JP4885154B2 - Method for measuring surface shape by multiple wavelengths and apparatus using the same - Google Patents
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Description
本発明は、半導体ウエハ、液晶パネル、プラズマディスプレイパネル、磁性体フィルム、ガラス基板、金属膜などの平坦度を有する測定対象物の凹凸を波長の異なる複数の単色光を利用して測定する複数波長による表面形状の測定方法およびこれを用いた装置に関する。 The present invention provides a plurality of wavelengths for measuring unevenness of a measurement object having flatness such as a semiconductor wafer, a liquid crystal panel, a plasma display panel, a magnetic film, a glass substrate, and a metal film using a plurality of monochromatic lights having different wavelengths. The present invention relates to a method for measuring a surface shape by means of and a device using the same.
従来、測定対象面の表面形状の測定方法は、次のようにして行われている。異なる波長の第1の単色光と第2の単色光を個別のタイミングで出力し、ビームスプリッタで各単色光を測定対象物であるウエハの表面とリファレンスミラーに照射し、両方から反射して戻る反射光を、再びビームスプリッタでまとめて同一光路を通して干渉縞を発生させる。このとき、単色光ごとの反射光を2次元画像検出器で検出する。この検出された反射光は、干渉縞となって現れ、表面の段差の部分では干渉縞がシフトする。つまり、両単色光によって発生した連続する干渉縞のシフト部分の中で両シフト量が近い部分の、そのシフト量に基づいてウエハのパターンの段差を求めている(特許文献1参照)。 Conventionally, the method of measuring the surface shape of the surface to be measured is performed as follows. The first monochromatic light and the second monochromatic light having different wavelengths are output at individual timings, and each monochromatic light is irradiated to the surface of the wafer, which is the measurement object, and the reference mirror by the beam splitter, and reflected from both to return. The reflected light is again collected by the beam splitter, and interference fringes are generated through the same optical path. At this time, the reflected light for each monochromatic light is detected by the two-dimensional image detector. The detected reflected light appears as interference fringes, and the interference fringes shift at the stepped portion of the surface. That is, the step difference of the pattern of the wafer is obtained based on the shift amount of the portion where the shift amounts are close among the shift portions of the continuous interference fringes generated by both monochromatic lights (see Patent Document 1).
しかしながら、従来の手法では次のような問題がある。 However, the conventional method has the following problems.
測定対象物の表面段差を撮像したときに、急峻な段差部分では表示画面に表示される干渉縞部分がシフトするので、段差の有無について判断することができる。しかしながら、段差の状態が未知の場合は、干渉縞のシフトした部分の段差が凸形状または凹形状のいずれであるかを判断することができない。したがって、測定対象面の急峻な箇所のエッジ部分を正確に求めることができない。 When the surface step of the measurement object is imaged, the interference fringe portion displayed on the display screen shifts at the steep step portion, so that the presence or absence of the step can be determined. However, when the state of the step is unknown, it cannot be determined whether the step at the shifted portion of the interference fringe has a convex shape or a concave shape. Therefore, the sharp edge portion of the measurement target surface cannot be obtained accurately.
また、異なる波長の単色光を異なるタイミングで照射しなければそれぞれの干渉縞を検出することができないので、測定対象物の表面全体の段差および形状を測定するのに時間がかかる。すなわち、測定対象物の表面全体に単色光を連続して走査させることもできなければ、複数個の測定対象物にわたっても単色光を連続して走査させることができない。 Moreover, since each interference fringe cannot be detected unless monochromatic light of different wavelengths is irradiated at different timings, it takes time to measure the step and shape of the entire surface of the measurement object. That is, if the monochromatic light cannot be continuously scanned over the entire surface of the measurement object, the monochromatic light cannot be continuously scanned over a plurality of measurement objects.
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、測定対象物の表面にある凹凸段差を高速に精度よく測定することのできる複数波長による表面形状の測定方法およびこれを用いた装置を提供することを主たる目的としている。 The present invention has been made in view of such circumstances, and a method for measuring a surface shape by a plurality of wavelengths and an apparatus using the same capable of accurately measuring uneven steps on the surface of a measurement object at high speed. The main purpose is to provide
第1の発明は、分岐手段を介して測定対象面と参照面に単色光を照射し、測定対象面と参照面の両方から反射して同一光路を戻る反射光によって生じる干渉縞の強度値に基づいて、測定対象面の表面高さと表面形状を求める複数波長による表面形状の測定方法において、
光の進行方向に対して任意角度の傾斜姿勢で前記参照面を配置し、波長の異なる複数の単色光を測定対象物と参照面に同時に照射することにより発生させた干渉縞の画像を取得する第1過程と、
取得した前記画像における各画素の干渉縞の強度値を単色光ごとに求める第2過程と、
干渉縞波形を求める表現式を利用して前記画素ごとについて、各画素の強度値とその近傍の複数画素の強度値とを利用し、それらの画素における干渉縞波形の直流成分、交流振幅、および位相が等しいと仮定し、各画素の位相を単色光ごとに求める第3過程と、
単色光ごとに求めた各画素の位相から表面高さの候補群を求め、各波長の候補群から共通する高さを実高さとして求める第4の過程と、
求めた前記実高さから測定対象物の表面形状を求める第5過程と、
を備えたことを特徴とする。
The first invention irradiates the measurement target surface and the reference surface with monochromatic light via the branching unit, and reflects the intensity of the interference fringes generated by the reflected light that is reflected from both the measurement target surface and the reference surface and returns on the same optical path. Based on the surface shape measurement method with multiple wavelengths to obtain the surface height and surface shape of the measurement target surface,
An image of interference fringes generated by arranging the reference surface in an inclined posture at an arbitrary angle with respect to the light traveling direction and simultaneously irradiating the measurement object and the reference surface with a plurality of monochromatic lights having different wavelengths is obtained. The first process,
A second step of obtaining the intensity value of the interference fringe of each pixel in the acquired image for each monochromatic light;
For each of the pixels using an expression for obtaining an interference fringe waveform, the intensity value of each pixel and the intensity values of a plurality of neighboring pixels are used, and the DC component, the AC amplitude of the interference fringe waveform at those pixels, and Assuming that the phases are equal, a third process for determining the phase of each pixel for each monochromatic light;
A fourth step of obtaining a surface height candidate group from the phase of each pixel obtained for each monochromatic light, and obtaining a common height as an actual height from each wavelength candidate group;
A fifth step of obtaining the surface shape of the measurement object from the obtained actual height;
It is provided with.
(作用・効果) 第1の発明に係る表面形状の測定方法によると、波長の異なる複数の単色光を測定対象物と参照面に同時に照射し、参照面を光の進行方向に対して任意角度の斜め傾斜姿勢で配備することにより、測定対象面と参照面から同一光路を戻る反射光により単色光ごとに干渉縞を発生させる。この干渉縞の強度値を単色光ごとの画素単位で求める。そして、干渉縞波形を求める表現式を利用して各画素について、各画素の強度値と画素ごとにその近隣にある画素の強度値とを利用し、各画素に含まれる干渉縞波形の直流成分、交流振幅、および位相が等しいと仮定し、各画素の位相を単色光ごとに求める。このとき、各画素における直流成分および交流振幅をキャンセルすることができ、空間周波数成分を除去するためのローパスフィルタ処理を施す必要がなくなる。したがって、空間分解能の低下させることなく測定対処面の急峻な箇所のエッジ部分を正確に求めることができる。 (Operation / Effect) According to the surface shape measuring method according to the first aspect of the present invention, a plurality of monochromatic lights having different wavelengths are simultaneously irradiated onto the measurement object and the reference surface, and the reference surface is at an arbitrary angle with respect to the light traveling direction. Are arranged in an obliquely inclined posture, and interference fringes are generated for each monochromatic light by the reflected light returning from the measurement target surface and the reference surface on the same optical path. The intensity value of this interference fringe is obtained in units of pixels for each monochromatic light. Then, for each pixel, using the expression for obtaining the interference fringe waveform, the intensity value of each pixel and the intensity value of the neighboring pixel for each pixel are used, and the DC component of the interference fringe waveform included in each pixel Assuming that the AC amplitude and phase are equal, the phase of each pixel is determined for each monochromatic light. At this time, the direct current component and the alternating current amplitude in each pixel can be canceled, and there is no need to perform low-pass filter processing for removing the spatial frequency component. Therefore, it is possible to accurately obtain the edge portion of the steep portion of the measurement coping surface without reducing the spatial resolution.
この求めた位相から測定対象物の表面高さの候補群を単色光ごとに求め、さらに各候補群から共通する高さを実際の高さとして求める。したがって、単一の位相から表面高さを求めるよりも広い候補範囲から実高さを精度よく求めることができるとともに、使用する波長の組み合わせによって測定できる高さの上限を高くできる。 A candidate group for the surface height of the measurement object is obtained for each monochromatic light from the obtained phase, and a common height is obtained from each candidate group as an actual height. Therefore, the actual height can be accurately obtained from a wider candidate range than the surface height is obtained from a single phase, and the upper limit of the height that can be measured by the combination of wavelengths used can be increased.
また、同時に複数の単色光を出力してこれら単色光からなる反射光を同時に検出して測定対象物の表面高さと表面形状を測定することができるので、同一の条件での測定結果を得ることができる。換言すれば、振動などの外乱の影響を受けづらくなる。さらに、作業効率の向上を図ることができる。 In addition, since it is possible to simultaneously output a plurality of monochromatic lights and simultaneously detect the reflected light composed of these monochromatic lights to measure the surface height and surface shape of the measurement object, it is possible to obtain measurement results under the same conditions. Can do. In other words, it becomes difficult to be affected by disturbances such as vibration. Furthermore, the work efficiency can be improved.
第2の発明は、第1または第2の発明に係る表面形状の測定方法において、
前記測定対象物に向う光と、1個または複数個の測定対象物を相対的に平行移動させながら所定の時間間隔で測定対位置ごとに前記第1過程から第5過程を繰り返し行い、測定対象物の表面形状を求めることを特徴とする。
A second invention is a method for measuring a surface shape according to the first or second invention,
The first to fifth processes are repeated for each measurement pair position at predetermined time intervals while relatively moving the light directed to the measurement object and one or more measurement objects, and the measurement object It is characterized by obtaining the surface shape of an object.
(作用・効果) この方法によれば、測定対象物の表面全体に単色光を連続して照射しながらリアルタイムに測定対象物の表面高さおよび表面形状を求めることができる。 (Operation / Effect) According to this method, the surface height and the surface shape of the measurement object can be obtained in real time while continuously irradiating the entire surface of the measurement object with monochromatic light.
第3の発明は、第1の発明に係る表面形状の測定方法において、
求める前記波長ごとの位相は、各画素の強度値g(x,y)を画素の近傍で干渉縞波形の表現式である g(x,y) = a+bcos{2πfxx+2πfyy+φ} にフィッティングさせることから求めることを特徴とする。
A third invention is a method for measuring a surface shape according to the first invention,
The obtained phase for each wavelength is obtained by fitting the intensity value g (x, y) of each pixel to an expression of the interference fringe waveform in the vicinity of the pixel g (x, y) = a + bcos {2πf x x + 2πf y y + φ}. It is characterized by obtaining from the above.
(作用・効果) この方法によると、各画素の強度値g(x)を画素の近傍で干渉縞波形の表現式である g(x,y) = a+bcos{2πfxx+2πfyy+φ} にフィッティングさせることにより、各画素の位相を容易に求めることができる。すなわち、簡素な演算式を利用することにより、上記第1の発明を好適に実施することができる。 (Function / Effect) According to this method, the intensity value g (x) of each pixel is fitted to the expression fringe waveform g (x, y) = a + bcos {2πf x x + 2πf y y + φ} in the vicinity of the pixel. Thus, the phase of each pixel can be easily obtained. That is, the first invention can be preferably implemented by using a simple arithmetic expression.
