(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物の像を第一面に結像する光学系と前記測定対象物とを前記光学系の光軸に沿って相対移動させ、前記第一面での光強度値の変化から前記測定対象物の相対高さを測定する高さ測定方法であって、
任意の対象物に対して前記光学系を前記光軸に沿って相対移動させたときの前記光軸上の位置に対する前記光強度値の変化を表す第１関数を求め、
前記第１関数の一次微分関数の絶対値若しくは当該一次微分関数を二乗した第２関数を求め、
前記測定対象物に対して前記光学系を前記光軸に沿って相対移動させたときの前記光軸上の位置に対する前記光強度値の変化を表す測定関数を求め、
前記第２関数を前記測定関数に対して前記光軸方向に相対移動させたときの前記第２関数と前記測定関数の重なり具合を示す相関関係を求め、
前記相関関係において前記重なり具合が最も大きくなるときの前記光軸上の位置を、前記測定対象物の相対高さとして求めることを特徴とする高さ測定方法。
【請求項２】
前記相関関係は、前記測定関数に対して前記第２関数を前記光軸方向に相対移動させたときの前記光軸上の各位置における前記光強度値と前記第２関数の値との積和演算を行って求めることを特徴とする請求項１に記載の高さ測定方法。
【請求項３】
前記積和演算によって求めた関数の極大値を求め、その極大値を示す前記光軸上の位置を、前記測定対象物の相対高さとして求めることを特徴とする請求項２に記載の高さ測定方法。
【請求項４】
測定対象物の像を結像可能な光学系と、
前記測定対象物と前記光学系との少なくとも一方を前記光学系の光軸に沿って相対移動させる駆動部と、
前記像を撮像するカメラと、
前記相対移動と前記撮像とを繰り返し行い、得られた複数の撮像結果に基づいて請求項１〜３のいずれか一項に記載の高さ測定を実行する制御部とを有することを特徴とする高さ測定装置。
【請求項５】
前記光学系が顕微鏡であり、前記測定対象物に対して前記顕微鏡の対物レンズを光軸方向に相対移動させて走査することを特徴とする請求項４に記載の高さ測定装置。
【請求項６】
前記顕微鏡が、明暗視野光学顕微鏡、偏光顕微鏡、蛍光顕微鏡、微分干渉顕微鏡、二光束干渉顕微鏡、実体顕微鏡およびズーム顕微鏡のいずれかであり、前記顕微鏡に焦点位置移動機構、撮像機構、制御用プロセッサを組み合わせて構成されることを特徴とする請求項５に記載の高さ測定装置。
【請求項７】
前記顕微鏡が二光束干渉顕微鏡から構成され、対象物用対物レンズを前記測定対象物に対して光軸方向に相対移動させて走査することを特徴とする請求項５に記載の高さ測定装置。
【請求項８】
前記顕微鏡が二光束干渉顕微鏡から構成され、参照光用対物レンズおよび参照光形成ミラーを一緒に光軸方向に移動させて走査することを特徴とする請求項５に記載の高さ測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高さ測定方法及び高さ測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
対象物の表面の高さを測定するために、従来の技術は、この測定対象物の表面の像を得る光学系に対して、高さを計測するための光学系、例えば、レーザー照射光学系、共焦点光学系、白色干渉系、あるいは、電子顕微鏡の複数のディテクタなどを付加する必要があった（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２８９６２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述のような付加的な光学系若しくは装置のために、全体装置は複雑性を増し、それにより高価格化と装置の大型化という短所の要因となっていた。【０００５】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、結像系と焦点位置の相対走査系という簡単な光学系で構成されていても、高分解能、高精度で高さの測定を行うことができる高さ測定方法及び高さ測定装置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】
【０００６】
