(57)【要約】【課題】      表面形状測定において、測定対象面と参照面からの反射光により干渉縞を発生させ、各画素の位相を単色光ごとに求め、表面形状を測定において、波長の異なる複数の単色光を得る場合は、抽出手段を増設する必要が生じていた。【解決手段】  照射手段を介して測定対象面と参照面に波長の異なる複数の単色光を照射し、測定対象面と参照面の両方から反射して同一光路を戻る反射光によって生じる干渉縞の強度値に基づいて、測定対象面の表面高さと表面形状を求める表面形状測定方法において、前記照射手段が、広帯域な波長特性を有する照射光から、音響光学フィルタを用いて任意の異なる波長の単色光を複数抽出し、同時に混在して照射する照射手段を用いる。【選択図】    図３
2013044669.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照射手段を介して測定対象面と参照面に波長の異なる複数の単色光を照射し、測定対象面と参照面の両方から反射して同一光路を戻る反射光によって生じる干渉縞の強度値に基づいて、測定対象面の表面高さと表面形状を求める表面形状測定方法において、
前記照射手段が、広帯域な波長特性を有する照射光から、音響光学フィルタを用いて任意の波長の異なる単色光を複数抽出し、同時に混在して照射する照射手段からなることを特徴とする表面形状測定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の表面形状測定方法において、
事前に、測定対象面上に単色光の波長をスキャンしながら照射し、得られる各単色光の反射強度の測定結果を用いて、その測定対象面に対して最適な波長の単色光を複数選択し、それらを照射して、表面形状測定をおこなうことを特徴とする表面形状測定方法。
【請求項３】
照射手段を介して測定対象面と参照面に波長の異なる複数の単色光を照射し、測定対象面と参照面の両方から反射して同一光路を戻る反射光によって生じる干渉縞の強度値に基づいて、測定対象面の表面高さと表面形状を求める表面形状測定装置において、
前記照射手段が、広帯域な波長特性を有する照射光から、音響光学フィルタを用いて任意の波長の異なる単色光を複数抽出し、同時に混在して照射する照射手段からなることを特徴とする表面形状測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載の表面形状測定装置において、
事前に、測定対象面上に単色光の波長をスキャンしながら照射し、得られる各単色光の反射強度の測定結果を用いて、その測定対象面に対して最適な波長の単色光を複数選択し、それらを照射して、表面形状測定をおこなうように構成したことを特徴とする表面形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
表面形状測定方法および装置に用いる波長の異なる複数の単色光を選択的に抽出する手法および／または手段に関する。
【背景技術】
【０００２】
測定対象面の凹凸段差を高速に精度良く求めることのできる表面形状測定方法およびその装置では、参照面を光の進行方向に対して任意角度の斜め傾斜姿勢で配備することにより、測定対象面と参照面から同一光路を戻る反射光により干渉縞を発生させる。この干渉縞の各画素の強度値をＣＣＤカメラで撮像し、ＣＰＵが、干渉縞波形を求める表現式を利用して算出対象画素ごとに、各画素の強度値とその近隣にある画素の強度値とを利用し、各画素に含まれる干渉縞波形の直流成分、交流振幅並びに位相が等しいと仮定して各画素の位相を単色光ごとに求め、その位相から表面高さの候補値群を求め、多波長の候補値群から共通する表面高さとして求め、表面形状を測定していた（例えば特許文献１、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開ＷＯ２００７／０８８７８９号
【特許文献２】特開２００８−２０９４０４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記背景技術では、光源として単色光源から出力される単色光や波長の異なる複数の単色光が用いられていた。特に、単色光源から出力される単色光を用いる構成の特許文献１に記載の表面形状測定では、測定可能な段差最大値（測定レンジ）が単色光の波長λの半分であるλ／２に制限されるため、測定レンジを幅広く取ることが困難であった。
【０００５】
また、波長の異なる複数の単色光を用いる特許文献２に記載の表面形状測定では、異なる波長を出力する複数台の波長の異なる単色光源を用いる構成としても良いし、白色光源と白色光源から出力される光源のうち所定の波長の異なる複数の単色光を抽出する抽出手段を用いる光学手段から構成しても良いとしていた。
【０００６】
しかし、上記構成の光源では、以下の課題を残している。
前記の様に、複数台の光源を用いる場合、光源にかかる設備費用およびランニングコスト（消耗品の補充、電力供給など）が必要な個々の波長の光源の数量分を必要とする。
