[go: up one dir, main page]

JP2014178233A - Shape measurement device and shape measurement method - Google Patents

Shape measurement device and shape measurement method Download PDF

Info

Publication number
JP2014178233A
JP2014178233A JP2013052891A JP2013052891A JP2014178233A JP 2014178233 A JP2014178233 A JP 2014178233A JP 2013052891 A JP2013052891 A JP 2013052891A JP 2013052891 A JP2013052891 A JP 2013052891A JP 2014178233 A JP2014178233 A JP 2014178233A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
phase
distribution
grating
angle
lattice
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2013052891A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kazuhisa Inoue
和久 井上
Hisatoshi Fujiwara
久利 藤原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Azbil Corp
Original Assignee
Azbil Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Azbil Corp filed Critical Azbil Corp
Priority to JP2013052891A priority Critical patent/JP2014178233A/en
Publication of JP2014178233A publication Critical patent/JP2014178233A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

【課題】簡単な装置構成でありながら、広い高さ範囲を高い精度で測定することが可能な形状測定装置、及び形状測定方法を提供する。
【解決手段】形状計測装置1は、被測定物4の表面Sに照射する光を発生させる光源2と、表面Sに格子パターンが投影されるよう、光源2と被測定物4との間に配置される格子3と、投影された格子パターンが変化するように、格子3を所定方向に移動させる格子移動手段(格子駆動装置30)と、上記所定方向に対する格子3の角度が変化するように、格子3を回転させる格子回転手段(格子駆動装置30)と、を備えている。格子3の角度を第一角度0とした状態において投影された格子パターンの位相分布である位相分布φ1(x,y)と、格子3の角度を第二角度ωとした状態において投影された格子パターンの位相分布である位相分布φ2(x,y)と、に基づいて、表面Sの高さ分布H(x、y)を算出する。
【選択図】図1
A shape measuring device and a shape measuring method capable of measuring a wide height range with high accuracy while having a simple device configuration.
A shape measuring apparatus (1) includes a light source (2) that generates light to be irradiated onto a surface (S) of a measurement object (4) and a light source (2) between the light source (2) and the measurement object (4) so that a lattice pattern is projected onto the surface (S). The lattice moving means (grid driving device 30) for moving the lattice 3 in a predetermined direction so that the lattice 3 to be arranged and the projected lattice pattern are changed, and the angle of the lattice 3 with respect to the predetermined direction is changed. And a grid rotating means (lattice driving device 30) for rotating the grid 3. Phase distribution φ1 (x, y), which is the phase distribution of the grating pattern projected when the angle of the grating 3 is the first angle 0, and the grating projected when the angle of the grating 3 is the second angle ω The height distribution H (x, y) of the surface S is calculated based on the phase distribution φ2 (x, y) that is the phase distribution of the pattern.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、物体の表面に投影された格子パターンに基づいて、当該物体の表面形状を計測する形状測定装置、及び形状測定方法に関する。   The present invention relates to a shape measuring apparatus and a shape measuring method for measuring the surface shape of an object based on a lattice pattern projected on the surface of the object.

物体の表面形状、すなわち、当該表面における高さの分布を非接触で測定するための方法の一つとして、格子パターン投影法が知られている。格子パターン投影法は、測定対象である物体の表面に格子パターンを投影し、投影された格子パターンの変形に基づいて表面形状を算出するものである。格子パターンの投影は、光源と物体との間に格子を配置し、当該格子を通じて物体の表面に光を照射することによって行われる。   As one of methods for measuring the surface shape of an object, that is, the height distribution on the surface, in a non-contact manner, a lattice pattern projection method is known. In the grid pattern projection method, a grid pattern is projected onto the surface of an object to be measured, and a surface shape is calculated based on deformation of the projected grid pattern. The projection of the lattice pattern is performed by placing a lattice between the light source and the object and irradiating the surface of the object with light through the lattice.

格子パターンの変形に基づいて表面形状を算出する際には、所謂位相シフト法が用いられる。位相シフト法は、物体の表面に投影され変形した格子パターンを、格子の位置(位相)を互いに異ならせた状態で複数取得し、取得された複数の格子パターンに基づいて、変形した格子パターンの位相分布を算出するものである。当該位相分布を高さの分布に変換することにより、物体の表面形状が算出される。   When calculating the surface shape based on the deformation of the lattice pattern, a so-called phase shift method is used. The phase shift method acquires a plurality of lattice patterns projected and deformed on the surface of an object in a state where the positions (phases) of the lattices are different from each other, and based on the obtained plurality of lattice patterns, The phase distribution is calculated. By converting the phase distribution into a height distribution, the surface shape of the object is calculated.

ところで、物体表面の高さは様々な値となりうるのに対し、格子パターンの位相は−πから+πの限られた範囲内で周期的に変化する値となる。すなわち、物体表面の高さと格子パターンの位相とは一対一に対応しない。このため、格子パターンの位相分布を高さの分布に変換すると、位相の上限(+π)及び下限(−π)において高さが不連続に変化する、所謂「位相飛び」と称される誤変換が生じてしまう。   By the way, while the height of the object surface can be various values, the phase of the grating pattern is a value that periodically changes within a limited range of −π to + π. That is, the height of the object surface and the phase of the lattice pattern do not correspond one to one. For this reason, when the phase distribution of the lattice pattern is converted into a height distribution, the height changes discontinuously at the upper limit (+ π) and lower limit (−π) of the phase. Will occur.

従って、上記位相飛びを伴って得られた高さ分布を本来の(滑らかに接続された)高さ分布に変換するために、所謂「位相接続」を行う必要がある。例えば、下記特許文献1には、ピッチが互いに異なる二つの格子を用いることによって二つの位相分布を算出し、これらに基づいて位相接続を行う方法が記載されている。当該方法によれば、位相飛びが生じることなく正しく算出することのできる高さの範囲を、単一の格子を用いる場合に比べて広くすることが可能である。   Therefore, in order to convert the height distribution obtained with the phase jump into the original (smoothly connected) height distribution, so-called “phase connection” needs to be performed. For example, Patent Document 1 below describes a method of calculating two phase distributions by using two gratings having different pitches, and performing phase connection based on these. According to this method, it is possible to widen the range of height that can be calculated correctly without causing phase jumps compared to the case of using a single grating.

特開2006−064590号公報JP 2006-064590 A

しかしながら、上記特許文献1に記載の方法は、ピッチが互いに異なる二つの格子を用いるものであるから、用いられる形状測定装置の構成が複雑なものとなってしまう。また、二つの格子がそれぞれ有するピッチの誤差が重畳される可能性や、使用する格子を切り換えるための駆動(位置決め)において更に誤差が生じる可能性があり、これらにより精度の高い形状測定を行うことが困難となってしまう場合がある。   However, since the method described in Patent Document 1 uses two gratings having different pitches, the configuration of the shape measuring device used is complicated. In addition, there is a possibility that an error in the pitch of each of the two grids may be superimposed, and further errors may occur in the drive (positioning) for switching the grid to be used. May become difficult.

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な装置構成でありながら、広い高さ範囲を高い精度で測定することが可能な形状測定装置、及び形状測定方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of such a problem, and an object thereof is a shape measuring apparatus and a shape measuring method capable of measuring a wide height range with high accuracy while having a simple device configuration. Is to provide.

上記課題を解決するために、本発明に係る形状測定装置は、物体の表面に投影された格子パターンに基づいて、当該物体の表面形状を計測する形状測定装置において、物体の表面に照射する光を発生させる光源と、前記物体の表面に格子パターンが投影されるよう、前記光源と前記物体との間に配置される格子と、投影された前記格子パターンが変化するように、前記格子を所定方向に移動させる格子移動手段と、前記所定方向に対する前記格子の角度が変化するように、前記格子を回転させる格子回転手段と、を備え、前記所定方向に対する前記格子の角度を第一角度とした状態において投影された前記格子パターンの位相分布である第一位相分布と、前記所定方向に対する前記格子の角度を第二角度とした状態において投影された前記格子パターンの位相分布である第二位相分布と、に基づいて、前記物体の表面における高さの分布を算出することを特徴としている。   In order to solve the above-described problems, a shape measuring apparatus according to the present invention is a shape measuring apparatus that measures a surface shape of an object based on a lattice pattern projected on the surface of the object, and light that irradiates the surface of the object. The grating is arranged between the light source and the object so that the grating pattern is projected onto the surface of the object, and the grating is set so that the projected grating pattern changes. Grid moving means for moving in a direction and grid rotating means for rotating the grid so that the angle of the grid with respect to the predetermined direction changes, and the angle of the grid with respect to the predetermined direction is set as a first angle A first phase distribution, which is a phase distribution of the grating pattern projected in a state, and the case projected in a state where the angle of the grating with respect to the predetermined direction is a second angle. A second phase distribution pattern is a phase distribution, based on, is characterized by calculating the distribution of the height in the surface of the object.

本発明に係る形状測定装置は、格子移動手段と、格子回転手段とを備えている。格子移動手段は、物体の表面に投影された格子パターンが変化するように、格子を所定方向に移動させるものである。物体の表面に投影され変形した格子パターンの位相を格子移動手段によって変化させることで、位相シフト法を用いた位相分布の算出を行うことができる。   The shape measuring apparatus according to the present invention includes a grating moving means and a grating rotating means. The lattice moving means moves the lattice in a predetermined direction so that the lattice pattern projected on the surface of the object changes. By changing the phase of the grating pattern projected and deformed on the surface of the object by the grating moving means, it is possible to calculate the phase distribution using the phase shift method.

格子回転手段は、上記所定方向(格子移動手段による格子の移動方向)に対する格子の角度が変化するように、格子を回転させるものである。このように格子を回転させると、格子の移動方向に沿って見た場合の格子パターンのピッチを変化させることができる。   The grating rotating means rotates the grating so that the angle of the grating with respect to the predetermined direction (the moving direction of the grating by the grating moving means) changes. When the grating is rotated in this way, the pitch of the grating pattern when viewed along the moving direction of the grating can be changed.

本発明では、上記所定方向に対する格子の角度を第一角度とした状態において投影された格子パターンの位相分布である第一位相分布と、上記所定方向に対する格子の角度を第二角度とした状態において投影された格子パターンの位相分布である第二位相分布と、に基づいて、物体の表面における高さの分布を算出する。これら二つの位相分布は、互いに異なるピッチを有する二つの格子を用いることによりそれぞれ取得された、二つの位相分布と同視することができる。   In the present invention, the first phase distribution which is the phase distribution of the grating pattern projected in the state where the angle of the grating with respect to the predetermined direction is the first angle, and the state where the angle of the grating with respect to the predetermined direction is the second angle The height distribution on the surface of the object is calculated based on the second phase distribution which is the phase distribution of the projected grating pattern. These two phase distributions can be equated with the two phase distributions obtained respectively by using two gratings having different pitches.

このため、第一位相分布及び第二位相分布に基づいて、例えば従来と同様の算出方法による位相接続を行うことができる。一方、形状測定装置に実際に搭載される格子は一つであるから、従来に比べて装置構成を簡単なものとすることができる。また、格子を複数個用いることによる誤差の重畳を生じることなく、広い高さ範囲を高い精度で測定することが可能である。   For this reason, based on the first phase distribution and the second phase distribution, for example, phase connection by a calculation method similar to the conventional one can be performed. On the other hand, since only one grating is actually mounted on the shape measuring apparatus, the apparatus configuration can be simplified as compared with the conventional one. In addition, it is possible to measure a wide height range with high accuracy without causing error superposition due to the use of a plurality of gratings.

また本発明に係る形状測定装置では、前記第一位相分布と前記第二位相分布との差である位相差分布を算出する位相差算出部と、前記位相差分布が所定範囲において連続となるように、前記位相差分布に対して連続化処理を行う第一処理部と、を更に備えたことも好ましい。   In the shape measuring apparatus according to the present invention, a phase difference calculating unit that calculates a phase difference distribution that is a difference between the first phase distribution and the second phase distribution, and the phase difference distribution are continuous in a predetermined range. It is also preferable to further include a first processing unit that performs a continuation process on the phase difference distribution.