第4の発明は、第1ないし第3のいずれかの発明に係る表面形状の測定方法において、
前記干渉縞の画像は、複数の単色光を分離するフィルタを備えた撮像手段により撮像し、
前記フィルタ特性によって生じるクロストークの影響で前記単色光ごとに含まれる他の単色光の干渉縞の強度値を除去することを特徴とする。
4th invention is the surface shape measuring method which concerns on either 1st thru | or 3rd invention,
The image of the interference fringes is captured by an imaging unit having a filter that separates a plurality of monochromatic lights,
Intensity values of interference fringes of other monochromatic light included in each monochromatic light are removed by the influence of crosstalk caused by the filter characteristics.
(作用・効果) この方法によると、測定対象の単色光に含まれるフィルタ特性によって生じた不要な他の単色光の干渉縞の強度値を除去することができる。したがって、測定対象物の表面形状を精度よく求めることができる。 (Operation / Effect) According to this method, it is possible to remove the intensity value of the interference fringes of other unnecessary monochromatic light generated by the filter characteristics included in the monochromatic light to be measured. Therefore, the surface shape of the measurement object can be obtained with high accuracy.
第5の発明は、分岐手段を介して測定対象面と参照面に単色光を照射し、測定対象面と参照面の両方から反射して同一光路を戻る反射光によって生じる干渉縞の強度値に基づいて、測定対象面の表面高さと表面形状を求める複数波長による表面形状測定装置において、
前記参照面は、光の進行方向に対して任意角度の傾斜姿勢で配備されており、
測定対象物を載置保持する保持手段と、
波長の異なる複数の単色光を同時に出力する照明手段と、
複数の前記単色光が照射されて測定対象物と参照面とから反射して同一光路を戻る反射光によって単色光ごとに干渉縞を生じさせて測定対象面を撮像する撮像手段と、
撮像された前記測定対象面を画素ごとに干渉縞の強度値として取り込むサンプリング手段と、
前記サンプリング手段によって取り込まれた前記強度値である干渉縞強度値群を記憶する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶された強度値群から画素ごとに強度値を読み出し、各画素の強度値と画素ごとにその近隣にある画素の強度値を利用し、各画素に含まれる干渉縞波形の直流成分、交流振幅、および位相が等しいと仮定するとともに、干渉縞波形を求める表現式を利用して各画素の位相を単色光ごとに求め、
単色光ごとに求めた各画素の位相から複数個の表面高さの候補群を求め、各候補群から共通する高さを実高さとして求め、
さらに、この求めた前記測定対象面の表面高さから表面形状を求める演算手段と、
を備えたことを特徴とする。
According to a fifth aspect of the present invention, the intensity of interference fringes generated by reflected light that irradiates the measurement target surface and the reference surface through the branching means and reflects from both the measurement target surface and the reference surface and returns on the same optical path. Based on the surface shape measuring device with multiple wavelengths to obtain the surface height and surface shape of the measurement target surface,
The reference surface is arranged in an inclined posture at an arbitrary angle with respect to the traveling direction of light,
Holding means for placing and holding the measurement object;
Illumination means for simultaneously outputting a plurality of monochromatic lights having different wavelengths;
An imaging unit that images the measurement target surface by generating interference fringes for each monochromatic light by reflected light that is irradiated with the plurality of monochromatic lights and reflected from the measurement object and the reference surface and returns on the same optical path;
Sampling means for capturing the measured measurement target surface as an interference fringe intensity value for each pixel;
Storage means for storing an interference fringe intensity value group that is the intensity value captured by the sampling means;
The intensity value is read out for each pixel from the intensity value group stored in the storage means, and the intensity value of each pixel and the intensity value of a neighboring pixel are used for each pixel, and the DC of the interference fringe waveform included in each pixel Assuming that the components, AC amplitude, and phase are equal, using the expression for obtaining the interference fringe waveform, obtain the phase of each pixel for each monochromatic light,
Obtain a plurality of surface height candidate groups from the phase of each pixel obtained for each monochromatic light, obtain the common height from each candidate group as the actual height,
Further, a calculation means for obtaining a surface shape from the obtained surface height of the measurement target surface,
It is provided with.
また、第10の発明は、分岐手段を介して測定対象面と参照面に単色光を照射し、測定対象面と参照面の両方から反射して同一光路を戻る反射光によって生じる干渉縞の強度値に基づいて、測定対象面の表面高さと表面形状を求める複数波長による表面形状測定装置において、
前記参照面は、光の進行方向に対して任意角度の傾斜姿勢で配備されており、
測定対象物を載置保持する保持手段と、
複数波長からなる光を出力する照明手段と、
前記光が照射されて測定対象物と参照面とから反射して同一光路を戻る反射光を、異なる波長の複数の単色光に分離する分離手段と、
分離された前記単色光ごとに干渉縞を生じさせて測定対象面を撮像する撮像手段と、
撮像された前記測定対象面を画素ごとに干渉縞の強度値として取り込むサンプリング手段と、
前記サンプリング手段によって取り込まれた前記強度値である干渉縞強度値群を記憶する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶された強度値群から画素ごとに強度値を読み出し、各画素の強度値と画素ごとにその近隣にある画素の強度値を利用し、各画素に含まれる干渉縞波形の直流成分、交流振幅、および位相が等しいと仮定するとともに、干渉縞波形を求める表現式を利用して各画素の位相を単色光ごとに求め、
単色光ごとに求めた各画素の位相から換算して求めた複数個の表面高さの候補群から、共通する高さを実高さとして求め、
さらに、この求めた前記測定対象面の表面高さから表面形状を求める演算手段と、
を備えたことを特徴とする。
Further, the tenth invention irradiates the measurement target surface and the reference surface with monochromatic light via the branching means, reflects the interference fringes generated by the reflected light that is reflected from both the measurement target surface and the reference surface and returns on the same optical path. In the surface shape measuring device with multiple wavelengths to obtain the surface height and surface shape of the measurement target surface based on the value,
The reference surface is arranged in an inclined posture at an arbitrary angle with respect to the traveling direction of light,
Holding means for placing and holding the measurement object;
Illuminating means for outputting light having a plurality of wavelengths;
Separating means for separating the reflected light that is irradiated with the light and reflected from the measurement object and the reference surface and returns on the same optical path into a plurality of monochromatic lights having different wavelengths;
Imaging means for imaging the measurement target surface by generating interference fringes for each of the separated monochromatic lights;
Sampling means for capturing the measured measurement target surface as an interference fringe intensity value for each pixel;
Storage means for storing an interference fringe intensity value group that is the intensity value captured by the sampling means;
The intensity value is read out for each pixel from the intensity value group stored in the storage means, and the intensity value of each pixel and the intensity value of a neighboring pixel are used for each pixel, and the DC of the interference fringe waveform included in each pixel Assuming that the components, AC amplitude, and phase are equal, using the expression for obtaining the interference fringe waveform, obtain the phase of each pixel for each monochromatic light,
From a plurality of surface height candidate groups obtained by conversion from the phase of each pixel obtained for each monochromatic light, obtain a common height as the actual height,
Further, a calculation means for obtaining a surface shape from the obtained surface height of the measurement target surface,
It is provided with.
(作用・効果) これら上記構成によると、保持手段は、測定対象物を載置保持する。照明手段は、波長の異なる複数の単色光を同時に出力する。撮像手段は、複数の単色光が照射されて測定対象物と参照面とから反射して同一光路を戻る反射光によって干渉縞を生じさせて測定対象面を撮像する。サンプリング手段は、撮像された前記測定対象面を画素ごとに干渉縞の強度値として取り込む。記憶手段は、サンプリング手段によって取り込まれた強度値である干渉縞強度値群を記憶する。演算手段は、記憶手段に記憶された強度値群から画素ごとに強度値を読み出し、各画素の強度値と画素ごとにその近隣にある画素の強度値を利用し、各画素に含まれる干渉縞波形の直流成分、交流振幅、および位相が等しいと仮定するとともに、干渉縞波形を求める表現式を利用して各画素の位相を単色光ごとに求め、単色光ごとに求めた各画素の位相から複数個の表面高さの候補群を求め、各候補群から共通する高さを実高さとして求め、さらに、この求めた前記測定対象面の表面高さから表面形状を求める。 (Operation / Effect) According to these configurations, the holding means places and holds the measurement object. The illumination unit outputs a plurality of monochromatic lights having different wavelengths simultaneously. The imaging means images the measurement target surface by generating interference fringes by reflected light that is irradiated with a plurality of monochromatic lights, reflected from the measurement target and the reference surface, and returned on the same optical path. The sampling means captures the imaged measurement target surface as an interference fringe intensity value for each pixel. The storage means stores an interference fringe intensity value group that is an intensity value captured by the sampling means. The calculation means reads the intensity value for each pixel from the intensity value group stored in the storage means, and uses the intensity value of each pixel and the intensity value of the neighboring pixel for each pixel, and the interference fringes included in each pixel Assuming that the DC component, AC amplitude, and phase of the waveform are equal, the expression of the interference fringe waveform is used to obtain the phase of each pixel for each monochromatic light, and from the phase of each pixel obtained for each monochromatic light A plurality of candidate groups for the surface height are obtained, a common height is obtained from each candidate group as an actual height, and a surface shape is obtained from the obtained surface height of the measurement target surface.
つまり、波長の異なる複数の単色光を測定対象物と参照面に同時に照射し、同一光路を戻る反射光から異なる波長ごとに画素単位での複数個の表面高さの候補群を求めることができる。さらに、共通する高さを各候補群から求めて実高さとする。したがって、広い候補範囲から正確な表面高さを求めることができる。その結果、求めた複数の表面高さから測定対象物の表面高さを求めることができる。すなわち、上記第1の発明を好適に実現することができる。 In other words, a plurality of monochromatic lights having different wavelengths can be simultaneously irradiated onto the measurement object and the reference surface, and a plurality of surface height candidate groups can be obtained for each different wavelength from reflected light returning from the same optical path. . Further, a common height is obtained from each candidate group and is set as an actual height. Therefore, an accurate surface height can be obtained from a wide candidate range. As a result, the surface height of the measurement object can be obtained from the obtained plurality of surface heights. That is, the first invention can be suitably realized.
なお、上記構成において、照明手段は、例えば、異なる波長を出力する複数個の単色光源を有するように構成してもよいし、白色光源と、白色光源から出力される光のうち所定の異なる複数の波長の単色光に分離して分岐手段に向かわせる光学手段とから構成しもよい。 In the above configuration, the illuminating means may be configured to have, for example, a plurality of single color light sources that output different wavelengths, or a predetermined different plurality of white light sources and light output from the white light sources. It is also possible to configure it with optical means for separating the light into monochromatic light having a wavelength of 1 and directing it to the branching means.
この構成によれば、異なる複数波長の単色光を測定対象物と参照面に同時に照射しやすい構成を実現できる。 According to this configuration, it is possible to realize a configuration that easily irradiates the measurement object and the reference surface with monochromatic light having different wavelengths.
また、照明手段は、複数波長からなる光を出力するものを利用し、撮像手段内またはその手前にこの光を波長の異なる複数の単色光に分離する分離手段(例えば、フィルタ)を配備して構成してもよい。このとき、演算手段は、フィルタ特性によって生じるクロストークの影響で単色光ごとに含まれる他の単色光の干渉縞の強度値を除去することが、さらに好ましい。この構成によれば、測定対象の単色光の干渉縞の強度値を精度よくもとめることができ、ひいては測定対象物の表面形状を精度よく求めることができる。 In addition, the illumination unit uses a device that outputs light having a plurality of wavelengths, and a separating unit (for example, a filter) that separates the light into a plurality of monochromatic lights having different wavelengths is provided in or in front of the imaging unit. It may be configured. At this time, it is more preferable that the calculation means removes the intensity value of the interference fringes of other monochromatic light included for each monochromatic light due to the influence of crosstalk caused by the filter characteristics. According to this configuration, the intensity value of the interference fringes of the monochromatic light to be measured can be obtained with high accuracy, and the surface shape of the measurement target can be obtained with high accuracy.
