JP5493152B2 - 形状測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、広帯域スペクトルを有する光源から測定面に対して照射された光と参照面に対して照射された光の干渉強度によって測定面の位置を測定する形状測定装置に関する。

従来、光学系を用いて非接触で被測定物の三次元形状を測定する種々の形状測定装置が知られている。例えば、マイクロマシンやＬＳＩ等の微細な被測定物の三次元計測が可能な形状測定装置としては、白色干渉計が知られている。この白色干渉計は、白色光源から被測定物に照射され、被測定物から反射された白色光と、白色光源から参照面に照射され、参照面から反射された白色光とを干渉させると共に、参照面を光軸方向に移動させて最も干渉光強度の大きい参照面位置を検出し、この参照面位置に基づいて被測定物の光軸方向の高さを計測するものである（特許文献１）。

このような白色干渉計のうち、演算処理を簡素化したものとして、光路長差を所定量変位させる前後の干渉縞強度の差分値の絶対値を重みとする検査位置の加重平均を算出し、この加重平均が示す値を差分値の絶対値が最大となるピーク位置として求めるようにした形状測定装置も知られている（特許文献２）。

国際公開２００６−０６８２１７号 特許第３２２０９５５号

この様な白色干渉計による測定で実際に得られるデータはノイズの影響を受けやすく、試料表面の特性によっては信号のベースラインに大きなうねりが生じる場合もある。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、ノイズの影響を抑えて、安定した精度の高い測定結果を得ることができる形状測定装置を提供することを目的とする。

本発明に係る形状測定装置は、広帯域スペクトルを有する光源と、この光源からの光を被測定対象と参照面とに導くと共に、前記被測定対象及び参照面から反射された光を合成し、前記光源から前記被測定対象までの第１光路長と前記光源から前記参照面までの第２光路長との光路長差によって変化する前記被測定対象の測定面内の各測定位置に対応した干渉光強度を示す干渉光強度分布画像を生成する光学系と、前記光学系から出力される前記干渉光強度分布画像を撮像する撮像手段と、前記第１光路長と第２光路長の光路長差を変化させる光路長差変更手段と、前記撮像手段で撮像され前記光路長差の変化に伴って変化する干渉光強度分布画像を順次記憶する画像記憶手段と、前記画像記憶手段に記憶された前記干渉光強度分布画像の各測定位置における前記光路長差の変化に伴う干渉光強度の変化を示す干渉光強度列から、そのピーク値を求め、このピーク値を前記測定対象の各測定位置における光軸方向の位置として求める演算手段とを備えた形状測定装置において、前記演算手段は、前記干渉光強度列の中心周波数による複数の周期信号及び直流信号を発生させる複数の信号発生手段と、前記複数の信号発生手段から出力された信号のそれぞれに重み付けをして出力する重み付け手段と、前記周期信号について前記重み付け手段から出力された信号を加算して検出信号として出力する第１の信号加算手段と、前記直流信号について前記重み付け手段から出力された信号と前記検出信号とを加算する第２の信号加算手段と、前記干渉強度列から前記第２の信号加算手段の出力を減算して誤差信号を出力する信号減算手段と、前記誤差信号に基づいて前記重み付け手段の重みを調整する適応アルゴリズム部とを有する適応信号処理ブロックと、前記検出信号のピーク位置を検出するピーク検出ブロックとを有する事を特徴としている。

なお、前記適応アルゴリズムとしては、例えばＲＬＳ（Ｒｅｃｕｒｓｉｖｅ Ｌｅａｓｔ Ｓｑｕａｒｅ）法によるアルゴリズムを用いることができる。

また、前記ピーク検出ブロックとしては、例えば前記検出信号の２乗値を出力する２乗手段と、前記２乗手段からの出力信号を積分して出力する積分手段と、前記積分手段からの出力信号を平滑化し、微分して出力する平滑化微分手段と、前記平滑化微分回路からの出力信号から前記ピーク位置を検出するピーク位置検出手段とを有するものを用いることができる。

