JP5592763B2

JP5592763B2 - 物体表面の高さマップを求める方法及びその装置

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Publication number: JP5592763B2
Application number: JP2010255198A
Authority: JP
Inventors: ヤンセンマーチン; ドヌーイフランス
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2009-11-20
Filing date: 2010-11-15
Publication date: 2014-09-17
Anticipated expiration: 2030-11-15
Also published as: JP2011107140A; US20110122420A1; EP2327956B1; US8576410B2; EP2327956A1

Description

本発明は、物体表面の高さマップを求める方法及びその装置に関する。

国際公開第９８／１４５７４５号パンフレットには、試料上のいくつかの空間的位置の高さを特定し、前記試料の表面の高さマップを定める方法であって、光軸に垂直な方向に周期性を有し、周期パターンが周期性を有する方向に移動する空間的周期パターン（spatial periodic pattern）を備える光で試料の表面を照明するステップと、光軸方向において表面を走査するステップと、表面の位置毎に、走査中に検出器により試料に反射した光を検出するステップと、検出器の出力信号を解析するステップであって、検出器の空間的位置毎に、走査中に検出された信号の振幅を特定することおよび振幅が最大の走査位置を特定することを含むステップとを含む方法が開示されている。

この従来技術による方法では、パターンの位相をずらした３つ以上の画像を走査位置毎に撮影する必要がある。これら複数の画像は、各走査位置の振幅を正確に計算できるように、パターンの全幅にわたる強度信号の再構築を可能にするために必要である。しかし、同じ走査位置でパターンの位相をずらして複数の画像を撮影するためには、画像を撮影するために走査移動を停止する必要がある。これは、走査移動を妨げるのみならず、かなりの時間を要し、プロセスの時間を長くする。

国際公開第９８／１４５７４５号パンフレット

本発明の目的は、上記の欠点が回避される新規の方法及び装置を提供することである。

この目的は、上記で参照された種類の方法により達成され、その方法は、任意の走査位置において光情報が一回取得され、走査速度が、周期的パターンの位相の移動速度に対して一定の関係を有するものである。つまり、本発明は、物体表面の高さマップを求める方法であって、光源の光軸方向に沿って、物体表面に対し対物レンズの焦点面を走査するステップと、前記走査中に、前記光軸に垂直な方向に周期性を有する周期的パターンを当該光軸の垂直方向に移動させながら、当該周期的パターンが付与された光を前記対物レンズを通じて前記物体表面に照射するステップと、光検出器により前記物体表面で反射した前記光を検出するステップと、物体表面上の各位置について、前記光検出器で検出した光の強度の振幅が最大となる走査位置を特定するステップと、前記光の強度の振幅が最大となる走査位置から物体表面上の各位置の高さを求めるステップと、を有し、前記光を検出するステップでは、複数の走査位置で当該各走査位置毎に一回ずつ光が検出され、前記走査の速度と、前記周期的パターンの位相の移動速度が一定の関係を有するものである。

光軸の方向での走査移動と光軸に対して垂直なパターンの位相の移動との関係は、高さマップを再構築する後続画像処理に使用できる関係であって、異なる走査位置で検出された光情報間の関係を確立する。

したがって、両移動を停止せずに行うことができるため、比較的高速で実行することができ、それにより、測定速度が増す。

同じ特徴は、物体表面の高さマップを求める装置であって、光源と、光検出器と、前記光源の光軸に垂直な方向において周期性を有し当該光軸の垂直方向に移動可能な周期的パターンを光に付与するパターン付与手段と、前記周期的パターンが付与された光を、対物レンズを通じて前記物体表面に向け、前記物体表面で反射した光を前記光検出器に向ける光学手段と、光軸方向に沿って、前記物体表面に対し対物レンズの焦点面を走査する走査手段と、前記走査手段による走査動作と前記パターン付与手段による周期的パターンの移動を制御し、前記光検出器で検出した光の情報を物体表面の高さマップに変換する処理装置と、を有し、前記処理装置は、前記走査手段により光源の光軸方向に沿って物体表面に対し対物レンズの焦点面を走査させるステップと、その走査中に、前記光軸の垂直方向に周期的パターンを移動させながら、当該周期的パターンが付与された光を前記対物レンズを通じて前記物体表面に照射するステップと、前記光検出器により前記物体表面で反射した前記光を検出するステップと、物体表面上の各位置について、前記光検出器で検出した光の強度の振幅が最大となる走査位置を特定するステップと、前記光の強度の振幅が最大となる走査位置から物体表面上の各位置の高さを求めるステップを実行し、前記光を検出するステップでは、複数の走査位置で当該各走査位置毎に一回ずつ光が検出され、前記走査の速度と、前記周期的パターンの位相の移動速度が一定の関係を有する、装置でも表される。

