JP2002202112A - Shape measuring device - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】参照ミラーからの反射光と計測対象物の表面か
らの反射光との干渉により生じる空間キャリア縞パター
ン画像から空間キャリア縞の位相情報を抽出することに
より計測対象物の表面形状を計測する形状計測装置に関
し、高精度の計測を行うことができるようにする。
【解決手段】空間キャリア縞の方向がＣＣＤカメラの撮
像面で水平方向となるように空間キャリア縞パターン画
像を撮像して横縞の空間キャリア縞パターン画像を取得
し、この横縞の空間キャリア縞パターン画像を転置処理
又は回転処理して縦縞の空間キャリア縞パターン画像に
変換し、この縦縞の空間キャリア縞パターン画像から空
間キャリア縞の位相情報を抽出することにより計測対象
物の表面形状を求める。
(57) [Problem] To measure an object to be measured by extracting phase information of spatial carrier fringe from a spatial carrier fringe pattern image generated by interference between light reflected from a reference mirror and light reflected from the surface of the object to be measured. The present invention relates to a shape measuring device for measuring the surface shape of a device, which can perform highly accurate measurement. A spatial carrier fringe pattern image is obtained by capturing a spatial carrier fringe pattern image so that the direction of the spatial carrier fringe is horizontal on an imaging surface of a CCD camera, and the spatial carrier fringe pattern image of the horizontal fringe is acquired. Is converted or converted into a vertical stripe spatial carrier stripe pattern image, and phase information of the spatial carrier stripe is extracted from the vertical stripe spatial carrier stripe pattern image to determine the surface shape of the measurement target.
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、参照ミラーからの
反射光と計測対象物の表面からの反射光との干渉により
生じる空間キャリア縞パターン画像（単に「縞画像」と
いう場合もある）から空間キャリア縞（単に「縞」とい
う場合もある）の位相情報を抽出することにより計測対
象物の表面形状（表面各位置の高さ）を計測する形状計
測装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a spatial carrier fringe pattern image (sometimes simply referred to as a "fringe image") generated by interference between light reflected from a reference mirror and light reflected from the surface of an object to be measured. The present invention relates to a shape measuring apparatus that measures the surface shape (height of each position on the surface) of a measurement target by extracting phase information of carrier fringes (which may be simply referred to as “fringes”).
【０００２】たとえば、磁気ディスク装置は、磁気ヘッ
ドを取り付けたスライダを磁気ディスクの表面上方に一
定の浮上量で保持して情報の記録再生を行う。スライダ
の表面形状は浮上量を左右するため、スライダの表面形
状を適切に設計し、設計通りに加工されているか否かを
計測する必要がある。本発明は、このような場合などに
使用される。For example, in a magnetic disk drive, a slider with a magnetic head attached thereto is held above the surface of a magnetic disk at a constant flying height to record and reproduce information. Since the surface shape of the slider affects the flying height, it is necessary to appropriately design the surface shape of the slider and measure whether or not the slider is processed as designed. The present invention is used in such a case.
【０００３】[0003]
【従来の技術】従来、物体の表面形状を計測する方法と
して、たとえば、位相シフト法が知られており、図１２
は位相シフト法により物体の表面形状を計測する場合に
使用される形状計測装置の一例の概念図である。2. Description of the Related Art Conventionally, for example, a phase shift method is known as a method for measuring the surface shape of an object.
FIG. 1 is a conceptual diagram of an example of a shape measuring device used when measuring the surface shape of an object by a phase shift method.
【０００４】図１２中、１は光源、２はハーフミラー、
３は対物レンズ、４はハーフミラー、５は計測対象物、
６は計測対象物５を保持するＸＹステージ、７は参照ミ
ラー、８は対物レンズ３、ハーフミラー４および参照ミ
ラー７を一体として上下方向に移動させるためのピエゾ
ステージである。In FIG. 12, 1 is a light source, 2 is a half mirror,
3 is an objective lens, 4 is a half mirror, 5 is an object to be measured,
Reference numeral 6 denotes an XY stage for holding the measurement object 5, reference numeral 7 denotes a reference mirror, and reference numeral 8 denotes a piezo stage for vertically moving the objective lens 3, the half mirror 4, and the reference mirror 7 integrally.
【０００５】また、９は結像レンズ、１０はＣＣＤカメ
ラ、１１はＸＹステージ６、ピエゾステージ８およびＣ
ＣＤカメラ１０の制御や、ＣＣＤカメラ７により撮像さ
れた干渉画像の処理による計測対象物５の表面形状の算
出などを行う処理装置（たとえば、パーソナルコンピュ
ータ）、１２は干渉画像を表示するディスプレイであ
る。Reference numeral 9 denotes an imaging lens, 10 denotes a CCD camera, 11 denotes an XY stage 6, a piezo stage 8 and C
A processing device (for example, a personal computer) that controls the CD camera 10 and calculates the surface shape of the measurement target 5 by processing the interference image captured by the CCD camera 7, and 12 is a display that displays the interference image. .
【０００６】この形状計測装置では、光源１から出力さ
れた光はハーフミラー２に入射し、その一部はハーフミ
ラー２で計測対象物５の方向に反射し、対物レンズ３を
通過してハーフミラー４に入射し、計測対象物５の方向
への光と、参照ミラー７の方向への光とに分割される。
そして、計測対象物５からの反射光のうち、ハーフミラ
ー４を通過した光と、参照ミラー７からの反射光のう
ち、ハーフミラー４で反射した光とで干渉画像が形成さ
れる。In this shape measuring device, the light output from the light source 1 is incident on the half mirror 2, and a part of the light is reflected by the half mirror 2 in the direction of the measurement object 5, passes through the objective lens 3, and The light enters the mirror 4 and is split into light in the direction of the measurement object 5 and light in the direction of the reference mirror 7.
Then, an interference image is formed by the light that has passed through the half mirror 4 among the reflected light from the measurement object 5 and the light that has been reflected by the half mirror 4 among the reflected light from the reference mirror 7.
【０００７】そこで、この形状計測装置では、対物レン
ズ３、ハーフミラー４および参照ミラー７を一体とし
て、光源１から出力される光の波長の数分の１ずつ上方
向又は下方向に移動して、位相シフトした３枚以上の干
渉画像をＣＣＤカメラ１０で撮像して、これら３枚以上
の干渉画像から計測対象物５の表面形状を計算するとし
ている。Therefore, in this shape measuring apparatus, the objective lens 3, the half mirror 4 and the reference mirror 7 are integrally moved and moved upward or downward by a fraction of the wavelength of the light output from the light source 1. The CCD camera 10 captures three or more phase-shifted interference images, and calculates the surface shape of the measurement target 5 from the three or more interference images.
【０００８】しかし、この形状計測装置は、撮像の間に
起こる振動や空気の揺らぎなどの影響を受け、生産ライ
ンなどの悪条件下では著しく計測精度が劣化するため、
工場設備としての使用には不向きであった。また、位相
シフトした３枚以上の干渉画像を必要とするため、ピエ
ゾステージ８を使用して対物レンズ３、ハーフミラー４
および参照ミラー７を移動しなければならず、これが、
形状計測の高速化を妨げていた。[0008] However, this shape measuring apparatus is affected by vibrations and air fluctuations occurring during imaging, and the measurement accuracy is significantly deteriorated under bad conditions such as a production line.
It was not suitable for use as factory equipment. Further, since three or more interference images with phase shifts are required, the objective lens 3 and the half mirror 4 using the piezo stage 8 are used.
And the reference mirror 7 must be moved, which
This hindered high-speed shape measurement.
【０００９】このような問題点を解決するものとして、
３台のカメラを備え、位相シフトした３枚の干渉画像を
同時に得ることができるようにしたリアルタイム位相シ
フト法が知られている（特開平２−２８７１０７号公
報）。しかし、リアルタイム位相シフト法は、光学系が
複雑となり、個々の撮像系間の個体差が計測誤差となる
ため、現実的ではない。As a solution to such a problem,
There is known a real-time phase shift method in which three cameras are provided and three phase-shifted interference images can be obtained simultaneously (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-287107). However, the real-time phase shift method is not realistic because the optical system becomes complicated and the individual difference between the individual imaging systems causes a measurement error.
【００１０】そこで、より単純な光学系で物体の表面形
状を計測する方法として、位相シフト電子モアレ法（特
開平５−３０６９１６号公報）やフーリエ変換法などの
ように、形状計測装置が備える参照ミラーを意図的に傾
けることによって干渉画像に空間キャリア縞を与え、１
枚の干渉画像から周波数演算によって位相情報を抽出す
ることにより計測対象物の表面形状を計測する方法（空
間キャリア法）が提案されている。Therefore, as a method of measuring the surface shape of an object with a simpler optical system, a reference provided in a shape measuring apparatus such as a phase shift electronic moiré method (Japanese Patent Laid-Open No. Hei 5-306916) or a Fourier transform method is used. By intentionally tilting the mirror, spatial interference fringes are given to the interference image.
A method (space carrier method) of measuring the surface shape of a measurement object by extracting phase information from a plurality of interference images by frequency calculation has been proposed.
【００１１】図１３は空間キャリア法により物体の表面
形状を計測する場合に使用される従来の形状計測装置の
一例の概念図である。この形状計測装置は、参照ミラー
７を意図的に傾けることができるようにし、その他につ
いては、図１２に示す形状計測装置と同様に構成したも
のである。FIG. 13 is a conceptual diagram of an example of a conventional shape measuring apparatus used for measuring the surface shape of an object by the space carrier method. This shape measuring device has a configuration in which the reference mirror 7 can be intentionally tilted, and the other configuration is the same as the shape measuring device shown in FIG.
【００１２】この形状計測装置では、参照ミラー７を意
図的に傾けることで、干渉画像に数１で示すような空間
キャリア縞パターン（空間キャリア縞の強度分布）ｇ
（ｘ）を与えている。In this shape measuring apparatus, the reference mirror 7 is intentionally tilted to form a spatial carrier fringe pattern (intensity distribution of spatial carrier fringes) g as shown in Expression 1 on the interference image.
(X).
【００１３】[0013]
【数１】 (Equation 1)
【００１４】但し、数１では、説明の簡単化のために干
渉画像を１次元として扱っており、ａ（ｘ）は干渉する
２光波の強度和からなる項で空間キャリア縞のバックグ
ランド強度分布、ｂ（ｘ）は干渉する２光波の振幅の積
からなる項で空間キャリア縞の明暗変化の振幅、φ
（ｘ）は空間キャリア縞の位相、ｆ0 は空間キャリア縞
周波数である。空間キャリア縞周波数ｆ0 は、計測対象
物５と参照ミラー７との相対角度θと、光源１から出力
される光２の波長λを用いて数２で表わされる。However, in equation (1), the interference image is treated as one-dimensional for simplicity of explanation, and a (x) is a term consisting of the sum of the intensities of the two interfering light waves, and the background intensity distribution of the spatial carrier fringes. , B (x) is a term consisting of the product of the amplitudes of the two interfering light waves, and is the amplitude of the change in brightness of the spatial carrier fringe,
(X) is the spatial carrier fringe phase, and f 0 is the spatial carrier fringe frequency. The spatial carrier fringe frequency f 0 is expressed by Expression 2 using the relative angle θ between the measurement object 5 and the reference mirror 7 and the wavelength λ of the light 2 output from the light source 1.
【００１５】[0015]
【数２】 (Equation 2)
【００１６】以上は、空間キャリア法の前提であり、計
測対象物５の表面形状の計測には、空間キャリア縞の位
相φ（ｘ）を求めることが必要であるが、位相シフト電
子モアレ法およびフーリエ変換法ともに数１から数学的
性質を利用して位相φ（ｘ）を求めている。The above is a premise of the spatial carrier method. To measure the surface shape of the measurement object 5, it is necessary to find the phase φ (x) of the spatial carrier fringes. In the Fourier transform method, the phase φ (x) is obtained by using mathematical properties from Equation 1.
