(57)【要約】【課題】画像スタックから対象物の表面の高さマップを算出するための方法及びシステムを提供する。【解決手段】光学システムによる対象物の表面の光学式走査型２．５次元輪郭曲線法により画像スタックから対象物の表面の高さマップを算出するための方法及びシステムにおいて、対象物表面に対して異なる高さ位置で焦点面を走査する。焦点面の各高さ位置で画像をキャプチャして画像スタックを形成する。焦点面の走査は、低空間周波数成分及び高空間周波数成分を検知するため焦点面の変位を長距離検知及び短距離検知することを含む。低空間周波数成分及び高空間周波数成分を結合することによって焦点面の高さ位置を推定する。各焦点面の推定された高さ位置に基づいて、画像スタック内の各画像の高さ位置を算出する。補正済みの画像スタックを得るために画像スタックの画像を等間隔の高さ位置に補間する。補正済みの画像スタックから対象物の表面の高さマップを算出する。【選択図】図１
2018185301.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学システムによる対象物の表面の光学式走査型２．５次元輪郭曲線法により画像スタックから前記表面の高さマップを算出するための方法であって、
前記対象物表面に対して異なる高さ位置で焦点面を走査することであって、
低空間周波数成分を検知するために前記焦点面の変位を長距離検知することと、
高空間周波数成分を検知するために前記焦点面の変位を短距離検知することと、
前記低空間周波数成分及び前記高空間周波数成分を結合することによって前記焦点面の前記高さ位置を推定することと、
を含む、焦点面を走査することと、
前記焦点面の各高さ位置で画像をキャプチャして前記画像スタックを形成することと、
各焦点面の前記推定された高さ位置に基づいて、前記画像スタック内の各画像の高さ位置を算出することと、
補正済みの画像スタックを得るために前記画像スタックの前記画像を等間隔の高さ位置に補間することと、
前記補正済みの画像スタックから前記対象物の前記表面の前記高さマップを算出することと、
を含む方法。
【請求項２】
前記補間することは、線形補間、スプライン補間、又は三次補間を実行することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記長距離検知は、光学式リニアエンコード、機械式リニアエンコード、又は静電容量式リニアエンコードを含む、請求項１又は２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４】
前記短距離検知は、振動を検知することを含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記短距離検知は、光学システムの対物レンズから実行される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記短距離検知は、前記対象物に対する又は前記対象物を支持する載物ステージに対する前記光学システムの変位を検知することを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記短距離検知は、前記対象物から又は前記対象物を支持する載物ステージから実行され、前記光学システムから実行された前記短距離検知によって検知された変位と、前記対象物から又は前記対象物を支持する前記載物ステージからの前記短距離検知によって検知された変位との差に基づく、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記長距離検知による測定値のフィルタリングを行って高空間周波数成分を除去すること、及び／又は
前記短距離検知による測定値のフィルタリングを行って低空間周波数成分を除去すること、
を更に含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記フィルタリングは、移動平均フィルタ、又はフーリエ変換を用いた周波数領域のフィルタを使用することを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記補正済みの画像スタックを得る前に、
前記画像スタックの各画像の横方向変位誤差を検知することと、
前記画像のいずれか一つの横方向変位誤差が検知された場合、前記画像の前記いずれか一つを横方向にシフトするか又は補間して前記横方向変位誤差を補正することと、
を更に含む、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
対象物の表面の光学式走査型２．５次元輪郭曲線法により、画像スタックから前記表面の高さマップを算出するためのシステムであって、
前記対象物表面に対して異なる高さ位置で焦点面を走査し、
前記焦点面の各高さ位置で画像をキャプチャして前記画像スタックを形成する、
ように構成された光学システムと、
低空間周波数成分を検知することによって前記焦点面の変位を長距離検知するための長距離型変位センサと、
高空間周波数成分を検知することによって前記焦点面の変位を短距離検知するための短距離型変位センサと、
