(57)【要約】  本発明は、参照面に対する反射物体の高さプロファイルを測定する干渉方法及びシステムを提供する。本方法は、鏡面反射軸に沿って物体の画像を取得するステップを含む。その画像は投影軸に沿って物体に投影された強度パターンに対応し、鏡面反射軸は、強度パターンの一部分が物体で鏡面反射される方向に対応する。そして本方法は、その画像を用いて物体の位相を算出するステップと、その物体の位相及び参照面に関する参照位相を用いて高さプロファイルを求めるステップを含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
参照面に対して物体の高さプロファイルを求める干渉方法であって、
投影軸に沿って前記物体上に投影された強度パターンに対応する前記物体の画像を、前記強度パターンの一部が前記物体により鏡面反射される方向に対応する鏡面反射軸に沿って取得するステップと、
前記画像を用いて物体の位相を算出するステップと、
前記物体の位相と前記参照面に関する参照位相を用いて、前記高さプロファイルを求めるステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記強度パターンは、正弦波パターンを含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記強度パターンは、可視光に強度を持つ請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記物体の位相を算出するステップは、
スペクトルを提供するために前記画像の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を実行するステップと、
実数成分と虚数成分を提供するために前記スペクトルの選択された部分の逆ＦＦＴを実行するステップと、
前記実数成分と虚数成分を用いて前記物体の位相を求めるステップと、
を含む請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記鏡面反射軸に沿って、前記物体に投影された第２の強度パターンに対応する、前記物体の第２の画像を少なくとも一つ取得するステップをさらに含み、
前記物体の位相はさらに前記第２の画像を用いて算出される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記強度パターンは、互いに対して位相シフトされた複数の強度パターンを有する請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記強度パターンは、異なるスペクトル帯域幅を持つ複数の強度パターンを有する請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記高さプロファイルは前記物体のレリーフマップを有し、前記物体の位相は前記レリーフマップを求めるための物体位相マップを有する、請求項１〜７の何れか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記レリーフの外形形状を評価するステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記レリーフの前記外形の体積を評価するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記物体は、反射物体である請求項１〜１０の何れか一項に記載の方法。
【請求項１２】
参照面に対して物体の高さプロファイルを求める干渉方法であって、
最適な結像構成を提供するために、投影軸及び検出軸に対する前記物体の向きと、前記物体に対する前記検出軸の向きの少なくとも一つを最適化するステップであって、前記物体の表面が実質的に反射する場合、前記最適な結像構成は、投影された強度パターンの少なくとも一部分の前記表面による鏡面反射を前記検出軸に沿って提供する構成に対応し、前記物体の表面が実質的に拡散する場合、前記最適な結像構成は、前記投影された強度パターンの一部分も前記表面による鏡面反射を前記検出軸に沿っては提供されない構成に対応し、
前記最適な結像構成において、前記投影軸に沿って前記物体上に投影された強度パターンに対応する前記物体の画像を、前記検出軸に沿って取得するステップと、
前記画像を用いて物体の位相を算出するステップと、
前記物体の位相と前記参照面に関する参照位相を用いて、前記高さプロファイルを求めるステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１３】
