JP3816402B2 - Surface shape measuring apparatus and surface shape measuring method - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体の形状をデジタルホログラフィ技術を応用して測定する表面形状測定装置及び表面形状測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
物体の表面形状を光の波長レベルで測定可能な技術として、レーザ干渉計（例えば、Ｚｙｇｏ社のレーザ干渉システム等）がある。このレーザ干渉計は、参照光の位相に変調をかけながら、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）などの撮像素子を用いて複数の干渉縞画像を収録して、それらの干渉縞から被測定物の反射光の位相を求め、その位相データに基づいて光の波長レベルで物体形状を求めるものである。
【０００３】
しかしながら、このようなレーザ干渉計においては、物体が光源波長の１／２を超えるような段差を含む場合は、その段差の位置において、位相のアンラップができなくなり、これにより位相の関連性が途切れるため、形状測定値に不確定性が含まれてしまうという不具合がある。
【０００４】
走査型白色干渉計（例えば、Ｚｙｇｏ社の三次元表面構造解析顕微鏡等）は、かかる不具合を解消するもので、複数の波長でそれぞれ求めた位相情報の相互関係から、単一波長での光軸方向の測定範囲λ／２を拡大する方法を用いている（多波長測定）。そして段差がさらに大きくなった場合には、参照光と物体反射光の光路長がほぼ一致したときにのみ白色干渉縞が発生する性質を利用して、干渉計、被測定物体のどちらかを干渉計の光軸方向に走査し、白色干渉縞の位置と、干渉計又は被測定物の移動量を検知することで、絶対測長を実施している。
【０００５】
しかし、このような走査型白色干渉計により大きな段差を測定する場合には、測定のために被測定物又は測定光学系を測定光学系の光軸方向に移動させる必要があるために、測定時間がかかるという不具合がある。また、測定中の移動であり、かつ、干渉計又は被測定物の移動量を検出する必要があるため、測定誤差要因が増え、また移動部の移動範囲内に光軸方向測定範囲が制限されるという不具合もある。
【０００６】
これに対し、特開2000-221013公報に開示の技術は、波長を超える段差や絶対距離を含んだ形状の測定を高精度かつ高速に測定ミスすることなく行なうため、走査型白色干渉計において、取得すべき干渉縞画像を低減し、測定の高速化を図ろうとしたものである。
【０００７】
また、特開2001-41724公報に開示の技術では、干渉計を用いた表面形状測定装置において、測定対象物を移動させることなく、測定対象物表面の三次元形状を高精度に測定できるようにするため、複屈折位相板を利用した位相シフト法を実施しており、測定対象物を移動させることなく三次元形状の測定を可能としている。また、位相板の代わりに電気光学素子を利用して電気的に位相シフトをさせれば、高速測定が可能としている。
【０００８】
さらに、物体をＣＣＤなどで観測した強度データをもとに、物体形状を求める技術として、depth from focus理論に基づく方法がある。これはレンズの焦点距離を変化させながら収録した複数の撮像画像をもとに、物体表面の合焦位置を求め、それにより表面形状を求めるものである（例えば、石原満宏、佐々木博美「合焦法による高速三次元形状計測」精密工学会誌，vol.63,No.1,1997を参照）。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開2000-221013公報に開示の技術では、サブフリンジオーダーで形状を求めるのに、位相変調法（位相シフト法）を用いているため、装置内に機械的な駆動部分を有しており、また、複数の画像を取得する必要があるため、走査型白色干渉計よりは速いとはいえ、高速化に限界がある。そのため、動きを伴う物体の動的形状を測定することは不可能である。また、機械的な駆動を伴う測定であるために、測定誤差要因が増えるという不具合は依然として残る。
また、特開2001-41724公報に開示の技術では、原理的には位相シフト法を用いたレーザ干渉測定であり、上述したような光源波長の１／２を超える段差を含む面の測定には不確定性がある。また、高速化したといっても、複数の画像データを必要とするために高速化に限界があり、動的形状の測定は不可能である。
【００１０】
さらに、前記のdepth from focus理論に基づく技術では、一般にレーザ干渉に比べると測定分解能が低いため、サブフリンジオーダーの形状が要求される部品の評価には適さないという不具合がある。また、光学系の倍率を上げることで、測定分解能をある程度向上させることができるが、レーザ干渉による分解能と同じレベルまで上げようとすると、横方向の測定範囲（視野）が狭くなってしまうという不具合がある。またレンズの焦点距離を変えながら複数の撮像画像を収録する方法では、収録方法を工夫したとしても複数の画像を取り込むだけの時間がかかるうえ、レンズの焦点距離を正確に変化させるための構成が必要となり、装置構成が複雑化する。また、移動部分が存在するために誤差要因も増え、光軸方向の測定範囲も移動部の可動範囲に限定されるといった不具合がある。
【００１１】
また、近年においては、振動等の高速移動を伴うマイクロマシン等が注目を浴びており、このような振動等の高速移動を伴うマイクロマシン等を被測定物とした動的形状の高精度な測定も要求されている。
【００１２】
本発明の目的は、被測定物や光学系を測定中に移動させることなく、光源波長の１／２を超えるような段差を含む被測定物の表面もサブフリンジオーダーで高精度かつ容易に測定することができ、かつ、振動等の高速移動を伴うマイクロマシン等が被測定物であってもその干渉縞を十分な感度で撮像素子により撮像することができる表面形状測定装置及び表面形状測定方法を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明の表面形状測定装置は、周期運動する被測定物に照射するパルス光を発する光源と、前記パルス光の発光周期を前記被測定物の運動周期に同期させる発光同期手段と、前記パルス光による前記被測定物における反射光と所定の参照光との間で干渉縞を発生させる干渉光学系と、前記干渉縞を撮像して当該干渉縞の画像データである干渉縞データを出力する撮像素子と、前記被測定物の周期運動に伴う前記被測定物と前記干渉光学系との間隔の変化に合わせて前記干渉光学系の拡大倍率を可変とし、前記撮像素子による前記干渉縞の撮像位置における前記反射光の曲率と前記参照光の曲率とをほぼ一致させる拡大倍率可変手段と、前記干渉縞データに基づいて前記反射光の光軸方向の複数位置における前記被測定物の反射光の位相を示す位相データ及び振幅を示す振幅データを、キャリヤ周波数を与えた単一の前記干渉縞の干渉縞データから求める光学データ検出手段と、前記振幅データを用いて合焦状態を判定し、合焦法の原理により前記被測定物の表面形状のデータである第１の表面形状データを求める第１の表面形状データ作成手段と、前記位相データを用いて干渉計測の原理により前記被測定物の表面形状のデータである第２の表面形状データを求める第２の表面形状データ作成手段と、前記第１の表面形状データと前記第２の表面形状データとを合成又は比較して、前記被測定物の表面形状のデータである第３の表面形状データを求める合成又は比較手段と、を備える。
【００１４】
したがって、被測定物の光源波長の１／２を超える段差については第１の表面形状データで受け持ち、それ以外の領域の形状測定については第２の表面形状データで受け持って、この両者を合成又は比較することにより、被測定物や干渉光学系を測定中に移動させることなく、光源波長の１／２を超えるような段差を含む被測定物の表面もサブフリンジオーダーで高精度かつ容易に測定することが可能になる。しかも、周期運動する被測定物の運動周期に同期させて短パルス光が照射されることにより、光を反射するときの被測定物の状態は常に一定となるため、その反射光を重畳させて撮像素子にて受光すれば十分な強度が得ることが可能になるので、振動等の高速移動を伴うマイクロマシン等が被測定物であってもその干渉縞を十分な感度で撮像素子により撮像することが可能になる。
【００１５】
請求項２記載の発明の表面形状測定装置は、周期運動する被測定物に照射するパルス光を発する光源と、前記パルス光の発光周期を前記被測定物の運動周期に同期させる発光同期手段と、前記パルス光による被測定物における反射光と所定の参照光との間で干渉縞を発生させる干渉光学系と、前記干渉縞を撮像して当該干渉縞の画像データである干渉縞データを出力する撮像素子と、前記被測定物の周期運動に伴う前記被測定物と前記干渉光学系との間隔の変化に合わせて前記干渉光学系の拡大倍率を可変とし、前記撮像素子による前記干渉縞の撮像位置における前記反射光の曲率と前記参照光の曲率とをほぼ一致させる拡大倍率可変手段と、前記干渉縞データに基づいて前記反射光の光軸方向の複数位置における前記被測定物の反射光の位相を示す位相データを、キャリヤ周波数を与えた単一の前記干渉縞の干渉縞データから求める光学データ検出手段と、前記位相データを用いて合焦状態を判定し、合焦法の原理により前記被測定物の表面形状のデータである第１の表面形状データを求める第１の表面形状データ作成手段と、前記位相データを用いて干渉計測の原理により前記被測定物の表面形状のデータである第２の表面形状データを求める第２の表面形状データ作成手段と、前記第１の表面形状データと前記第２の表面形状データとを合成又は比較して、前記被測定物の表面形状のデータである第３の表面形状データを求める合成又は比較手段と、を備える。
【００１６】
したがって、被測定物の光源波長の１／２を超える段差については第１の表面形状データで受け持ち、それ以外の領域の形状測定については第２の表面形状データで受け持って、この両者を合成又は比較することにより、被測定物や光学系を測定中に移動させることなく、光源波長の１／２を超えるような段差を含む被測定物の表面もサブフリンジオーダーで高精度かつ容易に測定することが可能になる。しかも、２次元的な位相データを用いて合焦法の原理により被測定物の表面形状を測定するので、２次元的な振幅データではコントラストが低下して合焦点はずれが検知できない場合にも、被測定物の表面が平滑で、振幅データでは光学的にテクスチャを観測できない場合に、被測定面の形状測定が可能になる。さらに、周期運動する被測定物の運動周期に同期させて短パルス光が照射されることにより、光を反射するときの被測定物の状態は常に一定となるため、その反射光を重畳させて撮像素子にて受光すれば十分な強度が得ることが可能になるので、振動等の高速移動を伴うマイクロマシン等が被測定物であってもその干渉縞を十分な感度で撮像素子により撮像することが可能になる。
【００１７】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の表面形状測定装置において、前記干渉光学系と前記撮像素子とを一体化した観測部と、この観測部に設けられ、前記被測定物との相対的な位置及び傾きを調整する位置調整手段と、を更に備える。
【００１８】
したがって、測定したい被測定物の位置や姿勢に対応させ、干渉光学系等と被測定物との相対的な位置や姿勢を変化させることにより、所定の被測定物の傾きあるいは位置での動的形状の測定が可能になる。これにより、被測定物が振動等の周期的な動きを伴う場合の動的形状測定における測定の汎用性を向上させることが可能になる。
【００１９】
請求項４記載の発明の表面形状測定方法は、周期運動する被測定物にこの被測定物の運動周期に同期する発光周期のパルス光を照射したときの反射光と所定の参照光との間で発生させた干渉縞を撮像素子により撮像して当該干渉縞の画像データである干渉縞データを取得するとともに、前記撮像素子による前記干渉縞の撮像位置における前記反射光の曲率と前記参照光の曲率とをほぼ一致させる撮像工程と、前記干渉縞データに基づいて前記反射光の光軸方向の複数位置における前記被測定物の反射光の位相を示す位相データ及び振幅を示す振幅データを、キャリヤ周波数を与えた単一の前記干渉縞の干渉縞データから求める光学データ検出工程と、前記振幅データを用いて合焦状態を判定し、合焦法の原理により前記被測定物の表面形状のデータである第１の表面形状データを求める第１の表面形状データ作成工程と、前記位相データを用いて干渉計測の原理により前記被測定物の表面形状のデータである第２の表面形状データを求める第２の表面形状データ作成工程と、前記第１の表面形状データと前記第２の表面形状データとを合成又は比較して、前記被測定物の表面形状のデータである第３の表面形状データを求める合成又は比較工程と、を含む。
【００２０】
したがって、被測定物の光源波長の１／２を超える段差については第１の表面形状データで受け持ち、それ以外の領域の形状測定については第２の表面形状データで受け持って、この両者を合成又は比較することにより、被測定物や干渉光学系を測定中に移動させることなく、光源波長の１／２を超えるような段差を含む被測定物の表面もサブフリンジオーダーで高精度かつ容易に測定することが可能になる。しかも、周期運動する被測定物の運動周期に同期させて短パルス光が照射されることにより、光を反射するときの被測定物の状態は常に一定となるため、その反射光を重畳させて撮像素子にて受光すれば十分な強度が得ることが可能になるので、振動等の高速移動を伴うマイクロマシン等が被測定物であってもその干渉縞を十分な感度で撮像素子により撮像することが可能になる。
【００２１】
請求項５記載の発明の表面形状測定方法は、周期運動する被測定物にこの被測定物の運動周期に同期する発光周期のパルス光を照射したときの反射光と所定の参照光との間で発生させた干渉縞を撮像素子により撮像して当該干渉縞の画像データである干渉縞データを取得するとともに、前記撮像素子による前記干渉縞の撮像位置における前記反射光の曲率と前記参照光の曲率とをほぼ一致させる撮像工程と、前記干渉縞データに基づいて前記反射光の光軸方向の複数位置における前記被測定物の反射光の位相を示す位相データを、キャリヤ周波数を与えた単一の前記干渉縞の干渉縞データから求める光学データ検出工程と、前記位相データを用いて合焦状態を判定し、合焦法の原理により前記被測定物の表面形状のデータである第１の表面形状データを求める第１の表面形状データ作成工程と、前記位相データを用いて干渉計測の原理により前記被測定物の表面形状のデータである第２の表面形状データを求める第２の表面形状データ作成工程と、前記第１の表面形状データと前記第２の表面形状データとを合成又は比較して、前記被測定物の表面形状のデータである第３の表面形状データを求める合成又は比較工程と、を含む。
【００２２】
したがって、被測定物の光源波長の１／２を超える段差については第１の表面形状データで受け持ち、それ以外の領域の形状測定については第２の表面形状データで受け持って、この両者を合成又は比較することにより、被測定物や光学系を測定中に移動させることなく、光源波長の１／２を超えるような段差を含む被測定物の表面もサブフリンジオーダーで高精度かつ容易に測定することが可能になる。しかも、２次元的な位相データを用いて合焦法の原理により被測定物の表面形状を測定するので、２次元的な振幅データではコントラストが低下して合焦点はずれが検知できない場合にも、被測定物の表面が平滑で、振幅データでは光学的にテクスチャを観測できない場合に、被測定面の形状測定が可能になる。さらに、周期運動する被測定物の運動周期に同期させて短パルス光が照射されることにより、光を反射するときの被測定物の状態は常に一定となるため、その反射光を重畳させて撮像素子にて受光すれば十分な強度が得ることが可能になるので、振動等の高速移動を伴うマイクロマシン等が被測定物であってもその干渉縞を十分な感度で撮像素子により撮像することが可能になる。
【００２３】
請求項６記載の発明は、請求項４又は５記載の表面形状測定方法において、前記干渉光学系と前記撮像素子とを一体化した観測部と前記被測定物との相対的な位置及び傾きを調整する位置調整工程と、
を更に含む。
【００２４】
したがって、測定したい被測定物の位置や姿勢に対応させ、干渉光学系等と被測定物との相対的な位置や姿勢を変化させることにより、所定の被測定物の傾きあるいは位置での動的形状の測定が可能になる。これにより、被測定物が振動等の周期的な動きを伴う場合の動的形状測定における測定の汎用性を向上させることが可能になる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の一形態を図１ないし図９に基づいて説明する。
