JP6937482B2 - 表面形状測定装置及びそのスティッチング測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、表面形状測定装置及びそのスティッチング測定方法に係り、特に垂直走査型の白色干渉計を用いた光学部において、測定対象物の被測定面を複数回測定し、その測定データを接続して測定対象物全体の表面形状を測定する表面形状測定装置及びそのスティッチング測定方法に関する。

表面形状測定装置は、測定対象物の被測定面の３次元形状を測定する装置であり、垂直走査型の白色干渉計を光学部として使用したものが知られている。

白色干渉計は、特許文献１に記載されているように、波長幅が広い白色光（可干渉性の少ない低コヒーレンス光）を光源として用い、マイケルソン型やミロー型などの干渉計を用いて測定対象物の被測定面の３次元形状を非接触により測定する。

特許文献１に記載のように、マイケルソン型の走査型白色干渉計は、測定対象物（試料）の被測定面に対向して配置されるマイケルソン型干渉計と、被測定面を照明する白色光を出射する白色光源と、マイケルソン型干渉計により生成された干渉光を撮影するＣＣＤカメラ等を備える。

マイケルソン型干渉計は、光学顕微鏡の構成要素としての対物レンズと、対物レンズと被測定面との間に配置されるビームスプリッタと、参照ミラーとを有する。白色光源からマイケルソン干渉計に入射した白色光は、対物レンズを透過してビームスプリッタにより測定光と参照光とに分割され、測定光は被測定面に照射され、参照光は参照ミラーに照射される。そして、被測定面から戻る測定光と参照ミラーから戻る参照光とが重ね合わされて干渉光が生成され、その干渉光が対物レンズを通過してマイケルソン干渉計からＣＣＤカメラへと出射される。

これにより、ＣＣＤカメラの撮像面には、干渉縞像が結像され、その干渉縞像が干渉縞としてＣＣＤカメラの撮像素子により取得される。そして、マイケルソン型干渉計を被測定面に対して高さ方向に変位させながら干渉縞を取得し、干渉縞の各画素について輝度値が最大値を示すときの変位量を検出することで被測定面の各点の相対的な高さが測定される。

ところで、上述のような垂直走査型の白色干渉計を光学部とした表面形状測定装置においては、使用する対物レンズの測定視野等の制限により、１回の測定で測定可能な被測定面の測定範囲に制限がある場合が多い。このため、測定対象物を水平移動可能なステージ上に載置し、被測定面を複数回測定し、その後でソフトウェア処理等を用いて計算することで複数枚の測定データを接続するスティッチング測定方法が知られている。複数回の測定では、測定面同士を一定の割合で測定範囲が重なるように測定することが一般的である。

スティッチング測定方法は、複数回の測定で共通の測定部分（重なる部分）があるため、表面形状の測定時間が長くなる傾向にある。また、垂直走査型の白色干渉法を用いた表面形状測定装置では、測定時間が垂直方向の走査範囲に比例する。このため、大きなうねり形状を有する表面形状の測定対象物をスティッチング測定する場合には、うねり最大高さを包含する走査範囲を取る必要がある。この結果、うねり最大高さのうねり部分に引っ張られて被測定面を複数回測定する測定全体の走査範囲が長くなり、測定時間がますます長くなるという問題がある。

この対策として、特許文献１では、本測定とは別に測定した予備画像情報に基づいて測定範囲を複数の本測定視野範囲に分割し、複数の本測定視野範囲のうち測定対象範囲と非測定対象範囲とに分類する。そして、測定対象範囲についてのみ本測定処理を行うことで、広域な被測定面の測定範囲を効率的に測定できるとされている。

特開２０１４−２１５１５３号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、被測定面が小さなうねりの場合には測定時間をある程度短縮することは可能であるが、大きなうねりの場合に測定時間を短縮する効果が小さいという欠点がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、スティッチング測定により被測定面の表面形状測定を行う際の測定時間を効果的に短縮できる表面形状測定装置及びそのスティッチング測定方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る表面形状測定装置は目的を達成するために、測定対象物を支持する支持部と、白色光を出射する光源部、光源部からの白色光を測定光と参照光とに分割して測定光を測定対象物の被測定面に照射するとともに参照光を参照面に照射し、被測定面から戻る測定光と参照面から戻る参照光とを干渉させた干渉光を生成する干渉部、及び被測定面の各点に照射された測定光と参照光との干渉光の輝度情報から干渉縞を取得する干渉縞取得部を有し、被測定面よりも小さな測定視野をもった光学部と、干渉部を測定光の測定光軸に沿って測定走査することで測定光の光路長を変化させる走査手段と、支持部を光学部に対して相対的に測定光軸に直交する被測定面の面内方向に移動させる面内方向移動手段と、被測定面の概略形状情報を取得する概略形状取得手段と、概略形状情報に基づいて被測定面を傾斜状領域と平坦状領域とで構成され１つの面積が測定視野以下の複数の測定面に分割する被測定面分割手段と、分割した各測定面について測定面に存在する最大高さを測定走査するのに最小限必要な干渉部の最小走査範囲を設定する最小走査範囲設定手段と、支持部を被測定面の面内方向に移動させることにより、分割した各測定面を最小走査範囲に基づいて表面形状を個々に測定して複数の測定データを取得する測定面形状測定手段と、取得した複数の測定データを接続するデータ接続手段と、を備えた。

本発明の表面形状測定装置によれば、被測定面の概略形状情報を取得する概略形状取得手段と、概略形状情報に基づいて被測定面を傾斜状領域と平坦状領域とで構成され１つの面積が測定視野以下の複数の測定面に分割する被測定面分割手段と、分割した各測定面について測定面に存在する最大高さを測定走査するのに最小限必要な干渉部の最小走査範囲を設定する最小走査範囲設定手段と、支持部を被測定面の面内方向に移動させることにより、分割した各測定面を最小走査範囲に基づいて表面形状を個々に測定して複数の測定データを取得する測定面形状測定手段と、取得した複数の測定データを接続するデータ接続手段と、を備えたので、スティッチング測定により被測定面の表面形状測定を行う際の測定時間を効果的に短縮できる。

本発明において、測定対象物の被測定面の表面形状はうねり形状であることが好ましい。本発明が一層有効だからである。

本発明において、概略形状取得手段は、三角測量方式のレーザー変位計、ステレオカメラ、パターン投影装置の何れかであることが好ましい。

また、本発明において、概略形状取得手段は、測定対象物のＣＡＤデータを保持する保持手段であることが好ましい。

また、本発明において、概略形状取得手段は、干渉部の対物レンズよりも低倍率な低倍率レンズを用いた白色干渉計であることが好ましい。

上記したこれらの概略形状取得手段は、広範囲を高速で被測定面の概略形状を測定可能であり、被測定面の概略形状情報の取得を短時間で行うことができる。

本発明において、被測定面分割手段は、傾斜状領域と平坦状領域とを段差閾値によって識別することが好ましい。段差閾値はユーザが入力部等を利用して被測定面分割手段に設定することができる。これにより、被測定面の表面形状に応じて被測定面の分割数を適正に選択することができる。

本発明において、被測定面分割手段は、分割した傾斜状領域又は平坦状領域について、以下の式を満足する場合には更にｎ個の測定面に細分割する細分割判断部を備えることが好ましい。

Ｔ_０+ａ*Ａ*Ｚ＞（Ｔ_０+ａ*Ａ_１*Ｚ_１）+（Ｔ_０+ａ*Ａ_２*Ｚ_２）+……+（Ｔ_０+ａ*Ａ_ｎ-１*Ｚ_ｎ-１）+（Ｔ_０+ａ*Ａ_ｎ*Ｚ_ｎ）
ここで、Ｔ_０：オーバーヘッド時間
ａ：比例係数
Ａ：細分割前の測定面の面積
Ａ_１〜Ａ_ｎ：細分割後の各測定面の面積
Ｚ：細分割前の測定面の最小走査範囲
Ｚ_１〜Ｚ_ｎ：細分割後の各測定面の最小走査範囲
これにより、スティッチング測定により被測定面の表面形状測定を行う際の測定時間を一層効果的に短縮できる。

