(57)【要約】【課題】被検物の表面の性質の違いによる形状の測定誤差を低減させる。【解決手段】形状測定装置は、投影系相対合焦位置および撮像撮像系相対合焦位置を調整でき、投影系相対合焦位置を独立して調整できる。感度比算出部６６は、投影系相対合焦位置の変化に対する合焦測度の変化量と、撮像系相対合焦位置の変化に対する合焦測度の変化量との比である感度比を算出する。校正データ生成部６７は、投影系校正データ、撮像系校正データおよび全体校正データのうち２つの校正データを、感度比に基づいて重み付けて加算することにより適用校正データを生成する。点群データ生成部６９は、適用校正データを用いて、合焦位置検出部６５により検出された合焦位置を補正する。本発明は、例えば、三次元形状測定装置に適用できる。【選択図】図２
2010002286.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
投影光学系により所定のパタンの像を投影した被検物の像を撮像光学系により撮像した観察画像を用いて、合焦点法により前記被検物の形状を測定する形状測定装置において、
前記投影光学系により投影される前記パタンが結像する位置と前記被検物との相対位置である投影系相対合焦位置、および、前記撮像光学系の焦点が合う位置と前記被検物との相対的な位置である撮像系相対合焦位置を調整し、かつ、前記投影系相対合焦位置および前記撮像系相対合焦位置のうち少なくとも一方を独立して調整する調整手段と、
前記投影系相対合焦位置の変化に対する合焦測度の第１の変化量と、前記撮像系相対合焦位置の変化に対する前記合焦測度の第２の変化量との相対値を算出する変化量算出手段と、
前記投影光学系により生じる前記被検物の形状の測定誤差を補正するための第１の校正データ、前記撮像光学系により生じる前記被検物の形状の測定誤差を補正するための第２の校正データ、および、前記投影光学系および前記撮像光学系の両方により生じる前記被検物の形状の測定誤差を補正するための第３の校正データのうち２つの校正データを、前記第１の変化量と前記第２の変化量との相対値に基づいて重み付けて加算することにより、前記被検物の形状の測定結果の補正に用いる校正データを生成する校正データ生成手段と、
生成された前記校正データを用いて前記被検物の測定結果の補正を行う補正手段と
を含むことを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
前記被検物が設置されているステージを所定の複数の測定位置に移動させながら、前記測定位置ごとに前記投影系相対合焦位置を移動して複数の前記観察画像を撮像手段に撮像させ、撮像された複数の前記観察画像を取得する画像取得手段を
さらに含み、
前記変化量算出手段は、前記画像取得手段により取得された前記観察画像を用いて、前記第１の変化量および前記第２の変化量を算出する
ことを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、形状測定装置に関し、特に、三次元形状を測定する形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、合焦点法により被検物の形状を測定する形状測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。合焦点法を用いた形状測定装置では、例えば、投影光学系により被検物にパタン光を投影するとともに、被検物を撮像光学系の光軸方向に移動させながら、被検物により反射されたパタン光の像を観察光学系により撮像する。そして、撮像した画像（以下、観察画像と称する）の各画素におけるパタン光の像の合焦位置を検出することにより、被検物の形状が測定される。また、この合焦位置の検出には、一般的に観察画像のコントラスト値が用いられる。
【０００３】
【特許文献１】特許第３３２１８６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、合焦点法により被検物の形状を測定した場合、測定誤差が被検物の表面の性質により変動する。この点について、図５を参照しながら説明する。
【０００５】
図５は、従来の合焦点法を用いた形状測定装置の光学系の模式図である。図５の光学系においては、図示せぬ光源から射出されたパタン光が、ハーフプリズム２１１により対物レンズ２１２の方向に反射され、対物レンズ２１２を介して被検物２０１に投影される。被検物２０１により反射されたパタン光は、対物レンズ２１２およびハーフプリズム２１１を透過し、結像レンズ２１３に入射する。そして、結像レンズ２１３によりパタン光による像（パタン像）が投影された被検物２０１の像が、CCDセンサ２１４の受光面で結像し、CCDセンサ２１４により観察画像が撮像される。
【０００６】
なお、以下、説明を簡単にするために、対物レンズ２１２の像側NAと結像レンズ２１３の像側NAが等しいものとして説明する。
【０００７】
