WO2010134343A1 - 形状測定装置、観察装置および画像処理方法 - Google Patents

形状測定装置、観察装置および画像処理方法 Download PDF

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Definitions

  • such a shape measuring apparatus 500 uses the piezo drive device 530 to move the objective lens 540 continuously in the vertical direction (with a predetermined vertical width), for example, at a rate of 15 times per second. Reciprocating scanning is performed in a direction along the optical axis of the microscope. The image of the sample 550 imaged by the objective lens 540 while being reciprocally scanned in this way is captured by the high-speed camera 510 at a rate of one sheet per 1/900 second, and converted into a digital signal for control purposes.
  • the differential operator matches the pixel position of the target pixel in the target pixel of the target image and the target pixel in the first reference image captured before the symmetric image at an image acquisition interval. Pixel values of the surrounding four pixels of the pixel to be detected and the pixel values of the surrounding four pixels of the pixel whose pixel position coincides with the target pixel in the second reference image captured after the symmetric image at an image acquisition interval It is preferable that the four peripheral pixels in the first and second reference images have a weighted coefficient and have different pixel positions.
  • the two-beam interference objective lens 21 mainly includes a beam splitter 26, a bright field objective lens 27 for a reference surface, a reference surface 28, and a bright field objective lens 29 for an object.
  • a linique type optical interference optical system is illustrated.
  • the microscope barrel device 23 is configured to have an imaging lens (not shown) therein, and, as will be described later, in cooperation with the two-beam interference objective lens 21, interference image light including interference fringes. Is imaged on the imaging surface of the high-speed camera 24.
  • the control processor 30 includes digital image memories 31, 32, and 33 that store image data acquired from the high-speed camera 24 in units of one screen (one frame), a fine drive stage 13, and piezoelectric drive.
  • a drive control device 36 that controls the operation of the device 25, a high-speed image processor 34 that performs image processing, which will be described in detail later, and a control computer 35 that controls these operations in an integrated manner.
  • the control computer 35 stores captured images sequentially input from the high-speed camera 24 in the first to third digital image memories 31, 32, and 33 in units of one image, and stores them when the next image is acquired.
  • the image is updated (step S102). For example, as shown in FIG. 5A, in the process of sequentially acquiring images P 1 , P 2 , P 3 ,... Pn one by one at a predetermined sampling interval ⁇ P, first, the first (first) image is obtained. When P 1 is acquired, this image P 1 is stored in the first digital image memory 31. When the next (second) image P 2 is acquired, the image P 1 is transferred to and stored in the second digital image memory 32, and this image P 2 is stored in the first digital image memory 31 this time. Is done.
  • the high-speed image processor 34 performs the following operation every time an image is acquired.
  • a pixel for obtaining a local focus degree described later is set.
  • the pixel that acquires the local focus degree is described as a pixel of interest.
  • target pixels to be operated by the digital operators (differential operators) OP10, OP20, and OP30 are specified from the pixels of the image data stored in the digital image memories 31, 32, and 33.
  • the pixel values operated by the digital operators OP10, OP20, and OP30 are multiplied by a coefficient by the digital operator, and the local focus degree is obtained by a predetermined arithmetic expression.