前記長距離型変位センサからの前記低空間周波数成分及び前記短距離型変位センサからの前記高空間周波数成分を結合することによって前記焦点面の前記高さ位置を推定し、
各焦点面の前記推定された高さ位置に基づいて、前記画像スタック内の各画像の高さ位置を算出し、
補正済みの画像スタックを得るために前記画像スタックの前記画像を等間隔の高さ位置に補間し、
前記補正済みの画像スタックから前記対象物の前記表面の前記高さマップを算出する、
ように構成された処理ユニットと、
を備えるシステム。
【請求項１２】
前記長距離型変位センサは、光学式リニアエンコーダ、機械式リニアエンコーダ、又は静電容量式リニアエンコーダを含む、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記短距離型変位センサは、少なくとも一つの振動検知センサ、特に加速度計又はレーザドップラー振動計（ＬＤＶ）を含む、請求項１１又は１２に記載のシステム。
【請求項１４】
少なくとも一つの前記短距離型変位センサは、前記光学システムの対物レンズに搭載されている、請求項１１〜１３のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１５】
前記短距離型変位センサは、前記対象物に対する又は前記対象物を支持する載物ステージに対する前記光学システムの短距離型の変位を測定するように調整されている、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記対象物に搭載されているか又は前記対象物を支持する載物ステージに搭載されている少なくとも一つの別の短距離型変位センサを更に備え、前記処理ユニットは更に、前記光学システムに搭載されている前記短距離型変位センサによって測定された前記変位と、前記対象物に搭載されているか又は前記対象物を支持する前記載物ステージに搭載されている前記別の短距離型変位センサによって測定された前記変位との差に基づいて、短距離検知を行うように構成されている、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１７】
前記画像スタックの各画像の横方向変位誤差を検知するように構成された少なくとも一つの別の短距離型変位センサを備え、前記処理ユニットは更に、前記補正済みの画像スタックを得る前に、前記画像のいずれか一つの横方向変位誤差が検知された場合、前記画像の前記いずれか一つを横方向にシフトするか又は補間して前記横方向変位誤差を補正するように構成されている、請求項１１〜１６のいずれか１項に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学システムによる対象物の表面の光学式走査型２．５次元輪郭曲線法（２．５Ｄ  ｐｒｏｆｉｌｉｎｇ）の分野における方法及びシステムに関する。本発明は、より具体的には、そのような走査光学輪郭曲線法により画像スタックから対象物の表面の高さマップを算出するための方法及びシステムに関する。光学システムは、対象物の表面に対して異なる高さ位置で焦点面を走査し、各高さ位置で画像をキャプチャして画像スタックを形成し、画像スタックから対象物表面の高さマップを算出するように構成されている。本明細書において、光学式走査型２．５次元輪郭曲線法は、白色光干渉法（ＷＬＩ：Ｗｈｉｔｅ  Ｌｉｇｈｔ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）、構造化照明顕微鏡法（ＳＩＭ：Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ  Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）、ポイントフロムフォーカス（Ｐｏｉｎｔ  Ｆｒｏｍ  Ｆｏｃｕｓ）（同義語：焦点変動（Ｆｏｃｕｓ  Ｖａｒｉａｔｉｏｎ））顕微鏡法、共焦点顕微鏡法等のような技法を含む。
【背景技術】
【０００２】
光学走査２．５次元輪郭測定機（ｐｒｏｆｉｌｏｍｅｔｅｒ）では、テストサンプルに対して光学センサシステムを走査する。各走査位置において、サンプルの画像を記録して、画像のスタックを生成する。これらの画像を処理して、高さマップを算出する。
【０００３】
画像スタックから高さマップを算出するために用いられるほとんどのアルゴリズムでは、全ての画像の間で一定の光路長の差（ステップサイズ）が想定されるか、又は、少なくとも各画像を取得した正確な位置を知る必要がある。
【０００４】
実際には、サーボ誤差により、又は内部及び外部の振動源により、画像間のステップサイズに誤差が生じる。こういったステップサイズ誤差は、得られる高さマップに誤差を生じさせる。
【０００５】
本明細書では、これらの誤差を説明するための例としてＷＬＩについて検討する。干渉法において、光ビームは、二つのビームすなわち測定ビームと参照ビームに分割される。これら２つのビームが再結合されると、測定ビーム及び参照ビームの経路長差の関数としての干渉パターン（干渉縞）を記録することができる。狭い角度分布を有する完全にコヒーレントな光の場合、干渉パターンは無限に延びる。そのような場合、干渉パターンから経路長差を求めることは困難である。スペクトルコヒーレンスを軽減する（白色光とも称される広帯域光スペクトルを用いる）ことによって、干渉パターンの長さ（コヒーレンス長）が減少し、干渉縞パターンから測定ビーム及び参照ビームの経路長差を決定することができる。