第12の発明は、第5ないし第11の発明に係る表面形状測定装置において、
前記演算手段は、各画素の強度値g(x)を画素の近傍で干渉縞波形の表現式である g(x,y) = a+bcos{2πfxx+2πfyy+φ} にフィッティングさせることから求めることを特徴とする。
A twelfth aspect of the invention is the surface shape measuring apparatus according to the fifth to eleventh aspects of the invention,
The calculation means obtains the intensity value g (x) of each pixel by fitting it to the expression of interference fringe waveform in the vicinity of the pixel g (x, y) = a + bcos {2πf x x + 2πf y y + φ}. Features.
(作用・効果) この構成によると、各画素の強度値g(x)を画素の近傍で干渉縞波形の表現式である g(x,y) = a+bcos{2πfxx+2πfyy+φ} にフィッティングさせることにより、各画素の位相を容易に求めることができる。すなわち、上記第3の方法発明を好適に実現することができる。 (Operation / Effect) According to this configuration, the intensity value g (x) of each pixel is fitted to the interference fringe waveform expression g (x, y) = a + bcos {2πf x x + 2πf y y + φ} in the vicinity of the pixel. Thus, the phase of each pixel can be easily obtained. That is, the third method invention can be suitably realized.
本発明に係る複数波長による表面形状の測定方法およびこれを用いた装置によると、任意角度の斜め傾斜姿勢の参照面と略平坦な測定対象面とから同一光路を戻る反射光により干渉縞を発生させて画素ごとの強度値を求める。そして干渉縞波形を求める表現式と各画素の強度値と画素ごとにその近隣にある画素の強度値とを利用し、各画素に含まれる干渉縞波形の直流成分、交流振幅、および位相が等しいと仮定し、各画素の位相を求める。したがって、各画素における干渉縞波形の直流成分と交流振幅をキャンセルすることができる。その結果、空間周波数成分を除去するローパスフィルタ処理のようなフィルタリング処理を施す必要がなくなる。また、フィルタリング処理の影響で発生する空間分解能の低下を回避し、測定対象面の急峻な箇所のエッジ部分を正確に求めることができ、ひいては測定対象面の凹凸段差を精度よく求めることができる。 According to the surface shape measuring method using a plurality of wavelengths and the apparatus using the same according to the present invention, interference fringes are generated by reflected light returning from the same optical path from a reference surface having an arbitrary oblique inclination and a substantially flat measurement target surface. Thus, an intensity value for each pixel is obtained. Then, using the expression for obtaining the interference fringe waveform, the intensity value of each pixel and the intensity value of the neighboring pixel for each pixel, the DC component, AC amplitude, and phase of the interference fringe waveform included in each pixel are equal. And the phase of each pixel is obtained. Therefore, the DC component and AC amplitude of the interference fringe waveform in each pixel can be canceled. As a result, it is not necessary to perform a filtering process such as a low-pass filter process for removing the spatial frequency component. In addition, it is possible to avoid a decrease in spatial resolution caused by the filtering process, to accurately obtain the sharp edge portion of the measurement target surface, and to accurately obtain the uneven step on the measurement target surface.
また、単色光ごとに位相から求めた複数個の表面高さの候補群を求め、さらに各候補群から共通する表面高さ実高さとして求めることにより、測定精度を向上させることができる。また、表面高さの候補を増やすことにより、測定できる高さの上限を高めることができる。 Further, by obtaining a plurality of surface height candidate groups obtained from the phase for each monochromatic light, and further obtaining the common surface height actual height from each candidate group, the measurement accuracy can be improved. Moreover, the upper limit of the height which can be measured can be raised by increasing the candidate of surface height.
また、異なる波長の複数の単色光を分岐手段を介して測定対象物と参照面に同時に照射しながら、リアルタイムに波長ごとの各画素についての位相を求めるとともに、この位相から測定対象物の表面高さと表面形状をリアルタイムに測定することができる。したがって、同一の条件での測定結果を得ることができる。換言すれば、振動などの外乱の影響を受けづらくなる。 In addition, while simultaneously irradiating the measurement object and the reference surface with a plurality of monochromatic lights of different wavelengths through the branching means, the phase for each pixel for each wavelength is obtained in real time, and the surface height of the measurement object is calculated from this phase. And surface shape can be measured in real time. Therefore, measurement results under the same conditions can be obtained. In other words, it becomes difficult to be affected by disturbances such as vibration.
さらに、1個の測定対象物の表面全体について連続的に高さおよび表面形状を測定することができるし、複数個の測定対象物にわたっても連続してその測定処理を行うことができる。その結果、処理時間を短縮することができる。すなわち、作業効率の向上を図ることができる。 Furthermore, the height and the surface shape can be continuously measured for the entire surface of one measurement object, and the measurement process can be continuously performed over a plurality of measurement objects. As a result, the processing time can be shortened. That is, work efficiency can be improved.
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。なお、本実施例では、表面が略平坦な測定対象物のその表面高さおよびその表面形状を、干渉縞を利用して測定する表面形状測定装置を例に採って説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the present embodiment, a surface shape measuring apparatus that measures the surface height and the surface shape of a measurement object having a substantially flat surface using interference fringes will be described as an example.
図1は、本発明の実施例に係る表面形状測定装置の概略構成を示す図である。 FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a surface shape measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
この表面形状測定装置は、半導体ウエハ、液晶パネル、プラズマディスプレイパネル、磁性体フィルム、ガラス基板、金属膜などの表面に微細な凹凸段差を有する略平坦な測定対象物30に特定波長帯域の単色光を照射する光学系ユニット1と、光学系ユニット1を制御する制御系ユニット2と、測定対象物30を載置保持する保持テーブル40とを備えている。
This surface shape measuring apparatus is a monochromatic light of a specific wavelength band on a substantially
光学系ユニット1は、測定対象面30Aおよび参照面15に向けて異なる複数波長の単色光を出力する照明装置10と、各単色光を平行光にするコリメートレンズ11と、両単色光を測定対象物30の方向に反射する一方、測定対象物30の方向からの光を通過させるハーフミラー13と、ハーフミラー13で反射されてきた単色光を集光する対物レンズ14と、対物レンズ14を通過してきた単色光を、参照面15へ反射させる参照光と、測定対象面30Aへ通過させる測定光とに分けるとともに、参照面15で反射してきた参照光と測定対象面30Aで反射してきた測定光とを再びまとめて干渉縞を発生させるビームスプリッタ17と、参照光と測定光とがまとめられた単色光を結像する結像レンズ18と、干渉縞とともに測定対象面30Aを撮像する撮像装置19とを備えている。
The
照明装置10は、異なる2波長の光を出力する第1光源10Aおよび第2光源10Bと、異なる方向から出力される両光を同じ方向に揃える光学部材10Cとから構成されている。本実施例の各光源10A,10Bとしては、例えばLED(Light Emitting Diode)が利用され、例えば次の波長の光を出力する。第1光源10Aは、波長λ1=470nm、第2光源は、波長λ2=627nm。なお、照明装置10は、本発明の照明手段に相当する。
The
ハーフミラー13は、コリメータレンズ11からの平行光を測定対象物30に向けて反射する一方、測定対象物30から戻ってきた反射光を通過させるものである。
The
対物レンズ14は、入射してきた両単色光を焦点とする測定対象面に集光するレンズである。
The
ビームスプリッタ17は、対物レンズ14で集光される光を参照面15で反射させる参照光と、測定対象面30Aで反射させる測定光とに分ける。また、各面で反射して同一光路を戻る参照光と測定光とを再びまとめることによって、干渉を発生させる。なお、ビームスプリッタ17は、本発明の分岐手段に相当する。
The
参照面15は、表面が鏡面加工されており、参照光の進行方向に対して前後斜め傾斜姿勢で取り付けられている。この参照面15によって反射された参照光は、ビームスプリッタ17に達し、さらに、この参照光はビームスプリッタ17によって反射されるようになっている。
The
なお、参照面15を参照光の進行方向に対して前後斜め傾斜姿勢で取り付けることにより、参照光の到達距離および反射光が撮像装置19に到達するまでの距離が、その反射面の位置によって変化する。これは参照面15を移動して、参照面15とビームスプリッタ17との間の距離L1を変動させるのと等価である。
In addition, by attaching the
すなわち、ビームスプリッタ17を通過した測定光は、焦点に向けて集光され、測定対象面30Aで反射する。この反射した測定光は、ビームスプリッタ17に達して、そのビームスプリッタ17を通過する。
That is, the measurement light that has passed through the
ビームスプリッタ17で、参照光と測定光とが再びまとまる。このとき、参照面15とビームスプリッタ17との間の距離L1と、ビームスプリッタ17と測定対象面30Aとの間の距離L2との違いによって光路差が生じる。この光路差に応じて、参照光と測定光とは干渉する。
The reference beam and the measurement beam are combined again by the
撮像装置19は、測定光によって映し出される測定対象面30Aの画像を撮像する。このとき、参照面15が傾いていることにより、撮像された測定対象面30Aの画像には干渉による輝度の空間的な変動である干渉縞が撮像される。この撮像した画像データは、制御系ユニット2のメモリ21によって収集される。また、後述で明らかになるが、制御系ユニット2の駆動部24によって、所望する撮像箇所へ光学系ユニット1を図1中のx,y,z軸方向に移動するように構成されている。また、撮像装置19によって所定のサンプリングタイミングで測定対象面30A、30Bの画像が撮像され、その画像データが制御系ユニット2によって収集される。なお、撮像装置19は、本発明の撮像手段に相当し、制御系ユニット2は、本発明のサンプリング手段として機能する。
The
本実施例における撮像装置19としては、波長の異なる複数の単色光を検出できる構成であればよく、例えば、CCD固体撮像素子、MOSイメージセンサ、CMOSイメージセンサ、光電撮像管、アバランシェ電子倍増効果撮像管、EB−CCDなどがある。
The
制御系ユニット2は、表面形状測定装置の全体の統括的な制御や、所定の演算処理を行うためのCPU20と、CPU20によって逐次収集された画像データや演算結果などの各種のデータおよびプログラムなどを記憶するメモリ21と、サンプリングタイミングや撮像エリアなどその他の設定情報を入力するマウスやキーボードなどの入力部22と、測定対象面30Aの画像などを表示するモニタ23とを備える。また、CPU20の指示に応じて光学系ユニット1を上下左右に移動するように駆動させる。例えば、3軸駆動型のサーボモータなどの駆動機構で構成される駆動部24を備えるコンピュータシステムで構成されている。なお、CPU20は、本発明における演算手段に相当する。
The
CPU20は、いわゆる中央演算処理装置であって、撮像装置19、メモリ21および駆動部24を制御するとともに、撮像装置19で撮像した干渉縞を含む測定対象面30Aの画像データに基づいて、測定対象物30の表面高さを求める演算処理を行う位相算出部25や求めた複数個の表面高さのデータから表面形状を求める画像データ作成部27を備えている。このCPU20における位相算出部25や画像データ作成部27の処理については後述する。さらに、CPU20には、モニタ23と、キーボードやマウスなどの入力部22とが接続されており、操作者は、モニタ23に表示される操作画面を観察しながら、入力部22から各種の設定情報の入力を行う。また、モニタ23には、測定対象面30Aの表面画像や凹凸形状などが数値や画像として表示される。
The
駆動部24は、所望する撮像箇所へ例えば光学系ユニット1を図1中のx,y,z軸方向に移動させる装置である。この駆動部24は、CPU20からの指示によって光学系ユニット1をx,y,z軸方向に駆動する例えば3軸駆動型のサーボモータを備える駆動機構で構成されている。なお、本実施例では、光学系ユニット1を動作させるが、例えば測定対象物30が載置される保持テーブル40を直交3軸方向に変動させるようにしてもよい。また、移動軸は2軸以下や存在しなくても良い。
The
以下、本実施例の特徴部分である表面形状測定装置全体で行なわれる処理を図2に示すフローチャートに従って説明する。 Hereinafter, processing performed in the entire surface shape measuring apparatus, which is a characteristic part of the present embodiment, will be described with reference to a flowchart shown in FIG.
