形状測定装置およびその形状測定方法
【課題】短時間のうちに光沢面の表面形状を正確に測定できる形状測定装置およびその形状測定方法を提供する。
【解決手段】形状測定装置１は、顕微鏡用試料台１６に載置された試料１５の表面像を撮像する撮像部２５と、撮像部２５の撮像光学系の光軸に沿って、撮像光学系を試料１５に対して周期的に相対移動させ、移動量を記憶して出力するピエゾ駆動制御装置と、表面像に試料１５の表面の凹凸を反映した試料１５の表面からの反射光の強度ムラを重ねる二光束干渉対物レンズ１４と、ピエゾ駆動制御装置から出力される撮像部２５の移動距離値の中、二光束干渉対物レンズ１４により反射光の強度ムラが重ねられた表面像を撮像する撮像部２５により撮像される複数の表面像の合焦度が最大となる移動距離値に基づいて、試料１５の表面の相対高さを演算して試料１５の表面形状を求める制御用プロセッサ２７とを備える。
【解決手段】形状測定装置１は、顕微鏡用試料台１６に載置された試料１５の表面像を撮像する撮像部２５と、撮像部２５の撮像光学系の光軸に沿って、撮像光学系を試料１５に対して周期的に相対移動させ、移動量を記憶して出力するピエゾ駆動制御装置と、表面像に試料１５の表面の凹凸を反映した試料１５の表面からの反射光の強度ムラを重ねる二光束干渉対物レンズ１４と、ピエゾ駆動制御装置から出力される撮像部２５の移動距離値の中、二光束干渉対物レンズ１４により反射光の強度ムラが重ねられた表面像を撮像する撮像部２５により撮像される複数の表面像の合焦度が最大となる移動距離値に基づいて、試料１５の表面の相対高さを演算して試料１５の表面形状を求める制御用プロセッサ２７とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学顕微鏡を用いて被測定物の表面高さを演算して被測定物の表面形状を求める形状測定装置、およびその形状測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学顕微鏡を用いて被測定物の表面高さを算出して表面形状を求める装置として、従来種々のものが提案されており、その一例として特許文献１に開示された装置がある。この特許文献１に開示された形状測定装置５００について、図９を参照しながら簡単に説明すると、顕微鏡用対物レンズ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、つまり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、顕微鏡用対物レンズ５４０により結像された試料５５０の画像が、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、顕微鏡の光軸に沿った方向の上限位置から下限位置までの１周期内において、画素毎に最も高い合焦度が検出された光軸方向位置を、その点の相対高さと決定するように構成されている。このような構成の形状測定装置５００によれば、被測定物の表面形状を比較的短時間のうちに測定できる。
【特許文献１】特許第３７３７４８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、例えば研磨加工された金属表面やガラス表面等の光沢面には、人間の眼では焦点を合わせて見ることができないような約１０μｍ程度の微細な切削痕が形成されているものがある。上記の形状測定装置５００を用いて、このような切削痕の形状（光沢面の表面形状）を短時間のうちに測定しようとした場合、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）が極めて低いため、例えば図８（ａ）に示すように、約１０μｍ程度の微細な切削痕の形状を正確に測定することが困難であった。
【０００４】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、短時間のうちに光沢面の表面形状を正確に測定できる形状測定装置およびその形状測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
このような目的を達成するために、本発明に係る形状測定装置は、ステージに載置された被測定物の表面像を撮像する撮像部と、前記撮像部の撮像光学系の光軸に沿って、前記撮像光学系を前記被測定物に対して周期的に相対移動させ、移動量を記憶して出力する移動制御部と、前記表面像に前記被測定物の表面の凹凸を反映した前記被測定物表面からの反射光の強度ムラを重ねる反射光強度ムラ生成光学系と、前記移動制御部から出力される前記撮像光学系の移動距離値の中、前記反射光強度ムラ生成光学系により反射光の強度ムラが重ねられた前記表面像を撮像する前記撮像部により撮像される複数の前記表面像の合焦度が最大となる移動距離値に基づいて、前記被測定物の表面の相対高さを演算して前記被測定物の表面形状を求める演算部とを有して構成される。
【０００６】
また、上述の形状測定装置において、前記演算部は、前記複数の表面像に対応する画素毎に、前記撮像光学系の相対移動の一周期中で、前記反射光強度の二次微分値を含む合焦度を求めて前記被測定物の表面の相対高さを演算することが好ましい。さらに、上述の形状測定装置において、前記反射光強度ムラ生成光学系は、光干渉光学系であることが好ましい。
【０００７】
上述の形状測定装置において、前記被測定物は、前記被測定物の被測定面が前記撮像光学系の光軸に対して傾斜するように前記ステージに載置されて測定されることが好ましい。また、上述の形状測定装置において、前記光干渉光学系の参照面の被測定物側に複数の小孔が前記参照面に対して規則的に並ぶように形成されたマスクを配置した構成でも良い。
【０００８】
ここで、上述の形状測定装置において、前記演算部は前記移動制御部により前記撮像光学系の所定の相対移動が行われている間に、前記撮像部により撮像された前記光干渉光学系により生成され、前記表面像に重ねられた干渉縞を含む前記表面像に対応する画素毎に合焦度が最大となる相対高さを保存することが好ましい。
【０００９】
また、上述の形状測定装置において、前記演算部は前記移動制御部により前記撮像光学系の所定の相対移動が行われている間に、前記撮像部により撮像された前記干渉縞を含む前記表面像に対応する画素毎に所定閾値以上の合焦度となる相対高さの算術平均をとる構成も好ましい。
【００１０】
さらに、上述の形状測定装置において、前記演算部は前記移動制御部により前記撮像光学系の所定の相対移動が行われている間に、前記撮像部により撮像された前記干渉縞を含む前記表面像に対応する画素毎に所定閾値以上の合焦度となる相対高さの出現頻度分布に確率密度関数を当てはめて、確率が最大となる相対高さを求める構成でも良い。なお、上述の形状測定装置において、前記確率密度関数は、正規分布であることが好ましい。
【００１１】
また、上述の形状測定装置において、前記演算部は前記移動制御部により前記撮像光学系の所定の相対移動が行われている間に、前記撮像部により撮像された前記干渉縞を含む前記表面像に対応する画素毎に所定閾値以上の合焦度となる相対高さの出現頻度分布の最大頻度近傍を二次曲線で近似し、最大頻度となる相対高さを求める構成も好ましい。
【００１２】
