JPH1068616A

JPH1068616A - 形状計測装置

Info

Publication number: JPH1068616A
Application number: JP8226522A
Authority: JP
Inventors: Ayumi Hirono; 歩広野
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1996-08-28
Filing date: 1996-08-28
Publication date: 1998-03-10

Abstract

(57)【要約】【課題】計測対象物に光を照射して得られる反射光に
基づいて計測を行う形状計測装置では、計測に時間を要
するとともに傾斜面の高精度な計測を行うことができな
い。【解決手段】光源３からの光に基づく計測対象物１の
反射光を焦点深度の浅い拡大顕微光学系５を介して撮像
部６で撮像する。計測対象物１が傾斜面を有するときは
遮光板１１を開放して参照鏡８に光を入射して反射され
た参照光と計測対象物１の反射光に基づく干渉縞を発生
させる。撮像部６は干渉縞の０次フリンジを撮像するこ
とで傾斜面のコントラストの強い画像を得ることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は形状計測装置に関
し、特に、インクジェットプリンタや光通信デバイス等
に用いられる微細な３次元形状部品の表面形状を高速
で、かつ、高精度で計測することのできる形状計測装置
に関する。

【０００２】

【従来技術】近年、電気機器や光通信機器の高機能化、
高性能化が進み、これらに用いられる機能部品の寸法や
形状は、μｍ単位で微細な３次元形状になっている。例
えば、インクジェットプリンタに使用されるマーキング
ヘッドノズルは、直径およびピッチ間隔が１０μｍ〜１
００μｍで、インクの吐出原理に応じて直線や自由曲面
を含む複雑で様々な形状を有している。

【０００３】このような機能部品の検査では、一般に、
光学顕微鏡を用いた目視による加工精度の計測が行われ
ている。しかし、目視による計測は、観察者の習熟度等
によって測定のバラつきを生じることから、高い計測精
度が得られないという問題がある。

【０００４】かかる問題を解決するものとして、光学機
器を組み合わせて微細な３次元形状を高精度で計測する
形状計測装置が提案されており、例えば、共焦点の原理
を用いた特開平７−１１３６１７号公報に開示されるも
のがある。

【０００５】図１８は、特開平７−１１３６１７号公報
に開示される従来の形状計測装置を示し、レーザパワー
制御回路２４から供給される駆動電流に基づいてレーザ
ビームを出射するレーザダイオード２５と、レーザビー
ムを平行光にするコリメータレンズ２７と、平行光を計
測対象物２９に投影する対物レンズ２８と、計測対象物
２９からの反射光を分離するビームスプリッタ２６と、
ピンホール３０ａを有する光絞り部３０と、ビームスプ
リッタ２６の反射光をピンホール３０ａを介して受光し
て受光強度に応じた電気信号を出力するホトダイオード
３１と、ホトダイオード３１から出力される電気信号を
増幅する増幅器３２と、対物レンズ２８の周縁部分に一
方の振動端を接触させて配置される音叉３４と、音叉３
４の他方の振動端に設けられる振幅検出器３５と、振幅
検出器３５から出力される電気信号を増幅する増幅器３
６と、音叉振幅制御回路３８から供給される制御電流に
基づいて音叉３４を振動させるソレノイド３７と、演算
部３３の出力に基づいて計測対象物２９の表面の変位を
計測する距離変換部３９を有する。

【０００６】この形状計測装置によると、音叉３４の振
動に基づいて対物レンズ２８を光軸方向に光束で振動さ
せて合焦点が生じたときの対物レンズ２８の位置から計
測対象物２９までの距離を求めている。従って、レーザ
ビームを平面内に２次元的に走査することによって計測
対象物２９の３次元形状を得ることができる。

【０００７】図１９は、非点収差法に基づいて計測対象
物の３次元形状を計測する他の構成を示し、図１９
（ａ）に示すようにレーザ光源（図示せず）から出射さ
れ、計測対象物（図示せず）で反射されたレーザビーム
４０を集光する集光レンズ４１と、集光されたレーザビ
ームを４分割受光素子４３に投影する円筒レンズ４２よ
り構成される。

