(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロミラーアレイに光源からの光を照射し、干渉光学系を用いてマイクロミラーアレイからの反射光と参照光との間で干渉縞を発生させてその干渉縞を撮像し、前記干渉縞データをもとにマイクロミラーアレイ反射光の略光軸方向における所定の複数位置でのマイクロミラーアレイの反射光の複素振幅データを求め、前記複素振幅データにおける振幅データを用いて合焦状態を検知し、合焦法の原理によりマイクロミラーアレイの複数のミラー面の光軸方向高さの差のデータを求め、前記複素振幅データの位相データから干渉計測の原理により複数のミラー面の表面形状データをサブフリンジオーダーで求め、前記高さの差のデータと表面形状データとを合成することにより、ミラー面及びそれ以外の領域の両方を含む面の動的形状をサブフリンジオーダーで測定できる動的形状測定方法。
【請求項２】
ほぼ単一波長の光を発生する光源と、光源からの光を平行光にしてマイクロミラーアレイに照射するための照射光学系と、マイクロミラーアレイからの反射光と参照光とを干渉させるための干渉光学系と、マイクロミラーアレイからの反射光を球面波に変換するための第１の変換光学系と、前記参照光を球面波に変換するための第２の変換光学系と、前記干渉光学系にて生成される干渉縞を撮像する手段と、前記撮像手段による干渉縞データをもとに前記マイクロミラーアレイの反射光の複素振幅データを計算する第１の演算器と、前記複素振幅データにおける振幅データをもとに合焦法の原理によりマイクロミラーアレイの複数のミラー面の光軸方向高さの差のデータを求める第２の演算器と、前記複素振幅データにおける位相データをもとに干渉計測の原理を用いて複数のミラー面の表面形状を求める第３の演算器と、上記第２の演算器と上記第３の演算器の出力を合成することによりミラー面及びそれ以外の領域の両方を含む面の動的形状をサブフリンジオーダーで求めるための第４の演算器とから構成されたマイクロミラーアレイの動的形状測定装置。
【請求項３】
マイクロミラーアレイのミラー面上で結像するような強度パターンを生成するための手段を備えている請求項２の動的形状測定装置。
【請求項４】
前記強度パターン生成手段が、反射率あるいは反射角度の差異にて強度パターンを生成する反射素子と、前記反射素子による強度パターンをマイクロミラーアレイのミラー面上で結像させるための光学系とから構成された請求項３の動的形状測定装置。
【請求項５】
前記強度パターン生成手段が、透過率の差異にて強度パターンを生成する透過素子と、前記透過素子による強度パターンをマイクロミラーアレイのミラー面上で結像させるための光学系とから構成された請求項３の動的形状測定装置。
【請求項６】
前記透過素子において、マイクロミラーアレイに照射するための光が透過する領域が、０より大きい透過率をもつことを特徴とする請求項５の動的形状測定装置。
【請求項７】
前記透過素子を二次元マトリクス状の液晶素子とした請求項５の動的形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、デジタルホログラフィ技術を応用して、物体の動的形状を測定する装置および方法に関するものであり、サブフリンジオーダー測定精度が要求される測定対象の動的形状の測定に好適なものである。なお、上記の物体の動的形状は、物体が変形、変位、振動している瞬間での形状である。
近年、部品のマイクロ化が進み、μｍオーダサイズのミラーやレンズ、ギヤ、ＬＤ，ＰＤ、その他種々の部品が、プリンター、ＰＰＣ、プロジェクター、光ピックアップ等の機器の内部で使用される場合が多くなっている。そのような部品は光の波長以下の形状精度、部品組み付け精度が要求され、また動きを伴うことが多い。動作中の部品形状を知ることは、機器の性能を保証する上で、重要な評価項目となる。本発明では、そのようなマイクロ部品の動的形状の測定を実現するためのもので、機器の性能評価、不具合解析に応用することができる。
【０００２】
【従来技術と解決しようとする課題】
１．発明の技術的背景と第１課題（請求項１に対応）
第１番目の発明の適用に好適な具体的測定対象の一例としてマイクロミラーアレイを図１に示している。図１における符号１〜４は被測定面としてのミラーで、灰色で塗りつぶした領域は不必要な無効領域である。したがって、各ミラー面は相互に不連続であり、ミラー１〜４の面それぞれの相対的な深さ（高さ）の差は不明確である。マイクロミラーアレイは、主に各構成ミラーが個別にその角度や位置を変えることによって、反射光の角度や位置を変調するための素子であり、表示のための画像変調デバイスや、光イコライザー等において用いられるものである。各構成ミラー１〜４は独立した動きを伴って、高速で動作することが要求される場合も多い。その場合、動作中のミラーに動作に伴ううねりなどの歪みを生じると、ミラーによる反射光が所定角度では反射されないため、システム性能に支障をきたす場合がある。そのため動作中のミラー面形状（動的形状）をサブフリンジオーダーの精度で評価することが必要である。
【０００３】
静止した状態における図１のミラー１〜４のそれぞれの面形状は、レーザー干渉計（例えばZygo社のレーザー干渉システム等）や、走査型白色干渉計（例えばZygo社の三次元表面構造解析顕微鏡）を用いて、サブフリンジオーダーで測定することが可能である。レーザー干渉計は、参照光の位相に変調をかけながら、ＣＣＤ等の撮像手段を用いて複数の干渉縞画像を収録する。そしてそれらの干渉縞から被測定物の反射光の位相を求め、その位相データをもとにサブフリンジオーダーで物体形状を求める。しかしながら被測定面（マイクロミラーアレイにおけるミラー面）が図１のように不連続領域（ミラー面とそれ以外の領域）を含む場合、不連続領域にて位相のアンラップができなくなるので、位相の関連性がとぎれる。このため、不連続領域を挟んだ面と面との定値に光源波長に関連した不確定性が含まれてくるという問題がある。また、複数の干渉縞画像を収録する必要があるのでメカ駆動を必要とし、そのため、動的形状の測定は不可能である。
