JP2006258444A - 物体表面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】表面形状に撮影光学系対物レンズの焦点深度を超えるような凹凸変位量がある物体の表面形状を高速に測定する。
【解決手段】Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に移動するステージに物体を設置し、その物体表面をＺ方向に撮影位置を変えながら撮影光学系で撮影し分割メモリに記憶する。記憶した画像同志を比較照合して最適ピント画像区画を抽出し、それを集合して１つの全体焦点画像データとして画像メモリに記憶し、それを表示部に送ってピントの合った画像として表示する。次に前記ピント画像区画を抽出した元の分割メモリの番地と、そのピント画像区画毎のｘ、ｙ、ｚアドレスを位置データとして求め、それを曲線近似してステージＺ方向の移動指令曲線とする。この移動指令曲線に沿ってステージをＺ方向に移動することで撮影光学系対物レンズの焦点深度を超えるような凹凸変位量がある物体の表面形状も測定できるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は物体の表面形状を測定する装置に関するもので、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に移動するステージに設置した物体の表面を撮影光学系を用いて撮影し、その画像を表示部に送り出して表示された画像中から測定開始点と終了点を指定し、その指定長間に相当する物体表面形状を形状検出光学系を用いて測定し、その結果をグラフとして前記表示部に表示できるようにしたものである。

光学系を用いて物体表面形状を観察測定する装置は各種の分野で使用されている。このような装置で問題となることの１つに測定速度とその精度があげられる。また測定する物体表面形状の高さ方向（Ｚ方向）変位量が撮影光学系の対物レンズ焦点深度を超えているようなときはオートフォーカスを迅速に実施できないという問題も指摘されている。
この速度と精度を左右する原因の１つに、オートフォーカスを実施するための物体表面位置と撮影光学系対物レンズの焦点位置を合わせにくいという事がある。また任意の測定点から次の測定点に物体を移動したとき、対物レンズの焦点位置を物体表面位置と一致させるには、対物レンズを光軸上で物体から遠ざかる方向に移動させるのか、近づける方向に移動させるのかを瞬時に判断することが出来ないということもある。そのため対物レンズを一旦、遠ざける方向に移動し、焦点位置が見つからなかったときは反対側に近づけるという往復運動を繰り返すことになる。また物体の表面形状に生じる凹凸の高さ方向（Ｚ方向）変位量が対物レンズの焦点深度などによって決まるオートフォーカス可能範囲を超えてしまうような場合には、対物レンズの位置をその超えてしまった側に一旦移動してから対処するか、物体表面形状が持つＺ方向の変位量を制限するなどの対策が必要であった。このように取り扱いには複雑な制御と時間が要求されていた。
オートフォーカスを実施するため対物レンズ焦点位置と物体表面位置を一致させる手段として、物体面からの戻り光をフォトダイオードに導いて焦点ズレの方向とずれ量を求めるようにしたものが知られている（特許文献１）。しかしこの文献１には次測定点が対物レンズの焦点深度を超えてしまうような場合については開示されていない。また物体が透明体のような時でもオートフォーカスを実施出来るようにしたものも知られている（特許文献２）。しかしこの特許文献２によるものにも次測定点がオートフォーカス可能範囲を超えてしまうような場合については開示されていない。
特開２００１−３１１８６６号公報 特開２００２−２５８１６１号公報

本発明は上記問題を解決し、次測定点がオートフォーカス可能範囲を超えるような場合でも、対物レンズの焦点深度などに煩わされずに安定して高速に正確な形状測定ができるような測定装置を求めることである。

上記目的を達成するため本発明は、駆動部によってＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動するステージに設置した物体表面を撮影する光学系と、物体表面形状を前記撮影光学系から分岐した光学系で検出する形状検出光学系を一体にした測定光学系と、この測定光学形の撮影光学系を用いて、その光軸方向に撮影位置を変えながら前記物体表面を順次撮影し、得られたｎ枚の高さ（Ｚ）方向画像をそれぞれ異なるアドレスに順次記憶していく分割メモリと、この分割メモリに記憶したｎ枚の高さ（Ｚ）方向画像同志を制御部で比較照合し、ピントの合った画像区画を抽出して集合し、それを１つのピントの合った全体焦点画像データとして記憶していく画像メモリと、この画像メモリに記憶したピント画像区画毎に、ピント画像区画として抽出した元の分割メモリ上のｘ、ｙ、ｚアドレスを位置データとして記憶していく位置メモリと、この位置メモリに記憶したｚ値をＸ列とＹ列方向に前記制御部で曲線近似し、それを三次元情報のうねり曲線データとして記憶していくうねり曲線メモリと、前記画像メモリに記憶した全体焦点画像データを表示する表示部と、この表示部で物体表面形状測定開始点と終了点が設定されたとき、前記位置メモリとうねり曲線メモリの内容に基づいてステージをＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動し、測定開始点位置に相当する物体表面位置が撮影光学系光軸上の対物レンズ焦点位置と一致するよう前記駆動部に指令する制御部とを有し、前記ステージをＸ、Ｙの測定方向に移動しながらうねり曲線を移動指令曲線としながら高さ（Ｚ）方向にも移動して、形状検出光学系で物体表面形状を測定していくようにした事を特徴とする。
請求項２の発明によるものは、請求項１記載の物体表面形状測定装置において物体表面からの反射光を撮影光学系から分岐し、シリンドリカルレンズを介して多分割フォトダイオードによる受光部に投影し、その検出値に応じて前記撮影光学系の対物レンズ焦点位置と物体表面間の距離を算出するようにした形状検出光学系とした事を特徴とする。
請求項３の発明によるものは、請求項１、２記載の物体表面形状測定装置においてステージを選定したうねり曲線に沿って高さ（Ｚ）方向に移動するとき、その変化する高さ（Ｚ）方向現在位置の値と形状検出光学系が検出した物体表面形状値を合算して最終物体表面形状測定値として記憶する測定データメモリを設置した事を特徴とする。
請求項４の発明によるものは、請求項１、３記載の物体表面形状測定装置において測定データメモリに基づいて物体表面形状をグラフとして表示するようにした表示部とした事を特徴とする。
請求項５の発明によるものは、請求項１、２記載の物体表面形状測定装置において形状検出光学系が算出した撮影光学系対物レンズ焦点位置と物体表面間の距離が、対物レンズの焦点深度によって決定されるオートフォーカス可能範囲を超えるとき、対物レンズ焦点位置と物体表面間の距離が０となるよううねり曲線で指定される高さ（Ｚ）方向にステージの移動指令を駆動部に伝える制御部とした事を特徴とする。
請求項６の発明によるものは、請求項１記載の物体表面形状測定装置において撮影光学系と形状検出光学系を距離Ｌだけ隔てて独立した光学系として１つのユニット中に収容し、表示部上で物体表面形状測定開始点が設定されたとき、位置メモリとうねり曲線メモリの内容に基づいてステージをＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動し、測定開始点位置に相当する物体表面位置を撮影光学系光軸上の対物レンズ焦点位置と一致させた後、距離Ｌ相当分だけステージを移動して形状検出光学系光軸位置を前記物体上の測定開始点相当位置と一致させて物体表面形状を測定していくようにした測定光学系としたことを特徴とする。
請求項７の発明によるものは、請求項１、２、３、５、６記載の物体表面形状測定装置において撮影光学系対物レンズ焦点深度によって決定されるオートフォーカス可能範囲を予め制御部に設定し、その設定値に基づいて撮影光学系対物レンズ焦点位置と物体表面間の距離を算出するようにした形状検出光学系としたことを特徴とする。
請求項８の発明によるものは、請求項１、２、３、５、６、７記載の物体表面形状測定装置において撮影光学系と形状検出光学系にそれぞれ設置する光源の波長によって発生する対物レンズの色収差を、フォーカス移動量として予め制御部に記憶させ、その記憶値で撮影光学系対物レンズ焦点位置と物体表面間の距離を算出するようにした形状検出光学系としたことを特徴とする。