前記強度パターンは、正弦波パターンを含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記強度パターンは、可視光に強度を持つ請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記最適化するステップは、前記最適な構成が見つかるまで前記物体と前記検出軸の少なくとも一つの向きを走査する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記最適化するステップは、前記投影された強度パターンの少なくとも一部分の前記表面による前記鏡面反射を前記検出軸に沿って提供する第１の結像構成と、前記投影された強度パターンの一部分の前記表面による前記鏡面反射も前記検出軸に沿っては提供しない第２の結像構成との間で選択するステップを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記最適化するステップは、前記物体の光学的性質についての事前知識を用いることによって、前記投影軸に対する前記検出軸の向き及び両軸に対する前記物体の向きを前記最適な結像構成に設定する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
前記最適化を自動的に実行するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
前記物体の位相を算出するステップは、
スペクトルを提供するために前記画像の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を実行するステップと、
実数成分と虚数成分を提供するために前記スペクトルの選択された部分の逆ＦＦＴを実行するステップと、
前記実数成分と虚数成分を用いて前記物体の位相を求めるステップと、
を含む請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】
前記最適な結像構成において、前記検出軸に沿って、前記物体に投影された第２の強度パターンに対応する、前記物体の第２の画像を少なくとも一つ取得するステップをさらに含み、
前記物体の位相はさらに前記第２の画像を用いて算出される、請求項１２に記載の方法。
【請求項２１】
前記強度パターンは、互いに対して位相シフトされた複数の強度パターンを有する請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記強度パターンは、異なるスペクトル帯域幅を持つ複数の強度パターンを有する請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記高さプロファイルは前記物体のレリーフマップを有し、前記物体の位相は前記レリーフマップを求めるための物体位相マップを有する、請求項１２〜２２の何れか一項に記載の方法。
【請求項２４】
前記レリーフの外形形状を評価するステップをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記レリーフの前記外形の体積を評価するステップをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
参照面に対して物体の高さプロファイルを求める干渉方法であって、
投影軸に沿って前記物体上に投影された強度パターンに対応する前記物体の鏡面画像を、前記強度パターンの一部が前記物体により鏡面反射される方向に対応する鏡面反射軸に沿って取得するステップと、
前記投影軸に沿って前記物体上に投影された前記強度パターンに対応する前記物体の非鏡面画像を、前記鏡面反射軸と異なる方向を向いた検出軸に沿って取得するステップと、
前記鏡面画像の一部分と前記非鏡面画像の一部分の少なくとも一つを用いて物体の位相を算出するステップと、
前記物体の位相と前記参照面に関する参照位相を用いて、前記高さプロファイルを求めるステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２７】
前記強度パターンは、正弦波パターンを含む請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記強度パターンは、可視光に強度を持つ請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記物体の位相を算出するステップは、前記物体の位相が定められた全体画像において前記鏡面画像と前記非鏡面画像を結合するステップを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項３０】