本発明によれば、ノイズの影響を抑え、安定して精度の高い測定結果を得ることができる。

本発明の第１実施形態に係る形状測定装置の構成を示すブロック図である。 同装置における形状測定方法を説明するための図である。 同装置における形状測定方法を説明するためのフローチャートである。 同装置における適応信号処理部の構成を示すブロック図である。 同装置におけるピーク検出処理部の構成を示すブロック図である。 同装置における適応信号処理部の入力信号と検出信号の一例を示す図である。 同装置における適応信号処理部の入力信号と検出信号の他の例を示す図である。 同装置における被測定物の観察データと、従来の形状測定装置における被測定物の観察データとを比較した図である。

［第１実施形態］
次に、本発明の第１実施形態に係る形状測定装置及び形状測定方法について詳細に説明する。

図１は、本実施形態に係る形状測定装置である白色干渉計の構成を示す図である。なお、ここでは、マイケルソン型の干渉計を示すが、ミラウ型等、他の等光路干渉計を用いることもできる。また、画像測定装置等、他の光学測定装置と併用したものでも良い。

光源１は、例えばハロゲンランプ、キセノンランプ、水銀ランプ、メタルハライドランプ、ＬＥＤ等の広帯域スペクトルを有する白色光源である。光源１から出射された白色光は、コリメータレンズ２でコリメートされ、ビームスプリッタ３で２方向に分割される。一方の分割光は、被測定対象であるワーク４の測定面に照射され、他方の分割光は、参照板５の参照面に照射される。測定面及び参照面からそれぞれ反射された白色光は、ビームスプリッタ３で合成され、その際の干渉光が結像レンズ７を介してＣＣＤカメラ８で撮像される。

参照板５は、ピエゾ素子のような駆動手段６によって光軸方向に移動走査され、各走査位置での干渉像がＣＣＤカメラ８によりサンプリングされ、画像メモリ９に記憶される。演算処理部１０は、ワーク４の測定面の各測定位置での干渉光の強度とエンコーダ１４から入力される参照板５の走査位置情報とに基づいて、ワーク４の測定面の高さ方向の位置を求める。また、演算処理部１０は、ワーク４の測定面の高さ方向の位置を決定するのに際し使用される、後述するノイズ除去のための適応信号処理ブロック１００（図４）と、干渉光の強度のピーク位置を検出するピーク検出ブロック１１０（図５）とを備えている。入力部１１は、演算処理部１０に計測に必要なデータを入力する。出力部１２は、演算処理部１０で求められた測定結果を出力する。また、表示部１３は、入力操作に必要な情報及び測定結果を表示する。

次に、この白色干渉計による形状測定方法について説明する。

光源１からの白色光は、ワーク４の測定面と参照板５の参照面で反射され、ビームスプリッタ３で合成される。そのときの干渉強度は、光源１からワーク４までの第１の光路長と、光源１から参照板５までの第２の光路長との光路長差によって決まる。第１及び第２の光路長が等しいときは、最も干渉光強度が大きくなる。干渉光強度は、参照板５をピエゾ素子６で光軸方向に移動走査することにより変化する。可干渉性の少ない白色光を使用することで、干渉縞の発生する範囲を狭くすることができる。これにより、例えば、図２に示すように、参照面の移動走査により発生する測定面の各位置での干渉光強度の変化は、測定面の高さ（Ｚ方向位置）に応じた位相で発生するので、測定面の各位置での干渉光強度の変化のピーク値が観測される参照面の走査位置を、測定面の対応する部位の高さとして求めることができる。

図３は、形状測定方法を示すフローチャートである。

参照板５を光軸方向に所定量移動し（Ｓ１）、測定面の干渉光強度の二次元の分布画像を画像メモリ９に記憶する（Ｓ２）。これを所定サンプリング数だけ繰り返し（Ｓ３）、所定枚の分布画像が画像メモリ９に蓄積されたら、図２に示すような、測定面の各測定位置における光路長差の変化に伴う干渉光強度の変化を示す干渉光強度列のピーク位置を検出する（Ｓ４）。そして、検出した各測定位置のピーク位置を測定点における高さとして表示、出力する（Ｓ５）。