【００２６】
図１は、本実施の形態の表面形状測定装置の概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、この表面形状測定装置は、光源となる半導体レーザ１と、その半導体レーザ１から出力されるレーザ光の被測定物１４への照射光強度を調整するためのＮＤフィルタ２と、レーザ光を拡大するためのビームエキスパンダ３とを備えている。ビームエキスパンダ３はスペイシャルフィルタとしても作用する。
【００２７】
ビームエキスパンダ３にて拡大された光は、ミラー４にて折り返され、ビームスプリッタ５に入射する。ビームスプリッタ５で反射した光は、光を球面波に変換するためのレンズ６を通り、ミラー７で折り返され、光強度を調整するためのＮＤフィルタ８、ハーフミラー９を介して撮像素子であるＣＣＤ（Charge Coupled Device）１０に入射する。この光は、被測定物１４の反射光と干渉するための参照光となる。
【００２８】
レンズ６は、その略光軸方向に移動可能なステージＳに搭載されており、ステージＳの移動により、レンズ６のその略光軸方向における位置が調整可能となっている。
【００２９】
一方、ビームスプリッタ５を透過した光は、ミラー１１にて折り返され、レンズ１２により球面波に変換され、ハーフミラー９を透過して、対物レンズ１３によりほぼ平行光に変換されて、被測定物１４を照射する。
【００３０】
被測定物１４は、振動する鏡面物体であって、対物レンズ１３に対して接離する方向への周期運動を繰り返す。本実施の形態においては、被測定物１４は、振動等の高速移動を伴うマイクロマシンである。
【００３１】
被測定物１４で反射した光は、対物レンズ１３を通過し、ハーフミラー９で反射して物体光としてＣＣＤ１０に到達し、前記の参照光との間に干渉をおこして干渉縞を発生する。したがって、これらの光学素子により干渉光学系を実現している。この干渉縞はＣＣＤ１０にて撮像され、フレームグラバー１５を介してコンピュータ１６に転送され、コンピュータ１６のメモリ３２（図６参照）に記録される。
【００３２】
半導体レーザ１は、Ｄ／ＡボードＢを介してコンピュータ１６に接続されており、コンピュータ１６からの指令を受信した半導体レーザ１は、任意のタイミングで短パルス光を発生する。半導体レーザ１による発光のパルス幅、出力は、被測定物１４の移動速度、反射率に対応して予め調整・設定されている。
【００３３】
ここで、半導体レーザ１からの短パルス光の照射タイミングについて説明する。本実施の形態の被測定物１４は振動しているため、連続発光の光を被測定物１４に照射した場合には、被測定物１４の反射光のＣＣＤ１０上での強度と位相は被測定物１４の振動に合わせて変化することから、安定した干渉縞は得られない。
【００３４】
そこで、半導体レーザ１により、被測定物１４の振動周期より十分短い発光時間のパルス光を発生するようにすることが考えられる。このように、被測定物１４の振動周期より十分短い発光時間のパルス光を照射し、その反射光を受光するようにすると、光の照射中は、被測定物１４は見かけ上静止している状態とみなせるため、被測定物１４の反射光と参照光との間で発生した干渉縞は安定し、ＣＣＤ１０にて収録することが可能となる。干渉縞を収録することができれば、そのデータをもとに被測定物１４の反射光の複素振幅を正確に求めることができて、正確な被測定物１４の動的表面形状測定が可能になる。
【００３５】
ただし、被測定物１４の振動周波数が高くなるとそれにあわせて半導体レーザ１におけるパルス光の発光時間を短くする必要があるが、パルス光の発光時間が短くなると、それにつれてＣＣＤ１０で受光する光強度が小さくなる。このようにＣＣＤ１０で受光する光強度が小さくなると、干渉縞をＣＣＤ１０にて十分な感度で撮像しきれなくなり、それにより形状の測定精度が劣化し、余りに光強度が小さくなり過ぎると測定が不可能になるという問題がある。
【００３６】
そこで、本実施の形態の表面形状測定装置によれば、被測定物１４の振動周期に同期させて同じ周波数で半導体レーザ１から短パルス光を被測定物１４に照射するようにしている。ここに、発光同期手段が実現されている。これにより、光を反射するときの被測定物１４の状態は常に一定となるため、その反射光を重畳させてＣＣＤ１０にて受光すれば十分な強度が得ることができ、十分な感度でＣＣＤ１０により干渉縞を撮像することができる。
【００３７】
つまり、半導体レーザ１は、その発光周波数を被測定物１４の振動周波数に一致させた状態を保ったまま、コンピュータ１６の制御によって発光のタイミングのみを変化させる。これにより、振動中の物体の任意位置における表面形状を抽出することができる。
【００３８】
ビームスプリッタ５で分岐された後の参照光路と物体光路の長さは、光源である半導体レーザ１のコヒーレンス長以下になるように設定されている。また、被測定物１４からの反射光がＣＣＤ１０で撮像するのに適した強度になるように、ＮＤフィルタ２により被測定物１４への照射光強度を調整してあり、さらに、被測定物１４からの反射光と参照光との干渉により発生する干渉縞のコントラストが高くなるように、ＮＤフィルタ８により参照光強度が調整されている。
【００３９】
対物レンズ１３は被測定物１４の反射光を球面波に変換するように作用し、これにより後述のように被測定物１４の反射光の複素振幅（被測定物１４の像）を再生したときに、像が拡大して観測される。レンズ１２と対物レンズ１３の位置関係は、被測定物１４にほぼ平行光が照射されるように調整されている。レンズ６は、参照光を球面波に変換するように作用し、対物レンズ１３により球面波に変換された被測定物１４の反射光の曲率と、参照光の曲率とが、ＣＣＤ１０の撮像位置においてほぼ一致するように、位置が調整されている。
【００４０】
なお、被測定物１４の像を拡大しない場合は、対物レンズ１３は不要であり、それに伴い、レンズ６、レンズ１２も不要である。
【００４１】
また後で詳細を説明するが、ここでは干渉縞をホログラムとして扱い、ＣＣＤ１０にて撮像したホログラム干渉縞に仮想的に参照光を照射して、その回折光波により被測定物１４からの反射光（被測定物１４の像）の複素振幅を再生する。単一の干渉縞データをＣＣＤ１０にて撮像し、被測定物１４の反射光を再生する場合、ホログラムを透過する０次回折光と実像と虚像の３つが再生されるため、この３つを分離して再生できるように、被測定物１４からの反射光の光軸と参照光の光軸との間に適当な傾きを与えて、干渉縞にキャリヤ周波数がのるようにしている。前記の両光軸に傾きを与えるためには、例えば、ミラー７、被測定物１４又はハーフミラー９の傾きを調整すればよい。
【００４２】
次に、被測定物１４からの反射光（被測定物１４の像）の複素振幅（この明細書において、光の振幅と位相を併せて複素振幅と呼ぶ）を再生計算する方法について説明する。
【００４３】
まず、被測定物１４からの反射光と参照光との干渉により発生する干渉縞のＣＣＤ１０の撮像位置での強度は、（１）式で与えられる。
【数１】
ここで、Ｉは干渉縞の強度であり、ｘ，ｙはＣＣＤ１０の撮像位置のｘ，ｙ座標、Ｒは参照光の複素振幅であり、Ａ，φはそれぞれ被測定物１４の反射光の振幅と位相である。
【００４５】
干渉縞をＣＣＤ１０にて撮像し、ホログラム画像データとしてコンピュータ１６のメモリ３２に記憶する。乾板を用いたホログラフィでは、干渉縞を記録した乾板（ホログラム）に改めて参照光を照射すると、参照光がホログラムに記録された干渉縞にて回折し、それが記録時の物体反射光として振舞うので、これにより、物体反射光（物体像）が再生されることになった。ここでは、実際に参照光を照射せずに、仮想的に参照光がホログラムに照射されたものとして、ＣＣＤ１０にて記録したホログラム画像からフレネル近似のもとに物体反射光（物体像）を再生する。ホログラムに参照光として平行光が照射されたとすると、ホログラムによる回折光、すなわち物体反射光は（２）式のように表される。
【数２】
ここで、Ｕは再生距離ｄだけ離れた像面位置での物体反射光波の複素振幅、ｘ’，ｙ’は像面位置でのｘ，ｙ座標、ｃは複素定数、λは光源波長を表す。
【００４７】
したがって、再生距離ｄを入力し、収録した干渉縞データを用いて（２）式を計算することにより、再生距離ｄにおける物体反射光の複素振幅が再生されることになる。被測定物１４の像を拡大しない場合は、再生距離ｄにＣＣＤ１０の撮像位置と被測定物１４の表面との距離を代入すればよい。図１に示した装置のように、被測定物１４の像を拡大する場合は、対物レンズ１３による被測定物１４の拡大像面とＣＣＤ１０の撮像位置との距離を、再生距離ｄとして入力する。
【００４８】
図２は、図１における被測定物１４、対物レンズ１３、ホログラム面（ＣＣＤ１０の撮像位置）、対物レンズ１３による被測定物１４の拡大像それぞれの位置関係を示す説明図である。図２において、符号１７は被測定物１４の位置を示し、符号１８は対物レンズ１３の位置、符号１９はホログラム面（ＣＣＤ１０の撮像位置）、符号２０は対物レンズ１３による被測定物１４の拡大像面である。
【００４９】
図２における距離ｄ’が再生距離となり、それを（２）式に入力して、被測定物１４の像を再生計算する。図２の距離ｓ及び距離ｓ’はレンズ結像の下記（３）式の関係にあるため、対物レンズ１８の焦点距離ｆと距離ｓをあらかじめ測定しておくことにより、距離ｓ’を求めることができる。そして、対物レンズ１３（位置１８）からほぼ距離ｓ’の位置にＣＣＤ１０の撮像位置を設置すれば、距離ｄ’はほぼ０となり、目視ではほぼ焦点の合った被測定物１４の像が得られ、被測定物１４の位置などの調整が容易になる。また、距離ｄ’が大きくなると、再生した像の周辺部に歪が生じる場合があるため、歪の少ない再生した像を得るためにも効果がある。
【数３】
再生像には、ホログラムを透過する光（０次回折光）による像、実像、虚像の３つの像が含まれていて、被測定物１４の形状を求めるためには、そのうちの実像に注目する。撮像時において物体反射光と参照光との光軸が平行に近いと、その３つの像が重なって再生されるため、前記したように、物体反射光と参照光の光軸に相対的な傾きを与えて、干渉縞にキャリヤ周波数をのせた状態でホログラム（干渉縞画像）を取り込み、これにより像面位置でそれらの３つの像を離れた位置に再生することができる。
【００５１】
（２）式で表される複素振幅の実部を“Real｛Ｕ（ｘ’，ｙ’）｝”とし、虚部を“Imaginary｛Ｕ（ｘ’，ｙ’）｝”とすると、被測定物１４の反射光の振幅Ａ、位相φは、それぞれ次の（４）、（５）式にて与えられる。
【数４】
（４）式にて計算される振幅Ａと、（５）式にて計算される位相φが、それぞれ、振幅データ、位相データに相当する。この位相データの示す位相φを長さ単位に変換し、位相の飛びがある場合、それをアンラップすることにより、被測定物１４の物体形状を光源の波長λ以下の精度で求めることができる。
【００５３】
しかしながら、被測定物１４の物体面に、レーザ光の波長λに対し、λ／２を超えるような大きな段差があると、その段差位置で位相φ（形状）の関連性が途切れるため、測定値に不確定性が生じてくる。
【００５４】
そのため、この形状測定装置では、（４）式による振幅データを活用することによっても、被測定物１４の表面形状を測定し、振幅データによる表面形状の測定値と位相データによる表面形状の測定値とを比較し、又は、合成することによって、λ／２を超える段差を含む被測定面であっても、表面形状の測定を可能なものとしている。かかる点について以下に説明する。
【００５５】
まず、振幅データを用いた表面形状の測定について説明する。簡単のため、被測定物１４を、光学系を用いて拡大しない場合における被測定物１４、ホログラム面（ＣＣＤ１０の撮像位置）、及び、再生像の位置関係を表す図３を参照して説明する。図３において、符号２１は被測定物１４の位置、符号２２はホログラム面（ＣＣＤ１０の撮像位置）、符号２３は被測定物１４の再生像を示す。
【００５６】
ホログラム（ＣＣＤ１０の撮像位置）を原点とした場合、再生距離ｄを−ｘ１とすると、ｘ１の位置にある面の実像が焦点の合った状態で再生され、同様に、再生距離ｄを−ｘ２，−ｘ３とすると、それぞれｘ２，ｘ３の位置にある面の実像が焦点の合った状態で再生されることを示している。その場合、“ｄ＝−ｘ１”とした場合には、ｘ２，ｘ３にある面は焦点ずれすることになる。したがって焦点があっているかどうかを検出することにより、ｘ１，ｘ２，ｘ３の相対的な距離の差（すなわち段差）を求めることができる。
【００５７】
その焦点が合っているかどうかの判定のために、ここでは、（４）式で求めた振幅データを用いて、depth from focus理論に基づいた演算を実施する。depth from focus理論に基づく演算方法としてはさまざまな種類のものがあるが、例えば、“石原満宏、佐々木博美「合焦法による高速三次元形状計測」精密工学会誌，vol.63,No.1,1997”に示された方法を用いることができる。
【００５８】
すなわち、撮像した干渉縞データを用いて、再生距離ｄを微小量（Δｄ）ずつ変えながら、複数の複素振幅を（２）式を用いて計算し、各々の再生距離ｄにおける振幅データを（４）式により計算する。そして各々の振幅データにおいて、ＣＣＤ１０の撮像面の任意の小領域Ｌにおける振幅値Ａの微分値の和を合焦測度ｖとして求め、これらの合焦測度ｖのうちピークを示す再生距離ｄを、焦点の合った位置と判定する。
【００５９】
図４に、撮像画像の任意の小領域Ｌにおいて、再生距離ｄを変化させたときの合焦測度ｖの変化を示すが、図４の距離Ｄが焦点のあう再生距離ｄ（合焦距離Ｄ）となる。したがって、任意の小領域Ｌにおいて振幅値Ａの微分値の和がピークになる再生距離ｄを求め、それを画像全体にわたって繰り返すことにより、被測定物１４の表面全体の各小領域Ｌにおける合焦距離Ｄが計算できる。そして基準位置を任意の小領域にとり、基準位置の再生距離との差を求めることによって、被測定物１４全体の表面形状を求めることができる。よって、撮像画像の各画素について、被測定物１４の表面形状データＳijが得られる。ここで、ｉ，ｊは、撮像画像の画素単位で表わされる座標を示す。
【００６０】
合焦測度ｖを求めるとき、再生距離ｄを少しずつ変化させながら、被測定物１４の反射光の略光軸方向における複数位置での被測定物１４の複素振幅を計算により求めるが、その場合、再生距離ｄの変化の間隔（ピッチ）Δｄは、光源波長λの１／２より小さいことが望ましい。ただし、図４に示したように、複数の合焦測度ｖのプロットをガウス関数などの関数に近似し、関数の頂点を求める作業により合焦距離Ｄを求めてもよく、その場合は、前記の再生距離ｄの変化の間隔Δｄは、厳密に光源波長λの１／２より小さくなくてもよい。
【００６１】
ここで、振幅データを用いた測定の縦方向の感度γは、定数ｋと光学系の倍率βを用いて、
【数５】
【００６２】
一方、光源波長λの１／２の段差を、振幅データを用いる方法により測定しようとすると、光源波長λの１／２より小さい測定分解能が、振幅データを用いる方法に要求される。
【００６３】
光の波長は、可視光の場合は数百ｎｍであるため、振幅データを用いた測定の測定分解能はｎｍオーダーでなければならない。それを考慮すると、被測定物１４の像を拡大せずに振幅データを用いた測定分解能の要求を満たそうとするのは困難であると考えられる。そこで、図１の装置構成では、対物レンズ１３を用いて被測定物１４の像を拡大して測定する装置構成を示した。ただし、光源である半導体レーザ１の波長をμｍやｍｍのオーダーまで大きくした場合などにおいては、被測定物１４の像を拡大せずとも、振幅データを用いた測定の測定分解能の要求は満足でき、測定が可能となる。
【００６４】
次に、（５）式により計算した位相データを用いて、被測定物１４の表面におけるλ／２を下回る微小形状を演算する方法について説明する。
【００６５】
まず、図１におけるレンズ６、レンズ１２、対物レンズ１３を用いずに被測定物１４の像を拡大しない場合は、任意の小領域において、振幅データを用いる方法で焦点の合った再生距離ｄで再生した複素振幅を用い、（５）式により各領域での位相データを計算する。そして計算した位相φを長さの単位に変換することにより、撮像画像の各画素について、被測定物１４の表面形状データＴijを取得することができる。ここで、ｉ，ｊが画像の画素単位で表される座標を示す。
【００６６】
図１に示した装置のように、対物レンズ１３を用いて被測定物１４の像を拡大した場合は、被測定物１４の反射光の曲率と参照光の曲率が一致していないと、前記の曲率の差に起因して、位相φの測定値に図５に示すような同心円状のデフォーカス収差が含まれてくる。被測定物１４の表面形状を正確に求めるためには、それを除去しなければならない。