本発明は物体表面を撮影光学系結像面に設置したカメラで撮影し、その画像を表示部に送って表示する。そして表示された画像中から測定開始点と終了点を設定し、その間に相当する物体表面形状を前記撮影光学系から分岐した形状検出光学系で測定し、その結果をグラフなどとして前記表示部に表示するようにしたものである。前記撮影光学系で物体表面を撮影し画像として表示するときは、物体を設置したステージを撮影光学系の光軸方向（Ｚ方向）に移動して順次撮影し、その撮影したｎ枚の画像同志を比較照合し、その中からピント画像区画を抽出し、その抽出した各ピント画像区画を１つの画像メモリ上に張り合わせて集合し、それを１つの全体焦点画像として表示するようにした。そのため表示画像はＺ方向に任意の変位量を持つ物体であったとしても、全て鮮明なピントの合った画像として表示することが出来る。そしてその表示された画像を用いて測定開始点と終了点を画面上で設定できるようにしたから、測定作業は誰にでも容易に実施することが出来る。
また上記画像メモリにピント画像区画を張り合わせて集合していくとき、集合する各ピント画像区画がもつＸ、Ｙ、Ｚ方向の位置を同時に抽出してこれを位置データとして別に用意した位置メモリに記憶するようにした。そしてこの位置データからステージをＺ方向に移動指令する三次元情報としてのうねり曲線を作成し、このうねり曲線に沿ってステージをＺ方向に移動出来るようにした。それによって前記測定開始点から終了点までステージがＸ、Ｙ方向に移動する時、そのステージはうねり曲線に沿ってＺ方向にも移動していく。そしてこのＸ、Ｙ、Ｚの移動によって前記形状検出光学系が物体表面形状を検出していくから、物体自身が持つＺ方向変位量の大きさに煩わされることなく表面形状変位量を測定値として得ることが出来る。この測定値を表示部に表示するようにすれば、物体表面の画像とその表面形状に応じたグラフを同時に確認することが出来る。しかも全体の作業は円滑な一連の動作として行われるから安定した測定を実施していくことができる。

以下に本発明に係わる装置について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明装置の概略をブロック図として示したものである。１は撮影光学系で、例えば白色ＬＥＤ等で構成した第１光源２からの光がレンズ３、ビームスプリッタ４を経て９０度反転し、対物レンズ５によってその焦点位置Ｆ近傍に設置される物体６の表面を照明する。物体６表面が対物レンズ５の焦点（ピント）位置Ｆ近傍にあれば、その表面からの反射光が対物レンズ５とビームスプリッタ４を通過し、後に説明するダイクロイックミラー７を経て結像レンズ８で集光されカメラ９に達する。カメラ９からの画像信号は内部を一部省略してある制御部１０に向かい、画像処理部１１で処理されメモリ１２に画像データとして記憶される。メモリ１２に記憶された画像データは表示部１３に送られて画像用の画面１３ａに表示される。１４は制御部１０に接続されたキーボードやマウスなどの入力部で各種の指令をする。１５はプリンタなどの出力部で表示部１３に表示した内容を出力する。物体６はステージ１６上に設置され、ステージ１６はＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動するモータと、そのコントロール部、位置検出部などで構成された駆動部１７と接続していて、制御部１０からの指令を受けて動作する。対物レンズ５は倍率検出部１８によってその倍率が検出され、制御部１０に伝えられて画像処理部１１などに伝えられる。従って物体６の表面形状に撮影光学系１光軸（Ｚ）方向の凹凸があったとしても、その変位量に対応してステージ１６をＺ方向（高さ方向）に移動すれば、表面形状の必要部分をピントの合った状態でカメラ９で撮影することができ、対物レンズ５の倍率に変換した画像Ｇを画面１３ａに表示することが出来る。制御部１０内に示した１９は後に述べる測定データメモリで、ステージ１６をＺ方向に移動する値を記憶するものとなる。

２０は撮影光学系１からダイクロイックミラー７で分岐された形状検出光学系で、例えば赤色又は赤外の半導体レーザで構成した第２光源２１からの光は、レンズ２２で平行光束となりビームスプリッタ２３を経て前記ダイクロイックミラー７に向かう。そして９０度反転して撮影光学系１のビームスプリッタ４を通過し、対物レンズ５によって物体６表面に焦点を結ぶ。物体６からの反射光は対物レンズ５、ビームスプリッタ４、ダイクロイックミラー７、ビームスプリッタ２３、ミラー２４を経て結像レンズ２５で集束され受光部２６に達する。２７は光路中に設置したシリンドリカルレンズである。受光部２６は例えば４分割フォトダイオードａ〜ｄで構成され、各フォトダイオードａ〜ｄからの出力は変位量演算部２８に送られ各出力値が比較される。その結果は制御部１０に伝えられ物体表面のＺ方向形状検出値となる。制御部１０内の２９はカーソルコントロール部で、入力部１４で表示部１３の画面１３ａに表示された画像中に形状測定開始点と終了点を設定したとき、その位置をカーソル表示するときの制御などを行う。この測定開始点がカーソルで画面１３ａに設定されると、制御部１０はその設定された位置から駆動部１７に指令し、ステージ１６をＸ、Ｙ方向に移動して撮影光学系１の対物レンズ５による焦点位置Ｆと一致させる。そして画面１３ａで設定された測定終了点までに相当する分だけステージ１６をＸ、Ｙ方向に移動させる。この時の物体表面凹凸変位量がある一定の範囲内にあれば、この物体６表面からの反射光は形状検出光学系２０を経てシリンドリカルレンズ２７を通過し、シリンドリカルレンズ２７の作用を受けながら４分割フォトダイオードで構成した受光部２６に投影される。この各フォトダイオードからの出力は変位量演算部２８に送られて比較され、物体６のＺ方向形状検出値として制御部１０に送られる。制御部１０はこの情報を物体表面の凹凸変位量を表す形状値として測定データメモリ１９に記憶し、それを最終物体表面形状測定値として表示部１３の画面１３ｂに送って、例えばグラフとして表示する。この表示されたグラフと前記画像の表示画面１３ａを出力部１５から出力すれば、所定の測定作業が終了する。
撮影光学系１と形状検出光学系２０は一体となって測定光学系を形成し、図示してない１つのユニット内に収容される。変位量演算部２８は図１で制御部１０の外部に設置された例となっているが、制御部１０内に収容して１パーツとして扱うようにする事もできる。

図２は図１で説明した形状検出光学系２０の受光部２６と、この受光部２６からの信号を受けて演算する変位量演算部２８の関係を示した説明図である。図１において物体６が撮影光学系１の対物レンズ５焦点位置Ｆ近傍に位置しているとき、物体６表面からの反射光束は形状検出光学系２０を経て図２のＡ１のように受光部２６を構成する４つのフォトダイオードａ〜ｄの中心部に投影される。図ではこの中心部に投影された測定光束を３１として示してある。このような状態にあるとき受光部２６が検出した測定光の出力を受ける変位量演算部２８は、各フォトダイオードａ〜ｄの出力に基づいて、
（（ａ＋ｃ）−（ｂ＋ｄ））／（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ）・・・・・・・１式
の除算を実施する。測定光束３１は前記のように受光部２６の中心部に投影されているから除算の結果は「０」となり、この「０」を出力して図１の制御部１０に送り出す。制御部１０はその結果、対物レンズ５の焦点位置Ｆと測定する物体６の表面位置は一致していると認識する。
図２Ｃはこの変位量演算部２８からの出力状態を説明するもので、横軸は対物レンズ５の焦点位置変位量を表し、縦軸は変位量演算部２８からの出力電圧を示している。受光部２６の投影状態が図２のＡ１状態にあれば、変位量演算部２８の演算結果は「０」であるから横軸と縦軸の交点位置３２が出力電圧となる。物体６の表面に凹みがあり、それによって対物レンズ５の焦点位置Ｆが撮影光学系光軸上カメラ９側に移動したのと同様な状態となったと仮定したとき、受光部２６上の光束３１は焦点誤差を生じ、シリンドリカルレンズ２７の作用によって図２のＡ２のような右肩上がりの斜体光束３３となって投影される。そのため受光部２６を構成するフォトダイオードからの出力は（ａ＋ｃ）＜（ｂ＋ｄ）となる。従って変位量演算部２８が実施する１式の演算結果はマイナスとなり、図２Ｃ上で縦軸を中心として左側での判定となる。仮に１式の結果を−４ｖとしたとき、その時の対物レンズ位置３４を測定すると横軸のように−０．４ｍｍが得られる。そのため図上、交点３２位置とレンズ位置３４間のずれが図１の物体６表面と対物レンズ５の焦点位置のずれとなる。こうして得られた−４ｖの信号が変位量演算部２８から制御部１０に伝えられると、制御部１０は物体表面が−０．４ｍｍ凹んでいると判断し、その信号を測定データメモリ１９に送って記憶し、表示部１３の画面１３ｂにグラフとして表示する。

