JP6820516B2 - 表面形状測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、表面形状測定方法に係り、特に、走査型白色干渉計を用いて非接触で測定対象物の表面の形状を測定する表面形状測定方法に関する。

表面形状測定装置は、測定対象物の被測定面の３次元形状を測定する装置であり、走査型白色干渉計を用いたものが知られている。走査型白色干渉計は、干渉計を用いて測定対象物の被測定面の３次元形状を非接触により測定する。

干渉計は、光学顕微鏡の構成要素としての対物レンズと、対物レンズと被測定面との間に配置されるビームスプリッタと、参照ミラーとを有する。白色光源から干渉計に入射した白色光は、対物レンズを透過してビームスプリッタにより測定光と参照光とに分割され、測定光は被測定面に照射され、参照光は参照ミラーに照射される。そして、被測定面から戻る測定光と参照ミラーから戻る参照光とが重ね合わされて干渉光が生成され、その干渉光が対物レンズを通過して干渉計からＣＣＤカメラへと出射される。

これにより、ＣＣＤカメラの撮像面には、干渉縞像が結像され、その干渉縞像が干渉縞としてＣＣＤカメラの撮像素子により取得される。そして、干渉計を被測定面に対して高さ方向に変位させながら干渉縞を取得し、干渉縞の各画素について輝度値が最大値を示すときの変位量を検出することで被測定面の各点の相対的な高さが測定される。

このように、上述のような走査型白色干渉計においては、干渉縞を取得する際、走査型白色干渉計を高さ方向に走査させながら行うが、高さ方向の走査範囲を適切に決定しないと、干渉縞が生成されない範囲も測定することになり、測定に時間がかかっていた。

光を用いた非接触形状測定機においては、使用する対物レンズの視野等の制限により、一回の測定で測定可能な範囲に制限が多く、複数の測定を行い、後でそれらの測定データを接続する手法（スティッチング）が知られている。複数測定を接続するスティッチングにおいては、測定を複数回行うため、特に、測定時間が掛かっていた。このような課題に対して、目視にて干渉縞の消失を確認した後、測定範囲を設定する、あるいは、予備走査を行い、干渉縞の生成および消失を確認した後、測定範囲を設定することが行われている。しかしながら、これらの場合においても、測定準備に時間が掛かり、形状測定に掛かる全体の時間を大幅に減少させることはできていなかった。

また、下記の特許文献１には、隣接する撮像領域との重複領域の平均値に基づいて、次の測定位置におけるＺ軸方向の移動範囲を求める形状測定装置が記載されている。

特開２０１４−２０２６５１号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている形状測定装置では、撮像した領域と、隣接する次に撮像する領域との重複範囲に基づいて設定しているため、隣接する領域において、段差部を有する場合は、その段差で高さが異なることになり、対応することができていなかった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、表面形状測定を行う際の垂直走査範囲を高い確率で推定することができ、かつ、短時間で決定することができる表面形状測定方法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、本発明に係る表面形状測定方法は、測定対象物を支持する支持部と、白色光を出射する光源部と、光源部からの白色光を測定光と参照光とに分割して測定光を測定対象物の被測定面に照射するとともに、参照光を参照面に照射し、被測定面から戻る測定光と参照面から戻る参照光とを干渉させた干渉光を生成する干渉部と、被測定面の各点に対応する複数の画素を有し、被測定面の各点に照射された測定光と参照光との干渉光の輝度情報から干渉縞を取得し測定対象物の表面形状データを取得する表面形状取得部と、を有する光学部と、を備える形状測定装置を用いた形状測定方法であって、被測定面の各点に照射される測定光の光路長を変化させながら、白色光の中心波長より長い画像取得間隔で、干渉縞を取得する干渉縞取得工程と、干渉縞取得工程で測定された被測定面の各点に対応する表面形状取得部の複数の画素から選択された基準画素と、基準画素の周辺画素の少なくとも１つの画素と、の輝度情報から、干渉縞の生成する範囲を推定し、測定光の軸方向の走査範囲を決定する走査範囲決定工程と、被測定面の各点に照射される測定光の光路長を走査範囲決定工程で決定した走査範囲内で変化させながら、干渉縞取得工程より短い画像取得間隔で干渉縞を取得し、干渉縞に基づいて被測定面の各点の測定光の光軸方向の干渉縞位置を検出することで測定対象物の表面形状を測定する表面形状測定工程と、を有する。

本発明の表面形状測定方法によれば、測定対象物の表面形状を測定する前に、表面形状を測定する際の、光学部の走査範囲を決定することで、測定時間を短くすることができる。また、光学部の走査範囲を決定するための干渉縞の生成および消滅を確認する際の画像取得間隔は、白色光の中心波長より長くしているので、短い時間で取得することができる。画像取得間隔を長くすることで、画素によっては、干渉縞による明暗が生成している領域においても、干渉縞による輝度値の変化が小さい場合がある。本発明においては、基準画素のみでなく、その周辺画素も用いて走査範囲を決定しているので、干渉縞の生成する範囲を高い確率で推定することができる。したがって、走査範囲を短時間で決定することができ、表面形状の測定も短時間で測定することができるので、表面形状測定全体として、測定時間を短くすることができる。