まず、被検物２０１の表面が、光を鏡面反射する鏡面反射面である場合について考える。なお、図５は、被検物２０１の表面が鏡面反射面で、かつ、被検物２０１の表面が対物レンズ２１２から射出された光束の集光角の半分の角度だけ、対物レンズ２１２の光軸に対して傾いている場合を示している。この場合、図示せぬ光源からハーフプリズム２１１に入射するパタン光の、図中、上側半分の光束Ｌａおよび下側半分の光束Ｌｂのうち、光束Ｌｂは対物レンズ２１２でけられてしまい、CCDセンサ２１４には入射しない。
【０００８】
すなわち、光束Ｌａは、対物レンズ２１２から被検物２０１の表面に入射し、その表面で反射すると、そのまま対物レンズ２１２、ハーフプリズム２１１および結像レンズ２１３を介して、CCDセンサ２１４に入射する。一方、光束Ｌｂは、対物レンズ２１２から被検物２０１の表面に入射し、その表面において反射すると、対物レンズ２１２の入射瞳には入射しないので、光束Ｌｂはハーフプリズム２１１には入射しない。
【０００９】
この場合、撮像光学系から見ると実質的に光束Ｌａのみが存在することになるため、対物レンズ２１２から被検物２０１に向けて射出される光束Ｌａの集光角が、実質的な投影光学系の集光角となる。同様に、被検物２０１により反射され対物レンズ２１２に入射する光束Ｌａの開口角が、実質的な撮像光学系の開口角となり、結像レンズ２１３からCCDセンサ２１４の一点に向けて射出される光束Ｌａの集光角が、実質的な撮像光学系の集光角となる。また、実質的な投影光学系の集光角、実質的な撮像光学系の開口角、および、実質的な撮像光学系の集光角は、本来の対物レンズ２１２の集光角、本来の対物レンズ２１２の開口角、および、本来の結像レンズ２１３の集光角より小さい角度で一致する。従って、実質的な投影光学系の像側NAおよび撮像光学系の物側NAは、本来の投影光学系の像側NAおよび撮像光学系の物側NAより小さい値で一致する。
【００１０】
観察画像のコントラスト値の変動量は、投影光学系の焦点深度および撮像光学系の焦点深度の影響を受け、特に、焦点深度の浅い方の光学系の影響をより多く受ける。いまの場合、実質的な投影光学系の像側NAと実質的な撮像光学系の物側NAが等しく、実質的な撮像光学系の物側NAが小さくなると、それに応じて実質的な撮像光学系の像側NAが小さくなる。それゆえ、本来、投影光学系と撮像光学系に備わっている焦点深度よりも深くなる。そのため、投影光学系と撮像光学系のそれぞれからの観察画像のコントラスト値の変動量に与える影響が、本来備わっている投影光学系と撮像光学系の変動量に与える影響から変わってしまう。従って、投影光学系と撮像光学系による、観察画像のコントラスト値に基づいて検出される合焦位置の検出誤差が変わってしまう。
【００１１】
また、CCDセンサ２１４の受光面における像面湾曲と歪曲収差は、投影光学系の像側NAおよび撮像光学系の像側NAの値により変動し、その値が大きいほど像面湾曲と歪曲収差が大きくなる。いまの場合、実質的な投影光学系の像側NAと実質的な撮像光学系の像側NAが等しいため、投影光学系と撮像光学系が像面湾曲と歪曲収差の収差量に与える影響はほぼ等しくなる。
【００１２】
さらに、被検物２０１の表面の傾きにより、実質的な投影光学系の像側NAと実質的な撮像光学系の物側NAが変化する。従って、被検物２０１の表面の傾きにより、合焦位置の検出誤差、および、像面湾曲と歪曲収差の収差量が変動する。
【００１３】
次に、被検物２０１の表面が一般的な拡散反射面である場合について考える。この場合、被検物２０１の任意の一点により反射され対物レンズ２１２に入射する光束の開口角（実質的な撮像光学系の開口角）は、被検物２０１の表面が完全拡散面である場合に比べて、実質的に小さくなる。しかし、被検物２０１が鏡面反射面である場合に比べて、投影光学系で照明される角度範囲よりも広い散乱光が発生するため、投影光学系で、ある一点に照明される角度範囲よりもその反射・散乱光は広く存在し、実質的に撮像光学系の開口角は大きくなる。従って、実質的な撮像光学系の像側NAが、被検物２０１が鏡面反射面である場合に比べて大きくなるとともに、被検物２０１の表面の傾きや拡散度により変化するため、被検物２０１の表面の傾きや拡散度により、合焦位置の検出誤差、および、像面湾曲と歪曲収差の収差量が変動する。
【００１４】
次に、被検物２０１の表面が完全拡散面である場合について考える。完全拡散面の場合、光束Ｌａおよび光束Ｌｂは、被検物２０１の表面において全ての方向に均一に反射され、その一部が対物レンズ２１２に入射する。そのため、実質的な投影光学系の集光角と本来の投影光学系の集光角、実質的な撮像光学系の開口角と本来の撮像光学系の開口角が等しくなる。従って、投影光学系および撮像光学系による、合焦位置の検出誤差、および、像面湾曲と歪曲収差の収差量が変わる。
【００１５】
また、被検物２０１の表面が完全拡散面である場合、実質的な投影光学系の像側NAと実質的な撮像光学系の物側NAの値は、被検物２０１の表面の傾きの影響を受けないため、実質的な撮像光学系の像側NAも変化せず、被検物２０１の表面の傾きにより、合焦位置の検出誤差、および、像面湾曲と歪曲収差の収差量はほとんど変動しない。