【０００６】
サンプルの表面測定にＷＬＩを適用する場合、サンプル表面に対して垂直方向に焦点面を走査する。各焦点位置において画像をキャプチャする。結合されたこれらの画像が３次元画像スタックを形成する。この画像スタックの各横方向位置はインターフェログラムを画定する。各インターフェログラムから、サンプルの横方向位置における局所高さ位置を決定することができる。
【０００７】
ほとんどの市販のＷＬＩ機器は、わずか数ナノメートル（ｎｍ）の再現性で高さマップを測定するような仕様である。
【０００８】
干渉データ解析は、フーリエ変換（ＦＴ）法を用いて実行される。標準的なＦＴ法では、記録された干渉信号のフーリエ変換又は高速フーリエ変換が計算される。一例として、まず、記録された干渉信号のＦＴが計算され得る。次に、照明スペクトルに対応する正の空間周波数を除いた全ての周波数寄与分をゼロに設定することができる。逆ＦＴを用いることにより、得られた信号の係数（ｍｏｄｕｌｕｓ）は元の干渉パターンのエンベロープ関数を表し、偏角（ａｒｇｕｍｅｎｔ）は元の干渉パターンの中心波長の位相を表す。エンベロープの上端は、重心を決定することにより見出される。この上端を局所サンプルの高さの第１の推定値として使用することができる。次に、アンラッピングした位相（ｕｎｗｒａｐｐｅｄ  ｐｈａｓｅ）の線形補間によって、最近の位相ゼロクロス（ｎｅａｒｅｓｔ  ｐｈａｓｅ−ｚｅｒｏ−ｃｒｏｓｓｉｎｇ）が見出される。位相ゼロクロスに対応する位置は、極めて高精度のサンプル高さを与える。
【０００９】
他の方法は、ＦＴ法の変形を用いると共に、他の方法も用いる。しかしながら、これらの方法は全て、非等間隔の（ｎｏｎ−ｅｑｕｉｄｉｓｔａｎｔ）走査ステップに対してほぼ同一の感度を有する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
標準的なＦＴ法は、完全に等間隔の走査ステップを想定している。走査ステップが完全に等間隔ではない場合、生成される高さマップに誤差が生じる。非等間隔の走査ステップに関連した次の３種類の誤差が識別することができる。
１．非等間隔の誤差が小さい場合、エンベロープの上端及び位相ゼロクロスの双方に小さなずれが生じることになる。これにより、測定された高さマップでは、テストサンプル内の高さ変動に対応するうねり（ｗａｖｉｎｅｓｓ）が引き起こされる。
２．ステップの非等間隔が大きい場合、位相ゼロクロス位置決定アルゴリズムは、隣接した位相ゼロクロスのうちの一つに切り換わる可能性がある。このタイプの誤差は、高さマップにおいて中心波長の半分の整数倍の大きさの離散的なジャンプとして現れる。
３．局所平均走査ステップサイズは、全走査範囲にわたって変動し得る。標準的なアルゴリズムは、例えば正確に５０、６０、又は７０ｎｍの固定走査ステップを想定しているので、結果としてスケーリング誤差が生じる。これにより、高さマップは圧縮されるか又は伸張される。この結果として、例えばステップ高さを測定する場合に系統的誤差が生じる。
【００１１】
従って、特に、走査誤差、振動、又はサーボモータ誤差によって、画像スタックの画像の記録位置の誤差が発生する場合には、ＷＬＩ測定の精度（ステップ高さ測定）及び再現性の双方の向上が必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
対象物の画像の記録位置を改善するための、改良された又は代替的な方法及び装置を提供することが望ましい。また、光学式走査型２．５次元輪郭曲線法により高さマップ測定の精度を向上させることも望ましい。また、光学式走査型２．５次元輪郭曲線法により高さマップ測定の再現性を向上させることも望ましい。また、走査誤差、振動、又はサーボモータ誤差が生じた場合に高さマップ測定の精度を向上させることも望ましい。
【００１３】
これらの問題の一つ以上により良く対処するため、本発明の第１の態様では、光学システムによる対象物の表面の光学式走査型２．５次元輪郭曲線法により画像スタックから対象物の表面の高さマップを算出するための方法が提供される。この方法は、
対象物表面に対して異なる高さ位置で焦点面を走査することであって、
低空間周波数成分を検知するために焦点面の変位を長距離検知することと、
高空間周波数成分を検知するために焦点面の変位を短距離検知することと、
低空間周波数成分及び高空間周波数成分を結合することによって焦点面の高さ位置を推定することと、
を含む、焦点面を走査することと、
焦点面の各高さ位置で画像をキャプチャして画像スタックを形成することと、
各焦点面の推定された高さ位置に基づいて、画像スタック内の各画像の高さ位置を算出することと、
補正済みの画像スタックを得るために画像スタックの画像を等間隔の高さ位置に補間することと、
補正済みの画像スタックから対象物の表面の高さマップを算出することと、
を含む。
【００１４】