【０００４】
走査型白色干渉計は、複数の干渉縞画像を収録し、複数の波長でそれぞれ求めた位相情報の相互関係から、広い光軸方向測定範囲を拡大する方法を用いている（多波長測定）。このため、図１のように不連続領域を含む面であっても、光源波長に関連した不確定性を生じることなしに、サブフリンジオーダーで測定することが可能である。しかしながら走査型白色計の場合も、測定のために複数の画像が必要であり、またそのためにメカ駆動を必要とするため、動的形状の測定は不可能である。
不連続領域を含む面を測定できる方法として、他に「波長を超える段差や絶対距離を含んだ形状の測定を高精度かつ高速で、測定ミスを生じることなしに行うことが可能な干渉計測方法および干渉計測装置」として、特開２０００−２２１０１３号公報に記載された「干渉計測方法および干渉計測装置」がある。この方法は、上記の走査型白色干渉計において、取得すべき干渉縞画像の数を低減し、また、測定の高速化を図ったものである。しかしながらサブフリンジオーダーで形状を求めるのに、位相変調法（位相シフト法）を用いているため、メカ駆動部を必要とし、また複数の画像を取得する必要があるため、走査型白色干渉計よりも速いとしても、高速化には限界があり、動的形状の測定は不可能である。
【０００５】
動きを伴う物体の動的形状を測定する方法としては、パルス光源を用いたデジタルホログラフィによる物体の動的測定法（例えばＧ．Ｐｅｄｒｉｎｉ，Ｈ．Ｊ．Ｔｉｚｉａｎｉ，「Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ  ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｄｙｎａｍｉｃ  ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ  ｕｓｉｎｇ  ｄｉｇｉｔａｌ  ｈｏｌｏｇｒａｐｈｙ」，Ｏｐｔｉｃｓ  ＆Ｌａｓｅｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ．２９，Ｎｏ．５，Ｐ２４９−２５６，１９９７）がある。この場合、単一画像から物体反射光の複素振幅を求めるため、一枚の収録画像で物体の動的形状を測定することが可能である。しかしながらこの方法は粗面物体を測定対象とするものであって、サブフリンジオーダーでの物体形状の測定や、また不連続領域を含む面の測定方法について追求したものではない。
物体をＣＣＤ等で観測した強度データをもとに、物体形状を求める方法として、ｄｅｐｔｈ  ｆｒｏｍ  ｆｏｃｕｓ理論に基づく方法がある。従来はレンズの焦点距離を変化させながら収録した複数のＣＣＤ画像をもとに、物体表面の合焦位置を求め、それにより表面形状を求めていた（例えば、石原満宏、佐々木博美による「合焦法による高速三次元形状計測」精密工学会誌，ｖｏｌ．６３、Ｎｏ．１，１９９７）。しかしながらその方法は、一般にレーザー干渉に比べると測定分解能が低いため、サブフリンジオーダーの形状精度が要求される部品の評価には適さない。光学系の倍率を上げることで、測定分解能をある程度向上させることはできるが、レーザー干渉による分解能と同じレベルまで上げようとすると、横方向の測定範囲（視野）が狭くなってしまう。また上記のレンズの焦点距離を変えながら複数のＣＣＤ画像を収録する方法は、収録方法を工夫するとしても複数の画像を取り込むだけの時間を要するため、被測定面が動きを伴う場合、その形状を測定することは不可能である。
【０００６】
本発明は、収録した干渉縞画像をもとに物体反射光の略光軸方向における所定の複数位置での物体反射光の複素振幅を求め、それらの複素振幅データのうち、振幅データを用いて、ｄｅｐｔｈ  ｆｒｏｍ  ｆｏｃｕｓ理論に基づいた演算処理を施して被測定物エッジ（マイクロミラーアレイにおける複数のミラー面）の合焦状態を検知することにより、そのエッジ深さ（複数のミラー面の光軸方向高さ）を測定するものである。この場合、測定分解能および光軸方向の測定範囲は光学系の拡大倍率により任意に設定することができるので、その測定分解能を光源波長の１／２よりも小さく設定することによって、被測定物のエッジ深さを光源波長の１／２よりも小さい分解能で測定することができる。例えば、図１におけるミラー１〜４のエッジの深さ（光軸方向高さ）をそれぞれ測定することにより、不連続領域を挟んだ各ミラーの深さの差を、光源波長の１／２よりも小さい分解能で測定することができる。一方、干渉縞データから求めた被測定物反射光の複素振幅のうち、位相データを用いると、被測定ミラー形状をサブフリンジオーダーで測定することができる。したがって、被測定物のエッジ部分で、その深さデータと位相による形状データとを合成することにより、光源波長に関連した不確定性を生じさせることなしに、複数のミラーにおける深さの相互関係を補いつつミラー形状をサブフリンジオーダーで測定することが可能になる。またデジタルホログラフィは、単一干渉縞から物体反射光の複素振幅を求めることができるので、動きを伴う物体であっても、これでその動的形状を測定することが可能である。
本発明の第１の課題は、不連続領域を含む面であっても、光源波長に関連した不確定性を生じさせることなしに、被測定物の動的形状を測定できる方法を提供することである。
【０００７】
２．第２課題 
第１番目の発明による動的形状測定方法では、物体反射光複素振幅データのうち、振幅データを用いて被測定物エッジ深さを測定するが、しかし、被測定物によっては、エッジが視野内に観測されない場合や図２（エッジを側面から観測したもの）のようにエッジが明確でない場合があり、このような場合、被測定面の深さデータと位相による形状データを合成することが困難になる。第２番目の発明では、被測定物面上で結像するように、二次元的な強度パターンをもった光を被測定物に照射し、強度パターンの合焦状態を検知することにより、その深さデータを取得する。そして強度パターンの深さデータと位相による形状データとを合成することにより、光源波長に関連した不確定性を生じさせることなしに、ミラー形状をサブフリンジオーダーで測定可能となる。
