JPH02228511A - 帯状パターンの突起を用いて対象物体の表面を測定する方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、光束の断面にわたって周期的に変化する照
度分布を有する光束で対象物体を照明し、前記光束の照
度分布の位相を測定すべき物点を照明するために変調し
、照明した物点の照度値を照明用の光束の多数の異なっ
た変調位相と周期間隔に対して光電検出装置を用いて測
定して記憶し、基準面に対する分布の一定位相位置に関
して照度分布の周期内で照明した物点の残存位相値を突
き止めるため、及び対象物体の表面の点の基準面に対す
る高さを突き止めるため、検出した照度値を結び付けて
いる対象物体の表面を測定する方法に関する。

この発明は、光束の断面にわたって周期的に変化する照
度分布を有する光束で対象物体を照明する手段と、測定
すべき物点を照明する光束の照度分布の位相を変調させ
る手段と、照明用の光束の多数の異なった変調位相と周
期間隔に関して照明した物点の照度値を検出して記憶す
る光電検出装置と、照明手段に対して分布の一定位相位
置に関する照度分布の周期内で照明した物点の残存位相
値を突き止めため、及び基準面に対して物体表面の点の
高さを突き止めるため、検出した照度値を結び付ける手
段とを備えた対象物体の表面を測定する装置にも関する
。

物体の表面形態を無接触測定する方法と装置は公知であ
る。この場合、測定すべき表面に周期的な帯状パターン
を投影し、表面の形態によって変形するパターンの像を
評価し、対象物体の表面の点を基準面に対して算出して
いる。帯状パターンを作製するには、種々の方法が知ら
れている。Ｃ４Ｌ、　Ｋｏｌｉｏｐｏｕｌｏｓ：　”Ｉ
ｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ　０ｐｔｉｃａｌＰｈａ
ｓｅ　Ｍｅａｓｕｒｅ＋＋＋ｅｎｔ　Ｔｅｃｈｉｑｕｅ
ｓ”　（アリシナ大学学位論文、１９８１　）によれば
、帯状パターンはＭｉｒａｕ干渉計又はＴｗｙｔｒｒａ
ｎ　Ｇｒｅｅｎ干渉計を用いて作製されている。この場
合、帯の幅又は帯状パターンの周期間隔は照明用に使用
される光の波長と基準鏡の位置によって大体定まってい
る。ヨーロッパ特許第１８２４６９号明細書（Ｍ、　Ｈ
ａｌｉｏｕａ、　ｖ、　５ｒｉｎｉｖａｓａｎ。

１９８６）によれば、帯状パターンはＳｈｅａｒｉｎｇ
干渉計を用いて、又は正弦波状格子の投影によって形成
されている。その場合、周期間隔は剪断角度を調節して
又は対応する正弦波格子を選択して決定される。帯状パ
ターンの周期間隔は表面測定装置の焦点深度の解像力を
実質上決定する。

これ等の方法では、特に以下の問題がある。即ち、個々
の物点の高さを投影したパターンの帯の中でこの帯の下
端に対して良く測定できるが、空間に設置した基準面に
対してこの物点の全体高さを決めるのが困難であると言
う問題である。これに対して、各物点を前記基準面から
分離する非常に多くの帯を数える必要がある。

〔発明の課題〕

この発明の課題は、基準面に対する物点の絶対高さを簡
単に測定できる、対象物体の表面を測定する方法とこの
方法を実行する装置を提供することにある。

〔課題の解決〕

上記の課題は、この発明により、冒頭に述べた種類の方
法の場合、対象物体の表面及び基準面に対する照明した
光束の照度分布の多数の周期間隔と所定の位相位置に対
する残留位相値から、基準面に対する測定すべき物点の
絶対高さを測定する方法によって解決されている。

更に、上記の方法を実行する上に述べた種類の装置は、
照明用と変調用の手段が、異なる周期間隔を有する複数
の直線平行線条格子を保有し、これ等の格子が共通の目
盛板の光束中に配設してあり、前記共通の目盛板の上に
は、少なくとも一個の他の目盛が配設してあり、この目
盛が基準マークを有し、この目盛に対して直線線条格子
が一定の位相位置を有し、共通の目盛板を一定移動させ
る手段と、他の目盛を走査する手段が装備してあり、こ
れ等の手段が対象物体の表面に対して対応する照度分布
が必要な一定位相位置を有するように、直線線条格子を
光束中で移動させる特徴を有する。

