(57)【要約】【課題】  計測対象物の計測対象領域における位相情報を再生することにより、対象物の形状を計測する方法および形状計測装置の提供。【解決手段】  位相情報を再生するのに必要な回折条件の異なる複数の回折像を得て、それらの回折像を解析することにより、対象物の形状を計測する方法および装置であって、対象物に、単色光を照射する単色光照射工程と、前記単色光を照射したときの対象物の回折像を、撮像手段により撮像する回折像撮像工程と、前記撮像手段と対象物の間の光路長を変更する、光路長変更工程と、前記回折像撮像工程により撮像した複数の回折像を、位相再生法により解析する解析工程とからなることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物に光を照射し、その回折像を解析することにより、該対象物の形状を計測する方法であって、
対象物に、単色光を照射する単色光照射工程と、
前記単色光を照射したときの対象物の回折像を、撮像手段により撮像する回折像撮像工程と、
前記撮像手段と対象物の間の光路長を変更する、光路長変更工程と、
前記回折像撮像工程により撮像した複数の回折像を、位相再生法により解析する解析工程と
からなることを特徴とする形状計測方法。
【請求項２】
対象物に光を照射し、その回折像を解析することにより、該対象物の形状を計測する装置であって、
対象物に、単色光を照射する単色光照射手段と、
前記単色光を照射したときの対象物の回折像を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段と対象物の間の距離を変更する、距離変更手段と、
前記撮像手段により撮像した複数の回折像を、位相再生法により解析する解析手段と
からなることを特徴とする形状計測装置。
【請求項３】
対象物に光を照射し、その回折像を解析することにより、該対象物の形状を計測する装置であって、
対象物に、単色光を照射する単色光照射手段と、
前記単色光を照射したときの対象物の回折像を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段と対象物の間に設置された、１個以上の光学反射素子と、
前記１個以上の光学反射素子を移動させる移動手段と、
前記撮像手段により撮像した複数の回折像を、位相再生法により解析する解析手段と
からなることを特徴とする形状計測装置。
【請求項４】
対象物に光を照射し、その回折像を解析することにより、該対象物の形状を計測する装置であって、
対象物に、単色光を照射する単色光照射手段と、
前記単色光を照射したときの対象物の回折像を撮像する、複数の撮像手段と、
前記撮像手段と対象物の間に設置された、１個以上の光分配素子および１個以上の光学反射素子と、
前記複数の撮像手段により撮像した複数の回折像を、位相再生法により解析する解析手段と
からなることを特徴とする形状計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測対象物の計測対象領域における位相情報を再生することにより、対象物の形状を計測する方法および形状計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
物体に光を照射すると回折現象が生じる。この回折像を数学的に解析することにより物体の元の像を得ることが可能である。つまり、単色光を対象物に照射して発生した回折像を、対象物と撮像手段の間の距離値を変えて複数取得し、それらの複数の回折像を数学的に解析することによって対象物の形状情報を得るものである。
【０００３】
しかし、撮像手段によって観測できる回折像の情報は回折光の強度成分のみであり、対象物の形状情報を得るためには、回折光の位相成分が必要である。この位相成分を得る方法は、これは位相再生法または位相回復法と呼ばれていて、複数の回折像や元の像の画像を使い、位相情報を復活させる技術である。
【０００４】
位相再生法のひとつであるＧｅｒｃｈｂｅｒｇ−Ｓａｘｔｏｎの方法（ＧＳ法）は、回折画像に回折前の元画像による制限を加えることで位相再生を実現している。
【０００５】