前記物体の位相を算出するステップは、前記鏡面画像を用いて第１の位相を定め、前記非鏡面画像を用いて第２の位相を定め、前記第１の位相と前記第２の位相を結合して物体の位相を提供するステップを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項３１】
前記物体の位相を算出するステップは、
スペクトルを提供するために、前記鏡面画像の一部分及び前記非鏡面画像の一部分、又は前記一部分の組み合わせの少なくとも一つの高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を実行するステップと、
実数成分と虚数成分を提供するために前記スペクトルの選択された部分の逆ＦＦＴを実行するステップと、
前記実数成分と虚数成分を用いて前記物体の位相を求めるステップと、
を含む請求項２６に記載の方法。
【請求項３２】
前記鏡面反射軸に沿って、前記物体に投影された第２の強度パターンに対応する、前記物体の第２の鏡面画像を少なくとも一つ取得するステップと、
前記鏡面反射とは異なる方向を向いた前記検出軸に沿って、前記物体に投影された前記第２の強度パターンに対応する、前記物体の第２の非鏡面画像を少なくとも一つ取得するステップとをさらに含み、
前記物体の位相はさらに前記第２の鏡面画像の一部分と前記第２の非鏡面画像の一部分の少なくとも一つを用いて算出される、請求項２６に記載の方法。
【請求項３３】
前記強度パターンは、互いに対して位相シフトされた複数の強度パターンを有する請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記強度パターンは、異なるスペクトル帯域幅を持つ複数の強度パターンを有する請求項３２に記載の方法。
【請求項３５】
前記高さプロファイルは前記物体のレリーフマップを有し、前記物体の位相は前記レリーフマップを求めるための物体位相マップを有する、請求項２６〜３４の何れか一項に記載の方法。
【請求項３６】
前記レリーフの外形形状を評価するステップをさらに含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記レリーフの前記外形の体積を評価するステップをさらに含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記鏡面画像と前記非鏡面画像のそれぞれにおいて、対応する前記物体の座標を取得するステップと、
前記高さプロファイルを求めるステップにおいて使用されるアルゴリズムを選択するために、前記対応座標を使用するステップと
をさらに含む請求項２６に記載の方法。
【請求項３９】
前記高さプロファイルを求めるステップは、
前記鏡面画像と前記非鏡面画像の各タイプについての物体の位相を個別に使用して、鏡面高さプロファイルと非鏡面高さプロファイルを取得するステップと、
前記鏡面高さプロファイルと前記非鏡面高さプロファイルを結合して前記高さプロファイルを求めるステップと、
を含む請求項２６に記載の方法。
【請求項４０】
物体の高さプロファイルを求める干渉システムであって、
投影軸に沿って前記物体に強度パターンを投影するパターン投影部と、
前記強度パターンの一部分が前記物体によって鏡面反射される方向に対応する検出軸に沿って、前記物体の少なくとも一つの画像を取得する検出部と、
前記少なくとも一つの画像を用いて前記物体の位相を定め、前記物体の位相及び参照位相を用いて前記物体の高さプロファイルを求めるプロセッサと、
を有することを特徴とするシステム。
【請求項４１】
前記パターン投影部は、照明部と、パターンと、前記強度パターンを提供するための光学素子を有する、請求項４０に記載のシステム。
【請求項４２】
前記検出部は、検出デバイスと、前記物体を特徴付ける前記画像を取得する光学デバイスとを有する、請求項４０に記載のシステム。
【請求項４３】
前記検出部は、ＣＣＤカメラを有する請求項４２に記載のシステム。
【請求項４４】
前記投影軸及び前記検出軸に対して前記物体の向きを最適化する物体方向決定手段をさらに有する、請求項４０〜４２の何れか一項に記載のシステム。
【請求項４５】
前記投影軸に対して前記検出軸の向きを最適化する検出軸方向決定手段をさらに有する、請求項４０〜４２の何れか一項に記載のシステム。
