KR20130072213A - 형상 측정 장치 및 형상 측정 방법 - Google Patents

형상 측정 장치 및 형상 측정 방법 Download PDF

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Abstract

부적절한 데이터가 측정 결과에 주는 영향을 확실히 억제하는 것을 목적으로 하고, 형상 측정 장치는, 공통의 반복 구조를 갖고, 또한 위상이 다른 패턴을 측정 대상물 상에 순차적으로 투영하는 투영부와, 전기 패턴의 각각이 상기 측정 대상물에 투영될 때마다 상기 측정 대상물을 다른 노광량으로 촬상하여 복수의 화상 데이터 세트를 취득하는 촬상부와, 상기 복수의 화상 데이터 세트 중에서, 상기 촬상부의 입출력 특성이 선형으로 되는 유효 휘도 범위 내에 세트 내의 전체 데이터가 들어가 있는 것을 적정 데이터 세트로서 선출하는 것을 상기 측정 대상물의 각 영역에 대해서 행하는 선출부와, 상기 선출된 적정 데이터 세트에 근거하여 상기 영역마다 형상을 구하는 형상 산출부를 구비한다.

Description

형상 측정 장치 및 형상 측정 방법{SHAPE MEASURING DEVICE AND SHAPE MEASURING METHOD}
본 발명은 위상 시프트법에 따른 패턴 투영형의 형상 측정 장치 및 형상 측정 방법에 관한 것이다.
측정 대상물의 면 형상(3차원 형상)을 비접촉으로 측정하는 수법으로서, 위상 시프트법에 따른 패턴 투영형의 3차원 형상 측정 장치가 알려져 있다. 이 3차원 형상 측정 장치에서는, 정현파 형상의 강도 분포를 갖는 줄무늬 패턴을 측정 대상물 상에 투영하고, 그 줄무늬 패턴의 위상을 일정 피치로 변화시키면서 측정 대상물을 반복하여 촬상하고, 그것에 의해 얻어진 복수매의 화상(휘도 변화 데이터)을 소정의 연산식에 적용시킴으로써, 측정 대상물의 면 형상에 따라 변형한 줄무늬의 위상 분포(위상 화상)를 구하고, 그 위상 화상을 언랩(위상 접속)하고 나서, 측정 대상물의 높이 분포(높이 화상)로 환산한다.
이에 관련하여, 특허 문헌 1에 명시된 3차원 형상 측정 장치는, 포화 화소에 기인한 측정 오차를 방지하기 위해서, 투영 광량이 다른 2가지의 촬상 조건 하에서 휘도 변화 데이터를 취득하고, 2가지의 휘도 변화 데이터의 콘트라스트값을 화소마다 평가하고, 콘트라스트값이 낮은 휘도 변화 데이터를 연산 대상에서 제외하고 있다.
특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2005-214653호 공보
그러나, 콘트라스트값이 높은 휘도 변화 데이터 중에도, 위상 분포(위상 화상)의 연산에 적합하지 않은 부적절한 휘도 변화 데이터가 혼재되어 있을 가능성이 있는 것이 판명되었다.
그래서, 본 발명은 부적절한 휘도 데이터가 측정 결과에 주는 영향을 확실히 억제할 수 있는 형상 측정 장치 및 형상 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 형상 측정 장치의 한 종류는, 공통의 반복 구조를 갖고, 또한 위상이 다른 복수 종류의 패턴을 측정 대상물 상에 순차적으로 투영하는 투영부와, 상기 복수 종류의 패턴의 각각이 상기 측정 대상물에 투영될 때마다 상기 측정 대상물을 촬상하여 화상 데이터 세트를 취득하는 촬상부와, 취득된 상기 화상 데이터 세트 중으로부터, 상기 측정 대상물 상의 동일 영역에 관한 데이터 세트로서, 세트 내의 전체 데이터가 유효 휘도 범위 내로 들어가고 있는 것을, 적정 데이터 세트로서 선출하는 선출부와, 선출된 상기 적정 데이터 세트에 근거하여, 상기 측정 대상물에서 상기 적정 데이터의 취득원으로 된 영역의 형상을 구하는 형상 산출부를 구비한다.
본 발명의 형상 측정 방법은, 공통의 반복 구조를 갖고, 또한 위상이 다른 복수 종류의 패턴을 측정 대상물 상에 순차적으로 투영하는 투영 수순과, 상기 복수 종류의 패턴의 각각이 상기 측정 대상물에 투영될 때마다 상기 측정 대상물을 촬상하여 화상 데이터 세트를 취득하는 촬상 수순과, 상기 측정 대상물 상의 동일 영역에 관한 데이터 세트로서, 세트 내의 전체 데이터가 유효 휘도 범위 내에 들어가고 있는 것을, 적정 데이터 세트로서 선출하는 선출 수순과, 선출된 상기 적정 데이터 세트에 근거하여, 상기 측정 대상물에서 상기 적정 데이터의 취득원으로 된 영역의 형상을 구하는 형상 산출 수순을 포함한다.
본 발명에 의하면, 부적절한 휘도 데이터가 측정 결과에 주는 영향을 확실히 억제할 수 있는 형상 측정 장치 및 형상 측정 방법이 실현된다.
도 1은 3차원 형상 측정 장치의 사시도,
도 2는 3차원 형상 측정 장치의 전체 구성도,
도 3은 측정에 관한 CPU(15)(및 제어부(101))의 동작 흐름도,
도 4는 해석에 관한 CPU(15)의 동작 흐름도,
도 5는 제 1 실시 형태의 해석의 흐름을 설명하는 도면,
도 6은 유효 휘도 범위를 설명하는 도면,
도 7은 언랩 후의 위상 화상 Ψk의 예,
도 8은 높이 분포 Zk의 예,
도 9는 제 2 실시 형태의 해석에 관한 CPU(15)의 동작 흐름도,
도 10은 제 2 실시 형태의 해석의 흐름을 설명하는 도면,
도 11은 셔터 속도와 휘도값의 관계를 나타내는 특성 커브,
도 12는 도 11의 가로축(셔터 속도)을 대수 눈금으로 나타낸 도면.