本発明に係る形状測定方法の一態様は、周辺画素は、基準画素からの距離が異なる画素をランダムに選択することが好ましい。

この態様によれば、選択する周辺画素を基準画素からの距離がランダムに異なる画素を選択することで、被測定面の形状が、段差部を有する場合、あるいは、極端に傾斜している場合など、高さの変位が大きい場合などにおいても、干渉縞の生成する位置を安定して推定することができる。

本発明に係る形状測定方法の一態様は、干渉縞取得工程、走査範囲決定工程、および、表面形状測定工程を行った後、支持部と光学部との位置を相対的に移動させる移動工程と、移動工程後の被測定面に対して、干渉縞取得工程、走査範囲決定工程、および、表面形状測定工程を行うことで、複数の表面形状データを取得する繰り返し工程と、複数の表面形状データを接続し、測定対象物の広範囲表面形状データを取得する接続工程と、を有することが好ましい。

本発明によれば、表面形状測定工程の走査範囲を決定することで、表面形状測定工程の時間を短縮することができる。したがって、表面形状測定全体の測定時間を短くすることができるので、測定対象の表面が広範囲であり、複数の表面形状データを取得し、接続する、所謂、スティッチングにより測定対象物全領域の表面形状データを取得する場合に、短時間で測定することができ効果的である。

本発明に係る形状測定方法の一態様は、走査範囲決定工程は、基準画素および周辺画素の輝度値の変化の絶対値の和が、所定の値以上の領域を含む範囲を走査範囲として決定することが好ましい。

この態様は、走査範囲決定工程において、走査範囲を決定する方法の一態様を示すものであり、基準画素と周辺画素の輝度値の変化量の和が所定の値以上を示す垂直走査位置を含む範囲を測定する走査範囲として決定することができる。このように、基準画素によっては、干渉縞とサンプリング位置の関係で干渉縞の生成が確認できなかったとしても、周辺画素との関係で干渉縞の生成を確認することができれば、表面形状測定工程の走査範囲とすることができる。

本発明の表面形状測定方法によれば、測定対象物の表面形状を測定する前に、表面形状を測定する際の走査範囲を短時間で決定することができ、かつ、高い確率で走査範囲を推定することができるので、表面形状の測定全体の時間を短時間で行うことができる。

表面形状測定装置（走査型白色干渉計）の全体構成図である。 撮像素子の撮像面のｘｙ座標上における干渉縞の画素配列を示した図である。 干渉部のｚ位置と輝度値との関係および干渉縞曲線を例示した図である。 被測定面の異なる点の異なるｚ座標値と干渉縞曲線との関係を例示した図である。 画像取得位置と干渉縞曲線との関係を例示した図である。 基準画素と周辺画素の画像取得位置と干渉縞曲線との関係を例示した図である。 表面形状測定方法のフローチャートを示す図である。 予備走査のフローチャートを示す図である。 撮像素子の撮像面のｘｙ座標上における干渉縞の画素配列を示した図であり、基準画素の設定例を示した図である。 撮像素子の撮像面のｘｙ座標上における干渉縞の画素配列を示した図であり、周辺画素の選択例を示した図である。 撮像素子の撮像面のｘｙ座標上における干渉縞の画素配列を示した図であり、周辺画素の他の選択例を示した図である。 撮像素子の撮像面のｘｙ座標上における干渉縞の画素配列を示した図であり、周辺画素のさらに他の選択例を示した図である。 基準画素および周辺画素の輝度値を用いて測定範囲を決定する例を示す図である。

以下、添付図面に従って本発明の形状測定方法の好ましい実施の形態について詳説する。

図１は、本発明に係る形状測定方法に用いられる形状測定装置の例を示す全体構成図である。

同図における表面形状測定装置１は、マイケルソン型の干渉計を用いて測定対象物の表面形状等を非接触により３次元測定する所謂、マイケルソン型の走査型白色干渉計（顕微鏡）であり、測定対象物Ｐの干渉画像を取得する光学部２と、測定対象物Ｐが載置されるステージ１０と、光学部２の各制御や光学部２により取得された干渉画像に基づいて各種演算処理を行うパーソナルコンピュータ等の演算処理装置からなる処理部１８などを備える。

なお、本実施の形態では、マイケルソン型の走査型白色干渉計の例で説明するが、周知のミロー型の走査型白色干渉計であってもよい。また、測定対象物Ｐが配置される測定空間において、互いに直交する水平方向の２つの座標軸をｘ軸（紙面に直交する軸）とｙ軸（紙面に平行する軸）とし、ｘ軸およびｙ軸に直交する鉛直方向の座標軸をｚ軸（測定光軸方向）とする。ｚ軸は、後述する測定光軸Ｚ−０に平行である。

ステージ１０は、ｘ軸およびｙ軸に略平行する平坦な上面であって測定対象物Ｐを支持する支持部であって、測定対象物Ｐを載置するステージ面１０Ｓを有する。また、ステージ１０は、ステージ面１０Ｓの水平面に対する傾斜角度（ｚ軸に対する傾斜角度）を変更する傾斜角度変更手段を有しており、ステージ面１０Ｓ（ステージ１０）は、傾斜角度変更手段により、ｘ軸に平行なｘ回転軸３０の周りとｙ軸に平行なｙ回転軸３２の周りに回転可能に設けられる。そして、ステージ面１０Ｓは、ｘアクチュエータ３４の駆動によりｘ回転軸３０周りに回転し、ｙアクチュエータ３６の駆動によりｙ回転軸３２周りに回転する。

