(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源部と、
前記光源部からの光を被測定対象に照射すると共に前記被測定対象表面から反射された反射光を出力する光学系と、
前記光学系の焦点面と前記被測定対象とを前記光軸方向に沿って相対的に移動させる光学系駆動部と、
前記光学系駆動部に同期させて光軸に垂直な方向に所定の変調周波数で光量を変調させる光量変調部と、
前記光学系から出力される反射光を受光して光量情報を出力する受光素子と、
前記光量情報を保存して観測信号として出力する画像メモリと、
前記観測情報及び前記光学系の焦点面と前記被測定対象との距離から前記被測定対象表面の高さ情報を算出する演算処理部と
を備えた高さ位置測定装置において、
前記演算手段は、
前記変調周波数による複数の周期信号及び直流信号を発生させる複数の信号発生手段と、
前記複数の信号発生手段から出力された複数の周期信号及び直流信号のそれぞれに重み付けをして出力する重み付け手段と、
前記複数の周期信号について前記重み付け手段から出力された信号を加算して検出信号として出力する第１の信号加算手段と、
前記直流信号について前記重み付け手段から出力された信号と前記検出信号とを加算する第２の信号加算手段と、
前記観測信号から前記第２の信号加算手段の出力を減算して誤差信号を出力する信号減算手段と、
前記誤差信号に基づいて前記重み付け手段の重みを調整する適応アルゴリズム部を有する適応信号処理ブロックと、
前記検出信号のピーク位置を検出するピーク検出ブロックと
を有する事を特徴とする高さ位置測定装置。
【請求項２】
前記光量変調部は、
空間パターンフィルタと、
この空間パターンフィルタを前記所定の変調周波数で移動させる駆動部と
を備えることを特徴とする請求項1記載の高さ位置測定装置。
【請求項３】
前記適応アルゴリズム部はＲＬＳ（Ｒｅｃｕｒｓｉｖｅ  Ｌｅａｓｔ  Ｓｑｕａｒｅ）法によるアルゴリズムを実行する
事を特徴とする請求項１または２記載の高さ位置測定装置。
【請求項４】
前記ピーク検出ブロックは、
前記検出信号の２乗値を出力する２乗手段と、
前記２乗手段からの出力信号を積分して出力する積分手段と、
前記積分手段からの出力信号を平滑化し、微分して出力する平滑化微分手段と、
前記平滑化微分回路からの出力信号から前記ピーク位置を検出するピーク位置検出手段と
を有する事を特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項記載の高さ位置測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周期パターンを有する光を被測定対象に照射しながら光源と被測定対象との相対位置を光軸方向に変化させながら周期パターンによる変調を行い、得られた各測定部位毎の被測定対象からの反射光量及び光源と被測定対象との光学距離から被測定対象表面の高さ情報を算出する高さ位置測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＳＩＭ（Structured Illumination Microscopy）画像等の空間的周期パターンを有する画像を用いて非接触で被測定物の三次元形状を測定する種々の高さ位置測定装置が知られている。この様な高さ位置検出装置では、周期パターンを有する光を被測定対象に照射しながら対物レンズの焦点面と被測定対象との相対位置を光軸方向に変化させ、且つ焦点面の移動に同期させて周期パターンの空間位相を変化させることにより、各測定部位での光量を変調させる。これにより、被測定対象からの反射光及び対物レンズと被測定対象との光学距離から被測定対象表面の各部位の高さ情報を算出するものである（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１０７１４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この様な高さ位置測定装置による測定で実際に得られるデータはノイズの影響を受けやすく、試料表面の特性によっては信号のベースラインに大きなうねりが生じる場合もある。
