JP2009002829A - 形状測定方法および形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】撮像手段と被検査体の距離を変えたときに、撮像した画像中の被検査体の位置がずれることによって、位相再生法による被検査体の元形状再生像がぼやけたり擬似像が発生したりする現象に対処する方法および装置に関する。
【解決手段】被検査体の形状の光学的測定方法であって、被検査体への照明光照射段階と、被検査体と撮像手段の間の距離検知段階と、被検査体からの反射光の撮像段階と、予め取得済み基準画像との比較から撮像した画像の面内方向のずれ量を算出するずれ量算出段階と、そのずれ量相当だけ撮像手段の位置補正を行う位置補正段階と、その後に形状計測用の画像を取得する画像取得段階と、被検査体との撮像手段の間の距離調節段階と、これら手順を所定回数繰り返して画像群を取得する画像群取得段階と、画像群から被検査体の元形状画像の再生計算を行う元形状再生段階とを備えることを特徴とする形状測定方法。
【選択図】図１

Description

本発明は撮像手段と被検査体の距離を変えたときに、撮像した画像中の被検査体の位置が微妙にずれることによって、位相再生法による被検査体の元形状の再生像がぼやけたり擬似像が発生したりする現象に対処する方法および装置に関するものである。

現代のハイテク製品と言われるものはそのほとんどがμｍオーダー以下の微細構造を持っている。この微細構造を確認する手段として最も一般的なものは、干渉を利用した測定装置である。それらの測定装置は、測定条件を揃えることができればｎｍオーダーの精密測定を実現することが可能である。

しかしその測定条件の実現と維持は容易ではなく、特に工場など製造現場内部での実現はほとんど不可能である。その最も大きな理由は、空気の揺らぎと振動である。干渉を利用した測定の基本原理は、測定に使用した光の波の数を数えるものであるが、通常は何らかの基準波を用意して、基準波と測定対象からの光波との波数の差を数える。

測定装置を構成する光源、測定対象、検出手段などの間にある空気の温度、密度、流速などが揺らぐことによる屈折率の変化や、測定装置全体または測定装置の各構成要素の機械振動などによって、基準波数の変化があった場合は正確に波数を数えることができない。従って、干渉を使った測定装置は工場でのインライン検査用としては、実運用が困難であるという問題があった。

干渉ではなく回折を利用した計測方法が最近開発された。代表的なものはホログラム検査機である。しかしホログラムも基準光を使うことから、干渉同様に振動や空気揺らぎに弱い。

そこで、最近進歩が著しいコンピュータの計算力でホログラムの基準光を省いてしまう計算手法が開発された。これが位相回復による形状計測法である。

位相回復は発生した回折像から元形状を推測する手法であり、その主な原理はＧｅｒｃｈｂｅｒｇが考案した（非特許文献１参照）。その後、Ｆｉｅｎｕｐらはこの手法に改良を加えた（非特許文献２参照）。これらの方法は、回折像に何らかの付加的束縛条件を加えることで元形状の再生を行おうとするものである。しかし、様々な形状の測定対象に対して普遍的に使用できるような付加的束縛条件を設定することは非常に困難で、結局は測定対象ごとに付加的束縛条件を用意せざるを得ず、実用には向かなかった。

しかしＰｅｄｒｉｎｉらは、測定対象とカメラの距離を変えた複数の回折像より元画像を再生する方法を開発した（非特許文献３参照）。この方法は、付加的束縛条件を必要としないため上記２例に比べかなり現実的な方法である。

Ｒ．Ｗ．Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ，Ｎａｔｕｒｅ，２４０，４０４（１９７２） Ｊ．Ｒ．Ｆｉｅｎｕｐ，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ，２１，２７５８（１９８２） Ｙａｎ Ｚｈａｎｇ，Ｏｐｔ． Ｅｘｐｒｅｓｓ，１１（２４），３２３４（２００３）

Ｐｅｄｒｉｎｉらは非特許文献３において、透過光学系により平面図形の元画像再生を行っている。これを反射光学系に応用すれば、理論的には３次元形状が再生できるはずであるが、実際には次のような２つの問題点があるため、反射光学系への応用は困難であった。

生産ライン上で形状計測を行う場合、測定が終わったら被検査位置からその被検査体が取り去られ、新たな被検査体が載置されて測定される、ということを繰り返す。透過光学系の場合は、照明光源とカメラ（測定手段）の移動軸とを所定の位置関係に予め設定しておけば、被検査体を置き直しても回折像の位置はずれない。従って、カメラと被検査体の間の距離を変えた状態の回折像を複数得ることが出来る。

しかし反射光学系の場合は、図５に示すように、被検査体５１の置かれ方や表面状態の違いにより測定表面の傾きが微妙に異なることは多々ある。このため同じように被検査体に光を照射しても微妙な傾きの違いにより、反射光の光軸５５とカメラの移動軸５４を常に一致させることは困難である。反射光の光軸５５とカメラの移動軸５４が一致していない状態でカメラと被検査体の間の距離を変えると、カメラの撮像フレームに対して、被検査体による回折像の位置がだんだんずれていくことがあり得る。これが１つめの問題点である。