【００１７】たとえば、位相シフト電子モアレ法では、For example, in the phase shift electron moiré method,
【００１８】[0018]
【数３】 (Equation 3)
【００１９】なる既知の位相差を持つ複数の参照パター
ンｒn （ｘ）を空間キャリア縞パターンｇ（ｘ）に乗じ
て、By multiplying a plurality of reference patterns r n (x) having known phase differences by a spatial carrier fringe pattern g (x),
【００２０】[0020]
【数４】 (Equation 4)
【００２１】とし、これをローパスフィルタにかけるこ
とで、数５に示すように、数４の左辺第３項を抽出する
ようにしている。By applying this to a low-pass filter, the third term on the left side of Equation 4 is extracted as shown in Equation 5.
【００２２】[0022]
【数５】 (Equation 5)
【００２３】そして、数５において、ｆ0 ＝ｆr とすれ
ば、Then, in equation 5, if f 0 = fr , then
【００２４】[0024]
【数６】 (Equation 6)
【００２５】の形となり、数７で位相φ（ｘ）を求める
ことができる。The phase φ (x) can be obtained from Expression 7.
【００２６】[0026]
【数７】 (Equation 7)
【００２７】他方、フーリエ変換法では、空間キャリア
縞パターンｇ（ｘ）をフーリエ変換して数８を得るよう
にしている。On the other hand, in the Fourier transform method, the spatial carrier fringe pattern g (x) is Fourier-transformed to obtain Expression 8.
【００２８】[0028]
【数８】 (Equation 8)
【００２９】数８において、＊は複素共役、Ａ（ｆx ）
は、ａ（ｘ）のフーリエ・スペクトル、Ｃ（ｆx ）は空
間キャリア縞の明暗変化の複素振幅In Equation 8, * is a complex conjugate, A (f x )
A Fourier spectrum, C (f x) is the complex amplitude of the light-dark change of the spatial carrier fringes a (x)
【００３０】[0030]
【数９】 (Equation 9)
【００３１】のフーリエ・スペクトルである。4 shows a Fourier spectrum of FIG.
【００３２】ここで、空間キャリア縞周波数ｆ0 によっ
て数８の第２項のみを取り出し、ｆ 0 だけ移動すること
で、Ｃ（ｆx ）を取り出すことができ、このフーリエ・
スペクトルＣ（ｆx ）のフーリエ逆変換を計算すること
で、数９を得ることができるので、その実部Ｒｅ［ｃ
（ｘ）］と虚部Ｉｍ［ｃ（ｘ）］のアーク・タンジェン
トをとることで、数１０に示すように、位相φ（ｘ）を
求めることができる。Here, the spatial carrier fringe frequency f0By
And extract only the second term of Equation 8 to obtain f 0Just move
And C (fx) Can be taken out, this Fourier
Spectrum C (fxComputing the inverse Fourier transform of)
Thus, Equation 9 can be obtained, and its real part Re [c
(X)] and the arc tangent of the imaginary part Im [c (x)]
As shown in Equation 10, the phase φ (x) is
You can ask.
【００３３】[0033]
【数１０】 (Equation 10)
【００３４】なお、ここでは、フーリエ変換の後、周波
数領域演算を行い、フーリエ逆変換を行って縞位相を求
めたが、後述するように、空間領域演算により位相を求
めることもできる。Here, after the Fourier transform, the frequency domain calculation is performed, and the Fourier inverse transform is performed to determine the fringe phase. However, the phase may be determined by the spatial domain calculation as described later.
【００３５】このようにして、位相シフト電子モアレ法
であれ、フーリエ変換法であれ、位相φ（ｘ）を求める
ことができれば、位相φ（ｘ）が計測対象物５と参照ミ
ラー７との光路差によるものであることから、計測対象
物５の表面形状ｈ（ｘ）は、数１１で求めることができ
る。As described above, if the phase φ (x) can be obtained by the phase shift electron moiré method or the Fourier transform method, the phase φ (x) becomes the optical path between the object 5 and the reference mirror 7. Since the difference is due to the difference, the surface shape h (x) of the measurement object 5 can be obtained by Expression 11.
【００３６】[0036]
【数１１】 [Equation 11]
【００３７】このように、１枚の干渉画像から計測対象
物５の表面形状を計測することができる空間キャリア法
は、空気の揺らぎ等に強いという優れた特徴を持ってい
る。As described above, the spatial carrier method capable of measuring the surface shape of the measurement object 5 from one interference image has an excellent feature that it is resistant to air fluctuations and the like.
【００３８】[0038]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、空間キ
ャリア法は、空間キャリア縞周波数ｆ0 が概ね既知であ
ることを前提としている。このため、位相シフト電子モ
アレ法では、予め用意する参照パターンｒn （ｘ）の周
波数ｆr と空間キャリア縞パターンｇ（ｘ）に与えられ
た空間キャリア縞周波数ｆ0 が一致しない場合、位相φ
（ｘ）に計算誤差が発生してしまう。[SUMMARY OF THE INVENTION However, the spatial carrier method is based on the assumption that the spatial carrier fringe frequency f 0 is approximately known. Therefore, the phase shift electronic Moiré method, if the spatial carrier fringe frequency f 0 given to the frequency f r and the spatial carrier fringe pattern g (x) of the reference pattern r n to prepare in advance (x) do not match, the phase φ
A calculation error occurs in (x).
【００３９】また、フーリエ変換法では、数８のフーリ
エ・スペクトルでピーク値を見つけることで、空間キャ
リア縞周波数ｆ0 を求めることはできるが、空間キャリ
ア縞周波数ｆ0 が大きく変化した場合には、数８に示す
Ａ（ｆx ）とＣ（ｆx ）との分離が困難になってしま
う。In the Fourier transform method, the spatial carrier fringe frequency f 0 can be obtained by finding a peak value in the Fourier spectrum of Expression 8, but when the spatial carrier fringe frequency f 0 changes greatly, , separation of the a (f x) and C (f x) shown in Equation 8 becomes difficult.
【００４０】したがって、いずれの方法の場合も、高精
度の計測を行うためには、計測前に、計測対象物５と参
照ミラー７との相対角度を調整し、空間キャリア縞の間
隔を予め定めた一定の値（最適値）にすることが望まし
い。Therefore, in any case, in order to perform high-accuracy measurement, before measurement, the relative angle between the measurement object 5 and the reference mirror 7 is adjusted, and the interval between spatial carrier fringes is determined in advance. It is desirable to set a constant value (optimum value).
【００４１】また、干渉画像中の空間キャリア縞の初期
位相が各ラインで異なると、計測対象物５が傾いて観測
されることになるため、計測結果が一定の範囲に折り畳
まれる、いわゆるラッピングが生じてしまう。この解決
法として、アンラッピングとして知られる各種の手法を
用いることができるが、どの手法を用いても、処理時間
がかかるうえ、計測の可能な表面高さに制限が生じてし
まう。したがって、可能な限り、アンラッピングの機会
を減らすことが望ましい。If the initial phase of the spatial carrier fringes in the interference image is different for each line, the object 5 to be measured will be observed obliquely, so that the measurement result will be folded into a certain range, so-called wrapping. Will happen. As a solution to this, various methods known as unwrapping can be used, but any of these methods requires processing time and limits the measurable surface height. Therefore, it is desirable to reduce the chances of unwrapping as much as possible.
【００４２】さらに、空間キャリア法では、計測対象物
５または参照ミラー７を意図的に傾けるため、干渉画像
の端と端では、計測対象物５の表面と参照ミラー７との
距離が大きく離れるため、空間キャリア縞のコントラス
トが干渉画像の各位置で異なり、極端な場合には、正確
な高さ計測が可能なコントラストが得られないこととな
る。Further, in the spatial carrier method, since the measurement object 5 or the reference mirror 7 is intentionally tilted, the distance between the surface of the measurement object 5 and the reference mirror 7 at the end of the interference image is large. In contrast, in the extreme case, the contrast of the spatial carrier fringe differs at each position of the interference image. In an extreme case, a contrast that can accurately measure the height cannot be obtained.
【００４３】本発明は、かかる点に鑑み、計測対象物の
表面形状の計測を高精度で行うことができるようにした
形状計測装置を提供することを目的とする。In view of the foregoing, it is an object of the present invention to provide a shape measuring device capable of measuring the surface shape of an object to be measured with high accuracy.
【００４４】[0044]
【課題を解決するための手段】本発明中、第１の発明
は、参照ミラーからの反射光と計測対象物の表面からの
反射光との干渉により生じる空間キャリア縞パターン画
像から空間キャリア縞の位相情報を抽出することにより
計測対象物の表面形状を計測する形状計測装置であっ
て、空間キャリア縞の間隔を規制する参照ミラーと計測
対象物との相対角度を調整する角度調整手段を有すると
いうものである。According to a first aspect of the present invention, a spatial carrier fringe pattern image generated by interference between light reflected from a reference mirror and light reflected from the surface of an object to be measured is obtained. A shape measuring apparatus that measures a surface shape of a measurement object by extracting phase information, and includes an angle adjustment unit that adjusts a relative angle between a reference mirror that regulates a space between spatial carrier stripes and the measurement object. Things.
【００４５】第１の発明によれば、角度調整手段によ
り、空間キャリア縞の間隔の最適化を図ることができ、
空間キャリア縞周波数の誤差に起因する計測誤差を除く
ことができる。According to the first aspect of the invention, the interval between the spatial carrier stripes can be optimized by the angle adjusting means.
Measurement errors due to errors in the spatial carrier fringe frequency can be eliminated.
【００４６】また、空間キャリア縞の方向を規制する参
照ミラーと計測対象物との相対角度を調整する第２の角
度調整手段を加える構成としても良い。このような構成
とする場合には、空間キャリア縞の傾きを除くことがで
き、空間キャリア縞周波数誤差の除去および空間キャリ
ア縞初期位相分布変化に起因する計測対象物が傾いて観
測されることを避け、不用なラッピングの発生を抑える
ことができる。Further, a second angle adjusting means for adjusting the relative angle between the reference mirror for regulating the direction of the spatial carrier fringe and the object to be measured may be added. In the case of such a configuration, it is possible to eliminate the inclination of the spatial carrier fringe, and to remove the spatial carrier fringe frequency error and observe that the measurement target caused by the spatial carrier fringe initial phase distribution change is observed obliquely. It is possible to avoid unnecessary wrapping.
【００４７】また、参照ミラーと計測対象物との光路上
の相対位置を調整する相対位置調整手段を加える構成と
しても良い。このような構成とする場合には、空間キャ
リア縞パターン画像のコントラストを空間キャリア縞パ
ターン画像全体にわたって最適化することができる。Further, it is also possible to add a relative position adjusting means for adjusting the relative position of the reference mirror and the object to be measured on the optical path. With such a configuration, the contrast of the spatial carrier fringe pattern image can be optimized over the entire spatial carrier fringe pattern image.
【００４８】本発明中、第２の発明は、参照ミラーから
の反射光と計測対象物の表面からの反射光との干渉によ
り生じる空間キャリア縞パターン画像を光電変換手段を
使用して撮像する撮像手段を有し、撮像手段により得ら
れる空間キャリア縞パターン画像から空間キャリア縞の
位相情報を抽出することにより計測対象物の表面形状を
計測する形状計測装置であって、撮像手段は、撮像手段
の水平走査方向と空間キャリア縞の方向とが同一方向と
なるように空間キャリア縞パターン画像を撮像すること
ができるようにされているというものである。According to a second aspect of the present invention, there is provided an imaging method for capturing an image of a spatial carrier fringe pattern image generated by interference between reflected light from a reference mirror and reflected light from the surface of an object to be measured using photoelectric conversion means. Means for measuring the surface shape of the object to be measured by extracting phase information of spatial carrier fringes from a spatial carrier fringe pattern image obtained by the imaging means. The spatial carrier fringe pattern image can be taken so that the horizontal scanning direction and the direction of the spatial carrier fringe are the same.
