JPWO2011114939A1 - 高さ測定方法、高さ測定用プログラム、高さ測定装置 - Google Patents

Abstract

落射照明装置で被検物を照明または被検物に投影パターンを投影し、光軸方向にスキャンして被検物または投影パターンを結像光学系の撮像装置で撮像し、撮像装置における合焦測度値が最大となる位置を被検物の表面位置として高さ値を取得する高さ測定方法、高さ測定プログラムおよび高さ測定装置である。この高さ測定方法、プログラムおよび装置は被検物表面の傾斜角度に応じた高さ補正値を角度補正値として予め求め、撮像装置の各画素の求めた高さ値から各画素位置に対応する被検物表面の傾斜角度を求め、求められた傾斜角度に対応する高さ補正値を角度補正値から求め、求められた高さ補正値を用いて各画素に対応する被検物の表面の高さ値を補正する。

Description

本発明は、被検物表面の高さ測定方法、高さ測定用プログラム、高さ測定装置に関する。

従来、被検物表面に投影光学系を介してテクスチャーパターンを落射投影し、結像光学系の光軸方向にスキャンしながら撮像装置の合焦測度値が最大となる位置を被検物表面の高さ値として取得する高さ測定方法が提案されている（例えば、特開平６−２０１３３７号公報参照）。

しかしながら、従来の計測方法では、投影光学系や結像光学系の球面収差等の諸収差の影響で、被検物表面の傾斜角度に応じ計測された高さ値に誤差が発生するという問題がある。

本発明は、上記問題に鑑みて行われたものであり、被検物表面の傾斜角度による高さ値の誤差を補正してより正確な高さ値を取得できる高さ測定方法、高さ測定プログラム、および高さ測定装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の側面は、
結像光学系により得られた被検物の像を複数の画素からなる撮像装置で撮像し、
前記撮像装置の各々の画素に対応した位置における被検物の高さ値を、前記撮像装置の各々の画素における合焦測度値に基づいて取得し、
前記被検物表面の傾斜角度に応じて、前記取得された高さ値を補正することを特徴とする高さ測定方法を提供する。
本発明の高さ測定方法において、前記被検物表面の傾斜角度は、前記撮像装置の各画素の前記高さ値から前記各画素に対応する前記被検物表面の傾斜角度を求めることが好ましい。
本発明の高さ測定方法において、前記撮像装置の各々の画素に対応した位置にある前記被検物の表面位置の高さ値は、前記撮像装置の各々の画素について合焦測度値が最大となる条件を求めることで得られた値であり、
前記合焦測度値は、前記撮像装置の各々の画素について、ある画素と前記ある画素の周囲に位置する画素からの出力から求めることが好ましい。
また本発明の高さ測定方法において、前記各画素に対応する前記被検物表面の傾斜角度を前記各画素の高さ値から求められた前記被検物表面の仮傾斜角度として求め、当該仮傾斜角度に対応する前記高さ補正値を前記各画素の前記高さ値に加減することが好ましい。
さらに本発明の高さ測定方法において、好ましくは、前記仮傾斜角度に対応する高さ補正値を加減した前記各画素の高さ値から収束計算により前記各画素位置に対応する前記被検物表面の傾斜角度と高さ補正値とを計算する。
さらにまた、本発明の高さ測定方法において、好ましくは前記高さ補正値は、前記撮像装置の画素ごとに、前記傾斜角度に応じた高さ補正値を有している。
本発明の高さ測定方法において、さらに好ましくは前記前記高さ補正値は、各傾斜角度において、前記撮像装置の各画素の高さ補正値に基づき、代表高さ補正値を求め、前記各画素に割り当てられる高さ補正値は、前記代表高さ補正値の代表高さ補正値からのずれ値である。
本発明の高さ測定方法において、予め前記高さ補正値を求める際に使用する前記被検物は、基準平面鏡であることが好ましい。
また、本発明の高さ測定方法において、予め前記高さ補正値を求める際に使用する前記被検物は、球径が既知の基準球であることが好ましい。
本発明の高さ測定方法において、好ましくは、前記被検物は、テクスチャーパターンを有し、前記撮像装置で得られた像からテクスチャーパターンに基づく合焦測度値を用いて前記被検物表面の高さ値を取得し、
更に前記テクスチャーパターンと空間周波数が異なる投影パターンを前記被検物に投影して、前記撮像装置で得られた像から投影パターンに基づく合焦測度値を用いて前記被検物表面の高さ値を取得し、
前記高さ補正値は、前記テクスチャーパターンによる高さ値測定結果と前記投影パターンによる高さ値測定結果との差分とする。

本発明の第２の側面は、落射照明装置で被検物を照明または前記被検物に投影パターンを投影し、光軸方向にスキャンして前記被検物または前記投影パターンを結像光学系の撮像装置で撮像し、前記撮像装置における合焦測度値が最大となる位置を前記被検物の表面位置として高さ値を取得する高さ測定装置の高さ測定用プログラムであって、
本発明の上記第１の側面の高さ測定方法または第１の側面の高さ測定方法の好ましい態様をコンピュータに実行させる高さ測定用プログラム提供する。
本発明の第２の側面による高さ測定用プログラムは、好ましくは
結像光学系により得られた被検物の像を複数の画素からなる撮像装置で撮像し、前記撮像装置の各々の画素に対応した位置にある前記被検物の表面位置の高さ値を、前記撮像装置の各々の画素における合焦測度値に基づいて取得するものであり、
コンピュータを、前記各画素の位置に対応する前記被検物表面の傾斜角度に応じた前記高さ補正値を高さ補正値から求め、求められた高さ補正値を前記測定した高さ値に加減する高さ値補正手段、として機能させることを特徴とする。