【００１６】
なお、投影光学系の像側NAと撮像光学系の物側NAが異なる場合も同様に、合焦位置の検出誤差、および、像面湾曲と歪曲収差の収差量は、実質的な投影光学系の像側NAと実質的な撮像光学系の物側NAのうち値が大きい方の光学系の影響を、より多く受けるようになる。
【００１７】
このように、合焦位置の検出誤差、および、像面湾曲と歪曲収差の収差量は、被検物２０１の表面の性質により変動する。その結果、被検物２０１の表面の性質により、被検物２０１の形状の測定誤差が変動し、被検物２０１の形状を実際とは異なる形状として測定される場合が生じる。
【００１８】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、被検物の表面の性質の違いによる形状の測定誤差を低減させるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の一側面の形状測定装置は、投影光学系により所定のパタンの像を投影した被検物の像を撮像光学系により撮像した観察画像を用いて、合焦点法により前記被検物の形状を測定する形状測定装置であって、前記投影光学系により投影される前記パタンが結像する位置と前記被検物との相対位置である投影系相対合焦位置、および、前記撮像光学系の焦点が合う位置と前記被検物との相対的な位置である撮像系相対合焦位置を調整し、かつ、前記投影系相対合焦位置および前記撮像系相対合焦位置のうち少なくとも一方を独立して調整する調整手段と、前記投影系相対合焦位置の変化に対する合焦測度の第１の変化量と、前記撮像系相対合焦位置の変化に対する前記合焦測度の第２の変化量との相対値を算出する変化量算出手段と、前記投影光学系により生じる前記被検物の形状の測定誤差を補正するための第１の校正データ、前記撮像光学系により生じる前記被検物の形状の測定誤差を補正するための第２の校正データ、および、前記投影光学系および前記撮像光学系の両方により生じる前記被検物の形状の測定誤差を補正するための第３の校正データのうち２つの校正データを、前記第１の変化量と前記第２の変化量との相対値に基づいて重み付けて加算することにより、前記被検物の形状の測定結果の補正に用いる校正データを生成する校正データ生成手段と、生成された前記校正データを用いて前記被検物の測定結果の補正を行う補正手段とを含む。
【００２０】
本発明の一側面においては、投影光学系により投影されるパタンが結像する位置と被検物との相対位置である投影系相対合焦位置の変化に対する合焦測度の第１の変化量と、撮像光学系の焦点が合う位置と前記被検物との相対的な位置である撮像系相対合焦位置の変化に対する前記合焦測度の第２の変化量との相対値が算出され、前記投影光学系により生じる前記被検物の形状の測定誤差を補正するための第１の校正データ、前記撮像光学系により生じる前記被検物の形状の測定誤差を補正するための第２の校正データ、および、前記投影光学系および前記撮像光学系の両方により生じる前記被検物の形状の測定誤差を補正するための第３の校正データのうち２つの校正データが、前記第１の変化量と前記第２の変化量との相対値に基づいて重み付けて加算されることにより、前記被検物の形状の測定結果の補正に用いる校正データが生成され、生成された前記校正データを用いて前記被検物の測定結果の補正が行われる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の一側面によれば、被検物の表面の性質の違いによる被検物の形状の測定誤差を低減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照して本発明を適用した実施の形態について説明する。
【００２３】
図１は、本発明を適用した形状測定装置の一実施の形態を示すブロック図である。
【００２４】
形状測定装置１１は、測定対象となる被検物１２の表面の３次元形状を測定する３次元形状測定装置であり、測定部２１、ステージ２２、および、コントローラ２３を含むように構成される。
【００２５】
測定部２１は、パタン像を被検物１２に投影するとともに、パタン像が投影された被検物１２の像を撮像する。具体的には、光源３１から射出された光は、コンデンサレンズ３２を介して、適切な焦点深度を与えるために光束の径を調整する瞳絞り３３に入射する。瞳絞り３３を通過したコンデンサレンズ３２からの光は、リレーレンズ３４により、被検物１２に投光される光の合焦面Ｓと像共役な面に集光され、そこに配置された投影パタン板３５に入射する。
【００２６】
投影パタン板３５には、所定のパタンの開口を備えるマスクが設けられており、投影パタン板３５を通過した光は、その開口部と同形状のパタンを有するパタン光となる。投影パタン板３５を通過したパタン光は、リレーレンズ３６によりコリメートされ、ハーフプリズム３７に入射する。