前記課題を解決するために、本発明に係る高さ測定方法は、測定対象物の像を第一面に結像する光学系と前記測定対象物とを前記光学系の光軸に沿って相対移動させ、前記第一面での光強度値の変化から前記測定対象物の相対高さを測定する高さ測定方法であって、任意の対象物に対して前記光学系を前記光軸に沿って相対移動させたときの前記光軸上の位置に対する前記光強度値の変化を表す第１関数を求め、前記第１関数の一次微分関数の絶対値若しくは当該一次微分関数を二乗した第２関数を求め、前記測定対象物に対して前記光学系を前記光軸に沿って相対移動させたときの前記光軸上の位置に対する前記光強度値の変化を表す測定関数を求め、前記第２関数を前記測定関数に対して前記光軸方向に相対移動させたときの前記第２関数と前記測定関数の重なり具合を示す相関関係を求め、前記相関関係において前記重なり具合が最も大きくなるときの前記光軸上の位置を、前記測定対象物の相対高さとして求めることを特徴とする。
【０００７】
上記高さ測定方法において、前記相関関係は、前記測定関数に対して前記第２関数を前記光軸方向に相対移動させたときの前記光軸上の各位置における前記光強度値と前記第２関数の値との積和演算を行って求めるようにしても良い。
【０００８】
上記高さ測定方法において、前記積和演算によって求めた関数の極大値を求め、その極大値を示す前記光軸上の位置を、前記測定対象物の相対高さとして求めるようにしても良い。
【００１２】
次に、本発明に係る高さ測定装置は、測定対象物の像を結像可能な光学系と、前記測定対象物と前記光学系との少なくとも一方を前記光学系の光軸に沿って相対移動させる駆動部と、前記像を撮像するカメラと、前記相対移動と前記撮像とを繰り返し行い、得られた複数の撮像結果に基づいて上述の高さ測定を実行する制御部とを有する。【００１３】
上記高さ測定装置において、前記光学系が顕微鏡であり、前記測定対象物に対して前記顕微鏡の対物レンズを光軸方向に相対移動させて走査するように構成しても良い。【００１４】
上記高さ測定装置において、前記顕微鏡が、明暗視野光学顕微鏡、偏光顕微鏡、蛍光顕微鏡、微分干渉顕微鏡、二光束干渉顕微鏡、実体顕微鏡およびズーム顕微鏡のいずれかであり、前記顕微鏡に焦点位置移動機構、撮像機構、制御用プロセッサを組み合わせて構成しても良い。【００１５】
上記高さ測定装置において、前記顕微鏡が二光束干渉顕微鏡から構成され、対象物用対物レンズを前記測定対象物に対して光軸方向に相対移動させて走査するように構成しても良い。【００１６】
上記高さ測定装置において、前記顕微鏡が二光束干渉顕微鏡から構成され、参照光用対物レンズおよび参照光形成ミラーを一緒に光軸方向に移動させて走査するように構成しても良い。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る高さ測定方法及びこの方法を用いた高さ測定装置によれば、結像系と焦点位置の相対走査系という簡単な光学系で構成されていても、高分解能、高精度で高さの測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】高さ測定装置の撮像系の構成を示す説明図である。
【図２】上記撮像系を介して取得されるデータ点列を示す説明図である。
【図３】第２関数の決定方法を示す説明図であって、（ａ）は第１の方法を示し、（ｂ）は第２の方法を示し、（ｃ）は第３の方法を示し、（ｄ）は第４の方法を示す。
【図４】本実施形態に係る高さ測定方法を説明するための説明図であって、（ａ）はデータ点列及び第１関数を示し、（ｂ）は第２関数を示し、（ｃ）は第２関数をシフトしたときを示し、（ｄ）は相関値を示す。
【図５】第２関数の決定手順を示すブロックダイヤグラムである。
【図６】顕微鏡を用いた高さ測定装置の構成を示す説明図である。
【図７】相関値最大座標値の決定手順を示すブロックダイヤグラムである。
【図８】画像の取得方法を説明するための説明図であって、（ａ）は画像を取得する過程を示し、（ｂ）は画像を各画像メモリに格納する手順を示す。
【図９】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説明図である。
【図１０】最終高さの決定手順を示すブロックダイヤグラムである。