つまり、ＧＳ法の手順は以下の［ａ］〜［ｄ］の通りである。
［ａ］元画像に任意位相を与えてフーリエ変換を行って、仮回折像（仮像）を算出する。
［ｂ］得られた仮像の位相成分を抽出して、回折像に与え、逆フーリエ変換する。
［ｃ］逆フーリエ変換すると、計算画像が得られるのでその位相成分を抽出する。
［ｄ］計算画像の位相成分を元画像に与えて、［ａ］に戻る。
このループを繰り返し、収束に至ったところでループを抜けるという方法である（非特許文献１参照）。
【０００６】
またＦｉｅｎｕｐは、回折像に非負性および周波数制限や画像広がり制限などの条件を付加することによって位相再生を実現している。このＦｉｅｎｕｐの方法では、元画像が必要なく１つの回折像から位相再生が可能な場合がある。
【０００７】
Ｆｉｅｎｕｐの方法は、回折像のみを取得しこれを逆変換、各種制限を加え変換というループを用いる。変換は回折画像を取得する撮像素子と被検査体との距離によって異なる手法となり、元画像近くで取得したときはＦｒｅｓｎｅｌ変換、遠いときはＦｏｕｒｉｅｒ変換となる。（非特許文献２参照）
【０００８】
しかし周波数制限や画像広がり制限などの条件は、対象物の形状によって異なるために半ば経験的に求める場合が多く、必ずしも定量的に求められたものではないという問題点があった。
【０００９】
Ｆｉｅｎｕｐの方法を発展させたＰｅｄｒｉｎｉらの方法では、位相再生の精度を上げるために複数の回折像を用いる方法を提案している。この方法は周波数制限などの経験的条件設定が不必要で、かつ元画像も必要でないにもかかわらず、非常に高い精度で位相再生が可能である。
【００１０】
このＰｅｄｒｉｎｉらの方法により位相成分を求める場合のアルゴリズムの一例を、図６に示す。
【００１１】
まず、対象物と撮像手段との間の距離をｄ１およびｄ２にして、実測回折像Ｕ１およびＵ２を得る（Ｓ１）。次に回折像Ｕ１を距離（ｄ２−ｄ１）についてフレネル変換を行い、計算回折像Ｕ２’を計算によって得る（Ｓ２）。その計算回折像Ｕ２’の位相成分のみを抽出して実測回折像Ｕ２と組み合わせて、計算回折像Ｕ２”を得る（Ｓ３）。
【００１２】
さらに計算回折像Ｕ２”  を距離（ｄ１−ｄ２）についてフレネル変換を行い、計算回折像Ｕ１’を得て（Ｓ４）、Ｕ１’の位相成分を抽出して実測回折像Ｕ１と組み合わせて計算回折像Ｕ１”を得る（Ｓ５）。ここでＵ１とＵ１”が収束しているかどうかを評価し（Ｓ６）、収束していなかったら、Ｕ１”を距離（ｄ２−ｄ１）についてフレネル変換（Ｓ７）してＵ２’を再び得て、Ｓ３に戻る。
【００１３】
以上の手順を繰り返すことにより、Ｕ１とＵ１”が収束したら、Ｕ１”を距離（−ｄ１）についてフレネル変換（Ｓ８）すれば、対象物の形状情報が得られる（Ｓ９）。
【００１４】
以下に先行技術文献を示す。
【非特許文献１】Ｒ．Ｗ．Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ，Ｎａｔｕｒｅ，２４０，４０４（１９７２）
【非特許文献２】Ｊ．Ｒ．Ｆｉｅｎｕｐ，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ，２１，２７５８（１９８２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上述のように、位相再生法において必要となるのは回折条件の異なる複数の回折像である。本発明は、位相再生法において必要となる回折条件の異なる複数の回折像を得て、対象物の形状を計測する方法および装置に関するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
回折条件の異なる複数の回折像を得るためには、対象物と撮像手段の間の光学的な距離あるいは使用する照射光の波長を変えてやればよい。本発明では、対象物と撮像手段の間の光学的な距離を変えて、回折条件の異なる回折像を得て位相再生を行い、形状計測する方法および装置を提供する。
【００１７】
請求項１にかかる発明は、対象物に光を照射し、その回折像を解析することにより、該対象物の形状を計測する方法であって、