他の構成は、従属請求項に記載されている。

〔実施例〕

第１図に示しであるように、対象物体の表面１は光軸３
を有する投影器２の光によって照明され、光軸５を有す
る光電検出装置、カメラ４によって撮像される。

一点鎖線に示すように、投影器２の発行ダイオード２０
の光束が先ず集光光学系によって平行に指向される。次
いで、この光束は多数の線型光学線条格子を照明する。

この格子は透明な目盛板８にある。第２図に示すように
、この線条格子は全て互いに平行に向けである。傍に配
設しである零マーク１０を有する長い格子９は比較的短
い周期間隔を有し、それ自体公知の方法で投影器２に固
定した案内部中で摺動する目盛板８の位置を測定するた
めに使用されている。このため、格子目盛９が光電走査
系１１に付属している。この系の出力信号は導線１２を
経由して評価装置に導入される。導線１２は同時に走査
系１１の電流供給源としても使用されている。

格子１）の傍に、三つの他の格子１３，１４．１５が配
設しである。これ等の格子は測定すべき対象物体の表面
ｌの上に投影されている。前記三つのＲｏｎｃｈｉ格子
１３，１４．１５は、等間隔の直線線条と隙間で構成さ
れている。この場合、格子１３の周期間隔は、１．２６
　ｍｍ、　　格子１４の周期間隔は１．１２　ｍｍ、格
子１５の周期間隔は０．２８　１１Ｉｒｍになる。目盛
板８は固定角の間を平行案内部中を摺動できる。この摺
動は、ステピングモータ１６によって行われる。このモ
ータはケーブルを介して制御段、つまりモータ制ｉｎ器
１７によって第３図に示すように駆動される。前記移動
は、走査系ｌｌと格子目盛９．１０によって測定される
。格子１３．１４又は１５の一つを通過した後、ダイオ
ード２０′の光束はこの光束の断面にわたって周期的に
変わる照度分布を有する。この光束は二つの光学系によ
って対象物体１に応じた断面上に拡大される。

対象物体の表面１は、目盛板８が横に右又は左に移動す
ることによって移動する周期的な帯状パターンによって
照明される。この場合、全ての物点に対して照明の位相
が変わり、位相変調となる。

零マーク１０によって、所定の物点が一定の照明位相を
通過する時、基準信号を発生させることができる。

検出装置のカメラ４で撮像され、評価電子回路であるフ
レーム・グラバ−１８（第３図）中に記憶される格子像
は対象物体の表面１で変形するが、この格子像の評価は
それ自体公知の方法で行われ（冒頭に述べたＣ、　Ｌ、
　Ｋｏｌｉｏｐｏｕｌｏｓ　（１９８１）の文献”Ｐｈ
ａｓｅｎｓｈｉｆｔｖｅｒｆａｈｒｅｎ−Ｍｅｈｒｂｕ
ｃｋｅｔｍｅＬｈｏｄ”を参照）、ここではただ簡単に
要約しておく。この評価は検出装置のカメラ４の撮像基
準によって決まる所定の時間経過に応じて行われる。

上に述べたように、帯状格子１３，１４．１５を対象物
体の表面１に投影することによって、周期的に変わる照
度分布が生じる。これ等の分布は周期的な矩形関数１　
（ｔ）で近似できる。各画素に対してカメラ４の積算作
用を以下のように示すことができる。ここで、４つの画
像の和又は［パケットＪＡ、Ｂ、Ｃ，Ｄが生じる。つま
り、「四パケット法」 四つの時間間隔［−Ｔ／８；　Ｔ／８］、、　［Ｔ／８
：　３Ｔ／８］　。

［３Ｔ／８；　５Ｔ／８］　、　［５Ｔ／８；　７Ｔ／
８］の間、帯状パターンは一定に速度で合計して一周期
間隔λはどずれる。記憶した和の商、 Ｍｌ／　Ｍ２＝　（Ｂ−Ｄ）／　（Ａ−Ｃ）から、各画
素の照明位相φと、物点の高さが算出できる。

ステップピングモータ１６は、カメラ４の撮像基準の与
える時間経過によって制御され、画像を撮像している期
間に、線条の像が対象物体ｌの上で１／１周期間隔はど
移動する。検出装置のカメラ４には、２６２１４４個以
上の個別センサを装備したＣＣＤセンサがある。これ等
の個別センサは像が移動している期間に個々の像点の照
明をそれぞれ２０Ｉｓの間蓄積し、次いでそれぞれ一個
の全体像を評価電子回路の記憶器、フレーム・グラバ−
１８から読み出す（第３図参照）。