【図１１】二光束干渉顕微鏡を用いた高さ測定装置を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。まず、図１を参照して、本実施形態に係る高さ測定装置について説明する。図１は、高さ測定装置の撮像系の基本構成の一例であって、撮像素子３０と、測定対象物１０からの光を集光する対物レンズ２１及びこの対物レンズ２１から出射した光を集光して対物レンズ２１の焦点面上にある測定対象物１０の像を撮像素子３０に結像する結像レンズ２２からなる結像光学系２０と、を有している。撮像素子３０は結像レンズ２２の焦点位置に撮像面が位置するように配置されており、測定対象物１０の表面からの光は対物レンズ２１により平行光束となって結像レンズ２２に入射し、撮像素子３０の撮像面に測定対象物１０の表面の像を形成し、これが撮像素子３０により撮像される構成となっている。なお、対物レンズ２１に対する測定対象物１０の相対位置（測定対象物１０を支持する台の相対位置）を移動調整可能となっている。例えば、ピエゾ駆動機構を用いて対物レンズ２１の上下位置を調整し、非常に小さな且つ高精度な相対位置調整が可能である。
【００２０】
このような構成の高さ測定装置において、測定対象物１０の高さを測定するときは、結像光学系２０の光軸に沿って、測定対象物１０に対して対物レンズ２１を相対的に移動させる（上記のようにピエゾ駆動機構による対物レンズ２１の移動でも、測定対象物１０を支持する台の移動でも、さらにはこれらを組み合わせた移動でも良い）ことにより、対物レンズ２１の測定対象物に対する焦点位置を相対的にずらして、撮像素子３０により測定対象物１０の連続した複数の画像を取得記憶し、各々の画像を取得したときの光軸上の相対位置をこの画像に対応付けて記憶する。このようにして取得した複数の画像において、ある画素の光強度値（以下、「濃度値」と呼ぶ）をＩとし、各画像の光軸上の位置をＺとしてグラフ上にプロットすると、図２に示すデータ点列（数値列）Ｍが得られる。ここで、データ点列ＭをＭ（Ｚｉ，Ｉｉ）、但しｉ＝１〜ｎと表す。なお、ｉは、上述のように連続して取得された画像の番号であって、ｎ枚の画像を取得した場合を示している。
【００２１】
図２からも明らかなように、上述のような結像光学系２０を介して取得される画像の濃度値Ｉは、対物レンズ２１の焦点面と測定対象物１０の表面（測定面）とが一致するときに最も大きな値となる。そのため、従来の方法においては、データ点列Ｍに最もフィットする関数を求め、その関数（濃度値）が最大となる光軸上の位置を求めることにより測定対象物１０の高さを測定している。例えば、従来技術の一つである特開２００９−２７６２６９号公報に開示されている方法では、データ点列Ｍに最もフィットする関数をフーリエ変換を用いて決定し、その関数の位相項を基に高さデータを得る方法である。この方法は、取得したデータ点列に関数をフィットさせるときの自由度として振幅項と位相項とがあるため、位相項の決定に冗長性があり、位相項の高さの分解能が低くなるという問題がある。
【００２２】
そこで、本実施形態に係る高さ測定方法では、以下に示すように、予め設定しておいた関数（第２関数ｇ）をデータ点列Ｍに対して光軸に沿って移動させたときのデータ点列との濃度値の相関値を求め、この相関値が極大となる位置から測定対象物１０の高さ位置を算出するように構成されている。具体的には、上述の高さ測定装置を用いて、基準板（均一な反射率の表面を有する平面板）を測定対象物の代わりに配置し、上述のようにデータ点列Ｍを測定し、このデータ点列Ｍに最もフィットする第１関数ｆを求める。ここでこの第１関数ｆにおいて濃度値Ｉが最も大きくなる（ピーク値を示す）光軸上の位置Ｚｐを原点と定義する。次に、測定対象物１０の高さを求めるための第２関数ｇを求め、この第２関数ｇを用いて、実際の測定対象物１０の表面の各位置（撮像素子３０の各画素に対応）での高さ測定を行うようになっている。具体的には、後述するように、第２関数ｇをデータ点列Ｍに対して光軸に沿って移動させたときのデータ点列Ｍとの濃度値の相関値を求め、この相関値が極大となる位置から測定対象物１０の高さ位置を算出する。
【００２３】
そこで、上記第１関数ｆおよび第２関数ｇを求める方法を説明する。まず、上述のようにして、データ点列Ｍを取得し、取得したデータ点列Ｍに最もフィットする関数を第１関数ｆとして求める。このとき、図２に示しているＺ軸の原点（Ｚｐ）をサンプリングで求められた濃度値Ｉｉの最大値を取るＺｉの値とする。ところで、結像光学系２０の焦点深度等の関係から、焦点位置近傍でのデータ点列Ｍにおける濃度値Ｉｉの変化は小さくなるので、第1関数ｆを直接用いて濃度値Ｉｉのピークを求めた場合には、測定精度があまり高くならない。