[제 1 실시 형태]
이하, 본 발명의 제 1 실시 형태로서 3차원 형상 측정 장치를 설명한다.
도 1은 본 실시 형태의 3차원 형상 측정 장치의 기계적 구성을 나타내는 사시도이다. 도 1에 나타내는 바와 같이 3차원 형상 측정 장치는 공업 제품 또는 부품 등의 측정 대상물(11)을 탑재하는 스테이지(12)와, 서로 고정된 투영부(13) 및 촬상부(14)를 구비한다. 투영부(13)의 광축과 촬상부(14)의 광축 사이에는 각도가 부여되어 있고, 양자의 광축은 스테이지(12)의 기준면 상에서 교차하고 있다. 이 중 촬상부(14)의 광축은 스테이지(12)의 기준면에 대해 수직이다. 또, 촬상부(14)의 광축을 수직으로 하는 대신에 투영부(13)의 광축을 수직으로 하는 것도 가능하지만, 여기서는 촬상부(14)의 광축쪽이 수직이라고 가정한다.
스테이지(12)는 촬상부(14)의 광축과 평행한 축의 주위로 측정 대상물(11)을 회전시키는 θ 스테이지(12θ)와, 촬상부(14)의 광축과 수직인 소정 방향(X 방향)을 향해 측정 대상물(11)을 시프트시키는 X 스테이지(12X)와, θ 스테이지(12θ)의 회전축과 X 방향의 쌍방에 대해 수직인 소정 방향(Y 방향)을 향해 측정 대상물(11)을 시프트시키는 Y 스테이지(12Y)를 구비한다.
투영부(13)는, 스테이지(12) 상의 일부의 영역(조명 영역)을, 촬상부(14)의 광축에 대해 경사 방향으로부터 조명하는 광학계로서, 조명 소자(22)와, 패턴 형성부(23)와, 투영 광학계(24)를 이 순서로 배치하고 있다. 또, 본 실시 형태의 측정 대상물(11)의 사이즈는 투영부(13)의 조명 영역 내에 측정 대상물(11)의 전체가 들어가는 정도로 작은 것이라고 가정한다.
투영부(13)의 패턴 형성부(23)는, 투과율 분포가 가변인 패널(액정 표시 소자 등)이며, 그 패널에 줄무늬 패턴(정현 격자 패턴)을 표시하는 것에 의해, 투영부(13)로부터 조명 영역으로 향하는 조명 광속(光束)의 단면 강도 분포를 정현파 형상으로 한다. 패턴 형성부(23)에 표시되는 정현 격자 패턴의 격자 형상의 명암의 반복 방향은 투영부(13)의 광축과 촬상부(14)의 광축의 쌍방이 존재하고 있는 면에 대해 수직이다. 또한, 패턴 형성부(23)의 표시면 상의 중앙 근방에 위치하는 기준점은, 촬상부(14)의 광축과 투영부(13)의 광축의 교차점에 대해서, 광학적으로 공액이며, 이것에 의해서 정현 격자 패턴의 투영 대상은 스테이지(12)의 조명 영역 내에 배치된 측정 대상물(11)의 표면(이하, 「피검면」이라고 칭함)으로 설정되어 있다. 또, 피검면 상에 정현 격자 패턴을 투영할 수 있다면, 패턴 형성부(23)의 기준점과 스테이지(12)의 기준점이 완전한 공액 관계로 되어 있지 않더라도 상관없다.
촬상부(14)는, 스테이지(12) 상의 조명 영역의 상(像)(휘도 분포)을 검출하는 광학계로서, 그 조명 영역에서 발생한 반사광을 결상하는 결상 광학계(25)와, 결상 광학계(25)가 결상한 상을 촬상하여 화상을 취득하는 촬상 소자(26)가 순서대로 배치된다. 촬상 소자(26)의 촬상면 상의 중앙 근방에 위치하는 기준점은 촬상부(14)의 광축과 투영부(13)의 광축의 교차점에 대해 광학적으로 공액이고, 촬상 소자(26)는 스테이지(12) 뒤에서, 투영부(13)에 의한 조명 영역 내에 배치된 측정 대상물(11)의 화상(피검면의 화상)을 취득할 수 있다. 또, 피검면의 화상을 충분한 콘트라스트로 취득할 수 있다면, 촬상부(14)의 광축과 투영부(13)의 광축의 교차점과, 촬상 소자(26)의 기준점이 완전한 공액 관계로 되어 있지 않더라도 상관없다.
여기서, 투영부(13)의 광원(도 2의 참조부호 21)을 온하고, 이 상태에서 촬상 소자(26)를 구동하면, 정현 격자 패턴이 투영된 피검면의 화상(=피검면의 면 형상 정보를 포함한 화상)을 취득할 수 있다. 이하, 이 화상을 「줄무늬 화상」이라고 칭한다. 또, 정현 격자 패턴의 주기는 바꾸지 않고, 정현 격자 패턴의 위상을 시프트시키면서 줄무늬 화상의 취득을 반복하면, 피검면의 면 형상 데이터 D를 기지(旣知)로 하기 위한 정보가 갖추어진다.
또, 피검면은, 반사율이 높은 재질, 예를 들면 금속으로 이루어지며, 경사 각도가 다른 여러 부분을 포함한 경우가 있다. 이 경우, 피검면을 촬상부(14)의 옆에서 보면, 그 피검면에는, 극단적으로 밝은 부분과 극단적으로 어두운 부분이 혼재하게 된다. 극단적으로 밝은 부분은 투영부(13)의 옆으로부터 입사한 조명광의 대부분(주로 정반사광)을 촬상부(14)의 방향으로 향해 반사하는 경사 각도를 가진 부분이고, 극단적으로 어두운 부분은 투영부(13)의 옆으로부터 조사된 조명광의 대부분(주로 정반사광)을 촬상부(14)로부터 어긋난 방향으로 향해 반사하는 경사 각도를 가진 부분이다.
