(57)【要約】【課題】  装置を小型化するとともに測定精度も高い位相シフト法による計測装置を提供する。【解決手段】  第１の波長の光を出射する第１のＬＥＤ１２と、第１のＬＥＤ１２が出射する第１の波長の光と異なる第２の波長の光を、第１のＬＥＤ１２からの第１の波長の光に対して所定時間間隔で出射する第２のＬＥＤ２２とを有する。測定対象物３６を、第１および第２のＬＥＤ１２，２２からの光が進行する方向に沿って移動させる移動テーブル３４と、第１および第２のＬＥＤ１２，２２からの光を、測定対象物３６に向かう光から参照鏡３８に向けて分岐し、参照鏡３８で反射された光を、再びＬＥＤ１２、２２からの光の光路に戻す半透明鏡３２を備える。測定対象物３６で反射された光により得られる反射光と参照鏡３８で反射された反射光とにより生成される干渉光を、画像として撮像するＣＣＤカメラ４０を備える。ＣＣＤカメラ４０の各画素毎の複数の出力画像から計算される位相値の差、およびその画像の取り込み時点での位相値に基づいて、測定対象物の表面の凹凸形状を計測する。【選択図】      図１
2005069942.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
位相シフト法を用いて測定対象物からの反射光と参照鏡からの反射光とにより形成される干渉画像の位相値を計算し、この位相値から光路差を求め、その光路差から測定対象物の形状を求める位相シフト法による計測方法において、波長の異なる光を出す２つのＬＥＤからの光を別々に所定時間間隔で、測定対象物の表面の所定範囲に照射し、その２つの光の測定対象物からの反射光と参照鏡からの反射光とが重なって生成される干渉画像を、半導体イメージセンサにより撮像し、その際に、上記測定対象物を上記ＬＥＤ光が進む方向に沿って移動させ、その位相シフト量を、ほぼπ×ｎ（ｎは１以上の整数）±π／４前後としたことを特徴とする位相シフト法による計測方法。
【請求項２】
第１の波長の光を出射する第１のＬＥＤと、この第１のＬＥＤが出射する第１の波長の光と異なる第２の波長の光を、上記第１のＬＥＤからの上記第１の波長の光に対して所定時間間隔で出射する第２のＬＥＤと、測定対象物を、上記第１および第２のＬＥＤからの光が進行する方向に沿って移動させる移動テーブルと、上記第１および第２のＬＥＤからの光を、測定対象物に向かう光から参照鏡に向けて分岐し、この参照鏡で反射された光を、再び上記ＬＥＤからの光の光路に戻す半透明鏡と、測定対象物で反射された光により得られる反射光と参照鏡で反射された反射光とにより生成される干渉光を画像として撮像する半導体イメージセンサと、上記移動テーブルを上記第１および第２のＬＥＤの発光に合わせて、所定距離移動させるテーブル制御部と、上記移動テーブルの移動および上記第１および第２のＬＥＤからの所定時間間隔での発光により得られる上記半導体イメージセンサからの各画素毎の複数の出力画像から、各画素毎に上記干渉光の受光値の振幅の変化が最大となる画像番号の画像を取り出し、上記半導体イメージセンサへのその画像の取り込み時点での上記第１および第２のＬＥＤからの２つの光により生成される２つの干渉画像から計算される位相値の差、およびその画像の取り込み時点での位相値に基づいて、測定対象物の表面の凹凸形状を特定する画像処理装置と、を有することを特徴とする位相シフト法による計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、超精密機械、磁気記録部品、集積回路基板等の中間加工製品、または液晶基板等の超高精度の表面形状を有する部材表面を、光干渉を用いて高精度に計測可能な位相シフト法による計測方法と装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超精密機械部品の製造分野やそれらの品質管理並びに測定分野、最近のコンピュ−タの磁気記録部品やＬＳＩ基板の中間加工製品、また液晶基板では数十ナノメ−タから場合によっては数百ミクロンの凹凸を持った加工がなされているが、それらの加工分野では加工精度を高速高精度に評価する必要がある。
【０００３】