本発明の第３の側面は、
結像光学系により被検物の像を複数の画素からなる撮像装置と、
前記撮像装置に接続され、前記撮像装置の各々の画素に対応した位置にある前記被検物の表面位置の高さ値を、前記撮像装置の各々の画素における合焦測度値に基づいて高さ値を取得する高さ値取得部と、
前記高さ値取得部に接続され、当該各画素位置に対応する前記被検物表面の傾斜角度に応じて前記測定した高さ値に補正する高さ値補正部と、
を備えることを特徴とする高さ測定装置を提供する。
更に、本発明の高さ測定装置は、好ましくは
前記被検物表面の傾斜角度を、前記撮像装置の各画素に対応する前記位置における前記高さ値から、前記被検物表面の傾斜角度を求める傾斜角度取得部を更に備えることを特徴とする。
本発明の高さ測定装置は、好ましくは
前記高さ値取得部は、前記撮像装置の各々の画素に対応した位置にある前記被検物の表面位置の高さ値を、前記撮像装置の各々の画素について合焦測度値が最大となる条件を求めることにより取得し、
前記合焦測度値は、前記撮像装置の各々の画素について、ある画素と前記ある画素の周囲に位置する画素からの出力から求める。
また、本発明の高さ測定装置は、好ましくは
前記傾斜角度取得部は、前記各画素の高さ値に基づいて前記被検物表面の仮傾斜角度として求め、
前記高さ値補正部は、当該仮傾斜角度に対応する前記高さ補正値を前記各画素の前記高さ値に補正する。
さらにまた、本発明の高さ測定装置は、好ましくは
前記高さ値補正部及び前記傾斜角度取得部は、前記仮傾斜角度に対応する高さ補正値を加減した前記各画素の高さ値から収束計算により前記各画素位置に対応する前記被検物表面の傾斜角度と高さ補正値とを計算する。

本発明によれば、被検物表面の傾斜角度による高さ値の誤差を補正してより正確な高さ値を取得できる高さ測定方法、高さ測定プログラム、および高さ測定装置を提供することを提供することができる。

図１は本願の一実施形態にかかる高さ測定装置の概略構成図である。 図２は該実施形態にかかる高さ測定装置の制御部装置のブロック図である。 図３Ａ、図３Ｂは諸収差による高さ値の誤差を示す概念図であり、図３Ａは被検物表面の真の高さ値を、図３Ｂは高さ測定装置で測定された高さ値をそれぞれ示す。 図４は傾斜角度と高さ補正値の関係を示す概念図である。 図５は傾斜角度と各画素位置に対応する高さ補正値を用いて補正する場合の概念図である。 図６は傾斜角度と一画面一括の高さ補正値を用いて補正する場合の概念図である。 図７は接触測定子を用いて角度補正値を取得する時のフローチャートである。 図８はテクスチャーパターンと投影パターンとを用いて角度補正値を取得する時のフローチャートである。 図９は基準球を用いて角度補正値を取得する時のフローチャートである。 図１０は上記実施形態にかかる高さ測定装置における高さ補正アルゴリズムを示すフローチャートである。

以下、本願の一実施の形態にかかる高さ測定方法、高さ測定プログラム、および高さ測定装置について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施の形態は、発明の理解を容易にするためのものに過ぎず、本願発明の技術的思想を逸脱しない範囲において当業者により実施可能な付加・置換等を施すことを排除することは意図していない。

図１、図２において、実施形態にかかる高さ測定装置１は、ＸＹステージ１０上にチルト・回転ステージ１２が載置され、このチルト・回転ステージ１２上に被検物１４が載置される。被検物１４は、チルト・回転ステージ１２により（θ、Φ）の２軸の傾斜が行われる。チルト・回転ステージ１２の傾斜角度（θ、Φ）はθΦ制御部１６を介してコンピュータ１８で制御される。また、ＸＹステージ１０の移動は、ＸＹ制御部２０を介してコンピュータ１８で制御される。

計測光学系は、落射照明装置２２と結像光学系２４とから構成され、計測光学系全体が結像光学系２４の光軸（Ｚ方向）に沿ってＺ方向駆動部２６で駆動される。Ｚ方向駆動部２６は、Ｚ方向駆動制御部２８を介してコンピュータ１８で駆動が制御される。なお、Ｚ方向への移動は、ＸＹステージ１０を移動しても良い。

落射照明装置２２は、光源２２ａと、光源からの光を集光して投影パターン２２ｂに照射するレンズ２２ｃと、投影パターン２２ｂからの光をハーフミラー３０方向に射出するレンズ２２ｄと、ハーフミラー３０で反射された投影パターンを被検物１４上に投影する対物レンズ３２とから構成されている。投影パターン２２ｂは、格子状パターン、市松模様パターン、ストライプ状パターンなど種々のパタ−ンが使用可能で、被検物１４の表面状態あるいは後述する周波数分離法等により適宜選択して投影される。なお、投影パターン２２ｂは落射照明装置２２の光軸に挿脱可能であり、光軸から外すと通常の落射照明が可能となる。また、以下の説明では、投影パターンを被検物１４に投影した場合について説明するが、通常の落射照明でも同様であることは言うまでもない。