この場合、分割数ｎは、２又は４であることが好ましい。被測定面の表面形状にもよるが、一般的には４分割を超えると分割された測定面の数が多くなり、各測定面の表面形状を測定する際の測定準備時間（オーバーヘッド時間）が大きくなるため、測定時間短縮の効果が小さくなる。

本発明において、被測定面分割手段で分割された複数の測定面の分割マップを表示する表示部を有することが好ましい。これにより、ユーザは測定時間の短縮を図るための分割結果を目視にて確認することができるので、測定の高速化の様子をユーザに実感させることができる。

本発明の一態様に係る表面形状測定装置のスティッチング測定方法は目的を達成するために、測定対象物を支持する支持部と、白色光を出射する光源部、光源部からの白色光を測定光と参照光とに分割して測定光を測定対象物の被測定面に照射するとともに参照光を参照面に照射し、被測定面から戻る測定光と参照面から戻る参照光とを干渉させた干渉光を生成する干渉部、及び被測定面の各点に照射された測定光と参照光との干渉光の輝度情報から干渉縞を取得する干渉縞取得部を有し、被測定面よりも小さな測定視野をもった光学部と、を有する表面形状測定装置のスティッチング測定方法であって、被測定面の概略形状情報を取得する概略形状取得工程と、概略形状情報に基づいて被測定面を傾斜状領域と平坦状領域とで構成され１つの面積が測定視野以下の複数の測定面に分割する被測定面分割工程と、分割した各測定面について測定面に存在する最大高さを測定走査するのに最小限必要な前記干渉部の最小走査範囲を設定する最小走査範囲設定工程と、支持部を被測定面の面内方向に移動させることにより、分割した各測定面を最小走査範囲に基づいて表面形状を個々に測定して複数の測定データを取得する測定面形状測定工程と、取得した複数の測定データを接続するデータ接続工程と、を備えた。

本発明の表面形状測定装置のスティッチング測定方法によれば、スティッチング測定により被測定面の表面形状測定を行う際の測定時間を効果的に短縮できる。

本発明の表面形状測定装置及びそのスティッチング測定方法によれば、スティッチング法により被測定面の表面形状測定を行う際の測定時間を効果的に短縮できる。

本発明の実施の形態の表面形状測定装置の全体構成図 撮像素子の撮像面のｘｙ座標上における干渉縞の画素配列を示した図 干渉部のｚ位置と輝度値との関係及び干渉縞曲線を例示した図 被測定面の異なる点の異なるｚ座標値と干渉縞曲線との関係を例示した図 スティッチング測定による表面形状測定の説明図 概略形状取得手段の一態様のレーザー変位計を説明する説明図 概略形状取得手段の一態様のステレオカメラを説明する説明図 概略形状取得手段の一態様の白色干渉計を説明する説明図 表面形状測定装置の処理部に搭載した被測定面分割手段、最小最小走査範囲設定手段、データ接続手段等の説明図 段差閾値の説明図 うねり形状の測定対象物の一例を示す斜視図 被測定面の分割及び最小走査範囲の設定についての説明図 スティッチング測定方法のステップフロー図 細分割判断部による傾斜状領域の細分割を説明する斜視図 細分割判断部による傾斜状領域の細分割を説明する部分側面図 本発明と従来とのスティッチング測定方法を対比して説明する説明図 分割マップの説明図

以下、添付図面にしたがって本発明の表面形状測定装置及びそのスティッチング測定方法の好ましい実施の形態について説明する。

本発明は以下の好ましい実施の形態により説明される。本発明の範囲を逸脱することなく、多くの手法により変更を行うことができ、本実施の形態以外の他の実施の形態を利用することができる。したがって、本発明の範囲内における全ての変更が特許請求の範囲に含まれる。

ここで、図中、同一の記号で示される部分は、同様の機能を有する同様の要素である。また、本明細書中で、数値範囲を“ 〜 ”を用いて表す場合は、“ 〜 ”で示される上限、下限の数値も数値範囲に含むものとする。

［表面形状測定装置］
図１は、本発明の実施の形態の表面形状測定装置の全体構成を示した構成図である。

図１における表面形状測定装置１は、マイケルソン型の干渉計を用いて測定対象物Ｐの被測定面Ｓの表面形状等を非接触により３次元測定する所謂、マイケルソン型の走査型白色干渉計（顕微鏡）であり、測定対象物Ｐの干渉縞（干渉画像）を取得する光学部２と、測定対象物Ｐが載置される支持部としてのステージ１０と、表面形状測定装置１の各種制御や光学部２により取得された干渉縞像に基づいて各種演算処理を行うパーソナルコンピュータ等の演算処理装置からなる処理部１８等を備える。

なお、本実施の形態では、マイケルソン型の走査型白色干渉計の例で説明するが、周知のミロー型の走査型白色干渉計であってもよい。また、測定対象物Ｐが配置される測定空間において、互いに直交する水平方向の２つの座標軸をｘ軸（紙面に平行する軸）とｙ軸（紙面に直交する軸）とし、ｘ軸及びｙ軸に直交する鉛直方向の座標軸をｚ軸とする。ｚ軸は後記する測定光軸Ｚ−０に平行である。そして、処理部１８は、被測定面Ｓ上の点をｘ軸のｘ座標、ｙ軸のｙ座標、ｚ軸のｚ座標で示すｘｙｚ座標をもっており、被測定面Ｓの３次元位置を得ることができる。

ステージ１０は、ｘ軸及びｙ軸に略平行する平坦面であって測定対象物Ｐを載置するステージ面１０Ｓを有する。また、ステージ１０は、ステージ１０を光学部２に対して相対的に被測定面Ｓの面内方向に水平移動させる面内方向移動手段３５と、を備えている。

面内方向移動手段３５は、ｘアクチュエータ３４とｙアクチュエータ３６とで構成される。そして、ステージ１０は、ｘアクチュエータ３４の駆動によりｘ軸方向に水平移動し、ｙアクチュエータ３６の駆動によりｙ軸方向に水平移動する。このステージ１０のｘ軸方向及びｙ軸方向への移動により、ステージ１０に載置された測定対象物Ｐの被測定面Ｓを光学部２に対して移動させる。

なお、ｘアクチュエータ３４及びｙアクチュエータ３６のように本明細書においてアクチュエータという場合には、ピエゾアクチュエータやモータなどの任意の駆動装置を示す。

また、ステージ面１０Ｓに対向する位置、即ち、ステージ１０の上側には、不図示の筐体により一体的に収容保持された光学部２が配置される。

光学部２は、ｘ軸に平行な光軸Ｚ−１を有する光源部１２と、ｚ軸に平行な光軸（測定光軸Ｚ−０）を有する干渉部１４と、撮影部１６とを有する。光源部１２の光軸Ｚ−１は、干渉部１４及び撮影部１６の測定光軸Ｚ−０に対して直交し、干渉部１４と撮影部１６との間において測定光軸Ｚ−０と交差する。なお、光軸Ｚ−１は、必ずしもｘ軸と平行でなくてもよい。

光源部１２は、測定対象物Ｐを照明する照明光として波長幅が広い白色光（可干渉性の少ない低コヒーレンス光）を出射する光源４０と、光源４０から拡散して出射された照明光を略平行な光束に変換するコレクタレンズ４２とを有する。光源４０及びコレクタレンズ４２の各々の中心とする軸は光源部１２の光軸Ｚ−１として同軸上に配置される。

また、光源４０としては、発光ダイオード、半導体レーザー、ハロゲンランプ、高輝度放電ランプなど、任意の種類の発光体を用いることができる。

この光源部１２から出射された照明光は、干渉部１４と撮影部１６との間に配置され、光軸Ｚ−１と測定光軸Ｚ−０とが交差する位置に配置されたハーフミラー等のビームスプリッタ４４に入射する。そして、ビームスプリッタ４４（ビームスプリッタ４４の平坦な光分割面（反射面））で反射した照明光が光軸Ｚ−０に沿って進行して干渉部１４に入射する。

干渉部１４は、マイケルソン型干渉計により構成され、光源部１２から入射した照明光を測定光と参照光とに分割する。そして、測定光を測定対象物Ｐに照射するとともに参照光を参照ミラー５２に照射し、測定対象物Ｐから戻る測定光と参照ミラー５２から戻る参照光とを干渉させた干渉光を生成する。