【００４９】第２の発明によれば、撮像手段の水平走査
方向と空間キャリア縞の方向とが同一方向となる空間キ
ャリア縞パターン画像を得ることができるので、撮像手
段の水平同期タイミングの誤差が空間キャリア縞の位相
情報を抽出するための計算誤差に影響することがないよ
うにすることができる。According to the second aspect, a spatial carrier fringe pattern image in which the horizontal scanning direction of the imaging means and the direction of the spatial carrier fringes are the same can be obtained. The calculation error for extracting the phase information of the spatial carrier fringe can be prevented from being affected.
【００５０】[0050]
【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施形態の概念
図である。図１中、１３はメタルハライドランプ等から
なる光源、１４は光源１３から出力された光、１５は光
源１３から出力された光１４を平行光にするコリメート
レンズ、１６は所定範囲の波長の光のみを通過させる波
長フィルタ、１７はハーフミラー、１８は対物レンズ、
１９はハーフミラー、２０は計測対象物、２１は計測対
象物２０を３軸方向に移動可能に保持する自動制御可能
な３軸ステージである。FIG. 1 is a conceptual diagram of one embodiment of the present invention. In FIG. 1, reference numeral 13 denotes a light source formed of a metal halide lamp or the like, 14 denotes light output from the light source 13, 15 denotes a collimating lens that converts the light 14 output from the light source 13 into parallel light, and 16 denotes only light having a wavelength within a predetermined range. , A wavelength filter that passes through, 17 is a half mirror, 18 is an objective lens,
Reference numeral 19 denotes a half mirror, reference numeral 20 denotes an object to be measured, and reference numeral 21 denotes an automatically controllable three-axis stage which holds the object to be measured 20 so as to be movable in three axial directions.
【００５１】また、２２は参照ミラー、２３は参照ミラ
ー２２を２軸回りに回転可能に保持する自動制御可能な
２軸あおりステージ、２４は結像レンズ、２５はＣＣＤ
カメラ、２６はＣＣＤカメラ２５で撮像した干渉画像の
処理および演算などを行う処理装置（たとえば、パーソ
ナルコンピュータ）、２７は干渉画像を表示するディス
プレイ、２８は処理装置２６の指示に従って３軸ステー
ジ２１および２軸あおりステージ２３を駆動制御するス
テージ駆動制御装置である。Reference numeral 22 denotes a reference mirror, reference numeral 23 denotes an automatically controllable two-axis tilt stage which holds the reference mirror 22 so as to be rotatable around two axes, reference numeral 24 denotes an imaging lens, and reference numeral 25 denotes a CCD.
A camera 26, a processing device (for example, a personal computer) for processing and calculating an interference image picked up by the CCD camera 25; 27, a display for displaying the interference image; 28, a three-axis stage 21 according to instructions from the processing device 26; This is a stage drive control device that drives and controls the two-axis tilt stage 23.
【００５２】なお、ＣＣＤカメラ２５として、１回の露
光タイミングで１フレームの全ての画素データを入手可
能なフレームスキャンカメラを用いる場合には、露光時
間を短くし、振動や空気の揺らぎなどの外乱の影響を小
さくすることができるので、計算精度の向上に効果的で
ある。When a frame scan camera capable of obtaining all pixel data of one frame at one exposure timing is used as the CCD camera 25, the exposure time is shortened, and disturbance such as vibration and air fluctuation is caused. Can be reduced, which is effective in improving the calculation accuracy.
【００５３】本発明の一実施形態においては、光源１３
から出力された光１４はコリメートレンズ１５で平行光
にされ、所定範囲の波長の光のみが波長フィルタ１６を
通過してハーフミラー１７に入射し、ハーフミラー１７
で下方に反射した光は、対物レンズ１８を通過してハー
フミラー１９に入射し、ハーフミラー１９を通過した光
は計測対象物２０の表面に結像すると共に、ハーフミラ
ー１９で側方に反射した光は参照ミラー２２の表面に結
像する。In one embodiment of the present invention, the light source 13
The light 14 output from the light source is collimated by a collimating lens 15, and only light having a wavelength within a predetermined range passes through a wavelength filter 16 and enters a half mirror 17.
The light reflected downward at the point passes through the objective lens 18 and enters the half mirror 19, and the light passing through the half mirror 19 forms an image on the surface of the measurement object 20 and is reflected laterally by the half mirror 19. The formed light forms an image on the surface of the reference mirror 22.
【００５４】そして、計測対象物２０からの反射光の一
部はハーフミラー１９を通過すると共に、参照ミラー２
２からの反射光の一部はハーフミラー１９で反射し、計
測対象物２０からの反射光のうち、ハーフミラー１９を
通過した光と、参照ミラー２２からの反射光のうち、ハ
ーフミラー１９で反射した光とで干渉光が形成され、こ
の干渉光は、対物レンズ１８を通過し、その一部はハー
フミラー１７を通過し、結像レンズ２４によってＣＣＤ
カメラ２５の撮像面に結像する。Then, a part of the reflected light from the measuring object 20 passes through the half mirror 19 and the reference mirror 2
A part of the reflected light from the mirror 2 is reflected by the half mirror 19, and among the reflected light from the measurement target 20, the light that has passed through the half mirror 19 and the reflected light from the reference mirror 22, and is reflected by the half mirror 19. Interference light is formed by the reflected light, and this interference light passes through the objective lens 18, a part of which passes through the half mirror 17,
An image is formed on the imaging surface of the camera 25.
【００５５】この場合、参照ミラー２２を意図的に傾け
ることで、ＣＣＤカメラ２５の撮像面に干渉画像として
空間キャリア縞パターン画像を結像させることができ
る。この空間キャリア縞パターン画像の撮像について
は、ＣＣＤカメラ２５の水平走査方向と空間キャリア縞
の変化方向（縞模様方向）とが同一方向となるように撮
像するか、あるいは、ＣＣＤカメラ２５の水平走査方向
と空間キャリア縞の方向とが同一方向となるように撮像
することが考えられる。In this case, by intentionally tilting the reference mirror 22, a spatial carrier fringe pattern image can be formed as an interference image on the imaging surface of the CCD camera 25. The spatial carrier fringe pattern image is taken in such a manner that the horizontal scanning direction of the CCD camera 25 and the change direction of the spatial carrier fringe (stripe pattern direction) are the same, or the horizontal scanning of the CCD camera 25 is performed. Imaging may be performed such that the direction and the direction of the spatial carrier stripes are the same.
【００５６】すなわち、ＣＣＤカメラ２５の撮像面で空
間キャリア縞の方向が垂直方向となるように（空間キャ
リア縞パターンの垂直空間周波数が０となるように）し
て空間キャリア縞パターン画像を撮像するか、あるい
は、ＣＣＤカメラ２５の撮像面で空間キャリア縞の方向
が水平方向となるように（空間キャリア縞パターンの水
平空間周波数が０となるように）して空間キャリア縞パ
ターン画像を撮像する方法が考えられる。That is, the image of the spatial carrier fringe pattern is picked up such that the direction of the spatial carrier fringe is vertical on the imaging surface of the CCD camera 25 (so that the vertical spatial frequency of the spatial carrier fringe pattern is 0). Alternatively, a method of imaging a spatial carrier fringe pattern image such that the direction of the spatial carrier fringe on the imaging surface of the CCD camera 25 is horizontal (so that the horizontal spatial frequency of the spatial carrier fringe pattern is 0). Can be considered.
【００５７】ここで、空間キャリア縞の方向がＣＣＤカ
メラ２５の撮像面で垂直方向となるように調整すること
は、空間キャリア縞の方向がＣＣＤカメラ２５の撮像面
で概ね垂直方向となるように参照ミラー２２の角度を決
めた後、参照ミラー２２と計測対象物２０との相対角度
を細かく調整することにより行うことができる。その
際、同じく、参照ミラー２２と計測対象物２０との相対
角度を細かく調整することにより空間キャリア縞の間隔
（空間キャリア縞パターンの水平空間周波数）を予め定
めた一定の値にし、かつ、空間キャリア縞パターン画像
のコントラストを調整することが望ましい。Here, the adjustment so that the direction of the spatial carrier stripes is vertical to the imaging surface of the CCD camera 25 is performed so that the direction of the spatial carrier stripes is substantially vertical to the imaging surface of the CCD camera 25. After the angle of the reference mirror 22 is determined, the adjustment can be performed by finely adjusting the relative angle between the reference mirror 22 and the measurement target 20. At that time, similarly, by finely adjusting the relative angle between the reference mirror 22 and the measurement object 20, the interval of the spatial carrier stripe (the horizontal spatial frequency of the spatial carrier stripe pattern) is set to a predetermined constant value, and It is desirable to adjust the contrast of the carrier stripe pattern image.
【００５８】図２は空間キャリア縞の間隔を規制する参
照ミラー２２の計測対象物２０に対する角度の調整方法
を説明するための図である。図２（Ａ）はＣＣＤカメラ
２５により撮像された空間キャリア縞パターン画像を示
しており、図２（Ａ−１）は空間キャリア縞が粗すぎる
場合、図２（Ａ−２）は空間キャリア縞が適正な場合、
図２（Ａ−３）は空間キャリア縞が密すぎる場合であ
る。FIG. 2 is a diagram for explaining a method of adjusting the angle of the reference mirror 22 with respect to the measurement object 20 for regulating the space between the spatial carrier fringes. FIG. 2A shows a spatial carrier fringe pattern image captured by the CCD camera 25. FIG. 2A-1 shows a case where the spatial carrier fringes are too coarse, and FIG. 2A-2 shows a spatial carrier fringe pattern. Is appropriate,
FIG. 2A-3 shows a case where the spatial carrier stripes are too dense.
【００５９】また、図２（Ｂ）は参照ミラー２２の状態
（上面より見た図）を示しており、図２（Ｂ−１）は空
間キャリア縞が粗すぎる場合（参照ミラー２２の傾きが
小さすぎる場合）、図２（Ｂ−２）は空間キャリア縞が
適正な場合（参照ミラー２２の傾きが適正な場合）、図
２（Ｂ−３）は空間キャリア縞が密すぎる場合（参照ミ
ラー２２の傾きが大きすぎる場合）である。FIG. 2B shows the state of the reference mirror 22 (view from above), and FIG. 2B-1 shows the case where the spatial carrier fringes are too coarse (the inclination of the reference mirror 22 is small). FIG. 2B-2 shows a case where the spatial carrier fringes are appropriate (when the inclination of the reference mirror 22 is proper), and FIG. 2B-3 shows a case where the spatial carrier fringes are too dense (the reference mirror 22). 22 is too large).
【００６０】ここで、空間キャリア縞パターン画像の空
間キャリア縞と予め定めた適正な縞とを比較し、空間キ
ャリア縞が図２（Ａ−１）に示すように粗すぎる場合
（空間キャリア縞周波数が低い場合）には、図２（Ｂ−
１）に示すように参照ミラー２２の傾きが小さすぎると
判断できるので、参照ミラー２２をより大きく傾ける方
向に回転して、参照ミラー２２の傾きを図２（Ｂ−２）
に示すように適正とし、空間キャリア縞が図２（Ａ−
２）に示すように適正となるようにする。Here, the spatial carrier fringes of the spatial carrier fringe pattern image are compared with predetermined appropriate fringes, and if the spatial carrier fringes are too coarse as shown in FIG. Is low), FIG. 2 (B-
Since it can be determined that the tilt of the reference mirror 22 is too small as shown in 1), the reference mirror 22 is rotated in a direction to tilt more greatly, and the tilt of the reference mirror 22 is reduced as shown in FIG.
Is appropriate as shown in FIG.
Make it appropriate as shown in 2).
【００６１】逆に、空間キャリア縞が図２（Ａ−３）に
示すように密すぎる場合（空間キャリア縞周波数が高い
場合）には、図２（Ｂ−３）に示すように参照ミラー２
２の傾きが大きすぎると判断できるので、参照ミラー２
２を傾きを減らす方向に回転して、参照ミラー２２の傾
きを図２（Ｂ−２）に示すように適正とし、空間キャリ
ア縞が図２（Ａ−２）に示すように適正となるようにす
る。On the other hand, when the spatial carrier fringes are too dense as shown in FIG. 2A-3 (when the spatial carrier fringe frequency is high), as shown in FIG.