本発明に係る形状測定方法は、上述のように構成された形状測定装置を用いて、前記移動制御部により前記撮像光学系を前記被測定物に対して相対移動させながら、前記撮像部により撮像されて得られた複数の前記表面像における合焦度に基づいて前記被測定物の表面の相対高さを演算して前記被測定物の表面形状を求めるようになっており、前記撮像部は、前記光干渉光学系により生成され、前記表面像に重ねられた干渉縞を含む前記表面像を撮像するようになっている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、短時間のうちに光沢面の表面形状を正確に測定できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の好ましい実施形態である実施例１および実施例２について、図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１は、本発明を適用した実施例１に係る形状測定装置１の概略図を示しており、この図１を参照しながら形状測定装置１の構成について説明する。形状測定装置１は、撮像部２５、顕微鏡本体２６および制御用プロセッサ２７を主体に構成される。顕微鏡本体２６は、顕微鏡用試料台１６、顕微鏡ベース１８および傾斜板２０を主体に構成されており、顕微鏡用試料台１６の上面に傾斜板２０が載置されている。よって、測定対象物である例えば略直方体の試料１５を、この傾斜板２０の上面に載置して測定を行うことにより、例えば光沢面となっている試料１５の測定面（上面）を、撮像部２５を構成する撮像光学系の光軸に対して斜めに位置させた状態で測定できるようになっている。
【００１６】
撮像部２５は、高速度カメラ１１、顕微鏡鏡筒装置１２、ピエゾ駆動装置１３、二光束干渉対物レンズ１４および顕微鏡用照明装置１７を主体に構成される。顕微鏡用照明装置１７は、照明光を出射する光源１７ａおよびビームスプリッタ１７ｂを備えている。二光束干渉対物レンズ１４は、図２に示すように、ビームスプリッタ３１、参照面用明視野対物レンズ３２、参照面３３および対象物用明視野対物レンズ３４を主体に構成され、本実施例においてはリニーク型の干渉光学系を例示している。顕微鏡鏡筒装置１２は、その内部に結像レンズ（図示せず）を備えて構成され、後述するように干渉縞を含んだ干渉像光を高速度カメラ１１の撮像面上に結像させる。高速度カメラ１１は、例えば１／９００秒間に１枚の割合で撮像可能な構成となっており，その撮像した画像をディジタル信号に変換して、後述する高速画像プロセッサ４２に出力するようになっている（図３を参照）。
【００１７】
ピエゾ駆動装置１３は、印加電圧を変えることにより体積が変化するピエゾ素子を用いて構成されており、本実施例においては、例えば１秒間に１５回の割合で連続的に所定幅を往復移動可能となっている。このピエゾ駆動装置１３が、二光束干渉対物レンズ１４の上端部に取り付けられているため、ピエゾ駆動装置１３が駆動されることにより、二光束干渉対物レンズ１４は、撮像部２５を構成する撮像光学系の光軸に沿った方向（図１における上下方向）に往復移動される。また、ピエゾ駆動装置１３は、後述するピエゾ駆動制御装置４１と接続されて駆動が制御されるようになっている（図３を参照）。制御用プロセッサ２７は、図３に示すように、ピエゾ駆動制御装置４１、高速画像プロセッサ４２および制御用コンピュータ４３を主体に構成されており、これらの詳しい作動に関しては後述する。
【００１８】
以上、形状測定装置１の構成部分について説明したが、以下に、形状測定装置１を用いて試料１５の測定面の表面形状を測定するときの測定方法について、各構成部分の作動と併せて説明する。まず、光源１７ａから出射されてビームスプリッタ１７ｂにおいて反射された照明光は、二光束干渉対物レンズ１４の中のビームスプリッタ３１に到達する（図１および図２を参照）。そして、照明光はビームスプリッタ３１において分割されて、一方は対象物用明視野対物レンズ３４を通過して試料１５の測定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３２を通過して参照面３３に照射される。そして、試料１５の測定面および参照面３３において反射された照明光は、ビームスプリッタ３１で再び重ね合わされることにより干渉縞が発生し、この干渉縞を含んだ干渉像光が高速度カメラ１１の撮像面上に結像される。
【００１９】
上記測定時において、ピエゾ駆動装置１３は、ピエゾ駆動制御装置４１によって連続的に往復移動されているため、二光束干渉対物レンズ１４（対象物用明視野対物レンズ３４）がそれぞれの位置に移動された状態における干渉像光が、高速度カメラ１１の撮像面上に結像される。本実施例においては高速度カメラ１１を用いているため、ピエゾ駆動装置１３の駆動に対して、それぞれの移動位置における画像を確実に撮像できるようになっている。ここで、上記干渉縞は、試料１５の測定面からの反射光と、参照面３３からの反射光との位相差（光路差）に基づいて発生するため、以下のようにこの干渉縞を含んだ画像を演算処理することにより、試料１５の測定面の相対高さを測定して表面形状を求めることができる。
【００２０】
そこで、制御用プロセッサ２７において、試料１５の測定面の相対高さを測定して測定面の形状を求める方法について、以下の４つの測定方法（測定方法１〜４）を挙げて説明する。
【００２１】
（測定方法１）
まず、高速画像プロセッサ４２は、図３に示すように、ピエゾ駆動制御装置４１に対して、ピエゾ駆動装置１３を所定の走査距離だけ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１１で撮像されてディジタル信号に変換された画像を入力する。こうすることにより、高速画像プロセッサ４２は、撮像部２５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保存することができる構成となっている。さらに、高速画像プロセッサ４２は、ピエゾ駆動制御装置４１に対して作動信号を出力することにより、所定の走査幅内においてピエゾ駆動装置１３を連続して循環的に駆動させる。
【００２２】
そして、高速画像プロセッサ４２は、入力された画像の各画素について合焦度を算出する。このとき、上記合焦度を求める手法としては、二次微分値（画素の信号強度の変化率）または分散値等を用いて求めることができ、本実施例においては二次微分値を用いている。なお、画素の合焦度は、例えばその周囲の画素の情報を用いた二次微分値に基づくフィルタ（ラプラシアンフィルタ）を使って求めることも可能である。
【００２３】
さらに、高速画像プロセッサ４２は、入力された各情報を基にして、ピエゾ駆動装置１３が上下に１循環する間に１枚の割合で、原高さ画像４２ａと合焦度画像４２ｂとを生成し、それぞれを制御用コンピュータ４３に出力する。上記原高さ画像４２ａとは、画素毎に、上下に１循環する間に得られた最も真の高さに近いと高速画像プロセッサ４２が判断した値が格納されたものであり、上記合焦度画像４２ｂとは、画素毎に、その画素の合焦度が格納されたものである。
【００２４】