【請求項４６】
少なくとも一つの前記物体の画像を、前記検出軸とは異なる軸に沿って取得する第２の検出部をさらに有する、請求項４０〜４２の何れか一項に記載のシステム。
【請求項４７】
前記プロセッサは、前記物体の位相を定めるための高速フーリエ変換ソフトウェアを有する、請求項４０〜４２の何れか一項に記載のシステム。
【請求項４８】
前記パターン投影部は、投影されるパターンのそれぞれが所定のバンド幅で特徴付けられる、少なくとも二つの位相シフトされた強度パターンを前記物体上に同時に投影する投影部を有し、
前記検出部は、前記物体上の各投影パターンの画像を同時に撮影するための、所定のバンド幅に感度を持つ画像取得装置を有する、請求項４０〜４２の何れか一項に記載のシステム。
【請求項４９】
前記物体に対して、前記強度パターンを選択された位置に配置する移動手段をさらに有する、請求項４０〜４２の何れか一項に記載のシステム。
【請求項５０】
前記プロセッサは、少なくとも前記投影部、前記検出部及び前記移動手段の一つを制御するコントローラをさらに有する、請求項４９に記載のシステム。
【請求項５１】
前記コントローラは、前記強度パターンの第１の投影において第１の画像を取得し、且つ前記第１の投影に対して位相シフトされた、前記強度パターンの第２の投影において第２の画像を取得するように前記移動手段を制御する、請求項５０に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は測定方法及び測定システムに関する。特に、本発明は、反射物体の高速モアレ（Fast Moire）干渉に基づいた３Ｄ高さ測定に関する。
【背景技術】
【０００２】
高速モアレ干渉法（ＦＭＩ）は、構造光の投影と、物体の画像からその物体の３Ｄ情報を抽出する位相シフト法の組み合わせに基づいている。図１は、そのような方法を可能とするＦＭＩシステムの例を表す。
【０００３】
図１に示すように、ＦＭＩ法は、検査される物体により拡散された検出光に基づいている。構造光が、検出軸に対して角度θだけ傾けられた投影軸に沿って物体に投影され、実質的に物体の表面に対して垂直な検出軸に沿って拡散された光は、物体の画像を提供するために測定される。しかし、反射物体の場合、物体に投影される構造光は、図１の検出軸に対応する方向ではなく、その殆どが（鏡のように）投影光の鏡面反射に対応する方向に沿って反射される。そのため、カメラの方に向かう光は存在せず（あるいは、非常に少なく）、そのことが、そのような光沢のある物体の検査を非常に困難にしている。
【０００４】
したがって、反射物体の３Ｄ画像を得る方法及びＦＭＩシステムが必要とされている。
【発明の開示】
【０００５】
一つの観点において、本発明は反射物体の高さプロファイルを測定する干渉方法及びシステムを提供する。
【０００６】
本発明は、参照面に対して物体の高さプロファイルを求める干渉方法を提供する。係る方法は、投影軸に沿って物体上に投影された強度パターンに対応する物体の画像を、強度パターンの一部が物体により鏡面反射される方向に対応する鏡面反射軸に沿って取得するステップを含む。そして、係る方法は、その画像を用いて物体の位相を算出するステップと、物体の位相と参照面に関する参照位相を用いて、高さプロファイルを求めるステップを含む。
【０００７】
さらに、本発明は、参照面に対して物体の高さプロファイルを求める干渉方法を提供する。係る方法は、最適な結像構成を提供するように、投影軸及び検出軸に対する物体の向き、及び物体に対する検出軸の向きの少なくとも一つを最適化するステップを含む。ここで、最適な結像構成は、物体の表面が実質的に反射する場合において、その表面による、投影強度パターンの少なくとも一部分の鏡面反射を検出軸に沿って提供する構成に対応する。またその最適な構成は、物体の表面が実質的に拡散する場合において、その表面による、投影強度パターンの一部分の鏡面反射も検出軸に沿って提供されない構成に対応する。また係る方法は、その最適な結像構成において、検出軸に沿って物体の画像を取得するステップを含む。その画像は、投影軸に沿って物体に投影された強度パターンに対応する。さらに係る方法は、その画像を用いて物体の位相を算出するステップと、その物体の位相及び参照面に関する参照位相を用いて高さプロファイルを求めるステップを含む。
【０００８】
上記の方法は、物体のレリーフマップを求めるステップを含むことが好ましく、さらにそのレリーフマップから物体の体積を求めるステップを含むことが好ましい。
【０００９】