Since it can be determined that the inclination of the reference mirror 2 is too large, the reference mirror 2
2 is rotated in a direction to decrease the inclination so that the inclination of the reference mirror 22 is appropriate as shown in FIG. 2B-2, and the spatial carrier fringe is appropriate as shown in FIG. 2A-2. To
【００６２】このような参照ミラー２２の傾き調整は、
演算で求めた回転角だけ参照ミラー２２を回転させるこ
とにより行うこともできるし、予め定めた角度ずつ参照
ミラー２２を回転させることにより行うこともできる。
この場合の参照ミラー２２の回転角の演算および回転
は、処理装置２６、ステージ駆動制御装置２８および２
軸あおりステージ２３を角度調整手段として行うことが
できる。The tilt adjustment of the reference mirror 22 is performed as follows.
This can be performed by rotating the reference mirror 22 by the rotation angle obtained by the calculation, or by rotating the reference mirror 22 by a predetermined angle.
The calculation and rotation of the rotation angle of the reference mirror 22 in this case are performed by the processing device 26, the stage drive control devices 28 and 2
The shaft tilt stage 23 can be used as an angle adjusting unit.
【００６３】図３は空間キャリア縞の方向を規制する参
照ミラー２２の計測対象物２０に対する角度の調整方法
（参照ミラー２２のあおりの調整方法）を説明するため
の図である。図３（Ａ）はＣＣＤカメラ２５により撮像
された空間キャリア縞パターン画像を示しており、図３
（Ａ−１）は空間キャリア縞が右下がりに傾いている場
合、図３（Ａ−２）は適正な場合、図３（Ａ−３）は空
間キャリア縞が左下がりに傾いている場合である。FIG. 3 is a diagram for explaining a method of adjusting the angle of the reference mirror 22 with respect to the measurement object 20 (the method of adjusting the tilt of the reference mirror 22) for regulating the direction of the spatial carrier fringes. FIG. 3A shows a spatial carrier fringe pattern image captured by the CCD camera 25, and FIG.
(A-1) shows the case where the spatial carrier stripes are inclined downward to the right, FIG. 3 (A-2) shows the case where the spatial carrier stripes are inclined downward to the left, and FIG. is there.
【００６４】また、図３（Ｂ）は参照ミラー２２の状態
（側面より見た図）を示しており、図３（Ｂ−１）は空
間キャリア縞が右下がりに傾いている場合（参照ミラー
２２が上にあおりの状態）、図３（Ｂ−２）は適正な場
合、図３（Ｂ−３）は空間キャリア縞が左下がりに傾い
ている場合（参照ミラー２２が下にあおりの状態）であ
る。FIG. 3B shows the state of the reference mirror 22 (view from the side), and FIG. 3B-1 shows the case where the spatial carrier stripes are inclined to the lower right (reference mirror). FIG. 3B-2 shows a proper case, and FIG. 3B-3 shows a case where the spatial carrier stripes are inclined to the lower left (the reference mirror 22 is in a lower position). ).
【００６５】ここで、空間キャリア縞パターン画像の空
間キャリア縞と予め定めた適正な縞とを比較し、空間キ
ャリア縞が図３（Ａ−１）に示すように右下がりに傾い
ている場合には、参照ミラー２２が図３（Ｂ−１）に示
すように上にあおりの状態にあると判断できるので、参
照ミラー２２の上あおりの角度を減らす方向に参照ミラ
ー２２を回転して、参照ミラー２２のあおりを図３（Ｂ
−２）に示すように適正とし、空間キャリア縞が図３
（Ａ−２）に示すように適正となるようにする。Here, the spatial carrier fringe of the spatial carrier fringe pattern image is compared with a predetermined appropriate fringe, and when the spatial carrier fringe is inclined downward to the right as shown in FIG. Can determine that the reference mirror 22 is tilted upward as shown in FIG. 3 (B-1), so that the reference mirror 22 is rotated in a direction to reduce the tilt angle of the reference mirror 22, and the reference The tilt of the mirror 22 is shown in FIG.
2), and the spatial carrier fringes are shown in FIG.
Make it appropriate as shown in (A-2).
【００６６】逆に、空間キャリア縞が図３（Ａ−３）に
示すように左下がりに傾いている場合には、参照ミラー
２２が図３（Ｂ−３）に示すように下にあおりの状態に
あると判断できるので、参照ミラー２２の下あおりの角
度を減らす方向に参照ミラー２２を回転して、参照ミラ
ー２２のあおりを図３（Ｂ−２）に示すように適正と
し、空間キャリア縞が図３（Ａ−２）に示すように適正
となるようにする。Conversely, when the spatial carrier fringes are inclined to the lower left as shown in FIG. 3A-3, the reference mirror 22 is shifted downward as shown in FIG. 3B-3. Since it can be determined that the reference mirror 22 is in the state, the reference mirror 22 is rotated in a direction to reduce the angle of the lower tilt of the reference mirror 22, and the tilt of the reference mirror 22 is made appropriate as shown in FIG. The stripes are adjusted to be appropriate as shown in FIG.
【００６７】このような参照ミラー２２のあおり調整
は、演算で求めた回転角だけ参照ミラー２２を回転させ
ることにより行うこともできるし、予め定めた角度ずつ
参照ミラー２２を回転させることにより行うこともでき
る。この場合の参照ミラー２２の回転角の演算および回
転は、処理装置２６、ステージ駆動制御装置２８および
２軸あおりステージ２３を角度調整手段として行うこと
ができる。Such a tilt adjustment of the reference mirror 22 can be performed by rotating the reference mirror 22 by a rotation angle obtained by calculation, or by rotating the reference mirror 22 by a predetermined angle. Can also. In this case, the calculation and rotation of the rotation angle of the reference mirror 22 can be performed using the processing device 26, the stage drive control device 28, and the two-axis tilt stage 23 as an angle adjusting unit.
【００６８】以下に、参照ミラー２２の角度調整に必要
な回転角を算出する方法を説明する。光学系が未調整の
状態で、ＣＣＤカメラ２５に撮像された干渉画像は、数
１２に示すような空間キャリア縞パターン画像として観
測される。Hereinafter, a method of calculating a rotation angle required for adjusting the angle of the reference mirror 22 will be described. The interference image captured by the CCD camera 25 in a state where the optical system has not been adjusted is observed as a spatial carrier fringe pattern image as shown in Expression 12.
【００６９】[0069]
【数１２】 (Equation 12)
【００７０】ここで、参照ミラー２２の角度調整、すな
わち、空間キャリア縞パターンの空間周波数の調整は、
空間キャリア縞のＸ軸方向の空間周波数（水平空間周波
数）ｆkxおよびＹ軸方向の空間周波数（垂直空間周波
数）ｆkyを予め定めた周波数にすることが目的である
が、ここでは、数１３に示すような目標を設定する。Here, the angle adjustment of the reference mirror 22, that is, the adjustment of the spatial frequency of the spatial carrier fringe pattern is performed as follows.
The purpose is to set the spatial frequency (horizontal spatial frequency) f kx in the X-axis direction and the spatial frequency (vertical spatial frequency) f ky in the Y-axis direction of the spatial carrier fringe to predetermined frequencies. Set goals as shown in.
【００７１】[0071]
【数１３】 (Equation 13)
【００７２】現在の空間キャリア縞パターンの空間周波
数ｆkx、ｆkyは、それぞれの軸方向の１次元フーリエ変
換を行い、０より大きいピークを探すことで求まるが、
より簡便には、それぞれの軸方向に明暗の変化回数を数
えることで、おおよその値を求めることもできる。The spatial frequencies f kx and f ky of the current spatial carrier fringe pattern can be obtained by performing a one-dimensional Fourier transform in each axial direction and searching for a peak larger than 0.
More simply, an approximate value can also be obtained by counting the number of changes in brightness in each axis direction.
【００７３】現在の空間キャリア縞パターンの空間周波
数ｆkx、ｆkyが求まれば、数１３の目標との差をΔｆと
すると、参照ミラー２２の調整角度Δθは、数１４で求
めることができる。If the spatial frequencies f kx and f ky of the current spatial carrier fringe pattern are obtained, and if the difference from the target of Expression 13 is Δf, the adjustment angle Δθ of the reference mirror 22 can be obtained by Expression 14. .
【００７４】[0074]
【数１４】 [Equation 14]
【００７５】そこで、参照ミラー２２の角度をΔθだけ
回転させる。これによって、空間キャリア縞パターンの
空間周波数ｆkx、ｆkyを予め定めた周波数にすることが
できる。すなわち、空間キャリア縞の間隔を予め定めた
一定の値、空間キャリア縞の方向を垂直方向とすること
ができる。Therefore, the angle of the reference mirror 22 is rotated by Δθ. Thereby, the spatial frequencies f kx and f ky of the spatial carrier stripe pattern can be set to predetermined frequencies. That is, the interval between the spatial carrier stripes can be a predetermined constant value, and the direction of the spatial carrier stripes can be the vertical direction.
【００７６】図４は空間キャリア縞パターン画像のコン
トラストの調整方法を説明するための図であり、空間キ
ャリア縞パターン画像のコントラストの調整は、参照ミ
ラー２２と計測対象物２０との光路上の相対位置を調整
することにより行うことができるが、本発明の一実施形
態においては、計測対象物２０の光学系に対する距離、
すなわち、計測対象物２０の上下位置を調整することに
より行う。FIG. 4 is a diagram for explaining a method of adjusting the contrast of the spatial carrier fringe pattern image. The contrast of the spatial carrier fringe pattern image is adjusted by adjusting the relative position of the reference mirror 22 and the measurement target 20 on the optical path. It can be performed by adjusting the position, but in one embodiment of the present invention, the distance of the measurement object 20 to the optical system,
That is, the adjustment is performed by adjusting the vertical position of the measurement target 20.
【００７７】図４（Ａ）はＣＣＤカメラ２５により撮像
された空間キャリア縞パターン画像を示しており、図４
（Ａ−１）は左側がぼけている場合、図４（Ａ−２）は
適正な場合、図４（Ａ−３）は右側がぼけている場合で
ある。FIG. 4A shows a spatial carrier fringe pattern image picked up by the CCD camera 25, and FIG.
(A-1) shows a case where the left side is blurred, FIG. 4 (A-2) shows a case where the right side is blurred, and FIG. 4 (A-3) shows a case where the right side is blurred.
【００７８】また、図４（Ｂ）は計測対象物２０の状態
（側面より見た図）を示しており、図４（Ｂ−１）は空
間キャリア縞パターン画像の左側がぼけている場合（計
測対象物２０が光学系から離れすぎている場合）、図４
（Ｂ−２）は空間キャリア縞パターン画像全体のコント
ラストが適正な場合（計測対象物２０の上下位置が適正
な場合）、図４（Ｂ−３）は空間キャリア縞パターン画
像の右側がぼけている場合（計測対象物２０が光学系に
近すぎる場合）である。なお、空間キャリア縞パターン
画像の中央でコントラストが最大になるとき、空間キャ
リア縞パターン画像全体のコントラストを最適にするこ
とができる。FIG. 4B shows the state of the measurement object 20 (view from the side), and FIG. 4B-1 shows the case where the left side of the spatial carrier stripe pattern image is blurred ( When the measurement object 20 is too far from the optical system, FIG.
(B-2) shows the case where the contrast of the entire spatial carrier fringe pattern image is proper (when the vertical position of the measurement target 20 is proper), and FIG. 4 (B-3) shows that the right side of the spatial carrier fringe pattern image is blurred. (The measurement object 20 is too close to the optical system). When the contrast is maximized at the center of the spatial carrier stripe pattern image, the contrast of the entire spatial carrier stripe pattern image can be optimized.