対象物に、単色光を照射する単色光照射工程と、
前記単色光を照射したときの対象物の回折像を、撮像手段により撮像する回折像撮像工程と、
前記撮像手段と対象物の間の光路長を変更する、光路長変更工程と、
前記回折像撮像工程により撮像した複数の回折像を、位相再生法により解析する解析工程と
からなることを特徴とする形状計測方法である。
【００１８】
本発明における形状計測方法は、撮像手段と対象物の間の光路長を変えて、対象物の回折像を撮像することにより、回折条件の異なる複数の回折像を得て位相再生法により解析を行い、対象物の形状を測定することが出来る。
【００１９】
請求項２にかかる発明は、対象物に光を照射し、その回折像を解析することにより、該対象物の形状を計測する装置であって、
対象物に、単色光を照射する単色光照射手段と、
前記単色光を照射したときの対象物の回折像を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段と対象物の間の距離を変更する、距離変更手段と、
前記撮像手段により撮像した複数の回折像を、位相再生法により解析する解析手段と
からなることを特徴とする形状計測装置である。
【００２０】
本発明における形状計測装置では、撮像手段と対象物の間の距離を変えて、対象物の回折像を撮像することにより、回折条件の異なる複数の回折像を得て位相再生法により解析を行い、対象物の形状を測定することが出来る。
【００２１】
請求項３にかかる発明は、対象物に光を照射し、その回折像を解析することにより、該対象物の形状を計測する装置であって、
対象物に、単色光を照射する単色光照射手段と、
前記単色光を照射したときの対象物の回折像を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段と対象物の間に設置された、１個以上の光学反射素子と、
前記１個以上の光学反射素子を移動させる移動手段と、
前記撮像手段により撮像した複数の回折像を、位相再生法により解析する解析手段と
からなることを特徴とする形状計測装置である。
【００２２】
本発明における形状計測装置では、撮像手段と対象物の間に１個以上の光学反射素子を設置して、移動手段により前記１個以上の光学反射素子を移動させることにより、撮像手段と対象物の間の光路長を変える。そこで対象物の回折像を撮像することにより、回折条件の異なる複数の回折像を得て位相再生法により解析を行い、対象物の形状を測定することが出来る。
【００２３】
請求項４にかかる発明は、対象物に光を照射し、その回折像を解析することにより、該対象物の形状を計測する装置であって、
対象物に、単色光を照射する単色光照射手段と、
前記単色光を照射したときの対象物の回折像を撮像する、複数の撮像手段と、
前記複数の撮像手段と対象物の間に設置された、１個以上の光分配素子および１個以上の光学反射素子と、
前記複数の撮像手段により撮像した複数の回折像を、位相再生法により解析する解析手段と
からなることを特徴とする形状計測装置である。
【００２４】
本発明における形状計測装置では、複数の撮像手段と対象物の間に１個以上の光分配素子および１個以上の光学反射素子を設置することにより、光路長が互いに異なる回折像を前記複数の撮像手段で撮像することにより、回折条件の異なる複数の回折像を得て位相再生法により解析を行い、対象物の形状を測定することが出来る。
【発明の効果】
【００２５】
本発明における形状計測方法および形状計測装置では、撮像手段と対象物の間の光路長を変えて、対象物の回折像を撮像することにより、回折条件の異なる複数の回折像を得て位相再生法により解析を行い、対象物の形状を測定することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の形状計測装置の第１実施形態を示す概略構成図である。
【００２７】
単色光光源１１は、対象物３に照射するための照射光となる単色光１を発生させる。単色光光源１１としては、白色光の光源にバンドパスフィルターを組み合わせたものや、レーザー光源を用いることができるが、本実施形態ではレーザー光源を使用した。
【００２８】