被検物１４上に投影された投影パターンは、対物レンズ３２で集光され、ハーフミラー３０を透過して、ズームレンズ３４を介して結像レンズ３６で複数の画素から成る撮像装置３８の撮像面（例えば、ＣＣＤ）上に結像される。撮像された被検物１４の像は、コンピュータ１８の画像処理部で処理され、コンピュータ１８のメモリ１８ｂに記憶されると共にディスプレイ１８ｃに表示される。

本実施形態にかかる高さ測定装置１は、公知のＳＦＦ（Ｓｈａｐｅ Ｆｒｏｍ Ｆｏｃｕｓの略、以下同様）により被検物１４の表面の高さを測定することができる装置である。ＳＦＦ法では、計測光学系を光軸方向に移動させながら被検物１４上に投影された投影パターンの合焦測度値情報である、例えばコントラストが最大となる位置を被検物表面位置として高さ測定を行う。ＳＦＦ法に付いては公知の方法であり、詳細な説明は省略する。

図２に示すように、コンピュータ１８は、ＣＰＵ１８ａ、メモリ１８ｂ、ＳＦＦ高さデータ演算部１８ｅ、駆動制御部１６、２０、２８を制御する装置制御部１８ｄ、及び各種制御用あるいは演算用のプログラムを含んでいる。またコンピュータ１８には、条件等を入力するための入力装置１９（例えば、キーボード、マウスなど）や、ハードディスク等の外部記憶装置２１等が接続されている。

また、本実施形態にかかる高さ測定装置１では、被検物１４の表面の傾斜角度θや高さ値を測定する不図示の接触式測定子（以後、テストポイント（ＴＰ）と略記する）を配設することが可能であり、このＴＰで測定した傾斜角度や高さ値をコンピュータ１８に取り込み後述する角度補正値を取得することが可能である。

このようにして、本実施形態にかかる高さ測定装置１が構成されている。

従来の高さ測定装置１では、ＳＦＦ測定の際に使用する落射照明装置２２や結像光学系２４に球面収差等の光学的諸収差があると、被検物１４の表面の高さ値が表面の傾斜角度によってずれて測定され、高さ値に誤差を含んでしまうことが見出された。なお、傾斜角度とは、光線が当たった位置での物体接平面の法線と鉛直軸（光軸に対応）とがなす角度のことを言う。そして、この高さ値の誤差は、光学系に球面収差等の諸収差があるとき、被検物１４の表面の傾斜角度に依存して変化する。これは、レンズで構成される光学系では、光軸Ｉ付近より周辺部が球面収差等の諸収差が大きいため被検物１４の表面の傾斜角度が大きくなるほど表面で反射された光の主光線がレンズの周辺を通過することになり、高さ値の誤差が大きくなることによる。

本高さ測定装置１では、このような光学的諸収差に起因する誤差の補正を可能にし、被検物１４の表面のより正確な高さ値を測定することを達成するものである。

図３Ａ、図３Ｂは、高さ値の誤差を概念的に示す図である。光学系の諸収差は、一般的に回転対称なので上記傾斜角度も一つの成分を代表として使用することができるが、非対称成分のある光学系では、非対称に伴うｎ成分の角度データが必要になる。以下の説明では回転対称な場合について述べるが非対称な成分を持つ場合にはそれに対応したデータを持つことは言うまでもない。

図３Ａは、本高さ測定装置１に不図示のＴＰを配設して、被検物１４の三次元形状を測定した結果の鉛直軸（光軸と同等）Ｉを含む断面を示している。被検物１４の表面をＴＰで計測した時には、高さ値に誤差は含まれず真の高さ値Ｚが得られる。被検物１４の位置Ｐにおける物体接平面ｋの法線ｎと鉛直軸Ｉとのなす角度（傾斜角度）θは、少なくとも３つのＴＰ測定データから算出することができる。ＴＰ計測では、被検物１４の表面の高さ値を各位置の傾斜角度θの関数として取得する。これをＺ（θ）と記す。

一方、同じ被検物１４の表面の高さ値を本高さ測定装置１で計測した場合、球面収差等の影響で誤差を含んだ高さ値Ｚ’が測定される。図３Ｂに示すように、計測された被検物１４の表面像の高さ値Ｚ’は、被検物１４の位置Ｐに対応する撮像装置３８（図１参照）の画素位置における高さ値として取得される。また、この画素位置における傾斜角度θは、この画素周辺の少なくとも３つの画素の高さ値から算出することができる。ここでも傾斜角度θは、光軸Ｉと光線が入射した位置の物体接平面の法線ｎとがなす角度である。このように、本高さ測定装置１では、取得した被検物１４の表面像の傾斜角度θと高さ値Ｚ’を取得することができる。これをＺ’（θ）と記す。