また元画像再生の計算は、複数回の高速フーリエ変換によって行われる。高速フーリエ変換は、データ数が２の累乗個でないと適用できない。これより、元画像再生の計算に使用できるのは、一辺の画素数が２５６、または５１２、または１０２４などの画像のみということになる。

さらにサンプリング定理の制限によりカメラと被検査体の距離の限界は、扱う画像の一辺の画素数に比例する。従って画素数の多いカメラほど、被検査体との距離を大きく設定することができる。被検査体とカメラの間の距離を大きく出来れば、距離の値が異なる画像をより多く取得できるので、元画像再生精度を高くすることができる。

計算に使用できる画像は一辺の画素数が２の累乗個であること、被検査体とカメラの間の距離をできるだけ大きくするためには画素数の多い撮像素子のほうがよいこと、という制限より、取得画像の一部を取り出して使用することは非常に困難となってしまう。これが２つめの問題点である。何らかの方法でずれ量をはかることが出来たとしても、ずれがない部分の画像中だけ切り取りをしようとするとかなり大きなカメラが必要である。

本発明は、上記のような、反射光学系において位相再生法による３次元形状の再生のための回折像を取得する時の、上記の問題点を解決する形状測定方法および形状測定装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の発明は、被検査体の形状を光学的に測定する方法であって、
被検査体に照明光を照射する照明光照射段階と、
被検査体からの撮像手段の距離値を検知する距離検知段階と、
被検査体からの反射光を撮像手段により撮像する撮像段階と、
予め取得済み基準画像との比較により撮像した画像の面内方向のずれ量を算出する、ずれ量算出段階と、
そのずれ量相当だけ撮像手段の位置補正を行う位置補正段階と、
位置補正段階後に形状計測に使用する画像を取得する画像取得段階と、
被検査体からの前記撮像手段の距離を調節する距離調節段階と、
これら手順を所定回数繰り返すことにより画像群を取得する画像群取得段階と、
前記画像群から被検査体の元形状の画像を再生する計算を行う元形状再生段階と、
を備えることを特徴とする形状測定方法である。

本発明の請求項２に記載の発明は、被検査体の形状を光学的に測定する装置であって、
被検査体に照明光を照射する照明光源と、
被検査体からの撮像手段の距離値を検知する距離検知手段と、
被検査体からの反射光を撮像する撮像手段と、
予め取得済み基準画像との比較により撮像した画像の面内方向のずれ量を算出する、ずれ量算出手段と、
そのずれ量相当だけ撮像手段の位置補正を行う位置補正手段と、
位置補正段階後に形状計測に使用する画像取得手段と、
被検査体からの前記撮像手段の距離を調節する距離調節手段と、
これらの手段により得られた所定枚数の、形状計測に使用する画像からなる画像群を取得および記憶する画像群取得手段と、
前記画像群から被検査体の元形状の画像を再生する計算を行う元形状再生手段と、
を備えることを特徴とする形状測定装置である。

本発明の方法および装置によって、被検査体の元形状画像の像輪郭が明確になり、より精度の高い元形状画像が再生できるようになった。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の形状測定装置の概略構成を示したものである。

照明光源２からの照明光が、ハーフミラー３を介して被検査体１に照射された状態にしておく。次に、撮像手段６に取り付けられた距離調節手段７は被検査体１からの撮像手段６の距離を基準となる所定値に設定しそこで保持する。また図示せぬ距離検知手段はこのときの被検査体１からの撮像手段６の距離の値を検知する。この状態で、被検査体１からの反射光（回折光）を撮像手段６で受光して、基準回折像を得る。

撮像手段６により撮像された画像と、図示せぬ距離検知手段により検知された被検査体１からの撮像手段６の距離の値は、記録手段８で関連付けられた状態で記録される。

次に距離調節手段７により、被検査体１からの撮像手段６の距離を、先ほどとは異なる値に設定しそこで保持する。ここで、第１のずれ量測定用回折像を撮像し、記録手段８への記録は前述の手順と同様に行う。

ここで基準回折像と第１のずれ量測定用回折像を解析し、それぞれの回折像のなかの代表点の抽出を行い、対応する代表点どうしの位置差を計算する。そして、この位置差に対応する量だけ、位置補正手段５により撮像手段の位置を補正し、次に元形状画像の再生の計算に使用する第１の回折像を取得する。これによりずれのない回折像で元形状再生の計算が可能となるため精度が期待できる。

同様の手順で、第２〜第ｎの回折像を取得する（ｎは正整数）。以上の、回折像撮像の流れをまとめたフローチャートを図２に示す。

所定枚数の回折像を取得したら、この回折像群に対して、計算手段９により、複数回の高速フーリエ変換を行い元形状の画像を再生する計算を行い、被検査物の元形状画像を得る。

