JP7043555B2 - 三次元計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、被計測物の形状を計測する三次元計測装置に関するものである。

従来、被計測物の形状を計測する三次元計測装置として、例えばディジタルホログラフィの技術を利用して半導体ウエハのバンプの高さ計測を行う干渉式の三次元計測装置などが知られている（例えば、特許文献１参照）。

かかる三次元計測装置によれば、参照面の移動機構やガルバノ機構等を必要とせず、1 ショット撮像により、計測レンジを超えたバンプの高さ計測が実現可能となる。

特開２０１９－１００９６１号公報

ディジタルホログラフィの技術を利用する三次元計測では、複数の再生画像（高さ方向複数位置について再生した強度画像データ）の中から合焦状態にある再生画像を特定する必要があるため、計測点の輝度検出が重要となる。

しかしながら、特許文献１に係る構成では、複数の再生画像の輝度に大きな差がなく、どの再生位置が合焦位置であるか（又は高さ方向で最もピントが合う最適合焦位置であるか）を特定し難くなるおそれがあり、結果として計測精度が低下するおそれがあった。

特に上記バンプなどのように、被計測物の一部が湾曲している場合には、該湾曲部については、照射された光が拡散してしまい、検出される反射光の量が少なくなるため、上記不具合がより顕著となるおそれがある。

本発明は、上記事情等に鑑みてなされたものであり、その目的は、計測精度の向上を図ると共に、計測効率の向上を図ることのできる三次元計測装置を提供することにある。

以下、上記課題を解決するのに適した各手段につき項分けして説明する。なお、必要に応じて対応する手段に特有の作用効果を付記する。

手段１．入射する所定の光を２つの光に分割し、一方の光を計測光として被計測物（例えばウエハ基板）に照射可能としかつ他方の光を参照光として参照面に照射可能とすると共に、これらを再び合成して出射可能な所定の光学系（特定光学系）と、
前記所定の光学系に対し入射させる所定の光を出射可能な照射手段と、
前記所定の光学系から出射される出力光を撮像可能な撮像手段と、
前記計測光を前記被計測物へ向け照射させる計測光用の対物レンズと、
前記参照光を前記参照面へ向け照射させる参照光用の対物レンズと、
前記出力光を前記撮像手段（撮像素子）へ結像させる結像レンズと、
前記撮像手段により撮像し得られた干渉縞画像（ホログラム）を基に前記被計測物の所定の計測領域（被計測物の全域又はその一部）に係る三次元計測を実行可能な画像処理手段とを備えた三次元計測装置であって、
前記画像処理手段は、
前記撮像手段により撮像し得られた前記計測領域に係る干渉縞画像を基に、再生（reconstruction）により、前記計測領域の各座標位置における光軸方向所定位置の強度画像データを取得可能な画像データ取得手段と、
前記撮像手段により撮像し得られた前記計測領域に係る干渉縞画像を基に、再生により、前記計測領域の各座標位置における光軸方向所定位置の光の位相情報を取得可能な位相情報取得手段と、
前記画像データ取得手段により取得された前記計測領域の所定座標位置における光軸方向所定位置の強度画像データを基に、該強度画像データが所定条件（例えば所定の閾値以上の輝度を有する場合など）を満たす合焦状態にあるか否かを判定する合焦判定手段と、
前記合焦判定手段の判定結果に基づき、前記所定座標位置における光軸方向所定位置の強度画像データが前記合焦状態にあると判定された場合に、光軸方向に所定の計測レンジ間隔で定められる次数のうち、前記光軸方向所定位置に対応する次数を前記所定座標位置に係る次数として特定する次数特定手段と、
前記位相情報取得手段により取得された前記所定座標位置に係る位相情報と、前記次数特定手段により特定された前記所定座標位置に係る次数とを基に、前記所定座標位置に係る三次元計測（高さ計測）を実行可能な三次元計測手段とを備えていることを特徴とする三次元計測装置。

尚、「所定の光学系」には、「参照光及び計測光を内部で干渉させた上で干渉光として出力する光学系」のみならず、「参照光及び計測光を内部で干渉させることなく、単に合成光として出力する光学系」も含まれる。但し、「所定の光学系」から出力される「出力光」が「合成光」の場合には、「干渉縞画像」を撮像するために、少なくとも「撮像手段」により撮像される前段階において、所定の干渉手段を介して「干渉光」に変換することとなる。

つまり、光の干渉を生じさせること（干渉縞画像を撮像すること）を目的として、入射する所定の光を２つの光に分割し、一方の光を計測光として被計測物に照射可能としかつ他方の光を参照光として参照面に照射可能とすると共に、これらを再び合成して出射可能な光学系を「干渉光学系」と称することができる。従って、上記手段１において（以下の各手段においても同様）、「所定の光学系（特定光学系）」を「干渉光学系」と換言してもよい。

上記手段１によれば、ディジタルホログラフィの技術により、計測領域の各座標位置ごとに、計測レンジを超えた高さ計測が可能となる。また、被計測物を移動させるような大掛かりな移動機構を必要とせず、構成の簡素化を図ることができると共に、その振動等の影響を受けることもないため、計測精度の向上を図ることができる。

さらに、より少ない撮像回数で、計測に必要なすべての干渉縞画像を取得することができ、計測効率の向上を図ることができる。

加えて、本手段１によれば、計測光用の対物レンズ及び参照光用の対物レンズ、並びに、出力光を撮像手段へ結像させる結像レンズを備えることにより、さらなる計測精度の向上を図ることができる。

以下、対物レンズ及び結像レンズを備えた本手段１の特徴部分の作用効果について詳しく説明する。図１６は、本手段１に係る対物レンズ及び結像レンズの光学関係を説明するための図であり、対物レンズ７０１及び結像レンズ７０２を介して、被計測物７００の像を撮像手段７０３へ結像させる光学系を模式的に示している。

同図に示すように、ディジタルホログラフィの技術を利用する三次元計測においては、光軸Ｊ１（高さｚ）方向の複数位置ｚ_１～ｚ_ｎについて強度画像データを再生し、これら複数の強度画像データ（再生画像）の中から、光軸Ｊ１方向でピントが合う合焦位置ｚ_ｐ（又は光軸Ｊ１方向で最もピントが合う最適合焦位置ｚ_ｐ）の再生画像を特定する。

この際、複数の再生画像の中から合焦状態にある再生画像を特定するためには、上記「発明が解決しようとする課題」で述べたように、計測点の輝度検出が重要となる。

ここで、再生画像の所定位置の画素の輝度に基づき、該所定位置の画素について該再生画像が合焦位置（又は最適合焦位置）のものであるか否かを判断する原理について説明する。

合焦位置の再生画像と、合焦位置にない再生画像において、輝度の総量に差は無いため、仮に同一画素（ｘｙ座標系同一位置の１つの画素）の中で光が集中したり、ボケたりしても、該画素の輝度（輝度総量）として変化は表れない。

例えば図１７（ａ）に示すように、微小な計測点ＰＡを撮像した時に、合焦位置の再生画像８００において、計測点ＰＡが再生画像８００の所定の画素８００ａの中心にあれば、仮に図１７（ｂ）に示すように、合焦位置から光軸方向（高さｚ方向）に第１所定量ずれた位置の再生画像８０１において、計測点ＰＡがぼけて、ｘ方向及びｙ方向へそれぞれ０．５画素分（画素８０１ａの１辺の長さの半分）ずつ滲んだとしても、該計測点ＰＡを含む画素８０１ａの輝度（輝度総量）は変化しないため、合焦位置からずれていると判断することはできない。

一方、図１７（ｃ）に示すように、合焦位置から光軸方向（高さｚ方向）に第２所定量ずれた位置の再生画像８０２において、計測点ＰＡがぼけて、ｘ方向及びｙ方向へそれぞれ０．５画素（画素８０２ａの１辺の長さの半分）の大きさを超えて滲むと、該計測点ＰＡを含む画素８０２ａの輝度（輝度総量）が減少するため、その変化を検出することで、合焦位置からずれていると判断することができる。又は、計測点ＰＡを含む画素８０２ａの周辺の画素の輝度が増加するため、この変化を検出することによって、合焦位置からずれていると判断することができる。

また、例えば図１８（ａ）に示すように、微小な計測点ＰＡを撮像した時に、合焦位置の再生画像８００において、計測点ＰＡが４つの画素８００ａに跨っていれば、仮に図１８（ｂ）に示すように、合焦位置から光軸方向（高さｚ方向）に第１所定量ずれた位置の再生画像８０１において、計測点ＰＡがぼけて、ｘ方向及びｙ方向へそれぞれ１画素分（画素８０１ａの１辺の長さ）ずつ滲んだとしても、該計測点ＰＡを含む４つの画素８０１ａそれぞれの輝度（輝度総量）は変化しないため、合焦位置からずれていると判断することはできない。

一方、図１８（ｃ）に示すように、合焦位置から光軸方向（高さｚ方向）に第２所定量ずれた位置の再生画像８０２において、計測点ＰＡがぼけて、ｘ方向及びｙ方向へそれぞれ１画素（画素８０２ａの１辺の長さ）の大きさを超えて滲むと、該計測点ＰＡを含む４つの画素８０２ａの輝度（輝度総量）がそれぞれ減少するため、その変化を検出することで、合焦位置からずれていると判断することができる。又は、計測点ＰＡを含む４つの画素８０２ａの周辺の画素の輝度が増加するため、この変化を検出することによって、合焦位置からずれていると判断することができる。

但し、実際には図１９に示すように、再生位置ＰＳが合焦位置ＰＯから光軸方向（高さｚ方向）に所定量ｄｚずれている場合、計測点ＰＡは、直径εの円形にぼけることとなる。また、合焦位置ＰＯとの相対距離ｄｚが広がれば広がるほど、再生位置ＰＳの再生画像では、計測点ＰＡのボケ具合（再生態様）が大きくなる。

さらに、図１９に示すように対物レンズ９００等を使用することで、対物レンズ９００等を使用しない従来構成（図１９中の二点鎖線部参照）に比べ、合焦位置ＰＯとの相対距離ｄｚが同じ再生位置ＰＳであっても、計測点ＰＡのボケ具合は大きくなる。

次に、対物レンズ等を有しない「従来」の構成の下で取得した複数の再生画像の所定計測点に係る輝度値と、対物レンズ等を有した「本発明（手段１）」の構成の下で取得した複数の再生画像の所定計測点に係る輝度値とを比較しつつ、本発明（手段１）の作用効果について説明する。

図２１は、「従来」及び「本発明（手段１）」に係る構成の下、光軸方向（高さｚ方向）に「３０μｍ」間隔の再生間隔で設定した高さ位置、具体的には「３次（＋９０μｍ）」，「２次（＋６０μｍ）」，「１次（＋３０μｍ）」，「０次（０μｍ）」，「－１次（－３０μｍ）」，「－２次（－６０μｍ）」，「－３次（－９０μｍ）」において再生した複数の再生画像の所定計測点に係る輝度値を例示した表である。

図２１に示すように、「従来」では、「０次（０μｍ）」の高さ位置にて再生した再生画像の所定計測点に係る輝度値が「１２８」で最大となり、「１次（＋３０μｍ）」及び「－１次（－３０μｍ）」の高さ位置にて再生した再生画像の所定計測点に係る輝度値はそれぞれ「１２０」、「２次（＋６０μｍ）」及び「－２次（－６０μｍ）」の高さ位置にて再生した再生画像の所定計測点に係る輝度値はそれぞれ「１１２」、「３次（＋９０μｍ）」及び「－３次（－９０μｍ）」の高さ位置にて再生した再生画像の所定計測点に係る輝度値はそれぞれ「１０４」となっている。

これらのデータに基づき、図２１に例示したケースにおいて、「従来」では、「０次（０μｍ）」の高さ位置を合焦位置として特定することができる。

一方、「本発明」では、「０次（０μｍ）」の高さ位置にて再生した再生画像の所定計測点に係る輝度値が「１２８」で最大となり、「１次（＋３０μｍ）」及び「－１次（－３０μｍ）」の高さ位置にて再生した再生画像の所定計測点に係る輝度値はそれぞれ「１００」、「２次（＋６０μｍ）」及び「－２次（－６０μｍ）」の高さ位置にて再生した再生画像の所定計測点に係る輝度値はそれぞれ「７２」、「３次（＋９０μｍ）」及び「－３次（－９０μｍ）」の高さ位置にて再生した再生画像の所定計測点に係る輝度値はそれぞれ「４４」となっている。

これらのデータに基づき、図２１に例示したケースにおいて、「本発明」では、「０次（０μｍ）」の高さ位置を合焦位置として特定することができる。

但し、上記「従来」では、ピークである「０次（０μｍ）」の高さ位置にて再生した再生画像の所定計測点に係る輝度値が「１２８」であるのに対し、「±１次（±３０μｍ）」の高さ位置にて再生した再生画像の所定計測点に係る輝度値はそれぞれ「１２０」で、ピークとの輝度差は「８」となっている。同様に、「±２次（±６０μｍ）」の高さ位置にて再生した再生画像の所定計測点に係る輝度値はそれぞれ「１１２」で、ピークとの輝度差が「１６」となっている。また、「±３次（±９０μｍ）」の高さ位置にて再生した再生画像の所定計測点に係る輝度値はそれぞれ「１０４」で、ピークとの輝度差が「２４」となっている。

これに対し、上記「本発明」では、ピークである「０次（０μｍ）」の高さ位置にて再生した再生画像の所定計測点に係る輝度値が「１２８」であるのに対し、「±１次（±３０μｍ）」の高さ位置にて再生した再生画像の所定計測点に係る輝度値はそれぞれ「１００」で、ピークとの輝度差は「２８」となっている。同様に、「±２次（±６０μｍ）」の高さ位置にて再生した再生画像の所定計測点に係る輝度値はそれぞれ「７２」で、ピークとの輝度差が「５６」となっている。また、「±３次（±９０μｍ）」の高さ位置にて再生した再生画像の所定計測点に係る輝度値はそれぞれ「４４」で、ピークとの輝度差が「８４」となっている。

つまり、対物レンズ等を使用する「本発明（手段１）」の方が、対物レンズ等を使用しない「従来」に比べ、合焦位置との相対距離（再生距離）が同じ再生位置であっても、計測点の輝度値の変化が大きくなるため、合焦位置を特定しやすくなると共に、ノイズ等の影響を受けにくくなる。結果として、計測精度の向上を図ることができる。