制御用コンピュータ４３は、所定期間内において得られた複数の原高さ画像４２ａおよび複数の合焦度画像４２ｂを入力し、より一層真の高さ画像に近い高さ画像を算出する。ここで、制御用コンピュータ４３における上記高さ画像の算出方法について、図４に示すグラフを参照しながら具体的に説明する。図４（ａ）の縦軸は合焦度を、横軸は時間を表しており、図４（ａ）のグラフ中の各プロットは、１循環中に１枚出力される上記合焦度画像のうちから任意に抽出された１画素についての値を示している。また、図４（ｂ）の縦軸は高さを、横軸は時間を表しており、図４（ｂ）のグラフ中の各プロットは、１循環中に１枚出力される上記高さ画像のうちから任意に抽出された１画素についての値を示しており、説明の便宜上、図４（ａ）と図４（ｂ）とは同一の画素について示しているものとする。このとき、所定期間内での最大の合焦度を示す時点、例えばプロット５１における高さを示したプロット６１の高さを、その画素の相対高さとして決定する。
【００２５】
上記のような演算を全ての画素について行って、全ての画素の相対高さを決定することにより、より一層真の高さ画像に近い高さ画像４３ａ（試料１５の測定面の表面形状）を求めることができる。そして、求められた高さ画像４３ａを、図３に示す例えばモニタ４４に出力することにより、モニタ４４で試料１５の測定面の表面形状を観察可能となる。
【００２６】
（測定方法２）
測定方法２は、上述の測定方法１と比較して、制御用コンピュータ４３において上述の図４（ａ）および図４（ｂ）を作成する過程までは同一となっているため、測定方法１と同一部分の説明は省略して、測定方法１と異なる部分を中心に説明する。制御用コンピュータ４３は、上述のように、所定期間内において得られた複数の原高さ画像４２ａおよび合焦度画像４２ｂを入力することにより、制御用コンピュータ４３において例えば図４（ａ）および図４（ｂ）に示すグラフが作成されたとする。ここで、図４（ａ）において、例えば所定の閾値５２以上の合焦度が検出されたプロットの高さ（例えば図４（ｂ）における、プロット６１，６２ａ，６２ｂ，６２ｃ，６２ｄ，６２ｅ，６２ｆ，６２ｇ）の平均値を求めることにより、その画素の相対高さを決定する。上記のような演算を全ての画素について行って、全ての画素の相対高さを決定することにより、高さ画像４３ａを求めることができる。
【００２７】
（測定方法３）
測定方法３は、上述の測定方法１と比較して、制御用コンピュータ４３において上述の図４（ａ）および図４（ｂ）を作成する過程までは同一となっているため、測定方法１と同一部分の説明は省略して、測定方法１と異なる部分を中心に説明する。制御用コンピュータ４３は、上述のように、所定期間内において得られた複数の原高さ画像４２ａおよび合焦度画像４２ｂを入力することにより、制御用コンピュータ４３において例えば図４（ａ）および図４（ｂ）に示すグラフが作成されたとする。
【００２８】
ここで、図４（ａ）において、例えば所定の閾値５２以上の合焦度が検出されたプロットの高さ（例えば図４（ｂ）における、プロット６１，６２ａ，６２ｂ，６２ｃ，６２ｄ，６２ｅ，６２ｆ，６２ｇ）について、図５に示すように縦軸に高さを、横軸に出現頻度をとり、所定高さの区間７１毎の出現頻度分布を作成する。そして、この作成された出現頻度分布に確率密度関数（例えば正規分布７２）を当てはめることにより、この正規分布７２において最大の出現頻度を与える高さ（例えば、図５に示す高さ７１ａ）を、その画素の相対高さと決定する。上記のような演算を全ての画素について行って、全ての画素の相対高さを決定することにより、高さ画像４３ａを求めることができる。
【００２９】
（測定方法４）
上述の測定方法３において、正規分布７２を用いる構成は一例であって、正規分布７２以外の確率密度関数を出現頻度分布に当てはめることも可能である。そこで、測定方法４においては、確率密度関数として２次曲線を用いた場合を、図６を参照しながら説明する。なお、測定方法４は、上述の測定方法３と比較して、図５に示す区間７１毎の出現頻度分布を作成する過程までは同一となっているため、測定方法３と同一部分の説明は省略して、測定方法３と異なる部分を中心に説明する。
【００３０】
上述のようにして、例えば図６に示す出現頻度分布が作成されたとする。そして、この図６に示す出現頻度分布のうちで、最大の出現頻度を示す頻度分布の高さ値（例えば、図６においてハッチングを施した頻度分布８１の高さ値）を中心とし、指定された区間（例えば、図６に示す区間８２）の出現頻度値分布に対して２次曲線８３を当てはめて、そのとき最大の出現頻度を与える高さをその画素の相対高さを決定する。上記のような演算を全ての画素について行って、全ての画素の相対高さを決定することにより、高さ画像４３ａを求めることができる。
【００３１】
形状測定装置１において、ピエゾ駆動装置１３を駆動させて二光束干渉対物レンズ１４を繰り返し往復走査させたとき、画素毎に焦点面が試料１５の測定面を通過したときに干渉縞が現れる。しかしながら、試料１５の測定面を通過するすべての場合において、画素毎に十分に高い合焦度が検出できるとは限らない。特に、試料１５の測定面が光沢面である場合には、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）が極めて低いため、表面形状を正確に測定するために必要とされる十分に高い合焦度が検出できない場合がある。このような場合に、形状測定装置１において上述の測定方法１〜４のいずれかを用いることにより、画素毎に有効な合焦度（表面形状が忠実に反映された画像信号）のみを使用して、相対高さおよび表面形状を求めることが可能となる。例えば、従来の形状測定装置５００では、上述のように約１０μｍ程度の微細な切削痕の形状を正確に測定することが困難であったが（図８（ａ）を参照）、本発明に係る形状測定装置１によれば、約１０μｍの切削痕を鮮明に測定することが可能となる（図８（ｂ）を参照）。なお、図８（ａ）と図８（ｂ）とは、同一光沢面の同一視野を測定した場合の結果を示している。
【００３２】
仮に、傾斜板２０を用いることなく、試料１５を顕微鏡用試料台１６の上面に載置すると、撮像部２５を構成する撮像光学系の光軸が、試料１５の測定面に対して略直交する場合がある。このような場合、画素の大きさに対して干渉縞の幅および間隔が大きくなりすぎてしまい、画素毎の二次微分値が小さくなって、表面形状を正確に測定するために必要とされる十分に高い合焦度が検出できないことがある。そこで、上述の実施例１に示すように、試料１５を傾斜板２０の上面に載置して撮像光学系の光軸に対して斜めに位置させた状態で測定を行うことにより、干渉縞の幅および間隔を狭くすることができて、十分に高い合焦度を検出可能となる。よって、試料１５の測定面に形成された、例えば約１０μｍ程度の微細な切削痕の形状を正確に測定することができる。
【実施例２】
【００３３】
本発明を適用した実施例２に係る形状測定装置２の概略図を、図１に示している。この形状測定装置２は、上述の実施例１に係る形状測定装置１と大部分の構成が同一となっており、形状測定装置１と同一部分は同一番号を付して説明は省略し、以下において形状測定装置１と異なる部分を中心に説明する。形状測定装置２は、上述の形状測定装置１に設けられていた傾斜板２０を取り除くとともに、図２に示す二光束干渉対物レンズ１４の参照面３３に、図７に示すマスク３５が装着された構成となっている。このマスク３５の表面全体には、直径約２μｍの複数の貫通孔３５ａが、互いに約２．５μｍの間隔を有して形成されている。
【００３４】