【０００８】計測対象物の表面に高さの変化があると、
レーザ光源から４分割受光素子４３にかけての光路長が
変化することから結像位置の変動が生じる。４分割受光
素子４３より前方で焦点を結ぶときは、図１９（ｂ）に
示すように縦長の長円形を有するビームスポット４４ａ
が４分割受光素子４３に投影される。また、４分割受光
素子４３上で焦点を結ぶときは、図１９（ｃ）に示すよ
うに円形のビームスポット４４ｂが４分割受光素子４３
に投影される。また、４分割受光素子４３より後方で焦
点を結ぶときは、図１９（ｄ）に示すように横長の長円
形を有するビームスポット４４ｃが４分割受光素子４３
に投影される。

【０００９】このようにビームスポットが楕円状になる
と、４分割受光素子４３の４つの素子から出力される電
気信号に差が生じる。この電気信号の差に基づいて４分
割受光素子４３と計測対象物（図示せず）との距離が求
められる。従って、レーザビームを平面内に２次元的に
走査することによって計測対象物（図示せず）の３次元
形状を得ることができる。

【００１０】しかし、上記した２つの形状計測装置は、
計測対象物にレーザビームを２次元的に走査して３次元
形状を得ているので、計測領域が広範囲に及ぶと計測に
膨大な時間を要するという問題がある。

【００１１】かかる問題を解決するものとして、計測対
象物で反射された反射光と参照面で反射された参照光に
基づいて干渉縞を形成し、計測対象物を高さ方向に変化
させたときの輝度情報から計測対象物の３次元形状を面
一括で計測する干渉型の形状計測装置が、例えば、特開
平１−２８８７０２号公報に開示されている。

【００１２】図２０は、特開平１−２８８７０２号公報
に開示される従来の形状計測装置を示し、干渉性の悪い
光を照射する光源４５と、光源４５から照射される光を
反射光と透過光に分割し、反射光を計測対象物４６に照
射するハーフミラー４７と、ハーフミラー４７の透過光
を反射して参照光を生成する参照鏡４８と、ハーフミラ
ー４７の透過側に設けられる対物レンズ４９と、対物レ
ンズ４９を介して計測対象物４６の表面を撮像するテレ
ビカメラ５０と、撮像された計測対象物４６の表面を表
示するテレビモニタ５１と、テレビカメラ５０から入力
する画像信号の演算および画像合成を行う画像合成回路
５２とを有する。

【００１３】この干渉型の形状計測装置によると、計測
対象物４６からの反射光と参照鏡４８で反射された参照
光をハーフミラー４７で合成してテレビカメラ５０で撮
像する。このとき、参照鏡４８をＰ₀からＰ₁，Ｐ₂ま
で移動させる間で反射光と参照光の光路長が一致した位
置に反射強度の最も強い干渉縞（以下、０次フリンジと
いう）が画像として得られることから、０次フリンジの
発生している位置を画素毎に高さ位置情報として入力し
ている。図において、参照鏡４８がＰ₁の位置にあると
き、Ｂで示す位置に干渉縞が形成されているように観察
される。従って、参照鏡４８を光軸方向に移動させるこ
とで入力される高さ位置情報から３次元形状を得ること
ができる。

【００１４】また、拡大顕微鏡光学系を通した画像を微
小な処理単位に分割し、画像のぼけ具合から合焦の度合
い（以下、合焦度という）を測定し、この測定結果に基
づいて３次元形状を得る合焦度測定型の形状計測装置が
精密機械工学会誌Ｖｏｌ．６０Ｎｏ．８，１９９４
「画像処理による長焦点深度光学顕微鏡画像の合成」に
開示されている。

【００１５】この合焦度測定型の形状計測装置による
と、計測対象物を高さ方向に上下させて、最も合焦度が
高くなった位置を合焦点と見なして高さ位置情報を得て
いる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の干渉型
の形状計測装置によると、参照鏡を光軸方向に移動させ
ることによって計測対象物からの反射光と光路長を一致
させているため、参照鏡の移動量や傾きを高精度で調節
する必要があり、操作が煩雑になるとともに調整に時間
を要するという問題がある。

【００１７】また、合焦度測定型の形状計測装置による
と、処理単位の範囲内に傾斜面があると拡大顕微鏡光学
系で観察される反射光が弱くなるため、明確な合焦点を
特定することが困難になるという問題がある。従って、
本発明の目的は傾斜面を含む計測対象物の３次元形状を
高速で、かつ、高精度で測定することのできる形状計測
装置を提供することにある。