【００２７】
ハーフプリズム３７は、リレーレンズ３６でコリメートされたパタン光を対物レンズ３８の方向に反射し、対物レンズ３８に入射させる。対物レンズ３８は、パタン光を合焦面Ｓに結像させ、投影パタン板３５に備えられたマスクのパタン像を被検物１２に投影する。
【００２８】
なお、投影パタン板３５から対物レンズ３８までの光学系は、所定の状態でテレセントリック光学系の特性を発揮する光学系である。
【００２９】
被検物１２に照射されたパタン光は、被検物１２の表面において反射して、対物レンズ３８およびハーフプリズム３７を透過して、結像レンズ３９に入射する。そして、結像レンズ３９により、パタン光によるパタン像が投影された被検物１２の像が、CCDセンサ４０の受光面で結像する。
【００３０】
このように、測定部２１は、パタン像を被検物１２に投影するとともに、パタン像が投影された被検物１２の像を撮像する。
【００３１】
なお、以下、光源３１、コンデンサレンズ３２、瞳絞り３３、リレーレンズ３４、投影パタン板３５、リレーレンズ３６、ハーフプリズム３７、および、対物レンズ３８により構成される、被検物１２にパタン像を投影する光学系を投影光学系と称し、対物レンズ３８、ハーフプリズム３７、および、結像レンズ３９により構成される、パタン像が投影された被検物１２の像をCCDセンサ４０の受光面に結像させる光学系を撮像光学系と称する。
【００３２】
コントローラ２３は、例えば、コンピュータ、または、マイクロコンピュータなどにより構成される。コントローラ２３は、リレーレンズ３６を矢印Ａ２で示される光軸方向に移動させることにより、合焦面Ｓの位置を矢印Ａ１で示される対物レンズ３８の光軸方向に移動させる。また、コントローラ２３は、ステージ２２を対物レンズ３８の光軸方向に移動させることにより、合焦面Ｓと被検物１２の相対的な位置関係、および、撮像光学系の焦点の合う位置（合焦位置）と被検物１２の相対的な位置関係を変化させる。
【００３３】
また、コントローラ２３は、ステージ２２の位置を変化させながら、測定部２１に被検物１２の観察画像を撮像させ、ステージ２２の位置毎に撮像された観察画像に基づいて、合焦測度を検出することにより被検物１２の表面の３次元形状を測定する。
【００３４】
図２は、コントローラ２３の機能的構成の例を示すブロック図である。
【００３５】
画像取得部６１は、CCDセンサ４０を制御して、観察画像を撮像させ、撮像された観察画像を取得し、合焦測度算出部６４に供給する。
【００３６】
投影系リレー駆動部６２は、画像取得部６１からの指令に基づいて、図示せぬアクチュエータなどを介して、矢印Ａ２により示されるリレーレンズ３６の光軸方向の位置を調整する。これにより、合焦面Ｓと被検物１２との相対位置が独立して調整される。
【００３７】
ステージ駆動部６３は、画像取得部６１からの指令に基づいて、図示せぬアクチュエータなどを介して、矢印Ａ１により示される方向のステージ２２の位置を調整する。これにより、合焦面Ｓと被検物１２との相対位置、および、撮像光学系の合焦位置と被検物１２との相対位置が同時に調整される。
【００３８】
合焦測度算出部６４は、画像取得部６１から供給された観察画像の各位置の合焦測度を算出する。ここで、合焦測度とは、パタン像の焦点（ピント）の合い具合を示す値であり、その値が大きいほどパタン像の焦点が合っていることを示している。具体的には、特開平３−６３５０７号に記載された方法で算出することができる。合焦測度算出部６４は、算出した合焦測度を示すデータを合焦位置検出部６５および感度比算出部６６に供給する。
【００３９】
合焦位置検出部６５は、合焦測度算出部６４により算出された合焦測度に基づいて、各画素においてパタン像の焦点が合っている位置である合焦位置を検出する。合焦位置検出部６５は、検出した合焦位置を示すデータを点群データ生成部６９に供給する。
【００４０】
感度比算出部６６は、合焦測度算出部６４により算出された合焦測度に基づいて、後述する投影光学系と撮像光学系の合焦測度の感度比を算出する。感度比算出部６６は、算出した感度比を示すデータを点群データ生成部６９に供給する。
【００４１】
校正データ生成部６７は、メモリ６８に記憶されている、投影光学系により生じる被検物の形状の測定誤差を補正するための校正データ（以下、投影系校正データと称する）、撮像光学系により生じる被検物の形状の測定誤差を補正するための校正データ（以下、撮像系校正データと称する）、および、投影光学系と撮像光学系の両方により生じる被検物の形状の測定誤差を補正するための校正データ（以下、全体校正データと称する）のうちの２つの校正データ、並びに、感度比算出部６６により算出された感度比に基づいて、実際に被検物の形状の測定結果の補正に用いる校正データ（以下、適用校正データと称する）を生成する。校正データ生成部６７は、生成した適用校正データを点群データ生成部６９に供給する。
【００４２】
ここで、校正データの例について説明する。
【００４３】
