JPH11257930A - 三次元形状測定装置 - Google Patents
三次元形状測定装置Info
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- JPH11257930A JPH11257930A JP8258798A JP8258798A JPH11257930A JP H11257930 A JPH11257930 A JP H11257930A JP 8258798 A JP8258798 A JP 8258798A JP 8258798 A JP8258798 A JP 8258798A JP H11257930 A JPH11257930 A JP H11257930A
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- stripe pattern
- measuring apparatus
- point
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 反射表面を持つ測定対象物に対して安価な構
成で高精度に三次元形状を測定することができる。ま
た、大面積のものも一度にとらえてスピーディーな測定
が可能になる。 【解決手段】 一方向に正弦波状の濃淡輝度を持つ縞パ
ターンが平行に形成された縞パターン板を備え、反射表
面を備える測定対象物の表面形状を測定する三次元形状
測定装置において、表面形状に応じた情報を含んで測定
対象物の表面で反射された縞パターンを撮像し、得られ
た画像情報に基づいて測定対象物の表面形状を求める。
成で高精度に三次元形状を測定することができる。ま
た、大面積のものも一度にとらえてスピーディーな測定
が可能になる。 【解決手段】 一方向に正弦波状の濃淡輝度を持つ縞パ
ターンが平行に形成された縞パターン板を備え、反射表
面を備える測定対象物の表面形状を測定する三次元形状
測定装置において、表面形状に応じた情報を含んで測定
対象物の表面で反射された縞パターンを撮像し、得られ
た画像情報に基づいて測定対象物の表面形状を求める。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、反射表面を備える
測定対象物表面の三次元形状を測定する三次元形状測定
装置に関する。
測定対象物表面の三次元形状を測定する三次元形状測定
装置に関する。
【０００２】
【従来技術】従来より、ＩＣウェハや液晶基盤などの反
射表面を備える反射物体の平坦度（三次元形状）を測定
する装置としては、干渉計が知られている。その中でも
大きなうねりを測定するのに適したものとして、斜入射
干渉計がある。このような干渉計は、レーザ光を利用し
てミラーやプリズムによる参照面からの反射光と測定対
象面からの反射光とにより干渉縞を生じさせ、この干渉
縞の光強度に基づいて測定を行っている。
射表面を備える反射物体の平坦度（三次元形状）を測定
する装置としては、干渉計が知られている。その中でも
大きなうねりを測定するのに適したものとして、斜入射
干渉計がある。このような干渉計は、レーザ光を利用し
てミラーやプリズムによる参照面からの反射光と測定対
象面からの反射光とにより干渉縞を生じさせ、この干渉
縞の光強度に基づいて測定を行っている。
【０００３】また、反射表面に対して基準となる直線パ
ターンを映して、それが表面の凹凸によって変形して見
えることを利用して検査する試みもなされている。
ターンを映して、それが表面の凹凸によって変形して見
えることを利用して検査する試みもなされている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
干渉計においては、レンズやミラー等の構成部品は波長
オーダーの製造精度が要求され、非常に高価になるとい
う欠点があった。また、近年ではＩＣウェハや液晶基盤
などはますます大型化しており、これに対しては光学部
品等の大きさの制約から大面積を一度にとらえることが
できず、測定に時間を要するという問題があった。光学
系を大型化することは、さらに精度やコストの面で困難
である。
干渉計においては、レンズやミラー等の構成部品は波長
オーダーの製造精度が要求され、非常に高価になるとい
う欠点があった。また、近年ではＩＣウェハや液晶基盤
などはますます大型化しており、これに対しては光学部
品等の大きさの制約から大面積を一度にとらえることが
できず、測定に時間を要するという問題があった。光学
系を大型化することは、さらに精度やコストの面で困難
である。
【０００５】一方、基準パターンを利用するものは、目
視による官能検査が主であり、精度の高い定量的な解析
は行われていなかった。
視による官能検査が主であり、精度の高い定量的な解析
は行われていなかった。
【０００６】本発明は上記問題点に鑑み、安価な構成
で、鏡面物体の三次元形状を高精度に測定でき、また、
大面積のものも長い時間を要することなく測定できる三
次元形状測定装置を提供することを技術課題とする。
で、鏡面物体の三次元形状を高精度に測定でき、また、
大面積のものも長い時間を要することなく測定できる三
次元形状測定装置を提供することを技術課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は以下のような構成を備えることを特徴とす
る。
に、本発明は以下のような構成を備えることを特徴とす
る。
【０００８】（１） 反射表面を備える測定対象物の表
面形状を測定する三次元形状測定装置において、一方向
に正弦波状の濃淡輝度を持つ縞パターンが平行に形成さ
れた縞パターン板と、前記測定対象物の表面形状に応じ
た情報を含んで反射される前記縞パターンを撮像する撮
像手段と、該撮像手段による画像情報に基づいて前記測