【０００５】
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、ノイズの影響を抑えて、安定した精度の高い測定結果を得ることができる高さ位置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】
本発明に係る高さ位置測定装置は、光源部と、光源部からの光を被測定対象に照射すると共に被測定対象表面から反射された反射光を出力する光学系と、光学系の焦点面と被測定対象とを光軸方向に沿って相対的に移動させる光学系駆動部と、光学系駆動部に同期させて光軸に垂直な方向に所定の変調周波数で光量を変調させる光量変調部と、光学系から出力される反射光を受光して光量情報を出力する受光素子と、光量情報を保存して観測信号として出力する画像メモリと、観測情報及び光学系の焦点面と被測定対象との距離から被測定対象表面の高さ情報を算出する演算処理部とを備える。演算手段は、前記変調周波数による複数の周期信号及び直流信号を発生させる複数の信号発生手段と、複数の信号発生手段から出力された複数の周期信号及び直流信号のそれぞれに重み付けをして出力する重み付け手段と、周期信号について重み付け手段から出力された信号を加算して検出信号として出力する第１の信号加算手段と、直流信号について重み付け手段から出力された信号と検出信号とを加算する第２の信号加算手段と、観測信号から第２の信号加算手段の出力を減算して誤差信号を出力する信号減算手段と、誤差信号に基づいて重み付け手段の重みを調整する適応アルゴリズム部を有する適応信号処理ブロックと、検出信号のピーク位置を検出するピーク検出ブロックとを有する。
【０００７】
尚、光量変調部は、空間パターンフィルタと、この空間パターンフィルタを所定の変調周波数で移動させる駆動部とを備えていても良い。
【０００８】
なお、適応アルゴリズムとしては、例えばＲＬＳ（Ｒｅｃｕｒｓｉｖｅ  Ｌｅａｓｔ  Ｓｑｕａｒｅ）法によるアルゴリズムを用いることができる。
【０００９】
また、ピーク検出ブロックとしては、例えば検出信号の２乗値を出力する２乗手段と、２乗手段からの出力信号を積分して出力する積分手段と、積分手段からの出力信号を平滑化し、微分して出力する平滑化微分手段と、平滑化微分回路からの出力信号からピーク位置を検出するピーク位置検出手段とを有するものを用いることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ノイズの影響を抑え、安定して精度の高い測定結果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る高さ位置測定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】同装置における高さ位置測定方法を説明するための図である。
【図３】同装置における高さ位置測定方法を説明するためのフローチャートである。
【図４】同装置における適応信号処理部の構成を示すブロック図である。
【図５】同装置におけるピーク検出処理部の構成を示すブロック図である。
【図６】同装置における適応信号処理部の入力信号と検出信号の一例を示す図である。
【図７】同装置における適応信号処理部の入力信号と検出信号の他の例を示す図である。
【図８】同装置における被測定物の観察データと、従来の形状測定装置における被測定物の観察データとを比較した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
［第１実施形態］
次に、本発明の第１実施形態に係る高さ位置測定装置及び高さ位置測定方法について詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本実施形態に係る高さ位置測定装置の構成を示す図である。本実施形態に係る高さ位置測定装置は、撮像ユニットＩ及び演算ユニットＣを備えている。なお、本実施形態に係る高さ位置測定装置は、画像測定装置等、他の光学測定装置と併用したものでも良い。
【００１４】