【００６７】
すなわち、本実施の形態の表面形状測定装置によれば、被測定物１４の周期運動に伴う被測定物１４と対物レンズ１３との間隔の変化に合わせてステージＳを移動させるようにすれば、ＣＣＤ１０の撮像位置での被測定物１４の反射光と参照光の曲率をほぼ一致させることが可能になるので、干渉縞データから計算した位相データにデフォーカス収差は含まれなくなる。ここに、拡大倍率可変手段が実現されている。
【００６８】
したがって、前述の被測定物１４を拡大しない場合と同様に、任意の小領域Ｌにおいて振幅データを用いる方法で焦点の合った再生距離ｄで再生した複素振幅を用いて、（５）式により位相データφを計算し、それを長さ単位に変換することにより、被測定物１４の表面形状データＴijを求めることができる。
次に、振幅データにより求めた形状データＳijと、位相データにより求めた形状データＴijとを合成する方法について説明する。
【００６９】
光源の波長λの１／２を超える段差を含む面の正しい形状データＺijは、次の（７）式
Ｚij＝ｍij・λ＋Ｔij ・・・（７）
により表される。ただし、λは光源波長、ｍijは次数、Ｔijは位相データにより求めた形状である。位相データのみを用いた測定では、光源波長の１／２を超える段差の部分で次数ｍijが不明確になるが、（７）式における次数ｍijを特定することにより、前述の不明確さを解消することができる。そのために振幅データにより求めた形状データＳijを用い、形状データＳijを波長λで除したときの商の整数部が次数ｍijとなる。したがって、そのｍijを（７）式に代入すれば、正しい形状データＺijが得られる。
【００７０】
以上のようにして測定を行なうことにより、被測定物１４や光学系を測定中に移動させることなく、光源波長λの１／２を超えるような段差を含む面をサブフリンジオーダーで高精度に測定可能となる。
【００７１】
次に、以上説明した方法を用いて、コンピュータ１６が行なう形状データＺijの測定処理について概要を整理して説明する。
【００７２】
まず、コンピュータ１６の構成について説明する。図６は、コンピュータ１６の電気的な接続を示すブロック図である。図６に示すように、コンピュータ１６は、各種演算を行ないコンピュータ１６の各部を集中的に制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）３１と、各種のＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）からなるメモリ３２とが、バス３３で接続されている。
【００７３】
バス３３には、所定のインターフェイスを介して、ハードディスクなどの磁気記憶装置３４と、マウス、キーボード等により構成される入力装置３５と、ＬＣＤ、ＣＲＴ等の表示装置３６と、光ディスクなどの記憶媒体３７を読み取る記憶媒体読取装置３８とが接続され、また、インターネットなどのネットワーク３９と通信を行なう所定の通信インターフェイス４０が接続されている。なお、記憶媒体３７は、この発明の記憶媒体を実施するものであり、ＣＤ，ＤＶＤなどの光ディスク、光磁気ディスク、フレキシブルディスク、半導体メモリなどの各種方式のメディアを用いることができる。また、記憶媒体読取装置３８は、具体的には記憶媒体３７の種類に応じて光ディスク装置、光磁気ディスク装置、フレキシブルディスク装置などが用いられる。
【００７４】
磁気記憶装置３４には、この発明のプログラムを実現する測定演算プログラムが記憶されている。この測定演算プログラムは、記憶媒体３７に記憶されていたものを記憶媒体読取装置３８により読み取るか、あるいは、インターネットなどのネットワーク３９からダウンロードするなどして、磁気記憶装置３４にインストールしたものである。このインストールによりコンピュータ１６は、形状データＺijの測定処理の実行が可能な状態となる。この測定演算プログラムは、所定のＯＳ上で動作するものであってもよい。
【００７５】
以下では、測定演算プログラムに基づいてコンピュータ１６が行なう形状データＺijの測定処理の内容について、図７のフローチャートを参照して説明する。
【００７６】
図７に示すように、まず、ＣＰＵ３１は、ＣＣＤ１０にて撮像された干渉縞の干渉縞データを取り込んで、メモリ３２に記憶し（ステップＳ１）、メモリ３２の所定領域に記憶される所定のカウント値ｋを０にリセットし（ステップＳ２）、干渉縞データを用いて以下の処理を行なう。ステップＳ１により、撮像工程を実現している。
【００７７】
まず、再生距離ｄの初期値ｄ０に対し、再生距離ｄの微小量Δｄにカウント値ｋを乗算した値を加算し（ステップＳ３）、フレネル回折計算を行って、“再生距離ｄ０＋ｋ・Δｄ”での複素振幅を取得する（ステップＳ４）。ステップＳ３，Ｓ４により光学データ検出手段、光学データ検出工程を実現している。そして、その複素振幅の振幅データにおける微小領域Ｌでの合焦測度を求め（ステップＳ５）、カウント値ｋを＋１だけインクリメントする（ステップＳ６）、という処理を、カウント値ｋが所定値Ｋになるまで繰り返す（ステップＳ７のＮ）。
【００７８】
カウント値ｋが所定値Ｋになったときは（ステップＳ７のＹ）、各微小領域Ｌでの合焦距離を求めて、全微小領域Ｌでの合焦距離Ｄを求め（ステップＳ８）、合焦距離Ｄから表面形状データＳijを求める（ステップＳ９）。ステップＳ８，Ｓ９により第１の表面形状データ作成手段、第１の表面形状データ作成工程を実現している。
【００７９】
次に、各画素での次数ｍijを計算し（ステップＳ１０）、微小領域Ｌにおける合焦距離Ｄを再生距離ｄとして（ステップＳ１１）、フレネル回折計算を行い、各微小領域Ｌにおける複素振幅を取得する（ステップＳ１２）。ステップＳ１０〜Ｓ１２により、光学データ検出手段、光学データ検出工程を実現している。
【００８０】
そして、その複素振幅の位相データにより、各画素での位相φの値を表面形状データＴijに変換する（ステップＳ１３）。ステップＳ１３により、第２の表面形状データ作成手段、第２の表面形状データ作成工程を実現している。
【００８１】
最後に、以上のようにして求めた表面形状データＳijと表面形状データＴijとを、前記のように合成又は比較して、表面形状データＺijを求める（ステップＳ１４）。ステップＳ１４により、合成又は比較手段、合成又は比較工程を実現している。
【００８２】
なお、以上の処理では、振幅データを用いた合焦法を実施した結果、得られた各微小領域Ｌにおける合焦距離Ｄを用いて、フレネル回折計算を繰り返し、各微小領域Ｌでの複素振幅を再計算して（ステップＳ１２）、その位置での位相データを再度求めている。正確に計算するためにはそのほうが望ましいが、フレネル回折計算には時間がかかるため、全画素で位相データを計算するのに多大な時間を要する。そこで、求めた合焦距離Ｄが初期位置に対して微小な場合は、初期位置での位相データを代用しても誤差が小さいため、求めた合焦距離Ｄの値によっては、ステップＳ１２のフレネル回折計算を実施しなくてもよい。これにより演算時間、測定時間の短縮が図れる。
【００８３】
なお、図１の装置構成に代えて、図８のような装置構成としてもよい。図８において、図１と同一符号の部材は図１の装置と同様であるため、詳細な説明は省略する。
【００８４】
すなわち、図８の装置構成が図１のものと相違するのは、被測定物１４を光学系の略光軸方向とは直交する方向に振動させるとともに、干渉光学系とＣＣＤ１０とを一体として観測部であるベース５０に搭載し、このベース５０を干渉光学系の光軸と略直交する方向に移動可能なステージ（図示せず）の上に搭載し、測定したい被測定物１４の位置にあわせて干渉光学系を光軸と直交する方向に移動させて（位置調整手段）、被測定物１４からの反射光を受光できる状態にしてから測定を実施するようにしている点である。
【００８５】
すなわち、図８の表面形状測定装置によれば、半導体レーザ１の発光周波数を被測定物１４の振動周波数に一致させた状態を保ったまま、発光のタイミングと、干渉光学系の位置を変化させることにより、振動中の物体の任意位置における表面形状を抽出することができる。
【００８６】
また、干渉光学系とＣＣＤ１０とをステージに搭載するかわりに、被測定物１４を干渉光学系の光軸と直交する方向に移動可能なステージ（図示せず）の上に搭載し、それにより干渉光学系と被測定物１４との相対的な位置を変化させるようにしてもよい。
【００８７】
さらに、図１の装置構成に代えて、図９のような装置構成とすることも考えられる。図９において、図１と同一符号の部材は図１の装置と同様であるため、詳細な説明は省略する。
【００８８】
すなわち、図９の装置構成が図１のものと相違するのは、被測定物１４を光学系の略光軸方向を中心として揺動させるとともに、干渉光学系とＣＣＤ１０とを一体として観測部であるベース５１に搭載し、このベース５１を回転ステージ（図示せず）の上に搭載し、測定したい被測定物１４の被測定面の傾きにあわせて干渉光学系を傾け（位置調整手段）、被測定物１４からの反射光を受光できる状態にしてから測定を実施するようにしている点である。
【００８９】
すなわち、図９の表面形状測定装置によれば、半導体レーザ１の発光周波数を被測定物１４の振動周波数に一致させた状態を保ったまま、発光のタイミングと、干渉光学系の傾きを変化させることにより、振動中の物体の任意位置における表面形状を抽出することができる。
【００９０】
また、干渉光学系とＣＣＤ１０とを回転ステージに搭載するかわりに、被測定物１４を回転ステージ（図示せず）の上に搭載し、それにより干渉光学系と被測定物１４との相対的な角度を変化させるようにしてもよい。
【００９１】
なお、本実施の形態においては、光源として半導体レーザ１を用いたが、これに限るものではない。例えば、ルビーレーザやＹＡＧレーザのように短パルス光を発生する固体レーザを用いても良いし、ＣＷ（continuous-wave）光を出力する半導体レーザをパルス変調駆動してパルス光を生成しても良いし、Ｈｅ−ＮｅレーザやアルゴンレーザからのＣＷ（continuous-wave）光を回転チョッパを用いてパルス化して用いても良い。
【００９２】
ここに、振動する被測定物１４の振動周期に同期させて短パルス光が照射されることにより、光を反射するときの被測定物１４の状態は常に一定となるため、その反射光を重畳させて撮像素子１０にて受光すれば十分な強度を得ることが可能になるので、振動等の高速移動を伴うマイクロマシン等が被測定物１４であってもその干渉縞を十分な感度で撮像素子１０により撮像することが可能になる。
【００９３】
ところで、以上説明した例では、合焦法の原理により求めた表面形状データと、干渉計測の原理により求めた表面形状データＴijとを合成又は比較することによって表面形状データＺijを求めて、光源波長λの１／２を超えるような段差を含む被測定物１４の表面形状をサブフリンジオーダーで測定できるようにしている。
【００９４】
しかし、合焦法の原理により表面形状データを求める手段としては、前記の例に限定されるものではない。すなわち、前記の例では合焦法の原理により表面形状データＳijを求めるために振幅データを用いたが、これに代えて位相データを２次元画像データとして捉え、これを用いて合焦法を実施してもよい。
【００９５】
合焦法では、物体像のボケ具合（合焦測度）をコントラストの低下として検知する。しかし、被測定面が鏡面のような平滑面であると、被測定物１４の表面の明確なテクスチャ（模様）を観察できない場合がある。そして、テクスチャが観察できないと、像のボケによるコントラストの低下が検出できなくなるため、合焦法が実施できず、表面形状測定が不可能になる。
【００９６】
このような場合、振幅データに比べて比較的物体像をコントラストよく観察できる位相データ（位相像）を２次元強度データとして捉えて用いることができる。すなわち、平滑な面であっても、その表面を光学的に拡大していけば、表面粗さが光学系の空間解像力を下回らない限り表面粗さのテクスチャが観察されるようになる。そのため、その像をコントラストの高い位相像として観察することによって、合焦法による形状測定が可能となる。
【００９７】
そのために、コンピュータ１６で行なう処理としては、図７のフローチャートにおいて、振幅データの微小領域Ｌで合焦法を行なうのに（ステップＳ５）代えて、位相データの微小領域Ｌにおいて合焦法を行なえばよい。
【００９８】
また、合焦法により表面形状測定を実施する場合には、焦点の合う画像領域を被測定撮像位置で探索していくこととなる。そのため、焦点の合った画像領域をつなぎ合わせることで、全視野で焦点の合った全焦点画像を生成することができる。顕微鏡などのように拡大倍率が大きい光学系では焦点深度が浅くなり、そのため、被測定物１４の位置や姿勢の調整がしづらくなる。このような場合に、全焦点画像を生成することにより、調整作業が容易になる。
【００９９】
全焦点画像の生成の方法としては、フレネル回折計算を繰り返して複数のデフォーカス画像を取得した後、画像における各微小領域Ｌで合焦距離Ｄを求める。そして、各微小領域Ｌにおいて、求めた合焦距離Ｄと最も近い距離で得られたデフォーカス画像の画素濃度を、表示するための画像における同じ位置の微小領域Ｌに入れる。その作業を画像の全域にわたって繰り返すことにより、画像上のすべての微小領域Ｌで焦点の合った全焦点画像を、高速に取得することができる。
【０１００】
また、全焦点画像を生成する別の処理方法としては、各微小領域Ｌにおいて求めた合焦点距離Ｄを回折距離として入力し、取得した干渉縞データを用いてフレネル回折計算を実施するようにしてもよい。そして、フレネル回折計算の結果得られた画像における微小領域Ｌの画素濃度を、表示するための画像における同じ位置の微小領域Ｌに入れる。その作業を画像の全域にわたって繰り返すことによって、画像上のすべての微小領域Ｌで、より正確に焦点の合った全焦点画像を取得することができる。
【０１０１】
以上説明した、本実施の形態の表面形状測定装置によれば、次のような作用効果を奏することがわかる。
【０１０２】
すなわち、図１に示す表面形状測定装置によれば、撮像した干渉縞データにより、被測定物１４の反射光のほぼ光軸方向における複数位置での複素振幅を求めて、そのうちの振幅データを用いて、合焦状態の検知により表面形状を求めるdepth from focus理論に基づいた演算処理を施すことによって、被測定物１４の表面形状データＳijを測定する。
【０１０３】
その場合、測定分解能及び光軸方向の測定範囲は光学系の拡大倍率により任意に設定することができるため、その測定分解能を光源波長λの１／２より小さく設定することにより、レーザ干渉により測定できない光源波長λの１／２を超える段差を測定することができる。
【０１０４】
一方、干渉縞データから求めた複素振幅のうち、位相データを用いれば、通常のレーザ干渉と同様にしてサブフリンジオーダーの微小形状を測定することができる。したがって、被測定物１４の表面において光源波長λの１／２を超える段差については振幅データを用いた測定で受け持ち（表面形状データＳij）、それ以外の領域の形状測定については位相データを用いた測定で受け持ち（表面形状データＴij）、両測定結果を合成又は比較することにより（表面形状データＺij）、光源波長λの１／２を超える段差をもつ被測定面であっても、サブフリンジオーダーで測定可能となる。
【０１０５】
また、従来の走査型白色干渉計に比べて、光源波長λの１／２を超える段差を含む面を測定するために、干渉光学系や被測定物１４を機械的な駆動で移動させる必要がないため、測定誤差要因が減るうえ、移動範囲の制限によって光軸方向の測定範囲が制限されない。
【０１０６】
振幅データを用いた測定については、レンズの焦点距離を変化させる振幅データを用いた従来法に対して、干渉縞データを用いて、光学系の光軸方向における複数位置での被測定物１４の反射光の複素振幅を計算し、そのうちの振幅データを用いてdepth from focus法を実施するため、数値演算でdepth from focus法を実施していることになり、depth from focus法を実施するために、やはり従来のように機械的な駆動を伴わないため、その誤差の影響を受けず、機械的駆動部分の可動範囲で決まる測定範囲の制限も生じない。
【０１０７】
また、測定のために機械的な駆動を要しないため、高速測定が可能であり、動きを伴う物体の動的形状が測定可能である。
【０１０８】
さらに、観測する干渉縞にキャリヤ周波数を与えて単一の干渉縞データから被測定物１４の反射光の複素振幅を計算するようにすると、そのデータが得られるまでに要する時間はＣＣＤ１０による撮像時間のみで決まることになり、前記した複数の画像を撮像する必要がある走査型白色干渉計やレンズ焦点距離を変化させる方法に比べて、高速測定が可能になる。