なお、ｘアクチュエータ３４およびｙアクチュエータ３６のように本明細書においてアクチュエータという場合には、ピエゾアクチュエータやモータなどの任意の駆動装置を示す。

ステージ面１０Ｓに対向する位置、即ち、ステージ１０の上側には、不図示の筐体により一体的に収容保持された光学部２が配置される。

光学部２は、ｘ軸に平行な光軸Ｚ−１を有する光源部１２と、ｚ軸に平行な光軸Ｚ−０（以下、「測定光軸Ｚ−０」と言う）を有する干渉部１４および撮影部１６とを有する。光源部１２の光軸Ｚ−１は、干渉部１４および撮影部１６の光軸Ｚ−０に対して直交し、干渉部１４と撮影部１６との間において光軸Ｚ−０と交差する。なお、光軸Ｚ−１は、必ずしもｘ軸と平行でなくてもよい。

光源部１２は、測定対象物Ｐを照明する照明光として波長幅が広い白色光（可干渉性の少ない低コヒーレンス光）を出射する光源４０と、光源４０から拡散して出射された照明光を略平行な光束に変換するコレクタレンズ４２とを有する。光源４０およびコレクタレンズ４２の各々の中心とする軸は光源部１２の光軸Ｚ−１として同軸上に配置される。

また、光源４０としては、発光ダイオード、半導体レーザ、ハロゲンランプ、高輝度放電ランプなど、任意の種類の発光体を用いることができる。

この光源部１２から出射された照明光は、干渉部１４と撮影部１６との間に配置され、光軸Ｚ−１と測定光軸Ｚ−０とが交差する位置に配置されたハーフミラー等のビームスプリッタ４４に入射する。そして、ビームスプリッタ４４（ビームスプリッタ４４の平坦な光分割面（反射面））で反射した照明光が測定光軸Ｚ−０に沿って進行して干渉部１４に入射する。

干渉部１４は、マイケルソン型干渉計により構成され、光源部１２から入射した照明光を測定光と参照光とに分割する。そして、測定光を測定対象物Ｐに照射すると共に、参照光を参照ミラー５２に照射し、測定対象物Ｐから戻る測定光と参照ミラー５２から戻る参照光とを干渉させた干渉光を生成する。

干渉部１４は、集光作用を有する対物レンズ５０と、光を反射する参照面であって平坦な反射面を有する参照ミラー５２と、光を分割する平坦なビームスプリッタ５４と、を有する。対物レンズ５０、参照ミラー５２、およびビームスプリッタ５４の各々の中心とする軸は干渉部１４の光軸Ｚ−０として同軸上に配置される。参照ミラー５２の反射面は、ビームスプリッタ５４の側方位置に、測定光軸Ｚ−０と平行に配置される。

光源部１２から干渉部１４に入射した照明光は、対物レンズ５０により集光作用を受けた後、ビームスプリッタ５４に入射する。

ビームスプリッタ５４は、例えばハーフミラーであり、ビームスプリッタ５４に入射した照明光は、ビームスプリッタ５４を透過する測定光と、ビームスプリッタ５４の光分割面で反射する参照光とに分割される。

ビームスプリッタ５４を透過した測定光は、測定対象物Ｐの被測定面Ｓに照射された後、被測定面Ｓから干渉部１４へと戻り、再度、ビームスプリッタ５４に入射する。そして、ビームスプリッタ５４を透過した測定光が対物レンズ５０に入射する。

一方、ビームスプリッタ５４で反射した参照光は、参照ミラー５２の光反射面で反射した後、再度、ビームスプリッタ５４に入射する。そして、ビームスプリッタ５４で反射した参照光が対物レンズ５０に入射する。

これによって、干渉部１４から測定対象物Ｐの被測定面Ｓに照射されて干渉部１４に戻る測定光と、参照ミラー５２で反射した参照光とが重ね合わされた干渉光が生成され、その干渉光が対物レンズ５０により集光作用を受けた後、干渉部１４から撮影部１６に向けて出射される。

また、照明光が測定光と参照光とに分割された後、測定光と参照光とが重ね合わされるまでの測定光と参照光の各々が通過した光路の光学的距離を、測定光の光路長および参照光の光路長といい、それらの差を測定光と参照光の光路長差というものとする。

また、干渉部１４は、光学部２においてｚ軸方向に直線移動可能に設けられる。そして、干渉部アクチュエータ５６の駆動により対物レンズ５０、およびビームスプリッタ５４がｚ軸方向に移動する。これにより、対物レンズ５０の焦点面の位置（高さ）がｚ軸方向に移動すると共に、被測定面Ｓとビームスプリッタ５４との距離が変化することで測定光の光路長が変化し、測定光と参照光との光路長差が変化する。

撮影部１６は、被測定面Ｓの各点に照射された測定光と参照光との干渉光の輝度情報から測定対象物Ｐの表面形状データを取得する表面形状取得部であり、例えばＣＣＤ(Charge Coupled Device)カメラに相当し、ＣＣＤ型の撮像素子６０と、結像レンズ６２とを有する。撮像素子６０と結像レンズ６２の各々の中心とする軸は撮影部１６の光軸Ｚ−０として同軸上に配置される。なお、撮像素子６０は、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型の撮像素子等、任意の撮像手段を用いることができる。