そして、被検物１４をＴＰで計測して取得した高さ値Ｚ（θ）と同じ被検物１４を本高さ測定装置１で計測して取得したＺ’（θ）との差分ΔＺ（θ）を高さ補正値ΔＺ（θ）として取得する（ΔＺ（θ）＝Ｚ’（θ）−Ｚ（θ））。色々な傾斜角度に対して高さ補正値ΔＺを取得して種々の傾斜角度θと高さ補正値ΔＺとの関係を角度補正値としてコンピュータ１８のメモリ１８ｂに保存する。

図４は、撮像装置３８の一つの画素について種々の傾斜角度θと高さ補正値ΔＺの関係をグラフ化した一例である。傾斜角度θが大きくなるに従って高さ補正値ΔＺが大きくなる様子が示されている。これは、上述のようにレンズで構成される光学系では、光軸Ｉ付近より周辺部が球面収差等の諸収差が大きいため被検物１４の表面の傾斜角度θが大きくなるほど表面で反射された光の主光線がレンズの周辺を通過することになり、高さ値の補正値が大きくなることによる。そして、図４に示す傾斜角度と補正値の関係を元に、傾斜角度を測定していない角度については、測定されているデータから補間計算をして求めることで種々の傾斜角度に対する高さ補正値を得ることができる。

このように、本高さ測定装置１では、落射照明装置２２や結像光学系２４の条件に対応する上記角度補正値を予め取得してメモリ１８ｂに保存し、高さ測定装置１で計測した被検物１４の表面像の光線入射位置に対応する画素の傾斜角度をこの画素の周辺画素から算出し、算出された傾斜角度に対応する高さ補正値で計測された画素の高さ値を補正することで、被検物１４の真の高さ値（Ｚ＝Ｚ’−ΔＺ）を算出することができる。そして、被検物１４の表面全てで同様の処理を行うことで被検物１４の高さ値をより正確に取得することが可能になる。

図５、図６は、本高さ測定装置１において、上記角度補正値の内容について概念的に示す図である。

図５では、角度補正値のデータは、各傾斜角度（例えば、θ１〜θ５）毎に撮像装置３８の全ての画素毎に高さ補正値を取得して保存する場合を示す。この場合、補正データは、測定する傾斜角度の数と画素数とを掛け算した分の数を有することになる。このような全画素に対応する位置の傾斜角度に応じた高さ補正値は、光学系の球面収差等の諸収差による高さ測定値への影響が大きい場合に適している。例えば、光軸付近の画素位置に対して周辺付近の画素位置の角度補正値（傾斜角度に対する高さ補正値ΔＺ）が大きくなる場合（一傾斜角度θに対する画素毎の高さ補正値ΔＺが大きくばらついている場合に相当する）、一つの高さ補正値で測定された高さ値を補正すると精度が不足することになり、正確な高さ値を求めることができなくなる虞があるが、全画素に対応する高さ補正値を持つことで高精度の高さ値の補正を行うことができる。このように、全画素に対応する位置の傾斜角度に応じた高さ補正値を持つことで、諸収差の大きな光学系でも高精度の高さ値補正を行うことができる。

図６では、角度補正値のデータは、各傾斜角度（例えば、θ１〜θ５）毎に撮像装置３８の全ての画素位置の高さ補正値を用いて最小二乗平面を算出し、この最小二乗平面の中心からのずれを代表高さ補正値として取得して保存する場合を示す。この場合、補正データは、測定する傾斜角度の数分のデータを有することになる。このような傾斜角度に応じた代表高さ補正値をデータとして持つのは、光学系の球面収差等の諸収差による高さ測定値への影響が小さい場合に適している。例えば、光軸付近の画素位置に対して周辺付近の画素位置の角度補正値（傾斜角度に対する高さ補正値ΔＺ）が小さい場合（一傾斜角度θに対する画素毎の高さ補正値ΔＺのばらつきが小さい場合に相当する）、一つの高さ補正値で測定された高さ値を補正しても高精度で高さ補正を行うことができる。このように、一画面一括で傾斜角度に応じた高さ補正値を持つことで、少ないデータ量で高精度の高さ値補正を行うことができ、高さ測定装置１における計測の高速化を図ることができる。

なお、角度補正値を全画素に対応して持つか、画面一括で持つかは、高さ測定装置１の光学系の収差特性により適宜選択すればよい。また、角度補正値は、傾斜角度により全画素データと画面一括データとを混在して持つことも可能である。収差の影響が小さい傾斜角度では画面一括の高さ補正値を持ち、収差の影響が大きい傾斜角度では全画素位置の高さ補正値を持つようにしても良い。これにより角度補正値のデータ量を少なくすることができる。

次に、角度補正値の取得方法と、この角度補正値を用いて計測された高さ値の補正方法について、それぞれフローチャートを参照しつつ説明する。

（第１の角度補正値取得方法）
図７は、基準平面を用いて角度補正値を取得する第１の角度補正値取得方法を示すフローチャートであり、以下ステップに従って説明する。なお、本取得方法では、基準平面がテクスチャー等のコントラストが得られるものであれば落射照明装置２２による投影パターン２２ｂの投影は不要であり、コントラストが得られない鏡面表面の場合には投影パターン２２ｂを投影してＳＦＦ測定することは言うまでもない。

（ステップＳ１）
作業者は、高さ測定装置１のチルト・回転ステージ１２上に基準平面（鏡面）を載置して、コンピュータ１８に測定角度の初期角度値θ０と測定角度間隔値Δθと測定数ｎ、および画素毎の高さ補正値を取得するか否かを入力する。