【０１０９】
変形、変位、あるいは振動中の物体の形状測定に関し、単一画像から物体反射光の複素振幅を求める方法として、パルス光源を用いたデジタルホログラフィによる物体の動的測定法（例えば、G.Pedrini,H.J.Tiziani,「Quantitative evaluation of two-dimensional dynamic deformations using digital holography」,Optics＆Laser Technology,Vol.29,No.5,pp249-256,1997を参照）があるが、かかる方法においては、粗面物体を測定対象としており、光源波長レベルでの物体形状の測定や、また光源波長λの１／２を超える段差を含む面を光源波長レベルで測定する方法については示されていない。
【０１１０】
かかる方法に比べ、この表面形状測定装置による測定は、被測定物１４が微小であっても、鏡面又はそれに近い面であっても測定可能で、被測定物１４の表面に光源波長λの１／２を超える段差が含まれていても測定可能である。
【０１１１】
また、この表面形状測定装置によれば、光学系倍率を設定することにより、振幅データを用いた表面形状測定と位相データを用いた表面形状測定のうち、振幅データを形状測定についてのみ、その測定分解能を設定することができる。
【０１１２】
一方、振幅データを用いた表面形状測定により光源波長λの１／２の段差を測定するには、その測定分解能は光源波長λの１／２より小さいほうが望ましく、通常の可視光を光源に用いると波長はｎｍオーダーになるため、干渉光学系の拡大倍率を上げたほうがよい。
【０１１３】
その場合、被測定物１４からの反射光又は参照光のどちらか一方を球面波にすることによって干渉光学系の拡大倍率を設定し、前記振幅データを用いた形状測定の測定分解能を光源波長の１／２より小さくすることができるが、被測定物１４からの反射光か参照光かのどちらか一方を球面波にすると、被測定物１４の反射光の波面と参照光の波面との曲率の差に応じたデフォーカス収差が位相データに含まれてくる。デフォーカス収差が含まれると、位相データから正確に被測定物１４の表面形状を求めることができなくなるため、デフォーカス収差を除去する必要がある。
【０１１４】
そのため、この表面形状測定装置では、被測定物１４からの反射光か参照光のどちらか一方を球面波にしたとき、他方の光についても球面波にし、被測定物１４の周期運動に伴う被測定物１４と対物レンズ１３との間隔の変化に合わせてステージＳを移動させるようにし、両者の曲率をほぼ一致させることにより、上記のデフォーカス収差を除去することができる。これにより、干渉光学系の拡大倍率をあげた場合でも、測定を正確に実施することができる。
【０１１５】
この表面形状測定装置では、光学系倍率を設定することにより、振幅データを用いた表面形状測定と位相データを用いた表面形状測定のうち、振幅データを用いた表面形状測定についてのみ、その測定分解能を設定する。
【０１１６】
しかし、その測定分解能を過剰に小さくすると光学系倍率が大きくなるため、横方向の測定範囲（視野）は狭くなり、被測定物１４の表面における広い範囲（視野）を一度に測定することができなくなる。
【０１１７】
そこで、この表面形状測定装置では、光源波長の１／２より小さい測定分解能をもつという条件のもとで、被測定物１４の大きさに応じて光学系倍率を変化させるようにし、被測定物１４の表面のより広い範囲（視野）を一度に測定できるようにしている。
【０１１８】
合焦法の原理を用いて、合焦点はずれを検出することにより被測定物１４の表面形状を測定する場合、被測定物１４の表面が平滑で光学的にテクスチャを観測できないと、合焦点はずれの検知が困難になることがある。
【０１１９】
合焦点はずれは被測定物１４の表面のパターンのコントラストの低下により検出されるものである。２次元的な振幅データではコントラストが低下して合焦点はずれが検出できない場合でも、２次元的な位相データではコントラストが得られる場合がある。
【０１２０】
そのような場合は、前記のように位相データを２次元強度データとして用いて、合焦法の原理により被測定物１４の表面形状を測定する。これにより被測定物１４表面が平滑で、振幅データでは光学的にテクスチャを観測できない場合でも、被測定面の形状測定が可能となり、測定の汎用性を向上させることができる。
【０１２１】
物体形状を測定する場合、測定者が被測定物１４を観察しながら測定できたほうが、被測定物１４の設置、姿勢の調整などの点において便利である。被測定物１４が微小になると肉眼で観察することは難しくなるため、光学的に拡大して観察できたほうがよい。しかしながら、拡大光学系は焦点深度が浅く、光軸方向で焦点のあう範囲が狭いため、観察しづらいという欠点がある。
【０１２２】
これに対し、この表面形状測定装置では、振幅データを用いて合焦法の原理により被測定物１４の表面形状を測定するが、その場合、２次元画像内で合焦点の位置を求める処理を実施するため、測定のために取得した合焦点の情報を用いて、２次元的な全領域で焦点の合った全焦点画像を、生成、表示することができ、被測定物１４の位置、姿勢を観察しやすくすることにより、測定の操作性を向上させることができる。
【０１２３】
この場合、高速に画像を生成、表示することが重要な課題となる。この表面形状測定装置では、全焦点画像における微小領域の焦点画像を、合焦状態から求めた合焦距離に対して最も近い距離にある振幅データに置き換えて生成することによって、高速に全焦点画像を生成することができるので、より自然な被測定物１４の観測が可能となり、測定の操作性を向上させることができる。
【０１２４】
また、全焦点画像を生成する場合、全焦点画像における微小領域の焦点画像を、合焦状態から求めた合焦距離を用いてフレネル回折計算することにより、より正確な全焦点画像の生成が可能となり、測定における被測定物１４の位置、姿勢の調整が、より正確に実施可能となるので、測定の高速化、高精度化を図ることができる。
【０１２５】
【発明の効果】
請求項１又は４記載の発明によれば、被測定物の光源波長の１／２を超える段差については第１の表面形状データで受け持ち、それ以外の領域の形状測定については第２の表面形状データで受け持って、この両者を合成又は比較することにより、被測定物や干渉光学系を測定中に移動させることなく、光源波長の１／２を超えるような段差を含む被測定物の表面もサブフリンジオーダーで高精度かつ容易に測定することができる。しかも、周期運動する被測定物の運動周期に同期させて短パルス光を照射することにより、光を反射するときの被測定物の状態は常に一定となるため、その反射光を重畳させて撮像素子にて受光すれば十分な強度が得ることができるので、振動等の高速移動を伴うマイクロマシン等が被測定物であってもその干渉縞を十分な感度で撮像素子により撮像することができる。
【０１２６】
請求項２又は５記載の発明によれば、被測定物の光源波長の１／２を超える段差については第１の表面形状データで受け持ち、それ以外の領域の形状測定については第２の表面形状データで受け持って、この両者を合成又は比較することにより、被測定物や光学系を測定中に移動させることなく、光源波長の１／２を超えるような段差を含む被測定物の表面もサブフリンジオーダーで高精度かつ容易に測定することができる。しかも、２次元的な位相データを用いて合焦法の原理により被測定物の表面形状を測定するので、２次元的な振幅データではコントラストが低下して合焦点はずれが検知できない場合にも、被測定物の表面が平滑で、振幅データでは光学的にテクスチャを観測できない場合に、被測定面の形状を測定することができる。さらに、周期運動する被測定物の運動周期に同期させて短パルス光を照射することにより、光を反射するときの被測定物の状態は常に一定となるため、その反射光を重畳させて撮像素子にて受光すれば十分な強度が得ることが可能になるので、振動等の高速移動を伴うマイクロマシン等が被測定物であってもその干渉縞を十分な感度で撮像素子により撮像することができる。
【０１２７】
請求項３又は６記載の発明によれば、測定したい被測定物の位置や姿勢に対応させ、干渉光学系等と被測定物との相対的な位置や姿勢を変化させることにより、所定の被測定物の傾きあるいは位置での動的形状の測定ができるので、被測定物が振動等の周期的な動きを伴う場合の動的形状測定における測定の汎用性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態の表面形状測定装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】前記表面形状測定装置における光学系の位置関係を示す説明図である。
【図３】同説明図である。
【図４】前記表面形状測定装置が行なう処理で再生距離と合焦測度との関係を示すグラフである。
【図５】デフォーカス収差について説明する説明図である。
【図６】前記表面形状測定装置を構成するコンピュータの電気的な接続を示すブロック図である。
【図７】コンピュータが実行する処理のフローチャートである。
【図８】前記表面形状測定装置の変形例について概略構成を示すブロック図である。
【図９】前記表面形状測定装置の別の変形例について概略構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 光源
５〜９，１１〜１３ 干渉光学系
１０ 撮像素子
１４ 被測定物
５０，５１ 観測部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a surface shape measuring apparatus and a surface shape measuring method for measuring the shape of an object by applying digital holography technology.
[0002]
[Prior art]
As a technique that can measure the surface shape of an object at the light wavelength level, there is a laser interferometer (for example, a laser interference system of Zygo). This laser interferometer records a plurality of interference fringe images using an imaging element such as a CCD (Charge Coupled Device) while modulating the phase of the reference light, and reflects the reflected light of the object to be measured from these interference fringes. The object shape is obtained at the wavelength level of light based on the phase data.
[0003]
However, in such a laser interferometer, when the object includes a step that exceeds 1/2 of the light source wavelength, the phase cannot be unwrapped at the position of the step, thereby interrupting the phase relationship. For this reason, there is a problem that the shape measurement value includes uncertainty.
[0004]
Scanning white interferometers (for example, Zygo's three-dimensional surface structure analysis microscope) eliminate such inconveniences, and the optical axis at a single wavelength is obtained from the correlation of phase information obtained at a plurality of wavelengths. A method of enlarging the direction measurement range λ / 2 is used (multi-wavelength measurement). When the step becomes even larger, it interferes with either the interferometer or the object to be measured using the property that white interference fringes are generated only when the optical path lengths of the reference light and object reflected light substantially match. Absolute length measurement is performed by scanning in the optical axis direction of the meter and detecting the position of the white interference fringe and the amount of movement of the interferometer or the object to be measured.
[0005]
However, when measuring a large level difference with such a scanning white interferometer, it is necessary to move the object to be measured or the measurement optical system in the direction of the optical axis of the measurement optical system. There is a problem that it takes. In addition, since it is a movement during measurement and it is necessary to detect the amount of movement of the interferometer or the object to be measured, the measurement error factor increases, and the measurement range in the optical axis direction is limited within the movement range of the moving part. There is also a problem that.
[0006]
On the other hand, the technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-221013 performs measurement of the shape including the step and absolute distance exceeding the wavelength without making a measurement error with high accuracy and high speed. This is to reduce the interference fringe image to be acquired and to increase the speed of measurement.
[0007]