手段２．入射する所定の光を２つの光に分割し、一方の光を計測光として被計測物（例えばウエハ基板）に照射可能としかつ他方の光を参照光として参照面に照射可能とすると共に、これらを再び合成して出射可能な所定の光学系（特定光学系）と、
前記所定の光学系に対し入射させる所定の光を出射可能な照射手段と、
前記所定の光学系から出射される出力光を撮像可能な撮像手段と、
前記計測光を前記被計測物へ向け照射させる計測光用の対物レンズと、
前記参照光を前記参照面へ向け照射させる参照光用の対物レンズと、
前記出力光を前記撮像手段（撮像素子）へ結像させる結像レンズと、
前記撮像手段により撮像し得られた干渉縞画像（ホログラム）を基に前記被計測物の所定の計測領域（被計測物の全域又はその一部）に係る三次元計測を実行可能な画像処理手段とを備えた三次元計測装置であって、
前記画像処理手段は、
前記撮像手段により撮像し得られた前記計測領域に係る干渉縞画像を基に、再生（reconstruction）により、前記計測領域の各座標位置における光軸方向所定位置の強度画像データを、少なくとも光軸方向所定範囲において、所定間隔で複数通り取得可能な画像データ取得手段と、
前記画像データ取得手段により取得された前記計測領域の所定座標位置に係る前記複数通りの強度画像データを基に、該所定座標位置における所定の光軸方向合焦位置（例えば最も焦点の合う強度画像データが得られた光軸方向位置）を決定する合焦位置決定手段と、
光軸方向に所定の計測レンジ間隔で定められる次数のうち、前記合焦位置決定手段により決定された前記所定座標位置の前記光軸方向合焦位置に対応する次数を、該所定座標位置に係る次数として特定する次数特定手段と、
前記撮像手段により撮像し得られた前記計測領域に係る干渉縞画像を基に、再生により、前記計測領域の各座標位置における光軸方向所定位置の光の位相情報を取得可能な位相情報取得手段と、
前記位相情報取得手段により取得された前記所定座標位置に係る位相情報と、前記次数特定手段により特定された前記所定座標位置に係る次数とを基に、前記所定座標位置に係る三次元計測（高さ計測）を実行可能な三次元計測手段とを備えていることを特徴とする三次元計測装置。

上記手段２によれば、上記手段１と同様の作用効果が奏される。

手段３．入射する所定の光を２つの光に分割し、一方の光を計測光として被計測物（例えばウエハ基板）に照射可能としかつ他方の光を参照光として参照面に照射可能とすると共に、これらを再び合成して出射可能な所定の光学系（特定光学系）と、
前記所定の光学系に対し入射させる所定の光を出射可能な照射手段と、
前記所定の光学系から出射される出力光を撮像可能な撮像手段と、
前記計測光を前記被計測物へ向け照射させる計測光用の対物レンズと、
前記参照光を前記参照面へ向け照射させる参照光用の対物レンズと、
前記出力光を前記撮像手段（撮像素子）へ結像させる結像レンズと、
前記撮像手段により撮像し得られた干渉縞画像（ホログラム）を基に前記被計測物の所定の計測領域（被計測物の全域又はその一部）に係る三次元計測を実行可能な画像処理手段とを備えた三次元計測装置であって、
前記画像処理手段は、
前記撮像手段により撮像し得られた干渉縞画像を基に、再生（reconstruction）により、前記計測領域内に予め設定した一部の特定領域における光軸方向所定位置の強度画像データを、少なくとも光軸方向第１範囲において、所定間隔で複数通り取得可能な第１画像データ取得手段と、
前記第１画像データ取得手段により取得された前記特定領域に係る前記複数通りの強度画像データを基に、該特定領域における所定の光軸方向合焦位置を決定する第１合焦位置決定手段と、
前記撮像手段により撮像し得られた前記計測領域に係る干渉縞画像を基に、再生により、前記計測領域の各座標位置における光軸方向所定位置の強度画像データを、前記特定領域における光軸方向合焦位置を基準に設定される少なくとも光軸方向第２範囲において、所定間隔で複数通り取得可能な第２画像データ取得手段と、
前記第２画像データ取得手段により取得された前記計測領域の所定座標位置に係る前記複数通りの強度画像データを基に、該所定座標位置における所定の光軸方向合焦位置を決定する第２合焦位置決定手段と、
光軸方向に所定の計測レンジ間隔で定められる次数のうち、前記第２合焦位置決定手段により決定された前記所定座標位置の前記光軸方向合焦位置に対応する次数を、該所定座標位置に係る次数として特定する次数特定手段と、
前記撮像手段により撮像し得られた前記計測領域に係る干渉縞画像を基に、再生により、前記計測領域の各座標位置における光軸方向所定位置の光の位相情報を取得可能な位相情報取得手段と、
前記位相情報取得手段により取得された前記所定座標位置に係る位相情報と、前記次数特定手段により特定された前記所定座標位置に係る次数とを基に、前記所定座標位置に係る三次元計測（高さ計測）を実行可能な三次元計測手段とを備えていることを特徴とする三次元計測装置。

上記手段３によれば、上記手段１，２と同様の作用効果が奏される。特に本手段によれば、まず最初に計測領域全体ではなく、計測領域内に予め設定した一部の特定領域（限られた狭い範囲）についてのみ、光軸方向複数位置における強度画像データを取得し、その合焦状況から、光軸方向における被計測物の位置を特定する。

その後、計測領域全体の各座標位置について、特定領域に係る合焦位置を基準に、光軸方向複数位置における強度画像データを取得する。

これにより、計測領域に係る三次元計測を行う上で必要なデータを取得するための処理にかかる負荷を軽減すると共に、該処理に要する時間を短縮することができる。結果として、計測精度の向上を図ると共に、計測効率の向上を図ることができる。

手段４．前記対物レンズは、その開口数ＮＡが下記式を満たすものであることを特徴とする手段１乃至３のいずれかに記載の三次元計測装置。

ＮＡ ＞ a／√（（ｄｚ）^２＋a^２)
ａ：画素サイズ、ｄｚ：再生間隔。

仮に開口数ＮＡが比較的小さい対物レンズを用いた場合には、再生間隔（合焦位置との相対距離）ｄｚが比較的大きい場合でも、計測点のボケ具合が小さく、合焦位置を特定し難くなるおそれがある。

一方、上記手段４に係る対物レンズのように、開口数ＮＡが比較的大きい対物レンズを用いた場合には、バンプの頂部など被計測物の湾曲部から広範囲に反射した反射光が対物レンズに取り込まれやすくなると共に、再生間隔ｄｚが小さい場合でも、計測点のボケ具合が大きくなり、合焦位置を特定しやすくなる。結果として、上記手段４によれば、上記手段１等の作用効果をより高めることができる。

以下、本手段４の特徴部分の作用効果についてより詳しく説明する。例えば図２０に示すように、半球状のバンプ１０１を被計測物（計測対象）とした場合、バンプ１０１の頂点付近に照射された照射光Ｋ１の反射光Ｋ２は拡散する。かかる状況下で、開口数ＮＡの大きい対物レンズ９０１を用いた場合には、開口数ＮＡの小さい対物レンズ９０２（図２０の二点鎖線部参照）を用いた場合よりも、バンプ１０１からの反射光Ｋ２を広範囲で取り込むことができる。

つまり、開口数ＮＡの小さい対物レンズ９０２を用いた場合の計測可能範囲Ｇ２よりも、開口数ＮＡの大きい対物レンズ９０１を用いた場合の計測可能範囲Ｇ１を大きくすることができる。

また、上述したように、合焦位置からずれているか否かを確実に検出するためには、図１７，図１８に示すように、所定の計測点ＰＡのボケによる滲みが、全体として少なくとも画素サイズ２つ分より大きくなっていればよい。

具体的に、計測点ＰＡのボケによる滲みを画素サイズ２つ分より大きくするためには、下記式（１）の関係を満たす必要がある。つまり、計測点ＰＡがぼけてできる円の直径εが、画素サイズａの２倍より大きくなければならない（図１９参照）。

ε＞２ａ ・・・（１）
図１９に示すように、開口数ＮＡは、計測点ＰＡから対物レンズ９００に入射する光線の光軸Ｊ１に対する最大角度をθ、計測点ＰＡと対物レンズ９００の間の媒質の屈折率をｎとした場合（空気中であれば、ｎ≒１）、下記式（２）で表すことができる。

ＮＡ＝ｎ×sinθ ・・・（２）
また、再生間隔（合焦位置との相対距離）をｄｚとした場合、下記式（３）の関係が成り立つ（図１９参照）。

ε＝２×ｄｚ×tanθ ・・・（３）
さらに、上記式（１），（３）より、下記式（４）を導き出すことができる。

２×ｄｚ×tanθ＞２ａ ・・・（４）
ここで、tanθ＝sinθ／√（１－sin^２θ）であるため、上記式（４）は、下記式（５）となる。

２×ｄｚ×｛sinθ／√（１－sin²θ）｝＞２ａ ・・・（５）
次に、屈折率ｎ＝１とした上記式（２）を、上記式（５）に代入すると、下記式（６）が得られる。

２×ｄｚ×｛（ＮＡ）／√（１－（ＮＡ）^２）｝＞２ａ ・・・（６）
そして、上記式（６）を開口数ＮＡについて解くと、下記式（７）が得られる。

ＮＡ ＞ a／√（（ｄｚ）^２＋a^２) ・・・（７）
但し、再生間隔ｄｚは、０以上で、かつ、計測レンジ間隔Ｒを超えないことが好ましい（０≦ｄｚ≦Ｒ）。尚、計測レンジＲは、三次元計測装置の計測レンジであり、例えば１種類の波長の光のみを利用して計測を行う場合には、その波長によって決まる計測レンジがこれに相当し、波長の異なる２種類の光を利用して計測を行う場合には２波長の合成波長によって決まる計測レンジがこれに相当する。

また、開口数ＮＡは、できる限り大きい方が好ましいが、液浸等の特別な技術を採用しない限り、開口数ＮＡの上限は１となるため（屈折率ｎ＝１とした場合の上記式（２）参照）、開口数ＮＡが１以下となることが好ましい（ＮＡ≦１）。

手段５．前記照射手段は、
前記所定の光学系に対し入射させる、第１波長の偏光を含む第１光を出射可能な第１照射手段と、
前記所定の光学系に対し入射させる、第２波長の偏光を含む第２光を出射可能な第２照射手段とを備え、
前記所定の光学系と前記第１照射手段との間に配置され、前記第１光を前記対物レンズへ向け集光させる第１光用の投光レンズと、
前記所定の光学系と前記第２照射手段との間に配置され、前記第２光を前記対物レンズへ向け集光させる第２光用の投光レンズとを備え、
前記撮像手段は、
前記所定の光学系に対し前記第１光を入射することにより前記所定の光学系から出射される前記第１光に係る出力光を撮像可能な第１撮像手段と、
前記所定の光学系に対し前記第２光を入射することにより前記所定の光学系から出射される前記第２光に係る出力光を撮像可能な第２撮像手段とを備え、
前記結像レンズとして、
前記第１光に係る出力光を前記第１撮像手段へ結像させる第１撮像用の結像レンズと、
前記第２光に係る出力光を前記第２撮像手段へ結像させる第２撮像用の結像レンズとを備えていることを特徴とする手段１乃至４のいずれかに記載の三次元計測装置。

尚、「第１照射手段」から照射される「第１光」は、少なくとも「第１波長の偏光（第１偏光）」を含んだ光であればよく、その後「所定の光学系」においてカットされる他の余分な成分を含んだ光（例えば「無偏光」や「円偏光」）であってもよい。

同様に、「第２照射手段」から照射される「第２光」は、少なくとも「第２波長の偏光（第２偏光）」を含んだ光であればよく、その後「所定の光学系」においてカットされる他の余分な成分を含んだ光（例えば「無偏光」や「円偏光」）であってもよい。

また、「所定の光学系（特定光学系）」から出力される「第１光に係る出力光」には「第１光に係る参照光及び計測光の合成光、又は、該合成光を干渉させた干渉光」が含まれ、「第２光に係る出力光」には「第２光に係る参照光及び計測光の合成光、又は、該合成光を干渉させた干渉光」が含まれる。

上記手段５によれば、波長の異なる２種類の光を利用することにより、計測レンジを広げることができると共に、２つの撮像手段を備えることにより、計測効率の向上を図ることができる。

尚、上記手段１等のように、対物レンズを備えた構成においては、被計測物に対し照射される光が計測領域の１点（狭い範囲）に集まってしまうため、１回の計測で計測可能な計測領域が狭くなってしまうおそれがある。

これに対し、本手段５のように、照射手段から出射された光を対物レンズへ向け集光させる投光レンズを備えることで、被計測物のより広い範囲に均一な平行光を照射可能となる。結果として、１回の計測でより広範囲を計測可能となる。

手段６．前記被計測物は、バンプが形成されたウエハ基板であることを特徴とする手段１乃至５のいずれかに記載の三次元計測装置。

上記手段６によれば、ウエハ基板に形成されたバンプの計測を行うことができる。ひいては、バンプの検査において、その計測値に基づいてバンプの良否判定を行うことができる。従って、かかる検査において、上記各手段の作用効果が奏されることとなり、精度よく良否判定を行うことができる。結果として、バンプ検査装置における検査精度及び検査効率の向上を図ることができる。

三次元計測装置の概略構成図である。 三次元計測装置の電気的構成を示すブロック図である。 第１光の光路を示す光路図である。 第２光の光路を示す光路図である。 計測処理の流れを示すフローチャートである。 ワークと撮像素子との位置関係などを説明するための説明図である。 ワークと撮像素子との位置関係などを説明するための説明図である。 ウエハ基板の三次元計測について説明するための模式図である。 バンプの三次元計測について説明するための模式図である。 バンプの二次元計測について説明するための模式図である。 計測レンジ、位相、次数、高さ計測値などの関係を１つの具体例で示す図である。 別の実施形態に係る計測レンジ、位相、次数、高さ計測値などの関係を１つの具体例で示す図である。 別の実施形態に係るカメラの概略構成図である。 別の実施形態に係る計測処理の流れを示すフローチャートである。 別の実施形態に係る三次元計測装置の概略構成図である。 対物レンズ及び結像レンズの光学関係を説明するための図である。 （ａ）は、合焦位置における計測点の再生態様を示す図であり、（ｂ）は、合焦位置から第１所定量ずれた位置における計測点の再生態様を示す図であり、（ｃ）は、合焦位置から第２所定量ずれた位置における計測点の再生態様を示す図である。 （ａ）は、合焦位置における計測点の再生態様を示す図であり、（ｂ）は、合焦位置から第１所定量ずれた位置における計測点の再生態様を示す図であり、（ｃ）は、合焦位置から第２所定量ずれた位置における計測点の再生態様を示す図である。 計測点の合焦位置、合焦位置と再生位置との相対距離、再生位置における計測点のボケ具合（再生態様）、計測点から対物レンズに入射する光の角度などの対応関係を説明するための模式図である。 開口数の大きい対物レンズを用いた場合の計測可能範囲と、開口数の小さい対物レンズを用いた場合の計測可能範囲の違いを説明するための模式図である。 従来及び本発明に係る構成の下、複数の高さ位置において再生した複数の再生画像の所定計測点に係る輝度値を例示した表である。

以下、三次元計測装置の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。本実施形態に係る三次元計測装置は、ディジタルホログラフィを用いて三次元計測を行う計測装置である。ここで「ディジタルホログラフィ」とは、干渉縞画像（ホログラム）を取得し、そこから画像を再生する（reconstruct）技術をいう。

図１は本実施形態に係る三次元計測装置１の概略構成を示す模式図であり、図２は三次元計測装置１の電気的構成を示すブロック図である。以下、便宜上、図１の紙面前後方向を「Ｘ軸方向」とし、紙面上下方向を「Ｙ軸方向」とし、紙面左右方向を「Ｚ軸方向」として説明する。