本発明では、光軸に対して垂直な方向において周期性を有する周期的パターンを有する光線を生成する光源は、ＬＣｏＳディスプレイ、ＬＣＤディスプレイ、ＤＭＤディスプレイ、ＬＥＤ配列、傾斜平行板による投射マスクパターンの走査、物理格子の走査、ダイヤまたはマスクパターン、走査ミラーレーザ投射システムに基づくシステムにより実施することができる。重要なことは、試料の表面が、光軸に垂直な方向において周期性を有する周期的パターンを備える光で照明されることである。上述したように、これを達成できるいくつかの方法がある。

好ましい実施形態によれば、周期的パターンの移動は等速移動であり、走査移動は等速移動である。等速移動は、本明細書では、加速または減速しない連続移動を含むものとして理解される。この実施形態では、加速および減速が除かれるが、本発明の本質的な特徴は、光軸の方向における走査速度と、投射された周期的パターンの位相変化とが固定された関係にあることである。

この点に関して、投射される周期的パターンの等速移動が、等速移動で移動しない物理格子画像を投射することによっても取得可能なことが注目される。ストロボ源を使用しながら、物理パターンが周期的に移動する場合、観測される周期的パターンが観測カメラにとって等速移動しているように見えるようなストロボシーケンスを選択することができる。

同じ実施形態は、処理装置が、等速移動するように投射される周期的パターンの移動を制御し、等速移動するように走査移動を制御するように構成される、上記で参照した種類の装置を提供する。

さらなる好ましい実施形態は、周期的パターンが正弦波周期パターン（sinusoidal periodic pattern）である特徴を提供する。この正弦波パターンは、正弦波成分自体の周波数であり、いかなる高調波も含まず、それにより、最小数の画像でパターンを再構築できるようにする単一の周波数成分のみを有するパターンである。

周期的パターンの別の可能性は、２値周期ストライプパターン（binary periodic stripe pattern）である。このパターンは多数の高調波をもたらし、高調波を使用して、強度信号が最大の軸方向位置を特定する可能性を提供する。

したがって、好ましい同実施形態は、パターン付与手段が、正弦波周期パターンまたは２値周期ストライプパターンを生成するように構成される、前記種類の装置を提供する。

別の好ましい実施形態は、周期的パターンの位相が１周期移動する間に２つ以上の光情報が検出される特徴を提供する。正弦波信号の周波数が分かり、前記信号の２つ以上のサンプルが分かっている場合に、正弦波信号を再構築できるようである。この実施形態では、パターンの速度および周波数が分かっているため、ナイキストサンプリング限界（Nyquist sampling limit）を超えずに信号を再構築するには、２つ以上のサンプルで十分である。ここで、サイクル毎の光情報の数が整数である必要はないことに留意する。

この実施形態は、処理装置が、周期的パターンの位相が１周期移動する間に２つ以上の光情報を検出するように構成される、装置を提供する。

好ましくは、光源は、光パルスが周期的パターンの位相と同期されたストロボ光を生成する。ストロボ光源の使用により、検出器のシャッタが必要なくなり、装置の構造がより単純になる。さらに、格子をパターン生成器として使用し、格子のみが制限された往復移動を行う必要がある可能性を提供する。