Further, in the technique disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-41724, the surface shape measuring apparatus using an interferometer can measure the three-dimensional shape of the surface of the measuring object with high accuracy without moving the measuring object. Therefore, a phase shift method using a birefringent phase plate is performed, and a three-dimensional shape can be measured without moving the measurement object. In addition, high-speed measurement is possible by using an electro-optic element instead of the phase plate to electrically shift the phase.
[0008]
Further, as a technique for obtaining an object shape based on intensity data obtained by observing an object with a CCD or the like, there is a method based on a depth from focus theory. In this method, the focal position of the object surface is obtained based on a plurality of captured images recorded while changing the focal length of the lens, and thereby the surface shape is obtained (for example, Mitsuhiro Ishihara, Hiromi Sasaki "High-speed three-dimensional shape measurement by focusing method", Journal of Precision Engineering, vol.63, No.1,1997).
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the technique disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-221013 uses a phase modulation method (phase shift method) to obtain the shape in the sub-fringe order, the device has a mechanical drive part. In addition, since it is necessary to acquire a plurality of images, there is a limit to speeding up although it is faster than a scanning white interferometer. Therefore, it is impossible to measure the dynamic shape of an object that accompanies movement. Further, since the measurement involves mechanical driving, there still remains a problem that the measurement error factor increases.
In addition, in the technique disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-41724, in principle, laser interference measurement using a phase shift method is used. For measuring a surface including a step exceeding 1/2 of the light source wavelength as described above, There is uncertainty. Even if the speed is increased, a plurality of pieces of image data are required, so there is a limit to the speed increase, and dynamic shape measurement is impossible.
[0010]
Further, the technique based on the depth from focus theory has a problem that the measurement resolution is generally lower than that of laser interference, so that it is not suitable for evaluation of a component that requires a shape of a sub fringe order. In addition, the measurement resolution can be improved to some extent by increasing the magnification of the optical system. However, if the resolution is increased to the same level as the resolution due to laser interference, the lateral measurement range (field of view) becomes narrower. There is. Also, in the method of recording multiple captured images while changing the focal length of the lens, even if the recording method is devised, it takes time to capture multiple images, and there is a configuration for accurately changing the focal length of the lens. It becomes necessary and the device configuration becomes complicated. In addition, since there are moving parts, the error factors increase, and there is a problem that the measurement range in the optical axis direction is limited to the movable range of the moving part.
[0011]
In recent years, micromachines with high-speed movement such as vibration have attracted attention, and high-precision measurement of dynamic shapes using such micromachines with high-speed movement such as vibration as objects to be measured is also required. Has been.
[0012]
The object of the present invention is to measure the surface of the measured object including a step exceeding 1/2 of the light source wavelength with high accuracy and easily without moving the measured object or the optical system during measurement. A surface shape measuring apparatus and a surface shape measuring method capable of capturing an interference fringe with an image sensor with sufficient sensitivity even if a micromachine with high-speed movement such as vibration is a measurement object. Is to provide.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The surface shape measuring apparatus according to the first aspect of the present invention is a light source that emits pulsed light that irradiates a periodically moving object to be measured, and a light emission synchronization unit that synchronizes the light emission period of the pulsed light with the movement period of the object to be measured An interference optical system that generates an interference fringe between the reflected light from the object to be measured by the pulsed light and a predetermined reference light, and interference fringe data that is image data of the interference fringe by imaging the interference fringe. The interference fringe by the image sensor is made variable by changing the magnification of the interference optical system in accordance with a change in the distance between the object to be measured and the interference optical system accompanying the periodic motion of the object to be measured. The magnification changing means for substantially matching the curvature of the reflected light and the curvature of the reference light at the imaging position, and the reflection of the object to be measured at a plurality of positions in the optical axis direction of the reflected light based on the interference fringe data. light Optical data detecting means for obtaining phase data indicating the phase and amplitude data indicating the amplitude from the interference fringe data of the single interference fringe given the carrier frequency, and determining the in-focus state using the amplitude data. First surface shape data creating means for obtaining first surface shape data which is data of the surface shape of the object to be measured by the principle of the focusing method, and the object of the object to be measured by the principle of interference measurement using the phase data. Second surface shape data creating means for obtaining second surface shape data which is surface shape data, and combining or comparing the first surface shape data and the second surface shape data, and measuring Synthesis or comparison means for obtaining third surface shape data which is data of the surface shape of the object.
[0014]
Therefore, the first surface shape data handles the step exceeding 1/2 of the light source wavelength of the object to be measured, and the second surface shape data handles the shape measurement of the other region. By comparing, the surface of the object to be measured including a step exceeding 1/2 of the light source wavelength can be measured with high precision and easily without moving the object to be measured or the interference optical system during measurement. It becomes possible to do. Moreover, since the state of the object to be measured when reflecting light is always constant by being irradiated with the short pulse light in synchronization with the movement cycle of the object to be periodically moved, the reflected light is superimposed. Since sufficient intensity can be obtained by receiving light with the image sensor, even if a micromachine with high-speed movement such as vibration is the object to be measured, the interference fringes should be imaged with sufficient sensitivity. Is possible.