一つは変位の低空間周波数成分を検知するための長距離検知、もう一つは高空間周波数成分を検知するための短距離検知という２つの異なるタイプの変位検知を用いることによって、対象物、特に対象物の表面と、各焦点面に対応した光学システムとの間の、実際の距離の最良の推定値を算出することができる。長距離検知は低空間周波数の運動又は変位の記録において特に精度が高いのに対し、短距離検知は高空間周波数の運動又は変位において特に精度が高い。低空間周波数成分と高空間周波数成分を結合することによって、対象物の表面と光学システムの焦点面（すなわち、対象物の表面に対する焦点面の高さ位置）との間の距離の極めて高精度な推定値を得ることができる。
【００１５】
この結合動作では、フィルタを用いて、長距離検知及び短距離検知によって与えられる最も適切な空間周波数を選択することができる。例えば、長距離検知によって測定された低空間周波数成分をフィルタリングして高空間周波数成分を除去できる。この代わりに又はこれに加えて、短距離検知によって測定された高空間周波数成分をフィルタリングして低空間周波数成分を除去できる。フィルタリングは、移動平均フィルタ、又はフーリエ変換を用いた周波数領域のフィルタ、又は他の任意の適切なデジタル関数を使用することを含み得る。
【００１６】
補間することは、各焦点面に対応した高さ位置の推定値を用いて、全ての焦点面の間で等間隔に画像スタック強度を補間することを含む。補間は、線形補間、スプライン補間、又は三次補間を含み得る。
【００１７】
この方法の一実施形態において、長距離検知は、光学式リニアエンコード、機械式リニアエンコード、又は静電容量式リニアエンコードを含む。
【００１８】
長距離検知は、光学式リニアエンコーダ、機械式リニアエンコーダ、又は静電容量式リニアエンコーダを含む長距離型変位センサを用いて実行され得る。
【００１９】
この方法の一実施形態において、短距離検知は振動を検知することを含む。
【００２０】
短距離検知は、少なくとも一つの振動検知センサ、特に加速度計又はレーザドップラー振動計（ＬＤＶ：Ｌａｓｅｒ  Ｄｏｐｐｌｅｒ  Ｖｉｂｒｏｍｅｔｅｒ）を含む短距離型変位センサを用いて実行され得る。一実施形態において、ＬＤＶはシステムオンチップ又はフォトニック集積デバイスを含む。
【００２１】
この方法の一実施形態において、短距離検知は、光学システムの対物レンズ（ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ）から実行される。この目的のため、少なくとも一つの短距離型変位センサは、光学システムの対物レンズに搭載されている。
【００２２】
対象物又は載物ステージが振動によって受ける影響が光学システムに比べて小さいと想定できる場合は、少なくとも一つの短距離型変位センサを光学システムに、具体的には光学システムの対物レンズに搭載すれば充分であり得る。いくつかの例では、メインフレーム及び光学システムの載物ステージの剛性及び慣性質量の組み合わせのため、及び／又は能動的な振動減衰の使用のため、これは理にかなった想定である。従って、短距離検知は、対象物に対する又は対象物を支持する載物ステージに対する光学システムの変位を検知することを含む。この目的のため、短距離型変位センサは、対象物に対する又は対象物を支持する載物ステージに対する光学システムの短距離の変位を測定するように調整されている。
【００２３】
この方法の一実施形態において、短距離検知は、対象物から又は対象物を支持する載物ステージから実行され、光学システムから実行された短距離検知によって検知された変位と、対象物から又は対象物を支持する載物ステージからの短距離検知によって検知された変位との差に基づく。従って、光学システムに搭載された短距離型変位センサに加えて、少なくとも一つの別の短距離型変位センサが、対象物に搭載されているか又は対象物を支持する載物ステージに搭載されている。短距離検知は、光学システムに搭載されている短距離型変位センサによって測定された変位と、対象物に搭載されているか又は対象物を支持する載物ステージに搭載されている別の短距離型変位センサによって測定された変位との差に基づく。
【００２４】
システムの他の部分に搭載された追加の短距離型変位センサを使用することも有効である。例えば、追加の短距離型変位センサを、長距離型変位センサ若しくはその一部、光学センサ、又は振動に対して敏感な他の場所に追加することができる。従って、いくつかの実施形態では、２つ以上の短距離型変位センサが載物ステージに搭載され得る。複数の短距離型変位センサと組み合わせて載物ステージの所定の振動モードモデルを用いることで、載物ステージの、すなわち対象物の各位置の正確な振動を予測することができる。
【００２５】
短距離型変位センサとして加速度計を用いる利点は、対象物の表面の反射率、角度、及び／又は粗さ等の特性が、加速度計によって出力される信号の質に関連しないことである。これは、光学技法を使用する場合に、対象物の表面特性が信号の質に悪影響を及ぼす問題となり得ることとは対照的である。
【００２６】
典型的に、光学走査輪郭測定機の垂直方向解像度は、横方向解像度に比べて数桁高い。従って、振動は主として、横方向及び垂直方向の解像度に関する相対的な誤差の大きさの点で、生成される高さマップの垂直方向成分に影響を及ぼす。従って多くの場合、Ｚ方向のみの画像スタック補正で充分である。しかしながら、程度は低いが、特にプレスドリル、粉砕装置、旋盤等の重機を有する作業現場のような大きい振動のある環境では、振動は横方向の運動に影響を及ぼす。