一方、物体６の表面に凸部があり、対物レンズ５の焦点位置Ｆが撮影光学系光軸上で物体６側に移動したのと同様な状態となってしまって焦点誤差を起こす場合もある。そのときは受光部２６に導かれる物体表面からの反射光束３１はシリンドリカルレンズ２７の作用によって図２のＡ３の様に左肩上がりの斜体光束３５となる。そのため受光部２６で光電変換された出力は（ａ＋ｃ）＞（ｂ＋ｄ）となって、１式の演算結果はプラスとなり図２Ｃの縦軸を中心として右側での判定となる。仮に１式の演算結果が＋４ｖであったとすれば、その時の対物レンズ位置３６を測定すると横軸のように＋０．４ｍｍが得られる。そのため図上、交点３２位置とレンズ位置３６間のずれが図１の物体６表面と対物レンズ焦点位置Ｆのずれとなる。こうして得られた＋４ｖの信号が変位量演算部２８から制御部１０に伝えられると、制御部１０は物体表面が＋０．４ｍｍ離れていると判断し、その信号を測定データメモリ１９に伝えて記憶し、表示部１３の画面１３ｂにグラフとして表示する。
このように対物レンズ５の焦点位置Ｆは物体６表面との距離に応じて図２Ｃの様に位置３４、交点３２、位置３６を結ぶフォーカスライン３７上を移動する。従ってこのフォーカスライン３７での対物レンズ焦点位置Ｆを検出すれば物体６表面間とのズレ、つまり物体表面のＺ方向変位量を測定することができる。物体表面形状の凹凸変位量をこのフォーカスライン３７に沿って正確に検出するためには物体表面からの反射光束が受光部２６上に測定光として投影されたとき、光束３１、３３、３５のそれぞれを明瞭に区別し識別できることが重要となる。

フォーカスライン３７は対物レンズ５の焦点深度、結像レンズ２５、シリンドリカルレンズ２７などの性能や倍率、光学系１、２０全体の設計仕様などによってそのカーブ度合いが変化する。また物体６表面の粗さ程度や光沢の度合い、第２光源２１の波長等によっても変化する。物体６が着色されていたり固有の色を持っているようなときにも変化する。このようにフォーカスライン３７は多くの要素によって変化するが、ここでは便宜上まとめて以下、対物レンズ５の焦点深度によって変化するという表現とする。この変化したフォーカスラインの例として図２Ｃに２つのフォーカスライン３７ａ、３７ｂを点線で示した。
従って対物レンズの焦点深度などを考慮して、事前に図１の入力部１４から制御部１０を介して変位量演算部２８に使用するフォーカスライン３７、３７ａ、３７ｂを選択使用できるようにしておけば、受光部２６で検出される測定値（光束３１の形状若しくは光量）に応じて演算されたフォーカスライン３７、３７ａ、３７ｂの出力電圧を得ることが出来る。例えばライン３７ａを使用すれば受光部２６の出力電圧が高くても物体表面Ｚ方向の変位量は少ない値となり、逆にライン３７ｂを使用すれば出力電圧は低くても物体表面Ｚ方向の変位量値は大きくなる。

フォーカスライン３７について更に説明する。図２Ｃに示したフォーカスライン３７は、撮影光学系１の第１光源２が対物レンズ５を通して物体６上を照明したとき、物体（ステージ１６）がＸ方向に移動することによって生じる対物レンズ焦点位置の軌跡とも見ることが出来る。そしてこの軌跡３７を描くとき、形状検出光学系２０の受光部２０に投影される第２光源２１で照明された物体６からの反射光は、図２Ａの様な形状の光束３１、３３、３５となる。即ち、対物レンズ５の焦点位置Ｆが図２Ｃの交点３２にあるとき、受光部２６に投影される光束の形状は図２Ａの光束３１となるということを前提とした測定光学系となっている。しかしながら図１の説明でも述べたように第１光源２を白色ＬＥＤで構成し、第２光源２１を赤色又は赤外の半導体レーザで構成したとすれば、対物レンズ５には両光源２、２１の波長差によって色収差が発生してしまう。そのため第１光源２によって対物レンズ５の焦点位置Ｆが図２Ｃの交点３２に位置しているとき、受光部２６に図２Ａの光束３１は得られ無くなってしまう。例えば撮影光学系１による対物レンズ５の焦点位置Ｆが交点３２に位置しているとき、形状検出光学系２０による対物レンズ５の焦点位置が、図２Ｃのフォーカスライン３７上、位置３２ａになってしまうことも想定される。従って両光学系１，２０で使用する光源２、２１の波長に応じて位置３２、３２ａ間をずれ量として予め算出し、それをフォーカス移動量として制御部１０、若しくは変位量演算部２８に記憶させ、その記憶値で撮影光学系１対物レンズ５の焦点位置Ｆと物体表面間の距離を算出するような測定光学系としておくことが、測定精度を向上することになる。
また図２Ｃのフォーカスライン３７ａ、３７ｂのように、どのようなフォーカスライン３７を制御部１０に設定するかということだけでなく、フォーカスラインの一部を校正するということも原理的には可能である。いずれにしても図２Ｃのレンズ位置３４から３６までの２点間の距離３８が対物レンズ５の焦点深度となるから、この距離３８の範囲内であれば物体表面上に発生している凸凹を対物レンズフォーカスライン３７に沿って検出し、物体表面形状測定値として出力することができる。このことは逆に図２Ｃのレンズ位置３６より右方での測定はレンズ位置を識別することが出来ず、測定不可である事を示す。同様にレンズ位置３４より左方での測定もレンズ位置を識別することが出来ず測定不可となる。この測定不可の状態にあるとき受光部２６上に投影される測定光はシリンドリカルレンズ２７の影響を受けにくい状態となるから、図２のＡ４とＡ５に示した点線光束３９、４０のように受光部２６のエリアから大きく逸脱してピンボケの光束となる。

図２Ｂは受光部２６に投影される測定光束の光量分布曲線４１を示したものである。図において光量がピーク値となる光束は図２のＡ１に示した光束３１のときで、受光部２６の４つのフォトダイオードａ〜ｄの中心部にピントの合った状態で投影された時となっている。これに対し図２のＡ２とＡ３で示した斜体光束３３、３５ではピントの合った状態で受光部２６に投影されてはいるが、光量は半分以下になった例となっている。また図のＡ４、Ａ５として示した光束３９、４０の時は、ピントボケの状態で受光部２６に投影されるため光量は更に低下した状態となっている。
上記のように受光部２６で検出する光量、或いは投影される光束の形状に応じて対物レンズ５のフォーカスライン３７上での焦点位置を検出することが出来、その検出位置を形状検出値として制御部１０に出力していく。但し未だこの段階での形状検出値は１フォーカスライン３７によって規定される焦点深度３８内での検出値であり、１フォーカスライン３７によって規定される焦点深度３８を超えてしまうような表面形状を持つ物体、即ち対物レンズ５のオートフォーカス可能範囲３８を超えてしまうような表面形状である場合には検出作業を実施することが出来ない。以下、この点について順次説明していく。

図３はメモリ１２の説明図で、分割メモリ１２ａ、位置メモリ１２ｂ、画像メモリ１２ｃ、うねり曲線メモリ１２ｄによって構成される。まず物体の表面を光軸方向に撮影位置を変えながらカメラ９で順次撮影し、ｎ枚の高さ方向（Ｚ方向）の画像として記憶する分割メモリ１２ａについて説明する。図１においてカメラ９が物体６を撮影するときは、ステージ１６がＺ方向に移動して表面形状の凹凸に対処する。例えばステージ１６がＺ方向に移動する毎に１撮影を実施するとすれば、その１撮影毎の画像を図３の制御部１０内、画像処理部１１を経て分割メモリ１２ａに順に記憶する。この分割メモリ１２ａは例えば０〜２５５枚が用意され、それぞれｚ０〜ｚ２５５のアドレスが付されている。そしてステージ１６のＺ方向への１移動ピッチをＺＰとすれば、それは図２Ｃで説明したフォーカスライン３７のオートフォーカス範囲３８と一致する様な値として設定される。これによって分割メモリ１２ａには対物レンズ５の倍率に応じた物体表面の高さ方向に応じた画像がメモリの各アドレスｚ０〜ｚ２５５に順次記憶されていく。