[0015]
A surface shape measuring apparatus according to a second aspect of the present invention is a light source that emits pulsed light that irradiates a periodically moving object to be measured, and a light emission synchronization unit that synchronizes the light emission period of the pulsed light with the movement period of the object to be measured , An interference optical system for generating an interference fringe between the reflected light from the object to be measured by the pulsed light and a predetermined reference light, and imaging the interference fringe and outputting interference fringe data as image data of the interference fringe And the magnification of the interference optical system is variable in accordance with a change in the distance between the object to be measured and the interference optical system accompanying the periodic motion of the object to be measured, and the interference fringes by the image sensor are changed. Magnification magnification variable means for substantially matching the curvature of the reflected light and the curvature of the reference light at the imaging position, and the reflected light of the object to be measured at a plurality of positions in the optical axis direction of the reflected light based on the interference fringe data Place of The optical data detection means for obtaining phase data indicating the interference data of the single interference fringe given the carrier frequency, and determining the in-focus state using the phase data, First surface shape data creating means for obtaining first surface shape data which is surface shape data of the measurement object, and first surface shape data which is the surface shape data of the measurement object by the principle of interference measurement using the phase data. The second surface shape data creating means for obtaining the surface shape data of 2, the first surface shape data and the second surface shape data are synthesized or compared, and the surface shape data of the object to be measured is used. Combining or comparing means for obtaining certain third surface shape data.
[0016]
Therefore, the first surface shape data handles the step exceeding 1/2 of the light source wavelength of the object to be measured, and the second surface shape data handles the shape measurement of the other region. By comparing, the surface of the object to be measured including a step exceeding 1/2 of the light source wavelength can be measured with high accuracy and easily in a sub-fringe order without moving the object to be measured or the optical system during measurement. It becomes possible. Moreover, since the surface shape of the object to be measured is measured based on the principle of the focusing method using the two-dimensional phase data, the contrast is lowered by the two-dimensional amplitude data, and even when the defocusing cannot be detected, When the surface of the object to be measured is smooth and the texture cannot be observed optically with the amplitude data, the shape of the surface to be measured can be measured. Furthermore, since the state of the object to be measured when reflecting light is always constant by irradiating the short pulse light in synchronization with the movement cycle of the object to be periodically moved, the reflected light is superimposed. Since sufficient intensity can be obtained by receiving light with the image sensor, even if a micromachine with high-speed movement such as vibration is the object to be measured, the interference fringes should be imaged with sufficient sensitivity. Is possible.
[0017]
Invention of Claim 3 is the surface shape measuring apparatus of
[0018]
Therefore, by changing the relative position and orientation of the interference optical system and the object to be measured in accordance with the position and orientation of the object to be measured, the dynamics at the inclination or position of the object to be measured are changed. The shape can be measured. This makes it possible to improve the versatility of measurement in dynamic shape measurement when the object to be measured is accompanied by periodic movement such as vibration.
[0019]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a surface shape measuring method between a reflected light and a predetermined reference light when an object to be periodically moved is irradiated with pulsed light having an emission period synchronized with the movement period of the object to be measured. The interference fringes generated in step 1 are picked up by the image sensor to obtain interference fringe data, which is image data of the interference fringes, and the curvature of the reflected light and the reference light at the imaging position of the interference fringes by the image sensor An imaging process for substantially matching the curvature, and phase data indicating the phase of reflected light of the object to be measured and amplitude data indicating amplitude at a plurality of positions in the optical axis direction of the reflected light based on the interference fringe data. The optical data detection step obtained from the interference fringe data of the single interference fringe given the frequency, the focused state is determined using the amplitude data, and the surface shape of the object to be measured is determined by the principle of the focusing method. First surface shape data creation step for obtaining first surface shape data as data, and second surface shape data which is data of the surface shape of the object to be measured by the principle of interference measurement using the phase data. A second surface shape data creating step for obtaining the first surface shape data and the second surface shape data, or a third surface that is data of the surface shape of the object to be measured. And a synthesis or comparison step for obtaining shape data.
[0020]
Therefore, the first surface shape data handles the step exceeding 1/2 of the light source wavelength of the object to be measured, and the second surface shape data handles the shape measurement of the other region. By comparing, the surface of the object to be measured including a step exceeding 1/2 of the light source wavelength can be measured with high precision and easily without moving the object to be measured or the interference optical system during measurement. It becomes possible to do. Moreover, since the state of the object to be measured when reflecting light is always constant by being irradiated with the short pulse light in synchronization with the movement cycle of the object to be periodically moved, the reflected light is superimposed. Since sufficient intensity can be obtained by receiving light with the image sensor, even if a micromachine with high-speed movement such as vibration is the object to be measured, the interference fringes should be imaged with sufficient sensitivity. Is possible.
[0021]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a surface shape measuring method between a reflected light and a predetermined reference light when an object to be periodically moved is irradiated with pulsed light having an emission period synchronized with the movement period of the object to be measured. The interference fringes generated in step 1 are picked up by the image sensor to obtain interference fringe data, which is image data of the interference fringes, and the curvature of the reflected light and the reference light at the imaging position of the interference fringes by the image sensor An imaging step for substantially matching the curvature, and phase data indicating the phase of the reflected light of the object to be measured at a plurality of positions in the optical axis direction of the reflected light based on the interference fringe data. An optical data detection step obtained from the interference fringe data of the interference fringe and a first surface which is a surface shape data of the object to be measured according to the principle of the focusing method by determining the in-focus state using the phase data form First surface shape data creation step for obtaining data, and second surface shape data creation for obtaining second surface shape data which is data of the surface shape of the object to be measured by the principle of interference measurement using the phase data. A step of combining or comparing the first surface shape data and the second surface shape data to obtain third surface shape data that is data of the surface shape of the object to be measured; ,including.
[0022]
Therefore, the first surface shape data handles the step exceeding 1/2 of the light source wavelength of the object to be measured, and the second surface shape data handles the shape measurement of the other region. By comparing, the surface of the object to be measured including a step exceeding 1/2 of the light source wavelength can be measured with high accuracy and easily in a sub-fringe order without moving the object to be measured or the optical system during measurement. It becomes possible. Moreover, since the surface shape of the object to be measured is measured based on the principle of the focusing method using the two-dimensional phase data, the contrast is lowered by the two-dimensional amplitude data, and even when the defocusing cannot be detected, When the surface of the object to be measured is smooth and the texture cannot be observed optically with the amplitude data, the shape of the surface to be measured can be measured. Furthermore, since the state of the object to be measured when reflecting light is always constant by irradiating the short pulse light in synchronization with the movement cycle of the object to be periodically moved, the reflected light is superimposed. Since sufficient intensity can be obtained by receiving light with the image sensor, even if a micromachine with high-speed movement such as vibration is the object to be measured, the interference fringes should be imaged with sufficient sensitivity. Is possible.
[0023]
According to a sixth aspect of the present invention, in the surface shape measuring method according to the fourth or fifth aspect, the relative position and inclination of the observation unit and the object to be measured, in which the interference optical system and the image sensor are integrated, are determined. A position adjustment process to be adjusted;
Is further included.
[0024]
Therefore, by changing the relative position and orientation of the interference optical system and the object to be measured in accordance with the position and orientation of the object to be measured, the dynamics at the inclination or position of the object to be measured are changed. The shape can be measured. This makes it possible to improve the versatility of measurement in dynamic shape measurement when the object to be measured is accompanied by periodic movement such as vibration.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0026]
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of the surface shape measuring apparatus according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the surface shape measuring apparatus includes a semiconductor laser 1 serving as a light source, and an
[0027]
The light expanded by the beam expander 3 is folded back by the
[0028]
The
[0029]
On the other hand, the light transmitted through the beam splitter 5 is folded back by the mirror 11, converted into a spherical wave by the lens 12, transmitted through the half mirror 9, and converted into substantially parallel light by the objective lens 13 to be measured. 14 is irradiated.
[0030]
The object to be measured 14 is a vibrating specular object, and repeats periodic movement in a direction in which the
[0031]
The light reflected by the
[0032]
The semiconductor laser 1 is connected to the
[0033]
Here, the irradiation timing of the short pulse light from the semiconductor laser 1 will be described. Since the
[0034]
Therefore, it can be considered that the semiconductor laser 1 generates pulsed light having an emission time sufficiently shorter than the vibration period of the
[0035]
However, as the vibration frequency of the
[0036]
Therefore, according to the surface shape measuring apparatus of the present embodiment, the short-pulse light is emitted from the semiconductor laser 1 to the device under
[0037]
That is, the semiconductor laser 1 changes only the timing of light emission under the control of the
[0038]
The lengths of the reference optical path and the object optical path after being branched by the beam splitter 5 are set to be equal to or shorter than the coherence length of the semiconductor laser 1 that is a light source. Further, the irradiation light intensity to the object to be measured 14 is adjusted by the
[0039]
The objective lens 13 acts to convert the reflected light of the measured
[0040]
Note that when the image of the
[0041]
Although details will be described later, here, the interference fringes are handled as holograms, the reference light is virtually irradiated to the hologram interference fringes imaged by the
[0042]
Next, a method for reproducing and calculating the complex amplitude of reflected light from the object to be measured 14 (image of the object to be measured 14) (in this specification, the amplitude and phase of light are collectively referred to as complex amplitude) will be described.
[0043]
First, the intensity of the interference fringes generated by the interference between the reflected light from the object to be measured 14 and the reference light at the imaging position of the
[Expression 1]
Here, I is the intensity of the interference fringes, x and y are the x and y coordinates of the imaging position of the
[0045]
The interference fringes are picked up by the
[Expression 2]
Here, U is the complex amplitude of the object reflected light wave at the image plane position separated by the reproduction distance d, x ′ and y ′ are the x and y coordinates at the image plane position, c is a complex constant, and λ is the light source wavelength. .
[0047]
Therefore, by inputting the reproduction distance d and calculating the expression (2) using the recorded interference fringe data, the complex amplitude of the object reflected light at the reproduction distance d is reproduced. When the image of the object to be measured 14 is not enlarged, the distance between the imaging position of the
[0048]
FIG. 2 is an explanatory diagram showing the positional relationship between the object to be measured 14, the objective lens 13, the hologram surface (imaging position of the CCD 10), and the enlarged image of the object to be measured 14 by the objective lens 13 in FIG. 1. In FIG. 2,
[0049]
The distance d ′ in FIG. 2 is the reproduction distance, which is input to the equation (2) to reproduce and calculate the image of the
[Equation 3]
The reproduced image includes three images, a real image and a virtual image by light transmitted through the hologram (0th-order diffracted light). In order to obtain the shape of the
[0051]
When the real part of the complex amplitude represented by the equation (2) is “Real {U (x ′, y ′)}” and the imaginary part is “Imaginary {U (x ′, y ′)}”, the measurement target The amplitude A and the phase φ of the reflected light of the
[Expression 4]
The amplitude A calculated by equation (4) and the phase φ calculated by equation (5) correspond to amplitude data and phase data, respectively. When the phase φ indicated by the phase data is converted into a length unit and there is a phase jump, the object shape of the
[0053]
However, if there is a large step on the object surface of the
[0054]
Therefore, in this shape measuring apparatus, the surface shape of the
[0055]
First, measurement of the surface shape using amplitude data will be described. For simplicity, the
[0056]
When the hologram (imaging position of the CCD 10) is the origin, and the reproduction distance d is -x1, the real image of the surface at the position x1 is reproduced in focus. Similarly, the reproduction distance d is -x2, -X3 indicates that the real images of the surfaces at the positions of x2 and x3 are reproduced in a focused state. In this case, when “d = −x1”, the surface at x2 and x3 is defocused. Therefore, by detecting whether or not there is a focus, a difference (that is, a step) in the relative distance between x1, x2, and x3 can be obtained.
[0057]
In order to determine whether or not the image is in focus, here, an operation based on the depth from focus theory is performed using the amplitude data obtained by the equation (4). There are various types of calculation methods based on the depth from focus theory. For example, “Matsuhiro Ishihara, Hiromi Sasaki“ High-speed 3D shape measurement by focusing ”, Journal of Precision Engineering, vol.63, No.1 , 1997 ”can be used.
[0058]
That is, using the captured interference fringe data, a plurality of complex amplitudes are calculated using equation (2) while changing the reproduction distance d by a minute amount (Δd), and the amplitude data at each reproduction distance d is (4). ) In each amplitude data, the sum of the differential values of the amplitude value A in an arbitrary small region L of the imaging surface of the
[0059]
FIG. 4 shows a change in the focus measure v when the reproduction distance d is changed in an arbitrary small region L of the captured image. The distance D in FIG. 4 is the reproduction distance d in focus (focus distance D). ) Therefore, the reproduction distance d at which the sum of the differential values of the amplitude value A reaches a peak in an arbitrary small region L is obtained and repeated over the entire image, thereby focusing on each small region L on the entire surface of the
[0060]
When obtaining the in-focus measure v, the complex amplitude of the
[0061]
Here, the vertical sensitivity γ of the measurement using the amplitude data is obtained by using the constant k and the magnification β of the optical system,
[Equation 5]
[0062]
On the other hand, if a step of 1/2 of the light source wavelength λ is to be measured by a method using amplitude data, a measurement resolution smaller than 1/2 of the light source wavelength λ is required for the method using amplitude data.