従来、光干渉を応用した位相シフト法を用いた高精度３次元形状測定装置としては、最大数ミクロン前後の滑らかな凹凸の場合は、位相シフト量π／２の位相シフト法により、干渉位相を求めて形状測定を行い、またそれ以上の激しい大きな凹凸の場合は、光路差を変えたときに現れる干渉信号の正弦波型変化の包絡線ピ−ク位置から形状を測定している。これは、光干渉を利用した計測では、光路差がλ×ｎ’（λは光の波長、ｎ’は整数）倍の場合、ほぼ同じ干渉光強度となるため、光路差を正しく決定できず、従って、位相値を求める方法のみからは大きな凹凸で不連続な表面変化を持つものは測定できないからである。そこで、この従来の装置では、両方の測定が行えるように、π／２（もしくはπ／３などπ以下）の量でステップ的に位相シフトを行って光干渉画像をＣＣＤ等の半導体イメージセンサである２次元カメラで多数回取り込み、その信号から２次元カメラの各画素での位相デ−タを位相シフト法で測定すると共に、同信号から干渉信号の正弦波型変化のほうらく線も抽出して形状を計算している。用いるカメラから１画像分のデ−タをコンピュ−タへ読みとるには、通常１／３０秒前後かかり、このことがこの方法での干渉計の光路差変化のスピ−ドを（位相シフト量がちょうどπ／２の時、１波長分の光路差の変化を行うには４回取り込みが必要であり、）最大で（λ／４）／（１／３０秒）としていた。これは、測定スピ−ドが約２．０μｍ／ｓｅｃとなることを意味し、計測ポイントが多い場合には計測に長い時間を要する。従って、この遅い測定スピ−ドに対して、画像デ−タの読みとり速度をあげ、高速カメラを用いて改善する方法も考えられるが、画像データは多いままであるため、結局デ−タ処理に時間もかかり、大幅な高速化は困難なものである。
【０００４】
また、約π／２の位相シフト量の光路差変化毎に干渉画像を取り込み、ＦＦＴを応用して、干渉コントラスト情報と同時に位相情報を抽出する方法がある。この方法では別個に包絡線ピ−ク位置を精度良く測定する必要はなく、滑らかな面から比較的粗い面や段差のある面も同じデ−タ処理方法で測定可能であり、メモリ量を最小化する手法も組み込まれている。しかし、この３次元形状測定法での光路差変化も位相シフト量に換算すると依然としてπ／２前後であり、測定スピ−ドを極端に上げることはできない。
【０００５】
その他の最近開発された光干渉を応用する方法として、光路差を変えたときに現れる干渉信号強度の正弦波型変化振幅の包絡線形状を、帯域通過型標本化定理を用いて少ないサンプリング点（シフト量に換算して１０π前後ごとに画像を取り込む）から推測し、ピ−ク位置を抽出して形状を求める方法がある。この方法は実際に非常に高速に形状測定することができるが、測定精度が位相シフト法等に比べて悪いものである。
【０００６】
同じく測定スピ−ドを上げる方法として共焦点顕微鏡効果とマイクロレンズアレイを用いた画像取り込み（多数点同時取り込み）を利用する方法がある。これは測定精度が共焦点顕微鏡と同じ程度で、位相シフト法に比べて測定精度が非常に悪いものである。
【０００７】
以上の従来技術の各問題点に鑑みて、特許文献１に開示されているように、位相シフト法を用いて測定対象表面の凹凸を測定する際に、測定対象物に僅かに波長の異なる２つのフラッシュ光を、所定時間間隔で照射し、その２つの光の測定対象物からの反射光と参照鏡からの反射光とにより生成される干渉光を、カメラで撮像し演算する計測方法が提案されている。この方法では、２つのフラッシュ光が繰り返し照射される時間間隔毎に、測定対象物を２つのフラッシュ光が進行する方向に沿って移動させる位相シフト量を、２ｎπ（ｎは、１以上の整数）±π／２を中心とした±π／４以内とし、高速で且つ正確な形状測定を可能としている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−７５１３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記特許文献１による場合、測定対象を照射する光の光軸方向に測定対象を載せたステージを間欠駆動するとともに、さらに測定対象の表面方向に相対的にビームスポット光を走査しなければならず、駆動装置が大がかりとなり、計測装置全体も大きく複雑なものとなっている。さらに、測定対象の表面に照射する光は、異なる波長の２つのキセノンランプによるフラッシュ光であり、この光源に関連する部分の装置も比較的大きなものとなり、計測装置全体として小型化の難しいものであった。