２１はビームエキスパンダーであり、単色光１のスポット径を広げて、対象物に単色光１が当たる領域を広げるために設置されるものである。単色光１のスポット径が、最初から対象物の計測作業に十分な程度に大きい場合は設置しなくてもよい。
【００２９】
ビームエキスパンダー２１の後には、シリンドリカルレンズ対２２が設置される。単色光１のスポット径は、ビームエキスパンダー２１によりいったん広げられた後に、シリンドリカルレンズ対２２により１方向のみ押し縮められ、対象物３の直線状の領域に照射光が当たるようになる。
【００３０】
２３は光学反射素子であり、シリンドリカルレンズ対２２を通過後の単色光１を反射して対象物７に照射する。光学反射素子２３としては、ミラー、プリズムなどを使用することができる。本実施形態では装置のサイズを小さくするために光学反射素子２３を用いて照射光の光路を曲げることを行ったが、単色光１を直接に対象物３に照射できる場合は設置しなくても良い。
【００３１】
４１は１次元的な領域を撮像できる撮像手段で、撮像素子を用いたカメラである。本実施形態ではカメラ４１としてＣＣＤラインセンサカメラを使用したが、他の撮像素子によるカメラでもかまわない。また、２次元的な領域を撮像できるカメラを使用して撮像し、得られた画像データの１次元的な領域を取り出して使用するという方式でもかまわない。
【００３２】
カメラ４１は、単色光１が対象物３に照射されて、反射または透過した光を撮像し、データとして解析手段５に送る。カメラ４１から送られてくるデータは１枚の画像のうちの１ライン分ずつであり、解析手段５はそのデータを記憶手段５１に順次記憶していく。また、演算手段５２は記憶手段５１に記憶されたデータを使って位相再生法による演算を行う。
【００３３】
７はカメラ４１と対象物３の間の距離を変更する距離変更手段であり、カメラ４１を保持しつつ対象物３に対して垂直方向に移動させたり静止させたりする。距離変更手段７としては、電動または手動の光学ステージや直動レールとアクチュエーターの組み合わせなどを利用することができる。
【００３４】
カメラ４１と対象物３の間の距離は、図示せぬ距離測定手段によって測定される。距離測定方法としては、カメラ４１にレーザー変位計を取り付けて測定したり、距離変更手段７の移動量（電動ステージの場合は電気パルス数から換算するなど）から求めたりすることが出来る。
【００３５】
次に、本実施形態の形状計測装置の動作を説明する。まず、単色光光源１１からの単色光１は、対象物３の直線状の領域に照射されている状態である。距離変更手段７は、カメラ４１と対象物３の間の光路長がｄ１になる位置に、カメラ４１を移動させてから静止する。
【００３６】
ここで、カメラ４１により撮像を行うと、データとして１次元の回折像６１０を得ることができる。１次元の回折像６１０はデータとして解析手段５に送られ、記憶手段５１に記憶される。
【００３７】
次に、距離変更手段７は、カメラ４１と対象物３の間の光路長がｄ２になる位置に、カメラ４１を移動させてから静止する。ここでカメラ４１により撮像を行うと、データとして１次元の回折像６２０を得ることができる。１次元の回折像６２０はデータとして解析手段５に送られ、記憶手段５１に記憶される。
【００３８】
演算手段５２は、これらの１次元の回折像６１０、６２０および光路長ｄ１およびｄ２の値を使って位相再生法による演算を行ってデータ６５０を得て、記憶手段５１に記憶させる。得られたデータ６５０は、対象物３の元の像をあらわす１次元のデータとなっている。
【００３９】
以上に述べた一連の動作が完了したら、図示せぬ対象物移動機構により対象物３を適宜量移動させ、計測箇所を変えてまた同じ一連の動作を行う。これを繰り返すことにより、対象物３の必要な領域について形状計測を行う。
【００４０】
このように１次元の回折像６１０、６２０の撮像を繰り返すことにより、記憶手段５１上では、２次元の回折像の画像データ６１、６２を構成することが出来る。また同様に、１次元のデータ６５０を得るための位相再生法による演算を繰り返すことにより、元の像をあらわす２次元の画像データ６５を得ることができる。
【００４１】