定対象物の表面形状を求める形状解析手段と、を備える
ことを特徴とする。
面形状を測定する三次元形状測定装置において、一方向
に正弦波状の濃淡輝度を持つ縞パターンが平行に形成さ
れた縞パターン板と、前記測定対象物の表面形状に応じ
た情報を含んで反射される前記縞パターンを撮像する撮
像手段と、該撮像手段による画像情報に基づいて前記測
定対象物の表面形状を求める形状解析手段と、を備える
ことを特徴とする。
【０００９】（２） （１）の三次元形状測定装置は、
前記縞パターンの方向が互いに所定の角度をなす２種類
となるように切換える切換手段と、該切換の前後のそれ
ぞれで縞パターンの位相を少なくとも３段階で変化させ
るために前記測定対象物に対して縞パターンを相対的に
移動する移動手段と、前記切換手段による切換え及び前
記移動手段による移動ごとに前記撮像手段によって撮像
された縞パターンの画像情報を記憶する記憶手段と、を
備え、前記形状解析手段は該記憶手段に記憶された複数
の画像情報に基づいて表面形状を求めることを特徴とす
る。
前記縞パターンの方向が互いに所定の角度をなす２種類
となるように切換える切換手段と、該切換の前後のそれ
ぞれで縞パターンの位相を少なくとも３段階で変化させ
るために前記測定対象物に対して縞パターンを相対的に
移動する移動手段と、前記切換手段による切換え及び前
記移動手段による移動ごとに前記撮像手段によって撮像
された縞パターンの画像情報を記憶する記憶手段と、を
備え、前記形状解析手段は該記憶手段に記憶された複数
の画像情報に基づいて表面形状を求めることを特徴とす
る。
【００１０】（３） （２）の移動手段は、前記縞パタ
ーンを縞ピッチの１／４単位で移動させることを特徴と
する。
ーンを縞ピッチの１／４単位で移動させることを特徴と
する。
【００１１】（４） （２）の切換手段は、前記縞パタ
ーンの方向が互いに直交するように配置することを特徴
とする。
ーンの方向が互いに直交するように配置することを特徴
とする。
【００１２】（５） （２）の三次元形状測定装置にお
いて、前記測定対象物の表面上の任意の１点の座標位置
を入力する位置入力手段を備え、前記形状解析手段は、
前記記憶手段に記憶された複数の画像情報に基づいて前
記切換手段により切換えられた縞パターンの２種類の方
向の位相を求め、求められた位相データから前記撮像手
段が持つ撮像素子上の画素と前記縞パターン上の点の対
応付けを行い、前記位置入力手段により入力された位置
を出発点として幾何学的に前記測定対象物の表面形状を
求める解析手段を備えることを特徴とする。
いて、前記測定対象物の表面上の任意の１点の座標位置
を入力する位置入力手段を備え、前記形状解析手段は、
前記記憶手段に記憶された複数の画像情報に基づいて前
記切換手段により切換えられた縞パターンの２種類の方
向の位相を求め、求められた位相データから前記撮像手
段が持つ撮像素子上の画素と前記縞パターン上の点の対
応付けを行い、前記位置入力手段により入力された位置
を出発点として幾何学的に前記測定対象物の表面形状を
求める解析手段を備えることを特徴とする。
【００１３】（６） （５）の三次元形状測定装置にお
いて、前記解析手段は、縞パターン上の点Ｐrkが前記位
置入力手段により入力された点Ｐskで反射して撮像素子
上の画素Ｐckに結像するときの点Ｐskでの接平面Ｐskを
求める段階と、前記画素Ｐckに隣合う画素Ｐck+1に対応
する測定表面上の点Ｐsk+1が前記接平面Ｐsk上に近似的
に存在するものとして点Ｐsk+1の座標位置を求める段階
とを持つプログラムを有し、該プログラムを撮像素子上
の全ての画素について順次実行することにより表面形状
を求めることを特徴とする。
いて、前記解析手段は、縞パターン上の点Ｐrkが前記位
置入力手段により入力された点Ｐskで反射して撮像素子
上の画素Ｐckに結像するときの点Ｐskでの接平面Ｐskを
求める段階と、前記画素Ｐckに隣合う画素Ｐck+1に対応
する測定表面上の点Ｐsk+1が前記接平面Ｐsk上に近似的
に存在するものとして点Ｐsk+1の座標位置を求める段階
とを持つプログラムを有し、該プログラムを撮像素子上
の全ての画素について順次実行することにより表面形状
を求めることを特徴とする。
【００１４】（７） （１）の三次元形状測定装置は、
半導体ウエハの平坦度を測定する装置又は被検眼の角膜
形状を測定する眼科装置に適用したことを特徴とする。
半導体ウエハの平坦度を測定する装置又は被検眼の角膜
形状を測定する眼科装置に適用したことを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】＜実施例１＞以下、本発明の一実
施例を図面に基づいて説明する。図１は実施例である半
導体ウエハの平坦度を測定する三次元形状測定装置の概
略構成図、図２は装置の測定座標系の説明図である。
施例を図面に基づいて説明する。図１は実施例である半
導体ウエハの平坦度を測定する三次元形状測定装置の概
略構成図、図２は装置の測定座標系の説明図である。
【００１６】１は検査ステージであり、検査ステージ１
上には測定対象物であるウエハ２が載置される。検査ス
テージ１は駆動装置１３によりＸＹＺ軸の各軸方向へ移
動可能である。３は指標板であり、その表面には濃淡輝
度が正弦波状に変化する濃淡縞パターンが所定の間隔で
平行に形成されている。濃淡縞パターンの間隔をピッチ
ｐとする。この指標板３上の濃淡縞パターンがウエハ２
の表面で反射され、撮像素子４ａ、撮像レンズ４ｂを持
つＣＣＤカメラ４により撮像される。
上には測定対象物であるウエハ２が載置される。検査ス
テージ１は駆動装置１３によりＸＹＺ軸の各軸方向へ移
動可能である。３は指標板であり、その表面には濃淡輝
度が正弦波状に変化する濃淡縞パターンが所定の間隔で