第２の課題は、被測定物のエッジが視野内に観測されない場合や、エッジが観測されても明確でない場合において、不連続領域を含む面であっても、光源波長に関連した不確定性を生じさせることなしに、被測定物の動的形状を測定できる方法を提供することである。
【０００８】
３．第３課題 
被測定物に強度パターンを照射する場合、被測定面上で影（光が照射されない領域）があると、その部分での物体反射光が得られず、位相による形状データが欠落してしまう。したがって、被測定面上での影はできるだけ小さい方がよい。本発明では例えば点像（細線の像でもよい）を被測定面の不連続領域を挟む各面に照射し、その点像の深さデータを取得するようにする。そうすることにより、位相による形状データの欠落を小さくすることができる。第３の課題は二次元的に広い範囲での測定を可能にすることである。
【０００９】
４．第４課題 
被測定物に強度パターンを照射する場合、被測定面上で影（光が照射されない領域）があると、その部分での物体反射光が得られず、位相による形状データが欠落してしまう。照射する強度パターンについて、強度がゼロにならないようにパターンに強度差を与え、それにより照射光の強度が小さい領域でも被測定面による反射光が戻ってくることになり位相による形状データの欠落がなくなる。第４の課題は二次元的に広い範囲での測定を可能にすることである。
【００１０】
５．第５課題 
第３番目の発明の動的形状測定方法において、例えば点像を被測定面に照射する場合、被測定領域における不連続領域の存在の態様が変化すると、測定ができなくなる。他方被測定物に照射する前記強度パターンの模様を可変とすることによって、被測定領域における不連続領域の存在の態様に合わせて強度パターンの模様を可変とすることができる。第５の課題は測定の汎用性を向上させることである。
【００１１】
【課題解決のために講じた手段】
【解決手段１】
（請求項１に対応）
第１課題解決のために講じた手段１は、マイクロミラーアレイのミラー面の動的形状を求める測定方法を次の（イ）乃至（ホ）によって構成したことである。
（イ）マイクロミラーアレイに光源からの光を照射し、干渉光学系を用いてマイクロミラーアレイからの反射光と参照光との間で干渉縞を発生させてその干渉縞を撮像し、
（ロ）前記干渉縞データをもとにマイクロミラーアレイ反射光の略光軸方向における所定の複数位置でのマイクロミラーアレイの反射光の複素振幅データを求め、
（ハ）前記複素振幅データにおける振幅データを用いて合焦状態を検知し、合焦法の原理によりマイクロミラーアレイの複数のミラー面の光軸方向高さの差のデータを求め、
（ニ）前記複素振幅データの位相データから干渉計測の原理により複数のミラー面の表面形状データをサブフリンジオーダーで求め、
（ホ）前記高さの差のデータと表面形状データとを合成することにより、ミラー面及びそれ以外の領域の両方を含む面の動的形状をサブフリンジオーダーで測定すること。
【００１２】
【作用】
収録した干渉縞画像をもとに物体反射光の略光軸方向における所定の複数位置での物体反射光の複素振幅を求め、複素振幅のうちの振幅データを用いてマイクロミラーアレイの複数のミラー面の光軸方向高さの差を求めることにより、ミラー面及びそれ以外の領域の両方を挟んだ面と面との間での光軸方向高さの差を求め、また複素振幅のうちの位相データを用いて干渉計測の原理により複数のミラー面の形状をサブフリンジオーダーで求め、それらを合成することによって、ミラー面及びそれ以外の領域の両方を含むミラー面であっても、ミラー面及びそれ以外の領域の両方を挟んだ面と面の間において光源波長に関連した不確定性を生じさせることなしに、マイクロミラーアレイの動的形状をサブフリンジオーダーで測定することが可能となる。
【００１３】
【解決手段２】

第２課題解決のために講じた手段２は、被測定面の動的形状を求める測定方法を次の（イ）乃至（ホ）によって構成したことである。
（イ）被測定物表面上で結像するような二次元的な強度パターンをもった光を被測定物に照射し、干渉光学系を用いて被測定物からの反射光と参照光との間で干渉縞を発生させてその干渉縞を撮像し、
（ロ）前記干渉縞データをもとに被測定物反射光の略光軸方向における所定の複数位置での被測定物の反射光の複素振幅データを求め、
（ハ）前記複素振幅データにおける振幅データを用いて合焦状態を検知し、合焦法の原理により被測定物面上の強度パターンの深さデータを求め、
（ニ）前記複素振幅データの位相データから干渉計測の原理により被測定物の表面形状データをサブフリンジオーダーで求め、
（ホ）前記強度パターンの深さデータと前記表面形状データとを合成することにより、不連続領域を含む面の動的形状をサブフリンジオーダーで測定すること。
【００１４】
【作用】
収録した干渉縞画像をもとに物体反射光の略光軸方向における所定の複数位置での物体反射光の複素振幅を求め、複素振幅のうちの振幅データを用いて被測定物に投影した強度パターンの深さを求めることにより、不連続領域を挟んだ面と面との間での深さの差を求め、また複素振幅のうちの位相デ一タを用いて干渉計測の原理により被測定物形状をサブフリンジオーダーで求め、それらを合成することによって、不連続領域を合む被測走面であっても、不連続領域を挟んだ面と面の間において光源波長に関連した不確定性を生じさせることなく、被測定物の動的形状をサブフリンジオーダーで測定することができる。
【００１５】
【解決手段３】

第３課題解決のために講じた手段３は、上記解決手段２の動的形状測定方法を前提として、被測定物に照射する前記強度パターンを、不連続な面それぞれの少なくとも一部にパターンを生成するように照射することである。
【作用】