【００７９】ここで、空間キャリア縞パターン画像を得
るために参照ミラー２２に傾きを与えた方向によるが、
たとえば、空間キャリア縞パターン画像に対して左側で
参照ミラー２２と計測対象物２０との距離が遠くなるよ
うに参照ミラー２２を傾けている場合、図４（Ａ−１）
に示すように空間キャリア縞パターン画像の左側がぼけ
ている場合には、計測対象物２０は図４（Ｂ−１）に示
すように光学系から離れすぎていると判断できるので、
図４（Ｂ−２）に示すように計測対象物２０を光学系に
近づける方向（上方向）に移動して適正位置とし、空間
キャリア縞パターン画像のコントラストが図４（Ａ−
２）に示すように適正となるようにする。Here, depending on the direction in which the reference mirror 22 is tilted in order to obtain a spatial carrier fringe pattern image,
For example, when the reference mirror 22 is tilted such that the distance between the reference mirror 22 and the measurement target 20 on the left side with respect to the spatial carrier fringe pattern image is long, FIG.
When the left side of the spatial carrier fringe pattern image is blurred as shown in FIG. 4B, it can be determined that the measurement target 20 is too far from the optical system as shown in FIG.
As shown in FIG. 4B-2, the measurement object 20 is moved in a direction (upward) to approach the optical system to an appropriate position, and the contrast of the spatial carrier fringe pattern image is changed as shown in FIG.
Make it appropriate as shown in 2).
【００８０】逆に、図４（Ａ−３）に示すように空間キ
ャリア縞パターン画像の右側がぼけている場合には、計
測対象物２０は図４（Ｂ−３）に示すように光学系に近
すぎると判断できるので、図４（Ｂ−２）に示すように
計測対象物２０を光学系から遠ざける方向（下方向）に
移動して適正位置とし、空間キャリア縞パターン画像の
コントラストが図４（Ａ−２）に示すように適正となる
ようにする。Conversely, when the right side of the spatial carrier fringe pattern image is blurred as shown in FIG. 4 (A-3), the measurement object 20 is moved to the optical system as shown in FIG. 4 (B-3). Therefore, as shown in FIG. 4B-2, the measurement object 20 is moved in a direction (downward) away from the optical system to an appropriate position, and the contrast of the spatial carrier fringe pattern image is reduced. 4 (A-2).
【００８１】このような計測対象物２０の位置調整は、
演算で求めた距離だけ計測対象物２０を移動させること
により行うこともできるし、予め定めた一定距離ずつ計
測対象物２０を移動させることにより行うこともでき
る。この場合の計測対象物２０の移動距離の演算および
移動は、処理装置２６、ステージ駆動制御装置２８およ
び３軸ステージ２１を相対位置調整手段として行うこと
ができる。The position adjustment of the measuring object 20 is performed as follows.
The measurement can be performed by moving the measurement target 20 by the distance calculated, or by moving the measurement target 20 by a predetermined fixed distance. In this case, the calculation and movement of the movement distance of the measurement target 20 can be performed using the processing device 26, the stage drive control device 28, and the three-axis stage 21 as relative position adjusting means.
【００８２】以下に、参照ミラー２２の位置調整に必要
な移動距離を算出する方法を説明する。先に行った参照
ミラー２２の傾きおよびあおりの調整によって、空間キ
ャリア縞パターン画像は、数１５のようになっている。Hereinafter, a method of calculating the moving distance required for adjusting the position of the reference mirror 22 will be described. By the adjustment of the tilt and the tilt of the reference mirror 22 performed earlier, the spatial carrier fringe pattern image is as shown in Expression 15.
【００８３】[0083]
【数１５】 (Equation 15)
【００８４】そこで、空間キャリア縞パターン画像のコ
ントラストは、数１６に示すように定義することができ
る。Therefore, the contrast of the spatial carrier stripe pattern image can be defined as shown in Expression 16.
【００８５】[0085]
【数１６】 (Equation 16)
【００８６】空間キャリア縞パターン画像からコントラ
ストを求めるには、画像中各位置近傍の最大値と最小値
との比を、その位置におけるコントラストとすることが
できる。To obtain the contrast from the spatial carrier fringe pattern image, the ratio between the maximum value and the minimum value near each position in the image can be used as the contrast at that position.
【００８７】実際には、空間キャリア縞パターン画像の
コントラストは、参照ミラー２２と計測対象物２０との
各点の距離で定まるので、参照ミラー２２に傾きを与え
たＸ軸方向のみで変化するとしてよい。したがって、Ｘ
軸方向の数ラインで計算を行って、平均値をｃ（ｘ）と
して求める。Actually, since the contrast of the spatial carrier fringe pattern image is determined by the distance between each point between the reference mirror 22 and the measurement object 20, it is assumed that the contrast changes only in the X-axis direction in which the reference mirror 22 is inclined. Good. Therefore, X
Calculation is performed on several lines in the axial direction, and the average value is obtained as c (x).
【００８８】ｃ（ｘ）は図５に示すようになる。コント
ラストが最大となる位置付近では単調に変化するので、
空間キャリア縞パターン画像の中心でコントラストが最
大となるように計測対象物２０の位置を調整する。C (x) is as shown in FIG. Since it changes monotonically near the position where the contrast is maximum,
The position of the measurement target 20 is adjusted so that the contrast becomes maximum at the center of the spatial carrier stripe pattern image.
【００８９】この方向は、参照ミラー２２の傾きと空間
キャリア縞パターン画像中のコントラスト変化の傾向か
ら知ることができる。たとえば、空間キャリア縞パター
ン画像の左側で参照ミラー２２と計測対象物２０との距
離が遠くなるように参照ミラー２２の傾きを調整してあ
り、図６のようなコントラストの分布が得られた場合に
は、計測対象物２０が遠すぎるので、より近づける方向
に移動すれば良い。This direction can be known from the inclination of the reference mirror 22 and the tendency of the contrast change in the spatial carrier fringe pattern image. For example, when the inclination of the reference mirror 22 is adjusted so that the distance between the reference mirror 22 and the measurement target 20 is longer on the left side of the spatial carrier fringe pattern image, and the contrast distribution as shown in FIG. 6 is obtained. In this case, since the measurement target 20 is too far, it may be moved in a direction in which the measurement target 20 is brought closer.
【００９０】この計測対象物２０の移動距離も空間キャ
リア縞パターン画像中央の空間キャリア縞からコントラ
ストのピークのある空間キャリア縞までの縞本数ｎから
数１７の式で求めることができる。The moving distance of the measuring object 20 can also be obtained from the number n of stripes from the spatial carrier stripe at the center of the spatial carrier stripe pattern image to the spatial carrier stripe having a contrast peak from the formula (17).
【００９１】[0091]
【数１７】 [Equation 17]
【００９２】この撮像と計測対象物２０の移動の操作を
数回繰り返すことで、コントラストのピーク位置を縞画
像の中央に移動させることができる。By repeating this imaging operation and the operation of moving the measurement object 20 several times, the peak position of the contrast can be moved to the center of the stripe image.
【００９３】なお、コントラストが最大になるように位
置を調整した後も、空間キャリア縞パターン画像にシェ
ーディングが見られる場合、画像処理により、シェーデ
ィング補正を行うことができる。シェーディング補正
は、空間キャリア縞パターン画像にローパスフィルタリ
ングを施した画像を基準としても良いし、あるいは、予
め鏡面などの平坦な面を干渉が起こらないように参照ミ
ラー２２に覆いをするなどして撮像した画像ｆ（ｘ）を
用いて数１８のように計算しても良い。When shading is observed in the spatial carrier stripe pattern image even after the position is adjusted so that the contrast is maximized, shading correction can be performed by image processing. The shading correction may be based on an image obtained by applying a low-pass filtering to the spatial carrier fringe pattern image, or may be performed by covering a flat surface such as a mirror surface with the reference mirror 22 in advance so as not to cause interference. The calculated image f (x) may be calculated as shown in Expression 18.
【００９４】[0094]
【数１８】 (Equation 18)
【００９５】また、空間キャリア縞の方向がＣＣＤカメ
ラ２５の撮像面で水平方向となるように調整すること
は、空間キャリア縞の方向がＣＣＤカメラ２５の撮像面
で概ね水平方向となるように参照ミラー２２の角度を決
めた後、参照ミラー２２と計測対象物２０との相対角度
を調整することにより行うことができる。その際、同じ
く、参照ミラー２２と計測対象物２０との相対角度を調
整することにより空間キャリア縞の間隔（空間キャリア
縞パターンの垂直空間周波数）を予め定めた一定の値に
し、かつ、空間キャリア縞パターン画像のコントラスト
の調整を行うことが望ましい。Adjusting the direction of the spatial carrier fringes so as to be horizontal on the imaging surface of the CCD camera 25 is referred to such that the direction of the spatial carrier fringes is substantially horizontal on the imaging surface of the CCD camera 25. After the angle of the mirror 22 is determined, the measurement can be performed by adjusting the relative angle between the reference mirror 22 and the measurement target 20. At this time, similarly, by adjusting the relative angle between the reference mirror 22 and the measurement target 20, the interval between the spatial carrier stripes (vertical spatial frequency of the spatial carrier stripe pattern) is set to a predetermined constant value, and It is desirable to adjust the contrast of the stripe pattern image.
【００９６】図７は空間キャリア縞の間隔を規制する参
照ミラー２２の計測対象物２０に対する角度の調整方法
を説明するための図である。図７（Ａ）はＣＣＤカメラ
２５により撮像された空間キャリア縞パターン画像を示
しており、図７（Ａ−１）は空間キャリア縞が粗すぎる
場合、図７（Ａ−２）は空間キャリア縞の間隔が適正な
場合、図７（Ａ−３）は空間キャリア縞が密すぎる場合
である。FIG. 7 is a diagram for explaining a method of adjusting the angle of the reference mirror 22 with respect to the measurement object 20 for regulating the interval between the spatial carrier fringes. 7A shows a spatial carrier fringe pattern image captured by the CCD camera 25. FIG. 7A-1 shows a case where the spatial carrier fringes are too coarse, and FIG. 7A-2 shows a spatial carrier fringe pattern. 7 (A-3) shows the case where the spatial carrier stripes are too dense.
【００９７】また、図７（Ｂ）は参照ミラー２２の状態
（側面より見た図）を示しており、図７（Ｂ−１）は空
間キャリア縞が粗すぎる場合（参照ミラー２２の傾きが
小さすぎる場合）、図７（Ｂ−２）は空間キャリア縞が
適正な場合（参照ミラー２２の傾きが適正な場合）、図
７（Ｂ−３）は空間キャリア縞が密すぎる場合（参照ミ
ラー２２の傾きが大きすぎる場合）である。FIG. 7B shows the state of the reference mirror 22 (view from the side), and FIG. 7B-1 shows the case where the spatial carrier fringes are too coarse (the inclination of the reference mirror 22 is small). FIG. 7B-2 shows a case where the spatial carrier fringes are appropriate (when the inclination of the reference mirror 22 is proper), and FIG. 7B-3 shows a case where the spatial carrier fringes are too dense (the reference mirror). 22 is too large).
【００９８】ここで、空間キャリア縞パターン画像の空
間キャリア縞と予め定めた適正な縞とを比較し、空間キ
ャリア縞が図７（Ａ−１）に示すように粗すぎる場合
（空間キャリア縞周波数が低い場合）には、図７（Ｂ−
１）に示すように参照ミラー２２の傾きが小さすぎると
判断できるので、参照ミラー２２をより大きく傾ける方
向に回転して、参照ミラー２２の傾きを図７（Ｂ−２）
に示すように適正とし、空間キャリア縞が図７（Ａ−
２）に示すように適正となるようにする。Here, the spatial carrier fringe of the spatial carrier fringe pattern image is compared with a predetermined appropriate fringe, and if the spatial carrier fringe is too coarse as shown in FIG. FIG. 7 (B-
Since it can be determined that the tilt of the reference mirror 22 is too small as shown in 1), the reference mirror 22 is rotated in a direction to tilt more, and the tilt of the reference mirror 22 is reduced as shown in FIG.
And the spatial carrier fringes are shown in FIG.
Make it appropriate as shown in 2).