例えば、撮像系校正データは、被検物１２の代わりに校正用のグリッド格子をステージ２２上に設置し、ステージ２２の矢印Ａ１の方向（以下、z軸方向とも称する）の座標ｚを変化させながら、ステージ２２上に設置されたグリッド格子をCCDセンサ４０により撮像した観察画像に基づいて作成される。
【００４４】
例えば、観察画像の各画素における、実際の被写体（校正用グリッド格子）に対する水平方向（x軸およびy軸方向）のズレ量のデータが、撮像光学系により生じる歪曲収差を補正するための校正データ（以下、撮像系歪曲収差校正データと称する）として作成される。具体的には、例えば、観察画像の座標(x,y)の画素（以下、画素(x,y)と称する）におけるx軸およびy軸の２軸方向のズレ量を表すテーブルが、ステージ２２のz軸方向の所定の間隔ごとに作成される。
【００４５】
また、例えば、観察画素の各画素について、観察画像の中心の画素に焦点が合うステージ２２の座標ｚと、各画素に焦点が合うステージ２２の座標ｚとの間のズレ量が、撮像光学系により生じる像面湾曲を補正するための校正データ（以下、撮像系像面湾曲校正データと称する）として作成される。
【００４６】
次に、例えば、ステージ２２上に完全拡散面を設置するとともに、投影パタン板３５の代わりに、撮像光学系の校正データを作成した場合と同じパタンの校正用グリッド格子を設置した状態で、ステージ２２のz軸方向の座標ｚを変化させながら、ステージ２２上に設置されたグリッド格子をCCDセンサ４０により撮像した観察画像に基づいて、撮像光学系の場合と同様の歪曲収差校正データおよび像面湾曲校正データが作成される。なお、この歪曲収差校正データ（以下、全体歪曲収差校正データと称する）および像面湾曲校正データ（以下、全体像面湾曲校正データと称する）は、投影光学系と撮像光学系の両方により生じる歪曲収差および像面湾曲に対する校正データとなる。
【００４７】
メモリ６８には、例えば、撮像系歪曲収差校正データ、撮像系像面湾曲校正データ、全体歪曲収差校正データおよび全体像面湾曲校正データが格納される。
【００４８】
なお、全体歪曲収差校正データと撮像系歪曲収差校正データ、および、全体像面湾曲校正データと撮像系像面湾曲校正データの差分を取ることにより、投影光学系に対する歪曲収差校正データ（以下、投影系歪曲収差校正データと称する）および像面湾曲校正データ（以下、投影系像面湾曲校正データと称する）を作成することも可能である。そして、全体歪曲収差校正データおよび撮像系歪曲収差校正データのいずれか一方の代わりに、投影系歪曲収差校正データを用いたり、全体像面湾曲校正データおよび撮像系像面湾曲校正データのいずれか一方の代わりに、投影系像面湾曲校正データを用いるようにしてもよい。
【００４９】
なお、校正データを作成する方法は、特定の方法に限定されるものではなく、上述した以外の方法で作成するようにしてもよい。また、上述した校正データは、その一例であり、例えば、他の収差に対する校正データを用いるようにしてもよい。
【００５０】
図２の説明に戻り、点群データ生成部６９は、観察画像の各画素の合焦位置、および、適用校正データに基づいて、観察画像の各画素に対応する被検物１２の各点の位置関係を補正し、被検物１２の３次元形状の測定結果を示す点群データを生成し、外部に出力する。
【００５１】
次に、図３のフローチャートを参照して、形状測定装置１により実行される形状測定処理について説明する。なお、この処理は、例えば、ユーザが、ステージ２２上に被検物１２を設置し、図示せぬ操作部を介して、形状測定処理の開始の指令を入力したとき開始される。
【００５２】
なお、形状測定処理を開始するときに、撮像光学系の焦点が合焦面Ｓに合っているものとする。また、以下、合焦面Ｓに対するステージ２２の相対的な位置、換言すれば、ステージ２２を原点とした合焦面Ｓの位置を、投影系相対合焦位置と称する。さらに、以下、撮像光学系の焦点の合う位置に対するステージ２２の相対的な位置、換言すれば、ステージ２２を原点とした撮像光学系の合焦位置を、撮像系相対合焦位置と称する。また、以下、形状測定処理の開始時の合焦面Ｓの位置を基準位置と称する。
【００５３】
ステップＳ１において、ステージ駆動部６３は、画像取得部６１からの指令に基づいて、ステージ２２を初期位置に設定する。例えば、ステージ駆動部６３は、被検物１２の形状を測定するために撮像光学系の合焦位置及び投影光学系の合焦位置である合焦面Ｓと同じ位置にステージ２２を設定する。
【００５４】
ステップＳ２において、投影系リレー駆動部６２は、合焦面Ｓを0.5μｍ上方向に移動させる。すなわち、投影系リレー駆動部６２は、画像取得部６１からの指令に基づいて、合焦面Ｓが0.5μｍ上方向に移動するように、投影系のリレーレンズ３６の光軸方向の位置を調整する。これにより、撮像系相対合焦位置が固定されたまま、被検物１２における合焦面Ｓの位置（投影系相対合焦位置）が0.5μｍ上方向に移動する。
【００５５】