この好ましい態様では、第一位相分布と第二位相分布との差である位相差分布を算出する位相差算出部を備えている。また、当該位相差分布が所定範囲において連続となるように、位相差分布に対して連続化処理を行う第一処理部を更に備えている。   In this preferable aspect, a phase difference calculation unit that calculates a phase difference distribution that is a difference between the first phase distribution and the second phase distribution is provided. In addition, a first processing unit is further provided for performing a continuation process on the phase difference distribution so that the phase difference distribution is continuous in a predetermined range.

位相差算出部で算出される位相差分布は、物体表面の高さに対して略比例するような分布となるが、当該分布は位相飛びに起因して所々不連続な分布となる。すなわち、位相差の大きさが上記比例関係から不連続に外れるような高さが存在する。しかし、物体表面の高さに比例する位相差が−πから+πまでとなるような範囲に限ってみれば、当該範囲における不連続分布の修正(連続化処理)は容易に行うことができる。具体的には、位相差の大きさが上記比例関係から不連続に外れ、−πから+πまでの範囲外となるような高さにおいては、位相差に対して2πを加えるか差し引くかのいずれかにより、容易に不連続分布の修正を行うことができる。   The phase difference distribution calculated by the phase difference calculation unit is a distribution that is substantially proportional to the height of the object surface, but the distribution is discontinuous in some places due to phase jumps. That is, there is a height at which the magnitude of the phase difference deviates discontinuously from the proportional relationship. However, if the phase difference proportional to the height of the object surface is limited to a range where the phase difference is −π to + π, the discontinuous distribution in the range can be easily corrected (continuation process). Specifically, at a height where the magnitude of the phase difference deviates discontinuously from the proportional relationship and falls outside the range from −π to + π, either 2π is added to or subtracted from the phase difference. Therefore, the discontinuous distribution can be easily corrected.

第一処理部は、このような方法で連続化処理を行うものであって、位相差分布を所定範囲において連続となるように変換する。連続化処理が施された後の位相差分布は、所定範囲において物体表面の高さに対して比例する分布となる。   The first processing unit performs continuation processing by such a method, and converts the phase difference distribution so as to be continuous in a predetermined range. The phase difference distribution after the continuous processing is performed is a distribution proportional to the height of the object surface in a predetermined range.

従って、当該所定範囲においては、位相差と物体表面の高さとを一対一に対応させることができる。位相差分布が−πから+πまでとなるような物体表面の高さの範囲は、第一位相分布又は第二位相分布が−πから+πまでとなるような物体表面の高さの範囲よりも広い。すなわち、位相飛びが生じることなく正しい高さが算出される範囲を、単一の格子を用いる場合に比べて広くすることができる。   Therefore, in the predetermined range, the phase difference and the height of the object surface can be made to correspond one-to-one. The range of the object surface height where the phase difference distribution is from −π to + π is greater than the range of the object surface height where the first phase distribution or the second phase distribution is from −π to + π. wide. That is, the range in which the correct height is calculated without causing phase jump can be made wider than when a single grating is used.

また本発明に係る形状測定装置では、前記連続化処理が施された後の前記位相差分布に基づいて、前記第一位相分布に対して位相接続処理を行う第二処理部を更に備えたことも好ましい。   The shape measuring apparatus according to the present invention further includes a second processing unit that performs phase connection processing on the first phase distribution based on the phase difference distribution after the continuation processing is performed. Is also preferable.

連続化処理が施された後の位相差分布に基づいて物体表面の高さ分布を算出するには、位相差と物体表面の高さとを直接対応させることにより算出することも可能である。しかし、第一位相分布と第二位相分布とから算出される位相差には、格子のピッチが設計値からばらつくことによる誤差や、格子回転手段による回転角度の誤差等、第一位相分布と第二位相分布とがそれぞれ含んでいる誤差の両方が含まれてしまう可能性がある。従って、算出される高さ分布に含まれる誤差を小さくするには、第一位相分布のみに対して位相接続処理を行い、これを高さ分布に変換することが望ましい。   In order to calculate the height distribution of the object surface based on the phase difference distribution after the continuation processing is performed, it is also possible to calculate by directly matching the phase difference and the height of the object surface. However, the phase difference calculated from the first phase distribution and the second phase distribution includes errors due to variations in the grating pitch from the design value, errors in the rotation angle by the grating rotating means, and the like. There is a possibility that both of the errors included in the two-phase distribution are included. Therefore, in order to reduce the error included in the calculated height distribution, it is desirable to perform the phase connection process only on the first phase distribution and convert this to the height distribution.

この好ましい態様では、第一処理部によって連続化処理が施された後の位相差分布に基づいて、第一位相分布に対して位相接続処理を行う第二処理部を更に備えている。算出される高さ分布には第一位相分布の誤差のみが含まれることとなるため、誤差を小さくすることができる。   In this preferable aspect, the 2nd processing part which performs a phase connection process with respect to a 1st phase distribution based on the phase difference distribution after a continuation process was performed by the 1st processing part is further provided. Since the calculated height distribution includes only the error of the first phase distribution, the error can be reduced.

上記課題を解決するために、本発明に係る形状測定方法は、物体の表面に照射する光を発生させる光源と、前記物体の表面に格子パターンが投影されるよう、前記光源と前記物体との間に配置される格子と、投影された前記格子パターンが変化するように、前記格子を所定方向に移動させる格子移動手段と、を備えた形状測定装置により、前記物体の表面形状を計測する形状測定方法であって、前記所定方向に対する前記格子の角度が第一角度である状態において投影された前記格子パターンの位相分布である第一位相分布、を取得する第一取得工程と、前記所定方向に対する前記格子の角度を、前記第一角度から第二角度に変更する角度変換工程と、前記所定方向に対する前記格子の角度が第二角度である状態において投影された前記格子パターンの位相分布である第二位相分布、を取得する第二取得工程と、前記第一位相分布と前記第二位相分布とに基づいて、前記物体の表面における高さの分布を算出する形状算出工程と、を備えたことを特徴としている。   In order to solve the above problems, a shape measuring method according to the present invention includes a light source that generates light to be irradiated on the surface of an object, and a light source and the object so that a lattice pattern is projected onto the surface of the object. A shape that measures the surface shape of the object by a shape measuring device that includes a lattice disposed between and a lattice moving means that moves the lattice in a predetermined direction so that the projected lattice pattern changes. A first acquisition step of obtaining a first phase distribution which is a phase distribution of the grating pattern projected in a state where the angle of the grating with respect to the predetermined direction is a first angle; and the predetermined direction An angle converting step of changing the angle of the grating with respect to the first angle to the second angle, and the grating projected in a state where the angle of the grating with respect to the predetermined direction is a second angle A shape calculation for calculating a height distribution on the surface of the object based on a second acquisition step of acquiring a second phase distribution that is a phase distribution of turns, and the first phase distribution and the second phase distribution. And a process.

また本発明に係る形状測定方法では、前記第一位相分布と前記第二位相分布との差である位相差分布を算出する位相差算出工程と、前記位相差分布が所定範囲において連続となるように、前記位相差分布に対して連続化処理を行う第一処理工程と、を更に備えたことも好ましい。   Further, in the shape measuring method according to the present invention, a phase difference calculating step for calculating a phase difference distribution which is a difference between the first phase distribution and the second phase distribution, and the phase difference distribution are continuous in a predetermined range. It is also preferable to further include a first processing step of performing a continuation process on the phase difference distribution.

また本発明に係る形状測定方法では、前記連続化処理が施された後の前記位相差分布に基づいて、前記第一位相分布に対して位相接続処理を行う第二処理工程を更に備えたことも好ましい。   The shape measuring method according to the present invention further includes a second processing step of performing a phase connection process on the first phase distribution based on the phase difference distribution after the continuation process. Is also preferable.

本発明によれば、簡単な装置構成でありながら、広い高さ範囲を高い精度で測定することが可能な形状測定装置、及び形状測定方法を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a shape measuring device and a shape measuring method capable of measuring a wide height range with high accuracy while having a simple device configuration.

本発明の実施形態に係る形状計測装置の構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the shape measuring device which concerns on embodiment of this invention. 図1に示した形状計測装置に含まれる格子の構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the grating | lattice contained in the shape measuring apparatus shown in FIG. 図1に示した形状計測装置に含まれる格子駆動装置の構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the grating | lattice drive device contained in the shape measuring apparatus shown in FIG. 図1に示した形状計測装置に含まれる演算処理装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the arithmetic processing apparatus contained in the shape measuring apparatus shown in FIG. 本発明の実施形態に係る形状計測方法の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the shape measuring method which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る形状計測方法の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the shape measuring method which concerns on embodiment of this invention. 物体表面の高さと、形状計測装置により測定された位相との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the height of an object surface, and the phase measured by the shape measuring apparatus. 物体表面の高さと、算出された位相差との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the height of an object surface, and the calculated phase difference. 物体表面の高さと、第一の補正が施された位相差との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the height of an object surface, and the phase difference in which the 1st correction | amendment was performed. 物体表面の高さと、第二の補正が施された位相差との関係、及び、物体表面の高さと、形状計測装置により測定された位相との関係を、重ねて示すグラフである。It is a graph which overlaps and shows the relationship between the height of an object surface, and the phase difference in which the 2nd correction | amendment was performed, and the relationship between the height of an object surface, and the phase measured by the shape measuring apparatus. 物体表面の高さと、第二の補正が施された位相差との関係、及び、物体表面の高さと、形状計測装置により測定された位相との関係を、重ねて示すグラフである。It is a graph which overlaps and shows the relationship between the height of an object surface, and the phase difference in which the 2nd correction | amendment was performed, and the relationship between the height of an object surface, and the phase measured by the shape measuring apparatus. 物体表面の高さと、位相接続された位相との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the height of an object surface, and the phase connected in phase. 第二の補正が施された位相差から、形状計測装置により測定された位相を差し引いた値の、頻度分布を示すグラフである。It is a graph which shows frequency distribution of the value which deducted the phase measured by the shape measuring apparatus from the phase difference in which the 2nd correction was performed.

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In order to facilitate the understanding of the description, the same constituent elements in the drawings will be denoted by the same reference numerals as much as possible, and redundant description will be omitted.

図1は、本実施形態に係る形状計測装置1の構成を模式的に示す図である。形状計測装置1は、ステージ14に載置された被測定物4の表面形状(表面Sの高さ分布)を測定するための装置である。具体的には、被測定物4の表面Sに格子パターンを投影し、投影された格子パターンの変形に基づいて表面Sの高さ分布を算出する装置である。図1に示したように、形状計測装置1は、光源2と、格子3と、格子駆動装置30と、イメージセンサ6とを備えている。   FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a shape measuring apparatus 1 according to the present embodiment. The shape measuring device 1 is a device for measuring the surface shape (height distribution of the surface S) of the measurement object 4 placed on the stage 14. Specifically, it is an apparatus that projects a lattice pattern on the surface S of the object to be measured 4 and calculates the height distribution of the surface S based on the deformation of the projected lattice pattern. As shown in FIG. 1, the shape measuring device 1 includes a light source 2, a grating 3, a grating driving device 30, and an image sensor 6.

光源2は、被測定物4の表面Sに照射する光を発生させるものである。光源2としては、蛍光放電管、低圧水銀灯、キセノンランプ、半導体レーザ、及び発光ダイオード(LED)等を用いることができる。   The light source 2 generates light that irradiates the surface S of the measurement object 4. As the light source 2, a fluorescent discharge tube, a low-pressure mercury lamp, a xenon lamp, a semiconductor laser, a light emitting diode (LED), or the like can be used.

