と上記輝度とを互いに関連付けてメモリ２２に保存する。

ステップＳ４においては、光学機構１４が移動範囲の最上点まで達したか否かを制御部２５で判定する。この場合、光学機構１４がまだ最上点まで達しておらず“ＮＯ”判定となるとステップＳ３に戻る。そして、ステップＳ４において“ＹＥＳ”判定となるまで、ステップＳ３及びＳ４を繰り返し実行し、撮像手段５で順次撮像された第３フレーム，第４フレーム，第５フレーム，…の各画像を画像処理部１９で順次処理し、得られた画像データに基づいてフレーム毎に検査対象物８上の各測定点に対応する輝度を取得する。そして、各フレームの画像撮像時の光学機構１４の移動距離を夫々移動手段６の位置センサーの出力により取得し、測定点毎に該各移動距離と上記輝度とを互いに関連付けてメモリ２２に保存する。この場合、図５において、四つのマイクロミラーが一単位としてオン・オフ駆動されて指定された例えば測定点Ｐに対して取得される輝度波形Ｗ１は、フレーム番号（光学機構１４の移動距離に対応）に対して図６に示すものとなる。即ち、フレーム番号１００近傍以外の部分においては、測定点Ｐ周辺部から混入する反射光のノイズ成分が多く、明部と暗部の輝度差が小さくなっている。

一方、ステップＳ４において“ＹＥＳ”判定となるとステップＳ５に進む。同時に、光源駆動コントローラ２４を駆動して光源１０を消灯させる。

ステップＳ５（第２段階）においては、先ず、メモリ２２から奇数フレームの画像に対応する輝度を測定点毎に読み出す。そして、測定点毎に読み出された複数の輝度のうち、相前後して取得された輝度を補間処理して中点輝度を演算する。この場合、例えば図５（ａ）における測定点Ｐに着目すると、図７に破線で示すように各フレーム間が補間された奇数フレームに基づく暗部の輝度波形Ｗ２が得られる。

次に、メモリ２２から偶数フレームの画像に対応する輝度を測定点毎に読み出す。そして、測定点毎に読み出された複数の輝度のうち、相前後して取得された輝度を補間処理して中点輝度を演算する。この場合、例えば図５（ｂ）における測定点Ｐに着目すると、図７に実線で示すように各フレーム間が補間された偶数フレームに基づく明部の輝度波形Ｗ３が得られる。これにより、図６に示す輝度波形Ｗ１が図７に示すように奇数フレームに基づく輝度波形Ｗ２と、偶数フレームに基づく輝度波形Ｗ３とに分離されることになる。

そして、奇数フレームに基づく輝度波形Ｗ２と偶数フレームに基づく輝度波形Ｗ３とを演算部２１で減算処理し、ノイズ成分を相殺して例えば図８に示すような相対輝度波形Ｗ４を求める。さらに、上記相対輝度波形Ｗ４の絶対値を取って図９に示すような相対輝度波形Ｗ５を求める。

ステップＳ６（第３段階）においては、測定点毎に図９に示す相対輝度波形Ｗ５に基づいて演算部２１で各フレームの輝度をフレーム番号の小さい方から大きい方に向かって順次比較し、ピーク輝度Ｅｐを検出する。さらに、測定点毎にピーク輝度Ｅｐに対応するフレーム番号から光学機構１４の移動距離を算出する。そして、この移動距離を該当する測定点の高さＨとし、該高さＨをこの測定点に対応する撮像手段５の受光素子の位置座標と共にメモリ２２に保存する。

ステップＳ７においては、メモリ２２から各測定点に対応する撮像手段５の受光素子の位置座標及び高さ情報を読み出し、図示省略のモニター画面上に三次元表示する。又は、プリンターにより紙面上に三次元表示して出力する。

なお、上記実施形態においては、市松模様の明暗パターンを使用した場合について説明したが、本発明はこれに限られず、例えば渦巻状の明暗パターン等他のパターンを使用してもよい。

また、上記実施形態においては、光学機構１４を連続的にＺ軸方向に移動する場合について説明したが、本発明はこれに限られず光学機構１４を所定の移動量でステップ移動させてもよい。この場合、１ステップ移動する毎に上記ステップＳ３（第１段階）を実行して各測定点に対して光ビームの照射及び照射停止の明暗二つの状態を交互に与えて各状態における輝度を取得するようにするとよい。

さらに、上記実施形態においては、光学機構１４をＺ軸方向に移動する場合について説明したが、本発明はこれに限られず、光学機構１４は固定してステージ１をＺ軸方向に移動してもよい。

さらにまた、上記実施形態においては、パターン生成手段がマイクロミラーデバイス３の場合について説明したが、本発明はこれに限られず、パターン生成手段は、液晶表示素子等、光源１０から入射する計測光をオン・オフ制御して出力し、所定の明暗模様のパターンを生成可能なものであれば如何なるものであってもよい。

そして、以上の説明においては、パターン生成手段により所定の明暗模様から成るパターンを検査対象物に照射する場合について述べたが、本発明はこれに限られず、各測定点に対して光ビームの照射及び照射停止の明暗二つの状態を交互に与えることができるならば、例えばピンホール盤やピンホールマスク等を使用してもよい。これにより、外乱ノイズの影響を除去してピーク輝度の検出を容易にして測定精度を向上することができる。