ステップＳ３において、画像取得部６１は、CCDセンサ４０に観察画像を撮像させ、撮像された観察画像を取得する。この画像は、撮像光学系の合焦位置と被検物１２のある被検面の距離と比較すると、合焦面Ｓと被検物１２の被検面の距離が更に0.5μｍ増えている状態で撮像したものであり、投影光学系によるデフォーカス量を撮像光学系によるデフォーカス量より増したものである。
【００５６】
ステップＳ４において、コントローラ２３は、合焦面Ｓを撮像光学系の合焦面と同じ位置に戻し、ステージ２２を0.5μｍ下方向に移動する。すなわち、投影系リレー駆動部６２は、画像取得部６１からの指令に基づいて、合焦面Ｓが撮像光学系の合焦面と同じ位置に戻るように、投影系のリレーレンズ３６の光軸方向の位置を調整する。また、ステージ駆動部６３は、画像取得部６１からの指令に基づいて、ステージ２２を0.5μｍ下方向に移動する。これにより、合焦面Ｓが0.5μｍ下方向に移動し、ステージ２２が0.5μｍ下方向に移動するので、合焦面Ｓとステージ２２の位置（投影系相対合焦位置）の距離が固定されたまま、撮像系相対合焦位置がステージ２２に対して0.5μｍ上方向に移動する。
【００５７】
ステップＳ５において、画像取得部６１は、CCDセンサ４０に観察画像を撮像させ、撮像された観察画像を取得する。ゆえに、この観察画像は、ステップＳ３で取得した観察画像と比較すると、撮像光学系によるデフォーカス量と投影光学系によるデフォーカス量を同じにしたものである。
【００５８】
ステップＳ６において、画像取得部６１は、全ての測定位置において観察画像を取得したか否かを判定する。まだ、観察画像を取得していない測定位置があると判定された場合、処理はステップＳ２に戻る。
【００５９】
その後、ステップＳ６において、全ての測定位置において観察画像を取得したと判定されるまで、ステップＳ２乃至Ｓ６の処理が繰り返し実行される。これにより、測定範囲内の最も上と下の測定位置を除く被検物１２の各測定位置において、合焦面Ｓと撮像光学系の合焦面を同じ位置に設定した場合と、合焦面Ｓを撮像光学系の合焦位置から0.5μｍ上方向に移動した場合の２種類の観察画像が取得される。なお、以下、２種類の観察画像を区別する場合、合焦面Ｓと撮像光学系の合焦面を同じ位置に設定した状態で撮像された観察画像を基準観察画像と称し、合焦面Ｓを撮像光学系の合焦面から0.5μｍ上に設定した状態で撮像された観察画像を比較観察画像と称する。
【００６０】
一方、ステップＳ６において、全ての測定位置において観察画像を取得したと判定された場合、処理はステップＳ７に進む。
【００６１】
ステップＳ７において、合焦測度算出部６４は、合焦測度を算出する。具体的には、画像取得部６１は、ステップＳ２乃至Ｓ６の処理で取得した全ての観察画像を合焦測度算出部６４に供給する。合焦測度算出部６４は、各観察画像の各画素のコントラスト値を合焦測度として算出する。例えば、合焦測度算出部６４は、観察画像内の注目する画素（以下、注目画素と称する）の輝度値と注目画素を中心とする所定の範囲内の画素の輝度値の差分値の平均値を合焦測度として算出する。
【００６２】
なお、以下、測定位置の座標がzである場合に撮像された比較観察画像の画素(x,y)の合焦測度をFa(x,y,z)で表し、基準観察画像の画素(x,y)の合焦測度をFb(x,y,z)で表す。
【００６３】
図４は、被検物１２のある位置における合焦測度Fa(x,y,z)および合焦測度Fb(x,y,z)の撮像系相対合焦位置に対する変化の例を示している。図中、横軸方向は、撮像系相対合焦位置を示し、縦軸方向は、合焦測度を示している。なお、撮像系相対合焦位置は、被検物１２の上から下に向かう方向を正の方向とする。また、図４の点線の曲線Ｃ１は、合焦測度Fa(x,y,z)の２次近似曲線を示し、実線の曲線Ｃ２は、合焦測度Fb(x,y,z)の２次近似曲線を示している。この様に、撮像系相対合焦位置毎に投影光学系の合焦位置である合焦面Ｓをずらした際に、合焦測度にどの程度影響を及ぼすかがわかる。
【００６４】
なお、実質的な投影光学系の像側NAと実質的な撮像光学系の像側NAの差が小さくなるほど、投影光学系と撮像光学系が、観察画像のコントラスト値（合焦測度）の変動量に与える影響量の差が小さくなるため、曲線Ｃ１と曲線Ｃ２の間の距離は小さくなる。逆に、実質的な投影光学系の像側NAと実質的な撮像光学系の像側NAの差が大きくなるほど、投影光学系と撮像光学系が、観察画像のコントラスト値（合焦測度）の変動量に与える影響量の差が大きくなるため、曲線Ｃ１と曲線Ｃ２の間の距離は大きくなる。
【００６５】
合焦測度算出部６４は、被検物１２上の各位置の合焦測度Fb(x,y,z)のデータを合焦位置検出部６５に供給し、合焦測度Fa(x,y,z)と合焦測度Fb(x,y,z)の両方のデータを感度比算出部６６に供給する。
【００６６】
なお、合焦測度の算出方法は、上述した方法に限定されるものではなく、他の方法を用いるようにしてもよい。また、必ずしも全ての画素について合焦測度を算出する必要はなく、必要とする分解能に応じて、合焦測度を算出する画素を間引くようにしてもよい。