平行に形成されている。濃淡縞パターンの間隔をピッチ
ｐとする。この指標板３上の濃淡縞パターンがウエハ２
の表面で反射され、撮像素子４ａ、撮像レンズ４ｂを持
つＣＣＤカメラ４により撮像される。
【００１７】測定座標系は図２に示すように、装置の原
点をＯ（０，０，０）として、ＸＹＺ座標系を考える。
ＣＣＤカメラ４が持つ撮像レンズ４ｂの主点をＤ（０，
ｄy，ｄz ）とし、その光軸Ｌｐは原点Ｏを通るように
配置する。また、検査ステージ１上面と平行で原点Ｏを
通る平面を考えたとき、この平面の垂線に対して光軸Ｌ
ｐと対称な軸線Ｌｅ上に指標板３の基準点Ｅ（０，
ｅy ，ｅz ）が来るように配置する。そして、撮像素子
４ａの撮像中心点ｏ（０，ｏy ，ｏz ）を原点とした
Ｘ′Ｙ′座標系、基準点Ｅを原点としたＸ″Ｙ″座標系
を設定し、各座標系のＸ′軸及びＸ″軸はＸ軸と平行に
とり、Ｙ′軸及びＹ″軸はＹＺ平面内にとるものとす
る。
点をＯ（０，０，０）として、ＸＹＺ座標系を考える。
ＣＣＤカメラ４が持つ撮像レンズ４ｂの主点をＤ（０，
ｄy，ｄz ）とし、その光軸Ｌｐは原点Ｏを通るように
配置する。また、検査ステージ１上面と平行で原点Ｏを
通る平面を考えたとき、この平面の垂線に対して光軸Ｌ
ｐと対称な軸線Ｌｅ上に指標板３の基準点Ｅ（０，
ｅy ，ｅz ）が来るように配置する。そして、撮像素子
４ａの撮像中心点ｏ（０，ｏy ，ｏz ）を原点とした
Ｘ′Ｙ′座標系、基準点Ｅを原点としたＸ″Ｙ″座標系
を設定し、各座標系のＸ′軸及びＸ″軸はＸ軸と平行に
とり、Ｙ′軸及びＹ″軸はＹＺ平面内にとるものとす
る。
【００１８】このよう構成により、ウェハ２の表面中心
がＸＹＺ座標系の原点Ｏ付近に来るように検査ステージ
１を移動し、ウェハ２の表面で反射する濃淡縞パターン
をＣＣＤカメラ４により撮像すると、ウェハ２の表面形
状に応じて変形する濃淡縞パターン像が得られる。
がＸＹＺ座標系の原点Ｏ付近に来るように検査ステージ
１を移動し、ウェハ２の表面で反射する濃淡縞パターン
をＣＣＤカメラ４により撮像すると、ウェハ２の表面形
状に応じて変形する濃淡縞パターン像が得られる。
【００１９】図１において、１１は指標板３をＸ″Ｙ″
軸の各軸方向に移動する移動装置であり、１２は指標板
３をＸ″Ｙ″平面内で基準点Ｅを中心に回転する回転駆
動装置である。１４はウェハ表面の任意の点の座標位置
を検出する検出装置であり、例えば、ＸＹ移動機構と距
離センサ等で構成することができる。１０は装置全体を
制御する制御部であり、ＣＣＤカメラ４により得られた
画像を処理して三次元形状を解析する。１５はＣＣＤカ
メラ４が得た画像を記憶するメモリ、１６は撮像された
画像や測定結果を表示するモニタである。
軸の各軸方向に移動する移動装置であり、１２は指標板
３をＸ″Ｙ″平面内で基準点Ｅを中心に回転する回転駆
動装置である。１４はウェハ表面の任意の点の座標位置
を検出する検出装置であり、例えば、ＸＹ移動機構と距
離センサ等で構成することができる。１０は装置全体を
制御する制御部であり、ＣＣＤカメラ４により得られた
画像を処理して三次元形状を解析する。１５はＣＣＤカ
メラ４が得た画像を記憶するメモリ、１６は撮像された
画像や測定結果を表示するモニタである。
【００２０】次に、装置の動作を説明する。測定対象物
であるウェハ２は、図示なきウェハ搬送装置によって検
査ステージ１上に載置される。制御部１０はウェハ２が
検査ステージ１に載置されると、移動装置１１によって
指標板３を濃淡縞パターンの正弦波方向に縞ピッチｐの
１／４単位で移動させる。この移動に同期してウェハ２
の表面で反射する濃淡縞パターン像をＣＣＤカメラ４で
撮像し、撮像したｐ／４ごとに位相の異なる４つの濃淡
縞パターン画像をメモリ１５に記憶する。
であるウェハ２は、図示なきウェハ搬送装置によって検
査ステージ１上に載置される。制御部１０はウェハ２が
検査ステージ１に載置されると、移動装置１１によって
指標板３を濃淡縞パターンの正弦波方向に縞ピッチｐの
１／４単位で移動させる。この移動に同期してウェハ２
の表面で反射する濃淡縞パターン像をＣＣＤカメラ４で
撮像し、撮像したｐ／４ごとに位相の異なる４つの濃淡
縞パターン画像をメモリ１５に記憶する。
【００２１】一方向に対して位相の異なる４つの濃淡縞
パターン画像が撮像できたら、指標板３を回転駆動装置
１２によって点Ｅを中心に９０度回転させる。この回転
によりウェハ２上で反射される濃淡縞パターンも９０度
回転する。その後、前述と同様に指標板３を濃淡縞パタ
ーンの正弦波方向に相対的にｐ／４単位で移動させ、Ｃ
ＣＤカメラ４で撮像したｐ／４ごとに位相の異なる４つ
の濃淡縞パターン画像をメモリ１５に記憶する。
パターン画像が撮像できたら、指標板３を回転駆動装置
１２によって点Ｅを中心に９０度回転させる。この回転
によりウェハ２上で反射される濃淡縞パターンも９０度
回転する。その後、前述と同様に指標板３を濃淡縞パタ
ーンの正弦波方向に相対的にｐ／４単位で移動させ、Ｃ
ＣＤカメラ４で撮像したｐ／４ごとに位相の異なる４つ
の濃淡縞パターン画像をメモリ１５に記憶する。
【００２２】以上のようにして得られた位相の異なる８
つの濃淡縞パターン画像に基づいて、ウェハ表面の三次
元形状を測定する。以下、測定方法を説明する。
つの濃淡縞パターン画像に基づいて、ウェハ表面の三次
元形状を測定する。以下、測定方法を説明する。
【００２３】まず、制御部１０はメモリ１５に記憶され
た位相の異なる８つの濃淡縞パターン画像の各々から、
公知である位相シフト法に基づいてウェハ２上で反射さ
れた濃淡縞パターンの位相（φk ，φk ′）を求める。
なお、ここでの位相は不連続な分布であるため、それぞ
れ指標板３の基準点Ｅを０次として位相の接続及び三次
元解析の領域の抽出を行う。位相の接続を行う上では、
予め基準点Ｅに指標光源等を置いて、ウェハ２上による