カメラ４から出力した画像は一画素毎にフレーム・グラ
バ−１８中にあるアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）
によってデジタル信号に変換される。合成された８ビツ
トの画素値は、加減回路に転送される。連続する画像の
互いに対応する値を加算ないしは減算するため、加減回
路はフレーム・グラバ−１８の記憶器に記憶したあ多を
受は取り、算術演算した後、新しい値を前記記憶器に戻
す。

記憶器に記憶した画像の和（Ｂ−Ｄ）を他の記憶器に記
憶した画像の和（Ａ−Ｃ）で割算することは［ルックア
ップテーブルＪ　（Ｌｏｏｋ−ｕｐ−Ｔａｂｌｅｓ）（
ＬＵＴ）の助けによりフレーム・グラバ−１８で行われ
る。両方の画像の和は先ずＬＵＴによって対数にされ、
これ等の対数を次いで互いに引き算する。他のＬＵＴに
よって合成した差から再び逆対数を形成し、このイ直か
ら関数（ａｒｃ　ｔａｎ）を形成する。

撮像時間の間、１６個の全体像が撮像される。この場合
、各４個の画像が一つの画像の和に合成されるので、４
個の画像の和Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄが生じる。これ等の画像の
和はアナログ・デジタル変換の後、フレーム・グラバ−
１８中にある２６２１４４重の二つの記憶器Ｍｌ、Ｍ２
で以下のように加算される。

画像ｌから画像４までをＭ２中で加算し、画像用Ａを作
る。その後、 画像５から画像８までをＭｌ中で加算し、画像用（十Ｂ
）を形成する。その後、 画像９から画像１２までをＭ２から引き算し、画像用（
Ａ−Ｃ）を形成する。その後、画像１３から画像１６ま
でをＭｌから引き算し、画像用（Ｂ−Ｄ）を形成する。

既に説明した記憶値の商、 Ｍ　１／Ｍ２−　（Ｂ−Ｄ）／　（Ａ−Ｃ）によって、
対象物体の高さを算出する２６１１４４個の画素に対す
る２６１１４４の値を得る。Ｍｌの全ての値に対してｌ
ｏｇ（Ｍ１）を形成して、この値を再びＭｌに蓄える。

Ｍ２の全ての値に対してｌｏｇ（Ｍ２）を形成して、こ
の値を再びＭ２に蓄える。

記憶値の差Ｍｌ−Ｍ２を形成して、この値を再びＭｌに
蓄える。投影した格子線条内の必要な残留位相値φは、
線条の矩形状照度分布の場合、関数ａｒｃｔａｎ　（ｌ
ｏｇ−’Ｍ　１　）を形成して対応する記憶した数値表
（ＬＯＴ）を用いて約１パーセントの誤差で計算できる
。

冒頭で既に述べたように、突き止めた残留位相値φによ
って個々の物点の高さが投影したパターンの一つの線条
の内部でこの線条の下端に対して測定される。一つの基
準面に対する測定すべき物点の絶対高さは、この発明に
より対象物体の表面上の照度分布の多数の周期間隔に対
する残留位相値から測定される。

第１図に示すように、投影器２とカメラ４の光軸３と５
が角度αをなすとすれば、高さ測定に有効な周期間隔λ
は投影した線条パターンの周期間隔λ（０）に比べて係
数（１／ｃｏｓ（α））はど大きくなる。有効な周期間
隔λ（１）とλ（２）を有する二つの線条パターンが投
影され、これ等のパターンが対象物体の基準高さに対し
て同じ位相であり、λ（１）〉λ（２）２例えばλ（２
）＝（ｐ／ｑ）λ（１）。

ｐとｑは整数でｑ−ｐ＝ｉであると仮定し、また対象物
体１の一点が前記二つの線条パターンに対して正規化さ
れた残留位相φ（１）又はφ（２）を有し、ここで０≦
φくｌであると仮定する。

そうすると、求める絶対高さＺは ２＝λ（１）本　（ｎ（１）＋φ（１））又は ２−λ（２）寧　（ｎ（２）＋φ（２））として表せる
。ここで、ｎ（１）ないしｎ（２）個の全線条は点を基
準高さから区別している。

Ｍ（２）＝　：　ｎ（２）−ｎ（１） を用いて、 ２＝λ（１）本　（ｐ＊Ｍ（２）−ｑ＊φ（１）＋ｐ＊
φ（２））　＋λ（１）ネφ（１）対象物体の高さに対
する測定領域を、 ０≦ｎ（１）＜Ｐ Ｏ≦ｎ（２）＜ｑ に制限すると、 となる。従って、求める絶対高さ２は完全に定まった。