この分割メモリ１２ａに記憶されている画像について図４、５を用いて説明する。図４は物体６の一例を側断面として示したもので、縦軸は１撮影毎に実施されるステージ１６のＺ方向移動ピッチＺＰを示し、横軸は物体６のＸ方向サイズを示していて、この例では番地１５〜３２０を占める程度の大きさとなっている。このような物体６をピッチＺＰで高さ方向に区切って撮影したとすれば、分割メモリ１２ａに記憶される画像Ｇは図５のようになる。
図５は分割メモリ１２ａに記憶される画像Ｇをイメージとして表した説明用の平面図である。図５Ａは分割メモリ１２ａのアドレスｚ０に記憶された画像Ｇを示していて、ステージ１６が図４の位置ＺＰ０にあるとき撮影されたものである。従って撮影光学系対物レンズ５のピント位置Ｆと一致する物体６の表面は、位置ＺＰ０で区切られる高さ方向の物体表面（図５Ａの斜線部分）であり、この部分がピントの合った画像Ｇ０１として記憶される。そしてＧ０１以外の物体表面はピンボケ画像Ｇ０２として記憶される。
同じように分割メモリ１２ａのアドレスｚ１に記憶される画像Ｇは図５Ｂのようになる。この図５Ｂはステージ１６が図４のＺＰ１のとき撮影されたものであるから、対物レンズ５のピント位置Ｆと一致する物体６の表面は位置ＺＰ１で区切られる高さ方向の物体表面（図の斜線部分）であり、この部分がピントの合った画像Ｇ１１として記憶される。そして画像Ｇ１１以外に相当する部分の物体表面はピンボケ画像Ｇ１２として記憶される。図５Ｃは分割メモリ１２ａのアドレスｚ４を示していて、図４の位置ＺＰ４で区切られる高さ方向の画像（図の斜線部分）がピントの合った画像Ｇ４１として記憶され、それ以外の部分はピンボケ画像Ｇ４２として記憶される。この図４、５の例では５回の撮影で５つの画像Ｇ０〜Ｇ４を５つの分割メモリｚ０〜ｚ４に記憶するものとなっているが、物体６の高さ方向凹凸形状や対物レンズフォーカスライン３７として示した距離３８などによって、撮影回数（分割メモリ１２ａの使用枚数）が変化していく。尚、図のｘ０、ｘ１、ｘ２、・・・、ｙ０、ｙ１、ｙ２、・・・は各分割メモリ１２ａのＸ、Ｙ方向アドレスを示している。また図Ｂ、Ｃに示した点線は物体６の外形を表している。

図３の画像処理部１１はこのようにして記憶された各分割メモリｚ０〜ｚ４同志の内容を比較照合し、ピントの合った画像区画部分だけを抽出して集合し、それを１つのピントの合った全体焦点画像データとして画像メモリ１２ｃに送り込む。即ち、カメラ９で順次高さ方向に撮影した物体表面形状をデータとして記憶する１つの任意分割メモリ、例えばアドレスｚ０内には図５Ａで説明したようにピントの合っている画像部分Ｇ０１とピンボケとなっている画像部分Ｇ０２が発生する。このうちピントの合っている画像部分Ｇ０１を、例えば３０×３０ドットで１つのアドレス単位とするピント画像区画として抜き出し、その抜き出した画像区画が持つ分割メモリ１２ａ上のＸ、Ｙ方向アドレスｘ、ｙに基づいて別に用意した画像メモリ１２ｃに送り込む。他のアドレスｚ１〜ｚ４の分割メモリ１２ａからもピントの合っている画像Ｇ１１、Ｇ２１、Ｇ３１、Ｇ４１をピント画像区画として抽出し、画像メモリ１２ｃに送り込む。従って画像メモリ１２ｃには分割メモリｚ０〜ｚ４から抽出したピントのあった画像Ｇ０１〜Ｇ４１だけが集められ、それが１つの全体焦点画像として集合され画像メモリ１２ｃに記憶される。

図６は上記分割メモリ１２ａの一部詳細説明図で、アドレスｚ０のメモリ１２ａを平面的なイメージとして示してある。図において４２は１０×１０ドットのエリアを示し、このエリアが３×３集まったものがピント画像区画４３となっている。そしてこのピント画像区画４３の単位で各分割メモリｚ０〜ｚ４同志の内容が比較照合される。この比較照合は、例え図２Ｂで説明した光量（輝度）値によって判断する。カメラ９から分割メモリ１２ａに画像を取り込むとき、ピントが合っていれば図２Ｂで説明したように光量は多くなるから、あるレベル以上にある光量の画像区画４３を抽出することによって比較照合が実施される。図６に示した例は上記のようにアドレスｚ０のメモリ１２ａであるから、図５Ａのようにステージ１６が位置ＺＰ０にあるとき撮影された画像Ｇ０が記憶され、その内、ピントの合った画像区画４３ａ、４３ｂ、４３ｃ・・・を斜線で示してある。

このような分割メモリｚ０〜ｚ４が比較照合されるときの状態を斜視図として示した説明図が図７である。この図７において各分割メモリｚ０〜ｚ４には、前記したようにピント画像区画４３毎にｘ、ｙのアドレスが付され、このｘ、ｙアドレスで特定されるピント画像区画４３毎に比較照合が実施される。図７で各メモリｚ０〜ｚ４毎の（ｘ０、ｙ０）アドレスで特定されるピント画像区画４３ａを比較照合すると、アドレスｚ０の区画４３ａは図５、６に示したようにピントの合った画像Ｇ０１が記憶されているが、他のアドレスｚ１〜ｚ４に記憶された画像Ｇ１２、Ｇ２２、Ｇ３２、Ｇ４２はピンボケとなっている。そのためこの区画４３ａではアドレスｚ０の区画がピント画像区画として抽出され、画像メモリ１２ｃのアドレス（ｘ０、ｙ０）位置に送り出されて記憶される。同じようにアドレス（ｘ１、ｙ０）で特定される区画４３ｂを比較照合するとアドレスｚ０のメモリには区画４３ａと同様にピントの合った画像Ｇ０１が記憶されているが、他のアドレスｚ１〜ｚ４に記憶された画像Ｇ１２〜Ｇ４２はピンボケとなっている。そのためこの画像区画４３ｂもアドレスｚ０の区画がピント画像区画として抽出され、画像メモリ１２ｃの（ｘ１、ｙ０）アドレス位置に送り出されて記憶される。以下同じようにして全区画４３ｃ、４３ｄ、・・・を各アドレスｚ０〜ｚ４同志で比較照合し、ピントの合った画像区画を抽出して画像メモリ１２ｃに送り出し記憶していく。図中の矢印４４は各アドレスｚ０〜ｚ４の区画４３ａを示すための指標で、比較照合する対象を明確にするための説明用である。

図８は画像メモリ１２ｃと位置メモリ１２ｂの説明図である。図Ａは画像メモリ１２ｃであり、その内部は分割メモリ１２ａのピント画像区画と同様に区分けされ、それぞれＸ、Ｙ方向のアドレスｘ、ｙが付されている。図においてアドレス（ｘ０、ｙ０）には、図６、７で説明したようにアドレスｚ０のメモリからピント画像区画として抽出された画像Ｇ０１が記憶されている。またアドレス（ｘ１、ｙ０）にも同様にピント画像区画として抽出された画像Ｇ０１が記憶されている。しかしアドレス（ｘ２、ｙ１）にはアドレスｚ１のメモリからピント画像区画として抽出された画像Ｇ１１が記憶され、アドレス（ｘ４、ｙ２）にはアドレスｚ２からピント画像区画として抽出した画像Ｇ２１が記憶されている。このように画像メモリ１２ｃには分割メモリ１２ａから抽出されたピント画像区画の画像だけが記憶されるが、その記憶される位置は分割メモリ１２ａから抽出したアドレスと同じアドレスとなるよう管理される。このようにして画像メモリ１２ｃに記憶されたピント画像区画の集合で１つの全体焦点画像データが作成され、それを表示部１３に送り出せば画面１３ａにピントの合った全体画像が表示される。
図８Ｂは位置メモリ１２ｂである。画像処理部１１が各分割メモリ１３ａからピント画像区画を抽出するとき、その抽出したピント画像区画がもつｘ、ｙアドレスをまず読み出して、それを位置メモリ１２ｂに記憶する。この位置メモリ１２ｂには画像メモリ１２ｃと同様に区分けされたアドレスが付されているので、画像メモリ１２ｃから抽出したピント画像区画のｘ、ｙアドレスを位置メモリ１２ｂの同じアドレス位置に記憶する。次いで画像処理部１１はピント画像区画を各分割メモリ１２ａから抽出するときに、抽出した分割メモリがもつアドレスｚ０〜ｚ４を読み出してそれを位置メモリ１２ｂに、前記の各記憶したＸ、Ｙ方向のアドレスｘ、ｙと対応させて一緒に記憶する。従って位置メモリ１２ｂにはピント画像区画毎のｘ、ｙアドレスと、そのｘ、ｙアドレスを抽出した元のメモリ１２ａのアドレスｚ０〜ｚ４が、画像メモリ１２ｃの配列と同じ配列で記憶される。例えば位置メモリ１２ｂのアドレス（ｘ０、ｙ０）には、アドレスｚ０の分割メモリ中、アドレス（ｘ０、ｙ０）から画像Ｇ０１（図８Ａ）を抽出したことを示す「ｚ０」と「ｘ０、ｙ０」が記憶される。同じように位置メモリ１２ｂのアドレス（ｘ１、ｙ０）には、アドレスｚ０の分割メモリ中、アドレス（ｘ１、ｙ０）から画像Ｇ０１（図８Ａ）を抽出したことを示す「ｚ０」と「ｘ１、ｙ０」が記憶される。同様に位置メモリ１２ｂのアドレス（ｘ３、ｙ２）には、アドレスｚ２の分割メモリ中、アドレス（ｘ３、ｙ２）から画像Ｇ２１（図８Ａ）を抽出したことを示す「ｚ２」と「ｘ３、ｙ２」が記憶される。以下同様にして画像メモリ１２ｃに記憶した全ピント画像区画の位置データが位置メモリ１２ｂに記憶され、全体の焦点画像を記憶した画像メモリ１２ｃと一致する位置データが作成される。このようにして記憶された位置メモリ１２ｂの内容は更に画像処理部１１でＺ方向画像処理と曲線近似の処理が行われ、それがうねり曲線メモリ１２ｄ（図３）にうねり曲線として記憶されるが、その詳細については後に説明する。