また、単一の光源から波長の異なる複数の単色光を得ようとすると、光源から抽出する抽出手段を透過する必要が生じるが、抽出手段を透過する場合に光量の損失が生じ、強容量の光を効率良く照射することができない。
【０００７】
さらには、波長の異なる複数の単色光の数が３波長以上の場合は、抽出手段が多段となり、益々損失が大きくなる。また、単色光の波長を変更する場合には、光源もしくはフィルタ自体の変更が余儀なくされる。さらに、単色光の波長の数を増やす場合には、光源もしくはフィルタや抽出手段を増設する必要が生じる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願の第１の表面形状測定方法の発明は、「照射手段を介して測定対象面と参照面に波長の異なる複数の単色光を照射し、測定対象面と参照面の両方から反射して同一光路を戻る反射光によって生じる干渉縞の強度値に基づいて、測定対象面の表面高さと表面形状を求める表面形状測定方法において、前記照射手段が、広帯域な波長特性を有する照射光から、音響光学フィルタを用いて任意の波長の異なる単色光を複数抽出し、同時に混在して照射する照射手段からなる」ことを特徴とする。
【０００９】
すなわち、前記の照射する光源に対する課題に対し、多波長干渉計測用の光源として、広域をカバーする波長特性、例えば、可視領域から近赤外領域（波長４００ｎｍ〜１，０００ｎｍ程度）を含む光源（具体的には、ハロゲンランプ光源または白色レーザ光源など）と任意の波長の異なる複数帯域の単色光を透過可能な光学フィルタを組み合わせる手法を用いて、同時に混在させて照射し、前記多波長干渉計測用の画像をワンショットで撮像し、それを分解手段を用いて個々に分解して、測定対象物の表面形状を測定する方法を提供する。
【００１０】
また、本願の第２の表面形状測定方法の発明は、「事前に、測定対象面上に単色光の波長をスキャンしながら照射し、得られる各単色光の反射強度の測定結果を用いて、その測定対象面に対して最適な波長の異なる単色光を複数選択し、それらを照射して表面形状測定をおこなう」ことを特徴とする。
【００１１】
すなわち、波長の異なる複数の単色光を照射する表面形状測定にあたっては、個々の測定対象物には、多くの光学特性を保有するものがあり、当初設定した波長のままでは、測定対象面の色によっては反射強度の低下を生じたり、また測定対象面に透明皮膜がある場合はその光学膜厚によっては反射強度の低下を生じる場合がある。その様な場合でも、的確に表面形状測定ができるように、第１の発明に記載の表面形状測定方法を用いて、波長の異なる複数の単色光を選択的に同時に抽出するにあたり、照明装置として音響光学フィルタを用いることにより、必要な波長の異なる複数の単色光を測定者が任意に設定することができるので、あらかじめ、単色光の波長をスキャンしながら照射し、得られる各単色光の反射強度の測定結果を用いて、その測定対象面に対して最適な波長の異なる複数の単色光を複数選択し、それを用いて表面形状測定をおこなう。
【００１２】
また、本願の第３の表面形状測定装置の発明は、「照射手段を介して測定対象面と参照面に波長の異なる複数の単色光を照射し、測定対象面と参照面の両方から反射して同一光路を戻る反射光によって生じる干渉縞の強度値に基づいて、測定対象面の表面高さと表面形状を求める表面形状測定装置において、前記照射手段が、広帯域な波長特性を有する照射光から、音響光学フィルタを用いて任意の波長の異なる単色光を複数抽出し、同時に混在して照射する照射手段からなる」ことを特徴とする。
【００１３】
すなわち、前記の照射する光源に対する課題に対し、多波長干渉計測用の光源として、広域をカバーする波長特性、例えば、可視領域から近赤外領域（波長４００ｎｍ〜１，０００ｎｍ程度）を含む光源（具体的には、ハロゲンランプ光源または白色レーザ光源など）と任意の波長の異なる複数帯域の単色光を透過可能な音響光学フィルタを組み合わせる手段を用いて、同時に任意の波長の異なる複数の単色光を混在させて照射し、前記多波長干渉計測用の画像をワンショットで撮像し、該撮像画像データを用いて個々に分析して、測定対象物の表面形状を測定できる装置を提供することにある。
【００１４】
また、本願の第４の表面形状測定装置の発明は、「事前に、測定対象面上に単色光の波長をスキャンしながら照射し、得られる各単色光の反射強度の測定結果を用いて、その測定対象面に対して最適な波長の異なる単色光を複数選択し、それらを照射して、表面形状測定をおこなうように構成した」ことを特徴とする。
【００１５】
すなわち、波長ｎお異なる複数の単色光を照射する表面形状測定にあたっては、個々の測定対象物には多くの光学特性を保有するものがあり、当初設定した波長のままでは、測定対象面の色によっては反射強度の低下を生じたり、また測定対象面に透明皮膜がある場合はその光学膜厚によっては反射強度の低下を生じるものがある。その様な場合でも、的確に表面形状測定ができるように、第３の発明に記載の表面形状測定装置を用いて、波長の異なる複数の単色光を選択的に同時に抽出するにあたり、照明装置として音響光学フィルタを用いることにより、必要な複数の単色光を測定者が任意に設定することができるので、あらかじめ、単色光の波長をスキャンしながら照射し、得られる各単色光の反射強度の測定結果を用いて、その測定対象面に対して最適な波長の異なる単色光を複数選択し、それを用いて表面形状測定をおこなう。
