(57)【要約】【課題】  高速で精度を落とさずに、また、低速にすることなく高精度に測定が行える。【解決手段】  共焦点光学系１０を介して得た反射光を光路分割手段２０により二つの光路に分割する。分割された反射光の画像を、タイミング調整手段５１０により取得タイミングを異ならせて画像取得手段４０により取得する。変位量を取得する手段５４０により、共焦点光学系の対物レンズの焦点位置を光軸方向に相対変位させて変位量を取得する。高さ算出手段５３０により、対象物の測定面が焦点位置に達した際における当該対象物の測定面の高さを、画像取得手段において取得した画像に基づいて、変位量を取得する手段において取得された変位量を用いて算出する。【選択図】図２
2005195539.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物に対して対物レンズ系を介して照明光を照射して反射光を得る共焦点光学系と、
前記共焦点光学系を介して得られる、前記対象物からの反射光を少なくとも二つの光路に分割する光路分割手段と、
前記光路分割手段により分割された少なくとも二つの光路のそれぞれに対応して配置され、分割された各光路からの画像を取得する画像取得手段と、
前記分割された各光路において、取得タイミングを異ならせて前記画像取得手段による画像の取得を行わせるタイミング調整手段と、
前記共焦点光学系の前記対物レンズの焦点位置を前記対象物に対して光軸方向に相対変位させると共に、その変位量を取得する手段と、
異なる前記焦点位置毎に前記画像取得手段において取得した画像と前記変位量とに基づいて、前記対象物の測定面の高さを算出する高さ算出手段と、を備えることを特徴とする光学測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光学測定装置において、
前記タイミング調整手段は、前記分割される光路がｎ本である場合に、ｎ本の光路に対応したｎ個の画像取込手段について、１／ｎ周期ずれた取得タイミングにより画像の取込を行わせることを特徴とする光学測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共焦点光学系を利用して高さの測定を行う光学測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
共焦点光学系を利用して高さ測定を行う場合、共焦点光学系を持つヘッドをＺ軸（高さ）方向に変位させて、複数点の共焦点画像を取得することにより高さ測定を行う装置が知られている（特許文献１）。この種の装置では、Ｚ軸（高さ方法）にヘッドを変位させながら、複数の共焦点画像を取得して、撮像したその画像のうち、最も輝度が高い画像が撮像された時のＺ軸の値を用いて高さを測定する。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２-２３６００２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この種の測定においては、Ｚ軸方向の変位中に、複数回測定を行って、反射光の輝度がピークになる点を見つけることによって高さを求める。その際、測定時間を短くするには、Ｚ軸方向の変位速度を大きくする必要がある。ところが、画像を取得する素子として使用されるＣＣＤ等の撮像素子は、一般的にフレームレートが決まっている。そのため、変位速度は、このフレームレートに依存することとなり、フレームレートによって定まる速度より速い速度によりＺ軸方向の変位を行わせると、結局、サンプリング回数、すなわち、測定位置が少なくなり、精度が下がることとなる。そのため、この種の測定をより短時間で行うことを可能とする技術の開発が望まれていた。
【０００５】
本発明の目的は、高速で精度を落とさずに測定が行える光学測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願の請求項１に係る発明は、
対象物に対して対物レンズ系を介して照明光を照射して反射光を得る共焦点光学系と、
前記共焦点光学系を介して得られる、前記対象物からの反射光を少なくとも二つの光路に分割する光路分割手段と、