なお、本実施例では、参照面15を、図1に示すように傾けた場合を例に採って説明する。この場合、撮影画像は図3に示すようになる。なお、本実施例では、説明の簡素化のためにx軸方向の場合を例に採って説明する。
In the present embodiment, the case where the
<ステップS1> 測定データの取得
CPU20は、図示しないステッピングモータなどの駆動系を駆動させて駆動部24が光学ユニット1を測定対象物30の撮像領域に移動させる。撮像位置が決定すると、光学系ユニット1は、照明装置10の各光源10A、10Bから異なる波長の単色光λ1、λ2を同時に出力する。この両単色光は、光学部材10cでまとめられてハーフミラー13に向う。
<Step S1> Acquisition of Measurement Data The
単色光の出力に連動して撮像装置19が作動し、例えば、図1に示す凸部30Bを有する測定対象面30Aの撮像を1回行う。この撮像によって取得された測定対象面30Aの干渉縞の画像データがメモリ21に記憶される。つまり、メモリ21には傾斜姿勢の参照面15での反射光と、測定対象面30Aで反射して戻る反射光とによって生じる干渉縞の画像データが単色光ごとに記憶される。このとき参照面15で反射する光の伝播距離(L1の2倍)は、参照面15での反射位置において規則的に変動する。したがって、測定対象面30Aの高さが平坦な部分では、測定対象面30Aからの反射光の伝播距離(L2の2倍)は、測定箇所における変動は無いので、撮像装置19によって撮像される画像における干渉縞は参照面15の傾きの向きと角度に応じて撮像面内に空間的に規則的に現れる。この干渉縞は参照面15からの反射光の伝播距離(L1の2倍)と測定対象面30Aからの反射光の伝播距離(L2の2倍)の差がλ1/2=235nmおよびλ2/2=313.5nmなるごとに1周期分現れる。
The
一方、図1に示されるように、測定対象面30Aの高さが変動する箇所では、干渉縞がずれた不規則な縞模様として現れる。
On the other hand, as shown in FIG. 1, in the portion where the height of the
なお、この過程が本発明における第1過程に相当する。 This process corresponds to the first process in the present invention.
<ステップS2> 干渉光強度値群の取得
CPU20は、メモリ21に記憶した各画素の強度値、すなわち、測定対象面30Aの干渉光の強度値を画像データから取り込む。このとき、測定対象面30Aと凸部30Bの高さが変動する図4に示す画素番号200と330近辺で、干渉縞の空間的な位相が(例えば図4の本実施例ではX軸方向に)ずれた不規則な縞模様として現れる。
<Step S2> Acquisition of Interference Light Intensity Value
なお、この過程が本発明における第2過程に相当する。 This process corresponds to the second process in the present invention.
<ステップS3> 各波長の画素単位での位相φ1、φ2の算出
CPU20の位相算出部25は、測定対象面30Aの算出対象の画素における位相を、その画素と当該画素に隣接する画素(本実施例ではx軸方向に隣接する画素)のそれぞれの干渉縞の光強度値を用いて予め決定した計算アルゴリズムを利用して求めてゆく。具体的には、算出対象の画素および当該画素に隣接する画素における干渉縞の光の強度値を干渉縞波形を求める表現式にあてはめて(フィッティング)位相を求める。
<Step S3> Calculation of Phases φ1 and φ2 in Pixel Units for Each Wavelength The
まず、算出対象の画素における干渉縞の光の強度値は次式(1)のように記載される。 First, the intensity value of the interference fringe light in the pixel to be calculated is described as the following equation (1).
g(x) = a( x )+b( x )cos{2πfx+φ( x )} ・・・(1) g (x) = a (x) + b (x) cos {2πfx + φ (x)} (1)
ここで、xは算出対象の画素の位置座標、a( x )は干渉縞波形に含まれる直流成分、b( x )は干渉縞波形に含まれる交流成分(振動成分の振幅であって、以下、適宜に「交流振幅」という)、fは干渉縞g(x)の空間周波数成分、φ( x )は測定対象面30Aの所定画素に対応する位相で算出すべきものである。なお、算出対象の画素の位置座標は(x、y)の2次元で現されるが、本実施例では説明を簡便化するためy座標を省略して記載する。
Here, x is the position coordinate of the pixel to be calculated, a (x) is a direct current component included in the interference fringe waveform, b (x) is an alternating current component (amplitude of vibration component) included in the interference fringe waveform, and (Referred to as “AC amplitude” as appropriate), f is a spatial frequency component of the interference fringe g (x), and φ (x) is to be calculated with a phase corresponding to a predetermined pixel of the
次に、隣接する画素については、算出対象の画素からx軸方向に微小距離Δxずれているので、その干渉縞の光の強度値は次式(2)ように表現される。 Next, since adjacent pixels are shifted from the pixel to be calculated by a minute distance Δx in the x-axis direction, the light intensity value of the interference fringes is expressed by the following equation (2).
g(x+Δx ) = a( x+Δx )+b( x+Δx )cos{2πf( x+Δx )+φ( x+Δx )} ・・・(2) g (x + Δx) = a (x + Δx) + b (x + Δx) cos {2πf (x + Δx) + φ (x + Δx)} (2)
ここで、本実施例では、算出対象の画素と隣接する画素とのピッチが微小距離であるので、各画素にまたがる干渉縞に含まれる直流成分、交流振幅、および位相を等しいと仮定し、次式(3)〜(5)の関係式を利用する。 Here, in this embodiment, since the pitch between the pixel to be calculated and the adjacent pixel is a minute distance, it is assumed that the DC component, AC amplitude, and phase included in the interference fringe extending over each pixel are equal, and The relational expressions (3) to (5) are used.
a( x ) = a( x+Δx) = a ・・・(3)
b( x ) = b( x+Δx) = b ・・・(4)
φ( x ) = φ( x+Δx ) =φ ・・・(5)
ここで、a、b、φは定数である。
a (x) = a (x + Δx) = a (3)
b (x) = b (x + Δx) = b (4)
φ (x) = φ (x + Δx) = φ (5)
Here, a, b, and φ are constants.
上記(3)〜(5)のように仮定することにより、式(1)および式(2)は、以下の式(1a)および式(2a)のように置き直すことができる。 Assuming the above (3) to (5), the expressions (1) and (2) can be replaced as the following expressions (1a) and (2a).
g(x) = a+bcos(2πfx+φ) ・・・(1a) g (x) = a + bcos (2πfx + φ) (1a)
g(x+Δx ) = a+bcos{2πf( x+Δx )+φ} ・・・(2a) g (x + Δx) = a + bcos {2πf (x + Δx) + φ} (2a)
次に、式(1a)および式(2a)を変形し、次式(6)、(7)を作成する。 Next, the equations (1a) and (2a) are modified to create the following equations (6) and (7).
G(x) = g(x)−a=bcos(2πfx+φ) ・・・(6) G (x) = g (x) −a = bcos (2πfx + φ) (6)
G(x+Δx)=g(x+Δx ) −a=bcos{2πf( x+Δx )+φ} ・・・(7) G (x + Δx) = g (x + Δx) −a = bcos {2πf (x + Δx) + φ} (7)
次に、加法定理により式(6)、(7)を次式(8)、(9)のように変形する。 Next, equations (6) and (7) are transformed into the following equations (8) and (9) by the addition theorem.
G(x) = bcos( 2πfx+φ)
=b{cos( 2πfx )cosφ−sin( 2πfx )sinφ} ・・・(8)
G (x) = bcos (2πfx + φ)
= B {cos (2πfx) cosφ−sin (2πfx) sinφ} (8)
G(x+Δx)=bcos{ 2πf( x+Δx )+φ}
=b[cos{ 2πf( x+Δx )}cosφ−sin( 2πfx+Δx )sinφ] ・・・(9)
G (x + Δx) = bcos {2πf (x + Δx) + φ}
= B [cos {2πf (x + Δx)} cosφ−sin (2πfx + Δx) sinφ] (9)
次に、これら式(8)、(9)を行列(10)で表わす。 Next, these equations (8) and (9) are represented by a matrix (10).
なお、Aは、次のように表される。
ここで、行列(10)の左辺からAの逆行列を掛けて展開することにより、次式(11)、(12)を求める。 Here, the following equations (11) and (12) are obtained by multiplying the left side of the matrix (10) by the inverse matrix of A and expanding.
これら上記式(11)、(12)を利用し、次式(13)を得ることができる。なお、ここで、上記bsinφおよびbcosφのそれぞれをbsinφ=S およびbcosφ=Cとし、さらにtanφ=S/Cとする。 By using these equations (11) and (12), the following equation (13) can be obtained. Here, bsinφ and bcosφ are set to bsinφ = S and bcosφ = C, respectively, and tanφ = S / C.
φ=arctan{ S/C } +n’π ・・・(13)
なお、n’は、整数である。
φ = arctan {S / C} + n′π (13)
Note that n ′ is an integer.
ここで、CPU20は、さらに符号判定部26を備え、この符号判定部26がsinφとcosφの符号情報を参照する。この符号情報を用いると、sinφとcosφの符号の組み合わせから、φの存在範囲をπから2πに拡張できることになる。図5は、式(13)に示されるような、sinφとcosφの符号情報を参照してφの範囲を特定するための具体的な図である。よって、sinφとcosφの符号情報を用いれば式(13)は次式(14)で表わすことができる。
Here, the
φ= arctan{ S/C } + 2nπ ・・・(14)
なお、nは、整数である。
φ = arctan {S / C} + 2nπ (14)
Note that n is an integer.
よって、G(x)と干渉縞波形の空間周波数fが既知であるならば式(14)によって位相φを求めることができる。G(x)は画素の輝度情報g(x)およびg(x+Δx)と干渉縞波形の直流成分aからなるので、結局g(x)およびg(x+Δx)、干渉縞波形の直流成分a、干渉縞波形の空間周波数fが既知であるならば式(14)によってφを求めることができる。すなわち、波長λ1およびλ2場合のそれぞれの位相φ1、φ2を上記演算式を利用して求める。 Therefore, if G (x) and the spatial frequency f of the interference fringe waveform are known, the phase φ can be obtained by Expression (14). G (x) is composed of the luminance information g (x) and g (x + Δx) of the pixel and the direct current component a of the interference fringe waveform, so that g (x) and g (x + Δx), the direct current component a of the interference fringe waveform, interference If the spatial frequency f of the fringe waveform is known, φ can be obtained by the equation (14). That is, the respective phases φ1 and φ2 in the case of the wavelengths λ 1 and λ 2 are obtained by using the above arithmetic expressions.
g(x)およびg(x+Δx)は撮像装置19の画素の輝度情報として得ることができる。
g (x) and g (x + Δx) can be obtained as luminance information of the pixels of the
aは例えば、撮像装置19で観測された全画素の輝度の平均値とする方法、位相算出対象画素の近傍画素の平均値とする方法、あるいは予め反射率を測定する方法等で求めることができる。
For example, a can be obtained by a method of setting the average value of the luminance of all the pixels observed by the
fは例えば、参照面15の設置角度から求める方法、予め測定対象物として平坦面を観察した場合の干渉縞波形の画面内の干渉縞本数から求める方法等で求めることができる。
For example, f can be obtained by a method of obtaining from the installation angle of the
なお、この過程が本発明の第3過程に相当する。 This process corresponds to the third process of the present invention.