[0063]
Since the wavelength of light is several hundred nm in the case of visible light, the measurement resolution of measurement using amplitude data must be on the order of nm. Considering this, it is considered difficult to satisfy the requirement of measurement resolution using amplitude data without enlarging the image of the
[0064]
Next, a method for calculating a minute shape below λ / 2 on the surface of the
[0065]
First, in the case where the image of the object to be measured 14 is not enlarged without using the
[0066]
When the image of the object to be measured 14 is enlarged using the objective lens 13 as in the apparatus shown in FIG. 1, if the curvature of the reflected light of the object to be measured 14 and the curvature of the reference light do not match, Due to the difference in curvature, concentric defocus aberrations as shown in FIG. 5 are included in the measured value of the phase φ. In order to accurately determine the surface shape of the
[0067]
That is, according to the surface shape measuring apparatus of the present embodiment, if the stage S is moved in accordance with the change in the distance between the measured
[0068]
Therefore, similarly to the case where the object to be measured 14 is not enlarged, the phase is expressed by the equation (5) using the complex amplitude reproduced at the reproduction distance d in focus by the method using the amplitude data in an arbitrary small region L. The surface shape data Tij of the
Next, a method for synthesizing the shape data Sij obtained from the amplitude data and the shape data Tij obtained from the phase data will be described.
[0069]
The correct shape data Zij of the surface including the step exceeding 1/2 of the wavelength λ of the light source is expressed by the following equation (7)
Zij = mij · λ + Tij (7)
Is represented by Where λ is the light source wavelength, mij is the order, and Tij is the shape obtained from the phase data. In the measurement using only phase data, the order mij becomes unclear at the stepped portion exceeding 1/2 of the light source wavelength, but the above-mentioned ambiguity is eliminated by specifying the order mij in the equation (7). can do. Therefore, using the shape data Sij obtained from the amplitude data, the integer part of the quotient when the shape data Sij is divided by the wavelength λ is the order mij. Therefore, correct shape data Zij can be obtained by substituting mij into equation (7).
[0070]
By performing the measurement as described above, a surface including a step exceeding 1/2 of the light source wavelength λ can be accurately obtained with a sub-fringe order without moving the
[0071]
Next, the outline of the measurement processing of the shape data Zij performed by the
[0072]
First, the configuration of the
[0073]
A
[0074]
The
[0075]
Below, the content of the measurement process of the shape data Zij performed by the
[0076]
As shown in FIG. 7, first, the
[0077]
First, the initial value d of the reproduction distance d 0 A value obtained by multiplying the minute amount Δd of the reproduction distance d by the count value k is added (step S3), and Fresnel diffraction calculation is performed to obtain “reproduction distance d 0 The complex amplitude at + k · Δd ″ is acquired (step S4). The optical data detecting means and the optical data detecting step are realized by steps S3 and S4. Then, the amplitude data of the complex amplitude in the minute region L is obtained. The process of obtaining the focus measure (step S5) and incrementing the count value k by +1 (step S6) is repeated until the count value k reaches the predetermined value K (N in step S7).
[0078]
When the count value k reaches the predetermined value K (Y in step S7), the in-focus distance D in each minute region L is obtained to obtain the in-focus distance D in all minute regions L (step S8). Surface shape data Sij is obtained from the focal distance D (step S9). Steps S8 and S9 realize the first surface shape data creating means and the first surface shape data creating step.
[0079]
Next, the order mij at each pixel is calculated (step S10), the focal distance D in the minute region L is set as the reproduction distance d (step S11), and Fresnel diffraction calculation is performed to obtain the complex amplitude in each minute region L. (Step S12). The optical data detection means and the optical data detection process are realized by steps S10 to S12.
[0080]
Then, based on the phase data of the complex amplitude, the value of the phase φ at each pixel is converted into the surface shape data Tij (step S13). By step S13, the 2nd surface shape data creation means and the 2nd surface shape data creation process are realized.
[0081]
Finally, the surface shape data Sij and the surface shape data Tij obtained as described above are combined or compared as described above to obtain the surface shape data Zij (step S14). By step S14, a synthesis or comparison means and a synthesis or comparison process are realized.
[0082]
In the above processing, as a result of performing the focusing method using the amplitude data, the Fresnel diffraction calculation is repeated using the obtained focusing distance D in each minute region L, and the complex amplitude in each minute region L is obtained. Is recalculated (step S12), and the phase data at that position is obtained again. Although it is desirable for accurate calculation, it takes time to calculate phase data in all pixels because Fresnel diffraction calculation takes time. Therefore, when the obtained focusing distance D is very small with respect to the initial position, the error is small even if the phase data at the initial position is substituted, and depending on the value of the obtained focusing distance D, the Fresnel in step S12. It is not necessary to perform diffraction calculation. Thereby, calculation time and measurement time can be shortened.
[0083]
Instead of the apparatus configuration of FIG. 1, an apparatus configuration as shown in FIG. 8 may be used. In FIG. 8, members having the same reference numerals as those in FIG. 1 are the same as those in the apparatus in FIG.
[0084]
That is, the apparatus configuration in FIG. 8 differs from that in FIG. 1 in that the object to be measured 14 is vibrated in a direction orthogonal to the optical axis direction of the optical system and the interference optical system and the
[0085]
That is, according to the surface shape measuring apparatus of FIG. 8, the timing of light emission and the position of the interference optical system are changed while keeping the light emission frequency of the semiconductor laser 1 coincident with the vibration frequency of the device under
[0086]
Further, instead of mounting the interference optical system and the
[0087]
Furthermore, instead of the apparatus configuration of FIG. 1, it is possible to adopt an apparatus configuration as shown in FIG. In FIG. 9, members having the same reference numerals as those in FIG. 1 are the same as those in the apparatus in FIG.
[0088]
That is, the apparatus configuration of FIG. 9 differs from that of FIG. 1 in that the object to be measured 14 is swung around the optical axis direction of the optical system and the interference optical system and the
[0089]
That is, according to the surface shape measuring apparatus of FIG. 9, the timing of light emission and the tilt of the interference optical system are changed while keeping the light emission frequency of the semiconductor laser 1 coincident with the vibration frequency of the device under
[0090]
Further, instead of mounting the interference optical system and the
[0091]
In the present embodiment, the semiconductor laser 1 is used as the light source, but the present invention is not limited to this. For example, a solid-state laser that generates a short pulse light such as a ruby laser or a YAG laser may be used, or a pulsed light may be generated by pulse-modulating a semiconductor laser that outputs CW (continuous-wave) light. Alternatively, CW (continuous-wave) light from a He—Ne laser or an argon laser may be pulsed using a rotating chopper.
[0092]
Here, the short pulse light is irradiated in synchronization with the vibration cycle of the
[0093]
Incidentally, in the example described above, the surface shape data Zij is obtained by combining or comparing the surface shape data obtained by the principle of the focusing method and the surface shape data Tij obtained by the principle of the interference measurement, and the light source wavelength. The surface shape of the
[0094]
However, the means for obtaining the surface shape data by the principle of the focusing method is not limited to the above example. That is, in the above example, the amplitude data is used to obtain the surface shape data Sij according to the principle of the focusing method. Instead, the phase data is regarded as two-dimensional image data, and the focusing method is implemented using this. May be.
[0095]
In the focusing method, the degree of blur (focusing measure) of an object image is detected as a decrease in contrast. However, if the surface to be measured is a smooth surface such as a mirror surface, a clear texture (pattern) on the surface of the object to be measured 14 may not be observed. If the texture cannot be observed, a reduction in contrast due to image blur cannot be detected, so that the focusing method cannot be performed, and surface shape measurement becomes impossible.
[0096]
In such a case, phase data (phase image) capable of observing an object image with relatively high contrast compared to amplitude data can be used as two-dimensional intensity data. That is, even if the surface is smooth, if the surface is optically enlarged, the texture of the surface roughness can be observed unless the surface roughness is less than the spatial resolution of the optical system. Therefore, by observing the image as a high-contrast phase image, shape measurement by the focusing method can be performed.
[0097]
Therefore, as the processing performed by the
[0098]
In addition, when surface shape measurement is performed by the focusing method, an in-focus image area is searched for at a measurement imaging position. Therefore, by connecting the focused image regions, an all-in-focus image in which the entire field of view is in focus can be generated. In an optical system having a large magnification such as a microscope, the depth of focus is shallow, and therefore it is difficult to adjust the position and orientation of the
[0099]
As a method for generating an omnifocal image, Fresnel diffraction calculation is repeated to acquire a plurality of defocused images, and then a focal distance D is obtained for each minute region L in the image. Then, in each minute region L, the pixel density of the defocused image obtained at the closest distance to the obtained focusing distance D is put in the minute region L at the same position in the image to be displayed. By repeating the operation over the entire area of the image, an omnifocal image focused on all the minute regions L on the image can be acquired at high speed.
[0100]
As another processing method for generating an omnifocal image, the in-focus distance D obtained in each minute region L is input as a diffraction distance, and Fresnel diffraction calculation is performed using the acquired interference fringe data. Also good. Then, the pixel density of the minute region L in the image obtained as a result of the Fresnel diffraction calculation is put into the minute region L at the same position in the image to be displayed. By repeating this operation over the entire area of the image, it is possible to acquire an omnifocal image that is more accurately focused on all the minute regions L on the image.
[0101]
According to the surface shape measuring apparatus of this Embodiment demonstrated above, it turns out that there exist the following effects.
[0102]
That is, according to the surface shape measuring apparatus shown in FIG. 1, complex amplitudes at a plurality of positions in the optical axis direction of the reflected light of the measured
[0103]
In that case, the measurement resolution and the measurement range in the optical axis direction can be set arbitrarily according to the magnification of the optical system. Therefore, by setting the measurement resolution to be smaller than ½ of the light source wavelength λ, measurement is performed by laser interference. It is possible to measure a level difference exceeding 1/2 of the light source wavelength λ that cannot be performed.
[0104]
On the other hand, if phase data is used out of complex amplitudes obtained from interference fringe data, a sub-fringing order minute shape can be measured in the same manner as normal laser interference. Therefore, a step exceeding 1/2 of the light source wavelength λ on the surface of the
[0105]
Further, compared to a conventional scanning white light interferometer, it is necessary to move the interference optical system and the
[0106]
For the measurement using amplitude data, the interference fringe data is used for the
[0107]
Further, since mechanical drive is not required for measurement, high-speed measurement is possible, and the dynamic shape of an object with movement can be measured.
[0108]
Furthermore, when the carrier frequency is given to the interference fringe to be observed and the complex amplitude of the reflected light of the measured
[0109]
For measuring the shape of an object during deformation, displacement, or vibration, a dynamic measurement method of an object by digital holography using a pulsed light source (for example, G. Pedrini, HJTiziani, “Quantitative evaluation of two-dimensional dynamic deformations using digital holography” (see Optics & Laser Technology, Vol. 29, No. 5, pp 249-256, 1997). However, it does not show the measurement of the object shape at the light source wavelength level or the method of measuring the surface including the step exceeding 1/2 of the light source wavelength λ at the light source wavelength level.
[0110]
Compared with such a method, the measurement by the surface shape measuring apparatus can be performed even when the object to be measured 14 is very small, a mirror surface or a surface close thereto, and the surface of the object to be measured 14 has a light source wavelength λ of 1. Measurement is possible even if a step exceeding / 2 is included.
[0111]
Moreover, according to this surface shape measuring apparatus, by setting the optical system magnification, the surface shape measurement using the amplitude data and the surface shape measurement using the phase data are measured only for the shape measurement. The resolution can be set.
[0112]
On the other hand, in order to measure a step of ½ of the light source wavelength λ by surface shape measurement using amplitude data, the measurement resolution is preferably smaller than ½ of the light source wavelength λ, and normal visible light is used as the light source. Therefore, it is better to increase the magnification of the interference optical system.
[0113]
In that case, the magnification of the interference optical system is set by making either the reflected light from the object to be measured 14 or the reference light a spherical wave, and the measurement resolution of the shape measurement using the amplitude data is set to the light source wavelength. Although it can be smaller than ½, when either the reflected light from the object under
[0114]
Therefore, in this surface shape measuring apparatus, when either the reflected light from the object to be measured 14 or the reference light is made into a spherical wave, the other light is also made into a spherical wave, and the object to be measured accompanying the periodic motion of the object to be measured 14 is used. By moving the stage S in accordance with the change in the distance between the
[0115]
In this surface shape measuring device, by setting the optical system magnification, of the surface shape measurement using amplitude data and the surface shape measurement using phase data, only the surface shape measurement using amplitude data has its measurement resolution. Set.
[0116]
However, if the measurement resolution is excessively reduced, the magnification of the optical system increases, so that the lateral measurement range (field of view) becomes narrow, and a wide range (field of view) on the surface of the object to be measured 14 can be measured at a time. Disappear.
[0117]
Therefore, in this surface shape measuring apparatus, the optical system magnification is changed in accordance with the size of the
[0118]
When the surface shape of the
[0119]
The out-of-focus state is detected by a decrease in the contrast of the pattern on the surface of the
[0120]
In such a case, the surface shape of the
[0121]
When measuring the object shape, it is more convenient for the measurer to measure the object while observing the object to be measured 14 in terms of installation of the object to be measured 14 and adjustment of the posture. When the object to be measured 14 becomes minute, it is difficult to observe with the naked eye. However, the magnifying optical system has a drawback that it is difficult to observe because the depth of focus is shallow and the range of focus in the optical axis direction is narrow.