解決手段２の方法において、パターンを投影すると、パターンが影になってその部分からの反射光がなくなるため、位相データが取得されなくなって、その部分での形状デ一タが欠落してしまう。解決手段３では、例えば微小面積の点像（細線の像でもよい）を被測定面の不連続領域を挟む各面に照射し、その点像をテクスチャとして点像の深さデータを取得して、解決手段２の動的形状測定方法を実施する。そうすると位相データの欠落は微小面積の点像の部分のみになって、位相データの欠落を少なくすることができ、それにより二次元的に広い範囲での測定が可能となる。
【００１６】
【実施態様１】

実施態様１は、上記解決手段２の動的形状測定方法について、被測定物に照射する前記強度パターンの被測定面上での強度を０より大きくしたことである。
【作用】
解決手段２の動的形状測定方法において、パターンを投影すると、パターンが影になってその部分からの反射光がなくなるため、位相データが取得されなくなって、その部分での形状データが欠落してしまう。この実施態様１では照射する強度パターンについて、強度がゼロにならないようにパターンに強度差を与えて、被測定面上でのパターンによる影をなくして解決手段２の動的形状測定方法を実施する。そうするとパターンの部分からも、強度が小さいながらも反射光を得ることが出来るので、位相データの欠落をなくすことができ、それにより二次元的に広い範囲での測定が可能となる。
【００１７】
【実施態様２】

実施態様２は、上記解決手段２の動的形状測定方法について、被測定物に照射する前記強度パターンを可変としたことである。
【作用】
解決手段２の動的形状測定方法において、被測定物の種類が変わって、被測定面における不連続領域の存在の態様（分布の態様）が変わった場合、不連続領域を挟んだ各面に、例えば点像パターンを投影することができなくなる。そうなると解決手段２の動的形状測定方法が実施できなくなる。被測定物に照射する前記強度パターンの模様を可変とすると、被測定領域における不連続領域の存在の態様に含わせて、各面に強度パターンを投影してやることができるので、それにより測定の汎用性を向上させることができる。
【００１８】
【解決手段４】
（請求項２に対応）
解決手段４は、解決手段１の動的形状測定方法を実施するためのマイクロミラーアレイの動的形状測定装置を次の（イ）乃至（チ）によって構成したことである。
（イ）ほぼ単一波長の光を発生する光源と、光源からの光を平行光にしてマイクロミラーアレイに照射するための照射光学系と、
（ロ）マイクロミラーアレイからの反射光と参照光とを干渉させるための干渉光学系と、
（ハ）マイクロミラーアレイからの反射光を球面波に変換するための変換光学系１と、
（ニ）前記参照光を球面波に変換するための変換光学系２と、
（ホ）前記干渉光学系にて生成される干渉縞を撮像する手段と、前記撮像手段による干渉縞データをもとに前記マイクロミラーアレイの反射光の複素振幅データを計算する演算器１と、
（ヘ）前記複素振幅データにおける振幅データをもとに合焦法の原理によりマイクロミラーアレイの複数のミラー面の光軸方向高さの差のデータを求める演算器２と、
（ト）前記複素振幅データにおける位相データをもとに干渉計測の原理を用いて複数のミラー面の表面形状を求める演算器３と、
（チ）前記演算器２と前記演算器３の出力を合成することによりミラー面及びそれ以外の領域の両方を含む面の動的形状をサブフリンジオーダーで求めるための演算器４とによって、上記のマイクロミラーアレイの動的形状測定装置を構成したこと。
【作用】
解決手段４の作用は次の実施の形態の説明において明らかにする。
【００１９】
【実施の形態】
図３に本発明の一実施例を示している。図３において、５は光源のＨｅ−Ｎｅレーザー、６は被測定物（例えば、マイクロミラーアレイ）への照射光強度を調整するためのＮＤフィルタ、７はレーザーからの光を拡大するためのビームエキスパンダであり、スペイシャルフィルタ（空間周波数フィルタ）としても機能する。ビームエキスパンダ７で拡大された光はミラー８にて折り返され、ビームスプリッタ９に入射する。ビームスプリッタ９で反射した光は、光を球面波に変換するためのレンズ１０を通り、ミラー１１で折り返され、光強度を調整するためのＮＤフィルタ１２、ハーフミラー１３を通過してＣＣＤカメラ１４に到達する。この光は、被測定物の反射光と干渉するための参照光となる。一方、ビームスプリッタ９を透過した光はミラー１５にて折り返され、レンズ１６により球面波に変換され、ハーフミラー１３を透過して、対物レンズ１７によりほぼ平行光に変換されて、被測定物１８に光を照射する。被測定物１８で反射した光は、対物レンズ１７を通過し、ハーフミラー１３で反射して物体光としてＣＣＤカメラ１４に到達し、参照光との間に干渉をおこして干渉縞を発生する。干渉縞はＣＣＤカメラ１４にて撮像され、フレームグラバー１９を介してコンピュータ２０に転送され、コンピュータ２０のメモリに記録される。ビームスプリッタ９で分岐された後の参照光路と物体光路の長さは、光源のＨｅ−Ｎｅレーザーのコヒーレンス長以下になるように設定されている。また被測定物からの反射光がＣＣＤカメラ１４で撮像するのに適した強度になるように、ＮＤフィルタ６により被測定物への照射光強度を調整してあり、また被測定物１８からの反射光と参照光との干渉により発生する干渉縞のコントラストが高くなるように、ＮＤフィルタ１２により参照光強度が調整されている。対物レンズ１７は被測定物の反射光を球面波に変換するように作用し、それにより後記のように被測定物の反射光の複素振幅（被測定物の像）を再生したときに像が拡大して観測される。
【００２０】