上記のように構成された形状測定装置２は、参照面３３において貫通孔３５ａが形成された部分では照明光が反射されるが、マスク３５の貫通孔３５ａが形成されていない部分（図７において黒く示された部分）では照明光が反射されない構成となっている。よって、試料１５の測定面および参照面３３において反射された照明光が、ビームスプリッタ３１で再び重ね合わされて干渉縞が発生するとき、参照面３３からの照明光は、貫通孔３５ａが形成された部分からのみの照明光となっているので、干渉縞に干渉縞消失領域（濃淡の模様）が形成される。この干渉縞消失領域が形成されることよって、測定に用いる画像信号のＳ／Ｎ比を高めることができる。
【００３５】
そして、このような干渉縞消失領域が形成された干渉縞を含んだ干渉像光が、高速度カメラ１１の撮像面上に結像されるとともに、形状測定装置１と同様に、上述の測定方法１から４のいずれかを用いることにより、試料１５の測定面の相対高さが求められる。このとき、干渉縞に干渉縞消失領域が形成されることにより、測定に用いる画像の濃淡にめりはりを付けることができて、表面形状を正確に測定するために必要とされる十分に高い合焦度を検出可能となる。そのため、光沢面となった測定面に形成された、例えば約０．１μｍ程度以下の微細形状を正確に測定することができる。このようなことから、形状測定装置２による測定は、上述の形状測定装置１のように傾斜板２０上に試料１５を載置しても、例えば測定面の一部が、撮像部２５を構成する撮像光学系の光軸と略直交するような場合に有効である。
【００３６】
以上述べたように、本発明に係る形状測定装置によれば、短時間のうちに光沢面の表面形状を正確に測定できる。さらには、材料開発の効率を大幅に向上させることが可能となるとともに、材料の幾何形状検査の高速化にも寄与できる。
【００３７】
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、この構成に限定されず、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良く、さらには、縞投影法を用いて干渉縞を生成する構成でも良い。
【００３８】
なお、以上のような本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明に係る要旨を逸脱しない範囲であれば適宜改良可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明に係る形状測定装置を示した概略図である。
【図２】二光束干渉対物レンズの構成を示した概略図である。
【図３】本発明に係る形状測定装置の構成を示したブロック図である。
【図４】測定方法１および２を説明するためのグラフであって、（ａ）は合焦度と時間との関係を示し、（ｂ）は高さと時間との関係を示している。
【図５】測定方法３を説明するためのグラフであって、高さと出現頻度との関係を示している。
【図６】測定方法４を説明するためのグラフであって、高さと出現頻度との関係を示している。
【図７】本発明の実施例２に係る形状測定装置に用いられるマスクを示した図である。
【図８】光沢面の表面形状を測定した結果を示す図であって、（ａ）は従来の形状測定装置を用いて測定した場合、（ｂ）は本発明に係る形状測定装置を用いて測定した場合を示している。
【図９】従来の形状測定装置を示した概略図である。
【符号の説明】
【００４０】
１ 形状測定装置
１４ 二光束干渉対物レンズ（反射光強度ムラ生成光学系）
１５ 試料（被測定物）
１６ 顕微鏡用試料台（ステージ）
２５ 撮像部
２７ 制御用プロセッサ（演算部）
３５ マスク
３５ａ 貫通孔（小孔）
４１ ピエゾ駆動制御装置（移動制御部）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学顕微鏡を用いて被測定物の表面高さを演算して被測定物の表面形状を求める形状測定装置、およびその形状測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学顕微鏡を用いて被測定物の表面高さを算出して表面形状を求める装置として、従来種々のものが提案されており、その一例として特許文献１に開示された装置がある。この特許文献１に開示された形状測定装置５００について、図９を参照しながら簡単に説明すると、顕微鏡用対物レンズ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、つまり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、顕微鏡用対物レンズ５４０により結像された試料５５０の画像が、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、顕微鏡の光軸に沿った方向の上限位置から下限位置までの１周期内において、画素毎に最も高い合焦度が検出された光軸方向位置を、その点の相対高さと決定するように構成されている。このような構成の形状測定装置５００によれば、被測定物の表面形状を比較的短時間のうちに測定できる。
【特許文献１】特許第３７３７４８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、例えば研磨加工された金属表面やガラス表面等の光沢面には、人間の眼では焦点を合わせて見ることができないような約１０μｍ程度の微細な切削痕が形成されているものがある。上記の形状測定装置５００を用いて、このような切削痕の形状（光沢面の表面形状）を短時間のうちに測定しようとした場合、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）が極めて低いため、例えば図８（ａ）に示すように、約１０μｍ程度の微細な切削痕の形状を正確に測定することが困難であった。
【０００４】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、短時間のうちに光沢面の表面形状を正確に測定できる形状測定装置およびその形状測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
このような目的を達成するために、本発明に係る形状測定装置は、ステージに載置された被測定物の表面像を撮像する撮像部と、前記撮像部の撮像光学系の光軸に沿って、前記撮像光学系を前記被測定物に対して周期的に相対移動させ、移動量を記憶して出力する移動制御部と、前記表面像に前記被測定物の表面の凹凸を反映した前記被測定物表面からの反射光の強度ムラを重ねる反射光強度ムラ生成光学系と、前記移動制御部から出力される前記撮像光学系の移動距離値の中、前記反射光強度ムラ生成光学系により反射光の強度ムラが重ねられた前記表面像を撮像する前記撮像部により撮像される複数の前記表面像の合焦度が最大となる移動距離値に基づいて、前記被測定物の表面の相対高さを演算して前記被測定物の表面形状を求める演算部とを有して構成される。
【０００６】
また、上述の形状測定装置において、前記演算部は、前記複数の表面像に対応する画素毎に、前記撮像光学系の相対移動の一周期中で、前記反射光強度の二次微分値を含む合焦度を求めて前記被測定物の表面の相対高さを演算することが好ましい。さらに、上述の形状測定装置において、前記反射光強度ムラ生成光学系は、光干渉光学系であることが好ましい。
【０００７】