前記光路分割手段により分割された少なくとも二つの光路のそれぞれに対応して配置され、分割された各光路からの画像を取得する画像取得手段と、
前記分割された各光路において、取得タイミングを異ならせて前記画像取得手段による画像の取得を行わせるタイミング調整手段と、
前記共焦点光学系の前記対物レンズの焦点位置を前記対象物に対して光軸方向に相対変位させると共に、その変位量を取得する手段と、
異なる前記焦点位置毎に前記画像取得手段において取得した画像と前記変位量とに基づいて、前記対象物の測定面の高さを算出する高さ算出手段と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光学測定装置において、
前記タイミング調整手段は、前記分割される光路がｎ本である場合に、ｎ本の光路に対応したｎ個の画像取込手段について、１／ｎ周期ずれた取得タイミングにより画像の取込を行わせることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、高速で精度を落とさずに測定を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、本発明の一実施形態に係る光学測定装置の概要を示す説明図である。図２は、高さ測定を行う際の制御および測定情報の処理を行う部分の機能構成を示す説明図である。
【００１０】
図１に示すように、本実施形態の光学測定装置は、対物レンズ系１４を介して対象物Ｍに対して照明光を照射して反射光を得る共焦点光学系１０と、共焦点光学系１０を介して得られる、対象物Ｍからの反射光を少なくとも二つの光路に分割する光路分割手段２０と、光路分割手段２０により分割された光路のそれぞれに対応して配置され、分割された各光路の画像を取得する画像取得手段４０と、共焦点光学系１０の対物レンズ系１４の焦点位置を対象物Ｍに対して光軸方向に相対変位させると共に、変位量を取得する手段５３０（図２参照）、画像取得手段４０において取得した画像に基づいて、対象物Ｍが焦点位置に達した際における対象物の高さを、変位量を取得する手段５３０において取得された変位量を用いて算出する高さ算出手段５２０（図２参照）、および、ニポーディスクの駆動を制御するニポーディスク制御手段５４０（図２参照）を実現すると共に、これらの動作を制御する中央制御部５１０を実現するコンピュータ５０と、を有する。
【００１１】
コンピュータ５０は、分割された各光路において、取得タイミングを異ならせて画像取得手段による画像の取得を行わせるタイミング調整手段として機能するほか、他の機能を実現する手段としても機能する。
【００１２】
共焦点光学系１０は、光源１１、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１２、結像レンズ１３、対物レンズ系１４、および、１／４波長板１５を有する。また、この対物レンズ系１４の下方位置に、高さを測定すべき対象物Ｍを載置すると共に、ＸＹＺの３軸方向に変位可能なＸＹＺステージ５３３が配置される。
【００１３】
対物レンズ系１４は、例えば、対物レンズとチューブレンズとを組み合わせた無限遠補正対物レンズを用いることができる。偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１２と１／４波長板１５とは、これらを用いることにより、対象物からの反射光を光源１１に戻さずに、光路分割手段２０を介して撮像装置４１，４２に導くよう作用する。
【００１４】
光路分割手段２０は、プリズム２１および２２を有し、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１２から出射される反射光を二つの光路Ｌ１，Ｌ２に分割する。二つの光路Ｌ１，Ｌ２への光量の分割比率は、本実施形態の場合、１：１としてある。
【００１５】
画像取得手段４０は、分割される光路に対応して、複数の撮像装置を有する。本実施形態の場合、二つの光路Ｌ１，Ｌ２に対応して二つの撮像装置４１、４２を有する。これらの撮像装置４１および４２は、同じ仕様および性能のものを用いる。撮像装置４１，４２は、それぞれ、例えば、ＣＣＤ等の撮像素子と、映像信号増幅器と、Ａ／Ｄ変換器等を有する。この画像取得手段４０では、入力された光信号を受光して電気信号に変換し、さらに、アナログ信号をディジタル信号に変換して出力する。これらの撮像装置４１，４２は、後述するコンピュータ５０の中央制御部５１０によるサンプリングタイミング信号に基づいてサンプリングを行う。本実施形態では、交互にサンプリングを行う。