  • the image stored in the image memory 32 corresponds to the target image defined in the claims
  • the image stored in the image memory 31 or the image memory 33 corresponds to the reference image defined in the claims.
  • the S of the image signal used for measurement is representatively represented when the surface of the sample 5 is a glossy surface (for example, a smooth plane having a surface roughness of 0.1 ⁇ m or less). Even when the / N ratio (lightness of the image used for measurement) is extremely low, the local focus degree in which the surface shape (fine irregularities) of the sample 5 is faithfully reflected by the digital operator OP1 as described above is used. Thus, the measurement accuracy of the surface height can be improved.
  • the height image of the sample 5 is generated again based on the surface height of the point corresponding to each sub-pixel region obtained in step S205 (step S207). Accordingly, as described above, for example, in an imaging device having 1000 ⁇ 1000 pixels, a process of dividing a 500 ⁇ 500 pixel region located on the center side into a 7 ⁇ 7 sub-pixel region is performed. Originally, a height image of the sample 5 having a high resolution having 3500 ⁇ 3500 pixels can be obtained from a height image consisting of 500 ⁇ 500 pixels. Further, this height image is obtained by calculating the surface height at which the local focusing degree obtained by using the digital operator OP1 for each pixel is maximum for each pixel as described above. Therefore, the measurement resolution of the surface height of the sample 5 is also improved, and as a result, the sample 5 is obtained from the height image of the sample 5 with high resolution in the height direction and the in-plane direction. It becomes possible to measure the surface shape.
  • the imaging optical system is configured to focus or diverge at a certain convergence angle. May be.
  • any image forming device can be used as long as it can form an image. For example, it can be applied to an imaging system that forms an image by focusing energy flux from the surface of an object to be measured using an energy beam other than light, such as an electron microscope. May be.

Abstract

　被測定物の形状を高分解能で識別することが可能な構成の形状測定装置、観察装置および画像処理方法を提供する。　形状測定装置は、複数の画像のうちから、１つの対象画像と対象画像を除く少なくとも１つの参考画像とを抽出して、対象画像と参考画像とにディジタルオペレータ（ＯＰ１）を作用させて、抽出された対象画像と参考画像の組ごとに対象画像の画素単位で局所合焦度を算出する高速画像プロセッサ（３４）と、画素単位で算出された複数の局所合焦度のうち画素毎に最大となる相対移動位置に基づいて、被測定物の表面高さを求める制御用コンピュータ（３５）とを備え、ディジタルオペレータ（ＯＰ１）は、局所合焦度を算出する上で、対象画像の注目画素の画素値と、参考画像において注目画素とは異なる画素位置に存する隣接画素の画素値とに対して重み付けがされた係数を持ち、局所合焦度は、ディジタルオペレータ（ＯＰ１）による注目画素の画素値と隣接画素の画素値との微分値である。

Description

形状測定装置、観察装置および画像処理方法
　本発明は、被測定物を撮像装置に対して相対移動させながら撮像して得られた画像から被測定物の形状を求める形状測定装置、観察装置およびその画像処理方法に関する。
　観察装置としては、例えば光学顕微鏡により観察される被測定物の表面高さを算出してその表面形状を求める形状測定装置がある（例えば、特許文献１を参照）。このような形状測定装置５００は、例えば図１４に示すように、対物レンズ５４０をピエゾ駆動装置５３０により、例えば１秒間に１５回の割合で連続的に（所定の上下幅で）上下方向、すなわち顕微鏡の光軸に沿った方向に往復走査させる。このように往復走査させながら、対物レンズ５４０により結像された試料５５０の画像は、１／９００秒間に１枚の割合で高速度カメラ５１０により撮像されるとともに、ディジタル信号に変換されて制御用プロセッサ５９０に出力される。制御用プロセッサ５９０は、入力された画像の各画素について合焦度（合焦の度合い）を計算し、往復走査における上限位置から下限位置までの範囲内において、画素毎に最も高い合焦度が検出された光軸方向位置をそれぞれ各画素に対応する点の相対高さとして求める。
特許第３７３７４８３号公報
　ところで、従来の形状測定装置５００においては、入力された画像の各画素について上述の合焦度を求める手法として、例えば図１５（Ａ）に示すように、取得した画像内において３×３画素の画素ブロックＢ１００を抽出し、注目画素の画素値Ｇ０５と、その周辺８画素の各画素値Ｇ０１～Ｇ０４，Ｇ０６～Ｇ０９とを対象にディジタルオペレータ（微分オペレータ）ＯＰ１００との間で微分演算を行うことで、当該注目画素の合焦度を求めている。
　このとき、図１５(Ｂ)に示すように、光学顕微鏡の焦点近傍における光束Ｉの光線密度は、焦点位置で理論的に点になることはなく、回折現象により光の波長（例えば約５００ｎｍ）のオーダーとなる。そのため、高速度カメラ５１０の撮像面の１画素（注目画素）内に結像される干渉光の光量分布も撮像面内方向に約５００ｎｍオーダーのぼけとして広がっている。よって、撮像面の１画素を試料面上に投影したときの大きさ（画素ピッチ）を１００ｎｍ程度と考えた場合、注目画素の画素値と周辺画素の画素値との間で濃淡変化（画素値変化）が殆んど現れないおそれがある。その場合、光軸方向における焦点位置近傍においても合焦度が最大とはならなかったり、合焦度の変化が平坦になってしまうため、表面高さ方向を高分解能で位置決めして測定したとしても、算出された合焦度の大きさから焦点位置を高分解能で決めることができなかった。