【００２７】
２．５次元走査光学プロファイラの最も一般的な実施例では、垂直方向の走査のみが実行される。横方向の補正には低空間補正は必要ない。横方向の補正では、加速度計又はＬＤＶによって生成されるもの等の短距離型変位センサ信号だけで、補正には充分である。更に、最悪の場合であっても、画像スタックの画像の（従って、光軸に対する対象物の）横方向シフトはＸ方向又はＹ方向に１画素のみ又は多くとも２画素であることが、慣例により示されている。
【００２８】
横方向シフトを補正するため、一実施形態において、この方法は、画像スタックから対象物表面の高さマップを算出する前に、画像スタックの各画像の横方向変位誤差を検知することと、画像のいずれか一つの横方向変位誤差が検知された場合、この画像を横方向にシフトするか又は補間して横方向変位誤差を補正することと、を更に含む。
【００２９】
本発明の第２の態様では、対象物の表面の光学式走査型２．５次元輪郭曲線法により、画像スタックから対象物の表面の高さマップを算出するためのシステムが提供される。このシステムは、
対象物表面に対して異なる高さ位置で焦点面を走査し、
焦点面の各高さ位置で画像をキャプチャして画像スタックを形成する、
ように構成された光学システムと、
低空間周波数成分を検知することによって焦点面の変位を長距離検知するための長距離型変位センサと、
高空間周波数成分を検知することによって焦点面の変位を短距離検知するための短距離型変位センサと、
長距離型変位センサからの低空間周波数成分及び短距離型変位センサからの高空間周波数成分を結合することによって焦点面の高さ位置を推定し、
各焦点面の推定された高さ位置に基づいて、画像スタック内の各画像の高さ位置を算出し、
補正済みの画像スタックを得るために画像スタックの画像を等間隔の高さ位置に補間し、
補正済みの画像スタックから対象物の表面の高さマップを算出する、
ように構成された処理ユニットと、
を備える。
【００３０】
一実施形態において、このシステムは、画像スタックの各画像の横方向変位誤差を検知するように構成された少なくとも一つの別の短距離型変位センサを備え、処理ユニットは更に、補正済みの画像スタックを得る前に、画像のいずれか一つの横方向変位誤差が検知された場合、この画像を横方向にシフトするか又は補間して横方向変位誤差を補正するように構成されている。加速度計に基づく短距離センサを用いる場合、例えばＭＥＭＳのような一つのシステムに統合された３Ｄタイプの加速度計を用いて、Ｘ、Ｙ、及びＺ方向で高周波変位を測定することができる。
【００３１】
本発明のこれら及び他の態様が、以下の詳細な説明を参照することで更に理解され、同様の参照符号が同様の部分を表す添付図面に関連付けて検討されるに伴って、これら及び他の態様は更に容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る、対象物の表面の走査２．５次元輪郭曲線法により画像スタックを生成するためのシステムの一実施形態を概略的に示す。
【図１ａ】対象物の位置を走査する場合のＺ位置に対する光強度Ｉを表すインターフェログラムを示す。
【図２】本発明に係る、対象物の表面の走査２．５次元輪郭曲線法により画像スタックを生成するためのシステムの別の実施形態を概略的に示す。
【図３】図１又は図２に従ったシステムのコントローラのブロック図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図１及び図２は、ミロー干渉計（Ｍｉｒａｕ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）として図示された干渉計装置を備える、本発明に係るシステムの一実施形態を、部分的にブロック図表現を用いて概略的に示している。あるいは、マイケルソン（Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ）及び／又はリニク（Ｌｉｎｎｉｋ）干渉計装置、又はその他の光学プロファイラも、このシステムの一部であり得る。
【００３４】
対象物の表面の光学式走査型２．５次元輪郭曲線法により画像スタックから対象物の表面の高さマップを算出するためのシステム１００は、メインフレーム１０を備え、これは、図１及び図２に示すＺ軸に対して直角に向けられたＸ−Ｙ面に対して平行に移動できるＸＹステージ１２に結合されている。ＸＹステージ１２は、対象物１４又はテストサンプルを支持すると共にこれをＸ−Ｙ面に対して平行に移動させるように構成されている。
【００３５】
光学システムフレーム１６を備えた光学システムが、Ｚ走査モータ１８を介してメインフレーム１０に結合されている。Ｚ走査モータ１８は、メインフレーム１０に対して光学システムフレーム１６をＺ軸に平行な双方向に移動させるように構成されている。光学システムフレーム１６のＺ位置は、メインフレーム１０に固定されたリニアエンコーダスケール２２を検知する、光学システムフレーム１６に固定されたリニアエンコーダピックアップセンサ２０によって検知される。
【００３６】