同実施形態は、光源が、光パルスが周期的パターンの位相と同期されたストロボ光を生成する、上記で参照した種類の装置を提供する。

試料上のポイントの高さ位置を見つけるために、カメラピクセルの信号が、垂直走査白色干渉法（vertical scanning white light interferometry）に一般に使用されるコヒーレンスピーク検出方法により通常行われる方法と同様の方法で処理される。より詳細には、好ましい実施形態は、周期的パターンの振幅の計算が、コヒーレンスピーク検出方法を実行することにより実行される特徴を提供する。これら方法では、高さ位置は、変調が、空間的投光器により空間変調信号を観測することに代えて、干渉現象により生じることを除き、時間変調信号の変調振幅に関連する焦点位置を特定することによっても導出される。このような方法の例は、米国特許出願公開第５，６３３，７１５号、May 1, 1992／Vol. 17, No. 9/OPTICS LETTERS, "Electronically scanned white-light interferometry: a novel noise-resistant signal processing"、Electronics Letters, 12th march 1992, vol 28 no6, "Fringe order indentification in optical fibre white-light interferometry using centroid algorithm method"、またはLEFEVRE H. C.:"White-light interferometry for optical fibre sensors", Proc. OFS'7, Sydney, Australia, December 1990, Pub. IREE, ISBN 0-909-384-24-5, pp. 345-352に開示されている。

試料上のポイントの高さ位置、つまり光の強度の振幅が最大となる走査位置を特定する計算の好ましい例は、
前記光の強度信号をフーリエ変換するステップと、
前記フーリエ変換された信号の、前記周期的パターンの変調に関係しない信号成分を除去するステップと、
前記フーリエ変換された信号の位相共役周波数成分を除去するステップと、
前記除去して得られた信号を逆フーリエ変換するステップと、
前記逆フーリエ変換された信号の絶対値をとるステップと、
前記絶対値が最大に達する走査位置を特定するステップと、を有する。完全な高さマップを得るために、これらのステップの計算が、例えば各カメラピクセル配列からの信号に対して行われる。異なる走査位置で検出された光情報間の関係が、強度信号内に新しい周波数成分をもたらす。これらは、フィルタリングを使用することにより除去することができる。

この実施形態は、処理装置が、垂直走査白色光干渉法に一般に使用されるコヒーレンスピーク検出方法により、強度信号から、光の強度の振幅が最大となる走査位置を特定する計算を行うように構成される、装置、最も好ましくは、処理装置が、
前記光の強度信号をフーリエ変換するステップと、
前記フーリエ変換された信号の、前記周期的パターンの変調に関係しない信号成分を除去するステップと、
前記フーリエ変換された信号の位相共役周波数成分を除去するステップと、
前記除去して得られた信号を逆フーリエ変換するステップと、
前記逆フーリエ変換された信号の絶対値をとるステップと、
前記絶対値が最大に達する走査位置を特定するステップと、を実行する装置を提供する。

最後に、本発明は、任意の方法請求項に定義される方法を実行するデジタル命令を含むデータ記憶媒体にも関する。

本発明による方法の実行に使用することができる装置を示す。３つの異なる位置での周期パターン、３点で捕捉された画像、および結果として生成される、従来技術による変調深度を表す曲線を示す。本発明における変調強度信号を表す曲線を示す。本発明による方法を表す図を示す。本発明による方法を表す図を示す。