　本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、被測定物の形状を高分解能で識別することが可能な構成の形状測定装置、観察装置およびその画像処理方法を提供することを目的とする。
　このような目的達成のため、本発明に係る形状測定装置は、照明部によって照明された被測定物の表面からの光を受光して被測定物の表面像を撮像する撮像装置と、撮像装置を構成する光学系の光軸に沿って、被測定物を撮像装置に対して相対移動させる相対移動部と、相対移動部を利用して被測定物を撮像装置に対して相対移動させながら撮像装置により撮像して得られた、被測定物の表面の複数の画像に対して画像処理を行う画像処理部とを備え、画像処理部は、複数の画像のうちから、１つの対象画像と対象画像を除く少なくとも１つの参考画像とを抽出して、対象画像と参考画像とに微分オペレータを作用させて、抽出された対象画像と参考画像の組ごとに対象画像の画素単位で所定の特徴量を算出する第１の演算処理部と、画素単位で算出された複数の特徴量のうち画素毎に最大となる相対移動位置に基づいて、被測定物の表面高さを求める第２の演算処理部とを備え、微分オペレータは、特徴量を算出する上で、対象画像の注目画素の画素値と、参考画像において注目画素とは異なる画素位置に存する隣接画素の画素値とに対して重み付けがされた係数を持ち、特徴量は、微分オペレータによる注目画素の画素値と隣接画素の画素値との微分値である。
　なお、上述の形状測定装置において、照明部からの光を分割して被測定物と参照面とにそれぞれ照射し、被測定物と参照面とからの反射光を干渉させて干渉縞を発生させる光干渉光学系を更に備えることが好ましい。また、相対移動部により被測定物を撮像装置に対して相対移動させることにより、被測定物の表面と、参照面と被測定物の表面に光を分割する分割位置の距離を変動させて干渉縞に変化を生じさせることが好ましい。
　また、上述の形状測定装置において、撮像装置が、被測定物の表面像を結像する撮像光学系と、撮像光学系により結像された被測定物の表面像を撮像する撮像素子とを備え、撮像素子の画素が、撮像光学系の光学分解能よりも細かいことが好ましい。
　また、上述の形状測定装置において、撮像装置を構成する光学系の光軸と垂直な方向へ被測定物を撮像装置に対して相対移動させる移動機構を備え、移動機構は、画素の幅よりも小さな移動ピッチで相対移動させることが好ましい。
　また、上述の形状測定装置において、照明部は１００ｎｍ以上の波長帯域幅を有する照明光を射出可能であることが好ましい。
　また、上述の形状測定装置において、微分オペレータは、対象画像の注目画素の画素値と、画像取得間隔をおいて対称画像より先に撮像された第１の参考画像において注目画素に画素位置が一致する画素の周辺４画素の画素値と、画像取得間隔をおいて対称画像より後に撮像された第２の参考画像において注目画素に画素位置が一致する画素の周辺４画素の画素値とに対して重み付けがされた係数を持ち、第１および第２の参考画像における周辺４画素は互いに画素位置が異なる構成であることが好ましい。
　また、上述の形状測定装置において、画像取得間隔は、照明部から射出される照明光の中心波長域よりも小さいことが好ましい。
　また、本発明に係る観察装置は、照明部によって照明された被測定物のある一点からの光束を結像面で所定の領域に集光することで、被測定物の像を結像面で結像する結像系と、結像系の光軸上における被測定物までの距離が異なる複数の位置で、被測定物の像を撮像し、各々の距離ごとに画像データを出力する撮像装置と、撮像装置から出力された画像データのうち、被測定物までの距離が異なる第１の画像データと第２の画像データとを選択する画像選択部と、画像選択部により選択された第１の画像データを構成する画素の各々と、第１の画像データの各々の画素の位置に対応した第２の画像データを構成する画素の位置を中心に、光束が集束する領域内に位置する第２の画像データの画素との出力の変化を求める変化情報演算部と、変化情報演算部からの出力を基に、第１の画像データを構成する画素のうち、合焦位置となる画素を特定し、第１の画像データを取得したときの被測定物までの距離に応じて、上記特定された画素に対応する被測定物の表面の高さ情報を決定する高さ情報決定部とを備えて構成される。
　また、上述の観察装置において、変化情報演算部が、画像選択部により選択された第１の画像データを構成する画素の各々と、第２の画像データを構成する画素のうち、第１の画像データの各々の画素の位置に対応した画素と隣接した位置にある所定の画素との出力の変化を求めることが好ましい。
　また、本発明に係る画像処理方法は、上述の形状測定装置を用いて行う画像処理方法であって、移動機構により被測定物を撮像装置に対して移動ピッチずつ相対移動させる毎に、複数の画像から被測定物の表面における同一箇所に該当する部分を抽出するとともに抽出した部分の表面高さを求めて、抽出した部分における表面高さの度数分布を求める第１のステップと、度数分布に基づいて表面高さの確率密度関数を算出し、確率密度関数が最大となる表面高さを抽出した部分における表面高さの真値として求める第２のステップと、真値として求めた表面高さに基づいて被測定物の表面の画像を生成する第３のステップとを有している。
　本発明によれば、被測定物の形状を高分解能で識別することができる。
本実施形態に係る形状測定装置（観察装置）の概略構成図である。 二光束干渉対物レンズの概略構成図である。 制御用プロセッサの制御ブロック図である。 画素単位で表面高さを求める画像処理方法を示すフローチャートである。 （Ａ）は画像を取得する過程を説明するための図であり、（Ｂ）は画像を各ディジタル画像メモリに格納する手順を説明するための図である。 ディジタルオペレータによる畳み込み演算を説明するための図である。 （Ａ）は隣接する画素位置での干渉光による光強度変化を模式的に示す図であり、（Ｂ）は注目画素位置での光強度変化を模式的に示す図である。 画素ブロックにおける画素値を示し、（Ａ）は画素の共役な領域の光軸上の位置に表面がある場合、（Ｂ）は表面から十分に離れた位置にある場合、（Ｃ）は表面から光軸方向に波長の１／４だけずらした場合の画素ブロックである。 干渉光と散乱光との加算された光束の変化の状態を示す図である。 ディジタルオペレータの変更例を示す図である。 サブ画素領域単位で表面高さを求める画像処理方法を示すフローチャートである。 （Ａ）はサブ画素領域の模式図であり、（Ｂ）はサブ画素の大きさで画素ずらしをした状態を説明するための図である。 （Ａ）は注目画素に対する関数フィッティングを説明するための図であり、（Ｂ）は表面高さの度数分布である。 従来例に係る形状測定装置の概略構成図である。 （Ａ）は従来の合焦度の算出方法を説明するための図であり、（Ｂ）は焦点近傍における光束の光線密度を示す図である。
　以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。図１に本実施形態に係る形状測定装置（観察装置）の概略構成図を示しており、まず、この図を用いて形状測定装置１の全体構成について説明する。この形状測定装置１は、顕微鏡本体１０と、撮像部２０と、制御用プロセッサ３０とを主体に構成される。
　顕微鏡本体１０は、撮像部２０を支持する顕微鏡ベース１１と、顕微鏡ベース１１の底部に固設された顕微鏡用試料台１２と、顕微鏡用試料台１２の上面に設けられた微細駆動ステージ１３とを有して構成される。
　微細駆動ステージ１３の上面には、測定対象物である、例えば平板状に形成された試料５が載置される。微細駆動ステージ１３は、制御用プロセッサ３０に構成される駆動制御装置３６（図３を参照）からのステージ駆動信号に応じて、ｎｍオーダーで高精度に、上面で支持する試料５を撮像部２０に対して水平方向、すなわち撮像部２０を構成する撮像光学系の光軸と垂直な方向に相対移動させる。微細駆動ステージ１３には、リニアエンコーダ１３ａ（図３を参照）が内蔵されており、このリニアエンコーダ１３ａはｎｍオーダーで高精度に、試料５（微細駆動ステージ１３）の水平方向位置を検出し、その検出信号を制御用プロセッサ３０の制御用コンピュータ３５（図３を参照）へ出力する。なお、本実施形態では、図１に示すように、微細駆動ステージ１３の面内方向をＸＹ軸方向（水平方向）、撮像部２０の撮像光学系の光軸方向をＺ軸方向（上下方向）と称して説明する。