【００９９】逆に、空間キャリア縞が図７（Ａ−３）に
示すように密すぎる場合（空間キャリア縞周波数が高い
場合）には、図７（Ｂ−３）に示すように参照ミラー２
２の傾きが大きすぎると判断できるので、参照ミラー２
２を傾きを減らす方向に回転して、参照ミラー２２の傾
きを図７（Ｂ−２）に示すように適正とし、空間キャリ
ア縞が図７（Ａ−２）に示すように適正となるようにす
る。Conversely, when the spatial carrier fringes are too dense as shown in FIG. 7A-3 (when the spatial carrier fringe frequency is high), as shown in FIG.
Since it can be determined that the inclination of the reference mirror 2 is too large, the reference mirror 2
2 is rotated in a direction to reduce the inclination, so that the inclination of the reference mirror 22 is appropriate as shown in FIG. 7B-2, and the spatial carrier fringe is appropriate as shown in FIG. 7A-2. To
【０１００】このような参照ミラー２２の傾き調整は、
演算で求めた回転角だけ参照ミラー２２を回転させるこ
とにより行うこともできるし、予め定めた角度ずつ参照
ミラー２２を回転させることにより行うこともできる。
この場合の参照ミラー２２の回転角の演算および回転
は、処理装置２６、ステージ駆動制御装置２８および２
軸あおりステージ２３を角度調整手段として行うことが
できる。The tilt adjustment of the reference mirror 22 is performed as follows.
This can be performed by rotating the reference mirror 22 by the rotation angle obtained by the calculation, or by rotating the reference mirror 22 by a predetermined angle.
The calculation and rotation of the rotation angle of the reference mirror 22 in this case are performed by the processing device 26, the stage drive control devices 28 and 2
The shaft tilt stage 23 can be used as an angle adjusting unit.
【０１０１】図８は空間キャリア縞の方向を規制する参
照ミラー２２の計測対象物２０に対する角度の調整方法
（参照ミラー２２のあおりの調整方法）を説明するため
の図である。図８（Ａ）はＣＣＤカメラ２５により撮像
された空間キャリア縞パターン画像を示しており、図８
（Ａ−１）は空間キャリア縞が右上がりに傾いている場
合、図８（Ａ−２）は適正な場合、図８（Ａ−３）は空
間キャリア縞が右下がりに傾いている場合である。FIG. 8 is a diagram for explaining a method of adjusting the angle of the reference mirror 22 with respect to the measurement object 20 (the method of adjusting the tilt of the reference mirror 22) for restricting the direction of the spatial carrier fringes. FIG. 8A shows a spatial carrier fringe pattern image captured by the CCD camera 25, and FIG.
(A-1) shows a case where the spatial carrier stripes are inclined to the right, FIG. 8 (A-2) shows a case where the spatial carrier stripes are inclined to the right, and FIG. is there.
【０１０２】また、図８（Ｂ）は参照ミラー２２の状態
（上面より見た図）を示しており、図８（Ｂ−１）は空
間キャリア縞が右上がりに傾いている場合（参照ミラー
２２が左にあおりの状態）、図８（Ｂ−２）は適正な場
合、図８（Ｂ−３）は空間キャリア縞が右下がりに傾い
ている場合（参照ミラー２２が右にあおりの状態）であ
る。FIG. 8B shows the state of the reference mirror 22 (as viewed from above), and FIG. 8B-1 shows the case where the spatial carrier stripes are inclined to the right (the reference mirror). FIG. 8B-2 shows the case where the reference mirror 22 is tilted to the right (the mirror 22 is tilted to the right). ).
【０１０３】ここで、空間キャリア縞パターン画像の空
間キャリア縞と予め定めた適正な縞とを比較し、空間キ
ャリア縞が図８（Ａ−１）に示すように右上がりに傾い
ている場合には、参照ミラー２２が図８（Ｂ−１）に示
すように左にあおりの状態にあると判断できるので、参
照ミラー２２の左あおりの角度を減らす方向に参照ミラ
ー２２を回転して、参照ミラー２２のあおりを図８（Ｂ
−２）に示すように適正とし、空間キャリア縞が図８
（Ａ−２）に示すように適正となるようにする。Here, the spatial carrier fringes of the spatial carrier fringe pattern image are compared with predetermined appropriate fringes, and when the spatial carrier fringes are inclined upward to the right as shown in FIG. 8 (A-1). Can be determined that the reference mirror 22 is in the left-handed state as shown in FIG. 8 (B-1), so that the reference mirror 22 is rotated in a direction to reduce the left-handed angle of the reference mirror 22, and the reference FIG. 8 (B)
2), the spatial carrier fringes are determined as shown in FIG.
Make it appropriate as shown in (A-2).
【０１０４】逆に、空間キャリア縞が図８（Ａ−３）に
示すように右下がりに傾いている場合には、参照ミラー
２２が図８（Ｂ−３）に示すように右にあおりの状態に
あると判断できるので、参照ミラー２２の右あおりの角
度を減らす方向に参照ミラー２２を回転して、参照ミラ
ー２２のあおりを図８（Ｂ−２）に示すように適正と
し、空間キャリア縞が図８（Ａ−２）に示すように適正
となるようにする。Conversely, when the spatial carrier fringes are inclined downward to the right as shown in FIG. 8 (A-3), the reference mirror 22 is tilted to the right as shown in FIG. 8 (B-3). Since it can be determined that the reference mirror 22 is in the state, the reference mirror 22 is rotated in a direction to reduce the right tilt angle of the reference mirror 22, and the tilt of the reference mirror 22 is made appropriate as shown in FIG. The stripes are made appropriate as shown in FIG. 8 (A-2).
【０１０５】このような参照ミラー２２のあおり調整
は、演算で求めた回転角だけ参照ミラー２２を回転させ
ることにより行うこともできるし、予め定めた角度ずつ
参照ミラー２２を回転させることにより行うこともでき
る。この場合の参照ミラー２２の回転角の演算および回
転は、処理装置２６、ステージ駆動制御装置２８および
２軸あおりステージ２３を角度調整手段として行うこと
ができる。Such a tilt adjustment of the reference mirror 22 can be performed by rotating the reference mirror 22 by a rotation angle obtained by calculation, or by rotating the reference mirror 22 by a predetermined angle. Can also. In this case, the calculation and rotation of the rotation angle of the reference mirror 22 can be performed using the processing device 26, the stage drive control device 28, and the two-axis tilt stage 23 as an angle adjusting unit.
【０１０６】図９は空間キャリア縞パターン画像のコン
トラストの調整方法を説明するための図であり、空間キ
ャリア縞パターン画像のコントラストの調整は、参照ミ
ラー２２と計測対象物２０との光路上の相対位置を調整
することにより行うことができるが、本発明の一実施形
態においては、計測対象物２０の光学系に対する距離、
すなわち、計測対象物２０の上下位置を調整することに
より行う。FIG. 9 is a diagram for explaining a method of adjusting the contrast of the spatial carrier fringe pattern image. The contrast of the spatial carrier fringe pattern image is adjusted by adjusting the relative position of the reference mirror 22 and the measurement target 20 on the optical path. It can be performed by adjusting the position, but in one embodiment of the present invention, the distance of the measurement object 20 to the optical system,
That is, the adjustment is performed by adjusting the vertical position of the measurement target 20.
【０１０７】図９（Ａ）はＣＣＤカメラ２５により撮像
された空間キャリア縞パターン画像を示しており、図９
（Ａ−１）は上側がぼけている場合、図９（Ａ−２）は
適正な場合、図９（Ａ−３）は下側がぼけている場合で
ある。FIG. 9A shows a spatial carrier fringe pattern image picked up by the CCD camera 25, and FIG.
(A-1) shows a case where the upper side is blurred, FIG. 9 (A-2) shows a case where the upper side is blurred, and FIG. 9 (A-3) shows a case where the lower side is blurred.
【０１０８】また、図９（Ｂ）は計測対象物２０の状態
（側面より見た図）を示しており、図９（Ｂ−１）は空
間キャリア縞パターン画像の上側がぼけている場合（計
測対象物２０が光学系から離れすぎている場合）、図９
（Ｂ−２）は空間キャリア縞パターン画像全体のコント
ラストが適正な場合（計測対象物２０の上下位置が適正
な場合）、図９（Ｂ−３）は空間キャリア縞パターン画
像の下側がぼけている場合（計測対象物２０が光学系に
近すぎる場合）である。なお、空間キャリア縞パターン
画像の中央でコントラストが最大になるとき、空間キャ
リア縞パターン画像全体のコントラストを最適にするこ
とができる。FIG. 9B shows the state of the measurement object 20 (view from the side), and FIG. 9B-1 shows the case where the upper side of the spatial carrier stripe pattern image is blurred ( When the measurement object 20 is too far from the optical system, FIG.
(B-2) is a case where the contrast of the entire spatial carrier fringe pattern image is proper (when the vertical position of the measurement target 20 is proper), and FIG. 9 (B-3) is a case where the lower side of the spatial carrier fringe pattern image is blurred. (The measurement object 20 is too close to the optical system). When the contrast is maximized at the center of the spatial carrier stripe pattern image, the contrast of the entire spatial carrier stripe pattern image can be optimized.
【０１０９】ここで、空間キャリア縞パターン画像を得
るために参照ミラー２２に傾きを与えた方向によるが、
たとえば、空間キャリア縞パターン画像に対して上側で
参照ミラー２２と計測対象物２０との距離が遠くなるよ
うに参照ミラー２２を傾けている場合、図９（Ａ−１）
に示すように空間キャリア縞パターン画像の上側がぼけ
ている場合には、計測対象物２０は図９（Ｂ−１）に示
すように光学系から離れすぎていると判断できるので、
図９（Ｂ−２）に示すように計測対象物２０を光学系に
近づける方向（上方向）に移動して適正位置とし、空間
キャリア縞パターン画像のコントラストが図９（Ａ−
２）に示すように適正となるようにする。Here, depending on the direction in which the reference mirror 22 is tilted in order to obtain a spatial carrier fringe pattern image,
For example, when the reference mirror 22 is tilted such that the distance between the reference mirror 22 and the measurement target 20 is longer on the upper side of the spatial carrier fringe pattern image, FIG. 9A-1.
When the upper side of the spatial carrier fringe pattern image is blurred as shown in FIG. 9B, it can be determined that the measurement target 20 is too far from the optical system as shown in FIG.
As shown in FIG. 9 (B-2), the measurement target 20 is moved in a direction (upward) to approach the optical system to be an appropriate position, and the contrast of the spatial carrier fringe pattern image is changed as shown in FIG.
Make it appropriate as shown in 2).
【０１１０】逆に、図９（Ａ−３）に示すように空間キ
ャリア縞パターン画像の下側がぼけている場合には、計
測対象物２０は図９（Ｂ−３）に示すように光学系に近
すぎると判断できるので、図９（Ｂ−２）に示すように
計測対象物２０を光学系から遠ざける方向（下方向）に
移動して適正位置とし、空間キャリア縞パターン画像の
コントラストが図９（Ａ−２）に示すように適正となる
ようにする。Conversely, when the lower side of the spatial carrier fringe pattern image is blurred as shown in FIG. 9 (A-3), the measurement object 20 is moved to the optical system as shown in FIG. 9 (B-3). Therefore, as shown in FIG. 9 (B-2), the measurement object 20 is moved in a direction (downward) away from the optical system to an appropriate position, and the contrast of the spatial carrier fringe pattern image is reduced. 9 (A-2) so as to be appropriate.
【０１１１】このような計測対象物２０の位置調整は、
演算で求めた距離だけ計測対象物２０を移動させること
により行うこともできるし、予め定めた一定距離ずつ計
測対象物２０を移動させることにより行うこともでき
る。この場合の計測対象物２０の移動距離の演算および
移動は、処理装置２６、ステージ駆動制御装置２８およ
び３軸ステージ２１を相対位置調整手段として行うこと
ができる。[0111] Such position adjustment of the measurement object 20 is performed as follows.
The measurement can be performed by moving the measurement target 20 by the distance calculated, or by moving the measurement target 20 by a predetermined fixed distance. In this case, the calculation and movement of the movement distance of the measurement target 20 can be performed using the processing device 26, the stage drive control device 28, and the three-axis stage 21 as relative position adjusting means.