【００２４】
そこで、本方法においては、データ点列Ｍにおいて濃度値の変化が大きくなる部分を利用して、濃度値Ｉがピーク（またはピークのずれ）となる光軸方向位置Ｚを求めるための第２関数ｇを用いて濃度値Ｉのピーク（またはピークのずれ）を求めるようにしている。すなわち、第１関数ｆのピークとなる部分の前後における濃度値Ｉの変化が大きな部分で相関値を求めることができるような関数形を第２関数ｇとして選択する。具体的には、第１関数ｆに基づいて以下の方法で第２関数ｇを作成する。このように変化の大きい部分で相関を求めるため、測定対象物１０の高さ位置を正確に求めることができる。なお、光学系と測定対象物を光軸に沿って相対移動させたときの濃度値（輝度）の変化特性（プロファイル）は、光学系によって決まる特性であるため、第1関数ｆも光学系に対応して決めることができる。以下、第１関数ｆに基づいて第２関数ｇを作成する方法のいくつかの例を説明する。
【００２５】
第２関数ｇを作成する第１の方法を、図３（ａ）を参照して説明する。図３（ａ）においては、上述した図２に示すデータ点列Ｍに最もフィットし、且つ濃度値Ｉｉが最大となる位置を原点（Ｚｐ）とする第１関数ｆを左側に示している。そして、第１関数ｆの一次微分値を二乗したもの、もしくは、第１関数ｆの一次微分値の絶対値を取ったものを第２関数ｇとして、図３（ａ）の右側に示している。例えば、第１関数ｆが図２に示す形状の場合、第２関数ｇは、この第１関数ｆにおいてＹの値が増加する部分及び減少する部分のそれぞれに対応して二つの極大となる部分ができる形状となる。また、第２関数ｇの２つの極大となる部分の中央（中心）が原点（Ｚｐ）となっている。なお、原点（Ｚｐ）は必ずしも極大部分の中央（中心）となっている必要は無い。
【００２６】
第２関数ｇを作成する第２の方法を、図３（ｂ）を参照して説明する。この方法では、図３（ｂ）の左側に示す第１関数ｆの一次微分値が単調減少又は単調増加する場合において、増加の初期もしくは減少の最後付近で一次微分が極大となっている。この場合上述のように一次微分が極大となる部分を使って第２関数ｇを作成すると濃度値が小さいサンプルデータで相関を求めることになり誤差の原因となる。そのため、予め設定した閾値に第１関数ｆが等しくなる２箇所の点で、極大又は極小となるような関数を第２関数ｇとするものである。この場合も、第２関数ｇは第１の方法に類似した形状となる。また、閾値によらず第１関数ｆのピーク（合焦位置）を挟むことが可能な任意の２カ所にピークを有する第２関数ｇを用いることもできる。
【００２７】
第２関数ｇを作成する第３の方法を、図３（ｃ）を参照して説明する。この方法では、図３（ｃ）の左側に示す第１関数ｆの一次微分値が単調減少又は単調増加する場合において、予め設定した閾値に第１関数ｆが等しくなる２箇所の点間で１、その他が０となる関数を第２関数ｇとするものである。この場合、第２関数ｇはステップ状の関数となる。
【００２８】
第２関数ｇを作成する第４の方法を、図３（ｄ）を参照して説明する。この方法では、図３（ｄ）の左側に示す第１関数ｆの定数倍を第２関数ｇとするものである。なお、定数が１の場合には、第１関数ｆと第２関数ｇが同じものとなる。また、前述の説明では基準板を用いて測定した結果（データ点列）から第２関数ｇを求めたが、測定対象物１０を用いて事前測定を行い、その測定結果から第２関数ｇを求めることもできる。また、測定結果に基づかなくとも第１関数ｆのピーク（合焦位置）を挟むことが可能な任意の２カ所にピークを有する第２関数ｇを用いることも可能である。
【００２９】
以下の説明では、図４（ｂ）に示すように、第４の方法により第２関数ｇを決定し、これを用いて高さ測定を行う場合について説明する。すなわち、図４（ａ）に示すように、結像光学系２０を介して計測された基準板の測定値（データ点列Ｍ）に最もフィットする第１関数ｆを定数倍して、図４（ｂ）に示すような第２関数ｇを決定し、これを用いて高さ測定を行う場合について説明する。
【００３０】
最初に、高さ測定装置を用い、測定対象物１０に対して対物レンズ２１を相対移動させ、対物レンズ２１の測定対象物に対する焦点位置を相対的にずらして、撮像素子３０により測定対象物１０の連続した複数（ｎ枚）の画像を取得記憶し、これらを光軸上の相対位置Ｚｉ（ｉ＝１〜ｎ）に対応付けて記憶する。このようにして取得した複数の画像において、測定対象物１０の上面における所定位置（Ｘｉ，Ｙｉ）に対応する画素の濃度値（光強度値）Ｉｉが高さ位置Ｚｉに対して生じる変化を、図４（ａ）における小さな○印の点で示すデータ点列Ｍ（Ｚｉ，Ｉｉ）として示している。