干渉部１４は、集光作用を有する対物レンズ５０と、光を反射する参照面であって平坦な反射面を有する参照ミラー５２と、光を分割する平坦な光分割面を有するビームスプリッタ５４を有する。対物レンズ５０、参照ミラー５２、及びビームスプリッタ５４の各々の中心とする軸は干渉部１４の測定光軸Ｚ−０として同軸上に配置される。参照ミラー５２の反射面はビームスプリッタ５４の側方位置に、測定光軸Ｚ−０と平行に配置される。

光源部１２から干渉部１４に入射した照明光は、対物レンズ５０により集光作用を受けた後、ビームスプリッタ５４に入射する。

ビームスプリッタ５４は、例えばハーフミラーであり、ビームスプリッタ５４に入射した照明光は、ビームスプリッタ５４を透過する測定光と、ビームスプリッタ５４の光分割面で反射する参照光とに分割される。

ビームスプリッタ５４を透過した測定光は、測定対象物Ｐの被測定面Ｓに照射された後、被測定面Ｓから干渉部１４へと戻り、再度、ビームスプリッタ５４に入射する。そして、ビームスプリッタ５４を透過した測定光が対物レンズ５０に入射する。

一方、ビームスプリッタ５４で反射した参照光は、参照ミラー５２の光反射面で反射した後、再度、ビームスプリッタ５４に入射する。そして、ビームスプリッタ５４で反射した参照光が対物レンズ５０に入射する。

これにより、干渉部１４から測定対象物Ｐの被測定面Ｓに照射されて干渉部１４に戻る測定光と、参照ミラー５２で反射した参照光とが重ね合わされた干渉光が生成され、その干渉光が対物レンズ５０により集光作用を受けた後、干渉部１４から撮影部１６に向けて出射される。

また、照明光が測定光と参照光とに分割された後、測定光と参照光とが重ね合わされるまでの測定光と参照光の各々が通過した光路の光学的距離を、測定光の光路長及び参照光の光路長といい、それらの差を測定光と参照光の光路長差というものとする。

干渉部１４を測定光の測定光軸Ｚ−０（ｚ軸）に沿って垂直方向に測定走査することで測定光の光路長を変化させる走査手段としての干渉部アクチュエータ５６を有する。そして、干渉部アクチュエータ５６の駆動により干渉部１４がｚ軸方向に移動する。これにより、対物レンズ５０の焦点面の位置（高さ）がｚ軸方向に移動すると共に、被測定面Ｓとビームスプリッタ５４との距離が変化することで測定光の光路長が変化し、測定光と参照光との光路長差が変化する。

撮影部１６は、測定対象物Ｐの被測定面Ｓの各点に照射された測定光と、参照光とによる干渉光の輝度情報から干渉縞を取得する干渉縞取得部であり、例えばＣＣＤ(Charge Coupled Device)カメラに相当し、ＣＣＤ型の撮像素子６０と、結像レンズ６２とを有する。撮像素子６０と結像レンズ６２の各々の中心とする軸は撮影部１６の測定光軸Ｚ−０として同軸上に配置される。なお、撮像素子６０は、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型の固体撮像素子等、任意の撮像手段を用いることができる。

干渉部１４から出射された干渉光は、上述のビームスプリッタ４４に入射し、ビームスプリッタ４４を透過した干渉光が撮影部１６に入射する。

撮影部１６に入射した干渉光は、結像レンズ６２により撮像素子６０の撮像面６０Ｓに干渉縞像を結像する。ここで、結像レンズ６２は、測定対象物Ｐの被測定面Ｓの測定光軸Ｚ−０周辺の領域に対する干渉縞像を高倍率に拡大して撮像素子６０の撮像面６０Ｓに結像する。

また、結像レンズ６２は、干渉部１４の対物レンズ５０の焦点面上における点を、撮像素子６０の撮像面上の像点として結像する。即ち、撮影部１６は、対物レンズ５０の焦点面の位置にピントが合うように（合焦するように）設計されている。

撮像素子６０の撮像面６０Ｓに結像された干渉縞像は、撮像素子６０により電気信号に変換されて干渉縞として取得される。そして、その干渉縞は、処理部１８に与えられる。

以上のように光源部１２、干渉部１４、及び撮影部１６等により構成される光学部２は、全体が一体的としてｚ軸方向に直進移動可能に設けられる。例えば、光学部２は、ｚ軸方向に沿って立設された不図示のｚ軸ガイド部に直進移動可能に支持される。そして、ｚアクチュエータ７０の駆動により光学部２全体がＺ軸方向に直進移動する。これにより、干渉部１４をｚ軸方向に移動させる場合よりも、撮影部１６のピント位置をｚ軸方向に大きく移動させることができ、例えば、測定対象物Ｐの厚さ等に応じて撮影部１６のピント位置を適切な位置に調整することができる。

処理部１８は、測定対象物Ｐの被測定面Ｓの表面形状を測定する際に、干渉部アクチュエータ５６を制御して光学部２の干渉部１４をｚ軸方向に移動させながら撮影部１６の撮像素子６０から干渉縞を順次取得する。そして、取得した干渉縞に基づいて被測定面Ｓの３次元形状データを被測定面Ｓの表面形状を示すデータとして取得する。

ここで、処理部１８が干渉縞に基づいて被測定面Ｓの３次元形状データを取得する処理について説明する。

撮影部１６の撮像素子６０は、ｘ軸及びｙ軸からなるｘｙ平面（水平面）に沿って２次元的に配列された多数の受光素子（画素）から構成されている。そして、各画素において受光される干渉縞の輝度値、即ち、撮像素子６０により取得される干渉縞の各画素の輝度値は、各画素に対応する被測定面Ｓの各点で反射した測定光と参照光との光路長差に応じた干渉光の強度（輝度情報）を示す。

ここで、図２に示すように、撮像素子６０の撮像面６０Ｓのｘｙ座標上の干渉縞におけるｍ列目、ｎ行目の画素を（ｍ，ｎ）を表すものとする。そして、画素（ｍ，ｎ）のｘ軸方向に関する位置（以下、ｘ軸方向に関する位置を「ｘ位置」という）を示すｘ座標値をｘ（ｍ，ｎ）と表するものとする。そして、ｙ軸方向に関する位置（以下、ｙ軸方向に関する位置「ｙ位置」という）を示すｙ座標値をｙ（ｍ，ｎ）と表すものとする。

また、画素（ｍ，ｎ）に対応する測定対象物Ｐの被測定面Ｓ上の点のｘ位置を示すｘ座標値をＸ（ｍ，ｎ）と表し、ｙ位置を示すｙ座標値をＹ（ｍ，ｎ）と表すものとし、その点をｘｙ座標値により（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））と表すものとする。なお、画素（ｍ，ｎ）に対応する被測定面Ｓ上の点とは、ピントが合っている状態において画素（ｍ，ｎ）の位置に像点が結像される被測定面Ｓ上の点を意味する。

このとき、撮像素子６０により取得される干渉縞の画素（ｍ，ｎ）の輝度値は、画素（ｍ，ｎ）に対応する被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））に照射された測定光と参照光との光路長差に応じた大きさを示す。

即ち、図１の干渉部アクチュエータ５６により干渉部１４をｚ軸方向に測定走査させて光学部２（撮影部１６）に対する干渉部１４の相対的なｚ軸方向の位置（以下、「ｚ位置」という）を変位させると、撮影部１６のピント位置（対物レンズ５０の焦点面）もｚ軸方向に移動し、ピント位置も干渉部１４と同じ変位量で変位する。また、ピント位置が変位すると、被測定面Ｓの各点に照射される測定光の光路長も変化する。

そして、干渉部１４をｚ軸方向に移動させてピント位置を変位させながら、即ち、測定光の光路長を変化させながら、撮像素子６０から干渉縞を順次取得して干渉縞の任意の画素（ｍ，ｎ）の輝度値を検出する。

ここで、処理部１８は、干渉部１４の所定の基準位置からの変位量（干渉部１４のｚ位置）を、ポテンショメータやエンコーダなどの不図示の位置検出手段からの検出信号により検出することができる。または、位置検出手段を使用することなく干渉部１４のｚ位置を制御する場合、例えば、干渉部アクチュエータ５６に与える駆動信号により一定変位量ずつ干渉部１４を移動させる場合には、その総変位量により検出することができる。