反射指標像が撮像素子４ａ上で結像する位置を検出し、
その位置を基準とすれば良い。
た位相の異なる８つの濃淡縞パターン画像の各々から、
公知である位相シフト法に基づいてウェハ２上で反射さ
れた濃淡縞パターンの位相（φk ，φk ′）を求める。
なお、ここでの位相は不連続な分布であるため、それぞ
れ指標板３の基準点Ｅを０次として位相の接続及び三次
元解析の領域の抽出を行う。位相の接続を行う上では、
予め基準点Ｅに指標光源等を置いて、ウェハ２上による
反射指標像が撮像素子４ａ上で結像する位置を検出し、
その位置を基準とすれば良い。
【００２４】次に、求められた２種類の位相データから
ＣＣＤカメラ４の各画素座標に対する指標板３上（濃淡
縞パターン上）の座標の対応付けを行う。今、図３に示
すように（図３は濃淡縞パターンの概略図を示してい
る）、指標板３の回転前の濃淡縞がＸ″軸に対して角度
θ（rad ）を成し、指標板３の回転後の濃淡縞がＸ″軸
に対して角度θ′（rad ）を成しているとする。そし
て、任意の画素Ｐckにおける各々の濃淡縞パターンの位
相がφk ，φk ′であるとすると、Ｐckに対応するＸ″
Ｙ″座標系での縞パターン上の点Ｐrk（ｘrk″，
ｙrk″）は、次の２直線の交点として求めることができ
る。
ＣＣＤカメラ４の各画素座標に対する指標板３上（濃淡
縞パターン上）の座標の対応付けを行う。今、図３に示
すように（図３は濃淡縞パターンの概略図を示してい
る）、指標板３の回転前の濃淡縞がＸ″軸に対して角度
θ（rad ）を成し、指標板３の回転後の濃淡縞がＸ″軸
に対して角度θ′（rad ）を成しているとする。そし
て、任意の画素Ｐckにおける各々の濃淡縞パターンの位
相がφk ，φk ′であるとすると、Ｐckに対応するＸ″
Ｙ″座標系での縞パターン上の点Ｐrk（ｘrk″，
ｙrk″）は、次の２直線の交点として求めることができ
る。
【数１】
【００２５】ゆえに、式（１），（２）の連立方程式を
解くことによって、Ｐrk（ｘrk″，ｙrk″）を次式
（３）（但し、θ≠θ′≠π／２）として求めることが
できる。
解くことによって、Ｐrk（ｘrk″，ｙrk″）を次式
（３）（但し、θ≠θ′≠π／２）として求めることが
できる。
【数２】
【００２６】また、θあるいはθ′がπ／２の場合に
は、式（１）及び（２）は各々次式（１′），（２′）
になるため、（１′）と（２）、あるいは（１）と
（２′）の連立方程式よりＰrk（ｘrk″，ｙrk″）を求
めることができる。
は、式（１）及び（２）は各々次式（１′），（２′）
になるため、（１′）と（２）、あるいは（１）と
（２′）の連立方程式よりＰrk（ｘrk″，ｙrk″）を求
めることができる。
【数３】
【００２７】ここで、点Ｐrk（ｘrk，ｙrk，ｚrk）をＸ
ＹＺ座標系の座標位置に換算すると、
ＹＺ座標系の座標位置に換算すると、
【数４】 となる。
【００２８】次に、画素上の点Ｐckの座標をＸＹＺ座標
系における座標位置で表示する。点ＰckのＸ′Ｙ′座標
系での座標が（ｘck′，ｙck′）であるとすると、ＸＹ
Ｚ座標系での座標（ｘck，ｙck，ｚck）は、ＣＣＤカメ
ラ４の撮像中心点ｏのＸＹＺ座標系での座標が（０，ｏ
y ，ｏz ）であるから、
系における座標位置で表示する。点ＰckのＸ′Ｙ′座標
系での座標が（ｘck′，ｙck′）であるとすると、ＸＹ
Ｚ座標系での座標（ｘck，ｙck，ｚck）は、ＣＣＤカメ
ラ４の撮像中心点ｏのＸＹＺ座標系での座標が（０，ｏ
y ，ｏz ）であるから、
【数５】 となる。
【００２９】このようにして求められる各画素座標と濃
淡縞パターンの座標の対応関係は、測定対象物の表面形
状を反映しているので、その三次元形状は任意の１点を
与えれば、この点を出発点として幾何学的に算出するこ
とができる。以下、この算出法を図４を使用して説明す
る。
淡縞パターンの座標の対応関係は、測定対象物の表面形
状を反映しているので、その三次元形状は任意の１点を
与えれば、この点を出発点として幾何学的に算出するこ
とができる。以下、この算出法を図４を使用して説明す
る。
【００３０】濃淡縞パターン上の点Ｐrkがウェハ２の表
面上の点Ｐskで反射して、ＣＣＤカメラ４の撮像素子４
ａ上で画素Ｐckに結像したとし、点Ｐskを出発点とす
る。出発点ＰskのＸＹＺ座標は検出装置１４により検出
して、制御部１０に入力される。このときのＰskに対応
する画素Ｐckの位置は、ＣＣＤカメラ４で撮像された画
像から得られる。例えば、検出装置１４により検出する
点Ｐskを、測定対象物上の目標となる位置（ウエハの場
合は、その円外周とオリフラ（Orientational Flat）と
の交点の位置）にして、これが撮像される画素位置から
画素Ｐckを得ることができる。あるいは、Ｚ軸上に検出
装置１４を置き、検出装置１４からの検出情報から原点
Ｏの位置に測定対象物の表面が来るように、ステージ１
を移動する。これにより点Ｐskが原点Ｏとして与えら
れ、画素ＰckはＣＣＤカメラ４の撮像中心点ｏとなる。
面上の点Ｐskで反射して、ＣＣＤカメラ４の撮像素子４
ａ上で画素Ｐckに結像したとし、点Ｐskを出発点とす
る。出発点ＰskのＸＹＺ座標は検出装置１４により検出
して、制御部１０に入力される。このときのＰskに対応
する画素Ｐckの位置は、ＣＣＤカメラ４で撮像された画
像から得られる。例えば、検出装置１４により検出する
点Ｐskを、測定対象物上の目標となる位置（ウエハの場
合は、その円外周とオリフラ（Orientational Flat）と
の交点の位置）にして、これが撮像される画素位置から
画素Ｐckを得ることができる。あるいは、Ｚ軸上に検出
装置１４を置き、検出装置１４からの検出情報から原点
Ｏの位置に測定対象物の表面が来るように、ステージ１