【００１６】
また、音響光学フィルタを用いることにより、使用する波長の異なる複数の単色光を測定者が任意に設定することができるので、測定者は、照明装置の部材の交換を行わないで測定をおこなうことができる。
【発明の効果】
【００１７】
上記手法および／または手段を用いれば、広帯域な波長特性を示す照射光から波長の異なる複数の単色光を選択する場合でも、照明装置の部材の台数は１台で済み、光源管理が容易になる。また、もし、必要な光源が複数となった場合においても、単色光の数だけ光源を準備するよりも光源の台数は１台で対応でき、光源管理が容易になる。
【００１８】
また、波長の異なる任意の帯域の複数の単色光を透過可能な光学フィルタとして、音響光学フィルタを用いることにより、使用する波長の異なる複数の単色光を測定者が任意に設定することができるので、測定者は、照明装置の部材の交換を行わないで測定対象物に適合する最適の波長の単色光を用いることにより測定時にも反射率による感度低下などの影響を受けないで測定をおこなうことができる。
【００１９】
使用する複数の単色光の波長の組み合わせを測定者が任意に設定できるので、測定時に波長の異なる複数の単色光の組み合わせを容易に最適化することが可能となり、測定条件の変更を容易に変更することができる。
【００２０】
波長の異なる複数の単色光の数を増やす場合、使用する光源の帯域内で且つ音響光学フィルタの特性上可能な数の単色光の数（現行用いている音響化学フィルタでは、６種類の単色光数まで得られる）であれば、光源や音響光学フィルタの機能を追加しなくても対応可能である。ただし、撮像手段側の撮像装置に波長の異なる複数の単色光を分解できる分解手段を保持する構成を保有していることが必要となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本実施例に係る表面形状測定装置の概略構成を示す図である。
【図２】表面形状測定装置における処理を示すフローチャートである。
【図３】音響光学フィルタの概略構成を示す図である
【図４】測定対象面の撮像画像データを示す図である。
【図５】撮像画像のｘ軸方向輝度変化を示す図である。
【図６】ｓｉｎφｃｏｓφの符号情報を利用してφの範囲を特定できることを示す図である。
【図７】実表面高さの抽出を示す図である。
【図８】本実施例装置を利用して急峻段差を測定した場合の測定結果を示す図である。
【図９】測定対象物の厚みと照射光の波長と反射率の関係図。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【００２３】
なお、本実施例としては、表面が略平坦な測定対象物の表面高さおよび表面形状を干渉縞を利用して測定した事例を含めて、本願明細書に引用した先行技術文献に記載の表面形状測定装置を例に採って説明する。
【００２４】
図１は、本発明の実施例に係る表面形状測定装置の概略構成を示す図である。この表面形状測定装置は、半導体ウエハ、液晶パネル、プラズマディスプレイパネル、磁性体フィルム、ガラス基板または金属膜などの表面に微細な凹凸段差を有する略平坦な測定対象物３０に複数の特定波長帯域の単色光を照射する光学系ユニット１と、光学系ユニット１を制御する制御系ユニット２と、測定対象物３０を載置保持する保持テーブル４０とを備える。
【００２５】
光学系ユニット１は、測定対象面３０Ａおよび参照面１５に向けて波長の異なる複数の単色光を出力する照明装置１０と、各単色光を平行光にするコリメートレンズ１１と、両単色光を測定対象物３０の方向に反射する一方測定対象物３０の方向からの光を通過させるハーフミラー１３と、ハーフミラー１３で反射されてきた波長の異なる複数の単色光を集光する対物レンズ１４と、対物レンズ１４を通過してきた単色光を参照面１５へ反射させる参照光と測定対象面３０Ａへ通過させる測定光とに分けるとともに、参照面１５で反射してきた参照光と測定対象面３０Ａで反射してきた測定光とを再びまとめて干渉縞を発生させるビームスプリッタ１７と、参照光と測定光とがまとめられた波長の異なる複数の単色光を結像する結像レンズ１８と、干渉縞とともに測定対象面３０Ａを撮像する撮像装置１９とを備える。
【００２６】
照明装置１０は、広帯域な波長を有する照射光を照射する光源１０Ａおよび音響光学フィルタ１０Ｂと導光路１０Ｃから構成されている。本実施例の光源１０Ａとしては、例えば白熱電球やハロゲンランプからなる白色光源が利用される。音響光学フィルタ１０Ｂを透過することで、任意の波長の異なる複数の単色光を同時混在した状態で波長の異なる複数の単色光を選択的に抽出する。光源を任意の波長の異なる複数の単色光を出力する。例えば、第１波長は波長λ1＝４７０ｎｍ、第２波長は波長λ2＝５６０ｎｍ、第３波長は波長λ３＝６００ｎｍである。