<ステップS4> 各波長の画素単位での表面高さz1、z2の算出
CPU20は、上記式(14)から波長λ1、λ2ごとに算出された算出対象の画素の位相φ1( x )、φ2( x )を次式(15)に代入してそれぞれの高さz1( x )、z2( x )を求める。
<Step S4> Calculation of Surface Heights z 1 and z 2 in Pixel Units for Each Wavelength The
z(x)=[φ(x)/4π]λ+z0 ・・・(15) z (x) = [φ (x) / 4π] λ + z 0 (15)
なお、z0は測定対象物30の基準高さである。
Note that z 0 is the reference height of the
ここで、波長λとした場合、λ/2の範囲ごとに表面高さの解候補値群が存在する。したがって、本実施例のように2波長λ1、λ2を利用したときの表面高さの解候補値群は、両候補値群のλ1/2とλ2/2の最小公倍数の範囲ごとに周期的に存在する。 Here, when the wavelength is λ, there are surface height solution candidate value groups for each range of λ / 2. Therefore, each surface height solution candidate value group is in the range of lambda 1/2 and lambda 2/2 of the least common multiple of the two candidate values groups of two wavelengths lambda 1, when utilizing the lambda 2 as in this embodiment Exists periodically.
求めるべき表面高さは1つだけなので、両候補値群から共通する高さを実高さとして求める。すなわち、各候補値群で求めた表面高さの解候補値のうち、互いに最も近い高さを実高さとする。 Since there is only one surface height to be obtained, a common height is obtained from both candidate value groups as the actual height. That is, among the solution candidate values for the surface height obtained in each candidate value group, the closest height is defined as the actual height.
例えば、周期的に存在するλ1の解候補値群が図6(a)に、λ2の解候補値群が図6(b)のようになる。ここで、図1に示す測定対象物30の底部30Aに相当する部分が画素番号のおおよそ0〜200までと、330〜500までとなり、凸部30Bが中央の画素番号200近辺〜330までとなる。そこで、画素ごとに両候補値群を比較し、底部30Aと凸部30Bの表面高さが略一致するものを抽出してゆく。すなわち、一方の底部30Aは、波長λ1の高さz11と波長λ2の高さz21と一致するので、このときの値を実高さとする。他方凸部30Bは、波長λ1の高さz13と波長λ2の多高さz23とが略一致するので、このときの値を実高さとする。
For example, FIG. 6A shows a solution candidate value group of λ 1 that periodically exists, and FIG. 6B shows a solution candidate value group of λ 2 . Here, the portion corresponding to the bottom 30A of the
すなわち、この原理に基づいて波長λ1、λ2で測定した位相φ1( x )、φ2( x )から、次式(15a)、(15b)によりそれぞれの表面高さを求める。 That is, based on this principle, the respective surface heights are obtained from the phases φ 1 (x) and φ 2 (x) measured at the wavelengths λ 1 and λ 2 by the following equations (15a) and (15b).
z1(x)=[φ1(x)/2π+n1]・(λ1/2) ・・・(15a)
z2(x)=[φ2(x)/2π+n2]・(λ2/2) ・・・(15b)
z 1 (x) = [φ 1 (x) / 2π + n 1] · (
z 2 (x) = [φ 2 (x) / 2π + n 2] · (
<ステップS5> 画素単位の実高さZを算出
さらに、上記2式を利用して、実高さZを次式(15c)によって求める。
<Step S5> Calculate actual height Z in pixel units Further, the actual height Z is obtained by the following equation (15c) using the above two equations.
Z=[Φ(x)/2π+N]・(Λ/2) ・・・(15c) Z = [Φ (x) / 2π + N] · (Λ / 2) (15c)
ただし、Φ=φ1−φ2;(−π<Φ≦π)、Λ=(λ1λ2)/|λ1−λ2|、N=n1−n2である。 However, Φ = φ 1 −φ 2 ; (−π <Φ ≦ π), Λ = (λ 1 λ 2 ) / | λ 1 −λ 2 |, and N = n 1 −n 2 .
なお、この過程が本発明における第4過程に相当する。 This process corresponds to the fourth process in the present invention.
<ステップS6> 全画素について算出終了?
CPU20は、全ての画素について位相と高さの算出が終了するまで、ステップS3〜S6の処理を繰り返し行い、位相と表面高さを求める。
<Step S6> Completion of calculation for all pixels?
CPU20 repeats the process of step S3-S6 until the calculation of a phase and height is complete | finished about all the pixels, and calculates | requires a phase and surface height.
<ステップS7> 表面形状の表示
CPU20の画像データ作成部27は、算出された実表面高さの情報から測定対象面30A、30Bの表示画像を作成する。そして、CPU20は、この画像データ作成部27によって作成された情報に基づいて、図7に示すように、モニタ23に測定対象物30の表面高さの情報を表示したり、それら各特定箇所の高さの情報に基づいた3次元または2次元の画像を表示したりする。オペレータは、これらの表示を観察することで、測定対象面30Aの表面にある凹凸形状を把握することができる。以上、測定対象面30Aの表面形状の測定処理が終了する。
<Step S7> Display of Surface Shape The image
なお、この過程が本発明における第5過程に相当する。 This process corresponds to the fifth process in the present invention.
上述のように、撮像装置19で撮像した画像データから画素ごとの干渉縞の光の強度値と、その近傍の複数画素の強度値を算出する過程で、各画素の干渉縞波形に含まれる直流成分a( x )、交流振幅b( x )、および位相φ( x )のそれぞれが各画素について等しいと仮定して連立比較することにより、各画素における干渉縞の直流成分と交流振幅をキャンセルすることができる。
As described above, in the process of calculating the intensity value of the interference fringe light for each pixel and the intensity values of a plurality of neighboring pixels from the image data captured by the
したがって、ローパスフィルタを利用することなしに測定対象面30Aの表面高さを測定することができるので、図7に示すように、測定対象面30Aの急峻なエッジ部分の表面高さを精度よく求めることができる。その結果、測定対象面30Aの表面形状を精度よく測定することができる。
Therefore, since the surface height of the
また、求めた位相から測定対象物の表面高さの候補値群を単色光ごとに求め、さらに各候補群から共通する高さを実際の高さとして求めるので、単一の位相から表面高さを求めるよりも広い候補範囲から実高さを精度よく求めることができる。また、使用する波長の組み合わせによって測定できる高さの上限を高くできる。例えば、波長λ1、λ2の差を小さくすれば、より高い凹凸段差を検出することができる。 In addition, a candidate value group for the surface height of the object to be measured is obtained for each monochromatic light from the obtained phase, and a common height is obtained from each candidate group as the actual height. The actual height can be obtained with high accuracy from a wider candidate range. Moreover, the upper limit of the height which can be measured with the combination of the wavelength to be used can be made high. For example, if the difference between the wavelengths λ 1 and λ 2 is reduced, a higher uneven step can be detected.
また、位相から測定対象物30の表面高さを求めるので、表面の凹凸状態の判別もできる。
Moreover, since the surface height of the measuring
さらに、同時に出力して複数の単色光からなる反射光を同時に検出して測定対象物30の表面高さと表面形状を測定することができるので、作業効率の向上を図ることができる。
Furthermore, since the surface height and the surface shape of the measuring
本発明は上述した実施例のものに限らず、次のように変形実施することもできる。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and can be modified as follows.
(1)上記実施例では、算出対象の画素に隣接する1個の画素の干渉光の強度値を利用して測定対象面30Aの高さを求めていたが、算出対象の画素の近傍にある2個の画素を利用し、合計3画素から測定対象面30Aの高さを求めてよい。
(1) In the above embodiment, the height of the
この場合、3元の連立方程式を解いて、3個の未知変数を求めることができる。よって、算出対象の画素に隣接する1個の画素の干渉光の強度値を利用して求めたときと比較すると、干渉縞波形の直流成分a、干渉縞波形の空間周波数fのいずれか一方を未知変数として追加できる。 In this case, three unknown variables can be obtained by solving a ternary simultaneous equation. Therefore, when compared with the case where the intensity value of the interference light of one pixel adjacent to the pixel to be calculated is used, one of the DC component a of the interference fringe waveform and the spatial frequency f of the interference fringe waveform is calculated. Can be added as an unknown variable.
fを別の方法で推定し,aを未知変数として追加した例を挙げると、算出対象の画素x+Δx1と近隣画素x+Δx2,x+Δx3の計3画素の干渉光の強度値を利用して、この所定画素の高さは、次式(16)のように求められる。 When f is estimated by another method and a is added as an unknown variable, the intensity of interference light of a total of three pixels, that is, the pixel x + Δx 1 and the neighboring pixels x + Δx 2 and x + Δx 3 are calculated. Using the value, the height of the predetermined pixel is obtained as in the following equation (16).
ただし、g1 = g( x+Δx1) ,g2= g( x+Δx2) ,g3 = g( x+Δx3 )である。
However, g 1 = g (x + Δx 1),
以上の演算処理により、測定対象面30Aの所定画素の表面高さを精度よく求めることができる。
Through the above arithmetic processing, the surface height of the predetermined pixel of the
また、本発明では、4個以上の複数個の近隣画素を利用して測定対象面30Aの高さを求めてもよい。この場合は、多数画素の強度値の情報をもとにφ(x)を求めるため、撮像時の輝度ノイズや計算時の量子化誤差に対する測定値の影響を小さくできるという特長を持つ。
In the present invention, the height of the
すなわち、上記実施例装置において、CPU20の位相算出部25は、求めたい測定対象面30Aの画素xにおける位相を、その画素xと当該画素xの近傍にある複数個(N個)の画素x+Δxi (i=1,2,3,…,N)(本実施例ではx軸方向に存在する複数個の画素)のそれぞれの干渉縞の光強度値を求めるために予め決定した計算アルゴリズムを利用して求めてゆく。具体的には、算出対象の画素xにおける干渉縞の光の強度値を次式(17)によって求める。
That is, in the above-described embodiment apparatus, the
g( x+Δxi ) = a( x+Δxi )+b( x+Δxi )cos{2π・f・( x+Δxi )+φ( x+Δxi )} … (17) g (x + [Delta] xi ) = a (x + [Delta] xi ) + b (x + [Delta] xi ) cos {2 [pi ] .f. (x + [Delta] xi ) + [phi] (x + [Delta] xi )} (17)
この場合も上述の実施例と同様に、各画素の干渉縞に含まれる直流成分、交流振幅、および位相を等しいと仮定し、上記式(3)〜(5)の関係式を適用する。本実施例の場合、次式(18)〜(20)のようになる。 In this case as well, as in the above-described embodiment, it is assumed that the DC component, AC amplitude, and phase included in the interference fringes of each pixel are equal, and the relational expressions (3) to (5) are applied. In the case of the present embodiment, the following expressions (18) to (20) are obtained.
a( xi ) = a( x+Δxi) = a ・・・ (18)
b( xi ) = b( x+Δxi) = b ・・・ (19)
φ( xi ) = φ( x+Δxi ) =φ ・・・ (20)
a (x i ) = a (x + Δx i ) = a (18)
b (x i ) = b (x + Δx i ) = b (19)
φ (x i ) = φ (x + Δx i ) = φ (20)
上記式(18)〜(20)のように仮定することにより、式(17)を次式(21)のように表わすことができる。 By assuming the above equations (18) to (20), the equation (17) can be expressed as the following equation (21).
g( x+Δxi ) = a + bcos{2π・f・( x+Δxi )+φ}
= a + bcosφ・cos{2π・f・( x+Δxi )}−bsinφ・sin{2π・f・( x+Δxi )} …(21)
g (x + Δx i ) = a + bcos {2π · f · (x + Δx i ) + φ}
= a + bcosφ · cos {2π · f · (x + Δx i )} − bsinφ · sin {2π · f · (x + Δx i )} (21)
これらN元の連立方程式から、干渉縞波形の直流成分a、交流振幅b、空間周波数f、位相φをフィッティングによる推定で求めることになる。ここで、干渉縞波形の直流成分aおよび、干渉縞波形の空間周波数fは2画素もしくは3画素からの位相φの算出のときと同様に別の方法で求めておいてもよい。 From these simultaneous equations of N elements, the DC component a, AC amplitude b, spatial frequency f, and phase φ of the interference fringe waveform are obtained by estimation by fitting. Here, the DC component a of the interference fringe waveform and the spatial frequency f of the interference fringe waveform may be obtained by another method as in the case of calculating the phase φ from two or three pixels.