格子3は、光源2と表面Sとの間に配置されている。格子3は、光源2からの光の一部を透過させ、一部を遮光することにより、表面Sに格子パターンを投影するよう配置されている。図2は、格子3の構成を模式的に示す図である。図2に示したように、格子3は、直線状に形成された複数の透光部3Aと、直線状に形成された遮光部3Bとが、平面内で交互に並ぶように配置されている。尚、当該平面を、以下では「格子面」とも称する。また、格子面において透光部3Aと遮光部3Bとが交互に並ぶ方向(図2では矢印AR1で示した方向)を、以下では「周期方向」とも称する。格子3は、光源2から表面Sに到達する光の経路に対して、格子面が略垂直となるように配置されている。   The grating 3 is arranged between the light source 2 and the surface S. The grating 3 is arranged to project a grating pattern on the surface S by transmitting a part of the light from the light source 2 and blocking a part of the light. FIG. 2 is a diagram schematically showing the configuration of the grating 3. As shown in FIG. 2, the grating 3 is arranged such that a plurality of light-transmitting portions 3A formed in a linear shape and light-shielding portions 3B formed in a linear shape are alternately arranged in a plane. . Hereinafter, the plane is also referred to as a “lattice plane”. In addition, the direction in which the light transmitting portions 3A and the light shielding portions 3B are alternately arranged on the lattice surface (the direction indicated by the arrow AR1 in FIG. 2) is also referred to as “periodic direction” below. The grating 3 is arranged so that the grating plane is substantially perpendicular to the path of light reaching the surface S from the light source 2.

透光部3Aの幅と遮光部3Bの幅とは全て同一である。すなわち、格子3の格子面には、透光部3Aと遮光部3Bとが、格子ピッチP1で周期的に並んでいる。尚、格子ピッチP1は、一つの透光部3Aの幅と一つの遮光部3Bの幅との和に等しい。尚、図2等においては、説明のために格子ピッチP1を大きく描いているが、実際の格子ピッチP1は100μm程度の微小なピッチとなっている。   The width of the light transmitting part 3A and the width of the light shielding part 3B are all the same. That is, on the lattice surface of the lattice 3, the light transmitting portions 3A and the light shielding portions 3B are periodically arranged at the lattice pitch P1. The grating pitch P1 is equal to the sum of the width of one light transmitting portion 3A and the width of one light shielding portion 3B. In FIG. 2 and the like, the grating pitch P1 is drawn large for the sake of explanation, but the actual grating pitch P1 is a minute pitch of about 100 μm.

図1に戻って説明を続ける。格子駆動装置30は、格子3を移動及び回転させる装置である。格子駆動装置30は、格子3を格子面に沿って周期方向に移動させることができる。また、格子駆動装置30は、格子3を格子面に沿って回転させることができる。格子駆動装置30の具体的な構成や、格子駆動装置30による格子3の具体的な動きについては、後に詳しく説明する。   Returning to FIG. 1, the description will be continued. The lattice driving device 30 is a device that moves and rotates the lattice 3. The grating driving device 30 can move the grating 3 in the periodic direction along the grating surface. Further, the lattice driving device 30 can rotate the lattice 3 along the lattice plane. The specific configuration of the lattice driving device 30 and the specific movement of the lattice 3 by the lattice driving device 30 will be described in detail later.

イメージセンサ6は、光源2から照射され表面Sで反射された光を受光するように配置されたCCD素子である。イメージセンサ6により、表面Sに投影され変形した格子パターン(以下、「変形格子パターン」とも称する)を取得することができる。   The image sensor 6 is a CCD element arranged to receive light emitted from the light source 2 and reflected by the surface S. The image sensor 6 can acquire a lattice pattern projected on the surface S and deformed (hereinafter also referred to as “deformed lattice pattern”).

イメージセンサ6には、図4に示すように演算処理装置300が接続されている。演算処理装置300は、RAM等の記憶装置やCPU等を備えたコンピュータ装置である。イメージセンサ6が取得した変形格子パターンは、光強度分布として演算処理装置300の記録部301(例えばハードディスク)に記録される。尚、記録部301には、複数の変形格子パターン(光強度分布)を記録することができる。   As shown in FIG. 4, an arithmetic processing device 300 is connected to the image sensor 6. The arithmetic processing device 300 is a computer device including a storage device such as a RAM, a CPU, and the like. The deformed lattice pattern acquired by the image sensor 6 is recorded on the recording unit 301 (for example, a hard disk) of the arithmetic processing device 300 as a light intensity distribution. Note that a plurality of modified lattice patterns (light intensity distributions) can be recorded in the recording unit 301.

演算処理装置300は、記録部301に記録された変形格子パターンに基づいて種々の演算処理を行う。演算処理装置300は、それぞれの演算処理を行う部分として位相算出部302、位相接続部303、高さ算出部304を備えている。また、演算処理装置300は、格子駆動装置30の動作等を制御するための制御部305をも備えている。尚、演算処理装置300におけるこのような区分は概念的なものであって、位相算出部302等は同一のCPUで実行される複数のプログラムであってもよい。位相算出部302等における具体的な演算方法については、後に説明する。   The arithmetic processing device 300 performs various arithmetic processes based on the modified lattice pattern recorded in the recording unit 301. The arithmetic processing device 300 includes a phase calculation unit 302, a phase connection unit 303, and a height calculation unit 304 as parts for performing the respective calculation processes. The arithmetic processing device 300 also includes a control unit 305 for controlling the operation of the lattice driving device 30 and the like. Note that such division in the arithmetic processing unit 300 is conceptual, and the phase calculation unit 302 and the like may be a plurality of programs executed by the same CPU. A specific calculation method in the phase calculation unit 302 and the like will be described later.

形状計測装置1は、表面Sに変形格子パターンを結像させるために配置された一群の光学素子である投光光学系20と、変形格子パターンをイメージセンサ6に結像させるために配置された一群の光学素子である受光光学系25とを備えている。   The shape measuring device 1 is disposed to project the deformed grating pattern on the image sensor 6 and the light projecting optical system 20 which is a group of optical elements disposed to image the deformed grating pattern on the surface S. And a light receiving optical system 25 which is a group of optical elements.

投光光学系20は、照明レンズ21と、集光レンズ22と、開口絞り23と、投影レンズ24とを備えている。これらは、ケーラー照明を用いた投影光学系を構成しており、ステージ14の載置面には光がムラ無く到達する。照明レンズ21は、光源2の任意の1点から放射された光を平行光にするものである。格子3は、照明レンズ21を透過して平面波となった光により照明されることとなる。   The light projecting optical system 20 includes an illumination lens 21, a condenser lens 22, an aperture stop 23, and a projection lens 24. These constitute a projection optical system using Koehler illumination, and light reaches the mounting surface of the stage 14 without unevenness. The illumination lens 21 converts light emitted from an arbitrary point of the light source 2 into parallel light. The grating 3 is illuminated with light that has passed through the illumination lens 21 and has become a plane wave.

集光レンズ22は、格子3を透過した光を集光するものである。集光レンズ22により集光された光は、開口絞り23を通って投影レンズ24に到達する。開口絞り23は集光レンズ22の後焦点面に配置されている。   The condensing lens 22 condenses the light transmitted through the grating 3. The light condensed by the condenser lens 22 passes through the aperture stop 23 and reaches the projection lens 24. The aperture stop 23 is disposed on the rear focal plane of the condenser lens 22.

投影レンズ24は、格子3の像を表面Sに結像させるために配置されたレンズであって、開口絞り23を透過した光を平行光にして表面Sに入射させる。照明レンズ21の光軸、集光レンズ22の光軸、及び投影レンズ24の光軸は一致しており、ステージ14の搭置面に対して斜めとなっている。投影レンズ24を透過した光は、ステージ14に載置された被測定物4の表面Sに入射角θで入射する。集光レンズ22、開口絞り23、及び投影レンズ24は、両側テレセントリックレンズを構成している。この両側テレセントリックレンズの横倍率をMとすると、表面Sが平坦な場合、格子3の投影像のピッチP2(変形格子パターンのピッチ)は、格子ピッチP1のM/COSθ倍となる。   The projection lens 24 is a lens arranged to form an image of the grating 3 on the surface S, and makes the light transmitted through the aperture stop 23 parallel light and enter the surface S. The optical axis of the illumination lens 21, the optical axis of the condenser lens 22, and the optical axis of the projection lens 24 are coincident with each other and are inclined with respect to the mounting surface of the stage 14. The light transmitted through the projection lens 24 is incident on the surface S of the measurement object 4 placed on the stage 14 at an incident angle θ. The condensing lens 22, the aperture stop 23, and the projection lens 24 constitute a bilateral telecentric lens. When the lateral magnification of the both-side telecentric lens is M, when the surface S is flat, the pitch P2 of the projected image of the grating 3 (pitch of the deformed grating pattern) is M / COSθ times the grating pitch P1.

受光光学系25は、集光レンズ26と、開口絞り27と、撮像レンズ28とを備えている。集光レンズ26は、表面Sで反射された光を集光するものである。集光レンズ26により集光された光は、開口絞り27を通って撮像レンズ28に到達する。開口絞り27は集光レンズ26の後焦点面に配置されている。   The light receiving optical system 25 includes a condenser lens 26, an aperture stop 27, and an imaging lens 28. The condensing lens 26 condenses the light reflected by the surface S. The light condensed by the condenser lens 26 passes through the aperture stop 27 and reaches the imaging lens 28. The aperture stop 27 is disposed on the rear focal plane of the condenser lens 26.

撮像レンズ28は、変形格子パターンの像をイメージセンサ6に結像させるために配置されたレンズであって、開口絞り27を透過した光を平行光にしてイメージセンサ6に入射させる。集光レンズ26、開口絞り27、及び撮像レンズ28は、両側テレセントリックレンズを構成している。イメージセンサ6は、この両側テレセントリックレンズの結像点に配置されている。   The imaging lens 28 is a lens arranged to form an image of the deformed lattice pattern on the image sensor 6, and makes the light transmitted through the aperture stop 27 enter the image sensor 6 as parallel light. The condenser lens 26, the aperture stop 27, and the imaging lens 28 constitute a bilateral telecentric lens. The image sensor 6 is disposed at the image forming point of the both-side telecentric lens.

集光レンズ26の光軸及び撮像レンズ28の光軸は互いに一致しており、ステージ14の搭置面に対して斜めとなっている。これらの光軸は、表面Sにおいて反射角θで反射された光の経路に沿うように配置されている。すなわち、投影レンズ24の光軸と、集光レンズ26の光軸とは同一平面上に存在しており、ステージ14上で交差している。   The optical axis of the condensing lens 26 and the optical axis of the imaging lens 28 coincide with each other and are inclined with respect to the mounting surface of the stage 14. These optical axes are arranged along the path of light reflected at the reflection angle θ on the surface S. That is, the optical axis of the projection lens 24 and the optical axis of the condenser lens 26 are on the same plane and intersect on the stage 14.

格子駆動装置30の具体的な構成について、図3を参照しながら説明する。図3は、格子駆動装置30の構成を模式的に示す図である。図3に示したように、格子駆動装置30は、ステージ31と、雄螺子シャフト34と、モータ35とを備えている。   A specific configuration of the lattice driving device 30 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a diagram schematically illustrating the configuration of the lattice driving device 30. As shown in FIG. 3, the lattice driving device 30 includes a stage 31, a male screw shaft 34, and a motor 35.

ステージ31は後述するモータ35の駆動によって直線方向(図3において矢印AR2で示した方向)に沿って移動可能な略直方形状のステージである。ステージ31の移動はガイド軸36によって案内される。   The stage 31 is a substantially rectangular stage movable along a linear direction (direction indicated by an arrow AR2 in FIG. 3) by driving a motor 35 described later. The movement of the stage 31 is guided by the guide shaft 36.