【００１０】
この発明は、上記従来の技術の問題点に鑑みて成されたもので、装置を小型化するとともに測定精度も高い位相シフト法による計測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】
【００１１】
この発明は、１波長を用いた位相シフト法で位相測定を行う時に、シフト量を従来のπ／２でなく２ｎπ（ｎは１以上の整数）±π／２前後としても位相測定が可能なことに注目し、この場合に光路差変更スピ−ドを飛躍的に上げられることを利用している。
【００１２】
この発明は、光干渉光路の一方の長さをステップ式に変え、干渉画像の位相をシフトさせながら、測定対象の画像を半導体イメージセンサにより所定範囲で捉え、捉えた画像をコンピュ−タに干渉画像として複数枚取り込み、取り込んだ画像間の干渉画像を上記イメージセンサの各画素毎にデジタル演算し、各画素毎に干渉画像の位相を計算する位相シフト法による計測方法であって、波長の異なる光を用いて干渉画像を半導体イメージセンサにより受光して交互に記録し、これらの位相値から光路差を計算し、測定対象表面の凹凸を測定する計測方法である。
【００１３】
この発明では、測定対象（もしくはレンズと一体になった参照面）を位相シフト法と同じく垂直移動テ−ブルを用いて光軸方向に一定量移動させながら、位相シフト量をπ×ｎ（ｎは１以上の整数）±π／４前後として、シフト量をπ／２に比べて大きくし、多くの画像（ｍ＝１，２，…，Ｌ）を取り込む。この時、奇数番目のシフト後（移動後）は中心波長λ１、偶数番目の移動後は中心波長λ２と、波長の異なる２つのＬＥＤ光を用いて干渉画像を半導体イメージセンサに交互に記録する。このようにして記録された多くの干渉画像から、奇数番目に相当する波長λ１の記録順の干渉画像を抜き出す。抜き出したものから連続する５枚（例えばｊ〜ｊ＋４枚）を取り出し、それらを用いて３枚目の画像記録時（例えばｊ＋２枚目）の位相値と、画像記録値の干渉信号の正弦波型変化の振幅を位相シフト法を用いて計算する（λ１で記録された連続する画像における位相シフト量は、１つ飛びとなるので２π×ｎ（ｎは０以上の整数）±π／２となる。２πは干渉光強度に強くは影響しないので通常の位相シフト計算が行い得る）。このようにして取り込んだλ１の画像総てを用いてｊ＝１から（Ｌ／２−１）に関しての位相計算と振幅計算を行い、計算結果から半導体イメージセンサが撮像した測定対象域総ての画素毎に、正弦波型変化の振幅が大きい（光路差がλ１×ｎの近傍となっている）撮像画像順の画像番号ｋ（画素によってｋは異なる）を探し出す。探し出した画像は、波長λ１の干渉画像であり、半導体イメージセンサでこの直後に記録されている波長λ２の画像に関しても、その前後に記録されたλ２の画像と合わせて、位相シフト法で位相を計算する。波長λ２の位相は波長λ１の位相に関して（交互に記録しているため）位相シフト量分だけ位相が大きい。このシフト量を差し引くと、２つの波長での位相値（λ１の位相はそのまま、λ２は引かれた位相値）の違いは、ｋ記録時の光路差にほぼ比例する（図５参照）。そこで、位相値の違いから大体の光路差を求めた後、その値と求められているλ１（またはλ２）の位相値から、より正確な光路差を得る。これは、１波長の光の位相値のみから光路差を計算する時、図４からわかるように干渉画像により求められる光路差には、λ×ｎ’（λは光の波長、ｎ’は整数）の決定できない項が含まれ、このｎ’のため、光路差は正しく求められないからである。
【００１４】