光学システムフレーム１６は、広帯域照明ビーム２６を出射する広帯域イルミネータの一部である光源２４又は広帯域放射源を備えている。広帯域イルミネータは、第１のミラー２８も備え、更に、広帯域照明ビーム２６を与えるレンズのような別の光学機器も含み得る。広帯域照明ビーム２６は平行光であり得る。広帯域照明ビーム２６は、第１のビームスプリッタ３０で反射され、対物レンズ３２を透過して、第２のビームスプリッタ３４に到達する。第２のビームスプリッタ３４は、広帯域照明ビーム２６を、参照ミラー３６に向けられた参照ビーム２６ａと、対象物１４の表面に向けられた測定ビーム２６ｂと、に分割するためのものである。
【００３７】
参照ビーム２６ａは参照ミラー３６で反射され得る。測定ビーム２６ｂは対象物１４の表面から反射され得る。参照ミラー３６から反射されたビームは、再び第２のビームスプリッタ３４で反射され得る。対象物１４の表面から反射されたビームは、第２のビームスプリッタ３４を透過し得る。参照ビーム２６ａ及び測定ビーム２６ｂは、干渉して干渉ビーム２６ｃを形成し、対物レンズ３２、第１のビームスプリッタ３０、及びレンズ３８を透過して、画素センサアレイを含むカメラに含まれるような光学センサ４０に到達し得る。光学センサ４０によって干渉ビーム２６ｃの強度が測定され得る。
【００３８】
参照ミラー３６、対物レンズ３２、及び第２のビームスプリッタ３４は、共にミロー型対物レンズを形成し、Ｚ走査モータ１８により動かされる光学システムフレーム１６によって、対物レンズ３２の光軸に沿ったＺ方向で対象物１４に対して走査することができる。従って、この対物レンズの焦点面が対象物１４に対して走査される。
【００３９】
光学センサ４０の各画素センサの信号を読み出して、図１ａの四角形の枠５０に示すようなインターフェログラムを得ることができる。これは、受光強度Ｉを、Ｚの関数として表している。Ｚは、対象物１４の表面に対する位置である。
【００４０】
リニアエンコーダスケール２２と相互作用するリニアエンコーダピックアップセンサ２０は、低空間周波数成分を検知するため、広帯域照明ビーム２６の焦点面の変位を長距離検知する長距離型変位センサ２０を形成する。リニアエンコーダスケール２２と相互作用する長距離型変位センサ２０は光学式エンコーダであり、特に光学式リニアエンコーダである。他の実施形態では、長距離型変位センサとして、機械式又は静電容量式エンコーダ、特に機械式又は静電容量式リニアエンコーダが用いられる。
【００４１】
図１及び図２の実施形態において、システム１００は更に、高空間周波数成分を検知するため、焦点面の変位を短距離検知する第１の短距離型変位センサ４２も備えている。第１の短距離型変位センサ４２は、長距離型変位センサ２０とは異なる。第１の短距離型変位センサ４２は、少なくとも一つの振動検知センサ、特に、図１に示すような加速度計、又は図２に示すようなレーザドップラー振動計（ＬＤＶ）、又は他の任意の適切なセンサを含む。ＬＤＶは、システムオンチップ、又はフォトニック集積デバイスを含み得る。
【００４２】
第１の短距離型変位センサ４２は、光学システムに、特に光学システムの対物レンズ３２に搭載され、対象物１４又は対象物１４を支持するＸＹステージ１２に対する光学システムの短距離の変位を測定するように調整されている。
【００４３】
図１の実施形態によれば、システム１００は更に、高空間周波数成分を検知するため、焦点面の変位を短距離検知する第２の短距離型変位センサ４４も備えている。第２の短距離型変位センサ４４は、長距離型変位センサ２０及び第１の短距離型変位センサ４２とは異なる。第２の短距離型変位センサ４４は、少なくとも一つの振動検知センサ、特に、加速度計、又はレーザドップラー振動計（ＬＤＶ）、又は他の任意の適切なセンサを含む。ＬＤＶは、システムオンチップ、又はフォトニック集積デバイスを含み得る。
【００４４】
第２の短距離型変位センサ４４は、対象物１４を支持するＸＹステージ１２に搭載されている。他の実施形態では、第２の短距離型変位センサ４４は対象物１４に搭載され得る。第２の短距離型変位センサ４４により、短距離検知は、光学システムに搭載されている第１の短距離型変位センサ４２によって測定された変位と、対象物に搭載されているか又は対象物を支持する載物ステージに搭載されている第２の短距離型変位センサ４４によって測定された変位との差に基づいて行うことができる。
【００４５】
図３に示すように、システム１００には、いくつかの入力信号を受信するための処理ユニット６０が設けられている。入力信号には、長距離型変位センサ２０からの長距離検知信号２０ａと、第１の短距離型変位センサ４２からの第１の短距離検知信号４２ａと、第２の短距離型変位センサ４４が存在する場合は第２の短距離型変位センサ４４からの第２の短距離検知信号４４ａと、光学システム７０からの画像スタック信号７０ａと、を含む。第２の短距離型変位センサ４４の任意選択的な存在は破線で示されている。
【００４６】
光学システム７０は、表面の光学式走査型２．５次元輪郭曲線法により対象物１４の表面に対して異なる高さ位置で焦点面を走査し、焦点面の各高さ位置で画像をキャプチャして画像スタックを形成するように構成されている。得られた画像スタック信号７０ａが光学システム７０から出力されて、処理ユニット６０の入力信号を形成する。