続けて、添付図面を用いて本発明について説明する。

図１に示すように、本発明による物体表面の高さマップを求める装置１は、光線３を生成するように構成された光源２と、光線３の光軸に垂直な方向に移動可能なパターン付与手段としての空間パターンフィルタ４と、レンズ５と、光学手段としてのビームスプリッタ６とを備える。さらに、装置１は、光線３を受け、透過させる対物レンズ７と、物体表面９の高さマップを特定する対象の物体８を固定する、図示されていない手段を備える。装置１には、第２のレンズ１０、受けた光線を電気信号に変換するように構成された二次元光検出器１１がさらに設けられ、電気信号は、好ましくは、デジタルコンピュータ１２により形成される処理装置に送信される。また、装置１には、光軸方向に沿って、物体表面９に対し対物レンズ７の焦点面を走査する走査手段１３が設けられている。走査手段１３は、例えば軸方向において物体８に対し対物レンズ７側を走査するように構成されるが、これは、物体８を移動させることにより達成されてもよい。デジタルコンピュータ１２は、走査手段１３による走査動作と空間パターンフィルタ４の移動を制御し、光検出器１１で検出した光の情報を物体表面９の高さマップに変換する。より具体的には、デジタルコンピュータ１２は、走査手段１３により光源２の光軸方向に沿って物体表面９に対し対物レンズ７の焦点面を走査させるステップと、その走査中に、光軸の垂直方向に空間パターンフィルタ４を移動させながら、当該周期的パターンが付与された光線３を対物レンズ７を通じて物体表面９に照射するステップと、光検出器１１により物体表面９で反射した光を検出するステップと、光検出器１１で検出した光の強度の振幅が最大となる走査位置を特定するステップと、光の強度の振幅が最大となる走査位置から物体表面９の高さを求めるステップを実行する。光を検出するステップでは、複数の走査位置で当該各走査位置毎に一回ずつ光が検出され、走査の速度と、周期的パターンの位相の移動速度が一定の関係を有している。

装置１において、光源により生成される光線３は、空間パターンフィルタ４を通り、レンズ５を通ってビームスプリッタ６まで伝わり、ビームスプリッタ６は、光線３を対物レンズ７に逸らし、対物レンズ７は光線を物体８の表面９に向ける。物体８で反射した光線３は、対物レンズ７、ビームスプリッタ６、および第２のレンズ１０を通って伝わり、光検出器１１に衝突する。光検出器１１において所定のタイミングで光情報が検出される。

空間パターンフィルタ４は、一方向において周期性を有する周期的パターンを備え、例えばストライプのようなパターンを得る。周期性を有する任意の周期的パターンを使用し得るが、正弦波パターンの使用が有利なようである。上述したように、空間パターンフィルタ４は、光線３の軸に垂直な方向において移動するように構成される。ストライプパターンのストライプも、光線３の軸に垂直に、かつ移動方向に垂直に延びる。これは、正弦波の変動する方向が、移動方向に平行に延びることを示す。そのような周期的パターンは、図２の左側に示される。これら３つのパターンは、空間パターンフィルタ４の移動により相互に１２０°（２/３π）だけシフトされている。

さらに、従来技術の装置を使用した場合、図２の中央部分に示されるような、対物レンズ７の各々の走査位置において、光検出器１１により、周期的パターンの位相がずれた複数の画像が撮影される。これら３枚の画像から検出器により変換された信号が、処理ユニットにより処理されて、パターンのシフトの位相の関数として、検出器および試料の表面全体内の総てのピクセルまたは空間単位の強度関数が再構築される。信号ピクセルのそのような再構築は、図２の右側部分に示される。空間フィルタまたは代替の投射手段の異なる位相位置の３枚の写真の使用により、強度信号を再構築することができる。空間的位置毎に、変調深度または振幅が計算される。空間フィルタまたは投射手段の投射画像が合焦される位置において、前記ピクセルまたは空間的位置の信号の振幅が最大になる。この振幅が最大になる走査位置は、試料の高さと想定される。この方法では、走査位置毎に３つの画像が必要であるため、走査移動は断続的である。

それとは逆に、本発明による新規の方法および装置では、対物レンズ７の焦点面を走査しながら、周期的パターンも光軸の垂直方向に移動させ、複数の走査位置で光情報としての画像を取得する。この場合、各走査位置では、取得される画像が１枚のみであるため、連続した走査移動が可能である。これは、本発明による方法および装置により撮影される画像が、必然的に異なる走査位置に関連することを示す。しかし、連続した画像間での走査位置の異なりが制限され、走査移動と、投射された周期的パターンの位相変化との間に固定された関係が存在することにより、必要とされる強度信号の再構築に使用することができる後続画像間に関係がある。最も重要なのは、投射された周期的パターンの位相と対物レンズまたは物体の走査移動との間の固定された関係である。これらの結果、物体表面９上の各位置について、図３に示すような走査位置に対する、光検出器１１で検出した光の強度が得られる。