도 2는 3차원 형상 측정 장치의 전체 구성도이다. 도 2에서 도 1에 나타낸 요소와 동일한 것에는 동일한 부호를 부여하였다. 도 2에 나타내는 바와 같이 투영부(13)에는, 투영부(13)의 광원인 메인 광원(21)이 연결되어 있다. 이 메인 광원(21)은, 패턴 투영형의 면 형상 측정에 사용되는 것이기 때문에, 예를 들면, LED, 할로겐 램프, 메탈할라이드 램프, 레이저 광원 등의 일반적인 광원을 적용할 수 있다. 메인 광원(21)으로부터 사출된 광은 광 파이버(21')를 거쳐서 조명 소자(22)에 도입된다. 또, 여기서는 광 파이버(21')를 사용한 예를 나타내지만, 광 파이버를 사용하지 않고 LED 등의 소형 광원을 도 1의 참조부호 22로 나타낸 위치에 배치하더라도 좋다.
이 메인 광원(21)과, 투영부(13)의 패턴 형성부(23)와, 촬상부(14)의 촬상 소자(26)는 각각 컴퓨터(100)의 제어부(101)에 접속되어 있다.
제어부(101)는, 메인 광원(21)을 온/오프하는 타이밍, 메인 광원(21)의 발광 강도, 패턴 형성부(23)에 표시되는 정현 격자 패턴의 위상, 촬상 소자(26)에 의한 화상의 취득 타이밍, 촬상 소자(26)에 의한 화상 취득시의 전하 축적 시간(이하, 「셔터 속도」라고 칭함), 스테이지(12)의 좌표 등을 제어한다. 또, 제어부(101)는 패턴 형성부(23)에 표시되는 패턴을 일정한 패턴으로 설정할 수도 있다.
컴퓨터(100)에는, 제어부(101) 외에, 3차원 형상 측정 장치의 전체를 통괄하는 CPU(15)와, 기억부(16)와, 모니터(17)와, 입력부(18)가 구비된다. 기억부(16)에는, CPU(15)의 동작 프로그램이 미리 저장되어 있고, CPU(15)는 그 동작 프로그램에 따라 동작한다. 예를 들면, CPU(15)는 제어부(101)에 대해 각종 지시를 인가하는 것에 의해 3차원 형상 측정 장치의 각부(各部)를 구동 제어한다. 또, 기억부(16)에는, 상술한 동작 프로그램 외에, CPU(15)의 동작에 필요한 각종 정보도 미리 저장되어 있다.
도 3은 측정에 관한 CPU(15)(및 제어부(101))의 동작 흐름도이다. 이하, 도 3의 각 스텝을 순서대로 설명한다. 또, 이 흐름의 개시 시점에서는, 스테이지(12)의 좌표는 적절한 좌표로 조정되어 있는 것으로 한다.
스텝 S10: CPU(15)는 전(前) 측정을 실시하도록 제어부(101)에 지시한다. 제어부(101)는 3차원 형상 측정 장치의 각부를 구동하여 전 측정을 실시한다. 전 측정에 있어서, 제어부(101)는, 패턴 형성부(23)에 표시하는 패턴을 일정한 밝은 패턴(정현 격자 패턴의 명부(明部)와 동일한 밝기의 일정한 패턴)으로 설정하고, 촬상 소자(26)를 여러 셔터 속도 하에서 반복해서 구동한다. 이러한 전 측정에서 취득된 복수의 화상은 피검면으로부터 촬상부(14)로 도달하는 광량의 편차를 나타내는 정보로서 CPU(15)에 보내진다. CPU(15)는, 후술하는 결정 방법에 의해 kmax가지의 측정 조건을 결정하면, 그들 kmax가지의 측정 조건의 정보와, 본 측정의 개시 지시를 제어부(101)에 인가한다.
여기서, kmax가지의 측정 조건간에서는, 셔터 속도 이외의 파라미터는 공통이며, 조건 번호 k가 작은 측정 조건일수록 셔터 속도는 크게(노광량은 크게) 설정되는 것으로 한다. 또한, 조건 번호 k의 최종값 kmax는, 본 장치의 사용자 또는 본 장치의 제조자에 의해서 미리 설정되고, 여기서는 「6」으로 설정되었다고 가정한다. 이하, 조건 번호가 k인 측정 조건의 셔터 속도를 「SS(k)」라고 나타낸다.
스텝 S11: 제어부(101)는 조건 번호 k를 초기값 1로 설정한다.
스텝 S12: 제어부(101)는 촬상 소자(26)의 셔터 속도를, 현재의 조건 번호 k에 대응한 셔터 속도 SS(k)로 설정한다.
스텝 S13: 제어부(101)는 화상 번호 m을 초기값 1로 설정한다.
스텝 S14: 제어부(101)는 정현 격자 패턴의 위상 시프트량을, 현재의 화상 번호 m에 대응한 시프트량 (m-1)π/2로 설정한다.
스텝 S15: 제어부(101)는, 광원 장치(21)를 ON하는 것에 의해, 위상 시프트량이 (m-1)π/2인 정현 격자 패턴을 측정 대상물(11)에 투영하면, 현재의 셔터 속도 SS(k)로 촬상 소자(26)를 구동하여 줄무늬 화상 Ikm을 취득한다. 취득된 줄무늬 화상 Ikm은 CPU(15)를 경유하여 기억부(16)에 기입된다.
스텝 S16: 제어부(101)는, 현재의 화상 번호 m이 최종값 mmax에 도달했는지 여부를 판별하고, 도달하지 않으면 스텝 S17로 이행하고, 도달하고 있으면 스텝 S18로 이행한다. 또, 여기서는 후술하는 위상 산출에 4버킷법이 적용되는 것을 상정하고, 화상 번호 m의 최종값 mmax는 「4」로 설정되었다고 가정한다.
스텝 S17: 제어부(101)는 화상 번호 m을 증가시키고 나서 스텝 S14로 되돌아간다. 따라서, 스텝 S14~S17의 루프는 반복되고, 전체적으로 4매의 줄무늬 화상(줄무늬 화상 세트 Ik1~Ik4)이 취득된다.
스텝 S18: 제어부(101)는, 현재의 조건 번호 k가 최종값 kmax에 도달했는지 여부를 판별하고, 도달하지 않으면 스텝 S19로 이행하고, 도달하고 있으면 흐름을 종료한다.