【０１１２】図１０は空間キャリア縞の方向がＣＣＤカ
メラ２５の撮像面で水平方向となるように空間キャリア
縞パターンを撮像し、横縞の空間キャリア縞パターン画
像を得るようにした場合の計測対象物２０の形状計測を
空間領域演算により行う場合の手順を示す図である。FIG. 10 shows an object to be measured in the case where a spatial carrier fringe pattern is imaged so that the direction of the spatial carrier fringe is horizontal on the imaging surface of the CCD camera 25, and a horizontal fringe spatial carrier fringe pattern image is obtained. FIG. 9 is a diagram showing a procedure in a case where the shape measurement of No. 20 is performed by spatial domain calculation.
【０１１３】この場合には、まず、ＣＣＤカメラ２５に
より取得した横縞の空間キャリア縞パターン画像を処理
装置２６で転置処理して縦縞の空間キャリア縞パターン
画像に変換し、これに、数１９に示す２個の参照格子パ
ターンｒcos （ｘ）、ｒsin（ｘ）をそれぞれ乗算す
る。In this case, first, the horizontal carrier spatial carrier fringe pattern image obtained by the CCD camera 25 is transposed by the processor 26 to be converted into a vertical carrier spatial carrier fringe pattern image. The two reference grid patterns r cos (x) and r sin (x) are multiplied respectively.
【０１１４】[0114]
【数１９】 [Equation 19]
【０１１５】次に、それぞれの乗算結果をローパスフィ
ルタ（ＬＰＦ）に通し、数２０に示す位相画像Ｓ
cos （ｘ）、Ｓsin （ｘ）を求める。Next, each multiplication result is passed through a low-pass filter (LPF) to obtain a phase image S
Find cos (x) and S sin (x).
【０１１６】[0116]
【数２０】 (Equation 20)
【０１１７】次に、２つの位相画像Ｓcos （ｘ）、Ｓ
sin （ｘ）の比にアークタンジェント（ｔａｎ-1）処理
を行い、数２１に示す位相分布φ（ｘ）を求める。Next, two phase images S cos (x), S
An arc tangent (tan -1 ) process is performed on the ratio of sin (x) to obtain a phase distribution φ (x) shown in Expression 21.
【０１１８】[0118]
【数２１】 (Equation 21)
【０１１９】この位相画像φ（ｘ）から数１１に示す計
算式により、計測対象物２０の表面の各位置での高さｈ
（ｘ）を計算することができる。なお、ここで得られる
位相画像φ（ｘ）は、元の入力画像と位置関係が転置し
ているので、必要であれば、横縞画像に転置して、入力
画像との位置関係を一致させる。From the phase image φ (x), the height h at each position on the surface of the measurement object 20 is calculated by the calculation formula shown in Expression 11.
(X) can be calculated. Note that the positional relationship between the phase image φ (x) obtained here and the original input image is transposed. If necessary, the phase image φ (x) is transposed to a horizontal stripe image so that the positional relationship with the input image matches.
【０１２０】図１１は空間キャリア縞の方向がＣＣＤカ
メラ２５の撮像面で水平方向となるように空間キャリア
縞パターンを撮像し、横縞の空間キャリア縞パターン画
像を得るようにした場合の計測対象物２０の形状計測を
周波数領域演算により行う場合の手順を示す図である。FIG. 11 shows an object to be measured in the case where a spatial carrier fringe pattern is imaged so that the direction of the spatial carrier fringe is horizontal on the imaging surface of the CCD camera 25, and a horizontal fringe spatial carrier fringe pattern image is obtained. FIG. 9 is a diagram showing a procedure in the case where the shape measurement of No. 20 is performed by frequency domain calculation.
【０１２１】この場合には、まず、ＣＣＤカメラ２５に
より取得した横縞の空間キャリア縞パターン画像を処理
装置２６で転置処理して縦縞の空間キャリア縞パターン
画像に変換する。そして、この縦縞の空間キャリア縞パ
ターン画像の縞変化と垂直な方向の各行を１次元フーリ
エ変換し、バンドパスフィルタを通し、周波数シフト
し、フーリエ逆変換して実部と虚部を求める。In this case, first, the spatial carrier stripe pattern image of horizontal stripes acquired by the CCD camera 25 is transposed by the processing device 26 to be converted into a spatial carrier stripe pattern image of vertical stripes. Then, each row in the direction perpendicular to the fringe change of the vertical fringe spatial carrier fringe pattern image is subjected to one-dimensional Fourier transform, passed through a bandpass filter, frequency-shifted, and inversely Fourier-transformed to obtain a real part and an imaginary part.
【０１２２】次に、これら実部と虚部についてアークタ
ンジェント（ｔａｎ-1）処理を行うことにより位相画像
φ（ｘ）を求める。この位相画像φ（ｘ）から数１１に
示す演算により計測対象物２０の表面の各位置での高さ
ｈ（ｘ）を計算することができる。なお、ここで得られ
る位相画像φ（ｘ）は、元の入力画像と位置関係が転置
しているので、必要であれば、横縞画像に転置して、入
力画像との位置関係を一致させる。Next, a phase image φ (x) is obtained by performing an arc tangent (tan -1 ) process on the real part and the imaginary part. The height h (x) at each position on the surface of the measurement object 20 can be calculated from the phase image φ (x) by the calculation shown in Expression 11. Note that the positional relationship between the phase image φ (x) obtained here and the original input image is transposed. If necessary, the phase image φ (x) is transposed to a horizontal stripe image so that the positional relationship with the input image matches.
【０１２３】なお、図１０、図１１に示す処理において
は、横縞の空間キャリア縞パターン画像を縦縞の空間キ
ャリア縞パターン画像に変換する処理として転置処理を
しているが、この代わりに回転処理を行うようにしても
良い。In the processing shown in FIGS. 10 and 11, transposition processing is performed as processing for converting a horizontal stripe spatial carrier stripe pattern image into a vertical stripe spatial carrier stripe pattern image. It may be performed.
【０１２４】以上のように、本発明の一実施形態によれ
ば、ＣＣＤカメラ２５により撮像された空間キャリア縞
パターン画像を処理装置２６で処理し、ステージ駆動制
御装置２８によって２軸あおりステージ２３を駆動制御
し、空間キャリア縞の間隔を規制する参照ミラー２２の
計測対象物２０に対する角度を調整することにより、空
間キャリア縞の間隔を予め定めた最適な間隔とし、空間
キャリア縞周波数の誤差に起因する計測誤差を除くこと
ができるので、計測対象物２０の表面形状の計測を高精
度で行うことができる。As described above, according to one embodiment of the present invention, the spatial carrier stripe pattern image picked up by the CCD camera 25 is processed by the processing device 26, and the two-axis tilt stage 23 is moved by the stage drive control device 28. By controlling the drive and adjusting the angle of the reference mirror 22 that regulates the spacing of the spatial carrier fringe with respect to the measurement object 20, the spacing of the spatial carrier fringe is set to a predetermined optimal spacing, and the spatial carrier fringe frequency error Since the measurement error can be eliminated, the surface shape of the measurement target 20 can be measured with high accuracy.
【０１２５】また、ＣＣＤカメラ２５により撮像された
空間キャリア縞パターン画像を処理装置２６で処理し、
ステージ駆動制御装置２８によって２軸あおりステージ
２３を駆動制御し、参照ミラー２２のあおりを調整する
ことにより、空間キャリア縞の傾きを除くことができる
ので、空間キャリア縞周波数の誤差の除去および空間キ
ャリア縞初期位相分布変化に起因する計測対象物２０が
傾いて観測されることを避け、不用なラッピングの発生
を抑えることができる。The spatial carrier fringe pattern image picked up by the CCD camera 25 is processed by the processing unit 26,
The drive of the two-axis tilt stage 23 is controlled by the stage drive control device 28 to adjust the tilt of the reference mirror 22, thereby eliminating the inclination of the spatial carrier fringes. It is possible to prevent the measurement target 20 caused by the fringe initial phase distribution change from being observed obliquely, and to suppress the occurrence of unnecessary lapping.
【０１２６】また、ＣＣＤカメラ２５により撮像された
空間キャリア縞パターン画像を処理装置２６で処理し、
ステージ駆動制御装置２８によって３軸ステージ２１を
駆動制御することにより計測対象物２０の位置調整を行
い、空間キャリア縞パターン画像のコントラストを縞画
像全体にわたって最適化することができるので、計測の
更なる高精度化を図ることができる。The spatial carrier fringe pattern image picked up by the CCD camera 25 is processed by the processor 26,
The position of the measurement object 20 is adjusted by driving and controlling the three-axis stage 21 by the stage drive control device 28, and the contrast of the spatial carrier fringe pattern image can be optimized over the entire fringe image. High accuracy can be achieved.
【０１２７】なお、本発明の一実施形態においては、空
間キャリア縞の間隔、方向を参照ミラー２２の角度を調
整することにより行うようにした場合について説明した
が、この代わりに、計測対象物２０を傾ける機構を設け
て、計測対象物２０の角度を調整することにより空間キ
ャリア縞の間隔、方向を調整するようにしても良い。In the embodiment of the present invention, the case has been described in which the spacing and the direction of the spatial carrier fringes are adjusted by adjusting the angle of the reference mirror 22. May be provided to adjust the angle and angle of the measurement target 20 to adjust the interval and direction of the spatial carrier stripes.
【０１２８】また、本発明の一実施形態においては、計
測対象物２０を移動させることにより空間キャリア縞パ
ターン画像のコントラストの調整を行うようにした場合
について説明したが、この代わりに、参照ミラー２２を
含めた光学系全体を移動することにより、空間キャリア
縞パターン画像のコントラストの調整を行うようにして
も良いし、参照ミラー２２の位置を調整するようにして
も良い。In the embodiment of the present invention, the case where the contrast of the spatial carrier fringe pattern image is adjusted by moving the measurement object 20 has been described. The contrast of the spatial carrier fringe pattern image may be adjusted by moving the entire optical system including the above, or the position of the reference mirror 22 may be adjusted.
【０１２９】また、本発明の一実施形態においては、Ｃ
ＣＤカメラ２５で縦縞又は横縞の空間キャリア縞パター
ン画像を得ることができるが、ＣＣＤカメラ２５の水平
同期タイミングに変動が見込まれる場合には、横縞の空
間キャリア縞パターン画像を得るようにすることが好適
である。Further, in one embodiment of the present invention, C
Although a vertical or horizontal spatial carrier fringe pattern image can be obtained by the CD camera 25, if a fluctuation is expected in the horizontal synchronization timing of the CCD camera 25, a horizontal fringe spatial carrier fringe pattern image may be obtained. It is suitable.
【０１３０】なぜなら、位相計算は、ＣＣＤカメラ２５
の水平同期タイミングを基準として行われるため、ＣＣ
Ｄカメラ２５で縦縞の空間キャリア縞パターン画像を得
るようにする場合において、水平同期タイミングに変動
がある場合、水平同期タイミングの誤差が位相計算の誤
差に影響してしまうが、ＣＣＤカメラ２５で横縞の空間
キャリア縞パターン画像を得るようにする場合には、水
平同期タイミングに変動がある場合においても、水平同
期タイミングの誤差が位相計算の誤差に影響することが
ないので、より高精度の形状計測を行うことができるか
らである。The reason is that the phase calculation is performed by the CCD camera 25.
Is performed based on the horizontal synchronization timing of
In the case where the vertical carrier spatial carrier fringe pattern image is obtained by the D camera 25, if the horizontal synchronization timing fluctuates, the horizontal synchronization timing error affects the phase calculation error. In order to obtain the spatial carrier fringe pattern image of the above, even if there is a variation in the horizontal synchronization timing, the error of the horizontal synchronization timing does not affect the error of the phase calculation. It is because it can perform.