[0122]
On the other hand, in this surface shape measuring apparatus, the surface shape of the
[0123]
In this case, it is an important issue to generate and display an image at high speed. In this surface shape measuring device, the focal image of a minute region in the omnifocal image is generated by replacing it with amplitude data that is closest to the in-focus distance obtained from the in-focus state. Therefore, it is possible to observe the
[0124]
In addition, when generating an omnifocal image, it is possible to generate a more accurate omnifocal image by performing Fresnel diffraction calculation on the focal image of a minute area in the omnifocal image using the in-focus distance obtained from the in-focus state. Thus, since the position and orientation of the
[0125]
【The invention's effect】
According to the first or fourth aspect of the present invention, the step exceeding the light source wavelength of the object to be measured is handled by the first surface shape data, and the shape of the other region is measured by the second surface shape. By taking the data and synthesizing or comparing the two, the surface of the object to be measured including a step exceeding 1/2 of the light source wavelength can be obtained without moving the object to be measured or the interference optical system during measurement. Highly accurate and easy to measure with sub-fringe order. In addition, by irradiating the short pulse light in synchronization with the movement cycle of the object to be periodically moved, the state of the object to be measured when reflecting the light is always constant, so that the reflected light is superimposed and imaged. Since sufficient intensity can be obtained by receiving light with the element, even if a micromachine or the like accompanied by high-speed movement such as vibration is a measurement object, the interference fringes can be imaged with sufficient sensitivity by the imaging element.
[0126]
According to the second or fifth aspect of the invention, a step exceeding 1/2 of the light source wavelength of the object to be measured is handled by the first surface shape data, and the shape of the other region is measured by the second surface shape. By taking the data and synthesizing or comparing the two, the surface of the object to be measured including a step exceeding 1/2 of the light source wavelength can be obtained without moving the object to be measured or the optical system during measurement. Highly accurate and easy measurement can be performed on a fringe order. Moreover, since the surface shape of the object to be measured is measured based on the principle of the focusing method using the two-dimensional phase data, the contrast is lowered by the two-dimensional amplitude data, and even when the defocusing cannot be detected, When the surface of the object to be measured is smooth and the texture cannot be observed optically with the amplitude data, the shape of the surface to be measured can be measured. Furthermore, by irradiating a short pulse light in synchronization with the movement cycle of the object to be periodically moved, the state of the object to be measured when reflecting the light is always constant, so the reflected light is superimposed to capture an image. Since sufficient intensity can be obtained if the light is received by the element, the interference fringes can be imaged with sufficient sensitivity even if a micromachine with high-speed movement such as vibration is the object to be measured. it can.
[0127]
According to the invention described in
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a surface shape measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a positional relationship of an optical system in the surface shape measuring apparatus.
FIG. 3 is an explanatory view of the same.
FIG. 4 is a graph showing a relationship between a reproduction distance and a focus measure in a process performed by the surface shape measurement apparatus.
FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining defocus aberration.
FIG. 6 is a block diagram showing electrical connections of computers constituting the surface shape measuring apparatus.
FIG. 7 is a flowchart of processing executed by a computer.
FIG. 8 is a block diagram showing a schematic configuration of a modification of the surface shape measuring apparatus.
FIG. 9 is a block diagram showing a schematic configuration of another modification of the surface shape measuring apparatus.
[Explanation of symbols]
1 Light source
5-9, 11-13 Interference optical system
10 Image sensor
14 DUT
50, 51 observation section
Claims (6)
前記パルス光の発光周期を前記被測定物の運動周期に同期させる発光同期手段と、
前記パルス光による前記被測定物における反射光と所定の参照光との間で干渉縞を発生させる干渉光学系と、
前記干渉縞を撮像して当該干渉縞の画像データである干渉縞データを出力する撮像素子と、
前記被測定物の周期運動に伴う前記被測定物と前記干渉光学系との間隔の変化に合わせて前記干渉光学系の拡大倍率を可変とし、前記撮像素子による前記干渉縞の撮像位置における前記反射光の曲率と前記参照光の曲率とをほぼ一致させる拡大倍率可変手段と、
前記干渉縞データに基づいて前記反射光の光軸方向の複数位置における前記被測定物の反射光の位相を示す位相データ及び振幅を示す振幅データを、キャリヤ周波数を与えた単一の前記干渉縞の干渉縞データから求める光学データ検出手段と、
前記振幅データを用いて合焦状態を判定し、合焦法の原理により前記被測定物の表面形状のデータである第１の表面形状データを求める第１の表面形状データ作成手段と、
前記位相データを用いて干渉計測の原理により前記被測定物の表面形状のデータである第２の表面形状データを求める第２の表面形状データ作成手段と、
前記第１の表面形状データと前記第２の表面形状データとを合成又は比較して、前記被測定物の表面形状のデータである第３の表面形状データを求める合成又は比較手段と、
を備える表面形状測定装置。A light source that emits pulsed light to irradiate an object under periodic movement;
Light emission synchronization means for synchronizing the light emission period of the pulsed light with the movement period of the object to be measured;
An interference optical system that generates interference fringes between reflected light from the object to be measured by the pulsed light and predetermined reference light;
An image sensor that images the interference fringes and outputs interference fringe data that is image data of the interference fringes;
The magnification of the interference optical system is made variable in accordance with a change in the distance between the object to be measured and the interference optical system accompanying the periodic movement of the object to be measured, and the reflection at the imaging position of the interference fringes by the image sensor. An enlargement magnification variable means for substantially matching the curvature of light and the curvature of the reference light;
Based on the interference fringe data, the phase data indicating the phase of the reflected light of the object to be measured and the amplitude data indicating the amplitude at a plurality of positions in the optical axis direction of the reflected light are used as a single interference fringe given a carrier frequency. Optical data detection means obtained from the interference fringe data of
A first surface shape data creating means for determining a focus state using the amplitude data and obtaining first surface shape data which is data of a surface shape of the object to be measured according to a principle of a focusing method;
Second surface shape data creating means for obtaining second surface shape data which is data of the surface shape of the object to be measured by the principle of interference measurement using the phase data;
Combining or comparing the first surface shape data and the second surface shape data to obtain third surface shape data which is data of the surface shape of the object to be measured;
A surface shape measuring device comprising:
前記パルス光の発光周期を前記被測定物の運動周期に同期させる発光同期手段と、
前記パルス光による被測定物における反射光と所定の参照光との間で干渉縞を発生させる干渉光学系と、
前記干渉縞を撮像して当該干渉縞の画像データである干渉縞データを出力する撮像素子と、
前記被測定物の周期運動に伴う前記被測定物と前記干渉光学系との間隔の変化に合わせて前記干渉光学系の拡大倍率を可変とし、前記撮像素子による前記干渉縞の撮像位置における前記反射光の曲率と前記参照光の曲率とをほぼ一致させる拡大倍率可変手段と、
前記干渉縞データに基づいて前記反射光の光軸方向の複数位置における前記被測定物の反射光の位相を示す位相データを、キャリヤ周波数を与えた単一の前記干渉縞の干渉縞データから求める光学データ検出手段と、
前記位相データを用いて合焦状態を判定し、合焦法の原理により前記被測定物の表面形状のデータである第１の表面形状データを求める第１の表面形状データ作成手段と、
前記位相データを用いて干渉計測の原理により前記被測定物の表面形状のデータである第２の表面形状データを求める第２の表面形状データ作成手段と、
前記第１の表面形状データと前記第２の表面形状データとを合成又は比較して、前記被測定物の表面形状のデータである第３の表面形状データを求める合成又は比較手段と、
を備える表面形状測定装置。A light source that emits pulsed light to irradiate an object under periodic movement;
Light emission synchronization means for synchronizing the light emission period of the pulsed light with the movement period of the object to be measured;
An interference optical system that generates interference fringes between reflected light and predetermined reference light in the object to be measured by the pulsed light;
An image sensor that images the interference fringes and outputs interference fringe data that is image data of the interference fringes;
The magnification of the interference optical system is made variable in accordance with a change in the distance between the object to be measured and the interference optical system accompanying the periodic movement of the object to be measured, and the reflection at the imaging position of the interference fringes by the image sensor. An enlargement magnification variable means for substantially matching the curvature of light and the curvature of the reference light;
Based on the interference fringe data, phase data indicating the phase of the reflected light of the object to be measured at a plurality of positions in the optical axis direction of the reflected light is obtained from the interference fringe data of the single interference fringe given the carrier frequency. Optical data detection means;
A first surface shape data creating means for determining a focused state using the phase data and obtaining first surface shape data which is data of a surface shape of the object to be measured according to a principle of a focusing method;
Second surface shape data creating means for obtaining second surface shape data which is data of the surface shape of the object to be measured by the principle of interference measurement using the phase data;
Combining or comparing the first surface shape data and the second surface shape data to obtain third surface shape data which is data of the surface shape of the object to be measured;
A surface shape measuring device comprising:
この観測部に設けられ、前記被測定物との相対的な位置及び傾きを調整する位置調整手段と、
を更に備える請求項１又は２記載の表面形状測定装置。An observation unit in which the interference optical system and the image sensor are integrated;
A position adjusting means for adjusting a relative position and inclination of the object to be measured provided in the observation unit;
The surface shape measuring apparatus according to claim 1, further comprising:
前記干渉縞データに基づいて前記反射光の光軸方向の複数位置における前記被測定物の反射光の位相を示す位相データ及び振幅を示す振幅データを、キャリヤ周波数を与えた単一の前記干渉縞の干渉縞データから求める光学データ検出工程と、
前記振幅データを用いて合焦状態を判定し、合焦法の原理により前記被測定物の表面形状のデータである第１の表面形状データを求める第１の表面形状データ作成工程と、
前記位相データを用いて干渉計測の原理により前記被測定物の表面形状のデータである第２の表面形状データを求める第２の表面形状データ作成工程と、
前記第１の表面形状データと前記第２の表面形状データとを合成又は比較して、前記被測定物の表面形状のデータである第３の表面形状データを求める合成又は比較工程と、
を含む表面形状測定方法。Interference fringes generated between reflected light and predetermined reference light when a periodically moving object to be measured is irradiated with pulsed light having a light emission period synchronized with the moving period of the object to be measured is picked up by an image sensor. An image capturing step of acquiring interference fringe data that is image data of the interference fringes and substantially matching the curvature of the reflected light and the curvature of the reference light at the imaging position of the interference fringes by the image sensor;
Based on the interference fringe data, the phase data indicating the phase of the reflected light of the object to be measured and the amplitude data indicating the amplitude at a plurality of positions in the optical axis direction of the reflected light are used as a single interference fringe given a carrier frequency. An optical data detection step determined from the interference fringe data of
A first surface shape data creating step of determining a focused state using the amplitude data, and obtaining first surface shape data which is data of a surface shape of the object to be measured according to a principle of a focusing method;
A second surface shape data creating step for obtaining second surface shape data which is data of the surface shape of the object to be measured by the principle of interference measurement using the phase data;
Combining or comparing the first surface shape data and the second surface shape data to obtain third surface shape data which is data of the surface shape of the object to be measured; and
A surface shape measuring method including:
前記干渉縞データに基づいて前記反射光の光軸方向の複数位置における前記被測定物の反射光の位相を示す位相データを、キャリヤ周波数を与えた単一の前記干渉縞の干渉縞データから求める光学データ検出工程と、
前記位相データを用いて合焦状態を判定し、合焦法の原理により前記被測定物の表面形状のデータである第１の表面形状データを求める第１の表面形状データ作成工程と、
前記位相データを用いて干渉計測の原理により前記被測定物の表面形状のデータである第２の表面形状データを求める第２の表面形状データ作成工程と、
前記第１の表面形状データと前記第２の表面形状データとを合成又は比較して、前記被測定物の表面形状のデータである第３の表面形状データを求める合成又は比較工程と、
を含む表面形状測定方法。Interference fringes generated between reflected light and predetermined reference light when a periodically moving object to be measured is irradiated with pulsed light having a light emission period synchronized with the moving period of the object to be measured is picked up by an image sensor. An image capturing step of acquiring interference fringe data that is image data of the interference fringes and substantially matching the curvature of the reflected light and the curvature of the reference light at the imaging position of the interference fringes by the image sensor;
Based on the interference fringe data, phase data indicating the phase of the reflected light of the object to be measured at a plurality of positions in the optical axis direction of the reflected light is obtained from the interference fringe data of the single interference fringe given the carrier frequency. Optical data detection process;
A first surface shape data creating step for determining a focused state using the phase data, and obtaining first surface shape data which is data of a surface shape of the object to be measured according to a principle of a focusing method;
A second surface shape data creating step for obtaining second surface shape data which is data of the surface shape of the object to be measured by the principle of interference measurement using the phase data;
Combining or comparing the first surface shape data and the second surface shape data to obtain third surface shape data which is data of the surface shape of the object to be measured; and
A surface shape measuring method including:
を更に含む請求項４又は５記載の表面形状測定方法。A position adjusting step for adjusting the relative position and inclination of the observation unit integrated with the interference optical system and the image sensor and the object to be measured;
The surface shape measuring method according to claim 4 or 5, further comprising:
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