【００１８】本発明の他の目的は、干渉光発生手段とし
ての参照鏡を設ける一方で、その使用頻度を抑えた形状
計測装置を提供することにある。

【００１９】本発明の他の目的は、合焦度判定手段の傾
斜面の判定精度の低下を排した形状計測装置を提供する
ことにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明は上記した目的を
達成するため、計測対象物に光を照射し、前記計測対象
物の反射光に基づいて前記計測対象物の３次元形状を計
測する形状計測装置において、前記計測対象物を照射す
る前記光を出射する光源と、前記３次元形状の計測精度
以下の焦点深度を有し、前記計測対象物に前記光を導光
するとともに前記反射光を所定の方向に導光する光学手
段と、前記計測対象物を載置し、前記光学手段の光軸方
向に前記計測精度以下の単位移動量で前記計測対象物を
所定の移動量にわたって移動させる光軸方向走査ステー
ジと、前記反射光と干渉する干渉光を発生する干渉光発
生手段と、前記所定の方向に位置し、前記反射光、ある
いは前記反射光と前記干渉光との干渉によって生じた干
渉縞を受けて前記３次元形状を計測する形状計測装置を
提供する。

【００２１】上記の形状計測装置において、光学手段
は、高開口数のレンズを用いた拡大顕微光学系であるこ
とが好ましい。形状計測手段は、計測対象物が傾斜面を
含むとき、反射光と干渉光との干渉によって生じた干渉
縞を受けて３次元形状を計測する構成であっても良く、
あるいは計測対象物が傾斜面を含まないとき、反射光を
受けて３次元形状を計測する構成としても良い。また、
形状計測手段は、反射光、あるいは干渉縞を受けて２次
元の画像信号を出力する受光素子アレイと、光軸方向走
査ステージが単位移動量だけ移動する度に受光素子アレ
イを所定数に分割したブロック毎に合焦度を演算する演
算部と、合焦度を閾値と比較して合焦点の有無を判定す
る判定部と、判定部によって合焦点として判定された２
次元の位置を単位移動量に基づいて光軸方向に分布させ
ることによって計測対象物の３次元形状を再現する形状
構成部を含む構成であっても良い。光軸方向走査ステー
ジおよび干渉光発生手段は、予め記憶手段に格納された
位置情報テーブルに基づいて計測開始時の初期位置が決
められる構成とすることが好ましい。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の形状計測装置を図
面を参照しつつ説明する。

【００２３】図１は、本発明の実施の形態における形状
計測装置を示し、計測対象物１を搭載する試料台２と、
白色光を発生するハロゲンランプ等の光源３と、光源３
で発生した光を反射して計測対象物１に照射するハーフ
ミラー４と、焦点深度が浅く、高開口数の対物レンズで
構成される拡大顕微光学系５と、計測対象物１で反射さ
れた反射光を受光するＣＣＤカメラ等の撮像部６と、計
測対象物１および試料台２をＺ方向に変位させる計測対
象物走査ステージ７と、干渉計測時にハーフミラー４を
介して入射する白色光を反射して参照光を生成する参照
鏡８と、参照鏡８を光軸方向に変位させる参照鏡走査ス
テージ９と、白色光を参照鏡８に集光する集光レンズ１
０と、参照鏡８の設けられる干渉光光路を遮断する遮光
板１１を有し、遮光板１１を開放することで干渉計測が
可能になる。

【００２４】計測対象物１は、Ｚ方向に高さ目盛り（図
示せず）を有しており、この高さ目盛りは撮像時に後述
する高さ位置として認識される。

【００２５】計測対象物走査ステージ７の送り精度は、
Ｚ方向の計測精度で決定されるものであり、計測精度と
同等か、あるいは計測精度の１０分の１の送り量とする
ことが好ましい。例えば、１μｍ単位のＺ方向の計測精
度では０．１μｍの送りピッチとすることが好ましく、
高減速器付きモータ等によって実現できる。

【００２６】参照鏡走査ステージ９の送り精度は、Ｚ方
向の計測精度で決定されるものであり、計測精度と同等
か、あるいは計測精度の１０分の１の送り量とすること
が好ましい。例えば、１μｍ単位のＺ方向の計測精度で
は０．１μｍの送りピッチとすることが好ましく、圧電
素子等によるリニアアクチュエータ等によって実現でき
る。