レンズ１６と対物レンズ１７の位置関係は、被測定物にほぼ平行光が照射されるように調整されている。レンズ１０は、参照光を球面波に変換するように作用し、対物レンズ１７により球面波に変換された被測定物の反射光の曲率と、参照光の曲率が、ＣＣＤ面上においてほぼ一致するように、位置が調整されている。被測定物の像を拡大しない場合は、対物レンズ１７は不要となり、それに伴いレンズ１０、レンズ１６も不要となる。また詳細は後記のとおりであるが、ここでは干渉縞をホログラムとして扱い、ＣＣＤにて撮像したホログラム干渉縞に仮想的に参照光を照射して、その回折光波により被測定物からの反射光の複素振幅（被測定物の像）を再生する。単一の干渉縞データをＣＣＤにて撮像し、被測定物の反射光を再生する場合、ホログラムを透過する０次回折光と実像と虚像の３つが再生されるため、それらの３つを分離して再生できるように、被測定物からの反射光の光軸と参照光の光軸との間に適当な傾きを与えて、干渉縞にキャリヤ周波数が乗るようにしてある。前記両光軸に傾きを与えるためには、例えば、ミラー１１、被測定物１８又はハーフミラー１３の傾きを調整すればよい。
被測定物からの反射光の複素振幅（被測定物の像）を再生計算する方法について説明する。被測定物からの反射光と参照光との干渉により発生する干渉縞のＣＣＤ面上での強度は、（１）式で与えられる。
0004023666.tif 000002
ここで、Ｉは干渉縞の強度であり、ｘ，ｙはＣＣＤ面座標での位置を表す。Ｒは参照光の複素振幅を表し、Ａ、φはそれぞれ被測定物の反射光の振幅と位相を表す。なお、本明細書では、振幅と位相を併せて複素振幅と呼んでいる。
【００２１】
干渉縞をＣＣＤにて撮像し、ホログラム画像データとして記憶する。乾板を用いたホログラフィでは、干渉縞を記録した乾板（ホログラム）に改めて参照光を照射すると、参照光がホログラムに記録された干渉縞にて回折し、それが記録時の物体反射光として振舞うので、物体反射光（物体像）が再生されることになる。ここでは実際に参照光を照射せずに、仮想的に参照光がホログラムに照射されたものとして、ＣＣＤにて記録したホログラム画像からフレネル近似のもとに物体反射光（物体像）を再生する。ホログラムに参照光として平行光が照射されたとすると、ホログラムによる回折光、すなわち物体反射光は（２）式のように表される。
0004023666.tif 000003
ただし、上記Ｕは再生距離ｄだけ離れた像面位置での物体反射光波の複素振幅、ｘ´，ｙ´は、像面位置での座標を表し、Ｃは複素定数、λは光源波長を表す。
したがって、再生距離ｄを入力し、収録した干渉縞データを用いて（２）式を計算することにより、再生距離ｄにおける物体反射光の複素振幅が再生されることになる。
被測定物の像を拡大しない場合は、再生距離ｄにＣＣＤカメラ面と被測定物体面との距離を入力すればよい。
【００２２】
図３に示した装置のように被測定物の像を拡大する場合は、対物レンズ１７による被測定物の拡大像面とＣＣＤカメラ面との距離を、再生距離ｄとして入力する。図３における被測定物１８と対物レンズ１７とホログラム（ＣＣＤ）面と対物レンズ１７による被測定物の拡大像のそれぞれの位置関係が図４に示すとおりである。図４において２１は被測定物、２２は対物レンズ、２３はホログラム（ＣＣＤ）、２４は対物レンズ２２による被測定物の拡大像面である。図４におけるｄ´が再生距離となり、それを（２）式に入力して被測定物の像を再生計算する。図４のｓとｓ´はレンズ結像の（３）式の関係にあるため、対物レンズの焦点距離ｆと物体距離ｓを予め知っておくことにより、ｓ´を求めることができる。
0004023666.tif 000004
【００２３】
再生像には、ホログラムを透過する光（０次回折光）による像、実像、虚像の３つの像が含まれるが、被測定物の形状を求めるためには、そのうちの実像、あるいは虚像に注目する。記録時において物体反射光と参照光との光軸が平行に近いと、それらの３つの像が重なって再生されるため、前述したように、物体反射光と参照光の光軸に相対的な傾きを与えて、干渉縞にキャリヤ周波数を載せた状態でホログラム（干渉縞画像）を作製し、そうすることにより像面位置でそれらの３つの像を離れた位置に再生することができる。（２）式で表される複素振幅の実部をＲｅａｌ｛Ｕ（ｘ´，ｙ´）｝とし、虚部をＩｍａｇｉｎａｒｙ｛Ｕ（ｘ´，ｙ´）｝とすると、被測定物の反射光の振幅Ａ、位相φは、それぞれ次の（４）、（５）式にて与えられる。
0004023666.tif 000005
0004023666.tif 000006
（４）式にて計算されるＡと（５）式にて計算されるφが、前記の振幅データと位相データに相当する。この位相φを長さ単位に変換し、位相のとびがある場合それをアンラップすることにより、物体形状を光源の波長以下の精度で求めることができる。しかしながら被測定物に不連続領域（マイクロミラーアレイにおけるミラー面とそれ以外の領域）があると、その領域で位相の連続性がとぎれてしまう。したがって、図１のミラー１〜４それぞれの相対的な深さ（光軸方向高さ）の差は不明確となる。本発明では、そのような不連続領域を挟む面の間での深さの差を求めるために、物体反射光複素振幅の振幅データを用いる。その場合の深さ測定分解能がλ／２より小さいと、位相による各ミラー面の形状データにおける光源波長に関連した不確定性を解消することができる。それらについて以下に説明する。
【００２４】
まず、振幅データを用いた深さ測定について、単純化して、被測定物を拡大しない場合における被測定物とホログラム（ＣＣＤ）面と再生像の位置関係を表す図５を用いて説明する。図５において、２５は被測定物、２６はホログラム（ＣＣＤ）面、２７は被測定物２５の再生像を表す。ホログラム（ＣＣＤ）面を原点とした場合、再生距離ｄを−ｘ１とすると、ｘ１の位置にある面の像が焦点のあった状態で再生され、同様に再生距離ｄを−ｘ２、−ｘ３とすると、それぞれｘ２，ｘ３の位置にある面の像が焦点が合った状態で再生されることを示している。その場合、ｄ＝−ｘ１とした場合には、ｘ２，ｘ３にある面は焦点ずれすることになる。
したがって、焦点があっているかどうかを検知することにより、ｘ１，ｘ２，ｘ３の相対的な距離の差（段差）を求めることができる。
【００２５】