　撮像部２０は、顕微鏡用試料台１２の上方に対向して設けられた図２に示す構成を持つ二光束干渉対物レンズ２１と、下側に二光束干渉対物レンズ２１が取り付けられた顕微鏡用照明装置２２と、顕微鏡用照明装置２２の上側に取り付けられた顕微鏡鏡筒装置２３と、顕微鏡鏡筒装置２３の上側に取り付けられた高速度カメラ２４とを有して構成される。二光束干渉対物レンズ２１は、この二光束干渉対物レンズ２１をその試料５側に向けられた対象物用明視野対物レンズ２９の光軸に沿って微動させるピエゾ駆動装置２５を介して顕微鏡用照明装置２２の下側に取り付けられる。
　ピエゾ駆動装置２５は、印加電圧を変えることにより長さが変化するピエゾ素子（図示せず）と、ピエゾ素子を駆動させるコントローラ（図示せず）とを有して構成されており、本実施形態においては、１秒間に複数回の割合で連続的に所定幅（例えば、１００μｍの幅）の範囲を往復移動可能となっている。このピエゾ駆動装置２５が二光束干渉対物レンズ２１と顕微鏡用照明装置２２との間に取り付けられているため、ピエゾ駆動装置２５の駆動力によって、二光束干渉対物レンズ２１は撮像部２０を構成する撮像光学系の光軸に沿った方向（上下方向）に往復移動する。
　なお、ピエゾ駆動装置２５は、制御用プロセッサ３０に構成される駆動制御装置３６（図３を参照）からのピエゾ素子駆動信号に応じて作動するようになっている。また、ピエゾ駆動装置２５のコントローラには、ピエゾ駆動装置２５（すなわち、二光束干渉対物レンズ２１）の往復移動位置を検出するセンサー２５ａ（図３を参照）が内蔵されている。このセンサー２５ａは、二光束干渉対物レンズ２１の光軸方向における位置を検出し、その検出信号を制御用プロセッサ３０の制御用コンピュータ３５（図３を参照）へ出力する。
　顕微鏡用照明装置２２は、照明光を射出する光源（白色光源）２２ａと、特定波長帯域幅（例えば、中心波長λを５２０ｎｍとする波長帯域幅）の光のみを通過させるバンドパスフィルタ２２ｂと、バンドパスフィルタ２２ｂを通過した照明光を二光束干渉対物レンズ２１の方向に反射する一方で二光束干渉対物レンズ２１からの光を透過させるビームスプリッタ２２ｃ等で構成されており、二光束干渉対物レンズ２１を介して試料５の表面（上面）に照明光を照射する落射照明である。なお、バンドパスフィルタ２２ｂでは、少なくとも１００ｎｍ以上の波長帯域幅を有する光として通過させることが好ましい。
　二光束干渉対物レンズ２１は、図２に示すように、ビームスプリッタ２６、参照面用明視野対物レンズ２７、参照面２８、および対象物用明視野対物レンズ２９を主体に構成されており、本実施形態においては、リニーク型の光干渉光学系を例示している。顕微鏡鏡筒装置２３は、その内部に結像レンズ（図示せず）を有して構成され、後述するように、二光束干渉対物レンズ２１と協働して、干渉縞を含んだ干渉像光を高速度カメラ２４の撮像面上に結像させる。
　高速度カメラ２４は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子２４ａを有して、所定の画像取込数で連続撮像可能に構成されており、撮像素子２４ａ表面の撮像面上に結像された画像（干渉縞を含む試料５の表面画像）を撮像して得られた画像信号（輝度情報）をディジタル信号に変換して、制御用プロセッサ３０の第１ディジタル画像メモリ３１（図３を参照）へ出力する。ここで、画像のサンプリング間隔（画像取得間隔）ΔＰは、高速度カメラ２４の画像取込数と二光束干渉対物レンズ２１の走査幅とから決まり、例えば、使用光の中心波長域λよりも小さい間隔で設定される。
　制御用プロセッサ３０は、図３に示すように、高速度カメラ２４から取得した画像データを１画面（１フレーム）単位で格納するディジタル画像メモリ３１，３２，３３と、微細駆動ステージ１３およびピエゾ駆動装置２５の作動を制御する駆動制御装置３６と、詳細は後述する画像処理を行う高速画像プロセッサ３４と、これらの作動を統括的に制御する制御用コンピュータ３５とを主体に構成される。
　このように構成される形状測定装置１において、光源２２ａから射出されバンドパスフィルタ２２ｂを通過した照明光は、ビームスプリッタ２２ｃにおいて略９０°下方に反射された後、二光束干渉対物レンズ２１に到達する（図１および図２を参照）。そして、二光束干渉対物レンズ２１に入射した光は、二光束干渉対物レンズ２１内のビームスプリッタ２６において２つに分割されて、一方は対象物用明視野対物レンズ２９を通過して試料５の表面（上面）に照射されるとともに、他方は参照面用明視野対物レンズ２７を通過して参照面２８に照射される。そして、試料５の表面と参照面２８とにおいて反射された照明光は、二光束干渉対物レンズ２１内のビームスプリッタ２６で共に、ビームスプリッタ２２ｃを透過して高速度カメラ２４における撮像素子２４ａの撮像面上に結像され、その光路差（位相差）に応じて干渉縞が発生する。高速度カメラ２４は、干渉像光を撮像するとともに、撮像して得られた画像信号をディジタル変換して、制御用プロセッサ３０の第１ディジタル画像メモリ３１へ出力する。
　このとき、二光束干渉対物レンズ２１は、ピエゾ駆動装置２５の駆動力によって１秒間に複数回の割合で、撮像部２０を構成する撮像光学系の光軸に沿った方向（上下方向）に往復移動しており、光学系の焦点位置（結像面）が光軸方向に連続的に変化するようになっている。これに対し、高速度カメラ２４は、撮像部２０のサンプリング間隔（光軸方向への微小送りピッチ）ΔＰで試料５の表面（上面）の撮像を連続的に行うため、二光束干渉単物レンズ２１の往復移動位置に応じた複数の画像を取得することが可能である。
　なお、制御用プロセッサ３０には、高速度カメラ２４からの画像信号の他に、微細駆動ステージ１３に内蔵されたリニアエンコーダ１３ａからの検出信号や、ピエゾ駆動装置２５のコントローラに内蔵されたセンサー２５ａからの検出信号が入力される。そのため、試料５を撮像したときの微細駆動ステージ１３の水平方向位置（ＸＹ方向位置）や二光束干渉対物レンズ２１の往復移動位置（Ｚ方向位置）を検出することができる。
　本実施形態において、上記干渉縞は試料５の表面（上面）からの反射光と参照面２８からの反射光との光路差（位相差）に基づいて発生するため、制御用プロセッサ３０は、高速度カメラ２４から入力された干渉縞を含む複数の画像に対し、所定の画像処理を行うことで、試料５の表面高さを求めることが可能である。そこで、試料５の表面高さを求めるための画像処理方法について、図４に示すフローチャートを追加参照しながら以下に説明する。
　制御用コンピュータ３５は、駆動制御装置３６に対して、ピエゾ駆動装置２５（二光束干渉対物レンズ２１）を所定の走査幅内において往復移動させるための作動信号を連続的に出力するとともに、この作動信号の出力に同期して高速度カメラ２４で撮像されてディジタル信号に変換された画像を第１ディジタル画像メモリ３１に入力する（ステップＳ１０１）。これにより、制御用コンピュータ３５は、撮像部２０を構成する撮像光学系の光軸方向に沿った移動距離情報と、それぞれの移動位置における画像とを関連付けて保存することができるようになっている。
　制御用コンピュータ３５は、高速度カメラ２４から順次入力される撮像画像を第１～第３ディジタル画像メモリ３１，３２，３３に１画像単位でそれぞれ格納するとともに、次の画像を取得したときに格納画像を更新していく（ステップＳ１０２）。例えば、図５（Ａ）に示すように、所定のサンプリング間隔ΔＰで画像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，…Ｐｎを１枚ずつ順次取得する過程において、まず、１番目（最初）の画像Ｐ１が取得されると、この画像Ｐ１が第１ディジタル画像メモリ３１に記憶される。そして、次の（２番目の）画像Ｐ２が取得されると、画像Ｐ１が第２ディジタル画像メモリ３２に移行して記憶され、今度はこの画像Ｐ２が第１ディジタル画像メモリ３１に記憶される。次いで、３番目の画像Ｐ３が取得されると、画像Ｐ１が第３ディジタル画像メモリ３３へ、画像Ｐ２が第２ディジタル画像メモリ３２へと次々に移行して記憶され、今回入力された画像Ｐ３が第１ディジタル画像メモリ３１に記憶される（図５（Ｂ）を参照）。４番目の画像Ｐ４を取得すると、この画像Ｐ４が第１ディジタル画像メモリ３１へ、画像Ｐ３が第２ディジタル画像メモリ３２へ、画像Ｐ２が第３ディジタル画像メモリ３３へと次々に移行して記憶され、最初に取得した画像Ｐ１はディジタル画像メモリ３１～３３から消えていく。
　このように、次々と光軸方向への結像面の位置が逐次変わり、その都度、画像が取得される。そして、結像面が光軸方向に移動するごとに、入力される画像が第１ディジタル画像メモリ３１→第２ディジタル画像メモリ３２→第３ディジタル画像メモリ３３への順で連続的に記憶されるとともに更新されていく。よって、次々に１枚ずつ画像が入力されるたびに、各画像メモリ３１～３３には互いに上下方向にサンプリング間隔ΔＰずらして取得した画像が１枚ずつ格納されている状態となる。