【００２７】図２は、本発明の実施の形態における形状
計測装置の制御ブロックを示し、撮像部６から入力する
撮像データに基づいて形状計測を実行する計測制御部１
２と、計測対象物１の形状および寸法に応じて設定され
た計測対象物走査ステージ７および参照鏡走査ステージ
９の位置情報テーブル、および計測された計測対象物１
の高さ位置を格納するＲＡＭ１３と、撮像部６から入力
する撮像データを５１２×５１２画素に分割して収容す
るフレームメモリ１４と、計測対象物１の撮像データを
縦横ともに数画素のブロックに分割した画像ブロックの
合焦度を演算する合焦演算部１５と、合焦を判定して画
像ブロックの平面内位置（ｘ，ｙ）およびＺ方向の高さ
目盛りを高さ位置として出力する合焦判定部１６と、合
焦の判定された高さ位置をＺ方向に累積して計測対象物
１の３次元形状を再現する形状構成部１７と、計測制御
部１２から出力される制御信号に基づいて参照鏡走査ス
テージ９に駆動電圧を供給する走査ステージ駆動回路１
８と、計測制御部１２から出力される制御信号に基づい
て計測対象物走査ステージ７に駆動電圧を供給する走査
ステージ駆動回路１９より構成されている。

【００２８】図３は、干渉計測を行わないときの形状計
測プロセスを示すフローチャートであり、以下、フロー
チャートに基づいて、本発明の実施の形態における形状
計測装置の動作を説明する。

【００２９】まず、計測対象物１を試料台２に搭載して
概略的な形状および寸法を入力し、計測開始を指示する
と、計測制御部１２は、ＲＡＭ１３に格納されている位
置情報テーブルに基づいて走査ステージ駆動回路１９に
制御信号を出力し、走査ステージ駆動回路１９から計測
対象物走査ステージ７に制御信号に応じた駆動電圧が供
給されて計測対象物１が所定の位置に位置決めされる。
この位置決めの後、計測対象物走査ステージ７をＺ方向
に移動させて微調整を行い、高さ目盛０に一致させてか
ら計測を開始する。（ステップＳ1 ）。

【００３０】次に、遮光板１１で参照鏡８の設けられる
干渉光光路を閉じた状態で光源３を点灯して、ハーフミ
ラー４を介して白色光を計測対象物１に照射し、拡大顕
微光学系５を介して撮像部６で計測対象物１からの反射
光を撮像する（ステップＳ2）。

【００３１】図４は、拡大顕微光学系５による撮像動作
を示し、例えば、図４（ａ）に示すように、円錐状の突
起を有する計測対象物２０をＺ方向に計測する場合につ
いて説明する。計測対象物２０の突起には等高線２０ａ
〜２０ｄが記されており、焦点深度ｄが深い対物レンズ
でＺ方向から観察すると、図４（ｂ）に示すような等高
線配置となる。

【００３２】拡大顕微光学系５は、焦点深度ｄの浅い高
開口数の対物レンズで構成されており、計測対象物１を
撮像部６で撮像すると、焦点深度ｄの範囲について明瞭
な画像が得られる。図４（ｃ）は、拡大顕微光学系５の
焦点深度ｄの範囲に等高線２０ａが位置する状態で撮像
された画像を示し、焦点深度ｄの範囲における等高線だ
けが明瞭に撮像され、その他の部分は不明瞭となる。従
って、計測対象物１をＺ方向に変位させると、図４
（ｄ），（ｅ）に示すように焦点深度ｄの範囲において
の明瞭な画像を得ることができ、Ｚ方向の高さ位置の定
量化が可能になる。

【００３３】拡大顕微光学系５を構成する対物レンズの
開口数は、Ｚ方向に必要な定量化の精度に基づいて決定
される。例えば、１μｍ単位のＺ方向の計測精度が要求
される場合には、焦点深度が１μｍ以下となる開口数
０．７以上の対物レンズを用いることが好ましく、この
開口数において光学倍率は５０倍から１００倍程度とな
り、計測領域としては５０×５０μｍから１００×１０
０μｍの範囲となる。