스텝 S19: 제어부(101)는 조건 번호 k를 증가시키고 나서 스텝 S12로 되돌아간다. 따라서, 스텝 S12~S19의 루프는 반복되고, 전체적으로 6개의 줄무늬 화상 세트 I11~I14, I21~I24, I31~I34, I41~I44, I51~I54, I61~I64가 취득된다(도 5(a) 참조).
도 4는 해석에 관한 CPU(15)의 동작 흐름도이다. 이하, 도 4의 각 스텝을 순서대로 설명한다. 또, 흐름의 개시 시점에서는, 6개의 줄무늬 화상 세트 I11~I14, I21~I24, I31~I34, I41~I44, I51~I54, I61~I64(도 5(a) 참조)는 이미 기억부(16)에 저장이 끝난 상태로 한다.
스텝 S21: CPU(15)는 조건 번호 k를 초기값 1로 설정한다.
스텝 S22: CPU(15)는 화소 번호 i를 초기값 1로 설정한다.
스텝 S23: CPU(15)는, 현재의 조건 번호 k에 대응하는 줄무늬 화상 세트 Ik1~Ik4 중, 현재의 화소 번호 i에 대응하는 화소 세트(휘도값 세트 Ik1i~Ik4i)를 참조한다. 그리고, CPU(15)는 그 휘도값 세트 Ik1i~Ik4i를 4버킷법의 식 (1)에 적용시키는 것에 의해 초기 위상 φki를 산출한다. 또, CPU(15)는 그 초기 위상 φki의 값을, 현재의 조건 번호 k에 대응하는 잠정 위상 화상 φk(도 5(b) 참조)의 i번째의 화소 φki의 값으로서 기억부(16)에 기입한다.
Figure pct00001
스텝 S24: CPU(15)는, 현재의 화소 번호 i가 최종값 imax에 도달했는지 여부를 판별하고, 도달하지 않으면 스텝 S25으로 이행하고, 도달하고 있으면 스텝 S26으로 이행한다. 또, 화소 번호 i의 최종값 imax는 촬상 소자(26)의 화소수 상당으로 설정된다.
스텝 S25: CPU(15)는 화소 번호 i를 증가시키고 나서 스텝 S23으로 되돌아간다. 따라서, 스텝 S23~S25의 루프는 반복되고, 현재의 조건 번호 k에 대응하는 잠정 위상 화상 φk(도 5(b) 참조)의 전체 화소가 취득된다.
스텝 S26: CPU(15)는, 현재의 조건 번호 k가 최종값 kmax(여기서는 6)에 도달했는지 여부를 판별하고, 도달하지 않으면 스텝 S27로 이행하고, 도달하고 있으면 스텝 S28로 이행한다.
스텝 S27: CPU(15)는 조건 번호 k를 증가시키고 나서 스텝 S22로 되돌아간다. 따라서, 스텝 S22~S27의 루프는 반복되고, 전체적으로 6개의 잠정 위상 화상 φ1, φ2, φ3, φ4, φ5, φ6(도 5(b) 참조.)이 취득된다.
스텝 S28: CPU(15)는 화소 번호 i를 초기값 1로 설정한다.
스텝 S29: CPU(15)는 조건 번호 k를 초기치 1로 설정한다.
스텝 S30: CPU(15)는, 현재의 조건 번호 k에 대응하는 잠정 위상 화상 φk 중, 현재의 화소 번호 i에 대응하는 화소(초기 위상 φki)가, 신뢰성을 갖고 있는지 여부를 판별하고, 신뢰성을 갖지 않았던 경우는 스텝 S31로 이행하고, 신뢰성을 갖고 있었던 경우는 스텝 S32로 이행한다.
여기서, 초기 위상 φki가 신뢰성을 갖고 있는지 여부는, 초기 위상 φki의 산출원으로 된 휘도값 세트(휘도값 세트 Ik1i~Ik4i)가 적정한지 여부, 즉, 휘도값 세트 Ik1i~Ik4i의 모두가 유효 휘도 범위에 들어가 있었는지 여부에 의해서 판별된다.
또한, 유효 휘도 범위는, 도 6에 나타내는 바와 같이, 촬상 소자(26)의 전체출력 범위(전체 휘도 범위 Imin~Imax) 중, 촬상 소자(26)의 입출력 특성이 선형으로 되는 휘도 범위 Imin'~Imax'인 것이다. 이 유효 휘도 범위는 본 장치의 제조자가 미리 측정하여, 전술한 동작 프로그램과 함께 기억부(16)에 미리 기입한 것이다.
스텝 S31: CPU(15)는 조건 번호 k를 증가시키고 나서 스텝 S30으로 되돌아간다. 따라서, 스텝 S30, S31의 루프는 신뢰성을 가진 화소(초기 위상 φki)가 발견될 때까지 반복된다.
스텝 S32: CPU(15)는, 스텝 S30에서 신뢰성 있다고 판별된 초기 위상 φki의 값을, 확정 위상 화상 φ(도 5(c) 참조)의 i번째의 화소 φi의 값으로서 기억부(16)에 기입한다.
스텝 S33: CPU(15)는, 현재의 화소 번호 i가 최종값 imax에 도달했는지 여부를 판별하고, 도달하지 않으면 스텝 S34로 이행하고, 도달하고 있으면 스텝 S35로 이행한다.
스텝 S34: CPU(15)는 화소 번호 i를 증가시키고 나서 스텝 S29로 되돌아간다. 따라서, 스텝 S29~S34의 루프는 반복되고, 확정 위상 화상 φ(도 5(c) 참조)의 전체 화소가 취득된다.
스텝 S35: CPU(15)는, 확정 위상 화상 φ을 기억부(16)로부터 판독하고, 그 확정 위상 화상 φ에 오프셋 분포 Δ를 가산하는 언랩 처리(위상 접속)를 행하고, 언랩 후의 위상 화상 Ψ(도 7 참조)을 취득한다(또, 오프셋 분포 Δ는 별도 측정되어 기억부(16)에 미리 저장된 것 혹은 위상 점프 검출에 의해 자동으로 설정된 것이다). 또, CPU(15)는, 언랩 후의 위상 화상 Ψ(도 7 참조)를, 피검면의 높이 분포 Z(X, Y)(도 8 참조)로 환산하고 나서 모니터(17) 상에 표시한다. 또한, CPU(15)는, 필요에 따라 높이 분포 Z(X, Y)를 기억부(16)에 보존하고, 흐름을 종료한다(이상, 도 4의 설명).