を移動する。これにより点Ｐskが原点Ｏとして与えら
れ、画素ＰckはＣＣＤカメラ４の撮像中心点ｏとなる。
【００３１】点Ｐskの座標が与えられ、Ｐckの座標も分
かれば、これに対応するＰrkも位相データから得られる
ので、Ｐrk，Ｐsk，Ｐckを利用してＰskにおける法線ベ
クトルＮk （ｘnk，ｙnk，ｚnk）が求まる。すなわち、
法線ベクトルＮk は、入射光線の単位ベクトルαk と反
射光線の単位ベクトルαk ′の２等分線ベクトルとして
得られる。入射光線の単位ベクトルαk （ｘαk，ｙ
αk,ｚαk）は、
かれば、これに対応するＰrkも位相データから得られる
ので、Ｐrk，Ｐsk，Ｐckを利用してＰskにおける法線ベ
クトルＮk （ｘnk，ｙnk，ｚnk）が求まる。すなわち、
法線ベクトルＮk は、入射光線の単位ベクトルαk と反
射光線の単位ベクトルαk ′の２等分線ベクトルとして
得られる。入射光線の単位ベクトルαk （ｘαk，ｙ
αk,ｚαk）は、
【数６】 であり、反射光線の単位ベクトルαk ′（ｘαk′，ｙ
αk′，ｚαk′）は、
αk′，ｚαk′）は、
【数７】 であるから、入射光線の単位ベクトルαk と反射光線の
単位ベクトルαk ′の２等分線ベクトルである法線ベク
トルＮk （ｘnk，ｙnk，ｚnk）は、
単位ベクトルαk ′の２等分線ベクトルである法線ベク
トルＮk （ｘnk，ｙnk，ｚnk）は、
【数８】 となる。これにより、法線ベクトルＮk を備える平面、
つまり、Ｐsk（ｘk ，ｙk ，ｚk ）での接平面Ｐpkの方
程式は、
つまり、Ｐsk（ｘk ，ｙk ，ｚk ）での接平面Ｐpkの方
程式は、
【数９】 となる。
【００３２】また、Ｐckの隣の画素Ｐck+1（ｘck+1，ｙ
ck+1，ｚck+1）とレンズ主点Ｄ（０，ｄy ，ｄz ）を通
る直線の方程式は、
ck+1，ｚck+1）とレンズ主点Ｄ（０，ｄy ，ｄz ）を通
る直線の方程式は、
【数１０】 であり、画素Ｐck+1に対応するＰsk+1が近似的に平面Ｐ
pk上に存在すると仮定すると、式（９），（１０）の交
点がＰsk+1（ｘk+1 ，ｙk+1 ，ｚk+1 ）として次式のよ
うに求められる。
pk上に存在すると仮定すると、式（９），（１０）の交
点がＰsk+1（ｘk+1 ，ｙk+1 ，ｚk+1 ）として次式のよ
うに求められる。
【数１１】
【００３３】同様にして、Ｐrk+1、Ｐsk+1、Ｐck+1を利
用してＰsk+2を算出する。これを全ての画素について繰
り返し行うことにより、ウェハ２上の各点のＸＹＺ座標
が求まり、表面の三次元形状を求めることができる。
用してＰsk+2を算出する。これを全ての画素について繰
り返し行うことにより、ウェハ２上の各点のＸＹＺ座標
が求まり、表面の三次元形状を求めることができる。
【００３４】測定結果は、例えば、ワイヤフレーム表示
やその断面としてモニタ１６上に表示される。検査者は
これらの情報に基づいてウェハ２表面の平坦度を知るこ
とができる。
やその断面としてモニタ１６上に表示される。検査者は
これらの情報に基づいてウェハ２表面の平坦度を知るこ
とができる。
【００３５】このようにして、反射表面を持つ測定対象
物の三次元形状を、高価なミラーやレンズを設けること
なく、簡単な構成で精度良く測定できる。測定対象が大
面積の場合にも、それに応じて濃淡縞パターンの指標板
の配置位置、大きさを変えれば簡単に対応できる。
物の三次元形状を、高価なミラーやレンズを設けること
なく、簡単な構成で精度良く測定できる。測定対象が大
面積の場合にも、それに応じて濃淡縞パターンの指標板
の配置位置、大きさを変えれば簡単に対応できる。
【００３６】以上、半導体ウェハの表面形状を測定する
装置を例にとって説明したが、本発明は反射表面を備え
る測定対象物についても同様に適用できる。例えば、ガ
ラス、鉄板等の工業用材料や鏡等の一般生活用品はもち
ろん、人眼の角膜形状を詳細に測定する眼科医用測定機
器としても利用することが可能である。
装置を例にとって説明したが、本発明は反射表面を備え
る測定対象物についても同様に適用できる。例えば、ガ
ラス、鉄板等の工業用材料や鏡等の一般生活用品はもち
ろん、人眼の角膜形状を詳細に測定する眼科医用測定機
器としても利用することが可能である。
【００３７】また、指標板３として液晶パネルを使用す
ることにより、移動装置１１や回転駆動装置１２を不要
とすることができる。すなわち、液晶パネル上で濃淡輝
度が正弦波状に変化するように濃淡縞パターンを液晶に
より表示させ、その表示の制御により濃淡縞パターンの
移動や回転を行うようにする。
ることにより、移動装置１１や回転駆動装置１２を不要
とすることができる。すなわち、液晶パネル上で濃淡輝
度が正弦波状に変化するように濃淡縞パターンを液晶に
より表示させ、その表示の制御により濃淡縞パターンの
移動や回転を行うようにする。
【００３８】＜実施例２＞測定対象物上の任意の点の座
標位置を検出する機構の変容例を、図５に基づいて説明
する。図中、実施例１と同じ符号は同様の要素である。
標位置を検出する機構の変容例を、図５に基づいて説明
する。図中、実施例１と同じ符号は同様の要素である。
【００３９】２０は投影光軸を挟んで対称に設けられた
一対の赤外光源であり、交互に点灯される光源２０の光
束は、集光レンズ２１、スポット開口を持つ指標板２２
を照明する。指標板２２を発した光束は、ビームスプリ
ッタ２３を透過した後、対物レンズ２４により測定対象
物２′に指標像を形成する。測定対象物２′で反射した
指標像の光束は、対物レンズ２４を経てビームスプリッ
タ２３で反射され、指標板２２と共役な位置に配置され
た２分割受光素子２５に結像する。光源２０により形成
される２つの指標像が合焦する位置は、ＸＹＺ座標系の
原点Ｏとして設定され、ＣＣＤカメラ４の撮影光軸Ｌｐ