（ステップＳ２）
ＸＹステージ１０とチルト・回転ステージ１２とがそれぞれＸＹステージ制御部２０、・θΦ制御部１６を介してコンピュータ１８からの指示を受けて基準平面を所定の位置、および初期角度値θ０に設定する。

（ステップＳ３）
コンピュータ１８は、不図示のＴＰ装置で基準平面を多点測定し、多点測定した位置に対応する撮像装置３８の各画素位置における高さ値を演算し記録する。

（ステップＳ４）
コンピュータ１８は、記録されたＴＰ装置による高さ値から最小二乗法等により基準平面の平面式を求める。また、基準平面に垂直な法線を求め、この方線と鉛直軸（光軸に相当する）とのなす角度を傾斜角度として記録する。

（ステップＳ５）
コンピュータ１８は、撮像装置３８を用いる高さ測定装置１のＳＦＦ測定により、上記基準平面の高さ値を測定し、撮像装置３８の各画素位置におけるＳＦＦ高さ値として記録する。

（ステップＳ６）
コンピュータ１８は、ステップＳ１で入力されている画素毎の高さ補正値を取得するか否かにより以後の処理を選択する。画素毎の高さ補正値を取得する時はステップＳ７を、画面一括の高さ補正値を取得する時はステップＳ８を実行する。

（ステップＳ７）
コンピュータ１８は、ステップＳ３で記録された、ＴＰ装置で取得した各画素に対応する位置の高さ値測定データと、ステップＳ４で記録された、各画素位置におけるＳＦＦ高さ値との差分を計算しステップＳ１０を実行する。

（ステップＳ８）
コンピュータ１８は、ステップＳ５で記録された、各画素位置におけるＳＦＦ高さ値から、最小二乗平面を計算する。なお、最小二乗平面の計算以外に全画素に対応する位置の高さ値の平均値を算出しても良い。

（ステップＳ９）
コンピュータ１８は、ステップＳ８で算出された最小二乗平面とステップＳ４で算出された平面式との差分を高さ補正値として算出してステップＳ１０を実行する。なお、高さ補正値として、全画素の高さ値の平均値とステップＳ４で算出された平面式に置ける平均高さ値との差分を用いても良い。

（ステップＳ１０）
コンピュータ１８は、各画素に対応する位置における高さ補正値と傾斜角度と関連付けてメモリ１８ｂに角度補正値として保存する。あるいは、コンピュータ１８は、角度補正値として傾斜角度に対する画面一括の高さ補正値をメモリ１８ｂに保存する。

（ステップＳ１１）
コンピュータ１８は、測定数が初期にステップＳ１で入力した測定数ｎに達したか否かを判定し、達していなければステップＳ２に戻り、次の傾斜角度（θ＝θ０＋Δθ×ｎ）に対する角度補正値を取得する。測定数ｎに達している場合、角度補正値の取得フローを終了する。

以上のステップで、コンピュータ１８は第１の角度補正値取得を終了する。取得した角度補正値は、後述するフローにより高さ測定装置１における高さ値補正に使用され、高精度の高さ測定が達成される。

（第２の角度補正値取得方法）
図８は、基準平面を用いて角度補正値を取得する第２の角度補正値取得方法を示すフローチャートであり、以下ステップに従って説明する。なお、本取得方法では、基準平面がテクスチャーパターンを有し、落射照明装置２２による投影パターン２２ｂを投影してＳＦＦ測定し、両者の高さ値測定データから角度補正値を取得するものである。また、第１角度補正値取得方法と同様のステップには同じステップ番号を付し説明する。なお、投影する投影パターン２２ｂとテクスチャーパターンの周波数成分は異なっていることが好ましい。異なる周波数成分のパターンを使うことで高さ計測時における両者の分離が可能となる。

（ステップＳ１）
作業者は、高さ測定装置１のチルト・回転ステージ１２上に基準平面（テクスチャー有り）を載置して、コンピュータ１８に測定角度の初期角度値θ０と測定角度間隔値Δθと測定数ｎ、および画素毎の高さ補正値を取得するか否かを入力する。

（ステップＳ２）
ＸＹステージ１０とチルト・回転ステージ１２とがそれぞれＸＹステージ制御部２０、θ・Φ制御部１６を介してコンピュータ１８からの指示を受けて基準平面を所定の位置、および初期角度値θ０に設定する。

（ステップＳ２３）
コンピュータ１８は、高さ測定装置１の落射照明装置２２で投影パターン２２ｂを表面に投影してＳＦＦ測定を行い、撮像装置３８の各画素位置に対応する高さ値をＳＦＦ高さデータ演算部１８ｅで演算し記録する。このとき高さ測定装置１は、投影パターン２２ｂの周波数成分で高さ値を計測するように設定されている。

（ステップＳ２４）
コンピュータ１８は、テクスチャーパターンによるＳＦＦ測定を行い、撮像装置３８の各画素位置に対応する高さ値をＳＦＦ高さデータ演算部１８ｅで演算し記録する。このとき高さ測定装置１は、テクスチャーパターンの周波数成分で高さ値を計測するように設定されている。