이상, 본 실시 형태의 측정 장치는, 셔터 속도를 변화시키면서, 각 화소의 휘도 변화 데이터(휘도값 세트 Ik1i~Ik4i)의 취득을 6회 반복(스텝 S11~S19), 6개의 휘도값 세트 I11i~I14i, I21i~I24i, I31i~I34i, I41i~I44i, I51i~I54i, I61i~I64i를 취득한다. 그리고, 6개의 휘도값 세트 I11i~I14i, I21i~I24i, I31i~I34i, I41i~I44i, I51i~I54i, I61i~I64i 중에서 적정한 휘도값 세트를 선출하여 높이 분포 Z(X, Y)를 산출한다(스텝 S28~S35).
따라서, 본 실시 형태의 측정 장치는 피검면에 극단적으로 밝은 부분과 극단적으로 어두운 부분이 혼재하고 있었다고 하더라도, 측정을 고정밀도로 행할 수 있다.
게다가, 본 실시 형태의 측정 장치는, 촬상 소자(26)의 입출력 특성이 선형으로 되는 출력 범위인 유효 휘도 범위(도 6 참조)를 미리 기억하고 있고, 그 선출에서는, 6개의 휘도값 세트 I11i~I14i, I21i~I24i, I31i~I34i, I41i~I44i, I51i~I54i, I61i~I64i 중 유효 휘도 범위 내에 들어가 있는 휘도값 세트를 적정한 휘도값 세트로 간주한다.
여기서, 4버킷법(식 (1)) 등의 일반적인 위상 연산식은, 위상 시프트 중의 각 버킷의 관계를 이용하는 것이기 때문에, 각 버킷의 관계가 부정확하다면, 연산 오차가 현저하게 커질 우려가 있다.
그러나, 본 실시 형태에서 적정하다고 간주되는 휘도값 세트는, 도 6에 나타낸 유효 휘도 범위 내(입출력 특성이 선형인 범위 내)에 들어간 휘도값 세트이기 때문에, 위상 시프트 중의 각 버킷의 관계를 정확하게 반영하고 있다.
따라서, 본 실시 형태의 측정 장치에 의하면, 위상 연산의 정밀도를 확실히 높일 수 있다.
또, 본 실시 형태의 측정 장치는, 적정한지 여부의 판별을, 셔터 속도가 큰(노광량이 큰) 휘도값 세트로부터 순차적으로 행하고, 만일, 적정한 휘도값 세트가 복수 존재한 경우에는, 그들 복수의 휘도값 세트 중에서 셔터 속도의 가장 큰(노광량의 큰) 것이 선출되도록 하고 있다.
따라서, 본 실시 형태의 측정 장치에 의하면, SN비가 양호한 휘도값 세트가 우선적으로 사용되게 되어, 위상 연산의 정밀도가 보다 높아진다.
[제 2 실시 형태]
이하, 본 발명의 제 2 실시 형태를 설명한다. 여기서는, 제 1 실시 형태와의 차이점만을 설명한다. 제 1 실시 형태와의 차이점은 해석에 관한 CPU(15)의 동작에 있다.
도 9는 제 2 실시 형태의 해석에 관한 CPU(15)의 동작 흐름도이다. 이하, 도 9의 각 스텝을 순서대로 설명한다. 또, 흐름의 개시 시점에서는, 6개의 줄무늬 화상 세트 I11~I14, I21~I24, I31~I34, I41~I44, I51~I54, I61~I64(도 10(a) 참조)는 이미 기억부(16)에 저장이 끝난 상태로 한다.
스텝 S41: CPU(15)는 화소 번호 i를 초기값 1로 설정한다.
스텝 S42: CPU(15)는 조건 번호 k를 초기값 1로 설정한다.
스텝 S43: CPU(15)는, 현재의 조건 번호 k에 대응하는 줄무늬 화상 세트 Ik1~Ik4 중, 현재의 화소 번호 i에 대응하는 화소 세트(휘도값 세트 Ik1i~Ik4i)를 참조한다. 그들 휘도값 세트 Ik1i~Ik4i가 적정한지 여부를 판별하고, 적정하지 않은 경우는 스텝 S44로 이행하고, 적정한 경우는 스텝 S45로 이행한다.
여기서, 휘도값 세트 Ik1i~Ik4i가 적정한지 여부는 휘도값 세트 Ik1i~Ik4i 모두가 유효 휘도 범위 내에 들어가 있는지 여부에 의해서 판별된다. 이 유효 휘도 범위는, 상술한 스텝 S30에서 사용한 것과 동일하며, 본 장치의 제조자가 미리 측정하여, 전술한 동작 프로그램과 함께 기억부(16)에 미리 기입한 것이다.
스텝 S44: CPU(15)는 조건 번호 k를 증가시키고 나서 스텝 S43으로 되돌아간다. 따라서, 스텝 S43~S44의 루프는 적정한 휘도값 세트가 발견될 때까지 반복된다.
스텝 S45: CPU(15)는 스텝 S43에서 적정하다고 판별된 휘도값 세트 Ik1i~Ik4i를 4버킷법의 식 (1)에 적용시키는 것에 의해 초기 위상 φki를 산출한다. 그리고, CPU(15)는, 그 초기 위상 φki의 값을, 확정 위상 화상 φ(도 10(b) 참조)의 i번째의 화소 φi의 값으로서 기억부(16)에 기입한다.
스텝 S46: CPU(15)는, 현재의 화소 번호 i가 최종값 imax에 도달했는지 여부를 판별하고, 도달하지 않으면 스텝 S47로 이행하고, 도달하고 있으면 스텝 S48로 이행한다. 또, 화소 번호 i의 최종값 imax는 촬상 소자(26)의 화소수 상당으로 설정된다.