上述の形状測定装置において、前記被測定物は、前記被測定物の被測定面が前記撮像光学系の光軸に対して傾斜するように前記ステージに載置されて測定されることが好ましい。また、上述の形状測定装置において、前記光干渉光学系の参照面の被測定物側に複数の小孔が前記参照面に対して規則的に並ぶように形成されたマスクを配置した構成でも良い。
【０００８】
ここで、上述の形状測定装置において、前記演算部は前記移動制御部により前記撮像光学系の所定の相対移動が行われている間に、前記撮像部により撮像された前記光干渉光学系により生成され、前記表面像に重ねられた干渉縞を含む前記表面像に対応する画素毎に合焦度が最大となる相対高さを保存することが好ましい。
【０００９】
また、上述の形状測定装置において、前記演算部は前記移動制御部により前記撮像光学系の所定の相対移動が行われている間に、前記撮像部により撮像された前記干渉縞を含む前記表面像に対応する画素毎に所定閾値以上の合焦度となる相対高さの算術平均をとる構成も好ましい。
【００１０】
さらに、上述の形状測定装置において、前記演算部は前記移動制御部により前記撮像光学系の所定の相対移動が行われている間に、前記撮像部により撮像された前記干渉縞を含む前記表面像に対応する画素毎に所定閾値以上の合焦度となる相対高さの出現頻度分布に確率密度関数を当てはめて、確率が最大となる相対高さを求める構成でも良い。なお、上述の形状測定装置において、前記確率密度関数は、正規分布であることが好ましい。
【００１１】
また、上述の形状測定装置において、前記演算部は前記移動制御部により前記撮像光学系の所定の相対移動が行われている間に、前記撮像部により撮像された前記干渉縞を含む前記表面像に対応する画素毎に所定閾値以上の合焦度となる相対高さの出現頻度分布の最大頻度近傍を二次曲線で近似し、最大頻度となる相対高さを求める構成も好ましい。
【００１２】
本発明に係る形状測定方法は、上述のように構成された形状測定装置を用いて、前記移動制御部により前記撮像光学系を前記被測定物に対して相対移動させながら、前記撮像部により撮像されて得られた複数の前記表面像における合焦度に基づいて前記被測定物の表面の相対高さを演算して前記被測定物の表面形状を求めるようになっており、前記撮像部は、前記光干渉光学系により生成され、前記表面像に重ねられた干渉縞を含む前記表面像を撮像するようになっている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、短時間のうちに光沢面の表面形状を正確に測定できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の好ましい実施形態である実施例１および実施例２について、図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１は、本発明を適用した実施例１に係る形状測定装置１の概略図を示しており、この図１を参照しながら形状測定装置１の構成について説明する。形状測定装置１は、撮像部２５、顕微鏡本体２６および制御用プロセッサ２７を主体に構成される。顕微鏡本体２６は、顕微鏡用試料台１６、顕微鏡ベース１８および傾斜板２０を主体に構成されており、顕微鏡用試料台１６の上面に傾斜板２０が載置されている。よって、測定対象物である例えば略直方体の試料１５を、この傾斜板２０の上面に載置して測定を行うことにより、例えば光沢面となっている試料１５の測定面（上面）を、撮像部２５を構成する撮像光学系の光軸に対して斜めに位置させた状態で測定できるようになっている。
【００１６】
撮像部２５は、高速度カメラ１１、顕微鏡鏡筒装置１２、ピエゾ駆動装置１３、二光束干渉対物レンズ１４および顕微鏡用照明装置１７を主体に構成される。顕微鏡用照明装置１７は、照明光を出射する光源１７ａおよびビームスプリッタ１７ｂを備えている。二光束干渉対物レンズ１４は、図２に示すように、ビームスプリッタ３１、参照面用明視野対物レンズ３２、参照面３３および対象物用明視野対物レンズ３４を主体に構成され、本実施例においてはリニーク型の干渉光学系を例示している。顕微鏡鏡筒装置１２は、その内部に結像レンズ（図示せず）を備えて構成され、後述するように干渉縞を含んだ干渉像光を高速度カメラ１１の撮像面上に結像させる。高速度カメラ１１は、例えば１／９００秒間に１枚の割合で撮像可能な構成となっており，その撮像した画像をディジタル信号に変換して、後述する高速画像プロセッサ４２に出力するようになっている（図３を参照）。
【００１７】
ピエゾ駆動装置１３は、印加電圧を変えることにより体積が変化するピエゾ素子を用いて構成されており、本実施例においては、例えば１秒間に１５回の割合で連続的に所定幅を往復移動可能となっている。このピエゾ駆動装置１３が、二光束干渉対物レンズ１４の上端部に取り付けられているため、ピエゾ駆動装置１３が駆動されることにより、二光束干渉対物レンズ１４は、撮像部２５を構成する撮像光学系の光軸に沿った方向（図１における上下方向）に往復移動される。また、ピエゾ駆動装置１３は、後述するピエゾ駆動制御装置４１と接続されて駆動が制御されるようになっている（図３を参照）。制御用プロセッサ２７は、図３に示すように、ピエゾ駆動制御装置４１、高速画像プロセッサ４２および制御用コンピュータ４３を主体に構成されており、これらの詳しい作動に関しては後述する。
【００１８】
以上、形状測定装置１の構成部分について説明したが、以下に、形状測定装置１を用いて試料１５の測定面の表面形状を測定するときの測定方法について、各構成部分の作動と併せて説明する。まず、光源１７ａから出射されてビームスプリッタ１７ｂにおいて反射された照明光は、二光束干渉対物レンズ１４の中のビームスプリッタ３１に到達する（図１および図２を参照）。そして、照明光はビームスプリッタ３１において分割されて、一方は対象物用明視野対物レンズ３４を通過して試料１５の測定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３２を通過して参照面３３に照射される。そして、試料１５の測定面および参照面３３において反射された照明光は、ビームスプリッタ３１で再び重ね合わされることにより干渉縞が発生し、この干渉縞を含んだ干渉像光が高速度カメラ１１の撮像面上に結像される。
【００１９】
上記測定時において、ピエゾ駆動装置１３は、ピエゾ駆動制御装置４１によって連続的に往復移動されているため、二光束干渉対物レンズ１４（対象物用明視野対物レンズ３４）がそれぞれの位置に移動された状態における干渉像光が、高速度カメラ１１の撮像面上に結像される。本実施例においては高速度カメラ１１を用いているため、ピエゾ駆動装置１３の駆動に対して、それぞれの移動位置における画像を確実に撮像できるようになっている。ここで、上記干渉縞は、試料１５の測定面からの反射光と、参照面３３からの反射光との位相差（光路差）に基づいて発生するため、以下のようにこの干渉縞を含んだ画像を演算処理することにより、試料１５の測定面の相対高さを測定して表面形状を求めることができる。
【００２０】
そこで、制御用プロセッサ２７において、試料１５の測定面の相対高さを測定して測定面の形状を求める方法について、以下の４つの測定方法（測定方法１〜４）を挙げて説明する。
【００２１】
（測定方法１）