は原点Ｏを通るように配置されている。
一対の赤外光源であり、交互に点灯される光源２０の光
束は、集光レンズ２１、スポット開口を持つ指標板２２
を照明する。指標板２２を発した光束は、ビームスプリ
ッタ２３を透過した後、対物レンズ２４により測定対象
物２′に指標像を形成する。測定対象物２′で反射した
指標像の光束は、対物レンズ２４を経てビームスプリッ
タ２３で反射され、指標板２２と共役な位置に配置され
た２分割受光素子２５に結像する。光源２０により形成
される２つの指標像が合焦する位置は、ＸＹＺ座標系の
原点Ｏとして設定され、ＣＣＤカメラ４の撮影光軸Ｌｐ
は原点Ｏを通るように配置されている。
【００４０】検査ステージ１に測定対象物２′を載置し
た後、光源２０を交互に点灯する。２分割受光素子２５
で検出されるそれぞれの光量差が同じになるように、検
査ステージ１を上下方向に移動することにより、測定対
象物２′の表面が原点Ｏと一致するようになる。測定対
象物２′の表面上の１点の座標（すなわち原点Ｏの座
標）が得られ、３次元形状測定のための出発点Ｐskを与
えることができる。このとき、出発点Ｐskに対応する画
素ＰckはＣＣＤカメラ４の撮像中心点ｏとなる。このよ
うにして、測定対象物上の点の座標位置を容易に得るこ
とができる。
た後、光源２０を交互に点灯する。２分割受光素子２５
で検出されるそれぞれの光量差が同じになるように、検
査ステージ１を上下方向に移動することにより、測定対
象物２′の表面が原点Ｏと一致するようになる。測定対
象物２′の表面上の１点の座標（すなわち原点Ｏの座
標）が得られ、３次元形状測定のための出発点Ｐskを与
えることができる。このとき、出発点Ｐskに対応する画
素ＰckはＣＣＤカメラ４の撮像中心点ｏとなる。このよ
うにして、測定対象物上の点の座標位置を容易に得るこ
とができる。
【００４１】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、反
射表面を持つ測定対象物に対しても安価な構成で高精度
に三次元形状を測定することができる。また、大面積の
ものも一度にとらえてスピーディーな測定が可能にな
る。
射表面を持つ測定対象物に対しても安価な構成で高精度
に三次元形状を測定することができる。また、大面積の
ものも一度にとらえてスピーディーな測定が可能にな
る。
【図１】実施例である三次元形状測定装置の概略構成図
である。
である。
【図２】実施例の測定座標系の説明図である。
【図３】実施例の濃淡縞パターン投影の概略図である。
【図４】三次元座標の算出法の説明図である。
【図５】変容例である三次元形状測定装置の概略構成図
である。
である。
【符号の説明】 ３ 指標板 ４ ＣＣＤカメラ １０ 制御部 １１ 移動装置 １２ 回転駆動装置 １４ 検出装置 １５ メモリ
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１１年３月１７日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項６
【補正方法】変更
【補正内容】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１３】（６） （５）の三次元形状測定装置にお
いて、前記解析手段は、縞パターン上の点Ｐrkが前記位
置入力手段により入力された点Ｐskで反射して撮像素子
上の画素Ｐckに結像するときの点Ｐskでの接平面Ｐpk を
求める段階と、前記画素Ｐckに隣合う画素Ｐck+1に対応
する測定表面上の点Ｐsk+1が前記接平面Ｐpk 上に近似的
に存在するものとして点Ｐsk+1の座標位置を求める段階
とを持つプログラムを有し、該プログラムを撮像素子上
の全ての画素について順次実行することにより表面形状
を求めることを特徴とする。
いて、前記解析手段は、縞パターン上の点Ｐrkが前記位
置入力手段により入力された点Ｐskで反射して撮像素子
上の画素Ｐckに結像するときの点Ｐskでの接平面Ｐpk を
求める段階と、前記画素Ｐckに隣合う画素Ｐck+1に対応
する測定表面上の点Ｐsk+1が前記接平面Ｐpk 上に近似的
に存在するものとして点Ｐsk+1の座標位置を求める段階
とを持つプログラムを有し、該プログラムを撮像素子上
の全ての画素について順次実行することにより表面形状
を求めることを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１８】このような構成により、ウェハ２の表面中
心がＸＹＺ座標系の原点Ｏ付近に来るように検査ステー
ジ１を移動し、ウェハ２の表面で反射する濃淡縞パター
ンをＣＣＤカメラ４により撮像すると、ウェハ２の表面
形状に応じて変形する濃淡縞パターン像が得られる。
心がＸＹＺ座標系の原点Ｏ付近に来るように検査ステー
ジ１を移動し、ウェハ２の表面で反射する濃淡縞パター
ンをＣＣＤカメラ４により撮像すると、ウェハ２の表面
形状に応じて変形する濃淡縞パターン像が得られる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正内容】
【００２８】次に、画素上の点Ｐckの座標をＸＹＺ座標
系における座標位置で表示する。点ＰckのＸ′Ｙ′座標
系での座標が（ｘck′，ｙck′）であるとすると、ＸＹ
Ｚ座標系での座標（ｘck，ｙck，ｚck）は、ＣＣＤカメ
ラ４の撮像中心点ｏのＸＹＺ座標系での座標が（０，ｏ
y，ｏz）であるから、
系における座標位置で表示する。点ＰckのＸ′Ｙ′座標
系での座標が（ｘck′，ｙck′）であるとすると、ＸＹ
Ｚ座標系での座標（ｘck，ｙck，ｚck）は、ＣＣＤカメ
ラ４の撮像中心点ｏのＸＹＺ座標系での座標が（０，ｏ
y，ｏz）であるから、