【００６７】
ステップＳ８において、合焦位置検出部６５は、合焦位置を求める。具体的には、合焦位置検出部６５は、観察画像の各画素について、合焦測度Fb(x,y,z)が最大となるステージ２２の座標ｚを、その画素の合焦位置として検出する。合焦位置検出部６５は、検出した合焦位置を示すデータを点群データ生成部６９に供給する。
【００６８】
ステップＳ９において、感度比算出部６６は、投影光学系と撮像光学系との合焦測度の感度比を算出する。例えば、感度比算出部６６は、観察画像の各画素について、以下の式（１）により感度比SR(x,y)を算出する。
【００６９】
【数１】
2010002286.tif 000003
【００７０】
なお、zi（i＝1,2，・・・，N）は、各測定位置におけるステージ２２のz座標を示し、z1は測定範囲の最も上の測定位置におけるステージ２２の座標を示し、zNは測定範囲の最も下の測定位置におけるステージ２２の座標を示している。
【００７１】
式（１）の右辺の分子は、撮像光学系の合焦位置と投影光学系の合焦位置（合焦面Ｓ）とが同じ位置で、どちらの光学系から見ても合焦位置から被検物１２のある被検面までの距離が同じときの合焦測度と、撮像光学系の合焦位置から被検面までの距離を変えずに、撮像光学系の合焦位置から被検面までの距離に対して投影光学系の合焦位置（合焦面Ｓ）から被検面までの距離に所定のオフセット量（0.5μｍ）与えたときの合焦測度との差分値の総和である。それ故、撮像光学系と投影光学系のそれぞれの被検面に対するデフォーカス距離を同じにしたときの合焦測度と、投影光学系だけデフォーカス距離を所定量変化させたときの合焦測度の差分を得ることにより、投影光学系の合焦位置と被検面とのズレ量に対する合焦測度の影響度（感度）を求めている。
【００７２】
一方、式（１）の右辺の分母は、撮像光学系の合焦位置から被検物１２のある被検面までの距離と投影光学系の合焦位置（合焦面Ｓ）から被検物１２の被検面までの距離の間に所定のオフセット量（0.5μｍ）が生じているときの合焦測度と、投影光学系の合焦位置（合焦面Ｓ）から被検面までの距離を変えずに、撮像光学系の合焦位置と投影光学系の合焦位置（合焦面Ｓ）を同じ位置にしたときの合焦測度との差分値の総和である。それ故、撮像光学系と投影光学系の被検面に対するデフォーカス距離を同じにしたときの合焦測度と、撮像光学系だけデフォーカス距離を所定量変化させたときの合焦測度との差分を得ることにより、撮像光学系の合焦位置と被検面とのズレ量に対する合焦測度の影響度（感度）を求めている。
【００７３】
従って、式（１）は、投影光学系による合焦測度の影響度と撮像光学系による合焦測度の影響度との比率を得て、投影光学系と撮像光学系の合焦測度の感度比を得ている。
【００７４】
感度比算出部６６は、算出した感度比SR(x,y)のデータを校正データ生成部６７に供給する。
【００７５】
ステップＳ１０において、校正データ生成部６７は、合焦測度の感度比に基づいて適用校正データを生成する。具体的には、校正データ生成部６７は、撮像系歪曲収差校正データ、撮像系像面湾曲校正データ、全体歪曲収差校正データおよび全体像面湾曲校正データをメモリ６８から読み出す。校正データ生成部６７は、感度比SR(x,y)、および、読み出した校正データに基づいて、歪曲収差に対する適用校正データ（以下、適用歪曲収差校正データと称する）および像面湾曲に対する適用校正データ（以下、適用像面湾曲校正データと称する）を生成する。
【００７６】
例えば、画素(x,y)の撮像系像面湾曲校正データの値をCFi(x,y)、全体像面湾曲校正データの値をCFa(x,y)とした場合、画素(x,y)の適用像面湾曲校正データの値CFu(x,y)は、以下の式（２）により算出される。
【００７７】
【数２】
2010002286.tif 000004
【００７８】
すなわち、適用像面湾曲校正データCFu(x,y)は、撮像系像面湾曲校正データCFi(x,y)と、全体像面湾曲校正データCFa(x,y)とを、感度比SR(x,y)に基づいて重み付けて加算することにより算出される。
【００７９】
なお、全体像面湾曲校正データの代わりに、投影系像面湾曲校正データを用いる場合、画素(x,y)の投影系像面湾曲校正データの値をCFp(x,y)とすれば、適用像面湾曲校正データCFu(x,y)は、以下の式（３）により算出される。
【００８０】
【数３】
2010002286.tif 000005
【００８１】
また、撮像系像面湾曲校正データの代わりに、投影系像面湾曲校正データを用いる場合、適用像面湾曲校正データCFu(x,y)は、以下の式（４）により算出される。
【００８２】
【数４】
2010002286.tif 000006
【００８３】
校正データ生成部６７は、適用歪曲収差校正データについても、適用像面湾曲校正データと同様の方法により生成する。校正データ生成部６７は、生成した適用歪曲収差校正データおよび適用像面湾曲校正データを点群データ生成部６９に供給する。