【００４７】
処理ユニット６０は、入力信号２０ａ、４２ａ、存在する場合は４４ａ、及び７０に基づいて、以下の処理を行うように構成されている。
−長距離型変位センサ２０からの低空間周波数成分と、（第１の）短距離型変位センサ４２からの高空間周波数成分と、第２の短距離型変位センサ４４が存在する場合は第２の短距離型変位センサ４４からの高空間周波数成分と、を結合することによって、焦点面の高さ位置を推定し、
−各焦点面の推定された高さ位置に基づいて、画像スタック内の各画像の高さ位置を算出し、
−補正済みの画像スタックを得るために画像スタックの画像を等間隔の高さ位置に補間し、
−補正済みの画像スタックから対象物１４の表面の高さマップを算出する。
【００４８】
処理ユニット６０は、算出した高精度の高さマップを高さマップ信号８０として出力することができる。
【００４９】
上記の処理ユニット６０の処理において、補間することは、高さ方向の等間隔画像を与えることを含む。補間することは、各焦点面に対応した高さ位置の推定値を用いて、全ての焦点面の間で等間隔に画像スタック強度を補間することを含む。補間することは、線形補間、スプライン補間、又は三次補間を実行することを含み得る。
【００５０】
ほとんどの場合、加速度計又は振動センサのような１次元（１Ｄ）のみの短距離型変位センサを用いたＺ方向の画像スタックの補正で充分である。しかしながら、３次元変位を検知するように構成された３次元（３Ｄ）短距離型変位センサ、又は異なる方向で検知を行う複数の１次元短距離型変位センサの組み合わせによって、横方向の追加補正を行うことで、振動が大きい場合の横方向への移動を補正することができる。画像スタックに適用される横方向の補正は、整数個の画素によるＸ方向又はＹ方向の単純な平行移動であってよい。あるいは、格子補間を含むより複雑なスキームを用いることも可能である。補間は、単純な線形補間又はより複雑な補間スキームのいずれかであり得る。この後にＺ方向の補正が行われる。そのような場合、画像スタックはＸ、Ｙ、及びＺ方向で補正される。次いで、補正済みの画像スタックを用いて高さマップを算出する。
【００５１】
横方向の補正が必要な場合、第１の短距離型変位センサ４２及び第２の短距離型変位センサ４４の少なくとも一方、又は少なくとも一つの別の短距離型変位センサを、画像スタックの各画像の横方向変位誤差を検知するように構成することができる。そのような場合、処理ユニット６０は更に、短距離型変位センサのいずれか一つからの短距離検知信号により画像のいずれか一つに横方向変位誤差が検知された場合、補正済みの画像スタックを得る前に画像の前記いずれか一つを横方向にシフトするか又は補間して横方向変位誤差を補正するように構成することができる。
【００５２】
処理ユニット６０の処理は、長距離検知による測定値のフィルタリングを行って高空間周波数成分を除去することを含み得る。処理ユニット６０の処理は更に、短距離検知による測定値のフィルタリングを行って低空間周波数成分を除去することを含み得る。フィルタリングは、移動平均フィルタ、フーリエ変換を用いた周波数領域のフィルタ、又は他の任意の適切なタイプのフィルタリングの使用を含み得る。
【００５３】
上記で詳述したように、本発明によれば、二つの異なるタイプの運動／変位センサの組み合わせが使用される。
【００５４】
低空間周波数は、例えばリニアエンコーダ等の長距離型変位センサ２０を用いて記録される。高空間周波数成分を除去するため追加のフィルタリングを適用することができる。適切なフィルタは、移動平均フィルタ、又はフーリエ法を用いた周波数領域のフィルタ、又は他の任意の適切なデジタル関数であり得る。
【００５５】
高空間周波数は、加速度計又はレーザドップラー振動計（ＬＤＶ）等の一つ又は複数の短距離型変位センサを用いて記録される。低空間周波数成分を除去するため追加のフィルタリングを適用することができる。適切なフィルタは、移動平均フィルタ、又はフーリエ法を用いた周波数領域のフィルタ、又は他の任意の適切なデジタル関数であり得る。
【００５６】
加速度計を用いる場合、記録された加速度を運動に変換する必要がある。これは、二重数値積分を適用することによって実行できる。適切な方法には、バー法（ｂａｒ  ｍｅｔｈｏｄ）、台形積分、又はそれらの任意の変形が含まれる。
【００５７】
誤差は経時的に伝搬するので（典型的に走査速度は一定であるので、距離は時間に比例する）、加速度計によって決定される変位は、短い時間間隔／短い距離内でのみ高精度である。長い距離では、異なるセンサを用いた追加データが必要である。
【００５８】
上記で詳述したように、光学システムによる対象物の表面の光学式走査型２．５次元輪郭曲線法により画像スタックから対象物の表面の高さマップを算出するための方法及びシステムでは、対象物表面に対して異なる高さ位置で焦点面を走査する。各高さ位置で画像をキャプチャして画像スタックを形成する。画像スタックから対象物表面の高さマップを算出する。焦点面の走査は、低空間周波数成分及び高空間周波数成分を検知するため焦点面の変位を長距離検知及び短距離検知することを含む。対象物の表面と光学システムの焦点面との距離を推定するため、低空間周波数成分及び高空間周波数成分を結合する。各焦点面の推定距離に基づいて、画像スタック内の各画像の高さ変位誤差を算出する。画像スタックの画像の少なくとも一つを、関連した高さ変位誤差に基づいて高さ方向で補正する。補正済みの画像スタックから対象物の表面の高さマップを算出する。