まず、高速画像プロセッサ４２は、図３に示すように、ピエゾ駆動制御装置４１に対して、ピエゾ駆動装置１３を所定の走査距離だけ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１１で撮像されてディジタル信号に変換された画像を入力する。こうすることにより、高速画像プロセッサ４２は、撮像部２５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保存することができる構成となっている。さらに、高速画像プロセッサ４２は、ピエゾ駆動制御装置４１に対して作動信号を出力することにより、所定の走査幅内においてピエゾ駆動装置１３を連続して循環的に駆動させる。
【００２２】
そして、高速画像プロセッサ４２は、入力された画像の各画素について合焦度を算出する。このとき、上記合焦度を求める手法としては、二次微分値（画素の信号強度の変化率）または分散値等を用いて求めることができ、本実施例においては二次微分値を用いている。なお、画素の合焦度は、例えばその周囲の画素の情報を用いた二次微分値に基づくフィルタ（ラプラシアンフィルタ）を使って求めることも可能である。
【００２３】
さらに、高速画像プロセッサ４２は、入力された各情報を基にして、ピエゾ駆動装置１３が上下に１循環する間に１枚の割合で、原高さ画像４２ａと合焦度画像４２ｂとを生成し、それぞれを制御用コンピュータ４３に出力する。上記原高さ画像４２ａとは、画素毎に、上下に１循環する間に得られた最も真の高さに近いと高速画像プロセッサ４２が判断した値が格納されたものであり、上記合焦度画像４２ｂとは、画素毎に、その画素の合焦度が格納されたものである。
【００２４】
制御用コンピュータ４３は、所定期間内において得られた複数の原高さ画像４２ａおよび複数の合焦度画像４２ｂを入力し、より一層真の高さ画像に近い高さ画像を算出する。ここで、制御用コンピュータ４３における上記高さ画像の算出方法について、図４に示すグラフを参照しながら具体的に説明する。図４（ａ）の縦軸は合焦度を、横軸は時間を表しており、図４（ａ）のグラフ中の各プロットは、１循環中に１枚出力される上記合焦度画像のうちから任意に抽出された１画素についての値を示している。また、図４（ｂ）の縦軸は高さを、横軸は時間を表しており、図４（ｂ）のグラフ中の各プロットは、１循環中に１枚出力される上記高さ画像のうちから任意に抽出された１画素についての値を示しており、説明の便宜上、図４（ａ）と図４（ｂ）とは同一の画素について示しているものとする。このとき、所定期間内での最大の合焦度を示す時点、例えばプロット５１における高さを示したプロット６１の高さを、その画素の相対高さとして決定する。
【００２５】
上記のような演算を全ての画素について行って、全ての画素の相対高さを決定することにより、より一層真の高さ画像に近い高さ画像４３ａ（試料１５の測定面の表面形状）を求めることができる。そして、求められた高さ画像４３ａを、図３に示す例えばモニタ４４に出力することにより、モニタ４４で試料１５の測定面の表面形状を観察可能となる。
【００２６】
（測定方法２）
測定方法２は、上述の測定方法１と比較して、制御用コンピュータ４３において上述の図４（ａ）および図４（ｂ）を作成する過程までは同一となっているため、測定方法１と同一部分の説明は省略して、測定方法１と異なる部分を中心に説明する。制御用コンピュータ４３は、上述のように、所定期間内において得られた複数の原高さ画像４２ａおよび合焦度画像４２ｂを入力することにより、制御用コンピュータ４３において例えば図４（ａ）および図４（ｂ）に示すグラフが作成されたとする。ここで、図４（ａ）において、例えば所定の閾値５２以上の合焦度が検出されたプロットの高さ（例えば図４（ｂ）における、プロット６１，６２ａ，６２ｂ，６２ｃ，６２ｄ，６２ｅ，６２ｆ，６２ｇ）の平均値を求めることにより、その画素の相対高さを決定する。上記のような演算を全ての画素について行って、全ての画素の相対高さを決定することにより、高さ画像４３ａを求めることができる。
【００２７】
（測定方法３）
測定方法３は、上述の測定方法１と比較して、制御用コンピュータ４３において上述の図４（ａ）および図４（ｂ）を作成する過程までは同一となっているため、測定方法１と同一部分の説明は省略して、測定方法１と異なる部分を中心に説明する。制御用コンピュータ４３は、上述のように、所定期間内において得られた複数の原高さ画像４２ａおよび合焦度画像４２ｂを入力することにより、制御用コンピュータ４３において例えば図４（ａ）および図４（ｂ）に示すグラフが作成されたとする。
【００２８】
ここで、図４（ａ）において、例えば所定の閾値５２以上の合焦度が検出されたプロットの高さ（例えば図４（ｂ）における、プロット６１，６２ａ，６２ｂ，６２ｃ，６２ｄ，６２ｅ，６２ｆ，６２ｇ）について、図５に示すように縦軸に高さを、横軸に出現頻度をとり、所定高さの区間７１毎の出現頻度分布を作成する。そして、この作成された出現頻度分布に確率密度関数（例えば正規分布７２）を当てはめることにより、この正規分布７２において最大の出現頻度を与える高さ（例えば、図５に示す高さ７１ａ）を、その画素の相対高さと決定する。上記のような演算を全ての画素について行って、全ての画素の相対高さを決定することにより、高さ画像４３ａを求めることができる。
【００２９】
（測定方法４）
上述の測定方法３において、正規分布７２を用いる構成は一例であって、正規分布７２以外の確率密度関数を出現頻度分布に当てはめることも可能である。そこで、測定方法４においては、確率密度関数として２次曲線を用いた場合を、図６を参照しながら説明する。なお、測定方法４は、上述の測定方法３と比較して、図５に示す区間７１毎の出現頻度分布を作成する過程までは同一となっているため、測定方法３と同一部分の説明は省略して、測定方法３と異なる部分を中心に説明する。
【００３０】
上述のようにして、例えば図６に示す出現頻度分布が作成されたとする。そして、この図６に示す出現頻度分布のうちで、最大の出現頻度を示す頻度分布の高さ値（例えば、図６においてハッチングを施した頻度分布８１の高さ値）を中心とし、指定された区間（例えば、図６に示す区間８２）の出現頻度値分布に対して２次曲線８３を当てはめて、そのとき最大の出現頻度を与える高さをその画素の相対高さを決定する。上記のような演算を全ての画素について行って、全ての画素の相対高さを決定することにより、高さ画像４３ａを求めることができる。
【００３１】
形状測定装置１において、ピエゾ駆動装置１３を駆動させて二光束干渉対物レンズ１４を繰り返し往復走査させたとき、画素毎に焦点面が試料１５の測定面を通過したときに干渉縞が現れる。しかしながら、試料１５の測定面を通過するすべての場合において、画素毎に十分に高い合焦度が検出できるとは限らない。特に、試料１５の測定面が光沢面である場合には、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）が極めて低いため、表面形状を正確に測定するために必要とされる十分に高い合焦度が検出できない場合がある。このような場合に、形状測定装置１において上述の測定方法１〜４のいずれかを用いることにより、画素毎に有効な合焦度（表面形状が忠実に反映された画像信号）のみを使用して、相対高さおよび表面形状を求めることが可能となる。例えば、従来の形状測定装置５００では、上述のように約１０μｍ程度の微細な切削痕の形状を正確に測定することが困難であったが（図８（ａ）を参照）、本発明に係る形状測定装置１によれば、約１０μｍの切削痕を鮮明に測定することが可能となる（図８（ｂ）を参照）。なお、図８（ａ）と図８（ｂ）とは、同一光沢面の同一視野を測定した場合の結果を示している。