【００１６】
コンピュータ５０は、中央処理ユニット（ＣＰＵ）５１と、予め与えられたプログラムおよびデータを記憶するリードオンリメモリ（ＲＯＭ）５２と、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）５３とを有する。このコンピュータ５０には、図示していないが、補助記憶装置を設けることができる。補助記憶装置としては、例えば、ハードディスク装置等を用いることができる。ハードディスク装置には、例えば、コンピュータ５０を動作させるためのプログラム、データ等が格納される。また、各種指示、設定等の入力を行うための入力装置、データ、操作画面等を表示するための表示装置等を接続することができる。
【００１７】
次に、本実施形態の動作について、コンピュータ５０により実現される本発明の各種機能と共に説明する。
【００１８】
本実施形態では、光源１１からの照明光がＰＢＳ１２を介して共焦点光学系１０に導かれ、ＸＹＺステージ上に置かれた対象物Ｍ上に投射される。この際、照明光は、結像レンズ１３により絞り込まれ、ニポーディスク５４２に設けられた孔（図示せず）を介して対物レンズ系１４に導かれて、対象物Ｍに投射される。一方、対象物Ｍにおいて反射された反射光は、対物レンズ系１４を経てニポーディスク５４２の孔に至る。ここで、対象物Ｍの反射面が対物レンズ系１４の焦点位置に存在する場合には、反射光は絞り込まれているため、その光束の大部分がこの孔を通って結像レンズ１３に戻る。しかし、対象物Ｍの反射面が対物レンズ系１４の焦点位置にない場合には、反射光は空間的に広がりを持つため、その光束の一部のみがニポーディスク５４２の孔を通過するに過ぎない。結果的に、対象物Ｍの反射面が焦点位置にある時は、光量の多い反射光が結像レンズ１３に戻り、そうでない場合には、ニポーディス面における、光束の広がりの断面積が大きくなるほど光量が減少した反射光が戻ることになる。
【００１９】
反射光は、ＰＢＳ１２を通り光路分割手段２０に至る。ここで、反射光がＰＢＳ１２を透過するのは、ＰＢＳ１２と１／４波長板１５の存在により、反射光がＰＢＳを透過する偏光となっているためである。一方、光路分割手段２０のプリズム２１，２２により、反射光は２分割されて撮像装置４１，４２に導かれる。
【００２０】
撮像装置４１、４２は、それぞれ中央制御部５１０によるサンプリングタイミングに従って、入射光のサンプリングを行う。すなわち、対象物Ｍからの反射光を取り込む。ここで、二つの撮像装置が用いられる場合、サンプリングタイミングは、例えば、図３（Ａ）に示すように、撮像装置４１については奇数回目、撮像装置４２について偶数回目にサンプリングを行うことになる。そして、それぞれのサンプリング周期をＴとすると、図３（Ｂ）に示すように、Ｔ／ｎ、具体的には、ｎ＝２であるから、Ｔ／２ずつずれたタイミングで交互にサンプリングを行っている。この例では、各サンプリング位置での露出時間を１／３０秒に設定してある。
【００２１】
撮像装置４１，４２は、反射光を、撮像素子（ＣＣＤ）により、後述するサンプリングタイミングに従って、定められた露出時間受光して、電気信号に変換する。この電気信号は、露出時間と光量とに依存する電荷量として蓄積される。すなわち、撮像装置４１，４２は、対象物Ｍからの反射光を光電変換して、蓄積した電荷量に応じた映像信号とする。また、撮像装置４１，４２は、この映像信号を、映像信号増幅器において予め定められたゲインにより増幅し、さらに、映像信号を、Ａ／Ｄ変換器により、アナログ信号からディジタル信号に変換して、コンピュータ５０に送る。
【００２２】