ところで、干渉光強度の変化を示す干渉光強度列には、ワーク４の材質、測定環境等の影響でノイズが含まれ、Ｓ／Ｎが悪化したり、図６（ａ）に示すように、ベースラインが変動したりする。このため、本実施形態では、演算処理部１０に含まれる適応信号処理ブロック１００が、このノイズを除去して、図６（ｂ）のように、ベースラインの変動やノイズ成分を除去する。

図４は、この適応信号処理ブロック１００の構成を示すブロック図である。適応信号処理ブロック１００は、干渉光強度列の中心周波数ωで発振する正弦信号sin（ωｔ）及び余弦信号cos（ωｔ）、並びに直流信号ＤＣをそれぞれ発生させる信号発生回路１００１，１００２，１００３を有する。これらの信号は、それぞれ重み付け回路１００４，１００５，１００６によって重み付けを付与される。中心周波数成分の重み付け回路１００４，１００５の出力は、加算器１００７によって加算され、検出信号ｇ（ｔ）として出力される。この加算器１００７の出力と、直流成分の重み付け回路１００６の出力とが加算器１００８によって加算される。減算器１００９は、干渉光強度列の観測信号ｆ（ｔ）から加算器１００８の出力を減算し、その減算結果として誤差信号ｅ（ｔ）を出力する。この誤差信号ｅ（ｔ）が、適応アルゴリズム部１０１０に入力される。適応アルゴリズム部１０１０は、誤差信号ｅ（ｔ）を最小にするように、重み付け回路１００４，１００５，１００６の各重み付け係数Ａｓ，Ａｃ，Ａｄを適応的に変化させる。適応アルゴリズム部１０１０は、ＬＭＳ（Least Mean Square）法、ＲＬＳ（Recursive Least Square）法等の適応アルゴリズムを用いることができるが、収束速度が速いという点で、後者のＲＬＳ法が望ましい。

この様に構成された適応信号処理ブロック１００によれば、図６（ａ）に示すノイズを含んだ干渉光強度列の観測信号ｆ（ｔ）から、図６（ｂ）に示すノイズを除去した観測信号ｇ（ｔ）を得ることができる。すなわち、適応信号処理ブロック１００における観測信号ｆ（ｔ）は、数１と表すことができ、誤差信号ｅ（ｔ）を最小にするべく重み係数Ａｓ，Ａｃ，Ａｄを求めることにより、中心周波数ω成分のみを含む検出信号ｇ（ｔ）が、数２と求められる。

本実施形態の様な適応信号処理を用いた方法では、干渉光強度列について全てのデータが揃っている必要は無く、各画素の干渉光強度列のサンプルを取得する度に時系列に逐次処理を行うことが可能である。例えば、干渉光強度列の各サンプルの取得と同時に順次演算処理、画面表示を行い、測定の進行とともに表示した画像を徐々に更新していくようなリアルタイム処理も可能となる。

図５は、同装置におけるピーク検出ブロック１１０の構成を示すブロック図である。ピーク検出ブロック１１０は、２乗回路１１０１と、積分回路１１０２と、平滑化微分回路１１０３と、ピーク位置検出回路１１０４とをこの順に接続して構成されている。

次に、この様に構成されたピーク検出ブロック１１０の動作について説明する。ピーク検出ブロック１１０に検出信号ｇ（ｔ）が入力されると、まず検出信号ｇ（ｔ）は２乗回路１１０１によって２乗され、積分回路１１０２によって積分される。次に、平滑化微分回路１１０３において平滑化され、更に微分される。最終的にはピーク位置検出回路１１０４によってピーク位置が検出される。この様な構成においては、検出信号ｇ（ｔ）を２乗積分した後に単純微分では無く平滑化微分を行うため、安定してピーク位置を求めることが可能となる。