本発明による表面形状測定装置の実施形態を示す概略構成図である。 上記実施形態のマイクロミラーデバイスの一構成例を示す平面図である。 上記実施形態の制御手段の一構成例を示すブロック図である。 本発明による表面形状測定方法を示すフローチャートである。 本発明の表面形状測定方法において使用する明暗模様のパターン例を示す説明図である。 本発明の表面形状測定方法において取得される輝度波形の一例を示すグラフである。 図６の輝度波形から分離された奇数フレームの輝度波形と偶数フレームの輝度波形とを示すグラフである。 図７に示す奇数フレームの輝度波形と偶数フレームの輝度波形とを減算処理した後の相対輝度波形を示すグラフである。 図８の相対輝度波形の絶対値を取って求めた相対輝度波形を示すグラフである。

符号の説明

３…マイクロミラーデバイス（パターン生成手段）
４…対物レンズ
５…撮像手段
６…移動手段
７…制御手段
８…検査対象物
１０…光源
１２…マイクロミラー

Claims (5)

1. 対物レンズを介して検査対象物上に複数の光ビームを照射して複数の測定点を指定し、前記対物レンズと検査対象物との間隔を連続的に変化させながら、撮像手段で前記複数の測定点からの反射光を受光して前記各測定点に対応する複数の輝度を取得し、該複数の輝度から前記各測定点のピーク輝度を検出して前記検査対象物表面の凹凸形状を測定する表面形状測定方法であって、
   前記検査対象物への光ビームの照射をオン・オフ制御して明暗模様から成るパターンを生成するパターン生成手段により、所定の明暗模様の第１のパターンを生成して前記検査対象物に照射し、前記明暗模様の明部及び暗部に対応した点を夫々測定点として指定した後、該第１のパターンと明暗が反転した第２のパターンを生成して照射することにより、前記各測定点に対して光ビームの照射及び照射停止の明暗二つの状態を交互に与えて、前記測定点毎に前記明暗二つの状態における輝度を交互に取得する第１段階と、
   前記測定点毎に前記交互に取得される明暗二つの状態の輝度のうち、少なくとも明状態の複数の輝度にて相前後して取得された輝度を補間処理して中点輝度を演算し、該中点輝度とこれに対応する暗状態の輝度とを減算処理して相対輝度を算出する第２段階と、
   前記対物レンズと検査対象物との間隔を変化させながら前記測定点毎に得られた複数の前記相対輝度から各測定点のピーク輝度を検出する第３段階と、
   を実行することを特徴とする表面形状測定方法。
2. 前記パターン生成手段は、個別に傾動する複数のマイクロミラーをマトリクス状に備えたマイクロミラーデバイスであることを特徴とする請求項１記載の表面形状測定方法。
3. 前記対物レンズと検査対象物との間隔をステップ的に変化させながら、１ステップ毎に前記第１段階を実行することを特徴とする請求項１又は２記載の表面形状測定方法。
4. 光源から入射する光をオン・オフ制御して射出し、明暗模様から成るパターンを生成して検査対象物に照射するパターン生成手段と、
   前記検査対象物上に前記パターンを結像する対物レンズと、
   前記対物レンズから前記パターン生成手段に向かう光路が分岐された光路上に設けられ前記検査対象物の表面を撮像する撮像手段と、
   前記対物レンズと前記検査対象物との間隔を連続的に変化させる移動手段と、
   前記移動手段を制御して前記対物レンズと前記検査対象物との間隔を変化させながら、前記撮像手段で撮像された複数の画像から前記検査対象物表面各部のピーク輝度を検出し、該ピーク輝度に基づいて前記検査対象物の表面形状を求める制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、前記パターン生成手段に対して所定の明暗模様から成る第１のパターン及び該第１のパターンと明暗が反転した第２のパターンを交互に生成させ、前記第１のパターンを前記検査対象物に照射して前記明暗模様の明部及び暗部に対応した点を夫々測定点として指定した後、前記第２のパターンを照射することにより、前記各測定点に対して光ビームの照射及び照射停止の明暗二つの状態を交互に与えて、前記測定点毎に前記明暗二つの状態における輝度を交互に取得し、前記測定点毎に前記交互に取得される明暗二つの状態の輝度うち、少なくとも明状態の複数の輝度にて相前後して取得された輝度を補間処理して中点輝度を演算し、該中点輝度とこれに対応する暗状態の輝度とを減算処理して相対輝度を算出し、前記対物レンズと検査対象物との間隔を変化させながら前記測定点毎に得られた複数の前記相対輝度から前記検査対象物表面の各測定点のピーク輝度を検出し、該ピーク輝度に基づいて前記検査対象物の表面形状を求める、
   ことを特徴とする表面形状測定装置。
5. 前記パターン生成手段は、個別に傾動する複数のマイクロミラーをマトリクス状に備えたマイクロミラーデバイスであることを特徴とする請求項４記載の表面形状測定装置。

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