【００３１】
測定対象物１０の高さ測定の前に、第２関数ｇが、図５に示す手順により予め決定される。この手順として、まず、このデータ点列Ｍに最もフィットする関数形（第１関数ｆであり、図４（ａ）に実線で示す関数）を、基準板を用いて測定したデータから予め決定しておく（ステップＳ４００）。そして、対物レンズ２１と測定対象物１０との相対位置を変化させながら結像光学系２０を介して撮像素子３０により取得した複数の画像から、特定画素のデータ点列Ｍを抽出し、第１関数ｆのパラメータを最小二乗法などで決定する（ステップＳ４０１）。このようにして決定された第１関数ｆに基づき、上記第４の方法により第２関数ｇを決定する（ステップＳ４０２）。この第２関数ｇを図４（ｂ）に示している。
【００３２】
次に、図４（ｃ）に示すように、この第２関数ｇを光軸方向（Ｚ軸方向）に所定の範囲でシフトし、各計測点Ｚｉにおける濃度値Ｉｉと、当該計測点Ｚｉにおける第２関数ｇの値との相関値Ｅを求める。この相関値Ｅは次式（１）のように表される。ここで、ａはZ軸方向の第２関数ｇのシフト量を示している。
【００３３】
Ｅ  ＝  Σ（Iｉ・ｇ（Ｚｉ−ａ））                （１）
【００３４】
図４（ｃ）に示すように、シフト量ａをマイナスからプラスに移動させて濃度値Ｉｉと第２関数ｇ（Ｚｉ−ａ）との相関値Ｅを求めると、図４（ｄ）に示すように、シフト量ａの絶対値が大きいほど相関値が小さく、また、シフト量ａが０の近傍で相関値が極大となる。式（１）で表される相関値Ｅのピーク値（極大値）を求めるために、次式（２）に示すように、式（１）をシフト量ａにより偏微分し、この偏微分した値が０になるときのシフト量ａを求める。
【００３５】
∂Ｅ／∂ａ  ＝  ０                                （２）
【００３６】
この式（２）を満足するシフト量ａを求める方法としては、解析的に求める方法や、ニュートン法、逐次代入法などの数値演算手法がある。このように、高さ位置Ｚｉ毎に濃度値Ｉｉと第２関数ｇ（Ｚｉ−ａ）とから求めた相関値Ｅがピークとなるシフト量ａの値を式（２）から求め、さらに、原点とした測定点のＺ軸上の値をＰｓとすると、Ｐｓ＋ａが当該画素に対応する位置の測定対象物１０の相対高さ値となる。なお、２カ所の高さの差を求める場合は、２カ所で相関値Ｅがピークとなるシフト量ａの差となる。また、以上の説明においてはデータ点列Ｍに対して第２関数ｇを光軸方向にシフトさせて相関値を求める場合について説明したが、第２関数ｇを固定してデータ点列Ｍを光軸方向にシフトさせて相関値を求めるように構成することも可能である。
【実施例】
【００３７】
（第１実施例）
第１実施例として、上述した高さ測定方法を顕微鏡装置を用いた高さ測定装置に適用した場合について、図６を用いて説明する。この高さ測定装置１００は、測定対象物１０５の上面の画像を複数の高さ位置毎に取得する撮像装置１０９と、この撮像装置１０９の作動の制御及び取得された画像から測定対象物１０５の相対高さ値を算出する制御用プロセッサ１１０と、この制御用プロセッサ１１０による処理結果を表示するディスプレイ装置１１１と、を有して構成される。【００３８】
撮像装置１０９は、撮像素子が内蔵された撮像カメラ１０１と、光学系（結像レンズ）が内蔵された顕微鏡鏡筒装置１０２と、顕微鏡対物レンズ１０４と、ピエゾ素子を有し顕微鏡対物レンズ１０４を上下に駆動して測定対象物１０５に対する上下相対位置をピエゾ走査するピエゾ駆動装置１０３と、測定対象物１０５が載置される顕微鏡用試料台１０６と、白色光を放射して測定対象物１０５を照明する光源が格納された顕微鏡用照明装置１０７と、顕微鏡鏡筒装置１０２や顕微鏡照明装置１０７を支持する顕微鏡ベース１０８と、を有して構成される。【００３９】