ステージ31の上面には格子3が固定されており、格子3はステージ31と共に移動する。格子3は、その格子面がステージ31の移動方向に沿うように固定されており、図3(A)のようにステージ31がモータ35に比較的近い位置にある状態においては、格子3の周期方向がステージ31の移動方向と一致している。ステージ31には、内面に雌螺子加工が施された貫通孔が形成されている。当該貫通孔は、その中心軸がステージ31の移動方向に沿っている。   The grating 3 is fixed on the upper surface of the stage 31, and the grating 3 moves together with the stage 31. The grating 3 is fixed so that its grating surface is along the moving direction of the stage 31, and in a state where the stage 31 is relatively close to the motor 35 as shown in FIG. The direction coincides with the moving direction of the stage 31. The stage 31 is formed with a through-hole whose inner surface is machined with a female screw. The through-hole has a central axis along the moving direction of the stage 31.

雄螺子シャフト34は、ステージ31の貫通孔に挿入されたシャフトである。雄螺子シャフト34の外側面には雄螺子加工が施されており、ステージ31の貫通孔に形成された雌螺子と螺合している。このため、雄螺子シャフト34がその中心軸回りに回転すると、ステージ31は当該中心軸に沿った方向に移動する。   The male screw shaft 34 is a shaft inserted into the through hole of the stage 31. The outer surface of the male screw shaft 34 is subjected to male screw processing, and is screwed with a female screw formed in the through hole of the stage 31. For this reason, when the male screw shaft 34 rotates around its central axis, the stage 31 moves in a direction along the central axis.

モータ35は、雄螺子シャフト34の一端(図3では右端)に接続された回転モータであって、雄螺子シャフト34をその中心軸回りに回転させる。当該回転の回転速度や回転量等は演算処理装置300の制御部305によって制御される。   The motor 35 is a rotary motor connected to one end (right end in FIG. 3) of the male screw shaft 34, and rotates the male screw shaft 34 about its central axis. The rotation speed, rotation amount, and the like of the rotation are controlled by the control unit 305 of the arithmetic processing device 300.

ステージ31の上面には固定支柱32が固定されており、格子3は、当該固定支柱32の上端近傍において回動可能な状態で固定されている。すなわち、固定支柱32の上端近傍(符号33)と格子3の隅部(上端近傍の隅部)とが固定されており、格子3は、当該固定部分を中心として、格子面に沿って回動可能となっている。   A fixed support 32 is fixed on the upper surface of the stage 31, and the lattice 3 is fixed in a rotatable state in the vicinity of the upper end of the fixed support 32. That is, the vicinity of the upper end (reference numeral 33) of the fixed support 32 and the corner of the lattice 3 (the corner near the upper end) are fixed, and the lattice 3 rotates along the lattice surface with the fixed portion as the center. It is possible.

格子3の上方には上部ストッパ38が配置されており、格子3の回動範囲を規制している。上部ストッパ38は、雄螺子シャフト34を挟んでモータ35とは反対側の位置に配置された支柱37により支えられている。図3(A)に示した状態、すなわち、格子3の周期方向が雄螺子シャフト34の中心軸と平行な状態においては、図示しないストッパによって、格子3はこれ以上時計回り方向に回動することができなくなっている。一方、図3(B)に示した状態、すなわち、図3(A)の状態から格子3が反時計回りに回動し、その上端部分が上部ストッパ38に下方から当接した状態においては、格子3はこれ以上反時計回り方向に回動することができなくなっている。   An upper stopper 38 is disposed above the lattice 3 to restrict the rotation range of the lattice 3. The upper stopper 38 is supported by a column 37 disposed at a position opposite to the motor 35 with the male screw shaft 34 interposed therebetween. In the state shown in FIG. 3A, that is, in a state where the periodic direction of the lattice 3 is parallel to the central axis of the male screw shaft 34, the lattice 3 is further rotated clockwise by a stopper (not shown). Is no longer possible. On the other hand, in the state shown in FIG. 3B, that is, in the state where the lattice 3 is rotated counterclockwise from the state of FIG. 3A and the upper end portion thereof is in contact with the upper stopper 38 from below, The lattice 3 can no longer be rotated counterclockwise.

支柱37と格子3との間には弦巻ばね39が配置されている。弦巻ばね39は、その一端が支柱37に固定されており、他端が格子3の下端部近傍に固定されている。弦巻ばね39は、ステージ31の位置によってその長さを変化させ、当該長さに応じて格子3に力を加える。当該力の方向は、雄螺子シャフト34の中心軸に沿った方向である。また、格子3のうち当該力が加えられる位置(弦巻ばね39の他端が接続されている位置)は、格子3の回動中心(符号33)よりも下方である。   A string-wound spring 39 is disposed between the support column 37 and the lattice 3. One end of the string spring 39 is fixed to the column 37, and the other end is fixed near the lower end of the lattice 3. The string spring 39 changes its length depending on the position of the stage 31 and applies a force to the lattice 3 according to the length. The direction of the force is a direction along the central axis of the male screw shaft 34. Further, the position where the force is applied in the grid 3 (the position where the other end of the string spring 39 is connected) is below the rotation center (reference numeral 33) of the grid 3.

図3(A)のようにステージ31がモータ35に比較的近い位置にある状態においては、弦巻ばね39はその自然長よりも長くなっている。従って、格子3は弦巻ばね39によって時計回りに回動するような力を受けており、図示しないストッパに押しつけられて回動が規制された状態となっている。当該位置の近傍でステージ31が移動しても、格子3は回動することなく、格子3の周期方向がステージ31の移動方向と一致した状態のまま移動する。このとき、ステージ31の移動方向に対して格子3の周期方向がなす角度は0(第一角度)である。   In the state where the stage 31 is relatively close to the motor 35 as shown in FIG. 3A, the string-wound spring 39 is longer than its natural length. Therefore, the lattice 3 receives a force that rotates clockwise by the string spring 39 and is pressed against a stopper (not shown) so that the rotation is restricted. Even if the stage 31 moves in the vicinity of the position, the grating 3 does not rotate and moves while the periodic direction of the grating 3 coincides with the moving direction of the stage 31. At this time, the angle formed by the periodic direction of the grating 3 with respect to the moving direction of the stage 31 is 0 (first angle).

一方、図3(B)のようにステージ31がモータ35から比較的遠い位置にある状態においては、弦巻ばね39はその自然長よりも短くなっている。従って、格子3は弦巻ばね39によって反時計回りに回動するような力を受けており、上部ストッパ38に下方から押しつけられて回動が規制された状態となっている。当該位置の近傍でステージ31が移動しても、格子3は回動することなく、格子3の周期方向がステージ31の移動方向に対して傾斜した状態のまま移動する。このとき、ステージ31の移動方向に対して格子3の周期方向がなす角度はω(第二角度)である。   On the other hand, in the state where the stage 31 is relatively far from the motor 35 as shown in FIG. 3B, the string spring 39 is shorter than its natural length. Accordingly, the lattice 3 receives a force that rotates counterclockwise by the string spring 39 and is pressed against the upper stopper 38 from below so that the rotation is restricted. Even if the stage 31 moves in the vicinity of the position, the grating 3 does not rotate and moves while the periodic direction of the grating 3 is inclined with respect to the moving direction of the stage 31. At this time, the angle formed by the periodic direction of the grating 3 with respect to the moving direction of the stage 31 is ω (second angle).

以上のように、格子駆動装置30は、格子3を所定方向(雄螺子シャフト34の中心軸に沿った方向)に沿って移動させることができる。このとき、格子3はその周期方向と移動方向とのなす角度が0(第一角度)の状態で移動するか、もしくはその周期方向と移動方向とのなす角度がω(第二角度)の状態で移動する。   As described above, the lattice driving device 30 can move the lattice 3 along a predetermined direction (a direction along the central axis of the male screw shaft 34). At this time, the grating 3 moves in a state where the angle between the periodic direction and the moving direction is 0 (first angle), or the angle formed between the periodic direction and the moving direction is ω (second angle). Move with.

尚、図3に示したのは格子駆動装置30の構成の一例であって、他の構成としてもよいことは言うまでもない。格子駆動装置30は、格子3をその格子面に沿って所定方向に移動させることと、格子3をその格子面に沿って所定角度だけ回動させた状態で、上記所定方向に移動させることとができればよい。例えば、格子3を移動させるためのモータと、格子3を回動させるためのモータとを、それぞれ個別に備えた構成としてもよい。   FIG. 3 shows an example of the configuration of the lattice driving device 30, and it goes without saying that other configurations may be used. The lattice driving device 30 moves the lattice 3 in a predetermined direction along the lattice surface, and moves the lattice 3 in the predetermined direction while rotating the lattice 3 by a predetermined angle along the lattice surface. If you can. For example, it is good also as a structure provided with the motor for moving the grating | lattice 3, and the motor for rotating the grating | lattice 3, respectively.

以上のような構成の形状計測装置1を用いて、被測定物4の表面形状(表面Sの高さ分布)を測定する方法について説明する。図5及び図6は、形状計測装置1を用いた形状計測方法の一例を示すフローチャートである。   A method for measuring the surface shape (height distribution of the surface S) of the DUT 4 using the shape measuring apparatus 1 having the above configuration will be described. 5 and 6 are flowcharts showing an example of a shape measuring method using the shape measuring apparatus 1.

最初のステップS100では、図1に示すように、被測定物4をステージ14の載置面上に載置する。ステージ14は、被測定物4の位置を微調整するような駆動機構を備えていてもよい。   In the first step S100, the measurement object 4 is placed on the placement surface of the stage 14, as shown in FIG. The stage 14 may include a drive mechanism that finely adjusts the position of the DUT 4.

格子駆動装置30により、格子3を所定の初期位置に移動しておく。当該初期位置においては、ステージ31の移動方向に対して格子3の周期方向がなす角度が0(第一角度)となっている。ステップS100が完了した時点においては、格子3は、その格子面に沿って且つ雄螺子シャフト34の中心軸に沿った方向に向けて、移動することが可能な状態となっている。格子3の周期方向は、当該移動方向と一致している。以下に説明するステップS101からステップS106においては、格子3は回動することなく移動する。   The grating 3 is moved to a predetermined initial position by the grating driving device 30. At the initial position, the angle formed by the periodic direction of the grating 3 with respect to the moving direction of the stage 31 is 0 (first angle). When step S100 is completed, the lattice 3 is in a state in which it can move along the lattice surface and in the direction along the central axis of the male screw shaft 34. The periodic direction of the grating 3 coincides with the moving direction. In step S101 to step S106 described below, the lattice 3 moves without rotating.

ステップS100に続くステップS101では、演算処理装置300において、自然数をとる変数mに1が割り当てられる。変数mは、位相シフト法を行うために取得された変形格子パターンの数を記録しておくための変数である。   In step S101 following step S100, the arithmetic processing unit 300 assigns 1 to a variable m that takes a natural number. The variable m is a variable for recording the number of deformed grating patterns acquired for performing the phase shift method.

続くステップS102では、光源2を発光させた状態で、被測定物4の表面Sに格子パターンを投影する。表面Sには、その形状に応じた変形格子パターンが現れる。当該変形格子パターンは、反射光としてイメージセンサ6に入射する。   In subsequent step S102, a grid pattern is projected onto the surface S of the DUT 4 while the light source 2 is caused to emit light. On the surface S, a deformed lattice pattern corresponding to the shape appears. The deformed grating pattern is incident on the image sensor 6 as reflected light.

ステップS103では、イメージセンサ6で撮像された変形格子パターンの画像を、CCD素子に入射した光強度分布I11(x,y)として記録部301に記録する。x、yは、イメージセンサ6の受光面における位置を示す座標であって、表面Sにおける位置を示す座標と一対一で対応する。本実施形態では、格子3の移動方向に対応する方向に沿って受光面上にx座標軸を配置している。また、受光面上において当該x座標軸と直交するようにy座標軸を配置している。 In step S103, the image of the modified lattice pattern imaged by the image sensor 6 is recorded in the recording unit 301 as the light intensity distribution I 11 (x, y) incident on the CCD element. x and y are coordinates indicating the position on the light receiving surface of the image sensor 6 and correspond to the coordinates indicating the position on the surface S on a one-to-one basis. In the present embodiment, the x coordinate axis is arranged on the light receiving surface along the direction corresponding to the moving direction of the grating 3. Further, the y coordinate axis is arranged on the light receiving surface so as to be orthogonal to the x coordinate axis.