【００３４】図５は、撮像部６で撮像された計測対象物
１の反射光に基づく画像を示し、図５（ａ）に示すよう
に、フレームメモリ１４には撮像部６の各画素の輝度情
報（Ｘ_i，Ｙ_i）が格納され、この輝度情報（Ｘ_i，Ｙ
_i）は、更に、図５（ｂ）示すようにＸ，Ｙ方向に対応
したｘ，ｙ方向にそれぞれ５画素で構成される画像ブロ
ック１４Ａに分割される。合焦演算部１５は、画像ブロ
ック１４Ａに基づいて合焦度を演算する。

【００３５】撮像部６で撮像された計測対象物１の画像
は、焦点深度ｄの範囲にあって焦点が合っている部分の
空間周波数が高くなっており、一方、焦点の合っていな
い部分の空間周波数が低くなっている。このことから、
本実施の形態では高い空間周波数成分を抽出するフィル
タとして２次微分であるラプラシアンフィルタを用いて
合焦度を演算する。

【００３６】図６は、３行３列の正方行列からなるラプ
ラシアンフィルタを用いた合焦度の演算プロセスを示
し、ラプラシアンフィルタＬ₈（ｉ，ｊ）と画像ブロッ
ク１４Ａの輝度値データ行列１４Ｂとを行列演算するこ
とによって、２次微分画像２１とその輝度値データ２１
Ａが得られる。この２次微分画像２１の行方向および列
方向の各画素の総和値２１Ｂが合焦度となる。総和値２
１Ｂが大きいほど合焦点に近いことを示す（ステップＳ
3 ）。

【００３７】次に、合焦演算部１５において演算された
各画像ブロックの合焦度は、合焦判定部１８に出力され
て合焦の判定が行われる。計測対象物１からの反射光に
は、散乱光等による画像ノイズが含まれることが多いた
め、合焦判定部１８では画像ノイズによる擬似合焦点を
拾わないように予め閾値を設定し、閾値を超えた高さ位
置だけを抽出する。この閾値は、予め実験的に計測対象
物１の反射光特性等を分析した結果に基づいて適切に設
定される（ステップＳ4 ）。

【００３８】図７は、計測対象物１の断面形状と各画像
ブロックにおける高さ位置の変化を示し、画像ブロック
ｘ₁からｘ₄にかけて計測対象物１の断面の高さが変化
している。高さ位置の目盛に設けられる矢印ｄは焦点深
度の範囲を示す。

【００３９】図８は、画像ブロックｘ₁からｘ₄の高さ
位置０から６にかけての合焦度を示し、（ａ）は画像ブ
ロックｘ₁、（ｂ）は画像ブロックｘ₂、（ｃ）は画像
ブロックｘ₃、（ｄ）は画像ブロックｘ₄の合焦度を示
している。

【００４０】高さ位置３において、図８（ａ）、（ｂ）
に示すように画像ブロックｘ₁とｘ ₂が閾値Ｓを超えて
いるので、画像ブロックｘ₁とｘ₂の高さ位置は３と判
定される。判定された画像ブロックｘ₁とｘ₂の合焦度
はＲＡＭ１３に格納される。

【００４１】次に、計測対象物走査ステージ７を撮像部
６の方向と反対方向に計測精度に応じて変位させてステ
ップＳ2 ，Ｓ3 およびＳ4 を実行し、高さ位置４におけ
る合焦の判定を行う。

【００４２】高さ位置４において、図８（ｂ）、（ｃ）
に示すように画像ブロックｘ₂とｘ ₃が閾値Ｓを超えて
いる。画像ブロックｘ₂は、高さ位置３でも閾値を超え
ているが、高さ位置４の合焦度が大きいので、画像ブロ
ックｘ₂の高さ位置は４と判定される。また、画像ブロ
ックｘ₃が閾値Ｓを超えているので、画像ブロックｘ ₃
の高さ位置は４と判定される。判定された画像ブロック
ｘ₂とｘ₃の合焦度はＲＡＭ１３に格納される。

【００４３】このように、計測対象物走査ステージ７を
Ｚ方向に変位させてステップＳ2 ，Ｓ3 およびＳ4 を繰
り返して実行し、各画像ブロックの高さ位置をＲＡＭ１
３に格納する。ここでは説明を簡単にするために画像ブ
ロックのｘ方向について説明したが、ｙ方向についても
同様の判定が行われる。