스텝 S47: CPU(15)는 화소 번호 i를 증가시키고 나서 스텝 S42로 되돌아간다. 따라서, 스텝 S42~S47의 루프는 반복되고, 확정 위상 화상 φ(도 10(b) 참조)의 전체 화소가 취득된다.
스텝 S48: CPU(15)는, 확정 위상 화상 φ을 기억부(16)로부터 판독하고, 그 확정 위상 화상 φ에 오프셋 분포 Δ를 가산하는 언랩 처리(위상 접속)를 행하고, 언랩 후의 위상 화상 Ψ(도 7 참조)을 취득한다(또, 오프셋 분포 Δ는 별도 측정되어 기억부(16)에 미리 저장된 것, 혹은, 위상 점프 검출에 의해 자동으로 설정된 것이다.). 또, CPU(15)는, 언랩 후의 위상 화상 Ψ(도 7 참조)을, 피검면의 높이 분포 Z(X, Y)(도 8 참조)로 환산하고 나서 모니터(17) 상에 표시한다. 또한, CPU(15)는, 필요에 따라 높이 분포 Z(X, Y)를 기억부(16)에 보존하고, 흐름을 종료한다(이상, 도 9의 설명).
이상, 본 실시 형태의 측정 장치도, 촬상 소자(26)의 입출력 특성이 선형으로 되는 출력 범위인 유효 휘도 범위(도 6 참조)를 미리 기억하고 있어, 6개의 휘도값 세트 I11i~I14i, I21i~I24i, I31i~I34i, I41i~I44i, I51i~I54i, I61i~I64i 중 유효 휘도 범위 내에 들어가 있는 휘도값 세트를 적정한 휘도값 세트로서 선출한다.
따라서, 본 실시 형태의 측정 장치에 의하면, 위상 연산의 정밀도를 확실히 높일 수 있다.
게다가, 본 실시 형태의 측정 장치는, 잠정 위상 화상을 취득하지 않고 휘도값 세트의 선출을 끝마치고 나서 확정 위상 화상을 작성하기 때문에, 위상 연산의 대상을, 선출된 휘도값 세트만으로 할 수 있으므로, 위상 연산에 요하는 연산 부하를 대폭적으로 삭감할 수 있다.
[측정 조건의 결정 방법]
이하, 상술한 kmax가지의 측정 조건(여기서는 kmax가지의 셔터 속도)의 결정 방법을 설명한다.
도 11은 셔터 속도와 휘도값의 관계를 나타내는 특성 커브이다. 또, 도 11에 나타내는 데이터는, 측정 대상물(11)과 촬상 소자(26)의 조합에 고유한 데이터로서, 예를 들면, 상술한 전(前) 측정 등에서 취득된 데이터이다.
도 11에 나타낸 복수의 특성 커브는 피검면 상에서 서로 밝기가 다른 부분에 대응하는 화소에 관한 특성 커브이다. 도 11에 나타내는 바와 같이, 통상은, 피검면 상에서 밝은 부분에 대응하는 화소(밝은 화소)일수록, 특성 커브의 기울기가 커진다. 도 11에서 기울기가 가장 작은 특성 커브가, 피검면 상에서 가장 어두운 부분에 대응하는 화소(가장 어두운 화소)의 특성 커브이며, 기울기가 가장 큰 특성 커브가, 피검면 상에서 가장 밝은 부분에 대응하는 화소(가장 밝은 화소)의 특성 커브이다.
또, 여기서는, 알기 쉽게 하기 위해서, 유효 휘도 범위를 50~200의 좁은 휘도 범위라고 가정하고, 이 유효 휘도 범위 내의 휘도값를 출력하는 화소를 「유효 화소」라고 칭하고, 이 유효 휘도 범위 외의 휘도값를 출력하는 화소를 「무효 화소」라고 칭한다.
먼저, 셔터 속도의 변화 범위의 설정 방법을 설명한다.
셔터 속도의 변화 범위의 상한값 SSmax는 셔터 속도가 SSmax일 때 가장 어두운 화소가 유효 화소으로 되는 값(가장 어두운 화소의 특성 커브가 타원 범위 내에 들어가는 값)으로 설정된다. 여기서는, 도 11에 나타내는 바와 같이, 상한값 Smax는 100ms로 설정된 것으로 한다.
한편, 셔터 속도의 변화 범위의 하한값 SSmin은 셔터 속도가 SSmin일 때 가장 밝은 화소가 유효 화소로 되는 값(가장 밝은 화소의 특성 커브가 점선 범위 내에 들어가는 값)으로 설정된다. 여기서는, 도 11에 나타내는 바와 같이, 하한값 Smin은 1 ms로 설정된 것으로 한다.
다음으로, 셔터 속도의 변화 피치 Δ의 설정 방법을 설명한다.
만일, 변화 피치 Δ를 일정하게 하는 경우는 식 (2)와 같이 설정하면 좋다.
Figure pct00002
따라서, SSmax=100ms, SSmin=1ms인 경우는Δ=19.8ms로 된다.
그리고, k번째의 셔터 속도 SS(k)는 식 (3)과 같이 설정하면 좋다.
Figure pct00003
따라서, SSmax=100ms, SSmin=1ms,Δ=19.8ms의 경우는, 도 11에 나타내는 바와 같이, SS(1)=100ms, SS(2)=80.2, SS(3)=60.4, SS(4)=40.6, SS(5)=20.8ms, SS(6)=1ms로 된다.
따라서, 셔터 속도를 SS(0)로부터 SS(6)으로 향해 1단계씩 전환해 가면, 최초로 유효 화소로 되는 화소는(타원 범위 내에 특성 커브가 들어가는 화소는), 비교적 어두운 화소만이지만, 서서히 밝은 화소가 유효 화소로 되기 시작하여, 최종적으로는 지극히 밝은 화소만이 유효 화소로 된다.