さらに、本発明は、参照面に対して物体の高さプロファイルを求める干渉方法を提供する。係る方法は、鏡面反射軸に沿って物体の鏡面画像を取得するステップを含む。その鏡面画像は、投影軸に沿って物体に投影された強度パターンに対応し、鏡面反射軸は、強度パターンの一部分が物体によって鏡面反射される方向に対応する。また係る方法は、鏡面反射軸と異なる方向を向いた検出軸に沿って物体の非鏡面画像を取得するステップを含む。その非鏡面画像は、投影軸に沿って物体に投影された強度パターンに対応する。さらに係る方法は、鏡面画像の一部分と非鏡面画像の一部分の少なくとも何れかを用いて物体の位相を算出するステップと、その物体の位相及び参照面に関する参照位相を用いて高さプロファイルを求めるステップを含む。
【００１０】
物体の位相を算出するステップは、物体の位相が定められた全体像における鏡面画像と非鏡面画像を結合するステップを含むことが好ましい。また、鏡面画像を用いて第１の位相を定め、非鏡面画像を用いて第２の位相を定め、第１の位相と第２の位相を結合して物体の位相を提供するステップを含む。
【００１１】
さらに、本発明は、物体の高さプロファイルを求める干渉システムを提供する。係るシステムは、投影軸に沿って物体に強度パターンを投影するパターン投影部と、検出軸に沿って物体の少なくとも一つの画像を取得する検出部とを有する。その検出軸は、その強度パターンの一部分が物体によって鏡面反射される方向に対応する。また係るシステムは、少なくとも一つの画像を用いて物体の位相を定め、その物体の位相及び参照位相を用いて物体の高さプロファイルを求めるプロセッサを有する。
【００１２】
また係るシステムは、投影軸及び検出軸に対して物体の向きを最適化する物体方向決定手段を有することが好ましく、投影軸に対して検出軸の向きを最適化する検出軸方向決定手段を有することが好ましい。また係るシステムは、検出軸とは異なる軸に沿って物体の少なくとも一つの画像を取得する第２の検出部を有することが好ましい。また、物体に関して強度パターンを選択された位置に配置する移動手段を有することが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本願は、２００４年１０月１３日に出願された、米国特許出願第１０／９６２４４４号について優先権を主張し、その明細書は参照としてここに組み込まれる。
【００１４】
本発明を容易に理解するために、実施態様は添付の図面において例示として示される。本発明のさらなる詳細及びその利点は、以下の詳細な説明より明らかとなろう。
以下の実施態様の説明において、添付の図面は、本発明が実践される例を示すために参照される。開示された発明の範囲から離れることなく、他の実施態様を形成することもできることを理解されたい。
【００１５】
本発明の一つの実施態様では、例えば、金属反射コーティングを施された物体のような、実質的な反射物体の高さプロファイルを、高速モアレ位相ステッピング法（ＦＭＩ）を用いて測定する。
【００１６】
ＦＭＩ法では、物体の画像が撮影され、この画像から、物体の高さプロファイルによる画像の各点における強度変動を評価することにより、３Ｄ情報が抽出される。対応する直交座標系x'y'z'のz'軸に沿って測定されるような、物体の高さプロファイル情報h'(x',y')は、z'軸に沿って測定された画像の強度変動I(x',y')と関連する位相マップφobject(x',y')において検出することができる。異なる格子を投影して撮影された異なる画像を用いた位相シフト法を使用して、その画像から物体についての位相マップφobject(x',y')と参照面についての位相マップφref(x',y')の両方を求める。周知のように、状況に応じて、位相マップを２枚の画像のみから求めてもよく（これは二つの強度パターンのみを投影することを意味し、各投影パターンは互いに位相シフトしている）、３枚以上の画像から求めてもよい（この場合では、より多くの強度パターンの位相シフトした投影が必要となる）。
【００１７】
一度物体と参照面の位相マップが求められると、その参照面に対する、z'軸に沿った高さプロファイルh'(x',y')=z'object(x',y')-z'ref(x',y')は、画像の各点について、位相値の差δ(x',y')に基づいて以下のように計算される。
【数１】
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ここでkzはz'方向において投影されたグリッドの空間周波数を表し、それはシステムを較正することで求めることができる。