この高さ測定装置１００を用いた測定対象物１０の上面の高さ測定について説明する。まず、図７に示すように、高さ測定装置１００において、制御用プロセッサ１１０により、ピエゾ駆動装置１０３に信号を送り、顕微鏡対物レンズ１０４の焦点位置を所定の位置に移動させる（ステップＳ４１０）。顕微鏡用照明装置１０７から照射された光は、顕微鏡用試料台１０６に載置された測定対象物１０５に照射される。この測定対象物１０５の表面で反射された光は、顕微鏡用対物レンズ１０４、顕微鏡鏡筒装置１０２（結像レンズ）を通過した後、撮像カメラ１０１の撮像面に集光されて、撮像カメラ１０１により測定対象物１０５の画像が撮像される。このようにして撮像カメラ１０１から取得されたデジタル画像は、制御用プロセッサ１１０に送出される（ステップＳ４１１）。【００４０】
制御用プロセッサ１１０は、取得した画像の各画素の濃度値を記憶するか、若しくは、後述する処理によりこの濃度値が加工された数値（各画素毎の補正値又は局所合焦度）を算出する（ステップ４１２）。そして、画素毎に所定のデータ点数になるまでピエゾ駆動装置１０３を制御して焦点位置の移動と画像の取り込みとを繰り返す（ステップＳ４１３）。さらに画素毎に、相関値Ｅが最大となるサンプリング点を中心に、相関値Ｅの偏微分が０となるサンプリング点間のシフト量ａ値を解析手法または数値演算手法により求め、その値を保存しておく（ステップ４１３）。【００４１】
なお、上記ステップ４１２において、濃度値が加工された数値を算出しているが、これは、取得した画像の各画素の濃度値をそのまま用いるより、各画素の周囲の画素の濃度値を基に濃度値を加工補正するほうが、相関値Ｅの算出精度が高くなる場合があるからである。そこで、ステップＳ４１２において、画素毎の補正値（局所合焦度）を算出する方法について図８及び図９を用いて説明する。【００４２】
上述のように、制御用プロセッサ１１０は、撮像カメラ１０１から順次入力される撮像画像を、制御用プロセッサ１１０が備える画像メモリに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。なお、ここでは、制御用プロセッサ１１０は、３つのディジタル画像メモリ３１〜３３を備えているものとする。例えば、図８（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８（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。【００４３】
このように、次々に画像が取得されるごとに、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。【００４４】
このとき、制御用プロセッサ１１０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、図９に示す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。【００４５】
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、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。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。【００４６】
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９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９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。【００４７】
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（３）に示すように、注目画素の局所合焦度ＬＦＳが求められる。【００４８】
ＬＦＳ＝２４×Ｇ２５＋｛−３×（Ｇ１２＋Ｇ１４＋Ｇ１６＋Ｇ１８）｝
＋{−３×（Ｇ３１＋Ｇ３３＋Ｇ３７＋Ｇ３９）}    （３）【００４９】
この第１実施例に係る高さ測定装置１００では、上述のステップ４１２において、この局所合焦度ＬＳＦを補正された濃度値として用いて、上述の処理を行うように構成されている。【００５０】
その後、図１０に示すように、以上のようにして測定されて算出された画素毎の相関値Ｅの絶対値の最大点（座標値をＰｓとする）を用いて、上述の式（１）及び式（２）を解析的に求める方法や、ニュートン法、逐次代入法などの数値演算手法を用いて解き、画素毎のシフト量ａの値を得る（ステップ４２０）。そして、画素毎に算出されたＰｓ＋ａ（またはａ）をその画素の相対高さ値として保存する（ステップＳ４２１）。【００５１】