그러나, 이렇게 변화 피치 Δ가 일정하면, 셔터 속도가 어느 단계로 설정되었다고 하더라도 유효 화소로 될 수 없는 화소(특성 커브가 어느 쪽의 타원 범위에도 들어가지 않는 화소)가 발생할 가능성이 있다. 구체적으로, 비교적 밝은 화소는 특성 커브의 기울기가 크기 때문에, 비교적 밝은 화소 중에는, 셔터 속도를 예를 들면 SS(5)로부터 SS(6)로 전환했을 때에, 전환 전후의 어느 쪽에서도 유효 화소로 될 수 없는 화소(특성 커브가 타원 범위에 들어갈 수 없는 화소)가 존재하고 있다(도 11의 ※표를 참조).
그래서, 본 실시 형태에서는, 셔터 속도의 변화 피치 Δ를 일정하게 하는 것이 아니라, 셔터 속도의 변화 피치 Δ를, 셔터 속도가 작을수록 미세하게 설정하는 것이 바람직하다. 이것을 실현하기 위해서는, 예를 들면, 셔터 속도의 변화 피치 Δ를 일정하게 하는 대신에, 셔터 속도의 대수 눈금 상의 변화 피치 Δ'를 일정하게 하면 좋다.
도 12는 도 11의 가로축(셔터 속도)을 대수 눈금으로 나타낸 것이다. 본 실시 형태에서는, 셔터 속도 SS(0)~SS(6)를 이 대수 눈금 상에서 균등하게 설정한다.
그 경우, 셔터 속도의 대수 눈금 상의 변화 피치 Δ'를 식 (4)와 같이 설정하면 좋다.
Figure pct00004
따라서, SSmax=100ms, SSmin=1ms의 경우는 Δ'≒0.4로 된다.
그리고, k번째의 셔터 속도 SS(k)는 식 (5)와 같이 설정하면 좋다.
Figure pct00005
따라서, SSmax=100ms, SSmin=1ms, Δ'≒0.4의 경우는, SS(1)=100ms, SS(2)≒39.8ms, SS(3)≒15.8ms, SS(4)≒6.3ms, SS(5)≒2.5ms, SS(6)=1ms로 된다.
이렇게 하면, 셔터 속도의 변화 피치 Δ는 셔터 속도가 작을수록 미세하게 설정된다. 이 경우, 유효 화소로 될 수 없는 화소(도 11의 ※표)의 개수를 줄일 수 있다. 덧붙여서, 도 12의 예에서는, 유효 화소로 될 수 없는 화소의 개수는 제로로 되어 있다.
또, 여기서는 대수의 바닥의 값을 「10」이라고 했지만, 다른 값으로 설정하더라도 좋은 것은 말할 필요도 없다.
[실시 형태에의 보충]
또, 상기 실시 형태에서는, kmax가지의 측정 조건간의 노광량에 차이를 마련하기 위해서, 촬상 소자(26)의 셔터 속도를 변경했지만, 광원으로부터 촬상 소자까지의 어떤 광로에 배치된 조리개(개구 조리개)의 조리개값을 변경하더라도 좋다. 혹은, 투영부(13)의 광원 파워를 변경하더라도 좋다. 혹은, 광원으로부터 촬상 소자까지의 어떤 광로의 투과율을 변경하더라도 좋다(그 경우는, 투과율이 다른 복수의 필터를 장착하고, 그들 필터 중 하나를 선택적으로 광로에 삽입 가능한 기구를 사용하면 좋다).
또한, 상기 실시 형태의 위상 시프트법에는, 초기 위상의 산출에 필요한 줄무늬 화상의 수가 4인 4버킷법이 적용되었지만, 그 수가 3인 3버킷법, 그 수가 7인 7버킷법 등, 다른 위상 시프트법이 적용되어도 좋다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 복수가지의 노광량으로 복수 세트의 줄무늬 화상 세트를 취득하고, 그들 복수 세트의 줄무늬 화상 세트 중에서 적정한 휘도값 세트를 선출하는 처리를 측정 대상물 상의 영역마다 행하고, 영역마다의 적정한 휘도값 세트에 근거하여, 영역마다의 초기 위상 데이터(및 높이 데이터)를 산출했지만, 다음과 같이 변형하더라도 좋다.
즉, 상기 실시 형태의 변형예에서는, 1가지의 노광량으로 1세트의 줄무늬 화상 세트를 취득하고, 그 줄무늬 화상 세트 중에서, 측정 대상물 상에서 노광량이 적정인 영역의 휘도값 세트(즉, 세트 내의 전체 휘도값이 유효 휘도 범위 내에 들어가 있던 휘도값 세트)를 선출하고, 선출한 휘도값 세트에 근거하여, 측정 대상물 상의 당해 영역에서의 초기 위상 데이터(및 높이 데이터)를 산출한다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 측정 대상물 상으로 투영되는 패턴으로서 정현 격자 패턴을 사용했지만, 반복 구조를 갖고 있다면 정현 격자 패턴 이외의 패턴을 사용하더라도 좋다.
또한, 상기 실시 형태의 기억부(16)에 기억되어 있는 프로그램은 버전업 등으로 갱신된 펌웨어 프로그램이어더라도 좋다. 즉, 기존의 해석 처리의 펌웨어 프로그램을 갱신함으로써, 상기 실시 형태의 해석 처리(도 4, 도 9)를 제공하도록 하더라도 좋다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 해석 처리(도 4, 도 9)의 전부가 CPU에 의해서 소프트웨어적으로 실현되었지만, 해석 처리(도 4, 도 9)의 전부 또는 일부가 ASIC에 의해서 하드웨어적으로 실현되더라도 좋다.