図９は以上説明してきた全体焦点画像データと位置データの作成作業をフロー図として示したものである。図において最初の工程４５で対物レンズ５の倍率を設定する。これは図１の倍率検出部１８で光学系１中にセットされた対物レンズ５の倍率を検出し、制御部１０内の画像処理部１１などにその信号を伝えることによって行われる。入力部１４より画像処理部１１にレンズ倍率を直接指令するようにしても同様の結果が得られるが、その場合、倍率検出部１８は不用となる。次の工程４６では図２Ｃで説明したフォーカスライン３７の設定と校正を行う。これは前記対物レンズ５を設定することで、その倍率を認識した画像処理部１１が自動的に例えばライン３７を選択し、それを変位量演算部２８に伝えるようにしておけばよい。ライン３７ａ、３７ｂを選択するときやライン３７の一部を校正するようなときは、入力部１４より制御部１０を介して変位量演算部２８に指令する。
工程４７でステージ１６のＺ方向移動ピッチＺＰを設定する。これは図２Ｃのフォーカスライン３７が設定されれば、レンズ位置３４と３６間の距離３８が自動的に認識できるから、駆動部１７は制御部１０よりその値を得ることが出来る。以上の工程４５、４６で事前の入力設定作業が終了したら、工程４８によって物体６を撮影する。この撮影は対物レンズ５の焦点深度に基づくピッチＺＰで行われ、図３で説明した分割メモリ１２ａのアドレスｚ０〜ｚ２５５に順次記憶される。分割メモリ１２ａの各アドレスｚ０〜ｚ２５５（図４、７などではアドレスｚ０〜ｚ４）に記憶された各画像は工程４９で画像処理され、各アドレスｚ毎の画像同志が比較されピント画像区画が抽出される。そして工程５０で抽出したピント画像区画のｘ、ｙアドレスと、その抽出したピント画像区画が収容されていた元のメモリのアドレスｚを位置データとして位置メモリ１２ｂに記憶する。同時に工程４９で抽出したピント画像区画を工程５１で画像メモリ１２ｃに記憶する。この記憶した画像データを工程５２で表示部１３に送り出せば、ピントの合った１つの全体画像Ｇが表示される。

次に図１０の作業フロー図と、図１１のうねり曲線メモリ１２ｄの記憶状態説明図を用いて、ステージ１６をＺ方向に移動指令する三次元情報としてのうねり曲線ｃの作成について説明する。図１０において工程５３は制御部１０（画像処理部１１）で行われる画像Ｚ方向の処理で、図９の工程５０で位置メモリ１２ｂに記憶された位置データを用いて行われる。位置メモリ１２ｂに記憶された位置データには、図８Ｂにイメージとして示したように抽出されたピント画像区画がもつメモリのアドレスｚ０〜ｚ４が含まれている。このアドレスｚ０〜ｚ４を画像の高さ方向（Ｚ方向）を表す値（ｚ０＜ｚ１＜・・・＜ｚ４）と見なして直線ラインｓｘに書き換える作業が、この工程５３の画像Ｚ方向処理である。この書き換えた結果をイメージ的に表したものが図１１Ａである。
この図１１Ａは図３に示したうねり曲線メモリ１２ｄを示し、位置メモリ１２ｂ、画像メモリ１２ｃと同様のＸ、Ｙ方向のアドレスｘ、ｙを持っている。そしてそのＹ方向の各アドレスｙ０、ｙ１、ｙ２、・・・には、位置メモリ１２ｂに記憶された各Ｙ方向アドレスｙ０、ｙ１、ｙ２・・・毎の各アドレスｚを画像処理して１つに接続した階段状の直線ラインｓｘが記憶される。例えばうねり曲線メモリ１２ｄのアドレスｙ０には、図８Ｂの位置メモリ１２ｂのアドレスｙ０に記憶された全Ｘ方向のアドレス「ｚ０、ｚ０、ｚ０、・・・」が画像処理されて１つに接続され、直線ラインｓｘ０として記憶される。またうねり曲線メモリ１２ｄのアドレスｙ１には、位置メモリ１２ｂのアドレスｙ１に記憶された全Ｘ方向のアドレス「ｚ０、ｚ０、ｚ１、・・・」が画像処理されて１つに接続され、直線ラインｓｘ１として記憶される。同様にうねり曲線メモリ１２ｄのアドレスｙ２には位置メモリ１２ｂのアドレスｙ２に記憶された全Ｘ方向のアドレス「ｚ０、ｚ０、ｚ２、・・・」が画像処理されて１つに接続され、直線ラインｓｘ２として記憶される。以下同じようにして位置メモリ１２ｂに記憶された全アドレスｚが画像処理されて直線ラインｓｘとしてうねり曲線メモリ１２ｄに記憶される。

上記の画像処理についてさらに説明する。例えば図８Ｂの位置メモリ１２ｂのアドレスｙ１に記憶された分割メモリのアドレス「ｚ０、ｚ０、ｚ１、ｚ１、ｚ１・・・」を画像の高さ方向を表す値として捉え、これを前記のようにｚ０＜ｚ１とした階段状の直線ラインｓｘ１に書き換えて図１１Ａのようにうねり曲線メモリ１２ｄのアドレスｙ１に記憶する。同じようにして図８Ｂに示した位置メモリ１２ｂの各ｙアドレスに記憶された分割メモリ１２ａの各アドレスｚを、１つに接続された階段状の直線ラインｓｘとして書き換えてうねり曲線メモリ１２ｄに記憶する。このようにすることでうねり曲線メモリ１２ｄの各ｙアドレスには、ｓｘ０、ｓｘ１、ｓｘ２・・・の直線ラインｓｘが得られる。従って１つの直線ラインｓｘ中には物体を撮影した数に応じた階段状の段差が形成される（図４、７の例では０〜４の段差）。具体的には図１１Ａのアドレスｙ０にＺ方向処理されて記憶される直線ラインｓｘ０は、図８Ｂのアドレスｙ０に記憶された位置データ「ｚ０、ｚ０、ｚ０、ｚ０、ｚ０・・・」に基づくものであるから、段差は０のラインとなる。同様に図１１Ａのアドレスｙ１にＺ方向処理されて記憶される直線ラインｓｘ１は、図８Ｂのアドレスｙ１に記憶された位置データ「ｚ０、ｚ０、ｚ１、ｚ１、ｚ１・・・」に基づくものであるから、段差は「ｚ０」と「ｚ１」の間に１つ生じるラインとなる。
以下同様にしてアドレスｙ毎にＺ方向処理した直線ラインｓｘをうねり曲線メモリ１２ｄに記憶していく。これが図１０の画像Ｚ方向処理工程５３である。

次に図１０の工程５４に進む。この工程ではうねり曲線メモリ１２ｄに得られた直線ラインｓｘ０〜ｓｘ４を制御部１０（画像処理部１１）で再度処理して曲線近似処理を行う。そして三次元情報となるうねり曲線ｃｘを作成し、それをうねり曲線メモリ１２ｄに記憶し直す。その結果をイメージ的に示したものが図１１Ｂである。この図１１Ｂは、測定方向をＸ方向としたときのもので、アドレスｙ０には図１１Ａのアドレスｙ０に記憶された直線ラインｓｘ０が曲線近似処理されてうねり曲線ｃｘ０として記憶される。このうねり曲線ｃｘ０は工程５４で曲線近似処理された結果得られたものであるから、そのうねり曲線ｃｘ０中にはｚ０〜ｚ４に相当する高低差が与えられる。しかしこの場合の直線ラインｓｘ０の段差は０であるから、曲線近似しても高低差は発生しない。同様に図１１Ｂのアドレスｙ１には図１１Ａのアドレスｙ１に記憶された直線ラインｓｘ１が曲線近似処理されて、うねり曲線ｃｘ１となって記憶される。このうねり曲線ｃｘ１は段差１の直線ラインｓｘ１によるものであったが、その段差は解消されて滑らかな高低差に変更された曲線ｃｘ１となる。そしてアドレスｙ２には直線ラインｓｘ２が曲線近似処理されてうねり曲線ｃｘ２として記憶される。直線ラインｓｘ２は２つの段差を持っていたが滑らかな高低差を持った曲線に変更される。このようにして全うねり曲線ｃｘとしてうねり曲線メモリ１２ｄに記憶され直すと、図１０の工程５４が終了し工程５５に進む。工程５５では各うねり曲線ｃｘがステージ１６をＺ方向に移動指令する曲線ｃとして使用される。