【００４４】合焦判定部１６において、画像ブロックの
合焦度は閾値を超えたものについて合焦が判定される
が、上記したように異なる高さ位置で合焦が認められる
場合には合焦度の大きい高さ位置を選択する。従って、
それぞれの高さにおいて画像ブロックの合焦度を判定し
た後、計測対象物１の高さ位置を変位させることでＲＡ
Ｍ１３に格納される高さ位置のデータが更新される。こ
のことから、ＲＡＭ１３に記憶容量の少ないものを利用
することができ、コストダウンが可能になる。

【００４５】Ｚ方向の走査が終了すると、ＲＡＭ１３に
格納されている計測対象物１の高さ位置データが形状構
成部１７に出力されて３次元形状が構成される。

【００４６】次に、参照鏡８で反射された参照光と計測
対象物１の反射光の干渉によって生じた干渉縞を用いて
干渉計測を行う場合について説明する。

【００４７】図９は、計測対象物１の断面形状と各画像
ブロックにおける高さ位置の変化を示し、画像ブロック
ｘ₂における計測対象物１の断面に傾斜面Ａが存在す
る。高さ位置の目盛に設けられる矢印ｄは焦点深度の範
囲を示す。

【００４８】このように、計測対象物１の表面に傾斜面
があると、上記した方法では拡大顕微光学系５の焦点深
度ｄの範囲に明確な合焦点が得られないことがある。

【００４９】図１０は、傾斜面Ａを有する画像ブロック
ｘ₂の合焦度を示し、合焦度が閾値Ｓを超えないために
合焦の判定が困難となる。この場合には、遮光板１１を
開放して干渉光光路に光を入射し、参照鏡８で反射され
た光をハーフミラー４で計測対象物１からの反射光と合
成する（ステップＳ2 ）。これによって生じる干渉縞の
０次フリンジを撮像部６で撮像する（ステップＳ4 ）。
ここで示すステップＳ2 ，Ｓ4 は後述するフローチャー
トの内容を示す。

【００５０】図１１は、０次フリンジを利用した形状計
測を実施するときに行うキャリブレーションの構成を示
す。緩く平滑な傾斜面を有する三角柱状のブロックゲー
ジ２２と、ブロックゲージ２２をＸ方向に走査するＸ方
向ステージ２３を試料台２の上に搭載する。このとき、
干渉光光路に設けられる遮光板１１は開放されて光源３
からの白色光が参照鏡８に入射する。

【００５１】次に、０次フリンジを出現させる。０次フ
リンジのＺ方向の範囲は０．２μｍと限られており、拡
大顕微光学系５の焦点深度ｄが１μｍ程度であることか
ら干渉光学系の調整が必要になる。

【００５２】図１２は、ブロックゲージ２２を拡大して
示し、画像の中心部分で焦点深度ｄの範囲内にブロック
ゲージ２２の傾斜面が撮像されるように計測対象物走査
ステージ７およびＸ方向ステージ２３を駆動して位置決
めを行う。

【００５３】次に、参照鏡走査ステージ９を参照光の光
軸方向に駆動して０次フリンジが出現する位置を探索
し、０次フリンジが出現した位置を参照鏡走査ステージ
９の初期値とする。このときの計測対象物走査ステージ
７および参照鏡走査ステージ９の初期値は位置情報テー
ブルとしてＲＡＭ１３に格納される。

【００５４】次に、干渉光学系の調整を確認するため
に、計測対象物走査ステージ７をＺ方向に測定精度の間
隔でｈだけ移動させ、同時に参照鏡走査ステージ９もｈ
だけ移動させる。焦点深度ｄ内に合焦したブロックゲー
ジ２２の傾斜面の位置を記録し、この位置に０次フリン
ジが発生することを確認して調整を終了する。以上のブ
ロックゲージを用いた調整によって、計測対象物毎に干
渉縞出しの調整を行うことなしに０次フリンジに基づく
コントラストの強い傾斜面Ａの画像が撮像部６で撮像さ
れる。

【００５５】図１３は、０次フリンジを利用した形状計
測のフローチャートを示し、０次フリンジを発生させる
ための干渉光学系の形成（ステップＳ2 ）、参照鏡８の
調整（ステップＳ3 ）、および０次フリンジの撮像（ス
テップＳ4 ）以外のプロセスについては、先に説明した
形状計測動作と共通であるので重複する説明を省略す
る。ステップＳ2 ，Ｓ4 は先に説明してある。ステップ
Ｓ3 は計測対象物１を高さ方向に移動させる変位量と等
しい距離だけ参照鏡走査ステージ９を送る。これによ
り、ハーフミラー４から計測対象物１までの距離とハー
フミラー４から参照鏡８までの距離は常に等しくなり、
０次フリンジが発生する。