そして、干渉部１４が基準位置のときのピント位置のｚ位置を測定空間におけるｚ座標の基準位置（原点位置）として、かつ、干渉部１４の基準位置からの変位量をピント位置のｚ座標値として取得することができる。なお、ｚ座標値は、原点位置よりも高い位置（撮影部１６に近づく位置）を正側、低い位置（ステージ面１０Ｓに近づく位置）を負側とする。また、干渉部１４の基準位置、即ち、ｚ座標の原点位置は任意のｚ位置に設定、変更することができる。

図３の（Ａ）〜（Ｃ）は、干渉部１４を測定対象物Ｐの被測定面Ｓに近接した位置からｚ軸方向に上昇させながら撮影部１６の撮像素子６０から画像を取得したときの干渉部１４のｚ位置と輝度値との関係を示した図である。

図３の（Ａ）のように、測定光の光路長Ｌ１が参照光の光路長Ｌ２よりも小さいと干渉は小さく、輝度値は略一定となる。そして、図３の（Ｂ）のように、測定光の光路長Ｌ１と参照光の光路長Ｌ２とが同じ、即ち光路長差が０となる場合に干渉が大きくなり、最も大きな輝度値を示す。さらに、図３の（Ｃ）のように、測定光の光路長Ｌ１が参照光の光路長Ｌ２よりも大きいと再び干渉は小さくなり、輝度値は略一定となる。これにより、図３の（Ｄ）に示す干渉縞曲線Ｑに沿った輝度値が得られる。

即ち、任意の画素（ｍ，ｎ）における干渉縞曲線Ｑは、その画素（ｍ，ｎ）に対応する被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））に照射された測定光と参照光との光路長差が所定値より大きい場合には略一定の輝度値を示し、光路長差がその所定値より小さいときには、光路長差が減少するにつれて輝度値が振動すると共にその振幅が大きくなる。

したがって、図３（Ｄ）に示すように、干渉縞曲線Ｑは、測定光と参照光との光路長が一致したときに（光路長差が０のときに）、最大値を示すと共に、その干渉縞曲線Ｑの包絡線における最大値を示す。

また、被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））に照射された測定光と参照光との光路長は、撮影部１６のピント位置が被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））のｚ位置に一致したときに一致する。

したがって、干渉縞曲線Ｑが最大値を示すとき（又は干渉縞曲線Ｑの包絡線が最大値を示すとき）のピント位置は、被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））のｚ位置に一致しており、そのときのピント位置のｚ座標値は、被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））のｚ座標値を示す。

以上のことから、処理部１８は、干渉部アクチュエータ５６により干渉部１４をｚ軸方向に移動させてピント位置をｚ軸方向に移動させながら（測定光の光路長を変化させながら）、撮像素子６０から干渉縞を順次取得し、各画素（ｍ，ｎ）の輝度値をピント位置のｚ座標値に対応付けて取得する。即ち、ピント位置をｚ軸方向に走査しながら干渉縞の各画素（ｍ，ｎ）の輝度値を取得する。そして、各画素（ｍ，ｎ）について、図３（Ｄ）のような干渉縞曲線Ｑの輝度値が最大値を示すときのピント位置のｚ座標値（干渉縞位置）を、各画素（ｍ，ｎ）に対応する被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））のｚ座標値Ｚ（ｍ，ｎ）として検出する。

なお、Ｚ（ｍ，ｎ）は、画素（ｍ，ｎ）に対応する被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））のｚ座標値を示す。

また、干渉縞曲線Ｑの輝度値が最大値を示すときのピント位置のｚ座標値を検出する方法は周知であり、どのような方法を採用してもよい。例えば、ピント位置の微小間隔ごとのｚ座標値において干渉縞を取得することで、各画素（ｍ，ｎ）について、図３（Ｄ）のような干渉縞曲線Ｑを実際に描画することができる程度に輝度値を取得することができる。そして、取得した輝度値が最大値を示すときのピント位置のｚ座標値を検出することで、干渉縞曲線Ｑの輝度値が最大値を示すときのピント位置のｚ座標値を検出することができる。

または、ピント位置の各ｚ座標値において取得した輝度値に基づいて最小二乗法等により干渉縞曲線Ｑを推測し、又は、干渉縞曲線Ｑの包絡線を推測する。そして、その推測した干渉縞曲線Ｑ又は包絡線に基づいて輝度値が最大値を示すときのピント位置のｚ座標値を検出することで、干渉縞曲線Ｑの輝度値が最大値を示すときのピント位置のｚ座標値を検出することができる。

以上のようにして、処理部１８は、干渉縞（撮像素子６０の撮像面６０Ｓ）の各画素（ｍ，ｎ）に対応する被測定面Ｓ上の各点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））のｚ座標値Ｚ（ｍ，ｎ）を検出することで、被測定面Ｓ上の各点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））の相対的な高さを検出することができる。

そして、被測定面Ｓ上の各点のＸ座標値ｘ（ｍ，ｎ）、Ｙ座標値ｙ（ｍ，ｎ）、及びｚ座標値Ｚ（ｍ，ｎ）を被測定面Ｓの３次元形状データ（表面形状を示すデータ）として取得することができる。

例えば、図４に示すようにｘ軸方向に並ぶ３つの画素に対応する被測定面Ｓ上の３点におけるｚ座標値Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３が相違する場合に、ピント位置をｚ軸方向に走査しながら干渉縞のそれらの画素の輝度値を取得する。その結果、それらの画素の各々に関してピント位置がｚ座標値Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３のときに輝度値が最大値を示す干渉縞曲線Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３が取得される。したがって、それらの干渉縞曲線Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の輝度値が最大値を示すときのピント位置のｚ座標値を検出することで、それらの画素に対応する被測定面Ｓ上の３点におけるｚ座標値Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３を検出することができる。このようにして、被測定面Ｓの３次元形状データを取得することにより、測定対象物Ｐの表面形状測定を行う。

ところで、上述のように光学部２として垂直走査型の白色干渉計を使用した場合、干渉部１４に使用する対物レンズ５０の最大撮影面積である測定視野Ｗ等の制限により、１回の測定で測定可能な被測定面Ｓの測定視野に制限がある場合が多い。

このため、図５に示すように、測定対象物Ｐをｘ軸方向及びｙ軸方向に水平移動可能なステージ１０上に載置し、測定対象物Ｐの被測定面Ｓを一定の割合で測定範囲が重なるように移動させながら複数回測定する。そして、その後でソフトウェア処理等を用いて計算することで複数枚の測定データを接続することにより被測定面Ｓの表面形状を測定するスティッチング測定を行う。なお、本実施の形態では、被測定面Ｓを一定の割合で測定範囲が重なるように測定する例で説明するが、重ねない場合もありえる。図５のＷは対物レンズ５０の測定視野を示しているが、実際には幅がＷの正方形の面積である。

しかしながら、被測定面Ｓが大きなうねり形状（凹凸の高低差が大きな曲がりくねった形状）を有する測定対象物Ｐを測定する場合、従来技術でも説明したように、干渉部１４の走査範囲として、うねり最大高さを包含する必要がある。しかも表面形状を測定する測定時間は走査範囲の大きさに比例する。これにより、従来はうねり最大高さのうねり部分に引っ張られて被測定面Ｓを複数回測定する測定全体の走査範囲が大きくなり、測定時間が長くなるという問題があった。

そこで、本発明の実施の形態の表面形状測定装置１は、上記の基本構成に加えて、スティッチング測定による表面形状測定を短時間で行うための構成として以下の構成を備えた。

即ち、図１に示すように、主として、概略形状取得手段７２と、被測定面分割手段７４と、最小走査範囲設定手段７６と、測定面形状測定手段７７と、データ接続手段７８と、を備えた。

概略形状取得手段７２は、被測定面Ｓの概略形状情報を取得するものであり、被測定面Ｓにおける傾斜状領域Ｄ（図６参照）と平坦状領域Ｋ（図６参照）とを識別できる程度の比較的低精度のものでよく、高速かつ広範囲で測定が可能であることが優先される。概略形状取得手段７２としては、次の３通りのものを採用することが好ましい。