【数５】 となる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正内容】
【００３２】また、Ｐckの隣の画素Ｐck+1（ｘck+1，ｙ
ck+1，ｚck+1）とレンズ主点Ｄ（０，ｄy，ｄz）を通る
直線の方程式は、
ck+1，ｚck+1）とレンズ主点Ｄ（０，ｄy，ｄz）を通る
直線の方程式は、
【数１０】 であり、画素Ｐck+1に対応するＰsk+1が近似的に平面Ｐ
pk上に存在すると仮定すると、式（９），（１０）の交
点がＰsk+1（ｘk+1，ｙk+1，ｚk+1）として次式のよう
に求められる。
pk上に存在すると仮定すると、式（９），（１０）の交
点がＰsk+1（ｘk+1，ｙk+1，ｚk+1）として次式のよう
に求められる。
【数１１】
Claims (7)
- 【請求項１】 反射表面を備える測定対象物の表面形状
を測定する三次元形状測定装置において、一方向に正弦
波状の濃淡輝度を持つ縞パターンが平行に形成された縞
パターン板と、前記測定対象物の表面形状に応じた情報
を含んで反射される前記縞パターンを撮像する撮像手段
と、該撮像手段による画像情報に基づいて前記測定対象
物の表面形状を求める形状解析手段と、を備えることを
特徴とする三次元形状測定装置。 - 【請求項２】 請求項１の三次元形状測定装置は、前記
縞パターンの方向が互いに所定の角度をなす２種類とな
るように切換える切換手段と、該切換の前後のそれぞれ
で縞パターンの位相を少なくとも３段階で変化させるた
めに前記測定対象物に対して縞パターンを相対的に移動
する移動手段と、前記切換手段による切換え及び前記移
動手段による移動ごとに前記撮像手段によって撮像され
た縞パターンの画像情報を記憶する記憶手段と、を備
え、前記形状解析手段は該記憶手段に記憶された複数の
画像情報に基づいて表面形状を求めることを特徴とする
三次元形状測定装置。 - 【請求項３】 請求項２の移動手段は、前記縞パターン
を縞ピッチの１／４単位で移動させることを特徴とする
三次元形状測定装置。 - 【請求項４】 請求項２の切換手段は、前記縞パターン
の方向が互いに直交するように配置することを特徴とす
る三次元形状測定装置。 - 【請求項５】 請求項２の三次元形状測定装置におい
て、前記測定対象物の表面上の任意の１点の座標位置を
入力する位置入力手段を備え、前記形状解析手段は、前
記記憶手段に記憶された複数の画像情報に基づいて前記
切換手段により切換えられた縞パターンの２種類の方向
の位相を求め、求められた位相データから前記撮像手段
が持つ撮像素子上の画素と前記縞パターン上の点の対応
付けを行い、前記位置入力手段により入力された位置を
出発点として幾何学的に前記測定対象物の表面形状を求
める解析手段を備えることを特徴とする三次元形状測定
装置。 - 【請求項６】 請求項５の三次元形状測定装置におい
て、前記解析手段は、縞パターン上の点Ｐrkが前記位置
入力手段により入力された点Ｐskで反射して撮像素子上
の画素Ｐckに結像するときの点Ｐskでの接平面Ｐskを求
める段階と、前記画素Ｐckに隣合う画素Ｐck+1に対応す
る測定表面上の点Ｐsk+1が前記接平面Ｐsk上に近似的に
存在するものとして点Ｐsk+1の座標位置を求める段階と
を持つプログラムを有し、該プログラムを撮像素子上の
全ての画素について順次実行することにより表面形状を
求めることを特徴とする三次元形状測定装置。 - 【請求項７】 請求項１の三次元形状測定装置は、半導
体ウエハの平坦度を測定する装置又は被検眼の角膜形状
を測定する眼科装置に適用したことを特徴とする三次元
形状測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8258798A JPH11257930A (ja) | 1998-03-13 | 1998-03-13 | 三次元形状測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8258798A JPH11257930A (ja) | 1998-03-13 | 1998-03-13 | 三次元形状測定装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11257930A true JPH11257930A (ja) | 1999-09-24 |
Family
ID=13778623
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8258798A Withdrawn JPH11257930A (ja) | 1998-03-13 | 1998-03-13 | 三次元形状測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11257930A (ja) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003528303A (ja) * | 2000-03-24 | 2003-09-24 | ソルビション インコーポレイテッド | 物体の三次元検査用多重移相パターンの同時投影装置 |
| JP2006214914A (ja) * | 2005-02-04 | 2006-08-17 | Asahi Glass Co Ltd | 鏡面形状測定方法および装置並びに検査方法および装置 |
| JP2008516245A (ja) * | 2004-10-13 | 2008-05-15 | ソルビジョン インコーポレイティド | 反射物体の高さプロファイル測定方法及びシステム |
| WO2008116917A1 (en) * | 2007-03-28 | 2008-10-02 | S.O.I.Tec Silicon On Insulator Technologies | Method for detecting surface defects on a substrate and device using said method |