次に、干渉縞波形の空間周波数fを推定し、干渉縞波形の直流成分aはフィッティングによる推定で求める例を記載する。 Next, an example will be described in which the spatial frequency f of the interference fringe waveform is estimated, and the DC component a of the interference fringe waveform is obtained by estimation by fitting.
特に、本変形例では、上記実施例の図2に示すフローチャートのステップS2とステップS3の間で空間周波数fの推定の演算処理が行われる。すなわち、この変形例の全体のフローチャートは、図8に示すようようになる。したがって、先ず、ステップS3における空間周波数fの推定のアルゴリズムについて説明する。 In particular, in the present modification, the calculation process for estimating the spatial frequency f is performed between step S2 and step S3 of the flowchart shown in FIG. That is, the overall flowchart of this modification is as shown in FIG. Therefore, first, the algorithm for estimating the spatial frequency f in step S3 will be described.
<ステップS3> 空間周波数fの推定
先ず、空間周波数fの推定には、例えば、Prony法を利用する。つまり、予め取得した複数個の等間隔標本値から標本点周波数fsを修正しながら逐次的に標本化を行う。最終的にfs=4fに収束させながら空間周波数fを推定する。具体的には、次のアルゴリズムを利用する。
<Step S3> Estimation of Spatial Frequency f First, for example, the Prony method is used to estimate the spatial frequency f. That is, sampling is performed sequentially while correcting the sample point frequency fs from a plurality of equally spaced sample values acquired in advance. Finally, the spatial frequency f is estimated while converging to fs = 4f. Specifically, the following algorithm is used.
予め取得した複数個の等間隔標本値から等間隔標本点x0、x1、x2、x3の4点を利用して次式(22)から空間周波数fを求める。 The spatial frequency f is obtained from the following equation (22) using four points of equidistant sample points x 0 , x 1 , x 2 , x 3 from a plurality of equidistant sample values acquired in advance.
f=(fs/2π)acos[(x3‐x2+x1‐x0)/{2*(x2‐x1)}] ・・・(22) f = (fs / 2π) acos [(x 3 -x 2 + x 1 -x 0 ) / {2 * (x 2 -x 1 )}] (22)
なお、acosは、arcコサインである。 Note that acos is an arc cosine.
ここで、Prony法による空間周波数の推定精度は、標本化周波数fsが推定対象である空間周波数fの4倍(fs=4f)に近似するほど高くなる。したがって、標本化周波数fsを逐次的に修正しながらfs=4fに収束させる。 Here, the spatial frequency estimation accuracy by the Prony method increases as the sampling frequency fs approximates to four times the spatial frequency f to be estimated (fs = 4f). Therefore, the sampling frequency fs is converged to fs = 4f while being sequentially corrected.
なお、標本点間隔tは、1画素の整数倍しかとることができないので、標本化周波数fsと得られた空間周波数fとの比が最も4に近いときの周波数を空間周波数fとして推定する。 Since the sampling point interval t can only be an integer multiple of one pixel, the frequency when the ratio between the sampling frequency fs and the obtained spatial frequency f is closest to 4 is estimated as the spatial frequency f.
本実施例では、上記アルゴリズムにより、空間周波数fの推定を、図9に示すフローチャートに沿って次にように実行する。 In the present embodiment, the estimation of the spatial frequency f is executed as follows along the flowchart shown in FIG.
<ステップS10> 標本化周波数の暫定値fs’を初期値f1に設定
予め取得した標本点データに対する標本化周波数の暫定値fs’をf1に設定する。具体的には、標本化周波数f1を推定周波数の2倍より大きく設定して、標本点間隔tがナイキスト間隔より小さくなるように設定する。例えば、図10に示すように、標本点間隔tが周期Tの1/2以下に収まる範囲で暫定標本化周波数f1を設定する
Set <Step S10>'provisional value fs of the sampling frequency to the initial value f 1 set previously acquired sample point data' provisional value fs of the sampling frequency f1. Specifically, the sampling frequency f 1 is set to be larger than twice the estimated frequency, and the sampling point interval t is set to be smaller than the Nyquist interval. For example, as shown in FIG. 10, the provisional sampling frequency f 1 is set in a range where the sampling point interval t falls within ½ of the period T.
<ステップS11> 標本点間隔tの算出
式t=round(1/fs’)から標本点間隔tを算出する。なお、ここで、roundは四捨五入による整数化を意味する。
<Step S11> Calculation of sampling point interval t The sampling point interval t is calculated from the equation t = round (1 / fs'). Here, round means rounding to an integer.
<ステップS12> 収束判定
前回に算出した間隔tと新たに算出した間隔tを比較演算し、求まる値が同じになったとき、その時点で収束したと判定する。例えば、図11の赤縞の実験データに示すように、繰り返し4回の計算を行った場合、標本点間隔tが、6、9、10、10の順番に変化した。すなわち、4回目の計算で収束したと判定する。このように、新たに算出した間隔tが前回の間隔tの同じ値になったとき、本処理を終了してステップS4に進む。新たな間隔tが前回と同じでなければ、次のステップS13に進む。
<Step S12> Convergence determination The previously calculated interval t and the newly calculated interval t are compared, and when the calculated values are the same, it is determined that the interval has converged. For example, as shown in the red stripe experimental data in FIG. 11, when the calculation was repeated four times, the sampling point interval t changed in the order of 6, 9, 10, and 10. That is, it determines with having converged by the 4th calculation. In this way, when the newly calculated interval t becomes the same value as the previous interval t, the present process is terminated and the process proceeds to step S4. If the new interval t is not the same as the previous time, the process proceeds to the next step S13.
<ステップS13> 標本化周波数fsの算出
間隔tを決定すると、標本化周波数fsをfs=1/tとして算出する。
<Step S13> Calculation of Sampling Frequency fs When the interval t is determined, the sampling frequency fs is calculated as fs = 1 / t.
<ステップS14> 空間周波数fの算出
測定対象の領域内の画素ごとに、間隔tで標本点x0、x1、x2、x3の4点を選択し、式(22)を利用して空間周波数fを算出し、領域全体での平均値を計算する。
<Step S14> Calculation of Spatial Frequency f Four sample points x 0 , x 1 , x 2 , x 3 are selected at intervals t for each pixel in the region to be measured, and using equation (22) The spatial frequency f is calculated, and the average value over the entire region is calculated.
<ステップS15> 新たな標本化周波数の暫定値fs’を算出
空間周波数fが求まると、fs=4fの関係を利用して新たな標本点周波数の暫定値fs’を算出する。当該暫定値fs’が求まると、ステップS11に戻り、ステップS12で前回の間隔tと新たな間隔tとが一致するまで以後のステップを繰り返す。
<Step S15> Calculation of Temporary Value fs ′ of New Sampling Frequency When the spatial frequency f is obtained, a temporary value fs ′ of a new sampling point frequency is calculated using the relationship of fs = 4f. When the provisional value fs ′ is obtained, the process returns to step S11, and the subsequent steps are repeated until the previous interval t coincides with the new interval t in step S12.
次に、空間周波数fの推定が終了すると、式(21)に対し、複数画素の強度値g( x+Δxi )をもとに以下の式(23)を満たす(a, bcosφ,bsinφ)の組を求める。そのうちの(bcosφ,bsinφ)から、φを求めればよい。 Next, the estimation of the spatial frequency f is terminated with respect to formula (21), satisfies the following equation (23) the intensity of a plurality of pixels values g a (x + [Delta] x i) based on (a, bcosφ, bsinφ) Ask for a pair. Of these, φ may be obtained from (bcosφ, bsinφ).
ここで、以下の式(24)、式(25)、式(26)のように置く。
次に、式(23)を満たすαは以下の式(27)のように求めることができる。 Next, α satisfying the equation (23) can be obtained as the following equation (27).
α=(AT・A)-1・AT・G ・・・ (27) α = (A T・ A) −1・ A T・ G (27)
そして、αのベクトル成分から位相φを次式(28)を用いて求めることができる。 Then, the phase φ can be obtained from the vector component of α using the following equation (28).
この式(28)から上記実施例に示す式(13)、(14)と同様にしてφを求めることができる。 From this equation (28), φ can be obtained in the same manner as equations (13) and (14) shown in the above embodiment.
上述のように、算出対象の画素に対して、当該画素の近隣画素を複数個利用しても、当該画素の高さを精度よく求めることができる。なお、この変形実施例では、X軸方向にある複数個の近隣画素を利用しているが、Y軸方向の画素を利用するなど、その利用画素については、特に限定されない。 As described above, even if a plurality of neighboring pixels of the pixel are used for the pixel to be calculated, the height of the pixel can be obtained with high accuracy. In this modified embodiment, a plurality of neighboring pixels in the X-axis direction are used. However, the use pixels are not particularly limited, such as using pixels in the Y-axis direction.
(2)上記実施例では、X軸もしくはY軸方向の1軸に分布する近傍画素を利用して説明したが、XY平面上に分布する近傍画素を利用してもよい。この場合、算出対象である(x, y)座標上にある画素に対し、当該画素の近傍にある画素の座標を{(xi,yi)}(i=1,2,…N)として解けばよく、上記式(1)をg(x,y) = a+bcos{2πfxx+2πfyy+φ}として演算処理をすればよい。 (2) In the above embodiment, the description has been given using the neighboring pixels distributed on one axis in the X-axis or Y-axis direction, but neighboring pixels distributed on the XY plane may be used. In this case, for the pixel on the (x, y) coordinate to be calculated, the coordinates of the pixel in the vicinity of the pixel are solved as {(xi, yi)} (i = 1, 2,... N). The arithmetic processing may be performed by setting the above formula (1) as g (x, y) = a + bcos {2πf x x + 2πf y y + φ}.
(3)上記実施例では、測定対象物30を静止状態で撮像していたが、長尺の測定対象物や複数個の測定対象物30を所定速度で移動させながら、この移動速度と同期をとりながら測定対象面30Aの画像を所定サンプリング時間で撮像し、表面高さを求めるように構成してもよい。
(3) In the above embodiment, the
(4)上記実施例は、単色光ごとに求めた表面高さの候補値群から実際の高さを算出する過程で、候補値の平均を算出して利用してもよい。これにより、装置などの固体誤差をキャンセルすることができる。 (4) In the above embodiment, the average of candidate values may be calculated and used in the process of calculating the actual height from the surface height candidate value group obtained for each monochromatic light. Thereby, the solid error of the apparatus or the like can be canceled.