撮像ユニットＩは次のように構成されている。光源１と空間パターンフィルタ２とで周期的パターンを有する光を生成する光源部を構成する。即ち、光源１は連続光、ストロボ、ＰＷＭ制御のＬＥＤ等、各種の方式が適用可能である。光源１から出射された光は、光軸に垂直な方向に周期性を有する空間パターンフィルタ２によって明暗からなる周期的パターンを与えられる。空間パターンフィルタ２の周期的パターンは、正弦波周期パターンや２値周期ストライプパターン等が適用可能である。尚、光源部は、光源１及び空間パターンフィルタ２により構成せずに、ＬＣｏＳディスプレイ、ＬＣＤディスプレイ、ＤＭＤディスプレイ、ＬＥＤ配列、傾斜平行板による投射マスクパターンの走査、物理格子の走査、ダイヤまたはマスクパターン、走査ミラーレーザ投射システムに基づくシステムによっても実現可能である。空間パターンフィルタ２によって明暗からなる周期的パターンを与えられた光はコリメータレンズ３でコリメートされ、ハーフミラー４及び対物レンズ５によって被測定対象６表面に導かれる。被測定対象６表面で反射された反射光は再び対物レンズ５及びハーフミラー４を通り、結像レンズ７を介して受光素子８で受光される。
【００１５】
又、演算ユニットＣは次のように構成されている。即ち、画像メモリ９は受光素子８から入力された光量情報を保存して、観測信号として演算処理部１０に出力する。演算処理部１０は、被測定対象５の測定面の高さ方向の位置を決定するのに際し使用される、後述するノイズ除去のための適応信号処理ブロック１００（図４）と、反射光の強度のピーク位置を検出するピーク検出ブロック１１０（図５）とを備えている。入力部１１は、演算処理部１０に計測に必要なデータを入力する。出力部１２は、演算処理部１０で求められた測定結果を出力する。また、表示部１３は、入力操作に必要な情報及び測定結果を表示する。
【００１６】
又、演算処理部１０は駆動部１４を制御する。駆動部１４は、光学系駆動部１４ａと周期的パターン駆動部１４ｂとを有する。光学系駆動部１４ａは、撮像ユニットＩと被測定対象５を設置する試料台１５との相対位置を変化させる。相対位置の変化は、撮像ユニットＩが垂直方向に、試料台が水平面内に移動する構成でも良く、その逆でも良い。又、撮像ユニットＩが垂直方向にも水平面方向にも移動しても良いし、その逆でも良い。周期的パターン駆動部１４ｂは、空間パターンフィルタ２を所定の変調周波数で光軸と垂直な方向に往復移動させる。
【００１７】
次に、本実施形態に係る高さ位置測定方法について説明する。
【００１８】
光源１から光が照射されている状態で空間パターンフィルタ２を所定の変調周波数で光軸方向に垂直な方向に往復移動させると、被測定対象６上に照射される周期的パターンの位相は周期的に変化する。この状態で撮像ユニットＩをＺ軸方向に走査しながら、反射光を観測すると、図２に示す通り、被測定対象６上に焦点が合うにつれて反射光の光量の振幅が大きく観測される。測定面の各位置での光量の変化は、測定面の高さ（Ｚ方向位置）に応じた位相で発生するので、測定面の各位置（Ｘ，Ｙ位置）での光量の変化のピーク値が観測される被測定対象６及び撮像ユニットＩの相対位置を、測定面の対応する部位の高さとして求めることができる。なお、実際には、各Ｚ軸方向位置での観測画像は、１枚なので、上記の反射光の光量信号は、Ｚ軸方向位置に対して離散的となる。したがって、変調周波数は、周期的パターンの１周期に対して少なくともＺ軸方向に２点の光量情報を取得し得るように設定する。
【００１９】
図３は、高さ位置測定方法を示すフローチャートである。
【００２０】
本実施形態に係る高さ位置測定方法においては、まず撮像ユニットＩのＺ方向への移動を開始して（Ｓ１）、各Ｚ軸方向位置で、各１枚分の画像情報を取得して受光量を光量情報として記録する（Ｓ２，Ｓ３）。尚、ステップＳ２〜Ｓ３に際しては、Ｚ軸方向の移動に同期させて、空間パターンフィルタ２を所定の変調周波数で光軸と垂直な方向に往復移動させ、被測定対象６に照射される周期的パターンの位相を周期的に変化させる。Ｚ軸方向の全ての受光量を記録し終えたら撮像ユニットＩの移動を終了する（Ｓ４）。ステップＳ２〜Ｓ３において記録された各測定部位毎のＺ軸方向の一連の光量情報が、一つの観測信号ｆ（ｔ）を構成する。次に、図２に示すような、測定面の各測定位置における反射光量の変化を示す観測信号ｆ（ｔ）のピーク位置を検出する（Ｓ５）。そして、検出した各測定位置のピーク位置を測定点における高さとして表示、出力する（Ｓ６）。以上、ステップＳ１〜Ｓ６に示す様な動作によって、被測定対象６の表面の高さ位置を算出することが可能である。