【００１８】
当業者には公知のように、座標系x'y'z'で得られた高さ値h'(x',y')を、既知の座標変換を用いてz軸（物体の法線）に沿った物体の高さh(x,y)に容易に変換できる。
【００１９】
したがって、ＦＭＩ法は何れかの参照面に対する物体の高さプロファイルh(x,y)を測定する能力を提供する。例えば、それは参照平面、または如何なる欠陥もない類似の物体などとすることができる。
【００２０】
図２Ａは、例えば金属反射コーティングを施した物体のような、高反射物体の高さプロファイルの測定にＦＭＩ法を適用した例を表す。例えば格子パターンあるいは正弦波パターンのような強度パターンを、投影軸４０に沿って反射物体に投影する。投影軸４０は、物体の表面の法線と角度θをなす。カメラは、その表面の法線と角度θをなす鏡面反射軸４２に沿って、強度パターンの第１の投影に対応する透過物体の画像を測定する。図２Ａから分かるように、物体の表面は殆ど反射するので、その表面で散乱された光は、鏡面反射軸４２に沿って集中した光散乱ローブ４５を形成する。そのため、反射物体によって散乱された光のほとんどは、この方法でカメラにより検出される。
【００２１】
そして、反射物体上で強度パターンの投影は位相シフトされ、他の画像が撮影される。測定のこのシーケンスは、十分な数の画像が得られるまで繰り返される。これらの画像から、物体の位相マップφobject(x',y')が計算され、上記のように、その位相マップを参照位相マップφref(x',y')と比較して、高さプロファイルh(x,y)が求められる。
【００２２】
これまで、強度パターンの位相シフト（若しくは位相ステッピング）に基づいた、高速モアレ干渉法について説明してきたが、開示された発明の範囲から外れることなく、他の方法を画像から位相マップ情報を抽出するために使用できること、例えば透過物体の位相マップを求めるために高速フーリエ変換の使用するといったことが、当業者には明らかであろう。その場合、１枚の物体の画像のみが物体の位相を求めるために必要とされる。本発明は、反射物体の高さ情報を１枚以上の画像から抽出できる全ての方法を含み、その画像は、構造化された強度（強度パターン）が投影される物体を特徴付ける。
【００２３】
本発明の実施態様により、図３に示すような、実質的な反射物体の高さプロファイルを求める方法１０を説明する。少なくとも一つの強度パターンを物体に投影し（ステップ１１）、少なくとも１枚の画像を鏡面反射軸４２に沿って取得する（ステップ１２）。そして、ステップ１２で得られた画像を用いて、物体の位相マップψobject(x',y')が求められる（ステップ１３）。物体の位相マップψobject(x',y')を参照面に対応する参照位相マップφref(x',y')と比較することにより、物体の高さプロファイルが求められる（ステップ１４）。
【００２４】
高さプロファイルは、物体表面の１点または複数点における高さの測定値であり、物体の断面に沿った測定値、または物体全体の厚みのマップに対応する。
【００２５】
図４Ｂは、二つの位相シフトパターンの投影のみを用いて物体の位相マップψobject(x',y')を求めるときのステップ１１及び１２を、より詳細に説明する。第１の強度パターンの投影（ステップ２８）に対応する、第１の画像を鏡面反射軸４２に沿って取得し（ステップ２５）、そして強度パターンを位相シフトして（ステップ２６）、第２の画像を鏡面反射軸４２に沿って取得する（ステップ２７）。
【００２６】
図４Ａは、ＦＦＴ法を用いたときの、物体の位相マップを求める方法（ステップ１３）をより詳細に説明する。ステップ２１では、ステップ１２で得られた画像の強度値を用いてＦＦＴを実行する。これは、スペクトルを提供し、そのスペクトルから一部が選択される（ステップ２２）。そしてスペクトルの選択された部分について逆ＦＦＴを実行する（ステップ２３）。これは虚数成分と実数成分を提供し、そこから物体の位相マップψobject(x',y')が定められる（ステップ２４）。
【００２７】