　このとき、高速画像プロセッサ３４は、画像が取得されるごとに、次の動作を実施する。最初に、後述する局所合焦度を取得する画素を設定する。なお、以下では、この局所合焦度を取得する画素は、注目画素として説明する。その次に、設定された画素の位置に基づき、各ディジタル画像メモリ３１，３２，３３に格納された画像データの画素から、ディジタルオペレータ（微分オペレータ）ＯＰ１０，ＯＰ２０，ＯＰ３０で作用させる対象画素を特定する。ディジタルオペレータＯＰ１０，ＯＰ２０，ＯＰ３０で作用させる画素値にこのディジタルオペレータによる係数を乗算させ、所定の演算式で局所合焦度を取得する。この場合、画像メモリ３２に格納された画像が、請求の範囲に規定する対象画像に相当し、画像メモリ３１又は画像メモリ３３に格納された画像が請求の範囲に規定する参考画像に相当する。
　このようにして、順次サンプリングされた３つの画像データの組から局所合焦度の候補値を取得していき、最大となる局所合焦度を取得する。これらは、画素単位で局所合焦度（ＬＦＳ）を求める（ステップＳ１０３）。すなわち、第２ディジタル画像メモリ３２に記憶された画像内の最外周の画素を除く全ての画素が局所合焦度の算出の対象である。
　ここで、サンプリング間隔ΔＰで画像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，…Ｐｎを順次取得する過程において、図６に示すように、ディジタル画像メモリ３１，３２，３３にそれぞれ格納される任意の画像をＰｋ１０，Ｐｋ２０，Ｐｋ３０とした場合、第２ディジタル画像メモリ３２に記憶された画像Ｐｋ２０内の画素（注目画素）毎に局所合焦度が算出される。
　局所合焦度の算出は、図６に示すように、第２ディジタル画像メモリ３２に記憶された画像Ｐｋ２０において注目画素（画素値Ｇ２５）を中心とする３×３画素の画素ブロックＢ２０と、第１ディジタル画像メモリ３１に記憶された画像Ｐｋ１０において上記画素ブロックＢ２０に画素位置が対応する３×３画素の画素ブロックＢ１０と、第３ディジタル画像メモリ３３に記憶された画像Ｐｋ３０において画素ブロックＢ２０に画素位置が対応する３×３画素の画素ブロックＢ３０とを抽出し、この画素ブロックＢ１０，Ｂ２０，Ｂ３０と各々対応するディジタルオペレータＯＰ１０，ＯＰ２０，ＯＰ３０との間で畳み込み演算（積和演算）することで行われる。
　ここで、画素ブロックＢ１０においては注目画素（画素値Ｇ２５）が演算対象（基準）となり、画素ブロックＢ３０においては３×３画素のうち四隅に位置する画素（画素値Ｇ３１，Ｇ３３，Ｇ３７，Ｇ３９）が演算対象となり、画素ブロックＢ１０においては３×３画素のうち十字状に位置する画素（画素値Ｇ１２，Ｇ１４，Ｇ１６，Ｇ１８）が演算対象となる。一方、ディジタルオペレータＯＰ１０～３０は、注目画素（Ｇ２５）に対する係数の重み付けが２４で、その周辺画素（Ｇ３１，Ｇ３３，…，Ｇ１２，Ｇ１４，…）に対する係数の重み付けがそれぞれ－３に設定されている。
　これら演算対象の９つの画素値に対して、ディジタルオペレータＯＰ１０～３０を用いた畳み込み演算によって、次式（１）に示すように、注目画素の局所合焦度ＬＦＳが求められる。
　ＬＦＳ＝２４×Ｇ２５＋｛－３×（Ｇ１２＋Ｇ１４＋Ｇ１６＋Ｇ１８）｝
　　　　　　　　　　　　＋{－３×（Ｇ３１＋Ｇ３３＋Ｇ３７＋Ｇ３９）}　…（１）
　制御用コンピュータ３５は、画素毎に上記の局所合焦度（ＬＦＳ）を算出し、算出した局所合焦度が最大となる対象画像の光軸方向の位置に応じて、各画素の領域と共役な領域における試料５の表面高さの真値として求める（ステップＳ１０４）。このとき、二光束干渉対物レンズ２１の往復移動における上限位置から下限位置までの範囲内において、画素毎に最も高い局所合焦度が得られたときの画像の光軸方向位置をそれぞれ、各画素の領域と共役な領域の試料５の相対高さとして求め、この相対高さと既知の試料５（の測定点）の高さ基準位置等により表面高さが算出される。
　具体的には、制御用コンピュータ３５は、微細駆動ステージ１３を停止させた状態で、最初の３枚の画像データの組から求められた局所合焦度を画素毎にＬＦＳ画像メモリ３７（図３参照）に記憶させる。その後、画像が取得されるたびに求められた局所合焦度とＬＦＳ画像メモリ３７に記憶された局所合焦度とを対応する画素毎に比較して、新たに取得された局所合焦度がそれまでＬＦＳ画像メモリ３７に記憶された局所合焦度よりも高値の場合には、その画素の局所合焦度についてのみ、ＬＦＳ画像メモリ３７を書き換えていく（更新していく）。つまり、このＬＦＳ画像メモリ３７には、画像を取得する過程において、その都度最大の局所合焦度が順次更新されつつ、それまでに算出された局所合焦度のうちの最も高値となる局所合焦度のみが記憶されるようになっている。
　これと同時に制御用コンピュータ３５は、ピエゾ駆動装置２５のコントローラに内蔵されたセンサー２５ａの検出値に基づいて、二光束干渉対物レンズ２１の位置情報を取り込んで、ＬＦＳ画像メモリ３７に格納された局所合焦度に対応する画素の表面高さデータを高さ画像メモリ３８に記憶させる（ＬＦＳ画像メモリ３７の更新に伴って高さデータを更新させる）。
　そして、最終的には、最大となる局所合焦度が画素毎にＬＦＳ画像メモリ３７に格納されるとともに、これに対応する各画素における表面高さ（最も高い局所合焦度が得られた画像データに対する相対高さから求まる表面高さ）の情報が高さ画像メモリ３８に格納される。この高さ画像メモリ３８に格納された局所合焦度が最大となる表面高さを各画素と共役な領域の表面高さの真値とする。
　ＬＦＳ画像メモリ３７および高さ画像メモリ３８に記憶された各情報（ＬＦＳ画像および高さ画像）は、制御用コンピュータ３５により図３に示す外部モニタ４０へ出力され、試料５の表面高さの測定結果として外部モニタ４０に表示される。これにより、外部モニタ４０を通して試料５の表面形状を観察可能になる。
　ところで、図１４に示す従来の形状測定装置５００においては、入力された画像の各画素について合焦度を求める手法として、例えば図１５（Ａ）に示すように、１枚の画像内の注目画素の画素値Ｇ０５と、同一画素におけるその周辺８画素の画素値Ｇ０１～Ｇ０４，Ｇ０６～Ｇ０９とを対象にディジタルオペレータＯＰ１００を用いた微分演算を行うことで、注目画素の合焦度を求めている。（換言すれば、１枚の画像のみから注目画素を含む３×３画素の画素ブロックＢ１００を抽出し、２次元的な（Ｘ，Ｙ方向成分の係数のみを有する）ディジタルオペレータＯＰ１００を用いたフィルタ処理によって、当該注目画素の合焦度を求めている。）そして、画素毎に最も合焦度が高くなる位置を検出することで、試料５の表面高さを測定するようになっている。
　ここで、図１５(Ｂ)に示すように、光学顕微鏡の焦点近傍における光束Ｉの光線密度は、焦点位置で理論的に点になることはなく、回折現象により光の波長（約５００ｎｍ）のオーダーとなる。そのため、高速度カメラ２４の撮像面の１画素（注目画素）内に結像される干渉像もＸＹ方向（対象物面内方向）に約５００ｎｍオーダーのぼけとして広がっていると考えられる。これは、撮像面の１画素の対象物面上に投影したときの大きさ（画素ピッチ）を１００ｎｍ程度と考えた場合、注目画素の画素値と周辺画素の画素値との間で濃淡変化が殆んど現れない（画素単位で干渉像を検出できない）ことを意味する。また、注目画素と共役な試料５の表面領域に対して、隣接した試料５の表面の一点からの光束も注目画素に入射している。そのため、注目画素には、隣接画素に共役な試料表面における干渉光が畳み込むように入射している。
　ところで、１枚の画像内（画素ブロック）における任意の注目画素と共役な試料５の表面からの位置（ａ点）における干渉光による光強度変化の様子と、隣接画素と共役な位置（ｂ点）における干渉光による光強度変化の様子を図７（Ａ）に示す。注目画素と共役な試料５の表面位置（ａ点）と隣接画素と共役な試料５の表面位置（ｂ点）との間に光軸方向に位置の差があると、ａ点における干渉光とｂ点における干渉光の強度変化は、それぞれの光軸方向上で強度が相違する。しかし、上述のように干渉像を結像する結像レンズには、回折限界によるボケがあるため、注目画素にはａ点及びｂ点とそのほかの隣接画素と共役な位置の干渉光が畳み込まれる。また、隣接画素においても同様に注目画素やそのほかの隣接画素と共役な位置の干渉光が畳み込まれる。その結果、注目画素の共役な位置とその隣接画素の共役な位置とにおける光強度変化は光軸方向の変化に対してほぼ同一となって現れており、同一画像内（同一の光軸方向位置）において隣接する画素位置（例えば、注目画素（Ｇ０５）と隣接画素（Ｇ０６）の位置）の間における光強度差は微差である。よって、従来のフィルタ処理を用いた場合、光強度の変化が本来ピーク（最大値）を示す位置であるにもかかわらず、同一画像内における注目画素とその周辺画素（隣接する８画素）との間に濃淡変化（画素値変化）が殆んど得られなく、当該画素ブロックＢ１００とディジタルオペレータＯＰ１００との間で積和演算を行って求められる注目画素の合焦度も低い値となって算出されてしまう。そのため、従来のディジタルオペレータＯＰ１００を用いたフィルタ処理では、光軸方向における焦点位置近傍においても合焦度が最も高値とはならなかったり、合焦度の変化が平坦になってしまうため、表面高さ方向を高分解能で位置決めして干渉光を検出したとしても、算出された合焦度の大きさから焦点位置を高分解能で決めることができなかった。