またこの発明は、第１の波長の光を出射する第１のＬＥＤと、この第１のＬＥＤが出射する第１の波長の光と異なる第２の波長の光を、上記第１のＬＥＤからの上記第１の波長の光に対して所定時間間隔で出射する第２のＬＥＤと、測定対象物を、上記第１および第２のＬＥＤからの光が進行する方向に沿って移動させる移動テーブルと、上記第１および第２のＬＥＤからの光を、測定対象物に向かう光から参照鏡に向けて分岐し、この参照鏡で反射された光を、再び上記ＬＥＤからの光の光路に戻す半透明鏡と、測定対象物で反射された光により得られる反射光と参照鏡で反射された反射光とにより生成される干渉光を画像として撮像するＣＣＤ等の半導体イメージセンサと、上記移動テーブルを上記第１および第２のＬＥＤの発光に合わせて、所定距離移動させるテーブル制御部と、上記移動テーブルの移動および上記第１および第２のＬＥＤからの所定時間間隔での発光により得られる上記半導体イメージセンサからの各画素毎の複数の出力画像から、各画素毎に上記干渉光の受光値の振幅の変化が最大となる画像番号の画像を取り出し、上記半導体イメージセンサへのその画像の取り込み時点での上記第１および第２のＬＥＤからの２つの光により生成される２つの干渉画像から計算される位相値の差、およびその画像の取り込み時点での位相値に基づいて、測定対象物の表面の凹凸形状を特定する画像処理装置と、を有する位相シフト法による計測装置である。
【００１５】
この発明は、移動テーブルによる位相シフト毎の移動量、半導体イメージセンサの画素毎に計算される振幅の大きい画像番号ｋと、ｋ画像取り込み時の正確な光路差から、物体形状を正確に決定する方法を用いて、（被測定物体の凹凸区間をπ以上の位相シフト量で走査し取り込まれる複数枚の干渉画像から）高い精度で形状を測定することができる位相シフト法による計測装置である。
【発明の効果】
【００１６】
この発明の高速位相シフト法による計測装置は、測定対象の凹凸形状を、位相シフト法により高精度で高速に非接触測定することができ、しかも測定対象を半導体イメージセンサで２次元的に捉えて、各画素毎に高速に演算し、測定対象表面の凹凸の測定を迅速に行うことができる。また、光源にＬＥＤを用いることによりさらに装置を小型化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、この発明の実施形態について図面に基づいて説明する。図１は、この発明の位相シフト法による計測装置の一実施形態を示すもので、この高速位相シフト法による計測装置１０の具体的構成例を図１に示す。この実施形態の計測装置１０は、第１のＬＥＤ光源１２からの光をレンズ１４を通して平行光にした後、波長λ１のバンドパスフィルタ１６に通し、これを半透明鏡１８に入れ、直進させる。同時に第２のＬＥＤ光源２２からの光を、レンズ２４を通して平行光にした後、波長λ２のバンドパスフィルタ２６に通し、半透明鏡１８に入れ光路を９０°屈曲させる。これらの各光は、半透明鏡２８に入射し９０°屈曲されて下方に向かい、レンズ３０と半透明鏡３２を通過し定速垂直移動テーブル３４上の測定対象物３６に投射される。また、半透明鏡３２で光の一部が直角に曲げられ参照鏡３８に向けられる。
【００１８】
測定対象物３６に照射され、その反射光は半透明鏡３２、レンズ３０、半透明鏡２８，及びレンズ４２を経て半導体イメージセンサであるＣＣＤを内蔵したＣＣＤカメラ４０で撮像される。この反射光は半透明鏡３２を通過すると、参照鏡３８で反射されて半透明鏡３２で９０°反射される光と重なり、その各光の光路差による位相差により互いに干渉する。干渉画像はレンズ３０、半透明鏡２８、レンズ４２を通ってＣＣＤカメラ４０のイメージセンサに入射し、各画素毎に入射光が光電変換され電気信号に変換される。
【００１９】
次に、この実施形態の計測装置による計測方法について述べる。まず、垂直移動テーブル３４に測定対象物を載せ、垂直移動テーブル３４を垂直方向に移動させる。このとき、ＬＥＤ１２，２２を交互に一定の位相間隔毎に発光させる。ＣＣＤカメラ４０の各画素は、ＬＥＤ１２またはＬＥＤ２２の光干渉画像を高速に光電変換し、干渉画像の強弱を電気信号に変換する。
【００２０】
例えば、測定対象物３６上の点については図２に示すように、ある波長光による測定対象物からの反射光と参照鏡からの反射光との光路差Ａ÷２や光路差Ｂ÷２が、測定対象物３６表面の凹凸量であり、垂直移動テーブル３４の移動による時間変化により、干渉光強度変化がＣＣＤカメラ４０の撮像素子により観測できる。
【００２１】