【００２７】
本実施例の音響光学フィルタ１０Ｂは、図３に示すように二酸化テルル結晶１０１、吸音材１０２、トランスデューサ１０３および発振器１０４から構成されており、二酸化テルル単結晶１０１内を伝播する波長の異なる複数の単色光からなる横波超音波１０５によって生じる光の異方ブラッグ回折を利用したもので、広帯域な波長を有する光の中から任意の波長の異なる複数の単色光を高速に抽出し、導光路１０Ｃを通じてコリメートレンズ１１に照射することができる。
【００２８】
ここで、導光路１０Ｃは、図３に示した、音響光学フィルタ１０Ｂを透過した後の波長の異なる複数の単色光を主走査方向に導光する略円柱状の導光体であり、透過して後コリメートレンズ１１に速やかに該波長の異なる複数の単色光を送るために導入されている。
なお、照明装置１０は、本発明の照射手段に相当する。
【００２９】
ハーフミラー１３は、コリメートレンズ１１からの波長の異なる複数の単色光からなる平行光を測定対象物３０に向けて反射する一方、測定対象物３０から戻ってきた反射光を通過させるものである。
【００３０】
対物レンズ１４は、入射してきた、波長の異なる複数の単色光を焦点とする測定対象面３０Ａに集光するレンズである。
【００３１】
ビームスプリッタ１７は、対物レンズ１４で集光される波長の異なる複数の単色光を参照面１５で反射させる参照光と、測定対象面３０Ａで反射させる測定光とに分離する。また、各面で反射して同一光路を戻る参照光と測定光とを再びまとめることによって、波長の異なる複数の単色光の波長ごとに干渉を発生させる。なお、ビームスプリッタ１７は、本発明の分岐手段に相当する。
【００３２】
参照面１５は、表面が鏡面加工されており、波長の異なる複数の単色光からなる参照光の進行方向に対して前後斜め傾斜姿勢で取り付けられている。この参照面１５によって反射された波長の異なる複数の単色光からなる参照光は、ビームスプリッタ１７に達し、さらに、ビームスプリッタ１７によって反射されるようになっている。
【００３３】
なお、参照面１５を波長の異なる複数の単色光からなる参照光の進行方向に対して前後斜め傾斜姿勢で取り付けることにより、波長の異なる複数の単色光からなる参照光の到達距離から複数の単色光からなる反射光が撮像装置１９に到達するまでの距離が、反射面の位置によって変化する。これは参照面１５を移動して、参照面１５とビームスプリッタ１７との間の距離Ｌ1を変動させるのと等価である。
【００３４】
また、ビームスプリッタ１７を通過した波長の異なる複数の単色光からなる測定光は、焦点に向けて集光され、測定対象面３０Ａで反射する。この反射した波長の異なる複数の単色光からなる測定光は、ビームスプリッタ１７に達して、そのビームスプリッタ１７を通過する。
【００３５】
ビームスプリッタ１７で、波長の異なる複数の単色光からなる参照光と同じく波長の異なる複数の単色光からなる測定光とが再びまとまる。このとき、参照面１５とビームスプリッタ１７との間の距離Ｌ1と、ビームスプリッタ１７と測定対象面３０Ａとの間の距離Ｌ2との距離の差によって光路差が生じる。その光路差に応じて、波長の異なる複数の単色光からなる参照光と波長の異なる複数の単色光からなる測定光とは波長の異なる複数の単色光の波長ごとに干渉する。
【００３６】
撮像装置１９は、波長の異なる複数の単色光からなる測定光によって映し出される測定対象面３０Ａの画像を撮像する。このとき、参照面１５が傾いていることにより、撮像された測定対象面３０Ａの画像には複数の単色光の波長ごとの干渉による輝度の空間的な変動である干渉縞が撮像される。ここで、観測手段としての撮像装置１９は、各単色光の波長ごとの分解手段を保持しており、単色光の各波長ごとの干渉縞を分離した画像データが得られる。この撮像した画像データは、制御系ユニット２のメモリ２１によって収集される。また、後述で明らかになるが、制御系ユニット２の駆動部２４によって、所望する撮像箇所へ光学系ユニット１を図１中のｘ，ｙ，ｚ軸方向に移動するように構成されている。また、撮像装置１９によって所定のサンプリングタイミングで測定対象面３０Ａおよび測定対象面の凸部（凹部）３０Ｂの画像が撮像され、その画像データが制御系ユニット２によって収集される。なお、撮像装置１９は、本発明の撮像手段に相当する。
【００３７】
本実施例における撮像装置１９としては、波長の異なる複数の単色光を分解できる分解手段を保持する構成であればよく、例えば、ＣＣＤ固体撮像素子、ＭＯＳイメージセンサ、ＣＭＯＳイメージセンサ、光電撮像管、アバランシェ電子倍増効果撮像管およびＥＢ−ＣＣＤなどがある。
【００３８】
制御系ユニット２は、表面形状測定装置の全体の統括的な制御や、所定の演算処理を行うためのＣＰＵ２０と、ＣＰＵ２０によって逐次収集された画像データや演算結果などの各種のデータおよびプログラムなどを記憶するメモリ２１と、サンプリングタイミングや撮像エリアなどその他の設定情報を入力するマウスやキーボードなどの入力部２２と、測定対象面３０Ａの画像などを表示するモニタ２３とを備える。また、ＣＰＵ２０の指示に応じて光学系ユニット１を上下左右に移動するように駆動させる、例えば、３軸駆動型のサーボモータなどの駆動機構で構成される駆動部２４を備えるコンピュータシステムで構成されている。なお、ＣＰＵ２０は、本発明における演算手段に相当する。