【００３２】
仮に、傾斜板２０を用いることなく、試料１５を顕微鏡用試料台１６の上面に載置すると、撮像部２５を構成する撮像光学系の光軸が、試料１５の測定面に対して略直交する場合がある。このような場合、画素の大きさに対して干渉縞の幅および間隔が大きくなりすぎてしまい、画素毎の二次微分値が小さくなって、表面形状を正確に測定するために必要とされる十分に高い合焦度が検出できないことがある。そこで、上述の実施例１に示すように、試料１５を傾斜板２０の上面に載置して撮像光学系の光軸に対して斜めに位置させた状態で測定を行うことにより、干渉縞の幅および間隔を狭くすることができて、十分に高い合焦度を検出可能となる。よって、試料１５の測定面に形成された、例えば約１０μｍ程度の微細な切削痕の形状を正確に測定することができる。
【実施例２】
【００３３】
本発明を適用した実施例２に係る形状測定装置２の概略図を、図１に示している。この形状測定装置２は、上述の実施例１に係る形状測定装置１と大部分の構成が同一となっており、形状測定装置１と同一部分は同一番号を付して説明は省略し、以下において形状測定装置１と異なる部分を中心に説明する。形状測定装置２は、上述の形状測定装置１に設けられていた傾斜板２０を取り除くとともに、図２に示す二光束干渉対物レンズ１４の参照面３３に、図７に示すマスク３５が装着された構成となっている。このマスク３５の表面全体には、直径約２μｍの複数の貫通孔３５ａが、互いに約２．５μｍの間隔を有して形成されている。
【００３４】
上記のように構成された形状測定装置２は、参照面３３において貫通孔３５ａが形成された部分では照明光が反射されるが、マスク３５の貫通孔３５ａが形成されていない部分（図７において黒く示された部分）では照明光が反射されない構成となっている。よって、試料１５の測定面および参照面３３において反射された照明光が、ビームスプリッタ３１で再び重ね合わされて干渉縞が発生するとき、参照面３３からの照明光は、貫通孔３５ａが形成された部分からのみの照明光となっているので、干渉縞に干渉縞消失領域（濃淡の模様）が形成される。この干渉縞消失領域が形成されることよって、測定に用いる画像信号のＳ／Ｎ比を高めることができる。
【００３５】
そして、このような干渉縞消失領域が形成された干渉縞を含んだ干渉像光が、高速度カメラ１１の撮像面上に結像されるとともに、形状測定装置１と同様に、上述の測定方法１から４のいずれかを用いることにより、試料１５の測定面の相対高さが求められる。このとき、干渉縞に干渉縞消失領域が形成されることにより、測定に用いる画像の濃淡にめりはりを付けることができて、表面形状を正確に測定するために必要とされる十分に高い合焦度を検出可能となる。そのため、光沢面となった測定面に形成された、例えば約０．１μｍ程度以下の微細形状を正確に測定することができる。このようなことから、形状測定装置２による測定は、上述の形状測定装置１のように傾斜板２０上に試料１５を載置しても、例えば測定面の一部が、撮像部２５を構成する撮像光学系の光軸と略直交するような場合に有効である。
【００３６】
以上述べたように、本発明に係る形状測定装置によれば、短時間のうちに光沢面の表面形状を正確に測定できる。さらには、材料開発の効率を大幅に向上させることが可能となるとともに、材料の幾何形状検査の高速化にも寄与できる。
【００３７】
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、この構成に限定されず、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良く、さらには、縞投影法を用いて干渉縞を生成する構成でも良い。
【００３８】
なお、以上のような本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明に係る要旨を逸脱しない範囲であれば適宜改良可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明に係る形状測定装置を示した概略図である。
【図２】二光束干渉対物レンズの構成を示した概略図である。
【図３】本発明に係る形状測定装置の構成を示したブロック図である。
【図４】測定方法１および２を説明するためのグラフであって、（ａ）は合焦度と時間との関係を示し、（ｂ）は高さと時間との関係を示している。
【図５】測定方法３を説明するためのグラフであって、高さと出現頻度との関係を示している。
【図６】測定方法４を説明するためのグラフであって、高さと出現頻度との関係を示している。
【図７】本発明の実施例２に係る形状測定装置に用いられるマスクを示した図である。
【図８】光沢面の表面形状を測定した結果を示す図であって、（ａ）は従来の形状測定装置を用いて測定した場合、（ｂ）は本発明に係る形状測定装置を用いて測定した場合を示している。
【図９】従来の形状測定装置を示した概略図である。
【符号の説明】
【００４０】
１ 形状測定装置
１４ 二光束干渉対物レンズ（反射光強度ムラ生成光学系）
１５ 試料（被測定物）
１６ 顕微鏡用試料台（ステージ）
２５ 撮像部
２７ 制御用プロセッサ（演算部）
３５ マスク
３５ａ 貫通孔（小孔）
４１ ピエゾ駆動制御装置（移動制御部）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステージに載置された被測定物の表面像を撮像する撮像部と、
前記撮像部の撮像光学系の光軸に沿って、前記撮像光学系を前記被測定物に対して周期的に相対移動させ、移動量を記憶して出力する移動制御部と、
前記表面像に前記被測定物の表面の凹凸を反映した前記被測定物表面からの反射光の強度ムラを重ねる反射光強度ムラ生成光学系と、
前記移動制御部から出力される前記撮像光学系の移動距離値の中、前記反射光強度ムラ生成光学系により反射光の強度ムラが重ねられた前記表面像を撮像する前記撮像部により撮像される複数の前記表面像の合焦度が最大となる移動距離値に基づいて、前記被測定物の表面の相対高さを演算して前記被測定物の表面形状を求める演算部と、
を有して成ることを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
前記演算部は、前記複数の表面像に対応する画素毎に、前記撮像光学系の相対移動の一周期中で、前記反射光強度の二次微分値を含む合焦度を求めて前記被測定物の表面の相対高さを演算することを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項３】
前記反射光強度ムラ生成光学系は、光干渉光学系であることを特徴とする請求項１又は２に記載の形状測定装置。
【請求項４】
前記被測定物は、前記被測定物の被測定面が前記撮像光学系の光軸に対して傾斜するように前記ステージに載置されて測定されることを特徴とする請求項３に記載の形状測定装置。
【請求項５】
前記光干渉光学系の参照面の被測定物側に複数の小孔が前記参照面に対して規則的に並ぶように形成されたマスクを配置したことを特徴とする請求項３に記載の形状測定装置。