三次元計測装置１は、マイケルソン干渉計の原理に基づき構成されたものであり、特定波長の光を出力可能な照射手段としての２つの投光系２Ａ，２Ｂ（第１投光系２Ａ，第２投光系２Ｂ）と、該投光系２Ａ，２Ｂからそれぞれ出射される光が入射される干渉光学系３と、該干渉光学系３から出射される光を撮像可能な撮像手段としての２つの撮像系４Ａ，４Ｂ（第１撮像系４Ａ，第２撮像系４Ｂ）と、投光系２Ａ，２Ｂや干渉光学系３、撮像系４Ａ，４Ｂなどに係る各種制御や画像処理、演算処理等を行う制御装置５とを備えている。

ここで、「制御装置５」が本実施形態における「画像処理手段」を構成し、「干渉光学系３」が本実施形態における「所定の光学系（特定光学系）」を構成する。尚、本実施形態においては、光の干渉を生じさせること（干渉縞画像を撮像すること）を目的として、入射する所定の光を２つの光（計測光及び参照光）に分割し、該２つの光に光路差を生じさせた上で、再度合成して出力する光学系を「干渉光学系」という。つまり、２つの光を内部で干渉させた上で干渉光として出力する光学系のみならず、２つの光を内部で干渉させることなく、単に合成光として出力する光学系についても「干渉光学系」と称している。従って、本実施形態にて後述するように、「干渉光学系」から、２つの光（計測光及び参照光）が干渉することなく合成光として出力される場合には、少なくとも撮像される前段階（例えば撮像系の内部など）において、所定の干渉手段を介して干渉光を得ることとなる。

まず、２つの投光系２Ａ，２Ｂ（第１投光系２Ａ，第２投光系２Ｂ）の構成について詳しく説明する。第１投光系２Ａは、第１発光部１１Ａ、第１光アイソレータ１２Ａ、第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａなどを備えている。ここで「第１発光部１１Ａ」が本実施形態における「第１照射手段」を構成する。

図示は省略するが、第１発光部１１Ａは、特定波長λ_１の直線偏光を出力可能なレーザ光源や、該レーザ光源から出力される直線偏光を拡大し平行光として出射するビームエキスパンダ、強度調整を行うための偏光板、偏光方向を調整するための１／２波長板などを備えている。

かかる構成の下、本実施形態では、第１発光部１１Ａから、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に対し４５°傾斜した方向を偏光方向とする波長λ_１（例えばλ_１＝１５００ｎｍ）の直線偏光がＺ軸方向左向きに出射される。ここで「波長λ_１」が本実施形態における「第１波長」に相当する。以降、第１発光部１１Ａから出射される波長λ_１の光を「第１光」という。

第１光アイソレータ１２Ａは、一方向（本実施形態ではＺ軸方向左向き）に進む光のみを透過し逆方向（本実施形態ではＺ軸方向右向き）の光を遮断する光学素子である。これにより、第１発光部１１Ａから出射された第１光のみを透過することとなり、戻り光による第１発光部１１Ａの損傷や不安定化などを防止することができる。

第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａは、直角プリズム（直角二等辺三角形を底面とする三角柱状のプリズム。以下同様。）を貼り合せて一体としたキューブ型の公知の光学部材であって、その接合面１３Ａｈには例えば金属膜などのコーティングが施されている。「第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａ」が本実施形態における「第１導光手段」を構成する。

以下同様であるが、無偏光ビームスプリッタは、偏光状態も含め、入射光を所定の比率で透過光と反射光とに分割するものである。本実施形態では、１：１の分割比を持った所謂ハーフミラーを採用している。つまり、透過光のＰ偏光成分及びＳ偏光成分、並びに、反射光のＰ偏光成分及びＳ偏光成分が全て同じ比率で分割されると共に、透過光と反射光の各偏光状態は入射光の偏光状態と同じとなる。

尚、本実施形態では、図１の紙面に平行な方向（Ｙ軸方向又はＺ軸方向）を偏光方向とする直線偏光をＰ偏光（Ｐ偏光成分）といい、図１の紙面に垂直なＸ軸方向を偏光方向とする直線偏光をＳ偏光（Ｓ偏光成分）という。

また、第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａは、その接合面１３Ａｈを挟んで隣り合う２面のうちの一方がＹ軸方向と直交しかつ他方がＺ軸方向と直交するように配置されている。つまり、第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａの接合面１３ＡｈがＹ軸方向及びＺ軸方向に対し４５°傾斜するように配置されている。より詳しくは、第１光アイソレータ１２Ａを介して、第１発光部１１ＡからＺ軸方向左向きに入射する第１光の一部（半分）をＺ軸方向左向きに透過させ、残り（半分）をＹ軸方向下向きに反射させるように配置されている。

第２投光系２Ｂは、上記第１投光系２Ａと同様、第２発光部１１Ｂ、第２光アイソレータ１２Ｂ、第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂなどを備えている。ここで「第２発光部１１Ｂ」が本実施形態における「第２照射手段」を構成する。

第２発光部１１Ｂは、上記第１発光部１１Ａと同様、特定波長λ_２の直線偏光を出力可能なレーザ光源や、該レーザ光源から出力される直線偏光を拡大し平行光として出射するビームエキスパンダ、強度調整を行うための偏光板、偏光方向を調整するための１／２波長板などを備えている。

かかる構成の下、本実施形態では、第２発光部１１Ｂから、Ｘ軸方向及びＺ軸方向に対し４５°傾斜した方向を偏光方向とする波長λ_２（例えばλ_２＝１５０３ｎｍ）の直線偏光がＹ軸方向上向きに出射される。ここで「波長λ_２」が本実施形態における「第２波長」に相当する。以降、第２発光部１１Ｂから出射される波長λ_２の光を「第２光」という。

第２光アイソレータ１２Ｂは、第１光アイソレータ１２Ａと同様、一方向（本実施形態ではＹ軸方向上向き）に進む光のみを透過し逆方向（本実施形態ではＹ軸方向下向き）の光を遮断する光学素子である。これにより、第２発光部１１Ｂから出射された第２光のみを透過することとなり、戻り光による第２発光部１１Ｂの損傷や不安定化などを防止することができる。

第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂは、第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａと同様、直角プリズムを貼り合せて一体としたキューブ型の公知の光学部材であって、その接合面１３Ｂｈには例えば金属膜などのコーティングが施されている。「第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂ」が本実施形態における「第２導光手段」を構成する。

また、第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂは、その接合面１３Ｂｈを挟んで隣り合う２面のうちの一方がＹ軸方向と直交しかつ他方がＺ軸方向と直交するように配置されている。つまり、第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂの接合面１３ＢｈがＹ軸方向及びＺ軸方向に対し４５°傾斜するように配置されている。より詳しくは、第２光アイソレータ１２Ｂを介して、第２発光部１１ＢからＹ軸方向上向きに入射する第２光の一部（半分）をＹ軸方向上向きに透過させ、残り（半分）をＺ軸方向右向きに反射させるように配置されている。

次に干渉光学系３の構成について詳しく説明する。干渉光学系３は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２０、対物レンズ２１，２２、１／４波長板２３，２４、参照面２５、設置部２６などを備えている。

偏光ビームスプリッタ２０は、直角プリズムを貼り合せて一体としたキューブ型の公知の光学部材であって、その接合面（境界面）２０ｈには例えば誘電体多層膜などのコーティングが施されている。

偏光ビームスプリッタ２０は、入射される直線偏光を偏光方向が互いに直交する２つの偏光成分（Ｐ偏光成分とＳ偏光成分）に分割するものである。本実施形態における偏光ビームスプリッタ２０は、Ｐ偏光成分を透過させ、Ｓ偏光成分を反射する構成となっている。

偏光ビームスプリッタ２０は、その接合面２０ｈを挟んで隣り合う２面のうちの一方がＹ軸方向と直交しかつ他方がＺ軸方向と直交するように配置されている。つまり、偏光ビームスプリッタ２０の接合面２０ｈがＹ軸方向及びＺ軸方向に対し４５°傾斜するように配置されている。

より詳しくは、上記第１無偏光ビームスプリッタ１３ＡからＹ軸方向下向きに反射した第１光が入射する偏光ビームスプリッタ２０の第１面（Ｙ軸方向上側面）２０ａ、並びに、該第１面２０ａと相対向する第３面（Ｙ軸方向下側面）２０ｃがＹ軸方向と直交するように配置されている。「偏光ビームスプリッタ２０の第１面２０ａ」が本実施形態における「第１入出力部」に相当する。

一方、第１面２０ａと接合面２０ｈを挟んで隣り合う面であって、上記第２無偏光ビームスプリッタ１３ＢからＺ軸方向右向きに反射した第２光が入射する偏光ビームスプリッタ２０の第２面（Ｚ軸方向左側面）２０ｂ、並びに、該第２面２０ｂと相対向する第４面（Ｚ軸方向右側面）２０ｄがＺ軸方向と直交するように配置されている。「偏光ビームスプリッタ２０の第２面２０ｂ」が本実施形態における「第２入出力部」に相当する。

また、偏光ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃとＹ軸方向に相対向するように対物レンズ２１が配置され、該対物レンズ２１とＹ軸方向に相対向するように１／４波長板２３が配置され、該１／４波長板２３とＹ軸方向に相対向するように参照面２５が配置されている。

対物レンズ２１は、一方側の焦点位置が参照面２５に位置合わせされ、かつ、他方側（第１撮像系４Ａ側及び第２撮像系４Ｂ側）の焦点位置が、後述する結像レンズ３０Ａの他方側（干渉光学系３側）の焦点位置、及び、後述する結像レンズ３０Ｂの他方側（干渉光学系３側）の焦点位置とそれぞれ重なるように配置されている。

つまり、対物レンズ２１は、偏光ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃから出射される光（参照光）を参照面２５へ向け照射させる機能を有する。尚、対物レンズ２１は、複数のレンズからなるレンズユニットにより構成されていてもよい。勿論、１枚のレンズにより構成されていてもよい。

１／４波長板２３は、直線偏光を円偏光に変換しかつ円偏光を直線偏光に変換する機能を有する。つまり、偏光ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃから出射され対物レンズ２１を通過した直線偏光（参照光）は１／４波長板２３を介して円偏光に変換された上で参照面２５に対し照射される。また、参照面２５で反射した参照光は、再度、１／４波長板２３を介して円偏光から直線偏光に変換された上で対物レンズ２１を通って偏光ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃに入射する。

一方、偏光ビームスプリッタ２０の第４面２０ｄとＺ軸方向に相対向するように対物レンズ２２が配置され、該対物レンズ２２とＺ軸方向に相対向するように１／４波長板２４が配置され、該１／４波長板２４とＺ軸方向に相対向するように設置部２６が配置されている。

対物レンズ２２は、一方側の焦点位置が設置部２６に位置合わせされ、かつ、他方側（第１撮像系４Ａ側及び第２撮像系４Ｂ側）の焦点位置が、後述する結像レンズ３０Ａの他方側（干渉光学系３側）の焦点位置、及び、後述する結像レンズ３０Ｂの他方側（干渉光学系３側）の焦点位置とそれぞれ重なるように配置されている。

つまり、対物レンズ２２は、偏光ビームスプリッタ２０の第４面２０ｄから出射される光（計測光）を、設置部２６に置かれた被計測物としてのワークＷへ向け照射させる機能を有する。尚、対物レンズ２２は、複数のレンズからなるレンズユニットにより構成されていてもよい。勿論、１枚のレンズにより構成されていてもよい。

１／４波長板２４は、直線偏光を円偏光に変換しかつ円偏光を直線偏光に変換する機能を有する。つまり、偏光ビームスプリッタ２０の第４面２０ｄから出射され対物レンズ２２を通過した直線偏光（計測光）は１／４波長板２４を介して円偏光に変換された上で設置部２６に置かれた被計測物としてのワークＷに対し照射される。また、ワークＷにて反射した計測光は、再度、１／４波長板２４を介して円偏光から直線偏光に変換された上で対物レンズ２２を通って偏光ビームスプリッタ２０の第４面２０ｄに入射する。

次に２つの撮像系４Ａ，４Ｂ（第１撮像系４Ａ，第２撮像系４Ｂ）の構成について詳しく説明する。第１撮像系４Ａは、結像レンズ３０Ａ、１／４波長板３１Ａ、第１偏光板３２Ａ、第１撮像手段を構成する第１カメラ３３Ａなどを備えている。

結像レンズ３０Ａは、一方側（第１カメラ３３Ａ側）の焦点位置が後述する撮像素子３３Ａａに位置合わせされ、かつ、他方側（干渉光学系３側）の焦点位置が、参照光用の対物レンズ２１の第１撮像系４Ａ側の焦点位置、及び、計測光用の対物レンズ２２の第１撮像系４Ａ側の焦点位置とそれぞれ重なるように位置合わせされている。

つまり、結像レンズ３０Ａは、偏光ビームスプリッタ２０の第２面２０ｂから出射され第２無偏光ビームスプリッタ１３ＢをＺ軸方向左向きに透過してきた直線偏光（第１光の参照光成分及び計測光成分）を第１カメラ３３Ａ（撮像素子３３Ａａ）へ結像させる機能を有する。尚、結像レンズ３０Ａは、複数のレンズからなるレンズユニットにより構成されていてもよい。勿論、１枚のレンズにより構成されていてもよい。

１／４波長板３１Ａは、第２無偏光ビームスプリッタ１３ＢをＺ軸方向左向きに透過し結像レンズ３０Ａを通過してきた直線偏光（第１光の参照光成分及び計測光成分）をそれぞれ円偏光に変換するためのものである。

第１偏光板３２Ａは、１／４波長板３１Ａにより円偏光に変換された第１光の各成分を選択的に透過させるものである。これにより、回転方向の異なる第１光の参照光成分と計測光成分とを特定の位相について干渉させることができる。「第１偏光板３２Ａ」が本実施形態における「位相シフト手段」及び「干渉手段」を構成する。

本実施形態に係る第１偏光板３２Ａは、Ｚ軸方向を軸心として回転可能に構成されると共に、その透過軸方向が４５°ずつ変化するように制御される。具体的には、透過軸方向がＹ軸方向に対し「０°」、「４５°」、「９０°」、「１３５°」となるように変化する。

これにより、第１偏光板３２Ａを透過する第１光の参照光成分及び計測光成分を４通りの位相で干渉させることができる。つまり、位相が９０°ずつ異なる干渉光を生成することができる。具体的には、位相が「０°」の干渉光、位相が「９０°」の干渉光、位相が「１８０°」の干渉光、位相が「２７０°」の干渉光を生成することができる。

第１カメラ３３Ａは、撮像素子３３Ａａ（図６参照）等を備えてなる公知のものである。本実施形態では、第１カメラ３３Ａの撮像素子３３Ａａとして、ＣＣＤエリアセンサを採用している。勿論、撮像素子３３Ａａは、これに限定されるものではなく、例えばＣＭＯＳエリアセンサ等を採用してもよい。