イメージセンサ6による撮像は、格子駆動装置30により格子3を移動させながら行う。すなわち、格子3をその格子ピッチP1の1/2だけ一定速度で周期方向に移動させる間、それに伴って移動する変形格子パターンを連続的に撮像する。イメージセンサ6のCCD素子に対し入射する光の強度が時間積分される結果、記録部301に記録される光強度分布I11(x,y)は、以下の式(1)で示されるような余弦波状の分布となる。
Imaging by the image sensor 6 is performed while moving the grating 3 by the grating driving device 30. That is, while the grating 3 is moved in the periodic direction at a constant speed by 1/2 of the grating pitch P1, the deformed grating pattern that moves with the grating 3 is continuously imaged. As a result of time integration of the intensity of light incident on the CCD element of the image sensor 6, the light intensity distribution I 11 (x, y) recorded in the recording unit 301 is as shown by the following equation (1). Cosine wave distribution.

ここで、A1、B1は定数であり、A1は振幅を、B1はバイアス項を示す。P2は、表面Sが平坦面(全ての座標において高さが等しい面)である場合における、変形格子パターンのピッチである。A1の値は集光レンズ22、投影レンズ24、及び集光レンズ26等のレンズ特性、並びに光源2が発する光の光強度、表面Sの反射率、及びイメージセンサ6の感度によって定まる。B1の値は、レンズ特性、表面Sの反射率、光源2が発する光の光強度、及びイメージセンサ6の感度の他に、迷光等の要因によって定まる。φ1(x,y)は位相分布であって、表面Sに投影された格子パターンが変形することに伴う、位相の変化量の分布に相当するものである。 Here, A 1 and B 1 are constants, A 1 indicates an amplitude, and B 1 indicates a bias term. P2 is the pitch of the deformed lattice pattern when the surface S is a flat surface (a surface having the same height in all coordinates). The value of A 1 is determined by the lens characteristics of the condenser lens 22, the projection lens 24, the condenser lens 26, etc., the light intensity of the light emitted from the light source 2, the reflectance of the surface S, and the sensitivity of the image sensor 6. The value of B 1 is determined by factors such as stray light in addition to the lens characteristics, the reflectance of the surface S, the light intensity of the light emitted from the light source 2, and the sensitivity of the image sensor 6. φ 1 (x, y) is a phase distribution, which corresponds to a distribution of a phase change amount accompanying the deformation of the lattice pattern projected on the surface S.

ステップS103に続くステップS104では、演算処理装置300において変数mの値が4以上であるか否かが判断される。変数mの値が4未満の場合は、位相シフト法を行うために取得された変形格子パターンの数が4に満たないということであり、ステップS105に進む。   In step S104 following step S103, it is determined in the arithmetic processing unit 300 whether the value of the variable m is 4 or more. If the value of the variable m is less than 4, it means that the number of deformed grating patterns acquired for performing the phase shift method is less than 4, and the process proceeds to step S105.

この時点においては、格子3は、光強度分布I11(x,y)の取得開始時における位置から格子ピッチP1の1/2だけ移動している。ステップS105では、イメージセンサ6による光強度分布の記録を停止した状態で、格子3を更に格子ピッチP1の3/4だけ移動させる。尚、このような移動に替えて、格子3を格子ピッチP1の1/4だけ逆方向に移動させてもよい。いずれの場合であっても、表面Sに投影された変形格子パターンの位相は、光強度分布I11(x,y)の取得開始時における位相からx方向にπ/2だけ進んだ状態となる。 At this time, the grating 3 has moved by ½ of the grating pitch P1 from the position at the start of acquisition of the light intensity distribution I 11 (x, y). In step S105, the grating 3 is further moved by 3/4 of the grating pitch P1 while the recording of the light intensity distribution by the image sensor 6 is stopped. Instead of such movement, the grating 3 may be moved in the reverse direction by 1/4 of the grating pitch P1. In any case, the phase of the deformed grating pattern projected on the surface S is in a state advanced by π / 2 in the x direction from the phase at the start of acquisition of the light intensity distribution I 11 (x, y). .

続くステップS106では、演算処理装置300において変数mの値に1が加算され、ステップS102及びステップS103が実行される。ステップS103においては、イメージセンサ6で撮像された変形格子パターンの画像が再び記録されるが、記録開始時点における変形格子パターンの位相が上記のようにx方向にπ/2だけ進んでいるため、記録部301に記録される光強度分布I12(x,y)は、以下の式(2)で示されるような余弦波状の分布となる。
In subsequent step S106, 1 is added to the value of variable m in arithmetic processing unit 300, and steps S102 and S103 are executed. In step S103, the image of the deformed lattice pattern captured by the image sensor 6 is recorded again, but the phase of the deformed lattice pattern at the start of recording advances by π / 2 in the x direction as described above. The light intensity distribution I 12 (x, y) recorded in the recording unit 301 is a cosine wave distribution as shown by the following equation (2).

以降は、変数mの値が4となるまでステップS102、ステップS103、ステップS105、ステップS106が繰り返される。その結果、下記の式(3)で示される光強度分布I13(x,y)、及び式(4)で示される光強度分布I14(x,y)が記録部301に記録される。
Thereafter, Step S102, Step S103, Step S105, and Step S106 are repeated until the value of the variable m becomes 4. As a result, the light intensity distribution I 13 (x, y) represented by the following formula (3) and the light intensity distribution I 14 (x, y) represented by the formula (4) are recorded in the recording unit 301.

ステップS104で変数mの値が4の場合は、位相シフト法を行うために必要な4つの光強度分布I11(x,y)、I12(x,y)、I13(x,y)、I14(x,y)が全て取得されたということであり、ステップS200に進む。 If the value of the variable m is 4 in step S104, the four light intensity distributions I 11 (x, y), I 12 (x, y), I 13 (x, y) necessary for performing the phase shift method are used. , I 14 (x, y) has been acquired, and the process proceeds to step S200.

ステップS200では、格子駆動装置30による格子3の回動が行われる。格子駆動装置30は、ステージ31をモータ35から遠ざかる方向に移動させることにより、格子3を上部ストッパ38に下方から押しつけた状態とする。図3を参照しながら説明したように、このとき、ステージ31の移動方向に対して格子3の周期方向がなす角度は、第二角度ωとなっている。ステップS200が完了した時点においては、格子3は、その格子面に沿って且つ雄螺子シャフト34の中心軸に沿った方向に向けて、移動することが可能な状態となっている。格子3の周期方向は、当該移動方向に対して第二角度ωで傾斜している。   In step S <b> 200, the lattice 3 is rotated by the lattice driving device 30. The lattice driving device 30 moves the stage 31 in a direction away from the motor 35 so that the lattice 3 is pressed against the upper stopper 38 from below. As described with reference to FIG. 3, at this time, the angle formed by the periodic direction of the grating 3 with respect to the moving direction of the stage 31 is the second angle ω. When step S200 is completed, the lattice 3 is in a state in which it can move along the lattice surface and in the direction along the central axis of the male screw shaft 34. The periodic direction of the grating 3 is inclined at a second angle ω with respect to the moving direction.

以下に説明するステップS201からステップS206においては、格子3は回動することなく移動する。すなわち、格子3は図3(B)に示した状態から更にモータ35から遠ざかる方向に移動するため、格子3の周期方向は、当該移動方向に対して常に第二角度ωで傾斜した状態で維持される。   In step S201 to step S206 described below, the lattice 3 moves without rotating. That is, since the grating 3 moves further away from the motor 35 from the state shown in FIG. 3B, the periodic direction of the grating 3 is always kept inclined at the second angle ω with respect to the moving direction. Is done.

ステップS200に続くステップS201では、演算処理装置300において、自然数をとる変数kに1が割り当てられる。変数kは、位相シフト法を行うために取得された変形格子パターンの数を記録しておくための変数である。   In step S201 following step S200, 1 is assigned to the variable k taking a natural number in the arithmetic processing unit 300. The variable k is a variable for recording the number of deformed grating patterns acquired for performing the phase shift method.

続くステップS202では、光源2を発光させた状態で、被測定物4の表面Sに格子パターンを投影する。表面Sには、その形状に応じた変形格子パターンが現れる。当該変形格子パターンは、反射光としてイメージセンサ6に入射する。   In the subsequent step S202, a grid pattern is projected onto the surface S of the object 4 to be measured while the light source 2 is caused to emit light. On the surface S, a deformed lattice pattern corresponding to the shape appears. The deformed grating pattern is incident on the image sensor 6 as reflected light.

ここで、仮に表面Sが平坦であるとすれば、表面Sに投影される格子パターンの実際のピッチはP2となる。しかし、ステップS200で格子3が回動したことに伴って、表面Sに投影された格子パターンも第二角度ωだけ回動した状態となっていることに鑑みれば、格子パターンの移動方向に沿って見た場合のピッチ(高さ計測に関わる有効ピッチということもできる)をP2/cosωとみることができる。   Here, if the surface S is flat, the actual pitch of the lattice pattern projected onto the surface S is P2. However, in view of the fact that the lattice pattern projected onto the surface S is also rotated by the second angle ω as the lattice 3 is rotated in step S200, it follows the moving direction of the lattice pattern. Thus, the pitch (also referred to as an effective pitch related to height measurement) can be regarded as P2 / cos ω.

ステップS203では、ステップS201の場合と同様に、イメージセンサ6で撮像された変形格子パターンの画像を、CCD素子に入射した光強度分布I21(x,y)として記録部301に記録する。 In step S203, similarly to the case of step S201, the image of the modified lattice pattern imaged by the image sensor 6 is recorded in the recording unit 301 as the light intensity distribution I 21 (x, y) incident on the CCD element.

イメージセンサ6による撮像は、格子駆動装置30により格子3を移動させながら行う。すなわち、格子3をP1/cosωの1/2だけ一定速度で移動させる間、それに伴って移動する変形格子パターンを連続的に撮像する。イメージセンサ6のCCD素子に対し入射する光の強度が時間積分される結果、記録部301に記録される光強度分布I21(x,y)は、以下の式(5)で示されるような余弦波状の分布となる。
Imaging by the image sensor 6 is performed while moving the grating 3 by the grating driving device 30. That is, while the lattice 3 is moved at a constant speed by 1/2 of P1 / cos ω, the deformed lattice pattern that moves with the lattice 3 is continuously imaged. As a result of time integration of the intensity of light incident on the CCD element of the image sensor 6, the light intensity distribution I 21 (x, y) recorded in the recording unit 301 is as shown by the following equation (5). Cosine wave distribution.

φ1(x,y)と同様に、φ2(x,y)は位相分布であって、表面Sに投影された格子パターンが変形することに伴う、位相の変化量の分布に相当するものである。 Similar to φ 1 (x, y), φ 2 (x, y) is a phase distribution, which corresponds to the distribution of the amount of phase change caused by the deformation of the lattice pattern projected on the surface S. It is.

ステップS203に続くステップS204では、演算処理装置300において変数kの値が4以上であるか否かが判断される。変数kの値が4未満の場合は、位相シフト法を行うために取得された変形格子パターンの数が4に満たないということであり、ステップS205に進む。   In step S204 following step S203, it is determined in the arithmetic processing unit 300 whether the value of the variable k is 4 or more. If the value of the variable k is less than 4, it means that the number of deformed grating patterns acquired for performing the phase shift method is less than 4, and the process proceeds to step S205.