なお、本実施形態に係る高さ測定方法は、明暗視野光学顕微鏡、偏光顕微鏡、蛍光顕微鏡、微分干渉顕微鏡、二光束干渉顕微鏡、実体顕微鏡、ズーム顕微鏡を含むすべての顕微鏡に焦点位置移動機構、撮像機構、制御用プロセッサを組み合わせることにより実現できる。【００５２】
この第１実施例における高さ分解能は、適切な第２関数ｇを選択することにより、焦点深度に依存せず、光軸方向のサンプリング間隔ΔＰをｍで除算した値となる。ここで、ｍは、対物レンズに対して試料（対象物）を移動させるときの２軸のブレや、撮像素子の誤差や、上述のシフト量ａを得る際の演算時の誤差等から決定される値である。この第１実施例の場合、ｄ＝１０ｎｍ、ｍ＝１００００であり、高さ分解能は、０．００１ｎｍとなる。【００５３】
上述のように、従来技術の一つであるフーリエ変換を用いる方法では、取得データ点列にフィットする自由度が振幅項と位相項があるため、位相項の決定に冗長性があり、位相項の高さ分解能が０．１ｎｍ程度であった。しかしながら、本方式は、第２関数ｇの位相項以外を固定し、相関値が極大になる位相項を求めるため、従来法より格段に高い分解能（上述のように０．００１ｎｍ）を実現している。また、従来の高分解能の高さ測定装置は、焦点近辺での信号の光軸方向の幅に依存する方法をとるため、白色干渉計を用いる必要があったが、本方式を用いることにより、第２関数ｇを適切に選べば、焦点深度が３μｍ程度の明視野顕微鏡を用いても、サンプリング間隔ΔＰの１００００分の１程度の分解能が実現できる。【００５４】
（第２実施例）
上述の第１実施例では、本実施形態に係る高さ測定方法を、顕微鏡を用いた高さ測定装置に適用した場合について説明したが、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いた高さ測定装置に適用することも可能である。この場合も、その処理手順は、上述の第１実施例と同様である。【００５５】
上述のように、本実施形態に係る高さ測定方法を用いることで、高さ分解能は、適切な第２関数ｇを選択することにより、焦点深度に依存せず、光軸方向のサンプリング間隔ΔＰをｍで除算した値となる。走査型電子顕微鏡の焦点深度は、１００００倍の場合で８μｍ程度である。走査範囲は、少なくとも焦点深度の３倍以上必要であるため、サンプリング間隔ΔＰを小さくすると取得画像枚数が増大し、時間がかかるため、高さ測定装置として実用的でない。そのため、例えばサンプリング間隔ΔＰを１００ｎｍとすると、走査型電子顕微鏡を用いる場合は、ｍは１００００とすることができるため、高さ分解能は、０．０１ｎｍとなる。【００５６】
従来のＳＥＭを用いた高さ測定装置は、２個以上のディテクタを用いてその出力信号の差からあらかじめ設定された傾きと出力差のキャリブレーションカーブより傾きを求めそれを積分して高さを求める方法であった。この方法では、高さ分解能は、３ｎｍ程度であった。ところが本方式によれば、高さ分解能は上述のように０．０１ｎｍが実現でき、かつ、通常のＳＥＭがそのまま使用できるため低価格で構成することができる。【００５７】
（第３実施例）
また、本実施例に係る高さ測定方法は、マクロレンズ搭載カメラを用いた高さ測定装置にも適用することができる。このマクロレンズ搭載カメラを用いた高さ測定装置とは、マクロレンズを搭載した撮像カメラをステージに搭載し、このステージを介して撮像カメラを測定対象物の表面に対して相対移動させることによりの画像を取得し、その画像を用いて高さを測定するものである。高さの測定方法は、第１実施例と同様である。【００５８】
このようなマクロレンズ搭載カメラを用いる場合、従来技術における分解能は８μｍ程度であった。しかし、本方式を採用することにより、マクロレンズの被写界深度を１ｍｍとし、サンプリング間隔ΔＰを０．１ｍｍとすると、分解能は１０ｎｍとなる。そのため、各段に低価格で高分解能な装置を実現することができる。【００５９】
（第４実施例）