【００５６】図１４は、０次フリンジを用いて計測対象
物１の形状計測を行ったときの画像ブロックｘ₁からｘ
₄の高さ位置０から６にかけての合焦度を示し、０次フ
リンジを用いることによって傾斜面の明瞭な画像が得ら
れるので、合焦度による高さ位置の判定が可能になる。
このため、図１４（ｂ）に示すように、高さ位置４にお
いて傾斜面を有する画像ブロックｘ₂が閾値Ｓを超える
ことから、高さ位置は４と判定される。

【００５７】上記したように、計測対象物１を焦点深度
の浅い顕微光学系を介して撮像するので、簡便な構成で
高さ方向に高い分解能が得られ、撮像画像を複数の画像
ブロックに分割して合焦度を演算することで高精度な形
状計測が可能になる。また、演算された合焦度から閾値
に基づいて計測対象物の高さ位置を決定するため、各高
さ位置における合焦度の判定を短時間で行えるととも
に、フレームメモリやＲＡＭに記憶容量の小さいものを
使用することができ、装置全体のコストを安価とするこ
とができる。更に、傾斜面を有する計測対象物について
は、０次フリンジに基づく干渉計測を行うことにより、
傾斜面についても高精度な計測が可能になる。

【００５８】本実施の形態では、計測対象物１をＺ方向
に移動させる構成について説明したが、計測対象物１を
固定として撮像部６をＺ方向に移動させる構成とするこ
ともできる。上記した干渉光学系は平坦な計測対象物に
対して干渉計測を行うことも可能であり、傾斜の度合い
が掴みにくい計測対象物の計測においても有効である。
上記した形状計測装置では、浅い焦点深度で高い倍率の
拡大顕微光学系５を用いることによって、１００×１０
０μｍ程度の範囲を画像計測することができるが、より
広範囲な画像計測を行う場合には２次元走査機構等を併
用することもできる。

【００５９】また、光源３についてもハロゲンランプ等
に限定されず、撮像部６のピーク感度に応じた波長特性
の光を発生する光源を選択して用いることが好ましい。

【００６０】また、本実施の形態では、合焦度を演算す
るオペレータとしてラプラシアンフィルタを用いている
が、例えば、図１５に示す画像ブロック位置と輝度総和
値の関係、図１６に示す画像ブロック内の輝度の分散
値、あるいは図１７に示す２次元フーリエ変換に基づく
高周波数成分のレベルや振幅の大きさによる評価も可能
である。

【００６１】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明の形状計測装
置によると、計測対象物で反射された反射光と参照鏡で
発生した干渉光の干渉によって生じた干渉縞を受けて計
測対象物の形状を計測するようにしたため、傾斜面を含
む計測対象物の３次元形状を高速で、かつ、高精度で測
定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態における形状計測装置を示
す説明図である。

【図２】本発明の実施の形態における形状計測装置の制
御ブロックである。

【図３】本発明の実施の形態における形状計測装置のフ
ローチャートである。

【図４】本発明の実施の形態における形状計測装置の撮
像原理を示す説明図である。

【図５】（ａ）は、フレームメモリ１４に格納される計
測対象物１の撮像画像であり、（ｂ）は、撮像画像を５
×５画素に分割して構成される画像ブロックを示す説明
図である。