１つ目の概略形状取得手段７２は、三角測量方式のレーザー変位計、ステレオカメラ、パターン投影装置、等を別途設ける場合である。図６は三角測量方式のレーザー変位計７２Ａを被測定面Ｓに沿って移動させることにより被測定面Ｓの傾斜状領域Ｄや平坦状領域Ｋの概略形状を取得している概念図である。

三角測量方式のレーザー変位計７２Ａは、測定対象物Ｐの被測定面Ｓに照射されたレーザーの拡散反射の一部が受光レンズを通過して受光素子上にスポットを形成し、測定対象物Ｐまでの距離が変位すると、スポットも移動する。そのスポット位置を検出することにより被測定面Ｓの概略形状を測定する方法である。反射光のなかの拡散反射光を受光することにより、測定範囲を広くとることができる。

ステレオカメラ７２Ｂは、測定対象物Ｐの被測定面Ｓを複数の異なる方向から同時に撮影することにより、その奥行き方向の情報も記録でき、１台で両眼視差を再現し、立体的な空間把握のできる立体写真の撮影が可能である。

図７は２つのカメラ７３で測定対象物Ｐの被測定面Ｓを撮像している図であり、これにより被測定面Ｓの概略形状を取得することができる。

図示しないが、パターン投影法は、パターン光を測定対象物Ｐの被測定面Ｓに投影し、画像に写ったパターン上の点の三次元座標を求める方法である。そして、パターン上の各点から三角測量の原理で、それらの点に対応する三次元座標で三次元形状データを取得することにより被測定面Ｓの概略形状を取得することができる。

これらの三角測量方式のレーザー変位計７２Ａ、ステレオカメラ７２Ｂ、パターン投影装置等の概略形状取得手段７２は公知のものを使用することができる。

レーザー変位計７２Ａ、ステレオカメラ７２Ｂ、パターン投影装置等の新たに設置が必要な概略形状取得手段７２は、図１に示すように例えば光学部２の側方位置に配置される。また、ステージ１０を光学部２の下方位置と概略形状取得手段７２の下方位置とに往復移動させるステージ移動手段８０が設けられる。これにより、概略形状取得手段７２によりステージ１０上に載置された測定対象物Ｐの被測定面Ｓの概略形状が取得されると、ステージ移動手段８０によってステージ１０が光学部２の下方まで移動する。なお、本実施の形態では、１つのステージ１０を光学部２の下方位置と概略形状取得手段７２の下方位置とで移動させるようにしたが、概略形状取得手段７２のためのステージを別途設け、概略形状取得手段７２による概略形状取得が終了したら、ユーザが測定対象物Ｐをステージ１０に載せ変えるようにしてもよい。

２つ目の概略形状取得手段７２は、測定対象物ＰのＣＡＤ（computer-aided-design）データを保持する保持手段（図示せず）であり、処理部１８の記憶手段を使用することができる。このように、測定対象物ＰのＣＡＤデータを保持する保持手段を概略形状取得手段７２として利用すれば、１つ目の概略形状取得手段７２のように、概略形状取得手段７２を別途設ける必要がない。また、保持手段に保持されたＣＡＤデータは既に測定対象物Ｐの３次元形状を有している。これにより、測定対象物Ｐの被測定面Ｓの概略形状を測定する必要もないので、測定対象物の表面形状測定を更に短縮することができる。

３つ目の概略形状取得手段７２は、干渉部１４の対物レンズ５０として広い範囲を高速で測定できる低倍率レンズを用いた白色干渉計で概略形状を事前測定する場合である。この場合は、本実施の形態の表面形状測定装置１の干渉部１４に既設の対物レンズ５０の他に低倍率レンズを切り替え可能に備えることで構成できる。

そして、図８に示すように、低倍率レンズを有する干渉部１４により、被測定面Ｓの複数の特徴点近傍をサンプリング測定することで、被測定面Ｓの概略形状を取得することができる。特徴点は例えば被測定面Ｓの段差エッジ部分等である。

これらの概略形状取得手段７２で取得された被測定面Ｓの概略形状情報は被測定面分割手段７４に送られる。

被測定面分割手段７４では、概略形状取得手段７２により取得した概略形状情報の３次元座標と、ステージ１０に載置された測定対象物Ｐの３次元座標と、を整合する。これにより、測定対象物Ｐと概略形状情報との位置合わせが行われる。そして、概略形状情報に基づいて被測定面Ｓを傾斜状領域Ｄと平坦状領域Ｋとで構成され１つの面積が測定視野Ｗ以下の複数の測定面Ｎに分割する。

ここで、傾斜状領域Ｄ及び平坦状領域Ｋとは、概略形状情報を表示部２０（図１参照）に表示したときに、被測定面Ｓ全体の概観として傾斜状に見える領域と平坦状に見える領域を言い、被測定面Ｓの細かな凹凸を拡大したときの傾斜や平坦は含まない。

また、傾斜状領域Ｄとは傾斜面及びその近傍領域を言い、傾斜面が１つであることに限らず、傾斜角度の異なる傾斜面が繋がっている場合も含む。平坦状領域Ｋとは平坦面及びその近傍領域を言い、平坦とは略平坦であればよい。

図９は、被測定面分割手段７４、及び詳細を後記する最小走査範囲設定手段７６、測定面形状測定手段７７、データ接続手段７８をパーソナルコンピュータ等の演算処理装置からなる処理部１８に搭載した場合である。

なお、被測定面分割手段７４、最小走査範囲設定手段７６、測定面形状測定手段７７及びデータ接続手段７８は、処理部１８に搭載せずに専用のハードウェアとして構成することもできるが、本実施の形態では、処理部１８において実行されるプログラムを用いて構築される。即ち、処理部１８のＣＰＵ（Central-Processing-Unit）が演算処理装置を構成し、被測定面分割手段７４、最小走査範囲設定手段７６、測定面形状測定手段７７及びデータ接続手段７８として機能する。

図９に示すように、処理部１８は被測定面分割手段７４、最小走査範囲設定手段７６、測定面形状測定手段７７及びデータ接続手段７８を搭載し、概略形状取得手段７２からの概略形状情報が処理部１８の被測定面分割手段７４に入力される。また、概略形状取得手段７２における概略形状情報の３次元座標（ｘｙｚ座標）も処理部１８に入力される。

そして、被測定面分割手段７４は、概略形状取得手段７２による概略形状情報の３次元座標とステージ１０に載置された測定対象物Ｐの３次元座標とを整合し、概略形状情報に基づいて被測定面Ｓを傾斜状領域Ｄと平坦状領域Ｋとで構成され１つの面積が測定視野Ｗ以下の複数の測定面Ｎに分割する。この場合、被測定面Ｓを一定の割合で測定面Ｎが重なるように分割する。

被測定面分割手段７４は、傾斜状領域Ｄと平坦状領域Ｋとの高低差で形成される段差の閾値（以下、段差閾値という）によって識別することが好ましい。

図１０に示すように、例えば、うねり形状のうねり最大高さｈ（測定対象物Ｐの最大厚みｈ１-最小厚みｈ２）が１００μｍある場合に、段差閾値Ｒを例えば１０μｍに設定する。これにより、被測定面分割手段７４は、被測定面Ｓにおいて１０μｍ以上の高低差を有する領域を傾斜状領域Ｄとして判定し、１０μｍ未満の高低差を有する領域を平坦状領域Ｋとして判断する。段差閾値Ｒをどの程度に設定するかは被測定面Ｓのうねり形状のうねり最大高さｈ、うねり幅の大きさ、うねり周期等に基づいて決定することができる。

段差閾値Ｒを幾つにするかは、被測定面分割手段７４に予め設定しておいてもよいが、ユーザが入力部２２等を利用して被測定面分割手段７４に任意に設定することが好ましい。これにより、被測定面Ｓの表面形状に応じて被測定面Ｓの分割数を適正に選択することができる。

また、被測定面分割手段７４が被測定面Ｓを傾斜状領域Ｄと平坦状領域Ｋとに分割する別の方法としては、表示部２０と入力部２２とを用いてユーザが被測定面分割手段７４に対して分割領域を指定することもできる。即ち、表示部２０に表示した概略形状情報をユーザが目視して傾斜状領域Ｄと平坦状領域Ｋとに識別し、識別した分割領域の位置座標（ｘｙ座標）を入力する。そして、被測定面分割手段７４は、ユーザからの指定に基づいて被測定面Ｓを傾斜状領域Ｄと平坦状領域Ｋとに分割する。