　一方、注目画素の共役な位置の干渉光は、上述のように中心波長５２０ｎｍの光を用いた場合、図７(Ｂ)に示すように、結像レンズ（図示せず）の焦点深度内では半波長周期でピーク（極大点）とボトム（極小点）とが繰り返し現れており、最も強度（振幅）の大きなピークが０次の干渉縞であって、この出現位置が合焦位置に相当しており、この位置を基準に考えると中心波長λの１／２５（約２０ｎｍ）だけ撮像位置を光軸方向にずらしただけでも、大きな光強度変化として捉えることができる。さらに、中心波長λの１／４（１３０ｎｍ）を光軸方向にずらしたときには、隣接するピークとボトムとの間で最も大きな光強度変化として捉えることができる。
　ここで、図８（Ａ）に画素の共役な領域の光軸上の位置が表面近くにある場合の画素ブロックＢ７０の画素値を例示する。また、図８（Ｂ）に当該表面から十分離れた位置にある場合の画素ブロックＢ８０の画素値を例示する。図８（Ａ）に示す画素ブロックＢ７０の場合、ディジタルオペレータＯＰ１００による微分値は４０であり、図８（Ｂ）に示す画素ブロックＢ８０の場合、ディジタルオペレータＯＰ１００による微分値は１６である。さらに、光軸方向に波長の１／４だけずらしたときの値を仮想的に注目画素以外に入れた場合の画素ブロックＢ９０の画素値を図８（Ｃ）に例示する。この画素ブロックＢ９０のディジタルオペレータ１００による微分値は１４８０である。
　上記例示からも明らかなように、試料面上の１画素の大きさが５００ｎｍよりも小さい場合、または、試料面が十分に平滑で注目画素と隣接画素との間の高さの差が波長の１／４よりも十分に小さい場合には、画素ブロックＢ７０における各画素の画素値は大きいにも拘わらず、その微分値は表面から十分離れた位置にある画素ブロックＢ８０の微分値とほとんど変わらない程度に小さな値である。ところが、注目画素以外の隣接画素に波長の１／４だけ光軸方向にずらしたときの値を入れると、その微分値は３０倍以上の大きな値となる。一方、光軸方向に表面から十分離れた場合に、注目画素以外の隣接画素に波長の１／４だけ光軸方向にずらしたときの値を入れても、干渉光が観測されない場所であるからディジタルオペレータＯＰ１００を作用させた微分値は、ほとんど変化なく小さい。さらに、以上の例示した内容について次式（２）を用いて詳述する。干渉光学系では、次式（２）に示す光波が観測される。
　Ｉ＝Ｈｃｏｓ（ｗｔ＋β）　・・・（２）
ここで振幅Ｈおよび位相差βは、
　Ｈ＝（Ａ２＋２ＡＢｃｏｓα＋Ｂ２）１／２
　β＝ｔａｎ－１（Ｂｓｉｎα／（Ａ＋Ｂｃｏｓα））
で表すことができ、上記ＡおよびＢは参照光の振幅および反射光の振幅であり、これら参照光および反射光の光波は次式、
　ＩＡ＝Ａｃｏｓ（ｗｔ）
　ＩＢ＝Ｂｃｏｓ（ｗｔ＋α）
で表すことができる。なお、ｗ＝２πＣ／λ、αは位相差、Ｃは光速度、λは光の波長、ｔは時間を示している。このとき、参照光と反射光との位相差α＝０のとき、振幅Ｈ＝Ａ＋Ｂで最大値となる。一方、位相差α＝πのとき、振幅Ｈ＝｜Ａ－Ｂ｜で最小値となる。位相差α＝πとなる場合は、試料面の真の表面から波長λの１／４ずれたところである。すなわち、隣接画素の画素値として注目画素と共役な領域から光軸方向に波長λの１／４程度ずらした値を採用することにより、安定して試料５の表面の位置を捉えることができる。
　また、干渉縞のピークは合焦位置から離れるに従って１次、２次、…と干渉光強度（振幅）が低下しながら変化していく。そのため、同じピークでありながら、０次のピーク位置（合焦位置）と１次のピーク位置とで検出される光強度には大きな差があり、光軸方向に同じ移動量だけずらした場合でも、０次のピーク位置（合焦位置）近傍では、１次のピーク位置近傍に比べて、光強度変化をより大きな変化として捉えることができる。ここで、１次の干渉とは、参照面２８からの反射光に対して位相が１波長分遅れるか或いは進んで入射してきた光によるもので、そのピークの位置は波長によって異なるため、観測される１次のピークの強度は０次に比べて低下する。しかし、照射光の波長帯域幅が１００ｎｍ以下となり単色性が増すと、高次干渉のピーク強度の低下度合いが減少し、０次干渉位置を誤検出する可能性が出てくる。そのため、照射光の波長帯域幅は、１００ｎｍ以上であることが望ましい。
　注目画素と共役な領域に入射した光の一部は、微細な凹凸により散乱される場合がある。光が散乱されると位相関係が乱されてしまうため、参照光と干渉を起こさないようになる。この光は、光軸方向に位置を波長λの１／４程度（約０．１２μｍ）ずらしたとしても高倍率のレンズの焦点深度０．３μｍ内に含まれるため、注目画素と共役な領域と光軸方向に僅かにずらした領域との光量の差分は、比較的小さい。光の加法性により干渉光と散乱光とは、加算された光束となって撮像素子２４ａの撮像面に到達する（この状況を図９に模式的に示す）。この散乱光の最大となる光軸上の点を検知するために、詳細は後述する図１０に例示するディジタルオペレータＯＰに見られるように、注目画素の光軸上の上下の画素の重みは共に０となっている。上記説明は、散乱光の検出について述べたものであるが、より一般化した表現をすると、光軸方向において焦点深度内での反射光量の変化が極めて僅かであり、ＸＹ方向に変化が大きい光学現象を検知するためには、光軸上の上下の画素の差分を対象としない方が検出感度を向上させることができる。しかしながら、本発明では、光軸方向にのみ位置が変わり、光軸とは垂直な平面内では同じ位置にある上下の画素の出力値に対して差分を求めることで、局所合焦度を得るものについても権利範囲から排除してはいない。
　ここで、上述のディジタルオペレータＯＰ１（ＯＰ１０～３０）は、注目画素に対する重みが２４で、光軸方向で上下に１サンプリング間隔ΔＰだけずらして取得した画像内における周辺８画素に対する重みはそれぞれ－３である。一方、このディジタルオペレータＯＰ１を用いて注目画素に対して算出される局所合焦度ＬＦＳは上記式（１）で求められ、この式（１）を変形すると次式（３）のように表される。
　ＬＦＳ＝２４×{Ｇ２５－１／８×（Ｇ３１＋Ｇ１２
　　　　　　　　　＋Ｇ３３＋Ｇ１４＋Ｇ１６＋Ｇ３７＋Ｇ１８＋Ｇ３９）}　…（３）
　この式（３）から局所合焦度（ＬＦＳ）は、対象画像内における注目画素の画素値Ｇ２５と、対象画像に対して光軸方向で上・下の画像内における周辺８画素の平均画素値との差の比例値であることが分かる。このことは、注目画素のＸＹＺ軸方向に隣接する２６の画素の内、想定される光学現象に共通して、注目画素の受光光量の影響が大きい画素、すなわち光軸上の上下の２画素と光軸に直交する面内で注目画素と光軸上同じ面内にある隣接画素とを除いた１６画素から選択された８画素の平均値と注目画素との差をとることを意味する。
　よって、例えば、サンプリング間隔ΔＰを微小間隔（例えば、上述のように使用光の中心波長λの１／２５程度：約２０ｎｍ）に設定した場合においても、その間隔毎に得られた画像内の各画素についての局所合焦度はそれぞれ大きく変化した量として求められる。さらに、局所合焦度を算出する上で、注目画素の画素値と周辺８画素の平均画素値との差が最も大きくなる撮像位置とは、注目画素位置が干渉光の光強度のピーク位置にあるときであるため、画素毎に局所合焦度が最大となる位置をもって焦点位置を高分解能で検出することができる。
　以上のような画像処理機能を備えた本実施形態の形状測定装置１において、ＸＹＺ方向（三次元）の成分を持った本ディジタルオペレータＯＰ１（ＯＰ１０～３０）は、干渉光の光強度変化に対してＸＹ方向の検出感度とＺ方向の非常に高い検出感度とを併せ持つことで、焦点位置（合焦位置）に接近するにつれて注目画素の画素値を強調することができる空間フィルタである。一方、このディジタルオペレータＯＰ１により求められる局所合焦度は、対象画像の注目画素と、対象画像に対して光軸方向での上・下の画像内における同一画素領域内の周辺８画素との濃淡変化（画素値変化）を大きく反映した特徴量として算出される。このため、取得画像の画素毎にディジタルオペレータＯＰ１を用いて得られた局所合焦度が最大となる表面高さを各画素について対応する点の表面高さの真値として求めることで、表面高さの測定精度は高まり、試料の表面高さの測定分解能を向上させることが可能になる。