【００３９】
ＣＰＵ２０は、いわゆる中央演算処理装置であって、撮像装置１９、メモリ２１および駆動部２４を制御するとともに、撮像装置１９で撮像した波長の異なる複数の単色光ごとの干渉縞を含む測定対象面３０Ａの画像データに基づいて、当該測定対象物３０の表面高さを求める演算処理を行う位相算出部２５や、後述する符号判定部２６および求めた複数個の表面高さのデータから表面形状を求める画像データ作成部２７を備えている。当該ＣＰＵ２０における位相算出部２５や画像データ作成部２７の処理については後述する。さらに、ＣＰＵ２０には、モニタ２３とキーボードやマウスなどの入力部２２とが接続されており、操作者は、モニタ２３に表示される操作画面を観察しながら、入力部２２から各種の設定情報の入力を行う。また、モニタ２３には、測定対象面３０Ａの表面画像や凹凸形状などが数値や画像として表示される。
【００４０】
駆動部２４は、所望する撮像箇所へ例えば光学系ユニット１を図１中に記載のｘ，ｙ，ｚ軸方向に移動させる装置である。当該駆動部２４は、ＣＰＵ２０からの指示によって光学系ユニット１をｘ，ｙ，ｚ軸方向に駆動する、例えば、３軸駆動型のサーボモータを備える駆動機構で構成されている。なお、本実施例では、光学系ユニット１を動作させるが、例えば測定対象物３０が載置される保持テーブル４０を直交３軸方向に変動させるようにしてもよい。また、移動軸は２軸以下や存在しなくても良い。
【００４１】
以下、本実施例の特徴部分である表面形状測定装置全体で行なわれる処理を図２に示すフローチャートに従って説明する。
【００４２】
なお、本実施例では、参照面１５を、図１に示すように傾けた場合を例に採って説明する。この場合、撮影画像は図４に示すようになる。なお、本実施例では、説明の簡素化のためにｘ軸方向の場合を例に採って説明する。
【００４３】
＜ステップＳ１＞ 測定データの取得
ＣＰＵ２０は、図示しないステッピングモータなどの駆動系を駆動させて駆動部２４が光学ユニット１の測定対象物３０の撮像領域に移動させる。撮像位置が決定すると、光学系ユニット１は、照明装置１０の光源１０Ａから照射された光を音響光学フィルタ１０Ｂを通じて波長の異なる複数の単色光λ1、λ2およびλ３を同時に出力する。この複数の単色光は、導光路１０Ｃでまとめられてハーフミラー１３に向う。
【００４４】
波長の異なる複数の単色光の出力に連動して撮像装置１９が作動し、例えば、事例として図１に示す測定対象面の凸部（凹部）３０Ｂを有する測定対象面３０Ａの撮像を１回行う。この撮像によって取得された測定対象面３０Ａの複数の単色光ごとの干渉縞の画像データがメモリ２１に記憶される。つまり、メモリ２１には傾斜姿勢の参照面１５での複数の単色光からなる参照光と、測定対象面３０Ａで反射して戻る複数の単色光からなる反射光とによって生じる複数の単色光ごとの干渉縞の画像データが単色光の異なる波長ごとに記憶される。このとき参照面１５で反射する複数の単色光の伝播距離（Ｌ1の２倍）は、参照面１５での反射位置に基づいて規則的に変動する。
【００４５】
したがって、測定対象面３０Ａ内の平坦な部分では、測定対象面３０Ａからの複数の単色光からなる反射光の伝播距離（Ｌ2の２倍）は、測定箇所における変動は無いので、撮像装置１９によって撮像される画像における複数の単色光からなる干渉縞は参照面１５の傾きの向きと角度に応じて撮像面内に空間的に規則的に現れる。この複数の単色光の波長ごとの干渉縞は参照面１５からの複数の単色光からなる参照光の伝播距離（Ｌ1の２倍）と測定対象面３０Ａからの複数の単色光からなる反射光の伝播距離（Ｌ2の２倍）の差がλ1／２＝２３５ｎｍ、λ2／２＝２８０ｎｍおよびλ３／２＝３００ｎｍなるごとに１周期分現れる。
【００４６】
一方、図１に示されるように、測定対象面３０Ａの高さあるいは窪みが変動する箇所すなわち、測定対象面の凸部（凹部）３０Ｂでは、複数の単色光の波長ごとの干渉縞がずれた不規則な縞模様として現れる。
【００４７】
＜ステップＳ２＞ 干渉光強度値の取得
ＣＰＵ２０は、メモリ２１に記憶した各画素の強度値、すなわち、測定対象面３０Ａの波長の異なる複数の単色光ごとの干渉光強度値を画像データから取り込む。このとき、測定対象面３０Ａと測定対象面の凸部（凹部）３０Ｂの高さが変動する図５に示す画素番号２５５と３５５近辺で、複数の単色光の波長ごとの干渉縞の空間的な位相が（例えば図５の本実施例ではＸ軸方向に）ずれた不規則な縞模様として現れる。
【００４８】
＜ステップＳ３＞ 各波長の画素単位での位相φ１、φ２およびφ３の算出
ＣＰＵ２０の位相算出部２５は、測定対象面３０Ａの算出対象の画素における位相を、その画素と当該画素に隣接する画素（本実施例ではＸ軸方向に隣接する画素）の複数の単色光の波長ごとそれぞれの干渉縞の光強度値を用いて予め決定した計算アルゴリズムを利用して求めてゆく。具体的には、算出対象の画素および当該画素に隣接する画素における干渉縞の光の強度値を干渉縞波形を求める表現式にあてはめて（フィッティング）位相を求める。