この時点においては、格子3は、光強度分布I21(x,y)の取得開始時における位置からP1/cosωの1/2だけ移動している。ステップS205では、イメージセンサ6による光強度分布の記録を停止した状態で、格子3を更にP1/cosωの3/4だけ移動させる。尚、このような移動に替えて、格子3をP1/cosωの1/4だけ逆方向に移動させてもよい。いずれの場合であっても、表面Sに投影された変形格子パターンの位相は、光強度分布I21(x,y)の取得開始時における位相からx方向にπ/2だけ進んだ状態となる。 At this time, the grating 3 has moved by 1/2 of P1 / cos ω from the position at the start of acquisition of the light intensity distribution I 21 (x, y). In step S205, with the recording of the light intensity distribution by the image sensor 6 stopped, the grating 3 is further moved by 3/4 of P1 / cos ω. Instead of such movement, the grating 3 may be moved in the reverse direction by 1/4 of P1 / cosω. In any case, the phase of the deformed grating pattern projected onto the surface S is advanced by π / 2 in the x direction from the phase at the start of acquisition of the light intensity distribution I 21 (x, y). .

続くステップS206では、演算処理装置300において変数kの値に1が加算され、ステップS202及びステップS203が実行される。ステップS203においては、イメージセンサ6で撮像された変形格子パターンの画像が再び記録されるが、記録開始時点における変形格子パターンの位相が上記のようにx方向にπ/2だけ進んでいるため、記録部301に記録される光強度分布I22(x,y)は、以下の式(6)で示されるような余弦波状の分布となる。
In subsequent step S206, 1 is added to the value of variable k in arithmetic processing unit 300, and steps S202 and S203 are executed. In step S203, the image of the deformed grid pattern captured by the image sensor 6 is recorded again, but the phase of the deformed grid pattern at the start of recording advances by π / 2 in the x direction as described above. The light intensity distribution I 22 (x, y) recorded in the recording unit 301 is a cosine wave distribution as shown by the following equation (6).

以降は、変数kの値が4となるまでステップS202、ステップS203、ステップS205、ステップS206が繰り返される。その結果、下記の式(7)で示される光強度分布I23(x,y)、及び式(8)で示される光強度分布I24(x,y)が記録部301に記録される。
Thereafter, Step S202, Step S203, Step S205, and Step S206 are repeated until the value of the variable k becomes 4. As a result, the light intensity distribution I 23 (x, y) represented by the following formula (7) and the light intensity distribution I 24 (x, y) represented by the formula (8) are recorded in the recording unit 301.

ステップS204で変数kの値が4の場合は、位相シフト法を行うために必要な4つの光強度分布I21(x,y)、I22(x,y)、I23(x,y)、I24(x,y)が全て取得されたということであり、図6のステップS301に進む。 When the value of the variable k is 4 in step S204, the four light intensity distributions I 21 (x, y), I 22 (x, y), and I 23 (x, y) necessary for performing the phase shift method are used. , I 24 (x, y) has been acquired, and the process proceeds to step S301 in FIG.

ステップS301では、記録部301に記録された複数の光強度分布のうち、光強度分布I11(x,y)、I12(x,y)、I13(x,y)、I14(x,y)が読み出される。位相算出部302では、下記の式(9)によって位相分布(第一位相分布)φ11(x,y)が算出される。
In step S301, among the plurality of light intensity distributions recorded in the recording unit 301, light intensity distributions I 11 (x, y), I 12 (x, y), I 13 (x, y), I 14 (x , Y) is read out. In the phase calculation unit 302, the phase distribution (first phase distribution) φ 11 (x, y) is calculated by the following equation (9).

位相分布φ11(x,y)で表わされる各点の位相φ11は、それぞれが−πから+πの範囲となっている。すなわち、表面Sの任意の点における高さは様々な値となりうるのに対し、当該高さに対応する位相φ11は−πから+πの限られた範囲内で周期的に変化する値となる。 Phase distribution φ 11 (x, y) phase phi 11 of each point represented by are each a range from - [pi] + [pi. That is, the height at an arbitrary point on the surface S can be various values, whereas the phase φ 11 corresponding to the height is a value that periodically changes within a limited range of −π to + π. .

図7は、座標(0,0)に対応する点における、表面Sの高さと位相φ11との関係を示すグラフである。図7に示したように、表面Sの高さが増加すると、位相φ11はπまで増加した直後、−πに不連続に折り返されることとなる。位相φ11の一周期(−πから+πまで)に相当する表面Sの高さ範囲Δh1は、下記の式(10)で表わされる。
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the height of the surface S and the phase φ 11 at the point corresponding to the coordinates (0, 0). As shown in FIG. 7, the height of the surface S is increased, after the phase phi 11 is that increased to [pi, so that the folded back discontinuously - [pi]. The height range Δh 1 of the surface S corresponding to one period (from −π to + π) of the phase φ 11 is expressed by the following formula (10).

表面Sの高さが上記のような高さ範囲Δh1に収まるのであれば、高さと位相φ11とは一対一に対応する。従って、この場合には位相φ11に基づいて表面Sの高さを正確に求めることができる。表面Sの高さ分布H(x、y)を算出するには、先ず、下記の式(11)によって位相分布φ1(x,y)を算出する。算出された位相分布φ1(x,y)は、記録部301に記録される。尚、式(11)におけるNは、各座標(x,y)について、位相分布φ1(x,y)の値の絶対値が2πを超えないように適宜設定される整数である。
If the height of the surface S is within the height range Δh 1 as described above, the height and the phase φ 11 correspond one-to-one. Therefore, in this case, the height of the surface S can be accurately obtained based on the phase φ 11 . In order to calculate the height distribution H (x, y) of the surface S, first, the phase distribution φ 1 (x, y) is calculated by the following equation (11). The calculated phase distribution φ 1 (x, y) is recorded in the recording unit 301. Note that N in Expression (11) is an integer that is appropriately set so that the absolute value of the value of the phase distribution φ 1 (x, y) does not exceed 2π for each coordinate (x, y).

ステップS301に続くステップS302では、記録部301に記録された複数の光強度分布のうち、光強度分布I21(x,y)、I22(x,y)、I23(x,y)、I24(x,y)が読み出される。位相算出部302では、下記の式(12)によって位相分布(第二位相分布)φ2(x,y)が算出される。
In step S302 following step S301, among the plurality of light intensity distributions recorded in the recording unit 301, light intensity distributions I 21 (x, y), I 22 (x, y), I 23 (x, y), I 24 (x, y) is read out. In the phase calculation unit 302, the phase distribution (second phase distribution) φ 2 (x, y) is calculated by the following equation (12).

位相φ11の場合と同様に、位相分布φ21(x,y)で表わされる各点の位相φ21は、それぞれが−πから+πの範囲となっている。すなわち、表面Sの任意の点における高さは様々な値となりうるのに対し、当該高さに対応する位相φ21は−πから+πの限られた範囲内で周期的に変化する値となる。図7に示したように、座標(0,0)に対応する点における表面Sの任意の点における高さが増加すると、位相φ21はπまで増加した直後、−πに不連続に折り返されることとなる。位相φ21の一周期(−πから+πまで)に相当する表面Sの高さ範囲Δh2は、下記の式(13)で表わされる。式(13)で明らかなように、高さ範囲Δh2は高さ範囲Δh1よりも僅かに大きな値となる。
As in the case of the phase φ 11 , the phase φ 21 at each point represented by the phase distribution φ 21 (x, y) is in the range of −π to + π. That is, the height at an arbitrary point on the surface S can have various values, whereas the phase φ 21 corresponding to the height has a value that periodically changes within a limited range of −π to + π. . As shown in FIG. 7, when the height at an arbitrary point on the surface S at the point corresponding to the coordinates (0, 0) increases, the phase φ 21 is discontinuously folded back to −π immediately after increasing to π. It will be. A height range Δh 2 of the surface S corresponding to one period (from −π to + π) of the phase φ 21 is expressed by the following formula (13). As apparent from the equation (13), the height range Δh 2 is slightly larger than the height range Δh 1 .

φ1の場合と同様に、下記の式(14)によって位相分布φ2(x,y)を算出する。算出された位相分布φ2(x,y)は、記録部301に記録される。尚、式(14)におけるNは、各座標(x,y)について、位相分布φ2(x,y)の値の絶対値が2πを超えないように適宜設定される整数である。
Similarly to the case of φ 1, the phase distribution φ 2 (x, y) is calculated by the following equation (14). The calculated phase distribution φ 2 (x, y) is recorded in the recording unit 301. Note that N in the equation (14) is an integer appropriately set so that the absolute value of the phase distribution φ 2 (x, y) does not exceed 2π for each coordinate (x, y).

ステップS302に続くステップS303では、記録部301に記録された位相分布φ1(x,y)及び位相分布φ2(x,y)が読み出される。位相接続部303では、下記の式(15)によって、位相分布φ1(x,y)と位相分布φ2(x,y)との差として位相差分布φD(x,y)が算出される。位相差分布φD(x,y)とは、任意の点(x,y)における位相φ1と位相φ2との差(位相差)を示すものである。
In step S303 following step S302, the phase distribution φ 1 (x, y) and the phase distribution φ 2 (x, y) recorded in the recording unit 301 are read. In the phase connection unit 303, the phase difference distribution φ D (x, y) is calculated as the difference between the phase distribution φ 1 (x, y) and the phase distribution φ 2 (x, y) by the following equation (15). The The phase difference distribution φ D (x, y) indicates a difference (phase difference) between the phase φ 1 and the phase φ 2 at an arbitrary point (x, y).

図8は、表面Sの高さと位相差φDとの関係を示すグラフである。図8に示したように、位相差φDも、表面Sの高さに対して不連続となっている。そこで、ステップS304では、位相差φDに対して第一の補正(連続化処理)を施し、所定の範囲において連続なものとなるように位相差φDを変換する。 FIG. 8 is a graph showing the relationship between the height of the surface S and the phase difference φ D. As shown in FIG. 8, the phase difference φ D is also discontinuous with respect to the height of the surface S. Therefore, in step S304, first correction (continuous process) performed with respect to the phase difference phi D, converts the phase difference phi D so as continuous in a predetermined range.

具体的には、位相接続部303において、位相差φDの値が−πより小さい場合には当該値に2πを加算する。また、位相差φDの値がπより大きい場合には当該値から2πを減算する。このような加減算を行うことによって、位相差分布φD(x,y)を位相差分布φCD1(x,y)に変換する。
Specifically, the phase unwrapping section 303, the value of the phase difference phi D is when -π smaller adds 2π to the value. The value of the phase difference phi D is the larger than π subtracting 2π from the value. By performing such addition and subtraction, the phase difference distribution φ D (x, y) is converted into the phase difference distribution φ CD1 (x, y).

図9は、表面Sの高さと位相差φCD1との関係を示すグラフである。図9に示したように、位相差φCD1は、表面Sの高さに対して所定範囲(位相差φCD1が−πから+πまでの範囲)において連続となっている。また、位相φCD1の一周期(−πから+πまで)に相当する表面Sの高さ範囲Δh12は、高さ範囲Δh1及び範囲Δh2を用いて下記の式(18)で表わされる。
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the height of the surface S and the phase difference φ CD1 . As shown in FIG. 9, the phase difference φ CD1 is continuous with respect to the height of the surface S in a predetermined range (the phase difference φ CD1 is in a range from −π to + π). Further, the height range Δh 12 of the surface S corresponding to one period (from −π to + π) of the phase φ CD1 is expressed by the following formula (18) using the height range Δh 1 and the range Δh 2 .

位相接続部303においては更に、位相差φCD1に対して第二の補正を施し、表面Sの高さに対する傾きが位相φ1の傾き(図7)と等しくなるよう、位相差φCD1を変換する(ステップS305)。具体的には、位相差φCD1の値に(Δh12/Δh1)を掛けることによって、位相差分布φCD1(x,y)を位相差分布φCD2(x,y)に変換する。
Furthermore the phase unwrapping section 303, the second correction performed with respect to the phase difference phi CD1, so that the inclination with respect to the height of the surface S is equal to the slope of the phase phi 1 (FIG. 7), converts the phase difference phi CD1 (Step S305). Specifically, the phase difference distribution φ CD1 (x, y) is converted into the phase difference distribution φ CD2 (x, y) by multiplying the value of the phase difference φ CD1 by (Δh 12 / Δh 1 ).