また、本実施例に係る高さ測定方法は、二光束干渉顕微鏡を用いて構成される高さ測定装置にも適用することができる。二光束干渉顕微鏡を用いた高さ測定装置２００の構成例を図１１に示しており、その構成は以下のようになる。この装置２００は、二光束干渉顕微鏡を基本構成としており、撮像素子２０１と、結像レンズ２０２と、ハーフミラー２０３と、対象物用対物レンズ２０４と、参照光用対物レンズ２０６と、参照光形成ミラー２０７と、測定対象物２１０を載置する載置台２０９とを備える。結像レンズ２０２の焦点位置に撮像素子２０１の撮像面２０１ａが配置され、対象物用対物レンズ２０４および参照光用対物レンズ２０６は同一構成の同一焦点長（同一光学性能）レンズであり、参照光形成ミラー２０７は参照光用対物レンズ２０６の焦点位置に配置されている。【００６０】
図示しないが、結像レンズ２０２と対象物用対物レンズ２０４との間の光路に照明光（平行光束光）を入射する照明装置が設けられており、このように入射された照明光は、一部がハーフミラー２０３を通過して対象物用対物レンズ２０４により集光されて載置台２０９に載置された測定対象物２１０の上面に照射される。また、照明光の残りはハーフミラー２０３において反射されて参照光用対物レンズ２０６に入射し、ここで集光されて参照光形成ミラー２０７に照射される。測定対象物２１０の上面に照射されてここで反射された光は対象物用対物レンズ２０４に入射して平行光束となり、ハーフミラー２０３を通過し、結像レンズ２０２により集光されて撮像素子２０１の撮像面２０１ａに測定対象物２１０の上面の像を結像する。一方、参照光形成ミラー２０７に照射された光はここで全反射されて参照光用対物レンズ２０６に戻って平行光束となり、ハーフミラー２０３で部分反射され、結像レンズ２０２により集光されて撮像素子２０１の撮像面２０１ａに参照光形成ミラー２０７の表面の像を結像する。【００６１】
このように構成される装置２００において載置台２０９の高さ位置（光軸方向の高さ位置）調整が可能であり、この位置調整により載置台２０９に載置された測定対象物２１０の上面が対象物用対物レンズ２０４の焦点位置に位置するように設定すると、撮像素子２０１の撮像面２０１ａから測定対象物２１０の上面までの光路長と、撮像素子２０１の撮像面２０１ａから参照光形成ミラー２０７までの光路長とが等しくなる。なお、撮像面２０１ａからハーフミラー２０３までは共通光路であるから、ハーフミラー２０３から測定対象物２１０の測定対象位置までの光路長（測定光路長）と、ハーフミラー２０３から参照光形成ミラー２０７までの光路長（参照光路長）が等しくなる。但し、このとき参照光形成ミラー２０７の表面は平滑であるが、測定対象物２１０の表面の凹凸に応じて両光路長に差が生じて光干渉が発生するが、白色光を用いる場合は測定光路長と参照光路長が厳密に一致した部分だけが明るく撮像される。【００６２】
本実施例における高さ測定装置２００は上記のような二光束干渉顕微鏡構成を利用するものであり、ピエゾ素子を有して対象物用対物レンズ２０４の光軸方向の位置調整を高精度で行うピエゾ駆動装置２０５を備える構成とすることもできる。このピエゾ駆動装置２０５により対象物用対物レンズ２０４を光軸方向に移動させて、撮像素子２０１により複数枚の干渉画像を取得し、これら複数枚の干渉画像を用いて測定対象物２１０の上面の高さを測定するものである。このときの高さの測定方法は、第１実施例と同様である。また、対象物用対物レンズ２０４と測定対象物２１０とを光軸方向に相対移動させる代わりに、参照光用対物レンズ２０６と参照光形成ミラー２０７と光軸方向に相対移動する構成とすることもできる。【００６３】
この実施例に係る二光束干渉顕微鏡を用いた高さ測定装置２００において、対象物用対物レンズ２０４を光軸方向に移動させるピエゾ駆動装置２０５に代えて（もしくはこれに組み合わせて）、参照光用対物レンズ２０６および参照光形成ミラー２０７を一緒にその光軸方向に移動させる第２のピエゾ駆動装置２０８を用いた構成とすることもできる。この構成の場合には、第２のピエゾ駆動装置２０８により参照光用対物レンズ２０６および参照光形成ミラー２０７を一緒にその光軸方向に移動させることにより、撮像素子２０１により複数枚の干渉画像を取得し、これら複数枚の干渉画像を用いて測定対象物２１０の上面の高さを測定することができる。
【符号の説明】
【００６４】
１０，２１０  測定対象物    ２０  結像光学系    １００，２００  高さ測定装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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