第１カメラ３３Ａによって撮像された画像データは、第１カメラ３３Ａ内部においてデジタル信号に変換された上で、デジタル信号の形で制御装置５（画像データ記憶装置５４）に入力されるようになっている。

具体的には、第１光に係る位相「０°」の干渉縞画像、位相「９０°」の干渉縞画像、位相「１８０°」の干渉縞画像、位相「２７０°」の干渉縞画像が第１カメラ３３Ａにより撮像されることとなる。

第２撮像系４Ｂは、第１撮像系４Ａと同様、結像レンズ３０Ｂ、１／４波長板３１Ｂ、第２偏光板３２Ｂ、第２撮像手段を構成する第２カメラ３３Ｂなどを備えている。

結像レンズ３０Ｂは、一方側（第２カメラ３３Ｂ側）の焦点位置が後述する撮像素子３３Ｂａに位置合わせされ、かつ、他方側（干渉光学系３側）の焦点位置が、参照光用の対物レンズ２１の第２撮像系４Ｂ側の焦点位置、及び、計測光用の対物レンズ２２の第２撮像系４Ｂ側の焦点位置とそれぞれ重なるように位置合わせされている。

つまり、結像レンズ３０Ｂは、偏光ビームスプリッタ２０の第１面２０ａから出射され第１無偏光ビームスプリッタ１３ＡをＹ軸方向上向きに透過してきた直線偏光（第２光の参照光成分及び計測光成分）を第２カメラ３３Ｂ（撮像素子３３Ｂａ）へ結像させる機能を有する。尚、結像レンズ３０Ｂは、複数のレンズからなるレンズユニットにより構成されていてもよい。勿論、１枚のレンズにより構成されていてもよい。

１／４波長板３１Ｂは、第１無偏光ビームスプリッタ１３ＡをＹ軸方向上向きに透過し結像レンズ３０Ｂを通過してきた直線偏光（第２光の参照光成分及び計測光成分）をそれぞれ円偏光に変換するためのものである。

第２偏光板３２Ｂは、第１偏光板３２Ａと同様、１／４波長板３１Ｂにより円偏光に変換された第２光の各成分を選択的に透過させるものである。これにより、回転方向の異なる第２光の参照光成分と計測光成分とを特定の位相について干渉させることができる。「第２偏光板３２Ｂ」が本実施形態における「位相シフト手段」及び「干渉手段」を構成する。

本実施形態に係る第２偏光板３２Ｂは、Ｙ軸方向を軸心として回転可能に構成されると共に、その透過軸方向が４５°ずつ変化するように制御される。具体的には、透過軸方向がＸ軸方向に対し「０°」、「４５°」、「９０°」、「１３５°」となるように変化する。

これにより、第２偏光板３２Ｂを透過する第２光の参照光成分及び計測光成分を４通りの位相で干渉させることができる。つまり、位相が９０°ずつ異なる干渉光を生成することができる。具体的には、位相が「０°」の干渉光、位相が「９０°」の干渉光、位相が「１８０°」の干渉光、位相が「２７０°」の干渉光を生成することができる。

第２カメラ３３Ｂは、第１カメラ３３Ａと同様、撮像素子３３Ｂａ（図６参照）等を備えてなる公知のものである。本実施形態では、第１カメラ３３Ａと同様、第２カメラ３３Ｂの撮像素子３３Ｂａとして、ＣＣＤエリアセンサを採用している。勿論、撮像素子３３Ｂａは、これに限定されるものではなく、例えばＣＭＯＳエリアセンサ等を採用してもよい。

第１カメラ３３Ａと同様、第２カメラ３３Ｂによって撮像された画像データは、第２カメラ３３Ｂ内部においてデジタル信号に変換された上で、デジタル信号の形で制御装置５（画像データ記憶装置５４）に入力されるようになっている。

具体的には、第２光に係る位相「０°」の干渉縞画像、位相「９０°」の干渉縞画像、位相「１８０°」の干渉縞画像、位相「２７０°」の干渉縞画像が第２カメラ３３Ｂにより撮像されることとなる。

ここで制御装置５の電気的構成について説明する。図２に示すように、制御装置５は、三次元計測装置１全体の制御を司るマイクロコンピュータ５１、キーボードやマウス、あるいは、タッチパネルで構成される「入力手段」としての入力装置５２、液晶画面などの表示画面を有する「表示手段」としての表示装置５３、カメラ３３Ａ，３３Ｂにより撮像された画像データ等を順次記憶するための画像データ記憶装置５４、各種演算結果を記憶するための演算結果記憶装置５５、各種情報を予め記憶しておく設定データ記憶装置５６を備えている。

尚、マイクロコンピュータ５１は、演算手段としてのＣＰＵ５１ａや、各種プログラムを記憶するＲＯＭ５１ｂ、演算データや入出力データなどの各種データを一時的に記憶するＲＡＭ５１ｃなどを備え、上記各種装置５２～５６と電気的に接続されている。

次に三次元計測装置１の作用について説明する。尚、後述するように、本実施形態における第１光及び第２光の照射は同時に行われるものであり、第１光の光路と第２光の光路が一部で重なることとなるが、ここでは、より分かりやすくするため、第１光及び第２光の光路ごとに異なる図面を用いて個別に説明する。

まず第１光の光路について図３を参照して説明する。図３に示すように、波長λ_１の第１光（偏光方向がＸ軸方向及びＹ軸方向に対し４５°傾斜した直線偏光）が第１発光部１１ＡからＺ軸方向左向きに出射される。

第１発光部１１Ａから出射された第１光は、第１光アイソレータ１２Ａを通過し、第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａに入射する。第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａに入射した第１光の一部はＺ軸方向左向きに透過し、残りはＹ軸方向下向きに反射する。

このうち、Ｙ軸方向下向きに反射した第１光（偏光方向がＸ軸方向及びＺ軸方向に対し４５°傾斜した直線偏光）は、偏光ビームスプリッタ２０の第１面２０ａに入射する。一方、Ｚ軸方向左向きに透過した第１光は、何らかの光学系等に入射することなく、捨て光となる。

ここで、捨て光となる光を、必要に応じて波長計測あるいは光のパワー計測に利用すれば、光源を安定化させ如いては計測精度の向上を図ることができる。

偏光ビームスプリッタ２０の第１面２０ａからＹ軸方向下向きに入射した第１光は、そのＰ偏光成分がＹ軸方向下向きに透過して第３面２０ｃから参照光として出射される一方、そのＳ偏光成分がＺ軸方向右向きに反射して第４面２０ｄから計測光として出射される。

偏光ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃから出射され対物レンズ２１を通過した第１光に係る参照光（Ｐ偏光）は、１／４波長板２３を通過することにより右回りの円偏光に変換された後、参照面２５で反射する。ここで、光の進行方向に対する回転方向は維持される。その後、第１光に係る参照光は、再度、１／４波長板２３を通過することで、右回りの円偏光からＳ偏光に変換された上で対物レンズ２１を通って偏光ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃに再入射する。

一方、偏光ビームスプリッタ２０の第４面２０ｄから出射され対物レンズ２２を通過した第１光に係る計測光（Ｓ偏光）は、１／４波長板２４を通過することにより左回りの円偏光に変換された後、ワークＷで反射する。ここで、光の進行方向に対する回転方向は維持される。その後、第１光に係る計測光は、再度、１／４波長板２４を通過することで、左回りの円偏光からＰ偏光に変換された上で対物レンズ２２を通って偏光ビームスプリッタ２０の第４面２０ｄに再入射する。

ここで、偏光ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃから再入射した第１光に係る参照光（Ｓ偏光）が接合面２０ｈにてＺ軸方向左向きに反射する一方、第４面２０ｄから再入射した第１光に係る計測光（Ｐ偏光）は接合面２０ｈをＺ軸方向左向きに透過する。そして、第１光に係る参照光及び計測光が合成された状態の合成光が出力光として偏光ビームスプリッタ２０の第２面２０ｂから出射される。

偏光ビームスプリッタ２０の第２面２０ｂから出射された第１光に係る合成光（参照光及び計測光）は、第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂに入射する。第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂに対しＺ軸方向左向きに入射した第１光に係る合成光は、その一部がＺ軸方向左向きに透過し、残りがＹ軸方向下向きに反射する。このうち、Ｚ軸方向左向きに透過した合成光（参照光及び計測光）は結像レンズ３０Ａを通って第１撮像系４Ａに入射することとなる。一方、Ｙ軸方向下向きに反射した合成光は、第２光アイソレータ１２Ｂによりその進行を遮断され、捨て光となる。

結像レンズ３０Ａを通って第１撮像系４Ａに入射した第１光に係る合成光（参照光及び計測光）は、まず１／４波長板３１Ａにより、その参照光成分（Ｓ偏光成分）が左回りの円偏光に変換され、その計測光成分（Ｐ偏光成分）が右回りの円偏光に変換される。ここで、左回りの円偏光と右回りの円偏光は回転方向が異なるので干渉しない。

第１光に係る合成光は、続いて第１偏光板３２Ａを通過することにより、その参照光成分と計測光成分とが第１偏光板３２Ａの角度に応じた位相で干渉する。そして、かかる第１光に係る干渉光が第１カメラ３３Ａにより撮像される。

次に第２光の光路について図４を参照して説明する。図４に示すように、波長λ_２の第２光（偏光方向がＸ軸方向及びＺ軸方向に対し４５°傾斜した直線偏光）が第２発光部１１ＢからＹ軸方向上向きに出射される。

第２発光部１１Ｂから出射された第２光は、第２光アイソレータ１２Ｂを通過し、第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂに入射する。第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂに入射した第２光の一部はＹ軸方向上向きに透過し、残りはＺ軸方向右向きに反射する。

このうち、Ｚ軸方向右向きに反射した第２光（偏光方向がＸ軸方向及びＹ軸方向に対し４５°傾斜した直線偏光）は、偏光ビームスプリッタ２０の第２面２０ｂに入射する。一方、Ｙ軸方向上向きに透過した第２光は、何らかの光学系等に入射することなく、捨て光となる。

ここで、捨て光となる光を、必要に応じて波長計測あるいは光のパワー計測に利用すれば、光源を安定化させ如いては計測精度の向上を図ることができる。

偏光ビームスプリッタ２０の第２面２０ｂからＺ軸方向右向きに入射した第２光は、そのＳ偏光成分がＹ軸方向下向きに反射して第３面２０ｃから参照光として出射される一方、そのＰ偏光成分がＺ軸方向右向きに透過して第４面２０ｄから計測光として出射される。

偏光ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃから出射され対物レンズ２１を通過した第２光に係る参照光（Ｓ偏光）は、１／４波長板２３を通過することにより左回りの円偏光に変換された後、参照面２５で反射する。ここで、光の進行方向に対する回転方向は維持される。その後、第２光に係る参照光は、再度、１／４波長板２３を通過することで、左回りの円偏光からＰ偏光に変換された上で対物レンズ２１を通って偏光ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃに再入射する。

一方、偏光ビームスプリッタ２０の第４面２０ｄから出射され対物レンズ２２を通過した第２光に係る計測光（Ｐ偏光）は、１／４波長板２４を通過することにより右回りの円偏光に変換された後、ワークＷで反射する。ここで、光の進行方向に対する回転方向は維持される。その後、第２光に係る計測光は、再度、１／４波長板２４を通過することで、右回りの円偏光からＳ偏光に変換された上で対物レンズ２２を通って偏光ビームスプリッタ２０の第４面２０ｄに再入射する。

ここで、偏光ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃから再入射した第２光に係る参照光（Ｐ偏光）は接合面２０ｈをＹ軸方向上向きに透過する一方、第４面２０ｄから再入射した第２光に係る計測光（Ｓ偏光）は接合面２０ｈにてＹ軸方向上向きに反射する。そして、第２光に係る参照光及び計測光が合成された状態の合成光が出力光として偏光ビームスプリッタ２０の第１面２０ａから出射される。

偏光ビームスプリッタ２０の第１面２０ａから出射された第２光に係る合成光（参照光及び計測光）は、第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａに入射する。第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａに対しＹ軸方向上向きに入射した第２光に係る合成光は、その一部がＹ軸方向上向きに透過し、残りがＺ軸方向右向きに反射する。このうち、Ｙ軸方向上向きに透過した合成光（参照光及び計測光）は結像レンズ３０Ｂを通って第２撮像系４Ｂに入射することとなる。一方、Ｚ軸方向右向きに反射した合成光は、第１光アイソレータ１２Ａによりその進行を遮断され、捨て光となる。

結像レンズ３０Ｂを通って第２撮像系４Ｂに入射した第２光に係る合成光（参照光及び計測光）は、まず１／４波長板３１Ｂにより、その参照光成分（Ｐ偏光成分）が右回りの円偏光に変換され、その計測光成分（Ｓ偏光成分）が左回りの円偏光に変換される。ここで、左回りの円偏光と右回りの円偏光は回転方向が異なるので干渉しない。

第２光に係る合成光は、続いて第２偏光板３２Ｂを通過することにより、その参照光成分と計測光成分とが第２偏光板３２Ｂの角度に応じた位相で干渉する。そして、かかる第２光に係る干渉光が第２カメラ３３Ｂにより撮像される。

次に、制御装置５によって実行される計測処理の手順について図５のフローチャート等を参照しつつ詳しく説明する。以下、この計測処理について説明する際には、第１カメラ３３Ａの撮像素子３３Ａａ面、又は、第２カメラ３３Ｂの撮像素子３３Ｂａ面をｘ－ｙ平面とし、これに直交する光軸方向をｚ方向として説明する。勿論、この座標系（ｘ，ｙ，ｚ）と、三次元計測装置１全体を説明するための座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は異なる座標系である。

先ずステップＳ１において、ワークＷの所定の計測領域（ワークＷの全域又はその一部）に係る干渉縞画像を取得する処理を実行する。本実施形態では、ここで第１光に係る位相の異なる４通りの干渉縞画像、及び、第２光に係る位相の異なる４通りの干渉縞画像を取得する。以下、詳しく説明する。

ワークＷを設置部２６へ設置した後、第１撮像系４Ａの第１偏光板３２Ａの透過軸方向を所定の基準位置（例えば「０°」）に設定すると共に、第２撮像系４Ｂの第２偏光板３２Ｂの透過軸方向を所定の基準位置（例えば「０°」）に設定する。

続いて、第１投光系２Ａから第１光を照射すると同時に、第２投光系２Ｂから第２光を照射する。その結果、干渉光学系３の偏光ビームスプリッタ２０の第２面２０ｂから第１光に係る合成光（参照光及び計測光）が出射されると同時に、偏光ビームスプリッタ２０の第１面２０ａから第２光に係る合成光（参照光及び計測光）が出射される。

そして、偏光ビームスプリッタ２０の第２面２０ｂから出射された第１光に係る合成光を第１撮像系４Ａにより撮像すると同時に、偏光ビームスプリッタ２０の第１面２０ａから出射された第２光に係る合成光を第２撮像系４Ｂにより撮像する。

尚、ここでは第１偏光板３２Ａ及び第２偏光板３２Ｂの透過軸方向がそれぞれ「０°」に設定されているため、第１カメラ３３Ａでは第１光に係る位相「０°」の干渉縞画像が撮像され、第２カメラ３３Ｂでは第２光に係る位相「０°」の干渉縞画像が撮像されることとなる。