次に、本実施形態における形状測定の効果について説明する。図６、図７は、共に適応信号処理ブロック１００の入力信号ｆ（ｔ）と検出信号ｇ（ｔ）を示している。

図６（ａ）には、入力信号ｆ（ｔ）のベースラインが、信号測定中に大きく変動してしまった例を示している。これに対して図６（ｂ）には、図６（ａ）に示す入力信号ｆ（ｔ）を適応信号処理ブロック１００に入力した際の、検出信号ｇ（ｔ）を示している。図より、ベースラインの変動がほぼ完全に除去され、Ｓ／Ｎ比が劇的に改善されている。

図７（ａ）には、入力信号ｆ（ｔ）の検出信号成分が、ベースラインの変動と比較して非常に微弱である例を示している。図より、ｆ（ｔ）のベースラインが大きく変動しており、信号成分がのみ込まれてしまっている。これに対して図７（ｂ）には、図７（ａ）に示す入力信号ｆ（ｔ）を適応信号処理ブロック１００に入力した際の、検出信号ｇ（ｔ）を示している。図６のケースと同様に、ベースラインの変動がほぼ完全に除去され、Ｓ／Ｎ比が劇的に改善されている。

これらの結果より、本実施形態における形状測定装置によれば、入力信号ｆ（ｔ）のベースラインが大きく変動し、又は入力信号ｆ（ｔ）の信号成分が微弱な場合であっても、ベースラインの変動を抑えた検出信号ｇ（ｔ）を出力し、安定した精度の高い測定結果を得ることができる。

図８は、各ピクセル位置に対してピーク検出を行い形状データに変換した結果を示している。尚、図８（ａ）は従来の、（ｂ）は本実施形態における画像データを示している。ピクセル数は図８（ａ）、（ｂ）共に３０７２００個である。

図中の白抜きの部分は欠損データを表している。図からも分かる通り、従来の形状測定装置と比較して、本実施形態においては、欠損データ数が著しく減少している。実際には、従来の形状測定装置における欠損データ数は６３８５／３０７２００個であるのに対し、本実施形態における形状測定装置によれば、欠損データ数は２／３０７２００となった。これより、本実施形態においては、従来例と比較して形状測定の安定性が著しく増した。

［第２実施形態］
第１の実施形態の様な方法では、各画素の信号処理は、完全に独立しており、それぞれ個別に処理を実行することが可能である。したがって、例えば複数のＣＰＵに各画素における演算処理を割り当てた場合、演算処理速度は急激に向上する。理想的には画素数分のＣＰＵを用い、各ＣＰＵに特定の画素を割り当てることが望ましい。この場合、各画素に対する処理を完全に並列化する事が可能となる。更に、前述のリアルタイム処理をあわせれば、リアルタイム並列処理が容易に実現する。

［第３実施形態］
第１の実施形態においては検出信号を数２のように表していたが、本実施形態においては数３とあらわす。この場合、Ａは信号振幅、Φは信号位相であり、それぞれ数４及び数５のように表される。

数学的には数２と数３は同じものを表しているが、数３を用いて演算処理を行う場合には、適応信号処理においてＡｓ及びＡｃのかわりにＡ及びΦを調整していく事となる。この様な手法においては、例えばＡ及びΦに異なる重みを設定する事も可能である。また、ＲＬＳ法には忘却定数と言う概念が存在する。これは、過去のどの時点までのデータを推定に活用するかを表すものであるが、この忘却定数に対しても、Ａ及びΦのそれぞれについて、適切な値を設定する事が可能である。