【００２１】
ところで、反射光の変化を示す観測信号ｆ（ｔ）には、ワーク４の材質、測定環境等の影響でノイズが含まれ、Ｓ／Ｎが悪化したり、図６（ａ）に示すように、ベースラインが変動したりする。このため、本実施形態では、演算処理部１０に含まれる適応信号処理ブロック１００が、このノイズを除去して、図６（ｂ）のように、ベースラインの変動やノイズ成分を除去する。
【００２２】
図４は、この適応信号処理ブロック１００の構成を示すブロック図である。適応信号処理ブロック１００は、空間パターンフィルタ２の往復する周波数ωで発振する正弦信号sin（ωｔ）及び余弦信号cos（ωｔ）、並びに直流信号ＤＣをそれぞれ発生させる信号発生回路１００１，１００２，１００３を有する。これらの信号は、それぞれ重み付け回路１００４，１００５，１００６によって重み付けを付与される。周波数成分の重み付け回路１００４，１００５の出力は、加算器１００７によって加算され、検出信号ｇ（ｔ）として出力される。この加算器１００７の出力と、直流成分の重み付け回路１００６の出力とが加算器１００８によって加算される。減算器１００９は、観測信号ｆ（ｔ）から加算器１００８の出力を減算し、その減算結果として誤差信号ｅ（ｔ）を出力する。この誤差信号ｅ（ｔ）が、適応アルゴリズム部１０１０に入力される。適応アルゴリズム部１０１０は、誤差信号ｅ（ｔ）を最小にするように、重み付け回路１００４，１００５，１００６の各重み付け係数Ａｓ，Ａｃ，Ａｄを適応的に変化させる。適応アルゴリズム部１０１０は、ＬＭＳ（Least Mean Square）法、ＲＬＳ（Recursive Least Square）法等の適応アルゴリズムを用いることができるが、収束速度が速いという点で、後者のＲＬＳ法が望ましい。
【００２３】
この様に構成された適応信号処理ブロック１００によれば、図６（ａ）に示すノイズを含んだ観測信号ｆ（ｔ）から、図６（ｂ）に示すノイズを除去した検出信号ｇ（ｔ）を得ることができる。すなわち、適応信号処理ブロック１００における観測信号ｆ（ｔ）は、数１と表すことができ、誤差信号ｅ（ｔ）を最小にするべく重み係数Ａｓ，Ａｃ，Ａｄを求めることにより、周波数ω成分のみを含む検出信号ｇ（ｔ）が、数２と求められる。
【００２４】
【数１】
0005953539.tif 000002
【００２５】
【数２】
0005953539.tif 000003
【００２６】
本実施形態の様な適応信号処理を用いた方法では、観測信号ｆ（ｔ）について全てのデータが揃っている必要は無く、各画素の観測信号ｆ（ｔ）のサンプルを取得する度に時系列に逐次処理を行うことも可能である。例えば、観測信号ｆ（ｔ）の各サンプルの取得と同時に順次演算処理、画面表示を行い、測定の進行とともに表示した画像を徐々に更新していくようなリアルタイム処理も可能となる。
【００２７】
図５は、同装置におけるピーク検出ブロック１１０の構成を示すブロック図である。ピーク検出ブロック１１０は、２乗回路１１０１と、積分回路１１０２と、平滑化微分回路１１０３と、ピーク位置検出回路１１０４とをこの順に接続して構成されている。
【００２８】
次に、この様に構成されたピーク検出ブロック１１０の動作について説明する。ピーク検出ブロック１１０に検出信号ｇ（ｔ）が入力されると、まず検出信号ｇ（ｔ）は２乗回路１１０１によって２乗され、積分回路１１０２によって積分される。次に、平滑化微分回路１１０３において平滑化され、更に微分される。最終的にはピーク位置検出回路１１０４によってピーク位置が検出される。この様な構成においては、検出信号ｇ（ｔ）を２乗積分した後に単純微分では無く平滑化微分を行うため、安定してピーク位置を求めることが可能となる。
【００２９】
次に、本実施形態における高さ位置測定の効果について説明する。図６、図７は、共に適応信号処理ブロック１００の観測信号ｆ（ｔ）と検出信号ｇ（ｔ）を示している。