【０１３１】[0131]
【発明の効果】以上のように、本発明中、第１の発明に
よれば、空間キャリア縞の間隔を規制する参照ミラーと
計測対象物の相対角度を調整することにより空間キャリ
ア縞の間隔を調整する角度調整手段を有する構成とした
ことにより、空間キャリア縞の間隔の最適化を図り、空
間キャリア縞周波数の誤差に起因する計測誤差を除くこ
とができるので、計測の高精度化を図ることができる。As described above, according to the first aspect of the present invention, the distance between the spatial carrier stripes is adjusted by adjusting the relative angle between the reference mirror for regulating the distance between the spatial carrier stripes and the object to be measured. By adopting a configuration having an angle adjusting means for adjusting, the spacing between spatial carrier fringes can be optimized and the measurement error caused by the error of the spatial carrier fringe frequency can be eliminated, so that the measurement accuracy can be improved. Can be.
【０１３２】また、空間キャリア縞の方向を規制する参
照ミラーと計測対象物の相対角度を調整する第２の角度
調整手段を加える構成とする場合には、空間キャリア縞
の傾きを除くことができ、空間キャリア縞周波数の誤差
の除去および空間キャリア縞初期位相分布変化に起因す
る計測対象物が傾いて観測されることを避け、不用なラ
ッピングの発生を抑えることができる。Further, in the case of adding a reference mirror for regulating the direction of the spatial carrier fringe and a second angle adjusting means for adjusting the relative angle between the object to be measured, the inclination of the spatial carrier fringe can be eliminated. In addition, it is possible to eliminate the error of the spatial carrier fringe frequency and to prevent the measurement target from being obliquely observed due to the change in the initial phase distribution of the spatial carrier fringe, and to suppress the occurrence of unnecessary lapping.
【０１３３】また、参照ミラーと計測対象物との光路上
の相対位置を調整する相対位置調整手段をを加える構成
とする場合には、空間キャリア縞パターン画像のコント
ラストを縞画像全体にわたって最適化することができる
ので、計測の更なる高精度化を図ることができる。In the case of adding a relative position adjusting means for adjusting the relative position of the reference mirror and the object to be measured on the optical path, the contrast of the spatial carrier stripe pattern image is optimized over the entire stripe image. Therefore, it is possible to further improve the accuracy of the measurement.
【０１３４】また、第２の発明によれば、撮像手段の水
平走査方向と空間キャリア縞の方向とが同一方向となる
空間キャリア縞パターン画像を得ることができるので、
撮像手段の水平同期タイミングの誤差が空間キャリア縞
の位相情報を抽出するための計算誤差に影響することが
ないようにすることができ、撮像手段の水平走査方向と
空間キャリア縞の変化方向とが同一方向となる空間キャ
リア縞パターン画像を得るようにする場合に比較し、よ
り高精度の形状計測を行うことができる。Further, according to the second aspect, a spatial carrier fringe pattern image in which the horizontal scanning direction of the imaging means and the direction of the spatial carrier fringe are the same can be obtained.
It is possible to prevent the error of the horizontal synchronization timing of the imaging unit from affecting the calculation error for extracting the phase information of the spatial carrier fringe, and the horizontal scanning direction of the imaging unit and the change direction of the spatial carrier fringe are different. Compared to a case where a spatial carrier stripe pattern image in the same direction is obtained, more accurate shape measurement can be performed.
【図１】本発明の一実施形態の概念図である。FIG. 1 is a conceptual diagram of one embodiment of the present invention.
【図２】空間キャリア縞の間隔を規制する参照ミラーの
計測対象物に対する角度の調整方法を説明するための図
である。FIG. 2 is a diagram for explaining a method of adjusting an angle of a reference mirror with respect to an object to be measured, which regulates an interval between spatial carrier fringes.
【図３】空間キャリア縞の方向を規制する参照ミラーの
計測対象物に対する角度の調整方法（参照ミラーのあお
りの調整方法）を説明するための図である。FIG. 3 is a diagram for explaining a method of adjusting an angle of a reference mirror with respect to a measurement target (a method of adjusting the tilt of the reference mirror) for restricting the direction of a spatial carrier fringe.
【図４】空間キャリア縞パターン画像のコントラストの
調整方法を説明するための図である。FIG. 4 is a diagram for explaining a method of adjusting the contrast of a spatial carrier stripe pattern image.
【図５】空間キャリア縞のコントラストの平均値を示す
図である。FIG. 5 is a diagram showing an average value of contrast of spatial carrier fringes.
【図６】空間キャリア縞のコントラストの分布を示す図
である。FIG. 6 is a diagram showing a distribution of contrast of spatial carrier fringes.
【図７】空間キャリア縞の間隔を規制する参照ミラーの
計測対象物に対する角度の調整方法を説明するための図
である。FIG. 7 is a diagram for explaining a method of adjusting an angle of a reference mirror with respect to an object to be measured, which regulates an interval between spatial carrier fringes.
【図８】空間キャリア縞の方向を規制する参照ミラーの
計測対象物に対する角度の調整方法（参照ミラーのあお
りの調整方法）を説明するための図である。FIG. 8 is a diagram for explaining a method of adjusting an angle of a reference mirror with respect to an object to be measured (a method of adjusting the tilt of the reference mirror) that regulates the direction of a spatial carrier fringe.
【図９】空間キャリア縞パターン画像のコントラストの
調整方法を説明するための図である。FIG. 9 is a diagram for explaining a method of adjusting the contrast of a spatial carrier stripe pattern image.
【図１０】空間キャリア縞の方向がＣＣＤカメラの撮像
面で水平方向となるように空間キャリア縞パターンを撮
像し、横縞の空間キャリア縞パターン画像を得るように
した場合の計測対象物の形状計測を空間領域演算により
行う場合の手順を示す図である。FIG. 10 shows a shape measurement of an object to be measured in a case where a spatial carrier fringe pattern is imaged such that the direction of the spatial carrier fringe is horizontal on the imaging surface of the CCD camera, and a spatial fringe pattern image of horizontal fringes is obtained. Is a diagram showing a procedure in which is performed by spatial domain calculation.
【図１１】空間キャリア縞の方向がＣＣＤカメラの撮像
面で水平方向となるように空間キャリア縞パターンを撮
像し、横縞の空間キャリア縞パターン画像を得るように
した場合の計測対象物の形状計測を周波数領域演算によ
り行う場合の手順を示す図である。FIG. 11 shows a shape measurement of an object to be measured in a case where a spatial carrier fringe pattern is imaged so that the direction of the spatial carrier fringe is horizontal on the imaging surface of the CCD camera, and a horizontal fringe spatial carrier fringe pattern image is obtained. Is a diagram showing a procedure in a case where is performed by a frequency domain calculation.
【図１２】位相シフト法により物体の表面形状を計測す
る場合に使用される形状計測装置の一例の概念図であ
る。FIG. 12 is a conceptual diagram of an example of a shape measuring device used when measuring a surface shape of an object by a phase shift method.
【図１３】空間キャリア法により物体の表面形状を計測
する場合に使用される従来の形状計測装置の一例の概念
図である。FIG. 13 is a conceptual diagram of an example of a conventional shape measuring device used when measuring the surface shape of an object by the space carrier method.
１ 光源 ２ ハーフミラー ３ 対物レンズ ４ ハーフミラー ５ 計測対象物 ６ ＸＹステージ ７ 参照ミラー ８ ピエゾステージ ９ 結像レンズ １０ ＣＣＤカメラ １１ 処理装置 １２ ディスプレイ １３ 光源 １４ 光 １５ コリメートレンズ １６ 波長フィルタ １７ ハーフミラー １８ 対物レンズ １９ ハーフミラー ２０ 計測対象物 ２１ ３軸ステージ ２２ 参照ミラー ２３ ２軸あおりステージ ２４ 結像レンズ ２５ ＣＣＤカメラ ２６ 処理装置（たとえば、パーソナルコンピュータ） ２７ ディスプレイ ２８ ステージ駆動制御装置 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light source 2 Half mirror 3 Objective lens 4 Half mirror 5 Measurement object 6 XY stage 7 Reference mirror 8 Piezo stage 9 Imaging lens 10 CCD camera 11 Processing device 12 Display 13 Light source 14 Light 15 Collimating lens 16 Wavelength filter 17 Half mirror 18 Objective lens 19 Half mirror 20 Object to be measured 21 3-axis stage 22 Reference mirror 23 2-axis tilt stage 24 Imaging lens 25 CCD camera 26 Processing device (for example, personal computer) 27 Display 28 Stage drive control device
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 布施 貴史 神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番 １号 富士通株式会社内 (72)発明者 大嶋 美隆 神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番 １号 富士通株式会社内 (72)発明者 塚原 博之 神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番 １号 富士通株式会社内 Ｆターム(参考） 2F064 AA09 BB01 GG12 GG22 GG42 HH03 HH08 JJ01 2F065 AA54 BB03 CC03 FF51 JJ03 JJ26 LL22 MM03 PP12 QQ17 QQ28 SS13 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Takashi Fuse 4-1-1, Kamidadanaka, Nakahara-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Prefecture Inside Fujitsu Limited (72) Mitaka Oshima 4-chome, Kamiodanaka, Nakahara-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa No. 1 Fujitsu Limited (72) Inventor Hiroyuki Tsukahara 4-1-1 Kamikodanaka, Nakahara-ku, Kawasaki City, Kanagawa Prefecture F-term within Fujitsu Limited (reference) 2F064 AA09 BB01 GG12 GG22 GG42 HH03 HH08 JJ01 2F065 AA54 BB03 CC03 FF51 JJ03 JJ26 LL22 MM03 PP12 QQ17 QQ28 SS13
Claims (5)
面からの反射光との干渉により生じる空間キャリア縞パ
ターン画像から空間キャリア縞の位相情報を抽出するこ
とにより前記計測対象物の表面形状を計測する形状計測
装置であって、 前記空間キャリア縞の間隔を規制する前記参照ミラーと
前記計測対象物との相対角度を調整する角度調整手段を
有することを特徴とする形状計測装置。1. A surface shape of a measurement object by extracting phase information of spatial carrier stripes from a spatial carrier stripe pattern image generated by interference between light reflected from a reference mirror and light reflected from the surface of the measurement object. A shape measuring device for measuring the distance between the reference mirror and the object to be measured, which regulates the interval between the spatial carrier stripes.
参照ミラーと前記計測対象物との相対角度を調整する第
２の角度調整手段を有することを特徴とする請求項１記
載の形状計測装置。2. A shape measuring apparatus according to claim 1, further comprising second angle adjusting means for adjusting a relative angle between said reference mirror for regulating the direction of said spatial carrier fringe and said object to be measured. .
上の相対位置を調整する相対位置調整手段を有すること
を特徴とする請求項１記載の形状計測装置。3. The shape measuring apparatus according to claim 1, further comprising a relative position adjusting means for adjusting a relative position on the optical path between the reference mirror and the object to be measured.
面からの反射光との干渉により生じる空間キャリア縞パ
ターン画像を光電変換手段を使用して撮像する撮像手段
を有し、前記撮像手段により得られる空間キャリア縞パ
ターン画像から空間キャリア縞の位相情報を抽出するこ
とにより前記計測対象物の表面形状を計測する形状計測
装置であって、 前記撮像手段は、前記撮像手段の水平走査方向と空間キ
ャリア縞の方向とが同一方向となるように空間キャリア
縞パターン画像を撮像することができるようにされてい
ることを特徴とする形状計測装置。4. An image pickup means for picking up an image of a spatial carrier fringe pattern image generated by interference between light reflected from a reference mirror and light reflected from the surface of an object to be measured, using photoelectric conversion means. Is a shape measuring device that measures the surface shape of the measurement object by extracting phase information of the spatial carrier fringe from the spatial carrier fringe pattern image obtained by the imaging unit, wherein the imaging unit has a horizontal scanning direction of the imaging unit. A shape measuring apparatus characterized in that a spatial carrier fringe pattern image can be taken so that the direction of the spatial carrier fringe is the same as the direction of the spatial carrier fringe.
縞パターン画像を転置処理又は回転処理して空間キャリ
ア縞の位相情報を抽出することを特徴とする請求項４記
載の形状計測装置。5. The shape measuring apparatus according to claim 4, wherein the spatial carrier fringe pattern image obtained by the imaging means is transposed or rotated to extract the phase information of the spatial carrier fringe pattern.
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