２に対する表現、 ２＝λ（１）＊（ｎ（１）　　＋φ（１））と ２＝λ（１）本　（ｐ＊Ｍ（２）−ｑ＊φ（２）＋φ（
１））を比較すると、Ｍ（２）、ｐとｑが整数であるか
ら、ｒ＝ニーｑ＊φ（１）＋ｐ傘φ（２） は整数となる。従って、使用された残留位相値φ（１）
とφ（２）の測定精度を調べることができ、ｎ（１）＝
ｐ＊Ｍ（２）＋ｒを計算できる。このことは導線２１を
経由してフレーム・グラバ−１８に接続しているホスト
コンピュータ１９中で行われる（第３図）。

対象物体の表面を測定する公知の装置に比べて、ここに
説明したこの発明による装置の利点は以下のようになる
。対象物体１の表面の各点の絶対高さの測定は隣の点の
高さを知らなくても実行できる。それ故、この表面は高
さの突起によって不連続であっても良いし、関連のない
個々の部分から構成されいても良い。

説明した実施例には、種々の変形や利用形状が考えられ
る。残留位相値を測定するため、既に測定した照度分布
の周期間隔よりもかなり短い周期間隔の照度分布を使用
して、測定した絶対高さ２の精度を高めることができる
。この発明は、干渉計、干渉顕微鏡及び技術的な表面を
測定するパターン投影器を有する系の場合のように、対
象物体の表面を周期的なパターンの照明で測定するもの
であればどんなところにも利用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図、対象物体の表面を測定する装置の全体構成図。 第２図、共通の支持板上にある異なった周期間隔の多数
の直線線条格子の平面図。 第３図、第１図の装置の電気制御・評価回路のブロック
図。 図中参照符号： １・・・表面、 ２・・・投影器、 ３．５・・・光軸、 ４・・・カメラ、 ８・・・目盛板、 ９・・・格子目盛、 １０・・・零マーク、 １１・・・位置検出器、 １３．１４．１５・・・格子、 １６・・・ステッピング・モータ、 ｌ　７　・ １８　・ ・・モータ制御器、 ・・フレーム・グラバ−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、対象物体を断面にわたって周期的に変動する照度分
   布を有する光束で照明し、 照明用の光束の照度分布の位相を測定すべき物点で変調
   し、 照明用の光束の多数の異なった変調位相と周期間隔（λ
   ）に対して照明された物点の照度値を光電検出器（４）
   を用いて検出して記憶し、照明した物点の残留位相値（
   φ）を基準面に対する分布の所定の位相位置の照度分布
   の周期内で突き止めるため、及び基準面に対して対象物
   体の表面の点の高さ（ｚ）を突き止めるために検出した
   照度値を突き合わせる、 対象物体の表面（１）を測定する方法において、 対象物体の表面（１）及び基準面に対する照明した光束
   の照度分布の多数の周期間隔（λ）と所定の位相位置に
   対する残留位相値（φ）から、基準面に対する測定すべ
   き物点の絶対高さ（ｚ）を測定する、 ことを特徴とする方法。 ２、対象物体の照明に第一及び第二照明分布を使用し、
   第一分布の周期間隔（λ（１））は第二分布のどの周期
   間隔よりも長く、ｑ＊λ（２）＝ｐ＊λ（１）、ここで
   ｐ、ｑが整数でｐ−ｑ＝１であり、基準面に対する測定
   すべみ物点の絶対高さ（ｚ）はその物点の残留位相値（
   φ（１）、φ（２））から、次の式、 ｚ＝λ（１）＊｛ｐ＊Ｍ（２）−ｑ＊φ（１）＋ｐ＊φ
   （２）｝ で定まり、ここで、 Ｍ（２）＝０、φ（２）≧φ（１）の時、 Ｍ（２）＝１、φ（２）＜φ（１）の時、 であることを特徴とする請求項１記載の方法。 ３、残留位相値（φ）の測定精度は周期間隔（λ）と測
   定した残留位相値（φ）の比（ｐ／ｑ）から、制御量、 ｒ＝−ｑ＊φ（１）＋ｐ＊φ（２） を定め、突き止めた残留位相値（φ）に測定誤差がない
   時、前記制御量が整数であるように残留位相値（φ）の
   測定精度を検査及び／又は改良することを特徴とする請
   求項２記載の方法。 ４、測定すべき物点の絶対高さを定める照度分布の周期
   間隔よりもかなり短い周期間隔の検出した照度値は、付
   属する残留位相値を突き止めるために結合され、この様
   に測定した残留位相値と既に突き止めた絶対高さから、