干渉部１４から出射された干渉光は、上述のビームスプリッタ４４に入射し、ビームスプリッタ４４を透過した干渉光が撮影部１６に入射する。

撮影部１６に入射した干渉光は、結像レンズ６２により撮像素子６０の撮像面６０Ｓに干渉像を結像する。ここで、結像レンズ６２は、測定対象物Ｐの被測定面Ｓの光軸Ｚ−０周辺の領域に対する干渉像を高倍率に拡大して撮像素子６０の撮像面６０Ｓに結像する。

また、結像レンズ６２は、干渉部１４の対物レンズ５０の焦点面上における点を、撮像素子６０の撮像面上の像点として結像する。即ち、撮影部１６は、対物レンズ５０の焦点面の位置にピントが合うように（合焦するように）設計されている。

なお、以下において、測定対象物Ｐの焦点面のｚ軸方向の位置を単に「ピント位置」、または、「撮影部１６のピント位置」というものとする。

撮像素子６０の撮像面６０Ｓに結像された干渉像は、撮像素子６０により電気信号に変換されて干渉画像として取得される。そして、その干渉画像は、処理部１８に与えられる。

以上のように光源部１２、干渉部１４、および撮影部１６等により構成される光学部２は、全体が一体的としてｚ軸方向に直進移動可能に設けられる。例えば、光学部２は、ｚ軸方向に沿って立設された不図示のｚ軸ガイド部に直進移動可能に支持される。そして、ｚアクチュエータ７０の駆動により光学部２全体がｚ軸方向に直進移動する。これにより、干渉部１４をｚ軸方向に移動させる場合よりも、撮影部１６のピント位置をｚ軸方向に大きく移動させることができ、例えば、測定対象物Ｐの厚さ等に応じて撮影部１６のピント位置を適切な位置に調整することができる。

処理部１８は、測定対象物Ｐの被測定面Ｓの表面形状を測定する際に、干渉部アクチュエータ５６を制御して光学部２の干渉部１４をｚ軸方向に移動させながら撮影部１６の撮像素子６０から干渉画像を順次取得する。そして、取得した干渉画像に基づいて被測定面Ｓの３次元形状データを被測定面Ｓの表面形状を示すデータとして取得する。

ここで、処理部１８が干渉縞に基づいて被測定面Ｓの３次元形状データを取得する処理について説明する。

撮影部１６の撮像素子６０は、ｘ軸およびｙ軸からなるｘｙ平面（水平面）に沿って２次元的に配列された多数の受光素子（画素）からなり、各画素において受光される干渉像の輝度値、即ち、撮像素子６０により取得される干渉画像の各画素の輝度値は、各画素に対応する被測定面Ｓの各点で反射した測定光と参照光との光路長差に応じた干渉光の強度（輝度情報）を示す。

ここで、図２に示すように、干渉画像（撮像素子６０の撮像面）のｍ列目、ｎ列目の画素を（ｍ、ｎ）と表すものとする。そして、画素（ｍ、ｎ）のｘ軸方向に関する位置（以下、ｘ軸方向に関する位置を「ｘ位置」という）を示すｘ座標値をｘ（ｍ、ｎ）と表し、ｙ軸方向に関する位置（以下、ｙ軸方向に関する位置を「ｙ位置」という）を示すｙ座標値をｙ（ｍ、ｎ）と表すものとする。

また、画素（ｍ、ｎ）に対応する測定対象物Ｐの被測定面Ｓ上の点のｘ位置を示すｘ座標値をＸ（ｍ，ｎ）と表し、ｙ位置を示すｙ座標値をＹ（ｍ，ｎ）と表すものとし、また、その点をｘｙ座標値により（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））と表すものとする。なお、画素（ｍ，ｎ）に対応する被測定面Ｓ上の点とは、ピントが合っている状態において画素（ｍ，ｎ）の位置に像点が結像される被測定面Ｓ上の点を意味する。

このとき、撮像素子６０により取得される干渉画像の画素（ｍ，ｎ）の輝度値は、画素（ｍ，ｎ）に対応する被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））に照射された測定光と参照光との光路長差に応じた大きさを示す。

即ち、図１の干渉部アクチュエータ５６により干渉部１４をｚ軸方向に移動させて光学部２（撮影部１６）に対する干渉部１４の相対的なｚ軸方向の位置（以下、「ｚ位置」という）を変位させると、撮影部１６のピント位置（対物レンズ５０の焦点面）もｚ軸方向に移動し、ピント位置も干渉部１４と同じ変位量で変位する。また、ピント位置が変位すると、被測定面Ｓの各点に照射される測定光の光路長も変化する。

そして、干渉部１４をｚ軸方向に移動させてピント位置を変位させながら、即ち、測定光の光路長を変化させながら、撮像素子６０から干渉画像を順次取得して干渉画像の任意の画素（ｍ，ｎ）の輝度値を検出する。

ここで、処理部１８は、干渉部１４の所定の基準位置からの変位量（干渉部１４のｚ位置）を、ポテンショメータやエンコーダなどの不図示の位置検出手段からの検出信号により検出することができる。または、位置検出手段を使用することなく干渉部１４のｚ位置を制御する場合、例えば、干渉部アクチュエータ５６に与える駆動信号により一定変位量ずつ干渉部１４を移動させる場合には、その総変位量により検出することができる。