【図６】本発明の実施の形態における合焦度の演算プロ
セスを示す説明図である。

【図７】撮像部６で撮像される計測対象物１の画像ブロ
ックｘと高さ位置Ｚの関係を示す説明図である。

【図８】画像ブロックｘ₁からｘ₄についての合焦度と
高さ位置Ｚの関係を示す説明図である。

【図９】傾斜面Ａを有する計測対象物１の画像ブロック
ｘと高さ位置Ｚの関係を示す説明図である。

【図１０】傾斜面Ａが存在する画像ブロックｘ₂の合焦
度と高さ位置Ｚの関係を示す説明図である。

【図１１】本発明の実施の形態における形状計測装置の
干渉計測機能を用いた場合の構成を示す説明図である。

【図１２】ブロックゲージ２２の位置決めを示す説明図
である。

【図１３】本発明の実施の形態における形状計測装置の
干渉計測機能を用いた場合のフローチャートである。

【図１４】本発明の実施の形態における形状計測装置の
干渉計測機能を用いた場合の画像ブロックｘ₁からｘ₄
についての合焦度と高さ位置Ｚの関係を示す説明図であ
る。

【図１５】本発明の実施の形態における合焦度を演算す
る他の評価手法を示す説明図である。

【図１６】本発明の実施の形態における合焦度を演算す
る他の評価手法を示す説明図である。

【図１７】本発明の実施の形態における合焦度を演算す
る他の評価手法を示す説明図である。

【図１８】従来の形状計測装置を示す説明図である。

【図１９】従来の形状計測装置を示す説明図である。

【図２０】従来の形状計測装置を示す説明図である。

【符号の説明】

１，計測対象物２，試料台３，光源４，ハーフミラー５，拡大顕微光学系６，撮像部７，計測対象物走査ステージ８，参照鏡９，参照鏡走査ステージ１０，集光レンズ１１，遮光板１２，計測制御部１３，ＲＡＭ１４，フレームメモリ１５，合焦演算部１６，合焦判定部１７，形状構成部１８，走査ステージ駆動回路１９，走査ステージ駆動回路２０，計測対象物２１，２次微分画像２１Ｂ，輝度値データ２２，ブロックゲージ２３，Ｘ方向ステージ２４，レーザパワー制御回路２５，レーザダイオード２６，ビームスプリッタ２７，コリメータレンズ２８，対物レンズ２９，計測対象物３０，光絞り部３１，ホトダイオード３２，増幅器３３，演算部３４，音叉３５，振幅検出器３６，増幅器３７，ソレノイド３８，音叉振幅制御回路３９，距離変換部４０，レーザビーム４１，対物レンズ４２，円筒レンズ４３，４分割受光素子４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，ビームスポット４５，光源４６，計測対象物４７，ハーフミラー４８，参照鏡４９，対物レンズ５０，テレビカメラ５１，テレビモニタ５２，画像合成回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】計測対象物に光を照射し、前記計測対象
物の反射光に基づいて前記計測対象物の３次元形状を計
測する形状計測装置において、前記計測対象物を照射する前記光を出射する光源と、前記３次元形状の計測精度以下の焦点深度を有し、前記
計測対象物に前記光を導光するとともに前記反射光を所
定の方向に導光する光学手段と、前記計測対象物を載置し、前記光学手段の光軸方向に前
記計測精度以下の単位移動量で前記計測対象物を所定の
移動量にわたって移動させる光軸方向走査ステージと、前記反射光と干渉する干渉光を発生する干渉光発生手段
と、前記所定の方向に位置し、前記反射光、あるいは前記反
射光と前記干渉光との干渉によって生じた干渉縞を受け
て前記３次元形状を計測する形状計測手段を有すること
を特徴とする形状計測装置。
【請求項２】前記光学手段は、高開口数のレンズを用
いた拡大顕微光学系である構成の請求項第１項記載の形
状計測装置。
【請求項３】前記形状計測手段は、前記計測対象物が
傾斜面を含むとき、前記反射光と前記干渉光との干渉に
よって生じた前記干渉縞を受けて前記３次元形状を計測
する構成の請求項第１項記載の形状計測装置。
【請求項４】前記形状計測手段は、前記計測対象物が
傾斜面を含まないとき、前記反射光を受けて前記３次元
形状を計測する構成の請求項第１項記載の形状計測装
置。
【請求項５】前記形状計測手段は、前記反射光、ある
いは前記干渉縞を受けて２次元の画像信号を出力する受
光素子アレイと、前記光軸方向走査ステージが前記単位
移動量だけ移動する度に前記受光素子アレイを所定数に
分割したブロック毎に合焦度を演算する演算部と、前記
合焦度を閾値と比較して合焦点の有無を判定する判定部
と、前記判定部によって前記合焦点として判定された２
次元の位置を前記単位移動量に基づいて前記光軸方向に
分布させることによって前記計測対象物の３次元形状を
再現する形状構成部を含む構成の請求項第１項記載の形
状計測装置。
【請求項６】前記光軸方向走査ステージおよび前記干
渉光発生手段は、予め記憶手段に格納された位置情報テ
ーブルに基づいて計測開始時の初期位置が決められる構
成の請求項第１項記載の形状計測装置。