（ステップＳ２５）
コンピュータ１８は、ステップＳ２３に記録された基準平面上の投影パターン２２ｂを投影して取得した各画素位置における高さ値とステップＳ２４で記録されたテクスチャーパターンで取得した各画素位置における高さ値との差分を計算し、各画素位置における高さ値の差分を取得する。

（ステップＳ２６）
コンピュータ１８は、ステップＳ１で入力されている画素毎の高さ補正値を取得するか否かにより以後の処理を選択する。画素毎の高さ補正値を取得する時はステップＳ２７を、画面一括の高さ補正値を取得する時はステップＳ２８を実行する。

（ステップＳ２７）
コンピュータ１８は、ステップ２５で算出された差分を高さ補正値とし、ステップＳ１０を実行する。

（ステップＳ２８）
コンピュータ１８は、ステップＳ２３で記録された投影パターン２２ｂを投影して取得した各画素位置における高さ値と、ステップＳ２４で記録されたテクスチャーパターンで取得した各画素位置における高さ値とから、最小二乗平面をそれぞれ計算する。なお、最小二乗平面の計算以外に全画素の高さ値の平均値をそれぞれ算出しても良い。

（ステップＳ２９）
コンピュータ１８は、ステップＳ２８で算出されたそれぞれの最小二乗平面の差分を高さ補正値として算出してステップＳ１０を実行する。なお、高さ補正値として、全画素の高さ値の平均値をそれそれ算出した場合は、両平均値の差分を用いても良い。

（ステップＳ１０）
コンピュータ１８は、各画素に対応する位置の高さ補正値と傾斜角度と関連付けてメモリ１８ｂに角度補正値として保存する。あるいは、コンピュータ１８は、角度補正値として傾斜角度に対する画面一括の高さ補正値をメモリ１８ｂに保存する。

（ステップＳ１１）
コンピュータ１８は、測定数が初期に入力した測定数ｎに達したか否かを判定し、達していなければステップＳ２に戻り、次の傾斜角度（θ＝θ０＋Δθ×ｎ）に対する角度補正値を取得する。測定数ｎに達している場合、角度補正値の取得フローを終了する。

以上のステップで、コンピュータは第２の角度補正値取得を終了する。取得した角度補正値は、後述するフローにより高さ測定装置１における高さ値補正に使用され、高精度の高さ測定が達成される。

（第３の角度補正値取得方法）
図９は、基準球を用いて角度補正値を取得する第３の角度補正値取得方法を示すフローチャートであり、以下ステップに従って説明する。なお、本取得方法では、基準球の面がテクスチャー等のコントラストが得られるものであれば落射照明装置２２による投影パターン２２ｂの投影は不要であり、コントラストが得られない鏡面表面の場合には投影パターン２２ｂを投影してＳＦＦ測定することは言うまでもない。また、被検物が球体であるため、高さ測定装置１のチルト・回転ステージ１２使用する必要が無くＸＹステージ１２上から取り外されている。

（ステップＳ３１）
作業者は、基準球の表面の位置座標（Ｘ，Ｙ）、座標変位量（ΔＸ、ΔＹ）、測定数ｎをコンピュータ１８に入力する。

（ステップＳ３２）
コンピュータ１８は、以下のステップの計測を繰り返す。

（ステップＳ３３）
コンピュータ１８は、ＸＹステージ駆動制御部２０を介して高さ測定装置１のＸＹステージ１０を指定の位置に移動し、基準球を光学系の光路中にセットする。

（ステップＳ３４）
コンピュータ１８は、高さ測定装置１でＳＦＦによる高さ値測定を行い、撮像装置３８の各画素位置における高さ値をＳＦＦ高さ演算部１８ｅで演算し記録する。

（ステップＳ３５）
コンピュータ１８は、基準球の表面の各画素位置における真の高さ値とＳＦＦによる各画素位置における測定された高さ値との差分を計算し、高さ補正値として記録する。ここで、基準球の表面の真の高さ値は、前記基準球の表面の位置座標（Ｘ、Ｙ）と、この座標位置における接平面の法線が鉛直軸（光軸Ｉに対応）となす傾斜角度とから求められる高さ値である。これは、基準球の半径をＲ、この傾斜角度をψとすると、真の高さ値Ｈは、Ｈ＝Ｒ（１＋ｃｏｓψ）となる。

なお、上記真の高さ値は、上記方法により求める代わりに表面にテクスチャーを有する基準球を用いて、高さ測定装置１で高さ測定を行った結果の高さ値を用いることもできる。

（ステップＳ３６）
コンピュータ１８は、ステップＳ３５で求められた各画素位置における傾斜角度と差分から求めた高さ補正値とを対にして記録する。

（ステップＳ３７）
コンピュタ−１８は、測定回数が初期設定した測定数ｎに達したか否かを判定し、測定数に達していない場合にはステップＳ３２に戻り、位置座標（Ｘ，Ｙ）に座標変位量（ΔＸ，ΔＹ）を加えた位置座標で以降のステップを実行する。測定回数が、測定数ｎに達した時は、ステップＳ３８を実行する。

（ステップＳ３８）
上記ステップＳ３２からＳ３７間で取得された複数の傾斜角度と高さ補正値を傾斜角度毎にデータを並び替え、計測されていない傾斜角度の高さ補正値を補間処理により求め記録する。