　また、本形状測定装置１によれば、試料５の表面が光沢面（例えば、表面粗さ０．１μｍ以下の平滑平面）であるような場合に代表されるように測定に用いる画像信号のＳ／Ｎ比（測定に用いる画像の濃淡）が極めて低くなるようなときでも、上述のようにディジタルオペレータＯＰ１によって試料５の表面形状（微細な凹凸）が忠実に反映された局所合焦度を用いることで表面高さの測定精度を向上させることができる。
　なお、上述では、図６に示すディジタルオペレータＯＰ１（ＯＰ１０，ＯＰ２０，ＯＰ３０）を例示して注目画素に対する局所合焦度を求めたが、ディジタルオペレータのパターンはこれに限定されるものではなく、例えば、ディジタルオペレータＯＰ１０とＯＰ３０との要素を入れ替えて配置したディジタルオペレータＯＰ２（図１０（Ａ）を参照）、オペレータＯＰ１０，ＯＰ３０の要素を１つのオペレータにまとめて配置したディジタルオペレータＯＰ３，ＯＰ４（図１０（Ｂ）を参照）、オペレータＯＰ１０，ＯＰ３０の要素をまとめて２つのオペレータに均等配置したディジタルオペレータＯＰ５（図１０（Ｃ）を参照）等であってもよく、また、ディジタルオペレータ内の係数（「８」および「－３」）も他の値であってもよく、同様の効果を発揮することができる。特に、ディジタルオペレータＯＰ３，ＯＰ４の場合は、対象画像のほかに使用される画像（参考画像）は、１枚の画像である。また、対象画像のほかに使用される参考画像は、光軸方向における対象画像の撮像位置が異なる画像であればよく、光軸方向にスキャンしながら撮像された画像を記憶する画像記憶部を別途設け、その画像記憶部から任意の一枚を制御用コンピュータ３５により選び出すようにしてもよい。また、先に述べたように、注目画素と、この注目画素に対してＸＹ平面上では同じ位置で光軸方向の位置が異なる参照画素とで差分を検出し、その差分値が光軸上の他の位置で撮像された画像の（ＸＹ平面座標上では同じ位置での）参照画素と比較して、最も差が大きくなるか否かで局所合焦度を算出してもよい。また、参照画素は、注目画素に被測定物の一点からの光束の中心が位置するような光束が到達する領域内に位置する画素を設定することが好ましい。さらに、注目画素と参照画素との出力の差異（比率や差分を含む）を、これらの画素間の出力の変化（変化量）として検出するものであれば、局所合焦度の算出のしかたについては上記で例示したものに限定されない。
　また、ディジタルオペレータのそれぞれの係数と演算式は、注目画素（Ｇ２５）に対してそれぞれの隣接画素や、ＸＹ平面座標上での位置は同じで光軸方向の位置が異なる参照画素との差が同じ場合は、ある所定値（例えば、０）が出力され、その差が異なる場合には、異なる値が出るように設定すればよい。
　さらに、本実施形態において、制御用プロセッサ３０は、高速度カメラ２４から入力された試料５の表面の複数の画像に対し、所定の画像処理を行うことで、より分解能を高めた試料５の画像を得ることが可能である。そこで、より分解能を高めた試料５の画像を得るための画像処理方法について、図１１に示すフローチャートを追加参照しながら以下に説明する。
　まず、制御用コンピュータ３５は、撮像部２０が試料５の表面の測定領域が撮像できる位置となるように、駆動制御装置３６を介して微細駆動ステージ１３を駆動させて試料５と撮像部２０との位置を位置決めする（ステップＳ２０１）。この状態から、上述のステップＳ１０１～Ｓ１０４を実行し、すなわち、二光束干渉対物レンズ２１をＺ方向に往復移動させながら高速度カメラ２４で撮像取得した複数の画像を用いて画素毎に局所合焦度を算出し、この局所合焦度が最大となる表面高さを各画素と共役な領域における表面高さの真値として求め、試料５の高さ画像を生成する（ステップＳ２０２）。
　各画素について表面高さを求めると、例えば図１２（Ａ）に示すように、試料５の表面の画像（高さ画像）における１つの画素領域Ｋを７×７のサブ画素領域ｋ，ｋ，…に分割し、分割した領域ｋ毎に表面高さを算出する（ステップＳ２０３）。
　ここで、図１２および図１３（Ａ）等を用いてサブ画素領域における表面高さを求める方法について説明する。サブ画素領域での表面高さ（相対高さ）を求める方法は、まず、各画素と共役な領域での中心位置の表面高さは上述のステップＳ２０３により得られているため（各画素と共役な領域の表面高さを、当該各画素と共役な領域の中心位置（中心のサブ画素領域）での表面高さと擬制）、これらの表面高さを用いて、注目するサブ画素領域を含む画素と共役な領域での中心位置とこれに隣接する画素と共役な領域での中心位置との間で関数フィッティング（補間）を行う。そして、関数フィッティングによって得られた表面高さ曲線Ｃに基づいて、画素領域Ｋを画素の並ぶ方向に７分割することで、注目するサブ画素領域毎の表面高さを求めることができる。
　そして、サブ画素領域ｋに相当する長さの移動ピッチΔｋの移動を所定回数行ったか否かの判定を行う（ステップＳ２０４）。本実施形態の場合、サブ画素領域を４９画素（領域）に設定しているので、撮像部２０に対して試料５の相対移動方向をＸ方向への移動１回当たりにＹ方向の移動を７回行う。また、Ｘ方向への移動を７回行うので、計４９回の移動回数を行う。もし、未だ４９回の移動が行われていない場合は、微細駆動ステージ１３により移動ピッチΔｋで試料５を撮像部に対して水平方向に縦横に相対移動させる（図１２（Ｂ）を参照）。このようにして、再びステップＳ２０１からＳ２０３までを実行する。そして、微細駆動ステージ１３に内蔵されたリニアエンコーダ１３ａの検出値ごとに、ステップＳ２０１からステップＳ２０４までを繰り返し行って、サブ画素領域毎の表面高さを計４９回求める。これにより、各サブ画素領域が当該１画素内に相当する領域を上記移動ピッチΔｋで縦横に１循環する間に、各サブ画素領域あたり表面高さ情報が４９個ずつ求められることになる。そこで、注目する位置に対応する表面高さの度数分布をサブ画素領域毎に抽出して求める（ステップＳ２０５）。
　試料５の表面の画像における注目する位置での表面高さをサブ画素領域毎に求めると、例えば図１３（Ｂ）に示すように、表面高さの度数分布Ｄは当該表面高さが生じる確率分布とみなすことができる。そこで、各サブ画素領域における度数分布Ｄにそれぞれ正規分布関数をあてはめて確率密度関数Ｅを算出し、この確率密度関数Ｅが最大となる表面高さを各サブ画素領域における表面高さの真値として求める（ステップＳ２０６）。
　そして、ステップＳ２０５で求めた各サブ画素領域に対応する点の表面高さに基づいて、試料５の高さ画像を再び生成する（ステップＳ２０７）。これにより、前述したように、例えば、１０００×１０００の画素を有する撮像素子において、その中心側に位置する５００×５００の画素領域に対して７×７のサブ画素領域に分割する処理を行えば、本来は５００×５００の画素からなる高さ画像から、３５００×３５００の画素を有する分解能の高い試料５の高さ画像を得ることができる。さらに、この高さ画像は、上述のように画素毎にディジタルオペレータＯＰ１を用いて得られた局所合焦度が最大となる表面高さを各画素と共役な領域についての表面高さの真値として求められたものであるため、試料５の表面高さの測定分解能も向上した画像となっており、その結果、高さ方向および面内方向に高分解能な試料５の高さ画像から試料５の表面形状を測定することが可能になる。
　以上述べたように、本実施形態に係る形状測定装置１によれば、分解能の高い試料５の表面の画像を得ることが可能になる。特に光学分解能よりも細かい分解能で試料５上の領域を形状測定できる。また、本実施形態に係る形状測定装置１により光学分解能よりも移動ピッチΔｋを小さく設定していれば、撮像素子２４ａの画素ピッチが光学分解能よりも細かくなくても、光学分解能よりも細かい分解能で、試料５を形状測定できる。さらに、本実施形態に係る形状測定装置１で得られた画像の最小ピクセルに対応する、撮像素子２４ａの画素に結像された被測定物の面上の領域が、撮像光学系の光学分解能よりも細かいことになるので、高い分解能を得ることができる。それ故、１０ｎｍの分解能も可能となる。
　これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱しない範囲であれば適宜改良可能である。
　上述の実施形態において、微細駆動ステージ１３を水平方向に駆動させることにより、試料５を撮像部２０に対して相対移動させているが、これに限定されるものではなく、撮像部２０全体を試料５に対して相対移動させるようにしてもよく、高速度カメラ２４における撮像素子（図示せず）だけを試料５に対して相対移動させるようにしてもよい。
　また、上述の実施形態において、干渉縞を生成する方法として二光束干渉光学系を用いた構成を例示したが、これに限定されるものではなく、例えば、微分干渉光学系を用いて干渉縞を生成する構成でもよく、さらには、縞投影法を用いて縞を生成する構成でもよい。