そして、各カメラ３３Ａ，３３Ｂからそれぞれ撮像された画像データが制御装置５へ出力される。制御装置５は、入力した画像データを画像データ記憶装置５４に記憶する。

次に制御装置５は、第１撮像系４Ａの第１偏光板３２Ａ、及び、第２撮像系４Ｂの第２偏光板３２Ｂの切替処理を行う。具体的には、第１偏光板３２Ａ及び第２偏光板３２Ｂをそれぞれ透過軸方向が「４５°」となる位置まで回動変位させる。

該切替処理が終了すると、制御装置５は、上記一連の１回目の撮像処理と同様の２回目の撮像処理を行う。つまり、制御装置５は、第１投光系２Ａから第１光を照射すると同時に、第２投光系２Ｂから第２光を照射し、偏光ビームスプリッタ２０の第２面２０ｂから出射された第１光に係る合成光を第１撮像系４Ａにより撮像すると同時に、偏光ビームスプリッタ２０の第１面２０ａから出射された第２光に係る合成光を第２撮像系４Ｂにより撮像する。これにより、第１光に係る位相「９０°」の干渉縞画像が取得されると共に、第２光に係る位相「９０°」の干渉縞画像が撮像されることとなる。

以降、上記１回目及び２回目の撮像処理と同様の撮像処理が２回繰り返し行われる。つまり、第１偏光板３２Ａ及び第２偏光板３２Ｂの透過軸方向を「９０°」に設定した状態で３回目の撮像処理を行い、第１光に係る位相「１８０°」の干渉縞画像を取得すると共に、第２光に係る位相「１８０°」の干渉縞画像を取得する。

その後、第１偏光板３２Ａ及び第２偏光板３２Ｂの透過軸方向を「１３５°」に設定した状態で４回目の撮像処理を行い、第１光に係る位相「２７０°」の干渉縞画像を取得すると共に、第２光に係る位相「２７０°」の干渉縞画像を取得する。

このように、４回の撮像処理を行うことにより、ワークＷの所定の計測領域に係る計測を行う上で必要な全ての画像データ（第１光に係る４通りの干渉縞画像、及び、第２光に係る４通りの干渉縞画像からなる計８つの干渉縞画像）を取得することができる。

続くステップＳ２において、制御装置５は、撮像素子３３Ａａ，３３Ｂａ面における光の複素振幅データを取得する処理を実行する。

本実施形態では、画像データ記憶装置５４に記憶された第１光に係る４通りの干渉縞画像、及び、第２光に係る４通りの干渉縞画像を基に、第１光及び第２光それぞれに係る撮像素子３３Ａａ，３３Ｂａ面での光の複素振幅データＥｏ（ｘ，ｙ）を取得する。

第１光又は第２光に係る４通りの干渉縞画像の同一座標位置（ｘ，ｙ）における干渉縞強度、すなわち輝度Ｉ_１（ｘ，ｙ）、Ｉ_２（ｘ，ｙ）、Ｉ_３（ｘ，ｙ）、Ｉ_４（ｘ，ｙ）は、下記［数１］の関係式で表すことができる。

ここで、Δφ(ｘ，ｙ)は、座標（ｘ，ｙ）における計測光と参照光との光路差に基づく位相差を表している。また、Ａ(ｘ，ｙ)は干渉光の振幅、Ｂ(ｘ，ｙ)はバイアスを表している。但し、参照光は均一であるため、これを基準として見ると、Δφ(ｘ，ｙ)は「計測光の位相」を表し、Ａ(ｘ，ｙ)は「計測光の振幅」を表すこととなる。

従って、撮像素子３３Ａａ，３３Ｂａ面に到達した計測光の位相Δφ（ｘ，ｙ）は、上記［数１］の関係式を基に、下記［数２］の関係式で求めることができる。

また、撮像素子３３Ａａ，３３Ｂａ面に到達した計測光の振幅Ａ（ｘ，ｙ）は、上記［数１］の関係式を基に、下記［数３］の関係式で求めることができる。

そして、上記位相Δφ（ｘ，ｙ）と振幅Ａ（ｘ，ｙ）から、下記［数４］の関係式を基に撮像素子３３Ａａ，３３Ｂａ面における複素振幅データＥｏ（ｘ，ｙ）を算出することができる。ここで、ｉは虚数単位を表している。

続くステップＳ３において、制御装置５は、ワークＷ上の計測領域内に予め設定した一部の特定領域Ｖ（図７参照）について、ｚ方向複数位置の複素振幅データを取得する処理を実行する。

本実施形態では、三次元計測装置１における高さ計測の基準となる装置原点を基準に、ワークＷが存在し得るｚ方向所定範囲（光軸方向第１範囲）Ｑ１内において、所定の計測レンジ間隔ごとに、特定領域Ｖに係る複素振幅データを取得する。

ここで「特定領域Ｖ」は、ｚ方向におけるワークＷの位置を事前に把握するために任意に設定された領域である。例えばワークＷが図８，９に示すようなウエハ基板１００である場合には、バンプ１０１の高さ計測の基準面となり得るパターン部１０２が特定領域Ｖとして設定される。

また、図８に示すウエハ基板１００の計測例では、三次元計測装置１における高さ計測の基準となる装置原点Ｈ_０を中心にして上下方向にそれぞれ計測レンジ間隔Ｒごとに設定された高さ位置Ｈ_３，Ｈ_２，Ｈ_１，Ｈ_０，Ｈ_－１，Ｈ_－２，Ｈ_－３それぞれにおける複素振幅データを取得するように設定されている。

以下、ステップＳ３における複素振幅データの取得方法について詳しく説明する。まずｚ方向の所定位置における既知の複素振幅データから、ｚ方向の異なる位置における未知の複素振幅データを取得する方法について説明する。

ここでは、ｚ方向に距離ｄ離れた２つの座標系（ｘ－ｙ座標系とξ－η座標系）を考える。そして、ｘ－ｙ座標系をｚ＝０とし、ｘ－ｙ座標系での既知の光の複素振幅データをＥｏ（ｘ，ｙ）で表し、ｘ－ｙ平面から距離d離れたξ－η平面での未知の光の複素振幅データをＥｏ（ξ，η）と表すと、下記［数５］に示す関係となる。ここで、λは波長を表す。

これをＥｏ（ξ，η）について解くと、下記［数６］のようになる。

従って、ステップＳ３においては、図６，７に示すように、上記ステップＳ２で取得した撮像素子３３Ａａ，３３Ｂａ面における複素振幅データＥｏ（ｘ，ｙ）を基に、撮像素子３３Ａａ，３３Ｂａ面からｚ方向への距離ＬがＬ０，Ｌ１，Ｌ２・・・Ｌｎ離れた位置（ｚ＝Ｌ０，Ｌ１，・・・，Ｌｎ）それぞれにおける複素振幅データＥｏＬ０（ξ，η），ＥｏＬ１（ξ,η），・・・，ＥｏＬｎ（ξ，η）を取得することとなる。

続くステップＳ４において、制御装置５は、特定領域Ｖについて、ｚ方向複数位置の強度画像（輝度画像）データを取得する処理を実行する。

詳しくは、上記ステップＳ３において取得した特定領域Ｖに係るｚ方向複数位置の複素振幅データＥｏＬ０（ξ，η），ＥｏＬ１（ξ,η），・・・，ＥｏＬｎ（ξ，η）からそれぞれ強度画像データを取得する。従って、上記ステップＳ２～Ｓ４に係る一連の再生処理を実行する機能により、本実施形態における第１画像データ取得手段が構成されることとなる。

尚、ξ－η平面における複素振幅データがＥｏ（ξ，η）で表されるとき、ξ－η平面における強度画像データＩ（ξ，η）は下記［数７］の関係式で求めることができる。

続くステップＳ５において、制御装置５は、特定領域Ｖに係る最適合焦位置（光軸方向合焦位置）を決定する処理を実行する。かかるステップＳ５の処理を実行する機能により、本実施形態における第１合焦位置決定手段が構成される。

詳しくは、上記ステップＳ４にて取得した特定領域Ｖに係るｚ方向複数位置の強度画像データを基に、特定領域Ｖのｚ方向における最適合焦位置を決定する。以下、強度画像データのコントラストから特定領域Ｖの最適合焦位置を決定する方法について説明する。

まず撮像素子３３Ａａ，３３Ｂａ面からｚ方向への距離ＬがＬ０，Ｌ１，Ｌ２，・・・，Ｌｎ離れたｚ方向各位置（ｚ＝Ｌ０，Ｌ１，・・・，Ｌｎ）における特定領域Ｖの強度画像データについて「特定座標位置」と「その他の座標位置」との輝度のコントラストを求める。続いて、この中で最もコントラストが高い強度画像データが得られた位置（ｚ＝Ｌｍ）を最適合焦位置として抽出する。

尚、特定領域Ｖの最適合焦位置を決定する方法としては、上述した強度画像データのコントラストから求める方法のみならず、他の方法を採用してもよい。例えば強度画像データの輝度から求める方法を採用してもよい。

かかる方法では、強度画像データは実際に物体がある面で最も強くなるという性質を利用する。具体的には、ｚ方向各位置（ｚ＝Ｌ０，Ｌ１，・・・，Ｌｎ）における特定領域Ｖの強度画像データにおいて、特定領域Ｖの各座標位置の平均輝度を求める。続いて、この中で最も平均輝度が高い強度画像データが得られた位置（ｚ＝Ｌｍ）を最適合焦位置として抽出する。

例えば図８に示すウエハ基板１００の計測例では、高さ位置Ｈ_３，Ｈ_２，Ｈ_１，Ｈ_０，Ｈ_－１，Ｈ_－２，Ｈ_－３におけるパターン部１０２の強度画像データについてコントラスト又は平均輝度が求められると共に、この中で最もコントラスト又は平均輝度が高い強度画像データが得られる位置（例えば高さ位置Ｈ_－１）が最適合焦位置として抽出される。

続くステップＳ６において、制御装置５は、ワークＷの所定の計測領域全体の各座標位置について、ｚ方向複数位置の複素振幅データを取得する処理を実行する。

本実施形態では、上記ステップＳ５において決定した特定領域Ｖの最適合焦位置を基準に、ワークＷ上の所定の計測対象（例えばウエハ基板１００上のバンプ１０１）が存在し得るｚ方向所定範囲（光軸方向第２範囲）Ｑ２内において、所定の計測レンジ間隔ごとに、計測領域の各座標位置に係る複素振幅データを取得する。

例えば図８に示すウエハ基板１００の計測例では、特定領域Ｖの最適合焦位置（高さ位置Ｈ_－１）を基準として上方向に計測レンジ間隔Ｒごとに設定された高さ位置Ｈ_１，Ｈ_０，Ｈ_－１それぞれにおける複素振幅データを取得するように設定されている。

また、図８に示す例では、ｚ方向所定範囲Ｑ２がｚ方向所定範囲Ｑ１よりも狭くなるように設定されているが、これに限らず、両者が同一間隔に、又は、ｚ方向所定範囲Ｑ２がｚ方向所定範囲Ｑ１よりも広くなるように設定される構成としてもよい。但し、計測領域全体の各座標位置に係る三次元計測を行う上で必要なデータを取得するための処理にかかる負荷を軽減すると共に、該処理に要する時間を短縮できる点においては、ｚ方向所定範囲Ｑ２がｚ方向所定範囲Ｑ１よりも狭く設定されることが好ましい。

尚、ステップＳ６における複素振幅データの取得方法は、上記ステップＳ３における複素振幅データの取得方法と同様であるため、詳細な説明は省略する。

続くステップＳ７において、制御装置５は、ワークＷ上の計測領域の各座標位置について、ｚ方向複数位置の強度画像データを取得する処理を実行する。従って、上記ステップＳ６，７に係る一連の処理を実行する機能により、本実施形態における第２画像データ取得手段が構成されることとなる。

詳しくは、上記ステップＳ６において取得した複素振幅データを基に、ワークＷ上の計測領域の各座標位置について、ｚ方向複数位置の強度画像データを取得する。尚、ステップＳ７において複素振幅データから強度画像データを取得する方法は、上記ステップＳ４における強度画像データの取得方法と同様であるため、詳細な説明は省略する。

続くステップＳ８において、制御装置５は、ワークＷ上の計測領域の各座標位置について最適合焦位置（光軸方向合焦位置）を決定する処理を実行する。かかるステップＳ８の処理を実行する機能により本実施形態における第２合焦位置決定手段が構成される。

詳しくは、上記ステップＳ７にて取得した計測領域の各座標位置に係るｚ方向複数位置の強度画像データを基に、計測領域の各座標位置のｚ方向における最適合焦位置を決定する。尚、ステップＳ８においてｚ方向複数位置の強度画像データから最適合焦位置を決定する方法は、上記ステップＳ５における最適合焦位置の決定方法と同様であるため、詳細な説明は省略する。

続くステップＳ９において、制御装置５は、ステップＳ８において決定したワークＷ上の計測領域の各座標位置に係る最適合焦位置に対応する次数を、該各座標位置に係る計測レンジの次数として特定する処理を実行する。かかるステップＳ９の処理を実行する機能により、本実施形態における次数特定手段が構成される。

ここで、計測レンジの次数の特定方法について図１１に例示した具体例を基に説明する。図１１に示す例は、図８に示すウエハ基板１００を、計測レンジ（位相シフト法における正弦波の１周期分［－１８０°～１８０°］）が１０００ｎｍとなる光（本実施形態では２波長の合成波長光）を使用して、「－３５００（ｎｍ）」～「３５００（ｎｍ）」の範囲の高さ計測を行った場合の例である。

図１１に示す「ケース１」では、所定座標位置について、高さ位置Ｈ_３，Ｈ_２，Ｈ_１，Ｈ_０，Ｈ_－１，Ｈ_－２，Ｈ_－３において再生した強度画像データ（再生画像［１］～［７］）のうち、高さ位置Ｈ_２にて再生した強度画像データ（再生画像［２］）に係る輝度値が「２５０」で最大となっている。このため、該座標位置について、高さ位置Ｈ_２が最適合焦位置となり、これに対応する次数［２］が、該座標位置に係る計測レンジの次数として特定される。

図１１に示す「ケース２」では、所定座標位置について、高さ位置Ｈ_３，Ｈ_２，Ｈ_１，Ｈ_０，Ｈ_－１，Ｈ_－２，Ｈ_－３において再生した強度画像データ（再生画像［１］～［７］）のうち、高さ位置Ｈ_２にて再生した強度画像データ（再生画像［２］）及び高さ位置Ｈ_１にて再生した強度画像データ（再生画像［１］）に係る輝度値が共に「１２８」で最大となっている。

かかる場合、該座標位置に係る実際の高さは、次数［２］の計測レンジと、次数［１］の計測レンジとの境界部付近に相当する高さであると想定されるため、この時点においては、２つの次数［２］、［１］を該座標位置に係る計測レンジの次数として特定しておく。