焦点が合っているかどうかの判定のために、ここでは（４）式で求めた振幅データを用いてｄｅｐｔｈ  ｆｒｏｍ  ｆｏｃｕｓ理論に基づいた演算を実施する。ｄｅｐｔｈ  ｆｒｏｍ  ｆｏｃｕｓ理論に基づく演算方法は様々なものがあるが、ここでは一例として、精密工学会誌（ｖｏｌ．６３，Ｎｏ．１，１９９７）に掲載されている石原満宏、佐々木博美による「合焦法による高速三次元形状計測」の方法に従うことする。すなわち、収録した干渉縞データを用いて、再生距離ｄを微小量ずつかえながら複数の複素振幅を（２）式を用いて計算し、各々の再生距離における振幅データを（４）式により計算する。合焦法の原理では、それらの各々の再生距離での振幅データにおける被測定物のテクスチャの合焦状態から面の深さを測定する。すなわちテクスチャに対して焦点が合ったときの再生距離が被測定面の深さ（マイクロミラーアレイにおけるミラー面の光軸方向高さ）となる。ただし、被測定面がミラー面やガラス面のような平滑な面である場合、合焦を検知するためのテクスチャが明確でないため、合焦法の実施が困難となる。平滑面の表面粗さをテクスチャとして観察できるぐらい光学系倍率を上げてもよいが、その場合は観測視野が狭くなり、二次元的な被測定領域が小さくなってしまう。
したがって、本発明では、被測定面がミラー面やガラス面のような平滑な面である場合、被測定物のエッジ（マイクロミラーアレイにおける複数のミラー面）をテクスチャとして扱い、エッジの深さ（複数のミラー面の光軸方向高さの差）を合焦法の原理により求める。そのためにはまず観測視野内における被測定物エッジの位置を認識する必要がある。
【００２６】
各々の振幅データにおいて、ＣＣＤの任意の小領域における振幅値の微分値の和を合焦測度として求める。その場合、小領域に被測定物のエッジが存在する場合は、再生距離の変化に伴う合焦測度変化に明確なピークが存在し、エッジが存在しない場合は同合焦測度変化に明確なピークが存在しなくなるため、同合焦測度変化のピーク値にスレッシュをかけることにより、被測定物のエッジを認識することができる。そして同合焦測度変化がピークとなるときの再生距離が焦点のあった位置と判定でき、それによりエッジの深さ情報を取得することができる。
【００２７】
図６に、ＣＣＤ画像の任意の小領域において再生距離ｄを変化させたときの合焦測度ｖの変化を示す。図６におけるＶ１が小領域にエッジがある場合の合焦測度変化、Ｖ２が小領域にエッジがない場合の合焦測度変化を表す。合焦測度変化Ｖ１においてＤの位置が焦点が合う再生距離となる。各小領域における上記の処理を画像全体で実施することにより、被測定物のエッジを認識し、エッジの深さを求めることができる。合焦点測度ｖを求めるとき、再生距離ｄを少しずつ変化させながら、被測定物の反射光の略光軸方向における複数位置での被測定物反射光の複素振幅データを計算により求めるが、その場合、再生距離の変化の間隔（ピッチ）は、光源波長の１／２より小さい方がよい。ただし、複数の合焦測度のプロットをガウス関数などの関数に近似し、関数の頂点を求める作業により合焦距離を求めてもよく、その場合、上記の再生距離の変化の間隔は、厳密に光源波長の１／２より小さくなくてもよい。
ここで、振幅データを用いた測定の縦方向の測定感度γは、定数ｋと光学系の倍率βを用いて、次の（６）式で表すことができる。
0004023666.tif 000007
（６）式から明らかなように、光学系の倍率の二乗に反比例して測定感度が上がる。
【００２８】
他方、不連続領域を挟んだ領域での深さの差を、振幅データを用いる方法で測定しようとすると、光源波長の１／２よりも小さい測定分解能が、振幅データを用いる方法に要求される。光の波長は、可視光の場合数百ｎｍであるため、したがって、振幅データを用いた測定の測定分解能は、ｎｍオーダーでなければならない。それを考慮すると、被測定物の像を拡大せずに振幅データを用いた測定分解能の要求を満たそうとするのは困難であると考えられるため、図３の構成では、レンズを用いて被測定物の像を拡大して測定する装置構成を示した。ただし、光源の波長をμｍやｍｍオーダーまで大きくした場合などにおいては、被測定物の像を拡大しなくても、振幅データを用いた測定の測定分解能の要求が満足されるので、測定が可能となる。
【００２９】
次に、（５）式により計算した位相データを用いて表面形状を求める方法について説明する。
図３におけるレンズ１０、レンズ１６、対物レンズ１７を用いず、被測定物の像を拡大しない場合は、任意の小領域において、例えば、振幅データを用いる方法で焦点が合った再生距離にて再生した複素振幅を用い、（５）式により位相データを計算する。そして計算した位相を長さ単位に変換して被測定物（マイクロミラーアレイにおける複数のミラー面）の表面形状を求めることにより、ＣＣＤの各画素について、被測定物の表面形状データが得られる。
【００３０】
図３に示した装置のようにレンズを用いて被測定物の像を拡大した場合において、被測定物の反射光の曲率と参照光の曲率が一致していないと、位相の測定値に図７に示したような前記曲率の差に起因する同心円状のデフォーカス収差が含まれてくる。形状を正確に求めるためには、それを除去しなければならない。図３においてレンズ１０の位置を調整して、被測定物の反射光の曲率と参照光の曲率をほぼ一致させると、両者の曲率の差はなくなるため、それにより位相データにデフォーカス収差は含まれなくなる。上述の振幅データを用いる方法でエッジに焦点が合う再生距離にて再生した複素振幅を用い、（５）式により位相データを計算する。再生距離は、例えば、不連続な各被測定面を構成するエッジの深さ情報の平均値を用いてもよいし、基準となるエッジの位置を決めておき、その位置でのエッジ深さを再生距離として用いてもよい。そして計算した位相を長さ単位に変換して被測定物の表面形状を求めると、ＣＣＤの各画素について、被測定物の表面形状データＴが得られる。
【００３１】
次に、振幅データにより求めた深さＳと、位相データにより求めた形状Ｔとを合成する方法について説明する。