本発明の方法を好適に機能させるには、いくつかの境界条件がある。まず、強度信号の再構築を可能にするために、カメラのシャッタの周波数またはストロボ光源のストロボ周波数が、ナイキスト基準を満たすように、周期的パターンフィルタの１周期中に２枚以上の画像が撮影されるように設計される。従来技術とは対照的に、周期毎の画像数は整数である必要はない。

さらに、変調速度と走査速度との比は、必要とされる被写界深度に関連する。周期毎に予め選択された数の画像を使用する場合、これは、より低速であるが、より正確な被写界深度を得るには、より多数の画像を撮影しなければならない。

本発明による方法は、連続して走査することを含み、走査中、上記制約に従って画像が撮影される。走査から生成される画像の光信号は、デジタルコンピュータ１２に供給される。従来技術と同じように、その光の変調振幅信号は、光検出器１１のピクセル毎の走査移動の関数として特定される。これは、図３に示したような信号をもたらす。

次に、物体表面９上の各位置について、光検出器１１で検出した光の強度の振幅信号が最大となる走査位置を特定するステップと、光の強度の振幅信号が最大となる走査位置から物体表面９上の各位置の高さを求めるステップを実行する。振幅が最大の走査位置が、光学システムが合焦する、求められる位置である。前記位置を特定するために、図４及び図５に示すステップが、処理ユニットの制御下で実行される。

図４の上枠は、光検出器１１のある位置に対応する物体表面９上の位置に関連する光強度の信号を示す。その信号は、図４のステップ１に示すように、デジタルコンピュータ１２で行われたその他の位置に関連する信号と一緒に、まずフーリエ変換を受ける。結果として生成される周波数スペクトルが示される。さらに、ステップ２において、周期的パターンの変調周波数に関連する周波数成分のみが残るように、選択マスクまたはフィルタがフーリエ変換された信号に適用される。信号の位相共役部分も除去される。結果として生成される周波数スペクトルが示される。図５のステップ３において、結果として生成された信号は逆フーリエ変換される。結果として生成される信号から、絶対値がとられる。

この結果得られた図５のステップ４において示された光強度の振幅のスペクトルから、最後に、前記絶対値が最大値となる走査位置が特定される。これは、ピーク位置、すなわちシステムが合焦している最大振幅を有する位置であり、この位置は、物体表面９の高さを表す。物体表面９の各位置おいて、同様の処理が行われ、その結果として得られた各位置の高さが組み合わせられて、物体表面９全体の高さマップが形成される。

添付の特許請求の範囲において定義される本発明の範囲内で多くの変形が可能なことが明らかである。

１装置
２光源
３光線
４空間パターンフィルタ
５レンズ
６ビームスプリッタ
７対物レンズ
８物体
９表面
１０第２のレンズ
１１光検出器
１２デジタルコンピュータ
１３走査手段