図２は、本発明の形状計測装置の第２実施形態を示す概略構成図である。
本実施形態は前述の第１実施形態と、構成が共通である箇所があるので、構成が相違している箇所を中心に説明する。
【００４２】
単色光１、単色光光源１１、ビームエキスパンダー２１、シリンドリカルレンズ対２２、光学反射素子２３、カメラ４１、解析手段５の、性質、機能、配置および動作は第１実施形態と同様である。
【００４３】
撮像手段と対象物の間には、光路長変更手段８を構成する４個の光学反射素子８１〜８４が設置され、光路長変更手段８によって対象物３からの光は順次反射されて、カメラ４１に入射する。光学反射素子８１〜８４としては、鏡またはプリズムを使用することが出来る。
【００４４】
前記４個の光学反射素子のうち、８２および８３は、図示せぬ光学反射素子移動手段によりそれぞれ８２’および８３’の位置に平行移動することが出来るようになっている。光学反射素子移動手段は、カメラ４１と対象物３の間の光路長がｄ１になる位置に、８２および８３を移動させてから静止する。
【００４５】
ここで、カメラ４１により撮像を行うと、データとして１次元の回折像６１０を得ることができる。１次元の回折像６１０はデータとして解析手段５に送られ、記憶手段５１に記憶される。
【００４６】
次に、図示せぬ光学反射素子移動手段は、カメラ４１と対象物３の間の光路長がｄ２になる位置８２’および８３’に移動させてから静止する。ここでカメラ４１により撮像を行うと、データとして１次元の回折像６２０を得ることができる。１次元の回折像６２０はデータとして解析手段５に送られ、記憶手段５１に記憶される。
【００４７】
演算手段５２は、これらの１次元の回折像６１０、６２０および光路長ｄ１およびｄ２の値を使って位相再生法による演算を行ってデータ６５０を得て、記憶手段５１に記憶させる。得られたデータ６５０は、対象物３の元の像をあらわす１次元のデータとなっている。
【００４８】
以上に述べた一連の動作が完了したら、図示せぬ対象物移動機構により対象物３を適宜量移動させ、計測箇所を変えてまた同じ一連の動作を行う。これを繰り返すことにより、対象物３の必要な領域について形状計測を行う。
【００４９】
このように１次元の回折像６１０、６２０の撮像を繰り返すことにより、記憶手段５１上では、２次元の回折像の画像データ６１、６２を構成することが出来る。また同様に、１次元のデータ６５０を得るための位相再生法による演算を繰り返すことにより、元の像をあらわす２次元の画像データ６５を得ることができる。
【００５０】
図３は、本発明の形状計測装置の第３実施形態を示す概略構成図である。
本実施形態は前述の第１および第２実施形態と、構成が共通である箇所があるので、構成が相違している箇所を中心に説明する。
【００５１】
単色光１、単色光光源１１、ビームエキスパンダー２１、シリンドリカルレンズ対２２、光学反射素子２３、解析手段５の、性質、機能、配置および動作は第１および第２実施形態と同様である。
【００５２】
本実施形態では、撮像手段としてカメラ４１およびカメラ４２の２台のカメラを用いる。カメラ４１および４２と対象物の間には、光分配素子９１および光学反射素子９２を配置する。光分配素子９１および光学反射素子９２が図３のように設置されることにより、２台のカメラ４１および４２は、対象物３の同じ位置を、光路長を変えて同時に撮像することが可能となる。
【００５３】
例えば、カメラ４１では光路長ｄ１での撮像を行って１次元の回折像６１０を得て、カメラ４２では光路長ｄ２での撮像を行って１次元の回折像６２０を得るようにすれば、それ以降の動作は第１および第２実施形態と同様となる。
【００５４】
本実施形態では、カメラや光学素子の移動が不必要なので、撮像が効率よく行えるという利点がある。
【００５５】
以上で説明した第１〜３の実施形態では、対象物３に照射光を当てる領域を直線状とし、その領域を１次元的に撮像するようにしている。しかし、シリンドリカルレンズ対２２を使用しないことにより照射光を当てる領域を２次元的にし、さらに２次元的な領域を撮像できるカメラで撮像して、１回の撮像で２次元的な回折像の画像を得るようにすることも可能である。