なお、被測定面Ｓを傾斜状領域Ｄと平坦状領域Ｋとに分割できれば、上記の分割方法に限定するものではない。

また、処理部１８の最小走査範囲設定手段７６は、被測定面分割手段７４により分割したそれぞれの測定面について測定面に存在する最大高さを測定するのに最小限必要な干渉部１４の最小走査範囲を設定する。

図１１は、測定対象物の被測定面のうねり形状の一例として、ｘ軸方向のみにうねりを有する場合の斜視図である。また、図１２は、図１１の被測定面Ｓを被測定面分割手段７４により、ｘ軸方向とｙ軸方向とに四角形状の１６個の測定面Ｎ_１〜Ｎ_１６に分割し、分割した各測定面Ｎについて最小走査範囲設定手段７６により干渉部１４の最小走査範囲Ｚ_１〜Ｚ_８を設定した説明図である。

図１２の（Ａ）は分割した１６個の測定面の最小走査範囲を示し、（Ｂ）は分割した１６個の測定面Ｎを示す。図１２の（Ｂ）において、網状部分は測定面Ｎ同士の重なり部分を示す。また、図１２の（Ｃ）は干渉部１４の対物レンズ５０の測定視野Ｗを示す。

図１２の（Ｂ）に示すように、１６個の測定面ＮをＮ_１からＮ_１６と名前を付けたとすると、例えば測定面Ｎ_１及び測定面Ｎ_９の最小走査範囲はＺ_１となる。また、測定面Ｎ_８及び測定面Ｎ_１６の最小走査範囲はＺ_８となる。測定面Ｎ_２〜Ｎ_７及び測定面Ｎ_１０〜Ｎ_１５についても同様に最小測定走査設定Ｚ_２〜Ｚ_７を設定することができる。

処理部１８の測定面形状測定手段７７は、ステージ１０を面内方向移動手段３５により被測定面Ｓの面内方向に移動させることにより、分割した各測定面Ｎを最小走査範囲Ｚ_１〜Ｚ_８に基づいて表面形状を個々に測定して複数の測定データを取得するものである。

即ち、測定面形状測定手段７７は、面内方向移動手段３５により被測定面Ｓの面内方向に移動させることにより、１６個の測定面Ｎ_１〜Ｎ_１６ごとに設定した最小走査範囲Ｚ_１〜Ｚ_８の範囲で干渉部１４を垂直方向に測定走査し、各測定面Ｎ_１〜Ｎ_１６の表面形状を測定する。即ち、処理部１８は、例えば最初に測定面Ｎ_１について最小走査範囲Ｚ_１だけ測定走査して測定面Ｎ_１の表面形状を取得する。次に、測定面Ｎ_２について最小走査範囲Ｚ_２だけ測定走査して測定面Ｎ_２の表面形状を取得する。これを測定面Ｎ_１６まで繰り返す。

また、データ接続手段７８は、１６回測定した各測定面Ｎの測定データを接続する。これにより、被測定面Ｓ全体の表面形状を測定することができる。データ接続手段７８による各測定面Ｎの接続方法はソフトウェア処理等の公知の方法を採用することができる。

なお、表面形状測定装置１は、うねり形状を有する測定対象物Ｐをスティッチング測定方法で表面形状測定する場合に測定時間を短縮するための構成を備えているが、うねり形状の測定対象物Ｐのみに使用が限定されるものではない。

［スティッチング測定方法］
次に、上記の如く構成した本発明の表面形状測定装置１を使用して、うねり形状の被測定面Ｓを有する測定対象物Ｐの表面形状を測定するスティッチング測定方法について説明する。

図１３は、測定対象物Ｐの被測定面Ｓの表面形状をスティッチング測定方法で測定するステップフローである。説明し易いように本実施の表面形状測定方法では、図１１に示すように、ｘ軸方向のみにうねり形状を有し、ｘ軸方向の長さが干渉部１４の対物レンズ５０の測定視野Ｗよりも長く、ｙ軸方向の長さが測定視野Ｗよりも僅かに短い測定対象物Ｐの例で説明する。

先ず概略形状取得手段７２は、測定対象物Ｐの被測定面Ｓの概略形状情報を取得する概略形状取得工程を行う（ステップ１０）。概略形状取得手段７２は、上記した三角測量方式のレーザー変位計、ステレオカメラ、パターン投影装置、ＣＡＤ（computer-aided-design）データを保持する保持手段、干渉部１４の対物レンズとして広視野な低倍率レンズを用いた白色干渉計の何れでもよい。

次に被測定面分割手段７４は、概略形状取得手段７２による概略形状情報の３次元座標とステージ１０に載置された測定対象物Ｐの３次元座標とを整合し、概略形状情報に基づいて被測定面Ｓを傾斜状領域Ｄと平坦状領域Ｋとで構成され１つの面積が測定視野Ｗ以下の複数の測定面に分割する被測定面分割工程を行う（ステップ２０）。

次に最小走査範囲設定手段７６は、被測定面分割手段７４により分割した各測定面Ｎについて表面形状を測定するのに最小限必要な干渉部１４の最小走査範囲Ｚ_１〜Ｚ_８を設定する走査範囲設定工程を行う。最小限必要な干渉部１４の最小走査範囲Ｚ_１〜Ｚ_８とは、分割された測定面Ｎの表面形状において最大高さを含む最小限の走査範囲を言う。

光学部２として垂直走査型の白色干渉計を使用した場合、測定時間は干渉部１４の走査範囲に比例し、走査範囲Ｚが大きくなれば測定時間は長くなり、走査範囲Ｚが小さくなれば測定時間は短くなる。また、測定面Ｎの面積を小さくすると白色干渉計の処理動作を高速化させることが可能であり、これにより測定時間の短縮を図ることができる。

このことを纏める、図１４に示すように、測定面Ｎの表面形状を測定するための測定時間Ｔは、測定面Ｎの面積Ａ（図１４の斜線部分）と干渉部１４の走査範囲Ｚとの積（Ａ*Ｚ）で形成される矩形体積Ｍ（図１４の点線で示す矩形）の大きさに比例する。そして、処理部１８がｘｙｚ座標から矩形体積Ｍを算出することで、矩形体積Ｍの大きさを算出することができる。

したがって、うねり形状を有する被測定面Ｓの概略形状を取得して表面形状成分を走査範囲Ｚの大きな傾斜状領域Ｄと走査範囲Ｚの小さな平坦状領域Ｋとに分割すれば、傾斜状領域Ｄは測定面Ｎの面積を小さくすることで測定時間を短くでき、平坦状領域Ｋは走査範囲Ｚが小さいので測定面Ｎの面積を大きくしても測定時間が大きくなる影響が小さい。

即ち、被測定面Ｓの面内方向（水平面方向）における適切な分割による複数の測定面Ｎの形成と、各測定面Ｎの形状に応じた適切な走査範囲Ｚの設定とを組み合わせることにより、スティッチング測定おける測定時間を短縮することができる。

また、被測定面分割手段７４は、分割した傾斜状領域Ｄ又は平坦状領域Ｋについて、以下の式１を満足する場合には更にｎ個の測定面Ｎに細分割する細分割判断部７４Ａ（図１参照）を備えることが好ましい。

Ｔ_０+ａ*Ａ*Ｚ＞（Ｔ_０+ａ*Ａ_１*Ｚ_１）+（Ｔ_０+ａ*Ａ_２*Ｚ_２）+……+（Ｔ_０+ａ*Ａ_ｎ-１*Ｚ_ｎ-１）+（Ｔ_０+ａ*Ａ_ｎ*Ｚ_ｎ）……式１
ここで、ｎ：細分割の数
Ｔ_０：オーバーヘッド時間
ａ：比例係数
Ａ：細分割前の測定面の面積
Ａ_１〜Ａ_ｎ：細分割後の各測定面の面積
Ｚ：細分割前の測定面の最小走査範囲
Ｚ_１〜Ｚ_ｎ：細分割後の各測定面の最小走査範囲
これにより、スティッチング測定により被測定面Ｓの表面形状測定を行う際の測定時間を一層効果的に短縮できる。しかし、式１から分かるように、細分割して測定面Ｎの数が多くなると、分割のための時間やオーバーヘッド時間Ｔ_０も増加するため、細分割は２分割又は４分割を選択することが好ましい。