続くステップＳ１０において、制御装置５は、三次元計測処理を実行する。かかるステップ１０の処理を実行する機能により、本実施形態における三次元計測手段が構成される。

ここで、まず制御装置５は、ステップＳ８において決定した計測領域の各座標位置における最適合焦位置の複素振幅データＥｏ（ξ，η）から、下記［数８］の関係式を基に、計測光の位相φ（ξ，η）と、計測光の振幅Ａ（ξ，η）を算出する。

計測光の位相φ（ξ，η）は、下記［数９］の関係式により求めることができる。ここで、計測光の位相情報である位相φ（ξ，η）を算出する一連の再生処理を実行する機能により、本実施形態における位相情報取得手段が構成されることとなる。

計測光の振幅Ａ（ξ，η）は、下記［数１０］の関係式により求めることができる。

その後、位相－高さ変換処理を行い、ワークＷの表面の凹凸形状を３次元的に示す計測レンジ内の高さ情報ｚ（ξ，η）を算出する。

計測レンジ内の高さ情報ｚ（ξ，η）は、下記［数１１］の関係式により算出することができる。

そして、上記のように算出した計測レンジ内の高さ情報ｚ（ξ，η）と、ステップＳ９にて特定した各座標位置に係る計測レンジの次数とを基に、該座標位置に係る真の高さデータ（実際の高さ）を取得する。

例えば図１１に示す例において、所定座標位置について、上記のように算出した計測レンジ内の高さ情報ｚ（ξ，η）が例えば位相「＋９０°」に相当するものであった場合には、該座標位置の真の高さデータの候補は、次数［３］の「３２５０（ｎｍ）」、次数［２］の「２２５０（ｎｍ）」、次数［１］の「１２５０（ｎｍ）」、次数［０］の「２５０（ｎｍ）」、次数［－１］の「－７５０（ｎｍ）」、次数［－２］の「－１７５０（ｎｍ）」、次数［－３］の「－２７５０（ｎｍ）」となる。

ここで、例えば「ケース１」のように、該座標位置について、高さ位置Ｈ_２が最適合焦位置となり、これに対応する次数［２］が、該座標位置に係る計測レンジの次数として特定された場合には、該座標位置の真の高さデータは、次数［２］の位相［９０°］に対応する「２２５０（ｎｍ）」と特定することができる。

また、図１１に示す例において、所定座標位置について、上記のように算出した計測レンジ内の高さ情報ｚ（ξ，η）が例えば位相「－１８０°」に相当するものであった場合には、該座標位置の真の高さデータの候補は、次数［３］の「２５００（ｎｍ）」、次数［２］の「１５００（ｎｍ）」、次数［１］の「５００（ｎｍ）」、次数［０］の「－５００（ｎｍ）」、次数［－１］の「－１５００（ｎｍ）」、次数［－２］の「－２５００（ｎｍ）」、次数［－３］の「－３５００（ｎｍ）」となる。

ここで、例えば「ケース２」のように、該座標位置について、高さ位置Ｈ_２及び高さ位置Ｈ_１が最適合焦位置となり、これに対応する次数［２］及び次数［１］が、該座標位置に係る計測レンジの次数として特定されている場合には、該座標位置の真の高さデータは、次数［２］の位相「－１８０°」に対応する「１５００（ｎｍ）」と特定することができる。

さて、ワークＷがウエハ基板１００（図９参照）でバンプ１０１が計測対象となっている場合、計測基準面であるパターン部１０２に対するバンプ１０１の高さＨＢは、バンプ１０１の絶対高さＨＡ１から、該バンプ１０１周辺のパターン部１０２の絶対高さＨＡ２を減算することにより求めることができる〔ＨＢ＝ＨＡ１－ＨＡ２〕。

ここで、パターン部１０２の絶対高さＨＡ２としては、例えばパターン部１０２上の任意の１点の絶対高さや、パターン部１０２上の所定範囲の絶対高さの平均値などを用いることができる。また、「バンプ１０１の絶対高さＨＡ１」や、「パターン部１０２の絶対高さＨＡ２」は、高さ情報ｚ（ξ，η）及び計測レンジの次数により求めることができる。

そして、このように求められたワークＷの計測結果は、制御装置５の演算結果記憶装置５５に格納される。

尚、波長の異なる２種類の光（波長λ_１，λ_２）を用いて計測を行った場合には、その合成波長λ_０の光で計測を行ったことと同じこととなる。そして、その計測レンジはλ_０／２に拡大することとなる。合成波長λ_０は、下記式（Ｍ１）で表すことができる。

λ_０＝（λ_１×λ_２）／（λ_２－λ_１） ・・・（Ｍ１）
但し、λ_２＞λ_１とする。

例えばλ_１＝１５００ｎｍ、λ_２＝１５０３ｎｍとすると、上記式（Ｍ１）から、λ_０＝７５１．５００μｍとなり、計測レンジはλ_０／２＝３７５．７５０μｍとなる。

より詳しく説明すると、本実施形態では、まず波長λ_１の第１光に係る４通りの干渉縞画像の輝度Ｉ_１（ｘ，ｙ）、Ｉ_２（ｘ，ｙ）、Ｉ_３（ｘ，ｙ）、Ｉ_４（ｘ，ｙ）を基に（上記［数１］参照）、ワークＷ面上の座標（ξ，η）における第１光に係る計測光の位相φ_１（ξ，η）を算出することができる（上記［数９］参照）。

第１光に係る計測の下、座標（ξ，η）における高さ情報ｚ（ξ，η）は、下記式（Ｍ２）で表すことができる。

ｚ(ξ，η)＝ｄ_１(ξ，η)／２
＝{λ_１×φ_１(ξ，η)／４π}＋{ｍ_１(ξ，η)×λ_１／２} ・・・（Ｍ２）
但し、ｄ_１(ξ，η)は、第１光に係る計測光と参照光との光路差を表し、ｍ_１(ξ，η)は、第１光に係る縞次数を表す。

よって、位相φ_１（ξ，η）は下記式（Ｍ２´）で表すことができる。

φ_１(ξ，η)＝(４π／λ_１)×ｚ(ξ，η)－２πｍ_１(ξ，η) ・・・（Ｍ２´）
同様に、波長λ_２の第２光に係る４通りの干渉縞画像の輝度Ｉ_１（ｘ，ｙ）、Ｉ_２（ｘ，ｙ）、Ｉ_３（ｘ，ｙ）、Ｉ_４（ｘ，ｙ）を基に（上記［数１］参照）、ワークＷ面上の座標（ξ，η）における第２光に係る計測光の位相φ_２（ξ，η）を算出することができる（上記［数９］参照）。

第２光に係る計測の下、座標（ξ，η）における高さ情報ｚ（ξ，η）は、下記式（Ｍ３）で表すことができる。

ｚ(ξ，η)＝ｄ_２(ξ，η)／２
＝{λ_２×φ_２(ξ，η)／４π}＋{ｍ_２(ξ，η)×λ_２／２} ・・・（Ｍ３）
但し、ｄ_２(ξ，η)は、第２光に係る計測光と参照光との光路差を表し、ｍ_２(ξ，η)は、第２光に係る縞次数を表す。

よって、位相φ_２（ξ，η）は下記式（Ｍ３´）で表すことができる。

φ_２(ξ，η)＝(４π／λ_２)×ｚ(ξ，η)－２πｍ_２(ξ，η) ・・・（Ｍ３´）
ここで、波長λ_１の第１光に係る縞次数ｍ_１(ξ，η)、及び、波長λ_２の第２光に係る縞次数ｍ_２(ξ，η)は、２種類の光（波長λ_１，λ_２）の光路差Δｄ及び波長差Δλを基に求めることができる。光路差Δｄ及び波長差Δλは、それぞれ下記式（Ｍ４），（Ｍ５）のように表すことができる。

Δｄ＝（λ_１×φ_１－λ_２×φ_２）／２π ・・・（Ｍ４）
Δλ＝λ_２－λ_１ ・・・（Ｍ５）
但し、λ_２＞λ_１とする。

尚、２波長の合成波長λ_０の計測レンジ内において、縞次数ｍ_１，ｍ_２の関係は、以下の３つの場合に分けられ、各場合ごとに縞次数ｍ_１(ξ，η)、ｍ_２(ξ，η)を決定する計算式が異なる。ここで、例えば縞次数ｍ_１(ξ，η)を決定する場合について説明する。勿論、縞次数ｍ_２(ξ，η)についても、同様の手法により求めることができる。

例えば「φ_１－φ_２＜－π」の場合には「ｍ_１－ｍ_２＝－１」となり、かかる場合、ｍ_１は下記式（Ｍ６）のように表すことができる。

ｍ_１＝（Δｄ／Δλ）－（λ_２／Δλ）
＝(λ_１×φ_１－λ_２×φ_２)／２π(λ_２－λ_１)－λ_２／(λ_２－λ_１)・・・（Ｍ６）
「－π＜φ_１－φ_２＜π」の場合には「ｍ_１－ｍ_２＝０」となり、かかる場合、ｍ_１は下記式（Ｍ７）のように表すことができる。

ｍ_１＝Δｄ／Δλ
＝（λ_１×φ_１－λ_２×φ_２）／２π（λ_２－λ_１）・・・（Ｍ７）
「φ_１－φ_２＞π」の場合には「ｍ_１－ｍ_２＝＋１」となり、かかる場合、ｍ_１は下記式（Ｍ８）のように表すことができる。

ｍ_１＝（Δｄ／Δλ）＋（λ_２／Δλ）
＝(λ_１×φ_１－λ_２×φ_２)／２π(λ_２－λ_１)＋λ_２／(λ_２－λ_１)・・・（Ｍ８）
このようにして得られた縞次数ｍ_１(ξ，η)又はｍ_２(ξ，η)を基に、上記式（Ｍ２），（Ｍ３）から高さ情報ｚ（ξ，η）を得ることができる。

以上詳述したように、本実施形態では、ワークＷ上の計測領域の各座標位置ごとに、計測レンジを超えた高さ計測が可能となる。また、ワークＷを移動させるような大掛かりな移動機構を必要とせず、構成の簡素化を図ることができると共に、その振動等の影響を受けることもないため、計測精度の向上を図ることができる。

さらに、より少ない撮像回数で、計測に必要なすべての干渉縞画像を取得することができ、計測効率の向上を図ることができる。

加えて、本実施形態では、まず最初にワークＷの計測領域全体ではなく、計測領域内に予め設定した一部の特定領域Ｖについてのみ、ｚ方向複数位置における強度画像データを取得し、その合焦状況からワークＷのｚ方向位置を特定した後、かかる位置を基準にして計測領域全体の各座標位置について、ｚ方向複数位置における強度画像データを取得して計測を行う構成となっている。

これにより、計測領域に係る三次元計測を行う上で必要なデータを取得するための処理にかかる負荷を軽減すると共に、該処理に要する時間を短縮することができる。結果として、計測精度の向上を図ると共に、計測効率の向上を図ることができる。

また、本実施形態では、波長λ_１の第１光を偏光ビームスプリッタ２０の第１面２０ａから入射させると共に、波長λ_２の第２光を偏光ビームスプリッタ２０の第２面２０ｂから入射させることにより、第１光に係る参照光及び計測光と、第２光に係る参照光及び計測光がそれぞれ異なる偏光成分（Ｐ偏光又はＳ偏光）に分割されるため、偏光ビームスプリッタ２０に入射した第１光と第２光は互いに干渉することなく、別々に偏光ビームスプリッタ２０から出射されることとなる。つまり、偏光ビームスプリッタ２０から出射される光を所定の分離手段を用いて第１光と第２光とに分離する必要がない。

その結果、第１光及び第２光として波長の近い２種類の光を用いることができ、三次元計測に係る計測レンジをより広げることができる。加えて、第１光に係る出力光の撮像と、第２光に係る出力光の撮像を同時に行うことができるため、総体的な撮像時間を短縮でき、計測効率の向上を図ることができる。

加えて、本実施形態では、偏光ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃから出射される光（参照光）を参照面２５へ向け照射させる対物レンズ２１、及び、偏光ビームスプリッタ２０の第４面２０ｄから出射される光（計測光）をワークＷへ向け照射させる対物レンズ２２を備えると共に、偏光ビームスプリッタ２０の第２面２０ｂから出射された直線偏光（第１光の参照光成分及び計測光成分）を第１カメラ３３Ａへ結像させる結像レンズ３０Ａ、及び、偏光ビームスプリッタ２０の第１面２０ａから出射された直線偏光（第２光の参照光成分及び計測光成分）を第２カメラ３３Ｂへ結像させる結像レンズ３０Ｂを備えた構成となっている。

これにより、対物レンズ等を使用しない従来構成に比べ、上記ステップＳ５の処理（特定領域Ｖに係る最適合焦位置を決定する処理）や、上記ステップＳ８の処理（ワークＷ上の計測領域の各座標位置について最適合焦位置を決定する処理）を実行する際、図２１の表に示したように、最適合焦位置との相対距離（再生距離）が同じ再生位置であっても、輝度値の変化が大きくなる。

結果として、最適合焦位置を特定しやすくなると共に、ノイズ等の影響を受けにくくなり、計測精度の向上を図ることができる。

尚、上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。勿論、以下において例示しない他の応用例、変更例も当然可能である。

（ａ）被計測物としてのワークＷは、上記実施形態に例示したウエハ基板１００に限定されるものではない。例えばクリーム半田が印刷されたプリント基板などをワークＷ（被計測物）としてもよい。

また、予め設定された良否の判定基準に従い、計測対象となるバンプやクリーム半田の良否を検査する検査手段を設けたバンプ検査装置や半田印刷検査装置において、三次元計測装置１を備えた構成としても良い。

（ｂ）上記実施形態では、干渉縞画像から再生を行う方法（複素振幅データを得る方法）として、複数枚の画像データを用いる位相シフト法を採用しているが、これに限らず、他の方法を採用してもよい。例えば１枚の画像データを用いて行うフーリエ変換法を採用してもよい。

また、再生に関しても、複素振幅データを用いて再生する方法に限定されず、他の再生方法を採用してもよい。

さらに、光伝搬計算に関しても、上記実施形態において例示したコンボリューション法に限らず、例えば角スペクトル法など他の方法を採用してもよい。

（ｃ）干渉光学系（所定の光学系）の構成は上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、干渉光学系として、マイケルソン干渉計の光学構成を採用しているが、これに限らず、例えばマッハ・ツェンダー干渉計やフィゾー干渉計の光学構成など、入射光を参照光と計測光に分割してワークＷの計測を行う構成であれば、他の光学構成を採用してもよい。

（ｄ）上記実施形態では、波長の異なる２種類の光を利用してワークＷの計測を行う構成となっているが、これに限らず、１種類の光のみを利用してワークＷの計測を行う構成としてもよい。

また、波長の異なる２種類の光を利用する場合においては、上記実施形態に係る構成に限らず、従来の三次元計測装置と同様に、第１波長光と第２波長光を合成した状態で干渉光学系へ入射させ、ここから出射される干渉光を所定の光学分離手段（ダイクロイックミラー等）により波長分離し、第１波長光に係る干渉光と、第２波長光に係る干渉光とを得て、各波長光に係る干渉光を個別に撮像した干渉縞画像を基にワークＷの計測を行う構成としてもよい。