図10は、Δh12/Δh1の値が4である場合の、表面Sの高さと位相差φCD1との関係を示すグラフである。同図には、表面Sの高さと位相φ1との関係を重ねて示している。図10に示したように、位相差φCD2が取り得る値の範囲は−4πから4πの範囲となっており、この範囲で連続となっている。また、−πからπの範囲においては、位相差分布φCD2(x,y)と位相分布φ1(x,y)とが略一致している。 FIG. 10 is a graph showing the relationship between the height of the surface S and the phase difference φ CD1 when the value of Δh 12 / Δh 1 is 4. In the figure, the relationship between the height of the surface S and the phase φ 1 is shown superimposed. As shown in FIG. 10, the range of values that the phase difference φ CD2 can take is in the range of −4π to 4π, and is continuous in this range. Further, in the range from −π to π, the phase difference distribution φ CD2 (x, y) and the phase distribution φ 1 (x, y) substantially coincide.

位相接続部303においては更に、イメージセンサ6の受光面における座標毎(表面Sにおける座標毎)に、位相差φCD2と位相φ1との差を算出し、これを2πで除した値に最も近い整数nを算出する。
Further, the phase connection unit 303 calculates the difference between the phase difference φ CD2 and the phase φ 1 for each coordinate on the light receiving surface of the image sensor 6 (for each coordinate on the surface S), and the value obtained by dividing this by 2π is the largest. Calculate the nearest integer n.

尚、式(20)の右辺は理論的には必ず整数となるはずであるが、計測誤差によって整数とはならない場合がある。このため、右辺を四捨五入することによって、右辺の値に最も近い整数nを算出する。このように算出される整数nが、位相飛びの次数を示す値となる(ステップS306)。   The right side of equation (20) should theoretically always be an integer, but may not be an integer due to measurement error. For this reason, the integer n closest to the value on the right side is calculated by rounding off the right side. The integer n calculated in this way is a value indicating the order of phase jump (step S306).

図11は、表面Sの高さと、位相差φCD2と位相φ1との差との関係を、図10のグラフに重ねて示したグラフである。図11のように、位相差φCD2と位相φ1との差は階段状のグラフとなっており、その段数が上記整数nに該当する。 FIG. 11 is a graph showing the relationship between the height of the surface S and the difference between the phase difference φ CD2 and the phase φ 1 superimposed on the graph of FIG. As shown in FIG. 11, the difference between the phase difference φ CD2 and the phase φ 1 is a stepped graph, and the number of steps corresponds to the integer n.

続くステップS307において、位相接続部303は、イメージセンサ6の受光面における総ての座標に対し、整数nを用いて位相φ1を位相接続する。具体的には、各座標において、位相φ1に対して2nπを加算することで、位相接続後の位相φ1Cを算出する。
In subsequent step S307, the phase connection unit 303 phase-connects the phase φ 1 using the integer n with respect to all the coordinates on the light receiving surface of the image sensor 6. Specifically, the phase φ 1C after the phase connection is calculated by adding 2nπ to the phase φ 1 at each coordinate.

図12は、表面Sの高さと位相差φ1Cとの関係を示すグラフである。図12に示したように、位相差φ1Cは、表面Sの高さに対して広い範囲(位相差φ1Cが−4πから+4πまでの範囲)において連続となっている。また、位相差φ1Cの一周期(−4πから+4πまで)に相当する表面Sの高さ範囲Δh12は、位相φ1の一周期(−πから+πまで)に相当する表面Sの高さ範囲Δh1よりも広い。 FIG. 12 is a graph showing the relationship between the height of the surface S and the phase difference φ 1C . As shown in FIG. 12, the phase difference φ 1C is continuous in a wide range with respect to the height of the surface S (the phase difference φ 1C is in a range from −4π to + 4π). Further, the height range Δh 12 of the surface S corresponding to one period (from −4π to + 4π) of the phase difference φ 1C is the height of the surface S corresponding to one period (from −π to + π) of the phase φ 1. It is wider than the range Δh 1 .

ステップS307に続くステップS308において、高さ算出部304は、位相接続後の位相φ1Cの分布、すなわち位相分布φ1C(x,y)に基づいて、表面Sの高さ分布H(x、y)を算出する。高さがΔh1の時に位相φ1が2πとなることに鑑みれば、高さ分布H(x、y)は下記の式(22)により算出される。
In step S308 following step S307, the height calculation unit 304 calculates the height distribution H (x, y) of the surface S based on the distribution of the phase φ 1C after phase connection, that is, the phase distribution φ 1C (x, y). ) Is calculated. Considering that the phase φ 1 becomes 2π when the height is Δh 1 , the height distribution H (x, y) is calculated by the following equation (22).

以上のように、本実施形態に係る形状計測装置1では、ステージ31の移動方向に対する格子3の角度を0(第一角度)とした状態において投影された格子パターンの位相分布φ1(x,y)(第一位相分布)と、同方向に対する格子3の角度をω(第二角度)とした状態において投影された格子パターンの位相分布φ2(x,y)(第二位相分布)と、に基づいて、被測定物4の表面Sにおける高さの分布を算出する。これら二つの位相分布は、互いに異なるピッチを有する二つの格子を用いることによりそれぞれ取得された、二つの位相分布と同視することができる。 As described above, in the shape measuring apparatus 1 according to the present embodiment, the phase distribution φ 1 (x, x, x) of the grating pattern projected in a state where the angle of the grating 3 with respect to the moving direction of the stage 31 is 0 (first angle). y) (first phase distribution) and the phase distribution φ 2 (x, y) (second phase distribution) of the grating pattern projected in the state where the angle of the grating 3 with respect to the same direction is ω (second angle) , The height distribution on the surface S of the DUT 4 is calculated. These two phase distributions can be equated with the two phase distributions obtained respectively by using two gratings having different pitches.

このため、位相分布φ1(x,y)及び位相分布φ2(x,y)に基づいて位相接続を行い、表面Sの高さ分布H(x、y)を算出する。一方、形状測定装置に実際に搭載される格子3は一つであるから、従来に比べて装置構成を簡単なものとなっている。 Therefore, phase connection is performed based on the phase distribution φ 1 (x, y) and the phase distribution φ 2 (x, y), and the height distribution H (x, y) of the surface S is calculated. On the other hand, since only one grating 3 is actually mounted on the shape measuring apparatus, the apparatus configuration is simpler than in the prior art.

また、形状計測装置1では、位相接続部303において、位相分布φ1(x,y)と位相分布φ2(x,y)との差である位相差分布φD(x,y)を算出する。更に、位相接続部303においては、位相差分布φD(x,y)が所定範囲において連続となるように、位相差分布φD(x,y)に対して第一の補正(連続化処理)を施している。連続化処理が施された後の位相差分布φCD1(x,y)は、所定範囲において物体表面の高さに対して比例する分布となる。 In the shape measuring apparatus 1, the phase connection unit 303 calculates a phase difference distribution φ D (x, y) that is a difference between the phase distribution φ 1 (x, y) and the phase distribution φ 2 (x, y). To do. Further, in the phase unwrapping section 303, so that the phase difference distribution phi D (x, y) is continuous in a predetermined range, the phase difference distribution phi D (x, y) first correction (continuous process on ). The phase difference distribution φ CD1 (x, y) after the continuous process is performed is a distribution proportional to the height of the object surface in a predetermined range.

従って、当該所定範囲においては、位相差φCD1と表面Sの高さとを一対一に対応させることができる。位相差分布φCD1(x,y)が−πから+πまでとなるような表面Sの高さの範囲(Δh12)は、位相分布φ1(x,y)又は位相分布φ2(x,y)が−πから+πまでとなるような表面Sの高さの範囲(Δh1、Δh2)よりも広い。すなわち、位相飛びが生じることなく正しい高さが算出される範囲を、単一の格子を用いる場合に比べて広くしている。 Therefore, in the predetermined range, the phase difference φ CD1 and the height of the surface S can be made to correspond one-to-one. The range (Δh 12 ) of the height of the surface S such that the phase difference distribution φ CD1 (x, y) is from −π to + π is the phase distribution φ 1 (x, y) or the phase distribution φ 2 (x, y). y) is wider than the range of height of the surface S (Δh 1 , Δh 2 ) such that −π to + π. That is, the range in which the correct height is calculated without causing phase jump is made wider than when a single grating is used.

また、形状計測装置1では、第一の補正(連続化処理)が施された位相差分布φCD1(x,y)に基づいて、位相接続部303において、位相分布φ1(x,y)に対して位相接続処理を行う。具体的には、位相差分布φCD1(x,y)に対し第二の補正を施して得られた位相差分布φCD2(x,y)に基づいて、位相飛びの次数を示す整数nを算出し、当該整数nを用いて位相接続を行う。 Further, in the shape measuring apparatus 1, the phase distribution φ 1 (x, y) is used in the phase connection unit 303 based on the phase difference distribution φ CD1 (x, y) subjected to the first correction (continuation processing). Phase connection processing is performed on Specifically, the phase difference distribution φ CD1 (x, y) with respect to the second correction alms obtained phase difference distribution φ CD2 (x, y) based on the integer n indicating the order of the phase jump The phase connection is performed using the integer n.

ここで、位相差分布φCD2(x,y)に基づいて表面Sの高さ分布を算出するには、位相差φCD2と表面Sの高さとを直接対応させることにより算出することも可能である。しかし、位相分布φ1(x,y)と位相分布φ2(x,y)とから算出される位相差φCD2には、格子ピッチP1が設計値からばらつくことによる誤差や、格子駆動装置30による回転角度の誤差等、位相分布φ1(x,y)と位相分布φ2(x,y)とがそれぞれ含んでいる誤差の両方が含まれてしまう可能性がある。 Here, in order to calculate the height distribution of the surface S based on the phase difference distribution φ CD2 (x, y), the phase difference φ CD2 and the height of the surface S can also be directly calculated. is there. However, in the phase difference φ CD2 calculated from the phase distribution φ 1 (x, y) and the phase distribution φ 2 (x, y), an error due to the variation of the grating pitch P1 from the design value, the grating driver 30 There is a possibility that both of the errors included in the phase distribution φ 1 (x, y) and the phase distribution φ 2 (x, y), such as an error in the rotation angle due to the above, are included.

そこで、本実施態様では、位相差分布φCD2(x,y)に基づいて表面Sの高さを直接算出するのではなく、位相分布φ1(x,y)に対して位相接続処理を行い、これに基づいて表面Sの高さを算出している。算出される高さ分布H(x、y)には位相分布φ1(x,y)の誤差のみが含まれることとなるため、誤差を小さくすることができる。 Therefore, in the present embodiment, the height of the surface S is not directly calculated based on the phase difference distribution φ CD2 (x, y), but a phase connection process is performed on the phase distribution φ 1 (x, y). Based on this, the height of the surface S is calculated. Since the calculated height distribution H (x, y) includes only the error of the phase distribution φ 1 (x, y), the error can be reduced.

尚、本実施形態においては、図10に示したように、表面Sの高さが0の時における位相φ1と位相φ2とが、いずれも0で一致するものとして説明した。しかしながら、実際の測定においては、格子駆動装置30による格子3の位置決め精度が悪い等の理由によって、表面Sの高さが0の時における位相φ1又は位相φ2が0からずれてしまう場合も生じ得る。すなわち、位相φ1と位相φ2との初期位相がずれてしまう場合が生じ得る。 In the present embodiment, as illustrated in FIG. 10, the phase φ 1 and the phase φ 2 when the height of the surface S is 0 are both assumed to be 0. However, in actual measurement, the phase φ 1 or the phase φ 2 when the height of the surface S is 0 may deviate from 0 due to reasons such as poor positioning accuracy of the grating 3 by the grating driving device 30. Can occur. That is, the initial phase between the phase φ 1 and the phase φ 2 may be shifted.