次に、細分割判断部７４Ａの式１を用いた細分割の一例として、２分割の例で以下に詳しく説明する。

図１４は、被測定面Ｓを傾斜状領域Ｄ１、Ｄ２，Ｄ３と平坦状領域Ｋ１、Ｋ２との複数の測定面Ｎに分割した場合において、傾斜状領域Ｄ１の測定時間を説明するための図である。

図１４において、傾斜状領域Ｄ１の測定面Ｎのｘ軸方向の長さをＸとし、ｙ軸方向の長さをＹとしたときの測定面Ｎの面積をＡ（図１４の斜線部分）とする。このときのｚ軸方向の最小走査範囲をＺとし、測定時間をＴとする。また、スティッチング測定による複数回の測定において、各測定時間には測定の前準備時間としてオーバーヘッド時間Ｔ_０を要するのが通常である。

これにより、測定時間Ｔは、式２により矩形体積Ｍを求め、オーバーヘッド時間Ｔ_０を加えることで算出できる。即ち、細分割判断部７４Ａでは、ｘｙｚ座標から矩形体積Ｍを求め、オーバーヘッド時間Ｔ_０を加える算出が行われる。

Ｔ＝Ｔ_０+ａ*Ａ*Ｚ……式２
ここで、ａは比例係数である。

図１５は、図１４の傾斜状領域Ｄ１の側面図であり、傾斜状領域Ｄ１の測定面Ｎをｘ軸方向で２分割した場合において、面積がＡ_１の測定面Ｎ_１と、面積がＡ_２の測定面Ｎ_２とした図である。なお、図１５の側面図には、測定面Ｎ_１及びＮ_２の面積Ａ_１及びＡ_２を示す図（図１４の矩形体積Ｍの底面）は実際には図示されないが、便宜上符号を付している。

そして、測定面Ｎ_１の最小走査範囲をＺ_１及び測定時間をＴ_１とし、測定面Ｎ_２の最小走査範囲をＺ_２及び測定時間をＴ_２とする。このように２分割した場合の測定時間（Ｔ_１+Ｔ_２）は式３により算出することができる。即ち、細分割判断部７４Ａでは、ｘｙｚ座標から矩形体積Ｍ_１及びＭ_２を求め、それぞれにオーバーヘッド時間Ｔ_０を加える算出が行われる。

Ｔ_１+Ｔ_２＝（Ｔ_０+ａ*Ａ_１*Ｚ_１）+（Ｔ_０+ａ*Ａ_２*Ｚ_２）…式３
そして、細分割判断部７４Ａは、式２及び式３の結果から、２分割しない場合の測定時間Ｔと２分割した場合の測定時間（Ｔ_１+Ｔ_２）とを比較し、Ｔ＞Ｔ_１+Ｔ_２の場合には、傾斜状領域Ｄの測定面Ｎを更に２分割した方が測定時間の短縮を図ることができると判断する。

また、Ｔ＞Ｔ_１+Ｔ_２から以下の式４が成立する。

Ｔ_０+ａ*Ａ*Ｚ＞（Ｔ_０+ａ*Ａ_１*Ｚ_１）+（Ｔ_０+ａ*Ａ_２*Ｚ_２）…式４
式４を整理すると、Ｔ_０＜ａ*Ａ*（２Ｚ-Ｚ_１-Ｚ_２）…式５となる。

したがって、Ｚ-Ｚ_１とＺ-Ｚ_２との和が大きいときには、傾斜状領域Ｄの測定面Ｎを更に２分割した方が測定時間を短縮できることになる。また、傾斜状領域Ｄの測定面Ｎを４分の一に分割した方が測定時間を短縮できるか否かも同様にして判断することができる。同様に、平坦状領域Ｋに段差閾値Ｒ未満の小さな段差がある場合に平坦状領域Ｋを更に細分割すべきか否かも同様に判断することができる。

即ち、被測定面分割手段７４によって被測定面Ｓが傾斜状領域Ｄと平坦状領域Ｋとに分割されたあと、細分割判断部７４Ａは、傾斜状領域Ｄ及び／又は平坦状領域を２分割又は４分割し、測定時間の短縮に寄与するかを判断する。

これにより、被測定面Ｓの面内方向（水平面方向）における適切な分割による複数の測定面Ｎの形成と、分割した測定面Ｎの形状に応じた最小走査範囲Ｚとを適切に組み合わせることができる。

次に、処理部１８の最小走査範囲設定手段７６は、被測定面分割手段７４により分割した各測定面Ｎについて測定面に存在する最大高さを測定するのに最小限必要な干渉部１４の最小走査範囲Ｚを設定する最小走査範囲設定工程を行う（ステップ３０）。

次に処理部１８の測定面形状測定手段７７は、分割した各測定面Ｎについて、分割した測定面Ｎと設定した最小走査範囲Ｚとに基づいて各測定面Ｎの表面形状を測定して複数の測定データを取得する測定面形状測定工程を行う（ステップ４０）。

次に、処理部１８のデータ接続手段７８は、取得した複数の測定データを接続するデータ接続工程を行う（ステップ５０）。これにより、測定対象物Ｐの表面形状全体の測定を高速化することができるので、スティッチング測定方法による表面形状測定の測定時間を効果的に短縮することができる。

ここで、図１６により、本発明の実施の形態のスティッチング測定方法と、従来のスティッチング測定方法とについて、被測定面Ｓの分割方法及び分割した測定面の最小走査範囲の設定方法の違いを説明し、この違いによる測定時間を対比する。

なお、測定対象物Ｐは図１１と同様とする。また、図１６は図１１の側面図であり、測定面の面積Ａを示す図は実際には図示されないが、便宜上符号を付している。

図１６の（Ａ）は、従来のスティッチング測定方法であり、干渉部１４の対物レンズ５０の測定視野Ｗと同じ一定の面積Ａの測定面Ｎに５分割し、被測定面Ｓのうねり最大高さｈと同じ一定の最小走査範囲Ｚとなるように設定した場合である。この場合の被測定面Ｓの全体の測定時間Ｔ_Ｓ１は次の式６で表すことができる。

Ｔ_Ｓ１＝（Ｔ_０+ａ*Ａ*Ｚ）*５…式６
図１６の（Ｂ）は、従来のスティッチング測定方法の別態様であり、測定視野Ｗと同じ面積Ａの４個の測定面Ｎと測定視野Ｗの半分の面積（Ａ／２）の１個の測定面Ｎとの合計５個の測定面Ｎに分割し、各測定面Ｎの最小走査範囲がＺ_１〜Ｚ_５となるように設定した場合である。この場合の被測定面の全体の測定時間Ｔ_Ｓ２は、次の式７で表すことができる。

Ｔ_Ｓ２＝（Ｔ_０+ａ*Ａ*Ｚ_１）+（Ｔ_０+ａ*Ａ*Ｚ_２）+（Ｔ_０+ａ*Ａ*Ｚ_３）+（Ｔ_０+ａ*Ａ*Ｚ_４）+（Ｔ_０+ａ*（Ａ／２）*Ｚ_５）…式７
図１６の（Ｃ）は、本発明の実施の形態のスティッチング測定方法であり、被測定面Ｓを傾斜状領域Ｄと平坦状領域Ｋとでなり１つの面積が測定視野Ｗ以下の８個の面積Ａ_１〜Ａ_８の測定面Ｎに８分割し、各測定面Ｎについて表面形状を測定するのに最小限必要な最小走査範囲Ｚ_１０〜Ｚ_８０に設定した場合である。この場合の被測定面Ｓの全体の測定時間Ｔ_Ｓ３は、次の式８で表すことができる。