不連続領域を含む面の形状は（７）式のように表される。
0004023666.tif 000008
（７）式において、Ｚは不連続領域を挟んだ面と面の間での深さの差を含んだ面形状で、ｍは次数、λは光源波長、Ｔは位相データにより求めた形状である。不連続領域を挟んだ面と面の間では、次数ｍが不明確になるため、位相データにより求めた形状に光源波長に関連する不明確性が含まれてくることになる。したがって、（７）式における次数ｍを求めることにより、前述の不明確性を解消することができる。そのために振幅データにより求めた深さＳを用い、Ｓを波長λで除したときの商の整数が次数ｍとなる。したがって、そのｍを（７）式に代入すれば、不連続領域を挟んだ面と面の間での深さの差を含んだ面形状Ｚが得られる。実際の合成では、深さＳは被測定物のエッジでのみ得られるため、まずエッジの位置でＺを求める。そしてエッジでのＺに対して隣接画素比較による位相アンラップを実施すれば、被測定面全体にわたって光源波長に関連する不明確性を解消した面形状を取得することができる。
以上が、物体あるいは測定光学系を測定中に移動させることなしに、光源波長の１／２を超えるような段差を含む面をサブフリンジオーダーで高精度に測定できる形状測定方法の処理である。この形状測定方法における測定フローの一例は、図８に示すとおりである。
【００３２】
図３の装置によると、ＣＣＤカメラの撮像時間より遅い速度で動く物体に対しては、その動いている瞬間の動的形状の測定が可能になる。ただし、物体の動きが速くなり、ＣＣＤカメラの撮像時間より速くなると、撮像している最中に被測定物からの反射光の強度や位相が変化するため、正確に反射光の複素振幅を求めることができなくなる。そのような場合は、被測定物の動く速度に対して、十分短い時間で被測定物にパルス光を照射し、その反射光を受光するようにすると、光の照射中は、被測定物は見掛上静止している状態と見做せるため、被測定物の反射光が安定し、正確にその複素振幅を求めることができるので、正確な物体の動的形状測定が可能になる。被測定物にパルス光を照射する光源には、ルビーレーザやＹＡＧレーザーのようにパルス光を出力する固体レーザーを用いてもよいし、パルス光を出力する半導体サーザーを用いてもよい。また、ＣＷ光を出力する半導体サーザーをパルス変調駆動してパルス光を生成してもよいし、Ｈｅ−ＮｅサーザーやアルゴンサーザーからのＣＷ光を、回転チョッパーを用いてパルス化して用いてもよい。また、パルス光を被測定物に照射する代わりに、図３の装置におけるＣＣＤカメラを高速カメラに置き換えることにより、光源をパルス化するのと同様の効果を得るようにしてもよい。
【００３３】
解決手段１（請求項１）の動的形状測定方法では、物体反射光複素振幅データのうち、振幅データを用いて被測定物エッジ深さを測定するが、しかし、被測定物によってはエッジが視野内に観測されない場合や図２のようにエッジが明確でない場合があり、そのような場合、被測定面の深さデータと位相による形状データを合成することが困難になる。解決手段２では二次元的な強度分布をもった素子を用いて、光を反射させたり、透過させたりすることにより、被測定物に照射する光束に強度パターンを与える。強度変調素子は例えば図９に示すようになり、反射型として用いる場合はパターン２８乃至パターン３１の反射率を低くし、それ以外の領域の反射率を高くする。透過型として用いる場合は、パターン２８乃至パターン３１の透過率を低くし、それ以外の領域の透過率を高くする。
【００３４】
反射型の場合、図１０のように反射型強度変調素子３２を設置し、対物レンズ１７により強度変調素子３２の像を被測定物１８に照射する。３３はミラーである。透過型の場合、図１１に示すように透過型強度変調素子３４を設置し、対物レンズ１７により強度変調素子３４の像を被測定物１８に照射する。例えば図１で示したマイクロミラーアレイを被測定物とし、解決手段１の動的形状測定方法で被測定物反射光の複素振幅データのうち振幅データを抽出すると、図１２のような像が得られる。図１２における符号３５乃至３８がパターン２８乃至パターン３１の像になる。ミラー１乃至ミラー４それぞれの深さに応じて、像３５乃至像３８の合焦状態は異なってくるため、解決手段１（請求項１）の実施例に記載した方法により像３５乃至像３８の合焦状態を検出することにより、ミラー１乃至ミラー４の深さを求めることができる。そして像３５乃至像３８それぞれの位置で、ミラーの深さデータと、位相データにより求めた形状データを合成すれば、不連続領域を挟んだ面と面の間での深さの差を含んだ面形状を得ることができる。解決手段１の動的形状測定方法のように、被測定物のエッジの合焦状態を検出しないため、エッジが観測視野内に観測されない場合や、エッジが観測されても明確でない場合においても、測定が可能となる。エッジが観測されても明確でない場合は、エッジとパターン像の両者がテクスチャとして観測されるため、それらを分離して認識して、パターン像の合焦状態のみを検出すればよい。パターン像が点や十字といった特徴のある像になるようにすれば、エッジとの分離認識が容易になる。
図１に示すマイクロミラーアレイの場合、被測定ミラーは４面であったが、面数が異なれば、その数に応じたパターン数をもつ強度変調素子を用いればよい。
【００３５】
解決手段２の動的形状測定方法において、強度変調素子のパターン２８はパターン３１の反射率、あるいは透過率がゼロであるような強度変調素子を用いると、被測定面上でのパターン像の光強度がゼロになる。そのような場合、パターン像の位置で被測定面反射光がなくなるため、その領域で位相データによる形状が得られなくなる。したがって、パターン像の面積を小さくすれば位相データによる形状の欠落を少なくすることができ、被測定面上で二次元的に広い範囲での測定が可能となる。
【００３６】