（ステップＳ３９）
コンピュータ１８は、上記傾斜角度のデータの最小値から最大値までステップＳ４０からＳ４６までの処理を繰り返し実行する。

（ステップＳ４０）
コンピュータ１８は、指定された傾斜角度（最小値から最大値まで）における、高さ補正値を補間処理して記録したデータから抽出する。同一の傾斜角度で高さ補正値が複数個ある場合、それらの平均値をその傾斜角度における高さ補正値とする。

（ステップＳ４１）
コンピュータ１８は、画素毎の高さ補正値を取得するか否かにより以後の処理を選択する。画素毎の高さ補正値を取得する時はステップＳ４２を、画面一括の高さ補正値を取得する時はステップＳ４３を実行する。

（ステップＳ４２）
コンピュータ１８は、ステップＳ３５で記録された傾斜角度に対応する各画素位置に対応する位置の高さ補正値とし、ステップＳ４５を実行する。

（ステップＳ４３）
コンピュータ１８は、ステップＳ３５で記録された傾斜角度に対応する各画素位置における高さ補正値から、最小二乗平面を計算する。なお、最小二乗平面の計算以外に全画素の高さ補正値の平均値を算出しても良い。

（ステップＳ４４）
コンピュータ１８は、ステップＳ４３で算出された撮像装置の各画素位置における最小二乗平面における高さ補正値と基準球の各画素位置における高さとの差分を高さ補正値とし設定しステップＳ４５を実行する。

（ステップＳ４５）
コンピュータ１８は、計算された高さ補正値と傾斜角度と関連付けてメモリ１８ｂに角度補正値として保存する。この場合、一つの傾斜角度に対して撮像装置の画素数分の高さ補正値が記録される。あるいは、コンピュータ１８は、角度補正値として傾斜角度に対する画面一括の高さ補正値をメモリ１８ｂに保存する。

（ステップＳ４６）
コンピュータ１８は、傾斜角度が最小値から最大値まで行われたか否かを判定し、行われていない場合はステップＳ３９にジャンプする。それ以外の場合は処理を終了する。

以上のステップで、コンピュータは第３の角度補正値取得を終了する。取得した角度補正値は、後述するフローにより高さ測定装置１における高さ値補正に使用され、高精度の高さ測定が達成される。

（高さ値補正方法）
次に、上記第１から第３の角度補正値取得方法により取得された角度補正値を使用した、本高さ測定装置１の計測した高さ値の補正方法について図１０のフローチャートを参照しつつ説明する。

（ステップＳ５１）
コンピュータ１８はメモリ１８ｂに記憶されている角度補正値データをＣＰＵ１８ｃのメモリに読み込む。

（ステップＳ５２）
コンピュータ１８は、ＸＹステージ１０に載置された被検物１４について高さ測定装置１でＳＦＦ測定を行い、ＸＹステージ１０に載置された被検物１４の表面の高さ値をＳＦＦ高さ演算部１８ｅで演算し記録する。

（ステップＳ５３）
コンピュータ１８は、ステップＳ５４からＳ５５を繰り返し、全ての画素に対して行い、全画素に対応する位置における傾斜角度を算出する。

（ステップＳ５４）
ステップ５２において全ての高さ値計測が終了した後、コンピュータ１８は、画素位置における被検物１４の傾斜角度を対象画素周囲の３つの画素の高さ値から算出する。

（ステップＳ５５）
コンピュータ１８は、画素位置の算出された傾斜角度に対応する高さ補正値を角度補正値から求め、求められた高さ補正値で画素の高さ値を補正し、補正した高さ値を記録する。なお、高さ値の補正を画素毎に行う場合、コンピュータ１８は、図５に示す傾斜角度と全画素に対する高さ補正値を保存した角度補正値を使用する。一方、高さ値の補正を画面一括で行う場合、コンピュータ１８は、図６に示す傾斜角度と画面一括の高さ補正値を保存した角度補正値を使用する。

（ステップＳ５６、Ｓ５７）
コンピュータ１８は、ステップＳ５５で補正した画素毎の高さ値を用いて再度各画素の傾斜角度を算出する。そして、コンピュータ１８は、全画素について、高さ補正する前の高さ値から計算された傾斜角度と、再度計算された傾斜角度との差分を計算し記録する。

（ステップＳ５８）
コンピュータ１８は、各画素の傾斜角度の差分値を集計する。

（ステップＳ５９）
コンピュータ１８は、差分値の集計値が予め決められている閾値以下であるか否かの判定をし、閾値以下であれば、計測を終了する。一方、コンピュータ１８は、差分の集計値が閾値を超えている場合には、ステップＳ５４にジャンプし以降の処理を繰り返す。このように、傾斜角度を繰り返し計算する収束計算を行うことにより、より正確な傾斜角度を求め、これによりより正確な高さ補正を行うことが可能になる。

なお、上記各方法において、処理は、コンピュータ１８のＳＦＦ高さデータ演算部１８ｅやＣＰＵ１８ａで実行される各プログラムによって行われることは言うまでもない。

以上述べたように、本実施形態にかかる高さ測定装置は、予め上記第１から第３のいずれかの角度補正値取得方法によって取得された傾斜角度に応じた高さ補正値からなる角度補正値を持つことで、この高さ補正値を用いて高さ測定装置で測定された被検物の高さ値を補正し、高さ測定装置で使われている光学系の球面収差等の諸収差による高さ値の誤差を補正することができ、高精度の高さ測定を行うことができる。この結果、本高さ測定装置は、被検物の三次元形状をより正確に計測することができる。