以上、説明したように、本発明の形状測定方法および装置では、被検査体からの距離がそれぞれに異なる位置から撮像した複数の回折像が必要であり、被検査体や撮像条件にもよるが、実用的な元形状画像再生には１０枚以上の回折像が必要である。したがって、撮像手段６を１ｍｍ刻みで移動させていく場合でも１０ｍｍ以上動かす必要があり、距離調節手段７の可動距離は、１０ｍｍ以上必要ということになる。

また、撮像手段６の直進精度および被検査体１との距離の検知精度としては、撮像素子の１ピクセルと同程度の値（１０μｍ程度）が必要であり、距離調節手段７および距離検知手段には、そのような精度を備えたものを使用する必要がある。これは、元形状の画像の再生計算には、被検査体と撮像手段との間の高精度な距離値が必要であるためである。

本発明の実施例について説明する。被検査体をフォトマスクのナンバー部とし、このナンバー部に対して撮像距離の異なる２２枚の回折像を取得し、元形状画像の再生を行った。

本発明の方法を使用しないときに得られる回折像を図３に示す。図３（ａ），（ｂ）は、それぞれカメラ−被検査体距離が、最も近い場合と遠い場合に撮像した画像である。図３（ａ），（ｂ）を比べると若干位置がずれていることがわかる。

次にこれらの回折像より被検査体の元形状を再生した画像を図４に示す。図４（ａ）は本発明を使用しなかった場合、（ｂ）は使用した場合である。画像中に多数の同心円状パターンがあるが、これは被検査体上に小さい異物（埃）が多数あり、この異物による回折像である。

本実施例で使用した被検査体の文字輪郭部は、ほとんど垂直の段差となっているので理想的には輪郭は出ないはずである。図４（ａ），（ｂ）を比べると（ａ）の輪郭部が薄くなっているように見えるが、これは薄いのではなく濃い部分が非常に狭くなったためそう見えるのである。

本実施例では画像全体の重心位置を代表点として位置ずれの指標とし、位置補正を行ったが、代表点の設定方法はこれに限るものではない。

本発明の形状測定装置の概略構成図。 回折像撮像のフローチャート。 実施例１において、本発明の方法を使用しないときに得られる回折像で、（ａ）被検査体に最も近い位置で撮像した回折像、（ｂ）被検査体に最も遠い位置で撮像した回折像。 被検査体の元形状を再生した画像で、（ａ）本発明の方法を使用しなかった場合、（ｂ）本発明の方法を使用した場合。 反射光学系における回折像のずれの発生を説明する模式図。

符号の説明

１・・・・被検査体
２・・・・照明光源
３・・・・ハーフミラー
５・・・・撮像手段の位置補正手段
６・・・・撮像手段
７・・・・撮像手段の距離調節手段
８・・・・記録手段
９・・・・計算手段
５１・・・被検査体
５２・・・照明光源
５３・・・ハーフミラー
５４・・・カメラ移動軸
５５・・・反射光の進行軸
５６・・・カメラの撮像素子面

Claims (2)

1. 被検査体の形状を光学的に測定する方法であって、
   被検査体に照明光を照射する照明光照射段階と、
   被検査体からの撮像手段の距離値を検知する距離検知段階と、
   被検査体からの反射光を撮像手段により撮像する撮像段階と、
   予め取得済み基準画像との比較により撮像した画像の面内方向のずれ量を算出する、ずれ量算出段階と、
   そのずれ量相当だけ撮像手段の位置補正を行う位置補正段階と、
   位置補正段階後に形状計測に使用する画像を取得する画像取得段階と、
   被検査体からの前記撮像手段の距離を調節する距離調節段階と、
   これら手順を所定回数繰り返すことにより画像群を取得する画像群取得段階と、
   前記画像群から被検査体の元形状の画像を再生する計算を行う元形状再生段階と、
   を備えることを特徴とする形状測定方法。
2. 被検査体の形状を光学的に測定する装置であって、
   被検査体に照明光を照射する照明光源と、
   被検査体からの撮像手段の距離値を検知する距離検知手段と、
   被検査体からの反射光を撮像する撮像手段と、
   予め取得済み基準画像との比較により撮像した画像の面内方向のずれ量を算出する、ずれ量算出手段と、
   そのずれ量相当だけ撮像手段の位置補正を行う位置補正手段と、
   位置補正段階後に形状計測に使用する画像取得手段と、
   被検査体からの前記撮像手段の距離を調節する距離調節手段と、
   これらの手段により得られた所定枚数の、形状計測に使用する画像からなる画像群を取得および記憶する画像群取得手段と、
   前記画像群から被検査体の元形状の画像を再生する計算を行う元形状再生手段と、
   を備えることを特徴とする形状測定装置。