この干渉画像の光強度と光路差の関係は、図３に示すような形となる。図３に示した信号変化は有限な干渉長から決定される正弦波型変化振幅の減衰形状（包絡線形状）を有している。今、定速垂直移動テーブル３４の移動量をＣＣＤカメラ４０が同じ波長の画面（λ１もしくはλ２の画像）を取り込む時間で位相シフトが２π×ｎ（ｎはここでは２とする）＋α（αはπ／２前後）となるように設定し、さらにカメラの画像取り込みタイミングに同期してＬＥＤ光源１２とＬＥＤ光源２２を交互に（１画像取込時間の間隔で）発光させると、ＣＣＤカメラ４０は図３の（１），（１’），（２），（２’），（３），（３’），・・と変化していく光強度を取り込むことになる（ここで（ｊ）の所の光強度をＩｊとする。また位相シフト量は波長で異なるがαとする）。取り込まれた信号から以下の式で各波長でのｊ取り込み時の位相値φｊと振幅Ａｊを計算する。
φｊ＝ａｒｇ［２×ｉ×ｓｉｎ（α）×（Ｉｊ−１−Ｉｊ＋１）
＋（２×Ｉｊ−Ｉｊ＋２−Ｉｊ−２）］
Ａｊ＝√［（ｓｉｎ２（α）×（Ｉｊ−１−Ｉｊ＋１）２
＋（２×Ｉｊ−Ｉｊ＋２−Ｉｊ−２）２］
【００２２】
波長λ１の干渉画像において振幅Ａｊが最も大きくなる画像取り込み番号ｋを探しだし、位相値φｊ=kを取り出す。この位相値は取り込まれる時点に応じて図４に示すように、−πからπまでの値となる。もし、同時刻に２つの波長での干渉画像が別々に取り込まれていたとすると、λ１とλ２ではその位相値の差が図５に示すように光路差に比例して変わっている。従って、この差とλ１の位相値から画像ｋを取り込んだ時点での光路差を正確に決定できる。実際は同時刻でないので、λ２の位相に関しては位相シフト量だけ補正し、同時刻の場合を計算する。振幅Ａｊの計算は実際には精度が悪く、光路差がゼロ付近であることを示すだけで、包絡線のピ−クを正しく特定できない。しかし、この精度でも図４でλ１とλ２での位相値の差が結果として２πずれて、見かけ上で同じ位相差の値となる領域同士（図４の領域Ｃと領域Ｄ）の識別は十分できる。
【００２３】
以上より、画像取り込み周期での定速移動テーブルの移動量、画像番号ｋ、ｋ取り込み時の光路差から、画素毎の反射面位置を計算し、被測定物体の形状を求める。
【実施例１】
【００２４】
次に、被測定物３６の具体的測定結果について述べる。図１に示す構造の装置を組み上げた後に、ある研磨面（滑らかな面）の形状測定を行った。位相シフト量は４π−π／２とした。これによるＣＣＤカメラ４０が取り込んだ画像内の各画素での最大振幅画像番号ｋの分布及び光路差から、最終的に得られた被測定物表面の３次元形状を図６に示す。
【００２５】
この結果は、撮像素子の画素毎に計算されたものを３次元表示したものであり、これが滑らかな形状を示すことは物体が正しく計測されていることを示す。このことは、横方向の情報を用いないで形状計測ができることを示すものであり、段差を含む被測定面も正しく測定可能なことを示す。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】この発明の一実施形態の位相シフト法による計測装置の概略を示す斜視図である。
【図２】この発明の一実施形態の位相シフト法による計測の光路差と垂直移動テーブルの移動との関係を示す模式図である。
【図３】この発明の一実施形態の位相シフト法による計測において光路差と干渉画像の光強度との関係を示すグラフである。
【図４】この発明の一実施形態の位相シフト法による計測において光路差と位相差との関係を示すグラフである。
【図５】この発明の一実施形態の位相シフト法による計測において異なる波長により測定した場合の光路差と位相値の差の関係を示すグラフである。
【図６】この発明の位相シフト法による計測装置により被測定物表面を計測した３次元グラフである。
【符号の説明】
【００２７】
１０    計測装置
１２，２２    ＬＥＤ光源
１４，２４，３０，４２    レンズ
１６，２６    バンドパスフィルタ
１８，２８，３２    半透明鏡
３４    定速垂直移動テーブル
３６    測定対象物
３８    参照鏡
４０    ＣＣＤカメラ
【図１】
2005069942.tif 000003
【図２】
2005069942.tif 000004
【図３】
2005069942.tif 000005
【図４】
2005069942.tif 000006
【図５】
2005069942.tif 000007
【図６】
2005069942.tif 000008