図１２は表示部１３の画面１３ａに表示された画像Ｇａを用いて、物体表面の形状測定位置を設定する時の説明図で、Ａは作業のフロー図、Ｂは画像表示画面１３ａの説明図である。まず図Ａの工程５７で、画面１３ａに表示された物体画像Ｇａを用いて測定位置を設定する。これは図９の工程５２で表示部１３ａに表示された画像Ｇａをカーソルによって測定開始点ｘＳと終了点ｘＥを設定することによって行う。カーソルは図１の入力部１４から制御部１０に指令され、カーソルコントロール部２９によって管理される。１番目の測定開始点ｘＳと終了点ｘＥが図１２Ｂのようにカーソルで設定されると、そのｘＳ、ｘＥ間が測定長となる。この例の場合、図１２Ｂの画像Ｇａを横断するライン５８ａが、開始点ｘＳと終了点ｘＥを結ぶ同一Ｘ線上の測定点となっている。測定開始点ｘＳがカーソルで設定されると、図１２Ａの工程５９でそのｙアドレスが求められる。これは設定された開始点ｘＳと位置メモリ１２ｂ（又はうねり曲線メモリ１２ｄ）のアドレスｘ、ｙを比較することで求められる。こうして得られたアドレスｙを仮にｙｎ１とすると、工程６０でこのｙｎ１とうねり曲線メモリ１２ｄを比較し、工程６１でｙｎ１のアドレスに相当するうねり曲線ｃｘを選出する。以後この選出されたうねり曲線ｃｘがステージを高さ方向に移動指令する信号となる。設定されたｙｎ１とうねり曲線メモリ１３ｄ中、アドレスｙが一致しない場合の扱いについては工程６２で処理するが、その説明は後記する。工程６１でうねり曲線ｃｘが選出されると、このうねり曲線で指定されるアドレスｚと、測定開始点で設定されるアドレス（ｘＳ、ｙｎ１）位置に撮影光学系１の対物レンズ焦点位置が一致するようステージ１６をＸ、Ｙ方向に移動する（工程６３）。そして工程６４で測定を開始し、測定終了点ｘＥに向けてステージ１６をＸとＺ方向に移動していく。

図１３は測定開始から測定終了までの結果をグラフとして表示部１３ｂに表示するまでを示したフロー図である。図１２の工程６４で測定が開始されると、図１３の工程６５で駆動部１７のＸモータが動作し、ステージ１６がＸ方向に移動していく。そして同時にＺモータが選出したうねり曲線ｃに沿ってステージ１６をＺ方向に移動していく。このＸとＺ方向の移動の最中に工程６６で受光部２６によって検出され、変位量演算部２８で演算された図２Ｃの対物レンズフォーカスライン３７による出力値が制御部１０に取得される。その結果、受光部２６で検出された変位量とうねり曲線ｃによるステージ１６のＺ方向現在値が制御部１０で合算され、求める表面形状測定値Ｗが算出される。そして工程６７でこのＷ値がステージ１６のＸ方向現在値と関連づけられて測定データメモリ１９（図１）に記憶される。そしてこの測定データメモリ１９に基づいて制御部１０が表示画面１３ｂにグラフを表示していく。
このようにして測定を進め、工程６８で設定した測定長に達すると１番目の測定ライン５８ａの測定作業が終了する。終了した結果を出力部１５から出力すれば画面１３ｂに表示されたグラフと、画面１３ａに表示された物体像を得ることが出来る。
図１２Ｂに示した２番目の測定ライン５８ｂを測定するときは、図１３の工程６８の次に図１２Ａの工程５７に進み再度同じ作業を行っていく。そして全測定ライン５８の測定作業が終われば、この工程５８で作業は終了する。

図１４は表示画面１３ｂに表示されたグラフの例を示したものである。図において縦軸はステージ１６がＺ方向に移動するピッチＺＰを示し、横軸はＸ方向の測定開始点ｘＳから終了点ｘＥまでの測定長を示している。図の例ではうねり曲線ｃと、この曲線ｃに沿ってフォーカスライン３７で測定した表面形状測定値Ｗが共に表示されたものとなっている。但し、図１３の工程６７では最終測定値Ｗだけを測定データメモリ１９に記憶し、それをグラフとして表示するようになっている。ステージ１６はまずこの選出されたうねり曲線ｃの開始点（ｘＳ、ｙｎ１）から、この曲線ｃに沿って測定終了点ｘＥに向かってＸとＺ方向に移動していく。そしてその移動時に対物レンズフォーカスライン３７で物体表面形状を精細に測定し変位量を出力していく。この変位量とステージ１６のＺ方向現在値を合算すれば測定値Ｗとなる。
測定値Ｗをグラフとして表示画面１３ｂに表示したとき、グラフ上の主要部についてＸ、Ｙ、Ｚ方向の現在位置を算出し、例えば「Ｘ＝９０」、「Ｙ＝（例えば）ｎ１」、「Ｚ＝２．３」のように数字で表示するようにしても良い。図１の表示部１３にこの数字を表示する画面を１３ｃとして示した。

図１５は図１４で説明した測定値Ｗをグラフとして表示するため、図１３の工程６７で作成した測定データメモリ１９を示したものである。このメモリ１９は縦軸方向が図１４のＸ方向測定長を、横軸方向がＺ方向のピッチＺＰを表している。そして対物レンズ５の焦点深度と対応させてあるＺ方向の１ピッチＺＰ毎に、表面形状に応じた測定値Ｗが書き込まれている。例えば図１５の位置６９で示したＸ＝９０の時、うねり曲線ｃによって得られるＺＰの値は「２」であり、それにフォーカスライン３７による出力値「０．３」が合算されて、最終測定値Ｗは「２．３」となっている。

図１６は以上説明してきた物体表面形状の測定方法と従来例を比較した説明図である。図において７０は表示画面（図１２Ｂの１３ａに相当）で、縦軸に図１４と同様のステージ１６をＺ方向に移動するピッチＺＰが示され、横軸にはＸ方向の測定開始点ｘＳから終了点ｘＥまでの測定長が示されている。図Ａは本発明の場合で、うねり曲線ｃとフォーカスライン３７による測定値Ｗが表示された状態となっていて、撮影光学系１の対物レンズ５焦点位置Ｆがうねり令曲線ｃの開始点ｘＳと高さ方向で一致している状態を示している。そしてステージ１６はＸ方向に移動するに応じてうねり曲線ｃに沿ったＺ方向にも移動していく。つまり、測定開始点ｘＳを画面１３ａ上で設定することでＺ方向の開始点と対物レンズ焦点位置Ｆは一致するから、ステージ１６がＸ方向に移動していけば、それに応じてＺ方向にも連動して移動していき、あたかも対物レンズ５がうねり曲線ｃに沿って連続移動していくかのような状態となる。これらによって全体の測定作業は安定した円滑な一連の動作として進められる。
これに対し図Ｂによるものは在来例を示したものでうねり曲線ｃは存在しない。そのためフォーカスライン３７による測定が可能であったとしても、各ＺＰの範囲内での測定しか実施することが出来ず、ＺＰを超えての連続した測定は実施することが出来ない。それも測定開始点ｘＳが指定されても高さ方向の値は得られないから、その都度対物レンズ５を光軸方向に移動してそのＦ点とｘＳ点高さ方向位置を一致させなければならない。図ＢではＦ点を測定開始点（ｘＳ、ｙｎ１、ｚ）に一致させるため、矢印７１方向に移動させる状態を示している。このようにして得られた開始点から測定を開始したとしても移動ピッチＺＰ１を超えると測定は不能となるから、対物レンズ５を上下方向に移動し、ピント位置Ｆと物体表面が一致する位置を再度求めなければならない。図ではこの上下運動７２が繰り返し行われる様子を示している。このような運動７２を必要とするためＺとＸ方向の移動は断続的なものとなり、測定時間に影響が出てくる。更に断続的な運動は振動などの問題を発生してしまう。図では断続測定して得られた測定値をＷｄとして示してある。