物体の検査中、その物体の幾つかの領域はかなり拡散し、一方他の領域はかなり反射することが分かる場合もある。また、物体によっては、幾つかの物が他の物よりも多く拡散するということが生じる場合もある。そのような場合、物体の方向に対して検出軸の相対的な方向を調整できれば非常に有用である。図５Ａ及び図５Ｂに、本発明のこの特別な実施態様を示す。ここでは、方法１０の画像を取得するステップ１２が、画像を取得する（ステップ１８）より前に、物体の表面特性により適した、最適な結像構成を見つける中間ステップ１９を含む。図５Ａでは、最適な結像構成１９は、物体による散乱光の大部分が検出軸に沿うように向けられるまで、物体の向きを変更すること（ステップ１７）により見つけられる。一方、図５Ｂでは、最適な物体の向き１９が見つかるように、検出軸の向きが走査される（ステップ１６）。そのため、表面領域が反射面の場合、最適な結像構成は図２Ａに対応し、検出軸は鏡面反射軸４２と一致する。逆に、表面領域がほとんど拡散する場合、結像構成の最適化は、その構成が図２Ｂに示されたものと同様となり、散乱光の大部分は鏡面軸４２に沿って向かう代わりに非鏡面検出軸４１に沿って向かう。物体の向きを変える（ステップ１７）簡単な方法は、物体をある軸（図示せず）について回転させることであると想定される。
【００２８】
最適な結像構成を見つけること（ステップ１９）を、多数の基準を用いることにより実行できる。上記のように、その基準は、カメラにより検出された信号を最適化するものとすることができる。また、その基準は、飽和していない検出信号を得ることに基づくものであってもよい。何れかの適当な基準を特定の実験的状況に適合させ、使用できることは、当業者にとって明らかであろう。
【００２９】
本発明の一つの実施態様では、鏡面反射軸４２及び非鏡面検出軸４１の両方に沿って検出することが、両構成を活用するために行われる。図６は、この方法５を説明する。鏡面画像を鏡面反射軸４２に沿って取得し（ステップ６）、そして非鏡面画像を他の軸に沿って取得する（ステップ７）。その後、方法１０で既に説明したステップ１３及び１４が続いて、物体の高さプロファイルを提供する。物体の位相を算出すること（ステップ１３）を、物体の位相が定められた全体像における鏡面画像と非鏡面画像を結合することによって実行できる。または、鏡面画像を用いて第１の位相を定め、かつ、非鏡面画像を用いて第２の位相を定め、そして物体の位相を提供するために第１の位相と第２の位相を結合することにより、それを実行してもよい。鏡面画像と非鏡面画像の他の組み合わせも本発明によって想定され、包含されることは当然であり、これらの画像のうちの一つのみを用いることができるものも含む。また、画像の各タイプ（鏡面及び非鏡面）に対応する座標を決定し、高さプロファイルを算出するために最良のアルゴリズムを見つけるために使用することができる。また、最初に各タイプの画像（鏡面及び非鏡面）を個別に使用して高さプロファイルを求め、そして最初に求めた高さを結合して高さプロファイルを得ることもできる。
【００３０】
ここで図７及び図８を参照すると、本発明の実施態様による、参照面２に対して実質的な反射物体３の高さプロファイルを求めるシステム２０が示される。図７では、パターン投影部３０を、物体３の表面１に強度パターンを投影するために使用する。また、信号検出部５０を、物体の画像を取得するために使用することができる。この実施態様では、二つの検出部５０が示され、一つは鏡面反射軸４２に沿って物体３の鏡面画像を取得し、もう一つは非鏡面検出軸４１に沿って物体３の非鏡面画像を取得する。検出部５０は、ＣＣＤカメラ若しくは他の検出デバイスを有する。また検出部５０は、物体上に投影された強度パターンを適切に検出デバイスへ伝達するために、当業者にとって公知の必要な光学部品を有する。パターン投影部３０は、物体３の表面の法線に対して角度θをなす投影軸に沿って強度パターンを投影する。パターン投影部は、例えば、照明部３１、パターン３２及び投影光学系３４を有する。パターン３２は、照明部３１によって照明され、投影光学系３４を用いて物体３上に投影される。そのパターンは、特定のピッチ値ｐを持つグリッドとすることができる。バイナリパターンのような、他の種類のパターンを用いてもよいことは、当業者には明らかであろう。強度パターンの特性は、照明部３１と投影光学系３４の両方を調節することによって調整できる。パターン移動手段３３は、コントロールされた方法で、物体３に対して相対的にパターンをシフトするために使用される。その移動は、メカニカルデバイスによって提供され、または、パターン強度を光学的に移動することによって実行することもできる。他の例では、その移動は電気的に照明パターンを制御することによって生み出される。この移動はコンピュータ６０（図８）によって制御できる。物体に対して相対的にパターンをシフトする可動手段は、物体３の移動とパターン投影部３０の移動を含む。
【００３１】
また、システム２０は、物体方向決定手段３７または検出軸方向決定手段３８の何れかを用いて検出軸４１に対して物体の向きを最適化することもできる。