コンピュータ５０では、図２に示すように、中央制御部５１０において、タイミング信号が生成され、それに基づいて、各部の動作が制御される。中央制御部５１０は、具体的には、ＸＹＺステージ制御部５３１、ニポーディスク制御部５４１、撮像装置４１，４２、ピーク検出部５２２、データ合成部５２４、および、高さ算出部５２３のそれぞれに対応するタイミング信号を出力する。例えば、対象物のＸＹ方向変位をＸＹＺステージ５３３に行わせるためのタイミング信号をＸＹＺステージ制御部５３１出力する。また、ＸＹＺステージ上の対象物の測定すべき範囲について照明の落射点（観測点）をスキャンさせるためのタイミング信号をニポーディスク制御部５４１に出力する。これにより、スキャンされて照明される各点において、対物レンズ系１４と対象物とをＺ軸方向に相対変位させるためタイミング信号をＸＹＺステージ制御部５３１に出力する。このタイミング信号は、これを計数することで、Ｚ軸の変位量を示すことができる。一方、画像データの取得および処理のためのタイミング信号も生成して出力する。このタイミング信号は、前述したＸＹＺステージの変位のためのタイミング信号と同期している。すなわち、Ｚ軸方向の変位中に、予め定めたＺ軸上でのサンプリング位置に対応するサンプリングタイミング信号を出力する。
【００２３】
また、この中央制御部５１０は、当該コンピュータ５０に対する外部からの指示、データの入力、出力、記憶、読み出し等の、システムの各種動作についての制御も行う。
【００２４】
対象物の高さを算出する手段５２０は、撮像装置４１，４２により交互にサンプリングされた各出力信号を合成して一連の出力信号とするデータ合成部５２４と、合成された信号に基づいてピーク値を検出するピーク検出部５２２と、ピーク検出部５２２において得られたピークに対応するＺ軸上の対象物の相対変位量を取得する手段５３０から取得し、当該変位量に基づいて高さを算出する高さ算出部５２３とを有する。
【００２５】
画像合成部５２４は、撮像装置４１，４２により、周期Ｔが１／ｎずれた状態で出力される映像信号を、Ｔ／ｎの周期のシリアルな信号列として、ピーク検出部に順次送る。すなわち、ｎ系列（本実施形態の場合２系列）の信号を１系列の信号に合成する。
【００２６】
ピーク検出部５２２は、撮像装置４１および４２によって一定のサンプリング間隔で取得され、合成された画像データについて、各画素のピークを検出する。ピークの検出は、例えば、最新データと１つ前のデータを記憶しておくことにより行う。そして、Peak,(Peak-1),(Peak+1)という３つの値を更新する。最新データが、既に記憶されているPeakの値より大きい場合には、そのPeakの値を１つ前のデータとして置き換え、さらに、その最新データをPeakの値として置き換えて記憶する。
【００２７】
次の最新データとPeakの値とを比較し、この最新データがPeakの値より小さい場合には、この最新データを(Peak+1)の値として記憶する。(Peak+1)の値を更新するのは、１つ前のデータがPeakの値として採用されている（すなわちPeakの値が更新された）ときだけとする。それ以外のときは、(Peak+1)の値を更新しない。そして、この最新データがPeakの値より大きい場合は、１つ前のデータを(Peak-1)の値として記憶し、その最新データをPeakの値として記憶する。これらの手順を全データに対して行い、Peak,(Peak-1),(Peak+1)の３つの値から補間演算を行い、ピーク値を決定する。
【００２８】
ここで、撮像装置４１，４２から出力される信号の合成について、図４を参照してさらに具体的に説明する。
【００２９】
図４（Ａ）においては、対象物Ｍについて、撮像装置４１によりサンプリング位置Ｓ１、Ｓ３、Ｓ５…において対象物Ｍからの反射光の受光が行われ、かつ、撮像装置４２によりサンプリング位置Ｓ２、Ｓ４、Ｓ６…において対象物Ｍからの反射光の受光が行われる。そして、撮像装置４１の出力Ｓ１、Ｓ３、Ｓ５…と、撮像装置４２の出力Ｓ２、Ｓ４、Ｓ６…とが、２系列の信号としてデータ合成部５２４に取り込まれる。データ合成部５２４では、これを、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３…のように一連の１系列のデータとして出力する。ピーク値検出部５２２は、これらのデータを用いてピークの検出を行う。
【００３０】