【００５９】
本明細書では、垂直方向の走査及びデカルト座標系が想定されている。しかしながら、本明細書に開示される方法及びシステムは他の構成でも適用可能である。例えば、エンジンボアホール測定では、エンジンボアホールに対して軸方向に走査が行われる。このため、典型的には円筒座標系が用いられる。回転構成のような他の構成も適用可能であり得る。
【００６０】
必要に応じて、本発明の詳細な実施形態が本明細書で開示されている。しかしながら、開示される実施形態は、様々な形態で具現化できる本発明の例示に過ぎないことは理解されよう。従って、本明細書に開示される実施形態の特定の構造的及び機能的な詳細事項は、限定ではなく、単に特許請求の範囲の基礎として、また、実質的に全ての適切に詳述される構造において本発明を様々に利用することを当業者に教示するための代表的な基礎として、解釈されるものとする。更に、本明細書において用いられる語句は、限定ではなく、本発明の理解可能な説明を提供することが意図されている。
【００６１】
本明細書で用いる場合、一つの（ａ／ａｎ）という言葉は、１又は２以上として定義される。本明細書で用いる場合、複数（ｐｌｕｒａｌｉｔｙ）という言葉は、２又は３以上として定義される。本明細書で用いる場合、別の（ａｎｏｔｈｅｒ）という言葉は、少なくとも第２の又はそれ以上として定義される。本明細書で用いる場合、含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）及び／又は有する（ｈａｖｉｎｇ）という言葉は、備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）（すなわち、他の要素又はステップを排除しないオープンランゲージ）として定義される。特許請求の範囲におけるいずれの参照符号も、特許請求の範囲又は本発明の範囲を限定するものとして解釈されない。
【００６２】
特定の手段が相互に異なる従属クレームに列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用され得ないことを示すものではない。
【００６３】
本明細書で用いる場合、結合される（ｃｏｕｐｌｅｄ）という言葉は、接続される（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）として定義されるが、これは必ずしも直接的に行われるのではなく、必ずしも機械的に行われるのでもない。
【００６４】
単一のプロセッサ又は他のユニットが、特許請求の範囲に列挙された、いくつかの構成要素の機能を果たす場合がある。
【００６５】
本明細書で用いる場合、ソフトウェア、プログラム、ソフトウェアアプリケーション等の言葉は、コンピュータシステムで実行するために設計された命令シーケンスとして定義される。ソフトウェア、プログラム、コンピュータプログラム、又はソフトウェアアプリケーションは、コンピュータシステムで実行するために設計されたサブルーチン、関数、手順、オブジェクトメソッド、オブジェクト実装、実行可能アプリケーション、アプレット、サーブレット、ソースコード、オブジェクトコード、共用ライブラリ／ダイナミックロードライブラリ、及び／又はその他の命令シーケンスを含み得る。
【００６６】
コンピュータプログラムは、他のハードウェアと共に又は他のハードウェアの一部として供給される光学記憶媒体又は固体媒体のような適切な媒体上に記憶及び／又は分配することができるが、インターネット又は他の有線もしくは無線の電気通信システムを介して等の他の形態で分配することも可能である。
【符号の説明】
【００６７】
１０…メインフレーム、１２…ステージ、１４…対象物、１６…光学システムフレーム、１８…走査モータ、２０…長距離型変位センサ、２０…リニアエンコーダピックアップセンサ、２０ａ…長距離検知信号、２０ａ…入力信号、２２…リニアエンコーダスケール、２４…光源、２６…広帯域照明ビーム、２６ａ…参照ビーム、２６ｂ…測定ビーム、２６ｃ…干渉ビーム、２８…第１のミラー、３０…第１のビームスプリッタ、３２…対物レンズ、３４…第２のビームスプリッタ、３６…参照ミラー、３８…レンズ、４０…光学センサ、４２…第１の短距離型変位センサ、４２ａ…第１の短距離検知信号、４２ａ…入力信号、４４…第２の短距離型変位センサ、４４ａ…第２の短距離検知信号、５０…四角形の枠、６０…処理ユニット、７０…光学システム、７０ａ…画像スタック信号、８０…マップ信号、１００…システム
【図１】
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【図１ａ】
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【図２】
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【図３】
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