［第４実施形態］
第１の実施形態では中心周波数ω成分が一つの例を示したが、使用する光源１の波長成分に合わせて中心周波数ω成分を複数種類用いるようにしても良い。すなわち、干渉光強度列は実際には、数２や数３のように単一の周波数ωではなく、周波数に分布がある。従って、下記の数６の様な式を用いる事で、より正確な推定が可能となる。リアルタイム性を考慮すると現実的には、数６で３成分程度の計算を行うのが望ましい。これにより、最大振幅位置が推定できると同時に、各周波数成分における位相も測定する事が出来る。前述の通り干渉光強度列は複数の周波数の波を含んでいるが、最大振幅位置では、各周波数成分における位相が一致するという特徴を持っている。従って、数６による推定法によれば、振幅だけでなく位相情報も用いたさらに高精度な推定が可能となる。

１…光源、２…コリメータレンズ、３…ビームスプリッタ、４…ワーク、５…参照板、６…駆動手段、７…結像レンズ、８…ＣＣＤカメラ、９…画像メモリ、１０…演算処理部、１１…入力部、１２…出力部、１３…表示部、１４…エンコーダ、１００…適応信号処理ブロック、１１０…ピーク検出ブロック、１００１〜１００３…信号発生回路、１００４〜１００６…重み付け回路、１００７、１００８…加算器、１００９…減算器、１０１０…適応アルゴリズム部、１１０１…２乗回路、１１０２…積分回路、１１０３…平滑化微分回路、１１０４…ピーク位置検出回路。

Claims (3)

1. 広帯域スペクトルを有する光源と、
   この光源からの光を被測定対象と参照面とに導くと共に、前記被測定対象及び参照面から反射された光を合成し、前記光源から前記被測定対象までの第１光路長と前記光源から前記参照面までの第２光路長との光路長差によって変化する前記被測定対象の測定面内の各測定位置に対応した干渉光強度を示す干渉光強度分布画像を生成する光学系と、
   前記光学系から出力される前記干渉光強度分布画像を撮像する撮像手段と、
   前記第１光路長と第２光路長の光路長差を変化させる光路長差変更手段と、
   前記撮像手段で撮像され前記光路長差の変化に伴って変化する干渉光強度分布画像を順次記憶する画像記憶手段と、
   前記画像記憶手段に記憶された前記干渉光強度分布画像の各測定位置における前記光路長差の変化に伴う干渉光強度の変化を示す干渉光強度列から、そのピーク値を求め、このピーク値を前記測定対象の各測定位置における光軸方向の位置として求める演算手段と
   を備えた形状測定装置において、
   前記演算手段は、
   前記干渉光強度列の中心周波数による複数の周期信号及び直流信号を発生させる複数の信号発生手段と、
   前記複数の信号発生手段から出力された信号のそれぞれに重み付けをして出力する重み付け手段と、
   前記周期信号について前記重み付け手段から出力された信号を加算して検出信号として出力する第１の信号加算手段と、
   前記直流信号について前記重み付け手段から出力された信号と前記検出信号とを加算する第２の信号加算手段と、
   前記干渉強度列から前記第２の信号加算手段の出力を減算して誤差信号を出力する信号減算手段と、
   前記誤差信号に基づいて前記重み付け手段の重みを調整する適応アルゴリズム部とを有する適応信号処理ブロックと、
   前記検出信号のピーク位置を検出するピーク検出ブロックと
   を有する事を特徴とする形状測定装置。
2. 前記適応アルゴリズム部はＲＬＳ（Ｒｅｃｕｒｓｉｖｅ Ｌｅａｓｔ Ｓｑｕａｒｅ）法によるアルゴリズムを実行する
   事を特徴とする請求項１記載の形状測定装置。
3. 前記ピーク検出ブロックは、
   前記検出信号の２乗値を出力する２乗手段と、
   前記２乗手段からの出力信号を積分して出力する積分手段と、
   前記積分手段からの出力信号を平滑化し、微分して出力する平滑化微分手段と、
   前記平滑化微分回路からの出力信号から前記ピーク位置を検出するピーク位置検出手段と
   を有する事を特徴とする請求項１または２記載の形状測定装置。