また、２つの光源から出射される波長の異なる２種類の光を重ね合わせた状態で干渉光学系へ入射させ、ここから出射される光を光学分離手段により波長分離し、上記各波長の光に係る干渉光を個別に撮像する構成を上記実施形態に組み合わせ、波長の異なる３種類以上の光を利用してワークＷの計測を行う構成としてもよい。

（ｅ）投光系２Ａ，２Ｂの構成は上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、第１投光系２Ａから波長λ_１＝１５００ｎｍの光が照射され、第２投光系２Ｂから波長λ_２＝１５０３ｎｍの光が照射される構成を例示しているが、各光の波長はこれに限定されるものではない。但し、計測レンジを広げるためには、２つの光の波長差をより小さくすることが好ましい。

また、上記実施形態に係る発光部１１Ａ，１１Ｂは、レーザ光源を採用し、レーザ光を出射する構成となっているが、これに限らず、他の構成を採用してもよい。少なくとも干渉を生じさせることができるコヒーレンスの高い光（コヒーレント光）を出射可能な構成となっていればよい。

例えばＬＥＤ光源などのインコヒーレント光源と、特定の波長のみを透過させるバンドパスフィルタやスペイシャルフィルタなどを組み合わせてコヒーレンスを高め、コヒーレント光を出射可能な構成としてもよい。

（ｆ）上記実施形態では、第１光及び第２光について、それぞれ位相が９０°ずつ異なる４通りの干渉縞画像を取得する構成となっているが、位相シフト回数及び位相シフト量は、これらに限定されるものではない。例えば位相が１２０°（又は９０°）ずつ異なる３通りの干渉縞画像を取得してワークＷの計測を行う構成としてもよい。

（ｇ）上記実施形態では、位相シフト手段として、透過軸方向を変更可能に構成された偏光板３２Ａ，３２Ｂを採用しているが、位相シフト手段の構成は、これに限定されるものではない。

例えばピエゾ素子等により参照面２５を光軸に沿って移動させることで物理的に光路長を変化させる構成を採用してもよい。

但し、かかる構成や上記実施形態では、計測に必要なすべての干渉縞画像を取得するまでに一定時間を要するため、計測時間が長くなるばかりでなく、その空気の揺らぎや振動等の影響を受けるため、計測精度が低下するおそれがある。

これに対し、例えば第１撮像系４Ａにおいて、１／４波長板３１Ａを透過した第１光に係る合成光（参照光成分及び計測光成分）を４つの光に分割する分光手段（プリズム等）を備えると共に、位相シフト手段として、第１偏光板３２Ａに代えて、前記分光手段から出射された４つの光に対してそれぞれ異なる位相差を付与するフィルタ手段を備え、該フィルタ手段を透過した４つの光を第１カメラ３３Ａ（又は複数のカメラ）により同時撮像する構成としてもよい。勿論、第２撮像系４Ｂについても同様の構成としてもよい。

これに代えて、撮像素子の画素ごとに異なる角度の偏光板が設置されている特殊なカメラを用いても良い。

例えば図１３に示すように、各画素の集光効率を向上させるためのマイクロレンズ４０１がマトリクス状に配列されたレンズユニット４０２と、各レンズ４０１から出射された光の所定成分を選択的に透過させる偏光板４０３がマトリクス状に配列されたフィルタ手段としてのフィルタユニット４０４と、各偏光板４０３を透過した光をそれぞれ受光する複数の画素４０５がマトリクス状に配列された撮像素子４０６とを有したカメラを用いても良い。

ここで、フィルタユニット４０４を構成する偏光板４０３は、透過軸方向が４５°ずつ異なる４種類の偏光板４０３ａ，４０３ｂ，４０３ｃ，４０３ｄからなる。より詳しくは、透過軸方向が０°の第１偏光板４０３ａ、透過軸方向が４５°の第２偏光板４０３ｂ、透過軸方向が９０°の第３偏光板４０３ｃ、透過軸方向が１３５°の第４偏光板４０３ｄにより構成されている。

そして、フィルタユニット４０４においては、これら４種類の偏光板４０３ａ，４０３ｂ，４０３ｃ，４０３ｄが所定順序で２行２列のマトリクス状に並んだ偏光板組（図１３の太枠部分参照）がマトリクス状に配置された構成となっている。

このようなカメラを用いることにより、隣接する４つの画素で位相シフト計算が可能となる。隣接画素を用いなくても、０°、４５°、９０°、１３５°の画像に分解し、元のサイズに拡大してから４枚の画像を作り、画素ごとに位相シフト計算する方法でもよい。拡大の方法はバイリニアやバイキュービック法による補間方法が用いられるが、これだけに限定されるものではない。

かかる構成とすれば、計測に必要なすべての干渉縞画像を同時に取得することができる。つまり、２種類の光に係る計８通りの干渉縞画像を同時に取得することができる。結果として、計測精度の向上を図ると共に、総体的な撮像時間を大幅に短縮でき、計測効率の飛躍的な向上を図ることができる。

（ｈ）上記実施形態では、ｚ方向におけるワークＷの位置（特定領域Ｖの最適合焦位置）を決定する過程において、高さ計測の計測レンジ間隔で複素振幅データ等を取得する構成となっているが、これに限らず、例えば合焦範囲間隔で複素振幅データ等を取得する構成としてもよい。

（ｉ）上記実施形態では、ステップＳ６において得られた計測領域全体の複素振幅データを基に、ステップＳ１０において三次元計測を行う構成となっている。これに加えて、ステップＳ６において得られた計測領域全体の複素振幅データを基に、計測領域全体の強度画像を取得し、二次元計測を行う構成としてもよい。

計測領域全体の強度画像を取得する場合において、例えば計測領域のうち第１の領域については、光軸方向における第１位置におけるデータを用い、第２の領域については、光軸方向における第２位置におけるデータを用いるといったように、計測領域の各座標位置における光軸方向の合焦位置の違いに応じて用いるデータを異ならせることにより、仮に被計測物が反っていたり、傾いた状態となっている等して、計測領域に高低差が生じているような場合であっても、計測領域全体に焦点の合った強度画像を取得することが可能となる。

二次元計測を行う場合には、その計測結果を基に、例えば計測対象となったバンプ１０１（図１０参照）の位置ズレΔｘ，Δｙや、外径Ｄ、面積Ｓなどを、予め設定した基準値と比較判定し、この比較結果が許容範囲内にあるか否かによって、バンプ１０１の良否を判定する二次元検査を行うことができる。

また、ステップＳ１０において二次元計測及び三次元計測の両方を行う場合には、二次元計測（二次元検査）の結果を基にして、計測対象となるバンプ１０１が存在する場所を特定してから三次元検査を行ったり、三次元計測により得られた三次元データに対し強度画像をマッピングするなど、複数種類の計測を組み合せた総合的な検査を行うことができる。

（ｊ）上記実施形態では、偏光ビームスプリッタ２０（第３面２０ｃ）と１／４波長板２３との間に対物レンズ２１が配置され、偏光ビームスプリッタ２０（第４面２０ｄ）と１／４波長板２４との間に対物レンズ２２が配置された構成となっているが、対物レンズ２１，２２の配置構成は、これに限定されるものではない。

上記実施形態に代えて、例えば１／４波長板２３と参照面２５との間に対物レンズ２１が配置された構成としてもよい。同様に、１／４波長板２４と設置部２６（ワークＷ）との間に対物レンズ２２が配置された構成としてもよい。

また、上記実施形態では、第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂと１／４波長板３１Ａとの間に結像レンズ３０Ａが配置され、第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａと１／４波長板３１Ｂとの間に結像レンズ３０Ｂが配置された構成となっているが、結像レンズ３０Ａ，３０Ｂの配置構成は、これに限定されるものではない。

上記実施形態に代えて、例えば１／４波長板３１Ａと第１偏光板３２Ａとの間、又は、第１偏光板３２Ａと第１カメラ３３Ａとの間に結像レンズ３０Ａが配置された構成としてもよい。同様に、１／４波長板３１Ｂと第２偏光板３２Ｂとの間、又は、第２偏光板３２Ｂと第２カメラ３３Ｂとの間に結像レンズ３０Ｂが配置された構成としてもよい。

（ｋ）上記実施形態では、ワークＷの計測領域内に予め設定した一部の特定領域Ｖに係る最適合焦位置、すなわちワークＷのｚ方向位置を特定した後、かかる位置を基準にして計測領域全体のｚ方向複数位置における複素振幅データ及び強度画像データを取得して計測を行う構成となっている。

これに限らず、特定領域Ｖに係る最適合焦位置を特定する工程を省略し、三次元計測装置１の装置原点を基準に直接、ワークＷの計測領域全体の各座標位置に係るｚ方向複数位置の複素振幅データ及び強度画像データを取得して計測を行う構成としてもよい。

以下、かかる構成の一実施形態について図１４を参照して詳しく説明する。図１４は、本実施形態における計測処理の流れを示すフローチャートである。尚、上記実施形態と重複する部分については、同一の部材名称、同一の符号を用いる等してその詳細な説明を省略するとともに、以下には上記実施形態と相違する部分を中心として説明することとする。

先ずステップＴ１において、ワークＷの所定の計測領域に係る干渉縞画像を取得する処理を実行する。ここでは、ワークＷの所定の計測領域に係る計測を行う上で必要な全ての画像データ（第１光に係る位相の異なる４通りの干渉縞画像、及び、第２光に係る位相の異なる４通りの干渉縞画像からなる計８つの干渉縞画像）を取得する。尚、ステップＴ１の処理は、上記実施形態のステップＳ１と同様の処理であるため、詳細な説明は省略する。

続くステップＴ２において、制御装置５は、撮像素子３３Ａａ，３３Ｂａ面における光の複素振幅データを取得する処理を実行する。

ここでは、画像データ記憶装置５４に記憶された第１光に係る４通りの干渉縞画像、及び、第２光に係る４通りの干渉縞画像を基に、第１光及び第２光それぞれに係る撮像素子３３Ａａ，３３Ｂａ面での光の複素振幅データＥｏ（ｘ，ｙ）を取得する。尚、ステップＴ２の処理は、上記実施形態のステップＳ２と同様の処理であるため、詳細な説明は省略する。

続くステップＴ３において、制御装置５は、三次元計測装置１における高さ計測の基準となる装置原点を基準に、ワークＷ上の所定の計測対象（例えばウエハ基板１００上のバンプ１０１）が存在し得るｚ方向所定範囲内において、所定の計測レンジ間隔ごとに、ワークＷ上における所定の計測領域及び所定の基準領域に係る各座標位置について、ｚ方向複数位置の複素振幅データを取得する処理を実行する。ここで、ｚ方向複数位置の複素振幅データを取得方法は、上記実施形態と同様であるため、詳細な説明は省略する。

尚、「基準領域」とは、所定の計測対象の高さ計測の基準面を含む領域を指す。例えばワークＷが図８に示すようなウエハ基板１００である場合においては、計測対象となる所定のバンプ１０１の高さ計測の基準面となり得る基板上面（又はパターン部１０２の上面）を含む領域が基準領域となる。

続くステップＴ４において、制御装置５は、上記ステップＴ３において取得した複素振幅データを基に、ワークＷ上における所定の計測領域及び所定の基準領域に係る各座標位置について、ｚ方向複数位置の強度画像（輝度画像）データを取得する処理を実行する。従って、上記ステップＴ３，Ｔ４に係る一連の処理を実行する機能により、本実施形態における画像データ取得手段が構成されることとなる。ここで、複素振幅データから強度画像データを取得する方法は、上記実施形態と同様であるため、詳細な説明は省略する。

続くステップＴ５において、制御装置５は、上記ステップＴ４にて取得したｚ方向複数位置の強度画像データを基に、ワークＷ上における所定の計測領域及び所定の基準領域に係る各座標位置について、最適合焦位置（光軸方向合焦位置）を決定する処理を実行する。かかるステップＴ５の処理を実行する機能により、本実施形態における合焦位置決定手段が構成される。ここで、ｚ方向複数位置の強度画像データから最適合焦位置を決定する方法は、上記実施形態と同様であるため、詳細な説明は省略する。

続くステップＴ６において、制御装置５は、ステップＴ５において決定したワークＷ上における所定の計測領域及び所定の基準領域に係る各座標位置の最適合焦位置に対応する次数を、該各座標位置に係る計測レンジの次数として特定する処理を実行する。かかるステップＴ６の処理を実行する機能により、本実施形態における次数特定手段が構成される。ここで、計測レンジの次数の特定方法は、上記実施形態と同様であるため、詳細な説明は省略する。

続くステップＴ７において、制御装置５は、三次元計測処理を実行する。かかるステップＴ７の処理を実行する機能により、本実施形態における三次元計測手段が構成される。

上記実施形態の三次元計測処理と同様に、制御装置５は、まずステップＴ５において決定した計測領域及び所定の基準領域の各座標位置における最適合焦位置の複素振幅データＥｏ（ξ，η）から、計測光の位相φ（ξ，η）と、計測光の振幅Ａ（ξ，η）を算出する。ここで、計測光の位相情報である位相φ（ξ，η）を算出する一連の再生処理を実行する機能により、本実施形態における位相情報取得手段が構成されることとなる。

その後、位相－高さ変換処理を行い、ワークＷ（計測領域及び基準領域）の表面の凹凸形状を３次元的に示す計測レンジ内の高さ情報ｚ（ξ，η）を算出する。

そして、上記のように算出した計測レンジ内の高さ情報ｚ（ξ，η）と、ステップＴ６にて特定した各座標位置に係る計測レンジの次数とを基に、該座標位置に係る真の高さデータ（実際の高さ）を取得する。

この際、本実施形態では、１つの計測対象（例えば１つのバンプ１０１）毎に、該計測対象の周囲に存在する基準領域（例えば基板上面の複数箇所又は複数のパターン部１０２の上面）の高さの平均値を算出し、これを基準にして計測対象の高さを算出する。

また、これに代えて、例えば複数の計測対象（例えば複数のバンプ１０１）が含まれるワークＷ（例えばウエハ基板１００）上の所定範囲における基準領域（例えば基板上面又はパターン部１０２の上面）の高さマップを作成した上で、所定の計測対象の絶対高さから、該計測対象の位置における基準領域の絶対高さを減算することにより、基準面（基準領域）に対する計測対象の高さを算出する構成としても良い。

かかる構成により、ワークＷが反ったり、設置部２６（設置面）が傾く等して、基準面や計測領域が傾いているような場合であっても、計測対象の高さ計測をより適切に行うことができる。

（ｌ）上記実施形態では、計測レンジ１周期分の間隔ごとに、ｚ方向複数位置における強度画像データを取得して合焦状況を判断する構成となっている。これに代えて、計測レンジｎ周期分（ｎは２以上の自然数）間隔ごとに、ｚ方向複数位置における強度画像データを取得して合焦状況を判断する構成としてもよい。