【００４９】
まず、算出対象の画素における干渉縞の光の強度値は次式（１）のように記載される。
【００５０】
ｇ（ｘ）＝ａ（ｘ）＋ｂ（ｘ）ｃｏｓ{２πｆｘ＋φ（ｘ）}・・・・（１）
ここで、ｘは算出対象の画素の位置座標、ａ（ｘ）は干渉縞波形に含まれる直流成分、ｂ（ｘ）は干渉縞波形に含まれる交流成分（振動成分の振幅であって、以下、適宜に「交流振幅」という）、ｆは干渉縞ｇ（ｘ）の空間周波数成分、φ（ｘ）は測定対象面３０Ａの所定画素に対応する算出すべき位相である。なお、算出対象の画素の位置座標は（ｘ、ｙ）の２次元で現されるが、本実施例では説明を簡素化するためｙ座標を省略して記載する。
【００５１】
次に、隣接する画素については、算出対象の画素からｘ軸方向に微小距離Δｘずれているので、その干渉縞の光の強度値は次式（２）のように表現される。
【００５２】
ｇ（ｘ＋Δｘ）＝ａ（ｘ＋Δｘ）＋ｂ（ｘ＋Δｘ）ｃｏｓ{２πｆ（ｘ＋Δｘ）
＋φ（ｘ＋Δｘ）}・・・・・・（２）
ここで、本実施例では、算出対象の画素と隣接する画素とのピッチが微小距離であるので、各画素にまたがる干渉縞に含まれる直流成分、交流振幅、および位相を等しいと仮定し、次式（３）〜（５）の関係式を利用する。
【００５３】
ａ（ｘ）＝ａ（ｘ＋Δｘ）＝ａ ・・・（３）
ｂ（ｘ）＝ｂ（ｘ＋Δｘ）＝ｂ ・・・（４）
φ（ｘ）＝φ（ｘ＋Δｘ）＝φ ・・・（５）
ここで、ａ、ｂ、φは定数である。
【００５４】
上記（３）〜（５）の関係式のように仮定することにより、式（１）および式（２）は、以下の式（１ａ）および式（２ａ）のように置き直すことができる。
ｇ（ｘ）＝ａ＋ｂｃｏｓ（２πｆｘ＋φ） ・・・・・・・・・・・（１ａ）
ｇ（ｘ＋Δｘ）＝ａ＋ｂｃｏｓ｛２πｆ（ｘ＋Δｘ）＋φ｝ ・・・（２ａ）
次に、式（１ａ）および式（２ａ）を変形し、次式（６）、（７）を作成する。
Ｇ（ｘ）＝ｇ（ｘ）−ａ＝ｂｃｏｓ｛２πｆｘ＋φ｝ ・・・・・・・・・・・（６）
Ｇ（ｘ＋Δｘ）＝ｇ（ｘ＋Δｘ）−ａ＝ｂｃｏｓ｛２πｆ（ｘ＋Δｘ）＋φ｝・（７）
次に、加法定理により式（６）、（７）を次式（８）、（９）のように変形する。
Ｇ（ｘ）＝ｂｃｏｓ（２πｆｘ＋φ）
＝ｂ｛ｃｏｓ（２πｆｘ）ｃｏｓφ−ｓｉｎ（２πｆｘ）ｓｉｎφ｝・・・（８）
Ｇ（ｘ＋Δｘ）＝ｂｃｏｓ｛２πｆ（ｘ＋Δｘ）＋φ｝
＝ｂ〔ｃｏｓ｛２πｆ（ｘ＋Δｘ）｝ｃｏｓφ−ｓｉｎ（２πｆｘ＋Δｘ）ｓｉｎφ〕
・・ ・・・（９）
次に、これら式（８）、（９）を行列式（１０）で表わす。
【００５５】
【数１】
2013044669.tif 000003
なお、Ａは、次のように表される。
【００５６】
【数２】
2013044669.tif 000004
ここで、行列（１０）の左辺からＡの逆行列を掛けて展開することにより、次式（１１）、（１２）を求める。
【００５７】
【数３】
2013044669.tif 000005
【００５８】
【数４】
2013044669.tif 000006
これら上記式（１１）、（１２）を利用し、次式（１３）を得ることができる。なお、ここで、上記ｂｓｉｎφおよびｂｃｏｓφのそれぞれをｂｓｉｎφ＝Ｓおよびｂｃｏｓφ＝Ｃとし、さらにｔａｎφ＝Ｓ／Ｃとすると、
φ＝ａｒｃｔａｎ｛Ｓ／Ｃ｝＋ｎ’π・・・・・・・・（１３）
となる。なお、ｎ’は、整数である。
【００５９】
ここで、ＣＰＵ２０は、さらに符号判定部２６を備え、この符号判定部２６がｓｉｎφとｃｏｓφの符号情報を参照する。この符号情報を用いると、ｓｉｎφとｃｏｓφの符号の組み合わせから、φの存在範囲をπから２πに拡張できることになる。図６は、式（１３）に示されるような、ｓｉｎφとｃｏｓφの符号情報を参照してφの範囲を特定するための具体的な図である。よって、ｓｉｎφとｃｏｓφの符号情報を用いれば式（１３）は次式（１４）で表わすことができる。
【００６０】
φ＝ａｒｃｔａｎ｛Ｓ／Ｃ｝＋２ｎπ・・・・・・・・（１４）
となる。なお、ｎは、整数である。
【００６１】
よって、Ｇ（ｘ）と干渉縞波形の空間周波数ｆが既知であるならば式（１４）によって位相φを求めることができる。Ｇ（ｘ）は画素の輝度情報ｇ（ｘ）およびｇ（ｘ＋Δｘ）と干渉縞波形の直流成分ａからなるので、結局ｇ（ｘ）およびｇ（ｘ＋Δｘ）、干渉縞波形の直流成分ａ、干渉縞波形の空間周波数ｆが既知であるならば式（１４）によってφを求めることができる。すなわち、波長λ1、λ２およびλ３の場合のそれぞれの位相φ１、φ２およびφ３を上記演算式を利用して求める。
【００６２】
ｇ（ｘ）およびｇ（ｘ＋Δｘ）は撮像装置１９の画素の輝度情報として得ることができる。
【００６３】
干渉縞波形の直流成分ａは例えば、撮像装置１９で観測された全画素の輝度の平均値とする方法、位相算出対象画素の近傍画素の平均値とする方法、あるいは予め反射率を測定する方法等で求めることができる。
【００６４】