Claims (12)

1. 落射照明装置で被検物を照明または前記被検物に投影パターンを投影し、光軸方向にスキャンして前記被検物または前記投影パターンを結像光学系の撮像装置で撮像し、前記撮像装置における合焦測度値が最大となる位置を前記被検物の表面位置として高さ値を取得する高さ測定装置の高さ測定方法であって、
   前記被検物表面の傾斜角度に応じた高さ補正値を角度補正値として予め求め、
   前記撮像装置の各画素の前記高さ値から前記各画素位置に対応する前記被検物表面の前記傾斜角度を求め、求められた前記傾斜角度に対応する前記高さ補正値を前記角度補正値から求め、求められた高さ補正値を用いて前記各画素に対応する前記被検物の表面の高さ値を補正することを特徴とする高さ測定方法。
2. 前記各画素位置に対応する前記被検物表面の傾斜角度を前記各画素の高さ値から求められた前記被検物表面の仮傾斜角度として求め、当該仮傾斜角度に対応する前記高さ補正値を前記各画素の前記高さ値に加減することを特徴とする請求項１に記載の高さ測定方法。
3. 前記仮傾斜角度に対応する高さ補正値を加減した前記各画素の高さ値から収束計算により前記各画素位置に対応する前記被検物表面の傾斜角度と高さ補正値とを計算することを特徴とする請求項１または２に記載の高さ測定方法。
4. 前記角度補正値は、前記撮像装置で撮像された一画面に対する前記傾斜角度と前記高さ補正値であることを特徴とする請求項１に記載の高さ測定方法。
5. 前記一画面に対する前記高さ補正値は、前記各画素位置に対応する前記被検物表面の傾斜角度から求められる最小二乗平面の中心値からのずれ値であることを特徴とする請求項４に記載の高さ測定方法。
6. 予め前記高さ補正値を求める際に使用する前記被検物は、基準平面鏡であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の高さ測定方法。
7. 予め前記高さ補正値を求める際に使用する前記被検物は、球径が既知の基準球であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の高さ測定方法。
8. 前記被検物は、テクスチャーパターンを有し、
   前記テクスチャーパターンと前記投影パターンの空間周波数は異なり、
   前記角度補正値は、前記各画素位置に対応する前記被検物表面の傾斜角度と、前記テクスチャーパターンによる高さ値測定結果と前記投影パターンによる高さ値測定結果との差分からなる前記高さ補正値であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の高さ測定方法。
9. 落射照明装置で被検物を照明または前記被検物に投影パターンを投影し、光軸方向にスキャンして前記被検物または前記投影パターンを結像光学系の撮像装置で撮像し、前記撮像装置における合焦測度値が最大となる位置を前記被検物の表面位置として高さ値を取得する高さ測定装置の高さ測定用プログラムであって、
   請求項１から８のいずれか１項に記載の高さ測定方法をコンピュータに実行させる高さ測定用プログラム。
10. 落射照明装置で被検物を照明または前記被検物に投影パターンを投影し、光軸方向にスキャンして前記被検物または前記投影パターンを結像光学系の撮像装置で撮像し、前記撮像装置における合焦測度値が最大となる位置を前記被検物の表面位置として高さ値を取得する高さ測定装置であって、
    請求項１から８のいずれか１項に記載の高さ測定方法と、請求項９に記載の高さ測定用プログラムを実行するコンピュータとを備えることを特徴とする高さ測定装置。
11. 落射照明装置で被検物を照明または前記被検物に投影パターンを投影し、光軸方向にスキャンして前記被検物または前記投影パターンを結像光学系の撮像装置で撮像し、前記撮像装置における合焦測度値が最大となる位置を前記被検物の表面位置として高さ値を取得する高さ測定装置の高さ測定用プログラムであって、
    コンピュータを、
    前記被検物表面の傾斜角度に対する高さ補正値を予め角度補正値として取得する取得手段、
    前記撮像装置で撮像した像の各画素の高さ値から当該各画素位置に対応する前記被検物表面の傾斜角度を求める角度算出手段、
    求められた当該傾斜角度に対応する前記高さ補正値を前記角度補正値から求め、求められた高さ補正値を前記測定した高さ値に加減する高さ値補正手段、
    として機能させることを特徴とする高さ測定用プログラム。
12. 落射照明装置で被検物を照明または前記被検物に投影パターンを投影し、光軸方向にスキャンして前記被検物または前記投影パターンを結像光学系の撮像装置で撮像し、前記撮像装置における合焦測度値が最大となる位置を前記被検物の表面位置として高さ値を取得する高さ測定装置であって、
    予め取得された前記被検物表面の傾斜角度に対する高さ補正値を角度補正値として保存する保存手段と、
    前記撮像装置で撮像した像の各画素の高さ値から当該各画素位置に対応する前記被検物表面の傾斜角度を求める角度算出手段と、
    求められた当該傾斜角度に対応する前記高さ補正値を前記角度補正値から求め、求められた高さ補正値を前記測定した高さ値に加減する高さ値補正手段と、
    を備えることを特徴とする高さ測定装置。

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