(5)上記実施例では、照明装置10の光源に白色光源を利用し、白色光が測定対象面と参照面に到達するまでの光路上に、白色光から異なる複数波長の単色光を抽出する光学手段を配備してもよい。また、撮像装置30に反射光が到達するまでの光路上に同様の工学手段を配備してもよい。さらに、各単色光を個別の撮像装置19で検出するように構成してもよい。
(5) In the said Example, a white light source is utilized for the light source of the illuminating
(6)上記実施例では、1個の測定対象物30の表面高さおよび表面形状を求めていたが、次のように構成してもよい。例えば、複数個の測定対象物30を搬送経路で連続的に搬送させたり、可動テーブル上に整列配置した複数個の測定対象物30をX-Y平面上で移動させたりしながら全ての測定対象物30について、その表面高さおよび表面形状を求めるように構成してもよい。
(6) In the above embodiment, the surface height and the surface shape of one measuring
(7)上記実施例では、測定対象物30の平行度が予め保たれた状態で参照面15の角度を任意に設定して測定を行っていたが、次のように構成してもよい。例えば、測定対象物30の測定面側に平坦度が保たれて高さが既知の基準領域を設けておき、参照面15の角度を設定した後にこの領域の高さを予め測定し、そのときの測定対象物30の傾きを測定する。そして、この求まる傾きの補正量を算出し、その結果を利用して補正するように構成してもよい。これにより、干渉縞波形の空間周波数成分を推定することができる。
(7) In the above-described embodiment, the measurement is performed by arbitrarily setting the angle of the
(8)上記実施例では、光源に異なる波長の2個のLEDを用していたが、このLEDに換えて、例えば、波長λ=627nmのRed(R)、波長λ=530nmのGreen(G)、および波長λ=470nmのBlue(B)からなるRGB―LEDを使用してもよい。この場合、撮像装置19は、例えば図13に示すように、これら3つの光源からの反射光を単色光に分離可能なフィルタを備えたカラーカメラを利用する。なお、各LEDの波長は、上記値に限定されるものではない。
(8) In the above embodiment, two LEDs having different wavelengths are used as the light source. Instead of this LED, for example, Red (R) having a wavelength λ = 627 nm and Green (G) having a wavelength λ = 530 nm. ), And an RGB-LED made of Blue (B) having a wavelength λ = 470 nm may be used. In this case, as shown in FIG. 13, for example, the
フィルタは、その特性にもよるが、図13に示すように、分離単色光に他の単色光の周波帯域の光が含まれる。すなわち、クロストークが生じる。 Depending on the characteristics of the filter, as shown in FIG. 13, the separated monochromatic light includes light in the frequency band of other monochromatic light. That is, crosstalk occurs.
そこで、当該変形例のように、異なる周波数帯域の単色光を複数使用する場合、実測時に生じるクロストークを除去することが好ましい。 Therefore, when a plurality of monochromatic lights having different frequency bands are used as in the modification, it is preferable to remove crosstalk that occurs during actual measurement.
クロストークの除去は、各分離単色光に含まれる他の単色光を除去するのに必要な補正係数を実験やシミュレーションにより予め求め、観測により求まる画素ごとの強度値を当該補正係数により補正して行う。 For crosstalk removal, a correction coefficient necessary for removing other monochromatic light contained in each separated monochromatic light is obtained in advance by experiments and simulations, and the intensity value for each pixel obtained by observation is corrected by the correction coefficient. Do.
補正係数は、例えば、次の方法によって求めることができる。 The correction coefficient can be obtained by the following method, for example.
先ず、クロストークのモデルと補正式について説明する。RGB−LED光源を照射して取得される画像において、その輝度信号Iは、各光源の個別照射による輝度の加成性によって次式(29)で表わすことができる。 First, a crosstalk model and a correction formula will be described. In an image obtained by irradiating with an RGB-LED light source, the luminance signal I can be expressed by the following equation (29) depending on the additivity of luminance by individual irradiation of each light source.
I(R,G,B)=I(R)+I(G)+I(B) ・・・ (29) I (R, G, B) = I (R) + I (G) + I (B) (29)
ここで、各画素の観測輝度(B’、G’、R’)から、真の輝度(B,G,R)を求めることを考える。この場合、各単色光の観測輝度(B’、G’、R’)は、各光源の輝度にクロストークの影響で他の光源の輝度が含まれている。したがって、観測輝度と真の輝度の関係は、次のモデル式(30a)〜(30c)によって表わすことができる。 Here, it is considered that the true luminance (B, G, R) is obtained from the observed luminance (B ′, G ′, R ′) of each pixel. In this case, the observed luminance (B ′, G ′, R ′) of each monochromatic light includes the luminance of each light source due to the influence of crosstalk. Therefore, the relationship between the observed luminance and the true luminance can be expressed by the following model equations (30a) to (30c).
B’=B+aG+bR … (30a)
G’=cB+G+dR … (30b)
R’=eB+fG+R … (30c)
B ′ = B + aG + bR (30a)
G ′ = cB + G + dR (30b)
R ′ = eB + fG + R (30c)
ここで、式(30a)〜(30c)のa〜fは、クロストークの大きさを表わす係数である。 Here, a to f in the equations (30a) to (30c) are coefficients representing the magnitude of the crosstalk.
当該式(30a)〜(30c)から、各光源に対応する真の輝度は、各係数が小さい場合は、係数の積の項は無視できて、近似的に次式(31a)〜(31c)によって求めることができる。 From the formulas (30a) to (30c), the true luminance corresponding to each light source can be ignored when the coefficients are small, and the product terms of the coefficients can be ignored, and the following formulas (31a) to (31c) are approximated. Can be obtained.
B=B’−aG’−bR’ … (31a)
G=G’−cB’−dR’ … (31b)
R=R’−eB’−fG’ … (31c)
B = B′−aG′−bR ′ (31a)
G = G′−cB′−dR ′ (31b)
R = R′−eB′−fG ′ (31c)
次に、クロストークの大きさa〜fを求める方法について説明する。 Next, a method for obtaining the crosstalk magnitudes a to f will be described.
先ず、各光源を個別に点灯する。このとき、モニタに出力されるRGBの輝度を複数の画素について求める。例えば、GreenのLEDのみを点灯させたときのRGB輝度を求めてゆく。同様に、RedおよびBlueのLEDを個別に点灯させ、それぞれのRGB出力を複数の画素について求める。 First, each light source is turned on individually. At this time, RGB luminances output to the monitor are obtained for a plurality of pixels. For example, the RGB luminance when only the Green LED is turned on is obtained. Similarly, Red and Blue LEDs are individually turned on, and respective RGB outputs are obtained for a plurality of pixels.
ここで、得られたRGB出力から図14から図16に示すような相関図を求め、観測光源ごとに含まれる他の光源との相関関係から補正係数を求める。 Here, a correlation diagram as shown in FIGS. 14 to 16 is obtained from the obtained RGB output, and a correction coefficient is obtained from the correlation with other light sources included in each observation light source.
例えば、BlueのLEDのみを点灯させたとき、図14に示すように、BlueからGreenへのクロストークの補正係数は、0.23であり、BlueからRedへのクロストークの補正係数は、0.00となる。同様にRedのみを点灯させたとき、図15に示すように、RedからBlueへのクロストークの補正係数は、0.00であり、RedからGleenへのクロストークの補正係数は、0.04となる。Gleenのみを点灯させたとき、図16に示すように、GleenからBlueへのクロストークの補正係数は、0.08であり、GleenからRedへのクロストークの補正係数は、0.13となる。 For example, when only the Blue LED is turned on, as shown in FIG. 14, the correction coefficient for the crosstalk from Blue to Green is 0.23, and the correction coefficient for the crosstalk from Blue to Red is 0. .00. Similarly, when only Red is turned on, as shown in FIG. 15, the correction coefficient for the crosstalk from Red to Blue is 0.00, and the correction coefficient for the crosstalk from Red to Green is 0.04. It becomes. When only Green is turned on, as shown in FIG. 16, the correction coefficient for crosstalk from Green to Blue is 0.08, and the correction coefficient for crosstalk from Green to Red is 0.13. .
また、他の方法として、RGB−LEDの全ての光源を同時照射して取得される画像に対して上記の方法を適用して、補正係数を得ることもできる。ただし、この場合には、非常に多数の輝度データを必要とする。 As another method, the correction coefficient can be obtained by applying the above method to an image acquired by simultaneously irradiating all light sources of RGB-LED. However, in this case, a very large number of luminance data is required.
3波長ののLEDを点灯させて測定対象物を撮像した結果、図17に示すように、補正処理前と補正処理後の輝度分布が得られた。すなわち、破線で示す補正前の輝度分布では、測定対象物の段差部分に相当するx座標210〜240付近の変化は小さいが、補正後の輝度変化は、目視でも容易に読み取れる程度に大きく変化している結果が得られる。 As a result of imaging the measurement object with the three-wavelength LEDs turned on, luminance distributions before and after the correction process were obtained as shown in FIG. In other words, in the luminance distribution before correction indicated by the broken line, the change in the vicinity of the x-coordinates 210 to 240 corresponding to the step portion of the measurement object is small, but the luminance change after correction changes so much that it can be easily read visually. Results are obtained.
同様に、上記輝度分布のデータを利用して画素単位の位相を求めると、以下の結果が得られた。すなわち、図18に示す補正前の分布データを利用した場合、段差のない平坦部分であっても波打った形状となり、段差部分との見分けが困難な状態になった。これに対して、補正後は、図19に示すように、段差部分210〜240以外では、略平坦となり、段差部分のみに大きな変化が見られた。 Similarly, when the phase of the pixel unit is obtained using the luminance distribution data, the following results are obtained. That is, when the pre-correction distribution data shown in FIG. 18 is used, even a flat portion without a step has a wavy shape, making it difficult to distinguish from the step portion. On the other hand, after the correction, as shown in FIG. 19, except for the step portions 210 to 240, it was substantially flat, and a large change was observed only in the step portion.
したがって、本実施例によれば、隣接する周波数帯域の複数の単色光を利用しても、クロストークによる他の単色光の不要な輝度(光強度値)を除去することができる。 Therefore, according to this embodiment, even when a plurality of monochromatic lights in adjacent frequency bands are used, unnecessary luminance (light intensity value) of other monochromatic lights due to crosstalk can be removed.
1 … 光学系ユニット
2 … 制御系ユニット
10 … 照明装置
11 … コリメートレンズ
13 … ハーフミラー
14 … 対物レンズ
15 … 参照面
17 … ビームスプリッタ
18 … 結像レンズ
19 … 撮像装置
20 … CPU
21 … メモリ
22 … 入力部
23 … モニタ
24 … 駆動部
25 … 位相算出部
26 … 符号判定部
27 … 画像データ作成部
30 … 測定対象物
30A… 測定対象面
30B… 測定対処面の凸部
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
Claims (12)
光の進行方向に対して任意角度の傾斜姿勢で前記参照面を配置し、波長の異なる複数の単色光を測定対象物と参照面に同時に照射することにより発生させた干渉縞の画像を取得する第1過程と、
取得した前記画像における各画素の干渉縞の強度値を単色光ごとに求める第2過程と、
干渉縞波形を求める表現式を利用して前記画素ごとについて、各画素の強度値とその近傍の複数画素の強度値とを利用し、それらの画素における干渉縞波形の直流成分、交流振幅、および位相が等しいと仮定し、各画素の位相を単色光ごとに求める第3過程と、
単色光ごとに求めた各画素の位相から表面高さの候補群を求め、各波長の候補群から共通する高さを実高さとして求める第4の過程と、
求めた前記実高さから測定対象物の表面形状を求める第5過程と、
を備えたことを特徴とする複数波長による表面形状の測定方法。 The measurement target surface is irradiated with monochromatic light on the measurement target surface and the reference surface through the branching means, and is reflected from both the measurement target surface and the reference surface and returns from the same optical path. In the surface shape measurement method with multiple wavelengths to obtain the surface height and surface shape of
An image of interference fringes generated by arranging the reference surface in an inclined posture at an arbitrary angle with respect to the light traveling direction and simultaneously irradiating the measurement object and the reference surface with a plurality of monochromatic lights having different wavelengths is obtained. The first process,
A second step of obtaining the intensity value of the interference fringe of each pixel in the acquired image for each monochromatic light;
For each of the pixels using an expression for obtaining an interference fringe waveform, the intensity value of each pixel and the intensity values of a plurality of neighboring pixels are used, and the DC component, the AC amplitude of the interference fringe waveform at those pixels, and Assuming that the phases are equal, a third process for determining the phase of each pixel for each monochromatic light;
A fourth step of obtaining a surface height candidate group from the phase of each pixel obtained for each monochromatic light, and obtaining a common height as an actual height from each wavelength candidate group;
A fifth step of obtaining the surface shape of the measurement object from the obtained actual height;
A surface shape measuring method using a plurality of wavelengths.