図１６Ａ、Ｂについて実際の表面形状測定に要する時間を算出した例を示すと、図１２Ｂの測定長５８ａを０．５ｍｍとし、図１６Ｂで示した各ＺＰを超えるときの対物レンズ５のＺ方向移動時間とピント位置Ｆの検出に要する時間の平均を１秒／１回としたとき、図１３Ｂでは０．５ｍｍ（５００μｍ）を例えば５００回で検出したとすると５００秒（８．３分）となる。これに対し図１６Ａではうねり曲線ｃに沿って移動するステージ１６のＺ方向に移動する時間は０．１秒／１回程度であり、しかもその移動方向は予め分かっているから、５００回×０．１秒＝５０秒となる。

図１０の工程５４で測定方向がＹ方向であった場合、その測定方向に沿った曲線近似処理が行われる。具体的には図１０の工程５３で作成したＸ方向の直線ラインｓｘ（図１１Ａ）を用いてＹ方向に曲線近似した三次元情報としてのうねり曲線ｃｙを作成する。つまり図１１Ａに示したアドレスｙ０〜ｙ４の各Ｘ方向階段状直線ラインｓｘ０〜ｓｘ４を用いてＹ方向のうねり曲線ｃｙ０〜ｃｙ４を作成する。このようなうねり曲線ｃｙを前記したうねり曲線ｃｘと一緒にして記憶したうねり曲線メモリ１２ｄが図１７である。
このようにｃｘ、ｃｙのうねり曲線を予めうねり曲線メモリ１２ｄに記憶しておけば、測定方向が任意に指定されたとしても対処することが出来る。尚、測定方向をＹ方向とした場合、図１２の工程５７、５９などのｘはｙと読み、ｙはｘと読み替えて作業を進めることになる。

次に図１２で説明した工程６２について説明する。図１２で測定開始点（ｘＳ、ｙｎ１）を指定したとき、そのＹ方向のアドレスｙｎ１がｙｎ１の前に位置するアドレスか、又は後に位置するアドレスか判別しないときがある。このような中間位置となる場合、例えば図１７のアドレスｙ２とｙ３を例とすると、その中間位置が指定されることになるから、選択されてしまったアドレスによっては位置データの値に差異が発生する。そのため各アドレス間の中間に中間値としての位置データを予測して作成し、それを予測直線ラインｓｆとしてうねり曲線メモリ１２ｄに記憶し、この予測直線ラインｓｆに基づいて予測うねり曲線ｃｆを求めるようにしたのが図１２の工程６２である。まず図８Ｂのような位置メモリ１２ｂを求めたら、前後２つのアドレスｙで指定されたＸ方向の各アドレスｘ同志を比較してその中間値を求め、それを予測直線ラインｓｆとして図１８のようにうねり曲線メモリ１２ｄに記憶する。
図１８はこの予測直線ラインｓｆを記憶した状態をイメージ的に表したもので、中間値としてのアドレスｙ０．５、ｙ１．５、ｙ２．５、・・・が付加され、そのアドレス毎に予測直線ラインｓｆ０．５、ｓｆ１．５、ｓｆ２．５、・・・が記憶されている。このような予測直線ラインｓｆが得られれば図１０の工程５４で曲線近似処理し、予測うねり曲線ｃｆとしてうねり曲線メモリ１２ｄに記憶し直せば、ステージ１６を移動指令するうねり曲線ｃとして使用することが出来る。このような中間値を持つ予測うねり曲線ｃをメモリ１２ｄに記憶しておけば、より精度の高い精細な測定を実施していくことが出来る。

図１９は実施例２の説明図である。図のＡはこれまで説明してきた実施例１を示すもので、図１６Ａと同様の表示画面７０を示している。縦軸はステージ１６をＺ方向に移動する時のピッチＺＰであり、横軸はＸ方向の長さを示している。図ではこのような表示画面７０にうねり曲線ｃと測定値Ｗを表示した状態となっていて、測定値Ｗは対物レンズ５の焦点位置Ｆが測定開始点ｘＳ、ｙｎ１からうねり曲線ｃによって高さ（Ｚ）方向に移動していくことで出力されたものとなっている。つまり図２で説明した対物レンズ５フォーカスライン３７の交点３２が、うねり曲線ｃ上を移動していくようステージ１６のＺ方向移動を管理することで変位量演算部２８から出力された値となっている。
これに対し、図１７Ｂに示した実施例２によるものは、うねり曲線ｃに沿って対物レンズ５の焦点位置Ｆが高さ方向に移動するようステージ１６の移動を管理するという方式ではなく、測定値Ｗが対物レンズ５のオートフォーカス範囲である距離３８を超える値になったとき、うねり曲線ｃで指定される方向にステージ１６を移動するという方式に変更したものとなっている。つまり変位量演算部２８が検出した対物レンズ焦点位置Ｆと物体６表面位置間の距離が範囲３８内であるときは測定を実行し、範囲３８を超えるとき、或いは範囲３８では測定不能となるとき物体表面位置と対物レンズ焦点位置間の距離が０となるようステージ１６を高さ方向に移動して物体表面形状を測定していくようにしたものである。以下具体的に説明する。

図Ｂにおいて測定開始点（ｘＳ、ｙｎ１）と一致している対物レンズ５の焦点位置Ｆは、実施例１と同じようにうねり曲線ｃによって指定される高さ（Ｚ）方向位置も一致するようステージ１６を移動する。そしてＸ方向に移動し測定が開始されると、うねり曲線ｃは上昇か下降かを表す指標として利用され（図ではそのためうねり曲線ｃを点線として示してある）、ステージ１６は高さ方向には移動しないままＸ方向に平行移動して物体表面形状を測定していく。そして位置ｘｎ１になるとオートフォーカス可能範囲３８を超えての測定になると判断され、うねり曲線ｃによって指定される方向（この場合上昇）に対物レンズ５を移動する（正しくはステージ１６を下降）。この移動は対物レンズ５の焦点位置Ｆと物体６の表面位置間の距離が０となるまで続けられる。０状態となったら再度測定が進められ測定値Ｗを出力していく。そして位置ｘｎ２になると変位量演算部２８、制御部１０がオートフォーカス可能範囲３８を超えての測定になると判断し、うねり曲線ｃによって指定される上昇方向に対物レンズ５を移動する（ステージ１６を下降する）。そして対物レンズ５の焦点位置Ｆと物体表面位置間の距離が０になるとステージ１６の移動は中断され、測定が再開される。ステージ１６がＸ方向に平行移動し、位置ｘｎ３になると測定可能範囲３８を超えての測定になると判断され、測定は一時中断されて対物レンズをうねり曲線ｃで指定される方向に移動する（ステージを下降する）。そして対物レンズ５の焦点位置Ｆと物体表面間の距離が０になると高さ方向の移動は停止され、ステージ１６がＸ方向に平行移動しながら測定を再開する。ステージ１６が位置ｘｎ４になると前記同様にして測定が中断され、ステージの下降が実行される。以下同じようにして測定が進められる。
このように実施例２では実施例１と同じ装置を使用してプログラムを変更することで実施される。このプログラムの変更は入力部１４からモードの変更を制御部１０に伝えることによって制御部１０に記憶したプログラムが読み出される。そして実施例１ではうねり曲線ｃに沿って対物レンズ５の焦点位置Ｆが移動するようステージ１６を高さ方向に連続移動していくのに対して、この実施例２では高さ方向の移動は断続的なものとなる。しかしこの場合、予め算出したうねり曲線ｃによってステージ１６の移動する高さ方向が判っているので、図１６で説明したような障害を防止することが出来る。そのため物体表面形状に大きな変位量がない場合には有効である。尚、図Ｂに示した５ｋは対物レンズ５の焦点位置Ｆが高さ方向に移動する軌跡を説明用として示したもので、実際の表示画面７０（１３ｂ）には表示されない。