Ｔ_Ｓ３＝（Ｔ_０+ａ*Ａ_１*Ｚ_１０）+（Ｔ_０+ａ*Ａ_２*Ｚ_２０）+（Ｔ_０+ａ*Ａ_３*Ｚ_３０）+（Ｔ_０+ａ*Ａ_４*Ｚ_４０）+（Ｔ_０+ａ*Ａ_５*Ｚ_５０）+（Ｔ_０+ａ*Ａ_６*Ｚ_６０）+（Ｔ_０+ａ*Ａ_７*Ｚ_７０）+（Ｔ_０+ａ*Ａ_８*Ｚ_８０）…式８
そして、式６、式７、式８を計算することにより、被測定面Ｓの全体の測定時間は、Ｔ_Ｓ１＞Ｔ_Ｓ２＞Ｔ_Ｓ３であることが分かる。なお、図１６の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の図形を表示部２０に表示し、ユーザが（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の図形の斜線部分の合計面積の大きさからＴ_Ｓ１＞Ｔ_Ｓ２＞Ｔ_Ｓ３であること目視で判定することもできる。これにより、スティッチング測定方法を行なうことにより、測定時間を一層短縮することができることが分かる。

また、上記したように、本発明の実施の形態では、被測定面分割工程Ｓ２０において被測定面Ｓを分割した複数の測定面Ｎの分割マップを表示部２０に表示することが好ましい。

図１７の（Ａ）は、被測定面Ｓのうねり形状をｘ軸方向とｚ軸方向とで示したものである。実際にはｙ軸方向にもうねりがあるが、図では省略している。図１７の（Ｂ）は、図１７の（Ａ）のうねり形状を被測定面分割工程Ｓ２０において測定時間を短縮するように分割した分割マップＦを表示部２０に表示したものである。図１７の（Ｂ）では被測定面ＳをＮ_１〜Ｎ_１５の１５個の測定面Ｎに分割した分割マップＦの一例である。

このように、分割マップＦを表示部２０に表示することにより、ユーザは測定時間の短縮を図るための分割結果を目視にて確認することができるので、測定の高速化の様子をユーザに実感させることができる。

なお、ステージ１０を光学部２に対して水平移動させることで説明したが、ステージ１０に対して光学部２を水平移動させてもよい。また、本実施の形態では、被測定面Ｓがうねり形状である場合で説明したが、この形状に限定するものではなく、表面が凹凸の高低差を有する形状であればよい。

Ｐ…測定対象物、Ｑ，Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３…干渉縞曲線、Ｓ…被測定面、Ｚ−０，Ｚ−１…光軸、Ｎ…測定面、Ｄ…傾斜状領域、Ｋ…平坦状領域、Ｆ…分割マップ、Ｚ…走査範囲、１…表面形状測定装置、２…光学部、１０…ステージ、１０Ｓ…ステージ面、１２…光源部、１４…干渉部、１６…撮影部、１８…処理部、２０…表示部、２２…入力部、３４…ｘアクチュエータ、３５…面内方向移動手段、３６…ｙアクチュエータ、４０…光源、４２…コレクタレンズ、４４，５４…ビームスプリッタ、５０…対物レンズ、５２…参照ミラー、５６…干渉部アクチュエータ、６０…撮像素子、６０Ｓ…撮像面、６２…結像レンズ、７０…ｚアクチュエータ、７２…概略形状取得手段、７４…被測定面分割手段、７４Ａ…細分割判断部、７６…最小走査範囲設定手段、７７…測定面形状測定手段、７８…データ接続手段

Claims (10)

1. 測定対象物を支持する支持部と、
   白色光を出射する光源部、前記光源部からの白色光を測定光と参照光とに分割して前記測定光を前記測定対象物の被測定面に照射するとともに前記参照光を参照面に照射し、前記被測定面から戻る測定光と前記参照面から戻る前記参照光とを干渉させた干渉光を生成する干渉部、及び前記被測定面の各点に照射された前記測定光と前記参照光との干渉光の輝度情報から干渉縞を取得する干渉縞取得部を有し、前記被測定面よりも小さな測定視野をもった光学部と、
   前記干渉部を前記測定光の測定光軸に沿って測定走査することで前記測定光の光路長を変化させる走査手段と、
   前記支持部を前記光学部に対して相対的に前記測定光軸に直交する前記被測定面の面内方向に移動させる面内方向移動手段と、
   前記被測定面の概略形状情報を取得する概略形状取得手段と、
   前記概略形状情報に基づいて前記被測定面内の傾斜状領域と平坦状領域とを識別した識別結果に基づき、前記被測定面を傾斜状領域と平坦状領域とで構成され１つの面積が前記測定視野以下の複数の測定面に分割する被測定面分割手段と、
   前記分割した各測定面について測定面に存在する最大高さを測定走査するのに最小限必要な前記干渉部の最小走査範囲を設定する最小走査範囲設定手段と、
   前記支持部を前記被測定面の面内方向に移動させることにより、前記分割した各測定面を前記最小走査範囲に基づいて表面形状を個々に測定して複数の測定データを取得する測定面形状測定手段と、
   前記取得した複数の測定データを接続するデータ接続手段と、を備えた表面形状測定装置。
2. 前記測定対象物の前記被測定面の表面形状はうねり形状である請求項１に記載の表面形状測定装置。
3. 前記概略形状取得手段は、三角測量方式のレーザー変位計、ステレオカメラ、パターン投影装置の何れかである請求項１又は２に記載の表面形状測定装置。
4. 前記概略形状取得手段は、前記測定対象物のＣＡＤデータを保持する保持手段である請求項１又は２に記載の表面形状測定装置。
5. 前記概略形状取得手段は、前記干渉部の対物レンズよりも低倍率な低倍率レンズを用いた白色干渉計である請求項１又は２に記載の表面形状測定装置。
6. 前記被測定面分割手段は、前記傾斜状領域と前記平坦状領域とを段差閾値によって識別する請求項１から５の何れか１項に記載の表面形状測定装置。
7. 前記被測定面分割手段は、分割した傾斜状領域又は平坦状領域について、以下の式を満足する場合には更にｎ個の測定面に細分割する細分割判断部を備える請求項１に記載の表面形状測定装置。
   Ｔ_０+ａ*Ａ*Ｚ＞（Ｔ_０+ａ*Ａ_１*Ｚ_１）+（Ｔ_０+ａ*Ａ_２*Ｚ_２）+……+（Ｔ_０+ａ*Ａ_ｎ-１*Ｚ_ｎ-１）+（Ｔ_０+ａ*Ａ_ｎ*Ｚ_ｎ）
   ここで、Ｔ_０：オーバーヘッド時間
   ａ：比例係数
   Ａ：細分割前の測定面の面積
   Ａ_１〜Ａ_ｎ：細分割後の各測定面の面積
   Ｚ：細分割前の測定面の最小走査範囲
   Ｚ_１〜Ｚ_ｎ：細分割後の各測定面の最小走査範囲
8. 前記細分割の分割数ｎは、２又は４である請求項７に記載の表面形状測定装置。
9. 前記被測定面分割手段で分割された複数の測定面の分割マップを表示する表示部を有する請求項１の表面形状測定装置。
10. 測定対象物を支持する支持部と、
    白色光を出射する光源部、前記光源部からの白色光を測定光と参照光とに分割して前記測定光を前記測定対象物の被測定面に照射するとともに前記参照光を参照面に照射し、前記被測定面から戻る測定光と前記参照面から戻る前記参照光とを干渉させた干渉光を生成する干渉部、及び前記被測定面の各点に照射された前記測定光と前記参照光との干渉光の輝度情報から干渉縞を取得する干渉縞取得部を有し、前記被測定面よりも小さな測定視野をもった光学部と、を有する表面形状測定装置のスティッチング測定方法であって、
    前記被測定面の概略形状情報を取得する概略形状取得工程と、
    前記概略形状情報に基づいて前記被測定面内の傾斜状領域と平坦状領域とを識別した識別結果に基づき、前記被測定面を傾斜状領域と平坦状領域とで構成され１つの面積が前記測定視野以下の複数の測定面に分割する被測定面分割工程と、
    前記分割した各測定面について測定面に存在する最大高さを測定走査するのに最小限必要な前記干渉部の最小走査範囲を設定する最小走査範囲設定工程と、
    前記支持部を前記被測定面の面内方向に移動させることにより、前記分割した各測定面を前記最小走査範囲に基づいて表面形状を個々に測定して複数の測定データを取得する測定面形状測定工程と、
    前記取得した複数の測定データを接続するデータ接続工程と、を備えた表面形状測定装置のスティッチング測定方法。

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