一方、図４（Ｂ）においても同様に、対象物Ｍについて、撮像装置４１によりサンプリング位置Ｓ１、Ｓ３、…、Ｓ（２ｎ−１）において対象物Ｍから反射光の受光が行われ、かつ、撮像装置４２によりＳ２、Ｓ４、…、Ｓ（２ｎ）において対象物Ｍからの反射光の受光が行われる。そして、前述した図４（Ａ）の場合と同様に、データ合成部５２４において、２系列のデータが一連の１系列のデータＳ１からＳ（２ｎ）に合成される。そして、この合成されたデータに基づいて、ピーク検出部５２２は、これらのデータを用いてピークの検出を行う。
【００３１】
図４（Ａ）と同（Ｂ）とを比較すると、図４（Ａ）では、Ｚ軸方向のサンプリング位置の間隔が長い、すなわち、Ｚ軸方向に高速で変位している状態を示す。この例では、撮像装置４１と４２とが交互にサンプリングを行っている。従って、高速に変位していても、サンプリング可能となっている。一方、図４（Ｂ）では、Ｚ軸方向のサンプリング位置の間隔が短い、すなわち、Ｚ軸方向に低速で変位している状態で、撮像装置４１と４２とが交互にサンプリングを行っている。従って、Ｚ軸方向の変位の範囲において多くのサンプリング位置を配置することができる。その結果、精度良くピークを求めることが可能となる。
【００３２】
次に、高さ算出部５２３において、反射光の出力について得られたピークの情報を用いて、当該ピークが生じたＺ軸上の位置を求める。これは、サンプリングタイミングと同期するＺ軸上のサンプリング位置をＸＹＺステージ制御部５３１から取得することにより実現できる。ところで、ピークとなるタイミングは、サンプリング位置と一致するとは限らない。そこで、補間演算で求められたピークに対応するＺ軸上の位置を同様の補間演算により求める。これにより、対象物Ｍの反射面が焦点位置にある場合のＺ軸の値が求まる。従って、予め定めた基準面のＺ軸上の値（Ｚ座標）がわかれば、それを用いて、対象物の反射面の基準面からの高さが求まる。
【００３３】
この後、ニポーディスク５４３を駆動モータ５４２により回動させて、次の測定位置に照明光を照射させて、Ｚ軸方向の変位を開始して、前述した測定を行う。このようにして、すべての測定点について測定を繰り返す。得られた高さ情報は、ＲＡＭ５３に記憶され、必要に応じて出力され、また、ハードディスク等に記録される。
【００３４】
このように、本実施形態では、次のような手順により、対象物の高さの測定が行われる。まず、共焦点光学系１０を介して得た反射光を光路分割手段２０により二つの光路に分割する。分割された反射光の画像を、タイミング調整手段５１０により取得タイミングを異ならせて画像取得手段４０により取得する。変位量を取得する手段５４０により、共焦点光学系の対物レンズの焦点位置を光軸方向に相対変位させて変位量を取得する。高さ算出手段５３０により、対象物の測定面が焦点位置に達した際における当該対象物の測定面の高さを、画像取得手段４０において取得した画像に基づいて、変位量を取得する手段において取得された変位量を用いて算出する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態に係る光学測定装置の概要を示す説明図。
【図２】本発明の一実施形態におけるコンピュータの機能構成の一例を示すブロック図。
【図３】本発明の一実施形態におけるサンプリングタイミングの取り方の他の一例を示す説明図。
【図４】（Ａ）、（Ｂ）は、対象物からの反射光を二つの撮像装置によって交互に受光した場合におけるデータの出力例を示す説明図。
【符号の説明】
【００３６】
１０…共焦点光学系、１１…光源、１２…偏光ビームスプリッタ、１３…結像レンズ、１４…対物レンズ系、１５…１／４波長板、２０…光路分割手段、２１，２２…プリズム、４０…画像取得手段、４１，４２…撮像装置、５０…コンピュータ、５１０…中央制御部、５２０…高さを算出する手段、５２２…ピーク検出部、５２３…高さ算出部、５２４…データ合成部、５３０…変位量を取得する手段、５３１…ＸＹＺステージ制御部、５２２…ＸＹＺステージ駆動部、５２３…ＸＹＺステージ、５４０…ニポーディスク制御手段。
【図１】
2005195539.tif 000003
【図２】
2005195539.tif 000004
【図３】
2005195539.tif 000005
【図４】
2005195539.tif 000006