　また、光軸方向への移動により被測定物の１点からの光束の単位面積当たりの光量が変わればよいので、１点からの光束がある集束角で集束又は発散する結像光学系で構成してもよい。また、像を形成するものであればよいので、例えば電子顕微鏡など、光以外のエネルギー線を用い、被測定物の表面からのエネルギー束を集束して、像を形成する結像系に適用してもよい。
　また、上述の実施形態では、バンドパスフィルタ２２ｂを通過した中心波長域λ＝５２０ｎｍの光を例示したが、これに限定されるものではなく、例えば、他の波長帯域の光でもよい。なお、このとき、１００ｎｍ以上の波長帯域幅を有していることが好ましく、２００ｎｍ以上の波長帯域幅を有していることが更に好ましい。これは、干渉光における波形の落ち込み（ピーク）がより明確に現れるため、測定精度を更に向上させることができるからである。
　また、上述の実施形態において、光源２２ａから射出された白色光からバンドパスフィルタ２２ｂで特定波長帯域幅の光のみを通過させていたが、これに限定されるものではなく、例えば、バンドパスフィルタ２２ｂを用いずに光源２２ａからの白色光をそのまま照射させてもよい。このとき、光源２２ａは、スペクトル波形がよりブロードなハロゲンランプ等を用いることが好ましい。
　また、上述の実施形態において、局所合焦度を算出する注目画素は、撮像素子２４ａの最外周を除く全ての画素について算出するものに限定されるものではない。例えば、撮像素子２４ａで撮像された領域のうち、測定者の取得したい領域だけを特定して、その領域内の画素だけ局所合焦度を算出して、その領域内における相対的な高さ分布を得るようにしてもよい。
　また、上述の実施形態において、１つの画素領域Ｋを７×７のサブ画素領域ｋに分割した場合を例示して説明したが、これに限定されるものではなく、他の複数のサブ画素領域に分割してもよい。
　１　形状測定装置（観察装置）
　５　試料（被測定物）
１３　微細駆動ステージ（移動機構）
２０　撮像部（撮像装置）
２１　二光束干渉対物レンズ（光干渉光学系、撮像光学系、結像系）
２２　顕微鏡用照明装置（照明部）
２３　顕微鏡鏡筒装置（撮像光学系、結像系）
２４ａ　撮像素子
２５　ピエゾ駆動装置（相対移動部）
３０　制御用プロセッサ（画像処理部）
３４　高速画像プロセッサ（第１の演算処理部、画像選択部、変化情報演算部）
３５　制御用コンピュータ（第２の演算処理部、高さ情報決定部）
ＬＦＳ　局所合焦度（特徴量）
ＯＰ１　ディジタルオペレータ（微分オペレータ）

Claims (11)

  1. 　照明部によって照明された被測定物の表面からの光を受光して前記被測定物の表面像を撮像する撮像装置と、
    　前記撮像装置を構成する光学系の光軸に沿って、前記被測定物を前記撮像装置に対して相対移動させる相対移動部と、
    　前記相対移動部を利用して前記被測定物を前記撮像装置に対して相対移動させながら前記撮像装置により撮像して得られた、前記被測定物の表面の複数の画像に対して画像処理を行う画像処理部とを備え、
    　前記画像処理部は、前記複数の画像のうちから、１つの対象画像と前記対象画像を除く少なくとも１つの参考画像とを抽出して、前記対象画像と前記参考画像とに微分オペレータを作用させて、抽出された前記対象画像と前記参考画像の組ごとに前記対象画像の画素単位で所定の特徴量を算出する第１の演算処理部と、
    　画素単位で算出された複数の前記特徴量のうち画素毎に最大となる前記相対移動位置に基づいて、前記被測定物の表面高さを求める第２の演算処理部とを備え、
    　前記微分オペレータは、前記特徴量を算出する上で、前記対象画像の注目画素の画素値と、前記参考画像において前記注目画素とは異なる画素位置に存する隣接画素の画素値とに対して重み付けがされた係数を持ち、
    　前記特徴量は、前記微分オペレータによる前記注目画素の画素値と前記隣接画素の画素値との微分値であることを特徴とする形状測定装置。
  2. 　　前記照明部からの光を分割して前記被測定物と参照面とにそれぞれ照射し、前記被測定物と前記参照面とからの反射光を干渉させて干渉縞を発生させる光干渉光学系を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
  3. 　前記相対移動部により前記被測定物を前記撮像装置に対して相対移動させることにより、前記被測定物の表面と、前記参照面と前記被測定物の表面に光を分割する分割位置の距離を変動させて前記干渉縞に変化を生じさせることを特徴とする請求項２に記載の形状測定装置。
  4. 　前記撮像装置が、前記被測定物の表面像を結像する撮像光学系と、前記撮像光学系により結像された前記被測定物の表面像を撮像する撮像素子とを備え、
    　前記撮像素子の画素が、前記撮像光学系の光学分解能よりも細かいことを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の形状測定装置。
  5. 　前記撮像装置を構成する光学系の光軸と垂直な方向へ前記被測定物を前記撮像装置に対して相対移動させる移動機構を備え、
    　前記移動機構は、前記画素の幅よりも小さな移動ピッチで前記相対移動させることを特徴とする請求項４に記載の形状測定装置。
  6. 　前記照明部は１００ｎｍ以上の波長帯域幅を有する照明光を射出可能であることを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の形状測定装置。
  7. 　前記微分オペレータは、前記対象画像の注目画素の画素値と、画像取得間隔をおいて前記対称画像より先に撮像された第１の参考画像において前記注目画素に画素位置が一致する画素の周辺４画素の画素値と、前記画像取得間隔をおいて前記対称画像より後に撮像された第２の参考画像において前記注目画素に画素位置が一致する画素の周辺４画素の画素値とに対して重み付けがされた係数を持ち、
    　前記第１および第２の参考画像における前記周辺４画素は互いに画素位置が異なる構成であることを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載の形状測定装置。
  8. 　前記画像取得間隔は、前記照明部から射出される照明光の中心波長域よりも小さいことを特徴とする請求項７に記載の形状測定装置。
  9. 　請求項５に記載の形状測定装置を用いて行う画像処理方法であって、
    　前記移動機構により前記被測定物を前記撮像装置に対して前記移動ピッチずつ相対移動させる毎に、前記複数の画像から前記被測定物の表面における同一箇所に該当する部分を抽出するとともに前記抽出した部分の表面高さを求めて、前記抽出した部分における前記表面高さの度数分布を求める第１のステップと、
    　前記度数分布に基づいて前記表面高さの確率密度関数を算出し、前記確率密度関数が最大となる前記表面高さを前記抽出した部分における前記表面高さの真値として求める第２のステップと、
    　前記真値として求めた前記表面高さに基づいて前記被測定物の表面の画像を生成する第３のステップとを有することを特徴とする画像処理方法。
  10. 　照明部によって照明された被測定物のある一点からの光束を結像面で所定の領域に集光することで、前記被測定物の像を前記結像面で結像する結像系と、
    　前記結像系の光軸上における前記被測定物までの距離が異なる複数の位置で、前記被測定物の像を撮像し、各々の距離ごとに画像データを出力する撮像装置と、
    　前記撮像装置から出力された画像データのうち、前記被測定物までの距離が異なる第１の画像データと第２の画像データとを選択する画像選択部と、
    　前記画像選択部により選択された前記第１の画像データを構成する画素の各々と、前記第１の画像データの各々の画素の位置に対応した前記第２の画像データを構成する画素の位置を中心に、前記光束が集束する領域内に位置する前記第２の画像データの画素との出力の変化を求める変化情報演算部と、
    　前記変化情報演算部からの出力を基に、前記第１の画像データを構成する画素のうち、合焦位置となる画素を特定し、前記第１の画像データを取得したときの前記被測定物までの距離に応じて、前記特定された画素に対応する前記被測定物の表面の高さ情報を決定する高さ情報決定部とを備えて構成されることを特徴とする観察装置。
  11. 　前記変化情報演算部は、前記画像選択部により選択された前記第１の画像データを構成する画素の各々と、前記第２の画像データを構成する画素のうち、前記第１の画像データの各々の画素の位置に対応した画素と隣接した位置にある所定の画素との出力の変化を求めることを特徴とする請求項１０に記載の観察装置。
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