Claims

物体表面の高さマップを求める方法であって、
光源の光軸方向に沿って、物体表面に対し対物レンズを相対移動させその焦点面を走査するステップと、
前記走査中に、前記光軸に垂直な方向に周期性を有する周期的パターンを当該光軸の垂直方向に移動させながら、当該周期的パターンが付与された光を前記対物レンズを通じて前記物体表面に照射するステップと、
前記物体表面で反射し前記対物レンズを通過して前記物体表面に照射した光と部分的に同じ光路となる光を光検出器により検出するステップと、
前記光検出器で検出した光の強度の振幅が最大となる走査位置を特定するステップと、
前記光の強度の振幅が最大となる走査位置から前記物体表面の高さを求めるステップと、を有し、
前記光を検出するステップでは、複数の走査位置で当該各走査位置毎に一回ずつ光が検出され、
前記対物レンズの走査の速度と前記周期的パターンの位相変化との間に固定された一定の関係がある、方法。
前記走査と前記周期的パターンの位相の移動は、それぞれ等速で行われる、請求項１に記載の方法。
前記周期的パターンは、正弦波周期パターンまたは２値周期ストライプパターンである、請求項１または２に記載の方法。
前記周期的パターンの位相が１周期移動する間に２回以上の光が検出される、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
前記光源は、光パルスが前記周期的パターンの位相の移動速度に同期されたストロボ光を生成する、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
前記光の強度の振幅が最大となる走査位置を特定する計算が、コヒーレンスピーク検出方法を実施することにより行われる、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
前記走査位置を特定する計算は、
前記光の強度信号をフーリエ変換するステップと、
前記フーリエ変換された信号の、前記周期的パターンの位相の移動に関係しない信号成分を除去するステップと、
前記フーリエ変換された信号の位相共役周波数成分を除去するステップと、
前記除去して得られた信号を逆フーリエ変換するステップと、
前記逆フーリエ変換された信号の絶対値をとるステップと、
前記絶対値が最大に達する走査位置を特定するステップと、を有する、請求項６に記載の方法。
請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法を実行するデジタル命令を含むデータ記憶媒体。
物体表面の高さマップを求める装置であって、
光源と、
光検出器と、
前記光源の光軸に垂直な方向において周期性を有し当該光軸の垂直方向に移動可能な周期的パターンを光に付与するパターン付与手段と、
前記周期的パターンが付与された光を、対物レンズを通じて前記物体表面に向け、前記物体表面で反射した光を前記光検出器に向ける光学手段と、
光軸方向に沿って、前記物体表面に対し前記対物レンズの焦点面を走査する走査手段と、
前記走査手段による走査動作と前記パターン付与手段による周期的パターンの移動を制御し、前記光検出器で検出した光の情報を物体表面の高さマップに変換する処理装置と、を有し、
前記処理装置は、
前記走査手段により光源の光軸方向に沿って物体表面に対し対物レンズを相対移動させその焦点面を走査させるステップと、
その走査中に、前記光軸の垂直方向に周期的パターンを移動させながら、当該周期的パターンが付与された光を前記対物レンズを通じて前記物体表面に照射するステップと、
前記物体表面で反射し前記対物レンズを通過して前記物体表面に照射した光と部分的に同じ光路となる光を前記光検出器により検出するステップと、
前記光検出器で検出した光の強度の振幅が最大となる走査位置を特定するステップと、
前記光の強度の振幅が最大となる走査位置から前記物体表面の高さを求めるステップと、を実行し、
前記光を検出するステップでは、複数の走査位置で当該各走査位置毎に一回ずつ光が検出され、
前記対物レンズの走査の速度と前記周期的パターンの位相変化との間に固定された一定の関係がある、装置。
前記処理装置は、前記走査と前記周期的パターンの位相の移動がそれぞれ等速で行われるように前記走査手段と前記パターン付与手段を制御する、請求項９に記載の装置。
前記周期的パターンは、正弦波周期パターンまたは２値周期ストライプパターンである、請求項９または１０に記載の装置。
前記処理装置は、前記周期的パターンの位相が１サイクル移動する間に２回以上の光を検出するように前記光検出器を制御する、請求項９〜１１のいずれかに記載の装置。
前記光源は、光パルスが前記周期的パターンの位相の移動速度に同期されたストロボ光を生成する、請求項９〜１２のいずれかに記載の装置。
前記処理装置は、前記光の強度の振幅が最大となる走査位置を特定する計算を、コヒーレンスピーク検出方法を実施することにより行う、請求項９〜１３のいずれかに記載の装置。
前記処理装置は、前記走査位置を特定する計算を、
前記光の強度信号をフーリエ変換するステップと、
前記フーリエ変換された信号の、前記周期的パターンの位相の移動に関係しない信号成分を除去するステップと、
前記フーリエ変換された信号の位相共役周波数成分を除去するステップと、
前記除去して得られた信号を逆フーリエ変換するステップと、
前記逆フーリエ変換された信号の絶対値をとるステップと、
前記絶対値が最大に達する走査位置を特定するステップと、を実行することにより行う、請求項１４に記載の装置。