例えば図１２に示す具体例のように、計測レンジ２周期分間隔ごとに、ｚ方向複数位置における強度画像データを取得して合焦状況を判断する構成としてもよい。

図１２に示す「ケース１」では、所定座標位置について、高さ位置Ｈ_３，Ｈ_１，Ｈ_－１，Ｈ_－３において再生した強度画像データ（再生画像［１］～［４］）のうち、高さ位置Ｈ_３にて再生した強度画像データ（再生画像［１］）に係る輝度値が「１３５」で最大となっている。これにより、該座標位置について、高さ位置Ｈ_３を最適合焦位置として特定することができる。

同様に、図１２に示す「ケース２」では、所定座標位置について、高さ位置Ｈ_３，Ｈ_１，Ｈ_－１，Ｈ_－３において再生した強度画像データ（再生画像［１］～［４］）のうち、高さ位置Ｈ_１にて再生した強度画像データ（再生画像［２］）に係る輝度値が「１２８」で最大となっている。これにより、該座標位置について、高さ位置Ｈ_３を最適合焦位置として特定することができる。

尚、ここで高さ位置Ｈ_３，Ｈ_１，Ｈ_－１，Ｈ_－３において再生した強度画像データ（再生画像［１］～［４］）を基に、高さ位置Ｈ_２，Ｈ_０，Ｈ_－２に係る補間データを求め、これを含めて、最適合焦位置を特定する構成としてもよい。

また、計測レンジ１周期分よりも短い再生間隔で、ｚ方向複数位置における強度画像データを取得して合焦状況を判断する構成としてもよい（再生間隔ｄｚ＜計測レンジ間隔Ｒ）。

（ｍ）上記実施形態では、計測領域の各座標位置についてｚ方向複数位置における強度画像データを取得し、その合焦状況を判断して計測を行う構成となっている。これに限らず、計測領域の各座標位置についてｚ方向所定位置１箇所で強度画像データを取得し、その合焦状況を判断し（合焦判定手段）、所定条件を満たす所定の合焦状態にある場合（例えば所定の閾値以上の輝度を有する場合等）には、該ｚ方向所定位置に係る複素振幅データから求められる光の位相情報と、該ｚ方向所定位置に対応する次数とを基に、該座標位置に係る三次元計測を実行する構成としてもよい。

（ｎ）上記実施形態に加えて、投光レンズを備えた構成としてもよい。例えば図１５に示すように、第１投光系２Ａにおける第１光アイソレータ１２Ａと第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａとの間に投光レンズ５００Ａを備えると共に、第２投光系２Ｂにおける第２光アイソレータ１２Ｂと第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂとの間に投光レンズ５００Ｂを備えた構成としてもよい。

上記実施形態のように、対物レンズ２１，２２を備えた構成においては、ワークＷに対し照射される光（計測光）が計測領域の１点（狭い範囲）に集まってしまうため、１回の計測で計測可能な計測領域が狭くなってしまうおそれがある。

これに対し、上記投光レンズ５００Ａ，５００Ｂを備え、発光部１１Ａ，１１Ｂから出射される光を対物レンズ２１，２２へ向け集光させることにより、ワークＷのより広い範囲に対し均一な平行光を照射することができる。これにより、１回の計測でより広範囲をより均一に計測することができる。

結果として、さらなる計測精度の向上、及び、さらなる計測効率の向上を図ることができる。

勿論、投光レンズ５００Ａ，５００Ｂの配置構成は上記構成に限定されるものではない。例えば上記構成に代えて、第１発光部１１Ａと第１光アイソレータ１２Ａの間、又は、第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａと偏光ビームスプリッタ２０（第１面２０ａ）の間に、投光レンズ５００Ａを配置した構成としてもよい。

同様に、第２発光部１１Ｂと第２光アイソレータ１２Ｂの間、又は、第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂと偏光ビームスプリッタ２０（第２面２０ｂ）の間に、投光レンズ５００Ｂを配置した構成としてもよい。

（ｏ）上記実施形態では、特に言及していないが、上記対物レンズ２１，２２として、その開口数ＮＡが下記式（Ｏ１）を満たすものを採用してもよい。

ＮＡ ＞ a／√（（ｄｚ）^２＋a^２) ・・・（Ｏ１）
ａ：画素サイズ、ｄｚ：再生間隔。

例えば画素サイズａ＝２［μｍ］である場合において、再生間隔ｄｚ＝３［μｍ］で再生位置が最適合焦位置からずれていることを特定したい場合には、開口数ＮＡ＞０．５５４７となる対物レンズ２１，２２を用いることが好ましい。

但し、再生間隔ｄｚは、０以上で、かつ、計測レンジ間隔Ｒを超えないことが好ましい（０≦ｄｚ≦Ｒ）。また、開口数ＮＡは、できる限り大きい方が好ましいが、液浸等の特別な技術を採用しない限り、開口数ＮＡの上限は１となるため（屈折率ｎ＝１とした場合の上記式（２）参照）、開口数ＮＡが１以下となることが好ましい（ＮＡ≦１）。

仮に対物レンズ２１，２２として、開口数ＮＡが比較的小さいものを用いた場合には、再生間隔（最適合焦位置との相対距離）ｄｚが比較的大きい場合でも、計測点のボケ具合が小さく、最適合焦位置を特定し難くなるおそれがある。

一方、上記のように、開口数ＮＡが比較的大きい対物レンズ２１，２２を用いた場合には、バンプ１０１の頂部など広範囲に反射した反射光が対物レンズ２２に取り込まれやすくなると共に、再生間隔ｄｚが小さい場合でも、計測点のボケ具合が大きくなり、最適合焦位置を特定しやすくなる。

１…三次元計測装置、２Ａ…第１投光系、２Ｂ…第２投光系、３…干渉光学系、４Ａ…第１撮像系、４Ｂ…第２撮像系、５…制御装置、１１Ａ…第１発光部、１１Ｂ…第２発光部、１２Ａ…第１光アイソレータ、１２Ｂ…第２光アイソレータ、１３Ａ…第１無偏光ビームスプリッタ、１３Ｂ…第２無偏光ビームスプリッタ、２０…偏光ビームスプリッタ、２０ａ…第１面、２０ｃ…第３面、２０ｂ…第２面、２０ｄ…第４面、２１，２２…対物レンズ、２３，２４…１／４波長板、２５…参照面、２６…設置部、３０Ａ，３０Ｂ…結像レンズ、３１Ａ…１／４波長板、３１Ｂ…１／４波長板、３２Ａ…第１偏光板、３２Ｂ…第２偏光板、３３Ａ…第１カメラ、３３Ｂ…第２カメラ、３３Ａａ，３３Ｂａ…撮像素子、１００…ウエハ基板、１０１…バンプ、１０２…パターン部、Ｒ…計測レンジ間隔、Ｖ…特定領域、Ｗ…ワーク。

Claims (5)

1. 入射する所定の光を２つの光に分割し、一方の光を計測光として被計測物に照射可能としかつ他方の光を参照光として参照面に照射可能とすると共に、これらを再び合成して出射可能な所定の光学系と、
   前記所定の光学系に対し入射させる所定の光を出射可能な照射手段と、
   前記所定の光学系から出射される出力光を撮像可能な撮像手段と、
   前記計測光を前記被計測物へ向け照射させる計測光用の対物レンズと、
   前記参照光を前記参照面へ向け照射させる参照光用の対物レンズと、
   前記出力光を前記撮像手段へ結像させる結像レンズと、
   前記撮像手段により撮像し得られた干渉縞画像を基に前記被計測物の所定の計測領域に係る三次元計測を実行可能な画像処理手段とを備えた三次元計測装置であって、
   前記画像処理手段は、
   前記撮像手段により撮像し得られた前記計測領域に係る干渉縞画像を基に、再生により、前記計測領域の各座標位置における光軸方向所定位置の強度画像データを取得可能な画像データ取得手段と、
   前記撮像手段により撮像し得られた前記計測領域に係る干渉縞画像を基に、再生により、前記計測領域の各座標位置における光軸方向所定位置の光の位相情報を取得可能な位相情報取得手段と、
   前記画像データ取得手段により取得された前記計測領域の所定座標位置における光軸方向所定位置の強度画像データを基に、該強度画像データが所定条件を満たす合焦状態にあるか否かを判定する合焦判定手段と、
   前記合焦判定手段の判定結果に基づき、前記所定座標位置における光軸方向所定位置の強度画像データが前記合焦状態にあると判定された場合に、光軸方向に所定の計測レンジ間隔で定められる次数のうち、前記光軸方向所定位置に対応する次数を前記所定座標位置に係る次数として特定する次数特定手段と、
   前記位相情報取得手段により取得された前記所定座標位置に係る位相情報と、前記次数特定手段により特定された前記所定座標位置に係る次数とを基に、前記所定座標位置に係る三次元計測を実行可能な三次元計測手段とを備え、
   前記対物レンズは、その開口数ＮＡが下記式を満たすものであることを特徴とする三次元計測装置。
   ＮＡ ＞ a／√（（ｄｚ） ² ＋a ² )
   ａ：画素サイズ、ｄｚ：再生間隔。
2. 入射する所定の光を２つの光に分割し、一方の光を計測光として被計測物に照射可能としかつ他方の光を参照光として参照面に照射可能とすると共に、これらを再び合成して出射可能な所定の光学系と、
   前記所定の光学系に対し入射させる所定の光を出射可能な照射手段と、
   前記所定の光学系から出射される出力光を撮像可能な撮像手段と、
   前記計測光を前記被計測物へ向け照射させる計測光用の対物レンズと、
   前記参照光を前記参照面へ向け照射させる参照光用の対物レンズと、
   前記出力光を前記撮像手段へ結像させる結像レンズと、
   前記撮像手段により撮像し得られた干渉縞画像を基に前記被計測物の所定の計測領域に係る三次元計測を実行可能な画像処理手段とを備えた三次元計測装置であって、
   前記画像処理手段は、
   前記撮像手段により撮像し得られた前記計測領域に係る干渉縞画像を基に、再生により、前記計測領域の各座標位置における光軸方向所定位置の強度画像データを、少なくとも光軸方向所定範囲において、所定間隔で複数通り取得可能な画像データ取得手段と、
   前記画像データ取得手段により取得された前記計測領域の所定座標位置に係る前記複数通りの強度画像データを基に、該所定座標位置における所定の光軸方向合焦位置を決定する合焦位置決定手段と、
   光軸方向に所定の計測レンジ間隔で定められる次数のうち、前記合焦位置決定手段により決定された前記所定座標位置の前記光軸方向合焦位置に対応する次数を、該所定座標位置に係る次数として特定する次数特定手段と、
   前記撮像手段により撮像し得られた前記計測領域に係る干渉縞画像を基に、再生により、前記計測領域の各座標位置における光軸方向所定位置の光の位相情報を取得可能な位相情報取得手段と、
   前記位相情報取得手段により取得された前記所定座標位置に係る位相情報と、前記次数特定手段により特定された前記所定座標位置に係る次数とを基に、前記所定座標位置に係る三次元計測を実行可能な三次元計測手段とを備え
   前記対物レンズは、その開口数ＮＡが下記式を満たすものであることを特徴とする三次元計測装置。
   ＮＡ ＞ a／√（（ｄｚ） ² ＋a ² )
   ａ：画素サイズ、ｄｚ：再生間隔。
3. 入射する所定の光を２つの光に分割し、一方の光を計測光として被計測物に照射可能としかつ他方の光を参照光として参照面に照射可能とすると共に、これらを再び合成して出射可能な所定の光学系と、
   前記所定の光学系に対し入射させる所定の光を出射可能な照射手段と、
   前記所定の光学系から出射される出力光を撮像可能な撮像手段と、
   前記計測光を前記被計測物へ向け照射させる計測光用の対物レンズと、
   前記参照光を前記参照面へ向け照射させる参照光用の対物レンズと、
   前記出力光を前記撮像手段へ結像させる結像レンズと、
   前記撮像手段により撮像し得られた干渉縞画像を基に前記被計測物の所定の計測領域に係る三次元計測を実行可能な画像処理手段とを備えた三次元計測装置であって、
   前記画像処理手段は、
   前記撮像手段により撮像し得られた干渉縞画像を基に、再生により、前記計測領域内に予め設定した一部の特定領域における光軸方向所定位置の強度画像データを、少なくとも光軸方向第１範囲において、所定間隔で複数通り取得可能な第１画像データ取得手段と、
   前記第１画像データ取得手段により取得された前記特定領域に係る前記複数通りの強度画像データを基に、該特定領域における所定の光軸方向合焦位置を決定する第１合焦位置決定手段と、
   前記撮像手段により撮像し得られた前記計測領域に係る干渉縞画像を基に、再生により、前記計測領域の各座標位置における光軸方向所定位置の強度画像データを、前記特定領域における光軸方向合焦位置を基準に設定される少なくとも光軸方向第２範囲において、所定間隔で複数通り取得可能な第２画像データ取得手段と、
   前記第２画像データ取得手段により取得された前記計測領域の所定座標位置に係る前記複数通りの強度画像データを基に、該所定座標位置における所定の光軸方向合焦位置を決定する第２合焦位置決定手段と、
   光軸方向に所定の計測レンジ間隔で定められる次数のうち、前記第２合焦位置決定手段により決定された前記所定座標位置の前記光軸方向合焦位置に対応する次数を、該所定座標位置に係る次数として特定する次数特定手段と、
   前記撮像手段により撮像し得られた前記計測領域に係る干渉縞画像を基に、再生により、前記計測領域の各座標位置における光軸方向所定位置の光の位相情報を取得可能な位相情報取得手段と、
   前記位相情報取得手段により取得された前記所定座標位置に係る位相情報と、前記次数特定手段により特定された前記所定座標位置に係る次数とを基に、前記所定座標位置に係る三次元計測を実行可能な三次元計測手段とを備え
   前記対物レンズは、その開口数ＮＡが下記式を満たすものであることを特徴とする三次元計測装置。
   ＮＡ ＞ a／√（（ｄｚ） ² ＋a ² )
   ａ：画素サイズ、ｄｚ：再生間隔。
4. 前記照射手段は、
   前記所定の光学系に対し入射させる、第１波長の偏光を含む第１光を出射可能な第１照射手段と、
   前記所定の光学系に対し入射させる、第２波長の偏光を含む第２光を出射可能な第２照射手段とを備え、
   前記所定の光学系と前記第１照射手段との間に配置され、前記第１光を前記対物レンズへ向け集光させる第１光用の投光レンズと、
   前記所定の光学系と前記第２照射手段との間に配置され、前記第２光を前記対物レンズへ向け集光させる第２光用の投光レンズとを備え、
   前記撮像手段は、
   前記所定の光学系に対し前記第１光を入射することにより前記所定の光学系から出射される前記第１光に係る出力光を撮像可能な第１撮像手段と、
   前記所定の光学系に対し前記第２光を入射することにより前記所定の光学系から出射される前記第２光に係る出力光を撮像可能な第２撮像手段とを備え、
   前記結像レンズとして、
   前記第１光に係る出力光を前記第１撮像手段へ結像させる第１撮像用の結像レンズと、
   前記第２光に係る出力光を前記第２撮像手段へ結像させる第２撮像用の結像レンズとを備えていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の三次元計測装置。
5. 前記被計測物は、バンプが形成されたウエハ基板であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の三次元計測装置。
   

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