   より高い精度の全体高さ値を得ることを特徴とする請求
   項１記載の方法。 ５、周期的な照度分布は、同じ幅の明暗線条を有する直
   線平行線条パターンであり、 異なった周期間隔（λ）の二つの照度分布を対象物体の
   照明に使用し、 これ等二つの照度分布の一定位相位置を残留位相位置を
   決めるために一致させ、 残留位相値（φ）は光電的に検出した照度値の群の和と
   、群の和（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）の間の差と、その場合に得
   られた差の商とによって決定される、 ことを特徴とする請求項１記載の方法。 ６、照明された物点を光電的に検出した照度値の群の和
   （Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）の差を割算するため、全ての物点に
   対する差（Ｂ−Ｄ）と（Ａ−Ｃ）を対応する多重記憶器
   （Ｍ１）ないし（Ｍ２）に収納し、 多重記憶器（Ｍ１）中の差の値（Ｂ−Ｄ）の対数をとり
   、 次いで、他方の多重記憶器（Ｍ２）中の差の値（Ａ−Ｃ
   ）の対数をとり、 対数にした差の値の差（ｌｏｇ（Ｍ１）−ｌｏｇ（Ｍ２
   ））を形成して、多重記憶器（Ｍ１）に収納し、多重記
   憶器（Ｍ１）に収納した差の値（ｌｏｇ（Ｍ１）−ｌｏ
   ｇ（Ｍ２））の逆対数（ｌｏｇ＾−＾１）の関数（ａｒ
   ｃ　ｔａｎ）を形成して物点の残留位相値（φ）を算出
   する、 ことを特徴とする請求項５記載の方法。 ７、断面にわたって周期的に変動する照度分布を有する
   光束で対象物体を照明する手段（２、８、２０）と、 照明用の光束の照度分布の位相を測定すべき物点で変調
   させる手段（１６）と、 照明用の光束の多数の異なる変調位相と周期間隔に対し
   て照明した物点の照度値を検出して記憶する光電検出装
   置（４）と、 照明用の手段（２）に対して分布の一定位相位置の照度
   分布の周期内で照明した物点の残留位相値（φ）を突き
   止めるため、及び基準面に対して対象物体の表面（１）
   の点の絶対高さ（ｚ）を突き止めるため、検出した照度
   値を結合させる手段（１８）と、 を装備した対象物体の表面（１）を測定する装置におい
   て、 照明と変調用の手段は、異なる周期間隔を有する複数の
   直線平行線条格子（１３、１４、１５）を保有し、これ
   等の格子は共通の目盛板（８）の光束中に配設してあり
   、 前記共通の目盛板（８）の上には、少なくとも一個の他
   の目盛（９）が配設してあり、この目盛は基準マーク（
   １０）を有し、この目盛は対して直線線条格子（１３、
   １４、１５）は一定の位相位置を有し、 共通の目盛板（８）を一定移動させる手段 （１６）と、他の目盛（９）を走査する手段（１１）が
   装備してあり、これ等の手段は対象物体の表面（１）に
   対して対応する照度分布が必要な一定位相位置を有する
   ように、直線線条格子（１３、１４、１５）を光束中で
   移動させることを特徴とする装置。 ８、共通の目盛板（８）上で一定位相位置にして配設し
   た直線線条格子の一つ（１５）は直線線条格子（１３、
   １４）の周期間隔よりかなり短い周期間隔を有し、直線
   線条格子（１３、１４）の照度分布から、基準面に対す
   る対象物体の表面（１）の点の高さ（ｚ）を突き止め、
   かなり短い周期間隔の線条格子（１５）に付属する残留
   位相値（φ）と既に突き止めた高さ（ｚ）から絶対高さ
   の値をより高い精度で測定できる手段が装備してある、 ことを特徴とする請求項７記載の装置。 ９、検出装置（４）は所定時間経過に応じて対象物体の
   表面（１）の各点ないしは画像に対応する照度値を出力
   する手段を有し、 共通の目盛板（８）を所定移動させる手段は制御電子回
   路（１７）の外にステッピングモータ（１６）を有し、
   前記制御電子回路は照明された対象物体の表面（１）の
   照度値を照明用の光束の多数の異なる変調位相に対して
   検出するように、所定の時間経過に同期してステッピン
   グモータを制御する、 ことを特徴とする請求項７記載の装置。