【００５６】
ただし、その場合には、元の像をあらわす２次元の画像データ６５を得るための演算の計算量が多くなってしまう。これは、解析にはフレネル変換またはフーリエ変換を使用するが、どちらの変換も取得画像の１画素ごとの組み合わせで計算を行うため、取得画像の画素数が増えれば増えるほど計算負荷が増えるという性質があるためである。
【００５７】
例としてｎ×ｎ画素のカメラで画像を撮像した場合、撮像画像の１画素あたりｎ×ｎ回の計算が必要なのでトータルでｎの４乗回の計算が必要である。これに対し１×ｎ画素のラインカメラの場合は、撮像画像（１ライン分）の１画素あたり１×ｎ回の計算で済み、ｎライン分撮像を行っても、ｎの３乗回の計算で済む。
【００５８】
従って、画像の撮像を１次元で行うか２次元で行うかは、必要な撮像領域の大きさ、撮像回数、演算量を考慮して選択すればよい。
【００５９】
また、以上で説明した、第１〜３実の実施形態では、単色光光源１１とカメラ４１および４２は対象物３の互いに異なる面の側にあり、カメラ４１および４２は対象物３からの透過光を撮像する配置になっている。しかし、単色光光源１１とカメラ４１および４２を対象物３の同じ面の側に配置し、カメラ４１および４２が対象物３からの反射光を撮像することも可能である。
【実施例１】
【００６０】
本実施１として、直径８００μｍのピンホールを対象物とした場合を示す。単色光光源はヘリウム−ネオンレーザー（波長６３３ｎｍ）を使用した。撮像手段として、画素数２５６個、セルサイズ７．６μｍ×７．６μｍの、ＣＣＤラインセンサカメラを使用した。
【００６１】
単色光光源よりでたレーザー光はシリンドリカルレンズ対で線上にし、これをミラーで反射させ裏面より被検査体に照射し、その回折光をカメラで観測した。対象物は１ライン撮像ごとに適宜量ずつ移動させて回折像を得た。
【００６２】
図４に撮像画像を示す。また、図４の画像に１次元回折モデルを適用し再生した元の像を図５に示す。対象物としたピンホールの孔の右側の縁には小さな異物が付着していたが、図５ではその異物が写っているのがわかる。また、図５の孔の縁の周辺に薄いモヤ状のノイズが写っているのは、被検査体が有限の厚さを持っていることと、計算誤差によるものと思われる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の第１実施形態を示す概略構成図
【図２】本発明の第２実施形態を示す概略構成図
【図３】本発明の第３実施形態を示す概略構成図
【図４】ピンホールを対象物とした回折像の画像
【図５】図４をもとに、位相再生法による演算で得た、対象物の元の像を示す画像
【図６】位相再生法のアルゴリズム
【符号の説明】
【００６４】
１・・・単色光
１１・・単色光１を発生する単色光光源
２１・・・・・・ビームエキスパンダー
２２・・・・・・シリンドリカルレンズ対
２３・・・・・・光学反射素子
３・・・・・・・対象物
４１、４２・・・撮像手段
５・・・・・・・解析手段
５１・・・・・・記憶手段
５２・・・・・・演算手段
４１０・・・・・光路長ｄ１での１次元の回折像のデータ
４２０・・・・・光路長ｄ２での１次元の回折像のデータ
４５０・・・・・位相再生法の演算によって得られた１次元のデータ
６１・・・・・・光路長ｄ１での回折像を、２次元画像データにまとめたもの
６２・・・・・・光路長ｄ２での回折像を、２次元画像データにまとめたもの
４５・・・・・・位相再生法による演算によって得られた２次元画像データ
７・・・・・・・距離変更手段
８・・・・・・・光路長変更手段
８１〜８４・・・光学反射素子
８２’、８３’・・光学反射素子８２、８３を移動させる位置
９１・・・・・・光分配素子
９２・・・・・・光学反射素子
【図６】
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【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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