そして、干渉部１４が基準位置のときのピント位置のｚ位置を測定空間におけるｚ座標の基準位置（原点位置）として、かつ、干渉部１４の基準位置からの変位量をピント位置のｚ座標値として取得することができる。なお、ｚ座標値は、原点位置よりも高い位置（撮影部１６に近づく位置）を正側、低い位置（ステージ面１０Ｓに近づく位置）を負側とする。また、干渉部１４の基準位置、即ち、ｚ座標の原点位置は任意のｚ位置に設定、変更することができる。

図３の（Ａ）〜（Ｃ）は、干渉部１４の測定対象物Ｐの被測定面Ｓに近接した位置からｚ軸方向に上昇させながら撮影部１６の撮像素子６０から画像を取得したときの干渉部１４のｚ位置と輝度値との関係を示した図である。

図３の（Ａ）のように、測定光の光路長Ｌ１が参照光の光路長Ｌ２より小さいと干渉は小さく、輝度値は略一定となる。そして、図３の（Ｂ）のように、測定光の光路長Ｌ１と参照光の光路長Ｌ２とが同じ、即ち光路長差が０となる場合に干渉が大きくなり、最も大きな輝度値を示す。さらに、図３（Ｃ）のように、測定光の光路長Ｌ１が参照光の光路長Ｌ２よりも大きいと再び干渉は小さくなり、輝度値は略一定となる。これにより、図３の（Ｄ）に示す干渉縞曲線Ｑに沿った輝度値が得られる。

即ち、任意の画素（ｍ，ｎ）における干渉縞曲線Ｑは、その画素（ｍ，ｎ）に対応する被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））に照射された測定光と参照光との光路長差が所定値より大きい場合には略一定の輝度値を示し、光路長差がその所定値より小さいときには、光路長差が減少するにつれて輝度値が振動すると共にその振幅が大きくなる。

したがって、図３の（Ｄ）に示すように、干渉縞曲線Ｑは、測定光と参照光との光路長が一致したときに（光路長差が０のときに）、最大値を示すと共に、その干渉縞曲線Ｑの包絡線における最大値を示す。

また、被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））に照射された測定光と参照光との光路長は、撮影部１６のピント位置が被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））のｚ位置に一致したときに一致する。

したがって、干渉縞曲線Ｑが最大値を示すとき（または干渉縞曲線Ｑの包絡線が最大値を示すとき）のピント位置は、被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））のｚ位置に一致しており、そのときのピント位置のｚ座標値は、被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））のｚ座標値を示す。

以上のことから、処理部１８は、干渉部アクチュエータ５６により干渉部１４をｚ軸方向に移動させてピント位置をｚ軸方向に移動させながら（測定光の光路長を変化させながら）、撮像素子６０から干渉画像を順次取得し、各画素（ｍ，ｎ）の輝度値をピント位置のｚ座標値に対応付けて取得する。即ち、ピント位置をｚ軸方向に走査しながら干渉画像の各画素（ｍ，ｎ）の輝度値を取得する。そして、各画素（ｍ，ｎ）について、図３（Ｄ）のような干渉縞曲線Ｑの輝度値が最大値を示すときのピント位置のｚ座標値を、各画素（ｍ，ｎ）に対応する被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））のｚ座標値Ｚ（ｍ，ｎ）として検出する。

なお、Ｚ（ｍ，ｎ）は、画素（ｍ，ｎ）に対応する被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））のｚ座標値を示す。

また、干渉縞曲線Ｑの輝度値が最大値を示すときのピント位置のｚ座標値を検出する方法は周知であり、どのような方法を採用してもよい。例えば、ピント位置の微小間隔ごとのｚ座標値において干渉画像を取得することで、各画素（ｍ，ｎ）について、図３（Ｄ）のような干渉縞曲線Ｑを実際に描画することができる程度に輝度値を取得することができ、取得した輝度値が最大値を示すときのピント位置のｚ座標値を検出することで、干渉縞曲線Ｑの輝度値が最大値を示すときのピント位置のｚ座標値を検出することができる。

または、ピント位置の各ｚ座標値において取得した輝度値に基づいて最小二乗法等により干渉縞曲線Ｑを推測し、または、干渉縞曲線Ｑの包絡線を推測し、その推測した干渉縞曲線Ｑまたは包絡線に基づいて輝度値が最大値を示すときのピント位置のｚ座標値を検出することで、干渉縞曲線Ｑの輝度値が最大値を示すときのピント位置のｚ座標値を検出することができる。

以上のようにして、処理部１８は、干渉画像（撮像素子６０の撮像面６０Ｓ）の各画素（ｍ，ｎ）に対応する被測定面Ｓ上の各点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））のｚ座標値Ｚ（ｍ，ｎ）を検出することで、被測定面Ｓ上の各点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））の相対的な高さを検出することができる。

そして、被測定面Ｓ上の各点のｘ座標値Ｘ（ｍ，ｎ）、ｙ座標値Ｙ（ｍ，ｎ）、およびｚ座標値Ｚ（ｍ，ｎ）を被測定面Ｓの３次元形状データ（表面形状を示すデータ）として取得することができる。