また、干渉縞波形の空間周波数ｆは例えば、参照面１５の設置角度から求める方法、予め測定対象物３０として平坦面を観察した場合の干渉縞波形の画面内の干渉縞本数から求める方法等で求めることができる。
【００６５】
＜ステップＳ４＞ 各波長の画素単位での表面高さｚ1、ｚ2およびｚ３算出
ＣＰＵ２０は、上記式（１４）から波長λ1、λ2およびλ３ごとに算出された算出対象の画素の位相φ1（ｘ）、φ2（ｘ）およびφ３（ｘ）を式（１５）に代入してそれぞれの高さz1（ｘ）、z２（ｘ）およびz３（ｘ）を求める。
ｚ（ｘ）＝［φ（ｘ）／４π］λ＋ｚ０・・・・（１５）
なお、ｚ0は測定対象物３０の基準高さである。
【００６６】
ここで、波長をλとした場合、λ／２の範囲ごとに次数ｎの異なる表面高さの解の候補値群が存在する。したがって、本実施例のように３波長λ1、λ2およびλ３を利用したときの表面高さの解の候補値群は、両候補値群のλ1／２、λ2／２およびλ３／２の最小公倍数の範囲ごとに周期的に存在する。
【００６７】
求めるべき表面高さは１つだけなので、全候補値群から共通する高さを実高さとして求める。すなわち、各候補値群で求めた表面高さの解の候補値のうち、互いに最も近い高さを実高さとする。
【００６８】
例えば、周期的に存在する波長λ1の解の候補値群が図７（ａ）に、波長λ2の解の候補値群が図７（ｂ）におよび波長λ３の解候補値群が図７（ｃ）のようになる。ここで、図１に示す測定対象物３０の低部である測定対象面３０Ａに相当する部分がＸ軸画素番号の０〜２５４までと、３５６〜５１２までとなり、測定対象面の凸部（凹部）３０Ｂが中央のＸ軸画素番号２５５〜３５５までとなる。そこで、画素ごとに両候補値群を比較し、表面高さが略一致するものを抽出して行く。すなわち、一方の低部である測定対象面３０Ａは、波長λ1の次数ｎ１＝０の高さｚ1と波長λ2の次数ｎ２＝０の高さｚ2および波長λ３の次数ｎ３＝０の高さｚ３とが一致するので、この値を実高さとする。他方の測定対象面の凸部（凹部）３０Ｂは、波長λ1の次数ｎ１＝１６の高さｚ1と波長λ2の次数ｎ２＝１３の高さｚ2および波長λ３の次数ｎ３＝１２の高さｚ３とが略一致するので、この値を実高さとする。
【００６９】
すなわち、この原理に基づいて波長λ1、λ2およびλ３で測定した位相φ1（ｘ）、φ2（ｘ）およびφ３（ｘ）から、次式（１５ａ）、（１５ｂ）および（１５ｃ）によりそれぞれの表面高さを求める。
ｚ1（ｘ）＝[φ1（ｘ）／２π＋ｎ1]・（λ1／２）・・・・・・・ ・・・（１５ａ）
ｚ2（ｘ）＝[φ2（ｘ）／２π＋ｎ2]・（λ2／２） ・・・・・・・・・・（１５ｂ）
ｚ３（ｘ）＝[φ３（ｘ）／２π＋ｎ３]・（λ３／２） ・・・・・・・・・（１５ｃ）
＜ステップＳ５＞ 画素単位の実高さＺを算出
さらに、上記３式を利用して、ｚ１、ｚ２とｚ３とのお互いの差が最小になるｎ１、ｎ２およびｎ３とを求め、それを上記３式に代入して求まるｚ１、ｚ２とｚ３のいずれかを実高さＺとする。
または、ｚ１，ｚ２とＺ３との平均値を実高さＺとしても良い。
【００７０】
＜ステップＳ６＞ 全画素について算出終了？
ＣＰＵ２０は、全ての画素について位相と高さの算出が終了するまで、ステップＳ３〜Ｓ６の処理を繰り返し行い、位相と表面高さを求める。
【００７１】
＜ステップＳ７＞ 表面形状の表示
ＣＰＵ２０の画像データ作成部２７は、算出された実表面高さの情報から測定対象面３０Ａ、測定対象面の凸部（凹部）３０Ｂの表示画像を作成する。そして、ＣＰＵ２０は、この画像データ作成部２７によって作成された情報に基づいて、図８に示すように、モニタ２３に測定対象物３０の表面高さの情報を表示したり、それら各特定箇所の高さの情報に基づいた３次元または２次元の画像を表示したりする。操作者は、これらの表示を観察することで、測定対象面３０Ａの表面にある測定対象面の凸部（凹部）３０Ｂの形状を把握することができる。以上により、測定対象面３０Ａの表面形状の測定処理が終了する。
【００７２】
上述のように、撮像装置１９で撮像した画像データから画素ごとの干渉縞の光の強度値と、その近傍の複数画素の強度値を算出する過程で、各画素の干渉縞波形に含まれる直流成分ａ（ｘ）、交流振幅ｂ（ｘ）、および位相φ（ｘ）のそれぞれが各画素について等しいと仮定して連立比較することにより、各画素における干渉縞の直流成分と交流振幅をキャンセルすることができる。
【００７３】
したがって、ローパスフィルタを利用することなしに測定対象面３０Ａの表面高さを測定することができるので、図８に示すように、測定対象面３０Ａの急峻なエッジ部分の表面高さを精度よく求めることができる。その結果、測定対象面３０Ａの表面形状を精度よく測定することができる。
【００７４】
また、求めた位相から測定対象物３０の表面高さの候補値群を波長の異なる複数の単色光ごとに求め、さらに各候補群から共通する高さを実際の高さとして求めるので、単一の位相から表面高さを求めるよりも広い候補範囲から実高さを求めることになるので、より精度良く求めることができる。また、使用する波長の組み合わせによって測定できる高さの上限を高くできる。例えば、波長λ1、λ2およびλ３の差を小さくすれば、より高い凹凸段差を検出することができる。