図２０は実施例３を説明するブロック図で、図１と同様に側面図として示してある。図において撮影光学系１と形状検出光学系２０はそれぞれ独立分離して構成され、一体に連結されたユニット１ａに収容されて測定光学系を形成している。図の各部材中、図１と同じ部材には同一の番号を付してあるが、形状検出光学系２０中に示した７３はビームスプリッタで、第２光源２１からの光束を９０度転向して対物レンズ７４に向かわせる。対物レンズ７４はその光束を焦点位置Ｆ２に結ぶ。この焦点位置Ｆ２は撮影光学系１の対物レンズ５焦点位置Ｆ１と同一面となるよう対物レンズ７４の設置位置などが調整される。測定光学系２０の受光部２６に設置された４分割フォトダイオードからの出力は、変位量演算部２８によって検出され、図２Ｃのフォーカスライン３７による表面形状検出値として制御部１０に伝えられる。撮影光学系１の結像面に設置されたカメラ９からの出力は、画像データとして制御部１０に伝えられる。制御部１０は伝えられた画像データと前記物体表面の検出値を測定値Ｗとして表示部１３ａ、１３ｂに送って物体表面の画像Ｇａとグラフを表示する。物体表面形状の測定は実施例１、２と同じように行われるが、撮影光学系対物レンズ５の焦点位置Ｆ１と測定光学系２０の対物レンズ７４の焦点位置Ｆ２は、前記のように分離独立しているため距離Ｌの隔たりが生じる。そのため制御部１０は図１２Ｂの測定開始点ｘＳが指定されたとき、まず位置メモリ１２ｂと画像メモリ１２ｄに基づいてステージ１６をＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動し、撮影光学系１対物レンズ５の焦点位置Ｆ１と測定開始点に相当する物体表面位置を一致させ、次いで距離Ｌだけユニット１ａをＸ方向に移動する。そして測定光学系対物レンズ７４の焦点位置Ｆ２を測定開始点ｘＳと一致させる。次いで前記実施例１、２と同じようにして物体６の表面形状を測定し、その結果をグラフとして表示部１３ｂに表示する。
このように実施例３の２つの光学系１、２０は、それぞれ分離し独立して設けられているから、実施例１のようにダイクロイックミラー７やその他の各種中間部材２３を省くことが出来、全体として明るい光学系を構成することが出来る。そしてそのそれぞれの光学系１、２０は、相手側光学系に煩わされずに各光学系に最適な部材を設計し使用することが出来るから光学系の構成が自由となり、色収差などにも煩わされずに済む。

以上、実施例１、２、３に基づいて説明してきたが、撮影光学系１と測定光学系２０は最も単純な形を例として示してあり、用途に応じて種々変換できることは明らかである。また受光部２６は４分割フォトダイオードだけでなく、２分割のフォトダイオードなどを選択することが出来る。この場合変位量演算部２８で行われる前記した１式の演算は分割数に応じたものとなる。フォトダイオードの代わりに同等の機能を持つＰＳＤを受光部２６として採用することもできる。更にステージ１６のＺ方向への移動は、対物レンズ５を光軸に沿って上下方向に移動することで同じ機能を果たすことが出来る。その場合、駆動部１７のＺ方向移動指令は対物レンズ５に与えられることになる。

本発明装置の概略を示したブロック図。 受光部の投影像と変位量演算部の関係を示した説明図。 メモリを説明する図。 物体の側断面を説明する図。 分割メモリの記憶状態を説明する図。 分割メモリの平面的な記憶状態をイメージとして示した説明図。 ピント画像区画の抽出を説明する斜視図。 画像メモリと位置メモリの説明図。 画像データと位置データの作成を説明するフロー図。 うねり曲線の作成を説明するフロー図。 うねり曲線メモリの記憶状態をイメージとして示した説明図。 物体表面の形状測定位置を指定するときの説明図。 測定結果を表示するグラフの作成を説明するフロー図。 表示画面に表示されるグラフの説明図。 測定データメモリの説明図。 物体表面形状測定方法の比較説明図。 うねり曲線メモリのうねり曲線をイメージとして示した説明図。 うねり曲線メモリの予測直線ラインをイメージとして示した説明図。 実施例２を説明する図。 実施例３を説明するブロック図。

符号の説明

１・・・撮影光学系 ２・・・第１光源 ３・・・レンズ ４・・・ビームスプリッタ ５・・・対物レンズ ６・・・物体 ７・・・ダイクロイックミラー ８・・・レンズ ９・・・カメラ １０・・・制御部 １１・・・画像処理部 １２・・・メモリ １２ａ・・・分割メモリ １２ｂ・・・位置メモリ １２ｃ・・・画像メモリ １２ｄ・・・うねり曲線メモリ １３・・・表示部 １４・・・入力部 １５・・・出力部 １６・・・ステージ １７・・・駆動部 １８・・・倍率検出部 １９・・・測定データメモリ ２０・・・形状検出光学系 ２１・・・第２光源 ２２・・・レンズ ２３・・・ビームスプリッタ ２５・・・結像レンズ ２６・・・受光部 ２７・・・シリンドリカルレンズ ２８・・・変位量演算部 ３１・・・測定光束 ３２・・・交点 ３３・・・斜体光束 ３４・・・レンズ位置 ３５・・・斜体光束 ３６・・・レンズ位置 ３７・・・フォーカスライン ３９・・・測定光束 ４０・・・測定光束 ４１・・・光量分布曲線 ５８・・・測定ライン ７３・・・ビームスプリッタ ７４・・・対物レンズ Ｆ・・・対物レンズ焦点位置 Ｇ・・・画像 Ｗ・・・表面形状測定値

Claims (8)

1. 駆動部によってＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動するステージに設置した物体表面を撮影する光学系と、物体表面形状を前記撮影光学系から分岐した光学系で検出する形状検出光学系を一体にした測定光学系と、この測定光学形の撮影光学系を用いて、その光軸方向に撮影位置を変えながら前記物体表面を順次撮影し、得られたｎ枚の高さ（Ｚ）方向画像をそれぞれ異なるアドレスに順次記憶していく分割メモリと、この分割メモリに記憶したｎ枚の高さ（Ｚ）方向画像同志を制御部で比較照合し、ピントの合った画像区画を抽出して集合し、それを１つのピントの合った全体焦点画像データとして記憶していく画像メモリと、この画像メモリに記憶したピント画像区画毎に、ピント画像区画として抽出した元の分割メモリ上のｘ、ｙ、ｚアドレスを位置データとして記憶していく位置メモリと、この位置メモリに記憶したｚ値をＸ列とＹ列方向に前記制御部で曲線近似し、それを三次元情報のうねり曲線データとして記憶していくうねり曲線メモリと、前記画像メモリに記憶した全体焦点画像データを表示する表示部と、この表示部で物体表面形状測定開始点と終了点が設定されたとき、前記位置メモリとうねり曲線メモリの内容に基づいてステージをＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動し、測定開始点位置に相当する物体表面位置が撮影光学系光軸上の対物レンズ焦点位置と一致するよう前記駆動部に指令する制御部とを有し、前記ステージをＸ、Ｙの測定方向に移動しながらうねり曲線を移動指令曲線としながら高さ（Ｚ）方向にも移動して、形状検出光学系で物体表面形状を測定していくようにした事を特徴とする物体表面形状測定装置。
2. 物体表面からの反射光を撮影光学系から分岐し、シリンドリカルレンズを介して多分割フォトダイオードによる受光部に投影し、その検出値に応じて前記撮影光学系の対物レンズ焦点位置と物体表面間の距離を算出するようにした形状検出光学系とした事を特徴とする前記請求項１記載の物体表面形状測定装置。
3. ステージを選定したうねり曲線に沿って高さ（Ｚ）方向に移動するとき、その変化する高さ（Ｚ）方向現在位置の値と形状検出光学系が検出した物体表面形状値を合算して最終物体表面形状測定値として記憶する測定データメモリを設置した事を特徴とする前記請求項１、２記載の物体表面形状測定装置。
4. 測定データメモリに基づいて物体表面形状をグラフとして表示するようにした表示部とした事を特徴とする前記請求項１、３記載の物体表面形状測定装置。
5. 形状検出光学系が算出した撮影光学系対物レンズ焦点位置と物体表面間の距離が、対物レンズの焦点深度によって決定されるオートフォーカス可能範囲を超えるとき、対物レンズ焦点位置と物体表面間の距離が０となるよううねり曲線で指定される高さ（Ｚ）方向にステージの移動指令を駆動部に伝える制御部とした事を特徴とする前記請求項１、２記載の物体表面形状測定装置。
6. 撮影光学系と形状検出光学系を距離Ｌだけ隔てて独立した光学系として１つのユニット中に収容し、表示部上で物体表面形状測定開始点が設定されたとき、位置メモリとうねり曲線メモリの内容に基づいてステージをＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動し、測定開始点位置に相当する物体表面位置を撮影光学系光軸上の対物レンズ焦点位置と一致させた後、距離Ｌ相当分だけステージを移動して形状検出光学系光軸位置を前記物体上の測定開始点相当位置と一致させて物体表面形状を測定していくようにした測定光学系としたことを特徴とする前記請求項１記載の物体表面形状測定装置。
7. 撮影光学系対物レンズ焦点深度によって決定されるオートフォーカス可能範囲を予め制御部に設定し、その設定値に基づいて撮影光学系対物レンズ焦点位置と物体表面間の距離を算出するようにした形状検出光学系としたことを特徴とする前記請求項１、２、３、５、６記載の物体表面形状測定装置。
8. 撮影光学系と形状検出光学系にそれぞれ設置する光源の波長によって発生する対物レンズの色収差を、フォーカス移動量として予め制御部に記憶させ、その記憶値で撮影光学系対物レンズ焦点位置と物体表面間の距離を算出するようにした形状検出光学系としたことを特徴とする前記請求項１、２、３、５、６、７記載の物体表面形状測定装置。