11: 측정 대상물
12: 스테이지
13: 투영부
14: 촬상부
21: 광원 장치
101: 제어부
100: 컴퓨터

Claims (16)

  1. 공통의 반복 구조를 갖고, 또한 위상이 다른 복수 종류의 패턴을 측정 대상물 상에 순차적으로 투영하는 투영부와,
    상기 복수 종류의 패턴의 각각이 상기 측정 대상물에 투영될 때마다 상기 측정 대상물을 촬상하여 화상 데이터 세트를 취득하는 촬상부와,
    취득된 상기 화상 데이터 세트 중에서, 상기 측정 대상물 상의 동일 영역에 관한 데이터 세트로서, 세트 내의 전체 데이터가 유효 휘도 범위 내에 들어가 있는 것을, 적정 데이터 세트로서 선출하는 선출부와,
    선출된 상기 적정 데이터 세트에 근거하여, 상기 측정 대상물에서 상기 적정 데이터의 취득원으로 된 영역의 형상을 구하는 형상 산출부
    를 구비한 것을 특징으로 하는 형상 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    복수가지의 노광량의 각각으로 상기 촬상부에 상기 화상 데이터 세트를 취득시키는 것에 의해 복수 세트의 상기 화상 데이터 세트를 취득하는 제어부를 더 구비하며,
    상기 선출부는 상기 복수 세트의 상기 화상 데이터 세트 중에서 상기 적정 데이터 세트를 선출하는 처리를 상기 측정 대상물 상의 영역마다 행하는 것
    을 특징으로 하는 형상 측정 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 선출부는, 상기 복수 세트의 상기 화상 데이터 세트 중, 상기 촬상부의 입출력 특성이 선형으로 되는 상기 유효 휘도 범위 내에 휘도값이 들어가 있는 데이터 세트를, 상기 적정 데이터 세트로서 선출하는 것
    을 특징으로 하는 형상 측정 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 선출부는, 상기 복수 세트의 상기 화상 데이터 세트 중, 상기 유효 휘도 범위 내에 휘도값이 들어가 있고, 또한, 가능한 한 노광량이 많은 데이터 세트를, 상기 적정 데이터 세트로서 선출하는 것
    을 특징으로 하는 형상 측정 장치.
  5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 복수가지의 노광량간의 피치를, 상기 노광량이 낮을수록 미세하게 설정하는 것
    을 특징으로 하는 형상 측정 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 복수가지의 노광량간의 피치를, 상기 노광량의 대수 눈금 상에서 균등하게 되도록 설정하는 것
    을 특징으로 하는 형상 측정 장치.
  7. 제 2 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 복수 세트의 화상 데이터 세트의 취득에 앞서 상기 복수가지의 노광량의 값 범위를 설정하는 설정부를 더 구비하고,
    상기 설정부는, 상기 노광량의 값 범위의 상한값을, 상기 측정 대상물 상에서 가장 어두운 부분의 데이터가 상기 유효 휘도 범위 내에 들어가는 값으로 설정하고, 또한, 상기 노광량의 값 범위의 하한값을, 상기 측정 대상물 상에서 가장 밝은 부분의 데이터가 상기 유효 휘도 범위 내에 들어가는 값으로 설정하는 것
    을 특징으로 하는 형상 측정 장치.
  8. 제 2 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 촬상부의 전하 축적 시간을 변화시키는 것에 의해 상기 복수가지의 노광량을 설정하는 것
    을 특징으로 하는 형상 측정 장치.
  9. 공통의 반복 구조를 갖고, 또한 위상이 다른 복수 종류의 패턴을 측정 대상물 상에 순차적으로 투영하는 투영 단계와,
    상기 복수 종류의 패턴의 각각이 상기 측정 대상물에 투영될 때마다 상기 측정 대상물을 촬상하여 화상 데이터 세트를 취득하는 촬상 단계와,
    상기 측정 대상물 상의 동일 영역에 관한 데이터 세트로서, 세트 내의 전체 데이터가 유효 휘도 범위 내에 들어가 있는 것을, 적정 데이터 세트로서 선출하는 선출 단계와,
    선출된 상기 적정 데이터 세트에 근거하여, 상기 측정 대상물에서 상기 적정 데이터의 취득원으로 된 영역의 형상을 구하는 형상 산출 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 형상 측정 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    복수가지의 노광량의 각각으로 상기 촬상 단계에서 상기 화상 데이터 세트를 취득시키는 것에 의해 복수 세트의 상기 화상 데이터 세트를 취득하는 제어 단계를 더 포함하고,
    상기 선출 단계에서는, 상기 복수 세트의 상기 화상 데이터 세트 중에서 상기 적정 데이터 세트를 선출하는 처리를 상기 측정 대상물 상의 영역마다 행하는 것
    을 특징으로 하는 형상 측정 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 선출 순서에서는, 상기 복수 세트의 상기 화상 데이터 세트 중, 상기 촬상부의 입출력 특성이 선형으로 되는 상기 유효 휘도 범위 내에 휘도값이 들어가 있는 데이터 세트를, 상기 적정 데이터 세트로서 선출하는 것
    을 특징으로 하는 형상 측정 방법.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 선출 단계에서는, 상기 복수 세트의 상기 화상 데이터 세트 중, 상기 유효 휘도 범위 내에 휘도값이 들어가 있고, 또한, 가능한 한 노광량이 많은 데이터 세트를, 상기 적정 데이터 세트로서 선출하는 것
    을 특징으로 하는 형상 측정 방법.
  13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 단계에서는, 상기 복수가지의 노광량간의 피치를, 상기 노광량이 낮을수록 미세하게 설정하는 것
    을 특징으로 하는 형상 측정 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제어 단계에서는, 상기 복수가지의 노광량간의 피치를, 상기 노광량의 대수 눈금 상에서 균등하게 되도록 설정하는 것
    을 특징으로 하는 형상 측정 방법.
  15. 제 10 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 단계는 상기 복수 세트의 화상 데이터 세트의 취득에 앞서 상기 복수가지의 노광량의 값 범위를 설정하는 설정 단계를 더 포함하고,
    상기 설정 단계에서는, 상기 노광량의 값 범위의 상한값을, 상기 측정 대상물 상에서 가장 어두운 부분의 데이터가 상기 유효 휘도 범위 내에 들어가는 값으로 설정하고, 또한, 상기 노광량의 값 범위의 하한값을, 상기 측정 대상물 상에서 가장 밝은 부분의 데이터가 상기 유효 휘도 범위 내에 들어가는 값으로 설정하는 것
    을 특징으로 하는 형상 측정 방법.
  16. 제 10 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 단계에서는, 상기 촬상 단계의 전하 축적 시간을 변화시키는 것에 의해 상기 복수가지의 노광량을 설정하는 것
    을 특징으로 하는 형상 측정 방법.
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