【００７５】
また、位相から測定対象物３０の表面高さを求めるので、表面の凹凸状態の判別もできる。
【００７６】
さらに、同時に出力した波長の異なる複数の単色光からなる反射光を同時に検出して測定対象物３０の表面高さと表面形状を測定することができるので、作業効率の向上を図ることができる。以上で、図２の表面形状測定装置における処理を示すフローチャートの説明を完了する。
【００７７】
次に、本発明では上述した実施例のものに限らず、次のように変形実施することもできる。
一つには、上記実施例では、照明装置１０の光源１０Ａからの白色光を音響光学フィルタ１０Ｂに入射することで波長の異なる複数の単色光を抽出し、導光路１０Ｃに入射しているが、これを光源１０Ａからの白色光を直接導光路１０Ｃに入射し、白色光の参照光と白色光の測定光とがまとめられた白色光の干渉光が撮像装置１９に入射する光路上に音響光学フィルタ１０Ｂを設置して波長の異なる複数の単色光からなる干渉光を複数の単色光ごとに抽出する光学手段を配備してもよい。
【００７８】
ところで、上述の図２の表面形状測定装置を用いた処理を示すフローチャートの説明では、測定対象面３０Ａに対し、照明装置１０の光源１０Ａからの白色光を音響光学フィルタ１０Ｂおよび導光路１０Ｃを通して照射しているが、本願での特徴である音響光学フィルタ１０Ｂを用いることによる各用いる波長の異なる複数の単色光の波長を任意に設定可能であるという機能を活用した事例を以下に説明する。
【００７９】
表面形状測定をおこなう測定対象物３０には、多くの光学特性を保有するものがある。例えば、測定対象面３０Ａに照明装置１０を用いて照射し、撮像装置１９を用いて撮像する段階で、当該測定対象面３０Ａの色によっては、当該測定対象面３０Ａが特定波長の単色光の照射光を吸収してしまう特性を有する場合があり、測定に用いる単色光の波長を最適の波長に変更したい場合を生じる。また他の例として、測定対象面３０Ａに透明薄膜がある場合はその光学膜厚によっては、特定波長の単色光の照射光を吸収してしまう特性を有する場合があり、測定で照射に用いる単色光の波長を最適の波長に変更したい場合を生じる。
【００８０】
それらの場合、表面測定の開始前に、測定対象面３０Ａに対し、事前にあらかじめ単色光の波長をスキャンしながら照射し、得られる各単色光の反射強度の測定結果を用いて、その測定対象面３０Ａに対して最適な波長の異なる単色光を複数選択し、表面形状測定をおこなう。この時、当該波長の切り替えについては、音響光学フィルタ１０Ｂを採用したことによって、容易に変更することができる。
【００８１】
具体的には、測定対象面３０Ａに透明薄膜がある場合、図９に示すように、照射光の波長の変化に伴い、反射率が変動する現象がある。従い、上述の様に、照射すべき単色光の波長は、反射率の高い単色光の波長を選択する必要がある。例えば、前記図２のフローチャートの説明に沿って選択した、３種の単色光の波長（前述の場合、λ１＝４７０ｎｍ、λ２＝５６０ｎｍおよびλ３＝６００ｎｍを選択した。）の場合も測定対象面３０Ａによっては、図９のグラフの縦軸の反射率が低い箇所の波長であった場合、上記λ１、λ２あるいはλ３の波長を該反射率の高い部分になるように単色光の波長をずらせて測定した方が精度良い表面形状測定ができる。その様な、事こまかな対応について、図１に示す照明装置１０に用いる単色光の波長が自在に変更できる音響光学フィルタ１０Ｂを適用した本願発明の構成の表面形状測定装置では可能である。
【符号の説明】
【００８２】
１・・・光学系ユニット
２・・・制御系ユニット
１０・・照明装置
１０Ａ・光源
１０Ｂ・音響光学フィルタ
１０Ｃ・導光路
１０１・二酸化テレル結晶
１０２・吸音材
１０３・トランスデューサ
１０４・発振器
１０５・波長の異なる複数の横波超音波
１０６・広帯域な波長を有する光 
１０７・非選択光
１０８・波長の異なる複数の単色光
１１・・コリメートレンズ
１３・・ハーフミラー
１４・・対物レンズ
１５・・参照面
１７・・ビームスプリッタ
１８・・結像レンズ
１９・・撮像装置
２０・・ＣＰＵ
２１・・メモリ
２２・・入力部
２３・・モニタ
２４・・駆動部
２５・・位相算出部
２６・・符号判定部
２７・・画像データ作成部
３０・・測定対象物
３０Ａ・測定対象面
３０Ｂ・測定対象面の凸部（凹部）
４０・・保持テーブル
【図１】
2013044669.tif 000007
【図２】
2013044669.tif 000008
【図３】
2013044669.tif 000009
【図４】
2013044669.tif 000010
【図５】
2013044669.tif 000011
【図６】
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【図７】
2013044669.tif 000013
【図８】
2013044669.tif 000014
【図９】
2013044669.tif 000015