例えば、図４に示すようにｘ軸方向に並ぶ３つの画素に対応する被測定面Ｓ上の３点におけるｚ座標値Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３が相違する場合に、ピント位置をｚ軸方向に走査しながら干渉画像のそれらの画素の輝度値を取得すると、それらの画素の各々に関してピント位置がｚ座標値Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３のときに輝度値が最大値を示す干渉縞曲線Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３が取得される。したがって、それらの干渉縞曲線Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の輝度値が最大値を示すときのピント位置のｚ座標値を検出することで、それらの画素に対応する被測定面Ｓ上の３点におけるｚ座標値Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３を検出することができる。このようにして、被測定面Ｓの３次元形状データを取得することにより、測定対象物Ｐの表面形状測定を行う。

上述のように測定対象物Ｐの表面形状測定を行う際に、測定前の準備作業として、表面形状測定におけるｚ軸方向の走査範囲を決定する予備走査を行う。表面形状測定のｚ軸方向の走査範囲を適切に決定することで、干渉縞の発生しない範囲で表面形状測定を行うことを省略できるので、測定時間を短縮することができる。

この予備走査は、できるだけ短時間で行うことが表面形状の測定効率を向上させるうえで好ましい。

しかし、表面形状の測定効率を向上させるために測定準備を短時間で行うには、光学部２での画像取得間隔（画像サンプリング間隔）を広くする必要があるが、画像取得間隔を広くすると、干渉縞の探索が難しくなる。図５は、サンプリング間隔を波長より長くした場合の画像取得位置と干渉縞曲線との関係を例示した図である。ｚ軸方向（垂直走査軸方向）に上昇させながら、短いサンプリング間隔で画像を取得すると、図５に示す干渉縞曲線Ｑが得られるとする。しかしながら、図５に示すサンプリング間隔で画像を取得すると、輝度値の変化が少ない位置でのみ画像の取得が行われ、輝度値が大きくなる位置では、サンプリングが行われず、干渉縞の生成が確認できない場合がある。

本実施形態においては、画像取得間隔を測定波長よりも長くすると共に、予備走査を行う際の、基準画素と、その周辺画素の情報を利用し、統計処理を行うことで、表面形状測定におけるｚ軸方向の走査範囲を適切に決定する。図６は、基準画素と周辺画素の画像取得位置と干渉縞曲線の関係を例示した図である。図６の基準画素において、図５に示す場合と同様に、輝度値の変化が見られない場合においても、周辺画素の輝度値の情報を利用することで、周辺画素においては、高い輝度値が得られているので、この範囲を含むように、走査範囲を決定することができる。

本発明の実施の形態の表面形状測定装置１の処理部１８には、予備走査の測定準備動作プログラムを制御する測定準備制御部１８Ａが内蔵される構成とする。

図７は、表面形状測定方法の一例を示すフローチャート図であり、図８は、予備走査の一例を示すフローチャート図である。

表面形状測定方法は、図７に示すように、先ず、測定対象物をステージ１０上に載置する（ステップＳ１０）。

次に、処理部１８は、干渉縞（撮像素子６０の撮像面）の全ての画素について取得される干渉縞曲線の輝度値が適切な大きさとなるように測定光量などの調整を行う（ステップＳ１２）。即ち、光源部１２の光源４０の強さ、撮像素子６０における電子シャッタの速度（電荷蓄積時間の長さ）、撮像素子６０により得られる画像信号に対するゲインなどを調整する。

次に、表面形状の測定（ステップＳ１６）の測定走査範囲（干渉部１４をｚ軸方向に移動させる範囲）が短くなるように、予備走査を行う（ステップＳ１４）。このステップは、予め測定対象物の表面形状の概要を把握することで、測定走査範囲を必要最小限に短くするものである。予備走査については、図８を用いて説明する。

予備走査は、図９に示すように、まず、基準画素を選択する（ステップＳ３０）。測定準備制御部１８Ａは、図９に示すように、撮像素子６０の撮像面６０Ｓのｘｙ座標上の干渉縞の生成および消失の基準とする基準画素１００を予め設定する。基準画素は、本実施形態の場合には、予備走査の前に予め決められた画素とした。しかし、測定準備制御部１８Ａが図１の表示部２０に表示する図９のような干渉縞（撮像素子６０の撮像面６０Ｓ）における画素配列の画素を参照しながら操作者が入力部２２により指定するようにしてもよい。

次に、干渉部１４をｚ軸方向に規定範囲で走査駆動を行い、干渉縞取得工程を行う（ステップＳ３２）。この工程においては、干渉縞をサンプリングする間隔（画像取得間隔）を、測定する白色光の中心波長より長い間隔で行う。また、この画像取得間隔は、後述する表面形状測定工程における画像取得間隔より長い間隔である。この画像取得間隔を長くすることで、予備走査の時間を短縮することができる。一方で、画像取得間隔が長くなると、上述したように、干渉縞が生成されている範囲であるにも関わらず、輝度値が大きくなる位置では、画像の取得が行われず、干渉縞の生成が確認できない場合がある。そこで、本発明においては、周辺画素の輝度値の変化も用いることで、干渉縞の生成、消失を高い確率で推定することができ、走査範囲を決定することができる。画像取得間隔の上限は、周辺画素の輝度値を用いることで、表面形状の概要を把握することができれば、特に限定されないが、波長の２．５倍以下とすることが好ましい。また、波長の整数倍とすると、干渉縞曲線における輝度値の変化が同じになるため、整数倍を避けることが好ましい。なお、ここで、規定範囲とは、光学部２に対する干渉部１４のｚ軸方向の移動によるピント位置のｚ軸方向の最大走査範囲をいう。