このような初期位相のずれを補正するには、位相差φCD2から位相φ1を差し引いた値の分布を算出し、最も高い頻度で現れる値が2nπからどの程度ずれるかを調べればよい。 In order to correct such an initial phase shift, a distribution of values obtained by subtracting the phase φ 1 from the phase difference φ CD2 is calculated, and it is examined how much the value that appears most frequently deviates from 2nπ.

図13は、位相差φCD2から位相φ1を差し引いた値の頻度分布を示すグラフである。位相φ1と位相φ2との初期位相にずれが無い場合には、図13(A)に示したように、2nπを中心とする分布となる。一方、位相φ1と位相φ2との初期位相がずれてしまった場合には、図13(B)に示したように、分布の中心は2nπからずれた値となる。 FIG. 13 is a graph showing a frequency distribution of values obtained by subtracting the phase φ 1 from the phase difference φ CD2 . When there is no deviation in the initial phase between the phase φ 1 and the phase φ 2 , the distribution is centered on 2nπ as shown in FIG. On the other hand, when the initial phases of the phase φ 1 and the phase φ 2 are shifted, the center of the distribution is shifted from 2nπ as shown in FIG.

そこで、イメージセンサ6の受光面における全ての座標について、位相φ2から上記ずれ量を差し引くことにより、初期位相のずれを補正することができる。図13(B)に示した例においては、全ての位相φ2からπ/2を差し引けばよい。 Therefore, the initial phase shift can be corrected by subtracting the shift amount from the phase φ 2 for all coordinates on the light receiving surface of the image sensor 6. In the example shown in FIG. 13B, π / 2 may be subtracted from all phases φ 2 .

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。   The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to these specific examples. In other words, those specific examples that have been appropriately modified by those skilled in the art are also included in the scope of the present invention as long as they have the characteristics of the present invention. For example, the elements included in each of the specific examples described above and their arrangement, materials, conditions, shapes, sizes, and the like are not limited to those illustrated, but can be changed as appropriate. Moreover, each element with which each embodiment mentioned above is provided can be combined as long as technically possible, and the combination of these is also included in the scope of the present invention as long as it includes the features of the present invention.

1:形状計測装置
2:光源
3:格子
3A:透光部
3B:遮光部
4:被測定物
6:イメージセンサ
14:ステージ
20:投光光学系
21:照明レンズ
22:集光レンズ
24:投影レンズ
25:受光光学系
26:集光レンズ
28:撮像レンズ
30:格子駆動装置
31:ステージ
32:固定支柱
34:雄螺子シャフト
35:モータ
36:ガイド軸
37:支柱
38:上部ストッパ
300:演算処理装置
301:記録部
302:位相算出部
303:位相接続部
304:高さ算出部
305:制御部
S:表面
1: Shape measuring device 2: Light source 3: Grating 3A: Translucent part 3B: Light shielding part 4: Object to be measured 6: Image sensor 14: Stage 20: Projection optical system 21: Illumination lens 22: Condensing lens 24: Projection Lens 25: Light receiving optical system 26: Condensing lens 28: Imaging lens 30: Lattice drive device 31: Stage 32: Fixed column 34: Male screw shaft 35: Motor 36: Guide shaft 37: Column 38: Upper stopper 300: Arithmetic processing Device 301: Recording unit 302: Phase calculation unit 303: Phase connection unit 304: Height calculation unit 305: Control unit S: Surface

Claims (6)

物体の表面に投影された格子パターンに基づいて、当該物体の表面形状を計測する形状測定装置において、
物体の表面に照射する光を発生させる光源と、
前記物体の表面に格子パターンが投影されるよう、前記光源と前記物体との間に配置される格子と、
投影された前記格子パターンが変化するように、前記格子を所定方向に移動させる格子移動手段と、
前記所定方向に対する前記格子の角度が変化するように、前記格子を回転させる格子回転手段と、を備え、
前記所定方向に対する前記格子の角度を第一角度とした状態において投影された前記格子パターンの位相分布である第一位相分布と、
前記所定方向に対する前記格子の角度を第二角度とした状態において投影された前記格子パターンの位相分布である第二位相分布と、
に基づいて、前記物体の表面における高さの分布を算出することを特徴とする形状測定装置。
In the shape measuring device that measures the surface shape of the object based on the lattice pattern projected on the surface of the object,
A light source that generates light to irradiate the surface of the object;
A grating disposed between the light source and the object such that a grating pattern is projected onto the surface of the object;
Grating moving means for moving the grating in a predetermined direction so that the projected grating pattern changes;
Grid rotation means for rotating the grid so that the angle of the grid with respect to the predetermined direction changes,
A first phase distribution that is a phase distribution of the grating pattern projected in a state where the angle of the grating with respect to the predetermined direction is a first angle;
A second phase distribution that is a phase distribution of the grating pattern projected in a state where the angle of the grating with respect to the predetermined direction is a second angle;
A shape measuring device that calculates a height distribution on the surface of the object based on the above.
前記第一位相分布と前記第二位相分布との差である位相差分布を算出する位相差算出部と、
前記位相差分布が所定範囲において連続となるように、前記位相差分布に対して連続化処理を行う第一処理部と、
を更に備えたことを特徴とする、請求項1に記載の形状測定装置。
A phase difference calculation unit that calculates a phase difference distribution that is a difference between the first phase distribution and the second phase distribution;
A first processing unit that performs a continuation process on the phase difference distribution so that the phase difference distribution is continuous in a predetermined range;
The shape measuring device according to claim 1, further comprising:
前記連続化処理が施された後の前記位相差分布に基づいて、前記第一位相分布に対して位相接続処理を行う第二処理部を更に備えたことを特徴とする、請求項2に記載の形状測定装置。   The system according to claim 2, further comprising a second processing unit that performs phase connection processing on the first phase distribution based on the phase difference distribution after the continuous processing is performed. Shape measuring device. 物体の表面に照射する光を発生させる光源と、
前記物体の表面に格子パターンが投影されるよう、前記光源と前記物体との間に配置される格子と、
投影された前記格子パターンが変化するように、前記格子を所定方向に移動させる格子移動手段と、
を備えた形状測定装置により、前記物体の表面形状を計測する形状測定方法であって、
前記所定方向に対する前記格子の角度が第一角度である状態において投影された前記格子パターンの位相分布である第一位相分布、を取得する第一取得工程と、
前記所定方向に対する前記格子の角度を、前記第一角度から第二角度に変更する角度変換工程と、
前記所定方向に対する前記格子の角度が第二角度である状態において投影された前記格子パターンの位相分布である第二位相分布、を取得する第二取得工程と、
前記第一位相分布と前記第二位相分布とに基づいて、前記物体の表面における高さの分布を算出する形状算出工程と、
を備えたことを特徴とする形状測定方法。
A light source that generates light to irradiate the surface of the object;
A grating disposed between the light source and the object such that a grating pattern is projected onto the surface of the object;
Grating moving means for moving the grating in a predetermined direction so that the projected grating pattern changes;
A shape measuring method for measuring the surface shape of the object by a shape measuring device comprising:
A first acquisition step of acquiring a first phase distribution which is a phase distribution of the grating pattern projected in a state where the angle of the grating with respect to the predetermined direction is a first angle;
An angle conversion step of changing the angle of the grating with respect to the predetermined direction from the first angle to a second angle;
A second acquisition step of acquiring a second phase distribution that is a phase distribution of the grating pattern projected in a state where the angle of the grating with respect to the predetermined direction is a second angle;
Based on the first phase distribution and the second phase distribution, a shape calculating step for calculating a height distribution on the surface of the object;
A shape measuring method characterized by comprising:
前記第一位相分布と前記第二位相分布との差である位相差分布を算出する位相差算出工程と、
前記位相差分布が所定範囲において連続となるように、前記位相差分布に対して連続化処理を行う第一処理工程と、
を更に備えたことを特徴とする、請求項4に記載の形状測定方法。
A phase difference calculating step of calculating a phase difference distribution which is a difference between the first phase distribution and the second phase distribution;
A first processing step of performing a continuation process on the phase difference distribution so that the phase difference distribution is continuous in a predetermined range;
The shape measuring method according to claim 4, further comprising:
前記連続化処理が施された後の前記位相差分布に基づいて、前記第一位相分布に対して位相接続処理を行う第二処理工程を更に備えたことを特徴とする、請求項5に記載の形状測定方法。   6. The method according to claim 5, further comprising a second processing step of performing phase connection processing on the first phase distribution based on the phase difference distribution after the continuous processing is performed. Shape measurement method.
JP2013052891A 2013-03-15 2013-03-15 Shape measurement device and shape measurement method Pending JP2014178233A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013052891A JP2014178233A (en) 2013-03-15 2013-03-15 Shape measurement device and shape measurement method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013052891A JP2014178233A (en) 2013-03-15 2013-03-15 Shape measurement device and shape measurement method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2014178233A true JP2014178233A (en) 2014-09-25

Family

ID=51698329

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013052891A Pending JP2014178233A (en) 2013-03-15 2013-03-15 Shape measurement device and shape measurement method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2014178233A (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017142188A (en) * 2016-02-12 2017-08-17 Ckd株式会社 Three-dimensional measurement device
CN108072335A (en) * 2016-11-18 2018-05-25 欧姆龙株式会社 3 d shape measuring apparatus

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017142188A (en) * 2016-02-12 2017-08-17 Ckd株式会社 Three-dimensional measurement device
WO2017138178A1 (en) * 2016-02-12 2017-08-17 Ckd株式会社 Three-dimensional measuring device
TWI622754B (en) * 2016-02-12 2018-05-01 Ckd Corp Three-dimensional measuring device
US10563977B2 (en) 2016-02-12 2020-02-18 Ckd Corporation Three-dimensional measuring device
CN108072335A (en) * 2016-11-18 2018-05-25 欧姆龙株式会社 3 d shape measuring apparatus

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102438502B1 (en) Measurement method, patterning device and device manufacturing method
KR101982642B1 (en) Inspection method, lithographic apparatus, mask and substrate
US10042268B2 (en) Method, apparatus and substrates for lithographic metrology
US10088762B2 (en) Inspection apparatus and method
KR102148198B1 (en) Method and device for measuring wavefront, and exposure method and device
CN108603848B (en) Method and system for optical three-dimensional topography measurement
JP5943717B2 (en) Position detection system, imprint apparatus, device manufacturing method, and position detection method
KR20180135042A (en) HHG source, test device, and measurement performing method
JP6496734B2 (en) Stage apparatus for semiconductor inspection and lithography systems
JP2011189118A (en) X-ray imaging apparatus and x-ray imaging method
KR20120099504A (en) Surface shape measurement method and surface shape measurement device
JP2020518848A (en) Metrology parameter determination and metrology recipe selection
JP6285666B2 (en) Detection apparatus, lithographic apparatus, article manufacturing method, and detection method
TWI628521B (en) Lithographic apparatus, lithographic alignment method, data processing system, and control software for being executed by the data processing system
KR102669792B1 (en) Targets for measuring parameters of lithographic processes
TW201740215A (en) Detection method, detection device, illumination method and device
JP2014178233A (en) Shape measurement device and shape measurement method
JP2008122628A (en) Vertical fringe interference pattern projection lens
JP2013130457A (en) Shape measurement apparatus, shape measurement system and shape measurement method
KR101436403B1 (en) Shadow Moire Method using Sine Wave Grationg and Measuring Apparatus using the same
JP2007149807A (en) Position detection apparatus and exposure apparatus
JP2011127981A (en) Displacement measuring apparatus, stage apparatus, exposure apparatus, scale manufacturing method, and device manufacturing method
CN108333880B (en) Photoetching exposure device and focal plane measuring device and method thereof
CN111649693B (en) A kind of sample topography measuring device and method
US11927892B2 (en) Alignment method and associated alignment and lithographic apparatuses