【００８４】
なお、適用校正データを生成する方法は、上述した方法に限定されるものではなく、他の重み付け加算式を用いて生成するようにしてもよい。
【００８５】
また、感度比SR(x,y)に基づいて、使用する校正データを選択するようにしてもよい。例えば、感度比SR(x,y)が１以下の場合、すなわち、投影光学系の影響が大きい場合、投影系像面湾曲校正データCFp(x,y)を適用像面湾曲校正データCFu(x,y)として用い、感度比SR(x,y)が１を超える場合、すなわち、撮像光学系の影響が大きい場合、撮像系像面湾曲校正データCFi(x,y)を適用像面湾曲校正データCFu(x,y)として用いるようにしてもよい。これは、重み付け加算式の重み値を０か１の２値に限定した場合に相当する。
【００８６】
ステップＳ１１において、点群データ生成部６９は、点群データを生成する。具体的には、点群データ生成部６９は、各画素について検出された合焦位置の値を、適用歪曲収差校正データおよび適用像面湾曲校正データを用いて補正する。点群データ生成部６９は、補正後の合焦位置に基づいて、観察画像の各画素に対応する被検物１２の各点の位置関係を表す点群データを生成し、被検物１２の３次元形状の測定結果として外部に出力する。その後、形状測定処理は終了する。
【００８７】
以上のようにして、観察画像の各画素に対応する被検物１２の表面の点ごとに、投影光学系と撮像光学系の合焦測度の感度比に応じて、被検物１２の形状の測定誤差を適切に補正することができる。その結果、被検物１２の形状の測定誤差を低減させることができる。
【００８８】
なお、以上の説明では、観察画像を取得するとき、各測定位置において、合焦面Ｓを基準位置に設定し、基準観察画像を取得し、測定位置を固定したまま、合焦面Ｓを基準位置から0.5μｍ上に設定し、比較観察画像を取得する例を示したが、例えば、基準観察画像と比較観察画像を別々に取得するようにしてもよい。具体的には、合焦面Ｓを基準位置に設定したままステージ２２の位置を移動させながら、各測定位置において基準観察画像を取得し、次に、合焦面Ｓを基準位置から0.5μｍ上に設定したままステージ２２の位置を移動させながら、各測定位置における比較観察画像を取得するようにしてもよい。ただし、後者の場合、ステージ２２の駆動系のヒステリシスの影響により、基準観察画像を取得したときと比較観察画像を取得したときのステージ２２の位置にズレが生じる可能性があるため、前者のほうが、より被検物１２の形状の測定誤差を低減することが可能である。
【００８９】
また、以上の説明では、投影系相対合焦位置を独立して調整できるようにしたが、撮像系相対合焦位置を独立して調整できるようにしたり、あるいは、投影系相対合焦位置と撮像系相対合焦位置の両方を独立して調整できるようにしてもよい。
【００９０】
上述した一連の処理は、ハードウエアにより実行することもできるし、ソフトウエアにより実行することもできる。一連の処理をソフトウエアにより実行する場合には、そのソフトウエアを構成するプログラムが、専用のハードウエアに組み込まれているコンピュータ、または、各種のプログラムをインストールすることで、各種の機能を実行することが可能な、例えば汎用のコンピュータなどに、プログラム記録媒体からインストールされる。
【００９１】
また、コンピュータが実行するプログラムは、本明細書で説明する順序に沿って時系列に処理が行われるプログラムであっても良いし、並列に、あるいは呼び出しが行われたとき等の必要なタイミングで処理が行われるプログラムであっても良い。
【００９２】
さらに、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本発明を適用した形状測定装置の一実施の形態を示すブロック図である。
【図２】形状測定装置のコントローラの機能的構成の例を示すブロック図である。
【図３】形状測定装置により実行される形状測定処理を説明するためのフローチャートである。
【図４】合焦測度の分布の例を示すグラフである。
【図５】従来の合焦点法を用いた形状測定装置の光学系の模式図である。
【符号の説明】
【００９４】
１１  形状測定装置，  １２  被検物，  ２１  測定部，  ２２  ステージ，  ２３  コントローラ，  ３６  リレーレンズ，  ３８  対物レンズ，  ３９  結像レンズ，  ４０  CCDセンサ，  ６１  画像取得部，  ６２  投影系リレー駆動部，  ６３  ステージ駆動部，  ６４  合焦測度算出部，  ６５  合焦位置検出部，  ６６  感度比算出部，  ６７  校正データ生成部,  ６９  点群データ生成部
【図１】
2010002286.tif 000007
【図２】
2010002286.tif 000008
【図３】
2010002286.tif 000009
【図４】
2010002286.tif 000010
【図５】
2010002286.tif 000011