測定準備制御部１８Ａは、干渉部アクチュエータ５６により干渉部１４をｚ軸方向に移動させてピント位置をｚ軸方向に走査しながら（即ち、測定光の光路長を変化させながら）撮像素子６０から干渉縞を順次取得し、各画素の輝度値をピント位置のｚ座標値に対応付けて取得する。

各画素の輝度値を取得したら、基準画素およびその種変画素の輝度値から本測定の垂直走査方向の測定走査範囲を決定する走査範囲決定工程を行う（ステップＳ３４）。

本実施形態によれば、基準画素のみでなく、その周辺画素の輝度値も用いて測定走査範囲を決定することで、サンプリング間隔を長くすることにより、基準画素で干渉縞の生成、消失が十分に確認できなくても、その周辺画素から推定することができる。

図１０〜１２は、基準画素１００と、基準画素１００の周辺画素１０２の選択方法を示す図である。図１０は、基準画素１００に隣接する画素のみを周辺画素１０２として用いる例である。また、図１１は、基準画素１００から等間隔で周辺画素１０２を選択する例である。図１２は、周辺画素１０２を基準画素１００からの距離がランダムになるように選択する例である。

基準画素の周辺画素を選択する方法は特に限定されない。例えば、図１０〜１２に示す選択方法で選択することができる。ただし、予備走査は、サンプリング間隔を広くしているので、図１０または図１１に示すように、周辺画素１０２を、基準画素１００から一定距離にある画素とした場合、例えば、基準画素から選択した周辺画素に対応する測定対象物の表面形状が段差部を有するなど、ｚ軸方向の変位が大きい場合、予備走査において、干渉縞の生成が確認できない場合がる。図１２に示すように、基準画素１００からランダムに周辺画素１０２を選択し、複数の周辺画素１０２の情報を利用し統計的に処理することで、安定して表面形状の概要の推定が可能となる。なお、周辺画素とは、図１０に示すように、基準画素に隣接する隣接画素、および、図１１、１２に示すように基準画素から数画素離れた位置にある近傍画素をいう。

また、本実施形態においては、周辺画素を選択し、これらに統計処理を施すことで、測定走査範囲を決定している。一般的に予備走査を実施する際には、カメラのフレームレートを最大限高速になるように設定する。そのため、撮像面内の全画素に対して統計処理を実施しようとすると、処理がフレームの時間間隔内に収まらない問題が発生する。そのため、基準画素の選択、基準画素の周辺画素を選択し、これらに統計処理を施すことで、予備走査の時間を短縮している。

基準画素および周辺画素の輝度値から測定走査範囲を決定する統計処理について説明する。統計処理の一例として、例えば、次のように単純和を取ることで、決定することができる。

予備走査を行う際の基準画素、および、選択した周辺画素の輝度値をｘ_ｉ（ｉ：ピクセル番号）、干渉縞が生成していない領域での平均的な輝度値を＜ｘ＞とすると、ｉ番目の画素に対する干渉縞による輝度値の変化は、Δｘ＝｜ｘ_ｉ−＜ｘ＞｜で表される。

そして、統計処理として、これらの値の単純和Σ（Δｘ_ｉ）＝Σ_ｉ｜ｘ_ｉ−＜ｘ＞｜を求める。この単純和を、光学部の垂直位置を走査しながら（ｚ方向に移動させながら）計算を行い、単純和が所定の値以上の領域を含む範囲を、表面形状を測定する走査範囲として決定することができる。単純和を計算する際は、閾値を設けて、この閾値以下の輝度値の変化を示すものは単純和の計算に使用しないようにすることもできる。

図１３は、基準画素および周辺画素の輝度値を用いて測定範囲を決定する例を示す図である。基準画素の輝度値の変化を、光学部２を垂直方向に走査しながら測定すると、例えば、図１３の基準画素に示すような、輝度値の変化を示す。予備走査においては、サンプリング間隔が波長よりも広いため、干渉縞による明暗が生成している領域内においても、輝度値の変化Δｘ_ｉが小さい値を示す場合がある。

周辺画素１〜３は、基準画素からの距離がランダムになるように選択した周辺画素の輝度値の変化（Δｘ）を示す。図１３においては省略しているが、さらに、複数の周辺画素の輝度値の変化の単純和を示す。単純和を求め、グラフ化することで、基準画素およびその周辺画素での垂直方向（ｚ軸方向）における輝度値の変化量を求めることができ、この範囲を含むように、表面測定の垂直方向の走査範囲を決定することができる。このように、基準画素で十分な輝度値の変化が確認できなくても、周辺画素の輝度値の変化を用いることで、表面形状の垂直方向の位置を推定することができ、走査範囲を決定することができる。

統計処理として、単純和を用いる方法以外に、輝度値変化の出現頻度分布を作成し、出現頻度が特定の範囲に含まれる範囲を本測定の範囲として決定することができる、また、統計処理の方法としては、１種類に限定されず、複数種類を組み合わせて用いることもできる。