| JP2009204343A (ja) * | 2008-02-26 | 2009-09-10 | Panasonic Electric Works Co Ltd | ３次元形状計測方法および装置 |
| JP2010197391A (ja) * | 2009-02-24 | 2010-09-09 | Corning Inc | 鏡面反射面の形状測定 |
| JP2011089981A (ja) * | 2009-09-24 | 2011-05-06 | Kde Corp | 検査システム及び検査方法 |
| JP2011227093A (ja) * | 2006-04-05 | 2011-11-10 | Isra Surface Vision Gmbh | 反射面の形状測定方法及びシステム |
| WO2011155447A1 (ja) * | 2010-06-07 | 2011-12-15 | 旭硝子株式会社 | 形状測定装置、形状測定方法、およびガラス板の製造方法 |
| JP2012512400A (ja) * | 2008-12-19 | 2012-05-31 | アイメス サービシーズ ゲーエムベーハー | 高反射物質あるいは透過性物質の三次元光学測定装置および方法 |
-
1998
- 1998-03-13 JP JP8258798A patent/JPH11257930A/ja not_active Withdrawn
Cited By (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003528303A (ja) * | 2000-03-24 | 2003-09-24 | ソルビション インコーポレイテッド | 物体の三次元検査用多重移相パターンの同時投影装置 |
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| FR2914422A1 (fr) * | 2007-03-28 | 2008-10-03 | Soitec Silicon On Insulator | Procede de detection de defauts de surface d'un substrat et dispositif mettant en oeuvre ledit procede. |
| US7812942B2 (en) | 2007-03-28 | 2010-10-12 | S.O.I. Tec Silicon On Insulator Technologies | Method for detecting surface defects on a substrate and device using said method |
| JP2009204343A (ja) * | 2008-02-26 | 2009-09-10 | Panasonic Electric Works Co Ltd | ３次元形状計測方法および装置 |
| JP2012512400A (ja) * | 2008-12-19 | 2012-05-31 | アイメス サービシーズ ゲーエムベーハー | 高反射物質あるいは透過性物質の三次元光学測定装置および方法 |
| JP2010197391A (ja) * | 2009-02-24 | 2010-09-09 | Corning Inc | 鏡面反射面の形状測定 |
| JP2016040559A (ja) * | 2009-02-24 | 2016-03-24 | コーニング インコーポレイテッド | 鏡面反射面の形状測定 |
| US8441532B2 (en) | 2009-02-24 | 2013-05-14 | Corning Incorporated | Shape measurement of specular reflective surface |
| JP2013040971A (ja) * | 2009-02-24 | 2013-02-28 | Corning Inc | 鏡面反射面の形状測定 |
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| US8089636B2 (en) | 2009-09-24 | 2012-01-03 | Kde Corporation | Inspecting system and inspecting method |
| CN102169095A (zh) * | 2009-09-24 | 2011-08-31 | 凯德易株式会社 | 检查***以及检查方法 |
| WO2011155447A1 (ja) * | 2010-06-07 | 2011-12-15 | 旭硝子株式会社 | 形状測定装置、形状測定方法、およびガラス板の製造方法 |
| JPWO2011155447A1 (ja) * | 2010-06-07 | 2013-08-01 | 旭硝子株式会社 | 形状測定装置、形状測定方法、およびガラス板の製造方法 |
| US9152844B2 (en) | 2010-06-07 | 2015-10-06 | Asahi Glass Company, Limted | Shape measuring device, shape measuring method, and method for manufacturing glass plate |
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|
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