【００３０】
図６（ａ）には、入力信号ｆ（ｔ）のベースラインが、信号測定中に大きく変動してしまった例を示している。これに対して図６（ｂ）には、図６（ａ）に示す入力信号ｆ（ｔ）を適応信号処理ブロック１００に入力した際の、検出信号ｇ（ｔ）を示している。図より、ベースラインの変動がほぼ完全に除去され、Ｓ／Ｎ比が劇的に改善されている。
【００３１】
図７（ａ）には、観測信号ｆ（ｔ）の検出信号成分が、ベースラインの変動と比較して非常に微弱である例を示している。図より、観測信号ｆ（ｔ）のベースラインが大きく変動しており、信号成分がのみ込まれてしまっている。これに対して図７（ｂ）には、図７（ａ）に示す観測信号ｆ（ｔ）を適応信号処理ブロック１００に入力した際の、検出信号ｇ（ｔ）を示している。図６のケースと同様に、ベースラインの変動がほぼ完全に除去され、Ｓ／Ｎ比が劇的に改善されている。
【００３２】
これらの結果より、本実施形態における高さ位置測定装置によれば、観測信号ｆ（ｔ）のベースラインが大きく変動し、又は観測信号ｆ（ｔ）の信号成分が微弱な場合であっても、ベースラインの変動を抑えた検出信号ｇ（ｔ）を出力し、安定した精度の高い測定結果を得ることができる。
【００３３】
図８は、各ピクセル位置に対して高さ位置を測定してを行い形状データに変換した結果を示している。尚、図８（ａ）は従来の、（ｂ）は本実施形態における画像データを示している。ピクセル数は図８（ａ）、（ｂ）共に３０７２００個である。
【００３４】
図中の白抜きの部分は欠損データを表している。図からも分かる通り、従来の形状測定装置と比較して、本実施形態においては、欠損データ数が著しく減少している。実際には、従来の形状測定装置における欠損データ数は６３８５／３０７２００個であるのに対し、本実施形態による方法においては、欠損データ数は２／３０７２００となった。これより、本実施形態においては、従来例と比較して高さ位置測定の安定性が著しく増した。
【００３５】
［第２実施形態］
第１の実施形態においては検出信号を数２のように表していたが、本実施形態においては数３とあらわす。この場合、Ａは信号振幅、Φは信号位相であり、それぞれ数４及び数５のように表される。
【００３６】
【数３】
0005953539.tif 000004
【００３７】
【数４】
0005953539.tif 000005
【００３８】
【数５】
0005953539.tif 000006
【００３９】
数学的には数２と数３は同じものを表しているが、数３を用いて演算処理を行う場合には、適応信号処理においてＡｓ及びＡｃのかわりにＡ及びΦを調整していく事となる。この様な手法においては、例えばＡ及びΦに異なる重みを設定する事も可能である。また、ＲＬＳ法には忘却定数と言う概念が存在する。これは、過去のどの時点までのデータを推定に活用するかを表すものであるが、この忘却定数に対しても、Ａ及びΦのそれぞれについて、適切な値を設定する事が可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１…光源、２…空間パターンフィルタ、３…コリメータレンズ、４…ハーフミラー、５…対物レンズ、６…被測定対象、７…結像レンズ、８…受光素子、９…画像メモリ、１０…演算処理部、１１…入力部、１２…出力部、１３…表示部、１４…駆動部、１５…試料台、１００…適応信号処理ブロック、１１０…ピーク検出ブロック、１００１〜１００３…信号発生回路、１００４〜１００６…重み付け回路、１００７、１００８…加算器、１００９…減算器、１０１０…適応アルゴリズム部、１１０１…２乗回路、１１０２…積分回路、１１０３…平滑化微分回路、１１０４…ピーク位置検出回路。
【図１】
0005953539.tif 000007
【図２】
0005953539.tif 000008
【図３】
0005953539.tif 000009
【図４】
0005953539.tif 000010
【図５】
0005953539.tif 000011
【図６】
0005953539.tif 000012
【図７】
0005953539.tif 000013
【図８】
0005953539.tif 000014