ここで、本発明とオートフォーカスとの違いについて説明する。一般的なオートフォーカスでは、測定対象物が焦点位置に近い場合に、測定対象物表面の模様によるコントラストが上昇することを用いて隣接ピクセル間の輝度値の差異を利用する。しかしながら、この手法は、サンプリング間隔を広げることは可能であるが、例えばオプティカルフラットのような平滑面に対しては、効果が無く、さらに、干渉縞の生成、消失の幅を検知することができないので、予備走査としては機能しない。確実に測定対象物の表面形状を取得するためには、干渉縞の生成、消失が生じる範囲において、表面形状を測定することが必要である。

図７に戻り、予備走査（ステップＳ１４）により、測定走査範囲を決定した後、処理部１８は、測定対象物Ｐの表面形状の測定を行う表面形状測定工程を行う（ステップＳ１６）。表面形状の測定方法としては、測定対象物Ｐの被測定面Ｓの各点に照射される測定光の光路長を変化させながら撮影部１６により取得される干渉縞に基づいて被測定面Ｓの各点のｚ軸方向の干渉縞位置を検出することで測定対象物Ｐの表面形状を測定する方法であれば、どのような方法でもよい。

本実施形態によれば、サンプリング間隔を狭くすることで時間のかかる表面形状測定において、予備走査により走査範囲を決定しているので、測定時間を短縮することができる。

次に、ステップＳ１８で、測定対象物全領域の表面形状データを取得していない場合はステップＳ１４に戻り、ステージ１０を移動させ（移動工程）、予備走査（ステップＳ１４）および、表面形状の測定（ステップＳ１６）を行い、測定対象物全領域の表面形状データを取得する（繰り返し工程）。

測定対象物全領域の表面形状データを取得した後、ステップＳ２０の工程として、表面形状データを接続することで、広範囲表面形状データを作成し（接続工程）、最後に、処理部１８は、表面形状の測定結果を表示部２０などに出力する。または、１つの撮像面で測定対象物の表面形状を測定できる場合は、接続工程を行うことなく、表面形状の測定結果を表示部２０などに出力する。

１…表面形状測定装置、２…光学部、１０…ステージ、１０Ｓ…ステージ面、１２…光源部、１４…干渉部、１６…撮影部、１８…処理部、１８Ａ…測定準備制御部、２０…表示部、２２…入力部、３０…ｘ回転軸、３２…ｙ回転軸、３４…ｘアクチュエータ、３６…ｙアクチュエータ、４０…光源、４２…コレクタレンズ、４４、５４…ビームスプリッタ、５０…対物レンズ、５２…参照ミラー、５６…干渉部アクチュエータ、６０…撮像素子、６０Ｓ…撮像面、６２…結像レンズ、７０…ｚアクチュエータ、１００…基準画素、１０２…周辺画素、Ｌ１、Ｌ２…光路長、Ｐ…測定対象物、Ｑ…干渉縞曲線、Ｓ…被測定面、Ｚ−０、Ｚ−１…光軸

Claims (4)

1. 測定対象物を支持する支持部と、
   白色光を出射する光源部と、前記光源部からの白色光を測定光と参照光とに分割して前記測定光を前記測定対象物の被測定面に照射するとともに、前記参照光を参照面に照射し、前記被測定面から戻る測定光と前記参照面から戻る前記参照光とを干渉させた干渉光を生成する干渉部と、前記被測定面の各点に対応する複数の画素を有し、前記被測定面の各点に照射された前記測定光と前記参照光との干渉光の輝度情報から干渉縞を取得し前記測定対象物の表面形状データを取得する表面形状取得部と、を有する光学部と、を備える形状測定装置を用いた形状測定方法であって、
   前記被測定面の各点に照射される前記測定光の光路長を変化させながら、前記白色光の中心波長より長い画像取得間隔で、前記干渉縞を取得する干渉縞取得工程と、
   前記干渉縞取得工程で測定された前記被測定面の各点に対応する前記表面形状取得部の複数の画素から選択された基準画素と、前記基準画素の周辺画素の少なくとも１つの画素と、の輝度情報から、干渉縞の生成する範囲を推定し、前記測定光の軸方向の走査範囲を決定する走査範囲決定工程と、
   前記被測定面の各点に照射される前記測定光の光路長を前記走査範囲決定工程で決定した走査範囲内で変化させながら、前記干渉縞取得工程より短い画像取得間隔で干渉縞を取得し、前記干渉縞に基づいて前記被測定面の各点の前記測定光の光軸方向の干渉縞位置を検出することで前記測定対象物の表面形状を測定する表面形状測定工程と、を有する表面形状測定方法。
2. 前記周辺画素は、前記基準画素からの距離が異なる画素をランダムに選択する請求項１に記載の表面形状測定方法。
3. 前記干渉縞取得工程、前記走査範囲決定工程、および、前記表面形状測定工程を行った後、前記支持部と前記光学部との位置を相対的に移動させる移動工程と、
   前記移動工程後の前記被測定面に対して、前記干渉縞取得工程、前記走査範囲決定工程、および、前記表面形状測定工程を行うことで、複数の表面形状データを取得する繰り返し工程と、
   前記複数の表面形状データを接続し、前記測定対象物の広範囲表面形状データを取得する接続工程と、を有する請求項１又は２に記載の表面形状測定方法。
4. 前記走査範囲決定工程は、前記基準画素および前記周辺画素の輝度値の変化の絶対値の和が、所定の値以上の領域を含む範囲を前記走査範囲として決定する請求項１から３のいずれか１項に記載の表面形状測定方法。

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