【００３２】
図８に示すように、検出軸方向決定手段３８及び物体方向決定手段３７を制御するために、コンピュータ６０を備える。また、コンピュータ６０は、パターン投影部３０の拡大率及び位置合わせと検出部５０の位置合わせを制御する。またコンピュータ６０は、移動手段３３も制御する。当然ながら、コンピュータ６０を、検出部５０により取得されたデータから物体の高さマップ６２を算出するために使用する。また、コンピュータ６０を、得られた画像及び対応する位相値６１を保存し、それらを管理するためにも使用する。ソフトウェア６３は、システム動作に柔軟性を加えるために、コンピュータとユーザ間のインターフェースとして機能することもできる。
【００３３】
ソフトウェア６３は、得られた画像から物体の位相を抽出するための必要なアルゴリズムを含む。この情報が画像のＦＦＴ処理を用いて抽出される場合、ソフトウェア６３は、スペクトルを提供するために画像上でＦＦＴを実行するＦＦＴアルゴリズムと、スペクトルの一部分を自動的に選択する選択アルゴリズムと、スペクトルの選択された部分で逆ＦＦＴを実行する逆ＦＦＴアルゴリズムと、逆ＦＦＴから得られる実数成分と虚数成分から位相マップを抽出するアルゴリズムとを含む。
【００３４】
上述した方法１０及びシステム２０を、全反射物体若しくは部分反射物体の高さプロファイルを求めるために使用できる。それらを、モデルとして使用される類似の反射物体との比較において物体上の欠陥を検出したり、物体表面の時間変化を検出するために使用してもよい。全ての場合において、上述した方法１０及びシステム２０は、測定される物体の高さにより、適切な取得解像度及び適切な強度パターンを選択することをさらに含んでもよい。
【００３５】
当然ながら、上述した方法１０を、物体の高さプロファイルを一層ずつ測定するための離散的なステップに適用できる。画像アンラッピング（image unwrapping）とも呼ばれるこの技術は、良好な画像解像度を保つ間、その方法で反射物体の正味の高さを測定することを可能にする。
【００３６】
上述したように、本方法１０及びシステム２０を、例えば金属反射コーティングを施した物体のような、異質の実質的な反射物体の高さプロファイルを求めるために使用することができる。
【００３７】
また、上述した方法１０及びシステム２０を、物体または物体の一部の形状及び体積を求めるために使用することもできる。本方法は、物体の高さについての情報だけでなく、その長さと幅についての情報も提供するからである。本方法は、例えば、半導体の製造に好適に適用することができる。
さらに、本発明の上記の応用の全ては、検査下においてコーティング物体の品質を評価するために使用することもできる。
【００３８】
本発明を、その特定の実施態様を用いてここまで説明してきたが、ここに規定した発明の主題の性質及び精神から離れることなく、修正することができる。本発明の範囲は、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】公知の従来技術である位相ステッピング高速モアレ干渉計（ＦＭＩ）の概略図である。
【図２Ａ】本発明の実施態様による、反射物体の高さプロファイルを測定する位相ステッピングＦＭＩシステムの概略図である。
【図２Ｂ】拡散物体の測定に使用したときの、図２Ａのシステムの概略図である。
【図３】本発明の実施態様による、反射物体の高さプロファイルを求める方法のフローチャートである。
【図４Ａ】本発明の実施態様による、図３の方法のステップ１３のフローチャートである。
【図４Ｂ】本発明の実施態様による、図３の方法のステップ１５のフローチャートである。
【図５Ａ】本発明の実施態様による、反射物体の最適化された結像構成を求める図３の方法のステップ１２のフローチャートである。
【図５Ｂ】本発明の他の実施態様による、反射物体の最適化された結像構成を求める図３の方法のステップ１２のフローチャートである。
【図６】本発明の他の実施態様による、反射物体の高さプロファイルを求める方法のフローチャートである。
【図７】本発明の実施態様による、物体の高さプロファイルを求めるシステムの概略図である。
【図８】本発明の実施態様による、本システムの構成部分とコンピュータ間の関係を示すブロックダイアグラムである。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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