【請求項６】
前記演算部は前記移動制御部により前記撮像光学系の所定の相対移動が行われている間に、前記撮像部により撮像された前記光干渉光学系により生成され、前記表面像に重ねられた干渉縞を含む前記表面像に対応する画素毎に合焦度が最大となる相対高さを保存することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項７】
前記演算部は前記移動制御部により前記撮像光学系の所定の相対移動が行われている間に、前記撮像部により撮像された前記干渉縞を含む前記表面像に対応する画素毎に所定閾値以上の合焦度となる相対高さの算術平均をとることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項８】
前記演算部は前記移動制御部により前記撮像光学系の所定の相対移動が行われている間に、前記撮像部により撮像された前記干渉縞を含む前記表面像に対応する画素毎に所定閾値以上の合焦度となる相対高さの出現頻度分布に確率密度関数を当てはめて、確率が最大となる相対高さを求めることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項９】
前記確率密度関数は、正規分布であることを特徴とする請求項８に記載の形状測定装置。
【請求項１０】
前記演算部は前記移動制御部により前記撮像光学系の所定の相対移動が行われている間に、前記撮像部により撮像された前記干渉縞を含む前記表面像に対応する画素毎に所定閾値以上の合焦度となる相対高さの出現頻度分布の最大頻度近傍を二次曲線で近似し、最大頻度となる相対高さを求めることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか一項に記載の形状測定装置を用いて行う形状測定方法であって、
前記移動制御部により前記撮像光学系を前記被測定物に対して相対移動させながら、前記撮像部により撮像されて得られた複数の前記表面像における合焦度に基づいて前記被測定物の表面の相対高さを演算して前記被測定物の表面形状を求めるときに、
前記撮像部は、前記光干渉光学系により生成され、前記表面像に重ねられた干渉縞を含む前記表面像を撮像することを特徴とする形状測定方法。
【請求項１】
ステージに載置された被測定物の表面像を撮像する撮像部と、
前記撮像部の撮像光学系の光軸に沿って、前記撮像光学系を前記被測定物に対して周期的に相対移動させ、移動量を記憶して出力する移動制御部と、
前記表面像に前記被測定物の表面の凹凸を反映した前記被測定物表面からの反射光の強度ムラを重ねる反射光強度ムラ生成光学系と、
前記移動制御部から出力される前記撮像光学系の移動距離値の中、前記反射光強度ムラ生成光学系により反射光の強度ムラが重ねられた前記表面像を撮像する前記撮像部により撮像される複数の前記表面像の合焦度が最大となる移動距離値に基づいて、前記被測定物の表面の相対高さを演算して前記被測定物の表面形状を求める演算部と、
を有して成ることを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
前記演算部は、前記複数の表面像に対応する画素毎に、前記撮像光学系の相対移動の一周期中で、前記反射光強度の二次微分値を含む合焦度を求めて前記被測定物の表面の相対高さを演算することを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項３】
前記反射光強度ムラ生成光学系は、光干渉光学系であることを特徴とする請求項１又は２に記載の形状測定装置。
【請求項４】
前記被測定物は、前記被測定物の被測定面が前記撮像光学系の光軸に対して傾斜するように前記ステージに載置されて測定されることを特徴とする請求項３に記載の形状測定装置。
【請求項５】
前記光干渉光学系の参照面の被測定物側に複数の小孔が前記参照面に対して規則的に並ぶように形成されたマスクを配置したことを特徴とする請求項３に記載の形状測定装置。
【請求項６】
前記演算部は前記移動制御部により前記撮像光学系の所定の相対移動が行われている間に、前記撮像部により撮像された前記光干渉光学系により生成され、前記表面像に重ねられた干渉縞を含む前記表面像に対応する画素毎に合焦度が最大となる相対高さを保存することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項７】
前記演算部は前記移動制御部により前記撮像光学系の所定の相対移動が行われている間に、前記撮像部により撮像された前記干渉縞を含む前記表面像に対応する画素毎に所定閾値以上の合焦度となる相対高さの算術平均をとることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項８】
前記演算部は前記移動制御部により前記撮像光学系の所定の相対移動が行われている間に、前記撮像部により撮像された前記干渉縞を含む前記表面像に対応する画素毎に所定閾値以上の合焦度となる相対高さの出現頻度分布に確率密度関数を当てはめて、確率が最大となる相対高さを求めることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項９】
前記確率密度関数は、正規分布であることを特徴とする請求項８に記載の形状測定装置。
【請求項１０】
前記演算部は前記移動制御部により前記撮像光学系の所定の相対移動が行われている間に、前記撮像部により撮像された前記干渉縞を含む前記表面像に対応する画素毎に所定閾値以上の合焦度となる相対高さの出現頻度分布の最大頻度近傍を二次曲線で近似し、最大頻度となる相対高さを求めることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか一項に記載の形状測定装置を用いて行う形状測定方法であって、
前記移動制御部により前記撮像光学系を前記被測定物に対して相対移動させながら、前記撮像部により撮像されて得られた複数の前記表面像における合焦度に基づいて前記被測定物の表面の相対高さを演算して前記被測定物の表面形状を求めるときに、
前記撮像部は、前記光干渉光学系により生成され、前記表面像に重ねられた干渉縞を含む前記表面像を撮像することを特徴とする形状測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図８】
【公開番号】特開２００９−３００１００（Ｐ２００９−３００１００Ａ）
【公開日】平成２１年１２月２４日（２００９．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１５１６６６（Ｐ２００８−１５１６６６）
【出願日】平成２０年６月１０日（２００８．６．１０）
【出願人】（３０８０１９３４６）株式会社ニコンインステック (2)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月２４日（２００９．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月１０日（２００８．６．１０）
【出願人】（３０８０１９３４６）株式会社ニコンインステック (2)
【Ｆターム（参考）】
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