解決手段２の動的形状測定方法において、強度変調素子のパターン２８乃至パターン３１の反射率、あるいは透過率がゼロでない強度変調素子を用いると、被測定面上でのパターン像の光強度がゼロにならずに、パターン像の位置で被測定面の反射光が得られる。反射光が得られれば、位相データによる形状の取得が可能になり、被測定面上で二次元的に広い範囲での測定が可能となる。
【００３７】
解決手段３の動的形状測定方法において、例えば点像を被測定面に照射する場合、被測定領域における不連続領域の存在の態様が変化すると、測定ができなくなる。例えば、図１のような被測定物では、被測定ミラーが４面であり、それぞれのミラーの間に不連続領域が存在するが、被測定面の数が変わると、それに応じて不連続領域の位置が異なってきて、図９に示す強度変調素子で得られるパターン像を用いて各被測定ミラー面の深さの測定をすることができなくなる。
そのような場合、例えば、透過型の強度変調素子に、二次元マトリクス状の画素をもつ液晶素子を用いて、パターンを任意に生成できるようにすれば、被測定物における不連続領域の存在の態様に応じてパターン像を生成することができ、すべての被測定面の深さデータを取得することが可能となる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明の効果を主な請求項に係る発明毎に整理すれば次のとおりである。
１．請求項１に係る発明
収録した干渉縞画像をもとに物体反射光の略光軸方向における所定の複数位置での物体反射光の複素振幅を求め、複素振幅のうちの振幅データを用いてマイクロミラーアレイの複数のミラー面の光軸方向高さの差を求めることにより、ミラー面とそれ以外の領域の両方を挟んだ面と面との間での光軸方向高さの差を求め、また複素振幅のうちの位相データを用いて干渉計測の原理により複数のミラー面の形状をサブフリンジオーダーで求め、それらを合成することによって、ミラー面とそれ以外の領域の両方を含むミラー面であっても、ミラー面とそれ以外の領域の両方を挟んだ面と面の間において光源波長に関連した不確定性を生じさせることなしに、マイクロミラーアレイの動的形状をサブフリンジオーダーで測定することができる。
【００３９】
（削  除）
【００４０】
（削  除）
【００４１】
（削  除）
【００４２】
（削  除）
【００４３】
２．請求項２に係る発明
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明の動的形状測定方法を実施するための動的形状測定装置であり、この発明の構成により、請求項１に係る発明を最も有効に実施することができる。
【００４４】
３．請求項３、請求項４、請求項５に係る発明
請求項３、請求項４、請求項５に係る発明は、請求項１に係る発明の動的形状測定方法を実施するための動的形状測定装置であり、この装置により、請求項１に係る発明を最も有効に実施することができる。
【００４５】
４．請求項６に係る発明
請求項６に係る発明は、請求項１に係る発明の動的形状測定方法を実施するための動的形状測定装置であり、この装置により、請求項１に係る発明を最も有効に実施することができる。
【００４６】
５．請求項７に係る発明
請求項７に係る発明は、請求項１に係る動的形状測定方法を実施するための動的形状測定装置であり、この装置により、請求項１に係る発明を最も有効に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】は被測定物の一つの１具体例を示す平面図である。
【図２】は被測定物のエッジについて、本発明による測定に適するエッジの形態と適さないエッジの形態を示す拡大平面図である。
【図３】は本発明による測定を実施する光学系構成例の概略を示す模式図である。
【図４】は本発明における光学系の結像とホログラムとの関係を示す図である。
【図５】は合焦法の概念を概略的に示す図である。
【図６】は合焦状態の検出値を示す図である。
【図７】は拡大光学系を使用したときに発生するデフォーカス収差の例を示す平面図である。
【図８】は本発明による測定のフローである。
【図９】は被測定物に照射する強度パターンを生成するための素子の形態の一例を示す平面図である。
【図１０】は被測定物に照射する強度パターンを生成するための素子について、光を反射するタイプの素子を光学系に組み入れた場合の構成の概略を示す模式図である。
【図１１】は被測定物に照射する強度パターンを生成するための素子について、光を透過させるタイプの素子を光学系に組み入れた場合の構成の概略を示す模式図である。
【図１２】は強度パターンを照射したときに観測される被測定物の形態の一例を示す平面図である。
【符号の説明】
１，２，３，４：ミラー
５：光源
６：ＮＤフィルタ
７：ビームエキスパンダ
８：ミラー
９：ビームスプリッタ
１０：レンズ
１１：ミラー
１２：ＮＤフィルタ
１３：ハーフミラー
１４：ＣＣＤカメラ
１５：ミラー
１６：レンズ
１７：対物レンズ
１８：被測定物
１９：フレームグラバー
２０：コンピュータ
２１：被測定物
２２：対物レンズ
２３：ホログラム
２４：被測定物の拡大像面
２５：被測定物
２６：ホログラム
２７：被測定物２５の再生像
２８ａ：小領域にエッジがない場合の合焦測度変化
２９ａ：小領域にエッジがある場合の合焦測度変化
２８〜３１：パターン
３５〜３８：パターン２８〜３１の像
【図１】
0004023666.tif 000009
【図２】
0004023666.tif 000010
【図３】
0004023666.tif 000011
【図４】
0004023666.tif 000012
【図５】
0004023666.tif 000013
【図６】
0004023666.tif 000014
【図７】
0004023666.tif 000015
【図８】
0004023666.tif 000016
【図９】
0004023666.tif 000017
【図１０】
0004023666.tif 000018
【図１１】
0004023666.tif 000019
【図１２】
0004023666.tif 000020