前記測定対象物に向う光と、1個または複数個の測定対象物を相対的に平行移動させながら所定の時間間隔で測定対象物の測定位置ごとに前記第1過程から第5過程を繰り返し行い、測定対象物の表面形状を求める
ことを特徴とする複数波長による表面形状の測定方法。 The surface shape measurement method using a plurality of wavelengths according to claim 1,
The first process to the fifth process are repeated for each measurement position of the measurement object at predetermined time intervals while relatively moving the light directed to the measurement object and one or more measurement objects. A method for measuring the surface shape of a plurality of wavelengths, wherein the surface shape of a measurement object is obtained.
求める前記波長ごとの位相は、各画素の強度値g(x,y)を画素の近傍で干渉縞波形の表現式である g(x,y) = a+bcos{2πfxx+2πfyy+φ} にフィッティングさせることから求める
ことを特徴とする複数波長による表面形状の測定方法。 In the measuring method of the surface shape by multiple wavelengths according to claim 1 or claim 2,
The obtained phase for each wavelength is obtained by fitting the intensity value g (x, y) of each pixel to an expression of the interference fringe waveform in the vicinity of the pixel g (x, y) = a + bcos {2πf x x + 2πf y y + φ}. A method for measuring a surface shape using a plurality of wavelengths.
前記干渉縞の画像は、複数の単色光を分離するフィルタを備えた撮像手段により撮像し、
前記フィルタ特性によって生じるクロストークの影響で前記単色光ごとに含まれる他の単色光の干渉縞の強度値を除去する
ことを特徴とする複数波長による表面形状の測定方法。 In the measuring method of the surface shape by multiple wavelengths according to any one of claims 1 to 3,
The image of the interference fringes is captured by an imaging unit having a filter that separates a plurality of monochromatic lights,
A method of measuring a surface shape using a plurality of wavelengths, wherein intensity values of interference fringes of other monochromatic light included for each monochromatic light are removed due to the influence of crosstalk caused by the filter characteristics.
前記参照面は、光の進行方向に対して任意角度の傾斜姿勢で配備されており、
測定対象物を載置保持する保持手段と、
波長の異なる複数の単色光を同時に出力する照明手段と、
複数の前記単色光が照射されて測定対象物と参照面とから反射して同一光路を戻る反射光によって単色光ごとに干渉縞を生じさせて測定対象面を撮像する撮像手段と、
撮像された前記測定対象面を画素ごとに干渉縞の強度値として取り込むサンプリング手段と、
前記サンプリング手段によって取り込まれた前記強度値である干渉縞強度値群を記憶する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶された強度値群から画素ごとに強度値を読み出し、各画素の強度値と画素ごとにその近隣にある画素の強度値を利用し、各画素に含まれる干渉縞波形の直流成分、交流振幅、および位相が等しいと仮定するとともに、干渉縞波形を求める表現式を利用して各画素の位相を単色光ごとに求め、
単色光ごとに求めた各画素の位相から複数個の表面高さの候補群を求め、各候補群から共通する高さを実高さとして求め、
さらに、この求めた前記測定対象面の表面高さから表面形状を求める演算手段と、
を備えたことを特徴とする複数波長による表面形状測定装置。 The measurement target surface is irradiated with monochromatic light on the measurement target surface and the reference surface through the branching means, and is reflected from both the measurement target surface and the reference surface and returns from the same optical path. In the surface shape measuring device with multiple wavelengths to obtain the surface height and surface shape of
The reference surface is arranged in an inclined posture at an arbitrary angle with respect to the traveling direction of light,
Holding means for placing and holding the measurement object;
Illumination means for simultaneously outputting a plurality of monochromatic lights having different wavelengths;
An imaging unit that images the measurement target surface by generating interference fringes for each monochromatic light by reflected light that is irradiated with the plurality of monochromatic lights and reflected from the measurement object and the reference surface and returns on the same optical path;
Sampling means for capturing the measured measurement target surface as an interference fringe intensity value for each pixel;
Storage means for storing an interference fringe intensity value group that is the intensity value captured by the sampling means;
The intensity value is read out for each pixel from the intensity value group stored in the storage means, and the intensity value of each pixel and the intensity value of a neighboring pixel are used for each pixel, and the DC of the interference fringe waveform included in each pixel Assuming that the components, AC amplitude, and phase are equal, using the expression for obtaining the interference fringe waveform, obtain the phase of each pixel for each monochromatic light,
Obtain a plurality of surface height candidate groups from the phase of each pixel obtained for each monochromatic light, obtain the common height from each candidate group as the actual height,
Further, a calculation means for obtaining a surface shape from the obtained surface height of the measurement target surface,
A surface shape measuring apparatus using a plurality of wavelengths.
少なくとも前記照明手段、撮像手段、分岐手段、および参照面は光学系ユニットを構成し、
前記測定対象物に向う光と、1個または複数個の測定対象物が相対的に平行移動するように、前記保持手段と前記光学系ユニットの少なくと一方を移動させる駆動手段と、
光学系ユニットと保持手段を相対的に平行移動させながら、測定対象物の表面形状を求めるように前記各手段を作動制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする複数波長による表面形状測定装置。 In the surface shape measuring apparatus with multiple wavelengths according to claim 5,
At least the illumination unit, the imaging unit, the branching unit, and the reference surface constitute an optical system unit,
Drive means for moving at least one of the holding means and the optical system unit so that the light directed to the measurement object and one or a plurality of measurement objects move relatively in parallel;
Control means for controlling the operation of each means so as to obtain the surface shape of the measurement object while relatively translating the optical system unit and the holding means;
A surface shape measuring apparatus using a plurality of wavelengths.
照明手段は、異なる波長を出力する複数個の単色光源を有する In the surface shape measuring apparatus with multiple wavelengths according to claim 5 or 6,
The illumination means has a plurality of monochromatic light sources that output different wavelengths.
前記撮像手段は、複数の単色光を分離するフィルタを備え、
前記演算手段は、前記フィルタ特性によって生じるクロストークの影響で前記単色光ごとに含まれる他の単色光の干渉縞の強度値を除去する
ことを特徴とする複数波長による表面形状測定装置。 In the surface shape measuring apparatus with multiple wavelengths according to claim 7,
The imaging means includes a filter that separates a plurality of monochromatic lights,
The surface shape measuring apparatus using a plurality of wavelengths, wherein the computing unit removes an intensity value of an interference fringe of other monochromatic light included for each monochromatic light due to the influence of crosstalk caused by the filter characteristics.
照明手段は、白色光源と、
白色光源から所定の異なる複数の波長の単色光に分離して前記分岐手段に向わせる光学手段とから構成されている
ことを特徴とする複数波長による表面形状測定装置。 In the surface shape measuring apparatus with multiple wavelengths according to claim 5 or 6,
The illumination means includes a white light source,
An apparatus for measuring a surface shape using a plurality of wavelengths, comprising: optical means for separating monochromatic light having a plurality of predetermined different wavelengths from a white light source and directing the light to the branching means.
前記参照面は、光の進行方向に対して任意角度の傾斜姿勢で配備されており、
測定対象物を載置保持する保持手段と、
複数波長からなる光を出力する照明手段と、
前記光が照射されて測定対象物と参照面とから反射して同一光路を戻る反射光を、異なる波長の複数の単色光に分離する分離手段と、
分離された前記単色光ごとに干渉縞を生じさせて測定対象面を撮像する撮像手段と、
撮像された前記測定対象面を画素ごとに干渉縞の強度値として取り込むサンプリング手段と、
前記サンプリング手段によって取り込まれた前記強度値である干渉縞強度値群を記憶する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶された強度値群から画素ごとに強度値を読み出し、各画素の強度値と画素ごとにその近隣にある画素の強度値を利用し、各画素に含まれる干渉縞波形の直流成分、交流振幅、および位相が等しいと仮定するとともに、干渉縞波形を求める表現式を利用して各画素の位相を単色光ごとに求め、
単色光ごとに求めた各画素の位相から換算して求めた複数個の表面高さの候補群から、共通する高さを実高さとして求め、
さらに、この求めた前記測定対象面の表面高さから表面形状を求める演算手段と、
を備えたことを特徴とする複数波長による表面形状測定装置。 The measurement target surface is irradiated with monochromatic light on the measurement target surface and the reference surface through the branching means, and is reflected from both the measurement target surface and the reference surface and returns from the same optical path. In the surface shape measuring device with multiple wavelengths to obtain the surface height and surface shape of
The reference surface is arranged in an inclined posture at an arbitrary angle with respect to the traveling direction of light,
Holding means for placing and holding the measurement object;
Illuminating means for outputting light having a plurality of wavelengths;
Separating means for separating the reflected light that is irradiated with the light and reflected from the measurement object and the reference surface and returns on the same optical path into a plurality of monochromatic lights having different wavelengths;
Imaging means for imaging the measurement target surface by generating interference fringes for each of the separated monochromatic lights;
Sampling means for capturing the measured measurement target surface as an interference fringe intensity value for each pixel;
Storage means for storing an interference fringe intensity value group that is the intensity value captured by the sampling means;
The intensity value is read out for each pixel from the intensity value group stored in the storage means, and the intensity value of each pixel and the intensity value of a neighboring pixel are used for each pixel, and the DC of the interference fringe waveform included in each pixel Assuming that the components, AC amplitude, and phase are equal, using the expression for obtaining the interference fringe waveform, obtain the phase of each pixel for each monochromatic light,
From a plurality of surface height candidate groups obtained by conversion from the phase of each pixel obtained for each monochromatic light, obtain a common height as the actual height,
Further, a calculation means for obtaining a surface shape from the obtained surface height of the measurement target surface,
A surface shape measuring apparatus using a plurality of wavelengths.
前記分離手段は、複数の単色光を分離するフィルタであり、
前記演算手段は、前記フィルタ特性によって生じるクロストークの影響で前記単色光ごとに含まれる他の単色光の干渉縞の強度値を除去する
ことを特徴とする複数波長による表面形状測定装置。 In the surface shape measuring apparatus with multiple wavelengths according to claim 10,
The separation means is a filter that separates a plurality of monochromatic lights,
The surface shape measuring apparatus using a plurality of wavelengths, wherein the computing unit removes an intensity value of an interference fringe of other monochromatic light included for each monochromatic light due to the influence of crosstalk caused by the filter characteristics.
前記演算手段は、各画素の強度値g(x,y)を画素の近傍で干渉縞波形の表現式である g(x,y) = a+bcos{2πfxx+2πfyy+φ} にフィッティングさせることから求める
ことを特徴とする複数波長による表面形状測定装置。 In the surface shape measuring apparatus with multiple wavelengths according to any one of claims 5 to 11,
The computing means is obtained by fitting the intensity value g (x, y) of each pixel to g (x, y) = a + bcos {2πf x x + 2πf y y + φ} which is an expression of the interference fringe waveform in the vicinity of the pixel. A surface shape measuring apparatus using a plurality of wavelengths.
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